JP2023153612A - Motor control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、誘導電動機に初速がある状態から起動させる際の回転子速度を推定する電動機制御装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a motor control device that estimates a rotor speed when starting an induction motor from a state where it has an initial speed.
電力変換器を用いて電動機を可変速駆動する可変速電動機駆動装置は、各分野に適用されている。電動機の中でも誘導電動機は、構造が比較的簡単で堅牢であることから、幅広く利用されている。加えて、制御装置が万一故障しても、バックアップとして商用電源に直接接続することでも駆動可能であるというメリットもある。 Variable speed motor drive devices that drive motors at variable speeds using power converters are applied to various fields. Among electric motors, induction motors are widely used because they have a relatively simple and robust structure. In addition, even if the control device should fail, there is the advantage that it can be operated by directly connecting to a commercial power source as a backup.
このような誘導電動機を、瞬時停電の後の再起動や、商用運転からの切り替えなど、回転子がフリーラン状態となっている期間に再起動する際には、起動時の機械的ショックを軽減するため、回転子の速度を取得して、出力周波数を回転子速度に一致させて再起動することが望ましい。 When restarting such an induction motor during a period in which the rotor is free-running, such as after a momentary power outage or when switching from commercial operation, the mechanical shock at startup is reduced. Therefore, it is desirable to obtain the rotor speed, match the output frequency to the rotor speed, and restart.
フリーラン中の回転子の速度を得るには、回転子に残留している二次磁束により発生している誘起電圧を用いることが考えられる。残留磁束が微小であっても、回転数が高い状態であれば比較的大きな誘起電圧が得られる。しかしながら、運転停止から長時間経過して二次磁束がゼロ近傍まで減少すると、誘起電圧は観測できなくなる。 In order to obtain the speed of the rotor during free running, it is possible to use the induced voltage generated by the secondary magnetic flux remaining in the rotor. Even if the residual magnetic flux is minute, a relatively large induced voltage can be obtained if the rotational speed is high. However, when the secondary magnetic flux decreases to near zero after a long period of time has passed since the operation was stopped, the induced voltage can no longer be observed.
また、設置環境によっては、スペースの都合上、制御対象の電動機に近接している大電力容量機器の配線等の影響により、電動機の配線に微小な電圧が誘起されることもある。このような電圧が、電動機の残留電圧の振幅より大きく観測される場合には、回転子速度を正しく推定できないおそれもある。 Furthermore, depending on the installation environment, a small voltage may be induced in the wiring of the motor due to the influence of the wiring of large power capacity equipment that is close to the motor to be controlled due to space constraints. If such a voltage is observed to be larger than the amplitude of the residual voltage of the motor, there is a possibility that the rotor speed cannot be estimated correctly.
残留磁束を用いてフリーラン状態の回転子速度を得る方法として、例えば、特許文献1がある。これによると、残留磁束が小さく速度推定が困難と判断されると、電動機に直流電流を印加し、その印加中において、誘導電動機の入力電圧ベクトルを検出又は推定する。そして、電圧ベクトルから誘導電動機の一次抵抗による電圧降下と漏れインダクタンスによる電圧降下とを減算した結果を積分することで二次磁束を得て、3点のベクトルの変化からベクトルの中心を求め、時間経過と位相の関係から回転角周波数を推定する。
As a method of obtaining rotor speed in a free running state using residual magnetic flux, for example, there is
この方法では、回転子が低速で回転している場合には、二次磁束のベクトル軌跡が得られるまでの時間が長くなる。その間に、誘導電動機に直流電流を流したまま時間が経過してしまうため、回転速度に比例したブレーキトルクが発生してしまうと考えられる。 In this method, when the rotor is rotating at a low speed, it takes a long time to obtain the vector locus of the secondary magnetic flux. During this time, time passes while DC current continues to flow through the induction motor, so it is thought that a brake torque proportional to the rotational speed is generated.
このような問題に対し、特許文献2では、印加する直流電流の時間を短縮する手法として、フリーラン状態の誘導電動機に直流電流を流した時の誘起電圧から一次抵抗による電圧降下分を差し引いた値を積分して二次磁束を推定すると共に、二次磁束のq軸成分推定値の2回微分値を用いて回転速度を推定する。誘導電動機を駆動するインバータの動作開始直後にける二次磁束推定値の2回微分値には、回転速度に比例する成分が含まれている。したがって、上記の2回微分値を励磁インダクタンス、二次時定数の逆数、励磁電流の乗算結果で除算することにより、回転速度を推定できる。
To address this problem, in
これらの特許文献に開示された方法は、何れも電動機に電流を流した際に生じる磁束量を用いるので、初期残留磁束がゼロ近傍であることが前提と考えられる。例えば、二次時定数の比較的長い電動機において、フリーラン後に程なく再起動する時など、比較的大きな磁束量が残留している場合にこれらの方法を用いると、速度の推定に用いる磁束情報を得るために印加する電流と、残留している二次磁束とでトルクの乱れが発生するおそれがある。 Since the methods disclosed in these patent documents all use the amount of magnetic flux generated when current is passed through the motor, it is assumed that the initial residual magnetic flux is near zero. For example, when these methods are used when a relatively large amount of magnetic flux remains, such as when a motor with a relatively long secondary time constant is restarted shortly after free-run, the magnetic flux information used for speed estimation can be There is a possibility that torque disturbance may occur due to the current applied to obtain the torque and the remaining secondary magnetic flux.
更に、これらの方法は、回転速度及び回転方向のみを推定しており、残留磁束が比較的大きい状態での再起動時には、残留磁束による誘起電圧と、再起動時の初期電圧との差異に応じたラッシュ電流が流れるおそれがある。 Furthermore, these methods estimate only the rotation speed and rotation direction, and when restarting with relatively large residual magnetic flux, the estimation is performed according to the difference between the induced voltage due to the residual magnetic flux and the initial voltage at restart. There is a risk that a rush current may flow.
電動機のトルク制御等を行っている時には、運転状態とフリーラン状態とを比較的頻繁に切り替える使い方や、フリーラン状態とした後短時間で再起動することも想定される。再起動時の電流乱調を抑えるためには、残留二次磁束による誘起電圧の大きさ、位相を考慮した出力電圧を初期値として印加し、再起動させる必要がある。 When controlling the torque of an electric motor, it is assumed that the operating state and the free run state are switched relatively frequently, or that the motor is restarted in a short time after being set to the free run state. In order to suppress current disturbance during restart, it is necessary to apply an output voltage as an initial value that takes into account the magnitude and phase of the induced voltage due to residual secondary magnetic flux, and restart the system.
残留電圧をトルクの乱れを生じることなく正確に得るには、電力変換器の出力側に電圧検出器を用意することが望ましい。しかしながら、フリーラン後に時間が経過すると残留電圧が減衰し、設置された環境でのノイズ成分より低い誘起電圧になると、速度を正確に推定することが困難となる。 In order to accurately obtain the residual voltage without causing torque disturbance, it is desirable to provide a voltage detector on the output side of the power converter. However, as time passes after the free run, the residual voltage attenuates and the induced voltage becomes lower than the noise component in the installed environment, making it difficult to accurately estimate the speed.
そこで、電力変換器の出力側に電圧検出器を配置する構成において、残留電圧が減衰した場合にも再起動時のショックを最小化し、耐ノイズ性を確保し、運転指令が入力されてから再起動させるまでの時間を短縮化できる電動機制御装置を提供する。 Therefore, in a configuration in which a voltage detector is placed on the output side of the power converter, even if the residual voltage attenuates, the shock at restart is minimized, noise resistance is ensured, and the power converter is restarted after an operation command is input. Provided is a motor control device that can shorten the time required to start up the motor.
実施形態の電動機制御装置は、直流電圧を可変電圧可変周波数の三相交流電圧に変換して誘導電動機に供給する電力変換器と、
前記誘導電動機の相間電圧を2相間以上検出する相間電圧検出部と、
前記誘導電動機の相電流を検出する電流検出部と、
前記相電流の検出値を同期座標軸上に変換した成分が、電流指令値に一致するように電圧指令値を演算する電流調節部と、
前記誘導電動機を、初速が生じている状態から起動させる際に、
前記電流調節部に予め定めた大きさのステップ状の電流指令値を、予め定めた時間与える速度推定用励磁動作を実施し、
前記電力変換器の出力を遮断した後に、前記相間電圧の2相間以上の検出値を用いて前記誘導電動機の回転速度及び回転方向、並びに残留二次磁束の位相を得るための収束演算処理を行ない、前記誘導電動機の制御を再起動させる再起動制御部とを備える。
また、実施形態の電動機制御装置は、上記と同様の電力変換器~電流調節部と、
前記誘導電動機が運転状態においてフリーラン運転停止要求が入力されるか、又は前記誘導電動機を駆動する電力変換器の主回路電位が低下して運転困難と判断されてフリーラン状態に移行すると、前記収束演算処理を常時行うようにしておき、
運転指令が再度入力されるか、又は前記主回路電位が復帰した際には、その時に収束演算処理から得られている回転速度及び回転方向並びに残留二次磁束の位相を用いて、前記誘導電動機の制御を再起動させる再起動制御部とを備える。
The motor control device of the embodiment includes a power converter that converts a DC voltage into a three-phase AC voltage of variable voltage and variable frequency and supplies the voltage to an induction motor;
a phase-to-phase voltage detection unit that detects phase-to-phase voltage of the induction motor between two or more phases;
a current detection unit that detects a phase current of the induction motor;
a current adjustment unit that calculates a voltage command value such that a component obtained by converting the detected value of the phase current onto a synchronous coordinate axis matches the current command value;
When starting the induction motor from a state where an initial speed is generated,
carrying out an excitation operation for speed estimation that gives a step-like current command value of a predetermined magnitude to the current adjustment unit for a predetermined time;
After cutting off the output of the power converter, convergence calculation processing is performed to obtain the rotational speed and rotational direction of the induction motor and the phase of residual secondary magnetic flux using the detected values of the interphase voltage between two or more phases. , and a restart control unit that restarts control of the induction motor.
Further, the motor control device of the embodiment includes a power converter to a current adjustment unit similar to the above,
When the induction motor is in an operating state, when a coast-to-run operation stop request is input, or when the main circuit potential of a power converter that drives the induction motor is lowered and it is determined that operation is difficult and the motor shifts to a coast-to-run state, Make sure to always perform convergence calculation processing,
When the operation command is input again or the main circuit potential is restored, the induction motor and a restart control unit that restarts the control of the controller.
以下、一実施形態について説明する。図1に示すように、三相交流電源1の各相端子は、ダイオードブリッジからなる全波整流回路2の交流入力端子に接続されている。全波整流回路2の直流出力端子間には、平滑コンデンサ3及び電力変換器4が接続されている。インバータである電力変換器4の各相出力端子は、誘導電動機5の各相巻線端子に接続されている。
An embodiment will be described below. As shown in FIG. 1, each phase terminal of a three-phase
再起動制御部である制御装置6は、電力変換器4を制御して、直流電圧を可変電圧可変周波数の三相交流電圧に変換する。電力変換器4のU相、W相出力端子には、電流検出部7U,7Wが配置されており、これらにより検出されるU相、W相電流iu,iwは、UVW/dq変換器8に入力されている。UVW/dq変換器8は、三相電流をベクトル制御におけるdq軸電流に変換して電流調節部9及び速度推定処理部10に入力する。
The
電力変換器4の各相出力端子は、相間電圧検出部11の入力端子に接続されている。相間電圧検出部11は、UV相間電圧vuv及びWV相間電圧vwvを検出し、これらを収束演算処理部12、相間電圧レベル判定部13及び相間電圧位相差判定部14に入力する。ゲート駆動許可信号は、NOTゲート15を介してANDゲート16の一方の入力端子に与えられており、ANDゲート16の他方の入力端子には速度推定動作指令が与えられている。ANDゲート16の出力信号は、収束演算実施指令として収束演算処理部12に入力されている。
Each phase output terminal of the
収束演算処理部12は、入力された相間電圧に対し、後述する収束演算処理を行うことで、二次磁束指令値初期値φrd_ref_Init、速度指令初期値ωre_ref_Init及び出力電圧位相初期値θre_Initを生成して出力する。二次磁束指令値初期値φrd_set_Initは磁束/電流指令生成部17に入力され、速度指令初期値ωre_ref_Initは速度指令生成部18に入力される。出力電圧位相初期値θre_Initは積分器27に入力される。
The convergence
相間電圧レベル判定部13は、入力された相間電圧を閾値と比較した判定結果OK/NGを再起動処理部19に出力する。相間電圧位相差判定部14は、入力された相間電圧間の位相差を閾値と比較した判定結果OK/NGを再起動処理部19に出力する。
The phase-to-phase voltage
また、磁束/電流指令生成部17には、二次磁束目標値φrd_setと、二次磁束指令値初期値φrd_ref_Initとが入力されている。磁束/電流指令生成部17は、これらの入力値に基づいて、d軸電流目標値isd_set,後述するようにフィルタリングした二次磁束目標値φrd_set_Filt、フィルタリングしたd軸電流目標値isd_set_Filt,を生成して出力する。また、二次磁束目標値φrd_setをそのまま出力する。
Further, the magnetic flux/current
また、速度指令生成部18には、速度目標値ωre_setが入力されている。速度指令生成部18は、これらの入力値に基づいて速度指令値ωre_refを生成し、速度制御部20に出力する。速度制御部20には、速度推定処理部10より出力される速度推定値ωre_estが入力されている。
Further, the speed target value ω re_set is input to the speed
また、再起動処理部19には、運転指令「ON/OFF」、起動前速度推定動作「Type1/Type2/無効」、起動前速度推定動作==Type2用動作「有効/無効」、起動前用励磁動作「有効/無効」が入力されている。再起動処理部19は、これらの入力信号に基づいて、速度推定用励磁動作指令「ON/OFF」、起動前用励磁動作指令「ON/OFF」、速度制御動作指令「ON/OFF」、速度推定動作指令「ON/OFF」、速度推定用励磁電流設定imag_1、スイッチ設定選択、といった各信号を生成して出力する。速度推定用励磁動作指令、起動前用励磁動作指令及び速度制御動作指令は、3入力ORゲート21の入力端子に与えられる。ORゲート21の出力信号は、電力変換器4及びNOTゲート15にゲート駆動許可信号として入力される。
In addition, the
電流調節部9の2つの入力端子には、それぞれ切替スイッチ22,23が接続されている。切替スイッチ22の可動接点は、上述のスイッチ設定選択により固定接点ABと固定接点CDとに切替えられる。固定接点ABには速度推定用励磁電流設定imag_1が与えられ、固定接点CDには、d軸電流目標値isd_setがimag_2として与えられている。固定接点に付されているA,B,C,Dの記号は、図9、図13に示される制御装置の処理において選択するスイッチの接点記号を意味する。
Changeover switches 22 and 23 are connected to two input terminals of the
切替スイッチ23の可動接点は、スイッチ設定選択により固定接点ABCと固定接点Dとに切替えられる。固定接点ABCにはゼロ値が与えられ、固定接点Dには速度制御部20の出力信号が与えられている。切替スイッチ22,23を介して電流調節部9に入力される信号は、それぞれD軸電流指令isd_ref、Q軸電流指令isq_refとなる。
The movable contacts of the
Q軸電流指令isq_refは、すべり演算部24に入力されている。また、すべり演算部24には、二次磁束指令φrd_refが入力されている。すべり演算部24は、これらの入力値に基づいて誘導電動機5のすべり周波数ωslipを演算し、加算器25に出力する。加算器25には、切替スイッチ26の可動接点が接続されており、その可動接点は、スイッチ設定選択により固定接点A,BC,Dに切り替えられる。固定接点Aにはゼロ値が与えられ、固定接点BCには速度指令初期値ωre_ref_Initが与えられ、固定接点Dには速度推定値ωre_estが与えられている。
The Q-axis current command i sq_ref is input to the slip calculation section 24 . Further, a secondary magnetic flux command φ rd_ref is input to the slip calculation unit 24 . The slip calculation unit 24 calculates the slip frequency ω slip of the
加算器25の加算結果は、出力周波数ωstatとして積分器27に入力されている。積分器27の積分結果は、出力電圧位相θre_cとしてUVW/dq変換器8及びdq/UVW変換器28に入力されている。電流調整部9には、UVW/dq変換器8よりD、Q軸電流id,iqが入力されている。電流調整部9は、入力される電流指令値と電流id,iqとの差に対して例えば比例積分演算を行うことで補償電圧を生成し電圧演算部29に出力する。電圧演算部29は、補償電圧と、誘導電動機の式に基づいて電圧指令vsd_ref,vsq_refを生成してdq/UVW変換器28に出力する。dq/UVW変換器28は入力された電圧指令を三相電圧指令に変換すると共に、PWM信号を生成して電力変換器4に出力する。
The addition result of the
図2は、収束演算処理部12の内部構成を示す機能ブロック図である。相間電圧vuv,vwvは、UV,WV/UVW変換器31により三相電圧に変換されると、更にUVW/αβ変換器32、αβ/dq変換器33を介してd軸電圧vdc,q軸電圧vqcに変換される。これらの電圧vdc,vqcは、誤差演算器34及び2乗和演算器35に入力される。誤差演算器34では、(8)式により位相誤差θerrが演算される。位相誤差θerrは、符号器36により符号(-)が付されて、ゲイン付与器37P,37Iにより比例ゲインKP_PLL、KI_PLLが乗じられる。
FIG. 2 is a functional block diagram showing the internal configuration of the convergence
ゲイン付与器37Pの出力端子は切替スイッチ38PのSTART側固定接点に接続され、ゲイン付与器37Iの出力端子は、Δt付与器39を介して切替スイッチ38IのSTART側固定接点に接続されている。スイッチ38の固定接点STOP側にはゼロ値が付与されている。スイッチ38Pの可動接点は、加算器41の一方の入力端子に接続されている。スイッチ38Iの可動接点は、もう1つの加算器40を介して加算器41の他方の入力端子に接続されている。
The output terminal of the
加算器40の出力信号は、単位遅延素子42を介して加算器40の加算値入力にフィードバックされている。切替スイッチ38の切り替えは、収束演算実施指令信号によって行われる。
The output signal of the
加算器41の出力信号は、推定速度ωre_est_PLLとなり、Δt付与器43を介して加算器44に入力される。加算器44の出力信号は、推定位相θre_est_PLLとなってαβ/dq変換器33に入力されていると共に、出力電圧位相初期値θre_Initとなって外部に出力される。また、加算器44の出力信号は、単位遅延素子45を介して加算器44の加算値入力にフィードバックされている。推定速度ωre_est_PLLは除算器46の入力Bに入力されていると共に、速度指令初期値ωre_ref_Initとして外部に出力される。除算器46には入力Aには、2乗和演算器35の出力信号が入力されている。除算器46は、除算結果A/Bを二次磁束指令初期値φrd_ref_Initとして外部に出力される。
The output signal of the
次に、本実施形態における速度の推定方法について説明する。誘導電動機の回転子磁束は、ベクトル制御が行われている場合、図3に示すように、磁束の方向をM軸と定め、そこから90度進んだ位相をT軸と定めると、誘起電圧はT軸方向に生じる。実際の回転子速度;電気角に相当するθreの積分値を、M軸方向を表す位相;位置情報とする。M軸は磁束方向となるのでθfluxとする。 Next, a method for estimating speed in this embodiment will be explained. When the rotor magnetic flux of an induction motor is subjected to vector control, as shown in Fig. 3, if the direction of the magnetic flux is defined as the M-axis and the phase advanced by 90 degrees from there is defined as the T-axis, the induced voltage is Occurs in the T-axis direction. The integral value of θ re, which corresponds to the actual rotor speed and electrical angle, is taken as the phase and position information representing the M-axis direction. Since the M axis is the direction of magnetic flux, it is assumed to be θ flux .
初速を有した回転子の速度および残留磁束方向を推定するために、まず、推定のM-T同期座標軸に相当するD-Q同期座標軸を定義する。図4は、制御器内で演算される推定のD-Q同期座標軸と実際の電動機におけるM-T同期座標軸の関係を示している。D-Q同期座標軸は、現在認識している推定速度をωre_est_PLL、及びその時間積分値に相当する推定位相θre_est_PLLの方向をD軸と定める。 In order to estimate the speed and residual magnetic flux direction of a rotor having an initial speed, first, a DQ synchronous coordinate axis corresponding to the estimated MT synchronous coordinate axis is defined. FIG. 4 shows the relationship between the estimated DQ synchronous coordinate axes calculated within the controller and the MT synchronous coordinate axes in the actual motor. The DQ synchronization coordinate axis defines the currently recognized estimated speed as ω re_est_PLL and the direction of the estimated phase θ re_est_PLL corresponding to its time integral value as the D axis.
誘起電圧を観測し、推定位相θre_est_PLLを用いてD-Q同期座標軸に変換する。D-Q同期座標軸の値として、D、Q軸成分であるvdc、vqcが得られる。M-T同期軸とD-Q同期軸が一致している場合はvqcのみが得られるので、vdcが0になるように速度推定を実施すればよい。 The induced voltage is observed and converted to the DQ synchronous coordinate axes using the estimated phase θ re_est_PLL . D and Q axis components v dc and v qc are obtained as values of the DQ synchronous coordinate axes. If the MT synchronization axis and the DQ synchronization axis match, only v qc can be obtained, so speed estimation may be performed so that v dc becomes 0.
次に、収束演算処理部12の上記の演算処理について説明する。相間電圧vuv、vwvの検出は、V相電位を基準にU、W相の電位を検出することになる。
Next, the above calculation processing of the convergence
電圧(vα,vβ)を、推定された回転子速度ωre_est_PLLの時間積分値に相当する位置情報θre_est_PLLを用いた変換式により、同期座標軸上の電圧値(vdc,vqc)に変換する。 The voltages (v α , v β ) are converted into voltage values (v dc , v qc ) on the synchronous coordinate axes using a conversion formula using position information θ re_est_PLL corresponding to the time integral value of the estimated rotor speed ω re_est_PLL . Convert.
この推定動作の目的は、演算器内で演算される推定のM-T同期座標軸であるD-Q同期座標軸を、実際の電動機におけるM-T同期座標軸に一致させることである。θre_est_PLLとθfluxとの間に誤差が無い場合は、誘起電圧はQ軸成分のみが観測される。D-Q同期座標軸が、実際の電動機におけるM-T同期座標軸より進み方向に誤差θerrを生じている場合は、制御器内のD軸成分として正の値が観測される。θre_est_PLLとθfluxとの誤差が小さい場合は、誘起電圧は以下の様な近似式が使用できる。 The purpose of this estimation operation is to make the DQ synchronous coordinate axis, which is the estimated MT synchronous coordinate axis calculated in the calculator, match the MT synchronous coordinate axis of the actual motor. If there is no error between θ re_est_PLL and θ flux , only the Q-axis component of the induced voltage is observed. If the DQ synchronous coordinate axis has an error θ err in the advancing direction than the MT synchronous coordinate axis in the actual motor, a positive value is observed as the D-axis component in the controller. If the error between θ re_est_PLL and θ flux is small, the following approximate expression can be used for the induced voltage.
PLL(Phase Locked Loop)トラッキング動作を、図2に示すようにPI制御により行う。図4に示されるように、推定のD-Q同期座標軸が、実際の電動機におけるM-T同期座標軸よりθerrだけ進み方向にあるので、推定のD-Q同期座標軸をM-T同期座標軸に近づけるため、θerrの符号を変えてPI補償を行う。 A PLL (Phase Locked Loop) tracking operation is performed by PI control as shown in FIG. As shown in Fig. 4, the estimated DQ synchronous coordinate axis is in the forward direction of the MT synchronous coordinate axis in the actual motor by θ err , so the estimated DQ synchronous coordinate axis is aligned with the MT synchronous coordinate axis. In order to get closer, PI compensation is performed by changing the sign of θ err .
KP_PLL=2ζωPLL,KI_PLL=ωPLL
2 …(10)
K P_PLL =2ζω PLL , K I_PLL =ω PLL 2 ...(10)
尚、ζは減衰比である。2乗和演算器35では、検出電圧の大きさ|vdq|を算出して相間電圧レベル判定部13へ伝達し、予め定めた電圧判定値より低い場合は、残留電圧を用いた速度推定が安定して実施できないと判断し、NGとする。尚、電圧の大きさは、αβ静止軸上の成分から算出しても良い。
Note that ζ is a damping ratio. The sum of
検出した相間電圧vuv、vwvに、誘導電動機に発生する残留磁束による誘起電圧が観測されている場合、2相の相間電圧の間には、理想的には60度の位相差が生じている。誘起電圧の振幅が小さくなり検出オフセット量との差異がなくなった場合や、ノイズの大きさより誘起電圧の振幅が小さくなった場合には、位相差は60度から大きくかけ離れた値になる。相間電圧位相差判定部14がその状態を検知した場合には、2相線間電圧を用いた速度推定が安定に推定できないと判断し、NGとする。
If an induced voltage due to the residual magnetic flux generated in the induction motor is observed in the detected phase-to-phase voltages v uv and v wv , ideally a phase difference of 60 degrees will occur between the phase-to-phase voltages of the two phases. There is. When the amplitude of the induced voltage becomes small and there is no difference from the detected offset amount, or when the amplitude of the induced voltage becomes smaller than the size of noise, the phase difference becomes a value far away from 60 degrees. When the inter-phase voltage phase
図5は、相間電圧位相差判定部14で実施される位相差を検出する方法の概要を示している。WV相の極性が切り替わる時に、CounterValをリセットすることとする。
CNT_A:WV間とUV間の立ち上がりタイミングの時間差
CNT_B:UV間の立ち上がりとWV間の立下りタイミングの時間差
となるように、算出した場合を示している。符号認識の初期値を、検出電圧値の符号に一致させて推定動作を開始すれば、図5に示すように、1回目のWV相の極性切り替わりにおいて、CounterValが0にリセットされ、2回目の極性切り替わりまでのカウント値がCNT_Aに保存される。
FIG. 5 shows an outline of a method for detecting a phase difference carried out by the phase-to-phase voltage phase
CNT_A: Time difference between rising timings between WV and UV; CNT_B: Time difference between rising timing between UV and falling timing between WV. If the initial value of sign recognition is made to match the sign of the detected voltage value and the estimation operation is started, CounterVal is reset to 0 at the first WV phase polarity switching, and the second The count value up to polarity switching is stored in CNT_A.
しかしこの時には、CNT_Bはまだ保存されておらず初期値0であるため、正しく位相Phaseを計算することはできない。3回目の極性切り替わりにおいて、「CNT_A+CNT_B」に相当する「CNT_(A+B)」が保存され、先に得られているCNT_Aを用いてCNT_Bを算出できる。
CNT_B=CNT_(A+B)-CNT_A
よって、2回目の極性切り替わりから3回目の極性切り替わりまでの位相(UVの立ち上がりからWVの立下りの間)が以下の式で算出される。
Phase=180×CNT_B/CNT_(A+B)
However, at this time, since CNT_B has not yet been saved and has an initial value of 0, the phase cannot be calculated correctly. At the third polarity switch, "CNT_(A+B)" corresponding to "CNT_A+CNT_B" is saved, and CNT_B can be calculated using the previously obtained CNT_A.
CNT_B=CNT_(A+B)-CNT_A
Therefore, the phase from the second polarity switch to the third polarity switch (between the rising edge of UV and the falling edge of WV) is calculated using the following formula.
Phase=180×CNT_B/CNT_(A+B)
4回目の極性切り替わり時には、3回目の極性切り替わりで得られたCNT_Bを使用すれば、CNT_(A+B)は、次の式で得られるので、
CNT_(A+B)=CNT_A+CNT_B
3回目の極性切り替わりから4回目の極性切り替わりまでの位相、つまりUVの立ち下がりからWVの立上がりの間が以下の式で算出される。
Phase=180×CNT_A/CNT_(A+B)
上記の繰り返しの処理を実施することにより、図中の3回目の極性切り替わりから位相差を正しく認識できるようになる。3回目に120[deg]、4回目に60[deg]、5回目に120[deg]というように、2つの値が交互に得られる動作となる。
When the polarity switches for the fourth time, if CNT_B obtained from the third polarity switch is used, CNT_(A+B) can be obtained by the following formula.
CNT_(A+B)=CNT_A+CNT_B
The phase from the third polarity switch to the fourth polarity switch, that is, the period from the fall of UV to the rise of WV, is calculated using the following formula.
Phase=180×CNT_A/CNT_(A+B)
By performing the above-described repeated processing, it becomes possible to correctly recognize the phase difference from the third polarity switch in the figure. The operation is such that two values are obtained alternately, such as 120 [deg] in the third time, 60 [deg] in the fourth time, and 120 [deg] in the fifth time.
次に、フリーラン状態のモータに直流励磁を行うことで二次磁束が生成される原理について説明する。誘導電動機の数式モデルは以下のように表現できる。 Next, the principle of generating secondary magnetic flux by applying DC excitation to a free-running motor will be explained. The mathematical model of an induction motor can be expressed as follows.
isq[A]:一次電流のQ軸成分 σLs[H]:一次インダクタンス
φrd[Wb]:二次磁束のD軸成分 M[H]:相互インダクタンス
φrq[Wb]:二次磁束のQ軸成分 Lr[H]:二次インダクタンス
直流励磁を行う場合には、制御上の位相θre=0,すなわち固定位相として、D-Q同期軸上にて電流制御を実施する。回転子が停止している場合にはωre=0であり、印加する電流の指令値はステップ状に与えられる直流量であるので、出力周波数である一次周波数ωstatも、ωstat=0と考え、ωre=ωstat=0の場合はすべり周波数も0として扱うこととする。また、電流制御器の応答は、二次時定数より十分に速く設定されているので、電流指令値通りの電流値になるように電圧指令が与えられると考えて良い。すなわち、指令電流isdは一定である。 When DC excitation is performed, current control is performed on the DQ synchronization axis with the control phase θ re =0, that is, a fixed phase. When the rotor is stopped, ω re =0, and the command value of the applied current is a DC amount given in steps, so the primary frequency ω stat , which is the output frequency, is also ω stat =0. Considering that, when ω re =ω stat =0, the slip frequency is also treated as 0. Furthermore, since the response of the current controller is set to be sufficiently faster than the secondary time constant, it can be considered that the voltage command is given so that the current value matches the current command value. That is, the command current i sd is constant.
上記のように考えると、直流励磁を実施時の誘導電動機の式は、以下のように表現できる。 Considering the above, the equation of the induction motor when DC excitation is performed can be expressed as follows.
電流値については、電流制御により二次磁束の変化に対して十分早く、ほぼステップ状にD軸にのみ一定値isdとして与えられる。(13)式に示すD軸成分の式より、二次磁束初期値をφrd(0)=0としてラプラス変換すると、以下のようになる。 The current value is given as a constant value i sd only to the D-axis in an almost step-like manner, sufficiently early in response to changes in the secondary magnetic flux by current control. From the equation of the D-axis component shown in equation (13), when the initial value of the secondary magnetic flux is set to φ rd (0)=0 and Laplace transform is performed, the following is obtained.
これから、D軸への電流印加によって、電流値に比例した二次磁束を最終値として、二次時定数の一次遅れ応答として立ち上がることが分かる。無負荷電流相当の電流値を電流指令として与えた場合には、二次磁束は凡そ定格磁束相当になる。Q軸成分については、Q軸電流は0に制御されているので、φrq=0となる。この時の電圧指令値を1行目と2行目より整理すると、D軸電圧指令値は以下のようになる。尚、Q軸側の指令値はisq=0なので省略する。 From this, it can be seen that by applying a current to the D axis, the secondary magnetic flux proportional to the current value rises as a final value as a first-order delayed response of a second-order time constant. When a current value equivalent to a no-load current is given as a current command, the secondary magnetic flux becomes approximately equivalent to the rated magnetic flux. Regarding the Q-axis component, since the Q-axis current is controlled to 0, φ rq =0. If the voltage command value at this time is organized from the first and second lines, the D-axis voltage command value is as follows. Note that the command value on the Q-axis side is omitted because i sq =0.
これより、二次磁束φrdがMisdの値に到達するまでは、第2項の分が正の値として生じることから、巻線抵抗により降下する電圧分Rsisdより大きな電圧値が電圧指令として印加されることが分かる。 From this, until the secondary magnetic flux φ rd reaches the value of Mi sd , the second term is generated as a positive value, so the voltage value larger than the voltage drop R s i sd due to the winding resistance is It can be seen that it is applied as a voltage command.
次に、回転子に初速がある場合について示す。回転子が停止していないのでωre≠0である。印加する電流の指令値はステップ状に与えられる直流量であるので、出力周波数である一次周波数はωS=0と考え、すべり周波数ωslipは、回転子速度に絶対値が等しく極性が逆であると考えられる。すなわち、ωslip=-ωreである。また、停止しているときと同様に、電流制御器の応答は二次時定数より十分に速く設定されているので、電流指令値通りの電流値になるように電圧指令が与えられると考えて良い。すなわち、指令電流isdは一定である。 Next, the case where the rotor has an initial speed will be described. Since the rotor is not stopped, ω re ≠0. Since the command value of the current to be applied is a DC amount given in steps, the primary frequency, which is the output frequency, is considered to be ω S =0, and the slip frequency ω slip has an absolute value equal to the rotor speed and a reverse polarity. It is believed that there is. That is, ω slip =−ω re . Also, like when it is stopped, the response of the current controller is set sufficiently faster than the secondary time constant, so it is assumed that the voltage command is given so that the current value matches the current command value. good. That is, the command current i sd is constant.
上記のように考えると、誘導電動機の式は、以下のように表現できる。 Considering the above, the equation for the induction motor can be expressed as follows.
(22)式についてラプラス変換する。電流値は、電流制御により二次磁束の変化に対しては略ステップ状に、D軸にのみ一定値isdとして与えられ、回転速度も一定であるとし、二次磁束の初期値を0とすると以下のように整理できる。 Laplace transform is applied to equation (22). The current value is given as a constant value i sd only to the D-axis by current control in a substantially step manner in response to changes in the secondary magnetic flux, the rotation speed is also constant, and the initial value of the secondary magnetic flux is set to 0. Then, it can be organized as follows.
これを具体的に計算すると、以下のようになる。
A concrete calculation of this is as follows.
時刻t=t1にて電流印加を終えたとすると、その時に回転子に生成されている二次磁束は、以下のように示される。 Assuming that the current application is finished at time t=t1, the secondary magnetic flux generated in the rotor at that time is shown as follows.
回転子速度は未知数であるが、二次時定数に関してはオフラインチューニング等で得られるので、電流を印加する時間を二次時定数依存で決定することが望ましい。印加する時間の目安としては、回転子が停止している際の磁束の挙動を考えると、(30)式にてωre=0とすれば良いので、 Although the rotor speed is an unknown quantity, the second-order time constant can be obtained by off-line tuning, etc., so it is desirable to determine the time for applying current depending on the second-order time constant. As a guideline for the application time, considering the behavior of the magnetic flux when the rotor is stopped, it is sufficient to set ω re =0 in equation (30).
これは、回転子が停止しているとして求めた磁束の挙動である数式(17)に一致する。回転子速度が0の場合に、磁束のレベルをどの程度まで生成させるかは、印加する時間と印加する電流値で調整できることが分かる。これらの量を予め設定しておく。
次に、電圧指令値の初期値の具体的な算出方法について説明する。(11)式より、定定常項のみとし、左辺に電圧を表記すると、
This corresponds to Equation (17), which is the behavior of the magnetic flux obtained assuming that the rotor is stopped. It can be seen that when the rotor speed is 0, the level of magnetic flux to be generated can be adjusted by the application time and the applied current value. These amounts are set in advance.
Next, a specific method of calculating the initial value of the voltage command value will be explained. From equation (11), if we take only the stationary term and write the voltage on the left side, we get
これより、残留二次磁束の大きさは、以下のように求められる。
From this, the magnitude of the residual secondary magnetic flux is determined as follows.
・条件1:速度制御として再起動する場合を想定し、初期トルク指令を0として、トルク電流であるQ軸電流isqの初期値は0と考える。
・条件2:残留二次磁束は定格磁束より低い状態から再起動させることとする。すなわち、励磁電流isdは、残留二次磁束と同等の磁束を生成する励磁電流となるように初期値を設定する。
- Condition 1: Assuming a case of restarting as speed control, the initial torque command is set to 0, and the initial value of the Q-axis current i sq , which is the torque current, is considered to be 0.
・Condition 2: The residual secondary magnetic flux shall be restarted from a state lower than the rated magnetic flux. That is, the initial value of the excitation current i sd is set so that it becomes an excitation current that generates a magnetic flux equivalent to the residual secondary magnetic flux.
フリーラン状態の電動機を再起動させる際、残留二次磁束による誘起電圧を使用した収束演算処理の結果として、回転子角速度ωre_estの初期値となる回転子速度指令の初期値ωre_est_Initと、出力電圧位相θre_cの初期値となる二次磁束の位相θre_Initが求められる。 When restarting a motor in a free-running state, as a result of convergence calculation processing using the induced voltage due to residual secondary magnetic flux, the initial value ω re_est_Init of the rotor speed command, which becomes the initial value of the rotor angular velocity ω re_est , and the output The phase θ re_Init of the secondary magnetic flux, which is the initial value of the voltage phase θ re_c , is determined.
電圧検出値から誘起電圧の大きさが求められ、回転子速度指令の初期値にはωre_ref_Initを使用し、二次磁束指令値の初期値φrd_ref_Initを次のように得ることができる。 The magnitude of the induced voltage is determined from the voltage detection value, and using ω re_ref_Init as the initial value of the rotor speed command, the initial value φ rd_ref_Init of the secondary magnetic flux command value can be obtained as follows.
また、起動時に流す電流値に関しては、二次磁束を収束演算処理にてD軸側にトラッキングできている条件であれば、残留二次磁束相当を生成するD軸電流isd_ref_Initは以下のように算出できる。
isd_ref_Init=φrd_ref_Init/M …(39)
Regarding the current value to flow at startup, if the secondary magnetic flux can be tracked to the D-axis side by convergence calculation processing, the D-axis current i sd_ref_Init that generates the residual secondary magnetic flux is as follows. It can be calculated.
i sd_ref_Init =φ rd_ref_Init /M…(39)
これらの値を用いて、再起動時の出力電圧指令値は以下のように算出することができる。起動直後のトルク指令は0とするのでトルク電流isqは0であり、すべり周波数も0となるので、出力周波数ωstatは、速度指令値初期値ωre_ref_Initと同値になることを勘案すると、以下のように与えれば良い。 Using these values, the output voltage command value at restart can be calculated as follows. Since the torque command immediately after startup is 0, the torque current i sq is 0, and the slip frequency is also 0. Considering that the output frequency ω stat will be the same value as the initial speed command value ω re_ref_Init , the following is obtained. You can give it like this.
初期値を与えた後、D軸電流については、電動機の定格磁束相当の磁束で制御される場合は、例えば漏れ時定数Tleak相当のフィルタを通した電流指令isd_set_Filtとして、定格磁束を生成するレベルのD軸電流を与えれば不要な振動要素を排除できる。再起動直後のフィルタの初期値は先に示したisd_ref_Initとすれば良い。尚、Tcは制御周期である。 After giving the initial value, if the D-axis current is controlled with a magnetic flux equivalent to the rated magnetic flux of the motor, the rated magnetic flux is generated, for example, as a current command i sd_set_Filt that passes through a filter equivalent to the leakage time constant T leak . By applying a level D-axis current, unnecessary vibration elements can be eliminated. The initial value of the filter immediately after restarting may be the i sd_ref_Init shown above. Note that Tc is the control period.
二次磁束の指令値に関しては、再始動時に磁束を目標磁束としないので、二次時定数Tr相当で徐々に定格磁束に到達させる挙動とさせる場合には、磁束指令値として、二次時定数Tr相当のフィルタを通した二次磁束指令φrd_set_Filtを用いれば、不要な振動を誘発しない。再起動直後のフィルタの初期値は先に示したφrd_ref_Initとすれば良い。 Regarding the command value of the secondary magnetic flux, since the magnetic flux is not set as the target magnetic flux at the time of restart, if the behavior is to gradually reach the rated magnetic flux at a time equivalent to the secondary time constant T r , the magnetic flux command value should be set to By using the secondary magnetic flux command φ rd_set_Filt passed through a filter equivalent to the constant T r , unnecessary vibrations are not induced. The initial value of the filter immediately after restarting may be the above-mentioned φrd_ref_Init .
こうして得られた二次磁束指令と、D軸電流指令とから電圧指令を算出する。回転子速度相当の値は、センサンサレスベクトル制御における速度推定値から得られたωre_estを用いれば良い。その初期値としては、収束演算処理部における推定速度ωre_est_PLLの最終値である速度指令初期値ωre_ref_Initを用いると良い。更に、速度制御より得られたトルク指令からQ軸電流指令が与えられた場合には、Q軸電流指令の成分についてもD軸電流と同様に加算する。Q軸電流が生じると一次周波数はすべり周波数が足された値であるωstatにしておく必要がある。 A voltage command is calculated from the thus obtained secondary magnetic flux command and the D-axis current command. As the value equivalent to the rotor speed, ω re_est obtained from the speed estimation value in sensorless vector control may be used. As the initial value, it is preferable to use the speed command initial value ω re_ref_Init , which is the final value of the estimated speed ω re_est_PLL in the convergence calculation processing section. Furthermore, when a Q-axis current command is given from a torque command obtained from speed control, the component of the Q-axis current command is also added in the same way as the D-axis current. When a Q-axis current occurs, the primary frequency needs to be set to ω stat , which is the sum of the slip frequency.
図7に、電圧指令の初期値、その後の電圧指令を上記のように与えて再起動させた例を示す。トルク電流が全く乱れずショックのない再起動ができていることが分かる。 FIG. 7 shows an example in which the initial value of the voltage command and subsequent voltage commands are given as described above and restarted. It can be seen that the torque current is completely undisturbed and a shock-free restart is possible.
次に、電流の印加時間の設定について説明する。(25)式から、直流励磁実施時の二次磁束の挙動を求めるために、3行目を書き出すと、 Next, setting of the current application time will be explained. From equation (25), write out the third line to find the behavior of the secondary magnetic flux when DC excitation is performed.
この式は、Misdを入力とする時定数Trの一次遅れフィルタと同一である。 This equation is the same as a first-order lag filter with a time constant T r whose input is M sd .
電流調節部9においてisdを一定に制御している時の磁束の変化は以下の式で得ることができる。Tcを制御周期として離散時間表記すると(43)式と同等になる。
The change in magnetic flux when i sd is controlled to be constant in the
図8に示すように、φrd_set_Filtの初期値は、(38)式に示される値と同等で良い。isd_setを印加しながら(48)式に示される二次磁束φrd_set_Filtを計算し、その値が二次磁束の指令値φrd_setに到達するまでの時間Tmag_2、isd_setを印加すれば良い。印加する電流isd_setに無負荷電流相当を設定すれば、二次磁束の増加は二次時定数相当の時間を要する。しかし、無負荷電流より大きくすれば、磁束が目標値に到達する時間は短くできるので、起動までの遅れを短縮することができる。 As shown in FIG. 8, the initial value of φrd_set_Filt may be equal to the value shown in equation (38). The secondary magnetic flux φ rd_set_Filt shown in equation (48) is calculated while applying i sd_set , and the time T mag_2 and i sd_set are applied until the value reaches the command value φ rd_set of the secondary magnetic flux. If the applied current i sd_set is set to be equivalent to a no-load current, the increase in secondary magnetic flux requires time equivalent to a secondary time constant. However, if the no-load current is made larger than the no-load current, the time for the magnetic flux to reach the target value can be shortened, so the delay until startup can be shortened.
次に、本実施形態の作用について説明する。図9に示すフローチャートには、運転指令OFFの状態から運転指令ONに切り替わり、再起動の要求を受けた際の、再起動処理部における処理を示している。また、図13に示すフローチャートには、運転指令ONの状態から運転指令OFFに切り替わり、フリーラン、つまり電力変換器出力OFFとなった際の、再起動処理部における処理を示している。 Next, the operation of this embodiment will be explained. The flowchart shown in FIG. 9 shows the processing in the restart processing section when the operation command is switched from the operation command OFF state to the operation command ON and a restart request is received. Further, the flowchart shown in FIG. 13 shows the processing in the restart processing section when the state of the driving command ON is switched to the driving command OFF, and the state is free run, that is, the power converter output is turned OFF.
これらのフローチャート内において、速度推定用励磁動作には2つのタイプを設けている。「速度推定用励磁動作Type2」は、運転指令OFFとなった後のフリーラン状態において、相間電圧が閾値より小さいことが検知された場合、または、相間電圧の位相差が閾値よりも小さいことが検知された場合に、速度推定が実施できないと判断されると、速度推定用の励磁動作を自動的に行うことで、再度速度推定を行えるように動作する。一方、「速度推定用励磁動作Type1」は、Type2の機能を有さず、速度推定が実施できないと判断された際には、励磁動作を自動的に行うことを実施せず、速度推定を終了し運転指令ONの待機状態となる。励磁動作は、運転指令ONを受けた後に行う。
In these flowcharts, two types of excitation operations for speed estimation are provided. "Speed estimation
運転指令OFFの状態から運転指令ONに切り替わった際のフローについて、図9を用いて説明する。初期状態は、再起動処理部19が出力する指令が全てOFFである。先ず、再起動処理部19は、以下の条件1が成立しているか否かを判断する(S1)。
{(起動前速度推定動作==Type1)or
(起動前速度推定動作==Type2)and(速度推定動作カウンタ==0)}
条件1が成立しなければ(no)ステップS13に移行し、条件1が成立すれば(yes)以下の条件2が成立しているか否かを判断する(S2)。
{(速度推定用励磁動作==有効)and
(相間電圧レベル判定==NG)or(相間電圧位相差判定==NG)}
尚、NGは各検出が閾値よりも小さいことを示す。
The flow when the driving command is switched from the driving command OFF state to the driving command ON will be explained using FIG. 9 . In the initial state, all commands output by the
{(Pre-startup speed estimation operation==Type1)or
(Pre-startup speed estimation operation==Type2) and (speed estimation operation counter==0)}
If
{(Excitation operation for speed estimation == valid) and
(Phase-to-phase voltage level judgment ==NG) or (Phase-to-phase voltage phase difference judgment ==NG)}
Note that NG indicates that each detection is smaller than the threshold value.
条件2が成立しなければ(no)ステップS8に移行し、条件2が成立すれば(yes)以下の処理A1を実行する(S3)。
スイッチ設定選択 :A
速度推定用励磁時間設定:Timer=Tmag_1
速度推定用励磁電流設定:isd_ref=Imag_1(isq_ref=0)
速度推定用励磁動作指令:ON
そして、ステップS6でΔtだけ減算したTimerがゼロになるまでの間(S4;yes)電流印加処理を行う(S5)。
If
Switch setting selection: A
Excitation time setting for speed estimation: Timer=T mag_1
Excitation current setting for speed estimation: i sd_ref =I mag_1 (i sq_ref =0)
Excitation operation command for speed estimation: ON
Then, the current application process is performed until the Timer subtracted by Δt in step S6 becomes zero (S4; yes) (S5).
Timerがゼロになると(S4;no)、処理A2として速度推定用励磁動作指令をOFFにし(S7)、続いて以下の処理B1を実行する(S8)。
速度推定用時間設定:Timer=Tspdest
速度推定動作指令 :ON
続くステップS9~S11では、ステップS4~S6と同様にして、速度推定処理部10が速度推定処理を行う(S10)。
When the Timer becomes zero (S4; no), the excitation operation command for speed estimation is turned off as process A2 (S7), and then the following process B1 is executed (S8).
Speed estimation time setting: Timer=T spdest
Speed estimation operation command: ON
In subsequent steps S9 to S11, the speed
Timerがゼロになると(S9;no)、以下の処理B2を実行する(S12)。
速度指令初期化 :ωre_ref_Init1=ωre_ref_Init
制御軸位相初期化 :θre_Init1=θre_Init1
二次磁束演算初期化:φr_ref_Init1=φ r_ref_Init1
速度指令初期化 :ωre_ref=ωre_ref_Init1
制御軸位相初期化 :θre_c=θre_Init1
二次磁束演算初期化 :φr_ref=φr_ref_Init1
速度推定動作指令 :OFF
When the Timer becomes zero (S9; no), the following process B2 is executed (S12).
Speed command initialization: ω re_ref_Init1 = ω re_ref_Init
Control axis phase initialization: θ re_Init1 = θ re_Init1
Secondary magnetic flux calculation initialization: φ r_ref_Init1 = φ r_ref_Init1
Speed command initialization: ω re_ref = ω re_ref_Init1
Control axis phase initialization: θ re_c = θ re_Init1
Secondary magnetic flux calculation initialization: φ r_ref = φ r_ref_Init1
Speed estimation operation command: OFF
また、ステップS13では、以下の処理B3を実行する。尚、この処理はステップS1で「no」と判断した場合であるから、起動前速度推定動作がType2に対応したものである。
速度指令初期化 :ωre_ref=ωre_ref_Init2
制御軸位相初期化 :θre_c=θre_Init2
二次磁束演算初期化 :φr_ref=φr_ref_Init2
ステップS12又はS13を実行すると、以下の条件3を判断する(S14)。
{(速度指令値初期値<閾値)or(起動前用励磁動作==有効)}
Furthermore, in step S13, the following process B3 is executed. Note that this process is performed when the determination in step S1 is "no", so the pre-startup speed estimation operation corresponds to
Speed command initialization: ω re_ref = ω re_ref_Init2
Control axis phase initialization: θ re_c = θ re_Init2
Secondary magnetic flux calculation initialization: φ r_ref = φ r_ref_Init2
When step S12 or S13 is executed, the
{(Speed command value initial value < threshold value) or (pre-start excitation operation == valid)}
条件3が成立しなければ(no)ステップS20に移行し、成立すれば(yes)以下の処理C1を行う(S15)。
スイッチ設定選択 :C
(起動時)励磁時間設定:Timer=Tmag_2
(起動時)励磁電流設定:isd_ref=Imag_2
起動前用励磁動作指令 :ON
If
Switch setting selection: C
(At startup) Excitation time setting: Timer=T mag_2
(At startup) Excitation current setting: i sd_ref =I mag_2
Pre-start excitation operation command: ON
続くステップS16~S18は、ステップS4~S6と同様の処理を行う。そして、Timerがゼロになると(S16;no)、処理C2として起動前用励磁動作指令をOFFにする(S19)。それから、スイッチ設定選択をD、速度制御動作指令をONにして速度制御を開始する(S20)。 Subsequent steps S16 to S18 perform the same processing as steps S4 to S6. Then, when the Timer becomes zero (S16; no), the pre-start excitation operation command is turned off as process C2 (S19). Then, the switch setting selection is set to D and the speed control operation command is turned on to start speed control (S20).
次に、運転指令ONの状態から運転指令OFFに切り替わった際のフローについて図13を用いて説明する。初期状態は、再起動処理部19が出力する指令が全てOFFである。再起動処理部19は、以下の条件1が成立しているか否かを判断する(S21)。
(起動前速度推定動作==Type1 or Type2)
条件1が成立しなければ(no)ステップS36に移行し、条件1が成立すれば(yes)以下の処理A1を実行する(S22)。
スイッチ設定選択 :A
速度推定用励磁時間設定:Timer=Tspdest
速度推定動作カウンタ :Count=0
速度推定動作指令 :ON
Next, the flow when switching from the driving command ON state to the driving command OFF state will be described using FIG. 13. In the initial state, all commands output by the
(Pre-startup speed estimation operation ==Type1 or Type2)
If
Switch setting selection: A
Excitation time setting for speed estimation: Timer=T spdest
Speed estimation operation counter: Count=0
Speed estimation operation command: ON
そして、運転指令がOFFの間は(S23;yes)、ステップS26でΔtだけ減算したTimerがゼロになるまでの間(S24;yes)、速度推定処理部10が速度推定処理を行う(S25)。
Timerがゼロになると(S24;no)以下の処理A2を実行する(S27)。
速度推定動作カウンタ :Count+=1
速度推定用励間設定 :Timer=Δt
Then, while the driving command is OFF (S23; yes), the speed
When the Timer becomes zero (S24; no), the following process A2 is executed (S27).
Speed estimation operation counter: Count+=1
Excitation interval setting for speed estimation: Timer=Δt
それから、以下の条件2が成立しているか否かを判断する(S28)。
{(相間電圧レベル判定==NG)or(相間電圧位相差判定==NG)}
条件2が成立していなければ(no)ステップS23に戻り、成立していれば(yes)以下の条件3が成立しているか否かを判断する(S29)。
{(速度推定用励磁動作==有効)and(起動前速度推定動作==Type2)}
Then, it is determined whether the
{(Phase-to-phase voltage level judgment==NG) or (Phase-to-phase voltage phase difference judgment==NG)}
If
{(Excitation operation for speed estimation==valid) and (speed estimation operation before startup==Type2)}
条件3が成立していなければ(no)ステップS36に移行し、成立すれば(yes)以下の処理B1を行う(S30)。
スイッチ選択設定 :B
速度推定動作指令 :OFF
速度推定用励磁時間設定:Timer=Tmag_1
速度推定用励磁電流設定:isd_ref=Imag_1
速度推定用励磁動作指令:ON
If
Switch selection setting: B
Speed estimation operation command: OFF
Excitation time setting for speed estimation: Timer=T mag_1
Excitation current setting for speed estimation: i sd_ref =I mag_1
Excitation operation command for speed estimation: ON
続くステップS31~S33は、ステップS4~S6と同様に電流印加処理を行う(S32)。Timerがゼロになると(S31;no)、以下の処理B2を実行する(S34)。
速度推定用励磁動作指令:OFF
速度推定用励磁時間設定:Timer=Tspdest
速度推定動作指令 :ON
そして、ステップS23に戻る。
In subsequent steps S31 to S33, current application processing is performed in the same manner as steps S4 to S6 (S32). When the Timer becomes zero (S31; no), the following process B2 is executed (S34).
Excitation operation command for speed estimation: OFF
Excitation time setting for speed estimation: Timer=T spdest
Speed estimation operation command: ON
Then, the process returns to step S23.
運転指令がONになると(S23;no)、以下の処理C1を実行してから(S35)処理を終了する。
速度指令初期化 :ωre_ref_Init2=ωre_ref_Init
制御軸位相初期化 :θre_Init2=θre_Init1
二次磁束演算初期化:φr_ref_Init2=φ r_ref_Init1
速度推定動作指令 :OFF
When the driving command is turned ON (S23; no), the following process C1 is executed (S35) and the process ends.
Speed command initialization: ω re_ref_Init2 = ω re_ref_Init
Control axis phase initialization: θ re_Init2 = θ re_Init1
Secondary magnetic flux calculation initialization: φ r_ref_Init2 = φ r_ref_Init1
Speed estimation operation command: OFF
また、ステップS36では、以下の処理C2を実行してから処理を終了する。
速度指令初期化 :ωre_ref_Init2=0
制御軸位相初期化 :θre_Init2=0
二次磁束演算初期化 :φr_ref_Init2=0
速度推定動作指令 :OFF
Furthermore, in step S36, the following process C2 is executed, and then the process ends.
Speed command initialization: ω re_ref_Init2 = 0
Control axis phase initialization: θ re_Init2 = 0
Secondary magnetic flux calculation initialization: φ r_ref_Init2 = 0
Speed estimation operation command: OFF
図10から図12は、速度推定用励磁動作Type1を用いた場合の動作例を示す。図10は、起動前速度推定動作:Type1,速度推定用励磁動作:有効、起動前用励磁動作:無効のケースで、相間電圧レベル判定がNGとなった場合を示すタイミングチャートであり、図11は、起動前速度推定動作:Type1,速度推定用励磁動作:有効、起動前用励磁動作:有効のケースを示すタイミングチャートである。また、図12は、図10と同様のケースにおいて、相間電圧位相差判定がNGとなった場合を示す。
FIGS. 10 to 12 show an example of the operation when the speed estimation
以上のように本実施形態によれば、電力変換器4は、直流電圧を可変電圧可変周波数の三相交流電圧に変換して誘導電動機5に供給する。相間電圧検出部11は、誘導電動機5の相間電圧vuv及びvwvを検出し、電流検出部7は、誘導電動機5の相電流iu,iwを検出する。電流調節部9は、各相電流の検出値をD-Q同期座標軸上に変換した成分が、電流指令値isd_ref、isq_refに一致するように電圧指令値vsd_ref、vsq_refを演算する。
As described above, according to this embodiment, the
制御装置6は、誘導電動機5が運転状態においてフリーラン運転停止要求が入力されるか、又は誘導電動機5を駆動する電力変換器4の主回路電位が低下して運転困難と判断されてフリーラン状態に移行すると、収束演算処理を常時行うようにしておく。そして、運転指令が再度入力されるか、又は主回路電位が復帰した際には、その時に収束演算処理から得られている回転速度及び回転方向並びに残留二次磁束の位相を用いて、誘導電動機の制御を再起動させる。
When the
すなわち、上位コントローラからのフリーラン停止要求や瞬停等により、主回路電位が維持できなくなると、電力変換器4が停止してフリーラン状態に移行した際に収束演算処理を開始し、フリーラン中も収束演算を実施し続けることで、運転指令が何時入力されても、又は瞬停状態が解消された際には、その時点で推定している回転速度をそのまま速度指令とすることで直ちに再起動が可能になる。
In other words, if the main circuit potential cannot be maintained due to a free run stop request from the host controller or a momentary power failure, the convergence calculation process is started when the
また、速度推定用励磁動作Type1においては、速度推定が実施できないと判断された際には、速度推定を終了し運転指令ONの待機状態となる。運転指令ONを受けると、制御装置6は、誘導電動機5を、初速が生じている状態から起動させる際に、電流調節部9に予め定めた大きさのステップ状の電流指令値を、予め定めた時間与える速度推定用励磁動作を実施し、電力変換器4の出力を遮断した後に、相間電圧vuv及びvwvを用いて誘導電動機5の回転速度及び回転方向、並びに残留二次磁束の位相を得るための収束演算処理を行ない、誘導電動機5の制御を再起動させる。すなわち、残留電圧を推定可能なレベルとするため速度推定用の励磁を行った後に速度推定を行い、誘導電動機5を再起動させる。
Further, in the
このように構成すれば、電力変換器4の出力側に相間電圧検出部11を配置する構成において、残留電圧が減衰した状態でも速度推定を行うことで再起動時に発生するショックを最小化し、耐ノイズ性を向上させて、運転指令を受けてから実際に再起動させるまでの時間を短縮化できる。
With this configuration, in a configuration in which the phase-to-phase
また、制御装置6は、相間電圧検出部11により検出された相間電圧の波高値又は実効値が、予め定めた判定値より小さいと判定されたことを条件として速度推定用励磁動作を実施し、電力変換器4の出力を遮断した後に収束演算処理を行ない、誘導電動機5の制御を再起動させる。すなわち、検出された相間電圧が判定値より小さい場合に、速度推定用の励磁を実施することで、電圧検出を用いた速度推定を適切に行うことができる。
Further, the
また、制御装置6は、相間電圧位相差判定部14において、2つの相間電圧の位相差が判定値より小さいと判定された際にも速度推定用励磁動作を実施し、同様に誘導電動機5の制御を再起動させるので、この場合も速度推定を適切に行うことができる。
Further, the
さらに、制御装置6は、収束演算処理部12において、回転速度ωre_est_PLL、回転方向から速度指令値の初期値ωre_ref_Initを設定し、収束演算処理により得られた残留二次磁束の位相をD軸とし、D軸から90度進んだ位相をQ軸と定めたDQ同期座標軸を、回転速度ωre_est_PLLに基づいた周波数で回転させ、電圧指令vsd,vsqの初期値を、収束演算処理終了直前の相間電圧値、回転速度から算出された、二次磁束の初期値φre_ref_Initを用いて決定する。すなわち、残留二次磁束の方向、つまり位相をD軸と定め、Q軸の電圧指令値vsqを相間電圧に合わせ、トルクの演算や電圧指令値の計算に用いる二次磁束の初期値も合わせて再起動させる。これにより、再起動時の電流の乱れを抑制できる。
Furthermore, the
また、制御装置6は、収束演算処理終了直前の相間電圧値、回転速度から算出された、二次磁束の初期値と二次磁束の指令値の偏差、及び予め定めた大きさのD軸電流指令値に基づいて、前記D軸電流指令値の印加時間を決定し、電流調節部9は、当該D軸電流指令値及びその印加時間に従い、D軸方向に電流を印加する時間を設ける。速度推定用に印加する磁束のレベルは、印加時の乱れを極力小さくするため、例えば定格磁束の25%程度に設定される。再起動時に、磁束レベルは更に低下しているので、起動直後から大きなトルクの要求があると、磁束が不足しているため電流値でトルクを稼ぐ動作となり、たとえ小さなトルク指令でも電流が過大になるおそれがある。そこで、再起動時の磁束レベルを定格に近い状態にすることで、電流の増大を抑制できる。
In addition, the
また、制御装置6は、相間電圧を、速度推定値の時間積分値を座標変換の際の位相として使用するように構成した同期軸上に変換した結果がQ軸成分のみとなるように、速度推定値を調整する。
The
図14は、起動前速度推定動作:Type2,速度推定用励磁動作:有効、起動前用励磁動作:有効のケースを示すタイミングチャートである。起動前速度推定動作Type2においては、誘導電動機5が運転状態においてフリーラン運転停止要求が入力されるか、又は誘導電動機5を駆動する電力変換器4の主回路電位が低下して運転困難と判断されてフリーラン状態に移行すると、制御装置6は、収束演算処理を行うが、相間電圧検出部11により検出された相間電圧の波高値又は実効値が、予め定めた判定値より小さいと判定されると収束演算処理を停止させ、電流調節部8に予め定めた大きさのステップ状の電流指令値を予め定めた時間与えさせると、収束演算処理を再開させる。これにより、フリーラン中に速度推定を行い続けている際に、相間電圧のレベルが小さくなると速度推定用の励磁を行い、残留磁束を速度推定が可能なレベルに維持することができる
FIG. 14 is a timing chart showing a case where the speed estimation operation before startup is
更に、制御装置6は、収束演算処理を常時行っている間に、相間電圧検出部11により検出された2つの相間電圧の位相差が予め定めた判定値より小さいと判定されると収束演算処理を停止させ、電流調節部8に予め定めた大きさのステップ状の電流指令値を予め定めた時間与えさせると、収束演算処理を再開させる。これにより、フリーラン中に速度推定を行い続けている際に、相間電圧の位相差が小さくなった際にも、残留磁束を速度推定が可能なレベルに維持することができる
Furthermore, while constantly performing the convergence calculation process, if it is determined that the phase difference between the two phase-to-phase voltages detected by the phase-to-phase
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
図面中、1は三相交流電源、2は全波整流回路、3は平滑コンデンサ、4は電力変換器、5は誘導電動機、6は制御装置、7は電流検出部、9は電流調節部、10は速度推定処理部、11は相間電圧検出部、12は収束演算処理部、13は相間電圧レベル判定部、14は相間電圧位相差判定部を示す。 In the drawing, 1 is a three-phase AC power supply, 2 is a full-wave rectifier circuit, 3 is a smoothing capacitor, 4 is a power converter, 5 is an induction motor, 6 is a control device, 7 is a current detection section, 9 is a current adjustment section, 10 is a speed estimation processing section, 11 is an inter-phase voltage detection section, 12 is a convergence calculation processing section, 13 is an inter-phase voltage level determination section, and 14 is an inter-phase voltage phase difference determination section.
Claims (10)
前記誘導電動機の相間電圧を2相間以上検出する相間電圧検出部と、
前記誘導電動機の相電流を検出する電流検出部と、
前記相電流の検出値を同期座標軸上に変換した成分が、電流指令値に一致するように電圧指令値を演算する電流調節部と、
前記誘導電動機を、初速が生じている状態から起動させる際に、
前記電流調節部に予め定めた大きさのステップ状の電流指令値を、予め定めた時間与える速度推定用励磁動作を実施し、
前記電力変換器の出力を遮断した後に、前記相間電圧の2相間以上の検出値を用いて前記誘導電動機の回転速度及び回転方向、並びに残留二次磁束の位相を得るための収束演算処理を行ない、前記誘導電動機の制御を再起動させる再起動制御部とを備える電動機制御装置。 a power converter that converts the DC voltage into a variable voltage variable frequency three-phase AC voltage and supplies it to the induction motor;
a phase-to-phase voltage detection unit that detects phase-to-phase voltage of the induction motor between two or more phases;
a current detection unit that detects a phase current of the induction motor;
a current adjustment unit that calculates a voltage command value such that a component obtained by converting the detected value of the phase current onto a synchronous coordinate axis matches the current command value;
When starting the induction motor from a state where an initial speed is generated,
carrying out an excitation operation for speed estimation that gives a step-like current command value of a predetermined magnitude to the current adjustment unit for a predetermined time;
After cutting off the output of the power converter, convergence calculation processing is performed to obtain the rotational speed and rotational direction of the induction motor and the phase of residual secondary magnetic flux using the detected values of the interphase voltage between two or more phases. and a restart control unit that restarts control of the induction motor.
前記再起動制御部は、前記相間電圧位相差判定部において、前記位相差が前記判定値より小さいと判定された際にも前記速度推定用励磁動作を実施し、前記電力変換器の出力を遮断した後に前記収束演算処理を行ない、前記誘導電動機の制御を再起動させる請求項2記載の電動機制御装置。 an inter-phase voltage phase difference determination unit that calculates a phase difference between two or more phases of the inter-phase voltage detected by the inter-phase voltage detection unit and compares it with a predetermined determination value;
The restart control unit also performs the speed estimation excitation operation when the interphase voltage phase difference determination unit determines that the phase difference is smaller than the determination value, and shuts off the output of the power converter. 3. The motor control device according to claim 2, wherein the convergence calculation process is performed after the calculation is performed, and the control of the induction motor is restarted.
前記誘導電動機の相間電圧を2相間以上検出する相間電圧検出部と、
前記誘導電動機の相電流を検出する電流検出部と、
前記相電流の検出値を同期座標軸上に変換した成分が、電流指令値に一致するように電圧指令値を演算する電流調節部と、
前記誘導電動機が運転状態においてフリーラン運転停止要求が入力されるか、又は前記誘導電動機を駆動する電力変換器の主回路電位が低下して運転困難と判断されてフリーラン状態に移行すると、前記収束演算処理を常時行うようにしておき、
運転指令が再度入力されるか、又は前記主回路電位が復帰した際には、その時に収束演算処理から得られている回転速度及び回転方向並びに残留二次磁束の位相を用いて、前記誘導電動機の制御を再起動させる再起動制御部とを備える電動機制御装置。 a power converter that converts the DC voltage into a variable voltage variable frequency three-phase AC voltage and supplies it to the induction motor;
a phase-to-phase voltage detection unit that detects phase-to-phase voltage of the induction motor between two or more phases;
a current detection unit that detects a phase current of the induction motor;
a current adjustment unit that calculates a voltage command value such that a component obtained by converting the detected value of the phase current onto a synchronous coordinate axis matches the current command value;
When the induction motor is in an operating state, when a coast-to-run operation stop request is input, or when the main circuit potential of a power converter that drives the induction motor is lowered and it is determined that operation is difficult and the motor shifts to a coast-to-run state, Make sure to always perform convergence calculation processing,
When the operation command is input again or the main circuit potential is restored, the induction motor and a restart control unit that restarts control of the motor.
前記再起動制御部は、前記相間電圧位相差判定部において、前記位相差が前記判定値より小さいと判定された際にも、前記収束演算処理を停止させる請求項5記載の電動機制御装置。 an inter-phase voltage phase difference determination unit that calculates a phase difference between two or more phases of the inter-phase voltage detected by the inter-phase voltage detection unit and compares it with a predetermined determination value;
6. The electric motor control device according to claim 5, wherein the restart control unit stops the convergence calculation process even when the interphase voltage phase difference determination unit determines that the phase difference is smaller than the determination value.
前記収束演算処理により得られた残留二次磁束の位相をD軸とし、D軸から90度進んだ位相をQ軸と定めたDQ同期座標軸を、前記回転速度に基づいた周波数で回転させ、
電圧指令初期値を、前記収束演算処理終了直前の前記相間電圧値、回転速度から算出された、二次磁束の初期値を用いて決定する請求項1から6の何れか一項に記載の誘導電動機制御装置。 The restart control unit sets an initial value of the speed command value from the rotation speed and rotation direction,
Rotating a DQ synchronized coordinate axis in which the phase of the residual secondary magnetic flux obtained by the convergence calculation process is defined as the D axis, and the phase advanced by 90 degrees from the D axis is defined as the Q axis, at a frequency based on the rotation speed,
The induction according to any one of claims 1 to 6, wherein the voltage command initial value is determined using an initial value of the secondary magnetic flux calculated from the interphase voltage value and rotation speed immediately before the end of the convergence calculation process. Electric motor control device.
前記電流調節部は、当該D軸電流指令値及びその印加時間に従い、前記D軸方向に電流を印加する時間を設ける請求項7記載の誘導電動機制御装置。 The restart control unit calculates a deviation between the initial value of the secondary magnetic flux and the command value of the secondary magnetic flux, which is calculated from the phase-to-phase voltage value and the rotational speed immediately before the end of the convergence calculation process, and a predetermined magnitude of D. determining the application time of the D-axis current command value based on the axis current command value;
The induction motor control device according to claim 7, wherein the current adjustment section sets a time for applying the current in the D-axis direction according to the D-axis current command value and its application time.
Priority Applications (1)
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