JP3680618B2 - Control device for permanent magnet type synchronous motor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ等の半導体電力変換器を用いて、埋込磁石構造のような突極性を有する永久磁石形同期電動機を高効率で運転するための制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石形同期電動機やリラクタンスモータ等の同期電動機の制御では、一般に回転子の位置を検出する位置検出値が必要であり、検出した回転子の位置に同期して電流の位相を制御する。検出器としては、ホール素子、エンコーダ、レゾルバ等が用いられている。あるいは、電動機の電圧や電流の情報から、電気的に回転子の位置を演算する、いわゆる位置センサレス制御も知られている。
【0003】
回転子の位置を検出する、あるいは演算によって求める場合の高効率運転は、比較的容易に実現可能である。永久磁石を回転子表面に取り付けた表面磁石構造の永久磁石形同期電動機(以下、SPMモータと呼ぶ。)においては、永久磁石が作る磁束方向の電流すなわちd軸電流をゼロにするId=0制御が一般に採用される。SPMモータの場合、d軸電流はトルクに寄与しないためId=0制御によって銅損を最小限に抑えることができるためである。
【0004】
また、永久磁石を回転子内部に埋め込んだ埋込磁石構造の永久磁石形同期電動機(以下、IPMモータと呼ぶ。)においては、磁気回路が非対称になって突極性が生じ、この突極性によるリラクタンストルクを利用した最大トルク制御が採用される。この最大トルク制御では、トルク/電流が最大化する。つまり、所望のトルクに対して常に電流が最小化するので、銅損を最小限に抑えることができる。
【0005】
一方、上記のように回転子の位置を検出あるいは演算する方法の他に、同期電動機の印加電圧と周波数とを単に比例させて制御するV/f制御も知られている。
図8に、V/f制御の制御ブロック図を示す。周波数設定手段1により所望する電動機の周波数を設定し、加減速演算手段2により周波数をランプ関数状に変化させる。f/V変換手段3では、周波数にほぼ比例した電圧が記憶あるいは計算により求められ、周波数指令f*に応じて電圧指令v*が出力される。
【0006】
積算手段7は、周波数指令f*と後述する安定化制御手段30からの周波数補正成分Δf*との加算結果である周波数指令f1 *を積分し、電動機6の巻線に印加する電圧の位相θを演算する。PWM手段4は、電圧指令v*の大きさ及び位相θを入力してパルス幅変調を行い、インバータ5を構成するスイッチング素子を制御する。インバータ5からはパルス幅制御された交流電圧が出力され、永久磁石形同期電動機6の巻線に印加される。
【0007】
V/f制御は、定常的にトルクが振動したり、負荷が急変した場合には脱調して運転不能になる等、安定性に問題がある。そこで、図8の破線内に示す安定化制御手段30により、電圧ベクトルvに直交する電流成分iQ及び平行な電流成分iPを電動機6の一次電流から3相/2相変換手段31、座標変換手段32を介して求め、ハイパスフィルタ33,34、比例増幅器35,36を介し加減算して補正成分Δf*を算出し、これを電圧の周波数指令f*に帰還して安定性を改善している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
位置検出器付きの制御装置は、SPMモータではId=0制御、IPMモータでは最大トルク制御を行い高効率に運転することが簡単に実現できる半面、装置の小型化が困難である。また、検出器の信号を伝える複数本の配線や受信回路が必要であるため信頼性、作業性、価格等でも問題を抱えている。更に、位置センサレス制御では、位置センサが不要である反面、回転子位置を求めるために高速、高機能な演算が必要であり、高価な制御装置が必須となる。
【0009】
一方、従来のV/f制御は位置検出器が不要であり、しかも制御が簡単なため制御装置を安価にできるが、回転子の位置が不明なので、SPMモータにおいてはId=0制御、IPMモータにおいては最大トルク制御などを行って高効率に運転するということが難しかった。
例えば、V/f制御は出力周波数に対して予め決められた電圧を負荷の状態に関係なく電動機に印加しているので、予め決めた電圧が定格負荷の状態で適切になる値とすれば、負荷が軽くなったときに過大な電圧を供給していることになり、その結果、不必要な電流が流れ、損失が増加し、省エネルギーの観点から問題となる。
【0010】
この点につき、本出願人は、SPMモータに関しては、V/f制御によって等価的にid=0制御を実現する制御装置を特願平11−33025として提案し、上記問題を解決している。
そこで本発明は、IPMモータのように突極性を有する永久磁石形同期電動機において上記の問題を解決し、簡単かつ安価な構成で高効率運転が可能な同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は基本的に、埋込磁石構造等の突極性を有する永久磁石形電動機の巻線に印加する電圧とその周波数をほぼ比例させて制御する手段と、電動機に入力されている無効電力の実際値を演算する手段と、前記電動機を最大トルク制御するための条件式と、突極性を有する永久磁石形同期電動機における無効電力の関係と、から電動機に入力するべき無効電力の目標値を演算する手段と、前記無効電力の実際値と目標値とが等しくなるように前記巻線に印加する電圧を調整する調整手段と、を備えたものである。
【0012】
以下、本発明の原理について説明する。
電動機に入力されている無効電力は、電圧と電流をベクトルとしてとらえることで演算できる。ベクトルの座標軸としては種々の座標軸が取り得るが、ここでは、図5と図6を参照しながら請求項2の方法について説明する。
【0013】
図5に示すように、電動機の巻線に印加する電圧ベクトルvの方向をP軸にとったP−Q直交座標を考える。P−Q座標軸は、永久磁石が作る磁束方向をd軸にとったd−q直交座標と交角がδであるとする。なお、この交角は同期電動機の負荷角あるいは内部相差角と言われる角度にほぼ相当する。
電流ベクトルをiとすると、このベクトルiはP−Q軸上で観測したP軸電流iPとQ軸電流iQ、または、d−q軸上で観測したd軸電流idとq軸電流iqに分解できる。
ここで、電圧ベクトルvとQ軸電流iQとは直交しているので、両者の積から電動機に入力されている無効電力Qiを求めることができ、電圧ベクトルの大きさVを用いて数式1により表すことができる。
【0014】
【数1】
i=ViQ
【0015】
一方、電動機の等価回路定数などを用いて無効電力を演算することもでき、このことを図6を参照しながら説明する。永久磁石が作る鎖交磁束Ψmが角周波数ωで回転することで発生する誘起電圧は、大きさがωΨmで表されq軸上に存在する。図6ではその大きさをemと表している。この誘起電圧と直交する電流idとの積、すなわちωΨmdは無効電力となる。また、電流idによるリアクタンス降下電圧の大きさは、d軸のインダクタンスLdを用いてωLddとなる。図6ではその大きさをeLdと表している。
【0016】
このリアクタンス降下電圧eLd(=ωLdd)とd軸電流idとは直交関係にあるので、両者の積、すなわちωLdd 2は無効電力となる。更に、q軸電流iqによるリアクタンス降下電圧の大きさは、q軸のインダクタンスLqを用いてωLqqとなる。図6ではその大きさをeLqと表している。このリアクタンス降下電圧eLq(=ωLqq)とq軸電流iqとは直交関係にあるので、両者の積、すなわちωLqq 2は無効電力となる。従って、上記の考察から得られる無効電力Qmは、数式2により表すことができる。
【0017】
【数2】
m=ωΨmd+ωLdd 2+ωLqq 2
【0018】
数式1及び数式2によって求まる無効電力は、見方が異なるだけで値は等しいことから、数式3で示す関係が成立する。
【0019】
【数3】
ViQ=ωΨmd+ωLdd 2+ωLqq 2
【0020】
数式3は、IPMモータにおける無効電力の関係を表す式であり、本発明が目的とする高効率運転とは直接関係しない。そこで、数式3の右辺にIPMモータを高効率運転するための条件式を代入し、その値を電動機に入力されるべき無効電力の目標値とし、数式3の左辺で表される電動機の無効電力の実際値が目標値と等しくなるように制御することで、電動機に入力される無効電力を調節し、IPMモータを高効率に運転することが可能となる。
【0021】
ここでは、IPMモータを高効率運転するために最大トルク制御の条件式を用いて説明する。以下に最大トルク制御の条件式を示す(電気学会研究会資料「リング磁石埋込型PMモータの諸特性」RM−95−15参照)。
【0022】
【数4】
{Ψm+(Ld−Lq)id}id−(Ld−Lq)iq 2=0
【0023】
回転子の位置を検出する位置検出器があれば、座標変換により容易にid,iqが求まり、数式4を満たすように制御系を構成することで、最大トルク制御による高効率な運転が可能である。しかし、位置検出器が無い場合はid,iqを求めることが困難である。
そこで、比較的容易に求められるiP,iQまたは、iP 2+iQ 2=I2(=id 2+iq 2)を用いてIPMモータで最大トルク制御を実現することを考える。
まず、数式4に上記I2=id 2+iq 2から求まるiq 2=I2−id 2を代入して整理すると、数式5となる。
【0024】
【数5】
2(Ld−Lq)id 2+Ψmd−(Ld−Lq)I2=0
【0025】
数式5をidについて解くと、数式6となる。
【0026】
【数6】

Figure 0003680618
【0027】
IPMモータでリラクタンストルクを用いるためには、d軸電流idを常に負に制御する必要があるので、Ld<Lqを考慮すると、数式6の復号は+をとるときidが負となるので、以下の数式7となる。
【0028】
【数7】
Figure 0003680618
【0029】
IPMモータにおける無効電力の関係を表す数式3の右辺にiq 2=I2−id 2を代入して整理すると、以下の式となる。
【0030】
【数式8】
ViQ=ω(Ld−Lq)id 2+ωΨmd+ωLq2
【0031】
数式8に数式7を代入すると、数式9となる。
【0032】
【数9】
Figure 0003680618
【0033】
上記数式9が本発明の基本原理を表している。すなわち、数式9の左辺が無効電力の実際値、数式9の右辺が最大トルク制御の条件を加えた無効電力の目標値であり、両辺が等しくなるように制御することで、IPMモータを高効率制御することができる。
【0034】
次に、数式5の最大トルク制御の式を近似的に表し、制御構成を簡略化することを考える。数式5をI2について解くと、以下の数式10となる。
【0035】
【数10】
2=2id 2+{Ψm/(Ld−Lq)}id
【0036】
一般的には、Ψm/(Ld−Lq)はd軸電流に比べて十分に大きい。このような条件の場合、以下の関係式が成り立つ。
【0037】
【数11】
2id 2≪{Ψm/(Ld−Lq)}id
【0038】
この数式11の関係から、数式10を以下のように近似する。
【0039】
【数12】
2≒kid
【0040】
数式12における係数kを書き換えて、数式13を得る。
【0041】
【数13】
d=KI2 (1/k=Kとおく。)
【0042】
数式13を数式8に代入すると、以下の式となる。
【0043】
【数14】
ViQ=ωI2{(Ld+Lq+Ψm・K)/2}=ωI2・KM
(KM=(Ld+Lq+Ψm・K)/2)
【0044】
よって、前述の数式12のように近似すると、数式14により、簡単な回路構成で近似的な最大トルク制御を実現することができる。
数式14の電圧ベクトルの大きさVに代えてVの指令値V*を用いても、その作用は同じである。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は請求項1に係る発明の実施形態であり、永久磁石形同期電動機の高効率運転を示す制御ブロック図である。破線で囲んだ部分がこの実施形態において追加した機能である。図8の従来技術に示した安定化制御手段は図示を省略する。破線外は従来技術であるため、以下では破線内についてのみ説明する。
【0046】
請求項1は、本発明の根本的な概念を表すものである。図1において、IPMモータのごとく突極性を有する永久磁石形同期電動機6の電圧、電流は無効電力演算手段8に取り込まれ、この演算手段8により、電動機6に入力されている無効電力の実際値が前述の数式1により演算される。また、無効電力目標値演算手段9により、高効率運転の条件式(前述の数式14または数式9の右辺)を用いて電動機6に入力されるべき無効電力の目標値を演算する。なお、11は周波数設定値f*を無効電力目標値の演算用に角周波数ωに変換する変換手段である。そして、調節手段10により、電動機に入力されている無効電力が目標値に等しくなるように作用する値がf/V変換手段3の出力である電圧指令v*に帰還される。
【0047】
これにより、V/f制御されるIPMモータにおいて、最大トルク制御を可能にして高効率運転を行うことができる。
【0048】
図2は、請求項2に係る発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
図2において、検出した2相の電流iu,iwは座標変換手段12により電圧指令ベクトルに直交する電流成分iQと電圧指令ベクトルに平行な電流成分iPとに変換される。無効電力演算手段8では、電圧指令ベクトルと電流成分iQとから無効電力の実際値を演算する。また、電流成分iQ,iPと電動機6の等価回路定数(Ld,Lq,Ψm等)13と角周波数ωとを用いて、無効電力目標値演算手段9が無効電力の目標値を演算する。調節手段10により、電動機6に入力されている無効電力の実際値が目標値に等しくなるように作用する値が電圧指令v*に帰還される。
【0049】
図3は、請求項3に係る発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
図3において、I2演算手段15はI2=iP 2+iQ 2の演算式に従い電流の大きさの2乗を求め、前記数式14のカッコ内に示した係数KM=(Ld+Lq+ΨmK)/2を乗じ、更に角周波数ωを乗算器17により乗算してω{(Ld+Lq+ΨmK)/2}I2を求め、これを無効電力の目標値とする。
その一方で、無効電力演算手段8により電圧指令v*とiQとを乗算してv*Qを求める。
【0050】
これらのω{(Ld+Lq+ΨmK)/2}I2とv*Qとの差をとってその値を△とする。△は調節器16に入力され、電圧指令v*を補正する△v*を生成する。
△が+(プラス)の場合には実際に入力されている無効電力が目標とする無効電力よりも大きく、印加した電圧が過大であることを表し、−(マイナス)の場合には実際に入力されている無効電力が目標とする無効電力よりも小さく、電圧が過少であることを表すため、△v*は電圧に対し負帰還される。
なお、図3において14は積算手段、18は3相/2相変換手段である。
【0051】
図3における調節器16の具体的な構成について、図7を参照しながら説明する。
図7において、例▲1▼は1次遅れ要素を持たせた場合、例▲2▼は比例要素と積分要素を組合せたPI調節器を構成した場合、例▲3▼は比例要素を持たせた場合、例▲4▼は積分要素を持たせた場合である。いずれの場合も、無効電力目標値と実際値との偏差である入力の△をゼロにするように電圧を調整する機能を持つ点では、目的は共通している。
【0052】
また、図4は請求項4に係る発明の実施形態を示す制御ブロック図であり、破線で囲んだ部分が図3の実施形態と異なっている。
この実施形態では、数式14を変形して求まる次式に基づいて制御回路を構成している。
【0053】
【数15】
ViQ/ω={(Ld+Lq+ΨmK)/2}I2=KM・I2
【0054】
図4において、I2演算手段15によりI2=iP 2+iQ 2の演算式に従い電流の大きさの2乗を求め、図3と同様の係数KM=(Ld+Lq+ΨmK)/2を乗算して{(Ld+Lq+ΨmK)/2}I2を求める。
一方で、電圧v*とiQとの積を除算器19により角周波数ωで除して(v*Q)/ωを求める。(v*Q)/ωと{(Ld+Lq+ΨmK)/2}I2との差をとってその値を△とする。△は調節器16に入力され、電圧指令v*を補正する△v*を生成する。調節器16の構成は、図7と同じである。
【0055】
このように、電動機6に入力されている無効電力の実際値に比例した値と電動機6の無効電力の目標値に比例した値とを用いて図3の実施形態と同様な調節器16により制御回路を構成すれば、高効率な運転が可能である。また、電動機6に入力されている無効電力の実際値と無効電力の目標値とから同一値を加減した値を用いても、同一の効果が得られることは明らかである。
【0056】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、埋込磁石構造等の突極性を有する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させて駆動するV/f制御において、簡単な制御によって高効率運転を実現することができる。すなわち、従来、磁極位置検出器付きの駆動装置によって実施されてきた最大トルク制御を検出器なしで実現可能とし、一方的に電圧を供給するだけのV/f制御に負荷変動に応じて電圧を調整する機能が加わり、省エネルギー効果を発揮する等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に記載した発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
【図2】請求項2に記載した発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
【図3】請求項3に記載した発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
【図4】請求項4に記載した発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
【図5】本発明の原理を説明する図である。
【図6】本発明の原理を説明する図である。
【図7】図3、図4における調節器の構成図である。
【図8】従来技術を示す制御ブロック図である。
【符号の説明】
1 周波数設定手段
2 加減速演算手段
3 f/V変換手段
4 PWM手段
5 インバータ
6 永久磁石形同期電動機
8 無効電力演算手段
9 無効電力目標値演算手段
10 調節手段
11 変換手段
12 座標変換手段
13 電動機の等価回路定数
14 積算手段
15 I2演算手段
16 調節器
17 乗算手段
18 3相/2相変換手段
19 除算手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for operating a permanent magnet synchronous motor having a saliency like an embedded magnet structure with high efficiency by using a semiconductor power converter such as an inverter.
[0002]
[Prior art]
In the control of a synchronous motor such as a permanent magnet type synchronous motor or a reluctance motor, generally, a position detection value for detecting the position of the rotor is required, and the phase of the current is controlled in synchronization with the detected position of the rotor. As the detector, a Hall element, an encoder, a resolver, or the like is used. Alternatively, so-called position sensorless control is also known in which the position of the rotor is electrically calculated from information on the voltage and current of the motor.
[0003]
High-efficiency operation in the case of detecting the rotor position or obtaining it by calculation can be realized relatively easily. In a permanent magnet type synchronous motor (hereinafter referred to as an SPM motor) having a surface magnet structure in which a permanent magnet is attached to the rotor surface, I d = 0 which makes the current in the magnetic flux direction generated by the permanent magnet, that is, the d-axis current zero. Control is generally employed. This is because, in the case of an SPM motor, the d-axis current does not contribute to torque, so that copper loss can be suppressed to a minimum by I d = 0 control.
[0004]
In a permanent magnet type synchronous motor (hereinafter referred to as an IPM motor) having an embedded magnet structure in which a permanent magnet is embedded in a rotor, a magnetic circuit is asymmetric and a saliency is generated. Maximum torque control using torque is adopted. In this maximum torque control, torque / current is maximized. That is, since the current is always minimized with respect to the desired torque, the copper loss can be minimized.
[0005]
On the other hand, in addition to the method of detecting or calculating the position of the rotor as described above, V / f control is also known in which the voltage applied to the synchronous motor is controlled in proportion to the frequency.
FIG. 8 shows a control block diagram of V / f control. The desired motor frequency is set by the frequency setting means 1 and the frequency is changed in a ramp function by the acceleration / deceleration calculation means 2. In the f / V conversion means 3, a voltage substantially proportional to the frequency is obtained by storage or calculation, and a voltage command v * is output according to the frequency command f * .
[0006]
Integrating means 7, the voltage by integrating the frequency command f 1 * is a sum of the frequency correction component Delta] f * from stabilization control means 30 described later with the frequency instruction f *, is applied to the windings of the motor 6 phase Calculate θ. The PWM means 4 inputs the magnitude of the voltage command v * and the phase θ, performs pulse width modulation, and controls the switching elements constituting the inverter 5. From the inverter 5, an AC voltage whose pulse width is controlled is output and applied to the winding of the permanent magnet type synchronous motor 6.
[0007]
The V / f control has a problem in stability, such as the torque constantly oscillating or the operation stepping out when the load suddenly changes and the operation becomes impossible. Therefore, the stabilization control means 30 shown in the broken line in FIG. 8 converts the current component i Q orthogonal to the voltage vector v and the parallel current component i P from the primary current of the motor 6 to the three-phase / two-phase conversion means 31, coordinates. The correction component Δf * is calculated through the conversion means 32 and added / subtracted through the high-pass filters 33 and 34 and the proportional amplifiers 35 and 36, and this is fed back to the voltage frequency command f * to improve the stability. Yes.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
A control device with a position detector can easily realize high-efficiency operation by performing I d = 0 control for an SPM motor and maximum torque control for an IPM motor, but it is difficult to reduce the size of the device. In addition, since a plurality of wires and receiving circuits for transmitting detector signals are required, there are problems in terms of reliability, workability, and price. Furthermore, in the position sensorless control, a position sensor is not necessary, but in order to obtain the rotor position, a high-speed and high-function calculation is necessary, and an expensive control device is essential.
[0009]
On the other hand, the conventional V / f control does not require a position detector, and the control is simple because the control is simple. However, since the position of the rotor is unknown, I d = 0 control, IPM in the SPM motor In motors, it has been difficult to operate with high efficiency by performing maximum torque control and the like.
For example, since the V / f control applies a predetermined voltage with respect to the output frequency to the electric motor regardless of the state of the load, if the predetermined voltage is a value that is appropriate in the rated load state, When the load becomes lighter, an excessive voltage is supplied. As a result, an unnecessary current flows and loss increases, which causes a problem from the viewpoint of energy saving.
[0010]
In this regard, the present applicant has proposed, as Japanese Patent Application No. 11-33025, a control device that equivalently realizes i d = 0 control by V / f control for the SPM motor, and solves the above problem. .
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above problems in a permanent magnet synchronous motor having saliency, such as an IPM motor, and intends to provide a control apparatus for a synchronous motor capable of high-efficiency operation with a simple and inexpensive configuration. It is.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention basically includes a means for controlling a voltage applied to a winding of a permanent magnet type motor having saliency, such as an embedded magnet structure, in a substantially proportional manner, and a motor. It should be input to the motor from the means for calculating the actual value of the input reactive power, the conditional expression for maximum torque control of the motor, and the relationship of the reactive power in the permanent magnet synchronous motor having saliency. Means for calculating a target value of the reactive power, and adjusting means for adjusting a voltage applied to the winding so that the actual value and the target value of the reactive power are equal to each other.
[0012]
Hereinafter, the principle of the present invention will be described.
The reactive power input to the motor can be calculated by taking the voltage and current as vectors. Various coordinate axes can be used as the vector coordinate axes. Here, the method of claim 2 will be described with reference to FIGS.
[0013]
As shown in FIG. 5, a PQ orthogonal coordinate in which the direction of the voltage vector v applied to the winding of the motor is taken as the P axis is considered. It is assumed that the PQ coordinate axis is dq orthogonal to the dq orthogonal coordinate in which the direction of the magnetic flux generated by the permanent magnet is taken as the d axis. This intersection angle substantially corresponds to an angle called a load angle or internal phase difference angle of the synchronous motor.
When the current vector is i, the vector i is the P-axis current i P and Q-axis current i Q observed on the PQ axis, or the d-axis current i d and q-axis current observed on the dq axis. i q can be decomposed.
Here, since the voltage vector v and the Q-axis current i Q are orthogonal to each other, the reactive power Q i input to the electric motor can be obtained from the product of both, and the mathematical expression can be obtained using the magnitude V of the voltage vector. 1 can be represented.
[0014]
[Expression 1]
Q i = Vi Q
[0015]
On the other hand, reactive power can also be calculated using an equivalent circuit constant of the motor, and this will be described with reference to FIG. Induced voltage flux linkage [psi m of the permanent magnet makes occurs by rotating at an angular frequency ω, the size is present represented on the q axis .omega..psi m. 6 represents the magnitude and e m. The product of the current i d to be perpendicular to the induced voltage, i.e. .omega..psi m i d is the reactive power. In addition, the magnitude of the reactance drop voltage due to the current i d becomes ωL d i d using the d-axis inductance L d . In FIG. 6, the magnitude is represented as e Ld .
[0016]
Since the reactance drop voltage e Ld (= ωL d i d ) and the d-axis current i d are orthogonal to each other, the product of both, ie, ωL d i d 2 is reactive power. Furthermore, the magnitude of the reactance voltage drop due to the q-axis current i q is a .omega.L q i q using the inductance L q of the q-axis. In FIG. 6, the magnitude is represented as e Lq . Since the reactance drop voltage e Lq (= ωL q i q ) and the q-axis current i q are orthogonal, the product of both, that is, ωL q i q 2 is reactive power. Therefore, the reactive power Q m obtained from the above consideration can be expressed by Equation 2.
[0017]
[Expression 2]
Q m = ωΨ m i d + ωL d i d 2 + ωL q i q 2
[0018]
Since the reactive powers obtained by Equation 1 and Equation 2 are different from each other only in view, the relationship shown in Equation 3 is established.
[0019]
[Equation 3]
Vi Q = ωΨ m i d + ωL d i d 2 + ωL q i q 2
[0020]
Formula 3 is a formula representing the relationship of reactive power in the IPM motor, and is not directly related to the high-efficiency operation aimed by the present invention. Therefore, a conditional expression for high-efficiency operation of the IPM motor is substituted into the right side of Equation 3, the value is set as a target value of reactive power to be input to the motor, and the reactive power of the motor represented by the left side of Equation 3 is obtained. By controlling so that the actual value of becomes equal to the target value, it becomes possible to adjust the reactive power input to the motor and operate the IPM motor with high efficiency.
[0021]
Here, a description will be given using a conditional expression for maximum torque control in order to operate the IPM motor with high efficiency. The conditional expression for maximum torque control is shown below (refer to EE-Study Group materials “Characteristics of Ring Magnet Embedded PM Motor” RM-95-15).
[0022]
[Expression 4]
m + (L d −L q ) i d } i d − (L d −L q ) i q 2 = 0
[0023]
If there is a position detector that detects the position of the rotor, i d and i q can be easily obtained by coordinate conversion, and the control system is configured so as to satisfy Equation 4, so that highly efficient operation by maximum torque control can be achieved. Is possible. However, it is difficult to obtain i d and i q when there is no position detector.
Therefore, it is considered that maximum torque control is realized with an IPM motor using i P , i Q or i P 2 + i Q 2 = I 2 (= id 2 + i q 2 ) which is relatively easily obtained.
First, when organized by substituting i q 2 = I 2 -i d 2 which is obtained from the I 2 = i d 2 + i q 2 in Equation 4, the Equation 5.
[0024]
[Equation 5]
2 (L d −L q ) i d 2 + Ψ m i d − (L d −L q ) I 2 = 0
[0025]
When Formula 5 is solved for i d , Formula 6 is obtained.
[0026]
[Formula 6]
Figure 0003680618
[0027]
In order to use the reluctance torque in the IPM motor, it is necessary to always control the d-axis current i d to be negative. Therefore, when L d <L q is taken into consideration, the decoding of Equation 6 is negative when i d is negative. Therefore, the following Expression 7 is obtained.
[0028]
[Expression 7]
Figure 0003680618
[0029]
Rearranging the right-hand side of Equation 3 represents the relationship between the reactive power in the IPM motor by substituting the i q 2 = I 2 -i d 2, the following equation.
[0030]
[Formula 8]
Vi Q = ω (L d −L q ) i d 2 + ωΨ m i d + ωL q I 2
[0031]
Substituting Equation 7 into Equation 8 yields Equation 9.
[0032]
[Equation 9]
Figure 0003680618
[0033]
The above formula 9 represents the basic principle of the present invention. That is, the left side of Equation 9 is the actual value of reactive power, the right side of Equation 9 is the target value of reactive power to which the maximum torque control condition is added, and the both sides are controlled to be equal. Can be controlled.
[0034]
Next, it is assumed that the maximum torque control formula of Formula 5 is approximately expressed to simplify the control configuration. Solving Equation 5 for I 2 gives Equation 10 below.
[0035]
[Expression 10]
I 2 = 2 i d 2 + {Ψ m / (L d −L q )} i d
[0036]
In general, Ψ m / (L d −L q ) is sufficiently larger than the d-axis current. In such a condition, the following relational expression holds.
[0037]
[Expression 11]
2 i d 2 << {Ψ m / (L d −L q )} i d
[0038]
From the relationship of Equation 11, Equation 10 is approximated as follows.
[0039]
[Expression 12]
I 2 ≒ ki d
[0040]
The coefficient k in Expression 12 is rewritten to obtain Expression 13.
[0041]
[Formula 13]
i d = KI 2 (assuming 1 / k = K)
[0042]
When Expression 13 is substituted into Expression 8, the following expression is obtained.
[0043]
[Expression 14]
Vi Q = ωI 2 {(L d + L q + Ψ m · K) / 2} = ωI 2 · K M
(K M = (L d + L q + Ψ m · K) / 2)
[0044]
Therefore, when approximated as the above-described Expression 12, approximate maximum torque control can be realized with Expression 14 by a simple circuit configuration.
Even if the command value V * of V is used in place of the magnitude V of the voltage vector in Expression 14, the operation is the same.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an embodiment of the invention according to claim 1 and is a control block diagram showing high-efficiency operation of a permanent magnet synchronous motor. The part enclosed by the broken line is a function added in this embodiment. The stabilization control means shown in the prior art in FIG. 8 is not shown. Since the portion outside the broken line is the prior art, only the inside of the broken line will be described below.
[0046]
Claim 1 represents the basic concept of the present invention. In FIG. 1, the voltage and current of a permanent magnet type synchronous motor 6 having a saliency like an IPM motor are taken into reactive power calculation means 8, and the actual value of reactive power input to the motor 6 by this calculation means 8. Is calculated by Equation 1 described above. Further, the reactive power target value calculation means 9 calculates the target value of reactive power to be input to the motor 6 using a conditional expression for high-efficiency operation (the right side of Expression 14 or Expression 9 described above). Reference numeral 11 denotes conversion means for converting the frequency set value f * into the angular frequency ω for the calculation of the reactive power target value. Then, a value that acts so that the reactive power input to the motor becomes equal to the target value is fed back to the voltage command v * that is the output of the f / V conversion unit 3 by the adjusting unit 10.
[0047]
Thereby, in the IPM motor controlled by V / f, it is possible to perform maximum efficiency control and perform high efficiency operation.
[0048]
FIG. 2 is a control block diagram showing an embodiment of the invention according to claim 2.
In FIG. 2, the detected two-phase currents i u and i w are converted by the coordinate conversion means 12 into a current component i Q orthogonal to the voltage command vector and a current component i P parallel to the voltage command vector. In reactive power computing means 8 calculates the actual value of the reactive power from the voltage command vector and the current component i Q. Further, the reactive power target value calculating means 9 uses the current components i Q and i P , the equivalent circuit constants (L d , L q , Ψ m, etc.) 13 of the motor 6 and the angular frequency ω, so that the reactive power target value calculating means 9 Is calculated. A value that acts so that the actual value of the reactive power input to the motor 6 becomes equal to the target value is fed back to the voltage command v * by the adjusting means 10.
[0049]
FIG. 3 is a control block diagram showing an embodiment of the invention according to claim 3.
In FIG. 3, the I 2 calculation means 15 calculates the square of the magnitude of the current according to the calculation formula of I 2 = i P 2 + i Q 2 , and the coefficient K M = (L d + L) shown in parentheses in the formula 14 above. q + Ψ m K) / 2 and further multiplied by the angular frequency ω by the multiplier 17 to obtain ω {(L d + L q + Ψ m K) / 2} I 2 , which is set as the target value of reactive power. .
On the other hand, obtaining the v * i Q by multiplication of the voltage control v * and i Q by the reactive power calculation means 8.
[0050]
The difference between these ω {(L d + L q + Ψ m K) / 2} I 2 and v * i Q is taken, and the value is taken as Δ. △ is input to the controller 16 corrects the voltage command v * △ v * to generate.
If △ is + (plus), the reactive power actually input is larger than the target reactive power, indicating that the applied voltage is excessive, and if it is-(minus), it is actually input. Since ΔV * is smaller than the target reactive power and the voltage is too low, Δv * is negatively fed back with respect to the voltage.
In FIG. 3, 14 is an integrating means, and 18 is a three-phase / two-phase converting means.
[0051]
A specific configuration of the regulator 16 in FIG. 3 will be described with reference to FIG.
In FIG. 7, Example (1) has a first-order lag element, Example (2) has a PI controller that combines a proportional element and an integral element, and Example (3) has a proportional element. In this case, Example (4) is a case where an integral element is provided. In any case, the purpose is common in that it has a function of adjusting the voltage so that the Δ of the input, which is the deviation between the reactive power target value and the actual value, becomes zero.
[0052]
FIG. 4 is a control block diagram showing an embodiment of the invention according to claim 4, and a portion surrounded by a broken line is different from the embodiment of FIG.
In this embodiment, the control circuit is configured based on the following equation obtained by modifying Equation 14.
[0053]
[Expression 15]
Vi Q / ω = {(L d + L q + Ψ m K) / 2} I 2 = K M · I 2
[0054]
In FIG. 4, the square of the magnitude of the current is obtained by the I 2 calculation means 15 according to the calculation formula of I 2 = i P 2 + i Q 2 , and the coefficient K M = (L d + L q + Ψ m K as in FIG. 3). ) / 2 to find {(L d + L q + Ψ m K) / 2} I 2 .
On the other hand, the product of the voltages v * and i Q is divided by the angular frequency ω by the divider 19 to obtain (v * i Q ) / ω. The difference between (v * i Q ) / ω and {(L d + L q + Ψ m K) / 2} I 2 is taken and the value is taken as Δ. △ is input to the controller 16 corrects the voltage command v * △ v * to generate. The configuration of the adjuster 16 is the same as that in FIG.
[0055]
As described above, control is performed by the regulator 16 similar to the embodiment of FIG. 3 using a value proportional to the actual value of the reactive power input to the motor 6 and a value proportional to the target value of the reactive power of the motor 6. If the circuit is configured, high-efficiency operation is possible. In addition, it is obvious that the same effect can be obtained even if a value obtained by adding or subtracting the same value from the actual value of reactive power input to the motor 6 and the target value of reactive power is used.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is provided a control device for a permanent magnet type synchronous motor having saliency such as an embedded magnet structure, which is driven with a voltage applied to a winding being approximately proportional to its frequency. In the / f control, high efficiency operation can be realized by simple control. In other words, the maximum torque control conventionally performed by a drive device with a magnetic pole position detector can be realized without a detector, and the voltage according to load fluctuation is applied to V / f control that only supplies voltage unilaterally. A function to adjust is added, and there is an effect such as exerting an energy saving effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a control block diagram showing an embodiment of the invention described in claim 1;
FIG. 2 is a control block diagram showing an embodiment of the invention as set forth in claim 2;
FIG. 3 is a control block diagram showing an embodiment of the invention as set forth in claim 3;
FIG. 4 is a control block diagram showing an embodiment of the invention as set forth in claim 4;
FIG. 5 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
7 is a configuration diagram of a regulator in FIGS. 3 and 4. FIG.
FIG. 8 is a control block diagram showing a conventional technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frequency setting means 2 Acceleration / deceleration calculation means 3 f / V conversion means 4 PWM means 5 Inverter 6 Permanent magnet type synchronous motor 8 Reactive power calculation means 9 Reactive power target value calculation means 10 Adjustment means 11 Conversion means 12 Coordinate conversion means 13 Electric motor Equivalent circuit constant 14 Accumulating means 15 I 2 computing means 16 Controller 17 Multiplicating means 18 Three-phase / two-phase converting means 19 Dividing means

Claims (4)

突極性を有する永久磁石形同期電動機の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例して制御する手段と、
前記電動機に入力されている無効電力の実際値を演算する手段と、
前記電動機を最大トルク制御するための条件式と、突極性を有する永久磁石形同期電動機における無効電力の関係と、から電動機に入力されるべき無効電力の目標値を演算する手段と、
前記無効電力の実際値と目標値とが等しくなるように前記巻線に印加する電圧を調整する調整手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
Means for controlling the voltage applied to the winding of the permanent magnet type synchronous motor having saliency and the frequency thereof approximately in proportion;
Means for calculating an actual value of reactive power input to the motor;
Means for calculating a target value of reactive power to be input to the motor from a conditional expression for controlling the maximum torque of the motor and a relationship of reactive power in the permanent magnet synchronous motor having saliency ;
Adjusting means for adjusting a voltage applied to the winding so that an actual value and a target value of the reactive power are equal;
A control device for a permanent magnet type synchronous motor.
請求項1記載の永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記巻線に印加する電圧ベクトルの大きさとこの電圧ベクトルに直交する電流成分との積から前記電動機に入力されている無効電力の実際値を演算する手段と、前記電動機の等価回路定数と電流の大きさと電圧の角周波数とから電動機に入力されるべき無効電力の目標値を演算する手段と、前記無効電力の実際値と目標値との差を増幅して前記電圧ベクトルの大きさの指令値に帰還する手段と、を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。  2. The permanent magnet synchronous motor control apparatus according to claim 1, wherein an actual value of reactive power input to the motor from a product of a magnitude of a voltage vector applied to the winding and a current component orthogonal to the voltage vector. Means for calculating the target value of reactive power to be input to the motor from the equivalent circuit constant of the motor, the magnitude of current and the angular frequency of the voltage, and the actual value and target value of the reactive power. And a means for amplifying the difference and feeding back to the command value of the magnitude of the voltage vector. 請求項2記載の永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記電動機の等価回路定数から決まる比例定数をKM、電流の大きさをI、電圧の角周波数をωとしたときに、電動機に入力されるべき無効電力の目標値をKMωI2とすることを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。3. The control apparatus for a permanent magnet synchronous motor according to claim 2, wherein the proportional constant determined from the equivalent circuit constant of the motor is K M , the magnitude of the current is I, and the angular frequency of the voltage is input to the motor. A control device for a permanent magnet synchronous motor, characterized in that a target value of reactive power to be set is K M ωI 2 . 突極性を有する永久磁石形同期電動機の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例して制御する手段と、前記電動機に入力されている無効電力の実際値を電圧の角周波数により除算する手段と、前記電動機の等価回路定数から決まる比例定数をKM、電流の大きさをIとしたときに、KM2の値を演算する手段と、前記無効電力の実際値を電圧の角周波数により除算した値とKM2とが等しくなるように前記巻線に印加する電圧を調整する調整手段と、を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。Means for controlling the voltage applied to the winding of the permanent magnet synchronous motor having saliency and the frequency thereof in proportion to each other, and the actual value of the reactive power input to the motor is divided by the angular frequency of the voltage. means and said electric motor proportionality constant K M which is determined from the equivalent circuit constant of the magnitude of the current when the I, means for calculating the value of K M I 2, the corners of the voltage actual value of the reactive power A control device for a permanent magnet type synchronous motor, comprising: adjusting means for adjusting a voltage applied to the winding so that a value divided by frequency and K M I 2 are equal to each other.
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