JP3687590B2 - PM motor control method and control apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を界磁源とするPMモータをインバータなどの可変速駆動装置にて速度やトルクを制御するPMモータの制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石を界磁源とする同期機には、界磁側に強力なダンパ巻き線(誘導器のカゴ形導体などに相当)を内蔵しており、商用電源に直入れ投入して起動が可能なものと、ダンパ巻き線がないため電圧や電流をインバータなどの電力変換装置などにより制御して発生トルクや安定化を行うものとの2種類がある。
【0003】
本発明は、ダンパが無いか、またはダンパの機能が弱く直入れ起動ができない種類のPMモータを制御対象とする。
【0004】
このようなPMモータを制御するためには、磁極の位置を検出し、磁極に応じた電流を流す必要が有る。そのため、一般的には位置センサを回転軸に取り付けて位置を検出している。図4にその構成例を示す。
【0005】
同図は、速度指令に対して制御を行う例を示しており、速度指令と速度検出値との比較により速度制御部1にトルク指令を得る。電流指令演算部2では、トルク指令から界磁の磁束やインダクタンスなどの情報を用いて、電流の指令に変換する。電流制御部3は、電流検出値との比較により電圧指令を得、逆回転座標変換部4による座標変換により電力変換器(インバータ)5に電圧制御信号を与え、PMモータ6に電機子電流を供給する。このときの電流を電流検出器7で検出し、回転座標変換部8による座標変換で電流制御部3へ検出電流信号を与える。
【0006】
この電流制御系では、電流指令が磁極位相を基準として計算されているため、電流検出器7から得られた交流電流を座標変換部8で位置情報を利用して電流指令と同一の磁極位相を基準とする回転座標に変換する。この座標上において電流制御を行ったのち、出力電圧を座標変換部4で再び逆回転座標変換して交流電圧の電圧指令を電力変換器5に与え、最終的にはPMモータ6を駆動する。
【0007】
位置検出器9は、PMモータ6の磁極位置を検出し、速度検出演算部10による速度検出信号を得て速度制御部1へ与える。また、位置検出器9の位置検出信号は座標変換部4、8へ位置情報として取り込まれる。
【0008】
しかし、位置検出器9は電子回路が内蔵されており、耐環境性が低くまた価格が高いなどの問題もある。
【0009】
そこで、このような位置検出器を使用する方式の他に、出力電圧または電圧指令と電流検出情報から磁束を推定演算して、磁極の位相を推定する位置センサレス制御方式もある。その構成例を図5に示し、位置推定演算部11が電圧指令と電流検出信号から位置を推定する。
【0010】
この構成例では、電圧情報を必要としている。より厳密には、永久磁石による速度起電力がその中に含まれている必要が有る。
【0011】
しかし、始動時は回転速度が零であるため、肝心の速度起電力が発生しない。そこで、始動時には高周波やパルス電流を流したり、高周波電圧を印加して突極性のある同期機のインダクタンス変化を計測することにより、位置を推定する方式が提案されている。
【0012】
永久磁石を用いた同期機は、透磁率の高い界磁極がケイ素鋼板などの材料と透磁率の低い永久磁石とで構成されているため、磁極軸(d軸)とそれに直交する軸(q軸)のインダクタンスには、形状の非対称性により差が発生する。このインダクタンスの差を利用して位置を推定するものである。
【0013】
このような方式は、パルス印加法や高周波印加法・高周波重畳法などと呼ばれており、高調波を注入する方法としては、次の文献がある。
【0014】
文献1:藍原隆司、鳥羽章夫、柳瀬孝雄、「センサレス方式による突極形同期モータの零速トルク制御」、平成8年電気学会産業応用部門全国大会、N0.170また、これに関連した提案としては、文献2:特願平6−550255号公報(特開平7−245981号公報)がある。
【0015】
文献1によると、この方式は図6のような構成となっている。ただし、用語と記号は、本発明で定義したものに修正している。ここでは、電流制御系は制御系が推定した磁極位置であるdc軸と、それに直交したqc軸成分用に2つの制御器12A,12Bで構成する例で表わしている。
【0016】
図6の詳細は文献1に記載されているが、その特徴は高周波成分をFFTで解析して、dc,qc軸の成分として求め、それから磁極のずれ角Δθを推定する部分にあり、図7を参照して以下に簡単に説明する。
【0017】
(1)制御座標の磁極推定軸であるdc軸に、正弦波状の高周波電圧vhを電流制御系の出力に重畳する。
【0018】
ここで,モータの磁極軸dが制御推定軸dcとΔθだけずれている場合には、モータのd,q軸のインダクタンス成分Ld,Lqの差(突極性)により、電流の高周波成分ihはΔφずれた直線上に軌跡が位置するようになる。
【0019】
(2)検出電流から,正弦波状の高周波電圧と同期した高周波成分ihをFFT(高速フーリエ変換)13により抽出し、位相誤差演算部14にてΔφを計算する。
【0020】
(3)電流のずれ角Δφの情報を積分器15にて積分演算して、Δφ=0となるようにdc軸(θ)を修正する。これにより、収束後はdc軸を磁極軸と一致させた推定位相θCを得ることができる。この推定位相θCは、座標変換部4、8への位相信号として与えるほか、速度検出演算部10では差分演算による速度検出とローパスフィルタによる高周波成分除去で速度検出信号として得る。
【0021】
上記の方式の利点は、下記のポイントにある。
【0022】
・停止状態(零速)でも位置推定が可能、
・高周波電圧成分を磁石の軸とほぼ同一位相にのみ入力しているため、高周波電流によるトルクリップルが発生しない。
【0023】
次に、文献2(特開平7−245981号公報)では、FFT演算の代わりに、高周波電流を抽出した後に電流微分を使用した方式にされる。この実施例の一部を図8に速度制御系を省略して示す。この方式の特徴を以下に説明する。
【0024】
(1)文献1と同様に、高周波電圧を制御上の磁極推定軸(dc軸)に重畳する。
【0025】
(2)電流検出からノッチフィルタ16A,16Bを利用して、高周波電圧と同期した高周波電流成分を抽出する。
【0026】
(3)微分演算部17により高周波電流成分を微分してインダクタンス成分相当を推定し、磁極位相を推定する。
【0027】
(4)波形としては正弦波以外に方形波や三角波も、また入力も電圧重畳と電流指令重畳などにも拡張している。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
(第1の課題)
図6の電流検出には、モータを駆動するために必要な基本波成分と磁極推定に必要な高周波成分が含まれている。このうち磁極推定に必要な高周波成分のみを分離するために、FFTのアルゴリズムを利用している。しかし、FFTを実行するためには1周期以上のデータが必要であり、データの検出周期は高周波の1周期毎に制限されてしまう。
【0029】
(第2の課題)
文献2では、FFTを使用せず電流の微分量を使用する方式であり、最少では2回のサンプルで位置推定が実行できる。しかし、電流検出には、PWM変調を行うために発生する主回路素子のスイッチングなどにより、検出器ヘノイズが混入し易い。そのため、電流微分を利用した方式はノイズに弱い問題がある。
【0030】
本発明の目的は、FFTを使用することなく高速に位相推定ができ、しかもノイズに対して推定位相誤差が少なくなるPMモータの制御方法および制御装置を提供することにある。
【0031】
【課題を解決するための手段】
(発明の原理的な説明)
図7のモータ磁極軸に同期して回転するdq直交2軸座標系において、磁極とその直交軸のインダクタンスが異なる場合を含めた永久磁石形同期機の電流電流方程式は下記の(1)式となる。
【0032】
【数1】
【0033】
これを、図7のように、Δθ=θ−θCだけずれた制御位相dC,qC座標に変換すると次の(2)式となる。
【0034】
【数2】
【0035】
これを、電流微分を求める状態方程式に変形すると、次の(3)式になる。
【0036】
【数3】
【0037】
上記の(3)式に対して、以下のΔVhが振幅で、ωhが角周波数である(4)式のようなdc軸にのみ単振動の高周波電圧成分を印加することとする。
【0038】
【数4】
【0039】
このとき、発生する電流は、(4)式を(3)式に代入すればよく、さらに以下の(5)式、(6)式の近似を行う。
【0040】
【数5】
【0041】
この近似により、(3)式の右辺の第2項および第3項は零値となり、以下の(7)式のような電流の状態方程式となる。
【0042】
【数6】
【0043】
ここで、近似できる根拠は、(5)式はモータの速度ωが零速度または極低速状態に適用することによる。また、(6)式は印加する高周波電圧の周波数が高いため、インダクタンスの誘起起電力に比べて抵抗Rの電圧降下成分は小さいことによる。
【0044】
この(7)式の両辺を積分すると、以下の(8)式のような電流状態方程式が得られる。
【0045】
【数7】
【0046】
上記の(8)式では、qc軸には電圧成分を印加していないにもかかわらず、qc軸にも電流成分が発生している。これは、インダクタンスの突極性(L2成分)によるものであり、以降にはこれを利用して軸ずれを検出していく。
【0047】
上記の(8)式の電流には、高調波成分と定常成分が含まれているため、帯域フィルタや1周期の平均値を減算する等の操作により、高調波電流成分だけを抽出することができ、以下の(9)式となる。
【0048】
【数8】
【0049】
この高調波電流成分から、角周波数+ωhで回転する正相軸と、−ωhで回転する逆相軸に対する写像を求める。ここで、正相/逆相軸の定義については、時刻t=0のときの初期位相をdc軸に一致させる成分dfc,drcと、初期位相をqc軸に一致させる成分qfc,qrcとの2種類が存在する。これらの関係および以下で求める写像成分の関係を図9に示す。
【0050】
まず、正相軸成分である2種類の成分dfc,drcについて計算する。正相軸への写像成分は、ωhtで回転する回転座標成分と等しく、これに電流式(9)式を代入すると以下の(10)式となる。
【0051】
【数9】
【0052】
次に、逆相軸成分は、−ωhtで回転する回転座標成分と等しく、これに電流式(9)式を代入すると以下の(11)式となる。
【0053】
【数10】
【0054】
上記の(10)、(11)式は、三角関数の倍角の公式を利用すると、2ωhtという電圧の2倍の角速度で振動する成分となり、以下の(12)式のようになる。
【0055】
【数11】
【0056】
次に、単振動の正相と逆相の差を利用する。ここで、(2)式のインダクタンスL2に関する突極性の要素のみにするために、前記(10)式と(11)式の合成をとることにする。電流成分である(12)式のままでは複雑であるが、差をとることにより簡単な式になってくる。
【0057】
ここで、L1の項を消去するように合成することとし、d軸を初期位相とする成分については差分を、q軸を初期位相とする成分については加算をとることとする。この差分と加算を取ったものが以下の(13)式と(14)式である。
【0058】
【数12】
【0059】
上記の(13)式は前記の(10)、(11)式より、d軸を初期値とする正相軸と逆相軸の写像の差分になる。また、(14)式は前記の(10)、(11)式より、q軸を初期値とする正相軸と逆相軸の写像の加算(合成)になる。
【0060】
これら正相軸と逆相軸の差分と合成成分をタイムチャートで表すと図10のようになる。同図より、次のことがわかる。
【0061】
(差分成分:idfc−idrc)
・0〜π/2の期間を最小単位とする線対称波形(実線)になる。
【0062】
・Δθ=0の場合には、振幅は零となる。
【0063】
・cos(2ωht)−1の波形は、L2・sin(2Δθ)が正極性のとき負のみの波形になるし、逆に、L2・sin(2Δθ)が負極性のとき正のみの波形になる。
【0064】
(合成成分:iqfc+iqrc)
・0〜π/4の期間を最小単位とする点対称波形(破線)になる。
【0065】
・Δθ=0の場合には、振幅は零となる。
【0066】
・sin(2ωht)の波形は、零を中心とする正弦波波形であるため、π/2毎に符号が反転する。したがって、0〜π/4の期間に区切って、面積とその符号をまとめると、位相ずれ量とその極性が判別可能である。
【0067】
前記の(14)式を最小単位である0〜π/4期間に亙って積分すると、以下の(15)式になる。
【0068】
【数13】
【0069】
この(15)式より、電流の検出面積からdc軸と磁極軸との位相ずれ量Δθを逆に求めることができ、以下の(16)式になる。また、同様に、他の7つの期間についても位相ずれ量Δθを求めることができる。
【0070】
【数14】
【0071】
上記の位相ずれ量Δθを求めることができれば、そのままdc軸を修正してもよいし、またノイズなどの要因がある場合には以下の(17)式のように緩和ゲインkを乗じて積分動作をさせて収束させてもよい。(17)式ではπ/2周期で極性が反転するため、符号補正関数S(ωht)を乗じている。
【0072】
【数15】
【0073】
上記の(17)式において、逆三角関数については、|Δθ|≪πであると近似すれば、sinΔθ≒Δθと近似できる。また、係数部分も緩和ゲインの一部とみなすと、以下の(18)式のように簡略化することもできる。
【0074】
【数16】
【0075】
また、最小期間毎に限定せずに、位相Δθを逐次修正してもよい。この場合、ωpを遮断周波数とする低域通過フィルタなどを通して、ゆっくりと修正動作を行わせる必要がある。そこで、以下の(19)式のように推定を行うこともできる。
【0076】
【数17】
【0077】
このようにして、dc軸を(15)式の成分が零となるまで収束させると、dc軸は磁極軸と一致させることができる。
【0078】
以上までの説明が、正相軸と逆相軸の写像を利用した本発明による磁極軸の位相推定方式である。
【0079】
(発明の基本構成)
上記までの原理的な説明から、前記の文献1ではFFTにより電流ベクトル成分を抽出してから計算しているが、本発明では新たに単振動の正相分と逆相分で取り扱うようにしたもので、以下の特徴事項になる。
【0080】
(1)dc軸上に正弦波状の高周波成分の電圧(または電流)を重畳する点は文献1と同じである。この入力した単振動状の電圧が磁極軸またはその直交軸と一致していると、電流も同一位相上の単振動となる。磁極軸またはその直交軸に一致していない場合には、高周波電流成分はΔφだけずれた軸上の単振動となる。
【0081】
(2)本来、単振動成分は、正回転する成分(正相分)と逆回転する成分(逆相分)という振幅は等しいが回転方向の異なる2つの回転ベクトル成分に分離することができる。もし、この入力した単振動成分と磁極軸またはその直交軸とが一致していれば、正相分と逆相分の時間波形は等しい正弦波となる。もし、磁極軸の位相がずれている場合には、正相分と逆相分の時間波形に位相ずれが発生する。したがって、正相/逆相成分の差を利用し、これが零となるように制御すれば位相推定が可能となる。
【0082】
(3)そこで、正相分と逆相分を求めるために、正相軸と逆相軸に対する高周波電流成分の瞬時ベクトルの写像を利用する。
【0083】
(4)この2つの軸の写像成分の位相が一致するように高周波注入位相を修正すると、収束した位相が磁極位相またはその垂直位相となる。
【0084】
以上のことから、本発明の基本構成は、図1に示すようになり、破線ブロックの部分で図6と異なるものである。
【0085】
図1において、積分器21と高周波電圧発生部22によってdc軸に高周波電圧を印加するもので、高周波角速度指令ωhの積分で高周波位相指令ωhtを得、この位相をもち振幅を調整した正弦波状の単振動高周波電圧ΔVhcos(ωht)をdc軸の電圧指令に注入する。
【0086】
また、高調波抽出部23、24によってdc,qc軸電流idc,qdcに含まれる高周波電流成分を抽出する。
【0087】
また、正相軸写像演算部25と逆相軸写像演算部26は、抽出された高周波電流成分と正相軸と逆相軸に対する写像を求める。
【0088】
また、正/逆相非対称性抽出部27は、2つの写像成分の非対称性を特徴量として求める。
【0089】
また、位相推定演算部28は、特徴量から推定位相θcを求める。
【0090】
(制御方法の発明)
(1)PMモータに単振動正弦波状の高周波電圧または電流を注入し、この高周波電圧または電流の注入によってPMモータに流れる高周波電流又は電圧から磁極の位相を推定をするPMモータの制御方法において、
前記位相推定は、
前記高周波電流成分又は電圧から正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分を求め、
前記正相軸の写像成分と逆相軸の写像成分の非対称性を特徴量として求め、
前記特徴量から磁極の位相を推定することを特徴とするPMモータの制御方法。
【0091】
(制御装置の発明)
(2)PMモータに単振動正弦波状の高周波電圧または電流を注入し、この高周波電圧または電流の注入によってPMモータに流れる高周波電流又は電圧から磁極の位相を推定するPMモータの制御装置において、
前記高周波電流成分又は電圧から正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分を求め、
前記正相軸の写像成分と逆相軸の写像成分の非対称性を特徴量として求め、
前記特徴量から磁極の位相を推定する位相推定手段を備えたことを特徴とするPMモータの制御装置。
【0092】
(3)PMモータの磁極位置になるdc軸とそれに直交したqc軸に分離した電流制御系と、前記dc軸の電圧指令に単振動正弦波状の高周波電圧または電流を注入し、この高周波電圧または電流の注入によってPMモータに流れる高周波電流又は電圧から磁極の位相を推定する位相推定装置とを備えたPMモータの制御装置において、
前記位相推定装置は、
前記高周波電圧または電流の位相指令ωhtを基にして前記単振動の高周波電圧または電流を発生する高周波発生手段と、
PMモータの前記dc軸電流とqc軸電流に含まれる高周波電流成分idc,iqcを抽出する高調波抽出手段と、
前記高周波電流成分idc,iqcから正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分iqfc、iqrcを求める写像抽出手段と、
前記写像成分iqfc、iqrcを合成し、高周波位相指令ωhtの0〜π/4期間に亙って積分し、係数を乗じて位相ずれ量Δθを求める積分手段と、
前記位相ずれ量Δθから推定位相θcを求める位相推定演算手段とを備えたことを特徴とするPMモータの制御装置。
【0093】
(4)PMモータの磁極位置になるdc軸とそれに直交したqc軸に分離した電流制御系と、前記dc軸の電圧指令に単振動正弦波状の高周波電圧または電流を注入し、この高周波電圧または電流の注入によってPMモータに流れる高周波電流又は電圧から磁極の位相を推定する位相推定装置とを備えたPMモータの制御装置において、
前記位相推定装置は、
前記高周波電圧または電流の位相指令ωhtを基にして前記単振動の高周波電圧または電流を発生する高周波発生手段と、
PMモータの前記dc軸電流とqc軸電流に含まれる高周波電流成分idc,iqcを抽出する高調波抽出手段と、
前記高周波電流成分idc,iqcから正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分idfc、idrcを求める写像抽出手段と、
前記写像成分idfc、idrcの差分を求め、高周波位相指令ωhtの0〜π/2期間に亙って積分又は連続的な積分をし、係数を乗じて位相ずれ量Δθを求める積分手段と、
前記位相ずれ量Δθから推定位相θcを求める位相推定演算手段とを備えたことを特徴とするPMモータの制御装置。
【0094】
【発明の実施の形態】
(実施形態1)
図2は、本発明の実施形態1を示す構成図であり、図1と同等の部分は同一符号で示す。また、各部には前記の各式を対応付けて示す。
【0095】
図2において、正相軸写像演算部29と逆相軸写像演算部30は、以下のように定義された座標変換行列を使用して写像演算を行い、前記(10)式の2行目と(11)式の2行目のqc軸の正相成分と逆相成分を求める。
【0096】
【数18】
【0097】
合成部31は、写像成分iqfc,iqrcの加算(合成)によってq軸を初期位相とする前記(14)式の合成値(iqfc+iqrc)を求める。
【0098】
積分器32は、合成値(iqfc+iqrc)を高周波位相指令ωhtの0〜π/4期間に亙って積分し、前記(15)式の積分結果を求め、これに係数を乗じて位相ずれ量Δθを求める。
【0099】
位相推定演算部33は、位相ずれΔθに符号補正関数等を乗じて前記の(17)式または(18)式の演算で推定位相θCを求める。
【0100】
本実施形態において、図10の特性は、前記の(4)式のようにdc軸に余弦波波形の高周波電圧を印加することにより得ている。仮に、入力軸を変更した余弦波を正弦波に変更すると、正相と逆相の写像の合成波形は発生する軸や極性が異なってくるが、基本的にはcos(2ωht)−1とsin(2ωht)の波形の組み合わせに限定される。そのため、入力位相や電圧形状によって、写像の選択を変更するだけで、同じ制御アルゴリズムを使用できる。
【0101】
(実施形態2)
図3は、本発明の実施形態2を示す構成図である。同図が図2と異なる部分を以下に説明する。
【0102】
正相軸写像演算部34と逆相軸写像演算部35は、前記の(10)式の1行目と(11)式の1行目のdc軸の正相成分と逆相成分を求める。
【0103】
差分演算部36は、写像成分idfc,idrcの差分演算によって前記(13)式の差分(idfc−idrc)を求める。
【0104】
積分器37は、差分(idfc−idrc)を高周波位相指令ωhtの0〜π/2期間に亙って積分し、差分成分による積分結果を求め、これに係数を乗じて位相ずれ量Δθを求める。
【0105】
位相推定演算部38は、位相ずれΔθに符号補正関数等を乗じて前記の(17)式〜(19)式のいずれかの演算で推定位相θCを求める。
【0106】
前記の実施形態1では、正相軸と逆相軸の写像の非対称性を求めるのにq軸を初期位相とする(14)式を利用している。本実施形態では、d軸を初期位相とする(13)式を利用した方式とする。
【0107】
また、積分器37は、π/2区間の積分器としているが、(idfc−idrc)は脈動するものの、極性は同じであるため、連続的な積分器でもよい。
【0108】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、以下の効果がある。
【0109】
(1)文献1では、FFTを適用しているため、入力高周波電圧成分のπ期間の電流検出データが必要であったが、本発明では最小でπ/4期間でよく、4倍高速に位相推定が実行できる。
【0110】
(2)文献2では電流微分を使用しているが、本発明は電流微分を使用していない。逆に、電流の写像成分を一定期間積分している。そのため、文献2に比べて、強いノイズの抑制効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成図。
【図2】本発明の実施形態1を示すブロック図。
【図3】本発明の実施形態2を示すブロック図。
【図4】従来のPMモータの制御方式のブロック図。
【図5】従来のPMモータの位置センサレス制御方式のブロック図。
【図6】従来の文献1のブロック図。
【図7】PMモータの高調波電圧と磁極位置関係の図。
【図8】従来の文献2のブロック図。
【図9】本発明に係る正相軸と逆相軸への写像成分の図。
【図10】本発明に係る高周波成分の電圧成分と、正相軸と逆相軸の差分との関係図。
【符号の説明】
1…速度制御器
4…逆回転座標変換器
5…電力変換器
6…PMモータ
8…回転座標変換器
10…速度検出演算部
12A、12B…電流制御器
21…積分器
22…高周波発生部
23、24…高調波抽出部
25…正相軸写像抽出部
26…逆相軸写像抽出部
27…非対称性抽出部
28、33、38…位相推定演算部
29…正相軸写像演算部
30…逆相軸写像演算部
31…合成部
32、37…積分器
36…差分演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a PM motor control device that controls the speed and torque of a PM motor using a permanent magnet as a field source by a variable speed drive device such as an inverter.
[0002]
[Prior art]
A synchronous machine using a permanent magnet as a field source incorporates a powerful damper winding (equivalent to the cage conductor of an inductor) on the field side, and can be started by directly turning on the commercial power supply. There are two types, namely, there is no damper winding, and the generated torque and stabilization are controlled by controlling the voltage and current by a power converter such as an inverter.
[0003]
The present invention controls a type of PM motor that does not have a damper or that has a weak damper function and cannot be started directly.
[0004]
In order to control such a PM motor, it is necessary to detect the position of the magnetic pole and pass a current corresponding to the magnetic pole. Therefore, the position is generally detected by attaching a position sensor to the rotating shaft. FIG. 4 shows an example of the configuration.
[0005]
The figure shows an example in which control is performed on a speed command, and a torque command is obtained from the
[0006]
In this current control system, since the current command is calculated with reference to the magnetic pole phase, the AC current obtained from the
[0007]
The
[0008]
However, the
[0009]
Therefore, in addition to a method using such a position detector, there is a position sensorless control method in which a magnetic flux is estimated from an output voltage or voltage command and current detection information to estimate the phase of the magnetic pole. An example of the configuration is shown in FIG. 5, and the position estimation calculation unit 11 estimates the position from the voltage command and the current detection signal.
[0010]
In this configuration example, voltage information is required. More strictly, the speed electromotive force by the permanent magnet needs to be included therein.
[0011]
However, since the rotational speed is zero at the time of starting, the important speed electromotive force is not generated. Therefore, a method of estimating the position by flowing a high frequency or a pulse current at the time of starting or measuring an inductance change of a synchronous machine having a saliency by applying a high frequency voltage has been proposed.
[0012]
In a synchronous machine using a permanent magnet, a field pole having a high magnetic permeability is composed of a material such as a silicon steel plate and a permanent magnet having a low magnetic permeability. Therefore, a magnetic pole axis (d axis) and an axis orthogonal to it (q axis) ), A difference occurs due to the asymmetry of the shape. The position is estimated using the difference in inductance.
[0013]
Such a method is called a pulse application method, a high-frequency application method, a high-frequency superposition method, or the like. As a method for injecting harmonics, there are the following documents.
[0014]
Reference 1: Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, “Zero-speed torque control of salient-pole synchronous motor by sensorless method”, 1996 Annual Conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan, N0.170, and related proposals There is document 2: Japanese Patent Application No. 6-550255 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-245981).
[0015]
According to
[0016]
The details of FIG. 6 are described in
[0017]
(1) A sinusoidal high frequency voltage v h is superimposed on the output of the current control system on the dc axis that is the magnetic pole estimation axis of the control coordinates.
[0018]
Here, when the magnetic pole axis d of the motor is deviated from the control estimation axis dc by Δθ, the high frequency component i of the current is caused by the difference (saliency) between the inductance components L d and L q of the motor d and q axes. The locus of h is located on a straight line shifted by Δφ.
[0019]
(2) A high frequency component i h synchronized with a sinusoidal high frequency voltage is extracted from the detected current by an FFT (Fast Fourier Transform) 13, and Δφ is calculated by the phase
[0020]
(3) The information of the current deviation angle Δφ is integrated by the
[0021]
The advantages of the above method are as follows.
[0022]
・ Position can be estimated even when stopped (zero speed).
・ High-frequency voltage components are input only in approximately the same phase as the magnet axis, so torque ripple due to high-frequency current does not occur.
[0023]
Next, in Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-245981), instead of FFT calculation, a method using current differentiation after extracting a high-frequency current is adopted. Part of this embodiment is shown in FIG. 8 with the speed control system omitted. The characteristics of this method will be described below.
[0024]
(1) Similar to
[0025]
(2) A high frequency current component synchronized with the high frequency voltage is extracted from the current detection using the
[0026]
(3) Differentiate the high-frequency current component by the
[0027]
(4) As a waveform, a square wave and a triangular wave are extended in addition to a sine wave, and the input is extended to voltage superposition and current command superposition.
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
(First issue)
The current detection in FIG. 6 includes a fundamental wave component necessary for driving the motor and a high frequency component necessary for magnetic pole estimation. Of these, in order to separate only the high frequency components necessary for magnetic pole estimation, an FFT algorithm is used. However, in order to execute FFT, data of one period or more is necessary, and the data detection period is limited for each high frequency period.
[0029]
(Second problem)
[0030]
It is an object of the present invention to provide a PM motor control method and control apparatus that can perform phase estimation at high speed without using FFT and reduce an estimated phase error with respect to noise.
[0031]
[Means for Solving the Problems]
(Principle description of the invention)
In the dq orthogonal biaxial coordinate system rotating in synchronization with the motor magnetic pole axis in FIG. 7, the current-current equation of the permanent magnet type synchronous machine including the case where the inductance of the magnetic pole and that orthogonal axis is different is the following equation (1): Become.
[0032]
[Expression 1]
[0033]
When this is converted into control phases d C and q C coordinates shifted by Δθ = θ−θ C as shown in FIG. 7, the following equation (2) is obtained.
[0034]
[Expression 2]
[0035]
When this is transformed into a state equation for obtaining a current derivative, the following equation (3) is obtained.
[0036]
[Equation 3]
[0037]
For the above equation (3), a high frequency voltage component of simple vibration is applied only to the dc axis as in equation (4) where ΔV h is amplitude and ω h is angular frequency.
[0038]
[Expression 4]
[0039]
At this time, the generated current may be obtained by substituting the equation (4) into the equation (3), and the following equations (5) and (6) are approximated.
[0040]
[Equation 5]
[0041]
By this approximation, the second term and the third term on the right side of the equation (3) become zero values, and the current state equation as the following equation (7) is obtained.
[0042]
[Formula 6]
[0043]
Here, the reason for the approximation is that equation (5) is applied when the motor speed ω is zero or extremely low. Further, the expression (6) is because the voltage drop component of the resistor R is smaller than the induced electromotive force of the inductance because the frequency of the applied high frequency voltage is high.
[0044]
By integrating both sides of the equation (7), a current state equation such as the following equation (8) is obtained.
[0045]
[Expression 7]
[0046]
In the above equation (8), although no voltage component is applied to the qc axis, a current component is also generated on the qc axis. This is due to the inductance of the salient pole (L 2 component), it will detect the axial displacement by use of this later.
[0047]
Since the current of the above formula (8) includes a harmonic component and a steady component, it is possible to extract only the harmonic current component by an operation such as subtracting the average value of a band filter or one period. The following equation (9) can be obtained.
[0048]
[Equation 8]
[0049]
From this harmonic current component, a mapping is obtained for a positive phase axis rotating at an angular frequency + ω h and a negative phase axis rotating at −ω h . Here, with respect to the definition of the normal phase / reverse phase axis, the components dfc and drc that make the initial phase coincident with the dc axis at time t = 0 and the components qfc and qrc that make the initial phase coincide with the qc axis are two. There are types. FIG. 9 shows these relationships and the relationship between the mapping components obtained below.
[0050]
First, two types of components dfc and drc that are positive phase axis components are calculated. The mapping component to the positive phase axis is equal to the rotating coordinate component rotating at ω h t, and the following equation (10) is obtained by substituting the current equation (9) into this.
[0051]
[Equation 9]
[0052]
Next, the negative phase axis component is equal to the rotational coordinate component rotating at −ω h t, and the following equation (11) is obtained by substituting the current equation (9) into this.
[0053]
[Expression 10]
[0054]
The above equations (10) and (11) are components that oscillate at an angular velocity twice as high as a voltage of 2ω h t when the double angle formula of the trigonometric function is used, and is represented by the following equation (12).
[0055]
[Expression 11]
[0056]
Next, the difference between the positive and negative phases of simple vibration is used. Here, in order to make only the element of the saliency related to the inductance L 2 in the equation (2), the above equations (10) and (11) are combined. Although the equation (12) that is the current component is complicated as it is, it becomes a simple equation by taking the difference.
[0057]
Here, the synthesis is performed so as to eliminate the term of L 1 , and the difference is taken for the component having the d-axis as the initial phase, and the addition is taken for the component having the q-axis as the initial phase. The following equations (13) and (14) are obtained by taking the difference and addition.
[0058]
[Expression 12]
[0059]
The above equation (13) is the difference between the positive phase axis and the negative phase axis mapping with the d axis as the initial value from the above equations (10) and (11). Further, the equation (14) is an addition (combination) of the mapping of the positive phase axis and the negative phase axis with the q axis as an initial value from the above equations (10) and (11).
[0060]
FIG. 10 shows the difference between the normal phase axis and the negative phase axis and the synthesized component in a time chart. The figure shows the following.
[0061]
(Difference component: i dfc −i drc )
A line-symmetric waveform (solid line) having a period of 0 to π / 2 as a minimum unit.
[0062]
• When Δθ = 0, the amplitude is zero.
[0063]
The waveform of cos (2ω h t) −1 is only a negative waveform when L 2 · sin (2Δθ) is positive, and conversely, it is only positive when L 2 · sin (2Δθ) is negative. It becomes the waveform.
[0064]
(Composite component: i qfc + i qrc )
A point-symmetric waveform (broken line) having a period of 0 to π / 4 as a minimum unit.
[0065]
• When Δθ = 0, the amplitude is zero.
[0066]
Since the waveform of sin (2ω h t) is a sine wave waveform centered on zero, the sign is inverted every π / 2. Therefore, the phase shift amount and its polarity can be discriminated by dividing the area and its sign by dividing into periods of 0 to π / 4.
[0067]
When the above equation (14) is integrated over the minimum unit of 0 to π / 4 period, the following equation (15) is obtained.
[0068]
[Formula 13]
[0069]
From this equation (15), the phase shift amount Δθ between the dc axis and the magnetic pole axis can be obtained in reverse from the current detection area, and the following equation (16) is obtained. Similarly, the phase shift amount Δθ can be obtained for the other seven periods.
[0070]
[Expression 14]
[0071]
If the above-mentioned phase shift amount Δθ can be obtained, the dc axis may be corrected as it is, and if there is a factor such as noise, the integration operation is performed by multiplying the relaxation gain k as shown in the following equation (17). May be converged. In the equation (17), since the polarity is inverted every π / 2 period, the sign correction function S (ω h t) is multiplied.
[0072]
[Expression 15]
[0073]
In the above equation (17), if the inverse trigonometric function is approximated as | Δθ | << π, it can be approximated as sin Δθ≈Δθ. If the coefficient portion is also considered as a part of the relaxation gain, it can be simplified as in the following equation (18).
[0074]
[Expression 16]
[0075]
Further, the phase Δθ may be corrected sequentially without being limited to every minimum period. In this case, the correction operation needs to be performed slowly through a low-pass filter having ω p as a cutoff frequency. Therefore, estimation can also be performed as in the following equation (19).
[0076]
[Expression 17]
[0077]
In this way, when the dc axis is converged until the component of equation (15) becomes zero, the dc axis can be made to coincide with the magnetic pole axis.
[0078]
The above explanation is the phase estimation method of the magnetic pole axis according to the present invention using the mapping of the positive phase axis and the negative phase axis.
[0079]
(Basic configuration of the invention)
From the above principle description, in the above-mentioned
[0080]
(1) The point of superimposing a voltage (or current) of a sinusoidal high frequency component on the dc axis is the same as in
[0081]
(2) Basically, the simple vibration component can be separated into two rotation vector components having the same amplitude but different rotation directions, ie, a component that rotates in the forward direction (for the positive phase) and a component that rotates in the reverse direction (for the reverse phase). If the input single vibration component matches the magnetic pole axis or its orthogonal axis, the time waveform for the positive phase and the reverse phase are equal sine waves. If the phase of the magnetic pole axis is shifted, a phase shift occurs in the time waveform for the positive phase and the reverse phase. Therefore, the phase can be estimated by using the difference between the positive phase / negative phase components and controlling the difference to be zero.
[0082]
(3) Therefore, in order to obtain the positive phase component and the negative phase component, the instantaneous vector mapping of the high-frequency current component with respect to the positive phase axis and the negative phase axis is used.
[0083]
(4) When the high-frequency injection phase is corrected so that the phases of the mapping components of the two axes coincide, the converged phase becomes the magnetic pole phase or its perpendicular phase.
[0084]
From the above, the basic configuration of the present invention is as shown in FIG. 1, and is different from FIG.
[0085]
In FIG. 1, a high frequency voltage is applied to the dc axis by an
[0086]
Further, the high frequency current components included in the dc and qc axis currents i dc and q dc are extracted by the
[0087]
Further, the positive phase axis mapping calculation unit 25 and the negative phase axis
[0088]
Further, the normal / reverse phase
[0089]
Further, the phase
[0090]
(Invention of control method)
(1) In a PM motor control method for injecting a single vibration sinusoidal high-frequency voltage or current into a PM motor and estimating the phase of the magnetic pole from the high-frequency current or voltage flowing in the PM motor by the injection of the high-frequency voltage or current.
The phase estimation is
Determine the mapping component for the positive phase axis rotating in the positive direction and the negative phase axis rotating in the reverse rotation direction from the high-frequency current component or voltage,
Obtain the asymmetry of the mapping component of the normal phase axis and the mapping component of the negative phase axis as a feature amount,
A PM motor control method, wherein the phase of a magnetic pole is estimated from the feature amount.
[0091]
(Invention of control device)
(2) In a PM motor control device that injects a single-vibration sinusoidal high-frequency voltage or current into a PM motor and estimates the phase of a magnetic pole from the high-frequency current or voltage flowing through the PM motor by the injection of the high-frequency voltage or current.
Determine the mapping component for the positive phase axis rotating in the positive direction and the negative phase axis rotating in the reverse rotation direction from the high-frequency current component or voltage,
Obtain the asymmetry of the mapping component of the normal phase axis and the mapping component of the negative phase axis as a feature amount,
A PM motor control apparatus comprising phase estimation means for estimating the phase of a magnetic pole from the feature quantity.
[0092]
(3) A current control system separated into a dc axis which is a magnetic pole position of the PM motor and a qc axis orthogonal thereto, and a single vibration sinusoidal high frequency voltage or current is injected into the voltage command of the dc axis. In a PM motor control device comprising a phase estimation device that estimates the phase of a magnetic pole from a high-frequency current or voltage flowing in the PM motor by current injection,
The phase estimation device includes:
High-frequency generating means for generating the single-vibration high-frequency voltage or current based on the phase command ω h t of the high-frequency voltage or current;
Harmonic extraction means for extracting high-frequency current components i dc and i qc included in the dc-axis current and qc-axis current of the PM motor;
Mapping extraction means for obtaining mapping components i qfc and i qrc from the high-frequency current components i dc and i qc to a normal phase axis rotating in the positive direction and a negative phase axis rotating in the reverse rotation direction;
The mapping component i QFC, to synthesize i qrc, integrated over the 0~π / 4 period of the high frequency phase command omega h t, and integrating means for obtaining a phase shift amount Δθ by multiplying the coefficients,
A PM motor control apparatus comprising phase estimation calculation means for obtaining an estimated phase θc from the phase shift amount Δθ.
[0093]
(4) A current control system separated into a dc axis which is a magnetic pole position of the PM motor and a qc axis orthogonal thereto, and a single vibration sinusoidal high frequency voltage or current is injected into the voltage command of the dc axis. In a PM motor control device comprising a phase estimation device that estimates the phase of a magnetic pole from a high-frequency current or voltage flowing in the PM motor by current injection,
The phase estimation device includes:
High-frequency generating means for generating the single-vibration high-frequency voltage or current based on the phase command ω h t of the high-frequency voltage or current;
Harmonic extraction means for extracting high-frequency current components i dc and i qc included in the dc-axis current and qc-axis current of the PM motor;
Mapping extraction means for obtaining mapping components i dfc and i drc for the positive phase axis rotating in the positive direction and the negative phase axis rotating in the reverse rotation direction from the high-frequency current components i dc and i qc ;
Integration to obtain the difference between the mapping components i dfc and i drc , to perform integration or continuous integration over the period of 0 to π / 2 of the high-frequency phase command ω h t, and to multiply the coefficient to obtain the phase shift amount Δθ Means,
A PM motor control apparatus comprising phase estimation calculation means for obtaining an estimated phase θc from the phase shift amount Δθ.
[0094]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a block
[0095]
In FIG. 2, the normal phase axis
[0096]
[Expression 18]
[0097]
The synthesizing unit 31 obtains a synthesized value (i qfc + i qrc ) of the equation (14) having the q axis as an initial phase by adding (synthesizing) the mapping components i qfc and i qrc .
[0098]
The
[0099]
The phase estimation calculation unit 33 multiplies the phase shift Δθ by a sign correction function or the like to obtain the estimated phase θ C by the calculation of the above equation (17) or (18).
[0100]
In the present embodiment, the characteristics shown in FIG. 10 are obtained by applying a high-frequency voltage having a cosine wave waveform to the dc axis as shown in the above equation (4). If the cosine wave whose input axis has been changed is changed to a sine wave, the composite waveform of the normal phase and reverse phase maps will have different axes and polarities, but basically cos (2ω h t) −1. And a combination of sin (2ω h t) waveforms. Therefore, the same control algorithm can be used simply by changing the mapping selection depending on the input phase and voltage shape.
[0101]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block
[0102]
The positive phase axis
[0103]
[0104]
The
[0105]
The phase
[0106]
In the first embodiment, the equation (14) with the q axis as the initial phase is used to obtain the asymmetry of the mapping between the positive phase axis and the negative phase axis. In this embodiment, a method using the equation (13) with the d-axis as the initial phase is used.
[0107]
Further, the
[0108]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
[0109]
(1) In
[0110]
(2) Although current differentiation is used in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a basic configuration diagram of the present invention.
FIG. 2 is a block
FIG. 3 is a block
FIG. 4 is a block diagram of a conventional PM motor control system.
FIG. 5 is a block diagram of a conventional PM motor position sensorless control system.
FIG. 6 is a block diagram of
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the harmonic voltage of the PM motor and the magnetic pole position.
FIG. 8 is a block diagram of the
FIG. 9 is a diagram of mapping components on the positive phase axis and the negative phase axis according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the voltage component of the high frequency component and the difference between the positive phase axis and the negative phase axis according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記位相推定は、
前記高周波電流成分又は電圧から正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分を求め、
前記正相軸の写像成分と逆相軸の写像成分の非対称性を特徴量として求め、
前記特徴量から磁極の位相を推定することを特徴とするPMモータの制御方法。In a PM motor control method for injecting a single vibration sinusoidal high-frequency voltage or current into a PM motor and estimating the phase of the magnetic pole from the high-frequency current or voltage flowing in the PM motor by the injection of the high-frequency voltage or current.
The phase estimation is
Determine the mapping component for the positive phase axis rotating in the positive direction and the negative phase axis rotating in the reverse rotation direction from the high-frequency current component or voltage,
Obtain the asymmetry of the mapping component of the normal phase axis and the mapping component of the negative phase axis as a feature amount,
A PM motor control method, wherein the phase of a magnetic pole is estimated from the feature amount.
前記高周波電流成分又は電圧から正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分を求め、
前記正相軸の写像成分と逆相軸の写像成分の非対称性を特徴量として求め、
前記特徴量から磁極の位相を推定する位相推定手段を備えたことを特徴とするPMモータの制御装置。In a PM motor control device that injects a single-oscillation sinusoidal high-frequency voltage or current into a PM motor and estimates the phase of a magnetic pole from the high-frequency current or voltage flowing through the PM motor by the injection of the high-frequency voltage or current.
Determine the mapping component for the positive phase axis rotating in the positive direction and the negative phase axis rotating in the reverse rotation direction from the high-frequency current component or voltage,
Obtain the asymmetry of the mapping component of the normal phase axis and the mapping component of the negative phase axis as a feature amount,
A PM motor control apparatus comprising phase estimation means for estimating the phase of a magnetic pole from the feature quantity.
前記位相推定装置は、
前記高周波電圧または電流の位相指令ωhtを基にして前記単振動の高周波電圧または電流を発生する高周波発生手段と、
PMモータの前記dc軸電流とqc軸電流に含まれる高周波電流成分idc,iqcを抽出する高調波抽出手段と、
前記高周波電流成分idc,iqcから正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分iqfc、iqrcを求める写像抽出手段と、
前記写像成分iqfc、iqrcを合成し、高周波位相指令ωhtの0〜π/4期間に亙って積分し、係数を乗じて位相ずれ量Δθを求める積分手段と、
前記位相ずれ量Δθから推定位相θcを求める位相推定演算手段とを備えたことを特徴とするPMモータの制御装置。A current control system separated into a dc axis that is a magnetic pole position of the PM motor and a qc axis that is orthogonal to the dc axis, and a high-frequency voltage or current in the form of a single oscillating sinusoidal wave is injected into the voltage command of the dc axis. In a PM motor control device comprising a phase estimation device for estimating the phase of a magnetic pole from a high-frequency current or voltage flowing in the PM motor by
The phase estimation device includes:
High-frequency generating means for generating the single-vibration high-frequency voltage or current based on the phase command ω h t of the high-frequency voltage or current;
Harmonic extraction means for extracting high-frequency current components i dc and i qc included in the dc-axis current and qc-axis current of the PM motor;
Mapping extraction means for obtaining mapping components i qfc and i qrc from the high-frequency current components i dc and i qc to a normal phase axis rotating in the positive direction and a negative phase axis rotating in the reverse rotation direction;
The mapping component i QFC, to synthesize i qrc, integrated over the 0~π / 4 period of the high frequency phase command omega h t, and integrating means for obtaining a phase shift amount Δθ by multiplying the coefficients,
A PM motor control apparatus comprising phase estimation calculation means for obtaining an estimated phase θc from the phase shift amount Δθ.
前記位相推定装置は、
前記高周波電圧または電流の位相指令ωhtを基にして前記単振動の高周波電圧または電流を発生する高周波発生手段と、
PMモータの前記dc軸電流とqc軸電流に含まれる高周波電流成分idc,iqcを抽出する高調波抽出手段と、
前記高周波電流成分idc,iqcから正方向に回転する正相軸と逆回転方向に回転する逆相軸に対する写像成分idfc、idrcを求める写像抽出手段と、
前記写像成分idfc、idrcの差分を求め、高周波位相指令ωhtの0〜π/2期間に亙って積分、又は連続的な積分をし、係数を乗じて位相ずれ量Δθを求める積分手段と、
前記位相ずれ量Δθから推定位相θcを求める位相推定演算手段とを備えたことを特徴とするPMモータの制御装置。A current control system separated into a dc axis that is a magnetic pole position of the PM motor and a qc axis that is orthogonal to the dc axis, and a high-frequency voltage or current in the form of a single oscillating sinusoidal wave is injected into the voltage command of the dc axis. In a PM motor control device comprising a phase estimation device for estimating the phase of a magnetic pole from a high-frequency current or voltage flowing in the PM motor by
The phase estimation device includes:
High-frequency generating means for generating the single-vibration high-frequency voltage or current based on the phase command ω h t of the high-frequency voltage or current;
Harmonic extraction means for extracting high-frequency current components i dc and i qc included in the dc-axis current and qc-axis current of the PM motor;
Mapping extraction means for obtaining mapping components i dfc and i drc for the positive phase axis rotating in the positive direction and the negative phase axis rotating in the reverse rotation direction from the high-frequency current components i dc and i qc ;
The difference between the mapping components i dfc and i drc is obtained, integrated over a period of 0 to π / 2 of the high-frequency phase command ω h t, or continuously integrated, and the phase shift amount Δθ is obtained by multiplying the coefficient. Integration means;
A PM motor control apparatus comprising phase estimation calculation means for obtaining an estimated phase θc from the phase shift amount Δθ.
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