JP4198415B2 - Vector control inverter device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に永久磁石を有するモータを位置センサレスのベクトル制御により始動、駆動するインバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の回転機構を有する家電機器は、回転子に永久磁石を有するモータを採用してこれをインバータ装置で駆動することにより、使い勝手の向上や省エネといった性能の向上が進みつつある。
【0003】
かかる傾向を踏まえ、インバータ装置には、永久磁石モータの磁束軸方向成分(d軸)とこれに直交するトルク方向成分(q軸)に電流を分離して、独立に制御する所謂ベクトル制御が採用される傾向にある。更には、d軸及びq軸電流を基に永久磁石モータの誘起電圧を演算で求めることにより、位置センサレスで駆動する技術の採用も拡がっている。
【0004】
この従来の位置センサレスのベクトル制御技術を図7ないし図10を参照して説明する。図7に示す位置センサレスのベクトル制御インバータ装置1は、電流制御回路2、回転子の角速度推定回路3、電流指令角速度指令形成回路4、積分器5を備える。
【0005】
電流制御回路2は、加算器21a、21b、比例積分器22a、22b、座標変換器23、PWM形成器24、PWMインバータ回路25、電流検出回路26を備える。電流検出回路26は、電流検出器26a、26b、3相/2相変換器26c、ベクトル回転器26dにより構成される。角速度推定回路3は、誘起電圧推定回路31及び比例積分器32により構成される。
【0006】
PWMインバータ回路25と永久磁石モータ6との間に接続された電流検出器26a、26bにより検出された3相電流、Iu、Iv、Iw(IwはIu、Ivより計算される)は、3相/2相変換器26cによりこれと等価な2相電流Iα、Iβに変換される。変換された2相電流Iα、Iβは、ベクトル回転器26dにより更に変換されてd軸、q軸成分の電流Id、Iqが求められる。この変換演算の際、後述する回転位置推定値θが用いられる。ここでd軸、q軸は、回転子の永久磁石が作る磁束方向をd軸、これと直交する方向をq軸とする回転座標軸である。
【0007】
電流Id、Iqは、加算器21a、22bにて、それぞれの電流指令値Idr、Iqrとの偏差ΔId、ΔIqが求められ、比例積分器22a、22bを介することで出力電圧指令値Vd、Vqが得られる。出力電圧指令値Vd、Vqは、座標変換器23にて固定2軸座標系の値に変換され、これを基にPWM形成器24にて3相のパルス幅変調信号が形成される。この座標変換器23における変換演算にも後述する回転位置推定値θが用いられる。パルス幅変調信号は、PWMインバータ回路25に与えられモータ6の電機子に電圧が印加される。このようにして電流制御回路2により、モータ6に対して給電が行なわれるが、その電流は電流指令値Idr及びIqrに依存する。
【0008】
ベクトル回転器26d及び座標変換器23における演算に必要な回転子の回転位置は、モータ6に取り付けたエンコーダなどの回転センサで検出する方法もあるが、近年では、例えば図7の構成のようにモータ電流Id、Iq等から推定する位置センサレス方式が採用される。
【0009】
誘起電圧推定回路31には、電流Id、Iq、及びd軸の出力電圧指令値Vd、回転子の角速度推定値ωが入力されている。更に、誘起電圧推定回路31には、モータ6の回路定数である電機子コイルのインダクタンスLd、Lq、抵抗Rが記憶されている。
【0010】
誘起電圧推定回路31は、これらの入力値と回路定数を用いて、永久磁石の作る磁束によって電機子コイル内に発生する誘起電圧のd軸方向推定値(インバータ装置1が認識しているd軸方向の成分)Edを次式で計算する。
Ed=Vd−R・Id−Ld・p・Id+ω・Lq・Iq (1)式
ここで、pは微分演算子である。
【0011】
求められた誘起電圧推定値Edは、比例積分器32に入力され次式で計算される値が、角速度推定値ωとして出力される。
ω =−G1・Ed −G2・∫Ed・dt (2)式
ここでG1、G2は、ゲイン定数である。
求められた角速度推定値ωは、電流指令角速度指令形成回路4に入力される。
【0012】
定常運転時には、積分器5への角速度指令値ωrとして角速度推定値ωがそのまま出力される。積分器5は角速度推定値ωを次の(3)式に従って積分し、回転子の回転位置推定値θが出力される。
θ=∫ωr ・dt =∫ω ・dt (3)式
求められた回転位置推定値θは、ベクトル回転器26d、座標変換器23での演算に使用される。
【0013】
(1)式で計算される誘起電圧推定値Edを基に、比例積分器32が(2)式に従った調節動作を行なうことで、誘起電圧推定値Edは短時間で“ゼロ "に収束する。d軸誘起電圧推定値Edがゼロに収束した時点では、インバータ装置1が認識(推定)したd軸は、永久磁石の作る磁束方向と一致し、回転位置推定値θは、モータ6の実際の回転子位置に等しく、角速度推定値ωは回転子の実際の角速度に等しくなる。このようにして位置センサを用いることなく回転子の回転位置と角速度が検出される。
【0014】
電流指令角速度指令形成回路4は、d軸電流指令値Idr及びq軸電流指令値Iqrをも出力する。d軸電流Idはモータ6のトルク発生に寄与しない成分であることから、その指令値Idrとしては通常は“ゼロ "値が出力される。d軸の電流指令値Idrと検出値Idは、加算器21aにてその偏差ΔIdが計算される。比例積分器22aが偏差ΔIdを“ゼロ "に収束させる調節作用を行なうことにより、電流Idはその指令値Idrに等しくなる。
【0015】
一方、電流Iqはモータ6のトルク発生に寄与する成分であり、その指令値Iqrは希望する負荷の運転状態に応じた値が電流指令角速度形成回路4で形成され、出力される。q軸の電流指令値Iqrと検出値Iqは、加算器21bにてその偏差ΔIqが計算される。比例積分器22bが偏差ΔIqを“ゼロ "に収束させる調節作用を行なうことにより、電流Iqはその指令値Iqrに等しくなる。
【0016】
PWMインバータ回路25を除く、以上の演算処理は、例えばDSP(Digital Signal Processor)などの演算器により周期的に処理される。演算は、例えば、3相/2相変換器26c、ベクトル回転器26d、誘起電圧推定回路31、比例積分器32、電流指令角速度指令形成回路4、積分器5、加算器21a及び21b、比例積分器22a、22b、座標変換器23、PWM形成器24の順番で実行される。
こうして、モータ6の電流Id、Iqは、位置センサを使用することなく、指令値Idr、Iqrに一致するようにベクトル制御インバータ装置1により制御される。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
次に図7のベクトル制御インバータ装置1により、モータ6を始動させる時の従来の始動方法を説明する。そして、その説明の中で従来の始動方法の問題点、ひいては本発明が解決しようとする課題を明らかにする。
【0018】
図8に、始動開始から定常運転段階に至るまでの電流指令値Idr、Iqr、及び積分器5への角速度指令値ωrの切り換えの状態を段階を追ってフローで示す。
【0019】
図9には、各段階におけるモータ6の電流及び磁束のベクトル図を、図10には電流、角速度の変化をタイムチャートで示す。なお、図10の最上段のカーブ(A)は、始動時におけるモータ6の理想的な角速度ωxの推移を示している。また図8(及び後述の図2、図5)では、ステップを“S "で表している。
【0020】
始動開始後は、最初に(1)位置決め段階を行なう。この段階では図8のステップS31に示すように、電流指令値Iqrと角速度指令値ωrをゼロとし、d軸電流指令値Idrをゼロから短時間で所定値Idsに増加させる。ここで電流Idsの値は、負荷の摩擦トルクに抗してモータ6の回転子をインバータ装置1が想定したd軸方向に位置決めするのに十分なトルクを発生させる値に設定してある。これにより、永久磁石が作る磁束方向と電機子電流が作る磁束方向とはほぼ一致した状態となる。
【0021】
図9の(1)は、このように位置決めされた状態における電流ベクトルi、永久磁石の磁束ベクトルφと各軸との関係を示している。図9(及び後述の図3)のベクトル図においては、インバータ装置1が想定しているd軸、q軸をそれぞれdi、qiで、回転子の永久磁石の作る磁束方向から決まる実際のd軸、q軸をそれぞれdm、qmで表している。
【0022】
この(1)の位置決めが完了した状態では、電流ベクトルiと永久磁石の磁束ベクトルφの方向は一致し、dm軸とdi軸もほぼ一致した状態となる。電流ベクトルiと磁束ベクトルφの位相が一致しているため、回転トルクは発生しない。回転位置推定値θは、角速度指令値ωrがゼロであるため一定値のままである。従って、di軸、qi軸、dm軸、qm軸、及び電機子電流ベクトルiは、いずれも固定座標側から見て静止状態にある。図10の(1)は、この段階における電流、角速度の経時変化を示している。なおこの図10(及び後述の図4、6)中の角速度ωmは回転子の実際の角速度を、ωiは電流ベクトルiの角速度を表している。
【0023】
ステップS31の位置決め終了の後、ステップS32の(2)強制回転段階に移る。この段階では、角速度指令値ωrをゼロから所定値ωsに漸増させる。角速度指令値ωrを積分した回転位置指令値θ(この段階ではモータ6の角速度はオープンループで制御されているのでθは推定値ではなく指令値)が増加を始めることにより、di−qi軸が角速度ωrで回転を始める。これにより、図9の(2)のベクトル図に示すようにdi−qi軸とdm−qm軸は分離し、位相差が生ずる。電流ベクトルiもdi軸方向を向いた状態で角速度ωrで回転を始めるので、電流ベクトルiと永久磁石の磁束ベクトルφとの間に位相差が生ずる。回転子に働くトルクTは、電流ベクトルiと磁束ベクトルφとの外積で計算される値である。従って、位相差の発生により回転トルクTが発生し、回転子が電流ベクトルiに追随するように回転を始める。電流ベクトルiと磁束ベクトルφとの位相差は、発生するトルクTと負荷トルクに応じて決まる。なお、図9(及び後述の図3)中のvmは、永久磁石が回転することにより電機子コイル内に誘起される誘起電圧ベクトルを示している。図10の(2)強制回転段階は、この段階における電流、角速度の経時変化を示している。
【0024】
角速度指令値ωrが所定値ωsに達した時点で、ステップS33の(3)電流切換段階に移る。この(3)電流切換段階では、角速度指令値ωrを所定値ωsに維持したまま、電流指令値IdrをIdsからゼロへ、IqrをゼロからIqsへ次の式に従って角速度λで変化させる。即ち、電流IdとIqの切換を行なう。
Idr=Ids・cos(λ・t) (4)式
Iqr=Iqs・sin(λ・t) (5)式
ここにλが定数であり、t は(3)電流切換段階の開始からの経過時間である。
【0025】
電流指令値IdrとIqrとが上式により変化を始めるため、電流ベクトルiの角速度は、(3)電流切換段階に移った瞬間にそれまでの角速度指令値ωrに電流の切換角速度λが加わった(ωs+λ)に切り換わる。切り換わり直後の回転子には、絶対値がIdである電流ベクトルiと磁束ベクトルφとで決まる十分大きな回転トルクTが働いているため、回転子の角速度ωmは電流ベクトルiに追随して角速度(ωs+λ)に急激に変化する。つまり、図10の(3)の(ア)の部分に示すように、切り換わりのタイミングで回転子に不連続な角速度変化が生ずる。この不連続な角速度変化は、モータ6に振動や騒音を発生させる原因となる。
【0026】
電流ベクトルiと磁束ベクトルφの位相差は、新たな角速度(ωs+λ)に対応した負荷トルクと発生トルクTとが等しくなる角度まで広がり、その位相差を維持しつつ共に角速度(ωs+λ)で回転する。他方、di−qi軸の角速度はωsに維持されているので、角速度(ωs+λ)で回転するdm−qm座標上から見ると、di−qi軸は角速度λで位相が遅れ続ける。そして遂にはqi軸と電流ベクトルiとが一致するに至る。この(3)電流切換段階、及びその終了状態におけるベクトル図を図9の(2−3)と(3)に、電流、角速度等の変化の様子を図10の(3)に示す。なお、この終了状態における電流ベクトルiの絶対値である電流Iqsも、モータ6を加速するに十分なトルクを発生し得る値に設定されている。
【0027】
ステップS33が終了すると次にステップS34の(4)角速度切換段階に移る。この(4)角速度切換段階からセンサレスによる回転子の角速度及び回転位置の検出演算が機能し始め、推定(検出)した回転子位置(検出したdm−qm軸)に基づいて電流のベクトル制御が開始される。角速度指令値ωrとしては、角速度推定回路3で推定した角速度推定値ωがそのまま出力される。即ち、角速度指令値ωrはこの段階から角速度推定(検出)値ωと等しくなる。電流指令値Idr、Iqrの値は、それぞれ前段階終了時の値であるゼロとIqsに維持される。
【0028】
電流の切り換わりが完了したことにより λ=0 となり、電流ベクトルiの角速度ωiは瞬間的にλだけ減少する。それと同時に ωr=ω としたことにより、「従来の技術」の項で説明したセンサレスによる角速度及び回転位置の検出演算が機能し始め、角速度指令値ωrは、回転子の角速度ωmに収束しようとする。
【0029】
回転子の角速度ωmは、電流ベクトルiの角速度ωiがλだけ減少したことにより低下方向に向かうが、回転子は慣性を有するため、角速度ωmは急激には低下しない。従って、インバータ1は、回転子の角速度ωmが(ωs+λ)より僅かに低下した段階で、d軸誘起電圧推定値Edがゼロになるように角速度推定値ωの調整を開始する(即ち、角速度指令値ωrが実際の回転子角速度ωmに収束し始める)。
【0030】
角速度指令値ωrが回転子角速度ωmに収束するということは、di−qi軸がdm−qm軸に一致することであり、qi成分のみの電流ベクトルiは、qm軸と一致する。これにより電流ベクトルiと磁束ベクトルの位相差はπ/2に広がる。位相差が広がることにより回転子に働くトルクTの値は、ωrのωmへの収束と同時に急に増加する。
この回転トルクTの急激な増加と、それに伴う回転子角速度ωmの急激な上昇は、モータ6に振動や騒音を発生させる原因となる(図10の(イ)の部分の状態)。角速度指令値ωが回転子角速度ωmに収束途中のベクトル図を図9の(3−4)に、収束した状態のベクトル図を図9の(4)に示す。
【0031】
角速度指令値ωrが回転子の実際の角速度ωmに収束した後以降、回転子にはqi軸方向に流れる絶対値Idsの電流ベクトルiとqm軸方向の磁束ベクトルφの外積で決まるトルクTが継続して働く。この発生トルクTは位相差がπ/2であるので、(3)電流切換段階におけるトルクTより大である。回転子は加速され、負荷トルクと一致するまで角速度ωmが上昇を続ける。この(4)加速度切換段階における各角速度と電流値の変化の様子を図10の(4)に示す。
【0032】
角速度が定常状態に達すると次にステップS35の(5)定常運転段階に移る。この段階では、角速度推定値ωに等しい角速度指令値ωrが、外部から与えられる角速度目標値ωc(図示しない)に一致するような回転数制御が行なわれる。電流指令角速度指令形成回路4にて、例えば次のような比例積分演算によりq軸電流指令値Iqrを出力する。
Iqr= G3・(ωc−ω)+G4・∫(ωc−ω)・dt (6)式
ここにG3、G4は定数である。電流指令値Idrは、トルク発生に寄与しないことから例えばゼロ出力が継続される。この(5)定常運転段階における各角速度と電流の変化の様子を図10の(5)に示す。
【0033】
以上、説明したように従来の始動方法では、図10の(ア)、(イ)に示す部分において、回転子の実際の角速度ωmに急激な変化が生じ、これがモータ6に振動、騒音を発生させる原因になっている。
【0034】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、その目的は、回転子の実際の角速度の急激な変化を抑制して、振動や騒音を発生させることなくモータを始動させることができるベクトル制御インバータ装置を提供することにある。
【0035】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータの電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)をゼロとする演算により推定した磁束軸(di軸)方向成分とこれに直交するトルク軸(qi軸)方向成分とに分離してそれぞれ独立に制御するベクトル制御インバータ装置であって、前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをdi軸方向に固定したままdi軸と共に角速度ωsで回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、di軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは角速度ωsでqi軸方向に回転させる電流切換段階と、を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするものである。
【0036】
このような構成にしたことにより、強制回転段階からdi軸電流、qi軸電流の電流切換段階に移る瞬間における回転子角速度ωmの急激な変化が抑えられ、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【0037】
請求項2に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項1に記載のベクトル制御インバータ装置であって、前記電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値(Ed)をゼロに保った状態の回転数制御に移ることを特徴とするものである。
【0038】
このような構成にしたことにより、請求項1についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における電流ベクトルiの角速度ωiの連続性が保たれるために、回転子の角速度ωmに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【0039】
請求項3に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項1に記載のベクトル制御インバータ装置であって、前記電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値(Ed)をゼロに保った状態の回転数制御に移行すると共にqi軸電流は、該移行時の電流値をdi軸電流がゼロになるまで維持することを特徴とするものである。
【0040】
このような構成にしたことにより、請求項2についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における回転子に働くトルクの連続性が保たれるために、回転子の角速度ωmに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【0041】
請求項4に記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータの電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)をゼロとする演算により推定した磁束軸(di軸)方向成分とこれに直交するトルク軸(qi軸)方向成分とに分離してそれぞれ独立に制御するベクトル制御インバータ装置であって、前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをdi軸方向に固定したままdi軸と共に外部角速度指令値ωaに従って回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、di軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは前記外部角速度指令値ωaに従ってqi軸方向に回転させる電流切換段階と、を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするものである。
【0042】
このような構成にしたことにより、外部角速度指令値ωaに従って回転数を上昇させることができることに加え、強制回転段階からdi軸電流、qi軸電流の電流切換段階に移る瞬間における回転子角速度ωmの急激な変化が抑えられ、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【0043】
請求項5に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項4に記載のベクトル制御インバータ装置であって、請求項4に記載の電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値(Ed)をゼロに保った状態の回転数制御に移ることを特徴とするものである。
【0044】
このような構成にしたことにより請求項4についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における電流ベクトルiの角速度ωiの連続性が保たれるために回転子の角速度ωmに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【0045】
請求項6に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項4に記載のベクトル制御インバータ装置であって、請求項4に記載の電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値(Ed)をゼロに保った状態の回転数制御に移行すると共に、移行後はqi軸電流を、回転子角速度ωmが前記外部角速度指令値ωaに一致するように調整することを特徴とするものである。
【0046】
このような構成にしたことにより請求項4についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における回転子に働くトルクの連続性が保たれるために回転子の角速度ωmに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【0049】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。なお、本実施形態は、「従来の技術」及び「発明が解決しようとする課題」の項で詳しく説明した従来の実施形態と同一又は類似する部分が多いので、重複する部分の説明は省略し、相違する部分のみを詳しく説明する。また以下の図においては、従来技術と同一又は相当する部分には同一符号が付してある。
【0050】
(第1の実施形態)
図1は、本実施形態のインバータ装置の電気的構成図、図2は、始動開始から定常運転段階に至るまでの電流指令値、角速度指令値等の切り換え状態を示すフロー図、図3は、各段階における電気諸量のベクトル図、図4は、電流、角速度等のタイムチャートである。
【0051】
図1に示すインバータ装置の電気的構成は、従来技術を示した図7と殆ど同じである。構成面で異なるのは、誘起電圧推定回路31の演算結果であるd軸誘起電圧推定値Edが、電流指令角速度指令形成回路4に追加入力されている点だけである。電流指令角速度指令形成回路4以外の各構成回路、変換器等の動作は、「従来の技術」の項で説明した内容と同一であるので、それらについては説明を繰り返さない。電流指令加速指令形成回路4の動作については、図2のフローに従った起動シーケンスの説明の中で明らかにする。
【0052】
始動開始により、最初に図2に示すステップS1の(1)位置決め段階を行なう。この段階の動作は、従来技術の図8のステップS31の(1)位置決め段階と同じである。回転子は永久磁石の作る磁束ベクトルφが、インバータ装置1の想定(認識)するd軸であるdi軸方向に位置決めされる。位置決めされた状態のベクトル図を図3の(1)に、この段階の電流指令値等の経時変化を図4の(1)に示す。なお電流Idsの値は、モータ6を加速するのに十分なトルクを発生させる値に設定されている。
【0053】
続いてステップS2の(2)強制回転段階に移る。この段階の動作も、従来技術を表す図8のステップS32の(2)強制回転段階の動作と同じである。この段階のベクトル図を図3の(2)に、電流指令値等の経時変化を図4の(2)に示す。この段階の終了時点では、積分器5の入力である角速度指令値ωrと、モータ6の実際の角速度ωmは、共に所定値ωsに等しくなっている。即ち、電機子電流ベクトルiは、その絶対値がIdsでdi軸方向を向き、角速度ωsで回転している。回転子の磁束ベクトルφは、dm軸方向を向き、電流ベクトルiから一定の位相遅れで同じく角速度ωsで回転している。電流ベクトルiと磁束ベクトルφとの位相差は、発生トルクT(電流ベクトルiと磁束ベクトルφとの外積)と負荷トルクとが等しくなる条件で決まる。図3のベクトル図におけるベクトルvmは、磁束ベクトルφの回転により電機子コイル内に発生する誘起電圧ベクトルを示しており、その方向は常にqm軸と一致しており、絶対値は回転子の実際の角速度ωmに比例している。
【0054】
ステップS2が終了すると次に電流切換段階に移行する。この電流切換段階は、ステップS3の(3a)電流切換段階、ステップS4の(3b)電流切換段階、ステップS5の(3c)電流切換段階の3ステップ、3段階で構成される。この段階では、d軸電流指令値Idrの値をIdsからゼロへ、q軸電流指令値Iqrの値は逆に、ゼロからIqsに向け増加させる。即ち、d軸電流Idとq軸電流Iqの切り換えが行なわれる。
【0055】
ステップS3の(3a)電流切換段階の開始と共に、次の計算式に従ってd軸、q軸の電流指令値Idr、Iqrが、電流指令角速度指令形成回路4から出力される。
Idr=Ids・cos(ωs・t) (7)式
Iqr=Iqs・sin(ωs・t) (8)式
ここでωsは、(3a)電流切換段階に移る直前の角速度指令値ωrの値、t は(3a)電流切換段階の開始からの経過時間である。これらの式が、従来技術のステップS33の(3)電流切換段階における電流指令値の計算式(4)、(5)式と異なるのは、計算式中の角速度λがωsに置き換わっている点である。
【0056】
他方、角速度指令値ωrの値については、従来技術ではωsに維持されたのに対し、本実施形態ではゼロが出力される。角速度指令値ωrがゼロであるので、di−qi軸の回転は停止する。しかし、各軸の電流指令値は(7)、(8)式に従って出力されるため、電流ベクトルiは角速度ωsにて回転する。即ち、(3a)電流切換段階では、電流ベクトルiの角速度ωiは切換直前の角速度ωsに維持される。従って回転子もこれに追随する形で切換直前の角速度ωsで回転することになる。この状態におけるベクトル図を図3の(3a)に、角速度等の推移を図4の(3a)に示す。従来技術の図10の(ア)の部分が図4の(ア)の部分に相当し、本実施形態の場合には、回転子の角速度ωmに急激な変化は生じない。従って、従来技術で問題であったこの切り換え時における振動や騒音の発生が、本実施例では解消されている。
【0057】
この(3a)電流切換段階では、同時にd軸誘起電圧推定値Edの値が電流指令角速度指令形成回路4にて監視される。qm軸と一致する誘起電圧ベクトルvmは、dm−qm軸と共に角速度ωsで回転を続け、一方di−qi軸は停止している。従って、誘起電圧ベクトルvmのdi軸方向成分の推定値Edの値は、次第に減少して遂にはゼロになる。
【0058】
このEdの値がゼロになった段階がステップS4の(3b)電流切換段階である。この状態におけるベクトル図を図3の(3b)に、電流指令値等の状態を図4の(3b)に示す。この段階に達した時点のq軸電流指令値の値は、Iqkとして記憶される。
【0059】
続いてステップS5の(3c)電流切換段階に移る。この段階では、d軸電流指令値Idrは、引き続き(7)式に従って減少し続ける。一方、q軸電流指令値は、先に記憶されたIqkの値に維持される。
またこの(3c)電流切換段階の開始と同時に、角速度指令値ωrとしては、角速度推定回路3で推定された角速度推定値ωがそのまま出力される。即ち、この段階から回転子の角速度ωmの推定演算が機能し始める。(3c)電流切換段階に移った瞬間には、回転子は角速度ωsで回転しているので、角速度推定値ωの値は推定演算によりωsに収束し、その値ωsが角速度指令値ωrとして出力される。これ以降、角速度指令値ωrとしては、回転子角速度ωmの推定値ω(ωmに殆ど等しい)が出力されるので、di−qi軸はdm−qm軸と殆ど一致した状態で回転を続ける。この状態のベクトル図を図3の(3c)に示す。
【0060】
発生トルクTは、磁束ベクトルφと電流ベクトルiとの外積、即ち、磁束ベクトルφと電流ベクトルiのqm軸成分との積に比例する。ここにqi軸電流指令値Iqrは一定値Iqkに維持されており、qi軸とdm軸とは殆ど一致しているので、発生するトルクTは(3c)電流切換段階を通じて一定値に維持される。従って回転子の角速度ωmは、この段階中、一定値ωsのまま推移する。以上のような推移を図4の(3c)に示す。
【0061】
従来技術を示す図10の(3)電流切換段階から(4)加速度切換段階への切換は、図9の(3)のベクトル図に示すように、di−qi軸とdm−qm軸とが一致していない状態で、角速度指令値ωrが推定値ωに切り換えられた。このため角速度推定演算の結果、di−qi軸のdm−qm軸方向への急速回転、それに伴う電流ベクトルiのqm軸方向への急速回転が生じて、図10の(イ)の部分に示すような電流ベクトルi及び回転子角速度ωmの急激な変化が生じた。
【0062】
これに対して本実施形態の場合は、図3の(3b)に示すようにdi−qi軸とdm−qm軸とが一致した状態で、角速度指令値ωrの推定値ωへの切り換えが行なわれる。従って、図(4)の(イ)の部分に示すように電流ベクトルi及び回転子角速度ωmに変化が生じず、この切り換え部分で振動、騒音等が発生することはない。
【0063】
ステップS5におけるd軸電流指令値Idrがゼロになった時点で、次のステップS6の(4)定常運転段階に移る。この段階の動作は、従来技術の図8のステップS35の(5)定常運転段階の動作と同じである。角速度推定値ωに等しい角速度指令値ωrが、外部から与えられる角速度目標値ωc(図示しない)に一致するような回転数制御を行なう。電流指令角速度指令形成手段4にて、例えば前述の(6)式に従って、q軸電流指令値Iqrを出力する。この(4)定常運転段階における各角速度と電流の変化の様子を図4の(4)に示す。
【0064】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、従来技術の図10の(ア)、(イ)の部分で見られた電流ベクトルiと回転子角速度ωmの急激な変化が、図4の(ア)、(イ)の部分に示すように無くなるので、この部分でのモータの振動や騒音の発生が解消される。
【0065】
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、始動から定常運転段階の角速度ωcに到達するまでの間は、電流指令角速度指令形成回路4が想定する理想角速度曲線に沿ってモータ6の回転速度を上昇させた。従って第1の実施形態は、定常時角速度ωcが外部よりステップ状に与えられる場合に都合のよい実施形態であった。これに対して第2の実施形態は、起動時の角速度曲線が外部から与えられ、その角速度指令値ωaが、ゼロからスタートし緩やかな曲線を描いて定常時角速度に到達する場合に都合のよい始動方法である。
【0066】
この第2の実施形態の動作は、第1の実施形態に類似する部分が多い。従って、同一動作部分はその旨を記載するのみで重複説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第2の実施形態の始動のフロー図を図5に、電流指令値等の経時変化を図6に示す。インバータ装置の電気的構成、及びベクトル図は第1の実施形態の場合の図1、及び図3と同じである。
【0067】
始動開始と共に図5のステップS21の(1)位置決め段階を実行する。この段階は、第1の実施形態の場合の動作と同じである。電流指令値等の推移を図6の(1)に、回転子が位置決めされた状態のベクトル図を図3の(1)に示す。
【0068】
位置決め完了でステップS22の(2)強制回転段階に移る。この段階より、外部からの角速度指令値ωaが電流指令角速度指令形成回路4に与えられる(図示しない)。図6の(A)には、その外部角速度指令値ωaの曲線の一例を示す。第1の実施形態では、角速度指令値ωrがゼロから所定値ωsまで、電流指令角速度指令形成回路4で作り出された勾配に従って増加したが、本実施形態では外部からの角速度指令値ωaの曲線に従って所定値ωsまで上昇させる。この段階のベクトル図を図3の(2)に、角速度指令値等の推移を図6の(2)に示す。
【0069】
外部角速度指令値ωaが所定値ωsに達した時点でステップS23の(3a)電流切換段階に移る。この段階の動作は、第1の実施形態のステップS3と殆ど同じであるが、電流指令値が次式のように角速度ωaで切り換えられる点が第1の実施形態の(7)、(8)式と異なる。
Idr=Ids・cos(ωa・t) (9)式
Iqr=Iqs・sin(ωa・t) (10)式
この段階におけるベクトル図を図3の(3a)に、角速度等の推移を図6の(3a)に示す。
【0070】
角速度指令値ωrの値としては、第1の実施形態と同様にゼロが出力されるので、電流ベクトルiは角速度ωaで回転することになる。(3a)電流切換段階に移る直前の回転子の実際の角速度ωmはωsであったので、切り換わりの瞬間である図6の(ア)の部分で電流ベクトルi及び回転子の角速度ωmに変化が生じない。従って、この部分で振動や騒音が発生することはない。
【0071】
(3a)電流切換段階では、第1の実施形態の場合と同様にd軸誘起電圧推定値Edの監視が行なわれる。そしてEdの値がゼロになった時点でステップS24の(3b)電流切換段階に移る。この状態が第1の実施形態と異なるのは、回転子の角速度ωmが第1の実施形態ではωsであったの対し、本実施形態の場合にはその時点の外部角速度指令値ωaに等しくなっている点である。この段階のベクトル図を図3の(3b)に、角速度等を図6の(3b)に示す。
【0072】
続いてステップS25の(3c)電流切換段階に移る。この段階より第1の実施形態と同様に、角速度指令値ωrとして回転子の角速度ωmを推定したωの値がそのまま出力される。即ち、角速度推定演算が機能し始める。d軸電流指令値Idrは、引き続き(9)式に従いゼロに向け減少を続ける。
【0073】
q軸電流指令値Iqrとしては、角速度推定値ωに等しい角速度指令値ωrが、外部角速度指令値ωaに一致するように、電流指令角速度指令形成回路4にて、例えば次のような比例積分演算した値が出力される。
Iqr= G5・(ωa−ω)+G6・∫(ωa−ω)・dt (11)式
ここにG5、G6は定数である。但し、(3b)電流切換段階の前後で電流指令値Iqrの値に変化がないように、即ち、(3c)電流切換段階に移った直後のIqrの値が(3b)電流切換段階におけるIqrの値に等しくなるように(11)式の第2項の積分値の初期値を設定する。図5のステップS25、S26中のf(ωa,ω)は、(11)式の右辺の式を意味している。このように電流指令値Iqrが出力されることにより、回転子の実際の角速度ωmは、外部から与えられる角速度指令値ωaに一致するように回転数制御される。
【0074】
この(3c)電流切換段階におけるベクトル図を図3の(3c)に、電流指令値等の推移を図6の(3c)に示す。従来技術の図4の(イ)の部分に相当する本実施形態の図6の(イ)部分においては、第1の実施形態の場合と同様に電流ベクトルi、回転子の角速度ωmに変化が生じない。従って、この切り換え部分で振動、騒音が発生することはない。
【0075】
電流指令値Idrが減少を続け、その値がゼロになった段階がステップS26の(3d)電流切換段階であり、この段階のベクトル図を図3の(4)に、角速度等を図6の(3d)に示す。
【0076】
続いてステップS27の(4)定常運転段階に移る。この段階ではd軸電流指令値Idは、d軸電流がトルク発生に寄与しないことから、通常はゼロ値が出力される。他方、q軸電流は、引き続き(11)式に従って制御される。これにより回転子の角速度ωmは、外部角速度指令値ωaに一致するように回転数制御される。
【0077】
以上の説明から明らかなように、本第2の実施形態によれば、従来技術の図10の(ア)、(イ)の部分で見られた電流ベクトルiと回転子角速度ωmの急激な変化が、図6の(ア)、(イ)の部分に示すように無くなるので、この部分でのモータの振動や騒音の発生が解消される効果がある。
【0078】
【発明の効果】
本発明によれば、モータが停止状態から定常運転状態に至るまので始動段階において、回転子に働くトルクの急激な変動が抑制される。従って、回転子角速度に急激な変化も生じないため、振動、騒音の少ないスムーズなモータの始動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のベクトル制御インバータ装置の一実施形態を示す電気的構成図である。
【図2】第1の実施形態の始動シーケンスを示すフロー図である。
【図3】第1の実施形態の始動の各段階における電気諸量のベクトル図である。
【図4】第1の実施形態の始動の各段階における電流指令値等の推移を示すタイムチャートである。
【図5】第2の実施形態についての図2相当図である。
【図6】第2の実施形態についての図4相当図である。
【図7】従来技術を示す図1相当図である。
【図8】従来技術を示す図2相当図である。
【図9】従来技術を示す図3相当図である。
【図10】従来技術を示す図4相当図である。
【符号の説明】
図中、1はベクトル制御インバータ装置、2は電流制御回路、3は角速度推定回路、4は電流指令角速度指令形成回路、5は積分器、6は永久磁石モータ、31は誘起電圧推定回路、diは推定した磁束軸、qiは推定したトルク軸、Idはdi軸電流、Iqはqi軸電流、Idrはdi軸電流指令値、Iqrはqi軸電流指令値、Edは誘起電圧の磁束軸(di軸)方向成分推定値、ωは回転子の角速度推定値、ωsは所定の角速度、ωrは角速度指令値、ωaは外部角速度指令値、ωmは回転子の実際の角速度、iは電流ベクトル、vmは誘起電圧ベクトル、φは永久磁石の磁束ベクトルを示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter device that starts and drives a motor having a permanent magnet in a rotor by position sensorless vector control.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Household appliances having a rotating mechanism in recent years have been improved in performance such as improved usability and energy saving by adopting a motor having a permanent magnet as a rotor and driving it with an inverter device.
[0003]
Based on this trend, the inverter device employs a so-called vector control that separates the current into a magnetic flux axis direction component (d axis) of the permanent magnet motor and a torque direction component (q axis) orthogonal thereto and controls them independently. Tend to be. Furthermore, the adoption of a technique for driving without a position sensor by obtaining an induced voltage of a permanent magnet motor by calculation based on d-axis and q-axis currents is also expanding.
[0004]
This conventional position sensorless vector control technique will be described with reference to FIGS. The position sensorless vector
[0005]
The
[0006]
Three-phase currents Iu, Iv and Iw (Iw is calculated from Iu and Iv) detected by
[0007]
Deviations ΔId and ΔIq of the currents Id and Iq from the respective current command values Idr and Iqr are obtained by the
[0008]
Although there is a method of detecting the rotational position of the rotor necessary for calculation in the
[0009]
The induced
[0010]
The induced
Ed = Vd−R · Id−Ld · p · Id + ω · Lq · Iq (1)
Here, p is a differential operator.
[0011]
The obtained induced voltage estimated value Ed is input to the
ω = -G1 · Ed-G2 · ∫Ed · dt Equation (2)
Here, G1 and G2 are gain constants.
The obtained angular velocity estimated value ω is input to the current command angular velocity
[0012]
During steady operation, the estimated angular velocity value ω is output as it is as the angular velocity command value ωr to the
θ = ∫ωr · dt = ω · dt Equation (3)
The obtained rotational position estimation value θ is used for calculation in the
[0013]
Based on the induced voltage estimated value Ed calculated by the equation (1), the
[0014]
The current command angular velocity
[0015]
On the other hand, the current Iq is a component that contributes to the torque generation of the
[0016]
The above arithmetic processing excluding the
Thus, the currents Id and Iq of the
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
Next, a conventional starting method when the
[0018]
FIG. 8 shows the state of switching of the current command values Idr and Iqr and the angular velocity command value ωr to the
[0019]
FIG. 9 is a vector diagram of the current and magnetic flux of the
[0020]
After starting, first (1) a positioning step is performed. At this stage, as shown in step S31 of FIG. 8, the current command value Iqr and the angular velocity command value ωr are set to zero, and the d-axis current command value Idr is increased from zero to a predetermined value Ids in a short time. Here, the value of the current Ids is set to a value that generates sufficient torque to position the rotor of the
[0021]
(1) of FIG. 9 shows the relationship between the current vector i, the magnetic flux vector φ of the permanent magnet, and the respective axes in such a positioned state. In the vector diagram of FIG. 9 (and FIG. 3 to be described later), the d-axis and q-axis assumed by the
[0022]
In the state where the positioning of (1) is completed, the direction of the current vector i and the direction of the magnetic flux vector φ of the permanent magnet coincide with each other, and the dm axis and the di axis substantially coincide. Since the current vector i and the magnetic flux vector φ are in phase, no rotational torque is generated. The estimated rotational position value θ remains constant because the angular velocity command value ωr is zero. Therefore, the di-axis, qi-axis, dm-axis, qm-axis, and armature current vector i are all stationary when viewed from the fixed coordinate side. (1) in FIG. 10 shows changes with time in current and angular velocity at this stage. In FIG. 10 (and FIGS. 4 and 6 described later), the angular velocity ωm represents the actual angular velocity of the rotor, and ωi represents the angular velocity of the current vector i.
[0023]
After positioning in step S31, the process proceeds to (2) forced rotation stage in step S32. At this stage, the angular velocity command value ωr is gradually increased from zero to a predetermined value ωs. When the rotational position command value θ obtained by integrating the angular velocity command value ωr (the angular velocity of the
[0024]
When the angular velocity command value ωr reaches the predetermined value ωs, the process proceeds to (3) current switching stage of step S33. In this (3) current switching stage, while maintaining the angular velocity command value ωr at the predetermined value ωs, the current command value Idr is changed from Ids to zero, and Iqr is changed from zero to Iqs at the angular velocity λ according to the following equation. That is, the currents Id and Iq are switched.
Idr = Ids · cos (λ · t) (4)
Iqr = Iqs · sin (λ · t) Equation (5)
Here, λ is a constant, and t is (3) the elapsed time from the start of the current switching stage.
[0025]
Since the current command values Idr and Iqr start to change according to the above equation, the angular velocity of the current vector i is (3) the current switching angular velocity λ is added to the angular velocity command value ωr at the moment when the current switching stage is started. Switch to (ωs + λ). Since the rotor immediately after switching is subjected to a sufficiently large rotational torque T determined by the current vector i having the absolute value Id and the magnetic flux vector φ, the angular velocity ωm of the rotor follows the current vector i and follows the angular velocity. It changes rapidly to (ωs + λ). That is, as shown in part (3) (a) of FIG. 10, a discontinuous change in angular velocity occurs in the rotor at the switching timing. This discontinuous change in angular velocity causes the
[0026]
The phase difference between the current vector i and the magnetic flux vector φ spreads to an angle at which the load torque corresponding to the new angular velocity (ωs + λ) and the generated torque T become equal, and rotates at the angular velocity (ωs + λ) while maintaining the phase difference. . On the other hand, since the angular velocity of the di-qi axis is maintained at ωs, the phase of the di-qi axis continues to be delayed at the angular velocity λ when viewed from the dm-qm coordinates rotating at the angular velocity (ωs + λ). Finally, the qi axis and the current vector i coincide with each other. The vector diagrams in the (3) current switching stage and its end state are shown in (2-3) and (3) in FIG. 9, and the state of change in current, angular velocity, etc. is shown in (3) in FIG. The current Iqs, which is the absolute value of the current vector i in this end state, is also set to a value that can generate a torque sufficient to accelerate the
[0027]
When step S33 ends, the process proceeds to the (4) angular velocity switching stage of step S34. From this (4) angular velocity switching stage, sensorless rotor angular velocity and rotational position detection calculation begins to function, and current vector control starts based on the estimated (detected) rotor position (detected dm-qm axis). Is done. As the angular velocity command value ωr, the estimated angular velocity value ω estimated by the angular
[0028]
When the current switching is completed, λ = 0, and the angular velocity ωi of the current vector i instantaneously decreases by λ. At the same time, by setting ωr = ω, the sensorless angular velocity and rotational position detection calculation described in the section of “Prior Art” starts to function, and the angular velocity command value ωr tries to converge to the angular velocity ωm of the rotor. .
[0029]
Although the angular velocity ωm of the rotor tends to decrease due to the decrease in the angular velocity ωi of the current vector i by λ, the angular velocity ωm does not rapidly decrease because the rotor has inertia. Therefore, the
[0030]
The convergence of the angular velocity command value ωr to the rotor angular velocity ωm means that the di-qi axis coincides with the dm-qm axis, and the current vector i having only the qi component coincides with the qm axis. As a result, the phase difference between the current vector i and the magnetic flux vector spreads to π / 2. The value of the torque T acting on the rotor due to the spread of the phase difference suddenly increases simultaneously with the convergence of ωr to ωm.
The rapid increase in the rotational torque T and the accompanying rapid increase in the rotor angular velocity ωm cause the
[0031]
After the angular velocity command value ωr converges to the actual angular velocity ωm of the rotor, the rotor continues to have a torque T determined by the outer product of the current vector i of the absolute value Ids flowing in the qi axis direction and the magnetic flux vector φ in the qm axis direction. Work. Since this generated torque T has a phase difference of π / 2, it is larger than (3) torque T in the current switching stage. The rotor is accelerated and the angular velocity ωm continues to rise until it matches the load torque. FIG. 10 (4) shows how the angular velocity and the current value change in the (4) acceleration switching stage.
[0032]
When the angular velocity reaches the steady state, the process proceeds to (5) steady operation stage of step S35. At this stage, the rotational speed control is performed so that the angular velocity command value ωr equal to the estimated angular velocity value ω matches the angular velocity target value ωc (not shown) given from the outside. The current command angular velocity
Iqr = G3 · (ωc-ω) + G4 · ∫ (ωc-ω) · dt Equation (6)
Here, G3 and G4 are constants. Since the current command value Idr does not contribute to torque generation, for example, zero output is continued. FIG. 10 (5) shows how the angular velocity and current change during the (5) steady operation stage.
[0033]
As described above, in the conventional starting method, a rapid change occurs in the actual angular velocity ωm of the rotor in the portions shown in FIGS. 10A and 10B, which generates vibration and noise in the
[0034]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to control a sudden change in the actual angular velocity of the rotor and to start a motor without generating vibration and noise. To provide an apparatus.
[0035]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the vector control inverter device according to
[0036]
By adopting such a configuration, a rapid change in the rotor angular velocity ωm at the moment of shifting from the forced rotation stage to the current switching stage of the di-axis current and the qi-axis current can be suppressed, and motor vibration and noise can be suppressed. effective.
[0037]
The vector control inverter device according to
[0038]
By adopting such a configuration, in addition to the effect of
[0039]
The vector control inverter device according to
[0040]
By adopting such a configuration, in addition to the effect of
[0041]
The vector control inverter device according to
[0042]
With this configuration, in addition to being able to increase the rotational speed in accordance with the external angular velocity command value ωa, the rotor angular velocity ωm at the moment of shifting from the forced rotation stage to the current switching stage of the di-axis current and the qi-axis current. Abrupt changes can be suppressed, and motor vibration and noise can be suppressed.
[0043]
The vector control inverter device according to
[0044]
With this configuration, in addition to the effect of
[0045]
The vector control inverter device according to
[0046]
With this configuration, in addition to the effect of the fourth aspect, the continuity of the torque acting on the rotor at the moment of switching the rotor angular velocity control from the open loop control to the closed loop control is maintained. There is an effect that a sudden change in the angular velocity ωm does not occur, and motor vibration and noise are suppressed.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Since this embodiment has many parts that are the same as or similar to the conventional embodiments described in detail in the sections of “Prior Art” and “Problems to be Solved by the Invention”, the description of overlapping parts is omitted. Only the differences will be described in detail. Moreover, in the following figures, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same as that of a prior art, or is equivalent.
[0050]
(First embodiment)
FIG. 1 is an electrical configuration diagram of the inverter device of the present embodiment, FIG. 2 is a flowchart showing a switching state of a current command value, an angular velocity command value, etc. from the start to the steady operation stage, and FIG. FIG. 4 is a time chart of electric current, angular velocity and the like.
[0051]
The electrical configuration of the inverter device shown in FIG. 1 is almost the same as FIG. 7 showing the prior art. The only difference is that the d-axis induced voltage estimated value Ed, which is the calculation result of the induced
[0052]
First, the (1) positioning stage of Step S1 shown in FIG. The operation at this stage is the same as the (1) positioning stage in step S31 of FIG. In the rotor, a magnetic flux vector φ formed by a permanent magnet is positioned in the di-axis direction, which is the d-axis assumed (recognized) by the
[0053]
Subsequently, the process proceeds to (2) forced rotation stage of step S2. The operation at this stage is also the same as the operation at (2) forced rotation stage in step S32 in FIG. A vector diagram at this stage is shown in (2) of FIG. 3, and changes with time of the current command value and the like are shown in (2) of FIG. At the end of this stage, the angular velocity command value ωr that is the input of the
[0054]
When step S2 ends, the process proceeds to the current switching stage. This current switching stage is composed of three steps, ie, (3a) current switching stage in step S3, (3b) current switching stage in step S4, and (3c) current switching stage in step S5. At this stage, the d-axis current command value Idr is increased from Ids to zero, and the q-axis current command value Iqr is increased from zero to Iqs. That is, switching between the d-axis current Id and the q-axis current Iq is performed.
[0055]
With the start of the current switching stage (3a) in step S3, current command values Idr and Iqr for the d-axis and q-axis are output from the current command angular velocity
Idr = Ids · cos (ωs · t) Equation (7)
Iqr = Iqs · sin (ωs · t) Equation (8)
Here, ωs is (3a) the value of the angular velocity command value ωr immediately before moving to the current switching stage, and t is (3a) the elapsed time from the start of the current switching stage. These formulas are different from formulas (4) and (5) for calculating the current command value in the step (3) current switching stage of step S33 of the prior art in that the angular velocity λ in the formula is replaced by ωs. It is.
[0056]
On the other hand, the value of the angular velocity command value ωr is maintained at ωs in the prior art, whereas zero is output in the present embodiment. Since the angular velocity command value ωr is zero, the rotation of the di-qi axis is stopped. However, since the current command value for each axis is output according to equations (7) and (8), the current vector i rotates at the angular velocity ωs. That is, (3a) In the current switching stage, the angular velocity ωi of the current vector i is maintained at the angular velocity ωs immediately before switching. Accordingly, the rotor also rotates at the angular velocity ωs immediately before switching in a form that follows this. A vector diagram in this state is shown in (3a) of FIG. 3, and changes in angular velocity and the like are shown in (3a) of FIG. The portion (a) of FIG. 10 of the prior art corresponds to the portion (a) of FIG. 4, and in the case of this embodiment, there is no sudden change in the angular velocity ωm of the rotor. Therefore, the occurrence of vibration and noise at the time of switching, which was a problem in the prior art, is eliminated in this embodiment.
[0057]
In this (3a) current switching stage, the value of the d-axis induced voltage estimated value Ed is simultaneously monitored by the current command angular velocity
[0058]
The stage where the value of Ed becomes zero is the current switching stage (3b) in step S4. A vector diagram in this state is shown in (3b) of FIG. 3, and states of the current command value and the like are shown in (3b) of FIG. The value of the q-axis current command value when this stage is reached is stored as Iqk.
[0059]
Subsequently, the process proceeds to (3c) current switching stage of step S5. At this stage, the d-axis current command value Idr continues to decrease according to the equation (7). On the other hand, the q-axis current command value is maintained at the previously stored value of Iqk.
Simultaneously with the start of this (3c) current switching stage, the angular velocity estimated value ω estimated by the angular
[0060]
The generated torque T is proportional to the outer product of the magnetic flux vector φ and the current vector i, that is, the product of the magnetic flux vector φ and the qm-axis component of the current vector i. Here, the qi-axis current command value Iqr is maintained at a constant value Iqk, and the qi-axis and the dm-axis almost coincide with each other, so that the generated torque T is maintained at a constant value through the current switching stage (3c). . Accordingly, the angular velocity ωm of the rotor changes at a constant value ωs during this stage. The above transition is shown in (3c) of FIG.
[0061]
As shown in the vector diagram of FIG. 9 (3), the di-qi axis and the dm-qm axis are used for switching from the (3) current switching stage in FIG. 10 to the (4) acceleration switching stage in FIG. The angular velocity command value ωr was switched to the estimated value ω in a state where they did not match. Therefore, as a result of the angular velocity estimation calculation, a rapid rotation of the di-qi axis in the dm-qm axis direction and a corresponding rapid rotation of the current vector i in the qm axis direction occur, as shown in FIG. A sudden change in the current vector i and the rotor angular velocity ωm occurred.
[0062]
On the other hand, in the present embodiment, the angular velocity command value ωr is switched to the estimated value ω in a state where the di-qi axis and the dm-qm axis coincide with each other as shown in (3b) of FIG. It is. Therefore, the current vector i and the rotor angular velocity ωm do not change as shown in the portion (a) in FIG. 4 (4), and no vibration, noise, etc. occur at this switching portion.
[0063]
When the d-axis current command value Idr in step S5 becomes zero, the process proceeds to the next (4) steady operation stage of step S6. The operation at this stage is the same as the operation in the step (5) steady operation stage of step S35 in FIG. The rotational speed control is performed so that the angular velocity command value ωr equal to the estimated angular velocity value ω matches the angular velocity target value ωc (not shown) given from the outside. The current command angular velocity
[0064]
As is clear from the above description, according to the present embodiment, the rapid change in the current vector i and the rotor angular velocity ωm seen in the portions (a) and (b) of FIG. Since it disappears as shown in the parts (a) and (b) of 4, the generation of motor vibration and noise in this part is eliminated.
[0065]
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the rotational speed of the
[0066]
The operation of the second embodiment has many parts that are similar to those of the first embodiment. Therefore, the same operation part is only described to that effect, the duplicate description is omitted, and only different points will be described.
FIG. 5 shows a flow chart of start-up in the second embodiment, and FIG. 6 shows changes with time of current command values and the like. The electrical configuration and vector diagram of the inverter device are the same as those in FIGS. 1 and 3 in the case of the first embodiment.
[0067]
When the start is started, the (1) positioning step of step S21 in FIG. 5 is executed. This stage is the same as the operation in the first embodiment. FIG. 6 (1) shows the transition of the current command value and the like, and FIG. 3 (1) shows a vector diagram of the state in which the rotor is positioned.
[0068]
When positioning is completed, the process proceeds to (2) forced rotation stage of step S22. From this stage, an external angular velocity command value ωa is given to the current command angular velocity command forming circuit 4 (not shown). FIG. 6A shows an example of a curve of the external angular velocity command value ωa. In the first embodiment, the angular velocity command value ωr increases from zero to the predetermined value ωs according to the gradient generated by the current command angular velocity
[0069]
When the external angular velocity command value ωa reaches the predetermined value ωs, the process proceeds to (3a) current switching step in step S23. The operation at this stage is almost the same as step S3 of the first embodiment, but the point that the current command value is switched at the angular velocity ωa as in the following equation is (7), (8) of the first embodiment. Different from formula.
Idr = Ids · cos (ωa · t) Equation (9)
Iqr = Iqs · sin (ωa · t) (10)
The vector diagram at this stage is shown in (3a) of FIG. 3, and the transition of the angular velocity and the like is shown in (3a) of FIG.
[0070]
As the value of the angular velocity command value ωr, zero is output as in the first embodiment, and the current vector i rotates at the angular velocity ωa. (3a) Since the actual angular velocity ωm of the rotor immediately before the current switching stage is ωs, the current vector i and the angular velocity ωm of the rotor are changed at the part (a) of FIG. Does not occur. Therefore, no vibration or noise occurs in this portion.
[0071]
(3a) In the current switching stage, the d-axis induced voltage estimated value Ed is monitored as in the case of the first embodiment. Then, when the value of Ed becomes zero, the process proceeds to (3b) current switching stage of step S24. This state differs from the first embodiment in that the angular velocity ωm of the rotor is ωs in the first embodiment, whereas in this embodiment, it is equal to the external angular velocity command value ωa at that time. It is a point. A vector diagram at this stage is shown in (3b) of FIG. 3, and angular velocity and the like are shown in (3b) of FIG.
[0072]
Subsequently, the process proceeds to (3c) current switching stage of step S25. From this stage, as in the first embodiment, the value of ω obtained by estimating the angular velocity ωm of the rotor is output as it is as the angular velocity command value ωr. That is, the angular velocity estimation calculation starts to function. The d-axis current command value Idr continues to decrease toward zero according to the equation (9).
[0073]
As the q-axis current command value Iqr, the current command angular velocity
Iqr = G5 · (ωa-ω) + G6 · ∫ (ωa-ω) · dt Equation (11)
Here, G5 and G6 are constants. However, (3b) so that there is no change in the value of the current command value Iqr before and after the current switching stage, that is, (3c) the value of Iqr immediately after moving to the current switching stage is (3b) The initial value of the integral value of the second term of equation (11) is set so as to be equal to the value. F (ωa, ω) in steps S25 and S26 in FIG. 5 means the expression on the right side of the expression (11). By outputting the current command value Iqr in this way, the rotational speed control is performed so that the actual angular velocity ωm of the rotor matches the angular velocity command value ωa given from the outside.
[0074]
The vector diagram at (3c) current switching stage is shown in (3c) of FIG. 3, and the transition of the current command value and the like is shown in (3c) of FIG. In FIG. 6 (a) of the present embodiment, which corresponds to the portion (b) of FIG. 4 of the prior art, changes in the current vector i and the angular velocity ωm of the rotor are the same as in the first embodiment. Does not occur. Therefore, vibration and noise do not occur at this switching portion.
[0075]
The stage where the current command value Idr continues to decrease and becomes zero is the (3d) current switching stage of step S26. The vector diagram of this stage is shown in (4) of FIG. 3, the angular velocity is shown in FIG. Shown in (3d).
[0076]
Then, it moves to (4) steady operation stage of step S27. At this stage, since the d-axis current command value Id does not contribute to torque generation, a zero value is normally output. On the other hand, the q-axis current is continuously controlled according to the equation (11). Thus, the rotational speed of the rotor is controlled so that the angular speed ωm of the rotor coincides with the external angular speed command value ωa.
[0077]
As is clear from the above description, according to the second embodiment, the rapid change in the current vector i and the rotor angular velocity ωm seen in the portions (a) and (b) of FIG. However, as shown in the parts (a) and (b) of FIG. 6, the motor vibration and noise are eliminated in this part.
[0078]
【The invention's effect】
According to the present invention, sudden fluctuations in torque acting on the rotor are suppressed in the starting stage until the motor reaches a steady operation state from a stopped state. Therefore, since a rapid change in the rotor angular velocity does not occur, a smooth motor start with less vibration and noise can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical configuration diagram showing an embodiment of a vector control inverter device of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a start sequence according to the first embodiment.
FIG. 3 is a vector diagram of various electrical quantities at each stage of startup according to the first embodiment.
FIG. 4 is a time chart showing a transition of a current command value and the like at each stage of start of the first embodiment.
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 2 for the second embodiment.
FIG. 6 is a view corresponding to FIG. 4 for the second embodiment.
FIG. 7 is a view corresponding to FIG.
FIG. 8 is a view corresponding to FIG.
FIG. 9 is a view corresponding to FIG.
FIG. 10 is a view corresponding to FIG. 4 showing the prior art.
[Explanation of symbols]
In the figure, 1 is a vector control inverter device, 2 is a current control circuit, 3 is an angular velocity estimation circuit, 4 is a current command angular velocity command formation circuit, 5 is an integrator, 6 is a permanent magnet motor, 31 is an induced voltage estimation circuit, di Is the estimated magnetic flux axis, qi is the estimated torque axis, Id is the di-axis current, Iq is the qi-axis current, Idr is the di-axis current command value, Iqr is the qi-axis current command value, Ed is the magnetic flux axis of the induced voltage (di Axis) direction component estimated value, ω is the estimated angular velocity of the rotor, ωs is a predetermined angular velocity, ωr is the angular velocity command value, ωa is the external angular velocity command value, ωm is the actual angular velocity of the rotor, i is the current vector, vm Represents an induced voltage vector, and φ represents a magnetic flux vector of the permanent magnet.
Claims (6)
前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをdi軸方向に固定したままdi軸と共に角速度ωsで回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、
di軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは角速度ωsでqi軸方向に回転させる電流切換段階と、
を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするベクトル制御インバータ装置。The current of a permanent magnet motor provided with a permanent magnet in the rotor is orthogonal to the magnetic flux axis (di-axis) direction component estimated by the calculation that the estimated value (Ed) of the magnetic flux axis direction component of the induced voltage by the permanent magnet is zero. A vector-controlled inverter device that is independently controlled separately from the torque axis (qi axis) direction component,
A forced rotation stage in which the current vector of the current supplied to the permanent magnet motor is rotated in the di-axis direction at an angular velocity ωs while the current vector is fixed in the di-axis direction, and the rotor is rotated.
a current switching stage in which the di-axis angular velocity is once set to zero and the current vector is rotated in the qi-axis direction at an angular velocity ωs;
Is passed, the process proceeds to the stage of rotating the rotor with the estimated angular velocity value ω based on the estimated magnetic flux axial direction component (Ed) of the induced voltage.
前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをdi軸方向に固定したままdi軸と共に外部角速度指令値ωaに従って回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、
di軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは前記外部角速度指令値ωaに従ってqi軸方向に回転させる電流切換段階と、
を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値(Ed)に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするベクトル制御インバータ装置。The current of a permanent magnet motor provided with a permanent magnet in the rotor is orthogonal to the magnetic flux axis (di-axis) direction component estimated by the calculation that the estimated value (Ed) of the magnetic flux axis direction component of the induced voltage by the permanent magnet is zero. A vector-controlled inverter device that is independently controlled separately from the torque axis (qi axis) direction component ,
A forced rotation stage in which a current vector of a current supplied to the permanent magnet motor is rotated in accordance with the external angular velocity command value ωa together with the di-axis while the current vector is fixed in the di-axis direction;
a current switching stage in which the di-axis angular velocity is once set to zero and the current vector is rotated in the qi-axis direction according to the external angular velocity command value ωa;
Is passed, the process proceeds to the stage of rotating the rotor with the estimated angular velocity value ω based on the estimated magnetic flux axial direction component (Ed) of the induced voltage.
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