JP4361598B1 - Sensorless AC motor control device - Google Patents
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Abstract
【課題】制御異常を速やかに検出して保護を行うことができるセンサレス交流電動機制御装置を提供することにある。
【解決手段】 速度指令からゲイン値KGの閾値を算出する閾値算出部13と、比較部14とからなるセンサレス制御異常検出部12を備えている。センサレス制御異常検出部12は、周波数演算部4で用いるゲイン値KGと閾値RVとを比較部14で比較し、ゲイン値KGが閾値RVを予め定めた時間超えると、制御異常と判定してアラーム信号を出力する。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a sensorless AC motor control device capable of quickly detecting and protecting a control abnormality.
A sensorless control abnormality detection unit 12 including a threshold value calculation unit 13 for calculating a threshold value of a gain value KG from a speed command and a comparison unit 14 is provided. The sensorless control abnormality detection unit 12 compares the gain value KG and the threshold value RV used in the frequency calculation unit 4 with the comparison unit 14, and if the gain value KG exceeds the threshold value RV for a predetermined time, the sensorless control abnormality detection unit 12 determines that a control abnormality has occurred. Output a signal.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、交流電動機の速度及び磁極位置を検出するセンサを用いることなく交流電動機を制御するセンサレス交流電動機の制御装置に関するものである。 The present invention relates to a sensorless AC motor control device that controls an AC motor without using a sensor that detects the speed and magnetic pole position of the AC motor.
従来の電動機のセンサレス交流電動機の制御装置としては、オブザーバ方式や、電動機パラメータを用いる方式などがある。また最近、特許第4022630号公報(特許文献1)に、交流電動機を含めて各種の交流駆動機器の制御に必要なパラメータが少ないセンサレス制御装置が開示されている。特許文献1の図2−1及び図2−2に示された制御装置では、電力変換器と、電流検出器と、電力変換器の運転周波数を決定する周波数演算部と、周波数演算部の出力から積分により位相角信号を求めて出力する積分演算部と、直交二軸変換部と、二軸電流調節部と、PWM信号発生部と、PWM信号により電力変換器を制御するPWM制御器とを備えている。直交二軸変換部は、電流検出器の検出信号及び積分演算部の位相角信号に基づいて、直交二軸変換により有効成分及び無効成分の二軸電流を演算して出力する。二軸電流設定部は、二軸電流の有効成分の指令値と無効成分の指令値とを出力する。二軸電流調節部は、直交二軸変換部の出力と二軸電流設定部の出力との差から誤差量を演算して二軸成分ごとに誤差量に応じた振幅指令値を出力する。PWM信号発生部は、二軸電流調節部の出力及び積分演算部の位相角信号に基づいて、電力変換器を制御するPWM信号を生成する。そして特許文献1に示された制御装置では、センサレス化のために、周波数演算部が、二軸電流調節部の出力である振幅指令値のうち無効成分電流に対応する振幅指令値を零に導くように電力変換器の運転周波数を決定する。具体的に、交流電動機(同期電動機、誘導電動機等)の制御のためには、二軸電流調節部の出力である振幅指令値のうち、有効成分電流に対応する振幅指令値を、無効成分電流に対応する振幅指令値から求めた誘起電圧定数の逆数からなるゲイン値KGでゲイン倍した値を電力変換器の運転周波数として決定している。 As a conventional control device for a sensorless AC motor of an electric motor, there are an observer method, a method using electric motor parameters, and the like. Recently, Japanese Patent No. 4022630 (Patent Document 1) discloses a sensorless control apparatus that requires few parameters for controlling various AC drive devices including an AC motor. In the control device shown in FIGS. 2-1 and 2-2 of Patent Document 1, a power converter, a current detector, a frequency calculation unit that determines an operating frequency of the power converter, and an output of the frequency calculation unit An integration calculation unit that obtains and outputs a phase angle signal by integration, a quadrature biaxial conversion unit, a biaxial current adjustment unit, a PWM signal generation unit, and a PWM controller that controls the power converter by the PWM signal I have. The orthogonal biaxial conversion unit calculates and outputs the biaxial current of the effective component and the ineffective component by orthogonal biaxial conversion based on the detection signal of the current detector and the phase angle signal of the integration calculation unit. The biaxial current setting unit outputs an effective component command value and an ineffective component command value of the biaxial current. The biaxial current adjustment unit calculates an error amount from the difference between the output of the orthogonal biaxial conversion unit and the output of the biaxial current setting unit, and outputs an amplitude command value corresponding to the error amount for each biaxial component. The PWM signal generation unit generates a PWM signal for controlling the power converter based on the output of the biaxial current adjustment unit and the phase angle signal of the integration calculation unit. In the control device disclosed in Patent Document 1, the frequency calculation unit guides the amplitude command value corresponding to the reactive component current to zero among the amplitude command values that are output from the biaxial current adjustment unit in order to eliminate the sensor. Thus, the operating frequency of the power converter is determined. Specifically, in order to control an AC motor (synchronous motor, induction motor, etc.), an amplitude command value corresponding to an effective component current among the amplitude command values output from the biaxial current adjustment unit is set as an invalid component current. A value obtained by multiplying the gain by the gain value KG, which is the reciprocal of the induced voltage constant obtained from the amplitude command value corresponding to, is determined as the operating frequency of the power converter.
特許文献1に示されたセンサレス交流電動機の制御装置において、何らかの要因で制御装置の積分演算部から出力される磁極位置θと実際の電動機の磁極位置θとが大きくずれると、脱調してトルクが出なくなり、電動機が停止してしまう。そして、電動機が脱調したことを速やかに検出しないと、使用している機械システムに影響を及ぼし、機械部品を破損させてしまう恐れがある。しかし、特許文献1に示された制御装置には、このような保護機能がなかった。 In the sensorless AC motor control device disclosed in Patent Document 1, if the magnetic pole position θ output from the integral calculation unit of the control device and the actual magnetic pole position θ of the control device greatly deviate from each other for some reason, the torque will be lost. Stops and the electric motor stops. If it is not detected promptly that the electric motor has stepped out, it may affect the mechanical system in use and damage the mechanical parts. However, the control device disclosed in Patent Document 1 did not have such a protection function.
本発明の目的は、制御異常を速やかに検出して保護を行うことができるセンサレス交流電動機制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a sensorless AC motor control device that can quickly detect and protect a control abnormality.
本発明のセンサレス交流電動機制御装置では、電力変換器と、電流検出器と、周波数演算部と、積分演算部と、直交二軸変換部と、二軸電流設定部と、二軸電流調節部と、制御信号発生部と、PWM制御器とを備えている。電力変換器は、直流回路と交流電動機との間に接続され、スイッチ素子を有して直流−交流電力変換を行う。電流検出器は、電力変換器から出力される電流を検出する。周波数演算部は、電力変換器の運転周波数を決定して運転周波数信号を出力する。積分演算部は、周波数演算部の出力から積分により位相角信号を求めて出力する。直交二軸変換部は、電流検出器の検出信号及び積分演算部の位相角信号に基づいて、直交二軸変換により有効成分及び無効成分の二軸電流を演算して出力する。二軸電流設定部は、速度指令と電力変換器の運転周波数から推定した推定速度とに基づいて決定した二軸電流の有効成分の指令値と無効成分の指令値とを出力する。二軸電流調節部は、直交二軸変換部の出力と二軸電流設定部の出力との差から誤差量を演算して二軸成分ごとに誤差量に応じた振幅指令値を出力する。制御信号発生部は、二軸電流調節部の出力及び積分演算部の位相角信号に基づいて電力変換器を制御するための制御信号を生成する。PWM制御器は、制御信号をPWM変調して電力変換器に駆動信号を出力する。周波数演算部は、二軸電流調節部の出力である振幅指令値のうち無効成分電流に対応する振幅指令値を零に導くように電力変換器の運転周波数を決定するために、二軸電流調節部の出力である振幅指令値のうち、有効成分電流に対応する振幅指令値を、無効成分電流に対応する振幅指令値から求めた誘起電圧定数の逆数からなるゲイン値KGでゲイン倍した値を電力変換器の運転周波数とする。 In the sensorless AC motor control device of the present invention, a power converter, a current detector, a frequency calculation unit, an integration calculation unit, an orthogonal biaxial conversion unit, a biaxial current setting unit, and a biaxial current adjustment unit, And a control signal generator and a PWM controller. The power converter is connected between the DC circuit and the AC motor, and has a switch element to perform DC-AC power conversion. The current detector detects a current output from the power converter. The frequency calculation unit determines an operation frequency of the power converter and outputs an operation frequency signal. The integration calculation unit obtains and outputs a phase angle signal by integration from the output of the frequency calculation unit. The orthogonal biaxial conversion unit calculates and outputs the biaxial current of the effective component and the ineffective component by orthogonal biaxial conversion based on the detection signal of the current detector and the phase angle signal of the integration calculation unit. The biaxial current setting unit outputs the command value of the effective component and the command value of the ineffective component determined based on the speed command and the estimated speed estimated from the operating frequency of the power converter. The biaxial current adjustment unit calculates an error amount from the difference between the output of the orthogonal biaxial conversion unit and the output of the biaxial current setting unit, and outputs an amplitude command value corresponding to the error amount for each biaxial component. The control signal generation unit generates a control signal for controlling the power converter based on the output of the biaxial current adjustment unit and the phase angle signal of the integration calculation unit. The PWM controller performs PWM modulation on the control signal and outputs a drive signal to the power converter. The frequency calculation unit determines the operation frequency of the power converter so as to guide the amplitude command value corresponding to the reactive component current out of the amplitude command value output from the biaxial current adjustment unit to zero. A value obtained by multiplying the amplitude command value corresponding to the active component current by the gain value KG, which is the reciprocal of the induced voltage constant obtained from the amplitude command value corresponding to the reactive component current, of the amplitude command value that is the output of the unit The operating frequency of the power converter.
特に、本発明においては、制御装置が、速度指令からゲイン値KGの閾値を算出する閾値算出部と、センサレス制御異常検出部とを備えている。センサレス制御異常検出部は、周波数演算部で用いるゲイン値KGと閾値とを比較し、ゲイン値KGが閾値を予め定めた時間超えると、制御異常と判定してアラーム信号を出力する。本発明は、センサレス化のために、ゲイン値KGが調整される(変わる)ことに着目し、ゲイン値KGが異常な値を示す場合には、アラーム信号を出力し、PWM制御器を停止させることにより、保護機能を発揮する。 In particular, in the present invention, the control device includes a threshold value calculation unit that calculates a threshold value of the gain value KG from the speed command, and a sensorless control abnormality detection unit. The sensorless control abnormality detection unit compares the gain value KG used in the frequency calculation unit with a threshold value. When the gain value KG exceeds the threshold value for a predetermined time, the sensorless control abnormality detection unit determines that the control is abnormal and outputs an alarm signal. The present invention pays attention to the fact that the gain value KG is adjusted (changed) in order to eliminate the sensor. When the gain value KG shows an abnormal value, an alarm signal is output and the PWM controller is stopped. By doing so, the protective function is exhibited.
以下図面を参照して、本発明のセンサレス交流電動機制御装置の実施の形態を詳細に説明する。図1は、交流電動機の一種である同期電動機1をセンサレスで制御する本発明のセンサレス交流電動機制御装置の一実施の形態の構成を示す図である。同期電動機(モータ)1は、永久磁石が回転子コアの表面に固定されて回転子磁極(移動子磁極)が形成されている回転子と、固定子コアに三相の電機子巻線が巻装されて構成された固定子磁極を有する固定子とを備えている。同期電動機1の回転子磁極の位置θ[同期電動機1の回転子(移動子)の固定子に対する相対的な位置]は、前述の特許文献1に記載の公知技術によりセンサレスで決定される。 Embodiments of a sensorless AC motor control apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a sensorless AC motor control device of the present invention that controls a synchronous motor 1 which is a kind of AC motor without a sensor. A synchronous motor (motor) 1 includes a rotor in which a permanent magnet is fixed to the surface of a rotor core to form a rotor magnetic pole (mover magnetic pole), and a three-phase armature winding wound around the stator core. And a stator having a stator magnetic pole configured to be mounted. The position θ of the rotor magnetic pole of the synchronous motor 1 [the relative position of the rotor (moving element) of the synchronous motor 1 with respect to the stator] is determined sensorlessly by the known technique described in Patent Document 1 described above.
本実施の形態の制御装置では、二軸電流設定部2、二軸電流調節部3と、周波数演算部4と、積分演算部5と、制御信号発生部を構成する座標変換器6と、電流検出部7と、直交二軸変換部としての座標変換部8と、PWM制御器9と、電力変換部10と、発振器11と、センサレス制御異常検出部12とを備えている。電力変換器10は、図示しない直流回路と同期電動機(交流電動機)1との間に接続され、スイッチ素子を有して直流−交流電力変換を行う。電流検出器7は、電力変換器10から出力される三相交流電流から2相分の交流電流IU及びIVを検出する。直交二軸変換部8は、電流検出器7の検出信号IU及びIV及び積分演算部5の位相角信号に基づいた位相角を有する正弦波信号sin及び余弦波信号cosを入力として、直交二軸変換により有効成分及び無効成分の二軸電流IδF及びIγFを演算して出力する。二軸電流設定部2は、図示しない速度指令発生部から出力される速度指令と周波数演算部4から出力された推定周波数(推定速度)との差を入力として、二軸電流の有効成分の指令値Iδcを生成する速度制御器21と、二軸電流の無効成分の指令値Iγcを出力する指令発生器22とから構成される。
In the control device of the present embodiment, the biaxial
二軸電流調節部3は、直交二軸変換部として座標変換部8の出力(IδF及びIγF)と二軸電流設定部2の出力(二軸電流の有効成分の指令値Iδcと二軸電流の無効成分の指令値Iγc)との差から誤差量を演算して電流制御器31及び32を通して二軸成分ごとに誤差量に応じた電圧指令としての振幅指令値(Vδc及びVδc)を出力する。座標変換器6は、二軸電流調節部3の出力(Vδc及びVδc)及び積分演算部5から出力される位相角信号に基づいて発振器11が出力する正弦波信号sin及び余弦波信号cosとを入力して、三相分の制御信号(VUC,VVC,VWC)を座標変換により生成する。本実施の形態では、座標変換器6が制御信号発生部を構成している。PWM制御器9は、三相分の制御信号をPWM変調し、電力変換器10の駆動信号を出力し、電力変換器10によりモータ1に電圧が印加される。
The biaxial
周波数演算部4は、二軸電流調節部3の出力である振幅指令値のうち無効成分電流に対応する振幅指令値Vγcを零に導くように電力変換器10の運転周波数ωを決定する。具体的には、速度推定制御器41が、無効成分電流に対応する振幅指令値Vγcから求めた誘起電圧定数の逆数からなるゲイン値KGを出力する。そして周波数演算部4は、二軸電流調節部3の出力である振幅指令値のうち、有効成分電流に対応する振幅指令値Vδcを、ゲイン値KGでゲイン倍した値を電力変換器10の運転周波数(電動機の推定速度)ωとして出力する。なお有効成分電流に対応する振幅指令値Vδcを、ゲイン値KGでゲイン倍した値が電力変換器10の運転周波数(電動機の推定速度)ωとなること(センサレスで運転周波数を推定できること)に関しては、特許文献1に詳しく説明されているので説明を省略する。積分演算部5は、周波数演算部4の出力ωを積分して位相角信号(磁極位置を示す信号)θを演算して出力する。ゲイン(パラメータ)KGは、誘起電圧定数の逆数を示しているため、電動機回転速度に比例した値が現れるδ軸電圧指令となる振幅指令値Vδcにゲイン値KGを乗算すれば電動機1の速度が推定される。
The frequency calculation unit 4 determines the operating frequency ω of the
本実施の形態では、速度指令からゲイン値KGの閾値を算出する閾値算出部13と、比較部14とからなるセンサレス制御異常検出部12を備えている。センサレス制御異常検出部12は、周波数演算部4で用いるゲイン値KGと閾値RVとを比較部14で比較し、ゲイン値KGが閾値RVを予め定めた時間超えると、制御異常と判定してアラーム信号を出力する。ここで閾値算出部13は、事前に速度指令と正常なゲイン値KGとの関係を試験により測定しておき、その結果に許容範囲分を加えたをものを演算式化するかまたはデータとして保存しておき、速度指令が変わるたびに、対応した閾値を出力するように構成されている。また前述の「予め定めた時間」も事前の試験により、決定される。ちなみ本実施の形態では、30msを「予め定めた時間」としている。
In the present embodiment, a sensorless control
本実施の形態では、周波数演算の際に、ゲイン値KGが調整される(変わる)ことに着目し、ゲイン値KGが異常な値を示す場合には、アラーム信号を出す。保護機能として、例えば、PWM制御器9は、アラーム信号が出力されると制御動作を停止する。その結果、同期電動機は回転を停止する。速度推定制御器41はある程度の大きさのゲインを有しているため、センサレス制御異常時は電動機速度が低下してδ軸電圧指令となる振幅指令値Vδcが減少する。そこでこの減少を補正するように、速度推定制御器41は速やかにゲイン値KGの値をその上限側に変更する。この変更幅が大きくなったことを、比較部14が検出することにより、センサレス制御異常を速やかに検出することができる。
In the present embodiment, attention is paid to the fact that the gain value KG is adjusted (changes) during frequency calculation, and an alarm signal is issued when the gain value KG shows an abnormal value. As a protection function, for example, the
本発明によれば、センサレス制御のパラメータであるゲイン値KGが閾値以上に予め定めた時間以上になったことに基づいて、センサレス制御異常を検出している。これにより、センサレス制御に異常を生じた場合も、速やかにセンサレス制御異常を検出でき、使用している機械システムに影響を及ぼさない安全なセンサレス制御装置を実現できる。 According to the present invention, the sensorless control abnormality is detected based on the fact that the gain value KG, which is a parameter of sensorless control, is equal to or longer than a threshold value and longer than a predetermined time. As a result, even when an abnormality occurs in the sensorless control, a sensorless control abnormality can be quickly detected, and a safe sensorless control device that does not affect the mechanical system being used can be realized.
1 同期電動機
2 二軸電流設定部
3 二軸電流調節部
4 周波数演算部
5 積分演算部
6 座標変換器(制御信号発生部)
7 電流検出部
8 直交二軸変換部としての座標変換部
9 PWM制御器
10 電力変換部
11 発振器
12 センサレス制御異常検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
7
Claims (2)
前記電力変換器から出力される電流を検出する電流検出器と、
前記電力変換器の運転周波数を決定して運転周波数信号を出力する周波数演算部と、
前記周波数演算部の出力から積分により位相角信号を求めて出力する積分演算部と、
前記電流検出器の検出信号及び前記積分演算部の位相角信号に基づいて、直交二軸変換により有効成分及び無効成分の二軸電流を演算して出力する直交二軸変換部と、
速度指令と前記電力変換器の運転周波数から推定した推定速度とに基づいて決定した前記二軸電流の有効成分の指令値と無効成分の指令値とを出力する二軸電流設定部と、
前記直交二軸変換部の出力と前記二軸電流設定部の出力との差から誤差量を演算して二軸成分ごとに誤差量に応じた振幅指令値を出力する二軸電流調節部と、
前記二軸電流調節部の出力及び積分演算部の位相角信号に基づいて前記電力変換器を制御する制御信号を出力する制御信号発生部と、
前記制御指令をPWM変調して前記電力変換器に駆動信号を出力するPWM制御器とを備え、
前記周波数演算部が、前記二軸電流調節部の出力である振幅指令値のうち無効成分電流に対応する振幅指令値を零に導くように前記電力変換器の運転周波数を決定するために、前記二軸電流調節部の出力である振幅指令値のうち、有効成分電流に対応する振幅指令値を、前記無効成分電流に対応する振幅指令値から求めた誘起電圧定数の逆数からなるゲイン値でゲイン倍した値を前記電力変換器の運転周波数とするセンサレス交流電動機の制御装置であって、
前記速度指令から前記ゲイン値の閾値を算出する閾値算出部と、
前記周波数演算部で用いる前記ゲイン値と前記閾値とを比較し、前記ゲイン値が前記閾値を予め定めた時間超えると、制御異常と判定してアラーム信号を出力する比較部とを備えたセンサレス制御異常検出部を備えていることを特徴とするセンサレス交流電動機の制御装置。 A power converter connected between the DC circuit and the AC motor and having a switch element to perform DC-AC power conversion;
A current detector for detecting a current output from the power converter;
A frequency calculator that determines an operating frequency of the power converter and outputs an operating frequency signal;
An integration calculation unit for obtaining and outputting a phase angle signal by integration from the output of the frequency calculation unit;
Based on the detection signal of the current detector and the phase angle signal of the integral calculation unit, an orthogonal biaxial conversion unit that calculates and outputs a biaxial current of an effective component and an ineffective component by orthogonal biaxial conversion, and
A biaxial current setting unit that outputs a command value of an effective component and a command value of an ineffective component determined based on a speed command and an estimated speed estimated from an operating frequency of the power converter;
A biaxial current adjusting unit that calculates an error amount from the difference between the output of the orthogonal biaxial conversion unit and the output of the biaxial current setting unit and outputs an amplitude command value corresponding to the error amount for each biaxial component;
A control signal generator for outputting a control signal for controlling the power converter based on the output of the biaxial current adjuster and the phase angle signal of the integral calculator;
A PWM controller that PWM modulates the control command and outputs a drive signal to the power converter;
In order to determine the operating frequency of the power converter so that the frequency calculation unit leads the amplitude command value corresponding to the reactive component current out of the amplitude command value that is the output of the biaxial current adjustment unit to zero. Among the amplitude command values output from the biaxial current adjuster, the amplitude command value corresponding to the active component current is gained with a gain value that is the inverse of the induced voltage constant obtained from the amplitude command value corresponding to the reactive component current. A sensorless AC motor control device having a multiplied value as an operating frequency of the power converter,
A threshold value calculation unit for calculating a threshold value of the gain value from the speed command;
A sensorless control including a comparison unit that compares the gain value used in the frequency calculation unit with the threshold value, and determines that the control value is abnormal and outputs an alarm signal when the gain value exceeds the threshold value for a predetermined time. A control device for a sensorless AC motor, comprising an abnormality detection unit.
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