JP4475528B2 - Synchronous motor control device and adjustment method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、交流同期電動機の制御装置及びその調整方法に係り、特に、同期電動機の回転速度や回転子位置を検出するセンサを用いず、その電気定数を測定/調整する機能を備える制御装置及びその調整方法に関する。 The present invention relates to an AC synchronous motor control device and an adjustment method thereof, and more particularly, to a control device having a function of measuring / adjusting its electric constant without using a sensor that detects the rotational speed and rotor position of the synchronous motor, and It relates to the adjustment method.
交流電動機の電気定数を、電動機の回転数センサ、ならびに回転子位置センサを用いることなく、インバータ等の制御装置を用いて自動で測定する技術は、特許文献1に示されている。この技術は、d−q座標上において、直流電圧、あるいは交流電圧を印加し、交流電動機の電気定数を測定する。また、特許文献2では、同期電動機に対して、任意の位相に直流分を流して、回転子位置を固定し、その上で交流を重畳して、電気定数を測定する技術が示されている。さらに、特許文献3には、パルス状の電圧を微小期間だけ電動機に印加し、電流の過渡応答から電気定数を測定する技術が開示されている。
特許文献1では、誘導電動機が対象であり、特に突極性を有する同期電動機への適用はできない。
In
また、特許文献2では、磁石磁束方向に直流を流すことで、回転子を固定しようとしているが、それとは直交するトルク軸方向への交流印加時には、直流電流による効果は得られず、回転子が振動し、測定値に誤差が生じてしまう。また、位置を固定するための直流は、定格前後の大電流であり、これを供給し続けることは、インバータの半導体デバイスにストレスがかかり、装置の寿命を著しく低下させる。
In
さらに、特許文献3では、パルス状の微小電圧を印加しているため、実運転時とは条件が異なり、測定値に誤差が含まれる場合がある。近年の同期電動機は、回転子構造が表面磁石形や、埋め込み磁石形、あるいは、リラクタンストルクを考慮した特殊形状のもの等、多様であり、また固定子構造においても、分布巻や集中巻、あるいはスロット数、極数等、様々な構造の電動機がある。このため、パルス状の電圧印加時の電磁現象は、通常駆動時の正弦波電圧印加時の現象とは異なる可能性が高く、測定値の精度に問題が残る。
Furthermore, in
また、近年では、エアコンや冷蔵庫といった家電製品に同期電動機が使用されるようになり、これらの機器でも電気定数の自動測定/調整が必要となっている。この場合には、回転速度センサや位置センサはもちろん用いておらず、さらに、電動機の相電流センサも用いない場合が多い。 In recent years, synchronous motors have been used for home appliances such as air conditioners and refrigerators, and automatic measurement / adjustment of electrical constants is also required for these devices. In this case, of course, neither a rotational speed sensor nor a position sensor is used, and the motor phase current sensor is often not used.
本発明の目的は、電動機の固定子や回転子構造に依存することなく、短時間に高精度で電気定数の測定又は自動調整が可能な同期電動機の制御装置又はその調整方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a synchronous motor control device or an adjustment method thereof capable of measuring or automatically adjusting an electric constant with high accuracy in a short time without depending on the stator or rotor structure of the motor. is there.
本発明の他の目的は、回転子を機械的に固定することなく、短時間に高精度で電気定数の測定又は自動調整が可能な同期電動機の制御装置又はその調整方法を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a synchronous motor control device or an adjustment method thereof capable of measuring an electric constant or adjusting automatically with high accuracy in a short time without mechanically fixing a rotor. .
本発明のさらに他の目的は、インバータに負担を強いることなく、電気定数の自動調整が可能な同期電動機の制御装置又はその調整方法を提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide a synchronous motor control device or an adjustment method thereof capable of automatically adjusting an electric constant without imposing a burden on an inverter.
本発明はその一面において、同期電動機に対して、インバータから、当該同期電動機の最大駆動周波数の25%以上の周波数の三相不平衡交流を供給しながら、同期電動機の電気定数の測定又は制御系の調整を行うことを特徴とする。 In one aspect of the present invention, the electric constant measurement or control system of the synchronous motor is supplied to the synchronous motor from the inverter while supplying a three-phase unbalanced alternating current having a frequency of 25% or more of the maximum drive frequency of the synchronous motor. It is characterized in that adjustment is performed.
その望ましい実施態様においては、前記三相不平衡交流の周波数を当該同期電動機の最大駆動周波数以上とする。 In the desirable embodiment, the frequency of the three-phase unbalanced alternating current is set to be equal to or higher than the maximum driving frequency of the synchronous motor.
本発明は他の一面において、同期電動機に対して、インバータから、当該同期電動機の最大駆動周波数の25%以上の周波数の三相不平衡交流を供給しながら、同期電動機の電気定数の測定又は制御系の調整を行うに当たり、前記三相不平衡交流の周波数を設定する手段を備えたことを特徴とする。 In another aspect of the present invention, the electric constant of a synchronous motor is measured or controlled while a three-phase unbalanced alternating current having a frequency of 25% or more of the maximum drive frequency of the synchronous motor is supplied from the inverter to the synchronous motor. In adjusting the system, there is provided means for setting the frequency of the three-phase unbalanced alternating current.
その望ましい実施態様においては、前記三相不平衡交流の周波数を外部から設定入力する操作手段を備え、あるいは、インバータの出力周波数を変えながら適性周波数に収斂させる制御手段を備える。 In the desirable embodiment, it comprises an operation means for setting and inputting the frequency of the three-phase unbalanced alternating current from the outside, or a control means for converging to an appropriate frequency while changing the output frequency of the inverter.
本発明はさらに他の一面において、前記三相不平衡交流の供給に先立ち、インバータから同期電動機に直流を供給し、回転子位置を磁極軸に一致させることを特徴とする。 In still another aspect of the present invention, prior to the supply of the three-phase unbalanced alternating current, direct current is supplied from the inverter to the synchronous motor, and the rotor position is made to coincide with the magnetic pole axis.
本発明の望ましい実施態様によれば、交流同期電動機の回転子位置を検出する位置センサを用いることなく、簡便な制御構成で、電動機の電気定数の自動調整が可能な電動機制御装置又はその調整方法を実現できる。 According to a preferred embodiment of the present invention, an electric motor control device capable of automatically adjusting an electric constant of an electric motor with a simple control configuration without using a position sensor for detecting a rotor position of an AC synchronous electric motor or an adjustment method thereof Can be realized.
本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。 Other objects and features of the present invention will be clarified in the embodiments described below.
次に、図1〜図18を参照して、本発明による同期電動機の制御装置の実施形態を説明する。尚、以下の実施形態では、電動機として永久磁石型同期電動機(以下、PMモータと略称する)を用いて説明するが、他の同期電動機、例えば、巻線型同期電動機、リラクタンスモータなどに関しても、同様に実現可能である。 Next, with reference to FIGS. 1-18, embodiment of the control apparatus of the synchronous motor by this invention is described. In the following embodiments, a permanent magnet type synchronous motor (hereinafter abbreviated as PM motor) will be described as an electric motor. However, the same applies to other synchronous motors such as a wound type synchronous motor and a reluctance motor. Is feasible.
実施形態1:
図1は、本発明の実施形態1による同期電動機の制御装置のブロック図である。本実施形態1の制御装置は、まず電動機の回転数指令ωr*を発生する回転数指令発生器1と、インバータ制御器2を備えている。このインバータ制御器2は、インバータ3が出力すべき交流電圧を演算し、パルス幅変調(PWM)信号に変換してインバータ3へ出力する。次に、主回路として、前記インバータ3に電力を供給する直流電源4と、制御対象である永久磁石型同期電動機5(以下、PMモータと略称)を備えている。直流電源4は、交流電源41、整流回路を構成するダイオードブリッジ42、及び平滑コンデンサ43からなり、平滑コンデンサ43の両端に直流電圧V0を発生する。この直流電源4からインバータ3への直流路には、直流電流IDCを検出する電流検出器6を備えている。
Embodiment 1:
FIG. 1 is a block diagram of a synchronous motor control apparatus according to
制御器2内において、電流再現器7は、検出電流IDCを入力して、PMモータ5に流れる三相交流電流Iu、Iv、Iwを演算により再現する。再現された三相交流電流Iuc、Ivc、Iwcは、座標変換器8により、制御器内部で仮定しているPMモータの位相角θdcによって、d、q各軸上の成分Idc、Iqcに座標変換される。電圧指令演算器9は、速度指令ωr*と、電流検出値Idc、Iqcとに基づいて、PMモータ5を通常駆動するための電圧指令Vdc*、Vqc*を演算する。dq逆変換器10は、電圧指令Vdc*、Vqc*を、三相交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換する。PWMパルス発生器11は、三相交流電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に基づいて、インバータ3をスイッチング制御するためのパルス幅変調(PWM)信号を発生する。電圧指令切り替え器12は、通常駆動モードと、PMモータの電気定数自動測定/調整モードとの間で、電圧指令の切り替えを行う。同様に、位相指令切り替え器13は、位相指令を切り替える。測定用周波数設定器14は、電気定数自動測定/調整モードでの測定用交流の周波数ω1tを設定する。モータ定数自動調整器15は、周波数ω1tを入力し、電気定数測定に必要な印加電圧指令Vdc*、Vqc*を発生し、同時に、検出電流Idc、Iqcから、PMモータ5の電気定数Ld,Lqを計算して出力する。零位相指令発生器16は、電気定数自動測定/調整時に、制御器内部の位相を零に固定する役目を持つ。最後に、モード切替器17は、外部からの指令により、制御器2の動作モードを、通常駆動と電気定数自動測定モードとの間に切り替える。
In the
次に、図1を用いて、本実施形態1の動作原理を説明する。 Next, the operation principle of the first embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態では、制御器2の動作モードとして、PMモータ5の通常駆動モードと、電気定数自動測定モードの2つのモードがあり、これらは、モード切替器17からの信号によって切り替えられる。通常駆動時は、電圧指令切り替え器12と、位相指令切り替え器13が、図示する状態の「0」側に切り替えられ、また、自動測定モードでは、「1」側に切り替えられる。
In this embodiment, the operation mode of the
まず初めに、通常駆動モードについて説明する。回転数指令発生器1から、デジタルやアナログ等の通信手段により、電動機の回転数指令ωr*が電圧指令演算器9に与えられる。電圧指令演算器9では、回転数指令ωr*、ならびに検出電流Idc、Iqcに基づき、PMモータ駆動に必要な電圧指令Vdc*、Vqc*、ならびに、PMモータ5への印加電圧の交流位相θdcの演算を行う。
First, the normal drive mode will be described. The rotation
電流再現器7では、電流検出器6で検出した電源電流IDCとPWM信号に基づき、特開平8−19263号公報等に記載された手法によって、PMモータの三相交流電流を演算により再現する。次に、座標変換器8において、再現された交流電流Iuc、Ivc、Iwcを、交流位相θdcに基づき、角周波数ω1*で回転する回転座標軸(dq軸)上の電流成分Idc、Iqcに変換する。一方、Vdc*、Vqc*は、dq座標逆変換器10によって、再び交流量に変換され、さらに、PWMパルス発生器11において、パルス幅変調波信号に変換されて、インバータ3へ送られる。これらの基本動作に関しては、特開2002−272194号公報に記載されている手法と同様のものである。
The current reproducer 7 reproduces the three-phase alternating current of the PM motor by calculation based on the power supply current IDC and the PWM signal detected by the current detector 6 by the method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-19263. Next, the
次に、本発明の特徴である自動測定モードの動作について説明する。 Next, the operation in the automatic measurement mode, which is a feature of the present invention, will be described.
自動測定モードでは、測定用周波数設定器14に設定された角周波数ω1tで変化する交流周波数を、Vdc*、ならびにVqc*に印加し、PMモータ5に交流を流す。この電流と電圧の関係から、PMモータ5のd軸インダクタンスLd、ならびにq軸インダクタンスLqを演算する。これらの動作を、図2の処理フロー、ならびに図3のPMモータの相電流波形を用いて説明する。
In the automatic measurement mode, an alternating frequency that changes at the angular frequency ω1t set in the measurement
図2は、この実施形態1による同期電動機制御装置の自動測定処理フロー図である。まず初めに、ステップ201において、測定用周波数ω1tを零とし、ステップ202において、直流電圧VdをPMモータのVdc*入力端子に徐々に印加する。
FIG. 2 is an automatic measurement processing flowchart of the synchronous motor control device according to the first embodiment. First, in
図3は、この実施形態1による同期電動機制御装置における電動機電流波形図である。まず、図3の期間(1)に示すように、直流電流Iu〜Iwを徐々に増加するように、ランプ状に電圧Vdc*を増やしていく。こうすることで、PMモータ5の回転子位置が、制御上のdc軸(磁石磁束軸)に一致する。
FIG. 3 is a motor current waveform diagram in the synchronous motor control apparatus according to the first embodiment. First, as shown in the period (1) of FIG. 3, the voltage Vdc * is increased in a ramp shape so that the direct currents Iu to Iw are gradually increased. By doing so, the rotor position of the
次に、ステップ203において、測定用周波数ω1tを、PMモータ5の通常駆動に使用される最高回転速度に一致する電気角周波数ω1maxに設定する。そして、ステップ204において、d軸電圧指令Vdc*を単純正弦波とすることによって、PMモータ5に三相不平衡交流電圧を印加する。ステップ205では、このときに検出される電流値に基づいて、d軸のインダクタンスLdを演算する。
Next, in
次に、ステップ206で、d軸電圧指令Vdc*を零にし、q軸電圧指令Vqc*を正弦波として、PMモータに三相不平衡交流電圧を印加する。ステップ207では、同様に、検出電流値に基づいて、q軸のインダクタンスLqを演算する。
Next, in
以上のステップ204〜207が、図3における三相不平衡交流を印加しての電動機定数自動測定モード期間(2)であり、PMモータ5の電流波形は、図に示すような三相不平衡の交流電流となる。
The
その後、通常駆動モードの期間(3)に入り、インバータ3からPMモータ5へ三相平衡交流を供給し、PMモータ5を駆動する。
Thereafter, the normal drive mode period (3) is entered, and three-phase balanced alternating current is supplied from the
本実施形態で重要となるのは、測定用周波数ω1tの設定である。d軸上に交流電圧を印加しても、PMモータ5にトルクは発生しないが、q軸上の電流に対しては、基本的にトルクが発生する。しかしながら、測定用周波数ω1tをPMモータ5の最大速度周波数ω1maxと同じ周波数(ω1t=ω1max)とすることで、q軸インダクタンスLq測定時の回転子の変動を抑制している。この原理を、図4を用いて説明する。
What is important in this embodiment is the setting of the measurement frequency ω1t. Even if an AC voltage is applied on the d-axis, no torque is generated in the
図4は、本発明の実施形態1による交流電動機制御装置におけるトルク電流から回転子位相までの伝達関数を示すブロック図である。同図(a)は、トルク電流Iqから、PMモータの位相変化までを伝達関数で表わしたものである。Iqと位相角θdcの関係は、モータの極数P、磁石磁束Φ、機械系の慣性J、等の関数で表わされる。尚、図における記号は、Tm:発生トルク、ωr:PMモータの回転数、ω1:電気角周波数を意味する。ここで、Iqが変動する交流成分ΔIqであるとすると、伝達関数は図4(b)のようになる。ΔIqによって、位相角が変動するものとし、この大きさをΔθとする。すると、同図(c)に示すように、Δθは、ω1tの2乗に反比例することになる。
FIG. 4 is a block diagram showing a transfer function from the torque current to the rotor phase in the AC motor control apparatus according to
すなわち、回転子をできるだけ変化させずに、固定された状態でインダクタンスを測定するには、測定時の交流周波数をできる限り高くした方が良いことが分かる。しかしながら、通常駆動時とかけ離れた周波数では、逆に、PMモータの周波数特性の影響が現れてしまい、測定誤差が拡大する可能性があり、むやみに高くすることも好ましくない。市販のエアコン用のあるモータの場合、そのモータの最高回転周波数の25%の測定用周波数でも、満足できる精度でモータ定数を測定することができた。 That is, it can be seen that in order to measure the inductance in a fixed state without changing the rotor as much as possible, it is better to increase the AC frequency during measurement as much as possible. However, at a frequency far from that during normal driving, the influence of the frequency characteristics of the PM motor appears, which may increase the measurement error, and it is not preferable to increase it unnecessarily. In the case of a commercially available motor for an air conditioner, the motor constant could be measured with satisfactory accuracy even at a measurement frequency of 25% of the maximum rotation frequency of the motor.
ところで実施形態1では、測定用周波数ω1tをPMモータの最高駆動周波数ω1maxにしている。このように、測定用周波数ω1tを、PMモータの最高駆動周波数ω1max以上とした場合には、特殊用途のモータで無い限り、十分な精度でモータ定数の測定/調整が可能である。PMモータの磁気回路特性から考えれば、最大速度周波数より数割程度高めであっても、大きな問題はない。 In the first embodiment, the measurement frequency ω1t is set to the maximum drive frequency ω1max of the PM motor. As described above, when the measurement frequency ω1t is equal to or higher than the maximum drive frequency ω1max of the PM motor, the motor constant can be measured / adjusted with sufficient accuracy unless the motor is a special purpose motor. Considering the magnetic circuit characteristics of the PM motor, there is no big problem even if it is higher by about a few percent than the maximum speed frequency.
また、PMモータの用途が、例えば冷蔵庫やエアコンのように、ある程度限られると、その容量と回転数から、機械系の慣性Jをある程度想定できる。その場合、位相角θの変動幅を、例えば±5度以内などと規定し、図4(d)に示すように、式(1)から、測定用周波数ω1tを設定することが可能である。 Further, when the use of the PM motor is limited to a certain extent, such as a refrigerator or an air conditioner, the inertia J of the mechanical system can be assumed to some extent from the capacity and the rotational speed. In this case, the fluctuation range of the phase angle θ is defined to be within ± 5 degrees, for example, and the measurement frequency ω1t can be set from the equation (1) as shown in FIG.
また、このとき、必要な磁石磁束Φも、PMモータの容量、定格電圧、回転数が既知であれば、常識的な値として、設定も可能である。 At this time, the necessary magnet magnetic flux Φ can also be set as a common-sense value if the PM motor capacity, rated voltage, and rotational speed are known.
さらに、本実施形態1では、直流をランプ状に増加させて回転子の位置合わせを行ったが、低温時の油圧ポンプ等、粘性の強い負荷であれば、ステップ状の直流を印加しても問題はない。さらに、直流を通電しなくても、仮に、d軸位置が既知であれば、直流電流の通電は不要である。例えば、特開2002−078392号公報に示すような、初期位置推定手法を用いれば、直流通電は不要である。 Furthermore, in the first embodiment, the direct current is increased in a ramp shape to align the rotor. However, if the load is highly viscous, such as a hydraulic pump at low temperatures, a stepped direct current can be applied. No problem. Furthermore, even if the direct current is not energized, it is not necessary to energize the direct current if the d-axis position is known. For example, if an initial position estimation method as shown in JP-A-2002-078392 is used, direct current energization is unnecessary.
以上、本発明の第1の実施形態によれば、PMモータの回転子を固定することなく、精度よく電気定数のインダクタンスを測定/調整することが可能である。特に、測定中に直流電流を流し続ける必要はなく、直流連続通電によるインバータ構成デバイスへの負担を低減でき、インバータの故障を防止できる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, it is possible to accurately measure / adjust the inductance of the electric constant without fixing the rotor of the PM motor. In particular, it is not necessary to continue the direct current during the measurement, the burden on the inverter component device due to the continuous direct current can be reduced, and the failure of the inverter can be prevented.
尚、本実施形態(ならびに、この後の実施形態)においては、電流検出方法として、インバータの直流電流を検出する手法を用いているが、PMモータの相電流検出器を備えて、直接相電流を検出すれば、電流再現器7は不要となる。 In the present embodiment (and the subsequent embodiments), a method for detecting the direct current of the inverter is used as a current detection method. However, a phase current detector for a PM motor is provided, and a direct phase current is detected. Is detected, the current reproducer 7 becomes unnecessary.
実施形態2:
次に、図5〜図7を用いて、本発明による実施形態2について説明する。
Embodiment 2:
Next,
前述実施形態1では、自動測定モードでの測定用周波数を、PMモータの最大駆動周波数(最大電気角周波数)に一致させるものであった。このとき、PMモータの回転子がどの程度変動し、測定結果にどの程度の誤差をもたらすかは、機械系の慣性Jに依存する。そこで、本実施形態2においては、これを考慮した制御装置を提供する。 In the first embodiment, the measurement frequency in the automatic measurement mode is matched with the maximum drive frequency (maximum electrical angular frequency) of the PM motor. At this time, how much the rotor of the PM motor fluctuates and how much error occurs in the measurement result depends on the inertia J of the mechanical system. Therefore, in the second embodiment, a control device that takes this into consideration is provided.
図5は、本発明の実施形態2による同期電動機制御装置の制御ブロックの部分図である。本実施形態における測定用周波数設定器14Bと、モータ定数自動調整器15Bの関係のみを示しており、これを、図1の14、15の代わりに用いるのが実施形態2である。その動作を、図6の処理フロー、ならびに図7の波形を用いて説明する。
FIG. 5 is a partial view of a control block of the synchronous motor control device according to
図6は、本発明の実施形態2による同期電動機制御装置の自動測定処理フローである。 FIG. 6 is an automatic measurement process flow of the synchronous motor control device according to the second embodiment of the present invention.
図7は、本発明の実施形態2による同期電動機制御装置における測定交流の周波数、電動機の電流波形、及びインダクタンス測定結果の時間変化を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the change over time in the frequency of measurement AC, the current waveform of the motor, and the inductance measurement result in the synchronous motor control apparatus according to
まず、図6において、ステップ201〜205は、図2同一符号のステップと同じであり、インダクタンスLdを測定する。
First, in FIG. 6,
ステップ601において、測定用周波数ω1tを、PMモータ5の駆動周波数範囲の任意の周波数に設定し、d軸電圧指令Vdc*をゼロとするとともに、q軸電圧指令Vqc*を単純正弦波とすることによって、PMモータ5に三相不平衡交流電圧を印加する。ステップ602では、このときに検出される電流値に基づいて、q軸のインダクタンスLqを演算する。この測定結果を、図7における1回目のLqの値Lq0として、ステップ603で記憶させる。次に、ステップ604において、測定用周波数ω1tを若干増加させ、ステップ605では、再び検出される電流値に基づいて、q軸のインダクタンスLqを演算する。ステップ606では、今回得られたインダクタンスLqを、前回記憶させておいたインダクタンスLq0と比較し、その差ΔLqが大きければ、例えば5%を越えていれば、ステップ603に戻ってこの動作を繰り返す。この繰り返しで、測定用周波数を増加させて、Lqの値を収束させていく。この間、PMモータ5の相電流は、図7(b)に示すように、段階的に高い周波数となる。前回得られた値と今回得られた値との差が、所定の、例えば5%の範囲内に収まると、周波数の依存性はない、つまり、回転子変動が影響していないとみなすことができる。したがって、ステップ607に進んで、今回得られた値をq軸のインダクタンスLqとして決定して、図7(c)に示すように、測定を終了する。
In
測定に使用する周波数は、できるだけ実運転条件に近い周波数であることが好ましい。しかしながら、回転子が振動すると、Lqの測定値には、Ldの影響が含まれ、誤差が大きくなる。これは、本実施形態の採用によって、大幅に改善されることになる。 The frequency used for measurement is preferably as close to the actual operating conditions as possible. However, when the rotor vibrates, the measurement value of Lq includes the influence of Ld, and the error increases. This is greatly improved by adopting this embodiment.
実施形態3:
次に、図8〜図9を用いて、本発明による実施形態3について説明する。
Embodiment 3:
Next,
実施形態1、2で示したように、電気定数を測定するために、交流を電動機に流す必要がある。しかしながら、定格電流に近い交流を一気に流し込むと、それがトリガーとなって、回転子が振動を始める恐れがある。 As shown in the first and second embodiments, in order to measure the electrical constant, it is necessary to flow alternating current through the electric motor. However, if an alternating current close to the rated current is flowed at once, it may become a trigger and the rotor may start to vibrate.
図8は、この問題を解決する本発明の実施形態3による同期電動機制御装置の制御ブロック部分図である。図1におけるモータ定数自動調整器15の代わりに、図8のモータ定数自動調整器15Cを用いることで、振動の生じ難い装置を実現できる。
FIG. 8 is a partial control block diagram of a synchronous motor control apparatus according to
図8において、モータ定数自動調整器15Cは、Ld測定器18と、Lq測定器19から構成されている。両者の内部構成は同じであり、Ld測定器18のみ具体構成を示している。まず、定数測定時に印加電圧の振幅を決定する測定電圧振幅指令器20と、その指令の変化率に制限を与えるレイト制限器21を備えている。次に、測定用周波数ω1tを受けて正弦波状の関数を出力する交流関数発生器22と、この交流関数発生器22の出力と、前記レイト制限器21の出力の積を演算する掛算器23を備えている。さらに、検出電流Idc(又はIqc)に基づいて、インダクタンスLd(又はLq)を演算するLd(又はLq)演算器24を備えている。
In FIG. 8, the motor constant
図9は、本発明の実施形態3による同期電動機制御装置における電気定数測定モードでの電動機電流波形図である。
FIG. 9 is a motor current waveform diagram in the electrical constant measurement mode in the synchronous motor control apparatus according to
次に、図8の動作について、図9の電動機電流波形を参照しながら説明する。測定電圧は、d軸→q軸の順に印加され、これらの動作は、測定電圧振幅指令器20にプログラムされている。測定電圧振幅指令器20から、ステップ状の電圧が出力されるが、レイト制限器21によって、その変化率が制限される。変化率が制限された振幅指令と、交流関数発生器22から出力する正弦波関数を、乗算器23にて乗算し、Vdc*(又はVqc*)とし、これに応じた測定用の不平衡三相交流をPMモータに印加する。印加電圧は、振幅値が徐々に増加する交流であるため、図9に示すように、その電流値も徐々に増加する。この結果、外乱としての影響が少なくなり、振動が生じなくなる。また、測定終了時においても、電圧振幅を徐々に低減させ、モータの振動を防いでいる。
Next, the operation of FIG. 8 will be described with reference to the motor current waveform of FIG. The measurement voltage is applied in the order of d-axis → q-axis, and these operations are programmed in the measurement voltage
以上、本実施形態3によれば、インダクタンス等の定数測定のための交流の振幅を、徐々に増減することが可能となり、回転子の振動をさらに効果的に防止できる。尚、d軸のインダクタンスを測定する際には、レイト制限の効果が少ないため、q軸インダクタンス測定時のみにレイト制限を用いることもできる。 As described above, according to the third embodiment, it is possible to gradually increase / decrease the amplitude of alternating current for measuring constants such as inductance, thereby further effectively preventing the vibration of the rotor. Note that when measuring the d-axis inductance, the rate limiting effect is small, and therefore the rate limiting can be used only when measuring the q-axis inductance.
実施形態4:
次に、図10を用いて、本発明による実施形態4について説明する。
Embodiment 4:
Next, Embodiment 4 according to the present invention will be described with reference to FIG.
実施形態1〜3で示したように、電気定数を測定するために、交流電圧の印加と、それに伴う交流電流の検出値から、電動機定数を測定する必要がある。その場合、印加電圧と検出電流の関係を、位相情報まで含めて分析する必要がある。通常、フーリエ級数展開を導入するのが一般的である。しかしながら、数値演算処理により、フーリエ級数展開を正確に実現するのは、ソフト処理の負荷が増大し、問題である。特に、電動機定格に応じて、測定用周波数ω1tを変更する場合には、刻み周期や積分期間などを適切に設定する必要が生じる。そこで、本実施形態では、簡易的な手法により、交流電圧波形の作成と、検出電流の成分分析を同時に行い、インダクタンス、ならびに抵抗成分を同時に求める手法を提供する。 As shown in the first to third embodiments, in order to measure the electrical constant, it is necessary to measure the motor constant from the application of the alternating voltage and the detected value of the alternating current associated therewith. In that case, it is necessary to analyze the relationship between the applied voltage and the detected current, including the phase information. Usually, it is common to introduce Fourier series expansion. However, accurately realizing the Fourier series expansion by numerical calculation processing increases the load of software processing and is problematic. In particular, when the measurement frequency ω1t is changed according to the motor rating, it is necessary to appropriately set the step period, the integration period, and the like. Therefore, the present embodiment provides a method for simultaneously obtaining an AC voltage waveform and analyzing a component of a detected current by a simple method to simultaneously obtain an inductance and a resistance component.
図10は、本発明の実施形態4による同期電動機制御装置のLd測定器の機能ブロック図である。このLd測定器18Dと同様の構成のLq測定器をも用意し、これまでの実施形態1〜3に用いることで、精度の高い定数自動調整装置を実現できる。
FIG. 10 is a functional block diagram of the Ld measuring device of the synchronous motor control device according to the fourth embodiment of the present invention. By preparing an Lq measuring device having the same configuration as the Ld measuring device 18D and using it in the
図10に示すLd測定器18Dは、図8と同じ測定電圧振幅指令器20、レイト制限器21及び乗算器23と、PMモータ5の抵抗R及びインダクタンスLを演算するRL演算器25とからなる。このRL演算器25は、測定用周波数ω1tを積分して、位相角θ1tを出力する積分器26と、測定用周波数θ1tに基づいて、正弦及び余弦波をそれぞれ出力する正弦波及び余弦波発生器27,28を備えている。また、これら正弦/余弦波形と電流検出値Idcを乗算する乗算器29,30と、これらの積を入力して、脈動成分をカットする1次遅れフィルタ31,32を備えている。さらに、測定電圧振幅指令Vt、1次遅れフィルタ31,32の出力、並びに測定用周波数ω1tに基づいて、電動機の電気定数Ld(又はLq)を演算する定数演算器33を備えて構成されている。
The Ld measuring device 18D shown in FIG. 10 includes the same measurement
次に、Ld測定器18Dの動作について説明する。 Next, the operation of the Ld measuring device 18D will be described.
測定電圧振幅指令Vtは、実施形態3の動作と同様に作成される。このVtと、余弦波発生器28の出力の積により、Vdc*は、(2)式で表わされ、PMモータ5に交流電圧が印加される。
The measurement voltage amplitude command Vt is created in the same manner as the operation of the third embodiment. Based on the product of this Vt and the output of the
一方、検出電流Idcは、Vdc*に対して遅れ位相となるので、(3)式となる。 On the other hand, the detection current Idc has a delay phase with respect to Vdc *, and therefore, the expression (3) is established.
(3)式は、(4)式のように置き換えることができる。 Equation (3) can be replaced as equation (4).
このIdcに対して、例えば正弦波関数を乗じると、(5)式となり、直流成分と2倍の脈動成分に分離される。 When this Idc is multiplied by, for example, a sine wave function, the equation (5) is obtained, which is separated into a direct current component and a double pulsation component.
この波形に、図10における1次遅れフィルタ31を介して、直流分のみを出力すると、Idsin(正弦波成分)が得られることになる。
If only a direct current component is output to this waveform via the first-
同様に、余弦波を(4)式に乗じ、フィルタ32を介することで、Idcos(余弦波成分)が抽出できる。このとき、1次遅れフィルタ31,32の時定数TLFを、ある程度以上に設定しておけば、周波数ω1tを可変としても大きな問題はない。よって、フーリエ級数展開や、FFTのような処理を用いなくても、簡便に実現可能である。
Similarly, Idcos (cosine wave component) can be extracted by multiplying the cosine wave by the equation (4) and passing through the
したがって、二つの1次遅れフィルタ31,32の出力は、それぞれIdcの正弦波成分Idsin、余弦波成分Idcosとなる。Vdc*としては、余弦波を与えているので、これらの関係から、(6)式により、定数演算器33にてLdやRを求める。
Therefore, the outputs of the two first-order lag filters 31 and 32 are a sine wave component Idsin and a cosine wave component Idcos of Idc, respectively. Since a cosine wave is given as Vdc *, Ld and R are obtained by the
尚、本実施例では、d軸の電気定数を例に説明したが、q軸でも全く同様にLq、Rを演算することができる。 In this embodiment, the d-axis electric constant is described as an example, but Lq and R can be calculated in the same manner with respect to the q-axis.
このように本発明の第4の実施形態によれば、交流電圧によって流れる電流を、簡便な構成で成分分離し、電動機の電気定数を求めることができる。 As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, it is possible to separate the components of the current flowing by the AC voltage with a simple configuration and obtain the electric constant of the electric motor.
実施形態5:
次に、図11を用いて、本発明による実施形態5について説明する。
Embodiment 5:
Next,
前述の実施形態4は、電気定数を測定するために、交流電圧を印加し、それに伴う交流電流の検出値を交流電圧の同相成分と90度位相の異なる成分に分離し、電気定数を演算するものであった。 In the fourth embodiment described above, in order to measure the electrical constant, an alternating voltage is applied, and the detected value of the alternating current is separated into an in-phase component of the alternating voltage and a component different in phase by 90 degrees, and the electrical constant is calculated It was a thing.
電動機の電気定数としては、特にインダクタンスは磁気飽和の影響を受けやすく、測定電流値によって、値が変化してしまうことが知られている。このため、本来は、電圧を印加するのではなく、電流値を所定値、例えば、モータ定格電流だけ流し、電気定数を測定するようにした方がよい。 As an electric constant of an electric motor, it is known that an inductance is particularly susceptible to magnetic saturation, and the value varies depending on a measured current value. For this reason, it is better to measure the electrical constant by applying a current value of a predetermined value, for example, a motor rated current, instead of applying a voltage.
本実施形態によれば、電流値をパラメータとした、電気定数の自動測定が可能になる。 According to this embodiment, it is possible to automatically measure the electrical constant using the current value as a parameter.
図11は、本発明の実施形態5による同期電動機制御装置におけるLd測定器18Eの機能ブロック図である。前述の実施形態におけるLd測定器18Dの代わりに、本実施形態を用いることで、電流値をパラメータとした定数自動調整装置を実現できる。
FIG. 11 is a functional block diagram of the
図11において、測定電流振幅指令器34により、電流指令の大きさを設定する。この実施形態では、レイト制限器は付加していないが、これまでの実施例のように付加することも可能である。本実施形態においては、信号の加算、あるいは減算を行う加減算器35,36と、積分補償器37,38と、定数演算器39、加算器40及び乗算器44,45が新たな部品として使用されている。これらに加えて、これまでの実施形態で説明したような零位相指令発生器16、積分器26、正弦波発生器27、余弦波発生器28、乗算器29,30、並びに1次遅れフィルタ31,32を備えている。
In FIG. 11, the magnitude of the current command is set by the measurement current
次に、Ld測定器18Eの動作について説明する。
Next, the operation of the
電流検出値Idcに対し、乗算器29,30によって、余弦波関数、正弦波関数と掛け算され、それらの乗算値がそれぞれ1次遅れフィルタ31,32に入力され、直流成分のみが出力される。ここまでの動作は、前述の簡易型フーリエ級数展開と全く同様である。この後、IdsinとIdcosのそれぞれの成分に対して、指令値との差分値が、加減算器35,36で演算される。Idsinに対しては、測定電流振幅指令器34から出力されるItと差分が計算され、この差が零になるように、積分補償器37により出力電圧Vdsinが演算される。同様に、Idcosに対して、零位相指令発生器16によって、零に制御されるようにVdcosが演算される。Vdsin、Vdcosは、乗算器44,45において、それぞれ正弦波/余弦波の関数と掛け算される。これらは、加算器40で両者が加算された後に、電動機に印加するための電圧指令Vdc*となる。本実施形態においては、電流値の正弦波/余弦波成分のそれぞれが、指令値に一致するようにフィードバック制御されることに特徴がある。定数演算器39では、Vdsin、Vdcos、ω1t、ならびにItの値を用いて、(7)式に従って電動機定数を演算する。
The current detection value Idc is multiplied by the cosine wave function and the sine wave function by the
尚、本実施例では、d軸の電気定数を例に説明したが、q軸でも全く同様に、Lq、Rを演算することができる。 In this embodiment, the d-axis electric constant is described as an example, but Lq and R can be calculated in the same manner with the q-axis.
このように、本発明の第5の実施形態によれば、電流の大きさをパラメータとして、簡便な構成で電動機の電気定数を求めることができる。これによって、電流値に対する磁気飽和特性の測定が可能となり、制御精度がさらに向上する。 Thus, according to the fifth embodiment of the present invention, the electric constant of the motor can be obtained with a simple configuration using the magnitude of the current as a parameter. As a result, it is possible to measure the magnetic saturation characteristic with respect to the current value, thereby further improving the control accuracy.
実施形態6:
次に、図12を用いて、本発明による実施形態6について説明する。
Embodiment 6:
Next, Embodiment 6 according to the present invention will be described with reference to FIG.
前述の実施形態5は、電流振幅をパラメータとして定数を自動測定するものであった。このように、フィードバック制御を導入することで、電流値をパラメータとして測定を行うことは可能ではあるが、フィードバックゲインの設定方法に問題が生じる。すなわち、電流値を所定値に速やかに一致させるには、制御対象のパラメータに応じて、制御ゲイン(図11では積分補償器34のゲインKiL)を適切な値に設定しなければならない。しかしながら、電気定数が全くの未知である場合は、最良に設定することは不可能であり、応答をある程度犠牲にする必要がある。最悪の場合、発散振動が収まらず、測定不能に陥る可能性もある。冷蔵庫用モータなど、用途が限られれば、ある程度のゲイン設定は可能であるが、より、範囲の広い分野で、定数の自動測定を行うには問題がある。
In the fifth embodiment, the constant is automatically measured using the current amplitude as a parameter. Thus, by introducing feedback control, it is possible to perform measurement using the current value as a parameter, but there is a problem in the method of setting the feedback gain. That is, in order to quickly match the current value with the predetermined value, the control gain (the gain KiL of the
そこで、本実施形態では、汎用性をさらに拡大し、かつ、電流値をパラメータとして測定できる制御装置を提供する。 Therefore, the present embodiment provides a control device that further expands versatility and can measure a current value as a parameter.
図12は、本発明の実施形態6による同期電動機制御装置のLd測定器の機能ブロック図である。Ld測定器18Fは、基本構成を図10の実施形態としているが、電圧振幅指令の与え方が、大きく異なっている。図12のLd測定器18Fは、新たな部品として、測定電圧振幅増加率設定器46、積分器47、測定電流振幅設定器48、電流振幅演算器49、並びに信号の比較器50を追加している。RL演算器25は、前述の実施形態4(図10)と全く同様であるが、Idsin及びIqsinを電流振幅演算器49へ出力している点のみが異なっている。
FIG. 12 is a functional block diagram of the Ld measuring device of the synchronous motor control device according to the sixth embodiment of the present invention. Although the basic configuration of the
次に、Ld測定器18Fの動作について説明する。
Next, the operation of the
測定電圧振幅増加率設定器46では、PMモータへ印加する交流電圧の振幅を徐々に増加するための増加率dVを設定する。例えば、1秒間で定格電圧の10%などのように、dVの設定を行う。切り替え器13では、比較器50の出力に応じて、スイッチを「1」か「0」に切り替える、「1」の場合にはdVがそのまま出力され、「0」の場合は零が出力される。積分器47では、切り替え器13の出力に応じて積分を実施する。一方で、電流振幅演算器49では、Idcos、Idsinの値に基づいて、(8)式で電流振幅I0を演算する。
The measurement voltage amplitude increase
この値と、測定電流振幅設定器48の出力Itとを、比較器50にて比較し、It>I0であれば切り替え器13を「1」側に、It<I0であれば、「0」側に切り替える。この結果、定数測定の交流電圧は、振幅値が零から徐々に増加を続け、I0=Itとなった時点で、増加を停止する。すなわち、電流フィードバック制御を導入することなく、フィードフォワード的に電流値を所定値に設定することが可能になる。この結果、自動測定の対象となる電動機の電気定数範囲が拡大し、どのような用途のPMモータであっても、無調整で定数の測定が可能となる。本手法も、広い意味でのフィードバック制御ではあるが、線形性を失くすことによって、逆に未知モータに対する汎用性を拡大しているところに大きな特長がある。
This value is compared with the output It of the measured current
尚、本実施形態では、d軸の電気定数を例に説明したが、q軸でも全く同様にLq、Rを演算することができる。 In the present embodiment, the d-axis electric constant has been described as an example, but Lq and R can be calculated in the same manner with respect to the q-axis.
このように本発明の第6の実施形態によれば、電流の大きさをパラメータとして、汎用性の極めて高い電気定数の自動測定を実現できる。 As described above, according to the sixth embodiment of the present invention, it is possible to realize an automatic measurement of a highly versatile electrical constant using the magnitude of the current as a parameter.
実施形態7:
次に、図13〜図16を用いて、本発明の実施形態7について説明する。
Embodiment 7:
Next, Embodiment 7 of the present invention will be described with reference to FIGS.
実施形態1で述べたように、本制御装置における電流検出器としては、図1に示すようなインバータの直流電流を検出するものを用いている。電流検出器6は、実際には、シャント抵抗器など、安価で、小型実装が可能なものが用いられている。 As described in the first embodiment, as the current detector in the present control device, one that detects the DC current of the inverter as shown in FIG. 1 is used. In practice, the current detector 6 is inexpensive and can be mounted in a small size, such as a shunt resistor.
本実施形態7は、この直流電流からモータ電流を検出する手段に関するものである。 The seventh embodiment relates to a means for detecting a motor current from this direct current.
図13は、本発明の実施形態7による同期電動機制御装置における通常駆動モードと、定数測定モードの印加電圧指令の比較図であり、両モードでの電圧波形の違いを示している。ここで、同図(a)の通常駆動時は、平衡三相交流電圧が印加されていることが分かり、一方、同図(b)の自動調整(オートチューニング)を含む定数測定モードでは、このバランスが極端に崩れた三相不平衡電圧を印加している。特に、図13(b)の零クロス付近の区間Pでは、同時にすべての電圧指令が零になってしまうことが分かる。これに伴う電流検出上の課題を、図14を参照して説明する。 FIG. 13 is a comparison diagram of applied voltage commands in the normal drive mode and the constant measurement mode in the synchronous motor control device according to Embodiment 7 of the present invention, and shows the difference in voltage waveforms in both modes. Here, it can be seen that a balanced three-phase AC voltage is applied during normal driving in FIG. 10A, while in the constant measurement mode including automatic adjustment (auto tuning) in FIG. A three-phase unbalanced voltage that is extremely out of balance is applied. In particular, in the section P near the zero cross in FIG. 13B, it can be seen that all the voltage commands become zero at the same time. A problem in current detection associated therewith will be described with reference to FIG.
図14は、本発明の実施形態7による同期電動機制御装置における課題を示す電流と電圧の波形図である。図において、印加電圧VuとIuは、ほとんど90度の位相差を持っている。すなわち、測定用周波数ω1tが高周波であることで、殆んど誘導性負荷になっている。この結果、電流Iuのピーク付近の区間Pでは、相電圧Vuはゼロに近い。すべての相電圧が零の条件では、電流検出器6には電流が流れず、電流ピーク近傍の区間Pにおいて直流電流IDCは流れておらず、観測不可能となってしまう。このように、電流ピーク近傍を省いた電流検出となり、その精度が低下してしまう。 FIG. 14 is a current and voltage waveform diagram showing a problem in the synchronous motor control apparatus according to Embodiment 7 of the present invention. In the figure, the applied voltages Vu and Iu have a phase difference of almost 90 degrees. That is, since the measurement frequency ω1t is a high frequency, the load is almost inductive. As a result, the phase voltage Vu is close to zero in the section P near the peak of the current Iu. Under the condition that all the phase voltages are zero, no current flows through the current detector 6, and the DC current IDC does not flow in the section P in the vicinity of the current peak, which makes observation impossible. In this way, current detection is performed by omitting the vicinity of the current peak, and the accuracy is reduced.
図15は、本発明の実施形態7による同期電動機制御装置の部分機能ブロック図であり、モータ定数自動調整器15Gを示す。図15が、これまでの実施形態(例えば、図8など)と大きく異なる点は、Ld測定器18及びLq測定器19から出力されるVdc*、Vqc*に対して、その大きさの下限リミッタ51,52を設けている点である。この結果、零クロス近傍の電圧指令の低下が阻止され、電流検出を行うことが可能になる。
FIG. 15 is a partial functional block diagram of a synchronous motor control apparatus according to Embodiment 7 of the present invention, and shows a motor constant
図16は、本発明の実施形態7による同期電動機制御装置での電流、電圧波形図である。図示するように、零クロス近傍の区間Pにおいて各相電圧の下限値が制限され、PWM制御に伴う直流路の電流は存在することとなる。一方、電圧指令に補正が加わることになるが、電圧の零クロス近傍の誤差は、大局的にはほとんど影響がなく、精度の高い電流検出を可能とすることができ、本方式は実用上、極めて有効な手法になる。 FIG. 16 is a current and voltage waveform diagram in the synchronous motor control device according to the seventh embodiment of the present invention. As shown in the figure, the lower limit value of each phase voltage is limited in the section P in the vicinity of the zero cross, and there is a DC path current associated with the PWM control. On the other hand, correction will be added to the voltage command, but the error near the zero cross of the voltage has almost no effect globally, and it can enable highly accurate current detection. It becomes a very effective method.
また、実際にインバータ回路をIGBTを用いて構成する場合には、電圧指令絶対値の下限値として出力パルス幅を目安にすればよい。スイッチング動作に伴うリンギング現象を考慮し、最小でも10μsの通電幅が確保されるようにすれば、電流検出は可能となる。 When the inverter circuit is actually configured using an IGBT, the output pulse width may be used as a guideline as the lower limit value of the voltage command absolute value. In consideration of the ringing phenomenon associated with the switching operation, it is possible to detect the current if a current supply width of at least 10 μs is secured.
実施形態8:
図17は、本発明の実施形態8による同期電動機の制御装置の全体外観構成図である。
Embodiment 8:
FIG. 17 is an overall external configuration diagram of a synchronous motor control apparatus according to
図において、マイクロコンピュータ(以下、マイコンと略称)53には、図1の回転数指令発生器1とモード切替器17が含まれている。以下、同様に、図1の符号2、3、5、6、41、42、43と同一符号は、それぞれ、同一部品を示す。マイコン53から通信線54を通して、パワーモジュール55に指令が伝えられる。このパワーモジュール55は、図1の制御器2、インバータ3、電流検出器6、及びダイオードブリッジ42を一体化し、小形化したものである。その他、パワーモジュール55には、交流電源41、平滑コンデンサ43、及びPMモータ5を配線することで、PMモータ5の電気定数を自動測定/調整が可能な同期電動機の制御装置を実現できる。
In the figure, a microcomputer (hereinafter abbreviated as “microcomputer”) 53 includes the rotational
本実施形態では、制御器2やインバータ3をモジュール化することで、装置全体の小形化を実現でき、どのようなモータ5であっても、簡単に駆動できる制御装置としての機動性を高め、その汎用性を拡大することができる。
In the present embodiment, the
実施形態9:
次に、図18を用いて、本発明による実施形態9について説明する。
Embodiment 9:
Next,
図18は、本発明をエアコンに適用した実施形態9の制御装置の外観構成図である。図」において、符号2、3、6、42、及び43は、それぞれ、実施形態1(図1)、および実施形態8(図17)と同一部分を表わしている。本実施形態は、モータを内蔵した圧縮機56を、制御器2、インバータ3、電流検出器6、及びダイオードブリッジ42を組み込んだパワーモジュール55で制御するエアコンの室外機57を構成したものである。エアコン等の圧縮機56は、密閉状態の圧縮機56の内部にPMモータ5が組み込まれており、PMモータ5の回転数や、磁石磁束の位置などの検出は困難である。
FIG. 18 is an external configuration diagram of a control device of
しかしながら、本発明による制御装置をパワーモジュール55として組み込むことで、モータの回転数や位置を検出せずに、また、モータ5を圧縮機56に内蔵した状態で、モータ5の電気定数の自動測定/調整が可能である。
However, by incorporating the control device according to the present invention as the power module 55, automatic measurement of the electrical constant of the
尚、実施形態として、エアコンを例に説明したが、その他の電気機器、例えば、パッケージエアコンや、冷蔵庫等の場合にも、同様の効果が得られる。 Although the air conditioner has been described as an example of the embodiment, the same effect can be obtained in the case of other electric devices such as a packaged air conditioner and a refrigerator.
1…回転数指令発生器、2…制御器、3…インバータ、4…直流電源、5…PMモータ、6…電流検出器、7…電流再現器、8…座標変換器、9…電圧指令演算器、10…dq逆変換器、11…PWMパルス発生器、12…電圧指令切り替え器、13…位相指令切り替え器、14…測定用周波数設定器、15…モータ定数自動調整器、16…零位相指令発生器、17…モード切替器、41…交流電源、42…ダイオードブリッジ、43…平滑コンデンサ。
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