JP4591049B2 - AC / AC direct converter motor controller - Google Patents
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本発明は、電力変換器により交流電動機を制御する分野に属し、特に、交流入力電圧を大型のエネルギーバッファなしに任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して出力する電動機駆動用の交流交流直接変換器において、その出力電圧が入力電圧のPWM制御可能な範囲内となるように制御して電動機磁束を弱めることにより、電動機のトルク脈動や回転むらを抑制するようにした電動機制御装置に関するものである。 The present invention belongs to the field of controlling an AC motor by a power converter, and in particular, an AC / AC for driving a motor that converts an AC input voltage into an AC voltage of an arbitrary size and frequency without a large energy buffer and outputs the AC voltage. In a direct converter, the present invention relates to a motor control device that suppresses torque pulsation and rotation unevenness of a motor by controlling the output voltage to be within a PWM controllable range of the input voltage and weakening the motor magnetic flux. It is.
この種の交流交流直接変換器の一例として周知のマトリクスコンバータを例にとり、以下に従来技術を説明する。
図10は、マトリクスコンバータ2の概略的な構成を示しており、このマトリクスコンバータ2は、三相交流電源1の各相端子と出力端子U,V,Wとの間にそれぞれ接続された双方向性の半導体スイッチ(交流スイッチ)S1〜S9から構成されている、これらの交流スイッチS1〜S9は、図示するようにIGBT等の半導体スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路を2個直列に接続したり、あるいは、逆阻止能力のある半導体スイッチング素子のみを2個、逆並列に接続して構成される。
As an example of this type of AC / AC direct converter, a known matrix converter is taken as an example, and the prior art will be described below.
FIG. 10 shows a schematic configuration of the
よく知られているように、マトリクスコンバータは、交流電源電圧からコンデンサ等の大型のエネルギーバッファを介さずに、任意の大きさ及び周波数の交流電圧を直接出力させる交流交流直接変換器であり、長寿命、省スペースであって入力電流が制御できるため電力回生可能であると共に、電源高調波を抑制できるという特徴を持っている。 As is well known, a matrix converter is an AC / AC direct converter that directly outputs an AC voltage of any size and frequency from an AC power supply voltage without using a large energy buffer such as a capacitor. It has a long life and space saving, and can control the input current so that it can regenerate power and suppress harmonics of the power supply.
次に、図11はマトリクスコンバータの出力電圧可能範囲を説明するための波形図である。マトリクスコンバータでは、入力電圧各相の正方向と負方向の電圧を発生可能であり、電源電圧を交流スイッチにより直接切り出して電圧を出力するので、出力可能な電圧の範囲は、6相交流の包絡線範囲内となる。 Next, FIG. 11 is a waveform diagram for explaining the output voltage possible range of the matrix converter. Since the matrix converter can generate positive and negative voltages for each phase of the input voltage and outputs the voltage by directly cutting the power supply voltage with an AC switch, the output voltage range is an envelope of 6-phase AC Within the line range.
入力電圧の正負ピーク値間の電圧の大きさを1.0としたとき、その0.866倍(斜線範囲内)を超える領域(過変調領域)の電圧を出力しようとすると、PWM制御可能な範囲外となり、線間電圧Vuvとして示すように出力電圧に歪みが生じ、マトリクスコンバータにより駆動される電動機の電動機トルクが脈動し、回転むらにより騒音や振動が発生して好ましくない。
従って、マトリクスコンバータでは、定格出力電圧を入力電圧の0.866倍以下(電圧利用率を0.866以下)となるように設計する必要がある。更に、系統電圧が低下する場合には、系統電圧の低下も考慮して定格出力電圧を設計する必要がある。
When the magnitude of the voltage between the positive and negative peak values of the input voltage is 1.0, PWM control is possible when trying to output a voltage in the region (overmodulation region) exceeding 0.866 times (within the shaded range). Out of range, the output voltage is distorted as indicated by the line voltage V uv , the motor torque of the motor driven by the matrix converter pulsates, and noise and vibration are generated due to uneven rotation, which is not preferable.
Therefore, the matrix converter needs to be designed so that the rated output voltage is 0.866 times or less of the input voltage (voltage utilization factor is 0.866 or less). Furthermore, when the system voltage decreases, it is necessary to design the rated output voltage in consideration of the system voltage decrease.
ところで、交流から一度直流に変換して交流に変換するインバータ、いわゆるAC/DC/AC方式のインバータにより電動機を駆動する場合には、電動機磁束を弱めて出力電圧を制限する弱め界磁制御が公知となっている。ここで、弱め界磁制御とは、電動機の電流を電動機磁束と平行な成分(磁束電流成分)と直交する成分(トルク電流成分)とに分離し、磁束とトルクとをそれぞれ独立して制御するベクトル制御において、高速度領域で磁束電流成分を弱めて出力電圧が一定となるように制御を行うことにより、速度制御範囲を広げるものである。 By the way, when an electric motor is driven by an inverter that converts AC to DC once and converts it into AC, that is, an AC / DC / AC inverter, field weakening control that limits the output voltage by weakening the motor magnetic flux is known. ing. Here, field weakening control is a vector control in which the current of the motor is separated into a component parallel to the motor magnetic flux (flux current component) and an orthogonal component (torque current component), and the magnetic flux and torque are controlled independently. In this case, the speed control range is expanded by performing control so that the output current is constant by weakening the magnetic flux current component in the high speed region.
インバータにおける弱め界磁制御については、後述する特許文献1に開示されており、以下、簡単に説明する。なお、以下では、電動機磁束に平行な軸をd軸と呼び、d軸に直交する軸をq軸と呼ぶ。
The field weakening control in the inverter is disclosed in
図12は、弱め界磁制御されるインバータにより電動機を駆動する駆動システムのブロック図である。
図12において、200は交流電源を変換して得た直流電源、201はインバータ、202は円筒型永久磁石同期電動機等の電動機、203は回転子の位置検出器、204は速度検出器、205は負荷、206はインバータ201の各相出力電流(電動機電流)iu,iv,iwを検出する電流検出手段、210は角速度検出値ωが角速度指令値ω*に一致するように調節演算を行ってトルク指令値T*を出力する速度調節手段、211はトルク指令値T*に基づいてq軸電流指令値iq *を演算するq軸電流指令演算手段、212はq軸電流指令値iq *及び角速度検出値ωに基づいてd軸電流指令値id *を演算するd軸電流指令演算手段、216は各相電流検出値iu,iv,iwを位相角情報θに基づきd−q回転座標上の成分(d軸電流検出値,q軸電流検出値)id,iqに変換する座標変換手段、213はiqがiq *に一致するようにq軸電圧指令値vq *を演算するq軸電流制御手段、214はidがid *に一致するようにd軸電圧指令値vd *を演算するd軸電流制御手段、215はvd *,vq *を位相角情報θに基づき各相の電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換する座標変換手段、217は電圧指令値vu *,vv *,vw *に従いPWM演算を行ってインバータ201のスイッチング素子に対する駆動パルスを生成するPWMパルス生成手段である。
FIG. 12 is a block diagram of a drive system that drives an electric motor by an inverter that is subjected to field weakening control.
In FIG. 12, 200 is a DC power source obtained by converting AC power, 201 is an inverter, 202 is an electric motor such as a cylindrical permanent magnet synchronous motor, 203 is a rotor position detector, 204 is a speed detector, and 205 is
ここで、上記構成におけるd軸電流指令演算手段212の動作について説明する。
図13は、円筒型永久磁石同期電動機の出力電圧のフェーザ図である。永久磁石同期電動機では、電動機速度に比例して速度起電力e0が発生する。永久磁石による磁束は変化しないので、速度起電力e0を打ち消すようにインバータ201によりd軸電圧vdを発生させ、インバータ201の出力電圧を制限する。
図13から、インバータ201の出力電圧voutは数式1によって表される。なお、電機子巻線は無視する。
Here, the operation of the d-axis current command calculation means 212 in the above configuration will be described.
FIG. 13 is a phasor diagram of the output voltage of the cylindrical permanent magnet synchronous motor. In the permanent magnet synchronous motor, a speed electromotive force e 0 is generated in proportion to the motor speed. Since the magnetic flux generated by the permanent magnet does not change, the d-axis voltage v d is generated by the
From FIG. 13, the output voltage v out of the
ここで、インバータ201の出力電圧voutを所望の電圧制限値vlim *に制限するとして数式1を書き直すと、数式2となる。
Here, when
q軸リアクタンスXqは、q軸インダクタンスLqと回転角速度ωとの積により、数式3によって表せる。
The q-axis reactance X q can be expressed by
数式3を数式1に代入してd軸電圧指令値vd *を求めると、数式4となる。
Substituting
次に、d軸電流指令値id *をd軸電圧指令値vd *により表すと、数式5となる。
Next, when the d-axis current command value i d * is expressed by the d-axis voltage command value v d * ,
数式4を数式5に代入すると共に、q軸電流iqをq軸電流指令値iq *に直すと、d軸電流指令値id *は数式6となる。
By substituting
従って、数式6により求めたd軸電流指令値id *によりインバータ201をベクトル制御すれば、インバータ201の出力電圧voutをその制限値vlim *に抑制することが可能になる。
Therefore, if the
図13より明らかなように、d軸電圧指令値vd *はe0を打ち消す方向に発生させるため、弱め界磁制御を行う場合には、e0>√{vlim *2−(ωLqiq *)2}となるので、d軸電流指令値id *は負となる。 As it is apparent from FIG. 13, because the d axis voltage value v d * generates in a direction to cancel the e 0, in the case of performing field-weakening control, e 0> √ {v lim * 2 - (ωL q i q * ) 2 }, the d-axis current command value i d * is negative.
マトリクスコンバータの出力電圧定格値を、系統電圧低下も考慮して設計すると、考慮しない場合と同様の出力を得るためには電流容量は増加する。例えば、系統電圧の低下を15%考慮し、定格電圧を15%減少させた場合、出力電流はおよそ15%増加することになる。電流容量の増加は装置容量の増加を引き起こし、コストの上昇や設置スペースの増加を招く。 When the output voltage rating value of the matrix converter is designed in consideration of the system voltage drop, the current capacity increases in order to obtain the same output as when not considering it. For example, if 15% is taken into account when the system voltage decreases and the rated voltage is decreased by 15%, the output current will increase by approximately 15%. An increase in current capacity causes an increase in apparatus capacity, resulting in an increase in cost and an increase in installation space.
また、従来のインバータにおける弱め界磁制御は、出力電圧制限値vlim *を出力電圧定格値に一致させることが多く、これをそのままマトリクスコンバータに適用しようとすると、入力電圧の大きさによっては、出力電圧がPWM制御可能な範囲であるにも関わらず界磁を弱めることもある。PWM制御可能な範囲において弱め界磁を行うと、不要な電流増加を招き、効率の低下や、コンバータ、電動機の過熱を引き起こす。逆に、入力電圧が低下した場合には、出力電圧制限値がPWM制御可能な範囲外となることもあり、出力電圧の歪みに伴う電動機のトルク脈動を引き起こす等の問題がある。 Further, field weakening control in the conventional inverter often makes the output voltage limit value v lim * coincide with the output voltage rated value, and if this is applied to the matrix converter as it is, depending on the magnitude of the input voltage, the output voltage May weaken the field even though the PWM controllable range. If field weakening is performed within the PWM controllable range, an unnecessary current increase is caused, resulting in a decrease in efficiency and overheating of the converter and the motor. Conversely, when the input voltage decreases, the output voltage limit value may fall outside the range in which PWM control is possible, causing problems such as causing torque pulsation of the motor due to distortion of the output voltage.
そこで本発明の解決課題は、マトリクスコンバータ等の交流交流直接変換器において、入力電圧の大きさに応じた最適な出力電圧制限値をリアルタイムで求め、出力電圧が制限値を超えないように電動機磁束を弱めて出力電圧の歪みを低減すると共に、PWM制御可能な範囲内において不要な電流増加を発生させないようにした安価な電動機制御装置を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to obtain an optimum output voltage limit value corresponding to the magnitude of the input voltage in real time in an AC / AC direct converter such as a matrix converter and to prevent the motor magnetic flux from exceeding the limit value. It is an object of the present invention to provide an inexpensive electric motor control apparatus that reduces distortion of the output voltage and prevents an unnecessary increase in current within a PWM controllable range.
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、交流電圧を双方向性の半導体スイッチにより任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電動機を駆動する交流交流直接変換器において、
前記直接変換器の入力電圧の大きさを検出する手段と、
この手段により検出した入力電圧の大きさに応じて、前記直接変換器の出力電圧を入力電圧のPWM制御可能な範囲内に制限する出力電圧制限値を演算する手段と、
前記出力電圧制限値に基づいて、電動機磁束を減少させるように前記直接変換器の出力電圧指令値を演算する手段と、を備えたものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in
Means for detecting the magnitude of the input voltage of the direct converter;
Means for calculating an output voltage limit value for limiting the output voltage of the direct converter within a range in which the input voltage can be PWM controlled according to the magnitude of the input voltage detected by the means;
Means for calculating an output voltage command value of the direct converter so as to reduce the motor magnetic flux based on the output voltage limit value.
請求項2に記載した発明は、交流電圧を双方向性の半導体スイッチにより任意の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電動機を駆動する交流交流直接変換器において、
前記直接変換器の入力電圧の大きさを検出する手段と、
この手段により検出した入力電圧の大きさに応じて、前記直接変換器の出力電圧を入力電圧のPWM制御可能な範囲内に制限する出力電圧制限値を演算する手段と、
電動機電流検出値を、電動機磁束に対する平行成分及び直交成分に変換する座標変換手段と、
前記出力電圧制限値に基づいて電流指令値の前記平行成分を演算する手段と、
前記電動機電流検出値の平行成分が前記電流指令値の平行成分に一致するように前記直接変換器の出力電圧指令値を演算する手段と、を備えたものである。
The invention described in
Means for detecting the magnitude of the input voltage of the direct converter;
Means for calculating an output voltage limit value for limiting the output voltage of the direct converter within a range in which the input voltage can be PWM controlled according to the magnitude of the input voltage detected by the means;
Coordinate conversion means for converting the motor current detection value into a parallel component and an orthogonal component with respect to the motor magnetic flux,
Means for calculating the parallel component of the current command value based on the output voltage limit value;
Means for calculating an output voltage command value of the direct converter so that a parallel component of the electric motor current detection value coincides with a parallel component of the current command value.
請求項3に記載した発明は、 請求項1または2において、
前記直接変換器の出力電圧指令値を演算する手段は、直接変換器としてのマトリクスコンバータ内に想定した仮想インバータに対する出力電圧指令値を演算するものである。
The invention described in
The means for calculating the output voltage command value of the direct converter calculates the output voltage command value for the virtual inverter assumed in the matrix converter as the direct converter.
請求項1の発明によれば、交流交流直接変換器の入力電圧の大きさに応じてリアルタイムで出力電圧制限値を演算し、交流交流直接変換器の出力電圧がその制限値以内となるように出力電圧指令値(d軸電圧指令値)を発生させて電動機磁束を弱める。これにより、直接変換器の出力電圧を入力電圧のPWM制御可能な範囲内に制限することができ、出力電圧の歪みに起因した電動機のトルク脈動や回転むらは発生しない。
請求項2の発明によれば、ベクトル制御を行う場合に、交流交流直接変換器の入力電圧の大きさに応じて演算した出力電圧制限値以内となるようにd軸電流指令値を発生させて電動機磁束を弱めることにより、直接変換器の出力電圧を制限して電動機のトルク脈動や回転むらの発生を防止することができる。
請求項1,2の何れの発明においても、出力電圧をPWM制御可能な範囲内で制御できる場合には電動機磁束を弱めないこととし、不要な電流増加を発生させないようにして効率低下や過熱を防止する。
また、本発明によれば、電圧指令値、電流指令値の演算を簡単な四則演算により実現可能であるため、高価な演算装置が不要であり、出力電圧の飽和に起因する電動機のトルク脈動や不要な電流増加も発生しない安価な制御装置を実現することができる。
According to the invention of
According to the invention of
In any of the first and second aspects, when the output voltage can be controlled within a range in which PWM control is possible, the motor magnetic flux is not weakened, and an unnecessary current increase is not generated to reduce efficiency and overheat. To prevent.
In addition, according to the present invention, the calculation of the voltage command value and the current command value can be realized by simple four arithmetic operations, so that an expensive arithmetic device is unnecessary, and torque pulsation of the motor caused by saturation of the output voltage An inexpensive control device that does not cause an unnecessary increase in current can be realized.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示すブロック図である。図1において、1は三相交流電源、2は交流交流直接変換器としてのマトリクスコンバータ、3は円筒型永久磁石同期電動機等の電動機、4は負荷、5はマトリクスコンバータ2の各相入力電圧vr,vs,vtを検出する電圧検出手段、6は入力電圧(入力電圧ベクトル)の大きさ|Vi|を検出する大きさ検出手段、7は|Vi|と角速度指令値ω*とq軸電圧指令値vq *とに基づいてd軸電圧指令値vd *を演算するd軸電圧指令演算手段、8は角速度指令値ω*に基づいてq軸電圧指令値vq *を演算するq軸電圧指令演算手段、9は入力電圧vr,vs,vtから仮想整流器に対する指令(マトリクスコンバータ2の入力電流指令)を演算する仮想整流器指令演算手段、10は、d軸,q軸電圧指令値vd *,vq *及び位相角情報θ(角速度指令値ω*を積分して演算)に基づいて仮想インバータに対する指令(マトリクスコンバータ2の出力電圧指令)を演算する仮想インバータ指令演算手段、11は仮想整流器指令に基づいてPWMパルスを生成する仮想整流器PWM生成手段、12は仮想インバータ指令に基づいてPWMパルスを生成する仮想インバータPWM生成手段、13はこれらの生成手段11,12の出力パルスを合成するPWMパルス合成手段であり、この合成手段13から出力されるPWMパルスによってマトリクスコンバータ2の18個の半導体スイッチング素子が駆動されるようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a three-phase AC power source, 2 is a matrix converter as an AC / AC direct converter, 3 is an electric motor such as a cylindrical permanent magnet synchronous motor, 4 is a load, and 5 is an input voltage v of each phase of the
なお、この実施形態は、マトリクスコンバータ2内に仮想整流器と仮想インバータとを想定し、これらを独立して制御する「仮想AC/DC/AC方式」によりマトリクスコンバータ2を制御するものである。ここで、仮想AC/DC/AC方式は、例えば、非特許文献としての、伊東淳一、佐藤以久也、小西茂雄による「仮想AC/DC/AC変換方式によるマトリクスコンバータの入出力波形改善法」(半導体電力変換研究会 SPC02-90/IEA-02-31,2002)に記載されている。
In this embodiment, a virtual rectifier and a virtual inverter are assumed in the
上記仮想AC/DC/AC方式では、電源短絡を防止すると共に、負荷のリアクトルの電流環流経路を確保するために負荷端開放を防止する必要があり、仮想整流器側では電流形PWM整流器と同じ制約条件のもとでスイッチングパターンを決定し、他方、仮想インバータ側では、電圧形インバータと同じ制約条件のもとで直流リンク電圧を短絡しないようなスイッチングパターンを決定する必要がある。 In the virtual AC / DC / AC system, it is necessary to prevent a power supply short circuit and to prevent the load end from being opened in order to secure a current circulation path for the load reactor. On the virtual rectifier side, the same restrictions as the current-type PWM rectifier are required. On the other hand, it is necessary to determine a switching pattern that does not short-circuit the DC link voltage on the virtual inverter side under the same constraint conditions as the voltage source inverter.
前記非特許文献によれば、マトリクスコンバータの三相出力電圧は、スイッチングマトリクス(マトリクスコンバータの構成スイッチング素子のスイッチング関数(論理1でオン、論理0でオフ)の行列式)と三相入力電圧との積によって表すことができる。
このマトリクスコンバータと同一の出力電圧、入力電圧を得るためには、上記マトリクスコンバータのスイッチングマトリクス(便宜的にSM1とする)と、PWM整流器/インバータ(AC/DC/AC)システムにおける入力電圧と直流リンク電圧との関係を示すPWM整流器のスイッチングマトリクス(SM2とする)、及び、同じく直流リンク電圧と出力電圧との関係を示すPWMインバータのスイッチングマトリクス(SM3とする)の積とが等しくなるようにすればよい(つまり、SM1=SM2・SM3)。
According to the non-patent document, the three-phase output voltage of the matrix converter is expressed as follows: a switching matrix (a determinant of a switching function (
In order to obtain the same output voltage and input voltage as this matrix converter, the switching voltage of the matrix converter (referred to as SM1 for convenience), the input voltage and the direct current in the PWM rectifier / inverter (AC / DC / AC) system The product of the switching matrix (referred to as SM2) of the PWM rectifier that shows the relationship with the link voltage and the switching matrix (referred to as SM3) of the PWM inverter that also shows the relationship between the DC link voltage and the output voltage are made equal. (That is, SM1 = SM2 · SM3).
従って、マトリクスコンバータ内に仮想整流器と仮想インバータとを想定し、仮想整流器に対するPWMパルスと、仮想インバータに対するPWMパルスとを合成してマトリクスコンバータの各スイッチング素子に与えることにより、仮想AC/DC/AC方式の交流交流直接変換器を実現することができる。
図1における仮想整流器指令生成手段9、仮想インバータ指令生成手段10、仮想整流器PWMパルス生成手段11、仮想インバータPWMパルス生成手段12及びPWMパルス合成手段13は、上記の動作原理を実現するためのものである。
Therefore, assuming a virtual rectifier and a virtual inverter in the matrix converter, a virtual AC / DC / AC is obtained by synthesizing the PWM pulse for the virtual rectifier and the PWM pulse for the virtual inverter and applying them to each switching element of the matrix converter. An AC / AC direct converter of the type can be realized.
The virtual rectifier command generation means 9, virtual inverter command generation means 10, virtual rectifier PWM pulse generation means 11, virtual inverter PWM pulse generation means 12 and PWM pulse synthesis means 13 in FIG. 1 are for realizing the above operating principle. It is.
このような仮想AC/DC/AC方式を前提として、本実施形態の主要部について以下に説明する。
図1において、電圧検出手段5は、マトリクスコンバータ2の入力電圧vr,vs,vtを検出し、大きさ演算手段6は入力電圧ベクトルの大きさ|Vi|を演算する。また、図2は大きさ演算手段6のブロック図であり、vr,vs,vtを三相/二相変換して得た交流2軸成分vα,vβの二乗和の平方根を求めることにより、大きさ|Vi|を演算する。
ここで、vα,vβは数式7によって表され、また、入力電圧ベクトルの大きさ|Vi|は数式8によって表される。
Based on such a virtual AC / DC / AC system, the main part of the present embodiment will be described below.
In FIG. 1, the voltage detection means 5 detects the input voltages v r , v s and v t of the
Here, v α and v β are expressed by
数式8により求めた入力電圧の大きさ|Vi|はd軸電圧指令演算手段7に入力される。なお、入力電圧の大きさ演算手段6は、上記演算以外に、三相入力電圧を全波整流してその平均値を求めることにより実現してもよい。 The magnitude | V i | of the input voltage obtained by Expression 8 is input to the d-axis voltage command calculation means 7. In addition to the above calculation, the input voltage magnitude calculation means 6 may be realized by full-wave rectifying the three-phase input voltage and obtaining an average value thereof.
次に、図3はd軸電圧指令演算手段7のブロック図である。出力電圧制限値vlim *は、入力電圧ベクトルの大きさ|Vi|に基づいて数式9により設定する。
Next, FIG. 3 is a block diagram of the d-axis voltage command calculation means 7. The output voltage limit value v lim * is set by
ここで、定数K=0.866としてもよいし、デッドタイムに伴う出力電圧の誤差などを考慮し、余裕をもって設定してもよい。 Here, the constant K may be set to 0.866, or may be set with a margin in consideration of an error in the output voltage accompanying the dead time.
数式9から得られた出力電圧制限値vlim *を数式4に代入し、速度起電力e0を角速度指令値ω*と無負荷誘起電圧E0とによって表すと、d軸電圧指令値vd *は数式10となる。
Substituting the output voltage limit value v lim * obtained from
数式10において、ω*Lqiq=vq *としてd軸電圧指令値vd *を表すと、数式11となる。
In
図4は、d軸電圧指令演算手段7の動作を示すフローチャートである。
前述した数式9,11に基づいてd軸電圧指令値vd *を演算し(ステップS1,S2)、vd *<0の場合にのみvd *を出力とする(S3 No)。図13より、vd *>0の状態でvd *を発生させると、d軸電圧指令値vd *が速度起電力e0と同符号となり、電動機磁束を強める方向に電流が流れる。そこで、vd *≧0ではvd *=0として(S3 Yes,S4)、不要な電流増加を防止する。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the d-axis voltage command calculation means 7.
The d-axis voltage command value v d * is calculated based on the above-described
図1における仮想インバータ指令演算手段10は、d軸電圧指令値vd *、q軸電圧指令値vq *及び位相角情報θから、三相正弦波の電圧指令を出力する。位相角情報は角速度指令値ω*を積分して求めているが、電動機3の速度検出値から求めても良く、速度推定値を用いても良い。
1 outputs a three-phase sine wave voltage command from the d-axis voltage command value v d * , the q-axis voltage command value v q * and the phase angle information θ. The phase angle information is obtained by integrating the angular velocity command value ω * . However, the phase angle information may be obtained from the detected speed value of the
以上のように、本実施形態では、入力電圧の大きさに応じて出力電圧制限値vlim *を演算し、この制限値vlim *とq軸電圧指令値vq *とを用いてd軸電圧指令値vd *を求めると共に、その正負に応じて電動機磁束を弱めるようなd軸電圧指令値vd *を生成して仮想インバータ指令演算手段10に与えることにより、マトリクスコンバータ2の出力電圧を入力電圧のPWM制御可能な範囲内に制御して出力電圧の歪みを抑制し、電動機3のトルク脈動や回転むらの発生を防止することができる。
As described above, in this embodiment, the output voltage limit value v lim * is calculated according to the magnitude of the input voltage, and the d-axis is calculated using the limit value v lim * and the q-axis voltage command value v q *. The voltage command value v d * is obtained, and a d-axis voltage command value v d * that weakens the motor magnetic flux according to the positive / negative is generated and given to the virtual inverter command calculation means 10, thereby outputting the output voltage of the
次に、図5は本発明の第2実施形態を示すブロック図であり、この実施形態は、仮想インバータ制御にベクトル制御を適用したものである。
図5において、図1と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
Next, FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, vector control is applied to virtual inverter control.
In FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Hereinafter, different portions will be mainly described.
図5において、14は位相角情報θを得るための位置検出器、15は速度検出器、16は角速度検出値ωを角速度指令値ω*に一致させるように調節動作する速度調節手段、17は速度調節手段16の出力からq軸電流指令値iq *を演算するq軸電流指令演算手段、18は出力電圧ベクトルの大きさ|Vi|とq軸電流指令値iq *と角速度検出値ωとからd軸電流指令値id *を演算するd軸電流指令演算手段、19はマトリクスコンバータ2の出力電流(電動機3の電流)を検出する電流検出手段、20は各相電流検出値ir,is,itを三相/二相変換して2軸成分のd軸,q軸電流検出値id,iqを得る座標変換手段、21はq軸電流検出値iqをその指令値iq *に一致させるようにq軸電圧指令値vq *を演算するq軸電流制御手段、22はd軸電流検出値idをその指令値id *に一致させるようにd軸電圧指令値vd *を演算するd軸電流制御手段、23はd軸電圧指令値vd *、q軸電圧指令値vq *を二相/三相変換して仮想インバータに対する三相電圧指令値を得る座標変換手段であり、この座標変換手段23の出力(仮想インバータ指令)が仮想インバータPWM生成手段12に入力されている。
その他の構成は図1と同様である。
In FIG. 5, 14 is a position detector for obtaining phase angle information θ, 15 is a speed detector, 16 is a speed adjusting means for adjusting the angular speed detected value ω so as to coincide with the angular speed command value ω * , and 17 is Q-axis current command calculation means for calculating the q-axis current command value i q * from the output of the speed adjustment means 16, 18 is the magnitude of the output voltage vector | V i |, the q-axis current command value i q *, and the angular velocity detection value d-axis current command calculation means for calculating a d-axis current command value i d * from ω, 19 is a current detection means for detecting the output current of the matrix converter 2 (current of the motor 3), and 20 is a current detection value i for each phase. r, i s, d-axis of the i t three-phase / two-phase conversion to biaxial components, q-axis current detection value i d, coordinate transformation means for obtaining a i q, 21 its a q-axis current detection value i q Starring the q-axis voltage command value v q * so as to coincide with the command value i q * Q-axis current control means for, 22 d-axis current control unit which calculates a d axis voltage value v d * to match the d-axis current detection value i d to the command value i d *, 23 is the d-axis voltage The coordinate conversion means obtains a three-phase voltage command value for the virtual inverter by performing two-phase / three-phase conversion on the command value v d * and the q-axis voltage command value v q *. ) Is input to the virtual inverter PWM generation means 12.
Other configurations are the same as those in FIG.
本実施形態では、d軸電流指令値id *を演算するd軸電流指令演算手段18以外はベクトル制御技術として公知であるため、ここではd軸電流指令演算手段18の動作のみを説明する。 In this embodiment, since the vector control technique is known except for the d-axis current command calculation means 18 for calculating the d-axis current command value i d * , only the operation of the d-axis current command calculation means 18 will be described here.
図6は、d軸電流指令演算手段18のブロック図である。
第1実施形態と同様に、数式9により設定した出力電圧制限値vlim *を数式4に代入し、速度起電力e0を角速度検出値ω及び無負荷誘起電圧E0によって表すと、d軸電圧指令値vd *は数式12となる。
FIG. 6 is a block diagram of the d-axis current command calculation means 18.
Similarly to the first embodiment, when the output voltage limit value v lim * set by
数式12からd軸電流指令値id *を求めると、数式13となる。
When the d-axis current command value i d * is obtained from
図7は、d軸電流指令演算手段18の動作を示すフローチャートである。上述した数式9,12,13に基づいてd軸電流指令値id *を演算し(S11〜S13)、第1実施形態と同じ原理により、id *<0の場合にのみid *を出力とし(S14 No)、id *≧0ではid *=0として(S14 Yes,S15)、不要な電流増加を防止する。
なお、数式13ではq軸電流指令値iq *を用いてd軸電流指令値id *を演算しているが、q軸電流検出値iqやトルク指令値T*を用いて演算しても良い。
FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the d-axis current command calculation means 18. Based on the
In
図8は、本発明を適用しない場合に、マトリクスコンバータの入力電圧を180[V]として、その0.866倍以上である166[V]を出力させた場合の入力電流波形ir(上側)及び出力電流波形iu(下側)を示している。
この例では、出力電圧がPWM制御可能な範囲を超えているため出力電圧が歪み、結果として出力電流が歪んでいるのがわかる。
一方、図9は、本発明の第2実施形態を適用した場合の入出力電流波形である。本実施形態により弱め界磁制御を行うことで入出力電流波形の歪みが図8よりもかなり低減されており、また、出力電圧歪みに起因する電動機のトルク脈動や回転むらの発生を防止することができる。
FIG. 8 shows an input current waveform i r (upper side) when the input voltage of the matrix converter is 180 [V] and 166 [V] which is 0.866 times or more is output when the present invention is not applied. And the output current waveform i u (lower side).
In this example, the output voltage exceeds the range in which PWM control is possible, so the output voltage is distorted, and as a result, the output current is distorted.
On the other hand, FIG. 9 shows input / output current waveforms when the second embodiment of the present invention is applied. By performing field-weakening control according to the present embodiment, distortion of the input / output current waveform is considerably reduced as compared with FIG. 8, and generation of torque pulsation and rotation unevenness of the motor due to output voltage distortion can be prevented. .
1:交流電源
2:マトリクスコンバータ
3:電動機
4:負荷
5:電圧検出手段
6:入力電圧の大きさ検出手段
7:d軸電圧指令演算手段
8:q軸電圧指令演算手段
9:仮想整流器指令演算手段
10:仮想インバータ指令演算手段
11:仮想整流器PWM生成手段
12:仮想インバータPWM生成手段
13:PWMパルス合成手段
14:位置検出器
15:速度検出器
16:速度調節手段
17:q軸電流指令演算手段
18:d軸電流指令演算手段
19:電流検出手段
20:座標変換手段
21:q軸電流制御手段
22:d軸電流制御手段
23:座標変換手段
1: AC power supply 2: Matrix converter 3: Motor 4: Load 5: Voltage detection means 6: Input voltage magnitude detection means 7: d-axis voltage command calculation means 8: q-axis voltage command calculation means 9: virtual rectifier command calculation Means 10: Virtual inverter command calculation means 11: Virtual rectifier PWM generation means 12: Virtual inverter PWM generation means 13: PWM pulse synthesis means 14: Position detector 15: Speed detector 16: Speed adjustment means 17: q-axis current command calculation Means 18: d-axis current command calculation means 19: current detection means 20: coordinate conversion means 21: q-axis current control means 22: d-axis current control means 23: coordinate conversion means
Claims (3)
前記直接変換器の入力電圧の大きさを検出する手段と、
この手段により検出した入力電圧の大きさに応じて、前記直接変換器の出力電圧を入力電圧のPWM制御可能な範囲内に制限する出力電圧制限値を演算する手段と、
前記出力電圧制限値に基づいて、電動機磁束を減少させるように前記直接変換器の出力電圧指令値を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流直接変換器の電動機制御装置。 In an AC / AC direct converter for driving an electric motor by converting an AC voltage into an AC voltage of an arbitrary size and frequency by a bidirectional semiconductor switch,
Means for detecting the magnitude of the input voltage of the direct converter;
Means for calculating an output voltage limit value for limiting the output voltage of the direct converter within a range in which the input voltage can be PWM controlled according to the magnitude of the input voltage detected by the means;
Means for calculating an output voltage command value of the direct converter based on the output voltage limit value so as to reduce the motor magnetic flux;
A motor control device for an AC / AC direct converter characterized by comprising:
前記直接変換器の入力電圧の大きさを検出する手段と、
この手段により検出した入力電圧の大きさに応じて、前記直接変換器の出力電圧を入力電圧のPWM制御可能な範囲内に制限する出力電圧制限値を演算する手段と、
電動機電流検出値を、電動機磁束に対する平行成分及び直交成分に変換する座標変換手段と、
前記出力電圧制限値に基づいて電流指令値の前記平行成分を演算する手段と、
前記電動機電流検出値の平行成分が前記電流指令値の平行成分に一致するように前記直接変換器の出力電圧指令値を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする交流交流直接変換器の電動機制御装置。 In an AC / AC direct converter for driving an electric motor by converting an AC voltage into an AC voltage of an arbitrary size and frequency by a bidirectional semiconductor switch,
Means for detecting the magnitude of the input voltage of the direct converter;
Means for calculating an output voltage limit value for limiting the output voltage of the direct converter within a range in which the input voltage can be PWM controlled according to the magnitude of the input voltage detected by the means;
Coordinate conversion means for converting the motor current detection value into a parallel component and an orthogonal component with respect to the motor magnetic flux,
Means for calculating the parallel component of the current command value based on the output voltage limit value;
Means for calculating an output voltage command value of the direct converter so that a parallel component of the motor current detection value matches a parallel component of the current command value;
A motor control device for an AC / AC direct converter characterized by comprising:
前記直接変換器の出力電圧指令値を演算する手段は、直接変換器としてのマトリクスコンバータ内に想定した仮想インバータに対する出力電圧指令値を演算することを特徴とする交流交流直接変換器の電動機制御装置。 In the motor control device for an AC / AC direct converter according to claim 1 or 2,
The means for calculating the output voltage command value of the direct converter calculates an output voltage command value for a virtual inverter assumed in a matrix converter as a direct converter, and the motor control device for an AC / AC direct converter .
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