JP4797074B2 - Vector control device for permanent magnet motor, vector control system for permanent magnet motor, and screw compressor - Google Patents

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Description

本発明は、位置センサを省略した位置センサレスの永久磁石モータのベクトル制御装置、制御システム、及びスクリュー圧縮器に関し、特に、高応答な制御特性を実現する技術に関する。   The present invention relates to a vector control device, a control system, and a screw compressor for a permanent magnet motor without a position sensor, and more particularly to a technique for realizing a highly responsive control characteristic.

モータ制御システムの小型化のためにモータ回転位置(回転角)を検出する位置センサを省略して、モータを制御する技術が求められている。この位置センサレスベクトル制御方式のモータドライブ技術として、ベクトル制御の出力である電圧指令値及び電流検出値ならびに速度指令値を用いて、モータ回転角の基準軸(モータの磁束軸)と制御軸との軸誤差を推定する推定演算を行う技術が特許文献1に開示されている。また、特許文献1には、軸誤差の指令値は基本的には「零」設定であるなどの制御方法が記述されている。   In order to reduce the size of a motor control system, a technique for controlling a motor by omitting a position sensor that detects a motor rotation position (rotation angle) is required. This position sensorless vector control system motor drive technology uses vector command output voltage command value, current detection value, and speed command value to determine the motor rotation angle reference axis (motor flux axis) and control axis. A technique for performing an estimation calculation for estimating an axis error is disclosed in Patent Document 1. Patent Document 1 describes a control method in which the axial error command value is basically set to “zero”.

特開2001−251889号公報JP 2001-251889 A

特許文献1記載の方法は、モータの電気時定数(インダクタンス値と抵抗値との積)がある程度小さなモータ、つまり小型から中型のモータについては高応答、高安定な制御を実現することができる。
しかしながら、電気時定数が比較的大きなモータに適用すると、周波数推定演算の制御応答が制限されてしまうため、加減速運転中に大きな軸誤差が発生することがあった。
その結果、モータには過大な電流が流れ、運転効率が劣化する課題があった。
The method described in Patent Document 1 can realize high response and highly stable control for a motor having a small electrical time constant (product of inductance value and resistance value), that is, a small to medium-sized motor.
However, when applied to a motor having a relatively large electric time constant, the control response of the frequency estimation calculation is limited, so that a large axis error may occur during acceleration / deceleration operation.
As a result, there is a problem that excessive current flows through the motor and the operation efficiency deteriorates.

本発明は前記課題を解決するためになされたものであって、電気時定数が大きな永久磁石モータの場合でも、加減速運転中の軸誤差を抑制することができる永久磁石モータのベクトル制御装置、制御システム、及びスクリュー圧縮器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and even in the case of a permanent magnet motor having a large electric time constant, a vector control device for a permanent magnet motor capable of suppressing an axis error during acceleration / deceleration operation, It is an object to provide a control system and a screw compressor.

前記目的を達成するため、本発明のベクトル制御装置は、永久磁石モータに流れる電流検出値(d軸電流検出値あるいはq軸電流検出値)の変化分(微分)を用いて、ベクトル制御の基準となる制御軸(例えば、位相指令値)を修正する基準軸修正部を備える。   In order to achieve the above object, the vector control apparatus of the present invention uses a change (differentiation) of a detected current value (d-axis current detected value or q-axis current detected value) flowing in the permanent magnet motor to perform a vector control reference. A reference axis correction unit that corrects the control axis (for example, phase command value).

本発明によれば、電気時定数が大きな永久磁石モータの場合でも、加減速運転中の軸誤差を抑制することができる。   According to the present invention, a shaft error during acceleration / deceleration operation can be suppressed even in the case of a permanent magnet motor having a large electric time constant.

本発明の第1実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of the permanent magnet motor which is 1st Embodiment of this invention. 制御応答周波数FPLL=5Hzの運転特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the driving | running characteristic of control response frequency FPLL = 5Hz. 制御応答周波数FPLL=16Hzの運転特性を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the driving | running characteristic of control response frequency FPLL = 16Hz. ゲイン−周波数特性図、及び位相−周波数特性図である。It is a gain-frequency characteristic diagram and a phase-frequency characteristic diagram. ラウス表である。It is a Lous table. 安定化補償部の構成図である。It is a block diagram of a stabilization compensation part. ゲイン−周波数特性図、及び位相−周波数特性図である。It is a gain-frequency characteristic diagram and a phase-frequency characteristic diagram. 運転特性(FPLL=16Hz)を示す制御特性図である。It is a control characteristic figure which shows a driving | running characteristic ( FPLL = 16Hz). 本発明の第2実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of the permanent magnet motor which is 2nd Embodiment of this invention. 他の安定化補償部の構成図である。It is a block diagram of another stabilization compensation part. 本発明の第3実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of the permanent magnet motor which is 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of the permanent magnet motor which is 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of the permanent magnet motor which is 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。It is a block diagram of the control system of the permanent magnet motor which is 6th Embodiment of this invention. 本発明の永久磁石モータの制御システムを備えたスクリュー圧縮機の構成図である。It is a block diagram of the screw compressor provided with the control system of the permanent magnet motor of this invention.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。
制御システム200は、永久磁石モータ1と、永久磁石モータ1を駆動する電力変換器2と、電力変換器2に直流電力を供給する直流電源21と、電力変換器2を制御する制御信号Vu、Vv、Vwを生成する制御装置100と、永久磁石モータ1に流れる交流電流iu、iv、iwを検出する電流検出器3とを備えている。
ここで、永久磁石モータ1は、永久磁石の磁束によるトルク成分と電機子巻線のインダクタンスの方向差によるリラクタンストルク成分とを合成したモータトルクを発生し、モータ回転周波数ωrで回転する。電力変換器2は、3相の制御信号Vu、Vv、Vwに比例すると共に、PWM(Pulse Width Modulation)制御された駆動電圧を発生し、永久磁石モータ1に駆動電力を供給する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a control system for a permanent magnet motor according to the first embodiment of the present invention.
The control system 200 includes a permanent magnet motor 1, a power converter 2 that drives the permanent magnet motor 1, a DC power source 21 that supplies DC power to the power converter 2, and a control signal Vu * that controls the power converter 2 . , Vv * , Vw * , and a current detector 3 for detecting AC currents iu, iv, iw flowing through the permanent magnet motor 1.
Here, the permanent magnet motor 1 generates a motor torque obtained by synthesizing the torque component due to the magnetic flux of the permanent magnet and the reluctance torque component due to the direction difference between the inductances of the armature windings, and rotates at the motor rotational frequency ωr. The power converter 2 generates a drive voltage that is proportional to the three-phase control signals Vu * , Vv * , and Vw * and that is PWM (Pulse Width Modulation) controlled, and supplies drive power to the permanent magnet motor 1.

制御装置100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等により構成され、CPUがプログラムを実行することにより、ベクトル制御部150と基準軸修正部155との機能を実現する。基準軸修正部155は、位相推定部7と、安定化補償部8と、加算部9との各機能を備える。   The control device 100 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. When the CPU executes a program, the vector control unit 150, the reference axis correction unit 155, Realize the function. The reference axis correction unit 155 includes the functions of the phase estimation unit 7, the stabilization compensation unit 8, and the addition unit 9.

位相推定部7は、(1)式を用いて周波数推定値ω1cを積分して位相推定値θdcを演算し、永久磁石モータ1の基準軸(モータの磁束軸)を推定する。

Figure 0004797074
The phase estimating unit 7 calculates the phase estimated value θdc by integrating the frequency estimated value ω1c using the equation (1), and estimates the reference axis (the magnetic flux axis of the motor) of the permanent magnet motor 1.
Figure 0004797074

安定化補償部8は、d軸電流検出値Idcを微分演算し、微分演算値としての安定化信号(安定化補償値)Δθdを出力する。加算部9は、位相推定値θdcと安定化信号Δθdとを加算して、新たな位相推定値(他の位相推定値)Δθdc_aを算出し、この算出結果をベクトル制御部150に出力する。   The stabilization compensator 8 performs a differential operation on the detected d-axis current value Idc and outputs a stabilization signal (a stabilization compensation value) Δθd as a differential operation value. The adding unit 9 adds the phase estimation value θdc and the stabilization signal Δθd to calculate a new phase estimation value (other phase estimation value) Δθdc_a, and outputs the calculation result to the vector control unit 150.

ベクトル制御部150は、座標変換部4と、軸誤差推定部5と、周波数推定部6と、ローパスフィルタ10と、ベクトル制御演算部11と、座標変換部12と、加算部22とを備え、周波数指令値ωrと、電流検出器3が検出した電流検出値iuc,ivc,iwcと、他の位相推定値θdc_aに基づいて、ベクトル制御された制御信号Vu,Vv,Vw、及び周波数推定値ω1cを生成する。 The vector control unit 150 includes a coordinate conversion unit 4, an axis error estimation unit 5, a frequency estimation unit 6, a low-pass filter 10, a vector control calculation unit 11, a coordinate conversion unit 12, and an addition unit 22. Based on the frequency command value ωr * , the current detection values i uc , i vc , i wc detected by the current detector 3, and other phase estimation values θdc_a, vector-controlled control signals Vu * , Vv * , Vw * And the frequency estimation value ω1c are generated.

ベクトル制御演算部11は、「零」に設定されたd軸電流指令値Id、q軸電流検出値Iqcの一次遅れ値Iqctd、及び周波数指令値ωr、並びに永久磁石モータ1の電気定数(予め設定される設定値)に基づいて、d軸電圧指令値Vdc、及びq軸電圧指令値Vqcを出力する。すなわち、ベクトル制御演算部11は、d軸電流指令値Id、q軸電流検出値Iqcの一次遅れ値Iqctdと周波数指令値ωr、及びモータ定数の設定値(R:抵抗値、Ld:d軸インダクタンス値、Lq:q軸インダクタンス値、Ke:誘起電圧係数)を用いて、式(2)に示すd軸電圧指令値Vdc、及びq軸電圧指令値Vqcを演算する。

Figure 0004797074
The vector control calculation unit 11 sets the d-axis current command value Id * set to “zero”, the first-order lag value Iqctd of the q-axis current detection value Iqc, the frequency command value ωr * , and the electric constants of the permanent magnet motor 1 ( The d-axis voltage command value Vdc * and the q-axis voltage command value Vqc * are output based on a preset value). That is, the vector control calculation unit 11 sets the d-axis current command value Id * , the first-order lag value Iqctd of the q-axis current detection value Iqc, the frequency command value ωr * , and the set value of the motor constant (R: resistance value, Ld: d The d-axis voltage command value Vdc * and the q-axis voltage command value Vqc * shown in Equation (2) are calculated using the shaft inductance value, Lq: q-axis inductance value, and Ke: induced voltage coefficient.
Figure 0004797074

座標変換部12は、d軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqcと新たな位相推定値θdc_aとから、3相の制御信号Vu、Vv、Vwを演算し、電力変換器2に出力する。 The coordinate conversion unit 12 calculates the three-phase control signals Vu * , Vv * , Vw * from the d-axis voltage command value Vdc * , the q-axis voltage command value Vqc *, and the new phase estimation value θdc_a, and converts the power. To the device 2.

座標変換部4は、3相の交流電流iu、iv、iwの電流検出値iuc,ivc,iwcと位相推定値θdcとから、d軸電流検出値Idc、及びq軸電流検出値Iqcを演算する。ローパスフィルタ10は、q軸電流検出値Iqcの一次遅れ値Iqctdを出力し、この出力信号がベクトル制御演算部11に帰還するようになっている。   The coordinate conversion unit 4 calculates a d-axis current detection value Idc and a q-axis current detection value Iqc from the current detection values iuc, ivc, iwc of the three-phase alternating currents iu, iv, iw and the phase estimation value θdc. . The low-pass filter 10 outputs a first-order lag value Iqctd of the q-axis current detection value Iqc, and this output signal is fed back to the vector control calculation unit 11.

軸誤差推定部5は、d軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqc、周波数推定値ω1c、d軸電流検出値Idc、及びq軸電流検出値Iqc、並びにモータ定数に基づいて、位相推定値θdcと永久磁石モータ1の回転角(電気角)の位相値θdとの偏差である軸誤差Δθの推定演算を行い、推定値Δθcを出力する。すなわち、軸誤差推定部5は、d軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqcとd軸電流検出値Idc、q軸電流検出値Iqc、及び周波数推定値ω1c、並びにモータ定数の設定値を用いて、位相推定値θdcとモータ位相値θdとの偏差である、軸誤差値Δθdc(=θdc−θd)の推定演算を(3)式により行う。

Figure 0004797074
Based on the d-axis voltage command value Vdc * , the q-axis voltage command value Vqc * , the frequency estimation value ω1c, the d-axis current detection value Idc, the q-axis current detection value Iqc, and the motor constant, An estimation calculation of an axis error Δθ which is a deviation between the phase estimation value θdc and the phase value θd of the rotation angle (electrical angle) of the permanent magnet motor 1 is performed, and an estimation value Δθc is output. That is, the axis error estimation unit 5 sets the d-axis voltage command value Vdc * , the q-axis voltage command value Vqc * , the d-axis current detection value Idc, the q-axis current detection value Iqc, the frequency estimation value ω1c, and the motor constant. Using the value, an estimation calculation of an axis error value Δθdc (= θdc−θd), which is a deviation between the phase estimation value θdc and the motor phase value θd, is performed according to Equation (3).
Figure 0004797074

加算部22は、「零」に設定された軸誤差の指令値Δθcと軸誤差の推定値Δθcとの偏差を演算する。
周波数推定部6は、加算部22の演算結果を比例演算あるいは(比例+積分)演算し、その演算結果を周波数指令値ωrに加算して周波数推定値ω1cを出力する。なお、この位相推定値ω1cは、軸誤差推定部5に帰還される。また、周波数推定部6は、軸誤差の推定値Δθcが「零」となるように、(4)式により、周波数推定値ω1cを演算する。

Figure 0004797074
ここで、Kp は、比例ゲインであり、(5)式に示すように設定されている。
Figure 0004797074
ここで、 FPLL は、周波数推定部6に設定する制御応答周波数[Hz]である。 The adder 22 calculates a deviation between the axial error command value Δθc * set to “zero” and the estimated axial error value Δθc.
The frequency estimation unit 6 performs a proportional calculation or (proportional + integration) calculation on the calculation result of the addition unit 22, adds the calculation result to the frequency command value ωr * , and outputs a frequency estimation value ω1c. The phase estimation value ω1c is fed back to the axis error estimation unit 5. Further, the frequency estimation unit 6 calculates the frequency estimated value ω1c by the equation (4) so that the estimated value Δθc of the axis error becomes “zero”.
Figure 0004797074
Here, Kp is a proportional gain, and is set as shown in equation (5).
Figure 0004797074
Here, F PLL is a control response frequency [Hz] set in the frequency estimation unit 6.

次に、本実施形態の特徴である「位相推定値θdcに安定化信号Δθdを加算する位相推定値(制御軸)を修正した効果」について説明を行う。最初に、従来方式である「安定化補償Δθdを加算しない場合」の制御特性について説明する。
図2は、周波数推定部6に設定する「制御応答周波数FPLLが低い場合(FPLL=5Hz)の運転特性」を示す特性図であり、図2(a)はモータ回転周波数ωr[rad/s]の時間特性を示し、図2(b)は一次電流I1[A]の時間特性を示し、図2(c)は軸誤差推定値Δθc[deg]の時間特性を示す。
Next, the “effect of correcting the phase estimation value (control axis) for adding the stabilization signal Δθd to the phase estimation value θdc”, which is a feature of the present embodiment, will be described. First, the control characteristics of “when no stabilization compensation Δθd is added”, which is a conventional method, will be described.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing “operating characteristics when the control response frequency FPLL is low (F PLL = 5 Hz)” set in the frequency estimator 6, and FIG. 2A shows the motor rotation frequency ωr [rad / 2B shows the time characteristic of the primary current I1 [A], and FIG. 2C shows the time characteristic of the axis error estimated value Δθc [deg].

図2(a)は、モータ回転周波数ωrが最低速度(a点)から最高速度(b点)まで加速するA区間と、最高速度で所定時間(約2.2秒)、回転し、さらに最高速度(b点)から最低速度(a点)まで直線的に減速するB区間とに区別されている。
図2は、A区間(図2(a))においては、軸誤差Δθの推定値Δθcは、加速開始時に30deg発生し、加速停止時に−30deg発生し(図2(c))、永久磁石モータ1の一次電流I1が17.4Aとなっている(図2(b))ことを示している。なお、モータ加速時には、所定の一次電流I1が流れ、モータ減速時には負の値の回生電流が流れている。
FIG. 2 (a) shows the A section in which the motor rotation frequency ωr accelerates from the lowest speed (point a) to the highest speed (point b), and rotates at the highest speed for a predetermined time (about 2.2 seconds), and further reaches the highest speed. It is distinguished from the B section that linearly decelerates from the speed (point b) to the minimum speed (point a).
FIG. 2 shows that in section A (FIG. 2A), the estimated value Δθc of the axis error Δθ is generated by 30 degrees when acceleration is started and −30 degrees when acceleration is stopped (FIG. 2C). 1 indicates that the primary current I1 is 17.4 A (FIG. 2B). A predetermined primary current I1 flows during motor acceleration, and a negative regenerative current flows during motor deceleration.

一方、図3は、「制御応答周波数FPLLを高くした場合(FPLL=16Hz)の運転特性」を示す特性図である。
図3は、A区間(図3(a))において、軸誤差Δθの推定値Δθcは、20deg(−20deg)と小さくなり(図3(c)、その結果、永久磁石モータ1の一次電流I1が15A(図3(b)に減少している様子を示している。しかし、B区間では軸誤差の推定値Δθcは発散しており(図3(c))、この発散が「騒音」や「過電流による運転停止」に至る問題がある。
On the other hand, FIG. 3 is a characteristic diagram showing “operating characteristics when the control response frequency F PLL is increased (F PLL = 16 Hz)”.
FIG. 3 shows that in the section A (FIG. 3A), the estimated value Δθc of the axis error Δθ is as small as 20 deg (−20 deg) (FIG. 3C). As a result, the primary current I1 of the permanent magnet motor 1 15A (FIG. 3 (b)). However, in the section B, the estimated value Δθc of the axis error is divergent (FIG. 3 (c)). There is a problem that leads to “operation stop due to overcurrent”.

図2及び図3の結果から、周波数推定部6に設定される制御応答周波数FPLLが、FPLL=5Hzと低い場合は、軸誤差推定部5は、大きな軸誤差Δθを発生する。これと共に、永久磁石モータ1の一次電流I1が大きくなり、モータ効率が低下する。
一方、制御応答周波数FPLLが高い場合には、軸誤差Δθは抑制され、永久磁石モータ1の一次電流I1は減少方向であるが、制御が不安定になる場合がある。
2 and 3, when the control response frequency F PLL set in the frequency estimation unit 6 is as low as F PLL = 5 Hz, the axis error estimation unit 5 generates a large axis error Δθ. At the same time, the primary current I1 of the permanent magnet motor 1 increases, and the motor efficiency decreases.
On the other hand, when the control response frequency FPLL is high, the shaft error Δθ is suppressed and the primary current I1 of the permanent magnet motor 1 is decreasing, but the control may become unstable.

次に、制御応答周波数FPLL=16Hzと高く設定した場合に発生した「軸誤差の推定値Δθc不安定」の原因について説明する。
位相推定値θdcと永久磁石モータ1の位相値θdとの偏差である軸誤差Δθ(=θdc−θd)が存在する場合、制御軸(dc−qc)からモータ軸(d−q)への変換行列は、(6)式となる。

Figure 0004797074
ここで、d軸電圧値Vd、及びq軸電圧値Vqは、(7)式で示すことができる。
Figure 0004797074
(7)式より、d軸電圧値Vdは、q軸電圧指令値Vqcの情報が含まれていることが分かる。このd軸電圧値Vdの変動により、d軸電流Idと、q軸電圧値Vqと、q軸電流Iqとが変動する。軸誤差推定部5では、このd軸電流検出値Idc、q軸電流検出値Iqcを用いた演算を行っているため、軸誤差の推定値Δθcに関係する一巡の不安定ループが発生してしまう。
ここで、「軸誤差の指令値Δθc」から「軸誤差の推定値Δθc」までの、一巡伝達関数GΔθc(s)は、Av(ωr):モータ回転周波数ωrの平均値として、
Figure 0004797074
である。 Next, the cause of the “axis error estimated value Δθc instability” that occurs when the control response frequency F PLL = 16 Hz is set high.
When there is an axis error Δθ (= θdc−θd) that is a deviation between the phase estimation value θdc and the phase value θd of the permanent magnet motor 1, conversion from the control axis (dc−qc) to the motor axis (dq) The matrix is given by equation (6).
Figure 0004797074
Here, the d-axis voltage value Vd and the q-axis voltage value Vq can be expressed by Equation (7).
Figure 0004797074
From the equation (7), it can be seen that the d-axis voltage value Vd includes information on the q-axis voltage command value Vqc * . Due to the variation of the d-axis voltage value Vd, the d-axis current Id, the q-axis voltage value Vq, and the q-axis current Iq vary. Since the axis error estimation unit 5 performs calculations using the d-axis current detection value Idc and the q-axis current detection value Iqc, a round of unstable loops related to the axis error estimation value Δθc occurs. .
Here, the round transfer function G Δθc (s) from the “axis error command value Δθc * ” to the “axis error estimated value Δθc” is Av (ωr): an average value of the motor rotation frequency ωr,
Figure 0004797074
It is.

図4は、(8)式において、モータ回転周波数ωrを最高周波数(図2のb点、ωr=2π・400rad/s)とし、図2、3の特性で設定した制御応答周波数FPLL(=5Hz、16Hz)を(8)式に代入したときのゲイン−周波数特性図、及び位相−周波数特性図である。ここで、これらの特性図の縦軸はゲイン[dB]、位相[deg]であり、横軸は周波数[Hz]である。 FIG. 4 shows a control response frequency F PLL (==) set in the characteristics of FIGS. 2 and 3, with the motor rotation frequency ωr being the highest frequency (point b in FIG. 2, ωr = 2π · 400 rad / s) in the equation (8). 5H, 16Hz) is a gain-frequency characteristic diagram and a phase-frequency characteristic diagram when substituting (8) into equation (8). Here, the vertical axis of these characteristic diagrams is gain [dB] and phase [deg], and the horizontal axis is frequency [Hz].

図4において、「破線」は、FPLL=5Hzを用いた特性を示し、「実線」は、FPLL=16Hzを用いた特性を示す。図4の特性図によれば、位相特性がc点の−180[deg]のとき、制御応答周波数FPLL=5Hzの特性(破線)は、ゲインが0[dB](=1)以下であるので「安定」であることが分かり、制御応答周波数FPLL=16Hzの特性(実線)は、ゲインが0[dB]以上であるので「不安定」であることが分かる。つまり、制御応答周波数FPLLを高くした場合に、軸誤差の推定値Δθcは不安定となってしまう。 In FIG. 4, “dashed line” indicates a characteristic using F PLL = 5 Hz, and “solid line” indicates a characteristic using F PLL = 16 Hz. According to the characteristic diagram of FIG. 4, when the phase characteristic is -180 [deg] at the point c, the characteristic (broken line) of the control response frequency F PLL = 5 Hz has a gain of 0 [dB] (= 1) or less. Therefore, it can be seen that it is “stable”, and the characteristic (solid line) of the control response frequency F PLL = 16 Hz is “unstable” because the gain is 0 [dB] or more. That is, when increasing the control response frequency F PLL, the estimated value of the axis error Δθc becomes unstable.

ここで、軸誤差の推定値Δθcの安定条件を求めると、(8)式の一巡伝達関数GΔθc(s)の特性方程式は、(9)式となり、(10)式の方程式を考えればよい。

Figure 0004797074
Figure 0004797074
ここで、(10)式のすべての係数が同符号である「必要条件」を満たしているので、ラウス表を作成する。作成したラウス表を図5に示す。図5の第1列目がラウス数列であり、安定であるためには、(11)式が成立する必要がある。
Figure 0004797074
(11)式において、比例ゲインKPLLについて整理すると、
Figure 0004797074
となる。ここで、(13)式の関係が成立する高速域の範囲では、
Figure 0004797074
となる。すると、(12)式を(14)式に示すように考えることができる。
Figure 0004797074
制御応答周波数FPLLについて整理すると、
Figure 0004797074
となる。つまり、高速域において、安定に運転するためには、(15)式の関係を満たした制御応答周波数FPLLを設定する必要がある。大容量のモータになると、抵抗値Rは小さく、d軸インダクタンス値Ld、及びq軸インダクタンス値Lqは大きくなる傾向にあり、制御応答周波数FPLLがモータ定数により制限を受けてしまう問題があった。 Here, when the stability condition of the estimated value Δθc of the axis error is obtained, the characteristic equation of the cyclic transfer function G Δθc (s) of the equation (8) becomes the equation (9), and the equation of the equation (10) may be considered. .
Figure 0004797074
Figure 0004797074
Here, since all the coefficients of the equation (10) satisfy the “requirement” having the same sign, a Rous table is created. The created Rouss table is shown in FIG. The first column in FIG. 5 is the Rouss number sequence, and in order to be stable, equation (11) needs to be satisfied.
Figure 0004797074
In the equation (11), when the proportional gain K PLL is arranged,
Figure 0004797074
It becomes. Here, in the range of the high speed region where the relationship of equation (13) holds,
Figure 0004797074
It becomes. Then, equation (12) can be considered as shown in equation (14).
Figure 0004797074
The control response frequency F PLL can be summarized as follows:
Figure 0004797074
It becomes. That is, in order to operate stably in the high speed range, it is necessary to set the control response frequency FPLL that satisfies the relationship of the equation (15). When the motor has a large capacity, the resistance value R is small, the d-axis inductance value Ld and the q-axis inductance value Lq tend to be large, and the control response frequency FPLL is limited by the motor constant. .

そこで、本実施形態の特徴構成である「安定化補償部8(図1)」について説明を行う。図6に示す安定化補償部8は、(16)式によりd軸電流検出値Idcの微分値を演算し、演算結果である安定化信号Δθdを出力している。そして、加算部9が、(16)式に示す安定化信号Δθdを用いて位相推定値θdcを修正する。

Figure 0004797074
ここで、
Ka:微分ゲイン、Ta:一次遅れ時定数
である。 Therefore, the “stabilization compensator 8 (FIG. 1)” that is a characteristic configuration of the present embodiment will be described. The stabilization compensator 8 shown in FIG. 6 calculates a differential value of the d-axis current detection value Idc by the equation (16), and outputs a stabilization signal Δθd as a calculation result. Then, the adding unit 9 corrects the phase estimation value θdc using the stabilization signal Δθd shown in the equation (16).
Figure 0004797074
here,
Ka: differential gain, Ta: first-order lag time constant.

この、微分ゲインKa、一次遅れ時定数Taを(17)式に示すようにすると、

Figure 0004797074
ここに、
ξc:任意に設定する二次系の減衰係数である。
ここで、安定化補償部8を入れた場合における「軸誤差の指令値Δθc」から「軸誤差の推定値Δθc」までの、一巡伝達関数GΔθcn_d(s)を求めると、
Figure 0004797074
となる。(13)式の関係が成立する高速域の範囲では、
(18)式を、(19)式に示すGΔθcn_d_a(s)に近似することが可能となる。
Figure 0004797074

ここで、Ke=Ke、R=R、Ld= Ld、Lq= Lqと仮定すると、(20)式に示すGΔθcn_d_b(s)を得る。
Figure 0004797074

(20)式中の二次遅れ要素は、(21)式で示すG(s)となる。
Figure 0004797074

二次遅れ要素の一般系は、(22)式で示すGa(s)ある。
Figure 0004797074

ここで、
ωn:固有周波数、ξ:減衰係数
である。(22)式に、(21)式を当てはめると、固有周波数ωnと減衰係数ζとは(23)式となる。
Figure 0004797074
(23)式において、モータ自体の減衰係数ξは、
Figure 0004797074

となる。(24)式より、高速域(ωr:大)では減衰係数ξが小さくなることが分かる。これが、軸誤差の推定値Δθcが不安定となる原因である。 When the differential gain Ka and the first-order lag time constant Ta are expressed by the equation (17),
Figure 0004797074
here,
ξc: A damping coefficient of a secondary system set arbitrarily.
Here, when the one-round transfer function GΔθcn_d (s) from “axis error command value Δθc * ” to “axis error estimated value Δθc” when the stabilization compensator 8 is inserted,
Figure 0004797074
It becomes. In the range of the high speed range where the relationship of equation (13) holds,
The equation (18) can be approximated to GΔθcn_d_a (s) shown in the equation (19).
Figure 0004797074

Here, assuming that Ke * = Ke, R * = R, Ld * = Ld, and Lq * = Lq, GΔθcn_d_b (s) shown in Equation (20) is obtained.
Figure 0004797074

The second-order lag element in the equation (20) is G (s) shown in the equation (21).
Figure 0004797074

A general system of second-order lag elements is Ga (s) represented by the equation (22).
Figure 0004797074

here,
ωn: natural frequency, ξ: damping coefficient. When the equation (21) is applied to the equation (22), the natural frequency ωn and the attenuation coefficient ζ become the equation (23).
Figure 0004797074
In the equation (23), the damping coefficient ξ 0 of the motor itself is
Figure 0004797074

It becomes. From the equation (24), it can be seen that the damping coefficient ξ 0 is small in the high speed range (ωr: large). This is the reason why the estimated value Δθc of the axis error becomes unstable.

そこで、制御側ではモータ回転周波数ωrに無関係とする「新しい減衰係数ξc」を導入(ξc≫ξ設定)することにより、(20)式を(25)式に示すGΔθcn_d_c(s)のように変化させる。

Figure 0004797074

(25)式に含まれる二次遅れ要素のゲインの大きさ|G_b(s)|は、
Figure 0004797074

となる。 Therefore, by introducing a “new damping coefficient ξc” that is irrelevant to the motor rotational frequency ωr on the control side (ξc >> ξ 0 setting), the equation (20) is expressed as GΔθcn_d_c (s) shown in the equation (25). To change.
Figure 0004797074

The magnitude of the gain of the second-order lag element included in the equation (25) | G_b (s) |
Figure 0004797074

It becomes.

ここで、ξc=0.5に設定すれば、(27)式に示すように、モータ回転周波数ωrのゲイン成分を「1」にすることができる。

Figure 0004797074

減衰係数ξcは0を超えた値で設定すれば、減衰の効果が現れる。
ここでは、ξc=0.5で設定したが、ξc>0 で設定すればよい。
(18)式に示す一巡伝達関数において、ωr=2π・400[rad/s]、FPLL=16[Hz]、ξc=0.5を代入した周波数特性を図7に示す。 Here, if ξc = 0.5, the gain component of the motor rotation frequency ωr can be set to “1” as shown in the equation (27).
Figure 0004797074

If the attenuation coefficient ξc is set to a value exceeding 0, the effect of attenuation appears.
Here, ξc = 0.5, but ξc> 0 may be set.
FIG. 7 shows frequency characteristics obtained by substituting ωr = 2π · 400 [rad / s], F PLL = 16 [Hz], and ξc = 0.5 in the round transfer function shown in the equation (18).

本実施形態の安定化補償部8(図6)を用いると、c点成分のゲイン特性を十分に低下させていることが分かる。
図8は、図3に用いたFPLL=16Hzと同じ値を設定したときの制御特性図である。従来では図3に示すような不安定となるB区間においても、本実施形態の構成により、軸誤差の推定値Δθcが、発散せず安定に動作している様子が分かる。なお、一次電流I1の最大値は15[A]程度であり(図8(b)参照)、軸誤差推定値Δθcの最大値は20[deg]である(図8(c)参照)。
When the stabilization compensator 8 (FIG. 6) of the present embodiment is used, it can be seen that the gain characteristic of the point c component is sufficiently lowered.
FIG. 8 is a control characteristic diagram when the same value as F PLL = 16 Hz used in FIG. 3 is set. Conventionally, it can be seen that in the unstable B section as shown in FIG. 3, the configuration of the present embodiment shows that the estimated value Δθc of the axis error operates stably without divergence. The maximum value of the primary current I1 is about 15 [A] (see FIG. 8B), and the maximum value of the axis error estimated value Δθc is 20 [deg] (see FIG. 8C).

本実施形態によれば、電気時定数(抵抗値とインダクタンス値との比率)が小さなモータから、電気時定数が大きなモータまで、加減速運転中の軸誤差を最小限に抑制し、高効率運転を実現することができる。   According to this embodiment, from a motor with a small electrical time constant (ratio of resistance value and inductance value) to a motor with a large electrical time constant, the shaft error during acceleration / deceleration operation is minimized, and high efficiency operation is performed. Can be realized.

(第2実施形態)
図9は、本発明の第2実施形態である制御システムの構成図である。
第1実施形態の永久磁石モータ1の制御装置100では、d軸の微分演算値である安定化信号Δθdで位相指令値θdcを修正したが、第2実施形態の制御装置100aは、q軸の微分演算値Δθqを用いて位相指令値θdcを修正するように構成されている。
図9において、制御システム200aは、制御装置100aと永久磁石モータ1と電力変換器2とを備え、制御装置100aは、ベクトル制御部150aと基準軸修正部155aとを備えている。
符号1〜7、10〜12、22が示すものは、図1が示す構成要素と同一である。
図9,10に示す安定化補償部8aは、q軸電流検出値Iqcの微分値を用いて位相推定値θdcを修正する。また、安定化信号Δθqは、(28)式に示す演算により求められる。

Figure 0004797074
ここで、Kb を(29)式に示すようにすると、
Figure 0004797074
となる。ここで、
ξc:任意に設定する二次系の減衰係数である。 (Second Embodiment)
FIG. 9 is a configuration diagram of a control system according to the second embodiment of the present invention.
In the control device 100 for the permanent magnet motor 1 according to the first embodiment, the phase command value θdc is corrected with the stabilization signal Δθd that is the d-axis differential calculation value. However, the control device 100a according to the second embodiment The phase command value θdc is modified using the differential operation value Δθq.
9, the control system 200a includes a control device 100a, a permanent magnet motor 1, and a power converter 2, and the control device 100a includes a vector control unit 150a and a reference axis correction unit 155a.
1 to 7, 10 to 12, and 22 are the same as the components shown in FIG. 1.
The stabilization compensator 8a shown in FIGS. 9 and 10 corrects the phase estimation value θdc using the differential value of the q-axis current detection value Iqc. Further, the stabilization signal Δθq is obtained by the calculation shown in the equation (28).
Figure 0004797074
Here, when Kb is expressed by equation (29),
Figure 0004797074
It becomes. here,
ξc: A damping coefficient of a secondary system set arbitrarily.

加算部9aは、位相推定値θdcと安定化信号Δθqを加算して、新しい位相推定値θdc_bを演算し、演算結果を修正軸として座標変換部12に出力する。
ここで、安定化補償部8aを入れた場合における「軸誤差の指令値Δθc」から「軸誤差の推定値Δθc」までの、一巡伝達関数GΔθcn_q(s)を求めると、(30)式となり、

Figure 0004797074
(20)式に示す一巡伝達関数GΔθcn_d_b(s)と同一になる。
つまり、第2実施形態の構成を用いても、第1実施形態と等価な効果を奏することができる。 The adding unit 9a adds the phase estimation value θdc and the stabilization signal Δθq, calculates a new phase estimation value θdc_b, and outputs the calculation result to the coordinate conversion unit 12 as a corrected axis.
Here, when the round transfer function G Δθcn_q (s) from the “axis error command value Δθc * ” to the “axis error estimated value Δθc” when the stabilization compensator 8 a is inserted, the equation (30) is obtained. And
Figure 0004797074
This is the same as the one-round transfer function G Δθcn_d_b (s) shown in the equation (20).
That is, even if the configuration of the second embodiment is used, an effect equivalent to that of the first embodiment can be obtained.

(第3実施形態)
図11は、本発明の第3実施形態の制御システムの構成図である。
第1実施形態、及び第2実施形態では、周波数推定部6に設定する制御応答周波数FPLLの大きさとは無関係に、安定化補償により位相推定値θdcを修正したが、本実施形態は、制御応答周波数FPLLの大きさにより安定化補償の入切動作を行う方式である。
図11において、制御システム200bは、制御装置100bと永久磁石モータ1と電力変換器2とを備え、制御装置100bは、ベクトル制御部150bと基準軸修正部155bとを備えている。ベクトル制御部150bは、FPLL61と周波数推定部6aを備え、基準軸推定部155bは、安定化補償部8bと加算部9bとを備えている。なお、図11において、符号1〜5、7、10〜12、22が示す構成要素は、図1の構成要素と同一である。
PLL61は、周波数推定部に設定する制御応答周波数FPLL_setを出力する。
(Third embodiment)
FIG. 11 is a configuration diagram of a control system according to the third embodiment of the present invention.
First embodiment, and in the second embodiment, regardless of the magnitude of the control response frequency F PLL to be set to the frequency estimation unit 6 has been modified to phase estimate θdc by stability compensation, this embodiment, the control This is a method of performing on / off operation of stabilization compensation according to the magnitude of the response frequency F PLL .
In FIG. 11, the control system 200b includes a control device 100b, a permanent magnet motor 1, and a power converter 2, and the control device 100b includes a vector control unit 150b and a reference axis correction unit 155b. The vector control unit 150b includes an F PLL 61 and a frequency estimation unit 6a, and the reference axis estimation unit 155b includes a stabilization compensation unit 8b and an addition unit 9b. In FIG. 11, the constituent elements denoted by reference numerals 1 to 5, 7, 10 to 12, and 22 are the same as the constituent elements in FIG.
The F PLL 61 outputs a control response frequency F PLL — set to be set in the frequency estimation unit.

周波数推定部6aは、制御応答周波数FPLL_setを用いて、比例ゲインKp_setを(31)式に示すように設定する。

Figure 0004797074
Frequency estimation unit 6a, using the control response frequency F PLL _ The set, is set to indicate the proportional gain Kp_set to (31) below.
Figure 0004797074

安定化補償部8bは、制御応答周波数FPLL_setが(15)式の条件を満たさない場合のみ、安定化信号Δθdを出力するように構成されている。つまり、本実施形態では、軸誤差の推定値Δθcが不安定となる領域のみ、位相指令値θdcの修正を行っている。本実施形態を用いても、第1実施形態と等価な効果を奏することができる。 Stability compensation unit 8b, only if the control response frequency F PLL _ The set is (15) is not satisfied expression conditions, and is configured to output a stabilized signal .DELTA..theta.d. That is, in the present embodiment, the phase command value θdc is corrected only in the region where the estimated value Δθc of the axis error is unstable. Even if this embodiment is used, an effect equivalent to that of the first embodiment can be obtained.

(第4実施形態)
図12は、本発明の第4実施形態である永久磁石モータ1の制御システムの構成図である。
第1実施形態、及び第2実施形態では、周波数推定値ω1cの大きさとは無関係に、安定化補償により位相指令値θdcを修正したが、本実施形態では、周波数推定値ω1cの大きさにより安定化補償の入切動作を行っている。
制御システム200cは、制御装置100cと永久磁石モータ1と電力変換器2とを備え、制御装置100cは、ベクトル制御部150cと基準軸修正部155cとを備えている。
図において、基準軸修正部155cは、安定化補償部8cを備えているが、符号1〜7、9〜12、22が示す構成要素は、図1と同一である。
(Fourth embodiment)
FIG. 12 is a configuration diagram of a control system for the permanent magnet motor 1 according to the fourth embodiment of the present invention.
In the first embodiment and the second embodiment, the phase command value θdc is corrected by the stabilization compensation regardless of the magnitude of the frequency estimation value ω1c. However, in this embodiment, the phase estimation value ω1c is stabilized by the magnitude of the frequency estimation value ω1c. ON / OFF operation of compensation is performed.
The control system 200c includes a control device 100c, a permanent magnet motor 1, and a power converter 2, and the control device 100c includes a vector control unit 150c and a reference axis correction unit 155c.
In the figure, the reference axis correcting unit 155c includes a stabilization compensator 8c, but the components indicated by reference numerals 1 to 7, 9 to 12, and 22 are the same as those in FIG.

高速域の範囲とは、(13)式を満足する範囲であり、モータ回転周波数ωrの代わりに、周波数推定値ω1cを用いて、ω1cについて整理すると、

Figure 0004797074

となる。
安定化補償部8cは、周波数推定値ω1cが(32)式の条件を満たす場合のみ、安定化信号Δθdを出力する。
つまり、本実施形態では高速領域のみ、安定化信号Δθdを用いて、位相指令値θdcの修正を行っている。
本実施形態を用いても、第1実施形態と等価な効果を奏することができる。 The range of the high speed range is a range that satisfies the equation (13). If the estimated frequency value ω1c is used instead of the motor rotation frequency ωr,
Figure 0004797074

It becomes.
The stabilization compensator 8c outputs the stabilization signal Δθd only when the frequency estimation value ω1c satisfies the condition of the equation (32).
That is, in this embodiment, the phase command value θdc is corrected using the stabilization signal Δθd only in the high-speed region.
Even if this embodiment is used, an effect equivalent to that of the first embodiment can be obtained.

(第5実施形態)
図13は、本発明の第5実施形態である永久磁石モータの制御システムの構成図である。
制御システム200dは、制御装置100dと永久磁石モータ1と電力変換器2とを備え、制御装置100dは、ベクトル制御部150dを備えている。
ベクトル制御部150dは、d軸電流制御演算部13、q軸電流制御演算部14、及び加算部23、24を備え、制御装置100dは、d軸電流制御演算部13に加算部23を介して接続される速度制御演算部15が備えられている。なお、図13において、符号1〜5、7〜9、12、22が示す構成要素は、図1と同一である。
(Fifth embodiment)
FIG. 13 is a configuration diagram of a permanent magnet motor control system according to the fifth embodiment of the present invention.
The control system 200d includes a control device 100d, a permanent magnet motor 1, and a power converter 2, and the control device 100d includes a vector control unit 150d.
The vector control unit 150d includes a d-axis current control calculation unit 13, a q-axis current control calculation unit 14, and addition units 23 and 24. The control device 100d is connected to the d-axis current control calculation unit 13 via the addition unit 23. A connected speed control calculation unit 15 is provided. In FIG. 13, the components indicated by reference numerals 1 to 5, 7 to 9, 12, and 22 are the same as those in FIG.

速度制御演算部15は、周波数指令値ωrと周波数推定値ω1cとの偏差が入力され、q軸電流指令値Iqを演算する。周波数推定部6は、「零」に設定された軸誤差の指令値Δθcと軸誤差の推定値Δθcとの偏差を(比例+積分)演算し、周波数推定値ω1cを出力する。速度制御演算部15は、周波数指令値ωrと周波数推定値ω1cとの偏差から、第1q軸電流指令値Iqを出力する。d軸電流制御演算部13は、「零」に設定された第1d軸電流指令値Idとd軸電流検出値Idcとの偏差から第2d軸電流指令値Id**を出力する。q軸電流制御演算部14は、q軸電流指令値Iqとq軸電流検出値Iqcとの偏差から第2q軸電流指令値Iq**を出力する。 The speed control calculation unit 15 receives the deviation between the frequency command value ωr * and the frequency estimation value ω1c, and calculates the q-axis current command value Iq * . The frequency estimation unit 6 calculates (proportional + integral) the deviation between the axial error command value Δθc * set to “zero” and the axial error estimation value Δθc, and outputs the estimated frequency value ω1c. The speed control calculation unit 15 outputs the first q-axis current command value Iq * from the deviation between the frequency command value ωr * and the frequency estimated value ω1c. The d-axis current control calculation unit 13 outputs the second d-axis current command value Id ** from the deviation between the first d-axis current command value Id * set to “zero” and the d-axis current detection value Idc. The q-axis current control calculation unit 14 outputs a second q-axis current command value Iq ** from the deviation between the q-axis current command value Iq * and the q-axis current detection value Iqc.

ベクトル制御演算部11aは、永久磁石モータ1の電気定数と第2d軸電流指令値Id**、第2q軸電流指令値Iq**、及び周波数推定値ω1cを用いて、(33)式に従い、d軸電圧指令値Vdc、及びq軸電圧指令値Vqcを出力する。

Figure 0004797074
The vector control calculation unit 11a uses the electrical constant of the permanent magnet motor 1, the second d-axis current command value Id ** , the second q-axis current command value Iq ** , and the frequency estimation value ω1c according to the equation (33), The d-axis voltage command value Vdc * and the q-axis voltage command value Vqc * are output.
Figure 0004797074

このように、d軸電流制御演算部13、及びq軸電流制御演算部14を設けたベクトル制御装置においても、第1実施形態と同様な効果を得ることができる。
また、本実施形態では、d軸の微分演算値Δθdで位相指令値θdcを修正する図1の方式を用いているが、q軸の微分演算値Δθqで位相指令値θdcを修正する方式においても同様の効果が得られる。
Thus, also in the vector control device provided with the d-axis current control calculation unit 13 and the q-axis current control calculation unit 14, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Further, in the present embodiment, the method of FIG. 1 is used in which the phase command value θdc is corrected with the d-axis differential calculation value Δθd, but in the method of correcting the phase command value θdc with the q-axis differential calculation value Δθq. Similar effects can be obtained.

(第6実施形態)
図14は、本発明の第6実施形態の永久磁石モータの制御システムの構成図である。
本実施形態は、弱め界磁制御を行い、d軸電流制御演算部、及びq軸電流制御演算部を設けた制御装置に、本発明を適用したものである。第6実施形態の制御システム200eは、永久磁石モータ1と電力変換器2と位置検出器25と制御装置100eとを備え、制御装置100eは、ベクトル制御部150eを備えている。
ベクトル制御部150eは、周波数演算部6bと、電圧ベクトル演算部11bと、d軸電流制御演算部13aと、q軸電流制御演算部14aと、q軸電流偏差切替部18と、d軸電流偏差切替部17と、位相誤差指令演算部30と、出力電圧制限検出部35とを備えている。なお、図において、符号1〜4、9、12、22が示す構成要素は、図13のものと同一である。
(Sixth embodiment)
FIG. 14 is a configuration diagram of a control system for a permanent magnet motor according to the sixth embodiment of the present invention.
In the present embodiment, the present invention is applied to a control device that performs field-weakening control and includes a d-axis current control calculation unit and a q-axis current control calculation unit. A control system 200e of the sixth embodiment includes a permanent magnet motor 1, a power converter 2, a position detector 25, and a control device 100e, and the control device 100e includes a vector control unit 150e.
The vector control unit 150e includes a frequency calculation unit 6b, a voltage vector calculation unit 11b, a d-axis current control calculation unit 13a, a q-axis current control calculation unit 14a, a q-axis current deviation switching unit 18, and a d-axis current deviation. A switching unit 17, a phase error command calculation unit 30, and an output voltage limit detection unit 35 are provided. In the figure, the constituent elements denoted by reference numerals 1 to 4, 9, 12, and 22 are the same as those in FIG.

位置検出器25は、レゾルバ、エンコーダ、ホールIC、ホール素子などにより構成され、永久磁石モータ1の回転位置(回転角)を検出し、位置検出値θdを出力する。
周波数演算部6bでは、この位置検出値θdを用いて、(34)式により、一次周波数の周波数演算値ω1を求める。

Figure 0004797074
加算部9bは、位置検出値θdと安定化信号Δθdとを加算して、新たな位相推定値θdc_eを座標変換部12に出力する。 The position detector 25 includes a resolver, an encoder, a Hall IC, a Hall element, and the like, detects the rotational position (rotational angle) of the permanent magnet motor 1, and outputs a position detection value θd.
The frequency calculation unit 6b uses the position detection value θd to obtain the frequency calculation value ω1 of the primary frequency according to the equation (34).
Figure 0004797074
The adder 9 b adds the position detection value θd and the stabilization signal Δθd, and outputs a new phase estimation value θdc_e to the coordinate converter 12.

電圧ベクトル演算部11bは、永久磁石モータ1の電気定数と第2電流指令値Id**、第2q軸電流指令値Iq**、及び周波数演算値ω1、位相差の指令値Δθcに基づいて電圧指令値Vdc**、電圧指令値Vqc**を演算する。d軸電流制御演算部13aは、d軸電流偏差切替部17の出力値ΔId1から第2d軸電流指令値Id**を出力する。q軸電流制御演算部14aは、q軸電流偏差切替部18の出力値ΔIq2から第2q軸電流指令値Iq**を出力する。 The voltage vector calculation unit 11b is based on the electric constant of the permanent magnet motor 1, the second current command value Id ** , the second q-axis current command value Iq ** , the frequency calculation value ω1, and the phase difference command value Δθc *. The voltage command value Vdc ** and the voltage command value Vqc ** are calculated. The d-axis current control calculation unit 13a outputs the second d-axis current command value Id ** from the output value ΔId1 of the d-axis current deviation switching unit 17. The q-axis current control calculation unit 14a outputs the second q-axis current command value Iq ** from the output value ΔIq2 of the q-axis current deviation switching unit 18.

位相誤差指令演算部30は、q軸電流偏差切替部18の出力値ΔIq1から位相誤差の指令値Δθcを出力する。出力電圧制限検出部35は、d軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqcから電力変換器2の出力電圧値V1を演算し、
電圧値V1が電圧制限値V1maxより小さい場合は、
出力電圧制限フラグV1lmt_flgを「0」に設定し、
電圧値V1がV1maxに到達した場合は、出力電圧制限フラグV1lmt_flgを「1」に設定する。
The phase error command calculation unit 30 outputs a phase error command value Δθc * from the output value ΔIq1 of the q-axis current deviation switching unit 18. The output voltage limit detection unit 35 calculates the output voltage value V1 * of the power converter 2 from the d-axis voltage command value Vdc * and the q-axis voltage command value Vqc * ,
When the voltage value V1 * is smaller than the voltage limit value V1 * max,
Set the output voltage limit flag V1 * lmt_flg to “0”,
When the voltage value V1 * reaches V1 * max, the output voltage limit flag V1 * lmt_flg is set to “1”.

d軸電流偏差切替部17は、出力電圧制限フラグV1lmt_flgを用いて、d軸電流指令値Idとd軸電流検出値Idcとの偏差ΔId1あるいは「ゼロ」を出力する。q軸電流偏差切替部18は、出力電圧制限フラグV1lmt_flgを用いて、q軸電流指令値Iqと電流検出値Iqcとの偏差、あるいは「ゼロ」を、それぞれどちらかに、ΔIq1、ΔIq2として出力する。 The d-axis current deviation switching unit 17 outputs a deviation ΔId1 or “zero” between the d-axis current command value Id * and the d-axis current detection value Idc using the output voltage limit flag V1 * lmt_flg. The q-axis current deviation switching unit 18 uses the output voltage limit flag V1 * lmt_flg to set the deviation between the q-axis current command value Iq * and the current detection value Iqc, or “zero”, to either ΔIq1, ΔIq2, respectively. Output as.

ここで、位相誤差指令演算部30の動作について説明する。
位相誤差指令演算部30では、出力電圧制限フラグV1lmt_flg が「1」のとき、第1q軸電流指令値Iqとq軸電流検出値Iqcの偏差(=ΔIq)を(比例+積分)演算し、その演算値が、軸誤差の指令値Δθcとして算出される。
このとき、電圧ベクトル演算部11bのベクトル演算では、d軸電流制御演算部13a、及びq軸電流制御演算部14aの入力信号ΔId1、ΔIq2は、共に「ゼロ」で、出力値Id**、Iq**の演算は更新されず、前回値を保持した状態となる。
(31)式で示したd軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqcは一定値となることがわかる。
次に、軸誤差の指令値Δθcとd軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqcにより、(35)式に示したように新しいd軸電圧指令値Vdc**、q軸電圧指令値Vqc**が演算される。

Figure 0004797074
Here, the operation of the phase error command calculation unit 30 will be described.
In the phase error command calculation unit 30, when the output voltage limit flag V1 * lmt_flg is “1”, a deviation (= ΔIq) between the first q-axis current command value Iq * and the q-axis current detection value Iqc is calculated (proportional + integration). The calculated value is calculated as a command value Δθc * for the axis error.
At this time, in the vector calculation of the voltage vector calculation unit 11b, the input signals ΔId1, ΔIq2 of the d-axis current control calculation unit 13a and the q-axis current control calculation unit 14a are both “zero”, and the output values Id ** , Iq The calculation of ** is not updated and the previous value is retained.
It can be seen that the d-axis voltage command value Vdc * and the q-axis voltage command value Vqc * shown in the equation (31) are constant values.
Next, a new d-axis voltage command value Vdc ** , q-axis voltage is obtained from the axis error command value Δθc * , the d-axis voltage command value Vdc * , and the q-axis voltage command value Vqc * as shown in the equation (35). Command value Vqc ** is calculated.
Figure 0004797074

つまり、出力電圧値V1が制限されている領域では、q軸の電流指令値Iqと電流検出値Iqcが一致するように、制御軸とモータの磁束軸との位相誤差である軸誤差Δθ(=θdc−θ)を介して、出力電圧値V1を制御する。すると、d軸電流指令値Idを発生させない(ゼロ)まま、弱め界磁制御を実現することができる。
このような、弱め界磁制御を行い、d軸電流制御演算部13a、及びq軸電流制御演算部14aを設けた制御装置100eにおいても、位相誤差指令演算部30に設定する制御応答周波数を高く設定することができる。
また、本実施形態では、d軸の微分演算値Δθdで位相指令値θdcを修正する方式を用いているが、q軸の微分演算値Δθqで位相指令値θdcを修正する方式においても同様の効果が得られる。
That is, in the region where the output voltage value V1 * is limited, the axis error Δθ, which is a phase error between the control axis and the magnetic flux axis of the motor, so that the q-axis current command value Iq * matches the current detection value Iqc. The output voltage value V1 * is controlled via (= θdc−θ). Then, field weakening control can be realized without generating the d-axis current command value Id * (zero).
In the control device 100e that performs such field weakening control and includes the d-axis current control calculation unit 13a and the q-axis current control calculation unit 14a, the control response frequency set in the phase error command calculation unit 30 is set high. be able to.
In the present embodiment, a method of correcting the phase command value θdc with the d-axis differential calculation value Δθd is used. However, the same effect can be obtained with a method of correcting the phase command value θdc with the q-axis differential calculation value Δθq. Is obtained.

(第7実施形態)
図15は、第7実施形態のスクリュー圧縮機の構成図である。
スクリュー圧縮機300は、制御装置150と、電力変換器2と、モータ&圧縮機19とを備え、操作パネル20を用いて制御するように構成されている。なお、図1の符号2〜12が示す構成要素が、ソフトウェア、ハードウェア回路により実現されている。
本発明をスクリュー圧縮機に適用すれば、高応答・高精度な制御特性を実現することができる。
(Seventh embodiment)
FIG. 15 is a configuration diagram of the screw compressor of the seventh embodiment.
The screw compressor 300 includes a control device 150, a power converter 2, and a motor & compressor 19, and is configured to be controlled using the operation panel 20. Note that the components indicated by reference numerals 2 to 12 in FIG. 1 are implemented by software and hardware circuits.
If the present invention is applied to a screw compressor, it is possible to realize a control characteristic with high response and high accuracy.

ここまでは、
第1実施形態、及び第2実施形態において、d軸電流制御演算部、及びq軸電流制御演算部を持たずに、d軸電流指令Id(=0)とq軸電流検出値Iqcの一次遅れ信号Iqctd、速度指令値ωrと永久磁石モータ1の電気定数を用いてベクトル制御演算を行い、
第5実施形態において、第1d軸電流指令値Id、及び第1q軸電流指令値Iqとd軸電流検出値Idc、及びq軸電流検出値Iqcとから、第2d軸電流指令値Id**、第2q軸電流指令値Iq**を作成して、この第2の電流指令値を用いてベクトル制御演算を行ったが、
第1d軸電流指令値Id、及び第1q軸電流指令値Iqと、d軸電流検出値Idc、及びq軸電流検出値Iqcから、電圧補正値ΔVd、ΔVqを作成して、この電圧補正値ΔVd、ΔVqと、第1d軸電流指令値Id、第1q軸電流指令値Iq、周波数推定値ω1c、及び永久磁石モータ1の電気定数を用いて、(36)式に従い、d軸電圧指令値Vdc、q軸電圧指令値Vqcを演算するベクトル制御演算方式にも適用することができる。

Figure 0004797074
また、第1実施形態乃至第3実施形態では、高価な電流検出器3で検出した3相の交流電流iu、iv、iwを検出する方式であったが、電力変換器2の過電流検出用に取り付けているワンシャント抵抗器に流れる直流電流から、3相のモータ電流iu^、iv^、iw^を再現し、この再現電流値を用いる「低コストなシステム」にも対応することができる。 So far
In the first embodiment and the second embodiment, the d-axis current control Id * (= 0) and the primary value of the q-axis current detection value Iqc are provided without the d-axis current control calculation unit and the q-axis current control calculation unit. Vector control calculation is performed using the delay signal Iqctd, the speed command value ωr * and the electrical constant of the permanent magnet motor 1,
In the fifth embodiment, the second d-axis current command value Id * is calculated from the first d-axis current command value Id * , the first q-axis current command value Iq * , the d-axis current detection value Idc, and the q-axis current detection value Iqc . * The second q-axis current command value Iq ** was created and the vector control calculation was performed using this second current command value.
From the first d-axis current command value Id * , the first q-axis current command value Iq * , the d-axis current detection value Idc, and the q-axis current detection value Iqc, voltage correction values ΔVd * and ΔVq * are created. Using the voltage correction values ΔVd * and ΔVq * , the first d-axis current command value Id * , the first q-axis current command value Iq * , the estimated frequency value ω1c, and the electrical constant of the permanent magnet motor 1, according to the equation (36) , D-axis voltage command value Vdc * and q-axis voltage command value Vqc * can be applied to a vector control calculation method.
Figure 0004797074
In the first to third embodiments, the three-phase AC currents iu, iv, and iw detected by the expensive current detector 3 are detected. However, the overcurrent detection for the power converter 2 is performed. The three-phase motor currents iu ^, iv ^, iw ^ can be reproduced from the direct current flowing through the one-shunt resistor attached to the, and the "low cost system" using this reproduced current value can also be supported. .

1 永久磁石モータ
2 電力変換器
3 電流検出器
4 座標変換部
5 軸誤差推定部
6、6a 周波数推定部
6b 周波数演算部
7 位相推定部
8、8a、8b、8c 安定化補償部
9、9a、9b、16、22、23、24 加算部
10 ローパスフィルタ
11、11a ベクトル制御演算部
11b 電圧ベクトル演算部
12 座標変換部
13、13a d軸電流制御演算部
14、14a q軸電流制御演算部
15 速度制御演算部
17 d軸電流偏差切替部
18 q軸電流偏差切替部
19 モータ&圧縮機
20 操作パネル
21 直流電源
25 位置検出器
30 位相誤差指令演算部
35 出力電圧制限検出部
100,100a,100b,100c,100d,100e 制御装置
150,150a,150b,150c,150d,150e ベクトル制御部
155,155a,155b,155c,155d,155e 基準軸修正部
200,200a,200b,200c,200d,200e 制御システム
300 スクリュー圧縮機
Idc d軸電流検出値
Iqc q軸電流検出値
Id d軸電流指令値
Iq q軸電流指令値
Id** 第2d軸電流指令値
Iq** 第2q軸電流指令値
Vdc* d軸電圧指令値
Vqc* q軸電圧指令値
Vu、Vv、Vw 制御信号
Iqctd 一次遅れ値
I1 一次電流
ωr モータ回転周波数
ω1c 周波数推定値
ω1 周波数演算値
θdc 位相推定値
θdc_a、θdc_b、θdc_c、θdc_d 新たな位相推定値(他の位相推定値)
Δθd、Δθq 安定化信号(微分演算値、安定化補償値)
PLL 制御応答周波数
iu,iv,iw 交流電流(駆動電流)
iuc,ivc,iwc 電流検出値
Vd d軸電圧値
Vq q軸電圧値
Id d軸電流
Iq q軸電流
G 一巡伝達関数
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Permanent magnet motor 2 Power converter 3 Current detector 4 Coordinate conversion part 5 Axis error estimation part 6, 6a Frequency estimation part 6b Frequency calculation part 7 Phase estimation part 8, 8a, 8b, 8c Stabilization compensation part 9, 9a, 9b, 16, 22, 23, 24 Adder 10 Low-pass filter 11, 11a Vector control calculator 11b Voltage vector calculator 12 Coordinate converter 13, 13a d-axis current control calculator 14, 14a q-axis current control calculator 15 Speed Control calculation unit 17 d-axis current deviation switching unit 18 q-axis current deviation switching unit 19 Motor & compressor 20 Operation panel 21 DC power supply 25 Position detector 30 Phase error command calculation unit 35 Output voltage limit detection unit 100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e control device 150, 150a, 150b, 150c, 150d, 150e vector Control unit 155,155a, 155b, 155c, 155d, 155e reference axis correction portion 200,200a, 200b, 200c, 200d, 200e control system 300 screw compressor Idc d-axis current detection value Iqc q-axis current detection value Id * d-axis Current command value Iq * q-axis current command value Id ** Second d-axis current command value Iq ** Second q-axis current command value Vdc * d-axis voltage command value Vqc * q-axis voltage command value Vu * , Vv * , Vw * Control signal Iqctd Primary delay value I1 Primary current ωr Motor rotation frequency ω1c Frequency estimation value ω1 Frequency calculation value θdc Phase estimation value θdc_a, θdc_b, θdc_c, θdc_d New phase estimation value (other phase estimation values)
Δθd, Δθq Stabilization signal (differential calculation value, stabilization compensation value)
F PLL control response frequency iu, iv, iw AC current (drive current)
iuc, ivc, iwc Current detection value Vd d-axis voltage value Vq q-axis voltage value Id d-axis current Iq q-axis current G loop transfer function

Claims (9)

周波数指令値を目標値として、電力変換器を介して永久磁石モータをベクトル制御するベクトル制御部を備えた永久磁石モータの制御装置であって、
前記永久磁石モータに流れる電流検出値の変化分である微分演算値を用いて、前記ベクトル制御の基準となる制御軸を修正する基準軸修正部と、
前記制御軸を基準に、前記永久磁石モータの周波数推定値を積分して求めた位相推定値と前記永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差の推定演算を行う軸誤差推定部と、
前記軸誤差推定部の推定結果と、零が設定された軸誤差の指令値とが一致するように比例演算あるいは(比例+積分)演算し、周波数推定値を出力する周波数推定部と、をさらに備え、
前記基準軸修正部は、
前記比例演算あるいは(比例+積分)演算に設定する制御応答周波数が下記演算式FPLL_maxにより演算された値以上の場合に、前記微分演算値を演算することにより前記修正を行い
Figure 0004797074

Ld:d軸インダクタンス値 Lq:q軸インダクタンス値 R:抵抗値
前記ベクトル制御部は、
前記基準軸修正部により修正された修正軸を用いて前記ベクトル制御することを特徴とする永久磁石モータのベクトル制御装置。
A control device for a permanent magnet motor comprising a vector control unit for vector-controlling a permanent magnet motor via a power converter with a frequency command value as a target value,
A reference axis correction unit that corrects a control axis serving as a reference for the vector control using a differential operation value that is a change in a detected current value flowing through the permanent magnet motor ;
An axis error estimator for estimating an axis error that is a deviation between a phase estimated value obtained by integrating the frequency estimated value of the permanent magnet motor with respect to the control axis and a phase value of the permanent magnet motor;
A frequency estimator that performs a proportional operation or a (proportional + integral) operation so that an estimation result of the axial error estimator matches an axial error command value set to zero, and outputs a frequency estimated value; Prepared,
The reference axis correction unit is
When the control response frequency set for the proportional calculation or the (proportional + integral) calculation is equal to or greater than the value calculated by the following calculation formula FPLL_max , the correction is performed by calculating the differential calculation value ,
Figure 0004797074

Ld: d-axis inductance value Lq: q-axis inductance value R: resistance value The vector control unit
Vector controller for a permanent magnet motor, characterized in that the front Kibe vector control using a modified shaft that is corrected by the reference axis correction portion.
前記電流検出値は、d軸電流検出値あるいはq軸電流検出値であり、
前記基準軸修正部は、
前記周波数推定値を積分して前記位相推定値を演算する位相推定部と、
前記d軸電流検出値あるいは前記q軸電流検出値を用いて前記微分演算値を演算する安定化補償部と、
前記位相推定部が演算した前記位相推定値と、前記安定化補償部が演算した微分演算値とを加算して、他の位相推定値を演算する加算部とを備え、
前記ベクトル制御部は、
前記他の位相推定値の軸を前記修正軸として、前記d軸電圧指令値、及び前記q軸電圧指令値を3相の電圧指令値に変換して、この電圧指令値を前記電力変換器に出力すること
を特徴とする請求項に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置。
The current detection value is a d-axis current detection value or a q-axis current detection value,
The reference axis correction unit is
A phase estimator that integrates the frequency estimate and calculates the phase estimate;
A stability compensation unit for calculating the differential operation value using the d-axis current detection value or the q-axis current detection value,
The phase estimation value calculated by the phase estimation unit and the differential calculation value calculated by the stabilization compensation unit, and an addition unit for calculating another phase estimation value,
The vector control unit
Using the axis of the other phase estimation value as the correction axis, the d-axis voltage command value and the q-axis voltage command value are converted into a three-phase voltage command value, and this voltage command value is transferred to the power converter. The vector control device for a permanent magnet motor according to claim 1 , wherein the vector control device outputs the vector control device.
前記ベクトル制御部は、
回転座標系のd軸電流指令値、q軸電流指令値、d軸電流検出値、及びq軸電流検出値、並びに、前記周波数推定値を用いて、前記永久磁石モータの回転周波数と周波数指令値とが一致するように制御することを特徴とする請求項1に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置。
The vector control unit
D-axis current command value of the rotational coordinate system, a q-axis current command value, the d-axis current detection value, and the q-axis current detection value, as well, by using the frequency estimate, the rotation frequency and the frequency command of the permanent magnet motor 2. The permanent magnet motor vector control device according to claim 1, wherein the control is performed so that the values coincide with each other.
前記安定化補償部は、
軸電流検出値の微分信号に、任意の減衰率、及びモータ定数を用いて演算したゲインを乗算し、この乗算値をローパスフィルタに通すことにより、前記微分演算値を出力することを特徴とする請求項に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置。
The stabilization compensator is
wherein a differential signal of the d-axis current detection value, any attenuation rate, and multiplies the gain calculated using the motor constant, by passing the multiplied value to the low-pass filter, to output the differential operation value The vector control device for a permanent magnet motor according to claim 2 .
前記d軸電流検出値の微分演算値は、
ξc:任意の減衰率(0 <ξc <1)、s:ラプラス演算子
Ld:d軸インダクタンス値、Lq:q軸インダクタンス値
R:抵抗値、Ke:誘起電圧係数
Id:d軸電流
として、下記演算式Gd(s)
Figure 0004797074

により演算されることを特徴とする請求項又は請求項に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置。
Differential operation value of the d-axis current detection value,
ξc: Arbitrary damping ratio (0 <ξc <1), s: Laplace operator Ld: d-axis inductance value, Lq: q-axis inductance value R: resistance value, Ke: induced voltage coefficient Id: d-axis current Formula Gd (s)
Figure 0004797074

The vector control device for a permanent magnet motor according to claim 2 or 4 , wherein the vector control device is calculated by:
前記q軸電流検出値の微分演算値は、
q軸電流検出値の微分信号に、任意の減衰率とモータ定数及びモータ回転周波数情報を用いて演算したゲインを乗算すること
を特徴とする請求項又は請求項に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置。
The differential operation value of the q-axis current detection value is
the differential signal of the q-axis current detection value, as claimed in claim 2 or claim 4, characterized in that multiplying the gain calculated using any attenuation factor and the motor constant and a motor rotation frequency information of the permanent magnet motor Vector control device.
前記q軸電流検出値の微分演算値は、
ξc:任意の減衰率 0 <ξc <1、s:ラプラス演算子
Lq:q軸インダクタンス値、
R:抵抗値、Ke:誘起電圧係数、ω1c:周波数推定値
Iq:q軸電流
として、下記演算式Gq(s)
Figure 0004797074

にしたがって演算されることを特徴とする請求項又は請求項に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置。
Differential operation value of the q-axis current detection value,
ξc: Arbitrary damping rate 0 <ξc <1, s: Laplace operator Lq: q-axis inductance value,
R: resistance value, Ke: induced voltage coefficient, ω1c: estimated frequency value Iq: q-axis current, the following equation Gq (s)
Figure 0004797074

Vector controller for a permanent magnet motor according to claim 2 or claim 4, characterized in that it is calculated according to.
永久磁石モータと、
前記永久磁石モータを駆動する電力変換器と、
周波数指令値を目標値として、前記電力変換器を介して前記永久磁石モータをベクトル制御するベクトル制御装置と
を備えた永久磁石モータのベクトル制御システムであって、
前記ベクトル制御装置は、
前記永久磁石モータに流れる電流検出値の変化分である微分演算値を用いて、前記ベクトル制御の基準となる制御軸を修正する基準軸修正部と、
前記制御軸を基準に、前記永久磁石モータの周波数推定値を積分して求めた位相推定値と前記永久磁石モータの位相値との偏差である軸誤差の推定演算を行う軸誤差推定部と、
前記軸誤差推定部の推定結果と、零が設定された軸誤差の指令値とが一致するように比例演算あるいは(比例+積分)演算し、周波数推定値を出力する周波数推定部と、をさらに備え、
前記基準軸修正部は、
前記比例演算あるいは(比例+積分)演算に設定する制御応答周波数が下記演算式FPLL_maxにより演算された値以上の場合に、前記微分演算値を演算することにより前記修正を行い
Figure 0004797074

Ld:d軸インダクタンス値 Lq:q軸インダクタンス値 R:抵抗値
前記ベクトル制御部は、
前記基準軸修正部により修正された修正軸を用いて前記永久磁石モータをベクトル制御することを特徴とする永久磁石モータのベクトル制御システム。
A permanent magnet motor;
A power converter for driving the permanent magnet motor;
A vector control system of a permanent magnet motor comprising a vector control device for vector controlling the permanent magnet motor via the power converter with a frequency command value as a target value,
The vector controller is
A reference axis correction unit that corrects a control axis serving as a reference for the vector control using a differential operation value that is a change in a detected current value flowing through the permanent magnet motor;
An axis error estimator for estimating an axis error that is a deviation between a phase estimated value obtained by integrating the frequency estimated value of the permanent magnet motor with respect to the control axis and a phase value of the permanent magnet motor;
A frequency estimator that performs a proportional operation or a (proportional + integral) operation so that an estimation result of the axial error estimator matches an axial error command value set to zero, and outputs a frequency estimated value; Prepared,
The reference axis correction unit is
When the control response frequency set for the proportional calculation or the (proportional + integral) calculation is equal to or greater than the value calculated by the following calculation formula FPLL_max , the correction is performed by calculating the differential calculation value ,
Figure 0004797074

Ld: d-axis inductance value Lq: q-axis inductance value R: resistance value
The vector control unit
A vector control system for a permanent magnet motor, wherein the permanent magnet motor is vector-controlled using a correction shaft corrected by the reference axis correction unit .
請求項1乃至請求項の何れか1項に記載の永久磁石モータのベクトル制御装置を用いたスクリュー圧縮機。 A screw compressor using the vector controller for a permanent magnet motor according to any one of claims 1 to 7 .
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