JP4937766B2 - Voltage inverter control device - Google Patents

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Description

本発明は、電圧型インバータの制御装置に関し、詳しくは、半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧型インバータによって電動機を駆動する場合に、前記インバータの出力電圧に含まれる誤差や歪を補償するための制御装置に関するものである。   The present invention relates to a control device for a voltage-type inverter, and more specifically, when an electric motor is driven by a voltage-type inverter that outputs an AC voltage having a desired magnitude and frequency by turning on and off a semiconductor switching element, the output of the inverter The present invention relates to a control device for compensating for an error or distortion included in a voltage.

通常の電圧型インバータは、上下アームを構成するスイッチング素子を交互に導通させて所望の大きさ及び周波数の交流電圧を発生している。しかし、周知のようにスイッチング素子にはターンオフ時の動作遅れがあり、これによって上下アームが同時にオンすることによるアーム短絡を防ぐために、スイッチングパターンに短絡防止期間(デッドタイム)を設けている。
しかし、このデッドタイムに起因して、電圧型インバータの出力電圧は出力電圧指令に対して誤差を持つことになり、これによる出力電圧の歪が電動機駆動時のトルクリプルの原因となっている。
In a normal voltage type inverter, switching elements constituting upper and lower arms are alternately conducted to generate an AC voltage having a desired magnitude and frequency. However, as is well known, the switching element has an operation delay at the time of turn-off, and thereby a short-circuit prevention period (dead time) is provided in the switching pattern in order to prevent an arm short circuit due to the upper and lower arms being simultaneously turned on.
However, due to this dead time, the output voltage of the voltage type inverter has an error with respect to the output voltage command, and distortion of the output voltage due to this causes torque ripple when the motor is driven.

上述したデッドタイムに起因する出力電圧の歪を補償するための従来技術として、特許文献1に記載されているように、インバータの出力電圧指令及び出力電流に基づいて出力電圧歪を推定し、この推定値に基づいて出力電圧指令に加える補償信号の振幅(補償量)を調節する方法が知られている。
以下、この従来技術を、図2を参照しつつ説明する。
As described in Patent Document 1, as a conventional technique for compensating for the distortion of the output voltage due to the dead time described above, the output voltage distortion is estimated based on the output voltage command and output current of the inverter. A method for adjusting the amplitude (compensation amount) of a compensation signal added to an output voltage command based on an estimated value is known.
Hereinafter, this prior art will be described with reference to FIG.

図2において、101は電圧指令に比例した電圧を出力する電圧型PWM(パルス幅変調)インバータであり、102はインバータ101によって駆動される電動機である。
前記インバータ101において、破線で示したブロック101aは、前述したデッドタイムによる出力電圧歪Δvが、電流検出手段110により検出された出力電流iの極性に応じて発生することをモデル化したものである。
In FIG. 2, 101 is a voltage type PWM (pulse width modulation) inverter that outputs a voltage proportional to the voltage command, and 102 is an electric motor driven by the inverter 101.
In the inverter 101, a block 101 a indicated by a broken line models that the output voltage distortion Δv due to the dead time described above occurs according to the polarity of the output current i detected by the current detection unit 110. .

また、103は、回転磁界座標系における電動機102の磁束軸方向のd軸電圧指令v 、これに直交するq軸電圧指令v 及び位相基準信号θ(=ωt)が入力されて固定子座標系の出力電圧指令vを出力する座標変換手段、109は出力電圧指令vと後述する補償手段105からの補償信号Δvとを加算する加算手段、106は出力電流iを回転磁界座標系のd軸電流i及びq軸電流iに変換する座標変換手段、107はd軸電圧指令v 、q軸電圧指令v 、d軸電流i及びq軸電流iに基づいて電圧歪成分(補償残留成分)を推定する歪成分推定手段、108は推定した電圧歪成分と出力電流iとに基づいて補償量を調節する補償量調節手段、108aは電圧歪成分の極性反転手段、108bは出力電流iの極性に応じて切替信号を出力する極性検出手段、108cは前記切替信号により選択された歪成分推定手段107の出力またはその反転出力を積分する積分手段、105は出力電流iの極性に応じた補償信号Δvを前記加算手段109に出力する補償手段である。 Reference numeral 103 denotes an input of a d-axis voltage command v d * in the magnetic flux axis direction of the electric motor 102 in the rotating magnetic field coordinate system, a q-axis voltage command v q * and a phase reference signal θ * (= ω * t) orthogonal thereto. The coordinate transformation means for outputting the output voltage command v * of the stator coordinate system, 109 is the addition means for adding the output voltage command v * and the compensation signal Δv * from the compensation means 105 described later, and 106 is the output current i. Is converted into a d-axis current i d and a q-axis current i q in a rotating magnetic field coordinate system, 107 is a d-axis voltage command v d * , a q-axis voltage command v q * , a d-axis current id and a q-axis Distortion component estimation means for estimating a voltage distortion component (compensation residual component) based on the current i q , 108 is a compensation amount adjustment means for adjusting the compensation amount based on the estimated voltage distortion component and the output current i, and 108 a is a voltage Means for inverting polarity of distortion component, 108 b is a polarity detecting means for outputting a switching signal according to the polarity of the output current i, 108c is an integrating means for integrating the output of the distortion component estimating means 107 selected by the switching signal or its inverted output, and 105 is the output current i. Compensation means for outputting a compensation signal Δv * corresponding to the polarity to the adding means 109.

上記構成において、出力電圧歪Δvは、各軸の電圧指令v ,v からインバータ101の出力電圧までの経路において、歪成分が作用するモデルによって推定することができ、歪成分推定手段107は、d軸電圧指令v 、q軸電圧指令v 、d軸電流i及びq軸電流iを用いて外乱オブザーバの原理に従い電圧歪成分を推定する。そして、この電圧歪成分が零に近付くように、補償量調節手段108により補償手段105からの補償信号Δvを制御し、これを加算手段109にて元の出力電圧指令vに加算して出力電圧歪Δvの最小化を図っている。 In the above configuration, the output voltage distortion Δv can be estimated by a model in which a distortion component acts on a path from the voltage command v d * , v q * of each axis to the output voltage of the inverter 101, and distortion component estimation means 107 estimates a voltage distortion component according to the principle of a disturbance observer using the d-axis voltage command v d * , the q-axis voltage command v q * , the d-axis current i d and the q-axis current i q . The compensation amount adjusting means 108 controls the compensation signal Δv * from the compensation means 105 so that the voltage distortion component approaches zero, and the addition means 109 adds it to the original output voltage command v *. The output voltage distortion Δv is minimized.

すなわち、上記補償信号Δvを元の出力電圧指令vに加算して出力電圧歪Δvをフィードフォワード制御することにより、出力電圧vにΔvが含まれるのを抑制して出力電圧歪を補償している。この補償信号の振幅(補償量)は、電圧歪成分の振幅に一致する場合に最も補償効果が大きく、それより過大または過小でも補償残留成分が発生するので、この従来技術では、補償量調節手段108によって補償量の過不足を判別し、その判別結果により補償手段105を介して補償量を最適値に制御している。 That is, by adding the compensation signal Δv * to the original output voltage command v * and performing feedforward control of the output voltage distortion Δv, the output voltage v is suppressed from being included by compensating for the output voltage distortion. ing. The amplitude of the compensation signal (compensation amount) has the largest compensation effect when it matches the amplitude of the voltage distortion component, and a compensation residual component is generated even if it is larger or smaller than that. Whether the compensation amount is excessive or insufficient is determined by 108, and the compensation amount is controlled to the optimum value via the compensation means 105 based on the determination result.

特許第3536114号公報(段落[0007]〜[0012]、図1等)Japanese Patent No. 3536114 (paragraphs [0007] to [0012], FIG. 1 etc.)

上記従来技術において、外乱オブザーバとしての歪成分推定手段107により推定した電圧歪成分には、電動機102の逆起電力(速度起電力)も含まれるため、推定した歪成分をそのまま用いて出力電圧指令を補償することができない。このため、補償量調節手段108及び補償手段105を用いて補償量を調整する必要がある。
これらの補償量調節手段108及び補償手段105では、電圧歪成分の波形に基づいて、積分やその積分値の差演算等を行って過補償または不足補償を判別し、その判別結果に応じて補償量を決定するという複雑な処理を行っており、これらが回路構成の複雑化や演算負荷の増大を招いていた。
In the above prior art, the voltage distortion component estimated by the distortion component estimation means 107 serving as a disturbance observer includes the back electromotive force (speed electromotive force) of the motor 102, so that the output voltage command is used using the estimated distortion component as it is. Can not compensate. For this reason, it is necessary to adjust the compensation amount using the compensation amount adjusting unit 108 and the compensation unit 105.
The compensation amount adjusting means 108 and the compensating means 105 determine overcompensation or undercompensation based on the waveform of the voltage distortion component by performing integration, a difference calculation of the integral value, etc., and compensating according to the discrimination result. Complicated processing of determining the amount is performed, which leads to complicated circuit configuration and increased calculation load.

更に、上記従来技術をV/f一定制御等のオープンループ制御に適用する場合には、電動機の磁束軸方向成分であるd軸成分の電圧も補償される結果、オープンループ制御において低速における電動機の励磁電流が確保されずに安定性が悪化するという問題もあった。   Furthermore, when the above-described conventional technique is applied to open loop control such as V / f constant control, the voltage of the d-axis component, which is the magnetic flux axial direction component of the motor, is also compensated. There was also a problem that the excitation current was not secured and the stability deteriorated.

そこで、本発明の解決課題は、複雑な回路構成や演算処理を要することなくインバータの出力電圧歪を最小化することができ、V/f一定制御等のオープンループ制御においても電動機を安定して駆動可能な電圧型インバータの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 that the output voltage distortion of the inverter can be minimized without requiring a complicated circuit configuration and arithmetic processing, and the electric motor can be stabilized even in open loop control such as constant V / f control. An object of the present invention is to provide a control device for a drivable voltage type inverter.

上記課題を解決するため、請求項1に係る電圧型インバータの制御装置は、半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力して電動機を駆動する電圧型インバータの制御装置であって、インバータの出力電圧指令及び出力電流を用いてインバータの出力電圧歪成分を逐次推定する電圧歪成分推定手段と、インバータの出力電圧を前記出力電圧歪成分により補償する補償手段と、を備えた電圧型インバータの制御装置において、
前記電圧歪成分推定手段は、
インバータの交流電流検出値を座標変換して得た前記電動機の磁束軸と直交するq軸電流検出値からq軸出力電圧を推定し、このq軸出力電圧とq軸出力電圧指令とを用いてインバータのデッドタイムに起因したq軸出力電圧誤差、前記電動機の逆起電力成分、及び前記電動機の磁束軸と直交するd軸干渉成分を含むq軸外乱電圧を推定する第1の推定手段と、
前記q軸電流検出値からq軸出力電圧を推定し、このq軸出力電圧とq軸出力電圧指令とを用いて前記逆起電力成分を推定する第2の推定手段と、
前記インバータの交流電流検出値を座標変換して得た前記電動機の磁束軸方向のd軸電流検出値及びインバータの角周波数指令を用いて前記d軸干渉成分を推定する第3の推定手段と、を有し、
前記補償手段は、
第1の推定手段により推定した前記q軸外乱電圧と第2の推定手段により推定した前記逆起電力成分と第3の推定手段により推定した前記d軸干渉成分とから生成した補償電圧を用いて前記出力電圧指令を補正するものである。
In order to solve the above problems, a voltage type inverter control device according to claim 1 controls a voltage type inverter that drives an electric motor by outputting an AC voltage of a desired magnitude and frequency by turning on and off a semiconductor switching element. A voltage distortion component estimation means for sequentially estimating the output voltage distortion component of the inverter using the output voltage command and output current of the inverter, and a compensation means for compensating the output voltage of the inverter with the output voltage distortion component, In the control device of the voltage type inverter provided with
The voltage distortion component estimation means includes
A q-axis output voltage is estimated from a q-axis current detection value orthogonal to the magnetic flux axis of the motor obtained by converting the AC current detection value of the inverter, and the q-axis output voltage and the q-axis output voltage command are used. a first estimating means for estimating a q-axis disturbance voltage including q-axis output voltage error due to the inverter dead time, the counter electromotive force component of the electric motor, and the d-axis interference component orthogonal to the magnetic flux axis of the motor ,
Second estimating means for estimating a q-axis output voltage from the q-axis current detection value and estimating the back electromotive force component using the q-axis output voltage and a q-axis output voltage command;
Third estimation means for estimating the d-axis interference component using a d-axis current detection value in the magnetic flux axis direction of the electric motor obtained by coordinate conversion of the AC current detection value of the inverter and an angular frequency command of the inverter; Have
The compensation means includes
Using a compensation voltage generated from said d-axis interference component estimated by first the q-axis disturbance voltage estimated by the estimating means and said counter electromotive force component estimated by the second estimation means the third estimation means The output voltage command is corrected.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載した電圧型インバータの制御装置において、前記電動機の磁束軸方向のd軸電流指令値を入力として、前記インバータの交流電流検出値を座標変換して得たd軸電流検出値をフィードバックしてd軸電流を制御する電流制御手段を備えたものである。
The invention according to claim 2, Oite the control device of the voltage-type inverter according to claim 1, as an input the d-axis current command value of the flux axis of the motor, coordinate transformation an alternating current detection value of the inverter This is provided with current control means for controlling the d-axis current by feeding back the detected d-axis current value .

請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した電圧型インバータの制御装置において、前記電動機の回転速度をV/f一定制御により制御するものである。
The invention according to claim 3 is to control the control device of the voltage-type inverter according to claim 1 or 2 Oite, by the rotational speed V / f constant control of the electric motor.

請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した電圧型インバータの制御装置において、前記第1の推定手段及び/または第2の推定手段を、外乱推定オブザーバにより構成したものである。
Invention Oite the control device of the voltage-type inverter as set forth in any one of claims 1 to 3, the first estimating means and / or the second estimation means, the disturbance estimation observer according to claim 4 It is comprised by .

本発明においては、インバータのq軸電圧指令及びq軸電流を用いて、インバータのデッドタイムに起因したq軸電圧誤差、電動機の逆起電力成分、及びd軸干渉成分を含む外乱電圧を推定し、この外乱電圧を補償電圧としてインバータの出力電圧指令を補正する。また、同時にd軸電流をフィードバックしてd軸電圧指令を制御することにより、低速領域における電動機の励磁電流を制御する。   In the present invention, by using the q-axis voltage command and q-axis current of the inverter, the disturbance voltage including the q-axis voltage error due to the inverter dead time, the back electromotive force component of the motor, and the d-axis interference component is estimated. The inverter output voltage command is corrected using the disturbance voltage as a compensation voltage. At the same time, the d-axis current is fed back to control the d-axis voltage command, thereby controlling the excitation current of the motor in the low speed region.

従って、従来技術のように補償量の過不足の判別や補償量の調整といった複雑な処理を要することなく、インバータの出力電圧歪を簡単に補償することができ、電動機のトルクリプルの発生を防止すると共に、交流電源の高調波を低減し、制御精度を高めることができる。また、V/f一定制御等のオープンループ制御においても電動機の励磁電流が確保されるので、低速時にも電動機を安定して駆動することが可能になる。   Therefore, it is possible to easily compensate for the output voltage distortion of the inverter without requiring complicated processing such as determination of excess or deficiency of the compensation amount and adjustment of the compensation amount as in the prior art, and prevent the occurrence of torque ripple in the motor. At the same time, the harmonics of the AC power supply can be reduced and the control accuracy can be increased. In addition, since the exciting current of the motor is ensured even in open loop control such as V / f constant control, the motor can be driven stably even at low speeds.

更に、インバータのq軸電圧指令及びq軸電流を用いて電動機の逆起電力成分を推定し、高速領域において外乱電圧に含まれる逆起電力成分を補償することにより、中高速領域においても電動機を安定して駆動することができる。   Furthermore, the back electromotive force component of the motor is estimated using the q-axis voltage command and q-axis current of the inverter, and the back electromotive force component included in the disturbance voltage is compensated in the high-speed region, so that the motor can be It can be driven stably.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は本実施形態の構成を示すブロック図である。図1において、1は所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力する電圧型PWMインバータ、2はインバータ1の各相(U,V,W相)の出力端子に接続された誘導電動機、3は誘導電動機2に対する一次角周波数指令(インバータ1に対する周波数指令)ω を設定する周波数設定器、4は一次角周波数指令ω を積分して位相基準信号θ を出力する積分手段、5は回転磁界座標系のd軸電圧指令v1d 及びq軸電圧指令v1q を位相基準信号θ に基づいて固定子座標系の各相電圧指令v ,v ,v に変換する座標変換手段である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of this embodiment. In FIG. 1, 1 is a voltage type PWM inverter that outputs an AC voltage having a desired magnitude and frequency, 2 is an induction motor connected to an output terminal of each phase (U, V, W phase) of the inverter 1, frequency setting device for setting the omega 1 * (frequency command for the inverter 1) primary angular frequency command for the induction motor 2, integrated and integrating means for outputting a phase reference signal theta 1 * of the primary angular frequency command omega 1 * 4, Reference numeral 5 denotes a d-axis voltage command v 1d * and a q-axis voltage command v 1q * in the rotating magnetic field coordinate system based on the phase reference signal θ 1 * , and each phase voltage command v u * , v v * , v in the stator coordinate system. Coordinate conversion means for converting to w * .

また、6はインバータ1の出力電流i,i,iを検出する電流検出手段、7は固定子座標系の出力電流i,i,iを位相基準信号θ に基づいて回転磁界座標系のd軸電流i1d及びq軸電流i1qに変換する座標変換手段、8は一次角周波数指令ω からq軸電圧指令v1q を出力するV/f変換手段、9はq軸電圧指令v1q 及びq軸電流i1qから外乱電圧vdisを推定して出力する第1の推定手段としての高速外乱推定オブザーバ、10はq軸電圧指令v1q 及びq軸電流i1qから逆起電力成分vemfを推定して出力する第2の推定手段としての低速外乱推定オブザーバ、11はd軸電流i1d、一次角周波数指令ω 及び漏れインダクタンスLσを用いてd軸干渉成分vcmpを演算する第3の推定手段としてのd軸干渉成分演算手段、12はd軸電流指令i1d 及びd軸電流i1dを入力としてd軸電圧指令v1d を出力する電流制御手段、13は前記逆起電力成分vemfからd軸干渉成分vcmpを減算する減算手段、14は前記外乱電圧vdisから減算手段13の出力を減算した値を補償電圧vとして出力する減算手段、15は元のq軸電圧指令v1q と前記補償電圧vとを加算して補正後のq軸電圧指令v1q を出力する加算手段である。
上記構成において、高速外乱推定オブザーバ9、低速外乱推定オブザーバ10及びd軸干渉成分演算手段11は、請求項における電圧歪成分推定手段を構成し、減算手段13,14及び加算手段15は補償手段を構成している。
Reference numeral 6 denotes current detection means for detecting the output currents i u , i v , i w of the inverter 1, and 7 denotes the output currents i u , i v , i w of the stator coordinate system based on the phase reference signal θ 1 * . Coordinate conversion means for converting the d-axis current i 1d and the q-axis current i 1q in the rotating magnetic field coordinate system, and V / f conversion means 8 for outputting the q-axis voltage command v 1q * from the primary angular frequency command ω 1 * , 9 is a high-speed disturbance estimation observer as a first estimating means for estimating and outputting the disturbance voltage v dis from the q-axis voltage command v 1q * and the q-axis current i 1q , and 10 is the q-axis voltage command v 1q * and the q-axis A low-speed disturbance estimation observer as a second estimation means that estimates and outputs the back electromotive force component v emf from the current i 1q , 11 uses a d-axis current i 1d , a primary angular frequency command ω 1 *, and a leakage inductance L σ . D-axis interference component v cmp D-axis interference component computing means 12 as third estimating means for computing, current control means 12 for outputting a d-axis voltage command v 1d * with the d-axis current command i 1d * and the d-axis current i 1d as inputs, 13 the counter electromotive force component v subtracting means for subtracting the d-axis interference component v cmp from emf, subtracting means for outputting a value obtained by subtracting the output of the subtraction means 13 from the disturbance voltage v dis as a compensation voltage v c is 14, 15 is the original q-axis voltage command v 1q * and the compensation voltage v c and the addition to the corrected q-axis voltage command v adding means for outputting 1q *.
In the above configuration, the high-speed disturbance estimation observer 9, the low-speed disturbance estimation observer 10, and the d-axis interference component calculation means 11 constitute the voltage distortion component estimation means in the claims, and the subtraction means 13, 14 and the addition means 15 are compensation means. It is composed.

次に、この実施形態の動作について説明する。
図1に示す実施形態における制御方法は、周知のV/f一定制御と呼ばれる誘導電動機の制御方法であり、誘導電動機2の一次角周波数ωと一次電圧vとの比率を一定に保って誘導電動機2の回転速度を広範囲にわたり効率良く制御する方法である。
Next, the operation of this embodiment will be described.
The control method in the embodiment shown in FIG. 1 is a known induction motor control method called V / f constant control, and the ratio between the primary angular frequency ω 1 of the induction motor 2 and the primary voltage v 1 is kept constant. This is a method for efficiently controlling the rotation speed of the induction motor 2 over a wide range.

まず、周波数設定手段3により設定された一次角周波数指令ω は、V/f変換手段8に入力され、一次角周波数指令ω に対応する一次電圧指令(出力電圧指令)が出力される。ここで、電圧指令のd軸成分は誘導電動機2が発生するトルクには直接影響しないため、V/f変換手段8からは、一次角周波数指令ω に対応するq軸電圧指令v1q が一次電圧指令として出力される。以下、必要に応じてq軸電圧指令v1q を一次電圧指令v1q 、q軸電圧v1qを一次電圧v1q、q軸電流iを一次電流iともいうものとする。 First, the primary angular frequency command ω 1 * set by the frequency setting unit 3 is input to the V / f conversion unit 8, and a primary voltage command (output voltage command) corresponding to the primary angular frequency command ω 1 * is output. The Here, since the d-axis component of the voltage command does not directly affect the torque generated by the induction motor 2, the V / f conversion unit 8 outputs the q-axis voltage command v 1q * corresponding to the primary angular frequency command ω 1 * . Is output as the primary voltage command. Hereinafter, q-axis voltage command as needed v 1q * of the primary voltage command v 1q *, the primary voltage of the q-axis voltage v 1q v 1q, shall the q-axis current i q also referred to as primary current i q.

インバータ1の出力電圧歪の補償については後述することとして、一次電圧指令v1q は座標変換手段5に入力され、積分手段4からの位相基準信号θ を用いた座標変換により正弦波の出力電圧指令v ,v ,v が生成される。これらの電圧指令v ,v ,v をインバータ1の内部で搬送波信号と比較して得たPWM信号に従い、インバータ1の半導体スイッチング素子をオン・オフ動作させることにより、インバータ1の出力電圧v,v,vが制御されて誘導電動機2に供給されることになる。 Compensation of the output voltage distortion of the inverter 1 will be described later. The primary voltage command v 1q * is input to the coordinate conversion means 5, and the sine wave is converted by coordinate conversion using the phase reference signal θ 1 * from the integration means 4. Output voltage commands v u * , v v * , v w * are generated. According to the PWM signal obtained by comparing these voltage commands v u * , v v * , and v w * with the carrier wave signal in the inverter 1, the semiconductor switching element of the inverter 1 is turned on / off, thereby the inverter 1 Output voltages v u , v v , and v w are controlled and supplied to the induction motor 2.

一方、インバータ1のデッドタイムに起因する出力電圧歪は、回転磁界座標系において高速外乱推定オブザーバ9により推定した外乱電圧vdisにより補償される。
ここで、数式1により与えられる回転磁界座標系で表現された誘導電動機の電圧方程式より、誘導電動機2の一次電流i1qと一次電圧v1qとの関係を求めると、数式2となる。
On the other hand, the output voltage distortion caused by the dead time of the inverter 1 is compensated by the disturbance voltage v dis estimated by the high-speed disturbance estimation observer 9 in the rotating magnetic field coordinate system.
Here, when the relationship between the primary current i 1q and the primary voltage v 1q of the induction motor 2 is obtained from the voltage equation of the induction motor expressed in the rotating magnetic field coordinate system given by the formula 1, the formula 2 is obtained.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

Figure 0004937766
Figure 0004937766

これらの数式において、
φ2d,φ2q:d軸電動機磁束及びq軸電動機磁束,
1d,i1d:誘導電動機の一次側のd軸電圧及びd軸電流,
1q,i1q:誘導電動機の一次側のq軸電圧及びq軸電流,
ω:一次角周波数,
ω:回転角周波数(電気角速度),
:一次抵抗値,
:二次抵抗値,
σ:漏れインダクタンス,
:励磁インダクタンス,
p:微分演算子
である。
In these formulas,
φ 2d , φ 2q : d-axis motor flux and q-axis motor flux,
v 1d , i 1d : d-axis voltage and d-axis current on the primary side of the induction motor,
v 1q , i 1q : q-axis voltage and q-axis current on the primary side of the induction motor,
ω 1 : primary angular frequency,
ω m : rotational angular frequency (electrical angular velocity),
R 1 : primary resistance value,
R 2 : secondary resistance value,
L σ : leakage inductance,
L m : exciting inductance,
p: a differential operator.

数式2において、右辺第2項はd軸による干渉成分、第4項は逆起電力成分となる。なお、右辺第3項は、低速において影響がないためゼロと考える。
インバータ1のデッドタイムによる誤差電圧及び上記d軸干渉成分や逆起電力成分の和を外乱電圧vdisと定義すると、数式2から数式3を得ることができる。
In Equation 2, the second term on the right side is the interference component due to the d-axis, and the fourth term is the back electromotive force component. The third term on the right side is considered to be zero because there is no effect at low speed.
When the sum of the error voltage due to the dead time of the inverter 1 and the d-axis interference component and the back electromotive force component is defined as the disturbance voltage vdis , Equations 2 to 3 can be obtained.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

ここで、従来技術と同様に構成された外乱オブザーバにより、外乱電圧vdisを推定することを考える。すなわち、数式3に示した一次電流i1qと一次電圧v1qとの関係に基づき、誘導電動機2に印加されているインバータ1の出力電圧(=(R+R+pLσ)i1q)を一次電流i1qから推定する。
そして、高速外乱推定オブザーバ9においては、次の数式4に示す如く、推定した出力電圧(=(R+R+pLσ)i1q)と一次電圧指令v1q との差分をとり、時定数Tのローパスフィルタを通してゲインKを乗じ、外乱電圧推定値^vdisとして出力する。なお、数式4において、記号「^」を付した値は何れも推定値である。
Here, it is considered that the disturbance voltage v dis is estimated by a disturbance observer configured in the same manner as in the prior art. That is, based on the relationship between the primary current i 1q and the primary voltage v 1q shown in Formula 3, the output voltage (= (R 1 + R 2 + pL σ ) i 1q ) of the inverter 1 applied to the induction motor 2 is primary. Estimated from current i 1q .
Then, the high-speed disturbance estimation observer 9 takes the difference between the estimated output voltage (= (R 1 + R 2 + pL σ ) i 1q ) and the primary voltage command v 1q * as shown in the following equation (4). multiplied by a gain K through T 1 of the low-pass filter, and outputs as a disturbance voltage estimation value ^ v dis. In Equation 4, any value with the symbol “^” is an estimated value.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

ここで、デッドタイムによる外乱成分は、一次出力周波数をf(=ω/2π)とした場合、その6倍の周波数の交流リプル成分がq軸上に現れる。従って、数式4における時定数Tは、出力周波数の6倍より十分速い時間で外乱電圧を推定するとし、例えば数式5に示す範囲に設定する。 Here, as the disturbance component due to the dead time, when the primary output frequency is f (= ω 1 / 2π), an AC ripple component having a frequency six times that appears on the q axis. Accordingly, the time constant T 1 in Equation 4 is set to the range shown in Equation 5, for example, when the disturbance voltage is estimated in a time sufficiently faster than 6 times the output frequency.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

また、前述したように、外乱電圧推定値^vdisには、デッドタイムによる誤差電圧の他に誘導電動機2の逆起電力成分やd軸による干渉成分が含まれることになり、中高速領域において逆起電力成分も補償されてしまい、V/f制御などのオープンループ制御時に電圧が過大となり安定性に問題がある。
よって、低速外乱推定オブザーバ10により、数式2における右辺第4項の逆起電力成分vemfを演算すると共に、d軸干渉成分演算手段11により右辺第2項のd軸干渉成分vcmp(=ωσ1d)を演算し、これらを減算手段13,14に図示の符号で入力することにより高速外乱推定オブザーバ9の出力である外乱電圧推定値^vdisを補償して補償電圧vを生成する。
Further, as described above, the disturbance voltage estimated value ^ vdis includes the back electromotive force component of the induction motor 2 and the interference component due to the d axis in addition to the error voltage due to the dead time. The back electromotive force component is also compensated, and the voltage becomes excessive during open loop control such as V / f control, which causes a problem in stability.
Accordingly, the counter electromotive force component v emf of the fourth term on the right side in Equation 2 is calculated by the low-speed disturbance estimation observer 10, and the d-axis interference component v cmp (= ω) of the second term on the right side is calculated by the d-axis interference component calculation unit 11. 1 L σ i 1d ) is calculated and inputted to the subtracting means 13 and 14 with the sign shown in the figure, thereby compensating the disturbance voltage estimated value ^ v dis which is the output of the high-speed disturbance estimation observer 9 and compensating voltage v c. Is generated.

上記低速外乱推定オブザーバ10は、数式4と同様の構造を持ち、時定数をTとした数式6に示す推定逆起電力^vemfを出力する外乱推定オブザーバを構成する。 The slow disturbance estimation observer 10 constitutes a disturbance estimation observer for outputting the estimated back EMF ^ v emf shown has the same structure as equation 4, the time constant in the formula 6 and T 2.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

ここで、逆起電力vemfは数式2より回転角周波数ωに依存し、その変化は、デッドタイムによる外乱成分に対して非常に遅い。従って、数式6における時定数Tは、デッドタイムによる外乱成分を無視できる程度に遅くすれば逆起電力vemfの推定が可能であり、例えば数式7に示す範囲に設定する。 Here, the back electromotive force v emf depends on the rotational angular frequency ω 1 from Equation 2, and the change is very slow with respect to the disturbance component due to the dead time. Therefore, the time constant T 2 in Equation 6 can be estimated by setting the back electromotive force v emf to an extent that the disturbance component due to the dead time can be neglected. For example, the time constant T 2 is set in the range shown in Equation 7.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

低速外乱推定オブザーバ10から出力される推定逆起電力^vemfには、数式2の右辺第2項のd軸干渉成分vcmpも含まれるが、vcmpまで推定して外乱成分として補償すると中高速領域で安定性が劣化するため、これを数式8に示すように一次角周波数ω、d軸電流i1d及び漏れインダクタンスLσを用いて算出して前向きに補償する。 The estimated back electromotive force ^ v emf output from the low-speed disturbance estimation observer 10 includes the d-axis interference component v cmp of the second term on the right side of Equation 2, but it is moderate if it is estimated to v cmp and compensated as a disturbance component. Since stability deteriorates in the high-speed region, this is calculated using the primary angular frequency ω 1 , the d-axis current i 1d and the leakage inductance L σ as shown in Formula 8, and is compensated forward.

Figure 0004937766
Figure 0004937766

上記のように計算されたd軸干渉成分vcmpは、減算手段13により推定逆起電力^vemfから減算することにより補償される。減算手段13の出力は次段の減算手段14に入力されて外乱電圧推定値^vdisを補償し、その結果を補償電圧vとして出力する。 The d-axis interference component v cmp calculated as described above is compensated by subtracting it from the estimated counter electromotive force ^ v emf by the subtracting means 13. The output of the subtraction means 13 compensates for the disturbance voltage estimation value ^ v dis is input to the next stage of the subtraction means 14, and outputs the result as a compensation voltage v c.

補償電圧vは加算手段15において一次電圧指令v1q に加えられるので、結果的には、外乱電圧から逆起電力相当量を除いたデッドタイムによる誤差電圧のみを電圧歪成分として推定し、一次電圧指令v1q を補償するシステムを構成することができる。これにより、インバータ1の出力電圧歪を常に最小化することができる。 Since the compensation voltage v c is applied to the primary voltage command v 1q * in addition means 15, the result, estimates only error voltage due to dead time, excluding the counter electromotive force corresponding amount from the disturbance voltage as a voltage distortion component, A system for compensating the primary voltage command v 1q * can be configured. Thereby, the output voltage distortion of the inverter 1 can always be minimized.

次に、電流制御手段12について説明する。
電流制御手段12は、d軸電流指令i1d とd軸電流i1dとの偏差に対して、ゲインを乗じた出力をd軸電圧指令v1d とし、d軸電流i1dを速やかにd軸電流指令i1d に追従させるものである。なお、前述したq軸におけるV/f一定制御とは独立して電動機2の低速領域における励磁電流を確保させるためには、d軸電流指令i1d を一定値(定格電流の30%程度の電流)とすればよい。
Next, the current control means 12 will be described.
The current control means 12 sets the output obtained by multiplying the deviation between the d-axis current command i 1d * and the d-axis current i 1d by the gain as the d-axis voltage command v 1d *, and quickly sets the d-axis current i 1d to d This is to follow the shaft current command i 1d * . In addition, in order to ensure the excitation current in the low speed region of the electric motor 2 independently of the above-described V / f constant control on the q axis, the d axis current command i 1d * is set to a constant value (about 30% of the rated current). Current).

以上の結果として、誘導電動機2のトルクリプルの発生を防止すると共に、交流電源の高調波を低減して制御精度を高めることもできる。更に、d軸電流i1dをフィードバック制御することにより、低速領域でも安定して電動機2を駆動することが可能になる。 As a result of the above, it is possible to prevent the occurrence of torque ripple in the induction motor 2 and to reduce the harmonics of the AC power supply and increase the control accuracy. Furthermore, the feedback control of the d-axis current i 1d makes it possible to drive the electric motor 2 stably even in a low speed region.

なお、本実施形態ではインバータ1により誘導電動機2を駆動する場合を対象としたが、本発明は、同期電動機等の他の電動機の駆動システムにも適用可能である。また、本実施形態ではインバータ1の制御方法としてV/f一定制御を示したが、ベクトル制御等の他の制御方法にも適用可能である。   In this embodiment, the case where the induction motor 2 is driven by the inverter 1 is targeted, but the present invention is also applicable to a drive system of another motor such as a synchronous motor. In the present embodiment, the constant V / f control is shown as the control method of the inverter 1, but the present invention can also be applied to other control methods such as vector control.

本発明の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of this invention. 特許文献1に記載された従来技術を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the prior art described in patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1:電圧型PWMインバータ
2:誘導電動機
3:周波数設定手段
4:積分手段
5,7:座標変換手段
6:電流検出手段
8:V/f変換手段
9:高速外乱推定オブザーバ(第1の推定手段)
10:低速外乱推定オブザーバ(第2の推定手段)
11:d軸干渉成分演算手段(第3の推定手段)
12:電流制御手段
13,14:減算手段
15:加算手段
1: Voltage type PWM inverter 2: Induction motor 3: Frequency setting means 4: Integration means 5, 7: Coordinate conversion means 6: Current detection means 8: V / f conversion means 9: High-speed disturbance estimation observer (first estimation means) )
10: Low-speed disturbance estimation observer (second estimation means)
11: d-axis interference component calculation means (third estimation means)
12: Current control means 13, 14: Subtraction means 15: Addition means

Claims (4)

半導体スイッチング素子のオン・オフにより所望の大きさ及び周波数の交流電圧を出力して電動機を駆動する電圧型インバータの制御装置であって、インバータの出力電圧指令及び出力電流を用いてインバータの出力電圧歪成分を逐次推定する電圧歪成分推定手段と、インバータの出力電圧を前記出力電圧歪成分により補償する補償手段と、を備えた電圧型インバータの制御装置において、
前記電圧歪成分推定手段は、
インバータの交流電流検出値を座標変換して得た前記電動機の磁束軸と直交するq軸電流検出値からq軸出力電圧を推定し、このq軸出力電圧とq軸出力電圧指令とを用いてインバータのデッドタイムに起因したq軸出力電圧誤差、前記電動機の逆起電力成分、及び前記電動機の磁束軸と直交するd軸干渉成分を含むq軸外乱電圧を推定する第1の推定手段と、
前記q軸電流検出値からq軸出力電圧を推定し、このq軸出力電圧とq軸出力電圧指令とを用いて前記逆起電力成分を推定する第2の推定手段と、
前記インバータの交流電流検出値を座標変換して得た前記電動機の磁束軸方向のd軸電流検出値及びインバータの角周波数指令を用いて前記d軸干渉成分を推定する第3の推定手段と、を有し、
前記補償手段は、
第1の推定手段により推定した前記q軸外乱電圧と第2の推定手段により推定した前記逆起電力成分と第3の推定手段により推定した前記d軸干渉成分とから生成した補償電圧を用いて前記出力電圧指令を補正することを特徴とする電圧型インバータの制御装置。
A control device for a voltage type inverter that drives an electric motor by outputting an AC voltage of a desired magnitude and frequency by turning on and off a semiconductor switching element, and using the output voltage command and output current of the inverter, the output voltage of the inverter In a voltage type inverter control device comprising:
The voltage distortion component estimation means includes
A q-axis output voltage is estimated from a q-axis current detection value orthogonal to the magnetic flux axis of the motor obtained by converting the AC current detection value of the inverter, and the q-axis output voltage and the q-axis output voltage command are used. a first estimating means for estimating a q-axis disturbance voltage including q-axis output voltage error due to the inverter dead time, the counter electromotive force component of the electric motor, and the d-axis interference component orthogonal to the magnetic flux axis of the motor ,
Second estimating means for estimating a q-axis output voltage from the q-axis current detection value and estimating the back electromotive force component using the q-axis output voltage and a q-axis output voltage command;
Third estimation means for estimating the d-axis interference component using a d-axis current detection value in the magnetic flux axis direction of the electric motor obtained by coordinate conversion of the AC current detection value of the inverter and an angular frequency command of the inverter; Have
The compensation means includes
Using a compensation voltage generated from said d-axis interference component estimated by first the q-axis disturbance voltage estimated by the estimating means and said counter electromotive force component estimated by the second estimation means the third estimation means A control apparatus for a voltage type inverter , wherein the output voltage command is corrected.
請求項1に記載した電圧型インバータの制御装置において、
前記電動機の磁束軸方向のd軸電流指令値を入力として、前記インバータの交流電流検出値を座標変換して得たd軸電流検出値をフィードバックしてd軸電流を制御する電流制御手段を備えたことを特徴とする電圧型インバータの制御装置。
In the voltage type inverter control device according to claim 1,
Current control means for controlling the d-axis current by feeding back the d-axis current detection value obtained by converting the alternating current detection value of the inverter with the d-axis current command value in the magnetic flux axis direction of the motor as an input. A control device for a voltage type inverter characterized by the above.
請求項1または2に記載した電圧型インバータの制御装置において、
前記電動機の回転速度をV/f一定制御により制御することを特徴とする電圧型インバータの制御装置。
In the control apparatus of the voltage type inverter according to claim 1 or 2,
A voltage type inverter control device, wherein the rotation speed of the electric motor is controlled by V / f constant control .
請求項1〜3の何れか1項に記載した電圧型インバータの制御装置において、
前記第1の推定手段及び/または第2の推定手段を、外乱推定オブザーバにより構成したことを特徴とする電圧型インバータの制御装置。
In the control apparatus of the voltage type inverter as described in any one of Claims 1-3,
A control apparatus for a voltage type inverter, wherein the first estimation means and / or the second estimation means is constituted by a disturbance estimation observer .
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