JP5120621B2 - Control device for permanent magnet type synchronous motor - Google Patents

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JP5120621B2 JP2008004531A JP2008004531A JP5120621B2 JP 5120621 B2 JP5120621 B2 JP 5120621B2 JP 2008004531 A JP2008004531 A JP 2008004531A JP 2008004531 A JP2008004531 A JP 2008004531A JP 5120621 B2 JP5120621 B2 JP 5120621B2
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本発明は、特に、回転子が突極性を持たない永久磁石形同期電動機において、始動時に回転子の磁極位置を正確に演算してスムースに運転できるようにした制御装置に関するものである。   In particular, the present invention relates to a control device in which, in a permanent magnet type synchronous motor in which the rotor does not have saliency, the magnetic pole position of the rotor can be accurately calculated at the time of start-up and can be smoothly operated.

永久磁石形同期電動機(以下、PMSMともいう)の制御装置をコストダウンするため、磁極位置検出器を使わないで運転する、いわゆるセンサレス制御技術が実用化されている。
この種のセンサレス制御技術の多くは、回転子の永久磁石によって電動機の端子間に誘導される誘起電圧を利用して磁極位置を演算するものであり、中高速領域の運転に適用されている。しかしながら、この方式では、電動機の停止時や低速運転時に十分な誘起電圧を得ることが困難なため、この場合には他の磁極位置演算技術が用いられている。
In order to reduce the cost of a control device for a permanent magnet type synchronous motor (hereinafter also referred to as PMSM), a so-called sensorless control technique that operates without using a magnetic pole position detector has been put into practical use.
Many of this kind of sensorless control techniques calculate the magnetic pole position using an induced voltage induced between the terminals of the motor by the permanent magnet of the rotor, and are applied to the operation in the medium to high speed region. However, in this method, it is difficult to obtain a sufficient induced voltage when the motor is stopped or when the motor is operated at a low speed. In this case, another magnetic pole position calculation technique is used.

通常、低速運転時に適用される磁極位置演算技術は、PMSMの電気特性によって異なっている。
ここで、PMSMは、回転子の構造により、表面磁石構造永久磁石形同期電動機(以下、SPMSMともいう)と埋込磁石構造永久磁石形同期電動機(以下、IPMSMともいう)との2種類に大別することができる。これらのうち、IPMSMの磁極位置演算技術としては、回転子の磁気回路のアンバランスに基づいた突極性を利用する方法が実用化されている。
一方、SPMSMや、回転子の突極性が小さいIPMSMを対象とした磁極位置演算技術としては、回転子の磁気飽和特性を利用する方法が知られている。
Usually, the magnetic pole position calculation technique applied during low-speed operation differs depending on the electrical characteristics of the PMSM.
Here, the PMSM is divided into two types according to the structure of the rotor: a surface magnet structure permanent magnet synchronous motor (hereinafter also referred to as SPMSM) and an embedded magnet structure permanent magnet synchronous motor (hereinafter also referred to as IPMSM). Can be separated. Among these, as a magnetic pole position calculation technique of IPMSM, a method using saliency based on unbalance of the magnetic circuit of the rotor has been put into practical use.
On the other hand, as a magnetic pole position calculation technique for SPMSM and IPMSM having a small rotor saliency, a method using the magnetic saturation characteristic of the rotor is known.

この磁気飽和特性を利用した従来技術として、例えば特許文献1には、停止時または極低速運転時のPMSMに対してパルス電圧を複数の方向に印加し、パルス電圧印加前後の電流の差分から磁極位置に依存したインダクタンスの変化を測定して磁極位置を推定する方法において、電流差ベクトルから求めたフーリエ係数を用いて磁極位置を演算する方法が記載されている。   As a prior art using this magnetic saturation characteristic, for example, in Patent Document 1, a pulse voltage is applied in a plurality of directions to a PMSM during stoppage or extremely low speed operation, and a magnetic pole is determined from a difference in current before and after the pulse voltage is applied. In the method of estimating the magnetic pole position by measuring the change in inductance depending on the position, a method of calculating the magnetic pole position using the Fourier coefficient obtained from the current difference vector is described.

また、特許文献2には、PMSMの静止状態で一定の角度刻みで電気角を変更し、各電気角にて電流のステップ応答の応答時間を測定すると共に、電気角一応答時間特性を近似するフーリエ級数の基本波余弦波項の係数と基本波正弦波項の係数とを計算し、これらの係数値から求めた電気角に180度を加算または減算して磁極位置を推定する永久磁石同期電動機の制御装置が記載されている。   In Patent Document 2, the electrical angle is changed at a constant angle in a stationary state of PMSM, the response time of the step response of the current is measured at each electrical angle, and the electrical angle-response time characteristic is approximated. Permanent magnet synchronous motor for calculating the coefficient of the Fourier series fundamental cosine wave term and the fundamental wave sine wave term and estimating the magnetic pole position by adding or subtracting 180 degrees to the electrical angle obtained from these coefficient values A control device is described.

更に、特許文献3には、PMSMの推定磁束軸であるdc軸及びqc軸の電圧指令値に微小変化を与え、このときのdc軸及びqc軸の電流変化率、またはその逆数であるインダクタンスの変化から磁極位置を演算する方法が記載されている。
この方法によれば、比較的簡単な処理によって磁極位置を短時間に演算できる特徴がある。更に、dc軸及びqc軸の電流変化率から求めた位置演算誤差が零になるように周波数指令値を演算し、この周波数指令値を積分して磁極位置を演算することも可能である。
Further, Patent Document 3 gives a minute change to the voltage command values of the dc axis and qc axis, which are estimated magnetic flux axes of PMSM, and the current change rate of the dc axis and qc axis at this time, or the inductance that is the reciprocal thereof. A method for calculating the magnetic pole position from the change is described.
According to this method, the magnetic pole position can be calculated in a short time by a relatively simple process. Furthermore, it is also possible to calculate the frequency command value so that the position calculation error obtained from the current change rates of the dc axis and the qc axis becomes zero, and to calculate the magnetic pole position by integrating the frequency command value.

特許第3687603号公報(請求項1,2、段落[0011]〜[0032],[0056]〜[0078]、図1等)Japanese Patent No. 3687603 (Claims 1 and 2, paragraphs [0011] to [0032], [0056] to [0078], FIG. 1, etc.) 特開平11−262286号公報(請求項4、段落[0039]〜[0051]、図4等)JP-A-11-262286 (Claim 4, paragraphs [0039] to [0051], FIG. 4 etc.) 特開2002−78392号公報(段落[0079]〜[0082],[0100]〜[0112],[0120]〜[0121]、図16〜図19,図23〜図25,図28等)JP 2002-78392 A (paragraphs [0079] to [0082], [0100] to [0112], [0120] to [0121], FIGS. 16 to 19, FIGS. 23 to 25, FIG. 28, etc.)

特許文献1に記載された従来技術では、磁極位置演算のために複数のパルス電圧を印加する間、回転子が静止している必要がある。従って、回転子が回転している場合には適用することができない。
同様に、特許文献2に記載された従来技術も、もっぱら回転子が静止している状態で電流のステップ応答時間を測定する原理に基づいているので、回転子が回転している場合には適用不可能である。
In the prior art described in Patent Document 1, the rotor needs to be stationary while a plurality of pulse voltages are applied for magnetic pole position calculation. Therefore, it cannot be applied when the rotor is rotating.
Similarly, the prior art described in Patent Document 2 is also based on the principle of measuring the current step response time while the rotor is stationary, and is therefore applicable when the rotor is rotating. Impossible.

一方、特許文献3に記載された従来技術によれば、回転子が回転している場合にも磁極位置の演算が可能であるが、電流変化率を用いて測定できるインダクタンスが4点に限定されるので、磁極位置に依存したインダクタンスの変化を正確に検出することができず、磁極位置の演算精度に問題がある。   On the other hand, according to the prior art described in Patent Document 3, the magnetic pole position can be calculated even when the rotor is rotating, but the inductance that can be measured using the current change rate is limited to four points. Therefore, the change in inductance depending on the magnetic pole position cannot be detected accurately, and there is a problem in the calculation accuracy of the magnetic pole position.

また、回転子が僅かでも回転している場合には、回転子の永久磁石によって電動機の端子間に誘起電圧が誘導される。しかしながら、特許文献1や特許文献3の従来技術では、磁極位置演算に当たり、誘起電圧によって流れる電流の影響を考慮しておらず、また、この電流を制御していない。このため、回転子が回転している場合には磁気飽和特性が変化したり、電流差分や電流変化率からインダクタンス変化を正確に測定できなくなったりして、磁極位置演算に誤差が発生する。更に、回転子の高速回転時には、誘起電圧による電流が過大になって電動機や電力変換器を破損する恐れがある。   When the rotor is rotating even a little, an induced voltage is induced between the terminals of the electric motor by the permanent magnet of the rotor. However, in the prior arts of Patent Document 1 and Patent Document 3, the influence of the current that flows due to the induced voltage is not considered in the magnetic pole position calculation, and this current is not controlled. For this reason, when the rotor is rotating, the magnetic saturation characteristics change, or the inductance change cannot be measured accurately from the current difference or current change rate, and an error occurs in the magnetic pole position calculation. Furthermore, when the rotor rotates at a high speed, the current due to the induced voltage becomes excessive, and the electric motor and the power converter may be damaged.

そこで、本発明の解決課題は、回転子が回転している場合でも磁極位置を高精度に演算可能であると共に、機器を破損する恐れもない制御装置を提供することにある。   Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a control device that can calculate the magnetic pole position with high accuracy even when the rotor is rotating and that does not possibly damage the device.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、振幅とパルス幅とが等しく、極性が互いに異なる2つのパルス電圧からなる矩形波の交番高周波電圧を、PMSMに対し複数のベクトル方向に印加して、交番高周波電圧と平行な方向の高周波電流を検出する。そして、この高周波電流から交番高周波電圧のベクトル方向に依存して1周期で変化する成分であるフーリエ級数1次成分を抽出し、この1次成分を用いて磁極位置または磁極位置演算誤差を演算する。
本発明によれば、回転している回転子の永久磁石により電動機の端子間に誘導される誘起電圧によって電機子巻線に基本波電流が流れる場合にも、磁極位置を正確に演算することができる。また、複数のベクトル方向に交番高周波電圧を印加したときの高周波電流から、フーリエ級数を用いて磁極位置情報を抽出していることから、磁極位置や磁極位置演算誤差を高精度化に求めることができる。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 applies a rectangular wave alternating high-frequency voltage composed of two pulse voltages having the same amplitude and pulse width and different polarities to the PMSM in a plurality of vector directions. Then, a high-frequency current in a direction parallel to the alternating high-frequency voltage is detected. Then, a Fourier series primary component that is a component that changes in one cycle depending on the vector direction of the alternating high-frequency voltage is extracted from this high-frequency current, and a magnetic pole position or magnetic pole position calculation error is calculated using this primary component. .
According to the present invention, the magnetic pole position can be accurately calculated even when the fundamental current flows in the armature winding by the induced voltage induced between the terminals of the motor by the permanent magnet of the rotating rotor. it can. In addition, since magnetic pole position information is extracted from the high-frequency current when alternating high-frequency voltages are applied in a plurality of vector directions using the Fourier series, it is possible to obtain the magnetic pole position and the magnetic pole position calculation error with high accuracy. it can.

請求項2に係る発明は、任意に定義した直交座標上で高周波電流を検出し、検出した高周波電流から前記交番高周波電圧のベクトル方向によって変化しない成分であるフーリエ級数零次成分を抽出し、このフーリエ級数零次成分から磁極位置または磁極位置演算誤差を演算する。
本発明によれば、請求項1と同等の磁極位置等の演算を簡単に実現することができる。
The invention according to claim 2 detects a high-frequency current on arbitrarily defined orthogonal coordinates, and extracts a Fourier series zero-order component that is a component that does not change depending on the vector direction of the alternating high-frequency voltage from the detected high-frequency current, A magnetic pole position or magnetic pole position calculation error is calculated from the Fourier series zero-order component.
According to the present invention, the calculation of the magnetic pole position and the like equivalent to claim 1 can be easily realized.

請求項3に係る発明は、前記交番高周波電圧を、推定の磁極方向と直交方向に印加して、このときに流れる推定の磁極方向と直交方向の高周波電流を検出し、この高周波電流からフーリエ級数零次成分を抽出して磁極位置または磁極位置演算誤差を演算するものである。
本発明によれば、請求項1,2よりも一層簡単に磁極位置等を演算することが可能である。
According to a third aspect of the present invention, the alternating high-frequency voltage is applied in a direction orthogonal to the estimated magnetic pole direction, a high-frequency current in the direction orthogonal to the estimated magnetic pole direction flowing at this time is detected, and a Fourier class is detected from the high-frequency current. The zero-order component is extracted to calculate the magnetic pole position or the magnetic pole position calculation error.
According to the present invention, it is possible to calculate the magnetic pole position and the like more easily than the first and second aspects.

請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、前記磁極位置演算誤差を比例積分演算して回転子の速度を演算する速度演算手段と、この演算手段により得た速度演算値を積分して磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、を備えたものであり、回転子が高速に回転している場合でも磁極位置を高精度に演算することができる。 Invention, in the control apparatus according to any one of claims 1 to 3, a speed calculating means for calculating the speed of the rotor in proportion-integral operation using the magnetic pole position calculation error, the calculation according to claim 4 Magnetic pole position calculation means for calculating the magnetic pole position by integrating the speed calculation value obtained by the means, and can calculate the magnetic pole position with high accuracy even when the rotor is rotating at high speed. it can.

請求項5に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、前記交番高周波電圧の印加を開始するサンプル点、または、前記交番高周波電圧の印加を終了するサンプル点の電流検出値から基本波電流を検出する手段と、前記電動機の電流指令値と基本波電流検出値との偏差をなくすように基本波電圧指令値を演算する電流調節器と、前記基本波電圧指令値と前記交番高周波電圧とを加算して前記電動機の電圧指令値を演算する手段と、前記電動機の端子電圧を前記電圧指令値に制御する手段と、を備え、前記基本波電圧指令値を、前記交番高周波電圧の1周期の間、一定に制御するものである。
本発明によれば、電流指令値を零に制御することで、基本波電流を零に制御することができ、回転子の速度が高く誘起電圧が大きい場合にも正確に磁極位置等を演算することができる。
The invention according to claim 5, in the control apparatus according to any one of claims 1 to 3, a sample point to start the application of the alternating high frequency voltage, or a sample point to terminate the application of the alternating high frequency voltage Means for detecting a fundamental wave current from a current detection value of the motor, a current regulator for calculating a fundamental wave voltage command value so as to eliminate a deviation between the current command value of the motor and the fundamental wave current detection value, and the fundamental wave voltage Means for calculating a voltage command value of the electric motor by adding a command value and the alternating high-frequency voltage; and means for controlling a terminal voltage of the electric motor to the voltage command value . , during one period of the alternating high frequency voltage, a shall Gyosu control constant.
According to the present invention, the fundamental wave current can be controlled to zero by controlling the current command value to zero, and the magnetic pole position and the like are accurately calculated even when the rotor speed is high and the induced voltage is large. be able to.

請求項6に係る発明は、請求項1〜5の何れかに記載した発明を磁極位置検出器の誤差の補正に適用したものであり、トルク制御精度の向上や電動機の高効率化を実現できる。   The invention according to claim 6 is the one in which the invention described in any one of claims 1 to 5 is applied to the correction of the error of the magnetic pole position detector, and can improve the torque control accuracy and increase the efficiency of the electric motor. .

本発明によれば、回転子に突極性がない永久磁石形同期電動機の磁極位置を電動機鉄芯の磁気飽和特性を利用して高精度に演算することができ、特に、回転子が回転している場合にも磁極位置を正確に演算することが可能である。また、磁極位置検出器を持たないPMSMの駆動システムにおいて、本発明により求めた磁極位置演算値を使って運転を開始することで、PMSMをスムースに始動することができる。
更に、磁極位置検出器を備えた駆動システムの場合には、本発明により求めた磁極位置演算値を用いて磁極位置検出値の誤差を補正することにより、一層高精度な制御が可能になる。
According to the present invention, the magnetic pole position of a permanent magnet type synchronous motor having no saliency in the rotor can be calculated with high accuracy using the magnetic saturation characteristics of the motor iron core. It is possible to calculate the magnetic pole position accurately even when the Further, in a PMSM drive system that does not have a magnetic pole position detector, the PMSM can be smoothly started by starting operation using the magnetic pole position calculation value obtained by the present invention.
Furthermore, in the case of a drive system equipped with a magnetic pole position detector, more accurate control can be achieved by correcting the error of the magnetic pole position detection value using the magnetic pole position calculation value obtained by the present invention.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、始めに磁極位置演算の原理について説明する。
図6は、磁極位置演算に使用する座標軸の定義を示す図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of magnetic pole position calculation will be described.
FIG. 6 is a diagram showing the definition of coordinate axes used for magnetic pole position calculation.

図6において、d,q軸は、回転子と同期して回転する回転座標であり、回転子の磁極方向をd軸、d軸から90[deg]進み方向をq軸と定義する。γ,δ軸は、d,q軸の推定軸であり、PMSMの電流制御及び電圧制御は、制御装置がγ,δ軸上の諸量を用いて実施する。d,q軸の回転速度、γ,δ軸の回転速度は、それぞれω,ωとする。
ここで、γ軸(γ,δ軸)とd軸(d,q軸)との角度差θerr、すなわち位置演算誤差を、数式1により定義する。
In FIG. 6, d and q axes are rotational coordinates that rotate in synchronization with the rotor, and the magnetic pole direction of the rotor is defined as the d axis, and the advance direction of 90 [deg] from the d axis is defined as the q axis. The γ and δ axes are the estimated axes of the d and q axes, and the current control and voltage control of the PMSM are performed by the control device using various quantities on the γ and δ axes. The rotational speeds of the d and q axes and the rotational speeds of the γ and δ axes are ω r and ω 1 , respectively.
Here, an angle difference θ err between the γ-axis (γ, δ-axis) and the d-axis (d, q-axis), that is, a position calculation error is defined by Equation 1.

Figure 0005120621
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一方、図6におけるx,y軸については、磁極位置演算時にインダクタンスを測定するために永久磁石形同期電動機の固定子巻線に印加する交番高周波電圧のベクトル方向をx軸、x軸から90[deg]進み方向をy軸と定義する。γ軸を基準としたx軸との間の角度差(角度ともいう)をδと定義すると、x軸(x,y軸)とd軸(d,q軸)との角度差θxerrは、数式2によって表される。 On the other hand, for the x and y axes in FIG. 6, the vector direction of the alternating high-frequency voltage applied to the stator winding of the permanent magnet synchronous motor to measure the inductance when calculating the magnetic pole position is 90 [ deg] The advance direction is defined as the y-axis. When an angle difference (also referred to as an angle) with respect to the x axis with respect to the γ axis is defined as δ x , an angle difference θ xerr between the x axis (x, y axis) and the d axis (d, q axis) is , Expressed by Equation 2.

Figure 0005120621
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次に、図7は、d軸電流と鎖交磁束との関係、及び、d軸電流とd軸インダクタンスとの関係を示している。
d軸電流Iが零のときの鎖交磁束は、永久磁石磁束Ψに等しい。d軸電流Iをプラス側に制御すると、永久磁石磁束とd軸電流Iにより発生する磁束とが合成されて磁束が増加し、電動機の鉄芯が磁気飽和して、d軸インダクタンスが減少する。
一方、d軸電流Iをマイナス側に制御すると、永久磁石磁束とd軸電流Iにより発生する磁束とが相殺されるので、電動機の鉄芯は磁気飽和が緩和され、d軸インダクタンスが増加する。つまり、d軸電流Iの値によってインダクタンスが変化する。
以上のことから、d軸と電流ベクトルとの角度差に依存して磁気飽和特性が変化し、これによってインダクタンスが変化することになる。
Next, FIG. 7 shows the relationship between the d-axis current and the flux linkage, and the relationship between the d-axis current and the d-axis inductance.
The linkage flux when the d-axis current I d is zero is equal to the permanent magnet flux Ψ m . When the d-axis current I d is controlled to the plus side, the permanent magnet magnetic flux and the magnetic flux generated by the d-axis current I d are combined to increase the magnetic flux, the motor iron core is magnetically saturated, and the d-axis inductance decreases. To do.
On the other hand, if the d-axis current I d is controlled to the minus side, the permanent magnet magnetic flux and the magnetic flux generated by the d-axis current I d are canceled out, so that the magnetic saturation of the iron core of the motor is reduced and the d-axis inductance increases. To do. That is, the inductance is changed by the value of d-axis current I d.
From the above, the magnetic saturation characteristics change depending on the angle difference between the d-axis and the current vector, and the inductance changes accordingly.

図8は、x軸プラス方向に一定の電流を通流したときのx軸とd軸との角度差θxerrとx軸インダクタンスとの関係を示している。なお、図8では、原理を分かりやすく説明するため、回転子に突極性がない(d軸インダクタンスとq軸インダクタンスとが等しい)SPMSMの場合について示してある。
図8より、x軸インダクタンスは角度差θxerrに対して電気角1周期で変化する。このことを利用すると、数式1及び数式2の関係式より、γ軸の角度θを一定としてx軸インダクタンスが最小になるような角度δを求めることで、d軸の角度(磁極位置)を演算することができる。
FIG. 8 shows the relationship between the angle difference θ xerr between the x axis and the d axis and the x axis inductance when a constant current is passed in the positive direction of the x axis. In FIG. 8, in order to explain the principle in an easy-to-understand manner, the case of SPMSM in which the rotor has no saliency (d-axis inductance and q-axis inductance are equal) is shown.
As shown in FIG. 8, the x-axis inductance changes in one electrical angle cycle with respect to the angle difference θ xerr . By utilizing this fact, the angle δ x that minimizes the x-axis inductance with the γ-axis angle θ 1 being constant is obtained from the relational expressions of Formula 1 and Formula 2 to obtain the d-axis angle (magnetic pole position). Can be calculated.

ここで、x軸インダクタンスは、x軸方向に交番高周波電圧を印加して、このときに流れるx軸交番高周波電流から測定可能である。
図9は、上記角度δ、x軸交番高周波電圧vxh,高周波電流ixh,基本波電圧vxf,基本波電流ixf,x軸電圧v,x軸電流i,x軸高周波電流振幅Ixhの波形を示している。基本原理を理解するため、まず、誘起電圧や基本波電圧によって流れる電流が無視できる場合について説明する。
Here, the x-axis inductance can be measured from an x-axis alternating high-frequency current flowing at this time by applying an alternating high-frequency voltage in the x-axis direction.
FIG. 9 shows the angle δ x , the x-axis alternating high-frequency voltage v xh , the high-frequency current i xh , the fundamental wave voltage v xf , the fundamental wave current i xf , the x-axis voltage v x , the x-axis current i x , and the x-axis high-frequency current. The waveform of amplitude I xh is shown. In order to understand the basic principle, first, a case where the current flowing by the induced voltage or the fundamental wave voltage can be ignored will be described.

x軸に印加する交番高周波電圧vxhは、振幅とパルス幅とが等しく、極性が互いに異なる2つのパルス電圧を合成した矩形波とする。なお、交番高周波電圧vxhの1周期をTとする。
x軸プラス方向に一定の電流を通流したときのインダクタンスを測定する場合、図示するように、周期T内において、x軸高周波電圧vxhの振幅Vを最初の半周期ではプラスに制御し、次の半周期ではマイナスに制御する(以下、この高周波電圧の印加を「x軸プラス方向への高周波電圧印加」と定義する)。このとき、x軸電流iは、図示する如く最初はx軸プラス方向に変化し、続いて交番高周波電圧vxhの印加開始直前の値に復帰する。図9から明らかなように、x軸には、x軸プラス方向に直流バイアス成分を持った振幅Ixhの高周波電流ixhが流れる。
The alternating high-frequency voltage v xh applied to the x-axis is a rectangular wave obtained by synthesizing two pulse voltages having the same amplitude and pulse width but different polarities. Note that one cycle of the alternating high frequency voltage v xh and T h.
When measuring the inductance at the time was passed a constant current to the x-axis positive direction, as shown, in the period T h, control positively in the first half cycle amplitude V h of x-axis high frequency voltage v xh In the next half cycle, it is controlled to be negative (hereinafter, the application of the high-frequency voltage is defined as “application of a high-frequency voltage in the x-axis positive direction”). At this time, the x-axis current i x first changes in the positive direction of the x-axis as shown in the figure, and then returns to the value immediately before the start of the application of the alternating high-frequency voltage v xh . As is clear from FIG. 9, a high-frequency current i xh having an amplitude I xh having a DC bias component in the positive direction of the x-axis flows on the x-axis.

同様に、x軸マイナス方向に一定の電流を通流したときのインダクタンスは、周期T内において、x軸高周波電圧vxhの振幅Vを最初の半周期ではマイナスに制御し、次の半周期ではプラスに制御し(以下、この高周波電圧の印加を「x軸マイナス方向への高周波電圧印加」と定義する)、このときに流れる高周波電流ixhから測定することができる。
高周波電流振幅Ixhは、誘起電圧や基本波電圧(図9におけるvxf)によって流れる基本波電流(図9におけるixf)が無視できる場合は、x,y軸高周波電流ixh,iyhがx,y軸電流検出値i,iに等しいことから、数式3によって演算することができる。
Similarly, the inductance when a current through the constant current to the x-axis negative direction, in the period T h, the amplitude V h of x-axis high frequency voltage v xh controlled to negative in the first half cycle, the next half The period is controlled to be positive (hereinafter, application of this high-frequency voltage is defined as “application of a high-frequency voltage in the negative direction of the x-axis”), and measurement can be made from the high-frequency current i xh flowing at this time.
When the fundamental wave current (i xf in FIG. 9) that flows due to the induced voltage or the fundamental wave voltage (v xf in FIG. 9) can be ignored, the high frequency current amplitude I xh is expressed by the x and y axis high frequency currents i xh and i yh. Since it is equal to the x and y-axis current detection values i x and i y , it can be calculated by Equation 3.

Figure 0005120621
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誘起電圧や基本波電圧によって流れる基本波電流が無視できない場合は、電流検出値から高周波電流を抽出する処理が必要である。誘起電圧及び基本波電圧が交番高周波電圧の1周期Tの間で一定である場合は、x軸プラス方向への高周波電圧印加時の高周波電流振幅演算値と、x軸マイナス方向への高周波電圧印加時の高周波電流振幅演算値との平均を求めることで、これらの基本波電圧成分による影響を相殺して高周波電流振幅Ixhを正しく演算することができる。具体的には、高周波電流振幅Ixhを以下の数式4によって演算する。 When the fundamental wave current that flows due to the induced voltage or fundamental wave voltage cannot be ignored, it is necessary to extract a high-frequency current from the detected current value. If the induced voltage and the fundamental wave voltage is constant during one period T h of the alternating high frequency voltage, a high-frequency current amplitude calculation value when the high frequency voltage applied to the x-axis positive direction, a high frequency voltage to the x-axis negative direction By calculating the average of the calculation value of the high-frequency current amplitude at the time of application, the influence of these fundamental wave voltage components can be offset and the high-frequency current amplitude I xh can be calculated correctly. Specifically, the high-frequency current amplitude I xh is calculated by the following formula 4.

Figure 0005120621
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次に、高周波電流と磁極位置との関係を導出する。まず、高周波成分に対するx,y軸状態方程式を下記の条件で導出する。
・角度差θerrは一定値に近似する。
・角度δは一定値に制御する。
・印加する交番高周波電圧の周波数は、電気角周波数ωよりも十分高く、高周波電圧は過渡電圧項が支配的であると仮定する。この仮定により、電機子抵抗による電圧降下や電機子反作用による電圧降下は零に近似する。
・磁気飽和によるインダクタンス変化を角度差θxerrの正弦波関数により近似する。
Next, the relationship between the high frequency current and the magnetic pole position is derived. First, the x and y-axis state equations for high frequency components are derived under the following conditions.
The angle difference θ err approximates a constant value.
The angle δ x is controlled to a constant value.
It is assumed that the frequency of the alternating high frequency voltage to be applied is sufficiently higher than the electrical angular frequency ω 1 and that the high frequency voltage is dominated by the transient voltage term. With this assumption, the voltage drop due to the armature resistance and the voltage drop due to the armature reaction approximate to zero.
Approximate the inductance change due to magnetic saturation by a sinusoidal function of the angle difference θ xerr .

上記の条件のもとで、高周波成分に対するx,y軸状態方程式は次式のようになる。   Under the above conditions, the x- and y-axis state equations for the high-frequency components are as follows:

Figure 0005120621
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図9に示した交番高周波電圧vxhを印加することによって流れる高周波電流ixhの振幅ベクトルIxyhは、数式6によって表される。 The amplitude vector I xyh of the high-frequency current i xh that flows by applying the alternating high-frequency voltage v xh shown in FIG.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

図10は、角度差θxerrとx軸高周波電流振幅Ixhとの関係を示しており、ここでは、原理を分かりやすくするためにSPMSMの場合について例示してある。
図10、数式6及び数式2に示した角度差θxerrと角度δとの関係より、角度δを変えてx軸交番高周波電圧vxhを印加することによりx軸高周波電流ixhを検出し、このx軸高周波電流ixhのうち、角度δの電気角1周期で変化する成分が最大になる方向から磁極位置を演算することができる。ここで、角度δの電気角1周期で変化する成分は、フーリエ級数の1次成分として、数式7により演算可能である。
FIG. 10 shows the relationship between the angle difference θ xerr and the x-axis high-frequency current amplitude I xh, and here, the case of SPMSM is illustrated for easy understanding of the principle.
From the relationship between the angle difference θ xerr and the angle δ x shown in FIG. 10, Equation 6 and Equation 2, the x-axis high-frequency current i xh is detected by applying the x-axis alternating high-frequency voltage v xh while changing the angle δ x. Then, the magnetic pole position can be calculated from the direction in which the component that changes in one cycle of the electrical angle of the angle δ x in the x-axis high-frequency current i xh is maximized. Here, the component that changes in one cycle of the electrical angle of the angle δ x can be calculated by Equation 7 as a primary component of the Fourier series.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

ここで、図9に示したように角度δでx軸プラス方向とx軸マイナス方向とに高周波電圧vxhを順次印加してx軸高周波電流ixhを検出する場合は、角度δを零から180[deg]まで変化させたときのx軸高周波電流ixhより、数式7の代わりに数式8によって演算する。 Here, as shown in FIG. 9, when the high-frequency voltage v xh is sequentially applied at the angle δ x to the x-axis plus direction and the x-axis minus direction to detect the x-axis high-frequency current i xh , the angle δ x is set. From the x-axis high-frequency current i xh when changing from zero to 180 [deg], the calculation is performed according to Expression 8 instead of Expression 7.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

数式7または数式8によって求めたフーリエ級数より、角度差(磁極位置演算誤差)θerrは、数式9により求められる。 The angle difference (magnetic pole position calculation error) θ err is obtained by Equation 9 from the Fourier series obtained by Equation 7 or Equation 8.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

γ軸の角度θ=0のとき、数式1からθ=−θerrであるから、磁極位置θは数式10により演算することができる。 When γ-axis angle θ 1 = 0, from Equation 1, θ r = −θ err , so that magnetic pole position θ r can be calculated by Equation 10.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

以下、上記原理に基づく本発明の各実施形態を説明する。
まず、図1は請求項1に相当する本発明の第1実施形態を示すブロック図である。図1において、まず、前述の如くγ軸の角度(磁極位置演算値)θを零に制御して、電流座標変換器14及び電圧座標変換器15に入力する。
Hereinafter, embodiments of the present invention based on the above principle will be described.
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention corresponding to claim 1. In FIG. 1, first, as described above, the γ-axis angle (magnetic pole position calculation value) θ 1 is controlled to zero and input to the current coordinate converter 14 and the voltage coordinate converter 15.

角度演算器20は、永久磁石形同期電動機80に印加する交番高周波電圧vの周期Tごとに角度δを零から180[deg]まで所定の刻みで増加させて、後述の高周波電圧座標変換器22に入力する。
x軸高周波電圧演算器21は、周期Tごとにx軸プラス方向とx軸マイナス方向に交番高周波電圧を印加する。具体的には、x軸高周波電圧指令値vxh を図9のvxhのように演算すると共に、y軸高周波電圧vyh を零に制御する。
Angle computing unit 20, is increased in steps a predetermined angle [delta] x from zero every period T h of the alternating high frequency voltage v x to be applied to the permanent magnet synchronous motor 80 to 180 [deg], below the high frequency voltage coordinate Input to the converter 22.
x-axis frequency voltage calculator 21 applies an alternating high-frequency voltage every cycle T h in the x-axis positive direction and the x-axis negative direction. Specifically, the x-axis high-frequency voltage command value v xh * is calculated as v xh in FIG. 9 and the y-axis high-frequency voltage v yh * is controlled to zero.

高周波電圧座標変換器22は、数式11により、角度δごとにx,y軸高周波電圧指令値vxh ,vyh をγ,δ軸に座標変換してγ,δ軸高周波電圧指令値vγh ,vδh を出力する。 The high-frequency voltage coordinate converter 22 converts the x and y-axis high-frequency voltage command values v xh * and v yh * into the γ and δ-axes for each angle δ x according to Equation 11, and converts the coordinates into the γ and δ-axis high-frequency voltage command values. v γh * and v δh * are output.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

上記高周波電圧指令値vγh ,vδh は、加算器23a,23bにより基本波電圧指令値vγf ,vδf と軸ごとにそれぞれ加算され、γ,δ軸電圧指令値vγ ,vδ が求められる。但し、本実施形態では基本波電圧指令値vγf ,vδf を何れも零に制御する。
γ,δ軸電圧指令値vγ ,vδ は、電圧座標変換器15によって磁極位置演算値θに基づき三相各相の電圧指令値v ,v ,v に変換される。
The high frequency voltage command values v γh * and v δh * are added to the fundamental voltage command values v γf * and v δf * for each axis by the adders 23a and 23b, respectively, and the γ and δ-axis voltage command values v γ * are obtained. , V δ * is obtained. However, in this embodiment, the fundamental wave voltage command values v γf * and v δf * are both controlled to zero.
The γ and δ-axis voltage command values v γ * and v δ * are converted into voltage command values v u * , v v * , and v w * of the three phases based on the magnetic pole position calculation value θ 1 by the voltage coordinate converter 15. Converted.

一方、整流回路60は三相交流電源50の交流電圧を整流して直流電圧に変換し、インバータ等の電力変換器70に供給する。
PWM回路13は、電圧指令値v ,v ,v 、及び、電圧検出回路12により検出した電力変換器70の入力電圧Edcから、電力変換器70の出力電圧を各相電圧指令値v ,v ,v に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器70は、上記ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することにより、永久磁石形同期電動機80の各相端子電圧を電圧指令値v ,v ,v に制御する。
On the other hand, the rectifier circuit 60 rectifies the AC voltage of the three-phase AC power supply 50, converts it into a DC voltage, and supplies it to a power converter 70 such as an inverter.
The PWM circuit 13 uses the voltage command values v u * , v v * , v w * and the input voltage E dc detected by the voltage detection circuit 12 to output the output voltage of the power converter 70 for each phase. A gate signal for controlling to voltage command values v u * , v v * , v w * is generated. The power converter 70 controls the internal semiconductor switching element based on the gate signal, so that the phase terminal voltages of the permanent magnet type synchronous motor 80 are converted into voltage command values v u * , v v * , v w * . Control.

電流座標変換器14は、u相電流検出器11u、w相電流検出器11wによってそれぞれ検出した相電流検出値i,iを、磁極位置演算値θに基づいてγ,δ軸電流検出値iγ,iδにそれぞれ座標変換する。
バンドパスフィルタ30は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδからγ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhを数式12により演算する。
The current coordinate converter 14 detects the phase current detection values i u and i w detected by the u-phase current detector 11u and the w-phase current detector 11w, respectively, based on the magnetic pole position calculation value θ 1 and detects γ and δ-axis currents. Coordinates are converted to values i γ and i δ , respectively.
The bandpass filter 30 calculates γ and δ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh from the γ and δ-axis current detection values i γ and i δ according to Equation 12.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

高周波電流座標変換器31は、角度δを用いて、γ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhを数式13により座標変換し、x,y軸高周波電流振幅を求める。
なお、数式13におけるCxyは数式11において説明したものと同様である。
The high-frequency current coordinate converter 31 uses the angle δ x to coordinate-transform the γ and δ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh using Equation 13 to obtain the x and y-axis high-frequency current amplitudes.
Note that C xy in Equation 13 is the same as that described in Equation 11.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

フーリエ級数演算器32は、x軸高周波電流振幅Ixhから、角度δの電気角1周期で変化する成分(フーリエ級数の1次成分)Ixha1,Ixhb1を前述した数式8により演算する。
初期磁極位置演算器33は、上記成分Ixha1,Ixhb1を用いて、数式10により磁極位置θを演算するものであり、この磁極位置θを用いて電動機80を始動すれば良い。
The Fourier series calculator 32 calculates components (first-order components of the Fourier series) I xha1 and I xhb1 that change in one electrical angle cycle of the angle δ x from the x-axis high-frequency current amplitude I xh by the above-described Expression 8.
Initial magnetic pole position calculation unit 33, using the above components I xha1, I xhb1, is intended for calculating the magnetic pole position theta r using Equation 10, may be started motor 80 by using the magnetic pole position theta r.

次に、図2は請求項1,4に相当する本発明の第2実施形態を示すブロック図である。
本実施形態は、交番高周波電圧を印加して検出した高周波電流から磁極位置演算誤差θerrを求め、この演算誤差θerrが零になるように磁極位置及び速度を演算し、回転子が高速で回転している場合にも磁極位置を正確に演算できるようにしたものである。以下では、第1実施形態と異なる点を中心に説明し、同じ箇所については同一の参照符号を付して説明を省略する。
Next, FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention corresponding to claims 1 and 4.
In the present embodiment, the magnetic pole position calculation error θ err is calculated from the high frequency current detected by applying the alternating high frequency voltage, and the magnetic pole position and speed are calculated so that the calculation error θ err becomes zero. The magnetic pole position can be accurately calculated even when rotating. Below, it demonstrates centering on a different point from 1st Embodiment, attaches | subjects the same referential mark about the same location, and abbreviate | omits description.

図2において、位置誤差演算器121は、フーリエ級数演算器32から出力されたフーリエ級数Ixha1,Ixhb1から、前述した数式9により磁極位置演算誤差θerrを求める。
速度演算器122は、数式14により磁極位置演算誤差θerrを比例積分演算して速度演算値ωを求める。
In FIG. 2, the position error calculator 121 obtains the magnetic pole position calculation error θ err from the Fourier series I xha1 and I xhb1 output from the Fourier series calculator 32 by the above-described Expression 9.
The speed calculator 122 performs a proportional integral calculation of the magnetic pole position calculation error θ err according to Equation 14 to obtain a speed calculation value ω 1 .

Figure 0005120621
Figure 0005120621

磁極位置演算器123は、数式15に示すように速度演算値ωを積分し、磁極位置演算値θを求める。 The magnetic pole position calculator 123 integrates the speed calculation value ω 1 as shown in Equation 15 to obtain the magnetic pole position calculation value θ 1 .

Figure 0005120621
Figure 0005120621

また、磁極位置演算値θの収束を速くするために、演算開始時には、磁極位置演算値θに磁極位置の初期値をプリセットする。磁極位置の初期値は、θを零に設定して演算したフーリエ級数Ixha1,Ixhb1から、前記数式10により演算すれば良い。 Further, in order to speed the convergence of the magnetic pole position calculation value theta 1, at the time of operation start, to preset the initial value of the magnetic pole position in the magnetic pole position calculation value theta 1. The initial value of the magnetic pole position may be calculated from the Fourier series I xha1 and I xhb1 calculated by setting θ 1 to zero according to the equation 10.

次いで、図3は請求項1,4,5に相当する本発明の第3実施形態を示すブロック図である。
この実施形態は、図2に示した第2実施形態に、基本波電流を零に制御する機能を追加し、誘起電圧によって流れる基本波電流による磁気飽和特性の変化を低減することにより、磁極位置演算を高精度化したものである。以下では、第2実施形態と異なる点を中心に説明し、同じ箇所については同一の参照符号を付して説明を省略する。
Next, FIG. 3 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention corresponding to claims 1, 4 and 5.
In this embodiment, a function of controlling the fundamental current to zero is added to the second embodiment shown in FIG. 2, and the change in magnetic saturation characteristics due to the fundamental current flowing due to the induced voltage is reduced. This is a highly accurate calculation. Below, it demonstrates centering on a different point from 2nd Embodiment, attaches | subjects the same referential mark about the same location, and abbreviate | omits description.

図3において、ノッチフィルタ131は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから高周波電流を除去し、γ,δ軸基本波電流iγf,iδfを検出する。図9より、x軸高周波電流ixhは、周期T内でx軸高周波電圧vxhの印加を開始するサンプル点または印加を終了するサンプル点(n−2),(n)で零になる。そこで、ノッチフィルタ131では、上記サンプル点(n−2),(n)におけるγ,δ軸電流検出値iγ,iδからγ,δ軸基本波電流iγf,iδfを検出する。 In FIG. 3, the notch filter 131 removes the high-frequency current from the detected γ and δ-axis current values i γ and i δ , and detects the γ and δ-axis fundamental currents i γf and i δf . From FIG. 9, the x-axis high frequency current i xh the sample points to end the sample points or applied to start the application of x-axis high frequency voltage v xh in period T h (n-2), becomes zero in (n) . Therefore, the notch filter 131 detects γ and δ-axis fundamental wave currents i γf and i δf from the detected γ and δ-axis current values i γ and i δ at the sample points (n−2) and (n).

図3において、γ軸基本波電圧指令値vγf は、γ軸電流指令値iγ とγ軸基本波電流iγfとの偏差を減算器132aにて演算し、この偏差をγ軸電流調節器133aにより増幅して演算する。一方、δ軸基本波電圧指令値vδf は、δ軸電流指令値iδ とδ軸基本波電流iδとの偏差を減算器132bにて演算し、この偏差をδ軸電流調節器133bにより増幅して演算する。
ここで、γ,δ軸電流指令値iγ ,iδ は何れも零に制御する。また、γ,δ軸基本波電圧指令値vγf ,vδf は、高周波電流への干渉を防ぐため、高周波電圧1周期Tの間、一定値に制御するものとする。
なお、本実施形態における磁極位置の演算動作は、第2実施形態と同様である。
In FIG. 3, the γ-axis fundamental wave voltage command value v γf * is obtained by calculating a deviation between the γ-axis current command value i γ * and the γ-axis fundamental wave current i γf by the subtractor 132a. Amplification is performed by the regulator 133a. On the other hand, the δ-axis fundamental wave voltage command value v δf * is obtained by calculating a deviation between the δ-axis current command value i δ * and the δ-axis fundamental wave current i δ by the subtractor 132b. It amplifies by 133b and calculates.
Here, the γ and δ axis current command values i γ * and i δ * are both controlled to zero. Further, gamma, [delta]-axis fundamental voltage command value v γf *, v δf * is to prevent interference with the high-frequency current between the high-frequency voltage one period T h, it shall be controlled to a constant value.
Note that the magnetic pole position calculation operation in the present embodiment is the same as that in the second embodiment.

次に、図4は請求項2,4に相当する本発明の第4実施形態を示すブロック図である。
本実施形態は、図3の第3実施形態における磁極位置演算誤差θerrの演算を簡略化したものであり、第3実施形態における高周波電流座標変換器31が省略され、バンドパスフィルタ30から出力されたγ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhがフーリエ級数演算器141に直接入力されている。
まず、本実施形態の原理について説明する。
x,y軸高周波電圧とγ,δ軸高周波電流との間には、数式16の関係がある。
Next, FIG. 4 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention corresponding to claims 2 and 4.
In this embodiment, the calculation of the magnetic pole position calculation error θ err in the third embodiment of FIG. 3 is simplified, the high-frequency current coordinate converter 31 in the third embodiment is omitted, and the output from the bandpass filter 30 is performed. The γ and δ-axis high frequency current amplitudes I γh and I δh are directly input to the Fourier series calculator 141.
First, the principle of this embodiment will be described.
There is a relationship of Equation 16 between the x and y axis high frequency voltage and the γ and δ axis high frequency current.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

数式16より、交番高周波電圧をx軸に印加する場合、γ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhは数式17のようになる。 From Equation 16, when an alternating high-frequency voltage is applied to the x-axis, the γ and δ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh are as shown in Equation 17.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

数式16、数式17より、γ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhには、角度δの値に依存せず、言い換えれば任意に定義される直交座標上で、磁極位置演算誤差θerrに依存する成分が含まれる。γ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhから角度δの値に依存しない零次成分Iγha0,Iδha0をフーリエ級数により求めると、数式18のようになる。 From Equations 16 and 17, the γ and δ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh do not depend on the value of the angle δ x , in other words, the magnetic pole position calculation error θ err on the arbitrarily defined orthogonal coordinates. Independent components are included. gamma, [delta]-axis high frequency current amplitude I y H, I .delta.h from the angle [delta] the zero-order component does not depend on the value of x I γha0, when the I Derutaha0 determined by Fourier series, so Equation 18.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

図9に示したように、それぞれの角度δにおいて、交番高周波電圧をx軸プラス方向(角度差δ方向)とx軸マイナス方向(角度差δ+π方向)とに印加する場合、角度δを零から180[deg]まで変化させたときのγ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhより、フーリエ級数を数式19にて演算する。 As shown in FIG. 9, at each angle δ x , when alternating high-frequency voltage is applied in the x-axis plus direction (angle difference δ x direction) and the x-axis minus direction (angle difference δ x + π direction), the angle From the γ and δ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh when δ x is changed from zero to 180 [deg], the Fourier series is calculated by Equation 19.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

数式19に示したフーリエ級数の零次成分より、磁極位置演算誤差θerrは数式20を用いて演算することができる。 The magnetic pole position calculation error θ err can be calculated using Expression 20 from the zero-order component of the Fourier series shown in Expression 19.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

また、γ軸の角度θ=0のとき、数式1からθ=−θerrであるから、磁極位置θは数式21によって演算することができる。 When the angle γ-axis θ 1 = 0, θ r = −θ err from Equation 1, so that the magnetic pole position θ r can be calculated by Equation 21.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

次に、本実施形態の動作を図4に基づいて説明する。
フーリエ級数演算器141は、γ,δ軸高周波電流振幅Iδh,Iδhから、角度δに依存しない成分Iγha0,Iδha0をフーリエ級数により演算する。
位置誤差演算器142は、前述の数式20により磁極位置演算誤差θerrを演算する。
また、磁極位置演算値の収束を速くするため、演算開始時に磁極位置演算値θに磁極位置の初期値をプリセットする。磁極位置の初期値は、θを零に設定してγ,δ軸高周波電流のフーリエ級数Iγha0,Iδha0を演算し、これらのフーリエ級数Iγha0,Iδha0を用いて数式21により演算する。
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIG.
The Fourier series calculator 141 calculates components I γha0 and I δha0 that do not depend on the angle δ x from the γ and δ-axis high-frequency current amplitudes I δh and I δh using a Fourier series.
The position error calculator 142 calculates the magnetic pole position calculation error θ err according to Equation 20 described above.
Further, to speed the convergence of the magnetic pole position calculation value, preset the initial value of the magnetic pole position in the magnetic pole position calculation value theta 1 at operation start. The initial value of the magnetic pole position is calculated by using Equation 21 using the Fourier series I γha0 and I δha0 by setting the θ 1 to zero and calculating the Fourier series I γha0 and I δha0 of the γ and δ-axis high-frequency currents. .

次に、請求項3に相当する本発明の第5実施形態を図5に従って説明する。この実施形態は、第4実施形態において磁極位置演算を更に簡略化したものである。
まず、本実施形態の原理について説明する。
前述した数式18より、δ軸高周波電流のフーリエ級数Iδha0は、磁極位置演算誤差θerrの正弦波関数である。このため、磁極位置演算誤差θerrが零近傍の場合、フーリエ級数Iδha0と磁極位置演算誤差θerrとは比例関係にあると近似することができる。そこで、フーリエ級数Iδha0が零になるように磁極位置及び速度を演算すれば、磁極位置を正確に演算することができる。
Next, a fifth embodiment of the present invention corresponding to claim 3 will be described with reference to FIG. In this embodiment, the magnetic pole position calculation is further simplified in the fourth embodiment.
First, the principle of this embodiment will be described.
From Equation 18 described above, the Fourier series I δha0 of the δ-axis high-frequency current is a sine wave function of the magnetic pole position calculation error θ err . Therefore, when the magnetic pole position calculation error θ err is near zero, it can be approximated that the Fourier series I δha0 and the magnetic pole position calculation error θ err are in a proportional relationship. Therefore, if the magnetic pole position and velocity are calculated so that the Fourier series I δha0 becomes zero, the magnetic pole position can be calculated accurately.

数式18より、Iδha0を求めるためには、δ軸高周波電流振幅Iδhの情報、すなわち、推定の磁極方向(γ軸方向)に直交する方向(δ軸方向)の高周波電流振幅情報だけが必要である。従って、交番高周波電圧はδ軸プラス方向とδ軸マイナス方向とに印加するだけで良い。数式19より、このときのIδha0は、δ軸高周波電流振幅Iδhから、下記の数式22によって演算可能である。 In order to obtain I δha0 from Equation 18, only information on δ-axis high-frequency current amplitude I δh , that is, high-frequency current amplitude information in a direction orthogonal to the estimated magnetic pole direction (γ-axis direction) (δ-axis direction) is necessary. It is. Therefore, the alternating high frequency voltage only needs to be applied in the δ-axis plus direction and the δ-axis minus direction. From Equation 19, I δha0 at this time can be calculated from the δ-axis high-frequency current amplitude I δh according to Equation 22 below.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

次に、この実施形態の動作を図5及び図11に基づいて説明する。なお、図11は、本実施形態におけるδ軸高周波電圧vδh,高周波電流iδh,基本波電圧vδf,基本波電流iδf,δ軸電圧vδ,δ軸電流iδ,δ軸高周波電流振幅Iδhの波形を示している。 Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. 11 shows the δ-axis high-frequency voltage v δh , the high-frequency current i δh , the fundamental wave voltage v δf , the fundamental wave current i δf , the δ-axis voltage v δ , the δ-axis current i δ , and the δ-axis high frequency current in this embodiment. A waveform of amplitude I δh is shown.

図5において、第4実施形態における角度演算器20、x軸高周波電圧演算器21、高周波電圧座標変換器22の代わりに設けられたδ軸高周波電圧演算器151は、δ軸高周波電圧指令値vδh を図11に示すvδhと同じ矩形波の交番高周波電圧に制御する。ここで、γ軸高周波電圧指令値vγh は0に制御される。
フーリエ級数演算器152は、前述の数式22により、δ軸高周波電流振幅Iδhに基づいてフーリエ級数Iδha0を演算する。速度演算器153は、フーリエ級数Iδha0を増幅して速度演算値ωを数式23により演算する。
In FIG. 5, a δ-axis high-frequency voltage calculator 151 provided in place of the angle calculator 20, the x-axis high-frequency voltage calculator 21, and the high-frequency voltage coordinate converter 22 in the fourth embodiment is a δ-axis high-frequency voltage command value v. δh * is controlled to the same rectangular wave alternating high-frequency voltage as v δh shown in FIG. Here, the γ-axis high-frequency voltage command value v γh * is controlled to zero.
The Fourier series calculator 152 calculates the Fourier series I δha0 based on the δ-axis high-frequency current amplitude I δh by the above-described equation 22. The speed calculator 153 amplifies the Fourier series I δha0 and calculates the speed calculation value ω 1 using Equation 23.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

本実施形態でも、磁極位置演算値の収束を速くするため、演算開始時に磁極位置演算値θに初期値をプリセットする。磁極位置の初期値θ10は、θを零に設定して高周波電流のフーリエ級数Iδha0を演算し、このフーリエ級数Iδha0から、初期磁極位置演算器154が数式24により演算する。 In the present embodiment, in order to speed up the convergence of the magnetic pole position calculation value, preset the initial value to the magnetic pole position calculation value theta 1 at operation start. The initial value θ 10 of the magnetic pole position is calculated by calculating the Fourier series I δha0 of the high-frequency current with θ 1 set to zero, and the initial magnetic pole position calculator 154 is calculated from the Fourier series I δha0 by Equation 24.

Figure 0005120621
Figure 0005120621

なお、請求項6に記載するように、磁極位置検出器を持つ永久磁石形同期電動機の駆動システムに本発明を適用する場合には、磁極位置検出値の誤差を、上述した第1〜第5実施形態の何れかによって得た磁極位置演算値を用いて補正することにより、磁極位置を一層正確に求めることができる。   In addition, as described in claim 6, when the present invention is applied to a drive system of a permanent magnet type synchronous motor having a magnetic pole position detector, the error of the magnetic pole position detection value is the first to fifth described above. By correcting using the magnetic pole position calculation value obtained by any of the embodiments, the magnetic pole position can be obtained more accurately.

本発明の第1実施形態を示すブロック図である。1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 5th Embodiment of this invention. 磁極位置演算に使用する座標軸の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the coordinate axis used for a magnetic pole position calculation. d軸電流と鎖交磁束との関係、及び、d軸電流とd軸インダクタンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between d-axis current and a linkage flux, and the relationship between d-axis current and d-axis inductance. 角度差θxerrとx軸インダクタンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between angle difference (theta) xerr and x-axis inductance. 本発明の実施形態における電圧波形及び電流波形を示す図である。It is a figure which shows the voltage waveform and current waveform in embodiment of this invention. 角度差θxerrとx軸高周波電流振幅との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between angle difference (theta) xerr and x-axis high frequency current amplitude. 本発明の第5実施形態における電圧波形及び電流波形を示す図である。It is a figure which shows the voltage waveform and current waveform in 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

50 三相交流電源
60 整流回路
70 電力変換器
80 永久磁石形同期電動機(PMSM)
11u u相電流検出回路
11w w相電流検出回路
12 電圧検出回路
13 PWM回路
14 電流座標変換器
15 電圧座標変換器
20 角度演算器
21 x軸高周波電圧演算器
22 高周波電圧座標変換器
23a 加算器
23b 加算器
30 バンドパスフィルタ
31 高周波電流座標変換器
32 フーリエ級数演算器
33 初期磁極位置演算器
121 位置誤差演算器
122 速度演算器
123 磁極位置演算器
131 ノッチフィルタ
132a 減算器
132b 減算器
133a γ軸電流調節器
133b δ軸電流調節器
141 フーリエ級数演算器
142 位置誤差演算器
151 δ軸高周波電圧演算器
152 フーリエ級数演算器
153 速度演算器
154 初期磁極位置演算器
50 Three-phase AC power supply 60 Rectifier circuit 70 Power converter 80 Permanent magnet synchronous motor (PMSM)
11u u-phase current detection circuit 11w w-phase current detection circuit 12 voltage detection circuit 13 PWM circuit 14 current coordinate converter 15 voltage coordinate converter 20 angle calculator 21 x-axis high-frequency voltage calculator 22 high-frequency voltage coordinate converter 23a adder 23b Adder 30 Bandpass filter 31 High-frequency current coordinate converter 32 Fourier series calculator 33 Initial magnetic pole position calculator 121 Position error calculator 122 Speed calculator 123 Magnetic pole position calculator 131 Notch filter 132a Subtractor 132b Subtractor 133a γ-axis current Controller 133b δ-axis current controller 141 Fourier series calculator 142 Position error calculator 151 δ-axis high-frequency voltage calculator 152 Fourier series calculator 153 Speed calculator 154 Initial magnetic pole position calculator

Claims (6)

永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
振幅とパルス幅とが等しく極性が互いに異なる2つのパルス電圧からなる矩形波の交番高周波電圧を、前記電動機に対して複数のベクトル方向に印加する手段と、
前記交番高周波電圧を印加した時に前記電動機に流れる電流であって、前記交番高周波電圧と平行な方向の高周波電流を検出する手段と、
前記高周波電流から前記交番高周波電圧のベクトル方向に依存して1周期で変化する成分であるフーリエ級数1次成分を抽出する手段と、
前記フーリエ級数1次成分から、前記電動機の磁極位置または磁極位置演算誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
Taking the terminal voltage and current of a permanent magnet synchronous motor as vectors,
Means for applying a rectangular wave alternating high-frequency voltage composed of two pulse voltages having the same amplitude and pulse width and different polarities to the electric motor in a plurality of vector directions;
Means for detecting a high-frequency current flowing in the motor when the alternating high-frequency voltage is applied, in a direction parallel to the alternating high-frequency voltage;
Means for extracting a Fourier series primary component that is a component that changes in one cycle depending on the vector direction of the alternating high-frequency voltage from the high-frequency current;
Means for calculating a magnetic pole position or a magnetic pole position calculation error of the electric motor from the Fourier series primary component;
A control device for a permanent magnet type synchronous motor.
永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
振幅とパルス幅とが等しく極性が互いに異なる2つのパルス電圧からなる矩形波の交番高周波電圧を、前記電動機に対して複数のベクトル方向に印加する手段と、
前記交番高周波電圧を印加した時に前記電動機に流れる電流であって、任意に定義した直交座標上の高周波電流を検出する手段と、
前記高周波電流から前記交番高周波電圧のベクトル方向によって変化しない成分であるフーリエ級数零次成分を抽出する手段と、
前記フーリエ級数零次成分から、前記電動機の磁極位置または磁極位置演算誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
Taking the terminal voltage and current of a permanent magnet synchronous motor as vectors,
Means for applying a rectangular wave alternating high-frequency voltage composed of two pulse voltages having the same amplitude and pulse width and different polarities to the electric motor in a plurality of vector directions;
Means for detecting a high-frequency current on orthogonal coordinates, which is a current that flows through the electric motor when the alternating high-frequency voltage is applied;
Means for extracting a Fourier series zero-order component that is a component that does not change depending on the vector direction of the alternating high-frequency voltage from the high-frequency current;
Means for calculating a magnetic pole position of the electric motor or a magnetic pole position calculation error from the Fourier series zero-order component;
A control device for a permanent magnet type synchronous motor.
永久磁石形同期電動機の端子電圧及び電流をベクトルとしてとらえ、
振幅とパルス幅とが等しく極性が互いに異なる2つのパルス電圧からなる矩形波の交番高周波電圧を、前記電動機に対して推定の磁極方向と直交する方向に印加する手段と、
前記交番高周波電圧を印加した時に前記電動機に流れる電流であって、前記推定の磁極方向と直交する方向の高周波電流を検出する手段と、
前記高周波電流から前記交番高周波電圧のベクトル方向によって変化しない成分であるフーリエ級数零次成分を抽出する手段と、
前記フーリエ級数零次成分から、前記電動機の磁極位置または磁極位置演算誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
Taking the terminal voltage and current of a permanent magnet synchronous motor as vectors,
Means for applying an alternating high frequency voltage of a rectangular wave composed of two pulse voltages having the same amplitude and pulse width and different polarities to the motor in a direction perpendicular to the estimated magnetic pole direction;
Means for detecting a high-frequency current flowing in the motor when the alternating high-frequency voltage is applied, in a direction orthogonal to the estimated magnetic pole direction;
Means for extracting a Fourier series zero-order component that is a component that does not change depending on the vector direction of the alternating high-frequency voltage from the high-frequency current;
Means for calculating a magnetic pole position of the electric motor or a magnetic pole position calculation error from the Fourier series zero-order component;
A control device for a permanent magnet type synchronous motor.
請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
前記磁極位置演算誤差を比例積分演算して回転子の速度を演算する速度演算手段と、
この演算手段により得た速度演算値を積分して磁極位置を演算する磁極位置演算手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
In the control device according to any one of claims 1 to 3,
Speed calculation means for calculating the rotor speed by proportional-integral calculation of the magnetic pole position calculation error;
Magnetic pole position calculation means for calculating the magnetic pole position by integrating the speed calculation value obtained by the calculation means;
A control device for a permanent magnet type synchronous motor.
請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
前記交番高周波電圧の印加を開始するサンプル点、または、前記交番高周波電圧の印加を終了するサンプル点の電流検出値から基本波電流を検出する手段と、
前記電動機の電流指令値と基本波電流検出値との偏差をなくすように基本波電圧指令値を演算する電流調節器と、
前記基本波電圧指令値と前記交番高周波電圧とを加算して前記電動機の電圧指令値を演算する手段と、
前記電動機の端子電圧を前記電圧指令値に制御する手段と、
を備え、
前記基本波電圧指令値を、前記交番高周波電圧の1周期の間、一定に制御することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
In the control device according to any one of claims 1 to 3,
Means for detecting a fundamental wave current from a current detection value of a sample point at which application of the alternating high-frequency voltage is started or a sample point at which application of the alternating high-frequency voltage is terminated;
A current regulator that calculates a fundamental voltage command value so as to eliminate a deviation between the current command value of the electric motor and a detected fundamental wave current value;
Means for calculating the voltage command value of the motor by adding the fundamental voltage command value and the alternating high-frequency voltage;
Means for controlling the terminal voltage of the motor to the voltage command value;
With
A control apparatus for a permanent magnet type synchronous motor, wherein the fundamental wave voltage command value is controlled to be constant during one cycle of the alternating high-frequency voltage.
請求項1〜5の何れか1項に記載した制御装置において、
前記回転子の磁極位置を検出するための磁極位置検出手段を備え、
この検出手段による磁極位置検出値の誤差を、請求項1〜5の何れかにより得た磁極位置演算値を用いて補正することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
In the control device according to any one of claims 1 to 5,
Magnetic pole position detection means for detecting the magnetic pole position of the rotor,
A control apparatus for a permanent magnet type synchronous motor, wherein an error in a magnetic pole position detection value by the detection means is corrected using a magnetic pole position calculation value obtained by any one of claims 1 to 5.
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