JP5278091B2 - Induction motor rotation speed estimation apparatus and estimation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導電動機の速度センサレス制御装置に係り、特に周波数をスイープした単相交流電圧を空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流から回転数を推定する誘導電動機の回転数推定装置および推定方法に関する。 The present invention relates to a speed sensorless control device for an induction motor, and more particularly to a rotation speed estimation device for an induction motor that estimates a rotation speed from a primary current when a single-phase AC voltage having a swept frequency is applied to an induction motor that is idling. It relates to an estimation method.
速度センサを有さない誘導電動機をインバータなどの制御装置で駆動するシステムにおいて、空転中の誘導電動機の回転数・回転方向を検出する場合、誘導電動機の一次電流の特徴量を監視して推定する方式がある(例えば、特許文献1参照)。 In a system in which an induction motor without a speed sensor is driven by a control device such as an inverter, when detecting the rotation speed and rotation direction of an induction motor that is idling, the feature value of the primary current of the induction motor is monitored and estimated. There is a method (for example, refer to Patent Document 1).
この文献1では、図3に構成例を示すように、単相の交流電圧を発振する発振器を設けて、空転中の誘導電動器に単相交流電圧の周波数をスイープしながら印加し、この印加時の誘導電動機の一次電流を検出して固定座標軸上の直交した2軸成分に変換し、2軸上の電流リサージュの波形の描く楕円の短軸/長軸の比率と電流リサージュの回転方向で空転中の誘導電動機の回転数・回転方向を推定する。
In this
図3において、誘導電動機1は、電力変換器であるPWMインバータ2により駆動される。誘導電動機1の一次電流は、変流器3により検出され、3相/2相変換手段4により一次電流の軸成分Iα*、Iβ*に変換される。5は2相/3相変換手段で、この2相/3相変換手段において3相の電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換される。6は単相の交流電圧発振器で、この発振器6の単相交流出力は、周波数/電圧制御器7からの電圧指令Vα*、Vβ*のうち何れでもよいが、ここではVα*に加算されてVβ*と共に2相/3相変換手段5入力される。8は周波数指令値を入力して位相信号に変換する位相変換器である。
In FIG. 3, the
まず、3相のU、V、Wの軸と固定座標軸上の直交したαβの2軸を図4で示すように定義する。空転中の誘導電動機1に単相交流電圧を印加し、単相交流電圧の周波数を誘導電動機1の最高周波数からゼロ方向へスイープする。このときの誘導電動機1の一次電流を変流器3により検出し、3相/2相変換手段4により固定座標上の直交した2軸のαβ成分に変換すると、αβ軸上の電流リサージュは図5の(ア)〜(コ)のような波形を描く。
First, as shown in FIG. 4, two axes of αβ, which are orthogonal to the three-phase U, V, W axes and the fixed coordinate axes, are defined. A single-phase AC voltage is applied to the
図5の(a)は誘導電動機が正転中に単相交流電圧を印加した場合を示し、(b)は逆転時に単相交流電圧を印加した場合を示し、単相交流電圧の周波数と誘導電動機の回転数の大小で細い楕円から太い楕円を経て再び細い楕円に変化し、両周波数が一致した場合に最も太い楕円になる。このことを利用し、固定座標軸と直交した2軸の中のα軸に単相交流電圧を印加することにより、電流リサージュが描く楕円の短軸/長軸の比率と電流リサージュの回転方向を3相/2相変換手段4,若しくは3相/2相変換後において監視することにより、空転中の誘導電動機の回転数と回転方向の推定を行う。 FIG. 5A shows a case where a single-phase AC voltage is applied during forward rotation of the induction motor, and FIG. 5B shows a case where a single-phase AC voltage is applied during reverse rotation. Depending on the rotation speed of the motor, it changes from a thin ellipse to a thin ellipse again through a thick ellipse, and becomes the thickest ellipse when both frequencies match. By utilizing this, by applying a single-phase AC voltage to the α axis in two axes orthogonal to the fixed coordinate axis, the ratio of the minor axis / major axis of the ellipse drawn by the current Lissajous and the rotation direction of the current Lissajous are 3 By monitoring the phase / 2-phase conversion means 4 or after the three-phase / 2-phase conversion, the number of rotations and the direction of rotation of the induction motor during idling are estimated.
図3の構成において、PWMインバータ2はPWM制御により擬似正弦波電圧を出力する。このとき、インバータ主回路のスイッチング素子のコレクタ・エミッタ電圧(Vce)による電圧降下のバラツキにより、出力電圧の振幅に電圧差を生じる。 In the configuration of FIG. 3, the PWM inverter 2 outputs a pseudo sine wave voltage by PWM control. At this time, a voltage difference is generated in the amplitude of the output voltage due to variations in the voltage drop due to the collector-emitter voltage (Vce) of the switching element of the inverter main circuit.
また、PWMインバータは、スイッチング素子の上下アーム同時オンによる直流電圧短絡を防ぐために、PWMキャリアによるスイッチングのたびにデッドタイムを設けている。このデッドタイムの介挿とスイッチングの遅れによっても3相間の出力電圧の振幅に電圧降下を生じる。これらのPWMインバータの電圧差を図6に示す。 In addition, the PWM inverter has a dead time each time switching is performed by the PWM carrier in order to prevent a DC voltage short circuit due to simultaneous turning on of the upper and lower arms of the switching element. This dead time insertion and switching delay also cause a voltage drop in the amplitude of the output voltage between the three phases. The voltage difference between these PWM inverters is shown in FIG.
これら電圧差のうち、デッドタイムなどスイッチングにより発生するものについては、キャリア周波数に依存して大きくなる。よって、前記の特許文献1の方式で電流リサージュを計測する際に、キャリア周波数が高い場合には、図7の(b)に示すように、電圧差の影響によりリサージュ電流振幅が小さくなる場合もあり、空転中の誘導電動機の回転数・回転方向の推定が出来なくなる問題が発生する。
Among these voltage differences, those generated by switching such as dead time increase depending on the carrier frequency. Therefore, when the current Lissajous is measured by the method of
これら電圧差の影響を無くすために、従来の技術で、出力電流極性に応じて補償電圧を加算する方式がある。しかし、前記の特許文献1の方式では、単相交流電圧の周波数を比較的高速にスイープしながら印加するため、この補償が印加電圧のスイープに追従できず、逆に外乱要素となってしまう。
In order to eliminate the influence of these voltage differences, there is a conventional technique in which a compensation voltage is added according to the output current polarity. However, in the method disclosed in
本発明の目的は、PWMインバータの出力に電圧差がある場合にも誘導電動機の回転数の推定誤差を減らすことができる誘導電動機の回転数推定装置および推定方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an induction motor rotation speed estimation device and an estimation method capable of reducing an estimation error of the rotation speed of an induction motor even when there is a voltage difference in the output of a PWM inverter.
本発明は、前記の課題を解決するため、単相交流電圧の周波数を誘導電動機の最高周波数からゼロ方向へスイープしたときの誘導電動機の一次電流リサージュの振幅がある基準値を下回る場合に、キャリア周波数を低減して電流リサージュ振幅を増加させることにより、電圧差の影響を低減して電流リサージュ振幅を増加し、この振幅増加した電流リサージュが描く楕円の短軸/長軸の比率から回転数を推定するようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a carrier when the amplitude of the primary current Lissajous of the induction motor is less than a reference value when the frequency of the single-phase AC voltage is swept from the highest frequency of the induction motor to the zero direction. By reducing the frequency and increasing the current Lissajous amplitude, the influence of the voltage difference is reduced and the current Lissajous amplitude is increased, and the rotation speed is calculated from the ratio of the short axis / long axis of the ellipse drawn by this increased current Lissajous. The apparatus is characterized by the following apparatus and method.
(1)2相/3相変換器によって変換された電圧指令に基づき、PWMインバータを介して誘導電動機を制御し、周波数をスイープした単相交流電圧を前記PWMインバータを介して空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流リサージュが描く楕円の短軸/長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定装置において、
前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算器と、
前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記PWMインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節器と、
を備えたことを特徴とする。
(1) An induction motor that controls an induction motor via a PWM inverter based on a voltage command converted by a two-phase / three-phase converter, and idles a single-phase AC voltage sweeping the frequency via the PWM inverter. In the induction motor rotation speed estimation device for estimating the rotation speed of the induction motor from the ratio of the short axis / long axis of the ellipse drawn by the primary current Lissajous when applied to
An amplitude calculator for obtaining a current amplitude from an αβ axis component of the current Lissajous for each sweep of the frequency of the single-phase AC voltage;
The carrier frequency of the PWM inverter is reduced until the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than a reference value, and the carrier frequency is restored to the original frequency after the rotation speed is estimated when the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than the reference value. A frequency adjuster to be restored,
It is provided with.
(2)2相/3相変換器によって変換された電圧指令に基づき、PWMインバータを介して誘導電動機を制御し、周波数をスイープした単相交流電圧を前記PWMインバータを介して空転中の誘導電動機に印加したときの一次電流リサージュが描く楕円の短軸/長軸の比率から誘導電動機の回転数を推定する誘導電動機の回転数推定方法において、
前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算ステップと、
前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記PWMインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節ステップと、
を有することを特徴とする。
(2) Based on the voltage command converted by the two-phase / three-phase converter, the induction motor is controlled via the PWM inverter, and the single-phase AC voltage whose frequency is swept is idled via the PWM inverter. In the induction motor rotation speed estimation method for estimating the rotation speed of the induction motor from the ratio of the short axis / long axis of the ellipse drawn by the primary current Lissajous when applied to
An amplitude calculation step for obtaining a current amplitude from an αβ axis component of the current Lissajous for each frequency sweep of the single-phase AC voltage;
The carrier frequency of the PWM inverter is reduced until the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than a reference value, and the carrier frequency is restored to the original frequency after the rotation speed is estimated when the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than the reference value. A frequency adjustment step to return,
It is characterized by having.
以上のとおり、本発明によれば、単相交流電圧の周波数を誘導電動機の最高周波数からゼロ方向へスイープしたときの誘導電動機の一次電流リサージュの振幅がある基準値を下回る場合に、キャリア周波数を低減して電流リサージュ振幅を増加させることにより、電圧差の影響を低減して電流リサージュ振幅を増加し、この振幅増加した電流リサージュが描く楕円の短軸/長軸の比率から回転数を推定するようにしたため、PWMインバータの出力に電圧差がある場合にも誘導電動機の回転数の推定誤差を減らすことができる。 As described above, according to the present invention, when the amplitude of the primary current Lissajous of the induction motor is less than a reference value when the frequency of the single-phase AC voltage is swept from the highest frequency of the induction motor to the zero direction, the carrier frequency is decreased. By reducing and increasing the current Lissajous amplitude, the influence of the voltage difference is reduced to increase the current Lissajous amplitude, and the rotation speed is estimated from the ratio of the short axis / long axis of the ellipse drawn by this increased current Lissajous As a result, the estimation error of the rotation speed of the induction motor can be reduced even when there is a voltage difference in the output of the PWM inverter.
図1は、本発明の実施形態を示す誘導電動機の速度センサレス制御装置の構成図である。同図が図3と異なる部分は、キャリア周波数制御部9を追加した点にある。なお、PWMインバータ2は、電圧指令VU *,VV *,VW *に応じたPWM波形を生成するPWM制御器2Aと、このPWM波形でゲート制御されるインバータ2Bに分離した構成で示す。
FIG. 1 is a configuration diagram of a speed sensorless control device for an induction motor showing an embodiment of the present invention. 3 is different from FIG. 3 in that a carrier
前記のように、空転中の誘導電動機1の回転数・回転方向の推定には、交流電圧発振器6から単相交流電圧をα軸に印加し、単相交流電圧の周波数を誘導電動機1の最高周波数からゼロ方向へスイープしたときの誘導電動機1の一次電流を検出し、3相/2相変換器4により固定座標軸上の直交した2軸(αβ軸)成分に変換し、この電流リサージュが描く楕円の短軸/長軸の比率と電流リサージュの回転方向を監視することにより、空転中の誘導電動機の回転数と回転方向を推定する。
As described above, in order to estimate the rotation speed and rotation direction of the
ここで、キャリア周波数制御部9は、3相/2相変換器4で変換した電流Iα*とIβ*が呈する電流リサージュの振幅を求める振幅演算器9Aと、この演算結果となる振幅が予め設定される基準値よりも小さい場合にキャリア周波数指令fcの周波数を下げてPWM制御器2Aのキャリア信号とする周波数調節器9Bを備える。
Here, the carrier
この構成により、振幅演算器9Aでは誘導電動機1の一次電流のαβ軸成分から電流の振幅をスイープ期間に亘って求め、周波数調節器9Bでは電流振幅の演算結果について、電流振幅の最大値を監視し、これが基準値を超える振幅が得られなかった場合は、キャリア周波数を低減してPWM制御器のキャリア周波数とする。このキャリア周波数を調節した後、再度、単相交流電圧を最高周波数からゼロ方向へスイープさせ、キャリア周波数制御部9による振幅監視とキャリア周波数切替え行う。この動作を、基準値を超える振幅が得られるまで繰り返すことにより、精度良く空転中の誘導電動機の回転数推定さらには回転方向の推定が可能になる。計測終了後は、キャリア周波数を本来の値に戻して、PWMインバータ2は再始動を開始する。
With this configuration, the amplitude calculator 9A calculates the current amplitude from the αβ axis component of the primary current of the
図2は上記のキャリア周波数調節の動作フローを示す。単相交流電圧をスイープさせながら印加し(S1)、1回のスイープ期間における電流振幅最大値が基準値以上か否かを監視し(S2)、基準値以上でなければキャリア周波数の低減処理を行う(S3)。この繰り返し処理で電流振幅最大値が基準値以上になれば(S2)、電流リサージュの長軸と短軸の比率から誘導電動機の実回転速度を推定し(S4)、この推定に際してキャリア周波数の低減を行ったか否かをチェックし(S5)、低減していればキャリア周波数を元の周波数への復帰処理を行い(S6)、低減していなければ回転数推定を終える。 FIG. 2 shows an operation flow of the above carrier frequency adjustment. A single-phase AC voltage is applied while sweeping (S1), and it is monitored whether the current amplitude maximum value in one sweep period is greater than or equal to a reference value (S2). Perform (S3). If the maximum value of current amplitude exceeds the reference value in this iterative process (S2), the actual rotational speed of the induction motor is estimated from the ratio of the major axis to the minor axis of the current Lissajous (S4), and the carrier frequency is reduced in this estimation. (S5), if the frequency is reduced, the carrier frequency is restored to the original frequency (S6). If the frequency is not reduced, the estimation of the rotational speed is finished.
このように、本実施形態では、単相交流電圧印加時の電流リサージュの振幅がある基準値を下回る場合に、キャリア周波数を低減することにより、電圧差の影響を低減して電流リサージュ振幅を増加し、空転中の誘導電動機の回転数の推定精度を向上させる。 As described above, in this embodiment, when the amplitude of the current Lissajous when the single-phase AC voltage is applied falls below a certain reference value, the influence of the voltage difference is reduced and the current Lissajous amplitude is increased by reducing the carrier frequency. In addition, the estimation accuracy of the rotational speed of the induction motor during idling is improved.
1 誘導電動機
2 PWMインバータ
6 交流電圧発振器
9 キャリア周波数制御部
9A 振幅演算器
9B 周波数調節器
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算器と、
前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記PWMインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節器と、
を備えたことを特徴とする誘導電動機の回転数推定装置。 Based on the voltage command converted by the two-phase / three-phase converter, the induction motor is controlled via the PWM inverter, and the single-phase AC voltage sweeping the frequency is applied to the idle induction motor via the PWM inverter. In the induction motor rotation speed estimation device for estimating the rotation speed of the induction motor from the ratio of the short axis / long axis of the ellipse drawn by the primary current Lissajous
An amplitude calculator for obtaining a current amplitude from an αβ axis component of the current Lissajous for each sweep of the frequency of the single-phase AC voltage;
The carrier frequency of the PWM inverter is reduced until the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than a reference value, and the carrier frequency is restored to the original frequency after the rotation speed is estimated when the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than the reference value. A frequency adjuster to be restored,
An induction motor rotation speed estimation device comprising:
前記単相交流電圧の周波数のスイープ毎に前記電流リサージュのαβ軸成分から電流振幅を求める振幅演算ステップと、
前記電流振幅の最大値が基準値以上になるまで、前記PWMインバータのキャリア周波数を低減し、前記電流振幅の最大値が基準値以上になったときの回転数推定後にキャリア周波数を元の周波数に復帰させる周波数調節ステップと、
を有することを特徴とする誘導電動機の回転数推定方法。 Based on the voltage command converted by the two-phase / three-phase converter, the induction motor is controlled via the PWM inverter, and the single-phase AC voltage sweeping the frequency is applied to the idle induction motor via the PWM inverter. In the induction motor rotation speed estimation method for estimating the rotation speed of the induction motor from the ratio of the short axis / long axis of the ellipse drawn by the primary current Lissajous
An amplitude calculation step for obtaining a current amplitude from an αβ axis component of the current Lissajous for each frequency sweep of the single-phase AC voltage;
The carrier frequency of the PWM inverter is reduced until the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than a reference value, and the carrier frequency is restored to the original frequency after the rotation speed is estimated when the maximum value of the current amplitude is equal to or higher than the reference value. A frequency adjustment step to return,
A method for estimating the number of revolutions of an induction motor.
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