JP5281339B2 - Synchronous motor drive system and control device used therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To estimate the position of a magnetic pole even if a current flowing to a synchronous motor increases. <P>SOLUTION: A drive system is equipped with: a power converter 2 which supplies the synchronous motor 1 with AC power; a controller 100 which controls its rotation into the target value by transmitting a control signal to the power converter 2; and a current detecting means 3 which detects the current of the motor. The controller 100 is equipped with: a high frequency signal generating means 13, which generates a high frequency signal synchronized with the current of the motor; control signal generating means 8, 9, 10, 11, 12, and 14, which generate control signals that are modulated by using the high frequency signal; high frequency current extracting means 13 and 505, which extract high frequency currents from the current that is detected in the motor by the current detecting means 3; and magnetic pole position estimating means 5, 6, and 7, which estimate the position of the magnetic pole in the synchronous motor, using the high frequency extracted current extracted with the high frequency current extracting means. The phase of the high frequency signal shifts in synchronism with the rotating angle of the rotor in the synchronous motor, according to the load torque of the synchronous motor. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、同期電動機の回転子の回転角を推定して電動機制御を実現する同期電動機の駆動システム、及びこれに用いる制御装置に関する。   The present invention relates to a drive system for a synchronous motor that realizes motor control by estimating a rotation angle of a rotor of the synchronous motor, and a control device used therefor.

電気角位置を検出する角度センサを用いずに、同期電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定手法が開示されている。
特許文献1は、永久磁石同期電動機(以下、「PM(Permanent Magnetic)モータ」という)の突極性を利用して、磁極位置の推定を行うものである。PMモータの推定磁極軸(dc軸)に交番磁界を発生させ、このdc軸に対して直交する推定トルク軸(qc軸)成分の脈動電流(あるいは電圧)を検出し、これに基づいて、PMモータ内部の磁極位置を推定演算する。この技術は、実際の磁極軸と推定磁極軸との間に誤差がある場合に、dc軸からqc軸に対してインダクタンスの干渉項が存在する特徴を利用している。
特許文献2は、PMモータの磁気飽和特性を利用して磁極位置を推定演算するものであり、PMモータに対して、ある方向へ電圧を印加したことで発生する電流の大きさに基いて、磁極位置を推定演算する。
特開平7−245981号公報 特開2002−78392号公報
A magnetic pole position estimation method for estimating the magnetic pole position of a synchronous motor without using an angle sensor that detects an electrical angle position is disclosed.
Patent Document 1 estimates the magnetic pole position using the saliency of a permanent magnet synchronous motor (hereinafter referred to as “PM (Permanent Magnetic) motor”). An alternating magnetic field is generated on the estimated magnetic pole axis (dc axis) of the PM motor, the pulsating current (or voltage) of the estimated torque axis (qc axis) component orthogonal to the dc axis is detected, and based on this, the PM Estimate and calculate the magnetic pole position inside the motor. This technique uses the feature that there is an inductance interference term from the dc axis to the qc axis when there is an error between the actual magnetic pole axis and the estimated magnetic pole axis.
Patent Document 2 estimates and calculates the magnetic pole position using the magnetic saturation characteristics of the PM motor. Based on the magnitude of current generated by applying a voltage to the PM motor in a certain direction, Estimate and calculate the magnetic pole position.
JP 7-245981 A JP 2002-78392 A

特許文献1の技術は、PMモータの回転子突極性を利用するため、適用にはPMモータの構造による制約を受ける点や、またPMモータの一次電流が増大すると、突極性が失われて磁極位置の推定が困難となり易い点で問題がある。
特許文献2の技術は、高周波電圧をPMモータの固定子コイルに印加し、この印加電圧により一次電流に重畳された高周波電流の波形が磁気飽和により歪む現象を利用するものである。この技術は、PMモータの構造による制約は受けないが、一次電流によっても磁気飽和による歪みの影響が変化するため、一次電流が増大したときに磁極位置の推定が困難になる問題がある。
Since the technique of Patent Document 1 uses the rotor saliency of the PM motor, the application is restricted by the structure of the PM motor, and when the primary current of the PM motor increases, the saliency is lost and the magnetic pole is lost. There is a problem in that it is difficult to estimate the position.
The technique of Patent Document 2 utilizes a phenomenon in which a high-frequency voltage is applied to a stator coil of a PM motor, and the waveform of the high-frequency current superimposed on the primary current by this applied voltage is distorted by magnetic saturation. Although this technique is not limited by the structure of the PM motor, there is a problem that it is difficult to estimate the magnetic pole position when the primary current increases, because the influence of distortion due to magnetic saturation changes depending on the primary current.

そこで、本発明は、同期電動機に流れる電流が増加しても磁極位置の推定を行うことができる同期電動機の駆動システム、及びこれに用いる制御装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a synchronous motor drive system capable of estimating the magnetic pole position even when the current flowing through the synchronous motor increases, and a control device used therefor.

前記課題を解決するため、本発明の手段は、非突極型同期電動機(1)と、この非突極型同期電動機に交流電力を供給する電力変換器(2)と、この電力変換器にPWM制御信号を送信して前記非突極型同期電動機の回転を目標値にdqベクトル制御する制御装置(100)と、前記非突極型同期電動機に流れる電動機電流を電動機検出電流として検出する電流検出手段(3)とを備えた同期電動機の駆動システム(200)において、前記制御装置は、c軸に位相を一致させた高周波信号を生成する高周波信号生成手段(13)と、前記目標値、及び前記電動機検出電流の値に基づいて、ベクトル演算された電圧指令値(Vdq0前記高周波信号の電圧値とを加算した加算電圧値(Vdq )に比例する前記PWM制御信号を生成する制御信号生成手段(8,9,10,11,12,14)と、前記電動機検出電流から高周波電流を抽出する高周波電流抽出手段(13,505)と、前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を用いて、前記非突極型同期電動機の磁極位置(Δθc)を、前記dc軸を基準に推定する磁極位置推定手段(21,506)とを備え、前記電動機検出電流は、qc軸電流とdc軸電流とに分解され、前記dc軸電流は、前記目標値に基づいてベクトル演算された前記qc軸電流の指令値に基づいて、前記非突極型同期電動機の磁束が磁気飽和する値に設定されていることを特徴とする。なお、括弧内は例示である。 In order to solve the above-described problems, the means of the present invention includes a non-salient-pole synchronous motor (1), a power converter (2) for supplying AC power to the non-saliency-type synchronous motor, and the power converter. current detecting a control device for controlling dq vector to the target value of the rotation by transmitting a PWM control signal the non-salient-pole type synchronous motor (100), a motor current flowing through the non-salient pole synchronous motor as a motor detection current the detection means (3) and the drive system of the synchronous motor having a (200), wherein the control device includes a high-frequency signal generating means (13) for generating a high-frequency signal to match the phase d c-axis, the target value , and based on the value of the motor detected current, the PWM control signal proportional to the vector operation voltage command value (Vdq0 *) and the voltage value and the added voltage value obtained by adding the high-frequency signal (Vdq *) The control signal generating means (8, 9, 10, 11, 12, 14) to be formed, the high frequency current extracting means (13, 505) for extracting the high frequency current from the motor detected current, and the high frequency current extracting means Magnetic pole position estimating means (21 , 506 ) for estimating the magnetic pole position (Δθc) of the non-salient-pole synchronous motor using a high-frequency extraction current with reference to the dc axis, and the motor detected current is qc The dc-axis current is decomposed into a shaft current and a dc-axis current. The dc-axis current is magnetically saturated based on the command value of the qc-axis current vector-calculated based on the target value. It is set to the value to be. The parentheses are examples.

本発明によれば、同期電動機に流れる電流が増加しても磁極位置の推定を行うことができる。これにより、突極性を持たないPMモータでも、停止からの磁極位置推定を行うことができ、これにより位置センサレス制御による高効率駆動を全速度域で実現することができる。   According to the present invention, the magnetic pole position can be estimated even when the current flowing through the synchronous motor increases. Thereby, even with a PM motor having no saliency, it is possible to estimate the magnetic pole position from the stop, thereby realizing high-efficiency driving by position sensorless control in the entire speed range.

(第1実施形態)
本発明の一実施形態である電動機駆動システムの構成を説明する。
図1の電動機駆動システム200は、電動機1(ACM)と、電力変換器2と、電流検出器3と、制御装置100とを備え、制御装置100は負荷トルク指令値τを目標値とするように電動機1をdqベクトル制御している。
電動機1は、三相の磁石式同期電動機(PMモータ)であり、永久磁石を備えた回転子が固定子内部を回転するように構成されている。固定子はコアに複数のスロットが設けられており、このスロットに固定子コイル(一次巻線)が巻回されている。この固定子コイルに三相電力を供給することにより電流磁束Φiが発生し、永久磁石は磁石磁束Φmを発生する。電流検出器3は、ホール素子等を用いて、電動機1に流れる三相電流(電動機電流)Iu,Iv,Iwを検出する。
(First embodiment)
A configuration of an electric motor drive system according to an embodiment of the present invention will be described.
An electric motor drive system 200 of FIG. 1 includes an electric motor 1 (ACM), a power converter 2, a current detector 3, and a control device 100. The control device 100 uses a load torque command value τ * as a target value. Thus, the dq vector control of the electric motor 1 is performed.
The electric motor 1 is a three-phase magnet synchronous motor (PM motor), and is configured such that a rotor having a permanent magnet rotates inside the stator. The stator is provided with a plurality of slots in the core, and a stator coil (primary winding) is wound around the slots. By supplying three-phase power to the stator coil, a current magnetic flux Φi is generated, and the permanent magnet generates a magnetic magnetic flux Φm. The current detector 3 detects three-phase currents (motor currents) Iu, Iv, and Iw flowing through the motor 1 using a Hall element or the like.

図2を用いて、電動機1の座標系ならびに軸誤差Δθの定義を説明する。d軸は回転子内部の永久磁石のN極の方向を正方向とした軸である。また、d軸の正方向に対し電気角で90度だけ位相が進んだ方向をq軸正方向とする。また、dc軸は制御装置100の内部でd軸を推定した推定軸であり、qc軸はq軸を推定した推定軸である。軸誤差Δθは、dc軸のd軸に対する進み方向の相差角として定義される。   The definition of the coordinate system of the electric motor 1 and the axis error Δθ will be described with reference to FIG. The d-axis is an axis with the direction of the N pole of the permanent magnet inside the rotor as the positive direction. Further, a direction whose phase is advanced by 90 degrees in electrical angle with respect to the positive direction of the d-axis is defined as a positive q-axis direction. Further, the dc axis is an estimated axis in which the d axis is estimated inside the control apparatus 100, and the qc axis is an estimated axis in which the q axis is estimated. The axis error Δθ is defined as the phase difference angle of the advance direction of the dc axis with respect to the d axis.

図1において、電力変換器2は、6個のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)及び複数の転流ダイオードを備えて構成されており、6本の制御信号Pに基づいて、直流電力を三相交流電力に変換する。電流検出器3は、電力変換器2から電動機1に流れる電動機電流(相電流)Iuvwを検出し、電流検出手段として機能する。   In FIG. 1, the power converter 2 is configured to include six IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) and a plurality of commutation diodes. Convert to electricity. The current detector 3 detects a motor current (phase current) Iuvw flowing from the power converter 2 to the motor 1 and functions as a current detection unit.

制御装置100は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、及びCPU(Central Processing Unit)により構成され、dq変換器4と、軸誤差推定器5と、速度推定器6と、積分器7と、指令値生成器8と、電流制御器9と、ベクトル制御器10と、dq逆変換器11と、パルス幅変調器12と、高周波信号生成手段として機能する高周波電圧指令生成器13と、加算器14と、温度推定器15と、高周波電流振幅判定器16とを備えている。なお、軸誤差推定器5と、速度推定器6と、積分器7とで磁極位置推定手段21として機能し、指令値生成器8は平均電流制御手段として機能する。つまり、制御装置100は、電動機電流の平均値を制御する。 The control device 100 includes a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and a CPU (Central Processing Unit), and includes a dq converter 4, an axis error estimator 5, a speed estimator 6, and an integration. 7, a command value generator 8, a current controller 9, a vector controller 10, a dq inverse converter 11, a pulse width modulator 12, and a high frequency voltage command generator 13 that functions as a high frequency signal generating means. And an adder 14, a temperature estimator 15, and a high-frequency current amplitude determiner 16. The axis error estimator 5, the speed estimator 6, and the integrator 7 function as the magnetic pole position estimating means 21, and the command value generator 8 functions as the average current control means. That is, the control device 100 controls the average value of the motor current.

dq変換器4は、電動機電流Iuvwの検出値を、制御装置内の基準座標軸であるdc軸上ならびにqc軸上の値として、dc軸電流検出値Idc、及びqc軸電流検出値Idcに変換する。なお、図面上では、dc軸電流検出値Idc、及びqc軸電流検出値IdcがIdqcと記載されている。軸誤差推定器5は、dq変換器4の出力であるdc軸電流検出値Idc、及びqc軸電流検出値Iqcを用いて、dc軸とd軸との相差角である軸誤差の推定値Δθcを演算する。   The dq converter 4 converts the detected value of the motor current Iuvw into a dc-axis current detection value Idc and a qc-axis current detection value Idc as values on the dc axis and the qc axis, which are reference coordinate axes in the control device. . In the drawing, the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Idc are described as Idqc. The axis error estimator 5 uses the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc, which are the outputs of the dq converter 4, to estimate the axis error Δθc that is the phase difference angle between the dc axis and the d axis. Is calculated.

速度推定器6は、Δθcに基づき電動機1の電気角速度推定値ω1cを演算する。積分器7は、電気角速度推定値ω1cを積分してdc軸の位置θdcを演算する。指令値生成器8は、与えられた負荷トルク指令値τを基に、dc軸の電流指令値Id、及びqc軸上の電流指令値Iq、並びに電動機1へ印加する高周波電圧の位相指令値γを生成する The speed estimator 6 calculates an estimated electrical angular speed value ω1c of the electric motor 1 based on Δθc. The integrator 7 integrates the electrical angular velocity estimation value ω1c to calculate the dc axis position θdc. The command value generator 8 generates a dc-axis current command value Id * , a qc-axis current command value Iq * , and the phase of the high-frequency voltage applied to the motor 1 based on the given load torque command value τ *. A command value γ * is generated .

電流制御器9は、dc軸の電流指令値Id、及びqc軸上の電流指令値Iq、並びに電流検出値Idc、及びIqcに基づき、第二のdc軸電流指令値Id**、及び第二のqc軸電流指令値Iq**を生成する。
ベクトル制御器10は、第二のdc軸電流指令値Id**、及び第二のqc軸電流指令値Iq**、並びに電気角速度推定値ω1cを基に、電動機1に与えるdc軸電圧指令値Vd0、及びqc軸電圧指令値Vq0を演算する。
高周波電圧指令生成器13は、位相指令値γを入力し、電動機1へ印加するdc軸高周波電圧指令Vdh、及びqc軸高周波電圧指令Vqhを出力する。
The current controller 9 generates a second dc-axis current command value Id ** based on the dc-axis current command value Id * , the current command value Iq * on the qc-axis, and the current detection values Idc and Iqc. A second qc-axis current command value Iq ** is generated.
The vector controller 10 generates a dc-axis voltage command value to be given to the motor 1 based on the second dc-axis current command value Id ** , the second qc-axis current command value Iq ** , and the electrical angular velocity estimation value ω1c. Vd0 * and qc-axis voltage command value Vq0 * are calculated.
The high-frequency voltage command generator 13 receives the phase command value γ * and outputs a dc-axis high-frequency voltage command Vdh * and a qc-axis high-frequency voltage command Vqh * to be applied to the motor 1.

加算器14は、dc軸電圧指令値Vd0とdc軸高周波電圧指令Vdhとを加算して、第二のdc軸電圧指令値Vdを生成し、qc軸電圧指令値Vq0とqc軸高周波電圧指令Vqhとを加算して、第二のqc軸電圧指令値Vqを生成する。
dq逆変換器11は、第二のdc軸電圧指令値Vd、及び第二のqc軸電圧指令値Vqを用いて、電動機1の三相電圧指令値Vuvwへ変換する。パルス幅変調器12は、三相電圧指令値Vuvwと三角波信号とを比較することにより、PWMパルス幅変調し、電力変換器2を制御する制御信号を生成する。温度推定器15は、電動機1の温度を推定する。高周波電流振幅判定器16は、高周波電流の振幅が適正範囲にあるか否かを判定し、判定信号Sigを出力する。
The adder 14 adds the dc-axis voltage command value Vd0 * and dc axis high-frequency voltage command Vdh *, to generate a second dc-axis voltage command value Vd *, qc axis voltage command value Vq0 * and qc axis The high frequency voltage command Vqh * is added to generate a second qc-axis voltage command value Vq * .
The dq inverse converter 11 converts the three-phase voltage command value Vuvw * of the electric motor 1 using the second dc-axis voltage command value Vd * and the second qc-axis voltage command value Vq * . The pulse width modulator 12 performs PWM pulse width modulation by comparing the three-phase voltage command value Vuvw * and the triangular wave signal, and generates a control signal for controlling the power converter 2. The temperature estimator 15 estimates the temperature of the electric motor 1. The high frequency current amplitude determiner 16 determines whether or not the amplitude of the high frequency current is within an appropriate range, and outputs a determination signal Sig.

図3は、電流制御器9の内部構成図である。
電流制御器9は、差分器901,903と、PI制御器902,904とを備え、PI制御器902,904は、PI制御を行うACR(Automatic Current Regulator)である。差分器901は、dc軸上で、IdとIdcとの差を演算し、PI制御器902は、差分器901の出力を比例積分演算(PI演算)する。差分器903は、qc軸上で、IqとIqcとの差を演算し、PI制御器904は、差分器903の出力を比例積分演算する。
FIG. 3 is an internal configuration diagram of the current controller 9.
The current controller 9 includes differentiators 901 and 903 and PI controllers 902 and 904. The PI controllers 902 and 904 are automatic current regulators (ACRs) that perform PI control. The difference unit 901 calculates a difference between Id * and Idc on the dc axis, and the PI controller 902 performs a proportional integration calculation (PI calculation) on the output of the difference unit 901. The differentiator 903 calculates the difference between Iq * and Iqc on the qc axis, and the PI controller 904 performs a proportional-integral operation on the output of the differencer 903.

次に、本実施形態における磁極位置推定の原理について説明する。
本実施形態では、高周波電圧指令生成器13により生成された高周波電圧を、電動機1の固定子コイルに印加(重畳)し、発生する高周波電流成分に基いて位置推定を行う。
Next, the principle of magnetic pole position estimation in this embodiment will be described.
In the present embodiment, the high frequency voltage generated by the high frequency voltage command generator 13 is applied (superposed) to the stator coil of the electric motor 1 and the position is estimated based on the generated high frequency current component.

図4は、従来の磁極位置推定の原理の一つである、磁気飽和を利用した推定原理を示す模式図である。
図4(a)は、PMモータの回転子内部の模式図である。PMモータの内部のd軸方向(dc軸方向)には、永久磁石による磁石磁束Φm が存在する。図4(b)は、このときの鉄心の磁気飽和特性を表した模式図である。図4(c)は、磁気飽和時にd軸方向の高周波電圧を固定子コイルに印加したときに流れる高周波電流波形である。図4(d)は、磁気飽和時にq軸方向の高周波電圧を固定子コイルに印加したときに流れる高周波電流波形である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an estimation principle using magnetic saturation, which is one of the principles of conventional magnetic pole position estimation.
FIG. 4A is a schematic diagram of the inside of the rotor of the PM motor. In the d-axis direction (dc axis direction) inside the PM motor, there is a magnet magnetic flux Φm by a permanent magnet. FIG. 4B is a schematic diagram showing the magnetic saturation characteristics of the iron core at this time. FIG. 4C shows a high-frequency current waveform that flows when a high-frequency voltage in the d-axis direction is applied to the stator coil during magnetic saturation. FIG. 4D shows a high-frequency current waveform that flows when a high-frequency voltage in the q-axis direction is applied to the stator coil during magnetic saturation.

d軸方向の位相の高周波電圧を印加すると、d軸正方向の電流が磁石磁束Φmと同方向の磁束を発生させ磁気飽和を強めるため、固定子コイルの巻線インダクタンスLdsが小さくなり(L小)、高周波電流の波高値ΔIdpが大きくなる。逆に、d軸負方向の電流は、磁石磁束Φmを相殺する方向に磁束を発生し、磁気飽和を弱めるため、巻線インダクタンスLd0はほぼ不変ながら若干大きくなる(L大)。このため、d軸負方向の電流は、高周波電流の波高値ΔIdnを若干小さくする。   When a high-frequency voltage having a phase in the d-axis direction is applied, the current in the d-axis positive direction generates a magnetic flux in the same direction as the magnet magnetic flux Φm and strengthens the magnetic saturation, thereby reducing the winding inductance Lds of the stator coil (L small) ), The peak value ΔIdp of the high-frequency current increases. Conversely, the d-axis negative current generates a magnetic flux in a direction that cancels out the magnet magnetic flux Φm and weakens the magnetic saturation. Therefore, the winding inductance Ld0 is slightly increased (L is large). For this reason, the current in the d-axis negative direction slightly reduces the peak value ΔIdn of the high-frequency current.

また、q軸方向に高周波電圧を印加すると、磁石磁束Φmと直交する方向に磁束を発生するため、磁気飽和を殆ど強めず、高周波電流の波高値は、図4(d)のように、q軸正方向と負方向とで等しくなる。このとき、高周波電圧が矩形波電圧であれば、高周波電流は、直線的に増加減少する三角波となる。
したがって、高周波電圧を印加する位相をdc軸の正負方向とすると、軸誤差Δθの絶対値が小さいほど、巻線インダクタンスの変化により、高周波電流はdc軸正方向の波高値が大きくなる非対称性を利用することで、磁極位置を推定することができる。
Further, when a high frequency voltage is applied in the q-axis direction, a magnetic flux is generated in a direction orthogonal to the magnet magnetic flux Φm, so that magnetic saturation is hardly increased, and the peak value of the high frequency current is q as shown in FIG. Axes are equal in the positive and negative directions. At this time, if the high-frequency voltage is a rectangular wave voltage, the high-frequency current becomes a triangular wave that linearly increases and decreases.
Therefore, if the phase in which the high frequency voltage is applied is the positive / negative direction of the dc axis, the smaller the absolute value of the axial error Δθ, the more the high frequency current has an asymmetry in which the peak value in the positive direction of the dc axis increases due to the change in winding inductance. By utilizing this, the magnetic pole position can be estimated.

図4(a)は、高周波電流以外の電流を流さない場合であるが、磁気飽和による巻線インダクタンスの減少は、実際には図4(b)に示すように、d軸方向の磁束Φdが磁石磁束Φmよりも大きな或る値で、折れ点を持つように顕著になる。この折れ点を、磁気飽和点Φ10と定義する。   FIG. 4A shows a case where no current other than the high-frequency current flows, but the decrease in winding inductance due to magnetic saturation is actually caused by a magnetic flux Φd in the d-axis direction as shown in FIG. 4B. At a certain value larger than the magnet magnetic flux Φm, it becomes prominent to have a break point. This break point is defined as a magnetic saturation point Φ10.

図5の模式図を用いて、電動機1に一次電流が流れるときの磁気飽和の影響を説明する。電動機1の内部には、磁石磁束Φmに加え、一次電流が作る電流磁束Φiも存在している。したがって、電動機1の内部の磁束は、図5(a)のように、磁石磁束Φmと電流磁束Φiとのベクトル和になる。すなわち、電流磁束Φiも、鉄心の磁気飽和に影響する。なお、実際に観測されるのは、電動機1の一次巻線に鎖交する磁束の影響なので、以下では、前記一次巻線に鎖交する磁束を鎖交磁束Φ1とし、電動機1の内部の磁束に相当するものとする。以下、鎖交磁束Φ1の方向をφ軸とする。   The influence of magnetic saturation when the primary current flows through the electric motor 1 will be described using the schematic diagram of FIG. In addition to the magnet flux Φm, there is also a current flux Φi created by the primary current in the electric motor 1. Therefore, the magnetic flux inside the electric motor 1 is a vector sum of the magnet magnetic flux Φm and the current magnetic flux Φi as shown in FIG. That is, the current magnetic flux Φi also affects the magnetic saturation of the iron core. It is noted that what is actually observed is the influence of the magnetic flux interlinked with the primary winding of the electric motor 1, and hereinafter, the magnetic flux interlinking with the primary winding will be referred to as the interlinking magnetic flux Φ1, and the magnetic flux inside the electric motor 1 will be described below. It shall be equivalent to Hereinafter, the direction of the interlinkage magnetic flux Φ1 is defined as the φ axis.

電流磁束Φiの影響で、図5(a)のようにφ軸はd軸に対する相差角γを持ち、図5(b)のように高周波電流に対する鉄心の磁気飽和特性も変化する。このとき、前記した鉄心の磁気飽和の影響による高周波電流の波高値の非対称性が、最も強く現れるのはφ軸方向である。すなわち、高周波電圧をφ軸方向へ印加すると、図5(c)のように高周波電流はφ軸正方向で波高値が大きくなる。一方、高周波電圧をφ軸に直交する軸であるz軸方向に印加すると、図5(d)のように、z軸方向の高周波電流の波高値は正方向と負方向とで等しくなる。ただし、γは一定値ではなく、電動機1の負荷状態(負荷トルク)で変化する。したがって、図4の考え方に基いて、軸誤差Δθを推定すると,γが推定誤差として含まれる。なお、高周波電圧の位相は、φ軸方向に印加されるので、回転子の回転角、φ軸、やz軸の何れにも同期して移動する。 Due to the influence of the current magnetic flux Φi, the φ axis has a phase difference angle γ with respect to the d axis as shown in FIG. 5A, and the magnetic saturation characteristics of the iron core with respect to the high frequency current also change as shown in FIG. 5B. At this time, the asymmetry of the crest value of the high-frequency current due to the magnetic saturation of the iron core appears most strongly in the φ axis direction. That is, when a high frequency voltage is applied in the φ axis direction, the high frequency current has a peak value in the positive direction of the φ axis as shown in FIG. On the other hand, when a high-frequency voltage is applied in the z-axis direction, which is an axis orthogonal to the φ-axis, the peak value of the high-frequency current in the z-axis direction becomes equal in the positive direction and the negative direction, as shown in FIG. However, γ is not a constant value, but varies depending on the load state (load torque) of the electric motor 1. Therefore, when the axis error Δθ is estimated based on the concept of FIG. 4, γ is included as an estimation error. Since the phase of the high frequency voltage is applied in the φ axis direction, it moves in synchronization with any of the rotation angle of the rotor, the φ axis, and the z axis.

そこで本実施形態では、電動機1の負荷状態に応じて、高周波電圧を印加する位相を変化させる。具体的には、φ軸の制御装置内部の推定軸であるφc軸を基準に、高周波電圧を印加する位相を決定し、負荷状態に応じてφ軸とd軸との相差角γだけ、高周波電圧の位相指令値γを移動させる。φ軸とφc軸との相差角は軸誤差Δθに等しいので、負荷状態によらず高周波電流の波高値の非対称性に基いた磁極位置の推定を容易に実現できる。なお、γはφc軸から一定の相差角を保てばよく、位相指令値γは次式で与えられる。

Figure 0005281339
ここでγoffsetは位相指令値γとφc軸との相差角であり、任意に決定することができる。非突極型のPMモータに適用した場合、トルクを発生するのは主にq軸電流Iqとなり、重負荷時は電動機1の電流はIqが殆どを占めると考えられる。このとき、鎖交磁束Φ1はq軸電流Iqによる磁束Φiqが支配的となり、φ軸はq軸の近傍に存在すると考えられる。仮に、高周波電圧を印加する位相をφ軸とすると、発生する高周波電流は殆どがq軸成分となるので、電動機1の電流値は、トルク分を示すq軸電流Iqに、高周波電流を加算した値に略等しくなる。 Therefore, in the present embodiment, the phase in which the high frequency voltage is applied is changed according to the load state of the electric motor 1. Specifically, the phase to which the high frequency voltage is applied is determined with reference to the φc axis that is the estimated axis inside the φ axis control device, and the phase difference angle γ between the φ axis and the d axis is increased according to the load state. Move the voltage phase command value γ * . Since the phase difference angle between the φ axis and the φc axis is equal to the axis error Δθ, the estimation of the magnetic pole position based on the asymmetry of the peak value of the high frequency current can be easily realized regardless of the load state. Note that γ * only needs to maintain a constant phase difference angle from the φc axis, and the phase command value γ * is given by the following equation.
Figure 0005281339
Here, γoffset is a phase difference angle between the phase command value γ * and the φc axis, and can be arbitrarily determined. When applied to a non-salient pole type PM motor, torque is mainly generated by the q-axis current Iq, and it is considered that Iq accounts for most of the current of the motor 1 under heavy load. At this time, the flux linkage Φ1 is dominated by the magnetic flux Φiq caused by the q-axis current Iq, and the φ-axis is considered to exist in the vicinity of the q-axis. Assuming that the phase for applying a high-frequency voltage is φ axis, most of the generated high-frequency current is a q-axis component. Therefore, the current value of the motor 1 is obtained by adding the high-frequency current to the q-axis current Iq indicating the torque component. Approximately equal to the value.

しかし、電力変換器2の出力電流の上限は決まっているので、高周波電流が流れる分だけ電動機1の出力トルクの最大値が制限される。したがって、位相指令値γは、z軸の制御装置内部の推定軸であるzc軸の方向とすることが、出力トルクを確保する観点では、望ましい。なお、各座標軸の定義を図6に示す。図6から判るように、φ軸とφc軸との相差角、及びz軸とzc軸との相差角は、軸誤差Δθに等しいため、φ軸のd軸に対する相差角γを用いて、磁極位置を推定することができる。 However, since the upper limit of the output current of the power converter 2 is determined, the maximum value of the output torque of the electric motor 1 is limited by the amount of high-frequency current flowing. Therefore, it is desirable that the phase command value γ * be in the direction of the zc axis, which is an estimated axis inside the z axis control device, from the viewpoint of securing output torque. The definition of each coordinate axis is shown in FIG. As can be seen from FIG. 6, the phase difference angle between the φ axis and the φc axis and the phase difference angle between the z axis and the zc axis are equal to the axis error Δθ. The position can be estimated.

次に、鎖交磁束Φ1の大きさの変化に着目する。磁気飽和による巻線インダクタンスの減少が顕著になるのは、鎖交磁束Φ1が磁気飽和点Φ10より大きいときである。例えば、図4のように無負荷時にd軸方向に高周波電圧を印加したとき、発生した高周波電流による磁束変動分も含めた鎖交磁束Φ1の大きさが、磁気飽和点Φ10を下回ると、巻線インダクタンスの減少による高周波電流の波高値の非対称性は殆ど現れず、磁極位置を推定できない問題が起こり得る。
そこで、本実施形態では、高周波電圧を印加しない状態での鎖交磁束Φ1の大きさを、負荷状態によらず図5(b)のように磁気飽和点Φ10以上に保持するように、一次電流(電動機電流)を電動機1に与える。
Next, attention is paid to a change in the magnitude of the flux linkage Φ1. The decrease in winding inductance due to magnetic saturation is significant when the flux linkage Φ1 is larger than the magnetic saturation point Φ10. For example, when a high-frequency voltage is applied in the d-axis direction when no load is applied as shown in FIG. 4, when the magnitude of the interlinkage magnetic flux Φ1 including the magnetic flux fluctuation due to the generated high-frequency current is less than the magnetic saturation point Φ10, The asymmetry of the peak value of the high-frequency current due to the decrease in the line inductance hardly appears, and a problem that the magnetic pole position cannot be estimated may occur.
Therefore, in the present embodiment, the primary current is such that the magnitude of the flux linkage Φ1 when no high-frequency voltage is applied is maintained at or above the magnetic saturation point Φ10 as shown in FIG. (Motor current) is applied to the motor 1.

図7は、非突極型のPMモータを例にした模式図である。図7(a)は、無負荷時でもd軸電流磁束Φidと磁石磁束Φmとの合計が磁気飽和点Φ10となるように、d軸電流Idを与えている様子を示している。図7(b)は、軽負荷時で、トルク発生に必要なq軸電流Iqと同時に、鎖交磁束Φ1の大きさが磁気飽和点Φ10以上となるようにd軸電流Idを与えており、Φidとq軸電流による磁束Φiqが存在する。図7(c)は、トルク発生に必要なIqで発生するΦiqで、Φ1の大きさがΦ10となったときで、 Idはゼロである。図7(d)は、Φiqと磁石磁束Φmを合成した大きさがΦ10を上回っている。   FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a non-salient PM type motor as an example. FIG. 7A shows a state in which the d-axis current Id is applied so that the sum of the d-axis current magnetic flux Φid and the magnet magnetic flux Φm becomes the magnetic saturation point Φ10 even when there is no load. FIG. 7B shows the d-axis current Id so that the magnitude of the linkage flux Φ1 is equal to or greater than the magnetic saturation point Φ10 at the same time as the q-axis current Iq necessary for torque generation at the time of light load. There is a magnetic flux Φiq due to Φid and q-axis current. FIG. 7C shows Φiq generated at Iq necessary for torque generation, and when Φ1 is Φ10, Id is zero. In FIG. 7D, the combined size of Φiq and magnet magnetic flux Φm exceeds Φ10.

図7(c)や図7(d)の場合、Idをゼロとしても,図7(d)のように負のIdによりΦidをd軸負方向に発生させても、何れでもよいが、電動機1が非突極型のPMモータならば負のIdはトルクに寄与しないので、弱め界磁制御など他の理由がない限り、Idはゼロでよい。電動機1が逆突極性を持つPMモータでは、磁束Φidをd軸負方向に発生させるとより多くのトルク出力を得られるので,鎖交磁束Φ1の大きさが磁気飽和点Φ10を下回らない範囲であれば負のIdを流してもよい。すなわち、Φ1の大きさが(2)式を満たすように、電動機1に一次電流を与えればよい。

Figure 0005281339
このように、高周波電圧を印加しない状態での磁束Φ1の大きさが磁気飽和点Φ10を上回るように、電動機1の一次電流を与えることにより、巻線インダクタンスの減少による高周波電流の波高値の非対称性が発生し易くなり、より好適な磁極位置の推定が実現される。 7C and 7D, either Id may be zero, or Φid may be generated in the d-axis negative direction by negative Id as shown in FIG. 7D. If 1 is a non-salient PM motor, negative Id does not contribute to torque, so Id may be zero unless there is another reason such as field weakening control. In the PM motor with the motor 1 having the reverse saliency, more torque output can be obtained when the magnetic flux Φid is generated in the negative direction of the d-axis, so that the linkage flux Φ1 does not fall below the magnetic saturation point Φ10. If present, negative Id may be passed. That is, the primary current may be applied to the electric motor 1 so that the size of Φ1 satisfies the expression (2).
Figure 0005281339
As described above, by providing the primary current of the motor 1 so that the magnitude of the magnetic flux Φ1 in a state where no high-frequency voltage is applied exceeds the magnetic saturation point Φ10, the asymmetry of the peak value of the high-frequency current due to the decrease in winding inductance. Therefore, the magnetic pole position can be estimated more appropriately.

次に、以上で述べた磁極位置の推定方法を実現するための、本実施形態の特徴部となる指令値生成器8、高周波電圧指令生成器13、及び軸誤差推定器5について説明する。
指令値生成器8は、トルク指令τ を入力とし、高周波電圧を印加しない状態での鎖交磁束Φ1の大きさが磁気飽和点Φ10以上となる電流指令Id、Iqと、この電流指令により発生するd軸とφ軸との相差角γと、(1)式とに基いて高周波電圧の位相指令値γを出力する。指令値生成器8の入出力の関係は、例えば、制御対象となる電動機1の特性を電磁界解析で求めて与えればよい。指令値生成器8の電流指令に基き電流制御器9が電流制御を行うことで、鎖交磁束Φ1の大きさを保持する。つまり、指令値生成器8は平均電流制御手段として機能するので、制御装置100は、電流制御器9が電動機電流の平均値を制御している。なお、高周波電圧を印加しない状態での鎖交磁束Φ1の大きさは、磁気飽和点Φ10以上であれば任意でよく、また電動機1の負荷状態に応じて変化させてもよい。
Next, the command value generator 8, the high-frequency voltage command generator 13, and the axis error estimator 5, which are features of the present embodiment, for realizing the magnetic pole position estimation method described above will be described.
The command value generator 8 receives the torque command τ * , and the current commands Id * and Iq * at which the magnitude of the linkage flux Φ1 becomes a magnetic saturation point Φ10 or more when no high frequency voltage is applied. The phase command value γ * of the high-frequency voltage is output based on the phase difference angle γ between the d-axis and the φ-axis generated by the above and the equation (1). The input / output relationship of the command value generator 8 may be obtained, for example, by obtaining the characteristics of the motor 1 to be controlled by electromagnetic field analysis. The current controller 9 performs current control based on the current command of the command value generator 8, thereby maintaining the magnitude of the linkage flux Φ1. That is, since the command value generator 8 functions as an average current control means, in the control device 100, the current controller 9 controls the average value of the motor current. Note that the magnitude of the linkage magnetic flux Φ1 in a state where no high-frequency voltage is applied may be arbitrary as long as it is not less than the magnetic saturation point Φ10, and may be changed according to the load state of the electric motor 1.

高周波電圧指令生成器13の構成を図8に示す。方形波の高周波電圧指令Vhを発生する高周波電圧指令発生器1301と、Vhをzc軸上の電圧指令として、γによりdq軸上の電圧指令値に変換する座標変換器1302で構成される。高周波電圧指令発生器1301の入力である判定信号SigがVhを操作する方法については後記する。またVhの周波数はパルス幅変調器12のキャリア周波数の1/N(Nは正の整数)とする。これにより、高周波電圧を印加する位相を負荷状態によらずzc軸方向に保持することができる。 The configuration of the high-frequency voltage command generator 13 is shown in FIG. A high-frequency voltage command generator 1301 that generates a square-wave high-frequency voltage command Vh * and a coordinate converter 1302 that converts Vh * as a voltage command on the zc axis into a voltage command value on the dq axis by γ *. The A method of operating the determination signal Sig that is an input of the high-frequency voltage command generator 1301 to Vh * will be described later. The frequency of Vh * is 1 / N (N is a positive integer) of the carrier frequency of the pulse width modulator 12. Thereby, the phase which applies a high frequency voltage can be hold | maintained in a zc-axis direction irrespective of a load state.

図9は、軸誤差推定器5aの構成図であり、図10は、軸誤差を推定する原理図であり、図11は、軸誤差推定器5aの実際の動作を示す図であり、図10(a)、図11は高周波電圧指令Vhの方形波の周波数がPWM三角波キャリア周波数の半分のときについて示している。なお、制御装置の演算周期はPWM三角波キャリア周期の半分とし、電流検出値はPWM三角波キャリアの上限、及び下限のタイミングで得るとする。
また、図11(a)はPWM三角波キャリアを示し、図11(b)は高周波電圧指令Vhを示し、図11(c)は検出電流Izcを示し、図11(d)は一階差分値ΔIzchを示し、図11(e)は電流極性信号Spzを示し、図11(f)はSpz×|Izch|を示し、図11(g)はΔθcを示している。
9 is a configuration diagram of the axis error estimator 5a, FIG. 10 is a principle diagram for estimating the axis error, and FIG. 11 is a diagram showing an actual operation of the axis error estimator 5a. FIG. 11 shows a case where the frequency of the square wave of the high-frequency voltage command Vh * is half of the PWM triangular wave carrier frequency. Note that the calculation cycle of the control device is half of the PWM triangular wave carrier cycle, and the current detection value is obtained at the upper and lower timings of the PWM triangular wave carrier.
11A shows a PWM triangular wave carrier, FIG. 11B shows a high frequency voltage command Vh * , FIG. 11C shows a detected current Izc, and FIG. 11D shows a first-order difference value. FIG. 11E shows the current polarity signal Spz, FIG. 11F shows Spz × | Izch |, and FIG. 11G shows Δθc.

また、本実施形態では、高周波電圧をzc軸方向に印加し、発生する高周波電流の波高値を、zc軸正方向を|Izchp|とし、zc軸負方向を|Izchn|としたときに、両者の差分が軸誤差Δθに対し、(3)式の関係を持つと仮定する(図10(b))。なお、同式中のk1は比例係数であり、制御対象となる電動機1の特性実測や電磁界解析などで決定する。

Figure 0005281339
In the present embodiment, when a high frequency voltage is applied in the zc-axis direction, and the peak value of the generated high-frequency current is | Izchp | in the zc-axis positive direction and | Izchn | in the zc-axis negative direction, Is assumed to have the relationship of the expression (3) with respect to the axis error Δθ (FIG. 10B). Note that k1 in the equation is a proportionality coefficient and is determined by actual measurement of characteristics of the electric motor 1 to be controlled or electromagnetic field analysis.
Figure 0005281339

座標変換器500は、dc軸電流検出値Idc、及びqc軸電流検出値Iqcと、高周波電圧の位相指令値γとを用いてφc軸電流検出値Iφc、及びzc軸電流検出値Izcを算出する。なお、実際に制御装置が得ることができる検出電流Izcの値は、図11(c)に白丸で示したタイミングでの値となる。得られたzc軸電流検出値Izcから、遅延器501と加算器502とを用いて、制御演算周期毎のIzcの一階差分値ΔIzchを演算し(図11(d))、絶対値演算器503でその絶対値|ΔIzch|を演算する。 The coordinate converter 500 calculates the φc axis current detection value Iφc and the zc axis current detection value Izc using the dc axis current detection value Idc, the qc axis current detection value Iqc, and the phase command value γ * of the high frequency voltage. To do. Note that the value of the detection current Izc that can be actually obtained by the control device is the value at the timing indicated by the white circle in FIG. From the obtained zc-axis current detection value Izc, a delay unit 501 and an adder 502 are used to calculate a first-order difference value ΔIzch of Izc for each control calculation cycle (FIG. 11 (d)), and an absolute value calculator In 503, the absolute value | ΔIzch | is calculated.

また、電流極性演算器504は、絶対値演算器503で求めた|ΔIzch|がzc軸正方向とzc軸負方向との何れの波高値かを決める電流極性信号Spz(図11(e))を、Vhから生成する。高周波電流抽出手段である電流変化量演算器505は、|ΔIzch|とSpzとから、zc軸正方向の電流変化量|Izchp|とzc軸負方向の電流変化量|Izchn|とを演算する。軸誤差演算器506は、|Izchp|と|Izchn|とから、(3)式で軸誤差推定値Δθcを算出する(図11(g))。このように軸誤差推定値Δθcを得ることで、磁極位置の推定が実現できる。 Further, the current polarity calculator 504 determines a current polarity signal Spz that determines which peak value in the zc-axis positive direction or the zc-axis negative direction is | ΔIzch | obtained by the absolute value calculator 503 (FIG. 11E). Is generated from Vh * . A current change amount calculator 505 serving as a high-frequency current extraction unit calculates a current change amount | Izchp | in the zc-axis positive direction and a current change amount | Izchn | in the zc-axis negative direction from | ΔIzch | and Spz. The axis error calculator 506 calculates the axis error estimated value Δθc from | Izchp | and | Izchn | according to the equation (3) (FIG. 11 (g)). Thus, the magnetic pole position can be estimated by obtaining the axis error estimated value Δθc.

なお、以上はパルス幅変調器12のキャリア周波数fcが固定であることを前提に説明したが、キャリア周波数fcが可変の場合は、高周波電圧指令発生器1301が、振幅|Vh|を(4)式で決定してもよい。

Figure 0005281339

但し、|Vh0|は、キャリア周波数fcの基準値fc0の高周波電圧指令Vhの振幅であり、|Vh|は、キャリア周波数fcに対する高周波電圧指令Vhの振幅である。すなわち、制御装置100は、高周波電圧の振幅に基づいて、電動機電流の平均値の大きさを制御している。
この場合、キャリア周波数fcの変化による高周波電流の波高値の増減を相殺できるので、(3)式の比例係数k1を一定と扱うことができる。 The above description is based on the assumption that the carrier frequency fc of the pulse width modulator 12 is fixed. However, when the carrier frequency fc is variable, the high frequency voltage command generator 1301 sets the amplitude | Vh * | ).
Figure 0005281339

However, | Vh0 * | is the amplitude of the high-frequency voltage command Vh * of the reference value fc0 of the carrier frequency fc, and | Vh * | is the amplitude of the high-frequency voltage command Vh * with respect to the carrier frequency fc. That is, the control device 100 controls the magnitude of the average value of the motor current based on the amplitude of the high frequency voltage.
In this case, since the increase / decrease in the peak value of the high frequency current due to the change in the carrier frequency fc can be offset, the proportionality coefficient k1 in the equation (3) can be treated as constant.

以上、電動機1の磁石磁束Φmが一定として、磁極位置を推定する方法について説明したが、磁石磁束Φmは永久磁石の温度で変化するため、電動機1に供給する電流が同一でも、鎖交磁束Φ1は変化する。このため、指令値生成器8の出力は磁石磁束Φmの変化に応じて変えることが望ましい。磁石磁束Φmは永久磁石が高温であるほど減少するので、鎖交磁束Φ1も同様に減少し、鉄心の磁気飽和の度合いは緩和される。
したがって、永久磁石の温度が高くなるほど、高周波電圧を印加して発生する高周波電流の振幅は減少する。また、磁石温度の上昇は、制御対象となる電動機1の体格にも依存するが、時定数は秒ないし分単位であり、制御装置の磁極位置推定や電流制御の応答に比較すれば、時定数は充分長い。
The method for estimating the magnetic pole position with the magnet magnetic flux Φm of the electric motor 1 being constant has been described above. However, since the magnetic flux Φm changes depending on the temperature of the permanent magnet, even if the current supplied to the electric motor 1 is the same, the interlinkage magnetic flux Φ1. Will change. For this reason, it is desirable to change the output of the command value generator 8 according to the change of the magnet magnetic flux Φm. Since the magnetic flux Φm decreases as the temperature of the permanent magnet increases, the interlinkage magnetic flux Φ1 also decreases, and the degree of magnetic saturation of the iron core is alleviated.
Therefore, the higher the temperature of the permanent magnet, the smaller the amplitude of the high frequency current generated by applying the high frequency voltage. The rise in magnet temperature also depends on the physique of the electric motor 1 to be controlled, but the time constant is in units of seconds or minutes. Compared to the magnetic pole position estimation and current control response of the control device, the time constant Is long enough.

したがって、本実施形態では、高周波電圧を印加して発生する高周波電流の振幅から、永久磁石の温度を推定することを目的として、温度推定器15が設けられている。図12に示す温度推定器15は、遅延器1501,1503と、加算器1502,1504と、高周波電流振幅演算器1505と、低域フィルタ1506と、温度推定演算器1507とを備え、dc軸電流検出値Idcとqc軸電流検出値Iqcとから推定温度Tempを演算する。   Therefore, in this embodiment, the temperature estimator 15 is provided for the purpose of estimating the temperature of the permanent magnet from the amplitude of the high frequency current generated by applying the high frequency voltage. The temperature estimator 15 shown in FIG. 12 includes delay units 1501 and 1503, adders 1502 and 1504, a high-frequency current amplitude calculator 1505, a low-pass filter 1506, and a temperature estimation calculator 1507, and a dc-axis current. An estimated temperature Temp is calculated from the detected value Idc and the qc-axis current detected value Iqc.

遅延器1501と加算器1502とが、Idcの一階差分値ΔIdchを演算し、遅延器1503と加算器1504とが、qc軸電流検出値Iqcの一階差分値ΔIqchを演算する。高周波電流振幅演算器1505は、ΔIdchとΔIqchとの二乗和を演算して高周波電流の振幅I1hを演算する。さらに、低域フィルタ1506が、永久磁石の温度上昇に応じた時定数での高周波電流の振幅の平均値を演算する。温度推定演算器1507は、高周波電流の振幅の平均値から、永久磁石の温度(推定温度Temp)を推定する。温度推定演算器1507に与える特性は、制御対象となる電動機1で異なるので、例えば、電磁界解析により予め算出して与えるとよい。   Delay device 1501 and adder 1502 calculate first-order difference value ΔIdch of Idc, and delay device 1503 and adder 1504 calculate first-order difference value ΔIqch of qc-axis current detection value Iqc. The high frequency current amplitude calculator 1505 calculates the amplitude I1h of the high frequency current by calculating the sum of squares of ΔIdch and ΔIqch. Further, the low-pass filter 1506 calculates an average value of the amplitude of the high-frequency current with a time constant corresponding to the temperature increase of the permanent magnet. The temperature estimation calculator 1507 estimates the temperature of the permanent magnet (estimated temperature Temp) from the average value of the amplitude of the high-frequency current. Since the characteristics given to the temperature estimation calculator 1507 are different depending on the electric motor 1 to be controlled, for example, it may be calculated and given in advance by electromagnetic field analysis.

そして、温度推定器15が推定した永久磁石の推定温度Tempから、指令値生成器8は、電流指令値Id,Iq、と高周波電圧の位相指令値γとを補正する。補正方法は、例えば、電磁界解析により予め算出した特性を、テーブルデータ或いは近似式として与えればよい。指令値生成器8は平均電流制御手段として機能し、指令値生成器8は、電流指令値Id ,Iq を補正しているのであるから、永久磁石の推定温度Tempに基いて、電動機電流の平均値を調整している。 The command value generator 8 corrects the current command values Id * and Iq * and the phase command value γ * of the high frequency voltage from the estimated temperature Temp of the permanent magnet estimated by the temperature estimator 15. As a correction method, for example, a characteristic calculated in advance by electromagnetic field analysis may be given as table data or an approximate expression. Since the command value generator 8 functions as an average current control means and the command value generator 8 corrects the current command values Id * and Iq * , the motor current is determined based on the estimated temperature Temp of the permanent magnet. The average value is adjusted.

また、磁石磁束Φmは一定でも、負荷トルクτLの急変が発生して軸誤差Δθが過渡的に大きくなると、電動機1に流れる電流の位相が変化するため、電流磁束Φiも変化する。このとき、鎖交磁束Φ1が増加する方向では、高周波電流の波高値が増加し、大負荷時に電力変換器2の過大電流による停止レベルへ到達する恐れが有り、逆に、鎖交磁束Φ1が著しく減少すると、高周波電流による磁束変化分を重畳させても、鎖交磁束Φ1が磁気飽和点Φ10より小さくなり、軸誤差Δθの推定できないおそれがある。   Even if the magnet magnetic flux Φm is constant, when the sudden change in the load torque τL occurs and the axial error Δθ becomes transiently large, the phase of the current flowing through the motor 1 changes, so the current magnetic flux Φi also changes. At this time, in the direction in which the interlinkage magnetic flux Φ1 increases, the peak value of the high-frequency current increases and there is a risk of reaching a stop level due to an excessive current of the power converter 2 at a heavy load. If it is significantly reduced, the flux linkage Φ1 becomes smaller than the magnetic saturation point Φ10 even if the magnetic flux change due to the high-frequency current is superimposed, and the axis error Δθ may not be estimated.

そこで、高周波電流振幅判定器16は、温度推定器15と同様に高周波電流の振幅I1hを算出し、振幅I1hが所定範囲内に有るか否かを判定し、判定信号Sigを出力する。図13に示す高周波電流振幅判定器16は、遅延器1601,1603と、加算器1602,1604と、高周波電流振幅演算器1605と、上下限値判定器1606とを備え、Idc,Iqcを入力し、判定信号Sigを出力する。   Therefore, the high-frequency current amplitude determiner 16 calculates the amplitude I1h of the high-frequency current similarly to the temperature estimator 15, determines whether the amplitude I1h is within a predetermined range, and outputs a determination signal Sig. The high-frequency current amplitude determiner 16 shown in FIG. 13 includes delay units 1601 and 1603, adders 1602 and 1604, a high-frequency current amplitude calculator 1605, and an upper and lower limit determiner 1606, and inputs Idc and Iqc. The determination signal Sig is output.

遅延器1601と加算器1602とが、Idcの一階差分値ΔIdchを演算し、遅延器1603と加算器1604とが、Iqcの一階差分値ΔIqchを演算する。高周波電流振幅演算器1605で、ΔIdchとΔIqchとの二乗和を演算して高周波電流の振幅I1hを求める点までは、温度推定器15と同一である。しかしながら、高周波電流振幅判定器16は、求めた振幅I1hを上下限値判定器1606に直接入力し、振幅I1hの大きさが電磁界解析により予め算出した特性に基いた適正範囲内にあるかを判定し、その結果を判定信号Sigとして出力するようになっている。   Delay device 1601 and adder 1602 calculate first-order difference value ΔIdch of Idc, and delay device 1603 and adder 1604 calculate first-order difference value ΔIqch of Iqc. The high frequency current amplitude calculator 1605 is the same as the temperature estimator 15 until the square sum of ΔIdch and ΔIqch is calculated to obtain the amplitude I1h of the high frequency current. However, the high-frequency current amplitude determiner 16 directly inputs the obtained amplitude I1h to the upper / lower limit determiner 1606, and determines whether the amplitude I1h is within an appropriate range based on the characteristics calculated in advance by electromagnetic field analysis. The determination is made and the result is output as a determination signal Sig.

判定信号Sigは、指令値生成器8及び高周波電圧指令生成器13に入力される。指令値生成器8は、振幅I1hが上限値以上のときは鎖交磁束Φ1を減少させ、下限値以下のときは鎖交磁束Φ1を増加させるように、電流指令値Id,Iqを変更する。また、高周波電圧指令生成器13は、振幅I1hが上限値以上のときは高周波電圧指令の振幅|Vh|を減少させ、下限値以下のときは|Vh|を増加させる。
指令値生成器8と高周波電圧指令生成器13とを組み合わせることで、過大電流停止や脱調を発生させることなく、電動機1を駆動することができる。
The determination signal Sig is input to the command value generator 8 and the high frequency voltage command generator 13. The command value generator 8 changes the current command values Id * and Iq * so that the linkage flux Φ1 is decreased when the amplitude I1h is greater than or equal to the upper limit value, and is increased when the amplitude I1h is less than or equal to the lower limit value. To do. The high frequency voltage command generator 13 decreases the amplitude | Vh * | of the high frequency voltage command when the amplitude I1h is equal to or higher than the upper limit value, and increases | Vh * |
By combining the command value generator 8 and the high-frequency voltage command generator 13, the electric motor 1 can be driven without causing an excessive current stop or step-out.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。本実施形態は、軸誤差推定器5の構成、及び軸誤差推定方法が異なる。前記したように、高周波電圧を印加して発生する高周波電流の波高値は、高周波電圧を印加する位相がφ軸正方向に近いほど大きくなり、φ軸負方向に近いほど波高値は小さくなる。高周波電圧を印加する位相がz軸方向に近い場合と比較して、φ軸に近い方が振幅の平均値が大きいときは、巻線インダクタンスはφ軸方向よりz軸方向の方が大きい。すなわち、電動機1が突極性を持つと見做すことができる。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. This embodiment differs in the configuration of the axis error estimator 5 and the axis error estimation method. As described above, the peak value of the high-frequency current generated by applying the high-frequency voltage increases as the phase to which the high-frequency voltage is applied is closer to the positive direction of the φ axis, and the peak value decreases as the phase is closer to the negative direction of the φ axis. Compared with the case where the phase for applying the high-frequency voltage is close to the z-axis direction, the winding inductance is larger in the z-axis direction than in the φ-axis direction when the average value of the amplitude close to the φ-axis is large. That is, it can be considered that the electric motor 1 has saliency.

図14は、突極性を利用した軸誤差推定器5bの構成を示した図であり、図15は、軸誤差推定の原理を示した図である。また、図16は、高周波電圧の周波数がPWM三角波キャリア周波数の半分のときについて、軸誤差推定器5の実際の動作を示した図である。なお、制御装置の演算周期は、PWM三角波キャリア周期の半分であり、電流検出値はPWM三角波キャリアの上限、及び下限のタイミングで得るとする。   FIG. 14 is a diagram showing the configuration of the axis error estimator 5b using saliency, and FIG. 15 is a diagram showing the principle of axis error estimation. FIG. 16 is a diagram showing an actual operation of the axis error estimator 5 when the frequency of the high-frequency voltage is half of the PWM triangular wave carrier frequency. Note that the calculation cycle of the control device is half of the PWM triangular wave carrier cycle, and the current detection value is obtained at the upper and lower timings of the PWM triangular wave carrier.

高周波電圧を印加する印加方向は、第1実施形態と同ようにzc軸方向とする。本実施形態では、高周波電圧を印加する印加方向と直交するφc軸の高周波電流成分Iφchを利用することを特徴とする。高周波電流成分Iφchは、軸誤差Δθに対し、(5)式で変化すると仮定する。ここで、Lφはφ軸方向の巻線インダクタンスであり、Lzはz軸方向の巻線インダクタンスである。

Figure 0005281339
The application direction in which the high frequency voltage is applied is the zc-axis direction as in the first embodiment. The present embodiment is characterized by using a φc-axis high-frequency current component Iφch orthogonal to the application direction in which a high-frequency voltage is applied. It is assumed that the high-frequency current component Iφch changes with the equation (5) with respect to the axis error Δθ. Here, Lφ is a winding inductance in the φ-axis direction, and Lz is a winding inductance in the z-axis direction.
Figure 0005281339

第1実施形態との違いは、利用する高周波電流の違いである。すなわち、電気角一周期の軸誤差Δθに対する高周波電流の変化が、第1実施形態では一周期であるのに対し、本実施形態では二周期である。座標変換器500(図14)は、第1実施形態(図9)と同一であり、実際に制御装置が得るIφcの値は、図16(c)に白丸で示したタイミングでの値となる。本実施形態では、遅延器507と加算器508とが、制御演算周期毎のIφcの一階差分値ΔIφchを得る。   The difference from the first embodiment is the difference in the high-frequency current used. That is, the change of the high-frequency current with respect to the axial error Δθ of one electrical angle cycle is one cycle in the first embodiment, but two cycles in the present embodiment. The coordinate converter 500 (FIG. 14) is the same as in the first embodiment (FIG. 9), and the value of Iφc actually obtained by the control device is the value at the timing indicated by the white circles in FIG. 16 (c). . In the present embodiment, the delay unit 507 and the adder 508 obtain the first-order difference value ΔIφch of Iφc for each control calculation cycle.

また、電流極性演算器509は、一階差分値ΔIφchがφc軸正方向とφc軸負方向との何れの波高値かを決める電流極性信号Spφを、Vhから生成する。乗算器510でΔIφchにSpφを乗ずると、(5)式の右辺に相当する量が得られるので、軸誤差演算器511は、(5)式を基に軸誤差推定値Δθcを算出する。
なお、軸誤差推定器5は、図9の構成と図15の構成との何れを用いてもよく、また併用しても構わない。
The current polarity calculator 509 generates a current polarity signal Spφ that determines which peak value of the first-order difference value ΔIφch is in the positive direction of the φc axis or the negative direction of the φc axis from Vh * . When ΔIφch is multiplied by Spφ by the multiplier 510, an amount corresponding to the right side of the equation (5) is obtained. Therefore, the axis error calculator 511 calculates the axis error estimated value Δθc based on the equation (5).
The axis error estimator 5 may use either the configuration shown in FIG. 9 or the configuration shown in FIG. 15 or may be used in combination.

(第3実施形態)
図17は、第3実施形態に於ける電動機駆動システムの全体構成図である。
電動機駆動システム210の制御装置110は、図1に対し、電動機1の誘起電圧に基いて軸誤差を推定する第二軸誤差推定器18、と検出電流Idqcから基本波成分を演算するための移動平均処理器17、と軸誤差の推定値として軸誤差推定器5と第二軸誤差推定器18の出力の何れかを選択する切替器19とが追加されている。第二軸誤差演算器18は、PMモータの定数(R,Lq)を用いて,(6)式で軸誤差を推定する。

Figure 0005281339
(Third embodiment)
FIG. 17 is an overall configuration diagram of an electric motor drive system according to the third embodiment.
The control device 110 of the motor drive system 210 is different from that shown in FIG. 1 in that the second axis error estimator 18 estimates the axis error based on the induced voltage of the motor 1 and the movement for calculating the fundamental wave component from the detected current Idqc. An average processor 17 and a switch 19 for selecting one of the outputs of the axis error estimator 5 and the second axis error estimator 18 are added as estimated values of the axis error. The second axis error calculator 18 uses the PM motor constants (R, Lq) to estimate the axis error using equation (6).
Figure 0005281339

第二軸誤差推定器18は、高周波電圧の印加を必要とせず、 電動機1がPMモータの場合は、その速度が定格速度の概ね10%以上、PMモータの特性次第では更に低い速度でも適用できるが、停止時や速度が極めて低いときは適用することができない。他方、第1実施形態、及び第2実施形態の制御方法は、停止時や速度が極めて低いときにも適用できるが、高周波電圧の印加により発生する高周波電流は、モータ電流のピーク値を増加させ出力トルクを制限し得る。
したがって、電動機1の速度に応じて、停止から低速時には軸誤差演算器5に切り替え、定格速度の概ね10%以上では第二軸誤差推定演算器18に切り替える形で併用する方が、出力トルクを限界まで活用するには有利である。
The second axis error estimator 18 does not require application of a high-frequency voltage, and when the motor 1 is a PM motor, the speed is approximately 10% or more of the rated speed, and can be applied even at a lower speed depending on the characteristics of the PM motor. However, it cannot be applied when stopped or when the speed is very low. On the other hand, the control methods of the first embodiment and the second embodiment can be applied even when stopped or when the speed is very low, but the high-frequency current generated by the application of the high-frequency voltage increases the peak value of the motor current. The output torque can be limited.
Therefore, according to the speed of the electric motor 1, the output torque is more preferably switched to the axis error calculator 5 when the speed is low from the stop and switched to the second axis error estimation calculator 18 when the rated speed is approximately 10% or more. It is advantageous to use it to the limit.

本実施形態に於ける、加減速中の軸誤差推定の切替シーケンスを図18を用いて説明する。図18は電気角速度推定値ω1cに基いて切り替える場合の例である。図18(a)は電気角速度推定値ω1cの加減速による推移を示し、図18(b)は軸誤差推定値出力を切り替える切替器19の出力を示し、図18(c)は高周波電圧指令Vhの振幅|Vh|の推移を示し、図18(d)は移動平均処理器17の動作タイミングを示している。 A switching sequence of axis error estimation during acceleration / deceleration in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 18 shows an example of switching based on the estimated electrical angular velocity value ω1c. 18A shows the transition of the estimated electrical angular velocity value ω1c due to acceleration / deceleration, FIG. 18B shows the output of the switch 19 that switches the axis error estimated value output, and FIG. 18C shows the high-frequency voltage command Vh. * the amplitude | Vh * | of showing changes, FIG 18 (d) shows the operation timing of the moving average processor 17.

先ず、停止からの始動加速時(t0〜t2)は、高周波電圧指令Vh(図8)の振幅|Vh|を非ゼロにして高周波電圧を印加し、切替器19は軸誤差推定器5による軸誤差推定値Δθcを出力する。電気角速度推定値ω1cが第一の角速度閾値ω1s1に到達したら(t2)、切替器19の出力を第二軸誤差推定器18の出力Δθc2に切り替えると同時に|Vh|はゼロとして、第二軸誤差推定器18を用いた磁極位置推定にて加速を継続する。他方、高速時からの減速を行う場合は、切替器19の出力を第二軸誤差推定器18の出力Δθc2に切り替えると同時に、振幅|Vh|はゼロとして減速を継続する。 First, at the time of starting acceleration from the stop (t0 to t2), the amplitude | Vh * | of the high-frequency voltage command Vh * (FIG. 8) is made non-zero and a high-frequency voltage is applied. A shaft error estimated value Δθc is output. When the electrical angular velocity estimated value ω1c reaches the first angular velocity threshold value ω1s1 (t2), the output of the switch 19 is switched to the output Δθc2 of the second axis error estimator 18, and at the same time, | Vh * | The acceleration is continued by the magnetic pole position estimation using the error estimator 18. On the other hand, when performing deceleration from high speed, the output of the switch 19 is switched to the output Δθc2 of the second axis error estimator 18, and at the same time, the amplitude | Vh * |

そして、電気角速度推定値ω1cが第一の角速度閾値ω1s1未満に低下したら(t3)、切替器19の出力はΔθc2のまま、図18(c)のように、高周波電圧指令生成器13は|Vh|を漸増して高周波電圧の印加を開始する。また、図18(d)のように、移動平均処理器17が動作し、発生する高周波電流の影響を第二軸誤差推定器18の推定結果から取り除く。移動平均処理器17は、検出電流値Idqcを高周波電圧1周期分で平均化し、平均電流値Idqc0を第二軸誤差推定器へ与える。そして、電気角速度推定値ω1cが更に低下し、第二の角速度閾値ω1s2を下回ったら(t4)、切替器19の出力を軸誤差推定器5による軸誤差推定値Δθcに切り替える。この切替え動作を行うことで、高周波電圧を印加しない速度領域では、より高いトルクで運転が可能となる。さらに、鎖交磁束Φ1を磁気飽和点Φ10以上に保つ必要も無く、特に軽負荷時の電流値を小さくできる。すなわち、電動機駆動システム210は、電動機電流を制御している。 When the electrical angular velocity estimated value ω1c falls below the first angular velocity threshold ω1s1 (t3), the output of the switch 19 remains Δθc2, and the high-frequency voltage command generator 13 | Vh as shown in FIG. * Gradually increase | to start applying high-frequency voltage. Further, as shown in FIG. 18D, the moving average processor 17 operates to remove the influence of the generated high frequency current from the estimation result of the second axis error estimator 18. The moving average processor 17 averages the detected current value Idqc over one period of the high-frequency voltage, and gives the average current value Idqc0 to the second axis error estimator. When the electrical angular velocity estimated value ω1c further decreases and falls below the second angular velocity threshold ω1s2 (t4), the output of the switch 19 is switched to the axis error estimated value Δθc by the axis error estimator 5. By performing this switching operation, it is possible to operate with higher torque in a speed region where no high-frequency voltage is applied. Further, there is no need to keep the flux linkage Φ1 at or above the magnetic saturation point Φ10, and the current value especially at light load can be reduced. That is, the motor drive system 210 controls the motor current.

また、本実施形態では,高周波電圧を印加しない期間は,温度推定器15は以下の方法で永久磁石の温度を推定する。誘起電圧定数Keの設定値をKe,巻線抵抗R1の設定値をR1,巻線インダクタンスLd、及びLqの設定値を夫々Ld、及びLqとするとき、各定数の設定値がPMモータの実際の定数に一致していれば、ベクトル制御器10が演算する電圧方程式は(7)式となる。

Figure 0005281339
In the present embodiment, during the period when no high frequency voltage is applied, the temperature estimator 15 estimates the temperature of the permanent magnet by the following method. When the set value of the induced voltage constant Ke is Ke * , the set value of the winding resistance R1 is R1 * , and the set values of the winding inductance Ld and Lq are Ld * and Lq * , respectively, the set values of the constants are If it matches with the actual constant of the PM motor, the voltage equation calculated by the vector controller 10 is the equation (7).
Figure 0005281339

ここで定常状態を仮定し、電気角速度推定値ω1cは実角速度ω1に等しいとする。このとき、Id** = Id,Iq** = Iq が成立する。この状態から、仮に永久磁石の温度変動により誘起電圧定数のみがKe’に変化したときを考えると、電動機1の実角速度ω1が充分大きい場合は、巻線抵抗の影響は無視できるので、近似的には(8)式で表される。

Figure 0005281339
Here, it is assumed that the steady state is assumed, and the electrical angular velocity estimation value ω1c is equal to the actual angular velocity ω1. At this time, Id ** = Id * , Iq ** = Iq * is established. From this state, assuming that only the induced voltage constant changes to Ke ′ due to temperature fluctuations of the permanent magnet, if the actual angular velocity ω1 of the electric motor 1 is sufficiently large, the influence of the winding resistance can be ignored. Is represented by equation (8).
Figure 0005281339

したがって、電流制御器9により、IdとIdcとが等しく、IqとIqcとが等しいとすれば,(9)式により,誘起電圧定数の変化分を取り出せる。

Figure 0005281339
Therefore, if Id * and Idc are equal and Iq * and Iqc are equal by the current controller 9, the amount of change in the induced voltage constant can be extracted from the equation (9).
Figure 0005281339

すなわち、d軸について電流指令値Idと第二の電流指令値Id**との差分から、誘起電圧定数の設定誤差ΔKeが求まる。永久磁石の温度に対する誘起電圧定数の変化を電磁界解析により事前に算出しておけば、温度推定器15は、ΔKeと同時に、(7)式を用いて永久磁石の温度推定値Tempを算出できる。本実施形態での温度推定器15の動作は、図18(e)に示すように、切替器19が第二軸誤差推定器18による軸誤差推定値Δθc2を出力する期間中(t2〜t4)は常に動作させ、切替器19の出力が軸誤差推定器5による軸誤差推定値Δθcに切り替わる直前の、設定誤差ΔKeならびに温度推定値Tempを保持しながら減速し停止させる。前記のように永久磁石の温度変動の時定数が長いので、減速時間が短ければ、停止から低速域までは永久磁石の温度変動を無視することができ、制御装置の演算負荷を軽減できる。なお、減速時間が永久磁石の温度変動の時定数より長い場合は、図12に示した構成の温度推定器を併用すればよい。 That is, the setting error ΔKe * of the induced voltage constant is obtained from the difference between the current command value Id * and the second current command value Id ** for the d axis. If the change of the induced voltage constant with respect to the temperature of the permanent magnet is calculated in advance by electromagnetic field analysis, the temperature estimator 15 calculates the temperature estimation value Temp of the permanent magnet using the equation (7) simultaneously with ΔKe *. it can. As shown in FIG. 18E, the operation of the temperature estimator 15 in the present embodiment is during a period in which the switch 19 outputs the axis error estimated value Δθc2 from the second axis error estimator 18 (t2 to t4). Is always operated, and is decelerated and stopped while maintaining the set error ΔKe * and the estimated temperature value Temp immediately before the output of the switching unit 19 is switched to the estimated axis error value Δθc by the estimated axis error estimator 5. Since the time constant of the temperature fluctuation of the permanent magnet is long as described above, if the deceleration time is short, the temperature fluctuation of the permanent magnet can be ignored from the stop to the low speed range, and the calculation load of the control device can be reduced. When the deceleration time is longer than the time constant of the temperature fluctuation of the permanent magnet, a temperature estimator having the configuration shown in FIG.

すなわち、本実施形態によれば、停止から低速域では、高周波電圧を印加して発生する高周波電流によるトルク出力の制限を最小限に抑えつつ、PMモータの速度がさらに上昇したら軸誤差の推定方法を切り替えることで、電力変換器2が許容できる電流までトルクを上昇させることが可能になり、また永久磁石の温度変動も推定できる。   That is, according to this embodiment, in the low speed range from the stop, when the speed of the PM motor further increases while minimizing the limit of torque output due to the high frequency current generated by applying the high frequency voltage, the axis error estimation method By switching the torque, it is possible to increase the torque to a current that can be allowed by the power converter 2, and it is also possible to estimate the temperature fluctuation of the permanent magnet.

(第4実施形態)
第3実施形態までは、PMモータを運転している間の磁極位置の推定ならびに制御方法について述べた。しかし、PMモータを始動する場合は、初期の磁極位置として、dc軸位置θdcの初期値を与える必要がある。本実施形態では、初期の磁極位置を推定する手法を説明する。同期電動機の駆動システムの構成は、図1と図17との何れでもよい。初期の磁極位置を推定する際は、指令値生成器8、高周波電圧指令生成器13、及び軸誤差推定器5の動作を変更する必要がある。以下、各構成要素の動作を、図19により説明する。
(Fourth embodiment)
Up to the third embodiment, the method for estimating and controlling the magnetic pole position while operating the PM motor has been described. However, when starting the PM motor, it is necessary to give the initial value of the dc axis position θdc as the initial magnetic pole position. In this embodiment, a method for estimating the initial magnetic pole position will be described. The configuration of the drive system of the synchronous motor may be any of FIG. 1 and FIG. When estimating the initial magnetic pole position, it is necessary to change the operations of the command value generator 8, the high-frequency voltage command generator 13, and the axis error estimator 5. Hereinafter, the operation of each component will be described with reference to FIG.

指令値生成器8は、初期の磁極位置の推定期間中、負荷トルク指令値τとは無関係に、図19に沿って、(a)Id,(b)Iq,(c)γを順番に変化させる。その組合せ数は多い方が、初期の磁極位置の推定精度は向上するが、組合せ数に比例した推定時間が必要である。本実施形態では組合せを4通りとし、夫々の状態を保持する期間を、期間1,期間2,期間3,期間4とする。図19(d)に示すように、高周波電圧指令生成器13は、各々の期間内で、高周波電圧を一定の周期数だけ出力する。 The command value generator 8 performs (a) Id * , (b) Iq * , (c) γ * in accordance with FIG. 19 regardless of the load torque command value τ * during the initial magnetic pole position estimation period. In order. As the number of combinations increases, the estimation accuracy of the initial magnetic pole position improves, but an estimation time proportional to the number of combinations is required. In the present embodiment, there are four combinations, and the periods for holding the respective states are period 1, period 2, period 3, and period 4. As shown in FIG. 19 (d), the high-frequency voltage command generator 13 outputs the high-frequency voltage by a certain number of cycles within each period.

具体的には、電流制御器を動かした状態で、期間1では初期状態のdc軸正方向に直流電流I0を流し、期間2では同dc軸負方向に直流電流I0を流した状態で、dc軸方向の位相で高周波電圧指令Vhを四周期だけ印加したことに相当する。すなわち、制御装置100は、電動機電流を流す位相に揃えた位相で高周波電圧を印加した状態で、磁極位置を推定している。また、期間3は同じくqc軸正方向に直流電流I0を流し、期間4は同じくqc軸負方向に直流電流I0を流した状態で、qc軸方向の位相で高周波電圧指令Vhを四周期だけ印加したことに相当する。なお、このときのzc軸は、期間1では初期状態のdc軸正方向に等しく、期間2では同dc軸負方向に等しく、期間3では同qc軸正方向に等しく、期間4では同qc軸負方向に、等しい。 Specifically, in a state in which the current controller is moved, in period 1, DC current I0 flows in the initial dc axis positive direction, and in period 2, DC current I0 flows in the dc axis negative direction. This corresponds to the application of the high-frequency voltage command Vh * for four cycles in the axial direction. That is, the control device 100 estimates the magnetic pole position in a state in which the high-frequency voltage is applied with a phase aligned with the phase in which the motor current flows. Also, in period 3, DC current I0 is passed in the positive direction of qc axis, and in period 4, DC current I0 is passed in the negative direction of qc axis, and high-frequency voltage command Vh * is applied for four cycles with a phase in the direction of qc axis. It corresponds to applying. The zc-axis at this time is equal to the initial dc-axis positive direction in period 1, equal to the negative dc-axis direction in period 2, equal to the positive qc-axis direction in period 3, and equal to the same qc-axis in period 4. Equal to the negative direction.

このとき、図19(e)に示すzc軸電流Izcに着目すると,各期間毎の平均電流は何れもI0で等しいが,図19(f)に示した高周波電流の振幅には差が生ずる。これは直流電流I0が磁気飽和に影響を与えたためで、直流電流I0の方向(位相)がd軸正方向に最も近いとき、高周波電流の振幅は最大となる。図19では期間1が該当するので、d軸正方向に最も近いのは、dc軸正方向である。また、次に電流振幅が大きいのは期間3なので、dc軸正方向とqc軸正方向との間にd軸があると推定できる。
なお、本実施形態の手法で初期の磁極位置を推定する場合は、制御対象の電動機1は,回転子が機械的に固定されていることが望ましい。また、各期間でのVhの周期数は,四周期に限定されず必要に応じて決めればよい。
なお、電動機1がPMモータであるとして各実施形態を説明したが、磁石磁束Φmをゼロとすれば,シンクロナスリラクタンスモータについても適用できることは自明である。
At this time, paying attention to the zc-axis current Izc shown in FIG. 19 (e), the average current for each period is equal to I0, but there is a difference in the amplitude of the high-frequency current shown in FIG. 19 (f). This is because the direct current I0 has affected the magnetic saturation. When the direction (phase) of the direct current I0 is closest to the positive direction of the d-axis, the amplitude of the high-frequency current becomes maximum. In FIG. 19, since period 1 corresponds, the closest to the d-axis positive direction is the dc-axis positive direction. The next largest current amplitude is period 3, so it can be estimated that there is a d-axis between the dc-axis positive direction and the qc-axis positive direction.
In addition, when estimating the initial magnetic pole position by the method of this embodiment, it is desirable that the rotor of the motor 1 to be controlled is mechanically fixed. Further, the number of Vh * periods in each period is not limited to four periods, and may be determined as necessary.
Although each embodiment has been described on the assumption that the electric motor 1 is a PM motor, it is obvious that the present invention can be applied to a synchronous reluctance motor if the magnetic flux Φm is zero.

本発明の第1実施形態の電動機駆動システムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of an electric motor drive system according to a first embodiment of the present invention. 軸誤差Δθの定義を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the definition of axial error (DELTA) (theta). 電流制御器の構成図である。It is a block diagram of a current controller. 従来方式での磁気飽和を利用した推定原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the estimation principle using the magnetic saturation in a conventional system. 本発明での磁気飽和を利用した推定原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the estimation principle using the magnetic saturation in this invention. 制御装置内部の座標系の定義を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the definition of the coordinate system inside a control apparatus. 負荷に対する電流値の決定方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the determination method of the electric current value with respect to load. 第1実施形態における高周波電圧指令生成器の構成図である。It is a block diagram of the high frequency voltage command generator in 1st Embodiment. 第1実施形態に於ける軸誤差推定器の構成図である。It is a block diagram of the axis error estimator in 1st Embodiment. 第1実施形態における軸誤差推定器の動作原理の説明図である。It is explanatory drawing of the operation principle of the axis error estimator in 1st Embodiment. 第1実施形態における軸誤差推定器の動作波形の模式図である。It is a schematic diagram of the operation waveform of the axis error estimator in the first embodiment. 第1実施形態における温度推定器の構成図である。It is a block diagram of the temperature estimator in 1st Embodiment. 第1実施形態における高周波電流振幅判定器の構成図である。It is a block diagram of the high frequency current amplitude determination device in 1st Embodiment. 第2実施形態における軸誤差推定器の構成図である。It is a block diagram of the axis error estimator in 2nd Embodiment. 第2実施形態における軸誤差推定器の動作原理の説明図である。It is explanatory drawing of the operation principle of the axis error estimator in 2nd Embodiment. 第2実施形態における軸誤差推定器の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the axis error estimator in 2nd Embodiment. 第3実施形態における電動機駆動システムの全体構成図である。It is a whole block diagram of the electric motor drive system in 3rd Embodiment. 第3実施形態における制御動作切替方法の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the control operation switching method in 3rd Embodiment. 第4実施形態における初期磁極位置推定の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the initial magnetic pole position estimation in 4th Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 電動機(同期電動機)
2 電力変換器
3 電流検出器(電流検出手段)
4 dq変換器
5、5a、5b 軸誤差推定器(磁極位置推定手段)
6 速度推定器
7 積分器
8 指令値生成器(平均電流制御手段)
9 電流制御器
10 ベクトル制御器
11 dq逆変換器
12 パルス幅変調器
13 高周波電圧指令生成器(高周波信号生成手段)
14,502,508,1502,1504 加算器
15 温度推定器
16 高周波電流振幅判定器
17 移動平均処理器
18 第二軸誤差推定器
19 切替器
21 磁極位置推定手段
100,110 制御装置
200,210 電動機駆動システム
500 座標変換器
501、507 遅延器
503 絶対値演算器
504、509 電流極性演算器
505 電流変化量演算器(高周波電流抽出手段)
506、511 軸誤差演算器
510 乗算器
901、903 差分器
902、904 PI制御器
1301 高周波電圧指令発生器
1302 座標変換器
1501、1503 遅延器
1505 高周波電流振幅演算器
1506 低域通過フィルタ
1507 温度推定演算器
1605 高周波電流振幅演算器
1606 上下限値判定器
1 Electric motor (synchronous motor)
2 Power converter 3 Current detector (current detection means)
4 dq converter 5, 5a, 5b Axis error estimator (magnetic pole position estimation means)
6 Speed estimator 7 Integrator 8 Command value generator (mean current control means)
9 current controller 10 vector controller 11 dq inverse converter 12 pulse width modulator 13 high frequency voltage command generator (high frequency signal generating means)
14, 502, 508, 1502, 1504 Adder 15 Temperature estimator 16 High frequency current amplitude determiner 17 Moving average processor 18 Second axis error estimator 19 Switch 21 Magnetic pole position estimating means 100, 110 Controller 200, 210 Motor Drive system 500 Coordinate converter 501, 507 Delay unit 503 Absolute value calculator 504, 509 Current polarity calculator 505 Current change calculator (high-frequency current extraction means)
506, 511 Axis error calculator 510 Multiplier 901, 903 Differentiator 902, 904 PI controller 1301 High frequency voltage command generator 1302 Coordinate converter 1501, 1503 Delay device 1505 High frequency current amplitude calculator 1506 Low pass filter 1507 Temperature estimation Calculator 1605 High-frequency current amplitude calculator 1606 Upper / lower limit value determiner

Claims (7)

非突極型同期電動機と、この非突極型同期電動機に交流電力を供給する電力変換器と、この電力変換器にPWM制御信号を送信して前記非突極型同期電動機の回転を目標値にdqベクトル制御する制御装置と、前記非突極型同期電動機に流れる電動機電流を電動機検出電流として検出する電流検出手段とを備えた同期電動機の駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
c軸に位相を一致させた高周波信号を生成する高周波信号生成手段と、
前記目標値、及び前記電動機検出電流の値に基づいて、ベクトル演算された電圧指令値と前記高周波信号の電圧値とを加算した加算電圧値にパルス幅が比例する前記PWM制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記電動機検出電流から高周波電流を抽出する高周波電流抽出手段と、
前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を用いて、前記非突極型同期電動機の磁極位置を、前記dc軸を基準に推定する磁極位置推定手段とを備え、
前記電動機検出電流は、qc軸電流とdc軸電流とに分解され、
前記dc軸電流は、前記目標値に基づいてベクトル演算された前記qc軸電流の指令値に基づいて、前記非突極型同期電動機の磁束が磁気飽和する値に設定されていることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
A non-saliency synchronous motor, a power converter that supplies AC power to the non-salience synchronous motor, and a PWM control signal transmitted to the power converter to rotate the non-saliency synchronous motor to a target value a control device that controls dq vector, in the drive system of the synchronous motor and a current detecting means for detecting a motor current flowing through the non-salient pole synchronous motor as a motor detection current,
The controller is
a high frequency signal generating means for generating a high-frequency signal to match the phase d c-axis,
The target value, and based on the value of the motor detection current, to generate the PWM control signal whose pulse width proportional to the sum voltage value obtained by adding the voltage value of the high frequency signal and the voltage command value vector operations Control signal generating means;
High-frequency current extraction means for extracting a high-frequency current from the motor detection current;
Magnetic pole position estimation means for estimating the magnetic pole position of the non-salient-pole synchronous motor with reference to the dc axis using the high-frequency extraction current extracted by the high-frequency current extraction means;
The electric motor detection current is decomposed into a qc-axis current and a dc-axis current,
The dc-axis current is set to a value at which the magnetic flux of the non-salient-pole synchronous motor is magnetically saturated based on a command value of the qc-axis current vector-calculated based on the target value. Synchronous motor drive system.
前記磁気飽和する値、前非突極型同期電動機に使用されるコアの磁気特性で決まる値であることを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。 The magnetic values of saturation, the drive system of the synchronous motor according to claim 1, characterized in Nedea Rukoto determined by the magnetic properties of the core to be used before Symbol non-salient synchronous motor. 前記磁極位置推定手段は、前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を、前記非突極型同期電動機の固定子巻線に鎖交する磁束の方向であるφ軸の成分と、このφ軸に直交する軸であるz軸の成分とに分離し、少なくとも何れか一方の成分に基いて、磁極位置を推定することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。 The magnetic pole position estimating means includes a φ-axis component that is a direction of magnetic flux interlinking the high-frequency extracted current extracted by the high-frequency current extracting means with the stator winding of the non-salient-pole synchronous motor, and the φ axis 2. The drive system for a synchronous motor according to claim 1, wherein the magnetic pole position is estimated based on at least one of components separated into a z-axis component that is an axis orthogonal to the axis. 前記非突極型同期電動機は、永久磁石型同期電動機であり、
前記制御装置は、前記検出した電動機検出電流に基いて、前記非突極型同期電動機が備える永久磁石の温度を推定する温度推定手段をさらに備え、
前記温度推定手段が推定した前記永久磁石の温度に基いて、前記dc軸電流を調整することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。
The non-salient pole type synchronous motor is a permanent magnet type synchronous motor,
The control device further includes temperature estimation means for estimating a temperature of a permanent magnet included in the non-salient-pole synchronous motor based on the detected motor detection current,
2. The synchronous motor drive system according to claim 1, wherein the dc-axis current is adjusted based on the temperature of the permanent magnet estimated by the temperature estimation means.
前記制御装置は、前記電動機検出電流の高周波成分の大きさに基いて、前記高周波信号の振幅の大きさを調整することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。   2. The synchronous motor drive system according to claim 1, wherein the control device adjusts the magnitude of the amplitude of the high-frequency signal based on the magnitude of the high-frequency component of the electric motor detection current. 前記高周波信号生成手段は、
前記同期電動機を停止状態から始動する前に、前記電動機電流が平均値の大きさを一定にしながら少なくとも4つの位相に順番に流れるようにすると共に、前記電動機電流を流す位相に揃えた位相で前記高周波信号を印加し
前記磁極位置推定手段は、前記高周波抽出電流を用いることにより前記非突極型同期電動機の磁極位置を推定することを特徴とする請求項1に記載の同期電動機の駆動システム。
The high-frequency signal generating means includes
Before starting the synchronous motor from a stopped state, the motor current is made to flow in at least four phases in order while keeping the magnitude of the average value constant, and the phase is aligned with the phase in which the motor current flows. Apply a high frequency signal ,
2. The synchronous motor drive system according to claim 1, wherein the magnetic pole position estimating means estimates the magnetic pole position of the non-salient-pole synchronous motor by using the high-frequency extracted current.
非突極型同期電動機に交流電力を供給する電力変換器にPWM制御信号を送信して前記非突極型同期電動機の回転を目標値にdqベクトル制御する同期電動機の制御装置であって、
前記制御装置は、
c軸に位相を一致させた高周波信号を生成する高周波信号生成手段と、
前記目標値、及び前記非突極型同期電動機に流れる電動機電流の値に基づいて、ベクトル演算された電圧指令値と前記高周波信号の電圧値とを加算した加算電圧値にパルス幅が比例する前記PWM制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記電動機電流の値から高周波電流を抽出する高周波電流抽出手段と、
前記高周波電流抽出手段で抽出した高周波抽出電流を用いて、前記非突極型同期電動機の磁極位置を、前記dc軸を基準に推定する磁極位置推定手段とを備え、
前記電動機電流の値は、qc軸電流とdc軸電流とに分解され、
前記dc軸電流は、前記目標値に基づいてベクトル演算された前記qc軸電流の指令値に基づいて、前記非突極型同期電動機の磁束が磁気飽和する値に設定されていることを特徴とする同期電動機の制御装置。
A control apparatus for a synchronous motor controlled dq vector to the target value of the rotation of said transmit a PWM control signal non-salient synchronous motor to a power converter for supplying AC power to the non-salient pole type synchronous motor,
The controller is
a high frequency signal generating means for generating a high-frequency signal to match the phase d c-axis,
Based on the target value and the value of the motor current flowing through the non-salient-pole synchronous motor , the pulse width is proportional to the added voltage value obtained by adding the voltage command value vector-calculated and the voltage value of the high-frequency signal. Control signal generating means for generating a PWM control signal;
High-frequency current extraction means for extracting a high-frequency current from the value of the motor current ;
Magnetic pole position estimation means for estimating the magnetic pole position of the non-salient-pole synchronous motor with reference to the dc axis using the high-frequency extraction current extracted by the high-frequency current extraction means;
The value of the motor current is decomposed into a qc-axis current and a dc-axis current,
The dc-axis current is set to a value at which the magnetic flux of the non-salient-pole synchronous motor is magnetically saturated based on a command value of the qc-axis current vector-calculated based on the target value. Control device for synchronous motor.
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