JP5499595B2 - Control device for permanent magnet type synchronous motor - Google Patents
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Description
本発明は、埋込磁石形同期電動機等の永久磁石形同期電動機の制御装置において、回転子の磁極位置を検出するための位置検出器を用いることなく運転する、いわゆる位置センサレス制御技術に関するものである。 The present invention relates to a so-called position sensorless control technique for operating without using a position detector for detecting a magnetic pole position of a rotor in a control device for a permanent magnet type synchronous motor such as an embedded magnet type synchronous motor. is there.
永久磁石形同期電動機の制御装置をコストダウンするために、回転子の磁極位置を検出するための位置検出器を用いることなく運転する、いわゆる位置センサレス制御が実用化されている。位置センサレス制御は、電動機の端子電圧や電機子の電流の情報から回転子の磁極位置及び速度を演算し、これらに基づいて電流制御を行うことで、トルク制御や速度制御を実現するものである。 In order to reduce the cost of the control device for the permanent magnet type synchronous motor, so-called position sensorless control that operates without using a position detector for detecting the magnetic pole position of the rotor has been put into practical use. Position sensorless control realizes torque control and speed control by calculating the magnetic pole position and speed of the rotor from the information on the terminal voltage of the motor and the current of the armature, and performing current control based on these. .
永久磁石形同期電動機の位置センサレス制御技術の一つとして、非特許文献1に記載された従来技術が知られている。この従来技術は、磁束オブザーバを用いて磁束推定値を演算し、磁束推定値から磁極位置及び速度を演算して電動機を制御する方法である。
以下に、この従来技術による磁束オブザーバを用いた位置センサレス制御の具体的な方法を説明する。
As one of position sensorless control techniques for a permanent magnet type synchronous motor, a conventional technique described in Non-Patent
Hereinafter, a specific method of position sensorless control using the magnetic flux observer according to the prior art will be described.
永久磁石形同期電動機の位置センサレス制御では、回転子の座標系(d,q軸)で磁極位置を直接検出できないため、制御装置内で回転座標系(γ,δ軸)を推定し、これらの推定したγ,δ軸上で電流を制御している。
図8は、上記d,q軸及びγ,δ軸の定義を示したものであり、永久磁石形同期電動機の回転子のN極方向をd軸、d軸から90°進み方向をq軸、d軸に対応する推定軸をγ軸、γ軸から90°進み方向をδ軸とそれぞれ定義する。
なお、図8において、
θr:磁極位置(u相巻線基準)
θ1:磁極位置推定値(u相巻線基準)
θerr:位置推定誤差
ωr:回転子の角速度
ω1:速度推定値
ωerr:速度推定誤差
である。また、位置推定誤差θerr及び速度推定誤差ωerrを、数式5,数式6によりそれぞれ定義する。
In the position sensorless control of the permanent magnet type synchronous motor, since the magnetic pole position cannot be directly detected by the rotor coordinate system (d, q axes), the rotation coordinate system (γ, δ axes) is estimated in the control device, and these The current is controlled on the estimated γ and δ axes.
FIG. 8 shows the definitions of the d and q axes and the γ and δ axes. The N-pole direction of the rotor of the permanent magnet synchronous motor is the d axis, the 90 ° advance direction from the d axis is the q axis, The estimated axis corresponding to the d axis is defined as the γ axis, and the direction advanced by 90 ° from the γ axis is defined as the δ axis.
In FIG. 8,
θ r : Magnetic pole position (u-phase winding reference)
θ 1 : Estimated value of magnetic pole position (u-phase winding reference)
θ err : Position estimation error ω r : Rotor angular velocity ω 1 : Speed estimation value ω err : Speed estimation error Further, the position estimation error θ err and the speed estimation error ω err are defined by Equations 5 and 6, respectively.
ここで、図9は、磁束オブザーバを用いた位置センサレス制御により永久磁石形同期電動機の速度制御を実現するための制御ブロック図であり、非特許文献1に記載されているものである。
まず、位置・速度推定器20により演算される磁極位置推定値θ1と速度推定値ω1とを用いて、永久磁石形同期電動機の速度制御を行う方法について説明する。
Here, FIG. 9 is a control block diagram for realizing speed control of the permanent magnet type synchronous motor by position sensorless control using a magnetic flux observer, which is described in Non-Patent
First, a method for controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor using the magnetic pole position estimated value θ 1 and the speed estimated value ω 1 calculated by the position /
速度指令値ω*と速度推定値ω1との偏差を減算器14により演算し、この偏差を速度調節器13により増幅してトルク指令値τ*を演算する。電流指令演算器12は、トルク指令値τ*から所望のトルクを出力するためのγ,δ軸電流指令値iγ *,iδ *を演算する。u相電流検出器5u,w相電流検出器5wによりそれぞれ検出した相電流検出値iu,iwは、磁極位置推定値θ1を用いて電流座標変換器6によりγ,δ軸電流検出値iγ,iδに座標変換する。
A deviation between the speed command value ω * and the estimated speed value ω 1 is calculated by the
γ軸電流指令値iγ *とγ軸電流検出値iγとの偏差を減算器11aにて演算し、この偏差をγ軸電流調節器10aにより増幅してγ軸電圧指令値vγ *を演算する。同様に、δ軸電流指令値iδ *とδ軸電流検出値iδとの偏差を減算器11bにて演算し、この偏差をδ軸電流調節器10bにより増幅してδ軸電圧指令値vδ *を演算する。
γ,δ軸電圧指令値vγ *,vδ *は、磁極位置推定値θ1を用いて電圧座標変換器9により相電圧指令値vu *,vv *,vw *に変換される。
The deviation between the γ-axis current command value i γ * and the detected γ-axis current value i γ is calculated by the
The γ and δ-axis voltage command values v γ * and v δ * are converted into phase voltage command values v u * , v v * , and v w * by the
整流回路3は、三相交流電源4の三相交流電圧を整流して得た直流電圧をインバータ等の電力変換器2に供給する。PWM回路8は、相電圧指令値vu *,vv *,vw *と電圧検出回路7により検出した入力電圧検出値Edcとから、電力変換器2の出力電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器2は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することで、永久磁石形同期電動機(PMSM)1の端子電圧を相電圧指令値vu *,vv *,vw *に制御し、電動機1の回転速度を速度指令値ω*に制御する。
The rectifier circuit 3 supplies a DC voltage obtained by rectifying the three-phase AC voltage of the three-phase AC power supply 4 to the
次に、位置・速度推定器20において、磁束オブザーバを用いて磁極位置推定値θ1と速度推定値ω1とを演算する方法を説明する。図10は、図9における位置・速度推定器20のブロック図であり、このブロック図も非特許文献1に記載されている。
まず、永久磁石形同期電動機のd,q軸の電圧方程式は、拡張磁束(拡張誘起電圧を誘導する磁束)を用いて数式7によって表される。この数式7における拡張磁束振幅Ψexは、数式8に示す通りである。
Next, a method for calculating the magnetic pole position estimated value θ 1 and the speed estimated value ω 1 using the magnetic flux observer in the position /
First, the d and q axis voltage equations of the permanent magnet type synchronous motor are expressed by
図8の関係から、数式7のd,q軸の電圧方程式をγ,δ軸に変換し、γ,δ軸電流及びγ,δ軸磁束を状態変数とする状態方程式を導出すると、数式9となる。なお、数式9におけるw1,w2はそれぞれ数式10,数式11によって表される。
From the relationship shown in FIG. 8, when the voltage equation of d and q axes in
数式9において、速度推定値ω1と実速度ωrとは定常状態において等しくなるので、速度推定誤差ωerrを零と近似する。また、拡張磁束振幅Ψexを一定値とみなす。このとき、数式9におけるw1,w2は零となる。
更に、数式9におけるγ,δ軸電圧vγ,vδの代わりにγ,δ軸電圧指令値vγ *,vδ *を用いて、磁束オブザーバを数式12により構成する。
In
Further, the magnetic flux observer is configured by
図10における実際の磁束オブザーバ21の演算は、まず、数式12の右辺を演算し、この結果を積分してγ,δ軸電流推定値iγest,iδest及びγ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestを求める。
角度誤差演算器22は、γ軸からみたγ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestの角度(角度誤差推定値)δestを、数式13により演算する。
In the actual calculation of the
The
図10の速度推定器23は、数式14により、γ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestの角度(−δest)を増幅して速度推定値ω1を演算する。
The
また、磁極位置演算器24は、数式15に示す如く、速度推定値ω1を積分して磁極位置推定値θ1を演算する。
In addition, the magnetic
一方、非特許文献2及び非特許文献3には、上述した非特許文献1の如く磁束推定値を演算する代わりに拡張誘起電圧を演算し、非特許文献1と同様の原理によって拡張誘起電圧から磁極位置及び速度を演算する埋込磁石形同期電動機(突極形永久磁石同期電動機)の制御方法が示されている。
On the other hand, in
非特許文献1では、磁束オブザーバ21において、数式12のように速度推定誤差ωerrを零に近似した演算式を用いてγ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestを演算している。しかし、実際には速度推定誤差ωerrを無視することはできず、数式12によって演算されるγ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestは、速度推定誤差ωerrを外乱として含んだ値になり、これによって制御の安定性が低下するという問題がある。
すなわち、具体的には、磁束オブザーバ21により演算されるγ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestは、速度推定誤差ωerrとの間に数式16のような関係にある。
In
Specifically, the γ and δ-axis magnetic flux estimated values Ψ γest and Ψ δest calculated by the
数式16より、γ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestは、本来抽出したい位置推定誤差θerrの情報に加えて、速度推定誤差ωerrを外乱として含んだ値となる。
次に、γ,δ軸磁束推定値Ψγest,Ψδestに速度推定誤差ωerrが含まれることによる問題点を説明する。
数式13、数式16より、磁束推定値の逆正接の値を位置推定誤差と速度推定誤差とについて動作点近傍で線形近似すると、定常状態における動作点で数式17が得られる。なお、数式18は数式17におけるTdθerrを示す。
From Equation 16, the γ and δ-axis magnetic flux estimated values Ψ γest and Ψ δest are values including the speed estimation error ω err as disturbance in addition to the information of the position estimation error θ err that is originally desired to be extracted.
Next, a problem caused by the fact that the speed estimation error ω err is included in the γ and δ axis magnetic flux estimated values Ψ γest and Ψ δest will be described.
From
数式17、数式18より、磁極位置の実際値θrから推定値θ1までの伝達特性をモデル化したブロック図は、図11のようになる。この図11において、25は磁束オブザーバ21と角度誤差演算器22とをモデル化した部分であり、1/(1+sσ)により表された一次遅れフィルタは、磁束オブザーバの演算遅れをモデル化したものである。
磁極位置の実際値θrから推定値θ1までの伝達関数の極配置を解析すると、速度推定誤差ωerr(=位置推定誤差θerrの微分値)が存在する場合、微分の係数Tdθerrが大きくなるほど、極がs平面の右半平面に向かって移動する特性となり、制御の安定性が低下する。
FIG. 11 is a block diagram obtained by modeling the transfer characteristic from the actual value θ r of the magnetic pole position to the estimated value θ 1 from Expression 17 and Expression 18. In FIG. 11, reference numeral 25 denotes a part in which the
When analyzing the pole arrangement of the transfer function from the actual value θ r of the magnetic pole position to the estimated value θ 1, if there is a speed estimation error ω err (= differential value of the position estimation error θ err ), the differential coefficient T dθerr is The larger the value, the more the pole moves toward the right half plane of the s plane, and the stability of control decreases.
前述した数式18より、特に埋込磁石形同期電動機(Ld≠Lq)の場合には、低速(ωrが小)、かつ重負荷(iδが大)であり、d軸インダクタンスLdとq軸インダクタンスLqとの差が大きいほど、微分の係数Tdθerrの値が大きくなり、結果的に制御が不安定に陥りやすい。 From Equation 18 described above, particularly in the case of an embedded magnet type synchronous motor (L d ≠ L q ), the speed is low (ω r is small) and the load is heavy (i δ is large), and the d-axis inductance L d And the q-axis inductance L q are larger, the value of the differential coefficient T dθerr is larger, and as a result, the control tends to be unstable.
また、非特許文献2及び非特許文献3に示される拡張誘起電圧を用いた方法においても、非特許文献1と同様に速度推定誤差を零に近似した演算を行っているため、上記と同様の問題が発生する恐れがある。
Also, in the method using the extended induced voltage shown in
そこで、本発明の解決課題は、特に埋込磁石形同期電動機等の永久磁石形同期電動機を低速、重負荷時にも安定して運転可能とした制御装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a control device that can operate a permanent magnet type synchronous motor such as an embedded magnet type synchronous motor in a stable manner even at a low speed and under a heavy load.
上記の課題を解決するため、請求項1に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の回転子のN極方向をd軸、前記d軸から90°進み方向をq軸、前記d軸に対応する制御上の第1の推定軸をγ1軸、前記γ1軸から90°進み方向をδ1軸、前記d軸に対応する制御上の第2の推定軸をγ2軸、前記γ2軸から90°進み方向をδ2軸とそれぞれ定義し、
前記電動機の電圧、電流を前記γ1,δ1軸及びγ2,δ2軸上でベクトルとしてとらえ、
前記電動機の端子電圧を制御して前記γ1,δ1軸の電流検出値を電流指令値に一致させる手段と、
前記電動機のq軸インダクタンスに対応する制御上のq軸インダクタンス設定値、前記γ2,δ2軸の電流検出値及び電圧指令値から、前記電動機の速度推定値と前記γ2軸の角度とを演算する手段と、
前記q軸インダクタンス設定値を、前記γ2軸の角度に含まれる前記速度推定値と前記電動機の実速度との間の速度推定誤差による外乱を除去するために、請求項1の数式1Aにより示される評価関数fが零または零近傍となるように演算する手段と、
前記q軸インダクタンスと前記q軸インダクタンス設定値との偏差によって定常的に発生する前記d軸と前記γ2軸との間の角度差を請求項1の数式1Bにより演算する手段と、
前記γ2軸の角度から前記角度差を減算して前記γ1軸の角度を補正する手段と、
を備えたものである。
これにより、特に埋込磁石形同期電動機が低速、重負荷時に不安定となる原因の速度推定誤差(=位置推定誤差の微分値)による外乱を零または零近傍にできるので、埋込磁石形同期電動機を低速、重負荷時においても安定に運転することができ、非特許文献1〜3における課題を解決することができる。また、q軸インダクタンス設定値を真値と異なる値に設定しただけでは、d軸と電流制御を行う制御軸との間に角度差が発生し、トルク制御誤差が発生してしまうが、上述のように角度差を用いて制御軸の角度を補正することにより、d軸に一致した制御軸上で電流制御を行うことができ、トルク精度を劣化させずに安定した制御を実現することが可能になる。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
The N-pole direction of the rotor of the electric motor is the d-axis, the 90 ° advance direction from the d-axis is the q-axis, the first control estimated axis corresponding to the d-axis is the γ 1 axis, and the γ 1 axis is 90 ° Take direction [delta] 1 axis, the second axis estimated the gamma 2-axis for control corresponding to the d-axis, a 90 ° leading direction from the gamma 2 axes defined respectively [delta] 2-axis,
Taking the voltage and current of the motor as vectors on the γ 1 , δ 1 axis and γ 2 , δ 2 axis,
Means for controlling the terminal voltage of the electric motor to match the detected current values of the γ 1 and δ 1 axes with current command values;
From the control q-axis inductance setting value corresponding to the q-axis inductance of the motor, the detected current values of the γ 2 and δ 2 axes, and the voltage command value, the estimated speed value of the motor and the angle of the γ 2 axis are obtained. Means for computing;
The q-axis inductance setting value, in order to remove the disturbance by the speed estimation error between the actual speed of the speed estimation value and the motor included in the angle of the gamma 2-axis, indicated by formula 1A according to
It means for calculating the formula 1B according to claim 1 the angular difference between the gamma 2-axis and the d-axis generated constantly by the deviation between the q-axis inductance and the q-axis inductance setting value,
Means for correcting the angle of the γ 1 axis by subtracting the angle difference from the angle of the γ 2 axis;
It is equipped with.
As a result, the disturbance due to the speed estimation error (= differential value of the position estimation error) that causes the embedded magnet type synchronous motor to become unstable at low speed and heavy load can be made zero or near zero. The electric motor can be stably operated even at a low speed and a heavy load, and the problems in
また、請求項2に係る発明は、請求項1におけるq軸インダクタンス設定値を演算する手段が、前記δ2軸の電流に応じて数式1C(特許請求の範囲を参照)により前記q軸インダクタンス設定値を演算すると共に、前記q軸インダクタンスと前記q軸インダクタンス設定値との偏差によって発生する前記d軸と前記γ2軸との間の角度差を、前記q軸インダクタンス設定値と前記δ2軸の電流とに応じて数式2(特許請求の範囲を参照)により演算する手段を備え、前記γ1,δ1軸の電流を、同一トルクにおける前記電動機の電流振幅が最小となるように制御するものである。
更に、請求項3に係る発明は、請求項1におけるq軸インダクタンス設定値を演算する手段が、前記γ1,δ1軸の電流に応じて前記q軸インダクタンス設定値を数式3(特許請求の範囲を参照)により演算すると共に、前記q軸インダクタンスと前記q軸インダクタンス設定値との偏差によって発生する前記d軸と前記γ2軸との間の角度差を、前記q軸インダクタンス設定値と前記δ2軸の電流とに応じて数式4(特許請求の範囲を参照)により演算する手段を備え、前記γ1,δ1軸の電流を、同一トルクにおける前記電動機の電流振幅が最小となるように制御するものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the means for calculating the q-axis inductance setting value according to the first aspect is based on the δ 2- axis current according to Formula 1 C (refer to the claims). A set value is calculated, and an angular difference between the d axis and the γ 2 axis generated by a deviation between the q axis inductance and the q axis inductance set value is calculated as the q axis inductance set value and the δ 2. Means for calculating according to Formula 2 (refer to the claims) according to the shaft current, and controlling the currents of the γ 1 and δ 1 axes so that the current amplitude of the motor at the same torque is minimized. To do.
Further, in the invention according to claim 3, the means for calculating the q-axis inductance setting value in
請求項2または請求項3に係る発明によれば、最大トルク制御の下において、d,q軸インダクタンス等の電動機定数や速度条件、負荷条件によらず、速度推定誤差による外乱を常に零にできるので、特に埋込磁石形同期電動機を安定して運転することができ、非特許文献1〜3における課題の解決が可能になる。
According to the invention according to
本発明によれば、埋込磁石形同期電動機等の永久磁石形同期電動機を、電動機定数に関わらず、低速、重負荷時にも安定して運転することができる。 According to the present invention, a permanent magnet type synchronous motor such as an embedded magnet type synchronous motor can be stably operated even at a low speed and a heavy load regardless of the motor constant.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。なお、この実施形態は、非特許文献1のように位置・速度推定器内の磁束オブザーバによって磁束推定値を演算し、この磁束推定値から磁極位置及び速度を推定するようにした制御装置に関するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. This embodiment relates to a control device that calculates a magnetic flux estimated value by a magnetic flux observer in a position / velocity estimator as in
まず始めに、図1は本実施形態における座標軸の定義を示している。図示するように、永久磁石形同期電動機の回転子のN極方向をd軸、このd軸から90°進み方向をq軸、d軸に対応する制御上の第1の推定軸をγ1軸、このγ1軸から90°進み方向をδ1軸、d軸に対応する制御上の第2の推定軸をγ2軸、このγ2軸から90°進み方向をδ2軸と定義する。
なお、図1において、
θr:磁極位置(u相巻線基準),
θγδ1:γ1軸の角度(u相巻線基準),
θγδ2:γ2軸の角度(u相巻線基準),
θerr:d軸とγ2軸との角度差(定常状態での値をθerr0とする。),
ωr:回転子の角速度,
ω1:速度推定値,
ωerr:速度推定誤差
である。
また、位置推定誤差θerr及び速度推定誤差ωerrをそれぞれ数式19,数式20により定義する。
First, FIG. 1 shows the definition of coordinate axes in this embodiment. As shown in the figure, the N-pole direction of the rotor of the permanent magnet synchronous motor is the d-axis, the 90 ° advance direction from this d-axis is the q-axis, and the first control estimated axis corresponding to the d-axis is the γ 1 axis. the gamma 90 ° advances the direction [delta] 1 axis from one axis, the second estimated-axis gamma 2-axis for control corresponding to the d-axis, a 90 ° leading direction from the gamma 2-axis is defined as [delta] 2 axis.
In FIG. 1,
θ r : magnetic pole position (u-phase winding reference),
θ γδ1 : Angle of γ 1 axis (u- phase winding reference),
θ γδ2: γ 2-axis angle (u phase winding reference),
θ err : Angular difference between the d-axis and the γ 2 axis (the value in the steady state is θ err0 ),
ω r : angular velocity of the rotor,
ω 1 : Speed estimation value,
ω err : Speed estimation error.
Further, the position estimation error θ err and the speed estimation error ω err are defined by Expression 19 and
次に、図2は、請求項1に係る実施例1として、磁束オブザーバを用いた位置センサレス制御により永久磁石形同期電動機の速度制御を実現するための制御ブロック図である。以下では、図2と図9との相違点を中心として実施例1につき説明する。
Next, FIG. 2 is a control block diagram for realizing speed control of a permanent magnet type synchronous motor by position sensorless control using a magnetic flux observer as Example 1 according to
すなわち、図2に示す実施例1では、電圧座標変換器9及び電流座標変換器6の他に電圧座標変換器30及び電流座標変換器31を設け、位置・速度推定器40にて用いる電圧、電流を、γ2軸の角度θγδ2を用いて電圧座標変換器30、電流座標変換器31によりそれぞれ座標変換してなるγ2,δ2軸の電圧指令値vγ2 *,vδ2 *及び電流検出値iγ2,iδ2としている。
なお、図2では、γ1軸の角度θγδ1を用いて電流座標変換器6により座標変換した電流検出値をiγ1,iδ1、これらに対する電流指令値をiγ1 *,iδ1 *、上記角度θγδ1を用いて電圧座標変換器9により座標変換される電圧指令値をvγ1 *,vδ1 *としてある。
That is, in the first embodiment shown in FIG. 2, the voltage coordinate
In FIG. 2, current detection values obtained by coordinate conversion by the current coordinate converter 6 using the angle θ γδ1 of the γ 1 axis are i γ1 , i δ1 , current command values for these are i γ1 * , i δ1 * , and the above The voltage command values converted by the voltage coordinate
また、この実施例1では、q軸インダクタンス設定器32を設け、その出力であるq軸インダクタンス設定値Lq’を、位置・速度推定器40内の磁束オブザーバにおいて真値Lqの代わりに用いている。
更に、角度差設定器33及び減算器34を設け、角度差設定器33により、q軸インダクタンスLqとq軸インダクタンス設定値Lq’との偏差によってd軸とγ2軸との間に発生する角度差θerr0を設定すると共に、減算器34により、γ2軸の角度θγδ2から前記角度差θerr0を減算してγ1軸の角度θγδ1を演算し、この角度θγδ1を電圧座標変換器9及び電流座標変換器6に送って電流制御を行っている。
In the first embodiment, the q-axis
Furthermore, the
図3は、図2における位置・速度推定器40の構成を示しており、この位置・速度推定器40における具体的な演算内容を以下に説明する。
磁束オブザーバ41では、q軸インダクタンス設定値Lq’とγ2,δ2軸の電圧、電流を用いて、γ2,δ2軸の電流推定値iγ2est,iδ2est及び磁束推定値Ψγ2est,Ψδ2estを数式21により演算する。
FIG. 3 shows the configuration of the position /
In the
実際の磁束オブザーバ41の演算は、まず、数式21の右辺を演算し、この結果を積分してγ2,δ2軸の電流推定値iγ2est,iδ2est及び磁束推定値Ψγ2est,Ψδ2estを求める。
角度誤差演算器42は、γ2軸からみたγ2,δ2軸の磁束推定値Ψγ2est,Ψδ2estの角度δestを、数式22により演算する。
In the actual calculation of the
The
速度推定器43は、数式23に示すように角度δestを増幅して速度推定値ω1を演算し、磁極位置演算器44は、数式24に示すごとく速度推定値ω1を積分してγ2軸の角度θγδ2を演算する。
The
次に、図2におけるq軸インダクタンス設定器32の具体的な作用を説明する。
まず、原理を説明するために、q軸インダクタンス設定値Lq’を真値Lqと異なる値に設定したときの、磁極位置の実際値θrから推定値θγδ2までの伝達特性をモデル化したブロック図を導出する。
q軸インダクタンス設定値Lq’を真値Lqと異なる値に設定した場合、磁束推定値Ψγ2est,Ψδ2estは数式25によって表される。
Next, a specific operation of the q-axis
First, to explain the principles, as set by the q-axis inductance setting value L q 'to a value different from the true value L q, modeling the transfer characteristic from the actual value theta r of the magnetic pole position to estimate theta Ganmaderuta2 A block diagram is derived.
If you set the q-axis inductance setting value L q 'to a value different from the true value L q, the flux estimate Ψ γ2est, Ψ δ2est is represented by formula 25.
数式25より、磁束推定値Ψγ2est,Ψδ2estは、位置推定誤差θerr、速度推定誤差ωerr及び速度推定値ω1の非線形関数となる。
そこで、数式22、数式25によって得られる磁束推定値Ψγ2est,Ψδ2estの逆正接の値を位置推定誤差θerr、速度推定誤差ωerr及び速度推定値ω1について動作点近傍で線形近似すると、定常状態における動作点で数式26〜数式30が得られる。
From Equation 25, the estimated magnetic flux values Ψ γ2est and Ψ δ2est are nonlinear functions of the position estimation error θ err , the speed estimation error ω err, and the speed estimation value ω 1 .
Therefore, linearly approximating the value of arc tangent of the magnetic flux estimated values Ψ γ2est and Ψ δ2est obtained by
数式26〜数式30より、磁極位置の実際値θrから推定値θγδ2までの伝達特性をモデル化した制御ブロック図は図4のようになる。
ここで、数式19、数式20の関数を用いて図4を変形すると、図5が得られる。これらの図4、図5において、45,45aは図3における磁束オブザーバ41と角度誤差演算器42とをモデル化した部分である。
図5より、q軸インダクタンス設定値Lq’を真値Lqと異なる値に設定したときの微分の係数はB+Cという形になり、その値はq軸インダクタンス設定値Lq’を用いて数式31により表される。
A control block diagram modeling transfer characteristics from the actual value θ r of the magnetic pole position to the estimated value θ γδ2 from Expression 26 to
Here, if FIG. 4 is modified using the functions of
From FIG. 5, the q-axis inductance setting value L q 'coefficients of the differential at the time of setting the value different true value L q becomes the form of B + C, its value is q-axis inductance setting value L q' using equations 31.
数式31に基づき、評価関数fを数式32により定義する。
Based on
ここで、数式25におけるδ2軸磁束は、定常状態において零に制御されることから、q軸インダクタンス設定値Lq’と角度差θerr0との間には数式33に示す関係がある。
Here, since the δ 2- axis magnetic flux in Formula 25 is controlled to be zero in the steady state, the relationship shown in
数式32、数式33から、評価関数fの値が零または零近傍となるようにq軸インダクタンス設定値Lq’を選択することにより、制御が不安定となる原因のγ2軸の角度に含まれる速度推定誤差(=位置推定誤差の微分値)による外乱を除去することができる。
q軸インダクタンス設定器32の具体的な構成方法としては、γ2,δ2軸電流iγ2,iδ2の条件に応じて評価関数fの値が零または零近傍となるq軸インダクタンス設定値Lq’を事前に計算しておき、これをテーブル化した値をq軸インダクタンス設定器32に設定すればよい。
また、簡単化のために、q軸インダクタンス設定値Lq’を固定値としてもよい。このときのLq’の値は、重負荷時のγ2,δ2軸電流iγ2,iδ2の条件から計算することで、課題である重負荷時の安定性を改善することができる。
By selecting the q-axis inductance setting value L q ′ so that the value of the evaluation function f is zero or close to zero from the
As a specific configuration method of the q-axis
For simplicity, the q-axis inductance set value L q ′ may be a fixed value. The value of L q 'in this case, gamma 2 of the heavy load, [delta] 2-axis current i .gamma.2, by calculating the condition of i .delta.2, it is possible to improve the stability of the heavy load, which is a problem.
次に、図2における角度差設定器33の具体的な作用を説明する。
q軸インダクタンスLqとq軸インダクタンス設定値Lq’との偏差により、d軸とγ2軸との間に定常的な角度差が発生する。d軸に対して角度差が存在する制御軸上で電流制御を行うと、トルク制御誤差が発生してしまうため、この実施例では電流制御を行う制御軸を補正するようにした。
Next, a specific operation of the angle
The deviation between the q-axis inductance L q and q-axis inductance setting value L q ', stationary angular difference between the d-axis and the gamma 2-axis is generated. If current control is performed on a control axis that has an angular difference with respect to the d-axis, a torque control error occurs. In this embodiment, the control axis that performs current control is corrected.
具体的には、q軸インダクタンス設定値Lq’と角度差θerr0との間には前述した数式33の関係があるので、上記のLq’(テーブル化した値または固定値)に対応する角度差θerr0を事前に計算しておき、これをテーブル化した値または固定値を角度設定器33により設定する。そして、γ2軸の角度θγδ2から上記の角度差θerr0を減算してγ1軸の角度θγδ1を演算し、γ1,δ1軸上で電流制御を行う。
これにより、d軸と一致した制御軸上での電流制御が可能になり、トルク精度を劣化させずに安定した制御を行うことができる。
Specifically, since there is the relationship of the above-described
As a result, current control on the control axis coinciding with the d-axis becomes possible, and stable control can be performed without deteriorating torque accuracy.
次いで、請求項2に係る本発明の実施例2を説明する。図6は、実施例2における制御ブロック図を示している。
この実施例2が実施例1と異なるのは、特に、電流指令演算器12によりγ1,δ1軸電流指令値iγ1 *,iδ1 *を同一トルクにおける永久磁石形同期電動機1の電流振幅が最小となるように演算する点、q軸インダクタンス設定器35においてq軸インダクタンス設定値Lq’をδ2軸電流iδ2に応じてオンラインで演算する点、角度差設定器36において、角度差θerr0をδ2軸電流iδ2とq軸インダクタンス設定値Lq’とに応じてオンラインで演算する点である。
Next, a second embodiment of the present invention according to
The difference between the second embodiment and the first embodiment is that, in particular, the
次に、この実施例2におけるq軸インダクタンス設定器35及び角度差設定器36の具体的な演算内容を説明する。
同一トルクにおける永久磁石形同期電動機1の電流振幅が最小となるように電流制御したとき、d,q軸電流は数式34に示すような関係になる。
Next, specific calculation contents of the q-axis
When current control is performed so that the current amplitude of the permanent magnet type
図8に示した関係から、数式34のd,q軸電流をγ2,δ2軸電流を用いて表すと、数式35が得られる。
From the relationship shown in FIG. 8, when the d and q axis currents of
数式33、数式35を用いて数式32のq軸インダクタンス設定値Lq’を消去すると、評価関数fは数式36となる。
When the q-axis inductance setting value L q ′ in
数式36より、γ2軸電流を零に制御すれば、評価関数fを零にすることができる。
数式33より、γ2軸電流を零にするための角度差θerr0は、数式37となる。この数式37は、請求項2における数式2、請求項3における数式4と同一である。
From
From
数式37を数式32に代入し、評価関数fを零とするためのq軸インダクタンス設定値Lq’を求めると、数式38となる。この数式38は、請求項2における数式1Cと同一である。
Substituting
図6のq軸インダクタンス設定器35では、数式38により、Lq’をδ2軸電流iδ2に応じてオンラインで演算する。また、角度差設定器36では、数式37により、θerr0をδ2軸電流iδ2及びq軸インダクタンス設定値Lq’に応じてオンラインで演算する。
これにより、最大トルク制御の下で、電動機定数や負荷条件によらず、特に埋込磁石形同期電動機を常に安定に運転することができる。
In the q-axis
Thereby, it is possible to always stably operate the embedded magnet type synchronous motor in particular under the maximum torque control regardless of the motor constant and the load condition.
次に、請求項3に係る本発明の実施例3を説明する。図7は、実施例3における制御ブロック図を示している。
この実施例3が実施例1と異なるのは、特に、電流指令演算器12によりγ1,δ1軸電流指令値iγ1 *,iδ1 *を同一トルクにおける永久磁石形同期電動機1の電流振幅が最小となるように演算する点、q軸インダクタンス設定器37においてq軸インダクタンス設定値Lq’をγ1,δ1軸電流iγ1,iδ1に応じてオンラインで演算する点、角度差設定器36において角度差θerr0をδ2軸電流iδ2及びd軸インダクタンス設定値Lq’に応じてオンラインで演算する点である。つまり、q軸インダクタンス設定器37の作用以外は、実施例2と同様である。
Next, a third embodiment of the present invention according to claim 3 will be described. FIG. 7 is a control block diagram according to the third embodiment.
The third embodiment is different from the first embodiment, in particular, that the
ここで、q軸インダクタンス設定器37の具体的な演算内容を説明する。
実施例2と同様に、評価関数fを零にするためにγ2軸電流を零に制御したとき、δ2軸電流とγ1,δ1軸電流との間には数式39の関係がある。
Here, specific calculation contents of the q-axis
Similar to the second embodiment, when the γ 2- axis current is controlled to be zero in order to make the evaluation function f zero, there is a relationship of Formula 39 between the δ 2- axis current and the γ 1 , δ 1- axis current. .
数式38、数式39より、評価関数fを零にするためのq軸インダクタンス設定値Lq’は、数式40でも演算することができる。この数式40は、請求項3における数式3と同一である。
From Equations 38 and 39, the q-axis inductance setting value L q ′ for making the evaluation function f zero can also be calculated by
図7のq軸インダクタンス設定器37では、数式40により、Lq’をγ1,δ1軸電流iγ1,iδ1に応じてオンラインで演算する。これにより、最大トルク制御の下で、電動機定数や負荷条件によらず、特に埋込磁石形同期電動機を常に安定に運転することができる。
なお、図7では、q軸インダクタンス設定器37の入力量としてγ1,δ1軸電流検出値を用いているが、γ1,δ1軸電流検出値の代わりにγ1,δ1軸電流指令値を用いてもよい。
In the q-axis
In FIG. 7, γ 1 and δ 1- axis current detection values are used as input quantities of the q-axis
1:永久磁石形同期電動機
2:電力変換器
3:整流回路
4:三相交流電源
5u:u相電流検出器
5w:w相電流検出器
6,31:電流座標変換器
7:電圧検出回路
8:PWM回路
9,30:電圧座標変換器
10a:γ軸電流調節器
10b:δ軸電流調節器
11a,11b,14,34:減算器
12:電流指令演算器
13:速度調節器
20,40:位置・速度推定器
32,35,37:q軸インダクタンス設定器
33,36:角度差設定器
41:磁束オブザーバ
42:角度誤差演算器
43:速度推定器
44:磁極位置演算器
45,45a:磁束オブザーバと角度誤差演算器をモデル化した部分
1: Permanent magnet synchronous motor 2: Power converter 3: Rectifier circuit 4: Three-phase
Claims (3)
前記電動機の回転子のN極方向をd軸、前記d軸から90°進み方向をq軸、前記d軸に対応する制御上の第1の推定軸をγ1軸、前記γ1軸から90°進み方向をδ1軸、前記d軸に対応する制御上の第2の推定軸をγ2軸、前記γ2軸から90°進み方向をδ2軸とそれぞれ定義し、
前記電動機の電圧、電流を前記γ1,δ1軸及びγ2,δ2軸上でベクトルとしてとらえ、
前記電動機の端子電圧を制御して前記γ1,δ1軸の電流検出値を電流指令値に一致させる手段と、
前記電動機のq軸インダクタンスに対応する制御上のq軸インダクタンス設定値、前記γ2,δ2軸の電流検出値及び電圧指令値から、前記電動機の速度推定値と前記γ2軸の角度とを演算する手段と、
前記q軸インダクタンス設定値を、前記γ2軸の角度に含まれる前記速度推定値と前記電動機の実速度との間の速度推定誤差による外乱を除去するために、以下の数式1Aにより示される評価関数fが零または零近傍となるように演算する手段と、
前記q軸インダクタンスと前記q軸インダクタンス設定値との偏差によって定常的に発生する前記d軸と前記γ2軸との間の角度差を以下の数式1Bにより演算する手段と、
前記γ2軸の角度から前記角度差を減算して前記γ1軸の角度を補正する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
Ld:d軸インダクタンス, iγ2:γ2軸電流検出値, iδ2:δ2軸電流検出値,
θerr0:q軸インダクタンスとq軸インダクタンス設定値との偏差によってd軸とγ2軸との間に定常的に発生する角度差,
Ψex0:定常状態における拡張磁束振幅
The N-pole direction of the rotor of the electric motor is the d-axis, the 90 ° advance direction from the d-axis is the q-axis, the first control estimated axis corresponding to the d-axis is the γ 1 axis, and the γ 1 axis is 90 ° Take direction [delta] 1 axis, the second axis estimated the gamma 2-axis for control corresponding to the d-axis, a 90 ° leading direction from the gamma 2 axes defined respectively [delta] 2-axis,
Taking the voltage and current of the motor as vectors on the γ 1 , δ 1 axis and γ 2 , δ 2 axis,
Means for controlling the terminal voltage of the electric motor to match the detected current values of the γ 1 and δ 1 axes with current command values;
From the control q-axis inductance setting value corresponding to the q-axis inductance of the motor, the detected current values of the γ 2 and δ 2 axes, and the voltage command value, the estimated speed value of the motor and the angle of the γ 2 axis are obtained. Means for calculating;
In order to eliminate the disturbance due to the speed estimation error between the speed estimated value included in the angle of the γ 2 axis and the actual speed of the motor, the q-axis inductance setting value is evaluated by the following formula 1A. Means for calculating the function f to be zero or near zero;
It means for calculating by the following formula 1B the angular difference between the gamma 2-axis and the d-axis generated constantly by the deviation between the q-axis inductance and the q-axis inductance setting value,
Means for correcting the angle of the γ 1 axis by subtracting the angle difference from the angle of the γ 2 axis;
A control device for a permanent magnet type synchronous motor.
L d : d-axis inductance, i γ2 : γ 2- axis current detection value, i δ2 : δ 2- axis current detection value,
theta ERR0: angular difference which regularly occur between the d-axis and the gamma 2-axis by a deviation between the q-axis inductance and q-axis inductance setting value,
Ψ ex0 : Expanded magnetic flux amplitude in steady state
前記q軸インダクタンス設定値を演算する手段が、前記δ2軸の電流に応じて以下の数式1Cにより前記q軸インダクタンス設定値を演算すると共に、
前記q軸インダクタンスと前記q軸インダクタンス設定値との偏差によって発生する前記d軸と前記γ2軸との間の角度差を、前記q軸インダクタンス設定値と前記δ2軸の電流とに応じて以下の数式2により演算する手段を備え、
前記γ1,δ1軸の電流を、同一トルクにおける前記電動機の電流振幅が最小となるように制御することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
It means for computing the q-axis inductance setting value, the computing the q-axis inductance setting value according to Equation 1 C below in accordance with the current of the [delta] 2 axis,
An angle difference between the d-axis and the γ 2 axis generated by a deviation between the q-axis inductance and the q-axis inductance setting value is determined according to the q-axis inductance setting value and the current of the δ 2 axis. Means for calculating by the following formula 2;
A control apparatus for a permanent magnet type synchronous motor, wherein the currents of the γ 1 and δ 1 axes are controlled so that the current amplitude of the motor at the same torque is minimized.
前記q軸インダクタンス設定値を演算する手段が、前記γ1,δ1軸の電流に応じて前記q軸インダクタンス設定値を以下の数式3により演算すると共に、
前記q軸インダクタンスと前記q軸インダクタンス設定値との偏差によって発生する前記d軸と前記γ2軸との間の角度差を、前記q軸インダクタンス設定値と前記δ2軸の電流とに応じて以下の数式4により演算する手段を備え、
前記γ1,δ1軸の電流を、同一トルクにおける前記電動機の電流振幅が最小となるように制御することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
The means for calculating the q-axis inductance setting value calculates the q-axis inductance setting value according to the following Equation 3 according to the currents of the γ 1 and δ 1- axis,
An angle difference between the d-axis and the γ 2 axis generated by a deviation between the q-axis inductance and the q-axis inductance setting value is determined according to the q-axis inductance setting value and the current of the δ 2 axis. Means for calculating according to the following equation 4;
A control apparatus for a permanent magnet type synchronous motor, wherein the currents of the γ 1 and δ 1 axes are controlled so that the current amplitude of the motor at the same torque is minimized.
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