JP5798513B2 - Method and apparatus for detecting initial magnetic pole position of permanent magnet synchronous motor, and control apparatus for permanent magnet synchronous motor - Google Patents

Method and apparatus for detecting initial magnetic pole position of permanent magnet synchronous motor, and control apparatus for permanent magnet synchronous motor Download PDF

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Description

本発明は、永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出方法および装置、並びに永久磁石同期電動機の制御装置に関する。特に、磁極位置検出のための位置センサを用いることなく、永久磁石同期電動機の回転子の停止時における磁極位置を検出する方法に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for detecting an initial magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor, and a control apparatus for a permanent magnet synchronous motor. In particular, the present invention relates to a method for detecting a magnetic pole position when a rotor of a permanent magnet synchronous motor is stopped without using a position sensor for detecting a magnetic pole position.

近年において、永久磁石を用いた同期電動機(永久磁石同期電動機、PMSM、以下「同期電動機」または「PMSM」という)は、その性能向上が著しく、小形かつ高効率であるため、家電製品を含めたあらゆる産業分野で用いられている。   In recent years, synchronous motors using permanent magnets (permanent magnet synchronous motors, PMSM, hereinafter referred to as “synchronous motors” or “PMSMs”) have significantly improved performance and are small and highly efficient. Used in all industrial fields.

一般的なPMSMは、回転子に永久磁石を設け、固定子に電機子捲線を設けた回転界磁形の構造である。PMSMの制御には、回転子の回転角度位置を検出することが必要であるが、そのために位置センサを用いた場合には、小型化、耐ノイズ性、および価格などの点で不利になる。   A general PMSM has a rotating field structure in which a permanent magnet is provided on a rotor and an armature winding is provided on a stator. For PMSM control, it is necessary to detect the rotational angle position of the rotor. However, using a position sensor for this purpose is disadvantageous in terms of downsizing, noise resistance, and cost.

したがって、高価な位置センサを使用できない場合、または高い制御精度や高速な応答を要求しない用途では、磁極位置センサレス技術が不可欠である。このような同期電動機の停止時の初期磁極位置の検出方法として、種々の提案がなされている。   Therefore, when an expensive position sensor cannot be used, or in an application that does not require high control accuracy and high-speed response, the magnetic pole position sensorless technology is indispensable. Various proposals have been made as methods for detecting the initial magnetic pole position when the synchronous motor is stopped.

同期電動機に電圧を供給する場合に、一般に高周波PWMインバータが利用される。非特許文献1には、特別な電圧、電流を重畳することなく、PWMインバータの出力電圧の高調波が発生する高調波電流からインダクタンスを演算し、その変化から磁極位置を推定した後で、磁気飽和現象を起こす電流を再び流し磁極位置の極性を求めて極性を含めた磁極位置を求める手法が開示されている。   When supplying a voltage to a synchronous motor, a high frequency PWM inverter is generally used. In Non-Patent Document 1, the inductance is calculated from the harmonic current generated by the harmonics of the output voltage of the PWM inverter without superimposing a special voltage and current, and the magnetic pole position is estimated from the change. A method is disclosed in which a current that causes a saturation phenomenon is caused to flow again to determine the polarity of the magnetic pole position and to determine the magnetic pole position including the polarity.

また、非特許文献2には、非特許文献1と異なって、電圧を注入したときの電圧、電流からフーリェ変換を行うことにより自己インダクタンスを演算し、その変化から磁極位置を推定した後に、非特許文献1と同様にモータに電流を流し磁極位置の極性を求めて最終的な磁極位置を求める手法が開示されている。   Also, in Non-Patent Document 2, unlike Non-Patent Document 1, self-inductance is calculated by performing Fourier transform from the voltage and current when the voltage is injected, and the magnetic pole position is estimated from the change. Similar to Patent Document 1, a method is disclosed in which a current is supplied to a motor to determine the polarity of a magnetic pole position to obtain a final magnetic pole position.

小笠原悟司、松澤隆、赤木泰文著、「突極性に基づく位置推定法を用いた位置センサレスIPMモータ駆動システム」、電気学会論文集 D118巻5号 1998Satoshi Ogasawara, Takashi Matsuzawa, Yasufumi Akagi, “Position sensorless IPM motor drive system using position estimation method based on saliency”, IEEJ Proceedings, Vol. 118, No. 5, 1998 山木修、荒隆裕著、「パルス電圧を用いた表面磁石同期モータの初期磁極位置推定法」、電気学会論文集D 125巻3号 2005Osamu Yamaki, Takahiro Ara, “Initial magnetic pole position estimation method of surface magnet synchronous motor using pulse voltage”, IEEJ Proceedings D Vol. 125, No. 3 2005

上に述べた従来の方法によると、同期電動機のインダクタンスを演算した後、別の手段によって再度電流を流すことで磁極の極性を判別し、最終的な磁極位置を求めている。つまり、極性を考慮しない無極性の磁極位置(例えば−π/2〜π/2の範囲の値)の推定と、極性判定(磁極がNかSかの判定)とを、別々の手段で行っている。そのため、装置の構成が複雑になるとともに、全体の演算量が増大し処理速度をさらに高速にする必要があり、また記憶容量を大きくする必要があるといった問題がある。また、磁極位置の推定と極性判定との2段階の手段を用いるため、磁極位置の検出に時間がかかるという問題点がある。   According to the conventional method described above, after calculating the inductance of the synchronous motor, the polarity of the magnetic pole is determined by flowing the current again by another means, and the final magnetic pole position is obtained. In other words, estimation of a non-polar magnetic pole position (for example, a value in the range of −π / 2 to π / 2) and polarity determination (determination of whether the magnetic pole is N or S) is performed by different means without considering the polarity. ing. For this reason, there is a problem that the configuration of the apparatus becomes complicated, the total calculation amount increases, the processing speed needs to be further increased, and the storage capacity needs to be increased. In addition, there is a problem that it takes time to detect the magnetic pole position because two-stage means of estimation of the magnetic pole position and polarity determination are used.

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、磁極位置の推定と極性判定とを同時に並行して行うことができ、磁極位置の検出を短時間で行うことを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to perform estimation of the magnetic pole position and polarity determination in parallel at the same time, and to detect the magnetic pole position in a short time.

本発明においては、適応モデルと呼ぶ同期電動機の電流回路モデルと、この適応モデルにより推定した電流値と実際の同期電動機に流れる電流値との差から、無極性の磁極位置と極性とを同時並行的に推定することにより、磁極位置を検出する。   In the present invention, the non-polar magnetic pole position and the polarity are simultaneously parallelized from the difference between the current circuit model of the synchronous motor called the adaptive model and the current value estimated by the adaptive model and the current value flowing through the actual synchronous motor. Thus, the magnetic pole position is detected by estimation.

本発明の一実施形態に係る検出装置は、永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置であって、電機子捲線に電流を流して駆動するための電力変換部と、前記電機子捲線に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により検出された電流をγ軸とδ軸との2相座標における電流に座標変換する3相/2相座標変換部と、2相座標における電圧指令を発生する電圧発生部と、前記2相座標における電圧指令に基づいて前記電機子捲線の電流推定値を求める適応モデル部と、前記3相/2相座標変換部からの2相座標における電流と前記適応モデル部の求めた電流推定値とから、回転子の無極性の磁極位置を推定する位置推定部と、前記位置推定部によって推定される推定磁極軸をγ軸とした場合の前記3相/2相座標変換部からのγ軸の電流の平均値を求める電流平均部と、前記位置推定部の推定した無極性の磁極位置と前記電流平均部からの平均値とに基づいて初期磁極位置を検出する初期磁極位置検出部と、を有する。   A detection device according to an embodiment of the present invention is a detection device of an initial magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor, and includes a power conversion unit for driving by driving a current through an armature winding, and flowing through the armature winding. A current detection unit for detecting current, a three-phase / two-phase coordinate conversion unit for converting the current detected by the current detection unit into a current in two-phase coordinates of the γ-axis and the δ-axis, and a voltage in the two-phase coordinates A voltage generation unit that generates a command, an adaptive model unit that obtains an estimated current value of the armature winding based on the voltage command in the two-phase coordinates, and a current in two-phase coordinates from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit And the current estimation value obtained by the adaptive model unit, the position estimation unit for estimating the nonpolar magnetic pole position of the rotor, and the 3 in the case where the estimated magnetic pole axis estimated by the position estimation unit is the γ axis Γ from phase / 2 phase coordinate converter A current average unit for obtaining an average value of the current, an initial magnetic pole position detection unit for detecting an initial magnetic pole position based on the nonpolar magnetic pole position estimated by the position estimation unit and the average value from the current average unit, Have

本発明の一実施形態に係る検出方法は、γ軸とδ軸との2相座標における電圧指令に基づいて電機子捲線に電流を流すステップと、前記電機子捲線に流れる電流を検出して2相座標における電流に座標変換するステップと、前記電圧指令に基づいて、適応モデルを用いて前記電機子捲線の電流推定値を求めるステップと、検出されて座標変換された電流と前記電流推定値とから、回転子の無極性の磁極位置を推定するステップと、前記電機子捲線に流れる電流に対応するγ軸の電流の平均値を求めるステップと、推定された無極性の磁極位置と前記平均値とに基づいて初期磁極位置を検出するステップと、を有する。   A detection method according to an embodiment of the present invention includes a step of passing a current through an armature winding based on a voltage command in two-phase coordinates of a γ axis and a δ axis, and detecting a current flowing through the armature winding. A step of performing coordinate conversion to a current in phase coordinates; a step of obtaining an estimated current value of the armature winding using an adaptive model based on the voltage command; a detected and coordinate-converted current and the estimated current value; A step of estimating the nonpolar magnetic pole position of the rotor, a step of obtaining an average value of the current of the γ-axis corresponding to the current flowing in the armature winding, the estimated nonpolar magnetic pole position and the average value And detecting an initial magnetic pole position based on

本発明の一実施形態に係る制御装置は、速度指令に基づいてγ軸とδ軸との2相座標における電圧指令を発生する電圧発生部と、前記電圧指令に基づいて3相座標における指令値に座標変換する2相/3相座標変換部と、2相/3相座標変換部からの出力に基づいて電機子捲線に電流を流す電力変換部と、前記電機子捲線に実際に流れる電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により検出された電流を2相座標における電流に座標変換する3相/2相座標変換部と、前記電圧指令に基づいて、適応モデルを用いて前記電機子捲線の電流推定値を求める適応モデル部と、前記3相/2相座標変換部からの2相座標における電流と前記適応モデル部の求めた電流推定値とから、回転子の回転速度の推定値および無極性の磁極位置を推定する推定部と、前記位置推定部によって推定される推定磁極軸をγ軸とした場合の前記3相/2相座標変換部からのγ軸の電流の平均値を求める電流平均部と、前記推定部の推定した無極性の磁極位置と前記電流平均部からの平均値とに基づいて初期磁極位置を検出する初期磁極位置検出部と、を有する。   A control device according to an embodiment of the present invention includes a voltage generation unit that generates a voltage command in two-phase coordinates of a γ-axis and a δ-axis based on a speed command, and a command value in three-phase coordinates based on the voltage command. A two-phase / three-phase coordinate conversion unit for converting the coordinates into the power, a power conversion unit for passing a current through the armature winding based on an output from the two-phase / three-phase coordinate conversion unit, and a current actually flowing through the armature winding. A current detection unit for detecting, a three-phase / two-phase coordinate conversion unit for converting the current detected by the current detection unit into a current in two-phase coordinates, and the electric machine using an adaptive model based on the voltage command. Estimating the rotational speed of the rotor from the adaptive model unit for obtaining the current estimation value of the cord and the current in the two-phase coordinates from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit and the current estimation value obtained by the adaptive model unit Value and non-polar pole position estimation A current average unit for obtaining an average value of the current of the γ-axis from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit when the estimated magnetic pole axis estimated by the position estimation unit is the γ-axis, and the estimation unit And an initial magnetic pole position detection unit that detects the initial magnetic pole position based on the estimated nonpolar magnetic pole position and the average value from the current averaging unit.

本発明によると、磁極位置の推定と極性判定とを同時に並行して行うことができ、磁極位置の検出を短時間で行うことができる。   According to the present invention, the estimation of the magnetic pole position and the polarity determination can be performed simultaneously in parallel, and the magnetic pole position can be detected in a short time.

本実施形態の初期磁極位置の検出装置の構成の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of a structure of the detection apparatus of the initial stage magnetic pole position of this embodiment. PMSMの等価回路である。It is an equivalent circuit of PMSM. 電圧指令のパルス波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the pulse waveform of a voltage command. 電流による同期インダクタンスの変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of the synchronous inductance by an electric current. 磁極位置を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a magnetic pole position. モデル誤差を含んだMRASのブロック図である。It is a block diagram of MRAS including a model error. 磁極位置の推定のシミュレーションの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the simulation of estimation of a magnetic pole position. 実証実験における各部の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of each part in a demonstration experiment. 実証実験での電圧指令のパルス波形と電流の波形を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the pulse waveform of the voltage command in an experiment, and the waveform of an electric current. 本実施形態の制御装置の構成の例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the example of a structure of the control apparatus of this embodiment. 制御装置の処理動作の概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the processing operation of a control apparatus. 初期磁極位置検出の処理動作の概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the processing operation of initial magnetic pole position detection.

〔初期磁極位置の検出装置の構成〕
図1には、モデル規範適応システム(MRAS:Model Reference Adaputive System)に基づくPMSMの初期磁極位置の検出装置のブロック図が示されている。また、図2にはPMSMの等価回路が、図3には電圧指令のパルス波形の例が、図4には電流による同期インダクタンスの変化を説明するための図が、図5には磁極位置を説明するための図が、それぞれ示されている。
[Configuration of initial magnetic pole position detection device]
FIG. 1 shows a block diagram of a PMSM initial magnetic pole position detection device based on a model reference adaptive system (MRAS). 2 shows an equivalent circuit of PMSM, FIG. 3 shows an example of a pulse waveform of a voltage command, FIG. 4 shows a diagram for explaining a change in synchronous inductance due to current, and FIG. 5 shows a magnetic pole position. Each figure for explanation is shown.

図1において、PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)は、回転子(ロータ)に永久磁石が設けられ、固定子(ステータ)に3相の電機子捲線が設けられた回転界磁形の永久磁石同期電動機である。PMSMには、回転子の磁極位置θを検出するための位置センサが設けられていない。つまり、センサレスである。   In FIG. 1, a PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) is a rotating field type permanent magnet synchronous motor in which a rotor (rotor) is provided with a permanent magnet and a stator (stator) is provided with a three-phase armature winding. It is. The PMSM is not provided with a position sensor for detecting the magnetic pole position θ of the rotor. That is, it is sensorless.

PMSMは、通常の回転時には、速度指令(回転速度指令)ω*(図9参照)に応じて周波数制御され、電力変換器15から出力される3相交流電力Poutによって、その周波数に同期した回転速度ωで回転するよう駆動される。   During normal rotation, the PMSM is frequency-controlled according to a speed command (rotational speed command) ω * (see FIG. 9), and rotates in synchronization with the frequency by the three-phase AC power Pout output from the power converter 15. Driven to rotate at speed ω.

つまり、PMSMの基本モデルは、図2に示されるように、永久磁石のN極の方向をd軸とし、これより電気角でπ/2進んだ方向をq軸とする。つまり、d軸、q軸はモデル軸である。U相の電機子捲線を基準とし、これに対するd軸の進み角をθとする。つまり、d軸−q軸座標系は、U相の電機子捲線を基準としてこれより角度θだけ進んだ位置にある。   That is, in the PMSM basic model, as shown in FIG. 2, the direction of the N pole of the permanent magnet is the d-axis, and the direction advanced by π / 2 from this is the q-axis. That is, the d axis and the q axis are model axes. The lead angle of the d-axis relative to the U-phase armature winding is defined as θ. That is, the d-axis-q-axis coordinate system is at a position advanced by an angle θ from the U-phase armature winding as a reference.

なお、θは、U相の電機子捲線に対する磁極の実際の角度位置(磁極位置)を示す。角度位置θは、回転速度ωを積分することによっても求めることができる。   Θ represents the actual angular position (magnetic pole position) of the magnetic pole with respect to the U-phase armature winding. The angular position θ can also be obtained by integrating the rotational speed ω.

また、U相の電機子捲線を基準とし、推定された磁極位置の角度θ^に対応してγ軸が決定される。γ軸よりも電気角でπ/2進んだ位置がδ軸である。つまり、γ軸−δ軸座標系は、U相の電機子捲線を基準としてこれより角度θ^だけ進んだ位置にある。また、d軸−q軸座標系とγ軸−δ軸座標系とは極く接近しており、θとθ^とはほぼ等しく、この平衡点近傍において適応制御が行われる。   The γ-axis is determined in correspondence with the estimated angle θ ^ of the magnetic pole position with reference to the U-phase armature winding. A position advanced by π / 2 in electrical angle from the γ axis is the δ axis. That is, the γ-axis δ-axis coordinate system is at a position advanced by an angle θ ^ with respect to the U-phase armature winding. Further, the d-axis-q-axis coordinate system and the γ-axis-δ-axis coordinate system are very close to each other, and θ and θ ^ are substantially equal, and adaptive control is performed in the vicinity of this equilibrium point.

なお、U相、V相、およびW相の各電機子捲線は、それぞれ、漏れインダクタンスl’および有効インダクタンスL’を含む自己インダクタンスL、および捲線抵抗Rを持っている。   The U-phase, V-phase, and W-phase armature windings each have a self-inductance L including a leakage inductance l 'and an effective inductance L', and a winding resistance R.

自己インダクタンスL(同期インダクタンス)は、図4に示す電流−磁束曲線の傾きに比例する。   The self-inductance L (synchronous inductance) is proportional to the slope of the current-flux curve shown in FIG.

電機子捲線に電流が流れると磁束が発生するが、電機子捲線の磁束は、回転子の永久磁石による磁束の影響を受ける。つまり、回転子の永久磁石の磁極位置θに応じてプラスまたはマイナスの磁束が加算され、これによって電機子捲線の自己インダクタンスLが影響を受け、電機子捲線の正方向または負方向の電流が増大しまたは減少する。つまり、電機子捲線に正方向の電流と負方向の電流とを流した場合に、いずれか一方の電流は加算されて増大し、他方の電流は減算されて減少し、それらの平均値は正方向または負方向にシフトする。   When current flows through the armature winding, magnetic flux is generated. However, the magnetic flux of the armature winding is affected by the magnetic flux generated by the permanent magnet of the rotor. That is, plus or minus magnetic flux is added according to the magnetic pole position θ of the permanent magnet of the rotor, and this affects the self-inductance L of the armature winding, and the current in the positive or negative direction of the armature winding increases. Or decrease. In other words, when a current in the positive direction and a current in the negative direction are passed through the armature winding, one of the currents is added and increased, the other current is subtracted and decreased, and the average value thereof is positive. Shift in direction or negative direction.

したがって、平均値が0となるような正方向と負方向の電流を電機子捲線に流すように指令を出し、電機子捲線に実際に流れた電流の平均値をとることによって、回転子の永久磁石の磁極がN極かS極かを判定することができる。つまり、回転子の永久磁石の磁極位置θが−π/2〜π/2の範囲であるかπ/2〜3π/2の範囲であるかを判定することができ、磁極位置θの範囲を特定することができる。   Therefore, a command is given to flow positive and negative currents with an average value of 0 through the armature winding, and the average value of the current that actually flows through the armature winding is taken to make the rotor permanent. It can be determined whether the magnetic pole of the magnet is N-pole or S-pole. That is, it can be determined whether the magnetic pole position θ of the permanent magnet of the rotor is in the range of −π / 2 to π / 2 or π / 2 to 3π / 2. Can be identified.

なお、平均値が0となるような指令(電圧指令V*)と実際に流れた電流の平均値とは、互いに同じ軸上とする。また、初期磁極位置θ^の検出の際に回転子が回転しないようにするため、γ軸またはδ軸のいずれか一方に高い周波数の電圧指令V*を出し、他方については0とするのがよい。   Note that the command (voltage command V *) with an average value of 0 and the average value of the actually flowing current are on the same axis. In order to prevent the rotor from rotating when detecting the initial magnetic pole position θ ^, a high frequency voltage command V * is issued to either the γ-axis or the δ-axis, and the other is set to 0. Good.

また、電機子捲線に実際に流れた電流の平均値として、積算値または積分値でもよい。また、そのような平均値は、正負の電流のシフト量を抽出できるものであればよい。   Further, an integrated value or an integrated value may be used as an average value of the current actually flowing through the armature winding. Moreover, such an average value should just be what can extract the shift amount of positive / negative electric current.

なお、自己インダクタンスL(同期インダクタンス)は、表面磁石構造の同期電動機(SPMSM)では、非突極機であるためd軸とq軸とでほとんど変化がないが、埋め込み磁石構造の同期電動機(IPMSM)では、突極機であるためq軸ではd軸よりも大きくなる。   The self-inductance L (synchronous inductance) is almost unchanged between the d-axis and the q-axis in a synchronous motor (SPMSM) having a surface magnet structure, and is not a salient pole machine. ), The q-axis is larger than the d-axis because it is a salient pole machine.

本明細書において、記号「*」は、各パラメータにおける指令または指令値などを示す場合に、記号「^」は、各パラメータの推定値または算出値などを示す場合に、それぞれ用いられる。   In this specification, the symbol “*” is used to indicate a command or a command value for each parameter, and the symbol “^” is used to indicate an estimated value or a calculated value for each parameter.

本実施形態の検出装置3は、PMSMの回転子の初期磁極位置θ^、つまり回転子が停止(静止)しているときの磁極位置θを検出する。   The detection device 3 of the present embodiment detects the initial magnetic pole position θ ^ of the PMSM rotor, that is, the magnetic pole position θ when the rotor is stopped (stationary).

検出装置3は、γ軸電圧発生部12aおよびδ軸電圧発生部12bを含む電圧発生部12、2相/3相座標変換部14、電力変換部15、電流検出部16、3相/2相座標変換部17、適応モデル部18、推定部19、電流平均部21、および初期位置検出部22などを備える。   The detection device 3 includes a voltage generator 12 including a γ-axis voltage generator 12a and a δ-axis voltage generator 12b, a 2-phase / 3-phase coordinate converter 14, a power converter 15, a current detector 16, and a 3-phase / 2-phase. A coordinate conversion unit 17, an adaptive model unit 18, an estimation unit 19, a current averaging unit 21, an initial position detection unit 22, and the like are provided.

電圧発生部12は、2相座標における電圧指令V*を発生する。すなわち、γ軸電圧発生部12aは、γ軸の電圧指令値であるγ軸電圧指令値Vγ*を発生し、δ軸電圧発生部12bは、δ軸の電圧指令値であるδ軸電圧指令値Vδ*を発生する。   The voltage generator 12 generates a voltage command V * in two-phase coordinates. That is, the γ-axis voltage generator 12a generates a γ-axis voltage command value Vγ * that is a γ-axis voltage command value, and the δ-axis voltage generator 12b is a δ-axis voltage command value that is a δ-axis voltage command value. Vδ * is generated.

電圧発生部12は、初期磁極位置θ^の検出に際して、δ軸電圧指令値Vδ*を0とし、γ軸電圧指令値Vγ*を、回転子が回転しない程度に高い所定の周期で正負に繰り返されるパルス電圧とする。   When detecting the initial magnetic pole position θ ^, the voltage generator 12 sets the δ-axis voltage command value Vδ * to 0, and repeats the γ-axis voltage command value Vγ * positively and negatively at a predetermined cycle high enough to prevent the rotor from rotating. Pulse voltage.

つまり、初期磁極位置θ^の検出の際には、γ軸電圧指令値Vγ*を、図3(A)に示すようなパルス電圧Vpとする。また、γ軸電圧指令値Vγ*は、図3(B)に示すように、パルス電圧Vpの立ち上げを徐々に行い、その包洛線が正負において滑らかに増加した後に一定値となるようにする。   That is, when detecting the initial magnetic pole position θ ^, the γ-axis voltage command value Vγ * is set to a pulse voltage Vp as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 3B, the γ-axis voltage command value Vγ * is set to a constant value after gradually increasing the pulse voltage Vp and smoothly increasing the inclusion line in positive and negative directions. To do.

2相/3相座標変換部14は、2相座標の電圧指令値V*に基づいて、3相座標における指令値に座標変換する。つまり、電圧発生部12からのγ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*を、電力変換部15を制御するための、u、v、wの3相の電圧指令値に変換する。   The two-phase / three-phase coordinate conversion unit 14 performs coordinate conversion into a command value in three-phase coordinates based on the voltage command value V * in two-phase coordinates. That is, the γ-axis voltage command value Vγ * and the δ-axis voltage command value Vδ * from the voltage generation unit 12 are converted into three-phase voltage command values u, v, and w for controlling the power conversion unit 15. .

電力変換部15は、PWM制御部およびインバータなどを備え値電機子捲線に電流を流してPMSMを駆動する。つまり、電力変換部15は、2相/3相座標変換部14からの出力に基づいてPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、PWM信号をインバータのスイッチング素子の各ゲートに印加する。インバータからは、周波数および振幅が制御された3相交流電力Poutが出力され、これによってPMSMのu、v、wの電機子捲線に3相電流が流れ、回転子がそれに同期して回転駆動される。   The power conversion unit 15 includes a PWM control unit, an inverter, and the like, and drives the PMSM by passing a current through the value armature winding. That is, the power conversion unit 15 generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal based on the output from the two-phase / three-phase coordinate conversion unit 14 and applies the PWM signal to each gate of the switching element of the inverter. The inverter outputs a three-phase AC power Pout with a controlled frequency and amplitude. This causes a three-phase current to flow through the PMSM u, v, and w armature windings, and the rotor is driven to rotate in synchronization therewith. The

電流検出部16は、PMSMの電機子捲線に流れる電流を検出する。つまり、PMSMに流れている実際の電流(電流検出値)を検出する。図1においては、u、v、wの各相に流れる電流iu、iv、iwを検出しているが、いずれか2相のみを検出して残りの1相については演算で求めるようにしてもよい。   The current detector 16 detects a current flowing through the armature winding of the PMSM. That is, the actual current (current detection value) flowing through the PMSM is detected. In FIG. 1, the currents iu, iv, and iw flowing in the u, v, and w phases are detected. However, only one of the two phases may be detected, and the remaining one phase may be obtained by calculation. Good.

3相/2相座標変換部17は、電流検出部16により検出された電流をγ軸とδ軸との2相座標における電流に座標変換する。つまり、電流検出部16からの3相の電流iu、iv、iwを、γ−δ軸座標系におけるγ軸方向の電流iγおよびδ軸方向の電流iδに変換する。電流iγ、iδは、直流であり、変換されたものではあるが、PMSMに実際に流れる電流に対応しているので、これも電流検出値である。したがって、「電流検出値iγ、iδ」と記載することがある。   The three-phase / 2-phase coordinate conversion unit 17 converts the current detected by the current detection unit 16 into a current in two-phase coordinates of the γ axis and the δ axis. That is, the three-phase currents iu, iv, iw from the current detector 16 are converted into a current iγ in the γ-axis direction and a current iδ in the δ-axis direction in the γ-δ axis coordinate system. Although the currents iγ and iδ are direct currents and converted, they correspond to the current that actually flows through the PMSM, and are also current detection values. Therefore, it may be described as “current detection values iγ, iδ”.

適応モデル部18は、2相座標における電圧指令に基づいて電機子捲線の電流推定値(電流目標値)を求める。つまり、適応モデル部18は、電圧発生部12から出力されるγ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*に基づいて、適応モデル(制御モデル)を用いて適応制御を行うために、d軸およびq軸の電流の目標値となる電流推定値id^、iq^を演算する。   The adaptive model unit 18 determines an estimated current value (current target value) of the armature winding based on the voltage command in the two-phase coordinates. That is, the adaptive model unit 18 performs adaptive control using the adaptive model (control model) based on the γ-axis voltage command value Vγ * and the δ-axis voltage command value Vδ * output from the voltage generator 12. , Current estimated values id ^ and iq ^ that are target values of the d-axis and q-axis currents are calculated.

なお、適応モデル部18は、適応モデルとして、干渉分を取り除いた理想的な制御モデルを用いることができる。これについては、後で図10において説明する。   The adaptive model unit 18 can use an ideal control model from which interference is removed as the adaptive model. This will be described later with reference to FIG.

適応モデル部18で用いられる適応モデルは、その電圧電流方程式を次の(4)式で示すことができる。   The adaptive model used in the adaptive model unit 18 can represent the voltage-current equation by the following equation (4).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

推定部19は、3相/2相座標変換部17からの2相座標における電流と適応モデル部18の求めた電流推定値とから、回転子の無極性の磁極位置を推定する。   The estimation unit 19 estimates the nonpolar magnetic pole position of the rotor from the current in the two-phase coordinates from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit 17 and the estimated current value obtained by the adaptive model unit 18.

つまり、推定部19は、電流検出部16により検出された電流iγ、iδと、適応モデル部18により算出された電流推定値id^、iq^との差(id^−iγ)、(iq^−iδ)が、いずれも漸近的に零になるように、推定された無極性の磁極位置θ^±を求める。   That is, the estimation unit 19 determines the difference between the currents iγ and iδ detected by the current detection unit 16 and the current estimation values id ^ and iq ^ calculated by the adaptive model unit 18 (id ^ -iγ), (iq ^ The estimated nonpolar magnetic pole position θ ^ ± is obtained so that all of −iδ) asymptotically become zero.

ここで、無極性の磁極位置θ^±とは、回転子に設けられた永久磁石のN極とS極の極性を考慮しない場合の磁極位置θのことである。つまり、図5において、N極の向く方を磁極位置(角度)θとすると、磁極位置θは0〜2πの範囲であり、1回転分の全角度2πの範囲において磁極位置θが特定される。しかし、磁極を考慮しない場合には、N極とS極は互いに点対称の位置にあるため、半回転分の角度πの範囲、例えば0〜πまたは−π/2〜π/2などの範囲において、磁極位置θが特定される。このような無極性の磁極位置を、ここでは「θ^±」のように表す。   Here, the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± means the magnetic pole position θ when the polarities of the N pole and S pole of the permanent magnet provided in the rotor are not taken into consideration. That is, in FIG. 5, when the direction of the N pole is the magnetic pole position (angle) θ, the magnetic pole position θ is in the range of 0 to 2π, and the magnetic pole position θ is specified in the range of the entire angle 2π for one rotation. . However, when the magnetic pole is not taken into consideration, the N pole and the S pole are in a point-symmetrical position with each other, and therefore, a range of an angle π for a half rotation, for example, a range such as 0 to π or −π / 2 to π / 2. , The magnetic pole position θ is specified. Such a nonpolar magnetic pole position is represented as “θ ^ ±” here.

推定部19は、回転子の無極性の磁極位置θ^±を、次の(5)式によって推定することができる。   The estimation unit 19 can estimate the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± of the rotor by the following equation (5).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

ここで、無極性の磁極位置θ^±は、上の(5)式を積分することによって求められるが、その際の積分の初期値は、例えば図7に示されるように時間(Time) が0のときに0とすればよい。
なお、γ−δ軸座標系では、推定部19によって推定されるPMSMの磁極軸がγ軸であり、γ軸から電気角でπ/2だけ進んだ軸がδ軸である。
Here, the non-polar magnetic pole position θ ^ ± is obtained by integrating the above equation (5). The initial value of the integration at this time is, for example, as shown in FIG. When 0, it may be 0.
In the γ-δ axis coordinate system, the PMSM magnetic pole axis estimated by the estimation unit 19 is the γ axis, and the axis advanced from the γ axis by an electrical angle of π / 2 is the δ axis.

推定された無極性の磁極位置θ^±は、2相/3相座標変換部14および3相/2相座標変換部17における座標変換に用いられる。   The estimated nonpolar magnetic pole position θ ^ ± is used for coordinate conversion in the 2-phase / 3-phase coordinate conversion unit 14 and the 3-phase / 2-phase coordinate conversion unit 17.

電流平均部21は、推定部19によって推定される推定磁極軸をγ軸とした場合の3相/2相座標変換部17からのγ軸(γ軸方向)の電流iγの平均値Σiを求める。γ軸の電流iγの平均値Σiは、その正負が、回転子の磁極の正負つまりN極かS極かを示している。そこで、平均値Σiの正負を、推定部19で推定された無極性の磁極位置θ^±の極性の判定に用いるのである。   The current averaging unit 21 obtains an average value Σi of the current iγ of the γ-axis (γ-axis direction) from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit 17 when the estimated magnetic pole axis estimated by the estimation unit 19 is the γ-axis. . The average value Σi of the current iγ on the γ-axis indicates whether the sign is positive or negative of the magnetic pole of the rotor, that is, N pole or S pole. Therefore, the sign of the average value Σi is used to determine the polarity of the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± estimated by the estimation unit 19.

つまり、回転子の永久磁石の磁束の影響によって、固定子の電機子捲線のインダクタンスに差が生じる。その結果、推定磁極軸(この場合はγ軸)の電流の極性によって電流値に差が出るので、これを利用して無極性の磁極位置θ^±の正負を判別する。   That is, a difference occurs in the inductance of the armature winding of the stator due to the influence of the magnetic flux of the permanent magnet of the rotor. As a result, the current value varies depending on the polarity of the current of the estimated magnetic pole axis (in this case, the γ axis), and this is used to determine the polarity of the nonpolar magnetic pole position θ ^ ±.

初期位置検出部22は、推定部19の推定した無極性の磁極位置θ^±と、電流平均部21からの平均値Σiとに基づいて、初期磁極位置θ^を検出する。初期磁極位置θ^は、PMSMの回転子が停止(静止)しているときの回転子の磁極位置(角度)θの推定値である。   The initial position detection unit 22 detects the initial magnetic pole position θ ^ based on the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± estimated by the estimation unit 19 and the average value Σi from the current averaging unit 21. The initial magnetic pole position θ ^ is an estimated value of the magnetic pole position (angle) θ of the rotor when the PMSM rotor is stopped (stationary).

平均値Σiが正のとき(Σi>0)は、磁極位置はプラスであり、したがって、初期磁極位置θ^は無極性の磁極位置θ^±と等しい角度である。平均値Σiが負のとき(Σi<0)は、磁極位置はマイナスであり、したがって、磁極位置θ^は無極性の磁極位置θ^±にπを加算しまたは減算した角度(θ^±+πまたはθ^±−π)となる。   When the average value Σi is positive (Σi> 0), the magnetic pole position is positive, and therefore the initial magnetic pole position θ ^ is an angle equal to the nonpolar magnetic pole position θ ^ ±. When the average value Σi is negative (Σi <0), the magnetic pole position is negative. Therefore, the magnetic pole position θ ^ is an angle obtained by adding or subtracting π to the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± (θ ^ ± + π Or θ ^ ± −π).

すなわち、初期位置検出部22は、初期磁極位置θ^を次の(6)式によって求めることができる。   That is, the initial position detector 22 can obtain the initial magnetic pole position θ ^ by the following equation (6).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

適応モデル部18および推定部19は、電流検出値iγ、iδおよび電圧指令値Vγ*、Vδ*に基づいて、制御モデルにおける電流の誤差が漸近的に零になるように適応制御を行うものであり、これらは適応制御部TSを構成する。   The adaptive model unit 18 and the estimation unit 19 perform adaptive control based on the detected current values iγ and iδ and the voltage command values Vγ * and Vδ * so that the current error in the control model becomes asymptotically zero. These constitute the adaptive control unit TS.

なお、適応制御部TSは、誤差が漸近的に零になるように適応制御を行うものであるが、誤差が漸近的に零になるようにとは、制御が乱れないよう、急激な変化が起こることをできるだけ避けるように制御が行われることを意味する。   The adaptive control unit TS performs adaptive control so that the error is asymptotically zero. However, when the error is asymptotically zero, there is a sudden change so that the control is not disturbed. It means that control is done to avoid as much as possible.

検出装置3は、初期磁極位置θ^の検出に際し、電圧指令V*(γ軸電圧指令値Vγ*とδ軸電圧指令値Vδ*)に基づいて電機子捲線に電流を流すとともに、電機子捲線に流れる電流を検出して2相座標における電流iγ,iδに座標変換する。電圧指令V*に基づいて、適応モデルを用いて電機子捲線の電流推定値id^、iq^を求める。   When detecting the initial magnetic pole position θ ^, the detection device 3 causes a current to flow through the armature winding based on the voltage command V * (γ-axis voltage command value Vγ * and δ-axis voltage command value Vδ *) and the armature winding. Is converted to currents iγ and iδ in two-phase coordinates. Based on the voltage command V *, current estimation values id ^ and iq ^ of the armature winding are obtained using an adaptive model.

そして、座標変換された電流iγ,iδと電流推定値id^、iq^とから、回転子の無極性の磁極位置θ^±を推定する。電機子捲線に流れる電流に対応するγ軸の電流iδの平均値Σiを求め、これを極性判定に用いる。推定された無極性の磁極位置θ^±と平均値Σiとに基づいて、初期磁極位置θ^を検出する。   Then, the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± of the rotor is estimated from the currents iγ and iδ that have been subjected to coordinate conversion and the current estimated values id ^ and iq ^. An average value Σi of the γ-axis current iδ corresponding to the current flowing through the armature winding is obtained and used for polarity determination. Based on the estimated nonpolar magnetic pole position θ ^ ± and the average value Σi, the initial magnetic pole position θ ^ is detected.

このように、本実施形態の検出装置3では、適応モデルと呼ぶPMSMの簡単な電流回路モデルを用い、その適応モデルにおいて推定した電流値id^、iq^とPMSMに実際に流れる電流iγ,iδとの差から、磁極位置θ^を推定する。   As described above, in the detection device 3 of the present embodiment, a simple current circuit model of PMSM called an adaptive model is used, and current values id ^ and iq ^ estimated in the adaptive model and currents iγ and iδ that actually flow through the PMSM. From this difference, the magnetic pole position θ ^ is estimated.

なお、PMSMが通常の回転時には、回転速度をも推定して制御を行う。従来に用いられていた位置センサ、速度センサによる検出値に代えて、推定された回転速度ω^および磁極位置θ^を用いて制御を行う。   When the PMSM is rotating normally, the rotation speed is also estimated and controlled. Control is performed using the estimated rotational speed ω ^ and magnetic pole position θ ^ instead of the detection values obtained by the position sensor and speed sensor conventionally used.

本実施形態によると、磁極位置の推定と極性判定とを同時に並行して行うことができ、磁極位置(初期磁極位置θ^)の検出を短時間で行うことができる。そのため、装置の構成が複雑になることがなく、記憶容量および演算量ををそれほど増大する必要がない。   According to the present embodiment, the estimation of the magnetic pole position and the polarity determination can be performed simultaneously in parallel, and the detection of the magnetic pole position (initial magnetic pole position θ ^) can be performed in a short time. Therefore, the configuration of the apparatus is not complicated, and it is not necessary to increase the storage capacity and the calculation amount so much.

〔検出装置の初期磁極位置の検出原理の説明〕
次に、検出装置3における初期磁極位置の検出原理について説明する。
[Description of detection principle of initial magnetic pole position of detector]
Next, the detection principle of the initial magnetic pole position in the detection device 3 will be described.

よく知られている永久磁石同期電動機の回転子が作る永久磁石の磁極軸をd軸としたd−q座標軸上の電圧・電流方程式は、次の(7)式で示すことができる。   The voltage / current equation on the dq coordinate axis with the magnetic pole axis of the permanent magnet created by the rotor of the well-known permanent magnet synchronous motor as the d axis can be expressed by the following equation (7).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

ここで、初期磁極位置θ^の検出の際には、回転子は停止状態であるため、上の(7)式において回転速度検出値ωを0とすればよい。そのときの入力変数を電圧値、状態変数を電流値とした状態方程式は、次の(8)式で示される。   Here, when detecting the initial magnetic pole position θ ^, since the rotor is in a stopped state, the rotational speed detection value ω may be set to 0 in the above equation (7). The state equation with the input variable at that time as the voltage value and the state variable as the current value is expressed by the following equation (8).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

適応モデル部18は、状態方程式 (8) において、電流値id,iqを電流推定値id^、iq^に変更し、電圧値Vd,Vqを電圧指令値Vγ*,Vδ*に変更した次の(9)式を演算する。   The adaptive model unit 18 changes the current values id and iq to the current estimated values id ^ and iq ^ and changes the voltage values Vd and Vq to the voltage command values Vγ * and Vδ * in the state equation (8). (9) Calculate the equation.

Figure 0005798513
Figure 0005798513

適応モデル部18は、この(9)式を演算して、電流推定値id^,iq^を出力する。   The adaptive model unit 18 calculates the equation (9) and outputs current estimation values id ^ and iq ^.

上の(9)式を次の(10)式のように書き換えることができる。   The above equation (9) can be rewritten as the following equation (10).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

推定部19は、適応モデル部18からの電流推定値id^,iq^、および3相/2相座標変換部17からの電流検出値iγ,iδに基づいて、無極性の磁極位置θ^±を推定する。   Based on the current estimation values id ^, iq ^ from the adaptive model unit 18 and the current detection values iγ, iδ from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit 17, the estimation unit 19 generates a nonpolar magnetic pole position θ ^ ±. Is estimated.

推定部19を実現する一実施例を以下に説明する。   An embodiment for realizing the estimation unit 19 will be described below.

上の(8)式を次の(11)式のように書き換えることができる。   The above equation (8) can be rewritten as the following equation (11).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

U相の電機子捲線を基準位置として、磁極軸であるd軸および磁極推定軸であるγ軸がそれぞれ基準位置からθ,θ^だけずれているとする。d−q座標系とγ−δ座標系との変換式は、次の(12)式で示すことができる。   Assume that the U axis armature winding is the reference position, and the d axis that is the magnetic pole axis and the γ axis that is the magnetic pole estimation axis are shifted from the reference position by θ and θ ^, respectively. A conversion equation between the dq coordinate system and the γ-δ coordinate system can be expressed by the following equation (12).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

また、変換式R(θ−θ^)は、次の(13)式で示すことができる。   Further, the conversion formula R (θ−θ ^) can be expressed by the following formula (13).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

上の(11)式と(12)式とから、次の(14)式を得ることができる。   From the above equations (11) and (12), the following equation (14) can be obtained.

Figure 0005798513
Figure 0005798513

ここで、δ軸電圧指令値Vδ*を0とし、γ軸電圧指令値Vγ*を、回転子が回転しないよう、図3に示すようなパルス状の高周波電圧とする。さらに、電圧印加時は、推定動作を中止すると、上の(10)式と(14)式とから、適応モデル部18は次の(15)式となる。   Here, the δ-axis voltage command value Vδ * is set to 0, and the γ-axis voltage command value Vγ * is set to a pulsed high-frequency voltage as shown in FIG. 3 so that the rotor does not rotate. Further, when the estimation operation is stopped at the time of voltage application, the adaptive model unit 18 becomes the following equation (15) from the above equations (10) and (14).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

また、PMSMの電流回路モデルは次の(16)式となる。   The PMSM current circuit model is expressed by the following equation (16).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

適応モデル部18からの電流推定値id^,iq^と3相/2相座標変換部17からの電流検出値iγ,iδとの電流誤差εγ、εδを、次の(17)式で示す。   Current errors εγ and εδ between the estimated current values id ^ and iq ^ from the adaptive model unit 18 and the detected current values iγ and iδ from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit 17 are expressed by the following equation (17).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

そうすると、上の(15)(16)(17)式から、次の(18)式を得ることができる。   Then, the following expression (18) can be obtained from the above expressions (15), (16), and (17).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

ここで、電流検出の間隔が電流回路の時定数に比べて十分早いと仮定すると、   Assuming that the current detection interval is sufficiently fast compared to the time constant of the current circuit,

Figure 0005798513
Figure 0005798513

とみなしてもよいので、上の(18)式は、次の(20)式とすることができる。   Therefore, the above equation (18) can be changed to the following equation (20).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

ここで、δR={cos( θ−θ^) −1}Rは、巻線抵抗の変動と考えて、δR=0の場合の磁極位置θ^の推定則を求める。δR=0とすると、上の(20)式は、次の(21)式となる。   Here, δR = {cos (θ−θ ^) − 1} R is considered to be a variation in winding resistance, and an estimation rule for the magnetic pole position θ ^ when δR = 0 is obtained. When δR = 0, the above equation (20) becomes the following equation (21).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

リヤブノフ関数Vを、次の(22)式とする。   The Lyabunov function V is expressed by the following equation (22).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

上の(22)式を微分すると、θ=一定であるため、次の(23)式が得られる。   When the above equation (22) is differentiated, θ = constant, so that the following equation (23) is obtained.

Figure 0005798513
Figure 0005798513

上の(23)式に(21)式を代入すると、次の(24)式が得られる。   Substituting equation (21) into equation (23) above gives the following equation (24).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

上の(24)式において、   In the above equation (24),

Figure 0005798513
Figure 0005798513

であるので、 So

Figure 0005798513
Figure 0005798513

であるためには、 To be

Figure 0005798513
Figure 0005798513

であればよい。したがって、上の(27)式から、推定部19は、次の(28)式を演算を行えばよい。 If it is. Therefore, from the above equation (27), the estimation unit 19 may calculate the following equation (28).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

電流平均部21は、推定途中のγ軸のプラス側電流の平均値Σi+ とマイナス側電流の平均値Σi- 合計を求めて正負を判定する。 The current averaging unit 21 determines the positive / negative by calculating the sum of the average value Σi + of the positive current on the γ axis and the average value Σi of the negative current during estimation.

初期位置検出部22は、電流平均部21からの正負信号と推定部19からの無極性の磁極位置θ^±とから、次の(29)式によって初期磁極位置θ^を求める。   The initial position detection unit 22 obtains the initial magnetic pole position θ ^ from the positive / negative signal from the current averaging unit 21 and the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± from the estimation unit 19 by the following equation (29).

Figure 0005798513
Figure 0005798513

このようにして、初期磁極位置θ^を求めることができる。求められた初期磁極位置θ^を、PMSMの起動時の電圧指令V*などの設定に用いることにより、回転子を逆転させることなく、PMSMを円滑に迅速に起動することができる。   In this way, the initial magnetic pole position θ ^ can be obtained. By using the obtained initial magnetic pole position θ ^ for setting the voltage command V * or the like when starting PMSM, PMSM can be started smoothly and quickly without reversing the rotor.

〔安定性〕
ここで、系の安定性について検討する。上の(28)式の推定則で、δR≠0の時の推定系の安定性を求める。
〔Stability〕
Here, the stability of the system is examined. The stability of the estimation system when δR ≠ 0 is obtained by the estimation rule of the above equation (28).

図6には、δRをモデル誤差または外乱入力と考えたときの制御系のブロック図が示されている。   FIG. 6 shows a block diagram of the control system when δR is considered as a model error or disturbance input.

モデル誤差や外乱が存在する場合に、推定則の(28)式では、それらの信号の性質によってドリフトを生じて適応系が不安定になることが知られている。しかし、前向きの制御ブロックが強正実で、誤差信号εにPE性がある場合には、安定になることが示されている。この条件を、(20)(28)式の磁極位置推定系に当てはめてみると、誤差方程式は一次遅れ系で強正実を満足し、同定信号として一定周期の正負のパルス信号が印加され続けているので誤差信号εのPE性も満足し、δRが存在しても安定である。   In the case of model errors and disturbances, it is known that in the estimation formula (28), the adaptive system becomes unstable due to drift caused by the nature of those signals. However, it is shown that when the forward control block is strongly positive and the error signal ε has PE property, the control block becomes stable. When this condition is applied to the magnetic pole position estimation system of Equations (20) and (28), the error equation satisfies a strong and positive reality with a first-order lag system, and positive and negative pulse signals with a constant period are continuously applied as identification signals. Therefore, the PE property of the error signal ε is also satisfied, and it is stable even if δR exists.

上の(29)により初期磁極位置θ^が推定され、真値θに近づくとθ−θ^は0に近づき、δRは、δR={cos( θ−θ^) −1}Rによって0になる。このため、δRに対しては何もする必要がない。   The initial magnetic pole position θ ^ is estimated by (29) above. When it approaches the true value θ, θ−θ ^ approaches 0, and δR becomes 0 by δR = {cos (θ−θ ^) − 1} R. Become. For this reason, nothing needs to be done for δR.

〔シミュレーションの結果〕
図7には、初期磁極位置θ^の推定のシミュレーションの結果が示されている。
[Simulation results]
FIG. 7 shows the result of simulation for estimating the initial magnetic pole position θ ^.

図7(A)(B)は、PMSMの回転子の静止時の磁極位置θを30度にセットし、初期磁極位置θ^の推定を行った結果が示されている。約0.8秒で、θ−θ^が0となり、初期磁極位置θ^=30度が検出されることが分かる。   FIGS. 7A and 7B show the results of estimating the initial magnetic pole position θ ^ by setting the magnetic pole position θ when the PMSM rotor is stationary to 30 degrees. It can be seen that in about 0.8 seconds, θ−θ ^ becomes 0 and the initial magnetic pole position θ ^ = 30 degrees is detected.

図7(C)(D)は、PMSMの回転子の静止時の磁極位置θを−85度にセットし、初期磁極位置θ^の推定を行った結果が示されている。約1.0秒で、θ−θ^が0となり、初期磁極位置θ^=−85度が検出されることが分かる。   FIGS. 7C and 7D show the results of estimating the initial magnetic pole position θ ^ by setting the magnetic pole position θ when the PMSM rotor is stationary to −85 degrees. It can be seen that in about 1.0 second, θ−θ ^ becomes 0, and the initial magnetic pole position θ ^ = − 85 degrees is detected.

〔実証実験〕
図8には、実証実験における各部の波形が示され、図9には電圧指令のパルス波形と電流の波形が拡大して示されている。
〔Demonstration experiment〕
FIG. 8 shows the waveform of each part in the demonstration experiment, and FIG. 9 shows the voltage command pulse waveform and current waveform in an enlarged manner.

実証実験は、実機を用いて行った。実験に用いたPMSMのパラメータは次のとおりである。   The demonstration experiment was conducted using an actual machine. The PMSM parameters used in the experiment are as follows.

極数:4極、定格電力:1Kw、定格電流:3.7A、定格回転数:2000RPM、捲線抵抗:1.1Ω、d軸インダクタンス:8.05mH、 q軸インダクタンス:9.78mH
回転子の磁極位置を所定の角度だけずらした後、回転子が回転しないように高周波のパルス状の電圧をγ軸のみに印可した。磁極位置をずらせる角度として、0度、45度、90度、−45度、−90度、180度について実験した。なお、実験に用いたPMSMでは、磁極位置を所定の角度だけずらせるために、角度検出のためのセンサを取り付けた。γ軸の電圧指令値Vγ*であるパルス電圧は、周波数を800Hz、パルス幅を0.25msとした。
Number of poles: 4 poles, rated power: 1 Kw, rated current: 3.7 A, rated rotational speed: 2000 RPM, winding resistance: 1.1Ω, d-axis inductance: 8.05 mH, q-axis inductance: 9.78 mH
After shifting the magnetic pole position of the rotor by a predetermined angle, a high-frequency pulse voltage was applied only to the γ-axis so that the rotor did not rotate. Experiments were performed on 0, 45, 90, -45, -90, and 180 degrees as the angles for shifting the magnetic pole position. In the PMSM used in the experiment, a sensor for angle detection was attached in order to shift the magnetic pole position by a predetermined angle. The pulse voltage which is the voltage command value Vγ * on the γ axis has a frequency of 800 Hz and a pulse width of 0.25 ms.

図8によると、いずれの角度をずらせた場合でも、初期磁極位置の検出を開始した後、約30〜100msで0に収束している様子がわかる。   According to FIG. 8, it can be seen that even when any angle is shifted, after the detection of the initial magnetic pole position is started, it converges to 0 in about 30 to 100 ms.

角度が、45度、90度、−45度の場合に、推定軸であるγ軸の電流の平均値Σi(γaxis average current) がプラスになっており、磁極はN極であることが判別できる。角度が、−90度、180度の場合に、同じく平均値Σi(γaxis average current) がマイナスになっており、磁極はS極であることが判別できる。   When the angle is 45 degrees, 90 degrees, and −45 degrees, the average value Σi (γaxis average current) of the current of the γ-axis that is the estimated axis is positive, and it can be determined that the magnetic pole is an N-pole. . When the angle is −90 degrees and 180 degrees, the average value Σi (γaxis average current) is also negative, and it can be determined that the magnetic pole is the S pole.

例えば、角度が45度の場合に、実際の磁極位置θと推定の初期磁極位置θ^との差(θ−θ^)が、45度から開始され、約40msで0度に収束している。   For example, when the angle is 45 degrees, the difference (θ−θ ^) between the actual magnetic pole position θ and the estimated initial magnetic pole position θ ^ starts from 45 degrees and converges to 0 degrees in about 40 ms. .

また、角度が90度の場合に、実際の磁極位置θと推定の初期磁極位置θ^との差(θ−θ^)が、90度から開始され、約80msで0度に収束している。   Also, when the angle is 90 degrees, the difference (θ−θ ^) between the actual magnetic pole position θ and the estimated initial magnetic pole position θ ^ starts from 90 degrees and converges to 0 degrees in about 80 ms. .

また、角度が−90度の場合に、実際の磁極位置θと推定の初期磁極位置θ^との差(θ−θ^)が、270度(−90度)から開始され、約100msで180度(−180度)に収束している。この場合は、磁極位置θの−90度に対して、推定の磁極位置θ^が270度(−90度)から180度(−180度)に変位したので、無極性の磁極位置θ^±は、90(=270−180)度である。しかし、平均値Σi(γaxis average current) がマイナスであるので、初期磁極位置θ^は、上の(6)式によって、無極性の磁極位置90度に180度を加算し、270度つまり−90度となって実際の磁極位置θと一致する。   When the angle is −90 degrees, the difference (θ−θ ^) between the actual magnetic pole position θ and the estimated initial magnetic pole position θ ^ starts from 270 degrees (−90 degrees), and is 180 after approximately 100 ms. It converges at a degree (-180 degrees). In this case, since the estimated magnetic pole position θ ^ is displaced from 270 degrees (−90 degrees) to 180 degrees (−180 degrees) with respect to −90 degrees of the magnetic pole position θ, the nonpolar magnetic pole positions θ ^ ± Is 90 (= 270-180) degrees. However, since the average value Σi (γaxis average current) is negative, the initial magnetic pole position θ ^ is obtained by adding 180 degrees to the nonpolar magnetic pole position 90 degrees according to the above equation (6), 270 degrees, that is, -90. This corresponds to the actual magnetic pole position θ.

また、角度が−180度の場合に、実際の磁極位置θと推定の初期磁極位置θ^との差(θ−θ^)が、0度から開始され、そのまま変動がない。この場合は、磁極位置θの180度に対して、推定の磁極位置θ^が0度で変わらないので、無極性の磁極位置θ^±は、0(=0−0)度である。しかし、平均値Σi(γaxis average current) がマイナスであるので、初期磁極位置θ^は、上の(6)式によって、無極性の磁極位置0度に180度を加算し、180度となって実際の磁極位置θと一致する。   When the angle is −180 degrees, the difference (θ−θ ^) between the actual magnetic pole position θ and the estimated initial magnetic pole position θ ^ starts from 0 degrees and remains unchanged. In this case, since the estimated magnetic pole position θ ^ does not change at 0 degrees with respect to 180 degrees of the magnetic pole position θ, the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± is 0 (= 0-0) degrees. However, since the average value Σi (γaxis average current) is negative, the initial magnetic pole position θ ^ becomes 180 degrees by adding 180 degrees to the nonpolar magnetic pole position 0 degrees according to the above equation (6). It coincides with the actual magnetic pole position θ.

このように、無極性の磁極位置θ^±を求める推定動作が終了した時点で、磁極の方向も判別が終わっているので、直ちに初期磁極位置θ^が求められる。   As described above, when the estimation operation for obtaining the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± is completed, the magnetic pole direction is also determined, so that the initial magnetic pole position θ ^ is immediately obtained.

なお、図9に示すように、電圧指令を印加する際に、急にパルス波形を加えると、γ軸の電流iγが一時的に正負の一方へ偏位する。これを防ぐために、図3(B)に示すようにパルス電圧Vpの立ち上げを徐々に行えばよい。   As shown in FIG. 9, when a voltage waveform is applied suddenly when a voltage command is applied, the current iγ on the γ-axis temporarily shifts to one of positive and negative. In order to prevent this, the pulse voltage Vp may be gradually raised as shown in FIG.

〔PMSMの制御装置〕
次に、PMSMの制御装置1について説明する。
[PMSM control device]
Next, the PMSM control device 1 will be described.

図10には、本実施形態の制御装置1の構成の例が示されている。   FIG. 10 shows an example of the configuration of the control device 1 of the present embodiment.

図10において、上に図1において説明したと同様な要素には同じ符号を附し、説明を省略しまたは簡略化する。   10, elements similar to those described above with reference to FIG. 1 are given the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.

制御装置1は、速度調節部11、電流調節部(電圧発生部)12、非干渉制御部13、2相/3相座標変換部14、電力変換部15、電流検出部16、3相/2相座標変換部17、適応モデル部18、推定部19、電流平均部21、および初期位置検出部22を備える。   The control device 1 includes a speed adjustment unit 11, a current adjustment unit (voltage generation unit) 12, a non-interference control unit 13, a 2-phase / 3-phase coordinate conversion unit 14, a power conversion unit 15, a current detection unit 16, and a 3-phase / 2. A phase coordinate conversion unit 17, an adaptive model unit 18, an estimation unit 19, a current averaging unit 21, and an initial position detection unit 22 are provided.

速度調節部11は、速度指令(速度指令値)ω*に基づいた速度調節を行う。つまり、外部から入力された速度指令値ω*と、推定部19から出力された速度推定値ω^との差(ω*−ω^)に基づいて、δ軸電流指令値iδ*を演算する。   The speed adjustment unit 11 performs speed adjustment based on a speed command (speed command value) ω *. That is, the δ-axis current command value iδ * is calculated based on the difference (ω * −ω ^) between the speed command value ω * input from the outside and the speed estimated value ω ^ output from the estimation unit 19. .

つまり、速度調節部11は、速度指令値ω*と速度推定値ω^との差(ω*−ω^)を偏差として、比例・積分制御(PI制御)などのフィードバック制御によって速度指令値通りの回転速度(回転速度実際値)ωとなるように(偏差が零になるように)、δ軸電流指令値(トルク電流指令)iδ*を作り出す。   That is, the speed adjustment unit 11 uses the difference (ω * −ω ^) between the speed command value ω * and the estimated speed value ω ^ as a deviation, and performs feedback control such as proportional / integral control (PI control) according to the speed command value. The δ-axis current command value (torque current command) iδ * is generated so that the rotation speed (actual rotation speed actual value) ω becomes (so that the deviation becomes zero).

電流調節部12には、γ軸電圧発生部(γ軸電流調節部)12aおよびδ軸電圧発生部(δ軸電流調節部)12bが設けられる。   The current adjustment unit 12 includes a γ-axis voltage generation unit (γ-axis current adjustment unit) 12 a and a δ-axis voltage generation unit (δ-axis current adjustment unit) 12 b.

PMSMの通常の回転時において、γ軸電圧発生部12aおよびδ軸電圧発生部12bは、それぞれ、γ軸電流指令値iγ*またはδ軸電流指令値iδ*に基づいて電流調節を行う。つまり、γ軸電圧発生部12aは、γ軸電流指令値iγ*とγ軸電流検出値iγとの差(iγ*−iγ)に基づいて、γ軸電圧指令値Vγ*を演算する。δ軸電圧発生部12bは、δ軸電流指令値iδ*とδ軸電流検出値iδとの差(iδ*−iδ)に基づいて、δ軸電圧指令値Vδ*を演算する。   During normal rotation of the PMSM, the γ-axis voltage generator 12a and the δ-axis voltage generator 12b perform current adjustment based on the γ-axis current command value iγ * or the δ-axis current command value iδ *, respectively. That is, the γ-axis voltage generator 12a calculates the γ-axis voltage command value Vγ * based on the difference (iγ * −iγ) between the γ-axis current command value iγ * and the detected γ-axis current value iγ. The δ-axis voltage generator 12b calculates the δ-axis voltage command value Vδ * based on the difference (iδ * −iδ) between the δ-axis current command value iδ * and the detected δ-axis current value iδ.

つまり、電流調節部12は、差(iγ*−iγ)、(iδ*−iδ)を偏差として、フィードバック制御により指令値通りの電流値になるように(偏差が零になるように)、γ軸またはδ軸の電圧指令Vγ*、Vδ*を作り出す。   In other words, the current adjusting unit 12 uses the differences (iγ * −iγ) and (iδ * −iδ) as deviations so that the current value becomes the command value by feedback control (so that the deviation becomes zero). An axis or δ-axis voltage command Vγ *, Vδ * is generated.

また、PMSMが停止した状態から起動する際には、図1において説明したように、γ軸電圧発生部12aおよびδ軸電圧発生部12bは、初期磁極位置θ^を検出するために、δ軸電圧指令値Vδ*を0とし、γ軸電圧指令値Vγ*を、回転子が回転しない程度に高い所定の周期で正負に繰り返されるパルス電圧とする。   When the PMSM is started from a stopped state, the γ-axis voltage generation unit 12a and the δ-axis voltage generation unit 12b are configured to detect the initial magnetic pole position θ ^ as described in FIG. The voltage command value Vδ * is set to 0, and the γ-axis voltage command value Vγ * is set to a pulse voltage that is repeated positively and negatively at a predetermined cycle high enough to prevent the rotor from rotating.

非干渉制御部13は、電流調節部12から出力される電圧指令(γ軸電圧指令値Vγ*、δ軸電圧指令値Vδ*)と、回転速度の推定値(速度推定値ω^)とに基づいて、干渉分を除去するための非干渉制御を行う。つまり、非干渉制御部13は、γ軸電圧指令値Vγ*、δ軸電圧指令値Vδ*、γ軸電流検出値iγ、δ軸電流検出値iδ、および速度推定値ω^に基づいて、γ軸電圧指令値Vγ**およびδ軸電圧指令値Vδ**を演算する。非干渉制御部13の出力するγ軸電圧指令値Vγ**およびδ軸電圧指令値Vδ**は、入力されるγ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*に対して、干渉分が除去されている。   The non-interference control unit 13 uses the voltage command (γ-axis voltage command value Vγ *, δ-axis voltage command value Vδ *) output from the current adjustment unit 12 and the estimated rotational speed (speed estimated value ω ^). Based on this, non-interference control for removing the interference is performed. That is, the non-interference control unit 13 determines that the γ-axis voltage command value Vγ *, the δ-axis voltage command value Vδ *, the γ-axis current detection value iγ, the δ-axis current detection value iδ, and the speed estimation value ω ^ An axis voltage command value Vγ ** and a δ axis voltage command value Vδ ** are calculated. The γ-axis voltage command value Vγ ** and the δ-axis voltage command value Vδ ** output from the non-interference control unit 13 interfere with the input γ-axis voltage command value Vγ * and δ-axis voltage command value Vδ *. Minutes have been removed.

なお、非干渉制御部13において、干渉分とは、PMSMの回転子の回転にともなって、電機子捲線のインダクタンスLなどに誘起される電圧成分(逆起電力)ωL、−ωL、ωφmなどである。インダクタンスLおよび回転子磁束φmは予め求めておくことができ、これらと回転速度の推定値(速度推定値)ω^から干渉分を求めることができる。PMSMが停止している状態では、回転速度ωは0であって、干渉分は生じない。   In the non-interference control unit 13, the interference component is a voltage component (back electromotive force) ωL, −ωL, ωφm, etc. induced in the inductance L of the armature winding along with the rotation of the PMSM rotor. is there. The inductance L and the rotor magnetic flux φm can be obtained in advance, and the interference can be obtained from these and the estimated value (speed estimated value) ω ^ of the rotational speed. When the PMSM is stopped, the rotational speed ω is 0 and no interference occurs.

なお、非干渉制御それ自体は従来から用いられている技術であり、例えば、杉本英彦編著「ACサーボシステムの理論と設計の実際」(総合電子出版社、1999/05/08発行、77−80頁)を参照することができる。   Non-interference control itself is a technique that has been used in the past. For example, Hidehiko Sugimoto, “Theory and Design of AC Servo Systems” (general electronic publisher, 1999/05/08, 77-80) Page).

適応モデル部18は、適応モデルとして、干渉分を取り除いた理想的な制御モデルを用いる。その場合に、適応モデル部18は、PMSMの回転速度ωに比例した逆起電力の影響を取り除いた理想的なPMSMの電流回路における電流推定値を演算する。   The adaptive model unit 18 uses an ideal control model from which interference is removed as the adaptive model. In this case, the adaptive model unit 18 calculates an estimated current value in an ideal current circuit of the PMSM without the influence of the back electromotive force proportional to the rotational speed ω of the PMSM.

推定部19は、電流検出部16により検出された電流iγ、iδと、適応モデル部18により算出された電流推定値id^、iq^との差(id^−iγ)、(iq^−iδ)が、いずれも漸近的に零になるように、回転速度の推定値(速度推定値)ω^、および磁極位置の推定値(磁極推定値)θ^を求める。   The estimation unit 19 determines the difference between the currents iγ and iδ detected by the current detection unit 16 and the current estimation values id ^ and iq ^ calculated by the adaptive model unit (id ^ -iγ), (iq ^ -iδ). ) Are asymptotically zeroed, and an estimated value (speed estimated value) ω ^ and a magnetic pole position estimated value (magnetic pole estimated value) θ ^ are obtained.

推定部19によって求められた速度推定値ω^は、速度調節部11におけるδ軸電流指令値iδ*の演算に用いられる。   The estimated speed value ω ^ obtained by the estimating unit 19 is used in the calculation of the δ-axis current command value iδ * in the speed adjusting unit 11.

推定部19には、磁極位置θの初期値θaを格納する初期値格納部191が設けられる。初期位置検出部22で検出された初期磁極位置θ^は、初期値θaとして初期値格納部191に格納される。   The estimation unit 19 is provided with an initial value storage unit 191 that stores an initial value θa of the magnetic pole position θ. The initial magnetic pole position θ ^ detected by the initial position detection unit 22 is stored in the initial value storage unit 191 as the initial value θa.

初期値格納部191に初期値θaが格納されることによって、その初期値θaに応じた電圧指令V*が出力され、回転子が逆転することなく円滑に起動できるように、電機子捲線に電流が流される。これによって、PMSMを円滑に迅速に起動することができる。   By storing the initial value θa in the initial value storage unit 191, a voltage command V * corresponding to the initial value θa is output, and current is supplied to the armature winding so that the rotor can be started smoothly without being reversed. Will be washed away. As a result, PMSM can be started smoothly and quickly.

また、推定部19では、初期値格納部191に初期値θaが格納された後、例えば回転速度を積分することによって任意のタイミングでの磁極位置θを求めることができる。   In addition, after the initial value θa is stored in the initial value storage unit 191, the estimation unit 19 can obtain the magnetic pole position θ at an arbitrary timing, for example, by integrating the rotation speed.

〔フローチャートによる処理動作の説明〕
図11には、制御装置1の処理動作の概略を示すフローチャートが、図12には初期磁極位置検出の処理動作の概略を示すフローチャートが、それぞれ示されている。
[Explanation of processing operation by flowchart]
FIG. 11 shows a flowchart showing an outline of the processing operation of the control device 1, and FIG. 12 shows a flowchart showing an outline of the processing operation of the initial magnetic pole position detection.

図11に示すように、停止状態からの起動時に、まず、初期磁極位置θ^を検出する(#11)。検出された初期磁極位置θ^を、推定部19に初期値θaとして設定し、PMSMを起動する(#12)。そして、PMSMの電機子捲線に流れる電流iγ、iδを検出し(#13)、電圧指令Vγ*、Vδ*に基づいて、干渉分を除去した制御モデルにおける電流推定値id^、iq^を算出する(#14)。   As shown in FIG. 11, at the time of start-up from the stop state, first, the initial magnetic pole position θ ^ is detected (# 11). The detected initial magnetic pole position θ ^ is set as the initial value θa in the estimation unit 19 and PMSM is started (# 12). Then, the currents iγ and iδ flowing through the armature winding of the PMSM are detected (# 13), and based on the voltage commands Vγ * and Vδ *, the estimated current values id ^ and iq ^ in the control model from which the interference is removed are calculated. (# 14).

そして、算出した電流推定値id^、iq^と電流検出値iγ,iδとの差(id^−iγ)、(iq^−iδ)が漸近的に零になるように、回転速度の推定値ω^および磁極位置の推定値θ^を求め(#15)、求めた回転速度の推定値ω^および磁極位置の推定値θ^に基づいて、速度制御および座標変換を行う(#16)。   Then, the estimated value of the rotational speed is such that the difference (id ^ -iγ), (iq ^ -iδ) between the calculated current estimated values id ^, iq ^ and the detected current values iγ, iδ asymptotically becomes zero. ω ^ and the estimated value θ ^ of the magnetic pole position are obtained (# 15), and speed control and coordinate conversion are performed based on the obtained estimated value ω ^ of the rotational speed and the estimated value θ ^ of the magnetic pole position (# 16).

図12において、電圧指令V*に基づいて、初期パルスを発生する(#21)。電機子捲線に流れる電流を検出し(#22)、2相座標における電流iγ,iδに座標変換する(#23)。適応モデルを用いて電機子捲線の電流推定値id^、iq^を求める(#24)。電流iγ,iδと電流推定値id^、iq^とから回転子の無極性の磁極位置θ^±を推定する(#25)。γ軸の電流iδの平均値Σiを求め(#26)、これと推定された無極性の磁極位置θ^±とに基づいて初期磁極位置θ^を検出する。   In FIG. 12, an initial pulse is generated based on the voltage command V * (# 21). The current flowing through the armature winding is detected (# 22), and the coordinates are converted into currents iγ and iδ in two-phase coordinates (# 23). The adaptive model is used to obtain armature winding current estimation values id ^, iq ^ (# 24). The nonpolar magnetic pole position θ ^ ± of the rotor is estimated from the currents iγ, iδ and the current estimation values id ^, iq ^ (# 25). An average value Σi of the γ-axis current iδ is obtained (# 26), and the initial magnetic pole position θ ^ is detected based on the estimated nonpolar magnetic pole position θ ^ ±.

上に述べた実施形態において、埋め込み磁石構造の同期電動機では、q軸のインダクタンスLqがd軸のインダクタンスLdよりも大きくなり(Lq>Ld)、初期磁極位置θ^の検出が容易である。表面磁石構造の同期電動機の場合には、磁気飽和をおこす程度の電流を電機子捲線に流すとインダクタンスが小さくなり、磁束軸のインダクタンスLdとトルク軸のインダクタンスLqとに差が出て、初期磁極位置θ^の検出が容易となる。   In the embodiment described above, in the synchronous motor having the embedded magnet structure, the q-axis inductance Lq is larger than the d-axis inductance Ld (Lq> Ld), and the initial magnetic pole position θ ^ can be easily detected. In the case of a synchronous motor with a surface magnet structure, when a current that causes magnetic saturation is passed through the armature winding, the inductance decreases, and a difference appears between the inductance Ld of the magnetic flux axis and the inductance Lq of the torque axis, and the initial magnetic pole The position θ ^ can be easily detected.

〔その他〕
上に述べた実施形態においては、回転子が停止(静止)している場合の初期磁極位置θ^の検出について説明した。しかし、回転子は必ずしも静止している必要はなく、逆起電力の影響がでない程度の低速度で回転していてもよい。つまり、超低速度においても、上に述べた実施形態の検出装置3または制御装置1を用いて磁極位置θ^を検出することが可能である。
[Others]
In the embodiment described above, the detection of the initial magnetic pole position θ ^ when the rotor is stopped (stationary) has been described. However, the rotor is not necessarily stationary, and may be rotating at a low speed that is not affected by the counter electromotive force. That is, even at an extremely low speed, the magnetic pole position θ ^ can be detected using the detection device 3 or the control device 1 of the above-described embodiment.

その他、PMSM、電圧発生部12、非干渉制御部13、適応モデル部18、推定部19、電流平均部21、初期位置検出部22、検出装置3、または制御装置1の各部または全体の構成、構造、回路、形状、方式、個数、演算内容、処理内容、処理順序などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。   Other components of PMSM, voltage generation unit 12, non-interference control unit 13, adaptive model unit 18, estimation unit 19, current averaging unit 21, initial position detection unit 22, detection device 3, or control device 1, or the entire configuration, The structure, circuit, shape, method, number, calculation content, processing content, processing order, and the like can be appropriately changed in accordance with the gist of the present invention.

1 制御装置
3 検出装置
12 電圧発生部
13 非干渉制御部
14 2相/3相座標変換部
15 電力変換部
16 電流検出部
17 3相/2相座標変換部
18 適応モデル部
19 推定部
21 電流平均部
22 初期位置検出部(初期磁極位置検出部)
θ^ 初期磁極位置
θ 磁極位置
θ^± 無極性の磁極位置
iγ γ軸の電流(電流検出値)
iδ δ軸の電流(電流検出値)
id^ d軸の電流推定値
iq^ q軸の電流推定値
Vγ* γ軸電圧指令値
Vδ* δ軸電圧指令値
Σi 平均値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control apparatus 3 Detection apparatus 12 Voltage generation part 13 Non-interference control part 14 2 phase / 3 phase coordinate conversion part 15 Power conversion part 16 Current detection part 17 3 phase / 2 phase coordinate conversion part 18 Adaptive model part 19 Estimation part 21 Current Average unit 22 Initial position detector (initial magnetic pole position detector)
θ ^ Initial magnetic pole position θ Magnetic pole position θ ^ ± Nonpolar magnetic pole position iγ Current of γ-axis (current detection value)
i δ δ-axis current (current detection value)
id ^ d-axis estimated current value iq ^ q-axis estimated current value Vγ * γ-axis voltage command value Vδ * δ-axis voltage command value Σi average value

Claims (9)

永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置であって、
電機子捲線に電流を流して駆動するための電力変換部と、
前記電機子捲線に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出された電流をγ軸とδ軸との2相座標における電流に座標変換する3相/2相座標変換部と、
2相座標における電圧指令を発生する電圧発生部と、
前記2相座標における電圧指令に基づいて前記電機子捲線の電流推定値を求める適応モデル部と、
前記3相/2相座標変換部からの2相座標における電流と前記適応モデル部の求めた電流推定値とから、回転子の無極性の磁極位置を推定する位置推定部と、
前記位置推定部によって推定される推定磁極軸をγ軸とした場合の前記3相/2相座標変換部からのγ軸の電流の平均値を求める電流平均部と、
前記位置推定部の推定した無極性の磁極位置と前記電流平均部からの平均値とに基づいて初期磁極位置を検出する初期磁極位置検出部と、
を有することを特徴とする永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置。
An apparatus for detecting an initial magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor,
A power conversion unit for driving by driving current through the armature winding;
A current detector for detecting a current flowing in the armature winding;
A three-phase / two-phase coordinate conversion unit that converts the current detected by the current detection unit into a current in two-phase coordinates of the γ-axis and the δ-axis;
A voltage generator for generating a voltage command in two-phase coordinates;
An adaptive model unit for obtaining an estimated current value of the armature winding based on a voltage command in the two-phase coordinates;
A position estimation unit that estimates a non-polar magnetic pole position of the rotor from the current in the two-phase coordinates from the three-phase / 2-phase coordinate conversion unit and the current estimation value obtained by the adaptive model unit;
A current averaging unit for obtaining an average value of the current of the γ-axis from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit when the estimated magnetic pole axis estimated by the position estimation unit is the γ-axis;
An initial magnetic pole position detection unit that detects an initial magnetic pole position based on the nonpolar magnetic pole position estimated by the position estimation unit and an average value from the current average unit;
A device for detecting an initial magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor, comprising:
前記適応モデル部における前記電流推定値を推定するための適応モデルは、次の(1)式で示される、
Figure 0005798513
請求項1記載の永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置。
An adaptive model for estimating the current estimation value in the adaptive model unit is represented by the following equation (1):
Figure 0005798513
The detection apparatus of the initial magnetic pole position of the permanent-magnet synchronous motor of Claim 1.
前記位置推定部は、前記回転子の無極性の磁極位置θ^±を、次の(2)式によって推定する、
Figure 0005798513
請求項2記載の永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置。
The position estimation unit estimates the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± of the rotor by the following equation (2):
Figure 0005798513
The detection apparatus of the initial magnetic pole position of the permanent-magnet synchronous motor of Claim 2.
前記初期磁極位置検出部は、
前記位置推定部からの無極性の磁極位置θ^±と前記電流平均部からの平均値Σiとに基づいて、初期磁極位置θ^を次の(3)式によって検出する、
Figure 0005798513
請求項1ないし3のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置。
The initial magnetic pole position detector
Based on the nonpolar magnetic pole position θ ^ ± from the position estimation unit and the average value Σi from the current average unit, the initial magnetic pole position θ ^ is detected by the following equation (3):
Figure 0005798513
The detection apparatus of the initial magnetic pole position of the permanent-magnet synchronous motor in any one of Claim 1 thru | or 3.
前記電圧発生部は、初期磁極位置の検出の際に、
δ軸の電圧指令値であるδ軸電圧指令値Vδ*を0とし、
γ軸の電圧指令値であるγ軸電圧指令値Vγ*を、前記回転子が回転しない程度に高い所定の周期で正負に繰り返されるパルス電圧とする、
請求項1ないし4のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出装置。
The voltage generation unit, when detecting the initial magnetic pole position,
The δ-axis voltage command value Vδ *, which is the δ-axis voltage command value, is set to 0,
A γ-axis voltage command value Vγ *, which is a voltage command value for the γ-axis, is a pulse voltage that is repeated positively and negatively at a predetermined cycle high enough to prevent the rotor from rotating.
The detection apparatus of the initial magnetic pole position of the permanent-magnet synchronous motor in any one of Claims 1 thru | or 4.
永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出方法であって、
γ軸とδ軸との2相座標における電圧指令に基づいて電機子捲線に電流を流すステップと、
前記電機子捲線に流れる電流を検出して2相座標における電流に座標変換するステップと、
前記電圧指令に基づいて、適応モデルを用いて前記電機子捲線の電流推定値を求めるステップと、
検出されて座標変換された電流と前記電流推定値とから、回転子の無極性の磁極位置を推定するステップと、
前記電機子捲線に流れる電流に対応するγ軸の電流の平均値を求めるステップと、
推定された無極性の磁極位置と前記平均値とに基づいて初期磁極位置を検出するステップと、
を有することを特徴とする永久磁石同期電動機の初期磁極位置の検出方法。
A method for detecting an initial magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor,
passing a current through the armature winding based on a voltage command in the two-phase coordinates of the γ-axis and the δ-axis;
Detecting current flowing through the armature winding and converting the current into current in two-phase coordinates;
Obtaining an estimated current value of the armature winding using an adaptive model based on the voltage command;
Estimating a non-polar magnetic pole position of the rotor from the detected and coordinate-converted current and the current estimation value;
Obtaining an average value of γ-axis current corresponding to the current flowing through the armature winding;
Detecting an initial magnetic pole position based on the estimated nonpolar magnetic pole position and the average value;
A method for detecting an initial magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor.
速度指令に基づいてγ軸とδ軸との2相座標における電圧指令を発生する電圧発生部と、
前記電圧指令に基づいて3相座標における指令値に座標変換する2相/3相座標変換部と、
2相/3相座標変換部からの出力に基づいて電機子捲線に電流を流す電力変換部と、
前記電機子捲線に実際に流れる電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出された電流を2相座標における電流に座標変換する3相/2相座標変換部と、
前記電圧指令に基づいて、適応モデルを用いて前記電機子捲線の電流推定値を求める適応モデル部と、
前記3相/2相座標変換部からの2相座標における電流と前記適応モデル部の求めた電流推定値とから、回転子の回転速度の推定値および無極性の磁極位置を推定する推定部と、
前記位置推定部によって推定される推定磁極軸をγ軸とした場合の前記3相/2相座標変換部からのγ軸の電流の平均値を求める電流平均部と、
前記推定部の推定した無極性の磁極位置と前記電流平均部からの平均値とに基づいて初期磁極位置を検出する初期磁極位置検出部と、
を有することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
A voltage generator that generates a voltage command in two-phase coordinates of the γ-axis and the δ-axis based on the speed command;
A two-phase / three-phase coordinate conversion unit for converting the coordinates into a command value in three-phase coordinates based on the voltage command;
A power conversion unit for passing a current through the armature winding based on the output from the two-phase / three-phase coordinate conversion unit;
A current detector that detects a current that actually flows through the armature winding;
A three-phase / two-phase coordinate conversion unit for converting the current detected by the current detection unit into a current in two-phase coordinates;
Based on the voltage command, an adaptive model unit for obtaining a current estimation value of the armature winding using an adaptive model;
An estimation unit for estimating an estimated value of the rotational speed of the rotor and a non-polar magnetic pole position from the current in the two-phase coordinates from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit and the estimated current value obtained by the adaptive model unit; ,
A current averaging unit for obtaining an average value of the current of the γ-axis from the three-phase / two-phase coordinate conversion unit when the estimated magnetic pole axis estimated by the position estimation unit is the γ-axis;
An initial magnetic pole position detection unit that detects an initial magnetic pole position based on the nonpolar magnetic pole position estimated by the estimation unit and an average value from the current average unit;
A control device for a permanent magnet synchronous motor, comprising:
前記回転子の停止状態において、
前記電圧発生部は、δ軸の電圧指令値であるδ軸電圧指令値Vδ*を0とし、γ軸の電圧指令値であるγ軸電圧指令値Vγ*を前記回転子が回転しない程度に高い所定の周期で正負に繰り返すパルス電圧とし、
このときに前記初期磁極位置検出部が検出した初期磁極位置を、前記推定部における磁極位置の初期値として設定する、
請求項7記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
In the stopped state of the rotor,
The voltage generator sets a δ-axis voltage command value Vδ *, which is a δ-axis voltage command value, to 0, and a γ-axis voltage command value Vγ *, which is a γ-axis voltage command value, is high enough to prevent the rotor from rotating. A pulse voltage that repeats positive and negative at a predetermined cycle,
The initial magnetic pole position detected by the initial magnetic pole position detection unit at this time is set as an initial value of the magnetic pole position in the estimation unit,
The controller for a permanent magnet synchronous motor according to claim 7.
前記電圧指令と前記回転速度の推定値とに基づいて干渉分を除去するための非干渉制御を行う非干渉制御部を有する、
請求項7または8記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
A non-interference control unit that performs non-interference control for removing interference based on the voltage command and the estimated value of the rotation speed;
The controller for a permanent magnet synchronous motor according to claim 7 or 8.
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