JP5912495B2 - Electric motor control device - Google Patents
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Description
本発明は、電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an electric motor.
DCブラシレスモータをはじめとする電動機のトルク脈動は振動、騒音原因となることか
ら、電動機の回転角度情報とトルク振幅・位相情報を用いてベクトル制御にてトルク脈動
を低減する制御装置が開発されている。代表的な例を図9、図8を用いて説明する。本発
明対象の装置において電動機34は、3相巻き線51、52、53を有し交流駆動装置4
0にて駆動する3相交流電動機であり、駆動装置40は、図8における駆動力指令手段2
5と駆動手段45を有する。また、電動機34はアプリケーションによって異なるが負荷
装置35に接続され、取付装置36に据え付けられる。なお、図7、図8はあくまでも先
行技術としての駆動装置40例であり、当発明内容対象を限定するものではない。図9に
おいて、電動機の回転角度情報は、回転角検出手段47によって逐次d/q軸電流手段4
1と、電流補償手段42、電流制御手段43、3相→dq変換手段46へ接続される。回
転角検出手段は、エンコーダ等センサを用いる場合と、センサを用いずに角度推定制御手
法等がある。
Since torque pulsation of motors such as DC brushless motors causes vibration and noise, a control device that reduces torque pulsation by vector control using motor rotation angle information and torque amplitude / phase information has been developed. Yes. A typical example will be described with reference to FIGS. In the device of the present invention, the
8 is a three-phase AC motor that is driven at 0, and the
5 and driving means 45. In addition, the
1, current compensation means 42, current control means 43, three-phase → dq conversion means 46. The rotation angle detection means includes a case where a sensor such as an encoder is used, and an angle estimation control method without using the sensor.
駆動装置40内において、d軸とq軸電流の指令値は、速度指令値と回転実速度から求め
られ、d/q軸電流指令手段41によって決定する。得られた指令値は、実速度から求め
た回転角度情報に基づき電流補償手段42にて補正され、電流制御手段43に接続する。
3相電流検出手段48、49、50によって3相交流電流が検出され、検出された3相交
流電流は3相→dq変換手段46からはId、Iq信号が出力され、電流制御手段に接続
される。駆動手段45は、直交静止座標系の電圧指令値Vu、Vv、Vwに基づいて電動
機の各巻き線に駆動信号となる電流信号Iuf、Iwf、Ivfを与える。駆動手段45
から、電圧指令値にもとづいた出力電流が電動機に供給される。
In the
Three-phase alternating current is detected by the three-phase current detection means 48, 49, 50, and the detected three-phase alternating current is output from the three-phase → dq conversion means 46 as Id and Iq signals and connected to the current control means. The The driving means 45 gives current signals Iuf, Iwf, Ivf, which are driving signals, to the windings of the electric motor based on the voltage command values Vu, Vv, Vw of the orthogonal stationary coordinate system. Driving means 45
Therefore, an output current based on the voltage command value is supplied to the electric motor.
このような制御システムによって駆動する電動機は、近年さまざまなシステムの原動機と
して採用されている。たとえば、電動機が永久磁石同期電動機である場合、特にその突極
性からトルク脈動が発生しやすく、振動、騒音の原因となる。ここでは、例としてトルク
脈動の例として6次高調波について述べるが、本発明ではn次高調波について提案を行っ
ており、本提案はn=6に限らず、またn次高調波は1個以上m個を想定している。同期
電動機のU相誘起電圧は数式1で与えられる。V相、W相の誘起電圧についても120度
ずつ位相がずらされた同様の式で与えられる。
式1中、θeは電気角、ωは電気角速度、Ψfは1相あたりの永久磁石による電機子鎖交
磁束の最大値、Ψc5、Ψc7、Ψs5、Ψs7は、永久磁石による電機子巻き線1相あ
たりの5次と7次の正弦、余弦成分の最大鎖交磁束数である。3相分の式1についてd−
q変換をすると、式2を得る。
式2中、θeはd軸U相からの進み電気角である。
In
式2は、3相モデルの誘起電圧に含まれる5次、7次高調波がd−q軸モデルの誘起電圧
の6f成分になることを表している。スロットコンビネーションに依存して誘起電圧およ
び交流電流に含まれる高調波が、5と7以外の場合、3相モデルの整数m−1次とm+1
次の誘起電圧の高調波は、d−q軸モデルの誘起電圧のmf成分となる。電動機のトルク
は、電圧と電流の積で求められるため、電圧、電流少なくともいずれかに整数倍の高調波
が含まれるような電動機の場合、そのトルクは脈動を持ち、電動機は脈動しながら回転を
する。電動機のトルクが周期的に変動すると、低速回転の場合電動機の軸に接続された負
荷側に振動となって伝達し、高速回転の場合、振動が放射する音波が可聴域に達し騒音と
なる。
The next harmonic of the induced voltage becomes the mf component of the induced voltage of the dq axis model. Since the torque of a motor is obtained by the product of voltage and current, in the case of a motor in which harmonics of integer multiples are included in at least one of voltage and current, the torque has pulsation, and the motor rotates while pulsating. To do. When the torque of the motor is periodically changed, it is transmitted as vibration to the load side connected to the shaft of the motor in the case of low speed rotation, and in the case of high speed rotation, the sound wave radiated from the vibration reaches the audible range and becomes noise.
例として、図10にトルク脈動の波形を示す。図10の横軸は時間、縦時期はトルク(た
とえば単位はNm)を表している。インバータなどモータ40からのトルク指令値を中心
値として、誘起電圧と電流波形の歪み、電動機のスロットコンビネーション等の理由から
、図10に示す周期的なトルク脈動が発生する。また、電動機は、負荷や取付装置に接続
されるので、トルクの変動や脈動は、負荷や取付装置側にも伝達され、振動原因となる。
電動機の回転数が上昇してもトルク脈動が依然高く発生するような電動機の場合、取付装
置等の振動による放射音が可聴域に達するため騒音原因になる。周期的なトルク変動の周
波数成分が、電動機や取付装置の固有振動数に一致した場合、その振動と騒音は更に増大
する。
As an example, FIG. 10 shows a waveform of torque pulsation. The horizontal axis in FIG. 10 represents time, and the vertical time represents torque (for example, the unit is Nm). With the torque command value from the
In the case of an electric motor in which torque pulsation still remains high even when the motor rotational speed is increased, the radiated sound due to vibration of the mounting device etc. reaches the audible range, causing noise. When the frequency component of the periodic torque fluctuation matches the natural frequency of the electric motor or the mounting device, the vibration and noise further increase.
そこで、これら問題を解決するため、特許文献1では、トルク脈動もしくは振動・騒音低
減を実現する電動機の制御装置を提案している。
Therefore, in order to solve these problems, Patent Document 1 proposes a motor control device that realizes torque pulsation or vibration / noise reduction.
ここでさらに電動機を取付装置に取り付けた際に問題について述べる。図8は装置全体の
構成図である。電動機34の回転数およびトルクは駆動力指令手段25によって可変可能
である。図8に示す電動機34、負荷装置35、取付装置36は各々固有振動数を有して
いる。
Here, the problem when the electric motor is further attached to the attachment device will be described. FIG. 8 is a block diagram of the entire apparatus. The rotational speed and torque of the
DCブラシレスモータたとえば永久磁石同期電動機は、その発生したトルク脈動か径方向
高調波電磁力が、電動機34か負荷装置35、取付装置36いずれかの固有振動数近傍に
達すると、固有振動数を励起し、トルク脈動が増大し回転変動が増大する、もしくはま装
置の振動、騒音が増大する問題がある。また、回転方向の電磁力高調波の共振周波数の励
起によって、電動機34の出力するトルクが不安定になる要因となる。
A DC brushless motor, such as a permanent magnet synchronous motor, excites the natural frequency when the generated torque pulsating radial harmonic electromagnetic force reaches near the natural frequency of either the
このような問題に対して、電動機で発生するトルク脈動を検知し、学習することで電圧制
御にてトルク脈動を抑制する学習アルゴリズムが開発されている。この学習アルゴリズム
は、たとえばn次高調波に起因して発生するトルク脈動の周波数情報を、振幅、位相検出
手段にて集録、n次トルク脈動を低減するようにこれらに対応するd軸、q軸電流の整数
倍高調波の振幅、位相情報をあらかじめ学習、アルゴリズム内部に保持し、回転速度が変
化しても再学習を繰り返し、回転周波数の整数倍のトルク脈動をキャンセルするような電
圧制御を行う。
To solve such a problem, a learning algorithm has been developed that suppresses torque pulsation by voltage control by detecting and learning torque pulsation generated in the electric motor. In this learning algorithm, for example, frequency information of torque pulsation generated due to the nth-order harmonic is collected by the amplitude and phase detection means, and the d-axis and q-axis corresponding to these are reduced so as to reduce the n-th order torque pulsation. Amplitude and phase information of integer multiple harmonics of current is learned in advance and held inside the algorithm, and re-learning is repeated even if the rotational speed changes, and voltage control is performed to cancel torque pulsations that are integral multiples of the rotational frequency. .
しかしながら、従来のトルク脈動の学習アルゴリズムは、電動機回転数の整数倍のトル
ク脈動の周波数が、電動機または負荷装置、取付装置の共振周波数と一致すると、共振周
波数近傍の急峻な位相と振幅の変化によりd軸、q軸高調波電流の位相成分を正しく学習
、制御装置内部に保持できず、d軸、q軸電流の学習が成立せずトルク脈動もしくは径方
向振動、騒音を低減させることができないという問題が発生する。
However, the conventional torque pulsation learning algorithm is based on a steep phase and amplitude change near the resonance frequency when the frequency of the torque pulsation, which is an integral multiple of the motor speed, matches the resonance frequency of the motor, load device, or mounting device. The phase components of the d-axis and q-axis harmonic currents cannot be correctly learned and held inside the control device, and the d-axis and q-axis currents cannot be learned and torque pulsation or radial vibration and noise cannot be reduced. A problem occurs.
本発明が解決しようとする課題は、電動機または電動機周辺機器の振動や騒音を低減す
る電動機の制御装置を提供する。
The problem to be solved by the present invention is to provide a motor control device that reduces vibrations and noise of the motor or motor peripheral devices.
実施形態の電動機の制御装置は、電動機と機械装置とを有し固有振動数を有する電動機システムの電動機の制御装置において、電動機の軸トルクを検出する軸トルク検出手段と、軸トルクの周波数成分中、固有振動数の(1/n)倍(nは前記固有振動数と一致した高調波の次数)を中心周波数とする周波数帯域をカットするノッチフィルタと、電動機の回転角度情報を検出する回転角検出手段と、電動機の運転周波数を出力する運転周波数指令手段と、ノッチフィルタからの軸トルクと回転角検出手段からの回転角度情報と運転周波数指定手段からの運転周波数に基づいて、トルクの振幅と位相を演算するトルク振幅位相演算手段とを有している。 An electric motor control device according to an embodiment includes an electric motor and a mechanical device, and an electric motor system of an electric motor system having a natural frequency. In the electric motor control device, an axial torque detection unit that detects an axial torque of the electric motor, and a frequency component of the axial torque , A notch filter that cuts a frequency band having a center frequency of (1 / n) times the natural frequency (where n is the harmonic order that matches the natural frequency), and a rotation angle that detects rotation angle information of the motor Based on the detection means, the operation frequency command means for outputting the operation frequency of the electric motor, the shaft torque from the notch filter, the rotation angle information from the rotation angle detection means, and the operation frequency from the operation frequency designation means, Torque amplitude phase calculating means for calculating the phase.
以下に本発明に係る各実施形態について説明する。少なくとも1つの実施形態は電動機の
制御装置において制御電流もしくは電圧指令値に対し、トルク脈動もしくは電動機または
電動機周辺機器の振動や騒音が低減するような電流もしくは電圧補償値を与える補償手段
に関する。
Embodiments according to the present invention will be described below. At least one embodiment relates to a compensation means for providing a current or voltage compensation value for reducing torque pulsation or vibration or noise of the motor or motor peripheral equipment to a control current or voltage command value in a motor control device.
(第1の実施形態)
(構成)
図1は、第1の実施形態に関わる電動機の制御装置を示した構成図である。図1は、電動
機を駆動するための駆動手段45から軸トルクを検出する軸トルク検出手段1と、検出さ
れた軸トルクの周波数成分中、電動機34、電動機周辺機器(負荷装置35、取付装置3
6)の共振周波数の1/nの帯域をカットするノッチフィルタ3と、回転周波数可変にて
運転している電動機34の回転角度情報を検出する回転角検出手段2と、駆動指令値であ
る運転周波数指令手段9とノッチフィルタ3で処理された軸トルク信号と回転角検出手段
2で得られた回転角度情報を演算して、トルクの振幅と位相演算を行うトルク振幅/位相
演算手段4と、トルク振幅/位相演算手段4で得られた振幅情報にゲインを乗算する振幅
ゲイン乗算手段5と、振幅ゲイン乗算器5の結果に機械現象における軸偏心かトルク脈動
か回転力変動に対応するnfの電流高調波成分がキャンセルされるような電圧振幅補正値
を与えるnf電圧振幅時間積分手段6と、nf電圧振幅時間積分手段6とトルク振幅/位
相演算手段4で計算された値が固有振動数近傍にあるとき、nfの学習振幅情報の急変を
回避するIq/Iq0ゲイン計算手段7と、nfの学習位相情報の急変を回避するIq0
/Iqゲイン乗算手段13と、トルク振幅/位相演算手段4で計算された電気角について
、機械現象におけるトルク脈動か回転力変動か軸偏心に対応するn倍の高調波成分にたい
しゲインを与えるnf乗算手段21と、Iq0/Iqゲイン乗算手段10の結果を乗算す
る乗算演算手段16と、16の出力結果に位相ゲインを与える位相ゲイン乗算手段12と
、電圧位相補正値を与えるnf電圧位相時間積分手段13と、正弦演算手段8を有する制
御装置100である。
(First embodiment)
(Constitution)
FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an electric motor control apparatus according to the first embodiment. FIG. 1 shows a shaft torque detecting means 1 for detecting shaft torque from a driving means 45 for driving an electric motor, and a
6) the
For the electrical angle calculated by the / Iq
(作用・効果)
図1の制御装置100による制御方法を以下に説明する。図1のノッチフィルタ3と、I
q/Iq0ゲイン乗算手段7とIq0/Iqゲイン乗算手段10による本実施形態の作用
について図1、図2、図3、図7を基に概念的に説明する。その後、数式を用いて詳細な
制御方法について説明する。
(Action / Effect)
The control method by the
The operation of this embodiment by the q / Iq0
図2(a)に、トルク脈動が発生している電動機34の電流周波数成分を示す。電動機3
4のトルクは、電流と電圧の積で得られるから、たとえば極数2の永久磁石同期電動機の
場合2倍高調波2fは電動機の回転現象における軸偏心となり、6fはトルク脈動となる
。ここでは例として2fと6fについて説明するが、本発明の請求範囲は2、6以外も対
象とする。回転機34の出力トルクがトルク脈動を含む時、図1の軸トルク検出手段1で
得られる実際の時間波形は、図2(b)に示す出力波形58のようにトルク指令値に対し
、周期性を有した脈動を持ち、振動と騒音原因となる。トルク脈動の学習アルゴリズムは
、その制御装置内部で2fと6fに対応するトルク振幅と回転角度情報を収集、学習し、
図3に示す2fと6fが低減されるような電流もしくは電圧制御を行う。この制御により
、電動機34はトルク脈動が少なくかつなめらかに回転するので、図9(b)に示すトル
ク波形を得ることが可能となり、電動機34と装置の低振動化、低騒音化を実現する。し
かしながら、2fもしくは6fが、電動機34、負荷装置35、取付装置36いずれかの
固有振動数56と一致すると、図3(c)に示す6fもしくは2fは振幅と位相の急変を
招き学習が成立せずトルク脈動が増大する。そこで、本発明ではあらかじめ電動機34、
負荷装置35、装置36の固有振動数を把握したうえで、その1/2倍もしくは1/6倍
の周波数帯域をカットする特性を有するノッチフィルタ3をトルク振幅/位相演算手段の
前段に入れることを提案する。これにより、例では基本周波数の2倍もしくは6倍が固有
振動数と一致するときは、nf振幅情報はトルク振幅/位相演算手段4に入力されないた
め、共振周波数近傍の急峻な振幅の急変を回避できる。また、トルク脈動成分であるn次
高調波が固有振動数近傍にきた時に発生するトルクの急変で、6f・52がIq/Iq0
倍になることを防ぐためゲインを与えるIq/Iq0ゲイン計算手段7によって、あらか
じめ振幅を増加させることにより、再学習を防ぐことが可能になる。同様に、トルク脈動
の位相成分についてもIq0/Iqゲイン乗算手段10によって、位相学習におけるゲイ
ンが変わらないよう急な変動分を打ち消すことが可能となる。これらによって、本来低減
すべき2fもしくは6fの振幅と位相情報が保持されるので、共振周波数近傍でも、トル
ク脈動制御アルゴリズムが動作し、トルク脈動の低減が可能となり、図7のような変動の
小さな安定したトルクを得る。
FIG. 2A shows the current frequency component of the
Since the torque of 4 is obtained by the product of current and voltage, for example, in the case of a permanent magnet synchronous motor having two poles, the double harmonic 2f is an axial eccentricity in the rotation phenomenon of the motor, and 6f is a torque pulsation. Here, 2f and 6f will be described as examples, but the scope of claims of the present invention covers objects other than 2 and 6. When the output torque of the rotating
Current or voltage control is performed to reduce 2f and 6f shown in FIG. By this control, the
After grasping the natural frequency of the
Re-learning can be prevented by increasing the amplitude in advance by the Iq / Iq0 gain calculation means 7 that gives a gain to prevent double. Similarly, with respect to the phase component of torque pulsation, the Iq0 / Iq
以下に数式を以って、上記作用を実現するための方法を提示する。 In the following, a method for realizing the above-described action is presented using mathematical formulas.
トルク脈動を制御する方法は数式3に示すようにd軸とq軸に対して電流指令値を補正す
る。Idcはd軸電流指令値、Iqcはq軸電流指令値で、Idc0はd軸電流補正値、
Iqc0はq軸電流補正値である。
I qc0 is a q-axis current correction value.
(式4)、(式5)では、n次のトルク脈動成分をd軸、q軸各軸で正弦波補正する。n
は次数、ad、aqはd軸とq軸の振幅補正値、lは高調波成分比、θeは電気角、Pd
、Pqはd軸とq軸の位相補正値である。振幅がai、位相φiの正弦波の和で表される
原信号に対して、たとえばd−q軸モデルのm次高調波によるトルク脈動もしくは振動・
騒音低減を目的にする場合、原信号と学習器側が有する正弦関数sin(−mθ+ζ)と
の数値積分値phを評価関数とし学習を行う。
Is the order, a d , a q are the amplitude correction values of the d-axis and the q-axis, l is the harmonic component ratio, θe is the electrical angle, P d
, P q is the d axis and q axis phase correction values. For example, torque pulsation or vibration due to the m-th harmonic of the dq axis model is applied to the original signal represented by the sum of sine waves of amplitude a i and phase φ i.
For the purpose of noise reduction, learning is performed using the numerical integration value ph of the original signal and the sine function sin (−mθ + ζ) of the learning device as an evaluation function.
このようにして供給されたd軸電流指令値とq軸電流指令値はたとえば電流制御手段43
からdq→3相変換手段44を経て3相交流電流となり駆動手段45から出力され、電動
機34を回転させ、またトルク脈動が低減された回転変動の少ないトルクTを得る。式6
はトルクTを表す。
From dq → three-phase conversion means 44, a three-phase alternating current is output from the drive means 45, and the
Represents the torque T.
式6において、Pnは極対数、Ψa=√3/2Ψf=√3Ψe、Ψeは永久磁石による電
機子鎖交磁束の実効値、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンスである。
In
Pn、Ld、Lqは電動機の電気設計から決定される。電流制御によってトルク脈動やモ
ータの電磁高調波による振動の低減を実施する場合、ΨaとId、Iqに対する補償をい
かに行うかでその低減性能が決定される。振幅がai、位相φiの正弦波の和で表される
原信号に対して、たとえばd−q軸モデルのm次高調波によるトルク脈動もしくは振動・
騒音低減を目的にする場合、原信号と学習器側が有する正弦関数sin(−mθ+ζ)と
の数値積分値phを評価関数とし学習を行う。数値積分を実施すると、phは位相がm次
高調波の位相+(ζ−π/2)で、振幅がm次高調波の振幅かもしくはそれに比例する値
であるような正弦関数で表される。そこで、ph=0となるようなζを決定することがト
ルク脈動や振動・騒音源になるm次高調波の位相成分を学習することと等価になる。振幅
側においても同様に、原信号と学習器側が有する正弦関数sin(−kθ+ζ−π/2)
の積の数値積分値magが、キャンセルすべきトルク脈動の振幅値akに収束することが
要請される。
P n , L d and L q are determined from the electrical design of the motor. When reduction of vibration due to torque pulsation or electromagnetic harmonics of the motor is performed by current control, the reduction performance is determined by how to compensate for ψa, I d , and I q . For the original signal represented by the sum of sine waves of amplitude ai and phase φi, for example, torque pulsation or vibration caused by m-th harmonic of the dq axis model
For the purpose of noise reduction, learning is performed using the numerical integration value ph of the original signal and the sine function sin (−mθ + ζ) of the learning device as an evaluation function. When numerical integration is performed, ph is expressed by a sine function whose phase is the phase of the mth harmonic + (ζ-π / 2) and whose amplitude is the amplitude of the mth harmonic or a value proportional thereto. . Therefore, determining ζ such that ph = 0 is equivalent to learning the phase component of the m-th harmonic that becomes a torque pulsation or vibration / noise source. Similarly, on the amplitude side, the sine function sin (−kθ + ζ−π / 2) of the original signal and the learning device side is provided.
Is required to converge to the torque ripple amplitude value ak to be canceled.
また、たとえば先行文献では数式7のようにd軸とq軸の電流補償値のad、Pdを決定
する実施例がある。
上式の場合、dIdcとδdIdc /δtの値に応じて、補正値gpd、dFrfの積
または個別に加算、もしくは減算をする。電流指令補正信号dIdcが0(電流指令補正
信号が最大または最小)となるときの振動または騒音dFrfと前回使用した位相Pol
d dとの和で新たな調整位相Pnew dを決定する。本来低減すべき周期的なトルク脈動
の周波数成分が、電動機と機械装置の固有振動数を励起した代表例を図3(c)に示す。
dIdc =0あるいはdIqc=0となる点は、機械系との共振によって増大したトル
ク波形の最大変化点である。また、電動機と機械装置の固有振動数付近では、センシング
の際本来基本波から一様にθ度位相がずれているトルク脈動の位相が急変する(機械角で
+ないしは−180度変動する)ので、固有振動数の通過前後ではδdIdc /δtの
正負が定まらないので、振幅補正指令値と位相補正指令値が定まらず変動する、もしくは
固有振動数近傍でトルク脈動を逆に励起し増大するような振幅補正指令値と位相補正指令
値を算出してしまいトルク脈動低減の制御が安定しない問題がある。そこで進み角θeの
n倍の高調波が固有振動数と一致し、振幅と位相が急変することを防ぐため、進み角θe
に対しフィルタがかかるように、検出された軸トルクの周波数成分中、電動機34、負荷
装置35、取付装置36の機械の固有振動数の各々1/nの帯域をカットするノッチフィ
ルタ3を与える。これによって、たとえば6fの周波数が共振周波数に一致しても、一致
による振幅の急変と位相反転を学習することなく、振幅ゲイン乗算手段と位相ゲイン乗算
手段が保持している本制御装置が低減するnf高調波成分の振幅と位相情報を有したまま
、学習が成立することを実現する。また、トルク脈動成分であるn次高調波が固有振動数
近傍にきた時に発生するトルクの急変で、n次高調波、n次トルク脈動がIq/Iq0倍
になることを防ぐためゲインを与えるIq/Iq0ゲイン計算手段7によって、あらかじ
め振幅を増加させることにより、再学習を防ぐことが可能になる。同様に、トルク脈動の
位相成分についてもIq0/Iqゲイン乗算手段10によって、位相学習におけるゲイン
が変わらないよう急な変動分を打ち消すことが可能となる。
In the case of the above equation, the correction values g pd and dF rf are added or individually added or subtracted according to the values of dI dc and δdI dc / δt. Current command correction signal dIdc is 0 phase P ol (the current command correction signal maximum or minimum) was last used and vibration or noise dFrf when the
A new adjustment phase P new d is determined by the sum of d d . FIG. 3C shows a representative example in which the frequency component of periodic torque pulsation that should be reduced excites the natural frequency of the electric motor and the mechanical device.
The point where dI dc = 0 or dI qc = 0 is the maximum change point of the torque waveform increased by resonance with the mechanical system. Also, in the vicinity of the natural frequency of the motor and the mechanical device, the phase of torque pulsation, whose phase is uniformly shifted from the fundamental wave by sensing, suddenly changes during sensing (the mechanical angle fluctuates + or -180 degrees). Since the sign of δdI dc / δt is not determined before and after the passage of the natural frequency, the amplitude correction command value and the phase correction command value are not determined and fluctuate, or torque pulsation is excited and increased in the vicinity of the natural frequency. Therefore, there is a problem that the control for reducing the torque pulsation is not stable because the correct amplitude correction command value and the phase correction command value are calculated. Therefore, in order to prevent the harmonics of n times the advance angle θ e from coincident with the natural frequency and suddenly changing the amplitude and phase, the advance angle θ e
The
以上のような本実施形態の構成によると、電動機の回転状況が変化しても、機械とトルク
脈動との共振を回避しながらトルク脈動を低減し、電動機または電動機周辺機器から発生
する振動や騒音を軽減することが可能な電動機の制御装置を提供することが可能となる。
According to the configuration of the present embodiment as described above, even if the rotation state of the electric motor changes, the vibration and noise generated from the electric motor or the motor peripheral device are reduced by reducing the torque pulsation while avoiding resonance between the machine and the torque pulsation. It is possible to provide a motor control device capable of reducing the above.
また、本実施形態で述べた1個のn次トルク脈動を、装置の固有振動数による励起とトル
クの急変を回避しながら低減する制御装置は、nf電圧振幅時間積分手段6と、nf乗算
手段14、nf電圧位相時間積分手段13をm個のn次(n=2、3、4、、、、w)高
調波に対し与え、またノッチフィルタもm個各々拡張することで、m個のトルク脈動に適
用することが可能である。
Further, the control device that reduces one n-th order torque pulsation described in the present embodiment while avoiding excitation due to the natural frequency of the device and a sudden change in torque includes an nf voltage amplitude
またさらには、前述したm個のn次トルク脈動を、装置の固有振動数による励起とトルク
の急変を回避しながら低減する制御装置は、対象を振動、騒音源となる径方向電磁高調波
に拡張することが可能である。具体的には、軸トルク検出手段1を振動、騒音検出手段に
置き換える、または電流検出手段で得た電流から角度、トルク推定するような検出手段に
変更してもよい。また、d軸電流を対象とし、Iq/Iqゲインと、Iq0/Iqゲイン
をd軸、q軸電流両側に対し設置し、n次径方向電磁高調波が装置の固有振動数を励起し
たときの径方向電磁高調波の急変を防止する。また、nf電圧振幅時間積分手段6と、n
f乗算手段14、nf電圧位相時間積分手段13をm個のn次(n=2、3、4、、、、
w)高調波に対し与え、またノッチフィルタもm個各々拡張することで、m個の径方向電
磁高調波低減に適用することが可能である。
Still further, the control device that reduces the m-th order torque pulsations described above while avoiding excitation due to the natural frequency of the device and a sudden change in torque can reduce the target to radial electromagnetic harmonics that are vibration and noise sources. It is possible to expand. Specifically, the shaft torque detection means 1 may be replaced with vibration or noise detection means, or may be changed to detection means that estimates the angle and torque from the current obtained by the current detection means. In addition, for the d-axis current, Iq / Iq gain and Iq0 / Iq gain are installed on both sides of the d-axis and q-axis current, and the nth radial electromagnetic harmonic excites the natural frequency of the device. Prevents sudden changes in radial electromagnetic harmonics. The nf voltage amplitude time integration means 6 and n
The f multiplication means 14 and the nf voltage phase time integration means 13 are divided into m n-th orders (n = 2, 3, 4,...
w) Applying to harmonics and expanding m notch filters, respectively, can be applied to m radial electromagnetic harmonic reduction.
(第2の実施形態)
以下図4、5を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。尚、図1と同一の
構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition, about the thing which has the same structure as FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
(構成)
図4は、本発明の第2の実施形態に関わる電動機の制御装置を示した構成図である。図5
は、ノッチフィルタ24と、トルク振幅/位相演算手段4で得たトルクの周波数成分を用
いて電動機34、負荷装置35、取付装置36の固有振動数を検出する固有振動数自動検
出手段23と、固有振動数自動検出手段23の結果に基づきノッチフィルタ24のフィル
タ特性を変更するノッチフィルタ特性更新手段22を有する第2制御装置200を示す。
(Constitution)
FIG. 4 is a configuration diagram showing an electric motor control apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG.
Is a
(作用・効果)
本実施形態のノッチフィルタ24は、トルク脈動制御アルゴリズムの実行前に、図5の
固有振動数自動検出手段23と、ノッチフィルタ特性更新手段22を用いて、振動数を自
動的に探索し、割り当てることが可能である。固有振動数自動検出手段23について、詳
細に説明する。図5の駆動力指令手段25と駆動手段45を用いて、たとえば3相電流の
周波数をスイープ信号にて与え、電磁力的に励起された電動機からトルク検出手段28に
てトルクを検出する。検出したトルクは、トルク脈動検出手段29で脈動成分を抽出され
る。増大部特徴量抽出手段30では、抽出されたトルク脈動成分の最大値にフーリエ変換
を実施し、そこから得られる固有振動数を抽出する。抽出された固有振動数に基づき、そ
の固有振動数の1/nの帯域をカットするようなフィルタ特性を決定する。このとき、フ
ィルタ特性を決定した固有振動数を“既存”固有振動数として学習前データ記憶手段32
に保持する。その後、固有振動数自動検出手段23におけるトルク脈動の増大部特徴量抽
出手段30によって新たな固有振動数が検出される。その新たに検出された固有振動数を
“新”固有振動数とする。この“既存”固有振動数と“新”固有振動数を比較手段31に
て比較する。その際に、“既存”固有振動数と“新”固有振動数が異なる値の場合、“新
”固有振動数の値を固有振動数記憶手段33に値を受け渡す。固有振動数記録手段33は
、図4のノッチフィルタ特性更新手段22に接続され、ノッチフィルタの特性を変更する
ために使用される。
(Action / Effect)
The
Hold on. After that, a new natural frequency is detected by the torque pulsation increasing feature amount extraction means 30 in the natural frequency automatic detection means 23. The newly detected natural frequency is set as the “new” natural frequency. The “existing” natural frequency and the “new” natural frequency are compared by the comparison means 31. At this time, if the “existing” natural frequency and the “new” natural frequency are different values, the value of the “new” natural frequency is transferred to the natural frequency storage means 33. The natural frequency recording means 33 is connected to the notch filter characteristic updating means 22 of FIG. 4 and is used for changing the characteristics of the notch filter.
同探索アルゴリズムでは、周波数スイープだけではなく、M系列、ステップ信号、インパ
ルス信号、ホワイトノイズ信号など、広帯域周波数成分を有する信号であれば実施が可能
である。
The search algorithm can be implemented not only for frequency sweeps, but also for signals having broadband frequency components such as M-sequences, step signals, impulse signals, and white noise signals.
また、ノッチフィルタ24は、経年変化による電動機材料のヤング率変化、フレームの腐
食、塵埃などによる電動機および負荷装置等の電動機周辺機器の固有振動数変化に伴い、
図5のトルク振幅/位相演算成分を用いて電動機34、負荷装置35、取付装置35の固
有振動数を検出する固有振動数自動検出手段23と、共振周波数自動検出ステップの結果
に基づきノッチフィルタ24のフィルタ特性を変更するノッチフィルタ特性更新手段22
で、定期的に最新の共振周波数を検知し、ノッチフィルタ24のカットオフ周波数帯域等
フィルタ特性を内部で補正することも可能である。
In addition, the
The natural frequency automatic detection means 23 for detecting the natural frequency of the
Thus, it is also possible to periodically detect the latest resonance frequency and internally correct the filter characteristics such as the cut-off frequency band of the
以上に述べた少なくとも1つの本実施形態の構成によると、電動機の回転状況が変化して
も、機械とトルク脈動との共振を回避しながらトルク脈動を低減し、電動機または電動機
周辺機器から発生する振動や騒音を軽減することが可能な電動機の制御装置を提供するこ
とが可能となる。
According to the configuration of at least one of the embodiments described above, even if the rotation state of the motor changes, the torque pulsation is reduced while avoiding resonance between the machine and the torque pulsation, and is generated from the motor or the motor peripheral device. It becomes possible to provide an electric motor control device capable of reducing vibration and noise.
また、電動機または電動機周辺機器の固有振動値が外的、または時間的要因で変化したと
してもその変化に対応し、電動機または電動機周辺機器から発生する振動や騒音を軽減す
ることが可能となる。
Further, even if the natural vibration value of the motor or the motor peripheral device changes due to an external or time factor, it is possible to cope with the change and reduce the vibration and noise generated from the motor or the motor peripheral device.
(第3の実施形態)
以下図面を参照して、本発明の第3の実施形態について説明する。尚、図1乃至5と同一
の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the thing which has the same structure as FIG. 1 thru | or 5, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
(構成)
図6は、本発明の第3の実施形態に関わる電動機の制御装置を示した構成図である。トル
ク振幅/位相演算手段4で得たトルクの周波数成分を用いて電動機と取付装置の固有振動
数を検出する固有振動数自動検出手段23と、固有振動数自動検出手段23の結果に基づ
き、ノッチフィルタ3の現在のフィルタ特性と、23の結果を比較するノッチフィルタ特
性更新手段24と、比較した結果値が異なる場合、アラームを出力するアラーム出力手段
70を有する制御装置300を示す。
(Constitution)
FIG. 6 is a configuration diagram showing an electric motor control apparatus according to the third embodiment of the present invention. Based on the result of the natural frequency automatic detecting
(作用)
図6のノッチフィルタ3は、装置と電動機の締結のゆるみ、装置との接続、経年変化によ
る電動機装置材料のヤング率変化、フレームの腐食、塵埃などによる電動機およびその負
荷装置の固有振動数変化で、ノッチフィルタ3が遮断している固有振動数の帯域を過ぎた
場合にはアラーム出力70から、警告を出すことが可能である。
(Function)
The
以上に述べた少なくとも1つの本実施形態の構成によると、電動機の回転状況が変化して
も、機械とトルク脈動との共振を回避しながらトルク脈動を低減し、電動機または電動機
周辺機器から発生する振動や騒音を軽減することが可能な電動機の制御装置を提供するこ
とが可能となる。
According to the configuration of at least one of the embodiments described above, even if the rotation state of the motor changes, the torque pulsation is reduced while avoiding resonance between the machine and the torque pulsation, and is generated from the motor or the motor peripheral device. It becomes possible to provide an electric motor control device capable of reducing vibration and noise.
また、本実施形態では、ノッチフィルタの交換時期を検出し、外部表示機等に出力する。
ノッチフィルタを適切な時期に交換が可能となることから、電動機の制御装置の信頼性を
向上することが可能となる。
In this embodiment, the notch filter replacement time is detected and output to an external display or the like.
Since the notch filter can be replaced at an appropriate time, the reliability of the motor control device can be improved.
上記で説明された全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定す
るものではない。そのため、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施
形態やその変形は、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
All the embodiments described above are presented by way of example and do not limit the scope of the invention. Therefore, the present invention can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
例えば、電動機のトルク脈動もしくは径方向電磁高調波を低減する電動機の制御装置は
ノッチフィルタを有するが、その種類はIIR(無限インパルス応答)フィルタ、FIR
(有限インパルス応答)フィルタどちらも利用可能である。
For example, a motor control device that reduces torque pulsation or radial electromagnetic harmonics of a motor has a notch filter, but the type thereof is an IIR (infinite impulse response) filter, FIR.
Both (finite impulse response) filters can be used.
また例えば、電動機のトルク脈動もしくは径方向電磁高調波を低減する電動機の制御装
置はノッチフィルタを有するが、電流、トルク、回転角情報などから自動的に固有振動数
の振幅と位相に対応するフィルタ特性に収束する適応フィルタが利用可能である。
In addition, for example, a motor control device that reduces torque pulsation or radial electromagnetic harmonics of a motor has a notch filter, but a filter that automatically corresponds to the amplitude and phase of the natural frequency from current, torque, rotation angle information, etc. Adaptive filters that converge to the characteristics are available.
1 軸トルク検出手段
2 回転角検出手段
3 ノッチフィルタ
4 トルク振幅/位相演算手段
5 振幅ゲイン手段
6 nf電圧振幅積分手段
7 Iq/Iq0ゲイン計算手段
8 正弦演算手段
9 運転手端数指令手段
10 Iq0/Iqゲイン乗算手段
11 乗算手段
12 位相ゲイン乗算手段
13 nf電圧位相積分手段
14 nf乗算手段
15 和算器
22 ノッチフィルタ特性更新手段
23 固有振動数自動検出手段
24 適応的なノッチフィルタ
25 駆動力指令手段
29 トルク脈動検出手段
30 トルク脈動の増大部特徴量抽出手段
31 比較手段
32 学習前データ記憶手段
33 固有振動数記憶手段
34 電動機
35 負荷装置
36 取付装置
40 駆動装置
41 d/q軸電流指令手段
42 電流補償手段
43 電流制御手段
44 dq→3相変換手段
45 駆動手段
46 3相→dq変換手段
47 回転角検出手段
48 3相電流検出手段(1)
49 3相電流検出手段(2)
50 3相電流検出手段(3)
51 3相巻線(1)
52 3相巻線(2)
53 3相巻線(3)
54 周波数領域における高調波を含む波形
55 周波数領域における6fが固有振動数を励起した高調波を含む波形
56 固有振動数
57 回転計の出力波形
58 不安定な運転時の回転計の出力波形
59 運転周波数の6倍高調波
60 トルク指令値
61 トルク脈動を持つトルク時間波形
62 トルク脈動が低減されたトルク時間波形
70 アラーム出力手段
100、200、300 制御装置
1 Axis torque detection means 2 Rotation angle detection means 3 Notch filter 4 Torque amplitude / phase calculation means 5 Amplitude gain means 6 nf voltage amplitude integration means 7 Iq / Iq0 gain calculation means 8 Sine calculation means 9 Driver fraction command means 10 Iq0 / Iq gain multiplication means 11 multiplication means 12 phase gain multiplication means 13 nf voltage phase integration means 14 nf multiplication means 15
49 Three-phase current detection means (2)
50 Three-phase current detection means (3)
51 Three-phase winding (1)
52 Three-phase winding (2)
53 Three-phase winding (3)
54 Waveform including harmonics in frequency domain 55 Waveform including harmonics in which 6f in frequency domain excites natural frequency 56 Natural frequency 57 Output waveform of tachometer 58 Output waveform of tachometer during unstable operation 59 Operation 6th harmonic of frequency 60 Torque command value 61 Torque time waveform with
Claims (6)
電動機の軸トルクを検出する軸トルク検出手段と、
前記軸トルクの周波数成分中、前記固有振動数の(1/n)倍(nは前記固有振動数と一致した高調波の次数)を中心周波数とする周波数帯域をカットするノッチフィルタと、
電動機の回転角度情報を検出する回転角検出手段と、
電動機の運転周波数を出力する運転周波数指令手段と、
前記ノッチフィルタからの軸トルクと前記回転角検出手段からの回転角度情報と前記運転周波数指令手段からの運転周波数に基づいて、トルクの振幅と位相を演算するトルク振幅位相演算手段と、
を備える電動機の制御装置。 In a motor control device of an electric motor system having an electric motor and a mechanical device and having a natural frequency,
Shaft torque detecting means for detecting the shaft torque of the electric motor;
A notch filter that cuts a frequency band having a center frequency of (1 / n) times the natural frequency (n is the order of a harmonic that matches the natural frequency) in the frequency component of the shaft torque;
Rotation angle detection means for detecting rotation angle information of the electric motor;
Operating frequency command means for outputting the operating frequency of the electric motor;
Torque amplitude phase calculating means for calculating the amplitude and phase of torque based on the shaft torque from the notch filter, the rotation angle information from the rotation angle detecting means, and the operating frequency from the operating frequency command means;
An electric motor control device.
前記固有振動数自動検出手段で検出した固有振動数に基づき、ノッチフィルタがカットする周波数を更新するノッチフィルタ特性更新手段と、
を備える請求項1記載の電動機の制御装置。 Natural frequency automatic detection means for automatically detecting the natural frequency at a predetermined timing;
Notch filter characteristic updating means for updating the frequency cut by the notch filter based on the natural frequency detected by the natural frequency automatic detection means;
An electric motor control device according to claim 1.
前記トルク脈動検出手段より検出トルク脈動を励起し、増大されたトルク脈動を検出するトルク脈動の増大部特徴量抽出手段と、
前記増大部特徴量抽出手段から得られる固有振動数が保持されている学習前データ記憶手段と、
既に前記学習前データ記憶手段が保持している既存固有振動数と、次に前記増大部特徴量抽出手段で得られた新固有振動数を比較する比較手段と、
前記比較手段において新固有振動数が既存固有振動数と異なる場合、新固有振動数を固有振動数として保持する固有振動数記憶手段と、
を備える請求項1記載の電動機の制御装置。 Torque pulsation detecting means for detecting pulsation from the torque detected by the torque detecting means;
Exciting torque pulsation detected by the torque pulsation detecting means, and detecting an increased torque pulsation, a torque pulsation increasing portion feature amount extracting means;
Pre-learning data storage means in which the natural frequency obtained from the increased portion feature quantity extraction means is held;
Comparison means for comparing the existing natural frequency already held by the pre-learning data storage means with the new natural frequency obtained by the increased feature quantity extraction means, and
If the new natural frequency is different from the existing natural frequency in the comparison means, natural frequency storage means for holding the new natural frequency as the natural frequency;
An electric motor control device according to claim 1.
を有する請求項3記載の電動機の制御装置。 As a result of comparison by the comparison means, if the existing natural frequency and the new natural frequency are different, an alarm output means for outputting an alarm;
The motor control device according to claim 3.
前記トルク振幅位相演算手段からの位相にn次の高調波成分を時間積分してn次の高調波による振動を低減する位相補正値を与える位相時間積分手段と、
を備える請求項1記載の電動機の制御装置。 Amplitude time integration means for providing an amplitude correction value for time-integrating the nth harmonic component in the amplitude from the torque amplitude phase calculation means to reduce vibration due to the nth harmonic;
Phase time integration means for providing a phase correction value for time-integrating the nth harmonic component in the phase from the torque amplitude phase calculation means to reduce vibration due to the nth harmonic;
An electric motor control device according to claim 1.
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