JP5991577B2 - Drive control method for permanent magnet synchronous motor - Google Patents
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Description
本発明は、回転子に永久磁石を有する同期電動機すなわち永久磁石同期電動機のセンサレス駆動制御方法、特に電力変換器(インバータ)のバス電圧(リンク電圧)に起因する電圧制限を受ける高速域でのセンサレス駆動制御方法に関する。対象とする同期電動機は、回転子に装着された永久磁石の多少も、また、突極、非突極も問わない。 The present invention relates to a sensorless drive control method for a synchronous motor having a permanent magnet in a rotor, that is, a permanent magnet synchronous motor, and in particular, sensorless in a high speed range subject to voltage limitation caused by a bus voltage (link voltage) of a power converter (inverter). The present invention relates to a drive control method. The target synchronous motor may be any number of permanent magnets mounted on the rotor, and may be salient or non-salient.
永久磁石同期電動機を、可能な限りの効率を達成しつつ高速駆動するには、トルク発生に寄与する固定子電流を、回転子N極の位相(以降では、回転子位相と略記)に対して、電圧制限を考慮した所定の位相差を持たせる必要がある。このため、α軸を固定子U相巻線の中心に選定したαβ固定座標系上で評価した回転子位相を知る必要がある。回転子位相の最も簡単な検出方法は、エンコーダ、レゾルバーと言った位置センサを回転子に装着することであるが、位置センサの装着は、信頼性、コストなどの点で問題があり、電動機駆動用の固定子電圧、電流の信号を用いて回転子位相を推定することが行なわれている。回転子位相の推定は、回転子位相情報を有する回転子磁束、誘起電圧、あるいは拡張誘起電圧(以下、回転子磁束等と略記)を推定し、同推定値から回転子位相情報を抽出することにより行われている。 In order to drive a permanent magnet synchronous motor at high speed while achieving as much efficiency as possible, the stator current that contributes to torque generation is set to the phase of the rotor N pole (hereinafter abbreviated as rotor phase). It is necessary to have a predetermined phase difference in consideration of voltage limitation. For this reason, it is necessary to know the rotor phase evaluated on the αβ fixed coordinate system in which the α axis is selected as the center of the stator U-phase winding. The simplest method for detecting the rotor phase is to mount a position sensor such as an encoder or resolver on the rotor. However, mounting the position sensor is problematic in terms of reliability, cost, etc. The rotor phase is estimated by using the stator voltage and current signals. The rotor phase is estimated by estimating the rotor magnetic flux, induced voltage, or extended induced voltage (hereinafter abbreviated as rotor magnetic flux) having the rotor phase information, and extracting the rotor phase information from the estimated value. It is done by.
回転子磁束等の推定は、固定子巻線に従い定めたα軸、β軸もつαβ固定座標系上で行なうことも、あるいは回転子位相に位相差なく同期することを目指したγδ準同期座標系上で行なうことも可能である。なお、回転子位相に位相差なく同期した座標系は、dq同期座標系と呼ばれている。γδ準同期座標系は、同期が完了した時点では、実質的にdq同期座標系と等価である。これに対して、回転子位相に対して位相差のない同期を目指さないγδ座標系を考えることもできる。本発明では、この種のγδ座標系をγδ制御座標系と呼ぶ。 The estimation of the rotor magnetic flux etc. can be performed on the αβ fixed coordinate system with α axis and β axis determined according to the stator winding, or γδ quasi-synchronous coordinate system aiming to synchronize with the rotor phase without phase difference It can also be done above. A coordinate system synchronized with the rotor phase without a phase difference is called a dq synchronous coordinate system. The γδ quasi-synchronous coordinate system is substantially equivalent to the dq-synchronous coordinate system when synchronization is completed. On the other hand, it is possible to consider a γδ coordinate system that does not aim for synchronization without a phase difference with respect to the rotor phase. In the present invention, this type of γδ coordinate system is called a γδ control coordinate system.
図13は、永久磁石同期電動機に対し、回転子位相推定の役割を担う位相決定器を利用した駆動制御方法を装置化し、これに装着した場合の代表的1例を概略的にブロック図で示したものである。1は永久磁石同期電動機を、2は位相決定器を、3は電力変換器を、4は電流検出器を、5a、5bは夫々3相2相変換器、2相3相変換器を、6a、6bは共にベクトル回転器を、7は余弦正弦信号発生器を、8は電流制御器を、9は指令変換器を、10は速度制御器を、11は機械速度推定器を示している。本図では、簡明性を確保すべく、2×1のベクトル信号を1本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。 FIG. 13 is a block diagram schematically showing a typical example when a drive control method using a phase determiner that plays a role of rotor phase estimation is implemented for a permanent magnet synchronous motor and is mounted on the method. It is a thing. 1 is a permanent magnet synchronous motor, 2 is a phase determiner, 3 is a power converter, 4 is a current detector, 5a and 5b are 3
特に、2の位相決定器は、固定子の電圧、電流の相当値(実測値、指令値、推定値など)を入力として得て、αβ固定座標系上で評価した回転子位相の推定値と、回転子電気速度の推定値を出力している。余弦正弦信号発生器7は回転子位相推定値を余弦・正弦信号に変換して、これをベクトル回転器6a、6bへ伝達している。電気速度推定値は、機械速度推定器11において、極対数Npで除されて、機械速度推定値に変換されている。4、5a、5b、6a、6b、7、8の5種の機器は、トルク発生に寄与する固定子電流を、dq同期座標系上のベクトル信号として捕らえ、d軸及びq軸の各成分を各軸電流指令値に追随するように制御するフィードバック的な電流制御工程を構成している。また、位相決定器2が、位相決定工程を構成している。 In particular, the
電流検出器4で検出された3相の固定子電流は、3相2相変換器5aでαβ固定座標系上の2相電流に変換された後、ベクトル回転器6aでdq同期座標系の2相電流に変換され、電流制御器8へ送られる。電流制御器8は、dq同期座標系上の2相電流が、各相の電流指令値に追随すべくdq同期座標系上の2相電圧指令値を生成しベクトル回転器6bへ送る。6bでは、dq同期座標系上の2相電圧指令値をαβ固定座標系上の2相電圧指令値に変換し、2相3相変換器5bへ送る。5bでは、2相信号を3相電圧指令値に変換し、電力変換器3への指令値として出力する。電力変換器3は、指令値に応じた電力を発生し、同期電動機1へ印加しこれを駆動する。このときのdq同期座標系上の2相電流指令値は、トルク指令値を指令変換器9に通じ変換することにより得ている。図13においては、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、dq同期座標系上の信号であることを明示すべく、脚符にdqを付している。なお、ベクトル回転器6a、6bは、3相2相変換器、2相3相変換器5a、5bと各々一体的に構成されこともある。本発明では、一体的に構成されたこれらをベクトル回転器内蔵変換器と呼称している。 The three-phase stator current detected by the
図13の本例では、速度制御系を構成した例を示しているので、速度指令値と速度推定値を入力とする速度制御器10の出力としてトルク指令値τ*を得ている。当業者には周知のように、制御目的が発生トルクにあり速度制御系を構成しない場合には、速度制御器10、機械速度推定器11は不要である。この場合には、トルク指令値が外部から直接印加される。 In this example of FIG. 13, since the speed control system is configured, the torque command value τ * is obtained as the output of the
上記構成機器において、本発明に特に関連する機器が、位相決定器2と指令変換器9である。位相決定器は、回転子磁束等を、固定子の電圧、電流の相当値を利用して推定し、ベクトル回転器等に使用する位相を決定している。併せて、電気速度推定値を決定している。回転子磁束等の推定値は、一般には、固定子の電圧、電流の相当値を、状態オブザーバ、外乱オブザーバ、D因子フィルタ等(以下、単に「推定器」と略記)への入力信号としてこれを駆動し、得ている。すなわち、位相決定工程への入力信号は、一般には、固定子の電圧、電流の相当値である。 Among the above-described components, devices particularly related to the present invention are the
推定器を構成し、構成した推定器に対して、電動機駆動用の固定子電圧、電流の相当値を入力してこれを駆動すれば、回転子位相推定値を得ることができる。当業者には周知のように、推定器の構成においては電動機パラメータが必要である。特に、推定器の構成に使用した電動機パラメータ、さらにはこの駆動信号である固定子電圧、電流の信号が正しい場合には、推定器による位相推定値は位相真値に収斂する。実際には、電動機パラメータ真値と推定器に使用するパラメータ値との間には、多少の相違があるが、使用するパラメータ値は可能な限り真値に近いものを採用することが、これら推定器の使用上の大前提である。 If an estimator is configured, and the corresponding values of the stator voltage and current for driving the motor are input to the configured estimator and driven, the estimated rotor phase value can be obtained. As is well known to those skilled in the art, motor parameters are required in the estimator configuration. In particular, when the motor parameters used in the configuration of the estimator and the stator voltage and current signals as the drive signals are correct, the phase estimation value by the estimator converges to the true phase value. Actually, there is a slight difference between the motor parameter true value and the parameter value used for the estimator, but it is estimated that the parameter value used is as close to the true value as possible. This is a major premise for the use of the vessel.
電動機はトルク発生機であると同時に電気エネルギーの機械エネルギーの変換機であり、電動機のエネルギー変換効率は、電動機駆動制御の主要な要求仕様の1つである。エネルギー変換効率向上の課題は、電動機駆動制御の観点からは、所要のトルク発生を達成しながら銅損などの損失を最小に抑えるような電流制御を如何に実施するか、あるいは、力率の最大化を図るような電流制御を如何に実施するか、と言う技術課題に置き換えることができる。この課題解決の役割を果たしいるのが、指令変換器9である。指令変換器では、トルク指令値から高効率な駆動を可能とするdq同期座標系上のd軸、q軸電流指令値を生成している。このときのd軸電流指令値とq軸電流指令値とは、回転子位相に対して所定の位相差を持つものであり、指令値通りに固定子電流が制御されるならば、効率駆動が達成される。 The electric motor is a torque generator and at the same time a mechanical energy converter, and the energy conversion efficiency of the electric motor is one of the main required specifications of the motor drive control. From the viewpoint of motor drive control, the issue of improving energy conversion efficiency is how to implement current control that minimizes losses such as copper loss while achieving the required torque generation, or the maximum power factor. It can be replaced with a technical problem of how to carry out current control for achieving the above. The command converter 9 plays the role of solving this problem. The command converter generates d-axis and q-axis current command values on a dq synchronous coordinate system that enables highly efficient driving from a torque command value. The d-axis current command value and the q-axis current command value at this time have a predetermined phase difference with respect to the rotor phase, and if the stator current is controlled according to the command value, the efficiency drive is Achieved.
電動機に印加できる電圧の振幅(すなわち、大きさ、レベル)は、電力変換器のバス電圧で制限されている。従って、電動機によるトルク発生は、バス電圧に起因する電圧制限内で実施する必要がある。ところが、速度向上に応じて逆起電力が大きくなり、電圧制限下では所期のトルク、電流に見合った電圧を印加できくなる。このような場合、負のd軸電流を得るように電流制御することで(一般に、弱め磁束制御と呼ばれている)、高速駆動を達成している。指令変換器9は、トルク指令値から、効率を追及しつつ高速駆動を可能とするdq同期座標系上のd軸、q軸電流指令値をも生成している。このときのd軸電流指令値とq軸電流指令値とは、回転子位相に対して、電圧制限を考慮した所定の位相差を持つものであり、指令値通りに電流が制御されるならば、達成可能な効率を維持した上で高速駆動が達成される。 The amplitude (ie, magnitude, level) of the voltage that can be applied to the motor is limited by the bus voltage of the power converter. Therefore, torque generation by the electric motor needs to be performed within the voltage limit caused by the bus voltage. However, as the speed increases, the back electromotive force increases, and under the voltage limit, it becomes impossible to apply a voltage corresponding to the desired torque and current. In such a case, high-speed driving is achieved by controlling the current so as to obtain a negative d-axis current (generally referred to as “weakening magnetic flux control”). The command converter 9 also generates d-axis and q-axis current command values on the dq synchronous coordinate system that enable high-speed driving while pursuing efficiency from the torque command value. At this time, the d-axis current command value and the q-axis current command value have a predetermined phase difference in consideration of voltage limitation with respect to the rotor phase, and if the current is controlled according to the command value, High speed driving is achieved while maintaining the achievable efficiency.
効率と電圧制限を考慮した高速駆動を達成するdq同期座標系上のd軸、q軸電流指令値のトルク指令値からの生成には、一般には、d軸電流、q軸電流、発生トルク、電圧制限の4者の関係を記述した非線形連立方程式の求解が要求される。この求解は、一般には大変難解である。 In general, d-axis current, q-axis current, generated torque, d-axis current, q-axis current command value generation from the torque command value on the dq synchronous coordinate system that achieves high-speed driving considering efficiency and voltage limitation, It is required to solve a nonlinear simultaneous equation describing the four-way relationship of voltage limitation. This solution is generally very difficult.
こうした背景の下、ごく最近、電圧制限を実質的に考慮する必要のない定格速度以下の駆動に限定して、煩雑な非線形連立方程式の求解を行うことなく、固定子電流の位相を推定的に直接求める方法が提案されている。これら代表的な方法を、先行技術文献欄の特許文献1〜2、非特許文献1に列挙した。 Against this background, the phase of the stator current can be estimated presumably without solving complicated simultaneous simultaneous equations by limiting the drive to below the rated speed, which does not need to substantially consider the voltage limit. A direct method has been proposed. These typical methods are listed in
これら代表的方法の特徴は、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器によって指定されたγδ制御座標系上で固定子電流を評価した場合に、γ軸電流がゼロなるように電流制御工程を構成し、かつ、δ軸電流に対応した位相決定器用インダクタンスとして真のインダクタンスと異なる正値を用いて位相決定工程を構成する点に特徴がある。d軸インダクタンスをLd、q軸インダクタンスをLqとする場合、特許文献1では、位相決定器用インダクタンスLi^として、次の(1)式の範囲の正値を採用することを求めている。
上に説明した特許文献1〜2、非特許文献1の提案による方法は、定格速度以下の低い速度でのみ適用可能で、所期の性能を発揮する。換言するならば、定格速度を超える高速駆動には適用できない。仮に適用する場合には、高速駆動を遂行できなくなる。本事実を裏付けるように、位相決定器用インダクタンスとして(1)式の利用を提案してきた特許文献1、非特許文献1の発明者は、高速駆動を達成すべく、従来ゼロに制御することを条件としていたγ軸電流に対して、これを非ゼロに制御することを提案している(非特許文献2参照)。 The methods based on the proposals in
本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、永久磁石同期電動機のセンサレス駆動制御において、指令変換器を要することなく(ひいては、より軽い計算負荷で動作可能な)、達成可能な効率を維持した上で高速駆動を達成しうるセンサレス駆動制御法を提供することである。 The present invention has been made under the above-mentioned background, and the object thereof can be achieved without requiring a command converter in the sensorless drive control of a permanent magnet synchronous motor (and thus can be operated with a lighter computational load). It is to provide a sensorless drive control method capable of achieving high speed drive while maintaining high efficiency.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器を用いて、フィードバック的あるいはフィードフォワード的に制御する電流制御工程と、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定する位相決定工程とを有し、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器によって指定されたγδ制御座標系上で固定子電流を評価した場合にγ軸、δ軸の何れか一方の軸電流が実質的にゼロになるように該電流制御工程を構成し、かつ、非ゼロの他軸電流に対応した位相決定器用インダクタンスとして真のインダクタンスと異なる値を用いて該位相決定工程を構成する永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、該位相決定工程の構成に利用する該位相決定器用インダクタンスを負値に選定するようにしたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、該位相決定工程の構成に利用する該位相決定器用インダクタンスの負値を、電力変換器バス電圧に起因する電圧制限の相当値、固定子電圧の相当値、固定子電流の相当値、回転子速度の相当値の少なくとも1つに応じて、可変するようにしたことを特徴とする。 The invention according to
請求項3の発明は、請求項1記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、該位相決定工程の構成に利用する該位相決定器用インダクタンスの負値を、繰返し計算を少なくとも部分的に用い、定めるようにしたことを特徴とする。 The invention according to
請求項4の発明は、請求項1または請求項2または請求項3記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、真の固定子インダクタンスを利用した場合には回転子磁束あるいは誘起電圧あるいは拡張誘起電圧を適切に推定しうる推定器に、負値の位相決定器用インダクタンスを用いて、該位相決定工程を構成したことを特徴とする。 The invention of
請求項5の発明は、請求項1または請求項2または請求項3記載の永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、該位相決定工程への入力信号として、固定子巻線に従い定めたαβ固定座標系上あるいはγδ制御座標系上の固定子電流相当値を少なくとも用い、該位相決定工程を構成したことを特徴とする。 The invention of claim 5 is the drive control method for a permanent magnet synchronous motor according to
以下、図面と数式を用いて、請求項1の発明の効果を明快に説明する。請求項1の発明に従って、「トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器を用いて、フィードバック的あるいはフィードフォワード的に制御する電流制御工程と、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相を決定する位相決定工程とを有する永久磁石同期電動機の駆動制御方法において、特に、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器によって指定されたγδ制御座標系上で固定子電流を評価した場合にγ軸電流がゼロなるように電流制御工程を構成し、かつ、δ軸電流に対応した位相決定器用インダクタンスLi^として真のインダクタンスと異なる値を意図的に用いる」状況を考える。本状況下では、γδ制御座標系はdq同期座標系に対して、
電力変換器のバス電圧が制限されている実際的状況下での高速駆動では、印加すべき固定子電圧を、バス電圧に起因する電圧制限値以下に維持しなければならない。当業者が広く承知しているように、本維持は、d軸電流がより大きな負値をもつようにd軸電流を制御することにより、達成できる(この種の制御は、一般に、弱め磁束制御と呼ばれる)。 In high speed driving under practical circumstances where the bus voltage of the power converter is limited, the stator voltage to be applied must be kept below the voltage limit value due to the bus voltage. As is widely known by those skilled in the art, this maintenance can be achieved by controlling the d-axis current such that the d-axis current has a larger negative value (this type of control is generally a weak flux control). Called).
上記のd軸電流制御と同様な効果は、2×1ベクトルしての固定子電流i1を負側のd軸へ近づけることにより得ることもできる。2×1ベクトルしての固定子電流i1を負側のd軸へ近づけることは、とりもなおさず、dq同期座標系に対するγδ制御座標系の位相差
の位相差に関する理論限界値は、次式で与えられることがわかる。
It can be seen that the theoretical limit value for the phase difference is given by the following equation.
本発明の要点は、位相決定器用インダクタンスLi^の決定にある。この視点より、(3)式を位相決定器用インダクタンスLi^に関して導出・整理することを考える。この際、位
要基本式である次式を新たに得る。
The following formula which is a basic formula is newly obtained.
(5)式を(6)式に用いると、(5)式のための位相決定器用インダクタンスLi^として、次式を新たに得る。
通常の永久磁石同期電動機では、定格電流Iratに対しても、次の(9)式の関係が成立するように、設計・製造されている。
請求項1の発明は、位相決定器用インダクタンスを負値に選定することを要請するものである。負値の位相決定器用インダクタンスは、上の説明で既に明らかなように、γδ制御座標系のδ軸を負側のd軸へ漸近させる。固定子電流が実質的にδ軸上に存在することを考慮するならば、δ軸の本漸近は、固定子電流の負側のd軸へ漸近を意味する。これは、電圧制限下の弱め磁束制御が自動的に達成されることを意味する。以上のように、位相決定器用インダクタンスを負値に選定することを要請する請求項1の本発明によれば、電圧制限下の高速駆動に不可欠な弱め磁束制御を、ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器に使用する位相の決定を介して、自動的に実現できるという効果を得ることができる。 The invention of
次に、請求項2の発明による効果を説明する。(8)式が示した値は、位相決定器用イン
て、位相決定器用インダクタンスを選定する場合には、位相決定器用インダクタスは固定子電流(あるいはこの相当値)に応じて、変更することが必要となる。Next, the effect of the invention of
Thus, when selecting the phase determiner inductance, it is necessary to change the phase determiner inductance according to the stator current (or its equivalent value).
ところで、高速駆動時の電圧制限を定式化したものとして、次の電圧制限楕円がある(非特許文献1参照)。
(11)式を図1に用いるならば、これらより次式を得る。
高速駆動を妨げる電圧制限は、元来、印加すべき固定子電圧の振幅が、電力変換器のバス電圧に起因する電圧制限値を超えるために発生する。従って、固定子電圧の振幅が電圧制限値を超える場合に、位相決定器用インダクタンスLi^を徐々に低減するようにすればよい。位相決定器用インダクタンスの上限値(正値)は、電圧制限が実質的に存在しない低速域での駆動の場合にも、(1)、(2)式で示されているように、同相インダクタンスLiを超えることはない。一方、位相決定器用インダクタンスの下限値(負値)は、本発明が新規に提示した(8)式で与えられる。従って、固定子電圧の振幅が電圧制限値の近傍値を取るような状況下では、位相決定器用インダクタンスを、上限値から下限値へ向け、逐次低減するように選定してもよい。このような選定では、電圧制限値、固定子電圧の2者に応じて、位相決定器用インダクタンスを変更することになる。 The voltage limitation that prevents high-speed driving is originally caused because the amplitude of the stator voltage to be applied exceeds the voltage limit value caused by the bus voltage of the power converter. Therefore, when the amplitude of the stator voltage exceeds the voltage limit value, the phase determiner inductance Li may be gradually reduced. The upper limit value (positive value) of the inductance for the phase determiner is equal to the in-phase inductance Li as shown by the equations (1) and (2) even in the case of driving in a low speed region where there is substantially no voltage limitation. Never exceed. On the other hand, the lower limit (negative value) of the phase determiner inductance is given by the equation (8) newly presented by the present invention. Therefore, in a situation where the amplitude of the stator voltage takes a value close to the voltage limit value, the phase determiner inductance may be selected so as to decrease sequentially from the upper limit value to the lower limit value. In such a selection, the phase determiner inductance is changed according to the voltage limit value and the stator voltage.
請求項2の発明によれば、位相決定器用インダクタンスを、電力変換器バス電圧に起因する電圧制限の相当値、固定子電圧の相当値、固定子電流の相当値、回転子速度の相当値の少なくとも1つに応じて、可変するようにしているので、上記の例示した位相決定器用インダクタンスの選定法が直ちに利用できるようになる。ひいては、合理的あるいは簡単に、位相決定器用インダクタンスが選定できるという効果が得られる。更には、この結果、請求項1の発明の有用性を高めるという効果が得られる。 According to the second aspect of the present invention, the inductance for the phase determiner includes the equivalent value of the voltage limit caused by the power converter bus voltage, the equivalent value of the stator voltage, the equivalent value of the stator current, and the equivalent value of the rotor speed. Since it is made variable according to at least one, the above-described exemplified method for selecting the inductance for the phase determiner can be immediately used. As a result, the effect that the inductance for the phase determiner can be selected rationally or simply is obtained. Furthermore, as a result, the effect of enhancing the usefulness of the invention of
続いて、請求項3の発明の効果を説明する。慣性を有する電動機の回転速度は連続的に変化せざるを得ない。本特性は、速度如何に拘わらず成立する。すなわち、電圧制限を考慮する必要のある高速駆動時にも、本特性は成立する。高速駆動時の速度が連続的に変化
連続的に変化することになる。ひいては、本発明が新規に提示した(6)式が示すように、位相決定器用インダクタンスもLi^も、基本的に連続的に変化することになる。位相決定器用インダクタンスが連続的に変化する場合、繰り返し計算による算定が可能となる(この実例は、実施形態例の欄で詳しく説明する)。繰り返し計算によれば、比較的低い計算量で、駆動状況(印加電圧、電圧制限、電流等の状況)に合致した位相決定器用インダクタンスが決定できるようになる。Next, the effect of the invention of
It will change continuously. As a result, as the equation (6) newly presented by the present invention shows, both the phase determiner inductance and Li ^ basically change continuously. When the phase determiner inductance continuously changes, it is possible to perform calculation by repeated calculation (this example will be described in detail in the section of the embodiment). According to the iterative calculation, it becomes possible to determine the inductance for the phase determiner that matches the driving condition (applied voltage, voltage limit, current, etc.) with a relatively low calculation amount.
請求項3の発明によれば、位相決定器用インダクタンスの負値を、繰返し計算を少なくとも部分的に用い定めるようにしている。上の説明より既に明らかにように、本発明によれば、少ない計算量で、駆動状況(印加電圧、電圧制限、電流等の状況)に合致した位相決定器用インダクタンスを決定できるようになると言う効果が得られる。ひいては、請求項1の発明の有用性を高めるという効果が得られる。 According to the invention of
続いて、請求項4の発明の効果を説明する。回転子磁束あるいは誘起電圧あるいは拡張誘起電圧を、推定器(状態オブザーバ、外乱オブザーバあるいはD因子フィルタ)に用いて推定する場合を考える。これら推定器に真のインダクタンスを用いる場合には、これら推定器は回転子磁束等を正しく推定する。しかも、これら推定器の特性は、既によく解析されており、(6)式の特性をも有している。請求項1、請求項2、請求項3の発明に関する最重要な基本式は、本発明が新規に提示した(6)式である。 Next, the effect of the invention of
請求項4の発明は、真の固定子インダクタンスを利用した場合には回転子磁束あるいは誘起電圧あるいは拡張誘起電圧を適切に推定しうる推定器に、真の固定子インダクタンス(正値)とは異なる負値の位相決定器用インダクタンスを用いて、位相決定工程を構成しすることを要請する。請求項4の発明によれば、よく特性を解析された推定器を直ちに利用することができ、ひいては、請求項1、請求項2、請求項3の発明に関する最重要な基本である(6)式の成立を保証できるようになり、この結果、請求項1、請求項2、請求項3の発明の効果を実効力のある形で直ちに得ることができると言う効果が得られる。 The invention of
続いて、請求項5の発明の効果を説明する。位相決定工程に使用する信号(特に固定子電流相当値)としては、種々の座標系上の信号を用いることが可能である。すなわち、2軸直交座標系上の二相信号、3軸座標系上の三相信号を用いて構成することも可能である。また、二相信号としては、αβ固定座標系上の、dq同期座標系上の、γδ制御座標系上の、あるいは他の2軸直交座標系上の信号を考えることもできる。この中で、請求項1または請求項2または請求項3の発明における位相決定工程を最も簡単・平易に遂行しうる信号は、αβ固定座標系上またはγδ制御座標系上の二相信号を用いる場合である。 Next, the effect of the invention of claim 5 will be described. Signals on various coordinate systems can be used as signals (especially stator current equivalent values) used in the phase determination process. That is, it is also possible to configure using a two-phase signal on a two-axis orthogonal coordinate system and a three-phase signal on a three-axis coordinate system. As the two-phase signal, a signal on the αβ fixed coordinate system, on the dq synchronous coordinate system, on the γδ control coordinate system, or on another two-axis orthogonal coordinate system can be considered. Among these, the signal that can perform the phase determination step in the invention of
請求項5の発明は、位相決定器のための信号として、αβ固定座標系上あるいはγδ制御座標系上の固定子電流相当値を少なくとも用い、位相決定工程を構成したことを要請する。従って、上の説明より既に明らかなように、請求項5の発明によれば、使用信号の観点から最も簡単に位相決定工程を遂行できると言う効果が得られ、ひいては、請求項1、請求項2、請求項3の発明の効果を使用信号の観点から最も簡単に得ることができると言う効果が得られる。 The invention of claim 5 requires that the phase determination step is configured using at least a stator current equivalent value on the αβ fixed coordinate system or the γδ control coordinate system as a signal for the phase determiner. Therefore, as is apparent from the above description, according to the invention of claim 5, the effect that the phase determining step can be most easily performed from the viewpoint of the used signal can be obtained. 2. The effect that the effect of the invention of
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
永久磁石同期電動機に対し本発明の駆動制御方法を適用した駆動制御装置の1実施形態例の基本的構造を図2に示す。図13に示した従来の駆動制御装置に対する本装置の違いは、第1に位相決定器2の構成にある。違いの第2は、指令変換器が存在せず、速度制御器10の出力が直接、δ軸電流指令値になり、かつ、γ軸電流指令値は、常時ゼロがセットされている点にある。図2においては、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、γδ制御座標系上の信号である。本事実を明示すべく、これら信号の脚符にγ、δを付している。一方、図13では、ベクトル回転器の左側に存在する固定子電圧、電流の信号は、dq同期座標系上の信号であった。この相違には、特に注意されたい。他の構成機器に関しては、従来の駆動制御装置と本装置との違いは、無い。 FIG. 2 shows a basic structure of an embodiment of a drive control apparatus in which the drive control method of the present invention is applied to a permanent magnet synchronous motor. The difference of this apparatus from the conventional drive control apparatus shown in FIG. The second difference is that there is no command converter, the output of the
指令変換器を要しない図2の核心は位相決定器2にある。図3は、非特許文献1によって示された位相決定器を、本発明に従って改良・構成し直したものである。位相決定器における従来との外的違いは、位相決定器が電力変換器からバス電圧vdcを得ている点にある。位相決定器2は、内的には、可変インダクタンス付き推定器(可変インダクタンス機能を備えた状態オブザーバ、外乱オブザーバ、D因子フィルタ等)2aと位相同期器から構成されている。位相同期器の構成は、非特許文献1に詳しく解説されているものと基本的に同一であるので、この説明は省略する。 The core of FIG. 2 that does not require a command converter is the
図4は、可変インダクタンス付き推定器2aの内部構造を示したものであり、これはインダクタンス選定部2a−1と推定器部2a−2とから構成されている。可変インダクタンス付き推定器2aへの入力信号は、固定子電流相当値としての固定子電流実測値i1、固定子電圧相当値としての固定子電圧指令値v1*、電圧制限相当値としての電力変換器バス電圧実測値vdc、回転子速度相当値としての回転速度推定値ω2n^、γδ制御座標系の速度ωγの5種である。回転子速度推定値とγδ座標系速度とは、位相決定器内部(より正確には、位相同期器)で生成したものを再利用している。 FIG. 4 shows the internal structure of the
図5は、推定器部2a−2として、元来、回転子磁束を推定すべく開発された最小次元状態オブザーバを用いた1実施形態例の構造を示したものである。基本的構造は、非特許文献1と同一である。このため、この基本構造に関する詳細説明は省略する。非特許文献1による最小次元状態オブザーバと本発明による推定器部2a−2の唯一の違いは、固定子反作用磁束算定ブッロク2a−2aにおける位相決定器用インダクタンスLi^の導入である。非特許文献1では、固定子反作用磁束算定ブッロクに利用するインダクタンス値としては、d軸、q軸インダクタンスの真値あるいはこれに準じた値を利用することを前提としている。これに対して、本発明によるブッロク2a−2aでは、d軸、q軸の両軸のインダクタンスに対して、真値とは異なる、負値をとりうる位相決定器用インダクタンスを意図して用いている。最小次元状態オブザーバ2aの構成に関しては、他に相違はない。本実施形態では、γ軸電流を実質的にゼロ制御しているので、γ軸に対応するインダクタンスとしては任意でよい。δ軸対応のインダクタンス(すなわち、本来の位相決定器用インダクタンス)は、インダクタンス選定部から得たもの(負値をとりうる)を利用するようにしている。 FIG. 5 shows the structure of an embodiment using the minimum dimensional state observer originally developed to estimate the rotor magnetic flux as the
図5を用いた実施形態例では、推定器部2a−2として、元来、回転子磁束を推定すべく開発された最小次元状態オブザーバを用いたが、これに代わって、回転子磁束を推定すべく開発された同一次元状態オブザーバ、D因子フィルタを用いてもよい。また、元来、誘起電圧、拡張誘起電圧を推定すべき開発された最小次元状態オブザーバ、外乱オブザーバ、D因子フィルタを用いてもよい。これらを利用する場合の要点は、固定子反作用磁束に関連したインダクタンス値として、q軸インダクタンスの真値(正値)に代わって、負値の位相決定器用インダクタンスを利用するようにすればよい。同一次元状態オブザーバ、外乱オブザーバ、D因子フィルタに関しては、非特許文献1に詳しく説明されているので、これ以上の説明は省略する。 In the embodiment using FIG. 5, the minimum dimension state observer originally developed to estimate the rotor magnetic flux is used as the
続いて、請求項1の発明に加え、請求項2の発明に基づき構成されたインダクタンス選定部2a−1について説明する。まず最初に、(13)式に立脚した位相決定器用インダクタンスの選定法を図6に示した。電力変換器バス電圧vdcを得たならば、これより電圧制限値cvを算定する。簡単には、図6に示したように、√2で除すればよい。電圧制限値を更に速度推定値で除して信号cv/ω2n^を生成する。この値とδ軸電流の絶対値を(11)式の第3式に用い信号βを生成する。生成信号βを(13)式に用いれば、所期の位相決定器用インダクタンスLi^を得ることができる。本実施例は、位相決定器用インダクタンスを得るための入力信号として、電力変換器のバス電圧、回転子速度推定値、固定子電流(δ軸電流)を利用する例となっている。換言するならば、固定子電圧相当値は利用しない例となっている。 Subsequently, in addition to the invention of
(11)式の第3式に従い信号βを制御周期ごとに生成する場合には、演算負荷の大きい平方根計算の実施を制御周期ごとに要求される。演算負荷の増加を回避するには、信号cv/ω2n^とδ軸電流との2信号を参照信号とする2次元テーブルを予め作成し、本テーブルを用いて、信号βを出力するようにすればよい。2次元テーブルは、適当な信号間隔で作成しておき、間隔内の参照信号に対する出力信号βは、関数近似的手法で生成すればよい。 When the signal β is generated for each control period according to the third expression of the expression (11), it is required to perform a square root calculation with a large calculation load for each control period. In order to avoid an increase in the computation load, a two-dimensional table using the signal cv / ω2n ^ and the δ-axis current as reference signals is created in advance, and the signal β is output using this table. That's fine. The two-dimensional table may be created at an appropriate signal interval, and the output signal β for the reference signal within the interval may be generated by a function approximation method.
続いて、請求項1と請求項2の発明に加えて請求項3の本発明に基づき構成されたインダクタンス選定部2a−1について説明する。本発明に関する最重要基本式である(6)式は、次の(14)式のように書き改めることができる。
この具体的実現の1つは、繰返し算定を制御周期ごとに実施するとするならば、次式で与えることができる。
(15)式の選定法に従うならば、次の関係が保証される。
(15)式が示す内容を図7に描画した。図より明白なように、本実施例は、位相決定器用インダクタンスを得るための入力信号として、電力変換器のバス電圧、固定子電圧指令値(固定子電圧相当値)、固定子電流(δ軸電流)を利用する例となっている。すなわち、回転子速度相当値は利用しない例となっている。 The contents indicated by the equation (15) are drawn in FIG. As is apparent from the figure, in this embodiment, as input signals for obtaining the phase determiner inductance, the bus voltage of the power converter, the stator voltage command value (stator voltage equivalent value), the stator current (δ axis) Current). That is, the rotor speed equivalent value is not used.
(14)式に基づく他の具体的実現として、繰返し算定を制御周期ごとに実施するとするならば、次式で与えることができる。
重要基本式である(6)式から得られた(8)式を活用するならば、(15)式の位相決定器用インダクタンスの繰返し計算による算定方法を、以下のよう簡略化することも可能である。
(18)式に代わって、位相決定器用インダクタンスの繰返し計算による算定方法を、以下のように簡略化することも可能である。
位相決定器をαβ固定座標系上で構成する場合を考える。この場合の代表的構成例を図11に示した。図11は、非特許文献1によって示された位相決定器を、本発明に従って改良・構成し直したものである。位相決定器における従来との外的違いは、位相決定器が電力変換器からバス電圧vdcを得ている点にある。位相決定器2は、内的には、可変インダクタンス付き推定器(可変インダクタンス機能を備えた状態オブザーバ、外乱オブザーバ、D因子フィルタ等)2aと電気速度推定器から構成されている。電気速度推定器の構成は、非特許文献1に詳しく解説されているものと基本的に同一であるので、この説明は省略する。 Consider the case where the phase determiner is configured on an αβ fixed coordinate system. A typical configuration example in this case is shown in FIG. FIG. 11 shows the phase determiner shown in
αβ固定座標系上で構成された位相決定器2に利用する可変インダクタンス付き推定器2aの内部構造は、図4に示したγδ制御座標系のものと同様である。すなわち、これはインダクタンス選定部2a−1と推定器部2a−2とから構成されている。可変インダクタンス付き推定器2aへの入力信号は、固定子電流相当値としての固定子電流実測値i1、固定子電圧相当値としての固定子電圧指令値v1*、電圧制限相当値としての電力変換器バス電圧実測値vdc、回転子速度相当値としての回転速度推定値ω2n^の4種である。回転子速度推定値は、位相決定器内部(より正確には、電気速度推定器)で生成したものを再利用している。この実施形態例での固定子電流相当値、固定子電圧相当値は、αβ固定座標系上のものである点には、注意されたい。 The internal structure of the
図12は、推定器部2a−2として、元来、誘起電圧あるいは拡張誘起電圧を推定すべく開発された1次外乱オブザーバを用いた1実施形態例の構造を示したものである。基本的構造は、非特許文献1と同一である。このため、この基本構造に関する詳細説明は省略する。非特許文献1による1次外乱オブザーバと本発明による推定器部2a−2の唯一の違いは、固定子反作用磁束算定ブッロク2a−2aにおける位相決定器用インダクタンスLi^の導入である。非特許文献1では、固定子反作用磁束算定ブッロクに利用するインダクタンス値としては、固定子インダクタンスの真値あるいはこれに準じた値を利用することを前提としている。これに対して、本発明によるブッロク2a−2aでは、真値とは異なる負値の推定器用インダクタスを意図して用いている。 FIG. 12 shows the structure of an embodiment using a primary disturbance observer originally developed to estimate an induced voltage or an extended induced voltage as the
図12を用いた実施形態例では、推定器部2a−2として、元来、誘起電圧あるいは拡張誘起電圧を推定すべく開発された1次外乱オブザーバを用いたが、これに代わって、誘起電圧あるいは拡張誘起電圧を推定すべく開発された、最小次元状態オブザーバ、D因子フィルタを用いてもよい。また、元来、回転子磁束を推定すべき開発された最小次元状態オブザーバ、同一次元状態オブザーバ、D因子フィルタを用いてもよい。これらを利用する場合の要点は、固定子反作用磁束に関連したインダクタンス値として、固定子インダクタンスの真値(正値)に代わって、負値の位相決定器用インダクタンスを利用するようにすればよい。最小次元状態オブザーバ、同一次元状態オブザーバ、D因子フィルタに関しては、非特許文献1に詳しく説明されているので、これ以上の説明は省略する。 In the embodiment using FIG. 12, the primary disturbance observer originally developed to estimate the induced voltage or the extended induced voltage is used as the
αβ固定座標系上のインダクタンス選定部の構成は、γδ制御座標系上のものと同様である(図6〜10、同関連説明参照)。図6〜10においてはδ軸電流の絶対値を利用したが、αβ固定座標系上の構成においては、本絶対値はαβ固定座標系上の固定子電流(ベクトル量)のノルム値として得ることができる。なお、インダクタンス選定部で使用するδ軸電流相当値の絶対値に限って、電流制御器が存在するγδ制御座標系上のδ軸電流相当値を利用してよい。 The configuration of the inductance selection unit on the αβ fixed coordinate system is the same as that on the γδ control coordinate system (see FIGS. 6 to 10 and the related description). 6 to 10, the absolute value of the δ-axis current is used. However, in the configuration on the αβ fixed coordinate system, this absolute value can be obtained as the norm value of the stator current (vector quantity) on the αβ fixed coordinate system. Can do. Note that the δ-axis current equivalent value on the γδ control coordinate system in which the current controller exists may be used only for the absolute value of the δ-axis current equivalent value used in the inductance selection unit.
γδ制御座標系、αβ固定座標系のいずれの座標系上でインダクタンス選定部を構成する場合にも、この適切な構成には、δ軸電流相当値の絶対値を用いることになる。図4を利用した実施例においては、この信号としてδ軸電流実測値の絶対値(固定子電流実測値のノルム)を利用した。δ軸電流相当値の絶対値として、δ軸電流相当値として同電流指令値を用意し、この絶対値を利用してもよい。 Even when the inductance selection unit is configured on either the γδ control coordinate system or the αβ fixed coordinate system, the absolute value of the δ-axis current equivalent value is used for this appropriate configuration. In the embodiment using FIG. 4, the absolute value of the measured δ-axis current value (norm of the measured stator current value) was used as this signal. As the absolute value of the δ-axis current equivalent value, the same current command value may be prepared as the δ-axis current equivalent value, and this absolute value may be used.
図2は、速度制御モードの実施形態例であるが、トルク制御モードに準じた準トルク制御モードを遂行することも可能である。準トルク制御モードでは、δ軸電流指令値を直接外部より与えるようにすればよい。 FIG. 2 shows an embodiment of the speed control mode, but it is also possible to perform a quasi-torque control mode according to the torque control mode. In the quasi-torque control mode, the δ-axis current command value may be directly given from the outside.
図2に示した実施形態例では、電流制御はフィードバック的に行なっている。電流制御をフィードフォワード的に行なう場合にも本発明は適用可能であり、フィードバック的な電流制御の場合と同一の効果を得ることができる。 In the embodiment shown in FIG. 2, the current control is performed in a feedback manner. The present invention can also be applied to the case where the current control is performed in a feedforward manner, and the same effect as in the case of the feedback current control can be obtained.
本発明によるインダクタンス選定部を含む位相決定器は、アナログ的に実現可能であるが、最近のディジタル技術の著しい進歩を考えるとディジタル的に構成することが好ましい。ディジタル構成はハードウェア的構成とソフトウェア的構成があるが、当業者にとっては既に自明のように本発明はいずれでも構成できる。以上、本発明に関し、各種の図を利用しつつ多種多様な実施形態例を詳しく説明した。 The phase determiner including the inductance selecting unit according to the present invention can be realized in an analog manner, but it is preferable that the phase determiner be configured digitally in view of the remarkable progress of recent digital technology. Although the digital configuration includes a hardware configuration and a software configuration, as will be apparent to those skilled in the art, any of the present invention can be configured. The present invention has been described in detail with reference to various embodiments using various drawings.
本発明は、定格速度を超える高速域でセンサレス駆動が望まれる用途に広く活用することができる。 The present invention can be widely used in applications where sensorless driving is desired in a high speed range exceeding the rated speed.
1 永久磁石同期電動機
2 位相決定器
2a 可変インダクタンス付き推定器
2a−1 インダクタンス選定部
2a−2 推定器部
2a−2a 固定子反作用磁束算定ブロック
3 電力変換器
4 電流検出器
5a 3相2相変換器
5b 2相3相変換器
6a ベクトル回転器
6b ベクトル回転器
7 余弦正弦信号発生器
8 電流制御器
9 指令変換器
10 速度制御器
11 機械速度推定器DESCRIPTION OF
Claims (5)
ベクトル回転器あるいはベクトル回転器内蔵変換器によって指定されたγδ制御座標系上で固定子電流を評価した場合にγ軸、δ軸の何れか一方の軸電流が実質的にゼロになるように該電流制御工程を構成し、かつ、非ゼロの他軸電流に対応した位相決定器用インダクタンスとして真のインダクタンスと異なる値を用いて該位相決定工程を構成する、正値のd軸インダクタンス(Ld>0)と正値のq軸インダクタンス(Lq>0)とをもつ永久磁石同期電動機の駆動制御方法であって、
該位相決定工程を状態オブザーバ、外乱オブザーバ、D因子フィルタまたはこれらに準じた機器を用いて構成し、該構成に利用する該位相決定器用インダクタンスを負値に選定するようにしたことを特徴とする正値のd軸インダクタンス(Ld>0)と正値のq軸インダクタンス(Lq>0)とをもつ永久磁石同期電動機の駆動制御方法。Used in the current control process that controls the stator current that contributes to torque generation in a feedback or feed-forward manner using a vector rotator or a converter with a built-in vector rotator, and a vector rotator or a converter with a built-in vector rotator A phase determining step for determining a phase to be performed,
When the stator current is evaluated on the γδ control coordinate system specified by the vector rotator or the vector rotator built-in converter, the γ-axis or δ-axis current will be substantially zero. A positive d-axis inductance (Ld> 0) that constitutes a current control step and constitutes the phase determination step using a value different from a true inductance as a phase determiner inductance corresponding to a non-zero other-axis current. ) And a positive value q-axis inductance (Lq> 0) .
The phase determining step is configured using a state observer, a disturbance observer, a D-factor filter, or a device conforming thereto, and the phase determiner inductance used for the configuration is selected as a negative value. A drive control method for a permanent magnet synchronous motor having a positive d-axis inductance (Ld> 0) and a positive q-axis inductance (Lq> 0) .
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