JP6573213B2 - Control device for permanent magnet type synchronous motor - Google Patents

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本発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは制御の安定性を向上させる技術に関するものである。   The present invention relates to a control device for a permanent magnet type synchronous motor having no magnetic pole position detector, and more particularly to a technique for improving the stability of control.

永久磁石形同期電動機の制御装置をコストダウンするため、回転子の磁極位置を検出するための磁極位置検出器を使用しないで運転する、いわゆるセンサレスベクトル制御が実用化されている。センサレスベクトル制御は、電動機の端子電圧や電流の情報から回転子の磁極位置と速度とを演算し、これらに基づいて電流制御を行ってトルク制御や速度制御を実現するものである。   In order to reduce the cost of a control device for a permanent magnet type synchronous motor, so-called sensorless vector control that operates without using a magnetic pole position detector for detecting the magnetic pole position of a rotor has been put into practical use. In the sensorless vector control, the magnetic pole position and speed of the rotor are calculated from information on the terminal voltage and current of the electric motor, and current control is performed based on these to realize torque control and speed control.

例えば、非特許文献1には、埋込磁石構造の同期電動機の位置センサレスベクトル制御において、回転子の磁極方向に対して直交方向に発生する拡張誘起電圧を演算し、拡張誘起電圧演算値から磁極位置の推定誤差を検出すると共に、この磁極位置推定誤差を利用して磁極位置及び速度を演算することが記載されている。
しかしながら、非特許文献1に記載されているセンサレスベクトル制御では、低速時の安定性に問題がある。このため、低速域においては、例えば特開2001−190093号公報に記載されているように、電流の振幅を一定として電流の角速度を速度指令値に制御し、永久磁石形同期電動機の回転子を電流に引き込んで運転する技術が適用されることがある。このような運転方式を、以下では「電流引込制御」という。
For example, in Non-Patent Document 1, in position sensorless vector control of a synchronous motor having an embedded magnet structure, an expansion induced voltage generated in a direction orthogonal to the magnetic pole direction of the rotor is calculated, and the magnetic pole is calculated from the expansion induced voltage calculation value. It is described that a position estimation error is detected and the magnetic pole position and velocity are calculated using this magnetic pole position estimation error.
However, the sensorless vector control described in Non-Patent Document 1 has a problem in stability at low speed. For this reason, in the low speed range, as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-190093, the current angular velocity is controlled to a speed command value, and the rotor of the permanent magnet type synchronous motor is operated. A technique of operating by drawing in an electric current may be applied. Hereinafter, such an operation method is referred to as “current drawing control”.

上記のように、電動機の速度に応じて制御方式を使い分ければ安定した制御が可能になるが、制御方式の切替時にショックが発生すると円滑な加減速運転が困難になるため、制御方式をショックレスにて切り替えることが望ましい。
このような観点から、例えば特許第5277724号公報に記載された制御装置では、電流引込制御からセンサレスベクトル制御への切り替え時に、電動機の電流、端子電圧、電流指令値の角速度から拡張誘起電圧を演算し、拡張誘起電圧の角度から磁極位置推定誤差を演算して磁極位置推定値を初期化すると共に、電流指令値の角速度を用いて速度推定値を初期化し、前記磁極位置推定誤差を用いて、電動機の端子電圧や電流が急変しないようにこれらの指令値を初期化し、電動機の電流、拡張誘起電圧及び電流指令値の角速度から演算したトルクを用いてトルク指令値を初期化することにより、ショックレスの切り替えを可能にしている。
As described above, stable control is possible if the control method is selected according to the speed of the motor. However, if a shock occurs during switching of the control method, smooth acceleration / deceleration operation becomes difficult. It is desirable to switch with less.
From such a viewpoint, for example, in the control device described in Japanese Patent No. 5277724, the expansion induced voltage is calculated from the current of the motor, the terminal voltage, and the angular velocity of the current command value when switching from the current pull-in control to the sensorless vector control. Then, the magnetic pole position estimation error is calculated from the angle of the expansion induced voltage to initialize the magnetic pole position estimation value, the speed estimation value is initialized using the angular velocity of the current command value, and the magnetic pole position estimation error is used. These command values are initialized so that the terminal voltage and current of the motor do not change suddenly, and the torque command value is initialized using the torque calculated from the motor current, the expansion induced voltage and the angular velocity of the current command value. The switch is possible.

田中康司,三木一郎,「拡張誘起電圧を用いた埋込磁石同期電動機の位置センサレス制御」,電気学会論文誌D,Vol.125,No.9,p.833−p.838,2005年Koji Tanaka and Ichiro Miki, “Position Sensorless Control of Embedded Magnet Synchronous Motor Using Extended Inductive Voltage”, IEEJ Transactions D, Vol.125, No.9, p.833-p.838, 2005

さて、電流引込制御において電動機の最大トルクを大きくするためには、原理的に、回転子の磁極方向と平行方向の電流であるd軸電流を大きくするように制御する必要がある。
一方、非特許文献1によるセンサレスベクトル制御を安定的に行うためには、この文献に(5)式として記載された下記の拡張誘起電圧Eexが十分大きい必要がある。
ex=(L−L)(ωi−pi)+ωK
この演算式において、Lはd軸インダクタンス、Lはq軸インダクタンス、ωは回転子角速度、iはd軸電流、iはq軸電流、pは微分演算子、Kは誘起電圧定数である。
埋込磁石構造の同期電動機では、d軸インダクタンスLよりもq軸インダクタンスLの方が大きいため、上記の式によれば、d軸電流iが正方向に大きい場合には拡張誘起電圧Eexが小さくなり、結果としてセンサレスベクトル制御の安定性が低下する。
In order to increase the maximum torque of the motor in the current pull-in control, in principle, it is necessary to perform control so as to increase the d-axis current that is a current parallel to the magnetic pole direction of the rotor.
On the other hand, in order to stably perform the sensorless vector control according to Non-Patent Document 1, the following extended induced voltage E ex described as the equation (5) in this document needs to be sufficiently large.
E ex = (L d −L q ) (ω i d −pi q ) + ωK E
In this equation, L d is a d-axis inductance, L q is a q-axis inductance, ω is a rotor angular velocity, i d is a d-axis current, i q is a q-axis current, p is a differential operator, and KE is an induced voltage. It is a constant.
In a synchronous motor having an embedded magnet structure, the q-axis inductance L q is larger than the d-axis inductance L d, and according to the above formula, when the d-axis current id is large in the positive direction, the expansion induced voltage E ex becomes small, and as a result, the stability of the sensorless vector control is lowered.

従って、非特許文献1に記載された技術では、電流引込制御からセンサレスベクトル制御に切り替えた直後の安定性に問題があり、これを解決することが求められている。
そこで、本発明の解決課題は、d軸電流が大きい場合であってもセンサレスベクトル制御を安定的に実現可能とした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。
Therefore, in the technique described in Non-Patent Document 1, there is a problem in stability immediately after switching from current pull-in control to sensorless vector control, and it is required to solve this.
Therefore, a problem to be solved by the present invention is to provide a control device for a permanent magnet type synchronous motor capable of stably realizing sensorless vector control even when the d-axis current is large.

上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、磁極位置検出器を用いずに演算により永久磁石形同期電動機の回転子の速度及び磁極位置を推定し、これらの推定値に基づいて前記電動機の電機子電流を制御することにより前記電動機のトルク及び速度を制御する制御装置において、
前記電動機の電流、端子電圧をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の磁極位置推定誤差を演算する位置推定誤差演算手段と、前記磁極位置推定誤差から前記電動機の速度を推定する速度推定手段と、速度推定値を積分して前記磁極位置を推定する積分手段と、を有し、
前記位置推定誤差演算手段は、
前記電動機の電流、端子電圧相当値、及び速度推定値を用いて第1の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算手段と、前記回転子の磁極と平行方向の電流であるd軸電流、前記速度推定値、及び前記第1の拡張誘起電圧を用いて第2の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧補償手段と、前記第2の拡張誘起電圧を用いて前記磁極位置推定誤差を演算する角度差演算手段と、を備え、
前記拡張誘起電圧補償手段は、
前記d軸電流が第1の閾値以下のときに、前記第1の拡張誘起電圧演算値に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧値を演算し、前記d軸電流が前記第1の閾値より大きい第2の閾値以上のときに、前記電動機の誘起電圧に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧を演算するものである。
これにより、d軸電流が大きい場合にも、センサレスベクトル制御を安定的に実現することができる。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 estimates the rotor speed and magnetic pole position of a permanent magnet synchronous motor by calculation without using a magnetic pole position detector, and based on these estimated values, In a control device that controls the torque and speed of the motor by controlling the armature current of the motor,
Taking the current and terminal voltage of the motor as vectors,
Position estimation error calculation means for calculating the magnetic pole position estimation error of the motor, speed estimation means for estimating the speed of the electric motor from the magnetic pole position estimation error, and integration means for estimating the magnetic pole position by integrating a speed estimated value And having
The position estimation error calculation means includes
Expansion induced voltage calculation means for calculating a first expansion induced voltage using the current of the motor, the terminal voltage equivalent value, and the estimated speed value; a d-axis current that is a current parallel to the magnetic pole of the rotor; An extension induced voltage compensation means for calculating a second extension induced voltage using the estimated speed value and the first extension induced voltage, and an angle for calculating the magnetic pole position estimation error using the second extension induced voltage. Difference calculating means,
The extended induced voltage compensation means includes
When the d-axis current is equal to or smaller than the first threshold, the second expansion induced voltage value is calculated to be equal to the first expansion induced voltage calculation value, and the d-axis current is calculated from the first threshold value. The second expansion induced voltage is calculated so as to be equal to the induced voltage of the electric motor when it is equal to or larger than the larger second threshold value.
Thereby, even when the d-axis current is large, sensorless vector control can be stably realized.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記位置推定誤差演算手段は、前記d軸電流が前記第1の閾値以下のときに零となり、前記d軸電流が第2の閾値以上のときに1となる重み係数を演算する手段を備えると共に、前記重み係数、前記速度推定値、前記d軸電流、及び前記第1の拡張誘起電圧演算値を用いて、前記第2の拡張誘起電圧演算値を演算するものである。   According to a second aspect of the present invention, in the control device for the permanent magnet type synchronous motor according to the first aspect, the position estimation error calculating means becomes zero when the d-axis current is equal to or less than the first threshold, means for calculating a weighting factor that becomes 1 when the d-axis current is equal to or greater than the second threshold, and the weighting factor, the speed estimation value, the d-axis current, and the first expansion induced voltage calculation value And calculating the second expansion induced voltage calculation value.

請求項3に係る発明は、請求項2に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記速度推定手段は比例調節器を備え、前記比例調節器における比例ゲインの上限値を前記重み係数の関数とした前記速度推定手段は比例調節器を備え、前記比例調節器における比例ゲインの上限値を前記重み係数の関数としたものである。   According to a third aspect of the present invention, in the control device for a permanent magnet synchronous motor according to the second aspect, the speed estimation means includes a proportional regulator, and an upper limit value of the proportional gain in the proportional regulator is set to the weight coefficient. The speed estimation means as a function includes a proportional regulator, and an upper limit value of the proportional gain in the proportional regulator is a function of the weight coefficient.

本発明によれば、電流引込制御からセンサレスベクトル制御への切り替え時のように、大きなd軸電流が流れている状態でセンサレスベクトル制御移行する場合の安定性を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to improve stability when shifting to sensorless vector control while a large d-axis current is flowing, such as when switching from current pull-in control to sensorless vector control.

本発明の実施形態を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows embodiment of this invention. d,q軸及びγ,δ軸の定義を示すベクトル図である。It is a vector diagram showing the definition of d, q axis and γ, δ axis. 本発明の実施形態における重み係数を演算するための補償関数の説明図である。It is explanatory drawing of the compensation function for calculating the weighting coefficient in embodiment of this invention.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態を示す制御ブロック図である。
永久磁石形同期電動機(以下、PMSMともいう)は、回転子に同期した直交回転座標を構成するd,q軸上で制御を行うことで、高性能なトルク制御や速度制御を実現することができる。ここで、d,q軸については、回転子のN極に平行な方向をd軸と定義し、このd軸から90°進み方向をq軸と定義する。しかしながら、磁極位置検出器を用いないでPMSMを運転するセンサレス制御の場合、d,q軸の位置を直接検出することができないので、制御装置はd,q軸の推定軸であるγ,δ軸を内部に仮想し、電流,電圧の制御演算をγ,δ軸上で行っている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a control block diagram showing an embodiment of the present invention.
A permanent magnet type synchronous motor (hereinafter also referred to as PMSM) can realize high-performance torque control and speed control by performing control on the d and q axes constituting orthogonal rotation coordinates synchronized with the rotor. it can. Here, for the d and q axes, the direction parallel to the N pole of the rotor is defined as the d axis, and the direction advanced by 90 ° from the d axis is defined as the q axis. However, in the case of sensorless control in which the PMSM is operated without using the magnetic pole position detector, the positions of the d and q axes cannot be directly detected. Are controlled internally, and current and voltage control calculations are performed on the γ and δ axes.

前後するが、図2はd,q軸及びγ,δ軸の定義を示すベクトル図である。図2に示すように、d,q軸の角速度をω(回転子速度)と定義し、γ,δ軸の角速度(速度推定値)をωと定義する。
また、PMSMのu相巻線を基準としたγ軸の角度(磁極位置推定値)θとu相巻線を基準としたd軸の角度(磁極位置)θとの角度差(位置推定誤差)θerrを、数式1により定義する。

Figure 0006573213
FIG. 2 is a vector diagram showing the definition of the d, q axis and the γ, δ axis. As shown in FIG. 2, the angular velocities of the d and q axes are defined as ω r (rotor speed), and the angular velocities (speed estimated values) of the γ and δ axes are defined as ω 1 .
Also, the angle difference (position estimation) between the angle of the γ-axis (magnetic pole position estimated value) θ 1 with respect to the u-phase winding of PMSM and the angle of the d-axis (magnetic pole position) θ r with reference to the u-phase winding. Error) θ err is defined by Equation 1.
Figure 0006573213

次に、図1の制御ブロック図に基づいて、制御装置の構成及び動作について説明する。
まず、PMSM80の速度制御、電流制御、及び電圧制御に関する部分について説明する。
図1において、減算器16は速度指令値ω と速度推定値ωとの偏差を求め、速度調節器17は、上記偏差がゼロになるようにトルク指令値τを演算する。電流指令演算器18は、トルク指令値τに基づいて所望のトルクを発生するd軸電流指令値i 及びq軸電流指令値i を演算し、これらの指令値はそれぞれγ軸電流指令値iγ ,δ軸電流指令値iδ として制御に用いられる。
Next, the configuration and operation of the control device will be described based on the control block diagram of FIG.
First, parts relating to speed control, current control, and voltage control of the PMSM 80 will be described.
In FIG. 1, a subtractor 16 obtains a deviation between the speed command value ω r * and the speed estimated value ω 1, and a speed regulator 17 calculates a torque command value τ * so that the deviation becomes zero. The current command calculator 18 calculates a d-axis current command value i d * and a q-axis current command value i q * for generating a desired torque based on the torque command value τ *. The current command value i γ * and the δ-axis current command value i δ * are used for control.

一方、u相電流検出器11u,w相電流検出器11wによりそれぞれ検出したu相電流検出値i,w相電流検出値iは座標変換器14に入力され、磁極位置推定値θを用いてγ軸電流検出値iγ,δ軸電流検出値iδに座標変換される。
減算器19aによりγ軸電流指令値iγ とγ軸電流検出値iγとの偏差を求め、この偏差がゼロになるようにγ軸電流調節器20aがγ軸電圧指令値vγ を生成する。また、減算器19bによりδ軸電流指令値iδ とδ軸電流検出値iδとの偏差を求め、この偏差がゼロになるようにδ軸電流調節器20bがδ軸電圧指令値vδ を生成する。
On the other hand, the u-phase current detection value i u and the w-phase current detection value i w detected by the u-phase current detector 11 u and the w-phase current detector 11 w are input to the coordinate converter 14, and the magnetic pole position estimated value θ 1 is obtained. The coordinate is converted into a detected γ-axis current value i γ and a detected δ-axis current value i δ .
The subtractor 19a obtains the deviation between the γ-axis current command value i γ * and the detected γ-axis current value i γ, and the γ-axis current regulator 20a calculates the γ-axis voltage command value v γ * so that this deviation becomes zero. Generate. Further, the subtractor 19b obtains a deviation between the δ-axis current command value i δ * and the δ-axis current detection value i δ, and the δ-axis current regulator 20b causes the δ-axis voltage command value v δ to be zero. * Is generated.

座標変換器15は、磁極位置推定値θを用いて、γ軸電圧指令値vγ ,δ軸電圧指令値vδ を相電圧指令値v ,v ,v に座標変換する。PWM回路13は、相電圧指令値v ,v ,v に基づいて、インバータ等の電力変換器70の半導体スイッチング素子に与えるゲート信号を生成する。 The coordinate converter 15 converts the γ-axis voltage command value v γ * and the δ-axis voltage command value v δ * into the phase voltage command values v u * , v v * , and v w * using the magnetic pole position estimated value θ 1. Convert coordinates. The PWM circuit 13 generates a gate signal to be supplied to the semiconductor switching element of the power converter 70 such as an inverter based on the phase voltage command values v u * , v v * , v w * .

整流回路60は、三相交流電源50の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換し、電力変換器70に供給する。
電力変換器70は、PWM回路13から出力されたゲート信号に基づいて半導体スイッチング素子を制御し、PMSM80の端子電圧を相電圧指令値v ,v ,v に制御する。
以上の制御により、PMSM80の速度を速度指令値ω に制御することができる。
The rectifier circuit 60 rectifies the three-phase AC voltage of the three-phase AC power supply 50 to convert it into a DC voltage, and supplies the DC voltage to the power converter 70.
The power converter 70 controls the semiconductor switching element based on the gate signal output from the PWM circuit 13 and controls the terminal voltage of the PMSM 80 to the phase voltage command values v u * , v v * , v w * .
With the above control, the speed of the PMSM 80 can be controlled to the speed command value ω r * .

次に、PMSM80の速度及び磁極位置の推定技術について説明する。
まず、拡張誘起電圧演算器31は、数式2により、第1のγ軸,δ軸拡張誘起電圧eexγest,eexδestを演算する。

Figure 0006573213
Next, the PMSM 80 speed and magnetic pole position estimation technique will be described.
First, the expansion induced voltage calculator 31 calculates the first γ-axis and δ-axis expansion induced voltages e exγest and e exδest according to Equation 2.
Figure 0006573213

数式2において、PMSM80の端子電圧相当値であるγ軸電圧vγ,δ軸電圧vδには、それぞれγ軸電圧指令値vγ ,δ軸電圧指令値vδ が用いられる。
ここで、数式2は、図示されていない電圧検出回路を用いてPMSM80の相電圧または線間電圧を測定し、これらの測定値と、磁極位置推定値θから演算したγ軸電圧vγ,δ軸電圧vδとを使用して演算しても良い。また、γ軸電流iγ,δ軸電流iδの代わりにγ軸電流指令値iγ ,δ軸電流指令値iδ を用いても良いし、速度推定値ωの代わりに速度指令値ω を用いても良い。
In Equation 2, the γ-axis voltage command value v γ * and the δ-axis voltage command value v δ * are used as the γ-axis voltage v γ and the δ-axis voltage v δ, which are the terminal voltage equivalent values of the PMSM 80, respectively.
Here, Equation 2 measures the phase voltage or line voltage of the PMSM 80 using a voltage detection circuit (not shown), and calculates the γ-axis voltage v γ calculated from these measured values and the estimated magnetic pole position θ 1 . The calculation may be performed using the δ-axis voltage v δ . Also, gamma-axis current i gamma, gamma-axis current command value instead of the [delta] -axis current i δ i γ *, may be used [delta] -axis current value i [delta] *, a speed command instead of the estimated speed value omega 1 The value ω r * may be used.

重み係数演算器41は、図3に示す補償関数に従って重み係数KEexEmfを演算する。この重み係数KEexEmfは、d軸電流指令値i が0〜第1の閾値idthEexの範囲にあるときには零、i が第2の閾値idthEmfより大きい範囲にあるときは1とし、i がidthEex〜idthEmfの範囲にあるときにはi に比例して増加する関数である。
なお、重み係数KEexEmfの演算は、d軸電流指令値i の代わりにγ軸電流iγを用いて行っても良い。
The weighting factor calculator 41 calculates the weighting factor K EexEmf according to the compensation function shown in FIG. This weight coefficient K EexEmf is zero when the d-axis current command value i d * is in the range of 0 to the first threshold value i dthEex , and is 1 when i d * is in the range greater than the second threshold value i dthEmf. , I d * is a function that increases in proportion to i d * when it is in the range of i dthEex to i dthEmf .
Note that the calculation of the weight coefficient K EexEmf may be performed using the γ-axis current i γ instead of the d-axis current command value i d * .

図1の拡張誘起電圧補償器42は、数式3により、第2のγ軸,δ軸拡張誘起電圧eexω1γ,eexω1δを演算する。

Figure 0006573213
The extended induced voltage compensator 42 in FIG. 1 calculates the second γ-axis and δ-axis extended induced voltages e exω1γ and e exω1δ according to Equation 3.
Figure 0006573213

第2の拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δは、重み係数KEexEmfが零のときに拡張誘起電圧演算値eexγest,eexδestにそれぞれ等しくなり、重み係数KEexEmfが1のときに誘起電圧演算値emfγest,emfδestにそれぞれ等しくなる(重み係数KEexEmfが1のときにemfγest,emfδestに等しくなる理由については、後述する)。
なお、数式3の演算は、γ軸電流iγの代わりにd軸電流指令値i を用いて行っても良い。
Second extended electromotive force calculation value e exω1γ, e exω1δ is extended induced voltage calculation value e Exganmaest when the weighting factor K EexEmf is zero, respectively equal to e Exderutaest, the induced voltage when the weighting factor K EexEmf is 1 It becomes equal to the calculated values e mfγest and e mfδest (the reason why it becomes equal to e mfγest and e mfδest when the weight coefficient K EexEmf is 1 will be described later).
The calculation of Equation 3 may be performed using the d-axis current command value i d * instead of the γ-axis current i γ .

次に、第2の拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δを用いて速度及び磁極位置を演算する方法につき説明する。
角度差演算器32は、第2の拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δから、数式4により位置推定誤差演算値θerrestを求める。

Figure 0006573213
Next, a method of calculating the speed and the magnetic pole position using the second extended induced voltage calculation values e exω1γ and e exω1δ will be described.
The angle difference calculator 32 obtains a position estimation error calculation value θ errest from the second extended induced voltage calculation values e exω1γ and e exω1δ using Equation 4.
Figure 0006573213

更に、速度推定器33を構成する比例・積分調節器は、数式5により、位置推定誤差演算値θerrestを比例・積分演算して速度推定値ωを求める。

Figure 0006573213
Further, the proportional / integral controller constituting the speed estimator 33 obtains a speed estimated value ω 1 by performing proportional / integral calculations on the position estimation error calculation value θ errest according to Equation 5.
Figure 0006573213

積分器34は、速度推定値ωを積分して磁極位置推定値θを演算する。
これらの演算により、位置推定誤差θerrが零になるように速度推定値ω及び磁極位置推定値θが演算され、これらの値を真値に収束させることができる。
なお、上記構成において、拡張誘起電圧演算器31、重み係数演算器41、拡張誘起電圧補償器42、及び角度差演算器32は、請求項における位置推定誤差演算手段を構成している。
The integrator 34 integrates the speed estimated value ω 1 to calculate the magnetic pole position estimated value θ 1 .
By these calculations, the speed estimated value ω 1 and the magnetic pole position estimated value θ 1 are calculated so that the position estimation error θ err becomes zero, and these values can be converged to true values.
In the above configuration, the extended induced voltage calculator 31, the weighting coefficient calculator 41, the extended induced voltage compensator 42, and the angle difference calculator 32 constitute position estimation error calculation means in the claims.

ここで、数式5による速度推定値ωの演算では、速度・位置推定系の安定性から、速度推定器の比例調節器における比例ゲインKPω1の上限値、及び、速度推定器の積分調節器における積分時定数TIω1の逆数の上限値を、数式6により制限する。

Figure 0006573213
Here, in the calculation of the speed estimation value ω 1 according to Equation 5, the upper limit value of the proportional gain K Pω1 in the proportional regulator of the speed estimator and the integral regulator of the speed estimator are derived from the stability of the speed / position estimation system. The upper limit value of the reciprocal of the integration time constant T Iω1 at is limited by Equation 6.
Figure 0006573213

先に述べたように、第2の拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δは、i が小さく、重み係数KEexEmfが零であるときに拡張誘起電圧演算値eexγest,eexδestにそれぞれ等しくなり、i が大きく、重み係数KEexEmfが1のときに誘起電圧演算値emfγest,emfδestにそれぞれ等しくなる。
このため、位置推定誤差演算値θerrestは、重み係数KEexEmfが零であるときに拡張誘起電圧演算値eexγest,eexδestの角度に等しくなり、重み係数KEexEmfが1であるときに誘起電圧演算値emfγest,emfδestの角度に等しくなる。この結果、重み係数KEexEmfの値により、速度・位置推定系の応答性が異なったものとなる。
As mentioned earlier, the second extended electromotive force calculation value e exω1γ, e exω1δ is, i d * is small, expand when the weighting factor K EexEmf are zero induced voltage calculation value e Exganmaest, respectively e Exderutaest When i d * is large and the weighting coefficient K EexEmf is 1, they are equal to the induced voltage calculation values e mfγest and e mfδest .
Therefore, the position estimation error calculated value θ errest is equal to the angle of the extended induced voltage calculated values e exγest and e exδest when the weight coefficient K EexEmf is zero, and the induced voltage when the weight coefficient K EexEmf is 1. It becomes equal to the angle of the calculated values e mfγest and e mfδest . As a result, the responsiveness of the speed / position estimation system varies depending on the value of the weight coefficient K EexEmf .

そこで、数式6に示したように、係数ωdθerrKPを重み係数KEexEmfの関数とすることで、重み係数KEexEmfに応じて速度推定器比例ゲインKPω1の上限を演算し、系を安定化させる。
なお、数式6の演算は、d,q軸電流指令値i ,i の代わりにγ,δ軸電流iδ,iγを用いて行っても良い。
Therefore, as shown in Equation 6, the coefficient ω dθerrKP is used as a function of the weighting coefficient K EexEmf, and the upper limit of the speed estimator proportional gain K Pω1 is calculated according to the weighting coefficient K EexEmf to stabilize the system. .
The calculation of Equation 6 may be performed using γ, δ-axis currents i δ , i γ instead of d, q-axis current command values i d * , i q * .

次に、重み係数KEexEmfを1とすることで、前述の数式3により第2の拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δを誘起電圧演算値emfγest,emfδestに等しくできる原理を説明する。
PMSM80のγ,δ軸における電圧方程式は、位置推定誤差θerrが小さい場合、誘起電圧Emfを用いて数式7のように近似することができる。

Figure 0006573213
Next, the principle that the second extended induced voltage calculation values e exω1γ and e exω1δ can be made equal to the induced voltage calculation values e mfγest and e mfδest by the above-described Equation 3 by setting the weight coefficient K EexEmf to 1 will be described.
The voltage equation on the γ and δ axes of the PMSM 80 can be approximated as Equation 7 using the induced voltage E mf when the position estimation error θ err is small.
Figure 0006573213

これにより、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestを数式8のように求めることができる。

Figure 0006573213
As a result, the γ and δ-axis induced voltage calculation values e mfγest and e mfδest can be obtained as in Expression 8.
Figure 0006573213

数式2,数式8より、電流微分項を零に近似すると、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestは、第1のγ,δ軸拡張誘起電圧演算値eexγest,eexδestを用いて数式9により求めることができる。

Figure 0006573213
ここで、数式9の右辺の演算は、数式3において重み係数KEexEmfを1としたときの演算と同じである。 From Equations 2 and 8, when the current differential term is approximated to zero, the γ and δ-axis induced voltage calculation values emfγest and emfδest are obtained using the first γ and δ-axis expansion induced voltage calculation values e exγest and e exδest. It can be obtained by Equation 9.
Figure 0006573213
Here, the calculation on the right side of Expression 9 is the same as the calculation when the weighting coefficient K EexEmf is set to 1 in Expression 3.

以上のことから、重み係数演算器41により、d軸電流指令値i の大きさに応じて重み係数KEexEmfを零から1に制御することで、数式3により、第2のγ,δ軸拡張誘起電圧演算値eexω1γ,eexω1δを第1のγ,δ軸拡張誘起電圧演算値eexγest,eexδestからγ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestにスムースに移行できることが明らかである。 From the above, the weighting coefficient calculator 41 controls the weighting coefficient K EexEmf from zero to 1 according to the magnitude of the d-axis current command value i d * , so that the second γ, δ axis extended electromotive force calculation value e exω1γ, e exω1δ the first gamma, [delta] axis extended electromotive force calculation value e exγest, from e exδest γ, δ-axis induced voltage calculation value e mfγest, clear that can migrate smoothly to the e Mfderutaest It is.

次に、d軸電流iが大きい場合にも、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestから位置推定誤差θerrを演算でき、センサレスベクトル制御を安定的に実現できることを説明する。
数式7,数式8より、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestと位置推定誤差θerrとの間には、数式10の関係がある。

Figure 0006573213
Then, even if the d-axis current i d is large, gamma, [delta] axis induced voltage calculation value e Mfganmaest, can calculates the position estimation error theta err from e Mfderutaest, the sensorless vector control will be described can be realized stably.
From Equations 7 and 8, there is a relationship of Equation 10 between the γ and δ-axis induced voltage calculation values e mfγest and e mfδest and the position estimation error θ err .
Figure 0006573213

数式10より、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestの角度から位置推定誤差θerrを演算することができる。また、数式7より、誘起電圧Emfは、d軸電流iに依存しない。このため、d軸電流iが大きい場合にも、γ,δ軸誘起電圧演算値emfγest,emfδestから位置推定誤差θerrを演算可能であり、センサレスベクトル制御を安定的に実現することができる。 From Equation 10, the position estimation error θ err can be calculated from the angles of the γ and δ-axis induced voltage calculation values e mfγest and e mfδest . Also, from Equation 7, the induced voltage E mf is not dependent on the d-axis current i d. Therefore, even when the d-axis current i d is large, gamma, [delta] axis induced voltage calculation value e Mfganmaest, is capable calculating the position estimation error theta err from e Mfderutaest, the sensorless vector control can be realized stably it can.

以上のように、本実施形態によれば、d軸電流が小さいときは拡張誘起電圧の角度を用いて速度推定値及び位置推定値を演算すると共に、d軸電流が大きいときは誘起電圧の角度を用いて速度推定値及び位置推定値を演算することにより、センサレスベクトル制御を安定的に実現することができる。   As described above, according to the present embodiment, when the d-axis current is small, the speed estimated value and the position estimated value are calculated using the angle of the extended induced voltage, and when the d-axis current is large, the angle of the induced voltage is calculated. By calculating the estimated speed value and the estimated position value using, sensorless vector control can be stably realized.

11u:u相電流検出器
11w:w相電流検出器
13:PWM回路
14,15:座標変換器
16,19a,19b:減算器
17:速度調節器
18:電流指令演算器
20a:γ軸電流調節器
20b:δ軸電流調節器
31:拡張誘起電圧演算器
32:角度差演算器
33:速度推定器
34:積分器
41:重み係数演算器
42:拡張誘起電圧補償器
50:三相交流電源
60:整流回路
70:電力変換器
80:永久磁石形同期電動機(PMSM)
11u: u-phase current detector 11w: w-phase current detector 13: PWM circuit 14, 15: coordinate converters 16, 19a, 19b: subtractor 17: speed controller 18: current command calculator 20a: γ-axis current controller 20b: δ-axis current regulator 31: extended induced voltage calculator 32: angle difference calculator 33: speed estimator 34: integrator 41: weighting factor calculator 42: extended induced voltage compensator 50: three-phase AC power supply 60 : Rectifier circuit 70: Power converter 80: Permanent magnet synchronous motor (PMSM)

Claims (3)

磁極位置検出器を用いずに演算により永久磁石形同期電動機の回転子の速度及び磁極位置を推定し、これらの推定値に基づいて前記電動機の電機子電流を制御することにより前記電動機のトルク及び速度を制御する制御装置において、
前記電動機の電流、端子電圧をベクトルとしてとらえ、
前記電動機の磁極位置推定誤差を演算する位置推定誤差演算手段と、前記磁極位置推定誤差から前記電動機の速度を推定する速度推定手段と、速度推定値を積分して前記磁極位置を推定する積分手段と、を有し、
前記位置推定誤差演算手段は、
前記電動機の電流、端子電圧相当値、及び速度推定値を用いて第1の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧演算手段と、前記回転子の磁極と平行方向の電流であるd軸電流、前記速度推定値、及び前記第1の拡張誘起電圧を用いて第2の拡張誘起電圧を演算する拡張誘起電圧補償手段と、前記第2の拡張誘起電圧を用いて前記磁極位置推定誤差を演算する角度差演算手段と、を備え、
前記拡張誘起電圧補償手段は、
前記d軸電流が第1の閾値以下のときに、前記第1の拡張誘起電圧演算値に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧値を演算し、前記d軸電流が前記第1の閾値より大きい第2の閾値以上のときに、前記電動機の誘起電圧に等しくなるように前記第2の拡張誘起電圧を演算することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
The rotor speed and magnetic pole position of the permanent magnet type synchronous motor are estimated by calculation without using the magnetic pole position detector, and the torque of the motor is controlled by controlling the armature current of the motor based on these estimated values. In the control device that controls the speed,
Taking the current and terminal voltage of the motor as vectors,
Position estimation error calculation means for calculating the magnetic pole position estimation error of the motor, speed estimation means for estimating the speed of the electric motor from the magnetic pole position estimation error, and integration means for estimating the magnetic pole position by integrating a speed estimated value And having
The position estimation error calculation means includes
Expansion induced voltage calculation means for calculating a first expansion induced voltage using the current of the motor, the terminal voltage equivalent value, and the estimated speed value; a d-axis current that is a current parallel to the magnetic pole of the rotor; An extension induced voltage compensation means for calculating a second extension induced voltage using the estimated speed value and the first extension induced voltage, and an angle for calculating the magnetic pole position estimation error using the second extension induced voltage. Difference calculating means,
The extended induced voltage compensation means includes
When the d-axis current is equal to or smaller than the first threshold, the second expansion induced voltage value is calculated to be equal to the first expansion induced voltage calculation value, and the d-axis current is calculated from the first threshold value. A control device for a permanent magnet synchronous motor, wherein the second expansion induced voltage is calculated so as to be equal to the induced voltage of the electric motor when it is equal to or larger than a larger second threshold value.
請求項1に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差演算手段は、
前記d軸電流が前記第1の閾値以下のときに零となり、前記d軸電流が第2の閾値以上のときに1となる重み係数を演算する手段を備えると共に、前記重み係数、前記速度推定値、前記d軸電流、及び前記第1の拡張誘起電圧演算値を用いて、前記第2の拡張誘起電圧演算値を演算することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
In the control device for the permanent magnet type synchronous motor according to claim 1,
The position estimation error calculation means includes
Means for calculating a weighting factor that becomes zero when the d-axis current is less than or equal to the first threshold and becomes 1 when the d-axis current is greater than or equal to the second threshold; A control apparatus for a permanent magnet type synchronous motor, wherein the second expansion induced voltage calculation value is calculated using a value, the d-axis current, and the first expansion induced voltage calculation value.
請求項2に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記速度推定手段は比例調節器を備え、前記比例調節器における比例ゲインの上限値を前記重み係数の関数としたことを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
In the control device for the permanent magnet type synchronous motor according to claim 2,
The speed estimator includes a proportional regulator, and an upper limit value of a proportional gain in the proportional regulator is a function of the weighting coefficient.
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