JP6649561B2 - Phase velocity estimator using polyphase low resolution detector signal - Google Patents
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Description
本発明は、ホールセンサに代表される多相低分解能検出器を備えた、同期電動機(ブラシレズDC電動機、永久磁石形同期電動機、界磁巻線形同期電動機など)に代表される交流電動機の回転子の位相・速度を推定的に検出する位相速度推定装置に関する。The present invention relates to a rotor of an AC motor represented by a synchronous motor (a brushless DC motor, a permanent magnet type synchronous motor, a field winding type synchronous motor, etc.) provided with a polyphase low resolution detector represented by a Hall sensor. The present invention relates to a phase / velocity estimating device for presumably detecting the phase / velocity.
本発明では、回転子の角度、位置、位相を同義で使用する。これらの単位はradである。また、位相の余弦値、正弦値など位相と実質的に等価な量も、簡単に位相と呼称する。位相の推定値、近似値、フィルタ処理値などを位相相当値と総称する。また、回転子の位相相当値を、簡単に回転子位相相当値と略記する。In the present invention, the angle, position, and phase of the rotor are used synonymously. These units are rad. Further, an amount substantially equivalent to a phase, such as a cosine value or a sine value of the phase, is simply referred to as a phase. The estimated value, the approximate value, the filtered value, and the like of the phase are collectively referred to as the phase equivalent value. The phase equivalent value of the rotor is simply abbreviated as the rotor phase equivalent value.
本発明では、2つの位相の相対値を位相偏差と呼称する。位相偏差の推定値、近似値、フィルタ処理値などを位相偏差相当値と総称する。In the present invention, the relative value of the two phases is called a phase deviation. An estimated value, an approximate value, a filtered value, and the like of the phase deviation are collectively referred to as a phase deviation equivalent value.
本発明では、回転子の角速度、速度、周波数を同義で使用する。これらの単位は、rad/sである。回転子の角速度を意識する場合には速度と呼称し、回転子速度を反映した交番信号の周波数を意識する場合には、周波数と呼称する。これらの推定値、近似値、指令値、フィルタ処理値などを速度相当値あるいは周波数相当値と呼称する。本発明では、速度相当値と周波数相当値は実質同義である。当業者は周知のように、交流電動機に装着された多相低分解能検出器からの信号(以下、多相低分解能検出器信号と略記)の基本波成分周波数は、交流電動機回転子の電気速度(電気角速度)と基本的に同一である。なお、回転子の速度相当値を、簡単に回転子速度相当値と略記する。In the present invention, the angular velocity, speed, and frequency of the rotor are used synonymously. These units are rad / s. When the angular speed of the rotor is considered, it is referred to as speed, and when the frequency of the alternating signal reflecting the rotor speed is considered, it is referred to as frequency. These estimated values, approximate values, command values, filter processing values, and the like are referred to as speed equivalent values or frequency equivalent values. In the present invention, the speed equivalent value and the frequency equivalent value have substantially the same meaning. As is well known to those skilled in the art, the fundamental wave component frequency of a signal from a polyphase low resolution detector mounted on an AC motor (hereinafter abbreviated as a polyphase low resolution detector signal) is determined by the electric speed of the AC motor rotor. (Electrical angular velocity). Note that the rotor speed equivalent value is simply abbreviated as the rotor speed equivalent value.
本発明では、位相同期ループ(Phase Locked Loop)を、簡単にPLLと呼称する。In the present invention, a phase locked loop is simply referred to as a PLL.
本発明は、多相低分解能検出器を備えた多相の交流電動機の駆動制御に適用可能であるが、本発明の説明の明白化・具体化を図るべく、特に三相同期電動機を例に取り上げて説明する。また、本発明は、多相低分解能検出器信号としては、二相以上の多相を対象としうるが、説明の明白化を図るべく、基本的には、三相の場合を取り上げて説明する。本発明を三相信号以外の多相低分解能検出器信号に適用する場合の注意事項は、適時、補足する形で説明する。上記の具体化により、本発明の一般性を失うことはない。The present invention is applicable to drive control of a polyphase AC motor having a polyphase low-resolution detector, but in order to clarify and embody the description of the present invention, a three-phase synchronous motor is used as an example. Take it up and explain. In addition, the present invention may target two or more phases as the polyphase low-resolution detector signal, but in order to clarify the description, basically, the case of three phases will be described. . Precautions when applying the present invention to a polyphase low-resolution detector signal other than a three-phase signal will be described in a supplementary manner as appropriate. The above embodiments do not lose the generality of the invention.
三相同期電動機をして所定のトルクを正確に発生させるには、回転子の位相を正確に知る必要がある。また、速度制御を行なう場合には、回転子の速度情報も必要である。回転子の位相・速度検出は、回転子にエンコーダ、レゾルバーと言った位相速度検出器の装着により、容易に遂行することができる。しかし、これら位相速度検出器は、熱的・電気的・機械的な頑健性、配線の引き回し、検出器の装着用スペース、コストなどに関し、問題を有している。In order for a three-phase synchronous motor to accurately generate a predetermined torque, it is necessary to know the phase of the rotor accurately. When speed control is performed, speed information of the rotor is also required. The phase and speed detection of the rotor can be easily performed by mounting a phase speed detector such as an encoder and a resolver on the rotor. However, these phase velocity detectors have problems in terms of thermal / electrical / mechanical robustness, wiring layout, mounting space for the detector, cost, and the like.
これら諸問題を同時に克服しうる位置速度検出器が、ホールセンサに代表される多相低分解能検出器である。三相同期電動機には、一般に、三相巻線に対応した形で多相(三相)低分解能検出器が利用される。多相低分解能検出器による信号は、三相の純正弦信号を基準にするならば、三相の純正弦信号に高調波成分、高周波成分を含むものであり、大きくは、三相矩形信号と三相歪み正弦信号とに大別される。三相の内の一相を取り上げて信号波形を見るならば、前者の波形は矩形状(方形状)であり、後者の波形は歪んだ交番信号である。A position / velocity detector capable of overcoming these problems simultaneously is a polyphase low-resolution detector represented by a Hall sensor. A three-phase synchronous motor generally uses a multi-phase (three-phase) low-resolution detector corresponding to a three-phase winding. If the signal from the polyphase low-resolution detector is based on a three-phase pure sine signal, the three-phase pure sine signal contains a harmonic component and a high-frequency component. It is roughly classified into a three-phase distortion sine signal. If one of the three phases is picked up and the signal waveform is viewed, the former waveform is rectangular (square) and the latter waveform is a distorted alternating signal.
歪んだ交番信号からの回転子位相の精度のよい割り出しは、必ずしも容易ではなく、元来、矩形状信号を出力する多相低分解能検出器が多用されてきた。図1は、三相矩形信号の1例である。矩形信号の1周期が回転子位相の2π[rad](電気角評価)に相当する。図より明白なように、多相低分解能検出器からのU相信号hu、V相信号hv、W相信号hwは各々2π/3[rad]の位相差を持つ。It is not always easy to accurately determine the rotor phase from the distorted alternating signal. Originally, a polyphase low-resolution detector that outputs a rectangular signal has been frequently used. FIG. 1 is an example of a three-phase rectangular signal. One cycle of the rectangular signal corresponds to 2π [rad] (electrical angle evaluation) of the rotor phase. As is clear from the figure, the U-phase signal hu, V-phase signal hv, and W-phase signal hw from the multi-phase low-resolution detector each have a phase difference of 2π / 3 [rad].
特許文献1、特許文献2に示されているように、一般には、多相低分解能検出器からのU相信号hu、V相信号hv、W相信号hwのエッジ検出を通じて、3逓倍のパルス信号e6を生成し(図8参照)、3逓倍パルス信号e6を基本に回転子の位相あるいは速度を算定する。この場合、電気角2π[rad]が6パルスに該当するため、π/3[rad]の精度で回転子位相を検出できる。しかしながら、π/3[rad]の検出精度は、トルク制御、速度制御への本格的応用には全く精度不足であり、十分なトルク制御性能、速度制御性能を得ることはできない。As shown in Patent Documents 1 and 2, generally, a tripled pulse signal is detected through edge detection of a U-phase signal hu, a V-phase signal hv, and a W-phase signal hw from a polyphase low-resolution detector. e6 is generated (see FIG. 8), and the phase or speed of the rotor is calculated based on the tripled pulse signal e6. In this case, since the electrical angle 2π [rad] corresponds to six pulses, the rotor phase can be detected with an accuracy of π / 3 [rad]. However, the detection accuracy of π / 3 [rad] is not sufficiently accurate for full-scale application to torque control and speed control, and sufficient torque control performance and speed control performance cannot be obtained.
このため、これらの応用には、3逓倍パルス信号を更に逓倍し、電気角2π[rad]に対応するパルス数を増加している。しかしながら、速度向上とともに、パルス信号の精度良いかつ安定した逓倍化は困難を増す。また、エッジ検出を基本とする方法は、専用のハード的電子回路が必須である。同方法は、ハード的電子回路に起因して、温度変化、湿度変化等の対環境変化に対して脆弱である。また、多相低分解能検出器信号が三相矩形信号でなく三相歪み正弦信号の場合には、上述の三相矩形信号に特化した位相・速度の検出技術は、全く適用できないという問題もあった。Therefore, in these applications, the tripled pulse signal is further multiplied to increase the number of pulses corresponding to an electrical angle of 2π [rad]. However, as the speed increases, it becomes more difficult to accurately and stably multiply the pulse signal. In addition, the method based on edge detection requires a dedicated hardware electronic circuit. The method is vulnerable to environmental changes such as temperature changes and humidity changes due to the hardware electronic circuit. In addition, when the polyphase low-resolution detector signal is not a three-phase rectangular signal but a three-phase distortion sine signal, the above-described phase / velocity detection technique specialized for the three-phase rectangular signal cannot be applied at all. there were.
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、多相矩形信号、多相歪み正弦信号のいずれの多相低分解能検出器信号にも適用できる汎用性を有し、純粋にソフォトフェアのみで実装でき廉価かつ対環境変化に対してロバストな、さらには、低速から高速の広い速度領域で適用できる位相速度推定装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made under the above background, and has as its object the versatility of being applicable to any polyphase low-resolution detector signal such as a polyphase rectangular signal and a polyphase distortion sine signal. It is an object of the present invention to provide a phase velocity estimating apparatus which can be mounted only with a sophophore, is inexpensive, is robust against environmental changes, and can be applied in a wide speed range from low to high.
上記目的を達成するために、請求項1の発明は、交流電動機に実装された多相低分解能検出器からのN(N≧2)相信号を入力信号として受け取り、該N相信号を処理して、回転子の位相相当値(回転子位相相当値)、回転子の速度相当値(回転子速度相当値)の少なくとも1つを実時間生成し外部出力する位相速度推定装置であって、該N相信号を二相信号に変換するN相二相変換手段と、後述の位相速度生成手段が生成した回転子位相相当値をフィーバック利用して、変換された該二相信号を準直流信号に再変換し、係数信号に従い特性を変化させる可変特性フィルタを用いて、再変換した該準直流信号を処理してフィルタ処理信号を生成し、生成の該フィルタ処理信号を利用して、該二相信号の基本波成分の位相と回転子位相相当値との間の基本波位相偏差相当値を抽出する基本波位相偏差抽出手段と、抽出した該基本波位相偏差相当値に対して、PLL処理と位相補正処理とを施し、回転子位相相当値、回転子速度相当値の少なくとも1つを実時間生成する位相速度生成手段とを備えることを特徴とする。In order to achieve the above object, the invention of claim 1 receives an N (N ≧ 2) -phase signal from a polyphase low-resolution detector mounted on an AC motor as an input signal, and processes the N-phase signal. A phase speed estimating device that generates at least one of a rotor phase equivalent value (rotor phase equivalent value) and a rotor speed equivalent value (rotor speed equivalent value) in real time and externally outputs the same; An N-phase to two-phase conversion means for converting the N-phase signal into a two-phase signal and a rotor phase equivalent value generated by a phase speed generating means described later are used as feedback to convert the converted two-phase signal into a quasi-DC signal. The quasi-direct-current signal is re-converted into a variable characteristic filter that changes the characteristic according to the coefficient signal, and the re-converted quasi-DC signal is processed to generate a filtered signal. The phase of the fundamental wave component of the phase signal and the equivalent value of the rotor phase Fundamental wave phase deviation extracting means for extracting a fundamental wave phase deviation equivalent value between the two, and subjecting the extracted fundamental wave phase deviation equivalent value to PLL processing and phase correction processing to obtain a rotor phase equivalent value, Phase speed generating means for generating at least one of the speed equivalent values in real time.
請求項2の発明は、請求項1記載の位相速度推定装置であって、該基本波位相偏差抽出手段における該可変特性フィルタの特性可変のための該係数信号として、該位相速度生成手段が実時間生成した該回転子速度相当値をフィードバック使用することを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the phase velocity estimating apparatus according to the first aspect, the phase velocity generating means is used as the coefficient signal for varying the characteristic of the variable characteristic filter in the fundamental wave phase deviation extracting means. The rotor speed equivalent value generated over time is used for feedback.
請求項3の発明は、請求項1記載の位相速度推定装置であって、該基本波位相偏差抽出手段における該可変特性フィルタの特性可変のための該係数信号として、該N相信号からフィードフォワード的に生成した信号を使用することを特徴とする。A third aspect of the present invention is the phase velocity estimating apparatus according to the first aspect, wherein the coefficient signal for varying the characteristic of the variable characteristic filter in the fundamental wave phase deviation extracting means is fed forward from the N-phase signal. It is characterized by using a signal generated in a targeted manner.
請求項4の発明は、請求項1記載の位相速度推定装置であって、該位相速度生成手段において、該PLL処理の後に該位相補正処理を施すようにしたことを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the phase velocity estimating apparatus according to the first aspect, the phase velocity generating means performs the phase correction processing after the PLL processing.
請求項5の発明は、請求項1記載の位相速度推定装置であって、該位相速度生成手段において、該位相補正処理の後に該PLL処理を施すようにしたことを特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, in the phase velocity estimating apparatus according to the first aspect, the phase velocity generating means performs the PLL processing after the phase correction processing.
本発明の効果を説明する。まず請求項1の発明の効果を説明する。図3は、請求項1の発明に基づく代表的な実施形態例である。本図と本図の説明より(後掲)、以下の効果が明白である。The effects of the present invention will be described. First, the effect of the invention of claim 1 will be described. FIG. 3 shows a typical embodiment according to the first aspect of the present invention. The following effects are apparent from this figure and the description of this figure (described later).
▲1▼ 請求項1の発明による位相速度推定装置は、多相低分解能検出器信号に関し、多相矩形信号、多相歪み正弦信号のいずれかに限定するような制約を一切必要としない。すなわち、請求項1の発明によれば、多相低分解能検出器信号に対して高い汎用性を有するという効果が得られる。
▲2▼ 請求項1の発明による位相速度推定装置は、N相二相変換手段、基本波位相偏差抽出手段、位相速度生成手段からなるが、いずれもデジタル式の演算素子で容易に実現される。換言するならば、ソフォトウェアのみで簡単に実装されるという効果が得られる(図3〜図7参照)。
▲3▼ この結果、請求項1の発明による位相速度推定装置は、実装が廉価となり、さらには対環境変化に対して高いロバスト性をもつことができると言う効果が得られる。
▲4▼ 請求項1の発明による位相速度推定装置は逓倍技術を必要としないので、請求項1の発明によれば、低速から高速の広い速度領域で適用できると言う効果が得られる。{Circle around (1)} The phase velocity estimating apparatus according to the first aspect of the present invention does not require any restriction on the polyphase low-resolution detector signal, which is limited to either a polyphase rectangular signal or a polyphase distortion sine signal. That is, according to the first aspect of the present invention, the effect of having high versatility with respect to the polyphase low resolution detector signal can be obtained.
{Circle over (2)} The phase velocity estimating apparatus according to the first aspect of the present invention includes an N-phase two-phase conversion unit, a fundamental wave phase deviation extracting unit, and a phase velocity generating unit, all of which are easily realized by digital arithmetic elements. . In other words, there is an effect that the package can be easily implemented using only the software (see FIGS. 3 to 7).
(3) As a result, the phase velocity estimating apparatus according to the first aspect of the present invention has the effect of being inexpensive to mount and having high robustness to environmental changes.
{Circle over (4)} Since the phase velocity estimating apparatus according to the first aspect of the present invention does not require a multiplication technique, according to the first aspect of the present invention, an effect that it can be applied in a wide speed range from a low speed to a high speed is obtained.
つづいて、請求項2の発明の効果を説明する。請求項2の発明によれば、基本波位相偏差抽出手段で利用する係数信号を、位相速度生成手段が生成した回転子速度相当値をフィードバック使用することになる。この結果、フィードバックループが安定に動作する場合には、高い精度で基本波位相偏差相当値を抽出でき、さらには、高い精度で回転子位相相当値、回転子速度相当値を生成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の効果を高めることがことができるようにと言う効果が得られる。なお、フィードバックループの安定性の確保は、適切に設計されたローパスフィルタをフィードバックループ内に挿入することにより、可能である(後掲の図3および関連説明参照)。Next, the effect of the invention of claim 2 will be described. According to the second aspect of the present invention, the coefficient signal used by the fundamental wave phase deviation extracting means uses the rotor speed equivalent value generated by the phase speed generating means as feedback. As a result, when the feedback loop operates stably, it is possible to extract the fundamental wave phase deviation equivalent value with high accuracy, and further, it is possible to generate the rotor phase equivalent value and the rotor speed equivalent value with high accuracy. The effect is obtained. As a result, the effect that the effect of claim 1 can be enhanced can be obtained. Note that the stability of the feedback loop can be ensured by inserting an appropriately designed low-pass filter into the feedback loop (see FIG. 3 and related description below).
つづいて、請求項3の発明の効果を説明する。請求項3の発明によれば、基本波位相偏差抽出手段で利用する係数信号を、位相速度生成手段を介することなく、N相信号からフィードフォワード的に生成することになる。この場合、図7より明白なように、係数信号(ω2n^’)の生成に関するフィドバックループが消滅する。ひいては、係数信号が安定的に生成されるいう効果が得られる。この結果、基本波位相偏差抽出手段、位相速度生成手段の安定的動作が高められるという効果が得られる。ひいては、請求項1の効果を安定的に得ることができるようにと言う効果が得られる。Next, the effect of the invention of claim 3 will be described. According to the third aspect of the present invention, the coefficient signal used in the fundamental wave phase deviation extracting means is generated in a feedforward manner from the N-phase signal without passing through the phase velocity generating means. In this case, as apparent from FIG. 7, the feedback loop related to the generation of the coefficient signal (ω2n ^ ′) disappears. As a result, the effect that the coefficient signal is stably generated is obtained. As a result, an effect is obtained that the stable operation of the fundamental wave phase deviation extracting means and the phase velocity generating means can be enhanced. As a result, the effect of stably obtaining the effect of claim 1 is obtained.
つづいて、請求項4の発明の効果を説明する。請求項4の発明によれば、位相速度生成手段において、PLL処理の後に位相補正処理を施すことになる。すなわち、PLL処理と位相補正処理とを分離し個別に遂行できるようになる。この結果、位相速度生成手段を容易かつ簡単に設計・実現できるようになると効果が得られる。ひいては、請求項1の効果を高めることができるようにと言う効果が得られる。Subsequently, the effect of the invention of claim 4 will be described. According to the fourth aspect of the present invention, the phase velocity generating means performs the phase correction processing after the PLL processing. That is, the PLL processing and the phase correction processing can be separately performed. As a result, an effect can be obtained if the phase velocity generating means can be designed and realized easily and easily. As a result, the effect that the effect of claim 1 can be enhanced can be obtained.
つづいて、請求項5の発明の効果を説明する。請求項5の発明によれば、位相速度生成手段において、位相補正処理の後にPLL処理を施すことになる。すなわち、PLL処理と位相補正処理とを分離し個別に遂行できるようになる。この結果、位相速度生成手段を容易かつ簡単に設計・実現できるようになると効果が得られる。ひいては、請求項1の効果を高めることができるようにと言う効果が得られる。Subsequently, the effect of the invention of claim 5 will be described. According to the fifth aspect of the present invention, the phase velocity generating means performs the PLL processing after the phase correction processing. That is, the PLL processing and the phase correction processing can be separately performed. As a result, an effect can be obtained if the phase velocity generating means can be designed and realized easily and easily. As a result, the effect that the effect of claim 1 can be enhanced can be obtained.
以下、図面を用いて、本発明の好適な態様を具体的に説明する。Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
本発明の位相速度推定装置を三相の永久磁石形同期電動機(交流電動機)に適用した1実施形態例の基本構造を図2に示す。同図では、同期電動機は、回転子位相情報を必要とするベクトル制御で駆動されるものとしている。図2における機器は、具体的には以下の通りである。1は同期電動機(交流電動機)を、2は電流検出器を、3は電力変換器を、4a、4bは夫々3相2相変換器、2相3相変換器を、5a、5bは共にベクトル回転器を、6は電流制御器を、7はトルク指令指令値を電流指令値に変換する指令変換器を、8は速度制御器を、11は電気速度推定値を機械速度推定値に変換する速度係数変換器を、各々意味している。図2の例では、同期電動機を速度制御することを想定しているので、トルク指令値は速度制御器の出力信号として得ている。トルク制御を行なう場合には、トルク指令値を外部から直接与えることになる。上記各種機器の働きは当業者には公知であるので、その説明を省略する。本発明と直接関係する機器は、同期電動機1に実装された多相低分解能検出器9と、本発明による位相速度推定装置を実現した位相速度推定器10である。なお、同図では、簡明のため、複数のスカラ信号を1つのベクトル信号として捉え、複数のスカラ信号線を1本の太い信号線で表現している。多相低分解能検出器の出力信号の数(換言するならば、相数)は、本発明では、2以上を条件としているので、一本のベクトル信号線として表現している。以下の図面においても、同様の描画ルールを適用する。FIG. 2 shows a basic structure of an embodiment in which the phase velocity estimating device of the present invention is applied to a three-phase permanent magnet synchronous motor (AC motor). In the figure, the synchronous motor is driven by vector control requiring rotor phase information. The devices in FIG. 2 are specifically as follows. 1 is a synchronous motor (AC motor), 2 is a current detector, 3 is a power converter, 4a and 4b are 3 phase to 2 phase converters, 2 phase to 3 phase converters, and 5a and 5b are vectors. A rotator, 6 is a current controller, 7 is a command converter for converting a torque command value to a current command value, 8 is a speed controller, and 11 is a device for converting an electric speed estimate to a machine speed estimate. The speed factor converters each mean. In the example of FIG. 2, since it is assumed that the speed of the synchronous motor is controlled, the torque command value is obtained as an output signal of the speed controller. When performing torque control, a torque command value is directly applied from the outside. The functions of the above-described various devices are well known to those skilled in the art, and a description thereof will be omitted. Devices directly related to the present invention are a polyphase low-resolution detector 9 mounted on the synchronous motor 1 and a phase speed estimator 10 that realizes the phase speed estimating device according to the present invention. In FIG. 1, for simplicity, a plurality of scalar signals are regarded as one vector signal, and a plurality of scalar signal lines are represented by one thick signal line. In the present invention, the number of output signals (in other words, the number of phases) of the polyphase low-resolution detector is two or more, and is represented as one vector signal line. Similar drawing rules are applied to the following drawings.
図3は、図2における位相速度推定器10の内部構成の代表的1例を示したものである。本器10は、請求項1の発明に従った、N相二相変換手段を実現したN相2相変換器10−1、基本波位相偏差抽出手段を実現した基本波位相偏差抽出器10−2、位相速度生成手段を実現した位相速度生成器10−3に加え、生成した周波数相当値(速度相当値)をフィルタ処理し、基本波位相偏差抽出器にフィードバックされる係数信号を生成するためのローパスフィルタ10−4から構成されている。FIG. 3 shows a typical example of the internal configuration of the phase velocity estimator 10 in FIG. This device 10 is an N-phase to two-phase converter 10-1 which realizes N-phase to two-phase conversion means, and a fundamental wave phase deviation extractor 10- which realizes a fundamental wave phase deviation extraction means. 2. In order to generate a coefficient signal fed back to the fundamental wave phase deviation extractor by filtering the generated frequency equivalent value (speed equivalent value) in addition to the phase velocity generator 10-3 which realizes the phase velocity generating means. Of the low pass filter 10-4.
N相2相変換器10−1は、N相信号を二相信号へ変換する役割を担う2行N列(以下、2×Nと略記)の行列SN2Tである。多相低分解能検出器信号をhNとし、N相2相変換器の出力信号である二相信号をvhとするならば(図3参照)、N相2相変換器10−1の働きは次式で記述される。
多相低分解能検出器信号が二相信号の場合は、N相2相変換器10−1は、2×2単位行列となる。多相低分解能検出器信号が三相以上の多相信号の場合は、N相2相変換器10−1は、次式で与えられる。
多相低分解能検出器信号が三相信号の場合は(すなわち、N=3の場合は)、多相低分解能検出器信号hNとN相2相変換器10−1は、各々次式となる。
N相2相変換器の出力信号である二相信号vhの基本波成分の位相と回転子位相相当値との間の基本波位相偏差相当値の抽出を担う基本波位相偏差抽出器10−2の実現は、種々存在する。図4は、請求項1の発明による1実施形態例である。図4の基本波位相偏差抽出器10−2は、大きくは、ベクトル回転器10−2a、係数信号(ω2^’)に従い特性を変化させる可変特性フィルタ10−2b、逆正接器10−2cから構成されている。A fundamental wave phase deviation extractor 10-2 for extracting a fundamental wave phase deviation equivalent value between the phase of the fundamental wave component of the two-phase signal vh, which is the output signal of the N-phase two-phase converter, and the rotator phase equivalent value. There are various implementations of. FIG. 4 shows an embodiment of the present invention. The fundamental wave phase deviation extractor 10-2 in FIG. 4 mainly includes a vector rotator 10-2a, a variable characteristic filter 10-2b that changes characteristics according to a coefficient signal (ω2 ^ ′), and an arc tangent device 10-2c. It is configured.
ベクトル回転器10−2aは、次式のように定義されている2x2行列である。
ベクトル回転器10−2aの働きは、N相2相変換器10−1からの二相信号vhを、準直流信号vh〜に再変換することである。この再変換は、次式のように記述される。
係数信号(ω2n^’)に従い特性を変化させる可変特性フィルタ10−2bは、再変換された準直流信号vh〜を処理し、フィルタ処理信号vf〜を生成する。可変特性フィルタの働きは、準直流信号vh〜に含まれる高調波成分、高周波成分、ノイズ成分などの除去である。本働きのための可変特性フィルタとしては、通過帯域を可変とする可変ローパスフィルタ、除去帯域を可変とする可変バンドストップフィルタ、除去帯域を可変とする可変ノッチフィルタ、これら組合せによるフィルタなどが考えられる。可変特性フィルタの入出力信号の関係は、次式のように記述される。
準直流信号vh〜から不要成分が除去されたフィルタ処理信号vf〜は、基本的には、二相信号vhの基本波成分のみとなる。したがって、フィルタ処理信号を逆正接器10−2cで処理すれば、二相信号の基本波成分の位相と回転子位相相当値(θα^’)との間の基本波
図3の実施形態例では、請求項2の発明に従い、基本波位相偏差抽出器10−2における可変特性フィルタ10−2bの特性可変のための係数信号(ω2^’)として、位相速度生成器が実時間生成した周波数相当値(ωα^)(実質的に回転子速度推定値ω2n^、図3参照)をローパスフィルタ10−4で処理した上で、フィードバック使用している。In the embodiment of FIG. 3, according to the invention of claim 2, a phase velocity generator is used as a coefficient signal (ω2 (′) for varying the characteristic of the variable characteristic filter 10-2b in the fundamental wave phase deviation extractor 10-2. Uses the low-pass filter 10-4 to process the real-time generated frequency equivalent value (ωα ^) (substantially the estimated rotor speed ω2n ^, see FIG. 3), and then uses it as feedback.
度生成器10−3へ送られる。図5は、請求項1と請求項4の発明に基づく位相速度生成器10−3の1実施形態例である。位相速度生成器10−3は、大きくは、位相制御器10−3a、位相積分器10−3b、余弦正弦発生器10−3c、ベクトル回転形位相補正器10−3d、加算形位相補正器10−3eから構成される。位相制御器10−3a、位相積分器10−3b、余弦正弦発生器10−3cがPLL処理を遂行しており、ベクトル回転形位相補正器10−3d、加算形位相補正器10−3eが位相補正処理を遂行している。 It is sent to the degree generator 10-3. FIG. 5 shows an embodiment of the phase velocity generator 10-3 according to the first and fourth aspects of the present invention. The phase velocity generator 10-3 mainly includes a phase controller 10-3a, a phase integrator 10-3b, a cosine sine generator 10-3c, a vector rotation type phase corrector 10-3d, and an addition type phase corrector 10. -3e. The phase controller 10-3a, the phase integrator 10-3b, and the cosine sine generator 10-3c perform the PLL process, and the vector rotation type phase corrector 10-3d and the addition type phase corrector 10-3e perform the phase process. Correction processing is being performed.
図5の実施形態例における位相速度生成器10−3の出力信号は、回転子位相相当値、回転子速度相当値の両者としている。回転子位相相当値としては、角度自体と、この余弦正弦値の2種を出力している。余弦正弦値に関しては、回転形位相補正器10−3dによる処理前信号と処理後信号の2種を出力している。同図における信号(ωα^)は、回転子速度相当値(ω2n^)でもある周波数相当値である(図3参照)。以下、位相速度生成器10−3を構成する各機器を詳しく説明する。The output signal of the phase speed generator 10-3 in the embodiment of FIG. 5 has both a rotor phase equivalent value and a rotor speed equivalent value. As the rotor phase equivalent value, two types of the angle itself and the cosine sine value are output. As for the cosine sine value, two types of signals are output: a signal before processing and a signal after processing by the rotary phase corrector 10-3d. The signal (ωα ^) in the figure is a frequency equivalent value that is also a rotor speed equivalent value (ω2n ^) (see FIG. 3). Hereinafter, each device constituting the phase velocity generator 10-3 will be described in detail.
PLL処理を担っている位相制御器10−3a、位相積分器10−3b、余弦正弦発生器10−3cを説明する。位相制御器10−3aは、微分演算子sのm次有理多項式で記述される。すなわち、次の(8)式で記述される。
位相制御器10−3a、位相積分器10−3bは、次式で記述されるPLL処理を遂行し、周波数相当値・回転子速度相当値(ωα^)と回転子位相相当値(θα^’)を出力している。
図5の実施形態例は、請求項4の発明に従って、PLL処理後の信号に対して、位相補正処理を実施している。補正位相の原理は、次式の加算処理である。
図5のベクトル回転形位相補正器10−3dは、(11)式に基づく位相補正処理を遂行し、加算形位相補正器10−3eは、(10)式に基づく位相補正処理を遂行するものである。The vector rotation type phase corrector 10-3d of FIG. 5 performs the phase correction processing based on the equation (11), and the addition type phase corrector 10-3e performs the phase correction processing based on the equation (10). It is.
図6は、請求項1と請求項5の発明の基づく位相速度生成器10−3の実施形態例を示したものである。本実施形態例では、位相速度生成器10−3は、大きくは、加算形位相補正器10−3e、位相制御器10−3a、位相積分器10−3b、余弦正弦発生器10−3cから構成される。先ず、加算形位相補正器10−3eが位相補正処理を遂行し、次に位相制御器10−3a、位相積分器10−3b、余弦正弦発生器10−3cがPLL処理を遂行している。すなわわち、先ず位相補正処理を遂行し、位相補正処理された信号に対して、PLL処理が施されている。この手順に基づく一連の処理は、数式を用いて、以下のように記述される。
図3の実施形態例では、請求項2の発明に従い、基本波位相偏差抽出器10−2に使用する係数信号(ω2n^‘)として、位相速度生成器が生成した回転子速度相当値をフィードバック使用した。これに代わって、請求項3の発明に従い、基本波位相偏差抽出器10−2に使用する係数信号(ω2n^‘)として、多相低分解能検出器信号からフィードフォワード的に生成したものを利用するこもできる。図7は、この実施形態例である。基本波位相偏差抽出器10−2に使用する係数信号(ω2n^‘)は、多相低分解能検出器信号hNを簡易速度推定器10−5に用いてフィードフォワード的に生成され、基本波位相偏差抽出器へ入力されている。なお、図7の実施形態例は、周波数相当値(ωα^)をローパスフィルタで処理した信号を回転子速度相当値(ω2n^)として出力する例も示している。In the embodiment of FIG. 3, according to the second aspect of the present invention, the rotor speed equivalent value generated by the phase speed generator is fed back as the coefficient signal (ω2n ^ ′) used in the fundamental wave phase deviation extractor 10-2. used. Instead, according to the invention of claim 3, a coefficient signal (ω2n ^ ′) used in the fundamental wave phase deviation extractor 10-2 is generated from a polyphase low-resolution detector signal in a feedforward manner. You can do it. FIG. 7 is an example of this embodiment. The coefficient signal (ω2n ^ ′) used for the fundamental wave phase deviation extractor 10-2 is generated in a feedforward manner by using the polyphase low-resolution detector signal hN for the simple speed estimator 10-5, and the fundamental wave phase Input to the deviation extractor. The embodiment of FIG. 7 also shows an example in which a signal obtained by processing a frequency equivalent value (ωα ^) with a low-pass filter is output as a rotor speed equivalent value (ω2n ^).
基本波位相偏差抽出器10−2に使用する係数信号(ω2n^‘)は、他の回転子速度相当値を利用してもよい。例えば、図2のような速度制御を遂行すベクトル制御システムにおいては、次式のように、機械速度指令値(ω2m*)をフィードフォワード的に利用してもよい。
基本波位相偏差抽出器10−2に使用する係数信号(ω2n^‘)としては、電気速度指令値と回転子速度推定値との合成信号のように、異なる信号の合成による信号としてもよい。The coefficient signal (ω2n ^ ‘) used in the fundamental wave phase deviation extractor 10-2 may be a signal obtained by combining different signals, such as a combined signal of an electric speed command value and a rotor speed estimated value.
図2を用いた実施形態例では、交流電動機として、回転子に永久磁石を有する永久磁石形同期電動機を用いた例を示した。本発明は、これに限定されるものでなく、他の交流電動機にも適用される。他の交流電動機へ本発明を適用した場合の本発明自体の実施形態例は、図2のシステムに適用した場合と実質的な相違はない。このため、これ以上の説明は省略する。In the embodiment using FIG. 2, an example is shown in which a permanent magnet synchronous motor having a permanent magnet in a rotor is used as an AC motor. The present invention is not limited to this, but can be applied to other AC motors. The embodiment of the present invention itself when the present invention is applied to another AC motor is not substantially different from the case where the present invention is applied to the system of FIG. Therefore, further description is omitted.
本発明は、ホールサンサに代表される多相低分解能検出器を備えた、同期電動機(ブラシレズDC電動機、永久磁石形同期電動機、界磁巻線形同期電動機など)に代表される交流電動機のベクトル制御システムへの適用に好適である。The present invention relates to a vector control system for an AC motor typified by a synchronous motor (a brushless DC motor, a permanent magnet type synchronous motor, a field winding type synchronous motor, etc.) equipped with a polyphase low resolution detector typified by a hall sensor. It is suitable for application to
1 交流電動機
2 電流検出器
3 電力変換器
4a 3相2相変換器
4b 2相3相変換器
5a ベクトル回転器
5b ベクトル回転器
6 電流制御器
7 指令変換器
8 速度制御器
9 多相低分解能検出器
10 位相速度推定器
10−1 N相2相変換器
10−2 基本波位相偏差抽出器
10−2a ベクトル回転器
10−2b 可変特性フィルタ
10−2c 逆正接器
10−3 位相速度生成器
10−3a 位相制御器
10−3b 位相積分器
10−3c 余弦正弦発生器
10−3d ベクトル回転形位相補正器
10−3e 加算形位相補正器
10−4 ローパスフィルタ
10−5 簡易速度推定器
11 速度変換係数器DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 AC motor 2 Current detector 3 Power converter 4a Three-phase two-phase converter 4b Two-phase three-phase converter 5a Vector rotator 5b Vector rotator 6 Current controller 7 Command converter 8 Speed controller 9 Polyphase low resolution Detector 10 Phase speed estimator 10-1 N-phase two-phase converter 10-2 Fundamental wave phase deviation extractor 10-2a Vector rotator 10-2b Variable characteristic filter 10-2c Arc tangent device 10-3 Phase speed generator 10-3a Phase controller 10-3b Phase integrator 10-3c Cosine sine generator 10-3d Vector rotation type phase corrector 10-3e Addition type phase corrector 10-4 Low pass filter 10-5 Simple speed estimator 11 Speed Transform coefficient unit
Claims (5)
該N相信号を二相信号に変換するN相二相変換手段と、
後述の位相速度生成手段が生成した回転子位相相当値をフィーバック利用して、変換された該二相信号を準直流信号に再変換し、係数信号に従い特性を変化させる可変特性フィルタを用いて、再変換した該準直流信号を処理してフィルタ処理信号を生成し、生成の該フィルタ処理信号を利用して、該二相信号の基本波成分の位相と回転子位相相当値との間の基本波位相偏差相当値を抽出する基本波位相偏差抽出手段と、
抽出した該基本波位相偏差相当値に対して、PLL処理と位相補正処理とを施し、回転子位相相当値、回転子速度相当値の少なくとも1つを実時間生成する位相速度生成手段とを備えることを特徴とする位相速度推定装置。An N (N ≧ 2) phase signal from a polyphase low-resolution detector mounted on an AC motor is received as an input signal, the N-phase signal is processed, and a rotor phase equivalent value (rotor phase equivalent value) is processed. A phase speed estimating apparatus for generating at least one of a rotor speed equivalent value (rotor speed equivalent value) in real time and outputting the same to an external device,
N-phase to two-phase conversion means for converting the N-phase signal to a two-phase signal;
Using a rotor phase equivalent value generated by a phase speed generating means described later, using feedback, the converted two-phase signal is reconverted into a quasi-DC signal, and a variable characteristic filter that changes characteristics according to a coefficient signal is used. Processing the re-converted quasi-DC signal to generate a filtered signal, and using the generated filtered signal, the difference between the phase of the fundamental wave component of the two-phase signal and the rotor phase equivalent value. Fundamental wave phase deviation extracting means for extracting a fundamental wave phase deviation equivalent value,
Phase speed generating means for performing PLL processing and phase correction processing on the extracted fundamental wave phase deviation equivalent value to generate at least one of a rotor phase equivalent value and a rotor speed equivalent value in real time. A phase velocity estimating apparatus characterized by the above-mentioned.
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