JP6869130B2 - Inverter control device and control method for driving a synchronous motor - Google Patents
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Description
本発明は、同期電動機を駆動するインバータの制御装置および制御方法に関し、特に、同期電動機の弱め界磁域におけるベクトル制御方式に関する。 The present invention relates to a control device and a control method for an inverter for driving a synchronous motor, and more particularly to a vector control method in a field weakening region of the synchronous motor.
同期電動機の弱め界磁域におけるベクトル制御方式について、主な従来技術としては、テーブル化したd軸電流指令値を用いd軸およびq軸の電流制御系で比例演算を行う方法(特許文献1)、電流制御部から出力されるd軸およびq軸の各電圧指令から求めた電動機端子電圧と該端子電圧の指令値との偏差を比例・積分演算してd軸電流指令とする方法(特許文献2)、および、電圧ベクトル演算部で求めた出力電圧と出力電圧指令との偏差の積分演算値をd軸電流指令値とする方法(特許文献3)がある。また、弱め界磁域から抜けるときには、積分電流制御系の積分項を零に収束させて積分電流制御を中止することにより弱め界磁域のベクトル制御を終了する方法がある(特許文献4)。 Regarding the vector control method in the field weakening field of the synchronous electric motor, as a main conventional technique, a method of performing proportional calculation in a d-axis and q-axis current control system using a table-shaped d-axis current command value (Patent Document 1). , A method of proportionally and integrating the deviation between the electric motor terminal voltage obtained from each of the d-axis and q-axis voltage commands output from the current control unit and the command value of the terminal voltage to obtain a d-axis current command (Patent Document). 2), and there is a method (Patent Document 3) in which the integrated calculation value of the deviation between the output voltage and the output voltage command obtained by the voltage vector calculation unit is used as the d-axis current command value. Further, when exiting the field weakening domain, there is a method of terminating the vector control of the field weakening domain by converging the integration term of the integrated current control system to zero and stopping the integrated current control (Patent Document 4).
先に示した従来技術におけるベクトル制御方式には、以下の課題がある。
ア 特許文献1に記載の技術は、電流制御が比例演算方式であるため、電流指令通りの電流が発生せずトルク精度が劣化する。
イ 特許文献2に記載の技術は、d軸電流指令の発生が遅いことから、トルク応答が劣化する傾向がある。
ウ 特許文献3に記載の技術は、d軸電流指令が積分演算方式で積分値が蓄積されるため、特許文献4の技術を適用して積分項を零にすることができるが、電圧指令が電圧制限にかかる場合と、そうでない場合が繰り返されるような用途では、弱め界磁制御系がハンチングを起こす可能性があり、制御の安定性が低下する。
エ 特許文献1〜3に記載の技術は、インバータ直流電源の電圧変動の影響を考慮していないため、インバータ直流電源が電圧変動するような用途では、d軸電流指令とq軸電流指令が運転状態に対して最適でなくなるため、制御の安定性が低下する。
The vector control method in the prior art described above has the following problems.
A. In the technique described in
B. The technique described in
C. In the technique described in Patent Document 3, since the d-axis current command accumulates the integral value by the integral calculation method, the technique of Patent Document 4 can be applied to make the integral term zero, but the voltage command is In applications where voltage limitation is applied and cases where it is not applied repeatedly, the field weakening control system may cause hunting, which reduces the stability of control.
D. Since the techniques described in
そこで、本発明は、弱め界磁制御域においてインバータの直流電源が電圧変動を起こしても、高精度、高応答かつ安定な同期電動機のトルク制御を実現するための制御方法およびその制御装置を提供する。 Therefore, the present invention provides a control method and a control device for realizing highly accurate, highly responsive and stable torque control of a synchronous motor even if the DC power supply of the inverter causes voltage fluctuations in the field weakening control range.
前記課題を解決するために、本発明に係るインバータの制御装置は、トルク指令、周波数指令およびインバータの直流電源電圧検出値からd軸電流指令およびq軸電流指令を生成する電流指令発生部と、同期電動機の電気定数および周波数指令に基づき、d軸電流指令とd軸電流検出値との差分をゼロにするためのd軸電圧指令およびq軸電流指令とq軸電流検出値との差分をゼロにするためのq軸電圧指令をそれぞれ演算する電流制御部と、d軸電圧指令およびq軸電圧指令から演算するインバータに対する出力電圧指令を直流電源電圧検出値に応じて設定される上限値以下に制限する電圧制限部とを備え、電流制御部は、直流ゲインが有限である周波数特性を有する比例・積分制御を用いてd軸電圧指令を演算し、直流ゲインが無限大である周波数特性を有する比例・積分制御を用いてq軸電圧指令を演算することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the inverter control device according to the present invention includes a current command generator that generates a d-axis current command and a q-axis current command from a torque command, a frequency command, and a DC power supply voltage detection value of the inverter. Based on the electrical constant and frequency command of the synchronous motor, the d-axis voltage command to make the difference between the d-axis current command and the d-axis current detection value zero, and the difference between the q-axis current command and the q-axis current detection value are zero. The output voltage command for the current control unit that calculates the q-axis voltage command and the d-axis voltage command and the output voltage command for the inverter that calculates from the q-axis voltage command is below the upper limit set according to the DC power supply voltage detection value. It is equipped with a voltage limiting unit that limits the voltage, and the current control unit calculates the d-axis voltage command using proportional / integrated control that has a frequency characteristic with a finite DC gain, and has a frequency characteristic with an infinite DC gain. It is characterized in that the q-axis voltage command is calculated using proportional / integral control.
本発明によれば、弱め界磁制御域においてインバータの直流電源電圧が変動しても、高精度、高応答かつ安定な同期電動機のトルク制御を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize highly accurate, highly responsive and stable torque control of a synchronous motor even if the DC power supply voltage of the inverter fluctuates in the field weakening control range.
以下、本発明の実施形態として、実施例1および2について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号をそれぞれ付し、それら重複する構成要素についての説明を省略する。 Hereinafter, Examples 1 and 2 will be described in detail as embodiments of the present invention with reference to the drawings. In the following description, the components common to each figure are designated by the same reference numerals, and the description of the overlapping components will be omitted.
図1は、本発明の実施例1に係る同期電動機駆動用インバータの制御装置の構成を示す図である。
永久磁石同期電動機1(以下、「PMモータ1」と略記)は、インバータ2から交流電力の供給を受ける。
インバータ2は、直流電源21の直流電力を電圧指令Vu*、Vv*およびVw*に比例した3相交流電圧に変換して出力する。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a control device for a synchronous motor driving inverter according to a first embodiment of the present invention.
The permanent magnet synchronous motor 1 (hereinafter abbreviated as “
The
電流検出器3は、相交流電流IuおよびIwを検出する(なお、U相およびW相に限定されるものではなく、3相の内の任意の2相であればよい)。
直流電圧検出器4は、直流電源21の直流電圧値Edcを検出する。
速度・位相演算部5は、回転位相・速度検出器を用いる場合には、検出器信号の処理を行い、位置・速度検出器を用いない場合には、位置・速度推定を行うことにより、回転位相指令θc*および周波数指令ω1*を演算して出力する。
The current detector 3 detects the phase AC currents Iu and Iw (note that the current detector 3 is not limited to the U phase and the W phase, and may be any two of the three phases).
The DC voltage detector 4 detects the DC voltage value Edc of the DC power supply 21.
The speed /
座標変換部6は、相交流電流Iu、Iwの検出値と回転位相指令θc*に基づいてd軸およびq軸の電流検出値IdおよびIqを出力する。
d軸電流指令発生器7およびq軸電流指令発生器8は、トルク指令τ、周波数指令ω1*および直流電圧検出値Edcからd軸およびq軸の電流指令Id*およびIq*を出力する。
The
The d-axis current command generator 7 and the q-axis
電流制御部9は、PMモータ1の電気定数および周波数指令ω1*に基づいて、d軸電流指令Id*とd軸電流検出値Idとの差分が零となるように、またq軸電流指令Iq*とq軸電流検出値Iqとの差分が零となるように(すなわち、IdがId*に近づくように、またIqがIq*に近づくように)、電圧指令Vd0*およびVq0*を演算して出力する。
Based on the electric constant of the
ここで、電流制御部9は、図1の下部の点線枠に示すように、d軸電流指令演算部12、q軸電流指令演算部13および電圧ベクトル演算部14から構成される。この構成は、後述する実施例2の構成(図4の点線枠内)と同様である。
d軸電流指令演算部12は、d軸電流指令発生器7の出力である第1のd軸電流指令Id*とd軸電流検出値Idとの差分に応じて第2のd軸電流指令Id**を出力する。
q軸電流指令演算部13は、q軸電流指令発生器8の出力である第1のq軸電流指令Iq*とq軸電流検出値Iqとの差分に応じて第2のq軸電流指令Iq**を出力する。
電圧ベクトル演算部14は、PMモータの電気定数、第2の電流指令Id**とIq**および周波数指令ω1*に基づいて電圧指令Vd0*およびVq0*を演算する。
Here, the
The d-axis current
The q-axis current
Voltage
電圧制限部10は、電圧指令Vd0*およびVq0*に制限を設ける。詳細な動作態様については後述する。
座標変換部11は、電圧制限された電圧指令Vd1*およびVq1*と回転位相指令θc*とから3相交流の電圧指令Vu*、Vv*およびVw*を出力する。
The
次に、本発明の特徴の一つである電圧制限部10の動作態様について説明する。
電圧制限部10は、極座標変換器101、上限リミッタ102および逆極座標変換器103から構成される。極座標変換器101は、dq軸の各電圧指令Vd0*およびVq0*を、極座標における振幅V1*および位相δへ変換する。上限リミッタ102は、振幅V1*に制限を与える。逆極座標変換器103は、上限リミッタ102の出力値V1L*と極座標変換器101が出力する位相δとからdq座標における電圧指令Vd1*およびVq1*へ変換する。詳細を以下に説明する。
Next, the operation mode of the
The
極座標変換器101は、振幅V1*と位相δとを、電流制御部9より入力した電圧指令Vd0*およびVq0*を用いて、式(1)によって求める。
上限リミッタ102は、極座標変換器101が求めた振幅V1*が、予め設定される制限値V1MAXを上限として出力を制限する機能を有する。この制限値V1MAXは、インバータ2の直流電源電圧Edcに応じて予め設定される。
The upper limit limiter 102 has a function of limiting the output of the amplitude V1 * obtained by the
振幅V1*が予め設定される制限値V1MAXを超えていない場合、上限リミッタ102は、式(1)によって求めたV1*をそのまま出力する(V1L*=V1*)。すなわち、続く逆極座標変換器103が出力する電圧指令Vd1*およびVq1*は、それぞれ、電流制御部9からの電圧指令Vd0*およびVq0*に等しい。
When the amplitude V1 * does not exceed the preset limit value V1MAX, the
他方、振幅V1*が予め設定される制限値V1MAXを超えている場合、上限リミッタ102は、V1*をV1MAXに制限して出力する(V1L*=V1MAX)。そして、この制限出力を受けた逆極座標変換器103は、電流制御部9からの電圧指令Vd0*およびVq0*とは異なる新たな電圧指令Vd1*およびVq1*を出力することになる。
On the other hand, when the amplitude V1 * exceeds the preset limit value V1MAX, the upper limit limiter 102 limits V1 * to V1MAX and outputs it (V1L * = V1MAX). The inverse
図2は、電圧制限部10の演算動作を示すベクトル図である。図2において破線で描いた円は電圧を制限する範囲であり、電圧指令はこの円内に入るように制限される。すなわち、この円の半径の大きさが制限値V1MAXの大きさに等しい。
図2の左図は、式(1)により求めたV1が制限V1MAXを越えている(V1*>V1MAX)場合を示している。この場合には、図2の右図に示すように、位相δは変えずに、振幅をV1*からV1MAXにして、ベクトル(V1MAX,δ)のdq軸成分である電圧指令Vd1*(=V1MAX・cosδ)およびVq1*(=V1MAX・sinδ)が演算される。
FIG. 2 is a vector diagram showing the calculation operation of the
The left figure of FIG. 2 shows a case where V1 obtained by the equation (1) exceeds the limit V1MAX (V1 *> V1MAX). In this case, as shown in the right figure of FIG. 2, the amplitude is changed from V1 * to V1MAX without changing the phase δ, and the voltage command Vd1 * (= V1MAX) which is the dq axis component of the vector (V1MAX, δ).・ Cosδ) and Vq1 * (= V1MAX ・ sinδ) are calculated.
電圧指令の振幅を制限することにより、モータの誘起電圧に対して、インバータからモータに印加する電圧が不足すると、負のd軸電流が発生する。この負のd軸電流をd軸電流指令に一致するように制御しようとして電流制御部(特に、d軸電流制御部)が動作するため、電流制御部において通常の比例・積分制御(以下、「PI制御」という)をすると、弱め界磁制御に必要なだけの負のd軸電流が流れない。 By limiting the amplitude of the voltage command, if the voltage applied to the motor from the inverter is insufficient with respect to the induced voltage of the motor, a negative d-axis current is generated. Since the current control unit (particularly, the d-axis current control unit) operates in an attempt to control this negative d-axis current so as to match the d-axis current command, the current control unit performs normal proportional / integral control (hereinafter, "" When "PI control" is performed, the negative d-axis current required for field weakening control does not flow.
そこで、本発明の特徴の一つである、電流制御部のゲインを調整することにより、弱め界磁制御部を設けなくても弱め界磁制御を可能にする点を、実施例1に係る電流制御部9の動作態様において説明する。 Therefore, one of the features of the present invention is that by adjusting the gain of the current control unit, the field weakening control can be performed without providing the field weakening control unit. The operation mode will be described.
電流制御部9は、前述のとおり、d軸電流指令Id*とd軸電流検出値Idとの差分が零となるように、またq軸電流指令Iq*とq軸電流検出値Iqとの差分が零となるように(すなわち、IdがId*に近づくように、またIqがIq*に近づくように)、制御するが、本発明は、その制御態様に特徴がある。
すなわち、図3に示すように、本発明は、q軸電流制御には通常のPI制御を適用するが(図3の右下に示す特性)、d軸電流制御には、通常のPI制御とは異なり、直流ゲイン(ω=0)が有限である周波数特性を有する制御を適用する(図3の右上に示す特性)。
As described above, the
That is, as shown in FIG. 3, the present invention applies the normal PI control to the q-axis current control (characteristic shown in the lower right of FIG. 3), but applies the normal PI control to the d-axis current control. Is different, and a control having a frequency characteristic in which the DC gain (ω = 0) is finite is applied (characteristic shown in the upper right of FIG. 3).
通常の電流制御では、定常誤差を零にするために、直流ゲインが無限大であるPI制御が適用され、d軸電流指令Id*とd軸電流検出値Idとの差分が零となるように制御する。これにより、電圧制限にかかっても、弱め界磁制御に必要な負のd軸電流が不足する可能性がある。そこで、図3の右上に示すように、電流制御部9のd軸電流制御における直流ゲインを有限とし、定常偏差を残すようにする。そうすると、定常偏差は残るものの、その値は直流ゲインの値の調整により、適宜設定することができる。それによって、弱め界磁制御に必要なd軸電流を流すことが可能となる。
In normal current control, PI control with an infinite DC gain is applied in order to make the steady-state error zero, so that the difference between the d-axis current command Id * and the d-axis current detection value Id becomes zero. Control. As a result, even if the voltage is limited, the negative d-axis current required for field weakening control may be insufficient. Therefore, as shown in the upper right of FIG. 3, the DC gain in the d-axis current control of the
以上のように、弱め界磁域においてはトルク制御を優先させるために、q軸電流制御においては、通常のPI制御によりトルク電流の差分を零に制御する。これに対し、d軸電流制御においては、偏差は残るものの、直流ゲインが有限であるため弱め界磁制御に必要なだけの負のd軸電流が流れることにより、弱め界磁制御部を設けることなしに、弱め界磁制御を行うことができる。したがって、弱め界磁制御部での演算時間が生じないため、高応答な制御が実現できる。 As described above, in order to give priority to torque control in the field weakening domain, in q-axis current control, the difference in torque current is controlled to zero by normal PI control. On the other hand, in the d-axis current control, although the deviation remains, since the DC gain is finite, the negative d-axis current required for the field weakening control flows, so that the field weakening is weakened without providing the field weakening control unit. Field control can be performed. Therefore, since the calculation time in the field weakening control unit does not occur, highly responsive control can be realized.
次に、本発明の別の特徴である、d軸電流指令発生器7およびq軸電流指令発生器8について説明する。インバータ2に直流電力を供給する直流電源21の電圧は、直流電圧検出器4により検出され、その検出値Edcとインバータ2の出力電圧V1との関係は、式(2)で表わされる。
したがって、直流電源21の電圧Edcが変動すると、インバータ2の出力電圧V1は変化するため、PMモータ1を最適に運転するためには、運転時における直流電源21の電圧Edcの変動を考慮して、d軸電流とq軸電流を供給する必要がある。
Therefore, when the voltage Edc of the DC power supply 21 fluctuates, the output voltage V1 of the
そこで、直流電源21の電圧Edcの変動を考慮して運転状態に最適なd軸電流とq軸電流を得るために、d軸電流指令発生器7およびq軸電流指令発生器8は、例えば電磁場解析によりPMモータの出力トルクに対して最適なd軸電流とq軸電流を求め、それにより得られたd軸電流とq軸電流を、PMモータ1のトルクおよび回転周波数並びに直流電源21の電圧を変数とする関数として予め用意する。
Therefore, in order to obtain the optimum d-axis current and q-axis current for the operating state in consideration of the fluctuation of the voltage Edc of the DC power supply 21, the d-axis current command generator 7 and the q-axis
d軸電流指令発生器7およびq軸電流指令発生器8は、このようにして予め用意した関数により、トルク指令τ*、周波数指令ω1*および直流電源電圧検出値Edcに対するd軸電流およびq軸電流を求め、両者をd軸電流指令およびq軸電流指令とする。このように、インバータに直流電力を供給する直流電源電圧の変動を考慮したことにより、PMモータの運転状態において最適なd軸電流とq軸電流を与えることが可能となる。よって、高精度なトルク制御を実現できる。
The d-axis current command generator 7 and the q-axis
上述のように、本発明の実施例1によれば、永久磁石同期電動機(PMモータ)の弱め界磁制御域において、インバータに直流電力を供給する直流電源の電圧が変動しても、高精度、高応答かつ安定なトルク制御を実現することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, even if the voltage of the DC power supply that supplies DC power to the inverter fluctuates in the field weakening control range of the permanent magnet synchronous motor (PM motor), it is highly accurate and highly accurate. Responsive and stable torque control can be realized.
先の実施例1は、d軸の電流制御において、直流ゲインが有限な周波数特性を有する比例・積分制御(PI制御)を適用することにより、弱め界磁制御部を設けること無しに、弱め界磁制御を実現するものである。この時、d軸の電流制御において定常偏差が残るため、d軸電流Idとd軸電流指令Id*とは一致せず、電流指令通りに電流を発生させることができない。そのため、トルク精度の要求が厳しい用途ではトルク精度が不足する可能性がある。 In the first embodiment, by applying proportional / integral control (PI control) in which the DC gain has a finite frequency characteristic in the d-axis current control, the field weakening control is realized without providing the field weakening control unit. To do. At this time, since a steady deviation remains in the d-axis current control, the d-axis current Id and the d-axis current command Id * do not match, and the current cannot be generated according to the current command. Therefore, there is a possibility that the torque accuracy will be insufficient in applications where the torque accuracy is strict.
これに対して、特許文献3に記載された電流制御を行えば、d軸の電流制御の定常偏差は無く、電流指令通りに電流を発生させることができるので、トルク精度は劣化しない。しかし、弱め界磁制御においては、積分演算方式で積分値が蓄積されるため、ハンチングを起こす可能性がある。 On the other hand, if the current control described in Patent Document 3 is performed, there is no steady deviation of the d-axis current control, and the current can be generated according to the current command, so that the torque accuracy does not deteriorate. However, in field weakening control, hunting may occur because the integrated value is accumulated by the integral calculation method.
また他方で、特許文献4に示されているように、積分制御系の積分項を零に収束させて積分制御を中止する手段を適用することが考えられる。しかし、電圧指令の振幅が電圧制限値に近い場合には、電圧指令の振幅が電圧制限値に制限されたり制限されなかったりするため、制御系が安定化しない怖れがある。 On the other hand, as shown in Patent Document 4, it is conceivable to apply a means for stopping the integral control by converging the integral term of the integral control system to zero. However, when the amplitude of the voltage command is close to the voltage limit value, the amplitude of the voltage command is limited or not limited to the voltage limit value, so that the control system may not be stabilized.
そこで、電圧制限の有無に関わらず、一つの手段によって弱め界磁制御を連続的に行う方が制御系は安定化する。本発明の実施例2は、次に説明するように、弱め界磁制御を連続的に行う弱め界磁指令演算部を設け、この弱め界磁制御のゲインを調整することを特徴とする。 Therefore, regardless of the presence or absence of voltage limitation, the control system is stabilized by continuously performing field weakening control by one means. The second embodiment of the present invention is characterized in that, as will be described next, a weakening field command calculation unit that continuously performs the field weakening control is provided, and the gain of the field weakening control is adjusted.
図4は、本発明の実施例2に係る同期電動機駆動用インバータの制御装置の構成を示す図である。
実施例2は、フィードバック制御方式による弱め界磁指令演算部において、比例・積分制御の直流ゲインを有限とする方式を採用したことを特徴とする。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a control device for a synchronous motor driving inverter according to a second embodiment of the present invention.
The second embodiment is characterized in that the field weakening command calculation unit based on the feedback control method employs a method in which the DC gain of proportional / integral control is finite.
図4において、1〜14、21および101〜103は、図1に示す実施例1に係る同期電動機駆動用インバータの制御装置の構成及び機能と同様である。ただし、d軸電流指令演算部12は、第1のd軸電流指令Id*および後述する弱め界磁指令演算部15の出力である弱め界磁電流指令ΔId*の加算値と、d軸電流検出値Idとの差分に応じて第2のd軸電流指令Id**を出力する点において、実施例1のd軸電流指令演算部12と入力態様が相違する。
In FIG. 4, 1 to 14, 21 and 101 to 103 are the same as the configuration and function of the control device for the synchronous motor driving inverter according to the first embodiment shown in FIG. However, the d-axis current
弱め界磁指令演算部15は、弱め界磁域における出力電圧指令V1* refと出力電圧値V1c*との差分から弱め界磁電流指令ΔId*を演算する。
出力電圧演算部16は、電圧指令Vd0*およびVq0*からインバータ2の出力電圧値V1c*を演算する。
The field weakening
Output
次に、実施例2が特徴とする、弱め界磁指令演算部15を用いたベクトル制御方式における電圧制御および位相制御の基本動作について説明する。
出力電圧演算部16は、d軸およびq軸の電圧指令Vd0*およびVq0*を用いて、式(3)に基づいて出力電圧値V1c*を算出する。
Output
弱め界磁指令演算部15は、出力電圧演算部16の出力電圧値V1c*が、弱め界磁域における出力電圧指令V1* refに一致するように、比例・積分演算により弱め界磁電流指令ΔId*を演算する。更に、弱め界磁電流指令ΔId*とd軸電流指令発生器7が出力する第1のd軸電流指令Id*との加算により、d軸電流指令とする。
The field weakening
電圧ベクトル演算部14は、第2のd軸およびq軸の電流指令Id**およびIq**並びにモータ定数を用いて、式(4)に基づいてd軸およびq軸の電圧指令Vd0*およびVq0*を演算する。
また、速度・位相演算部5は、実施例1と同様に、回転位相・速度検出器を用いる場合には、検出器信号の処理を行い、位置・速度検出器を用いない場合には、位置・速度推定を行うことにより、回転位相指令θc*と周波数指令ω1*を演算して出力する。
Further, the speed /
次に、図5を用いて、本発明の実施例2の特徴である、フィードバック制御方式による弱め界磁指令演算部15について説明する。図5は、実施例2における弱め界磁指令演算部15を説明する図である。
Next, with reference to FIG. 5, the field weakening
弱め界磁指令演算部15は、比例・積分演算器151およびリミッタ演算器152から構成される。比例・積分演算器151は、直流ゲインが有限な周波数特性を持つ。図5の下部に示すゲインと周波数ωとの関係は、比例・積分演算器151への入力信号の周波数に対するゲインの特性である。リミッタ演算器152は、図示の特性のように、入力信号が正の場合には出力しないように制限する。
The field weakening
すなわち、弱め界磁指令演算部15は、弱め界磁域における出力電圧指令V1* refと出力電圧値V1c*との差分に対して、直流ゲインが有限な周波数特性を持つ比例・積分演算器151により比例・積分演算を行い、その演算値をリミッタ演算器152を介することで上記差分が負になる場合(V1c*>V1* ref)にのみ、弱め界磁電流指令ΔId*として出力する。
That is, the field weakening
図5に示すように、実施例2においては、弱め界磁制御に対して、通常のPI制御とは異なり、直流ゲイン(ω=0)が有限である周波数特性を有する制御を適用する。
通常のPI制御では、定常誤差を零にするために、直流ゲインが無限大であるPI制御が適用される。しかし、電圧制限にかかると、前述したハンチングが生じる可能性がある。そこで、実施例2では、弱め界磁制御における直流ゲインを有限とし、定常偏差を残すようにする。ただし、定常偏差は残るものの、その値は、直流ゲイン(ω=0)の値の調整によって、適宜設定することができる。したがって、弱め界磁制御においては偏差が残るものの、直流ゲインを有限とすることでハンチングが抑制され、制御系を安定化することができる。
As shown in FIG. 5, in the second embodiment, a control having a frequency characteristic in which the DC gain (ω = 0) is finite is applied to the field weakening control, unlike the normal PI control.
In normal PI control, PI control with an infinite DC gain is applied in order to make the steady-state error zero. However, when the voltage limit is applied, the above-mentioned hunting may occur. Therefore, in the second embodiment, the DC gain in the field weakening control is set to a finite value so that the steady-state deviation remains. However, although the steady-state deviation remains, the value can be appropriately set by adjusting the value of the DC gain (ω = 0). Therefore, although the deviation remains in the field weakening control, hunting is suppressed by making the DC gain finite, and the control system can be stabilized.
以上のように、実施例2によれば、同期電動機の制御装置による弱め界磁制御において、高精度・高応答なトルク制御が得られる。また、弱め界磁指令演算部15を用いることによって、電圧制限の実行および解除が繰り返されたとしても(すなわち、上述したハンチング発生の懸念)、制御系を安定化することができる。更に、電流指令通りに電流を発生させることができるので、高精度なトルク制御を実現できる。
As described above, according to the second embodiment, the torque control with high accuracy and high response can be obtained in the field weakening control by the control device of the synchronous motor. Further, by using the field weakening
ここで、トルク制御運転時において高トルクが要求されると、トルクに見合った大きな電流を流す必要がある。連続した時間で高トルクが要求される場合、PMモータでは、通電電流による発熱により、時間と共にPMモータ内部の巻線抵抗値R1が増大する。すると、電圧ベクトル演算部で演算する抵抗設定値と実抵抗値が一致しなくなるため(式(4)参照)、モータに必要な電圧を供給することができなくなる。その結果、トルク発生に必要な電流が流れず、トルク不足に陥ることが懸念される。 Here, when high torque is required during torque control operation, it is necessary to pass a large current commensurate with the torque. When high torque is required for continuous time, in the PM motor, the winding resistance value R1 inside the PM motor increases with time due to heat generation due to the energizing current. Then, since the resistance set value calculated by the voltage vector calculation unit and the actual resistance value do not match (see equation (4)), the voltage required for the motor cannot be supplied. As a result, there is a concern that the current required for torque generation does not flow and the torque becomes insufficient.
そこで、本発明の実施例1および2ように、電圧ベクトル演算部14の上流側に電流指令演算部12および13を配置することにより、PMモータ電流を電流指令に一致させるように出力電圧が制御される。これにより、PMモータ定数の変動などの影響を受けることなく、低速度域からトルク不足を生じない同期電動機の制御装置を提供できる。
Therefore, as in Examples 1 and 2 of the present invention, by arranging the current
なお、本発明は、以上の実施形態(実施例1および2)に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態(実施例1および2)は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。使用する関数については、テーブルであってもよい。また、各実施形態(実施例1および2)の構成の一部について、他の構成の追加・置き換えをすることも可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments (Examples 1 and 2), and includes various modifications. For example, the above-described embodiments (Examples 1 and 2) have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. The function to be used may be a table. It is also possible to add or replace a part of the configurations of each embodiment (Examples 1 and 2) with other configurations.
更に、関数を用いて電流指令を求める方法は、モータ定数の磁気飽和による変動なども考慮できるので、埋込磁石形PMモータの制御に適するものである。 Further, the method of obtaining the current command using a function is suitable for controlling the embedded magnet type PM motor because the fluctuation of the motor constant due to magnetic saturation can be taken into consideration.
最後に、本発明に係る同期電動機駆動用インバータの制御装置は、その適用範囲として、鉄道車両、産業用として、圧縮機、スピンドルモータ、冷暖房装置、コンベア、昇降機、押し出し器および工作機械など多岐にわたるものである。 Finally, the control device for the inverter for driving a synchronous motor according to the present invention has a wide range of applications such as a compressor, a spindle motor, a heating / cooling device, a conveyor, an elevator, an extruder, and a machine tool for railway vehicles and industrial use. It is a thing.
1…永久磁石同期電動機(PMモータ)、2…インバータ、3…電流検出器、
4…直流電圧検出器、5…速度・位相演算部、6…座標変換部、
7…d軸電流指令発生器、8…q軸電流指令発生器、9…電流制御部、
10…電圧制限部、11…座標変換部、12…d軸電流指令演算部、
13…q軸電流指令演算部、14…電圧ベクトル演算部、15…弱め界磁指令演算部、
16…出力電圧演算部、21…直流電源、101…極座標変換器、
102…上限リミッタ、103…逆極座標変換器、151…比例・積分演算器、
152…リミッタ演算器
1 ... Permanent magnet synchronous motor (PM motor), 2 ... Inverter, 3 ... Current detector,
4 ... DC voltage detector, 5 ... Speed / phase calculation unit, 6 ... Coordinate conversion unit,
7 ... d-axis current command generator, 8 ... q-axis current command generator, 9 ... current control unit,
10 ... Voltage limiting unit, 11 ... Coordinate conversion unit, 12 ... d-axis current command calculation unit,
13 ... q-axis current command calculation unit, 14 ... voltage vector calculation unit, 15 ... weak field command calculation unit,
16 ... Output voltage calculation unit, 21 ... DC power supply, 101 ... Polar coordinate converter,
102 ... upper limit limiter, 103 ... inverse polar coordinate converter, 151 ... proportional / integral calculator,
152 ... Limiter calculator
Claims (6)
トルク指令、周波数指令および前記インバータの直流電源電圧検出値からd軸電流指令およびq軸電流指令を生成する電流指令発生部と、
前記同期電動機の電気定数および前記周波数指令に基づき、前記d軸電流指令とd軸電流検出値との差分をゼロにするためのd軸電圧指令および前記q軸電流指令とq軸電流検出値との差分をゼロにするためのq軸電圧指令をそれぞれ演算する電流制御部と、
前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令から演算する前記インバータに対する出力電圧指令を前記直流電源電圧検出値に応じて設定される上限値以下に制限する電圧制限部と
を備え、
前記電流制御部は、直流ゲインが有限である周波数特性を有する比例・積分制御を用いて前記d軸電圧指令を演算し、直流ゲインが無限大である周波数特性を有する比例・積分制御を用いて前記q軸電圧指令を演算する
ことを特徴とするインバータの制御装置。 It is an inverter control device that drives a synchronous motor.
A current command generator that generates a d-axis current command and a q-axis current command from the torque command, frequency command, and DC power supply voltage detection value of the inverter.
Based on the electric constant of the synchronous motor and the frequency command, the d-axis voltage command for making the difference between the d-axis current command and the d-axis current detected value zero, and the q-axis current command and the q-axis current detected value. A current control unit that calculates the q-axis voltage command to make the difference between
The d-axis voltage command and the output voltage command for the inverter calculated from the q-axis voltage command are provided with a voltage limiting unit that limits the output voltage command to the upper limit value or less set according to the DC power supply voltage detection value.
The current control unit calculates the d-axis voltage command using the proportional / integral control having a frequency characteristic having a finite DC gain, and uses the proportional / integral control having a frequency characteristic having an infinite DC gain. An inverter control device for calculating the q-axis voltage command.
トルク指令、周波数指令および前記インバータの直流電源電圧検出値からd軸電流指令およびq軸電流指令を生成する電流指令発生部と、
前記同期電動機の電気定数および前記周波数指令に基づき、前記d軸電流指令および弱め界磁電流指令の加算値とd軸電流検出値との差分をゼロにするためのd軸電圧指令および前記q軸電流指令とq軸電流検出値との差分をゼロにするためのq軸電圧指令をそれぞれ演算する電流制御部と、
前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令から演算する前記インバータに対する出力電圧指令を前記直流電源電圧検出値に応じて設定される上限値以下に制限する電圧制限部と、
前記弱め界磁電流指令を、弱め界磁域における出力電圧指令と前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令から算出する前記インバータの出力電圧との差分から演算する弱め界磁指令演算部と
を備え、
前記弱め界磁指令演算部は、直流ゲインが有限である周波数特性を有する比例・積分制御を用いて前記弱め界磁電流指令を演算する
ことを特徴とするインバータの制御装置。 It is an inverter control device that drives a synchronous motor.
A current command generator that generates a d-axis current command and a q-axis current command from the torque command, frequency command, and DC power supply voltage detection value of the inverter.
Based on the electric constant of the synchronous motor and the frequency command, the d-axis voltage command and the q-axis for making the difference between the added value of the d-axis current command and the field weakening current command and the d-axis current detected value zero. A current control unit that calculates the q-axis voltage command to make the difference between the current command and the q-axis current detection value zero, and
A voltage limiting unit that limits the output voltage command for the inverter calculated from the d-axis voltage command and the q-axis voltage command to or less than the upper limit set according to the DC power supply voltage detection value.
A field weakening command calculation unit that calculates the field weakening current command from the difference between the output voltage command in the field weakening region and the output voltage of the inverter calculated from the d-axis voltage command and the q-axis voltage command. Prepare,
The field weakening command calculation unit is an inverter control device that calculates the field weakening current command using proportional / integral control having a frequency characteristic in which the DC gain is finite.
前記電流指令発生部は、d軸電流およびq軸電流を与える関数またはテーブルとして、前記同期電動機のトルクおよび回転周波数並びに前記インバータの直流電源電圧を変数とする関数またはテーブルを用意し、当該関数またはテーブルから前記トルク指令、前記周波数指令および前記インバータの直流電源電圧検出値に対する前記d軸電流指令および前記q軸電流指令を生成する
ことを特徴とするインバータの制御装置。 The inverter control device according to claim 1 or 2.
The current command generator prepares a function or table in which the torque and rotation frequency of the synchronous electric motor and the DC power supply voltage of the inverter are variables as a function or table for giving the d-axis current and the q-axis current, and prepares the function or table. An inverter control device for generating the d-axis current command and the q-axis current command with respect to the torque command, the frequency command, and the DC power supply voltage detected value of the inverter from a table.
トルク指令、周波数指令および前記インバータの直流電源電圧検出値から、d軸電流指令を生成する第1のステップおよびq軸電流指令を生成する第2のステップと、
前記同期電動機の電気定数および前記周波数指令に基づき、前記d軸電流指令とd軸電流検出値との差分をゼロにするためのd軸電圧指令を演算する第3のステップおよび前記q軸電流指令とq軸電流検出値との差分をゼロにするためのq軸電圧指令を演算する第4のステップと、
前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令から演算する前記インバータに対する出力電圧指令を前記直流電源電圧検出値に応じて設定される上限値以下に制限する第5のステップと
を有し、
前記第3のステップでは、直流ゲインが有限である周波数特性を有する比例・積分制御を用いて前記d軸電圧指令を演算し、
前記第4のステップでは、直流ゲインが無限大である周波数特性を有する比例・積分制御を用いて前記q軸電圧指令を演算する
ことを特徴とするインバータの制御方法。 It is a control method of the inverter that drives the synchronous motor.
From the torque command, the frequency command, and the DC power supply voltage detection value of the inverter, the first step of generating the d-axis current command and the second step of generating the q-axis current command, and
A third step of calculating a d-axis voltage command for making the difference between the d-axis current command and the d-axis current detected value zero based on the electric constant of the synchronous motor and the frequency command, and the q-axis current command. The fourth step of calculating the q-axis voltage command to make the difference between and the q-axis current detection value zero, and
It has a fifth step of limiting the output voltage command to the inverter calculated from the d-axis voltage command and the q-axis voltage command to or less than the upper limit value set according to the DC power supply voltage detection value.
In the third step, the d-axis voltage command is calculated using proportional / integral control having a frequency characteristic in which the DC gain is finite.
The fourth step is a control method for an inverter, wherein the q-axis voltage command is calculated by using proportional / integral control having a frequency characteristic in which the DC gain is infinite.
トルク指令、周波数指令および前記インバータの直流電源電圧検出値から、d軸電流指令を生成する第1のステップおよびq軸電流指令を生成する第2のステップと、
前記同期電動機の電気定数および前記周波数指令に基づき、前記d軸電流指令および弱め界磁電流指令の加算値とd軸電流検出値との差分をゼロにするためのd軸電圧指令を演算する第3のステップおよび前記q軸電流指令とq軸電流検出値との差分をゼロにするためのq軸電圧指令を演算する第4のステップと、
前記弱め界磁電流指令を、弱め界磁域における出力電圧指令と前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令から算出する前記インバータの出力電圧との差分から演算する第5のステップと
前記d軸電圧指令および前記q軸電圧指令から演算する前記インバータに対する出力電圧指令を前記直流電源電圧検出値に応じて設定される上限値以下に制限する第6のステップと、
を備え、
前記第5のステップでは、直流ゲインが有限である周波数特性を有する比例・積分制御を用いて前記弱め界磁電流指令を演算する
ことを特徴とするインバータの制御方法。 It is a control method of the inverter that drives the synchronous motor.
From the torque command, the frequency command, and the DC power supply voltage detection value of the inverter, the first step of generating the d-axis current command and the second step of generating the q-axis current command, and
Based on the electric constant of the synchronous motor and the frequency command, the d-axis voltage command for calculating the difference between the added value of the d-axis current command and the field weakening current command and the d-axis current detection value is calculated. The third step, the fourth step of calculating the q-axis voltage command for making the difference between the q-axis current command and the q-axis current detected value zero, and the fourth step.
The fifth step and the d-axis for calculating the weakening field current command from the difference between the output voltage command in the field-weakening region and the output voltage of the inverter calculated from the d-axis voltage command and the q-axis voltage command. The sixth step of limiting the output voltage command to the inverter calculated from the voltage command and the q-axis voltage command to the upper limit value or less set according to the DC power supply voltage detection value, and
With
Wherein in the fifth step, the inverter control method characterized that you calculating the weak field current command using a proportional-integral control with the frequency characteristic DC gain is finite.
前記第1のステップおよび前記第2のステップでは、d軸電流およびq軸電流を与える関数またはテーブルとして、前記同期電動機のトルクおよび回転周波数並びに前記インバータの直流電源電圧を変数とする関数またはテーブルを用意し、当該関数またはテーブルから前記トルク指令、前記周波数指令および前記インバータの直流電源電圧検出値に対する前記d軸電流指令および前記q軸電流指令を生成する
ことを特徴とするインバータの制御方法。 The inverter control method according to claim 4 or 5.
In the first step and the second step, as a function or table for giving the d-axis current and the q-axis current, a function or table having the torque and rotation frequency of the synchronous motor and the DC power supply voltage of the inverter as variables is used. A method for controlling an inverter, which comprises preparing, generating the torque command, the frequency command, the d-axis current command for the DC power supply voltage detection value of the inverter, and the q-axis current command from the function or the table.
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