JP7196469B2 - Controller for synchronous reluctance motor - Google Patents
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本発明は、同期リラクタンスモータの回転子の磁極位置を検出する位置センサと回転子の回転速度を検出する速度センサとを備えずに同期リラクタンスモータへ供給される交流電流を用いて同期リラクタンスモータの回転を制御する同期リラクタンスモータの制御装置に関する。 The present invention provides a synchronous reluctance motor using an alternating current supplied to the synchronous reluctance motor without a position sensor for detecting the magnetic pole position of the rotor of the synchronous reluctance motor and a speed sensor for detecting the rotational speed of the rotor. The present invention relates to a control device for a synchronous reluctance motor that controls rotation.
特許文献1には、埋込磁石型同期電動機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor:IPMSM)の突極比を利用して、IPMSMに矩形の高周波交番電圧を印加することによって、回転子の磁極位置を推定する方法が開示される。突極比は、d軸のインダクタンス成分に対するq軸のインダクタンス成分の比である。d軸は回転子の磁極がつくる磁束の方向と平行な軸であり、q軸はd軸に直交する方向と平行な軸である。
In
特許文献1に開示される磁極位置の推定方法では、突極比をもつ回転子が低速で回転している場合、又は回転子が停止している場合には、磁極位置の推定が可能であるが、しかしながら、IPMSMでは、回転子が回転しているとき、回転子に設けられる永久磁石が発生する磁束に起因する誘起電圧が、固定子の巻き線に発生するため、IPMSMの回転子が高速で回転している場合、IPMSMへ交番電圧を印加することができない。従って、特許文献1に開示される磁極位置の推定方法は、回転子が高速回転中のIPMSMに適用できず、磁極位置の推定が困難である。このため、特許文献1の磁極位置推定方法では、回転子が高速で回転しているときに、回転子を有する電動機を始動するためには、回転子の回転速度が空気抵抗などに起因して自然減速することによって、回転速度が低くなるまで待つ必要があり、又は回転子の回転が停止するまで待つ必要がある。従って、特許文献1の磁極位置推定方法では、電動機の始動が遅れるという課題があった。
In the method for estimating the magnetic pole position disclosed in
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子の回転速度が低くなるまで又は回転子の回転が停止するまで待つことなく、高速回転中の回転子の回転速度を推定できる同期リラクタンスモータの制御装置を得ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and provides a synchronization method that can estimate the rotation speed of a rotor during high-speed rotation without waiting until the rotation speed of the rotor becomes low or until the rotation of the rotor stops. The object is to obtain a control device for a reluctance motor.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る同期リラクタンスモータの制御装置は、同期リラクタンスモータの回転子の磁極位置を検出する位置センサと回転子の回転速度を検出する速度センサとを備えずに、同期リラクタンスモータへ供給される交流電流を用いて同期リラクタンスモータの回転を制御する制御部を備える。また同期リラクタンスモータの制御装置の制御部は、高周波電圧が同期リラクタンスモータに印加されたとき、回転子の磁束軸方向のd軸とd軸に直交するq軸とからなるdq軸直交回転座標系とは異なる制御上のγδ直交回転座標系におけるγ軸上の高周波電流の振幅を示すγ軸高周波電流振幅と、γ軸に直交するδ軸上の高周波電流の振幅を示すδ軸高周波電流振幅と、γδ直交回転座標系におけるγ軸及びδ軸の第1回転速度とに基づき、回転子のdq軸直交回転座標系の第2回転速度を推定する推定部を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a control device for a synchronous reluctance motor according to the present invention includes a position sensor for detecting the magnetic pole position of the rotor of the synchronous reluctance motor and a speed sensor for detecting the rotational speed of the rotor. and a control unit for controlling the rotation of the synchronous reluctance motor using an alternating current supplied to the synchronous reluctance motor. When a high-frequency voltage is applied to the synchronous reluctance motor, the control unit of the synchronous reluctance motor controller controls a dq-axis orthogonal rotating coordinate system consisting of the d-axis in the magnetic flux axis direction of the rotor and the q-axis orthogonal to the d-axis. γ-axis high-frequency current amplitude indicating the amplitude of the high-frequency current on the γ-axis in the γδ orthogonal rotating coordinate system on the control different from the δ-axis high-frequency current amplitude indicating the amplitude of the high-frequency current on the δ-axis orthogonal to the γ-axis , an estimating unit for estimating a second rotational speed of the rotor in the dq-axis orthogonal rotating coordinate system based on the first rotational speeds of the γ-axis and the δ-axis in the γδ orthogonal rotating coordinate system.
本発明によれば、回転子の回転速度が低くなるまで又は回転子の回転が停止するまで待つことなく、高速回転中の回転子の回転速度を推定できる、という効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to estimate the rotation speed of the rotor during high-speed rotation without waiting until the rotation speed of the rotor becomes low or until the rotation of the rotor stops.
以下に、本発明の実施の形態に係る同期リラクタンスモータの制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 A control device for a synchronous reluctance motor according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態に係る同期リラクタンスモータの制御装置200の構成図である。図1に示される同期リラクタンスモータの制御装置200は、同期リラクタンスモータ1の回転子の磁極位置を検出する位置センサと回転子の回転速度を検出する速度センサとを備えずに、同期リラクタンスモータ1へ供給される交流電流を用いて同期リラクタンスモータ1の回転を制御する制御部100を備える制御装置である。以下では、同期リラクタンスモータの制御装置200を単に制御装置200と称する場合がある。また同期リラクタンスモータ1を単にモータ1と称する場合がある。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
制御装置200は、三相交流電源4から供給される交流電力を整流し、整流された電力を直流電力として出力する整流回路3と、整流回路3から供給される直流電力を、モータ1を駆動するための交流電力に変換して出力する電力変換器2とを備える。また制御装置200は、電力変換器2に設けられる複数の半導体スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御部100と、U相電流検出器6uと、W相電流検出器6wとを備える。
The
電力変換器2には、三相交流配線50の一端が接続され、三相交流配線50の他端は、モータ1に接続される。三相交流配線50の内、U相配線には、U相配線に流れる電流を検出するU相電流検出器6uが設けられ、W相配線には、W相配線に流れる電流を検出するW相電流検出器6wが設けられる。U相電流検出器6u及びW相電流検出器6wは、例えばCT(Current Transformer)である。U相電流検出器6u及びW相電流検出器6wのそれぞれは、検出した電流を、電流の値を示す信号に変換して出力する。iuは、U相電流検出器6uから出力される信号を表す。以下ではU相電流iuと称する。iwは、W相電流検出器6wから出力される信号を表す。以下ではW相電流iwと称する。
One end of the three-
2つのU相電流検出器6u,W相電流検出器6wが用いられている理由は、U相電流+V相電流+W相電流=0の関係が成立するため、2相分の検出電流から残りの1相の電流を求めることもできるためである。従って、制御装置200は、U相配線、V相配線及びW相配線の内、少なくとも2つ配線に流れる電流を検出するように構成してもよい。なお、制御装置200は、U相電流検出器6u及びW相電流検出器6wの代わりに、電力変換器2の内部の不図示の正極母線又は負極母線に流れる電流を検出し、又は電力変換器2を構成する不図示のスイッチング素子に流れる電流を検出する電流検出器を用いてもよい。整流回路3及び電力変換器2のそれぞれの構成については公知のため、説明を割愛する。
The reason why the two U-phase current detectors 6u and W-phase
以下では制御部100の構成について詳細に説明する。まず、回転座標系について説明する。図2はdq軸及びγδ軸を説明するための図である。dq軸は、モータ1の回転子に同期して回転するdq軸直交回転座標系を定める直交軸である。d軸は、回転子の磁極がつくる磁束の方向と平行な軸である。q軸は、d軸から90度進んだ軸である。また、回転子の磁極位置及び回転子の回転速度を直接検出しないセンサレス制御では、dq軸とは別に、γδ軸が定義される。γδ軸は、dq軸直交回転座標系とは異なる制御上のγδ直交回転座標系を定める直交軸である。δ軸はγ軸から90度進んだ軸である。
The configuration of the
ω1は、γδ直交回転座標系のγδ軸の第1回転速度を示すγδ軸回転速度である。ωrは、dq軸の回転速度を示すdq軸回転速度である。θ1は、モータ1に設けられるU相巻線の位置を基準にしたγδ軸の位相を示すγδ軸位相である。θrは、モータ1に設けられるU相巻線の位置を基準にしたdq軸の位相を示すdq軸位相である。ωerrは、γ軸とd軸との相対速度である。相対速度ωerrは、dq軸回転速度ωrと、γδ軸回転速度ω1との速度差に等しい。θerrは、γ軸とd軸との相対位相である。相対位相θerrは、γδ軸位相θ1とdq軸位相θrとの位相差に等しい。dq軸位相θrは、実際の回転子の磁極位置に等しい。
ω1 is the γδ axis rotation speed indicating the first rotation speed of the γδ axis of the γδ orthogonal rotating coordinate system. ωr is the dq-axis rotation speed indicating the rotation speed of the dq-axes. θ1 is the γδ-axis phase indicating the phase of the γδ-axis with respect to the position of the U-phase winding provided in the motor 1 . θr is the dq-axis phase indicating the phase of the dq-axis with respect to the position of the U-phase winding provided in the
図2に示されるdq軸回転速度ωr及びdq軸位相θrは、数式1及び数式2で演算できる。γδ軸回転速度ω1及びγδ軸位相θ1は、任意に選ぶことができる。そのため、相対速度ωerr及び相対位相θerrを求めることにより、dq軸回転速度ωr及びdq軸位相θrを演算できる。 The dq-axis rotation speed ωr and the dq-axis phase θr shown in FIG. The γδ axis rotation speed ω1 and the γδ axis phase θ1 can be arbitrarily selected. Therefore, by obtaining the relative speed ω err and the relative phase θ err , the dq-axis rotation speed ω r and the dq-axis phase θ r can be calculated.
モータ1が停止中に、γ軸高周波交番電圧vγhが印加された場合に生じる高周波成分の状態方程式は、電機子抵抗を無視できる場合には、数式3で表すことができる。γ軸高周波交番電圧vγhは、モータ1に設けられる巻線に印加される高周波交番電圧である。図1では、γ軸高周波交番電圧を示す符号「vγh」の図示が省略されている。γ軸高周波交番電圧vγhは、γ軸に平行な方向に発生する矩形波状の電圧である。γ軸高周波交番電圧指令値vγh
*を単にvγh
*と称する場合がある。数式3において、pは微分演算子であり、Ldはd軸インダクタンスであり、Lqはq軸インダクタンスである。L0は、L0=1/2(Ld+Lq)で求めることができる。L2は、L2=1/2(Ld-Lq)で求めることができる。相対位相θerrは、θerr=θr-θ1で求めることができる。
The state equation of the high-frequency component generated when the γ-axis high-frequency alternating voltage v γh is applied while the
このとき流れるγδ軸高周波電流の振幅であるγδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhは、数式4により求めることができる。数式4に示すように、数式3に示す状態方程式を、vγh
*の周期Thで積分することにより、γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhを求めることができる。γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhは、γδ軸電流検出値iγ,iδの振幅に等しい。γ軸高周波電流振幅Iγhは、γδ直交回転座標系におけるγ軸上の高周波電流の振幅を表し、δ軸高周波電流振幅Iδhは、γδ直交回転座標系におけるδ軸上の高周波電流の振幅を表す。周期Thは、vγh
*の1周期に等しく、また高周波交番電圧vγhの1周期に等しい。γ軸電流検出値iγは、γ軸上の電流である。δ軸電流検出値iδは、γ軸に直交するδ軸上の電流である。
The γδ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh , which are the amplitudes of the γδ-axis high-frequency currents flowing at this time, can be obtained by Equation (4). As shown in Equation 4, the γδ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh can be obtained by integrating the state equation shown in
数式4より、γ軸に平行な方向に高周波交番電圧vγhが印加されとき、δ軸高周波電流振幅Iδhは、相対位相θerrの2倍の周期で変化することが分かる。γ軸高周波電流振幅Iγhも同様である。 From Equation 4, it can be seen that when the high-frequency alternating voltage vγh is applied in the direction parallel to the γ-axis, the δ-axis high-frequency current amplitude Iδh changes at a cycle twice the relative phase θerr . The same applies to the γ-axis high-frequency current amplitude Iγh .
図3から図5を用いて、モータ1に設けられる巻線に印加される高周波交番電圧vγh、γδ軸電流検出値iγ,iδ、及びγδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhの関係性について説明する。
3 to 5, the relationship among the high-frequency alternating voltage v γh applied to the windings provided in the
図3は相対位相θerrに対する高周波交番電圧vγh、γδ軸電流検出値iγ,iδ、及びγδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhを示す図である。図3の横軸は、相対位相θerrを表す。図3には、上から順に、γ軸高周波交番電圧vγhと、γδ軸電流検出値iγ,iδと、γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhとが示される。γ軸電流検出値iγは、γ軸高周波交番電圧vγhが印加されたときに推定されるγ軸上の高周波電流に等しい。δ軸電流検出値iδは、δ軸高周波交番電圧vδhが印加されたときに推定されるδ軸上の高周波電流に等しい。図3に示すVγは、γ軸高周波交番電圧vγhの振幅である。図3に示すδ軸高周波電流振幅Iδhは、高周波交番電圧vγhの極性が変化するタイミングに対応するδ軸高周波電流iδの偏差に基づいて演算できる。図4及び図5を用いて、δ軸高周波電流振幅Iδhの演算方法を具体的に説明する。 FIG. 3 shows the high frequency alternating voltage v γh , the γδ axis current detection values i γ and i δ , and the γδ axis high frequency current amplitudes I γh and I δh with respect to the relative phase θ err . The horizontal axis of FIG. 3 represents the relative phase θ err . FIG. 3 shows, from top to bottom, the γ-axis high-frequency alternating voltage vγh , the γδ-axis current detection values iγ and iδ , and the γδ-axis high-frequency current amplitudes Iγh and Iδh . The γ-axis current detection value iγ is equal to the high-frequency current on the γ -axis estimated when the γ-axis high-frequency alternating voltage vγh is applied. The δ-axis current detection value i δ is equal to the high-frequency current on the δ-axis estimated when the δ-axis high-frequency alternating voltage v δh is applied. Vγ shown in FIG. 3 is the amplitude of the γ -axis high-frequency alternating voltage vγh . The δ-axis high-frequency current amplitude I δh shown in FIG. 3 can be calculated based on the deviation of the δ-axis high-frequency current i δ corresponding to the timing at which the polarity of the high-frequency alternating voltage v γh changes. A method for calculating the δ-axis high-frequency current amplitude I δh will be specifically described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
図4は図3に示す高周波交番電圧vγh及びδ軸電流検出値iδを拡大して示す第1図である。図5は図3に示す高周波交番電圧vγh及びδ軸電流検出値iδを拡大して示す第2図である。 FIG. 4 is an enlarged first diagram showing the high-frequency alternating voltage vγh and the δ -axis current detection value iδ shown in FIG. FIG. 5 is a second diagram showing an enlarged view of the high-frequency alternating voltage vγh and the δ -axis current detection value iδ shown in FIG.
ここで、数式4に示すδ軸高周波電流振幅Iδhの極性は、図3に示すように正又は負に変化する。δ軸高周波電流振幅Iδhの極性が正の場合とは、図4のように、高周波交番電圧vγhの極性とδ軸電流検出値iδの変化率の極性とが同じ場合である。具体的には、図4のように、高周波交番電圧vγhの値が負から正に変化した時点をt1とし、t1から高周波交番電圧vγhの周期Thの半周期に相当する時間が経過した時点をt2としたとき、高周波交番電圧vγhの極性が正となるt1~t2において、横軸の時間tに対するδ軸電流検出値iδの変化率の極性が正となる場合、δ軸高周波電流振幅Iδhの極性は、正となる。 Here, the polarity of the δ-axis high-frequency current amplitude I δh shown in Equation 4 changes positively or negatively as shown in FIG. When the polarity of the δ-axis high-frequency current amplitude I δh is positive, as shown in FIG. 4, the polarity of the high-frequency alternating voltage v γh and the polarity of the change rate of the δ-axis current detection value i δ are the same. Specifically, as shown in FIG. 4, the time point at which the value of the high-frequency alternating voltage vγh changes from negative to positive is t1, and a time corresponding to half the cycle Th of the high-frequency alternating voltage vγh has elapsed from t1. When the polarity of the δ-axis current detection value i δ with respect to time t on the horizontal axis is positive during t1 to t2 when the polarity of the high-frequency alternating voltage v γh is positive when the time point is t2, the δ-axis high-frequency The polarity of the current amplitude I δh becomes positive.
一方、δ軸高周波電流振幅Iδhの極性が負の場合とは、図5のように、高周波交番電圧vγhの極性とδ軸電流検出値iδの変化率の極性とが同じ場合である。具体的には、図5のように、高周波交番電圧vγhの値が負から正に変化した時点をt1とし、t1から高周波交番電圧vγhの周期Thの半周期に相当する時間が経過した時点をt2としたとき、高周波交番電圧vγhの極性が正となるt1~t2において、横軸の時間tに対するδ軸電流検出値iδの変化率の極性が負となる場合、δ軸高周波電流振幅Iδhの極性は、負となる。 On the other hand, when the polarity of the δ -axis high-frequency current amplitude I δh is negative, as shown in FIG . . Specifically, as shown in FIG. 5, the time point at which the value of the high-frequency alternating voltage vγh changes from negative to positive is defined as t1, and a time corresponding to half the cycle Th of the high-frequency alternating voltage vγh has elapsed from t1. When the polarity of the δ-axis current detection value i δ with respect to time t on the horizontal axis is negative during t1 to t2 when the polarity of the high-frequency alternating voltage v γh is positive when the time is t2, the δ-axis high-frequency The polarity of the current amplitude I δh becomes negative.
なお、図3に示されるγ軸高周波電流振幅Iγhは、δ軸高周波電流振幅Iδhと同様に、高周波交番電圧vγhの極性が変化するタイミングに対応するγ軸電流検出値iγの偏差に基づいて演算することができる。 Note that the γ-axis high-frequency current amplitude I γh shown in FIG. 3 is the deviation of the γ-axis current detection value i γ corresponding to the timing at which the polarity of the high-frequency alternating voltage v γh changes, similarly to the δ-axis high-frequency current amplitude I δh . can be calculated based on
このように、高周波交番電圧vγh、γδ軸電流検出値iγ,iδ、及びγδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhが、数式3及び数式4に示す関係性を有することを踏まえた上で、図1に示す制御部100が備える機能について具体的に説明する。
Based on the fact that the high-frequency alternating voltage v γh , the γδ-axis current detection values i γ and i δ , and the γδ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh have the relationships shown in
制御部100は、電流座標変換部5、ノッチフィルタ7、矩形波生成部10、γ軸電流制御部9a、δ軸電流制御部9b、バンドパスフィルタ14、相対速度・位相演算部15、電圧座標変換部12、PWM(Pulse Width Modulation)信号生成部13、積分部16a、減算部8a、減算部8b、加算部11a、加算部11b、及び加算部11cを備える。以下では、相対速度・位相演算部15を単に演算部15と称する場合がある。
The
演算部15,積分部16a、加算部11b、及び加算部11cは、γ軸高周波電流振幅Iγh及びδ軸高周波電流振幅Iδhに基づき、γδ軸位相θ1、dq軸回転速度ωr及びdq軸位相θrを推定する推定部40を構成する。
Based on the γ-axis high-frequency current amplitude I γh and the δ-axis high-frequency current amplitude I δh , the
電流座標変換部5は、γδ軸位相θ1に基づき、U相電流iuとW相電流iwとを、γδ軸電流検出値iγ,iδへ座標変換する。電流座標変換部5による座標変換方法は、例えば特許第3860031号公報に記載される。 Based on the γδ-axis phase θ 1 , the current coordinate transformation unit 5 coordinates-transforms the U-phase current i u and the W-phase current i w into the γδ-axis current detection values i γ and i δ . A coordinate conversion method by the current coordinate conversion unit 5 is described in Japanese Patent No. 3860031, for example.
ノッチフィルタ7には、γ軸電流検出値iγ及びδ軸電流検出値iδが入力される。ノッチフィルタ7は、γ軸電流検出値iγ及びδ軸電流検出値iδの中から、モータ1への高周波交番電圧の印加時に流れる高周波電流成分を除去し、この高周波電流成分が除去された電流を、γδ軸基本波電流iγf,iδfとして出力する。
The notch filter 7 receives the γ-axis current detection value iγ and the δ -axis current detection value iδ. The notch filter 7 removes the high-frequency current component that flows when the high-frequency alternating voltage is applied to the
減算部8aには、ノッチフィルタ7から出力されるγ軸基本波電流iγfと、γ軸電流指令値iγ
*とが入力される。γ軸電流指令値iγ
*は、γ軸方向に流されるべき電流の指令値であり、例えば、上位コントローラから出力される。上位コントローラは、例えば電力変換器2に付属するタッチパネルなどの機能設定ツールである。本実施の形態では、γ軸電流指令値iγ
*が零に設定される。減算部8aは、γ軸電流指令値iγ
*とγ軸基本波電流iγfとの偏差を演算し、演算した偏差を示す情報を出力する。γ軸電流制御部9aには、減算部8aから出力される偏差を示す情報が入力される。γ軸電流制御部9aは、当該偏差を増幅することにより、γ軸基本波電圧指令値vγf
*を演算する。
The γ-axis fundamental wave current i γf output from the notch filter 7 and the γ-axis current command value i γ * are input to the
減算部8bには、ノッチフィルタ7から出力されるδ軸基本波電流iδfと、δ軸電流指令値iδ
*とが入力される。δ軸電流指令値iδ
*は、δ軸方向に流されるべき電流の指令値であり、例えば上位コントローラから出力される。本実施の形態では、δ軸電流指令値iδ
*が零に設定される。減算部8bは、δ軸基本波電流iδfとδ軸電流指令値iδ
*との偏差を演算し、演算した偏差を示す情報を出力する。δ軸電流制御部9bには、減算部8bから出力される偏差を示す情報が入力される。δ軸電流制御部9bは、当該偏差を増幅することにより、δ軸基本波電圧指令値vδf
*を演算する。
The δ-axis fundamental wave current i δf output from the notch filter 7 and the δ-axis current command value i δ * are input to the
矩形波生成部10は、γ軸高周波電圧振幅指令値Vγh
*に基づき、vγh
*を演算する。γ軸高周波電圧振幅指令値Vγh
*は、vγh
*の振幅を設定するための信号である。vγh
*は、振幅がγ軸高周波電圧振幅指令値Vγh
*の振幅に等しく、かつ、周期がThに等しい矩形の信号である。γ軸高周波電圧振幅指令値Vγh
*は、例えば上位コントローラから出力される。
The
矩形波生成部10で演算されたvγh
*は、加算部11aに入力される。加算部11aには、vγh
*以外にも、γ軸電流制御部9aから出力されるγ軸基本波電圧指令値vγF
*が入力される。加算部11aは、γ軸基本波電圧指令値vγF
*にvγh
*を重畳させることにより、γ軸電圧指令値vγ
*を求める。
v γh * calculated by the
加算部11aで求められたγ軸電圧指令値vγ
*は、電圧座標変換部12に入力される。電圧座標変換部12には、γ軸電圧指令値vγ
*以外にも、δ軸電圧指令値vδ
*と、γδ軸位相θ1とが入力される。δ軸電圧指令値vδ
*は、δ軸電流制御部9bから出力されるδ軸基本波電圧指令値vδf
*に等しい。電圧座標変換部12及びPWM信号生成部13の詳細については後述する。
The γ-axis voltage command value v γ * obtained by the addition section 11 a is input to the voltage coordinate
バンドパスフィルタ14には、電流座標変換部5から出力されるγ軸電流検出値iγ及びδ軸電流検出値iδが入力される。バンドパスフィルタ14は、モータ1に印加される高周波交番電圧と同じ周波数のγ軸電流検出値iγの高周波成分を演算し、演算したγ軸電流検出値iγの高周波の電流を、γ軸高周波電流振幅Iγhとして出力する。γ軸高周波電流振幅Iγhは、例えば、図4に示される矩形のγ軸高周波交番電圧指令値vγh
*の極性が変化する時間t1から時間t2までの時間に検出されるδ軸電流検出値iδの振幅に基づいて演算される。
The γ-axis current detection value i γ and the δ-axis current detection value i δ output from the current coordinate conversion unit 5 are input to the band-
また、バンドパスフィルタ14は、当該高周波交番電圧と同じ周波数のδ軸電流検出値iδの高周波成分を演算し、演算したδ軸電流検出値iδの高周波の電流を、δ軸高周波電流振幅Iδhとして出力する。δ軸高周波電流振幅Iδhには、前述したδ軸高周波電流振幅Iδhの正又は負の極性が付与されているものとする。このように、バンドパスフィルタ14は、電流振幅演算部として機能する。
Further, the band-
演算部15には、γ軸高周波電流振幅Iγh及びδ軸高周波電流振幅Iδhが入力される。演算部15は、γ軸高周波電流振幅Iγh及びδ軸高周波電流振幅Iδhに基づき、γδ軸回転速度ω1、相対速度ωerr及び相対位相θerrを演算する。演算部15の構成の詳細については後述する。
The γ-axis high-frequency current amplitude I γh and the δ-axis high-frequency current amplitude I δh are input to the
積分部16aには、演算部15で演算されたγδ軸回転速度ω1が入力され、積分部16aは、γδ軸回転速度ω1を積分することにより、γδ軸位相θ1を演算する。
The γδ-axis rotation speed ω1 calculated by the calculation unit 15 is input to the
加算部11bには、演算部15で演算されたγδ軸回転速度ω1及び相対速度ωerrが入力される。加算部11bは、上記の数式1に示すように、γδ軸回転速度ω1へ相対速度ωerrを加算することにより、dq軸回転速度ωrを演算する。
The γδ-axis rotation speed ω 1 and the relative speed ω err calculated by the
加算部11cには、演算部15で演算された相対位相θerrと、積分部16aで演算されたγδ軸位相θ1とが入力される。加算部11cは、上記の数式2に示すように、γδ軸位相θ1へ相対位相θerrを加算することにより、dq軸位相θrを演算する。
The
電圧座標変換部12は、γδ軸位相θ1に基づいて、γ,δ軸電圧指令値vγ
*,vδ
*を、三相の相電圧指令値vu
*,vv
*,vw
*に変換する。電圧座標変換部12で変換された相電圧指令値vu
*,vv
*,vw
*は、PWM信号生成部13に入力される。PWM信号生成部13は、電力変換器2内の半導体スイッチング素子のオンオフ動作を制御するためのPWM信号13aを生成する。PWM信号13aはハイレベル又はローレベルの2値をとる矩形波信号である。PWM信号13aは、例えば、電力変換器2内の駆動信号生成部に入力される。駆動信号生成部では、PWM信号13aが、電力変換器2内の半導体スイッチング素子を駆動可能な電圧に増幅される。増幅された信号は、駆動信号として、電力変換器2内のインバータ回路に入力される。インバータ回路には、例えば6つの半導体スイッチング素子が設けられている。半導体スイッチング素子がバイポーラトランジスタである場合、駆動信号生成部から出力される駆動信号は、バイポーラトランジスタのベース端子に入力される。半導体スイッチング素子が電界効果トランジスタである場合、駆動信号生成部から出力される駆動信号は、電界効果トランジスタのゲート端子に入力される。電力変換器2内の半導体スイッチング素子が駆動信号に従いオンオフ動作することにより、交流電力がモータ1へ供給され、モータ1が回転する。
Based on the γδ-axis phase θ 1 , the voltage coordinate
次に、演算部15の構成と動作について詳細に説明する。まず、図6から図8を参照して、演算部15によるγδ軸回転速度ω1の演算方法について説明する。
Next, the configuration and operation of the
図6は相対速度・位相演算部15の動作を説明するためのタイムチャートである。図6には、同期リラクタンスモータ1の回転子が回転しているときの相対速度・位相演算部15による速度探索動作が示される。図7は回転子が停止した状態でγδ軸回転速度ω1を変化させたときのδ軸高周波電流振幅Iδhの状態を示す図である。図7には、同期リラクタンスモータ1の回転子が停止しているときのδ軸高周波電流振幅Iδhの特性が示される。dq軸回転速度ωrの最大値を+ωrMaxとし、dq軸回転速度ωrの最小値-ωrMaxとしたとき、回転子が停止した状態で、γδ軸回転速度ω1を、+ωrMaxから-ωrMaxまで変化させた場合のδ軸高周波電流振幅Iδhの波形は、図7に示すように変化する。そして、相対速度ωerrが零(ωerr=0)となるとき、δ軸高周波電流振幅Iδhは、最大となる。相対速度ωerrが零となるタイミングは、dq軸回転速度ωrがγδ軸回転速度ω1と一致するタイミングに等しい。図8に示す相対速度ωerrは、後述する図10及び図11に示される演算部15が備える機能により演算される。
FIG. 6 is a time chart for explaining the operation of the relative velocity/
このような性質を利用して、演算部15は、絶対値|Iδh|Maxを計測し、絶対値|Iδh|Maxが計測されたときのγδ軸回転速度ω1を、回転子の回転速度の探索値ωr0に設定する。絶対値|Iδh|Maxは、δ軸高周波電流振幅Iδhの最大値の絶対値である。探索値ωr0は、図6に示すようにモータ1の回転子が回転中に、γδ軸回転速度ω1を+ωrMaxから-ωrMaxまで変化させたときに計測されるδ軸高周波電流振幅Iδhの絶対値が、絶対値|Iδh|Maxとなったときのγδ軸回転速度ω1に相当する。
Using such a property, the
次に、探索値ωr0を利用したγδ軸回転速度ω1の制御方法について説明する。後述する相対速度ωerrの演算では、γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhにハイパスフィルタが適用されるため、γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhは、交流量である必要がある。さらに、探索値ωr0を利用したγδ軸回転速度ω1の制御では、相対速度ωerrが生じるようにするため、相対速度ωerrを、0以外の任意の相対速度の値を示す相対速度指令値ωerr *と等しくなるように、γδ軸回転速度ω1を制御する必要がある。相対速度指令値ωerr *は、上位コントローラから出力される情報である。 Next, a method of controlling the γδ - axis rotation speed ω1 using the search value ωr0 will be described. Since a high-pass filter is applied to the γδ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh in the calculation of the relative velocity ω err which will be described later, the γδ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh must be AC quantities. Furthermore, in the control of the γδ - axis rotation speed ω1 using the search value ωr0 , the relative speed ωerr is set to a relative speed command indicating any relative speed value other than 0 in order to generate the relative speed ωerr . It is necessary to control the γδ-axis rotational speed ω 1 to be equal to the value ω err * . The relative speed command value ω err * is information output from the host controller.
探索値ωr0を利用したγδ軸回転速度ω1の制御には、2通りの制御方法が考えられる。まず、探索値ωr0を使用した簡易的なγδ軸回転速度ω1の第1制御方法を説明する。演算部15は、数式5の計算をすることにより、すなわち探索値ωr0に相対速度指令値ωerr
*を加えることにより、γδ軸回転速度ω1を演算することができる。演算部15は、このようにして演算したγδ軸回転速度ω1を、後述する相対速度ωerrの演算で使用されるγδ軸回転速度ω1の設定値として利用する。
Two control methods are conceivable for controlling the γδ - axis rotation speed ω1 using the search value ωr0 . First, a simple first control method for the γδ-axis rotation speed ω1 using the search value ωr0 will be described. The
このγδ軸回転速度ω1の第1制御方法によれば、γδ軸回転速度ω1を簡単に制御可能であるが、回転子の回転速度の変動、探索値ωr0の測定誤差などによって、相対速度ωerrが零になる可能性がある。 According to this first control method of the γδ-axis rotation speed ω1 , the γδ - axis rotation speed ω1 can be easily controlled. The velocity ω err can become zero.
次に、フィードバック制御によるγδ軸回転速度ω1の第2制御方法を、図8を用いて説明する。図8はフィードバック制御によってγδ軸回転速度ω1を制御する場合の相対速度・位相演算部15の構成例を示す図である。図8に示す演算部15は、減算部8c、相対速度制御部17及び加算部11dを備える。減算部8cには、相対速度指令値ωerr
*と相対速度ωerrとが入力される。減算部8cは、相対速度指令値ωerr
*から相対速度ωerrを減じることにより、相対速度指令値ωerr
*と相対速度ωerrとの差分を演算する。演算された差分は、相対速度制御部17に入力される。
Next, a second method of controlling the γδ-axis rotation speed ω1 by feedback control will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the relative velocity/
相対速度制御部17は、例えばPI(Proportional Integral)制御器であり、入力された差分に対してPI制御を行う。相対速度制御部17による制御結果は、加算部11dに入力される。なお、相対速度制御部17は、入力されるフィードフォワード補償情報を安定化させることができればよく、PI制御器に限定されず、例えばPID(Proportional Integral Differential)制御器でもよい。
The relative
加算部11dには、相対速度制御部17による制御結果以外にも、探索値ωr0が入力される。加算部11dでは、相対速度制御部17による制御結果に、探索値ωr0がフィードフォワード補償として加えられ、その結果がγδ軸回転速度ω1として出力される。すなわちγδ軸回転速度ω1は、相対速度制御部17によるフィードバック制御の出力に、探索値ωr0がフィードフォワード補償として加算されることにより、演算される。このように図8に示す演算部15では、フィードバック制御によるγδ軸回転速度ω1が設定される。図8に示す演算部15によれば、回転子の回転速度の変動、探索値ωr0の測定誤差などが生じた場合でも、相対速度ωerrを、相対速度指令値ωerr
*に一致させることができるため、相対速度ωerrが零になることを抑制できる。
In addition to the control result by the relative
次に、相対速度ωerr及び相対位相θerrの演算方法について説明する。モータ1の磁極の位置情報は、図3に示すように変化するγδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhから得られることが明らかである。そこで、制御装置200の演算部15は、γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhをハイパスフィルタに通し、その結果得られるγδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)を使用して、回転子の磁極位置を演算するよう構成されている。
Next, a method of calculating the relative velocity ω err and the relative phase θ err will be described. It is clear that the position information of the magnetic poles of the
図9は図1及び図3に示すγδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhをハイパスフィルタに通した結果得られるγδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)の波形を示す図である。図9の上側には、γ軸高周波電流情報Iγ(HPF)の波形が示される。図9の下側には、δ軸高周波電流情報Iδ(HPF)の波形が示される。図9の横軸は、相対位相θerrを表す。 FIG. 9 is a diagram showing waveforms of γδ-axis high-frequency current information I γ(HPF) and I δ(HPF) obtained as a result of passing the γδ-axis high-frequency current amplitudes I γh and I δh shown in FIGS. 1 and 3 through a high-pass filter. is. The upper part of FIG. 9 shows the waveform of the γ-axis high-frequency current information Iγ(HPF) . The lower part of FIG. 9 shows the waveform of the δ-axis high-frequency current information I δ (HPF) . The horizontal axis of FIG. 9 represents the relative phase θ err .
図9に示すように、ハイパスフィルタに通した結果得られるγ軸高周波電流情報Iγ(HPF)に対するδ軸高周波電流情報Iδ(HPF)の位相進み分を考慮して、相対位相θerrは、数式6により演算できる。ωcは、ハイパスフィルタの遮断角周波数である。 As shown in FIG. 9, considering the phase advance of the δ-axis high-frequency current information I δ (HPF) with respect to the γ-axis high-frequency current information I γ (HPF) obtained as a result of passing through a high-pass filter, the relative phase θ err is , can be calculated by Equation 6. ω c is the cut-off angular frequency of the high-pass filter.
図10は図9に示すγδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)を用いて相対速度ωerr及び相対位相θerrを演算する相対速度・位相演算部15の第1構成例を示す図である。図10に示される相対速度・位相演算部15は、ハイパスフィルタ18a、相対位相演算部19a、及び微分器20を備える。ハイパスフィルタ18aには、γδ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhが入力され、ハイパスフィルタ18aは、γδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)を出力する。γδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)は、相対位相演算部19aに入力され、相対位相演算部19aは、数式6に基づき、相対位相θerrを演算する。相対位相θerrは、図1に示す加算部11cに対して出力される。
FIG. 10 is a first configuration example of the relative velocity/
微分器20は、相対位相演算部19aで演算された相対位相θerrを微分することにより、相対速度ωerrを演算する。相対速度ωerrは、図1に示す加算部11bに対して出力されると共に、図8に示す減算部8cに対して出力される。相対位相θerrを微分することにより、相対位相θerrを利用して相対速度ωerrを容易に演算することが可能である。
The
図11は図9に示すγδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)を用いて相対速度ωerr及び相対位相θerrを演算する相対速度・位相演算部15の第2構成例を示す図である。図11に示される演算部15は、図10に示される相対位相演算部19aの代わりに、ハイパスフィルタ18bと、相対位相演算部19bと、位相同期回路(Phase Locked Loop)30とを備える。
FIG. 11 is a second configuration example of the relative velocity/
図11に示される演算部15では、ハイパスフィルタ18bから出力されたγδ軸高周波電流情報Iγ(HPF),Iδ(HPF)が、相対位相演算部19bに入力される。相対位相演算部19bは、数式6に基づき、相対位相θerrを演算し、演算した相対位相θerrを、第1相対位相である相対位相θerr0として出力する。相対位相θerr0は、位相同期回路30が備える減算部8dに入力される。減算部8dには、相対位相θerr0の他に、相対位相θerrが入力される。相対位相θerrは、位相同期回路30が備える積分部16bで演算された位相情報である。減算部8dでは、相対位相θerr0と相対位相θerrとの差分が演算され、演算された差分の情報は、相対速度推定部21に入力される。
In the
相対速度推定部21は、例えばPI制御器であり、入力された差分の情報に対してPI制御を行う。相対速度推定部21による制御結果である相対速度ωerrは、図1に示す加算部11bに対して出力されると共に、積分部16bに入力される。
The
積分部16bは、相対速度ωerrを積分することにより、相対位相θerr0と同期したフィードバック情報である第2相対位相を、相対位相θerrとして演算する。相対位相θerrは、図1に示す加算部11cに対して出力される。図11に示される演算部15によれば、図10に示される演算部15に比べて、ノイズ(位相雑音)に対する耐性が向上するという効果を得られる。
The
図12は図1に示す制御部100のハードウェア構成例を示す図である。図12に示すように、制御部100は、図12に示すマイクロコンピュータ110により実現可能である。マイクロコンピュータ110は、メモリ121と、CPU(Central Processing Unit)122と、AD(Analog to Digital)変換部123と、PWMモジュール124と、上位コントローラと通信を行う通信部125とを備える。CPU122は、制御部100の制御を行うプロセッサである。プロセッサは、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ又はDSP(Digital Signal Processor)である。なお、前述した上位コントローラが、例えば、インバータに付属するタッチパネルなどの機能設定ツールである場合、通信部125には、上位コントローラから出力されるγ軸高周波電圧振幅指令値Vγh
*、相対速度指令値ωerr
*が入力される。
FIG. 12 is a diagram showing a hardware configuration example of the
図12に示す構成例では、制御部100の機能がソフトウェアにより実現され、制御部100の機能がファームウェアにより実現され、又は制御部100の機能がソフトウェアとファームウェアとの組合せにより実現される。ソフトウェアとファームウェアはプログラムとして記述され、当該プログラムはメモリ121に記憶される。メモリ121は、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリー、EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory)及びEEPROM(登録商標)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)といった揮発性、又は不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク及びDVD(Digital Versatile Disc)が該当する。
In the configuration example shown in FIG. 12, the functions of the
CPU122が、メモリ121に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御部100の機能が実現される。制御部100の機能は、例えば図1に示される電流座標変換部5、ノッチフィルタ7、矩形波生成部10、γ軸電流制御部9a、δ軸電流制御部9b、バンドパスフィルタ14、演算部15、電圧座標変換部12、PWM信号生成部13、積分部16a、減算部8a、減算部8b、加算部11a、加算部11b及び加算部11cなどである。
The functions of the
以上に説明したように、本実施の形態に係る制御装置200の推定部40は、γ軸高周波電流振幅Iγhとδ軸高周波電流振幅Iδhと、第1回転速度であるγδ軸回転速度ω1とに基づき、回転子のdq軸直交回転座標系の第2回転速度であるdq軸回転速度ωrを推定するように構成されている。推定部40によれば、回転中の回転子を備えるモータ1に対して、任意の速度で回転するγδ直交回転座標上から高周波の矩形波状の交番電圧が印加されたときに発生するγδ直交回転座標上のγ軸高周波電流振幅Iγh及びδ軸高周波電流振幅Iδhとに基づき、回転する回転子の回転速度及び磁極位置を推定することができる。これにより、突極比をもつ回転子が高速で回転している場合でも、回転子の回転速度及び磁極位置を推定することができる。従って、回転子の回転速度が自然減速することによって、回転速度が低くなるまで待つことなくモータ1を始動でき、又は回転子の回転が停止するまで待つことなくモータ1を始動できる。その結果、モータ1の始動が遅れることを抑制できる。なお、始動とは、前述した探索動作が完了した後に、モータ1にトルクを発生させるための電圧の印加が開始されるタイミングである。
As described above, the
また、制御装置200の推定部40は、δ軸高周波電流振幅Iδhとγ軸高周波電流振幅Iγhとに基づき、γ軸の位相とd軸の位相との位相差を示す相対位相θerrを演算し、相対位相θerrに基づき、第1回転速度であるγδ軸回転速度ω1と第2回転速度であるdq軸回転速度ωrとの速度差を示す相対速度ωerrを演算し、相対速度ωerrが、0以外の相対速度の値を示す相対速度指令値ωerr
*と等しくなるようにγδ軸回転速度ω1を制御し、γ軸の位相であるγδ軸位相θ1と相対位相ωerrとに基づき、磁極位置であるdq軸位相θrを推定し、第1回転速度と相対速度ωerrとに基づきdq軸回転速度ωrを推定するように構成されている。これにより、突極比をもつ回転子が高速で回転している場合でも、回転子の磁極位置であるdq軸位相θrと、回転子の回転速度であるdq軸回転速度ωrとを推定することができる。従って、モータ1の始動遅れを生じさせることなく、dq軸回転速度ωr及びdq軸回転速度ωrを利用してモータ1の速度制御を行うことが可能となる。
Further, the
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above embodiment shows an example of the content of the present invention, and it is possible to combine it with another known technology, and one configuration can be used without departing from the scope of the present invention. It is also possible to omit or change the part.
1 同期リラクタンスモータ、2 電力変換器、3 整流回路、4 三相交流電源、5 電流座標変換部、6u U相電流検出器、6w W相電流検出器、7 ノッチフィルタ、8a,8b,8c,8d 減算部、9a γ軸電流制御部、9b δ軸電流制御部、10 矩形波生成部、11a,11b,11c,11d 加算部、12 電圧座標変換部、13 PWM信号生成部、13a PWM信号、14 バンドパスフィルタ、15 相対速度・位相演算部、16a,16b 積分部、17 相対速度制御部、18a,18b ハイパスフィルタ、19a,19b 相対位相演算部、20 微分器、21 相対速度推定部、30 位相同期回路、40 推定部、50 三相交流配線、100 制御部、110 マイクロコンピュータ、121 メモリ、122 CPU、123 変換部、124 PWMモジュール、125 通信部、200 同期リラクタンスモータの制御装置。
1 synchronous reluctance motor 2
Claims (3)
前記制御部は、
高周波電圧が前記同期リラクタンスモータに印加されたとき、前記回転子の磁束軸方向のd軸と前記d軸に直交するq軸とからなるdq軸直交回転座標系とは異なる制御上のγδ直交回転座標系におけるγ軸上の高周波電流の振幅を示すγ軸高周波電流振幅と、前記γ軸に直交するδ軸上の高周波電流の振幅を示すδ軸高周波電流振幅と、前記γδ直交回転座標系における前記γ軸及び前記δ軸の第1回転速度とに基づき、前記回転子の前記dq軸直交回転座標系の第2回転速度を推定する推定部を備え、
前記推定部は、
前記δ軸高周波電流振幅と前記γ軸高周波電流振幅とに基づき、前記γ軸の位相と前記d軸の位相との位相差を示す相対位相を演算し、
前記相対位相に基づき、前記第1回転速度と前記第2回転速度との速度差を示す相対速度を演算し、
前記相対速度が、0以外の相対速度の値を示す相対速度指令値と等しくなるように、前記第1回転速度を制御し、
前記γ軸の位相と前記相対位相とに基づき、前記磁極位置を推定し、
前記第1回転速度と前記相対速度とに基づき、前記第2回転速度を推定する、同期リラクタンスモータの制御装置。 A synchronous reluctance motor is operated by using an alternating current supplied to the synchronous reluctance motor without a position sensor for detecting the magnetic pole position of the rotor of the synchronous reluctance motor and a speed sensor for detecting the rotational speed of the rotor. A control device for a synchronous reluctance motor comprising a control unit for controlling rotation,
The control unit
When a high-frequency voltage is applied to the synchronous reluctance motor, γδ orthogonal rotation on control different from the dq-axis orthogonal rotation coordinate system consisting of the d-axis in the magnetic flux axis direction of the rotor and the q-axis orthogonal to the d-axis γ-axis high-frequency current amplitude indicating the amplitude of the high-frequency current on the γ-axis in the coordinate system, δ-axis high-frequency current amplitude indicating the amplitude of the high-frequency current on the δ-axis orthogonal to the γ-axis, and an estimating unit for estimating a second rotational speed of the rotor in the dq-axis orthogonal rotating coordinate system based on the first rotational speeds of the γ-axis and the δ-axis ;
The estimation unit
calculating a relative phase indicating a phase difference between the γ-axis phase and the d-axis phase based on the δ-axis high-frequency current amplitude and the γ-axis high-frequency current amplitude;
calculating a relative speed indicating a speed difference between the first rotation speed and the second rotation speed based on the relative phase;
controlling the first rotation speed so that the relative speed is equal to a relative speed command value indicating a value other than 0;
estimating the magnetic pole position based on the phase of the γ-axis and the relative phase;
A control device for a synchronous reluctance motor, which estimates the second rotational speed based on the first rotational speed and the relative speed .
前記第1相対位相と同期したフィードバック情報である第2相対位相を前記相対位相として推定する、請求項1に記載の同期リラクタンスモータの制御装置。 The estimator calculates a first relative phase indicating a phase difference between the γ-axis phase and the d-axis phase based on the high-frequency current information of the γ-axis high-frequency current amplitude and the δ-axis high-frequency current amplitude. death,
2. The control device for a synchronous reluctance motor according to claim 1 , wherein a second relative phase, which is feedback information synchronized with said first relative phase, is estimated as said relative phase.
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