JP7323447B2 - Permanent magnet synchronous machine controller and method - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 令和1年8月20~22日に2019年電気学会産業応用部門大会にて公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. Published at the 2019 Institute of Electrical Engineers of Japan Industry Application Society Conference on August 20-22, 2019.

本発明は、永久磁石同期機制御装置及びその方法に関する。 The present invention relates to a permanent magnet synchronous machine control device and method thereof.

産業機器類の多くはモータ(電動機)によって駆動しており、電動機が占める国内の電力消費量割合は約50%にも上る。この電力消費量低減のため、高効率でさらに小型・軽量化が可能となる永久磁石同期電動機の開発が進められてきた。永久磁石同期電動機は誘導電動機と違いすべりがなく、ロータの回転角に応じてインバータを制御する必要がある。 Most of the industrial equipment is driven by motors (electric motors), and electric motors account for as much as 50% of domestic power consumption. In order to reduce this power consumption, the development of permanent magnet synchronous motors, which are highly efficient and can be further reduced in size and weight, has been promoted. Unlike induction motors, permanent magnet synchronous motors have no slippage, and it is necessary to control the inverter according to the rotation angle of the rotor.

インバータの制御は、電動機のロータ速度やロータ位置によって電動機に印加する出力電圧や出力周波数を制御するVVVF(Variable Voltage Variable Frequency:可変電圧可変周波数)制御を行う。 The control of the inverter performs VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) control for controlling the output voltage and output frequency applied to the motor depending on the rotor speed and rotor position of the motor.

また、インバータは直流電力を交流電力に変換する変換器であり、例えば、電動機を駆動する際には、入力された直流電圧から出力交流側の三相の半導体素子のスイッチング動作(図1を用いて後述する)により交流電圧を出力する。 In addition, an inverter is a converter that converts DC power into AC power. (to be described later) outputs an AC voltage.

このような制御方式をPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御と呼び、インバータ制御に幅広く使用されている。このPWM制御の方式には種々の方式があり、出力する電圧や周波数に応じ、使用できる範囲の制約や省エネ性を高めたり、電動機の安定駆動を高めたりと、電動機の動作点によってPWM制御の変調方式(以下、変調方式と呼ぶ)を切り替えることがある。すなわち、インバータの出力電圧に応じ、変調方式を切り替えながら動作させることがある。 Such a control method is called PWM (Pulse Width Modulation) control and is widely used for inverter control. There are various types of PWM control methods. Depending on the output voltage and frequency, PWM control can be applied depending on the operating point of the motor. The modulation scheme (hereinafter referred to as modulation scheme) may be switched. That is, the operation may be performed while switching the modulation method according to the output voltage of the inverter.

一方、先述したように、永久磁石同期電動機はロータの回転角に応じてインバータを制御する必要があるため、通常、エンコーダやレゾルバ等の位置センサが必須となる。しかし、近年、小型化や省保守化、信頼性向上、低コスト化を目的として、このようなエンコーダやレゾルバ等の位置センサを必要とせずに制御する位置センサレス制御方式が使われている。 On the other hand, as described above, since the permanent magnet synchronous motor needs to control the inverter according to the rotation angle of the rotor, a position sensor such as an encoder or resolver is usually required. However, in recent years, for the purpose of miniaturization, maintenance saving, reliability improvement, and cost reduction, a position sensorless control system that performs control without such a position sensor such as an encoder or resolver is used.

従来から、拡張誘起電圧方式により、推定軸誤差を検出して位置センサレス制御に適用できることが知られている。この拡張誘起電圧方式は、負荷に供給した電流に対し、負荷から戻ってくる電流値が予想値から大小何れの側にずれているかに基づいて、規定の回転磁界に対する回転軸の軸誤差を推定できる原理を位置センサレス制御に適用可能な方法である。 Conventionally, it is known that the extended induced voltage method can be applied to position sensorless control by detecting an estimated axis error. This extended induced voltage method estimates the axis error of the rotating shaft with respect to a specified rotating magnetic field based on whether the current value returned from the load deviates from the expected value with respect to the current supplied to the load. It is a method that can apply the principle that can be applied to position sensorless control.

この拡張誘起電圧方式により、永久磁石同期機制御装置において、その回転速度が中速度から高速度の速度領域であれば、電力変換装置と負荷との間に介在する相電流検出部で得られる検出値を用いて、その推定軸誤差を間接的に検出できる。したがって、この拡張誘起電圧方式によれば、位置センサレス制御が可能である。 With this extended induced voltage method, in the permanent magnet synchronous machine control device, if the rotation speed is in the medium to high speed range, the detection obtained by the phase current detection unit interposed between the power converter and the load A value can be used to indirectly detect the estimated axis error. Therefore, according to this extended induced voltage method, position sensorless control is possible.

しかし、この拡張誘起電圧方式は、起動時~中低速領域の運転状態において、不完全な点もあった。特にモータの停止時には、モータの回転子磁極がNS何れの極かを判別するための誘起電圧(逆起電力)が発生しない。そのため、極性判別を誤ると、そのモータが逆転する不具合がある。 However, this extended induced voltage method has some imperfections in the operating state from the time of startup to the middle and low speed range. In particular, when the motor is stopped, no induced voltage (back electromotive force) is generated for determining whether the rotor magnetic poles of the motor are NS or NS. Therefore, if the polarity is erroneously determined, there is a problem that the motor reverses.

これに対し、永久磁石同期機の位置センサレス制御として、起動時~中低速領域の運転状態では得られ難い誘起電圧に代えて、駆動電流に高調波電圧を重畳する方式が普及しつつある。これによれば、高調波電圧を重畳した際に、インダクタンスの比(突極性)に応じて、電動機に発生する高調波電流値が変化する性質を利用し、この電流をインバータで検出することにより、永久磁石のN極、S極の磁極極性を判別する。このような方式について、特許文献1に開示されている。 On the other hand, as a position sensorless control of a permanent magnet synchronous machine, a method of superimposing a harmonic voltage on a drive current instead of an induced voltage that is difficult to obtain in the operating state from startup to medium and low speed regions is becoming popular. According to this, when a harmonic voltage is superimposed, the harmonic current value generated in the motor changes according to the inductance ratio (saliency). , the magnetic pole polarities of the N pole and S pole of the permanent magnet. Patent Document 1 discloses such a method.

特許文献1では、磁極方向のインダクタンスと電流の関係が磁石磁束を強める電流方向を正方向とし、磁石磁束を弱める電流方向を負方向として、正方向の電流を流すとき、インダクタンスの極大点を持ち、極大点よりも正方向に大きな電流を流すと、磁極方向のインダクタンスが単調減少する特性を有する永久磁石同期電動機の磁極極性を判定する磁極極性判別装置において、磁極極性判別部は、正方向及び負方向に同一の所定電流値で電流を流した場合に磁極方向のインダクタンスが大きくなる側をN極側と判定する。 In Patent Document 1, the relationship between the inductance and the current in the magnetic pole direction is such that the direction of current that strengthens the magnetic flux of the magnet is defined as the positive direction, and the direction of current that weakens the magnetic flux of the magnet is defined as the negative direction. , in a magnetic pole polarity discriminating device for discriminating the magnetic pole polarity of a permanent magnet synchronous motor having a characteristic that the inductance in the magnetic pole direction monotonously decreases when a current greater than the maximum point is passed in the positive direction, the magnetic pole polarity discriminating section includes the positive direction and the The side where the inductance in the magnetic pole direction increases when the same predetermined current value is applied in the negative direction is determined to be the N pole side.

特開2014-11822号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-11822

上述の拡張誘起電圧方式は、永久磁石同期電動機がある程度の速度で回転していなければ誘起電圧が得られないので、磁極極性判定の性能が低速度領域で劣る。それを補う必要もあって、起動から定速度までの低速度領域では、特許文献1に開示されているような、高調波を重畳することによる永久磁石同期電動機の磁極極性判定方法を併用する必要性が高くなる。 In the above-described extended induced voltage method, the induced voltage cannot be obtained unless the permanent magnet synchronous motor rotates at a certain speed, so the magnetic pole polarity determination performance is inferior in the low speed region. It is necessary to compensate for this, and in the low speed region from start to constant speed, it is necessary to use a magnetic pole polarity determination method for a permanent magnet synchronous motor by superimposing harmonics, as disclosed in Patent Document 1. become more sexual.

また、永久磁石同期機制御装置を3レベルインバータで実現する場合、極性判別のための高調波を重畳した際、出力電圧が大きく変化するため、その変化した出力電圧に基づいたPWM制御の変調方式の切換えが発生する可能性がある。変調方式の切換えが発生すると、それぞれの変調方式での出力電圧が異なるため、安定した極性判別が困難になる。 In addition, when a permanent magnet synchronous machine control device is realized by a three-level inverter, the output voltage changes greatly when harmonics for polarity discrimination are superimposed, so the PWM control modulation method based on the changed output voltage switching may occur. When the modulation method is switched, the output voltage is different for each modulation method, making it difficult to stably determine the polarity.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、変調方式の切換えにより不安定化する極性判別に対し、安定して極性判別が出来る永久磁石同期機制御装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a permanent magnet synchronous machine controller capable of stably discriminating the polarity against the polarity discrimination that becomes unstable due to the switching of the modulation method. to provide.

上記課題を解決する本発明は、永久磁石同期機に駆動電力を供給する電力変換器と、電力変換器を制御する制御器と、を有する永久磁石同期機制御装置であって、制御器は、高調波重畳も可能であるとともに出力電圧を生成させる電圧指令生成部と、電力変換器と永久磁石同期機の間で流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部により検出された電流に基づいて永久磁石同期機の磁極極性を判定する磁極極性判別部と、を備え、制御器は、高調波重畳の変調方式を出力電圧に応じた方式に切換えるようになっており、前記制御器は、出力電圧に高調波重畳させて行う磁極極性判別時には、変調方式の切換えを停止する。 The present invention for solving the above problems is a permanent magnet synchronous machine control device having a power converter that supplies drive power to the permanent magnet synchronous machine, and a controller that controls the power converter, wherein the controller comprises: Based on the current detected by the voltage command generator that can superimpose harmonics and generate an output voltage, the current detector that detects the current flowing between the power converter and the permanent magnet synchronous machine, and the current detected by the current detector and a magnetic pole polarity discriminating unit that discriminates the magnetic pole polarity of the permanent magnet synchronous machine, and the controller switches the modulation method of harmonic superimposition to a method according to the output voltage. When the magnetic pole polarity is determined by superimposing harmonics on the output voltage, the switching of the modulation method is stopped.

本発明によれば、変調方式の切換えにより不安定化する極性判別に対して、安定して極性判別が出来る永久磁石同期機制御装置を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the permanent-magnet synchronous machine control apparatus which can stabilize polarity discrimination|determination can be provided with respect to the polarity discrimination|determination which becomes unstable by switching of a modulation system.

実施例1の永久磁石同期機制御装置の構成例を表すブロック図。1 is a block diagram showing a configuration example of a permanent magnet synchronous machine control device according to a first embodiment; FIG. 実施例1の永久磁石同期機の制御において使用される座標系と記号の定義を示す図。4 is a diagram showing definitions of coordinate systems and symbols used in controlling the permanent magnet synchronous machine of the first embodiment; FIG. 図1の位置・速度推定演算部の構成例を表すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a position/velocity estimation calculation unit in FIG. 1; 図3の磁極極性判別部の構成例を表すブロック図。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of a magnetic pole polarity determination unit in FIG. 3; 図1の重畳電圧演算部の構成例を表すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration example of a superimposed voltage calculator in FIG. 1; 図5の交流電圧成分印加部の構成例を表すブロック図。FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of an AC voltage component applying section in FIG. 5; 実施例1の高調波重畳電圧指令とd軸電流波形の関係を例示したグラフ。4 is a graph illustrating the relationship between the harmonic superimposed voltage command and the d-axis current waveform in Example 1. FIG. 実施例1の変調方式の一例を表す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of a modulation scheme according to the first embodiment; 実施例1の高調波重畳電圧の一例を表す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of a harmonic superimposed voltage in Example 1; 実施例1の高調波重畳の際の変調方式決定のフローチャート。4 is a flowchart of modulation scheme determination when superimposing harmonics in the first embodiment; 実施例1のキャリア周波数を変更した際のd軸電流の変化を図7と対比したグラフ。8 is a graph comparing changes in d-axis current with FIG. 7 when the carrier frequency is changed in Example 1. FIG. 実施例2の高調波重畳の際の変調方式決定のフローチャート。FIG. 10 is a flowchart of modulation method determination when superimposing harmonics according to the second embodiment; FIG. 実施例2の重畳量を変更した際のd軸電流の変化を図7と対比したグラフ。8 is a graph comparing changes in d-axis current with FIG. 7 when the amount of superimposition is changed in Example 2. FIG.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例に係る永久磁石同期機制御装置及びそのシステムについて説明する。図1~図12を用いて実施例1について説明し、図12及び図13を用いて実施例2について説明する。実施例2は、高調波重畳量を変更する点が実施例1と異なる。 Hereinafter, a permanent magnet synchronous machine control device and its system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Example 1 will be described using FIGS. 1 to 12, and Example 2 will be described using FIGS. 12 and 13. FIG. Example 2 differs from Example 1 in that the amount of superimposed harmonics is changed.

図1は、実施例1の永久磁石同期機駆動システムの構成例を表すブロック図である。図1の永久磁石同期機駆動システムは、制御対象である永久磁石同期機103と、永久磁石同期機103を駆動する電力変換器102と、電力変換器102を制御する制御器101と、永久磁石同期機103のトルク指令値Tm*を発生する指令発生器105と、永久磁石同期機103に流れる電流を検出する相電流検出部121と、を備える。 FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a permanent magnet synchronous machine drive system according to a first embodiment. The permanent magnet synchronous machine drive system of FIG. A command generator 105 that generates a torque command value Tm* for the synchronous machine 103 and a phase current detector 121 that detects a current flowing through the permanent magnet synchronous machine 103 are provided.

なお、永久磁石同期機103の主機能は力行時の電動機であるが、回生時に発電機として機能するので、永久磁石同期機103と呼称する。電力変換器102は、例えば、オン/オフの間で多段階に切換えて、正弦波に近づけた出力を得易くしたマルチレベルインバータとして代表的な3レベルインバータである。 Although the main function of the permanent magnet synchronous machine 103 is that of an electric motor during power running, it functions as a generator during regeneration, so it is called the permanent magnet synchronous machine 103 . The power converter 102 is, for example, a three-level inverter that is representative of a multi-level inverter that switches between on and off in multiple stages to easily obtain an output that approximates a sine wave.

3レベルインバータは、2レベルインバータよりも高性能であり、大出力の用途にも好適である。この電力変換器102は、電力変換器102に電力を供給する入力端子123a,123bと、12個のスイッチング素子S1~S12で構成される主回路部132と、主回路部132を直接駆動するゲート・ドライバ133と、平滑用コンデンサ131と、を備える。 A 3-level inverter has higher performance than a 2-level inverter and is also suitable for high power applications. The power converter 102 includes input terminals 123a and 123b for supplying power to the power converter 102, a main circuit section 132 composed of 12 switching elements S1 to S12, and a gate for directly driving the main circuit section 132. - A driver 133 and a smoothing capacitor 131 are provided.

電力変換器102は、制御器101が生成したゲート指令信号に基づいて、入力端子123a,123bから供給される直流電力を三相交流電力に変換して、三相交流電力を永久磁石同期機103に供給する。相電流検出部121は、電力変換器102から永久磁石同期機103に流れる交流電流iu,iwを検出する。相電流検出部121は、例えば、ホール素子を用いた電流センサにより実現される。 Based on the gate command signal generated by the controller 101, the power converter 102 converts the DC power supplied from the input terminals 123a and 123b into three-phase AC power, and converts the three-phase AC power to the permanent magnet synchronous machine 103. supply to Phase current detector 121 detects AC currents iu and iw flowing from power converter 102 to permanent magnet synchronous machine 103 . The phase current detector 121 is realized by, for example, a current sensor using a Hall element.

なお、図1の相電流検出部121は、U相及びW相の2相検出による交流電流検出の構成としているが、U,V,W相の何れか2相とするほか、3相検出としてもよい。指令発生器105は、永久磁石同期機103へ入力するトルク指令値Tm*を発生する、制御器101の上位に位置する制御器である。 The phase current detection unit 121 in FIG. 1 is configured to detect alternating current by two-phase detection of U phase and W phase. good too. The command generator 105 is a controller located above the controller 101 and generates a torque command value Tm* to be input to the permanent magnet synchronous machine 103 .

永久磁石同期機制御装置は、図1の制御器101、電力変換器102、永久磁石同期機103、及び相電流検出部121を1組とし、その複数組に対し、1つの指令発生器105が、それぞれの永久磁石同期機103へのトルク指令値Tm*を同時に指令しても良い。例えば、車軸毎に専用モータがある列車を一律に運転制御する用途に好適である。 In the permanent magnet synchronous machine control device, the controller 101, the power converter 102, the permanent magnet synchronous machine 103, and the phase current detector 121 shown in FIG. , the torque command value Tm* to each permanent magnet synchronous machine 103 may be commanded at the same time. For example, it is suitable for uniformly controlling the operation of trains each having a dedicated motor for each axle.

制御器101は、指令発生器105のトルク指令値Tm*に基づき、永久磁石同期機103の発生トルクを制御する。この上位の制御器としては、例えば、永久磁石同期機103に流れる電流を制御する場合には電流制御器が用いられ、あるいは回転速度や位置を制御する場合には速度制御器や位置制御器が用いられる。 Controller 101 controls torque generated by permanent magnet synchronous machine 103 based on torque command value Tm* from command generator 105 . As this upper controller, for example, a current controller is used to control the current flowing through the permanent magnet synchronous machine 103, or a speed controller or a position controller is used to control the rotation speed or position. Used.

なお、図1の制御器101は、トルクの制御を行うことを目的としているため、トルク制御器として動作している。制御器101は、ベクトル制御部111と、位置・速度推定演算部112と、三相座標変換部113と、dq座標変換部114と、PWM信号制御器115と、電流検出部116と、重畳電圧演算部117と、を備える。 Note that the controller 101 in FIG. 1 operates as a torque controller because it is intended to control torque. The controller 101 includes a vector control unit 111, a position/speed estimation calculation unit 112, a three-phase coordinate conversion unit 113, a dq coordinate conversion unit 114, a PWM signal controller 115, a current detection unit 116, a superimposed voltage A calculation unit 117 is provided.

制御器101は、永久磁石同期機103を流れる交流電流iu,iwの検出値である交流電流検出値Iu,Iwと、指令発生器105からのトルク指令値Tm*と、に基づいた電流制御系と位相制御系の演算結果から、電力変換器102のスイッチング素子を駆動(スイッチング動作)させるためのゲート指令信号を生成し、電力変換器102のゲート・ドライバ133に供給する。 The controller 101 controls the current control system based on the alternating current detection values Iu and Iw, which are the detection values of the alternating currents iu and iw flowing through the permanent magnet synchronous machine 103, and the torque command value Tm* from the command generator 105. and the calculation result of the phase control system, a gate command signal for driving (switching operation) the switching element of the power converter 102 is generated and supplied to the gate driver 133 of the power converter 102 .

図2は、図1の永久磁石同期機103の制御において使用される座標系と記号の定義を示す図である。なお、図2の(-axis)は、ここで「軸」と読み替える。図2において、a軸とb軸で定義されるab軸座標系は、永久磁石同期機103の固定子巻線の位相を表す固定子座標系であり、a軸は一般的に永久磁石同期機103のu相巻線位相が基準に適用される。 FIG. 2 is a diagram showing definitions of coordinate systems and symbols used in controlling the permanent magnet synchronous machine 103 of FIG. Note that (-axis) in FIG. 2 is replaced with "axis" here. In FIG. 2, the ab-axis coordinate system defined by the a-axis and the b-axis is the stator coordinate system representing the phase of the stator winding of the permanent magnet synchronous machine 103, and the a-axis is generally the permanent magnet synchronous machine. A 103 u-phase winding phase is applied to the reference.

d軸とq軸で定義されるdq軸座標系は、永久磁石同期機103の回転子の磁極位置を表す回転子座標系であり、永久磁石同期機103の回転子磁極位置と同期して回転する。永久磁石同期機の場合、d軸は一般的に回転子に取り付けられた永久磁石による磁極のN極方向が基準に適用され、d軸は磁極軸とも呼ばれる。 A dq-axis coordinate system defined by the d-axis and the q-axis is a rotor coordinate system representing the magnetic pole position of the rotor of the permanent magnet synchronous machine 103, and rotates in synchronization with the rotor magnetic pole position of the permanent magnet synchronous machine 103. do. In the case of a permanent magnet synchronous machine, the d-axis is generally applied to the north pole direction of the magnetic poles of the permanent magnets attached to the rotor, and the d-axis is also called the magnetic pole axis.

dc軸とqc軸で定義されるdc-qc軸座標系は、永久磁石同期機103の回転子磁極位置の推定位相、すなわち制御器101がd軸、q軸方向と想定している座標系であり、制御軸とも呼ばれる。p軸とz軸で定義されるpz軸座標系は、高周波電圧指令を重畳する位相を表す座標系である。なお、各座標系において組み合わされる座標軸同士は何れも互いに直交している。 The dc-qc axis coordinate system defined by the dc axis and the qc axis is the estimated phase of the rotor magnetic pole position of the permanent magnet synchronous machine 103, that is, the coordinate system assumed by the controller 101 to be in the d-axis and q-axis directions. Yes, also called the control axis. A pz-axis coordinate system defined by the p-axis and the z-axis is a coordinate system representing the phase on which the high-frequency voltage command is superimposed. Coordinate axes combined in each coordinate system are orthogonal to each other.

上記の各座標系において、図2に示すように、a軸を基準としたd軸、dc軸、p軸の各軸の位相をθd,θdc,θpとそれぞれ表す。また、d軸に対するdc軸の偏差をΔθc、dc軸に対するp軸の偏差をΔθpd、とそれぞれ表す。 In each coordinate system described above, as shown in FIG. 2, the phases of the d-axis, dc-axis, and p-axis relative to the a-axis are expressed as θd, θdc, and θp, respectively. Also, the deviation of the dc axis from the d axis is represented by Δθc, and the deviation of the p axis from the dc axis is represented by Δθpd.

図1において、ベクトル制御部111は、指令発生器105のトルク指令値Tm*に基づいて演算されたdc-qc軸座標系上の電流指令値Idc*、Iqc*と、dq座標変換部114が出力したdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcを一致させるべく電流制御を行い、演算結果としてdc軸電圧指令値Vdc*及びqc軸電圧指令値Vqc*を出力する。 In FIG. 1, the vector control unit 111 has current command values Idc* and Iqc* on the dc-qc axis coordinate system calculated based on the torque command value Tm* of the command generator 105, and the dq coordinate conversion unit 114 Current control is performed to match the output dc-axis current detection value Idc and qc-axis current detection value Iqc, and a dc-axis voltage command value Vdc* and a qc-axis voltage command value Vqc* are output as calculation results.

位置・速度推定演算部112は、ベクトル制御部111が出力したdc軸電圧指令値Vdc*及びqc軸電圧指令値Vqc*と、重畳電圧演算部117が出力したdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*と、dq座標変換部114が出力したdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcに基づいて、永久磁石同期機103の駆動周波数推定値ωr^と制御位相θdcを演算し、出力する。 The position/speed estimation calculation unit 112 calculates the dc-axis voltage command value Vdc* and the qc-axis voltage command value Vqc* output by the vector control unit 111, and the dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and Vdh* output by the superimposed voltage calculation unit 117. Based on the qc-axis superimposed voltage command value Vqh* and the dc-axis current detection value Idc and qc-axis current detection value Iqc output by the dq-coordinate conversion unit 114, the drive frequency estimated value ωr̂ and the control phase of the permanent magnet synchronous machine 103 are determined. θdc is calculated and output.

三相座標変換部113は、ベクトル制御部111が出力したdc軸電圧指令値Vdc*及びqc軸電流指令値Vqc*に、重畳電圧演算部117が出力したdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*を加算したdc軸電圧指令値Vdc**及びqc軸電圧指令値Vqc**を、位置・速度推定演算部112が出力した制御位相θdcに基づいて三相電圧指令Vu*,Vv*,及びVw*に変換し、PWM信号制御器115に出力する。 The three-phase coordinate conversion unit 113 applies the dc-axis superimposed voltage command values Vdh* and qc* output by the superimposed voltage calculation unit 117 to the dc-axis voltage command value Vdc* and the qc-axis current command value Vqc* output by the vector control unit 111. The dc-axis voltage command value Vdc** and the qc-axis voltage command value Vqc** obtained by adding the shaft superimposed voltage command value Vqh* are calculated based on the control phase θdc output by the position/speed estimation calculation unit 112, and the three-phase voltage command Vu *, Vv*, and Vw*, and output to the PWM signal controller 115 .

dq座標変換部114は、電流検出部116が出力した三相電流検出値Iu,Iv、及びIwを、位置・速度推定演算部112が出力した制御位相θdcに基づいてdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcに変換し出力する。 The dq coordinate conversion unit 114 converts the three-phase current detection values Iu, Iv, and Iw output by the current detection unit 116 into the dc-axis current detection values Idc and Iw based on the control phase θdc output by the position/speed estimation calculation unit 112. It converts to the qc-axis current detection value Iqc and outputs it.

PWM信号制御器115は、任意のキャリア周波数fcと平滑用コンデンサ131の電圧検出値Ecfに基づいて三角波キャリアを生成し、その三角波キャリアと三相交流電圧指令Vu*,Vv*,Vw*に基づく変調波との大小比較を行い、パルス幅変調を実施する。 The PWM signal controller 115 generates a triangular wave carrier based on an arbitrary carrier frequency fc and the voltage detection value Ecf of the smoothing capacitor 131, and generates a triangular wave carrier based on the triangular wave carrier and the three-phase AC voltage commands Vu*, Vv*, Vw*. Pulse width modulation is performed by comparing the magnitude with the modulated wave.

このパルス幅変調の演算結果にて生成されたゲート指令信号によって、電力変換器102のスイッチング素子をオン/オフ制御する。また、PWM信号制御器115は、電流検出部116の電流検出タイミングを決定する電流検出タイミング設定信号SAHを出力する。電流検出タイミング設定信号SAHは、例えば、三角波キャリアとする。 The switching element of power converter 102 is on/off controlled by the gate command signal generated by the calculation result of this pulse width modulation. The PWM signal controller 115 also outputs a current detection timing setting signal SAH that determines the current detection timing of the current detector 116 . The current detection timing setting signal SAH is, for example, a triangular wave carrier.

電流検出部116は、PWM信号制御器115が出力した電流検出タイミング設定信号SAHに基づいて、相電流検出部121が検出した交流電流iu,iwから三相電流検出値Iu,Iv,Iwを演算し、dq座標変換部114に出力する。 Current detection unit 116 calculates three-phase current detection values Iu, Iv, and Iw from alternating currents iu and iw detected by phase current detection unit 121, based on current detection timing setting signal SAH output from PWM signal controller 115. and output to the dq coordinate transformation unit 114 .

重畳電圧演算部117は、dq座標変換部114が出力したdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcと、PWM信号制御器115が出力した電流検出タイミング設定信号SAHに基づいて、永久磁石同期機103に高周波電流(脈動電流)を発生させるためのdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*を演算し出力する。 Based on the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc output by the dq coordinate conversion unit 114 and the current detection timing setting signal SAH output by the PWM signal controller 115, the superimposed voltage calculation unit 117 generates a permanent magnet A dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and a qc-axis superimposed voltage command value Vqh* for generating a high-frequency current (pulsating current) in the synchronous machine 103 are calculated and output.

図3は、図1の位置・速度推定演算部112の構成例を表すブロック図である。図3に示すように位置・速度推定演算部112は、磁極極性判別部201と、軸誤差推定演算部202と、速度推定演算部203と、位置推定演算部204と、を備える。位置・速度推定演算部112は、永久磁石同期機103の回転子磁極位相であるd軸と制御位相であるdc軸を一致(同期)させるべく、位相制御を行う。 FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the position/velocity estimation calculation unit 112 in FIG. As shown in FIG. 3 , the position/speed estimation calculation unit 112 includes a magnetic pole polarity determination unit 201 , an axis error estimation calculation unit 202 , a speed estimation calculation unit 203 and a position estimation calculation unit 204 . The position/speed estimation calculation unit 112 performs phase control to match (synchronize) the d-axis, which is the rotor magnetic pole phase of the permanent magnet synchronous machine 103, with the dc-axis, which is the control phase.

軸誤差推定演算部202は、ベクトル制御部111が出力したdc軸電圧指令値Vdc*及びqc軸電圧指令値Vqc*と、重畳電圧演算部117が出力したdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*と、dq座標変換部114が出力したdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcと、速度推定演算部203が出力した駆動周波数推定値ωr^と、に基づいて、d軸とdc軸の偏差となる軸誤差推定値Δθc^を演算し、速度推定演算部203に出力する。 The axis error estimation calculation unit 202 calculates the dc-axis voltage command value Vdc* and the qc-axis voltage command value Vqc* output by the vector control unit 111, and the dc-axis superimposed voltage command values Vdh* and qc* output by the superimposed voltage calculation unit 117. Based on the shaft superimposed voltage command value Vqh*, the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc output by the dq coordinate conversion unit 114, and the drive frequency estimation value ωr^ output by the speed estimation calculation unit 203. Then, an axis error estimated value Δθĉ, which is the deviation between the d-axis and the dc-axis, is calculated and output to the speed estimation calculation section 203 .

速度推定演算部203は、軸誤差推定演算部202が出力した軸誤差推定値Δθc^に基づいて、永久磁石同期機103の駆動周波数推定値ωr^を演算し出力する。 The speed estimation calculation unit 203 calculates and outputs the drive frequency estimation value ωr̂ of the permanent magnet synchronous machine 103 based on the axis error estimation value Δθĉ output by the axis error estimation calculation unit 202 .

位置推定演算部204は、速度推定演算部203が出力した駆動周波数推定値ωr^に基づいて、永久磁石同期機103の回転子磁極位置の推定位相である基準制御位相θdc0を演算し出力する。さらに、位置・速度推定演算部112では、磁極極性判別部201が出力した磁極極性補正位相θpnを基準制御位相θdc0に加算して、制御位相θdcを出力する。 The position estimation calculation unit 204 calculates and outputs a reference control phase θdc0, which is the estimated phase of the rotor magnetic pole position of the permanent magnet synchronous machine 103, based on the drive frequency estimation value ωr^ output by the speed estimation calculation unit 203. Further, the position/speed estimation calculation unit 112 adds the magnetic pole polarity correction phase θpn output by the magnetic pole polarity determination unit 201 to the reference control phase θdc0 to output the control phase θdc.

図4は、図3の磁極極性判別部201の構成例を表すブロック図である。図4に示すように磁極極性判別部201は、インダクタンス演算部210と、極性判別・反転処理部215とを備え、インダクタンス演算部210は、第一のインダクタンス演算部211と、第二のインダクタンス演算部212と、第三のインダクタンス演算部213と、第四のインダクタンス演算部214と、を備える。 FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the magnetic pole polarity discriminator 201 of FIG. As shown in FIG. 4, the magnetic pole polarity determination unit 201 includes an inductance calculation unit 210 and a polarity determination/reversal processing unit 215. The inductance calculation unit 210 includes a first inductance calculation unit 211 and a second inductance calculation. 212 , a third inductance calculator 213 , and a fourth inductance calculator 214 .

磁極極性判別部201では、第一のインダクタンス演算部211にて、永久磁石同期機103に流れる脈動電流のdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcの正の電流値と、脈動電流を発生させるdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*に基づいて、dc-qc軸座標系上の正の値の電流の変化に対する第一のインダクタンス値Ldc1+を演算し、極性判別・反転処理部215に出力する。 In the magnetic pole polarity determination unit 201, the positive current values of the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc of the pulsating current flowing in the permanent magnet synchronous machine 103 and the pulsating current are calculated by the first inductance calculation unit 211. Based on the dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and the qc-axis superimposed voltage command value Vqh* to be generated, a first inductance value Ldc1+ is calculated with respect to a positive current change on the dc-qc axis coordinate system, and the polarity Output to the discrimination/inversion processing unit 215 .

また、第二のインダクタンス演算部212にて、永久磁石同期機103に流れる脈動電流のdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcの第一のインダクタンス値Ld1+とは異なる正の電流値と、脈動電流を発生させるdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*に基づいて、dc-qc軸座標系上の正の値の電流の変化に対する第二のインダクタンス値Ldc2+を演算し、極性判別・反転処理部215に出力する。 Further, in the second inductance calculation unit 212, a positive current value different from the first inductance value Ld1+ of the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc of the pulsating current flowing through the permanent magnet synchronous machine 103 and , based on the dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and the qc-axis superimposed voltage command value Vqh* that generate the pulsating current, the second inductance value Ldc2+ with respect to the positive current change on the dc-qc axis coordinate system Calculate and output to the polarity discrimination/inversion processing unit 215 .

さらに、第三のインダクタンス演算部213にて、永久磁石同期機103に流れる脈動電流のdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcの負の電流値と、脈動電流を発生させるdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*に基づいて、dc-qc軸座標系上の負の値の電流の変化に対する第三のインダクタンス値Ldc1-を演算し、極性判別・反転処理部215に出力する。 Furthermore, in the third inductance calculation unit 213, negative current values of the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc of the pulsating current flowing in the permanent magnet synchronous machine 103 and the dc-axis superimposition that generates the pulsating current are calculated. Based on the voltage command value Vdh* and the qc-axis superimposed voltage command value Vqh*, the third inductance value Ldc1- is calculated with respect to the negative current change on the dc-qc axis coordinate system, and the polarity determination/reversal process is performed. Output to unit 215 .

さらに、第四のインダクタンス演算部214にて、永久磁石同期機103に流れる脈動電流のdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcの第三のインダクタンス値Ld1-とは異なる負の電流値と、脈動電流を発生させるdc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*に基づいて、dc-qc軸座標系上の負の値の電流の変化に対する第四のインダクタンス値Ldc2-を演算し、極性判別・反転処理部215に出力する。 Furthermore, in the fourth inductance calculation unit 214, a negative current value different from the third inductance value Ld1− of the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc of the pulsating current flowing in the permanent magnet synchronous machine 103 Then, based on the dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and the qc-axis superimposed voltage command value Vqh* that generate the pulsating current, the fourth inductance value Ldc2 with respect to the negative current change on the dc-qc axis coordinate system − is calculated and output to the polarity determination/inversion processing unit 215 .

そして、極性判別・反転処理部215にて、dc-qc軸座標系上の正の値の電流変化に対する第一のインダクタンス値Ldc1+と第二のインダクタンス値Ldc2の偏差量ΔLdc+と、dc-qc軸座標系上の負の値の電流変化に対する第三のインダクタンス値Ldc1-と、第四のインダクタンス値Ldc2-の偏差量ΔLdc-と、を演算する。 Then, in the polarity determination/reversal processing unit 215, the deviation amount ΔLdc+ between the first inductance value Ldc1+ and the second inductance value Ldc2 with respect to the current change of the positive value on the dc-qc axis coordinate system and the dc-qc axis A deviation amount ΔLdc- between the third inductance value Ldc1- and the fourth inductance value Ldc2- with respect to the negative current change on the coordinate system is calculated.

さらに、偏差量ΔLdc+と偏差量ΔLdc-の絶対値を演算し、インダクタンスの偏差量の絶対値が大きい側を永久磁石同期機103のN極方向(d軸方向)と判定する。極性判別・反転処理部215は、ロータ鉄心の磁気飽和特性を利用して永久磁石同期機103の回転子磁極のN極方向を判別する。 Further, the absolute values of the deviation amount ΔLdc+ and the deviation amount ΔLdc− are calculated, and the side where the absolute value of the inductance deviation amount is large is determined as the N pole direction (d-axis direction) of the permanent magnet synchronous machine 103 . The polarity discrimination/reversal processing unit 215 discriminates the N-pole direction of the rotor magnetic poles of the permanent magnet synchronous machine 103 using the magnetic saturation characteristics of the rotor iron core.

その結果、位置推定演算部204で推定した回転子磁極位置が180度ずれている場合には、制御位相θdcを反転させるため磁極極性補正位相θpnは180度を出力する。極性判別の結果、回転子の磁極のN極方向が制御位相θdcとずれていない場合には、磁極極性補正位相θpnは0度を出力する。 As a result, when the rotor magnetic pole position estimated by the position estimation calculation section 204 is shifted by 180 degrees, the magnetic pole polarity correction phase θpn outputs 180 degrees in order to reverse the control phase θdc. As a result of the polarity discrimination, if the N pole direction of the magnetic poles of the rotor does not deviate from the control phase θdc, the magnetic pole polarity correction phase θpn outputs 0 degrees.

図5は、図1の重畳電圧演算部117の構成例を表すブロック図である。図5に示すように重畳電圧演算部117は、交流電圧成分印加部701と、重畳電圧位相補正テーブル702と、dq座標変換部703と、を備える。 FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the superimposed voltage calculator 117 in FIG. As shown in FIG. 5 , the superimposed voltage calculator 117 includes an AC voltage component application unit 701 , a superimposed voltage phase correction table 702 , and a dq coordinate conversion unit 703 .

交流電圧成分印加部701は、PWM信号制御器115が出力した電流検出タイミング設定信号SAHに基づいて、p軸重畳交流電圧指令Vp-ac*と、z軸重畳交流電圧指令Vz-ac*と、を演算し、dq座標変換部703に出力する。 Based on the current detection timing setting signal SAH output from PWM signal controller 115, AC voltage component applying section 701 applies p-axis superimposed AC voltage command Vp-ac*, z-axis superimposed AC voltage command Vz-ac*, is calculated and output to the dq coordinate transformation unit 703 .

重畳電圧位相補正テーブル702は、dq座標変換部114が出力したdc軸電流検出値Idc及びqc軸電流検出値Iqcに基づいて、永久磁石同期機103に脈動電流を発生させるための電圧指令を重畳する座標系であるp軸と、制御座標系のdc軸の偏差量Δθpdと、を演算し、dq座標変換部703に出力する。 The superimposed voltage phase correction table 702 superimposes a voltage command for generating a pulsating current in the permanent magnet synchronous machine 103 based on the dc-axis current detection value Idc and the qc-axis current detection value Iqc output by the dq coordinate conversion unit 114. A deviation amount Δθpd between the p-axis, which is the coordinate system to be controlled, and the dc-axis, which is the control coordinate system, is calculated and output to the dq coordinate conversion unit 703 .

dq座標変換部703は、交流電圧成分印加部701が出力したp軸重畳交流電圧指令Vp-ac*と、z軸重畳交流電圧指令Vz-ac*と、を重畳電圧位相補正テーブル702が出力したp軸と、dc軸の偏差量Δθpdと、に基づいて、dc軸重畳電圧指令値Vdh*及びdc軸重畳電圧指令値Vqh*に変換し出力する。 The dq coordinate conversion unit 703 converts the p-axis superimposed AC voltage command Vp-ac* output by the AC voltage component application unit 701 and the z-axis superimposed AC voltage command Vz-ac* to the superimposed voltage phase correction table 702. Based on the p-axis and the deviation amount Δθpd of the dc-axis, the dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and the dc-axis superimposed voltage command value Vqh* are converted and output.

図6は、図5の交流電圧成分印加部701の構成例を表すブロック図である。図6に示すように交流電圧成分印加部701は、交流波形発生器711及び交流波形発生器713と、交流電圧波形の振幅の大きさを切り替える切替器712及び切替器714と、交流波形発生器711及び交流波形発生器713の出力値と切替器712及び切替器714の出力値をそれぞれ乗算して出力する乗算器804,805を備える。 FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the AC voltage component applying section 701 of FIG. As shown in FIG. 6, the AC voltage component applying unit 701 includes AC waveform generators 711 and 713, switches 712 and 714 for switching the amplitude of the AC voltage waveform, and AC waveform generators. Multipliers 804 and 805 are provided for multiplying the output values of 711 and AC waveform generator 713 by the output values of switches 712 and 714 and outputting the results.

交流電圧成分印加部701は、交流波形発生器711及び交流波形発生器713が電流検出タイミング設定信号SAHに基づいて永久磁石同期機103に脈動電流を発生させるためのp軸交流電圧波形Sp-ac*及びz軸交流電圧波形Sz-ac*を出力する。 The AC voltage component applying unit 701 generates a p-axis AC voltage waveform Sp-ac for the AC waveform generators 711 and 713 to generate a pulsating current in the permanent magnet synchronous machine 103 based on the current detection timing setting signal SAH. * and z-axis AC voltage waveform Sz-ac*.

また、切替器712及び切替器714は、pz軸座標系上に重畳するp軸交流電圧波形Sp-ac*及びz軸交流電圧波形Sz-ac*の振幅を制御する切替器である。乗算器804,805にて、交流波形発生器711及び交流波形発生器713が出力したp軸交流電圧波形Sp-ac*及びz軸交流電圧波形Sz-ac*と、切替器712及び切替器714が出力したp軸交流電圧成分振幅指令Kp-ac_amp*及びz軸交流電圧成分振幅指令Kz-ac_amp*と、をそれぞれ乗算して、p軸重畳交流電圧指令Vp-ac*と、z軸重畳交流電圧指令Vz-ac*と、を出力する。 Switches 712 and 714 are switches for controlling the amplitudes of the p-axis AC voltage waveform Sp-ac* and the z-axis AC voltage waveform Sz-ac* superimposed on the pz-axis coordinate system. In multipliers 804 and 805, p-axis AC voltage waveform Sp-ac* and z-axis AC voltage waveform Sz-ac* output by AC waveform generator 711 and AC waveform generator 713, and switches 712 and 714. By multiplying the p-axis AC voltage component amplitude command Kp-ac_amp* and the z-axis AC voltage component amplitude command Kz-ac_amp* output by the p-axis superimposed AC voltage command Vp-ac* and the z-axis superimposed AC A voltage command Vz-ac* is output.

従来技術の極性判別手段では、高調波電圧を重畳すると、出力電圧Vu,Vv,Vw(まとめてVとも表示する)が大きく変化する。出力電圧に基づいて計算された変調率により決定される変調方式が、高調波重畳時に切り替わった場合、変調方式によって、出力電圧が異なるため、磁極の極性判別に失敗し、逆転するおそれがあった。変調率Vcは、例えば、以下の式(1)~(3)にて演算されるものとする。 In the polarity discrimination means of the prior art, the output voltages Vu, Vv, and Vw (collectively referred to as V1 ) change greatly when the harmonic voltage is superimposed. If the modulation method, which is determined by the modulation factor calculated based on the output voltage, is switched during harmonic superimposition, the output voltage differs depending on the modulation method, so there is a risk that the polarity of the magnetic pole will fail to be determined and the polarity will be reversed. . Modulation factor Vc is calculated by, for example, the following equations (1) to (3).

Figure 0007323447000001
Figure 0007323447000001

なお、上記式(1)のVmaxは最大出力電圧、Ecfはフィルタコンデンサ電圧、上記式(2)のVは出力電圧、Ldはd軸インダクタンス、iは高調波電圧重畳した際のd軸電流ピーク値であり、dtはPWM変調におけるキャリア周波数fcより算出される時間幅である。次に図7~図9を用いて、永久磁石同期機103の磁極方向に交流電圧指令を印加して極性判別を行う具体的な手段について説明する。 Note that Vmax in the above equation (1) is the maximum output voltage, Ecf is the filter capacitor voltage, V1 in the above equation (2) is the output voltage, Ld is the d-axis inductance, and id is the d-axis when the harmonic voltage is superimposed. dt is a current peak value, and dt is a time width calculated from the carrier frequency fc in PWM modulation. Next, specific means for applying an AC voltage command in the magnetic pole direction of the permanent magnet synchronous machine 103 to determine the polarity will be described with reference to FIGS. 7 to 9. FIG.

図7は、高調波重畳電圧指令とd軸電流波形の関係を例示したグラフである。図7の横軸は時間軸であり、上記式(2)に示したように、キャリア周波数fcより算出される時間幅dtを明示している。ここで、図7の上部に示すように、高調波重畳周期を1/(fc/2)に設定したので、PWM山谷周期dtは、PWM周期が1/fcの半分として例示する。しかし、この時間幅dtは、PWMのキャリア周波数fcに対して無関係に設定しても構わない。なお、時間幅dt及びキャリア周波数fcは、永久磁石同期機103の回転数と、直接的な関係はない。 FIG. 7 is a graph illustrating the relationship between the harmonic superimposed voltage command and the d-axis current waveform. The horizontal axis of FIG. 7 is the time axis, and clearly indicates the time width dt calculated from the carrier frequency fc as shown in the above equation (2). Here, as shown in the upper part of FIG. 7, since the harmonic superposition period is set to 1/(fc/2), the PWM peak-valley period dt is illustrated as half of the PWM period of 1/fc. However, this time width dt may be set regardless of the PWM carrier frequency fc. Note that the time width dt and the carrier frequency fc have no direct relationship with the rotation speed of the permanent magnet synchronous machine 103 .

図1~図3に沿った説明のように、重畳電圧演算部117は、dc軸重畳電圧指令値Vdh*及びqc軸重畳電圧指令値Vqh*を出力し、位置・速度推定演算部112、ベクトル制御部111及び三相座標変換部113の処理を経て、三相電圧指令Vu*,Vv*、及びVw*に変換し、PWM信号制御器115に出力する。 As described with reference to FIGS. 1 to 3, the superimposed voltage calculator 117 outputs the dc-axis superimposed voltage command value Vdh* and the qc-axis superimposed voltage command value Vqh*. Through the processing of the control unit 111 and the three-phase coordinate conversion unit 113 , the three-phase voltage commands Vu*, Vv*, and Vw* are converted and output to the PWM signal controller 115 .

これらの三相電圧指令Vu*,Vv*、及びVw*をまとめて図7(a)に示す重畳電圧指令V1*とする。また、図7(b)のU相電圧指令Vu*と、図7(c)のV,W相電圧指令Vv*と、を示す。これらに対応して、図7(d)にU相電圧指令の正側/負側Vup*,Vunと、図7(e)のV,W相電圧指令の正側/負側Vvp*,Vvn,Vwp*,Vwnと、を示す。 These three-phase voltage commands Vu*, Vv*, and Vw* are collectively referred to as a superimposed voltage command V1* shown in FIG. 7(a). Also shown are the U-phase voltage command Vu* in FIG. 7(b) and the V- and W-phase voltage commands Vv* in FIG. 7(c). Corresponding to these, the positive/negative sides Vup* and Vun of the U-phase voltage command in FIG. 7(d) and the positive/negative sides Vvp* and Vvn of the V- and W-phase voltage commands in FIG. , Vwp*, Vwn.

これらを入力したPWM信号制御器115は、指令発生器105からのトルク指令値Tm*その他に基づいた電流制御系と位相制御系の演算結果から、電力変換器102のスイッチング素子S1~S12を駆動するためのゲート指令信号を生成し、電力変換器102のゲート・ドライバ133に供給する。 The PWM signal controller 115 that receives these inputs drives the switching elements S1 to S12 of the power converter 102 based on the calculation results of the current control system and the phase control system based on the torque command value Tm* from the command generator 105. A gate command signal for the power converter 102 is generated and supplied to the gate driver 133 of the power converter 102 .

その結果、電力変換器102は、入力端子123bを基準とする三相電圧Vu,Vv、及びVw、すなわち、三相線間電圧Vuv,Vvw,Vwuを永久磁石同期機103に出力して駆動する。これらのうち、図7(f)に線間電圧Vuvを示す。これに対応して、図7(g)にd軸電流検出値idを示し、図7(h)にp軸電流検出値Δidを示す。図7に示すdtは、キャリア周波数fcの1/2周期分である。 As a result, the power converter 102 outputs the three-phase voltages Vu, Vv, and Vw based on the input terminal 123b, that is, the three-phase line voltages Vuv, Vvw, and Vwu to the permanent magnet synchronous machine 103 to drive it. . Of these, FIG. 7(f) shows the line voltage Vuv. Correspondingly, FIG. 7(g) shows the d-axis current detection value id, and FIG. 7(h) shows the p-axis current detection value .DELTA.id. dt shown in FIG. 7 is 1/2 period of the carrier frequency fc.

図7において、(a)~(e)に示す電圧重畳指令値を重畳すると、(f)に示した線間電圧Vuvが実際に永久磁石同期機103に印加される。すると、d軸電流iは、磁気飽和の影響を受け図7(g)のように正・負に対して非対称な脈動波形となる。この波形の非対称性を利用して、磁極の極性判別を行う。この例では、did1<did2であるので、負方向が電動機のN極方向(d軸方向)である。 In FIG. 7, when the voltage superposition command values shown in (a) to (e) are superimposed, the line voltage Vuv shown in (f) is actually applied to the permanent magnet synchronous machine 103 . Then, the d-axis current i d is influenced by magnetic saturation, and becomes an asymmetric pulsating waveform with respect to positive and negative as shown in FIG. 7(g). The asymmetry of this waveform is used to determine the polarity of the magnetic pole. In this example, since di d1 <d d2 , the negative direction is the north pole direction (d-axis direction) of the electric motor.

図8は、変調方式の一例を表す図であり、Aは振幅、Bはバイアスである。図8において、(a)に示した基本変調波aをA/2ずつ2分割し、バイアスBを重畳して(b),(c)に示した正バイアス変調波abpと、負バイアス変調波abnと、を作成する。図8(d)は正側変調波apであり、図8(e)は正負側変調波anであり、図8(h)が出力電圧である。 FIG. 8 is a diagram showing an example of a modulation scheme, where A is amplitude and B is bias. In FIG. 8, the fundamental modulated wave a shown in (a) is divided into two by A/2, and the bias B is superimposed to obtain a positive bias modulated wave abp and a negative bias modulated wave shown in (b) and (c). abn and . FIG. 8(d) is the positive side modulated wave ap, FIG. 8(e) is the positive/negative side modulated wave an, and FIG. 8(h) is the output voltage.

図8(h)の(イ)は、ダイポーラ変調方式である。これは、B.Velaertsらによって考案された3レベルPWM制御方式であり、出力電圧パルスを正負交互にゼロ電圧を介しながら出力するため、ゼロ電圧を含む微小電圧の制御が可能であり、バイアスB>0の領域である。一方、図8(h)の(ロ)は、ユニポーラ変調方式である。これは、半サイクル間が同一極性のパルス列からなる、バイアスB=0の領域である。 (b) of FIG. 8(h) is a dipolar modulation method. This is a 3-level PWM control system devised by B. Velaerts et al., and outputs positive and negative output voltage pulses alternately through zero voltage. >0 region. On the other hand, (b) in FIG. 8(h) is a unipolar modulation method. This is the region of bias B=0, consisting of pulse trains of the same polarity during half cycles.

図9は、高調波重畳電圧の一例を表す図である。図8と同様に、Aは振幅、Bはバイアスである。図9(a)の状態は、ダイポーラ変調方式である。ここから、図9の重畳電圧が(a)から(b)へと移行したとしても、B>A/2の場合、変調方式はダイポーラ変調のままである。一方、図9の重畳電圧が(a)又は(b)から、(c)に示したように、B<A/2へ移行した場合、変調方式はユニポーラ変調に切り替わる。このように、図9(b)に示すB>A/2の状態では変調方式の切換えを停止するが、図9(c)に示すB<A/2の状態では変調方式の切換えは、制御規則により実行される。 FIG. 9 is a diagram showing an example of a harmonic superimposed voltage. As in FIG. 8, A is amplitude and B is bias. The state of FIG. 9(a) is a dipolar modulation system. From here, even if the superimposed voltage in FIG. 9 shifts from (a) to (b), the modulation method remains dipolar modulation when B>A/2. On the other hand, when the superimposed voltage in FIG. 9 shifts from (a) or (b) to B<A/2 as shown in (c), the modulation method switches to unipolar modulation. In this way, the switching of the modulation scheme is stopped in the state of B>A/2 shown in FIG. 9B, but the switching of the modulation scheme is stopped in the state of B<A/2 shown in FIG. Enforced by rules.

その制御規則は、BやAの値を所定の閾値と比較して状態を区別するような機能により実現できる。より具体的には、マイクロコンピュータに相当のプログラムを実行させて制御規則を実現させる。あるいは、コンピュータでなくても、同等機能の電子回路でも実現できる。応用例として、図1の指令発生器105は、30kmを超える電気車の速度信号を取得すると、図9(c)と認識される指令信号を発令して変調方式をユニポーラ変調に切替える。逆に、30km未満ならば図9(b)と認識され、変調方式はダイポーラ変調のままに維持される。 The control rule can be realized by a function such as comparing the value of B or A with a predetermined threshold to distinguish the states. More specifically, the microcomputer executes a corresponding program to implement the control rules. Alternatively, instead of a computer, it can be realized by an electronic circuit with equivalent functions. As an application example, when the command generator 105 in FIG. 1 acquires a speed signal of an electric train exceeding 30 km, it issues a command signal recognized as shown in FIG. 9(c) to switch the modulation method to unipolar modulation. Conversely, if it is less than 30 km, it is recognized as in FIG. 9(b), and the modulation method is maintained as dipolar modulation.

このように、実施例1において、極性判別時には、出力される電圧に基づいて計算された変調率が、ダイポーラ変調とユニポーラ変調と間で変調方式が切換え制御される閾値を超えないように設定されている。また、極性判別時には、ダイポーラ変調を維持するように、キャリア周波数fcを変更するように制御される。例えば、速度20kmの電気車は、本来ならば、ユニポーラ変調が好適なところを、極性判別時に、インバータとしては最適でないダイポーラ変調に強制維持したことによる性能不足分を補うために、キャリア周波数fcを変更するように制御される。 As described above, in the first embodiment, during polarity discrimination, the modulation rate calculated based on the voltage to be output is set so as not to exceed the threshold value at which the modulation method is switched and controlled between dipolar modulation and unipolar modulation. ing. Further, during polarity discrimination, control is performed to change the carrier frequency fc so as to maintain dipolar modulation. For example, for an electric train traveling at a speed of 20 km, the carrier frequency fc is adjusted to make up for the lack of performance caused by forcibly maintaining dipolar modulation, which is not optimal for an inverter, when determining polarity, although unipolar modulation is normally suitable. controlled to change.

図10は、高調波重畳の際の変調方式決定のフローである。所定の重畳量I*を重畳すると電圧V*が出力される。そこから、変調率M*が算出され、変調方式が決定される。決定した変調方式がダイポーラ変調である場合は、そのまま極性判別を開始する。変調方式がユニポーラ変調である場合はキャリア周波数fcを変更する。変更されたキャリア周波数fcにより、出力電圧V*が変化する。 FIG. 10 is a flow of modulation scheme determination when superimposing harmonics. When a predetermined amount of superimposition I* is superimposed, a voltage V* is output. From there, the modulation factor M* is calculated and the modulation scheme is determined. If the determined modulation method is dipolar modulation, the polarity discrimination is started as it is. If the modulation method is unipolar modulation, the carrier frequency fc is changed. The changed carrier frequency fc changes the output voltage V*.

図11は、実施例1のキャリア周波数fcを変更した際のd軸電流の変化を図7と対比したグラフである。図11において、左側のグラフ1に示すキャリア周波数fcから、右側のグラフ2に示すキャリア周波数fc´のように小さくすると、PWM周期が長くなる。これにより、PWMの半周期(山谷周期)dtは、時間幅dt´のように長くなる。上記式(2)より、時間幅dtが大きくなると、出力電圧Vが小さくなる。 FIG. 11 is a graph comparing changes in the d-axis current with FIG. 7 when the carrier frequency fc of Example 1 is changed. In FIG. 11, when the carrier frequency fc shown in graph 1 on the left side is decreased to the carrier frequency fc' shown in graph 2 on the right side, the PWM period becomes longer. As a result, the PWM half cycle (peak-valley cycle) dt becomes longer like the time width dt'. From the above equation (2), as the time width dt increases, the output voltage V1 decreases.

この結果、上記式(3)より、変調率Vcが下がり、図9(b)で説明したような状態となるため、変調方式の切換え変調率を超えず、変調方式を維持することができる。以上説明したように、変調方式の切換えにより不安定化していた従来の極性判別に対し、本発明の実施例1に係る永久磁石同期機制御装置によれば、安定して極性判別が出来る。 As a result, the modulation rate Vc decreases according to the above equation (3), and the state described with reference to FIG. 9(b) is obtained. Therefore, the modulation mode can be maintained without exceeding the switching modulation rate of the modulation mode. As described above, the permanent magnet synchronous machine control apparatus according to the first embodiment of the present invention can stably perform polarity determination as opposed to the conventional polarity determination that is unstable due to the switching of the modulation method.

次に、図12及び図13を用いて実施例2について説明する。実施例2では、実施例1と異なり、高調波重畳量を変更するものである。以下、実施例1との相違点を中心に説明する。 Next, Example 2 will be described with reference to FIGS. 12 and 13. FIG. In Example 2, unlike Example 1, the amount of superimposed harmonics is changed. The following description focuses on the differences from the first embodiment.

実施例2は、極性判別の際に出力される電圧に基づいて計算された変調率が、ダイポーラ変調とユニポーラ変調と、それらの間で変調方式の切換え変調率を超えず、ダイポーラ変調を維持するよう、電圧重畳量を変更する。ここでは、ダイポーラ変調を維持するように例示したが、逆にユニポーラ変調を維持するようにしても構わない。 In Example 2, the modulation rate calculated based on the voltage output during polarity discrimination does not exceed the modulation rate of dipolar modulation, unipolar modulation, and the modulation scheme switching between them, and maintains dipolar modulation. change the amount of voltage superimposition. In this example, dipolar modulation is maintained, but unipolar modulation may be maintained instead.

図12は、高調波重畳の際の変調方式決定のフローである。所定の重畳量I*を重畳すると電圧V*が出力される。そこから、変調率M*が算出され、変調方式が決定される。決定した変調方式がダイポーラ変調である場合は、そのまま極性判別を開始する。変調方式がユニポーラ変調である場合は重畳量I*を変更する。これは、極性判別時は、基本的にダイポーラ変調に統一するように設定した場合を例示している。 FIG. 12 is a flow of modulation scheme determination when superimposing harmonics. When a predetermined amount of superimposition I* is superimposed, a voltage V* is output. From there, the modulation factor M* is calculated and the modulation scheme is determined. If the determined modulation method is dipolar modulation, the polarity discrimination is started as it is. When the modulation method is unipolar modulation, the amount of superimposition I* is changed. This exemplifies a case in which, at the time of polarity discrimination, settings are basically made to be unified to dipolar modulation.

図13は、実施例2の重畳量を変更した際のd軸電流の変化を図7と対比したグラフである。図13において、左側のグラフ3の(a)に示す電圧重畳量V1*から、右側のグラフ4の(a)に示す電圧重畳量V1*´のように小さくする。そうすると、図13(g)のd軸電流が、グラフ3からグラフ4へ移行した対比結果を示すように小さくなる。 FIG. 13 is a graph comparing changes in the d-axis current with FIG. 7 when the superposition amount is changed in Example 2. FIG. In FIG. 13, the voltage superposition amount V1* shown in (a) of graph 3 on the left side is reduced to the amount of voltage superimposition V1* shown in (a) of graph 4 on the right side. Then, the d-axis current in FIG.

このとき、上記式(2)より、idが小さくなることで出力電圧Vが小さくなる。この結果、上記式(3)より、変調率Vcが下がり、変調方式を切換え制御する閾値を超えないように設定されている。よって、この場合も変調方式を維持することができる。これらを実現するための制御規則も、コンピュータプログラムによって対応可能である。以上説明したように、実施例2によれば、安定して極性判別が出来る、永久磁石同期機制御装置を実現する。 At this time, as id becomes smaller, the output voltage V1 becomes smaller according to the above equation (2). As a result, the modulation factor Vc decreases according to the above equation (3), and is set so as not to exceed the threshold value for switching and controlling the modulation method. Therefore, the modulation scheme can be maintained in this case as well. Control rules for realizing these can also be handled by a computer program. As described above, according to the second embodiment, a permanent magnet synchronous machine control device capable of stably determining polarity is realized.

本発明の実施形態に係る永久磁石同期機制御装置は、以下のように総括できる。
[1]図1に示すように、永久磁石同期機103に駆動電力を供給する電力変換器102と、電力変換器102を制御する制御器101と、を有する永久磁石同期機制御装置である。制御器101は、電圧指令生成部と、電流検出部121と、磁極極性判別部201(図3)と、を備える。
A permanent magnet synchronous machine control device according to an embodiment of the present invention can be summarized as follows.
[1] As shown in FIG. 1, a permanent magnet synchronous machine control device having a power converter 102 that supplies drive power to a permanent magnet synchronous machine 103 and a controller 101 that controls the power converter 102 . The controller 101 includes a voltage command generation section, a current detection section 121, and a magnetic pole polarity determination section 201 (FIG. 3).

電圧指令生成部は、図1に示す制御器101の大部分により構成され、高調波重畳も可能なPWM制御によって、出力電圧Vを生成させる。なお、ここでは、PWMを例示したが、高調波重畳も可能であるとともに所望の出力電圧Vを生成させる指令ができるならば、PWMに限定されず、パルス周波数変調(VFM:Pulse Frequency Modulation)、その他でも構わない。 The voltage command generation unit is composed of most of the controller 101 shown in FIG. 1, and generates the output voltage V1 by PWM control capable of superimposing harmonics. Although PWM is exemplified here, if it is possible to superimpose harmonics and give a command to generate a desired output voltage V1 , it is not limited to PWM, and pulse frequency modulation (VFM) can be used. , or anything else.

電流検出部121は、電力変換器102から永久磁石同期機103に印加された出力電圧Vに応じて流れる電流を検出する。磁極極性判別部201は、電流検出部121により検出された電流の変化量と、永久磁石同期機103のインダクタンス値の変化量と、の関係に基づいて永久磁石同期機103の磁極極性を判定する。 Current detection unit 121 detects a current that flows according to output voltage V1 applied from power converter 102 to permanent magnet synchronous machine 103 . The magnetic pole polarity determination unit 201 determines the magnetic pole polarity of the permanent magnet synchronous machine 103 based on the relationship between the amount of change in the current detected by the current detection unit 121 and the amount of change in the inductance value of the permanent magnet synchronous machine 103. .

制御器101は、高調波重畳可能なPWM制御の変調方式を出力電圧Vと周波数の少なくとも何れかを用いて算出される変調率Vcに応じて最適な変調方式に切換え可能である。ここでは、変調方式を出力電圧Vに応じて自動的に切換えるものとする。上述のように、磁極極性を判定するためには、急激かつ相当に高い電圧の高周波を重畳させた出力電圧Vを印加する。 The controller 101 can switch the PWM control modulation method capable of superimposing harmonics to the optimum modulation method according to the modulation rate Vc calculated using at least one of the output voltage V1 and the frequency. Here, it is assumed that the modulation method is automatically switched according to the output voltage V1 . As described above, in order to determine the pole polarity, an output voltage V1 superimposed with an abrupt and fairly high voltage high frequency is applied.

これらの高電圧パルス衝撃によって、制御器101が意図せぬ変調方式に切換え動作することがある。それを原因として、変調方式を出力電圧Vに応じて最適な方式に自動的に切換えている場合、出力電圧Vが変化すれば、磁極極性判別が狂ってしまうという悪循環に陥る。 These high voltage pulse impulses can cause controller 101 to switch to an unintended modulation scheme. Due to this, when the modulation method is automatically switched to the optimum method according to the output voltage V1 , a vicious cycle occurs in which the magnetic pole polarity discrimination becomes erroneous if the output voltage V1 changes.

そこで、図9(b)に示すように場合分けして判別し、制御器101は、最適な変調方式に切換え可能なところ、磁極極性判別時に限って切換えを停止する。これにより、変調方式の切換えによる電圧誤差が発生せず、安定して極性判別できる。 Therefore, as shown in FIG. 9(b), the controller 101 makes a decision by classifying the cases, and the controller 101 stops the switching only when the magnetic pole polarity is decided when it is possible to switch to the optimum modulation method. As a result, a voltage error due to switching of the modulation method does not occur, and the polarity can be determined stably.

[2]上記[1]の永久磁石同期機制御装置において、図7に示したように、磁極極性判別部201は、磁極極性判別時に永久磁石同期機103の磁極方向に交流電圧指令を印加して極性判別を行うことが好ましい。 [2] In the permanent magnet synchronous machine control device of [1] above, as shown in FIG. It is preferable to determine the polarity by

図7において、(a)~(e)に示す電圧重畳指令値を重畳し、(f)に示した線間電圧Vuvが永久磁石同期機103に印加されると、d軸電流iは、磁気飽和の影響を受け図7(g)のように正・負に対して非対称な脈動波形となる。この波形の非対称性を利用して、磁極の極性判別を行うことが可能である。非対称性の判定は、正と負とそれぞれの絶対値を引き算した差分を所定の閾値で判定する制御規則等で対応可能である。 In FIG. 7, when the voltage superposition command values shown in (a) to (e) are superimposed and the line voltage Vuv shown in (f) is applied to the permanent magnet synchronous machine 103, the d-axis current id is Due to the influence of magnetic saturation, the pulsation waveform becomes asymmetric with respect to positive and negative as shown in FIG. 7(g). The asymmetry of this waveform can be used to determine the polarity of the magnetic pole. Determination of asymmetry can be handled by a control rule or the like that determines the difference obtained by subtracting the absolute values of the positive and negative values using a predetermined threshold value.

[3]上記[1]又は[2]の永久磁石同期機制御装置において、制御器101は、制御器101は、磁極極性判別時に変調方式の切換えを停止する代わりに、磁極極性判別時に変調方式を維持できるようなキャリア周波数fcに設定することが好ましい。図10のフローに示す手順どおりに、制御規則のプログラムをコンピュータで実行することにより、変調方式の切換えによる電圧誤差が発生せず、安定して極性判別できる。 [3] In the permanent magnet synchronous machine control device of [1] or [2] above, instead of stopping the switching of the modulation method when the magnetic pole polarity is determined, the controller 101 changes the modulation method when the magnetic pole polarity is determined. is preferably set to a carrier frequency fc that can maintain . By executing the program of the control rule on the computer according to the procedure shown in the flow of FIG. 10, the voltage error due to the switching of the modulation method does not occur, and the polarity can be determined stably.

[4]上記[1]又は[2]の永久磁石同期機制御装置において、磁極極性判別時に変調方式を維持できるように高調波重畳量I*を設定する。図12のフローに示す手順どおりに、制御規則のプログラムをコンピュータで実行することにより、変調方式の切換えによる電圧誤差が発生せず、安定して極性判別できる。 [4] In the permanent magnet synchronous machine control device of [1] or [2] above, the amount of superimposed harmonics I* is set so that the modulation method can be maintained during magnetic pole polarity discrimination. By executing the program of the control rule on the computer according to the procedure shown in the flow of FIG. 12, the voltage error due to the switching of the modulation method does not occur, and the polarity can be determined stably.

[5]上記[1]又は[2]の永久磁石同期機制御装置における電力変換器102は、図1に示すように、3レベルインバータが好適である。なお、変調方式は、3レベルインバータなら、例えば、ダイポーラ変調とユニポーラ変調が好適であり、2レベルインバータなら、例えば、正弦波変調と二相変調、三次高調波加算変調が好適である。これにより、高性能化を図れる。 [5] As shown in FIG. 1, the power converter 102 in the permanent magnet synchronous machine control device of [1] or [2] above is preferably a three-level inverter. For the modulation method, for example, dipolar modulation and unipolar modulation are suitable for a 3-level inverter, and for example, sine wave modulation, two-phase modulation, and third harmonic addition modulation are suitable for a 2-level inverter. As a result, high performance can be achieved.

[6]上記[1]又は[2]の永久磁石同期機制御装置において、図8に示すように、制御器101は、磁極極性判別時にダイポーラ変調を維持することが好ましい。永久磁石同期機103は、起動時又は低速回転時で、出力電圧Vの周波数が低いときにダイポーラ変調が好適である。一方、中速~高速回転時で、出力電圧Vの周波数が高いときには、ユニポーラ変調が都合良いので、そのように変調方式を自動切換え設定されることが多かった。 [6] In the permanent magnet synchronous machine control device of [1] or [2] above, as shown in FIG. 8, the controller 101 preferably maintains dipolar modulation during magnetic pole polarity discrimination. Dipolar modulation is suitable for the permanent magnet synchronous machine 103 when the frequency of the output voltage V1 is low at startup or at low speed rotation. On the other hand, when the frequency of the output voltage V1 is high at medium to high speed rotation, unipolar modulation is convenient, and the modulation method is often automatically switched and set accordingly.

そのような設定の場合、永久磁石同期機103が、起動時又は低速回転時であるにも関わらず、磁極極性判別のため、出力電圧Vに高調波電圧を重畳させたとき、出力電圧Vの周波数が高くなったと判定されることにより、ユニポーラ変調に自動的に切り替えられてしまうことがある。 In such a setting, when the permanent magnet synchronous machine 103 is started or rotated at a low speed, when a harmonic voltage is superimposed on the output voltage V1 for magnetic pole polarity discrimination, the output voltage V It may be automatically switched to unipolar modulation by determining that the frequency of 1 has increased.

このように変調方式が切り替わることによって、磁極極性判別が狂ってしまう不具合がある。これを防止するために、制御器101は、磁極極性判別時にダイポーラ変調を維持することによって、磁極極性判別を正確にできる。これにより、起動時及び低速走行時の逆転という誤動作を避け易くなるので、電気車等への実用性が高められる。 There is a problem that the magnetic pole polarity discrimination is wrong due to the switching of the modulation method in this way. In order to prevent this, the controller 101 can accurately determine the magnetic pole polarity by maintaining dipolar modulation during the magnetic pole polarity determination. As a result, it becomes easier to avoid malfunctions such as reverse rotation at the time of start-up and during low-speed running, so that practicality for electric vehicles and the like is enhanced.

[7]上記[1]又は[2]の永久磁石同期機制御装置において、図9に示す制御規則をコンピュータのプログラム等により、いかようにも設定できる。したがって、制御器101は、磁極極性判別時にユニポーラ変調を維持する設定でも良い。このように、何れの変調方式であっても、その変調方式のままに維持することで、磁極極性判別を正確にする効果が得られる。つまり、このような適用も有り得るので適用範囲を広げられる。 [7] In the permanent magnet synchronous machine control device of [1] or [2] above, the control rule shown in FIG. 9 can be set in any way by a computer program or the like. Therefore, the controller 101 may be set to maintain unipolar modulation during magnetic pole polarity discrimination. In this manner, by maintaining the modulation method regardless of the modulation method, the effect of making the magnetic pole polarity discrimination accurate can be obtained. In other words, such an application is also possible, and the range of application can be expanded.

また、本発明の実施形態に係る永久磁石同期機制御方法(以下、「本方法」、又は単に「方法」という)は、次のように総括できる。 Further, the permanent magnet synchronous machine control method according to the embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "this method" or simply "method") can be summarized as follows.

[8]本方法は、高調波重畳も可能な、例えばPWM制御により生成された出力電圧を永久磁石同期機103に印加して駆動制御する永久磁石同期機制御方法である。本方法は、次の手順を有する。まず、出力電圧が印加された永久磁石同期機103に流れる電流を検出する。この検出された電流の変化量に対する永久磁石同期機103のインダクタンス値の変化量に基づいて永久磁石同期機103の磁極極性を判定する。 [8] This method is a permanent magnet synchronous machine control method for driving and controlling the permanent magnet synchronous machine 103 by applying, for example, an output voltage generated by PWM control, which is capable of superimposing harmonics. The method has the following steps. First, the current flowing through the permanent magnet synchronous machine 103 to which the output voltage is applied is detected. The magnetic pole polarity of the permanent magnet synchronous machine 103 is determined based on the amount of change in the inductance value of the permanent magnet synchronous machine 103 with respect to the detected change in current.

また、高調波重畳も可能な、例えばPWM制御は、出力電圧から算出される変調率に応じた変調方式に切換えるようになっており、制御器101は、出力電圧に高調波電圧を重畳させて行う磁極極性判別時には、変調方式の切換えを停止する。これにより、制御器101は、図9(b)に示すような状態の磁極極性判別時には、閾値判定制御、その他の制御規則により、変調方式の切換えを固定する。つまり、切替を停止する。その結果、変調方式の切換えによる電圧誤差が発生せず、安定して極性判別できる。 In addition, for example, PWM control, which is capable of superimposing harmonics, is switched to a modulation method according to the modulation rate calculated from the output voltage, and the controller 101 superimposes the harmonic voltage on the output voltage When performing the magnetic pole polarity discrimination, the switching of the modulation method is stopped. As a result, the controller 101 fixes the switching of the modulation method by the threshold determination control and other control rules when the magnetic pole polarity is determined in the state shown in FIG. 9(b). That is, the switching is stopped. As a result, a voltage error due to switching of the modulation method does not occur, and the polarity can be determined stably.

[9]上記[8]の方法において、磁極極性判別時に永久磁石同期機103の磁極方向に交流電圧指令を印加することが好ましい。これにより、d軸電流iは、磁気飽和の影響を受け図7(g)のように正・負に対して非対称な脈動波形となる。この波形の非対称性を利用して、磁極の極性判別を行うことが可能である。 [9] In the method [8] above, it is preferable to apply an AC voltage command in the magnetic pole direction of the permanent magnet synchronous machine 103 when the magnetic pole polarity is determined. As a result, the d-axis current id is affected by magnetic saturation and becomes an asymmetric pulsating waveform with respect to positive and negative as shown in FIG. 7(g). The asymmetry of this waveform can be used to determine the polarity of the magnetic pole.

[10]上記[8]又は[9]の方法において、制御器101は、制御器101は、磁極極性判別時に変調方式の切換えを停止する代わりに、磁極極性判別時に変調方式を維持できるようなキャリア周波数fcに設定することが好ましい。これにより、図10のフローに示す手順どおりに、制御規則を実行することにより、変調方式の切換えによる電圧誤差が発生せず、安定して極性判別できる。 [10] In the above method [8] or [9], the controller 101 can maintain the modulation method during the magnetic pole polarity determination, instead of stopping the switching of the modulation method during the magnetic pole polarity determination. It is preferably set to the carrier frequency fc. As a result, by executing the control rule according to the procedure shown in the flow of FIG. 10, a voltage error due to switching of the modulation method does not occur, and the polarity can be determined stably.

[11]上記[8]又は[9]の方法において、磁極極性判別時に変調方式を維持できるように高調波重畳量I*を設定することが好ましい。これにより、図12のフローに示す手順どおりに、制御規則を実行することにより、変調方式の切換えによる電圧誤差が発生せず、安定して極性判別できる。 [11] In the above method [8] or [9], it is preferable to set the harmonic superposition amount I* so that the modulation method can be maintained during magnetic pole polarity discrimination. As a result, by executing the control rule according to the procedure shown in the flow of FIG. 12, a voltage error due to switching of the modulation method does not occur, and the polarity can be determined stably.

[12]上記[8]又は[9]の方法において、3レベルインバータを用いることが好ましい。これにより、高性能化を図れる。
[13]上記[8]又は[9]の方法において、磁極極性判別時にダイポーラ変調を維持することが好ましい。これにより、これにより、起動時及び低速走行時の逆転という誤動作を避け易くなるので、電気車等への実用性が高められる。
[12] In the method of [8] or [9] above, it is preferable to use a three-level inverter. As a result, high performance can be achieved.
[13] In the above method [8] or [9], it is preferable to maintain dipolar modulation during magnetic pole polarity discrimination. As a result, it becomes easier to avoid malfunctions such as reverse rotation at the time of start-up and at low-speed running, so that practicality for electric vehicles and the like is enhanced.

[14]上記[8]又は[9]の方法において、磁極極性判別時にユニポーラ変調を維持することが好ましい。このような適用も有り得るので適用範囲を広げられる。 [14] In the above method [8] or [9], it is preferable to maintain unipolar modulation during magnetic pole polarity discrimination. Since such applications are also possible, the range of application can be expanded.

また、上述の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。なお、永久磁石同期機制御装置は、不図示のコンピュータにより構成されている。そのコンピュータは、例えば、CPU(Central Processing Unit)と、メモリと、通信装置と、入出力装置と、を備える。CPUは、メモリに記憶されるプログラムを実行することで、図示した機能を実現する。このコンピュータのメモリには、数式、閾値、定数、その他の各種パラメータを含むDB等も格納される。また、各機能を実現するプログラム、テーブル、等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、又は、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。 Further, each of the configurations, functions, processing units, processing means, etc. described above may be realized by hardware, for example, by designing a part or all of them using an integrated circuit. The permanent magnet synchronous machine control device is configured by a computer (not shown). The computer includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a memory, a communication device, and an input/output device. The CPU implements the illustrated functions by executing programs stored in the memory. The memory of this computer also stores a DB containing formulas, thresholds, constants, and various other parameters. Information such as programs and tables that implement each function can be stored in recording devices such as memory, hard disks, SSDs (Solid State Drives), or recording media such as IC cards, SD cards, and DVDs. .

1~4 グラフ
101 制御器
102 電力変換器(3レベルインバータ)
103 永久磁石同期機
105 指令発生器
111 ベクトル制御部
112 位置・速度推定演算部
113 三相座標変換部
114,703 dq座標変換部
115 PWM信号制御器
116 電流検出部
117 重畳電圧演算部
121 相電流検出部
132 主回路部
133 ゲート・ドライバ
201 磁極極性判別部
202 軸誤差推定演算部
203 速度推定演算部
204 位置推定演算部
210 インダクタンス演算部
211 第一のインダクタンス演算部
212 第二のインダクタンス演算部
213 第三のインダクタンス演算部
214 第四のインダクタンス演算部
215 極性判別・反転処理部
712,714 切替器
701 交流電圧成分印加部
702 重畳電圧位相補正テーブル
703 dq座標変換部
711,713 交流波形発生器
801,802 加算器
804,805 乗算器
1 to 4 Graph 101 Controller 102 Power converter (3 level inverter)
103 Permanent magnet synchronous machine 105 Command generator 111 Vector control unit 112 Position/speed estimation calculation unit 113 Three-phase coordinate conversion unit 114, 703 dq coordinate conversion unit 115 PWM signal controller 116 Current detection unit 117 Superimposed voltage calculation unit 121 Phase current Detection unit 132 Main circuit unit 133 Gate driver 201 Magnetic pole polarity determination unit 202 Axis error estimation operation unit 203 Speed estimation operation unit 204 Position estimation operation unit 210 Inductance operation unit 211 First inductance operation unit 212 Second inductance operation unit 213 Third inductance calculation unit 214 Fourth inductance calculation unit 215 Polarity determination/reversal processing units 712 and 714 Switch 701 AC voltage component application unit 702 Superimposed voltage phase correction table 703 dq coordinate conversion units 711 and 713 AC waveform generator 801 , 802 adder 804, 805 multiplier

Claims (14)

永久磁石同期機に駆動電力を供給する電力変換器と、該電力変換器を制御する制御器と、を有する永久磁石同期機制御装置であって、
前記制御器は、
高調波重畳が可能であるとともに、出力電圧を生成させる電圧指令生成部と、
前記電力変換器と前記永久磁石同期機の間で流れる電流を検出する電流検出部と、
該電流検出部により検出された電流に基づいて前記永久磁石同期機の磁極極性を判定する磁極極性判別部と、
を備え、
前記制御器は、前記高調波重畳する変調方式を前記出力電圧に応じた方式に切換えるようになっており、
前記制御器は、前記出力電圧に前記高調波重畳させて行う磁極極性判別時に、前記変調方式の切換えを停止する、
永久磁石同期機制御装置。
A permanent magnet synchronous machine control device comprising: a power converter that supplies driving power to a permanent magnet synchronous machine; and a controller that controls the power converter,
The controller is
a voltage command generator capable of superimposing harmonics and generating an output voltage;
a current detection unit that detects current flowing between the power converter and the permanent magnet synchronous machine;
a magnetic pole polarity determination unit that determines the magnetic pole polarity of the permanent magnet synchronous machine based on the current detected by the current detection unit;
with
The controller switches the modulation method for superimposing the harmonics to a method according to the output voltage,
The controller stops switching the modulation method when the magnetic pole polarity is determined by superimposing the harmonic on the output voltage.
Permanent magnet synchronous machine controller.
前記磁極極性判別部は、前記磁極極性判別時に前記永久磁石同期機の磁極方向に交流電圧指令を印加する、
請求項1に記載の永久磁石同期機制御装置。
The magnetic pole polarity determination unit applies an AC voltage command in the magnetic pole direction of the permanent magnet synchronous machine when the magnetic pole polarity determination is performed.
The permanent magnet synchronous machine control device according to claim 1.
前記制御器は、前記磁極極性判別時に前記変調方式の切換えを停止する代わりに前記変調方式を維持できるようなキャリア周波数に設定する、
請求項1又は2に記載の永久磁石同期機制御装置。
The controller sets a carrier frequency that can maintain the modulation method instead of stopping the switching of the modulation method when the magnetic pole polarity is determined.
The permanent magnet synchronous machine control device according to claim 1 or 2.
前記磁極極性判別時に前記変調方式を維持できるように高調波重畳量を設定する、
請求項1又は2に記載の永久磁石同期機制御装置。
setting the amount of superimposed harmonics so that the modulation method can be maintained when the magnetic pole polarity is determined;
The permanent magnet synchronous machine control device according to claim 1 or 2.
前記電力変換器は、3レベルインバータである、
請求項1又は2に記載の永久磁石同期機制御装置。
wherein the power converter is a 3-level inverter;
The permanent magnet synchronous machine control device according to claim 1 or 2.
前記制御器は、前記磁極極性判別時にダイポーラ変調を維持する請求項1又は2に記載の永久磁石同期機制御装置。 3. The permanent magnet synchronous machine control device according to claim 1, wherein said controller maintains dipolar modulation during said magnetic pole polarity discrimination. 前記制御器は、前記磁極極性判別時にユニポーラ変調を維持する請求項1又は2に記載の永久磁石同期機制御装置。 3. The permanent magnet synchronous machine control device according to claim 1, wherein said controller maintains unipolar modulation during said magnetic pole polarity discrimination. 高調波重畳が可能であるとともに、生成された出力電圧を永久磁石同期機に印加するように制御する永久磁石同期機制御方法であって、
前記出力電圧が印加された前記永久磁石同期機に流れる電流を検出し、
該検出された電流に基づいて前記永久磁石同期機の磁極極性を判定し、
前記高調波重畳する変調方式は、前記出力電圧から算出される変調率に応じて切換えるようになっており、記出力電圧に高調波電圧を重畳させて行う磁極極性判別時に、前記変調方式の切換えを停止する、
永久磁石同期機制御方法。
A permanent magnet synchronous machine control method capable of superimposing harmonics and controlling to apply the generated output voltage to the permanent magnet synchronous machine,
detecting a current flowing through the permanent magnet synchronous machine to which the output voltage is applied;
determining the magnetic pole polarity of the permanent magnet synchronous machine based on the detected current;
The modulation method for superimposing the harmonics is switched according to the modulation rate calculated from the output voltage, and when the magnetic pole polarity is determined by superimposing the harmonic voltage on the output voltage, the modulation method stop switching,
Permanent magnet synchronous machine control method.
前記磁極極性判別時に前記永久磁石同期機の磁極方向に交流電圧指令を印加する、
請求項8に記載の永久磁石同期機制御方法。
applying an AC voltage command in the magnetic pole direction of the permanent magnet synchronous machine when the magnetic pole polarity is determined;
The permanent magnet synchronous machine control method according to claim 8.
記磁極極性判別時に前記変調方式の切換えを停止する代わりに前記変調方式を維持できるようなキャリア周波数に設定する、
請求項8又は9に記載の永久磁石同期機制御方法。
setting a carrier frequency that can maintain the modulation method instead of stopping switching the modulation method when the magnetic pole polarity is determined;
The permanent magnet synchronous machine control method according to claim 8 or 9.
前記磁極極性判別時に前記変調方式を維持できるように高調波重畳量を設定する、
請求項8又は9に記載の永久磁石同期機制御方法。
setting the amount of superimposed harmonics so that the modulation method can be maintained when the magnetic pole polarity is determined;
The permanent magnet synchronous machine control method according to claim 8 or 9.
3レベルインバータを用いる、
請求項8又は9に記載の永久磁石同期機制御方法。
using a three-level inverter,
The permanent magnet synchronous machine control method according to claim 8 or 9.
前記磁極極性判別時にダイポーラ変調を維持する、
請求項8又は9に記載の永久磁石同期機制御方法。
maintaining dipolar modulation during the magnetic pole polarity determination;
The permanent magnet synchronous machine control method according to claim 8 or 9.
前記磁極極性判別時にユニポーラ変調を維持する、
請求項8又は9に記載の永久磁石同期機制御方法。
maintaining unipolar modulation during the magnetic pole polarity determination;
The permanent magnet synchronous machine control method according to claim 8 or 9.
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