JP7501190B2 - Magnetic pole position estimation device and control device for AC synchronous motor - Google Patents

Magnetic pole position estimation device and control device for AC synchronous motor Download PDF

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Description

本発明は、リニアモータや回転式ダイレクトドライブ(DD)モータ等の交流同期モータの実際の磁極位置(以下、実軸ともいう)と制御上で推定した磁極位置(同じく推定軸ともいう)との間の誤差(位相差)をなくすために、モータに所定の引込電流を流して実際の磁極位置を推定する交流同期モータの磁極位置推定装置、及び、推定した磁極位置を用いて交流同期モータを制御する制御装置に関する。 The present invention relates to a magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor, such as a linear motor or a rotary direct drive (DD) motor, that estimates the actual magnetic pole position by passing a predetermined pull-in current through the motor in order to eliminate the error (phase difference) between the actual magnetic pole position (hereinafter also referred to as the real axis) of the AC synchronous motor and the magnetic pole position estimated for control (hereinafter also referred to as the estimated axis), and a control device that controls the AC synchronous motor using the estimated magnetic pole position.

この種の従来技術として、例えば特許文献1に記載された交流同期モータの磁極位置推定方法が知られている。
この従来技術は、モータに与えられた基準の磁極位置指令と磁極位置検出値とを突き合わせて比例積分制御を含む位置/速度制御を行い、モータの回転子(または可動子)の正負の移動方向に応じた磁極位置誤差推定値をモータの電気角位置に加算して制御上の磁極位置を更新することで、推定用電流信号の印加方向を変化させながらモータの誤差トルクを減少させる方向に制御を行う。そして、誤差トルクが最終的にゼロになってモータが停止した時点の磁極位置誤差推定値を真値とみなして実際の磁極位置を推定し、モータを制御するものである。
これにより、磁極位置が180度ずれた状態での誤推定を防止すると共に、静止摩擦の影響を受けない磁極位置の推定を可能にしている。
As a conventional technique of this kind, for example, a magnetic pole position estimation method for an AC synchronous motor is known, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233696.
This conventional technology performs position/speed control including proportional-integral control by comparing a reference magnetic pole position command given to the motor with a magnetic pole position detection value, and updates the controlled magnetic pole position by adding a magnetic pole position error estimate corresponding to the positive or negative moving direction of the motor's rotor (or mover) to the motor's electrical angle position, thereby controlling the motor in a direction that reduces the error torque while changing the application direction of the estimation current signal.Then, the magnetic pole position error estimate value at the point when the error torque finally becomes zero and the motor stops is regarded as a true value, and the actual magnetic pole position is estimated to control the motor.
This prevents erroneous estimation when the magnetic pole position is shifted by 180 degrees, and enables estimation of the magnetic pole position without being affected by static friction.

特開2009-183022号公報([0017]~[0019]、図1~図3等)JP 2009-183022 A ([0017] to [0019], Figs. 1 to 3, etc.)

前述した従来技術では、磁極位置検出値が磁極位置指令に一致するように位置/速度制御部を動作させて磁極位置誤差推定値を求め、この磁極位置誤差推定値とモータの電気角推定値とを加算して座標変換を行うことにより、モータを駆動するインバータの電圧指令を生成している。
しかし、モータの慣性が大きく変化する場合には、位置/速度制御ゲインを最適値に設定するためのゲイン調整時間が長くなり、また、DDモータを駆動する場合にはモータの慣性比が数百~数千倍にもなるため、位置/速度制御ゲインの帯域を広く設定しなくてはならず、動作が不安定になるという問題があった。
In the conventional technology described above, a magnetic pole position error estimate is obtained by operating the position/speed control unit so that the magnetic pole position detection value coincides with the magnetic pole position command, and this magnetic pole position error estimate is then added to an estimated value of the motor's electrical angle to perform coordinate transformation, thereby generating a voltage command for the inverter that drives the motor.
However, when the inertia of the motor changes significantly, the gain adjustment time required to set the position/speed control gain to the optimum value becomes long. Also, when driving a DD motor, the inertia ratio of the motor can be several hundred to several thousand times, so the band of the position/speed control gain must be set wide, resulting in the problem of unstable operation.

そこで、本発明の解決課題は、モータの慣性の大小に関わらず短時間にて磁極位置を推定することができ、しかも、推定動作中のモータの回転子や可動子の移動量を小さくして負荷にダメージを与えることがない交流同期モータの磁極位置推定装置、及び、この磁極位置推定装置を用いた交流同期モータの制御装置を提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor that can estimate the magnetic pole position in a short time regardless of the magnitude of the motor's inertia, and that reduces the amount of movement of the motor's rotor and mover during the estimation operation so as not to damage the load, and a control device for an AC synchronous motor that uses this magnetic pole position estimation device.

上記課題を解決するため、請求項1に係る交流同期モータの磁極位置推定装置は、流指令に基づいて交流同期モータの電機子巻線に所定の流を流し時の前記交流同期モータの回転子または動子の移動量を変換した移動量電気角に基づいて、前記交流同期モータの実際の磁極位置を推定する磁極位置推定装置において、
前記移動量電気角に所定の可変ゲインを算して求めた制御位相角を用いて、前記電機子巻線に流れる電流をフィードバックするための座標変換を行い、前記交流同期モータの通常運転時における前記移動量に加算するべき電気角位相オフセット値を演算することを特徴とする。
In order to solve the above problem, a magnetic pole position estimating device for an AC synchronous motor according to claim 1 is a magnetic pole position estimating device that estimates an actual magnetic pole position of the AC synchronous motor based on a movement amount electrical angle obtained by converting a movement amount of a rotor or a mover of the AC synchronous motor when a predetermined current is caused to flow through an armature winding of the AC synchronous motor based on a current command, the magnetic pole position estimating device comprising:
The control phase angle obtained by multiplying the movement amount electrical angle by a predetermined variable gain is used to perform coordinate transformation for feeding back a current flowing through the armature winding , and an electrical angle phase offset value to be added to the movement amount during normal operation of the AC synchronous motor is calculated.

請求項2に係る交流同期モータの磁極位置推定装置は、請求項1に記載した交流同期モータの磁極位置推定装置において、前記可変ゲインは、予め設定された初期値から下限値の1まで時間経過に従って減少するゲインであることを特徴とする。 The magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor according to claim 2 is the magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor described in claim 1, characterized in that the variable gain is a gain that decreases over time from a preset initial value to a lower limit value of 1.

請求項3に係る交流同期モータの磁極位置推定装置は、請求項1または2に記載した交流同期モータの磁極位置推定装置において、前記所定の電流を流してからタイムアウト時間を経過した時にアラームを発生させて磁極位置推定動作を停止することを特徴とする。
The magnetic pole position estimation device of an AC synchronous motor according to claim 3 is the magnetic pole position estimation device of an AC synchronous motor described in claim 1 or 2, characterized in that an alarm is generated and the magnetic pole position estimation operation is stopped when a timeout time has elapsed since the specified current was caused to flow.

請求項4に係る交流同期モータの磁極位置推定装置は、請求項1~4の何れか1項に記載した交流同期モータの磁極位置推定装置において、前記移動量が所定値を超えない場合 にアラームを発生させて磁極位置推定動作を停止することを特徴とする。
The magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor according to claim 4 is the magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor according to any one of claims 1 to 4, characterized in that, if the amount of movement does not exceed a predetermined value, an alarm is generated and the magnetic pole position estimation operation is stopped.

請求項5に係る交流同期モータの制御装置は、請求項1~4の何れか1項に記載した磁極位置推定装置により磁極位置誤差としての前記電気角位相オフセット値を求め、前記交流同期モータの通常運転時に、前記電気角位相オフセット値を前記移動量に加算して得た制御位相角を用いて電流制御及び電圧制御用の座標変換を行うことを特徴とする。 The control device for an AC synchronous motor according to claim 5 is characterized in that the electrical angle phase offset value is calculated as a magnetic pole position error by the magnetic pole position estimation device according to any one of claims 1 to 4, and during normal operation of the AC synchronous motor, coordinate conversion for current control and voltage control is performed using a control phase angle obtained by adding the electrical angle phase offset value to the movement amount.

本発明によれば、磁極位置の推定に当たり、従来技術のように位置/速度制御を行わずに座標変換位相を直接操作するため、モータの慣性が大きく変化する場合や慣性比が大きい場合でも、位置/速度制御ゲインの調整時間が長期化し、または調整が不安定になる等の問題がない。
すなわち、低慣性負荷に対しては、磁極位置推定時間を短縮し、推定動作中の回転子等の移動量を少なくしつつ急激な動作を防止すると共に、大慣性負荷に対しては、引込動作によりモータの移動量がゼロに収束せずに振動的になり、あるいは、モータ移動量が振動的な状態でゼロ近傍にて誤って停止判断を行うことがないように、必要に応じてタイムアウトによるアラームを発生させて誤推定を防止することができる。
According to the present invention, when estimating the magnetic pole position, the coordinate transformation phase is directly manipulated without performing position/speed control as in the prior art. Therefore, even when the inertia of the motor changes significantly or the inertia ratio is large, there are no problems such as a long adjustment time for the position/speed control gains or unstable adjustment.
That is, for low inertia loads, the magnetic pole position estimation time is shortened, and the amount of movement of the rotor, etc. during the estimation operation is reduced while preventing sudden operation, and for large inertia loads, a timeout alarm can be generated as necessary to prevent erroneous estimation when the amount of motor movement does not converge to zero due to the pull-in operation and becomes oscillatory, or when the motor movement amount is in an oscillatory state and a stop decision is mistakenly made near zero.

本発明の実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control device according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における磁極位置推定動作を示すフローチャートである。5 is a flowchart showing a magnetic pole position estimation operation in the embodiment of the present invention. 図2のシーケンスSQ1におけるフェーザ図である。FIG. 3 is a phasor diagram for sequence SQ1 of FIG. 2. 図2のシーケンスSQ2におけるフェーザ図である。FIG. 3 is a phasor diagram for sequence SQ2 of FIG. 2. 図2のシーケンスSQ3終了時のフェーザ図である。FIG. 3 is a phasor diagram at the end of sequence SQ3 in FIG. 2. 本発明の実施形態における磁極位置推定動作を示す波形図である。FIG. 4 is a waveform diagram showing a magnetic pole position estimation operation in the embodiment of the present invention.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、この実施形態に係る制御装置の構成を示すブロック図であり、リニアモータやDDモータ等の交流同期モータ(以下、単にモータともいう)50の磁極を引き込んで磁極位置を推定するための構成を示している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a control device according to this embodiment, and shows a configuration for attracting the magnetic poles of an AC synchronous motor (hereinafter simply referred to as a motor) 50 such as a linear motor or a DD motor, to estimate the magnetic pole position.

図1において、引込電流指令生成部10は、磁極位置推定動作により磁極を引き込む際にモータ50の電機子コイルにd軸電流を流すために、d軸電流指令i を出力する。周知のように、d軸はモータ50の磁極方向に沿った座標軸であり、このd軸に直交する座標軸をq軸とする。
d軸電流指令i は、後述のuvw/dq座標変換部32から出力されるd軸電流iと共に電流制御部20に入力されている。なお、電流制御部20は、磁極位置の推定時だけでなく、ベクトル制御等による通常の運転時にd軸電流指令i 及びq軸電流指令i とフィードバックされた検出値(演算値)i,iとに基づいてd軸電圧指令v 及びq軸電圧指令v を生成するが、磁極引込方式により磁極位置を推定する際にはq軸電流指令i 及びq軸電圧指令v は不要である。
1, a pull-in current command generating unit 10 outputs a d-axis current command i d * to pass a d-axis current through the armature coil of a motor 50 when a magnetic pole is pulled in by a magnetic pole position estimation operation. As is well known, the d-axis is a coordinate axis along the magnetic pole direction of the motor 50, and the coordinate axis perpendicular to this d-axis is the q-axis.
The d-axis current command i d * is input to the current control unit 20 together with the d-axis current i d output from a uvw/dq coordinate conversion unit 32 described later. The current control unit 20 generates the d-axis voltage command v d * and the q-axis voltage command v q * based on the d-axis current command i d * and the q-axis current command i q * and the fed-back detection values (calculated values) i d and i q not only when estimating the magnetic pole position but also during normal operation by vector control or the like, but the q-axis current command i q * and the q-axis voltage command v q * are not necessary when estimating the magnetic pole position by the magnetic pole entrainment method.

電流制御部20は、d軸電流iがd軸電流指令i に一致するように調節演算を行ってd軸電圧指令v を生成する。このd軸電圧指令v はq軸電圧指令v (=0)と共にdq/uvw座標変換部31に入力され、dq/uvw座標変換部31は、推定電気角としての制御位相角θecを用いて直交回転座標系のd軸,q軸電圧指令v ,v を静止座標系における三相の電圧指令v ,v ,v に座標変換する。 The current control unit 20 performs an adjustment calculation so that the d-axis current i d coincides with the d-axis current command i d * to generate a d-axis voltage command v d * . This d-axis voltage command v d * is input to a dq/uvw coordinate conversion unit 31 together with a q-axis voltage command v q * (= 0), and the dq/uvw coordinate conversion unit 31 converts the d-axis and q-axis voltage commands v d * , v q * in the orthogonal rotating coordinate system into three-phase voltage commands v u * , v v * , v w * in the stationary coordinate system using a control phase angle θ ec as an estimated electrical angle.

電圧指令v ,v ,v はPWM演算部40に入力され、PWM演算部40は、電圧指令v ,v ,v に従ったパルス幅変調制御によって内部の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御し、前記モータ50に三相電流i,i,iを供給する。なお、モータ50には回転子または可動子の移動量機械角θを検出するためのパルス発生器(PG:Pulse Generator)60が取り付けられている。 The voltage commands vu * , vv * , vw * are input to a PWM calculation unit 40, which controls internal semiconductor switching elements to be turned on and off by pulse width modulation control in accordance with the voltage commands vu * , vv * , vw * , and supplies three-phase currents iu , iv , iw to the motor 50. A pulse generator (PG) 60 is attached to the motor 50 for detecting the mechanical angle θm of the rotor or mover.

パルス発生器60から出力された移動量機械角θは、電気角演算部70により移動量電気角θ(=θ/P,P:モータ50の極対数)に変換されて出力される。この移動量電気角θには可変ゲインKthが乗算され、前述の制御位相角θec(=θ×Kth)として各座標変換部31,32に出力される。なお、可変ゲインKthは、例えば、予め設定された任意の初期値Kから最小値の1まで、10[ms]ごとに値が1ずつ減少するゲインである。 The movement amount mechanical angle θm output from the pulse generator 60 is converted to a movement amount electrical angle θe (= θm /P, P: number of pole pairs of the motor 50) by an electrical angle calculation unit 70 and output. This movement amount electrical angle θe is multiplied by a variable gain Kth and output as the above-mentioned control phase angle θec (= θe × Kth ) to each of the coordinate conversion units 31 and 32. Note that the variable gain Kth is a gain whose value decreases by 1 every 10 [ms] from a preset arbitrary initial value K0 to a minimum value of 1, for example.

また、モータ50に供給される三相電流i,i,iのうち、例えば二相の電流i,iが電流検出部80により検出されてuvw/dq座標変換部32に入力されている。ここでは、残り一相の電流iを演算(i=-i-i)により求めているが、電流検出部80によって検出する二相の電流は他の組み合わせでも良いことは勿論である。
uvw/dq座標変換部32は、制御位相角θecを用いて三相電流i,i,iを二相量のd軸電流i,q軸電流iに変換して電流制御部20に出力する。
Of the three-phase currents iu , iv , and iw supplied to the motor 50, for example, two-phase currents iu and iw are detected by a current detection unit 80 and input to the uvw/ dq coordinate conversion unit 32. Here, the remaining one-phase current iv is found by calculation ( iv = -iu -iw ), but it goes without saying that the two-phase currents detected by the current detection unit 80 may be other combinations.
The uvw/dq coordinate conversion unit 32 converts the three-phase currents iu , iv , and iw into a two-phase d-axis current id and a q-axis current iq using the control phase angle θec , and outputs them to the current control unit 20.

次に、この実施形態における磁極位置の推定動作について、図2のフローチャート及び図3~図5のフェーザ図、並びに図6の波形図を参照しつつ説明する。なお、ここでは、モータ50としてDDモータを対象としている。
図2のフローチャートにおいて、まずシーケンスSQ1では初回引込動作を実行する(ステップS1)。この初回引込動作では、磁極位置誤差、すなわち実軸と推定軸との位相差Δθをゼロにするように、d軸電流指令i に従ってモータ50にd軸電流iを流した時の実軸の移動量を制御位相角にフィードバックする。
Next, the operation of estimating the magnetic pole position in this embodiment will be described with reference to the flowchart in Fig. 2, the phasor diagrams in Fig. 3 to Fig. 5, and the waveform diagram in Fig. 6. Note that in this embodiment, a DD motor is used as the motor 50.
2, first, in sequence SQ1, an initial pull-in operation is executed (step S1). In this initial pull-in operation, the amount of movement of the real axis when the d-axis current i d is applied to the motor 50 in accordance with the d-axis current command i d * is fed back to the control phase angle so as to make the magnetic pole position error, i.e., the phase difference Δθ between the real axis and the estimated axis, zero.

図3の左側には初回引込動作開始時の実軸と推定軸との関係を示してあり、引込動作開始からの経過時間を、引込動作カウンタ(図示せず)によりカウントする。この引込動作カウンタの動作を、図6の上段に示す。引込動作カウンタは、後述するモータ停止カウンタがリセットされた時点で同時にリセットされるようになっているが、引込動作カウンタのカウント値がリセットされずに所定のタイムアウト時間を超えて増加していく(引込電流が流れ続ける)ような場合には、異常が発生したと判断してアラームを発生し、引込動作を停止する。 The left side of Figure 3 shows the relationship between the actual axis and the estimated axis at the start of the initial retraction operation, and the time elapsed since the start of the retraction operation is counted by a retraction operation counter (not shown). The operation of this retraction operation counter is shown in the upper part of Figure 6. The retraction operation counter is reset at the same time that the motor stop counter, which will be described later, is reset, but if the count value of the retraction operation counter is not reset and continues to increase beyond a specified timeout time (retraction current continues to flow), it is determined that an abnormality has occurred, an alarm is generated, and the retraction operation is stopped.

図6に示すように、引込動作の開始により、ロータ移動量電気角θが例えば負方向に増加していき、これと同時に、可変ゲインKthは初期値Kから10[ms]ごとに値が1ずつ減少していく。
これにより、制御位相角θecは、引込動作の開始時には急激に増加していくが可変ゲインKthが1になった時点から減少し始め、その後、ほぼ一定の正の値を維持する。また、ロータ移動量電気角θが|C|以下になったら便宜的に「移動量ゼロ」の状態と判断し、その時点からモータ停止カウンタのカウントを開始する。
As shown in FIG. 6, when the pulling operation starts, the rotor movement amount electrical angle θe increases, for example, in the negative direction, and at the same time, the variable gain K th decreases by 1 every 10 ms from the initial value K 0 .
As a result, the control phase angle θec increases rapidly at the start of the pull-in operation, but starts to decrease when the variable gain Kth becomes 1, and then maintains an almost constant positive value. When the rotor movement amount electrical angle θe becomes | C1 | or less, it is determined for the sake of convenience that this is a "movement amount zero" state, and from that point on, the motor stop counter starts counting.

モータ停止カウンタのカウント値に相当する時間が設定時間Tに達したら、初回引込動作が完了したと判断してモータ50への通電を停止し(図2のステップS2Yes)、d軸電流指令i を時間Tにわたって0まで減少させる。
ここで、図3の左側はシーケンスSQ1の開始時、右側はシーケンスSQ1の終了時のフェーザ図である。なお、可変ゲインKthの初期値K=1の場合、図1の電気角演算部70により演算した位相角とその前回値とから求めた実軸移動量θa1と制御位相角の移動量(推定軸移動量)θe1との間には、θe1=-θa1=Δθ/2の関係がある。ここで、Δθは磁極位置誤差に相当する位相差である。
以上で初回引込動作が終了したことになり、次にシーケンスSQ2(図2のステップS3)に移行する。
When the time corresponding to the count value of the motor stop counter reaches the set time Ts , it is determined that the initial pull-in operation is completed, power supply to the motor 50 is stopped (Yes in step S2 of FIG. 2), and the d-axis current command id * is decreased to 0 over a time Tv .
Here, the left side of Fig. 3 is a phasor diagram at the start of sequence SQ1, and the right side is a phasor diagram at the end of sequence SQ1. When the initial value K 0 of variable gain K th is 1, there is a relationship between the actual axis movement amount θ a1 calculated from the phase angle calculated by electrical angle calculation unit 70 in Fig. 1 and its previous value and the movement amount (estimated axis movement amount) θ e1 of the control phase angle, θ e1 = -θ a1 = Δθ/2. Here, Δθ is a phase difference equivalent to the magnetic pole position error.
This completes the initial pull-in operation, and the process proceeds to sequence SQ2 (step S3 in FIG. 2).

このシーケンスSQ2は、180deg反転推定を防止するための動作である。
180deg反転推定とは、磁極位置が180degずれた状態で誤推定するのを防止するための処理である。すなわち、磁極位置誤差が180deg近傍であるとモータに誤差トルクが発生せずに磁極位置を推定できず、磁極位置誤差が0または180degのどちらの状態にあるのかを判別できない。このため、制御位相角θecを90degずらして引込操作を行うことにより、モータ50に対してq軸方向に電流を流し、ロータが必ず動く状態を作る。
This sequence SQ2 is an operation for preventing 180 deg inversion estimation.
The 180° reversal estimation is a process for preventing erroneous estimation when the magnetic pole position is shifted by 180°. In other words, if the magnetic pole position error is close to 180°, no error torque is generated in the motor, so the magnetic pole position cannot be estimated, and it is not possible to determine whether the magnetic pole position error is 0 or 180°. For this reason, by shifting the control phase angle θec by 90° and performing a pull-in operation, a current is passed through the motor 50 in the q-axis direction, creating a state in which the rotor always moves.

特に、リニアモータでは、可動子の可動範囲に制限があるため、一方向のみに引込動作を行うと可動子が終端に到達して引込動作を正しく行えない場合がある。そこで、シーケンスSQ2ではシーケンスSQ1に対して逆方向に動くように符号を決めて制御位相角θecを操作する。 In particular, in a linear motor, since the movable range of the mover is limited, if the retraction operation is performed in only one direction, the mover may reach the end and the retraction operation may not be performed correctly. Therefore, in sequence SQ2, the sign is determined so that the mover moves in the opposite direction to sequence SQ1, and the control phase angle θec is manipulated.

シーケンスSQ2における初期制御位相角は、シーケンスSQ1における実軸移動方向(ロータ移動方向)に対して逆方向になるように、以下のように調整する。
(1)シーケンスSQ1における実軸移動方向が正の場合:
シーケンスSQ2の初期制御位相角の移動量は、θe1-90deg
(2)シーケンスSQ1における実軸移動方向が負の場合:
シーケンスSQ2の初期制御位相角の移動量は、θe1+90deg
図3,図6では、シーケンスSQ1における実軸移動方向が負であるため、シーケンスSQ2では、図4の左側のフェーザ図に示すように、制御位相角θecを90deg回転させた状態のd軸電流指令i によりモータ50に対してq軸方向に電流を流し、ロータをシーケンスSQ1とは逆方向に移動させる。
The initial control phase angle in sequence SQ2 is adjusted as follows so that it is in the opposite direction to the real axis movement direction (rotor movement direction) in sequence SQ1.
(1) When the real axis movement direction in sequence SQ1 is positive:
The amount of movement of the initial control phase angle in the sequence SQ2 is θ e1 −90 deg.
(2) When the real axis movement direction in sequence SQ1 is negative:
The amount of movement of the initial control phase angle in the sequence SQ2 is θ e1 +90 deg.
In Figures 3 and 6, since the real axis movement direction in sequence SQ1 is negative, in sequence SQ2, as shown in the phasor diagram on the left side of Figure 4, a current is passed to the motor 50 in the q-axis direction based on the d-axis current command i d * in a state where the control phase angle θ ec has been rotated by 90 degrees, and the rotor is moved in the opposite direction to that of sequence SQ1.

図6に示すように、シーケンスSQ2において、d軸電流指令i の大きさはシーケンスSQ1と同一(方向は異なる)であり、ロータ移動量電気角θは正方向に増加していき、これと同時に、可変ゲインKthは初期値Kから10[ms]ごとに値が1ずつ減少していく。また、制御位相角θecは、前述した(2)のようにシーケンスSQ1の終了時から+90deg変化した後に減少していき、可変ゲインKthが1になった時点から増加し始め、その後、ほぼ一定の正の値を維持する。また、ロータ移動量電気角θが|C|以下になったら便宜的に「移動量ゼロ」の状態と判断し、その時点からモータ停止カウンタのカウントを開始する。 As shown in Fig. 6, in sequence SQ2, the magnitude of the d-axis current command i d * is the same as in sequence SQ1 (though the direction is different), the rotor movement amount electrical angle θ e increases in the positive direction, and at the same time, the variable gain K th decreases by 1 every 10 [ms] from the initial value K 0. Also, as described above in (2), the control phase angle θ ec changes by +90 deg from the end of sequence SQ1 and then decreases, starts to increase when the variable gain K th becomes 1, and then maintains a substantially constant positive value. Also, when the rotor movement amount electrical angle θ e becomes |C 1 | or less, it is determined to be in a "zero movement amount" state for the sake of convenience, and the motor stop counter starts counting from that point.

なお、このシーケンスSQ2では、ロータ移動量電気角θが設定値C以上になったら、モータ50が動作したと判断することとし、ロータ移動量電気角θが設定値Cに到達しない場合には、モータ50がロックされて引込不可能な状態であると判断してアラームを発生すると共に引込動作を停止し、磁極位置の誤推定を防止している。
また、シーケンスSQ1と同様に、モータ停止カウンタのカウント値に相当する時間が設定時間Tに達したら、引込動作が完了したと判断する(図2のステップS4Yes)。
In this sequence SQ2, if the rotor movement amount electrical angle θe becomes equal to or greater than the set value C2 , it is determined that the motor 50 is operating. If the rotor movement amount electrical angle θe does not reach the set value C2 , it is determined that the motor 50 is locked and cannot be retracted, and an alarm is generated and the retraction operation is stopped, thereby preventing erroneous estimation of the magnetic pole position.
Also, similarly to sequence SQ1, when the time corresponding to the count value of the motor stop counter reaches the set time TS , it is determined that the retraction operation is completed (Yes in step S4 of FIG. 2).

シーケンスSQ2において、例えば、可変ゲインKthの初期値K=1の場合、上記設定時間T経過時の制御位相角θecの移動量θe2は、
(1)シーケンスSQ2の初期制御位相角の移動量がθe1+90degの場合:
θe2=-θa2=-45deg
(2)シーケンスSQ2の初期制御位相角の移動量がθe1-90degの場合:
θe2=-θa2=+45deg
となる。
図4の右側のフェーザ図は、シーケンスSQ2の終了時の状態を示している。
In the sequence SQ2, for example, when the initial value K 0 of the variable gain K th is 1, the amount of movement θ e2 of the control phase angle θ ec after the above-mentioned set time T S has elapsed is expressed as follows:
(1) When the amount of movement of the initial control phase angle of sequence SQ2 is θ e1 +90 deg:
θ e2 = -θ a2 = -45 deg
(2) When the amount of movement of the initial control phase angle of sequence SQ2 is θ e1 −90 deg:
θ e2 = -θ a2 = +45 deg
It becomes.
The phasor diagram on the right side of FIG. 4 shows the state at the end of sequence SQ2.

図2に戻って、ステップS4における設定時間Tの経過後にロータの積算移動量がゼロか否かを判断し、ゼロである場合には磁束位置推定動作の異常と判断してアラームを出力し、推定動作を強制的に終了する(図2のステップS5Yes,S5a)。
また、ロータの積算移動量がゼロでない場合には(ステップS5No)、次のシーケンスSQ3に移行する。
Returning to FIG. 2, after the set time T S has elapsed in step S4, it is determined whether the accumulated amount of movement of the rotor is zero or not. If it is zero, it is determined that an abnormality has occurred in the magnetic flux position estimation operation, an alarm is output, and the estimation operation is forcibly terminated (steps S5 Yes, S5a in FIG. 2).
Moreover, if the accumulated amount of movement of the rotor is not zero (No in step S5), the process proceeds to the next sequence SQ3.

前述したシーケンスSQ2の終了時点において、実際のモータでは推定軸と実軸とが完全に一致せずに僅かな位相差が残る場合がある。これは、上記位相差すなわち磁極位置誤差がゼロ近傍に収束するにつれてq軸方向の電流が小さくなり、上記位相差がゼロ近傍である場合にこの位相差と比例関係にある引込トルクがモータの静止摩擦に埋もれるためである。
そこで、上記位相差をゼロにするために、シーケンスSQ3により最終引込動作を行う(図2のステップS6)。
At the end of the above-mentioned sequence SQ2, in the actual motor, the estimated axis and the real axis may not completely match, and a slight phase difference may remain. This is because the current in the q-axis direction decreases as the phase difference, i.e., the magnetic pole position error, converges to near zero, and when the phase difference is near zero, the pull-in torque, which is proportional to this phase difference, is buried in the static friction of the motor.
Therefore, in order to make the phase difference zero, a final pull-in operation is performed in sequence SQ3 (step S6 in FIG. 2).

このシーケンスSQ3の最終引込動作は、d軸電流を大電流にして磁極を引き込む動作であり、制御位相角θecは固定しておく。
図6に示すシーケンスSQ3において、d軸電流指令i は通常設定値+100%(つまり通常設定値の2倍)とし、その通電時間は例えばT/4としている。そして、時間T/4が経過したら、d軸電流指令i をゼロにして次のシーケンスSQ4による電気角位相オフセット値Δθの生成に移行する(図2のステップS7)。
The final pull-in operation of this sequence SQ3 is an operation for pulling in the magnetic pole by increasing the d-axis current, and the control phase angle θec is fixed.
6, the d-axis current command i d * is set to a normal set value +100% (i.e., twice the normal set value) and the energization time is set to, for example, T S /4. After the time T S /4 has elapsed, the d-axis current command i d * is set to zero and the process moves to generation of the electrical angle phase offset value Δθ in the next sequence SQ4 (step S7 in FIG. 2).

図5は、シーケンスSQ3終了時のフェーザ図である。
図5から、シーケンスSQ3終了時における制御位相角θest及び実軸位相角θangは、以下のようになる。
θest=θe1+90+θe2
θang=θa1+θa2
よって、シーケンスSQ4では、電気角位相オフセット値Δθを以下の式により求める。
θoffset=θest-θang=θe1+90+θe2-(θa1+θa2)=Δθ
FIG. 5 is a phasor diagram at the end of sequence SQ3.
From FIG. 5, the control phase angle θ est and the real axis phase angle θ ang at the end of the sequence SQ3 are as follows:
θ est = θ e1 + 90 + θ e2 ,
θang = θa1 + θa2
Therefore, in sequence SQ4, the electrical angle phase offset value Δθ is calculated by the following formula.
θ offset = θ est - θ ang = θ e1 + 90 + θ e2 - (θ a1 + θ a2 ) = Δθ

上記の電気角位相オフセット値Δθが磁極位置誤差に相当するから、モータ50を通常運転する場合には、前記実軸位相角θangに電気角位相オフセット値Δθを加算した制御位相角θec’(=θang+Δθ)を用いて各座標変換部31,32が電流制御及び電圧制御用の座標変換を行い、周知の方法によってモータ50を制御すればよい。
これにより、磁極位置誤差をなくした状態でモータ50を高精度に制御することができる。
Since the electrical angle phase offset value Δθ corresponds to the magnetic pole position error, when the motor 50 is operated normally, each of the coordinate conversion units 31, 32 performs coordinate conversion for current control and voltage control using a control phase angle θ ec ' (= θ ang + Δθ) obtained by adding the electrical angle phase offset value Δθ to the real axis phase angle θ ang, and the motor 50 can be controlled by a well-known method.
This makes it possible to control the motor 50 with high precision while eliminating magnetic pole position errors.

10:引込電流指令生成部
20:電流制御部
31:dq/uvw座標変換部
32:uvw/dq座標変換部
40:PWM演算部
50:交流同期モータ
60:パルス発生器(PG)
70:電気角演算部
80:電流検出部
10: Pull-in current command generating unit 20: Current control unit 31: dq/uvw coordinate conversion unit 32: uvw/dq coordinate conversion unit 40: PWM calculation unit 50: AC synchronous motor 60: Pulse generator (PG)
70: Electrical angle calculation unit 80: Current detection unit

Claims (5)

流指令に基づいて交流同期モータの電機子巻線に所定の流を流し時の前記交流同期モータの回転子または動子の移動量を変換した移動量電気角に基づいて、前記交流同期モータの実際の磁極位置を推定する磁極位置推定装置において、
前記移動量電気角に所定の可変ゲインを算して求めた制御位相角を用いて、前記電機子巻線に流れる電流をフィードバックするための座標変換を行い、前記交流同期モータの通常運転時における前記移動量に加算するべき電気角位相オフセット値を演算することを特徴とする交流同期モータの磁極位置推定装置。
1. A magnetic pole position estimation device that estimates an actual magnetic pole position of an AC synchronous motor based on a movement electrical angle obtained by converting a movement amount of a rotor or a mover of the AC synchronous motor when a predetermined current is caused to flow through an armature winding of the AC synchronous motor based on a current command,
a control phase angle obtained by multiplying the movement amount electrical angle by a predetermined variable gain, and using the control phase angle, a coordinate transformation is performed for feeding back a current flowing through the armature winding , and an electrical angle phase offset value to be added to the movement amount during normal operation of the AC synchronous motor is calculated.
請求項1に記載した交流同期モータの磁極位置推定装置において、
前記可変ゲインは、予め設定された初期値から下限値の1まで時間経過に従って減少するゲインであることを特徴とする交流同期モータの磁極位置推定装置。
2. The magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor according to claim 1,
4. The magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor, wherein the variable gain is a gain that decreases over time from a preset initial value to a lower limit value of 1.
請求項1または2に記載した交流同期モータの磁極位置推定装置において、
前記所定の電流を流してからタイムアウト時間を経過した時にアラームを発生させて磁極位置推定動作を停止することを特徴とする交流同期モータの磁極位置推定装置。
3. The magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor according to claim 1,
a time-out period elapses after the predetermined current is passed, the time-out period elapses, and an alarm is generated to stop the magnetic pole position estimation operation.
請求項1~3の何れか1項に記載した交流同期モータの磁極位置推定装置において、
前記移動量が所定値を超えない場合にアラームを発生させて磁極位置推定動作を停止することを特徴とする交流同期モータの磁極位置推定装置。
The magnetic pole position estimation device for an AC synchronous motor according to any one of claims 1 to 3,
a magnetic pole position estimating device for estimating a magnetic pole position of an AC synchronous motor, the magnetic pole position estimating device generating an alarm and stopping an operation of estimating the magnetic pole position when the amount of movement does not exceed a predetermined value.
請求項1~4の何れか1項に記載した磁極位置推定装置により磁極位置誤差としての前記電気角位相オフセット値を求め、前記交流同期モータの通常運転時に、前記電気角位相オフセット値を前記移動量に加算して得た制御位相角を用いて電流制御及び電圧制御用の座標変換を行うことを特徴とする交流同期モータの制御装置。 A control device for an AC synchronous motor, characterized in that the electrical angle phase offset value is calculated as a magnetic pole position error by the magnetic pole position estimation device described in any one of claims 1 to 4, and during normal operation of the AC synchronous motor, coordinate conversion for current control and voltage control is performed using a control phase angle obtained by adding the electrical angle phase offset value to the movement amount.
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