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JP6031969B2 - Motor drive device - Google Patents

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JP6031969B2
JP6031969B2 JP2012256867A JP2012256867A JP6031969B2 JP 6031969 B2 JP6031969 B2 JP 6031969B2 JP 2012256867 A JP2012256867 A JP 2012256867A JP 2012256867 A JP2012256867 A JP 2012256867A JP 6031969 B2 JP6031969 B2 JP 6031969B2
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Description

本発明は、例えば空気調和機の圧縮機などに用いられる埋込磁石同期モータ(IPMSM:Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)におけるモータ駆動装置に関するものである。   The present invention relates to a motor driving device in an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) used for, for example, a compressor of an air conditioner.

永久磁石同期モータの駆動においては、ロータの回転とステータコイルが生成する回転磁界を同期させる必要があるため、ロータの位置(回転位置)を検出することは必要不可欠である。しかし、コスト面、構造上の問題等の要因により、位置検出用のセンサを用いずにロータの位置検出を行ないモータを駆動させる位置センサレス駆動の様々な技術が検討されている(例えば、特許文献1、2参照)。   In driving a permanent magnet synchronous motor, since it is necessary to synchronize the rotation of the rotor and the rotating magnetic field generated by the stator coil, it is essential to detect the position (rotational position) of the rotor. However, due to factors such as cost and structural problems, various techniques of position sensorless driving for detecting the position of the rotor and driving the motor without using a position detecting sensor have been studied (for example, Patent Documents). 1 and 2).

位置センサレス駆動を行なうモータの駆動方式としては、例えば120度通電方式と180度通電方式の2つの方式がある。120度通電方式(矩形波通電方式)は、180度区間のうちの120度区間を通電するものであり、非通電の60度区間においてロータによる誘起電圧のゼロクロスを検出することでロータの位置情報を得る方式である。しかし、この120度通電方式は、制御が容易である反面1回転中の出力トルクに変動が生じてしまう短所があり、騒音や振動や効率が問題になることがある。   There are two methods for driving a motor that performs position sensorless driving, for example, a 120-degree energization method and a 180-degree energization method. The 120-degree energization method (rectangular wave energization method) energizes the 120-degree section of the 180-degree section, and detects rotor zero-crossing in the non-energized 60-degree section. It is a method to obtain. However, this 120-degree energization method is easy to control, but has a disadvantage in that fluctuation occurs in the output torque during one rotation, and noise, vibration and efficiency may be problematic.

これに対し、180度通電方式(正弦波通電方式)は上記の問題を抑制することが可能であるが、常時通電するため120度通電方式のように非通電区間が無く、ロータの誘起電圧ゼロクロスを検出してロータの位置情報を得ることができない。ホール素子などのセンサを用いて直接ロータの位置情報を得る以外には、モータ電流を検出することによりロータ位置を推定して制御する方法(例えば、ベクトル制御:特許文献1を参照)や、ロータの位置情報を推定するのでなく間接的に制御する方法(例えば、力率制御:特許文献2を参照)を採用することが多い。例えば、特許文献1では、回転座標系を用いてロータの位置を推定し、モータの最大トルク制御を行うことが提案されている。また、特許文献2に記載の実施の形態4においては、モータ電流と電圧から求めたトルクに応じた電力消費効率が最大となる力率との関係をテーブル化して、力率制御を行うことが提案されている。   On the other hand, the 180-degree energization method (sine wave energization method) can suppress the above-mentioned problem. However, since the energization is always performed, there is no non-energization section like the 120-degree energization method, and the induced voltage zero crossing of the rotor. Cannot be obtained by detecting the position of the rotor. In addition to directly obtaining rotor position information using a sensor such as a Hall element, a method of estimating and controlling the rotor position by detecting motor current (for example, vector control: see Patent Document 1), rotor In many cases, a method of indirectly controlling rather than estimating the position information (for example, power factor control: see Patent Document 2) is employed. For example, Patent Document 1 proposes that the position of the rotor is estimated using a rotating coordinate system and the maximum torque control of the motor is performed. In the fourth embodiment described in Patent Document 2, the power factor control is performed by tabulating the relationship between the motor current and the power factor that maximizes the power consumption efficiency according to the torque obtained from the voltage. Proposed.

180度通電方式を実現させる一つの方法として特許文献2のように、モータ印加電圧とモータ電流の位相差(力率)を一定に保つことで運転を継続させる方法がある。インバータがモータに電圧を印加し、それに対して流れるモータ電流は、ロータの位置情報を含んだものとなっていることから、力率制御は直接的にロータの位置情報を得る(演算で推定する)ことなく、間接的な制御(主に電圧振幅を調整)でモータを駆動するものである。力率制御では、この位相差をどのような値を目標として設定するかが重要である。   As one method for realizing the 180-degree energization method, there is a method of continuing the operation by keeping the phase difference (power factor) between the motor applied voltage and the motor current constant as in Patent Document 2. Since the inverter applies a voltage to the motor, and the motor current that flows against the motor includes the rotor position information, the power factor control directly obtains the rotor position information (estimated by calculation). In other words, the motor is driven by indirect control (mainly adjusting the voltage amplitude). In the power factor control, what value is set as the target for this phase difference is important.

ところで、上記のベクトル制御においては、モータ電流を永久磁石トルクに比例するトルク電流成分、および、磁束の大きさを変える励磁電流成分に分離して扱うことで、高効率、高速応答など制御性の向上を実現可能としている。   By the way, in the above vector control, the motor current is separated into a torque current component that is proportional to the permanent magnet torque and an excitation current component that changes the magnitude of the magnetic flux. Improvement is possible.

交流の場合、各相の電圧や電流を3相固定座標系で扱うと、負荷トルク変動のない定常状態であってもそれらは常に交流として変化するので、制御器によって対象物を指令値に追従させるのは難しい。例えば、一般的に電流制御器は比例−積分制御器(PI制御器)が用いられるが、比例制御ゲインを大きくして追従させようとすると不安定になり、また積分制御は位相遅れを生じてしまう。そこで、広く用いられる座標系として、回転座標系であるdq座標軸がある。これは、マグネットによる磁束の方向を基準としており、ロータの回転に併せて座標軸も回転する回転座標系の座標軸である。磁石のS→N極方向へd軸、そこから回転方向へ電気角で90度ずらしてq軸をとる。固定座標系で交流値であっても、この座標軸では直流値として扱うことができ、負荷トルク変動のない定常状態では一定値となる。また、PI制御器を用いたとしても、定常偏差のない電流制御が実現できる。   In the case of alternating current, if the voltage and current of each phase are handled in a three-phase fixed coordinate system, they always change as alternating current even in a steady state where there is no load torque fluctuation. It is difficult to let For example, a proportional-integral controller (PI controller) is generally used as the current controller. However, if the proportional control gain is increased to follow the current controller, it becomes unstable, and the integral control causes a phase delay. End up. Therefore, as a widely used coordinate system, there is a dq coordinate axis which is a rotating coordinate system. This is based on the direction of the magnetic flux by the magnet, and is a coordinate axis of a rotating coordinate system in which the coordinate axis also rotates as the rotor rotates. The d-axis is taken in the S → N pole direction of the magnet, and the q-axis is taken by shifting it by 90 degrees in the rotation direction from there. Even if it is an AC value in a fixed coordinate system, it can be handled as a DC value on this coordinate axis, and becomes a constant value in a steady state where there is no load torque fluctuation. Moreover, even if a PI controller is used, current control without steady deviation can be realized.

図10は、2相電流検出方式の力率制御の基本ブロック図の一例である。図10に示すように、PWMインバータ28のU相、V相から電流Iu、Ivの情報を取得し、3相電流算出器16に入力すると電流Iwが算出されて、電流Iu、Iv、Iwの3相の電流値が得られる。ここで、ベクトル制御の場合には、この電流値を一旦回転座標系であるdq座標軸に変換するが、所定の処理の後は再び固定座標系に戻してPWMインバータ28に送るという処理を経ることになる。   FIG. 10 is an example of a basic block diagram of power factor control of the two-phase current detection method. As shown in FIG. 10, when information on the currents Iu and Iv is acquired from the U phase and V phase of the PWM inverter 28 and input to the three-phase current calculator 16, the current Iw is calculated and the currents Iu, Iv and Iw are A three-phase current value is obtained. Here, in the case of vector control, this current value is once converted into the dq coordinate axis that is a rotating coordinate system, but after a predetermined process, it is returned to the fixed coordinate system and sent to the PWM inverter 28 again. become.

特開2009−291072号公報JP 2009-291072 A 特開2008−199706号公報JP 2008-199706 A

ところで、上記の特許文献1では、ロータの位置を推定してモータの最大トルク制御を行うが、ロータを推定する際に回転座標系を用いることから座標変換などの複雑な演算を要してしまう。また、特許文献2では、各相のモータ電圧とモータ電流より求めるトルクに応じた電力消費効率が最大となる力率との関係を予めテーブル化しているためにメモリが必要となり、また、テーブルのデータ量によっては求める力率の精度が低下するおそれがある。   By the way, in the above-mentioned Patent Document 1, the position of the rotor is estimated and the maximum torque control of the motor is performed. However, since a rotating coordinate system is used when estimating the rotor, complicated calculations such as coordinate conversion are required. . In Patent Document 2, since the relationship between the motor voltage of each phase and the power factor that maximizes the power consumption efficiency according to the torque obtained from the motor current is tabulated in advance, a memory is required. Depending on the amount of data, the accuracy of the required power factor may be reduced.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、データテーブル及び回転座標系を用いずに固定座標系で求められるモータ電流と、モータの回転数を基に目標とする位相差を求めて最大トルクが得られる力率制御を行うことが可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and obtains a target phase difference based on a motor current obtained in a fixed coordinate system without using a data table and a rotational coordinate system and the rotational speed of the motor. It is an object of the present invention to provide a motor drive device capable of performing power factor control capable of obtaining a maximum torque.

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、直流を交流に変換しモータを駆動するインバータと、PWM信号を生成し前記インバータをPWM制御する制御部を備え、前記制御部は、モータ電圧とモータ電流の位相差を算出する電圧電流位相差算出器と、モータ電流の振幅とモータへの指令回転数と予め記憶させたモータ定数とから最大トルクが得られるモータ電圧とモータ電流の目標位相差を算出する目標位相差生成器と、前記PWM信号を生成するためのキャリア周期毎に前記位相差と前記目標位相差との差に基づいて出力電圧の振幅を算出する出力電圧振幅生成器とを備え、前記制御部は、前記出力電圧振幅生成器で算出した前記出力電圧の振幅を算出したキャリア周期の次のキャリア周期の期間に前記出力電圧の振幅に基づいて前記インバータをPWM制御することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention includes an inverter that converts direct current into alternating current and drives a motor, and a control unit that generates a PWM signal and performs PWM control of the inverter. Is a voltage / current phase difference calculator that calculates the phase difference between the motor voltage and the motor current, a motor voltage and a motor that can obtain the maximum torque from the motor current amplitude, the command rotational speed to the motor, and the motor constant stored in advance. A target phase difference generator for calculating a target phase difference of current, and an output voltage for calculating an amplitude of an output voltage based on a difference between the phase difference and the target phase difference for each carrier cycle for generating the PWM signal An amplitude generator, and the control unit determines the amplitude of the output voltage during a carrier cycle following the carrier cycle in which the amplitude of the output voltage calculated by the output voltage amplitude generator is calculated. Based characterized by PWM controlling the inverter.

本発明によれば、力率制御において必要なトルクを最小のモータ電流で発生させるために、モータ電圧とモータ電流との目標位相差を、モータ電流、モータの回転数、モータ定数から求めるようにしたので、回転座標系を用いないため座標変換などの複雑な演算を行なわなくても済むので演算処理が短くすむ。また、PWMのキャリア周期毎に演算処理するので予め目標位相差のデータをテーブル化しておく必要がないので、効率良く同期モータを制御することができるという効果を奏する。   According to the present invention, in order to generate the torque necessary for power factor control with the minimum motor current, the target phase difference between the motor voltage and the motor current is obtained from the motor current, the motor speed, and the motor constant. Therefore, since a rotating coordinate system is not used, it is not necessary to perform complicated calculations such as coordinate conversion, so that the calculation process can be shortened. In addition, since calculation processing is performed for each PWM carrier cycle, it is not necessary to preliminarily prepare a table of target phase difference data, so that the synchronous motor can be efficiently controlled.

図1は、電流ベクトルの特性曲線(定電流円)の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a characteristic curve (constant current circle) of a current vector. 図2は、電流ベクトルの特性曲線(定トルク曲線)の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a characteristic curve (constant torque curve) of a current vector. 図3は、電流ベクトルの特性曲線(定誘起電圧楕円)の一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a characteristic curve (constant induced voltage ellipse) of a current vector. 図4は、最大トルク/電流制御線の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the maximum torque / current control line. 図5は、本発明に係るモータ駆動装置の実施例を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of a motor drive device according to the present invention. 図6は、dq座標軸におけるベクトル図の一例であり、(a)は電圧ベクトル図、(b)は電流ベクトル図である。FIG. 6 is an example of a vector diagram on the dq coordinate axis, where (a) is a voltage vector diagram and (b) is a current vector diagram. 図7は、状態1の電流ベクトル図である。FIG. 7 is a current vector diagram of state 1. 図8は、状態2の電流ベクトル図である。FIG. 8 is a current vector diagram of state 2. 図9は、状態3の電流ベクトル図である。FIG. 9 is a current vector diagram of state 3. 図10は、従来の2相電流検出方式の力率制御の一例を示す基本ブロック図である。FIG. 10 is a basic block diagram illustrating an example of power factor control of a conventional two-phase current detection method.

以下に、本発明に係るモータ駆動装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of a motor drive device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

[電流ベクトルの特性曲線]
本発明の力率制御内容の説明に入る前に、まず、必要なトルクを最小のモータ電流で発生させる最大トルク/電流制御を説明するために、電流ベクトルの各種の特性曲線について説明する。なお、説明中の記号の意味はそれぞれ以下に示すとおりである。
[Characteristic curve of current vector]
Before describing the power factor control contents of the present invention, first, various characteristic curves of the current vector will be described in order to explain the maximum torque / current control for generating the necessary torque with the minimum motor current. In addition, the meaning of the symbol in description is as showing below.

θvi:目標位相差 [rad]
ω:電気角角速度 [rad/sec]
Iamp:電流振幅 [A]
iu、iv、iw:U相電流、V相電流、W相電流 [A]
id、iq:d軸電流、q軸電流 [A]
Ld、Lq:d軸インダクタンス、q軸インダクタンス [H]
Vo:誘起電圧 [V]
Ψa:マグネットによる電機子鎖交磁束 [Wb]
Ra:巻線抵抗 [Ω]
Pn:極対数
θvi * : target phase difference [rad]
ω: electrical angular angular velocity [rad / sec]
Iamp: current amplitude [A]
iu, iv, iw: U-phase current, V-phase current, W-phase current [A]
id, iq: d-axis current, q-axis current [A]
Ld, Lq: d-axis inductance, q-axis inductance [H]
Vo: induced voltage [V]
Ψa: Armature interlinkage magnetic flux [Wb]
Ra: Winding resistance [Ω]
Pn: Number of pole pairs

(a)定電流円
図1に示す定電流円は、電流Iの大きさが等しいときの電流ベクトル軌跡であり、次式で表される。
(A) Constant Current Circle The constant current circle shown in FIG. 1 is a current vector locus when the currents I are equal in magnitude, and is represented by the following equation.

Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969

(b)定トルク曲線
図2に示す定トルク曲線は、トルクTが一定となる電流ベクトル軌跡であり、次式で表される。
(B) Constant torque curve The constant torque curve shown in FIG. 2 is a current vector locus in which the torque T is constant, and is expressed by the following equation.

Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
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(c)定誘起電圧楕円
図3に示す定誘起電圧楕円は、電機子に生じる誘起電圧Voが等しくなる電流ベクトル軌跡であり、角速度ωが大きくなると、径は小さくなり次式で表される。
(C) Constant Induced Voltage Ellipse The constant induced voltage ellipse shown in FIG. 3 is a current vector locus in which the induced voltage Vo generated in the armature becomes equal. When the angular velocity ω increases, the diameter decreases and is expressed by the following equation.

Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
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次に、電流ベクトル制御方法(最大トルク/電流制御)について説明する。
最大トルク/電流制御は、同一のトルクを発生させる電流ベクトルのうちで、電流振幅を最小にする制御である。同一トルクで電流振幅を最小にするということは、電流ベクトル平面上で、定トルク曲線に対して原点からの距離が最短になる点に電流ベクトルを制御するということである。したがって、定電流円が定トルク曲線に接する点が、最大トルク制御の動作点となる。この点をトレースした電流ベクトル軌跡が、図4に示される最大トルク/電流制御線である。この方法は、(1)電機子電流に対して最大トルクを発生できる、(2)同一トルク発生時の電流が最小となるため銅損が最小となる、(3)電流の上限値を考慮したときは、最大の発生トルクが得られるなどの特徴がある。
Next, a current vector control method (maximum torque / current control) will be described.
Maximum torque / current control is control that minimizes the current amplitude among current vectors that generate the same torque. Minimizing the current amplitude with the same torque means that the current vector is controlled at a point where the distance from the origin is the shortest with respect to the constant torque curve on the current vector plane. Therefore, the point at which the constant current circle contacts the constant torque curve is the operating point for maximum torque control. The current vector locus obtained by tracing this point is the maximum torque / current control line shown in FIG. This method (1) can generate the maximum torque with respect to the armature current, (2) the copper current is minimized because the current when the same torque is generated is minimized, and (3) the upper limit value of the current is considered In some cases, the maximum generated torque can be obtained.

本発明は、力率制御による必要なトルクを最小のモータ電流で発生させる最大トルク/電流制御で、目標となる位相差(以下、目標位相差θvi)を求める際、回転座標系を用いずに得られる電流振幅Iampと電気角角速度ωを用いて、次式に適用することで目標位相差θviを得るものである。 The present invention does not use a rotating coordinate system when obtaining a target phase difference (hereinafter referred to as target phase difference θvi * ) in maximum torque / current control that generates a necessary torque by power factor control with a minimum motor current. The target phase difference θvi * is obtained by applying the following equation using the current amplitude Iamp and the electrical angular angular velocity ω obtained in the above.

<目標位相差θviを求める式>

Figure 0006031969
<Formula for obtaining target phase difference θvi * >
Figure 0006031969

ただし、   However,

Figure 0006031969
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ここで、目標位相差θviは、電気角角速度ωで運転中の電流振幅Iampのときに出力トルク最大となる位相差である。 Here, the target phase difference θvi * is a phase difference that maximizes the output torque at the current amplitude Iamp during operation at the electrical angular angular velocity ω.

次に、上記の<目標位相差θviを求める式>(式1)の導出過程(過程1〜3)について説明する。
<過程1:定電流円と最大トルク/電流制御線の交点の導出>
次の最大トルク/電流制御式
Next, the derivation process (processes 1 to 3) of the above <expression for obtaining target phase difference θvi * > (expression 1) will be described.
<Process 1: Derivation of intersection of constant current circle and maximum torque / current control line>
Next maximum torque / current control formula

Figure 0006031969
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で表される制御線(最大トルク/電流制御式)と、定電流円の交点を求める。 The intersection of the control line (maximum torque / current control equation) represented by

Figure 0006031969
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上記の(式2)と(式3)から、   From (Equation 2) and (Equation 3) above,

Figure 0006031969
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Ψa/(Lq−Ld)=Cとおいて、   With Ψa / (Lq−Ld) = C,

Figure 0006031969
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第2象限の交点を求めたいので、id<0を選択し、   Since we want to find the intersection of the second quadrant, select id <0,

Figure 0006031969
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続いてiqを求める。
上記の(式3)と(式4)から、
Subsequently, iq is obtained.
From (Equation 3) and (Equation 4) above,

Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
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iqは第2象限に存在するので、   Since iq exists in the second quadrant,

Figure 0006031969
Figure 0006031969
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Figure 0006031969

より、 Than,

Figure 0006031969
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したがって、上記の(式4)、(式6)から、定電流円と最大トルク/電流制御線の交点でのd軸電流i’d、q軸電流i’qは、   Therefore, from the above (Expression 4) and (Expression 6), the d-axis current i'd and the q-axis current i'q at the intersection of the constant current circle and the maximum torque / current control line are

Figure 0006031969
Figure 0006031969

ただし、   However,

Figure 0006031969
Figure 0006031969

と表すことができる。 It can be expressed as.

<過程2:定力率特性の関係式の導出>
図6(a)に示される印加電圧ベクトルと、(b)に示される電流ベクトルを考える。
<Process 2: Derivation of relational expression of constant power factor characteristics>
Consider the applied voltage vector shown in FIG. 6A and the current vector shown in FIG.

電圧位相δ、電流位相βとdq成分の関係は次式で表すことができる。   The relationship between the voltage phase δ, the current phase β, and the dq component can be expressed by the following equation.

Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
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したがって、位相差は、   Therefore, the phase difference is

Figure 0006031969
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となる。 It becomes.

上記の(式8)と、埋込磁石同期モータの定常状態の電圧方程式   (Equation 8) above and the steady-state voltage equation of an embedded magnet synchronous motor

Figure 0006031969
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Figure 0006031969
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から From

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と表すことができることで、位相差δ−βは次式で表すことができる。 The phase difference δ−β can be expressed by the following equation.

Figure 0006031969
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<過程3:交点の力率算出>
上記の(式9)において、δ−βは設定した目標位相差θviであるので、
δ−β=θvi、id=id’、iq=iq’と代入すると、
<Process 3: Intersection power factor calculation>
In (Equation 9) above, since δ−β is the set target phase difference θvi * ,
Substituting δ−β = θvi * , id = id ′, iq = iq ′,

Figure 0006031969
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と導出できる。
ただし、
Can be derived.
However,

Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
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Figure 0006031969
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である。 It is.

[本発明のモータ駆動装置の構成]
次に、本発明に係るモータ駆動装置の概略構成について説明する。
本発明に係るモータ駆動装置は、図5のブロック図に示すように、埋込磁石型の同期モータ30を駆動する駆動装置であり、キャリア発生器8、出力回転数生成器10、出力電圧位相生成器12、乱調抑制制御器14、3相電流算出器16、電流位相算出器18、電圧電流位相差算出器20、目標位相差生成器22、出力電圧振幅生成器24、出力電圧生成器(PWM生成器)26、PWMインバータ28を備える。
[Configuration of Motor Drive Device of the Present Invention]
Next, a schematic configuration of the motor drive device according to the present invention will be described.
As shown in the block diagram of FIG. 5, the motor driving device according to the present invention is a driving device for driving an embedded magnet type synchronous motor 30, and includes a carrier generator 8, an output rotation speed generator 10, and an output voltage phase. Generator 12, turbulence suppression controller 14, three-phase current calculator 16, current phase calculator 18, voltage-current phase difference calculator 20, target phase difference generator 22, output voltage amplitude generator 24, output voltage generator ( PWM generator) 26 and PWM inverter 28.

キャリア発生器8は、PWMインバータ28を駆動する駆動信号の生成に必要なPWMキャリアを生成する。また、発生したPWMキャリアの周期ごとにモータ電流のデータを取り込むためのサンプリングにも使われる。   The carrier generator 8 generates a PWM carrier necessary for generating a drive signal for driving the PWM inverter 28. It is also used for sampling to capture motor current data for each generated PWM carrier cycle.

出力回転数生成器10は、このモータ駆動装置を搭載した機器(例えば、エアコンの制御部)からの指令回転数を基に、出力回転数を生成するものである。   The output rotation speed generator 10 generates an output rotation speed based on a command rotation speed from a device (for example, a control unit of an air conditioner) equipped with this motor drive device.

出力電圧位相生成器12は、出力回転数生成器10からの出力回転数及び乱調抑制制御器14からの出力電圧位相補正量を基に、出力電圧位相を算出するものである。   The output voltage phase generator 12 calculates the output voltage phase based on the output rotation speed from the output rotation speed generator 10 and the output voltage phase correction amount from the turbulence suppression controller 14.

乱調抑制制御器14は、電流位相算出器18からの電流位相θiを基に、出力電圧位相補正量を算出するものである。力率制御は出力電圧位相制御であり、応答が比較的に遅く乱調しやすい。そのために、出力電圧位相を調整することで安定化を実現する。   The turbulence suppression controller 14 calculates an output voltage phase correction amount based on the current phase θi from the current phase calculator 18. The power factor control is output voltage phase control, and the response is relatively slow and turbulent. Therefore, stabilization is achieved by adjusting the output voltage phase.

3相電流算出器16は、キャリア発生器8で発生したPWMキャリア信号の周期ごとに検出したU相、V相の電流Iu、Ivから、W相の電流Iwを算出し、電流振幅を算出するものである。   The three-phase current calculator 16 calculates the W-phase current Iw from the U-phase and V-phase currents Iu and Iv detected for each period of the PWM carrier signal generated by the carrier generator 8, and calculates the current amplitude. Is.

電流位相算出器18は、3相電流算出器16から出力されたU相、V相、W相の電流Iu、Iv、Iwから、電流位相θiを算出するものである。算出手法としては、例えば、上記の特許文献2に記載の方法を用いることができる。   The current phase calculator 18 calculates the current phase θi from the U-phase, V-phase, and W-phase currents Iu, Iv, and Iw output from the three-phase current calculator 16. As a calculation method, for example, the method described in Patent Document 2 can be used.

電圧電流位相差算出器20は、出力電圧位相生成器12から出力された出力電圧位相θvと、今回電流位相算出器18で算出した電流位相θiから、電圧電流位相差を算出するものである。   The voltage / current phase difference calculator 20 calculates a voltage / current phase difference from the output voltage phase θv output from the output voltage phase generator 12 and the current phase θi calculated by the current phase calculator 18 this time.

目標位相差生成器22は、3相電流算出器16からの電流振幅と出力回転数生成器10からの出力回転数と事前に記憶しているモータ定数(d軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、マグネットによる電機子鎖交磁束Ψa、巻線抵抗Ra)から、前述の<目標位相差θviを求める式>(式1)を用いて目標となる位相差を生成するものである。 The target phase difference generator 22 includes the current amplitude from the three-phase current calculator 16, the output rotation speed from the output rotation speed generator 10, and motor constants (d-axis inductance Ld, q-axis inductance Lq, The target phase difference is generated from the armature interlinkage magnetic flux Ψa and the winding resistance Ra) by the magnet using the above-described <Expression for determining the target phase difference θvi * > (Expression 1).

なお、<目標位相差θviを求める式>(式1)の中に電気角角速度ωとあるが、電気角は磁界の一周期分を2π[rad]として角度を表わしたもので、電気角はロータの回転角×極対数の関係になるので、ロータが1回転(回転角度360°=2π)する間に極対数の分だけ電気角は進む。出力回転数生成器10からの出力回転数を毎秒N回転とすると、電気角角速度ω=N×2π×極対数となる。 <Equation for obtaining target phase difference θvi * > (Equation 1) is an electrical angular angular velocity ω, and the electrical angle represents an angle with 2π [rad] as one period of the magnetic field. Therefore, the electrical angle advances by the number of pole pairs while the rotor rotates once (rotation angle 360 ° = 2π). If the output rotation speed from the output rotation speed generator 10 is N rotations per second, the electrical angular angular velocity ω = N × 2π × pole pair number.

出力電圧振幅生成器24は、電圧電流位相差算出器20で算出した位相差と目標位相差生成器22から生成された目標位相差の差を補正し、出力電圧振幅を算出するものである。   The output voltage amplitude generator 24 corrects the difference between the phase difference calculated by the voltage / current phase difference calculator 20 and the target phase difference generated by the target phase difference generator 22 to calculate the output voltage amplitude.

出力電圧生成器(PWM生成器)26は、入力DC電圧値と出力電圧位相生成器12の位相を条件に、出力電圧振幅生成器24で算出された出力電圧振幅値とキャリア発生器8からのPWMキャリアをコンパレートし、それぞれPWMインバータ28の上アーム側スイッチング素子U、V、WのPWM信号であるUp、Vp、Wpを出力する。また、出力したUp、Vp、Wp信号をNOT演算して、PWMインバータ28の下アーム側スイッチング素子U、V、WのPWM信号であるUn、Vn、Wnを出力するものである。   The output voltage generator (PWM generator) 26 outputs the output voltage amplitude value calculated by the output voltage amplitude generator 24 from the carrier generator 8 on the condition of the input DC voltage value and the phase of the output voltage phase generator 12. The PWM carriers are compared and Up, Vp, and Wp, which are PWM signals of the upper arm side switching elements U, V, and W of the PWM inverter 28, are output, respectively. Further, the output Up, Vp, Wp signals are subjected to NOT operation, and the PWM signals of the lower arm side switching elements U, V, W of the PWM inverter 28 are output as Un, Vn, Wn.

PWMインバータ28は、出力電圧生成器(PWM生成器)26からの信号に応じてモータ30を駆動するためのU相、V相及びW相からの三相交流電圧をモータ30に供給する。   The PWM inverter 28 supplies a three-phase AC voltage from the U phase, V phase, and W phase for driving the motor 30 to the motor 30 in accordance with a signal from the output voltage generator (PWM generator) 26.

[本発明のモータ駆動装置による制御動作例]
次に、本発明のモータ駆動装置による制御動作例について図7〜図9を参照しながら説明する。本発明では、力率制御において必要なトルクを最小のモータ電流で発生させる最大トルク/電流制御を行うものである。
[Example of Control Operation by Motor Drive Device of the Present Invention]
Next, an example of the control operation by the motor drive device of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present invention, maximum torque / current control is performed to generate torque necessary for power factor control with a minimum motor current.

<状態1(P1)>
指令回転数を基に出力回転数生成器10で出力回転数を生成し、これを用いて出力電圧位相生成器12で出力電圧位相θvを算出する。また、3相電流算出器16で算出した電流振幅がI3で、電流位相算出器18で算出された電流位相θiと出力電圧位相生成器12で算出した電圧位相θvから電圧電流位相差算出器20で算出した電圧電流位相差がθ4のときの電流ベクトルは、図7においてP1の状態であるとする。このときP1は、目標とする最大トルク/電流制御線上からずれている。
<State 1 (P1)>
Based on the command rotational speed, the output rotational speed generator 10 generates the output rotational speed, and using this, the output voltage phase generator 12 calculates the output voltage phase θv. The current amplitude calculated by the three-phase current calculator 16 is I3, and the voltage-current phase difference calculator 20 is calculated from the current phase θi calculated by the current phase calculator 18 and the voltage phase θv calculated by the output voltage phase generator 12. The current vector when the voltage-current phase difference calculated in (4) is θ4 is assumed to be in the state of P1 in FIG. At this time, P1 is deviated from the target maximum torque / current control line.

電流振幅I3で最大トルクが得られる目標位相差を目標位相差生成器22で算出する。この時、前述の<目標位相差θviを求める式>(式1)中の電流振幅Iampは、I3となる。 The target phase difference generator 22 calculates a target phase difference at which the maximum torque can be obtained with the current amplitude I3. At this time, the current amplitude Iamp in <Formula for obtaining target phase difference θvi * > (Formula 1) is I3.

この式の解は、図7の最大トルク/電流制御線と、定電流円I3の交点であるので、目標位相差はθ6となっている。   Since the solution of this equation is the intersection of the maximum torque / current control line in FIG. 7 and the constant current circle I3, the target phase difference is θ6.

出力電圧振幅生成器24は、電圧電流位相差算出器20で算出した位相差θ4と目標位相差生成器22から生成された目標位相差θ6の差を補正し、目標位相差θ6になるような出力電圧振幅を生成して出力電圧生成器26に出力しPWMインバータ28を介してモータを制御する。   The output voltage amplitude generator 24 corrects the difference between the phase difference θ4 calculated by the voltage / current phase difference calculator 20 and the target phase difference θ6 generated from the target phase difference generator 22 so that the target phase difference θ6 is obtained. An output voltage amplitude is generated and output to the output voltage generator 26, and the motor is controlled via the PWM inverter 28.

<状態2(P2)>
実際に、負荷トルクを一定として、目標位相差θ6になるように制御すると、図8に示すように定トルク曲線τ5上を移動し、P2へ移動するが、目標とする最大トルク/電流制御線上からは、まだ少しずれている。
<State 2 (P2)>
Actually, when the load torque is constant and control is performed so that the target phase difference θ6 is obtained, the curve moves on the constant torque curve τ5 and moves to P2 as shown in FIG. 8, but on the target maximum torque / current control line. Is still a little off.

図9に示すように、P2の電流値I6を用いて、上記と同じように目標位相差生成器22で次の目標位相差を得て、モータを制御する。この動作をPWMキャリア周期ごとに行うことで、力率制御においても電流ベクトルが最大トルク/電流制御線上に収束するように制御する。   As shown in FIG. 9, using the current value I6 of P2, the next target phase difference is obtained by the target phase difference generator 22 in the same manner as described above, and the motor is controlled. By performing this operation for each PWM carrier cycle, control is performed so that the current vector converges on the maximum torque / current control line even in power factor control.

このため、本発明によれば、力率制御において必要なトルクを最小のモータ電流で発生させる最大トルク/電流制御で、モータ電圧とモータ電流との目標位相差を、モータ電流、モータの回転数、モータ定数を基に固定座標系で求めるようにしたので、回転座標系を用いなくても、固定座標系のみで効率良く同期モータを制御することができるという効果を奏する。   Therefore, according to the present invention, the target torque difference between the motor voltage and the motor current is determined by the maximum torque / current control that generates the torque necessary for the power factor control with the minimum motor current. Since the fixed coordinate system is used based on the motor constant, the synchronous motor can be efficiently controlled only by the fixed coordinate system without using the rotating coordinate system.

8 キャリア発生器
10 出力回転数生成器
12 出力電圧位相生成器
14 乱調抑制制御器
16 3相電流算出器
18 電流位相算出器
20 電圧電流位相差算出器
22 目標位相差生成器
24 出力電圧振幅生成器
26 出力電圧生成器(PWM生成器)
28 PWMインバータ
30 モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8 Carrier generator 10 Output rotation speed generator 12 Output voltage phase generator 14 Disturbance suppression controller 16 Three phase current calculator 18 Current phase calculator 20 Voltage current phase difference calculator 22 Target phase difference generator 24 Output voltage amplitude generation 26 Output voltage generator (PWM generator)
28 PWM inverter 30 Motor

Claims (1)

直流を交流に変換しモータを駆動するインバータと、PWM信号を生成し前記インバータをPWM制御する制御部を備え、
前記制御部は、モータ電圧とモータ電流の位相差を算出する電圧電流位相差算出器と、モータ電流の振幅とモータへの指令回転数と予め記憶させたモータ定数とから最大トルクが得られるモータ電圧とモータ電流の目標位相差を算出する目標位相差生成器と、前記PWM信号を生成するためのキャリア周期毎に前記位相差と前記目標位相差との差に基づいて出力電圧の振幅を算出する出力電圧振幅生成器とを備え、
前記目標位相差生成器は、前記目標位相差を以下の式に基づいて算出し、
前記制御部は、前記出力電圧振幅生成器で算出した前記出力電圧の振幅を算出したキャリア周期の次のキャリア周期の期間に前記出力電圧の振幅に基づいて前記インバータをPWM制御することを特徴とするモータ駆動装置。
Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
ただし、θvi:目標位相差
ω:電気角角速度
Iamp:電流振幅
iu、iv、iw:U相電流、V相電流、W相電流
i’d、i’q:d軸電流、q軸電流
Ld、Lq:d軸インダクタンス、q軸インダクタンス
Ψa:マグネットによる電機子鎖交磁束
Ra:巻線抵抗
An inverter that converts direct current to alternating current to drive a motor, and a controller that generates a PWM signal and performs PWM control of the inverter;
The control unit includes a voltage / current phase difference calculator that calculates a phase difference between a motor voltage and a motor current, a motor that obtains a maximum torque from an amplitude of the motor current, a command rotational speed to the motor, and a motor constant stored in advance. A target phase difference generator for calculating a target phase difference between the voltage and the motor current, and an output voltage amplitude based on the difference between the phase difference and the target phase difference for each carrier cycle for generating the PWM signal An output voltage amplitude generator that
The target phase difference generator calculates the target phase difference based on the following equation:
The control unit performs PWM control of the inverter based on the amplitude of the output voltage during a carrier cycle next to a carrier cycle in which the amplitude of the output voltage calculated by the output voltage amplitude generator is calculated. A motor drive device.
Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
Figure 0006031969
However, θvi * : target phase difference ω: electrical angular angular velocity Iamp: current amplitude iu, iv, iw: U-phase current, V-phase current, W-phase current i ′d, i′q: d-axis current, q-axis current Ld , Lq: d-axis inductance, q-axis inductance Ψa: armature interlinkage magnetic flux by magnet Ra: winding resistance
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