RU2560090C1 - Electric motor control unit with permanent magnets without position sensors - Google Patents
Electric motor control unit with permanent magnets without position sensors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2560090C1 RU2560090C1 RU2014109115/07A RU2014109115A RU2560090C1 RU 2560090 C1 RU2560090 C1 RU 2560090C1 RU 2014109115/07 A RU2014109115/07 A RU 2014109115/07A RU 2014109115 A RU2014109115 A RU 2014109115A RU 2560090 C1 RU2560090 C1 RU 2560090C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric current
- section
- derivative
- voltage
- rotational
- Prior art date
Links
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 41
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 28
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 27
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 26
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 15
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 12
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 9
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 20
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 12
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 6
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 4
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000013643 reference control Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
- H02P6/14—Electronic commutators
- H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
- H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
- H02P21/24—Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
- H02P2203/09—Motor speed determination based on the current and/or voltage without using a tachogenerator or a physical encoder
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
- H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
- H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
- H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
- H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters with pulse width modulation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
[0001] Настоящее изобретение относится к устройству управления электродвигателем с постоянными магнитами без использования датчиков положения, при этом оно относится к устройству управления без использования датчиков, способному оценивать индуцированное напряжение на основе информации о производной электрического тока, а также оценивать угловую скорость вращения и положение магнитного полюса на основе оцененного напряжения при работе упомянутого электродвигателя с постоянными магнитами на низкой скорости.[0001] The present invention relates to a permanent magnet motor control device without using position sensors, wherein it relates to a sensorless control device capable of estimating an induced voltage based on information about an electric current derivative, and also estimating an angular rotation speed and a position of a magnetic poles based on the estimated voltage during operation of the said permanent magnet motor at low speed.
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Благодаря повышению эффективности магнитов стало возможным создание синхронных электрических двигателей, имеющих в своем составе постоянные магниты в качестве источника магнитного поля, без демпферной обмотки (далее в настоящем документе они называются электрическими двигателями с постоянными магнитами). При использовании таких двигателей в качестве сервоприводов для управления скоростью вращения необходима информация о положении магнитного полюса ротора. Однако во многих случаях датчик для измерения положения имеет в своем составе электрические детали, такие как полупроводниковые элементы. При этом, если датчик имеет малый размер, его механическая прочность невысока. Таким образом, в электродвигателе с постоянными магнитами возникают проблемы, связанные с надежностью и стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. В соответствии с этим, в применениях, не требующих высокой точности и чувствительности управления положением, может возникать потребность в повышении надежности и управляемости путем применения способа управления без использования датчиков положения, в котором положение магнитного полюса вычисляется на основе информации о напряжении и токе инвертора без применения датчика положения, в связи с чем было проведено множество исследований.[0002] Owing to the increased efficiency of the magnets, it has become possible to create synchronous electric motors incorporating permanent magnets as a source of a magnetic field without damper winding (hereinafter referred to as permanent magnet electric motors). When using such motors as servos to control the speed of rotation, information is needed on the position of the magnetic pole of the rotor. However, in many cases, the sensor for measuring position incorporates electrical parts such as semiconductor elements. Moreover, if the sensor is small, its mechanical strength is low. Thus, in a permanent magnet motor there are problems associated with reliability and resistance to environmental factors. Accordingly, in applications that do not require high accuracy and sensitivity of position control, there may be a need to increase reliability and controllability by applying a control method without using position sensors, in which the position of the magnetic pole is calculated based on information about the voltage and current of the inverter without using position sensor, and therefore a lot of research has been done.
[0003] Способ управления без использования датчиков положения основан на одном из двух описанных ниже принципов. Первый способ - это способ вычисления составляющей двигательной электродвижущей силы, формируемой магнитным потоком возбуждающего электромагнита. Этот способ применяют для вычисления двигательной электродвижущей силы, возникающей за счет потока магнитного поля двигателя, на основе составляющей основной гармоники напряжения или электрического тока на выходе инвертора. Двигатели с постоянными магнитами могут быть классифицированы как обладающие неявнополюсным свойством, которое заключается в том, что составляющая индукции по оси, перпендикулярной оси d (оси q), равна составляющей индукции по оси, перпендикулярной оси d (оси q), или явнополюсным свойством, которое заключается в том, что составляющая индукции по оси d не равна составляющей индукции по оси q. Настоящий способ применим к обоим этим типам, и следовательно, применим к большинству электродвигателей с постоянными магнитами. Однако в ситуациях, когда угловая скорость вращения двигателя находится в области низких скоростей, двигательная электродвижущая сила мала. Как правило, инвертор сконфигурирован для обеспечения двигателя электрической энергией, при этом управление напряжением осуществляется на основе системы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). При измерении выходного напряжения инвертора возникает проблема, которая заключается в том, что точное и быстрое измерение напряжения составляющей основной гармоники ШИМ-сигнала, содержащего высокочастотные составляющие, является сложной задачей.[0003] A control method without using position sensors is based on one of two principles described below. The first method is a method for calculating a component of a motor electromotive force generated by a magnetic flux of an exciting electromagnet. This method is used to calculate the motor electromotive force arising from the flux of the magnetic field of the motor, based on the component of the fundamental harmonic voltage or electric current at the inverter output. Permanent magnet motors can be classified as having an implicit pole property, which is that the induction component along an axis perpendicular to the d axis (q axis) is equal to the induction component along an axis perpendicular to the d axis (q axis), or an explicit pole property that lies in the fact that the induction component along the d axis is not equal to the induction component along the q axis. The present method is applicable to both of these types, and therefore is applicable to most permanent magnet motors. However, in situations where the angular velocity of the engine is in the region of low speeds, the motor electromotive force is small. As a rule, the inverter is configured to provide electric power to the motor, and voltage control is based on a pulse-width modulated (PWM) system. When measuring the inverter output voltage, a problem arises, which is that accurate and quick measurement of the voltage of the fundamental component of the PWM signal containing high-frequency components is a difficult task.
[0004] Существует способ, в котором вместо измерения информации о напряжении используют команду напряжения в состоянии до применения ШИМ-модуляции. Данный способ подвержен влиянию ошибки напряжения, возникающей в результате времени запаздывания или задержки срабатывания переключательного элемента. При снижении угловой скорости вращения электродвигателя с постоянными магнитами, когда двигательная электродвижущая сила становится малой, упомянутая ошибка напряжения не уменьшается. Соответственно, ошибка напряжения становится относительно более значимой, делая сложным осуществление точного управления без использования датчиков положения.[0004] There is a method in which, instead of measuring voltage information, a voltage command in the state before applying PWM modulation is used. This method is influenced by a voltage error resulting from the delay time or the delay of the switching element. When the angular speed of rotation of the electric motor with permanent magnets decreases, when the motor electromotive force becomes small, the mentioned voltage error does not decrease. Accordingly, the voltage error becomes relatively more significant, making it difficult to implement precise control without the use of position sensors.
[0005] Существует еще один способ оценки положения оси явного магнитного полюса при измерении индукции с помощью наложения высокочастотной составляющей на составляющую напряжения или составляющую электрического тока на выходе инвертора. Данный способ позволяет вычислить фазу оси магнитного полюса возбуждения при помощи последовательного измерения индукции каждой осевой составляющей, если двигатель с постоянными магнитами обладает свойством, заключающимся в том, что индукция по оси d отличается от индукции по оси q. Однако данный способ неприменим для двигателей с постоянными магнитами, обладающих неявнополюсным свойством. При этом, поскольку ось магнитного полюса возбуждения (ось d) имеет две полярности, т.е. северный полюс и южный полюс, то в систему управления необходимо ввести дополнительный способ идентификации магнитного полюса для распознавания его типа на основе магнитного насыщения.[0005] There is another way of estimating the position of the axis of an explicit magnetic pole when measuring induction by superimposing a high-frequency component on a voltage component or an electric current component at the inverter output. This method allows you to calculate the phase of the axis of the magnetic field pole by sequentially measuring the induction of each axial component, if the permanent magnet motor has the property that the induction along the d axis is different from induction along the q axis. However, this method is not applicable to permanent magnet motors having an implicit pole property. Moreover, since the axis of the magnetic pole of the excitation (axis d) has two polarities, i.e. the north pole and the south pole, then an additional method of identifying the magnetic pole must be introduced into the control system to recognize its type based on magnetic saturation.
[0006] То есть первый способ, в котором вычисляют электродвижущую силу, не может быть точно выполнен в области низких угловых скоростей вращения. Второй способ, в котором накладывают высокочастотную волну, допускает выполнение в области низких угловых скоростей вращения, но ограничен конкретными типами двигателей и не может применяться для двигателя с постоянными магнитами, обладающего явнополюсным свойством или не обладающего достаточным магнитным насыщением.[0006] That is, the first method in which the electromotive force is calculated cannot be accurately performed in the region of low angular rotational speeds. The second method, in which a high-frequency wave is superimposed, can be performed in the region of low angular rotational speeds, but is limited to specific types of motors and cannot be used for a permanent magnet motor that has an explicit pole property or does not have sufficient magnetic saturation.
Документы, описывающие существующий уровень техникиDocuments Describing the Prior Art
Документы, не являющиеся патентамиNon Patent Documents
[0007] Документ №1, не являющийся патентом: М. Janson, L. Harnefors, О. Wallmark и М. Leksell: "Synchronization at Startup and Stable Rotation Reversal of Sensorless Nonsalient PMSM Drives" («Синхронизация при пуске и обращение при стабильном вращении неявнополюсных PMSM-приводов без использования датчиков»), IEEE Trans. IE, том 53, №2, стр.379-387 (2006 год),[0007] Non-Patent Document No. 1: M. Janson, L. Harnefors, O. Wallmark, and M. Leksell: “Synchronization at Startup and Stable Rotation Reversal of Sensorless Nonsalient PMSM Drives” rotation of implicit PMSM drives without the use of sensors ”), IEEE Trans. IE, Volume 53, No. 2, pp. 379-387 (2006),
Документ №2, не являющийся патентом: L. Harnefors, M. Janson, R. Ottersten, and К. Pietilatinen: "Unified Sensorless Vector Control of Synchronous and Induction Motors" («Унифицированное управление вектором синхронных и асинхронных двигателей без использования датчиков»), IEEE Trans. Ind. Electron., том 50, №1, стр.153-160, февраль 2003 года.Non-Patent Document # 2: L. Harnefors, M. Janson, R. Ottersten, and K. Pietilatinen: "Unified Sensorless Vector Control of Synchronous and Induction Motors" ("Unified Sensor Vector Control of Synchronous and Induction Motors without the Use of Sensors") , IEEE Trans. Ind. Electron.,
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
[0008] В документе №1, не являющемся патентом, описана схема управления положением на низкой угловой скорости вращения без использования датчиков, которая осуществляет управление без использования датчиков на основе блока управления в соответствии с иллюстрацией фиг. 6. Схема управления, описанная в документе №1, не являющемся патентом, представляет собой, в сущности, один из типов схемы вычисления электродвижущей силы. Принцип ее действия описан в документе №2, не являющемся патентом. Вычисление осуществляется секцией оценки скорости вращения, обведенной пунктирной линией на фиг. 6.[0008] Non-patent
[0009] А именно, вычисляется индуцированное напряжение е при помощи вычитания составляющей сопротивления обмотки и составляющей падения напряжения из сигнала Vs управлением напряжением, при этом упомянутая составляющая сопротивления обмотки представляет собой произведение сигнала iref управление электрическим током и постоянной Rs+jw1Ls двигателя, а упомянутая составляющая падения напряжения представляет собой составляющую реакции якоря. При управлении положением без использования датчиков оценочную фазу магнитного полюса возбуждения используют как опорную ось управления (ось d), при этом с данной опорной осью работают как с реальной осью. Мнимую составляющую индуцированного напряжения е вычисляют как индуцированное напряжение eq по оси q, при этом реальную часть индуцированного напряжения е вычисляют как индуцированное напряжение ed по оси е. Для составляющих в опорных осях управления выполняют следующие коррекции: составляющую eq напряжения корректируют умножением на коэффициент λs усиления, соответствующий вычисленной угловой скорости ω1 и ed, данное индуцированное напряжение делят на магнитный поток Ψm, и затем используют для оценки скорости вращения. Фактически, поскольку в составляющей напряжения eq присутствует компонент обратной связи, возникающий за счет возмущения и оценки положения, а также вследствие преобразования вращательных координат, то вычисление угловой скорости ω1 выполняют после применения фильтра низких частот, ограничивающего полосу пропускания для предотвращения генерации в результате наличия этой петли обратной связи.[0009] Namely, the induced voltage e is calculated by subtracting the component of the resistance of the winding and the component of the voltage drop from the voltage control signal Vs, wherein said component of the resistance of the winding is the product of the signal i ref controlling the electric current and the constant Rs + jw 1 Ls of the motor, and said voltage drop component is a component of the armature reaction. When controlling the position without using sensors, the estimated phase of the magnetic field pole is used as the control reference axis (d axis), while with this reference axis they work like a real axis. The imaginary component of the induced voltage e is calculated as the induced voltage eq along the q axis, while the real part of the induced voltage e is calculated as the induced voltage ed along the e axis. For the components in the reference control axes, the following corrections are performed: the voltage component eq is corrected by multiplying by the gain coefficient λs, corresponding to the calculated angular velocity ω 1 and ed, this induced voltage is divided by the magnetic flux Ψm, and then used to estimate the rotation speed. In fact, since there is a feedback component in the voltage component eq arising from the perturbation and position estimation, as well as due to the transformation of rotational coordinates, the angular velocity ω 1 is calculated after applying a low-pass filter that limits the passband to prevent generation due to this feedback loops.
[0010] Одна из отличительных особенностей схемы, проиллюстрированной на фиг. 6, заключается в том, что даже если направление вращения некорректно определено как нормальное вращение или обратное вращение в области нулевой угловой скорости вращения, выполняется автоматическая коррекция оценочной угловой скорости вращения до корректного направления вращения. Однако, например, в схеме, в которой управляющее напряжение Vs подают на вход традиционной ШИМ-модуляции, если контрмер оказывается недостаточно для коррекции ошибки напряжения, возникающей в результате времени запаздывания или задержки переключения переключательного элемента, то даже если направление вращения определено ошибочно, эту ошибку невозможно обнаружить мгновенно до тех пор, пока угловая скорость обратного вращения не достигнет определенного значения, и следовательно, невозможно будет вернуться к корректному направлению вращения, пока угловая скорость обратного вращения не достигнет определенного значения.[0010] One of the distinguishing features of the circuit illustrated in FIG. 6, lies in the fact that even if the direction of rotation is incorrectly defined as normal rotation or reverse rotation in the region of zero angular velocity of rotation, the estimated angular velocity of rotation is automatically corrected to the correct direction of rotation. However, for example, in a circuit in which the control voltage Vs is applied to the input of a traditional PWM modulation, if the countermeasure is not enough to correct the voltage error resulting from the delay time or switching delay of the switching element, then even if the rotation direction is determined erroneously, this error it is impossible to detect instantly until the angular velocity of the reverse rotation reaches a certain value, and therefore, it will not be possible to return to the correct direction of time scheniya until the reverse rotation angular speed reaches a certain value.
[0011] Цель настоящего изобретения - еще более снизить нижнюю границу угловой скорости вращения, от которой можно вернуться к правильному направлению вращения, даже если присутствует ошибка напряжения между командой напряжения и фактическим напряжением, и соответственно - предложить устройство управления электродвигателем с постоянными магнитами без использования датчиков положения, которое способно осуществлять точные вычисления даже при низкой угловой скорости вращения.[0011] The purpose of the present invention is to further reduce the lower limit of the angular velocity of rotation, from which you can return to the correct direction of rotation, even if there is a voltage error between the voltage command and the actual voltage, and accordingly, to propose a permanent magnet motor control device without using sensors a position that is capable of performing accurate calculations even at low angular rotational speeds.
[0012] В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предложено устройство управления без использования датчиков положения для двигателя с постоянными магнитами, в котором: сигнал управления электрическим током формируют на основе сигнала управления скоростью и оценочной скорости; сигнал управления напряжением формируют на основе упомянутого сигнала управления электрическим током и измеренного значения электрического тока в координатной системе γ-δ, при этом упомянутое измеренное значение электрического тока измеряют посредством секции преобразования вращательных координат; и упомянутым двигателем с постоянными магнитами управляют при помощи инвертора, при этом инвертором управляют при помощи секции обратного преобразования вращательных координат и ШИМ-модуляции; отличающееся тем, что секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательную электродвижущую силу (еγ, eδ) на основе поданных на ее вход измеренного значения (iγ, iδ) электрического тока и информации (piγ, piδ) о производной электрического тока в координатной системе γ-δ в течение периода нулевого вектора напряжения; секция оценки угловой скорости вращения определяет оценочную угловую скорость (ω∧) на основе двигательной электродвижущей силы (еγ, eδ), вычисленной упомянутой секцией вычисления индуцированного напряжения; оценочную фазу (θ∧) вычисляют с помощью интегрирования упомянутой оценочной угловой скорости вращения по времени; и упомянутую оценочную фазу выводят в упомянутую секцию преобразования вращательных координат и в секцию обратного преобразования вращательных координат и используют как опорную фазу вращающейся системы координат.[0012] In accordance with one aspect of the present invention, there is provided a control device without using position sensors for a permanent magnet motor, in which: an electric current control signal is generated based on a speed control signal and an estimated speed; a voltage control signal is generated based on said electric current control signal and a measured value of electric current in the γ-δ coordinate system, wherein said measured electric current value is measured by a rotational coordinate conversion section; and said permanent magnet motor is controlled by an inverter, while the inverter is controlled by a section for the inverse transformation of rotational coordinates and PWM modulation; characterized in that the induced voltage calculation section calculates the electromotive force (e γ , e δ ) based on the measured electric current value (i γ , i δ ) and information (pi γ , pi δ ) on the electric current derivative γ-δ coordinate system during the period of the zero voltage vector; the angular rotational speed estimation section determines the estimated angular velocity (ω ∧ ) based on the electromotive force (e γ , e δ ) calculated by the induced voltage calculation section; the estimated phase (θ ∧ ) is calculated by integrating said estimated angular velocity of rotation over time; and said evaluation phase is outputted to said rotational coordinate transformation section and to a rotational coordinate inverse transformation section, and is used as a reference phase of a rotating coordinate system.
[0013] В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательную электродвижущую силу (еγ, eδ) с помощью следующего уравнения:[0013] In accordance with one aspect of the present invention, it is characterized in that said induced voltage calculation section calculates a motor electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
[0014][0014]
[0015] где R представляет собой сопротивление обмотки, L представляет собой индуктивность обмотки, φd представляет собой магнитный поток связи, а р представляет собой оператор дифференцирования (d/dt). В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, оно отличается тем, что упомянутая секция оценки скорости вращения вычисляет упомянутую оценочную угловую скорость (ω∧) с помощью следующего уравнения:[0015] where R is the resistance of the winding, L is the inductance of the winding, φ d is the magnetic flux of coupling, and p is the differentiation operator (d / dt). In accordance with one aspect of the present invention, it is characterized in that said rotation speed estimating section calculates said estimated angular velocity (ω ∧ ) using the following equation:
[0016][0016]
[0017] где α=α0+λ2|ω∧|, α0 - постоянная, λ1, λ2 представляют собой положительные коэффициенты усиления, а z-1 представляет собой последнее считанное значение. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что на стороне ввода измеренного электрического тока в упомянутую секцию преобразования вращательных координат имеется секция определения производной электрического тока, и упомянутая секция преобразования вращательных координат принимает входные данные измерения трехфазного электрического тока в течение периода нулевого вектора напряжения упомянутой ШИМ-модуляции и производную этого электрического тока; и упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательную электродвижущую силу (еγ, еδ) на основе поданного на ее вход измеренного значения (iγ, iδ) электрического тока и информации (piγ′, piδ′) о производной электрического тока, полученной посредством преобразования вращательных координат упомянутой секцией преобразования вращательных координат.[0017] where α = α 0 + λ 2 | ω ∧ |, α 0 is a constant, λ 1 , λ 2 are positive gains, and z -1 is the last read value. In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that on the input side of the measured electric current into said rotational coordinate conversion section there is an electric current derivative determination section, and said rotational coordinate conversion section receives three-phase electric current measurement input data during a period of zero vector voltage of said PWM modulation and derivative of this electric current; and said induced voltage calculation section calculates a motor electromotive force (e γ , e δ ) based on a measured current value (i γ , i δ ) of electric current supplied to its input and information (pi γ ′, pi δ ′) about the derivative of electric current, obtained by converting rotational coordinates to said rotational coordinate transforming section.
[0018] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет упомянутую двигательную электродвижущую силу (еγ, eδ) с использованием следующего уравнения:[0018] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said induced voltage calculation section calculates said electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
[0019][0019]
[0020] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутую информацию (piγ′, piδ′) о производной электрического тока получают при помощи вычисления производной после преобразования упомянутой секцией преобразования вращательных координат в составляющие (iα, iβ) электрического тока по двум ортогональным осям (α, β) неподвижной системы координат.[0020] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said information (pi γ ′, pi δ ′) about the electric current derivative is obtained by calculating the derivative after converting said section to transform rotational coordinates into components (i α , i β ) electric current along two orthogonal axes (α, β) of a fixed coordinate system.
[0021] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что имеется секция коррекции падения напряжения на стороне входа упомянутой секции преобразования вращательных координат для коррекции падения напряжения на переключательном элементе, при этом упомянутая секция преобразования вращательных координат принимает входные данные измерения трехфазного электрического тока, выполняемого во время периода нулевого вектора напряжения упомянутой ШИМ-модуляции, и входные данные коррекции падения напряжения из секции коррекции падения напряжения; и упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет упомянутую двигательную электродвижущую силу на основе вводимого значения измеренного электрического тока, упомянутой информации о производной электрического тока и упомянутой коррекции падения напряжения.[0021] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that there is a voltage drop correction section on the input side of said rotational coordinate conversion section for correcting a voltage drop on the switching element, said rotational coordinate conversion section receiving input data of three-phase electrical measurement the current performed during the period of the zero voltage vector of said PWM modulation, and the input voltage drop correction data from voltage drop correction section; and said induced voltage calculation section calculates said motive electromotive force based on an input value of the measured electric current, said information about the derivative of the electric current, and said voltage drop correction.
[0022] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутая информация о производной электрического тока основана на вращающейся системе координат или на неподвижной системе координат.[0022] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said derivative of an electric current is based on a rotating coordinate system or on a fixed coordinate system.
[0023] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательную электродвижущую силу (еγ, еδ) с использованием следующего уравнения:[0023] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said induced voltage calculation section calculates a motor electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
[0024][0024]
[0025] где νceγ, νceδ представляют собой коррекции напряжения. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, оно отличается тем, что упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет упомянутую двигательную электродвижущую силу (еγ, еδ) с помощью следующего уравнения:[0025] where ν ceγ , ν ceδ are voltage corrections. In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said induced voltage calculation section calculates said electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
[0026][0026]
[0027] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутую информацию о производной электрического тока вводят в упомянутую секцию преобразования вращательных координат в виде вычисленного значения разности между значениями электрического тока, измеренными в двух точках, между которыми находится пик несущей, во время периода нулевого вектора напряжения.[0027] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said information about the derivative of electric current is introduced into said section of conversion of rotational coordinates in the form of a calculated value of the difference between the values of electric current measured at two points between which there is a carrier peak, during the period of the zero voltage vector.
[0028] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, оно отличается тем, что информацию о производной электрического тока вводят в упомянутую секцию преобразования вращательных координат в виде значения, полученного путем дифференцирования скользящего среднего значения для значений электрического тока, измеренных между пиком и нижней частью несущей во время периода нулевого вектора напряжения.[0028] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that information about the electric current derivative is inputted into said rotational coordinate transformation section as a value obtained by differentiating a moving average value for electric current values measured between the peak and the lower part carrier during the period of the zero voltage vector.
[0029] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения оно отличается тем, что упомянутую коррекцию падения напряжения определяют с использованием элементов табличных данных, соответствующих измеренным значениям трехфазного электрического тока, при этом и для положительной, и для отрицательной полярности каждой из упомянутых трех фаз имеется индивидуальный элемент из упомянутых элементов табличных данных.[0029] In accordance with another aspect of the present invention, it is characterized in that said voltage drop correction is determined using tabular data elements corresponding to the measured values of the three-phase electric current, while for both the positive and negative polarity of each of the three phases an individual element from said tabular data elements.
Результат изобретенияResult of invention
[0030] Как было описано выше, в соответствии с настоящим изобретением оценочную фазу θ∧ вычисляют на основе сигналов iγ, iδ электрического тока в координатной системе γ-δ во время периода нулевого вектора напряжения и на основе информации piγ, piδ о производной электрического тока. Это позволяет вычислить индуцированное напряжение с устранением влияния времени запаздывания, и следовательно, получить нормальное управление без использования датчиков положения в диапазоне более низких скоростей вращения.[0030] As described above, in accordance with the present invention, the estimated phase θ ∧ is calculated based on the signals i γ , i δ of the electric current in the coordinate system γ-δ during the period of the zero voltage vector and based on the information pi γ , pi δ о derivative of electric current. This allows you to calculate the induced voltage with the elimination of the influence of the delay time, and therefore, to obtain normal control without the use of position sensors in the range of lower speeds.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
[0031] Фиг. 1 представляет собой блок-схему конфигурации устройства управления в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.[0031] FIG. 1 is a block diagram of a configuration of a control device in accordance with one embodiment of the present invention.
Фиг. 2 представляет собой блок-схему конфигурации устройства управления в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.FIG. 2 is a block diagram of a configuration of a control device in accordance with another embodiment of the present invention.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему конфигурации устройства управления в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.FIG. 3 is a block diagram of a configuration of a control device in accordance with yet another embodiment of the present invention.
Фиг. 4 представляет собой блок-схему с иллюстрацией измерения электрического тока в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 4 is a block diagram illustrating electric current measurement in accordance with the present invention.
Фиг. 5 представляет собой временную диаграмму, иллюстрирующую результат моделирования в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 5 is a timing chart illustrating a simulation result in accordance with the present invention.
Фиг. 6 представляет собой блок-схему конфигурации известного устройства управления без использования датчиков для двигателя с постоянными магнитами.FIG. 6 is a block diagram of a configuration of a known control device without using sensors for a permanent magnet motor.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретенияPreferred Embodiments of the Present Invention
[0032] Настоящее изобретение предназначено для вычисления двигательной электродвижущей силы на основе данных измеренного сигнала электрического тока и информации о производной электрического тока, вводимых в секцию вычисления индуцированного напряжения, для вычисления оценочной фазы магнитного полюса на основе упомянутой двигательной электродвижущей силы. Ниже настоящее изобретение описано более подробно на примере вариантов его осуществления.[0032] The present invention is intended to calculate a motor electromotive force based on measured electric current signal information and electric current derivative information inputted to the induced voltage calculation section, for calculating an estimated phase of a magnetic pole based on said motor electromotive force. Below the present invention is described in more detail by the example of options for its implementation.
Вариант №1 осуществления изобретенияOption No. 1 of the invention
[0033] На фиг. 1 показана блок-схема устройства управления без использования датчиков положения в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Позицией 1 обозначен инвертор с ШИМ-управлением. Позицией 2 обозначен двигатель с постоянными магнитами. В настоящем описании магнитную ось возбуждения северного полюса реального двигателя с постоянными магнитами называют осью d, a фазу, сдвинутую на 90 градусов в направлении нормального вращения относительно оси d, называют осью q. Однако ось d и ось q не могут быть измерены непосредственно, поскольку датчик положения не применяется. Соответственно, северный полюс, полученный при помощи оценки положения магнитного полюса, называют осью γ, а фазу, сдвинутую на 90 градусов в направлении вращения относительно этой оси γ, называют осью δ.[0033] FIG. 1 is a block diagram of a control device without using position sensors in accordance with a first embodiment of the present invention.
[0034] Позицией 3 обозначена секция преобразования вращательных координат, которая выполняет преобразования координат вводимого трехфазного электрического тока iu, iv, iw, измеренного датчиком тока, в значения iγ, iδ в оценочных осях. Сигналы iγ, iδ электрического тока, полученные с помощью преобразования координат, вводят в секцию 4 определения производной электрического тока, в секцию 5 вычисления индуцированного напряжения и в секцию 9 управления электрическим током. Секция 4 определения производной электрического тока определяет скорость изменения электрических токов в осях γ-δ в течение периода нулевого вектора напряжения, piγ, piδ, и затем вводит эти значения в секцию 5 вычисления индуцированного напряжения. Секция 5 вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательные электродвижущие силы еγ, eδ на основе вводимых сигналов iγ, iδ электрического тока и информации piγ, piδ о производной электрического тока в соответствии с последующим описанием. Позицией 6 обозначена секция оценки скорости вращения, а позицией 7 обозначен интегратор. Интегратор 7 интегрирует оценочную скорость, получаемую секцией 6 оценки скорости вращения, с целью вычисления оценочного положения θ∧ магнитного полюса и затем выводит его в секцию 3 преобразования вращательных координат и в секцию 10 обратного преобразования вращательных координат. Позицией 8 обозначена секция управления угловой скоростью вращения, а позицией 9 обозначена секция управления электрическим током.[0034]
[0035] Ниже описана работа устройства. Секция 8 управления скоростью выводит сигнал iδ* управления электрическим током составляющей по оси δ, соответствующий сигналу управления крутящим моментом, на основе вводимой в нее информации о сигнале ω* управления угловой скоростью вращения и оцененной угловой скорости ω∧ вращения. Этот сигнал iδ* управления электрическим током и произвольный сигнал iγ* управления электрическим током по оси γ вводят в секцию 9 управления электрическим током. Секция 9 управления электрическим током принимает входные данные сигналов iγ, iδ электрического тока, полученных при помощи преобразования во вращающуюся координатную систему с помощью секции 3 преобразования вращательных координат. Секция 9 управления электрическим током выполняет вычисление обратной связи с помощью сравнения сигналов iγ*, iδ* управления электрическим током и сигналов iγ, iδ электрического тока и выдает сигналы νγ*, νδ* управления напряжением во вращающейся координатной системе (координатной системе γ-δ), основанной на расчетной оси магнитного полюса. Сигналы νγ*, νδ* управления напряжением подают с обратным преобразованием вращательных координат и с преобразованием из двухфазного в трехфазное напряжение в секции 10 обратного преобразования вращательных координат, которая функционирует обратным образом по сравнению с секцией 3 преобразования вращательных координат, и затем вводят в качестве трехфазного управляющего сигнала νu, νγ, νw переменного тока в инвертор 1. Инвертор 1 усиливает мощность трехфазного сигнала νu, νγ, νw управления переменного тока с помощью ШИМ-модуляции и затем выдает практически эквивалентное напряжение. Выше описан блок управления, который является общим для случая, в котором имеется датчик положения, и для случая, в котором датчика положения нет.[0035] The operation of the device is described below. The
[0036] Ниже описана подсистема управления без использования датчиков положения. Секция 4 определения производной электрического тока измеряет скорость изменения токов piγ, piδ в осях γ-δ во время периода нулевого вектора напряжения. Токи в осях γ-δ получают при помощи преобразования вращательных координат из трехфазных электрических токов iu, iv, iw. Упомянутое преобразование вращательных координат реализуют с помощью метода на основе непрерывного сигнала, с использованием аналогового умножителя или аналогового сумматора-вычитателя, или с помощью метода на основе дискретного сигнала для преобразования трехфазных электрических токов iu, iv, iw с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровые сигналы, и затем выполнения вычисления в секции преобразования сигналов с помощью цифрового преобразователя, например, центрального процессорного блока (CPU).[0036] The following describes the control subsystem without the use of position sensors.
[0037] В данном варианте осуществления изобретения достаточно обнаружения информации piγ, piδ о производной электрического тока в виде скорости изменения, поэтому преобразование вращательных координат может быть реализовано любым из двух упомянутых способов. Например, в случае аналогового преобразования, для получения скорости изменения piγ, piδ, сигнал, полученный после преобразования вращательных координат, обрабатывают с помощью аналогового дифференциатора и затем осуществляют измерение дифференциальной составляющей тока во время периода нулевого вектора напряжения и запоминают это значение. С другой стороны, в случае применения АЦП, электрический ток измеряют и преобразуют в секции преобразования сигнала в множество моментов времени в течение периода нулевого вектора напряжения, а дифференциальную составляющую получают при помощи аппроксимации производной на основе дискретных значений электрического тока в множество моментов времени. Сигналы iγ, iδ электрического тока и информацию о производной электрического тока (скорости изменения) piγ, piδ, полученную с помощью любого из упомянутых способов, применяют для осуществления управления без использования датчиков положения.[0037] In this embodiment of the invention, it is sufficient to detect information pi γ , pi δ about the derivative of the electric current in the form of a rate of change, therefore, the conversion of rotational coordinates can be implemented by either of the two mentioned methods. For example, in the case of analog conversion, in order to obtain the rate of change of pi γ , pi δ , the signal obtained after the conversion of rotational coordinates is processed using an analog differentiator and then the differential component of the current is measured during the period of the zero voltage vector and this value is stored. On the other hand, in the case of using the ADC, the electric current is measured and converted in the section for converting the signal to a multitude of times during the period of the zero voltage vector, and the differential component is obtained by approximating the derivative based on discrete values of the electric current at the multitude of times. Signals i γ , i δ of electric current and information about the derivative of electric current (rate of change) pi γ , pi δ obtained using any of the above methods are used to control without using position sensors.
[0038] В настоящем документе определено уравнение, выражающее базовую характеристику двигателя с постоянными магнитами. В ортогональной координатной системе (координатной системе d-q), которая представлена электрическим углом относительно оси северного полюса реального устройства, обозначенной как ось d, уравнение напряжения двигателя с постоянными магнитами выглядит следующим образом (1):[0038] An equation expressing the basic characteristic of a permanent magnet motor is defined herein. In the orthogonal coordinate system (d-q coordinate system), which is represented by the electric angle relative to the north pole axis of the real device, designated as the d axis, the equation for the voltage of the permanent magnet motor is as follows (1):
[0039][0039]
[0040] где νd, νq представляют собой напряжения по осям d, q; id, iq представляют собой электрические токи по осям d, q; R представляет собой сопротивление обмотки, L представляет собой индуктивность обмотки, φd представляет собой магнитный поток связи с обмоткой статора, который порождается магнитным потоком упомянутого магнита; ω представляет собой угловую скорость ротора (выраженную электрическим углом ω=dθ/dt), θ представляет собой положение магнитного полюса ротора (в виде электрического угла), а p представляет собой оператор дифференцирования (d/dt). В настоящем изобретении, поскольку объектом управления является двигатель с постоянными магнитами, обладающий неявнополюсным свойством, предполагается, что составляющая индукции по оси d и составляющая индукции по оси q являются равными друг другу, и соответственно, они выражаются с использованием общего коэффициента.[0040] where ν d , ν q are stresses along the d, q axes; i d , i q represent electric currents along the axes d, q; R is the resistance of the winding, L is the inductance of the winding, φ d is the magnetic flux of communication with the stator winding, which is generated by the magnetic flux of said magnet; ω is the angular velocity of the rotor (expressed by the electric angle ω = dθ / dt), θ is the position of the magnetic pole of the rotor (in the form of an electric angle), and p is the differentiation operator (d / dt). In the present invention, since the control object is a permanent magnet motor having an implicit property, it is assumed that the induction component along the d axis and the induction component along the q axis are equal to each other, and accordingly, they are expressed using a common coefficient.
[0041] Далее, в уравнении (2) учитывается ошибка фазы (ошибка оси) по отношению к фактической фазе θ, θе=θ-θ∧, по отношению к оценочной фазе θ∧ в координатной системе γ-δ. Используются те же переменные, что и в уравнении (1), с тем предположением, что доступны истинные значения импеданса двигателя и магнитного потока связи постоянного магнита. При этом оценочная угловая скорость ω∧ и оценочная фаза θ∧ связаны как ω∧=θ∧/dt.[0041] Further, in the equation (2), the phase error (axis error) is taken into account with respect to the actual phase θ, θ e = θ-θ ∧ , with respect to the estimated phase θ ∧ in the γ-δ coordinate system. The same variables are used as in equation (1), with the assumption that the true values of the motor impedance and magnetic flux of coupling of the permanent magnet are available. Moreover, the estimated angular velocity ω ∧ and the estimated phase θ ∧ are related as ω ∧ = θ ∧ / dt.
[0042][0042]
[0043] В уравнении (2) допущено, что скорость изменения ошибки θе оси во времени в уравнении (2) является малой, поэтому слагаемое дифференциала ошибки оси можно опустить. При этом в уравнении (2) информацию piγ, piδ о производной электрического тока в координатной системе γ-δ во время периода нулевого вектора напряжения получают при помощи последовательного применения преобразования вращательных координат к измеренным значениям iγ, iδ электрического тока с использованием оценочной фазы θ∧ и дифференцирования.[0043] In equation (2), it is assumed that the rate of change of error of the θ e axis with time in equation (2) is small, therefore, the term of the differential of the axis error can be omitted. Moreover, in equation (2), the information pi γ , pi δ about the derivative of the electric current in the γ-δ coordinate system during the period of the zero voltage vector is obtained by successively applying the transformation of rotational coordinates to the measured values of i γ , i δ of the electric current using the estimated phase θ ∧ and differentiation.
[0044] Выходные напряжения инвертора в течение периода нулевого вектора напряжения равны νγ=0, νδ=0. Соответственно, левая часть уравнения (2) становится нулевой, и уравнение превращается в уравнение (3) для вычисления двигательных электродвижущих сил еγ, еδ, порождаемых магнитным потоком φd связи постоянного магнита.[0044] The inverter output voltages during the period of the zero voltage vector are ν γ = 0, ν δ = 0. Accordingly, the left-hand side of equation (2) becomes zero, and the equation turns into equation (3) to calculate the electromotive forces e γ , e δ generated by the magnetic flux φ d of the permanent magnet coupling.
[0045][0045]
[0046] Положение магнитного полюса вычисляют на основе уравнения (3), выражающего двигательные электродвижущие силы еγ, еδ в течение периода нулевого вектора напряжения. Уравнение (4) получают, применив линию задержки первого порядка дискретной системы к уравнению для оценки скорости. Полоса пропускания линии задержки первого порядка изменяется как ω∧=θ∧/dt в соответствии с уравнением (5).[0046] The position of the magnetic pole is calculated based on equation (3) expressing motor electromotive forces e γ , e δ during the period of the zero voltage vector. Equation (4) is obtained by applying the first-order delay line of a discrete system to the equation for estimating speed. The bandwidth of the first-order delay line changes as ω ∧ = θ ∧ / dt in accordance with equation (5).
[0047][0047]
[0048][0048]
[0049] где α0 представляет собой постоянное значение; λ1, λ2 представляют собой положительные коэффициенты усиления, a z-1 представляет собой последнее значение измерения. Секция 6 оценки скорости вращения, проиллюстрированная на фиг. 1, вычисляет оценочную угловую скорость ω∧ вращения на основе уравнений (4), (5) и выводит оценочную фазу θ∧ через интегратор 7. А именно, секция 5 вычисления индуцированного напряжения выводит двигательные электродвижущие силы еγ, еδ в течение периода нулевого вектора напряжения на основе сигналов iγ, iδ электрического тока в координатной системе γ-δ и информации piγ, piδ о производной электрического тока в течение периода нулевого вектора напряжения с использованием уравнения (3). Секция 6 оценки скорости вращения выполняет вычисления согласно уравнениям (4), (5) с использованием поданных на ее вход двигательных электродвижущих сил еγ, еδ и затем выдает оценочную угловую скорость ω∧. Интегратор 7 вычисляет оценочную фазу θ∧ при помощи интегрирования по времени оценочной угловой скорости ω∧ и затем выводит ее в секцию 3 преобразования вращательных координат и в секцию 10 обратного преобразования вращательных координат для использования в качестве опорной фазы вращательной системы координат.[0049] where α 0 is a constant value; λ 1 , λ 2 are positive gain, az -1 is the last measurement value. The rotational
[0050] В соответствии с данным вариантом осуществления настоящего изобретения в случае, когда двигатель с постоянными магнитами, обладающий неявнополюсным свойством, управляется с помощью инвертора с выполнением ШИМ-модуляции, оценочную фазу θ∧ вычисляют на основе сигналов iγ, iδ электрического тока в координатной системе γ-δ и информации piγ, piδ о производной электрического тока в течение периода нулевого вектора напряжения. Это позволяет осуществлять вычисление индуцированного напряжения без влияния времени запаздывания, и следовательно, реализовывать управление без использования датчиков положения, нормально работающее в области до более низкой границы скоростей.[0050] According to this embodiment of the present invention, in the case where the permanent magnet motor having the non-polar property is controlled by an inverter with PWM modulation, the estimated phase θ ∧ is calculated based on the signals i γ , i δ of the electric current in coordinate system γ-δ and information pi γ , pi δ about the derivative of the electric current during the period of the zero voltage vector. This allows you to calculate the induced voltage without affecting the delay time, and therefore, to implement control without the use of position sensors, which normally works in the region to a lower speed limit.
Вариант №2 осуществления изобретенияOption No. 2 of the invention
[0051] Фиг. 2 иллюстрирует второй вариант осуществления настоящего изобретения, который отличается от первого варианта осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированного на фиг. 1, тем, что секция 11 определения производной электрического тока работает в неподвижной системе координат для получения информации pi′γ, pi′δ. В первом варианте осуществления настоящего изобретения для правильного получения информации о производной электрического тока оценочная фаза θ∧, которую используют для преобразования вращательных координат, должна быть непрерывной или подобной непрерывной. В соответствии с этим, в случае, когда сигналы трехфазного электрического тока преобразуются аналого-цифровым преобразователем в цифровые значения, оценочная фаза θ∧, используемая для преобразования вращательных координат, также должна последовательно обновляться, что увеличивает вычислительную нагрузку. Это учтено во втором варианте осуществления настоящего изобретения, где информацию pi′γ, pi′δ о производной электрического тока получают в неподвижной координатной системе, поэтому оценочную фазу θ∧ не нужно последовательно обновлять, что позволяет обеспечить более простое выполнение вычислений.[0051] FIG. 2 illustrates a second embodiment of the present invention, which is different from the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1, in that the electric current
[0052] В частности, достаточно, чтобы сигналы iγ, iδ электрического тока и информация pi′γ, pi′δ о производной электрического тока измерялись в течение периода нулевого вектора напряжения только в тот момент времени во время периода нулевого вектора напряжения, в котором вычисляются двигательные электродвижущие силы еγ, eδ. Также достаточно, чтобы преобразование координат выполнялось только во время периода нулевого вектора напряжения. Это позволяет сократить время вычисления в CPU и в цифровой схеме, которая выполняет вычисление, и следовательно, такой способ обладает преимуществом, заключающимся в возможности применения даже в схемах с невысоким быстродействием.[0052] In particular, it is sufficient that the signals i γ , i δ of the electric current and information pi ′ γ , pi ′ δ about the derivative of the electric current are measured during the period of the zero voltage vector only at that time during the period of the zero voltage vector, in which calculates motor electromotive forces e γ , e δ . It is also sufficient that the coordinate transformation is performed only during the period of the zero voltage vector. This allows you to reduce the calculation time in the CPU and in the digital circuit that performs the calculation, and therefore, this method has the advantage of being able to be applied even in low-speed circuits.
[0053] Несмотря на то что на фиг. 2 проиллюстрирован пример, в котором измеренные трехфазные электрические токи iu, iv, iw дифференцируют непосредственно, вычисление производной может быть реализовано как с помощью аналогового сигнала, так и с помощью цифрового сигнала. А именно, достаточно, чтобы информация была эквивалентной информации pi′γ, pi′δ о производной электрического тока, необходимой для результирующего вычисления двигательных электродвижущих сил еγ, еδ в течение периода нулевого вектора напряжения. Например, это может быть реализовано с помощью другой последовательности операций, при которой сначала выполняют преобразование из трех фаз в две фазы для получения сигналов тока в ортогональных осях неподвижной системы координат (системы координат α-β), iα, iβ, и затем выполняют вычисление дифференциала, и после этого выполняют преобразование вращательных координат.[0053] Although in FIG. 2 illustrates an example in which the measured three-phase electric currents i u , i v , i w differentiate directly, the calculation of the derivative can be implemented using either an analog signal or a digital signal. Namely, it is sufficient that the information is equivalent to the information pi ′ γ , pi ′ δ on the derivative of the electric current necessary for the resulting calculation of the electromotive forces e γ , e δ during the period of the zero voltage vector. For example, this can be implemented using another sequence of operations, in which the conversion from three phases to two phases is first performed to obtain current signals in the orthogonal axes of the fixed coordinate system (coordinate system α-β), i α , i β , and then perform calculating the differential, and then perform the conversion of rotational coordinates.
[0054] Далее описано вычисление угловой скорости в случае, когда применяют информацию pi′γ, pi′δ о производной электрического тока в соответствии с фиг. 2. Уравнение (6) представляет собой уравнение напряжения двигателя с постоянными магнитами в системе координат, неподвижной относительно обмотки статора.[0054] The following describes the calculation of the angular velocity in the case when the information pi ′ γ , pi ′ δ on the derivative of the electric current in accordance with FIG. 2. Equation (6) is an equation for the voltage of a permanent magnet motor in a coordinate system that is stationary relative to the stator winding.
[0055][0055]
[0056] где να, νβ представляют собой напряжения по осям α, β; iα, iβ представляют собой электрические токи по осям α, β; R представляет собой сопротивление обмотки, L представляет собой индуктивность обмотки; φd представляет собой магнитный поток связи магнита; ω представляет собой угловую скорость ротора (в электрическом угле), θ представляет собой положение магнитного полюса ротора; и p представляет собой оператор дифференцирования. Поскольку уравнение (1) обрабатывают во вращающейся системе координат, матрица импеданса первого слагаемого правой части уравнения (1) содержит составляющую ω∧L, соответствующую двигательной электродвижущей силе, возникающей вследствие магнитного потока, формируемого током обмотки. Напротив, с уравнением (6) работают в неподвижной системе координат, такая составляющая отсутствует, поэтому уравнение является еще более простым.[0056] where ν α , ν β are the stresses along the axes α, β; i α , i β represent electric currents along the axes α, β; R represents the resistance of the winding; L represents the inductance of the winding; φ d represents the magnetic flux of the magnet coupling; ω represents the angular velocity of the rotor (in electric angle), θ represents the position of the magnetic pole of the rotor; and p is a differentiation operator. Since equation (1) is processed in a rotating coordinate system, the impedance matrix of the first term on the right-hand side of equation (1) contains the component ω ∧ L, which corresponds to the electromotive force due to the magnetic flux generated by the winding current. On the contrary, they work with equation (6) in a fixed coordinate system, such a component is absent, therefore, the equation is even simpler.
[0057] В случае, когда дифференциальная составляющая в неподвижной системе координат напрямую преобразуется во вращательную систему координат, вращающуюся с угловой скоростью ω ротора, необходимо использовать приведенную ниже формулу преобразования, в векторном исчислении, в которой ортогональные векторы угловой скорости заданы в координатной системе α-β. А именно, необходимо учесть слагаемое двигательной электродвижущей силы магнитного потока реакции якоря в строгой системе дифференциальных уравнений, учитывающей изменение фазы, используемое для преобразования вращательных координат.[0057] In the case where the differential component in the fixed coordinate system is directly converted into a rotational coordinate system rotating with the angular velocity ω of the rotor, it is necessary to use the transformation formula below in the vector calculus in which the orthogonal angular velocity vectors are specified in the α- coordinate system β. Namely, it is necessary to take into account the term of the electromotive force of the magnetic flux of the armature reaction in a strict system of differential equations that takes into account the phase change used to convert rotational coordinates.
p i(d,q)+ω×i(α,β)=p i(α,β) pi (d, q) + ω × i (α, β) = pi (α, β)
Однако информацию pi′γ, pi′δ о производной электрического тока во вращательной координатной системе на фиг. 2 получают при помощи дифференцирования в неподвижной системе координат и преобразования вращательных координат с использованием оценочной фазы θ∧ в тот момент времени преобразования вращательных координат, в котором отсутствует составляющая фазовых изменений.However, information pi ′ γ , pi ′ δ on the derivative of the electric current in the rotational coordinate system in FIG. 2 are obtained by differentiating in a fixed coordinate system and transforming rotational coordinates using the estimated phase θ ∧ at that moment in time of transforming rotational coordinates in which there is no component of phase changes.
[0058] Ниже приведено описание примера, в котором описанное выше реализовано с помощью вычислений с использованием дискретной системы. В дискретной системе вычисление производной электрических токов по осям αβ может быть аппроксимировано разностью в следующем уравнении.[0058] The following is a description of an example in which the above is implemented by computing using a discrete system. In a discrete system, the calculation of the derivative of electric currents along the αβ axes can be approximated by the difference in the following equation.
[0059][0059]
[0060] где t+ΔT представляет собой два момента времени измерения электрического тока, имеющих интервал ΔT, во время периода нулевого вектора напряжения, a Δiα, Δiβ представляют собой изменения электрического тока за временной интервал ΔT.[0060] where t + ΔT represents two time points of electric current measurement having the interval ΔT during the period of the zero voltage vector, and Δi α , Δi β represent changes in electric current over the time interval ΔT.
[0061] Чтобы использовать разности Δiα, Δiβ электрического тока для преобразования аппроксимированной дифференциальной составляющей вращательных координат, вычисляют оценочную фазу θ∧ для промежуточного момента времени между моментом времени t и моментом времени t+ΔТ и используют ее для преобразования вращательных координат. А именно, поскольку разности Δiα, Δiβ электрического тока уже содержат слагаемое ω×i(α,β), необходимо учесть скорость изменения оценочного угла θ∧ при преобразовании вращательных координат.[0061] In order to use the electric current differences Δi α , Δi β to convert the approximated differential component of the rotational coordinates, the estimated phase θ ∧ for the intermediate time between the time t and the time t + ΔT is calculated and used to convert the rotational coordinates. Namely, since the differences Δi α , Δi β of the electric current already contain the term ω × i (α, β) , it is necessary to take into account the rate of change of the estimated angle θ ∧ when converting rotational coordinates.
[0062] Физический смысл дифференциальной составляющей pi′γ, pi′δ, таким образом, отличается от уравнения (2), для нее нужно использовать уравнение (8). В координатной системе γ-δ, основанной на оценочной фазе θ∧, ее используют в уравнении (8) для учета фазовой ошибки относительно фактической фазы θ, θе=θ-θ∧.[0062] The physical meaning of the differential component pi ′ γ , pi ′ δ , therefore, differs from equation (2), for which it is necessary to use equation (8). In the γ-δ coordinate system based on the estimated phase θ ∧ , it is used in equation (8) to take into account the phase error with respect to the actual phase θ, θ е = θ-θ ∧ .
[0063][0063]
[0064] Остальная часть аналогична первому варианту осуществления настоящего изобретения, при этом изменение фазовой ошибки θе предполагают малым, и следовательно, ее дифференциальной составляющей пренебрегают. Во время периода нулевого вектора напряжения левая часть уравнения (8) становится нулевой, при этом уравнение превращается в уравнение (9) индуцированного напряжения.[0064] The remainder is similar to the first embodiment of the present invention, wherein the change in phase error θ e is assumed to be small, and therefore, its differential component is neglected. During the period of the zero voltage vector, the left side of equation (8) becomes zero, while the equation turns into equation (9) of the induced voltage.
[0065][0065]
[0066] Фиг. 2 иллюстрирует конфигурацию, в которой индуцированное напряжение вычисляется с помощью уравнения (9), а угловая скорость вращения и положение магнитного полюса вычисляются аналогично первому варианту осуществления настоящего изобретения. Физический смысл упомянутой дифференциальной составляющей в неподвижной системе координат был описан на примере дискретной системы, так как в дискретной системы отсутствие изменения фазы более очевидно, по сравнению с аналоговыми системами. Очевидно, дифференцирование электрического тока и преобразование вращательных координат может реализовываться как с помощью аналоговой вычислительной схемы, так и с помощью цифровой схемы. Соответственно, во втором варианте осуществления настоящего изобретения вычисление производной электрического тока не ограничено дискретными системами.[0066] FIG. 2 illustrates a configuration in which the induced voltage is calculated using equation (9), and the angular velocity of rotation and the position of the magnetic pole are calculated similarly to the first embodiment of the present invention. The physical meaning of the mentioned differential component in a fixed coordinate system has been described on the example of a discrete system, since in a discrete system the absence of a phase change is more obvious compared to analog systems. Obviously, the differentiation of the electric current and the transformation of rotational coordinates can be realized both with the help of an analog computational circuit or with the help of a digital circuit. Accordingly, in the second embodiment of the present invention, the calculation of the derivative of the electric current is not limited to discrete systems.
[0067] В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения достаточно, чтобы преобразование вращательных координат выполнялось только в интервалах вычисления индуцированного напряжения, так как вычисление, соответствующее дифференцированию электрического тока, выполняют во вращающейся системе координат. Несмотря на удвоение количества преобразований координат из-за измерения электрического тока и дифференцирования электрического тока, процедура является более простой по сравнению со случаем, в котором выполняют последовательное преобразование вращательных координат.[0067] According to a second embodiment of the present invention, it is sufficient that the rotation coordinate conversion is performed only in the calculation intervals of the induced voltage, since the calculation corresponding to the differentiation of the electric current is performed in a rotating coordinate system. Despite the doubling of the number of coordinate transformations due to the measurement of electric current and differentiation of electric current, the procedure is simpler compared to the case in which the rotational coordinates are sequentially converted.
Вариант №3 осуществления изобретенияOption No. 3 of the invention
[0068] В первом и втором вариантах осуществления настоящего изобретения индуцированное напряжение вычисляют на основе производной электрического тока в течение периода нулевого вектора напряжения. Это позволяет исключить влияние времени запаздывания и задержки срабатывания переключательного элемента, используемого в инверторе, так как изменение электрического тока измеряют в течение периода времени, в котором этот переключательный элемент не работает. Однако, если рассматривать ситуацию более строго, в конфигурации, в которой переключательные элементы, образующие инвертор, являются полупроводниковыми элементами, например, IGBT-транзисторами или диодами, на каждом элементе присутствует падение напряжения, поэтому выходное напряжение инвертора не равно нулю даже в течение периода нулевого вектора напряжения.[0068] In the first and second embodiments of the present invention, the induced voltage is calculated based on the derivative of the electric current during the period of the zero voltage vector. This eliminates the influence of the delay time and the operation delay of the switching element used in the inverter, since the change in electric current is measured over a period of time in which this switching element does not work. However, if we consider the situation more strictly, in a configuration in which the switching elements that form the inverter are semiconductor elements, for example, IGBT transistors or diodes, there is a voltage drop on each element, so the output voltage of the inverter is not zero even during the period of zero voltage vector.
[0069] Для учета описанного выше третий вариант осуществления настоящего изобретения сконфигурирован в соответствии с иллюстрацией фиг. 3. Поскольку составляющая падения напряжения на переключательном элементе связана, как правило, с электрическим током, то выполняют вычисление этой составляющей падения напряжения на переключательном элементе и вводят коррекцию на основе измеренных значений составляющих трехфазного электрического тока. Данный вариант осуществления настоящего изобретения применим к любому из вариантов осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированных на фиг. 1 и 2, однако особенно хорошо подходит для применения к варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 2, что проиллюстрировано на фиг. 3.[0069] To account for the above, a third embodiment of the present invention is configured in accordance with the illustration of FIG. 3. Since the component of the voltage drop across the switching element is connected, as a rule, with electric current, then this component of the voltage drop across the switching element is calculated and a correction is introduced based on the measured values of the components of the three-phase electric current. This embodiment of the present invention is applicable to any of the embodiments of the present invention illustrated in FIG. 1 and 2, however, is particularly well suited to apply to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2, as illustrated in FIG. 3.
[0070] На фиг. 3 позицией 12 обозначена секция коррекции падения напряжения, которая принимает входной сигнал iu, iv, iw трехфазного электрического тока и определяет коррекции νceu(iu), νcev(iu), νcew(iu) падения напряжения относительно значений составляющих электрического тока на основе табличных данных. При этом в уравнении (10) выполняют преобразование во вращающуюся систему координат для получения коррекций νceγ, νceδ падения напряжения.[0070] FIG. 3, 12 denotes a voltage drop correction section that receives an input signal i u , i v , i w of a three-phase electric current and determines corrections ν ceu (i u ), ν cev (i u ), ν cew (i u ) values of the components of the electric current based on tabular data. Moreover, in equation (10), conversion to a rotating coordinate system is performed to obtain corrections ν ceγ , ν ceδ of the voltage drop.
[0071][0071]
[0072] Затем секция 5 вычисления индуцированного напряжения выдает двигательные электродвижущие силы еγ, eδ, при этом уравнение (9) превращается в уравнение (11) путем введения коррекций νceγ, νceδ напряжения.[0072] Then, the induced
[0073][0073]
[0074] В случае, когда проиллюстрированный на фиг. 1 первый вариант осуществления настоящего изобретения модифицируют с использованием коррекций составляющих напряжения, секция 5 вычисления индуцированного напряжения для определения двигательных электродвижущих сил еγ, еδ выполняет вычисление согласно уравнению (12), вместо уравнения (3).[0074] In the case where illustrated in FIG. 1, the first embodiment of the present invention is modified using voltage component corrections, the induced
[0075][0075]
[0076] В соответствии с данным вариантом осуществления настоящего изобретения, отличительная особенность, которая заключается в том, что вычисление электродвижущей силы основано на учете падения напряжения на полупроводниковом переключательном элементе, позволяет осуществлять нормальное управление в области до более низких скоростей вращения. При этом она позволяет повысить точность определения оценочной угловой скорости и положения магнитного полюса, а также уменьшает составляющую пульсации 6f оценочной угловой скорости и положения магнитного полюса, возникающей в результате падения напряжения на упомянутом элементе.[0076] According to this embodiment of the present invention, the distinguishing feature is that the calculation of the electromotive force based on the voltage drop across the semiconductor switching element allows normal control in the region to lower rotation speeds. Moreover, it improves the accuracy of determining the estimated angular velocity and position of the magnetic pole, and also reduces the ripple component 6f of the estimated angular velocity and position of the magnetic pole resulting from a voltage drop on the said element.
Вариант №4 осуществления изобретенияOption No. 4 of the invention
[0077] В третьем варианте осуществления настоящего изобретения обеспечена возможность стабильной работы в области до более низкой границы скорости за счет введения коррекции падения напряжения на полупроводниковых переключательных элементах. Однако, если элементы основной схемы инвертора имеют разброс параметров, то точная коррекция напряжений секцией 12 коррекции падения напряжения может быть невозможной. При этом, что касается коррекций νceγ, νceδ и составляющей электрического тока для вычисления падения напряжения на сопротивлении R обмотки, они могут становиться фактором, порождающим ошибку напряжения, если они не согласованы с информацией о производной электрического тока по времени.[0077] In a third embodiment of the present invention, it is possible to stably operate in a region up to a lower speed limit by introducing a voltage drop correction on the semiconductor switching elements. However, if the elements of the inverter main circuit have a spread of parameters, then accurate voltage correction by voltage
[0078] Соответственно, четвертый вариант осуществления настоящего изобретения разработан для уменьшения факторов, вызывающих ошибки напряжения, за счет применения способов уменьшения ошибок, основанных на статистической обработке данных, и за счет выбора моментов времени для измерения электрического тока. Данный вариант осуществления настоящего изобретения ограничен дискретными системами. На фиг. 4 S0-S7 представляют собой моменты измерения электрического тока, a TS - период отсчета электрического тока.[0078] Accordingly, a fourth embodiment of the present invention is designed to reduce factors causing voltage errors by applying error reduction methods based on statistical processing of data and by selecting time points for measuring electric current. This embodiment of the present invention is limited to discrete systems. In FIG. 4 S0-S7 are the moments of measurement of electric current, and TS is the reference period of the electric current.
[0079] Ниже рассмотрен случай, в котором измерения электрического тока выполняют в восьми моментах времени S0-S7 в одном периоде несущей. При низкой угловой скорости вращения амплитуда управляющего сигнала νu, νv, νw напряжения является малой, поэтому работа переключательного элемента трехфазного инвертора сосредоточена в периоде времени от S1 до S3 и в периоде от S5 до S7 вблизи средней точки треугольной волны несущей. В соответствии с этим, присутствуют два вида периода нулевого вектора напряжения, в котором все три фазы находятся в состоянии ON (включено) в периоде от S3 до S5, и в котором все три фазы находятся в состоянии OFF (выключено) в периоде от S7 до S9. Соответственно, во время этих двух типов периода нулевого вектора напряжения дважды выполняют измерение электрического тока и аналогово-цифровое преобразование - в моменты времени S3 и S5 или S7 и S9.[0079] The following is a case in which electric current measurements are performed at eight times S0-S7 in one carrier period. At a low angular rotation speed, the amplitude of the control signal ν u , ν v , ν w of the voltage is small, therefore, the operation of the switching element of the three-phase inverter is concentrated in the time period from S1 to S3 and in the period from S5 to S7 near the midpoint of the carrier wave. In accordance with this, there are two types of the period of the zero voltage vector, in which all three phases are in the ON state (on) in the period from S3 to S5, and in which all three phases are in the OFF state (off) in the period from S7 to S9. Accordingly, during these two types of the period of the zero voltage vector, electric current measurement and analog-to-digital conversion are performed twice at time points S3 and S5 or S7 and S9.
[0080] Например, если электрические токи, измеренные в моменты времени S3 и S5, обозначить как I3 и I5, то вычисленное значение разности, соответствующей производной электрического тока за этот период, выражается уравнением (13).[0080] For example, if the electric currents measured at times S3 and S5 are denoted as I3 and I5, then the calculated value of the difference corresponding to the derivative of the electric current for this period is expressed by equation (13).
[0081][0081]
[0082] Такое вычисление производной электрического тока реализуют при помощи вычисления разности после преобразования вращательных координат в первом варианте осуществления настоящего изобретения или реализуют при помощи преобразования вращательных координат после вычисления разности в неподвижной системе координат во втором варианте осуществления настоящего изобретения. Таким образом, в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения измерение электрического тока выполняют с упреждением в множество моментов времени синхронно с несущей, и при необходимости, вычисление разности электрического тока выполняют на основе данных между отсчетами в двух точках, между которыми находится пик треугольной волны несущей. С целью управления электрическим током и значением электрического тока для вычисления падения напряжения на сопротивлении R, используют значения отсчетов электрического тока в синхронизации с несущей ШИМ-модуляции в моменты времени S0 и S4 в вершинах треугольной волны несущей. А именно, для измерения электрического тока и его производной, выбирают необходимые части и используют их для измерения электрического тока в множестве точек, синхронизованных с несущей ШИМ-модуляции. Типовой трехфазный инвертор сконфигурирован таким образом, чтобы переключательные элементы, например, IGBT-транзисторы, в которых установлены шесть диодов обратной проводимости, формировали три ветви. Во время периодов нулевого вектора напряжения двух описанных выше типов пути токов, циркулирующих через переключательные элементы, являются различными, поэтому разброс параметров переключательных элементов вызывает ошибки напряжения. Соответственно, с целью усреднения этих двух типов, для вычисления уравнений (11), (12) используют скользящее среднее двух измерений электрического тока в пиковой части и в нижней части треугольной волны несущей. Это позволяет, с помощью статистических методов, подавить составляющую ошибки напряжения.[0082] Such a calculation of the derivative of the electric current is realized by calculating the difference after converting the rotational coordinates in the first embodiment of the present invention or is implemented by converting the rotational coordinates after calculating the difference in the fixed coordinate system in the second embodiment of the present invention. Thus, in the fourth embodiment of the present invention, the measurement of electric current is carried out in advance at many points in time synchronously with the carrier, and if necessary, the calculation of the difference in electric current is performed on the basis of data between samples at two points between which there is a peak of a carrier wave. In order to control the electric current and the value of the electric current to calculate the voltage drop across the resistance R, the values of the samples of the electric current are used in synchronization with the PWM modulation carrier at time instants S0 and S4 at the vertices of the carrier wave. Namely, to measure the electric current and its derivative, the necessary parts are selected and used to measure the electric current at a plurality of points synchronized with the PWM modulation carrier. A typical three-phase inverter is configured so that the switching elements, for example, IGBTs, in which six reverse conductivity diodes are installed, form three branches. During periods of the zero voltage vector of the two types of paths described above, the currents circulating through the switching elements are different, so the variation in the parameters of the switching elements causes voltage errors. Accordingly, in order to average these two types, to calculate equations (11), (12), we use the moving average of two measurements of the electric current at the peak part and at the bottom of the carrier wave. This allows, using statistical methods, to suppress the component of the voltage error.
[0083] Для падения напряжения, определяемого секцией 12 коррекции падения напряжения, и измеренного значения электрического тока, используемого для определения падения напряжения на сопротивлении R, может использоваться значение электрического тока, измеренное в моменты S0, S8 времени вблизи верхнего пика, или значения электрического тока, измеренные в момент S4 вблизи нижнего пика в нижней части несущей. Тем не менее, вместо измерения электрического тока в момент S4 времени может использоваться среднее измеренных значений тока в моменты S3, S5, или же среднее значение измерений электрического тока в моменты S7, S9 времени может использоваться вместо значения электрического тока, измеренного в момент S8 времени.[0083] For the voltage drop determined by the voltage
[0084] Фиг. 5 иллюстрирует результат моделирования в случае применения четвертого варианта осуществления настоящего изобретения, при этом фиг. 5А иллюстрирует угловую скорость, фиг. 5В иллюстрирует составляющие электрического тока по двум осям, фиг. 5С иллюстрирует крутящий момент, а фиг. 5D иллюстрирует разность между фактическим положением магнитного полюса и расчетным положением магнитного полюса. Фиг. 5 иллюстрирует случай, в котором крутящий момент нагрузки изменяется в момент t2 времени, а сигнал управления угловой скоростью изменяется в момент t6 времени. Несмотря на то, что обычно есть возможность точно вычислить положение и угловую скорость на основе электродвижущей силы только в области до около 5-10% от номинала, фиг. 5D показывает, что ошибка θе является очень малой, при этом есть возможность точно вычислить положение и угловую скорость, даже когда угловая скорость составляет менее 5% или пересекает 0%, переходя от нормального вращения к обратному вращению.[0084] FIG. 5 illustrates a simulation result in the case of a fourth embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A illustrates angular velocity, FIG. 5B illustrates electric current components along two axes; FIG. 5C illustrates the torque, and FIG. 5D illustrates the difference between the actual position of the magnetic pole and the calculated position of the magnetic pole. FIG. 5 illustrates a case in which the load torque changes at time t2 and the angular velocity control signal changes at time t6. Despite the fact that it is usually possible to accurately calculate the position and angular velocity based on electromotive force only in the region up to about 5-10% of the nominal value, FIG. 5D shows that the error θ e is very small, while it is possible to accurately calculate the position and angular velocity, even when the angular velocity is less than 5% or crosses 0%, moving from normal rotation to reverse rotation.
[0085] В соответствии с этим, в данном варианте осуществления изобретения: (1) обеспечено согласование по времени, так что дифференцирование основано на измерениях электрического тока на пике несущей или вблизи него, используемых в качестве измеренного значения электрического тока, или (2) используют среднее составляющих электрического тока в двух точках до и после пика для разности, аппроксимирующей производную электрического тока, вместо значения электрического тока, отсчитываемого синхронно на пике несущей. Это позволяет согласовывать дифференциальную составляющую электрического тока с электрическим током, используемым для коррекции νce напряжения и падения напряжения на сопротивлении R во времени, и следовательно, уменьшить влияние шума. Также это позволяет ослабить значимость разброса параметров полупроводниковых элементов с помощью статистических методов, при этом берут скользящее среднее значений электрического тока в течение двух типов периода нулевого вектора напряжения в пиковой части и в нижней части.[0085] Accordingly, in this embodiment of the invention: (1) time matching is provided, so that differentiation is based on measurements of electric current at or near the carrier peak, used as a measured electric current value, or (2) use the average of the components of the electric current at two points before and after the peak for the difference approximating the derivative of the electric current, instead of the value of the electric current counted synchronously on the peak of the carrier. This allows you to match the differential component of the electric current with the electric current used to correct ν ce voltage and voltage drop across the resistance R in time, and therefore, reduce the effect of noise. This also makes it possible to weaken the significance of the spread in the parameters of semiconductor elements using statistical methods, while taking a moving average of the values of the electric current for two types of the period of the zero voltage vector in the peak part and in the lower part.
Вариант №5 осуществления изобретенияOption No. 5 of the invention
[0086] Секция 12 коррекции падения напряжения в третьем варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 3, использует табличные данные для составляющей падения напряжения, соответствующей измеренным значениям составляющих трехфазного электрического тока. Аналогично, в пятом варианте осуществления настоящего изобретения секция 12 коррекции падения напряжения использует табличные данные для вычисления составляющей падения напряжения. Однако пятый вариант осуществления настоящего изобретения сконфигурирован таким образом, что табличные данные могут задаваться индивидуально для каждой фазы, а также для каждой из полярностей - положительной и отрицательной. Это позволяет осуществлять более точную коррекцию, даже когда упомянутые полупроводниковые элементы имеют разброс параметров.[0086] The voltage
[0087] Соответственно, данный вариант осуществления настоящего изобретения позволяет выполнять коррекцию индивидуально в соответствии с разбросом параметров переключательных элементов, и следовательно, точно корректировать составляющую падения напряжения.[0087] Accordingly, this embodiment of the present invention allows correction to be performed individually in accordance with the variation in the parameters of the switching elements, and therefore, precisely adjust the voltage drop component.
[0088] Согласно предшествующему описанию, в соответствии с настоящим изобретением оценочную фазу θ∧ вычисляют на основе сигналов iγ, iδ электрического тока и информации piγ, piδ о производной электрического тока в координатной системе γ-δ в течение периода нулевого вектора напряжения. Это позволяет вычислять индуцированное напряжение с устранением влияния времени запаздывания, и следовательно, позволяет осуществлять нормальное управление без использования датчиков положения в области до более низких скоростей вращения.[0088] According to the preceding description, in accordance with the present invention, the estimated phase θ ∧ is calculated based on the signals i γ , i δ of the electric current and information pi γ , pi δ about the derivative of the electric current in the γ-δ coordinate system during the period of the zero voltage vector . This allows you to calculate the induced voltage with the elimination of the influence of the delay time, and therefore, allows normal control without the use of position sensors in the region to lower rotation speeds.
Claims (13)
сигнал управления электрическим током формируют на основе сигнала управления скоростью и оценочной скорости;
сигнал управления напряжением формируют на основе упомянутого сигнала управления электрическим током и измеренного значения электрического тока в координатной системе γ-δ, при этом упомянутое измеренное значение электрического тока измеряют посредством секции преобразования вращательных координат; и
упомянутым двигателем с постоянными магнитами управляют при помощи инвертора, при этом инвертором управляют при помощи секции обратного преобразования вращательных координат и ШИМ-модуляции;
отличающееся тем, что
секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательную электродвижущую силу (еγ, еδ) на основе поданных на ее вход измеренного значения (iγ, iδ) электрического тока и информации (piγ, piδ) о производной электрического тока в координатной системе γ-δ в течение периода нулевого вектора напряжения;
секция оценки угловой скорости вращения определяет оценочную угловую скорость (ω∧) на основе двигательной электродвижущей силы (еγ, еδ), вычисленной упомянутой секцией вычисления индуцированного напряжения;
оценочную фазу (θ∧) вычисляют с помощью интегрирования упомянутой оценочной угловой скорости вращения по времени; и
упомянутую оценочную фазу выводят в упомянутую секцию преобразования вращательных координат и в секцию обратного преобразования вращательных координат и используют как опорную фазу вращающейся системы координат.1. A control device without the use of position sensors for a permanent magnet motor, in which:
an electric current control signal is generated based on a speed control signal and an estimated speed;
a voltage control signal is generated based on said electric current control signal and a measured value of electric current in the γ-δ coordinate system, wherein said measured electric current value is measured by a rotational coordinate conversion section; and
said permanent magnet motor is controlled by an inverter, while the inverter is controlled by a section for the inverse transformation of rotational coordinates and PWM modulation;
characterized in that
the induced voltage calculation section calculates the electromotive force (e γ , e δ ) based on the measured current value (i γ , i δ ) of the electric current and information (pi γ , pi δ ) on the derivative of the electric current in the γ- coordinate system δ during the period of the zero voltage vector;
the angular rotational speed estimation section determines the estimated angular velocity (ω ∧ ) based on the electromotive force (e γ , e δ ) calculated by the induced voltage calculation section;
the estimated phase (θ ∧ ) is calculated by integrating said estimated angular velocity of rotation over time; and
said evaluation phase is outputted to said rotation coordinate transformation section and to a rotation coordinate inverse transformation section, and is used as a reference phase of a rotating coordinate system.
где R представляет собой сопротивление обмотки, L представляет собой индуктивность обмотки, φd представляет собой магнитный поток связи, а p представляет собой оператор дифференцирования (d/dt).2. The device according to p. 1, characterized in that the said section of the calculation of the induced voltage calculates the motor electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
where R is the resistance of the winding, L is the inductance of the winding, φ d is the magnetic flux of coupling, and p is the differentiation operator (d / dt).
где α=α0+λ2|ω∧|, α0 - постоянная, λ1, λ2 представляют собой положительные коэффициенты усиления, a z-1 представляет собой последнее считанное значение.3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that said rotation speed estimation section calculates said estimated angular velocity (ω ∧ ) using the following equation:
where α = α 0 + λ 2 | ω ∧ |, α 0 is a constant, λ 1 , λ 2 are positive gains, az -1 is the last read value.
на стороне ввода измеренного электрического тока в упомянутую секцию преобразования вращательных координат имеется секция определения производной электрического тока, и упомянутая секция преобразования вращательных координат принимает входные данные измерения трехфазного электрического тока в течение периода нулевого вектора напряжения упомянутой ШИМ-модуляции и производную этого электрического тока; и
упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет двигательную электродвижущую силу (еγ, еδ) на основе поданного на ее вход измеренного значения (iγ, iδ) электрического тока и информации (
on the input side of the measured electric current into said rotational coordinate conversion section, there is a section for determining a derivative of electric current, and said rotational coordinate conversion section receives input data of measuring a three-phase electric current during a period of zero voltage vector of said PWM modulation and a derivative of this electric current; and
said induced voltage calculation section calculates a motor electromotive force (e γ , e δ ) based on the measured current value (i γ , i δ ) of electric current and information (
5. The device according to p. 4, characterized in that the said section of the calculation of the induced voltage calculates the mentioned motor electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
имеется секция коррекции падения напряжения на стороне входа упомянутой секции преобразования вращательных координат для коррекции падения напряжения на переключательном элементе, при этом упомянутая секция преобразования вращательных координат принимает входные данные измерения трехфазного электрического тока, выполняемого во время периода нулевого вектора напряжения упомянутой ШИМ-модуляции, и входные данные коррекции падения напряжения из секции коррекции падения напряжения; и
упомянутая секция вычисления индуцированного напряжения вычисляет упомянутую двигательную электродвижущую силу на основе вводимого значения измеренного электрического тока, упомянутой информации о производной электрического тока и упомянутой коррекции падения напряжения.7. The device according to p. 1 or 4, characterized in that
there is a voltage drop correction section on the input side of the said rotational coordinate conversion section for correcting the voltage drop on the switching element, said rotational coordinate conversion section receiving input data of three-phase electric current measurement performed during the period of the zero voltage vector of said PWM modulation, and input voltage drop correction data from the voltage drop correction section; and
said induced voltage calculation section calculates said electromotive force on the basis of the input value of the measured electric current, said information about the derivative of the electric current, and said voltage drop correction.
где νceγ, νceδ представляют собой коррекции напряжения.9. The device according to p. 4, characterized in that the said induced voltage calculation section calculates a motor electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
where ν ceγ , ν ceδ are voltage corrections.
10. The device according to p. 1, characterized in that the said section of the calculation of the induced voltage calculates the mentioned motor electromotive force (e γ , e δ ) using the following equation:
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011-177371 | 2011-08-15 | ||
| JP2011177371 | 2011-08-15 | ||
| PCT/JP2012/070312 WO2013024780A1 (en) | 2011-08-15 | 2012-08-09 | Pm motor position-sensorless control device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2560090C1 true RU2560090C1 (en) | 2015-08-20 |
Family
ID=47715099
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014109115/07A RU2560090C1 (en) | 2011-08-15 | 2012-08-09 | Electric motor control unit with permanent magnets without position sensors |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5733404B2 (en) |
| CN (1) | CN103733504B (en) |
| RU (1) | RU2560090C1 (en) |
| WO (1) | WO2013024780A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2683586C1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-03-29 | Дмитрий Валерьевич Хачатуров | Control method of synchronous electric motor on permanent magnets |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3026767B2 (en) | 1997-02-03 | 2000-03-27 | 皓一 北村 | Collection equipment for driftwood |
| JP6150211B2 (en) * | 2013-08-09 | 2017-06-21 | 有限会社シー・アンド・エス国際研究所 | Digital rotor phase speed estimation device for AC motor |
| JP6150212B2 (en) * | 2013-08-18 | 2017-06-21 | 有限会社シー・アンド・エス国際研究所 | Digital rotor phase speed estimation device for AC motor |
| DE102015214839A1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Method for discrete-time control of an electronically commutated electric motor |
| JP6939800B2 (en) * | 2016-09-07 | 2021-09-22 | 日本電産株式会社 | Motor control method, motor control system and electric power steering system |
| CN107547027B (en) * | 2017-10-25 | 2020-07-21 | 株洲易力达机电有限公司 | Single-resistor motor current sampling method |
| JP7456834B2 (en) | 2020-03-31 | 2024-03-27 | ミネベアミツミ株式会社 | Motor control device, motor system and motor control method |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3026202A1 (en) * | 1980-07-10 | 1982-02-04 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | TURNFIELD MACHINE DRIVE WITH A CONVERTER-DRIVEN TURNFIELD MACHINE AND A CONVERTER CONTROLLER CONNECTED WITH TWO AC VOLTAGE INTEGRATORS AND A COMPUTER MODEL CIRCUIT |
| RU2092967C1 (en) * | 1995-07-27 | 1997-10-10 | Новосибирский государственный технический университет | Electric drive using synchronous motor |
| RU2141719C1 (en) * | 1998-03-25 | 1999-11-20 | Мищенко Владислав Алексеевич | Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor |
| JP3411878B2 (en) * | 2000-03-06 | 2003-06-03 | 株式会社日立製作所 | Method for estimating rotor position of synchronous motor, control method without position sensor, and control device |
| JP2008092781A (en) * | 2006-09-30 | 2008-04-17 | C & S Kokusai Kenkyusho:Kk | Drive control method for permanent magnet synchronous motor |
| EP1959553A1 (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-20 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Motor control device |
| RU99911U1 (en) * | 2010-08-05 | 2010-11-27 | Кочанов Юрий Иванович | MULTI-PHASE MOTOR MOTOR VECTOR SENSOR-FREE CONTROL SYSTEM |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4230276B2 (en) * | 2003-05-19 | 2009-02-25 | 本田技研工業株式会社 | Brushless DC motor control device |
| JP4637616B2 (en) * | 2005-03-16 | 2011-02-23 | 本田技研工業株式会社 | Brushless DC motor control device |
| JP4674516B2 (en) * | 2005-09-27 | 2011-04-20 | 株式会社デンソー | Method for estimating magnetic pole position of synchronous motor |
| CN101630938A (en) * | 2009-07-28 | 2010-01-20 | 哈尔滨工业大学 | Method for identifying initial position of rotor of permanent magnet synchronous motor of non-position sensor |
-
2012
- 2012-08-09 WO PCT/JP2012/070312 patent/WO2013024780A1/en not_active Ceased
- 2012-08-09 CN CN201280039669.0A patent/CN103733504B/en not_active Expired - Fee Related
- 2012-08-09 RU RU2014109115/07A patent/RU2560090C1/en not_active IP Right Cessation
- 2012-08-09 JP JP2013528991A patent/JP5733404B2/en active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3026202A1 (en) * | 1980-07-10 | 1982-02-04 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | TURNFIELD MACHINE DRIVE WITH A CONVERTER-DRIVEN TURNFIELD MACHINE AND A CONVERTER CONTROLLER CONNECTED WITH TWO AC VOLTAGE INTEGRATORS AND A COMPUTER MODEL CIRCUIT |
| RU2092967C1 (en) * | 1995-07-27 | 1997-10-10 | Новосибирский государственный технический университет | Electric drive using synchronous motor |
| RU2141719C1 (en) * | 1998-03-25 | 1999-11-20 | Мищенко Владислав Алексеевич | Method and electric drive for vector control of permanent-magnet synchronous motor |
| JP3411878B2 (en) * | 2000-03-06 | 2003-06-03 | 株式会社日立製作所 | Method for estimating rotor position of synchronous motor, control method without position sensor, and control device |
| JP2008092781A (en) * | 2006-09-30 | 2008-04-17 | C & S Kokusai Kenkyusho:Kk | Drive control method for permanent magnet synchronous motor |
| EP1959553A1 (en) * | 2007-02-15 | 2008-08-20 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Motor control device |
| US7482777B2 (en) * | 2007-02-15 | 2009-01-27 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Motor control device |
| RU99911U1 (en) * | 2010-08-05 | 2010-11-27 | Кочанов Юрий Иванович | MULTI-PHASE MOTOR MOTOR VECTOR SENSOR-FREE CONTROL SYSTEM |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2683586C1 (en) * | 2018-03-20 | 2019-03-29 | Дмитрий Валерьевич Хачатуров | Control method of synchronous electric motor on permanent magnets |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103733504B (en) | 2016-08-17 |
| CN103733504A (en) | 2014-04-16 |
| JPWO2013024780A1 (en) | 2015-03-05 |
| JP5733404B2 (en) | 2015-06-10 |
| WO2013024780A1 (en) | 2013-02-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2560090C1 (en) | Electric motor control unit with permanent magnets without position sensors | |
| US8044618B2 (en) | Control apparatus for AC motor | |
| US5903128A (en) | Sensorless control system and method of permanent magnet synchronous motor | |
| EP2566045A2 (en) | Sensorless control apparatus for synchronous motor and inverter apparatus | |
| EP2258043B1 (en) | Sensorless control of salient-pole machines | |
| KR101852754B1 (en) | Sensoelss control system for permanent magnet synchronous machine | |
| Antonello et al. | Benefits of direct phase voltage measurement in the rotor initial position detection for permanent-magnet motor drives | |
| CN108347207B (en) | Position and speed estimation method of permanent magnet synchronous motor based on complex PI controller | |
| JP3687603B2 (en) | PM motor magnetic pole position estimation method | |
| US20160056743A1 (en) | Motor drive control apparatus and motor drive control method | |
| JP2001309697A (en) | Motor control device | |
| EP3373444B1 (en) | Apparatus for estimating initial position of rotor of motor | |
| TW201601445A (en) | System, method and apparatus of sensor-less field oriented control for permanent magnet motor | |
| US9774285B2 (en) | Voltage sense control circuit, voltage sense control driving circuit and driving method for permanent magnet synchronous motor | |
| CN111656674B (en) | Control device, control method, and motor drive system for power conversion device | |
| JP2011078222A (en) | Motor drive control circuit | |
| CN112636653A (en) | Non-inductive control circuit and method for permanent magnet synchronous motor of automobile electronic water pump | |
| US7161324B1 (en) | Device for estimating pole position of synchronous motor | |
| JP2012186911A (en) | Motor control device | |
| JP4632157B2 (en) | Permanent magnet motor drive system | |
| Tang et al. | Assessments of dead beat current control for high speed permanent magnet synchronous motor drives | |
| JP5186352B2 (en) | Electric motor magnetic pole position estimation device | |
| JP6108114B2 (en) | Control device for permanent magnet type synchronous motor | |
| CN117439471A (en) | Position estimation for permanent magnet synchronous motor via rotor flux space vector identification | |
| CN117616686A (en) | Method and apparatus for controlling a three-phase motor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180810 |