JP6563135B2 - Motor control device - Google Patents
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Description
この発明は、モータの制御装置に関し、より特定的には、ロータの回転角を検出する位置センサを用いることなくモータを駆動するセンサレス制御に関する。 The present invention relates to a motor control device, and more particularly to sensorless control for driving a motor without using a position sensor for detecting a rotation angle of a rotor.
従来より、ベクトル制御に代表されるロータ回転位置(回転角)を用いるモータ制御において、位置センサを配置せずに、推定演算によって求められた回転角を用いるセンサレス制御が知られている。センサレス制御では、モータ電流に基づく磁束演算によって回転角を推定するので、モータ電流が小さい低速領域では、推定精度の低下によって制御精度が低下する傾向になる。 Conventionally, in motor control using a rotor rotation position (rotation angle) typified by vector control, sensorless control using a rotation angle obtained by estimation calculation without arranging a position sensor is known. In sensorless control, since the rotation angle is estimated by magnetic flux calculation based on the motor current, the control accuracy tends to decrease due to a decrease in estimation accuracy in a low speed region where the motor current is small.
この点に対処するため、特許第4370754号公報(特許文献1)には、インバータ出力電圧に高周波信号を重畳させて推定を行うことによって、低速領域での推定精度を高めるように構成されたセンサレス制御装置が記載されている。 In order to cope with this point, Japanese Patent No. 4370754 (Patent Document 1) discloses a sensorless system configured to improve estimation accuracy in a low speed region by superimposing a high frequency signal on an inverter output voltage. A control device is described.
しかしながら、特許文献1に記載された制御装置では、高調波信号を発生し、さらに、高調波信号と同一の周波数成分を抽出するための構成が必要となる。このため、制御構成の複雑化により、高処理速度のプロセッサが必要となることによるコスト上昇の虞がある。さらに、モータ電流に高調波成分が重畳することにより、トルク脈動による振動の発生や騒音の増加を招くことも懸念される。したがって、このような高調波信号を重畳させることなく、低速領域におけるセンサレス制御の精度を改善することが望まれる。 However, the control device described in Patent Document 1 requires a configuration for generating a harmonic signal and further extracting the same frequency component as the harmonic signal. For this reason, there is a risk of cost increase due to the need for a processor with a high processing speed due to the complexity of the control configuration. Furthermore, there is a concern that harmonic components are superimposed on the motor current, which may cause vibration due to torque pulsation and increase in noise. Therefore, it is desired to improve the accuracy of sensorless control in the low speed region without superimposing such harmonic signals.
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、簡易な制御構成で、モータのセンサレス制御の低速領域における制御精度を高めることである。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to improve control accuracy in a low speed region of sensorless control of a motor with a simple control configuration.
この発明に係るモータの制御装置は、位置センサが非配置とされるモータの制御装置であって、直流電源と、インバータと、電流検出部と、制御部とを備える。インバータは、直流電源からの直流電圧をモータへ印加される交流電圧に変換するように構成される。電流検出部は、モータを流れるモータ電流を検出するように構成される。制御部は、インバータを構成する複数の半導体スイッチング素子のオンオフを制御するための制御信号を生成するように構成される。制御部は、電流検出部による検出値に基づくモータ電流のフィードバック制御時において、モータの回転速度を上昇させる運転の途中でモータ電流が減少するタイミングを有するように制御信号を生成する。 A motor control device according to the present invention is a motor control device in which a position sensor is not disposed, and includes a DC power supply, an inverter, a current detection unit, and a control unit. The inverter is configured to convert a DC voltage from a DC power source into an AC voltage applied to the motor. The current detection unit is configured to detect a motor current flowing through the motor. The control unit is configured to generate a control signal for controlling on / off of the plurality of semiconductor switching elements constituting the inverter. The control unit generates a control signal so as to have a timing at which the motor current decreases during the operation of increasing the rotation speed of the motor during the feedback control of the motor current based on the detection value by the current detection unit.
この発明によれば、簡易な制御構成で、モータのセンサレス制御の低速領域における制御精度を高めることができる。 According to the present invention, the control accuracy in the low speed region of the sensorless control of the motor can be enhanced with a simple control configuration.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, the same parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
図1は、本実施の形態に従うモータの制御装置が適用されたシステムの概略構成を示すブロック図である。 FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a system to which a motor control device according to the present embodiment is applied.
図1を参照して、モータシステム10は、交流電源12からの電力によってモータ15を駆動制御する。モータ15は、各種機器の構成要素として設けられる。たとえば、モータ15は、空調機器の室外ファンモータとして設けることができる。 Referring to FIG. 1, motor system 10 drives and controls motor 15 with electric power from AC power supply 12. The motor 15 is provided as a component of various devices. For example, the motor 15 can be provided as an outdoor fan motor of an air conditioner.
交流電源12は、代表的には商用系統電源によって構成することができる。モータ15は、たとえば、モータの回転子(ロータ)に永久磁石を有する永久磁石同期モータによって構成される。図1の例では、モータ15は、三相の永久磁石同期モータによって構成されている。 The AC power supply 12 can typically be constituted by a commercial power supply. The motor 15 is constituted by, for example, a permanent magnet synchronous motor having a permanent magnet on a rotor (rotor) of the motor. In the example of FIG. 1, the motor 15 is configured by a three-phase permanent magnet synchronous motor.
整流部20は、交流電源12からの交流電圧を整流して電力線PLおよびNL間に出力する。整流部20は、代表的にはダイオードブリッジで構成することができる。さらに、電力線PLおよびNL間には、平滑コンデンサ30が接続される。これにより、電力線PLおよびNL間には、直流電圧が発生される。 Rectifier 20 rectifies the AC voltage from AC power supply 12 and outputs the rectified voltage between power lines PL and NL. The rectifying unit 20 can be typically constituted by a diode bridge. Further, smoothing capacitor 30 is connected between power lines PL and NL. Thereby, a DC voltage is generated between power lines PL and NL.
電圧検出部35は、電力線PLおよびNL間の電圧を検出する。電圧検出部35による検出信号は、制御部100へ入力される。以下では、電圧検出部35によって検出された直流電圧をVdcと表記する。 Voltage detector 35 detects a voltage between power lines PL and NL. A detection signal from the voltage detection unit 35 is input to the control unit 100. Hereinafter, the DC voltage detected by the voltage detection unit 35 is denoted as Vdc.
このように、交流電源12、整流部20および平滑コンデンサ30によって、直流電圧を出力する「直流電源」の一実施例が構成される。なお、本実施の形態において、直流電源の構成は特に限定されるものではなく、二次電池等の蓄電装置や発電機等を用いて、直流電源を構成することも可能である。 As described above, the AC power supply 12, the rectifying unit 20, and the smoothing capacitor 30 constitute an example of a “DC power supply” that outputs a DC voltage. Note that in this embodiment, the configuration of the DC power supply is not particularly limited, and the DC power supply can be configured using a power storage device such as a secondary battery, a generator, or the like.
インバータ40は、一般的な三相インバータの回路構成を有し、電力線PL,NL上の直流電圧を三相の交流電圧に変換してモータ15の各相に印加する。インバータ40は、一般的な三相インバータの回路構成を有し、電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)Q1〜Q6を有する。スイッチング素子Q1〜Q6は、U相、V相、W相の上アームおよび下アームをそれぞれ構成している。 Inverter 40 has a circuit configuration of a general three-phase inverter, converts a DC voltage on power lines PL and NL into a three-phase AC voltage, and applies it to each phase of motor 15. Inverter 40 has a general three-phase inverter circuit configuration and includes power semiconductor switching elements (hereinafter also simply referred to as “switching elements”) Q1 to Q6. Switching elements Q1 to Q6 constitute an upper arm and a lower arm of the U phase, the V phase, and the W phase, respectively.
U相アームの中間ノードNu、すなわち、電力線PLおよびNL間に直列接続されたスイッチング素子Q1およびQ2の接続ノードは、電力線41Uによって、モータ15のU相コイル巻線(図示せず)と接続される。同様に、V相アームの中間ノードNv(スイッチング素子Q3およびQ4の接続ノード)は、電力線41Vによって、モータ15のV相コイル巻線(図示せず)と接続される。また、W相アームの中間ノードNw(スイッチング素子Q5およびQ6の接続ノード)は、電力線41Wによって、モータ15のW相コイル巻線(図示せず)と接続される。 An intermediate node Nu of the U-phase arm, that is, a connection node of switching elements Q1 and Q2 connected in series between power lines PL and NL is connected to a U-phase coil winding (not shown) of motor 15 by power line 41U. The Similarly, intermediate node Nv (connection node of switching elements Q3 and Q4) of the V-phase arm is connected to a V-phase coil winding (not shown) of motor 15 by power line 41V. Intermediate node Nw (connection node of switching elements Q5 and Q6) of the W-phase arm is connected to a W-phase coil winding (not shown) of motor 15 by power line 41W.
なお、図1に示されたインバータ40の構成は一例であり、直流電源からの直流電圧を、モータ15へ印加される交流電圧に変換する機能を有するものであれば、インバータ40には任意の回路構成を適用することができる。 The configuration of the inverter 40 shown in FIG. 1 is an example, and the inverter 40 has any function as long as it has a function of converting a DC voltage from a DC power source into an AC voltage applied to the motor 15. A circuit configuration can be applied.
電力線41U,41V,41Wには、モータ15を流れるモータ電流(相電流)を検出するための電流検出部50が配置される。電流検出部50による検出信号は、制御部100へ入力される。以下では、電流検出部50によって検出された各相のモータ電流を、U相電流Iu、V相電流IvおよびW電流Iwとも表記する。なお、三相分を包括する場合には、単にモータ電流Iu,Iv,Iwとも称する。 A current detection unit 50 for detecting a motor current (phase current) flowing through the motor 15 is disposed on the power lines 41U, 41V, 41W. A detection signal from the current detection unit 50 is input to the control unit 100. Hereinafter, the motor current of each phase detected by the current detection unit 50 is also referred to as a U-phase current Iu, a V-phase current Iv, and a W current Iw. In addition, when including three phases, it is also simply referred to as motor currents Iu, Iv, and Iw.
電流検出部50は、電力線41U,41V,41Wのうちの少なくとも2相に設けられた電流検出器を有する。各電流検出器は、カレントトランスやシャント抵抗によって構成することができる。なお、図1の例のように、三相すべてに電流検出器を配置してもよいが、三相の瞬時電流の和が0(Iu+Iw+Iv=0)であることを利用して、2相のみに電流検出器を設けて、残りの1相分については、制御部100が演算で求めることも可能である。 The current detection unit 50 includes current detectors provided in at least two phases of the power lines 41U, 41V, and 41W. Each current detector can be constituted by a current transformer or a shunt resistor. As in the example of FIG. 1, current detectors may be arranged in all three phases, but only two phases are utilized by utilizing that the sum of the three-phase instantaneous currents is 0 (Iu + Iw + Iv = 0). It is also possible to provide a current detector in the control unit 100 and calculate the remaining one phase by calculation.
制御部100は、代表的にはマイクロコンピュータによって構成することができる。制御部100は、制御信号S1〜S6によってインバータ40での電力変換を制御することによって、モータ15の出力を制御する。図1から理解されるように、モータ15にはロータの回転角を検出する位置センサは配置されておらず、センサレス制御によってモータ15の出力は制御される。制御部100は、電圧検出部35からの直流電圧Vdcおよび電流検出部50からのモータ電流Iu,Iv,Iwを用いて、インバータ40のスイッチング素子Q1〜Q6のオンオフを制御する制御信号S1〜S6を生成する。 The control unit 100 can typically be configured by a microcomputer. The control unit 100 controls the output of the motor 15 by controlling the power conversion in the inverter 40 by the control signals S1 to S6. As can be understood from FIG. 1, the motor 15 is not provided with a position sensor for detecting the rotation angle of the rotor, and the output of the motor 15 is controlled by sensorless control. Control unit 100 uses DC voltage Vdc from voltage detection unit 35 and motor currents Iu, Iv, Iw from current detection unit 50 to control signals S1 to S6 for controlling on / off of switching elements Q1 to Q6 of inverter 40. Is generated.
図2は、本実施の形態に従うモータ制御装置による制御構成を説明するための機能ブロック図である。なお、図2および以降で説明する複数の機能ブロック図の各々において、各ブロックの機能は、制御部100による所定プログラムの実行(ソフトウェア処理)および/または制御部100に内蔵された電子回路(ハードウェア処理)によって実現することができる。 FIG. 2 is a functional block diagram for illustrating a control configuration by the motor control device according to the present embodiment. 2 and each of a plurality of functional block diagrams described later, the function of each block is to execute a predetermined program (software processing) by the control unit 100 and / or an electronic circuit (hardware) built in the control unit 100. Hardware processing).
図2を参照して、モータ制御部110は、速度指令値生成部120と、モータ制御演算部130と、制御信号生成部140とを含む。 Referring to FIG. 2, motor control unit 110 includes a speed command value generation unit 120, a motor control calculation unit 130, and a control signal generation unit 140.
速度指令値生成部120は、モータ15の速度指令値ω*を生成する。たとえば、モータ15が空調機器の室外ファンモータである場合には、当該空調機器の運転状態に基づいて速度指令値ω*が生成される。 The speed command value generation unit 120 generates a speed command value ω * for the motor 15. For example, when the motor 15 is an outdoor fan motor of an air conditioner, the speed command value ω * is generated based on the operating state of the air conditioner.
モータ制御演算部130は、電圧検出部35によって検出された直流電圧Vdcと、電流検出部50によって検出されたモータ電流Iu,Iv,Iwに基づいて、インバータ40のU相、V相およびW相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を生成する。たとえば、各相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*は、同一の振幅を有し、かつ、位相が互いに120°(電気角)ずつずれた正弦波状の交流電圧波形を有する。モータ制御演算部130は、モータ15の回転速度が速度指令値ω*と一致させるように、当該交流電圧の位相および位相を制御することができる。 The motor control calculation unit 130 generates a U phase, a V phase, and a W phase of the inverter 40 based on the DC voltage Vdc detected by the voltage detection unit 35 and the motor currents Iu, Iv, Iw detected by the current detection unit 50. Voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * are generated. For example, the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * for each phase have the same amplitude and have a sinusoidal AC voltage waveform whose phases are shifted from each other by 120 ° (electrical angle). The motor control calculation unit 130 can control the phase and the phase of the AC voltage so that the rotation speed of the motor 15 matches the speed command value ω *.
制御信号生成部140は、インバータ40の各相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に従って、スイッチング素子Q1〜Q6の制御信号S1〜S6を生成する。たとえば、制御信号S1〜S6は、スイッチング素子Q1〜Q6のオンオフを制御するためのパルス信号とされる。 Control signal generation unit 140 generates control signals S1 to S6 for switching elements Q1 to Q6 in accordance with voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * for each phase of inverter 40. For example, control signals S1 to S6 are pulse signals for controlling on / off of switching elements Q1 to Q6.
代表的には、制御信号生成部140は、各相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*と所定周波数のキャリア波(たとえば、三角波)との電圧比較に基づくパルス幅変調(PWM)制御によって、制御信号S1〜S6を生成することができる。具体的には、U相においては、交流電圧波形を有する電圧指令値Vu*が、キャリア波(三角波)の電圧より高い期間では、上アームのスイッチング素子Q1がオンする一方で、Vu*がキャリア波の電圧よりも低い期間では、下アームのスイッチング素子Q2がオンされるように制御信号S1,S2が生成される。 Typically, control signal generation section 140 performs pulse width modulation (PWM) control based on voltage comparison between voltage command values Vu *, Vv *, Vw * of each phase and a carrier wave (for example, a triangular wave) having a predetermined frequency. Thus, the control signals S1 to S6 can be generated. Specifically, in the U phase, in a period in which the voltage command value Vu * having an AC voltage waveform is higher than the voltage of the carrier wave (triangular wave), the upper arm switching element Q1 is turned on while Vu * is the carrier. In a period lower than the wave voltage, the control signals S1 and S2 are generated so that the lower arm switching element Q2 is turned on.
このように、各相において、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*とキャリア波との交点で、上アーム素子(Q1,Q3,Q5)と下アーム素子(Q2,Q4,Q6)とのオンオフが切替えられる。これにより、PWMによる三相の擬似正弦波電圧を、インバータ40からモータ15の三相のコイル巻線(図示せず)に印加することができる。 Thus, in each phase, the upper arm elements (Q1, Q3, Q5) and the lower arm elements (Q2, Q4, Q6) are crossed at the intersections of the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * and the carrier wave. ON / OFF is switched. Thereby, the three-phase pseudo sine wave voltage by PWM can be applied to the three-phase coil winding (not shown) of the motor 15 from the inverter 40.
インバータ40の各相アームでは、同一アームの上下アーム素子(たとえば、U相のスイッチング素子Q1,Q2)の両方がオンすると、電力線PLおよびNLの間に短絡経路が形成されてしまう。したがって、上アーム素子(Q1,Q3,Q5)と下アーム素子(Q2,Q4,Q6)との間でオンオフを切替える際には、上下アーム素子の両方とするデッドタイムが設けられることが一般的である。 In each phase arm of inverter 40, when both upper and lower arm elements (for example, U-phase switching elements Q1, Q2) of the same arm are turned on, a short-circuit path is formed between power lines PL and NL. Therefore, when switching on / off between the upper arm elements (Q1, Q3, Q5) and the lower arm elements (Q2, Q4, Q6), it is common to provide a dead time for both the upper and lower arm elements. It is.
図3は、図2に示されたモータ制御演算部130の構成を説明するための機能ブロック図である。 FIG. 3 is a functional block diagram for explaining the configuration of the motor control calculation unit 130 shown in FIG.
図3を参照して、モータ制御演算部130は、起動制御演算部150と、定常制御演算部200と、制御切替部160とを含む。 Referring to FIG. 3, motor control calculation unit 130 includes a startup control calculation unit 150, a steady control calculation unit 200, and a control switching unit 160.
起動制御演算部150および定常制御演算部200の各々は、直流電圧Vdcおよびモータ電流Iu,Iv,Iwに基づいて、速度指令値ω*に従ってモータ15を作動させるための、インバータ40の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を生成する機能を有する。 Each of start control calculation unit 150 and steady control calculation unit 200 is a voltage command value of inverter 40 for operating motor 15 according to speed command value ω * based on DC voltage Vdc and motor currents Iu, Iv, Iw. It has a function of generating Vu *, Vv *, and Vw *.
制御切替部160は、起動制御演算部150および定常制御演算部200のうちの一方からの電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を、制御信号生成部140(図2)に対して出力する。 The control switching unit 160 outputs the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * from one of the activation control calculation unit 150 and the steady control calculation unit 200 to the control signal generation unit 140 (FIG. 2). .
図4には、本実施の形態に従うモータ制御装置による起動制御および定常制御の切替えの一例を説明するための概念的なグラフが示される。 FIG. 4 shows a conceptual graph for explaining an example of switching between start control and steady control by the motor control device according to the present embodiment.
図4を参照して、時刻t0からモータ15の駆動が開始されると、まず起動制御が適用される。縦軸に示された速度指令値ω*は、0から所定の起動回転速度ω1まで徐々に上昇された後、ω*=ω1に一定期間維持される。 Referring to FIG. 4, when driving of motor 15 is started from time t0, start control is first applied. The speed command value ω * shown on the vertical axis is gradually increased from 0 to a predetermined starting rotational speed ω1, and then maintained at ω * = ω1 for a certain period.
これにより、モータ15は、起動制御によって、起動回転速度ω1まで回転速度が上昇した後一定速度で回転する状態に制御される。たとえば、起動制御では、モータ15を安定的に起動するために、無効電流を多く流すように電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を設定することができる。ω*=ω1に維持された期間中の時刻txにおいて、起動制御から定常制御への切替えが実行される。これにより、モータ15に対して、起動回転速度ω1での一定回転速度で安定した状態から、定常制御を開始することができる。 Thereby, the motor 15 is controlled by the start control so as to rotate at a constant speed after the rotation speed is increased to the start rotation speed ω1. For example, in the start control, the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * can be set so that a large amount of reactive current flows in order to start the motor 15 stably. At time tx during the period maintained at ω * = ω1, switching from the start control to the steady control is executed. Thereby, the steady control can be started with respect to the motor 15 from a stable state at a constant rotational speed at the starting rotational speed ω1.
図4の例に従えば、図3の制御切替部160は、時刻t0〜txの間には、起動制御演算部150(図3)が算出した電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を、制御信号生成部140(図2)に対して出力する。一方で、制御切替部160は、時刻tx以降では、定常制御演算部200(図3)が算出した電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を、制御信号生成部140(図2)に対して出力する。定常制御演算部200は、電流指令値に従ったモータ電流Iu,Iv,Iwのフィードバック制御によって、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を算出する。 According to the example of FIG. 4, the control switching unit 160 of FIG. 3 uses the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * calculated by the activation control calculation unit 150 (FIG. 3) between times t0 and tx. And output to the control signal generator 140 (FIG. 2). On the other hand, after time tx, the control switching unit 160 uses the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * calculated by the steady control calculation unit 200 (FIG. 3) to the control signal generation unit 140 (FIG. 2). Output. The steady control calculation unit 200 calculates voltage command values Vu *, Vv *, Vw * by feedback control of the motor currents Iu, Iv, Iw according to the current command values.
このように、制御切替部160が起動制御演算部150および定常制御演算部200のいずれからの電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を出力するかによって、起動制御および定常制御を切替えることができる。図4の例では、速度指令値ω*に従って、ω*=ω1となってからの経過時間に基づいて、起動制御から定常制御への切替えが制御される。 As described above, the control switching unit 160 may switch between the start control and the steady control depending on whether the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * from the start control calculation unit 150 or the steady control calculation unit 200 are output. it can. In the example of FIG. 4, the switching from the start control to the steady control is controlled based on the elapsed time after ω * = ω1 according to the speed command value ω *.
なお、以下の説明で明らかになるように、本実施の形態では、定常制御における低速領域でのモータ制御精度を高めるものであるので、起動制御における制御内容、および、起動制御から定常制御への切替手法については、特に限定されることはなく、任意の手法を適用可能である点について確認的に記載する。 As will be apparent from the following description, in the present embodiment, since the motor control accuracy in the low speed region in the steady control is increased, the control content in the start control and the change from the start control to the steady control are described. There is no particular limitation on the switching method, and the point that any method can be applied will be described in a confirming manner.
図5は、図3の定常制御演算部200による制御動作を詳細に説明するための機能ブロック図である。 FIG. 5 is a functional block diagram for explaining in detail the control operation by the steady control calculation unit 200 of FIG.
図5を参照して、定常制御演算部200は、座標変換部210と、モータ15の磁束、速度および位置を推定するための状態推定部220と、磁束指令値生成部230と、磁束制御部240と、電流指令値固定部250と、γ軸制御切替部260と、速度制御部270と、電流制御部280と、電圧指令演算部290とを有する。 Referring to FIG. 5, steady control calculation unit 200 includes coordinate conversion unit 210, state estimation unit 220 for estimating the magnetic flux, speed, and position of motor 15, magnetic flux command value generation unit 230, and magnetic flux control unit. 240, a current command value fixing unit 250, a γ-axis control switching unit 260, a speed control unit 270, a current control unit 280, and a voltage command calculation unit 290.
座標変換部210は、三相(U,V,W)のモータ電流Iu,Iv,Iwを、図6に定義されるγ−δ軸上の二相の電流Iγ,Iδに座標変換する。 The coordinate conversion unit 210 converts the three-phase (U, V, W) motor currents Iu, Iv, Iw into the two-phase currents Iγ, Iδ on the γ-δ axis defined in FIG.
図6は、座標変換部210における三相/二相変換を説明するための概念図である。
図6を参照して、U軸、V軸およびW軸は、モータ15のU相、V相およびW相にそれぞれ対応する、120°(電気角)ずつ位相が異なる三相静止座標系である。モータ電流Iu,Iv,Iwおよび電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*は、U軸、V軸およびW軸上の電流値または電圧値である。FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining the three-phase / two-phase conversion in the coordinate conversion unit 210.
Referring to FIG. 6, the U axis, the V axis, and the W axis are three-phase stationary coordinate systems that correspond to the U phase, the V phase, and the W phase of the motor 15 and that have different phases by 120 ° (electrical angle). . Motor currents Iu, Iv, Iw and voltage command values Vu *, Vv *, Vw * are current values or voltage values on the U axis, V axis, and W axis.
これに対して、点線で示される回転座標系のd軸およびq軸のうち、d軸は、モータ15の実磁極軸を示しており、静止座標系のU軸との間にモータ15のロータ回転位置(回転角θ)に相当する位相差を有する。q軸は、d軸と直交する座標軸として定義される。 On the other hand, of the d-axis and q-axis of the rotating coordinate system indicated by the dotted line, the d-axis indicates the actual magnetic pole axis of the motor 15, and the rotor of the motor 15 is between the U-axis of the stationary coordinate system. It has a phase difference corresponding to the rotational position (rotational angle θ). The q axis is defined as a coordinate axis orthogonal to the d axis.
本実施の形態に従うモータ制御装置で用いられるセンサレス制御では、ロータの回転角推定値θ♯に基づくγ−δ軸がさらに定義される。すなわち、γ軸およびU軸の間の位相差は、ロータ回転角推定値θ♯に相当する。δ軸は、γ軸と直交する座標軸として定義される。 In sensorless control used in the motor control device according to the present embodiment, the γ-δ axes based on rotor rotation angle estimation value θ # are further defined. That is, the phase difference between the γ-axis and the U-axis corresponds to the rotor rotation angle estimated value θ #. The δ axis is defined as a coordinate axis orthogonal to the γ axis.
d−q軸およびγ−δ軸は、モータ15の回転速度ωで原点の周りを回転する座標軸である。このように、d軸は推定d軸に相当し、δ軸は推定q軸に相当するので、ロータの回転角推定値θ♯の誤差が0のとき(すなわちθ♯=θ)、d軸とγ軸が一致し、q軸とδ軸が一致する。 The dq axis and the γ-δ axis are coordinate axes that rotate around the origin at the rotational speed ω of the motor 15. Thus, since the d-axis corresponds to the estimated d-axis and the δ-axis corresponds to the estimated q-axis, when the error of the rotor rotation angle estimated value θ # is 0 (that is, θ # = θ), The γ-axis matches, and the q-axis and δ-axis match.
センサレス制御では、d軸およびq軸を直接推定することができないため、検出できない実際の回転角θに対して角度推定誤差Δθを有する回転角推定値θ♯を用いて、モータ15が制御される。回転角推定値θ♯は、後述するように、状態推定部220によって求められる。 In the sensorless control, the d-axis and the q-axis cannot be directly estimated, and therefore the motor 15 is controlled using the rotation angle estimation value θ # having the angle estimation error Δθ with respect to the actual rotation angle θ that cannot be detected. . The rotation angle estimation value θ # is obtained by the state estimation unit 220 as described later.
このように、本実施の形態では、回転座標系に変換されたモータ電流を用いる、いわゆるベクトル制御によってモータ15をセンサレス制御するが、図6で説明した座標系の定義は一例に過ぎず、任意の座標変換を適用してモータ制御を行うことが可能である。 As described above, in this embodiment, the motor 15 is sensorlessly controlled by so-called vector control using the motor current converted into the rotating coordinate system. However, the definition of the coordinate system described with reference to FIG. It is possible to perform the motor control by applying the coordinate transformation.
再び図5を参照して、状態推定部220は、座標変換部によって得られたγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδとγ軸およびδ軸の電圧指令値Vγ*およびVδ*を用いて磁束推定値φγ♯、速度推定値ω♯および回転角推定値θ♯を出力する。 Referring to FIG. 5 again, state estimation unit 220 estimates magnetic flux using γ-axis current Iγ and δ-axis current Iδ obtained by coordinate conversion unit and voltage command values Vγ * and Vδ * of γ-axis and δ-axis. A value φγ #, a speed estimation value ω #, and a rotation angle estimation value θ # are output.
状態推定部220は、たとえば、下記の式(1)〜(3)に従って、磁束推定値φγ♯、速度推定値ω♯および回転角推定値θ♯を推定することができる。 For example, state estimating unit 220 can estimate magnetic flux estimated value φγ #, speed estimated value ω #, and rotational angle estimated value θ # according to the following equations (1) to (3).
式(1)において、γ軸の電圧指令値からコイル巻線の抵抗Rによる電圧降下分を差引いた電圧をローパスフィルタによって積分する演算によって、永久磁石による総磁束ベクトルを推定することができる。すなわち、式(1)中におけるωcはローパスフィルタのカットオフ周波数に相当する固定値とすることができる。カットオフ周波数ωcよりも低い周波数成分を遮断することにより、入力信号のノイズ誤差が増幅されて、磁束推定値φγ♯の誤差が大きくなることを防止できる。 In equation (1), the total magnetic flux vector by the permanent magnet can be estimated by an operation of integrating a voltage obtained by subtracting the voltage drop due to the resistance R of the coil winding from the voltage command value of the γ-axis using a low-pass filter. That is, ωc in equation (1) can be a fixed value corresponding to the cutoff frequency of the low-pass filter. By blocking the frequency component lower than the cutoff frequency ωc, it is possible to prevent the noise error of the input signal from being amplified and increase the error of the estimated magnetic flux φγ #.
式(2)では、δ軸に関するV=ω・φの関係式から、(Vδ−R・Iδ)を式(1)によって求められた磁束推定値φγ♯で除算することによって、速度推定値ω♯を推定することができる。また、式(3)では、式(2)によって求められた速度推定値ω♯の積分によって、回転角推定値θ♯を推定することができる。 In the equation (2), the velocity estimated value ω is obtained by dividing (Vδ−R · Iδ) by the magnetic flux estimated value φγ # obtained by the equation (1) from the relational expression of V = ω · φ with respect to the δ axis. # Can be estimated. Further, in the equation (3), the rotation angle estimated value θ # can be estimated by integrating the speed estimated value ω # obtained by the equation (2).
状態推定部220によって算出された速度推定値ω♯および磁束推定値φγ♯は、速度制御部270および磁束制御部240へそれぞれ入力される。 Speed estimation value ω # and magnetic flux estimation value φγ # calculated by state estimation unit 220 are input to speed control unit 270 and magnetic flux control unit 240, respectively.
状態推定部220によって算出された回転角推定値θ♯は、座標変換部210に入力されて、γ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδの算出に用いられる。さらに、回転角推定値θ♯は、電圧指令演算部290に入力されて、二相座標(γ−δ軸)から三相座標(U軸,V軸,W軸)への逆変換にも用いられる。この結果、回転角推定値θ♯の誤差は、座標変換部210によるモータ電流の座標変換における誤差が循環することを通じて、モータ電流のフィードバック制御を行う定常制御演算部200によるモータ制御の精度を低下させることが理解される。 The estimated rotation angle value θ # calculated by the state estimation unit 220 is input to the coordinate conversion unit 210 and used to calculate the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ. Further, the estimated rotation angle θ # is input to the voltage command calculation unit 290 and used for inverse conversion from the two-phase coordinates (γ-δ axis) to the three-phase coordinates (U axis, V axis, W axis). It is done. As a result, the error of the rotation angle estimation value θ # decreases the accuracy of the motor control by the steady control calculation unit 200 that performs the feedback control of the motor current through the error in the coordinate conversion of the motor current by the coordinate conversion unit 210. It is understood that
速度制御部270は、速度指令値ω*と、状態推定部220によって推定された速度推定値ω♯とに基づいて、δ軸の電流指令値Iδ*を生成する。たとえば、速度制御部270は、速度偏差Δω(Δω=ω*−ω♯)のPID制御等に従って、δ軸の電流指令値Iδ*を生成する。電流指令値Iδ*に従ってδ軸電流Iδをフィードバック制御することにより、Δωを0に収束させるためのトルクをモータ15から出力するこができる。 Speed control unit 270 generates a current command value Iδ * for the δ axis based on speed command value ω * and speed estimated value ω # estimated by state estimating unit 220. For example, speed control unit 270 generates δ-axis current command value Iδ * in accordance with PID control of speed deviation Δω (Δω = ω * −ω #) or the like. By performing feedback control of the δ-axis current Iδ according to the current command value Iδ *, torque for converging Δω to 0 can be output from the motor 15.
γ軸の電流指令値Iγ*は、γ軸制御切替部260によって、磁束制御部240および電流指令値固定部250の一方を選択して設定される。電流指令値固定部250は、一定値であるIγ*constを出力する。 The γ-axis current command value Iγ * is set by the γ-axis control switching unit 260 by selecting one of the magnetic flux control unit 240 and the current command value fixing unit 250. The current command value fixing unit 250 outputs Iγ * const which is a constant value.
一方で、磁束指令値生成部230は、速度指令値ω*に従って磁束指令値φγ*を生成する。代表的には、磁束指令値生成部230は、磁束ベクトルを一定に制御するように、速度指令値ω*に応じて磁束指令値φγ*を可変に設定する。 On the other hand, the magnetic flux command value generation unit 230 generates a magnetic flux command value φγ * according to the speed command value ω *. Typically, the magnetic flux command value generation unit 230 variably sets the magnetic flux command value φγ * according to the speed command value ω * so that the magnetic flux vector is controlled to be constant.
たとえば、磁束指令値生成部230は、速度指令値ω*と磁束指令値φγ*との対応関係を予め規定したルックアップテーブルを用いて構成することができる。あるいは、速度指令値ω*を変数として磁束指令値φγ*を算出するための演算式を予め作成することによって、磁束指令値生成部230を構成することも可能である。 For example, the magnetic flux command value generation unit 230 can be configured using a lookup table that predefines the correspondence between the speed command value ω * and the magnetic flux command value φγ *. Alternatively, the magnetic flux command value generation unit 230 can be configured by preparing in advance an arithmetic expression for calculating the magnetic flux command value φγ * using the speed command value ω * as a variable.
磁束制御部240は、磁束指令値生成部230からの磁束指令値φγ*と、状態推定部220によって算出された磁束推定値φγ♯とに基づいて、γ軸の電流指令値Iγ*を生成する。 The magnetic flux control unit 240 generates the γ-axis current command value Iγ * based on the magnetic flux command value φγ * from the magnetic flux command value generation unit 230 and the estimated magnetic flux value φγ # calculated by the state estimation unit 220. .
たとえば、磁束制御部240は、磁束偏差Δφγ(Δφγ=φγ*−φγ♯)のPID制御等に従って、γ軸の電流指令値Iγ*を生成する。電流指令値Iγ*に従ってγ軸電流Iγをフィードバック制御することにより、磁束推定値φγ♯を磁束指令値φγ*と一致させる(Δφγ=0)、すなわち、磁束ベクトルを一定に制御することができる。 For example, the magnetic flux control unit 240 generates a current command value Iγ * for the γ axis in accordance with PID control or the like of the magnetic flux deviation Δφγ (Δφγ = φγ * −φγ #). By performing feedback control of the γ-axis current Iγ according to the current command value Iγ *, the estimated magnetic flux value φγ # can be matched with the magnetic flux command value φγ * (Δφγ = 0), that is, the magnetic flux vector can be controlled to be constant.
γ軸制御切替部260は、磁束制御部240からの電流指令値Iγ*と、電流指令値固定部250からのIγ*constとの一方を選択して、γ軸の電流指令値Iγ*として電流制御部280へ出力する。 The γ-axis control switching unit 260 selects one of the current command value Iγ * from the magnetic flux control unit 240 and Iγ * const from the current command value fixing unit 250, and sets the current command value Iγ * of the γ-axis as the current command value Iγ *. Output to the control unit 280.
図7は、図5に示されたγ軸制御切替部260によるγ軸の電流指令値Iγ*の設定処理を説明するための概念的なグラフである。 FIG. 7 is a conceptual graph for explaining the setting process of the γ-axis current command value Iγ * by the γ-axis control switching unit 260 shown in FIG.
図7を参照して、速度指令値ω*は、図4と同様のパターンで設定されて、時刻txから図5に従う定常制御が実行される。さらに、時刻tyにおいて、ω*は予め定められた閾値ωtに達し(ω*=ωt)、時刻ty以降では、ω*は閾値ωtを超える(ω*>ωt)。閾値ωtは、起動回転速度ω1よりも高く設定される。 Referring to FIG. 7, speed command value ω * is set in the same pattern as in FIG. 4, and steady control according to FIG. 5 is executed from time tx. Further, at time ty, ω * reaches a predetermined threshold value ωt (ω * = ωt), and after time ty, ω * exceeds the threshold value ωt (ω *> ωt). The threshold value ωt is set higher than the starting rotational speed ω1.
定常制御では、ω*≦ωtの領域(時刻tx〜ty)において、γ軸の電流指令値Iγ*は、電流指令値固定部250からのIγ*const(一定値)を用いて設定される(Iγ*=Iγ*const)。これに対して、ω*>ωtの領域(時刻ty以降)では、磁束制御部240からの電流指令値Iγ*を用いて、定常制御中におけるγ軸の電流指令値Iγ*が設定される。すなわち、γ軸制御切替部260は、速度指令値ω*と閾値ωtとの比較に基づいて、磁束制御部240および電流指令値固定部250の一方を選択するように動作することができる。 In the steady control, in the region of ω * ≦ ωt (time tx to ty), the γ-axis current command value Iγ * is set using Iγ * const (constant value) from the current command value fixing unit 250 ( Iγ * = Iγ * const). In contrast, in the region of ω *> ωt (after time ty), the current command value Iγ * from the magnetic flux control unit 240 is used to set the current command value Iγ * of the γ axis during the steady control. That is, the γ-axis control switching unit 260 can operate to select one of the magnetic flux control unit 240 and the current command value fixing unit 250 based on the comparison between the speed command value ω * and the threshold value ωt.
再び図5を参照して、電流制御部280は、γ軸制御切替部260から出力された電流指令値Iγ*と、速度制御部270から出力された電流指令値Iδ*と、座標変換部210によって算出されたγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδに基づいて、電圧指令値Vγ*およびVδ*を算出する。電流指令値Iγ*は「励磁電流指令値」に対応し、電流指令値Iδ*は「トルク電流指令値」に対応する。 Referring again to FIG. 5, current control unit 280 includes current command value Iγ * output from γ-axis control switching unit 260, current command value Iδ * output from speed control unit 270, and coordinate conversion unit 210. Voltage command values Vγ * and Vδ * are calculated based on the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ calculated by the above. The current command value Iγ * corresponds to the “excitation current command value”, and the current command value Iδ * corresponds to the “torque current command value”.
電流制御部280は、γ軸の電流フィードバック制御によって、電圧指令値Vγ*を算出する。たとえば、γ軸の電流偏差ΔIγ(ΔIγ=Iγ*−Iγ)のPID制御等に従って、電流偏差ΔIγを0に収束させるためのγ軸の電圧指令値Vγ*を生成することができる。同様に、電流制御部280は、δ軸の電流フィードバック制御によって、電圧指令値Vδ*を算出する。たとえば、δ軸の電流偏差ΔIδ(ΔIδ=Iδ*−Iδ)のPID制御等に従って、電流偏差ΔIδを0に収束させるための電圧指令値Vδ*を生成することができる。 The current control unit 280 calculates the voltage command value Vγ * by γ-axis current feedback control. For example, the γ-axis voltage command value Vγ * for converging the current deviation ΔIγ to 0 can be generated according to PID control of the current deviation ΔIγ (ΔIγ = Iγ * −Iγ) of the γ-axis. Similarly, the current control unit 280 calculates the voltage command value Vδ * by δ-axis current feedback control. For example, the voltage command value Vδ * for converging the current deviation ΔIδ to 0 can be generated according to the PID control of the current deviation ΔIδ (ΔIδ = Iδ * −Iδ) on the δ axis.
電圧指令演算部290は、電流制御部280によって算出された電圧指令値Vγ*,Vδ*を、二相座標(γ−δ軸)から三相座標(U軸,V軸,W軸)へ変換することによって、U相,V相およびW相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を算出する。この二相/三相変換には、状態推定部220によって算出された回転角推定値θ♯が用いられる。 The voltage command calculation unit 290 converts the voltage command values Vγ * and Vδ * calculated by the current control unit 280 from two-phase coordinates (γ-δ axis) to three-phase coordinates (U axis, V axis, W axis). By doing so, voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * for U phase, V phase, and W phase are calculated. The rotation angle estimation value θ # calculated by the state estimation unit 220 is used for the two-phase / three-phase conversion.
このとき、電流制御部280による電圧指令値Vγ*およびVδ*を用いて、インバータ40の出力電圧位相θvは、下記の式(4)で示される。 At this time, the output voltage phase θv of the inverter 40 is expressed by the following equation (4) using the voltage command values Vγ * and Vδ * by the current control unit 280.
電圧指令演算部290による二相/三相変換によって得られる三相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*について、U相の電圧指令値Vu*は、下記(5)式のように、振幅および位相が制御された正弦波電圧とされる。 Regarding the three-phase voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * obtained by the two-phase / three-phase conversion by the voltage command calculation unit 290, the U-phase voltage command value Vu * is expressed by the following equation (5): A sinusoidal voltage with controlled amplitude and phase.
また、電圧指令値Vv*は、式(5)のVu*から位相が120°(電気角)遅れた正弦波電圧とされ、電圧指令値Vv*は、Vv*からさらに位相が120°(電気角)遅れた正弦波電圧とされる。 The voltage command value Vv * is a sine wave voltage whose phase is delayed by 120 ° (electrical angle) from Vu * in Equation (5), and the voltage command value Vv * is further 120 ° (electrical) from Vv *. Square) Delayed sine wave voltage.
このように、定常制御演算部200(図3,図5)は、モータ電流のフィードバック制御によりインバータ40の制御信号S1〜S6を生成することによって、モータ15の出力(回転速度)を制御することができる。 As described above, the steady control calculation unit 200 (FIGS. 3 and 5) controls the output (rotation speed) of the motor 15 by generating the control signals S1 to S6 of the inverter 40 by feedback control of the motor current. Can do.
再び図7を参照して、回転速度指令値ω*が閾値ωtよりも低い低速領域では、Iγ*=Iγ*constに設定することで、磁束ベクトル一定制御を当該速度領域で実施したときと比較して、γ軸電流Iγを大きくしている。すなわち、ω*=ωtを挟む領域において、ω*=ωtでの磁束ベクトル一定制御におけるIγ*(ωt)に対して、Iγ*const>Iγ*(ωt)となるように、電流指令値固定部250によるIγ*const(一定値)は設定される。 Referring to FIG. 7 again, in a low speed region where the rotational speed command value ω * is lower than the threshold value ωt, by setting Iγ * = Iγ * const, it is compared with the case where the magnetic flux vector constant control is performed in the speed region. Thus, the γ-axis current Iγ is increased. That is, in the region sandwiching ω * = ωt, the current command value fixing unit is set so that Iγ * const> Iγ * (ωt) with respect to Iγ * (ωt) in the constant magnetic flux vector control at ω * = ωt. Iγ * const (constant value) by 250 is set.
この結果、図7に従ってγ軸電流指令値Iγ*を設定すると、定常制御演算部200によってモータ15の回転速度を連続的に上昇させる運転を行ったときに、ω*=ωtを通過するタイミングで、電流指令値Iγ*が低下する。これにより、定常制御演算部200は、上記の運転時には、γ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδの二乗和の平方(√(Iγ2+Iδ2))に比例するモータ電流の振幅が減少するタイミングが生じるように、インバータ40を制御することが理解される。As a result, when the γ-axis current command value Iγ * is set according to FIG. 7, when steadily increasing the rotational speed of the motor 15 by the steady control calculation unit 200, the timing at which ω * = ωt is passed. The current command value Iγ * decreases. Thereby, during the above operation, the steady control calculation unit 200 has a timing at which the amplitude of the motor current that is proportional to the square of the square sum of the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ (√ (Iγ 2 + Iδ 2 )) decreases. It will be appreciated that the inverter 40 is controlled to occur.
ここで、比較例として、ω<ωtの低速領域でも磁束制御部240による磁束ベクトルを一定とするようにモータ電流を制御したときの問題点について説明する。 Here, as a comparative example, a problem when the motor current is controlled so that the magnetic flux vector by the magnetic flux controller 240 is constant even in a low speed region where ω <ωt will be described.
図8は、比較例に従うモータ電流制御による低速領域でのモータ電流波形のシミュレーション結果を示す波形図である。 FIG. 8 is a waveform diagram showing a simulation result of the motor current waveform in the low speed region by the motor current control according to the comparative example.
図8を参照して、U相、V相およびW相のモータ電流Iu,Iv,Iwは、理想的には120°(電気角)ずつ位相がずれた正弦波電流に制御されるべきであるが、比較例に従うモータ電流制御によれば、低速領域では、モータ電流Iu,Iv,Iwに脈動および歪みが発生している。この現象に対しては、インバータ40でのデッドタイムによって、m−タ電流が歪むこと、および、インバータ40の出力電圧誤差が発生することの影響が大きいことが、発明者らによって見出された。 Referring to FIG. 8, U-phase, V-phase and W-phase motor currents Iu, Iv and Iw should ideally be controlled to sine wave currents that are out of phase by 120 ° (electrical angle). However, according to the motor current control according to the comparative example, pulsation and distortion are generated in the motor currents Iu, Iv, and Iw in the low speed region. The inventors have found that this phenomenon is greatly affected by the distortion of the m-current due to the dead time in the inverter 40 and the occurrence of an output voltage error of the inverter 40. .
図9は、デッドタイムが設けられたインバータ40の制御信号の一例を示す波形図である。図9には、一例としてU相を構成する、スイッチング素子Q1(上アーム)の制御信号S1と、スイッチング素子Q2(下アーム)の制御信号S2との波形が示される。 FIG. 9 is a waveform diagram showing an example of a control signal of the inverter 40 provided with a dead time. FIG. 9 shows waveforms of the control signal S1 of the switching element Q1 (upper arm) and the control signal S2 of the switching element Q2 (lower arm) that constitute the U phase as an example.
図9を参照して、PWM制御によって、時刻t1およびt2において、U相の電圧指令値Vu*とキャリア波との電圧が等しくなるものとする。この結果、時刻t1では、スイッチング素子Q2をオンからオフへ切替えるとともに、スイッチング素子Q1をオフからオンに切替えるように、制御信号S1,S2を変化させる必要がある。反対に、時刻t2では、スイッチング素子Q1をオンからオフへ切替えるとともに、スイッチング素子Q2をオフからオンに切替えるように、制御信号S1,S2を変化させる必要がある。 Referring to FIG. 9, it is assumed that the voltages of U-phase voltage command value Vu * and the carrier wave become equal at times t1 and t2 by PWM control. As a result, at time t1, it is necessary to change the control signals S1 and S2 so that the switching element Q2 is switched from on to off and the switching element Q1 is switched from off to on. On the other hand, at time t2, it is necessary to change the control signals S1 and S2 so that the switching element Q1 is switched from on to off and the switching element Q2 is switched from off to on.
このような、同一相の上アーム素子および下アーム素子のオンオフを切替える際に、理想的なスイッチング素子では、時刻t1およびt2の各々において、制御信号S1およびS2のレベルを同時に変化させることが可能である。 When switching on / off of the upper arm element and the lower arm element in the same phase as described above, the ideal switching element can simultaneously change the levels of the control signals S1 and S2 at times t1 and t2. It is.
しかしながら、実際のスイッチング素子ではオンオフ動作に遅れ時間が生じるため、上アーム素子および下アーム素子の両方がオン状態となる期間が発生して、電力線PLおよびNL間に短絡経路が形成されることを回避するために、デッドタイム(Td)を設ける必要がある。 However, in an actual switching element, a delay time occurs in the on / off operation, so that a period in which both the upper arm element and the lower arm element are in an on state occurs and a short circuit path is formed between the power lines PL and NL. In order to avoid this, it is necessary to provide a dead time (Td).
これにより、時刻t1においてスイッチング素子Q2をターンオフするために制御信号S2のレベルが変化してから、デッドタイムTdが経過した後に、スイッチング素子Q1をターンオンするために制御信号S1のレベルが変化される。同様に、時刻t2においても、制御信号S1のレベルが変化してから、制御信号S2のレベルが変化されるまでの間には、デッドタイムTdが確保される。 As a result, the level of the control signal S1 is changed to turn on the switching element Q1 after the dead time Td has elapsed after the level of the control signal S2 has changed to turn off the switching element Q2 at time t1. . Similarly, at time t2, a dead time Td is ensured between the time when the level of the control signal S1 changes and the time when the level of the control signal S2 changes.
図9中に斜線で示されたデッドタイム期間では、上アーム素子および下アーム素子の両方がオフされる。当該期間におけるインバータ40の当該相における出力電圧には、負荷であるモータ15に流れる電流の通流方向に依存してオフセット状の誤差電圧が生じる。この誤差電圧ΔVofの絶対値は、下記の式(6)で与えられる。なお、式(6)中のfcは、インバータ40のスイッチング周波数であり、PWM制御では、キャリア波の周波数がfcに相当する。 In the dead time period indicated by hatching in FIG. 9, both the upper arm element and the lower arm element are turned off. In the output voltage in the phase of the inverter 40 in the period, an offset error voltage is generated depending on the flow direction of the current flowing in the motor 15 as a load. The absolute value of the error voltage ΔVof is given by the following equation (6). Note that fc in equation (6) is the switching frequency of the inverter 40, and in PWM control, the frequency of the carrier wave corresponds to fc.
|ΔVof|=Td・fc・Vdc …(6)
上述のように、モータ電流は交流電流(理想的には正弦波電流)であるため、誤差電圧ΔVofの正負は、デッドタイム期間における当該相のモータ電流の方向(正/負)によって変化する。この結果、インバータ出力電圧は、PWM制御によって生成された電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に従う擬似正弦波電圧に対して、デッドタイム期間におけるパルス状の誤差電圧ΔVofが重畳された波形を有するようになる。| ΔVof | = Td · fc · Vdc (6)
As described above, since the motor current is an alternating current (ideally, a sine wave current), the positive / negative of the error voltage ΔVof changes depending on the direction (positive / negative) of the motor current in the phase during the dead time period. As a result, the inverter output voltage has a waveform in which the pulsed error voltage ΔVof in the dead time period is superimposed on the pseudo sine wave voltage according to the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * generated by the PWM control. To have.
この結果、誤差電圧ΔVofの影響により、モータ電流には、デッドタイムの発生周波数に従った高調波歪みが発生する。さらに、インバータ出力電圧の大きさ(実効値)が、本来の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に対して誤差を有することになる。 As a result, due to the influence of the error voltage ΔVof, harmonic distortion is generated in the motor current according to the dead time generation frequency. Further, the magnitude (effective value) of the inverter output voltage has an error with respect to the original voltage command values Vu *, Vv *, Vw *.
モータ15の低速領域では、インバータ40のモータ電流および出力電圧が小さい。このため、デッドタイムによる誤差電圧ΔVofの影響が大きくなるので、インバータ出力電圧の大きさ(実効値)の誤差および、モータ電流の高調波歪みが大きくなる。この結果、図9の電流波形に示されるように、モータ電流の乱れが顕著となる虞がある。 In the low speed region of the motor 15, the motor current and output voltage of the inverter 40 are small. For this reason, since the influence of the error voltage ΔVof due to the dead time becomes large, the error of the inverter output voltage (effective value) and the harmonic distortion of the motor current become large. As a result, as shown in the current waveform of FIG. 9, the motor current may be significantly disturbed.
再び図5を参照して、本実施の形態に従うモータ制御装置による定常制御(センサレス制御)に対するデッドタイムの影響について、さらに説明する。 Referring to FIG. 5 again, the influence of dead time on steady control (sensorless control) by the motor control device according to the present embodiment will be further described.
第一に、デッドタイムによってモータ電流Iu,Iv,Iwに歪みが発生すると、この歪みは、座標変換部210によって算出されるγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδへ伝播される。状態推定部220では、磁束推定値φγ♯、速度推定値ω♯および回転角推定値θ♯が、電圧指令値Vγ*,Vδ*ならびに、γ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδを用いて推定される。したがって、モータ電流Iu,Iv,Iwに生じた歪みは、磁束推定値φγ♯、速度推定値ω♯および回転角推定値θ♯にも伝播する。 First, when the motor currents Iu, Iv, and Iw are distorted due to the dead time, the distortion is propagated to the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ calculated by the coordinate conversion unit 210. In state estimation unit 220, estimated magnetic flux value φγ #, estimated speed value ω #, and estimated rotational angle value θ # are estimated using voltage command values Vγ * and Vδ *, and γ-axis current Iγ and δ-axis current Iδ. The Therefore, the distortion generated in motor currents Iu, Iv, and Iw also propagates to estimated magnetic flux value φγ #, estimated speed value ω #, and estimated rotational angle value θ #.
さらに、回転角推定値θ♯は、座標変換部210におけるγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδの演算に用いられる。このため、モータ電流からγ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδに伝播された歪みの影響が、γ軸電流Iγおよびδ軸電流Iδに返ってくることとなり、誤差を増幅させるような内部循環が発生してしまう。この結果、図6で説明した実際の回転角θに対する角度推定誤差Δθ(Δθ=θ−θ♯)が不安定となり、この結果、モータ電流に脈動を発生させて、モータ15の制御精度低下および騒音増加等を引き起こすことが懸念される。 Further, rotation angle estimated value θ # is used for calculation of γ-axis current Iγ and δ-axis current Iδ in coordinate conversion section 210. For this reason, the influence of the distortion propagated from the motor current to the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ returns to the γ-axis current Iγ and the δ-axis current Iδ, and an internal circulation that amplifies the error occurs. Resulting in. As a result, the angle estimation error Δθ (Δθ = θ−θ #) with respect to the actual rotation angle θ described with reference to FIG. 6 becomes unstable. As a result, the motor current is pulsated and the control accuracy of the motor 15 is reduced. There is a concern that it may increase noise.
第二に、デッドタイムによってインバータ40の実際の出力電圧の大きさ(絶対値)に、電圧指令値Vδ*,Vγ*に従うVu*,Vv*,Vw*に対する誤差が生じると、電圧指令値Vγ*,Vδ*を用いて推定される、磁束推定値φγ♯、速度推定値ω♯および回転角推定値θ♯にも、推定誤差が発生することになる。この結果、モータ電流の歪みと同様に、定常制御演算部200によるモータ15の制御性を悪化させることが懸念される。 Second, if an error occurs in the magnitude (absolute value) of the actual output voltage of the inverter 40 due to dead time with respect to Vu *, Vv *, Vw * according to the voltage command values Vδ *, Vγ *, the voltage command value Vγ. An estimation error also occurs in the estimated magnetic flux value φγ #, estimated speed value ω #, and estimated rotational angle value θ # estimated using * and Vδ *. As a result, similarly to the distortion of the motor current, there is a concern that the controllability of the motor 15 by the steady control calculation unit 200 is deteriorated.
このように、インバータ40に設けられるデッドタイムTdは、定常制御演算部200によるモータ電流のフィードバック制御によるモータ制御に大きな影響を及ぼし、図9に示したようなモータ電流波形の乱れの原因となることが懸念される。 As described above, the dead time Td provided in the inverter 40 has a great influence on the motor control by the feedback control of the motor current by the steady control calculation unit 200, and causes the disturbance of the motor current waveform as shown in FIG. There is concern.
これに対して、本実施の形態に従うモータ制御装置では、図7で説明したように、モータ電流およびインバータ40の出力電圧が小さくなるためにデッドタイム誤差の影響が大きくなるモータ15の低速領域(ω*<ωt)において、磁束制御部240を用いずにモータ電流を制御する。具体的には、電流指令値Iγ*が磁束ベクトル一定制御の適用時よりも大きい値となるように、Iγ*=Iγ*constに設定してモータ電流が制御される。 On the other hand, in the motor control device according to the present embodiment, as described with reference to FIG. 7, the motor current and the output voltage of inverter 40 become small, so that the influence of the dead time error becomes large. In ω * <ωt), the motor current is controlled without using the magnetic flux controller 240. Specifically, the motor current is controlled by setting Iγ * = Iγ * const so that the current command value Iγ * becomes a larger value than when the magnetic flux vector constant control is applied.
この結果、電流指令値Iγ*に従ってモータ電流Iu,Iv,Iwも大きくなるため、デッドタイムによるモータ電流の歪みを緩和することができる。また、インバータ40の出力電圧誤差についても、電流指令値Iγ*に従って電圧指令値Vγ*も大きくなるため、デッドタイムによる誤差電圧ΔVofの影響を緩和することができる。 As a result, since the motor currents Iu, Iv, and Iw also increase in accordance with the current command value Iγ *, distortion of the motor current due to dead time can be reduced. Further, regarding the output voltage error of the inverter 40, the voltage command value Vγ * also increases according to the current command value Iγ *, so that the influence of the error voltage ΔVof due to the dead time can be mitigated.
図10には、本実施の形態に従うモータ制御装置によるモータ電流波形のシミュレーション結果を示す波形図が示される。図10には、モータ電流Iu,Iv,IwのうちのU相電流Iuのシミュレーション結果が示される。モータ電流Iuの周期は、図10での時間軸スケールに対して短いため、Iu波形の包絡線はIuの振幅の推移を示している。 FIG. 10 is a waveform diagram showing a simulation result of the motor current waveform by the motor control device according to the present embodiment. FIG. 10 shows a simulation result of the U-phase current Iu among the motor currents Iu, Iv, and Iw. Since the cycle of the motor current Iu is short with respect to the time axis scale in FIG. 10, the envelope of the Iu waveform shows the transition of the amplitude of Iu.
図10を参照して、速度指令値ω*は、図4および図7と同様にパターンで設定される。このため、時刻txまでは起動制御が適用される。図10の例では、起動制御において電流指令値は設定されておらず、たとえば、所定トルクを出力するようにインバータ40の出力は、起動安定性を一定に維持される。また、起動時には、始動トルクの確保のために励磁電流(無効電流成分)を多めに流すために、モータ電流が比較的大きくなる。 Referring to FIG. 10, speed command value ω * is set in a pattern as in FIGS. 4 and 7. For this reason, activation control is applied until time tx. In the example of FIG. 10, the current command value is not set in the startup control. For example, the output of the inverter 40 is maintained at a constant startup stability so as to output a predetermined torque. Further, at the time of start-up, a large amount of exciting current (reactive current component) is flowed to ensure starting torque, so that the motor current becomes relatively large.
時刻txから定常制御が開始されると、モータ電流のフィードバック制御が開始されることにより、モータ電流の振幅は減少する。これは、無効電流成分の減少によって、定常制御では、起動制御と比較して、モータ15の効率が上昇することを示している。 When the steady control is started from the time tx, the motor current feedback control is started, so that the amplitude of the motor current decreases. This indicates that the efficiency of the motor 15 is increased in the steady control as compared with the startup control due to the reduction of the reactive current component.
定常制御において、ω*≦ωtである時刻tx〜ty(低速領域)では、磁束ベクトル一定制御の適用時よりも電流指令値Iγ*が大きくなるように、Iγ*=Iγ*constに設定される。この結果、モータ15の回転速度を連続的に上昇させる運転を行ったときに、ω*=ωtを通過するタイミングで電流指令値Iγ*が低下する。そして、ω*>ωtの領域(時刻ty以降)では、磁束制御部240によって電流指令値Iγ*が設定される。 In steady-state control, Iγ * = Iγ * const is set so that the current command value Iγ * becomes larger than the time of application of constant magnetic flux vector control at times tx to ty (low speed region) where ω * ≦ ωt. . As a result, when the operation of continuously increasing the rotation speed of the motor 15 is performed, the current command value Iγ * decreases at the timing when ω * = ωt is passed. In the region of ω *> ωt (after time ty), the magnetic flux control unit 240 sets the current command value Iγ *.
このように電流指令値Iγ*を設定することにより、モータ電流Iuについても、モータ15がω*≦ωtの領域からω*>ωtの領域に遷移する際に、減少するタイミングが生じるように制御される。この結果、低速領域におけるモータ電流Iuを確保することができるので、低速領域におけるデッドタイムの影響を緩和して、モータ電流のフィードバック制御を安定化することができる。この結果、定常制御を通じて磁束制御部240による磁束制御を行う場合と比較して、モータ15の制御性を向上することができる。すなわち、特許文献1のように高調波信号を用いることによって制御構成を複雑化させることなく、簡易な構成で、モータ15の低速領域におけるセンサレス制御の制御精度を高めることができる。 By setting the current command value Iγ * in this way, the motor current Iu is also controlled so as to decrease when the motor 15 transitions from the region of ω * ≦ ωt to the region of ω *> ωt. Is done. As a result, the motor current Iu in the low speed region can be secured, so that the influence of the dead time in the low speed region can be alleviated and the feedback control of the motor current can be stabilized. As a result, the controllability of the motor 15 can be improved as compared with the case where the magnetic flux control by the magnetic flux controller 240 is performed through steady control. That is, the control accuracy of sensorless control in the low speed region of the motor 15 can be increased with a simple configuration without complicating the control configuration by using harmonic signals as in Patent Document 1.
さらに図5に示された定常制御演算部200による電流フィードバック制御において、Iγ*=Iγ*constに固定することにより、上述した、状態推定部220による磁束推定を通じた内部循環によって誤差が増幅される現象を抑制できる。この点からも、低速領域におけるデッドタイムの影響を抑制して、モータ15の制御性を向上することができる。 Further, in the current feedback control by the steady control calculation unit 200 shown in FIG. 5, by fixing Iγ * = Iγ * const, the error is amplified by the internal circulation through the magnetic flux estimation by the state estimation unit 220 described above. The phenomenon can be suppressed. Also from this point, the controllability of the motor 15 can be improved by suppressing the influence of the dead time in the low speed region.
なお、本実施の形態では、低速領域でのデッドタイムの影響を抑制するために、γ軸電流Iγの増加によって低速領域のモータ電流を増加させる制御例を説明したが、δ軸電流Iδおよびγ軸電流Iγの両方を増加させて低速領域のモータ電流を増加させることも可能である。たとえば、モータ15の出力トルクに悪影響が出ない範囲内に制限して、モータ15の回転速度を連続的に上昇させる運転を行ったときに、ω*=ωtを通過するタイミングで電流指令値Iδ*が低下するように、電流指令値Iδ*を調整することができる。 In this embodiment, in order to suppress the influence of the dead time in the low speed region, the control example in which the motor current in the low speed region is increased by increasing the γ axis current Iγ has been described. However, the δ axis currents Iδ and γ It is also possible to increase the motor current in the low speed region by increasing both of the shaft currents Iγ. For example, when the operation of continuously increasing the rotational speed of the motor 15 is performed by limiting the output torque of the motor 15 so as not to adversely affect, the current command value Iδ is passed at the timing of passing ω * = ωt. The current command value Iδ * can be adjusted so that * decreases.
また、本実施の形態で示した座標系(図6)とは異なる座標変換によってモータ電流をフィードバック制御する構成においても、低速電流でのモータ電流を相対的に増大するこことによって、モータ15の回転速度を連続的に上昇させる運転を行ったときに、ω*=ωtを通過するモータ電流が低下するような制御が実現できるのであれば、任意のモータ電流制御を用いるセンサレス制御に対して、本発明を適用することが可能である。 In the configuration in which the motor current is feedback-controlled by coordinate transformation different from the coordinate system shown in the present embodiment (FIG. 6), the motor current of the motor 15 is relatively increased by relatively increasing the motor current at the low speed current. As long as the control that reduces the motor current passing through ω * = ωt can be realized when the operation for continuously increasing the rotation speed is performed, the sensorless control using the arbitrary motor current control, The present invention can be applied.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 モータシステム、12 交流電源、15 モータ、20 整流部、30 平滑コンデンサ、35 電圧検出部、40 インバータ、41U,41V,41W,NL,PL 電力線、50 電流検出部、100 制御部、110 モータ制御部、120 速度指令値生成部、130 モータ制御演算部、140 制御信号生成部、150 起動制御演算部、160 制御切替部、200 定常制御演算部、210 座標変換部、220 状態推定部、230 磁束指令値生成部、240 磁束制御部、250 電流指令値固定部、260 軸制御切替部、270 速度制御部、280 電流制御部、290 電圧指令演算部、Iγ*,Iδ* 電流指令値、Iu,Iv,Iw モータ電流、Iγ γ軸電流、Iδ δ軸電流、Nu,Nv,Nw 中間ノード、Q1〜Q6 スイッチング素子、S1〜S6 制御信号、Td デッドタイム、Vγ*,Vδ* 電圧指令値(γ−δ軸)、Vu*,Vv*,Vw* 電圧指令値(三相)、Vdc 直流電圧。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Motor system, 12 AC power supply, 15 Motor, 20 Rectification part, 30 Smoothing capacitor, 35 Voltage detection part, 40 Inverter, 41U, 41V, 41W, NL, PL Power line, 50 Current detection part, 100 Control part, 110 Motor control Unit, 120 speed command value generation unit, 130 motor control calculation unit, 140 control signal generation unit, 150 start control calculation unit, 160 control switching unit, 200 steady state control calculation unit, 210 coordinate conversion unit, 220 state estimation unit, 230 magnetic flux Command value generation unit, 240 Magnetic flux control unit, 250 Current command value fixing unit, 260 Axis control switching unit, 270 Speed control unit, 280 Current control unit, 290 Voltage command calculation unit, Iγ *, Iδ * Current command value, Iu, Iv, Iw Motor current, Iγ γ-axis current, Iδ δ-axis current, Nu, Nv, Nw Intermediate node, Q1 Q6 switching element, S1 to S6 control signal, Td dead time, Vγ *, Vδ * voltage command value (gamma-[delta] axis), Vu *, Vv *, Vw * voltage command value (three-phase), Vdc DC voltage.
Claims (8)
直流電源と、
前記直流電源からの直流電圧を前記モータへ印加される交流電圧に変換するインバータと、
前記モータを流れるモータ電流を検出する電流検出部と、
前記インバータを構成する複数の半導体スイッチング素子のオンオフを制御するための制御信号を生成する制御部とを備え、
前記制御部は、前記電流検出部による検出値に基づく前記モータ電流のフィードバック制御時において、前記モータの回転速度を上昇させる運転の途中で前記モータ電流が減少するタイミングを有するとともに当該タイミング後には前記回転速度の上昇に従って前記モータ電流が上昇するように前記制御信号を生成する、モータの制御装置。 A motor control device in which the position sensor is not arranged,
DC power supply,
An inverter that converts a DC voltage from the DC power source into an AC voltage applied to the motor;
A current detector for detecting a motor current flowing through the motor;
A control unit that generates a control signal for controlling on / off of a plurality of semiconductor switching elements constituting the inverter;
The control unit has a timing at which the motor current decreases during the operation of increasing the rotation speed of the motor during feedback control of the motor current based on a detection value by the current detection unit, and after the timing, A motor control device that generates the control signal such that the motor current increases as the rotational speed increases .
前記制御部は、前記回転速度が前記閾値よりも低い領域では、前記励磁電流指令値を一定値に設定する、請求項3記載のモータの制御装置。 The control unit generates the control signal so as to make the excitation component and the torque component of the motor current coincide with the excitation current command value and the torque current command value during the feedback control of the motor current,
The motor control device according to claim 3, wherein the controller sets the excitation current command value to a constant value in a region where the rotation speed is lower than the threshold value.
前記制御部は、前記モータ電流が減少するタイミングにおいて、前記励磁電流指令値を低下させる、請求項1記載のモータの制御装置。 The control unit generates the control signal so as to make the excitation component and the torque component of the motor current coincide with the excitation current command value and the torque current command value during the feedback control of the motor current,
The motor control device according to claim 1, wherein the control unit reduces the excitation current command value at a timing when the motor current decreases.
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