JP2011050178A - Motor control device and generator control device - Google Patents

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Hajime Hida
一 比田
Hitoo Togashi
仁夫 富樫
Kenji Kamiyama
健司 上山
Shigeo Morimoto
茂雄 森本
Masanori Inoue
征則 井上
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Osaka University NUC
Sanyo Electric Co Ltd
Osaka Prefecture University
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Osaka University NUC
Sanyo Electric Co Ltd
Osaka Prefecture University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize a torque response when a voltage is saturated. <P>SOLUTION: A motor control device adopts direct torque control. Namely, a magnetic flux which interlinks an armature winding of a motor is estimated, and a torque is estimated from an estimated magnetic flux and a motor current so as to directly control the torque. PI control for converging an error (ΔT) between the estimated torque and a torque command value to zero is performed. Presence of the occurrence of voltage saturation is detected from a difference (θ<SB>DIF</SB>) between a phase (θ<SB>S</SB><SP>*</SP>) of a magnetic flux vector following PI control and a phase (θ<SB>S</SB>) of estimated magnetic flux. When voltage saturation occurs, an integral gain (γ<SB>i</SB>*K<SB>i</SB>) in PI control is variably set in accordance with the difference (θ<SB>DIF</SB>). <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、モータを制御するためのモータ制御装置及び発電機を制御するための発電機制御装置に関する。   The present invention relates to a motor control device for controlling a motor and a generator control device for controlling a generator.

モータ制御の方法として、電流制御系を用いてモータ電流を制御する方法と異なり、トルクと磁束を制御する方法が知られており、後者の制御は直接トルク制御と呼ばれている。直接トルク制御では、モータの電機子巻線を鎖交する磁束及びモータの発生トルクが推定され、推定磁束及び推定トルクが磁束指令値及びトルク指令値に追従するように電圧指令値が作成される。そして、該電圧指令値がPWMインバータに与えられることで所望のトルクが得られる。   As a motor control method, a method of controlling torque and magnetic flux is known, unlike a method of controlling a motor current using a current control system, and the latter control is called direct torque control. In direct torque control, the magnetic flux linked to the armature winding of the motor and the generated torque of the motor are estimated, and the voltage command value is created so that the estimated magnetic flux and the estimated torque follow the magnetic flux command value and the torque command value. . Then, a desired torque is obtained by applying the voltage command value to the PWM inverter.

推定トルクとトルク指令値との誤差がゼロに収束するように比例積分制御を用いて磁束指令値を生成することができる。この比例積分制御は、磁束指令値に従った電圧指令値、即ち、モータの発生トルクをトルク指令値に一致させるための電圧指令値が電圧指令値生成部において生成されることを前提として動作するが、モータの高速回転時など、電圧飽和の発生時には該前提が崩れるため、トルク制御が不安定になることがある。   The magnetic flux command value can be generated using proportional-integral control so that the error between the estimated torque and the torque command value converges to zero. This proportional-integral control operates on the assumption that a voltage command value according to the magnetic flux command value, that is, a voltage command value for making the generated torque of the motor coincide with the torque command value is generated in the voltage command value generation unit. However, when the voltage saturation occurs, such as when the motor rotates at high speed, the assumption is lost, and torque control may become unstable.

電圧飽和とは、電圧指令値の大きさ(指定された、モータの印加電圧の大きさ)がPWMインバータの出力可能な上限電圧値を超えている状態を指す。電圧飽和の発生時には、電源保護等を目的として電圧指令値の大きさが上限電圧値以下となるように補正され、この補正により、モータの発生トルクをトルク指令値に一致させるために必要な電圧指令値よりも小さな電圧指令値が電圧指令値生成部において生成されることになる。この結果、トルク制御系の線形性(比例積分制御の線形性)が崩れて、トルク制御の応答性が劣化する或いは不安定になることが多い。典型的には例えば、推定トルク及びトルク指令値間の正の誤差又は負の誤差が定常的に発生することに起因して比例積分制御における積分値が過度に大きくなり、所謂ワインドアップ現象が引き起こされる。比例積分制御においてワインドアップ現象が発生すると、積分値の蓄積による操作遅れが生じて、制御対象であるトルクのオーバーシュート等が生じるようになる。   Voltage saturation refers to a state in which the magnitude of the voltage command value (designated magnitude of the applied voltage of the motor) exceeds the upper limit voltage value that can be output by the PWM inverter. When voltage saturation occurs, the voltage command value is corrected so that the magnitude of the voltage command value is less than or equal to the upper limit voltage value for the purpose of protecting the power supply. A voltage command value smaller than the command value is generated in the voltage command value generation unit. As a result, the linearity of the torque control system (the linearity of proportional-integral control) is often lost, and the responsiveness of torque control often deteriorates or becomes unstable. Typically, for example, a positive error or a negative error between the estimated torque and the torque command value is steadily generated, so that the integral value in the proportional integral control becomes excessively large, which causes a so-called windup phenomenon. It is. When the windup phenomenon occurs in the proportional-integral control, an operation delay due to accumulation of the integral value occurs, and an overshoot of the torque to be controlled occurs.

このような電圧飽和に対して、制御の安定化を図る方法が幾つか提案されている。例えば、下記特許文献1では、電圧飽和の発生時においてq相の積分器における積分値を小さな値に書き換えている。また例えば、下記特許文献2では、電圧飽和の発生時において、モータの制御を電流ループ処理に基づく比例積分制御からベクトル角度制御(d軸及びq軸の電圧指令値vd及びvqの合成ベクトルの、q軸に対する角度を制御)に切り替えている。   Several methods for stabilizing the control against such voltage saturation have been proposed. For example, in Patent Document 1 below, the integral value in the q-phase integrator is rewritten to a small value when voltage saturation occurs. Further, for example, in Patent Document 2 below, when voltage saturation occurs, the motor control is changed from proportional-integral control based on current loop processing to vector angle control (the combined vector of the voltage command values vd and vq of the d-axis and q-axis The angle with respect to the q axis is controlled.

特開平6−153569号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-1553569 特開2008−67582号公報JP 2008-67582 A

しかしながら、特許文献1及び2に係る方法は、モータ電流のd軸及びq軸成分を電流制御系を用いて制御する場合にのみ適用可能な方法であるため、直接トルク制御などの、電流制御系を構成しないモータ制御には適用できない。モータの制御方法に関する従来技術を説明したが、発電機の制御方法についても同様のことが言える。   However, since the methods according to Patent Documents 1 and 2 are applicable only when the d-axis and q-axis components of the motor current are controlled using the current control system, current control systems such as direct torque control are applicable. It is not applicable to motor control that does not constitute Although the prior art relating to the motor control method has been described, the same applies to the generator control method.

そこで本発明は、トルク制御の安定化に寄与するモータ制御装置及び発電機制御装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the motor control apparatus and generator control apparatus which contribute to stabilization of torque control.

本発明に係るモータ制御装置は、電機子巻線を有するモータの発生トルクが前記発生トルクの目標値であるトルク指令値に追従するように、積分器を用いて前記発生トルクを制御するトルク制御部を備えたモータ制御装置において、前記トルク制御部は、前記発生トルクを前記トルク指令値に追従させるために生成されるべき指令値であって且つ前記モータの印加電圧を指定する指令値である電圧指令値の大きさが所定の制限電圧値を超えていて、該大きさが前記制限電圧値以下に制限されるとき、前記電機子巻線の鎖交磁束の情報に基づき前記積分器のパラメータを調整することを特徴とする。   The motor control device according to the present invention is a torque control that controls the generated torque using an integrator so that the generated torque of a motor having an armature winding follows a torque command value that is a target value of the generated torque. In the motor control apparatus including the unit, the torque control unit is a command value that is to be generated to cause the generated torque to follow the torque command value, and a command value that specifies an applied voltage of the motor. When the magnitude of the voltage command value exceeds a predetermined limit voltage value and the magnitude is limited to the limit voltage value or less, the parameter of the integrator is based on the information on the interlinkage magnetic flux of the armature winding. It is characterized by adjusting.

発生トルクをトルク指令値に追従させるためにモータに印加すべき電圧の大きさ、即ち電圧指令値の大きさが所定の制限電圧値を超える状態は電圧飽和と呼ばれる。電圧飽和の発生時において、上記のような電圧の制限を行えば、発生トルクとトルク指令値との差分が積分器に蓄積して積分器の出力が過度に大きくなり、トルク応答が悪くなる或いはトルク制御が不安定になる、といったことが懸念される。一方で、電圧の積分に相当する磁束情報を見れば電圧飽和の発生状態を推測可能である。これを考慮し、本発明に係るモータ制御装置では、電圧飽和時において電機子巻線の鎖交磁束の情報に基づき積分器のパラメータを調整する。これにより、電圧飽和時に適した積分制御が可能となり、トルク制御の安定化を図ることが可能となる。   A state where the magnitude of the voltage to be applied to the motor in order to make the generated torque follow the torque command value, that is, the state where the magnitude of the voltage command value exceeds a predetermined limit voltage value is called voltage saturation. If the voltage is limited as described above when voltage saturation occurs, the difference between the generated torque and the torque command value is accumulated in the integrator, the output of the integrator becomes excessively large, and the torque response becomes poor. There is a concern that torque control becomes unstable. On the other hand, the occurrence of voltage saturation can be estimated by looking at magnetic flux information corresponding to voltage integration. Considering this, the motor control device according to the present invention adjusts the parameters of the integrator based on the information on the interlinkage magnetic flux of the armature winding when the voltage is saturated. As a result, integral control suitable for voltage saturation becomes possible, and torque control can be stabilized.

具体的には例えば、前記積分器は、前記発生トルクと前記トルク指令値との差分に応じた値の積分値を出力し、前記トルク制御部は、前記積分器の出力を用いて、前記差分を低減するための積分制御を含む制御を実行し、前記積分制御を含む制御と前記制限電圧値とに基づいて前記電圧指令値を生成する電圧指令値生成部、及び、前記電圧指令値と前記電機子巻線に流れる電機子電流とに基づいて前記鎖交磁束を推定する推定部を、当該モータ制御装置は更に備え、前記鎖交磁束の情報は、前記推定部による前記鎖交磁束の推定結果に基づいて生成される。   Specifically, for example, the integrator outputs an integrated value of a value corresponding to a difference between the generated torque and the torque command value, and the torque control unit uses the output of the integrator to output the difference. A voltage command value generation unit that executes control including integration control for reducing the voltage, generates the voltage command value based on the control including the integration control and the limit voltage value, and the voltage command value and the The motor control device further includes an estimation unit that estimates the interlinkage magnetic flux based on an armature current flowing through the armature winding, and the information about the interlinkage magnetic flux is estimated by the estimation unit. Generated based on the result.

積分制御を含む制御(例えば、比例積分制御)に基づき、発生トルクをトルク指令値に追従させるために必要なモータの印加電圧値が分かる。しかしながら、この印加電圧値は制限電圧値以下に制限される必要がある。このため、電圧指令値生成部は、積分制御を含む制御と制限電圧値とに基づいて電圧指令値を生成する。発生トルクをトルク指令値に追従させるために必要なモータの印加電圧値が制限電圧値を超えており、これに起因して実際の印加電圧値が制限電圧値以下に制限される時、電圧指令値から推定される鎖交磁束は、積分制御を含む制御に従った鎖交磁束の目標値からずれる。従って、鎖交磁束の推定結果から電圧飽和の発生状態を検出可能であり、その検出結果を用いて、電圧飽和時に適した積分制御を成すことが可能である。   Based on control including integral control (for example, proportional integral control), the applied voltage value of the motor necessary for causing the generated torque to follow the torque command value is known. However, the applied voltage value needs to be limited to the limit voltage value or less. Therefore, the voltage command value generation unit generates a voltage command value based on the control including the integration control and the limit voltage value. When the applied voltage value of the motor necessary to make the generated torque follow the torque command value exceeds the limit voltage value, and the actual applied voltage value is limited below the limit voltage value due to this, the voltage command The flux linkage estimated from the value deviates from the target value of the flux linkage according to the control including the integral control. Therefore, it is possible to detect the occurrence of voltage saturation from the estimation result of the interlinkage magnetic flux, and it is possible to perform integral control suitable for voltage saturation using the detection result.

より具体的には例えば、前記トルク制御部は、前記差分が低減するように、前記積分器を用いて所定座標系上における前記鎖交磁束の位相の目標である位相指令値を生成し、前記電圧指令値生成部は、前記位相指令値に従った磁束を前記電機子巻線に鎖交させるために必要な前記電圧指令値を、前記電圧指令値の大きさが前記制限電圧値以下となる制限の下で生成し、前記鎖交磁束の情報は、前記推定部によって推定された前記鎖交磁束である推定鎖交磁束の、前記所定座標系上における位相と、前記位相指令値と、の差を表す位相差情報である。   More specifically, for example, the torque control unit generates a phase command value that is a target of the phase of the flux linkage on a predetermined coordinate system using the integrator so that the difference is reduced, The voltage command value generation unit is configured to set the voltage command value necessary to link the magnetic flux according to the phase command value to the armature winding, and the magnitude of the voltage command value is equal to or less than the limit voltage value. The information on the flux linkage generated under restriction includes the phase of the estimated flux linkage, which is the flux linkage estimated by the estimation unit, on the predetermined coordinate system, and the phase command value. This is phase difference information representing the difference.

より具体的には例えば、前記トルク制御部は、前記差分に前記パラメータとしての積分ゲインを乗じて得た値の積分値に応じて前記位相指令値を生成し、前記位相差情報にて表される前記差が増大するに従って前記積分ゲインを減少させる。   More specifically, for example, the torque control unit generates the phase command value according to an integral value obtained by multiplying the difference by an integral gain as the parameter, and is represented by the phase difference information. As the difference increases, the integral gain is decreased.

これにより、電圧飽和時において積分器の出力が過度に大きくなることが抑制され、トルク制御の安定化が図られる。   Thereby, it is suppressed that the output of the integrator becomes excessively large at the time of voltage saturation, and the torque control is stabilized.

また例えば、前記推定部は、前記電圧指令値と前記電機子電流に基づいて前記発生トルクをも推定し、前記トルク制御部では、前記発生トルクとして、推定された発生トルクが用いられる。   Further, for example, the estimation unit also estimates the generated torque based on the voltage command value and the armature current, and the torque generation unit uses the estimated generated torque as the generated torque.

本発明に係る発電機制御装置は、電機子巻線を有する発電機の発生トルクが前記発生トルクの目標値であるトルク指令値に追従するように、積分器を用いて前記発生トルクを制御するトルク制御部を備えた発電機制御装置において、前記トルク制御部は、前記発生トルクを前記トルク指令値に追従させるために生成されるべき指令値であって且つ前記発電機の出力電圧を指定する指令値である電圧指令値の大きさが所定の制限電圧値を超えていて、該大きさが前記制限電圧値以下に制限されるとき、前記電機子巻線の鎖交磁束の情報に基づき前記積分器のパラメータを調整することを特徴とする。   The generator control device according to the present invention controls the generated torque using an integrator so that the generated torque of the generator having the armature winding follows a torque command value that is a target value of the generated torque. In the generator control device including a torque control unit, the torque control unit is a command value that should be generated to cause the generated torque to follow the torque command value, and specifies an output voltage of the generator. When the magnitude of the voltage command value, which is a command value, exceeds a predetermined limit voltage value, and the magnitude is limited to the limit voltage value or less, the information is based on information on the interlinkage magnetic flux of the armature winding. It is characterized by adjusting the parameters of the integrator.

これにより、上記モータ制御装置と同様、電圧飽和時に適した積分制御が可能となり、トルク制御の安定化を図ることが可能となる。   As a result, similar to the motor control device, integral control suitable for voltage saturation is possible, and torque control can be stabilized.

本発明によれば、トルク制御の安定化に寄与するモータ制御装置及び発電機制御装置を提供することが可能となる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the motor control apparatus and generator control apparatus which contribute to stabilization of torque control.

本発明の意義ないし効果は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。   The significance or effect of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments. However, the following embodiment is only one embodiment of the present invention, and the meaning of the term of the present invention or each constituent element is not limited to that described in the following embodiment. .

本発明の第1実施形態に係るモータ駆動システムの概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a motor drive system according to a first embodiment of the present invention. 図1に示されるモータの内部構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the internal structure of the motor shown by FIG. 図1に示されるモータの解析モデル図である。FIG. 2 is an analysis model diagram of the motor shown in FIG. 1. 本発明の第1実施形態に係るモータ駆動システムの詳細ブロック図である。1 is a detailed block diagram of a motor drive system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態に係り、磁束ベクトルとα軸及びβ軸との関係を示す図である。It is a figure which concerns on 1st Embodiment of this invention and shows the relationship between a magnetic flux vector, (alpha) axis | shaft, and (beta) axis. 本発明の第1実施形態に係り、電圧飽和の未発生時における、電圧指令ベクトル、推定磁束ベクトル及び磁束指令ベクトルの関係を示す図である。It is a figure which concerns on 1st Embodiment of this invention and shows the relationship between a voltage command vector, an estimated magnetic flux vector, and a magnetic flux command vector when voltage saturation has not occurred. 本発明の第1実施形態に係り、電圧飽和の発生時における、電圧指令ベクトル、推定磁束ベクトル及び磁束指令ベクトルの関係を示す図である。It is a figure which concerns on 1st Embodiment of this invention and shows the relationship of a voltage command vector, an estimated magnetic flux vector, and a magnetic flux command vector at the time of generation | occurrence | production of voltage saturation. 本発明の第1実施形態に係るトルク制御部の内部ブロック図である。It is an internal block diagram of the torque control part which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係り、トルク指令値をステップ的に変化させた時における、推定されたトルクの波形及び積分ゲイン用の係数の波形を示す図である。It is a figure which concerns on 1st Embodiment of this invention and shows the waveform of the estimated torque waveform when the torque command value is changed in steps, and the waveform of the coefficient for integral gain. 本発明の第2実施形態に係る発電システムの詳細ブロック図である。It is a detailed block diagram of the electric power generation system which concerns on 2nd Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。参照される各図において、同一の部分には同一の符号を付し、同一の部分に関する重複する説明を原則として省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In each of the drawings to be referred to, the same part is denoted by the same reference numeral, and redundant description regarding the same part is omitted in principle.

<<第1実施形態>>
本発明の第1実施形態を説明する。図1は、第1実施形態に係るモータ駆動システムの概略ブロック図である。図1のモータ駆動システムは、モータ1と、電圧変換回路2と、モータ制御装置3とを備える。図2は、モータ1の内部構成を表すブロック図である。
<< First Embodiment >>
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic block diagram of a motor drive system according to the first embodiment. The motor drive system of FIG. 1 includes a motor 1, a voltage conversion circuit 2, and a motor control device 3. FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the motor 1.

モータ1は、三相永久磁石同期モータであり、永久磁石を備えた回転子1rと3相分の電機子巻線(即ち、U相、V相及びW相の電機子巻線)を備えた固定子1sとを有している。   The motor 1 is a three-phase permanent magnet synchronous motor, and includes a rotor 1r having a permanent magnet and three-phase armature windings (that is, U-phase, V-phase, and W-phase armature windings). And a stator 1s.

電圧変換回路2は、例えば、PWM(Pulse Width Modulation)インバータである。電圧変換回路2としてのPWMインバータは、パルス幅変調を用いて直流電源(不図示)から与えられる直流電圧を三相交流電圧に変換し、その三相交流電圧をモータ1に印加する。モータ1に印加される三相交流電圧は、U相の電機子巻線への印加電圧を表すU相電圧vu、V相の電機子巻線への印加電圧を表すV相電圧vv、及び、W相の電機子巻線への印加電圧を表すW相電圧vwから成る。U相電圧vu、V相電圧vv及びW相電圧vwの合成電圧である、モータ1に印加される全体の電圧をモータ電圧(モータ端子電圧)と呼び、それを記号vによって表す。 The voltage conversion circuit 2 is, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) inverter. The PWM inverter as the voltage conversion circuit 2 converts a DC voltage supplied from a DC power supply (not shown) into a three-phase AC voltage using pulse width modulation, and applies the three-phase AC voltage to the motor 1. The three-phase AC voltage applied to the motor 1 includes a U-phase voltage v u representing a voltage applied to the U-phase armature winding, a V-phase voltage v v representing a voltage applied to the V-phase armature winding, And a W-phase voltage v w representing a voltage applied to the W-phase armature winding. The total voltage applied to the motor 1, which is a combined voltage of the U-phase voltage v u , the V-phase voltage v v and the W-phase voltage v w , is referred to as a motor voltage (motor terminal voltage), and is represented by the symbol v.

モータ電圧vの印加によってモータ1に流れる電流のU相成分、V相成分及びW相成分、即ちU相、V相及びW相の電機子巻線に流れる電流を、夫々、U相電流iu、V相電流iv及びW相電流iwと呼ぶ。U相電流iu、V相電流iv及びW相電流iwの合成電流である、モータ1に流れる全体の電流をモータ電流(電機子電流)と呼び、それを記号iによって表す。 U-phase component of the current flowing through the motor 1 by application of the motor voltage v, V-phase component and a W-phase component, i.e. U-phase, the current flowing in the armature winding of the V-phase and W-phase, respectively, the U-phase current i u , V phase current i v and W phase current i w . The total current flowing through the motor 1, which is a combined current of the U-phase current i u , the V-phase current i v and the W-phase current i w , is referred to as a motor current (armature current) and is represented by the symbol i.

図3(a)及び(b)に、モータ1の解析モデル図を示す。図3(a)には、U相、V相、W相の電機子巻線固定軸(以下、U相軸、V相軸及びW相軸とも呼ぶ)が示されている。1mは、モータ1の回転子1rに設けられた永久磁石である。V相軸の位相は、U相軸を基準として電気角で120度だけ進んでおり、W相軸の位相は、V相軸を基準として更に電気角で120度だけ進んでいる。永久磁石1mが作る磁束の回転速度と同じ速度で回転する回転座標系において、永久磁石1mが作る磁束の方向をd軸にとり、d軸から電気角で90度進んだ位相にq軸をとる。図3(a)及び(b)において反時計回り方向が位相の進み方向に対応する。d軸及びq軸の回転速度をωにて表す。ωにて表される回転速度は、電気角における角速度である。   3A and 3B are analysis model diagrams of the motor 1. FIG. 3A shows U-phase, V-phase, and W-phase armature winding fixed axes (hereinafter also referred to as U-phase axis, V-phase axis, and W-phase axis). 1 m is a permanent magnet provided on the rotor 1 r of the motor 1. The phase of the V-phase axis is advanced by 120 degrees in electrical angle with respect to the U-phase axis, and the phase of the W-phase axis is further advanced by 120 degrees in electrical angle with respect to the V-phase axis. In a rotating coordinate system that rotates at the same speed as the rotational speed of the magnetic flux generated by the permanent magnet 1m, the direction of the magnetic flux generated by the permanent magnet 1m is taken as the d-axis, and the q-axis is taken as a phase advanced 90 degrees from the d-axis by an electrical angle. In FIGS. 3A and 3B, the counterclockwise direction corresponds to the phase advance direction. The rotational speeds of the d-axis and q-axis are represented by ω. The rotational speed represented by ω is an angular speed in electrical angle.

また、図3(b)には、U相軸、V相軸及びW相軸と、互いに直交するα軸及びβ軸と、の関係が示されている。α軸はU相軸と一致しており、β軸は、α軸を基準として電気角で90度だけ進んでいる。U相軸、V相軸及びW相軸並びにα軸及びβ軸は、回転子1rの回転に関係なく固定された固定軸である。α軸及びβ軸を総称してαβ軸と呼び、α軸及びβ軸を座標軸に選んだ固定座標系をαβ座標系と呼ぶ。   FIG. 3B shows the relationship between the U-phase axis, the V-phase axis, and the W-phase axis, and the α axis and β axis that are orthogonal to each other. The α axis coincides with the U-phase axis, and the β axis advances by 90 degrees in electrical angle with respect to the α axis. The U-phase axis, the V-phase axis, the W-phase axis, the α-axis, and the β-axis are fixed axes that are fixed regardless of the rotation of the rotor 1r. The α axis and the β axis are collectively referred to as an αβ axis, and a fixed coordinate system in which the α axis and the β axis are selected as coordinate axes is referred to as an αβ coordinate system.

更に以下の如く状態量を定義する。
モータ電圧vのα軸成分及びβ軸成分を、夫々、α軸電圧及びβ軸電圧と呼ぶと共に記号vα及びvβにて表す。
モータ電流iのα軸成分及びβ軸成分を、夫々、α軸電流及びβ軸電流と呼ぶと共に記号iα及びiβにて表す。
三相の電機子巻線を鎖交する磁束を合成したものを電機子鎖交磁束と呼ぶと共に記号φにて表す。電機子鎖交磁束φのα軸成分及びβ軸成分を、夫々、α軸磁束及びβ軸磁束と呼ぶと共に記号φα及びφβにて表す。電機子鎖交磁束φは、永久磁石1mによる界磁磁束(後述のΦaに相当)とモータ電流iによる電機子反作用磁束との合成磁束に相当する。φは二次元量であるため、それを磁束ベクトルとも呼ぶ。
Furthermore, state quantities are defined as follows.
The α-axis component and β-axis component of the motor voltage v are referred to as an α-axis voltage and a β-axis voltage, respectively, and are represented by symbols vα and vβ.
The α-axis component and β-axis component of the motor current i are referred to as α-axis current and β-axis current, respectively, and are represented by symbols iα and iβ.
A combination of magnetic fluxes interlinking three-phase armature windings is called an armature interlinkage magnetic flux and represented by the symbol φ. The α-axis component and β-axis component of the armature linkage flux φ are referred to as α-axis flux and β-axis flux, respectively, and are represented by symbols φα and φβ. The armature interlinkage magnetic flux φ corresponds to a combined magnetic flux of a field magnetic flux (corresponding to Φa described later) by the permanent magnet 1m and an armature reaction magnetic flux by the motor current i. Since φ is a two-dimensional quantity, it is also called a magnetic flux vector.

vα、vβ、φα及びφβが追従すべき、vα、vβ、φα及びφβの目標値を、夫々、α軸電圧指令値vα*、β軸電圧指令値vβ*、α軸磁束指令値φα*及びβ軸磁束指令値φβ*と呼び、vu、vv及びvwが追従すべき、vu、vv及びvwの目標値を、夫々、U相電圧指令値vu *、V相電圧指令値vv *及びW相電圧指令値vw *と呼ぶ。 The target values of vα, vβ, φα, and φβ that should be followed by vα, vβ, φα, and φβ are the α-axis voltage command value vα * , β-axis voltage command value vβ * , α-axis magnetic flux command value φα *, and referred to as the β-axis magnetic flux command value φβ *, v u, v v and v w to be followed, v u, the target value of v v and v w, respectively, U-phase voltage command value v u *, V-phase voltage It is called a command value v v * and a W-phase voltage command value v w * .

尚、本明細書では、記述の簡略化上、記号(iαなど)のみの表記によって、その記号に対応する状態量などを表現している場合もある。即ち、本明細書では、例えば、「iα」と「α軸電流iα」又は「α軸電流値iα」は同じものを指している。   In the present specification, for simplicity of description, only a symbol (such as iα) may be used to express a state quantity corresponding to the symbol. That is, in this specification, for example, “iα” and “α-axis current iα” or “α-axis current value iα” indicate the same thing.

図4は、図1のモータ駆動システムの詳細ブロック図である。図4のモータ駆動システムには、モータ1、電圧変換回路2及びモータ制御装置3の他に、電源4及び電流センサ10が設けられている。図4のモータ制御装置3は、符号31〜40によって参照される各部位を備える。   FIG. 4 is a detailed block diagram of the motor drive system of FIG. The motor drive system shown in FIG. 4 includes a power source 4 and a current sensor 10 in addition to the motor 1, the voltage conversion circuit 2, and the motor control device 3. The motor control device 3 in FIG. 4 includes each part referred to by reference numerals 31 to 40.

モータ制御装置3内の各部位は、モータ制御装置3内で生成された各値を自由に利用可能である。図4のモータ駆動システムを形成する各部位は、所定の制御周期にて自身が算出(又は検出)して出力する指令値(ω*、T*、θS *、|φ*|、φα*、φβ*、vα*、vβ*、vu *、vv *及びvw *を含む)又は状態量(iu、iv、iα、iβ、φα、φβ、θS、ω及びTを含む)を更新し、最新の指令値又は状態量に従って各値の演算を行う。 Each part in the motor control device 3 can freely use each value generated in the motor control device 3. Each part forming the motor drive system shown in FIG. 4 is calculated (or detected) by a predetermined control period and output as command values (ω * , T * , θ S * , | φ * |, φα *). , φβ *, vα *, vβ *, v u *, v v * and v, including the w *) or state the amount of (i u, i v, including iα, iβ, φα, φβ, θ S, the ω and T ) And calculate each value according to the latest command value or state quantity.

図4のモータ駆動システムでは、いわゆる直接トルク制御(Direct torque Control)によってモータ1が駆動制御される。埋込磁石型モータなどを用いる場合、磁石磁束やインダクタンス分布に高調波が存在することが多い。つまり例えば、U相電機子巻線を鎖交する永久磁石の磁束は、回転子の位相変化に対して理想的には正弦波の波形を描くが、実際には該波形には高調波が含まれ、これに起因して永久磁石の回転によって生じる誘起電圧も歪む。同様に、電機子巻線のd軸インダクタンスやq軸インダクタンスも高調波を含む。このような高調波はトルクリプルの原因となることが知られている。   In the motor drive system shown in FIG. 4, the motor 1 is driven and controlled by so-called direct torque control. When using an embedded magnet type motor or the like, harmonics often exist in the magnetic flux or inductance distribution. That is, for example, the magnetic flux of the permanent magnet interlinking the U-phase armature winding ideally draws a sinusoidal waveform with respect to the phase change of the rotor, but actually the waveform includes harmonics. As a result, the induced voltage caused by the rotation of the permanent magnet is also distorted. Similarly, the d-axis inductance and the q-axis inductance of the armature winding include harmonics. Such harmonics are known to cause torque ripple.

ベクトル制御によってd軸電流及びq軸電流が一定となるように制御した場合、磁石磁束やインダクタンス分布に高調波が含まれていなければ、発生トルクは一定となるが、実際には通常それらに高調波が含まれているため発生トルクが脈動する。これに対し、直接トルク制御では、固定子の電機子巻線を鎖交する磁束を推定し、推定磁束とモータ電流とからトルクを推定してトルクを直接制御する。推定磁束には高調波の影響が反映されるため、トルクの推定にも高調波の影響が反映される。直接トルク制御では、この推定トルクに基づいて制御を行うため、磁石磁束やインダクタンス分布に高調波が存在している場合でもトルクリプルを低減できるという効果がある。   When the d-axis current and the q-axis current are controlled to be constant by vector control, the generated torque is constant unless harmonics are included in the magnet magnetic flux or inductance distribution. Since the wave is included, the generated torque pulsates. On the other hand, in the direct torque control, the magnetic flux interlinking the armature windings of the stator is estimated, the torque is estimated from the estimated magnetic flux and the motor current, and the torque is directly controlled. Since the influence of harmonics is reflected in the estimated magnetic flux, the influence of harmonics is reflected in the estimation of torque. In direct torque control, since control is performed based on this estimated torque, there is an effect that torque ripple can be reduced even when harmonics exist in the magnetic flux or inductance distribution.

加えて、トルク指令に対する応答性が良い、dq座標変換を行うために必要な回転子位置情報(d軸の位相情報)が不要である、制御に電機子巻線のインダクタンス等のモータパラメータが不要である等の利点が、直接トルク制御には存在する。以下、図4の各部位の機能を具体的に説明する。   In addition, responsiveness to torque command is good, rotor position information (d-axis phase information) necessary for performing dq coordinate conversion is unnecessary, and motor parameters such as inductance of armature winding are not required for control There are advantages to direct torque control. Hereinafter, the function of each part in FIG. 4 will be specifically described.

電流センサ10は、電圧変換回路2からモータ1に供給されるU相電流iu及びV相電流ivの電流値を表すアナログ信号を出力する。A/D変換器から成る電流検出部31は、電流センサ10の出力信号に基づいてU相電流iu及びV相電流ivの電流値を検出する。尚、検出されたiu及びivの電流値を用い、関係式「iw=−iu−iv」に従って、W相電流iwの電流値を算出することもできる。 Current sensor 10 outputs an analog signal representative of the current value of the U-phase current i u and the V-phase current i v are supplied from the voltage conversion circuit 2 to the motor 1. Current detecting unit 31 consisting of the A / D converter detects the current value of the U-phase current i u and the V-phase current i v based on the output signal of the current sensor 10. Incidentally, using the current value of the detected i u and i v, according to the relational expression "i w = -i u -i v", it is also possible to calculate the current value of the W-phase current i w.

3相/2相変換部32は、U相電流値iu及びV相電流値ivをαβ軸上に座標変換することにより、α軸電流値iα及びβ軸電流値iβを算出及び出力する。 3-phase / 2-phase converting unit 32 performs coordinate transformation on the αβ-axis U-phase current value i u and the V-phase current value i v, calculates and outputs the α-axis current value iα and β-axis current value iβ .

磁束・トルク推定部33(以下、推定部33と略記することがある)は、3相/2相変換部32から与えられるα軸電流値iα及びβ軸電流値iβと電圧指令部39から与えられるα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*に基づいて、α軸磁束φα及びβ軸磁束φβを推定すると共に、推定したφα及びφβに基づいて磁束ベクトルφの位相θSを算出する。更に、φα、φβ、iα及びiβに基づいて、モータ1にて発生するトルクTを推定する。 The magnetic flux / torque estimation unit 33 (hereinafter, abbreviated as the estimation unit 33) is supplied from the α-axis current value iα and β-axis current value iβ given from the three-phase / two-phase conversion unit 32 and the voltage command unit 39. The α-axis magnetic flux φα and the β-axis magnetic flux φβ are estimated based on the α-axis voltage command value vα * and the β-axis voltage command value vβ * , and the phase θ S of the magnetic flux vector φ is calculated based on the estimated φα and φβ. calculate. Further, the torque T generated in the motor 1 is estimated based on φα, φβ, iα and iβ.

図5に示す空間ベクトル図において、符号301が付されたベクトルが、φα及びφβをα軸成分及びβ軸成分として有する磁束ベクトルφである。位相θSは、電気角における位相であって、α軸(U相軸)から見た磁束ベクトルφの位相である。図5に示す如く、永久磁石1mによる界磁磁束(図5のΦaに対応)とモータ電流iによる電機子反作用磁束(図5のLiに相当;Lは電機子巻線のインダクタンスを表す)との合成磁束が、φに相当する。 In the space vector diagram shown in FIG. 5, a vector denoted by reference numeral 301 is a magnetic flux vector φ having φα and φβ as an α-axis component and a β-axis component. The phase θ S is a phase in electrical angle and is a phase of the magnetic flux vector φ viewed from the α axis (U phase axis). As shown in FIG. 5, the field magnetic flux by the permanent magnet 1 m (corresponding to [Phi a in FIG. 5) and the armature reaction magnetic flux by the motor current i (corresponding to Li in FIG. 5; L represents the inductance of the armature winding) Is equivalent to φ.

具体的には、φα、φβ、θS及びTを、夫々、下記式(A1)、(A2)、(A3)及び(A4)に従って算出することができる。 Specifically, φα, φβ, θ S and T can be calculated according to the following formulas (A1), (A2), (A3) and (A4), respectively.

Figure 2011050178
Figure 2011050178

式(A1)及び(A2)における各右辺の積分は、時間tに対する積分であり、その積分区間は、基準時刻である時刻t=0から現時点までである。
aは、モータ1に設けられた電機子巻線の一相当たりの抵抗値を表し、
nは、モータ1の極対数を表し、
φα|t=0及びφβ|t=0は、夫々、時刻t=0におけるφα及びφβの値(即ち、φα及びφβの初期値)を表す。
尚、Ra、Pn、φα|t=0及びφβ|t=0を、モータ駆動システムの設計段階にて予め定めておくことができる。
The integration of each right side in the equations (A1) and (A2) is the integration with respect to the time t, and the integration interval is from the time t = 0 which is the reference time to the current time.
R a represents the resistance value per phase of the armature winding provided in the motor 1,
P n represents the number of pole pairs of the motor 1,
φα | t = 0 and φβ | t = 0 represent the values of φα and φβ at time t = 0 (that is, initial values of φα and φβ), respectively.
Incidentally, R a, P n, φα | t = 0 and Faibeta | a t = 0, can be previously determined at the design stage of the motor drive system.

図示されない速度指令生成部は、モータ1の回転子1rを所望の回転速度(電気角速度)にて回転させるための回転速度指令値ω*を生成する。磁束・トルク指令部34には、この回転速度指令値ω*と、モータ1の回転速度ωとが与えられる。回転速度ωを、エンコーダ等を用いた回転速度検出によって得ることができる。尚、推定部33にて求められた位相θSを時間で微分することによって回転速度ωを推定算出するようにしても良い。 A speed command generation unit (not shown) generates a rotation speed command value ω * for rotating the rotor 1r of the motor 1 at a desired rotation speed (electrical angular speed). The rotational speed command value ω * and the rotational speed ω of the motor 1 are given to the magnetic flux / torque command unit 34. The rotational speed ω can be obtained by detecting the rotational speed using an encoder or the like. The rotational speed ω may be estimated and calculated by differentiating the phase θ S obtained by the estimation unit 33 with respect to time.

磁束・トルク指令部34は、比例積分制御(以下、PI制御という)などを用いることによって、回転速度指令値ω*と回転速度ωとの差(ω*−ω)がゼロに収束するようにトルク指令値T*を算出及び出力する。トルク指令値T*は、モータ1の発生トルクTの目標値である(換言すれば、推定部33にて推定されるトルクTの目標値である)。 The magnetic flux / torque command unit 34 uses proportional integral control (hereinafter referred to as PI control) or the like so that the difference (ω * −ω) between the rotational speed command value ω * and the rotational speed ω converges to zero. Torque command value T * is calculated and output. The torque command value T * is a target value of the generated torque T of the motor 1 (in other words, a target value of the torque T estimated by the estimation unit 33).

直接トルク制御ではトルク指令値T*と同時に電機子鎖交磁束の振幅に対する指令値を与える必要がある。この振幅に対する指令値を|φ*|にて表す。|φ*|は、φα及びφβから形成される磁束ベクトルφの大きさ(即ち、電機子鎖交磁束φの振幅)の目標値を表す。|φ*|は、例えば、トルク指令値T*又は回転速度ωの関数とされる。従って、例えば、|φ*|とT*又はωとの関係を表すテーブルデータを予めモータ制御装置3内に格納しておき、T*又はωに基づき、そのテーブルデータに従って|φ*|を求めることができる。 In direct torque control, it is necessary to give a command value for the amplitude of the armature linkage flux simultaneously with the torque command value T * . The command value for this amplitude is represented by | φ * |. | Φ * | represents a target value of the magnitude of the magnetic flux vector φ formed from φα and φβ (that is, the amplitude of the armature linkage magnetic flux φ). | Φ * | is, for example, a function of the torque command value T * or the rotational speed ω. Therefore, for example, table data representing the relationship between | φ * | and T * or ω is stored in the motor control device 3 in advance, and | φ * | is obtained according to the table data based on T * or ω. be able to.

減算部35は、トルク指令値T*と推定されたトルクTとの差ΔT(=T*−T)を算出してトルク演算部36に与える。 The subtracting unit 35 calculates a difference ΔT (= T * −T) between the torque command value T * and the estimated torque T and supplies the difference to the torque calculating unit 36.

トルク演算部36は、ΔTをゼロに収束させるためのPI制御を行うことによりΔTに応じた位相補正量ΔθS *を算出する。加算部37は、この位相補正量ΔθS *と推定部33によって算出された位相θSとの和(ΔθS *+θS)を求め、得られた和を位相指令値θS *(=(ΔθS *+θS))として出力する。 The torque calculator 36 calculates a phase correction amount Δθ S * corresponding to ΔT by performing PI control for converging ΔT to zero. The adding unit 37 obtains the sum (Δθ S * + θ S ) of the phase correction amount Δθ S * and the phase θ S calculated by the estimating unit 33, and uses the obtained sum as the phase command value θ S * (= ( Δθ S * + θ S )).

磁束ベクトル生成部38は、|φ*|とθS *に基づき、下記式(A5)及び(A6)に従ってα軸磁束指令値φα*及びβ軸磁束指令値φβ*を算出する。 Flux vector generation unit 38, | φ * | based on the theta S *, calculates the α-axis magnetic flux command value Fa * and β-axis magnetic flux command value Faibeta * according to the following equation (A5) and (A6).

Figure 2011050178
Figure 2011050178

電圧指令部(電圧指令値生成部)39は、磁束ベクトル生成部38及び磁束・トルク推定部33からのφα*、φβ*、φα及びφβに基づき、(φα*−φα)/tS及び(φβ*−φβ)/tSを用いてα軸電圧指令値vα*及びβ軸電圧指令値vβ*を算出する(tSは、後述するように制御周期の時間長さである)。この算出に当たり、3相/2相変換部32からのiα及びiβも参照されうる(但し、iα及びiβが電圧指令部39に与えられる様子は不図示)。 The voltage command unit (voltage command value generation unit) 39 is based on φα * , φβ * , φα and φβ from the magnetic flux vector generation unit 38 and the magnetic flux / torque estimation unit 33, and (φα * −φα) / t S and ( α-axis voltage command value vα * and β-axis voltage command value vβ * are calculated using φβ * −φβ) / t S (t S is the time length of the control cycle as will be described later). In this calculation, iα and iβ from the three-phase / two-phase converter 32 can also be referred to (however, the manner in which iα and iβ are given to the voltage command unit 39 is not shown).

2相/3相変換部40は、αβ軸上の電圧指令値であるvα*及びvβ*を三相の固定座標軸上に座標変換することにより、vu *、vv *及びvw *から成る三相電圧指令値を算出する。電圧変換回路2は、この三相電圧指令値に従って電源4からの直流電圧を、U相電圧vu、V相電圧vv及びW相電圧vwから成る三相交流電圧に変換する。この三相交流電圧に応じた電流が電機子巻線に供給されてモータ1が駆動される。 2-phase / 3-phase conversion unit 40 performs coordinate transformation of v? * And v? * Is the voltage command value on the αβ-axis on the fixed coordinate axes of a three-phase, v u *, the v v * and v w * A three-phase voltage command value is calculated. The voltage conversion circuit 2 converts the DC voltage from the power supply 4 into a three-phase AC voltage composed of a U-phase voltage v u , a V-phase voltage v v and a W-phase voltage v w according to the three-phase voltage command value. A current corresponding to the three-phase AC voltage is supplied to the armature winding to drive the motor 1.

モータ駆動システム内における演算は、実際には、所定の制御周期にて離散化された各指令値又は状態量の瞬時値に基づいて行われる。そこで、モータ制御装置3内の各部位の入力値及び出力値が制御周期にて離散化された場合を考えて、それらの動作についての説明を加える。制御周期の時間長さをtSにて表す。 The calculation in the motor drive system is actually performed based on the instantaneous value of each command value or state quantity discretized in a predetermined control cycle. Therefore, considering the case where the input value and the output value of each part in the motor control device 3 are discretized in the control cycle, the operation will be described. The time length of the control cycle is represented by t S.

今、基準時刻t=0が0番目の制御周期に属し、且つ、現時点がk番目の制御周期に属する場合を考える(kは自然数)。k番目の制御周期において導出された指令値又は状態量を[k]を伴った記号にて表す。従って、k番目の制御周期において導出された
φα、φβ、θS、T、T*、ΔT、ΔθS *、θS *、|φ*|、φα*、φβ*、vα*、vβ*は、夫々、φα[k]、φβ[k]、θS[k]、T[k]、T*[k]、ΔT[k]、ΔθS *[k]、θS *[k]、|φ*|[k]、φα*[k]、φβ*[k]、vα*[k]、vβ*[k]にて表される。k番目の制御周期以外についても同様である。従って例えば、(k+1)番目の制御周期において導出された指令値又は状態量は[k+1]を伴った記号にて表される。ΔθS *[k]は、ΔT[k]とk番目の制御周期よりも前の制御周期において導出されたΔT(ΔT[k−1]等)とに基づいて導出されたΔθS *であり、θS *[k]=θS[k]+ΔθS *[k]である。φα*[k]及びφβ*[k]はθS *[k]及び|φ*|[k]から導出され、vα*[k]及びvβ*[k]はφα*[k]及びφβ*[k]とφα[k]及びφβ[k]から導出される。
Consider a case where the reference time t = 0 belongs to the 0th control cycle and the current time belongs to the kth control cycle (k is a natural number). The command value or state quantity derived in the kth control cycle is represented by a symbol with [k]. Thus, k-th Fa derived in control period, φβ, θ S, T, T *, ΔT, Δθ S *, θ S *, | φ * |, φα *, φβ *, vα *, vβ * is , Φα [k], φβ [k], θ S [k], T [k], T * [k], ΔT [k], Δθ S * [k], θ S * [k], | φ * | [k], φα * [k], φβ * [k], vα * [k], is represented by vβ * [k]. The same applies to other than the k-th control cycle. Therefore, for example, the command value or the state quantity derived in the (k + 1) th control cycle is represented by a symbol with [k + 1]. [Delta] [theta] S * [k] is, [Delta] T [k] and the k-th than the control period of the derived in the control cycle before ΔT (ΔT [k-1], etc.) and a [Delta] [theta] S * which has been derived based on , Θ S * [k] = θ S [k] + Δθ S * [k]. φα * [k] and φβ * [k] is θ S * [k] and | φ * | is derived from [k], vα * [k ] and vβ * [k] is φα * [k] and φβ * It is derived from [k], φα [k] and φβ [k].

モータ制御装置3は、上記式(A1)〜(A6)に対応する下記式(B1)〜(B6)に従って、φα[k]、φβ[k]、θS[k]、T[k]、φα*[k]及びφβ*[k]を算出することができる。 The motor control device 3 has φα [k], φβ [k], θ S [k], T [k], according to the following formulas (B1) to (B6) corresponding to the formulas (A1) to (A6). φα * [k] and φβ * [k] can be calculated.

Figure 2011050178
Figure 2011050178

図6に、磁束ベクトルと電圧指令ベクトル等との関係を示す。まず、いわゆる電圧飽和が発生していない時における、それらの関係を説明する。今、推定されたφα[k]及びφβ[k]をα軸成分及びβ軸成分として有する磁束ベクトルφを推定磁束ベクトルφest[k]と呼び、φα*[k]及びφβ*[k]をα軸成分及びβ軸成分として有する磁束ベクトルφを磁束指令ベクトルφ*[k]と呼ぶ。更に、vα*[k]及びvβ*[k]をα軸成分及びβ軸成分として有する電圧ベクトルを電圧指令ベクトルv*[k]と呼ぶ。 FIG. 6 shows the relationship between the magnetic flux vector and the voltage command vector. First, the relationship when so-called voltage saturation does not occur will be described. Now, the estimated Fa [k] and φβ [k] to the magnetic flux vector phi is called the estimated magnetic flux vector φ est [k] having as α-axis component and β-axis component, Fa * [k] and φβ * [k] Is referred to as a magnetic flux command vector φ * [k]. Furthermore, a voltage vector having vα * [k] and vβ * [k] as an α-axis component and a β-axis component is referred to as a voltage command vector v * [k].

図6において、ベクトル320及び321は、夫々、推定磁束ベクトルφest[k]及び磁束指令ベクトルφ*[k]を表している。磁束指令ベクトルφ*[k]は、次の制御周期、即ち(k+1)番目の制御周期における磁束ベクトルφの目標となる。k番目の制御周期においてφest[k]であった磁束ベクトルを(k+1)番目の制御周期において磁束指令ベクトルφ*[k]と一致させるべく、電圧指令部39は、図6のベクトル322に相当する、等式「v*[k]=(φ*[k]−φest[k])/tS」に従った電圧指令ベクトルv*[k]を生成する。このv*[k]とtSの積は、推定磁束ベクトルφest[k]と磁束指令ベクトルφ*[k]との差分ベクトル323に相当するため、k番目の制御周期において該電圧指令ベクトルv*[k]に従った電圧をモータ1に印加することで、(k+1)番目の制御周期における磁束ベクトル(即ちφest[k+1])は、理想的にはφ*[k]と一致するようになる。 In FIG. 6, vectors 320 and 321 represent an estimated magnetic flux vector φ est [k] and a magnetic flux command vector φ * [k], respectively. The magnetic flux command vector φ * [k] is a target of the magnetic flux vector φ in the next control cycle, that is, the (k + 1) th control cycle. In order to make the magnetic flux vector that was φ est [k] in the kth control cycle coincide with the magnetic flux command vector φ * [k] in the (k + 1) th control cycle, the voltage command unit 39 sets the vector 322 in FIG. A corresponding voltage command vector v * [k] according to the equation “v * [k] = (φ * [k] −φ est [k]) / t S ” is generated. Since the product of v * [k] and t S corresponds to the difference vector 323 between the estimated magnetic flux vector φ est [k] and the magnetic flux command vector φ * [k], the voltage command vector is used in the k-th control cycle. By applying a voltage according to v * [k] to the motor 1, the magnetic flux vector in the (k + 1) th control period (ie, φ est [k + 1]) ideally matches φ * [k]. It becomes like this.

しかしながら、モータ1の高速回転時などにおいて電圧飽和が発生すると、等式「v*[k]=(φ*[k]−φest[k])/tS」に従った電圧をモータ1に印加できなくなる。図7に、電圧飽和発生時における、磁束ベクトルと電圧指令ベクトル等との関係を示す。電圧飽和とは、モータ1の発生トルクTをトルク指令値T*に追従させるために生成されるべき電圧指令ベクトルv*の大きさ(即ち、(vα*2+vβ*2)の正の平方根)が所定の制限電圧値VLIMを超えている状態を指し、電圧飽和の発生時には、電圧指令ベクトルv*の大きさが制限電圧値VLIM以下となるように補正される。補正後の電圧指令ベクトルをv*’にて表す。制限電圧値VLIMは、電圧変換回路2としてのPWMインバータが出力可能な最大電圧に依存する電圧値であり、電源4から出力される直流電圧の大きさに基づいて定められる。図7において、円弧330は、電圧指令ベクトルが制限電圧値VLIMよりも大きいか否かを峻別する境界線を表している。 However, when voltage saturation occurs during high speed rotation of the motor 1, the voltage according to the equation “v * [k] = (φ * [k] −φ est [k]) / t S ” is applied to the motor 1. Can not be applied. FIG. 7 shows the relationship between the magnetic flux vector and the voltage command vector when voltage saturation occurs. The voltage saturation is the magnitude of the voltage command vector v * to be generated in order to make the generated torque T of the motor 1 follow the torque command value T * (that is, the positive square root of (vα * 2 + vβ * 2 )). Indicates a state where the value exceeds a predetermined limit voltage value V LIM, and when voltage saturation occurs, the magnitude of the voltage command vector v * is corrected to be equal to or less than the limit voltage value V LIM . The corrected voltage command vector is represented by v * ′. The limit voltage value V LIM is a voltage value that depends on the maximum voltage that can be output by the PWM inverter as the voltage conversion circuit 2, and is determined based on the magnitude of the DC voltage output from the power supply 4. In FIG. 7, an arc 330 represents a boundary line that distinguishes whether or not the voltage command vector is larger than the limit voltage value V LIM .

電圧飽和が発生している場合、即ち、等式「v*[k]=(φ*[k]−φest[k])/tS」に従った電圧指令ベクトルv*[k]の大きさが制限電圧値VLIMよりも大きい場合、電圧指令部39は、図7に示す如く、ベクトル322に相当する電圧指令ベクトルv*[k]を、ベクトル325に相当する電圧指令ベクトルv*’[k]へと補正する。ベクトル322及び325を区別して示すべく、図7では、それらのベクトルが若干ずらして示されているが、それらのベクトルの始点は同じである。電圧指令ベクトルv*’[k]の向きは電圧指令ベクトルv*[k]の向きと同じであるが、電圧指令ベクトルv*’[k]の大きさは制限電圧値VLIMと同じとされる。尚、電圧指令ベクトルv*’[k]の大きさを制限電圧値VLIMよりも更に小さくすることも可能である。 When voltage saturation occurs, that is, the magnitude of the voltage command vector v * [k] according to the equation “v * [k] = (φ * [k] −φ est [k]) / t S ” Is larger than the limit voltage value V LIM , the voltage command unit 39 converts the voltage command vector v * [k] corresponding to the vector 322 into the voltage command vector v * ′ corresponding to the vector 325 as shown in FIG. Correct to [k]. In order to distinguish and show the vectors 322 and 325, in FIG. 7, the vectors are shown slightly shifted, but the starting points of the vectors are the same. The direction of the voltage command vector v * ′ [k] is the same as the direction of the voltage command vector v * [k], but the magnitude of the voltage command vector v * ′ [k] is the same as the limit voltage value V LIM. The The magnitude of the voltage command vector v * ′ [k] can be made smaller than the limit voltage value V LIM .

電圧飽和が発生している場合、電圧指令部39からは、補正された電圧指令ベクトルv*’[k]のα軸成分及びβ軸成分がvα*及びvβ*として出力される。そうすると、k及び(k+1)番目の制御周期間において、磁束ベクトルは図7のベクトル326に相当する分だけ変化し、結果、(k+1)番目の制御周期における磁束ベクトル(即ちφest[k+1])はベクトル327のようになってφ*[k]からずれる。このずれは、磁束指令ベクトルφ*[k]の位相θS *[k]と推定磁束ベクトルφest[k+1]の位相θS[k+1]との位相差θDIFとなって表れ、上記ずれが大きいほど位相差θDIFも大きくなる。 When voltage saturation occurs, the voltage command unit 39 outputs the α-axis component and the β-axis component of the corrected voltage command vector v * ′ [k] as vα * and vβ * . Then, the magnetic flux vector changes by an amount corresponding to the vector 326 in FIG. 7 between the k and (k + 1) th control periods, and as a result, the magnetic flux vector in the (k + 1) th control period (ie, φ est [k + 1]). Becomes a vector 327 and deviates from φ * [k]. This offset appears as a phase θ S * [k] and phase difference theta DIF between the phase θ S [k + 1] of the estimated magnetic flux vector φ est [k + 1] of the magnetic flux command vector φ * [k], the deviation is The larger the phase difference θ DIF is, the larger the phase difference is.

上述の如く、トルク演算部36においてPI制御を用いてΔTからΔθS *を求めることができるが、電圧飽和が発生した場合、電圧指令ベクトルの大きさを制限電圧値VLIM以下とするための補正が行われる。この補正の実行に対応した対策を何ら施さないならば、電圧飽和の発生時においてトルク制御系の線形性(トルク演算部36におけるPI制御の線形性)が崩れ、トルク制御の応答性劣化又は不安定化を招く。典型的には例えば、ゼロではない同一極性のΔTが継続的にトルク制御系に入力されることでPI制御における積分値が過度に大きくなり、所謂ワインドアップ現象が引き起こされる。PI制御においてワインドアップ現象が発生すると、積分値の蓄積による操作遅れが生じて、制御対象であるトルクのオーバーシュート等が生じるようになる。 As described above, the torque calculation unit 36 can obtain Δθ S * from ΔT using PI control. However, when voltage saturation occurs, the magnitude of the voltage command vector is set to be equal to or less than the limit voltage value V LIM. Correction is performed. If no measures corresponding to the execution of this correction are taken, the linearity of the torque control system (PI control linearity in the torque calculation unit 36) will be disrupted when voltage saturation occurs, and the torque control response will be degraded or undesired. Invite stabilization. Typically, for example, when ΔT having the same polarity that is not zero is continuously input to the torque control system, the integral value in the PI control becomes excessively large, and a so-called windup phenomenon is caused. When a windup phenomenon occurs in PI control, an operation delay due to accumulation of an integral value occurs, and an overshoot or the like of torque to be controlled occurs.

これを考慮し、モータ制御装置3では、トルク演算部36のPI制御における積分器の積分ゲインを位相差θDIFに応じて可変させる。図8を参照して、この機能を詳細に説明する。図8は、モータ制御装置3に内包されるトルク制御部50の内部ブロック図である。トルク制御部50は、図4のトルク演算部36及び減算部37を含んで形成される。図4のトルク演算部36に、図8に示すPI制御部51、遅延部52、減算部53及び乗算部54が含まれている、と考えることができる。 Considering this, the motor control device 3 varies the integral gain of the integrator in the PI control of the torque calculator 36 according to the phase difference θ DIF . This function will be described in detail with reference to FIG. FIG. 8 is an internal block diagram of the torque control unit 50 included in the motor control device 3. The torque control unit 50 is formed including the torque calculation unit 36 and the subtraction unit 37 of FIG. 4 can be considered to include the PI control unit 51, the delay unit 52, the subtraction unit 53, and the multiplication unit 54 shown in FIG.

PI制御部51は、ΔTに基づくPI制御により、ΔTがゼロに収束するようにΔθS *を算出する。周知の如く、PI制御は、比例制御と積分制御を組み合わせたものであり、積分制御を含む制御の一種である。PI制御部51の入力値であるΔTと出力値であるΔθS *との関係は、下記式(C1)によって表される。式(C1)の右辺における“s”は、ラプラス演算子である。PI制御部51のPI制御において、比例ゲインはKpであり、積分ゲインはγi・Kiである。Kp及びKiの値を予め定められた固定値とすることができるが、係数γiは可変値とされる(詳細は後述の説明から明らかとなる)。PI制御部51に内在する積分器55が、式(C1)の右辺第2項“(γi・Ki/s)ΔT”に相当する積分値を導出して出力する。実際には、制御周期にて離散化されたΔTに積分ゲインγi・Kiを乗じて得た値を積算することで、上記積分値を導出する。 The PI control unit 51 calculates Δθ S * so that ΔT converges to zero by PI control based on ΔT. As is well known, PI control is a combination of proportional control and integral control, and is a kind of control including integral control. The relationship between ΔT, which is an input value of the PI control unit 51, and Δθ S * , which is an output value, is expressed by the following equation (C1). “S” on the right side of the formula (C1) is a Laplace operator. In the PI control of the PI control unit 51, the proportional gain is K p and the integral gain is γ i · K i . The values of K p and K i can be fixed values set in advance, but the coefficient γ i is a variable value (details will be apparent from the description below). The integrator 55 included in the PI control unit 51 derives and outputs an integral value corresponding to the second term “(γ i · K i / s) ΔT” on the right side of the equation (C1). Actually, the integrated value is derived by integrating the value obtained by multiplying ΔT discretized in the control cycle by the integral gain γ i · K i .

Figure 2011050178
Figure 2011050178

加算部37は、PI制御部51からの位相補正量ΔθS *と推定部33からの位相θSとの和(ΔθS *+θS)を求め、得られた和を位相指令値θS *(=(ΔθS *+θS))として出力する。 The adding unit 37 obtains the sum (Δθ S * + θ S ) of the phase correction amount Δθ S * from the PI control unit 51 and the phase θ S from the estimation unit 33, and uses the obtained sum as the phase command value θ S *. Output as (= (Δθ S * + θ S )).

遅延部52は、加算部37の出力値を1制御周期分だけ遅延させ、遅延させた加算部37の出力値を減算部53に与える。減算部53は、遅延部52の出力値より推定部33からのθSを差し引いたものを、位相差θDIFとして出力する。k番目の制御周期においては、遅延部52からθS *[k−1]が出力されると共に推定部33からθS[k]が出力されるため、減算部53より、下記式(C2)に従う位相差θDIF[k]が出力される。 The delay unit 52 delays the output value of the addition unit 37 by one control cycle, and gives the delayed output value of the addition unit 37 to the subtraction unit 53. The subtracting unit 53 outputs a value obtained by subtracting θ S from the estimating unit 33 from the output value of the delay unit 52 as the phase difference θ DIF . In k-th control period, since the delay unit 52 theta S * from the estimation unit 33 with [k-1] is output theta S [k] is output, from the subtraction unit 53, the following formula (C2) Is output as the phase difference θ DIF [k].

Figure 2011050178
Figure 2011050178

乗算部54は、式(C1)における係数γiが下記式(C3)に従ったγiになるように、減算部53からの位相差θDIFを用いて係数γiを可変設定する。ここで、KAは予め定められた係数であり(但し、KA>0)、|θDIF|は、θDIFの絶対値である。k番目の制御周期における係数γiを設定する際には、式(C3)のθDIFとして、θDIF[k]が用いられる。位相差θDIFがゼロである時には係数γiが1となるため、積分ゲインγi・Kiは一定の基準ゲインKiになる。一方、位相差θDIFがゼロでない時には、θDIFの絶対値が0から増大するにつれて、係数γiが1から0に向かって減少するため積分ゲインγi・Kiも基準ゲインKiからゼロに向かって減少する。尚、位相差θDIFが完全にゼロでなくとも、|θDIF|がゼロ近辺の正の閾値以下であるならば、式(C3)を用いずに、係数γiを1に設定するようにしても良い。 The multiplier 54 variably sets the coefficient γ i using the phase difference θ DIF from the subtractor 53 so that the coefficient γ i in the equation (C1) becomes γ i according to the following equation (C3). Here, K A is a predetermined coefficient (where K A > 0), and | θ DIF | is an absolute value of θ DIF . when setting the coefficient gamma i in the k-th control period, a theta DIF of formula (C3), θ DIF [k ] is used. Since the coefficient γ i is 1 when the phase difference θ DIF is zero, the integral gain γ i · K i becomes a constant reference gain K i . On the other hand, when the phase difference θ DIF is not zero, as the absolute value of θ DIF increases from 0, the coefficient γ i decreases from 1 to 0, so the integral gain γ i · K i is also zero from the reference gain K i. Decrease towards Even if the phase difference θ DIF is not completely zero, the coefficient γ i is set to 1 without using the equation (C3) if | θ DIF | is equal to or less than a positive threshold value near zero. May be.

Figure 2011050178
Figure 2011050178

係数KAは、アンチワインドアップ用のゲインであり、係数KAをゼロよりも大きくすることでトルクTのオーバーシュートを低減することができ、係数KAを調整することで該オーバーシュートの低減量を調整することができる。 The coefficient K A, the gain for the anti-windup, it is possible to reduce the overshoot of the torque T by a coefficient K A greater than zero, reduction of the overshoot by adjusting the coefficient K A The amount can be adjusted.

図9(a)〜(d)に、トルク指令値T*をステップ的に変化させた時における、推定されたトルクTと係数γiの波形を示す。図9(a)には、トルク指令値T*のステップ変化を表す波形370が示されている。図9(a)〜(d)のグラフにおいて、横軸は時間に対応している。図9(a)に示されている波形370〜373及び381〜383の内、波形371及び381のみを抽出したものが図9(b)に、波形372及び382のみを抽出したものが図9(c)に、波形373及び383のみを抽出したものが図9(d)に示されている。 FIGS. 9A to 9D show waveforms of the estimated torque T and the coefficient γ i when the torque command value T * is changed stepwise. FIG. 9A shows a waveform 370 representing a step change in the torque command value T * . In the graphs of FIGS. 9A to 9D, the horizontal axis corresponds to time. Of the waveforms 370 to 373 and 381 to 383 shown in FIG. 9A, only the waveforms 371 and 381 are extracted, and FIG. 9B shows only the waveforms 372 and 382 extracted. FIG. 9D shows only the waveforms 373 and 383 extracted from (c).

波形371及び381は、夫々、係数KAをゼロとした時の推定トルクTの波形及び係数γiの波形である。実際には、係数KAは0よりも大きな値とされる。波形372及び373は、夫々、係数KAを10及び50に設定した時における推定トルクTの波形であり、波形382及び383は、夫々、係数KAを10及び50に設定した時における係数γiの波形である。図9(a)〜(d)からも、トルクのステップ応答におけるオーバーシュートが低減されていることが分かる。 Waveform 371 and 381, respectively, a waveform and the waveform of the coefficient gamma i of the estimated torque T when the coefficient K A to zero. Actually, the coefficient K A is set to a value larger than zero. Waveforms 372 and 373 are waveforms of the estimated torque T when the coefficient K A is set to 10 and 50, respectively. Waveforms 382 and 383 are coefficients γ when the coefficient K A is set to 10 and 50, respectively. It is a waveform of i . 9A to 9D also show that the overshoot in the torque step response is reduced.

上述の説明から分かるように、本実施形態に係るモータ駆動システムでは、積分器55を用いたトルク制御部50の働きによって発生トルクTが制御される(図8参照)。積分器55は、発生トルクTとトルク指令値T*との差分ΔTに応じた値(γi・Ki・ΔT)の積分値を算出及び出力し、トルク制御部50は、その積分器55の出力を用いて差分ΔTを低減するためのPI制御を実行する。より具体的には、トルク制御部50は、差分ΔTがゼロに向かうように、積分器55を用いて、磁束ベクトルφの位相θSの目標である位相指令値θS *を生成する。 As can be seen from the above description, in the motor drive system according to the present embodiment, the generated torque T is controlled by the action of the torque control unit 50 using the integrator 55 (see FIG. 8). The integrator 55 calculates and outputs an integral value (γ i · K i · ΔT) corresponding to the difference ΔT between the generated torque T and the torque command value T *, and the torque controller 50 includes the integrator 55. The PI control for reducing the difference ΔT is executed using the output of. More specifically, the torque control unit 50 uses the integrator 55 to generate the phase command value θ S * that is the target of the phase θ S of the magnetic flux vector φ so that the difference ΔT is directed to zero.

一方で、電圧指令部(電圧指令値生成部)39は、トルク制御部50のPI制御に基づく位相指令値θS *と、|φ*|、φα及びφβと、制限電圧値VLIMとに基づいて、モータ1への印加電圧値を指定する電圧指令値vα*及びvβ*を生成し、推定部33は、該電圧指令値vα*及びvβ*とモータ電流(電機子電流)iのα軸成分及びβ軸成分に基づいてφα及びφβと発生トルクTを推定する。 On the other hand, the voltage command unit (voltage command value generation unit) 39 determines the phase command value θ S * based on the PI control of the torque control unit 50, | φ * |, φα and φβ, and the limit voltage value V LIM . Based on this, voltage command values vα * and vβ * that specify the voltage value to be applied to the motor 1 are generated, and the estimation unit 33 generates α of the voltage command values vα * and vβ * and the motor current (armature current) i. Based on the shaft component and the β-axis component, φα and φβ and the generated torque T are estimated.

ここで、電圧指令部39は、原則として、位相指令値θS *に従った磁束を電機子巻線に鎖交させるために必要な電圧指令値(vα*,vβ*)を生成しようとするが、その必要な電圧指令値の大きさ(即ち、等式「v*[k]=(φ*[k]−φest[k])/tS」に従った電圧指令ベクトルv*[k]の大きさ)が制限電圧値VLIMよりも大きい場合、実際に生成する電圧指令値(vα*,vβ*)を減少補正する。つまり、vα*及びvβ*をα軸成分及びβ軸成分とする電圧指令ベクトルの大きさが制限電圧値VLIM以下に制限されるように、電圧指令ベクトルv*[k]を電圧指令ベクトルv*’[k]へと補正する(図7参照)。 Here, in principle, the voltage command unit 39 attempts to generate a voltage command value (vα * , vβ * ) necessary for linking the magnetic flux according to the phase command value θ S * to the armature winding. Is a voltage command vector v * [k according to the magnitude of the required voltage command value (ie, the equation “v * [k] = (φ * [k] −φ est [k]) / t S ”). ] Is larger than the limit voltage value V LIM , the actually generated voltage command values (vα * , vβ * ) are corrected to decrease. In other words, the voltage command vector v * [k] is changed to the voltage command vector v so that the magnitude of the voltage command vector having vα * and vβ * as the α-axis component and the β-axis component is limited to the limit voltage value V LIM or less. * Correct to '[k]' (see Fig. 7).

上記のような電圧に対する制限を行った時、電圧指令値(vα*,vβ*)から推定される磁束ベクトルφestは、PI制御に従った磁束ベクトルの目標φ*からずれる。トルク制御部50では、このずれを表す位相差θDIFから電圧飽和の発生を推定し、位相差θDIFに応じて積分器55のパラメータである積分ゲインγi・Kiを可変設定する。 When the voltage is restricted as described above, the magnetic flux vector φ est estimated from the voltage command values (vα * , vβ * ) deviates from the target φ * of the magnetic flux vector according to the PI control. The torque controller 50 estimates the occurrence of voltage saturation from the phase difference θ DIF representing this deviation, and variably sets the integral gain γ i · K i that is a parameter of the integrator 55 according to the phase difference θ DIF .

これにより、電圧飽和の発生時に適した積分制御が可能となり、トルク制御の安定化が図れる。安定化の例として、特に、トルクのステップ応答時におけるオーバーシュートの低減が期待される。更に、このような安定化を実現するために、特別な回路の追加や複雑な処理は不要である。   As a result, integral control suitable for occurrence of voltage saturation is possible, and torque control can be stabilized. As an example of stabilization, reduction of overshoot at the time of torque step response is expected. Furthermore, in order to realize such stabilization, the addition of a special circuit and complicated processing are not necessary.

ところで、モータ制御装置3では、磁束情報(電機子鎖交磁束に関する情報)である位相差θDIFから電圧飽和の発生の有無が検出されている。例えば、トルク制御部50において、位相差θDIFの絶対値が所定の基準位相差θTHよりも大きければ電圧飽和が発生していると判断することができ、位相差θDIFの絶対値が該基準位相差θTH以下であれば電圧飽和は発生していないと判断することができる。基準位相差θTHは典型的にはゼロとされるが、ゼロ近傍の正の値であってもよい。モータ制御装置3では、この電圧飽和の発生有無の検出結果を積分ゲインの調整に利用している。 By the way, in the motor control apparatus 3, the presence or absence of voltage saturation is detected from phase difference (theta) DIF which is magnetic flux information (information regarding armature linkage magnetic flux). For example, in the torque control unit 50, if the absolute value of the phase difference θ DIF is larger than a predetermined reference phase difference θ TH, it can be determined that voltage saturation has occurred, and the absolute value of the phase difference θ DIF If the reference phase difference θ TH or less, it can be determined that voltage saturation has not occurred. The reference phase difference θ TH is typically zero, but may be a positive value near zero. The motor control device 3 uses the detection result of the occurrence of voltage saturation for adjusting the integral gain.

電圧飽和の発生有無を検出する方法は従来からも存在しているが、従来の検出方法では、電圧指令ベクトルの大きさから電圧飽和の発生有無を検出している(特許文献1及び2参照)。しかしながら、電圧情報には上述したような高調波が含まれているため、電圧情報に基づく電圧飽和の発生有無検出では、高調波の影響によって検出精度が劣化する。一方、本実施形態で採用される磁束情報に基づく電圧飽和の発生有無検出では、高調波の影響が低減される。磁束は電圧を積分したものに相当するため、積分の過程で高次の高調波が減衰し、結果、磁束情報に含まれる高調波が小さくなるためである。故に、磁束情報に基づく電圧飽和の発生有無検出は、従来の電圧情報に基づくそれよりも検出精度が高いことが期待される。   Although there is a method for detecting whether or not voltage saturation has occurred, the conventional detection method detects whether or not voltage saturation has occurred from the magnitude of the voltage command vector (see Patent Documents 1 and 2). . However, since the harmonic information as described above is included in the voltage information, the detection accuracy deteriorates due to the influence of the harmonic in the detection of the presence or absence of voltage saturation based on the voltage information. On the other hand, in the presence / absence detection of voltage saturation based on magnetic flux information employed in the present embodiment, the influence of harmonics is reduced. This is because the magnetic flux corresponds to an integrated voltage, so that higher-order harmonics are attenuated during the integration process, and as a result, the harmonics included in the magnetic flux information become smaller. Therefore, detection of occurrence of voltage saturation based on magnetic flux information is expected to have higher detection accuracy than that based on conventional voltage information.

<<第2実施形態>>
本発明の第2実施形態を説明する。第1実施形態で述べた技術は発電システムに対しても適用できる。第2実施形態では、第1実施形態で述べた技術が適用された発電システムを説明する。図10は、第2実施形態に係る発電システムの詳細ブロック図である。図10の発電システムは、発電機101、電圧変換回路102及び発電機制御装置103を備えると共に、電圧出力部104及び電流センサ10を備えている。
<< Second Embodiment >>
A second embodiment of the present invention will be described. The technique described in the first embodiment can also be applied to a power generation system. In the second embodiment, a power generation system to which the technique described in the first embodiment is applied will be described. FIG. 10 is a detailed block diagram of the power generation system according to the second embodiment. The power generation system of FIG. 10 includes a generator 101, a voltage conversion circuit 102, and a generator control device 103, and also includes a voltage output unit 104 and a current sensor 10.

発電機101は、三相永久磁石同期発電機であり、例えば、埋込磁石同期発電機(interior permanent magnet synchronous generator)である。発電機101は、永久磁石を備えた回転子とU相、V相及びW相の電機子巻線を備えた固定子とから成り、モータ1と同等の構成を有する。   The generator 101 is a three-phase permanent magnet synchronous generator, for example, an interior permanent magnet synchronous generator. The generator 101 includes a rotor including a permanent magnet and a stator including U-phase, V-phase, and W-phase armature windings, and has a configuration equivalent to that of the motor 1.

図4のモータ駆動システムでは、電源4から供給された電力がモータ1にてトルク(回転力)に変換されるのに対し、図10の発電システムでは、発電機101にて発生したトルクが電力に変換される。このように、電力をトルクに変換するのか、トルクを電力に変換するのかが異なるだけで、図4のモータ駆動システムと図10の発電システムは同様の構成及び機能を有する。このため、モータ1及びモータ駆動システムに対して説明した事項(用語及び記号に対する定義等を含む)は、矛盾無き限り、全て、発電システムに対しても適用される。   In the motor drive system of FIG. 4, the electric power supplied from the power source 4 is converted into torque (rotational force) by the motor 1, whereas in the power generation system of FIG. 10, the torque generated by the generator 101 is the electric power. Is converted to As described above, the motor drive system of FIG. 4 and the power generation system of FIG. 10 have the same configuration and function, except that electric power is converted into torque or torque is converted into electric power. For this reason, the matters described for the motor 1 and the motor drive system (including definitions for terms and symbols) are all applied to the power generation system as long as there is no contradiction.

但し、モータ駆動システムにおけるモータの代わりに発電システムでは発電機が設けられているため、モータ及びモータ駆動システムに対して説明した事項を第2実施形態に適用する場合、用語の相違(モータという用語と発電機という用語との相違)に由来する読み替えがなされるべきである。即ち、この適用の際、まず、第1実施形態の説明事項中の「モータ」を「発電機」に読み替えるべきであり、モータに関して述べた用語(各種の状態量及び指令値などを含む)を、第2実施形態では発電機に対して述べた用語と解釈すべきである。   However, since the generator is provided in the power generation system instead of the motor in the motor drive system, when the matters described for the motor and the motor drive system are applied to the second embodiment, the difference in terms (the term motor) And the term “generator” should be replaced. That is, in this application, first, “motor” in the description of the first embodiment should be read as “generator”, and the terms (including various state quantities and command values) described regarding the motor are used. In the second embodiment, it should be interpreted as the terms described for the generator.

従って例えば、第2実施形態では、
vは、発電機101におけるU相、V相及びW相の電機子巻線に加わるU相電圧vu、V相電圧vv及びW相電圧vwの合成電圧に相当する、発電機電圧を表し、
iは、発電機101におけるU相、V相及びW相の電機子巻線に流れるU相電流iu、V相電流iv及びW相電流iwの合成電流に相当する、発電機電流(発電機の電機子電流)を表し、
φは、発電機101におけるU相、V相及びW相の電機子巻線の鎖交磁束を合成したものを表す。そして例えば、第2実施形態において、発電機電圧vのα軸成分及びβ軸成分は、夫々vα及びvβにて表され、発電機電流iのα軸成分及びβ軸成分は、夫々iα及びiβにて表され、発電機101の電機子鎖交磁束φにおけるα軸成分及びβ軸成分は、夫々φα及びφβにて表される。
また、第2実施形態では、
d軸は、発電機101の回転子に設けられた永久磁石の磁束の方向を向く回転軸であり、
ωは、発電機101にとってのd軸の回転速度(電気角における角速度)を表す。
Therefore, for example, in the second embodiment,
v is a generator voltage corresponding to a combined voltage of the U-phase voltage v u , V-phase voltage v v, and W-phase voltage v w applied to the U-phase, V-phase, and W-phase armature windings in the generator 101. Represent,
i is a generator current (corresponding to a combined current of the U-phase current i u , the V-phase current i v and the W-phase current i w flowing in the U-phase, V-phase and W-phase armature windings in the generator 101. Represents the armature current of the generator)
φ represents a combination of the interlinkage magnetic fluxes of the U-phase, V-phase, and W-phase armature windings in the generator 101. For example, in the second embodiment, the α-axis component and the β-axis component of the generator voltage v are represented by vα and vβ, respectively, and the α-axis component and the β-axis component of the generator current i are respectively iα and iβ. The α-axis component and β-axis component in the armature flux linkage φ of the generator 101 are represented by φα and φβ, respectively.
In the second embodiment,
The d-axis is a rotating shaft that faces the direction of the magnetic flux of the permanent magnet provided on the rotor of the generator 101,
ω represents the rotational speed of the d axis for the generator 101 (angular speed in electrical angle).

発電機101は、例えば、ギアを介して風車に接続される。そして、風力によって風車が回転する力がギアを介して発電機101の回転子に伝達され、回転子にトルクが発生して回転子が回転する。この回転子の回転により発電機101内に生じた誘起電圧(即ち、発電機電圧v)は、vu、vv及びvwから成る三相交流電圧として、発電機101から電圧変換回路102に出力される。電圧変換回路102は、例えばPWM(Pulse Width Modulation)コンバータであり、この三相交流電圧を形成するvu、vv及びvwの電圧値が夫々2相/3相変換部40から与えられたvu *、vv *及びvw *に合致するようにパルス幅変調を行いつつ、該三相交流電圧を直流電圧に変換する。この直流電圧及び該直流電圧による電力は、電圧出力部104から出力される。このように、電圧出力部104から出力される電力は、発電機101にて発電された電力に基づくものである。 The generator 101 is connected to a windmill through a gear, for example. And the force which rotates a windmill with wind force is transmitted to the rotor of the generator 101 via a gear, a torque generate | occur | produces in a rotor, and a rotor rotates. The induced voltage (that is, the generator voltage v) generated in the generator 101 by the rotation of the rotor is converted from the generator 101 to the voltage conversion circuit 102 as a three-phase AC voltage composed of v u , v v, and v w. Is output. The voltage conversion circuit 102 is, for example, a PWM (Pulse Width Modulation) converter, and the voltage values of v u , v v, and v w forming this three-phase AC voltage are supplied from the 2-phase / 3-phase conversion unit 40, respectively. The three-phase AC voltage is converted into a DC voltage while performing pulse width modulation so as to match v u * , v v *, and v w * . The DC voltage and the electric power based on the DC voltage are output from the voltage output unit 104. Thus, the power output from the voltage output unit 104 is based on the power generated by the generator 101.

発電機制御装置103は、符号31〜40によって参照される各部位を備える。発電機制御装置103内の各部位の構成及び機能と図4のモータ制御装置3内の各部位の構成及び機能は同じであり、発電システムにおける電流センサ10は図4のそれと同じものである。   The generator control device 103 includes each part referred to by reference numerals 31 to 40. The configuration and function of each part in the generator control device 103 are the same as the configuration and function of each part in the motor control device 3 in FIG. 4, and the current sensor 10 in the power generation system is the same as that in FIG.

即ち、電流センサ10は、発電機101と電圧変換回路102との間に流れるU相電流iu及びV相電流ivの電流値を表すアナログ信号を出力する。
発電機制御装置103において、
電流検出部11は、電流センサ10の出力信号に基づいてU相電流iu及びV相電流ivの電流値を検出し、
3相/2相変換部32はiu及びivをiα及びiβに変換し、
磁束・トルク推定部33は、iα及びiβとvα*及びvβ*と基づいてφα及びφβを推定すると共に磁束ベクトルφの位相θS及び発電機101にて発生するトルクTを推定する。
That is, the current sensor 10 outputs an analog signal representative of the current value of the U-phase current i u and the V-phase current i v flowing between the generator 101 and the voltage conversion circuit 102.
In the generator control device 103,
Current detector 11 detects a current value of the U-phase current i u and the V-phase current i v based on the output signal of the current sensor 10,
The three-phase / two-phase converter 32 converts i u and i v to iα and iβ,
Flux torque estimating unit 33 estimates the iα and iβ and v? * And the phase theta S and torque T generated by the generator 101 of the magnetic flux vector φ with estimating the φα and φβ based and v? *.

図示されない速度指令生成部は、発電機101の回転子を所望の回転速度(電気角速度)にて回転させるための回転速度指令値ω*を生成する。所望の回転速度は、例えば、なるだけ大きな電力が発電機101から引き出されるように設定される。磁束・トルク指令部34は、速度偏差(ω*−ω)がゼロに収束するようにT*を算出する一方で|φ*|を算出し、トルク演算部36は、(T*−T)がゼロに収束するようにPI制御によってΔθS *を算出する。 A speed command generation unit (not shown) generates a rotation speed command value ω * for rotating the rotor of the generator 101 at a desired rotation speed (electrical angular speed). The desired rotation speed is set so that as much electric power as possible is drawn from the generator 101, for example. The magnetic flux / torque command unit 34 calculates T * so that the speed deviation (ω * −ω) converges to zero, while calculating | φ * |, and the torque calculation unit 36 calculates (T * −T). Δθ S * is calculated by PI control so that the value converges to zero.

磁束ベクトル生成部38は、|φ*|とθS *(=ΔθS *+θS)から発電機101の磁束指令ベクトルφのα軸成分及びβ軸成分であるφα*及びφβ*を算出し、電圧指令部39は、(φα*−φα)/tS及び(φβ*−φβ)/tSを用いてvα*及びvβ*を算出する。電圧飽和の発生時、即ち、発電機1の発生トルクTをトルク指令値T*に追従させるために生成されるべき電圧指令ベクトルv*の大きさ(即ち、(vα*2+vβ*2)の正の平方根)が所定の制限電圧値VLIMを超えている時には、電圧指令ベクトルv*の大きさが制限電圧値VLIM以下となるように補正され、補正後の電圧指令ベクトルのα軸成分及びβ軸成分がvα*及びvβ*として算出及び出力される。制限電圧値VLIMは、電圧変換回路102としてのPWMコンバータの部品定格や電圧出力部104の出力を受ける部位の定格等に基づいて定められる。vα*及びvβ*は、2相/3相変換部40によってvu *、vv *及びvw *から成る三相電圧指令値に変換され、該三相電圧指令値は電圧変換回路102に与えられる。 Flux vector generation unit 38, | φ * | and θ S * (= Δθ S * + θ S) calculated Fa * and Faibeta * is α-axis component and β-axis component of the magnetic flux command vector phi generator 101 and , the voltage command section 39 calculates the v? * and v? * by using the (φα * -φα) / t S and (φβ * -φβ) / t S . When voltage saturation occurs, that is, the magnitude of the voltage command vector v * to be generated in order to make the generated torque T of the generator 1 follow the torque command value T * (ie, (vα * 2 + vβ * 2 )) When the positive square root) exceeds the predetermined limit voltage value V LIM , the magnitude of the voltage command vector v * is corrected so as to be equal to or less than the limit voltage value V LIM, and the α-axis component of the corrected voltage command vector And β axis components are calculated and output as vα * and vβ * . Limiting voltage value V LIM is determined based on the component rating of the PWM converter as voltage conversion circuit 102, the rating of the part that receives the output of voltage output unit 104, or the like. vα * and vβ * are converted into a three-phase voltage command value composed of v u * , v v *, and v w * by the two-phase / three-phase converter 40, and the three-phase voltage command value is sent to the voltage conversion circuit 102. Given.

発電機制御装置103内のトルク演算部36及び減算部37を含んで形成されるトルク制御部は、第1実施形態のトルク制御部50と同様(図8参照)、θS *及びθS間の位相差θDIFから電圧飽和の発生有無を検出し、電圧飽和の発生時には位相差θDIFに応じてPI制御における積分ゲインγi・Kiを可変設定する。このため、第1実施形態と同様の効果(トルク制御の安定化等)が得られる。 The torque control unit formed including the torque calculation unit 36 and the subtraction unit 37 in the generator control device 103 is the same as the torque control unit 50 of the first embodiment (see FIG. 8), and between θ S * and θ S. of detecting the occurrence or non-occurrence of voltage saturation from the phase difference theta DIF, during the occurrence of voltage saturation variably setting the integral gain γ i · K i in the PI control in accordance with the phase difference theta DIF. For this reason, the same effect (stabilization of torque control etc.) as a 1st embodiment is acquired.

<<変形等>>
上述した説明文中に示した具体的な数値は、単なる例示であって、当然の如く、それらを様々な数値に変更することができる。上述の実施形態の変形例または注釈事項として、以下に、注釈1〜注釈6を記す。各注釈に記載した内容は、矛盾なき限り、任意に組み合わせることが可能である。
<< Deformation, etc. >>
The specific numerical values shown in the above description are merely examples, and as a matter of course, they can be changed to various numerical values. As modifications or annotations of the above-described embodiment, notes 1 to 6 are described below. The contents described in each comment can be arbitrarily combined as long as there is no contradiction.

[注釈1]
上述のモータ駆動システム及び発電システムでは、電流センサ10を用いてU相電流iu及びV相電流ivを直接検出するようにしているが、電圧変換回路2と電源4との間に流れる直流電流又は電圧変換回路102と電圧出力部104との間に流れる直流電流に基づいて、それらを検出するようにしてもよい。
[Note 1]
In the motor drive system and the power generation system described above, the U-phase current i u and the V-phase current iv are directly detected using the current sensor 10, but the direct current that flows between the voltage conversion circuit 2 and the power supply 4. These may be detected based on a direct current flowing between the current or voltage conversion circuit 102 and the voltage output unit 104.

[注釈2]
上述の各種の指令値(φα*、φβ*など)や状態量(φα、φβなど)を含む、導出されるべき全ての値の導出手法は任意である。即ち、例えば、それらを、モータ制御装置又は発電機制御装置内での演算によって導出するようにしてもよいし、予め設定しておいたテーブルデータから導出するようにしてもよい。
[Note 2]
A method for deriving all the values to be derived including the above-described various command values (φα * , φβ *, etc.) and state quantities (φα, φβ, etc.) is arbitrary. That is, for example, they may be derived by calculation in the motor control device or the generator control device, or may be derived from preset table data.

[注釈3]
モータ制御装置(又は発電機制御装置)の機能の一部または全部は、例えば汎用マイクロコンピュータ等に組み込まれたソフトウェア(プログラム)を用いて実現される。ソフトウェアを用いてモータ制御装置(又は発電機制御装置)を実現する場合、モータ制御装置(又は発電機制御装置)の各部の構成を示すブロック図は機能ブロック図を表すこととなる。勿論、ソフトウェア(プログラム)ではなく、ハードウェアのみによって、或いは、ソフトウェアとハードウェアの組み合わせによって、モータ制御装置(又は発電機制御装置)を形成することも可能である。
[Note 3]
Part or all of the functions of the motor control device (or the generator control device) are realized by using software (program) incorporated in a general-purpose microcomputer, for example. When the motor control device (or generator control device) is realized using software, the block diagram showing the configuration of each part of the motor control device (or generator control device) represents a functional block diagram. Of course, it is possible to form the motor control device (or generator control device) not by software (program) but by hardware alone or by a combination of software and hardware.

[注釈4]
モータ及び発電機の夫々は、回転機の一種である。故に、モータ制御装置及び発電機制御装置の夫々を、回転機制御装置と呼ぶこともできる。
[Note 4]
Each of the motor and the generator is a kind of rotating machine. Therefore, each of the motor control device and the generator control device can also be called a rotating machine control device.

[注釈5]
本発明に係るモータ制御装置3及びモータ駆動システムは、モータを用いるあらゆる電気機器に好適である。上述のモータ制御装置3又はモータ駆動システムを、モータを用いるあらゆる電気機器に搭載することができ、これによって、電圧飽和時における制御性の向上(例えば、高速回転時における制御性の向上)を図ることができる。該電気機器には、例えば、電動車両(電動自動車、電動バイク、電動自転車など)、空気調和機(屋内用又は車載用の空気調和機など)、洗濯機、及び、圧縮機(冷蔵庫用圧縮機など)が含まれ、それらはモータの回転によって駆動する。
[Note 5]
The motor control device 3 and the motor drive system according to the present invention are suitable for all electric devices using a motor. The motor control device 3 or the motor drive system described above can be mounted on any electric device that uses a motor, thereby improving controllability during voltage saturation (for example, improving controllability during high-speed rotation). be able to. Examples of the electric device include an electric vehicle (an electric automobile, an electric motorcycle, an electric bicycle, etc.), an air conditioner (such as an indoor or in-vehicle air conditioner), a washing machine, and a compressor (a compressor for a refrigerator). Etc.) and they are driven by the rotation of the motor.

[注釈6]
本明細書及び図面において下記の点に留意すべきである。上記の数と表記した墨付きかっこ内の式(式(A1)等)の記述又は図面において、所謂下付き文字として表現されているギリシャ文字は、電子出願ソフトの機能上、墨付きかっこ内の式以外において、下付き文字でない標準文字として表記されうる。このギリシャ文字における下付き文字と標準文字との相違は無視されるべきである。
[Note 6]
The following points should be noted in the present specification and drawings. Greek letters expressed as subscripts in the description of the expressions in the brackets (formula (A1), etc.) expressed as the number above, or so-called subscripts, are in parentheses for the function of the electronic application software. Other than expressions, it can be expressed as a standard character that is not a subscript. The difference between the subscript and the standard character in this Greek letter should be ignored.

Figure 2011050178
Figure 2011050178

1 モータ
2 電圧変換回路
3 モータ制御装置
33 磁束・トルク推定部
36 トルク演算部
38 磁束ベクトル生成部
39 電圧指令部
50 トルク制御部
51 PI制御部
52 遅延部
53 減算部
54 乗算部
55 積分器
101 発電機
102 電圧変換回路
103 発電機制御装置
104 電圧出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor 2 Voltage conversion circuit 3 Motor control apparatus 33 Magnetic flux and torque estimation part 36 Torque calculation part 38 Magnetic flux vector generation part 39 Voltage command part 50 Torque control part 51 PI control part 52 Delay part 53 Subtraction part 54 Multiplication part 55 Integrator 101 Generator 102 Voltage conversion circuit 103 Generator control device 104 Voltage output unit

Claims (6)

電機子巻線を有するモータの発生トルクが前記発生トルクの目標値であるトルク指令値に追従するように、積分器を用いて前記発生トルクを制御するトルク制御部を備えたモータ制御装置において、
前記トルク制御部は、前記発生トルクを前記トルク指令値に追従させるために生成されるべき指令値であって且つ前記モータの印加電圧を指定する指令値である電圧指令値の大きさが所定の制限電圧値を超えていて、該大きさが前記制限電圧値以下に制限されるとき、前記電機子巻線の鎖交磁束の情報に基づき前記積分器のパラメータを調整する
ことを特徴とするモータ制御装置。
In a motor control device including a torque control unit that controls the generated torque using an integrator so that generated torque of a motor having an armature winding follows a torque command value that is a target value of the generated torque.
The torque control unit is a command value that is to be generated to cause the generated torque to follow the torque command value, and a voltage command value that is a command value that specifies an applied voltage of the motor has a predetermined magnitude. A motor that adjusts a parameter of the integrator based on information on an interlinkage magnetic flux of the armature winding when a limit voltage value is exceeded and the magnitude is limited to the limit voltage value or less. Control device.
前記積分器は、前記発生トルクと前記トルク指令値との差分に応じた値の積分値を出力し、
前記トルク制御部は、前記積分器の出力を用いて、前記差分を低減するための積分制御を含む制御を実行し、
前記積分制御を含む制御と前記制限電圧値とに基づいて前記電圧指令値を生成する電圧指令値生成部、及び、前記電圧指令値と前記電機子巻線に流れる電機子電流とに基づいて前記鎖交磁束を推定する推定部を、当該モータ制御装置は更に備え、
前記鎖交磁束の情報は、前記推定部による前記鎖交磁束の推定結果に基づいて生成される
ことを特徴とする請求項1に記載のモータ制御装置。
The integrator outputs an integral value of a value corresponding to a difference between the generated torque and the torque command value;
The torque control unit uses the output of the integrator to execute control including integration control for reducing the difference,
A voltage command value generation unit that generates the voltage command value based on the control including the integration control and the limit voltage value, and the armature current that flows in the armature winding based on the voltage command value and the armature current. The motor control device further includes an estimation unit for estimating the flux linkage,
The motor control device according to claim 1, wherein the information on the flux linkage is generated based on an estimation result of the flux linkage by the estimation unit.
前記トルク制御部は、前記差分が低減するように、前記積分器を用いて所定座標系上における前記鎖交磁束の位相の目標である位相指令値を生成し、
前記電圧指令値生成部は、前記位相指令値に従った磁束を前記電機子巻線に鎖交させるために必要な前記電圧指令値を、前記電圧指令値の大きさが前記制限電圧値以下となる制限の下で生成し、
前記鎖交磁束の情報は、前記推定部によって推定された前記鎖交磁束である推定鎖交磁束の、前記所定座標系上における位相と、前記位相指令値と、の差を表す位相差情報である
ことを特徴とする請求項2に記載のモータ制御装置。
The torque control unit generates a phase command value that is a target of the phase of the flux linkage on a predetermined coordinate system using the integrator so that the difference is reduced,
The voltage command value generation unit is configured to set the voltage command value necessary for interlinking a magnetic flux according to the phase command value to the armature winding, and the magnitude of the voltage command value is equal to or less than the limit voltage value. Generated under the restrictions
The information on the linkage flux is phase difference information indicating a difference between the phase on the predetermined coordinate system and the phase command value of the estimated linkage flux that is the linkage flux estimated by the estimation unit. The motor control device according to claim 2, wherein the motor control device is provided.
前記トルク制御部は、前記差分に前記パラメータとしての積分ゲインを乗じて得た値の積分値に応じて前記位相指令値を生成し、前記位相差情報にて表される前記差が増大するに従って前記積分ゲインを減少させる
ことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
The torque control unit generates the phase command value in accordance with an integral value obtained by multiplying the difference by an integral gain as the parameter, and as the difference represented by the phase difference information increases. The motor control device according to claim 3, wherein the integral gain is decreased.
前記推定部は、前記電圧指令値と前記電機子電流に基づいて前記発生トルクをも推定し、前記トルク制御部では、前記発生トルクとして、推定された発生トルクが用いられる
ことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れかに記載のモータ制御装置。
The estimation unit also estimates the generated torque based on the voltage command value and the armature current, and the torque control unit uses the estimated generated torque as the generated torque. The motor control apparatus in any one of Claims 1-4.
電機子巻線を有する発電機の発生トルクが前記発生トルクの目標値であるトルク指令値に追従するように、積分器を用いて前記発生トルクを制御するトルク制御部を備えた発電機制御装置において、
前記トルク制御部は、前記発生トルクを前記トルク指令値に追従させるために生成されるべき指令値であって且つ前記発電機の出力電圧を指定する指令値である電圧指令値の大きさが所定の制限電圧値を超えていて、該大きさが前記制限電圧値以下に制限されるとき、前記電機子巻線の鎖交磁束の情報に基づき前記積分器のパラメータを調整する
ことを特徴とする発電機制御装置。
A generator control device including a torque control unit that controls the generated torque using an integrator so that the generated torque of a generator having an armature winding follows a torque command value that is a target value of the generated torque In
The torque control unit has a predetermined voltage command value that is a command value that is to be generated to cause the generated torque to follow the torque command value and that is a command value that specifies an output voltage of the generator. The integrator parameter is adjusted based on information on the interlinkage magnetic flux of the armature winding when the limit voltage value is exceeded and the magnitude is limited to the limit voltage value or less. Generator control device.
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