KR102409792B1 - Control device of permanent magnet synchronization electric motor, microcomputer, electric motor system, and driving method of permanent magnet synchronization electric motor - Google Patents

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Abstract

실시 형태의 제어 장치는, 전동기의 고정자에 통전되는 전류의 변화량을 연산하는 전류 변화량 연산부, 추정한 회전자의 회전 속도로부터 회전자의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정부, 추정된 자극 위치를 회전자의 출력 토크를 결정하는 파라미터에 기초하여 보정하는 위치 보정부, 상기 전류를 추정된 자극 위치에 기초하여 dq축 상의 전류로 변환하는 좌표 변환부, d, q축 전류 명령값과 d, q축 전류의 각 차분에 기초하여 d, q축 전압 명령값을 생성하도록 전류 제어하는 전류 제어부, d, q축 전압 명령값과 추정된 자극 위치에 기초하여 복수의 상의 PWM 신호 명령값을 생성하는 변조 제어부, 보정된 자극 위치를 사용한 좌표 변환으로 얻어지는 dq축 상의 전류 변화량에 기초하여 저속측의 위치 오차를 연산하는 저속측 오차 연산부, 전동기의 전압 방정식에 기초하여 얻어지는 유기 전압 또는 회전자 자속에 기초하여 고속측의 위치 오차를 출력하는 고속측 오차 연산부, 저속측, 고속측의 위치 오차를 각각 소정의 비율로 가중치 부여 가산하는 가산부를 구비하고, 자극 위치 추정부는 가산부의 가산 결과에 기초하여 회전자의 속도를 추정한다.The control device of the embodiment includes a current change amount calculating unit that calculates the amount of change in the current passed through the stator of the electric motor, a magnetic pole position estimation unit that estimates the magnetic pole position of the rotor from the estimated rotation speed of the rotor, and rotates the estimated magnetic pole position A position correction unit that corrects based on a parameter that determines the output torque of the former, a coordinate transformation unit that converts the current into a current on the dq axis based on the estimated magnetic pole position, d, q axis current command value and d, q axis A current control unit that controls the current to generate d and q-axis voltage command values based on each difference of current, and a modulation control unit that generates PWM signal command values of a plurality of phases based on the d and q-axis voltage command values and the estimated magnetic pole positions , a low-speed side error calculating unit that calculates a low-speed side position error based on the amount of current change on the dq axis obtained by coordinate transformation using the corrected magnetic pole position, a high-speed based on the induced voltage or rotor flux obtained based on the voltage equation of the motor A high-speed side error calculating unit for outputting the position error of the side is provided, and an adding unit for weighting and adding the position errors of the low-speed side and the high-speed side at a predetermined ratio, respectively, wherein the magnetic pole position estimating unit includes the speed of the rotor based on the addition result of the addition unit to estimate

Figure R1020190161968
Figure R1020190161968

Description

영구 자석 동기 전동기의 제어 장치, 마이크로 컴퓨터, 전동기 시스템 및 영구 자석 동기 전동기의 운전 방법{CONTROL DEVICE OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONIZATION ELECTRIC MOTOR, MICROCOMPUTER, ELECTRIC MOTOR SYSTEM, AND DRIVING METHOD OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONIZATION ELECTRIC MOTOR}CONTROL DEVICE OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONIZATION ELECTRIC MOTOR, MICROCOMPUTER, ELECTRIC MOTOR SYSTEM, AND DRIVING METHOD OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONIZATION ELECTRIC MOTOR

본 발명의 실시 형태는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치, 그 장치를 구비한 마이크로 컴퓨터, 및 영구 자석 동기 전동기 및 상기 장치를 포함하는 시스템, 그리고 영구 자석 동기 전동기의 운전 방법에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a control device for a permanent magnet synchronous motor, a microcomputer provided with the device, a permanent magnet synchronous motor and a system including the device, and a method of operating the permanent magnet synchronous motor.

영구 자석 동기 전동기에 대해서는, 회전자의 자극 위치에 따라 인버터의 통전 신호를 전환하여 전류를 흘릴 필요가 있기 때문에, 일반적으로는 리졸버나 인코더와 같은 위치 센서가 사용된다. 그러나, 시스템의 소형화나 저비용화, 에너지 절약 유지 보수성 등의 요청으로부터, 위치 센서 없이 동기 전동기를 구동하는 자극 위치 추정 방식이 요망되고 있다.For permanent magnet synchronous motors, a position sensor such as a resolver or an encoder is generally used because it is necessary to change the energization signal of the inverter to flow the current according to the magnetic pole position of the rotor. However, a magnetic pole position estimation method for driving a synchronous motor without a position sensor is desired from requests for system downsizing, cost reduction, energy saving and maintenance, and the like.

종래, 영구 자석 동기 전동기의 자극 위치를 추정하는 방법으로는, 정지 상태로부터 중속 영역에서는 dq축 인덕턴스의 차이, 즉 돌극성에 기초하여 위치를 추정하는 방법이 사용되고 있다. 한편, 중속 영역부터 고속 영역에 걸쳐서는, 예를 들어 전동기의 속도에 비례하는 유기 전압이나 회전자 자속을 전동기로의 입력 전압 및 전류로부터 연산하고, 유기 전압에 기초하여 추정하는 방법이 널리 사용되고 있다.Conventionally, as a method of estimating the position of the magnetic pole of a permanent magnet synchronous motor, a method of estimating the position based on the difference in dq-axis inductance, that is, the salient polarity, is used in the medium-speed region from the stationary state. On the other hand, from the medium speed range to the high speed range, for example, a method of calculating an induced voltage or rotor magnetic flux proportional to the speed of the motor from the input voltage and current to the motor and estimating based on the induced voltage is widely used. .

이들 2종류의 추정 방식은 적용되는 속도 영역이 다르기 때문에, 전동기를 구동하는 시스템에서는, 이들 추정 방식을 회전 속도에 따라 전환할 필요가 있다. 일본 특허 공개 2002-51580호 공보에서는, 저속용과 고속용으로 각각 자극 위치에 따른 오차량을 연산하고, 그들을 가중 가산한 값에 기초하여 자극 위치 및 속도를 추정하는 방식이 제안되어 있다. 일본 특허 공개 2003-299381호 공보에서도 마찬가지로, 주파수의 하이브리드기라는 명칭으로, 저속용과 고속용의 추정 오차량을 가중 가산하여 회전 속도를 추정하는 방식이 제안되어 있다.Since these two types of estimation methods are applied in different speed ranges, in a system for driving an electric motor, it is necessary to switch these estimation methods according to the rotational speed. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-51580 proposes a method of calculating an error amount according to a magnetic pole position for a low speed and a high speed, respectively, and estimating the magnetic pole position and speed based on the weighted sum of them. Japanese Patent Laid-Open No. 2003-299381 also proposes a method of estimating rotational speed by weighting and adding estimated error amounts for low speed and high speed under the name of a frequency hybrid machine.

상기한 바와 같이 두 추정 방식을 조합하는 방법에서는, 각각의 추정 방식이 이상적으로 동작한 경우에는 문제없이 위치를 추정할 수 있다. 특허문헌 1에서는, 저속, 고속 각각의 추정 방식으로 구한 추정 각도를 가중 가산한 경우에 발생되는 문제에 대해 언급되어 있다. 그 대책으로서, 추정한 각도를 가중 가산하는 것이 아니라, 각도를 산출하기 전의 오차량의 시점에서 가중 가산을 행하는 방법이 제안되어 있다. 그러나 이 경우에도, 각각의 오차량이 이상적인 특성이 아니면 문제가 발생될 가능성이 있다.In the method of combining the two estimation methods as described above, when each estimation method operates ideally, the position can be estimated without any problem. Patent Document 1 mentions a problem that occurs when the estimated angles obtained by the low-speed and high-speed estimation methods are weighted and added. As a countermeasure, there is proposed a method in which the weighted addition is performed at the time of the error amount prior to calculating the angle, rather than weighted addition of the estimated angle. However, even in this case, if each error amount is not an ideal characteristic, a problem may occur.

일례로서, 이상적으로는, 저속용 자극 위치 추정의 오차량 Errlow가 식 (1), 고속용 자극 위치 추정의 오차량 Errhigh가 식 (2)로 표시되는 것으로 한다. Δθ는, 전동기의 진정 자극 위치 θ와 추정 자극 위치의 축 오차이다.As an example, ideally, it is assumed that the error amount Err low in the low-speed magnetic pole position estimation is expressed by Equation (1), and the error amount Err high in the high-speed magnetic pole position estimation is expressed by Equation (2). Δθ is the axial error between the true magnetic pole position θ of the electric motor and the estimated magnetic pole position.

Figure 112019126529672-pat00001
Figure 112019126529672-pat00001

Figure 112019126529672-pat00002
Figure 112019126529672-pat00002

이들을, 예를 들어 가중치 0.5씩 가산하면 식 (3)과 같이 된다.When these are added, for example, by weight of 0.5, it becomes like Formula (3).

Figure 112019126529672-pat00003
Figure 112019126529672-pat00003

이 오차량 Errsum은, 도 13에 도시하는 바와 같이, 축 오차 Δθ가 제로가 되는 점에서 제로가 된다. 그래서, 예를 들어 PI 제어기를 사용하여 오차량 Errsum이 제로가 되도록 위치를 추정하면, 자극 위치를 고정밀도로 추정할 수 있다.This error amount Err sum becomes zero at the point where the axial error Δθ becomes zero, as shown in FIG. 13 . Therefore, if the position is estimated so that the error amount Err sum becomes zero using, for example, the PI controller, the magnetic pole position can be estimated with high accuracy.

여기서, 오차량 Errlow, Errhigh 자체가, 진정 자극 위치에 대해 오차를 포함하고 있는 경우를 생각한다. 예를 들어 오차량 Errlow가, 축 오차 Δθ보다

Figure 112021152107586-pat00036
만큼 어긋나서 검출되어 버린다고 하자.Here, it is considered that the error amounts Err low and Err high themselves contain errors with respect to the true magnetic pole position. For example, the error amount Err low is higher than the axis error Δθ.
Figure 112021152107586-pat00036
Assume that the deviation is detected as much.

Figure 112021152107586-pat00037
Figure 112021152107586-pat00037

Figure 112021152107586-pat00038
Figure 112021152107586-pat00038

이와 같은 경우, 도 14에 도시하는 바와 같이 오차량 Errsum이 제로가 되는 각도와, 축 오차 Δθ가 제로가 되는 각도가 일치하지 않게 된다. 따라서, 식 (5)에 기초하여 각도를 추정하면, 추정한 위치에 오차가 포함되어 버린다.In such a case, as shown in FIG. 14 , the angle at which the error amount Err sum becomes zero and the angle at which the axial error Δθ becomes zero do not match. Therefore, when an angle is estimated based on Formula (5), an error will be included in the estimated position.

도 1은, 제1 실시 형태이며, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치의 구성을 도시하는 기능 블록도다.
도 2는, 자극 위치 추정부의 구성을 도시하는 기능 블록도다.
도 3은, 위치 추정 오차 Δθ와 d축 유기 전압 Edc의 관계를 도시하는 도면이다.
도 4는, 3상 PWM 신호의 파형과 U, V상 전류의 파형을 도시하는 도면이다.
도 5는, 위치 추정 오차 Δθ와 q축 전류 변화량의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은, 모터의 출력 토크와 q축 전류 Iq 및 보정 각도 θadd의 관계를 도시하는 도면이다.
도 7은, 모터 속도 ω와 저속측 가중치 Klow 및 고속측 가중치 Khigh의 관계를 도시하는 도면이다.
도 8은, 고부하 운전 시에 있어서의 위치 추정 오차 Δθ와 q축 전류 변화량의 관계를 도시하는 도면이다.
도 9는, 각도 보정부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 10은, 모터의 정 반전 동작을 행한 경우의 각 값의 변화를 도시하는 도면이다.
도 11은, 제2 실시 형태이며, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치의 구성을 도시하는 기능 블록도다.
도 12는, 저속측 축 오차 연산부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은, 종래 기술에 있어서의 위치 추정 오차 Δθ와 오차량 Errsum의 관계를 도시하는 도면이다.
도 14는, 오차량 Errlow가, 축 오차 Δθ보다

Figure 112021152107586-pat00039
만큼 어긋나 있는 경우의 도 13 상당도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is 1st Embodiment, Comprising: It is a functional block diagram which shows the structure of the control apparatus of a permanent magnet synchronous motor.
Fig. 2 is a functional block diagram showing the configuration of a magnetic pole position estimation unit.
3 is a diagram showing the relationship between the position estimation error Δθ and the d-axis induced voltage Edc.
Fig. 4 is a diagram showing a waveform of a three-phase PWM signal and a waveform of the U and V-phase currents.
5 is a diagram showing the relationship between the position estimation error Δθ and the amount of change in the q-axis current.
6 is a diagram showing the relationship between the output torque of the motor, the q-axis current Iq, and the correction angle θadd.
7 is a diagram showing the relationship between the motor speed ? and the low-speed side weight Klow and the high-speed side weight Khigh.
8 is a diagram showing the relationship between the position estimation error Δθ and the amount of change in the q-axis current during high-load operation.
9 is a diagram showing the configuration of the angle correction unit.
Fig. 10 is a diagram showing a change in each value when the motor performs a forward and reverse operation.
Fig. 11 is a functional block diagram showing the configuration of a control device for a permanent magnet synchronous motor according to the second embodiment.
Fig. 12 is a diagram showing the configuration of a low-speed side axial error calculating section.
13 is a diagram showing the relationship between the position estimation error Δθ and the error amount Err sum in the prior art.
14 shows that the error amount Err low is higher than the axial error Δθ.
Figure 112021152107586-pat00039
It is a figure equivalent to FIG. 13 in the case where it shift|deviates by this.

각 실시 형태에 의해, 오차가 없는 자극 위치를 추정할 수 있는 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치, 마이크로 컴퓨터, 전동기 시스템 및 영구 자석 동기 전동기의 운전 방법을 제공한다.According to each embodiment, the control apparatus of a permanent magnet synchronous motor which can estimate the magnetic pole position without an error, a microcomputer, an electric motor system, and the driving method of a permanent magnet synchronous motor are provided.

실시 형태의 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치는, 영구 자석 동기 전동기의 고정자에 통전되는 전류의 변화량을 연산하는 전류 변화량 연산부와,A control device for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment includes: a current change amount calculating unit for calculating a change amount of a current passed through a stator of the permanent magnet synchronous motor;

회전자의 회전 속도를 추정하고, 추정된 회전 속도로부터 상기 회전자의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정부와,a magnetic pole position estimator for estimating the rotational speed of the rotor and estimating the magnetic pole position of the rotor from the estimated rotational speed;

추정된 자극 위치를, 상기 회전자의 출력 토크를 결정하는 파라미터에 기초하여 보정하는 위치 보정부와,a position correction unit for correcting the estimated magnetic pole position based on a parameter for determining the output torque of the rotor;

상기 전류를, 추정된 자극 위치에 기초하여 dq축 상의 전류로 변환하는 좌표 변환부와,a coordinate conversion unit that converts the current into a current on the dq axis based on the estimated magnetic pole position;

d, q축 전류 명령값과 d, q축 전류의 각 차분에 기초하여, d, q축 전압 명령값을 생성하도록 전류 제어하는 전류 제어부와,a current control unit that controls the current to generate d and q-axis voltage command values based on the respective differences between the d and q-axis current command values and the d and q-axis currents;

상기 d, q축 전압 명령값과 추정된 자극 위치에 기초하여 복수의 상(相)의 PWM 신호 명령값을 생성하는 변조 제어부와,a modulation control unit for generating PWM signal command values of a plurality of phases based on the d and q-axis voltage command values and the estimated magnetic pole positions;

보정된 자극 위치를 사용한 좌표 변환에 의해 얻어지는 dq축 상의 전류 변화량에 기초하여, 저속측의 위치 오차를 연산하는 저속측 오차 연산부와,a low-speed side error calculating unit for calculating a low-speed side position error based on the amount of current change on the dq axis obtained by coordinate transformation using the corrected magnetic pole position;

상기 동기 전동기의 전압 방정식에 기초하여 얻어지는 유기 전압 또는 회전자 자속에 기초하여, 고속측의 위치 오차를 출력하는 고속측 오차 연산부와,a high-speed side error calculating unit for outputting a high-speed side position error based on the induced voltage or rotor magnetic flux obtained based on the voltage equation of the synchronous motor;

상기 저속측의 위치 오차와 상기 고속측의 위치 오차를, 각각 소정의 비율로 가중치 부여 가산하는 가산부를 구비하고,an adding unit for weighting and adding the position error on the low-speed side and the position error on the high-speed side at a predetermined ratio, respectively;

상기 자극 위치 추정부는, 상기 가산부의 가산 결과에 기초하여 상기 회전자의 속도를 추정한다.The magnetic pole position estimation unit estimates the speed of the rotor based on the addition result of the addition unit.

실시 형태의 마이크로 컴퓨터는, 실시 형태의 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치를 탑재한다.The microcomputer of the embodiment is equipped with a control device for the permanent magnet synchronous motor of the embodiment.

실시 형태의 전동기 시스템은, 영구 자석 동기 전동기와, 실시 형태의 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치를 구비한다.The electric motor system of embodiment is equipped with a permanent magnet synchronous motor and the control apparatus of the permanent magnet synchronous motor of embodiment.

(제1 실시 형태)(First embodiment)

이하, 제1 실시 형태에 대해 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 도 1은, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치의 구성을 도시하는 기능 블록도다. 직류 전원(1)은, 영구 자석 동기 전동기(2)를 구동하는 전력원이며, 교류 전원으로부터 교류→직류 변환을 행하여 생성한 것을 대용해도 된다. 영구 자석 동기 전동기(2)는, 이하 모터(2)라고 칭한다. 인버터(3)는, 예를 들어 N채널 MOSFET(4)를 스위칭 소자로 하여, 6개의 FET(4)를 3상 브리지 접속하여 구성되어 있다. 인버터(3)는, 후술하는 PWM 생성부(10)에서 생성되는 여섯 스위칭 신호에 기초하여, 모터(2)를 구동하는 전압을 생성한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, 1st Embodiment is demonstrated with reference to FIGS. 1-10. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a functional block diagram which shows the structure of the control apparatus of a permanent magnet synchronous motor. The DC power supply 1 is a power source for driving the permanent magnet synchronous motor 2, and may be substituted for the one produced by performing AC → DC conversion from the AC power supply. The permanent magnet synchronous motor 2 is hereinafter referred to as a motor 2 . The inverter 3 uses, for example, an N-channel MOSFET 4 as a switching element, and is configured by connecting six FETs 4 to a three-phase bridge. The inverter 3 generates a voltage for driving the motor 2 based on six switching signals generated by the PWM generator 10 to be described later.

전류 검출부(5)는, 일반적으로 션트 저항이나 홀 CT 등을 사용한 전류 센서(6)로부터 출력되는 센서 신호를 처리하는 회로로 구성되며, 3상의 전류 Iu, Iv, Iw를 검출한다. 3상/dq 좌표 변환부(7)는, 3상 전류 Iu, Iv, Iw를 모터(2)의 회전자; 로터의 자극 위치에 따른 각도 추정값 θc에 의해, d축 전류 Id, q축 전류 Iq로 좌표 변환한다.The current detection unit 5 is generally constituted by a circuit for processing a sensor signal output from the current sensor 6 using a shunt resistor, Hall CT, or the like, and detects three-phase currents Iu, Iv, and Iw. The three-phase/dq coordinate conversion unit 7 includes three-phase currents Iu, Iv, and Iw to the rotor of the motor 2 ; The coordinates are converted into the d-axis current Id and the q-axis current Iq by the angle estimated value θc according to the magnetic pole position of the rotor.

전류 제어부(8)는, 입력되는 d, q축의 전류 명령 IdRef, IqRef에, d, q축의 전류 Id, Iq를 각각 일치시키도록 d, q축 전압 Vd, Vq를 연산한다. d축 전류 명령 IdRef는, 예를 들어 도시하지 않은 상위의 제어 장치로부터 전 계자 운전이나 약 계자 운전을 행하는 경우에 따라 설정된다. 또한. q축 전류 명령 IqRef는, 예를 들어 상위의 제어 장치로부터 부여되는 속도 명령 ωRef와, 후술하는 바와 같이 추정된 로터의 속도 ωc의 차에 따라 생성된다.The current control unit 8 calculates d and q-axis voltages Vd and Vq so that the input current commands IdRef and IqRef of the d and q axes coincide with the currents Id and Iq of the d and q axes, respectively. The d-axis current command IdRef is set, for example, according to the case where the electric field operation or the weak field operation is performed from a higher level control device (not shown). In addition. The q-axis current command IqRef is generated, for example, according to the difference between the speed command ωRef given from the upper level control device and the estimated rotor speed ωc as will be described later.

변조 제어부(9)는, d, q축 전압 Vd, Vq를 각도 추정값 θc에 의해 3상 전압 Vu, Vv, Vw로 좌표 변환하고, 또한 직류 전원(1)의 전압 Vdc에 의해 정규화함으로써 3상의 변조 명령 Du, Dv, Dw를 연산한다. PWM 생성부(10)는, 3상 변조 명령 Du, Dv, Dw와 캐리어를 비교함으로써 각 상의 PWM 신호 펄스를 생성한다. 1상당 펄스에는 데드 타임이 부가되고, 각각 3상 상하 소자의 스위칭 신호 U+, U-, V+, V-, W+, W-를 생성한다. 또한, PWM 생성부(10)는, 필요에 따라, 후술하는 상전류 변화량 연산부가 복수의 상전류의 변화량을 확실하게 검출할 수 있도록, 각 상의 PWM 신호 펄스의 위상을 시프트시킨다.The modulation control unit 9 coordinates transforming the d and q-axis voltages Vd and Vq into the three-phase voltages Vu, Vv, and Vw by the angle estimation value θc, and normalizes them by the voltage Vdc of the DC power supply 1 to modulate the three-phase Calculates the instructions Du, Dv, and Dw. The PWM generator 10 generates PWM signal pulses for each phase by comparing the three-phase modulation commands Du, Dv, and Dw with the carrier. A dead time is added to each pulse, and the switching signals U+, U-, V+, V-, W+, and W- of the three-phase upper and lower elements are generated, respectively. In addition, the PWM generator 10 shifts the phases of the PWM signal pulses of each phase, if necessary, so that a phase current change amount calculating unit described later can reliably detect changes in a plurality of phase currents.

상전류 변화량 연산부(11)는, 3종류의 상전류의 변화량을 얻기 위해, 대응하는 상전류를 PWM 주기 내의 2 타이밍에 검출한다. 본 실시 형태에서는, 전압 벡터 V5(001) 인가 중의 U상 전류 변화량 dIu_V5, V상 전류 변화량 dIv_V5와, 전압 벡터 V1(100) 인가 중의 V상 전류 변화량 dIv_V1을 얻는다. 저속측 축 오차 연산부(12)는, 상전류 변화량 연산부(11)에서 얻어진 상전류 변화량 dIu_V5, dIv_V5 및 dIv_V1을, 후술하는 각도 보정부에서 보정된 추정 각도 θc2에 기초하여, d축 전류 변화량 dId, q축 전류 변화량 dIq로 좌표 변환한다. 그리고, 그 변화량 dIq를 저속측 축 오차 Errlow로서 출력한다. 고속측 축 오차 연산부(13)는, d, q축 전류ㆍ전압 Id, Iq, Vd, Vq를 사용하여 고속측 축 오차 Errhigh를 연산한다.The phase current change amount calculating section 11 detects the corresponding phase currents at two timings within the PWM period in order to obtain the three types of change amounts of the phase currents. In the present embodiment, the U-phase current change amount dIu_V5 while the voltage vector V5(001) is applied, the V-phase current change amount dIv_V5, and the V-phase current change amount dIv_V1 during the voltage vector V1 (100) application are obtained. The low-speed side axis error calculating unit 12 calculates the phase current change amounts dIu_V5, dIv_V5 and dIv_V1 obtained by the phase current change amount calculating unit 11 based on the estimated angle θc2 corrected by the later-described angle correction unit, the d-axis current change amount dId, the q-axis Coordinates are converted into current change amount dIq. Then, the change amount dIq is output as the low-speed side axis error Err low . The high-speed side axial error calculating section 13 calculates the high-speed side axial error Err high using the d and q-axis current/voltages Id, Iq, Vd, and Vq.

가중치 부여 가산부(14)는, 고속측 축 오차 Errhigh와 저속측 축 오차 Errlow를, 각각 소정의 가중치 부여로 가산하여 오차 가산값 Errsum을 연산한다. 자극 위치 추정부(15)는, 자극 위치를 추정하기 위해, 가중치 부여 가산부(14)로부터 출력된 오차 가산값 Errsum을 사용하여, 예를 들어 도 2에 도시하는 바와 같이, PLL(Phase Locked Loop) 회로 등에 의해 각도 추정값 θc를 산출된다. 여기서는, 오차 가산값 Errsum에 대해, PI 제어부(15a)에 있어서 비례 게인 Kp, 적분 게인 Ki를 사용하여 PI 제어 연산을 행하여 속도 ωc를 구한다. 그리고, 그리고 속도 ωc에 대해 적분부(15b)에 의해 적분 연산을 행함으로써, 각도 추정값 θc를 산출한다. 각도 보정부(16)는, 자극 위치 추정부(15)에서 추정된 각도 θc를 보정한 각도 θc2를 연산하고, 계수 승산기(17)를 통해 저속측 축 오차 연산부(12)로 출력한다.The weighting adding unit 14 adds the high-speed side axial error Err high and the low-speed side axial error Err low by a predetermined weighting, respectively, and calculates an error summation value Err sum . The magnetic pole position estimating unit 15 uses the error summation value Err sum output from the weighting and adding unit 14 to estimate the magnetic pole position, for example, as shown in FIG. 2 , PLL (Phase Locked) Loop) circuit or the like calculates the angle estimated value θc. Here, PI control calculation is performed using the proportional gain Kp and the integral gain Ki in the PI control unit 15a for the error addition value Err sum to obtain the speed ωc. Then, the angle estimation value θc is calculated by performing an integration operation on the speed ωc by the integrating unit 15b. The angle correction unit 16 calculates an angle θc2 obtained by correcting the angle θc estimated by the magnetic pole position estimation unit 15 , and outputs it to the low-speed side axis error calculation unit 12 through the coefficient multiplier 17 .

또한, 도 1에 도시하는 구성에 있어서, 모터(2), 인버터 회로(3) 및 전류 센서(6)를 제외한 것이 제어 장치(20)이며, 제어 장치(20)는 마이크로 컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 또한, 모터(2) 및 제어 장치(20)가 전동기 제어 시스템을 구성하고 있다.In addition, in the structure shown in FIG. 1, the thing except the motor 2, the inverter circuit 3, and the current sensor 6 is the control apparatus 20, and the control apparatus 20 is comprised by the microcomputer. . In addition, the motor 2 and the control device 20 constitute an electric motor control system.

여기서, 본 실시 형태에서의 자극 위치 추정 방법의 원리를 설명한다. 우선, 저속 영역, 고속 영역 각각의 자극 위치의 추정 원리에 대해 설명한다. 고속 영역의 위치 추정에서는, 모터의 회전에 수반하여 발생되는 유기 전압을 사용한다. 식 (6)은, 정상 상태의 영구 자석 동기 모터의 dq축의 전압식이다.Here, the principle of the magnetic pole position estimation method in the present embodiment will be described. First, the principle of estimating the magnetic pole position of each of the low-speed region and the high-speed region will be described. In the position estimation in the high-speed region, an induced voltage generated with the rotation of the motor is used. Equation (6) is a voltage expression of the dq-axis of the permanent magnet synchronous motor in a steady state.

Figure 112019126529672-pat00006
Figure 112019126529672-pat00006

Ld, Lq: dq축 인덕턴스 [H]Ld, Lq: dq-axis inductance [H]

R: 권선 저항 [Ω]R: winding resistance [Ω]

φf: 영구 자석에 의한 전기자 쇄교 자속 [Wb]φf: armature flux linkage by permanent magnet [Wb]

ω: 모터 회전수 [rad/s]ω: motor speed [rad/s]

여기서, 우변 제2항은 모터의 회전에 의한 유기 전압항이며, 식 (7)에 제시하는 바와 같이 q축에만 발생된다.Here, the second term on the right side is an induced voltage term due to the rotation of the motor, and is generated only on the q-axis as shown in Equation (7).

Figure 112019126529672-pat00007
Figure 112019126529672-pat00007

식 (7)은 모터의 진정 자극 위치에 대응하고 있지만, 여기서 축 오차 Δθ만큼 어긋난 좌표계 θc로 생각하면, 유기 전압항은 식 (8)과 같이 된다.Equation (7) corresponds to the true magnetic pole position of the motor, but when it is considered as a coordinate system θc shifted by the axial error Δθ here, the induced voltage term becomes as shown in Equation (8).

Figure 112019126529672-pat00008
Figure 112019126529672-pat00008

d축측 유기 전압 Edc는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 축 오차 Δθ에 대해 그 제로점을 중심으로 대략 단조 증가ㆍ감소의 관계에 있으므로, 식 (6)을 변형한 식 (9)로부터, 모터 상수와 검출한 전압ㆍ전류로부터 구하여 위치 추정에 이용한다.As shown in Fig. 3, the d-axis-side induced voltage Edc has a relationship of approximately monotonically increasing/decreasing about the zero point with respect to the axial error Δθ. From equation (9) modified from equation (6), the motor It is obtained from the constant and the detected voltage/current and used for position estimation.

Figure 112019126529672-pat00009
Figure 112019126529672-pat00009

ωc는 추정 속도, Iqc는 센서리스 제어로 인식된 좌표축으로 변환한 전류지만, 이하의 기재 및 도면 중에서는 모두 「Iq」라고 표기한다.ωc is the estimated speed, and Iqc is the current converted to the coordinate axis recognized by sensorless control.

식 (9)에서 구한 Edc는, 전술한 바와 같이 축 오차 Δθ에 대해 제로를 중심으로 단조 증가ㆍ감소한다. 따라서, 유기 전압 Edc가 제로가 되도록 추정 속도 ωc를 구하고, 그 적분으로부터 추정 위치 θc를 구하도록 PLL(Phase Locked Loop)을 구성함으로써 위치 추정이 가능하게 된다. 도 2는, 자극 위치 추정부(15)의 내부에 구성되는 PLL을 도시하고 있다. 본 실시 형태에서는, 유기 전압 Edc를 고속측의 오차량 Errhigh로 한다.Edc calculated in Equation (9) monotonically increases/decreases with respect to the axial error Δθ as the center of zero as described above. Therefore, position estimation becomes possible by determining the estimated speed ?c so that the induced voltage Edc becomes zero, and configuring a PLL (Phase Locked Loop) to obtain the estimated position ?c from the integral. FIG. 2 shows a PLL configured inside the magnetic pole position estimation unit 15 . In this embodiment, the induced voltage Edc is set to the error amount Err high on the high-speed side.

다음으로, 저속 영역의 위치 추정에 대해 설명한다. 저속 영역의 위치 추정은, 인덕턴스가 모터의 자극 위치에 따라서 변화하는 돌극성을 이용하여 행한다. 식 (10)은, 모터의 3상 인덕턴스의 특성을 나타내고 있다.Next, position estimation in the low-speed region will be described. The position estimation in the low-speed region is performed using the salient polarity in which the inductance changes according to the position of the magnetic pole of the motor. Equation (10) shows the characteristics of the three-phase inductance of the motor.

Figure 112019126529672-pat00010
Figure 112019126529672-pat00010

L0: 각도에 구애되지 않는 일정한 인덕턴스값 [H]L0: constant inductance value regardless of angle [H]

L1: 각도에 따라서 변화되는 인덕턴스의 변위값 [H]L1: Displacement value of inductance that changes according to angle [H]

각 상 인덕턴스는 자극 위치에 따라서 변화하므로, 이 특성을 이용하여 위치를 추정한다.Since each phase inductance changes according to the position of the magnetic pole, the position is estimated using this characteristic.

식 (11)은, 각각 전압 벡터 V1(100) 인가 중의 V상 전류의 변화량 dIv_V1, V5(001) 인가 중의 V상 전류의 변화량 dIv_V5, V5(001) 인가 중의 V상 전류의 변화량 dIu_V5의 특성을 나타내고 있다.Equation (11) expresses the characteristics of the change amount dIv_V1 of the V-phase current during application of the voltage vector V1 (100), the amount of change of the V-phase current dIv_V5 during the application of V5 (001), and the amount of change dIu_V5 of the V-phase current during the application of V5 (001), respectively. is indicating

Figure 112019126529672-pat00011
Figure 112019126529672-pat00011

dt: 전류 변화량의 검출 시간 [s]dt: detection time of current change [s]

Vdc: 직류 전압 [V]Vdc: DC voltage [V]

우변에 주목하면, 진폭은 다르기는 하지만 위상 변화의 양태가 식 (10)의 3상 인덕턴스와 마찬가지이다. 따라서, 이들 전류 변화량을 연산부(11)에서 검출하여, 자극 위치를 구한다.Paying attention to the right side, although the amplitude is different, the aspect of the phase change is the same as the three-phase inductance in Equation (10). Accordingly, these current variations are detected by the calculating unit 11 to obtain the magnetic pole position.

본 실시 형태에서는, 이들 전압 벡터 인가 중의 전류 변화량을 검출하기 위해, 예를 들어 도 4에 도시하는 바와 같은 PWM 신호의 패턴을 사용한다. 이 경우, 변조 제어부(9)는, 전류 변화량의 검출률을 향상시키기 위해, 3상 PWM 신호의 펄스 위상을 예를 들어 동 도면에 도시하는 바와 같이 시프트시킨다. 즉, 삼각파인 V상 캐리어의 피크값을 기준 위상으로 하여, U상 상측의 펄스는 지상측으로 펄스를 늘이고, W상 상측의 펄스는 진상측으로 펄스를 늘인다. V상 상측의 펄스는 V상 캐리어의 보텀값을 기준 위상으로 하여, 지상, 진상 양쪽으로 펄스를 늘이도록 한다. 전류 센서(6)가 각 상전류를 개별로 검출하는 것이면, 이와 같은 위상 시프트 처리는 불필요하다.In this embodiment, in order to detect the amount of current change during application of these voltage vectors, for example, a PWM signal pattern as shown in FIG. 4 is used. In this case, the modulation control unit 9 shifts the pulse phase of the three-phase PWM signal, for example, as shown in the figure, in order to improve the detection rate of the current change amount. That is, using the peak value of the V-phase carrier, which is a triangular wave, as a reference phase, the upper pulse of the U phase extends the pulse to the slow side, and the upper pulse of the W phase extends the pulse to the leading side. The pulse on the upper side of the V phase uses the bottom value of the V phase carrier as the reference phase, so that the pulse is extended to both the slow and the leading side. If the current sensor 6 detects each phase current individually, such a phase shift process is unnecessary.

도 4에 도시하는 Δt가, 전류 변화량을 샘플링하기 위한 기간이다. 우선, U상 상측만이 온이 되는 전압 벡터 V1(100)에 있어서, V상 전류의 변화량을 샘플링한다. 다음에, W상 상측만이 온이 되는 전압 벡터 V5(001)에 있어서, U상 전류, V상 전류의 변화량을 샘플링한다. 이들 샘플링한 식 (11)의 3종류의 전류 변화량을, 추정 각도 θc를 2배한 각도로 식 (13)에 의해 dId/dt, dIq/dt로 좌표 변환한다.DELTA t shown in FIG. 4 is a period for sampling the amount of current change. First, in the voltage vector V1 (100) in which only the upper side of the U-phase is turned on, the amount of change in the current of the V-phase is sampled. Next, in the voltage vector V5 (001) in which only the upper side of the W phase is turned on, the amount of change in the U-phase current and the V-phase current is sampled. These sampled three types of current change amounts in Equation (11) are coordinate-converted into dId/dt and dIq/dt by Equation (13) at an angle that is twice the estimated angle θc.

Figure 112019126529672-pat00012
Figure 112019126529672-pat00012

여기서 추정 각도 θc는, 식 (14)에 나타내는 바와 같이 진정 위치 θ로부터 오차 Δθ만큼 어긋나 있는 것으로 한다.Here, it is assumed that the estimated angle θc is shifted from the true position θ by an error Δθ as shown in equation (14).

Figure 112019126529672-pat00013
Figure 112019126529672-pat00013

식 (13) 우변의 3상 전류 변화량에 식 (11) 우변을 대입하여 식을 전개하면, 식 (15)로 표시되는 dId/dt, dIq/dt가 구해진다.By substituting the right side of Equation (11) for the change amount of three-phase current on the right side of Equation (13), and expanding the equation, dId/dt and dIq/dt expressed by Equation (15) are obtained.

Figure 112019126529672-pat00014
Figure 112019126529672-pat00014

식 (15)의 q축항 dIq/dt는, 도 5에 도시하는 바와 같이 축 오차 Δθ에 대해, 제로를 중심으로 대략 단조 증가ㆍ감소의 관계로 되어 있다. 따라서, 고속측과 마찬가지로, 도 2에 도시하는 바와 같은 PLL을 구성하여 자극 위치를 추정할 수 있다. 본 실시 형태에서는, dIq/dt를 저속측의 오차량 Errlow이라고 하고 있다. 또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 모터(2)의 출력 토크가 증대함에 따라 q축 전류 Iq가 증가하는 비율과, 보정 각도 θadd가 증가하는 비율은 대략 동등하다. 따라서, 모터(2)의 구동 상태가 저속 회전ㆍ고토크인 영역에 있어서는, Errlow=dIq/dt로 함으로써 타당한 오차량이 얻어진다.As shown in Fig. 5, the q-axis term dIq/dt in Equation (15) has a relationship of approximately monotonically increasing/decreasing centered on zero with respect to the axial error Δθ. Therefore, similarly to the high-speed side, the magnetic pole position can be estimated by configuring the PLL as shown in Fig. 2 . In the present embodiment, dIq/dt is an error amount Err low on the low-speed side. Further, as shown in FIG. 6 , the rate at which the q-axis current Iq increases as the output torque of the motor 2 increases and the rate at which the correction angle θ add increases are approximately equal. Therefore, in the region where the driving state of the motor 2 is low-speed rotation and high torque, a reasonable amount of error is obtained by setting Err low = dIq/dt.

다음에, 본 실시 형태에 있어서, 고속측, 저속측의 축 오차량으로부터 자극 위치를 추정하는 방법에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이 산출된 저속측 오차량 Errlow와 고속측 오차량 Errhigh를, 가중치 부여 가산부(14)에서 고속측 가중치 Khigh와 저속측 가중치 Klow를 사용하여 가산하고, 식 (16)에 나타내는 특성을 갖는 오차량 Errsum을 연산한다. 또한, 축 오차에 대한 극성이 부라는 점에서, 고속측 오차량 Errhigh에는 계수 「-1」을 곱하여 가산하고 있다.Next, in the present embodiment, a method for estimating the magnetic pole position from the axial error amount on the high-speed side and the low-speed side will be described. The low-speed side error amount Err low and the high-speed side error amount Err high calculated as described above are added by using the high-speed side weight Khigh and the low-speed side weight Klow in the weighting adding unit 14, and expressed in Equation (16) Calculate the error amount Err sum with characteristics. Since the polarity with respect to the shaft error is negative, the high-speed side error amount Err high is multiplied by a coefficient "-1" and added.

Figure 112019126529672-pat00015
Figure 112019126529672-pat00015

오차량 Errsum은, 제로를 명령값으로 한 PI 제어기에 입력되고, 추정 속도 ωc와, 그 적분으로부터 추정 위치 θc를 구한다.The error amount Err sum is input to the PI controller with zero as a command value, and the estimated position ?c is obtained from the estimated speed ?c and the integral thereof.

여기서, 식 (16) 우변에 나타내는 오차량 Errsum의 축 오차 Δθ에 대한 특성에서는, 제1항이 유기 전압항이기 때문에 회전 속도 ωc에 비례한다. 이 때문에, 저속 영역에서는 본항을 작게 설정하고, 또한 오차나 노이즈가 크기 때문에 고속측 가중치 Khigh는 작게 설정한다. 정지시는 Khigh=0이다. 한편, 쌍이 되는 저속측 가중치 Klow는, 정지 시에 최댓값인 「1.0」으로 설정한다. 그 후, 도 7에 도시하는 바와 같이, 속도 ωc의 상승에 따라 Khigh는 증가시키고, Klow는 감소시킨다. 또한, 양 가중치의 합계값은 항상 「1.0」으로 한다. 이와 같이 양 가중치를 변화시킴으로써, 정지로부터 고속 영역까지 전체 영역에서의 센서리스 제어가 가능해진다.Here, in the characteristic with respect to the axial error Δθ of the error amount Err sum shown on the right side of Equation (16), since the first term is an induced voltage term, it is proportional to the rotational speed ωc. For this reason, this term is set small in the low-speed region, and since the error and noise are large, the high-speed side weight Khigh is set small. When stopped, Khigh=0. On the other hand, the paired slow-side weight Klow is set to "1.0", which is the maximum value at the time of stopping. Thereafter, as shown in Fig. 7, as the speed ?c increases, Khigh increases and Klow decreases. In addition, the total value of both weights is always set to "1.0". By changing both weights in this way, sensorless control in the entire area from stationary to high-speed is possible.

또한, 도 7에 있어서, 속도 ωc가 상승하는 과정에서 Klow=Khigh=0.5로 된 시점 이후는, 전류 변화량의 검출률이 크게 향상된다. 따라서, 변조 제어부(9)는, 도 4에 도시하는 PWM 신호 펄스의 위상 시프트 처리를 정지시켜도 된다.In addition, in FIG. 7 , the detection rate of the current change amount is greatly improved after the point in time when Klow=Khigh=0.5 in the process of increasing the speed ?c. Accordingly, the modulation control unit 9 may stop the phase shift processing of the PWM signal pulses shown in FIG. 4 .

다음에, 저속측의 축 오차 Errlow를 연산하기 위해, 저속측 축 오차 연산부(12)에서 사용하는 각도를 생성하는 각도 보정부(16)의 처리에 대해 설명한다. 저속측에서는, 식 (10), (11)에서 설명한 인덕턴스의 자극 위치 의존성인 돌극성을 사용하여 위치를 추정한다. 일반적으로, 모터가 경부하로 운전되는 경우에는, 식 (10), (11)에서 설명한 전압ㆍ전류ㆍ인덕턴스의 관계가 나타난다. 그러나, 대전류를 통전하는 고부하 운전 시에는, 자기 포화나 dq축의 축간 간섭 등에 의해, 돌극성에 의한 인덕턴스의 특성이 변화된다는 것이 알려져 있다. 이들 영향에 의해, 식 (10)으로 나타내는 자극 위치의 2배 주파수의 사인파 위상 특성이 변화하고, 식 (17)에 나타내는 바와 같이 위상 θe만큼 어긋나는 경우가 있다.Next, the processing of the angle correction unit 16 for generating an angle used by the low-speed side axial error calculating unit 12 in order to calculate the low-speed side axial error Err low will be described. On the low-speed side, the position is estimated using the salient polarity, which is the magnetic pole position dependence of the inductance explained in equations (10) and (11). In general, when the motor is operated with a light load, the relationship between voltage, current, and inductance described in equations (10) and (11) appears. However, it is known that the characteristic of the inductance due to the salient polarity changes due to magnetic saturation, interaxial interference of the dq axis, or the like during high load operation in which a large current is applied. Due to these influences, the phase characteristic of a sine wave with a frequency twice that of the magnetic pole position shown in equation (10) changes, and as shown in equation (17), there is a case where the phase shifts only by θe.

Figure 112019126529672-pat00016
Figure 112019126529672-pat00016

이 결과, 저속측 축 오차 연산부에서 연산된 q축 전류 변화량 dIq/dt의 특성도, 식 (18) , 도 8에서 도시하는 바와 같이 어긋나게 된다.As a result, the characteristic of the q-axis current change amount dIq/dt calculated by the low-speed side axis error calculating unit also shifts as shown in Equation (18) and FIG. 8 .

Figure 112019126529672-pat00017
Figure 112019126529672-pat00017

이 식 (18)에 나타내는, 어긋난 dIq/dt에 기초하여 PLL에 의해 자극 위치를 추정하면, 추정 각도에도 마찬가지로 θe만큼의 오차가 발생되어 버린다. 추정 각도 오차가 증가하면, 통전 전류의 증가, 효율의 저하, 나아가 제어 안정성의 저하 등 다양한 문제를 야기시킨다.If the magnetic pole position is estimated by the PLL based on the deviation dIq/dt shown in Equation (18), an error of θe will similarly occur in the estimated angle. An increase in the estimated angle error causes various problems such as an increase in the energized current, a decrease in efficiency, and a decrease in control stability.

이 때문에, 각도 보정부(16)에서는, 자극 위치 추정부에서 PLL에 의해 추정된 추정 각도 θc에 식 (19), 도 9에 도시하는 바와 같이 보정을 행한다. 보정된 각도 θc2에는, 거기다가 계수 「-2」가 곱해져서, 저속측 축 오차 연산부(12)에 입력된다.For this reason, the angle correction unit 16 corrects the estimated angle θc estimated by the PLL in the magnetic pole position estimation unit as shown in Equation (19) and FIG. 9 . The corrected angle ?c2 is further multiplied by a coefficient "-2", and is input to the low-speed side axis error calculating section 12.

Figure 112019126529672-pat00018
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여기서, 보정값 θe는, 대전류를 통전하였을 때 발생되는 오차이기 때문에, 미리 시험 등에 의해 측정하여 구해 둘 필요가 있다. 각도 보정부(16)에 의해 보정된 각도 θc2로 좌표 변환한 결과, q축 전류 변화량 dIq/dt의 특성은 식 (15)와 마찬가지로 되어, 자기 포화 등의 영향에 의한 오차가 보정된다.Here, since the correction value θe is an error generated when a large current is supplied, it is necessary to obtain the correction value θe in advance by measuring it by a test or the like. As a result of the coordinate transformation to the angle θc2 corrected by the angle correction unit 16, the characteristic of the q-axis current change amount dIq/dt becomes the same as in Equation (15), and the error due to the influence of magnetic saturation or the like is corrected.

도 10은, 본 실시 형태의 제어에 의해 모터(2)의 정반전 동작을 행한 경우의, 각 값의 변화를 나타낸다. 속도 명령은 부로부터 정까지 변화시키고 있고, 도면 중앙에서의 정지를 사이에 두고 역전→정회전으로 이행되고 있다. 정지를 포함하는 저속 영역에서는, 고속측 가중치 Khigh는 제로이며, 그 후 속도의 상승에 수반하여 증가시키고 있다. 저속측 가중치 Klow의 변화 패턴은 그 반대이다. 진정 자극 위치 θ와 추정 위치 θc는 거의 일치하고 있고, 회전이 정지되기 전후에 매우 미세한 괴리가 생겼을 뿐이다. 본 실시 형태의 효과에 의해, 정지로부터 고속 영역까지 원활한 전환 및 고정밀도의 위치 추정이 실현되어 있다.Fig. 10 shows the change of each value in the case where the motor 2 is subjected to the forward reversal operation by the control of the present embodiment. The speed command is changed from negative to positive, and it is shifted from reverse to forward with a stop in the center of the drawing. In the low-speed region including the stop, the high-speed side weight Khigh is zero, and thereafter, it increases with the increase of the speed. The change pattern of the slow side weight Klow is the opposite. The true magnetic pole position θ and the estimated position θc almost coincide, and there is only a very minute difference before and after the rotation is stopped. According to the effect of the present embodiment, smooth switching from a stationary to a high-speed region and high-accuracy position estimation are realized.

이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 전류 변화량 연산부(11)는, 모터(2)의 고정자에 통전되는 3상 전류의 변화량 dIv_V1, dIv_V5, dIu_V5를 연산하고, 자극 위치 추정부(15)는, 회전자의 회전 속도 ωc를 추정하고, 추정된 회전 속도 ωc로부터 회전자의 자극 위치 θc를 추정한다. 각도 보정부(16)는, 상기 자극 위치 θc를 회전자의 출력 토크를 결정하는 파라미터에 기초하여 보정한다. 3상/dq 좌표 변환부(7)는, 3상 전류를, 자극 위치 θc에 기초하여 dq축 상의 전류로 변환하고, 전류 제어부(8)는, d, q축 전류 명령값 Idref, Iqref와 d, q축 전류의 각 차분에 기초하여, d, q축 전압 명령값 Vd, Vq를 생성하도록 전류 제어한다.As described above, according to the present embodiment, the current change amount calculating unit 11 calculates the change amounts dIv_V1, dIv_V5, and dIu_V5 of the three-phase current passed through the stator of the motor 2 , and the magnetic pole position estimating unit 15 rotates The rotational speed ωc of the electron is estimated, and the magnetic pole position θc of the rotor is estimated from the estimated rotational speed ωc. The angle correction unit 16 corrects the magnetic pole position θc based on a parameter that determines the output torque of the rotor. The three-phase/dq coordinate conversion unit 7 converts the three-phase current into a current on the dq-axis based on the magnetic pole position θc, and the current control unit 8 provides the d and q-axis current command values Idref, Iqref and d , and q-axis currents are controlled to generate d and q-axis voltage command values Vd and Vq based on the respective differences.

변조 제어부(9)는, d, q축 전압 명령값 Vd, Vq로 추정된 자극 위치 θc에 기초하여 3상의 PWM 신호 명령값 Du, Dv, Dw를 생성하고, 각 상의 PWM 신호 명령값에 따른 신호 펄스의 위상을, 전류 변화량 연산부(11)가 3상 전류의 변화량을 연산 가능해지도록 시프트한다.The modulation control unit 9 generates three-phase PWM signal command values Du, Dv, and Dw based on the magnetic pole position θc estimated by the d and q-axis voltage command values Vd and Vq, and generates a signal according to the PWM signal command value of each phase. The phase of the pulse is shifted so that the current change amount calculating section 11 can calculate the three-phase current change amount.

저속측 축 오차 연산부(12)는, 3상 전류의 변화량을, 보정된 자극 위치 θc2에 의해 좌표 변환하여 얻어지는 dq축 상의 전류 변화량 dIq/dt에 기초하여, 저속측의 위치 오차 Errlow를 연산하고, 고속측 축 오차 연산부(13)는, 모터(2)의 전압 방정식에 기초하여 얻어지는 d축 유기 전압 Edc를, 고속측의 위치 오차 Errhigh로서 출력한다. 가중치 부여 가산부(14)는, 위치 오차 Errlow, Errhigh를 각각 소정의 비율로 가중치 부여 가산하고, 자극 위치 추정부(15)는, 그 가산 결과 Errsum에 기초하여 회전자의 속도 ωc를 추정한다. 이와 같이 구성하면, 오차가 없는 자극 위치 θc2를 추정할 수 있다. 특히 본 실시 형태에 있어서는, 저속측과 고속측의 오차량에, 진정 위치와의 오차가 각각 다른 각도로 포함되어 있어도, 오차를 최대한 배제한 자극 위치 θc2를 추정할 수 있다.The slow-side axis error calculating unit 12 calculates the low-speed side position error Err low based on the current change amount dIq/dt on the dq axis obtained by coordinate transformation of the change amount of the three-phase current by the corrected magnetic pole position θc2, , The high-speed side axis error calculating unit 13 outputs the d-axis induced voltage Edc obtained based on the voltage equation of the motor 2 as the high-speed side position error Err high . The weighting and adding unit 14 weights and adds the position errors Err low and Err high at a predetermined ratio, respectively, and the magnetic pole position estimating unit 15 calculates the rotor speed ωc based on the addition result Err sum estimate With this configuration, the magnetic pole position θc2 without error can be estimated. In particular, in the present embodiment, the magnetic pole position θc2 in which the error is excluded as much as possible can be estimated even if the error amount between the low speed side and the high speed side includes the error with the true position at different angles.

또한, 가중치 부여 가산부(14)는, 상기 소정의 비율을, 회전자의 회전 속도 ωc에 따라서 변화시키므로, 위치 오차 Errlow, Errhigh의 가중치 값의 비율을 속도 ωc의 변화에 수반하여 적절하게 변화시킬 수 있다.Further, since the weighting adder 14 changes the predetermined ratio according to the rotational speed ωc of the rotor, the ratio of the weight values of the position errors Err low and Err high is appropriately adjusted with the change of the speed ωc. can change

또한, 변조 제어부(9)는, 가중치 부여 가산부(14)가 소정의 비율을 저속측으로부터 고속측으로 변화시킬 때, 저속측의 가중치와 고속측의 가중치가 동등해진 시점 이후에, 신호 펄스의 위상 시프트를 정지시킴으로써, 제어가 보다 간단해진다.In addition, the modulation control unit 9 controls the phase of the signal pulse after the point in time when the weighting and adding unit 14 changes the predetermined ratio from the low-speed side to the high-speed side, the weight on the low-speed side and the weight on the high-speed side become equal. By stopping the shift, the control becomes simpler.

(제2 실시 형태)(Second embodiment)

이하, 제1 실시 형태와 동일 부분에는 동일 부호로 나타내어 설명을 생략하고, 상이한 부분에 대해 설명한다. 도 11에 도시하는 제2 실시 형태의 제어 장치(21)는, 고주파 전압 인가부(22)와 저속측 축 오차 연산부(12)를 대체하는 3상/dq 좌표 변환부(23) 및 저속측 축 오차 연산부(24)를 구비하고 있다. 제2 실시 형태에서는, 저속 영역에서의 위치 추정 방법에 dq축 고주파 전압 인가법을 사용한다.Hereinafter, the same code|symbol is shown to 1st Embodiment and the same part, description is abbreviate|omitted, and the different part is demonstrated. The control device 21 of the second embodiment shown in FIG. 11 includes a three-phase/dq coordinate conversion unit 23 replacing the high-frequency voltage application unit 22 and the low-speed axis error calculating unit 12 and the low-speed side axis. An error calculating unit 24 is provided. In the second embodiment, the dq-axis high-frequency voltage application method is used for the position estimation method in the low-speed region.

고주파 전압 인가부(22)는, 전류 제어부(8)가 출력하는 d, q축 전압 명령값 Vd, Vq에, 식 (20)에 나타내는 dq축의 고주파 전압 Vdh, Vqh를, 가산기(25d, 25q)를 통해 중첩한다. Vh는 고주파 인가 전압 진폭, ωh는 인가 주파수이다.The high-frequency voltage application unit 22 adds, to the d and q-axis voltage command values Vd and Vq output from the current control unit 8, the dq-axis high-frequency voltages Vd h and Vq h shown in Equation (20), an adder 25d, 25q) to overlap. V h is the high frequency applied voltage amplitude and ω h is the applied frequency.

Figure 112019126529672-pat00019
Figure 112019126529672-pat00019

이 때, 3상/dq 좌표 변환부(23)에서 좌표 변환된 dq축 전류 Id2, Iq2에는, 모터(2)의 돌극성의 영향에 의해 자극 위치의 정보가 포함된다. 즉, Id2, Iq2의 ωh 성분 Idh, Idq는 식 (21)에 나타내는 특성을 갖는다.At this time, the dq-axis currents Id2 and Iq2 coordinate-transformed by the three-phase/dq coordinate conversion unit 23 include information on the magnetic pole position under the influence of the salient polarity of the motor 2 . That is, the ω h components Idh and Idq of Id2 and Iq2 have the characteristics shown in Formula (21).

Figure 112019126529672-pat00020
Figure 112019126529672-pat00020

이 특성을 이용함으로써 자극 위치 θc를 추정할 수 있다. 그래서, 제2 실시 형태의 저속측 축 오차 연산부(24)는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 대역 통과 필터(24a)와 저역 통과 필터(24c)를 사용하여 검파 처리를 행한다. 우선, 3상/dq 좌표 변환부(23)로부터 입력되는 dq축 전류 Id2, Iq2를, 중심 주파수 ωh의 대역 통과 필터(24a)에 통과시켜 주파수 ωh의 성분을 추출한다. 그 후, 승산기(24bd, 24bq)에 의해 전류 Id2에는 cos(ωht)를 곱하고, 전류 Iq2에는 sin(ωht)을 곱한다. 그리고 나서, 주파수 2ωh의 성분을 충분히 제거할 수 있는 차단 주파수를 설정한 저역 통과 필터(24c)를 통과시킨다. 감산기(24d)에 의해 양자의 필터 출력의 차분을 취함으로써 얻어지는 축 오차 Errlow는, 식 (22)에 나타내는 특성을 갖는다.By using this characteristic, the magnetic pole position θc can be estimated. Then, as shown in FIG. 12, the low-speed side axial error calculating part 24 of 2nd Embodiment performs a detection process using the band-pass filter 24a and the low-pass filter 24c. First, the dq-axis currents Id2 and Iq2 input from the three-phase/dq coordinate conversion unit 23 are passed through the bandpass filter 24a of the center frequency ωh to extract the component of the frequency ωh . Thereafter, the current Id2 is multiplied by cos(ω h t) and the current Iq2 is multiplied by sin(ω h t) by the multipliers 24bd and 24bq. Then, it passes through the low-pass filter 24c in which the cutoff frequency which can sufficiently remove the component of the frequency 2 omega h is set. The axial error Err low obtained by taking the difference between the two filter outputs by the subtractor 24d has the characteristic shown in Equation (22).

Figure 112019126529672-pat00021
Figure 112019126529672-pat00021

식 (20)의 축 오차 Errlow는, 계수는 상이하기는 하지만 축 오차에 대한 특성은 제1 실시 형태의 q축 전류 변화량 dIq/dt와 마찬가지이므로, 제2 실시 형태에서는 이를 사용하여 추정을 행한다. 기타는 제1 실시 형태와 마찬가지이다.Although the axial error Err low in Equation (20) has different coefficients, the axial error characteristic is the same as the q-axis current change amount dIq/dt in the first embodiment, so in the second embodiment, it is used for estimation. . Others are the same as in the first embodiment.

이상과 같이 제2 실시 형태에 따르면, 고주파 전압 인가부(22)는, 전류 제어부(8)가 출력하는 d, q축 전압 명령값 Vd, Vq에 dq축의 고주파 전압 Vdh, Vqh를 중첩한다. 그리고, 저속측 오차 연산부(24)는, 3상/dq 좌표 변환부(23)에서 좌표 변환된 dq축 전류 Id2, Iq2를, 고주파 전압 Vdh, Vqh에 의해 동기 검파한 결과로부터 저속측의 위치 오차 Errlow를 생성한다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지 효과가 얻어진다.As described above, according to the second embodiment, the high frequency voltage application unit 22 superimposes the dq axis high frequency voltages Vdh and Vqh on the d and q axis voltage command values Vd and Vq output by the current control unit 8 . Then, the low-speed side error calculating unit 24 performs synchronous detection of the dq-axis currents Id2 and Iq2 coordinate-converted by the three-phase/dq coordinate conversion unit 23 with the high-frequency voltages Vd h , Vq h of the low-speed side from the result of synchronous detection. Generates position error Err low . Therefore, the effect similar to 1st Embodiment is acquired.

(그 밖의 실시 형태)(Other embodiments)

저속 영역, 고속 영역의 위치 추정 방식을 예시하였지만, 예시한 것 이외의 방법을 사용해도 된다.Although the method for estimating the position of the low-speed region and the high-speed region has been exemplified, methods other than those exemplified may be used.

제2 실시 형태에 있어서, 고주파 전압을 d축, q축의 한쪽에만 인가해도 된다.In the second embodiment, the high-frequency voltage may be applied to only one of the d-axis and the q-axis.

전류 검출부는 션트 저항이어도 되고 CT여도 된다.The current detection unit may be a shunt resistor or a CT.

스위칭 소자는 MOSFET, IGBT, 파워 트랜지스터, SiC, GaN 등의 와이드 밴드 갭 반도체 등을 사용해도 된다.As the switching element, a MOSFET, an IGBT, a power transistor, a wide bandgap semiconductor such as SiC or GaN, or the like may be used.

본 발명의 몇몇 실시 형태를 설명하였지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위와 요지에 포함됨과 함께, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in other various forms, and various abbreviations, substitutions, and changes can be made in the range which does not deviate from the summary of invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and the invention described in the claims and their equivalents.

Claims (9)

영구 자석 동기 전동기의 고정자에 통전되는 전류의 변화량을 연산하는 전류 변화량 연산부와,
회전자의 회전 속도를 추정하고, 추정된 회전 속도로부터 상기 회전자의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정부와,
추정된 자극 위치를, 상기 회전자의 출력 토크를 결정하는 파라미터에 기초하여 보정하는 위치 보정부와,
상기 전류를, 추정된 자극 위치에 기초하여 dq축 상의 전류로 변환하는 좌표 변환부와,
d, q축 전류 명령값과 d, q축 전류의 각 차분에 기초하여, d, q축 전압 명령값을 생성하도록 전류 제어하는 전류 제어부와,
상기 d, q축 전압 명령값과 추정된 자극 위치에 기초하여 복수의 상의 PWM 신호 명령값을 생성하는 변조 제어부와,
보정된 자극 위치를 사용한 좌표 변환에 의해 얻어지는 dq축 상의 전류 변화량에 기초하여, 저속측의 위치 오차를 연산하는 저속측 오차 연산부와,
상기 동기 전동기의 전압 방정식에 기초하여 얻어지는 유기 전압 또는 회전자 자속에 기초하여, 고속측의 위치 오차를 출력하는 고속측 오차 연산부와,
상기 저속측의 위치 오차와 상기 고속측의 위치 오차를, 각각 소정의 비율로 가중치 부여 가산하는 가산부를 구비하고,
상기 자극 위치 추정부는, 상기 가산부의 가산 결과에 기초하여 상기 회전자의 속도를 추정하고,
상기 저속측 오차 연산부는, q측 전류 변화량을, 저속측의 위치 오차로서 출력하는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.
A current change amount calculating unit for calculating a change amount of the current passed through the stator of the permanent magnet synchronous motor;
a magnetic pole position estimator for estimating the rotational speed of the rotor and estimating the magnetic pole position of the rotor from the estimated rotational speed;
a position correction unit for correcting the estimated magnetic pole position based on a parameter for determining the output torque of the rotor;
a coordinate conversion unit that converts the current into a current on the dq axis based on the estimated magnetic pole position;
a current control unit that controls the current to generate d and q-axis voltage command values based on the respective differences between the d and q-axis current command values and the d and q-axis currents;
a modulation control unit for generating PWM signal command values of a plurality of phases based on the d and q-axis voltage command values and the estimated magnetic pole positions;
a low-speed side error calculating unit for calculating a low-speed side position error based on the amount of current change on the dq axis obtained by coordinate transformation using the corrected magnetic pole position;
a high-speed side error calculating unit for outputting a high-speed side position error based on the induced voltage or rotor magnetic flux obtained based on the voltage equation of the synchronous motor;
an adding unit for weighting and adding the position error on the low-speed side and the position error on the high-speed side at a predetermined ratio, respectively;
The magnetic pole position estimation unit estimates the speed of the rotor based on the addition result of the addition unit,
The low-speed side error calculating section outputs the q-side current change amount as a low-speed side position error, a control device for a permanent magnet synchronous motor.
제1항에 있어서, 상기 변조 제어부는, 각 상의 PWM 신호 명령값에 따른 신호 펄스의 위상을, 상기 전류 변화량 연산부가 상기 전류의 변화량을 연산 가능해지도록 시프트하는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.The control apparatus for a permanent magnet synchronous motor according to claim 1, wherein the modulation control unit shifts a phase of a signal pulse according to a PWM signal command value of each phase so that the current change amount calculating unit can calculate the change amount of the current. 제2항에 있어서,
상기 동기 전동기의 상수가 '3'일 때, 상기 변조 제어부는 제1상의 신호 펄스의 위상을 PWM 주기의 중앙을 기준으로 한 방향으로 시프트하고, 제2상의 신호 펄스의 위상을 PWM 주기의 중앙을 기준으로 상기 방향과는 역방향으로 시프트하며, 제3상의 신호 펄스의 위상을 PWM 주기의 시작점 또는 끝점을 기준으로 쌍방향으로 시프트하는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.
3. The method of claim 2,
When the constant of the synchronous motor is '3', the modulation control unit shifts the phase of the signal pulse of the first phase in a direction with respect to the center of the PWM period, and shifts the phase of the signal pulse of the second phase to the center of the PWM period A control device for a permanent magnet synchronous motor, which shifts in a direction opposite to the direction as a reference, and bilaterally shifts a phase of a signal pulse of a third phase with respect to a starting point or an ending point of a PWM period.
제3항에 있어서, 상기 변조 제어부는, 상기 가산부가 상기 소정의 비율을 저속측으로부터 고속측으로 변화시킬 때, 저속측의 가중치와 고속측의 가중치가 동등해진 시점 이후에, 상기 신호 펄스의 위상 시프트를 정지시키는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.4. The phase shift of the signal pulses according to claim 3, wherein the modulation control unit, when the addition unit changes the predetermined ratio from the low speed side to the high speed side, after a point in time when the weight on the low speed side and the weight on the high speed side become equal to each other, the phase shift of the signal pulse A control device for a permanent magnet synchronous motor that stops the motor. 제1항에 있어서, 상기 d, q축 전압 명령값의 적어도 한쪽에 고주파 신호를 인가하는 고주파 신호 인가부를 구비하고,
상기 저속측 오차 연산부는, 상기 dq축 상의 전류의 적어도 한쪽을, 상기 고주파 신호에 의해 동기 검파한 결과로부터 저속측의 위치 오차를 생성하는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.
The method according to claim 1, further comprising: a high-frequency signal applying unit for applying a high-frequency signal to at least one of the d and q-axis voltage command values;
The low-speed side error calculating unit generates a low-speed side position error from a result of synchronous detection of at least one of the currents on the dq axis with the high-frequency signal.
제1항에 있어서, 상기 가산부는, 상기 소정의 비율을, 상기 회전자의 회전 속도 또는 회전 속도 명령값에 따라서 변화시키는, 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.The control apparatus for a permanent magnet synchronous motor according to claim 1, wherein the adding unit changes the predetermined ratio in accordance with a rotation speed of the rotor or a rotation speed command value. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치를 탑재하는, 마이크로 컴퓨터.A microcomputer in which the control device of the permanent magnet synchronous motor according to any one of claims 1 to 6 is mounted. 영구 자석 동기 전동기와,
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치를 구비하는, 전동기 시스템.
permanent magnet synchronous motor,
The electric motor system provided with the control apparatus of the permanent magnet synchronous motor in any one of Claims 1-6.
영구 자석 동기 전동기의 고정자에 통전되는 전류를 검출하는 전류 검출 스텝과,
상기 전류의 변화량을 연산하는 전류 변화량 연산 스텝과,
회전자의 회전 속도를 추정하고, 추정된 회전 속도로부터 상기 회전자의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 스텝과,
추정된 자극 위치를, 상기 회전자의 출력 토크를 결정하는 파라미터에 기초하여 보정하는 위치 보정 스텝과,
상기 전류를, 추정된 자극 위치에 기초하여 dq축 상의 전류로 변환하는 좌표 변환 스텝과,
d, q축 전류 명령값과 d, q축 전류의 각 차분에 기초하여, d, q축 전압 명령값을 생성하도록 전류 제어하는 전류 제어 스텝과,
상기 d, q축 전압 명령값과 추정된 자극 위치에 기초하여 3상의 PWM 신호 명령값을 생성하는 변조 제어 스텝과,
보정된 자극 위치를 사용한 좌표 변환에 의해 얻어지는 dq축 상의 q축 전류 변화량에 기초하여, 저속측의 위치 오차를 연산하는 저속측 오차 연산 스텝 및 상기 동기 전동기의 전압 방정식에 기초하여 얻어지는 유기 전압 또는 회전자 자속에 기초하여, 고속측의 위치 오차를 출력하는 고속측 오차 연산 스텝과,
상기 저속측의 위치 오차와 상기 고속측의 위치 오차를, 각각 소정의 비율로 가중치 부여 가산하는 가산 스텝을 구비하고,
상기 자극 위치 추정 스텝은, 상기 가산 스텝의 가산 결과에 기초하여 상기 회전자의 속도를 추정하는, 영구 자석 동기 전동기의 운전 방법.
A current detection step of detecting a current flowing through a stator of the permanent magnet synchronous motor;
a current change amount calculation step of calculating the change amount of the current;
a magnetic pole position estimation step of estimating the rotational speed of the rotor and estimating the magnetic pole position of the rotor from the estimated rotational speed;
a position correction step of correcting the estimated magnetic pole position based on a parameter determining the output torque of the rotor;
a coordinate conversion step of converting the current into a current on the dq axis based on the estimated magnetic pole position;
a current control step of controlling the current to generate d and q-axis voltage command values based on the respective differences between the d and q-axis current command values and the d and q-axis currents;
a modulation control step of generating a 3-phase PWM signal command value based on the d and q-axis voltage command values and the estimated magnetic pole position;
A low-speed side error calculation step of calculating a low-speed side position error based on the amount of change in the q-axis current on the dq axis obtained by coordinate transformation using the corrected magnetic pole position, and an induced voltage or circuit obtained based on the voltage equation of the synchronous motor a high-speed side error calculation step of outputting a high-speed side position error based on the electromagnetic flux;
an adding step of weighting and adding the position error on the low-speed side and the position error on the high-speed side at a predetermined ratio, respectively;
and wherein the magnetic pole position estimation step estimates the speed of the rotor based on an addition result of the addition step.
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