JP2007259559A - Rotation speed detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導電動機の回転子の回転速度を、回転子溝周波数を用いて検出する回転速度検出装置に関する。 The present invention relates to a rotation speed detection device that detects a rotation speed of a rotor of an induction motor using a rotor groove frequency.
例えば、特許文献1に、回転子溝高調波を用いて誘導電動機の回転速度の検出を行う装置が開示されている。この装置は、誘導電動機の回転子溝周波数を利用して電動機の回転速度に応じたすべり周波数を検出するすべり周波数検出手段を備える。 For example, Patent Document 1 discloses an apparatus that detects the rotational speed of an induction motor using rotor groove harmonics. This apparatus includes slip frequency detecting means for detecting a slip frequency corresponding to the rotation speed of the electric motor using the rotor groove frequency of the induction motor.
このすべり周波数検出手段は、誘導電動機の各相の入力電圧を検出する相電圧検出器、及び検出された各相入力電圧を加算する加算器を有する。加算器によって各相入力電圧を加算することにより、各相入力電圧の基本周波数成分及び3次高調波成分が低減される。 The slip frequency detecting means includes a phase voltage detector that detects an input voltage of each phase of the induction motor and an adder that adds the detected phase input voltages. By adding each phase input voltage by the adder, the fundamental frequency component and the third harmonic component of each phase input voltage are reduced.
ここで、相電圧検出器が検出する各相入力電圧には、必要とする回転子溝高調波に含まれるすべり周波数以外に、上述した基本周波数成分及び3次高調波成分、さらにはインバータ回路のスイッチング動作に関係したキャリア周波数成分が含まれる。特に、インバータ回路をPWM制御する場合には、誘導電動機の相電圧信号中にPWM信号のキャリア周波数成分に対応した多くの高調波成分が出現する。この結果、そのキャリア周波数成分やその高調波成分によって、すべり周波数を検出する際のS/N比が悪化する。 Here, in each phase input voltage detected by the phase voltage detector, in addition to the slip frequency included in the required rotor groove harmonic, the fundamental frequency component and the third harmonic component described above, and further the inverter circuit A carrier frequency component related to the switching operation is included. In particular, when the inverter circuit is PWM-controlled, many harmonic components corresponding to the carrier frequency component of the PWM signal appear in the phase voltage signal of the induction motor. As a result, the S / N ratio at the time of detecting the slip frequency is deteriorated by the carrier frequency component and the harmonic component.
このため、特許文献1に記載の装置では、PWM信号のキャリア周波数が、誘導電動機の回転子溝高調波の周波数よりも高い値に設定される。この結果、PWM信号のキャリア周波数成分に対応する周波数帯域が、回転子溝高調波の周波数帯域とは異なることになる。そして、このキャリア周波数帯域の信号を減衰させ、かつ回転子溝高調波のすべり周波数成分を通過させるフィルタ回路(ローパスフィルタやバンドパスフィルタ)を設けることによって、すべり周波数成分の検出信号のS/N比を向上させている。
特許文献1のフィルタ回路は、キャリア周波数帯域の信号のみを減衰させる減衰手段として使用されている。基本周波数成分及び3次高調波成分等は、加算器において各相の入力電圧を加算することによって低減されているが、巻線のインピーダンスのアンバランス等の理由から、その影響を完全に除去することはできない。このため、回転子溝高調波のすべり周波数成分に対して、基本周波数成分や3次高調波成分などが支配的である場合、特許文献1のフィルタ回路を用いて、誘導電動機の回転速度に対応したすべり周波数を精度良く検出することが困難となるという問題がある。 The filter circuit of Patent Document 1 is used as an attenuation unit that attenuates only a signal in a carrier frequency band. The fundamental frequency component, the third harmonic component, etc. are reduced by adding the input voltage of each phase in the adder, but the influence is completely removed for reasons such as imbalance of winding impedance. It is not possible. For this reason, when the fundamental frequency component or the third harmonic component is dominant with respect to the slip frequency component of the rotor groove harmonic, the filter circuit of Patent Document 1 is used to cope with the rotation speed of the induction motor. There is a problem that it is difficult to accurately detect the slip frequency.
このような問題点に鑑みて、誘導電動機の運転状態に合わせて周波数帯域を変更する機能を備えたバンドパスフィルタを用いて、溝高調波成分のみを抽出する手法が提案されている。一方、誘導電動機のアプリケーションによっては(例えば、電動過給機においては)、他制時の回転速度検出が必要となる場合がある。従来は、回生モードにならないよう誘導電動機の最高回転速度以上の回転磁界を短時間印加して回転速度を検出する手法が採用されていたが、誘導電動機の回転速度範囲が広範である場合には、特に低速回転時に溝高調波が上記フィルタの帯域を逸脱し、回転速度を算出できなくなるという問題があった。 In view of such a problem, a method of extracting only the groove harmonic component using a bandpass filter having a function of changing the frequency band according to the operation state of the induction motor has been proposed. On the other hand, depending on the application of the induction motor (for example, in the case of an electric supercharger), it may be necessary to detect the rotational speed at other times. Conventionally, a method of detecting the rotational speed by applying a rotating magnetic field exceeding the maximum rotational speed of the induction motor for a short time so as not to enter the regenerative mode has been adopted, but when the rotational speed range of the induction motor is wide In particular, there is a problem in that the groove harmonics deviate from the band of the filter at the time of low-speed rotation, and the rotation speed cannot be calculated.
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、誘導電動機の回転速度を広範な速度範囲で検出可能な回転速度検出装置を提供することを解決すべき課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object to be solved is to provide a rotation speed detection device capable of detecting the rotation speed of an induction motor in a wide speed range.
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。 Hereinafter, each means suitable for solving the above-described problems will be described with additional effects and the like as necessary.
1.インバータ回路が発生する交流信号によって固定子が励磁されることにより、回転子が回転駆動される誘導電動機において、前記回転子の回転速度を検出する回転速度検出装置であって、
前記インバータ回路を制御して前記固定子に回転方向とは逆方向の回転磁界を印加する逆相励磁制御手段と、
前記逆相励磁制御手段により前記固定子に逆方向回転磁界が印加された状態で、前記固定子に印加される電圧信号から前記回転子の回転速度を算出する回転速度算出手段と
を備えたことを特徴とする回転速度検出装置。
1. In an induction motor in which a rotor is driven to rotate by exciting a stator by an AC signal generated by an inverter circuit, a rotation speed detection device that detects the rotation speed of the rotor,
Anti-phase excitation control means for controlling the inverter circuit to apply a rotating magnetic field in a direction opposite to the rotating direction to the stator;
A rotation speed calculation means for calculating a rotation speed of the rotor from a voltage signal applied to the stator in a state where a reverse rotation magnetic field is applied to the stator by the reverse phase excitation control means. A rotational speed detection device characterized by the above.
手段1によれば、逆相励磁制御手段が、インバータ回路を制御して固定子に回転方向とは逆方向の回転磁界を印加し、回転速度算出手段が、逆相励磁制御手段により固定子に逆方向回転磁界が印加された状態で、固定子に印加される電圧信号から回転子の回転速度を算出する。そして、固定子に逆方向回転磁界が印加されることにより、検出可能な周波数範囲が低周波数側に拡大され、例えば、他制時の低速回転における回転速度の検出も可能となる。 According to the means 1, the reverse phase excitation control means controls the inverter circuit to apply a rotating magnetic field in the direction opposite to the rotation direction to the stator, and the rotation speed calculation means applies to the stator by the reverse phase excitation control means. With the reverse rotating magnetic field applied, the rotational speed of the rotor is calculated from the voltage signal applied to the stator. Then, by applying a reverse rotating magnetic field to the stator, the detectable frequency range is expanded to the low frequency side, and for example, it is possible to detect the rotational speed in the low speed rotation during other control.
2.前記回転子の回転トルク不発生期間内に、前記逆相励磁制御手段が前記固定子に逆方向回転磁界を印加すると共に、前記回転速度算出手段が前記固定子に印加される電圧信号から前記回転子の回転速度を算出するように構成されたことを特徴とする手段1に記載の回転速度検出装置。 2. The reverse phase excitation control means applies a reverse rotating magnetic field to the stator within a period in which the rotational torque of the rotor does not occur, and the rotation speed calculation means rotates the voltage from the voltage signal applied to the stator. The rotational speed detection device according to claim 1, characterized in that the rotational speed of the child is calculated.
手段2によれば、回転子の回転トルク不発生期間内に、逆相励磁制御手段が固定子に逆方向回転磁界を印加すると共に、回転速度算出手段が固定子に印加される電圧信号から回転子の回転速度を算出するので、他制運転における回転子の回転速度を確実に検出することができる。 According to the means 2, the reverse phase excitation control means applies the reverse rotating magnetic field to the stator and the rotational speed calculating means rotates from the voltage signal applied to the stator within the period in which the rotational torque of the rotor does not occur. Since the rotation speed of the child is calculated, it is possible to reliably detect the rotation speed of the rotor in the other control operation.
3.前記誘導電動機が起動されてから所定時間経過後に、前記逆相励磁制御手段による回転速度検出用の逆方向回転磁界から回転トルク発生用の正方向回転磁界への制御切り換えを行うように構成されたことを特徴とする手段1又は2に記載の回転速度検出装置。 3. After a predetermined time has elapsed since the induction motor was started, the reverse phase excitation control means is configured to perform control switching from a reverse rotating magnetic field for detecting rotational speed to a positive rotating magnetic field for generating rotational torque. The rotational speed detecting device according to means 1 or 2, characterized in that.
手段3によれば、誘導電動機が起動されてから所定時間経過後に、逆相励磁制御手段による回転速度検出用の逆方向回転磁界から回転トルク発生用の正方向回転磁界への制御切り換えを行うので、回転速度算出手段は、回転磁界方向に応じて回転子の回転速度を正確に算出することができる。 According to the means 3, the control switching from the reverse rotating magnetic field for detecting the rotational speed to the positive rotating magnetic field for generating the rotating torque is performed by the reverse phase excitation control means after a predetermined time has elapsed since the induction motor was started. The rotation speed calculation means can accurately calculate the rotation speed of the rotor according to the direction of the rotating magnetic field.
4.前記回転磁界の制御切り換えは、少なくとも逆方向回転磁界の一周期が経過した後に実行されるように構成されたことを特徴とする手段3に記載の回転速度検出装置。 4). 4. The rotational speed detecting device according to claim 3, wherein the control switching of the rotating magnetic field is executed after at least one cycle of the reverse rotating magnetic field has elapsed.
手段4によれば、回転磁界の制御切り換えが、少なくとも逆方向回転磁界の一周期が経過した後に実行されるので、回転速度算出手段は、回転子の回転速度を正確に算出することができる。 According to the means 4, since the control switching of the rotating magnetic field is executed after at least one cycle of the reverse rotating magnetic field has elapsed, the rotating speed calculating means can accurately calculate the rotating speed of the rotor.
5.前記回転磁界の制御切り換えを実行する前に、前記誘導電動機への通電を一定時間オフすることを特徴とする手段3又は4に記載の回転速度検出装置。 5. The rotational speed detection device according to claim 3 or 4, wherein the current supply to the induction motor is turned off for a predetermined time before the control switching of the rotating magnetic field is executed.
手段5によれば、回転磁界の制御切り換えを実行する前に、誘導電動機への通電を一定時間オフするので、電流の脈動や過電圧の発生が防止されて、回転速度算出手段は、回転子の回転速度を正確に算出することができる。 According to the means 5, since the energization to the induction motor is turned off for a predetermined time before executing the control switching of the rotating magnetic field, the current pulsation and the overvoltage are prevented, and the rotation speed calculating means The rotational speed can be calculated accurately.
6.前記回転速度算出手段は、回転子溝高調波を用いて回転速度を算出することを特徴とする手段1乃至5のいずれかに記載の回転速度検出装置。 6). 6. The rotational speed detection device according to claim 1, wherein the rotational speed calculation means calculates the rotational speed using a rotor groove harmonic.
手段6によれば、電圧信号から回転子の構造に起因する回転子溝高調波を用いて正確に回転速度を算出することができる。 According to the means 6, the rotational speed can be accurately calculated from the voltage signal using the rotor groove harmonics resulting from the structure of the rotor.
7.前記固定子に印加される回転磁界の方向に応じて、回転子溝高調波を抽出するために用いるバンドパスフィルタ手段の周波数帯域を変更するように構成されたことを特徴とする手段6に記載の回転速度検出装置。 7). The means 6 is configured to change the frequency band of the bandpass filter means used for extracting the rotor groove harmonics according to the direction of the rotating magnetic field applied to the stator. Rotational speed detection device.
手段7によれば、固定子に印加される回転磁界の方向に応じて、バンドパスフィルタの周波数帯域を変更するので、抽出可能な回転子溝高調波の範囲が拡大されて、広範囲な回転速度の検出が可能となる。 According to the means 7, since the frequency band of the bandpass filter is changed according to the direction of the rotating magnetic field applied to the stator, the range of rotor groove harmonics that can be extracted is expanded, and a wide range of rotational speeds are obtained. Can be detected.
8.交流信号発生手段と、所望の周波数帯域に属する周波数成分の信号のみを抽出するバンドパスフィルタ手段と、前記バンドパスフィルタ手段によって抽出された信号から回転子溝高調波を検出する検出手段と、前記回転子溝高調波の周波数である溝周波数に基づいて誘導電動機の回転速度を算出する回転速度算出手段とを備えた回転速度検出装置であって、
前記交流信号発生手段によって前記誘導電動機の回転子回転方向とは逆方向の回転磁界を固定子に印加した状態で、前記回転速度算出手段により回転速度の算出を行うように構成されたことを特徴とする回転速度検出装置。
8). AC signal generating means, bandpass filter means for extracting only signals of frequency components belonging to a desired frequency band, detection means for detecting rotor groove harmonics from signals extracted by the bandpass filter means, A rotational speed detection device comprising rotational speed calculation means for calculating the rotational speed of the induction motor based on a groove frequency that is a frequency of a rotor groove harmonic,
The rotational speed is calculated by the rotational speed calculating means in a state where a rotating magnetic field opposite to the rotor rotating direction of the induction motor is applied to the stator by the AC signal generating means. Rotation speed detection device.
手段8によれば、交流信号発生手段によって誘導電動機の回転子回転方向とは逆方向の回転磁界を固定子に印加し、この状態で、バンドパスフィルタ手段によって抽出された信号から検出手段により回転子溝高調波を検出し、回転速度算出手段が回転子溝高調波の周波数である溝周波数に基づいて誘導電動機の回転速度を算出する。そして、固定子に逆方向回転磁界が印加されることにより、検出可能な周波数範囲が低周波数側に拡大され、例えば、他制時の低速回転における回転速度の検出も可能となる。 According to the means 8, a rotating magnetic field in a direction opposite to the rotor rotating direction of the induction motor is applied to the stator by the AC signal generating means, and in this state, the detecting means rotates from the signal extracted by the bandpass filter means. The child groove harmonic is detected, and the rotation speed calculation means calculates the rotation speed of the induction motor based on the groove frequency which is the frequency of the rotor groove harmonic. Then, by applying a reverse rotating magnetic field to the stator, the detectable frequency range is expanded to the low frequency side, and for example, it is possible to detect the rotational speed in the low speed rotation during other control.
9.前記回転子の回転トルク不発生期間内に、前記交流信号発生手段によって前記固定子に逆方向回転磁界を印加すると共に、前記回転速度算出手段が回転速度を算出するように構成されたことを特徴とする手段8に記載の回転速度検出装置。 9. The reverse rotation magnetic field is applied to the stator by the AC signal generation means within the period in which the rotation torque of the rotor is not generated, and the rotation speed calculation means is configured to calculate the rotation speed. The rotational speed detection device according to claim 8.
手段9によれば、回転子の回転トルク不発生期間内に、交流信号発生手段によって固定子に逆方向回転磁界を印加すると共に、回転速度算出手段が回転速度を算出するので、他制運転における回転子の回転速度を確実に検出することができる。 According to the means 9, the reverse rotation magnetic field is applied to the stator by the AC signal generating means and the rotational speed calculating means calculates the rotational speed within the period in which the rotational torque of the rotor is not generated. The rotational speed of the rotor can be reliably detected.
10.前記誘導電動機が起動されてから所定時間経過後に、前記交流信号発生手段による回転速度検出用の逆方向回転磁界から回転トルク発生用の正方向回転磁界への制御切り換えを行うように構成されたことを特徴とする手段8又は9に記載の回転速度検出装置。 10. After a predetermined time has elapsed since the induction motor was started, the AC signal generating means is configured to perform control switching from a reverse rotating magnetic field for detecting rotational speed to a positive rotating magnetic field for generating rotating torque. The rotational speed detection device according to claim 8 or 9, characterized in that.
手段10によれば、誘導電動機が起動されてから所定時間経過後に、交流信号発生手段による回転速度検出用の逆方向回転磁界から回転トルク発生用の正方向回転磁界への制御切り換えを行うので、回転速度算出手段は、回転磁界方向に応じて回転速度を正確に算出することができる。
According to the
11.前記回転磁界の制御切り換えは、少なくとも逆方向回転磁界の一周期が経過した後に実行されるように構成されたことを特徴とする手段10に記載の回転速度検出装置。
11. The rotational speed detection device according to
手段11によれば、回転磁界の制御切り換えが、少なくとも逆方向回転磁界の一周期が経過した後に実行されるので、回転速度算出手段は、回転速度を正確に算出することができる。 According to the means 11, since the control switching of the rotating magnetic field is executed after at least one cycle of the reverse rotating magnetic field has elapsed, the rotating speed calculating means can accurately calculate the rotating speed.
12.前記回転磁界の制御切り換えを実行する前に、前記誘導電動機への通電を一定時間オフすることを特徴とする手段10又は11に記載の回転速度検出装置。 12 The rotation speed detection device according to claim 10 or 11, wherein energization of the induction motor is turned off for a predetermined time before executing the control switching of the rotating magnetic field.
手段12によれば、回転磁界の制御切り換えを実行する前に、誘導電動機への通電を一定時間オフするので、電流の脈動や過電圧の発生が防止されて、回転速度算出手段は、回転速度を正確に算出することができる。 According to the means 12, since the energization to the induction motor is turned off for a certain time before executing the control switching of the rotating magnetic field, the occurrence of current pulsation and overvoltage is prevented, and the rotation speed calculating means reduces the rotation speed. It can be calculated accurately.
13.回転磁界の方向に応じて、回転子溝高調波を抽出するために用いる前記バンドパスフィルタ手段の周波数帯域を変更することを特徴とした手段8乃至12のいずれかに記載の回転速度検出装置。 13. The rotational speed detection device according to any one of means 8 to 12, wherein a frequency band of the bandpass filter means used for extracting the rotor groove harmonics is changed according to the direction of the rotating magnetic field.
手段13によれば、固定子に印加される回転磁界の方向に応じて、バンドパスフィルタの周波数帯域を変更するので、抽出可能な回転子溝高調波の範囲が拡大されて、広範囲な回転速度の検出が可能となる。 According to the means 13, since the frequency band of the bandpass filter is changed according to the direction of the rotating magnetic field applied to the stator, the range of rotor groove harmonics that can be extracted is expanded, and a wide range of rotational speeds are obtained. Can be detected.
以下、本発明を具体化した回転速度検出装置の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は、本実施形態に係わる回転速度検出装置を含む、モータ制御装置の全体構成を示すブロック図である。 Hereinafter, an embodiment of a rotational speed detection device embodying the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a motor control device including a rotation speed detection device according to the present embodiment.
図1において、モータ30は、固定子鉄心及び3相(U相、V相、W相)の固定子巻線からなる固定子と、積層鉄心の溝にアルミ合金を鋳込んだかご型回転子とからなる誘導モータであり、本発明の誘導電動機に相当するものである。
In FIG. 1, a
インバータ回路20は、公知のように複数のスイッチング素子(パワートランジスタ、GTOサイリスタ、IGBT,サイリスタ等)からなるスイッチング回路を有し、当該スイッチング回路のスイッチング素子がオンオフされることによって、120°位相のずれた交流信号であるU相,V相,W相電流を生成し、モータ30の各相の固定子巻線に供給する。これにより、モータ30の各相の固定子巻線により回転磁界が形成され、この回転磁界によってモータ30のかご型回転子が回転する。
The
コントローラ10は、例えば、公知のようにCPU、ROM及びRAM等を備えたマイクロコンピュータからなり、インバータ回路20のスイッチング回路に対して、スイッチング制御信号を出力する。この場合、コントローラ10は、インバータ回路20から出力されるU相,V相,W相電流の励磁周波数をスイッチング制御信号によって変化させることにより、モータ30の回転速度の可変制御を行うことができる。尚、コントローラ10が、本発明の逆相励磁制御手段を構成するものである。コンバータ回路50は、交流電流を直流電流に変換して、コントローラ10に出力する。
The
なお、インバータ回路20は、電圧型インバータと電流型インバータのいずれのタイプであっても良いし、また、インバータの制御方式も、電圧制御方式と電流制御方式のいずれであっても良い。
The
本実施形態に係わるモータ制御装置は、上述したモータ30の回転速度可変制御のために、モータ30の実回転速度を検出して、コントローラ10に出力する回転速度検出装置40を備えている。これにより、コントローラ10は、モータ30の実回転速度が目標回転速度に一致するように、フィードバック制御を行うことが可能になる。
The motor control device according to the present embodiment includes a rotation
以下、回転速度検出装置40について、詳細に説明する。本実施形態における回転速度検出装置40は、回転子溝周波数を用いてモータ30の回転速度を検出する。そこで、まず、回転子溝周波数及び回転子溝周波数を用いた回転速度の検出原理について、図2及び図3を用いて簡単に説明する。なお、図2は、モータ30の断面を模式的に示す模式図であり、図3は、回転子の周囲の磁束密度Bを示すグラフである。
Hereinafter, the rotation
上述したように、モータ30は、積層鉄心33の溝にアルミ合金32を鋳込んだかご型回転子31を備えているため、その回転子31の透磁率は、鉄心部分とアルミ合金部分とで異なる。このため、固定子巻線34により回転磁界が形成されるとき、その空隙部の磁束は、アルミ合金が鋳込まれた溝の数に応じた変調を受ける。この様子を示したのが、図3のグラフである。図3に示すように、上述した変調に起因して回転子溝高調波成分が生じ、空隙部の磁束密度Bの基本波成分に、この回転子溝高調波成分が重畳される。なお、本実施形態では、モータ30の固定子の極数が2極であるため、回転磁界が1回転する間の磁束密度の基本波成分の周波数は、各相の固定子巻線34に入力される交流信号の周波数に等しい。
As described above, since the
そして、上述した回転子溝高調波成分による磁束の変調の影響は、固定子巻線34の各相電圧に現れる。より詳細には、モータ30の各相電圧は、インバータ回路20が発生する交流信号の周波数(励磁周波数)成分及び通電方式に起因する高調波成分、磁束飽和に起因した高調波(特に3次高調波)成分、さらに、回転子溝高調波成分が含まれる。
Then, the influence of the modulation of the magnetic flux due to the above-described rotor groove harmonic component appears in each phase voltage of the stator winding 34. More specifically, each phase voltage of the
ここで、回転子31の溝数をNr(=3N+1 ただし、Nは自然数)、回転子31の回転周波数をfr、励磁周波数をf、及びすべり周波数をfslとすると、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1は、以下の数式1によって示される。
(数1) fsh1=Nr×fr−f=3×N×f−Nr×fsl
また、n次高調波成分による回転子溝周波数fshnは、以下の数式2によって示される。
(数2) fshn=Nr×fr−nf=3×N×f−6mf−Nr×fsl
(ただし、n=6m+1、mは自然数)
ここで、Nr=3N+1及びn=6m+1の符号が逆の場合は、数式1,2の符号を逆にして同様に考えれば良いので、説明は省略する。
Here, when the number of grooves of the
( Expression 1) f sh1 = N r × f r −f = 3 × N × f−N r × f sl
Further, the rotor groove frequency f shn due to the nth-order harmonic component is expressed by the following Equation 2.
( Expression 2) f shn = N r × f r −nf = 3 × N × f−6 mf−N r × f sl
(However, n = 6m + 1, m is a natural number)
Here, when the signs of N r = 3N + 1 and n = 6m + 1 are reversed, the signs of Equations 1 and 2 may be reversed and considered in the same way, and thus the description thereof is omitted.
数式1、2において、すべり周波数fsl以外のパラメータは既知であり、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1又はn次高調波成分による回転子溝周波数fshnを検出することにより、すべり周波数fslが求まる。すると、励磁周波数fからすべり周波数fslを減算することによって、回転子31の回転周波数frが算出され、それにより、回転子31の回転速度を求めることができる。なお、以下の例では、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1を、回転子溝周波数として検出する例について説明する。
In Equations 1 and 2, parameters other than the slip frequency f sl are known, and the slip frequency f is detected by detecting the rotor groove frequency f sh1 based on the excitation frequency component or the rotor groove frequency f shn based on the nth-order harmonic component. sl is obtained. Then, by subtracting the slip frequency f sl from the excitation frequency f, the rotation frequency f r of the
まず、回転速度検出装置40は、電圧加算器41を備える。この電圧加算器41は、U相,V相,W相の各相の入力電圧を検出するとともに、その検出した各相電圧を加算するものである。このように各相電圧を加算することにより、上述した励磁周波数成分及び3次高調波成分等が相殺されて、それらの周波数成分が低減される。図4に、電圧加算器41から出力される加算電圧信号の信号波形の一例を示す。図4に示すように、各相電圧の加算により、励磁周波数成分及び3次高調波成分がかなり低減されているが、巻線のインピーダンスのアンバランス等の問題から、完全に除去することはできていない。
First, the rotational
電圧加算器41から出力される加算電圧信号は、アナログ信号である。A/D変換器42は、所定のサンプリング周期ごとに、加算電圧信号をサンプリングして、アナログ値からデジタル値に変換する。加算電圧信号のデジタルデータは、A/D変換器42からデジタル信号処理部43に入力される。
The added voltage signal output from the
デジタル信号処理部43は、バンドパスフィルタとしてのフーリエ変換部(FFT)44、回転子溝周波数検出部45、及び回転速度算出部46から構成される。尚、回転速度算出部46が回転速度算出手段を構成するものである。
The digital
フーリエ変換部44は、A/D変換器42から出力される加算電圧信号のデジタルデータを保存し、そのデータ数が所定数となったときに、フーリエ変換処理を行う。これにより、所定の周波数分解能で、各周波数成分ごとの強度を示す周波数スペクトルデータが得られる。
The
なお、フーリエ変換においては、データ数と分解能とに相関関係があるため、所定の周波数分解能を得ようとする場合には、その周波数分解能に対応する数のデジタルデータを集める必要がある。この場合、回転速度の算出が、所定数のデジタルデータの収集に要する時間以上の間隔で行われるため、モータ30の実回転速度の情報が不足し、高精度な回転速度制御を行い得ないことも考えられる。
In Fourier transform, since the number of data and the resolution have a correlation, in order to obtain a predetermined frequency resolution, it is necessary to collect digital data corresponding to the frequency resolution. In this case, since the rotation speed is calculated at intervals greater than the time required to collect a predetermined number of digital data, information on the actual rotation speed of the
そのため、本実施形態では、フーリエ変換部44が連続して実施するフーリエ変換処理において、一部のデジタルデータを重複して用いる。これにより、周波数分解能を低下することなく、フーリエ変換処理の実行間隔を短縮することができるので、回転子溝周波数の抽出、ひいては回転速度の算出までの時間を短くすることができる。
For this reason, in the present embodiment, some digital data is redundantly used in the Fourier transform process that the
図5は、フーリエ変換部44が算出する周波数スペクトルデータの一例を示すものである。図5に示すように、加算電圧信号には、励磁周波数成分f1、3次高調波成分f3の他、さらに高次の高調波成分f5,f7,f9や、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1及び高次高調波成分による回転子溝周波数fsh5,fsh7などが含まれている。
FIG. 5 shows an example of frequency spectrum data calculated by the
バンドパスフィルタとしてのフーリエ変換部44は、これらの各周波数成分の内、励磁周波数による回転子溝周波数fsh1が含まれるとみなされる周波数帯域を設定し、この周波数帯域に含まれる各周波数成分の強度データを回転子溝周波数検出部45に出力する。
The
ここで、フーリエ変換部44における周波数帯域の設定方法について説明する。フーリエ変換部45は、各固定子巻線34に与えられる交流信号の励磁周波数fに同期して回転子31が回転していると仮定した場合における、励磁周波数fによって発生する回転子溝周波数fsh0を基準として、励磁周波数fによる実際の固定子溝周波数fsh1を抽出するための周波数帯域を設定する。そのため、フーリエ変換部44は、コントローラ10から、励磁周波数fに関する情報を入力し、その励磁周波数fに基づいて、周波数帯域の設定を行う。
Here, a frequency band setting method in the
従って、コントローラ10がモータ30の回転速度を可変制御するため、励磁周波数fを変化させた場合には、フーリエ変換部44における、励磁周波数成分による実際の固定子溝周波数fsh1を抽出するための周波数帯域も変化することになる。
Therefore, when the excitation frequency f is changed so that the
なお、図5に示す例では、モータ30の諸元等から、励磁周波数fの1.3倍(1.3f)から16倍(16f)に相当する帯域を持つ周波数帯域を設定し、励磁周波数fの15倍(15f)の周波数をfsh0としている。
In the example shown in FIG. 5, a frequency band having a band corresponding to 1.3 times (1.3f) to 16 times (16f) of the excitation frequency f is set based on the specifications of the
このように、fsh0を基準として、周波数が減少する側に比較的広い周波数帯域を設定することにより、モータ30のすべりの大きさが変化しても、そのすべりの大きさにかかわらず、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1をほぼカバーできる周波数帯域を設定できる。従って、フーリエ変換部44は、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1を精度良く抽出することができる。ただし、この周波数帯域は、S/N比向上のため、極力、励磁周波数の高次高調波(特に3次高調波)を含まない範囲に制限されることが望ましい。
In this way, by setting a relatively wide frequency band on the frequency decreasing side with respect to f sh0 , even if the slip size of the
なお、モータ30が電動機として機能する場合には、fsh0以上の回転子溝周波数fsh1が発生することはないが、各種の誤差等の影響を考慮して、fsh0よりも周波数が大きい側にも周波数帯域を広げている。
When the
ただし、モータ30を電力の回生を行う発電機としても機能させる場合には、図5に示す例とは逆に、fsh0を基準として、周波数が増加する側に広く、周波数が減少する側に狭い周波数帯域を設定すればよい。
However, when the
回転子溝周波数検出部45は、フーリエ変換部44から出力された、上記周波数帯域に含まれる各周波数成分の強度データに基づいて、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1を検出する。具体的には、最も強いピーク強度を持つ周波数成分の周波数を、励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1として検出する。
The rotor groove
回転子溝周波数検出部45によって検出された励磁周波数成分による回転子溝周波数fsh1は、回転速度算出部46に与えられ、その回転子溝周波数fsh1に基づいて、回転子の回転速度が算出され、コントローラ10に出力される。
The rotor groove frequency f sh1 based on the excitation frequency component detected by the rotor groove
次に、モータ30が他制運転から自制運転に移行する過程における回転子31の回転速度の検出について図6及び図7を参照しつつ説明する。図6は、他制運転から自制運転に移行する場合の回転周波数の変化を表すグラフである。図7は、モータ制御装置起動後の回転速度検出の流れを示すフローチャートである。
Next, detection of the rotational speed of the
図6に示すように、モータ30は、初期状態では他制運転が行われている。コントローラ10が起動されると、インバータ回路20を制御して短時間の逆相励磁を行う(回転子31の回転方向とは逆方向の回転磁界を固定子に印加する)と共に、回転子31の回転速度を算出する(ステップ1。以下、S1と略記する。他のステップも同様。)。より具体的には、インバータ回路20を制御して所定の励磁周波数の交流信号を発生させることにより、回転数に影響を与えない数十ms程度の短時間の間、回転子31の回転方向とは逆方向の回転磁界を固定子に印加し、この状態で回転子溝周波数検出部45により回転子溝周波数の検出を行い、回転速度算出部46により励磁周波数と回転子溝周波数とに基づいて回転速度を算出する。
As shown in FIG. 6, the
次に、モータ30への通電を一定時間オフする(S2)。そして、モータ30が起動されてから所定時間経過後に、正相励磁(回転子31の回転方向の回転磁界を固定子に印加)を実施して回転トルクを発生させる通常回転を行うと共に、回転子31の回転速度を算出する(S3)。より具体的には、インバータ回路20を制御して所定の励磁周波数の交流信号を発生させることにより、回転子31の回転方向の回転磁界を固定子に印加し、この状態で回転子溝周波数検出部45により回転子溝周波数の検出を行い、回転速度算出部46により励磁周波数と回転子溝周波数とに基づいて回転速度を算出する。
Next, the power supply to the
ここで、正相励磁及び逆相励磁の各場合における検出可能な回転速度の範囲について説明する。 Here, the range of the detectable rotational speed in each case of the positive phase excitation and the negative phase excitation will be described.
まず、正相励磁における回転子溝周波数fshの算出式を以下の数式3に示す。但し、回転子31の溝数をNr、回転子31の回転周波数をfr、励磁周波数をf、及びすべりをsとする。
(数3) fsh=Nr×fr−f=Nr×(1−s)×f−f=(Nr−1−Nr×s)×f
数式3をすべりsの式に直すと、s=1/Nr×(Nr−1−fsh/f)となる。
First, the following equation 3 is used to calculate the rotor groove frequency f sh in the positive phase excitation. However, the number of grooves of the
( Expression 3) f sh = N r × f r −f = N r × (1−s) × f−f = (N r −1−N r × s) × f
When formula 3 is converted into the formula of slip s, s = 1 / N r × (N r −1−f sh / f).
そして、バンドパスフィルタとしてのフーリエ変換部44は、励磁周波数fの1.3倍以上に周波数帯域を設定しているため(fsh≧1.3f)、すべりs≦0.85625となる。従って、例えば、図8に示すように、モータ30に印加する回転磁界の回転数(一定時間当り回転数=回転速度)が200,000rpmであるとき、fr=f×(1−s)であるから、検出可能なターボ回転数は、200,000×(1−0.85625)=28,750rpm以上となる。
The
次に、逆相励磁における回転子溝周波数fshの算出式を以下の数式4に示す。
(数4) fsh=Nr×fr+f=Nr×(1−s)×f+f=(Nr+1−Nr×s)×f
すべりsの式に直すと、s=1/Nr×(Nr+1−fsh/f)となる。
Next, a formula for calculating the rotor groove frequency f sh in the reverse phase excitation is shown in Formula 4 below.
( Expression 4) f sh = N r × f r + f = N r × (1−s) × f + f = (N r + 1−N r × s) × f
When converted into the slip s equation, s = 1 / N r × (N r + 1−f sh / f).
上述したように、fsh≧1.3fであるから、すべりs≦0.98125となる。従って、図8において、電動過給機に印加する回転磁界の回転数が200,000rpmであるとき、逆相励磁時に検出可能なターボ回転数は、200,000×(1−0.98125)=3,750rpm以上となり、正相励磁時と比較して回転数の検出範囲が低速側に拡大されている。そして、5,000rpmから170,000rpmのターボ回転領域において、正相励磁時では5,000pmから28,750rpmの領域で回転速度を検出できないが、逆相励磁時ではターボ回転領域の全領域で回転速度の検出が可能であることがわかる。 As described above, since f sh ≧ 1.3f, the slip s ≦ 0.98125. Therefore, in FIG. 8, when the rotational speed of the rotating magnetic field applied to the electric supercharger is 200,000 rpm, the turbo rotational speed that can be detected during reverse phase excitation is 200,000 × (1−0.98125) = 3, 750 rpm or more, and the rotation speed detection range is expanded to the low speed side as compared with the case of positive phase excitation. In the turbo rotation region from 5,000 rpm to 170,000 rpm, the rotation speed cannot be detected in the region from 5,000 pm to 28,750 rpm during the normal phase excitation, but the rotation is performed in the entire turbo rotation region during the reverse phase excitation. It can be seen that the speed can be detected.
以上詳述したことから明らかなように、本実施形態によれば、コントローラ10が、インバータ回路20を制御して固定子に回転方向とは逆方向の回転磁界を印加し、バンドパスフィルタとしてのフーリエ変換部44が、固定子に印加される電圧信号において所望の周波数帯域(1.3f〜16f)に属する周波数成分の信号のみを抽出し、回転子溝周波数検出部45が、フーリエ変換部44によって抽出された信号から回転子31の構造に起因する回転子溝高調波の回転子溝周波数fshを検出し、回転速度算出部46は、回転子溝周波数fshに基づいて正確な回転速度を算出することができる。そして、固定子に逆方向回転磁界が印加されることにより、フーリエ変換部44により抽出可能な回転子溝高調波の範囲が低周波数側に拡大されて、回転トルク不発生期間である他制時の低速回転における回転速度の検出が可能となる。
As is clear from the above detailed description, according to the present embodiment, the
また、モータ30が起動されてから所定時間経過後に、コントローラ10による回転速度検出用の逆方向回転磁界から回転トルク発生用の正方向回転磁界への制御切り換えを行うので、回転速度算出部46は、回転磁界方向に応じて回転子31の回転速度を正確に算出することができる。尚、上記所定時間は、逆方向回転磁界の一周期が経過する時間以上に設定される。
In addition, after a predetermined time has elapsed since the
さらに、回転磁界の制御切り換えを実行する前に、モータ30への通電を一定時間オフするので、電流の脈動や過電圧の発生が防止されて、回転速度算出部46は、回転子31の回転速度を正確に算出することができる。
In addition, since the energization of the
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various change is possible in the range which does not deviate from the main point of this invention.
例えば、固定子に印加される回転磁界の方向に応じて、フーリエ変換部44の周波数帯域を変更するようにしてもよい。これにより、抽出可能な回転子溝高調波の範囲が拡大されて、より広範囲な回転速度の検出が可能となる。
For example, the frequency band of the
本発明は、例えば、自動車の電動過給機等に用いられる誘導電動機の回転速度の検出に適用可能である。 The present invention is applicable to, for example, detection of the rotation speed of an induction motor used for an electric supercharger of an automobile or the like.
10 コントローラ(逆相励磁制御手段)
20 インバータ回路(交流信号発生手段)
30 モータ(誘導電動機)
40 回転速度検出装置
41 電圧加算器
42 A/D変換器
43 デジタル信号処理部
44 フーリエ変換部(バンドパスフィルタ手段)
45 回転子溝周波数検出部
46 回転速度算出部(回転速度算出手段)
10 Controller (Reverse phase excitation control means)
20 Inverter circuit (AC signal generating means)
30 motor (induction motor)
40 Rotational
45 Rotor
Claims (13)
前記インバータ回路を制御して前記固定子に回転方向とは逆方向の回転磁界を印加する逆相励磁制御手段と、
前記逆相励磁制御手段により前記固定子に逆方向回転磁界が印加された状態で、前記固定子に印加される電圧信号から前記回転子の回転速度を算出する回転速度算出手段と
を備えたことを特徴とする回転速度検出装置。 In an induction motor in which a rotor is driven to rotate by exciting a stator by an AC signal generated by an inverter circuit, a rotation speed detection device that detects the rotation speed of the rotor,
Anti-phase excitation control means for controlling the inverter circuit to apply a rotating magnetic field in a direction opposite to the rotating direction to the stator;
A rotation speed calculation means for calculating a rotation speed of the rotor from a voltage signal applied to the stator in a state where a reverse rotation magnetic field is applied to the stator by the reverse phase excitation control means. A rotational speed detection device characterized by the above.
前記交流信号発生手段によって前記誘導電動機の回転子回転方向とは逆方向の回転磁界を固定子に印加した状態で、前記回転速度算出手段により回転速度の算出を行うように構成されたことを特徴とする回転速度検出装置。 AC signal generating means, bandpass filter means for extracting only signals of frequency components belonging to a desired frequency band, detection means for detecting rotor groove harmonics from signals extracted by the bandpass filter means, A rotational speed detection device comprising rotational speed calculation means for calculating the rotational speed of the induction motor based on a groove frequency that is a frequency of a rotor groove harmonic,
The rotational speed is calculated by the rotational speed calculating means in a state where a rotating magnetic field opposite to the rotor rotating direction of the induction motor is applied to the stator by the AC signal generating means. Rotation speed detection device.
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