JP5157082B2

JP5157082B2 - Electric motor drive system

Info

Publication number: JP5157082B2
Application number: JP2006136271A
Authority: JP
Inventors: 章夫鳥羽; 道彦佐藤; 繁樹稲玉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-05-16
Also published as: JP2007312457A

Description

この発明は、インバータによって、永久磁石形同期電動機などの界磁付き同期電動機（単にモータともいう）を駆動する駆動システムに関する。 The present invention relates to a drive system that drives a field-equipped synchronous motor (also simply called a motor) such as a permanent magnet type synchronous motor by an inverter.

この種の駆動方式として、電動機の回転軸に取付けた位置検出器から得られる位置情報に基づき同期電動機の電圧や電流を制御するものや、電動機の電圧や電流から回転子の位置を推定して位置検出器を不要とするもの（センサレスベクトル制御）、さらには、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御（Ｖ／ｆ一定制御）するもの等がある。このようなＶ／ｆ制御は、例えば特許文献１に開示されており、位置検出器が不要で制御が簡単であるという特徴がある。 As this kind of drive system, the voltage and current of the synchronous motor are controlled based on the position information obtained from the position detector attached to the rotating shaft of the motor, and the rotor position is estimated from the voltage and current of the motor. There are those that do not require a position detector (sensorless vector control), and those that control the voltage and frequency applied to the motor approximately in proportion (constant V / f control). Such V / f control is disclosed in, for example, Patent Document 1, and has a feature that a position detector is unnecessary and control is simple.

図４は特許文献１に記載のＶ／ｆ一定制御例を示すブロック図である。
同図において、１０は直流母線、１１は３相インバータ、１２は永久磁石形同期電動機、１３は周波数指令器、１４は周波数／電圧（ｆ／ｖ）変換器、１５はパルス幅変調器、１９は高域周波数成分を通過させるハイパスフィルタ、２０は比例演算器、２１は加減算器、２２は積分器、２４は電流検出器、２５は低域周波数成分を通過させるローパスフィルタ、２６は有効電流演算器を示す。 FIG. 4 is a block diagram showing an example of V / f constant control described in Patent Document 1. In FIG.
In the figure, 10 is a DC bus, 11 is a three-phase inverter, 12 is a permanent magnet synchronous motor, 13 is a frequency commander, 14 is a frequency / voltage (f / v) converter, 15 is a pulse width modulator, 19 Is a high pass filter that passes high frequency components, 20 is a proportional calculator, 21 is an adder / subtracter, 22 is an integrator, 24 is a current detector, 25 is a low pass filter that passes low frequency components, and 26 is an effective current calculator. Indicates a vessel.

これは、電流検出器２４から得られるインバータ直流母線１０の電流検出信号Ｉｄｃ₀より、ローパスフィルタ２５によって高周波帯域成分を除去し、インバータ直流電流平均値Ｉｄｃを求め、これから有効電流演算器２６で所定の演算をすることにより、有効電流ｉδを求める。その後、ハイパスフィルタ１９によりｉδから直流分を除去してその変動分Δｉδを求め、比例演算器２０にて所定のゲインを乗じることで周波数補正量Δｆ＊を
求め、周波数指令器１３からの周波数指令ｆ＊に負帰還することにより、ｉδの変動を減少させ系の状態を定常状態に近づけ、安定なＶ／ｆ一定制御を可能とするものである。 This is because the high-frequency band component is removed by the low-pass filter 25 from the current detection signal Idc ₀ of the inverter DC bus 10 obtained from the current detector 24 to obtain the inverter DC current average value Idc. The effective current iδ is obtained by performing the following calculation. Thereafter, the DC component is removed from i δ by the high pass filter 19 to obtain the variation Δ i δ, and the proportional calculator 20 multiplies a predetermined gain to obtain the frequency correction amount Δf *, and the frequency command from the frequency command unit 13 is obtained. By negatively feeding back to f *, the fluctuation of iδ is reduced, the system state is brought close to a steady state, and stable V / f constant control is enabled.

特開２００５−２１８２７３号公報JP 2005-218273 A

上記の例は、いわゆる「位置センサレス駆動方式」であり、電動機の回転速度は推定値になるので、正確な回転速度は不明である。そのため、特に脱調した場合に、それをどのように検出するかが問題となる。脱調検出は電動機の誘起電圧が低くなる、回転速度の低い状態において特に困難となる。なぜならば、脱調時の直流母線電流検出値、またはこれを低域通過フィルタに入力した場合の出力値の変化が、一般に誘起電圧が低いほど小さいからである。
したがって、この発明の課題は、インバータの直流母線電流を検出して電動機を駆動するシステムにおいて、電動機の回転状態、すなわち回転速度や脱調の有無を簡便に検出できるようにすることにある。 The above example is a so-called “position sensorless driving method”, and the rotational speed of the electric motor is an estimated value, so the exact rotational speed is unknown. For this reason, there is a problem of how to detect this particularly when stepping out. Step-out detection is particularly difficult in a state where the induced voltage of the motor is low and the rotational speed is low. This is because the change in the DC bus current detection value at the time of step-out or the output value when it is input to the low-pass filter is generally smaller as the induced voltage is lower.
Therefore, an object of the present invention is to make it possible to easily detect the rotation state of the motor, that is, the rotational speed and the presence or absence of step-out, in a system that drives the motor by detecting the DC bus current of the inverter.

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電圧部に接続されるインバータと、このインバータの交流端子に接続される界磁付き同期電動機（電動機）とを備えた電動機駆動システムにおいて、
前記直流電圧部とインバータとの間に流れる直流母線電流またはそのピーク値を検出する検出手段と、検出された直流母線電流またはそのピーク値の、インバータ出力電圧の基本周波数の２Ｎ（Ｎ：インバータおよび電動機の相数を示す２以上の自然数）倍の周波数およびその近傍成分を通過させる帯域フィルタとを設け、この帯域フィルタからの出力に基づき電動機の脱調を検出することを特徴とする。 In order to solve such a problem, in the invention of claim 1, an electric motor drive system including an inverter connected to the DC voltage unit and a field-equipped synchronous motor (electric motor) connected to the AC terminal of the inverter. In
A detecting means for detecting a DC bus current flowing between the DC voltage section and the inverter or a peak value thereof; a detected frequency of the DC bus current or the peak value of 2N (N: inverter and A band-pass filter that passes a frequency that is twice or more a natural number indicating the number of phases of the electric motor) and a component in the vicinity thereof is provided, and step-out of the electric motor is detected based on an output from the band-pass filter.

この発明によれば、インバータの直流母線電流値またはそのピーク値の振動成分に着目することにより、回転速度や脱調の有無を比較的容易に検出することが可能となる利点がもたらされる。 According to the present invention, by paying attention to the DC bus current value of the inverter or the vibration component of the peak value, there is an advantage that the rotational speed and the presence or absence of step-out can be detected relatively easily.

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図である。
図１からも明らかなように、この例は従来例に対しピーク値検出手段２７および振動成分抽出器２８を設けた点が特徴である。なお、このようなハード的な構成の代わりに、ソフト的に実現することも可能である。図２は図１の原理を説明するための波形図で、以下、図２も参照して説明する。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
As is apparent from FIG. 1, this example is characterized in that a peak value detecting means 27 and a vibration component extractor 28 are provided with respect to the conventional example. It should be noted that, instead of such a hardware configuration, it can be realized in software. FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the principle of FIG. 1, and will be described below with reference to FIG.

電動機の相電流とインバータ電流検出器２４によって検出されるインバータ直流母線電流Ｉｄｃとは、図２のような関係にある。すなわち、Ｉｄｃはパルス状の波形であり、そのピーク値はＵ，Ｖ，Ｗ相電流のいずれかと必ず一致する。そして、Ｉｄｃのピーク値の包絡線Ｉｄｃｐ（見易くするため、図２ではＩｄｃの上方にずらして示している）は、電動機の全相電流のピーク値の包絡線に一致する。電動機の全相電流の包絡線は、電動機電流がＮ（Ｎ：２以上の自然数）相平衡正弦波の場合、基本周波数の２Ｎ倍の周波数成分（２Ｎ倍成分）を有する。図２は３相の例で、Ｉｄｃｐには電流の基本周波数の６倍の周波数成分が含まれていることが分かる。 The phase current of the motor and the inverter DC bus current Idc detected by the inverter current detector 24 have a relationship as shown in FIG. That is, Idc is a pulse-like waveform, and its peak value always matches any of the U, V, and W phase currents. An envelope Idcp of the peak value of Idc (in FIG. 2, shifted from Idc for the sake of easy understanding) coincides with the envelope of the peak value of the full-phase current of the motor. When the motor current is an N (N: natural number of 2 or more) phase balanced sine wave, the envelope of the all-phase current of the motor has a frequency component (2N times component) that is 2N times the fundamental frequency. FIG. 2 shows an example of three phases. It can be seen that Idcp contains a frequency component that is six times the fundamental frequency of the current.

以上のことから、Ｉｄｃのピーク値の振動成分を検出すれば、基本周波数の２Ｎ倍成分が抽出できることになり、その１／２Ｎは電動機の誘起電圧周波数ｆｅを示す。ここで、電動機の磁極対数をｐとし、電動機の回転周波数（回転速度）をｆｍとすれば、
ｆｍ＝ｆｅ／ｐ
なる関係が成立する。つまり、Ｉｄｃのピーク値の振動成分からｆｅを求めれば、上式の関係から電動機の回転周波数ｆｍを求めることが可能となる。 From the above, if the vibration component of the peak value of Idc is detected, a 2N-fold component of the fundamental frequency can be extracted, and 1 / 2N thereof represents the induced voltage frequency fe of the motor. Here, if the number of magnetic pole pairs of the motor is p and the rotation frequency (rotation speed) of the motor is fm,
fm = fe / p
This relationship is established. That is, if fe is obtained from the vibration component of the peak value of Idc, the rotational frequency fm of the motor can be obtained from the relationship of the above equation.

図１は以上のような観点に基づく構成例を示し、ピーク値検出手段２７によりＩｄｃのピーク値Ｉｄｃｐを求め、振動成分抽出器２８でＩｄｃｐから振動成分を抽出するようにしている。このようにすることで、例えば回転速度の外部出力や、速度フィードバック制御を行なうことが可能となる。 FIG. 1 shows a configuration example based on the above viewpoint. The peak value detection unit 27 obtains the peak value Idcp of the Idc, and the vibration component extractor 28 extracts the vibration component from the Idcp. In this way, for example, external output of the rotational speed and speed feedback control can be performed.

ところで、電動機が脱調すると、誘起電圧周波数ｆｅがインバータの出力電圧周波数ｆｉｎｖから大きく外れることになる。このことから、上記のように導出されるｆｅを監視することで、電動機の脱調を検出することが可能となる。なお、脱調を検出したときは、
インバータを停止させるなどの措置を執り、脱調により流れる比較的大きな電流による過熱や、電動機に結合される機械類への異常なトルクを防止することなどが可能となる。 By the way, when the motor steps out, the induced voltage frequency fe greatly deviates from the output voltage frequency finv of the inverter. From this, it is possible to detect the step-out of the electric motor by monitoring the fe derived as described above. When step-out is detected,
By taking measures such as stopping the inverter, it is possible to prevent overheating due to a relatively large current flowing due to step-out and abnormal torque to the machinery coupled to the electric motor.

図３はこの発明の他の実施の形態を示す構成図である。
図３からも明らかなように、図１に示すものに対し帯域通過（バンドパス）フィルタ２９、および掛算器３０を付加した点が特徴である。
すなわち、本システムが正常に動作していれば、導出される周波数はインバータの出力電圧周波数ｆｉｎｖに近い値となる。そこで、インバータ出力電圧基本周波数ｆｉｎｖの２Ｎ倍の周波数を通過させるフィルタ、例えば２Ｎ×ｆｉｎｖを中心周波数とする帯域通過フィルタ２９に、ピーク値Ｉｄｃｐを入力することにより、Ｉｄｃに含まれる２Ｎ×ｆｅの周波数成分を取り出すようにしている。 FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.
As apparent from FIG. 3, a band pass filter 29 and a multiplier 30 are added to the structure shown in FIG.
That is, if this system is operating normally, the derived frequency is close to the output voltage frequency finv of the inverter. Therefore, by inputting a peak value Idcp to a filter that passes a frequency 2N times the inverter output voltage fundamental frequency finv, for example, a band pass filter 29 having 2N × finv as a center frequency, 2N × fe of 2N × fe included in Idc is input. The frequency component is extracted.

２Ｎ×ｆｉｎｖの中心周波数成分は、掛算器３０によりインバータ出力電圧基本周波数ｆｉｎｖを２Ｎ倍して求めるようにしている。なお、ここではピーク値Ｉｄｃｐを求めているが、その代わりに電流検出値Ｉｄｃをそのまま用いるようにしても良い。
図３の場合も図１と同様に、Ｉｄｃｐの２Ｎ倍の周波数成分は、脱調時には通常よりも小さくなるので、これを利用して脱調を検出することができるのは言うまでもない。 The center frequency component of 2N × finv is obtained by multiplying the inverter output voltage basic frequency finv by 2N by the multiplier 30. Although the peak value Idcp is obtained here, the current detection value Idc may be used as it is instead.
In the case of FIG. 3 as well, similarly to FIG. 1, the frequency component of 2N times Idcp is smaller than usual at the time of step-out, so it is needless to say that step-out can be detected using this.

この発明の実施の形態を示す構成図Configuration diagram showing an embodiment of the present invention 図１の動作を説明するための波形図Waveform diagram for explaining the operation of FIG. この発明の他の実施の形態を示す構成図Configuration diagram showing another embodiment of the present invention 従来例を示す構成図Configuration diagram showing a conventional example

符号の説明Explanation of symbols

１１…インバータ、１２…永久磁石形同期電動機、２４…電流検出器、２７…ピーク値検出手段、２８…振動成分抽出手段、２９…帯域通過（バンドパス）フィルタ、３０…掛算器。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Inverter, 12 ... Permanent magnet type synchronous motor, 24 ... Current detector, 27 ... Peak value detection means, 28 ... Vibration component extraction means, 29 ... Band pass filter, 30 ... Multiplier

Claims

直流電圧部に接続されるインバータと、このインバータの交流端子に接続される界磁付き同期電動機（電動機）とを備えた電動機駆動システムにおいて、
前記直流電圧部とインバータとの間に流れる直流母線電流またはそのピーク値を検出する検出手段と、検出された直流母線電流またはそのピーク値の、インバータ出力電圧の基本周波数の２Ｎ（Ｎ：インバータおよび電動機の相数を示す２以上の自然数）倍の周波数およびその近傍成分を通過させる帯域フィルタとを設け、この帯域フィルタからの出力に基づき電動機の脱調を検出することを特徴とする電動機駆動システム。 In an electric motor drive system including an inverter connected to a DC voltage unit and a synchronous motor with a field (electric motor) connected to an AC terminal of the inverter,
A detecting means for detecting a DC bus current flowing between the DC voltage section and the inverter or a peak value thereof; a detected frequency of the DC bus current or the peak value of 2N (N: inverter and And a bandpass filter that passes a frequency that is twice or more a natural number indicating the number of phases of the electric motor) and a component in the vicinity thereof, and detects a step-out of the electric motor based on an output from the bandpass filter. .