JP4899485B2 - Motor drive control device - Google Patents
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Description
本発明は、ステータ巻き線への印加電圧を制御するモータ駆動制御装置に関する。 The present invention relates to a motor drive control device that controls a voltage applied to a stator winding.
交流モータの制御はステータ巻き線に接続されたインバータで行われるが、特にベクトル制御とよばれる、ロータの位置や回転速度を勘案してステータの瞬時巻き線電流を決定し、これにより瞬時トルクを制御する制御方法においては、各巻き線の瞬時電流を測定することが不可欠であり、巻き線毎に電流センサまたは磁束センサを設置する必要があった。
電流センサでは磁束平衡型とよばれる、電流を測るべき主導体をコアに巻きつけ、これで誘導されるコア内の磁束を、同一コアに巻かれた2次巻き線の電流を調整することによりキャンセルし、このキャンセルに必要な2次巻き線電流値をもって電流測定値とする、という方法が一般的である。この方法では、電流センサはコア(強磁性体)、2次巻き線、コア磁束測定素子(ホール素子)、2次巻き線制御用回路、などを組み立てた複合部品となるため、コスト・小形化が困難であるという問題があると共に、耐久性・信頼性をコントロールすることが難しい。電流センサに起因する問題は、巻き線の多重化(特許文献1)などを進める上ではより大きな課題となってくる。 In a current sensor, the main conductor to be measured is called a magnetic flux balance type, and the magnetic flux in the core induced by this is adjusted by adjusting the current of the secondary winding wound around the same core. In general, a method is used in which a secondary winding current value necessary for the cancellation is used as a current measurement value. In this method, the current sensor is a composite part that assembles the core (ferromagnetic material), secondary winding, core magnetic flux measuring element (hall element), secondary winding control circuit, etc. It is difficult to control durability and reliability. The problem caused by the current sensor becomes a larger problem in proceeding with the multiplexing of windings (Patent Document 1).
一方、電流センサではなく磁束センサを使用する方式も考えられる。磁束センサは電流センサに比べ低コスト化・小形化が可能である。モータのベクトル制御は、ロータに対してロータ・ステータ間のギャップの周方向磁束分布を合成するものであるので、このギャップ磁束を直接測るべく、ギャップに多数の磁束センサを設置することが行われているが、ギャップに設置するがゆえに、設置場所・配線などの問題点がある。 On the other hand, a system using a magnetic flux sensor instead of a current sensor is also conceivable. The magnetic flux sensor can be reduced in cost and size as compared with the current sensor. Since the motor vector control synthesizes the circumferential magnetic flux distribution of the gap between the rotor and stator with respect to the rotor, a large number of magnetic flux sensors are installed in the gap in order to directly measure the gap magnetic flux. However, because it is installed in the gap, there are problems such as installation location and wiring.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、大形で高コストの電流センサを用いることなく、またロータ・ステータ間のギャップに多数の磁束センサを設置することなくベクトル制御を行えるモータ駆動制御装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to use a large number of magnetic flux sensors in the gap between the rotor and the stator without using a large and high-cost current sensor. An object of the present invention is to provide a motor drive control device capable of performing vector control without being installed.
上記目的を達成するため、本発明は、集中巻きの巻き線を有するモータにおいて、隣り合うコイルセットの中心間のバックヨーク部分にそれぞれ磁束センサを埋め込み、隣の磁束センサとの差分をもって磁極磁束検出値とし、前記磁極磁束検出値と磁極磁束指令値とを比較して磁極巻き線への印加電圧を制御することを特徴とする。磁束センサは、バックヨークの、ロータとは反対側、あるいはバックヨークのロータ側、あるいはバックヨークの厚み方向中心部に埋め込むことが好ましい。
To achieve the above object, according to the present invention, in a motor having concentrated windings, magnetic flux sensors are embedded in back yoke portions between the centers of adjacent coil sets, and magnetic pole magnetic flux detection is performed with a difference from the adjacent magnetic flux sensor. The magnetic flux detected value is compared with the magnetic pole magnetic flux command value, and the voltage applied to the magnetic pole winding is controlled. The magnetic flux sensor is preferably embedded in the back yoke on the side opposite to the rotor, on the rotor side of the back yoke, or in the central portion in the thickness direction of the back yoke.
本発明は、モータのバックヨーク部分に磁束センサを埋め込み、磁束センサからの信号で巻き線に与える電圧を操作してフィードバック制御するので、大形でコスト高の電流センサを用いることなく、また、磁束センサを設置困難なロータ・ステータ間のギャップ付近に設置することなく、モータのベクトル制御を行うことができる。 In the present invention, a magnetic flux sensor is embedded in the back yoke portion of the motor, and the feedback control is performed by manipulating the voltage applied to the winding by the signal from the magnetic flux sensor. Therefore, without using a large and expensive current sensor, The vector control of the motor can be performed without installing the magnetic flux sensor near the gap between the rotor and the stator, which is difficult to install.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明に用いるモータの概略構成を示す図である。ここでは、ラジアルギャップ型のモータについて説明する。モータ11を、ステータ12と、ステータ12のバックヨークの外周部に配置された電力変換部・制御部16と、永久磁石を備えたロータ13と、略円筒形状のケース15により構成する。ステータ12と回転空隙を介して隣接するロータ13の回転軸14を、図示しないベアリングを介してケース15により支持する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a motor used in the present invention. Here, a radial gap type motor will be described. The motor 11 includes a
制御部・電力変換部16では、制御部からの制御信号(例えばPWM)に応じて、電力変換部のスイッチ部を制御することにより、直流電源17から供給される直流電流をn相、ここでは3相交流電流に変換する。
The control unit /
次に、ステータの構成の第1の実施例を図2を用いて説明する。図2は、ステータの一部の概略構成を示している。ステータを、ロータ13に向かって突出した磁極鉄心22を備えるバックヨーク21と、磁極鉄心22に巻装した巻き線(コイル)23とから構成する。磁極鉄心22は、実際には周方向に9個均等に備えるが、図では3個のみを表示している。また、巻き線(コイル)23は、集中巻により構成する。ここでは、モータは3相交流電流により駆動されるので、同相となる磁極鉄心22が各相に対して3個ずつ存在する。
Next, a first embodiment of the stator configuration will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a schematic configuration of a part of the stator. The stator includes a
また、図2ではステータのバックヨーク21の外周部に電力変換部・制御部16を配置し、磁極鉄心22に巻かれている巻き線23と電力変換部・制御部16を巻き線給電線26で結線すると同時に、バックヨーク21の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク21の最外周(ロータの反対側)に磁束センサ27a,27bを埋め込み、磁束センサ27a,27bと電力変換部・制御部16とを結線する。図2では、1つの磁極部分のみについて、電力変換部・制御部16、巻き線給電線26、磁束センサ27a,27bを表示するが、実際には、各磁極についてこれらが配置されている。磁束センサ27a,27bとしては、例えばホール素子、磁気抵抗素子等を用いることができる。磁束センサ27a,27bは、アキシャルギャップ型のモータの場合は、バックヨーク背面に設置する。
In FIG. 2, the power conversion unit /
図3に本発明のモータ駆動制御装置のシステム構成図を示す。本発明のモータ駆動制御装置は、磁極を単位として、磁極鉄心、巻き線、バックヨーク、バックヨークに埋め込まれた磁束センサ、巻き線毎の電力変換部・制御部(パワー半導体チップとドライバ・制御部品)を一体のモジュールとし、磁束制御系を構成している。図3は、1つのモジュールである磁極1モジュールについて示しており、モジュール数は、モータの磁極数、相数に応じて増減する。 FIG. 3 shows a system configuration diagram of the motor drive control device of the present invention. The motor drive control device of the present invention includes a magnetic pole core, a winding, a back yoke, a magnetic flux sensor embedded in the back yoke, and a power conversion unit / control unit for each winding (power semiconductor chip and driver / control). The component) is an integral module, and the magnetic flux control system is configured. FIG. 3 shows a single magnetic pole module, which is one module, and the number of modules increases or decreases according to the number of magnetic poles and the number of phases of the motor.
次に、磁極1モジュールの動作を説明する。なお、バックヨークの磁極鉄心と磁極鉄心との間に埋め込まれる磁束センサをそれぞれ1A,1Bとする。磁束指令値計算部は、モータトルク指令値に対して、瞬時ロータ角・ロータ角速度を引数とする磁束指令値テーブルを有しており、モータトルク指令値が、磁束指令値計算部に与えられると、モータトルク指令値は、ロータ位置、ロータ速度(界磁巻き線のある場合はさらに界磁電流)などから各巻き線の磁極磁束指令値へと変換される。その磁極磁束指令値を受け取った磁極1モジュールの制御部では、磁極1モジュールのバックヨーク部に埋め込まれた磁束センサ1Aと磁束センサ1Bの検出信号の差分を当該磁極磁束検出値とし、これと先の磁極磁束指令値との偏差により電力変換部への操作量を計算する。電力変換部では操作量に応じて半導体素子のON/OFF信号を生成し、これで巻き線に印加する電圧を制御して、磁極の磁束を制御する。
Next, the operation of the
隣り合う磁極モジュールは、磁束センサを共有できるため、磁極2モジュールのバックヨークの磁極鉄心間部に埋め込まれる磁束センサをそれぞれ2A,2Bとしたとき、磁極1モジュールでは、磁束センサ2Aの検出値を磁束センサ1Bの検出値として用いることもできる。N相モータにおいては、これら磁極モジュールがN個存在し、2N個の磁束センサをバックヨーク内に埋め込むことになるが、先のセンサ共用によりN個の磁束センサに集約することも可能である。ここで、N相モータとは、集中巻き、分布巻きのモータにかかわりなく、独立な電流を流せるN本の回路を持っているモータのことであり、集中巻きのラジアルギャップ型モータの場合はN極モータのことである。
Adjacent magnetic pole modules can share the magnetic flux sensor. Therefore, when the magnetic flux sensors embedded in the magnetic core between the magnetic pole cores of the back yoke of the magnetic pole 2 module are 2A and 2B, the detected value of the magnetic flux sensor 2A is obtained in the
また、一般に磁束の合計値は符号も含めて常にゼロになるため、1〜(N−1)個目の磁束センサ検出値φ1〜φ(N−1)を用いて、N個目の磁束センサ検出値φNを、φN=−φ1−φ2−φ3・・・−φ(N−1)と算出することもできる。したがって、N相モータ(集中巻きのラジアルギャップ型モータではN極モータ)では、バックヨークへ少なくとも(N−1)個の磁束センサを埋め込めば良く、磁束センサ設置の困難なギャップ部分に多数の磁束センサを設置することなく、ギャップの磁束分布を検出することができる。 In general, since the total value of the magnetic flux is always zero including the sign, the N-th magnetic flux sensor is used by using the first to (N−1) -th magnetic flux sensor detection values φ1 to φ (N−1). The detected value φN can also be calculated as φN = −φ1−φ2−φ3... −φ (N−1). Therefore, in an N-phase motor (N-pole motor in the case of a concentrated winding radial gap type motor), at least (N-1) magnetic flux sensors need only be embedded in the back yoke, and a large number of magnetic fluxes are placed in the gap portion where the magnetic flux sensor is difficult to install. The magnetic flux distribution in the gap can be detected without installing a sensor.
なお、ステータの構成の第1の実施例では、集中巻きステータ構成のモータの場合について説明したが、本発明は、分布巻きステータ構成のモータの場合についても適用できるものである。分布巻きステータ構成の場合は、分布巻きされているコイルセットの中心と、隣り合うコイルセットの中心との中間のバックヨーク部分に磁束センサを設置し、隣り合う磁束センサの差分をもって、その2つの磁束センサ間のギャップ磁束の平均磁束密度検出値とする。 In the first embodiment of the stator configuration, the case of the motor of the concentrated winding stator configuration has been described, but the present invention can also be applied to the case of the motor of the distributed winding stator configuration. In the case of the distributed winding stator configuration, a magnetic flux sensor is installed at the intermediate back yoke portion between the center of the coil set that is distributed and the center of the adjacent coil set. The average magnetic flux density detection value of the gap magnetic flux between the magnetic flux sensors is used.
ステータの構成の第1の実施例では、バックヨーク21の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク21の最外周(ロータの反対側)に磁束センサがあるため、外部へのセンサ配線(信号線や給電線の配線)が容易となる。また、内部配線が終了し、制御機能まで完結したモジュールを作成し、これを組み合わせるだけでモータのステータ部分を得られるので、鉄心の組み立て後にセンサを組み込んだり、その配線作業をする必要がないため、組付け性向上や信頼性向上を図ることができる。
In the first embodiment of the stator configuration, there is a magnetic flux sensor between the magnetic pole core and the magnetic pole core of the
次に、ステータの構成の第2の実施例を説明する。図5は、ステータの一部の概略構成を示している。第2の実施例では、ステータは、バックヨーク21の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク21の最内周(ロータ側)に磁束センサ27a,27bを埋め込む構成であり、その他は、第1の実施例と同様である。磁束センサは、アキシャルギャップ型のモータの場合は、ロータ側に設置する。第2の実施例では、バックヨーク内で最も磁束密度の大きい部分で磁束を検出するので、S/N比の良好な信号の検出が可能である。
Next, a second embodiment of the stator configuration will be described. FIG. 5 shows a schematic configuration of a part of the stator. In the second embodiment, the stator has a configuration in which the
次に、ステータの構成の第3の実施例を説明する。図6は、ステータの一部の概略構成を示している。第3の実施例では、ステータは、バックヨーク21の磁極鉄心と磁極鉄心との間であって、バックヨーク21の最外周と最内周との中間部(バックヨークの厚み方向中心部)に磁束センサ27a,27bを埋め込む構成であり、その他は、第1の実施例と同様である。第3の実施例では、バックヨークの厚み方向中心部の磁束密度がバックヨーク部分の平均磁束密度に近いため、バックヨーク内の磁束密度分布が一様でない場合でも、安定した磁束の検出が可能である。
Next, a third embodiment of the stator configuration will be described. FIG. 6 shows a schematic configuration of a part of the stator. In the third embodiment, the stator is between the magnetic pole iron core and the magnetic pole iron core of the
11 モータ
12 ステータ
13 ロータ
14 回転軸
15 ケース
16 電力変換部・制御部
17 直流電源
21 バックヨーク
22 磁極鉄心
23 巻き線(コイル)
26 巻き線給電線
27a,27b 磁束センサ
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26
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