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JP7465735B2 - Control device - Google Patents
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JP7465735B2 - Control device - Google Patents

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Description

本発明は、電動機のトルク制御を行う制御装置に関する。 The present invention relates to a control device that controls the torque of an electric motor.

電動機のメンテナンス性の向上、および、電動機の小型・高出力化の観点より、速度センサが設けられていない(速度センサを用いない)電動機の制御装置(いわゆる、速度センサレス電動機制御装置)が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような制御装置では一般に、電動機のトルクを制御する際には、電動機の速度(角速度)を推定する必要がある。 From the viewpoint of improving the maintainability of electric motors and making electric motors smaller and more powerful, there are known motor control devices that are not provided with a speed sensor (i.e., do not use a speed sensor) (so-called speed sensorless electric motor control devices) (see, for example, Patent Document 1). In such control devices, it is generally necessary to estimate the speed (angular velocity) of the electric motor when controlling the torque of the electric motor.

図3は、速度センサを用いない、いわゆる速度センサレス電動機制御装置である従来の制御装置100Aの構成例を示す図である。 Figure 3 shows an example of the configuration of a conventional control device 100A, which is a so-called speed sensorless motor control device that does not use a speed sensor.

図3に示す制御装置100Aは、電流検出部2と、拾い上げ制御部3と、初期値推定部4と、トルク制御部5と、切替部6と、電力変換部7とを備える。 The control device 100A shown in FIG. 3 includes a current detection unit 2, a pick-up control unit 3, an initial value estimation unit 4, a torque control unit 5, a switching unit 6, and a power conversion unit 7.

電流検出部2は、電動機1に流れる電流ベクトルiを検出し、拾い上げ制御部3、初期値推定部4およびトルク制御部5に出力する。 The current detection unit 2 detects the current vector i flowing through the electric motor 1 and outputs it to the pick-up control unit 3, the initial value estimation unit 4, and the torque control unit 5.

拾い上げ制御部3は、電流検出部2により検出された電流ベクトルi、直流電流指令Iおよび電流位相角指令θが入力される。拾い上げ制御部3は、電動機1に流れる電流iを直流電流指令Iおよび電流位相角指令θ通りの直流電流にするための、拾い上げ電圧指令V0を生成し、初期値推定部4および切替部6に出力する。 The pick-up control unit 3 receives the current vector i detected by the current detection unit 2, the DC current command I, and the current phase angle command θ. The pick-up control unit 3 generates a pick-up voltage command V0 to make the current i flowing through the motor 1 a DC current according to the DC current command I and the current phase angle command θ, and outputs the voltage command V0 to the initial value estimation unit 4 and the switching unit 6.

初期値推定部4は、電流検出部2により検出された電流ベクトルi、および、拾い上げ制御部3により生成された拾い上げ電圧指令V0が入力される。初期値推定部4は、電流ベクトルiおよび拾い上げ電圧指令V0に基づき、電動機1の初期速度ωm0および初期二次磁束φ20を演算し、トルク制御部5に出力する。初期値推定部4の構成の詳細については後述する。 The initial value estimation unit 4 receives the current vector i detected by the current detection unit 2 and the pick-up voltage command V0 generated by the pick-up control unit 3. Based on the current vector i and the pick-up voltage command V0, the initial value estimation unit 4 calculates the initial speed ωm0 and initial secondary magnetic flux φ20 of the motor 1 and outputs them to the torque control unit 5. The configuration of the initial value estimation unit 4 will be described in detail later.

トルク制御部5は、電流検出部2により検出された電流ベクトルi、初期値推定部4により演算された電動機1の初期速度ωm0および初期二次磁束φ20、ならびに、トルク制御開始指令SWが入力される。トルク制御部5は、トルク制御開始指令SWがオンになると、初期速度ωm0および初期二次磁束φ20を初期値として、電流ベクトルiに基づき、電動機1のトルクを制御するトルク制御指令V1を生成し、切替部6に出力する。なお、図3においては、電動機1の電源が投入された時点では、トルク制御開始指令SWはオフの状態となっている。 The torque control unit 5 receives the current vector i detected by the current detection unit 2, the initial speed ωm0 and initial secondary magnetic flux φ20 of the motor 1 calculated by the initial value estimation unit 4, and a torque control start command SW. When the torque control start command SW is turned on, the torque control unit 5 generates a torque control command V1 for controlling the torque of the motor 1 based on the current vector i, using the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20 as initial values, and outputs the generated command to the switching unit 6. In FIG. 3, the torque control start command SW is in the off state when the power supply to the motor 1 is turned on.

切替部6は、拾い上げ制御部3により生成された拾い上げ電圧指令V0、トルク制御部5により生成されたトルク制御指令V1およびトルク制御開始指令SWが入力される。切替部6は、制御開始指令SWに従い、拾い上げ電圧指令V0とトルク制御指令V1とを切り替えて電圧指令Vとして、電力変換部7に出力する。すなわち、切替部6は、トルク制御開始指令SWがオンになるまでは、拾い上げ電圧指令V0を電圧指令Vとして出力し、トルク制御開始指令SWがオンになると、トルク制御指令V1を電圧指令Vとして出力する。 The switching unit 6 receives the pick-up voltage command V0 generated by the pick-up control unit 3, the torque control command V1 generated by the torque control unit 5, and the torque control start command SW. In accordance with the control start command SW, the switching unit 6 switches between the pick-up voltage command V0 and the torque control command V1, and outputs the voltage command V * to the power conversion unit 7. That is, the switching unit 6 outputs the pick-up voltage command V0 as the voltage command V * until the torque control start command SW is turned on, and when the torque control start command SW is turned on, outputs the torque control command V1 as the voltage command V * .

電力変換部7は、切替部6から出力された電圧指令Vを増幅して電動機1に電力を供給する。 The power conversion unit 7 amplifies the voltage command V * output from the switching unit 6 and supplies electric power to the electric motor 1 .

図3に示す制御装置100Aにおいては、トルク制御開始指令SWがオンになるまでは、拾い上げ制御部2と初期値推定部4とにより、電動機1の初期速度ωm0および初期二次磁束φ20が推定される。そして、トルク制御開始指令SWがオンになると、トルク制御開始指令SWがオンになった時点の初期速度ωm0および初期二次磁束φ20を初期値として、電動機1のトルク制御が行われる。トルク制御開始指令SWをオンにするタイミングは、拾い上げ制御の実施時間、初期速度ωm0および初期二次磁束φ20の状態などに基づいて決定される。 In the control device 100A shown in FIG. 3, the pick-up control unit 2 and the initial value estimation unit 4 estimate the initial speed ωm0 and initial secondary magnetic flux φ20 of the motor 1 until the torque control start command SW is turned on. Then, when the torque control start command SW is turned on, the torque control of the motor 1 is performed using the initial speed ωm0 and initial secondary magnetic flux φ20 at the time when the torque control start command SW is turned on as initial values. The timing to turn on the torque control start command SW is determined based on the implementation time of the pick-up control, the state of the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20, etc.

以下、トルク制御開始指令SWがオンになるまでの、拾い上げ制御における初期値推定部4の動作について詳細に説明する。 Below, we will explain in detail the operation of the initial value estimation unit 4 during pick-up control until the torque control start command SW is turned on.

図3に示すように、初期値推定部4は、演算用タイマー8と、磁束推定部9と、磁束メモリ10と、3時点抽出部11と、速度推定部12と、初期磁束推定部13とを備える。 As shown in FIG. 3, the initial value estimation unit 4 includes a calculation timer 8, a magnetic flux estimation unit 9, a magnetic flux memory 10, a three-point extraction unit 11, a speed estimation unit 12, and an initial magnetic flux estimation unit 13.

演算用タイマー8は、拾い上げ制御開始指令STが入力される。演算用タイマー8は、拾い上げ制御開始指令STのエッジで0クリアされるタイマカウンタであり、拾い上げ時刻t0を磁束メモリ10、3時点抽出部11、速度推定部12および初期磁束推定部13に出力する。 The pick-up control start command ST is input to the calculation timer 8. The calculation timer 8 is a timer counter that is cleared to 0 at the edge of the pick-up control start command ST, and outputs the pick-up time t0 to the magnetic flux memory 10, the three-time point extraction unit 11, the speed estimation unit 12, and the initial magnetic flux estimation unit 13.

磁束推定部9は、電流検出部2により検出された電流ベクトルiおよび拾い上げ制御部3により生成された拾い上げ電圧指令V0が入力される。磁束推定部9は、電流ベクトルiおよび拾い上げ電圧指令V0に基づき、以下の式(1)により電動機1の磁束ベクトルφ2rを演算する。 The magnetic flux estimation unit 9 receives the current vector i detected by the current detection unit 2 and the pick-up voltage command V0 generated by the pick-up control unit 3. The magnetic flux estimation unit 9 calculates the magnetic flux vector φ2r of the motor 1 based on the current vector i and the pick-up voltage command V0 using the following formula (1).

Figure 0007465735000001
Figure 0007465735000001

式(1)において、R1,L1,L2,Mはそれぞれ、電動機1の一次抵抗、一次自己インダクタンス、二次自己インダクタンス、相互インダクタンスである。 In equation (1), R1, L1, L2, and M are the primary resistance, primary self-inductance, secondary self-inductance, and mutual inductance of motor 1, respectively.

磁束推定部9は、演算した磁束ベクトルφ2rを磁束メモリ10に出力する。 The magnetic flux estimation unit 9 outputs the calculated magnetic flux vector φ2r to the magnetic flux memory 10.

磁束メモリ10は、演算用タイマー8により生成された拾い上げ時刻t0および磁束推定部9により演算された磁束ベクトルφ2rが入力される。磁束メモリ10は、時刻0から拾い上げ時刻t0までの区間において、時々刻々と変化する磁束ベクトルφ2rを記憶し、磁束ベクトルφ(t0)として3時点抽出部11に出力する。 The magnetic flux memory 10 receives the pick-up time t0 generated by the calculation timer 8 and the magnetic flux vector φ2r calculated by the magnetic flux estimation unit 9. The magnetic flux memory 10 stores the magnetic flux vector φ2r, which changes from moment to moment, in the section from time 0 to the pick-up time t0, and outputs it to the three-time point extraction unit 11 as the magnetic flux vector φ(t0).

3時点抽出部11は、演算用タイマー8により生成された拾い上げ磁束t0および磁束メモリ10から出力された磁束ベクトルφ(t0)が入力される。3時点抽出部11は、時刻0から時刻t0までの区間における、任意の3時点t00,t01,t02での磁束ベクトルφ2rである磁束ベクトルφ(t00),φ(t01),φ(t02)を抽出し、速度推定部12に出力する。 The three-time point extraction unit 11 receives the picked-up magnetic flux t0 generated by the calculation timer 8 and the magnetic flux vector φ(t0) output from the magnetic flux memory 10. The three-time point extraction unit 11 extracts magnetic flux vectors φ(t00), φ(t01), and φ(t02), which are the magnetic flux vector φ2r at any three times t00, t01, and t02 in the section from time 0 to time t0, and outputs them to the speed estimation unit 12.

速度推定部12は、演算用タイマー8により生成された拾い上げ時刻t0および3時点抽出部11により抽出された3つの磁束ベクトルφ(t00),φ(t01),φ(t02)が入力される。速度推定部12は、拾い上げ時刻t0および磁束ベクトルφ(t00),φ(t01),φ(t02)に基づき、以下の式(2)~式(7)により、初期速度ωm0を演算する。 The speed estimation unit 12 receives the pick-up time t0 generated by the calculation timer 8 and the three magnetic flux vectors φ(t00), φ(t01), and φ(t02) extracted by the three-time point extraction unit 11. The speed estimation unit 12 calculates the initial speed ωm0 based on the pick-up time t0 and the magnetic flux vectors φ(t00), φ(t01), and φ(t02) using the following equations (2) to (7).

まず、速度推定部12は、3つの磁束ベクトルφ(t00),φ(t01),φ(t02)それぞれの終点を通る円の中心Rを以下の式(2)~式(5)により求める。 First, the speed estimation unit 12 finds the center R of a circle that passes through the end points of each of the three magnetic flux vectors φ(t00), φ(t01), and φ(t02) using the following equations (2) to (5).

Figure 0007465735000002
Figure 0007465735000002

式(2)~式(5)において、ベクトルF1は、磁束ベクトルφ(t00)の終点から見た磁束ベクトルφ(t01)の終点を示すベクトルである。ベクトルF2は、磁束ベクトルφ(t00)の終点から見た磁束ベクトルφ(t02)の終点を示すベクトルである。(F1,F1)、(F2,F2)および(R,R)はそれぞれ、ベクトルF1、ベクトルF2、円の中心Rの成分である。 In equations (2) to (5), vector F1 is a vector that indicates the end point of the magnetic flux vector φ(t01) as viewed from the end point of the magnetic flux vector φ(t00). Vector F2 is a vector that indicates the end point of the magnetic flux vector φ(t02) as viewed from the end point of the magnetic flux vector φ(t00). ( F1A , F1B ), ( F2A , F2B ), and (R A , R B ) are the components of vector F1, vector F2, and center R of the circle, respectively.

次に、速度推定部12は、円の中心Rから見た、磁束ベクトルφ(t00)と磁束ベクトルφ(t02)との間の角度θCを式(6)により求める。 Next, the speed estimation unit 12 calculates the angle θC between the magnetic flux vector φ(t00) and the magnetic flux vector φ(t02) as viewed from the center R of the circle using equation (6).

Figure 0007465735000003
Figure 0007465735000003

式(6)において、記号「×」はベクトルの外積を示し、記号「・」はベクトルの内積を示す。 In equation (6), the symbol "×" indicates the cross product of vectors, and the symbol "·" indicates the inner product of vectors.

時刻t00から時刻t02まで(例えば、数十ミリ秒)の電動機1の回転速度はほぼ一定とみなすことができる。このため、速度推定部12は、以下の式(7)により初期速度ωm0を求めることができる。 The rotational speed of the electric motor 1 from time t00 to time t02 (e.g., several tens of milliseconds) can be considered to be almost constant. Therefore, the speed estimation unit 12 can calculate the initial speed ωm0 using the following equation (7).

Figure 0007465735000004
Figure 0007465735000004

速度演算部12は、演算した初期速度ωm0をトルク制御部5および初期磁束推定部13に出力する。 The speed calculation unit 12 outputs the calculated initial speed ωm0 to the torque control unit 5 and the initial magnetic flux estimation unit 13.

初期磁束推定部13は、電流検出部2により検出された電流ベクトルi、演算用タイマー8により生成された拾い上げ時刻t0および速度演算部12により演算された初期速度ωm0が入力される。初期磁束推定部13は、電流ベクトルiおよび初期速度ωm0に基づき、以下の式(8)により初期二次磁束φ20を求める。 The initial magnetic flux estimation unit 13 receives the current vector i detected by the current detection unit 2, the pick-up time t0 generated by the calculation timer 8, and the initial speed ωm0 calculated by the speed calculation unit 12. The initial magnetic flux estimation unit 13 calculates the initial secondary magnetic flux φ20 based on the current vector i and the initial speed ωm0 using the following equation (8).

Figure 0007465735000005
Figure 0007465735000005

式(8)において、「j」は虚数単位である。T2は、電動機1の二次時定数であり、二次抵抗R2を用いて、L2/R2により算出される。φxxは、拾い上げ制御開始時の残留磁束である。 In equation (8), "j" is the imaginary unit. T2 is the secondary time constant of motor 1, and is calculated by L2/R2 using secondary resistance R2. φxx is the residual magnetic flux at the start of pick-up control.

特開2000-287491号公報JP 2000-287491 A

上述した拾い上げ制御においては、以下に説明するように改良の余地がある。 There is room for improvement in the pick-up control described above, as explained below.

電動機1の温度の変動などにより、一次抵抗R1に誤差が発生している場合、式(1)の積分項により、後述する式(11)のように、当該誤差が磁束推定部9の出力値である磁束ベクトルφ2rに積算されていく。その結果、3時点抽出部11の出力である磁束ベクトルφ(t00),φ(t01),φ(t02)に誤差が生じる。また、磁束ベクトルφ(t00),φ(t01),φ(t02)に基づいて、式(2)~式(8)により演算する初期速度ωm0および初期磁束φ20にも誤差が生じる。 When an error occurs in the primary resistance R1 due to temperature fluctuations of the motor 1, the error is integrated into the magnetic flux vector φ2r, which is the output value of the magnetic flux estimation unit 9, by the integral term of equation (1), as shown in equation (11) described below. As a result, errors occur in the magnetic flux vectors φ(t00), φ(t01), and φ(t02), which are the output of the three-time point extraction unit 11. In addition, errors also occur in the initial speed ωm0 and initial magnetic flux φ20 calculated by equations (2) to (8) based on the magnetic flux vectors φ(t00), φ(t01), and φ(t02).

以下では、式(9)に示すように、一次抵抗R1が誤差ΔRだけ真値R1realからずれていたと仮定する。
R1real=R1+ΔR ・・・式(9)
In the following, it is assumed that the primary resistance R1 deviates from the true value R1real by an error ΔR as shown in equation (9).
R1real=R1+ΔR ...Equation (9)

この場合、実磁束ベクトルφ2realは、以下の式(10)により求められる。 In this case, the real magnetic flux vector φ2real is calculated using the following equation (10):

Figure 0007465735000006
Figure 0007465735000006

式(10)のR1realに式(9)を代入すると、電流ベクトルiは一定であるので、式(10)は、式(1)を用いて、以下の式(11)で表わされる。
φ2r=φ2real+ΔR・i・t ・・・式(11)
When equation (9) is substituted for R1real in equation (10), since the current vector i is constant, equation (10) can be expressed as the following equation (11) using equation (1).
φ2r=φ2real+ΔR·i·t Equation (11)

式(11)において、tは磁束ベクトルφ2rの演算時間である。また、L2≒Mとした。 In equation (11), t is the calculation time of the magnetic flux vector φ2r. Also, L2 ≒ M.

式(11)に示すように、一次抵抗R1に誤差が発生している場合、式(1)の積分項により、その誤差が磁束推定部9の出力値である磁束ベクトルφ2rに積算されていく。 As shown in equation (11), if an error occurs in the primary resistance R1, the error is integrated into the magnetic flux vector φ2r, which is the output value of the magnetic flux estimation unit 9, by the integral term in equation (1).

このように、一次抵抗R1に誤差が存在する場合、初期値推定部4が推定する初期速度ωm0および初期二次磁束φ20に誤差が生じる。トルク制御部5によるトルク制御の初期値である初期速度ωm0および初期二次磁束φ20に誤差が生じると、電動機1のトルク制御の精度が低下するおそれがある。 In this way, when an error exists in the primary resistance R1, an error occurs in the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20 estimated by the initial value estimation unit 4. If an error occurs in the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20, which are the initial values for the torque control by the torque control unit 5, the accuracy of the torque control of the electric motor 1 may decrease.

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、電動機のトルク制御の精度向上を図ることができる制御装置を提供することにある。 The objective of the present invention, which has been made in consideration of the above problems, is to provide a control device that can improve the accuracy of torque control of an electric motor.

上記課題を解決するため、本発明に係る制御装置は、電動機の制御装置であって、前記電動機に流れる電流ベクトルを検出する電流検出部と、前記電流ベクトルに基づいて、前記電動機に直流電流を流す拾い上げ電圧指令を出力する拾い上げ制御部と、前記電流ベクトルと、前記拾い上げ電圧指令とに基づき、前記電動機の磁束ベクトルを演算する磁束推定部と、前記磁束ベクトルを用いて、所定の始点時刻における磁束ベクトルと、前記始点時刻の後の所定の時点における磁束ベクトルと、前記始点時刻と前記所定の時点との中間の時点における磁束ベクトルとに基づく中間ベクトルを、前記始点時刻の後の複数の時点について抽出する中間ベクトル抽出部と、前記複数の時点について抽出された中間ベクトルに基づき、前記電動機の初期速度を演算する速度推定部と、前記初期速度と前記電流ベクトルとに基づき、前記電動機の初期二次磁束を演算する初期磁束推定部と、を備える。 In order to solve the above problem, the control device according to the present invention is a control device for an electric motor, and includes a current detection unit that detects a current vector flowing through the electric motor, a pick-up control unit that outputs a pick-up voltage command for passing a direct current through the electric motor based on the current vector, a magnetic flux estimation unit that calculates a magnetic flux vector of the electric motor based on the current vector and the pick-up voltage command, an intermediate vector extraction unit that uses the magnetic flux vector to extract intermediate vectors for multiple time points after the starting point time based on the magnetic flux vector at a predetermined starting point time, the magnetic flux vector at a predetermined time point after the starting point time, and the magnetic flux vector at an intermediate time point between the starting point time and the predetermined time point, a speed estimation unit that calculates an initial speed of the electric motor based on the intermediate vectors extracted for the multiple time points, and an initial magnetic flux estimation unit that calculates an initial secondary magnetic flux of the electric motor based on the initial speed and the current vector.

また、本発明に係る制御装置において、前記中間ベクトル抽出部は、前記始点時刻における磁束ベクトルをφ(ts)とし、前記所定の時点における磁束ベクトルをφ(tn)とし、前記始点時刻と前記所定の時点との中間の時点における磁束ベクトルをφ((ts+tn)/2)とすると、以下の式(12)により前記所定の時点における中間ベクトルφc(tn)を演算し、
φc(tn)=2*[φ((ts+tn)/2)-φ(ts)]
-[φ(tn)-φ(ts)] ・・・式(12)
前記速度推定部は、前記始点時刻の後の第1の時点t1における中間ベクトルφc(t1)のベクトル角度をθ(t1)とし、前記始点時刻の後の、前記第1の時点t1とは異なる第2の時点t2における中間ベクトルφc(t2)のベクトル角度をθ(t2)とすると、以下の式(13)により、前記初期速度ωm0を演算する。
ωm0=2*(θc1-θc2)/(t1-t2) ・・・式(13)
Furthermore, in the control device according to the present invention, the intermediate vector extraction unit calculates an intermediate vector φc(tn) at the predetermined time point by the following equation (12), where the magnetic flux vector at the start time point is φ(ts), the magnetic flux vector at the predetermined time point is φ(tn), and the magnetic flux vector at an intermediate time point between the start time point and the predetermined time point is φ((ts+tn)/2):
φc(tn)=2*[φ((ts+tn)/2)-φ(ts)]
−[φ(tn)−φ(ts)] ... Equation (12)
The speed estimation unit calculates the initial speed ωm0 by the following equation (13), where the vector angle of the intermediate vector φc(t1) at a first time point t1 after the start point time is θ(t1) and the vector angle of the intermediate vector φc(t2) at a second time point t2 after the start point time that is different from the first time point t1 is θ(t2).
ωm0=2*(θc1-θc2)/(t1-t2) ...Equation (13)

本発明に係る制御装置によれば、電動機のトルク制御の精度向上を図ることができる。 The control device according to the present invention can improve the accuracy of torque control of the electric motor.

本発明の一実施形態に係る制御装置の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a control device according to an embodiment of the present invention. 図1に示す中間ベクトル抽出部が演算する中間ベクトルを示す図である。2 is a diagram showing an intermediate vector calculated by an intermediate vector extraction unit shown in FIG. 1; 従来の制御装置の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a conventional control device.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。 The following describes the embodiment of the present invention with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る制御装置100の構成例を示す図である。本実施形態に係る制御装置100は、電動機1のトルク制御を行うものである。図1において、図3と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。 Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of a control device 100 according to one embodiment of the present invention. The control device 100 according to this embodiment controls the torque of an electric motor 1. In Figure 1, the same components as those in Figure 3 are given the same reference numerals, and the description will be omitted.

図1に示す制御装置100は、電流検出部2と、拾い上げ制御部3と、トルク制御部5と、切替部6と、電力変換部7と、演算用タイマー8と、磁束推定部9と、磁束メモリ10と、初期磁束推定部13と、中間ベクトル抽出部101と、速度推定部102とを備える。すなわち、本実施形態に係る制御装置100は、図3に示す制御装置100Aと比較して、3時点抽出部11および速度推定部12をそれぞれ、中間ベクトル抽出部101および速度推定部102に変更した点が異なる。 The control device 100 shown in FIG. 1 includes a current detection unit 2, a pick-up control unit 3, a torque control unit 5, a switching unit 6, a power conversion unit 7, a calculation timer 8, a magnetic flux estimation unit 9, a magnetic flux memory 10, an initial magnetic flux estimation unit 13, an intermediate vector extraction unit 101, and a speed estimation unit 102. That is, the control device 100 according to this embodiment differs from the control device 100A shown in FIG. 3 in that the three-time point extraction unit 11 and the speed estimation unit 12 are changed to the intermediate vector extraction unit 101 and the speed estimation unit 102, respectively.

中間ベクトル抽出部101は、磁束ベクトルφ2rに基づき、複数の時点における中間ベクトルを演算し、速度推定部102に出力する。以下では、中間ベクトルについて、より詳細に説明する。 The intermediate vector extraction unit 101 calculates intermediate vectors at multiple points in time based on the magnetic flux vector φ2r and outputs them to the speed estimation unit 102. The intermediate vectors are described in more detail below.

中間ベクトル抽出部101は、所定の始点時刻tsにおける磁束ベクトルφ(ts)と、始点時刻tsの後の所定の時点tnにおける磁束ベクトルφ(tn)と、始点時刻tsと所定の時点tnとの中間の時点((ts+tn)/2)における磁束ベクトルφ((ts+tn)/2)とに基づき、所定の時点tnにおける中間ベクトルφc(tn)を演算する。より具体的には、中間ベクトル抽出部101は、以下の式(14)により、中間ベクトルφc(tn)を演算する。
φc(tn)=2*[φ((ts+tn)/2)-φ(ts)]
-[φ(tn)-φ(ts)] ・・・式(14)
The intermediate vector extraction unit 101 calculates an intermediate vector φc(tn) at a predetermined time tn based on a magnetic flux vector φ(ts) at a predetermined start time ts, a magnetic flux vector φ(tn) at a predetermined time tn after the start time ts, and a magnetic flux vector φ((ts+tn)/2) at an intermediate time ((ts+tn)/2) between the start time ts and the predetermined time tn. More specifically, the intermediate vector extraction unit 101 calculates the intermediate vector φc(tn) by the following formula (14).
φc(tn)=2*[φ((ts+tn)/2)-φ(ts)]
−[φ(tn)−φ(ts)] ... Equation (14)

中間ベクトル抽出部101は、上述した中間ベクトルφc(tn)を複数の時点について演算する。 The intermediate vector extraction unit 101 calculates the intermediate vector φc(tn) described above for multiple time points.

以下では、中間ベクトル抽出部101は、始点時刻ts後の時点t1(第1の時点)における中間ベクトルφc(t1)、および、始点時刻ts後の、時点t1とは異なる時点t2(第2の時点)における中間ベクトルφc(t2)を演算する例を用いて説明する。また、以下では、始点時刻tsと時点t1との中間の時点をtAとし、時点tAにおける磁束ベクトルをφ(tA)とする。また、始点時刻tsと時点t2との中間の時点をtBとし、時点tBにおける磁束ベクトルをφ(tB)とする。 In the following, an example will be described in which the intermediate vector extraction unit 101 calculates an intermediate vector φc(t1) at time t1 (first time) after the start time ts, and an intermediate vector φc(t2) at time t2 (second time) after the start time ts that is different from time t1. In the following, the intermediate time between the start time ts and time t1 is defined as tA, and the magnetic flux vector at time tA is defined as φ(tA). In addition, the intermediate time between the start time ts and time t2 is defined as tB, and the magnetic flux vector at time tB is defined as φ(tB).

中間ベクトル抽出部101は、以下の式(15)により、中間ベクトルφc(t1)を演算し、以下の式(16)により、中間ベクトルφc(t2)を演算する。
φc(t1)=2*[φ(tA)-φ(ts)]-[φ(t1)-φ(ts)]
・・・式(15)
φc(t2)=2*[φ(tB)-φ(ts)]-[φ(t2)-φ(ts)]
・・・式(16)
The intermediate vector extraction unit 101 calculates the intermediate vector φc(t1) by the following equation (15), and calculates the intermediate vector φc(t2) by the following equation (16).
φc(t1)=2*[φ(tA)-φ(ts)]-[φ(t1)-φ(ts)]
...Equation (15)
φc(t2)=2*[φ(tB)-φ(ts)]-[φ(t2)-φ(ts)]
...Equation (16)

中間ベクトルφc(t1)および中間ベクトルφc(t2)を図2に示す。図2に示すように、時点t1は、磁束ベクトルφ2rの軌跡(円)における、始点時刻tsよりも後の任意の時点である。時点t1における中間ベクトルφc(t1)は、磁束ベクトルφ(ts)と、2*(磁束ベクトルφ(tA)-磁束ベクトルφ(ts))とを加算し、さらに、磁束ベクトルφ(t1)を加算したものである。また、時点t2における中間ベクトルφc(t2)は、磁束ベクトルφ(ts)と、2*(磁束ベクトルφ(tB)-磁束ベクトルφ(ts))とを加算し、さらに、磁束ベクトルφ(t2)を加算したものである。 The intermediate vector φc(t1) and the intermediate vector φc(t2) are shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, time t1 is an arbitrary time on the trajectory (circle) of the magnetic flux vector φ2r after the starting time ts. The intermediate vector φc(t1) at time t1 is obtained by adding the magnetic flux vector φ(ts) to 2*(magnetic flux vector φ(tA)-magnetic flux vector φ(ts)) and then adding the magnetic flux vector φ(t1). The intermediate vector φc(t2) at time t2 is obtained by adding the magnetic flux vector φ(ts) to 2*(magnetic flux vector φ(tB)-magnetic flux vector φ(ts)) and then adding the magnetic flux vector φ(t2).

上述した中間ベクトルφc(tn)(中間ベクトルφc(t1),φc(t2))は、電動機1の一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けない。以下では、その理由について説明する。 The above-mentioned intermediate vector φc(tn) (intermediate vectors φc(t1), φc(t2)) is not affected by the error ΔR in the primary resistance R1 of the motor 1. The reason for this will be explained below.

一次抵抗R1が誤差ΔRだけ真値R1realからずれていたと仮定する。この場合、式(11)より、始点時刻ts、時点t1および時点tAそれぞれにおける磁束ベクトルは、以下の式(17)~式(19)となる。
φ(ts)=φ2real(ts)+ΔR・i・ts ・・・式(17)
φ(t1)=φ2real(t1)+ΔR・i・t1 ・・・式(18)
φ(tA)=φ2real(tA)+ΔR・i・tA ・・・式(19)
It is assumed that the primary resistance R1 deviates from the true value R1real by an error ΔR. In this case, from equation (11), the magnetic flux vectors at the start time ts, time point t1, and time point tA are expressed by the following equations (17) to (19).
φ(ts)=φ2real(ts)+ΔR·i·ts Equation (17)
φ(t1)=φ2real(t1)+ΔR·i·t1 ... Equation (18)
φ(tA)=φ2real(tA)+ΔR·i·tA Equation (19)

式(15)を考慮すると、中間ベクトルφc(t1)は以下の式(20)で表わされる。
φc(t1)=2*[φreal(tA)-φreal(ts)]
-[φreal(t1)-φreal(ts)]
+ΔR・i・[2*(tA-ts)-(t1-ts)]・・・式(20)
Considering equation (15), the intermediate vector φc(t1) is expressed by the following equation (20).
φc(t1)=2*[φreal(tA)−φreal(ts)]
−[φreal(t1)−φreal(ts)]
+ΔR i [2 * (tA-ts)-(t1-ts)] ... Equation (20)

tA=(t1+ts)/2であるので、式(20)におけるΔRの項は0となる。すなわち、中間ベクトルφc(t1)は誤差ΔRの影響を受けないことが分かる。また、同様にして、中間ベクトルφc(t2)は誤差ΔRの影響を受けないことが分かる。 Since tA = (t1 + ts)/2, the ΔR term in equation (20) is 0. In other words, it can be seen that the intermediate vector φc(t1) is not affected by the error ΔR. Similarly, it can be seen that the intermediate vector φc(t2) is not affected by the error ΔR.

速度推定部102は、複数の時点について抽出された中間ベクトルφc(tn)に基づき、電動機1の初期速度ωm0を演算する。速度推定部102による初期速度ωm0の演算について、上述した時点t1および時点t2を例として、より詳細に説明する。 The speed estimation unit 102 calculates the initial speed ωm0 of the motor 1 based on the intermediate vector φc(tn) extracted for multiple time points. The calculation of the initial speed ωm0 by the speed estimation unit 102 will be explained in more detail using the above-mentioned time points t1 and t2 as examples.

時点t1における中間ベクトルφc(t1)の成分を(FCT1A,FCT1B)とすると、速度推定部102は、以下の式(21)により、中間ベクトルφc(t1)のベクトル角度θc1を演算する。
θc1=tan-1(FCT1B/FCT1A)(FCT1A≧0)
θc1=π+tan-1(FCT1B/FCT1A)(FCT1A<0)
・・・式(21)
If the components of the intermediate vector φc(t1) at time t1 are (FCT1A, FCT1B), the speed estimation unit 102 calculates the vector angle θc1 of the intermediate vector φc(t1) by the following equation (21).
θc1=tan −1 (FCT1B/FCT1A) (FCT1A≧0)
θc1=π+tan −1 (FCT1B/FCT1A) (FCT1A<0)
...Equation (21)

また、時点t2における中間ベクトルφc(t2)の成分を(FCT2A,FCT2B)とすると、速度推定部102は、以下の式(22)により、中間ベクトルφc(t2)のベクトル角度θc2を演算する。
θc2=tan-1(FCT2B/FCT2A)(FCT2A≧0)
θc2=π+tan-1(FCT2B/FCT2A)(FCT2A<0)
・・・式(22)
Furthermore, if the components of the intermediate vector φc(t2) at time t2 are (FCT2A, FCT2B), the speed estimation unit 102 calculates the vector angle θc2 of the intermediate vector φc(t2) by the following equation (22).
θc2=tan −1 (FCT2B/FCT2A) (FCT2A≧0)
θc2=π+tan −1 (FCT2B/FCT2A) (FCT2A<0)
...Equation (22)

ベクトル角度θc1-ベクトル角度θc2は、時点tA~時点tB間で回転した磁束ベクトルの角度となる。時点tA~時点tB間の時間は、時点t1から時点t2までの時間の1/2となるので、速度推定部102は、以下の式(23)により初期速度ωm0を演算する。
ωm0=2*(θc1-θc2)/(t1-t2) ・・・式(23)
Vector angle θc1-vector angle θc2 is the angle of the magnetic flux vector rotated between time tA and time tB. Since the time between time tA and time tB is half the time from time t1 to time t2, the speed estimation unit 102 calculates the initial speed ωm0 by the following equation (23).
ωm0=2*(θc1-θc2)/(t1-t2) ... Equation (23)

式(23)により求められる初期速度ωm0は、中間ベクトルφc(t1),φc(t2)から演算されるものであり、上述したように、中間ベクトルφc(t1),φc(t2)は、電動機1の一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けない。したがって、本実施形態においては、一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けることなく、電動機1の初期速度ωm0を演算することができる。 The initial speed ωm0 calculated by equation (23) is calculated from the intermediate vectors φc(t1) and φc(t2), and as described above, the intermediate vectors φc(t1) and φc(t2) are not affected by the error ΔR in the primary resistance R1 of the motor 1. Therefore, in this embodiment, the initial speed ωm0 of the motor 1 can be calculated without being affected by the error ΔR in the primary resistance R1.

初期磁束推定部13は、上述したように、電流ベクトルiおよび初期速度ωm0に基づき、式(8)により初期二次磁束φ20を求める。初期速度ωm0は一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けないので、初期二次磁束φ20も一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けることなく演算することができる。 As described above, the initial magnetic flux estimation unit 13 calculates the initial secondary magnetic flux φ20 using equation (8) based on the current vector i and the initial speed ωm0. Since the initial speed ωm0 is not affected by the error ΔR of the primary resistance R1, the initial secondary magnetic flux φ20 can also be calculated without being affected by the error ΔR of the primary resistance R1.

このように本実施形態においては、電動機1の初期速度ωm0および初期二次磁束φ20を、一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けることなく演算することができる。そのため、初期速度ωm0および初期二次磁束φ20を用いた電動機1のトルク制御の精度向上を図ることができる。 In this way, in this embodiment, the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20 of the motor 1 can be calculated without being affected by the error ΔR of the primary resistance R1. Therefore, it is possible to improve the accuracy of the torque control of the motor 1 using the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20.

式(21)~式(23)を用いた初期速度ωm0の演算には制限がある。磁束ベクトルφ2rの軌跡が1周以上回転すると、低速高速あるいは正転逆転の見分けがつかなくなる。そのため、始点時刻tsに対して時点t1,t2は、磁束ベクトルφ2rの軌跡1周分以内の時点を選択する必要がある。 There are limitations to the calculation of the initial speed ωm0 using equations (21) to (23). If the trajectory of the magnetic flux vector φ2r rotates more than once, it becomes impossible to distinguish between low speed and high speed, or forward and reverse rotation. For this reason, it is necessary to select times t1 and t2 within one revolution of the trajectory of the magnetic flux vector φ2r relative to the start time ts.

上述した式(15)および式(16)に関しては、以下の式(15’)および式(16’)に示すように、右辺を1/2倍した式であってもよい。この場合も同様の効果が得られることは明らかである。また、右辺の倍数は、1/2以外でも、0でない正数であればよい。
φc(t1)=[φ(tA)-φ(ts)]-[φ(t1)-φ(ts)]/2
・・・式(15’)
φc(t2)=[φ(tB)-φ(ts)]-[φ(t2)-φ(ts)]/2
・・・式(16’)
Regarding the above-mentioned formulas (15) and (16), the right-hand side may be multiplied by 1/2 as shown in the following formulas (15') and (16'). It is clear that the same effect can be obtained in this case. The multiple of the right-hand side may be any positive number other than 1/2, and may not be 0.
φc(t1)=[φ(tA)-φ(ts)]-[φ(t1)-φ(ts)]/2
... Formula (15')
φc(t2)=[φ(tB)-φ(ts)]-[φ(t2)-φ(ts)]/2
... Formula (16')

また、速度推定部102は、時点t1,t2とは少なくとも1つ時点が異なる2つの時点のセットを用いて、式(15)、式(16)、式(21)~式(23)と同様の演算を行うことにより、初期速度ωm0を複数回演算してもよい。また、速度推定部102は、複数回演算した初期速度ωm0の平均値あるいは一次遅れフィルタを通した値を、初期速度ωm0として出力してよい。 The speed estimation unit 102 may also calculate the initial speed ωm0 multiple times by performing calculations similar to those of equations (15), (16), and (21) to (23) using a set of two time points that are different from time points t1 and t2 by at least one time point. The speed estimation unit 102 may also output the average value of the initial speed ωm0 calculated multiple times or a value that has passed through a first-order lag filter as the initial speed ωm0.

このように本実施形態においては、制御装置100は、電動機1に流れる電流ベクトルiを検出する電流検出部2と、電流ベクトルiに基づいて、電動機1に直流電流を流す拾い上げ電圧指令V1を出力する拾い上げ制御部3と、電流ベクトルiと、拾い上げ電圧指令V1とに基づき、電動機1の磁束ベクトルφ2rを演算する磁束推定部9と、磁束ベクトルφ2rを用いて、所定の始点時刻tsにおける磁束ベクトルφ(ts)と、始点時刻tsの後の所定の時点tnにおける磁束ベクトルφ(tn)と、始点時刻tsと所定の時点tnとの中間の時点における磁束ベクトルφ((ts+tn)/2)とに基づく中間ベクトルφc(tn)を複数の時点について抽出する中間ベクトル抽出部101と、複数の時点について抽出された中間ベクトルφc(tn)に基づき、電動機1の初期速度ωm0を演算する速度推定部102と、初期速度ωm0と電流ベクトルiとに基づき、電動機1の初期二次磁束φ20を演算する初期磁束推定部13と、を備える。 In this embodiment, the control device 100 includes a current detection unit 2 that detects a current vector i flowing through the motor 1, a pick-up control unit 3 that outputs a pick-up voltage command V1 that causes a DC current to flow through the motor 1 based on the current vector i, a magnetic flux estimation unit 9 that calculates a magnetic flux vector φ2r of the motor 1 based on the current vector i and the pick-up voltage command V1, and a magnetic flux estimation unit 10 that calculates a magnetic flux vector φ(ts) at a predetermined start time ts and a magnetic flux vector φ(ts) at a predetermined time point tn after the start time ts using the magnetic flux vector φ2r. The system includes an intermediate vector extraction unit 101 that extracts intermediate vectors φc(tn) for multiple time points based on magnetic flux vector φ(tn) and magnetic flux vector φ((ts+tn)/2) at an intermediate time point between start time ts and a predetermined time point tn, a speed estimation unit 102 that calculates an initial speed ωm0 of the motor 1 based on the intermediate vectors φc(tn) extracted for multiple time points, and an initial magnetic flux estimation unit 13 that calculates an initial secondary magnetic flux φ20 of the motor 1 based on the initial speed ωm0 and the current vector i.

磁束ベクトルφ(ts)、磁束ベクトルφ(tn)および磁束ベクトルφ((ts+tn)/2)に基づく中間ベクトルφc(tn)は、電動機1の一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けない。したがって、中間ベクトルφc(tn)に基づき初期速度ωm0を演算することで、一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けることなく、初期速度ωm0を演算することができる。また、中間ベクトルφc(tn)に基づき演算された初期速度ωm0に基づき電動機1の初期二次磁束φ20を演算することで、一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けることなく、初期二次磁束φ20を演算することができる。したがって、一次抵抗R1の誤差ΔRの影響を受けることなく、電動機1のトルク制御に用いられる初期速度ωm0および初期二次磁束φ20を演算することができるので、電動機1のトルク制御の精度向上を図ることができる。そのため、例えば、電動機1を搭載した電気車において、惰行走行状態からの再加速および惰行走行状態からのブレーキが可能となる。 The intermediate vector φc(tn) based on the flux vector φ(ts), the flux vector φ(tn), and the flux vector φ((ts+tn)/2) is not affected by the error ΔR of the primary resistance R1 of the electric motor 1. Therefore, by calculating the initial speed ωm0 based on the intermediate vector φc(tn), the initial speed ωm0 can be calculated without being affected by the error ΔR of the primary resistance R1. In addition, by calculating the initial secondary magnetic flux φ20 of the electric motor 1 based on the initial speed ωm0 calculated based on the intermediate vector φc(tn), the initial secondary magnetic flux φ20 can be calculated without being affected by the error ΔR of the primary resistance R1. Therefore, since the initial speed ωm0 and the initial secondary magnetic flux φ20 used in the torque control of the electric motor 1 can be calculated without being affected by the error ΔR of the primary resistance R1, the accuracy of the torque control of the electric motor 1 can be improved. Therefore, for example, in an electric vehicle equipped with the electric motor 1, re-acceleration from a coasting state and braking from a coasting state are possible.

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。 The above-described embodiments have been described as representative examples, but it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions are possible within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes are possible without departing from the scope of the claims.

1 電動機
2 電流検出部
3 拾い上げ制御部
5 トルク制御部
6 切替部
7 電力変換部
8 演算用タイマー
9 磁束推定部
10 磁束メモリ
13 初期磁束推定部
100 制御装置
101 中間ベクトル抽出部
102 速度推定部
REFERENCE SIGNS LIST 1 Electric motor 2 Current detection unit 3 Pick-up control unit 5 Torque control unit 6 Switching unit 7 Power conversion unit 8 Calculation timer 9 Magnetic flux estimation unit 10 Magnetic flux memory 13 Initial magnetic flux estimation unit 100 Control device 101 Intermediate vector extraction unit 102 Speed estimation unit

Claims (2)

誘導機の制御装置であって、
前記誘導機に流れる電流ベクトルを検出する電流検出部と、
前記電流ベクトルに基づいて、前記誘導機に直流電流を流す拾い上げ電圧指令を出力する拾い上げ制御部と、
前記電流ベクトルと、前記拾い上げ電圧指令とに基づき、前記誘導機の磁束ベクトルを演算する磁束推定部と、
前記磁束ベクトルを用いて、所定の始点時刻における磁束ベクトルと、前記始点時刻の後の所定の時点における磁束ベクトルと、前記始点時刻と前記所定の時点との中間の時点における磁束ベクトルとに基づく中間ベクトルを、前記始点時刻の後の複数の時点について抽出する中間ベクトル抽出部と、
前記複数の時点について抽出された中間ベクトルに基づき、前記誘導機の初期速度を演算する速度推定部と、
前記初期速度と前記電流ベクトルとに基づき、前記誘導機の初期二次磁束を演算する初期磁束推定部と、を備える制御装置。
A control device for an induction machine ,
A current detection unit that detects a current vector flowing through the induction machine ;
a pick-up control unit that outputs a pick-up voltage command for causing a DC current to flow through the induction machine based on the current vector;
a magnetic flux estimator that calculates a magnetic flux vector of the induction machine based on the current vector and the pick-up voltage command;
an intermediate vector extracting unit that uses the magnetic flux vector to extract intermediate vectors for a plurality of time points after the start time based on the magnetic flux vector at a predetermined start time, the magnetic flux vector at a predetermined time point after the start time, and the magnetic flux vector at an intermediate time point between the start time and the predetermined time point;
a speed estimator that calculates an initial speed of the induction machine based on the intermediate vectors extracted for the plurality of time points;
an initial magnetic flux estimator that calculates an initial secondary magnetic flux of the induction machine based on the initial speed and the current vector.
請求項1に記載に制御装置において、
前記中間ベクトル抽出部は、
前記始点時刻における磁束ベクトルをφ(ts)とし、前記所定の時点における磁束ベクトルをφ(tn)とし、前記始点時刻と前記所定の時点との中間の時点における磁束ベクトルをφ((ts+tn)/2)とすると、以下の式(1)により前記所定の時点における中間ベクトルφc(tn)を演算し、
φc(tn)=2*[φ((ts+tn)/2)-φ(ts)]
-[φ(tn)-φ(ts)] ・・・式(1)
前記速度推定部は、前記始点時刻の後の第1の時点t1における中間ベクトルφc(t1)のベクトル角度をθ(t1)とし、前記始点時刻の後の、前記第1の時点t1とは異なる第2の時点t2における中間ベクトルφc(t2)のベクトル角度をθ(t2)とすると、以下の式(2)により、前記初期速度ωm0を演算する、制御装置。
ωm0=2*(θc1-θc2)/(t1-t2) ・・・式(2)
2. The control device according to claim 1,
The intermediate vector extraction unit
If the magnetic flux vector at the start time is φ(ts), the magnetic flux vector at the predetermined time point is φ(tn), and the magnetic flux vector at an intermediate time point between the start time point and the predetermined time point is φ((ts+tn)/2), an intermediate vector φc(tn) at the predetermined time point is calculated by the following formula (1):
φc(tn)=2*[φ((ts+tn)/2)-φ(ts)]
−[φ(tn)−φ(ts)] ... Equation (1)
The speed estimation unit calculates the initial speed ωm0 by the following equation (2), where θ(t1) is a vector angle of the intermediate vector φc(t1) at a first time point t1 after the start point time, and θ(t2) is a vector angle of the intermediate vector φc(t2) at a second time point t2 after the start point time that is different from the first time point t1.
ωm0=2*(θc1-θc2)/(t1-t2) ... Equation (2)
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