專利名稱：交流電動機(jī)的控制裝置及交流電動機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及不使用檢測電角度位置的傳感器實(shí)現(xiàn)電動機(jī)控制的交流電動機(jī)的控制裝置和交流電動機(jī)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
不進(jìn)行電角度位置的檢測而控制同步電動機(jī)的方法，例如，有特開2002-78392號公報(以下，稱為文獻(xiàn)1)，是涉及同步電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置推算方法。另外，有如在特開2001-95215號公報((以下，稱為文獻(xiàn)2)中所敘述的PM馬達(dá)定子的部分飽和產(chǎn)生影響的情況。
文獻(xiàn)1對同步電動機(jī)在正交的2個軸方向施加電壓脈沖，檢測在各軸方向產(chǎn)生的電流脈沖的振幅，以此為依據(jù)推算磁極位置。在該技法中，通過用近似特性給出產(chǎn)生的電流和推算磁極位置的關(guān)系，使電壓脈沖的施加次數(shù)和推算精度并存。
但是，在文獻(xiàn)1中，關(guān)于磁飽和引起的上述電流的脈動成分的變化進(jìn)行了以下的假定。因?yàn)閳D14表示文獻(xiàn)1假定的永久磁鐵磁通m和產(chǎn)生的電流Idc之間的關(guān)系，因此(a)是dc軸和電動機(jī)內(nèi)部的永久磁鐵磁通m的方向，(b)是上述電流Idc和一次磁通1d的關(guān)系的模式圖，(c)是電流Idc的波形，如該圖(a)那樣，使施加電壓脈沖的dc軸與電動機(jī)內(nèi)部的永久磁鐵磁通m的方向一致。當(dāng)上述電流Idc和上述永久磁鐵磁通m的方向一致時，上述電流Idc產(chǎn)生的磁通和該永久磁鐵磁通m的方向一致，并向增強(qiáng)電動機(jī)的鐵心的磁飽和的方向轉(zhuǎn)動。這時的電感Lds0對于在上述電流Idc和上述永久磁鐵磁通m的方向相反的情況下的電感Ld0相對地變小，上述電流Idc變成該圖(c)那樣。
但是，在文獻(xiàn)2中所敘述那樣的PM馬達(dá)定子的部分飽和產(chǎn)生影響的情況下，根據(jù)上述電流Idc的大小不同，該假定未必成立，磁極位置的推算誤差有可能變大。該部分的飽和產(chǎn)生的影響也依賴于PM馬達(dá)的構(gòu)造，若使電流Idc變大，那么就相對地降低，但有可能受到驅(qū)動電動機(jī)的控制器的限制。
本發(fā)明的目的在于提供能高精度地推算磁極位置的交流電動機(jī)的控制裝置及交流電動機(jī)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的特征之一就是在具有將控制信號傳送到給交流電動機(jī)施加任意交流的轉(zhuǎn)換器的控制裝置的交流電動機(jī)的控制裝置中，上述控制裝置具有對上述交流電動機(jī)提供脈動電流的脈動電流施加設(shè)備，和磁極位置推算設(shè)備，在上述磁極位置推算設(shè)備中，分別對上述脈動電流的正側(cè)、負(fù)側(cè)，觀測上述脈動電流的至少2個電流值，并推算上述交流電動機(jī)的磁極位置。
此外，本發(fā)明的其它特征如本中請權(quán)利要求書所記載的那樣。


圖1是本發(fā)明的第1實(shí)施例的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖2是本發(fā)明的第1實(shí)施例的磁極位置推算單元的構(gòu)成圖。
圖3是本發(fā)明的第1實(shí)施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖4是表示在磁極軸和推算磁極軸一致時的磁飽和和電流脈動之間的關(guān)系的圖。
圖5是本發(fā)明的第2實(shí)施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖6是本發(fā)明的第3實(shí)施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖7是本發(fā)明的第4實(shí)施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖8是本發(fā)明的第5實(shí)施例的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖9是本發(fā)明的第5實(shí)施方式的磁極位置推算單元的構(gòu)成圖。
圖10是本發(fā)明的第5實(shí)施例中的控制裝置的動作的說明圖。
圖11是本發(fā)明的第6實(shí)施例的系統(tǒng)構(gòu)成圖。
圖12是本發(fā)明的第6實(shí)施例的磁極位置推算單元的構(gòu)成圖。
圖13是本發(fā)明的第7實(shí)施例中的控制裝置的動作的說明圖。
圖14是表示在現(xiàn)有技術(shù)中假定的、磁極軸和推算磁極軸一致的情況下的磁飽和和電流脈動之間的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
第1實(shí)施方式在圖1中表示作為本發(fā)明的第1實(shí)施方式的系統(tǒng)構(gòu)成圖。本系統(tǒng)由控制電動機(jī)的控制裝置1，驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)換器2和三相交流電動機(jī)3組成，在控制裝置1中，具有作為電動機(jī)3內(nèi)部的磁通推算磁極軸的dc軸，并具有對該軸給與電壓變化的單元，以及觀測流入上述電動機(jī)的電流的單元，對于在該電流的觀測值中所包含的脈動成分，根據(jù)該脈動成分的正側(cè)和負(fù)側(cè)的流通時間，推算上述電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置。
具體地說，本系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成檢測電動機(jī)3的電流的電流檢測器4；將電流檢測值向控制裝置的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸dcqc軸進(jìn)行坐標(biāo)變換的dq變換器5；控制電動機(jī)3的速度或轉(zhuǎn)矩的矢量控制器6；對電動機(jī)3的電角度頻率ω1進(jìn)行積分，并運(yùn)算電角度位置(相位)θdc的積分器7；將dcqc軸上的電壓指令Vdc*、Vqc*坐標(biāo)變換成三相交流的電壓指令的dq反向變換器8；根據(jù)三相電壓指令，使用于控制轉(zhuǎn)換器2的脈沖產(chǎn)生的PWM發(fā)生器9；將信號進(jìn)行加法的加法器10；提供用于使脈動電流產(chǎn)生的電壓信號的脈動電流施加設(shè)備11；運(yùn)算作為特征部分的計(jì)算軸誤差(在電動機(jī)內(nèi)部和控制器內(nèi)的磁極位置的誤差)Δθ的磁極位置推算設(shè)備12；基于軸誤差Δθ，修正控制器內(nèi)的電角度位置θdc的修正增益13；以及基于上述磁極位置推算單元用于修正控制器內(nèi)的磁極位置的加法器14。
接著，說明本實(shí)施方式的動作原理。在矢量控制器6中，進(jìn)行用于控制電動機(jī)3的速度，或轉(zhuǎn)矩的控制運(yùn)算。在電流檢測器4中被檢測的三相交流電流通過坐標(biāo)變換器被變換成控制器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸dcqc軸上的值Idc、Iqc。將電動機(jī)的磁極存在的方向的成分設(shè)定為Idc，將與它正交的成分設(shè)定為Iqc，為了使各自成為規(guī)定的值，在矢量控制器6中，運(yùn)算并輸出向電動機(jī)3的施加電壓Vdc0*、Vqc0*的值。這些電壓指令再被變換成三相交流量，并在PWM發(fā)生器9中變換成用于使轉(zhuǎn)換器2進(jìn)行開關(guān)動作的脈沖信號。轉(zhuǎn)換器2通過PWM發(fā)生器9的信號被驅(qū)動，并將相當(dāng)于在控制裝置1中被運(yùn)算的電壓施加到電動機(jī)3。
在從磁極位置檢測器能直接檢測電動機(jī)3的磁極的相位θ(位置)的情況下，基于該檢測相位可以將三相檢測電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，因此能得到勵磁電流成分Idc和轉(zhuǎn)矩電流成分Iqc。由于矢量控制器6獨(dú)立地控制這二個電流成分，因此內(nèi)部存在用于使電動機(jī)3的速度和向量變成希望的值的轉(zhuǎn)矩電流指令、勵磁電流指令，為了使它們與檢測值Idc、Iqc一致，而變化電壓指令Vdc0*、Vqc0*的值。
如上所述，為進(jìn)行矢量控制，有必要檢測電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置。在本發(fā)明的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，不使用磁極位置檢測器(傳感器)，檢測電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置。
接著，說明關(guān)于作為本實(shí)施例的特征部分的磁極位置推算單元。
在圖2中示出磁極位置推算單元12的構(gòu)成例，在圖3中示出脈動電流施加單元11給出了施加電壓指令Vhd*時的磁極位置推算單元12的動作。此外，在此上述三相交流電動機(jī)3在停止?fàn)顟B(tài)，或者在初始狀態(tài)，設(shè)定dc軸相位位于上述三相交流電動機(jī)3的定子U相，另外，設(shè)定轉(zhuǎn)換器輸出是被脈沖幅度調(diào)制的。在此圖3(a)是PWM三角形波載波，并設(shè)定控制系統(tǒng)的運(yùn)算周期是載波半周期。
在本實(shí)施方式中，將圖3(b)的施加電壓指令Vhd*設(shè)定為具有PWM三角形波載波的2倍周期的方波電壓。這時，作為控制系統(tǒng)運(yùn)算一個周期PWM三角形波載波延遲了半周期，將Vhd*變換為3相交流的各相電壓指令Vhu*、Vhv*、Vhw*成為圖3(b-2)和圖3(b-3)所示的那樣，再將它們進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制了的各相電壓如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)所示的那樣被輸出。
通過該電壓輸出，在三相交流電動機(jī)中產(chǎn)生脈動電流。圖3(f)是在坐標(biāo)變換器中得到的dc軸電流Idc。電流值的檢測在用該圖中的黑圓圈表示的定時中進(jìn)行。這時，在每個電流極性中得到對于正側(cè)的半波叫做ΔIdcp1和ΔIdcp2、對于負(fù)側(cè)的半波叫做ΔIdcn1和ΔIdcn2的各2個絕對值不同的電流值。
關(guān)于該電流值，通過延遲器121和減法器122進(jìn)行一階差分值ΔIdc的運(yùn)算。在圖3(g)中表示作為減法器122的輸出的一階差分值ΔIdc。此處，產(chǎn)生電流檢測一個周期的運(yùn)算延遲。通過絕對值運(yùn)算器123從該一階差分值ΔIdc能求出它的絕對值|ΔIdc|。另一方面，電流極性運(yùn)算器124基于上述施加電壓指令Vhd*求出表示已產(chǎn)生的dc軸電流Idc的電流極性信號Sp。該Sp可以設(shè)定為對于上述施加電壓指令Vhd*具有相當(dāng)于用于輸出被脈沖幅度調(diào)制的電壓的電流檢測一個周期的延遲時間、用于運(yùn)算一階差分值ΔIdc的電流檢測一個周期的延遲時間、相當(dāng)于圖3(f)所示的脈動電流的一個周期的1/4的延遲時間的合計(jì)的延遲時間，以相同的定時變化的方波信號。在本實(shí)施例的情況下，上述電流極性信號Sg如圖3(h)所示那樣，對于上述施加電壓指令Vhd*，使電流檢測延遲1個周期，并使極性反轉(zhuǎn)就能被求出。
在電流變化量運(yùn)算單元125中，按照以下的順序運(yùn)算下式(1)所示的|ΔIdcp′|和|ΔIdcn′|。
式1ΔIdcp′＝ΔIdcp2-ΔIdcp1，ΔIdcn′＝ΔIdcn2-ΔIdcn1…(1)首先，使上述電流極性信號Sp與上述絕對值|ΔIdc|相乘。其結(jié)果，如圖3(i)所示的那樣，成為包含|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|的信號。接著，抽出在圖3(i)中黑三角表示的定時值。用上述黑三角表示的定時可以設(shè)定為上述電流極性信號Sg的極性發(fā)生變化的定時的正中間。在磁極位置推算單元12中，基于該|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|運(yùn)算軸誤差Δθ。
接著，說明在本實(shí)施方式中的磁極位置推算的動作原理。由于圖4表示電動機(jī)內(nèi)部的永久磁鐵和產(chǎn)生的dc軸電流Idc之間的關(guān)系，因此(a)是dc軸和電動機(jī)內(nèi)部的永久磁鐵磁通m的方向，(b)是上述dc軸電流Idc和一次磁通1d之間的關(guān)系的模式圖，(c)是dc軸電流Idc的波形。以下，如該圖(a)那樣，設(shè)定dc軸與電動機(jī)內(nèi)部的永久磁鐵磁通m的方向一致。
由上述永久磁鐵磁通m的影響，上述dc軸電流Idc對于其極性呈非對稱變化。這是由于通過上述永久磁鐵磁通m，對上述dc軸電流Idc電感(L∝dI/dt)產(chǎn)生變化。此處，將上述電感對于dc軸正方向設(shè)定為Ldc0，對于dc軸負(fù)方向設(shè)定為Ld0，那么Ldc0＜Ld0。
另一方面，在上述dc軸電流Idc小的情況下，例如上述電感受到電動機(jī)的定子構(gòu)造等影響，對于dc軸正方向變成Lds1，對于dc軸負(fù)方向變成Lds2。此外，在本圖中假定Ld0＞Lds2，Lds1＞Lds0。
這時，當(dāng)上述dc軸電流Idc小時(ΔIdcn1＜Idc＜Idcp1)，Idc在dc軸正方向按照Lds1變化，在dc軸負(fù)方向按照Lds2變化，另一方面，當(dāng)上述dc軸電流Idc變大(Idc＜ΔIdcn或ΔIdcp1＜Idc)時，Idc在dc軸正方向按照Ldc0變化，在dc軸負(fù)方向按照Id0變化。
在軸誤差Δθ的推算中，在上述電感內(nèi)，Lds0和Ld0的信息是必要的，但實(shí)際被檢測的dc軸電流Idc的大小ΔIdcp2，ΔIdcn2各自包含Lds0和Lds1，Id0和Lds2的影響。產(chǎn)生的dc軸電流Idc的波形和被檢測的電流值ΔIdcp1、ΔIdcn1、ΔIdcp2、ΔIdcn2之間的關(guān)系變成圖4(c)那樣。因此，若按照|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|的式子求出|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|，那么就變成|ΔIdcp’|按照Lds0變化、|ΔIdcn’|按照Ld0變化的上述dc軸電流Idc的成分，作為上述dc軸電流Idc的變化能抽出上述永久磁鐵磁通m的電感變化的影響。
但是，對于|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|，軸誤差Δθ例如可以應(yīng)用下式(2)那樣的近似特性。
式2|ΔIdcp′|-|ΔIdcn′|∝cos(Δθ) …(2)在使用該近似特性的情況下，可推算的軸誤差Δθ為±π/2以內(nèi)的范圍。
若依據(jù)本實(shí)施方式，就能夠不接受電動機(jī)的定子構(gòu)造等引起的電感變化的影響而提高軸誤差Δθ的推算精度。
第2實(shí)施方式但是，在本發(fā)明的第1實(shí)施方式中，電流值的檢測定時有必要象圖3所示那樣需要上述PWM三角形波載波的峰值和中間值，但為要生成PWM三角形波載波的中間值的定時，軟件處理往往變得復(fù)雜。
因此，在本發(fā)明的第2實(shí)施方式中，將全部系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)定為與圖1相同的構(gòu)成，關(guān)于上述施加電壓指令Vhd*如圖5(b)所示那樣，將周期設(shè)定為PWM三角形波載波周期的4倍。另外，上述磁極位置推算單元12的動作除上述電流極性信號Sp變成將Vhd*的極性反轉(zhuǎn)的信號外，與第1實(shí)施方式相同。這時，電流值的檢測定時如圖5(f)中用黑點(diǎn)表示的那樣，與PWM三角形波載波的峰值的定時一致。因此，若依據(jù)本實(shí)施方式，可以用PWM三角形波載波的峰值的定時檢測電流，并使上述電流值的檢測定時的生成變得容易。
而且，在本實(shí)施方式中，若將Vhd*的周期設(shè)定為PWM三角形波載波周期的2n倍(n為大于等于2的整數(shù))，那么由于dc軸電流Idc的周期變成PWM三角形波載波周期的4n倍，因此通過用PWM三角形波載波峰值的定時檢測電流值，對于dc軸電流Idc各自的正側(cè)、負(fù)側(cè)，能夠得到絕對值不同的最大n個電流值。
第3實(shí)施方式在本發(fā)明的第3實(shí)施方式中，全部系統(tǒng)構(gòu)成是與圖1相同的構(gòu)成，關(guān)于上述施加電壓指令Vhd*，如圖6(b)那樣，設(shè)定為上述PWM三角形波載波的4倍的周期，而且，將振幅設(shè)定為在Vhd1和Vhd2的2個階段變化的階梯波。例如，若將Vhd*振幅的平均值(Vhd1+Vhd2)/2設(shè)定為恒定值，并使Vhd1和Vhd2的值變化，那么照原樣將上述dc軸電流Idc的峰值Idcp2，ΔIdcn2設(shè)定為恒定，就有可能使ΔIdcp1，ΔIdcn1的值變化。在本發(fā)明的第2實(shí)施方式中，ΔIdcp1和ΔIdcn1變成本實(shí)施方式中的Vhd1＝Vhd2時的值。但是，在本實(shí)施方式中，由于任意選擇Vhd1和Vhd2的比，因此不改變dc軸電流Idc的峰值ΔIdcp2，ΔIdcn2，就能設(shè)定ΔIdcp1和ΔIdcn1使其不受定子構(gòu)造等的電感變化。
因此，若依據(jù)本實(shí)施方式，那么不增加dc軸電流Idc，就能提高軸誤差Δθ的推算精度。
另外，與第2實(shí)施方式的情況相同，通過將Vhd*的周期設(shè)定為PWM三角形波載波周期的2n倍(n是大于等于2的整數(shù))，對于dc軸電流Idc各自的正側(cè)、負(fù)側(cè)能夠得到絕對值不同的最大n個電流值。
第4實(shí)施方式在本發(fā)明的第4實(shí)施方式中，全部系統(tǒng)構(gòu)成是與圖1相同的構(gòu)成，磁極位置推算動作，如圖7所示那樣，分成2個相位(分別設(shè)定為第1相位，第2相位)實(shí)施，上述施加電壓指令Vhd*順序提供各自的振幅不同的2個方波電壓。即如圖7(b)那樣，振幅在上述第1相位設(shè)定為Vhd1’，在上述第2相位設(shè)定為Vhd2’，周期無論在哪一個相位都設(shè)定為上述PWM三角形波載波周期的2倍。上述dc軸電流Idc的檢測定時如在圖7(f)中用黑點(diǎn)表示的那樣，在上述PWM三角形波載波的頂峰進(jìn)行。這時，在上述第1相位中，ΔIdcp1和ΔIdcn1變成被檢測的電流值，在上述第2相位，ΔIdcp2和ΔIdcn2變成被檢測的電流值。
在本實(shí)施方式中，象圖7(i)所示那樣，在將上述電流極性信號Sg與上述絕對值|ΔIdc|相乘的結(jié)果中沒有包含|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|的信息，但知道作為各自相位中的上述dc軸電流Idc的最大值的ΔIdcp1，ΔIdcn1，ΔIdcp2，ΔIdcn2。因此，上述電流變化量運(yùn)算單元125的動作變成以下那樣。即，將上述電流極性信號Sg與上述絕對值|ΔIdc|相乘的結(jié)果，上述電流變化量運(yùn)算單元125在上述第1相位中求出ΔIdcp1和ΔIdcn1，在上述第2相位中求出ΔIdcp2和ΔIdcn2，在上述第1相位和上述第2相位的雙方結(jié)束后，求出上述|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|。
在本實(shí)施方式中，由于能獨(dú)立地設(shè)定Vhd1’，Vhd2’，因此通過不改變dc軸電流Idc的峰值ΔIdcp2和ΔIdcn2，設(shè)定ΔIdcp1和ΔIdcn1以便不接受定子構(gòu)造等的電感變化，不增加dc軸電流Idc就能提高軸誤差Δθ的推算精度。另外，ΔIdcp1、ΔIdcn1與上述第1相位，ΔIdcp2、ΔIdcn2與上述第2相位各自中的上述dc軸電流Idc的正側(cè)和負(fù)側(cè)的峰值相等。因此，不進(jìn)行一階差分值的運(yùn)算，也能夠以各自項(xiàng)中正側(cè)和負(fù)側(cè)作為ΔIdcp1，ΔIdcn1，ΔIdcp2，ΔIdcn2由式(1)求出ΔIdcp’和ΔIdcn’，并在該場合以期達(dá)到運(yùn)算處理的簡化。
在第1～第4實(shí)施方式中設(shè)定了將施加電壓指令Vhd*作為在1個相位軸(dc軸)的正側(cè)和負(fù)側(cè)變化的方波電壓被提供。在此情況下，磁極位置的推算只能在電角度為±π/2的范圍，本質(zhì)上存在±π的推算誤差。因此，為要在電角度±π的范圍實(shí)現(xiàn)磁極位置的推算，有必要使用多個上述的相位軸。
第5實(shí)施方式圖8表示本發(fā)明的第5實(shí)施方式中的系統(tǒng)構(gòu)成。相對于圖1，不同的是，上述脈動電流施加單元11在輸出上述施加電壓指令Vhd*的同時輸出給與電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini，在上述加法器14的輸入中追加了θdc_ini。通過用該構(gòu)成對θdc_ini進(jìn)行操作，在電動機(jī)的任意相位中給與電壓變化。
圖9是本實(shí)施方式中的上述磁極位置推算單元12的構(gòu)成圖，圖10是表示上述脈動電流施加單元11給與了上述施加電壓指令Vhd*時的上述磁極位置推算單元12的動作的說明圖。在本實(shí)施方式中，如圖7(j)所示那樣，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini變更90°，并對于正交的2個方向給與電壓變化。另外，在θdc_ini為0°和90°的各自的狀態(tài)中，上述施加電壓指令Vhd*與第4實(shí)施方式相同，使周期是上述PWM三角形波載波周期的2倍，并順序給與各自的振幅不同的2個方波電壓。這時，在θdc_ini為0°時將施加振幅變?yōu)閂hd1’的Vhd*的期間設(shè)定為相位d1，在θdc_ini為0°時將施加振幅變?yōu)閂hd2’的Vhd*的期間設(shè)定為相位d2，在θdc_ini為90°時將施加振幅變?yōu)閂hd1’的Vhd*的期間設(shè)定為相位q1，在θdc_ini為90°時將施加振幅變?yōu)閂hd2’的Vhd*的期間設(shè)定為相位q2。
在上述相位d1中，首先，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設(shè)定為Vhd1’，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini設(shè)定為0°。之后，上述脈動電流施加單元11只設(shè)定周期施加Vhd*。在圖10中，上述設(shè)定周期變?yōu)?。這時，作為控制系列運(yùn)算1個周期是將PWM三角形波載波延遲半周期，將Vhd*進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制的各相電壓如圖10(c)、(d)、(e)所示那樣被輸出。圖10(f)表示由該電壓輸出產(chǎn)生的上述dc軸電流Idc。電流值的檢測在用該圖中的黑點(diǎn)表示的定時中進(jìn)行，對于正側(cè)的半波得到ΔIdcp1，對于負(fù)側(cè)的半波得到ΔIdcn1的電流值。關(guān)于該電流值，從上述延遲器121和上述減法器122所運(yùn)算的上述一階差分值ΔIdc變成如圖10(g)所示那樣，通過上述絕對值運(yùn)算器123得到ΔIdc的絕對值|ΔIdc|。另一方面，上述電流極性運(yùn)算器124基于上述施加電壓指令Vhd*求出上述電流極性信號Sg。作為本實(shí)施方式中的特征部分的電流振幅差運(yùn)算單元127求出在向θdc_ini＝0°的方向施加了振幅Vhd1’的方波電壓時產(chǎn)生的Idc的、向正極性的振幅ΔIdcp1和向負(fù)極性的振幅ΔIdcn1的振幅差的累計(jì)值PFd_off。
式3PFd_off＝∫(|ΔIdcp1|-|ΔIdcn1|)dt …(3)該累計(jì)值算出后，向上述相位d2轉(zhuǎn)移。
在上述相位d2中，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設(shè)定為Vhd2’，將給與上述電壓變化的dc軸相位指令值θdc_ini設(shè)定0°。之后，上述脈動電流施加單元11只設(shè)定周期施加Vhd*。與上述相位d1相同，通過Vhd*輸出上述各相電壓，并產(chǎn)生上述dc軸電流Idc。與上述相位d1不同的是所檢測的電流值，對于正側(cè)的半波變成ΔIdcp2，對于負(fù)側(cè)的半波變成ΔIdcn2。在該上述相位d2中，上述電流振幅差運(yùn)算單元127求出在向θdc_ini＝0°的方向施加了振幅Vhd2’的方波電壓時產(chǎn)生的Idc的、向正極性的振幅ΔIdcn2和向負(fù)極性的振幅ΔIdcn2的振幅差的累計(jì)值PFd_sig。
式4PFd_sig＝∫(|ΔIdcp2|-|ΔIdcn2|)dt …(4)在該累計(jì)值算出后，向上述相位q1轉(zhuǎn)移。
在上述相位q1中，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設(shè)定為Vhd1’，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini設(shè)定為90°。之后，上述脈動電流施加單元11只設(shè)定周期施加Vhd*。與上述相位d1相同，通過Vhd*輸出上述各相電壓，并產(chǎn)生上述dc軸電流。與上述相位d1不同的是所檢測的電流值，對于正側(cè)的半波變成ΔIqcp2，對于負(fù)側(cè)的半波變成ΔIqcp2。在該上述相位d2中，上述電流振幅差運(yùn)算單元127求出在向θdc_ini＝90°的方向施加了振幅Vhd1’的方波電壓時產(chǎn)生的Idc的、向正極性的振幅Iqcp1和向負(fù)極性的振幅Iqcn1的振幅差的累計(jì)值PFq_off。
式5PFq_off＝∫(|ΔIqcp1|-|ΔIqcn1|)dt…(5)在該累計(jì)值算出后，向上述相位q2轉(zhuǎn)移。
在上述相位q2中，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設(shè)定為Vhd2’，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini設(shè)定為90°。之后，上述脈動電流施加單元11只設(shè)定周期施加Vhd*。與上述相位d1相同，通過Vhd*輸出上述各相電壓，并產(chǎn)生上述dc軸電流Idc。與上述相位d1不同的是被檢測的電流值，對于正側(cè)的半波變成ΔIqcp2，對于負(fù)側(cè)的半波變成ΔIqcp2。在該上述相位d2中，上述電流振幅差運(yùn)算單元127求出在向θdc_ini＝90°的方向施加了振幅Vhd1’的方波電壓時產(chǎn)生的Idc的、向正極性的振幅ΔIqcp2和向負(fù)極性的振幅ΔIqcn2的振幅差的累計(jì)值PFq_sig。
式6PFq_sig＝∫(|ΔIqcp2|-|ΔIqcn2|)dt …(6)如以上那樣所得到的PFd_off，PFd_sig，PFq_off，PFq_sig有以下那樣的關(guān)系。首先，對于PFd_sig，PFd_sig，式7PFd_sig-PFq_off＝∫(|ΔIdcp2|-|ΔIdcn2|)dt-∫(|ΔIdcp1|-|ΔIdcn1|)dt＝∫(|ΔIdcp2|-|ΔIdcp1|)dt-∫(|ΔIdcn2|-|ΔIdcn1|)dt＝∫(|ΔIdcp′|-|ΔIdcn′|)dt…(7)
另外，PFq_off，PFq_sig是上述脈動電流施加單元11的電壓變化了90°時的PFd_off，PFd_sig。因此，若假定第1實(shí)施方式中的近似特性數(shù)式(1)，那么從式8PFd_sig-PFq_off∝cos(Δθ) …(8)式9PFq_sig-PFq_off∝sin(Δθ) …(9)，在磁極位置推算單元12中，根據(jù)下式推算上述軸誤差Δθ。
式10Δθ=tan-1(-PFq_slg-PFq_offPFd_slg-PFd_off)···(10)]]>若依據(jù)該數(shù)式(10)，Δθ就能在±π的范圍推算。
在本實(shí)施方式中，通過對正交的2個方向提供上述脈動電流施加單元11的電壓變化，能在電角度為±π的范圍推算磁極位置。
此外，在本實(shí)施方式中，設(shè)定了按照上述相位d1，上述相位d2，上述相位q1，上述相位q2的順序給與根據(jù)上述施加電壓指令Vhd*的電壓變化，但即使任意變更這些相位的順序，也能夠按照同樣的順序進(jìn)行磁極位置推算的運(yùn)算。
另外，ΔIdcp1的ΔIdcn1是上述相位d1的、ΔIdcp2的ΔIdcn2是上述相位d2的、ΔIqcp1的ΔIqcn1是上述相位q1的、ΔIqcp2的ΔIqcn2是上述相位q2的各自的上述dc軸電流Idc的正側(cè)和負(fù)側(cè)的最大值。因此，不進(jìn)行一階差分值的運(yùn)算，通過將各自的相位中的正側(cè)和負(fù)側(cè)的檢測值作為ΔIdcp1，ΔIdcn1，ΔIdcp2，ΔIdcn2，ΔIqcp1，ΔIqcn1，ΔIqcp2，ΔIqcn2，并應(yīng)用數(shù)式(3)～(6)，能謀求運(yùn)算處理的簡化。
第6實(shí)施方式在圖11中表示本發(fā)明的第6實(shí)施方式中的系統(tǒng)構(gòu)成。
作為本實(shí)施方式的特征部分的電壓設(shè)定變更單元15位于上述控制裝置1內(nèi)部，或位于上述控制裝置的外部，而且確保了與上述控制裝置1的通信方法。上述電壓設(shè)定變更單元15若對上述施加電壓指令Vhd*輸入其振幅和周期，那么它為了將其輸入結(jié)果交付給上述脈動電流施加設(shè)備1而動作。上述脈動電流施加單元11變更所上施加電壓指令Vhd*，以便與被交付的上述輸入結(jié)果一致。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)可從外部變更上述施加電壓指令Vhd*的功能。
另外，圖12表示本實(shí)施方式中的上述磁極位置推算單元12的構(gòu)成。上述電流振幅差運(yùn)算單元127在運(yùn)算PFd_off，PFd_sig，PFq_off，PFq_sig的同時，將它們各自與規(guī)定值比較。在PFd_off，PFd_sig，PFq_off，PFq_sig的全部比規(guī)定值小的情況下，為了使上述永久磁鐵磁通m的影響沒有充分出現(xiàn)在上述dc軸電流Idc中，判定上述軸誤差Δθ的推算沒有能適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行，并將電壓調(diào)整指令信號向上述脈動電流施加單元11輸出。在上述脈動電流施加單元11在電壓調(diào)整指令信號進(jìn)來的情況下，從下次起將上述施加電壓指令Vhd*只增加規(guī)定的比例。通過本構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)上述施加電壓指令Vhd*，以便適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行上述軸誤差Δθ的推算。
第7實(shí)施方式在圖13中表示本發(fā)明的第7實(shí)施方式中的上述控制裝置1的動作流程。
對于上述控制裝置1輸入系統(tǒng)的起動指令，那么，首先，實(shí)行轉(zhuǎn)換器起動時處理201，結(jié)束后，上述控制裝置1實(shí)行馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)開始指令判定處理202，成為馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)開始等待狀態(tài)。
然后，當(dāng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)開始的指令被輸入到上述控制裝置1中，那么，首先實(shí)施作為本實(shí)施方式的特征的異常診斷處理203。在該系統(tǒng)異常診斷處理203中，檢測上述轉(zhuǎn)換器2的輸出電路短路、接地、斷線的故障，輸入電壓的過大和過小等異常狀態(tài)，或上述控制裝置1自身的故障等。在上述系統(tǒng)異常診斷處理203結(jié)束后，在系統(tǒng)異常狀態(tài)判定處理204中檢測出異常的情況下，向系統(tǒng)異常時處理205轉(zhuǎn)移。若沒有檢測出異常，那么作為初始磁極位置推算處理206，例如在用第1～第5任何一個實(shí)施方式中所敘述的方法推算了上述軸誤差Δθ后，開始馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
在沒有上述系統(tǒng)異常診斷處理203和上述系統(tǒng)異常狀態(tài)判斷處理204的情況下，即使在系統(tǒng)中產(chǎn)生某種異常，馬達(dá)也將進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)動作。這時，例如，當(dāng)在上述電流檢測器4中產(chǎn)生了異常的情況下，上述初始磁極位置推算處理206不能適當(dāng)?shù)赝扑闵鲜鲚S誤差Δθ，而且，自動地調(diào)節(jié)在第6實(shí)施方式中的上述施加電壓Vhd*的功能產(chǎn)生誤動作之虞，但通過決定本實(shí)施方式的構(gòu)成，能夠提高本發(fā)明的磁極位置推算方法的精度。
因此，本發(fā)明的目的是，在控制電動機(jī)的控制裝置內(nèi)檢測磁極位置，進(jìn)行矢量控制，本發(fā)明的磁極位置的檢測對于作為上述電動機(jī)的推算磁通軸的dc軸的電壓指令給與電壓變化，在上述dc軸上觀測流經(jīng)上述電動機(jī)的電流，對于用上述dc軸所觀測的電流值中所包含的脈動成分，分離成該脈動成分的正側(cè)和負(fù)側(cè)，對于它們各自將檢測絕對值不同的大于等于2個的電流值，并基于檢測該絕對值不同的大于等于2個的電流值推算上述電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置。
上述絕對值不同的大于等于2個的電流值的檢測可以對于1個脈動成分的波形實(shí)施，但也可以提供2種以上給與上述dc軸的電壓變化，并對它們各自逐個地檢測電流值。
另外，通過轉(zhuǎn)動上述dc軸，對于大于等于2個的方向給與上述電壓變化，能檢測包含極性的磁極位置。
另外，通過關(guān)與給dc軸的電壓指令提供的電壓變化，具有來自外部的設(shè)定功能和在控制裝置內(nèi)部的自動調(diào)整功能，做到即使在上述電動機(jī)被變更時也能檢測磁極位置。
另外，通過使控制裝置具有異常檢測功能，防止包含上述自動調(diào)整功能的磁極位置的檢測動作的誤動作。
根據(jù)以上上述，若依據(jù)本發(fā)明的交流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，將電壓變化施加到電動機(jī)，并基于從對伴隨它產(chǎn)生的電流脈動成分的正側(cè)和負(fù)側(cè)所觀測的、絕對值不同的大于等于2個值的電流值所運(yùn)算的電流變化率，能推算上述電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置。
另外，由于利用上述電動機(jī)的磁飽和產(chǎn)生的脈動成分的變化，并且該脈動成分中，去掉依賴電動機(jī)的構(gòu)造產(chǎn)生的成分，因此不依靠電動機(jī)的構(gòu)造就能適用，不增加脈動電流的振幅，就能提高磁極位置的推算精度。
另外，通過對于上述電壓變化具有來自外部的設(shè)定功能和在控制裝置內(nèi)部的自動調(diào)整功能，在上述電動機(jī)被變更的場合也能檢測磁極位置，并通過在控制裝置中具有異常檢測功能，能防止包含上述自動調(diào)整功能的磁極位置的檢測動作的誤動作。
此外，將具有交流電動機(jī)、給交流電動機(jī)提供任意的交流的轉(zhuǎn)換器、將控制信號輸送到轉(zhuǎn)換器的控制裝置的系統(tǒng)叫做交流電動機(jī)系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供能高精度推算磁極位置的交流電動機(jī)的控制裝置和交流電動機(jī)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種交流電動機(jī)的控制裝置，將控制信號輸送到對交流電動機(jī)提供任意的交流的轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括脈動電流施加單元對上述交流電動機(jī)提供脈動電流，以及磁極位置推算單元，在上述磁極位置推算單元中，分別對于上述脈動電流的正側(cè)、負(fù)側(cè)觀測上述脈動電流的至少2個電流值，推算上述交流電動機(jī)的磁極位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于基于上述至少2個電流值求出電流變化率，基于上述電流變化率推算上述電動機(jī)的磁極位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1上述記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于上述脈動電流施加單元的施加電壓指令是方波電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于上述轉(zhuǎn)換器進(jìn)行使用載波的脈沖調(diào)幅控制，上述方波電壓具有載波周期的大于等于4的偶數(shù)整數(shù)倍周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于上述脈動電流施加單元的施加電壓指令是階梯波電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于上述轉(zhuǎn)換器進(jìn)行使用載波的脈沖調(diào)幅控制，上述階梯波電壓具有載波周期的大于等于4的偶數(shù)整數(shù)倍周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于具有用于設(shè)定或者變更上述給與的電壓的振幅的電流振幅差運(yùn)算單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于上述脈動電流施加單元進(jìn)行施加電壓指令的振幅的調(diào)整，以使上述脈動電流的上述電流變化率在規(guī)定的范圍以內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于推算上述電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置的單元在進(jìn)行了檢測上述轉(zhuǎn)換器和上述控制裝置的異常的異常檢測處理后進(jìn)行動作。
10.一種交流電動機(jī)的控制裝置，將控制信號輸送到對交流電動機(jī)提供任意的交流的轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括脈動電流施加單元對上述電動機(jī)給與脈動電流，以及磁極位置推算單元，上述脈動電流施加單元的施加電壓指令順次提供振幅不同的方波電壓，在上述磁極位置推算單元中，分別對上述脈動電流的正側(cè)、負(fù)側(cè)觀測上述脈動電流的至少1個電流值，推算上述交流電動機(jī)的磁極位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于基于上述至少2個電流值求出電流變化率，基于上述電流變化率推算上述交流電動機(jī)的磁極位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于上述轉(zhuǎn)換器進(jìn)行使用了載波的脈沖調(diào)幅控制，上述振幅不同的方波電壓是載波周期的2以上的整數(shù)倍周期。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于觀測上述脈動電流的至少1個電流值是只觀測上述脈動電流的正側(cè)和負(fù)側(cè)的最大值附近。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于在任意大于等于2個的相位軸上給與上述脈動電流。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于在每個規(guī)定的期間將上述振幅不同的2個方波電壓提供給作為控制裝置的推算磁極軸的dc軸和與該dc軸正交的qc軸雙方。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于將上述振幅不同的2個方波電壓設(shè)定為第1方波電壓和第2方波電壓，設(shè)定將上述第1方波電壓給與上述dc軸上的期間d1，將上述第2方波電壓給與上述dc軸上的期間d2，將上述第1方波電壓給與上述qc軸上的期間q1，將上述第2方波電壓給與上述qc軸上的期間q2。給與電壓的期間的順序是上述期間d1，上述期間d2，上述期間q1，上述期間q2，或者給與電壓的期間的順序是上述期間d1，上述期間q1，上述期間d2，上述期間q2。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于具有用于設(shè)定或者變更上述給與的電壓的振幅的電流振幅差運(yùn)算單元。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所記載的交流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于脈動電流施加單元進(jìn)行施加電壓指令的振幅的調(diào)整動作，以使上述脈動電流的上述電流變化率在規(guī)定的范圍以內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所記載的交流電動機(jī)的控制裝置，其特征在于推算上述電動機(jī)內(nèi)部的磁極位置的單元在進(jìn)行了檢測上述轉(zhuǎn)換器和上述控制裝置的異常的異常檢測處理后工作。
20.一種交流電動機(jī)的控制裝置，將控制信號輸送到對交流電動機(jī)施加任意的交流的轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括脈動電流施加單元對上述電動機(jī)給與脈動電流，以及磁極位置推算單元，上述脈動電流施加單元的施加電壓指令給與階梯波電壓或順序地給與振幅不同的方波電壓，推算上述交流電動機(jī)的磁極位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了交流電動機(jī)的控制裝置及交流電動機(jī)系統(tǒng)。其目的在于提供能適用于PM馬達(dá)整體，并用簡單的算法能檢測磁極位置的交流電動機(jī)的控制裝置。交流電動機(jī)具備將任意的交流施加到交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)換器，將控制信號輸送到上述轉(zhuǎn)換器的控制裝置中，上述控制裝置具有對上述電動機(jī)給與脈動電流的脈動電流施加單元，以及磁極位置推算單元，在上述磁極位置推算單元中，分別對上述脈動電流的正側(cè)、負(fù)側(cè)觀測上述脈動電流的至少2個電流值，推算上述交流電動機(jī)的磁極位置。
文檔編號H02P6/18GK1578111SQ20041000730
公開日2005年2月9日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者金子大吾, 巖路善尚, 坂本潔, 遠(yuǎn)藤常博, 大久保智文 申請人:株式會社日立產(chǎn)機(jī)系統(tǒng)