電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法，即使在電機(jī)的轉(zhuǎn)子正在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，也能夠容易地估計(jì)轉(zhuǎn)子的初始磁極位置。實(shí)施方式的電機(jī)控制裝置具有電力轉(zhuǎn)換部和控制部。電力轉(zhuǎn)換部對(duì)具有凸極性的電機(jī)供給電力。控制部對(duì)電流指令與流過(guò)電機(jī)的電流之間的偏差進(jìn)行比例積分控制而生成電壓指令，根據(jù)該電壓指令對(duì)電力轉(zhuǎn)換部進(jìn)行控制。而且，控制部通過(guò)控制電力轉(zhuǎn)換部，使得高頻電流流過(guò)電機(jī)來(lái)估計(jì)該電機(jī)的轉(zhuǎn)子的磁極位置，根據(jù)比例積分控制的積分值對(duì)估計(jì)的磁極位置進(jìn)行校正。
【專利說(shuō)明】電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明公開的實(shí)施方式涉及電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在使永磁式同步電機(jī)等電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，如果轉(zhuǎn)子的磁極位置與控制相位不同，則會(huì)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)，而且，還可能向與指令方向相反的方向旋轉(zhuǎn)。因此，在以往的電機(jī)控制裝置中，在使電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行如下的初始磁極位置估計(jì)處理:利用電機(jī)的凸極性和磁飽和特性對(duì)轉(zhuǎn)子的初始磁極位置進(jìn)行估計(jì)。
[0003]在該初始磁極位置估計(jì)處理中，在臨時(shí)估計(jì)出轉(zhuǎn)子的磁極位置之后，根據(jù)臨時(shí)估計(jì)出的磁極位置的極性(N極、S極)，正式估計(jì)轉(zhuǎn)子的磁極位置作為初始磁極位置。上述臨時(shí)估計(jì)例如是如下進(jìn)行的:將高頻電壓施加到電機(jī)，根據(jù)在該高頻電壓的作用下由于電機(jī)的凸極性而在電機(jī)中流過(guò)的高頻電流，對(duì)轉(zhuǎn)子的磁極位置進(jìn)行估計(jì)。
[0004]另外，上述正式估計(jì)例如是如下進(jìn)行的:將正負(fù)脈沖電壓施加到電機(jī)而使電機(jī)的d軸的磁通量磁飽和，檢測(cè)在電機(jī)中流過(guò)的電流變化的差異而判別磁極位置的極性，根據(jù)所判別的極性對(duì)臨時(shí)估計(jì)出的磁極位置進(jìn)行校正。
[0005]該初始磁極位置估計(jì)處理是以電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)為前提的技術(shù)，不過(guò)，還提出過(guò)即使在電機(jī)的轉(zhuǎn)子由于空轉(zhuǎn)或因負(fù)載引起的帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)等而旋轉(zhuǎn)的情況下也能夠估計(jì)轉(zhuǎn)子的初始磁極位置的技術(shù)(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。在該技術(shù)中，同時(shí)進(jìn)行高頻電壓的施加和脈沖電壓的施加，而且能夠進(jìn)行基本波電流的控制來(lái)防止過(guò)電流的產(chǎn)生。
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特開2011-193726號(hào)公報(bào)
[0007]但是，在一邊施加脈沖電壓進(jìn)行極性判別一邊實(shí)施電流控制時(shí)，由d軸磁通量的磁飽和引起的電流變化的差因電流控制的影響而變小，極性判定的精度變差。因此，需要使用帶通濾波器以使脈沖電壓的帶寬不會(huì)受到電流控制的影響，或者需要擴(kuò)大脈沖電壓的振幅，這樣會(huì)導(dǎo)致電路的復(fù)雜化和脈沖電壓的高電壓化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]實(shí)施方式中的一個(gè)方式是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供如下的電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法:即使處于電機(jī)的轉(zhuǎn)子正在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也能夠容易地估計(jì)轉(zhuǎn)子的初始磁極位置。
[0009]實(shí)施方式的一個(gè)方式的電機(jī)控制裝置具有電力轉(zhuǎn)換部和控制部。所述電力轉(zhuǎn)換部對(duì)具有凸極性的電機(jī)供給電力。所述控制部對(duì)電流指令與流過(guò)所述電機(jī)的電流之間的偏差進(jìn)行比例積分控制而生成電壓指令，根據(jù)該電壓指令對(duì)所述電力轉(zhuǎn)換部進(jìn)行控制。而且，所述控制部通過(guò)對(duì)所述電力轉(zhuǎn)換部進(jìn)行控制，使得高頻電流流過(guò)所述電機(jī)來(lái)估計(jì)該電機(jī)的轉(zhuǎn)子的磁極位置，根據(jù)所述比例積分控制的積分值對(duì)所述估計(jì)出的磁極位置進(jìn)行校正。
[0010]根據(jù)實(shí)施方式中的一個(gè)方式，能夠提供如下的電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法:即使處于電機(jī)的轉(zhuǎn)子正在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也能夠容易地估計(jì)轉(zhuǎn)子的初始磁極位置。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是示出實(shí)施方式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成例的圖。
[0012]圖2是示出圖1所示的電機(jī)控制裝置的控制部的構(gòu)成例的圖。
[0013]圖3是示出圖2所示的q軸電流控制器的構(gòu)成例的圖。
[0014]圖4是示出圖2所示的位置估計(jì)器的構(gòu)成例的圖。
[0015]圖5是圖2所示的控制部的初始磁極判定處理的流程圖。
[0016]圖6是示出評(píng)價(jià)指標(biāo)為3時(shí)的各成分的電流波形的圖。
[0017]圖7是示出評(píng)價(jià)指標(biāo)與位置估計(jì)值的誤差之間的關(guān)系的圖。
[0018]圖8是示出圖2所示的高頻信號(hào)生成器的構(gòu)成例的圖。
[0019]標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0020]I電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
[0021]2 電機(jī)
[0022]3電機(jī)控制裝置
[0023]4直流電源
[0024]10 電力轉(zhuǎn)換部
[0025]11 電流檢測(cè)部
[0026]12 控制部
[0027]20 d軸電流控制器
[0028]21 q軸電流控制器
[0029]22 去干擾控制器
[0030]23、24、26、29、55 加法器
[0031]25 高頻信號(hào)生成器
[0032]27 電壓指令生成器
[0033]28 相位指令生成器
[0034]30 PWM 運(yùn)算器
[0035]31 三相/兩相轉(zhuǎn)換器
[0036]32 dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器
[0037]33、34帶通濾波器
[0038]35、36、51 減法器
[0039]40 速度估計(jì)器
[0040]41 位置估計(jì)器
[0041]52、53、72 放大器
[0042]54、63、75 積分器
[0043]61 閾值設(shè)定器
[0044]62 極性判定器
[0045]64 校正器
[0046]71 d軸高頻電壓運(yùn)算器
[0047]73 限幅器
[0048]74 高頻頻率發(fā)生器
[0049]76 正弦運(yùn)算器
[0050]77 乘法器

【具體實(shí)施方式】
[0051]以下，參照附圖，詳細(xì)說(shuō)明本申請(qǐng)所公開的電機(jī)控制裝置和磁極位置估計(jì)方法的實(shí)施方式。另外，本發(fā)明不限定于以下所示的實(shí)施方式。
[0052]圖1是示出實(shí)施方式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成例的圖。如圖1所示，實(shí)施方式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)I具有三相交流電機(jī)2 (以下，記為電機(jī)2)、電機(jī)控制裝置3以及直流電源4。
[0053]電機(jī)2為具有凸極性的電機(jī)，例如是內(nèi)置有多個(gè)永久磁石的轉(zhuǎn)子在定子的內(nèi)部進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的 IPMSM (Inter1r Permanent Magnet Synchronous Motor,內(nèi)置式永磁同步電機(jī))。該電機(jī)2不僅可以是具有驅(qū)動(dòng)功能的電機(jī)，還可以是具有發(fā)電性能的電動(dòng)發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)。例如，電機(jī)2可以是與風(fēng)車的轉(zhuǎn)子等連接的發(fā)電機(jī)。
[0054]電機(jī)控制裝置3具有電力轉(zhuǎn)換部10、電流檢測(cè)部11以及控制部12。該電機(jī)控制裝置3通過(guò)公知的PWM (Pulse Width Modulat1n，脈沖寬度調(diào)制)控制，將從直流電源4供給的直流電力轉(zhuǎn)換為具有期望的頻率和電壓的三相交流電力，并輸出到電機(jī)2。另外，電機(jī)控制裝置3也可以具有直流電源4。
[0055]電力轉(zhuǎn)換部10連接在電機(jī)2與直流電源4之間，將與從控制部12供給的PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓和電流供給到電機(jī)2。該電力轉(zhuǎn)換部10例如是由六個(gè)開關(guān)元件進(jìn)行三相橋接而構(gòu)成的三相逆變器電路。構(gòu)成三相逆變器電路的開關(guān)元件例如是IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)、MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等半導(dǎo)體元件。
[0056]另外，直流電源4可以是將交流電力轉(zhuǎn)換為直流電力而輸出的結(jié)構(gòu)，例如是組合了由二極管和開關(guān)元件構(gòu)成的整流電路和平滑電容器的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，在整流電路的輸入側(cè)連接有交流電源。
[0057]電流檢測(cè)部11對(duì)從電力轉(zhuǎn)換部10向電機(jī)2供給的電流進(jìn)行檢測(cè)。具體地講，電流檢測(cè)部11對(duì)分別在電力轉(zhuǎn)換部10與電機(jī)2的U相、V相以及W相之間流過(guò)的電流的瞬時(shí)值iu、iv、iw (以下，記為輸出電流iu、iv、iw)進(jìn)行檢測(cè)。另外，電流檢測(cè)部11例如利用作為磁電轉(zhuǎn)換元件的霍爾元件對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。
[0058]控制部12在與電力轉(zhuǎn)換部10輸出的交流電壓的輸出頻率同步地旋轉(zhuǎn)的作為直角坐標(biāo)系的dq坐標(biāo)系中，將電流成分分成與電機(jī)2的磁通平行的d軸的成分和與d軸正交的q軸的成分來(lái)進(jìn)行矢量控制，生成PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)作為門控信號(hào)而輸入到構(gòu)成電力轉(zhuǎn)換部10的開關(guān)元件，由此，對(duì)電力轉(zhuǎn)換部10進(jìn)行控制。
[0059]控制部12使高頻電流流過(guò)電機(jī)2而臨時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)子的磁極位置，并根據(jù)極性(N極、S極)對(duì)該磁極位置進(jìn)行校正，從而估計(jì)出轉(zhuǎn)子的初始磁極位置。在轉(zhuǎn)子正在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，該控制部12根據(jù)q軸電流控制中的比例積分控制(以下，記為PI控制)的積分值來(lái)判定磁極位置的極性，由此，即使處于轉(zhuǎn)子正在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，也能夠容易地估計(jì)轉(zhuǎn)子的初始磁極位置。以下，具體地說(shuō)明控制部12的結(jié)構(gòu)。
[0060]另外，在以下的各圖中，為了容易理解控制部12的各功能而將控制部12分成各個(gè)部分來(lái)表示，但是應(yīng)理解為，以下所示的各部分的功能全部都是通過(guò)控制部12來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0061]另外，只要實(shí)現(xiàn)控制部12的各個(gè)功能，則控制部12的各個(gè)功能既可以由硬件實(shí)現(xiàn)，也可以由軟件(計(jì)算機(jī)程序)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，也可以由硬件與軟件的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0062]作為具體的例子，控制部12例如可以由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。此時(shí)，控制部12例如為CPU(Central Processing Unit,中央處理器)、MPU (Micro Processor Unit,微處理器)、MCU(Micro Control Unit,微控制器)等。另外,控制部12的各個(gè)功能也可以通過(guò)將預(yù)先制作的程序加載到控制部進(jìn)行執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0063]另外，該程序可以是記錄在非一時(shí)性的計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)中的程序，所述計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)記錄有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行的多個(gè)命令，該程序可以從該記錄介質(zhì)安裝到計(jì)算機(jī)上。另外，作為計(jì)算機(jī)可讀記錄介質(zhì)，例如有硬盤(HD)、軟盤(FD)、壓縮盤(⑶)、光學(xué)磁盤(MO)、存儲(chǔ)卡等。
[0064]另外，控制部12可以由一個(gè)物理實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由多個(gè)物理實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0065]圖2是示出電機(jī)控制裝置3的控制部12的構(gòu)成例的圖。
[0066]如圖2所示，控制部12具有d軸電流控制器20、q軸電流控制器21、去干擾控制器22、加法器23、24、26、29、高頻信號(hào)生成器25、電壓指令生成器27、相位指令生成器28以及PWM運(yùn)算器30。另外，在以下說(shuō)明中，將電流指令的d軸成分和q軸成分分別設(shè)為d軸電流指令i/和q軸電流指令iq*。
[0067]d軸電流控制器20輸入d軸電流指令i/和后述的d軸電流idfb，進(jìn)行PI控制以使d軸電流指令i/與d軸電流idfb之間的偏差成為零，從而生成d軸電壓指令vdl%輸出到加法器23。
[0068]q軸電流控制器21輸入q軸電流指令和后述的q軸電流iqfb，進(jìn)行PI控制以使q軸電流指令與q軸電流iqfb之間的偏差成為零，從而生成q軸電壓指令v/，輸出到加法器24。
[0069]圖3是示出q軸電流控制器21的構(gòu)成例的圖。如圖3所示，q軸電流控制器21具有減法器51、放大器52、53、積分器54、加法器55。減法器51從q軸電流指令減去q軸電流而生成q軸偏差信號(hào)Itien?，輸出到放大器52和放大器53。
[0070]放大器52具有比例增益Kp，將q軸偏差信號(hào)iqe?放大Kp倍而輸出到加法器55。放大器53具有積分增益Ki,將q軸偏差信號(hào)iqerr放大Ki倍而輸出到積分器54。積分器54對(duì)放大了 Ki倍后的q軸偏差信號(hào)iqe?進(jìn)行積分，將積分結(jié)果作為q軸積分值vc而輸出到加法器55和后述的位置估計(jì)器41。加法器55將放大器52的輸出和積分器54的輸出相加，將其相加結(jié)果作為q軸電壓指令vql*而輸出。
[0071]回到圖2繼續(xù)說(shuō)明控制部12。去干擾控制器22對(duì)d軸與q軸之間的干擾和感應(yīng)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)d軸電流idfb、q軸電流iqfb、速度估計(jì)值ω~以及感應(yīng)電壓常數(shù)φ，生成d軸電壓補(bǔ)償值Vdff和q軸電壓補(bǔ)償值Vqff而輸出。去干擾控制器22例如運(yùn)算idfb><coALd+coA(p而求出q軸電壓補(bǔ)償值Vqff,運(yùn)算-1qftX ω ~Lq而求出d軸電壓補(bǔ)償值vdff。另外,Ld為電機(jī)2的d軸電感值，Lq為電機(jī)2的q軸電感值。
[0072]加法器23對(duì)d軸電壓指令v/加上d軸電壓補(bǔ)償值Vdff而生成d軸電壓指令Vdl'輸出到加法器26。另外，加法器24對(duì)q軸電壓指令v/加上q軸電壓補(bǔ)償值Vqff而生成q軸電壓指令V:，輸出到電壓指令生成器27和相位指令生成器28。
[0073]高頻信號(hào)生成器25生成高頻信號(hào)Vdh*而輸出到加法器26。加法器26對(duì)d軸電壓指令Vd:加上高頻信號(hào)Vdh*而生成d軸電壓指令v/，輸出到電壓指令生成器27和相位指令生成器28。另外，高頻信號(hào)V:的頻率《,被設(shè)定得比如后所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的電壓的頻率高。
[0074]電壓指令生成器27根據(jù)d軸電壓指令v/和q軸電壓指令V:求出輸出電壓指令V*.例如，電壓指令生成器27根據(jù)以下的式(I)求出輸出電壓指令/。該輸出電壓指令/從電壓指令生成器27輸出到PWM運(yùn)算器30。

【權(quán)利要求】
1.一種電機(jī)控制裝置，其特征在于，具有: 電力轉(zhuǎn)換部，其對(duì)具有凸極性的電機(jī)供給電力；以及 控制部，其對(duì)電流指令與流過(guò)所述電機(jī)的電流之間的偏差進(jìn)行比例積分控制而生成電壓指令，根據(jù)該電壓指令對(duì)所述電力轉(zhuǎn)換部進(jìn)行控制， 所述控制部通過(guò)對(duì)所述電力轉(zhuǎn)換部進(jìn)行控制，使得高頻電流流過(guò)所述電機(jī)來(lái)估計(jì)該電機(jī)的轉(zhuǎn)子的磁極位置，根據(jù)所述比例積分控制的積分值對(duì)估計(jì)出的所述磁極位置進(jìn)行校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述控制部執(zhí)行以下處理: 分別針對(duì)與所述電機(jī)的磁通平行的d軸的成分和與該d軸正交的q軸的成分，對(duì)電流指令與流過(guò)所述電機(jī)的電流之間的偏差進(jìn)行比例積分控制而生成d軸的電壓指令和q軸的電壓指令， 對(duì)所述d軸的電壓指令加上高頻信號(hào)，從流過(guò)所述電機(jī)的電流提取與所述高頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的高頻電流， 根據(jù)所提取出的所述高頻電流來(lái)估計(jì)所述轉(zhuǎn)子的磁極位置，根據(jù)所述q軸的積分值對(duì)估計(jì)出的所述磁極位置進(jìn)行校正。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述控制部執(zhí)行以下處理: 根據(jù)所提取出的所述高頻電流，求出所述轉(zhuǎn)子的速度估計(jì)值，對(duì)所述速度估計(jì)值進(jìn)行積分而求出作為所述磁極位置的估計(jì)值的第I位置估計(jì)值，而且， 根據(jù)所述q軸的積分值判定所述磁極位置的極性，根據(jù)該判定的結(jié)果對(duì)第I位置估計(jì)值進(jìn)行校正，求出第2位置估計(jì)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述控制部在所述q軸的積分值超過(guò)規(guī)定閾值時(shí)，根據(jù)所述q軸的積分值對(duì)估計(jì)出的所述磁極位置進(jìn)行校正。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述控制部在所述轉(zhuǎn)子的電氣角速度為設(shè)定速度以下時(shí)，進(jìn)行所述磁極位置的校正，而且根據(jù)所述設(shè)定速度、感應(yīng)電壓常數(shù)、d軸電感以及q軸電感，求出所述高頻信號(hào)的振幅值。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機(jī)控制裝置，其特征在于， 所述控制部在所述轉(zhuǎn)子的電氣角速度為設(shè)定速度以下時(shí)，進(jìn)行所述磁極位置的校正，而且根據(jù)所述設(shè)定速度、感應(yīng)電壓常數(shù)、d軸電感以及q軸電感，求出所述高頻信號(hào)的振幅值。
7.—種磁極位置估計(jì)方法，其特征在于， 使高頻電流從電力轉(zhuǎn)換部流過(guò)具有凸極性的電機(jī)來(lái)估計(jì)所述電機(jī)的轉(zhuǎn)子的磁極位置，根據(jù)對(duì)電流指令與流過(guò)所述電機(jī)的電流之間的偏差進(jìn)行比例積分控制而生成電壓指令的電流控制器的所述比例積分控制的積分值，對(duì)估計(jì)出的所述磁極位置進(jìn)行校正。
【文檔編號(hào)】H02P6/16GK104079217SQ201410039817
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月29日
【發(fā)明者】山崎明, 木野村浩史, 井浦英昭 申請(qǐng)人:株式會(huì)社安川電機(jī)