專利名稱：用于永磁同步電動機的無檢測器控制方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無位置檢測器和速度探測器的永磁同步電動機的無檢測器控制方法和裝置。
當一利用永久磁鐵作為轉子的無刷DC電動機作為同步電動機驅動時，需要得到轉子的絕對位置并實行正確的電流控制。為了得到轉子的絕對位置，通常使用一例如為編碼器或分析器的轉子位置檢測器。然而，由于存在與引線或結構、價格、使用環(huán)境之類有關的復雜問題，已提出不使用轉子位置檢測器來估算磁極位置的方法。
在在先技術中，已知的估算永磁同步電動機的磁極位置的方法如下(1)日本電工協(xié)會會刊113-D卷第5期，1993年5月，579～586頁。
(2)日本電工協(xié)會會刊114-D卷第5期，1994年5月，591～592頁。
(3)日本電工協(xié)會會刊115-D卷第4期，1995年4月，420～427頁。
(1)是這樣一種方法，當變換到設置在定子上的α—β軸坐標系統(tǒng)上的定子電流Iα、Iβ成為觀測(observed)數值和定子電壓Vα、Vβ成為輸入量時，利用自適應規(guī)則估算磁通λα、λβ和轉子速度。
(2)是這樣一種方法，當變換到α—β軸坐標系統(tǒng)上的定子電流Iα、Iβ成為觀測數值和定子電壓Vα、Vβ成為輸入量時，估算在α—β軸坐標系統(tǒng)中沿α軸方向產生的感應電壓εα和沿β軸方向產生的感應電壓εβ作為擾動值。
(3)是這樣一種方法，即由變換到設置定子側并按同步速度旋轉的γ—δ軸坐標系統(tǒng)的定子電流iγ、iδ和由模型計算的電流計算值iγ0、iδ0之間的差估算在γ—δ軸和d-q軸之間的偏移角θe。
然而，上述常規(guī)方法存在的問題如下關于(1)，當將該方法用于在α—β軸坐標上出現(xiàn)極性的永磁電動機中時，電感變?yōu)殡妱訖C轉子角度θr的函數，狀態(tài)方程變得復雜，以及當要建立一觀測機(observer)時，計算量增加，使用困難。還由于形成的磁通λα、λβ數量未知，狀態(tài)方程在轉子速度為零時變得不能觀測，估計值器本身變得不穩(wěn)定。
關于(2)，由于變換到α—β軸的感應電壓變?yōu)榻蛔兞浚绻麑⒂^測機的極不設定得較大，實際量和估算量之間產生相位差，該方法變得無法使用。
(3)與(1)、(2)相比較是一種簡單的方法，此外由于按該參考文獻認為γ—δ軸按照與d—q軸基本同步的角速度旋轉，當d—q軸和γ—δ軸之間的偏移θe小時，狀態(tài)方程不復雜，該方法在使用上是優(yōu)異的。然而，由于將實際的數值與由當γ—δ軸與d—q軸一致時的模型簡單輸入的計算數值相比較，由于模型化誤差并不總能正確估算偏移θe。
此外，在(3)的參考文獻中，按這樣一種方式利用該方法，即由感應電壓或在高速度區(qū)內感應電壓的估計值來估計該速度估計值和d軸和γ軸之間的誤差，當γ軸和d軸一致時實行速度控制。然而，這種方法僅在感應電壓足夠高的區(qū)域中可得到精確值，在零速度時不可能進行估計。
因此，在凸極同步電動機的情況下，利用這樣一種特性即在電感中的d軸方向和q軸方向是不同的，如果在電動機停止時測量電感，由電感數值變化可以辨別d軸。
另一方面，在隱極同步電動機的情況下，由于電感在任一極中都是相同的，上述方法不能使用。當同步電動機空載時，如果DC電流沿一定方向流動，同步電機的磁軸具有運動的特性以便與電流流動方向相一致。因此，如果電流沿指定的磁軸流動，在經過足夠的時間之后，該磁軸與指定的磁軸相一致。因此，該磁軸可以是已知的。
然而，這些方法僅能在低速狀態(tài)下采用，在高于某一速度的速度下，估計值方法必須改變?yōu)樵?3)的參考文獻中所述的方法。這種速度改變根據電機的種類是不同的，以及其迅速變化引起轉矩變化以及在低速狀態(tài)下必須另外準備基本上不同的算法。因此，存在的一個問題是給設計和控制帶來麻煩。
因此，為解決上述問題，本發(fā)明提供一種控制方法和裝置，其中可以在所有速度區(qū)域指定磁軸以及可以與速度指令無關連續(xù)地控制速度。
為了解決上述問題，在本發(fā)明的永磁同步電動機的無檢測器控制方法中，為在由零速度到高速度的一個區(qū)域連續(xù)控制具有永久磁鐵作為轉子的永磁同步電動機，在α—β空間坐標系統(tǒng)中，其中令同步電動機定子中的一相為α軸，距α軸正向旋轉電90°為β軸，設定按實際電動機旋轉速度ωR旋轉的坐標d—q軸，其中令電動機磁軸為d，令距d軸超前90°的軸線為q，設定γ—δ軸，其中令指定的電動機的磁軸為γ，距γ軸超前90°的軸線為δ；以及當確定γ—δ軸的旋轉速度ωRγ時，設定分配增益K1和K2，將分配增益K1設定為當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是降低的，而分配增益K2當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是升高的，將旋轉速度指令ωRREF乘以K1，由同步電動機的感應電壓確定的速度估計值ωRP或者感應電壓估計值分別乘以K2，并將兩個相乘的值求和，以此確定指定磁軸的γ—δ軸的旋轉速度ωRγ。
此外，當要確定γ軸電流指令值iγREF時，將低速度區(qū)指令值iγREFL乘以分配增益K1和將正常速度區(qū)指令值iγREFH乘以分配增益K2，將二相乘的值求和，以此可以確定γ軸電流指令值iγREF，以及利用包含速度指令值ωREF和ωRP的比例控制項和包含速度指令值ωRREF和ωRγ的積分控制項還可以構成δ軸電流指令值iδREF。
此外，本發(fā)明提供一種永磁同步電動機的無檢測器控制裝置，其包含有分配增益發(fā)生器，其將分配增益K1設定為當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是降低的，而分配增益K2當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是升高的；γ軸電流指令發(fā)生器，根據在低速度狀態(tài)下的γ軸電流指令iγREFL、在高速度狀態(tài)下的γ軸電流指令iγREFH和分配增益K1、K2產生指令iγREF；速度控制器，根據旋轉速度指令ωRREF輸出δ軸電流iδREF；δ軸電流控制器，根據δ軸電流iδREF輸出δ軸電壓指令VδREF；γ軸電流控制器，根據γ軸電流iγREF輸出γ軸電壓指令VγREF；矢量控制電路，根據δ軸電壓指令VδREF和γ軸電壓指令VγREF向同步電動機的逆變器電路輸出電壓值和位置角；三相/二相變換器，根據同步電動機的二相電流iu、iw產生δ軸電流iδ和γ軸電流iγ；γ—δ軸電流、感應電壓估計器，根據電壓指令VδREF、VγREF、δ軸電流iδ和γ軸電流iγ輸出感應電壓估計值εδest(K＋1)和εγest(K＋1)，并還向γ軸電流控制器輸出γ軸電流估計值iγest(K＋1)和向δ軸電流控制器輸出δ軸電流估計值iδest(K＋1)，比例控制速度運算器，根據感應電壓估計值εδest(K＋1)、εγest(K＋1)運算指令控制速度ωRPest，積分磁軸旋轉速度運算器，根據分配增益K1、K2和指令控制速度ωRPest輸出磁軸的旋轉速度ωRγest；以及磁軸運算器，根據磁軸的旋轉速度ωRγest向逆變器電路輸出電壓值和位置角。
根據本發(fā)明，得到如下的效果。
(1)在低速度區(qū)，其中將K1的比例指定得大于K2的比例，由于γ軸的旋轉速度ωRγ接近速度指令值ωRREF，為實際磁軸的d軸按平均值速度與γ軸相同的和基本上等于速度指令值速度旋轉。另一方面，在高速度區(qū)，由于指定K2的比例明顯大于K1的比例以及ωRP和ωRγ也是一致的，比例控制項和構成積分控制項的速度估計值是一致的。因此，矢量控制良好地實現(xiàn)。
(2)由于分配增益是連續(xù)設定的，在低速度區(qū)和高速度區(qū)之間的中間速度區(qū)，γ軸和d軸之間的誤差是逐漸校正的，以及由低速度區(qū)到高速度區(qū)的區(qū)域是利用相同的算法連續(xù)地完成。
(3)當δ軸電流指令值iδREF是由包含速度指令值ωREF和ωRρ的比例控制項和包含速度指令值ωRREF和ωRγ的積分控制項構成時，將速度估計值反饋到包含ωRP的比例指令項并抑制了d軸的暫態(tài)振蕩。


圖1是表示本發(fā)明的步驟的流程圖；圖2是實現(xiàn)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的方塊圖；以及圖3是表示根據本發(fā)明的分配增益K1、K2的關系的解釋性示意圖。
按照圖1中的流程圖介紹本發(fā)明的各實施例。
分配增益K1、K2(K1＋K2＝1)是速度指令ωRREF的函數，以及如圖3所示，執(zhí)行設定，以便在高速下K1變?yōu)?增益，以及在低速和高速間的中間區(qū)域K1線性變化。
由電流檢測器輸入U相和W相的電流iu、iw(步驟1)。
利用在先前操作回路指定的γ軸的磁軸位置θest(K)，以及執(zhí)行三相/二相變換，并且將γ—δ坐標系統(tǒng)中的實際電流值iγ(K)、iδ(K)引入(步驟2)。
輸入變換到γ—δ坐標系統(tǒng)并在(K＋1)秒的時間處輸出的電壓指令VγREF(K)，VδREF(K)(步驟3)。
根據方程式(1)，估計在(K＋1)Ts秒的時間處的γ—δ軸電流估計值Iγest(K＋1)，Iδest(K＋1)和感應的電壓估計值εγest(K＋1)，εδest(K＋1)(步驟4)。iγest(k+1)iδest(k+1)ϵγest(k+1)ϵδest(k+1)=1-(Rs/Ld)Ts(Lq/Ld)ωRγ·TsTs0-(Ld/Lq)ωRγ·Ts1-(Rs/Lq)Ts0Ts00Ts/Lq0000-Ts/Lqiγest(k)iδest(k)ϵγest(k)ϵδest(k)]]>(1)+TsLq10010000vγREF(k)vδREF(k)+K1K2K3K4K5K6K7K8iγ(k)-iγest(k)iδ(k)-iδest(k)]]>其中Rs定子電阻，Lqq軸電感，Ldd軸電感，Ts采樣時間，K1到K8觀測機反饋增益。
正如公知的，由于εγest(K＋1)＝Kε·ωR·Sinθe，εδest(K＋1)＝Kε·ωR·COSθe，根據方程式(2)，估計即時速度估計值ωRΦest(K＋1)(步驟5)。ωRφest(k+1)=sign(ϵδest(k+1)·(1+Kφ)ϵδest2(k+1)+ϵγest2(k+1)---(2)]]>KΦ感應電壓常數根據δ軸感應電壓的符號和γ軸感應電壓的符號，按照方程式(3)，將要在比例控制中使用的ωRP(K＋1)引入(步驟6)。
ωRPest(k＋1)＝ωRφest(k＋1)＋Kθ·sign(ωRφest(k＋1))·εγest(k＋1) (3)Kθ增益根據速度指令值，利用在如圖3中所示的指令的分配增益，根據方程式(4)，指定γ軸的旋轉速度和在積分控制中將要用的速度估計值ωRγest(K＋1)引入(步驟7)。
ωRγest(k＋1)＝K1ωRREF＋K2ωRP(k＋1)……(4)由這些速度估計值，根據方程式(5)，指定在(K＋1)Ts秒的時間處的γ軸的位置θest(K＋1)(步驟8)。
θest(k＋1)＝θest(k)＋θRγ(k＋1)·Ts……(5)利用在步驟7中的速度和估計的速度指令，根據方程式(6)，引入γ-δ軸的電流指令iδREF(K＋1)。根據方程式(7)，引入T軸的電流指令iγREF(步驟9)。iδREF(k+1)=KV(ωRREF-ωRPest(k+1))+KIKVTSΣi=0k+1(ωRREF-ωRPest(k+1))---(6)]]>iγREF(k＋1)＝K1iγREFL＋K2iγREFH……(7)由電流指令和該電流，估計在(K＋1)Ts時間處要輸出的電壓指令VγREF(K＋1)，VδREF(K＋1)(步驟10)。
在本發(fā)明中，如果產生朝向作為任選指定軸線的γ軸的正向DC電流iδREFL，當作為實際磁軸的d軸處于距γ軸延遲負載角θe的相位時，沿磁軸產生與iγREFLSinθe成比例并向γ軸方向的轉矩。因此，如果負載轉矩為零，實際磁軸總是受到指向作為指定磁軸的γ軸的轉矩的支配。在通常沒有阻尼繞組的同步電機中，由于阻尼系數基本上為零，α軸產生圍繞γ軸的諧波振蕩。在本發(fā)明中，將速度估計值反饋到包含ωRP的比例控制項，因此抑制了d軸的瞬態(tài)振蕩。用于積分的速度與γ軸的指定速度相一致，以在低速度區(qū)域，其中指定K1的比例大于K2的比例，由于γ軸的旋轉速度ωRγ接近速度指令值ωRREF，作為實際磁軸的d軸按照與γ軸的相同速度(按平均值)旋轉，以及按速度指令值基本相等的速度旋轉。
另一方面，在高速度區(qū)，由于感應的電壓具有足夠的數值，γ軸的旋轉速度ωRγ與d軸的旋轉速度(按平均值)和設定值相一致，從而使校正γ軸和d軸之間的角度誤差變得可能。在高速度區(qū)，由于將K2的系數指定足夠大于K1的對應值，ωRP和ωRγ是一致的，比例控制與構成積分控制項的速度估計值相一致。因此，γ軸與d軸相一致，此外速度指令與速度相一致。在無檢測器矢量控制中，γ軸被認為作為磁軸，而與d軸相一致，因此很好地執(zhí)行矢量控制。
此外，在本發(fā)明中，由于分配增益是連續(xù)設定的，在低速度區(qū)和高速度區(qū)之間的中間區(qū)域內，逐漸地校正γ軸和d軸之間的誤差，以及由低速度區(qū)到高速度區(qū)的區(qū)域是按相同的算法連續(xù)地執(zhí)行的。
圖2是本發(fā)明的方塊圖。在圖2中，標號1指分配增益發(fā)生器，標號2指速度控制器，標號3指γ軸電流指令發(fā)生器，標號4指δ軸電流控制器，標號5指γ軸電流控制器，標號6指矢量控制電路，標號7指逆變電路，標號8指同步電動機，標號9指三相/二相變換器，標號10指γ-δ軸電流、感應電壓估計器，標號11指比例控制速度運算器，標號12指磁軸運算器以及標號13指積分磁軸旋轉速度運算器。
在圖2中，利用速度指令ωRREF，分配增益發(fā)生器1產生如圖3中所示的分配增益K1，K2。在iγREFL低速指令，iγREFH高速指令和K1、K2輸入到γ軸電流指令發(fā)生器3時產生γ軸指令iγREF。速度控制器2輸出δ軸電流iδREF(K＋1)，以及由δ軸電流控制器4和γ軸電流控制器5輸出δ、γ軸電壓指令VδREF、VγREF并輸入到矢量控制電路6。由磁軸運算器12輸出的θest(K＋1)輸入到矢量控制電路6，以及電壓值和位置角輸入到逆變器電路7。逆變器電路7向同步電動機8提供電流。電流iu、iw輸入到三相/二相變換器9，以及產生轉子坐標系統(tǒng)γ-δ軸電流。這一電流輸入到γ-δ軸電流、電壓感應電壓估計器10，以及還輸入電壓指令VδREF、VγREF。利用γ-δ軸電流、感應電壓估計器10，將感應電壓估計值εδest(K＋1)、εγest(K＋1)輸入到比例控制速度運算器11以及輸出指定控制速度ωRPest。另一方面，iγest(K＋1)、iδest(K＋1)輸入到δ軸電流控制器4和γ軸電流控制器5并產生電壓指令。ωRPest和ωRREF以及分配增益K1、K2輸入到磁軸旋轉速度運算器13并輸出磁軸的旋轉速度ωRγest。
本發(fā)明可用于永磁同步電動機的無檢測器速度控制。
權利要求
1. 一種永磁同步電動機的無檢測器控制方法，其中在由零速到高速的區(qū)域內連續(xù)地控制具有永久磁鐵作為轉子的永磁同步電動機，其特征在于，在α—β空間坐標系統(tǒng)中，令一相為α軸，距α軸沿正向旋轉方向電角度90°為β軸，設坐標d-q軸按實際電動機旋轉速度ωR旋轉，其中令電動機的磁軸為d，距d軸超前90的軸為q，以及設定γ—δ軸，其中指定的電動機的磁軸為γ，距γ軸超前90的軸為δ，以及當確定γ—δ軸的旋轉速度ωRγ時，設定分配增益K1為當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是降低的，設定分配增益K2為當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是增加的，以及旋轉速度指令ωRREF乘以K1，由同步電動機的感應電壓或感應電壓估計值確定的速度估計值ωRρ乘以K2，將兩個相乘的數值求和，因此確定指定磁軸的γ—δ軸的旋轉速度ωR γ。
2. 如權利要求1所述的永磁同步電動機的無檢測器控制方法，其中γ軸電流指令值iREFL乘以增益K1和正常速度區(qū)域指令值iγREFH乘以分配增益K2并將兩個相乘值求和時，以此確定γ軸電流指令值iγREF。
3. 如權利要求1所述的永磁同步電動機的無檢測器控制方法，其中由包含速度指令值ωREF和ωRP的比例控制項和包含速度指令值ωRREF和ωRγ的積分控制項構成δ軸電流指令值iδREF。
4. 一種永磁同步電動機的無檢測器控制裝置，包含分配增益發(fā)生器，設定分配增益K1為當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是降低的，以及分配增益K2為當旋轉速度指令ωRREF的絕對值變大時是升高的；γ軸電流指令發(fā)生器，根據在低速狀態(tài)下的γ軸電流指令iγREFL、在高速度狀態(tài)下的γ軸電流指令iγREFH和分配增益K1、K2產生γ軸指令iγREF；速度控制器，根據旋轉速度指令ωRREF輸出δ軸電流iδREF；δ軸電流控制器，根據δ軸電流iδREF輸出δ軸電壓指令VδREF；γ軸電流控制器，根據γ軸電流指令iγREF輸出γ軸電壓指令VγREF；矢量控制電路，根據δ軸電壓指令VδREF和γ軸電壓指令VγREF向同步電動機的逆變器電路輸出電壓值和位置角；三相/二相變換器，根據同步電動機的二相電流iu、iw，產生δ軸電流iδ和γ軸電流iγ；γ—δ軸電流、感應電壓估計器，根據電壓指令VδREF、VγREF、δ軸電流iδ和γ軸電流iγ，輸出感應電壓估計值εδest(K＋1)和εγ est(K＋1)；以及還分別向γ軸電流控制器輸出γ軸電流估計值iγest(K＋1)和向δ軸電流控制器輸出δ軸電流估計值iδest(K＋1)；比例控制速度運算器，根據感應電壓估計值εδest(K＋1)，εγest(K＋1)運算指令控制速度ωRPest；積分磁軸旋轉速度運算器，根據分配增益K1、K2和指令控制速度ωRPest輸出磁軸的旋轉速度ωRγest；以及磁軸運算器，根據磁軸旋轉速度ωRγest向逆變器電路輸出電壓值和位置角。
全文摘要
本發(fā)明提供一種永磁同步電動機的無檢測器控制方法和裝置，其中可以在所有速度區(qū)指定磁軸以及可以不顧及速度指令連續(xù)地控制速度。按該控制方法，設定d－q軸為按電動機實際旋轉速度旋轉的磁軸，以及設定γ－δ軸為電動機的指定磁軸，當確定γ－δ軸的旋轉速度ωRγ時，設定分配增益K1為當旋轉速度指令ω
文檔編號H02P6/16GK1240064SQ97180338
公開日1999年12月29日 申請日期1997年12月4日 優(yōu)先權日1996年12月5日
發(fā)明者小黑龍一, 藤井秋一, 稻積佑敦 申請人:株式會社安川電機