專(zhuān)利名稱(chēng)：永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及檢測(cè)同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置。
背景技術(shù)：
專(zhuān)利文獻(xiàn)1特開(kāi)2003-143894號(hào)公報(bào)(第1頁(yè)、圖1)在采用了永磁同步電動(dòng)機(jī)的電梯用曳引機(jī)上，一般具有用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極位置的傳感器，并大多采取將此功能嵌入到與電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸直接連接的速度檢測(cè)器中的方式。轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)精度決定了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)距的控制性能，如果電氣角偏移60度則轉(zhuǎn)距減半，而如果偏移90度或90度以上則產(chǎn)生反方向的轉(zhuǎn)距。
因此，不僅傳感器自身的檢測(cè)精度很重要，而且曳引機(jī)的安裝工序中的傳感器基準(zhǔn)位置和轉(zhuǎn)子磁極位置的定位精度也很重要。為了提高該定位精度，采用在電梯的安裝調(diào)整過(guò)程中，一邊運(yùn)行一邊校正磁極位置的方法。
另一方面，還有可利用磁極位置推測(cè)單元高精度地推測(cè)同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的磁極位置的同步電動(dòng)機(jī)磁極位置推測(cè)方法(例如，參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。該方法通過(guò)進(jìn)行磁極位置推測(cè)值的收斂運(yùn)算，來(lái)推測(cè)出在起動(dòng)時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置，而無(wú)需磁極位置檢測(cè)器。
然而，現(xiàn)有技術(shù)中存在如下問(wèn)題。在電梯等要求低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)距的應(yīng)用中，大多采用磁極數(shù)多達(dá)數(shù)十個(gè)的多極設(shè)計(jì)。這種情況下，即使是很小的機(jī)械角偏移，在換算成電氣角時(shí)也會(huì)是很大的偏移。因此，為了使電相角正確地表示轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁相位，必須充分確保絕對(duì)位置檢測(cè)器的安裝精度。
例如，在40極的電動(dòng)機(jī)的情況下，機(jī)械角偏移5度，相當(dāng)于電氣角偏移100度。因此，容易出現(xiàn)產(chǎn)生與指令相反方向的轉(zhuǎn)距、或者轉(zhuǎn)距不夠等問(wèn)題。在這種情況下，由于不能使電梯正常地運(yùn)行，存在不適合應(yīng)用以往那樣的一邊運(yùn)行一邊進(jìn)行勵(lì)磁校正的方法的問(wèn)題。
然而，考慮到制造成本，安裝絕對(duì)位置檢測(cè)器來(lái)確保為幾度量級(jí)的電氣角精度是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在多極永磁同步電動(dòng)機(jī)中使用絕對(duì)位置檢測(cè)器的情況下，電相角的校正是個(gè)大問(wèn)題。而且，與通常用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的增強(qiáng)型編碼器相比，存在絕對(duì)位置檢測(cè)器價(jià)格過(guò)高的問(wèn)題。
此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)1的磁極位置推測(cè)方法，由于在進(jìn)行初始值設(shè)定時(shí)必須進(jìn)行軸判別和極判別，并且還要進(jìn)行收斂運(yùn)算，所以可能在磁極位置推測(cè)方面要花費(fèi)時(shí)間，在實(shí)際起動(dòng)前要花費(fèi)時(shí)間。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而提出的，其目的是提供一種不使用絕對(duì)位置檢測(cè)器而使用增強(qiáng)型編碼器等位置檢測(cè)器，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置。
本發(fā)明的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，具有位置檢測(cè)器，檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置；相位運(yùn)算單元，根據(jù)檢測(cè)出的磁極位置計(jì)算電相角；功率轉(zhuǎn)換器，根據(jù)電壓指令將電壓可變、頻率可變的交流電提供給永磁同步電動(dòng)機(jī)；電流檢測(cè)器，檢測(cè)從功率轉(zhuǎn)換器輸出的各相電流；控制部，根據(jù)電相角、電流指令、和來(lái)自電流檢測(cè)器的檢測(cè)電流算出電壓指令，并將其輸出到功率轉(zhuǎn)換部，在進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)的速度控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置中，還具有檢測(cè)模式設(shè)定單元，輸出用于檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置的磁極檢測(cè)指令；磁極檢測(cè)用電流指令單元，根據(jù)來(lái)自檢測(cè)模式設(shè)定單元的磁極檢測(cè)指令，輸出多個(gè)不同的值作為初始磁極相位檢測(cè)用的電相角和電流指令；信號(hào)切換部，進(jìn)行信號(hào)處理的切換，使得在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將根據(jù)位置檢測(cè)器的位置輸出求得的電相角和根據(jù)來(lái)自外部的速度指令生成的電流指令輸出到控制部，在輸入來(lái)自檢測(cè)模式設(shè)定單元的磁極檢測(cè)指令時(shí)，將從磁極檢測(cè)用電流指令單元輸出的初始磁極相位檢測(cè)用的電相角和電流指令輸出到控制部；磁極相位判定單元，根據(jù)來(lái)自檢測(cè)模式設(shè)定單元的磁極檢測(cè)指令，從來(lái)自電流檢測(cè)器的反饋電流的檢測(cè)值中提取出電流的高頻分量，并檢測(cè)出振蕩現(xiàn)象，并將振蕩程度最大的電相角確定為初始磁極相位，對(duì)相位運(yùn)算單元進(jìn)行初始磁極相位的設(shè)定，其中所述反饋電流的檢測(cè)值與從磁極檢測(cè)用電流指令單元輸出的多個(gè)不同值相對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)下述的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置通過(guò)對(duì)電流控制系統(tǒng)附加檢測(cè)模式設(shè)定單元、磁極檢測(cè)用電流指令單元、磁極相位判定單元、開(kāi)關(guān)，可以利用增強(qiáng)型編碼器等位置檢測(cè)器而不使用絕對(duì)位置檢測(cè)器，在停止時(shí)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行磁極位置的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)迅速且平穩(wěn)的起動(dòng)。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的d軸電流控制系統(tǒng)的方框線圖。
圖3是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的電動(dòng)機(jī)的電樞電流和磁通的關(guān)系的曲線圖。
圖4是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的d軸電流控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖。
圖5是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的初始磁極位置檢測(cè)的順序處理的流程圖。
圖6表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的初始磁極位置檢測(cè)動(dòng)作中的各相電流Iu、Iv、Iw和電相角θph、d軸電流Id的關(guān)系。
圖7是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2的包含了延遲要素和開(kāi)關(guān)的d軸電流控制系統(tǒng)的方框線圖。
符號(hào)說(shuō)明2位置檢測(cè)器；3角速度運(yùn)算單元；4減法器；5速度控制單元；6相位運(yùn)算單元；7電流檢測(cè)器；8三相二相轉(zhuǎn)換器；9二相三相轉(zhuǎn)換器；10、11減法器；12d軸電流控制單元；13q軸電流控制單元；14非干擾控制單元；15、16加法器；17功率轉(zhuǎn)換器；18檢測(cè)模式設(shè)定單元；19磁極檢測(cè)用電流指令單元；20磁極相位判定單元；21a～21c開(kāi)關(guān)(信號(hào)切換部)；23延遲要素；24開(kāi)關(guān)(第二信號(hào)切換部)；100速度控制系統(tǒng)；101d-q軸非干擾控制系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
下面，利用附圖對(duì)本發(fā)明的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。本發(fā)明的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于，提供一種利用增強(qiáng)型編碼器等位置檢測(cè)器，能夠在起動(dòng)前的停止時(shí)間在短時(shí)間內(nèi)容易地進(jìn)行磁極位置的檢測(cè)，可以迅速且平穩(wěn)地起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的價(jià)格便宜的控制裝置。
實(shí)施方式1圖1是本發(fā)明實(shí)施方式1的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。該永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，被構(gòu)成為包含通常被用作電流控制系統(tǒng)的d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101(相當(dāng)于圖1的虛線所示部分)的速度控制系統(tǒng)100(相當(dāng)于圖1的單點(diǎn)劃線所示部分)，還進(jìn)一步附加了檢測(cè)模式設(shè)定單元18、磁極檢測(cè)用電流指令單元19、磁極相位判定單元20、開(kāi)關(guān)21a～21c。
首先，對(duì)速度控制系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。d-q軸非干擾控制系統(tǒng)是以往就有的，用來(lái)進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)1的電流控制，是還包含速度控制的一般控制方式。該速度控制系統(tǒng)100由位置檢測(cè)器2、角速度運(yùn)算單元3、減法器4、速度控制單元5、相位運(yùn)算單元6、電流檢測(cè)器7、三相二相轉(zhuǎn)換器8、二相三相轉(zhuǎn)換器9、減法器10和11、d軸電流控制單元12、q軸電流控制單元13、非干擾控制單元14、加法器15和16、功率轉(zhuǎn)換器17構(gòu)成。
位置檢測(cè)器2檢測(cè)隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的位置，相當(dāng)于編碼器等。角速度運(yùn)算單元3，根據(jù)位置檢測(cè)器2的位置輸出利用差分等方法計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)1的旋轉(zhuǎn)角速度ωr。減法器4計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)1的旋轉(zhuǎn)角速度指令ωrcom和旋轉(zhuǎn)角速度ωr的偏差。
速度控制單元5根據(jù)由減法器4計(jì)算出的偏差，將永磁同步電動(dòng)機(jī)1應(yīng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距作為電流指令進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行速度控制，以使得旋轉(zhuǎn)角速度ωr隨動(dòng)于旋轉(zhuǎn)角速度指令ωrcom。而且，在為了改善控制性能，而除了偏差之外，還將旋轉(zhuǎn)角速度ωr和旋轉(zhuǎn)角速度指令ωrcom作為速度控制單元5的輸入的結(jié)構(gòu)中，下述內(nèi)容也同樣成立。
在三相交流電動(dòng)機(jī)的控制中，一般大多進(jìn)行將三相的電流、電壓轉(zhuǎn)換為2軸的處理。這里，將α軸與三相的U相軸重合的靜止2軸上的坐標(biāo)系稱(chēng)為α-β坐標(biāo)系。另外，將d軸與轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁方向重合的旋轉(zhuǎn)2軸上的坐標(biāo)系稱(chēng)為d-q軸坐標(biāo)系。圖1中的d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101，相當(dāng)于該d-q軸坐標(biāo)系的控制系統(tǒng)。
相位運(yùn)算單元6根據(jù)位置檢測(cè)器2的位置輸出來(lái)計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)子的電氣角相位θre。該電氣角相位θre表示從α-β坐標(biāo)系觀察到的d-q軸坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度。電流檢測(cè)器7檢測(cè)流過(guò)永磁同步電動(dòng)機(jī)1的定子繞組(線圈)的三相交流電流(Iu、Iv、Iw)。
三相二相轉(zhuǎn)換器8將三相電流(Iu、Iv、Iw)轉(zhuǎn)換為d-q軸坐標(biāo)系中的電流(Id、Iq)。二相三相轉(zhuǎn)換器9將在d-q軸坐標(biāo)系的電壓指令值(Vd、Vq)轉(zhuǎn)換為三相的電壓指令值(Vu、Vv、Vw)。減法器10和減法器11分別計(jì)算永磁同步電動(dòng)機(jī)1的定子繞組電流的d軸分量的電流指令I(lǐng)dcom及其反饋電流值Id的偏差，以及q軸分量的電流指令I(lǐng)qcom及其反饋電流值Iq的偏差。
d軸電流控制單元12和q軸電流控制單元13根據(jù)由減法器10和減法器11計(jì)算出的偏差，求出控制輸出(Vd’、Vq’)，進(jìn)行電流控制，使得各個(gè)反饋電流值隨動(dòng)于各自的電流指令。非干擾控制單元14進(jìn)行使各個(gè)電流互不干擾的前饋補(bǔ)償，使得可以獨(dú)立控制d軸電流和q軸電流。
加法器15和加法器16將非干擾控制單元14的輸出分別與d軸和q軸的控制輸出(Vd’、Vq’)相加，計(jì)算各自的電壓指令(Vd、Vq)。進(jìn)而，功率轉(zhuǎn)換器17根據(jù)三相的電壓指令值(Vu、Vv、Vw)輸出電壓可變、頻率可變的三相交流電壓。
下面，對(duì)基于這些結(jié)構(gòu)的一系列控制動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。由于該d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101的控制方式是在與永磁同步電動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)同步的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上進(jìn)行的控制，所以對(duì)作為基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)就變得很重要。利用根據(jù)來(lái)自與永磁同步電動(dòng)機(jī)1的轉(zhuǎn)子連接的位置檢測(cè)器2的信號(hào)，由相位運(yùn)算單元6計(jì)算出的相位角θre來(lái)表示轉(zhuǎn)子磁極位置。
根據(jù)由相位運(yùn)算單元6計(jì)算出的相位角θre，由三相二相轉(zhuǎn)換器8將由電流檢測(cè)器7檢測(cè)出的永磁同步電動(dòng)機(jī)1的三相電流(Iu、Iv、Iw)轉(zhuǎn)換為d-q軸的二相電流反饋值(Id、Iq)。然后，d軸電流控制單元12和q軸電流控制單元13根據(jù)該被轉(zhuǎn)換為2相的電流反饋值(Id、Iq)與各軸的電流指令值(Idcom、Iqcom)的各自偏差進(jìn)行反饋控制，輸出控制輸出(Vd’、Vq’)。
此時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)d軸和q軸的控制的非干擾化，以便不受到來(lái)自其它軸的干擾電壓的影響，非干擾控制單元14根據(jù)預(yù)先計(jì)算出的干擾電壓，進(jìn)行非干擾前饋補(bǔ)償。這樣，由于實(shí)現(xiàn)了非干擾化，各軸獨(dú)立地進(jìn)行反饋控制，所以d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101被稱(chēng)為非干擾控制方式。
將非干擾控制單元14的輸出與控制輸出(Vd’、Vq’)相加而算出的電壓指令(Vd、Vq)，根據(jù)相位運(yùn)算單元6計(jì)算出的相位角θre，由二相三相轉(zhuǎn)換器9轉(zhuǎn)換為三相電壓指令值(Vu、Vv、Vw)。然后，功率轉(zhuǎn)換器17根據(jù)三相電壓指令值(Vu、Vv、Vw)輸出電壓可變、頻率可變的三相交流電壓，由此來(lái)進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)1的速度控制。
在圖1的結(jié)構(gòu)中，在永磁同步電動(dòng)機(jī)1具有被稱(chēng)為非突極型的轉(zhuǎn)子形狀的情況下，一般在多數(shù)情況下使d軸電流指令I(lǐng)dcom為0?？墒?，在為了降低高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的電壓而減弱磁場(chǎng)的情況下，或在逆突極型的永磁同步電動(dòng)機(jī)1中使用磁阻轉(zhuǎn)矩等的情況下，可以將d軸電流指令I(lǐng)dcom控制為適當(dāng)?shù)闹怠?br>
下面，對(duì)速度控制系統(tǒng)100中新增加的檢測(cè)模式設(shè)定單元18、磁極檢測(cè)用電流指令單元19、磁極相位判定單元20、開(kāi)關(guān)21a～21c進(jìn)行說(shuō)明。通過(guò)附加這些結(jié)構(gòu)，在使用了不是絕對(duì)位置檢測(cè)器的位置檢測(cè)器2的情況下，可以容易地檢測(cè)電源閉合后的初始磁極位置。
檢測(cè)模式設(shè)定單元18具有存儲(chǔ)磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志的設(shè)置/復(fù)位狀態(tài)的存儲(chǔ)部(未圖示)，該磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志表示是否處于已檢測(cè)出磁極位置的狀態(tài)。在圖1中，由于位置檢測(cè)器2不是絕對(duì)位置檢測(cè)器，所以在電源閉合時(shí)處于未檢測(cè)出正確的磁極位置的狀態(tài)。因此，檢測(cè)模式設(shè)定單元18在電源閉合時(shí)復(fù)位存儲(chǔ)于存儲(chǔ)部中的磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志。
并且，檢測(cè)模式設(shè)定單元18在永磁同步電動(dòng)機(jī)1起動(dòng)時(shí)，從存儲(chǔ)部取出磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志，判斷是否需要進(jìn)行磁極檢測(cè)動(dòng)作。進(jìn)而，在檢測(cè)模式設(shè)定單元18根據(jù)磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志已復(fù)位的情況判斷出需要進(jìn)行磁極檢測(cè)動(dòng)作的情況下，輸出用于檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)1的磁極位置的磁極檢測(cè)指令。
當(dāng)磁極檢測(cè)用電流指令單元19從檢測(cè)模式設(shè)定單元18接收到磁極檢測(cè)指令時(shí)，輸出用于檢測(cè)初始磁極相位的電相角和電流指令。磁極檢測(cè)用電流指令單元19針對(duì)某個(gè)規(guī)定的d軸電流的電流指令，使電相角緩慢變化，輸出初始磁極相位檢測(cè)用的電相角和電流指令。而且，磁極檢測(cè)用電流指令單元19針對(duì)不同的電流指令，也能使電相角緩慢變化生成輸出信號(hào)，可以生成多個(gè)不同圖案的輸出值。
另外，磁極檢測(cè)用電流指令單元19例如可以對(duì)電流指令值進(jìn)行如下設(shè)定。即，磁極檢測(cè)用電流指令單元19通過(guò)設(shè)定電流指令值，以使d軸電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通和永磁產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通的和，成為使永磁同步電動(dòng)機(jī)1的定子鐵芯等電動(dòng)機(jī)磁回路的一部分達(dá)到磁飽和程度的值，由此能夠設(shè)定成更容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的狀態(tài)。而且，該d軸始終是控制上的概念，由于在該階段未檢測(cè)出磁極位置，因此d軸相位和永磁的勵(lì)磁磁通的方向未必一致。
當(dāng)磁極相位判定單元20從檢測(cè)模式設(shè)定單元18接收到磁極檢測(cè)指令時(shí)，根據(jù)d軸的反饋電流Id判定磁極相位。具體地講，磁極相位判定單元20從反饋電流Id的檢測(cè)值中提取出電流的高頻分量，檢測(cè)出d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101的電流控制系統(tǒng)的振蕩現(xiàn)象。進(jìn)而，磁極相位判定單元20判定轉(zhuǎn)子磁極存在于檢測(cè)到的振蕩現(xiàn)象的振蕩程度為最大的電相角上，將該電相角確定為初始磁極相位。
而且，磁極相位判定單元20對(duì)相位運(yùn)算單元6進(jìn)行將已確定的初始磁極相位作為初始相位的設(shè)定。相位運(yùn)算單元6通過(guò)利用所設(shè)定的初始相位進(jìn)行起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，可以使磁極位置不明確的永磁同步電動(dòng)機(jī)1平穩(wěn)起動(dòng)。
而且，磁極相位判定單元20在可以確定初始磁極相位之后，設(shè)置磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志并存儲(chǔ)到檢測(cè)模式設(shè)定單元18的存儲(chǔ)部。這樣，在電源閉合后的首次起動(dòng)時(shí)，可以確定初始磁極相位。在進(jìn)行電源閉合后的第二次及第二次以后的起動(dòng)時(shí)，檢測(cè)模式設(shè)定單元18根據(jù)已設(shè)置了存儲(chǔ)部的磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志的情況，可以判斷為不需要進(jìn)行磁極檢測(cè)動(dòng)作。由此，在電源閉合后的第二次及第二次以后的起動(dòng)時(shí)，可以不進(jìn)行磁極檢測(cè)動(dòng)作而直接進(jìn)行平穩(wěn)的起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。
開(kāi)關(guān)21a～21c是根據(jù)來(lái)自檢測(cè)模式設(shè)定單元18的磁極檢測(cè)指令來(lái)切換輸出信號(hào)的信號(hào)切換部。開(kāi)關(guān)21a～21c在沒(méi)有從檢測(cè)模式設(shè)定單元18接收到磁極檢測(cè)指令時(shí)(即相當(dāng)于正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí))，根據(jù)位置檢測(cè)器2的位置輸出將利用相位運(yùn)算單元6計(jì)算出的電相角θre和電流指令(Idcom、Iqcom)輸出到d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101。
另一方面，開(kāi)關(guān)21a～21c在從檢測(cè)模式設(shè)定單元18接收到磁極檢測(cè)指令時(shí)，將提供給d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101的電相角和電流指令值切換成從磁極檢測(cè)用電流指令單元19輸出的初始磁極相位檢測(cè)用的電相角θph和電流指令(Idph、Iqph)。
下面，對(duì)利用本結(jié)構(gòu)能夠檢測(cè)出初始磁極相位的原因進(jìn)行說(shuō)明。圖2是表示本發(fā)明的實(shí)施方式1的d軸電流控制系統(tǒng)的方框線圖。一次延遲方框22是表示從施加給電動(dòng)機(jī)電樞的電壓到電流的傳遞函數(shù)的方框。電流控制方框12a是表示d軸電流控制單元12中使用的控制運(yùn)算的示例的方框。
該電流控制方框12a通常作為用于抑制電流的穩(wěn)定偏差的比例積分(PI)控制。PI補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)由電動(dòng)機(jī)常數(shù)的標(biāo)稱(chēng)值和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)響應(yīng)頻率ωc來(lái)決定。即，在使電樞線圈的電阻值Ra的標(biāo)稱(chēng)值為R，感應(yīng)系數(shù)La的標(biāo)稱(chēng)值為L(zhǎng)的情況下，通常將控制常數(shù)設(shè)計(jì)成使伯德圖上的PI補(bǔ)償器的拐點(diǎn)頻率ωi等于電動(dòng)機(jī)電樞線圈的時(shí)間常數(shù)的標(biāo)稱(chēng)值(L/R)的倒數(shù)。
在這種情況下，已經(jīng)公知的是電流控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)僅用積分系統(tǒng)ωc/s表示，相位始終為-90度，并能夠進(jìn)行穩(wěn)定的控制。而且，雖然在圖2中表示了d軸的情況，但是q軸也可以同樣地進(jìn)行電流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
另一方面，經(jīng)常有實(shí)際的電動(dòng)機(jī)常數(shù)偏離標(biāo)稱(chēng)值的情況，定子鐵芯等的磁飽和也是引起該情況的重要原因之一。圖3是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的永磁同步電動(dòng)機(jī)1的電樞電流和磁通的關(guān)系的曲線圖。如圖3所示，當(dāng)電樞電流增大時(shí)，由于定子鐵芯等的磁飽和的影響，曲線的斜率有變小的傾向。由于與永磁同步電動(dòng)機(jī)1的電流控制相關(guān)的感應(yīng)系數(shù)L與該曲線的斜率Δφ/ΔI相等，因此由于磁飽和的影響，感應(yīng)系數(shù)La的值比標(biāo)稱(chēng)值L小。
圖4是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的d軸電流控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖。圖4分別表示了感應(yīng)系數(shù)與標(biāo)稱(chēng)值相等的情況(相當(dāng)于La＝L)，和由于磁飽和而小于標(biāo)稱(chēng)值的情況(相當(dāng)于La＜L)。
在La＝L的情況下，如前所述，用具有-20dB/dec的斜率、在設(shè)計(jì)響應(yīng)頻率ωc處增益為0的直線來(lái)表示增益，相位保持為-90度。另一方面，在La＜L的情況下，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)不僅僅是積分，而是在伯德圖上形成表示前進(jìn)延遲特性的、在高頻區(qū)域增益大幅度隆起的形狀。
在這種情況下，由于增益為零時(shí)的相位是-90度，所以在理論上控制是穩(wěn)定的。可是，由于數(shù)字控制導(dǎo)致的控制延遲，或者傳感器特性等的影響，在高頻區(qū)域的相位容易產(chǎn)生延遲，所以實(shí)際上存在不穩(wěn)定的傾向。因此，當(dāng)電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁通的相位和永磁產(chǎn)生的勵(lì)磁磁通的相位一致，鐵芯中流過(guò)很大的磁通，并且由于磁飽和導(dǎo)致感應(yīng)系數(shù)小于標(biāo)稱(chēng)值時(shí)，在控制系統(tǒng)的增益足夠高的情況下，電流控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。
因此，通過(guò)從反饋電流中提取出振動(dòng)分量，并檢測(cè)出該振蕩現(xiàn)象，可以確定勵(lì)磁磁通和電樞反應(yīng)磁通的相位關(guān)系，能夠容易地找到初始磁極位置。而且，考慮到當(dāng)振蕩狀態(tài)持續(xù)時(shí)，振動(dòng)振幅會(huì)慢慢變大甚至使系統(tǒng)發(fā)生異常，但如后所述，通過(guò)使相位角變化和提供指令使得不產(chǎn)生過(guò)大的電流，來(lái)在系統(tǒng)異常之前抑制振幅。
下面，根據(jù)流程圖，對(duì)連續(xù)的動(dòng)作處理進(jìn)行說(shuō)明。圖5是表示本發(fā)明實(shí)施方式1的初始磁極位置檢測(cè)的順序處理的流程圖。首先，在步驟S501，當(dāng)檢測(cè)模式設(shè)定單元18從外部接收到永磁同步電動(dòng)機(jī)1的起動(dòng)指令時(shí)，從存儲(chǔ)部取出磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志，根據(jù)已設(shè)置磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志還是已復(fù)位磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志來(lái)判斷磁極檢測(cè)是否完成。
在磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志已復(fù)位，并判斷為磁極檢測(cè)未完成的情況下，檢測(cè)模式設(shè)定單元18輸出磁極檢測(cè)指令，然后，前進(jìn)至步驟S502的處理。另外，在磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志已經(jīng)設(shè)置，并判斷為磁極檢測(cè)已經(jīng)完成的情況下，檢測(cè)模式設(shè)定單元18不輸出磁極檢測(cè)指令，然后，前進(jìn)至步驟S509的處理。
在步驟S502，磁極檢測(cè)用電流指令單元19通過(guò)從檢測(cè)模式設(shè)定單元18接收磁極檢測(cè)指令，設(shè)定初始磁極檢測(cè)動(dòng)作所必需的d軸電流指令值Idph，并將q軸電流指令值Iqph設(shè)定為Iqph＝0。
在步驟S503，檢測(cè)模式設(shè)定單元18通過(guò)輸出磁極檢測(cè)指令來(lái)切換開(kāi)關(guān)21a～21c。由此，開(kāi)關(guān)21a～21c將磁極檢測(cè)用的電流指令(Idph、Iqph)和電相角θph輸出到d-q軸非干擾控制系統(tǒng)101。
圖1的開(kāi)關(guān)21a～21c的狀態(tài)，表示的是為了進(jìn)行磁極檢測(cè)而被切換成與來(lái)自磁極檢測(cè)用電流指令單元19的輸出信號(hào)相連接的狀態(tài)。即，根據(jù)來(lái)自檢測(cè)模式設(shè)定單元18的磁極檢測(cè)指令，開(kāi)關(guān)21a與d軸電流指令值Idph連接，開(kāi)關(guān)21b與q軸電流指令值Iqph連接，開(kāi)關(guān)21c與電相角θph連接。
然后，在步驟S504，磁極檢測(cè)用電流指令單元19使電相角θph增加預(yù)先規(guī)定的量。接著在步驟S505，磁極相位判定單元20從在步驟S504設(shè)定的電相角θph的反饋電流的檢測(cè)值中提取出電流的高頻分量。
然后，在步驟S506，磁極檢測(cè)用電流指令單元19判斷電相角θph是否變化了一個(gè)或一個(gè)以上的周期，重復(fù)步驟S504～步驟S506的操作直至變化了一個(gè)或一個(gè)以上的周期。通過(guò)該重復(fù)處理，磁極相位判定單元20在一個(gè)周期的范圍內(nèi)從電相角θph變化時(shí)的各個(gè)反饋電流的檢測(cè)值中提取出電流的高頻分量的數(shù)據(jù)。
在步驟S506，當(dāng)判斷為電相角θph變化了一個(gè)或一個(gè)以上的周期時(shí)，在步驟S507，磁極相位判定單元20根據(jù)所提取出的高頻分量數(shù)據(jù)，判斷通過(guò)使電相角θph發(fā)生一個(gè)周期的變化，電流控制系統(tǒng)是否已產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。而且，在磁極相位判定單元20判斷為沒(méi)有產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的情況下，轉(zhuǎn)移至步驟S512的處理。
另一方面，在磁極相位判定單元20判斷為產(chǎn)生了振蕩現(xiàn)象的情況下，判定為轉(zhuǎn)子磁極存在于振蕩程度最大的電相角處，確定電相角，并轉(zhuǎn)移至步驟S508的處理。然后，在步驟S508，磁極相位判定單元20根據(jù)確定的電相角，更新相位運(yùn)算單元6所保持的磁極相位。
圖6表示本發(fā)明實(shí)施方式1的初始磁極檢測(cè)動(dòng)作中的各相電流Iu、Iv、Iw和電相角θph和d軸電流Id的關(guān)系。在該示例中，表示了在電相角θph超過(guò)180度的附近，各相電流和d軸電流上重疊高頻振動(dòng)的狀態(tài)。磁極相位判定單元20可以判斷為轉(zhuǎn)子磁極存在于與這樣的振蕩狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的電相角處，并可確定電相角。
而且，在圖1中，磁極相位判定單元20作為取入d軸電流Id，檢測(cè)與d軸電流Id重疊的振動(dòng)的結(jié)構(gòu)，但根據(jù)與各相電流重疊的振動(dòng)也同樣可以檢測(cè)出轉(zhuǎn)子磁極。另外，由于電相角θph的變化速度，而比實(shí)際的磁極相位稍遲地來(lái)觀測(cè)振蕩現(xiàn)象，所以取與使電相角θph朝相反方向變化時(shí)的平均值，可以進(jìn)行更高精度的檢測(cè)。
在先前的步驟S507，在判斷為沒(méi)有產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的情況下，在步驟S512，磁極檢測(cè)用電流指令單元19使d軸電流指令值Idph增加，使得容易產(chǎn)生定子的磁飽和，然后，重復(fù)步驟S504～步驟S507的處理，進(jìn)行磁極位置的判定處理。
而且，根據(jù)本實(shí)施方式1的磁極檢測(cè)，可以在起動(dòng)時(shí)在短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出磁極位置，使永磁同步電動(dòng)機(jī)1平穩(wěn)起動(dòng)。起動(dòng)后，對(duì)于要求高精度的轉(zhuǎn)距控制的情況，如上所述，在確定電相角的初始值并起動(dòng)后，通過(guò)進(jìn)行以往提出的磁極校正運(yùn)轉(zhuǎn)(例如，特開(kāi)平10-80188)，能夠進(jìn)一步提高磁極的檢測(cè)精度。圖5的步驟S509～步驟S511，就是表示用于進(jìn)行該磁極校正運(yùn)轉(zhuǎn)的流程圖。
根據(jù)實(shí)施方式1，通過(guò)對(duì)電流控制系統(tǒng)附加檢測(cè)模式設(shè)定單元、磁極檢測(cè)用電流指令單元、磁極相位判定單元、開(kāi)關(guān)，可以利用增強(qiáng)型編碼器等位置檢測(cè)器，在停止時(shí)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行磁極位置的檢測(cè)，可以在短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。
還有，如果將用于初始磁極相位檢測(cè)的電相角和電流指令的初始值設(shè)定為容易使電流控制系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的值，則能夠在短時(shí)間內(nèi)容易地進(jìn)行磁極位置檢測(cè)。
而且，以上對(duì)電源閉合后首次起動(dòng)時(shí)進(jìn)行磁極位置檢測(cè)的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但不限于此?？梢栽诿看纹饎?dòng)時(shí)進(jìn)行該磁極位置檢測(cè)，也可以根據(jù)來(lái)自外部的磁極檢測(cè)指令來(lái)進(jìn)行。
實(shí)施方式2在實(shí)施方式1中，作為容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的方法，對(duì)使d軸電流指令值Idph增加的情況進(jìn)行了說(shuō)明。在本實(shí)施方式2中，對(duì)容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的其他方法進(jìn)行說(shuō)明。
如圖4的伯德圖所示，通過(guò)使高頻區(qū)域的相位延遲也可以使振蕩現(xiàn)象容易產(chǎn)生。由此，在圖5的步驟S512的處理中，可以向電流控制環(huán)中插入延遲要素(冗余時(shí)間要素)以替代使d軸電流指令值Idph增加。
圖7是表示本發(fā)明實(shí)施方式2的包含了延遲要素23和開(kāi)關(guān)24的d軸電流控制系統(tǒng)的方框線圖。延遲要素23輸出具有相對(duì)電流控制系統(tǒng)的反饋電流值Id的時(shí)間延遲的反饋電流值Id’。另外，開(kāi)關(guān)24是根據(jù)來(lái)自磁極相位判定單元20的延遲要素插入指令來(lái)切換輸出信號(hào)的第二信號(hào)切換部。
在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，或者在進(jìn)行實(shí)施方式1中所說(shuō)明的磁極位置檢測(cè)時(shí)，磁極相位判定單元20不生成延遲要素插入指令。但是，在進(jìn)行磁極位置檢測(cè)時(shí)，在即使將d軸電流指令值Idph增加也被判斷為不產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象的情況下，磁極相位判定單元20可以輸出延遲要素插入指令。
在沒(méi)有來(lái)自磁極相位判定單元20的延遲要素插入指令的情況下，開(kāi)關(guān)24將反饋電流Id作為反饋電流值輸出。另一方面，開(kāi)關(guān)24在接收到來(lái)自磁極相位判定單元20的延遲要素插入指令的情況下，將具有相對(duì)反饋電流Id的由延遲要素23引起的時(shí)間延遲的反饋電流Id’作為反饋電流值輸出。
根據(jù)實(shí)施方式2，通過(guò)根據(jù)延遲要素插入指令將延遲要素插入到電流反饋環(huán)，可以使磁極位置檢測(cè)時(shí)的反饋電流容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。由此，在僅僅增加電流指令值，反饋電流不能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，而不能確定磁極位置的情況下，可以通過(guò)插入延遲要素來(lái)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，能夠容易地檢測(cè)出磁極位置。
而且，由于通過(guò)插入延遲要素可以使反饋電流容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，所以反而無(wú)需增加電流指令值。因此，可以在將電流指令值抑制為較低的狀態(tài)下進(jìn)行磁極位置檢測(cè)，并且可以抑制磁極位置檢測(cè)時(shí)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。
權(quán)利要求
1.一種永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，用于進(jìn)行永磁同步電動(dòng)機(jī)的速度控制，其具有位置檢測(cè)器，檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置；相位運(yùn)算單元，根據(jù)檢測(cè)出的所述磁極位置計(jì)算出電相角；功率轉(zhuǎn)換器，根據(jù)電壓指令將電壓可變、頻率可變的交流電提供給所述永磁同步電動(dòng)機(jī)；電流檢測(cè)器，檢測(cè)從所述功率轉(zhuǎn)換器輸出的各相電流；控制部，根據(jù)電相角、電流指令、和來(lái)自所述電流檢測(cè)器的檢測(cè)電流來(lái)計(jì)算出電壓指令，并將其輸出到所述功率轉(zhuǎn)換部；其特征在于，還具有檢測(cè)模式設(shè)定單元，輸出用于檢測(cè)所述永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置的磁極檢測(cè)指令；磁極檢測(cè)用電流指令單元，根據(jù)來(lái)自所述檢測(cè)模式設(shè)定單元的所述磁極檢測(cè)指令，輸出多個(gè)不同的值作為用于初始磁極相位檢測(cè)的電相角和電流指令；信號(hào)切換部，進(jìn)行信號(hào)處理的轉(zhuǎn)換，使得在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將根據(jù)所述位置檢測(cè)器的位置輸出求得的電相角和根據(jù)來(lái)自外部的速度指令生成的電流指令輸出到所述控制部，在輸入來(lái)自所述檢測(cè)模式設(shè)定單元的所述磁極檢測(cè)指令時(shí)，將從所述磁極檢測(cè)用電流指令單元輸出的用于初始磁極相位檢測(cè)的電相角和電流指令輸出到所述控制部；磁極相位判定單元，根據(jù)來(lái)自所述檢測(cè)模式設(shè)定單元的所述磁極檢測(cè)指令，從來(lái)自所述電流檢測(cè)器的反饋電流的檢測(cè)值中提取出電流的高頻分量并檢測(cè)出振蕩現(xiàn)象，將振蕩最大的電相角確定為初始磁極相位，對(duì)所述相位運(yùn)算單元進(jìn)行所述初始磁極相位的設(shè)定，所述反饋電流與從所述磁極檢測(cè)用電流指令單元輸出的多個(gè)不同值相對(duì)應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于，所述磁極檢測(cè)用電流指令單元在一個(gè)電相角周期內(nèi)將所述初始磁極相位檢測(cè)用的電相角設(shè)定為多個(gè)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于，所述磁極檢測(cè)用電流指令單元將用于初始磁極相位檢測(cè)的電流指令值設(shè)定在某值的附近，該某值使得電樞反應(yīng)磁通和由永磁引起的勵(lì)磁磁通之和使所述永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁路的一部分磁飽和。
4.根據(jù)權(quán)利要求1～3中的任意一項(xiàng)所述的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于，所述檢測(cè)模式設(shè)定單元具有存儲(chǔ)磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志的存儲(chǔ)部，在電源閉合時(shí)復(fù)位磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志并將其存儲(chǔ)到所述存儲(chǔ)部，在起動(dòng)時(shí)從所述存儲(chǔ)部取出所述磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志，在所述磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志已被復(fù)位的情況下，輸出用于檢測(cè)所述永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置的磁極檢測(cè)指令；在可以確定所述初始磁極相位之后，所述磁極相位判定單元設(shè)置磁極位置檢測(cè)完成標(biāo)志并將其存儲(chǔ)到所述檢測(cè)模式設(shè)定單元的存儲(chǔ)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中的任意一項(xiàng)所述的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于，所述控制部還具有延遲要素部，輸入來(lái)自所述電流檢測(cè)器的檢測(cè)電流，輸出具有時(shí)間延遲的信號(hào)；第二信號(hào)切換部，進(jìn)行信號(hào)處理的切換，使得在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出來(lái)自所述電流檢測(cè)器的檢測(cè)電流，作為在所述控制部使用的反饋電流，而在輸入延遲要素插入指令時(shí)，輸出來(lái)自所述延遲要素部的信號(hào)，作為在所述控制部使用的反饋電流；所述磁極相位判定單元，在根據(jù)來(lái)自所述檢測(cè)模式設(shè)定單元的所述磁極檢測(cè)指令進(jìn)行初始磁極相位的確定時(shí)，根據(jù)需要向所述第二信號(hào)切換部輸出延遲要素插入指令。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種不用絕對(duì)位置檢測(cè)器，而能在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)的永磁電動(dòng)機(jī)的控制裝置。其具有檢測(cè)模式設(shè)定單元(18)，輸出用于檢測(cè)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置的磁極檢測(cè)指令；磁極檢測(cè)用電流指令單元(19)，根據(jù)磁極檢測(cè)指令，輸出多個(gè)不同的值作為用于初始磁極相位檢測(cè)的電相角和電流指令；信號(hào)切換部(21a～21c)，輸入磁極檢測(cè)指令時(shí)，將從磁極檢測(cè)用電流指令單元輸出的用于初始磁極相位檢測(cè)的電相角以及電流指令輸出到控制部；磁極相位判定單元(20)，根據(jù)磁極檢測(cè)指令，從反饋電流中提取出電流的高頻分量并檢測(cè)出振蕩現(xiàn)象，該反饋電流與從磁極檢測(cè)用電流指令單元(19)輸出的多個(gè)不同值相對(duì)應(yīng)，并將振蕩最大的電相角確定為初始磁極相位。
文檔編號(hào)H02P6/20GK1794560SQ20051007742
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者安江正德 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社