同步電機控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明所涉及的同步電機控制裝置包括：檢測出同步電機的轉(zhuǎn)子的位置的位置檢測部；檢測出電樞電流的電流檢測部；生成第1及第2電流指令的電流指令生成部；電壓指令生成部，該電壓指令生成部基于電流指令、轉(zhuǎn)子的位置及電樞電流來生成電壓指令；功率轉(zhuǎn)換部，該功率轉(zhuǎn)換部基于電壓指令輸出至同步電機；磁通推定部，該磁通推定部基于根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而計算出的轉(zhuǎn)速、電壓指令及電樞電流來推定出電樞交鏈磁通；以及磁體狀態(tài)推定部，該磁體狀態(tài)推定部根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和電樞電流以及電樞交鏈磁通來推定永磁體的磁通或溫度。由此，能以較高的精度來推定永磁體的溫度或磁通，并驅(qū)動同步電機，而無需直接對永磁體安裝溫度檢測器。
【專利說明】同步電機控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具備驅(qū)動同步電機的功率轉(zhuǎn)換單元的同步電機控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，在利用具有逆變器等功率轉(zhuǎn)換單元的同步電機控制裝置對作為場磁鐵 具有永磁體的同步電機進行控制時，伴隨著因?qū)ν诫姍C的電樞繞組進行通電或同步電機 本身的鐵損等而引起的溫度上升，會產(chǎn)生場磁鐵的永磁體的磁化強度、即磁通減少的被稱 作為"減磁"的現(xiàn)象，還會產(chǎn)生若超過容許溫度則即使溫度下降至常溫、磁通也無法回到減 磁發(fā)生前的狀態(tài)的被稱作為"不可逆減磁"的現(xiàn)象。因此，在對作為場磁鐵具有永磁體的同 步電機進行控制時，至少需要控制成以使得將永磁體的溫度抑制到產(chǎn)生不可逆減磁的容許 溫度以下。另外，在僅控制同步電機的電流的情況下，通過減磁在同一電流條件下同步電機 的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩降低。然而，由于同步電機結(jié)構(gòu)上的空間問題以及利用外殼來保護周圍等原因， 難以直接將溫度檢測器安裝于永磁體，此外，作為場磁鐵具有永磁體的同步電動機大多在 轉(zhuǎn)子一側(cè)的內(nèi)部具有永磁體，這成為對于安裝溫度檢測器的更大的阻礙原因。因此，為了控 制成主要能抑制到容許溫度以下，或者，能掌握因減磁而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩下降，需要一種利用某 種方法間接地測定或推定永磁體溫度、或與永磁體溫度相關(guān)的磁通的技術(shù)。
[0003] 因此，例如在專利文獻1的旋轉(zhuǎn)電機的控制裝置中，基于從如下的電流傳感器、溫 度傳感器以及磁極位置傳感器的各傳感器獲得的電流、溫度、轉(zhuǎn)速的各種信息來獲取從設(shè) 置于場磁鐵的永磁體發(fā)出的與電樞繞組發(fā)生交鏈的磁通，其中，所述電流傳感器對在逆變 器裝置與電動發(fā)電機的電樞繞組之間進行交換的電流進行檢測，所述溫度傳感器為了修正 電樞繞組的電阻值而檢測出電樞繞組的溫度，所述磁極位置傳感器用于檢測場磁鐵的磁極 位置。
[0004] 另外，例如，在專利文獻2的電動機驅(qū)動裝置中，在利用旋轉(zhuǎn)二軸坐標(biāo)（d_q軸）轉(zhuǎn) 換的控制中，預(yù)先將永磁體中未產(chǎn)生減磁時的q軸的電壓操作量作為映射來保持，并基于 通過比例積分（PI)控制對電動機進行電流控制時的PI控制部輸出即q軸電壓操作量、保 持于所述映射中的永磁體中未產(chǎn)生減磁時的q軸電壓操作量、以及旋轉(zhuǎn)角速度ω來對減磁 量進行運算。
[0005] 另外，例如在專利文獻3的永磁體電動機的減磁檢測方法中，通過依次實施以下 步驟來判斷轉(zhuǎn)子磁體部的減磁狀態(tài)，所述步驟包括：步驟ST1，在該步驟ST1中，測定轉(zhuǎn)速以 及電流/電壓；步驟ST3,在該步驟ST3中，基于轉(zhuǎn)速以及電流/電壓的所述測定值來推定 繞組的溫度；步驟ST4,在該步驟ST4中，基于所述繞組溫度的推定值來推定所述繞組的電 阻；步驟ST5,在該步驟ST5中，基于所述繞組溫度的推定值來推定轉(zhuǎn)子磁體部的溫度；步驟 ST6,在該步驟ST6中，基于所述繞組溫度的推定值來推定感應(yīng)電壓的正常值；步驟ST7,在 該步驟ST7中，基于所述繞組電阻的推定值來推定感應(yīng)電壓的實際值；步驟ST8,在該步驟 ST8中，將在步驟ST6與ST7中推定出的感應(yīng)電壓系數(shù)的正常值與實際值進行比較，在其差 值超過規(guī)定的閾值時判斷為產(chǎn)生減磁。 現(xiàn)有技術(shù)文獻 專利文獻
[0006] 專利文獻1 :日本專利特開2010-110141號公報 專利文獻2 :日本專利特開2005-51892號公報 專利文獻3 :日本專利特開2005-192325號公報 專利文獻4 :國際公開專利W02002/091558號 專利文獻5 :國際公開專利W02010/109528號


【發(fā)明內(nèi)容】
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0007] 然而，在專利文獻1的旋轉(zhuǎn)電機的控制裝置中，當(dāng)通過磁通觀測器獲取從場磁鐵 的永磁體發(fā)出的與電樞繞組發(fā)生交鏈的磁通時，由于使用了基于檢測電樞繞組的溫度的溫 度傳感器的輸出而被修正的電樞繞組的電阻值，因此需要用于檢測電樞繞組溫度的溫度傳 感器，從而產(chǎn)生控制裝置的構(gòu)成元器件必然會增加的問題。
[0008] 另外，在專利文獻2的電動機驅(qū)動裝置中，雖然能判斷有沒有發(fā)生減磁，但專利文 獻2并未公開求出磁體溫度或磁體磁通的絕對值（量）的方法，此外，為了進行減磁判斷， 需要將減磁發(fā)生前與減磁發(fā)生后的d_q軸上的電流指令設(shè)定為相同，因此，在發(fā)生減磁時 對減磁發(fā)生進行判斷后，對減磁量進行運算、修正，從而對由于減磁量而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩下降量 進行修正，由此會產(chǎn)生如下問題：到判斷減磁發(fā)生為止電動機所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會相對于所希 望的轉(zhuǎn)矩（指令值）而有所下降。
[0009] 另外，在專利文獻3的永磁體電動機的減磁檢測方法中，預(yù)先通過實驗來求出電 樞繞組的溫度上升與轉(zhuǎn)子永磁體的溫度上升之比，并基于電樞繞組的溫度來推定永磁體的 溫度，但是電樞繞組與永磁體的熱時間常數(shù)有較大差異，此外，由于也受到電動機的運行條 件、冷卻性能等其它因素的影響，因此難以準(zhǔn)確地求出轉(zhuǎn)子永磁體相對于電樞繞組的溫度 上升而產(chǎn)生的溫度上升，從而產(chǎn)生難以針對各種條件、基于電樞繞組的溫度，高精度地推測 出磁體溫度的問題。
[0010] 本發(fā)明為了解決上述問題而得以完成，其目的在于，提供一種同步電機控制裝置， 該同步電機控制裝置能高精度地推定永磁體的溫度或磁通，以對同步電機進行驅(qū)動，而無 需直接將溫度檢測器安裝于形成場磁鐵的永磁體。 解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案
[0011] 為了解決上述問題，本發(fā)明的同步電機控制裝置具備驅(qū)動同步電機的功率轉(zhuǎn)換單 元，其特征在于，該同步電機控制裝置包括：位置檢測部或位置推定部，該位置檢測部檢測 出、或者該位置推定部推定出同步電機的轉(zhuǎn)子的位置，該同步電機具有由永磁體形成場磁 鐵的轉(zhuǎn)子；電流檢測部，該電流檢測部檢測出同步電機的電樞電流；電流指令生成部，該電 流指令生成部基于轉(zhuǎn)矩指令生成在正交二軸坐標(biāo)上經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的第1及第2電流指令； 電壓指令生成部，該電壓指令生成部基于第1及第2電流指令、所述轉(zhuǎn)子的位置及電樞電流 來生成電壓指令；功率轉(zhuǎn)換部，該功率轉(zhuǎn)換部基于電壓指令輸出至同步電機；磁通推定部， 該磁通推定部基于根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化而計算出的同步電機的轉(zhuǎn)速、電壓指令及電樞電流 來推定出同步電機的電樞交鏈磁通；以及磁體狀態(tài)推定部，該磁體狀態(tài)推定部根據(jù)轉(zhuǎn)子位 置和電樞電流以及電樞交鏈磁通來推定永磁體的磁通或溫度。 發(fā)明效果
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的同步電機控制裝置，通過根據(jù)從同步電機的電樞電流在正交二軸坐 標(biāo)上經(jīng)過轉(zhuǎn)換的d軸電流以及磁通推定部所推定出的電樞交鏈磁通的d軸分量來推定構(gòu)成 場磁鐵的永磁體的溫度或磁通，從而無需較大地改變穩(wěn)定的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，且能抑制因同步電 機的電感的設(shè)定值與實際值之間的誤差而引起的推定精度的下降，同時還能以較高的精度 推定出構(gòu)成場磁鐵的永磁體的磁通或溫度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是表示實施方式1所涉及的同步電機控制裝置及包含同步電機的整個同步電 機系統(tǒng)的圖。 圖2是表示實施方式1所涉及的同步電機控制裝置中的電壓指令生成部的一個示例的 結(jié)構(gòu)圖。 圖3是表示時序圖的一個示例的圖，該時序圖表示實施方式1所涉及的同步電機控制 裝置的電流指令生成部中的轉(zhuǎn)矩指令與d_q軸上的電流指令id*、iq*的關(guān)系。 圖4是表示實施方式1所涉及的同步電機控制裝置的其他實施方式以及包含同步電機 的整個同步電機系統(tǒng)的圖。 圖5是表示實施方式2所涉及的同步電機控制裝置及包含同步電機的整個同步電機系 統(tǒng)的圖。 圖6是在場磁鐵中具有永磁體的同步電機的向量圖。 圖7是表示實施方式2所涉及的同步電機控制裝置中的電流指令生成部的一個示例的 結(jié)構(gòu)圖。 圖8是表示實施方式2所涉及的同步電機控制裝置中的電壓指令生成部的一個示例的 結(jié)構(gòu)圖。 圖9是表示時序圖的一個示例的圖，該時序圖表示實施方式2所涉及的同步電機控制 裝置的電流指令生成部中的轉(zhuǎn)矩指令與d_q軸上的電流指令id*、iq*的關(guān)系。 圖10是表示進行實施方式3所涉及的同步電機控制裝置中的永磁體溫度（磁通）的 推定動作的速度區(qū)間的圖。 圖11是表示進行實施方式3所涉及的同步電機控制裝置中的永磁體溫度（磁通）的 推定動作的電壓范圍的圖。 圖12是表示實施方式4所涉及的同步電機控制裝置及包含同步電機的整個同步電機 系統(tǒng)的圖。 圖13是表示實施方式6所涉及的同步電機控制裝置及包含同步電機的整個同步電機 系統(tǒng)的圖。 圖14是表示實施方式7所涉及的同步電機控制裝置及包含同步電機的整個同步電機 系統(tǒng)的圖。

【具體實施方式】
[0014] 以下，參照圖1?圖14對本發(fā)明的實施方式所涉及的同步電機控制裝置進行說 明。此外，本發(fā)明的同步電機具有作為場磁鐵由永磁體形成的轉(zhuǎn)子。
[0015] 實施方式1 圖1是表示實施方式1所涉及的同步電機控制裝置以及包含同步電機的整個同步電機 系統(tǒng)的圖，圖2是表示實施方式1所涉及的同步電機控制裝置中的電壓指令生成部的一個 示例的結(jié)構(gòu)圖，另外，圖3是表示時序圖的一個示例的圖，該時序圖表示實施方式1所涉及 的同步電機控制裝置的電流指令生成部中的轉(zhuǎn)矩指令與d_q軸上的電流指令id*、iq*的關(guān) 系。
[0016] 如圖1所示，同步電機系統(tǒng)1由同步電機控制裝置2、同步電機3以及電源4構(gòu)成。 假定由圖1中未圖示出的同步電機系統(tǒng)1的上位系統(tǒng)來對本發(fā)明中的同步電機控制裝 置2提供轉(zhuǎn)矩指令τ*。作為該上位系統(tǒng)的一個示例，在使用用于對電動汽車（EV)或具有 內(nèi)燃機及電動機這兩者的混合動力汽車的車輛、以及鐵道車輛這樣的電車進行驅(qū)動的同步 電機系統(tǒng)1的情況下，具有如下的車輛控制裝置等，該車輛控制裝置根據(jù)來自駕駛者（操作 者）的加速器（檔位）或制動器的輸入量以及車速或各種輸入量來決定轉(zhuǎn)矩指令值τ*，此 夕卜，即使在工廠自動化（Factory Automation :FA)、電梯用途中，也具有基于各種因素生成 轉(zhuǎn)矩指令τ*的上位系統(tǒng)。 另外，本發(fā)明的同步電機控制裝置2中推定的永磁體的磁通量Omag或溫度Tmag也可 以傳輸至上述上游的系統(tǒng)，將該推定值用于上位系統(tǒng)的控制。其中，在本發(fā)明中，提供轉(zhuǎn)矩 指令τ *的上位系統(tǒng)沒有限制，因此上位系統(tǒng)的說明僅給出上述示例。 此處，同步電機控制裝置2如圖1及圖2所示那樣，包括：位置檢測部21，該位置檢測部 21作為位置識別部對同步電機3的轉(zhuǎn)子的位置Θ進行檢測，該同步電機3具有場磁鐵由永 磁體構(gòu)成的轉(zhuǎn)子；電流檢測部22,該電流檢測部22對同步電機3的電樞電流iu、iv、iw進 行檢測；電流指令生成部23,該電流指令生成部23基于轉(zhuǎn)矩指令τ *在旋轉(zhuǎn)正交二軸坐標(biāo) (以下記作d-q軸）上生成電流指令id*、iq* (第1電流指令（idl、iql)以及第2電流指 令（id2、iq2));電壓指令生成部24,該電壓指令生成部24基于電流指令id*、iq*以及電 流id、iq在正交二軸坐標(biāo)上生成電壓指令vd*、vq*，并根據(jù)電壓指令vd*、vq*生成經(jīng)過坐 標(biāo)轉(zhuǎn)換后的多相（三相）交流電壓指令1^*、^*、￥￥*，其中，該電流1(1、19是基于轉(zhuǎn)子的位 置Θ在正交二軸坐標(biāo)上對電樞電流iu、iv、iw進行轉(zhuǎn)換后得到的；功率轉(zhuǎn)換部25,該功率 轉(zhuǎn)換部25基于電壓指令uv*、vv*、vw*對同步電機3輸出電壓uv、vv、vw ;磁通推定部26, 該磁通推定部26基于同步電機3的轉(zhuǎn)速ω以及電壓指令vq*和電樞電流iu、iv、iw推定 同步電機3的電樞交鏈磁通Φ(1，其中，該同步電機3的轉(zhuǎn)速ω根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置Θ的變化 計算得出；以及磁體狀態(tài)推定部27,該磁體狀態(tài)推定部27根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置Θ和電樞電流 iu、iv、iw以及電樞交鏈磁通C>d推定出永磁體的磁通C>mag或溫度Tmag。此外，功率轉(zhuǎn)換 部25從電源4接受供電，電源4由直流電壓電源或電池構(gòu)成。此處，通過公知的整流器從 單相或三相的交流電源獲得直流電壓的裝置也包含在電源4的概念內(nèi)。
[0017] 接下來，對構(gòu)成實施方式1中的同步電機控制裝置2的各個要素、動作進行詳細說 明。
[0018] 位置檢測部21由公知的旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器等構(gòu)成，檢測出同步電機3的轉(zhuǎn)子的 位置Θ。此處，同步電機3的轉(zhuǎn)子的位置Θ是指構(gòu)成場磁鐵的永磁體相對于以 u相電樞繞 組為基準(zhǔn)的軸在N極方向的角度，一般而言，以同步電機3的轉(zhuǎn)速（設(shè)作電角頻率ω)旋轉(zhuǎn) 的旋轉(zhuǎn)正交二軸坐標(biāo)（以下記作d-q軸）的d軸被確定為永磁體的N極方向，其q軸被確 定為是相對于該d軸前進90°的正交方向。以下說明基于上述設(shè)定。
[0019] 為了驅(qū)動同步電機3,對電樞繞組施加多相交流電壓。由此，在同步電機3的電樞 繞組產(chǎn)生輸出電流。以下將在該電樞繞組產(chǎn)生的輸出電流記作電樞電流。電流檢測部22 通過電流傳感器等檢測出在該電樞繞組產(chǎn)生的電樞電流。在同步電機3是三相同步旋轉(zhuǎn)電 機的情況下，可以采用對同步電機3的三相的電樞電流iu、iv、iw的所有相的電樞電流進 行檢測的結(jié)構(gòu)，或者也可以采用如下結(jié)構(gòu)：對于一個相（例如w相）的電樞電流iw，利用所 檢測出的其他兩個相的電樞電流iu、iv并根據(jù)iw = -iu-iv這一關(guān)系求出該電樞電流iw。 此外，電流檢測部22除了可以采用通過直接對同步電機3的各相的電樞電流進行檢測的電 流傳感器等來實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)以外，也可以使用如下的公知技術(shù)：根據(jù)電源4與功率轉(zhuǎn)換部25 之間流過的DC鏈路電流來檢測出電樞電流。
[0020] 電流指令生成部23在實施方式1中基于轉(zhuǎn)矩指令τ *生成d-q軸上的電流指令 id*、iq*。已知在同步電機3具有由永磁體構(gòu)成場磁鐵的轉(zhuǎn)子的情況下，轉(zhuǎn)矩τ與d-q軸 上的電流id、iq的關(guān)系式由（1)式表示，因此能產(chǎn)生相同轉(zhuǎn)矩τ的d-q軸上的電流指令 id*、iq*的組合（id*、iq*)存在無數(shù)個。 數(shù)學(xué)式1

【權(quán)利要求】
1. 一種同步電機控制裝置（2)，具備對同步電機（3)進行驅(qū)動的功率轉(zhuǎn)換單元，其特征 在于，包括： 位置檢測部（21)或位置推定部（21a)，該位置檢測部（21)檢測出、或者該位置推定部 (21a)推定出所述同步電機（3)的轉(zhuǎn)子的位置，該同步電機（3)具有由永磁體形成場磁鐵的 所述轉(zhuǎn)子； 電流檢測部（22)，該電流檢測部（22)檢測出所述同步電機（3)的電樞電流； 電流指令生成部（23)，該電流指令生成部（23)基于轉(zhuǎn)矩指令生成在正交二軸坐標(biāo)上 經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的第1及第2電流指令； 電壓指令生成部（24)，該電壓指令生成部（24)基于所述第1及第2電流指令、所述轉(zhuǎn) 子的位置及所述電樞電流來生成電壓指令； 功率轉(zhuǎn)換部（25)，該功率轉(zhuǎn)換部（25)基于所述電壓指令輸出至所述同步電機（3); 磁通推定部（26)，該磁通推定部（26)基于根據(jù)所述轉(zhuǎn)子的位置的變化而計算出的所 述同步電機⑶的轉(zhuǎn)速、所述電壓指令及所述電樞電流來推定出所述同步電機⑶的電樞 交鏈磁通；以及 磁體狀態(tài)推定部（27)，該磁體狀態(tài)推定部（27)根據(jù)所述轉(zhuǎn)子的位置和所述電樞電流 以及所述電樞交鏈磁通來推定所述永磁體的磁通或溫度。
2. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 所述正交二軸坐標(biāo)是旋轉(zhuǎn)正交二軸（d_q軸）坐標(biāo)， 所述電流指令生成部（23)基于所述轉(zhuǎn)矩指令生成所述第1電流指令以及所述第2電 流指令，所述第1電流指令是第Id軸電流指令與第lq軸電流指令的指令組，所述第2電流 指令是第2d軸電流指令與第2q軸電流指令的指令組。
3. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 所述正交二軸坐標(biāo)是將所述磁通推定部（26)所推定出的所述電樞交鏈磁通的產(chǎn)生方 向作為Y軸，將該Y軸的正交方向作為δ軸的正交二軸（γ-δ軸）坐標(biāo)， 所述電流指令生成部（23)具備：控制指令運算部（231)，該控制指令運算部（231)基 于所述轉(zhuǎn)矩指令輸出S軸電流指令及電樞交鏈磁通指令；以及磁通控制部（232)，該磁通 控制部（232)基于所述電樞交鏈磁通指令及所述磁通推定部（26)所推定出的所述電樞交 鏈磁通來輸出Υ軸電流指令， 所述電流指令生成部（23)生成所述第1電流指令以及所述第2電流指令，所述第1電 流指令是第1 Υ軸電流指令與第1 S軸電流指令的指令組，所述第2電流指令是第2 γ軸 電流指令與第2δ軸電流指令的指令組。
4. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 僅在根據(jù)所述轉(zhuǎn)子的位置的變化計算出的所述同步電機的轉(zhuǎn)速的絕對值在規(guī)定值以 上的情況下，利用所述磁體狀態(tài)推定部（27)來推定所述永磁體的磁通或溫度。
5. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 僅在所述電壓指令的大小在規(guī)定值以上的情況下，利用所述磁體狀態(tài)推定部（27)來 推定所述永磁體的磁通或溫度。
6. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 所述電流指令生成部（23)根據(jù)從所述磁體狀態(tài)推定部（27)輸出的所述永磁體的磁通 或溫度來對所述電流指令進行限制。
7. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 所述電流指令生成部（23)根據(jù)從所述磁體狀態(tài)推定部（27)輸出的所述永磁體的磁通 或溫度來生成使所述同步電機（3)的轉(zhuǎn)速的絕對值減小的電流指令。
8. 如權(quán)利要求1所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 所述磁體狀態(tài)推定部（27)推定所述永磁體的磁通或溫度，并預(yù)先推定并存儲所述同 步電機（3)的電感的估計值與實際值的誤差。
9. 如權(quán)利要求1至8中任一項所述的同步電機控制裝置，其特征在于， 具備對所述同步電機（3)進行冷卻的冷卻部（5)，根據(jù)從所述磁體狀態(tài)推定部（27)輸 出的所述永磁體的磁通或溫度來控制所述冷卻部（5)。
【文檔編號】H02P21/14GK104158454SQ201410201035
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月13日
【發(fā)明者】小林貴彥, 安西清治, 和田典之, 松浦大樹 申請人:三菱電機株式會社