專利名稱：同步電動機(jī)的磁極位置推定方法及控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用無速度傳感器的向量控制來進(jìn)行同步電動機(jī)控制的同步電動機(jī)控制裝置，尤其涉及一種同步電動機(jī)的磁極位置推定方法。
背景技術(shù)：
用于控制同步電動機(jī)的方法之一為向量控制。所謂向量控制，其目的在于，通過將恒定勵磁電流(d軸電流)與對應(yīng)于必要轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流(q軸電流)的相位差維持為90度電角度，達(dá)到與直流機(jī)相當(dāng)或高于其的效率和響應(yīng)性一般，為了進(jìn)行同步電動機(jī)的向量控制，必須利用速度傳感器來測定同步電動機(jī)的速度。但從成本、可靠性等觀點來看，不采用速度傳感器比較有利。因此，有人采用如下的無速度傳感器向量控制，即，不用速度傳感器實際測定同步電動機(jī)的速度，而是推定同步電動機(jī)的速度，并利用該推定值進(jìn)行向量控制。在無速度傳感器的向量控制中，為了推定同步電動機(jī)的速度，首先要推定磁極位置，根據(jù)該磁極位置來推定速度。
以前，在下述文獻(xiàn)里公開了一些同步電動機(jī)的控制方法，該控制方法在同步電動機(jī)的驅(qū)動頻率幾乎為零的零頻率區(qū)域(即，在超低速運(yùn)轉(zhuǎn)時)也能推定同步電動機(jī)的磁極位置，輸出與負(fù)載相匹配的轉(zhuǎn)矩。
參考文獻(xiàn)1M.Schroedl、“Sensorless control of induction motorsat low speed and standstill、”in Proceedings ICEM’92(InternationalConference on Electricai Machines September 1992)，pp.863-867.
參考文獻(xiàn)2M.J.Corley and R.D.Lorenz、“Rotor Position andVelocity Estimation for a salient-Pole Permanent Magnet SynchronousMachine at Standstill and High Speeds”，IEEE Transactions onIndustry Applications、Volume 34，Number 4，July/August，pp.784-789，1998.
參考文獻(xiàn)3山野、野口、近藤“包含低速區(qū)域的凸極型PM電機(jī)的無位置傳感器的速度控制法(低速領(lǐng)域を含む突極形PMモ一タの位置センサレス速度制御法)”，電氣學(xué)會半導(dǎo)體電力變換研究會、SPC-97-13，pp.75-82，1997。
這些方法的特征是將頻率與驅(qū)動頻率不同的高頻電壓或高頻電流疊加于同步電動機(jī)上，使用基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)的凸極性所推定的磁極位置，控制同步電動機(jī)。
圖1表示用上述現(xiàn)有方法推定磁極位置并控制同步電動機(jī)的控制裝置的一例。
此現(xiàn)有同步電動機(jī)的控制裝置是由以下部分構(gòu)成并進(jìn)行同步電動機(jī)1的向量控制，該控制裝置的構(gòu)成部分包括PWM電壓型變頻裝置(PWMVSIVoltage Source Inverter)2、高頻發(fā)生器4、2相3相轉(zhuǎn)換器3、電流控制器5、低通濾波器(LPF)6、d-q轉(zhuǎn)換器7、8、帶通濾波器(BPF)9、高頻阻抗推定器10、磁極位置推定器21、電流檢測器12、加法器38及減法器39～41。
減法器39、40用于分別從電流指令iγ*、iδ*減去實際的電流值iγ、iδ。電流控制器5通過生成使減法器39、40所輸出的電流值iγ、iδ與電流指令值iγ*、iδ*的偏差為零的電壓指令Vγ*、Vδ*并將其輸出來進(jìn)行電流控制。
高頻發(fā)生器4用于生成與驅(qū)動頻率不同的頻率為finj的高頻電壓Vinj。加法器38用于將由高頻發(fā)生器4所產(chǎn)生的高頻電壓Vinj加到來自電流控制器5的輸出即電壓指令值的γ分量(磁通分量)Vγ*上。
2相3相轉(zhuǎn)換器3用于將加法器38的加法運(yùn)算結(jié)果和電壓指令值的δ分量(轉(zhuǎn)矩分量)Vδ*轉(zhuǎn)換成3相電壓指令值，向PWM電壓型變頻裝置2發(fā)出指令。PWM電壓型變頻裝置2根據(jù)來自2相3相轉(zhuǎn)換器3的指令進(jìn)行同步電動機(jī)1的控制。
電流檢測器12用于檢測同步電動機(jī)1的電流值is。d-q轉(zhuǎn)換器7利用推定磁極位置θ^，將由電流檢測器12所檢測到的電流值is坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為控制軸。
低通濾波器(LPF)6從被d-q轉(zhuǎn)換器7坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成控制軸的電流值中，去除與由加法器38所疊加的高頻電壓Vinj頻率相同的成分finj，然后分別反饋到減法器39。通過形成這種構(gòu)成，利用電流控制器5進(jìn)行使勵磁分量(iγ*)、轉(zhuǎn)矩分量(iδ*)與各個電流指令值的偏差為零的電流控制。
減法器41用來從推定磁極位置θ^減去45度(π/4弧度)。d-q轉(zhuǎn)換器8把檢測電流值is的相位轉(zhuǎn)換成減法器41的相位，由此將檢測電流值is轉(zhuǎn)換成從推定磁極位置θ^偏移45度處的阻抗觀測軸。
帶通濾波器(BPF)9抽出與由加法器38所疊加的高頻電壓指令值Vinj相同的頻率成分finj，將所抽出的高頻電流成分idm、iqm及高頻電壓指令值Vinj輸入到高頻阻抗推定器10。高頻阻抗推定器10在比γ軸超前及落后45度電角度的兩點推定高頻阻抗Zdm及Zqm。
磁極位置推定器13用來推定兩個高頻阻抗Zdm及Zqm的大小相等時的磁極位置θ^。如圖2所示，磁極位置推定器13由減法器31、乘法器32及積分器33所構(gòu)成。減法器31用來求出高頻阻抗Zdm與Zqm的差。乘法器32用于輸出將減法器31的輸出乘以控制增益(Kp+Ki/s)所得的值。其中，Kp是比例增益，Ki是積分增益。積分器33對乘法器32的輸出值進(jìn)行積分，并作為推定磁極位置θ^輸出。即，磁極位置推定器13通過調(diào)整由減法器31、乘法器32所構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器，使Zdm與Zqm一致，并利用積分器33對該輸出進(jìn)行積分，得到磁極位置推定值θ^。
接下來，說明該現(xiàn)有同步電動機(jī)的控制裝置的動作。
圖1所示的該現(xiàn)有同步電動機(jī)的控制裝置中，利用高頻發(fā)生器4產(chǎn)生與驅(qū)動頻率不同的高頻電壓，并加到電流控制器5的輸出即電壓指令值γ分量(磁通分量)中。將該加法運(yùn)算的結(jié)果和電壓指令值δ分量(轉(zhuǎn)矩分量)在2相3相轉(zhuǎn)換器3中被轉(zhuǎn)換成3相電壓指令值，向PWM電壓型變頻裝置發(fā)出指令，并提供給同步電動機(jī)1。利用推定磁極位置，將此時流到同步電動機(jī)的電流用d-q轉(zhuǎn)換器7坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成控制軸，將去除與在低通濾波器(LPF)6中疊加的高頻電壓相同的頻率成分所得的結(jié)果反饋，用電流控制器5進(jìn)行電流控制使勵磁分量(iγ*)、轉(zhuǎn)矩分量(iδ*)與各個電流指令值的偏差為零。另一方面，d-q轉(zhuǎn)換器8將檢測電流轉(zhuǎn)換成從推定磁極位置偏移45度處的阻抗觀測軸。然后，抽出在帶通濾波器(BPF)9中疊加的高頻成分，將所抽出的高頻電流成分及高頻電壓指令值輸入到高頻阻抗推定器10。高頻阻抗推定器10中，在比γ軸超前及落后45度電角度的兩點推定高頻阻抗Zdm及Zqm，利用圖2所示的磁極位置推定器13，推定使該二阻抗的大小相等的磁極位置。
該現(xiàn)有同步電動機(jī)的控制裝置利用的是下述現(xiàn)象(電凸極性)，即，在所疊加的高頻成分中觀察阻抗時，由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)或磁飽和的影響，如圖3所示，阻抗的大小在主磁通方向(d軸)及與其成90度電角度的方向(q軸)上是不同的。因而，如圖4所示，如果調(diào)整推定磁通軸(γ軸)使阻抗偏差變?yōu)榱?，使γ軸最終與實際的磁通軸d軸一致，可以推定磁極位置。
但是，該磁極位置推定方法，能夠推定由磁鐵產(chǎn)生的磁通和由電樞反作用力產(chǎn)生的磁通所合成的主磁通的位置，但不能推定磁極位置。因此，有時在高負(fù)載時和負(fù)載急劇變化時，磁極位置和推定磁極位置的誤差增加，使得無法控制。
實際上，如圖5所示，電動機(jī)的負(fù)載增加時，主磁通偏移到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的反方向，電凸極性也偏移到與主磁通的偏移相同的方向。這是因為一旦負(fù)載增大，由電樞電流所產(chǎn)生磁通增加，致使與由磁鐵產(chǎn)生的磁通所合成的主磁通從磁極位置延遲，延遲量是內(nèi)部相位差角。因此，現(xiàn)有磁極位置推定方法，在對電動機(jī)施加負(fù)載的狀態(tài)下推定磁極位置時，所推定磁極位置是所合成的主磁通位置，在γ軸和d軸之間一直存在有內(nèi)部相位差角的偏差。因此，即使想使γ軸和d軸一致，也會立刻偏移內(nèi)部相位差角的量，所以在急劇施加負(fù)載時將會變得無法控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種同步電動機(jī)控制裝置，其在高負(fù)載、負(fù)載劇烈變化時，也能可靠地檢測磁極位置，從而能進(jìn)行穩(wěn)定控制。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的同步電動機(jī)控制裝置，通過在用于控制同步電動機(jī)的電壓指令值或電流指令值的勵磁分量上，疊加頻率與驅(qū)動頻率不同的高頻電壓，使位于高頻區(qū)域的阻抗產(chǎn)生電凸極性，根據(jù)該電凸極性推定磁極位置作為第1磁極位置，將比例參數(shù)乘以電流指令值的轉(zhuǎn)矩分量來算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，從前述第1磁極位置減去所算出的該內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，作為第2磁極位置。
本發(fā)明中，首先，向同步電動機(jī)疊加頻率與驅(qū)動頻率不同的高頻電壓或高頻電流，利用由主磁通產(chǎn)生的磁飽和及由高頻產(chǎn)生的集膚效應(yīng)，使位于高頻區(qū)域的阻抗產(chǎn)生電凸極性。然后，將根據(jù)該凸極性所推定的磁極位置作為第1磁極位置。在同步電動機(jī)未施加負(fù)載的狀態(tài)下，在推定該第1磁極位置的時刻，為控制軸(γ軸)與d軸一致的狀態(tài)。然而，在同步電動機(jī)施加負(fù)載的狀態(tài)下，d軸相對于控制軸出現(xiàn)內(nèi)部相位差角的偏差。因此，將比例常數(shù)乘以電流指令值的轉(zhuǎn)矩分量來算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，從該第1磁極位置減去所算出的內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，可推定出真實的d軸位置即第2磁極位置。
然后，利用該第2磁極位置進(jìn)行向量控制，即使在施加高負(fù)載、或負(fù)載劇烈變化時，也會根據(jù)該負(fù)載使阻抗觀測軸向電凸極性的偏移方向移動，并進(jìn)行校正使控制軸一直處于控制穩(wěn)定的范圍內(nèi)。因此，可以進(jìn)行穩(wěn)定控制，解決以往存在的高負(fù)載、負(fù)載劇烈變化時不能檢測磁通位置的問題。


圖1是表示現(xiàn)有同步電動機(jī)的控制裝置的構(gòu)成的方框圖。
圖2是說明圖1中的磁極位置推定器13的構(gòu)成的方框圖。
圖3是表示無負(fù)載時的高頻阻抗軌跡的圖。
圖4是二次磁通軸、控制軸γ、d軸、阻抗觀測軸qm、dm的關(guān)系說明圖。
圖5是表示向同步電動機(jī)施加負(fù)載時的高頻阻抗軌跡的圖。
圖6是表示本發(fā)明的一實施方式的同步電動機(jī)的控制裝置的構(gòu)成的方框圖。
圖7是說明圖6中的磁極位置推定器13及磁極位置推定器14的構(gòu)成的方框圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。
圖6是表示本發(fā)明的一實施方式的同步電動機(jī)的控制裝置的構(gòu)成的方框圖。在圖6中，與圖1中的構(gòu)成要素相同的構(gòu)成要素標(biāo)注相同的符號，并省略其說明。
本實施方式的同步電動機(jī)的控制裝置，相對于圖1所示的現(xiàn)有的同步電動機(jī)的控制裝置而言，把由磁極位置推定器13推定的磁極位置推定值θ^作為第1磁極位置推定值，并新設(shè)置從該第1磁極位置推定值θ^減去內(nèi)部相位差角作為第2磁極位置推定值θc^的磁極位置推定器14。
本實施方式的同步電動機(jī)的控制裝置，通過新設(shè)置磁極位置推定器14，d-q轉(zhuǎn)換器7、減法器41利用第2磁極位置推定值θc^取代第1磁極位置推定值θ^，進(jìn)行轉(zhuǎn)換或運(yùn)算等處理。
磁極位置推定器13用于推定使高頻阻抗Zdm與Zqm的偏差為零的第1磁極位置推定值θ^。
磁極位置推定器14根據(jù)電流指令值iδ*算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角θr，從由磁極位置推定器13算出的第1磁極位置推定值θ^減去所算出的內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角θr，從而算出第2磁極位置推定值θc^。
接下來，參照圖7，對磁極位置推定器14的構(gòu)成加以詳細(xì)說明。
磁極位置推定器14如圖7所示，由乘法器34及減法器37構(gòu)成。
乘法器34將比例常數(shù)Kθ乘以轉(zhuǎn)矩分量電流指令值(iδ*)所得的值作為內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角θr^輸出。減法器37從由磁極位置推定器13所推定的第1磁極位置推定值θ^，減去由乘法器34所求得的內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角θr^，并將所得到的值作為第2磁極位置推定值θc^輸出。
根據(jù)本實施方式的同步電動機(jī)控制裝置，首先，通過磁極位置推定器13求出使高頻阻抗Zdm與Zqm的偏差為零的第1磁極位置推定值θ^，接著，通過磁極位置推定器14，從轉(zhuǎn)矩分量電流指令值(iδ*)求出包含于第1磁極位置推定值θ^中的內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角θr^，之后從第1磁極位置推定值θ^減去內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角θr^，把所得值作為第2磁極位置推定值θc^。然后，再利用第2磁極位置推定值θc^進(jìn)行同步電動機(jī)的控制，如此一來，即使在施加高負(fù)載、或負(fù)載劇烈變化時，也能輸出與其匹配的轉(zhuǎn)矩，所以即便在零頻率區(qū)域也能穩(wěn)定控制同步電動機(jī)。
本實施方式中，通過將高頻電壓Vinj疊加在勵磁分量電壓指令值Vγ*上，檢測同步電動機(jī)1的電流值，測量高頻阻抗，來推定磁極的位置，但本發(fā)明并不局限于此，通過將高頻電壓Vinj疊加在勵磁分量電流指令值iγ*上，檢測同步電動機(jī)1的電壓值，測量高頻阻抗來推定磁極的位置時，亦可得到同樣的效果。
權(quán)利要求
1.一種同步電動機(jī)的磁極位置推定方法，包括以下步驟在用于控制同步電動機(jī)的電壓指令值的勵磁分量上，疊加頻率與驅(qū)動頻率不同的高頻電壓，使位于高頻區(qū)域的阻抗產(chǎn)生電凸極性；根據(jù)所述電凸極性推定磁極位置，作為第1磁極位置；將電流指令值的轉(zhuǎn)矩分量乘以比例常數(shù)，算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角；從所述第1磁極位置減去所算出的所述內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，作為第2磁極位置。
2.一種同步電動機(jī)的磁極位置推定方法，包括以下步驟在用于控制同步電動機(jī)的電流指令值的勵磁分量上，疊加頻率與驅(qū)動頻率不同的高頻電流，使位于高頻區(qū)域的阻抗產(chǎn)生電凸極性；根據(jù)該電凸極性推定磁極位置，作為第1磁極位置；將電流指令值的轉(zhuǎn)矩分量乘以比例常數(shù)，算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角；從所述第1磁極位置減去所算出的所述內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，作為第2磁極位置。
3.一種同步電動機(jī)的控制裝置，根據(jù)磁極位置的推定值，將同步電動機(jī)的電流值分離為磁通分量及轉(zhuǎn)矩分量，并獨立地控制各電流值，來進(jìn)行同步電動機(jī)的控制，其包括高頻電壓發(fā)生器，其將高頻電壓疊加在同步電動機(jī)的控制軸(γ軸)的電壓指令值上；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其將同步電動機(jī)的電流值的相位轉(zhuǎn)換成與所述控制軸的夾角為45度電角度的位置；高頻成分抽出器，其把與由所述高頻發(fā)生器所疊加的高頻電壓的頻率成分相同的頻率成分信號從所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器的輸出電流中抽出；高頻阻抗推定器，其根據(jù)由所述高頻成分抽出器所抽出的電流及所述高頻電壓，在比所述控制軸超前和落后45度電角度的兩點，分別推定高頻阻抗，并推定該兩點之間的阻抗的偏差；第1磁極位置推定器，其將所述兩個高頻阻抗之間的偏差為零時的磁極位置推定為第1磁極位置；及第2磁極位置推定器，其將電流指令值的轉(zhuǎn)矩分量乘以比例常數(shù)，算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，從所述第1磁極位置減去所算出的所述內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，作為第2磁極位置。
4.一種同步電動機(jī)的控制裝置，根據(jù)磁極位置的推定值，將同步電動機(jī)的電流值分離成磁通分量及轉(zhuǎn)矩分量，并獨立地控制各電流值，來進(jìn)行同步電動機(jī)的控制，其包括高頻電流發(fā)生器，其將高頻電流疊加在同步電動機(jī)的控制軸(γ軸)的電流指令值上；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器，其將同步電動機(jī)的電壓值的相位轉(zhuǎn)換成與所述控制軸夾角為45度電角度的位置；高頻成分抽出器，其把與由所述高頻發(fā)生器所疊加的高頻電流頻率成分相同的頻率成分信號，從所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中抽出；高頻阻抗推定器，其根據(jù)由所述高頻成分抽出器所抽出的電壓及所述高頻電流，在比所述控制軸超前和落后45度電角度的兩點，分別推定高頻阻抗，并推定該兩點之間的阻抗的偏差；第1磁極位置推定器，其將所述兩個高頻阻抗之間的偏差為零時的磁極位置推定為第1磁極位置；及第2磁極位置推定器，其將電流指令值的轉(zhuǎn)矩分量乘以比例常數(shù)，算出內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，從所述第1磁極位置減去所算出的所述內(nèi)部相位差角補(bǔ)償角，作為第2磁極位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種同步電動機(jī)的磁極位置推定方法及控制裝置，即使在高負(fù)載時或負(fù)載急劇變化時也能可靠地檢測同步電動機(jī)的磁極位置，進(jìn)行穩(wěn)定的控制。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器(8)將檢測電流值i
文檔編號H02P27/04GK1502163SQ0280731
公開日2004年6月2日 申請日期2002年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月26日
發(fā)明者井手耕三 申請人:株式會社安川電機(jī)