專利名稱：交流電動機的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在不使用位置檢測信號，通過電力變換器驅動帶勵磁同步電動機的系統(tǒng)中，從電動機轉子或可動元件空轉的狀態(tài)開始啟動電力變換器的方法。
背景技術：
圖15現(xiàn)有技術的交流電動機的控制裝置。
電力變換器1通過開關元件及無源元件構成，從交流或直流電源4供給電力，供給交流電動機3電力。電力變換器1由控制部2控制。
交流電動機3在轉子上具有勵磁極，如果在端子開放狀態(tài)下使轉子旋轉，則產生感應電壓。本申請歸納把這樣的電動機稱為帶勵磁同步電動機。此外，在本申請主要敘述旋轉的電動機，然而，眾所周知，在為直線馬達(linear motor)的情況下，如果把轉子改為可動元件，把轉動改為移動，則也可以進行相同考慮。
在本申請?zhí)幚淼臉嫵芍?，交流電動機3沒有轉子的位置傳感器及端子電壓傳感器。一般地，為了驅動帶勵磁的同步電動機，有必要供給根據轉子位置的電壓及電流。因而，在沒有上述傳感器的情況下有必要通過某些方法推定轉子位置。
控制運算器22在向交流電動機3供給電力的狀態(tài)下，推定轉子位置，運算變換器1應供給的電壓及電流，為了實現(xiàn)它，輸出給予開關元件的導通、斷開信號?？刂七\算器22進行所謂把從馬達的電流傳感器5A及5B得到的電流值，例如從2相電流合成3相電流，把它變換為正交旋轉座標的處理。從處理部21得到有關馬達電流的信息，據此進行必要的運算。關于這樣的、所謂帶勵磁的同步電動機的位置傳感器驅動技術，過去有過種種提案，由于無需另述，所以在這里加以省略。作為有關對位置傳感器驅動技術詳述的文獻如下所示文獻1Watanabe，et al，“DC-Brushless Servo System without RotorPosition and Speed Sensor，”Proceedings of IEEE International Conferenceon Industrial Electronics，Control and Instrumentation 1987，Vol.1，pp.228-234(1987)。
帶勵磁同步電動機的位置傳感器的大的課題之一是轉子從空轉狀態(tài)開始啟動變換器的方法(稱為自由運轉(free run)啟動)。即，如圖15所示，由于在控制系統(tǒng)中以電動機的電流為基礎進行控制，所以在變換器停止而沒有電流流通的狀態(tài)下，完全得不到電動機的信息。
如果轉子停止，則調整變換器的輸出電壓，以便例如在某相位使電流流通，據此，可以從決定轉子位置來開始運轉。但是，如果在轉子空轉的狀態(tài)下，變換器輸出不恰當電壓，則為了使電動機產生動態(tài)的感應電壓，成為不能電流控制，不能啟動，在最壞的情況下，因過電流而損壞變換器的開關元件，或者在電動機內具有永久磁鐵的情況下，有產生不可逆去磁的危險。
作為解決這樣問題的手段，在下一文獻公開了通過變換器，使電動機線圈瞬時短路，根據這時流過的電流推定轉子位置，使變換器啟動的方法。
文獻2特開平11-75394“交流旋轉機用電子變換裝置”。
在上述文獻的權利要求1內提示了在構成電力變換器的開關元件中至少1只導通，根據這時流過的電流推定轉子位置的內容。因為這是通過電動機轉子的位置和速度以及電動機的電路常數(shù)直接決定在電動機線圈短路之際流過的電流，所以通過分析該電流，可以計算轉子的位置及速度。
在圖15中，自由運轉啟動運算部23進行對開關元件生成用于線圈短路的導通·斷開信號，根據從處理部21得到的電流信息進行轉子空轉時的轉子位置推定運算，以及根據得到的轉子信息執(zhí)行起動順序的。啟動后，為移到通常動作，通過開關24把處理轉換到控制運算部22。該轉換對統(tǒng)括控制部2動作的控制轉換部25進行掌握。
本發(fā)明應解決的任務在上述專利中的權利要求2以后的要求中，敘述了電動機全相線圈短路時的舉動，未詳細敘述僅部分相短路時的轉子位置推定的具體方法。此外，其以進行相電流檢測的結構作為前提，而對未進行相電流檢測的結構也未提及。

發(fā)明內容
本申請闡明以上各項，提供更一般的自由運轉啟動技術。
本發(fā)明第一方面，提供一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成上述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，上述控制部至少設定一個由上述電動機的多相中的多個相的線圈構成的組(group)，在上述電動機空轉時，使上述開關元件工作，按上述各組順序地使屬于該組的相的線圈實質上短路，根據短路時流過的電流推定上述電動機的轉子或可動元件的位置，使上述電力變換器啟動。
本發(fā)明第二方面，提供一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成上述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，上述開關元件使二極管分別與多個自身消弧型開關元件逆向并聯(lián)連接來構成，上述控制部在上述電動機空轉時將導通信號給予上述開關元件中的一個的情況下，根據有無電流通過以及電流流通的相的信息，推定上述電動機轉子或可動元件的位置。
本發(fā)明第三方面，提供一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成上述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，上述開關元件使二極管分別與多個自身消弧型開關元件逆向并聯(lián)連接來構成，上述控制部在上述電動機空轉時將導通信號給予上述開關元件中的第一開關元件，通過此時上述二極管的作用而沒有電流流通的情況下，使上述導通信號繼續(xù)或斷續(xù)直到流過電流為止，在電流流通時根據流過電流的相的信號，推定上述電動機的轉子或可動元件的第1位置。
本發(fā)明第四方面，提供一種控制裝置，在由設置有具有直流電壓成分的直流電壓部、串聯(lián)連接至少2個開關元件且其兩端與上述直流電壓部并聯(lián)連接的n個臂部的n相變換器，和端子與上述n相變換器的上述n個臂部的開關元件彼此之間的連接部連接的帶勵磁n相電動機構成的電動機驅動系統(tǒng)中，在上述各臂部中將處于比上述電動機的端子的連接點更靠上述直流電壓部的正極側上的開關元件組作為上側臂，處于負極側的開關元件組作為下側臂的情況下，在全上側臂和全下側臂的至少一方，只在1相的開關元件組內流過電流的狀態(tài)下，檢測直流電壓部和開關元件組之間的電流(即，直流輸入電流)，根據該檢測值推定上述電動機的轉子或可動元件的位置。
本發(fā)明第五方面，提供一種控制裝置，在由設置有具有直流電壓成分的直流電壓部、串聯(lián)連接至少2個開關元件且其兩端與上述直流電壓部并聯(lián)連接的n個臂部的n相變換器，和端子與上述n相變換器的上述n個臂部的開關元件彼此之間的連接部連接的帶勵磁n相電動機構成的電動機驅動系統(tǒng)中，上述開關元件使二極管與自身消弧型開關元件并聯(lián)連接來構成，根據每次將導通信號、斷開信號給予上述變換器的開關元件中的一個至少1次的情況下的、直流電壓部和開關元件組之間的電流，即直流輸入電流，推定上述電動機的轉子或可動元件的位置。
本發(fā)明第六方面，提供一種控制裝置，在由具有直流電壓成分的直流電壓部、至少串聯(lián)連接2個開關元件且其兩端與上述直流電壓部并聯(lián)連接的n個臂部、以阻止上述直流電壓部的直流電壓的極性將二極管連接在上述各臂部的開關元件彼此間的連接部1點和上述直流電壓部的正極及負極各自之間而構成的n相變換器，和使端子與連接有上述n相變換器的上述n個臂部的上述二極管的點連接的帶勵磁n相電動機構成的電動機驅動系統(tǒng)中，在上述各臂部中將處于比上述電動機的端子的連接點更靠上述直流電壓部正極側上的開關元件組作為上側臂，處于負極側的開關元件組作為下側臂的情況下，根據對上述變換器的上側臂或下側臂中的一個給予導通信號情況下的、該臂和直流電壓部之間的電流，推定上述電動機的轉子或可動元件的位置。


圖1是示出帶勵磁同步電動機和進行線圈短路動作時的電力變換器的等效電路。
圖2示出通常的三相電壓型變換器的典型方式的電路。
圖3示出其它方式的多電平變換器的電路。
圖4表示帶勵磁電動機正轉情況下產生的感應電壓。
圖5表示帶勵磁電動機逆轉情況下產生的感應電壓。
圖6表示感應電壓為圖4所示的情況的等效電路。
圖7是位置檢測方法的流程圖。
圖8表示檢測變換器下臂電流的等效電路。
圖9表示另一電流檢測方法的等效電路。
圖10示出在三相電壓型變換器中檢測直流輸入電流的構成。
圖11是示意地示出基于n相帶勵磁電動機的變換器的驅動系統(tǒng)。
圖12表示另一檢測直流輸入電流的構成。
圖13示出在圖10的構成中進行自由運轉啟動之際的開關操作法的例子。
圖14示出在作為U相下臂開關的Qx導通情況下電流路徑的一例。
圖15表示現(xiàn)有技術的交流電動機的控制裝置。
具體實施例方式
為了進行自由運轉啟動，有必要推定或檢測變換器啟動時的帶勵磁同步電動機感應電壓的相位、頻率、相順序，啟動時從變換器輸出與這些大體相等的電壓或以它們作為基礎導出的、用于通過預定電流的電壓。在帶勵磁的同步電動機中，由于感應電壓相位，頻率及相位順序一對一地與轉子位置(電角)，速度及旋轉方向對應，所以在本申請只要不產生誤解，無區(qū)別地使用這些用語。
用圖1說明第1實施方式。
圖1是示出帶勵磁同步電動機和進行線圈短路動作時的電力變換器的等效電路。電動機是多相的，各相由通過勵磁產生感應電壓部分e和阻抗Z構成。
各相的感應電壓由轉子位置及速度直接決定，此外，相間的感應電壓的相位差也是已知的。另一方面，在磁飽和影響小時，各相的阻抗如果沒有凸極性(Salient Poles)，則為一定，即使有凸極性，也通過轉子位置直接決定。
因而，在多相中一些線圈短路時流過的電流也由轉子位置及速度直接決定。因此通過分析該電流，可推定轉子位置及速度。
具體講，可有只進行1次短路動作，從流過電流的振幅和相位信息推定轉子位置和速度的方法，和進行多次短路動作，從流過電流的相位及各短路動作的電流相位變化量推定轉子位置及旋轉方向的方法。
其次，對從直流電壓生成任意的頻率和振幅的交流電壓的、成為用通常的電壓型變換器的自由運轉啟動技術的原理的自然法則及技術思想加以說明。
圖2示出通常的三相電壓型變換器的典型方式。對其它方式也存在如圖3所示那樣的多電平變換器(表示1臂部分)，然而，在這里所示的自然法則及技術思想可以同樣地適用。相數(shù)是任意的，而在這里對三相情況加以說明。
圖2的三相電壓型變換器為二極管逆并聯(lián)連接到IGBT等自身消弧型開關元件，2個以上串聯(lián)連接，作成1相的臂，成為使各相的臂的兩端與直流電壓部連接的構成。在各相臂中作為負荷的帶勵磁同步電動機與開關元件彼此間的連接部連接。
在這里，使變換器的全部開關斷開，考慮帶勵磁同步電動機空轉狀態(tài)。這時，帶勵磁電動機產生圖4或圖5所示的感應電壓。在這里，存在表示感應電壓為正弦波的情況，然而也存在含有高次諧波成分的情況。圖4，圖5分別表示正轉，逆轉的情況，兩者相位順序不同。
首先，考慮正轉的情況，即，感應電壓如圖4所示的情況?，F(xiàn)在感應電壓相位處于30°～150°之間的情況，U相的感應電壓在三相中最低。在該狀態(tài)，如果如圖3所示，只導通U相下臂的開關Qx，則其等效電路如圖6所示，通過二極管Dy及Dz的作用，哪一相也沒有電流流通。
此外，在感應電壓相位為150°～210°，或330°～30°(390°)的情況下，由于U相感應電壓處于V相和W相的中間，所以在成為電壓最大的相位中，通過二極管Dy或Dz的作用而沒有電流流通，在U相和另1相之間流過電流。
此外，在感應電壓相位為210°～330°之間的情況下，由于U相電壓最大，所以Dy和Dz兩者順偏置，在3相內流過電流。
即，通過導通Qx，觀測是否沒有電流流通，或2相中流過，或3相中流過，由此可確定感應電壓相位存在的區(qū)域。
即使在逆轉的情況下也同樣成立，此外，對別的開關元件進行操作時也產生同樣的現(xiàn)象。
在3相內流過電流的情況下，采用文獻2所示方法也可能推定轉子位置。
因而，通過所謂的如下操作，即，例如如果在最初使Qx導通，而沒有電流流通，則認定在U相電壓最小的區(qū)域存在相位，繼續(xù)使Qx導通，在2相內流過電流時，通過判斷在V相和W相哪一相內流過電流，指定相位順序(旋轉方向)，再次使Qx導通，電流在三相內流過時，通過采用文獻2所示的方法，通過運算求出轉子的位置或速度，可獲得變換器啟動必要的信息。
以下示出更高精度的位置檢測方法。
在正轉狀態(tài)，感應電壓相位處于30°～150°間，考慮繼續(xù)只導通Qx狀態(tài)。這種情況下，不久如果通過轉子旋轉，感應電壓相位超過150°，則如圖4所示，由于更換U相位和V相的感應電壓大小關系，在圖6中，二極管Dy順偏置，在U相和V相內開始電流流通。
另一方面，在逆轉的情況下，在圖5中，相位處在330°～210°之間時，即使只有Q導通，也沒有電流流通。但是，這種情況下在相位下降210°的時間點，如圖5所示，U相和W相的感應電壓交換，二極管Dz順偏置，在U相和W相內開始電流流通。
從以上開始，繼續(xù)U相下臂Qx的導通狀態(tài)，檢測出從無電流流通狀態(tài)開始電流流通，接著通過判定在V相和W相任一相內有否電流流通，可以如下所示地判別轉子位置和旋轉方向。
如果是在V相內電流流通，則正轉，相位為150°。
如果是在W相內電流流通，則逆轉，相位為210°。
此外，在最初Qx導通之際立即流過電流的情況下，如果一度使Qx斷開，再使Qx導通，同樣地重復進行所謂確認有無電流流通控制，則因為即使通過轉子旋轉，Qx導通，也都沒有立即電流流通，所以也可以從那開始上述的操作。
上述那樣的現(xiàn)象以及判別表明不僅U相下臂的操作，而且即使通過操作哪個開關也都可同樣地實現(xiàn)。
如上述所示地判別旋轉方向和相位時，可以指定“即使緊臨其后導通，也沒有電流流通的開關元件”。即，如果在正轉，相位為150°，則在圖2使Qx斷開后快速地使Qy或Qw導通也并沒有電流立即流過。
另一方面，如果在逆轉，相位為210°，則在使Qx斷開后，快速地使Qz或Qv導通也沒有電流立即流通。
因而，在通過Qx繼續(xù)導通狀態(tài)檢測出電流流通時，使Qx斷開，如果如上述所示地使所指定的開關元件導通，則仍然與先前同樣地，在更換感應電壓的大小關系的相位，開始電流流通。
由于通過該操作得到2個時刻(取t1，t2)不同的感應電壓相位(設為θ1，θ2)，則由下式得到感應電壓的角頻率ω。
ω＝(θ2-θ1)/(t2-t1)(公式1)由于在以上判明感應電壓相位，相位順序(旋轉方向)以及頻率，所以根據這些值，可使變換器啟動。
進行3次以上上述所示的開關元件操作，通過檢測出更長時間間隔的相位變化，可以提高速度的計算精度。這在用CPU等的離散時間控制中只能對每個控制周期進行時間測定中尤為有效。如果用流程圖表示以上所示的動作，則如圖7所示。
上述的手法假想能夠檢測出變流器的相電流的情況，然而如圖8所示，在檢測變換器下臂(也可以是上臂)電流的構成中也是同樣地可適用的。
即，由于在本申請所示的開關元件的操作中通過使操作的開關元件限定屬于下臂(或上臂)的元件，使流過元件導通間的下臂(或上臂)的電流和電動機相電流在原理上是一致的緣故。
如果在檢測出電流流通后使開關斷開，則盡管不能檢測出該開關的相電流，但由于其它相電流通過該相下臂(或上臂)的二極管繼續(xù)流通，所以可以繼續(xù)檢測出，可以認為利用該電流成為零，使開關斷開的相電流也變?yōu)榱恪?br> 如以上所示，盡管有必要只輕微變更判別開關斷開后電流變?yōu)榱愕姆椒?，但是對除此之外的順序或判定，使電流檢測出方法是如圖8所示的方法，也可以完全同樣地使用。
但是，電流檢測出方法如圖9所示，在使二極管與自身消弧型開關逆并聯(lián)連接的開關元件中，使二極管旁路，使用只檢測出自身消弧型開關電流的構成的情況，有必要部分變更上述方法。
首先，使Qx導通情況的電流可以用電流檢測器Rsu檢測出。盡管這時V相或W相的任一相內流過電流，但是由于該電流通過二極管Dy或Dz流過，所以不能通過電流檢測器Rsv及Rsw檢測出。因而，在這里的電流流通開始時應當不能指定旋轉方向。
該問題可以如下所示地解決。即，在檢測出基于Qx導通的電流流通開始后，使Qx斷開，接著快速地使Qy或Qz導通，監(jiān)視導通的相的臂電流。這時，例如使Qy導通，在緊臨其后沒有電流流通的情況下，由于這意味著V相的感應電壓在三相中成為最小，所以可以判別為「正轉」。相反，如果通過Qy的導通，立即有電流流通，則由于W相的感應電壓應當成為最小，所以可判別為「逆轉」。即使在用Qz導通取代Qy的情況下也是可同樣地判別的。
這樣一來，在判別旋轉方向，即相位順序時，其后通過己述的順序得到必要的信息，可以使變換器啟動。例如如果通過Qy的導通，并未立即有電流流通，則也可以保持原樣繼續(xù)Qy的導通狀態(tài)，相反，通過Qy的導通立即有電流流通，則也可以迅速地使Qy斷開，Qz導通。
以上所示的技術思想是涉及檢測出相電流或變換器內的各相臂電流的構成?？墒且泊嬖谒^未進行相電流的檢測出，檢測出變換器的直流電壓部和開關組之間的電流，即，變換器的直流輸入電流(以下只單稱為直流輸入電流)的構成。在這種情況下，由于不能直接地得到相電流的信息，所以其它努力是必要的。
圖10示出在三相電壓型變換器內檢測直流輸入電流的構成。變換器的負荷是帶勵磁同步電動機，在通常運轉時，控制系統(tǒng)根據直流輸入電流的檢測值驅動電動機。作為其具體方式例如如下述文獻3所公開的。
文獻3佐藤等“通過變換器直流電流檢測產生的PMSM穩(wěn)定化V/f控制方式”，2004電氣學會產業(yè)應用部門大會，No.1-56在這樣的構成中，用圖11對自由運轉情況下的一般原理加以說明。圖11是示意地示出基于n相帶勵磁電動機的變換器的驅動系統(tǒng)。電動機通過等效電路示出，表示從第1相到第3相為止，對每一相以相號作為添字，附加記述感應電壓e，阻抗Z。變換器的電流檢測只對直流輸入電流idc進行。
在圖11中示出使變換器的開關S1P，S2P及S3N導通，其它開關全部斷開情況下的例子。即，為變換器下臂只有1臂為導通狀態(tài)。在這種狀態(tài)下由于idc與電動機的第3相電流一致，所以通過檢測idc可知道電動機第3相相電流。
在這里，認為轉速大體一定的情況下，n相帶勵磁電動機的x相感應電壓基波ex通?？梢匀缫韵滤镜乇硎?。
ex＝ωψsin(ωt+θx+θo)……(公式2)在這里，ω電角頻率，ψ通過勵磁產生的線圈磁通匝連數(shù)，t時間，θxx相位角(其中取θ1＝0)，θo初始相位角。
通常，θx是對每相各異的常數(shù)，此外，各相的θx值由于設計事項是已知的。如上述所示，由于取第1相相位角θ1＝0，所以初始相位角θo時間t＝0的第1相的感應電壓e1的相位角。此外，如果令電角頻率ω與轉子的轉速呈比例，具體講使磁極數(shù)為P，則下式成立ω＝(P/2)×2π×N/60(N是轉子每分鐘的轉速)(公式3)由于討論轉速N大體一定的情況，所以在這里ω應當認為是未知的，然而是常數(shù)。
此外，ψ也是已知的常數(shù)。
從以上可知，公式2的未知數(shù)為ω和θo個。如果可以知道這2值，則應當可判明各相的感應電壓ex，通過從變換器信號給與其相應的電壓，則應當可以啟動系統(tǒng)。
另一方面，眾知各相的阻抗Zx成為只是磁極位置的函數(shù)，即，成為通過ω及θo定的值。
因此可知在轉子空轉狀態(tài)下，在ω及θo知的狀態(tài)下，如圖1所示地，在開關導通時流過的電流成為因ω及θo各異的值。
因而，這時的直流輸入電流idc，在圖11的例子電動機第3相的電流包含ω及θo信息，用idc檢測值是可確定ω及θo。
具體講，未知數(shù)為ω和θo為2種，因為得到的信息只是idc，為1種，僅此不能指定ω和θo然而，通過在使用圖11的該開關導通后的2個以上時刻檢測idc，或者通過實施2次以上該開關導通檢測idc，此外在每1次開關導通動作后檢測idc，使全部開關斷開，進而，通過使另外的開關組導通，檢測idc，從而可以得到作為idc的2個以上的值，由于得到每次各異的電路方程式，由于對2個未知數(shù)存在二個以上的方程式，所以原理上可以求出ω及θo在以上的說明中，以指定的開關S1P，S2P以及S3N導通情況的動作為例子，然而上述原理不依相數(shù)及操作的開關而成立。但是如果同時使相上下臂導通，則由于使變換器的直流電壓部短路，所以在上下臂中至少一方始終只有1相導通，在另一方使除此以外的相導通是必要的。
在以上的說明中，對在上下臂至少一方，使1相開關導通的情況加以闡述，然而通過只用對上下兩臂的1只開關導通時的idc，可以進一步進行排除不明確的動作。即，在圖11的狀態(tài)下，只使第1相和第2相的電流總和為已知，各自的值未知。另一方面，例如在圖11，只導通第1相上臂S1P和第3相下臂S3N的情況下，第1相及第3相電流一致，即兩值都成為已知。因而，如前述所示，由于使求ω及θo況的電路方程式簡單化，CPU的計算負荷下降，所以可以低廉地構成裝置。
作為檢測直流輸入電流的構成，除了圖10所示的構成之外，如圖12所示，也有檢測出使各相下臂(也可以是上臂)的二極管旁路的電流，圖12方式的特征為，可以檢測出對圖10的情況只檢測出單方向電流以及檢測出在下臂間流過的環(huán)流電流。但是，在上述的手法，檢測出的電流對圖10的構成以及對圖12的構成之類也都是相等的。因而，上述的ω及θo導出方式在圖12的構成中也可以使用。
通過使用圖2到圖6應用已經說明的技術思想，可根據直流輸入電流的檢測值，實現(xiàn)更加簡便的自由運轉啟動是可能的，以下對其加以說明。
圖13示出在圖10的構成中進行自由運轉啟動之際的開關操作法的例子。首先，如圖13(a)所示，考慮只導通Qx情況。如果這時電流流通，則電流在Qx，Dy或Dz至少一方以及電動機之間循環(huán)，作為idc并不出現(xiàn)，因而不能檢測出電流。
其次，使Qx斷開，全部開關成為斷開狀態(tài)。這種情況下由于電動機的阻抗具有電感成分，所以電流并不立即成為零，U相電流通過上臂二極管Du，在電源側流通。這樣一來，在直流電源部，Dy或Dz的至少一方，電動機及Du的路徑上流過電流，idc出現(xiàn)。如果U相電流衰減為零，則通過二極管作用電流被遮斷，成為無電流流通狀態(tài)。
因而，在使Qx導通后，Qx斷路，理想地通過緊臨斷開后檢測idc，可以判明因Qx導通是否有電流流過。
即，通過上述操作，因idc檢測出可判別感應電壓相位處于使U相電壓成為最小的范圍內，或在此范圍以外。
此外，對Qx重復給與導通·斷開信號，在給與各斷開信號之際檢測出idc，繼續(xù)該動作，如果idc成為零，則認為感應電壓相位進入U相感應電壓成為最小的范圍內(在正轉的情況下為30°～150°，在逆轉的情況下為210°～330°)。其后再繼續(xù)Qx的導通·斷開動作，如果idc不再為零，則認為轉子位置通過電角150℃(在逆轉情況下為210°)。即盡管存在從U相電流通過開始直到檢測出idc≠0為止的延遲，但可以通過針尖端(pinpoint)指定轉子位置。如果在高頻下進行Qx的導通·斷開動作，則可以使前述延遲變短，或者通過預見前述延遲來進行補償。
如果通過Qx的導通·斷開動作判別為通過上述指定的相角，則即使在緊臨其后使Qy或Qz(也可是Qv或Qw)的任一開關導通·斷開，idc也成為＝0。正如已經說明的那樣，這是由于在緊臨通過前述相角后，從圖4和圖5所看到的那樣，在V相或W相任一相的感應電壓成為最小，即使該相的下臂導通，也沒有電流流過。
因而，在緊臨前述相位角通過后，例如使Qy導通·斷開，檢測出緊臨斷開后的idc，如果檢測值為零，則可以判定為正轉，如果檢測值不為零，則可以判定為逆轉。其后，如果是正轉，則繼續(xù)Qy的導通·斷開操作和idc的檢測，通過idc為零，可以判定感應電壓相位通過270°，如果逆轉，則可以取代Qy，進行Qz的導通·斷開操作，同樣地可判定為感應電壓的相位通過90°。
這樣一來，由于判明感應電壓相位通過指定2點的時刻，所以通過數(shù)學式1可以計算頻率。
如以上所示，在檢測出直流輸入電流的方式中，通過用圖2到圖6已經說明的技術思想，可以求感應電壓相位，相位順序以及頻率，因而可進行自由運轉啟動。
另一方面，在作為直流輸入電流的檢測部的構成使用已說明的圖12的構成的情況下，由于可以檢測環(huán)流下臂的電流，所以可以通過下臂開關中的1只導通直接判別是否有電流流通。
圖14示出在作為U相下臂開關的Qx導通情況下電流路徑的一例。正如從該圖所了解的，通過使Qx導通而在電動機內電流流通的情況下，該電流可以作為直流輸入電流檢測出。
因此，正如以上已說明的那樣，可以看到，如果例如在緊臨Qx導通后沒有電流流通，則感應電壓相位處于U相電壓為三相之中最小的范圍(在正轉的情況下為30°～150°，在逆轉的情況下為210°～330°)，相反，可以看到，如果電流流通，則可以處于在此以外的范圍內。
此外，繼續(xù)Qx的導通狀態(tài)，根據從電流為零移到非零的狀態(tài)，可以判定感應電壓相位通過150°或210°。
但是，與圖10構成的情況同樣地，由于V相和W相的哪一相內流過電流是不明的，所以不能立即判別旋轉方向。對這個問題與圖10構成的情況同樣地使Qy或Qz中的任一個導通，通過依此觀測電流是否流通，可以判別旋轉方向。其原理與圖10構成中的手法是同樣的。
此外，如果其后是正轉，則繼續(xù)Qy的導通狀態(tài)，如果是逆轉，則取代Qy繼續(xù)Qz的導通狀態(tài)，再次根據直流輸入電流從零移到非零狀態(tài)，如果是正轉，則可以判別感應電壓相位為270°，如果是逆轉，則可以判別通過90°，因此通過數(shù)學式1可推算頻率。
在以上說明的內容中，在通過電動機的感應電壓產生用于檢測感應電壓的相位的電流流通的方法中，轉子的轉速低，即在感應電壓振幅小的情況下，可能有流過電流小而不能檢測出的情況。利用這個事實，如果從開始開關操作起，在預定的時間之間未檢測出電流，則可以判別轉子的旋轉速度在預定值以下。而且，例如使移行到轉速低的情況進行處理等的對策成為可能。
與在文獻2所示的自由運轉啟動法中，通過用電流振幅或相位的運算可得電壓或轉子信息相反，在本申請中所示的手法，由于通過判斷電流有無，得到必要的信息，所以具有所謂算法單純，而且更加難以受到電流檢測誤差影響的特長。
在以上的說明中，主要闡述了用旋轉機的情況，然而即使在用直線馬達代替旋轉機的情況下也同樣可適用本申請公開的技術。這個事實如果根據旋轉機和直線機的電類似性，則一目了然。
此外，主要闡述三相的情況，然而本申請公開的技術可以同樣地適用于任意的多相交流電動機用電力變換裝置。
作為感應電壓波形是三相平衡正弦波的情況加以說明，然而在含有若干高次諧波時或在三相感應電壓具有實質上存在的相位錯移，也不本質上影響本申請，技術可同樣地適用。
不用說上述技術在電動機作為動力源的情況或作為發(fā)電機用的情況也都可同樣適用的。
轉子或可動元件在具有位置傳感器或電動機端子電壓傳感器的裝置上不使用從這些傳感器得到的信息，當然也可適用本申請公開的技術。這樣的事實考慮了例如作為傳感器出現(xiàn)故障情況下的后備用技術加以實施的情況。
在以上的說明中，闡述為線圈短路，然而在實際上變換器和電動機與開關元件連接的電纜上也有電壓降。但是該電壓降比馬達電氣常數(shù)小，可以實質上看作短路狀態(tài)。此外，如果在分析電路行為內也考慮這樣小的電壓降，則可更高精度地推定轉子位置。
即使在變換器和馬達之間插入濾波器等無源元件的情況下，如果考慮其阻抗，則無須變更其目的，可以應用以上所示的手法。
權利要求
1.一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成所述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，所述控制部至少設定一個由所述電動機的多相中的多個相的線圈構成的組，在所述電動機空轉時，使所述開關元件工作，按所述各組順序地使屬于該組的相的線圈實質上短路，根據短路時流過的電流推定所述電動機的轉子或可動元件的位置，使所述電力變換器啟動。
2.一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成所述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，所述開關元件使二極管分別與多個自身消弧型開關元件逆向并聯(lián)連接來構成，所述控制部在所述電動機空轉時將導通信號給予所述開關元件中的一個的情況下，根據有無電流通過以及電流流通的相的信息，推定所述電動機轉子或可動元件的位置。
3.一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成所述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，所述開關元件使二極管分別與多個自身消弧型開關元件逆向并聯(lián)連接來構成，所述控制部在所述電動機空轉時將導通信號給予所述開關元件中的第一開關元件，通過此時所述二極管的作用而沒有電流流通的情況下，使所述導通信號繼續(xù)或斷續(xù)直到流過電流為止，在電流流通時根據流過電流的相的信號，推定所述電動機的轉子或可動元件的第1位置。
4.根據權利要求3所述的交流電動機用電力變換裝置，其特征為，在對檢測出電流流通的時刻記錄之后，使電力變換器的全部開關元件斷開，將導通信號繼續(xù)或斷續(xù)給予新的第2開關元件，從無電流流通的狀態(tài)移到電流流通狀態(tài)時，根據流過電流的相的信息，推定所述電動機轉子或可動元件的第2位置，同時，記錄檢測出該電流流通的時刻，從得到的第1及第2各自的電流檢測時刻及轉子或可動元件的位置，導出轉子或可動元件的速度。
5.根據權利要求3所述的交流電動機用電力變換裝置，其特征為，在對檢測出電流流通的時刻記錄之后，使電力變壓器的全部開關斷開，將導通信號給予新的第2開關元件，根據緊臨其后有無電流流通，確定轉子的旋轉方向。
6.一種控制裝置，在由設置有具有直流電壓成分的直流電壓部、串聯(lián)連接至少2個開關元件且其兩端與所述直流電壓部并聯(lián)連接的n個臂部的n相變換器，和端子與所述n相變換器的所述n個臂部的開關元件彼此之間的連接部連接的帶勵磁n相電動機構成的電動機驅動系統(tǒng)中，在所述各臂部中將處于比所述電動機的端子的連接點更靠所述直流電壓部的正極側上的開關元件組作為上側臂，處于負極側的開關元件組作為下側臂的情況下，在全上側臂和全下側臂的至少一方，只在1相的開關元件組內流過電流的狀態(tài)下，檢測直流電壓部和開關元件組之間的電流(即，直流輸入電流)，根據該檢測值推定所述電動機的轉子或可動元件的位置。
7.一種控制裝置，在由設置有具有直流電壓成分的直流電壓部、串聯(lián)連接至少2個開關元件且其兩端與所述直流電壓部并聯(lián)連接的n個臂部的n相變換器，和端子與所述n相變換器的所述n個臂部的開關元件彼此之間的連接部連接的帶勵磁n相電動機構成的電動機驅動系統(tǒng)中，所述開關元件使二極管與自身消弧型開關元件并聯(lián)連接來構成，根據每次將導通信號、斷開信號給予所述變換器的開關元件中的一個至少1次的情況下的、直流電壓部和開關元件組之間的電流，即直流輸入電流，推定所述電動機的轉子或可動元件的位置。
8.根據權利要求7所述的控制裝置，其特征為，在對開關元件中的一個交替地重復給予導通信號、斷開信號，給予各斷開信號期間中檢測直流輸入電流，在該檢測值從零變化為非零值的情況下，判定為所述電動機的轉子或可動元件已通過預定位置。
9.一種控制裝置，在由具有直流電壓成分的直流電壓部、至少串聯(lián)連接2個開關元件且其兩端與所述直流電壓部并聯(lián)連接的n個臂部、以阻止所述直流電壓部的直流電壓的極性將二極管連接在所述各臂部的開關元件彼此間的連接部1點和所述直流電壓部的正極及負極各自之間而構成的n相變換器，和使端子與連接有所述n相變換器的所述n個臂部的所述二極管的點連接的帶勵磁n相電動機構成的電動機驅動系統(tǒng)中，在所述各臂部中將處于比所述電動機的端子的連接點更靠所述直流電壓部正極側上的開關元件組作為上側臂，處于負極側的開關元件組作為下側臂的情況下，根據對所述變換器的上側臂或下側臂中的一個給予導通信號情況下的、該臂和直流電壓部之間的電流，推定所述電動機的轉子或可動元件的位置。
10.根據權利要求9所示的控制裝置，其特征為，對上側臂或下側臂中的一個連續(xù)或斷續(xù)給予導通信號，在給予導通信號間的該臂和直流電壓部之間的電流從零變化為非零值的情況下，推定所述電動機的轉子或可動元件已通過預定位置。
11.根據權利要求3、7及9所述的控制裝置，其特征為，在開關元件的導通狀態(tài)的繼續(xù)或斷續(xù)、或以預定時間重復導通/斷開也未檢測出電流流通的情況下，判定為轉子的速度在預定值以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種交流電動機用電力變換裝置，具有使多相交流電動機運轉的電力變換器、和產生對構成上述電力變換器的開關元件的導通/斷開信號并輸出的控制部，其特征為，上述控制部至少設定一個由上述電動機的多相中的多個相的線圈構成的組，在上述電動機空轉時，使上述開關元件工作，按上述各組順序地使屬于該組的相的線圈實質上短路，根據短路時流過的電流推定上述電動機的轉子或可動元件的位置，使上述電力變換器啟動。
文檔編號H02P6/18GK1622447SQ20041009556
公開日2005年6月1日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權日2003年11月28日
發(fā)明者鳥羽章夫 申請人:富士電機機器制御株式會社