同步電動機的電感測定裝置及測定方法

2023-06-12 14:06:21 1

專利名稱：同步電動機的電感測定裝置及測定方法
技術領域：
本發明涉及一種對由逆變器控制的同步電動機的電感進行測定的裝置及其測定方法。
背景技術：
作為現有的對同步電動機的電感進行測定的方法，例如在專利文獻I中公開了下述電感測定方法，在該方法中，施加與以任意頻率旋轉的dc軸平行的方向的交流電壓(所謂的交變電壓)，將通過電流檢測器檢測到的電動機電流(U相電流、w相電流)通過坐標變換器變換為作為交流電壓施加軸的dc軸上的電流，根據變換得到的dc軸電流檢測交流電流中與交流電壓相同頻率的分量的交流電流。並且，根據dc軸在電角旋轉了大於或等於180度的期間內的交流電流的最大值、最小值及交流電壓，對電感進行運算。另外，在專利文獻2中，作為永磁體型同步電動機的控制裝置公開了下述技術。即，公開了如下電感測定方法，在與所述同步電動機的永磁體平行的方向上施加交流電壓，對與所述電動機的永磁體平行的電流分量即d軸電流進行檢測，對所述交流電壓進行時間積分，從而對d軸磁通量進行運算。根據其結果，繪製將橫軸設為d軸電流、將縱軸設為d軸磁通量的遲滯曲線，求出通過該遲滯曲線內的中間處的平均曲線，並對該平均曲線的縱軸進行補償而求出通過原點的第二平均曲線。並且，將連結該第二平均曲線上的與各d軸電流對應的點和原點而成的直線的斜率，設為各d軸電流時的d軸電感。此外，與所述d軸電感類似，在與所述電動機的永磁體垂直的方向上施加交流電壓，對與所述電動機的永磁體垂直的電流分量即q軸電流進 行檢測，利用與所述d軸電感相同的方法求出q軸電感。此外，在專利文獻3中公開了下述方法，即，在電流指令值或電壓指令值上疊加高頻的方形波信號。並且，在與電流指令值疊加的情況下，從第二電流指令值中提取方形波信號分量，使所提取的方形波信號的絕對值與所疊加的方形波信號的絕對值的比值，乘以d軸或q軸的電感設定值，從而確定電動機的電感值，其中，第二電流指令值是按照使得疊加了方形波信號後的d軸或q軸的電流指令值與電流檢測值一致的方式，進行運算而得到的。另一方面，在與電壓指令值疊加的情況下，從電流檢測值中提取方形波信號分量，使所提取的方形波信號的絕對值除以疊加在d軸或q軸的電壓指令值中的方形波信號的絕對值，從而確定電動機的電感值。專利文獻1:日本特開2002 - 272195號公報專利文獻2:日本特開2001 — 69782號公報專利文獻3:日本特開2008 - 9265
發明內容
但是，在上述專利文獻I所示的技術中，是對電動機施加上述交變電壓的方式，而且，必須至少在從0°到180°的範圍內改變方向而施加交變電壓。此外，由於需要進行從dc軸電壓向三相電壓的坐標變換，因此，存在測定同步電動機的電感需要時間的問題。
另外，在上述專利文獻2所示的技術中，由於是以磁極(永磁體)的位置為基準，將為了測定電感而施加的交變電壓沿與該磁極平行的方向和垂直的方向施加的方式，因此，存在必須在測定電感之前進行磁極位置檢測的問題。另外，在上述專利文獻3所示的技術中，由於是將高頻的方形波信號與d軸或q軸電流指令值或電壓指令值疊加的方式，因此，為了測定電感而需要進行電流控制運算、矢量控制運算及電壓坐標變換運算，因此，存在下述問題，即，為了對同步電動機的電感進行測定，直至上述全部運算完成之前需要時間。本發明就是鑑於上述課題而提出的，其目的在於，提供一種高速且簡便的同步電動機的電感測定裝置及測定方法，其對同步電動機施加三相高頻旋轉電壓，根據在電動機電流中含有的與高頻電壓相同頻率的分量，計算電感。由此，不需要進行上述的電壓坐標變換、測定電感前的磁極位置檢測、電流控制運算及矢量控制運算。本發明所涉及的同步電動機的電感測定裝置，其特徵在於，具有:電壓變換器，其對高頻電壓指令進行變換，並施加至同步電動機；電壓指令生成器，其生成向所述電壓變換器輸入的高頻電壓指令；電流檢測器，其對所述同步電動機的電流進行檢測；坐標變換器，其將由所述電流檢測器檢測到的電流變換為相對於固定坐標系位於任意相位的正交雙軸坐標系上的電流，並輸出所述正交雙軸坐標系中的一個軸的電流；基波分量提取器，其提取所述正交雙軸坐標系中的一個軸的電流中含有的與所述高頻電壓相同頻率的分量；以及電感計算器，其根據所述高頻電壓的有效值、頻率及所述基波分量提取器的輸出，計算電感。並且，所述電壓指令生成器生成具有可變的電壓有效值和以與同步電動機可同步旋轉的旋轉頻率的最大值相比足夠高的頻率值為基頻的三相高頻旋轉電壓指令，並輸出至所述電壓變換器。發明的效果如上所述，本發明通過使用三相高頻旋轉電壓作為施加至同步電動機的電壓指令，就能夠高速且簡便地測定同步電動機的電感，而不需要現有技術中所必須進行的電壓坐標變換、測定電感前的磁極位置檢測、電流控制運算及矢量控制運算。


圖1是表示本發明的實施方式I中的同步電動機的電感測定裝置的圖。圖2是表示本發明的實施方式I中的固定坐標系與任意旋轉坐標系的關係的圖。圖3是本發明的實施方式I中的同步電動機的電感測定裝置的動作流程圖。圖4是本發明的實施方式I中的同步電動機的電感測定裝置的動作中測定Y軸的電感L Y (In)的處理流程圖。圖5是本發明的實施方式I中的同步電動機的電感測定裝置的動作中計算Ly(ξ )的處理流程圖。圖6是本發明的實施方式I中的電感測定的時序圖。
具體實施方 式實施方式1.
圖1是表示本實施方式I中的同步電動機的電感測定裝置的圖。此外，本發明並不受本實施方式限定。在圖1中，電感測定裝置I內的電壓指令生成器2，生成使所述電壓變換器3的輸出電壓的基頻為fh、該輸出電壓的頻率為fh時的分量的有效值為Vh的三相高頻旋轉電壓指令V*uvw作為施加至電壓變換器3的電壓指令。在這裡，所述三相高頻旋轉電壓指令V*uvw是以同步電動機8不旋轉程度的足夠高的頻率作為基頻、各相的電壓有效值相等、各相之間的相位差為120°的三相交流電壓指令。所述三相高頻旋轉電壓指令V*uw由所述電壓變換器3以公知的三角波比較PWM方式變換為三相電壓Vuw，並施加至所述同步電動機8。電流檢測器4對所述同步電動機8的相電流Iuvw進行檢測。並且，如圖2所示，坐標變換器5將所述相電流Iuvw變換為由Y軸及δ軸構成的任意旋轉坐標系10上的電流，並輸出其中的Y軸電流I Y，其中，該任意旋轉坐標系10是相對於由u軸、V軸及W軸構成的固定坐標系9旋轉任意相位角ξ後得到的。此外，在本發明中，將Y軸設為電流觀測軸。基波分量提取器6提取在所述坐標變換器5的輸出即Y軸電流IY中含有的、與高頻電壓的基波相同頻率的分量Ih Y。電感計算器7使用所述基波分量提取器6的輸出Ih Y、高頻旋轉電壓的基頻fh、和該高頻旋轉電壓的基頻分量的有效值Vh，對所述同步電動機8的Y軸電感LY進行運算。另外，d軸電感Ld及q軸電感Lq為，在所述坐標變換器5中，將任意旋轉坐標系10相對於所述固定坐標系9的相位ξ從0°變化至180°時所述電感計算器7的運算結果，並且將Y軸的電感即Ly的最小值確定為Ld、將最大值確定為Lq。圖3是本實施方式I中的同步電動機的電感測定裝置的動作流程圖。首先，在步驟3A中，為了測定同步電動機的電感相對於在同步電動機中流過的電流的飽和特性，而設定進行電感測定的電流目標值In (η = 1、2、3、…、N)。在這裡，η是測定電感時的測定點編號。接下來，在步驟3Β中，對所述設定的電流目標值In時的Y軸的電感Ly (In)進行測定。在這裡，在圖4中示出對Y軸的電感Ly (In)進行測定的處理流程。其中，在步驟4Α中，為了使目標電流值In流過同步電動機8的各相，而通過電壓指令生成器2使電壓指令值的絕對值增加，在步驟4Β中，將高頻旋轉電壓指令輸入至電壓變換器3。接下來，在步驟4C中，由電流檢測器4檢測同步電動機8的各相電流，在步驟4D中，對該檢測到的各相的電流值和所述目標電流值In進行比較。這時，在所述檢測到的各相的電流值比所述目標電流值In低的情況下，再次在步驟4Α中使電壓指令值的絕對值上升，實施步驟4Β及其以後的處理。另一方面，在步驟4D中，在所述檢測到的各相的電流值大於或等於所述目標電流值In的情況下，在步驟4Ε中，在使電壓指令生成器2中的電壓指令的振幅固定的狀態下，計算電感相對於同步電動機的轉子位置的分布、即Ly (ξ)。在這裡，Ly(I)是在使任意旋轉坐標系10的相位即根據u相測定的Y軸的相位從0°變化至180°的過程中，Y軸的相位處於ξ °位置時的Y軸方向的電感。圖5示出所述LyK)的計算處理流程圖。首先，在步驟5Α中，通過將同步電動機8的相電流變換為由Y軸及δ軸構成的任意旋轉坐標系10上的電流，從而得到Y軸電流i Y ( ξ )，其中，任意旋轉坐標系10是相對於由u軸、V軸及w軸構成的固定坐標系9旋轉任意相位角I後得到的。

接下來，在步驟5Β中，通過公知的數字濾波或傅立葉變換等方法，從所述Y軸電流i Y中提取基波分量ih Y，然後在步驟5C中，計算Y軸電流i Y ( ξ )的有效值Ih Y。並且，在步驟中，在將三相電壓指令換算為由Y軸及δ軸構成的任意旋轉坐標系10上的電壓值後的值中，基於Y軸電壓分量的基波有效值Vh Y、頻率fh、以及Y軸電流的基波有效值Ih Y，計算相對於u相而位於相位ξ位置處的Y軸方向的電感Ly (ξ)，其中，該任意旋轉坐標系10是相對於由u軸、V軸及W軸構成的固定坐標系9旋轉任意相位角ξ後得到的。對於從所述步驟4Α至步驟4Ε、及從步驟5Α至步驟的一系列處理，在以與高頻旋轉電壓的基頻相比足夠低的固定頻率，使ξ在同步電動機控制裝置預先設定的ξ的掃描區間的範圍內沿一定方向變化的期間內，以一定的採樣間隔反覆進行。在這裡，所謂掃描區間，是指為了測定Y軸電感而使I變化的範圍，該掃描區間按照以至少大於或等於同步電動機的電角的半個周期即180°進行掃描的方式預先設定。在所述預先設定的ξ掃描區間中，如果所述一系列的處理結束，在步驟4F中，對於電感相對於同步電動機轉子位置的分布的大於或等於一個周期結束了 Ly (ξ)值的計算，則結束所述設定的In下的Y軸電感Ly (In)的測定。接下來，在步驟3C中，提取上述測定的Y軸電流的基波有效值IhY (In)的最大值及最小值，分別確定為d軸電流Id及q軸電流Iq。並且，提取Y軸電感Ly (In)的最大值及最小值，分別確定為d軸電感Ld及q軸電感Lq。並且，在步驟3D中，在上述測定點編號η比同步電動機控制裝置預先設定的值N小的情況下，在步驟3Ε中，使η遞增，重複執行步驟3Α至步驟3C的處理，從而測定與多個同步電動機電流值相對應的電感值。並且，在測定點編號η與預先設定的值N相等時，通過步驟3F，針對測定出的Id及Ld以及Iq及Lq的多個測定結果，使用最小二乘法等方法，以電流的函數L (i)的形式導出電感的飽和特性。在這裡，圖6是本發明的實施方式I中的電感測定的時序圖。可知在掃描角15的各個時刻，分別對應於電壓振幅14得到Y軸電流基波有效值18和Y軸電感19，對應於電壓振幅13得到Y軸電流基波有效值17和Y軸電感20，對應於電壓振幅12得到Y軸電流基波有效值16和Y軸電感21。如上所述，由於在本發明的實施方式I中，電壓指令生成器2生成的電壓指令為三相高頻旋轉電壓，不同於對單一軸方向的交流電壓指令進行坐標變換並在各個方向施加交變電壓的方法，所以不需要用於直接生成三相電壓指令的坐標變換，而且，能夠同時在電動機的全部相位方向施加電壓。因此，能夠縮短對電動機施加電壓所需的時間，其結果，能夠縮短測定同步電動機的電感所需的時間。另外，在坐標變換器5中，通過在從任意相位開始至大於或等於同步電動機的電角的半個周期的區間內給出作為電流觀測軸的Y軸的相位ξ，從而求出d軸電感LcUq軸電感Lq，因此，無需事先進行磁極位置檢測就能夠進行電感測定。此外，由於使用高頻信號本身作為電壓指令，因此不同於與指令值疊加的方法，不需要電流控制運算器等，能夠以簡單的結構對同步電動機的電感進行測定。實施方式2.
在上述實施方式I中，雖然按照根據電感計算器7的運算結果L_ Y的最小值、最大值分別求出Lc ULq的方式構成，但通過使用基波分量提取器6的輸出ih_Y的最大值Id、最小值Iq計算電感，從而即使不在ξ的掃描區間內針對全部的ξ值求出 _Υ(ξ)，也能夠直接計算出d軸電感Ld及q軸電感Lq，因此能夠以較少的計算量求出Ld、Lq。實施方式3.
在上述實施方式I中，並未言及高頻電壓指令的波形的種類，但通過使用矩形波狀的電壓指令，從而作為向輸出矩形波的三角波比較PWM方式的功率變換器賦予的指令，與正弦波的情況相比，能夠減小功率變換器2前後的電壓誤差，提高電感的測定精度。標號的說明I電感測定裝置2電壓指令生成器3電壓變換器4電流檢測器5坐標變換器6基波分量提取器7電感計算器8 同步電動機9固定坐標系10任意旋轉坐標 系
權利要求
1.一種同步電動機的電感測定裝置，其特徵在於，具有: 電壓變換器，其對高頻電壓進行變換並施加至同步電動機； 電壓指令生成器，其生成向所述電壓變換器輸入的高頻電壓指令； 電流檢測器，其對所述同步電動機的電流進行檢測； 坐標變換器，其將由所述電流檢測器檢測到的電流變換為相對於固定坐標系位於任意相位的正交雙軸坐標系上的電流,並輸出所述正交雙軸坐標系中的一個軸的電流； 基波分量提取器，其提取所述正交雙軸坐標系中的一個軸的電流中含有的與所述高頻電壓相同頻率的分量；以及 電感計算器，其根據所述高頻電壓的有效值、頻率及所述基波分量提取器的輸出，計算電感， 所述電壓指令生成器生成可變的電壓有效值和以與同步電動機可同步旋轉的旋轉頻率的最大值相比足夠高的頻率值為基頻的三相高頻旋轉電壓，並輸出至所述電壓變換器。
2.根據權利要求1所述的同步電動機的電感測定裝置，其特徵在於， 所述坐標變換器的所述固定坐標系是由U軸、V軸及W軸構成的坐標系，所述正交雙軸坐標系由Y軸及δ軸構成，所述正交雙軸坐標系中的一個軸的電流是Y軸電流。
3.根據權利要求1所述的同步電動機的電感測定裝置，其特徵在於， 所述坐標變換器通過至少以電角180°進行從所述固定坐標系向所述正交雙軸坐標系的變換，從而根據所述電感計算器的最小值及最大值，求出同步電動機的d軸電感及q軸電感。
4.一種同步電動機的電感測定方法，其特徵在於，由以下步驟構成: 電流目標值設定步驟，在該步驟中，設定對同步電動機的電感進行測定的電流目標值； 電感測定步驟，在該步驟中，對所述設定的電流目標值時的Y軸電感進行測定； Y軸電流測定步驟，在該步驟中，對Y軸的電流進行測定； 電流.電感提取步驟，在該步驟中，提取所述設定的電流目標值時的所述Y軸電流的執行值的最大值及最小值，分別作為d軸電流、q軸電流，提取所述Y軸電感的最大值和最小值，分別作為d軸電感、q軸電感；以及 飽和特性計算步驟，在該步驟中，基於所述d軸電流、q軸電流、d軸電感及q軸電感，求出電感相對於電流的飽和特性。
5.根據權利要求4所述的同步電動機的電感測定方法，其特徵在於， 所述電感測定步驟由以下步驟構成: 相電流檢測步驟，在該步驟中，對同步電動機的各相電流進行檢測； 電流檢測結束判定步驟，在該步驟中，根據通過所述相電流檢測步驟檢測到的同步電動機的各相電流、和所述電流目標值的大小關係，判定是否結束電流檢測； 電感分布測定步驟，在該步驟中，測定電感相對於同步電動機的轉子位置的分布；以及電感分布測定結束判定步驟，在該步驟中，對預先設定的電感測定數量下的電感分布測定是否結束進行判定。
全文摘要
提供一種在對同步電動機的電感進行測定時高速且簡便的同步電動機的電感裝置。對同步電動機施加三相高頻旋轉電壓，根據電動機電流中含有的與高頻電壓相同頻率的分量，計算電感。
文檔編號H02P21/00GK103250343SQ201080070540
公開日2013年8月14日 申請日期2010年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者足立章二, 金原義彥 申請人:三菱電機株式會社