交流電動機的控制裝置及控制方法
2023-05-21 14:26:06
專利名稱：交流電動機的控制裝置及控制方法
技術領域：
本發明涉及交流電動機的控制裝置及控制方法。
背景技術：
為高性能地驅動電動機，需要正確地推定流過該電動機的電動機電流。在專利文獻1中，從直流母線電流檢測兩相的電流信息，根據該檢測值推定電動機電流。但是為在載波的一周期中得到兩相的電流信息，需要調整逆變器的開關的定時。這導致微控制器的運算負荷以及噪音的增加。在專利文獻2中，為解決上述問題，能夠僅用一相的電流信息推定電流。可是，為進行一次電流推定，需要在規定的期間內計算直流母線電流的檢測值和周期函數的積的積分值。因為在高速驅動時上述期間內的檢測次數降低，不能正確地得到積分值，所以電流推定的精度降低。另外，因為電流推定算法包含周期函數，所以產生運算負荷以及運算誤差。在專利文獻3中，不是根據直流母線電流而是根據U相電流(或者V相、W相)的積分值推定電流。電流推定算法不包含周期函數，簡單。但是，與專利文獻2同樣，在高速驅動時上述期間內的檢測次數降低，因此推定精度降低。[專利文獻1]日本特許第3610897號公報[專利文獻2]日本特開2007-221999號公報[專利文獻3]日本特開2007-116817號公報
發明內容
本發明提供用於實現運算負荷小而且推定精度高的電流推定的交流電動機的控制裝置以及控制方法。本發明在其一方面，在規定的第一期間和第二期間之間，以恆定間隔在各個期間內多次進行檢測，通過在把在各期間內檢測值的積分值作為元素的矢量上，乘以把在進行檢測的瞬間的逆變器的輸出電壓相位的正弦函數和餘弦函數的各期間內的積分值作為元素的矩陣的逆矩陣，推定無效電流以及有效電流。此時，因為根據進行了檢測的定時修正逆矩陣的各分量，所以即使在檢測間隔粗的情況下電流推定的精度也不降低。在本發明的優選的實施方式中，通過在電流檢測器中使用低通濾波器，能夠抑制阻尼振蕩引起的檢測誤差。另外，在本發明的優選的其他的實施方式中，通過調整檢測期間的長度，能夠提高電流推定的精度，或者縮短電流推定的更新周期。進而，在本發明的優選的其他的實施方式中，通過考慮高次諧波修正上述矩陣的各分量，即使在電流中包含高次諧波分量的情況下也能夠正確地推定電流。根據本發明的優選的實施方式，能夠用小的運算負荷高精度地推定流過交流電動機的無效電流以及有效電流。
圖1是本發明的第一實施方式的交流電動機的控制裝置的整體結構圖。圖2是三相調製方式的電壓、電流波形圖。圖3是表示電壓、電流的各分量的矢量圖。圖4是表示U相電流的檢測定時的波形圖。圖5是表示三相調製方式中的PWM控制和直流母線電流檢測的關係的波形圖。圖6是本發明的第二實施方式的直流母線電流檢測器的結構圖。圖7是表示使用低通濾波器的直流母線電流的檢測的波形圖。圖8是使用三倍高次諧波的三相調製方式的電壓、電流波形圖。圖9是兩相調製方式的電壓、電流波形圖。圖10是表示兩相調製方式的PWM控制和直流母線電流檢測的關係的波形圖。圖11是在兩相調製方式中使上臂或者下臂的開關元件的某個常開時的電壓、電流波形圖。圖12是表示載波信號和開關元件的導通時間的關係的波形圖。圖13是本發明的第三實施方式的交流電動機的控制裝置的結構圖。圖14是本發明的第六實施方式的交流電動機的控制裝置的結構圖。符號說明1交流電動機，2逆變器，3直流電源，4直流母線電流檢測器, 低通濾波器，5逆變器控制電路，5aPWM信號發生部，5b矢量控制部，5c電流推定部，5d正弦函數運算器，5e餘弦函數運算器，5f積分器，5g積分器，5h積分器，5i開關，5 j開關，5k常數存儲部，VDC直流電壓，IDC直流母線電流，Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swn開關元件，Vu、Vv、Vw U、V、W相電壓， Vu*、Vv*、Vw* U、V、W相電壓指令，Vl電動機輸出電壓，Il電動機電流，Ir無效電流，Ia有效電流，θ ν電壓相位，φ電壓/電流相位差。
具體實施例方式下面參照
本發明的實施例。[實施例1]圖1是本發明的第一實施方式的交流電動機1的控制裝置的整體結構圖。交流電動機1輸出與三相電流Iu、Iv、Iw對應的電動機轉矩。逆變器2具有開關元件Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swn，向交流電動機1施加三相電壓Vu、Vv、Vw。直流電源3發生直流電壓VDC，向逆變器2供給直流電力。直流母線電流檢測器4檢測逆變器2的直流母線電流IDC。逆變器控制電路5由PWM信號發生部5a、矢量控制部5b、電流推定部5c、正弦函數運算器5d、餘弦函數運算器k、積分器5f 5h構成，控制開關元件Sup、Sim、Svp, Svn、Swp、Swn的導通、關斷。以下詳細說明各部分。如圖2所示，逆變器2產生(公式1)的三相交流電壓Vu、Vv、Vw,在交流電動機1 上流過(公式2)的三相交流電流Iu、Iv、Iw。(公式1)
權利要求
1.一種交流電動機的控制裝置，其具有 直流電源；包含多個開關元件、並把來自上述直流電源的直流電力變換為交流電力的逆變器； 對上述多個開關元件進行PWM控制的逆變器控制電路； 由上述逆變器供電的交流電動機；以及檢測在上述逆變器中流動的直流母線電流的電流檢測器， 該交流電動機的控制裝置的特徵在於，具有電流採樣單元，其在規定的第一期間和第二期間中的各個期間內，以規定間隔多次從上述電流檢測器的輸出中採樣上述直流母線電流值；第一積分運算單元，其把上述第一期間以及上述第二期間中的各個期間內的電流採樣值，在各個期間內積分；第二積分運算單元，其在上述第一期間內以及上述第二期間內分別積分上述採樣的各瞬間的上述逆變器的輸出電壓相位的正弦函數和餘弦函數；以及電流推定單元，其根據上述第一以及第二積分運算單元的積分值，推定在上述交流電動機中流動的無效電流以及有效電流。
2.根據權利要求1所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於，上述電流推定單元，通過在由上述第一期間以及上述第二期間中的各個期間的電流採樣值的、各個期間內的積分值組成的矢量上，乘以由上述採樣的各瞬間的上述逆變器的輸出電壓相位的正弦函數和餘弦函數的、上述第一期間內以及上述第二期間內的積分值組成的逆矩陣，推定在上述交流電動機中流動的無效電流以及有效電流。
3.根據權利要求1或2所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於，上述第一和/或第二積分運算單元分別在上述第一期間以及上述第二期間內計算多個上述採樣中的總和。
4.根據權利要求1至3中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 具有為了上述PWM控制而比較載波信號和三相電壓指令值的比較單元，上述電流採樣單元在上述載波信號成為零電平的定時，採樣上述電流檢測器的輸出。
5.根據權利要求1至3中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 具有為了上述PWM控制而比較三角波載波信號和三相電壓指令值的比較單元， 上述電流採樣單元在上述逆變器的輸出電壓的僅某一相是正的情況下，在上述三角波載波信號從正向負的方向過零的定時，在上述逆變器的輸出電壓的僅某一相是負的情況下，在上述三角波載波信號從負向正的方向過零的定時，採樣上述電流檢測器的輸出值。
6.根據權利要求1至3中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 上述PWM控制是三相調製方式，作為上述PWM控制的載波信號使用三角波，在把上述逆變器的調製率作為KH，把上述PWM控制的載波周期作為Tc，把允許的推定精度誤差率作為 Δ I時， 公式13V3 KhTc ^t 二 1 KhTc 8 Iog(M) ~ f ~ 4 Iog(AZ)上述電流檢測器具有公式13的時間常數Tf的低通濾波器，在上述載波信號成為零電平的定時，上述電流採樣單元採樣上述電流檢測器的輸出。
7.根據權利要求6所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 上述PWM控制是使用三倍高次諧波成分的三相調製方式， 公式173 KHTC ^T 二 V3 KHTC 16 Iog(AZ) ~ f ~ 8 Iog(AZ)上述電流檢測器具有公式17的時間常數Tf的低通濾波器。
8.根據權利要求1至3中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 上述PWM控制是兩相調製方式，在作為上述PWM控制的載波信號使用三角波的情況下，在把上述逆變器的調製率作為KH，把上述PWM控制的載波周期作為Tc，把允許的推定精度誤差率作為Δ I時， 公式22V3 KhTc ζ τ < 3 KhTc 'Iog(M)"8 Iog(AZ)上述電流檢測器具有公式22的時間常數Tf的低通濾波器，在上述載波信號成為最大或最小電平的定時，上述電流採樣單元採樣上述電流檢測器的輸出值。
9.根據權利要求6至8中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 作為上述載波信號使用鋸齒波，上述電流檢測器具有公式13、公式17、公式22中的任何一個的兩倍的時間常數的低通濾波器。
10.根據權利要求1或2所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 上述第二積分運算單元作為積分值使用預先設定的值。
11.根據權利要求1至10中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 具有延長和/或縮短上述第一期間或上述第二期間的期間調整單元。
12.根據權利要求11所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於，具有期間縮短單元，其縮短上述第一期間和/或上述第二期間，使得通過上述電流推定單元進行的無效電流以及有效電流的推定頻度增加。
13.根據權利要求11所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於，具有期間延長單元，其延長上述第一期間和/或上述第二期間，使得上述第一期間和/ 或上述第二期間中的電流採樣次數增加。
14.根據權利要求1至13中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 上述電流推定單元在上述輸出電壓相位的正弦函數以及餘弦函數的積分值以外，還根據把上述輸出電壓相位的整數倍的值作為相位的正弦函數以及餘弦函數的積分值，推定上述有效電流以及上述無效電流。
15.根據權利要求1至14中的任意一項所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 把上述交流電動機作為空調、冷凍裝置中具有的風扇或壓縮機的驅動裝置來應用。
16.一種交流電動機的控制方法，其中所述交流電動機具有直流電源；包含多個開關元件、並把來自上述直流電源的直流電力變換為交流電力的逆變器； 對上述多個開關元件進行PWM控制的逆變器控制電路； 由上述逆變器供電的交流電動機；以及檢測在上述逆變器中流動的直流母線電流的電流檢測器， 該交流電動機的控制方法的特徵在於，具有電流採樣步驟，其在規定的第一期間和第二期間中的各個期間內，以規定間隔多次從上述電流檢測器的輸出中採樣上述直流母線電流值；第一積分運算步驟，其把上述第一期間以及上述第二期間中的各個期間的電流採樣值在各個期間內積分；第二積分運算步驟，其在上述第一期間內以及上述第二期間內分別積分上述採樣的各瞬間的上述逆變器的輸出電壓相位的正弦函數和餘弦函數；以及電流推定步驟，其根據通過上述第一以及第二積分運算步驟得到的積分值，推定在上述交流電動機中流動的無效電流以及有效電流。
17.根據權利要求16所述的交流電動機的控制方法，其特徵在於， 上述電流推定步驟，通過在由上述第一期間以及上述第二期間中的各個期間的電流採樣值的、各個期間內的積分值組成的矢量上，乘以由上述採樣的各瞬間的上述逆變器的輸出電壓相位的正弦函數和餘弦函數的、上述第一期間內以及上述第二期間內的積分值組成的逆矩陣，推定在上述交流電動機內流動的無效電流以及有效電流。
全文摘要
本發明的目的是提供實現運算負荷小、而且推定精度高的電流推定的交流電動機的控制裝置。通過在規定的第一期間和第二期間，以恆定間隔在各個期間內多次檢測直流母線電流，在把各期間中的檢測值的積分值作為元素的矢量上，乘以把進行檢測的瞬間的逆變器的輸出電壓相位的正弦函數和餘弦函數的各期間內的積分值作為元素的矩陣的逆矩陣，推定無效電流以及有效電流。根據本發明的實施方式，能夠以小的運算負荷高精度地推定在交流電動機中流動的無效電流以及有效電流。
文檔編號H02P21/00GK102315815SQ20111018656
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者前田大輔, 戶張和明, 能登原保夫, 隅田悟士 申請人:株式會社日立製作所