交流電動機的控制裝置及常數測定裝置的製作方法

2023-12-09 03:34:11

專利名稱：交流電動機的控制裝置及常數測定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及交流電動機的控制裝置，尤其涉及一種具備能夠高精度測 量交流電動機的作為電氣常數的電感，並將其用於控制的功能的控制裝置 及常數測定裝置。
背景技術：
在專利文獻1中公開了一種利用逆變器(inverter)等控制裝置來測量 交流電動機的電氣常數的技術。該技術是對同步電動機以任意的相位流過 直流成分來固定轉子位置，並在此基礎上疊加交流，從而測量電氣常數的 技術(以下記作現有技術l)。並且，在專利文獻2中公開了一種對d軸、 q軸施加交流電壓，並對其進行時間積分來運算磁通量，通過將橫軸作為 電流、縱軸作為磁通量來描繪磁滯曲線，從而計算電感的技術(以下記作 現有技術2)。專利文獻l:特開2000—50700號公報專利文獻2:特開2001—69782號公報現有技術1中，在通過沿磁鐵磁通方向流過直流來固定轉子，由此測 量電感的方法中使用了交流。然而，在實際的電動機驅動時，由於d軸、 q軸被施加了直流，所以，基於交流通電實現的電感測量中不能測得正確 的值。尤其是通過交流通電無法區別電流的正負，例如無法測量d軸電流 為正和負時的電感的不同。另外，在現有技術2中，通過對施加於d軸、q軸的交流電壓進行時 間積分而運算了磁通，但有可能在時間積分的過程中產生誤差。並且，還 難以反映d軸、q軸磁通的相互幹涉成分的影響。發明內容本發明考慮到上述問題點而提出，其目的在於，提供一種能夠更準確
地測量電動機的電氣常數，並將其運用於控制的電動機控制裝置及常數測 定裝置。上述的目的可通過設置從逆變器供給在直流中重疊了交流的合成電 流，並使該合成電流的直流成分連續或不連續地變化的機構而實現。 根據本發明，能夠更準確地測量交流電動機的電氣常數。


圖1是表示本發明實施方式1的系統構成的框圖。.圖2是表示本發明實施方式1中的電動機常數運算部的系統構成的框圖。圖3是表示本發吸實施方式1中的電動機的轉子位置的圖之一。 圖4是表示本發明實施方式1中的電動機的電流波形的圖之一。 圖5是本發明實施方式1中的d軸磁通的圖。 圖6是本發明實施方式1中的d軸電感的圖。 圖7是表示本發明實施方式1中的電動機的轉子位置的圖之二。 圖8是本發明實施方式1中的電動機的電流波形的圖之二。 圖9是本發明實施方式1中的q軸磁通的圖。 圖10是本發明實施方式1中的q軸電感的圖。圖11是表示本發明實施方式3中的電動機常數運算部的系統構成的 框圖。圖12是表示本發明實施方式3中的電動機的電流波形的圖之一。 圖13是表示本發明實施方式3中的電動機的電流波形的圖之二。 圖14是表示本發明實施方式4的系統構成的框圖。 圖15是表示本發明實施方式5的系統構成的框圖。 圖中l一驅動用指令發生器，2 —控制器，3 —逆變器，4—直流電源， 5—PM電動機，6—轉子固定器，7—位置檢測器，8a、 8b、 8c—電流檢測 器，9一測定用指令發生器，IO—電動機切換器，ll一dq坐標變換部，12 一電動機控制部，13—dq逆變換部，14一PWM信號發生部，15 —電壓指 令切換部，16、 16a—電動機常數運算部，17 —位置指令發生器，18 —位 置指令切換部，19一電流再現部，21—測定用電流指令設定部，22 —測定
用電壓指令設定部，23 —磁通變化率運算部，24 —磁通運算部，25 —電感 運算部，26—表格數據設定部，27—L近似式運算部，28—L近似式設定 部，41 —交流電源，42 — 二極體電橋，43 —平滑電容器。
具體實施方式
下面，參照圖1 圖14，對本發明的交流電動機的控制裝置的實施方 式進行說明。其中，在以下的實施方式中，使用永久磁鐵型同步電動機(下 面簡稱為PM電動機)作為交流電動機來進行說明，但通過其他的電動機 (例如，線圈型同步電動機、磁阻電動機、感應電動機等)也同樣可以實 現。[實施方式1]圖1是表示本發明的交流電動機控制裝置的實施方式1的系統構成的框圖。本實施方式1的控制裝置由下述設備構成驅動用指令發生器1，其對電動機賦予位置、或速度、或轉矩、或者電流等的驅動用指令ref; 控制器2，其運算電動機的交流施加電壓，將其變換為脈衝寬度調製波信 號(PWM信號)並輸出；逆變器3，其被該PWM信號驅動；直流電源4， 其向逆變器3供給電力；作為控制對象的永久磁鐵型同步電動機5 (下面 簡稱為PM電動機)；轉子固定器6，其用於固定PM電動機5的轉子；位置檢測器7，其檢測PM電動機5的轉子位置；檢測逆變器3向PM電 動機5供給的電流Iu的電流檢測器8a和檢測電流Iw的電流檢測器8b; 測定用指令發生器9，其設定電氣常數測定模式時的測定用指令，即交流 信號的角頻率頻率"1、 d軸電流直流成分Idoc*、 d軸電流交流成分的大小 IdAC*、 q軸電流直流成分Iq^、以及q軸電流交流成分的大小IqAC*;和模 式切換器10，其將控制器的動作模式切換為通常驅動模式和電氣常數自動 測定模式。控制器2由下述器件構成dq坐標變換部ll，其根據相位角0 (由 位置檢測器7檢測出的PM電動機的磁鐵磁通的位置)將檢測出的電流Iu、 Iw坐標變換為d、 q各軸上的成分Id、 Iq;電動機控制部12，其根據指令 ref*、電流檢測器Id、 Iq和相位角e，運算用於對PM電動機進行通常驅 動的電壓指令VcT、 Vq、 dq逆變換部13，其將Vcf、 Vq'變換為三相交流電 壓指令viA v/、 vw、 P麗信號發生部14，其根據三相交流電壓指令，產 生用於使逆變器3開關動作的脈衝寬度調製信號(PWM信號)；電壓指令 切換部15，其對電壓指令進行通常驅動模式和電氣常數測定模式的切換； 以及電動機常數運算部16，其被輸入測定用指令，即交流信號的角頻率" 1、 d軸電流直流成分Id。A d軸電流交流成分的大小IdJ、 q軸電流直流 成分Iq。A和q軸電流交流成分的大小IqAA和檢測電流Id、 Iq，產生電 氣常數測定所必要的施加電壓指令VcT、 Vq 同時計算並輸出PM電動機的 電氣常數。對逆變器3供給電力的直流電源4，由交流電源41、對交流進行整流 的二極體電橋42、和對直流電源所包含的脈動成分進行抑制的平滑電容器 43構成。接著，利用圖l對本實施方式l的動作原理進行說明。本實施方式中，控制器的動作模式是PM電動機5的通常驅動模式和 電氣常數的測定模式這兩種模式，這些模式根據來自模式切換器10的信 號被切換。在通常驅動模式中，電壓指令切換部15被切換到"0"側，另 外，在常數測定模式中被切換到"1"側。首先，針對通常驅動模式時進行說明。通過數字或模擬等等通信機構 從驅動用指令發生器l，對電動機控制部12賦予電動機的位置、或速度、 或轉矩、或電流等的驅動用指令re:^。在電動機控制部12中，根據ref*、 檢測電流Id、 Iq、以及電氣常數，進行PM電動機驅動所必要的電壓指令 Vd*、 VW的運算。在dq坐標變換部ll中，根據相位角e將交流電流iu、 Iw變換為旋轉坐標軸(dq軸)上的電流成分Id、 Iq。另一方面，Vcf、 Vq+ 被dq逆變換部13變換為交流量，進而在P而信號發生器14中被變換為 脈衝寬度調製波信號，並發送給逆變器3。接著，為了對本發明的特徵，即常數測定模式時的動作進行說明，利 用圖2 圖10對電動機常數運算部16的動作進行詳述。如圖2所示，測定用電流指令設定部21被輸入I dDC' 、 I dAC* 、 I qDc* 、 I Qac' 、 " 1 ，並輸出測定用電流指令I cT、 I q'。在本實施例中，通過ld單獨通電算出Ld，通過lq單獨通電算出Lq。 在Id單獨通電中設I q *為零，即I qoc' 、 I qAC'都被設定為零。在lq單 獨通電中設ICT為零，艮卩IdDC4、I dAC'都被設定為零。首先，針對基於ld單獨通電算出Ld進行說明。例如，使PM電動機5的永久磁鐵磁通的方向、與通過UW間通電而 產生的磁通的方向一致，利用轉子固定器6固定轉子。這與圖3所示的位 置相當。本實施例中，設在UW間通電，流過d軸電流，由圖2中的測定用電 流指令設定部21輸出以下的電流指令。 (數式1)I d * 二 I d dc* + I d ac* Xsin ( w 1 X t ) 測定用電壓指令設定部22按照檢測電流Id與電流指令I cT一致的方 式供給電壓指令Vcf。磁通變化率運算部23被輸入角頻率w 1 、電壓指令V cT 、檢測電 流I d。檢測電流大致可以下述公式表示。 (數式2)I d = I d DC+ I d ACXsin ( w 1 X t )然後，利用以下的公式，可算出檢測電流的直流成分I doc中的、磁 通* d相對電流變化的變化率4) d '。 (數式3)"'=d (小d) / d (id)=VdAc* / ("lXIdAc)然後，如圖4所示，設電流的交流成分一定，使直流成分不連續變化， 來算出各直流電流IdDc的小d '。此時，不連續變化的直流成分的大小可 以將零到最大電流分割成4等份左右，且在零附近取一點以上。由於電流 為零附近處磁通的變化率大，所以，這用於縮短所取得的數據間隔，來減 少後面所示的近似中的誤差。4 d '以及Id被輸入到磁通運算部24，下面對根據4> d '及Id算出 磁通4) d的方法進行闡述。當將泰勒展開的近似公式應用到磁通4)與電流i的關係中時，則會如 下所示。(數式4)
+ *〃 ( i o) X ( i廠i o) 2 / 2 ! +.… 艮P，如果知道電流i o中的4>、 4>' 、 4>〃 、 ，則可近似求出 電流ii中的》。直流電流為零時的4)d，即永久磁鐵磁通ci)m可根據感 應電壓算出，而且，4>〃之後的磁通的微分項基於差分算出。通過上述方 法，如圖5例示那樣，可以從電流為零的磁通4)m開始，算出各直流電流 lcbc的》d。Od被輸入到電感運算部25，通過下述關係可求出並輸出電感Ld。 (數式5)4)d二LdXId + 4)m根據上述方法，Ld如圖6的例子所示那樣被算出。 算出的Ld被輸入到表格數據設定部26，被存儲為表格ft^。然後，當由模式切換器10切換為通常驅動模式時，根據檢測電流ld對電動機控制部12賦予適當的Ld，用於控制。接著，對基於lq單獨通電算出Lq進行闡述。在本實施例中，如圖7所示，在與算出了 Ld時相同的位置處固定轉 子，從V相向U相、W相通電，流過q軸電流。接著，由測定用電流指令設定部21輸出以下的電流指令。 (數式6)I q* = I qDC* + I qAC* Xsin ( w 1 X t )測定用電壓指令設定部22按照檢測電流Iq與電流指令I q'—致的方 式供給電壓指令V q'。磁通變化率運算部23被輸入角頻率"1 、電壓指令V q'檢測電流 I q。檢測電流可近似由以下的公式表示。 (數式7)I q = I q dc+ I qAC Xsin ( " 1 X t )而且，通過下述公式可算出檢測電流的直流成分I Qdc中的、磁通4> q相對電流變化的變化率4) q '。 (數式8)4>q' =d (小q) / d (iq)=VqAC* / (wlXIqAC*) 並且，如圖8所示，使電流的直流成分不連續變化，算出各直流電流的"'。4>q'及lq被輸入到磁通運算部24，根據4) q '及lq算出磁通》q， 其方法與算出4)d時相同，應用了泰勒展開的近似公式。其中，直流電流 為零時的4)q設為零。根據上述方法，可如圖9例示那樣，從電流為零時 的零磁通開始算出各直流電流的* q 。4> q被輸入到電感運算部25，通過下述關係可輸出電感Lq。 (數式9)(J)q二LqXI q根據上述公式，Lq可如圖10的例子所示那樣被算出。算出後的Lq被輸入到表格數據設定部26，存儲為表格數據。然後， 在由模式切換器10—切換為通常驅動模式時，根據檢測電流lq對電動機控 制部12賦予適當的Lq，用於控制。綜上所述，根據本發明的第一實施方式，能夠高精度地測量PM電動 機的電氣常數，即電感Ld、 Lq。尤其能夠算出因d軸電流ld的正負而引 起Ld的不同，從而可測量弱勵磁控制所必要的高精度Ld。另外，在本實施方式(以及此後的實施方式)中，將轉子的位置固定 為如圖3及圖7所示，但只要能夠確定位置則可以是任意的位置。而且， 在算出Ld時求出並使用了永久磁鐵磁通cl)m，但也可以不求取》m而將 其設為零來算出Ld。[實施方式2]接著，對本發明的實施方式2進行說明。在實施方式1中通過Id或Iq的單獨通電算出了 Ld及Lq。不過，在 實際的電動機驅動時，存在著Id和Iq被同時通電的情況。該情況下，可 認為芯體(core)的磁飽和狀態與單獨通電Id或Iq的情況不同，Ld及Lq 也與單獨通電的情況不同。因此，在實施方式1中，無法測定同時對Id 和Iq通電來驅動電動機時的正確的Ld、 Lq。在本實施方式中，對d軸和q軸中與算出L的軸不同的軸通直流電流， 來解決上述的問題。首先，對算出流過Iq時的Ld進行說明。Iq為零時的Ld算出方法，可通過實施方式1己闡述的基於Id單獨通 電來算出Ld的方法算出。在對Iq不為零時的Ld進行計算時，不使kf為零地賦予直流值。艮口， 對I QdcT賦予正值，將I Qac'設定為零。其他方面與基於Id單獨通電 算出Ld的方法相同。由此，可算出在作為轉矩電流的lq流動狀態下的Ld。接著，對算出流動Id時的Lq進行說明。Id為零時的Ld算出方法，可通過實施方式l已闡述的基於Iq單獨通 電來算出Lq的方法算出。在對Id不為零時的Lq進行計算時，不使IcT為零地賦予直流值。艮P， 對I dDC*賦予正或負值，將I dAC*設定為零。其他方面與基於lq單獨通 電算出Lq的方法相同。由此，可算出如弱fl]磁驅動時或利用磁阻轉矩時 那樣對Id流動負電流的狀態、和如初始起動時等那樣對Id流動正電流的 狀態下的Lq。[實施方式3]在實施方式1及實施方式2中，不連續變化的直流成分的大小，通過 將從零到最大電流等分割為4等份左右，且在零附近取一點以上而決定。在本實施方式中，通過利用數式對Ld、 Lq進行近似，以更少的數據 算出Ld、 Lq。本實施方式的構成與圖1大致相同，但不同之處在於，電動機常數運算部16被置換為圖11所示的電動機常數運算部16a。利用圖11，對電動機常數運算部16a的動作進行詳述。如圖6及圖10所示，公知Ld、 Lq相對電流以非線性方式變化。因此，為了表示這些電感與電流的關係，導入以下的近似式。 (數式l 0 )Ld=Kl/(l+K2XId) (Id〉0時) (數式l 1 )Ld=K3/(l—K4XId) (Id〈0時) (數式l 2 )L q =K 5 / (1 +K 6 X 1 I q I ) 根據以上的公式和上述磁通與電流的關係，可導出以下的關係式d) / d (id)二K1/ (l+K2XId)"(I d 〉 0時)(formula see original document page 12=K5/(l+K6X|Iqi)A2 首先，對基於Id單獨通電算出Ld進行說明。例如，使PM電動機5的永久磁鐵磁通的方向、與由UW件通電產生 的磁通的方向一致，利用轉子固定器6固定轉子。則相當於圖3所示的位到通過磁通變化率運算部23算出4)d'為止與實施方式l相同，在4> d'被輸入到L近似式運算部27時開始不同。然後，如圖12所示設電流的交流成分一定，使直流成分不連續變化， 算出各直流電流的小d'。此時，不連續變化的直流成分的大小取零到最 大電流中的兩點。根據上述的公式13及公式14， 4>d'在ld>0和ld<0中，分別是未知 係數為兩個(K1及K2、或K3及K4)的方程式。因此，由磁通變化率運 算部23在IdX)和IdO的情況下分別測量電流值2點的4)d'，並將它們 代入公式13及公式14可確定未知的係數。確定後的係數K1、 K2、 K3、 K4被輸入、存儲到L近似式設定部28。 然後，在由模式切換器IO切換為通常驅動模式時，對應檢測電流Id，根 據公式10及公式11由L近似式設定部28算出Ld，並賦予給電動機控制 部12，用於控制。接著，對基於Iq單獨通電算出Lq進行闡述。在本實施方式中，如圖7所示，在與算出了 Ld時相同的位置處固定 轉子，從V相向U相、W相通電，流過q軸電流。
到通過磁通變化率運算部23算出4)q'為止與實施方式l相同，在其 被輸入到L近似式運算部27時開始不同。然後，如圖13所示設電流的交流成分一定，使直流成分不連續變化， 算出各直流電流的小q'。此時，不同之處在於不連續變化的直流成分的 大小取零到最大電流中的兩點。根據上述的公式15， 4)q'是未知係數為兩個(K5及K6)的方程式。 因此，測量電流值2點的4)q'，並將它們代入公式15，從而可確定未知 的係數。確定後的係數K5及K6被輸入、存儲到L近似式設定部28。然後， 在由模式切換器IO切換為通常驅動模式時，對應檢測電流Iq，根據公式 12由L近似式設定部28算出Lq，並賦予給電動機控制部12，用於控制。如上所述，通過採用近似式，能夠以更少的數據準確地求出相對電流 非線性變化的電感的值，通過將其用於控制，能夠更高精度地實現無傳感 器控制及高效率控制等。[實施方式4]在實施方式1 實施方式3中，舉例說明了帶位置傳感器/帶電流傳感 器的構成，但也可以通過無位置傳感器/帶電流傳感器的構成來實現。下面 利用圖14進行說明。圖14與圖1的不同點如下所述。首先，沒有了位置檢測器7，由電動 機控制部12供給通常驅動模式時的位置指令e d c。而且，新設置了位 置指令發生器17，在常數測定模式時將PM電動機5的轉子位置9 d c 輸入給控制器2。並且，新設置了位置指令切換部18，其被輸入模式切換 器10的信號，在通常驅動時，電壓指令切換部15被切換到"0"側，另 外，在常數測定模式中被切換到"1"側。對於電氣常數的測定方法而言，採用實施方式1 實施方式3中說明 過的方法。[實施方式5]在實施方式4中舉例說明了無位置傳感器/帶電流傳感器的構成，但也
可以由無位置傳感器/無電流傳感器的構成來實現。利用圖15進行說明。圖15與圖14的不同之處如下所述。首先，去除了檢測電流lu的電 流檢測器8a和檢測電流lw的電流檢測器8b，新設置了電流檢測器8c， 對直流電源4向逆變器3供給的電流IDC進行檢測。而且，新設置了電流 再現部19，根據由電流檢測器8c檢測到的電源電流IDC，並利用特開平 8—19263號公報等中記載的方法，通過運算來再現PM電動機5中流過 的三相交流電流lu、 lv、 lw。對於電氣常數的測定方法而言，使用實施方式1 實施方式3中已說 明的方法。如上所述，根據本發明，.可更加準確地測定交流電動機的電氣常數。 而且，通過將該正確的龜氣常數運用於轉矩控制，能夠實現更高精度的轉矩控制，從而可高響應且高效率地驅動電動機。另外，通過將該正確的電氣常數應用於無位置傳感器，能夠推定更準確的位置，從而會使得無位置傳感器控制的控制性能提高。
權利要求
1、一種交流電動機的控制裝置，用於對交流電動機進行控制，其中，該控制裝置中具備與所述交流電動機的驅動模式不同的電動機常數測定模式，在該電動機常數測定模式中，從逆變器供給在直流中重疊了交流的合成電流，使該合成電流的直流成分連續或不連續地變化。
2、 根據權利要求l所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 所述合成電流提供給d軸或q軸。
3、 根據權利要求l所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 所述連續或不連續變化的直流成分的大小，選擇將從零到最大電流分割為多個的各值和零附近更多的值。
4、 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， 所述連續或不連續變化的直流成分的大小，選擇從零到最大電流中的任意兩點的值。
5、 一種交流電動機的常數測定裝置，包括驅動交流電動機的逆變 器、控制該逆變器的控制裝置和固定交流電動機的轉子的裝置，所述控制裝置中具備與所述交流電動機的驅動模式不同的電動機常 數測定模式，在該電動機常數測定模式中，從所述逆變器供給在直流中重 疊了交流的合成電流，使該合成電流的直流成分連續或不連續變化。
6、 一種交流電動機的控制裝置，用於對交流電動機進行控制， 該控制裝置中具備與所述交流電動機的驅動模式不同的電動機常數測定模式，在該電動機常數測定模式中，從逆變器供給在直流中重疊了交 流的合成電流，根據供給電壓的交流成分、檢測電流的交流成分和交流的 頻率，算出直流電流值附近的磁通相對電流變化的變化率。
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， 使所述合成電流的直流成分連續或不連續變化，算出多個直流電流值附近的磁通相對電流變化的變化率，根據該多個磁通的變化率算出磁通。
8、 根據權利要求7所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 根據所述算出的磁通算出交流電動機的電感值。
9、 根據權利要求7所述的交流電動機的控制裝置，其特徵在於， 通過由d軸電流Id及q軸電流Iq決定的下述近似式，對所述控制裝 置賦予由所述電動機常數測定模式測定出的d軸電感Ld及q軸電感Lq， 所述公式為Ld二Kl/(l+K2XId) (Id〉0時) Ld二K3/(l—K4XId) (Id〈0時) Lq=K5/(l+K6X|Iq|)。 10、 一種交流電動機的控制裝置，用於對交流電動機進行控制， 該控制裝置中具備與所述交流電動機的驅動模式不同的電動機常數 測定模式，在該電動機常數測定模式中，從逆變器向d軸或q軸供給在直 流中重疊了交流的合成電流，使該合成電流的直流成分連續或不連續變 化，並且對與通電了所述合成電流的軸不同的軸供給直流電流，使該宣流 電流連續或不連續變化。
全文摘要
本發明提供一種交流電動機的控制裝置，尤其提供一種能夠高精度測量交流電動機的電氣常數，即電感並將其用於控制的控制裝置及常數測定裝置。通過設置從逆變器供給在直流中重疊了交流的合成電流，使該合成電流的直流成分連續或不連續變化的機構來實現。
文檔編號H02P21/00GK101154910SQ20071014084
公開日2008年4月2日 申請日期2007年8月10日 優先權日2006年9月28日
發明者中津川潤之介, 巖路善尚, 戶張和明 申請人:株式會社日立製作所