永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的製作方法
2023-06-02 21:58:51
專利名稱：永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及永久磁鐵式同步電動機的控制裝置。
背景技術：
由於永久磁鐵式同步電動機因旋轉產生的感應電壓及因電樞反作用產生反向電動勢，故該同步電動機有必要以不超過倒相器的最大輸出電壓的方式進行運轉。
特別是當涉及超過額定速度的高速旋轉區域或比額定轉矩大的負載時，電動機的端電壓不得超過倒相器的最大輸出電壓。另外，由於在倒相器的直流電源電壓降低的情況下，最大輸出電壓也降低，故即使在這樣的情況下也必須一併考慮電動機的端電壓不可超過倒相器的最大輸出電壓。
作為這種解決方法，提高倒相器的輸出電壓也是方法之一，但由於裝置也往往大型化，故多採用利用了電樞反作用的弱磁場控制。
關於現有的永久磁鐵式同步電動機的弱磁場控制，例如可從日本特開2000-278982號公報中得知。在該說明書中，提出了一種方法，用電壓傳感器檢測倒相器直流電壓值，並追蹤控制基於將磁場方向的電流(d軸電流)輸入到倒相器中的直流電壓、電動機的轉矩與電動機的旋轉速度的關係的d軸電流分量的指令值，使得電動機的感應電壓不超過倒相器直流電壓值。
但是，在現有的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置中，在倒相器的直流電源電壓降低時或電動機高速運轉時等必須降低電動機的端電壓時，由於採用了根據電動機轉數、轉矩電流(q軸電流)指令和電動機常數包含開平方和除法的複雜計算式來計算d軸電流指令值，故存在無法用廉價的處理器，例如微型計算機等進行運算，也無法安裝之類的問題。另外，由於電動機常數隨電動機的負載狀態和溫度變化，故在這些因素的影響下，產生d軸電流指令值的誤差，從而無法充分地進行弱磁場控制。另外，也有流過必要值以上的d軸電流的問題。
發明內容
本發明是為了解決這些問題而進行的，其目的在於，採取不用平方根和複雜的計算式的簡單結構以得到即使針對電動機常數的變動也能精度良好地進行電動機的端電壓的控制的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置。
在本發明中，電動機的端電壓的抑制通過令負電流流過d軸來進行，使得倒相器的最大輸出電壓不至超過永久磁鐵式同步電動機的端電壓。在本發明中，d軸電流分量的大小通過如下方式進行調整將輸入到倒相器中的電壓指令值與以上述倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值(閾值)進行比較，當上述電壓指令值超過端電壓上限值時，轉換成使d軸電流分量沿負方向增大的方向；當電壓指令值小於等於端電壓上限值時，轉換成使d軸電流分量沿負方向減少的方向。另外，不流過正的d軸電流。這樣，通過控制d軸電流指令值的增減量來調節d軸電流的大小，電壓指令值受閾值控制。由此，進行電動機的控制，使得電動機的端電壓不超過倒相器的最大輸出電壓。
圖1是表示本發明的實施方式1中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的結構的方框圖。
圖2是表示用於本發明的實施方式1中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的d軸電流指令裝置的結構例的方框圖。
圖3是表示本發明的實施方式1中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的特性的圖。
圖4是表示本發明的實施方式1中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的特性的圖。
圖5是表示用於本發明的實施方式2中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的d軸電流指令裝置的結構例的方框圖。
具體實施例方式
為了更詳細地說明本發明，按照附圖對其進行說明。
實施方式1圖1是表示本發明的實施方式1中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的方框圖。在圖中，永久磁鐵式同步電動機的控制裝置由交流電源1、變換器2、平滑電容器3、倒相器4、電流檢測器5、永久磁鐵式同步電動機6、電動機位置檢測器7、電動機速度檢測器8、PWM脈衝發生裝置9、調製波發生裝置10、電流控制裝置12、q軸電流指令裝置13、速度控制裝置14和速度指令裝置15構成。交流電源1被輸入到變換器2中。變換器2輸出直流電壓，用平滑電容器3使該直流電壓平滑化，並輸入到倒相器4中。倒相器4通過用PWM脈衝發生裝置9進行切換，從而輸出可變電壓和可變頻率的交流電壓，驅動永久磁鐵式同步電動機6。
電動機位置檢測器7和電動機速度檢測器8分別檢測永久磁鐵式同步電動機6的磁極位置θ和電動機速度ω，這些量被用於電動機的驅動控制。速度指令裝置15生成速度指令信號ω*，速度控制裝置14輸出用於使上述電動機速度ω追蹤上述速度指令信號ω*的轉矩指令值T*。q軸電流指令裝置13將上述轉矩指令值T*變換成與電動機的發生轉矩相當的電流分量(q軸電流)的指令值iq*。電流檢測器5檢測流過永久磁鐵式同步電動機6的電動機電流。
電流控制裝置12用上述磁極位置θ將上述電動機電流分解為d軸和q軸電流分量，並進行控制，使它們分別追蹤由d軸電流指令裝置11生成的d軸電流指令值id*和q軸電流指令值iq*。此時，輸出將施加電壓於電動機的端子上的倒相器4的電壓指令值進行了d-q軸變換後的值即vd*和vq*。d軸電流指令裝置11以上述電壓指令值vd*和vq*作為輸入，輸出d軸電流指令值id*。該工作的細節將在以後敘述。調製波發生裝置10用上述磁極位置θ將上述電壓指令值vd*、vq*從d-q軸變換成3相交流分量的電壓指令值，輸出給PWM脈衝發生裝置9。PWM脈衝發生裝置9將上述3相交流分量的電壓指令值變換成用於驅動倒相器4的PWM信號，並輸出給倒相器4。
圖2是表示用於本發明的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的d軸電流指令裝置的結構例的圖，在本實施方式1中說明用低通濾波器調整d軸電流值的大小的方法。
d軸電流指令裝置11由估計電動機的端電壓的端電壓估計單元21、設定倒相器4的輸出電壓的上限值的電源電壓設定單元22、設定d軸電流量的輸入電流值設定單元23、轉換低通濾波器的輸入以進行弱磁場控制的輸入轉換單元24和低通濾波器25構成，生成不超過根據倒相器4的直流電壓設定值計算永久磁鐵式同步電動機6的端電壓的倒相器4的最大輸出電壓的d軸電流指令。以下說明其工作。
端電壓估計單元21根據由電流控制裝置12輸出的電壓指令值vd*和vq*估計永久磁鐵式同步電動機6的端電壓。作為一例，得到像式1那樣估計的端電壓va2。
(式1)Va2=Vd*2+Vq*2]]>電壓上限設定單元22以倒相器4的最大輸出電壓值為基礎設定與式1對應地變換永久磁鐵式同步電動機6的端電壓的上限的端電壓上限值(閾值)Vmax2。就式1的情形而言，由於電動機的線電壓振幅值相當於 故只要將該上限值設定成倒相器4的最大輸出電壓即可。因而，如假定倒相器4的最大輸出電壓為Vdc，則只要設定成用式2計算出的值即可。
(式2)Vmax2＝Vdc2/2通過如此設定，永久磁鐵式同步電動機6的端電壓被限制為不超過倒相器4的最大輸出電壓。再有，要使電壓具有裕量，可設定為比式2的值小的值。再有，也可取va2=vd*2+vq*2]]>、Vmax2=Vdc/2,]]>以取代式1和式2，但由於所估計的端電壓va2用在線方式進行運算，故希望採用運算量少的式1和式2。
接著，進行弱磁場控制的輸入轉換單元24將由端電壓估計單元21估計的端電壓va2與由電壓上限設定單元22設定的端電壓上限值(閾值)Vmax2進行比較，如果va2＞Vmax2，則判斷為由於電動機的端電壓超過倒相器的最大輸出電壓，故有必要使d軸電流值沿負方向增大。此時，在本實施方式中輸出1。另外，在va2＝Vmax2或va2＜Vmax2時，判斷為有必要使d軸電流沿負方向減少，輸出0。
輸入電流值設定單元23設定d軸電流指令的暫時輸入值Idcst。假定暫時輸入值Idcst為負的常數值，例如其絕對值設定為被容許的d軸電流值的最大值。
向低通濾波器25的輸入端輸入將進行弱磁場控制的輸入轉換單元24與輸入電流值設定單元23的輸出值相乘後的值。也就是說，如果va2＞Vmax2，則輸入Idcst，如果va2＝Vmax2或va2＜Vmax2，則輸入0，輸入信號呈脈衝狀。
低通濾波器25在本實施方式1中為1次濾波器，用Tfid設定截止頻率。如果增大Tfid，則頻帶變窄，故輸出信號的響應變慢，但波形變為平滑。反之，如果減小Tfid，則頻帶變寬，故輸出信號的響應變快，但其波形容易殘留作為輸入信號的脈衝信號的影響。上述低通濾波器25用式3表示，『s』表示拉普拉斯算符。
(式3)F(s)11+Tfids]]>上述低通濾波器25如上所述輸入脈衝狀的信號，將該輸入信號平滑化後輸出，從而d軸電流指令值id*在從Idcst到0的區域內作為平滑的信號輸出。
通過以上的操作，如果va2＞Vmax2，則d軸電流指令值id*沿負方向增大，在va2＝Vmax2或va2＜Vmax2時，d軸電流指令值id*沿負方向減少，從而在進行弱磁場控制時，電壓指令值被控制成與以倒相器4的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值一致(va2＝Vmax2)。電壓指令值由於大致等於電動機的端電壓，故電動機的端電壓被控制成與端電壓上限值一致。
圖3表示本實施方式1的弱磁場控制的工作。上段表示電動機速度，中段表示電動機電壓指令值，下段表示d軸電流。電動機速度ω為加速-恆速-減速停止這樣的形狀，例如在電梯等中就是這種形狀。在時刻t1，如果端電壓估計值va2變得等於端電壓上限值Vmax2，則d軸電流量被控制成va2不超過Vmax2。另外，在時刻t2，由於電動機的旋轉速度減少，電動機的端電壓小於等於Vmax2，故d軸電流為0。
按照以上所述，在本發明中，由於進行是否以電壓指令值的大小為基礎進行弱磁場控制的判斷來決定d軸電流指令值的增減，以便用低通濾波器25使具有恆定值和零值的脈衝狀的信號平滑化，故可不用電動機常數簡單地計算d軸電流指令值的運算，可用廉價的處理器來實現。
另外，由於不用電動機常數進行d軸電流指令值的運算，故在電動機常數隨加到電動機的負載狀態的變化及溫度變化等而變化的情況下，d軸電流也不受其影響而被調整為恰當的值，以進行弱磁場控制。因而，d軸電流量因電動機常數變化的影響而產生誤差，由此，電動機的端電壓超過倒相器4的最大輸出電壓而陷於無法運轉，或者流過多於必要值以上的d軸電流而不至於發生使電動機效率降低的現象。
進而，在本發明中，當交流電源1的電壓下降時，倒相器4的直流電源電壓(等於平滑電容器3的電壓)下降，隨之倒相器4的最大輸出電壓下降，在此情況下，也可產生電動機的端電壓不超過倒相器4的最大輸出電壓而恰當地進行弱磁場控制的效果。應用圖4對此進行說明。
在圖4中，在時刻t1，倒相器4的直流電源電壓下降。此時，即使在電壓指令值不變的情況下，倒相器4的輸出電壓也下降。因而，由電流控制裝置12進行控制，使得倒相器4的輸出電壓不至於下降，電壓指令值增加。也就是說，電壓指令值比實際電動機的端電壓增大。因此，當所估計的端電壓va2上升，達到閾值的Vmax2時(時刻t2)，如上所述，通過流過d軸電流，進行弱磁場控制，從而被控制成使電動機的端電壓下降，降至不超過倒相器4的最大輸出電壓。如以上那樣，當交流電源1的電壓下降時，根據其下降量，在電動機的端電壓比電壓不下降的通常的情況低的狀態下，移至弱磁場控制，從而進行控制，使得不超過倒相器的下降了的最大輸出電壓。
反之，當在再生運轉中倒相器4的直流電源電壓上升，倒相器4的最大輸出電壓隨之上升的情況下，即使在電壓指令值不變的情況下，倒相器4的輸出電壓也根據平滑電容器3的電壓上升量而增加。因而，藉助於電流控制裝置12，電壓指令值下降，與實際電動機的端電壓相比，電壓指令值減小。因此，與平滑電容器3的電壓不上升的通常的情況相比，在電動機端電壓高的狀態下，為了移至弱磁場控制，也往往流過多於必要值以上的d軸電流而不使電動機效率降低。
再有，也可設置檢測倒相器4的直流電源電壓的電壓傳感器，以電壓檢測值為Vdc而按照式2不斷地更新Vmax2。由此，為了能夠更準確地評價倒相器4的最大輸出電壓，可進行效率更高的弱磁場控制。另外，也可用電壓傳感器等測定電動機的端電壓，用該測定值求得va2。由此，可準確地檢測出電動機的端電壓而無需端電壓估計單元21。
再有，在本實施方式1中，低通濾波器25為1次濾波器，但也可以是2次濾波器等高次濾波器。
實施方式2在上述實施方式1中，如圖2那樣構成d軸電流指令裝置11，但也可以如圖5那樣構成，通過這樣的構成，也可進行同樣的工作。
圖5是表示用於本發明的實施方式2中的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置的d軸電流指令裝置的結構例的方框圖。
在本實施方式2中，新配備限流器26、積分操作單元27和處理內容不同的進行弱磁場控制的輸入轉換單元28以代替進行弱磁場控制的輸入轉換單元24。再有，在圖5中，用與圖2相同的符號表示的結構要素進行與實施方式1同樣的工作。
進行不同的弱磁場控制的輸入轉換單元28對由端電壓估計單元21估計的端電壓va2與由電壓上限設定單元22設定的端電壓上限值Vmax2進行比較，如果va2＞Vmax2，則由於電動機的端電壓超過倒相器的最大輸出電壓，故判斷為有必要使d軸電流值沿負方向增大。這時，在本實施方式中，輸出1。另外，在va2＝Vmax2或va2＜Vmax2時，判斷為有必要使d軸電流沿負方向減少，輸出-1。從而，與實施方式1不同，在使d軸電流沿負方向減少的情況下，-Idcst被輸入到低通濾波器25的輸入端。由此，可加快使d軸電流沿負方向減少的情況下的響應速度，改善可控制性。
接著，限流器26將從低通濾波器25輸出的信號idin*限制在預先設定的上限值和下限值內，輸出id*。例如，當指定上限為0，下限為-Idmax(其中Idmax＞0)時，如果idin*＞0，則輸出id*＝0，如果idin*＝0或-Idmax＜idin*＜0，則輸出id*＝idin*，如果id*＝-Idmax或id*＜-Idmax，則輸出id*＝-Idmax。由此，可防止輸出正的d軸電流指令值，並且使d軸電流限於預先指定的範圍內。
積分操作單元27是對構成低通濾波器25的積分器的積分工作進行操作的單元，以如下方式工作在輸出用上述限流器26所設定的範圍外的idin*時保持積分器的輸出，在idin*返回到限流器26的範圍內時使積分器的積分工作重新開始。由此，在輸出用上述限流器26所設定的範圍外的idin*時也使idin*保持在限流器設定值附近，可加快id*從限流器設定值返回到限流器設定值內時的響應速度。
從以上所述可知，在本發明中，使d軸電流指令值沿負方向減少時，通過將低通濾波器25的輸入值設定為正值，以及在d軸電流指令值超過限流器的設定範圍時對低通濾波器25內的積分工作進行操作，可提高d軸電流指令值的響應速度，使可控制性更加得到改善。
在本實施方式2中，雖然將向低通濾波器25的輸入值Idcst設定為固定值，但也可以隨d軸電流指令值的值而變化。這樣一來，由於可調整低通濾波器25的輸出的變化量，故可調節d軸電流指令值的變化量。例如，在d軸電流指令值小時，預先減小Idcst，在d軸電流指令值大時，預先增大Idcst，從而可使d軸電流指令值的變化量大致恆定而與d軸電流指令值的大小無關。
進而，也可根據電動機的負載狀態和電動機的旋轉速度使Idcst可變。這樣一來，即可根據電動機的負載狀態和旋轉速度而調整低通濾波器的輸出的變化量，即d軸電流指令值的變化量。通過增大Idcst來增大d軸電流指令的變化量，通過減小Idcst的大小來減小變化量。特別是，在驟然加負載時或增大電動機的旋轉速度時等電動機的端電壓劇增的情況下，通過將Idcst的大小設定得較大，可增大d軸電流指令值的變化量，快速進行電動機的端電壓的抑制。這在特別是電梯等在電動機的速度模式或此時向電動機施加的負載狀態在某種程度上起決定作用的電動機控制裝置時是有效的。在電梯等強力運轉時，每當從加速變為恆定速度，由於負載和速度均為最大，故電動機的端電壓的上升速度和端電壓增至最大。此時，通過將Idcst的大小設定得較大，可更快速地進行電動機的端電壓的抑制。Idcst的大小既可以是以負載狀態和電動機的旋轉速度為變量的函數值，又可以根據負載狀態和電動機的旋轉速度而圖表化。再有，電動機的負載狀態可將q軸電流值或其指令值用作指標。同樣地，也可使低通濾波器的截止頻率Tfid的確定隨電動機的負載狀態及旋轉速度而變化，由此也可調節d軸電流指令值的變化量。由於通過增大低通濾波器的截止頻率可增大d軸電流指令值的變化量，通過將截止頻率設定得較小可減小d軸電流指令值的變化量，故得到與使上述Idcst可變的情形類似的效果。
在本實施方式中，使端電壓上限值Vmax2為固定值，但也可隨電動機的負載狀態和電動機的旋轉速度而變化。例如，由於在強力運轉時倒相器的直流電源電壓(平滑電容器的電壓)下降，故如果預先將Vmax2設定得較小，由於在再生運轉時倒相器的直流電源電壓反而上升，故如果預先將Vmax2設定得較大，則在更恰當的定時下可轉換為弱磁場控制。另外，在電梯等中，在強力運行時的加速中和在恆速移動中，由於電動機的負載較大，倒相器的直流電源電壓下降，從而此時可將Vmax2預先設定得較小。另外，在再生運行時的加速中和在恆速移動中，由於直流電源電壓上升，從而可將Vmax2預先設定得較大。通過測量電動機的旋轉速度，可檢測移動速度，或者通過測量電動機的旋轉方向和電動機的負載狀態(q軸電流或q軸電流指令值)，可判斷強力和再生狀態。Vmax2既可以是以負載狀態和電動機的旋轉速度為變量的函數值，又可以根據負載狀態和電動機的旋轉速度而圖表化。
工業上的可利用性如以上說明過的那樣，本發明將加到倒相器中的電壓指令值的大小與以倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值(閾值)進行比較，當上述電壓指令值超過上述端電壓上限值時，使上述d軸電流指令值沿負方向增大，當上述電壓指令值小於等於上述端電壓上限值時，使d軸電流指令值沿負方向減少，從而在不用平方根和複雜的計算式的簡單結構中，得到即使對電動機常數的變動也能以良好的精度進行電動機的端電壓的抑制的電動機的控制裝置。特別是電梯等作為其電動機的速度模式或其時向電動機施加的負載狀態在某種程度上起決定作用的電動機控制裝置時是有效的。
權利要求
1.一種永久磁鐵式同步電動機的控制裝置，這是以直流電壓為輸入，利用輸出可變電壓和可變頻率的倒相器來驅動永久磁鐵式同步電動機的電動機的控制裝置，是藉助於流過與上述電動機的磁場為同一方向的d軸電流分量以進行弱磁場控制的電動機的控制裝置，其特徵在於，具備d軸電流指令裝置，其將加到倒相器中的電壓指令值的大小與以上述倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值進行比較，當上述電壓指令值超過上述端電壓上限值時，使上述d軸電流分量的電流指令值沿負方向增大，當上述電壓指令值小於等於上述端電壓上限值時，使上述d軸電流分量的電流指令值沿負方向減少，從而抑制了上述電動機的端電壓的上升。
2.根據權利要求1所述的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置，其特徵在於，d軸電流指令裝置具有低通濾波器，作為上述低通濾波器的輸入，當加到倒相器中的電壓指令值超過以倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值時，為負的恆定值；當加到倒相器中的電壓指令值小於等於上述端電壓上限值時，為零，通過使上述低通濾波器的輸出為d軸電流指令值，抑制了上述電動機的端電壓的上升。
3.根據權利要求1所述的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置，其特徵在於，d軸電流指令裝置具有限制電流指令值的限流器、低通濾波器和對上述低通濾波器的積分進行操作的積分操作單元，作為上述低通濾波器的輸入，當倒相器的電壓指令值超過以倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值時，為負的恆定值；當加到倒相器中的電壓指令值小於等於上述端電壓上限值時，為正的恆定值，以用上述限流器限制了上述低通濾波器的輸出後的值為d軸電流指令值，當上述低通濾波器的輸出在用上述限流器限制了的範圍外時，不進行上述低通濾波器的積分工作。
4.根據權利要求2或3所述的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置，其特徵在於，使低通濾波器的輸入值和截止頻率隨d軸電流指令值、電動機的負載狀態和電動機的旋轉速度可變。
5.根據權利要求1～4中的任何一項所述的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置，其特徵在於，使以倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值隨電動機的負載狀態和電動機的旋轉速度可變。
全文摘要
本發明是利用不用平方根和複雜的計算式的簡單結構得到即使對電動機常數的變動也能以良好的精度進行電動機的端電壓的抑制的永久磁鐵式同步電動機的控制裝置。電動機的端電壓的抑制通過沿d軸流過負電流使得倒相器的最大輸出電壓不超過永久磁鐵式同步電動機的端電壓來進行。d軸電流分量的大小通過如下方式進行調整將輸入到倒相器的電壓指令值與以倒相器的最大輸出電壓為基礎而設定的端電壓上限值(閾值)進行比較，在上述電壓指令值超過端電壓上限值時，轉換為使d軸電流分量沿負方向增大的方向；在上述電壓指令值小於等於端電壓值時，轉換為使d軸電流分量沿負方向減少的方向。由此，對電動機進行控制，使得電動機的端電壓不超過倒相器的最大輸出電壓。
文檔編號H02P21/00GK1784824SQ20048001222
公開日2006年6月7日 申請日期2004年3月26日 優先權日2004年3月26日
發明者酒井雅也 申請人:三菱電機株式會社