專利名稱：交流電動機的控制裝置及交流電動機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及不使用檢測電角度位置的傳感器實現電動機控制的交流電動機的控制裝置和交流電動機系統(tǒng)。
背景技術：
不進行電角度位置的檢測而控制同步電動機的方法，例如，有特開2002-78392號公報(以下，稱為文獻1)，是涉及同步電動機內部的磁極位置推算方法。另外，有如在特開2001-95215號公報((以下，稱為文獻2)中所敘述的PM馬達定子的部分飽和產生影響的情況。
文獻1對同步電動機在正交的2個軸方向施加電壓脈沖，檢測在各軸方向產生的電流脈沖的振幅，以此為依據推算磁極位置。在該技法中，通過用近似特性給出產生的電流和推算磁極位置的關系，使電壓脈沖的施加次數和推算精度并存。
但是，在文獻1中，關于磁飽和引起的上述電流的脈動成分的變化進行了以下的假定。因為圖14表示文獻1假定的永久磁鐵磁通m和產生的電流Idc之間的關系，因此(a)是dc軸和電動機內部的永久磁鐵磁通m的方向，(b)是上述電流Idc和一次磁通1d的關系的模式圖，(c)是電流Idc的波形，如該圖(a)那樣，使施加電壓脈沖的dc軸與電動機內部的永久磁鐵磁通m的方向一致。當上述電流Idc和上述永久磁鐵磁通m的方向一致時，上述電流Idc產生的磁通和該永久磁鐵磁通m的方向一致，并向增強電動機的鐵心的磁飽和的方向轉動。這時的電感Lds0對于在上述電流Idc和上述永久磁鐵磁通m的方向相反的情況下的電感Ld0相對地變小，上述電流Idc變成該圖(c)那樣。
但是，在文獻2中所敘述那樣的PM馬達定子的部分飽和產生影響的情況下，根據上述電流Idc的大小不同，該假定未必成立，磁極位置的推算誤差有可能變大。該部分的飽和產生的影響也依賴于PM馬達的構造，若使電流Idc變大，那么就相對地降低，但有可能受到驅動電動機的控制器的限制。
本發(fā)明的目的在于提供能高精度地推算磁極位置的交流電動機的控制裝置及交流電動機系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的特征之一就是在具有將控制信號傳送到給交流電動機施加任意交流的轉換器的控制裝置的交流電動機的控制裝置中，上述控制裝置具有對上述交流電動機提供脈動電流的脈動電流施加設備，和磁極位置推算設備，在上述磁極位置推算設備中，分別對上述脈動電流的正側、負側，觀測上述脈動電流的至少2個電流值，并推算上述交流電動機的磁極位置。
此外，本發(fā)明的其它特征如本中請權利要求書所記載的那樣。


圖1是本發(fā)明的第1實施例的系統(tǒng)構成圖。
圖2是本發(fā)明的第1實施例的磁極位置推算單元的構成圖。
圖3是本發(fā)明的第1實施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖4是表示在磁極軸和推算磁極軸一致時的磁飽和和電流脈動之間的關系的圖。
圖5是本發(fā)明的第2實施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖6是本發(fā)明的第3實施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖7是本發(fā)明的第4實施例的控制裝置的動作的說明圖。
圖8是本發(fā)明的第5實施例的系統(tǒng)構成圖。
圖9是本發(fā)明的第5實施方式的磁極位置推算單元的構成圖。
圖10是本發(fā)明的第5實施例中的控制裝置的動作的說明圖。
圖11是本發(fā)明的第6實施例的系統(tǒng)構成圖。
圖12是本發(fā)明的第6實施例的磁極位置推算單元的構成圖。
圖13是本發(fā)明的第7實施例中的控制裝置的動作的說明圖。
圖14是表示在現有技術中假定的、磁極軸和推算磁極軸一致的情況下的磁飽和和電流脈動之間的關系的圖。
具體實施例方式
第1實施方式在圖1中表示作為本發(fā)明的第1實施方式的系統(tǒng)構成圖。本系統(tǒng)由控制電動機的控制裝置1，驅動電動機的轉換器2和三相交流電動機3組成，在控制裝置1中，具有作為電動機3內部的磁通推算磁極軸的dc軸，并具有對該軸給與電壓變化的單元，以及觀測流入上述電動機的電流的單元，對于在該電流的觀測值中所包含的脈動成分，根據該脈動成分的正側和負側的流通時間，推算上述電動機內部的磁極位置。
具體地說，本系統(tǒng)由以下部分構成檢測電動機3的電流的電流檢測器4；將電流檢測值向控制裝置的旋轉坐標軸dcqc軸進行坐標變換的dq變換器5；控制電動機3的速度或轉矩的矢量控制器6；對電動機3的電角度頻率ω1進行積分，并運算電角度位置(相位)θdc的積分器7；將dcqc軸上的電壓指令Vdc*、Vqc*坐標變換成三相交流的電壓指令的dq反向變換器8；根據三相電壓指令，使用于控制轉換器2的脈沖產生的PWM發(fā)生器9；將信號進行加法的加法器10；提供用于使脈動電流產生的電壓信號的脈動電流施加設備11；運算作為特征部分的計算軸誤差(在電動機內部和控制器內的磁極位置的誤差)Δθ的磁極位置推算設備12；基于軸誤差Δθ，修正控制器內的電角度位置θdc的修正增益13；以及基于上述磁極位置推算單元用于修正控制器內的磁極位置的加法器14。
接著，說明本實施方式的動作原理。在矢量控制器6中，進行用于控制電動機3的速度，或轉矩的控制運算。在電流檢測器4中被檢測的三相交流電流通過坐標變換器被變換成控制器內部的旋轉坐標軸dcqc軸上的值Idc、Iqc。將電動機的磁極存在的方向的成分設定為Idc，將與它正交的成分設定為Iqc，為了使各自成為規(guī)定的值，在矢量控制器6中，運算并輸出向電動機3的施加電壓Vdc0*、Vqc0*的值。這些電壓指令再被變換成三相交流量，并在PWM發(fā)生器9中變換成用于使轉換器2進行開關動作的脈沖信號。轉換器2通過PWM發(fā)生器9的信號被驅動，并將相當于在控制裝置1中被運算的電壓施加到電動機3。
在從磁極位置檢測器能直接檢測電動機3的磁極的相位θ(位置)的情況下，基于該檢測相位可以將三相檢測電流進行坐標變換，因此能得到勵磁電流成分Idc和轉矩電流成分Iqc。由于矢量控制器6獨立地控制這二個電流成分，因此內部存在用于使電動機3的速度和向量變成希望的值的轉矩電流指令、勵磁電流指令，為了使它們與檢測值Idc、Iqc一致，而變化電壓指令Vdc0*、Vqc0*的值。
如上所述，為進行矢量控制，有必要檢測電動機內部的磁極位置。在本發(fā)明的電動機驅動系統(tǒng)中，不使用磁極位置檢測器(傳感器)，檢測電動機內部的磁極位置。
接著，說明關于作為本實施例的特征部分的磁極位置推算單元。
在圖2中示出磁極位置推算單元12的構成例，在圖3中示出脈動電流施加單元11給出了施加電壓指令Vhd*時的磁極位置推算單元12的動作。此外，在此上述三相交流電動機3在停止狀態(tài)，或者在初始狀態(tài)，設定dc軸相位位于上述三相交流電動機3的定子U相，另外，設定轉換器輸出是被脈沖幅度調制的。在此圖3(a)是PWM三角形波載波，并設定控制系統(tǒng)的運算周期是載波半周期。
在本實施方式中，將圖3(b)的施加電壓指令Vhd*設定為具有PWM三角形波載波的2倍周期的方波電壓。這時，作為控制系統(tǒng)運算一個周期PWM三角形波載波延遲了半周期，將Vhd*變換為3相交流的各相電壓指令Vhu*、Vhv*、Vhw*成為圖3(b-2)和圖3(b-3)所示的那樣，再將它們進行脈沖幅度調制了的各相電壓如圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)所示的那樣被輸出。
通過該電壓輸出，在三相交流電動機中產生脈動電流。圖3(f)是在坐標變換器中得到的dc軸電流Idc。電流值的檢測在用該圖中的黑圓圈表示的定時中進行。這時，在每個電流極性中得到對于正側的半波叫做ΔIdcp1和ΔIdcp2、對于負側的半波叫做ΔIdcn1和ΔIdcn2的各2個絕對值不同的電流值。
關于該電流值，通過延遲器121和減法器122進行一階差分值ΔIdc的運算。在圖3(g)中表示作為減法器122的輸出的一階差分值ΔIdc。此處，產生電流檢測一個周期的運算延遲。通過絕對值運算器123從該一階差分值ΔIdc能求出它的絕對值|ΔIdc|。另一方面，電流極性運算器124基于上述施加電壓指令Vhd*求出表示已產生的dc軸電流Idc的電流極性信號Sp。該Sp可以設定為對于上述施加電壓指令Vhd*具有相當于用于輸出被脈沖幅度調制的電壓的電流檢測一個周期的延遲時間、用于運算一階差分值ΔIdc的電流檢測一個周期的延遲時間、相當于圖3(f)所示的脈動電流的一個周期的1/4的延遲時間的合計的延遲時間，以相同的定時變化的方波信號。在本實施例的情況下，上述電流極性信號Sg如圖3(h)所示那樣，對于上述施加電壓指令Vhd*，使電流檢測延遲1個周期，并使極性反轉就能被求出。
在電流變化量運算單元125中，按照以下的順序運算下式(1)所示的|ΔIdcp′|和|ΔIdcn′|。
式1ΔIdcp′＝ΔIdcp2-ΔIdcp1，ΔIdcn′＝ΔIdcn2-ΔIdcn1…(1)首先，使上述電流極性信號Sp與上述絕對值|ΔIdc|相乘。其結果，如圖3(i)所示的那樣，成為包含|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|的信號。接著，抽出在圖3(i)中黑三角表示的定時值。用上述黑三角表示的定時可以設定為上述電流極性信號Sg的極性發(fā)生變化的定時的正中間。在磁極位置推算單元12中，基于該|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|運算軸誤差Δθ。
接著，說明在本實施方式中的磁極位置推算的動作原理。由于圖4表示電動機內部的永久磁鐵和產生的dc軸電流Idc之間的關系，因此(a)是dc軸和電動機內部的永久磁鐵磁通m的方向，(b)是上述dc軸電流Idc和一次磁通1d之間的關系的模式圖，(c)是dc軸電流Idc的波形。以下，如該圖(a)那樣，設定dc軸與電動機內部的永久磁鐵磁通m的方向一致。
由上述永久磁鐵磁通m的影響，上述dc軸電流Idc對于其極性呈非對稱變化。這是由于通過上述永久磁鐵磁通m，對上述dc軸電流Idc電感(L∝dI/dt)產生變化。此處，將上述電感對于dc軸正方向設定為Ldc0，對于dc軸負方向設定為Ld0，那么Ldc0＜Ld0。
另一方面，在上述dc軸電流Idc小的情況下，例如上述電感受到電動機的定子構造等影響，對于dc軸正方向變成Lds1，對于dc軸負方向變成Lds2。此外，在本圖中假定Ld0＞Lds2，Lds1＞Lds0。
這時，當上述dc軸電流Idc小時(ΔIdcn1＜Idc＜Idcp1)，Idc在dc軸正方向按照Lds1變化，在dc軸負方向按照Lds2變化，另一方面，當上述dc軸電流Idc變大(Idc＜ΔIdcn或ΔIdcp1＜Idc)時，Idc在dc軸正方向按照Ldc0變化，在dc軸負方向按照Id0變化。
在軸誤差Δθ的推算中，在上述電感內，Lds0和Ld0的信息是必要的，但實際被檢測的dc軸電流Idc的大小ΔIdcp2，ΔIdcn2各自包含Lds0和Lds1，Id0和Lds2的影響。產生的dc軸電流Idc的波形和被檢測的電流值ΔIdcp1、ΔIdcn1、ΔIdcp2、ΔIdcn2之間的關系變成圖4(c)那樣。因此，若按照|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|的式子求出|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|，那么就變成|ΔIdcp’|按照Lds0變化、|ΔIdcn’|按照Ld0變化的上述dc軸電流Idc的成分，作為上述dc軸電流Idc的變化能抽出上述永久磁鐵磁通m的電感變化的影響。
但是，對于|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|，軸誤差Δθ例如可以應用下式(2)那樣的近似特性。
式2|ΔIdcp′|-|ΔIdcn′|∝cos(Δθ) …(2)在使用該近似特性的情況下，可推算的軸誤差Δθ為±π/2以內的范圍。
若依據本實施方式，就能夠不接受電動機的定子構造等引起的電感變化的影響而提高軸誤差Δθ的推算精度。
第2實施方式但是，在本發(fā)明的第1實施方式中，電流值的檢測定時有必要象圖3所示那樣需要上述PWM三角形波載波的峰值和中間值，但為要生成PWM三角形波載波的中間值的定時，軟件處理往往變得復雜。
因此，在本發(fā)明的第2實施方式中，將全部系統(tǒng)構成設定為與圖1相同的構成，關于上述施加電壓指令Vhd*如圖5(b)所示那樣，將周期設定為PWM三角形波載波周期的4倍。另外，上述磁極位置推算單元12的動作除上述電流極性信號Sp變成將Vhd*的極性反轉的信號外，與第1實施方式相同。這時，電流值的檢測定時如圖5(f)中用黑點表示的那樣，與PWM三角形波載波的峰值的定時一致。因此，若依據本實施方式，可以用PWM三角形波載波的峰值的定時檢測電流，并使上述電流值的檢測定時的生成變得容易。
而且，在本實施方式中，若將Vhd*的周期設定為PWM三角形波載波周期的2n倍(n為大于等于2的整數)，那么由于dc軸電流Idc的周期變成PWM三角形波載波周期的4n倍，因此通過用PWM三角形波載波峰值的定時檢測電流值，對于dc軸電流Idc各自的正側、負側，能夠得到絕對值不同的最大n個電流值。
第3實施方式在本發(fā)明的第3實施方式中，全部系統(tǒng)構成是與圖1相同的構成，關于上述施加電壓指令Vhd*，如圖6(b)那樣，設定為上述PWM三角形波載波的4倍的周期，而且，將振幅設定為在Vhd1和Vhd2的2個階段變化的階梯波。例如，若將Vhd*振幅的平均值(Vhd1+Vhd2)/2設定為恒定值，并使Vhd1和Vhd2的值變化，那么照原樣將上述dc軸電流Idc的峰值Idcp2，ΔIdcn2設定為恒定，就有可能使ΔIdcp1，ΔIdcn1的值變化。在本發(fā)明的第2實施方式中，ΔIdcp1和ΔIdcn1變成本實施方式中的Vhd1＝Vhd2時的值。但是，在本實施方式中，由于任意選擇Vhd1和Vhd2的比，因此不改變dc軸電流Idc的峰值ΔIdcp2，ΔIdcn2，就能設定ΔIdcp1和ΔIdcn1使其不受定子構造等的電感變化。
因此，若依據本實施方式，那么不增加dc軸電流Idc，就能提高軸誤差Δθ的推算精度。
另外，與第2實施方式的情況相同，通過將Vhd*的周期設定為PWM三角形波載波周期的2n倍(n是大于等于2的整數)，對于dc軸電流Idc各自的正側、負側能夠得到絕對值不同的最大n個電流值。
第4實施方式在本發(fā)明的第4實施方式中，全部系統(tǒng)構成是與圖1相同的構成，磁極位置推算動作，如圖7所示那樣，分成2個相位(分別設定為第1相位，第2相位)實施，上述施加電壓指令Vhd*順序提供各自的振幅不同的2個方波電壓。即如圖7(b)那樣，振幅在上述第1相位設定為Vhd1’，在上述第2相位設定為Vhd2’，周期無論在哪一個相位都設定為上述PWM三角形波載波周期的2倍。上述dc軸電流Idc的檢測定時如在圖7(f)中用黑點表示的那樣，在上述PWM三角形波載波的頂峰進行。這時，在上述第1相位中，ΔIdcp1和ΔIdcn1變成被檢測的電流值，在上述第2相位，ΔIdcp2和ΔIdcn2變成被檢測的電流值。
在本實施方式中，象圖7(i)所示那樣，在將上述電流極性信號Sg與上述絕對值|ΔIdc|相乘的結果中沒有包含|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|的信息，但知道作為各自相位中的上述dc軸電流Idc的最大值的ΔIdcp1，ΔIdcn1，ΔIdcp2，ΔIdcn2。因此，上述電流變化量運算單元125的動作變成以下那樣。即，將上述電流極性信號Sg與上述絕對值|ΔIdc|相乘的結果，上述電流變化量運算單元125在上述第1相位中求出ΔIdcp1和ΔIdcn1，在上述第2相位中求出ΔIdcp2和ΔIdcn2，在上述第1相位和上述第2相位的雙方結束后，求出上述|ΔIdcp’|和|ΔIdcn’|。
在本實施方式中，由于能獨立地設定Vhd1’，Vhd2’，因此通過不改變dc軸電流Idc的峰值ΔIdcp2和ΔIdcn2，設定ΔIdcp1和ΔIdcn1以便不接受定子構造等的電感變化，不增加dc軸電流Idc就能提高軸誤差Δθ的推算精度。另外，ΔIdcp1、ΔIdcn1與上述第1相位，ΔIdcp2、ΔIdcn2與上述第2相位各自中的上述dc軸電流Idc的正側和負側的峰值相等。因此，不進行一階差分值的運算，也能夠以各自項中正側和負側作為ΔIdcp1，ΔIdcn1，ΔIdcp2，ΔIdcn2由式(1)求出ΔIdcp’和ΔIdcn’，并在該場合以期達到運算處理的簡化。
在第1～第4實施方式中設定了將施加電壓指令Vhd*作為在1個相位軸(dc軸)的正側和負側變化的方波電壓被提供。在此情況下，磁極位置的推算只能在電角度為±π/2的范圍，本質上存在±π的推算誤差。因此，為要在電角度±π的范圍實現磁極位置的推算，有必要使用多個上述的相位軸。
第5實施方式圖8表示本發(fā)明的第5實施方式中的系統(tǒng)構成。相對于圖1，不同的是，上述脈動電流施加單元11在輸出上述施加電壓指令Vhd*的同時輸出給與電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini，在上述加法器14的輸入中追加了θdc_ini。通過用該構成對θdc_ini進行操作，在電動機的任意相位中給與電壓變化。
圖9是本實施方式中的上述磁極位置推算單元12的構成圖，圖10是表示上述脈動電流施加單元11給與了上述施加電壓指令Vhd*時的上述磁極位置推算單元12的動作的說明圖。在本實施方式中，如圖7(j)所示那樣，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini變更90°，并對于正交的2個方向給與電壓變化。另外，在θdc_ini為0°和90°的各自的狀態(tài)中，上述施加電壓指令Vhd*與第4實施方式相同，使周期是上述PWM三角形波載波周期的2倍，并順序給與各自的振幅不同的2個方波電壓。這時，在θdc_ini為0°時將施加振幅變?yōu)閂hd1’的Vhd*的期間設定為相位d1，在θdc_ini為0°時將施加振幅變?yōu)閂hd2’的Vhd*的期間設定為相位d2，在θdc_ini為90°時將施加振幅變?yōu)閂hd1’的Vhd*的期間設定為相位q1，在θdc_ini為90°時將施加振幅變?yōu)閂hd2’的Vhd*的期間設定為相位q2。
在上述相位d1中，首先，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設定為Vhd1’，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini設定為0°。之后，上述脈動電流施加單元11只設定周期施加Vhd*。在圖10中，上述設定周期變?yōu)?。這時，作為控制系列運算1個周期是將PWM三角形波載波延遲半周期，將Vhd*進行脈沖幅度調制的各相電壓如圖10(c)、(d)、(e)所示那樣被輸出。圖10(f)表示由該電壓輸出產生的上述dc軸電流Idc。電流值的檢測在用該圖中的黑點表示的定時中進行，對于正側的半波得到ΔIdcp1，對于負側的半波得到ΔIdcn1的電流值。關于該電流值，從上述延遲器121和上述減法器122所運算的上述一階差分值ΔIdc變成如圖10(g)所示那樣，通過上述絕對值運算器123得到ΔIdc的絕對值|ΔIdc|。另一方面，上述電流極性運算器124基于上述施加電壓指令Vhd*求出上述電流極性信號Sg。作為本實施方式中的特征部分的電流振幅差運算單元127求出在向θdc_ini＝0°的方向施加了振幅Vhd1’的方波電壓時產生的Idc的、向正極性的振幅ΔIdcp1和向負極性的振幅ΔIdcn1的振幅差的累計值PFd_off。
式3PFd_off＝∫(|ΔIdcp1|-|ΔIdcn1|)dt …(3)該累計值算出后，向上述相位d2轉移。
在上述相位d2中，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設定為Vhd2’，將給與上述電壓變化的dc軸相位指令值θdc_ini設定0°。之后，上述脈動電流施加單元11只設定周期施加Vhd*。與上述相位d1相同，通過Vhd*輸出上述各相電壓，并產生上述dc軸電流Idc。與上述相位d1不同的是所檢測的電流值，對于正側的半波變成ΔIdcp2，對于負側的半波變成ΔIdcn2。在該上述相位d2中，上述電流振幅差運算單元127求出在向θdc_ini＝0°的方向施加了振幅Vhd2’的方波電壓時產生的Idc的、向正極性的振幅ΔIdcn2和向負極性的振幅ΔIdcn2的振幅差的累計值PFd_sig。
式4PFd_sig＝∫(|ΔIdcp2|-|ΔIdcn2|)dt …(4)在該累計值算出后，向上述相位q1轉移。
在上述相位q1中，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設定為Vhd1’，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini設定為90°。之后，上述脈動電流施加單元11只設定周期施加Vhd*。與上述相位d1相同，通過Vhd*輸出上述各相電壓，并產生上述dc軸電流。與上述相位d1不同的是所檢測的電流值，對于正側的半波變成ΔIqcp2，對于負側的半波變成ΔIqcp2。在該上述相位d2中，上述電流振幅差運算單元127求出在向θdc_ini＝90°的方向施加了振幅Vhd1’的方波電壓時產生的Idc的、向正極性的振幅Iqcp1和向負極性的振幅Iqcn1的振幅差的累計值PFq_off。
式5PFq_off＝∫(|ΔIqcp1|-|ΔIqcn1|)dt…(5)在該累計值算出后，向上述相位q2轉移。
在上述相位q2中，在處理開始時，將上述施加電壓指令Vhd*的振幅設定為Vhd2’，將給與上述電壓變化的dc軸相位的指令值θdc_ini設定為90°。之后，上述脈動電流施加單元11只設定周期施加Vhd*。與上述相位d1相同，通過Vhd*輸出上述各相電壓，并產生上述dc軸電流Idc。與上述相位d1不同的是被檢測的電流值，對于正側的半波變成ΔIqcp2，對于負側的半波變成ΔIqcp2。在該上述相位d2中，上述電流振幅差運算單元127求出在向θdc_ini＝90°的方向施加了振幅Vhd1’的方波電壓時產生的Idc的、向正極性的振幅ΔIqcp2和向負極性的振幅ΔIqcn2的振幅差的累計值PFq_sig。
式6PFq_sig＝∫(|ΔIqcp2|-|ΔIqcn2|)dt …(6)如以上那樣所得到的PFd_off，PFd_sig，PFq_off，PFq_sig有以下那樣的關系。首先，對于PFd_sig，PFd_sig，式7PFd_sig-PFq_off＝∫(|ΔIdcp2|-|ΔIdcn2|)dt-∫(|ΔIdcp1|-|ΔIdcn1|)dt＝∫(|ΔIdcp2|-|ΔIdcp1|)dt-∫(|ΔIdcn2|-|ΔIdcn1|)dt＝∫(|ΔIdcp′|-|ΔIdcn′|)dt…(7)
另外，PFq_off，PFq_sig是上述脈動電流施加單元11的電壓變化了90°時的PFd_off，PFd_sig。因此，若假定第1實施方式中的近似特性數式(1)，那么從式8PFd_sig-PFq_off∝cos(Δθ) …(8)式9PFq_sig-PFq_off∝sin(Δθ) …(9)，在磁極位置推算單元12中，根據下式推算上述軸誤差Δθ。
式10Δθ=tan-1(-PFq_slg-PFq_offPFd_slg-PFd_off)···(10)]]>若依據該數式(10)，Δθ就能在±π的范圍推算。
在本實施方式中，通過對正交的2個方向提供上述脈動電流施加單元11的電壓變化，能在電角度為±π的范圍推算磁極位置。
此外，在本實施方式中，設定了按照上述相位d1，上述相位d2，上述相位q1，上述相位q2的順序給與根據上述施加電壓指令Vhd*的電壓變化，但即使任意變更這些相位的順序，也能夠按照同樣的順序進行磁極位置推算的運算。
另外，ΔIdcp1的ΔIdcn1是上述相位d1的、ΔIdcp2的ΔIdcn2是上述相位d2的、ΔIqcp1的ΔIqcn1是上述相位q1的、ΔIqcp2的ΔIqcn2是上述相位q2的各自的上述dc軸電流Idc的正側和負側的最大值。因此，不進行一階差分值的運算，通過將各自的相位中的正側和負側的檢測值作為ΔIdcp1，ΔIdcn1，ΔIdcp2，ΔIdcn2，ΔIqcp1，ΔIqcn1，ΔIqcp2，ΔIqcn2，并應用數式(3)～(6)，能謀求運算處理的簡化。
第6實施方式在圖11中表示本發(fā)明的第6實施方式中的系統(tǒng)構成。
作為本實施方式的特征部分的電壓設定變更單元15位于上述控制裝置1內部，或位于上述控制裝置的外部，而且確保了與上述控制裝置1的通信方法。上述電壓設定變更單元15若對上述施加電壓指令Vhd*輸入其振幅和周期，那么它為了將其輸入結果交付給上述脈動電流施加設備1而動作。上述脈動電流施加單元11變更所上施加電壓指令Vhd*，以便與被交付的上述輸入結果一致。因此，能夠實現可從外部變更上述施加電壓指令Vhd*的功能。
另外，圖12表示本實施方式中的上述磁極位置推算單元12的構成。上述電流振幅差運算單元127在運算PFd_off，PFd_sig，PFq_off，PFq_sig的同時，將它們各自與規(guī)定值比較。在PFd_off，PFd_sig，PFq_off，PFq_sig的全部比規(guī)定值小的情況下，為了使上述永久磁鐵磁通m的影響沒有充分出現在上述dc軸電流Idc中，判定上述軸誤差Δθ的推算沒有能適當地進行，并將電壓調整指令信號向上述脈動電流施加單元11輸出。在上述脈動電流施加單元11在電壓調整指令信號進來的情況下，從下次起將上述施加電壓指令Vhd*只增加規(guī)定的比例。通過本構成，能實現自動調節(jié)上述施加電壓指令Vhd*，以便適當地進行上述軸誤差Δθ的推算。
第7實施方式在圖13中表示本發(fā)明的第7實施方式中的上述控制裝置1的動作流程。
對于上述控制裝置1輸入系統(tǒng)的起動指令，那么，首先，實行轉換器起動時處理201，結束后，上述控制裝置1實行馬達運轉開始指令判定處理202，成為馬達運轉開始等待狀態(tài)。
然后，當馬達運轉開始的指令被輸入到上述控制裝置1中，那么，首先實施作為本實施方式的特征的異常診斷處理203。在該系統(tǒng)異常診斷處理203中，檢測上述轉換器2的輸出電路短路、接地、斷線的故障，輸入電壓的過大和過小等異常狀態(tài)，或上述控制裝置1自身的故障等。在上述系統(tǒng)異常診斷處理203結束后，在系統(tǒng)異常狀態(tài)判定處理204中檢測出異常的情況下，向系統(tǒng)異常時處理205轉移。若沒有檢測出異常，那么作為初始磁極位置推算處理206，例如在用第1～第5任何一個實施方式中所敘述的方法推算了上述軸誤差Δθ后，開始馬達的運轉。
在沒有上述系統(tǒng)異常診斷處理203和上述系統(tǒng)異常狀態(tài)判斷處理204的情況下，即使在系統(tǒng)中產生某種異常，馬達也將進行運轉動作。這時，例如，當在上述電流檢測器4中產生了異常的情況下，上述初始磁極位置推算處理206不能適當地推算上述軸誤差Δθ，而且，自動地調節(jié)在第6實施方式中的上述施加電壓Vhd*的功能產生誤動作之虞，但通過決定本實施方式的構成，能夠提高本發(fā)明的磁極位置推算方法的精度。
因此，本發(fā)明的目的是，在控制電動機的控制裝置內檢測磁極位置，進行矢量控制，本發(fā)明的磁極位置的檢測對于作為上述電動機的推算磁通軸的dc軸的電壓指令給與電壓變化，在上述dc軸上觀測流經上述電動機的電流，對于用上述dc軸所觀測的電流值中所包含的脈動成分，分離成該脈動成分的正側和負側，對于它們各自將檢測絕對值不同的大于等于2個的電流值，并基于檢測該絕對值不同的大于等于2個的電流值推算上述電動機內部的磁極位置。
上述絕對值不同的大于等于2個的電流值的檢測可以對于1個脈動成分的波形實施，但也可以提供2種以上給與上述dc軸的電壓變化，并對它們各自逐個地檢測電流值。
另外，通過轉動上述dc軸，對于大于等于2個的方向給與上述電壓變化，能檢測包含極性的磁極位置。
另外，通過關與給dc軸的電壓指令提供的電壓變化，具有來自外部的設定功能和在控制裝置內部的自動調整功能，做到即使在上述電動機被變更時也能檢測磁極位置。
另外，通過使控制裝置具有異常檢測功能，防止包含上述自動調整功能的磁極位置的檢測動作的誤動作。
根據以上上述，若依據本發(fā)明的交流電動機驅動系統(tǒng)，將電壓變化施加到電動機，并基于從對伴隨它產生的電流脈動成分的正側和負側所觀測的、絕對值不同的大于等于2個值的電流值所運算的電流變化率，能推算上述電動機內部的磁極位置。
另外，由于利用上述電動機的磁飽和產生的脈動成分的變化，并且該脈動成分中，去掉依賴電動機的構造產生的成分，因此不依靠電動機的構造就能適用，不增加脈動電流的振幅，就能提高磁極位置的推算精度。
另外，通過對于上述電壓變化具有來自外部的設定功能和在控制裝置內部的自動調整功能，在上述電動機被變更的場合也能檢測磁極位置，并通過在控制裝置中具有異常檢測功能，能防止包含上述自動調整功能的磁極位置的檢測動作的誤動作。
此外，將具有交流電動機、給交流電動機提供任意的交流的轉換器、將控制信號輸送到轉換器的控制裝置的系統(tǒng)叫做交流電動機系統(tǒng)。
根據本發(fā)明，能夠提供能高精度推算磁極位置的交流電動機的控制裝置和交流電動機系統(tǒng)。
權利要求
1.一種交流電動機的控制裝置，將控制信號輸送到對交流電動機提供任意的交流的轉換器，其特征在于包括脈動電流施加單元對上述交流電動機提供脈動電流，以及磁極位置推算單元，在上述磁極位置推算單元中，分別對于上述脈動電流的正側、負側觀測上述脈動電流的至少2個電流值，推算上述交流電動機的磁極位置。
2.根據權利要求1所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于基于上述至少2個電流值求出電流變化率，基于上述電流變化率推算上述電動機的磁極位置。
3.根據權利要求1上述記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于上述脈動電流施加單元的施加電壓指令是方波電壓。
4.根據權利要求3所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于上述轉換器進行使用載波的脈沖調幅控制，上述方波電壓具有載波周期的大于等于4的偶數整數倍周期。
5.根據權利要求1所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于上述脈動電流施加單元的施加電壓指令是階梯波電壓。
6.根據權利要求5所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于上述轉換器進行使用載波的脈沖調幅控制，上述階梯波電壓具有載波周期的大于等于4的偶數整數倍周期。
7.根據權利要求1所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于具有用于設定或者變更上述給與的電壓的振幅的電流振幅差運算單元。
8.根據權利要求2所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于上述脈動電流施加單元進行施加電壓指令的振幅的調整，以使上述脈動電流的上述電流變化率在規(guī)定的范圍以內。
9.根據權利要求1所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于推算上述電動機內部的磁極位置的單元在進行了檢測上述轉換器和上述控制裝置的異常的異常檢測處理后進行動作。
10.一種交流電動機的控制裝置，將控制信號輸送到對交流電動機提供任意的交流的轉換器，其特征在于包括脈動電流施加單元對上述電動機給與脈動電流，以及磁極位置推算單元，上述脈動電流施加單元的施加電壓指令順次提供振幅不同的方波電壓，在上述磁極位置推算單元中，分別對上述脈動電流的正側、負側觀測上述脈動電流的至少1個電流值，推算上述交流電動機的磁極位置。
11.根據權利要求10所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于基于上述至少2個電流值求出電流變化率，基于上述電流變化率推算上述交流電動機的磁極位置。
12.根據權利要求10所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于上述轉換器進行使用了載波的脈沖調幅控制，上述振幅不同的方波電壓是載波周期的2以上的整數倍周期。
13.根據權利要求10所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于觀測上述脈動電流的至少1個電流值是只觀測上述脈動電流的正側和負側的最大值附近。
14.根據權利要求1所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于在任意大于等于2個的相位軸上給與上述脈動電流。
15.根據權利要求10所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于在每個規(guī)定的期間將上述振幅不同的2個方波電壓提供給作為控制裝置的推算磁極軸的dc軸和與該dc軸正交的qc軸雙方。
16.根據權利要求15所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于將上述振幅不同的2個方波電壓設定為第1方波電壓和第2方波電壓，設定將上述第1方波電壓給與上述dc軸上的期間d1，將上述第2方波電壓給與上述dc軸上的期間d2，將上述第1方波電壓給與上述qc軸上的期間q1，將上述第2方波電壓給與上述qc軸上的期間q2。給與電壓的期間的順序是上述期間d1，上述期間d2，上述期間q1，上述期間q2，或者給與電壓的期間的順序是上述期間d1，上述期間q1，上述期間d2，上述期間q2。
17.根據權利要求10所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于具有用于設定或者變更上述給與的電壓的振幅的電流振幅差運算單元。
18.根據權利要求11所記載的交流電動機的驅動系統(tǒng)，其特征在于脈動電流施加單元進行施加電壓指令的振幅的調整動作，以使上述脈動電流的上述電流變化率在規(guī)定的范圍以內。
19.根據權利要求10所記載的交流電動機的控制裝置，其特征在于推算上述電動機內部的磁極位置的單元在進行了檢測上述轉換器和上述控制裝置的異常的異常檢測處理后工作。
20.一種交流電動機的控制裝置，將控制信號輸送到對交流電動機施加任意的交流的轉換器，其特征在于包括脈動電流施加單元對上述電動機給與脈動電流，以及磁極位置推算單元，上述脈動電流施加單元的施加電壓指令給與階梯波電壓或順序地給與振幅不同的方波電壓，推算上述交流電動機的磁極位置。
全文摘要
本發(fā)明提供了交流電動機的控制裝置及交流電動機系統(tǒng)。其目的在于提供能適用于PM馬達整體，并用簡單的算法能檢測磁極位置的交流電動機的控制裝置。交流電動機具備將任意的交流施加到交流電動機的轉換器，將控制信號輸送到上述轉換器的控制裝置中，上述控制裝置具有對上述電動機給與脈動電流的脈動電流施加單元，以及磁極位置推算單元，在上述磁極位置推算單元中，分別對上述脈動電流的正側、負側觀測上述脈動電流的至少2個電流值，推算上述交流電動機的磁極位置。
文檔編號H02P6/18GK1578111SQ20041000730
公開日2005年2月9日 申請日期2004年2月27日 優(yōu)先權日2003年6月27日
發(fā)明者金子大吾, 巖路善尚, 坂本潔, 遠藤常博, 大久保智文 申請人:株式會社日立產機系統(tǒng)