同步電動機(jī)的磁極位置檢測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種同步電動機(jī)的磁極位置檢測裝置，其具備：電壓指令單元，其生成d?q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令；三相變換單元，其利用推定磁極位置將d?q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令變換為三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令；電流檢測單元，其對來自基于高頻電壓指令而生成同步電動機(jī)的驅(qū)動電力的電力變換器的三相電流進(jìn)行檢測；d?q變換單元，其使用所述推定磁極位置，將檢測出的三相電流變換為d?q坐標(biāo)系上的電流；推定磁極位置計算單元，其基于d?q坐標(biāo)系上的電流和d?q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令，來計算在三相變換和d?q變換中新使用的推定磁極位置；以及磁極位置確定單元，其將所計算的推定磁極位置發(fā)生了收斂的位置確定為同步電動機(jī)的啟動時的磁極位置。
【專利說明】同步電動機(jī)的磁極位置檢測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對同步電動機(jī)啟動時的磁極位置進(jìn)行檢測的磁極位置檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在具有永磁鐵的同步電動機(jī)中，需要對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的磁極位置來使電流流過各相線圈，并使發(fā)生所希望的轉(zhuǎn)矩，因此，利用編碼器等傳感器來檢測轉(zhuǎn)子的磁極位置，并進(jìn)行控制以使電流流過合適的勵磁相位(磁極位置)。圖7A和圖7B是說明具有永磁鐵的同步電動機(jī)中磁極位置的檢測的示意圖。在圖7A所示的同步電動機(jī)100中，轉(zhuǎn)子中設(shè)置了永磁鐵101，定子中設(shè)置了電樞線圈102U、102V以及102W。此外，在圖7B中，并未具體圖示出電樞線圈的卷數(shù)和卷繞方式，而代表性示出了發(fā)生U相、V相和W相的三相旋轉(zhuǎn)磁場的線圈，此夕卜，并未具體圖示出永磁鐵的形狀和配置位置，而僅示出了具有N極和S極的永磁鐵。在圖7A示出的位置處存在轉(zhuǎn)子的情況下，如果將該轉(zhuǎn)子在d q坐標(biāo)平面上表示，則成為如圖7B所示那樣。例如，在啟動時同步電動機(jī)100的轉(zhuǎn)子101的磁極位于如圖7B所示從d軸僅偏移了角度δ的位置(以下，稱為“磁極初始位置”)的情況下，使用磁極初始位置對通過傳感器檢測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使用修正后的數(shù)據(jù)來控制電樞線圈102UU02V和102W的電流相位(勵磁相位)，由此來控制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。
[0003]在為了對通過傳感器檢測出的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正而使用的磁極初始位置不準(zhǔn)確的情況下，則成為使用不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來進(jìn)行同步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制的情況，因此，有時有在同步電動機(jī)的驅(qū)動時的轉(zhuǎn)矩常數(shù)中產(chǎn)生偏差，或者不能發(fā)生最大轉(zhuǎn)矩的情況。特別地，在磁場減弱控制旋轉(zhuǎn)到所需要的高速的情況下，如果磁極初始位置中存在偏移則不能使合適的d相電流流動，因此，施加至同步電動機(jī)的驅(qū)動電壓不足，控制變得不穩(wěn)定。由于這樣的理由，在同步電動機(jī)的控制中，準(zhǔn)確地檢測啟動時的磁極初始位置是重要的。因此，例如，有時使用能夠?qū)⒋艠O位置作為絕對值進(jìn)行檢測的傳感器，并在安裝該傳感器時進(jìn)行磁極對位的操作。此外，或者，為了不進(jìn)行這樣的操作，在同步電動機(jī)啟動時等利用電動機(jī)控制裝置來執(zhí)行磁極位置檢測處理。
[0004]作為磁極位置檢測處理的方法，提出了各種方法。例如,如日本專利第3408468號公報中記載，提出了一種方法，該方法使短時電流流過預(yù)定的定子勵磁相位，并基于此時轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，改變勵磁相位來同樣地使短時電流流動，通過對其進(jìn)行重復(fù)來檢測磁極位置。
[0005]此外，例如，如日本專利第3805336號公報中記載，提出了一種方法，該方法在具有顯極性的同步電動機(jī)中，輸入高頻電壓指令,使勵磁相位變化，同時觀測電流反饋，由此來檢測磁極位置。
[0006]此外，不限于同步電動機(jī)的啟動時的磁極位置的檢測，還存在如日本特開2002-136174號公報中記載的，不使用傳感器地進(jìn)行同步電動機(jī)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)控制的方法。根據(jù)日本特開2002-136174號公報中記載的方法，使用PLL電路，使同步電動機(jī)中發(fā)生的反向電壓的相位與電壓指令的相位一致，由此來實現(xiàn)無傳感器控制。[0007]根據(jù)上述日本專利第3408468號公報中記載的方法，存在這樣的問題，即，由于需要使轉(zhuǎn)子發(fā)生微小旋轉(zhuǎn)，因此，磁極初始位置的檢測精度受到轉(zhuǎn)子的摩擦或慣性的影響，在轉(zhuǎn)子被鎖定的這樣的情況下無法進(jìn)行檢測。
[0008]此外，根據(jù)上述日本專利第3805336號公報中記載的方法，需要對應(yīng)于同步電動機(jī)的顯極性的大小來調(diào)整輸入的高頻電壓指令的大小，在顯極性小的情況下，存在磁極初始位置的檢測精度惡化的問題。此外，還存在如下問題，即，由于對電流反饋進(jìn)行微分后進(jìn)行濾波處理，進(jìn)而根據(jù)其振幅的大小關(guān)系來檢測磁極位置，因此易于受到噪音影響。
[0009]此外，上述日本特開2002-136174號公報中記載的方法，為了利用反向電壓，需要使同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在想要使用該方法進(jìn)行磁極初始位置的檢測時，與上述日本專利第3408468號公報的情況同樣地，存在如下問題，即，磁極初始位置的檢測精度受到轉(zhuǎn)子的摩擦或慣性的影響，轉(zhuǎn)子被鎖定的情況下，無法進(jìn)行檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠高精度地檢測同步電動機(jī)的啟動時的磁極位置，且不易受到噪音影響的磁極位置檢測裝置。
[0011]為了實現(xiàn)上述目的，檢測同步電動機(jī)的啟動時的磁極位置的磁極位置檢測裝置，具備:電壓指令單元，其生成d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令；三相坐標(biāo)變換單元，其利用推定磁極位置將d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令變換為三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令；電流檢測單元，其對從基于三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令而生成同步電動機(jī)的驅(qū)動電力的電力變換器流向該同步電動機(jī)的三相電流進(jìn)行檢測；d q坐標(biāo)變換單元，其使用在三相坐標(biāo)變換單元的變換中所使用的推定磁極位置，將通過電流檢測單元檢測出的三相電流變換為d q坐標(biāo)系上的電流；推定磁極位置計算單兀，其基于d q坐標(biāo)系上的電流和d q坐標(biāo)系上的聞頻電壓指令，來計算在三相坐標(biāo)變換單元和d q坐標(biāo)變換單元的坐標(biāo)變換處理中新使用的推定磁極位置；磁極位置確定單元，其將通過推定磁極位置計算單元計算的推定磁極位置基本上收斂于一定位置時的位置，確定為同步電動機(jī)的啟動時的磁極位置。
[0012]優(yōu)選地，d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令由高頻的d相成分與振幅為零的q相成分構(gòu)成，推定磁極位置計算單元基于d q坐標(biāo)系上的電流中的q相成分與高頻的d相成分，來計算新使用的推定磁極位置。
[0013]推定磁極位置計算單元，還可以具備:微分計算單元，其計算d q坐標(biāo)系上的電流的值的微分；積計算單元，其計算通過微分計算單元進(jìn)行微分后的電流的值與d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令的積；濾波器單元，其從積計算單元的計算結(jié)果中除去高頻成分；增益單元，其計算通過濾波器單元除去了高頻成分而輸出的信號與預(yù)定的增益常數(shù)的積；積分計算單元，其計算來自增益單元的輸出結(jié)果的積分，將其計算結(jié)果作為新使用的推定磁極位置來輸出。
[0014]推定磁極位置計算單元，還可以具備:相位偏移單元，其使d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令的相位發(fā)生偏移；積計算單元，其計算d q坐標(biāo)系上的電流的值與通過相位偏移單元使相位發(fā)生了偏移的高頻電壓指令的積；濾波器單元，其從積計算單元的計算結(jié)果中除去高頻成分；增益單元，其計算通過濾波器單元除去高頻成分而輸出的信號與預(yù)定的增益常數(shù)的積；以及積分計算單元，其計算來自增益單元的輸出結(jié)果的積分，并將其計算結(jié)果作為新使用的推定磁極位置來輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]通過參照以下附圖，可更明確地理解本發(fā)明。
[0016]圖1是第I實施例的磁極位置檢測裝置的原理框圖。
[0017]圖2是說明α β坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)子的實際位置與通過安裝于同步電動機(jī)的傳感器檢測出的轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系的圖。
[0018]圖3是表示第I實施例的磁極位置檢測裝置的動作流程的流程圖。
[0019]圖4是第2實施例的磁極位置檢測裝置的原理框圖。
[0020]圖5是表示第2實施例的磁極位置檢測裝置的動作流程的流程圖。
[0021]圖6是表示磁極位置檢測裝置的動作的仿真結(jié)果的圖。
[0022]圖7Α和圖7Β是說明具有永磁鐵的同步電動機(jī)中磁極位置的檢測的示意圖。
【具體實施方式】
[0023]以下參照附圖，來說明同步電動機(jī)的磁極位置檢測裝置。但是，本發(fā)明不應(yīng)理解為受限于附圖或以下說明的實施方式。
[0024]圖1是第I實施例的磁極位置檢測裝置的原理框圖。以下，在不同的附圖中，附帶了相同參考標(biāo)號的結(jié)構(gòu)要素意味著是具有相同功能的結(jié)構(gòu)要素。
[0025]對具有永磁鐵的同步電動機(jī)2啟動時的磁極初始位置進(jìn)行檢測的第I實施例的磁極位置檢測裝置1，設(shè)置于控制同步電動機(jī)2的旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)控制裝置(未圖示)內(nèi)，但是也可以實現(xiàn)為將其作為自身單元的形式，而以之后安裝的方式安裝在現(xiàn)存電動機(jī)控制裝置中。磁極位置檢測裝置I在進(jìn)行同步電動機(jī)2的旋轉(zhuǎn)控制之前，即在同步電動機(jī)2的啟動時，檢測同步電動機(jī)2的轉(zhuǎn)子的磁極初始位置(勵磁初始相位)。在對同步電動機(jī)2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)控制時，圖1表示的開關(guān)SW切換為使得電流控制部17與三相坐標(biāo)變換單元12閉合。這種情況下，電流控制部17根據(jù)輸入的d相電流指令和q相電流指令、將通過電流檢測單元13檢測出的從電力變換器(放大器)3流向同步電動機(jī)2的三相電流進(jìn)行d q坐標(biāo)變換后的電流值以及通過傳感器18檢測出的同步電動機(jī)2的轉(zhuǎn)子的磁極位置Θ S，來生成用于控制電力變換器3的d相電壓指令和q相電壓指令，從而輸出為了得到同步電動機(jī)2的所希望的旋轉(zhuǎn)速度和轉(zhuǎn)矩而需要的驅(qū)動電力。在該電流控制部17的處理中，通過傳感器18檢測出的同步電動機(jī)2的轉(zhuǎn)子的磁極位置Θ S，使用了用通過磁極位置檢測裝置I檢測出的磁極初始位置來修正的位置。即，根據(jù)該經(jīng)修正的磁極位置數(shù)據(jù)來控制同步電動機(jī)2的旋轉(zhuǎn)。由電流控制部17生成的d相電壓指令和q相電壓指令，通過三相坐標(biāo)變換單元12被坐標(biāo)變換為UVW相的三相電壓指令，并被輸入至電力變換器3。電力變換器3，例如是將直流變換為三相交流的三相逆變器，通過基于輸入的三相電壓指令來控制內(nèi)部的開關(guān)元件(未圖示)的開關(guān)動作，將輸入的直流變換為同步電動機(jī)2的驅(qū)動電力即三相交流。
[0026]這樣，在同步電動機(jī)2的正常運轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)控制的情況下，切換開關(guān)SW以使電流控制部17與三相坐標(biāo)變換單元12閉合。另一方面，在為了檢測同步電動機(jī)2啟動時的磁極初始位置而磁極位置檢測裝置I進(jìn)行動作的情況下，切換圖1表示的開關(guān)SW，以使電壓指令單元11和三相坐標(biāo)變換單元12閉合。[0027]磁極位置檢測裝置I利用具有永磁鐵的同步電動機(jī)2的顯極性和PLL (鎖相環(huán))的原理，來檢測同步電動機(jī)2的啟動時的磁極初始位置。以下，說明磁極位置檢測裝置I的結(jié)構(gòu)。
[0028]第I實施例的磁極位置檢測裝置1，具備:電壓指令單元11、三相坐標(biāo)變換單元12、電流檢測單元13、d q坐標(biāo)變換單元14、推定磁極位置計算單元15、磁極位置確定單元16。這些電壓指令單元11、三相坐標(biāo)變換單元12、電流檢測單元13、d q坐標(biāo)變換單元14、推定磁極位置計算單元15以及磁極位置確定單元16，在電動機(jī)控制裝置(未圖示)內(nèi)的運算處理裝置中以軟件形式來實現(xiàn)，但是在磁極位置檢測裝置I以其自身單元來實現(xiàn)的情況下，在磁極位置檢測裝置I內(nèi)的運算處理裝置中以軟件的形式來實現(xiàn)。
[0029]電壓指令單元11生成d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令。d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令由聞頻的d相成分與振幅為零的q相成分構(gòu)成。
[0030]三相坐標(biāo)變換單元12使用推定磁極位置(推定勵磁相位)將d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令變換為三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令。
[0031]電流檢測單元13對從基于三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令而生成同步電動機(jī)2的驅(qū)動電力的電力變換器3流向該同步電動機(jī)2的三相電流進(jìn)行檢測。
[0032]d q坐標(biāo)變換單元14利用三相坐標(biāo)變換單元12的變換中所使用的推定磁極位置，將通過電流檢測單元13檢測出的三相電流變換為d q坐標(biāo)系上的電流。
[0033]推定磁極位置計算單元15基于d q坐標(biāo)系上的電流和d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令，來計算在三相坐標(biāo)變換單元12和d q坐標(biāo)變換單元14的坐標(biāo)變換處理中新使用的推定磁極位置。如上述，電壓指令單元11生成由高頻的d相成分與振幅為零的q相成分構(gòu)成的d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令，但是，推定磁極位置計算單元15根據(jù)d q坐標(biāo)系上的電流中的q相成分和高頻的d相成分，來計算新使用的推定磁極位置。
[0034]在第I實施例中，推定磁極位置計算單元15，具備:微分計算單元21、積計算單元22、濾波器單元23、增益單元24、積分計算單元25。微分計算單元21計算通過d q坐標(biāo)變換單元14計算出的d q坐標(biāo)系上的電流的值的微分。積計算單元22計算通過微分計算單元21微分后的電流的值與d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令的積。濾波器單元23是從積計算單元22的計算結(jié)果中除去高頻成分的低通濾波器(LPF)。增益單元24計算通過濾波器單元23除去了高頻成分而輸出的信號與預(yù)定的增益常數(shù)的積。積分計算單元25計算來自增益單元24的輸出結(jié)果的積分，將該計算結(jié)果作為新使用的推定磁極位置來輸出。
[0035]磁極位置推定單元16將通過推定磁極位置計算單元15計算的推定磁極位置基本上收斂于一定位置時的位置，確定為同步電動機(jī)2的啟動時的磁極位置。
[0036]磁極位置檢測裝置I利用具有永磁鐵的同步電動機(jī)2的顯極性和PLL (鎖相環(huán))的原理，來檢測同步電動機(jī)2的啟動時的磁極位置。以下，對動作原理進(jìn)行說明。
[0037]圖2是說明α β坐標(biāo)上的轉(zhuǎn)子的實際位置與通過裝配于同步電動機(jī)的傳感器檢測出的轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系的圖。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系即α β坐標(biāo)上，如圖2所示，在某時間點轉(zhuǎn)子實際存在于從α軸僅僅偏移了 Θ的位置的情況下，考慮傳感器18的檢測結(jié)果示出了轉(zhuǎn)子位置位于從α軸僅僅偏移了 P的位置的情況。即，考慮了在實際的轉(zhuǎn)子位置Θ與傳感器18示出的轉(zhuǎn)子位置P之間產(chǎn)生了以“P-θ ”表示的偏移(偏差)的情況。
[0038]如果將具有2相線圈的顯極性的轉(zhuǎn)子的α β坐標(biāo)上的電流設(shè)為ia和ie、將產(chǎn)生的磁通量設(shè)為λ α和λ 0、將d軸上的感應(yīng)系數(shù)設(shè)為Ld、將q軸上的感應(yīng)系數(shù)設(shè)為L,、將各感應(yīng)系數(shù)Ld和Lq的直流部分設(shè)為U、脈沖部分設(shè)為L2、將永磁鐵的磁通量設(shè)為Φ，則旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系即α β坐標(biāo)系上的實際的轉(zhuǎn)子位置Θ由式I所示的函數(shù)來表示。
【權(quán)利要求】
1.一種磁極位置檢測裝置(1)，檢測同步電動機(jī)(2)的啟動時的磁極位置，其特征在于， 具備: 電壓指令單元(11)，其生成d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令； 三相坐標(biāo)變換單元(12)，其利用推定磁極位置將所述d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令變換為三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令； 電流檢測單元(13)，其對從基于所述三相坐標(biāo)系上的高頻電壓指令而生成同步電動機(jī)(2)的驅(qū)動電力的電力變換器(3)流向該同步電動機(jī)(2)的三相電流進(jìn)行檢測；d q坐標(biāo)變換單元(14)，其使用在所述三相坐標(biāo)變換單元(12)的變換中所使用的推定磁極位置，將通過所述電流檢測單元(13)檢測出的三相電流變換為d q坐標(biāo)系上的電流；推定磁極位置計算單元(15，15')，其基于所述d q坐標(biāo)系上的電流和所述d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令，來計算在所述三相坐標(biāo)變換單元(12)和所述d q坐標(biāo)變換單元(14)的坐標(biāo)變換處理中新使用的推定磁極位置；以及磁極位置確定單元(16)，其將通過所述推定磁極位置計算單元(15，15')計算的推定磁極位置基本上收斂于一定位置時的位置，確定為同步電動機(jī)(2)的啟動時的磁極位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁極位置檢測裝置(I)，其特征在于， 所述d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令由高頻的d相成分與振幅為零的q相成分構(gòu)成，所述推定磁極位置計算單元(15，15')基于所述d q坐標(biāo)系上的電流中的q相成分與所述高頻的d相成分，來計算所述新使用的推定磁極位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁極位置檢測裝置(I)，其特征在于， 所述推定磁極位置計算單元(15)，具備: 微分計算單元(21)，其計算所述d q坐標(biāo)系上的電流的值的微分； 積計算單元(22 )，其計算通過所述微分計算單元(21)進(jìn)行微分后的電流的值與所述dq坐標(biāo)系上的高頻電壓指令的積； 濾波器單元(23)，其從所述積計算單元(22)的計算結(jié)果中除去高頻成分； 增益單元(24)，其計算通過所述濾波器單元(23)除去了高頻成分而輸出的信號與預(yù)定的增益常數(shù)的積；以及 積分計算單元(25)，其計算來自所述增益單元(24)的輸出結(jié)果的積分，將其計算結(jié)果作為所述新使用的推定磁極位置來輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁極位置檢測裝置(I)，其特征在于， 所述推定磁極位置計算單元(15')，具備: 相位偏移單元(26)，其使所述d q坐標(biāo)系上的高頻電壓指令的相位發(fā)生偏移； 積計算單元(22)，其計算所述d q坐標(biāo)系上的電流的值與通過所述相位偏移單元(26)使相位發(fā)生了偏移的高頻電壓指令的積； 濾波器單元(23)，其從所述積計算單元(22)的計算結(jié)果中除去高頻成分； 增益單元(24)，其計算通過所述濾波器單元(23)除去高頻成分而輸出的信號與預(yù)定的增益常數(shù)的積；以及 積分計算單元(25)，其計算來自所述增益單元(24)的輸出結(jié)果的積分，并將其計算結(jié)果作為所述新使用的推定磁極位置來輸出。
【文檔編號】H02P6/20GK103856121SQ201310641537
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月3日
【發(fā)明者】園田直人, 豐澤雪雄 申請人:發(fā)那科株式會社