CN100583621C - 永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置及模块 - Google Patents

永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置及模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,在弱磁场区域也能够实现高精度、高响应、高稳定性的电机转矩,而且可以共同适用于进行低价的电流检测的系统和省略了磁极位置检测器的系统。利用通过弱磁场控制计算的d轴电流指令值(或电流检测值)与作为控制的基准轴和电机的基准轴的偏差的相位误差的正弦信号的相乘值,修正q轴电流指令值,由此可以实现稳定的控制特性。

Description

永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置及模块
技术领域
本发明涉及永久磁铁同步电动机的弱磁场区域的矢量控制方式。
背景技术
作为弱磁场区域的矢量控制方式的现有技术,包括特开平8-182398号公报记载的方法,该方法将d轴电流指令值表格化,从而使d轴和q轴的电流控制成为比例运算方式,还包括特开2002-95300号公报记载的方法,该方法从d轴和q轴的电流控制部求出电动机的端子电压,对端子电压的指令值与所述端子电压的偏差进行比例·积分运算,从而计算所述d轴电流指令值。
专利文献1特开平8-182398号公报
专利文献2特开2002-95300号公报
但是,在特开平8-182398号公报记载的方法中,电流控制为比例运算方式,所以不会产生电流指令值那样的电流,转矩精度劣化,而在特开2002-95300号公报记载的方法中,由于d轴电流指令的产生较迟,所以有转矩响应劣化的倾向。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,在弱磁场控制区域也能够实现高精度、高响应、高稳定性的转矩控制。
为了实现上述目的,本发明提供一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,进行弱磁场控制,在该弱磁场控制中,计算负极性的d轴电流指令值,使驱动永久磁铁同步电动机的电力转换器的输出电压与输出电压指令值一致,其特征在于,
利用相位误差或所述相位误差的正弦信号与通过所述弱磁场控制计算的d轴电流指令值或d轴电流检测值的相乘值,修正q轴电流指令值,其中所述相位误差是控制的基准轴与电机的基准轴的偏差。
本发明还提供一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,进行弱磁场控制,在该弱磁场控制中,计算负极性的d轴电流指令值,使驱动永久磁铁同步电动机的电力转换器的输出电压与输出电压指令值一致,其特征在于,
利用速度误差的微分计算值与通过所述弱磁场控制计算的d轴电流指令值或d轴电流检测值的相乘值,修正q轴电流指令值,其中所述速度误差是速度指令值与速度计算值的偏差。
本发明还提供一种模块,其特征在于,具有上述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置和把直流转换为交流的电力转换器。
本发明还提供一种模块,其特征在于,具有:
永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置和把直流转换为交流的电力转换器,所述永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置进行弱磁场控制,在该弱磁场控制中,计算负极性的d轴电流指令值,使驱动永久磁铁同步电动机的电力转换器的输出电压与输出电压指令值一致,并且利用相位误差或所述相位误差的正弦信号与通过所述弱磁场控制计算的d轴电流指令值或d轴电流检测值的相乘值,修正q轴电流指令值,其中所述相位误差是控制的基准轴与电机的基准轴的偏差。
本发明利用通过弱磁场控制计算的d轴电流指令值或电流检测值与相位误差的正弦信号或相位误差的相乘值,来修正q轴电流指令值,所述相位误差是控制的基准轴与电机的基准轴的偏差。
根据本发明,可以提供一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,在弱磁场区域也能够实现高精度、高响应、高稳定性的转矩控制。
附图说明
图1是表示本发明一个实施例的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置的结构图。
图2是没有稳定化计算部10时的弱磁场控制区域的控制特性。
图3是加入了稳定化计算部10时的弱磁场控制区域的控制特性。
图4是表示本发明其他实施例的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置的结构图。
图5是表示本发明其他实施例的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置的结构图。
图6是表示本发明其他实施例的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置的结构图。
图7是表示本发明其他实施例的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置的结构图。
图8是表示本发明实施方式的结构图的一例。
符号说明
1永久磁铁同步电动机;2电力转换器;3电流检测器;4位置检测器;5频率计算部;6相位计算部;7坐标转换部;8速度控制计算部;9弱磁场指令计算部;10稳定化计算部;11q轴电流指令计算部;11a q轴电压指令计算部;12d轴电流指令计算部;12a d轴电压指令计算部;13电压矢量计算部;14输出电压计算部;15坐标转换部;16轴误差计算部;17电流推测部;21直流电源;IDC输入直流母线电流检测值;Id第一d轴电流指令值;Id**第二d轴电流指令值;Iq第一q轴电流指令值;Iq**第二q轴电流指令值;V1 ref弱磁场区域的输出电压指令值;V1输出电压值;θc旋转相位指令;ω1频率指令值;ΔIq 1、ΔIq 2稳定化信号。
具体实施方式
以下,使用附图详细说明本发明的实施例。
(第1实施例)
图1表示本发明一个实施例的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置的结构例。
1表示永久磁铁同步电动机,
2表示输出与3相交流电压指令值Vu、Vv、Vw成比例的电压的电力转换器,
21表示直流电源,
3表示可以检测3相交流电流Iu、Iv、Iw的电流检测器,
4表示使用可以检测电动机的位置θ的霍尔IC或霍尔元件的位置检测器,
5表示根据作为旋转相位指令θc与位置检测值θ的偏差的轴误差Δθ来计算频率指令值ω1的频率计算部,
6表示对频率指令值ω1进行积分运算并输出电动机的旋转相位指令θc的相位计算部,
7表示根据所述3相交流电流Iu、Iv、Iw的检测值Iuc、Ivc、Iwc和旋转相位指令θc,输出d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc的坐标转换部,
8表示根据速度指令值ωr和频率指令值ω1的偏差计算第一q轴电流指令值Iq的速度控制计算部,
9表示根据弱磁场区域的输出电压指令V1 ref和输出电压V1 的偏差计算第一d轴电流指令值Id的弱磁场指令计算部,
10表示输出用于根据第一d轴电流指令值Id和所述轴误差Δθ的正弦信号来修正q轴电流指令值Iq的信号ΔIq 1的稳定化计算部,
11表示根据从第一q轴电流指令值Iq减去所述ΔIq 1后得到的新的q轴电流指令值Iq′与q轴电流检测值Iqc的偏差,输出第二q轴电流指令值Iq**的q轴电流指令计算部,
12表示根据第一d轴电流指令值Id与d轴电流检测值Idc的偏差,输出第二d轴电流指令值Id**的d轴电流指令计算部,
13表示根据电动机1的电气常数和第2电流指令值Id**、Iq**以及频率指令值ω1,计算电压指令值Vdc、Vqc的电压矢量计算部,
14表示根据电压指令值Vdc、Vqc计算电力转换器的输出电压V1的输出电压计算部,
15表示根据电压指令值Vdc、Vqc和旋转相位指令θc,输出3相交流电压指令值Vu、Vv、Vw的坐标转换部。
首先,说明使用作为本发明的特征的稳定化计算部10的矢量控制方式的电压控制和相位控制的基本动作。
在电压控制中,在图1中的输出电压计算部14中,如(算式1)所示,使用d轴和q轴的电压指令值Vdc、Vqc,计算输出电压V1
[算式1]
V 1 * = Vdc * 2 + Vqc * 2
弱磁场指令计算部9计算第一d轴电流指令值Id,使输出电压V1与弱磁场区域的输出电压指令值V1 ref一致。
并且,电压矢量计算部13使用第二d轴和q轴的电流指令值Id**、Iq**以及电机常数,按照(算式2)计算d轴和q轴的电压指令值Vdc、Vqc,控制转换器输出电压。
[算式2]
Vdc * = R * × Id * * - ω 1 * × Lq * × Iq * * Vqc * = R * × Iq * * + ω 1 * × Ld * × Id * * + ω 1 * × Ke * - - - ( 2 )
其中,R:电阻的设定值,
Ke:感应电压常数的设定值,
Ld:d轴电感的设定值,
Lq:q轴电感的设定值。
另一方面,在相位控制中,在位置检测器4中,检测电机的位置,获得位置检测值θ。频率计算部5进行比例·积分运算并计算频率指令值ω1,以使作为旋转相位指令θc与位置检测值θ的偏差的轴误差Δθ(=θc-θ)为零。相位计算部6对频率指令值ω1进行积分运算,从而控制旋转相位指令θc
以上是电压控制和相位控制的基本动作。
下面,说明稳定化计算部10。
稳定化计算部10按照(算式3),输出作为d轴电流指令值Id与轴误差Δθ的正弦信号的相乘值的稳定化信号ΔIq 1
[算式3]
ΔIq1 *=sinΔθ×Id*                     (3)
下面,根据本实施例说明本发明具有的作用效果。
在图1的控制装置中,仅考虑由弱磁场指令计算部9产生d轴电流指令值Id的控制特性的“不进行稳定化计算的情况(ΔIq 1=0)”。
图2表示不进行稳定化计算的情况(ΔIq 1=0)下的运转特性。在图2中,在从低速区域加速到最高转速并提供100[%]的负荷转矩时,在弱磁场区域的A区域中,电机速度ωr产生振动。
并且可知,在该状态下降低转速时,脱离弱磁场区域,振动消失。以该振动为原因,产生“噪声”和“由于过电流使得运转停止”的问题。
下面,说明该原因。在电机和机械负荷的合成惯量值较小时,即使存在稍微的转矩变动,电机的位置就会变动。
在存在作为旋转相位指令θc 与位置检测值θ的偏差的轴误差Δθ(=θc -θ)的情况下,从电机轴(d-q)向控制侧(dc-qc)的坐标转换矩阵如(算式4)所示。
[算式4]
dc qc = cos Δθ sin Δθ - sin Δθ cos Δθ d q - - - ( 4 )
d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc可以用(算式5)表示。
[算式5]
Idc Iqc = cos Δθ sin Δθ - sin Δθ cos Δθ Id Iq - - - ( 5 )
根据(算式5)可知,q轴电流检测值Iqc中加入了电机轴上的d轴电流Id的信息。
这里,在存在轴误差Δθ的情况下,求出从速度指令值ωr到频率指令值ω1的闭环传递函数Gasr(s)。
[算式6]
G asr ( s ) = ( Ksp / Ksi / Kci ) s 3 + ( Ksp / Ksi × Kcp / Kci + 1 / kci ) s 2 + ( Ksp / Ksi + Kcp / Kci ) s + 1 ( 1 + Kci ) s 5 + ( Ksp / Ksi + ω acr / Kci ) s 4 + ( 1 + Kcp × ω acr / Kci ) s 3 + ω acr ( 1 + Kt × Pm / Kci / J × Id ) s 2
· Ksi · Pm · Kt · ω scr J - - - ( 6 )
其中,
Ksp:速度控制比例增益,      Ksi:速度控制积分增益
Kcp:频率计算部比例增益,    Kci:频率计算部积分增益
Pm:极对数,                 Kt:转矩系数
ωACR:电流控制响应角频率,  J:惯量值
在(算式6)中,用于使该反馈环稳定的稳定条件为(算式7)。(算式7)的第1、2行虽然始终为“正极性”,
[算式7]
Ksp / Ksi + ω scr / Kci > 0 1 + Kcp × ω scr / Kci > 0 1 + Kt × Pm / Kci / J × Id > 0 - - - ( 7 )
但第3行的d轴电流Id在弱磁场区域中为“负极性”,所以用于稳定的条件成为(算式8)。
[算式8]
1>Kt×Pm/Kci/J×|Id|                            (8)
按照(算式9)设定频率计算部5的积分增益Kci。
[算式9]
Kci = ( 2 π F PLL ) 2 N - - - ( 9 )
其中,N是频率计算部5的比例·积分增益的拐点比。
根据(算式8)、(算式9)对控制响应频率FPLL进行整理,可以得到(算式10)。
[算式10]
F PLL > 1 2 π · N · kt · Pm J · | Id | - - - ( 10 )
即,为了使反馈环稳定,需要估计最大的d轴电流Id来设定在频率计算部5中设定的控制响应频率FPLL,使其满足(算式10)。
但是,在惯量J较小时,需要将控制响应频率FPLL设定得较大,但由于微型计算机的计算周期时间等的关系,不可能无限大。
因此,设置可与在频率计算部5中设定的控制响应频率FPLL无关地实现弱磁场区域的稳定化的稳定化计算部10。
在稳定化计算部10中,预先从q轴的电流指令值Iq中减去产生轴误差Δθ时的d轴电流Id的成分值,并作为向q轴电流指令计算部11的输入指令信号Iq′。
输入指令信号Iq′如(算式11)所示。
[算式11]
Iq*′=Iq*-ΔIq* 1
     =Iq*+sinΔθ×Id*              (11)
这样,q轴电流指令计算部11如(算式12)所示,输入Iq′与Iqc的偏差信号。
[算式12]
Iq*′-Iqc=(Iq*-sinΔθ×Id*)-(cosΔθ×Iq-sinΔθ×Id)  (12)
在d轴电流指令计算部12中,d轴电流检测值Idc被控制成与指令值Id一致,所以Id=Idc。并且,着眼于Δθ的振动成分,如果使用
Figure C20061013200300122
Figure C20061013200300123
的近似,则
[算式13]
Iq*′-Iqc=(Iq*-Δθ×Id*)-(Iq-Δθ×Id)
         ≈(Iq*-Iq)+(Δθ×Id-Δθ×Id*)              (13)
         ≈Iq*-Iqc
根据(算式13)可知,可以消除电机轴上的d轴电流Id的信息。
即,通过进行(算式11)的计算,(算式6)所示的环消失,从而可以实现稳定的弱磁场控制。
图3表示进行了这种稳定化补偿时的特性。
可知,通过追加这种稳定化补偿,在弱磁场区域中也能够稳定动作。
在本实施例中,在稳定化计算部10中,使用d轴电流指令值Id和轴误差Δθ的正弦信号,计算稳定化信号ΔIq 1,但直接使用d轴电流检测值Idc和轴误差Δθ来代替,也可以获得相同效果。
(第2实施例)
图4表示本发明的其他实施例。
在第1实施例中,在稳定化计算部中使用了轴误差Δθ和d轴电流指令值Id,但在本实施例中是使用了速度偏差(ωr-ω1)和d轴电流指令值Id方式的永久磁铁同步电动机的矢量控制装置。
在图中,1~9、11~15、21表示与图1相同的部件。10′表示根据作为速度指令值ωr与频率指令值ω1的偏差的速度偏差(ωr-ω1)和d轴电流指令值Id,修正q轴电流指令值Iq的稳定化计算部。
考虑到轴误差Δθ的微分值是速度偏差(ωr-ω1),在稳定化计算部10′中,按照(算式14)所示,使用频率计算部5的比例·积分增益Kcp、Kci,计算稳定化信号ΔIq 2
[算式14]
Δ Iq 2 * = · ( ω r * + ω 1 * ) · ( 1 / Kci ) · s ( Kcp / Kci ) · s + 1 · Id * - - - ( 14 )
然后,按照(算式15)所示,从第一q轴电流指令值减去稳定化信号ΔIq 2,并作为向q轴电流指令计算部11的输入信号Iq″进行电流指令计算。
[算式15]
Iq*″=Iq*-ΔIq* 2                (15)
由此,不使用轴误差Δθ,也能够实现弱磁场区域的稳定化。
在本实施例中,在稳定化计算部10′中,使用d轴电流指令值Id进行计算,但使用d轴电流检测值Idc来代替,也能够获得相同效果。
(第3实施例)
图5表示本发明的其他实施例。
本实施例将稳定化计算应用于设有d轴和q轴的电压指令计算部时的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置。
在图中,构成要素中的1~10、14、15、21表示与图1相同的部件。
11a表示根据利用稳定化补偿输出ΔIq 1修正后的q轴电流指令值Iq′和q轴电流检测值Iqc的偏差,计算q轴电压指令值Vqc的q轴电压指令计算部;12a表示根据d轴电流指令值Id与d轴电流检测值Idc的偏差,计算d轴电压指令值Vdc的d轴电压指令计算部,通过使用该方式,也能够获得与第1实施例相同的效果。
并且,在本实施例中,在稳定化计算部中使用图1的方式,但在图4中使用的方式中,也能够获得相同效果。
(第4实施例)
图6表示本发明的其他实施例。
本实施例将稳定化计算应用于使用d轴和q轴的电压指令值与电流检测值以及电机常数来计算轴误差时的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置。
在图中,1~3、5~15、21表示与图1相同的部件。轴误差计算部16按照(算式16)所示计算轴误差Δθc。
[算式16]
Δθc = tan - 1 [ Vdc * - R * × Idc + ω 1 * × Lqc * × Iqc Vqc * - R * × Iqc - ω 1 * × Lqc * × Idc ] - - - ( 16 )
在稳定化计算部15中,按照(算式17)所示,使用轴误差计算值Δθc计算稳定化信号ΔIq 1
[算式17]
ΔIq1 *=sinΔθc ×Id*                  (17)
在这种无位置传感器的控制方式中,与前述实施例同样地动作,显然可以获得相同效果。
并且,在本实施例中,稳定化计算部使用图1所示方式,但在图4中使用的方式中,也能够获得相同效果。
(第5实施例)
在上述第1~第4实施例中,采取检测利用高价的电流检测器3检测的3相交流电流Iu~Iw的方式,但也可以在进行廉价的电流检测的控制装置中适用。
图7表示该实施例。
在图中,1、2、5~16、21表示与图1相同的部件。17表示根据流过电力转换器的输入母线的直流电流IDC,推测流过电动机1的3相交流电流Iu、Iv、Iw的电流推测部。
使用该推测电流值Iu^、Iv^、Iw^,在坐标转换部7中计算d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc。
在这种无电流传感器的控制方式中,Id与Idc、Iq与Iqc分别一致,所以与前述实施例同样地动作,显然可以获得相同效果。
并且,在本实施例中,稳定化计算部使用图1的方式,但在图4中使用的方式中,也能够获得相同效果。
(第6实施例)
使用图8说明把本发明应用于模块的示例。本实施例表示第1实施例的实施方式。
这里,频率计算部5、相位计算部6、坐标转换部7、速度控制计算部8、弱磁场指令计算部9、稳定化计算部10、q轴电流指令计算部11、d轴电流指令计算部12、电压矢量计算部13、输出电压计算部14、坐标转换部15使用单片微型计算机构成。
并且,所述单片微型计算机和电力转换器采取被收纳于在同一基板上构成的一个模块内的形式。此处所说的模块是指“标准化的构成单位”,由可分离的硬件/软件部件构成。另外,在制造上优选在同一基板上构成,但不限于同一基板。也可以构成在内置于同一壳体的多个电路基板上。在其他实施例中也可以采取相同的形式构成。
如上所述,根据本发明,可以提供一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,在弱磁场区域也能够实现高精度、高响应、高稳定性的转矩控制。

Claims (12)

1.一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,进行弱磁场控制,在该弱磁场控制中,计算负极性的d轴电流指令值,使驱动永久磁铁同步电动机的电力转换器的输出电压与输出电压指令值一致,其特征在于,
利用相位误差或所述相位误差的正弦信号与通过所述弱磁场控制计算的d轴电流指令值或d轴电流检测值的相乘值,修正q轴电流指令值,其中所述相位误差是控制的基准轴与电机的基准轴的偏差。
2.根据权利要求1所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
利用根据第一d轴和q轴的电流指令值和电流检测值计算的第2电流指令值、电动机常数和频率计算值来计算电力转换器的输出电压指令值。
3.根据权利要求1所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
根据d轴和q轴的电流指令值和电流检测值来计算电力转换器的输出电压指令值。
4.根据权利要求1所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
利用d轴和q轴的电压指令值和检测出的电动机电流来计算所述相位误差。
5.根据权利要求4所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
电动机电流是根据电力转换器的输入直流母线电流检测值再现电动机电流后得到的电流。
6.一种永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,进行弱磁场控制,在该弱磁场控制中,计算负极性的d轴电流指令值,使驱动永久磁铁同步电动机的电力转换器的输出电压与输出电压指令值一致,其特征在于,
利用速度误差的微分计算值与通过所述弱磁场控制计算的d轴电流指令值或d轴电流检测值的相乘值,修正q轴电流指令值,其中所述速度误差是速度指令值与速度计算值的偏差。
7.根据权利要求6所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
利用根据第一d轴和q轴的电流指令值和电流检测值计算的第2电流指令值、电动机常数和频率计算值来计算电力转换器的输出电压指令值。
8.根据权利要求6所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
根据d轴和q轴的电流指令值和电流检测值来计算电力转换器的输出电压指令值。
9.根据权利要求6所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
所述速度误差是利用d轴和q轴的电压指令值和检测出的电动机电流来推测相位误差、并在使所述相位误差为零时求出的速度计算值与速度指令值的偏差。
10.根据权利要求9所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置,其特征在于,
电动机电流是根据电力转换器的输入直流母线电流检测值再现电动机电流后得到的电流。
11.一种模块,其特征在于,具有:
永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置和把直流转换为交流的电力转换器,所述永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置进行弱磁场控制,在该弱磁场控制中,计算负极性的d轴电流指令值,使驱动永久磁铁同步电动机的电力转换器的输出电压与输出电压指令值一致,并且利用相位误差或所述相位误差的正弦信号与通过所述弱磁场控制计算的d轴电流指令值或d轴电流检测值的相乘值,修正q轴电流指令值,其中所述相位误差是控制的基准轴与电机的基准轴的偏差。
12.一种模块,其特征在于,具有权利要求6所述的永久磁铁同步电动机的弱磁场矢量控制装置和把直流转换为交流的电力转换器。
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