CN101154906B - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动机控制装置，用于对具有永久磁铁的同步电动机进行控制，其中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元，和根据该测定电压增减流过同步电动机的无功电流的无功电流增减单元，所述电压测定单元测定供给驱动放大器的交流的电源电压，所述无功电流增减单元根据该测定的交流的电源电压增减流过同步电动机的无功电流，所述无功电流增减单元具有根据所述测定电压变更无功电流最大值的无功电流最大值变更单元，根据所述无功电流的最大值限制无功电流指令的最大值。

Description

电动机控制装置
技术领域
本申请为2005年6月30日递交的、申请号为200510080592.3、发明名称为“电动机控制装置”的专利申请的分案申请。 
本发明涉及一种电动机控制装置，特别涉及通过d-q变换的同步电动机的控制。 
背景技术
对3相电流进行d-q变换、变换为d相、q相后控制各自的相的方法是众所周知。在根据正交的d-q坐标轴控制同步电动机的控制方法中，设想通过电源电压的变动来变动电动机控制装置的最大输出电压，历来进行估计电压裕度的参数设定，以使即使在该情况下也能稳定地驱动同步电动机。在考虑的最低输入电压的状态下，设定无功电流或者电流控制相位，以使转矩成为最大。 
图10是现有的无功电流控制中的无功电流和连续输出转矩的旋转速度的特性的示意图。在现有的无功电流控制中，在设想的最低电压下必须要流过可以旋转的数量的无功电流，在高速区域的连续输出转矩急剧减小。 
另外，图11、12是表示现有的相位超前中的相位超前量和瞬时最大转矩的旋转速度的特性的图。图11所示的例子是适用于低电压时的相位超前的控制，因为相位超前量的控制与电压无关是恒定的，所以在高电压时转矩降低。 
另一方面，图12所示的例子是适用于高电压时的相位超前的控制，因为相位超前量的控制与电压无关是恒定的，所以在低电压时转矩降低。 
此外，在电源电压变动的场合，因为电动机控制装置可以施加在电动机上的最大电压以其变动数量变化，所以在以电源电压最大的场合设定的最大负荷时的d相电流指定开始转速为基础生成电流指令的场合，在电源电压降低到最小值时电压不足，电流控制不稳定。在这样的状态中，为维持以同一指令旋转速度旋转时的电动机端电压控制器内部的电压指令值增大电源电压降低的数量。利用这一性质，如特开2003-52199号公报公开的那样，提出了一种电动机的控制装置，它在高速旋转区域通过以作为d、q相电流指令值 的函数输出的指令值为基础使最大负荷时的d相电流指令开始转速变化，加减d相最大电流值以及d相最小电流值，间接地加减d相电流指令值，降低电源电压变动的影响。 
由于电源电压的变动，在考虑的最低的输入电压的状态下使转矩变大那样设定无功电流或者电流控制相位的场合，因为估计了电动机控制装置的电压裕度，结果流过比所需要的大的d相电流，存在对于电流电动机输出效率降低，电动机发热这样的问题。 
上述2003-52199号公报中所述的电动机控制装置利用控制器内部的特性，在高速旋转区域，以作为d、q相电流指令值的函数输出的指令值为基础使最大负荷时的d相电流指令开始转速变化，由此间接地加减d相电流指令值，降低电源电压变动的影响，不能根据输入电源电压的变化直接进行无功电流的控制和电流相位的控制。 
发明内容
因此，本发明的目的是，根据输入电源电压的变化直接进行无功电流的控制和电流相位的控制。 
本发明，在具有永久磁铁的同步电动机的控制中，通过测定输入功率放大器的交流电源电压，或者整流输入电压的直流的DC链路电压，根据该电源电压使无功电流(d轴电流)变化，或者使电流控制相位超前量变化，可以根据输入电源电压的变化直接进行无功电流的控制和电流相位的控制。 
本发明，在具有永久磁铁的同步电动机的控制中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元、根据测定电压控制流过同步电动机的电流的电流控制单元，通过使用电压测定单元测定供给驱动放大器的电压，电流控制单元根据该测定电压控制流过同步电动机的电流，可以根据驱动放大器的输入电源电压的变化直接进行控制。 
本发明可以分为控制无功电流的第一形态，和控制电流相位的第二形态。 
本发明的控制无功电流的第一形态是这样的结构，在具有永久磁铁的同步电动机的控制中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元、根据该测定电压增减流过同步电动机的无功电流的无功电流增减单元。 
这里，电压测定可以取多种形式。 
第一形式是测定交流电压的形式，电压测定单元测定供给驱动放大器的交流的电源电压，无功电流增减单元根据该测定的交流的电源电压增减流过同步电动机的无功电流。 
第二形式是测定直流电压的形式，电压测定单元测定供给驱动放大器的直流的DC链路电压，或者测定把在驱动放大器内从交流电源输入变换为直流的DC链路电压，无功电流增减单元根据测定的DC链路电压增减流过同步电动机的无功电流。 
在上述各形态中，无功电流增减单元可以取多种形式。 
第一形式的无功电流增减单元构成为，具有计算电动机实际速度和开始流过无功电流的基速度的速度差的速度差计算单元，和根据测定电压变更基速度的基速度变更单元，根据速度差生成无功电流指令。该无功电流增减单元在算出的速度差上乘以无功电流的速度依赖系数，生成无功电流指令。具有速度依赖系数增减单元，根据测定电压增减无功电流的速度依赖系数。 
第二形式的无功电流增减单元构成为，具有根据测定电压变更无功电流的最大值的无功电流最大值变更单元，根据变更了的无功电流的最大值限制无功电流指令的最大值。该无功电流最大值变更单元把在测定电压和基准电压的电压差上乘以电压依赖系数的值作为变更值，生成无功电流指令。 
本发明的控制电流相位的第二形态是这样的结构，在具有永久磁铁的同步电动机的控制中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元、和根据测定电压增减从流过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量的相位超前量增减单元。 
这里，和上述控制无功电流的第一实施形态同样，电压测定可以取多种形式。 
第一形式是测定交流电压的形式，电压测定单元测定供给驱动放大器的交流的电源电压，相位超前量增减单元根据测定的交流的电源电压增减从流过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量。 
第二形式是测定直流电压的形式，电压测定单元测定供给驱动放大器的直流的DC链路电压，或者测定把在驱动放大器内从交流电源输入变换为直流的DC链路电压，相位超前量增减单元根据测定的DC链路电压增减从流 过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量。 
在上述各形态中，关于相位超前量增减单元，也和上述无功电流增减单元同样，可以取多种形式。 
第一形式的相位超前量增减单元构成为，具有计算电动机实际速度和开始相位超前的基速度的速度差的速度差计算单元，和根据上述测定电压变更基速度的基速度变更单元，生成相位超前量。该相位超前量增减单元在算出的速度差上乘以相位超前量的速度依赖系数，生成相位超前量。具有速度依赖系数增减单元，根据测定电压增减相位超前量的速度依赖系数。 
第二形式的相位超前量增减单元构成为，具有根据上述测定电压变更相位超前量的最大值的相位超前量最大值变更单元，根据相位超前的变更了的最大值限制相位超前量的最大值。该相位超前量最大值变更单元把在测定电压和基准电压的电压差上乘以相位超前量最大值的电压依赖系数的值作为变更值，生成相位超前量最大值。 
此外，各权利要求中记载的用语，并不限定于在实施例中记载的特定的意义。 
附图说明
通过参照下面的附图，可以更明确地理解本发明。 
图1是用于说明本发明的电动机控制装置的结构的框图。 
图2是用于说明本发明的无功电流增减单元的第一形式的框图。 
图3是用于说明本发明的无功电流增减单元的第二形式的框图。 
图4是用于说明本发明的相位超前量增减单元的第一形式的框图。 
图5是用于说明本发明的相位超前量增减单元的第二形式的框图。 
图6及图7是用于说明本发明的电流控制单元的动作例的流程图。 
图8是表示本发明的无功电流控制中的无功电流及连续转矩特性的图。 
图9是表示本发明的相位超前控制中的相位超前量及瞬时转矩特性的图。 
图10是表示现有的无功电流控制中的无功电流和连续转矩的旋转速度的特性的图。 
图11是表示现有的相位超前中的相位超前量和瞬时最大转矩的旋转速 度的特性的图。 
图12是表示现有的相位超前中的相位超前量和瞬时最大转矩的旋转速度的特性的图。 
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施形态进行详细说明。 
图1是用于说明本发明的电动机控制装置的结构的框图。 
在具有永久磁铁的同步电动机中，在速度控制中，通常，根据速度指令和速度反馈信号进行速度的反馈控制，求转矩指令(电流指令)，根据转矩指令和检测到的相位，求各相的电流指令，通过各相的电流指令和各相的实际电流值进行电流环控制，控制流过各相线圈的电流，驱动电动机进行速度控制。 
这里，在DQ变换控制中，通过使用电流检测器检测到的各相的电流值和检测到的相位，进行从3相电流值求d相的无功电流分量和q相的实际电流分量的DQ变换，把得到的d相、q相的电流值作为电流反馈值。并且，把从速度环输出的转矩指令值作为q相的电流指令值，把d相的电流指令值作为“0”，通过该q相、d相的电流指令值、电流反馈值，进行积分和比例的反馈控制，求d相、q相的电压指令值，进而进行从该d相、q相的电压指令值变换为驱动电动机的3相的各电压指令值的DQ变换，求3相的电压指令值。根据求得的3相的电压指令值驱动逆变器等功率放大器，驱动电动机。 
在图1中，符号3表示d相电流指令生成器，符号4表示根据用d相电流指令生成单元3生成的d相电流指令和用3相-2相变换器8变换的d相的电流值的差求d相电压指令的d相电流控制器，符号5表示根据转矩指令和用3相-2相变换器8变换的q相的电流值的差求q相电压指令的q相电流控制器，符号6表示DQ变换d相、q相的指令电压、变换为驱动电动机的3相的各指令电压的2相-3相变换器，符号7表示根据求得的3相的指令电压对电动机M的各相流过电流Iu、Iv、Iw的逆变器等功率放大器，符号8表示根据电动机M的3相的实际电流Iu、Iv、Iw和相位θ从3相电流变换为2相电流Id、Iq的3相-2相变换器。 
这里，功率放大器7接受来自电源9的功率供给。电源9是整流交流电 源及交流电压给功率放大器7供给直流电压的电源装置，给功率放大器7供给交流电压或者DC链路电压。 
本发明的电动机控制装置，在上述结构外，具有测定供给功率放大器7的电压的电压测定单元2，和根据电压测定单元2测定的测定电压控制流过同步电动机的电流的电流控制单元1，通过电流控制单元1控制d相电流指令生成单元3，控制流过同步电动机的电流。 
这里，电压测定单元2测定供给功率放大器7的交流的电源电压、或者供给功率放大器7的直流的DC链路电压、或者在功率放大器7内从交流的电源输入变换为直流的DC链路电压。单元 
另外，该电流控制单元1包含根据测定电压增减流过同步电动机的无功电流的无功电流量增减单元10、和根据测定电压增减流过同步电动机的电流的从基准相位起的相位超前量的相位超前量增减单元20，通过增减无功电流或者相位超前量控制d相电流指令生成单元3，控制流过同步电动机的电流。 
下面，使用图2、3说明无功电流量增减单元10的结构例，使用图4、5说明相位超前量增减单元20的结构例。 
首先说明无功电流量增减单元10的结构例。无功电流量增减单元10可以通过两种形式增减电流。 
图2是用于说明无功电流增减单元的第一形式的框图。在图2中，第一形式的无功电流增减单元10具有根据测定电压VI变更开始流过无功电流的基速度(vd)的基速度变更单元11、计算电动机实际速度(vm)和开始流过无功电流的基速度(vd)的速度差(vm-vd)的速度差计算单元12。 
计算单元13在用速度差计算单元12算出的速度差(vm-vd)上乘以d轴电流的速度依赖系数Kd生成无功电流指令，向d相电流指令生成单元3发送。 
另外，图3是用于说明无功电流增减单元的第二形式的框图。在图3中，第二形式的无功电流增减单元10具有根据测定电压VI变更无功电流的最大值Idmax的无功电流最大值变更单元14。无功电流最大值变更单元14把在测定电压VI和基准电压VB的电压差(VI-VB)上乘以无功电流最大值的电压依赖系数β的值(β·(VI-VB))加在无功电流的最大值的基准值Idmax0 上，生成无功电流最大值Idmax，向d相电流指令生成单元3发送。 
此外，在决定d相电流指令时，有时也在d相电流指令生成单元3中考虑转矩命令(q相电流值)。 
下面说明相位超前量增减单元20的结构例。相位超前量增减单元20可以通过两种形式增减相位超前量。 
图4是用于说明相位超前量增减单元的第一形式的框图。在图4中，第一形式的相位超前量增减单元20具有根据测定电压VI变更开始相位超前的基速度(vf)的基速度变更单元21、计算电动机实际速度(vm)和开始相位超前的基速度(vf)的速度差(vm-vf)的速度差计算单元22。 
相位超前量计算单元23在用速度差计算单元22算出的速度差(vm-vf)上乘以相位超前量的速度依赖系数KI生成相位超前量(AI)，向2相-3相变换器6发送。 
此外，在决定相位超前量时，有时也在相位超前量计算单元23中考虑转矩命令(q相电流值)。 
另外，图5是用于说明相位超前量增减单元的第二形式的框图。在图5中，第二形式的相位超前量增减单元20具有根据测定电压VI变更相位超前量最大值Phmax的相位超前量最大值变更单元24。相位超前量最大值变更单元24把在测定电压VI和基准电压VB的电压差(VI-VB)上乘以相位超前量最大值的电压依赖系数γ的值(δ·(VI-VB))加在相位超前量最大值的基准值Phmax0上，生成相位超前量最大值Phmax，向2相-3相变换器6发送。 
下面，使用图6以及图7的流程图说明根据测定的交流的电源电压或者DC链路电压增减流过同步电动机的无功电流的电流控制单元的动作例。在以下的动作例中，表示上述无功电流的增减、以及相位超前量的增减的例子。 
首先，读入电流控制用的各初始值的参数。这些参数根据电动机的规格预先存储在记录介质等中准备好，可以根据需要读入电动机控制装置。 
作为参数，有决定开始流过无功电流的速度的基准的无功电流输入开始速度(vd0)、决定最大的无功电流的无功电流最大值(Idmax0)、开始相位超前的开始速度(基速度)(vf0)、相位超前量最大值(Phmax0)。这些参数， 例如根据基准电压(VB(例如200V))预先设定(步骤S1)。 
通过电压测定单元2读取供给功率放大器7的电压信息(VI)(步骤S2)，通过电动机速度检测单元(未中图示)读取电动机的速度信息(步骤S3)。 
在下面的工序中，关于无功电流求开始流过无功电流的速度(基速度)、无功电流最大值，关于相位超前量求超前开始相位的速度、相位超前量最大值。 
首先，关于无功电流使用图8表示无功电流控制中的无功电流以及连续转矩特性的图加以说明。 
电流控制单元1的无功电流量增减单元10通过基速度变更单元11计算开始流过无功电流的速度(vd)。开始流过无功电流速度(vd)按照下式计算。 
(vd)＝vd0+α·(VI-VB) 
此外，在上式中，VI是电源电压(测定信息)，VB是基准电压，vd0是无功电流输入开始速度，系数α是无功电流开始速度的电压依赖系数。由此，在电源电压(VI)是低电压的场合，把开始流过无功电流的开始速度设定为低速(例如图8中的A)，在电源电压(VI)是高电压的场合，把开始流过无功电流的开始速度设定为高速(例如图8中的B)。 
另外，无功电流量增减单元10通过无功电流最大值变更单元14按照下式计算无功电流最大值(Idmax)。 
(Idmax)＝Idmax0+β·(VI-VB) 
此外，在上式中，VI是电源电压(测定信息)，VB是基准电压，Idmax0是无功电流最大值，系数β是无功电流最大值的电压依赖系数。 
由此，在电源电压(VI)是低电压的场合，把无功电流最大值设定的大(例如图8中的E)，在电源电压(VI)是高电压的场合，把无功电流最大值设定的小(例如图8中的F)。 
接着，关于相位超前量使用图9表示相位超前控制中的相位超前量以及瞬时转矩特性的图加以说明。 
电流控制单元1的相位超前量增减单元20通过基速度变更单元21计算开始相位超前速度(vf)。开始相位超前速度(vf)按照下式计算。 
(vf)＝vf0+γ·(VI-VB) 
在上式中，VI是电源电压(测定信息)，VB是基准电压，vf0是开始相位超前的开始速度，系数γ是开始相位超前速度的电压依赖系数。 
由此，在电源电压(VI)是低电压的场合，把开始相位超前的开始速度设定为低速(例如图9中的G)，在电源电压(VI)是高电压的场合，把开始相位超前的开始速度设定为高速(例如图9中的H)。 
另外，相位超前量增减单元20通过相位超前量最大值变更单元24按照下式计算相位超前量最大值(Phmax)。 
(Phmax)＝Phmax0+δ·(VI-VB) 
此外，在上式中，VI是电源电压(测定信息)，VB是基准电压，Phmax0是相位超前量最大值，系数δ是相位超前量最大值的电压依赖系数。 
由此，在电源电压(VI)是低电压的场合，把相位超前量最大值设定的大(例如图9中的K)，在电源电压(VI)是高电压的场合，把相位超前量最大值设定的小(例如图9中的L)(步骤S4)。 
接着，通过步骤S5～步骤S7的工序进行无功电流指令(d轴电流指令)的生成。 
在转子的旋转速度(vm)超过开始流过无功电流速度(vd)之前(步骤S5)，把无功电流指令(d轴电流指令)(Id)设定为“0”(步骤S6)，在转子的旋转速度(vm)超过开始流过无功电流速度(vd)的场合(步骤S5)，求无功电流指令(d轴电流指令)。 
无功电流指令使用通过下式求得的无功电流指令(d轴电流指令)(Id)和无功电流最大值(Idmax)中小的值。 
(Id)＝Kd·(vm-vd) 
此外，Kd是d轴电流的电压依赖系数，vm是转子的旋转速度，vd是开始流过无功电流速度。 
用上式表示的无功电流(Id)，在电源电压是低电压的场合表示图8中的符号C的特性，在电源电压是高电压的场合表示图8中的符号D的特性。 
另一方面，无功电流最大值(Idmax)，如上述那样在电源电压是低电压的场合用图8中的符号E表示，在电源电压是高电压的场合用图8中的符号F表示。 
通过上述工序，无功电流指令(d轴电流指令)，如图8所示根据电源电压的大小增减，在高电压时抑制不需要的无功电流，如图8的连续输出转矩特性所示，可以使在高速区域的连续输出转矩增大(步骤S7)。 
接着通过步骤8～步骤S10的工序进行相位超前量的生成。 
在转子的旋转速度(vm)超过开始相位超前速度(vf)之前(步骤S8)，把相位超前量(相位超前角)(AI)设定为“0”，不进行相位超前(步骤S9)，在转子的旋转速度(vm)超过开始相位超前速度(vf)的场合(步骤S8)，求相位超前量(相位超前角)(AI)。 
相位超前量(相位超前角)，使用通过下式求得的相位超前量(相位超前角)(AI)和相位超前量最大值(Phmax)中小的值。 
(AI)＝KI·(vm-vf) 
此外，KI是相位超前量的电压依赖系数，vm是转子的旋转速度，vf是开始相位超前速度。 
用上式表示的相位超前量(AI)，在电源电压是低电压的场合表示图9中的符号I的特性，在电源电压是高电压的场合表示图9中的符号J的特性。 
另一方面，相位超前量最大值(Phmax)，如上述那样在电源电压是低电压的场合用图9中的符号K表示，在电源电压是高电压的场合用图9中的符号L表示。 
通过上述工序，相位超前量，如图9所示根据电源电压的大小增减，在从低电压到高电压的各电压下，可以引出最大的转矩特性(步骤S10)。 
在q轴电流指令(Iq)生成后(步骤S11)，在d相电流控制器4中进行电流控制处理(PI控制)，生成电压指令Vd，在q相电流控制器5中进行电流控制处理(PI控制)，生成电压指令Vq(步骤S12)。 
在2相-3相变换器6中，使用转子的相位角θ和在上述步骤S9、S10中求得的相位超前量(AI)，对生成的电压指令Vd、Vq进行DQ变换，生成3相电压指令，向功率放大器7发送(步骤S13)。 
作为本发明的效果，根据本发明，可以根据输入电源电压的变化直接进行无功电流的控制和电流相位的控制。 
由此，不需要流过所需要以外的无功电流，因为减少发热所以能够提高 连续输出转矩，另外，无论在低电压还是在高电压下都能够得到与其电压对应的最大转矩。 

Claims (6)

1. 一种电动机控制装置，用于对具有永久磁铁的同步电动机进行控制，其中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元，和根据该测定电压增减流过同步电动机的无功电流的无功电流增减单元，
所述电压测定单元测定供给驱动放大器的交流的电源电压，所述无功电流增减单元根据该测定的交流的电源电压增减流过同步电动机的无功电流，
所述无功电流增减单元具有根据所述测定电压变更无功电流最大值的无功电流最大值变更单元，根据所述无功电流的最大值限制无功电流指令的最大值。
2. 一种电动机控制装置，用于对具有永久磁铁的同步电动机进行控制，其中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元，和根据该测定电压增减流过同步电动机的无功电流的无功电流增减单元，
所述电压测定单元测定供给驱动放大器的直流电压、或者在驱动放大器内从交流的电源输入变换为直流的电压，所述无功电流增减单元根据该测定的直流电压增减流过同步电动机的无功电流，
所述无功电流增减单元具有根据所述测定电压变更无功电流最大值的无功电流最大值变更单元，根据所述无功电流的最大值限制无功电流指令的最大值。
3. 根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其中，所述无功电流最大值变更单元把所述测定电压和基准电压的电压差乘以电压依赖系数的值作为变更值生成无功电流指令。
4. 一种电动机控制装置，用于对具有永久磁铁的同步电动机进行控制，其中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元，和根据该测定电压增减从流过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量的相位超前量增减单元，
所述电压测定单元测定供给驱动放大器的交流的电源电压，所述相位超前量增减单元根据该测定的交流的电源电压增减从流过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量，
所述相位超前量增减单元具有根据所述测定电压变更相位超前的最大值的相位超前量最大值变更单元，根据所述相位超前的最大值限制相位超前量的最大值。
5. 一种电动机控制装置，用于对具有永久磁铁的同步电动机进行控制，其中，具有测定供给驱动放大器的电压的电压测定单元，和根据该测定电压增减从流过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量的相位超前量增减单元，
所述电压测定单元测定供给驱动放大器的直流电压、或者在驱动放大器内从交流的电源输入变换为直流的电压，所述相位超前量增减单元根据该测定的直流电压增减从流过同步电动机的电流的基准相位起的相位超前量，
所述相位超前量增减单元具有根据所述测定电压变更相位超前的最大值的相位超前量最大值变更单元，根据所述相位超前的最大值限制相位超前量的最大值。
6. 根据权利要求4或5所述的电动机控制装置，其中，所述相位超前量最大值变更单元把在所述测定电压和基准电压的电压差上乘以相位超前量最大值的电压依赖系数的值作为变更值生成相位超前量最大值。
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