CN101373945B - 电动机控制装置以及电流相位的控制方法 - Google Patents
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公开了包含电动机的电流相位控制的电动机控制装置，其包含具有电流相位超前角单元的电流相位超前角量导出单元，该电流相位超前角单元将电流相位的超前角量作为与电流指令的绝对值对应的规定的函数存储。电流相位超前角量导出单元，将转矩指令值除以转矩常数求得的电流指令值输入到绝对值变换器，并将所得到的电流指令的绝对值输入到电流相位超前角单元，导出与电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosΦ以及第2超前角量即-sinΦ，并且，将电流指令值乘以第1超前角量cosΦ，作为q轴电流指令值，将电流指令的绝对值乘以第2超前角量-sinΦ，作为d轴电流指令值。
Description
技术领域
本发明涉及控制具有反向凸极性(inverse saliency)的无刷电动机的电流相位，在同一电流下使输出转矩最大的电动机控制装置以及电流相位的控制方法。
背景技术
以往，作为对转子使用磁铁的同步电动机(PMSM：Permanent MagnetSynchronous Motor：永磁式同步电机)的控制方法，通常使用总是将d轴电流保持为0，即Id＝0的控制。
若发生转矩为T、极对数设为Pn、电枢交链磁通为Фa、d轴电流为Id、q轴电流为Iq、d轴电感为Ld、q轴电感为Lq，则PMSM的转矩方程式可以表示为
T＝Pn×Фa×Iq+Pn×(Ld-Lq)×Id×Iq (式1)。
在式1中，若使d轴电流Id保持为0，则
T＝Pn×Фa×Iq (式2)。
由于式2中的发生转矩T仅与q轴电流Iq成比例，所以能够容易实现转矩的线性控制。
另一方面，在对转子的表面配置磁铁的同步电动机(SPMSM：SurfacePermanent Magnet Synchronous Motor：表面式永磁同步电机)中，由于d轴电感Ld和q轴电感Lq相等的非凸极性，所以式1的右边第2项为0，发生转矩以式2表示。
因此，在SPMSM的情况下，不流过对转矩发生无用的d轴电流Id、也就是Id＝0的控制对于同一转矩的电流最小，是有效的。
但是，在对转子内装配置了磁铁的同步电动机(IPMSM：InteriorPermanent Magnet Synchronous Motor：内插式永磁同步电机)中，由于具有d轴电感Ld＜q轴电感Lq的反向凸极性，所以在Id＝0的控制中，不能利用式1的右边第2项的磁阻转矩。因此，Id＝0的控制未必是适当的控制方法。
因此，提出了使d轴电流Id为负的值，利用磁阻转矩使发生转矩增加的方法。使用图5说明该方法。
图5是以往的电动机控制装置中的电流控制系统主要部分的方框图。
在图5中，q轴电流指令Iq*，将转矩指令值T*、和在q轴电流指令计算单元51中对后述的磁通对应量乘以极对数Pn所得的结果进行除法运算而计算。接着，q轴电流指令Iq*或者q轴电流指令反馈值Iq被输入到电流相位角控制单元52，经由绝对值变换器53，使其成为电流指令的绝对值(大小)之后，在电流相位角设定器54中，使用一定的电流相位角度β，乘以-tan(β)，从而计算d轴电流指令Id*。
通过使d轴电流反馈值Id跟随该d轴电流指令Id*，从而发生磁阻转矩，但是基于式1所示的转矩方程式，考虑产生的磁阻转矩的大小。
在磁阻转矩考虑单元55中，根据电枢交链磁通Фa、q轴电感Lq、d轴电感Ld以及d轴电流指令Id*，计算磁通对应量Фa+(Ld-Lq)×Id*。
计算出的磁通对应量，在q轴电流指令计算单元51中乘以极对数Pn，计算q轴电流指令Iq*时使用。这种以往技术例如公开在日本专利申请特开2000-92884号公报中。
但是，在上述以往技术中，有以下问题。
首先，最佳的电流相位角依赖于电流指令的绝对值|I*|、即电流指令的大小。|I*|以(Id*2+Iq*2)求出。因此，如果只是使用一定的电流相位角β计算d轴电流指令Id*，则不会成为最佳的电流相位。
另外，存在这样的问题：为了根据q轴电流指令Iq*导出q轴电感Lq，根据q轴电感Lq计算q轴电流指令Iq*，需要收敛运算，导致处理时间的增加。
发明内容
本发明提供一种电动机的控制装置以及电流相位的控制方法，对于具有反向凸极性的无刷电动机，运算处理时间短，对于同一电流能够最有效地发生转矩。
本发明的电动机控制装置具有以下结构。
即本发明是电动机控制装置，其包括电动机的电流相位控制，该电动机控制装置包括具有电流相位超前角单元的电流相位超前角量导出单元，该电流相位超前角单元将电流相位的超前角量作为与电流指令的绝对值对应的规定的函数存储。电流相位超前角量导出单元，将转矩指令值除以转矩常数求得的电流指令值输入到绝对值变换器，并将所得到的电流指令的绝对值输入到电流相位超前角单元，导出与电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosФ以及第2超前角量即-sinФ，并且，将电流指令值乘以第1超前角量cosФ，作为q轴电流指令值，将电流指令的绝对值乘以第2超前角量-sinФ，作为d轴电流指令值。
根据该结构，本发明的电动机控制装置具有电流相位超前角量导出单元，从而能够进行与所输入的电流指令的绝对值对应的最佳的电流相位的超前角控制，能够实现使为得到所希望的输出转矩所需要的电流最小的转矩控制。
另外，本发明的电流相位的控制方法具有以下步骤。
即，本发明的电流相位的控制方法，用于具有电流相位超前角单元的电流相位超前角量导出单元，该电流相位超前角单元将电流相位的超前角量作为与电流指令的绝对值对应的规定的函数存储，包括：步骤1，将转矩指令值变换成电流指令值；步骤2，将电流指令值变换成电流指令的绝对值；步骤3，对电流相位超前角单元输入电流指令的绝对值，并导出与电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosФ以及第2超前角量即-sinФ；步骤4，对步骤1的电流指令值乘以由步骤3得到的第1超前角量cosФ，求q轴电流指令值，对步骤2的电流指令的绝对值乘以由步骤3得到的第2超前角量-sinФ，求d轴电流指令值；以及步骤5，进行反馈控制，以使根据实际的电动机电流计算出的实际的q轴电流值和实际的d轴电流值跟随由步骤4求出的q轴电流指令值和d轴电流指令值。
根据该方法，本发明的电流相位的控制方法能够实现使为得到所希望的输出转矩所需要的电流最小的最大转矩控制。
因此，根据本发明，能够提供可有效驱动磁铁内装型电动机的电动机控制装置以及电流相位的控制方法。
附图说明
图1是本发明的实施方式的电动机控制装置中的电流相位超前角量导出单元的说明图。
图2是本发明的实施方式中的电动机控制装置的电流控制系统的方框图。
图3是具有反向凸极性的无刷电动机的转矩-电流相位角曲线的说明图。
图4是具有反向凸极性的无刷电动机的d轴以及q轴电感特性图。
图5是以往的电动机控制装置中的电流控制系统主要部分的方框图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
图1是本发明的实施方式的电动机控制装置中的电流相位超前角量导出单元的说明图，图2是本发明的实施方式中的电动机控制装置的电流控制系统的方框图，图3是具有反向凸极性的无刷电动机的转矩-电流相位角曲线的说明图，图4是具有反向凸极性的无刷电动机的d轴以及q轴电感特性图。
使用图1说明本发明的实施方式的电动机控制装置中的电流相位超前角量导出单元的结构。
本实施方式的电动机控制装置是包含电动机的电流相位控制的电动机控制装置。该电动机控制装置包含具有电流相位超前角单元11的电流相位超前角量导出单元，该电流相位超前角单元11将电流相位的超前角量作为与电流指令的绝对值(大小)对应的规定的函数存储。电流相位超前角量导出单元将转矩指令值除以转矩常数求出的电流指令值输入到绝对值变换器12，并将所得到的电流指令的绝对值输入到电流相位超前角单元11，导出与电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosФ以及第2超前角量即-sinФ，对电流指令值乘以第1超前角量cosФ作为q轴电流指令值，将电流指令的绝对值乘以第2超前角量-sinФ作为d轴电流指令值。
另外，说明本发明的实施方式的电流相位的控制方法。
本实施方式的控制方法是包含具有电流相位超前角单元11的电流相位超前角量导出单元的电流相位的控制方法，该电流相位超前角单元11将电流相位的超前角量作为与电流指令的绝对值(大小)对应的规定的函数存储，本实施方式的控制方法具有以下步骤。
包括：步骤1，将转矩指令值变换成电流指令值；步骤2，将电流指令值变换成电流指令的绝对值；步骤3，对电流相位超前角单元11输入电流指令的绝对值，并导出与电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosФ以及第2超前角量即-sinФ；步骤4，对步骤1的电流指令值乘以由步骤3得到的第1超前角量cosФ求q轴电流指令值，对步骤2的电流指令的绝对值乘以由步骤3得到的第2超前角量-sinФ求d轴电流指令值；以及步骤5，进行反馈控制，以使根据实际的电动机电流计算出的实际的q轴电流值和实际的d轴电流值跟随于由步骤4求出的q轴电流指令值和d轴电流指令值。
接着，使用图1至图4，详细说明本实施方式的电动机控制装置。
图1是表示在本实施方式的电动机控制装置中，导出电流相位的超前角量的电流相位超前角量导出单元和其周边的图。
电流相位超前角单元11将超前角量Ф，作为以因数|I*|表示的函数存储。该函数是利用仿真以及由实际设备的测定结果，导出与各电流指令的绝对值对应的最佳电流相位角度并进行近似后的函数。
将转矩指令值T除以电动机的转矩常数Kt而求得电流指令值I*(步骤1)。将该电流指令值I*输入到绝对值变换器12，变换成电流指令的绝对值|I*|(步骤2)。将电流指令的绝对值|I*|输入到电流相位超前角单元11。在电流相位超前角单元11中，作为与所输入的电流指令的绝对值|I*|对应的相位的超前角量，导出第1超前角量即cosФ以及第2超前角量即-sinФ(步骤3)。
将电流指令值I*乘以第1超前角量cosФ而求得作为q轴电流指令的转矩电流指令Iq*，将电流指令的绝对值|I*|乘以第2超前角量-sinФ而求得作为d轴电流指令的励磁电流指令值Id*(步骤4)。使用图2说明采用了该励磁电流指令值Id*和转矩电流指令值Iq*的电流控制。
图2是本发明的实施方式中的电动机控制装置的电流控制系统的方框图。图2中的电流指令值运算电路21的具体的结构是图1所示的结构。
在图2中，根据从未图示的速度控制系统得到的转矩指令值T*，如图1说明那样，经由电流相位超前角量导出单元，导出励磁电流指令值Id*以及转矩电流指令值Iq*。
分别通过PI控制器22a以及PI控制器22b，运算励磁电流指令值Id*以及转矩电流指令值Iq*、和从3相/2相变换器27获得的励磁电流反馈值Id以及转矩电流反馈值Iq之间的偏差，从而求得d轴电压指令值Vd*以及q轴电压指令值Vq*。
通过2相/3相变换器23，使用电流相位角θ，d轴电压指令值Vd*以及q轴电压指令值Vq*变换成3相的交流电压指令值Vu*、交流电压指令值Vv*以及交流电压指令值Vw*。交流电压指令值Vu*、交流电压指令值Vv*以及交流电压指令值Vw*被输入到电力变换器24，由电力变换器24放大后的3相交流电压被输入到具有反向凸极性的磁铁内装型电动机26。
提供给磁铁内装型电动机26的3相的交流电流值Iu以及交流电流值Iv通过电流检测器25检测，并由3相/2相变换器27使用电流相位角θ，变换成励磁电流反馈值Id以及转矩电流反馈值Iq。
接着，使用图3说明具有反向凸极性的磁铁内装型电动机的电流相位角和输出转矩以及电流的关系。在图3中，图示了将在与永久磁铁的磁通方向即d轴垂直的q轴方向上流过电流时的电流相位角作为0。
具有反向凸极性的磁铁内装型电动机的输出转矩，如式1所示那样，成为由永久磁铁产生的磁转矩(magnet torque)和由凸极性引起的磁阻转矩之和。因此，存在输入某个一定的电流时、输出转矩成为最大的电流相位超前角量Ф。
但是，d轴电感Ld以及q轴电感Lq依赖于励磁电流反馈值Id以及转矩电流反馈值Iq的大小，存在图4所示的关系。因此，电流的大小变化时，d轴电感Ld、q轴电感Lq也变化，因此，超前角量Ф根据电流的大小而变化。
本发明着眼于这种关系，将电流相位的超前角量作为与电流指令的绝对值对应的规定的函数，存储在电流相位超前角单元中，根据与所输入的电流指令的绝对值对应的超前角量，能导出励磁电流指令值Id*以及转矩电流指令值Iq*。
由此，能够实现为了获得所希望的输出转矩而使需要的电流最小的转矩控制。
从以上可知，本发明的电动机控制装置最适合于磁铁内装型电动机等具有反向凸极性的无刷电动机的高效率驱动，对高输出是有用的。
Claims (2)
1.一种电动机控制装置，其包括具有反向凸极性的同步电动机的电流相位控制，
所述电动机控制装置包含具有电流相位超前角单元的电流相位超前角量导出单元，该电流相位超前角单元将电流相位的超前角量Φ作为与电流指令的绝对值对应的规定的函数存储，
所述电流相位超前角量导出单元，
将转矩指令值除以转矩常数求得的电流指令值输入到绝对值变换器，并将所得到的所述电流指令的绝对值输入到所述电流相位超前角单元，基于所述规定的函数，导出与所述电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosΦ以及第2超前角量即-sinΦ，
并且，将所述电流指令值乘以所述第1超前角量cosΦ，作为q轴电流指令值，
将所述电流指令的绝对值乘以所述第2超前角量-sinΦ，作为d轴电流指令值，
进行反馈控制，以使根据所述同步电动机中流过的电流计算出的实际的q轴电流值和实际的d轴电流值跟随所述q轴电流指令值和所述d轴电流指令值。
2.一种电流相位的控制方法，用于具有反向凸极性的同步电动机，
包括具有电流相位超前角单元的电流相位超前角量导出单元，该电流相位超前角单元将电流相位的超前角量Φ作为与电流指令的绝对值对应的规定的函数存储，
包括：
步骤1，将转矩指令值变换成电流指令值；
步骤2，将所述电流指令值变换成所述电流指令的绝对值；
步骤3，对所述电流相位超前角单元输入所述电流指令的绝对值，基于所述规定的函数，导出与所述电流指令的绝对值对应的第1超前角量即cosΦ以及第2超前角量即-sinΦ；
步骤4，对所述步骤1的所述电流指令值乘以由所述步骤3得到的所述第1超前角量cosΦ，求q轴电流指令值，对所述步骤2的所述电流指令的绝对值乘以由所述步骤3得到的所述第2超前角量-sinΦ，求d轴电流指令值；以及
步骤5，进行反馈控制，以使根据所述同步电动机中流过的电流计算出的实际的q轴电流值和实际的d轴电流值跟随由所述步骤4求出的所述q轴电流指令值和所述d轴电流指令值。
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