CN102882451A - 永磁同步电机的初始磁极位置调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供即使不检测逆变器的输出电压也能检测感应电压与磁极位置检测信号的相位差并能对其修正的初始磁极位置调整装置。初始磁极位置调整装置在由逆变器驱动的永磁同步电机启动时，推定上述电机的感应电动势与由磁极位置传感器的磁极位置检测信号的相位差，利用由该相位差修正的磁极位置检测信号，控制逆变器，其包括：检测流过电机的定子绕组的电流的单元，利用检测到的电流推定相位差的单元，和利用推定的相位差修正磁极位置检测信号的单元。相位差推定部（302）在使电机（200）空转的状态下，控制逆变器（101）的半导体开关元件，使电机（200）的定子绕组短路，根据因无负载感应电动势而流过的绕组电流，推定上述相位差。

Description

永磁同步电机的初始磁极位置调整装置

技术领域

本发明涉及由逆变器驱动的永磁（永久磁铁）同步电机的初始磁极位置调整装置。

背景技术

由逆变器驱动永磁同步电机时，为了正确地检测电机转子的磁极位置，使用磁极位置传感器（角度传感器）。但是，制造电机时，没有严格地管理磁极位置传感器的安装位置，因此，通常在电机的感应电动势的相位和磁极位置传感器的磁极位置检测信号的相位之间存在误差（相位差）。

在放任上述相位差的状态下，不能使从逆变器供给电机的电流矢量根据电机旋转正确地旋转，因此，电机启动时，必须通过某种方法检测相位差，修正磁极位置检测信号的相位（位置偏差修正）。

鉴于上述情况，在例如专利文献1中，记载有以下电机控制装置：根据永磁同步电机的感应电压的零电平点，生成角度基准信号，求取该角度基准信号和角度传感器的磁极位置检测信号的相位差，对磁极位置检测信号的相位进行修正，使用修正后的相位，生成电机的电流指令。

专利文献

[专利文献1]日本特开2002-325493号公报（段落[0016]～[0029]，图1～图6等）

发明内容

根据专利文献1涉及的现有技术，不需要进行角度传感器的安装位置的严格管理，能够自己修正相位差，但是，必须将基准信号发生装置内置于电机的控制电路，或者每当启动电机时，必须将基准信号发生装置接入到主电路，存在引起控制电路复杂化或相位调整操作烦杂化的问题。

另外，在该现有技术中，为了检测感应电压的零电平点，需要波形测定器和传感器，在不使用上述波形测定器等的情况下，可以考虑代替使用逆变器的输出电压检测器。但是，在例如电动汽车用的逆变器系统中，从成本方面的观点出发，大多不具有输出电压检测器，这种情况下，不能适用上述现有技术。

因此，本发明的解决课题在于，提供即使不检测逆变器的输出电压也能检测感应电压和磁极位置检测信号的相位差并能对磁极位置检测信号的相位进行修正的初始磁极位置调整装置。

为了解决上述课题，技术方案1涉及的发明为一种永磁同步电机的初始磁极位置调整装置，其在由逆变器驱动的永磁同步电机启动时，推定所述电机的感应电动势与基于磁极位置传感器的磁极位置检测信号的相位差，使用以该相位差修正后的所述磁极位置检测信号，控制所述逆变器，该永磁同步电机的初始磁极位置调整装置的特征在于，包括：

电流检测部，其检测流过所述电机的定子绕组的电流；

相位差推定部，其利用由所述电流检测部检测到的电流，推定所述相位差；和

修正部，利用由所述相位差推定部推定的相位差，修正所述磁极位置检测信号。

技术方案2涉及的发明系在技术方案1记载的永磁同步电机的初始磁极位置调整装置中，在使所述电机空转的状态下，控制所述逆变器的半导体开关元件，使所述电机的定子绕组短路，所述相位差推定部根据因在所述定子绕组产生的无负载感应电动势而流过的绕组电流，推定所述相位差。

技术方案3涉及的发明系在技术方案1记载的永磁同步电机的初始磁极位置调整装置中，在使所述电机静止的状态下，控制所述逆变器的半导体开关元件，将规定大小的电压施加于所述电机的定子绕组，所述相位差推定部根据这时流过的绕组电流因所述电机的转子的磁各向异性而变化的情况，推定所述相位差。

技术方案4涉及的发明为一种永磁同步电机的初始磁极位置调整装置，其包括：

相位差推定部，其在由逆变器驱动的永磁同步电机启动时，推定所述电机的感应电动势与基于磁极位置传感器的磁极位置检测信号的相位差；和

修正部，其利用由所述相位差推定部推定的相位差，修正所述磁极位置检测信号，

该永磁同步电机的初始磁极位置调整装置利用修正后的所述磁极位置检测信号，控制所述逆变器，

所述永磁同步电机的初始磁极位置调整装置的特征在于：

在使所述电机静止的状态下，控制所述逆变器的半导体开关元件，使规定大小的电流流过所述电机的定子绕组，所述相位差推定部根据此时施加于所述定子绕组的电压因所述电机的转子的磁各向异性而变化的情况，推定所述相位差。

发明效果。

按照本发明，能够不检测永磁同步电机的感应电动势，而检测感应电动势与磁极位置检测信号的相位差，修正磁极位置检测信号，由此，能无障碍地控制电机。因此，也能适用于不设有输出电压检测器的逆变器系统，能取消需要调整磁极位置的烦杂作业。

附图说明

图1是表示本发明第一实施方式的主要部分的方框图。

图2是用于说明第一实施方式原理的波形图。

图3是表示第一实施方式动作的流程图。

图4表示用于说明第二实施方式的IPM电机转子一例。

图5是表示第二实施方式的定子绕组的电感及其变化的波形图。

图6是表示本发明第二实施方式的主要部分的方框图。

符号说明

101—逆变器

102－直流电源

200－永磁同步电机

201－磁极位置传感器

205－转子

206－转子铁心

207－永久磁铁

301－电流检测器

302、302A－相位差推定部

303－相位修正部

304－电流控制部

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施方式。

首先，本发明的第一实施方式与权利要求1、权利要求2相当，在该第一实施方式中，应用在例如日本特许第3636340号公报记载的永磁同步电机的空转时的启动技术，推定电机的感应电动势和磁极位置检测信号的相位差，修正磁极位置检测信号的相位。

图1是表示第一实施方式的主要部分的方框图。

在图1中，101为由IGBT等的半导体开关元件构成的三相电压型逆变器，102为直流电源，200为永磁同步电机，201为转子的磁极位置检测传感器。

另外，301为检测电机200的相电流的电流检测器；302为相位差推定部，输入基于电流检测值i和磁极位置检测传感器201的磁极位置检测信号θ’；303为相位修正部，输入从相位差推定部302输出的相位差Δθ和磁极位置检测信号θ’；304为电流控制部，输入从相位修正部303输出的修正后的相位θ以及绕组短路指令，并且根据逆变器101的输出电流检测值和转矩指令等生成逆变器101的开关元件的驱动信号。

下面，参照图2说明该实施方式的磁极位置调整原理。

也如日本特许第3636340号公报所记载那样，在停止逆变器101的运转的状态下，使得电机200的转子空转，此时若使得定子绕组的至少一相短路，则在定子绕组产生无负载感应电动势并流过电流。

在此，为了使得电机200的转子空转，可以利用例如底盘测功计（chassis dynamometer）等。并且，为了使得定子绕组的至少一相短路，可以通过电流控制部304的输出信号，使得逆变器101的该相的上臂或下臂的半导体开关元件接通。

现在，在保持停止逆变器101运转的状态下，使得电机200的转子空转，如图1所示那样，向电流控制部304给予绕组短路指令，使得电机200的一相的定子绕组短路。由此，如图2所示，在该相产生感应电动势EMF，因该感应电动势EMF，通过电流i，该电流i与感应电动势EMF的零电平点（时刻t₁）同步，开始传导。

在此，如日本特许第3636340号公报所记载那样，通过反复进行短路动作的规定步骤，能全部获得转子的旋转方向、旋转速度、以及感应电动势EMF的相位即磁极位置的信息。

因此，能从电流i推定感应电动势EMF的相位。

另一方面，从磁极位置检测传感器201输出的磁极位置检测信号θ’一般如图2所示那样，电角度0°的位置与感应电动势EMF的零电平点不一致，在感应电动势EMF与磁极位置检测信号θ’之间存在相位差。

但是，图2所示时刻t₃能由图1的相位差推定部302检测出，并且，也能检测出磁极位置检测信号θ’为0°的时刻t₂。因此，相位差推定部302能求出相当于感应电动势EMF与磁极位置检测信号θ’的相位差的图2的时间Δt，能根据该时间Δt换算相位差Δθ。

由相位差推定部302求得的相位差Δθ输入图1的相位修正部303，若使用相位差Δθ修正磁极位置检测信号θ’的相位，则如图2虚线所示，能得到误差修正后的正规的磁极位置检测信号θ。

在电流控制部304中，将该磁极位置检测信号θ作为磁极位置的初始值，根据规定的转矩指令，生成逆变器101的开关元件的驱动信号并输出。

另外，预先将推定的相位差Δθ存储于相位修正部303内的存储器，当通常运转时，根据存储器内的相位差Δθ修正磁极位置检测信号θ’，得到正规的磁极位置检测信号θ，由此，在通常运转时能使相位差推定部302的动作停止。

即，本发明涉及的初始磁极位置调整动作在连接逆变器101和电机200后，在实行通常运转前，实施一次即可。

图3是表示上述一连串的磁极位置调整动作的流程图。通过开始电机200的空转（步骤S1），因逆变器101的开关元件动作引起定子绕组的短路（步骤S2），由检测电流i推定感应电动势EMF的相位，以及检测感应电动势EMF与磁极位置检测信号θ’的相位差Δθ（步骤S3），通过使用相位差Δθ的磁极位置检测信号θ’的相位修正（步骤S4），完成启动时的磁极位置调整动作。

下面，说明与权利要求3相当的本发明的本发明的第二实施方式。

在该第二实施方式中，在如IPM电机那样具有凸极性的同步电机中，着眼于转子具有磁各向异性，检测磁极位置检测信号θ’的相位差。

图4表示IPM电机的转子一例，205表示转子，206表示转子铁心，207表示永久磁铁。

在图4中，根据转子205的位置（磁极位置），电感值不同，即，转子具有凸极性，因此，定子绕组的电感L例如图5（a）所示那样变化。并且，相对转子205的相位角θ_γ为某值（方向），使得电流流过定子绕组，产生直流磁动势的情况下，电感L根据图5（a）所示值发生变化，其变化率成为如图5（b）所示。

即，在转子205静止状态下，在将交流电压施加到定子绕组的情况下流过的电流成为遵从基于图5（a）所示凸极性而引起的电感的转子位置依存性的值，因此，通过观察该定子绕组电流，如图5（a）所示，能推断转子位置。

但是，如图5（a）明确所示，凸极性相对电角度一周期产生二周期的电感变化，因此，仅此条件下，作为转子位置，存在电角度隔开180度的二处可能性，不能特定转子位置。因此，利用图5（b）所示特性，特定转子位置。

即，当从逆变器101向电机200的定子绕组施加流过大电流那样的电压的情况下，由于流过定子绕组的电流产生的磁通量和由永久磁铁207产生的磁通量的方向关系，电感L不同。例如，当定子绕组的电流引起的磁通量和由永久磁铁207产生的磁通量为相同方向的情况下，磁通量互相加强，定子和转子的铁心的动作点朝着磁饱和方向移动，电感L变小。相反地，当定子绕组的电流引起的磁通量和由永久磁铁207产生的磁通量为相反方向的情况下，磁通量互相减弱，因此，铁心的动作点朝着难以磁饱和方向移动，电感L变大。

因此，将某程度大小的电压施加到定子绕组的情况下，流过该定子绕组的电流成为反映转子205位置的参数。因此，通过观测该电流，能求出磁极位置偏差（图4的从电角度0°的相位差θ_γ）。该相位差θ_γ相当于图1的相位差Δθ。

由此，通过观测绕组电流的变化，不仅能知道上述相位差θ_γ，还能知道具有该相位差θ_γ的磁极的极性。

另外，上述磁极位置和磁场的极性检测原理记载于例如渡边博已等两人发表的“永久磁铁磁场同步电机的转子位置和速度的无传感器检测的一个方法”（电气学会论文集D，110卷11号，1990年11月）等。

图6是表示该第二实施方式的主要部分的方框图。与图1的主要的不同点在于：在不使得电机200空转而保持静止的状态下，相位差推定部302A根据上述磁各向异性推定相位差；相位差推定部302A不将磁极位置检测信号θ’作为输入信息使用；电流控制部304不将绕组短路指令作为输入信息使用，控制逆变器101的开关元件，使得规定的电流流过静止的电机200的定子绕组等。

另外，通过相位修正部303利用相位差θ_γ修正磁极位置检测信号θ’后的动作与第一实施方式相同。

上述说明作为权利要求3涉及的发明的实施方式，是观测将规定大小的电压施加到定子绕组后所流过电流，但是，如权利要求4所记载，即使通过观测在使得电机静止的状态下，控制逆变器的半导体开关元件，而使规定大小的电流流通定子绕组时的施加电压，也能根据与权利要求3相同的原理，推定初始磁极位置。

即，即使逆变器没有设置输出电压检测器，若预先构成电流控制的反馈环路，则能够确定用于使规定电流流过定子绕组的施加电压的指令值。该电压指令值理应为依存于起因于凸极性的电感的值，换言之，为依存于磁极位置的值，若电感大则变大，电感小则变小，通过反馈作用自动确定。因此，若利用上述状况，通过观测施加到流过规定大小的电流时的定子绕组的电压的变化，与上述相同，能知道相位差θ_γ和具有该相位差θ_γ的磁极的极性。

另外，上述磁极位置推定方法也记载在例如山田和范等三人发表的“无传感器凸极型PM电机静止时的磁极位置推定方法的方案”（1995年电气学会产业应用部门全国大会演讲论文集，P187-P190，1995年）等。

如上所述，根据各实施方式，即使在通过不具有输出电压检测器的比较廉价的逆变器系统，驱动永磁同步电机的情况下，也能容易地进行磁极位置传感器的位置偏差修正。

上面参照附图说明了本发明的实施方式，但本发明并不局限于上述实施方式。在本发明技术思想范围内可以作种种变更，它们都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机的初始磁极位置调整装置，其在由逆变器驱动的永磁同步电机启动时，推定所述电机的感应电动势与磁极位置传感器的磁极位置检测信号的相位差，使用以该相位差修正后的所述磁极位置检测信号，控制所述逆变器，该永磁同步电机的初始磁极位置调整装置的特征在于，包括：

电流检测部，其检测流过所述电机的定子绕组的电流；

相位差推定部，其利用由所述电流检测部检测到的电流，推定所述相位差；和

修正部，利用由所述相位差推定部推定的相位差，修正所述磁极位置检测信号。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的初始磁极位置调整装置，其特征在于：

在使所述电机空转的状态下，控制所述逆变器的半导体开关元件，使所述电机的定子绕组短路，所述相位差推定部根据因在所述定子绕组产生的无负载感应电动势而流过的绕组电流，推定所述相位差。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机的初始磁极位置调整装置，其特征在于：

在使所述电机静止的状态下，控制所述逆变器的半导体开关元件，将规定大小的电压施加于所述电机的定子绕组，所述相位差推定部根据这时流过的绕组电流因所述电机的转子的磁各向异性而变化的情况，推定所述相位差。

4.一种永磁同步电机的初始磁极位置调整装置，其包括：

相位差推定部，其在由逆变器驱动的永磁同步电机启动时，推定所述电机的感应电动势与磁极位置传感器的磁极位置检测信号的相位差；和

修正部，其利用由所述相位差推定部推定的相位差，修正所述磁极位置检测信号，

该永磁同步电机的初始磁极位置调整装置利用修正后的所述磁极位置检测信号，控制所述逆变器，

所述永磁同步电机的初始磁极位置调整装置的特征在于：

在使所述电机静止的状态下，控制所述逆变器的半导体开关元件，使规定大小的电流流过所述电机的定子绕组，所述相位差推定部根据此时施加于所述定子绕组的电压因所述电机的转子的磁各向异性而变化的情况，推定所述相位差。

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