CN102959854B - 同步机的磁极位置检测装置 - Google Patents

Abstract

目的在于获得一种不论直流电压源的直流电压的变动如何都能够获得所期望的磁极位置检测精度的同步机的磁极位置检测装置。计算单元（2a）通过脉冲宽度决定部（22a）根据直流电压检测值（Vdc）来使脉冲宽度（tp）以及脉冲暂停宽度（tn）变化，使得不论直流电压源（5）的直流电压的变动如何，都能够获得所期望的磁极位置检测精度，并且进行控制使得不论直流电压检测值（Vdc）如何都将采样定时固定为各电压矢量的脉冲宽度（tp）终点时刻。

Description

同步机的磁极位置检测装置

技术领域

本发明涉及一种不使用位置检测器就能够简易、可靠、且高精度地检测同步电动机/同步发电机的磁极位置的同步机的磁极位置检测装置。

背景技术

在检测该同步机的磁极位置的情况下，有使用编码器等位置检测器来直接检测转子的电角度（磁极位置）的方法。但是，为了直接检测转子的旋转角而需要将位置检测器等的磁极位置检测专用的传感器附加于同步机，带来装置结构的规模变大、并且经济性差这样的缺点。因此，提出了不使用位置检测器而检测同步机的磁极位置的装置。

作为不使用位置检测器而检测同步机的磁极位置的方式，例如有利用了同步机的感应电压的方式、利用了同步机的凸极性（saliency）的方式等。

利用了感应电压的无位置传感器控制由于在速度为零时感应电压也是零，因此无法正确地推定转子位置。另外，在利用了凸极性的方式中，由于用于磁极位置推定的凸极性以磁极位置的2倍的周期而变化，因此推定位置也成为磁极位置的2倍的周期。即，在同步机的磁极位置为0~180度和180~360度中推定位置成为相同的值，在可靠地检测磁极位置这点上是不够充分的。

因而，至少在将同步机从速度为零附近起动时，除了利用了凸极性的方式以外，需要其它的推定同步机的磁极位置信息的方式。作为该方式，例如有利用了如专利文献1那样的同步机的磁饱和的方式。

该方式在将振幅相等且等间隔的相位的2n（n为相数，为3以上的自然数）个电压矢量施加于同步机时，根据将相位相差180度的各一对电压矢量施加时所流过的电流检测值相加而得的相加电流值而检测磁极位置，所以前提是通过该电压矢量的施加而同步机成为磁饱和状态。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4271397号公报（10页18行~13页50行、段落0045~0065、图1~5、7）

发明内容

发明所要解决的技术问题

在使用了专利文献1的磁极位置检测方法的情况下，如前所述，为了同步机的磁饱和而需要流过足够的电流。这是因为利用了如下原理：当没有产生磁饱和时，当施加了离磁极位置近的相位的电压矢量时所流过的电流、与当施加了相对于离磁极位置近的相位相差180度相位的电压矢量时所流过的电流相等，但是当产生磁饱和时，前者变得比后者大，能够根据该差电流来进行磁极位置的检测。

为此，需要预先调整设定施加于同步机的电压矢量指令的施加时间，使得能够获得补偿所需的磁极位置检测精度的磁饱和状态。

另外，在直流电压源向产生该电压矢量的电力变换器的电压值不是恒定的产品用途中，有时设定该电压矢量施加时间变得困难。例如，在电气铁路用电力变换器的情况下，该直流电压经由设置在轨道上的架线、和车辆上的受电弓（pantograph）来提供。在这种情况下，直流电压非常依赖于在同一架线区间所存在的车辆的行驶状态和变电站容量，而随时在变动。

在直流电压低的情况下，存在如下问题：基于电压矢量施加的通电变得不足够，对同步机不能施与足够的磁饱和状态，包含在电流值的磁极位置信息变小，磁极位置检测精度劣化。为了避免这种状况，需要加长电压矢量施加时间，但是相反地当直流电压过度变大时，磁饱和波及大的范围，有磁极位置检测精度反而下降的倾向。

本发明是为了解决如上述那样的问题而作出的，目的在于获得一种不论所述直流电压源的直流电压的变动如何，都能够获得所期望的磁极位置检测精度的同步机的磁极位置检测装置。

解决技术问题的技术手段

本发明所涉及的同步机的磁极位置检测装置，具备：电路单元，将直流电压源的直流电压变换为基于电压矢量指令的电压矢量来向具有n（n为3以上的自然数）相的绕组的同步机施加；

电流检测单元，检测流过所述同步机的各相绕组的电流；以及

计算单元，作为所述电压矢量指令而计算2n个电压矢量并输出给所述电路单元，并且在基于所述电压矢量指令的规定的采样定时获取来自所述电流检测单元的电流检测值，该2n个电压矢量具有以直流电压源的直流电压所确定的相等的振幅，且在1周期（360度）内具有等间隔的相位、相等的规定的脉冲宽度，

而且，计算单元在将基于电压矢量指令的各电压矢量施加于同步机时，计算将相位相差180度的各一对电压矢量施加时的采样定时的电流检测值相加的n个相加电流值，并根据所述n个相加电流值来检测同步机的停止时的磁极位置，

该同步机的磁极位置检测装置的特征在于，具备：

直流电压检测单元，检测直流电压源的直流电压，

所述计算单元根据来自直流电压检测单元的直流电压检测值来控制脉冲宽度以及采样定时，使得不论所述直流电压源的直流电压的变动如何，都能够获得所期望的磁极位置检测精度。

发明效果

如以上那样，本发明所涉及的同步机的磁极位置检测装置的计算单元，根据来自直流电压检测单元的直流电压检测值来恰当地控制脉冲宽度以及采样定时，因此不论直流电压源的直流电压的变动如何，都能够获得所期望的磁极位置检测精度。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的同步机的磁极位置检测装置的结构图。

图2是示出本发明的实施方式1的计算单元2a中的电压矢量指令的输出定时与电流检测值的采样定时的关系的图。

图3是示出作为本发明的实施方式1的磁极位置检测的原理的、检测电流的处理后的相加电流值Δiu、Δiv、Δiw与磁极位置的关系的特性图。

图4是本发明的实施方式1中的计算单元2a的内部结构图。

图5是本发明的实施方式2的同步机的磁极位置检测装置的结构图。

图6是本发明的实施方式2中的计算单元2b的内部结构图。

图7是示出本发明的实施方式2的计算单元2b中的电压矢量指令的输出定时与电流检测值的采样定时的关系的图。

图8是示出本发明的实施方式2中的、作为电压矢量指令而输出了开关模式“V1”或者“V4”的情况下的u相电流的、脉冲宽度tp内的变化的图。

图9是示出对图8的u相电流的特性，根据开关模式“V1”施加时的u相电流和开关模式“V4”施加时的u相电流求出的S/N比的图。

具体实施方式

实施方式1．

图1是示出本发明的实施方式1的同步机的磁极位置检测装置的概要结构的框图。当对同步机1提供的电力的流程进行说明时，直流电压源5的直流电压输出向电路单元3进行输入，电路单元3将它从直流向多相交流进行电力变换而向同步机1提供交流电力。

这里，同步机1具有多相、具体地说为n（n为3以上的自然数）相的绕组，例如在转子配置了永磁体的同步电动机或者同步发电机。另外，电路单元3由将IGBT等半导体的开关31~36进行桥连接而成的PWM变换器（inverter）等电力变换器构成，将来自直流电压源5的直流电压变换为多相交流而输出给同步机1。

直流电压源5将供电给设置在轨道上的架线的直流电压经由车辆上的受电弓以及由电抗器和电容器构成的滤波器来输出给电路单元3。

并且，该直流电压源5的直流电压如已述那样，非常依赖于在同一架线区间所存在的车辆的行驶状态和变电站容量，而随时地变化，考虑了该电压变动的控制成为本申请发明的要点，在后面对其进行详述。

首先，根据图1的结构来说明磁极位置检测的工作原理。

计算单元2a对电路单元3输出电压矢量指令。电压矢量指令被如下定义：具体地说是电路单元3所具备的多个电力变换半导体开关31~36的接通（ON）、断开（OFF）指令的组合，例如如下地具有9个开关模式“V0”~“V8”。

“V0”：断开全部的开关

“V1”：接通31、35、36、断开其它

“V2”：接通31、32、36、断开其它

“V3”：接通34、32、36、断开其它

“V4”：接通34、32、33、断开其它

“V5”：接通34、35、33、断开其它

“V6”：接通31、35、33、断开其它

“V7”：接通31、32、33、断开其它

“V8”：接通34、35、36、断开其它

例如，作为电压矢量指令，如开关模式 那样顺序地施加，图2示出此时流过同步机1的各相（U相、V相、W相）的电流的大小。

对计算单元2a输入通过电流检测单元4所获取的各相电流iu、iv、iw，将由开关模式“V1”所施加的电压矢量的施加结束时设为采样定时，将iu、iv、iw的值采样为iu1、iv1、iw1并进行存储。同样地，接着存储基于各开关模式的电压矢量施加结束时的采样定时处的各相电流值。各相电流值对应于图2的各相电流特性上所示的圆圈的值。

如表1那样定义采样电流值的名称。

[表1]

采样定时	u相电流iu	v相电流iv	w相电流iw
				“V1”施加结束时	iu1	iv1	iw1
“V2”施加结束时	iu2	iv2	iw2
				“V3”施加结束时	iu3	iv3	iw3
“V4”施加结束时	iu4	iv4	iw4
				“V5”施加结束时	iu5	iv5	iw5
“V6”施加结束时	iu6	iv6	iw6

作为电压矢量指令，由各开关模式“V1”“V2”“V3”“V4”“V5”“V6”所施加的电压矢量的脉冲宽度tp被相等地施与，与插入各电压矢量间的全开关断开期间“V0”的长度相当的脉冲暂停宽度tn是考虑了电流被稳定为0的时间而被施与的。

由开关模式“V1”和“V4”所施加的电压矢量对于同步机1而言为正好反转了180度的方向、对于U相为正和负的电压矢量对，如果同步机1的电感不饱和，则此时产生的u相电流iu1和iu4为大小相同而符号相反的关系。即当根据下面的（1）式来定义相加电流值Δiu时，相加电流值Δiu为0。

Δiu=iu1+iu4    ···（1）

但是，当为饱和状态时，在具有永磁体的同步机1中，由于磁体磁通的影响，磁饱和的状况根据电压施加的正负方向而不同，因此iu1和iu4的大小变得不同。即，相加电流值Δiu不是0、而是具有与磁极方向相应的值。

同样地，对v相电流、w相电流如下式那样定义相加电流值Δiv、Δiw。

Δiv=iv3+iv6    ···（2）

Δiw=iw5+iw2    ···（3）

图3示出如图2那样作为电压矢量指令的开关模式以“V1”~“V6”的顺序施加了电压矢量的情况下的、对于磁极位置θ的相加电流值Δiu、Δiv、Δiw的变化的例子。如以上所述，由于与磁极位置相应的磁饱和的状况变化，相加电流值Δiu、Δiv、Δiw具有与磁极位置θ相应的特性。

在计算单元2a中，利用图3的特性变化来进行磁极位置的检测。具体地说，如表2所示，通过关注相加电流值Δiu、Δiv、Δiw的绝对值中的哪个为最大、以及表示为最大的信号的符号是正还是负，能够检测实际的磁极位置的每60度的存在区间m。

[表2]

图4是示出本发明的实施方式1的同步机的磁极位置检测装置中的计算单元2a的内部结构的框图。

该实施方式1在以上述的工作原理来检测磁极位置的情况下，使各电压矢量的脉冲宽度tp根据由直流电压检测单元6所检测的直流电压源5的直流电压值而变化。

在图4中，脉冲宽度决定部22a根据由直流电压检测单元6所检测的直流电压检测值Vdc来决定脉冲宽度tp[sec（秒）]、脉冲暂停宽度tn[sec]。

例如，如下式那样施与脉冲宽度tp、脉冲暂停宽度tn。

tp=tpnominal×Vdcnominal/Vdc    ··（4）

tn=tp×kn                       ··（5）

这里，

Vdcnominal：作为基准的额定直流电压值

tpnominal：作为基准的额定脉冲宽度

kn：暂停宽度设定系数。

即，与实际的直流电压检测值Vdc的大小成反比地设定脉冲宽度tp，在直流电压检测值Vdc比额定直流电压值Vdcnominal小的情况下，将脉冲宽度tp设定得大，相反地在直流电压检测值Vdc比额定直流电压值大的情况下，将脉冲宽度tp设定得小。另外，kn是脉冲暂停宽度tn相对于脉冲宽度tp的比，考虑到由同步机1的常数、主电路特性所影响的、电压脉冲施加结束后的电流衰减时间而设为大致1~1.5左右。

电压指令生成单元21a根据这样从脉冲宽度决定部22a输出的脉冲宽度tp、脉冲暂停宽度tn，在各期间宽度输出基于开关模式“V1”“V2”“V3”“V4”“V5”“V6”以及暂停模式“V0”的电压矢量。

另一方面，在磁极位置检测单元23a中，将如上述那样设定了期间的各脉冲宽度的施加结束时设为采样定时，对来自电流检测单元4的电流检测值进行采样，记录表1的电流值，据此实施表2的判定来输出磁极位置判定值。

此外，在以上的说明中，将脉冲宽度tp、脉冲暂停宽度tn如式（4）、式（5）那样函数化，但是只要是根据直流电压检测值的减少（增加）而使脉冲宽度增加（减少）的特性，则也可以参照使用其它的函数、表格化的特性。

实际的同步机1的磁饱和特性复杂，脉冲宽度tp的长度、和流过同步机1的电流值的峰值不是完全地成比例，另外也不是与直流电压检测值完全地成反比。由此，优选的是，事先通过电磁场分析、真机试验来记录Vdc、tp以及iu、iv、iw的关系，据此决定安装于产品的tp的对Vdc关系特性，进行函数化、表格化而安装于脉冲宽度决定部22a。

根据以上的实施方式1，由于根据直流电压检测值Vdc来决定脉冲宽度tp，因此在直流电压检测值Vdc比额定直流电压值小的情况下，通过加长脉冲宽度tp，能够使同步机1产生足够于磁饱和的相电流，能够获得改善磁极位置检测的S/N比、改善磁极位置的检测精度的效果。

另外，在直流电压检测值Vdc比额定直流电压值大的情况下，通过缩小脉冲宽度tp，能够防止磁饱和过度波及大的范围以及磁极位置检测精度下降。另外，能够获得如下效果：还避免相电流的过流而导致主电路的保护，能够稳定地执行磁极位置检测。

实施方式2．

图5是示出本发明的实施方式2的同步机的磁极位置检测装置的概要结构的框图。除了计算单元2b的内容以外、与实施方式1的同步机1、电路单元3、电流检测单元4、直流电压源5、直流电压检测单元6相同，省略其说明。

在图6示出计算单元2b的内部结构。计算单元2b由电压指令生成单元21b、磁极位置检测单元23b、以及采样定时决定部24b构成。

电压指令生成单元21b与实施方式1的电压指令生成单元21a同样地，作为开关模式而输出“V0”以及表1所示的“V1”“V2”“V3”“V4”“V5”“V6”，但是关于脉冲宽度tp、脉冲暂停宽度tn的设定，不依赖于直流电压检测值Vdc而设定为恒定。

另一方面，采样定时决定部24b将开关模式“V1”“V2”“V3”“V4”“V5”“V6”作为电压矢量指令而输出给电路单元3，将电流开始流过电流检测单元4起ts秒的时刻设为采样定时，向磁极位置检测单元23b输出采样指令，在磁极位置检测单元23b对此时刻的电流检测值进行采样而存储，顺序地存储表1的iu1、iv1、iw1~iu6、iv6、iw6。

图7示出该动作。以下说明采样定时决定部24b中的ts的决定方法。

图8是示出当磁极位置θ=0[deg（度）]时作为电压矢量指令而施加了开关模式“V1”“V4”时的u相电流的绝对值的行为的示意图。对于各个模式，在直流电压检测值Vdc为130%的情况和70%的情况下，将横轴作为脉冲施加时间（脉冲宽度）而示出。

开关模式“V1”“V4”如已述，作为电压的相位角为沿着u相的正相反的方向，此时产生的u相电流为符号相反。并且，如果没有基于磁极的磁饱和，则为相同大小的电流，但是实际上由于基于磁极的磁饱和的影响，如图8所示，在“V1”施加时和“V4”施加时电流的大小变得不同。利用它应该能够进行磁极位置的检测，但是这里在直流电压检测值Vdc比额定值大的情况下，脉冲施加后电流变大，磁饱和的影响出现得更快。虽然也依赖于同步机1所具有的磁饱和特性，但是作为一个例子，如图8那样，当脉冲施加时间ts130[sec]时，电压指令“V1”施加时与“V4”施加时的差为最大化。作为S/N比的指标，在图9中示出将分子设为（“V1”施加时的|iu|-“V4”施加时的|iu|）、分母设为“V1”施加时的|iu|时的一个例子。

在该例子中，在Vdc=130%时，在脉冲施加时间为ts130[sec]的时刻对电流进行采样，可知当将电流设为iu1、iu4时，S/N比最高，进而磁极检测精度为最优。

另一方面，当直流电压检测值Vdc小、例如为额定值的70%时，据此产生电流变小，磁饱和的影响的出现将耗费更多时间。在图8、图9的例子中，由于在作为比ts130长的时间的ts70的定时处磁饱和的影响变得显著，因此如果将该定时处采样的电流检测值作为iu1、iu4而记录在磁极位置检测单元23b，则检测S/N比为最优。由此，预先事先通过电磁场分析、真机试验来对直流电压检测值Vdc的各值分别获取S/N成为最优的采样定时ts，并将其作为直流电压检测值与采样定时的关系特性而安装于采样定时决定部24b，在实际运行时根据直流电压检测值Vdc来决定采样定时ts从而由磁极位置检测单元23b来对电流进行采样，则电压指令生成单元21b所输出的电压指令的脉冲宽度tp以及脉冲暂停宽度tn即使为固定，也是将磁极位置检测的精度维持为最优的动作。

根据以上的实施方式2，由于电流检测值的采样定时ts根据直流电压检测值Vdc的变化，能够在基于磁极的磁饱和的影响充分显现的定时处进行S/N比好的电流检测值的采样，因此能够获得的效果是：将磁极位置检测的S/N比保持为高的水平，能够改善磁极位置的检测精度。

另外，脉冲宽度tp和脉冲暂停宽度ts不依赖于直流电压检测值Vdc而设为固定，因此磁极位置检测所需的整体的时间不依赖于直流电压检测值Vdc而成为固定，因此还能够获得如下效果：容易进行使用磁极位置检测结果的后级的计算处理、与并行而动作的计算处理的联动动作的设计。

此外，关于通过图8以及图9所说明的、S/N比为最优的采样定时ts的决定方法，还能够应用于实施方式1。即，由于在实施方式1中脉冲宽度tp的施加结束时为采样定时，因此如果将图8、图9所说明的S/N比为最优的定时时间，预先事先通过电磁场分析、真机试验来对直流电压检测值Vdc的各值分别获取S/N比为最优的脉冲宽度tp，则能够获得进一步改善磁极位置的检测精度的效果。

Claims (7)

1.一种同步机的磁极位置检测装置，具备：

电路单元，将直流电压源的直流电压变换为基于电压矢量指令的电压矢量来向具有n相的绕组的同步机施加，其中n为3以上的自然数；

电流检测单元，检测流过所述同步机的各相绕组的电流；以及

计算单元，计算2n个电压矢量作为所述电压矢量指令并输出给所述电路单元，并且在基于所述电压矢量指令的规定的采样定时获取来自所述电流检测单元的电流检测值，该2n个电压矢量具有以所述直流电压源的直流电压所确定的相等的振幅，且在1周期即360度内具有等间隔的相位、相等的规定的脉冲宽度，

而且，所述计算单元在将基于所述电压矢量指令的各电压矢量施加于所述同步机时，计算将相位相差180度的各一对电压矢量施加时的所述采样定时下的电流检测值相加得到的n个相加电流值，并根据所述n个相加电流值来检测所述同步机的停止时的磁极位置，

该同步机的磁极位置检测装置的特征在于，具备：

直流电压检测单元，检测所述直流电压源的直流电压，

所述计算单元根据来自所述直流电压检测单元的直流电压检测值来控制所述脉冲宽度以及所述采样定时，使得不论所述直流电压源的直流电压的变动如何，都能够获得所期望的磁极位置检测精度。

2.根据权利要求1所述的同步机的磁极位置检测装置，其特征在于，

所述计算单元使得根据所述直流电压检测值来使所述脉冲宽度变化，并且控制所述脉冲宽度以及所述采样定时，使得不论所述直流电压检测值如何都将所述采样定时固定为所述各电压矢量的脉冲宽度终点时刻。

3.根据权利要求2所述的同步机的磁极位置检测装置，其特征在于，

当将所述脉冲宽度设为tp、将从时间上相邻的所述电压矢量的间隔宽度减去所述脉冲宽度tp所得的脉冲暂停宽度设为tn、将所述直流电压检测值设为Vdc、将作为基准的额定直流电压值设为Vdcnominal、将作为基准的额定脉冲宽度设为tpnominal时，

所述计算单元根据下式来控制所述脉冲宽度tp以及脉冲暂停宽度tn：

tp＝tpnominal×Vdcnominal/Vdc

tn＝tp×kn

其中，kn为常数。

4.根据权利要求2所述的同步机的磁极位置检测装置，其特征在于，

预先通过实验或者分析来求出所述直流电压源的直流电压与能够获得所期望的磁极位置检测精度的所述脉冲宽度的关系特性，

所述计算单元根据所述直流电压检测值来从所述关系特性求出所述脉冲宽度。

5.根据权利要求4所述的同步机的磁极位置检测装置，其特征在于，

所述直流电压源的直流电压与所述脉冲宽度的关系特性是根据当将与已知的磁极位置相当的电压矢量施加时的电流检测值设为i1、将与该电压矢量相位相差180度的电压矢量施加时的电流检测值设为i2时，根据所述直流电压源的直流电压，预先通过实验或者分析求出基于下式的S/N比为最大的定时的结果而生成的：

S/N比＝(|i1|-|i2|)/|i1|。

6.根据权利要求1所述的同步机的磁极位置检测装置，其特征在于，

所述计算单元不论所述直流电压检测值如何都控制所述脉冲宽度为恒定值，并且预先通过实验或者分析来求出所述直流电压源的直流电压、与在所述脉冲宽度内能够获得所期望的磁极位置检测精度的所述采样定时的关系特性，并根据所述直流电压检测值从所述关系特性求出所述采样定时。

7.根据权利要求6所述的同步机的磁极位置检测装置，其特征在于，

所述直流电压源的直流电压与所述采样定时的关系特性是根据当将与已知的磁极位置相当的电压矢量施加时的电流检测值设为i1、将与该电压矢量相位相差180度的电压矢量施加时的电流检测值设为i2时，根据所述直流电压源的直流电压预先通过实验或者分析求出基于下式的S/N比为最大的所述脉冲宽度内的定时的结果来生成的：

S/N比＝(|i1|-|i2|)/|i1|。