CN103051270A - 控制永磁铁同步电动机的d轴电流的电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电动机控制装置进行独立地控制永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流的向量控制。该电动机控制装置具备：检测永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流的q轴电流和d轴电流检测部；生成q轴电流指令值的q轴电流指令值生成部；生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值的d轴电流指令值生成部；以及驱动永磁铁同步电动机的驱动部。

Description

控制永磁铁同步电动机的d轴电流的电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种电动机控制装置，其为了迅速并且稳定地生成永磁铁同步电动机的转矩，而进行独立地控制永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流的向量控制，其中该永磁铁同步电动机具有设置有绕组和永磁铁中的一方的定子和设置有另一方的可动元件。

背景技术

进行向量控制的电动机控制装置例如对通过变换器、滤波电容器和逆变器而被施加了来自电源（例如三相交流电源）的交流电压的电动机进行控制。在该情况下，电动机控制装置根据流过电动机的电流（例如U相电流、V相电流和W相电流）和电动机的可动元件（例如转子）的位置（例如旋转角度），检测永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流，并且根据来自上位控制电路（例如CNC（数值控制装置））等的各种指令等，生成q轴电流指令值和d轴电流指令值。另外，电动机控制装置根据检测出的q轴电流和q轴电流指令值之间的差、检测出的d轴电流和d轴电流指令值之间的差，生成PWM信号，为了驱动电动机而将PWM信号输出到逆变器。

以前，在进行向量控制的电动机控制装置中，为了能够在铁损耗变大的高速时也能够高效地驱动电动机，例如如日本特开2008-236948号公报（JP2008-236948A）所记载的那样，提出了一种电动机控制装置，其生成电动机的铁损耗和铜损耗的合计为最小的d轴电流指令值。

在通过电动机控制装置控制在定子（例如stator）和可动元件（例如转子）的任意一方上设置有永磁铁的永磁铁同步电动机的情况下，会因过热而造成永磁铁的热减磁，永磁铁同步电动机有时无法迅速并且稳定地生成转矩。因此，为了避免因过热造成的永磁铁的热减磁的情况，必须尽量地减小永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量。

但是，在生成铁损耗和铜损耗的合计为最小的d轴电流指令值的现有的电动机控制装置中，在设置有永磁铁的定子或可动元件中集中产生损耗的情况下，永磁铁成为过热状态，有时产生永磁铁的热减磁。

发明内容

作为一个形式，本发明提供一种电动机控制装置，其能够避免因过热而造成永磁铁同步电动机的永磁铁的热减磁的情况。

根据本发明的一个形式，电动机控制装置具备：q轴电流和d轴电流检测部，其根据流过永磁铁同步电动机的第一相的电流、第二相的电流和第三相的电流中的至少二个以及可动元件的位置，检测永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流，其中，该永磁铁同步电动机具有设置有绕组和永磁铁中的一方的定子和设置有另一方的可动元件；q轴电流指令值生成部，其根据与可动元件对应的速度指令值，生成q轴电流指令值；d轴电流指令值生成部，其根据可动元件的速度，生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值；驱动部，其根据q轴电流、d轴电流、q轴电流指令值和d轴电流指令值，驱动永磁铁同步电动机。

优选根据与d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数，设定永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值，对可动元件的每个速度设定与d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数。

优选根据与可动元件的速度对应地变化的d轴电流的值的函数，设定永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值。

优选根据永磁铁同步电动机的涡流损耗和铜损耗，设定与可动元件的速度对应地变化的d轴电流的值的函数。

优选根据对可动元件的每个速度测定的永磁铁的温度，设定与可动元件的速度对应地变化的d轴电流的值的函数。

优选通过至少一条直线来近似与可动元件的速度对应地变化的d轴电流的值的函数。

根据本发明的一个形式，根据可动元件的速度生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值，因此能够使永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量成为最小。因此，由于损耗不集中在设置有永磁铁的定子或可动元件上而永磁铁不会成为过热状态，能够避免因过热造成永磁铁的热减磁的情况。

附图说明

通过与附图相关联的以下的实施方式的说明，来进一步明了本发明的目的、特征和优点。在附图中，

图1是具有本发明的实施方式的电动机控制装置的系统的框图。

图2是表示转速和永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的查找表的一个例子的图。

图3是表示与d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数的图表。

图4是表示与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的值的函数的图表。

图5是表示用三条直线对与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的值的函数进行近似所得的函数的图表。

图6是表示与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的值的函数的图表。

图7是表示用三条直线对与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的值的函数进行近似所得的函数的图表。

具体实施方式

参照附图，说明本发明的电动机控制装置的实施方式。

如果参照附图，则图1是具有本发明的实施方式的电动机控制装置的系统的框图。图1所示的系统具备三相交流电源1、变换器2、滤波用电容器3、逆变器4、永磁铁同步电动机5、被驱动体6、旋转角度检测部7、转速运算部8、存储器9、电动机控制装置10以及上位控制装置21。

变换器2例如由多个（三相交流的情况下为6个）整流二极管以及分别与这些整流二极管逆并联的晶体管构成，将从三相交流电源1供给的交流电变换为直流电。滤波用电容器3为了对由变换器2的直流二极管整流了的电压进行平滑化而与变换器2并联连接。逆变器4与滤波用电容器3并联连接，例如由多个（三相交流的情况下为6个）整流二极管以及分别与这些整流二极管逆并联的晶体管构成，通过根据后面说明的PWM信号V_PWM进行晶体管的导通截止动作，而将由变换器2变换后的直流电变换为交流电。

永磁铁同步电动机5连接有工作台、臂、可与工作台和臂装卸的工件等被驱动体6，例如用于改变在机床中保持工件的工作台的位置、姿势，但也可以用于使机器人的臂进行旋转操作等。在本实施方式中，将永磁铁同步电动机5设为旋转型伺服电动机，该旋转型伺服电动机具有：安装有旋转角度检测部7的具有旋转轴51的作为可动元件的转子52；配置为围住转子52的作为定子的定子53。

转子52具有间隔90°配置的4个永磁铁54a、54b、54c、54d。永磁铁54a、54b、54c、54d被配置成定子53侧的端部相对于转子52的旋转方向相互离开90度，并且永磁铁54a、54b、54c、54d的外侧的端部交替地成为N极、S极、N极和S极。

定子53具有间隔120°配置的3个绕组55u、55v、55w，它们分别被供给作为第一相的电流、第二相的电流、第三相的电流的U相电流I_u、V相电流I_V、W相电流I_W。因此，永磁铁同步电动机5作为三相同步电动机而发挥作用。

在本实施方式中，定子53具有线圈（绕组55u、55v、55w），成为接受电力的一次侧，转子52具有磁铁（永磁铁54a、54b、54c、54d），成为从一次侧接受力的二次侧。

旋转角度检测部7由检测转子52的旋转角度θ作为可动元件的位置的旋转编码器构成。转速运算部8被输入旋转角度θ，通过按照时间对旋转角度θ进行微分，运算出相当于U相电流I_u、V相电流I_v和W相电流I_w的频率的转子52的转速ω作为可动元件的速度，并将转速ω输出到电动机控制装置10。

存储器9，如图2所示那样，存储转速ω_k（k=1，2……n）和永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量ΔT为最小的d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）的查找表。

对于各个转速ω_k（k=1，2……n），使用有限要素法（Finite Element Method）分析计算出与d轴电流I_d的值对应地变化的温度上升量ΔT的函数，可以通过图3所示那样的图表来表示。因此，可以使用图3所示那样的图表，对于各个转速ω_k（k=1,，2……n）预先求出d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）的值，使用求出的d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）构成图2所示的查找表。另外，在图3所示的图表中，在永磁铁同步电动机5的q轴电流I_q的值是恒定（例如0）的条件下，设定了与永磁铁同步电动机5的d轴电流I_d的值对应地变化的温度上升量ΔT的函数，但由于温度上升量ΔT也相对于q轴电流I_q的值的变化而变化，所以在求出d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）的值时也可以考虑q轴电流I_q的值。

因此，根据与d轴电流I_d的值对应地变化的温度上升量ΔT的函数，来设定d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）的值，对每个转速ω_k（k=1，2……n）设定与d轴电流I_d的值对应地变化的温度上升量ΔT的函数。

另一方面，在转子52的磁损耗中，涡流损耗是支配性的、在转子53中铜损耗是支配性的情况下，通过以下的公式来表示温度上升量ΔT，

ΔT={aI_q ²+b（c+Id）²}ω²+d（I_q ²+I_d ²）            （1）

其中，a、b、c、d是根据永磁铁同步电动机的形状、材质和冷却条件决定的常数。

在决定常数a、b、c、d时，在温度上升量ΔT的测量、仿真（例如磁性分析）中，改变d轴电流I_d的值和q轴电流I_q的值的同时求出温度上升量ΔT，通过使用最小二乘法等的近似，来选择温度上升量ΔT与公式（1）的残差为最小的常数a、b、c、d。

用d轴电流I_d对公式（1）进行偏微分，将左边设为0，由此能够通过下式表示永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量ΔT为最小的d轴电流I_d。

$I_d=-\frac{{\mathrm{b\ω}}^2}{{\mathrm{b\ω}}^2+d}c---\left(2\right)$

可以用图4所示那样的图表来表示公式（2），也能够使用图4所示那样的图表，对各个转速ω_k（k=1，2……n）预先求出d轴电流值I_dk（k=1，2，……n），使用求出的d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）来构成图2所示的查找表。

因此，根据与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数来设定d轴电流值I_dk（k=1，2，……n），根据永磁铁同步电动机5的涡流损耗和铜损耗，来设定与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数。

另外，可以如图5所示那样用3条直线a1、b1、c1来表示（近似）图4所示的图表即与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数，也可以使用图5所示那样的图表，针对各个转速ω_k（k=1，2……n）预先求出d轴电流值I_dk（k=1，2，......n），使用求出的d轴电流值I_dk（k=1，2，......n），来构成图2所示的查找表。

进而，可以如图6所示，针对各个转速ω_k（k=1，2……n），改变d轴电流I_d的值的同时测定永磁铁54a、54b、54c、54d的温度，描绘温度为最小的点（P₁、P₂、P_n等），由此能够形成表示与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数的图表。

例如，在转速ω_n时改变d轴电流Id的值，在点Q₁，永磁铁54a、54b、54c、54d的温度成为200°C，在点Q₂，永磁铁54a、54b、54c、54d的温度成为100°C，在点P_n，永磁铁54a、54b、54c、54d的温度成为70°C，在点Q₃，永磁铁54a、54b、54c、54d的温度成为100°C的情况下，选择点P_n作为温度为最小的点。

在形成图6所示那样的图表时，接近永磁铁54a、54b、54c或54d地在转子52上安装温度传感器，将由温度传感器检测出的温度看作是永磁铁54a、54b、54c、54d的温度，由此取得永磁铁54a、54b、54c、54d的温度。

也可以使用图6所示那样的图表针对各个转速ω_k（k=1，2……n）预先求出d轴电流值I_dk（k=1，2，……n），使用求出的d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）构成图2所示的查找表。

因此，根据与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数设定d轴电流值I_dk（k=1，2，……n），根据对每个转速ω测定的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度，设定与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数。

另外，可以如图7所示那样用3条直线a2、b2、c2来表示（近似）图6所示的图表即与转速ω对应地变化的d轴电流I_d的值的函数，也可以使用图7所示那样的图表，针对各个转速ω_k（k=1，2……n）预先求出d轴电流值I_dk（k=1，2，......n），使用求出的d轴电流值I_dk（k=1，2，......n）来构成图2所示的查找表。

电动机控制装置10为了迅速并且稳定地生成永磁铁同步电动机5的转矩，而进行独立地控制永磁铁同步电动机5的q轴电流和d轴电流的向量控制。为此，电动机控制装置10具备q轴电流和d轴电流检测部11、q轴电流指令值生成部12、d轴电流指令值生成部13以及驱动部14。

在本实施方式中，转速运算部8、存储器9、q轴电流和d轴电流检测部11、q轴电流指令值生成部12、d轴电流指令值生成部13以及驱动部14通过具备输入输出端口、串行通信电路、A/D变换器、计时器等的处理器来实现，依照存储在未图示的存储器中的处理程序，执行后面说明的处理。

q轴电流和d轴电流检测部11根据流过永磁铁同步电动机5的三相的U相电流I_u、V相电流I_V、W相电流I_W以及旋转角度θ，检测q轴电流I_q和d轴电流I_d。因此，q轴电流和d轴电流检测部11由进行旋转坐标变换和三相-二相变换的坐标变换器构成。因此，q轴电流和d轴电流检测部11将静止坐标系（UVW坐标系）的三相的U相电流I_u、V相电流I_V以及W相电流I_W，变换为用相对静止坐标系（αβ坐标系）旋转旋转角度θ的旋转坐标系表示的二相的q轴电流I_q和d轴电流I_d，将q轴电流I_q、d轴电流I_d输出到驱动部14。

在该情况下，通过设置在逆变器4的输出线上的电流检测器4U、4V、4W检测三相的U相电流I_u、V相电流I_V以及W相电流I_W，电流检测器4U、4V、4W输出的电流检测信号被输入未图示的A/D变换器而变换为数字数据。另外，电流检测器4U、4V、4W例如由霍尔元件构成。

q轴电流指令值生成部12根据作为针对可动元件的速度指令值的转速指令值ω_com，生成q轴电流指令值I_qcom。因此，q轴电流指令值生成部12具有减法器12a、PI控制部12b。

减法器12a具备：被输入转速指令值ω_com的非反相输入部；被输入转速ω的反相输入部；输出作为转速指令值ω_com和转速ω的减法结果的转速偏差Δω的输出部。PI控制部12b输入转速偏差Δω，进行转速偏差Δω的比例积分计算，由此生成q轴电流指令值I_qcom，将q轴电流指令值I_qcom输出到驱动部14。

d轴电流指令值生成部13被输入转速ω，根据转速ω生成永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量为最小的d轴电流指令值I_dcom，并将d轴电流指令值I_dcom输出到驱动部14。例如在将转速ω_k（k=1，2……n）输入到d轴电流指令值生成部13的情况下，d轴电流指令值生成部13从存储在存储器9中的查找表中读出与转速ω_k（k=1，2……n）对应的d轴电流值I_dk（k=1，2，......n），将相当于d轴电流值I_dk（k=1，2，……n）的d轴电流指令值I_dcom的输出到驱动部14。

驱动部14根据q轴电流I_q、d轴电流I_d、q轴电流指令值I_qcom以及d轴电流指令值I_dcom，驱动永磁铁同步电动机5。因此，驱动部14具备减法器14a、14b、PI控制部14c、14d、指令电压生成部14e以及PWM信号生成部14f。

减法器14a具备：被输入d轴电流指令值I_dcom的非反相输入部；被输入d轴电流I_d的反相输入部以及输出作为d轴电流指令值I_dcom和d轴电流I_d的值的减法结果的电流偏差ΔI_d的输出部。减法器14b具备：被输入q轴电流指令值I_qcom的非反相输入部；被输入q轴电流I_q的反相输入部以及输出作为q轴电流指令值I_qcom和q轴电流I_q的值的减法结果的电流偏差ΔI_q的输出部。

PI控制部14c被输入电流偏差ΔI_d，进行电流偏差ΔI_d的比例积分运算，由此生成d轴电压指令值V_d，并将d轴电压指令值V_d输出到驱动部14。PI控制部14d被输入电流偏差ΔI_q，进行电流偏差ΔI_q的比例积分计算，由此生成q轴电压指令值V_q，并将q轴电压指令值V_q输出到驱动部14。

指令电压生成部14e根据d轴电压指令值V_d和q轴电压指令值V_q，生成U相电压指令值V_u、V相电压指令值V_V以及W相电压指令值V_W。因此，指令电压生成部14e由进行旋转坐标变换和二相-三相变换的坐标变换器构成。因此，指令电压生成部14e将用相对于静止坐标系（αβ坐标系）旋转旋转角度θ的旋转坐标系表示的二相的d轴电压指令值V_d和q轴电压指令值V_q变换为三相的U相电压指令值V_u、V相电压指令值V_V以及W相电压指令值V_W，并将U相电压指令值V_u、V相电压指令值V_V以及W相电压指令值V_W输出到PWM信号生成部14f。

PWM信号生成部14f根据U相电压指令值V_u、V相电压指令值V_V以及W相电压指令值V_W，生成PWM信号V_PWM（在该情况下，为与逆变器4的各晶体管对应的V_PWM1、V_PWM2、V_PWM3、V_PWM4、V_PWM5以及V_PWM6），为了驱动永磁铁同步电动机5而将PWM信号V_PWM输出到逆变器4。

上位控制装置21由CNC（数值控制装置）等构成，将转速指令值ω_com输出到减法器12a的非反相输入部。

根据本实施方式，根据转速ω生成永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量ΔT为最小的d轴电流指令值I_dcom，因此，能够使永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量ΔT为最小。因此，由于损耗不集中在设置有永磁铁54a、54b、54c、54d的转子52即二次侧而永磁铁54a、54b、54c、54d不成为过热状态，能够避免因过热产生永磁铁54a、54b、54c、54d的热减磁的情况。此外，在本实施方式中，不需要为了避免因过热产生永磁铁54a、54b、54c、54d的热减磁的情况而使用磁力弱的磁铁以及进行磁隙的放大等硬件的变更。

本发明并不限于上述实施方式，能够进行若干的变更和变形。例如在上述实施方式中，说明了使用在转子52中设置有永磁铁54a、54b、54c、54d的旋转型伺服电动机作为永磁铁同步电动机5的情况，但也可以使用在定子中设置有永磁铁的旋转型伺服电动机、在定子和滑动触头（slider）中的任意一个上设置有永磁铁的线性伺服电动机、在定子和振动器中的任意一个上设置有永磁铁的振动型伺服电动机等作为永磁铁同步电动机5。

另外，可以用旋转编码器以外的部件（例如霍尔元件或解析器）来构成旋转角度检测部7。另外，也可以省略旋转角度检测部7，根据供给永磁铁同步电动机5的交流电流和交流电压，运算旋转角度θ和转速ω。

另外，在上述实施方式中，说明了将存储器9作为处理器的一部分，但也能够将存储器9构成为处理器外的部件。另外，也可以在磁生成电流指令值生成部13内设置存储器9。

另外，在上述实施方式中，说明了为了检测q轴电流I_q和d轴电流I_d而使用三相的U相电流I_u、V相电流I_V以及W相电流I_W的情况，但也可以使用U相电流I_u、V相电流I_V、W相电流I_W中的任意二相（例如V相电流I_V、W相电流I_W）来检测q轴电流I_q和d轴电流I_d。

另外，在上述实施方式中，说明了为了取得d轴电流值I_dk而使用查找表的情况，但也可以预先将表示图3、图4、图5、图6或图7的函数的图表的公式、或根据表示图3、图4或图6的函数的图表的公式能够容易地想到的近似式（例如向表示图3、图4或图6的函数的图表的公式添加了影响小的常数项的近似式）存储在存储器9中，将转速ω代入到这些公式中的一个，来运算d轴电流值I_dk，由此也能够取得d轴电流值I_dk。

另外，在上述实施方式中，说明了用3条直线表示（近似）图4或图6的函数的图表的情况，但也可以用至少一条直线或平滑线来表示（近似）图4或图6的函数的图表。

并且，在上述实施方式中，说明了为了输出转速指令值ω_com而使用上位控制装置21的情况，但也可以为了输出转速指令值ω_com而使用上位控制装置21以外的控制装置。

以上，与优选的实施方式相关联地说明了本发明，但本技术领域的技术人员理解能够在不脱离权利要求的揭示范围内进行各种修正和变更。

Claims (6)

1.一种电动机控制装置（10），其进行独立地控制永磁铁同步电动机（5）的q轴电流和d轴电流的向量控制，该电动机控制装置的特征在于，包括：

q轴电流和d轴电流检测部（11），其根据流过永磁铁同步电动机的第一相的电流、第二相的电流和第三相的电流（I_U、I_V、I_W）中的至少二个以及可动元件的位置（θ），检测永磁铁同步电动机的q轴电流（I_q）和d轴电流（I_d），其中，该永磁铁同步电动机具有设置有绕组（55u、55v、55w）和永磁铁（54a、54b、54c、54d）中的一方的定子（53）和设置有另一方的可动元件（52）；

q轴电流指令值生成部（12），其根据与可动元件对应的速度指令值（ω_com），生成q轴电流指令值（I_qcom）；

d轴电流指令值生成部（13），其根据可动元件的速度（ω），生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值（I_dcom）；

驱动部（14），其根据上述q轴电流、上述d轴电流、上述q轴电流指令值和上述d轴电流指令值，驱动上述永磁铁同步电动机。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于：

根据与上述d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数，设定永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值，对可动元件的每个速度设定与上述d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数。

3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于：

根据与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数，设定永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值。

4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于：

根据永磁铁同步电动机的涡流损耗和铜损耗，设定与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数。

5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于：

根据对可动元件的每个速度测定的永磁铁的温度，设定与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数。

6.根据权利要求3~5的任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于：

通过至少一条直线来近似与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数。

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