CN103155400A - Pm电动机的电动机常数计算方法以及电动机常数计算装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的PM电动机的电动机常数计算方法具有以下步骤：电压施加步骤，对PM电动机施加包含直流成分和多个频率成分的施加电压；电动机电流检测步骤，检测与通过电压施加步骤施加的施加电压相应地流动的电动机电流；以及电动机常数计算步骤，基于施加电压和电动机电流来计算PM电动机的电动机常数。

Description

PM电动机的电动机常数计算方法以及电动机常数计算装置
技术领域
本发明涉及一种PM电动机的电动机常数计算方法以及电动机常数计算装置。
背景技术
近年来，为了高精度地控制PM电动机，寻求正确地掌握电动机的电枢电阻、电感等电动机常数。例如，在以不使用传感器的方式控制PM电动机的磁极位置的无位置传感器控制中，大多采用使用电动机常数来估计磁极位置的方法。另外，在PM电动机的矢量控制中，大多应用电流控制，使用电动机常数以适当地设定电流控制部的增益。
于是，已知数种不使电动机旋转而容易地求出PM电动机的电动机常数的技术(例如参照专利文献1)。在专利文献1所公开的技术中，首先，基于使直流电流流过PM电动机时的输入电压和输入电流来求出绕组电阻值。接着，提取使交流电流流过PM电动机时的输入电压和输入电流的基波成分，基于输入电压和输入电流各自的大小以及输入电压与输入电流的相位差来求出电感值。由此，求出PM电动机的电动机常数。
另外，求出PM电动机的电动机常数的另一技术例如在专利文献2中公开。根据专利文献2，首先，存储使大小不同的两个水平的直流电流流过时的各自的电压。接着，所存储的两个水平的电压之差除以两个水平的电流之差来计算绕组电阻值。同时，测量到从基于大水平的直流电流的电压值骤变为基于小水平的直流电流的电压值时的电流变为规定值为止的时间。然后，基于测量出的时间和计算出的绕组电阻值来计算电感值。
但是，在专利文献1中，到为了求出绕组电阻值而在PM电动机中流动的直流电流变为稳定状态为止，需要时间。另外，存在以下的问题等：由于使用各自分开的试验信号来测量绕组电阻值和电感值，因此测量中需要时间。并且，若不适当地设定为了求出电感值而流动的交流电流的频率，则相位差的检测精度会降低。因此，导致所测量出的相位差的误差变大。
另一方面，在专利文献2中，也与专利文献1同样地，到为了求出绕组电阻而在PM电动机中流动的直流电流变为稳定状态为止，需要时间。另外，存在以下的问题等：由于使用各自分开的试验信号来测量绕组电阻值和电感值，因此测量中需要时间。并且，在测量到从大水平的电压值骤变为小水平的电压值时流动的电流变为规定值为止的时间的情况下，水平的判断、所测量的时间易于包含误差。另外，存在以下的问题：在电感值根据电流的大小而变化的电动机的情况下，无法成为时间常数固定的响应，因此无法计算出正确的电感值。
专利文献1：日本特开2000-312498号公报
专利文献2：日本特开2009-232573号公报
发明内容
本发明的电动机常数计算方法具有以下步骤：电压施加步骤，对PM电动机施加包含直流成分和多个频率成分的施加电压；电动机电流检测步骤，检测与通过电压施加步骤施加的施加电压相应地流动的电动机电流；以及电动机常数计算步骤，基于施加电压和电动机电流来计算PM电动机的电动机常数。
由此，能够在短时间内高精度地计算PM电动机的电动机常数。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1中的PM电动机的电动机常数计算装置的结构的框图。
图2是表示本发明的实施方式1中的计算电动机常数的处理流程的流程图。
图3是说明PM电动机的单相通电状态的等效电路图。
图4A是表示PM电动机的传递函数(增益)的频率特性的图。
图4B是表示PM电动机的传递函数(相位)的频率特性的图。
图5是表示本发明的实施方式2中的计算电动机常数的处理流程的流程图。
图6是表示该实施方式中的电动机电流与电感的关系的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于本实施方式。
(实施方式1)
下面，使用图1来说明本发明的实施方式1中的PM电动机的电动机常数计算方法和电动机常数计算装置。
图1是表示本发明的实施方式1中的PM电动机的电动机常数计算装置的结构的框图。此外，图1的框图仅示出了PM电动机的电动机常数计算装置所需的功能部分。因此，使用图1来说明各功能块的功能和功能块之间的关系。
如图1所示，本实施方式的PM电动机的电动机常数计算装置至少由电压指令生成部1、PM电动机2、逆变器3、电流检测器4a、4b、电流检测部5以及电动机常数计算部6构成。
即，图1所示的PM电动机的电动机常数计算装置通过如下所示的功能块的动作来驱动PM电动机2。
也就是说，电压指令生成部1生成为了计算电动机常数而对PM电动机2施加的施加电压的电压指令。逆变器3接收从电压指令生成部1输出的电压指令来对PM电动机2施加施加电压。电流检测器4a和电流检测器4b至少检测从逆变器3流向PM电动机2的电动机电流Iu、Iw。电流检测部5将由电流检测器4a、4b检测出的电动机电流转换为电动机电流检测值。电动机常数计算部6基于作为电压指令生成部1的输出的电压指令和作为电流检测部5的输出的电动机电流检测值的输入来计算PM电动机2的电动机常数。
下面，使用图2至图4B，并参照图1来说明各功能块的动作和作用。
图2是表示本发明的实施方式1中的计算电动机常数的处理流程的流程图。图3是说明PM电动机的单相通电状态的等效电路图。图4A是表示PM电动机的传递函数(增益)的频率特性的图。图4B是表示PM电动机的传递函数(相位)的频率特性的图。
如图2所示，首先，当开始电动机常数计算的处理时，逆变器3对PM电动机2施加直流电压，将PM电动机2的转子引入到规定的位置。这是为了预先将PM电动机2的转子固定在规定的位置，是因为，PM电动机2由于转子中存在磁体而有时会由于电压的施加而转子被转动。因此，优选的是电动机常数的计算在PM电动机2的转子静止的状态下进行。因此，对例如U相施加Va的直流电压、并对V相和W相施加-Va/2的直流电压，来将PM电动机2的转子引入到规定的位置(步骤S101)。此外，直流电压Va例如被设定为在施加电压时流动PM电动机2的额定电流程度的电流时的电压，以使得PM电动机2的转子充分地被引入到规定的位置。
此时，将PM电动机2的转子引入到规定的位置后的PM电动机2的等效电路如图3所示。也就是说，如图3所示，由于PM电动机2的转子未转动，因此PM电动机2的等效电路由相电阻R和相电感L形成，U-VW之间被施加单相的施加电压。由此，成为电流轴(d轴)与磁极轴一致的状态。
接着，为了计算电动机常数，电压指令生成部1生成作为对PM电动机2施加的施加电压的电压指令Vs(t)(步骤S102)。具体地说，生成如(式1)所示那样的、将直流成分V0与具有多个频率成分的Vn(t)相加得到的电压指令Vs(t)。此时，作为电压指令Vn(t)，例如使用M序列信号(Maximum Length Sequence Signal：最大长度序列信号)。
此外，关于生成将V0与Vn相加得到的电压指令Vs(t)的理由，在后面叙述。
[式1]
Vs(t)=VO+Vn(t)
然后，基于由电压指令生成部1生成的电压指令Vs(t)，与引入时同样地向例如U相施加Vs(t)、并向V相和W相施加-Vs(t)/2，使得U-VW之间被施加单相的施加电压(步骤S103)。此时，根据电压指令Vs(t)流过PM电动机2的电动机电流流过与磁极轴相同的d轴，因此不产生使PM电动机2的转子转动的转矩。由此，能够在使PM电动机2的转子静止的状态下进行用于计算电动机常数的数据测量。
接着，电流检测器4a、4b和电流检测部5检测在施加步骤S103的施加电压时流动的电动机电流Is(t)。
然后，对通过步骤S103施加的电压指令Vs(t)和作为电压指令Vs(t)的响应的电动机电流Is(t)进行采样，并作为时间序列数据取入(步骤S104)。在这种情况下，电动机电流Is(t)为与在U-VW之间施加的单相的施加电压相对的电动机电流，因此会采样得到U相的电动机电流。
接着，使用作为施加电压时间序列数据的输入的电压指令Vs(t)与作为检测电流时间序列数据的输出的电动机电流Is(t)之间的关系，求出从电压指令Vs(t)向电动机电流Is(t)的传递函数H(s)的频率特性(步骤S105)。此外，能够通过对电压指令Vs(t)和电动机电流Is(t)进行FFT(Fast Fourier Transform：快速傅立叶变换)处理等来得到传递函数H(s)的频率特性。
此时，施加电压指令Vs(t)时的PM电动机的等效电路如图3所示，用(式2)式来表示传递函数H(s)。
[式2]
Is Vs = ( 1 / R ) ( L / R ) s + 1
此外，传递函数是截止频率为R/L、DC(Direct Current：直流)增益为1/R的一阶滞后特性。
在此，使用图4A和图4B来说明(式2)式所示的传递函数的频率特性。
图4A是表示PM电动机的传递函数(增益)的频率特性的图。图4B是表示PM电动机的传递函数(相位)的频率特性的图。
如图4A和图4B所示，通过调查作为PM电动机的传递函数的频率特性的增益及相位与频率之间的关系，能够求出截止频率R/L和DC增益1/R。此时，例如，既可以求出比增益特性的DC增益低约3dB的频率作为截止频率，也可以求出相位为-45°的频率作为截止频率。另外，既可以基于低频率区域的增益特性来求出DC增益，也可以基于对截止频率下的DC增益加上约3dB所得到的值来求出DC增益。
然后，能够通过截止频率的倒数来计算作为电动机常数的电气时间常数L/R，通过DC增益的倒数来计算作为电动机常数的相电阻R，基于所得到的截止频率和增益特性的DC增益来计算作为电动机常数的电感L(步骤S106)。此外，通过上述处理得到的电感值L是d轴的电感值。
如以上所说明的那样，根据本实施方式，对PM电动机施加包含直流成分和多个频率成分的施加电压，检测与所施加的施加电压相应地流动的电动机电流，由此，使用所施加的施加电压与所检测出的电动机电流之间的关系计算PM电动机的电动机常数。也就是说，只要施加包含直流成分和多个频率成分的施加电压并检测电动机电流就能够计算出电动机常数。
由此，不需要花费等到电动机电流变为稳定状态为止的时间，并且无需施加多个试验信号来计算电动机常数，因此能够大幅缩短时间。
另外，根据本实施方式，使用作为电压指令与电动机电流的关系的频率特性来计算电动机常数。其结果，能够分离出噪声等的影响而高精度地计算电动机常数。并且，在作为相位为-45°的频率求出截止频率的情况下，能够在相位变化最大的点求出该截止频率。因此，能够高精度地求出作为电动机常数的截止频率。
(实施方式2)
使用附图来说明本发明的实施方式2中的PM电动机的电动机常数计算方法和电动机常数计算装置。
在本实施方式中，对PM电动机施加包含不同的多个直流成分的施加电压来计算作为电动机常数的电感值，这一点与实施方式1不同。其它结构、动作与实施方式1相同，因此省略说明。
下面，说明施加包含不同的多个直流成分的施加电压来计算作为电动机常数的电感值的理由。
原因在于，一般来说，根据电动机的种类不同，作为电动机的电动机常数的电感值会由于磁饱和等影响、电动机电流的大小而发生变化。但是，在实施方式1的作为电动机常数的电感值的计算方法中，只计算一个电感值。因此，在由于上述所示的原因而电动机常数发生变化的情况下，有时无法以正确的电感值来控制电动机。
下面，使用图5和图6并参照图1来具体说明本实施方式的各功能块的动作和作用。
图5是表示本发明的实施方式2中的计算电动机常数的处理流程的流程图。图6是表示该实施方式中的电动机电流与电感的关系的图。此外，在图5中，步骤S101至步骤S106进行与使用图2说明的实施方式1相同的处理，因此省略说明。
也就是说，在图5中，在图2的各步骤上进一步追加了步骤S207的处理，因此详细说明所追加的步骤。
如图5所示，在执行了步骤S101至步骤S106的处理之后，判断在步骤S102中生成电压指令时是否已将多个直流成分V0的施加电压全部设定(步骤S207)。在此，在从零到流过PM电动机2的规格下的最大电流时的电压值之间预先设定多个直流成分V0的施加电压。
此时，在多个直流成分V0的施加电压中存在尚未设定的值(施加电压)的情况下(步骤S207：“是”)，选择多个直流成分V0的施加电压中的尚未设定的一个值(施加电压)，返回到步骤S102。然后，依次重复执行步骤S102至步骤S106的处理，计算针对多个直流成分的各施加电压的PM电动机的电动机常数。
另一方面，在已执行了多个直流成分V0的施加电压的所有值的情况下(步骤S207：“否”)，结束电动机常数的计算处理。
也就是说，通过重复步骤S102至步骤S106的处理来设定多个直流成分V0的施加电压，能够得到多个如图6所示的对应于各直流成分V0的施加电压的电动机电流的平均值与所计算出的作为电动机常数的电感之间的关系。
然后，基于图6所示的关系，能够计算与PM电动机的电动机电流相应的多个电动机常数、例如电感值。
由此，能够将电动机电流的变化也考虑在内来稳定且高精度地计算出多个作为电动机常数的电感值。
如上，根据本实施方式，对PM电动机施加包含多个直流成分和多个频率成分的施加电压，检测与所施加的多个施加电压相应地流动的多个电动机电流，由此，使用所施加的多个施加电压与所检测出的电动机电流的关系来计算PM电动机的电动机常数。
由此，能够进行与变化的电动机电流相应的电动机常数的计算。
此外，在上述各实施方式中，说明了PM电动机的电动机常数的计算方法，但是并不限于此，只要具有同样的功能，则可以使用任何结构、具体实现方法，这是不言而喻的。例如，也可以构成为将图1的框图中的PM电动机2以外的功能块作为PM电动机的电动机常数计算装置的一个功能来嵌入，通过设定来使其发挥功能。另外，也可以将电压指令生成部1和电动机常数计算部6构成为与PM电动机的电动机常数计算装置连动的PC(Personal Computer：个人计算机)的应用软件。由此，能够简化电动机常数计算装置的结构。
另外，将引入处理(步骤S101)中的施加电压设为Va，但是只要将PM电动机的转子引入，则可以使用任意不同的值。
另外，在上述各实施方式中，以将M序列信号用作相加到电压指令Vs(t)的包含多个频率成分的信号的例子进行了说明，但是不限于此。例如，只要能够求出频率特性，则也可以使用白噪声信号、正弦波扫频信号等频率随时间变化的信号等其它信号。由此，能够根据需要来利用任意的信号求出频率特性。
另外，在上述各实施方式中，以基于所施加的电压指令Vs(t)来求出电动机电流Is(t)的频率特性的例子进行了说明，但是不限于此。在存在PM电动机以外的要素、例如滤波处理、延迟要素等的情况下，也可以将对其影响进行补偿后的时间序列数据相加到电压指令Vs(t)来求出频率特性。由此，能够以更高的精度来计算PM电动机的电动机常数。
另外，在上述各实施方式中，以在引入处理之后将电动机固定于规定的位置来检测电动机电流的例子进行了说明，但是不限于此。例如，也可以在相对于引入处理后的磁极轴的位置电相位不同的方向上施加电压指令Vs(t)，检测在该方向上流动的电动机电流。具体地说，也可以对U相施加0、对V相施加Vs(t)、对W相施加-Vs，使得在相对于引入处理后的磁极轴的位置电相位相差90°的电轴(q轴)、即V-W之间施加单相的施加电压，检测该方向即V相的电动机电流。由此，在电动机常数根据磁极轴的位置而变化的PM电动机、例如嵌入磁体型的PM电动机等中，能够任意地设定施加电压指令Vs(t)的电相位，因此能够高精度地计算与磁极轴的位置相应的电动机常数。特别是能够通过对q轴施加电压指令Vs(t)来计算电动机常数，从而计算q轴的电感值。
另外，在上述各实施方式中，以计算d轴的电感值的例子进行了说明，但是不限于此。例如，在电感值不根据磁极轴的位置而变化的PM电动机的情况下，也可以将所计算出的d轴的电感值作为q轴的电感值。由此，无需将PM电动机的转子固定在规定的位置就能够计算q轴的电感。
本发明具有以下步骤：电压施加步骤，对PM电动机施加包含直流成分和多个频率成分的施加电压；电动机电流检测步骤，检测与施加电压相应地流动的电动机电流；以及电动机常数计算步骤，基于施加电压和电动机电流的频率特性来计算PM电动机的电动机常数。由此，能够在短时间内高精度地计算电动机常数。
另外，本发明在施加电压的步骤中使用不同的多个直流成分的施加电压。由此，能够与电动机电流的大小的变化相应地在短时间内高精度地计算作为电动机常数的电感值。
产业上的可利用性
本发明的PM电动机的电动机常数计算方法和电动机常数计算装置能够在短时间内高精度地计算PM电动机的电动机常数，因此在需要电动机常数的PM电动机的控制装置等中普遍有用。
附图标记说明
1：电压指令生成部；2：PM电动机；3：逆变器；4a、4b：电流检测器；5：电流检测部；6：电动机常数计算部。

Claims (12)

1.一种PM电动机的电动机常数计算方法，具有以下步骤：
电压施加步骤，对PM电动机施加包含直流成分和多个频率成分的施加电压；
电动机电流检测步骤，检测与通过上述电压施加步骤施加的上述施加电压相应地流动的电动机电流；以及
电动机常数计算步骤，基于上述施加电压和上述电动机电流来计算上述PM电动机的电动机常数。
2.根据权利要求1所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电压施加步骤中，对PM电动机施加包含不同的多个直流成分和上述多个频率成分的施加电压。
3.根据权利要求1或2所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
包含上述多个频率成分的上述施加电压是将白噪声相加所得到的上述施加电压。
4.根据权利要求3所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
上述白噪声是M序列信号。
5.根据权利要求1所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
包含上述多个频率成分的上述施加电压是将频率随时间变化的正弦波相加所得到的上述施加电压。
6.根据权利要求1所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电动机常数计算步骤中，
运算以施加电压时间序列数据为输入、以检测电流时间序列数据为输出的频率特性，基于上述频率特性来计算上述PM电动机的上述电动机常数。
7.根据权利要求1所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电动机常数计算步骤中，
所计算的上述PM电动机的上述电动机常数是电气时间常数、电阻值、电感值中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电动机常数计算步骤中，
基于上述频率特性来求出截止频率，基于上述截止频率来计算上述PM电动机的上述电气时间常数。
9.根据权利要求7所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电动机常数计算步骤中，
基于上述频率特性来求出截止频率，基于频率低于上述截止频率的低频率区域的增益特性来计算上述PM电动机的上述电阻值。
10.根据权利要求7所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电动机常数计算步骤中，
基于上述频率特性来求出截止频率，基于上述截止频率下的增益特性来计算上述PM电动机的上述电阻值。
11.根据权利要求7所述的PM电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，
在上述电动机常数计算步骤中，
基于上述频率特性来求出截止频率，基于上述截止频率来计算上述PM电动机的上述电气时间常数，基于频率低于上述截止频率的低频率区域的增益特性或者上述截止频率下的增益特性来计算上述PM电动机的上述电阻值，基于所计算出的上述电气时间常数和上述电阻值来计算上述PM电动机的上述电感值。
12.一种PM电动机的电动机常数计算装置，具有根据权利要求1至11中的任一项所述的PM电动机的电动机常数计算方法。
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