CN103250343A - 同步电动机的电感测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

提供一种在对同步电动机的电感进行测定时高速且简便的同步电动机的电感装置。对同步电动机施加三相高频旋转电压，根据电动机电流中含有的与高频电压相同频率的分量，计算电感。

Description

同步电动机的电感测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及一种对由逆变器控制的同步电动机的电感进行测定的装置及其测定方法。

背景技术

作为现有的对同步电动机的电感进行测定的方法，例如在专利文献1中公开了下述电感测定方法，在该方法中，施加与以任意频率旋转的dc轴平行的方向的交流电压（所谓的交变电压），将通过电流检测器检测到的电动机电流（u相电流、w相电流）通过坐标变换器变换为作为交流电压施加轴的dc轴上的电流，根据变换得到的dc轴电流检测交流电流中与交流电压相同频率的分量的交流电流。并且，根据dc轴在电角旋转了大于或等于180度的期间内的交流电流的最大值、最小值及交流电压，对电感进行运算。

另外，在专利文献2中，作为永磁体型同步电动机的控制装置公开了下述技术。即，公开了如下电感测定方法，在与所述同步电动机的永磁体平行的方向上施加交流电压，对与所述电动机的永磁体平行的电流分量即d轴电流进行检测，对所述交流电压进行时间积分，从而对d轴磁通量进行运算。根据其结果，绘制将横轴设为d轴电流、将纵轴设为d轴磁通量的迟滞曲线，求出通过该迟滞曲线内的中间处的平均曲线，并对该平均曲线的纵轴进行补偿而求出通过原点的第二平均曲线。并且，将连结该第二平均曲线上的与各d轴电流对应的点和原点而成的直线的斜率，设为各d轴电流时的d轴电感。此外，与所述d轴电感类似，在与所述电动机的永磁体垂直的方向上施加交流电压，对与所述电动机的永磁体垂直的电流分量即q轴电流进行检测，利用与所述d轴电感相同的方法求出q轴电感。

此外，在专利文献3中公开了下述方法，即，在电流指令值或电压指令值上叠加高频的方形波信号。并且，在与电流指令值叠加的情况下，从第二电流指令值中提取方形波信号分量，使所提取的方形波信号的绝对值与所叠加的方形波信号的绝对值的比值，乘以d轴或q轴的电感设定值，从而确定电动机的电感值，其中，第二电流指令值是按照使得叠加了方形波信号后的d轴或q轴的电流指令值与电流检测值一致的方式，进行运算而得到的。另一方面，在与电压指令值叠加的情况下，从电流检测值中提取方形波信号分量，使所提取的方形波信号的绝对值除以叠加在d轴或q轴的电压指令值中的方形波信号的绝对值，从而确定电动机的电感值。

专利文献1：日本特开2002－272195号公报

专利文献2：日本特开2001－69782号公报

专利文献3：日本特开2008－92657

发明内容

但是，在上述专利文献1所示的技术中，是对电动机施加上述交变电压的方式，而且，必须至少在从0°到180°的范围内改变方向而施加交变电压。此外，由于需要进行从dc轴电压向三相电压的坐标变换，因此，存在测定同步电动机的电感需要时间的问题。

另外，在上述专利文献2所示的技术中，由于是以磁极（永磁体）的位置为基准，将为了测定电感而施加的交变电压沿与该磁极平行的方向和垂直的方向施加的方式，因此，存在必须在测定电感之前进行磁极位置检测的问题。

另外，在上述专利文献3所示的技术中，由于是将高频的方形波信号与d轴或q轴电流指令值或电压指令值叠加的方式，因此，为了测定电感而需要进行电流控制运算、矢量控制运算及电压坐标变换运算，因此，存在下述问题，即，为了对同步电动机的电感进行测定，直至上述全部运算完成之前需要时间。

本发明就是鉴于上述课题而提出的，其目的在于，提供一种高速且简便的同步电动机的电感测定装置及测定方法，其对同步电动机施加三相高频旋转电压，根据在电动机电流中含有的与高频电压相同频率的分量，计算电感。由此，不需要进行上述的电压坐标变换、测定电感前的磁极位置检测、电流控制运算及矢量控制运算。

本发明所涉及的同步电动机的电感测定装置，其特征在于，具有：电压变换器，其对高频电压指令进行变换，并施加至同步电动机；电压指令生成器，其生成向所述电压变换器输入的高频电压指令；电流检测器，其对所述同步电动机的电流进行检测；坐标变换器，其将由所述电流检测器检测到的电流变换为相对于固定坐标系位于任意相位的正交双轴坐标系上的电流，并输出所述正交双轴坐标系中的一个轴的电流；基波分量提取器，其提取所述正交双轴坐标系中的一个轴的电流中含有的与所述高频电压相同频率的分量；以及电感计算器，其根据所述高频电压的有效值、频率及所述基波分量提取器的输出，计算电感。并且，所述电压指令生成器生成具有可变的电压有效值和以与同步电动机可同步旋转的旋转频率的最大值相比足够高的频率值为基频的三相高频旋转电压指令，并输出至所述电压变换器。

发明的效果

如上所述，本发明通过使用三相高频旋转电压作为施加至同步电动机的电压指令，就能够高速且简便地测定同步电动机的电感，而不需要现有技术中所必须进行的电压坐标变换、测定电感前的磁极位置检测、电流控制运算及矢量控制运算。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1中的同步电动机的电感测定装置的图。

图2是表示本发明的实施方式1中的固定坐标系与任意旋转坐标系的关系的图。

图3是本发明的实施方式1中的同步电动机的电感测定装置的动作流程图。

图4是本发明的实施方式1中的同步电动机的电感测定装置的动作中测定γ轴的电感Lγ（In）的处理流程图。

图5是本发明的实施方式1中的同步电动机的电感测定装置的动作中计算Lγ（ξ）的处理流程图。

图6是本发明的实施方式1中的电感测定的时序图。

具体实施方式

实施方式1.

图1是表示本实施方式1中的同步电动机的电感测定装置的图。此外，本发明并不受本实施方式限定。在图1中，电感测定装置1内的电压指令生成器2，生成使所述电压变换器3的输出电压的基频为fh、该输出电压的频率为fh时的分量的有效值为Vh的三相高频旋转电压指令V*uvw作为施加至电压变换器3的电压指令。在这里，所述三相高频旋转电压指令V*uvw是以同步电动机8不旋转程度的足够高的频率作为基频、各相的电压有效值相等、各相之间的相位差为120°的三相交流电压指令。所述三相高频旋转电压指令V*uvw由所述电压变换器3以公知的三角波比较PWM方式变换为三相电压Vuvw，并施加至所述同步电动机8。

电流检测器4对所述同步电动机8的相电流Iuvw进行检测。并且，如图2所示，坐标变换器5将所述相电流Iuvw变换为由γ轴及δ轴构成的任意旋转坐标系10上的电流，并输出其中的γ轴电流Iγ，其中，该任意旋转坐标系10是相对于由u轴、v轴及w轴构成的固定坐标系9旋转任意相位角ξ后得到的。此外，在本发明中，将γ轴设为电流观测轴。基波分量提取器6提取在所述坐标变换器5的输出即γ轴电流Iγ中含有的、与高频电压的基波相同频率的分量Ihγ。电感计算器7使用所述基波分量提取器6的输出Ihγ、高频旋转电压的基频fh、和该高频旋转电压的基频分量的有效值Vh，对所述同步电动机8的γ轴电感Lγ进行运算。另外，d轴电感Ld及q轴电感Lq为，在所述坐标变换器5中，将任意旋转坐标系10相对于所述固定坐标系9的相位ξ从0°变化至180°时所述电感计算器7的运算结果，并且将γ轴的电感即Lγ的最小值确定为Ld、将最大值确定为Lq。

图3是本实施方式1中的同步电动机的电感测定装置的动作流程图。首先，在步骤3A中，为了测定同步电动机的电感相对于在同步电动机中流过的电流的饱和特性，而设定进行电感测定的电流目标值In（n＝1、2、3、…、N）。在这里，n是测定电感时的测定点编号。接下来，在步骤3B中，对所述设定的电流目标值In时的γ轴的电感Lγ（In）进行测定。

在这里，在图4中示出对γ轴的电感Lγ（In）进行测定的处理流程。其中，在步骤4A中，为了使目标电流值In流过同步电动机8的各相，而通过电压指令生成器2使电压指令值的绝对值增加，在步骤4B中，将高频旋转电压指令输入至电压变换器3。接下来，在步骤4C中，由电流检测器4检测同步电动机8的各相电流，在步骤4D中，对该检测到的各相的电流值和所述目标电流值In进行比较。这时，在所述检测到的各相的电流值比所述目标电流值In低的情况下，再次在步骤4A中使电压指令值的绝对值上升，实施步骤4B及其以后的处理。

另一方面，在步骤4D中，在所述检测到的各相的电流值大于或等于所述目标电流值In的情况下，在步骤4E中，在使电压指令生成器2中的电压指令的振幅固定的状态下，计算电感相对于同步电动机的转子位置的分布、即Lγ(ξ)。在这里，Lγ(ξ)是在使任意旋转坐标系10的相位即根据u相测定的γ轴的相位从0°变化至180°的过程中，γ轴的相位处于ξ°位置时的γ轴方向的电感。

图5示出所述Lγ(ξ)的计算处理流程图。首先，在步骤5A中，通过将同步电动机8的相电流变换为由γ轴及δ轴构成的任意旋转坐标系10上的电流，从而得到γ轴电流iγ(ξ)，其中，任意旋转坐标系10是相对于由u轴、v轴及w轴构成的固定坐标系9旋转任意相位角ξ后得到的。

接下来，在步骤5B中，通过公知的数字滤波或傅立叶变换等方法，从所述γ轴电流iγ中提取基波分量ihγ，然后在步骤5C中，计算γ轴电流iγ(ξ)的有效值Ihγ。并且，在步骤5D中，在将三相电压指令换算为由γ轴及δ轴构成的任意旋转坐标系10上的电压值后的值中，基于γ轴电压分量的基波有效值Vhγ、频率fh、以及γ轴电流的基波有效值Ihγ，计算相对于u相而位于相位ξ位置处的γ轴方向的电感Lγ(ξ)，其中，该任意旋转坐标系10是相对于由u轴、v轴及w轴构成的固定坐标系9旋转任意相位角ξ后得到的。

对于从所述步骤4A至步骤4E、及从步骤5A至步骤5D的一系列处理，在以与高频旋转电压的基频相比足够低的固定频率，使ξ在同步电动机控制装置预先设定的ξ的扫描区间的范围内沿一定方向变化的期间内，以一定的采样间隔反复进行。在这里，所谓扫描区间，是指为了测定γ轴电感而使ξ变化的范围，该扫描区间按照以至少大于或等于同步电动机的电角的半个周期即180°进行扫描的方式预先设定。在所述预先设定的ξ扫描区间中，如果所述一系列的处理结束，在步骤4F中，对于电感相对于同步电动机转子位置的分布的大于或等于一个周期结束了Lγ(ξ)值的计算，则结束所述设定的In下的γ轴电感Lγ（In）的测定。

接下来，在步骤3C中，提取上述测定的γ轴电流的基波有效值Ihγ（In）的最大值及最小值，分别确定为d轴电流Id及q轴电流Iq。并且，提取γ轴电感Lγ（In）的最大值及最小值，分别确定为d轴电感Ld及q轴电感Lq。

并且，在步骤3D中，在上述测定点编号n比同步电动机控制装置预先设定的值N小的情况下，在步骤3E中，使n递增，重复执行步骤3A至步骤3C的处理，从而测定与多个同步电动机电流值相对应的电感值。并且，在测定点编号n与预先设定的值N相等时，通过步骤3F，针对测定出的Id及Ld以及Iq及Lq的多个测定结果，使用最小二乘法等方法，以电流的函数L（i）的形式导出电感的饱和特性。

在这里，图6是本发明的实施方式1中的电感测定的时序图。可知在扫描角15的各个时刻，分别对应于电压振幅14得到γ轴电流基波有效值18和γ轴电感19，对应于电压振幅13得到γ轴电流基波有效值17和γ轴电感20，对应于电压振幅12得到γ轴电流基波有效值16和γ轴电感21。

如上所述，由于在本发明的实施方式1中，电压指令生成器2生成的电压指令为三相高频旋转电压，不同于对单一轴方向的交流电压指令进行坐标变换并在各个方向施加交变电压的方法，所以不需要用于直接生成三相电压指令的坐标变换，而且，能够同时在电动机的全部相位方向施加电压。因此，能够缩短对电动机施加电压所需的时间，其结果，能够缩短测定同步电动机的电感所需的时间。

另外，在坐标变换器5中，通过在从任意相位开始至大于或等于同步电动机的电角的半个周期的区间内给出作为电流观测轴的γ轴的相位ξ，从而求出d轴电感Ld、q轴电感Lq，因此，无需事先进行磁极位置检测就能够进行电感测定。此外，由于使用高频信号本身作为电压指令，因此不同于与指令值叠加的方法，不需要电流控制运算器等，能够以简单的结构对同步电动机的电感进行测定。

实施方式2.

在上述实施方式1中，虽然按照根据电感计算器7的运算结果L_γ的最小值、最大值分别求出Ld、Lq的方式构成，但通过使用基波分量提取器6的输出ih_γ的最大值Id、最小值Iq计算电感，从而即使不在ξ的扫描区间内针对全部的ξ值求出L_γ（ξ），也能够直接计算出d轴电感Ld及q轴电感Lq，因此能够以较少的计算量求出Ld、Lq。

实施方式3.

在上述实施方式1中，并未言及高频电压指令的波形的种类，但通过使用矩形波状的电压指令，从而作为向输出矩形波的三角波比较PWM方式的功率变换器赋予的指令，与正弦波的情况相比，能够减小功率变换器2前后的电压误差，提高电感的测定精度。

标号的说明

1  电感测定装置

2  电压指令生成器

3  电压变换器

4  电流检测器

5  坐标变换器

6  基波分量提取器

7  电感计算器

8  同步电动机

9  固定坐标系

10 任意旋转坐标系

Claims (5)

1.一种同步电动机的电感测定装置，其特征在于，具有：

电压变换器，其对高频电压进行变换并施加至同步电动机；

电压指令生成器，其生成向所述电压变换器输入的高频电压指令；

电流检测器，其对所述同步电动机的电流进行检测；

坐标变换器，其将由所述电流检测器检测到的电流变换为相对于固定坐标系位于任意相位的正交双轴坐标系上的电流，并输出所述正交双轴坐标系中的一个轴的电流；

基波分量提取器，其提取所述正交双轴坐标系中的一个轴的电流中含有的与所述高频电压相同频率的分量；以及

电感计算器，其根据所述高频电压的有效值、频率及所述基波分量提取器的输出，计算电感，

所述电压指令生成器生成可变的电压有效值和以与同步电动机可同步旋转的旋转频率的最大值相比足够高的频率值为基频的三相高频旋转电压，并输出至所述电压变换器。

2.根据权利要求1所述的同步电动机的电感测定装置，其特征在于，

所述坐标变换器的所述固定坐标系是由u轴、v轴及w轴构成的坐标系，所述正交双轴坐标系由γ轴及δ轴构成，所述正交双轴坐标系中的一个轴的电流是γ轴电流。

3.根据权利要求1所述的同步电动机的电感测定装置，其特征在于，

所述坐标变换器通过至少以电角180°进行从所述固定坐标系向所述正交双轴坐标系的变换，从而根据所述电感计算器的最小值及最大值，求出同步电动机的d轴电感及q轴电感。

4.一种同步电动机的电感测定方法，其特征在于，由以下步骤构成：

电流目标值设定步骤，在该步骤中，设定对同步电动机的电感进行测定的电流目标值；

电感测定步骤，在该步骤中，对所述设定的电流目标值时的γ轴电感进行测定；

γ轴电流测定步骤，在该步骤中，对γ轴的电流进行测定；

电流·电感提取步骤，在该步骤中，提取所述设定的电流目标值时的所述γ轴电流的执行值的最大值及最小值，分别作为d轴电流、q轴电流，提取所述γ轴电感的最大值和最小值，分别作为d轴电感、q轴电感；以及

饱和特性计算步骤，在该步骤中，基于所述d轴电流、q轴电流、d轴电感及q轴电感，求出电感相对于电流的饱和特性。

5.根据权利要求4所述的同步电动机的电感测定方法，其特征在于，

所述电感测定步骤由以下步骤构成：

相电流检测步骤，在该步骤中，对同步电动机的各相电流进行检测；

电流检测结束判定步骤，在该步骤中，根据通过所述相电流检测步骤检测到的同步电动机的各相电流、和所述电流目标值的大小关系，判定是否结束电流检测；

电感分布测定步骤，在该步骤中，测定电感相对于同步电动机的转子位置的分布；以及

电感分布测定结束判定步骤，在该步骤中，对预先设定的电感测定数量下的电感分布测定是否结束进行判定。

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