CN103718451A - 电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电动机的控制装置具备驱动电动机的电动机驱动部、电流矢量控制部、弱磁电流指令生成部、以及目标指令限制器或者q轴电流指令限制器。电流矢量控制部按照来自外部的目标指令值将电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制。弱磁电流指令生成部基于来自电流矢量控制部的针对电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差，来生成对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令。目标指令限制器基于d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定来自外部的目标指令值的限制值。

Description

电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及一种在使用电流矢量控制的电动机的控制装置中进行弱磁控制、指令限制从而在电压饱和区域附近使电动机进行电动运行(日语：力行)动作或再生动作的技术。

背景技术

一般来说，作为控制电动机的电流的方法，使用将电动机的电流分离成有助于转矩的q轴电流分量以及与其正交的d轴电流分量来进行控制的矢量控制。矢量控制部接收来自外部的指令，计算针对电动机驱动部的指令电压，该电动机驱动部向电动机提供电力。

存在以下的现象：在来自外部的指令的值变大等情况下，该指令电压超过电动机驱动部所能够提供的电压。将该现象称为电压饱和。电动机的转速越大，越容易发生电压饱和。这是由于，电动机旋转过程中产生的感应电压与转速成正比地上升，为了以提供电压来弥补该感应电压的上升，电动机的端子间电压也同样上升。另外，在负荷大的情况下或电源电压低的情况下，提供电压余裕也会变小，因此容易发生电压饱和。

若成为电压饱和状态，则在进行电动运行动作时无法使q轴电流增加，转矩降低或者电流控制器的积分项饱和(wind up)，静态特性、动态特性劣化。另外，在进行再生动作时，流过比指令值大的q轴电流，产生过电流和过电压、过大的制动转矩而安全性降低。

作为抑制电压饱和的手段，使用以下的弱磁控制：通过流通负的d轴电流，来减少永磁体所产生的磁通，从而抑制感应电压的增加。

作为以往的弱磁控制的例子，存在以下的闭环弱磁控制：具备电压饱和的检测单元，对与由该检测单元检测出的饱和量相当的信号或者适当的固定值进行积分，将该积分值作为d轴电流指令输出到电流控制器(作为例子，参照专利文献1)。

但是，若将负的d轴电流继续增加，则电压降低效果变小，不久电压从减少转为增加。电压转为增加的边界即为上述弱磁控制的极限点。在该极限点，电动机端子间电压的余裕最大。即，成为能够流动的q轴电流和能够输出的转矩最大的状态(下面有时将电动机所能够输出的最大转矩称为极限转矩)。

极限转矩并不固定，其根据电动机的状态而变化。感应电压越大，电动机端子间电压的余裕越小，因此极限转矩随着转速上升而降低。因此，存在以下的情况：原本在低速域能够输出的转矩在高速域即使进行弱磁控制也无法输出。

当要输出比极限转矩大的转矩时，会成为电压饱和状态，发生转矩跟踪误差、饱和(wind up)，从而招致控制的不稳定化、特性劣化。另外，若在电压饱和状态下使用上述闭环弱磁控制，则d轴电流指令会向负的方向发散，控制变得不稳定。

作为针对该输出极限的现有技术的例子，有专利文献2。图14表示基于专利文献2所记载的现有技术的电动机的控制装置的框图。该控制装置具备电流矢量控制部103、饱和检测器904、饱和积分器905、d轴电流上限值运算部108、d轴电流指令限制器109、目标指令的限制值运算部914、目标指令限制器110。电流矢量控制部103按照来自外部的转矩指令τ₀*控制电动机101的电流。饱和检测器904基于从电流矢量控制部103向电动机驱动部102的电压指令vd*和vq*来检测有无电压饱和。饱和积分器905基于从饱和检测器904输出的饱和检测信号来进行积分运算，生成作为负的d轴电流指令的弱磁电流指令ids₀*。d轴电流上限值运算部108和d轴电流指令限制器109基于电动机驱动部102所能够提供的电压Vc和电动机101的转速ω来设定弱磁电流指令的负的上限值ids_lmt。目标指令的限制值运算部914基于上述Vc、ω、ids_lmt来设定极限转矩值τ_lmt*。

根据上述的结构，通过弱磁控制来抑制电压饱和，将来自外部的指令转矩τ₀*限制为电动机所能够输出的极限转矩τ_lmt*，因此能够在整个运行区域内消除电压饱和。另外，将弱磁电流指令ids*限制为用于得到极限转矩τ_lmt*的弱磁电流指令的上限值ids_lmt，因此也能够避免d轴电流指令的发散。

然而，在专利文献2的方法中，基于电动机驱动部102所能够提供的电压Vc、电动机101的转速ω以及弱磁电流指令的负的上限值ids_lmt，并使用包含电感等电动机固有的常数的计算式来计算电动机101所能够输出的极限转矩τ_lmt*。因此，在存在运行状态所引起的电感的变动、每个电动机的电动机常数的偏差的情况下，无法正确地计算极限转矩τ_lmt*。

当由于该计算误差而极限转矩τ_lmt*被设定为比实际的极限转矩大的值时，会基于比实际的极限转矩大的转矩指令τ*来进行电流控制，从而存在无法消除电压饱和的情况。

另外，反之，在转矩限制值τ_lmt*被设定为比实际的极限转矩小的值的情况下，会过量地限制转矩指令τ*，从而存在无法得到足够的转矩的情况。

专利文献1：日本特开平11-27996号公报

专利文献2：日本特开2003-209996号公报

专利文献3：日本特开2006-254572号公报

发明内容

本发明的电动机的控制装置具备驱动电动机的电动机驱动部、电流矢量控制部、弱磁电流指令生成部、以及目标指令限制器或者q轴电流指令限制器。电流矢量控制部按照来自外部的目标指令值将电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制。弱磁电流指令生成部基于来自电流矢量控制部的针对电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差，来生成对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令。目标指令限制器基于d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定来自外部的目标指令值的限制值。q轴电流指令限制器设定对q轴电流的量进行控制的q轴电流指令的限制值。

通过该结构，即使在输入了超过电动机的可输出极限的目标指令值的情况下，也能够使d轴电流指令保持为上限值、并将目标指令值或者q轴电流指令自动且正确地限制为可输出极限。其结果，即使存在电动机常数的变动、偏差，也能够消除电压饱和，而且能够维持电动机的可输出极限来进行驱动。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的电动机的控制装置的框图。

图2是本发明的实施方式1中的电动机的控制装置的变形例的框图。

图3是本发明的实施方式1中的电动机的控制装置的变形例的框图。

图4是本发明的实施方式2中的电动机的控制装置的框图。

图5是本发明的实施方式3中的电动机的控制装置的框图。

图6是本发明的实施方式4中的电动机的控制装置的框图。

图7是本发明的实施方式5中的电动机的控制装置的框图。

图8A是本发明的实施方式5中的简要框图。

图8B是本发明的实施方式5中的变形例的简要框图。

图9是嵌入永磁体型同步电动机中的电流矢量轨迹的图。

图10是表面永磁体型同步电动机中的电流矢量轨迹的图。

图11是嵌入永磁体型同步电动机中的再生时动作时的电流矢量轨迹的图。

图12是本发明的实施方式3中的电流矢量轨迹的图。

图13是本发明的实施方式5中的速度轨迹的图。

图14是基于现有技术的电动机的控制装置的框图。

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，本发明并不限定于该实施方式。

(实施方式1)

图1是本发明的实施方式1中的电动机的控制装置的框图。图1表示按照来自外部的转矩指令τ₀*对永磁同步电动机(以下有时称为“PMSM”或者仅称为“电动机”。)101进行驱动的装置的驱动控制系统。

下面说明各部的动作。本实施方式中的电动机的控制装置具备电动机驱动部102、电流矢量控制部103、弱磁电流指令生成部105、d轴电流上限值运算部108、d轴电流指令限制器109、目标指令限制器110、通常区域d轴电流指令设定部111、d轴电流指令相加部112、q轴电流指令生成部113。另外，弱磁电流指令生成部105由输出电压运算部104、积分器106、比例器107构成。

电动机驱动部102进行2相-3相转换的处理和电力转换的处理，在该2相-3相转换的处理中，将分别针对PMSM的励磁方向即d轴和与其正交的方向即q轴的电压指令vd*、vq*转换为向PMSM的U相、V相、W相提供的3相电压指令，在该电力转换的处理中，按照该3相电压指令在PMSM各相中产生实际的电压。

电流矢量控制部103以对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令id*的值与d轴电流值的误差为零的方式生成d轴电压指令vd*。另外，电流矢量控制部103以对q轴电流的量进行控制的q轴电流指令iq*的值与q轴电流值的误差为零的方式生成q轴电压指令vq*。作为生成d轴电压指令vd*和q轴电压指令vq*的生成手段，例如有PI控制。

通常区域d轴电流指令设定部111生成不发生电压饱和的运行区域中的d轴电流指令idu*。生成规则并没有特别限定，例如有最大转矩/电流比运行、最大效率运行等。在不发生电压饱和的运行区域中，用于以下用途：以使电动机的铜损、铁损减小的方式调整电流相位。或者也可以单纯输出idu*=0，在不发生电压饱和的运行区域使d轴电流始终保持为零。

q轴电流指令生成部113生成用于使PMSM的转矩跟踪转矩指令τ*的q轴电流指令iq*。作为生成规则，例如使用表示PMSM的输出转矩与电流的关系的(式1)。在(式1)中，Ld和Lq是d轴和q轴的电感，P是PMSM的极对数，Ψ₀是永磁体所产生的电枢交链磁通，τ是转矩，id和iq是d轴和q轴的电流。

[式1]

τ=P{ψ₀·iq+(Ld-Lq)·id·iq}

在本实施方式中，在q轴电流指令生成部113内部安装有(式1)或基于该式的数据表，并基于转矩指令τ*和d轴电流指令id*来生成q轴电流指令iq*。

输出电压运算部104将从电流矢量控制部103向电动机驱动部102的电压指令vd*和vq*代入到(式2)，运算电压指令的绝对值|v*|。

[式2]

$\left|v^{*}\right|=\sqrt{{\mathrm{vd}}^{*2}+{\mathrm{vq}}^{*2}}$

弱磁电流指令生成部105将通过积分器106对从第一规定基准值V_lmt减去电压指令的绝对值|v*|所得的电压差Δv*进行积分而得到的值与通过比例器107对电压差Δv*进行比例计算而得到的值相加，生成用于弱磁控制的d轴电流指令分量ids*(以下称为“弱磁电流指令”。)。

在此，将第一规定基准值V_lmt设定为与电动机驱动部102所能够提供的最大电压值相同的值，由此，在电压饱和时输入负的电压差Δv*，弱磁电流指令ids*向负的方向增加。另一方面，在不存在电压饱和时输入正的电压差Δv*，弱磁电流指令ids*向正的方向增加。也就是说，与电压饱和的程度相应地生成弱磁电流指令ids*。

但是，也可以将第一规定基准值V_lmt设定为比电动机驱动部102所能够提供的最大电压值小的值。另外，由于不需要正的d轴电流，因此在后述的d轴电流指令限制器109中将最大值限制为零。另外，在弱磁电流指令生成部105的积分器106中也将积分值的最大值限制为零。

d轴电流指令相加部112将由通常区域d轴电流指令设定部111生成的d轴电流指令分量idu*与由弱磁电流指令生成部105生成的弱磁电流指令ids*相加，来生成d轴电流指令id₀*。

接着，说明d轴电流上限值运算部108、d轴电流指令限制器109以及对转矩指令进行限制的目标指令限制器110的动作。它们连动地进行动作。

为了辅助说明，在图9中示出PMSM中的电流矢量轨迹的图。电流矢量轨迹是如下得到的：将在d轴和q轴的正交坐标上取d轴电流值为d轴、取q轴电流值为q轴，并将d轴电流与q轴电流合成所得的电流显示为以原点为起始点的电流矢量，描绘其轨迹。图9特别是嵌入永磁体型电动机(以下有时称为“IPMSM”。)中的电流矢量轨迹的图。

图9中的电压限制椭圆15表示根据电动机驱动部102所能够提供的电压而限制的电流矢量的选择范围，该椭圆外部意味着电压饱和区域。电压限制椭圆15随着转速的上升、电源电压的降低而变小。

图9中的恒转矩曲线1、2、3表示用于输出各个特定值的转矩的电流矢量轨迹，基于(式1)。

d轴电流上限值运算部108基于电动机101的转速ω和电动机驱动部102所能够提供的电压Vc来运算d轴电流指令的负的上限值id_lmt。上限值id_lmt的定义并没有特别限定，而在此设为得到电动机101所能够输出的极限转矩的d轴电流。极限转矩以与电压限制椭圆相切的恒转矩曲线(在图9的情况下为恒转矩曲线2)来表示，以其切点的d轴坐标(在图9的情况下为X)来表示得到极限转矩的d轴电流。

下面，说明得到极限转矩的d轴电流指令的运算规则。首先，将电压限制椭圆定式化。(式3)中示出了IPMSM的电压方程式。在(式3)中，vd和vq是d轴和q轴的电压，R是电动机的绕组电阻，ω是电动机的转速，p是微分算符。

[式3]

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{vd}\\ \mathrm{vq}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+p\·\mathrm{Ld}& -\mathrm{\ω}\·\mathrm{Lq}\\ \mathrm{\ω}\·\mathrm{Ld}& R+p\·\mathrm{Lq}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{id}\\ \mathrm{iq}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ \mathrm{\ω}\·{\mathrm{\ψ}}_0\end{array}\right]$

在此假设稳定状态，忽略电动机的绕组电阻R处的压降和由电流变化引起的电感Ld、Lq处的压降，根据感应电压来讨论电压的大小。当将电动机驱动部102所能够提供的电压设为Vc、将感应电压设为Vb时，用于不使电压饱和发生的感应电压的大小的条件在(式4)中示出。

[式4]

$\mathrm{Vb}=\mathrm{\ω}\sqrt{{(\mathrm{Ld}\·\mathrm{id}+{\mathrm{\ψ}}_0)}^2+{(\mathrm{Lq}\·\mathrm{iq})}^2}\≤\mathrm{Vc}$

接着，通过使Vb=Vc，变形为(式5)，来导出感应电压变为与电动机驱动部102所能够提供的电压Vc相等时的电压限制椭圆的式子。该椭圆以id=-Ψ₀/Ld、iq=0为中心点。

[式5]

${(\mathrm{Ld}\·\mathrm{id}+{\mathrm{\ψ}}_0)}^2+{(\mathrm{Lq}\·\mathrm{iq})}^2={\left(\frac{\mathrm{Vc}}{\mathrm{\ω}}\right)}^2$

接着，基于表示转矩曲线的(式1)和表示电压限制椭圆的(式5)来消去q轴电流iq，导出(式6)作为表示转矩τ的式子。

[式6]

$\mathrm{\τ}=P\{{\mathrm{\ψ}}_0+(\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq})\·\mathrm{id}\}\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{Vc}}{\mathrm{\ω}}\right)}^2-{(\mathrm{Ld}\·\mathrm{id}+{\mathrm{\ψ}}_0)}^2}$

将(式6)视作id与Vc/ω的函数。

[式7]

$\mathrm{\τ}=f(\mathrm{id},\frac{\mathrm{Vc}}{\mathrm{\ω}})$

在此，满足切点的条件(式8)的id是在某个值的Vc/ω的情况下得到最大转矩的d轴电流值。

[式8]

$\frac{\∂}{{\∂i}_d}\mathrm{\τ}=\frac{\∂}{{\∂i}_d}f(\mathrm{id},\frac{\mathrm{Vc}}{\mathrm{\ω}})=0$

在电动机为表面永磁体型同步电动机(以下有时称为“SPMSM”。)的情况下，与IPMSM的情况相比，更简单地求出得到极限转矩的d轴电流。图10中示出了SPMSM中的电流矢量轨迹的模拟图。如图10所示，SPMSM的恒转矩曲线4、5、6为平行于d轴的直线。因此，电压限制椭圆15与恒转矩曲线5的切点始终具有与椭圆的中心点相同的d轴坐标，得到极限转矩的d轴电流为常数-Ψ₀/Ld。在IPMSM的情况下，凸极性小时也具有与SPMSM相近的特性，因此也可以简易地将d轴电流指令的负的上限值id_lmt设为上述常数-Ψ₀/Ld。

以上，说明了得到极限转矩的d轴电流指令的运算规则。

d轴电流指令限制器109将d轴电流指令限制为上述负的上限值id_lmt与零之间。然后，将从限制前输入id₀*减去限制后输出id*所得的差Δid_lmt*输出到目标指令限制器110。该差Δid_lmt*意味着d轴电流指令id*超出负的上限值id_lmt地生成的超过量。

目标指令限制器110利用基于d轴电流指令的超过量Δid_lmt*的值来限制转矩指令τ₀*。限制方法没有特别限定，例如可以将从预定的转矩指令τ₀*的最大值减去与d轴电流指令的超过量Δid_lmt*成正比的值所得的值设定为限制值。通过这样，根据电压饱和的程度来自动地调整限制值。另外，通过将限制值设为针对转矩指令τ₀*的绝对值的限制值，无论从外部输入的转矩指令是正的值还是负的值(再生转矩指令)，都同样能够将转矩维持为可输出极限。

下面说明如上那样构成的电动机的控制方法和控制装置的作用。

在图9的电流矢量轨迹上说明电动运行动作时的转矩指令的限制动作。

在来自外部的转矩指令值τ₀*以恒转矩曲线1来表示的情况下，电流指令矢量和实际的动作点通过弱磁控制而收敛到电压限制椭圆15与恒转矩曲线1的交点A。在此期间，输入到目标指令限制器110的差Δid_lmt*为零，因此不进行转矩指令的限制动作。

在来自外部的转矩指令值τ₀*以恒转矩曲线3来表示的情况下，与电压限制椭圆15没有交点，因此仅通过弱磁控制是无法消除电压饱和的。因此，如下那样进行转矩指令τ₀*的限制动作。

首先通过弱磁控制，电流指令矢量沿恒转矩曲线3向d轴的负方向移动。在电流指令矢量到达d轴电流指令id*为负的上限值X的点B之后，输入到目标指令限制器110的差Δid_lmt*具有正的值，因此转矩指令逐渐受到限制。在转矩指令受到限制的期间，电流指令矢量一边将d轴电流指令id*保持为负的上限值X(一边在虚线上移动)，一边向电压限制椭圆15上的点C移动。当电流指令矢量到达点C时，电压饱和被消除，电流指令和实际的动作点收敛到点C。

以上为电动运行动作的情况下的动作说明。另一方面，在将转矩指令设为负的值的情况下，是以负的q轴电流对电动机施加制动的再生动作(制动动作)。在再生动作中发生电压饱和的情况下，会导致负的q轴电流比原本的值增大，因此需要通过进行弱磁控制来抑制电动机的感应电压以抑制制动、电流的增大。然而，在再生动作中，在来自外部的转矩指令值超过电动机的可输出极限的极限域中，也需要与电动运行动作同样地对转矩指令值进行限制。

在图11所示的电流矢量轨迹上说明再生动作时的转矩指令的限制动作。如图11所示，再生动作时q轴电流指令为负的值。在此，在来自外部的转矩指令值τ₀*以恒转矩曲线8来表示的情况下，与电压限制椭圆15没有交点，因此仅通过弱磁控制是无法消除电压饱和的。因此，与电动运行动作的情况同样地，利用从弱磁电流指令生成部105到目标指令限制器110的环路动作，对转矩指令进行限制直到与电压限制椭圆15具有切点E的恒转矩曲线7为止。

如上，在本实施方式中，具备弱磁电流指令生成部105和目标指令限制器110，由此在输入了超过电动机的可输出极限的转矩指令值τ₀*的情况下，即使存在电动机常数的变动、偏差，也能够自动且正确地将目标指令值维持为可输出极限，从而能够高稳定且高输出地驱动电动机。在此，弱磁电流指令生成部105基于从电流矢量控制部103向电动机驱动部102的电压指令的绝对值|v*|与第一规定基准值V_lmt的差Δv*来生成弱磁电流指令ids*。另外，目标指令限制器110基于d轴电流指令id₀*比负的上限值id_lmt超出的值即差Δid_lmt*来设定来自外部的转矩指令值τ₀*的限制值。这样，在再生动作时也同样适当地限制了目标指令值，因此能够避免由于流动过多q轴电流而导致产生过电流、过电压、过大的制动转矩的情况，从而能够进行高稳定且高效率的再生动作直到极限域为止。

图2是本发明的实施方式1中的电动机的控制装置的变形例的框图。在图2中，更换了d轴电流指令限制器109和d轴电流指令相加部112的配置，配置了对弱磁电流指令进行限制的弱磁电流指令限制器209来代替d轴电流指令限制器109。在本实施方式中，使电动机的控制装置为图2的结构也能够得到与图1的结构同等的作用和效果。

在图2的结构中，弱磁电流指令限制器209将弱磁电流指令ids*限制为弱磁电流指令的负的上限值ids_lmt与零之间，将弱磁电流指令ids*比负的上限值ids_lmt超出的值Δids_lmt*输出到目标指令限制器110。在此，上限值ids_lmt为通过(式9)计算的值。

[式9]

${\mathrm{ids}}_{\mathrm{lmt}}^{*}={\mathrm{id}}_{\mathrm{lmt}}^{*}-{\mathrm{idu}}^{*}$

图3是本发明的实施方式1中的电动机的控制装置的其它变形例的框图。在图3所示的电动机的控制装置中，构成为使用对q轴电流指令iq*进行限制的q轴电流指令限制器310来代替目标指令限制器。在本实施方式中，使电动机的控制装置为图3的结构也能够得到与图1的结构同样的作用和效果。

(实施方式2)

图4是本发明的实施方式2中的电动机的控制装置的框图。本实施方式在图1所示的实施方式1中的目标指令限制器110的前级插入了滤波器400。其它部分与实施方式1结构相同。

滤波器400对从外部输入的转矩指令τ₀*进行平滑化。平滑化的算法没有特别限定，例如有一阶滞后低通滤波器。平滑化后的转矩指令τ_flt*被输入到目标指令限制器110。

说明滤波器400的作用和效果。

在从外部输入了超过电动机101的可输出极限的转矩指令值τ₀*的情况下，如实施方式1的说明中所述那样，通过由目标指令限制器110对转矩指令值τ₀*进行限制来消除电压饱和。但是，在d轴电流指令id₀*超过上限值id_lmt之前目标指令限制器110不开始动作。也就是说，从开始输入转矩指令τ₀*到开始进行限制为止存在时滞(time lag)。在该时滞期间中，仍从目标指令限制器110输出转矩指令值τ₀*，基于该τ₀*进行转矩控制。

因此，在不存在滤波器400的实施方式1中，若转矩指令τ₀*的变化急剧，则有可能会在输出转矩中产生过冲(overshoot)、下冲(undershoot)。

另一方面，在本实施方式的情况下，利用滤波器400来缓和该时滞期间中的转矩指令τ_flt*的变化，由此能够得到抑制输出转矩的过冲、下冲的效果。

如上，在本实施方式中，通过构成为具备滤波器400的上述结构，除了与实施方式1同样的效果以外，还能够得到抑制输出转矩的过冲、下冲的效果。

(实施方式3)

图5是本发明的实施方式3中的电动机的控制装置的框图。本实施方式在图1所示的实施方式1中追加了电流限制器500，其它部分与实施方式1结构相同。

弱磁控制通过流通负的d轴电流来消除电压饱和。但是，作为其弊端，会招致伴随电动机电流的上升的发热、效率降低。电流限制器500缓和这些弊端。

电流限制器500将d轴电流指令id*代入到(式10)，运算q轴电流指令的绝对值的上限值Iq_lmt，将从q轴电流指令生成部113输出的q轴电流指令iq₀*的绝对值限制为上限值Iq_lmt。也就是说，将q轴电流指令iq*限制为上限值Iq_lmt至下限值-Iq_lmt之间。通过对q轴电流指令iq₀*的绝对值进行限制，无论从外部输入的转矩指令是正的值还是负的值(再生转矩指令)，都作为限制器进行动作。在(式10)中，I_max是将d轴电流与q轴电流合在一起所得的电流矢量的大小的最大值(以下有时称为“最大电流值”。)。

[式10]

${\mathrm{Iq}}_{\mathrm{lmt}}=\sqrt{{I_{\max }}^2-{\mathrm{id}}^{*2}}$

利用电流限制器500进行限制使得将d轴电流与q轴电流合在一起所得的电流的大小不超过最大电流值I_max。因此，能够抑制由于电动机101的电流随着d轴电流的增加而过大地增加所导致的发热、效率恶化的影响。

在图12的电流矢量轨迹上说明本实施方式的动作。

在图12中，d轴电流限制线(虚线)9表示d轴电流指令的负的上限值id_lmt，恒转矩曲线10表示来自外部的转矩指令τ₀*，电流限制圆11表示以坐标原点为中心点的半径I_max的圆。在此，d轴电流限制线9是d轴电流限制器109(图5)的负的上限值id_lmt。

当将动作点的初始位置设为点F时，首先通过弱磁控制，动作点沿恒转矩曲线10向d轴的负方向移动。当动作点到达恒转矩曲线10与电流限制圆11的交点时，利用电流限制器500将电流指令矢量的大小限制为上限值Iq_lmt，动作点沿电流限制圆11移动。当动作点到达电流限制圆11与d轴电流限制线9的交点时，与实施方式1同样地，转矩指令逐渐受到限制，动作点以将d轴电流指令id*保持为负的上限值id_lmt的状态沿d轴电流限制线9移动。当动作点到达电压限制椭圆15与d轴电流限制线9的交点G时，电压饱和被消除，电流指令和实际的动作点收敛到点G。

如上，在本实施方式中，通过构成为具备电流限制器500的上述结构，能够将流过电动机101的电流的大小限制为规定的最大电流值。由此，除了与实施方式1同样的效果，还能够得到缓和由于电动机101的电流随着d轴电流的增加而过大地增加所导致的发热、效率恶化等弊端的效果。

(实施方式4)

图6是本发明的实施方式4中的电动机的控制装置的框图。本实施方式对图1所示的实施方式1中的弱磁电流指令生成部105进行了变形。

图6中的弱磁电流指令生成部605使用电压指令的q轴分量vq*来代替实施方式1中的电压指令的绝对值|v*|。另外，使用电压指令的d轴分量vd*通过(式11)对实施方式1中的第一规定基准值V_lmt进行校正来生成第二规定基准值Vq_lmt。这样，本实施方式的弱磁电流指令生成部605基于从电流矢量控制部103向电动机驱动部102的电压指令的q轴分量vq*与第二规定基准值Vq_lmt的差Δvq*来生成弱磁电流指令ids*。其它部分与实施方式1结构相同。

[式11]

${\mathrm{vq}}_{\mathrm{lmt}}=\sqrt{V_{\mathrm{lmt}}^2-{\mathrm{vd}}^{*2}}$

(式11)具有以下的特征：相对于输出变量vq_lmt，输入变量为一个(vd*)，因此与输入变量有两个的(式2)相比能够降低计算处理负荷。在专利文献3中，记载了如上所述那样构成弱磁电流指令生成部605来进行弱磁控制的方法。但是，即使为这种结构，也能够得到与实施方式1同样的作用和效果。

(实施方式5)

图7是本发明的实施方式5中的电动机的控制装置的框图。本实施方式在图1的实施方式1中追加了速度控制器714，按照从外部输入的速度指令来通过速度控制来驱动电动机。速度控制系统700以外的部分与实施方式1结构相同。

目标指令限制器110将来自外部的速度指令ω₀*限制为电动机101的可输出极限，将限制后的速度指令ω*输出到速度控制器714。

速度控制器714例如通过PI控制来以使所输入的速度指令ω*与电动机101的转速ω的误差为零的方式生成转矩指令τ*。所生成的转矩指令τ*被输出到通常区域d轴电流指令设定部111和q轴电流指令生成部113。

其它处理与实施方式1中所述的转矩控制相同。

在本实施方式中，若构成为限制从速度控制器714输出的转矩指令或者q轴电流指令来代替限制速度指令，则会由于以下所述的理由而动作劣化或变得不稳定。

为了简化说明，图8A中示出了将图7简化所得的框图，图8B中示出了构成为限制转矩指令来代替限制速度指令的结构的框图。另外，图13中示出了使用图8A和图8B这两个结构的情况下的速度轨迹。在图13中，以点线示出的速度指令波形12表示来自外部的速度指令波形，速度波形13表示使用图8A的结构的速度波形，速度波形14表示使用图8B的结构的速度波形。

在图13中，设在需要转矩的加速过程中发生电压饱和，在时间H达到可输出极限。速度波形13、14都在达到可输出极限后由于指令被限制而产生了速度跟踪误差。但是，速度波形13平滑地向速度指令收敛，与此相对，在速度波形14中，在达到速度指令的时间I之后转矩也不收敛，速度发生过冲。这是由于，转矩指令τ₀*被限制的期间的速度跟踪误差被速度控制器714的积分项累积。当像这样在包含积分器的控制环路的内侧对指令信号进行限制时，会产生积分项的饱和(wind up)而响应性劣化或动作变得不稳定。

因而，期望的是，如图7、图8A的结构那样，对比最外缘的控制环更靠外侧的指令信号进行本发明中的指令信号的限制动作。

通过上述的结构，在超过了电动机的可输出极限时，即使存在电动机常数的变动、偏差，也自动且正确地将来自外部的速度指令值ω₀*限制为可输出极限，因此能够高稳定且高输出地驱动电动机。

如以上所说明的那样，本发明的电动机的控制装置具备驱动电动机的电动机驱动部、电流矢量控制部、弱磁电流指令生成部、以及目标指令限制器或者q轴电流指令限制器。电流矢量控制部按照来自外部的目标指令值将电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制。弱磁电流指令生成部基于来自电流矢量控制部的针对电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差来生成对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令。目标指令限制器基于d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定来自外部的目标指令值的限制值。q轴电流指令限制器设定对q轴电流的量进行控制的q轴电流指令的限制值。

由此，在电压指令超过规定基准值的情况下，使负的d轴电流指令增加，在d轴电流指令达到负的上限值但电压指令仍超过规定基准值的情况下，对来自外部的目标指令值或者q轴电流指令进行限制直到电压指令的超过量收敛到零为止。或者，在电压指令的q轴分量超过规定基准值的情况下使负的d轴电流指令增加，在d轴电流指令达到负的上限值但电压指令的q轴分量仍超过规定基准值的情况下，对来自外部的目标指令值或者q轴电流指令进行限制直到电压指令的超过量收敛到零为止。

因此，在输入了超过电动机的可输出极限的目标指令值的情况下，即使存在电动机常数的变动、偏差，也能够自动且正确地将目标指令值或者q轴电流指令维持为可输出极限，从而能够高稳定且高输出地驱动电动机。另外，在再生动作时也同样适当地限制目标指令值，因此能够避免由于流动过多q轴电流而导致产生过电流、过电压、过大的制动转矩的情况，从而能够进行高稳定且高效率的再生动作直到极限域为止。

另外在本发明的电动机的控制装置中，在设定来自外部的目标指令值的限制值的限制器或者设定q轴电流的指令的限制值的限制器的前级部具备对来自外部的目标指令值或者q轴电流的指令进行平滑化的滤波器。由此，能够抑制输出转矩的过冲、下冲。

另外在本发明的电动机的控制装置中，具备电流限制器，该电流限制器根据d轴电流指令的大小来限制q轴电流指令的大小，使得将d轴电流指令与q轴电流指令合在一起所得的电动机的电流指令矢量的大小不超过规定的最大电流值。由此，能够将流过电动机的电流的大小限制为规定的最大电流值。

另外在本发明的电动机的控制装置中，弱磁电流指令生成部的第二规定基准值是使用针对电动机驱动部的电压指令的d轴分量对第一规定基准值进行校正而得到的。

另外在本发明的电动机的控制装置中，将d轴电流指令的负的上限值设定为零。由此，在不使用弱磁控制的情况下，同样即使存在电动机常数的变动、偏差，也能够通过适当地限制来自外部的目标指令值或者q轴电流指令的动作来在电压饱和区域确保稳定的电动运行驱动或者再生动作。

产业上的可利用性

如上，本发明所涉及的电动机的控制装置在被输入超过电动机的可输出极限的目标指令值的情况下，即使存在电动机常数的变动、偏差，也能够自动且正确地将目标指令值或者q轴电流指令维持为可输出极限，因此能够高稳定且高输出地驱动电动机。因此，能够应用于驱动在电压饱和区域驱动的电动机、例如电动机主体和电池的容量受限的车载用电动机、瞬间或者断续地需要大转矩的各种致动器、工作机械用的电动机等的用途。

附图标记说明

1、2、3、4、5、6、7、8、10：恒转矩曲线；9：d轴电流限制线；11：电流限制圆；12：速度指令波形；13、14：速度波形；15：电压限制椭圆；101：电动机；102：电动机驱动部；103：电流矢量控制部；104：输出电压运算部；105、605：弱磁电流指令生成部；106：积分器；107：比例器；108：d轴电流上限值运算部；109：d轴电流指令限制器；110：目标指令限制器；111：通常区域d轴电流指令设定部；112：d轴电流指令相加部；113：q轴电流指令生成部；209：弱磁电流指令限制器；310：q轴电流指令限制器；400：滤波器；500：电流限制器；604：基准电压校正部；700：速度控制系统；714：速度控制器；800：电流(转矩)控制系统；801：弱磁控制系统；904：饱和检测器；905：饱和积分器；912：d轴电流选择器；914：目标指令的限制值运算部。

Claims (5)

1.一种电动机的控制装置，具备：

电动机驱动部，其驱动电动机；

电流矢量控制部，其按照来自外部的目标指令值将上述电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制；

弱磁电流指令生成部，其基于来自上述电流矢量控制部的针对上述电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者上述电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差，来生成对上述d轴电流的量进行控制的d轴电流指令；以及

基于上述d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定上述来自外部的目标指令值的限制值的目标指令限制器、或者设定对上述q轴电流的量进行控制的q轴电流指令的限制值的q轴电流指令限制器。

2.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

还具备滤波器，该滤波器对上述来自外部的目标指令值或者上述q轴电流指令进行平滑化。

3.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

还具备电流限制器，该电流限制器根据上述d轴电流指令的大小来限制上述q轴电流指令的大小，使得将上述d轴电流指令与上述q轴电流指令合在一起所得的电动机的电流指令矢量的大小不超过规定的值。

4.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

上述弱磁电流指令生成部的上述第二规定基准值是使用针对上述电动机驱动部的上述电压指令的d轴分量对上述第一规定基准值进行校正而得到的。

5.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

将上述d轴电流指令的上限值设定为零。

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