CN103718454A - 永磁同步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

Abstract

本发明所涉及的永磁同步电动机的电动机常数计算方法包括以下步骤：电压施加步骤，将直流成分和交流成分合成所得的施加电压改变交流成分的频率来施加到永磁同步电动机；电流检测步骤，检测与所施加的施加电压相应地流动的电动机电流；相位差计算步骤，计算施加电压的交流成分与电动机电流的交流成分的相位差；以及电动机常数计算步骤，计算永磁同步电动机的电动机常数。而且，在电动机常数计算步骤中，基于相位差变为45度附近时的施加电压和电动机电流来计算电动机常数。

Description

永磁同步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

本发明涉及一种计算永磁同步电动机的电动机常数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

为了高精度地控制永磁同步电动机，掌握电枢电阻、电感之类的电动机常数是很重要的。例如，在以不使用磁极位置传感器的方式控制这种电动机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，在进行矢量控制的控制中，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。

已知数种不使电动机旋转而求出这种电动机的电动机常数以容易地求出该电动机常数的技术。例如已知专利文献1。该技术中，流通直流电流而基于此时的输入电压和输入电流来求出绕组电阻。与此同时，提取流通交流电流时的输入电压和输入电流的基波成分，基于电压和电流各自的大小以及两者的相位差来求出电感。

另外，作为另一技术已知专利文献2。该技术中，首先，存储流通大小两个水平的直流电流时的电压。然后，通过将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。与此同时，使电压从基于较大一方的电流水平的电压值骤变为基于较小一方的电流水平的电压值。测量直到该骤变时的电流变为规定值为止的时间，基于该时间和绕组电阻来计算电感。

然而，在如专利文献1那样的方法中，直到直流电流变为稳定状态为止需要时间。另外，在电阻和电感的测量中使用了各自不同的试验信号，测量需要时间。另外，若不适当地设定为了求出电感而流通的交流电流的频率，则相位差的检测精度会降低，结果导致测量结果的误差变大。

在专利文献2中，流通直流电流而直到其变为稳定状态为止也需要时间。另外，在电阻和电感的测量中使用了各自不同的试验信号，测量需要时间。另外，在使电压值骤变来测量直到电流变为规定值为止的时间的情况下，水平判断、时间测量中易于包含误差。另外，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

本发明的永磁同步电动机的电动机常数计算方法包括以下步骤：电压施加步骤，将直流成分和交流成分合成所得的施加电压改变交流成分的频率来施加到永磁同步电动机；电流检测步骤，检测与所施加的施加电压相应地流动的电动机电流；相位差计算步骤，计算施加电压的交流成分与电动机电流的交流成分的相位差；以及电动机常数计算步骤，计算永磁同步电动机的电动机常数。而且，在电动机常数计算步骤中，基于相位差变为45度附近时的施加电压和电动机电流来计算电动机常数。另外，在电压施加步骤中，也可以还使用不同的多个直流成分。

另外，本发明的电动机常数计算装置具有执行这种电动机常数计算方法的各步骤的功能。

通过这种结构，能够在短时间内高精度地计算永磁同步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中的结构的框图。

图2是表示本发明的实施方式1中的处理流程的流程图。

图3是用于说明单相通电状态的等效电路图。

图4是用于说明电压与电流的相位差的时间波形图。

图5是表示永磁同步电动机的传递函数的频率特性的图。

图6是表示本发明的实施方式2中的处理流程的流程图。

图7是表示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)

图1是表示用于实施本发明的实施方式1中的电动机常数计算方法的结构例的框图。该框图仅示出了电动机常数计算所需的功能部分。即，在图1中，示出了为了计算永磁同步式的电动机即永磁同步电动机(以下适当地只称为电动机)12的电动机常数而具备电压指令生成部11、逆变器13、电流检测器14a、14b、电流检测部15以及电动机常数计算部16的一例。

说明图1中的各功能块的功能和功能块之间的关系。

首先，电动机12具有永磁体(未图示)和缠绕在铁芯等上的绕组(未图示)。在作为普通的电动机进行动作时，从逆变器13向该绕组施加交流电力，由此转子进行旋转动作。在图1中，列举了以U相、V相、W相的三相交流电力来驱动电动机12的结构例。

另外，电压指令生成部11生成为了计算电动机常数而对电动机12施加的电压指令。逆变器13接收从电压指令生成部11输出的电压指令来对电动机12施加按照指令的电压。电流检测器14a和14b检测从逆变器13流向电动机12的电动机电流。电流检测部15将由电流检测器14a和14b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16被输入作为电压指令生成部11的输出的电压指令和作为电流检测部15的输出的电动机电流检测值，计算电动机12的电动机常数。

接着，使用图2～图5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中的电动机常数计算方法的处理流程的流程图。

当开始电动机常数计算处理时，首先由逆变器13对电动机12施加直流电压，进行转子的引入(引き込み)。永磁同步电动机由于转子中存在磁体而有时会由于电压的施加而旋转。在本实施方式中，为了在转子静止的状态下进行电动机常数的计算，首先，从逆变器13施加直流电压，将转子引入到规定位置(步骤S101)。例如对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。图3中示出了引入后的电动机12的等效电路。如图3所示，将电动机12中的U相、V相以及W相的绕组进行Y型接线。然后，由于转子未旋转，因此绕组由相电阻R和相电感L形成，U-VW之间被施加单相的电压。此时成为电流轴(d轴)与磁极轴一致的状态。

接着，电压指令生成部11生成为了计算电动机常数而对电动机12施加的电压指令。具体地说，通过如下式(式1)所示那样将直流成分V0与交流成分Vn(t)合成，来生成将两个成分相加得到的电压指令Vs(t)(步骤S102)。作为交流成分Vn(t)，使用正弦波信号。

[式1]

Vs(t)=V0-Vn(t)   (式1)

接着，基于由电压指令生成部11生成的电压指令Vs(t)，与引入时同样地向U-VW之间施加单相的电压。例如，向U相施加Vs(t)的电压，并向V相、W相施加-Vs(t)/2的电压来作为施加电压(步骤S103)。通过这样，根据电压指令Vs(t)流通的电流流过与磁极轴相同的d轴，不产生使转子旋转的转矩。即，能够在转子静止的状态下进行用于计算电动机常数的数据测量。

然后，电流检测器14a、14b和电流检测部15检测在步骤S103的施加电压时流动的电动机电流Is(t)。

接着，对作为电压指令的施加电压Vs(t)和作为此时的响应的电动机电流Is(t)进行测量(步骤S104)。电动机电流Is(t)为与单相电压的施加相对的电动机电流，因此测量U相电流。

接着，计算施加电压Vs(t)的交流成分与电动机电流Is(t)的交流成分的相位差(步骤S105)。相位差计算例如如下：使施加电压Vs(t)和电动机电流Is(t)分别通过以交流成分Vn(t)的频率为中心频率的带通滤波器等来提取交流成分，基于过零时刻的时间差来计算相位差。使用图4来说明。在图4中，示出了所提取的施加电压Vs(t)和电动机电流Is(t)的交流成分的时间轴数据。获取施加电压Vs(t)和电动机电流Is(t)的交流成分的过零时刻的时间差T2，并基于作为交流成分的周期的T1来利用下式(式2)能够计算出相位差θ_diff。

[式2]

θ_diff=360×(T2/T1)  (式2)

接着，判断相位差θ_diff是否为45度(步骤S106)。如果θ_diff不是45度，则改变电压指令Vs(t)的交流成分Vn(t)的频率(步骤S107)，重复步骤102以后的步骤。作为改变频率的方法，有使频率从高频依次降低等方式。在后面有所叙述，相位差相对于频率具有单调增加特性，因此相位差由频率唯一决定。如果相位差θ_diff是45度，则计算此时的施加电压Vs(t)与电动机电流Is(t)之间的关系(步骤108)。具体地说，计算表示电流Is(t)相对于施加电压Vs(t)的大小的振幅比|Is(t)/Vs(t)|。

最后，使用作为施加电压Vs(t)与电动机电流Is(t)之间的关系的上述的振幅比计算电动机常数(步骤S109)。

在此，说明基于相位差为45度时的施加电压和电动机电流进行的电动机常数计算。

在施加了电压Vs(t)时，电动机12的绕组的等效电路如图3所示，用下式(式3)来表示传递函数。

[式3]

$\frac{\mathrm{Is}}{\mathrm{Vs}}=\frac{(1/R)}{(L/R)s+1}$    (式3)

这是截止频率为R/L、DC增益为1/R的一阶滞后特性。图5中示出了(式3)所示的传递函数的频率特性。在图5中，上图表示相对于频率的增益特性，下图表示相对于频率的相位特性。如图5所示，相位特性相对于频率具有单调减少特性。另外，截止频率是相位差为45度时的频率，因此基于步骤S106中得到的相位差为45度时的频率能够得到截止频率R/L。另外，一阶滞后特性的截止频率下的增益为相对于DC增益低约3dB的值。图5中的增益特性的纵轴与振幅比等效，因此只要对步骤S108中得到的振幅比的值加上3dB就可以得到DC增益1/R。然后，基于得到的R/L和1/R来计算电气时间常数L/R、电阻值R、电感值L。此时，测量的电感为d轴的电感。

此外，在本实施方式中，说明了使用相位差为45度时的电压指令和电动机电流的值来计算电动机常数的例子，但是也可以使用相位差为45度附近时的电压指令和电动机电流的值。即，如图5所示，相位差为45度的点处相位的变化最为急剧。因此，只要为45度附近，步骤S106中得到的频率就不会有大的差异，能够得到足够高的计算精度。

如上，在本实施方式的电动机常数计算方法中，具有以下步骤：将直流成分和交流成分合成所得的施加电压改变交流成分的频率来施加到永磁同步电动机；检测与施加电压相应地流动的电动机电流；计算施加电压的交流成分与电动机电流的交流成分的相位差；以及基于相位差变为45度附近时的施加电压和电动机电流来计算永磁同步电动机的电动机常数。

本电动机常数计算方法构成为这种结构，为了计算电动机常数，只要施加将直流成分和改变频率后的交流成分合成所得的施加电压，并检测此时的电动机电流即可。因此，与如以往那样的要等到电动机电流变为稳定状态为止、或者施加多个试验信号等方法相比，能够大幅缩短时间。另外，由于使用施加电压和电动机电流的交流成分来计算电动机常数，因此噪声的影响等被分离出，能够计算出精度高的电动机常数。另外，如图5所示，相位差45度的点是相位变化最急剧的点，因此能够高精度地确定频率，作为结果能够高精度地计算电动机常数。另外，仅使用施加电压与电动机电流的相位差为45度的点处的电压振幅和电流振幅的数据以及频率就能够计算电动机常数，因此能够减少数据存储容量。

(实施方式2)

根据电动机不同，也存在以下的电动机：由于磁饱和等的影响，电感值与电动机电流的大小相应地发生变化。对于这种电动机而言，由于在实施方式1的计算方法中只计算一个值，因此不能说计算出正确的电感值。

在本实施方式中，在向永磁同步电动机施加电压的步骤中，通过使用不同的多个直流成分来高精度地计算与电动机电流相应的电感值。即，在本实施方式中，在计算电动机常数时，改变施加电压中的交流成分的频率，并且也改变直流成分的电压。

下面，使用图6、图7来说明本实施方式中的电动机常数计算方法的动作和作用。此外，实施方式2中的结构与实施方式1相同，省略说明。

图6是表示本发明的实施方式2中的处理流程的流程图。在图6中，步骤S101至步骤S109进行与上述的图2相同的处理。但是，在步骤S202中，在每个处理循环中改变直流成分V0的电压，从而如上所述那样也改变直流成分的电压。并且，在图6中，在实施方式1中说明的图2中追加了步骤S207。

在步骤S207中，首先确认在步骤S202中生成电压指令Vs(t)时是否已将设有多个的直流成分全部设定。如果存在尚未设定的直流成分V0的值，则选择未设定的值中的一个值，返回到步骤S202。另外，在所有值的设定均已完成的情况下，结束电动机常数的计算。

通过设定多个直流成分V0，能够得到多个所检测的电动机电流的平均值与所计算出的电感值之间的关系。通过使用这些求出如图7那样的关系，从而能够计算出与电动机电流相应的电感值。

此外，实施方式1、2中说明了永磁同步电动机的电动机常数计算方法，但是只要使同样的功能进行动作，则可以使用任何结构、具体实现手段。例如，也可以构成为将图1的框图中的电动机12以外的功能块作为电动机的控制装置的一个功能来嵌入，通过设定来使其发挥功能，还可以将电压指令生成部11和电动机常数计算部16构成为与电动机的控制装置连动的PC应用软件。

另外，将引入处理(步骤S101)中的施加电压设为Va，但是只要进行引入，则可以使用任意不同的值。

另外，说明了使用相位差为45度时的施加电压和电动机电流的值来计算电动机常数的例子，而如图5所示，相位差为45度的点处相位的变化最为急剧。因此，只要为45度附近，步骤S106中得到的频率就不会有大的差异，因此也可以使用相位差为45度附近时的施加电压和电动机电流的值。

另外，在基于施加电压Vs(t)响应出电动机电流Is(t)的关系中存在电动机以外的要素、例如滤波处理、延迟要素等的情况下，也可以对其影响进行补偿后进行计算。由此，能够得到精度更高的计算结果。

另外，也可以在引入处理(步骤S101)之后，将电动机的转子固定，在步骤S103中，在相对于引入处理后的磁极位置而言电相位不同的方向上施加电压Vs(t)，并检测在该方向上流动的电动机电流。例如，也可以对U相施加0伏、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位置而言电相位相差90°的轴(q轴)、即V-W之间施加单相电压，并检测该方向即V相的电流。由此，关于电动机常数根据磁极位置而变化的永磁同步电动机、例如嵌入磁体型的永磁同步电动机等，通过在步骤S103中任意地设定施加电压Vs(t)的电相位，能够高精度地计算与磁极位置相应的电动机常数。特别是通过对q轴施加电压指令Vs(t)来计算电动机常数，从而能够计算q轴电感。

另外，在实施方式1、2中示出了求出d轴电感的例子，但是在电感值不根据磁极位置而变化的永磁同步电动机的情况下，能够将所计算的d轴电感作为q轴电感。由此，无需将转子固定就能够计算q轴电感。

如上，本发明所涉及的永磁同步电动机的电动机常数计算方法包括以下步骤：电压施加步骤，将直流成分和交流成分合成所得的施加电压改变交流成分的频率来施加到永磁同步电动机；电流检测步骤，检测与所施加的施加电压相应地流动的电动机电流；相位差计算步骤，计算施加电压的交流成分与电动机电流的交流成分的相位差；以及电动机常数计算步骤，计算永磁同步电动机的电动机常数。而且，在电动机常数计算步骤中，基于相位差变为45度附近时的施加电压和电动机电流来计算电动机常数。另外，在电压施加步骤中，也可以还使用不同的多个直流成分。

另外，本发明的电动机常数计算装置具有执行这种电动机常数计算方法的各步骤的功能。

本发明的电动机常数计算方法以及电动机常数计算装置具有这样的步骤，因此能够在短时间内高精度地计算永磁同步电动机的电动机常数。

产业上的可利用性

本发明能够在短时间内高精度地计算永磁同步电动机的电动机常数，因此能够普遍应用于需要电动机常数的永磁同步电动机的控制装置中。

附图标记说明

11：电压指令生成部；12：电动机；13：逆变器；14a、14b：电流检测器；15：电流检测部；16：电动机常数计算部。

Claims (4)

1.一种永磁同步电动机的电动机常数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

电压施加步骤，将直流成分和交流成分合成所得的施加电压改变上述交流成分的频率来施加到永磁同步电动机；

电流检测步骤，检测与所施加的上述施加电压相应地流动的电动机电流；

相位差计算步骤，计算上述施加电压的交流成分与上述电动机电流的交流成分的相位差；以及

电动机常数计算步骤，计算上述永磁同步电动机的电动机常数，

其中，在上述电动机常数计算步骤中，基于上述相位差变为45度附近时的上述施加电压和上述电动机电流来计算上述电动机常数。

2.根据权利要求1所述的永磁同步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，还改变上述直流成分的电压来将上述施加电压施加到上述永磁同步电动机。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步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，计算电气时间常数、电阻值以及电感值中的至少一个以上来作为上述永磁同步电动机的电动机常数。

4.一种电动机常数计算装置，具有执行根据权利要求1～3中的任一项所述的永磁同步电动机的电动机常数计算方法的各步骤的功能。

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