CN103856121A - 同步电动机的磁极位置检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步电动机的磁极位置检测装置，其具备：电压指令单元，其生成d q坐标系上的高频电压指令；三相变换单元，其利用推定磁极位置将d q坐标系上的高频电压指令变换为三相坐标系上的高频电压指令；电流检测单元，其对来自基于高频电压指令而生成同步电动机的驱动电力的电力变换器的三相电流进行检测；d q变换单元，其使用所述推定磁极位置，将检测出的三相电流变换为d q坐标系上的电流；推定磁极位置计算单元，其基于d q坐标系上的电流和d q坐标系上的高频电压指令，来计算在三相变换和d q变换中新使用的推定磁极位置；以及磁极位置确定单元，其将所计算的推定磁极位置发生了收敛的位置确定为同步电动机的启动时的磁极位置。

Description

同步电动机的磁极位置检测装置

技术领域

本发明涉及对同步电动机启动时的磁极位置进行检测的磁极位置检测装置。

背景技术

在具有永磁铁的同步电动机中，需要对应于转子的磁极位置来使电流流过各相线圈，并使发生所希望的转矩，因此，利用编码器等传感器来检测转子的磁极位置，并进行控制以使电流流过合适的励磁相位（磁极位置）。图7A和图7B是说明具有永磁铁的同步电动机中磁极位置的检测的示意图。在图7A所示的同步电动机100中，转子中设置了永磁铁101，定子中设置了电枢线圈102U、102V以及102W。此外，在图7B中，并未具体图示出电枢线圈的卷数和卷绕方式，而代表性示出了发生U相、V相和W相的三相旋转磁场的线圈，此外，并未具体图示出永磁铁的形状和配置位置，而仅示出了具有N极和S极的永磁铁。在图7A示出的位置处存在转子的情况下，如果将该转子在d q坐标平面上表示，则成为如图7B所示那样。例如，在启动时同步电动机100的转子101的磁极位于如图7B所示从d轴仅偏移了角度δ的位置（以下，称为“磁极初始位置”）的情况下，使用磁极初始位置对通过传感器检测出的数据进行修正，使用修正后的数据来控制电枢线圈102U、102V和102W的电流相位（励磁相位），由此来控制转子的旋转。

在为了对通过传感器检测出的数据进行修正而使用的磁极初始位置不准确的情况下，则成为使用不准确的数据来进行同步电动机的旋转控制的情况，因此，有时有在同步电动机的驱动时的转矩常数中产生偏差，或者不能发生最大转矩的情况。特别地，在磁场减弱控制旋转到所需要的高速的情况下，如果磁极初始位置中存在偏移则不能使合适的d相电流流动，因此，施加至同步电动机的驱动电压不足，控制变得不稳定。由于这样的理由，在同步电动机的控制中，准确地检测启动时的磁极初始位置是重要的。因此，例如，有时使用能够将磁极位置作为绝对值进行检测的传感器，并在安装该传感器时进行磁极对位的操作。此外，或者，为了不进行这样的操作，在同步电动机启动时等利用电动机控制装置来执行磁极位置检测处理。

作为磁极位置检测处理的方法，提出了各种方法。例如，如日本专利第3408468号公报中记载，提出了一种方法，该方法使短时电流流过预定的定子励磁相位，并基于此时转子的旋转方向，改变励磁相位来同样地使短时电流流动，通过对其进行重复来检测磁极位置。

此外，例如，如日本专利第3805336号公报中记载，提出了一种方法，该方法在具有显极性的同步电动机中，输入高频电压指令，使励磁相位变化，同时观测电流反馈，由此来检测磁极位置。

此外，不限于同步电动机的启动时的磁极位置的检测，还存在如日本特开2002-136174号公报中记载的，不使用传感器地进行同步电动机的稳定运转时的旋转控制的方法。根据日本特开2002-136174号公报中记载的方法，使用PLL电路，使同步电动机中发生的反向电压的相位与电压指令的相位一致，由此来实现无传感器控制。

根据上述日本专利第3408468号公报中记载的方法，存在这样的问题，即，由于需要使转子发生微小旋转，因此，磁极初始位置的检测精度受到转子的摩擦或惯性的影响，在转子被锁定的这样的情况下无法进行检测。

此外，根据上述日本专利第3805336号公报中记载的方法，需要对应于同步电动机的显极性的大小来调整输入的高频电压指令的大小，在显极性小的情况下，存在磁极初始位置的检测精度恶化的问题。此外，还存在如下问题，即，由于对电流反馈进行微分后进行滤波处理，进而根据其振幅的大小关系来检测磁极位置，因此易于受到噪音影响。

此外，上述日本特开2002-136174号公报中记载的方法，为了利用反向电压，需要使同步电动机的转子旋转，在想要使用该方法进行磁极初始位置的检测时，与上述日本专利第3408468号公报的情况同样地，存在如下问题，即，磁极初始位置的检测精度受到转子的摩擦或惯性的影响，转子被锁定的情况下，无法进行检测。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种能够高精度地检测同步电动机的启动时的磁极位置，且不易受到噪音影响的磁极位置检测装置。

为了实现上述目的，检测同步电动机的启动时的磁极位置的磁极位置检测装置，具备：电压指令单元，其生成d q坐标系上的高频电压指令；三相坐标变换单元，其利用推定磁极位置将d q坐标系上的高频电压指令变换为三相坐标系上的高频电压指令；电流检测单元，其对从基于三相坐标系上的高频电压指令而生成同步电动机的驱动电力的电力变换器流向该同步电动机的三相电流进行检测；d q坐标变换单元，其使用在三相坐标变换单元的变换中所使用的推定磁极位置，将通过电流检测单元检测出的三相电流变换为d q坐标系上的电流；推定磁极位置计算单元，其基于d q坐标系上的电流和d q坐标系上的高频电压指令，来计算在三相坐标变换单元和d q坐标变换单元的坐标变换处理中新使用的推定磁极位置；磁极位置确定单元，其将通过推定磁极位置计算单元计算的推定磁极位置基本上收敛于一定位置时的位置，确定为同步电动机的启动时的磁极位置。

优选地，d q坐标系上的高频电压指令由高频的d相成分与振幅为零的q相成分构成，推定磁极位置计算单元基于d q坐标系上的电流中的q相成分与高频的d相成分，来计算新使用的推定磁极位置。

推定磁极位置计算单元，还可以具备：微分计算单元，其计算d q坐标系上的电流的值的微分；积计算单元，其计算通过微分计算单元进行微分后的电流的值与d q坐标系上的高频电压指令的积；滤波器单元，其从积计算单元的计算结果中除去高频成分；增益单元，其计算通过滤波器单元除去了高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积；积分计算单元，其计算来自增益单元的输出结果的积分，将其计算结果作为新使用的推定磁极位置来输出。

推定磁极位置计算单元，还可以具备：相位偏移单元，其使d q坐标系上的高频电压指令的相位发生偏移；积计算单元，其计算d q坐标系上的电流的值与通过相位偏移单元使相位发生了偏移的高频电压指令的积；滤波器单元，其从积计算单元的计算结果中除去高频成分；增益单元，其计算通过滤波器单元除去高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积；以及积分计算单元，其计算来自增益单元的输出结果的积分，并将其计算结果作为新使用的推定磁极位置来输出。

附图说明

通过参照以下附图，可更明确地理解本发明。

图1是第1实施例的磁极位置检测装置的原理框图。

图2是说明αβ坐标上的转子的实际位置与通过安装于同步电动机的传感器检测出的转子位置的关系的图。

图3是表示第1实施例的磁极位置检测装置的动作流程的流程图。

图4是第2实施例的磁极位置检测装置的原理框图。

图5是表示第2实施例的磁极位置检测装置的动作流程的流程图。

图6是表示磁极位置检测装置的动作的仿真结果的图。

图7A和图7B是说明具有永磁铁的同步电动机中磁极位置的检测的示意图。

具体实施方式

以下参照附图，来说明同步电动机的磁极位置检测装置。但是，本发明不应理解为受限于附图或以下说明的实施方式。

图1是第1实施例的磁极位置检测装置的原理框图。以下，在不同的附图中，附带了相同参考标号的结构要素意味着是具有相同功能的结构要素。

对具有永磁铁的同步电动机2启动时的磁极初始位置进行检测的第1实施例的磁极位置检测装置1，设置于控制同步电动机2的旋转的电动机控制装置（未图示）内，但是也可以实现为将其作为自身单元的形式，而以之后安装的方式安装在现存电动机控制装置中。磁极位置检测装置1在进行同步电动机2的旋转控制之前，即在同步电动机2的启动时，检测同步电动机2的转子的磁极初始位置（励磁初始相位）。在对同步电动机2进行旋转控制时，图1表示的开关SW切换为使得电流控制部17与三相坐标变换单元12闭合。这种情况下，电流控制部17根据输入的d相电流指令和q相电流指令、将通过电流检测单元13检测出的从电力变换器（放大器）3流向同步电动机2的三相电流进行d q坐标变换后的电流值以及通过传感器18检测出的同步电动机2的转子的磁极位置θs，来生成用于控制电力变换器3的d相电压指令和q相电压指令，从而输出为了得到同步电动机2的所希望的旋转速度和转矩而需要的驱动电力。在该电流控制部17的处理中，通过传感器18检测出的同步电动机2的转子的磁极位置θs，使用了用通过磁极位置检测装置1检测出的磁极初始位置来修正的位置。即，根据该经修正的磁极位置数据来控制同步电动机2的旋转。由电流控制部17生成的d相电压指令和q相电压指令，通过三相坐标变换单元12被坐标变换为UVW相的三相电压指令，并被输入至电力变换器3。电力变换器3，例如是将直流变换为三相交流的三相逆变器，通过基于输入的三相电压指令来控制内部的开关元件（未图示）的开关动作，将输入的直流变换为同步电动机2的驱动电力即三相交流。

这样，在同步电动机2的正常运转时的旋转控制的情况下，切换开关SW以使电流控制部17与三相坐标变换单元12闭合。另一方面，在为了检测同步电动机2启动时的磁极初始位置而磁极位置检测装置1进行动作的情况下，切换图1表示的开关SW，以使电压指令单元11和三相坐标变换单元12闭合。

磁极位置检测装置1利用具有永磁铁的同步电动机2的显极性和PLL（锁相环）的原理，来检测同步电动机2的启动时的磁极初始位置。以下，说明磁极位置检测装置1的结构。

第1实施例的磁极位置检测装置1，具备：电压指令单元11、三相坐标变换单元12、电流检测单元13、d q坐标变换单元14、推定磁极位置计算单元15、磁极位置确定单元16。这些电压指令单元11、三相坐标变换单元12、电流检测单元13、d q坐标变换单元14、推定磁极位置计算单元15以及磁极位置确定单元16，在电动机控制装置（未图示）内的运算处理装置中以软件形式来实现，但是在磁极位置检测装置1以其自身单元来实现的情况下，在磁极位置检测装置1内的运算处理装置中以软件的形式来实现。

电压指令单元11生成d q坐标系上的高频电压指令。d q坐标系上的高频电压指令由高频的d相成分与振幅为零的q相成分构成。

三相坐标变换单元12使用推定磁极位置（推定励磁相位）将d q坐标系上的高频电压指令变换为三相坐标系上的高频电压指令。

电流检测单元13对从基于三相坐标系上的高频电压指令而生成同步电动机2的驱动电力的电力变换器3流向该同步电动机2的三相电流进行检测。

d q坐标变换单元14利用三相坐标变换单元12的变换中所使用的推定磁极位置，将通过电流检测单元13检测出的三相电流变换为d q坐标系上的电流。

推定磁极位置计算单元15基于d q坐标系上的电流和d q坐标系上的高频电压指令，来计算在三相坐标变换单元12和d q坐标变换单元14的坐标变换处理中新使用的推定磁极位置。如上述，电压指令单元11生成由高频的d相成分与振幅为零的q相成分构成的d q坐标系上的高频电压指令，但是，推定磁极位置计算单元15根据d q坐标系上的电流中的q相成分和高频的d相成分，来计算新使用的推定磁极位置。

在第1实施例中，推定磁极位置计算单元15，具备：微分计算单元21、积计算单元22、滤波器单元23、增益单元24、积分计算单元25。微分计算单元21计算通过d q坐标变换单元14计算出的d q坐标系上的电流的值的微分。积计算单元22计算通过微分计算单元21微分后的电流的值与d q坐标系上的高频电压指令的积。滤波器单元23是从积计算单元22的计算结果中除去高频成分的低通滤波器（LPF）。增益单元24计算通过滤波器单元23除去了高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积。积分计算单元25计算来自增益单元24的输出结果的积分，将该计算结果作为新使用的推定磁极位置来输出。

磁极位置推定单元16将通过推定磁极位置计算单元15计算的推定磁极位置基本上收敛于一定位置时的位置，确定为同步电动机2的启动时的磁极位置。

磁极位置检测装置1利用具有永磁铁的同步电动机2的显极性和PLL（锁相环）的原理，来检测同步电动机2的启动时的磁极位置。以下，对动作原理进行说明。

图2是说明αβ坐标上的转子的实际位置与通过装配于同步电动机的传感器检测出的转子位置的关系的图。在旋转坐标系即αβ坐标上，如图2所示，在某时间点转子实际存在于从α轴仅仅偏移了θ的位置的情况下，考虑传感器18的检测结果示出了转子位置位于从α轴仅仅偏移了ρ的位置的情况。即，考虑了在实际的转子位置θ与传感器18示出的转子位置ρ之间产生了以“ρ-θ”表示的偏移（偏差）的情况。

如果将具有2相线圈的显极性的转子的αβ坐标上的电流设为i_α和i_β、将产生的磁通量设为λ_α和λ_β、将d轴上的感应系数设为L_d、将q轴上的感应系数设为L_q、将各感应系数L_d和L_q的直流部分设为L₀、脉冲部分设为L₂、将永磁铁的磁通量设为φ，则旋转坐标系即αβ坐标系上的实际的转子位置θ由式1所示的函数来表示。

λ_α＝(L₀+L₂·cos2θ)·i_α+L₂·sin2θ·i_β+φ·cosθ

λ_β＝L₂·sin2θ·i_α+(L₀-L₂·cos2θ)·i_β+φ·sinθ…（1）

这里，L_d=L₀+L₂

L_q=L₀-L₂

L_q>L_d

如果对于式1中的θ，代入实际的转子位置与通过传感器18检测出的转子位置的偏差即“ρ-θ”，并将其变换至d q坐标上，则成为式2。

λ_d＝(L₀+L₂cos2(ρ-θ))·i_d-L₂sin2(ρ-θ)·i_q+φcos(ρ-θ)

λ_q＝-L₂sin2(ρ-θ)·i_d+(L₀-L₂cos2(ρ-θ))·i_q-φ·sin(ρ-θ)…（2）

将式2变形为d q坐标轴上的电压V_d和V_q的式子，则得到式3。

$\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{Rs}+{\mathrm{pL}}_{\mathrm{dc}}+{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dqc}}-{\mathrm{pL}}_{\mathrm{dqc}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{qc}}\\ -{\mathrm{pL}}_{\mathrm{dqc}}+{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dc}},\mathrm{Rs}+{\mathrm{pL}}_{\mathrm{qc}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dqc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+\mathrm{\ω\φ}\left[\begin{array}{c}\sin (\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\\ \cos (\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\end{array}\right]---\left(3\right)$

这里，L_dc=L₀+L₂cos2(ρ-θ)

L_qc=L₀-L₂cos2(ρ-θ)

L_dqc=L₂sin2(ρ-θ)

p=d/dt

将式3进行微分，变形为电流的式子，则得到式4。在式4中，设转子的旋转速度为ω。

$p\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{1}{L_d\·L_q}\left[\begin{array}{cc}{L}_{\mathrm{qc}}& L_{\mathrm{dqc}}\\ L_{\mathrm{dqc}}& L_{\mathrm{dc}}\end{array}\right]\{\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\mathrm{Rs}+{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dqc}}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dc}}\\ {\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dc}},\mathrm{Rs}-{\mathrm{\ωL}}_{\mathrm{dqc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]-\mathrm{\ω\φ}\left[\begin{array}{c}\sin (\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\\ \cos (\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\end{array}\right]\}\·\·\·\left(4\right)$

如上述，电压指令单元11生成由高频的d相成分V_dh=Vsinγt和振幅为零的q相成分构成的电压指令作为d q坐标系上的高频电压指令，并将其代入式4。式4中右边的第2项对高频不影响，因此可以忽略，此外由于是同步电动机2的启动时因此转子处于静止，因此设ω=0，则得到式5。

$p\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\frac{1}{L_d\·L_q}\left[\begin{array}{cc}{L}_{\mathrm{qc}}& L_{\mathrm{qdc}}\\ L_{\mathrm{qdc}}& L_{\mathrm{dc}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}V\sin \mathrm{\γt}\\ 0\end{array}\right]\·\·\·\left(5\right)$

根据由电压指令单元11生成的d q坐标系上的高频电压指令来使电力变换器3动作时，通过电流检测单元13检测3相电流。利用推定磁极位置计算单元15内的微分计算单元21，对通过d q坐标变换单元14将检测出的3相电流变换为d q坐标上的电流后的q相成分的电流进行微分，微分之后的值相当于式5的pi_q。推定磁极位置计算单元15内的积计算单元22计算通过微分计算单元21得到的式5的pi_q中的i_q与d q坐标系上的高频电压指令中的d相成分V_dh=Vsinγt的积，之后，通过推定磁极位置计算单元15内的滤波器单元23除去高频载波部分cos2γt后，提取式6所示的成分。

$\begin{array}{c}{\mathrm{pi}}_q\·V_{\mathrm{dh}}=\frac{1}{L_d\·L_q}{L}_2\sin 2(\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\·V^2\·{\left(\sin \mathrm{\γt}\right)}^2\\ \→{\mathrm{pi}}_q\·V_{\mathrm{dh}}=\frac{V^2}{2\·L_d\·L_q}{L}_2\sin 2(\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\·(1-\cos 2\mathrm{\γt})\\ \→f_d={\mathrm{pi}}_q\·V_{\mathrm{dh}}=\frac{V^2}{4\·L_d\·L_q}(L_d-L_q)\·\sin 2(\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\end{array}\·\·\·\left(6\right)$

由式6可知，包含了实际的转子位置θ与通过传感器18检测出的转子位置ρ之间的相位差即“ρ-θ”的成分。在第1实施例中，设式1-6中的ρ为推定磁极位置，将基于式6的相位差通过增益单元24乘以预定的增益，对新的推定磁极位置设定通过积分计算单元25进行积分后的值，并将其用于三相坐标变换单元12和d q坐标变换单元14的坐标变换处理中。适当地选择增益单元24的增益，由此，从积分计算单元25输出的值以某时间常数收敛于一定值，因此，磁极位置确定单元16将从推定磁极位置计算单元15的积分计算单元25输出的推定磁极位置基本上收敛于一定位置之后的位置，确定为同步电动机2的启动时的磁极初始位置。

磁极位置检测装置1，通过具备上述结构来适当地选择增益常数，能够高精度地检测同步电动机2的启动时的磁极初始位置。

此外，一般地，作为同步电动机的转子结构，存在转子表面贴附了永磁铁的表面磁铁型和转子内部中嵌入了永磁铁的嵌入磁铁型。磁极位置检测装置1由于利用了同步电动机2的显极性，因此适合于显极性大的嵌入磁铁型的转子的初始时的磁极位置检测。但是，即使是显极性小的表面磁铁型的转子，通过适当地选择增益单元24的增益常数，也能够高精度地检测磁极初始位置。

图3是表示第1实施例的磁极位置检测装置的动作流程的流程图。

首先，在步骤S101中，将用于三相坐标变换单元12和d q坐标变换单元14的坐标变换的推定磁极位置初始化。

在步骤S102中，电压指令单元11生成d q坐标系上的高频电压指令。d q坐标系上的高频电压指令由高频的d相成分和振幅为零的q相成分构成。

接着，在步骤S103中，三相坐标变换单元12使用推定磁极位置将d q坐标系上的高频电压指令变换为三相坐标系上的高频电压指令。

在步骤S104中，变换后的三相坐标系上的高频电压指令被输出至电力变换器3。由此，电力变换器3输出按照该高频电压指令的三相交流电力。

在步骤S105中，电流检测单元13对从基于三相坐标系上的高频电压指令而生成同步电动机2的驱动电力的电力变换器3流向该同步电动机2的三相电流进行检测。

接着，在步骤S106中，d q坐标变换单元14使用三相坐标变换单元12中的变换中使用的推定磁极位置，将通过电流检测单元13检测出的三相电流变换为d q坐标系上的电流。

接着，在步骤S107中，推定磁极位置计算单元15内的微分计算单元21计算通过d q坐标变换单元14计算出的d q坐标系上的电流的值的微分。

接着，在步骤S108中，推定磁极位置计算单元15内的积计算单元22计算通过微分计算单元21进行微分后的电流的值与d q坐标系上的高频电压指令的积。

接着，在步骤S109中，推定磁极位置计算单元15内的滤波器单元23从积计算单元22的计算结果中除去高频成分。

接着，在步骤S110中，推定磁极位置计算单元15内的增益单元24计算通过滤波器单元23除去了高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积。

接着，在步骤S111中，推定磁极位置计算单元15内的积分计算单元25计算来自增益单元24的输出结果的积分，将该计算结果作为新使用的推定磁极位置而输出。

接着，在步骤S112中，磁极位置确定单元16判定通过推定磁极位置计算单元15计算出的推定磁极位置是否基本上收敛于一定位置。在收敛于一定位置的情况下，前进至步骤S113，且磁极位置确定单元16将通过推定磁极位置计算单元15计算的推定磁极位置基本上收敛于一定位置时的位置，确定为同步电动机2的启动时的磁极初始位置。此外，作为其变形例，也可以是：磁极位置确定单元16判定是否经过了预定的时间（步骤S112），并将经过了预定的时间时的推定磁极位置确定为同步电动机2的启动时的磁极位置（步骤S113）。

图4是第2实施例的磁极位置检测装置的原理框图。第2实施例是第1实施例中说明的推定磁极位置计算单元15的代替例。此外，关于推定磁极位置计算单元15′以外的电路结构要素，与图1所示的第1实施例中的电路结构要素相同，因此对于同一电路结构要素使用了同一符号，并省略了对该电路结构要素的详细说明。在第2实施例中，电压指令单元11、三相坐标变换单元12、电流检测单元13、d q坐标变换单元14、推定磁极位置计算单元15′以及磁极位置确定单元16，在电动机控制装置（未图示）内的运算处理装置中也以软件形式来实现。

根据第2实施例，推定磁极位置计算单元15′，具备：相位偏移单元26、积计算单元22、滤波器单元23、增益单元24以及积分计算单元25。

相位偏移单元26使通过电压指令单元11生成的d q坐标系上的高频电压指令的相位发生偏移。积计算单元22计算通过d q坐标变换单元14计算出的d q坐标系上的电流的值与通过相位偏移单元26而相位发生了偏移的高频电压指令的积。滤波器单元23是从积计算单元22的计算结果中除去高频成分的低通滤波器（LPF）。增益单元24是计算通过滤波器单元23除去高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积。积分计算单元25计算来自增益单元24的输出结果的积分，并将该计算结果作为新使用的推定磁极位置来输出。

下面，对动作原理进行说明。如果将以上述式5表示的pi_q中的q相电流i_q变形，则得到式7。

$i_q=\frac{{-L}_{\mathrm{qdc}}}{L_d\·L_q}V\cos \mathrm{\γt}\·\·\·\left(7\right)$

利用推定磁极位置计算单元15′内的相位偏移单元26，使通过电压指令单元11生成的作为高频电压指令的d相成分V_dh=Vsinγt仅发生π/2的相位偏移，则得到式8。

V_dh′＝Vcosγc…（8）

推定磁极位置计算单元15′内的积计算单元22，计算由式7表示的i_q与由式8表示的Vcosγt的积，之后，通过推定磁极位置计算单元15′内的滤波器单元23除去高频载波部分cos2γt，则图9所示这样的成分被提取。

$\begin{array}{c}{i}_q\·V_{\mathrm{dh}}=\frac{-1}{L_d\·L_q}{L}_2\sin 2(\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\·V^2\·{\left(\cos \mathrm{\γt}\right)}^2\\ \→i_q\·V_{\mathrm{dh}}=\frac{{-V}^2}{2\·L_d\·L_q}{L}_2\sin 2(\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\·(1+\cos 2\mathrm{\γ})\\ \→f_q=i_q\·V_{\mathrm{dh}}=\frac{{-V}^2}{4\·L_d\·L_q}(L_d-L_q)\·\sin 2(\mathrm{\ρ}-\mathrm{\θ})\end{array}\·\·\·\left(9\right)$

式9与第1实施例中的式6的正负极性不同，但是其绝对值相同。因此，第2实施例中也能够得到与第1实施例同样的效果。

图5是表示第2实施例的磁极位置检测装置的动作流程的流程图。

首先，在步骤S201中，将用于三相坐标变换单元12和d q坐标变换单元14的坐标变换的推定磁极位置初始化。

在步骤S202中，电压指令单元11生成d q坐标系上的高频电压指令。d q坐标系上的高频电压指令由高频的d相成分和振幅为零的q相成分构成。

接着，在步骤S203中，三相坐标变换单元12使用推定磁极位置将d q坐标系上的高频电压指令变换为三相坐标系上的高频电压指令。

在步骤S204中，变换后的三相坐标系上的高频电压指令被输出至电力变换器3。由此，电力变换器3输出电力。

在步骤S205中，电流检测单元13对从基于三相坐标系上的高频电压指令而生成同步电动机2的驱动电力的电力变换器3流向该同步电动机2的三相电流进行检测。

接着，在步骤S206中，d q坐标变换单元14使用三相坐标变换单元12中的变换中使用的推定磁极位置，将通过电流检测单元13检测出的三相电流变换为d q坐标系上的电流。

接着，在步骤S207中，推定磁极位置计算单元15′内的相位偏移单元26使通过电压指令单元11生成的d q坐标系上的高频电压指令的相位仅发生π/2的偏移。

接着，在步骤S208中，推定磁极位置计算单元15′内的积计算单元22计算通过d q坐标变换单元14计算出的d q坐标系上的电流的值与通过相位偏移单元26使相位发生了偏移的高频电压指令的积。

接着，在步骤S209中，推定磁极位置计算单元15′内的滤波器单元23从积计算单元22的计算结果中除去高频成分。

接着，在步骤S210中，推定磁极位置计算单元15′内的增益单元24计算通过滤波器单元23除去了高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积。

接着，在步骤S211中，推定磁极位置计算单元15′内的积分计算单元25计算来自增益单元24的输出结果的积分，将该计算结果作为新使用的推定磁极位置而输出。

接着，在步骤S212中，磁极位置确定单元16判定通过推定磁极位置计算单元15′计算出的推定磁极位置是否基本上收敛于一定位置。在收敛于一定位置的情况下，前进至步骤S213，且磁极位置确定单元16将通过推定磁极位置计算单元15′计算的推定磁极位置基本上收敛于一定位置时的位置，确定为同步电动机2的启动时的磁极位置。此外，作为其变形例，也可以是：磁极位置确定单元16判定是否经过了预定的时间（步骤S212），并将经过了预定的时间时的推定磁极位置确定为同步电动机2的启动时的磁极位置（步骤S213）。

图6是表示磁极位置检测装置的动作的仿真结果的图。图6中，横轴表示时间（秒），纵轴表示实际的转子位置θ与通过传感器18检测出的转子位置ρ之间的偏差即“ρ-θ（rad）”。

在仿真中，使用了第1实施例的磁极位置检测装置1。将实际的转子位置θ与通过传感器18检测出的转子位置ρ之间的偏差即“ρ-θ”设定为π/4，并验证了是否能够通过第1实施例的磁极位置检测装置1来检测该π/4。作为在仿真中使用了的参数，将同步电动机2的每一相的内部电阻Ra设为0.4Ω，将每一相的d轴感应系数L_d设为3.3mH，将每一相的q轴感应系数L_q设为3.3mH，将极对数p设为4极，并将反电压常数Kv设为0.2431Vp/rad/s。此外，将正弦波状的高频电压输入的振幅设为1V，并将频率设为500Hz。将作为滤波器单元23的低区通过滤波器（LPF）的频带）设为3Hz，将增益单元24的增益常数K设为100，并将推定磁极位置的初始值设为0deg。

由图6可知，使磁极位置检测装置1动作后约1秒之后，“ρ-θ”在0.785处发生收敛。该0.785与π/4的小数点后3位的数是一致的，因此，可知，能够检测通过磁极位置检测装置1所得的实际的转子位置θ与通过传感器18检测出的转子的位置ρ的偏差即“ρ-θ”。

如列举第1和第2实施例所说明的，根据上述磁极位置检测装置，能够检测同步电动机的启动时的转子的磁极初始位置。此外，能够通过上述磁极位置检测装置进行检测的是转子的磁极初始位置，而对于该磁极初始位置中的极性是N极或是S极是无法检测的。对此，例如如在日本专利第3805336号公报中记载的发明，只要应用使大的电流在磁极初始位置流动，来观测此时电流升高时间常数等的磁饱和特性的方法等即可。

本发明，能够适用于检测同步电动机的启动时的磁极位置。

根据本发明，能够高精度地检测具有显极性的同步电动机的启动时的磁极位置，并能够实现不易受到噪音影响的磁极位置检测装置。

此外，为了磁极初始位置的检测，不需要使同步电动机的转子发生旋转，因此，在日本专利第3408468号公报和日本特开2002-136174号公报等的情况下的磁极初始位置的检测精度不会受到转子的摩擦或惯性的影响，在转子被锁定的情况下也能够准确地检测磁极初始位置。

此外，一般地，作为同步电动机的转子结构，存在在转子表面上贴附了永磁铁的表面磁铁型和在转子内部中嵌入了永磁铁的嵌入磁铁型。本发明的磁极初始位置检测装置，由于利用了同步电动机的显极性，因此对于显极性大的嵌入磁铁型的同步电动机的启动时的磁极位置检测特别有利，但是显极性小的表面磁铁型的同步电动机也能够通过适当地选择增益常数来高精度地检测磁极初始位置，此外如果采用不进行微分计算的方法则不易受到噪音的影响。

Claims (4)

1.一种磁极位置检测装置（1），检测同步电动机（2）的启动时的磁极位置，其特征在于，

具备：

电压指令单元（11），其生成d q坐标系上的高频电压指令；

三相坐标变换单元（12），其利用推定磁极位置将所述d q坐标系上的高频电压指令变换为三相坐标系上的高频电压指令；

电流检测单元（13），其对从基于所述三相坐标系上的高频电压指令而生成同步电动机（2）的驱动电力的电力变换器（3）流向该同步电动机（2）的三相电流进行检测；

d q坐标变换单元（14），其使用在所述三相坐标变换单元（12）的变换中所使用的推定磁极位置，将通过所述电流检测单元（13）检测出的三相电流变换为d q坐标系上的电流；

推定磁极位置计算单元（15,15′），其基于所述d q坐标系上的电流和所述d q坐标系上的高频电压指令，来计算在所述三相坐标变换单元（12）和所述d q坐标变换单元（14）的坐标变换处理中新使用的推定磁极位置；以及

磁极位置确定单元（16），其将通过所述推定磁极位置计算单元（15,15′）计算的推定磁极位置基本上收敛于一定位置时的位置，确定为同步电动机（2）的启动时的磁极位置。

2.根据权利要求1所述的磁极位置检测装置（1），其特征在于，

所述d q坐标系上的高频电压指令由高频的d相成分与振幅为零的q相成分构成，

所述推定磁极位置计算单元（15,15′）基于所述d q坐标系上的电流中的q相成分与所述高频的d相成分，来计算所述新使用的推定磁极位置。

3.根据权利要求1或2所述的磁极位置检测装置（1），其特征在于，

所述推定磁极位置计算单元（15），具备：

微分计算单元（21），其计算所述d q坐标系上的电流的值的微分；

积计算单元（22），其计算通过所述微分计算单元（21）进行微分后的电流的值与所述d q坐标系上的高频电压指令的积；

滤波器单元（23），其从所述积计算单元（22）的计算结果中除去高频成分；

增益单元（24），其计算通过所述滤波器单元（23）除去了高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积；以及

积分计算单元（25），其计算来自所述增益单元（24）的输出结果的积分，将其计算结果作为所述新使用的推定磁极位置来输出。

4.根据权利要求1或2所述的磁极位置检测装置（1），其特征在于，

所述推定磁极位置计算单元（15′），具备：

相位偏移单元（26），其使所述d q坐标系上的高频电压指令的相位发生偏移；

积计算单元（22），其计算所述d q坐标系上的电流的值与通过所述相位偏移单元（26）使相位发生了偏移的高频电压指令的积；

滤波器单元（23），其从所述积计算单元（22）的计算结果中除去高频成分；

增益单元（24），其计算通过所述滤波器单元（23）除去高频成分而输出的信号与预定的增益常数的积；以及

积分计算单元（25），其计算来自所述增益单元（24）的输出结果的积分，并将其计算结果作为所述新使用的推定磁极位置来输出。

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