CN106031023B - 永磁铁式旋转电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

控制装置(10)将向永磁铁式旋转电动机(11)供给的相电流(Iu、Iv、Iw)变换为dq坐标轴上的d轴电流(Id)及q轴电流(Iq)，基于扭矩指令(T)、d轴电流(Id)以及q轴电流(Iq)对电流指令(d轴电流指令(Id﹡)、q轴电流指令(Iq﹡))进行运算，该电流指令以使对永磁铁端部(5b)作用的反磁场的大小小于或等于永磁铁(5)的顽磁力的方式，与转子位置相应地使d轴电流(Id)及q轴电流(Iq)中的至少一方的值变化。

Description

永磁铁式旋转电动机的控制装置
技术领域
本发明涉及一种永磁铁式旋转电动机的控制装置。
背景技术
近年来，在工业设备等交流电动机应用领域中，由逆变器对永磁铁式旋转电动机进行驱动控制的方式的事例增加。在对永磁铁式旋转电动机进行驱动控制的方法中，例如，向永磁铁式旋转电动机输入的输入电流即U相电流、V相电流以及W相电流(相电流Iu、Iv、Iw)被以相位角为基准而变换为与励磁的磁通轴同相位的d轴电流、和与励磁的磁通轴正交的q轴电流。
作为抑制永磁铁的消磁的方法，在例如下述专利文献1中公开了如下方法，即，通过基于转子的位置而使q轴电流指令的大小变化，从而抑制消磁判别处理中的消磁作用。
专利文献1：日本特开2005－151714号公报
发明内容
但是，在以上述专利文献1为代表的现有技术中，存在下述课题。在使永磁铁式旋转电动机以恒定速度、且恒定扭矩进行运转的情况下，通过将q轴电流指令值设为恒定，从而各相的相电流Iu、Iv、Iw按照dq轴电流指令被从dq轴坐标系变换为三相交流坐标系，成为正弦波状。就抑制扭矩脉动这一点而言，期望各相的相电流Iu、Iv、Iw为正弦波，但是在永磁铁式旋转电动机中发生下述问题，即，确认到容易对永磁铁的周向端部(永磁铁端部)作用大的反磁场的转子位置，发生消磁。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到一种永磁铁式旋转电动机的控制装置，该永磁铁式旋转电动机的控制装置能够抑制扭矩脉动，同时提高永磁铁的耐消磁能力。
为了解决上述课题，实现目的，本发明的特征在于，将向永磁铁式旋转电动机供给的相电流变换为dq坐标轴上的d轴电流及q轴电流，基于扭矩指令、所述d轴电流以及所述q轴电流对电流指令进行运算，该电流指令以使对在永磁铁式旋转电动机的转子设置的永磁铁的周向端部作用的反磁场的大小小于或等于所述永磁铁的顽磁力的方式，与所述转子的转子位置相应地使所述d轴电流及所述q轴电流中的至少一方的值变化。
发明的效果
根据本发明，实现下述效果，即，能够抑制扭矩脉动，同时提高永磁铁的耐消磁能力。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1至3所涉及的永磁铁式旋转电动机的控制装置的结构例的框图。
图2是本发明的实施方式1至3所涉及的永磁铁式旋转电动机的剖视图。
图3是图2所示的永磁铁的剖面放大图。
图4是表示由本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电动机的控制装置所控制的电流波形的图。
图5是表示对本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电动机的永磁铁端部作用的反磁场的图。
图6是表示由现有技术所控制的电流波形的图。
图7是表示对由图6所示的电流进行驱动的永磁铁端部作用的反磁场的图。
图8是表示由本发明的实施方式2所涉及的永磁铁式旋转电动机的控制装置所控制的电流波形的图。
图9是表示对本发明的实施方式2所涉及的永磁铁式旋转电动机的永磁铁端部作用的反磁场的图。
图10是表示由本发明的实施方式3所涉及的永磁铁式旋转电动机的控制装置所控制的电流波形的图。
图11是表示对本发明的实施方式3所涉及的永磁铁式旋转电动机的永磁铁端部作用的反磁场的图。
具体实施方式
下面，基于附图，对本发明所涉及的永磁铁式旋转电动机的控制装置的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不受本实施方式限定。
实施方式1
图1是表示本发明的实施方式1至3所涉及的永磁铁式旋转电动机11的控制装置10的结构例的框图。图2是本发明的实施方式1至3所涉及的永磁铁式旋转电动机11的剖视图。图3是图2所示的永磁铁5的剖面放大图。图4是表示由本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电动机11的控制装置10所控制的电流波形的图。图5是表示对本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电动机11的永磁铁端部5b作用的反磁场的图。在以下的说明中，除非特别提及，否则将本实施方式所涉及的永磁铁式旋转电动机11简称为“电动机11”。
图1所示的控制装置10构成为，具有三相/dq变换部13、PWM控制部14以及电流指令运算部15作为主要结构，控制装置10以使电动机11的扭矩与扭矩指令T一致的方式对电力变换器12进行控制。
作为交流回转机械的电动机11与电力变换器12连接，电力变换器12通过由控制装置10进行控制，从而将直流电力变换为任意频率的交流电力，并向电动机11供给。在对电力变换器12和电动机11进行连接的3条连接线，配置CT(变流器)等电流检测部17a、17b、17c。电流检测部17a、17b、17c对在电动机11中产生的各相的相电流Iu、Iv、Iw进行检测，检测出的各相的相电流Iu、Iv、Iw被提供至三相/dq变换部13。
三相/dq变换部13将从电流检测部17a、17b、17c得到的各相的相电流Iu、Iv、Iw变换为dq坐标轴上的d轴电流Id及q轴电流Iq，并向电流指令运算部15输出。
向电流指令运算部15输入从例如未图示的外部的控制装置输出的扭矩指令T，电流指令运算部15使用d轴电流Id及q轴电流Iq对电动机11的转子角度(转子位置)进行检测。另外，电流指令运算部15基于转子位置、扭矩指令T、d轴电流Id以及q轴电流Iq对q轴电流指令Iq﹡及d轴电流指令Id﹡进行运算。
PWM控制部14基于q轴电流指令Iq﹡及d轴电流指令Id﹡对作为栅极驱动信号的三相电压指令Vu、Vv、Vw进行运算，并向电力变换器12输出。
图2所示的电动机11由定子铁心1和转子6构成。定子3由形成为环状的定子铁心1、和被供给外部电力的定子绕组2构成。在定子铁心1的内周侧形成在周向等间隔地配置的多个齿1a，在相邻的各齿1a之间形成槽9。转子6是隔着定子铁心1的内径侧的间隙8而配置的，在转子6的中心设置有转子轴7。在转子铁心4的外径侧面，彼此不同极性的永磁铁5在周向交替地配置。此外，关于图示例的电动机11，作为一个例子而设为8极12槽，但磁极的数量及槽9的数量也可以设为其他组合。
图3是对图2所示的永磁铁5进行放大后的图。如图示例所示，永磁铁5形成为剖面呈梯形状或者剖面呈D状。由于上述形状上的原因，对于永磁铁5，与周向中央部5a相比，越靠周向端部(永磁铁端部5b)，则越容易通过反磁场而消磁。
本实施方式的控制装置10的电流指令运算部15构成为，在使电动机11以恒定速度、且恒定扭矩进行运转的情况下，与转子位置相应地使q轴电流指令Iq﹡的值变化，以使作用于永磁铁端部5b的反磁场的大小小于或等于永磁铁5的顽磁力。
使用图4及图5对本实施方式的控制装置10的动作进行说明。在图4(a)中示出表示转子6的旋转位置的电角、和dq轴电流指令值(d轴电流指令Id﹡及q轴电流指令Iq﹡的值)之间的关系。如图示例所示，q轴电流指令Iq﹡的值与转子位置相应地变化，但d轴电流指令Id﹡的值为零。在图4(b)中示出按照图4(a)的dq轴电流指令值从dq轴坐标系变换为三相交流坐标系后的各相的相电流Iu、Iv、Iw。
如图4(a)所示，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置(图5的标号A所示的峰部)，q轴电流指令Iq﹡的值被抑制，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置(图5的标号B所示的谷部)，q轴电流指令Iq﹡的值变大，例如成为最大值。
图6是表示由现有技术所控制的电流波形的图。图7是表示对由图6所示的电流进行驱动的永磁铁端部5b作用的反磁场的图。在以上述专利文献1为代表的现有技术中，在使电动机11以恒定速度、且恒定扭矩进行运转的情况下，如图6(a)所示，q轴电流指令Iq﹡的值被控制为是恒定的，与转子位置无关。在图6(b)中，示出按照图6(a)的dq轴电流指令值从dq轴坐标系变换为三相交流坐标系后的各相的相电流Iu、Iv、Iw。
如上所述，通过将q轴电流指令Iq﹡的值设为恒定，从而各相的相电流Iu、Iv、Iw成为正弦波状。就抑制扭矩脉动这一点而言，期望各相的相电流Iu、Iv、Iw为正弦波。然而，在以上述方式进行控制的情况下，对永磁铁端部5b作用大的反磁场，发生消磁。
为了消除上述问题，本实施方式所涉及的控制装置10构成为，与转子位置相应地使q轴电流指令Iq﹡变化，以使对永磁铁端部5b作用的反磁场的大小小于或等于永磁铁5的顽磁力。这样，避免了永磁铁端部5b的消磁。另外，由于仅在特定的转子位置处抑制q轴电流指令Iq﹡的值，因此能够将扭矩下降抑制为最小限。
此外，图1所示的电流指令运算部15构成为，使用d轴电流Id及q轴电流Iq对电动机11的转子角度(转子位置)进行检测，但转子位置的检测方法不限定于此，也可以例如是在电动机11设置旋转角传感器等位置检测单元，基于从位置检测单元输出的位置信号对转子位置进行检测。另外，在本实施方式中，使用电流检测部17a、17b、17c作为对各相的相电流Iu、Iv、Iw进行检测的单元，但也可以使用其他公知的方法对各相的相电流Iu、Iv、Iw进行检测。由于Iu+Iv+Iw＝0的关系成立，因此如果将CT仅配置于例如U相和V相这2条连接线，则还能够根据U相、V相的检测电流求出W相的相电流Iw。因此，也可以省略3个电流检测部17a、17b、17c内的某1个。
如以上说明所述，本实施方式所涉及的控制装置10构成为，对q轴电流Iq的q轴电流指令Iq﹡进行运算，以使在对永磁铁端部5b作用比永磁铁5的顽磁力大的反磁场的转子位置(标号A的位置)，流过与在对永磁铁端部5b作用比永磁铁5的顽磁力小的反磁场的转子位置(标号B的位置)流过的q轴电流Iq的值相比更小的q轴电流Iq。通过该结构，由于在特定的转子位置处抑制q轴电流Iq，因此能够在抑制扭矩脉动的同时避免永磁铁端部5b的消磁，并且将扭矩下降抑制为最小限。
实施方式2
图8是表示由本发明的实施方式2所涉及的永磁铁式旋转电动机11的控制装置10所控制的电流波形的图。图9是表示对本发明的实施方式2所涉及的永磁铁式旋转电动机11的永磁铁端部5b作用的反磁场的图。
本实施方式的控制装置10构成为，在使电动机11以恒定速度、且恒定扭矩进行运转的情况下，对d轴电流Id的d轴电流指令Id﹡进行运算，以使在对永磁铁端部5b作用比所述顽磁力大的反磁场的转子位置(标号A的位置)，流过与在对该永磁铁端部5b作用比所述顽磁力小的反磁场的转子位置(标号B的位置)流过的d轴电流Id的值相比更大的d轴电流Id。下面，对与实施方式1相同的部分标注同一标号，省略其说明，在这里仅对不同部分进行叙述。
使用图8及图9对本实施方式的控制装置10的动作进行说明。在图8(a)中示出表示转子6的旋转位置的电角、和dq轴电流指令值之间的关系。对于q轴电流指令Iq﹡的值，与实施方式1同样地，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置(图9的标号A所示的峰部)处受到抑制，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置(图9的标号B所示的谷部)处变大，例如成为最大值。另一方面，对于d轴电流指令Id﹡的值，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处变大，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处受到抑制。通过以上述方式流过强的励磁d轴电流，从而能够提高耐消磁能力。
在图8(b)中示出按照图8(a)的dq轴电流指令值从dq轴坐标系变换为三相交流坐标系后的各相的相电流Iu、Iv、Iw。
如上所述，实施方式2所涉及的控制装置10构成为，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处，使q轴电流指令Iq﹡的值下降，并且增高d轴电流指令Id﹡的值，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处，增高q轴电流指令Iq﹡的值，并且使d轴电流指令Id﹡的值下降。根据该结构，能够将从电力变换器12输出的最大电流抑制为与实施方式1相同的水平，同时进一步提高耐消磁能力。
实施方式3
图10是表示由本发明的实施方式3所涉及的永磁铁式旋转电动机11的控制装置10所控制的电流波形的图。图11是表示对本发明的实施方式3所涉及的永磁铁式旋转电动机11的永磁铁端部5b作用的反磁场的图。
实施方式3所涉及的控制装置10构成为，对q轴电流Iq的q轴电流指令Iq﹡进行运算，以使q轴电流Iq的值是恒定的，与转子位置无关，并且对d轴电流Id的d轴电流指令Id﹡进行运算，以使在对永磁铁端部5b作用比所述顽磁力大的反磁场的转子位置(标号A的位置)，流过与在对永磁铁端部5b作用比所述顽磁力小的反磁场的转子位置(标号B的位置)流过的d轴电流Id的值相比更大的d轴电流Id。下面，对与实施方式1相同的部分标注同一标号，省略其说明，在这里仅对不同部分进行叙述。
使用图10及图11对本实施方式的控制装置10的动作进行说明。在图10(a)中示出表示转子6的旋转位置的电角、和dq轴电流指令值之间的关系。q轴电流指令Iq﹡的值是恒定水平，与转子位置无关。另一方面，对于d轴电流指令Id﹡的值，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处变大，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处受到抑制。
在图10(b)中示出按照图10(a)的dq轴电流指令值从dq轴坐标系变换为三相交流坐标系后的各相的相电流Iu、Iv、Iw。
如上所述，实施方式3所涉及的控制装置10构成为，与转子6的转子位置无关地将q轴电流指令Iq﹡的值固定为恒定水平，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处增高d轴电流指令Id﹡的值，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处使d轴电流指令Id﹡的值下降。通过该结构，由于在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置处流过强的励磁d轴电流Id，因此能够提高耐消磁能力。另外，由于q轴电流指令Iq﹡是恒定的，与转子位置无关，因此扭矩脉动变小，由于仅在特定的转子位置处流过d轴电流Id，因此能够实现铜损的降低。
如以上说明所述，实施方式1至3所涉及的控制装置10构成为，将向电动机11供给的相电流变换为dq坐标轴上的d轴电流Id及q轴电流Iq，基于扭矩指令T、d轴电流Id以及q轴电流Iq对电流指令(d轴电流指令Id﹡、q轴电流指令Iq﹡)进行运算，该电流指令以使对永磁铁端部5b作用的反磁场的大小小于或等于永磁铁5的顽磁力的方式，与转子位置相应地使d轴电流Id及q轴电流Iq中的至少一方的值变化。通过该结构，由于在特定的转子位置处q轴电流Iq受到抑制，因此能够抑制扭矩脉动，同时提高永磁铁5的耐消磁能力。
此外，实施方式1至3所涉及的控制装置10也可以构成为，在没有对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置，使6倍于电源频率的成分与q轴电流Iq叠加。
另外，实施方式1至3所涉及的控制装置10也可以构成为，在对永磁铁端部5b作用大的反磁场的转子位置，使6倍于电源频率的成分与d轴电流Id叠加。通过该结构，能够高效地避免消磁。
另外，实施方式1至3示出的是本发明的内容的一个例子，还能够与另外的公知技术组合，当然还能够在不脱离本发明的主旨的范围以对一部分进行省略等方式进行变更而构成。
工业实用性
如上所述，本发明能够应用于永磁铁式旋转电动机的控制装置，特别地，作为能够在抑制扭矩脉动的同时提高永磁铁的耐消磁能力的发明是有用的。
标号的说明
1定子铁心，1a齿，2定子绕组，3定子，4转子铁心，5永磁铁，5a周向中央部，5b永磁铁端部，6转子，7转子轴，8间隙，9槽，10控制装置，11永磁铁式旋转电动机，12电力变换器，13三相/dq变换部，14 PWM控制部，15电流指令运算部，17a、17b、17c电流检测部。

Claims (5)

1.一种永磁铁式旋转电动机的控制装置，其特征在于，
将向永磁铁式旋转电动机供给的相电流变换为dq坐标轴上的d轴电流及q轴电流，基于扭矩指令、所述d轴电流以及所述q轴电流，以使对在永磁铁式旋转电动机的转子设置的永磁铁的周向端部作用的反磁场的大小小于或等于所述永磁铁的顽磁力的方式，与所述转子的转子位置相应地对q轴电流的电流指令进行运算，该q轴电流的电流指令使得在对所述永磁铁的周向端部作用比所述顽磁力大的反磁场的所述转子位置，流过与在对该周向端部作用比所述顽磁力小的反磁场的所述转子位置流过的q轴电流的值相比更小的q轴电流。
2.一种永磁铁式旋转电动机的控制装置，其特征在于，
将向永磁铁式旋转电动机供给的相电流变换为dq坐标轴上的d轴电流及q轴电流，基于扭矩指令、所述d轴电流以及所述q轴电流，以使对在永磁铁式旋转电动机的转子设置的永磁铁的周向端部作用的反磁场的大小小于或等于所述永磁铁的顽磁力的方式，与所述转子的转子位置相应地对q轴电流的电流指令、d轴电流的电流指令进行运算，该q轴电流的电流指令使得在对所述永磁铁的周向端部作用比所述顽磁力大的反磁场的所述转子位置，流过与在对该周向端部作用比所述顽磁力小的反磁场的所述转子位置流过的q轴电流的值相比更小的q轴电流，该d轴电流的电流指令使得在对所述永磁铁的周向端部作用比所述顽磁力大的反磁场的所述转子位置，流过与在对该周向端部作用比所述顽磁力小的反磁场的所述转子位置流过的d轴电流的值相比更大的d轴电流。
3.一种永磁铁式旋转电动机的控制装置，其特征在于，
将向永磁铁式旋转电动机供给的相电流变换为dq坐标轴上的d轴电流及q轴电流，基于扭矩指令、所述d轴电流以及所述q轴电流，以使对在永磁铁式旋转电动机的转子设置的永磁铁的周向端部作用的反磁场的大小小于或等于所述永磁铁的顽磁力的方式，与所述转子的转子位置相应地，对q轴电流的电流指令进行运算，并且对d轴电流的电流指令进行运算，
该q轴电流的电流指令使得q轴电流的值是恒定的，与所述转子位置无关，
该d轴电流的电流指令使得在对所述永磁铁的周向端部作用比所述顽磁力大的反磁场的所述转子位置，流过与在对该周向端部作用比所述顽磁力小的反磁场的所述转子位置流过的d轴电流的值相比更大的d轴电流。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁铁式旋转电动机的控制装置，其特征在于，
在对所述永磁铁的周向端部作用比所述顽磁力小的反磁场的所述转子位置，使6倍于电源频率的成分与所述q轴电流叠加。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁铁式旋转电动机的控制装置，其特征在于，
在对所述永磁铁的周向端部作用比所述顽磁力大的反磁场的所述转子位置，使6倍于电源频率的成分与所述d轴电流叠加。
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