CN106487289B - 旋转位置检测装置、空气调节器以及旋转位置检测方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转位置检测装置，将配置于永久磁铁电动机的转子的永久磁铁磁通方向的估计轴设定为dc轴，将与该dc轴正交的方向设定为qc轴，上述旋转位置检测装置具备位置估计运算部，该位置估计运算部对电动机的旋转位置进行估计运算，以使对dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值分别赋予权重后运算得到的差分值成为零，上述dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值是使用电动机旋转速度、电动机电流指令值、电动机施加电压指令值以及电动机等效电路常量进行了估计运算后得到的。

Description

旋转位置检测装置、空气调节器以及旋转位置检测方法

技术领域

本发明的实施方式涉及对永久磁铁电动机的旋转位置进行检测的装置、方法、以及空气调节器。

背景技术

以往，作为估计永久磁铁同步电动机的旋转位置的方法，广泛使用例如根据向电动机输入的输入电压和电流来对与电动机的速度成比例的感应电压尤其是d轴感应电压进行运算，并基于d轴感应电压进行估计的方法。此时，实际的d轴感应电压由于无法求出，因此，如图9所示，以磁铁的磁通方向的估计轴为dc，使用dc轴感应电压Edc进行估计。

具体地讲，将永久磁铁的磁通方向定义为d轴方向，将与其正交的方向设定为q轴时通过电动机进行旋转而产生的反向电压Eq仅在q轴方向上产生。因此，以将转子位置估计正交坐标定义为dc－qc轴，dc轴方向的感应电压Edc成为零的方式，逐步修正转子位置估计角度。这样，d轴和dc轴一致，q轴和qc轴一致，能够估计真实的转子位置(例如参照专利文献1)。在这种情况下，dc轴方向的感应电压Edc不能够直接进行检测，因此，使用电动机常量和转子速度、dc－qc轴的电压·电流值通过运算来求出。

另外，为了回避由噪声造成的影响，还提出在运算中不使用电流检测值而使用电流指令值的方法，在高速区域驱动电动机时，对d轴电流进行通电而削弱磁铁磁通的磁场削弱控制被广泛使用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003－250293号公报

在此，如上述所示，将电动机的真实的旋转位置方向设定为d轴，将从该d轴延迟90度的方向设定为q轴，将d轴的位置设定为θ。进而，将旋转位置的估计方向设定为dc轴，将从该dc轴延迟90度的方向设定为qc轴，将dc轴的位置设定为θc，将d轴和dc轴的轴误差作为旋转位置检测误差Δθ，用(1)式进行表示。

Δθ＝θ－θc…(1)

当误差Δθ变为零时，估计轴＝d轴，基于估计轴的控制发挥作用。由于将误差Δθ控制为零，因此，存在各种各样的位置估计手法。

另外，磁场削弱控制是以电动机的输出电压Vdq不超出直流电压的方式对d轴电流进行通电的控制方法，能够抑制电动机输出电压。(2)式是dq轴的稳定状态下的电压方程式，但是，通过使d轴电流Id向负方向连续增加，从而q轴电压Vq减少，(3)式所示的d轴电压Vd与q轴电压Vq的平方根即输出电压Vdq的抑制效果也在增加。

然而，对于d轴电流Id，(4)式所示的Id＿Limit成为界限，即使想要增加d轴电流Id，也变得不能抑制输出电压。

另一方面，在d轴电流Id变得比Id＿Limit小时，输出电压会增加，因此，用于电流控制的输出电压成为直流电压Vdc以上而不足。因此，有时在该界限点附近，实际的dq轴电流相对于dq轴的电流指令值的追踪性变差。即为指令值≠实际电流的状态。

在这样的状态下，存在如下情况：在基于使用了电流指令值的dc轴感应电压的运算的旋转位置估计中，电流指令值和检测电流产生差异，dc轴感应电压与旋转位置之间的近似的比例关系崩溃。由此，不能正常地进行旋转位置估计，引起失序(日语：脱調)停止。

发明内容

于是，提供一种即使在磁场削弱控制下的界限附近的驱动范围中，也能够不使用位置传感器地检测旋转位置的旋转位置检测装置、以及具备上述装置的空气调节器及旋转位置检测方法。

实施方式的旋转位置检测装置将配置于永久磁铁电动机的转子的永久磁铁磁通方向的估计轴设定为dc轴，将与该dc轴正交的方向设定为qc轴，上述旋转位置检测装置具备位置估计运算部，该位置估计运算部对电动机的旋转位置进行估计运算，以使对dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值分别赋予权重后运算得到的差分值成为零，上述dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值是使用电动机旋转速度、电动机电流指令值、电动机施加电压指令值以及电动机等效电路常量进行了估计运算后得到的。

附图说明

图1是一个实施方式，是表示向量控制部的构成的功能框图。

图2是表示电动机控制装置的构成的功能框图。

图3是表示空气调节器的构成的图。

图4是表示dc轴感应电压Edc、感应电压误差ΔEqc以及加权差分值(wd·Edc－wq·ΔEqc)的波形的图。

图5是表示在以往的控制中，电动机由于失序而停止紧前的dc轴感应电压Edc、位置估计误差Δθ以及估计速度ωc的波形的图。

图6是表示旋转位置估计部的构成的功能框图。

图7是表示根据旋转速度ω使控制增益Kp、Ki变化的状态的图。

图8是与应用了本实施方式的情况下的图5相当的图。

图9是表示d－q轴以及dc－qc轴的关系的向量图。

具体实施方式

以下，参照图1～图8，对将旋转位置检测装置应用到对空气调节器的压缩机电动机进行驱动的电动机控制装置中的一个实施方式进行说明。在图3中，构成热泵系统1的压缩机(负载)2是将压缩部3和电动机4收纳于相同的铁制密闭容器5内而构成的，电动机4的转子轴与压缩部3连结。进而，压缩机2、四通阀6、室内侧热交换器7、减压装置8、室外侧热交换器9以通过成为热传递介质通路的管而构成闭合环路的方式被连接。另外，压缩机2例如是旋转式的压缩机，电动机4例如是3相IPM(Interior Permanent Magnet，内置永磁型)电动机(无刷DC电动机，永久磁铁同步电动机)。

空气调节器E具有上述的热泵系统1而构成。在供暖时，四通阀6处于以实线表示的状态，以压缩机2的压缩部3压缩的高温制冷剂从四通阀6向室内侧热交换器7供给并冷凝，之后，以减压装置8被减压，成为低温并向室外侧热交换器9流动，在此蒸发并向压缩机2返回。另一方面，在放冷气时，四通阀6切换成以虚线表示的状态。

因此，以压缩机2的压缩部3压缩的高温制冷剂从四通阀6向室外侧热交换器9供给并冷凝，之后，以减压装置8减压，成为低温并向室内侧热交换器7流动，在此蒸发并向压缩机2返回。进而，构成为：分别通过风扇10、11向室内侧、室外侧的各热交换器7、9进行送风，通过该送风，效率良好地进行各热交换器7、9与室内空气、室外空气的热交换。

图2是表示电动机控制装置的构成的功能框图。直流电源部21以直流电源的符号进行表示，但是在从商用交流电源生成直流电源的情况下，包括整流电路、平滑电容器等。直流电源部21经由正侧母线22a、负侧母线22b与转换器电路23连接。转换器电路23是例如作为切换元件而将N沟道型的功率MOSFET24(U+，V+，W+，U－，V－，W－)3相桥连接构成的，各相的输出端子分别与电动机4的各相绕组连接。

在下侧的FET24U－、24V－、24W－的源极与负侧母线22b之间连接有分流(shunt)电阻(电流检测元件)25U、25V、25W，分流电阻25的端子电压由电流检测部26检测。电流检测部26对上述端子电压进行A/D转换并读入，检测U、V、W各相的电流Iu、Iv、Iw。电流检测部26检测出的各相电流被输入到向量运算部30。

如图1所示，在向量控制部30中，被输入的各相电流Iu、Iv、Iw在3相/2相转换部41中被转换成dc轴电流Idc、qc轴电流Iqc。通过用于设定控制条件的微计算机等功能部分，速度控制部42中被输入电动机4的旋转速度指令ωref和由旋转位置估计部43估计出的电动机4的旋转速度ωc。速度控制部42基于旋转速度指令ωRef与旋转速度ωc之间的差分，生成qc轴电流指令Iqc＿Ref，并输出到电流控制部44。

在电流控制部44中，由上述的微机输入dc轴电流指令Idc＿Ref，由3相/2相转换部41输入d轴电流Idc、qc轴电流Iqc。另外，旋转速度指令ωRef、qc轴电流指令Iqc＿Ref以及d轴电流指令Idc＿Ref也被输入到旋转位置估计部43(位置估计运算部)。电流控制部44基于qc轴电流指令Iqc＿Ref与qc轴电流Iqc之间的差分值，求出qc轴电压Vqc，基于dc轴电流指令Idc＿Ref与dc轴电流Idc之间的差分值，求出dc轴电压Vdc。这些被输入到旋转位置估计部43以及2相/3相转换部45。

由旋转位置估计部43估计出的旋转位置θc被输入到3相/2相转换部41以及2相/3相转换部45。2相/3相转换部45将所输入的qc轴电压Vqc、dc轴电压Vdc转换成3相电压Vu、Vv、Vw，并输出到图2所示的占空比生成部31。

占空比生成部31决定用于生成各相的PWM信号的占空比U＿DUTY、V＿DUTY、W＿DUTY，各相占空比U、V、W＿DUTY被赋予到PWM信号生成部32，通过比较与载波的电平，从而生成3相PWM信号。另外，还生成使3相PWM信号反转后的下支路侧的信号，在根据需要附加死区时间后，这些被输出到驱动电路33。驱动电路33按照被赋予的PWM信号，对构成转换器电路23的6个功率MOSFET24(U+，V+，W+，U－，V－，W－)的各栅极输出栅极信号(对于上支路侧，以升压了需要的电平后的电位进行输出)。另外，在以上的说明中，构成27～32、34的功能是由包括CPU的微计算机的硬件以及软件来实现的功能。

在此，对本实施方式中的旋转位置检测方法的概要进行说明。在无位置传感器控制中，通过(5)式检测出的dc轴感应电压Edc如(6)式以及图4所示，带有与位置估计误差Δθ近似的比例关系。所以，通过用比例积分器控制dc轴感应电压Edc，从而能够使估计位置θc与实际位置θ一致。dc轴感应电压Edc如图9所示在具有位置估计误差Δθ的情况下产生，其大小成为(6)式。在没有估计误差的情况下，dc轴感应电压Edc成为零，感应电压仅在qc轴方向上产生。

Edc＝Vdc－R·Idc＿Ref+ωc·Lq·Iqc＿Ref…(5)

但是，在高速区域中的磁场削弱控制下的界限点附近的负载点，存在如上述所示，实际电流暂时不追随电流指令值的情况，因此有时图4的关系不成立。图5表示电动机由于失序而停止紧前的dc轴感应电压Edc、位置估计误差Δθ以及估计速度ωc。位置估计误差Δθ是在电动机安装位置传感器后测量出的。从某点开始，位置估计误差Δθ增加，另一方面，感应电压Edc从零开始没有变化，估计速度ωc降低达到失序。由于感应电压Edc没有变化，因此无传感器控制的环路不以减少位置估计误差的方式工作、不能估计正确的位置，是失序的原因。

对此，在同图中作为ΔEqc进行表示的是qc轴的感应电压误差，其由(7)式进行运算。另外，与ΔEqc的估计误差相对的特性以(8)式表示，根据位置估计误差Δθ而进行变化，但是其方向对于误差的符合成为对称。

ΔEqc＝Vqc－R·Iqc＿Ref－ωc·Ld·Idc＿Ref…(7)

如图5所示可知，感应电压误差ΔEqc即使在磁场削弱控制的界限附近，也伴随位置估计误差Δθ的增加而逐渐变化。也就是说，通过将感应电压误差ΔEqc带入到无传感器控制的算法中，能够改善扭矩界限附近的无传感器控制性能。

图6是使用了感应电压误差ΔEqc和dc轴感应电压Edc的无传感器控制部，即旋转位置估计部43的构成。在处于旋转位置估计部43的外部的减法51中，取得d轴的位置θ与估计位置θc之间的差分，运算(6)式而得到d轴感应电压Edc，运算(8)式得到感应电压误差ΔEqc。

通过放大器52对d轴感应电压Edc赋予权重值(增益)wd，并通过放大器53对感应电压误差ΔEqc赋予权重值wq。进而，通过减法器54对这两者的差即加权差分值(wd·Edc－wq·ΔEqc)进行运算(参照图4)。通过放大器55、56对加权差分值赋予比例控制增益Kp、积分控制增益Ki。放大器56的输出由积分器57积分，由加算器58与放大器55的输出进行加法。加算器58的输出成为速度估计误差Δω。

通过下一级的减法59，得到旋转速度指令值ωRef与速度估计误差Δω之间的差分，得到估计速度ωc，通过积分器60对估计速度ωc进行积分，得到估计位置θc。即，特征在于：将输入到无传感器控制的PI反馈环的值作为dc轴的感应电压Edc与qc轴的感应电压误差ΔEqc的加权差分值。qc轴侧的权重值wq和dc轴侧的权重值wd可以以动作稳定的方式设定成任意的值。另外，设定为(wd＞wq)(例如wd＝1，wq＝0.5等)。这是因为，主要使用dc轴侧进行估计，辅助地使用qc轴。进而，控制增益Kp、Ki根据旋转速度ω设定为如图7所示可变的构成。

通过带入了感应电压误差ΔEqc的效果，即使在实际电流对电流指令值的追踪性恶化的磁场削弱界限附近，基于感应电压Edc的无传感器控制不发挥作用的情况下，也能够进行稳定的无传感器控制。图8是在实际的空气调节器中，到用(4)式所示界限值为止通电磁场削弱电流Id并进行驱动的情况下的波形。电流Id虽然达到界限值，但是无传感器控制能够维持，在之后旋转速度指令值一直降低之前，持续稳定的电动机的驱动状态。旋转速度的显示在降低后再从上开始显示，但是这是因为在计量仪器的显示中发生下溢，实际上持续降低。

如以上所示，根据本实施方式，旋转位置估计部43以将配置于电动机4的转子的永久磁铁磁通方向的估计轴设定为dc轴，将与dc轴正交的方向设定为qc轴，对电动机4的旋转位置进行估计运算，以使对dc轴的感应电压估计值Edc和qc轴的感应电压估计值ΔEqc分别赋予权重并运算得到的差分值(wd·Edc－wq·ΔEqc)成为零，上述dc轴的感应电压估计值Edc和qc轴的感应电压估计值ΔEqc是使用电动机旋转速度ω、电动机电流指令值IRef、电动机施加电压指令值Vqc、Vdc以及电动机等效电路常量R、L而估计运算出的。

由此，即使在磁场削弱控制下的界限附近的驱动范围中，也能够估计旋转位置。所以，电动机控制装置15能够一边通电正弦波状的电流，一边稳定地进行电动机4的驱动控制。另外，旋转位置估计部43将dc轴的感应电压估计值Edc的权重wd设定得比qc轴的感应电压估计值ΔEqc的权重大。由此，能够赋予与主要使用dc轴侧进行估计的控制方式相适合的权重值。

进而，旋转位置估计部43利用比例运算和积分运算来进行基于上述差分值的电动机4的旋转位置的估计运算，因此，能够以适当地对旋转位置的变动进行跟踪的方式进行位置估计。此外，基于旋转速度ω使比例运算和积分运算中的控制增益Kp、Ki变化，因此，能够赋予适合于旋转速度ω的控制增益Kp、Ki来使控制稳定。

(其他实施方式)

还可以将控制增益Kp、Ki设定为固定值。

对于权重值，无需一定设定为(wd＞wq)，只要根据个别的控制方式进行适当变更即可。

切换元件除了MOSFET以外，还可以使用IGBT、功率晶体管，进而还可以使用SiC、GaN等宽带隙半导体等。

即使对于空气调节器以外的电动机控制装置也能应用。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并没有意图限定发明的范围。这些新的实施方式可以以其他各种方式进行实施，在不超出发明主旨的范围内，可进行各种省略、替换以及变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围和主旨内，同样，也包括在权利要求书所记载的发明和与其等同的范围内。

Claims (9)

1.一种旋转位置检测装置，其中，

将配置于永久磁铁电动机的转子的永久磁铁磁通方向的估计轴设定为dc轴，将与该dc轴正交的方向设定为qc轴，

上述旋转位置检测装置具备位置估计运算部，该位置估计运算部对电动机的旋转位置进行估计运算，以使对dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值分别赋予权重后运算得到的差分值成为零，上述dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值是使用电动机旋转速度、电动机电流指令值、电动机施加电压指令值以及电动机等效电路常量进行了估计运算后得到的。

2.如权利要求1所述的旋转位置检测装置，其中，

上述位置估计运算部将上述dc轴的感应电压估计值的权重设定得比上述qc轴的感应电压误差估计值的权重大。

3.如权利要求1或2所述的旋转位置检测装置，其中，

上述位置估计运算部利用比例运算和积分运算来进行基于上述差分值的电动机的旋转位置的估计运算。

4.如权利要求3所述的旋转位置检测装置，其中，

上述位置估计运算部基于电动机旋转速度使上述比例运算和积分运算中的控制增益发生变化。

5.一种空气调节器，其中，

具备权利要求1所述的旋转位置检测装置，

基于上述旋转位置生成永久磁铁电动机的电流指令值。

6.一种旋转位置检测方法，其中，

将配置于永久磁铁电动机的转子的永久磁铁磁通方向的估计轴设定为dc轴，将与该dc轴正交的方向设定为qc轴，

对电动机的旋转位置进行估计运算，以使对dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值分别赋予权重后运算得到的差分值成为零，上述dc轴的感应电压估计值和qc轴的感应电压误差估计值是使用电动机旋转速度、电动机电流指令值、电动机施加电压指令值以及电动机等效电路常量进行了估计运算后得到的。

7.如权利要求6所述的旋转位置检测方法，其中，

将上述dc轴的感应电压估计值的权重设定得比上述qc轴的感应电压误差估计值的权重大。

8.如权利要求6或7所述的旋转位置检测方法，其中，

利用比例运算和积分运算来进行基于上述差分值的电动机的旋转位置的估计运算。

9.如权利要求8所述的旋转位置检测方法，其中，

基于电动机旋转速度使上述比例运算和积分运算中的控制增益发生变化。