CN106575933A - 电动机驱动装置以及无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本电动机驱动装置对于包括卷绕有电动机绕组的定子以及保持有永磁体的转子的同步电动机，进行从同步运转向无位置传感器矢量控制的切换，在该同步运转中，对该同步电动机进行同步驱动，在该无位置传感器矢量控制中，基于转子的位置来控制对电动机绕组施加的电流。本电动机驱动装置在同步运转的期间中，基于检测出的电流和电压来估计运算感应电压误差，以使感应电压误差与基于估计感应电压及内部角度运算出的目标感应电压的误差一致的方式控制电流指令振幅，在使误差降低到规定值以内之后，切换为无传感器模式。在同步运转中，通过逐渐降低电流指令来使感应电压误差的绝对值降低到规定值以内。

Description

电动机驱动装置以及无刷电动机

技术领域

本发明涉及一种对具有保持有永磁体的转子的同步电动机进行驱动的电动机驱动装置以及包括该同步电动机的无刷电动机。

背景技术

作为高速/高精度地控制这种同步电动机的转矩的方法，已知一种矢量控制，在该矢量控制中，利用与从位置传感器检测出的转子的位置同步的旋转坐标系，对同步电动机的电流进行控制。但是，位置传感器存在安装空间的增加、成本的增加、电动机的使用环境被位置传感器的使用环境所限制等问题。

作为该问题的解决对策的一个方法，无位置传感器矢量控制正在被付诸实用，在该无位置传感器矢量控制中，基于根据电动机的电流、电压以及绕组电阻等电动机常数计算出的电动机的感应电压，来估计转子位置信息。

另外，感应电压与电动机的转速成正比，因此在启动时等低速时，感应电压过低，转子位置的估计精度下降。因此，已知如下的方法：在电动机启动时进行同步运转，并且在变为适度的转速的时间点，转变为无位置传感器矢量控制。即，在该方法中，在电动机启动时，作为进行同步运转的同步运转模式，向电动机绕组流通规定的电流，逐渐提高电流的频率来使电动机逐渐加速。然后，在加速到能够估计转子的位置的规定转速之后，切换为无位置传感器矢量控制模式。

但是，在使用这两个模式的方法中，由于切换为无位置传感器矢量控制模式时产生的向电动机绕组流通的电流的相位的变化，成为产生振动和噪音、电动机突然加速的原因。

因此，作为应对它们的技术，以往例如提出了专利文献1的方法。在专利文献1中，首先，在同步运转中利用无传感器估计来估计轴误差，以使估计出的轴误差与电流指令值的相位差一致的方式进行反馈控制。接着，在估计出的轴误差降低到规定范围内之后，从同步运转切换为无传感器控制。之后，逐渐变更为无位置传感器矢量控制的电流相位。

然而，在如专利文献1那样的以往方法中，在从同步运转切换为无位置传感器矢量控制之后逐渐变更为无位置传感器矢量控制的电流相位，因此转变为完全的无位置传感器矢量控制需要时间。

专利文献1：日本特开2010-29016号公报

发明内容

本发明的电动机驱动装置是对于包括卷绕有电动机绕组的定子以及保持有永磁体的转子的同步电动机进行从同步运转向无位置传感器矢量控制的切换的电动机驱动装置，其中，在该同步运转中，对该同步电动机进行同步驱动，在该无位置传感器矢量控制中，基于转子的位置来控制对电动机绕组施加的电流。本电动机驱动装置为以下结构：在同步运转的期间中，基于检测出的电流和电压来计算感应电压误差，在使感应电压误差的绝对值降低到规定值以内之后，切换为无位置传感器矢量控制。

另外，本发明的无刷电动机具备该电动机驱动装置。

由此，能够高速地从同步运转切换为无位置传感器矢量控制，能够缩短从启动电动机到达到目标指令为止的时间。这样，根据本发明，能够提供能够高速地从同步运转转变为无位置传感器矢量控制的电动机驱动装置以及无刷电动机。

附图说明

图1是具备本发明的实施方式中的电动机驱动装置的无刷电动机的框图。

图2是表示该电动机驱动装置的同步电动机的构造例的图。

图3是用于说明该电动机驱动装置的感应电压误差的求出方法的图。

图4是该电动机驱动装置的同步运转中的d轴、q轴、dc轴、qc轴的电流矢量图。

图5是表示该电动机驱动装置的电动机启动时的电动机绕组电流波形和电动机速度的时序图。

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，本发明不限定于该实施方式。

(实施方式)

图1是具备本发明的实施方式中的电动机驱动装置10的无刷电动机100的框图。

如图1所示，本实施方式的无刷电动机100是包括电动机驱动装置10和同步电动机40的结构，电动机驱动装置10对同步电动机40进行通电驱动，由此同步电动机40进行旋转动作。

在图1中，电动机驱动装置10将交流电源20通过整流电路21直流化并通过平滑电容器22平滑化，之后该直流电压被供给到在电动机驱动装置10内具备的三相的逆变器23。三相的逆变器23使该直流电压交流化为任意的电压，交流化后得到的交流电压被供给到具备永磁体的同步电动机40。在本实施方式中，像这样以相位彼此相差120度的U相、V相、W相这三相来驱动同步电动机40。

图2是表示本实施方式中的同步电动机40的构造例的图。如图2所示，同步电动机40具备转子41和定子45。转子41以轴42为中心地保持永磁体43。定子45是在定子芯46上卷绕电动机绕组47来构成的。

并且，在本实施方式中，在同步电动机40内内置作为电动机驱动装置10而发挥功能的电路部件48p来构成无刷电动机100。这些电路部件48p安装于电路基板48b，例如，构成逆变器23的开关元件安装在电路基板48b上。在这种结构中，将来自逆变器23的交流电压施加于电动机绕组47来对电动机绕组47进行通电驱动，由此转子41旋转自如地被轴承44支承来进行旋转。

为了对这种转子41进行旋转控制，在本实施方式中，电动机驱动装置10除了具备如上所述的逆变器23以外，还具备感应电压误差检测部51、位置/速度检测部52、速度控制部53、同步运转用电流指令生成器54以及切换器55。另外，作为用于对同步电动机40进行旋转控制的指令，例如从外部的控制器等向电动机驱动装置10通知用于控制转速的速度指令ω*。

感应电压误差检测部51被输入由电流检测器31检测出的电动机电流Im以及由电压检测器32检测出的电动机电压Vm。然后，感应电压误差检测部51基于所输入的电动机电流Im及电动机电压Vm以及预先测定出的电动机常数来计算感应电压误差Δe，将该感应电压误差Δe输入到位置/速度检测部52和切换器55。此外，计算的方法在后面叙述。

位置/速度检测部52被输入感应电压误差Δe，计算电动机的估计位置θest和估计速度ωest，将估计位置θest输出到电流控制部56，将估计速度ωest输出到速度控制部53。此外，计算的方法在后面叙述。

速度控制部53在无位置传感器矢量控制时，接收作为从外部指示的速度的速度指令ω*，将使估计速度ωest与速度指令ω*的偏差为零的电流指令I*输出到切换器55。

同步运转用电流指令生成器54将同步运转中的电流指令Is输出到切换器55。

切换器55在电动机启动时的同步运转中，选择同步运转用电流指令生成器54的电流指令Is，将该电流指令Is作为电流指令Ic输出到电流控制部56。即，在同步运转中，电流控制部56按照电流指令Is向电动机绕组47流通规定的振幅的电流，以使逆变器23的输出频率逐渐增加的方式驱动逆变器23。之后，当感应电压误差Δe的绝对值变为规定的阈值以下时，切换为选择来自速度控制部53的电流指令I*，将该电流指令I*作为电流指令Ic输出到电流控制部56。由此，将同步电动机40的运转从同步运转切换为无位置传感器矢量控制。

电流控制部56根据来自切换器55的电流指令Ic、由电流检测器31检测出的电动机电流Im以及由位置/速度检测部52计算出的同步电动机40的估计位置θest来计算电压指令Vc，输出到三相的逆变器23。

接着，进一步详细地说明感应电压误差检测部51和位置/速度检测部52的结构和动作。

首先，作为d-q轴，如在电动机的矢量控制中公知的那样，将转子41的永磁体43的磁通方向的轴设为d轴，将从d轴向旋转方向相位超前90度的轴设为q轴。然后，当将d轴电压设为vd、将q轴电压设为vq、将d轴电流设为id、将q轴电流设为iq、将电动机绕组47的相电阻设为r、将电动机绕组47的d轴电感设为Ld、将q轴电感设为Lq、将同步电动机40的感应电压常数设为Ke、将电动机速度设为ω时，同步电动机40的电压方程式表示为下面的式(1)。

[式1]

图3是用于说明感应电压误差Δe的求出方法的图。在图3中，将基于由位置/速度检测部52计算出的同步电动机40的估计位置θest而估计出的d轴设为δ轴，将从δ轴向旋转方向相位超前90度的轴设为γ轴。即，d-q轴是实际电动机的正交坐标轴，与此相对，该δ-γ轴是估计控制系统的正交坐标轴。另外，δ-γ轴坐标相对于d-q轴坐标的角度差为下面的位置误差(轴误差)Δθ，δ-γ轴坐标上的感应电压相对于d-q轴坐标上的感应电压的电压差为下面的感应电压误差Δe。另外，换言之，如图3所示，将感应电压Keω分配到δ轴方向而得到的分量能够称为感应电压误差Δe。在此，当将δ轴的电压设为vδ、将γ轴的电压设为vγ、将位置误差设为Δθ时，感应电压误差Δe表示为下面的式(2)和式(3)。

[式2]

Δe＝v_δ-ri_δ+ωL_qi_γ …………(2)

[式3]

Δe＝K_eωsinΔθ …………(3)

感应电压误差Δe与位置误差Δθ存在比例关系。感应电压误差检测部51根据式(2)计算出感应电压误差Δe。然后，位置/速度检测部52以使感应电压误差Δe变为零的方式进行反馈控制，由此根据式(4)计算出电动机的估计速度ωest。此外，Kp是比例增益，Ki是积分增益。

[式4]

ω_est＝K_pΔe+K_i∫Δedt …………(4)

并且，通过对电动机速度ω进行积分来计算出转子41的估计位置θest。当电动机速度ω小时，计算的感应电压误差Δe也变小，估计位置θest的计算精度恶化。

因此，在同步电动机40启动时，将从同步运转用电流指令生成器54输出的电流指令Is经由切换器55提供到速度控制部53。此时，电流指令Is作为强制地使转速以规定的加速度上升这样的值被输出。像这样进行以下的同步运转：向电动机绕组47流通规定的电流，逐渐提高电流的频率来使同步电动机40加速。之后，切换为无位置传感器矢量控制。

接着，说明从同步运转向无位置传感器矢量控制的切换。图4是同步运转中的d轴、q轴、dc轴、qc轴的电流矢量图。将对同步电动机40施加具有规定的振幅和频率的电流、对电动机进行同步运转时的控制轴的d轴设为dc轴，将q轴设为qc轴。

在此，考虑d轴与dc轴的位置误差为Δθ、对qc轴施加电流的大小为|A|的电流的情况。当考虑使电流的大小从|A|减到|B|的情况时，由于永磁体43所产生的磁转矩仅由q轴电流来决定，因此qc轴移动到q轴电流与施加电流|A|时的q轴电流相同的C点。

同样地当逐渐降低电流的大小时，qc轴逐渐接近q轴而位置误差Δθ逐渐减少。位置误差Δθ与感应电压误差Δe存在比例关系，因此位置误差Δθ变为零时的感应电压误差Δe也为零。

图5是表示电动机启动时的电动机绕组电流波形和电动机速度的时序图。从同步电动机40停止的状态起向电动机绕组47流通具有规定的振幅的电流，逐渐提高电流的频率(即转速)，使电动机速度加速到同步速度ωsync(图5的第一同步运转)。

接着，逐渐降低对电动机绕组47施加的电流的振幅，在计算出的感应电压误差Δe的绝对值|Δe|变为规定的阈值以下时(图5的第二同步运转)，从同步运转向无位置传感器矢量控制进行切换。此时，如果阈值足够小，则如使用图4说明的那样，切换时的控制轴dc与d轴变为相等，能够保持切换时的电流相位的连续性。

这样，在本实施方式中，在同步运转的期间中，基于检测出的电流和电压来估计运算感应电压误差，以使感应电压误差与基于估计感应电压及内部角度运算出的目标感应电压的误差一致的方式控制电流指令振幅，在该误差降低到规定值以内之后切换为无传感器模式。

因此，能够以不产生振动、噪音且电动机不突然加速的方式切换为无位置传感器矢量控制。不需要如以往那样的逐渐变更为切换后的无位置传感器矢量控制的电流相位的处理，因此能够高速地进行向无位置传感器矢量控制的切换。

产业上的可利用性

如以上那样，本发明能够高速地进行从同步运转向无位置传感器矢量控制的切换，能够利用于所有通过无位置传感器矢量控制进行驱动的电动机驱动装置。

附图标记说明

10：电动机驱动装置；20：交流电源；21：整流电路；22：平滑电容器；23：逆变器；31：电流检测器；32：电压检测器；40：同步电动机；41：转子；42：轴；43：永磁体；44：轴承；45：定子；46：定子芯；47：电动机绕组；48b：电路基板；48p：电路部件；51：感应电压误差检测部；52：位置/速度检测部；53：速度控制部；54：同步运转用电流指令生成器；55：切换器；56：电流控制部；100：无刷电动机。

Claims (3)

1.一种电动机驱动装置，对包括卷绕有电动机绕组的定子以及保持有永磁体的转子的同步电动机，进行从同步运转向无位置传感器矢量控制的切换，在该同步运转中，对所述同步电动机进行同步驱动，在该无位置传感器矢量控制中，基于所述转子的位置来控制对所述电动机绕组施加的电流，该电动机驱动装置的特征在于，

在所述同步运转的期间中，基于检测出的电流和电压来计算感应电压误差，在使所述感应电压误差的绝对值降低到规定值以内之后，切换为无位置传感器矢量控制。

2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，

在所述同步运转的期间中，通过逐渐降低电流指令来使所述感应电压误差的绝对值降低到规定值以内。

3.一种无刷电动机，具备根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置。