CN107078673A - 交流旋转机的控制装置以及磁极位置校正量运算方法 - Google Patents

交流旋转机的控制装置以及磁极位置校正量运算方法 Download PDF

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Abstract

目的在于实现无需将交流旋转机与负载装置连接即可对磁极位置校正量进行运算的交流旋转机的控制装置，该磁极位置校正量用于对在施加旋转机电流时产生的磁极位置误差进行校正。本发明的交流旋转机的控制装置(10)的特征在于，磁极位置校正量运算装置(5)基于在电压施加装置(3)根据电压指令(电压指令矢量(V1*)、电压指令矢量(V2*)将电压施加于交流旋转机(1)时被检测出的检测电流矢量(Idt)、和电压指令对磁极位置校正量(θc)进行运算，将与检测电流矢量(Idt)相关联的磁极位置校正量(θc)存储至存储装置(6)，电压矢量指令生成装置(4)在交流旋转机(1)进行通常运转时基于由电流矢量检测装置(2)检测出的检测电流矢量(Idt)和与该检测电流矢量(Idt)相对应的磁极位置校正量(θc)而生成用于进行通常运转的电压指令。

Description

交流旋转机的控制装置以及磁极位置校正量运算方法
技术领域
本发明涉及一种交流旋转机的控制装置，该交流旋转机的控制装置能够对诸如同步机、SynRM(同步磁阻电动机，Synchronous Reluctance Motor)这样的交流旋转机的转子位置进行控制，而不使用位置传感器。
背景技术
作为能够对交流旋转机高精度地进行控制的方法，矢量控制广为人知。就交流旋转机的矢量控制而言，为了使交流旋转机以所期望的输出、转速进行旋转，通常由速度传感器、位置传感器来获取交流旋转机的转子位置(转子的磁极位置)、转子速度而进行控制。但是，上述的传感器在耐故障性、维护方面是不利的。因此，使用下述方法，即，对交流旋转机的转子的磁极位置、旋转速度进行检测，而不使用传感器。作为上述方法，利用了感应电压的方法是公知的，主要对感应电压大的高速区域的运转是有利的。另一方面，对于零速、低速区域等难以使用感应电压的速度区域，已知下述技术，即，向交流旋转机叠加与基本频率不同的频率的电压、电流，利用所得到的电感的凸极性对转子的磁极位置进行推定(例如专利文献1)。
但是，通常，利用电感的凸极性而对转子的磁极位置进行推定的方法存在下述问题，即，在大电流流过交流旋转机的情况下，由于电感的磁饱和的影响，所推定的转子的磁极位置产生误差。由于该位置误差的影响，导致定位控制时的定位精度劣化、速度控制的响应劣化等控制性能的下降。
专利文献2记载有解决该问题的方法。在专利文献2中公开了以下方法：对交流旋转机施加高频交变电压，以从推定角偏移了45度后的相位将所得到的高频电流值变换至d－q轴坐标，然后以使所得到的高频阻抗Zdm和Zqm一致的方式对转子的磁极位置进行推定；以及为了高负载时的校正，通过从推定出的磁极位置θ^减去将比例常数Kθ与电流指令值的扭矩分量iδ*相乘得到的补偿角θr^而对推定位置θc^进行运算。
另外，在专利文献3中公开了以下方法：对电压指令空间矢量的长度vh*和由与扭矩目标T*相关的函数fv(T*)确定的电压矢量长度的目标vh**一致的校正角θcr进行计算；以及为了高负载时的校正而将θcr与推定运算出的转子的磁极位置相加。
专利文献1：日本专利第3312472号公报(0010段～0011段、图1)
专利文献2：日本专利第4687846号公报(0024段、0027段～0035段、图1)
专利文献3：日本专利第3882728号公报(0021段～0024段、图2、图6)
发明内容
就专利文献2、3中的任意的方法而言，为了对在高负载时产生的转子的磁极位置的推定误差进行校正，使用补偿角θr^或者校正角θcr对所推定的转子的磁极位置进行校正，能够提高交流旋转机的控制性能。由于上述补偿角、校正角是用于对转子的磁极位置的推定误差进行校正的校正量，因此，在下面，在现有技术的说明中，也将补偿角、校正角称为磁极位置校正量。在这里，上述磁极位置校正量需要在对交流旋转机进行驱动前预先测定。在专利文献2、3中未涉及具体的测定方法，但是，通常会想到将作为控制对象的交流旋转机与负载装置连接，一边对实机施加旋转机电流，一边对磁极位置校正量进行实测。或者，还会想到为了省去实机测定的麻烦，通过电磁场解析而求出磁极位置校正量的方法。
但是，在上述方法中，为了对作为对象的交流旋转机施加旋转机电流，需要将交流旋转机与负载装置连接，在交流旋转机已组装于机械装置的状态下，不能与负载装置连接，不能事先进行磁极位置校正量的测定。另外，如果使用电磁场解析则不需要实机的测定，但是对于交流旋转机的内部构造不清楚的交流旋转机，不能使用该方法，而必须将交流旋转机与负载装置连接进行测定。因此，对于上述交流旋转机来说，不能求出磁极位置校正量，不能提高交流旋转机的控制性能。
本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于实现一种交流旋转机的控制装置，该交流旋转机的控制装置无需将交流旋转机与负载装置连接即可对磁极位置校正量进行运算，能够通过基于以磁极位置校正量对所推定的转子的磁极位置进行校正后的控制指令进行控制，从而提高交流旋转机的控制性能，其中，该磁极位置校正量用于对在施加旋转机电流时产生的磁极位置误差进行校正。
本发明的交流旋转机的控制装置的特征在于，具有：电压矢量指令生成装置，其生成对交流旋转机进行控制的电压指令；电压施加装置，其基于电压指令将电压施加于交流旋转机；电流矢量检测装置，其检测将流过交流旋转机的旋转机电流作为分量的检测电流矢量；磁极位置校正量运算装置，其在与通常运转不同的交流旋转机的校正量创建运转时，对用于校正磁极位置误差的磁极位置校正量进行运算，该磁极位置误差是对与电压指令相对应的交流旋转机的转子的磁极位置进行推定得到的推定位置和基于电压指令而驱动交流旋转机的情况下的转子的磁极位置之差；以及存储装置，其存储磁极位置校正量，磁极位置校正量运算装置基于电压指令和在电压施加装置根据电压指令而将电压施加于交流旋转机时被检测出的检测电流矢量对磁极位置校正量进行运算，将与检测电流矢量相关联的磁极位置校正量存储至存储装置，电压矢量指令生成装置在交流旋转机进行通常运转时，基于由电流矢量检测装置检测出的检测电流矢量和与该检测电流矢量相对应的磁极位置校正量而生成用于进行通常运转的电压指令。
发明的效果
对于本发明的交流旋转机的控制装置，由于磁极位置校正量运算装置基于电压指令和检测电流矢量而对磁极位置校正量进行运算，该检测电流矢量是在将基于电压指令的电压施加于交流旋转机时检测出的，因此无需将交流旋转机与负载装置连接即可对磁极位置校正量进行运算，能够通过基于以磁极位置校正量对所推定的转子的磁极位置进行校正后的控制指令进行控制，从而提高交流旋转机的控制性能，其中，该磁极位置校正量用于对在施加旋转机电流时产生的磁极位置误差进行校正。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的交流旋转机的控制装置的结构的图。
图2是表示图1的磁极位置校正量运算装置的结构的图。
图3是表示图2的高频分量提取部的结构的图。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的交流旋转机的控制装置的磁极位置校正量运算处理的流程图。
图5是表示施加旋转机电流时的交流旋转机的电感分布的变化的图。
图6是表示本发明的实施方式1所涉及的转子磁通及电压指令矢量施加方向的图。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的磁极位置校正量运算装置的结构的图。
图8是表示本发明的实施方式2所涉及的电压施加装置的三角波载波和三相交流位置推定用电压指令的关系的图。
图9是表示施加旋转机电流时的UVW各相的电感变化的图。
图10是表示本发明的实施方式2中的UVW各相的电流振幅相对于转子位置的变化的图。
图11是表示本发明的实施方式3所涉及的交流旋转机的控制装置的磁极位置校正量运算处理的流程图。
图12是用于对交流旋转机定子的电感分布进行说明的图。
图13是表示交流旋转机定子的电感分布的图。
图14是表示施加旋转机电流时的交流旋转机的电感分布的图。
图15是表示本发明所涉及的交流旋转机的驱动系统的硬件结构的图。
图16是表示本发明所涉及的交流旋转机的驱动系统的其他硬件结构的图。
具体实施方式
实施方式1
在本实施方式中，施加第一电压指令和第二电压指令作为用于对交流旋转机的负载时(施加旋转机电流时)的磁极位置校正量进行运算的电压指令。第一电压指令是使交流旋转机产生磁饱和的电压指令，第二电压指令是用于对磁极位置校正量进行运算的电压指令。通过依次施加第一电压指令和第二电压指令，从而能够以极短时间的电流施加对磁饱和时的磁极位置校正量进行运算，而无需使交流旋转机进行旋转。由此，交流旋转机的控制装置即使在交流旋转机与机械装置连接等无法与负载装置连接的状态下，也能够对磁极位置校正量进行运算而提高旋转机的无传感器控制性能，对该交流旋转机的控制装置进行叙述。此外，适当地将交流旋转机简称为旋转机。
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的交流旋转机的控制装置的结构的图。图2是表示图1的磁极位置校正量运算装置的结构的图，图3是表示图2的高频分量提取部的结构的图。图4是表示本发明的实施方式1所涉及的交流旋转机的控制装置的磁极位置校正量运算处理的流程图。
交流旋转机1是同步电动机，在这里是使用了永磁铁的同步机。在本实施方式中以同步电动机为例进行说明，但即使是其他种类的旋转机，也能够以同样的原理构成。交流旋转机控制装置10具有电流矢量检测装置2、电压施加装置3、电压矢量指令生成装置4、磁极位置校正量运算装置5和存储装置6。与交流旋转机1连接有电流矢量检测装置2和电压施加装置3，该电流矢量检测装置2对交流旋转机1的电流矢量进行检测，该电压施加装置3相当于对交流旋转机1施加电压的逆变器等电力变换器。
电流矢量检测装置2对交流旋转机1的旋转机电流即三相电流iu、iv、iw的电流进行检测，将检测电流矢量Idt输出。检测电流矢量Idt的分量是三相电流iu、iv、iw。在对三相电流iu、iv、iw进行检测时，除了对三相的电流均进行检测以外，也可以对两相进行检测而利用三相电流iu、iv、iw之和为零这一情况求出三相电流iu、iv、iw，也可以根据逆变器母线电流或流过开关元件的电流、以及开关元件的状态对三相电流iu、iv、iw进行运算。电压施加装置3基于从电压矢量指令生成装置4输出的电压矢量指令对交流旋转机1施加电压。电压矢量指令生成装置4在交流旋转机1进行通常的运转的情况下将用于进行通常运转的电压矢量指令输出至电压施加装置3，在对磁极位置校正量进行运算的情况下将第一电压指令矢量V1*和第二电压指令矢量V2*输出至电压施加装置3。第一电压指令矢量V1*的分量是后述的Vd1*、Vq1*。第二电压指令矢量V2*的分量是后述的Vd2*、Vq2*。
在对电压矢量指令生成装置4和磁极位置校正量运算装置5的结构进行说明之前，叙述作为本发明的课题的推定误差，该推定误差是在使用高频电压进行的转子的磁极位置推定中的施加电压时、即施加旋转机电流而驱动交流旋转机1驱动时产生的。此外，适当地将转子的磁极位置简称为磁极位置。
图5是表示在施加旋转机电流时的交流旋转机的电感分布的变化的图，是示出了以转子的磁极的N极的位置为原点时的电气角一个周期的电感的分布的图。图5的横轴是交流旋转机1中的位置(电气角)，纵轴是电感。在无负载时，如实线所示的电感分布11所示，成为下述这样的以旋转机的电气角的2倍的周期进行变化的电感分布，即，转子磁通轴(以后记为dm轴)的电感最低，且从磁极位置(dm轴)起前进了±90度的位置(以后记为qm轴)的电感最高。在前述的施加高频电压而对磁极位置进行推定的方法中，通过叠加与旋转机的驱动频率不同频率的电压，对其电感之差(凸极性)进行检测，从而对磁极位置进行推定。但是，在对旋转机施加旋转机电流的情况下，在旋转机内部产生磁饱和，如虚线所示的电感分布12所示，电感的分布变化为偏移了角度θe后的波形，所推定的磁极位置与电感分布同样地偏移了角度θe。
因此，对于利用了电感的凸极性的磁极位置推定方法来说，在产生了旋转机电流时，需要将所得到的推定磁极位置以偏移角θe进行校正。此外，由于该偏移角θe根据旋转机电流的大小而变化，因此校正量的测定需要将旋转机电流的大小变更为多个样式(pattern)而进行测定。但是，如果流过大的旋转机电流，则由于在交流旋转机产生扭矩的方向的电流(扭矩电流)而在交流旋转机产生扭矩，旋转速度不慎变大，因此，在以往，上述测定需要将用于试验而附带了位置检测器的旋转机与负载装置连接，借助于负载装置，以将速度控制为恒定、或者使交流旋转机不动的方式进行位置控制，或者，使用固定夹具而使交流旋转机的速度恒定或者不动，在此基础上一边将旋转机电流变更为多个样式，一边对磁极位置推定值和位置检测器之间的差值进行测定。
本实施方式的特征在于，为了对多次变更而施加旋转机电流时的磁极位置校正量进行运算，通过依次施加第一电压指令和第二电压指令，使各电压指令的施加时间缩短，从而尽量抑制在施加各电压指令时在交流旋转机产生的扭矩，由此防止交流旋转机的速度不慎变大，无需使用负载装置即对驱动交流旋转机1时的磁极位置推定误差(推定磁极误差θe)进行运算，其中，该第一电压指令是为了瞬时地流过旋转机电流而使交流旋转机产生磁饱和而施加的，该第二电压指令用于在通过施加第一电压指令而使交流旋转机产生了磁饱和后对磁极位置校正量进行运算。磁极位置推定误差(推定磁极误差θe)是图5所说明的偏移角θe。交流旋转机控制装置10能够将磁极位置推定误差(推定磁极误差θe)作为磁极位置校正量θc，将校正后的电压矢量指令输出至电压施加装置3，对交流旋转机1高精度地进行控制。
对用于对磁极位置推定误差(推定磁极误差θe)进行运算的电压矢量指令生成装置4和磁极位置校正量运算装置5的动作进行说明。首先，对电压矢量指令生成装置4的电压指令的生成方法和基于该电压指令的校正量运算方法进行说明。然后，以磁极位置校正量运算装置5对本实施方式的具体的动作进行说明。
电压矢量指令生成装置4依次生成第一电压指令和第二电压指令。下面，对第一电压指令这一电压指令的运算方法和基于第二电压指令这一电压指令的校正量运算原理进行说明。
第一电压指令是用于使交流旋转机1产生磁饱和的电压指令，如前所述，关于推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc，磁饱和的程度根据对交流旋转机1施加的旋转机电流的大小而变化。由此，第一电压指令是用于流过使交流旋转机产生磁饱和所需的电流的电压指令，这是必要条件。为了对磁饱和的程度的变化进行测定，使电流在交流旋转机1的一个方向上流动，对其电流量进行变更，多次对推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc进行运算。在这里，将作为目标的旋转机电流设为目标电流矢量Idq*，将目标电流矢量Idq*的分量设为d轴目标电流值Id*及q轴目标电流值Iq*。例如如式(1)所示，如果使用利用了dq轴电流的比例积分控制来构成电流环，则能够施加作为目标的旋转机电流的值而产生磁饱和。
【算式1】
在这里，Vd*是d轴电压指令，Vq*是q轴电压指令，(Vd*，Vq*)是dp轴电压指令矢量。Id是d轴检测电流值，Iq是q轴检测电流值，(Id，Iq)是dq轴检测电流矢量。Kcdp是d轴电流控制比例常数，kcqp是q轴电流控制比例常数。Kcdi是d轴电流控制积分常数，kcqi是q轴电流控制积分常数。
但是，对于该方法，直至电流值收敛于所期望的值为止会花费长度为数个控制周期的步骤的时间，有时交流旋转机1会由于在此期间流过的扭矩电流而进行意外的旋转。因此，在本实施方式中，通过预先对流过作为目标的电流值的电压指令进行运算，基于该电压指令从电压施加装置3施加电压，从而以短的步骤将所期望的电流量施加于交流旋转机1，能够抑制交流旋转机1的旋转。
对用于施加作为目标的电流值即d轴目标电流值Id*、q轴目标电流值Iq*的电压指令的运算方法进行叙述。同步旋转机的dq轴上的电压方程式能够由式(2)表示。
【算式2】
其中，R是电枢电阻，φf是磁铁磁通，Ld、Lq分别是d轴、q轴的电感，它们能够事先进行设定。
使用式(2)导出电压矢量指令生成装置4所输出的第一电压指令矢量V1*和目标电流矢量Idq*的关系。如果将电压矢量指令生成装置4所输出的第一电压指令矢量V1*中的第一电压值、即d轴及q轴的第一电压指令Vd1*、Vq1*代入式(2)的Vd、Vq，将目标电流矢量Idq*中的d轴目标电流值Id*、q轴目标电流值Iq*代入式(2)的Id、Iq，考虑到不使交流旋转机1进行旋转(ωr≈0)而代入ωr＝0，则第一电压指令矢量V1*由式(3)表示。
【算式3】
通过将根据式(3)运算出的电压指令设为第一电压指令，缩短第一电压指令的施加时间，从而能够缩短扭矩电流的产生时间，抑制扭矩电流的产生。实施方式1中的第一电压指令是具有2个分量的第一电压指令矢量V1*，第一电压指令矢量V1*的分量是d轴电压指令Vd1*及q轴电压指令Vq1*。以上是第一电压指令的生成方法。
第二电压指令是用于对推定磁极位置的校正量进行运算的电压指令，在本实施方式中，使用具有比交流旋转机1的驱动频率高的频率ωh以及高频电压振幅Vh、且在交流旋转机的磁极轴即d轴具有180°相位差的2个方向的电压指令。因此，在第二电压指令的d轴上，一个方向的值为正，另一个方向的值为负。另外，第二电压指令的2个方向的相位差不限于180°，也可以位于大于90°且小于270°的值的范围。即，第二电压指令的一个方向包含相对于第二电压指令的另一个方向具有180°相位差的分量即可。此外，将具有180°相位差的2个方向的电压称为交变。在本实施方式中，将第二电压指令设为具有2个分量的第二电压指令矢量V2*，将其分量设为轴电压指令Vd2*及q轴电压指令Vq2*，由式(4)给出。
【算式4】
在通过施加第一电压指令而在交流旋转机流过电流时、即在交流旋转机磁饱和的状态下，第二电压指令将至少频率ωh的一个周期量的交变电压赋予给d轴，根据磁极位置校正量运算装置5此时得到的检测电流矢量Idt对磁极位置校正量θc进行运算。图6所示的施加第二电压指令矢量V2*的方向是d轴方向。图6是表示本发明的实施方式1所涉及的转子磁通及电压指令矢量施加方向的图。如图6所示，将转子磁通矢量13的方向设为dm轴，将与其正交的方向设为qm轴，将施加电压指令矢量V2*的方向设为d轴，将与其正交的方向设为q轴。另外，d轴和dm轴的偏差为Δθ。
在这里，叙述对磁极位置校正量θc进行运算的原理。在d轴上进行交变的电压指令矢量V2*是高频电压指令矢量Vdqh。高频电压指令矢量Vdqh的分量是高频电压指令Vdh、Vqh。高频电压指令Vdh是d轴高频电压指令，高频电压指令Vqh是q轴高频电压指令。对在施加高频电压指令Vdh、Vqh时流过交流旋转机1的电流矢量的算式进行说明。
将高频电压指令矢量Vdqh施加于d轴时的交流旋转机1的算式能够由式(5)表示。式(5)中的p是微分运算符。此外，如前所述，假定在施加某个旋转机电流时在交流旋转机1的内部产生磁饱和，在流过某个旋转机电流的情况下产生推定磁极误差θe。
【算式5】
其中，Ldc、Lqc、Ldqc、L、l如下所示。
Ldc＝L－lcos2(Δθ－θe)
Lqc＝L+lcos2(Δθ－θe)
Ldqc＝lsin2(Δθ－θe)
L＝(Ld+Lq)/2
l＝(Ld－Lq)/2
在这里，R是交流旋转机1的电枢电阻，Ld是dm轴方向的电感，Lq是qm轴方向的电感。Δθ是从dm轴的位置(电气角)减去d轴的位置(电气角)得到的偏差，ωr是旋转速度，φf是转子磁通矢量的大小。idh是d轴高频电流，iqh是q轴高频电流。此外，对于idh、iqh，省略d轴、q轴而适当地称为高频电流。对于其他电压、电流的名称，也适当地使用省略了d轴、q轴后的名称。
由于使交流旋转机1不进行旋转(旋转速度ωr≈0)，因此如果交流旋转机1处于停止状态，旋转速度ωr＝0，则能够根据式(5)得到式(6)。
【算式6】
并且，假设高频电压指令矢量Vdqh由式(4)的第二电压指令矢量给出。式(6)的右边第2项是高频电流的微分，由于高频电流的微分被以倍数＝高频电压的角频率ωh的方式倍增，因此右边第2项与右边第1项相比非常大(右边第2项＞＞右边第1项)，能够忽略右边第1项。其结果，能够对式(6)进行变形得到式(7)。
【算式7】
就将高频电流idh、iqh作为分量的高频电流矢量Idqh而言，通过对式(7)的两边进行积分而变为式(8)。
【算式8】
在这里，如果利用式(8)的高频电流idh、iqh的振幅分量，则能够将推定磁极误差θe表示为电流振幅的函数。在这里，如果使用与高频电流idh正交的分量iqh的电流振幅|iqh|，则能够根据式(8)得到式(9)。
【算式9】
另外，如果将式(9)改写为Δθ的式子，则成为式(10)。
【算式10】
交流旋转机1停止时的磁极位置θ0例如能够通过使用日本专利第4271397号公报所记载的运算方法而预先进行运算。另外，在实施方式1中，在施加第一电压指令(第一电压指令矢量V1*)和第二电压指令(第二电压指令矢量V2*)的过程中，交流旋转机1几乎不旋转，因此dm轴是已知的，能够忽略Δθ，能够设为Δθ＝0，因而得到式(11)。
【算式11】
在这里，高频电压指令vdh的角频率ωh和高频电压振幅Vh是能够任意地进行设定的，因此是已知的。由于L、l能够根据式(5)的补充记载所示的式子基于Ld、Lq而求出，Ld、Lq能够通过事先进行测定而予以掌握，因此L、l也是已知的。
如上所述，由于磁饱和而产生的推定磁极误差θe能够基于|iqh|进行运算，通过对施加第二电压指令时的|iqh|进行测定，从而能够对推定磁极误差θe进行运算。由于将运算出的推定磁极误差θe设为磁极位置校正量θc，因此能够以将θe置换为θc后的式子对磁极位置校正量θc进行运算。以上是对推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc进行运算的原理。
电压矢量指令生成装置4依次生成第一电压指令和第二电压指令，将电压指令输出至电压施加装置3和磁极位置校正量运算装置5。下面，对磁极位置校正量运算装置5的动作进行说明。磁极位置校正量运算装置5基于电压矢量指令生成装置4所生成的电压指令即第一电压指令矢量V1*及第二电压指令矢量V2*、和电流矢量检测装置2所输出的检测电流矢量Idt对推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc进行运算。使用图2，对磁极位置校正量运算装置5的动作进行说明。
磁极位置校正量运算装置5具有坐标变换器51、高频分量提取部52、振幅提取部53、加减法器54和磁极位置校正量运算部55。坐标变换器51使用前述的磁极位置θ0将电流矢量检测装置2所输出的检测电流矢量Idt、即(iu，iv，iw)坐标变换为d轴－q轴的d－q轴坐标(磁极轴坐标)上的电流，输出dq轴电流矢量Idq、即(ids，iqs)。检测电流矢量Idt的分量是三相电流iu、iv、iw，dq轴电流矢量Idq的分量是d轴变换电流ids及q轴变换电流iqs。
对于高频分量提取部52，只要能够从dq轴电流矢量(ids，iqs)对与第二电压指令相同频率的分量进行提取，则可以使用任何形式的高频分量提取部。例如，利用作为窄频带的带阻滤波器而公知的陷波滤波器，如图3所示那样对高频电流矢量Idqh、即(idh，iqh)进行提取。就图3的陷波滤波器71而言，通过由式(12)表示的特性的陷波滤波器，对dq轴电流矢量(ids，iqs)实施将与高频电压指令矢量Vdqh的角频率ωh相同的角频率去除的滤波处理，从dq轴电流矢量(ids，iqs)中将角频率ωh分量去除。加减法器72通过从dq轴电流矢量(ids，iqs)中减去陷波滤波器71的输出，从而根据dq轴电流矢量(ids，iqs)对角频率ωh分量的高频电流矢量(idh，iqh)进行运算。此外，式(12)的s是拉普拉斯运算符，qx是陷波的深度。
【算式12】
振幅提取部53通过针对高频电流iqh进行式(13)的运算，从而对高频电流iqh的大小、即作为电流振幅的|iqh|进行运算、输出。此外，式(13)中的T是高频电流iqh的周期。
【算式13】
加减法器54从dq轴电流矢量(ids，iqs)中减去高频电流分量即高频电流idh、iqh，生成dq轴电流矢量(ids，iqs)的基波分量、即基波电流矢量Idqf、即(id，iq)。此外，由于基波电流矢量(id，iq)是与陷波滤波器71的输出相同的值，因此也可以利用该值。
磁极位置校正量运算部55根据电流振幅|iqh|和dq轴电流矢量(ids，iqs)的基波分量即基波电流矢量(id，iq)，对磁极位置校正量θc进行运算。首先，根据式(11)，使用电流振幅|iqh|对推定磁极误差θe进行运算。由于此时的磁饱和的大小可根据基波电流矢量(id，iq)获知，因此能够汇总至id、iq、θe的信息。因此，磁极位置校正量运算部55能够对某个旋转机电流时的推定磁极误差θe进行运算。如前所述，多次变更第一电压指令的电压值而生成多个(id，iq，θe)。由于磁极位置的校正只要以推定磁极误差θe进行校正即可，因此磁极位置校正量θc成为与推定磁极误差θe相同的值。将基波电流id、iq和磁极位置校正量θc各值存储至具有存储器等存储设备的存储装置6。此外，将基波电流矢量(id，iq)与检测电流矢量Idt相关联。
在这里，关于以无传感器方式驱动交流旋转机1时所需的磁极位置校正量θc，例如能够根据驱动时的扭矩轴电流指令值Iq＿ref如式(14)所示那样对磁极位置校正量θc进行运算而予以利用。在该情况下需要比例常数K。
【算式14】
θc＝K*iq_ref …(14)
比例常数K例如能够使用最小二乘法根据获取到的多个q轴基波电流iq和推定磁极误差θe进行运算。不限于式(14)，还能够通过将运算出的id、iq、θe(或者θc)作为dq轴电流的映射(表格)进行保存，从而更高精度地对推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc进行运算。比例常数K也可以利用对应于扭矩轴电流指令值Iq＿ref的各指定值范围而不同的值。在使用式(14)对交流旋转机1进行控制的情况下，由于对多个比例常数K和扭矩轴电流指令值Iq＿ref的表格进行保存即可，因此具有能够减少存储数据量的优点。另外，在1个比例常数K的情况下，由于不需要设为表格形式，因此能够进一步减少存储数据量。
另外，作为磁极位置校正量θc而说明的磁极位置校正量不限于角度的信息，还能够设为电流值的信息。例如根据国际公开WO2013/114688A1，关注于推定磁极误差θe根据高频的q轴电流振幅而变化这一情况，将电流振幅作为磁极位置校正量来利用。在该情况下，将本实施方式所测定出的电流振幅|iqh|作为磁极位置校正量，进行与本实施方式相同的运算即可。在将电流振幅|iqh|作为磁极位置校正量的情况下，将磁极位置校正量的标号设为Ic。
即，即使控制所使用的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)根据交流旋转机1的驱动控制的方法而变化，也能够通过基于本实施方式的方法对磁饱和的状态进行变更，施加与驱动控制的状态相匹配的电压作为第二电压指令，对所需的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，从而对最适合于每个控制方法的、磁饱和时的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算。
基于图4，对本实施方式的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的运算处理步骤进行说明。
首先，在步骤ST01中，交流旋转机控制装置10将程序计数器k设为初始值是0且在0～n之间变化的正数，对目标电流Id*、Iq*进行设定。n是大于或等于1的正数。该情况下的n是目标电流Id*、Iq*的值进行变化的个数(希望进行变化的设定个数)。然后，由电压矢量指令生成装置4生成第一电压指令vd1*、vq1*和第二电压指令vd2*、vq2*(电压指令生成步骤)。
然后，在步骤ST02中，在交流旋转机1的转子静止的状态下，由电压施加装置3将第一电压指令vd1*、vq1*施加于交流旋转机1，然后将第二电压指令vd2*、vq2*施加于交流旋转机1(电压指令施加步骤)。接着，在步骤ST03中，由磁极位置校正量运算装置5实施磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的运算(磁极位置校正量运算步骤)。
然后，在步骤ST04中，将在步骤ST03中运算出的基波电流id、iq和磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的数据存储至存储装置6(数据存储步骤)。另外，将程序计数器k以k＝k+1进行累加。
最后，在步骤ST05中，对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的n次运算是否已结束进行判定。在这里，在程序计数器k的值变为n时结束运算处理，否则返回步骤ST01将目标电流Id*、Iq*的值设定为下一个值，反复进行步骤ST01及其后的步骤。
如上所述，根据本实施方式的结构，交流旋转机控制装置10通过将产生磁饱和的电压指令设定作为第一电压指令Vd1*、Vq1*，将对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算的电压指令设定作为第二电压指令Vd2*、Vq2*，在短时间依次施加第一电压指令和第二电压指令，从而能够缩短对交流旋转机1施加旋转机电流的时间，不使交流旋转机1进行旋转即对磁饱和时的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算。另外，由于即使在交流旋转机1与机械装置连接而无法与负载装置连接的状态、或者不能使交流旋转机1进行旋转的状态下，交流旋转机控制装置10也对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，基于与检测电流矢量Idt相关联的该磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)对交流旋转机1进行控制，因此能够提高交流旋转机1的无传感器控制性能。此外，由于本实施方式以使d轴和dm轴的偏差即Δθ大致为零的方式在短时间依次施加第一电压指令和第二电压指令，因此使第二电压指令进行交变的轴是磁极轴、即d轴。
实施方式1的交流旋转机控制装置10具有：电压矢量指令生成装置4，其生成对交流旋转机1进行控制的电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*、第二电压指令Vd2*、Vq2*)；电压施加装置3，其基于电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*、第二电压指令Vd2*、Vq2*)对交流旋转机1施加电压；电流矢量检测装置2，其检测将流过交流旋转机1的旋转机电流(三相电流iu、iv、iw)作为分量的检测电流矢量Idt；磁极位置校正量运算装置5，其在与通常运转不同的交流旋转机的校正量创建运转时对用于校正磁极位置误差(推定磁极误差θe)的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，该磁极位置误差是对与电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*、第二电压指令Vd2*、Vq2*)相对应的交流旋转机1的转子的磁极位置进行推定得到的推定位置和基于电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*、第二电压指令Vd2*、Vq2*)而使交流旋转机1受到驱动的情况下的转子的磁极位置之差；以及存储装置6，其存储磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)。实施方式1的交流旋转机控制装置10的特征在于，磁极位置校正量运算装置5基于检测电流矢量Idt和电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*、第二电压指令Vd2*、Vq2*)对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，将与检测电流矢量Idt相关联的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)存储至存储装置6，其中，该检测电流矢量Idt是在电压施加装置3根据电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*、第二电压指令Vd2*、Vq2*)而将电压施加于交流旋转机1时检测出的，电压矢量指令生成装置4在交流旋转机1进行通常运转时基于由电流矢量检测装置2检测出的检测电流矢量Idt和与该检测电流矢量Idt相对应的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)而生成用于进行通常运转的电压指令。实施方式1的交流旋转机控制装置10由于具有上述特征，因此无需将交流旋转机1与负载装置连接即可对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，能够通过基于以磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)对所推定的磁极位置进行校正后的控制指令进行控制，从而提高交流旋转机1的控制性能，其中，该磁极位置校正量用于对在施加旋转机电流时产生的磁极位置误差(推定磁极误差θe)进行校正。
实施方式1的磁极位置校正量运算方法的特征在于，包含：电压指令生成步骤，依次生成第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)和第二电压指令(第二电压指令Vd2*、Vq2*)，该第一电压指令用于使交流旋转机1流过目标电流Id*、Iq*，该第二电压指令用于对由第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)导致的交流旋转机1的电感状态下的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算；电压指令施加步骤，在交流旋转机不产生扭矩电流的设定施加时间，将第一电压指令及第二电压指令依次施加于交流旋转机；以及磁极位置校正量运算步骤，基于第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)及第二电压指令(第二电压指令Vd2*、Vq2*)和在施加了取决于第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)及第二电压指令(第二电压指令Vd2*、Vq2*)的电压时由电流矢量检测装置2检测到的检测电流矢量Idt对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算。实施方式1的磁极位置校正量运算方法由于具有上述特征，因此无需将交流旋转机1与负载装置连接即可对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，其中，该磁极位置校正量用于对在施加旋转机电流时产生的磁极位置误差(推定磁极误差θe)进行校正。根据实施方式1的磁极位置校正量运算方法，能够通过基于以磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)对所推定的磁极位置进行校正后的控制指令进行控制，从而提高交流旋转机1的控制性能。
实施方式2
在实施方式1中示出了不使用负载装置等即求出磁饱和时的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的方法。另外，将在该磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的运算中使用的校正量运算用电压设为了在dm轴方向上进行交变的电压指令。但是，在如式(11)所示，为了进行推定磁极误差θe的运算而使用L、l等旋转机常数的情况下，如果所设定的旋转机常数与实际的旋转机常数之间存在误差，则有时磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的运算精度下降。在实施方式2中叙述不使用旋转机常数即进行磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)的运算的方法。
在本实施方式中，电压矢量指令生成装置4所输出的第二电压指令(第二电压指令矢量V2*)不同。下面对第二电压指令和推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc的运算原理进行叙述，对用于实现该运算原理的磁极位置校正量运算装置5的具体结构进行叙述。此外，由于其他结构与实施方式1相同，因此省略说明。
图7是表示本发明的实施方式2所涉及的磁极位置校正量运算装置的结构的图。本实施方式所涉及的电压施加装置3是下述装置，即，通过基于电压矢量指令生成装置4的输出即第一电压指令、第二电压指令等电压指令而以任意的通断周期使半导体开关导通(ON)及截止(OFF)，从而对交流旋转机1施加电压。例如是像公知的三角波比较PWM逆变器那样将三角波载波的周期设为前述的任意的通断周期的电压施加装置。下面，以三角波比较PWM逆变器为例进行说明。图8是表示本发明的实施方式2所涉及的电压施加装置的三角波载波和三相交流位置推定用电压指令的关系的图。图9是表示在施加旋转机电流时的UVW各相的电感变化的图，图10是表示本发明的实施方式2中的UVW各相的电流振幅相对于转子位置的变化的图。
本实施方式的特征在于，将频率比交流旋转机1的驱动频率高的电压指令而作为第二电压指令进行叠加，根据所得到的U相、V相、W相各相的电流值的大小关系对磁极位置校正量θc进行运算。如后所述，由于在磁极位置校正量θc的运算中不使用旋转机常数，因此即使在旋转机常数的设定存在误差的情况下，也能够提高磁极位置校正量θc的运算精度。
作为第二电压指令的第二电压指令矢量V2*例如是如图8所示那样在将作为电压施加装置的三角波比较PWM逆变器的三角波载波波形14的半个周期Tc设为1个区间时由6个区间(St1、St2、St3、St4、St5、St6)构成1个周期的信号，且是为了使三相平衡而在各相间分别以2个区间偏移后的信号，即，像U相脉冲电压指令波形15、V相脉冲电压指令波形16、W相脉冲电压指令波形17那样进行设定。针对U相、V相、W相的第二电压指令分别是U相电压指令Vuh、V相电压指令Vvh、W相电压指令Vwh。图8的横轴是时间，纵轴是电压。Th是三相高频电压指令矢量Vuvwh、即(Vuh，Vvh，Vwh)的周期。此外，为了将上述三相平衡的电压指令赋予给交流旋转机，需要将相对于前述Tc的倍数设定为6的倍数，即，将相对于三角波载波的周期的倍数设定为3的倍数。
在这里叙述本实施方式中的推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc的运算原理。在图9中示出交流旋转机1的各相的电感的变化。图9的横轴是交流旋转机1中的位置(电气角)，纵轴是电感。在图9中示出交流旋转机1的dm轴位于从交流旋转机1的U相偏离了θ后的位置的情况下的电感分布。
首先，关注图中的实线所示的无负载时的电感分布11，U相、V相、W相各相的电感Lu0、Lv0、Lw0以交流旋转机1的电气角的2倍的周期进行变化。另外，由于UVW相彼此之间具有2π/3的相位差，因此在如前述的第二电压指令、即U相电压指令Vuh、V相电压指令Vvh、W相电压指令Vwh那样施加了具有恒定振幅的高频的旋转电压时的、各相的高频电流iuh、ivh、iwh能够由式(15)表示。
【算式15】
在这里，Ih是位置推定用电流振幅的平均值，Iha是位置推定用电流的取决于旋转机位置的变化量，θ是交流旋转机1中的位置(电气角)，ωh是位置推定电压指令(U相电压指令Vuh、V相电压指令Vvh、W相电压指令Vwh)的角频率。
此时，各相的高频电流iuh、ivh、iwh的大小关系能够由2θ唯一地确定。如果提取式(15)的高频电流振幅，则得到式(16)。U相的高频电流振幅是|iuh|，V相的高频电流振幅是|ivh|，W相的高频电流振幅是|iwh|。
【算式16】
并且，通过从式(16)的各相的电流振幅|iuh|、|ivh|、|iwh|中减去各相电流振幅的平均值Ih，从而得到各相的差值电流、即式(17)。U相的差值电流是dIu，V相的差值电流是dIv，W相的差值电流是dIw。此外，各相电流振幅的平均值Ih由式(18)给出。
【算式17】
【算式18】
从式(17)的三相的差值电流dIu、dIv、dIw的右边可知，差值电流dIu、dIv、dIw的振幅同为Iha/2，是相位偏移了2π/3后的cos2θ的波形，以2θ的周期，三相的大小关系唯一地确定。图10是示意性地表示相对于交流旋转机1中的位置θ的、由式(17)表示的差值电流dIu、dIv、dIw的变化量的图。图10的横轴是交流旋转机1中的位置θ，纵轴是差值电流的振幅。在图10中可知，例如如果dIu＞dIw＞dIv这一大小关系成立，则交流旋转机1中的某个所关注的位置θ存在于区间Sp1。
另外，在区间Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5、Sp6各个区间，差值电流dIu、dIv、dIw中的在各个区间的中心进行过零(zero-cross)的差值电流成为以过零点为中心的sin、－sin函数。例如，在区间Sp1，差值电流dIw在区间Sp1的中心过零。将在各个区间过零的点的相位θM作为原点，在－π/12～π/12的区间，差值电流被视作大致为直线而进行直线近似。在这里，将在各个区间过零的点的相位、即区间中心相位设为θM，将区间中心相位θM和dm轴的偏差设为ΔθM。由于区间中心相位θM是各个区间的中心，因此能够由式(19)表示。偏差ΔθM能够由式(20)表示。因此，结果是，将dm轴的位置作为关注对象后的位置θ、即dm轴的位置θ能够由式(21)表示。其中，式(19)中的N是0～5的整数，在区间Sp1，N＝0，在区间Sp2，N＝1，在区间Sp3，N＝2，在区间Sp4，N＝3，在区间Sp5，N＝4，在区间Sp6，N＝5。另外，式(20)中的dImid是中间差值电流值，是指在各个区间的中心过零的dIu、dIv、dIw中的任意者的中心电流值。例如，在区间Sp1，差值电流dIw的值成为中间差值电流值dImid。
【算式19】
【算式20】
【算式21】
θ＝θM+ΔθM …(21)
此外，式(20)的Iha/2像式(22)那样根据差值电流dIu、dIv、dIw的平方和的平方根求出即可。
【算式22】
以上示出了下述方法，即，在无负载时基于各相的电流振幅|iuh|、|ivh|、|iwh|的大小关系对交流旋转机1中的某个所关注的位置θ进行运算。该运算能够根据交流旋转机1的各相的电流的电流振幅|iuh|、|ivh|、|iwh|进行运算，不需要旋转机常数。
下面，关注图9的负载时的电感分布12，与无负载时的不同点在于，由于交流旋转机1的dm轴的位置与负载时的dm轴的位置相比偏移了偏移角θe，因此通过将式(17)变更为式(23)，从而能够表示出负载时的dIu、dIv、dIw。
【算式23】
由于式(23)仅仅是将交流旋转机1中的某个所关注的位置从θ变化为了θ－θe，因此经过与无负载时相同的运算步骤，能够设为与式(21)相同，而得到式(24)。
【算式24】
θ-θe＝θM+ΔθM …(24)
在这里，交流旋转机1中的某个所关注的位置θ指的是dm轴的位置，在本实施方式中，也与实施方式1同样地，如果在交流旋转机1停止的状态下实施磁极位置θ0的检测，则式(24)的θ是已知的，即，θ＝θ0。即，偏移角(推定磁极误差)θe能够通过式(25)进行运算。
【算式25】
θe＝θ0-(θM+ΔθM) …(25)
此外，由于电感分布以电气角的2倍的周期进行变化，因此对于某个负载而言，偏移角(推定磁极误差)得到的是θe和θe+π这2个运算结果，但如果相位的变化量以±90度来变化，则偏移角(推定磁极误差)能够唯一地确定。如式(25)所示，能够基于根据无负载时的测定数据而求出的偏差ΔθM，对推定磁极误差θe进行运算。由于将运算出的推定磁极误差θe作为磁极位置校正量θc，因此能够通过将θe置换为θc后的式(26)对磁极位置校正量θc进行运算。
θc＝θ0-(θM+ΔθM) …(26)
以上是对推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc进行运算的原理。
下面，对磁极位置校正量运算装置5的动作进行叙述。在图7中示出磁极位置校正量运算装置5的结构图。高频分量提取部56从检测电流矢量Idt、即(iu，iv，iw)提取在施加了第二电压指令时产生的高频电流矢量Idth、即(iuh，ivh，iwh)。高频分量提取部56的结构与实施方式1的高频分量提取部52相同，对(iu，iv，iw)实施高频分量提取部52的处理即可。此外，如果由图8那样的结构的波形来给出第二电压指令，则所提取的高频分量的频率能够由ωh＝2π/(6×Tc)给出。
振幅提取部57提取高频电流矢量(iuh，ivh，iwh)的振幅矢量Ia、即(|iuh|，|ivh|，|iwh|)。振幅矢量Ia是将高频电流矢量中的各相的检测电流的振幅作为分量的矢量。振幅提取部57的结构与实施方式1的振幅提取部53相同。陷波滤波器58从dq轴的检测电流矢量、即dq轴电流矢量(ids，iqs)中提取将高频电流分量去除后的基波电流矢量(id，iq)，陷波滤波器58的结构与陷波滤波器71相同。
磁极位置校正量运算部59根据由振幅提取部57输出的UVW相的振幅矢量(|iuh|，|ivh|，|iwh|)，使用式(23)及式(25)对推定磁极误差θe进行运算，获取(id，iq，θe)的信息。然后，与实施方式1同样地对交流旋转机1的驱动控制所使用的磁极位置校正量θc进行运算即可。此外，本实施方式的磁极位置校正量θc的运算处理步骤与实施方式1所示的图4相同。
本实施方式的特征在于，将频率比交流旋转机1的驱动频率高的电压指令进行叠加，根据所得到的UVW各相的电流值的大小关系对推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc进行运算。由于实施方式2的交流旋转机控制装置10在推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc的运算中不使用L、l等旋转机常数，因此即使是不能对准确的旋转机常数进行测定的交流旋转机，也能够提高磁极位置校正量θc的运算精度。
实施方式3
在实施方式1、2中示出了下述方法，即，通过将产生磁饱和的电压指令设定作为第一电压指令，将对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算的电压指令设定作为第二电压指令，在短时间依次施加第一电压指令和第二电压指令，从而对磁饱和时的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算。
另外，如后所述，在具有所谓二重凸极性的交流旋转机中，磁极位置校正量θc也依赖于转子位置而增减，因此在某个转子位置处运算出的磁极位置校正量θc与在其他转子位置处运算的磁极位置校正量θc不同，由此有时交流旋转机1的控制性能产生波动，其中，所谓二重凸极性是电感的凸极性根据转子和定子的位置关系而变化的特性。
在本实施方式中，对下述磁极位置校正量θc的运算方法进行叙述，即，即使是磁极位置校正量θc依赖于转子位置而变化的旋转机，也能够提高旋转机的控制性能。
图11是表示本发明的实施方式3所涉及的交流旋转机的控制装置的磁极位置校正量运算处理的流程图，是表示本实施方式的磁极位置校正量的运算处理步骤的图。首先叙述电感的凸极性根据转子和定子的位置关系而变化的原理，接着使用图11来叙述本实施方式的磁极位置校正量θc的运算处理步骤。
最先，针对具有二重凸极性的交流旋转机的磁极位置校正量θc依赖于转子位置而变化的原理，将交流旋转机1分为转子和定子而对其磁特性进行研究，然后说明将二者进行了组合时的磁特性。
首先，交流旋转机1的转子的电感特性如图5所示，产生以dm轴为原点的电气角二倍周期的电感的变化。由于在磁饱和时电感变化最小的位置发生偏移，因此需要通过磁极位置校正量θc而进行的校正。
其次，考虑交流旋转机1的定子的电感特性。图12是用于对交流旋转机定子的电感分布进行说明的图，图13是表示交流旋转机定子的电感分布的图。在图12中示出了交流旋转机的定子的示意图。考虑在图12中的θ方向上产生磁通的情况下的电感变化。由于在图12中穿过由虚线示出的θ轴24的磁路23与θ方向的角度相应地变化，因此对于θ轴24上的磁通，与θ方向的角度相应地，定子20的齿21的部分和卷绕绕组的空隙22的部分在电气角的一个周期交替地出现。由于空隙22的部分难以产生磁通，因此可以说，电感是根据θ方向的角度、即θ轴24的位置而变化的。如果将图12的U相设为θ＝0°，则定子20处的在图12中的θ方向上产生磁通的情况下的电感变化能够由图13表示。图13的横轴是交流旋转机1中的位置(电气角)，纵轴是电感。如上所述，在定子侧也产生电感变化，但如图13所示可知，其变化的周期是电气角的6倍。
如上所述，如果考虑到在转子和定子这二者均存在电感的变化，则交流旋转机1整体的电感的分布如图14的实线所示那样变化。图14是表示在施加旋转机电流时的交流旋转机的电感分布的图。图14的横轴是将从U相来看的位置设为基准的位置(电气角)，纵轴是将基准电感设为1时的电感的变动(变动率)。图14表示在磁饱和时电感分布从θ1位置(dm轴的位置)变化了θe1时的转子电感25、定子电感26及2个电感的合成电感27的分布。
此外，图14示出磁极位置(dm轴的位置)静止于从U相偏离了θ1的位置即位置θ1的情况下的各电感。图中的虚线所示的转子电感25在由于磁饱和而偏移了θe1后的位置(位置θ2)为最小。图中的点划线所示的定子电感26相对于U相以60°为周期进行变动。在这里，关注实线所示的2个电感的合成电感27可知，合成电感27的最小值是从转子电感25最小的位置(位置θ2)偏移了θe2后的位置(位置θ3)。即，受到定子电感26的影响，推定磁极误差θe从θe1变化为θe1+θe2这个值。另外，由于转子电感25在横轴方向上变动，因此合成电感27的值也变化，与此相伴，合成电感27的最小值的位置(位置θ3)也变化，推定磁极误差θe也变化。对于磁极位置的校正，由于以推定磁极误差θe进行校正即可，因此磁极位置校正量θc是与推定磁极误差θe相同的值。
如上所述，受到定子20的电感的影响，推定磁极误差θe、磁极位置校正量θc产生变化，因此如果考虑到定子20具有电感变化，则单纯依靠仅在某一个磁极位置处对磁极位置校正量θc进行运算，不能高精度地对磁极位置校正量θc进行运算，不能充分地提高交流旋转机1的控制性能。以上是磁极位置校正量θc依赖于转子位置而变化的原理。
为了解决上述问题，在本实施方式中，通过变更n次转子位置，对各磁极位置处的磁极位置校正量θc进行运算，从而对依赖于转子位置的磁极位置校正量θc进行运算，进一步提高交流旋转机1的控制性能。
基于图11对本实施方式的磁极位置校正量θc的运算处理步骤进行说明。首先，在步骤ST11中，施加使得交流旋转机1从一开始静止的初始磁极位置θ0旋转至前进了θ1后的位置处的电压而使转子进行旋转，即进行转子的牵引(Pull-in)动作(转子牵引动作步骤)。对于位置θ1来说，鉴于定子20的电感变化以电气角的6倍的周期而变化，以60度范围的电气角对磁极位置校正量θc进行运算即可。由此，在0≤θ1≤60度的范围实施m次即可(m是大于或等于1的正数)。在本实施方式的交流旋转机控制装置10中，将程序计数器k设为初始值是0且在0～(m－1)之间变化的正数，以θ1＝k×(60/m)使θ1进行变化。此外，在k＝0的情况下不需要进行牵引动作。
然后，在步骤ST12中实施磁极位置校正量θc的运算(磁极位置校正量数据生成步骤)。具体地说，进行在实施方式1中通过图4的说明而叙述的磁极位置校正量的运算处理步骤。另外，还能够使用实施方式1、2中的任意者的方法。
然后，在步骤ST13中，将矢量数据(id，iq，θc，θ0+θ1)存储至存储装置6(数据存储步骤)，该矢量数据(id，iq，θc，θ0+θ1)是在通过步骤ST12运算出的基波电流id、iq和磁极位置校正量θc的基础上，加上通过牵引而静止的磁极位置(θ0+θ1)后的数据。另外，程序计数器k以k＝k+1进行累加。
最后，在步骤ST14中，对磁极位置校正量θc的m次运算是否已结束进行判定。在这里，在程序计数器k的值为m时结束运算处理，否则返回步骤ST11而牵引至下一个磁极位置，反复进行步骤ST11及其后的处理。
通过以上处理而得到的矢量数据(id，iq，θc，θ0+θ1)也可以作为根据转子位置和负载而变化的表格进行保存。另外，也可以是，针对在各电流值矢量(id，iq)的情况下变更n次转子位置而运算出的磁极位置校正量θc，取其平均值而作为磁极位置校正量θmc，对基波电流id、iq和磁极位置校正量θmc的数据即矢量数据(id，iq，θmc，θ0+θ1)进行保存。在该情况下，由于根据负载而变化的磁极位置校正量是磁极位置校正量θmc，因此精度比进行1次测定的磁极位置校正量高，能够进一步提高交流旋转机1的控制性能。
如上所述，就实施方式3的交流旋转机控制装置10而言，即使是具有所谓二重凸极性的交流旋转机，也能够对根据转子位置而变化的磁极位置校正量θc进行运算，能够通过使用根据转子位置而变化的磁极位置校正量θc对交流旋转机1进行控制，从而提高交流旋转机1的控制性能，其中，所谓二重凸极性是磁极位置校正量θc依赖于转子位置而增减的特性。此外，与实施方式1、2同样地，磁极位置校正量不限于使用了角度信息的磁极位置校正量θc，也可以是使用了振幅|idh|、|iuh|、|ivh|、|iwh|的磁极位置校正量Ic。
实施方式3的磁极位置校正量运算方法的特征在于，包含：电压指令生成步骤，依次生成第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)和第二电压指令(第二电压指令Vd2*、Vq2*)，该第一电压指令用于使交流旋转机1流过目标电流Id*、Iq*，该第二电压指令用于对由第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)导致的交流旋转机1的电感状态下的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算；电压指令施加步骤，在交流旋转机不产生扭矩电流的设定施加时间，将第一电压指令及第二电压指令依次施加于交流旋转机；磁极位置校正量运算步骤，基于第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)及第二电压指令(第二电压指令Vd2*、Vq2*)和在施加了取决于第一电压指令(第一电压指令Vd1*、Vq1*)及第二电压指令(第二电压指令Vd2*、Vq2*)的电压时由电流矢量检测装置2检测出的检测电流矢量Idt对磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算；以及转子牵引动作步骤，对交流旋转机1的转子的位置进行设定，在该磁极位置校正量运算方法中，针对各个在转子牵引动作步骤中设定的转子的位置而执行电压指令生成步骤、电压指令施加步骤、磁极位置校正量运算步骤，多次变更交流旋转机1的转子的位置而执行转子牵引动作步骤、电压指令生成步骤、电压指令施加步骤、磁极位置校正量运算步骤。实施方式3的磁极位置校正量运算方法由于具有上述特征，因此即使是具有所谓二重凸极性的交流旋转机，也能够对根据转子位置而变化的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)进行运算，其中，所谓二重凸极性是磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)依赖于转子位置而增减的特性。根据实施方式3的磁极位置校正量运算方法，能够通过使用根据转子位置而变化的磁极位置校正量(磁极位置校正量θc、磁极位置校正量Ic)对交流旋转机1进行控制，从而提高交流旋转机1的控制性能。
此外，关于图1所示的交流旋转机控制装置10的电压矢量指令生成装置4及磁极位置校正量运算装置5，是由图15所示的处理器101或者图16所示的微型计算机105执行程序而进行运算处理。图15是表示本发明所涉及的交流旋转机的驱动系统的硬件结构的图，图16是表示本发明所涉及的交流旋转机的驱动系统的其他硬件结构的图。
在图15及图16中，交流旋转机的驱动系统110具有交流旋转机1和相当于交流旋转机控制装置10的交流旋转机的控制装置100。在图15及图16中，交流旋转机的控制装置100是基于模拟输入、通过通信而实现的输入等外部信号而进行动作的装置。在图15中，在交流旋转机的控制装置100中作为硬件而具有处理器101、存储器102、电压施加器103和电流检测器104。存储器102由随机访问存储器等易失性存储介质和闪存等非易失性的辅助存储介质构成。另外，也可以取代非易失性的辅助存储介质而将存储器102设为硬盘等辅助存储介质。处理器101执行从存储器102输入的程序。另外，处理器101将运算结果等数据输出至存储器102的易失性存储介质，或者经由易失性存储介质将前述数据保存至辅助存储介质。
另外，在图16中，在交流旋转机的控制装置100中作为硬件而具有微型计算机105、电压施加器103和电流检测器104。微型计算机105是具备处理器和存储介质的装置。电流检测器104相当于图1的电流矢量检测装置2，例如是变流器等。电压施加器103相当于图1的电压施加装置3，例如是使用了半导体开关的逆变器等。图1的电压矢量指令生成装置4、磁极位置校正量运算装置5相当于图15的处理器101或者图16的微型计算机105，由该硬件进行运算处理。另外，图1的存储装置6相当于图15的存储器102或者图16的微型计算机105。
另外，本发明能够在该发明的范围内对各实施方式自由地进行组合，或者将各实施方式适当地进行变形、省略。
标号的说明
1…交流旋转机，2…电流矢量检测装置，3…电压施加装置，4…电压矢量指令生成装置，5…磁极位置校正量运算装置，6…存储装置，θe…推定磁极误差，θc…磁极位置校正量，Idt…检测电流矢量，iu、iv、iw…三相电流，Ic…磁极位置校正量，Id*、Iq*…目标电流，Idq*…目标电流矢量，|iuh|、|ivh|、|iwh|…电流振幅，|iqh|…电流振幅，Vd1*、Vq1*…第一电压指令，V1*…第一电压指令矢量，Vd2*、Vq2*…第二电压指令，V2*…第二电压指令矢量，Vuh…U相电压指令，Vvh…V相电压指令，Vwh…W相电压指令。

Claims (17)

1.一种交流旋转机的控制装置，其特征在于，具有：
电压矢量指令生成装置，其生成对交流旋转机进行控制的电压指令；
电压施加装置，其基于所述电压指令将电压施加于所述交流旋转机；
电流矢量检测装置，其检测将流过所述交流旋转机的旋转机电流作为分量的检测电流矢量；
磁极位置校正量运算装置，其在与通常运转不同的所述交流旋转机的校正量创建运转时，对用于校正磁极位置误差的磁极位置校正量进行运算，该磁极位置误差是对与所述电压指令相对应的所述交流旋转机的转子的磁极位置进行推定得到的推定位置和基于所述电压指令而驱动所述交流旋转机的情况下的所述转子的磁极位置之差；以及
存储装置，其存储所述磁极位置校正量，
所述磁极位置校正量运算装置基于所述电压指令和在所述电压施加装置根据所述电压指令而将电压施加于所述交流旋转机时被检测出的所述检测电流矢量对所述磁极位置校正量进行运算，将与所述检测电流矢量相关联的所述磁极位置校正量存储至所述存储装置，
所述电压矢量指令生成装置在所述交流旋转机进行通常运转时，基于由所述电流矢量检测装置检测出的所述检测电流矢量和与该检测电流矢量相对应的所述磁极位置校正量而生成用于进行通常运转的所述电压指令。
2.根据权利要求1所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
在对所述磁极位置校正量进行运算时，所述电压矢量指令生成装置依次生成第一电压指令和第二电压指令，以将电压施加于所述交流旋转机，其中，该第一电压指令用于使所述交流旋转机流过目标电流，该第二电压指令用于对通过所述第一电压指令而在所述交流旋转机流过电流的状态下的所述磁极位置校正量进行运算，
所述磁极位置校正量运算装置基于所述第一电压指令及所述第二电压指令和在施加了取决于所述第一电压指令及所述第二电压指令的电压时被检测出的所述检测电流矢量对所述磁极位置校正量进行运算。
3.根据权利要求2所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述第一电压指令是用于流过使所述交流旋转机产生磁饱和所需的电流的电压指令。
4.根据权利要求2或3所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述第一电压指令是使电流在所述交流旋转机的一个方向上流过的电压指令。
5.根据权利要求2或3所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
在由于施加取决于所述第一电压指令的电压而形成的所述旋转机电流流过所述交流旋转机时，将取决于所述第二电压指令的电压施加于所述交流旋转机。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述第二电压指令是在所述交流旋转机中在具有大于90°且小于270°的相位差的2个方向上施加的电压指令。
7.根据权利要求6所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述第二电压指令是在所述交流旋转机中在具有180°相位差的2个方向上施加的电压指令。
8.根据权利要求6或7所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述磁极位置校正量运算装置基于从在所述电压施加装置根据所述第二电压指令而将电压施加于所述交流旋转机时被检测出的所述检测电流矢量，使用所述磁极位置而变换至所述转子的磁极轴和与该磁极轴正交的轴后的电流的振幅，对所述磁极位置校正量进行运算。
9.根据权利要求2至5中任一项所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述交流旋转机是三相交流旋转机，
所述第二电压指令是各相具有120°相位差的同一频率的电压指令。
10.根据权利要求9所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述电压施加装置是通过以任意的通断周期使半导体开关导通及截止而将电压施加于所述交流旋转机的装置，
所述第二电压指令的周期相对于所述通断周期的倍数是3的倍数。
11.根据权利要求9或10所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
所述磁极位置校正量运算装置基于在施加了所述第二电压指令时被检测出的所述检测电流矢量所含有的与所述第二电压指令相同周期的所述检测电流矢量的电流振幅，对所述磁极位置校正量进行运算。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于，
在对所述磁极位置校正量进行运算时，所述电压矢量指令生成装置多次变更所述交流旋转机的所述转子的位置，
针对所述转子的各不同位置，
依次生成第一电压指令和第二电压指令，以将电压施加于所述交流旋转机，其中，该第一电压指令用于使所述交流旋转机流过目标电流，该第二电压指令用于对通过所述第一电压指令而在所述交流旋转机流过电流的状态下的所述磁极位置校正量进行运算，
所述磁极位置校正量运算装置基于所述第一电压指令及所述第二电压指令和在施加了取决于所述第一电压指令及所述第二电压指令的电压时被检测出的所述检测电流矢量，对所述磁极位置校正量进行运算，将与所述检测电流矢量及所述转子的位置相关联的所述磁极位置校正量存储至所述存储装置。
13.一种磁极位置校正量运算方法，
其在基于电压指令而对交流旋转机进行驱动时，对用于校正磁极位置误差的磁极位置校正量进行运算，该磁极位置误差是对与所述电压指令相对应的所述交流旋转机的转子的磁极位置进行推定得到的推定位置和驱动所述交流旋转机的情况下的所述转子的磁极位置之差，
该磁极位置校正量运算方法的特征在于，包含：
电压指令生成步骤，依次生成第一电压指令和第二电压指令，该第一电压指令用于使所述交流旋转机流过目标电流，该第二电压指令用于对通过所述第一电压指令而在所述交流旋转机流过电流的状态下的所述磁极位置校正量进行运算；
电压指令施加步骤，将所述第一电压指令及所述第二电压指令依次施加于所述交流旋转机；以及
磁极位置校正量运算步骤，基于所述第一电压指令及所述第二电压指令和在施加了取决于所述第一电压指令及所述第二电压指令的电压时由电流矢量检测装置检测出的检测电流矢量对所述磁极位置校正量进行运算。
14.根据权利要求13所述的磁极位置校正量运算方法，其特征在于，
所述第一电压指令是用于流过使所述交流旋转机产生磁饱和所需的电流的电压指令。
15.根据权利要求13或14所述的磁极位置校正量运算方法，其特征在于，
所述第二电压指令是在所述交流旋转机中在具有大于90°且小于270°的相位差的2个方向上施加的电压指令。
16.根据权利要求15所述的磁极位置校正量运算方法，其特征在于，
所述第二电压指令是在所述交流旋转机中在具有180°相位差的2个方向上施加的电压指令。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的磁极位置校正量运算方法，其特征在于，
包含对所述交流旋转机的所述转子的位置进行设定的转子牵引动作步骤，
针对各个在所述转子牵引动作步骤中设定的所述转子的位置而执行所述电压指令生成步骤、所述电压指令施加步骤、所述磁极位置校正量运算步骤，
多次变更所述交流旋转机的所述转子的位置而执行所述转子牵引动作步骤、所述电压指令生成步骤、所述电压指令施加步骤、所述磁极位置校正量运算步骤。
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