CN107528517A - 旋转电机的控制方法 - Google Patents

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CN107528517A CN201710432048.3A CN201710432048A CN107528517A CN 107528517 A CN107528517 A CN 107528517A CN 201710432048 A CN201710432048 A CN 201710432048A CN 107528517 A CN107528517 A CN 107528517A
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Abstract

本发明获得一种不使用多个映射也能高精度地在恒定输出线附近进行旋转电机的控制的旋转电机的控制方法。在向根据电气控制量将来自电源的直流电压转换为提供给旋转电机的驱动电流的功率转换部提供所述电气控制量的旋转电机的控制中，使用基于所述旋转电机的特定的直流电压下的所述旋转电机的转速与要求指令值来对所述电气控制量进行计算的转换映射，并在根据所述转换映射求出所述电气控制量时，根据所述旋转电机的所述特定的直流电压与所述转速的比来计算所述电气控制量。

Description

旋转电机的控制方法
技术领域
本发明涉及旋转电机的控制方法。
背景技术
以往，关于旋转电机的控制方法，在对旋转电机的转矩或输出进行控制的情况下，对于旋转电机所要求的转矩或输出，求出最佳电流指令值或电压指令值，并基于所求出的电流指令值或电压指令值对从旋转电机的控制装置向旋转电机提供的电量进行控制。然而，已知有如下情况，即：最佳电流指令值或电压指令值不仅根据旋转电机所要求的转矩或输出、还根据来自电源的直流电压或旋转电机的转速而取不同的值。
另一方面，虽然存在将直流电压或转速考虑在内从而从理论上求出电流指令值或电压指令值的方法，然而由于较为复杂，因此在进行控制的反馈环路(Feedback Loop)中难以进行计算。此外，由于在控制器的存储器、计算速度上存在限制，因此难以为了对所要求的转矩或输出进行计算而进行如下动作，即：根据所有的条件生成示出对于直流电压或转速的电流指令值或电压指令值的映射，将其保存于控制器的存储器，并在控制的反馈环路中依次进行计算，从而求出电流指令值或电压指令值。
因此，下述专利文献1中，准备多个与直流电压或转速相对应的、表示旋转电机所要求的转矩或输出的转换映射，并在它们之间进行插补。例如，在电压Va时的转矩-转速特性的曲线、与电压Vb(Va＞Vb)时的转矩-转速特性的曲线的动作点间进行内插，从而求出电压Vc(Va＞Vc＞Vb)时的动作点。
此外，下述专利文献2中，记载有如下内容，即：在转矩-转速特性的曲线中，在转换映射中电压Va中存在动作点而电压Vb中不存在动作点的情况下，例如，在能以电压Va进行动作的动作点、与转速相同的电压Vb的动作点之间以电压比进行内插，从而求出电压Vc的动作点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2004－80896号公报
专利文献2：日本专利特开2015－201979号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述专利文献1中，在进行电压间的插补时，例如在值没有发生变化的恒定输出线附近等的区域中不存在插补的值，在需要在恒定输出线附近进行指令值的设定的情况下无法进行计算。此外，若要准确地进行上述恒定输出线附近的校正，则需要多个转矩电流指令映射。
此外，上述专利文献2中，在使用转矩-转速特性的曲线时，为了将转速保持为相同而导致转矩下降，因此转矩精度降低。此外，若要防止转矩精度降低，则需要多个转矩电流指令映射。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种不使用多个映射也能高精度地在恒定输出线附近进行旋转电机的控制的旋转电机的控制方法。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明涉及旋转电机的控制方法等，在向根据电气控制量将来自电源的直流电压转换为提供给旋转电机的驱动电流的功率转换部提供所述电气控制量的旋转电机的控制中，使用基于所述旋转电机的特定的直流电压下的所述旋转电机的转速与要求指令值来对所述电气控制量进行计算的转换映射，并在根据所述转换映射求出所述电气控制量时，根据所述旋转电机的所述特定的直流电压与所述转速的比来计算所述电气控制量。
发明效果
本发明中，不使用多个映射也能高精度地在恒定输出线附近进行旋转电机的控制
附图说明
图1是示出应用本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法的旋转电机的控制系统的示意性结构的功能框图。
图2是示出用于说明现有技术的高电压时的转矩电流指令映射的一个示例的图。
图3是示出用于说明现有技术的低电压时的转矩电流指令映射的一个示例的图。
图4是用于对用于说明现有技术的中间电压的电流指令值的计算进行说明的图。
图5是示出用于进行与本发明的旋转电机的控制所涉及的转矩计算有关的说明的低电压时的电流矢量轨迹的一个示例的图。
图6是示出用于进行与本发明的旋转电机的控制所涉及的转矩计算有关的说明的高电压时的电流矢量轨迹的一个示例的图。
图7是本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于特定电压使用转换映射时的电气控制量转换器的一个示例的框图。
图8是用于对本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制中的电气控制指令值的计算方法进行说明的图。
图9是本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于特定转速使用转换映射时的电气控制量转换器的一个示例的框图。
图10是本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于多个特定直流电压使用转换映射时的电气控制量转换器的一个示例的框图。
图11是用计算机来执行本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法时的示意性结构图。
图12是本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于多个特定转速使用转换映射时的电气控制量转换器的一个示例的框图。
具体实施方式
首先，对上述专利文献1中的插补方法示例进行简单说明。图2示出表示高电压Va时的转矩-转速特性的曲线的转矩电流指令映射的一个示例，图3示出低电压Vb(Va＞Vb)时的转矩电流指令映射的一个示例。图4示出高电压Va与低电压Vb之间的中间电压Vc时的转矩与转速的关系。为了使图2、图3、图4的关系便于理解，设各图的最大输出线为202、302、402。图4的情况下，在求取动作点408的d轴分量的电流Id、q轴分量的电流Iq时，在位于图2和图3的曲线上的动作点间进行内插，从而求出动作点。
此外，上述专利文献2中，示出了对于在转换映射中高电压Va中存在动作点而低电压Vb中不存在动作点的情况下的插补方法。例如，在能以高电压Va进行动作的动作点409、与转速相同的低电压Vb的动作点410之间以电压比进行内插。
然而，上述专利文献1中，在需要在恒定输出线附近进行指令值的设定的情况下无法进行计算，若要准确地进行恒定输出线附近的校正，则需要多个转矩电流指令映射。
此外，上述专利文献2中，为了将转速保持为相同而导致转矩下降，因此转矩精度降低，此外，若要防止转矩精度降低，则需要多个转矩电流指令映射。
以下，使用附图对本发明所涉及的旋转电机的控制方法进行说明。另外，用相同或相对应的标号示出相同或相当的部分，并省略重复说明。
实施方式1.
图1是示出应用本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法的旋转电机的控制系统的示意性结构的功能框图。
在图1中，直流电源即电源3向功率转换部2供电。
例如，若为三相的旋转电机，则由逆变器等构成的功率转换部2根据示出来自电气控制量转换器1的电气控制量的电气控制指令值ECC，将来自电源3的直流电压V转换为U相、V相、W相的各相的相电流Iu、Iv、Iw。
坐标转换器4将相电流Iu、Iv、Iw转换为d轴分量的电流Id、q轴分量的电流Iq。
根据来自功率转换部2的相电流Iu、Iv、Iw来对例如由永磁电动机构成的旋转电机5进行驱动。
由转速计等构成的旋转传感器(RS)6对旋转电机5的实际转速ωreal进行检测。
电气控制量转换器1根据由来自控制系统的上位的旋转电机的转矩或输出构成的要求指令值RCO、电源3的实际直流电压Vreal、来自坐标转换器4的d轴分量的电流Id、q轴分量的电流Iq、以及来自旋转传感器(RS)6的旋转电机5的实际转速ωreal，将示出电气控制量的电气控制指令值ECC发送至功率转换部2。
此外，电气控制量转换器1、坐标转换器4例如可以由图11示意性示出的计算机构成。在计算机100中，经由接口101来与外部进行输入输出。在构成存储部的存储器103中存储有各种功能的程序、以及处理所需的转换映射、计算式、数据。处理器102根据存储于存储器103的各种程序、转换映射、计算式、数据，对经由接口101被输入的信号进行运算处理，并经由接口101输出处理结果。
一般情况下，旋转电机5即电动机的转速ω随时间而变化，且从电源3施加到由逆变器等构成的功率转换部2的直流电压V也发生变化。此外，可以认为根据控制的上位的指令，成为向旋转电机5提供的要求指令值RCO的转矩或输出也发生变化。
如上所述，直流电压V、转速ω、要求指令值RCO依次变化，因此，恰当地求出与此时的直流电压V、转速ω、要求指令值RCO相对应的电气控制指令值ECC，从而可以改善旋转电机5的驱动精度、效率。
另外，在利用功率转换部2根据电气控制指令值ECC进行电流控制时，功率转换部2以利用PWM(脉宽调制)或PAM(脉幅调制)等将直流电压V转换为交流电压的方式进行动作。若电气控制指令值ECC为电流指令值，则功率转换部2将其转换为在功率转换部2中所需的电压指令值等来进行电流控制，若电气控制指令值ECC为电压指令值，则功率转换部2基于电压指令值来进行电流控制。此外，也使用PID(Proportional-Integral-DifferentialControl：比例-积分-微分控制器)等反馈所需的常数。
因此，为了对在求取合适的电气控制指令值ECC时如何应用本发明进行说明，以下示出要求指令值RCO为转矩T的情况，以方便对与图1所示的电气控制量转换器1有关的实施例进行理解。另外，在将要求指令值RCO设为输出ONT的情况下，可以视为等同于将转矩T与转速ω相乘后而得的值。
对与要求转矩相对应的电流指令值的求取方法进行说明。根据旋转电机5即电动机的特性不同，
d轴分量的电感Ld、
q轴分量的电感Lq、
永磁体的电枢交链磁通的有效值以及
极对数Pn
不同，与要求转矩相对应的电流指令值不同。
另外，通过下式求出转矩T。
T＝Pn{φa·Iq+(Ld－Lq)Id·Iq} (1)
式中，
Id为d轴分量的电流，
Iq为q轴分量的电流，
为固定值，例如为由永磁体与其配置等所决定的固定值，
Pn为由使用了磁体的设计所决定的固定值。
此外，Ld、Lq根据Id、Iq的值的不同而不同。因此，为了求出Ld、Lq，对磁体排列等进行模拟，并利用模拟或实验求出FEM(有限单元法)的磁力分析，以作为映射。例如，为了利用实验进行求取而使电动机实际旋转起来，从而对与Id、Iq相对应的d轴电压Vd、q轴电压Vq进行测量。
基于电压方程式，得到下式：
Vd＝Ra·Id－ω·Lq·Iq
Vq＝Ra·Iq+ω·Ld·Id+ω·φa (2)
因此，基于另行求出的转速ω与旋转电机5的电阻值Ra，能求出与Id、Iq相对应的Ld、Lq。
基于上述d轴分量的电感Ld和q轴分量的电感Lq、以及式(1)，能计算与d轴分量的电流Id及q轴分量的电流Iq相对应的转矩T。图5、图6中示出了该示例。图5示出低电压时的电流矢量轨迹的一个示例，图6示出高电压时的电流矢量轨迹的一个示例，设横轴为d轴分量的电流Id、纵轴为q轴分量的电流Iq。基于式(1)计算出与Id、Iq指令值相对应的转矩T，其结果是，能够对相同转矩T下的线进行描绘，且作为一个示例，描绘出恒定转矩线504、604。另外，为了便于进行后述的说明，在由Id、Iq描绘的电流矢量轨迹上描绘恒定感应电压椭圆502、602。感应电压是以如下方式产生的电压，即：在电动机旋转时，磁体所产生的磁通相对于线圈旋转，因此线圈的磁通密度随着时间而变化，从而产生电压。恒定感应电压椭圆502、602表示极限，该极限中，由于产生该感应电压，因此即使在电动机的线间施加电压，也会输给感应电压，预期的电流无法流过。具体而言，意味着能利用控制装置对电流进行控制的点仅位于被描绘在图5、图6中所描绘的电流矢量轨迹中的恒定感应电压椭圆502、602的内部。
此处，关于恒定感应电压椭圆，如下所示。
(Ld·Id+φa)2+(Lq·Iq)2＝(V/ω)2 (3)
大小与直流电压V/转速ω成比例地变化。
此外，在无视了恒定感应电压椭圆的情况下，电流最小的点为505、506，然而若考虑恒定感应电压椭圆，则在图5的情况下，505无法成为动作点，因此，沿恒定转矩曲线移动，506成为最佳动作点。另一方面，在图6的情况下，由于在恒定感应电压椭圆的内部存在有在电流最小条件下进行动作的最佳动作点605，因此，无需将606设为最佳动作点。将图6那样的电流最小条件下的动作点位于恒定感应电压椭圆内部的情况称为“直行区域”，将图5那样的动作点不在电流最小条件下的情况称为“弱化区域”。
当直流电压V发生变化时，之前所述的恒定感应电压椭圆的大小发生变化，因此，图2、图3的电流指令映射的直行区域、弱化区域发生变化，且该线以直流电压V与转速ω的比进行变化。
因此，在图7中示出本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于特定直流电压(Vα)使用转换映射时的电气控制量转换器1的一个示例的框图。图7中作为转换块而被示出的电气控制量转换器1a使用存储于存储器103的转换映射，转换映射设为以特定直流电压Vα的横轴为转速ω，以纵轴为要求转矩(T)。
作为特定电压的转换映射的生成方法，可以基于式(1)(3)对能以最小电流动作的转矩进行映射来求取，此外，也可以使旋转电机实际动作起来从而进行求取。此外，以特定直流电压Vα对横轴的转速ω进行了标准化，然而也可以不进行标准化而在计算过程中用转速ω除以特定直流电压Vα。
另外，图7中，对电气控制量转换器1a输入作为要求指令值RCO的转矩T*、来自电源3的实际直流电压Vreal、以及来自旋转传感器6的旋转电机5的实际转速ωreal，电气控制量转换器1a输出作为示出电气控制量的电气控制指令值ECC的实际直流电压Vreal中的d轴分量的电流以及q轴分量的电流的指令值。
图8是用于对本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中的电气控制指令值的计算方法进行说明的图。
图8(a)是用转速ω除以特定直流电压Vα并标准化后而得的图。如点801所示，该情况为从原先的映射求出ω/Vα、与用旋转电机的实际转速ωreal除以旋转电机的实际直流电压Vreal后而得的值为相同的值的电气控制指令值(电气控制量)ECC的方法。
如点802所示，图8(b)为将横轴设为转速ω，并使用旋转电机的实际直流电压Vreal、实际转速ωreal、以及在制作转换映射时所使用的特定直流电压Vα，从而从原先的映射求出Vα·ωreal/Vreal与ω为相同值的电气控制指令值ECC的方法。
另外，如上所述，使用在纵轴上的要求转矩T可以设为将要求转矩T乘以转速ω后而得的输出。此外，此处对电流指令值Id、Iq进行计算，然而也可以使用式(2)来将Id、Iq转换为电压指令值Vd、Vq。
此外，像图9的转换块那样，将直流电压V与转速ω的关系互换后而得的关系也成立。在图9中示出本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于特定转速(ωα)使用转换映射时的电气控制量转换器1的一个示例的框图。对图9中作为转换块而被示出的电气控制量转换器1b输入作为要求指令值RCO的转矩T*、来自电源3的实际直流电压Vreal、以及来自旋转传感器6的旋转电机5的实际转速ωreal，电气控制量转换器1b输出作为示出电气控制量的电气控制指令值ECC的实际转速ωreal中的d轴及q轴分量的电流的指令值。
上述示例假设了如下情况，即：旋转电机的电阻Ra非常小，因此可以无视，然而在以进一步提高电气控制量即电气控制指令值ECC的精度为目标的情况下，需要考虑旋转电机的电阻Ra。为了考察旋转电机的电阻Ra如何对电压产生影响，以下式示出相当于直流电压V的直流电压Vdc的电压利用率m。
【数学式1】
上述式(4)中，之前提到的ω/Vdc为恒定，因此Ra以Vdc的倒数的方式对电流Id、Iq产生影响。
如上所述，考虑到旋转电机的电阻Ra，可以准备多个将不同的直流电压中的电阻Ra考虑在内的转换映射。
此外，如上所述，Vdc以倒数的方式对电流Id、Iq产生影响，因此能通过在电流指令的直流电压的倒数间进行内插来决定电流指令。
另外，图10中示出了具体的实施例。在图10中示出本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于多个特定直流电压使用转换映射时的电气控制量转换器1的一个示例的框图。图10的电气控制量转换器1c中，使用以2个转换块1c1、1c2来进行表示的2个转换映射，且相对于2个特定直流电压以特定直流电压V＝Vα、Vβ对转速ω进行标准化。关于放大部1c3、1c4中的增益Kα与增益Kβ的计算，如下所示。
在电压的倒数间进行了内插，因此Kα、Kβ成为下式：
Kα＝(1/Vreal－1/Vβ)/(1/Vα－1/Vβ)
Kβ＝1－(1/Vreal－1/Vβ)/(1/Vα－1/Vβ) (5)
此处，Vreal示出了旋转电机的实际直流电压，Vα、Vβ示出了直流电压V＝Vα、Vβ时的特定的直流电压。此外，与特定直流电压Vα、Vβ相对应的转换映射在转换块1c1、1c2中被使用。
此外，为了对式(5)进行简化，若将Vβ假设为无限大、即旋转电机的电阻值为0Ω，则式(5)成为：
Kα＝Vα/Vreal
Kβ＝1－Vα/Vreal (6)
通过在以特定直流电压Vα、β的各电压进行详细适应时使用式(5)、在能以理论公式等对电流指令值进行大致计算时使用式(6)，从而能对与要求转矩T相对应的最佳电气控制指令值ECC即Id、Iq电流指令值进行计算。
利用合计部1c5对从各放大部1c3、1c4输出的指令值进行合计从而进行输出。
另外，图10示出了使用了图7的特定直流电压的转换映射时的示例，然而在使用了图9的特定转速的转换映射的情况下，如图12所示，也能使用多个转换映射来构成电气控制量转换器。
图12中示出了具体的实施例。在图12中示出本发明的一个实施方式所涉及的旋转电机的控制方法中相对于多个特定转速使用转换映射时的电气控制量转换器1的一个示例的框图。图12的电气控制量转换器1d中，使用以2个转换块1d1、1d2来进行表示的2个转换映射，且相对于2个特定转速以特定转速ω＝ωα、ωβ对直流电压V进行标准化。关于放大部1d3、1d4中的增益Kα与增益Kβ的计算，如下所示。
基于式(3)，转速ω为直流电压V的倒数，因此，与图10的实施例不同，无需在倒数间进行内插，因此Kα、Kβ成为下式：
Kα＝(ωreal－ωβ)/(ωα－ωβ)
Kβ＝(ωα－ωreal)/(ωα－ωβ) (7)
此处，ωreal示出了旋转电机的实际转速，ωα、ωβ示出了转速ω＝ωα、ωβ时的特定的转速。此外，与特定转速ωα、ωβ相对应的转换映射在转换块1d1、1d2中被使用。
利用合计部1d5对从各放大部1d3、1d4输出的指令值进行合计从而进行输出。
标号说明
1、1a、1b、1c、1d 电气控制量转换器
1c1、1c2、1d1、1d2 转换块
1c3、1c4、1d3、1d4 放大部
1c5、1d5 合计部
2 功率转换部
3 电源
4 坐标转换器
5 旋转电机
6 旋转传感器
100 计算机
101 接口
102 处理器
103 存储器

Claims (7)

1.一种旋转电机的控制方法，其特征在于，
在向根据电气控制量将来自电源的直流电压转换为提供给旋转电机的驱动电流的功率转换部提供所述电气控制量的旋转电机的控制中，
使用转换映射，该转换映射基于所述旋转电机的特定的直流电压下的所述旋转电机的转速与要求指令值，来对所述电气控制量进行计算，
在根据所述转换映射求出所述电气控制量时，根据所述旋转电机的所述特定的直流电压与所述转速的比来计算所述电气控制量。
2.如权利要求1所述的旋转电机的控制方法，其特征在于，
所述要求指令值为所述旋转电机的转矩或输出，所述电气控制量为电流指令值或电压指令值。
3.如权利要求2所述的旋转电机的控制方法，其特征在于，
使用多个转换映射，该多个转换映射基于各不相同的特定的直流电压下的所述旋转电机的所述转速与所述要求指令值，来对所述电气控制量进行计算，
所述多个转换映射中的一个转换映射为将所述旋转电机的电阻值假设为0Ω而求出的转换映射。
4.如权利要求3所述的旋转电机的控制方法，其特征在于，
在根据所述多个转换映射求出所述电气控制量时，使用所述直流电压的倒数来进行内插。
5.一种旋转电机的控制方法，其特征在于，
在向根据电气控制量将来自电源的直流电压转换为提供给旋转电机的驱动电流的功率转换部提供所述电气控制量的旋转电机的控制中，
使用转换映射，该转换映射基于所述旋转电机的特定的转速下的所述直流电压与要求指令值，来对所述电气控制量进行计算，
在根据所述转换映射求出所述电气控制量时，根据所述旋转电机的所述直流电压与所述特定的转速的比来计算所述电气控制量。
6.如权利要求5所述的旋转电机的控制方法，其特征在于，
所述要求指令值为所述旋转电机的转矩或输出，所述电气控制量为电流指令值或电压指令值。
7.如权利要求6所述的旋转电机的控制方法，其特征在于，
使用多个转换映射，该多个转换映射基于各不相同的特定的所述旋转电机的转速下的所述直流电压与所述要求指令值，来对所述电气控制量进行计算。
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