CN107681938A - 永磁体同步电动机的常数验明装置以及常数验明方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对永磁体同步电动机的惯性矩进行验明的装置以及方法。本发明提供一种即使在负载转矩以及惯性矩未知的条件下、也能够以不会产生设想之外的急加速或过度旋转状态的方式验明惯性矩的永磁体同步电动机的常数验明装置以及永磁体同步电动机的常数验明方法。实施方式的永磁体同步电动机的常数验明装置具备常数验明部，该常数验明部基于永磁体同步电动机的转子中的永磁体磁通方向的推定轴即d_c轴，决定施加于上述电动机的电压或者电流，进行启动上述电动机时的牵引同步驱动，在进行该牵引同步驱动的期间内，验明上述电动机的磁体磁通与惯性矩。

Description

永磁体同步电动机的常数验明装置以及常数验明方法

技术领域

本发明的实施方式涉及对永磁体同步电动机的惯性矩进行验明(identification，同定)的装置以及方法。

背景技术

例如在对电动机的速度进行PI(Product-Integral)控制时，为了定量地决定控制增益，需要电动机以及连接于电动机的负载的惯性矩。以往，例如如专利文献1所公开的那样，根据将电动机加速时的速度变化宽度dω与运算出的电动机转矩T_M，通过(1)式来验明惯性矩J_M。由于很多情况下负载转矩T_LOAD未知，因此通过进行两个条件以上的测试运转来进行验明(日本专利第3731060号公报)。

J_M(dω/dt)＝T_M－T_LOAD…(1)

然而，在以往的技术中，为了决定速度控制中使用的控制增益，在不控制速度的状态下使电动机运转，来验明惯性矩。例如，将电动机转矩T_M控制为一定，进行对应于电动机转矩T_M与负载转矩T_LOAD的差分转矩的加速，利用此时的速度变化幅度求出惯性矩。在该情况下，如果负载转矩和惯性矩都未知，则可能电动机因赋予的电动机转矩T_M而急剧地加速，或陷入过度旋转状态。根据电动机所连接的机械系统的构造的不同，有时进行这种运转本身就会成为问题。

或者，在虽然无法判断出准确的惯性矩但决定了速度控制的增益的情况下等，有时能够一边进行某种程度的速度控制，一边验明惯性矩，但留有如何决定最初赋予的速度控制增益这一问题。

而且，若设想以无位置·速度传感器的构成对永磁体同步电动机进行速度控制，则电动机急剧加速的结果是，在旋转速度超过无位置传感器控制系统的控制域时，会引起无传感器控制崩溃的失步现象。

发明内容

因此，提供一种即使在负载转矩以及惯性矩未知的条件下、也能够以不会产生设想之外的急加速或过度旋转状态的方式验明惯性矩的永磁体同步电动机的常数验明装置以及永磁体同步电动机的常数验明方法。

实施方式的永磁体同步电动机的常数验明装置具备常数验明部，该常数验明部基于永磁体同步电动机的转子中的永磁体磁通方向的推定轴即d_c轴，决定施加于上述电动机的电压或者电流，进行启动上述电动机时的牵引同步驱动，在进行该牵引同步驱动的期间内，验明上述电动机的磁体磁通与惯性矩。

附图说明

图1是一个实施方式，是表示电动机常数验明装置的构成的功能框图。

图2是表示常数验明部的构成的功能框图。

图3是表示电动机常数验明装置的处理内容的流程图。

图4是表示图3的各步骤中的处理内容所对应的各部分的动作波形的图。

图5是表示dq轴与d_cq_c轴的关系的图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，参照附图对一个实施方式进行说明。图1是表示电动机常数验明装置的构成的功能框图。直流电源部1以直流电源的标志来表示，但在从商用交流电源生成直流电源的情况下包含整流电路、平滑电容器等。在直流电源部1经由正侧母线2a、负侧母线2b连接有逆变电路3。逆变电路3将作为开关元件的例如N沟道型的功率MOSFET4(U+，V+，W+，U－，V－，W－)进行3相桥式连接而构成，各相的输出端子分别连接于电动机5的各相绕组。

逆变电路3的各相输出端子与电动机5的各相绕组之间插设有电流传感器6，电流传感器6的传感器信号被输入到电流检测部7。另外，还有时电流传感器6是利用了霍尔IC的电流变压器、或插入到逆变电路3的下臂侧的分流电阻。电流检测部7将输入的传感器信号进行A/D转换而读取，进行必要的信号处理并输出U、V、W各相的电流I_u、I_v、I_w。这些各相电流被输入到3相/d_cq_c转换部8。

在3相/d_cq_c转换部8中，输入的各相电流I_u、I_v、I_w被转换成d_c轴电流I_dc、q_c轴电流I_qc。关于d_c轴、q_c轴，如图5所示，与通过运算推定出的永磁体磁通的方向一致的轴为d_c轴，与d_c轴正交的轴为q_c轴。在d_c轴与和实际的磁体磁通方向一致的d轴之间，存在位置误差Δθ。

各轴电流I_dc、I_qc被输入到常数验明部9以及电流控制部10。在常数验明部9中，由电流控制部10输入了d_c轴电压V_dc、q_c轴电压V_qc，常数验明部9根据输入的各运算参数来验明电枢交链磁通φ_f、惯性矩J_M。另外，在进行该验明的过程中，决定d_c轴电流指令I_dc＿Ref、q_c轴电流指令I_qc＿Ref以及电动机5的旋转速度指令值ω_Ref。电流指令I_dc＿Ref、I_qc＿Ref被输入到电流控制部10。另外，速度指令值ω_Ref被积分器11积分而转换成位置指令θ_Ref，该位置指令θ_Ref被输入到3相/d_cq_c转换部8以及d_cq_c/3相转换部12。

电流控制部10以使各轴电流I_dc、I_qc跟随于各轴电流指令I_dc＿Ref、I_qc＿Ref的方式对d_c轴电压V_dc、q_c轴电压V_qc进行运算，并输出到常数验明部9以及d_cq_c/3相转换部12。d_cq_c/3相转换部12将2轴电压V_dc、V_qc转换成3相电压指令V_u、V_v、V_w，并输出到占空比生成部13。电压检测部15检测出直流电源1的电压V_DC而输出到占空比生成部13。占空比生成部13用直流电压V_DC除3相电压指令值V_u、V_v、V_w来决定用于生成各相PWM信号的占空比D_u、D_v、D_w，并输入到PWM生成部14。

PWM生成部14例如被输入了三角波状的PWM载波，PWM生成部14比较载波与各相占空比D_u、D_v、D_w的等级而生成3相PWM信号U+、V+、W+。另外，也生成使3相PWM信号反转后的下臂侧的信号U－、V－、W－，在根据需要附加了死区时间之后，将它们输出到逆变电路3。另外，以上，构成7～14的功能是利用包含CPU的微型计算机的硬件以及软件实现的功能。

接下来，参照图2～图5，对本实施方式的常数验明部9中的电枢交链磁通通φ_f以及惯性矩J_M的验明原理和其序列进行说明。另外，作为前提，设为能够按照电流指令值控制电动机电流。这是因为，一般来说在电动机停止时，能够进行基于定子绕组的电阻或电感的验明的、电流控制的增益调整。

图3是表示将电枢交链磁通通φ_f以及惯性矩J_M验明的处理内容的流程图。此外，图2是表示上述处理内容对应的常数验明部9的各处理块的图。首先，将d_c轴电流设为某个值、例如I_dc1，以q_c轴电流为0A的方式控制电流，进行转子的“定位动作”(S1)。另外，使旋转速度指令ω_Ref为零。伴随于此，作为旋转速度指令的积分的旋转角度指令θ_Ref也成为0deg。此时，如果转子的初始的磁极位置θ为0deg以外的值，则磁极位置θ由于接通的电流而被引向0deg的位置。

这里，赋予了旋转角度指令θ_c(＝θ_Ref)与磁极位置θ时的磁极位置误差Δθ成为(2)式。

Δθ＝θ－θ_c…(2)

根据d_c轴电流指令I_dc＿Ref与磁极位置误差Δθ，由(3)式赋予电动机5所产生的转矩T_M。

T_M＝Pφ_f I_dc＿Ref sinΔθ…(3)

其中，P是电动机极对数。

如(3)式所示，在存在磁极位置误差Δθ的情况下，电动机5产生转矩T_M，若误差Δθ为零，则转矩T_M也为零。即，如果初始的磁极位置θ与θ_Ref不一致，则会产生转矩T_M直至两者一致为止，磁极位置θ被定位为旋转角度指令θ_Ref。

若如以上那样，定位动作结束，则接下来执行强制同步驱动(1)(S2)。强制同步驱动(1)相当于第一牵引同步驱动。在强制同步驱动中，一边进行与定位动作相同的控制，一边移动旋转角度指令θ_Ref而将电动机5加速。将旋转速度指令ω_Ref以斜坡状从零增加至ω_Ref1。如(4)式那样以旋转速度指令ω_Ref的积分赋予旋转角度指令θ_Ref。另外，(4)式中的“s”是微分运算符。

θ_Ref＝ω_Ref/s…(4)

虽然该动作原理与定位相同，但这里存在负载转矩T_Load的情况下，电动机的运动方程式为(1)式，若用(3)式表示转矩T_M，旋转速度指令ω_Ref与旋转速度ω大致一致，则电动机的运动方程式能够用(5)式表示。

J_M(dω_Ref/dt)＝Pφ_f I_dc＿Ref sinΔθ－T_LOAD…(5)

在(5)式中，在存在负载转矩T_LOAD或者速度变化dω_Ref的情况下，如果不存在磁极位置误差Δθ，则不能产生转矩T_M来使电动机5旋转。

在该状态下，若旋转速度指令ω_Ref达到ω_Ref1(S3；是)，则将电动机5控制成等速运转而验明电枢交链磁通φ_f(S4)。这里，能够使用d_cq_c轴的电压·电流而以(6)式求出磁极位置误差Δθ的推定值Δθ_c。

【数式1】

另外，图2所示的位置误差推定部21是求出推定值Δθ_c的处理块。

另外，以旋转速度指令ω_Ref旋转的情况下的稳定状态的dq轴的电压方程式为(7)式，由于在q轴侧存在电枢交链磁通φ_f，因此能够使用(7)式来验明磁通φ_f。

V_d＝RI_d－ωL_qI_q

V_q＝RI_q+ωL_dI_d+ωφ_f…(7)

(7)式虽然以dq轴来表示，但实际上能够检测出的是d_cq_c轴的电压·电流。若以d_cq_c轴的电压·电流以及磁极位置误差推定值Δθ_c表示(7)式的q轴侧的磁通φ_f，则成为(8)式。使用该(8)式来验明磁通φ_f。

【数式2】

图2所示的磁通验明部22是将磁通φ_f验明的处理块。

另外，在步骤S4的等速运转中，验明当前的负载转矩T_LOAD。在(5)式中，如果由于是等速而将速度变化dω_Ref设为零，则能够使用通过(8)式验明出的磁通φ_f，以(9)式来验明负载转矩T_LOAD。

T_LOAD＝Pφ_f I_dc＿Ref sinΔθ_c…(9)

图2所示的负载转矩验明部24是将负载转矩T_LOAD验明的处理块。

接下来，再次将电动机5加速而执行强制同步驱动(2)(S5)。强制同步驱动(2)相当于第二牵引同步驱动。此时的加速度被设定为比步骤S2的情况高，使速度指令ω_Ref以斜坡状从ω_Ref1增加至ω_Ref2而加速。在该加速中验明惯性矩J_M(S7)。若再次使用(5)式而变形，则成为(10)式。这里，d_t是从速度指令ω_Ref1到速度指令ω_Ref2的加速时间，dω_Ref由(ω_Ref2－ω_Ref1)求出。负载转矩T_LOAD使用在步骤S3中验明出的值。

【数式3】

这里使用的磁极位置误差的推定值Δθ_c是在进行步骤S5的加速运转的期间内使用(6)式而计算的。另外，由于刚开始加速之后的推定值Δθ_c的变动量较大，因此使用加速开始后经过一定时间之后或推定值Δθ_c成为一定值以下的情况下(S6；是)的值，或者使用满足这两个条件之后的值。而且，也可以使用加速期间的推定值Δθ_c的平均值。另外，电动机转矩验明部23以及惯性矩验明部25是将电动机转矩T_M以及惯性矩J_M验明的处理块。

通过以上的处理，能够验明惯性矩J_M。这样，通过使用强制同步驱动、牵引同步驱动，使用此时的磁极位置误差的推定值Δθ_c进行验明，从而即使是进行电动机5的速度控制的调整之前的阶段并且是采用了无位置传感器控制的构成，也能够在管理电动机5的速度以及加速度的同时进行验明。

在图4中示出图3的各步骤中的处理内容所对应的各部分的动作波形。在步骤S1进行了定位动作之后，在步骤S2的强制同步驱动(1)中，旋转速度ω上升。在此期间，d_c轴电流Id_c流过指令值I_dc1＝3A。q_c轴电流是指令值0A。负载转矩T_LOAD赋予了0.5Nm。因此，仅能够输出该转矩T_LOAD，产生了磁极位置误差Δθ。

虽然磁极位置误差的推定值Δθ_c为计算值且稍微重叠有噪声成分，但几乎能够大致同等程度地进行推定。使用其在步骤S4中推定电枢交链磁通φf。在步骤S5的加速期间，在强制同步驱动(2)中，磁极位置误差Δθ由于加速转矩而进一步增加。推定由此产生的转矩，从而在步骤S7中验明惯性矩J_M。

如以上那样，根据本实施方式，常数验明部9基于配置于永磁体电动机5的转子的永磁体磁通方向的推定轴即d_c轴，决定施加于电动机5的电压或者电流而进行启动电动机5时的牵引同步驱动，在进行该牵引同步驱动的期间内，验明电动机5的磁体磁通φ_f与惯性矩J_M。具体而言，基于d_c轴与永磁体磁通方向的轴即d轴的轴误差Δθ_c，利用(8)式以及(10)式验明磁体磁通φ_f与惯性矩J_M。

更具体而言，常数验明部9在步骤S1进行转子的定位时，使电动机5的旋转速度上升而进行强制同步驱动(1)，接下来设置将旋转速度维持为一定值的期间，并在上述期间内在步骤S4验明磁体磁通φ_f。接着，使旋转速度再次上升而进行强制同步驱动(2)，在磁极位置误差的推定值Δθ_c成为一定值以下、以及/或者经过一定时间后，验明惯性矩J_M。

另外，若常数验明部9利用轴误差推定部21推定d_c轴与永磁体磁通方向的轴即d轴的轴误差Δθ_c，则磁通验明部22基于轴误差Δθ_c验明磁体磁通φ_f。并且，若基于轴误差Δθ_c以及磁体磁通φ_f，利用电动机转矩验明部23以及负载转矩验明部24验明电动机转矩T_M以及负载转矩T_LOAD，则惯性矩验明部24基于电动机转矩T_M以及负载转矩T_LOAD验明惯性矩J_M。

由此，在以无位置·速度传感器构成对永磁体同步电动机5进行速度控制的系统中，即使是负载转矩T_LOAD、惯性矩J_M未知的条件下，也能够一边控制电动机5的加速度以及速度一边进行验明，因此能够避免在验明的过程中产生设想之外的急剧加速、过度旋转。

(其他实施方式)

常数验明装置也可以与控制电动机的通常运转的控制装置共通地构成。

虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围及主旨内，并且包含在权利要求书所记载地发明及其等效的范围内。

Claims (7)

1.一种永磁体同步电动机的常数验明装置，其中，

具备常数验明部，该常数验明部基于配置于永磁体电动机的转子的永磁体磁通方向的推定轴即d_c轴，决定施加于上述电动机的电压或者电流，进行启动上述电动机时的牵引同步驱动，在进行该牵引同步驱动的期间内，验明上述电动机的磁体磁通φ_f与惯性矩J_M。

2.如权利要求1所述的永磁体同步电动机的常数验明装置，其中，

上述常数验明部基于上述d_c轴与上述永磁体磁通方向的轴即d轴的轴误差Δθ_c，验明上述磁体磁通φ_f与上述惯性矩J_M。

3.如权利要求2所述的永磁体同步电动机的常数验明装置，其中，

上述常数验明部在进行上述转子的定位时，使上述电动机的旋转速度上升而进行第一牵引同步驱动，

接着，设置将上述旋转速度维持为一定值的期间，上述磁通验明部在上述期间内验明上述磁体磁通，

接着，再次使上述旋转速度上升而进行第二牵引同步驱动，在上述轴误差Δθ_c成为一定值以下以及/或者经过一定时间时，验明上述惯性矩。

4.如权利要求2或3所述的永磁体同步电动机的常数验明装置，其中，

上述常数验明部具备：

轴误差推定部，对上述d_c轴与上述永磁体磁通方向的轴即d轴的轴误差Δθ_c进行推定；

磁通验明部，基于上述轴误差Δθ_c，验明上述磁体磁通φ_f；

电动机转矩验明部，基于上述轴误差Δθ_c以及上述磁体磁通φ_f，验明电动机转矩T_M；

负载转矩验明部，基于上述轴误差Δθ_c以及上述磁体磁通φ_f，验明负载转矩T_LOAD；以及

惯性矩验明部，基于上述电动机转矩T_M以及上述负载转矩T_LOAD，验明上述惯性矩J_M。

5.一种永磁体同步电动机的常数验明方法，其中，

基于配置于永磁体电动机的转子的永磁体磁通方向的推定轴即d_c轴，决定施加于上述电动机的电压或者电流，进行启动上述电动机时的牵引同步驱动，在进行该牵引同步驱动的期间内，验明上述电动机的磁体磁通与惯性矩。

6.如权利要求5所述的永磁体同步电动机的常数验明方法，其中，

基于上述d_c轴与上述永磁体磁通方向的轴即d轴的轴误差Δθ_c，验明上述磁体磁通与上述惯性矩。

7.如权利要求6所述的永磁体同步电动机的常数验明方法，其中，

包括如下步骤：

第一步骤，进行上述转子的定位；

第二步骤，使上述电动机的旋转速度上升而进行第一牵引同步驱动；

第三步骤，设置将上述旋转速度维持为一定值的期间，并在上述期间内验明上述磁体磁通；

第四步骤，再次使上述旋转速度上升而进行第二牵引同步驱动；

第五步骤，在上述轴误差Δθ_c成为一定值以下以及/或者经过一定时间时，验明上述惯性矩。