CN108476009B - 永磁体式同步电动机的控制系统及永磁体式同步电动机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供即使在利用q轴电压的情况下也能对非凸极型的永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测的永磁体式同步电动机的控制装置及其控制方法。本发明是基于d轴电压和q轴电压来对变压/变频逆变器进行控制的永磁体式同步电动机的控制系统。控制系统生成d轴电压指令和q轴电压指令，从q轴电压指令去除直流分量，基于从q轴电压指令去除直流分量而得的信号，来对永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测，利用所推测出的磁极位置来对逆变器进行控制。

Description

永磁体式同步电动机的控制系统及永磁体式同步电动机的控 制方法

技术领域

本发明涉及永磁体式同步电动机的控制系统，与适合确定磁极位置的控制系统及控制方法有关。

背景技术

将永磁体用于励磁的永磁体式同步电动机能用较少的电流获得较大的转矩，因此，正在电动汽车、混合动力车、电车等铁路车辆、逆变器驱动的家电产品(空调、冰箱、洗衣机)、电梯装置的曳引机等各种领域被使用。而且，永磁体式同步电动机由变压/变频逆变器利用正弦波电流来进行驱动。

在对像这样的永磁体式同步电动机进行驱动时，需要转子的位置信息，因此，在永磁体式同步电动机上设有转子的磁极位置传感器。然而，传感器成本较高，而且，即使基于来自传感器的输出值来决定磁极位置，也无法无视与实际的磁极位置之间的误差，因此，提出有无传感器的永磁体式同步电动机(日本专利特开2004-32907号公报)。

该公报所涉及的永磁体式同步电动机的控制装置在利用变压/变频逆变器来进行驱动的永磁体式同步电动机中，包括：电流控制单元，该电流控制单元将流向电动机的电流定为d轴分量和q轴分量来分别独立地进行控制；根据电流控制单元的输出即d轴和q轴的电压指令来对逆变器的输出电压进行控制的单元；以及磁极位置推测单元，该磁极位置推测单元在电动机停止的状态下生成与电动机的d轴无关的旋转坐标上的相位，利用电流控制单元向电动机施加与该所生成的相位同相的电流，将电流控制单元的输出即q轴电压指令为最大的时刻的相位值推测为电动机的磁极位置，由此，即使在永磁体式同步电动机因制动而保持静止的停止状态下，也能对电动机的磁极位置进行推测而不使用具有磁极位置信息的传感器。

此外，日本专利特开2015-15831号公报所涉及的同步电动机的控制装置的特征在于，在不具有磁性凸极性或磁性凸极性较低的同步电动机中，包括：第一磁极位置推测部，该第一磁极位置推测部在收到干扰等的影响而导致磁极位置的推测精度发生恶化的情况下，使电动机的控制停止，或者为了再次对磁极位置进行推测以使得能在对电动机进行控制时获得足够的精度而对电动机施加偏置电流来暂时对磁极位置进行推测；第二磁极位置推测部，该第二磁极位置推测部将磁极位置θ1作为初始相位来使偏置电流流过，利用收敛运算来使与偏置电流相位与磁极位置之间的相位差相关联的特征量收敛至规定值，从而对磁极位置θ2进行推测；以及驱动控制部，该驱动控制部基于磁极位置θ1与磁极位置θ2之差来对电动机的驱动进行控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004-32907号公报

专利文献2：日本专利特开2015-15831号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1的控制装置利用q轴电压的最大值的相位成为电动机的S极相位的情况来对磁极位置进行推测，这虽然对凸极型的永磁体式同步电动机有效，但在非凸极型的永磁体式同步电动机中，由于最初难以掌握q轴电压的最大值，因此，无法容易地对磁极位置进行推测。

另一方面，专利文献2的控制装置虽然能对非凸极型的永磁体式同步电动机推测磁极位置，但用于推测的处理相当复杂，存在难以迅速并可靠地推测磁极位置的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种即使在利用q轴电压的情况下也能对非凸极型的永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测的永磁体式同步电动机的控制系统及其控制方法。

用于解决技术问题的技术手段

为了达到上述目的，本发明的永磁体式同步电动机的控制系统包括控制器，该控制器基于d轴电压和q轴电压来对变压/变频逆变器进行控制，所述控制器生成d轴电压指令和q轴电压指令，从所述q轴电压指令中去除直流分量，基于从所述q轴电压指令中去除直流分量而得的信号，来对永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测，利用所述推测出的磁极位置来对所述逆变器进行控制，从而使所述永磁体式同步电动机进行驱动。

发明效果

根据本发明，即使在利用q轴电压的情况下也能对非凸极型的永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测。

附图说明

图1是包含永磁体式同步电动机的驱动系统、以及永磁体式同步电动机的控制系统在内的永磁体式同步电动机系统的模块结构图(本发明的实施方式)。

图2是表示永磁体式同步电动机的磁极位置推测模块的详细结构的框图。

图3是对永磁体式同步电动机的转轴进行约束时的电流矢量图。

图4是此时的电压的矢量图。

图5是用于对推测凸极型的永磁体式同步电动机的磁极位置的原理进行说明的波形图。

图6是用于对推测非凸极型的永磁体式同步电动机的磁极位置的原理进行说明的波形图。

图7是包含根据q轴电压指令Vq^*来对磁极位置进行推测的动作在内的控制系统的动作的流程图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1示出了包含永磁体式同步电动机3的驱动系统100、以及永磁体式同步电动机3的控制系统110在内的永磁体式同步电动机系统的模块结构图。在图1中，利用逆变器2将驱动系统100的直流电源1的直流电压转换为变压/变频的交流。逆变器2将其输出提供至永磁体式同步电动机3，使电动机3进行变速驱动。在永磁体式同步电动机3中，与磁场相同的方向为d轴，与磁场正交的方向为q轴。

“永磁体式同步电动机”包含非凸极型永磁体式同步电动机、以及凸极型永磁体式同步电动机，但为了获得本发明的效果，优选为是非凸极型永磁体式同步电动机。所谓“非凸极型”是指不具有磁性凸极性或磁性凸极性较低。

在电动机3的输出轴上直接连结有编码器4、制动装置5、负载装置6。编码器4生成用于对电动机3的旋转角、旋转方向及转速进行检测的脉冲信号ΦA、ΦB、以及表示电动机3的1次旋转中的基准位置的原点信号ΦZ。设置制动装置5来将来自负载装置6的转矩保持静止。

控制系统110除了在电动机3在直接连结到输出轴的负载为无负载的状态下停止的情况下以外，还在输出轴上产生辅助转矩并利用输出轴上所带的制动器5来使电动机3保持静止的情况下，一边对制动器5的释放进行控制，一边基于速度指令(速度指令模块7的ω^*)来对电动机3的转速进行控制。

速度指令模块7将电动机3的转速的指令ω^*输出至速度控制模块9。速度运算模块8根据从编码器4输出的脉冲信号ΦA、ΦB的相位关系来对电动机3的正转或反转进行判断，然后，根据ΦA的脉冲宽度来对电动机3的转速进行运算，将运算结果作为速度输出信号ω来输出至速度控制模块9。

速度控制模块9基于速度指令ω^*与速度输出信号ω之间的偏差，将电动机3的转矩指令信号T^*输出至q轴电流指令模块10。q轴电流指令模块10对与转矩指令信号T^*相对应的q轴电流指令Iq^*进行运算，将运算结果输出至电流控制模块11。q轴电流指令Iq^*是用于对与永磁体式同步电动机3的电枢电流矢量的磁场方向(电动机磁体的N极方向)正交的分量进行设定的指令。

d轴电流指令模块12对与电动机3的电枢电流矢量的磁场同方向分量的指令即d轴电流指令Id^*进行运算，将运算结果输出至电流控制模块11。永磁体式同步电动机3始终利用永磁体来建立相对于电枢的磁场，因此，d轴电流可以为零，因而d轴电流指令模块12通常也对d轴电流指令Id^*进行设定来使得d轴电流为零。

uvw-dq坐标转换模块13基于d轴相位指令信号θd^*来将电流检测模块14所检测出的逆变器2的输出电流iu、iv、iw转换为d轴电流值Id和q轴电流值Iq，并输出至电流控制模块11。

电流控制模块11对d轴直流电压指令Vd^*进行运算，使得d轴电流值Id成为d轴电流指令Id^*，此外，对q轴直流电压指令Vq^*进行运算，使得q轴电流值Iq成为q轴电流指令Iq^*，并输出至dq-uvw坐标转换模块19。

在电动机3的通常动作中，信号切换开关15接入a侧的触点，因此，d轴相位指令信号θd^*成为来自加法模块16的d轴相位信号θd。

磁极位置运算模块17作为基于从编码器4输出的脉冲信号ΦA、ΦB的相位关系来对电动机3的正转或其反转进行判断的向上计数器/向下计数器来进行动作，将该计数值作为来自编码器4的原点信号ΦZ的相位信号θz来输出至加法模块16。磁极位置运算模块17在原点信号ΦZ被输入的同时将计数值复位为零，以消除计数时的误差。

加法模块16将来自磁极位置运算模块17的相位信号θz与从磁极位置推测模块18输出的偏移值θoffset相加，以生成电动机3的d轴相位信号θd，并将其输出至信号切换开关15。

dq-uvw坐标转换模块19基于d轴磁极的相位指令信号θd^*，将从电流控制模块11输出的d轴直流电压指令Vd^*以及q轴直流电压指令Vq^*转换为3相交流电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*。即，dq-uvw坐标转换模块19具有作为uvw-dq坐标转换模块13的逆转换模块的功能。

PWM脉冲发生模块20根据dq-uvw坐标转换模块19的输出信号Vu^*、Vv^*、Vw^*，来输出驱动逆变器2的PWM脉冲信号。逆变器2基于来自PWM脉冲发生模块20的PWM脉冲信号，来进行PWM控制，对输出至电动机3的输出电压、输出频率进行控制，来对电动机3的转速进行控制。

所谓“模块”是指用于发挥规定功能的结构要素，由软件资源和/或硬件来实现。也可以将“模块”换称为“装置”、“器”、“单元”、“部”、“单位”、“系统”或“部件”等。

在图1中，例如速度指令模块7、速度运算模块8、速度控制模块9、q轴电流指令模块10、电流控制模块11、d轴电流指令模块12、uvw-dq坐标转换模块13、d极位置运算模块17、磁极位置推测模块18及dq-uvw坐标转换模块19由微型计算机的硬件(控制器、存储器)以及由硬件来执行的软件、程序构成。控制器例如是CPU或MPU。软件、各种数据保存于存储器。图1所示的系统除了利用一个控制器来进行控制以外，还可以利用多个控制器的协作来进行控制。

图2是对电动机3的磁极位置推测模块18的详细结构进行说明的框图。磁极位置推测模块18具有：直流分量去除模块21，该直流分量去除模块21基于从电流控制模块11输出的q轴电压指令Vq^*，来去除电流控制模块11的q轴电压指令Vq^*的直流分量；积分模块22，该积分模块22对去除直流分量后的q轴电压指令Vq^*进行积分；最大值检测模块23，该最大值检测模块23根据积分值来对成为最大值的时刻的相位：θtest(max)进行检测、判定、选择、决定或确定等，并对其进行保存；最小值检测模块24，该最小值检测模块24对成为最小值的时刻的相位：θtest(min)进行检测等，并对其进行保存；以及平均值检测模块25，该平均值检测模块25求出最大值相位：θtest(max)与最小值相位：θtest(min)的平均值(θtest(Vq^*max)，并对其进行保存。

然后，d轴电流指令控制模块28对d轴电流指令模块12进行控制，q轴电流指令控制模块29对q轴电流指令模块10进行控制。推测用相位信号生成模块26将推测用相位信号θtest输出至信号切换开关15。此外，d轴相位计算模块27根据平均值(θtest(Vq^*max)来计算d轴相位，将其作为θoffset来输出至加法模块16。

图3是用制动装置5来对凸极型、非凸极型永磁体式同步电动机3的转轴进行约束时的电流的矢量图，图4是d轴直流电压指令Vd^*以及q轴直流电压指令Vq^*的电压矢量图。在图3、图4中，Id表示电枢电流的d轴分量，Iq表示电枢电流的q轴分量，Id^*表示d轴电流指令，Iq^*表示q轴电流指令，I₁表示电动机施加电流的大小，Vd表示电枢电压的d轴分量，Vq表示电枢电压的q轴分量，Vd^*表示d轴电压指令，Vq^*表示q轴电压指令，ω₁ ^*表示角频率指令(＝2πf1)，另外，δ表示d轴相位与电动机d轴相位之差的角度。

电动机d轴电压Vd及电动机q轴电压Vq、与d^*轴电压Vd^*及q^*轴电压Vq^*之间的关系如图4所示的矢量图那样。若将δ设为d^*轴相位与电动机d轴相位之差的角度，将Ra设为对应于1相的电枢电阻，将Ld设为d轴的电枢自感，将Lq设为q轴的电枢自感，则将电动机端子电压Vd以ω1^*进行旋转的坐标即d轴电压Vd^*、以及将电动机q轴电压Vq以ω1^*进行旋转的坐标即q轴电压Vq^*如数学式1及数学式2所示。

[数学式1]

Vd*＝Ra·I1+(1/2)·ω1*·(Lq-Ld)·I1·sin(2δ)

[数学式2]

Vq^*＝ω1*·Id·I1+(1/2)·ω1^*·(Lq-Ld)·I1+(1/2)·ω1*·(Lq-Ld)·I1·cos(2δ)

图5是用于对推测凸极型的永磁体式同步电动机3的磁极位置的原理进行说明的波形图。磁极位置推测模块18将凸极型的永磁体式同步电动机3的磁极位置推测为在制动装置5对电动机轴进行约束的状态下施加有与电动机3的d轴无关的旋转坐标上的相位电流时的q轴电压指令Vq^*(波形26)成为最大值(27)的相位值。即，在数学式2中，着眼于q轴电压指令Vq^*成为最大值这点，磁极位置推测模块18利用相位θd^*成为电动机3的S极相位的情况，将q轴电压指令Vq^*成为最大值时的Pθ推测为S极的相位。

该方法在凸极型的永磁体式同步电动机3的情况下有效，而在非凸极型的永磁体式同步电动机3中，难以掌握q轴电压指令Vq^*的最大值，因此，磁极位置推测的精度较低。

图6是对在永磁体式同步电动机3为非凸极型电动机的情况下推测磁极位置的原理进行说明的波形图，图7是对包含根据q轴电压指令Vq^*来推测磁极位置的动作在内的控制系统110的动作进行说明的流程图。

如图6所示，在非凸极型永磁体式同步电动机3中，由于不存在电抗器分量，因此，q轴电压指令Vq^*的波形29的峰值区域30与凸极型永磁体式同步电动机3的q轴电压指令Vq^*的波形26的峰值27相比呈较缓慢的大致平坦状，难以确定最大值。另一方面，磁极位置推测模块18利用q轴电压指令Vq^*的波形基本为矩形波状的情况，来如下所述那样对磁极位置进行推测。

磁极位置推测模块18在使图1所示的原点信号ΦZ的位置(θz＝0°)与磁极位置θd之间的关系(θoffset)丧失的情况下开始该推测。例如，在生产产品时、更换编码器时，θoffset被取消，因此，控制系统110以推测开始指令为契机开始从图7的步骤S1到步骤S7为止的处理。

在步骤S1中，信号切换开关15将触点从电动机3的通常动作时所选择的a点切换为推测处理时的b点。接着，磁极位置推测模块18对q轴电流指令模块10和d轴电流指令模块12进行控制，使得q轴电流指令Iq^*输出“0”，d轴电流指令Id^*输出“100％(相当于永磁体式同步电动机3的额定电流)”。

此外，磁极位置推测模块18将推测用相位信号θtest输出至信号切换开关15，使电流控制模块11等工作，使得所设定的电流(q轴电流、d轴电流)流向永磁体式同步电动机3。这里，利用磁极位置推测模块18来生成推测用相位信号θtest，以作为磁极推测用时的角频率设定值(ωtest)。

图6的波形29是q轴电压指令Vq*的峰值部分变钝的形状。因此，磁极位置推测模块18在图2所示的直流分量去除模块21中，在步骤S2中，生成从电流控制模块11的q轴电压指令Vq*中去除直流分量(ω1^*·Ld·I1+(1/2)·ω1^*·(Lq-Ld)·I1：参照数学式2)而得的波形30。

磁极位置推测模块18利用波形30来对磁极位置进行推测。例如，根据波形30，由于表现出与q轴电压指令Vq*之间的过零点30A、30B，因此，磁极位置推测模块18能将两个过零点的中央值34确定为S极相位。

另一方面，积分模块22(图2)在步骤S3中对从q轴电压指令Vq^*中去除直流分量而得的波形30进行积分，以生成图6所示的三角波31。

之后，最大值检测模块23(图2)在步骤S4中确定作为三角波31的积分值成为最大值的时刻的θtest(max)32，并对其进行保存。此外，最小值检测模块24确定积分值成为最小值的时刻的θtest(min)33，并对其进行保存。

接着，平均值检测模块25(图2)在步骤S5中对最大值θtest(max)32与最小值θtest(min)33的平均值θtest(Vq^*max)34(也可以称为中央值)进行计算，对其进行保存并停止电流施加。

接着，磁极位置推测模块18在步骤S6中根据步骤S5中所保存的θtest(Vq^*max)34，基于数学式3来对d轴相位θd^进行计算。

[数学式3]

θd^＝θtest(Vq^*max)-180°

由此，为了将平均值θtest(Vq^*max)34作为S极(270°)的相位来进行推测、确定、决定或判定等，磁极位置推测模块18对非凸极型的永磁体式同步电动机3也能基于q轴电压指令Vq^*来对磁极位置进行推测。

接着，控制系统110转移至求出编码器4的原点信号ΦZ与磁极位置之间的关系的动作。在步骤S7中，磁极位置推测模块18将θd^临时设定作为θoffset，并输出至加法模块16。磁极位置运算模块17将原点信号ΦZ的相位θz进行清零。

在步骤S8中，信号切换模块(开关)15将触点从b点切换为a点。驱动系统100利用永磁体式同步电动机3的通常运行动作，来释放制动器5，使永磁体式同步电动机3旋转。磁极位置运算模块17等待来自编码器4的原点信号ΦZ的产生。

在步骤S9中，磁极位置运算模块17将原点信号ΦZ产生时的相位θz作为θz’来进行保存，使永磁体式同步电动机3停止。

接着，在步骤S10中，磁极位置推测模块18将原点信号发生时的相位θz’与d轴相位θd^之和设定作为θoffset(＝θd^+θz’)，并输出至加法模块16。如上所述，图7的流程图结束。

如以上所说明的那样，根据图1中所说明的系统，即使对于非凸极型的永磁体式同步电动机3，也能根据q轴电压指令Vq^*容易且高精度地对磁极位置进行推测。

此外，将最大值θtest(max)与最小值θtest(min)的平均值θtest(Vq^*max)推测作为S极的相位，但也可以将从最大值延迟90度的相位或从最小值提前90度的相位推测作为S极的相位。

本发明并不限于上述实施方式，可包含各种变形例。

标号说明

2 逆变器

3 永磁体式同步电动机

11 电流控制模块

18 磁极位置推测模块

21 直流分量去除模块

22 积分模块

23 最大值检测模块

24 最小值检测模块

25 平均值检测模块

Claims (7)

1.一种永磁体式同步电动机的控制系统，其特征在于，

包括控制器，该控制器基于d轴电压和q轴电压来对变压/变频逆变器进行控制，

所述控制器

生成d轴电压指令和q轴电压指令，

从所述q轴电压指令中去除直流分量，

基于从所述q轴电压指令中去除直流分量而得的信号，来对永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测，

利用所述推测出的磁极位置来对所述逆变器进行控制，从而使所述永磁体式同步电动机进行驱动。

2.如权利要求1所述的永磁体式同步电动机的控制系统，其特征在于，所述控制器利用所述信号来决定S极的相位。

3.如权利要求2所述的永磁体式同步电动机的控制系统，其特征在于，所述控制器

对所述信号进行积分，

利用积分值来决定所述S极的相位。

4.如权利要求3所述的永磁体式同步电动机的控制系统，其特征在于，所述控制器

决定所述积分值的最大值和最小值，

将所述最大值和最小值的平均值决定作为所述S极的相位。

5.如权利要求4所述的永磁体式同步电动机的控制系统，其特征在于，所述控制器将从所述最大值延迟90度而得的相位决定作为S极的相位。

6.如权利要求4所述的永磁体式同步电动机的控制系统，其特征在于，所述控制器将从所述最小值提前90度而得的相位决定作为S极的相位。

7.一种永磁体式同步电动机的控制方法，其特征在于，

基于d轴电压和q轴电压来对变压/变频逆变器进行控制的控制器执行以下步骤：

生成d轴电压指令和q轴电压指令的步骤；

从所述q轴电压指令中去除直流分量的步骤；

基于从所述q轴电压指令中去除直流分量而得的信号来对永磁体式同步电动机的磁极位置进行推测的步骤；以及

利用所述推测出的磁极位置来对所述逆变器进行控制从而使所述永磁体式同步电动机进行驱动的步骤。

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