CN110199469B - 同步电动机的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种同步电动机的控制装置，在通过负载换向型逆变器驱动同步电动机时，在以往的控制装置中，在同步电动机高速空转的情况下，存在难以再启动的情况。同步电动机的控制装置具备负载换向型逆变器，其特征在于，具有：正负判别单元，判别上述同步电动机的3相交流输入的各个相的感应电压的正负；推测相位设定单元，基于上述正负判别单元的判别结果，运算并设定上述感应电压的推测相位；以及速度推测单元，将推测相位的变化累计规定次数，并除以上述规定次数与运算周期之积，由此推测上述同步电动机的速度。

Description

同步电动机的控制装置
技术领域
本发明的实施方式涉及一种具备旋转速度推测功能的同步电动机的控制装置。
背景技术
以下，参照图1进行说明。存在如下方法：在通过负载换向型逆变器(LCI)以无传感器的方式驱动同步电动机的情况下，对同步电动机的感应电压进行检测，使用相位同步电路即PLL(Phase Locked Loop：相位同步)使该检测到的感应电压的相位同步，对该同步电动机的相位以及感应电压的频率进行运算(以下称作马达PLL)。如果能够检测到该频率，则同步电动机的旋转速度也唯一地确定。
因此，基于由马达PLL运算出的频率进行整流器侧的触发相位控制，并基于由马达PLL运算出的相位进行逆变器侧的触发相位控制，由此能够对同步电动机的旋转速度进行控制。
在马达PLL中，将3相的同步电动机的感应电压转换成D轴与Q轴这两个轴(以下称作DQ转换。)，并进行比例积分控制(以下称作PI控制)，以使得Q轴的输出追随零。在Q轴输出为零时，PI控制的积分项相当于感应电压的频率。由于频率与同步电动机的关系被唯一地确定，因此该频率的值相当于同步电动机的旋转速度。在从低速时起能够运算PI控制的情况下，积分项从零附近起进行运算，因此能够从低速到高速区域为止连续地进行频率的追随。
(例如，参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-149875号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在未流动励磁电流而同步电动机的感应电压较小的状态、或者对高速空转的同步电动机施加再启动的情况下，积分项必须从零的状态起追随同步电动机的感应电压的频率。在该情况下，有时PI控制的积分项无法追随旋转的Q轴，难以使马达PLL稳定，同步电动机的再启动变得困难。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种同步电动机的控制装置，在通过负载换向型逆变器驱动同步电动机时，从低速到高速区域为止，能够进行任意速度下的旋转速度推测，还能够进行再启动。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的技术方案1所记载的同步电动机的控制装置为，具备负载换向型逆变器，其特征在于，具有：
正负判别单元，判别上述同步电动机的3相交流输入的各个相的感应电压的正负；
推测相位设定单元，基于上述正负判别单元的判别结果来运算并设定上述感应电压的推测相位；以及
速度推测单元，将推测相位的变化累计规定次数，并除以上述规定次数与运算周期之积，由此推测上述同步电动机的速度。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种同步电动机的控制装置，从低速到高速区域为止，能够在任意速度进行速度推测，且能够进行再启动。
附图说明
图1是表示实施例1的具备速度推测功能的同步电动机的控制装置的构成的框图。
图2是表示图1所示的马达PLL部的构成的框图。
图3是表示实施例1的基于同步电动机的感应电压的正负判别来推测相位的方法的图。
图4是表示实施例1的同步电动机的感应电压的零交附近的举动的图。
图5是对实施例1的积分器433b的动作进行说明的流程图。
(表1)是根据同步电动机的各相的感应电压求出推测相位的表格，(表2)是表示推测相位的变化与变化数ΔPOS之间的关系的表格。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。
实施例1
图1是表示实施例1的具备速度推测功能的同步电动机(以下，称作马达。)50的控制装置1的构成的框图。
控制装置1构成为，具有整流器21、直流电抗器30、逆变器41以及控制电路部70等。
整流器21将从交流电源10输出的交流电力转换成直流电力。
图示的交流电源10包括3相交流电源，输出3相交流电力。整流器21例如包括3相晶闸管桥等。
逆变器41经由直流电抗器30输入从整流器21输出的直流电力，并转换成3相交流电力而输出。所输出的3相交流电力被输入到马达50，而驱动该马达50。
马达50驱动与其旋转轴连接的负载60。
直流电抗器30使直流电流的脉动平滑化。
逆变器41是负载换向型逆变器，例如包括3相晶闸管桥等。
控制电路部70构成为，具有电流检测部22、ABS电路部23、加减法器24、电压检测部25、电源同步PLL部26、整流器触发角控制部27、整流器栅极控制部28、电压检测部42、马达PLL43、逆变器触发角控制部44、逆变器栅极控制部45、速度控制部46以及比较器47等。
电流检测器22对从交流电源10向整流器21输入的电流进行检测，并将检测到的电流值输入到与该电流检测器22的输出连接的ABS部23。
ABS部23对从电流检测部22输入的电流值的绝对值进行运算并作为电流反馈值IR进行输出。该输出的电流反馈值IR被输入到与该ABS部23连接的加减法器24。
加减法器24对从速度控制部46输入的电流基准值IRS与从ABS部23输入的电流反馈值IR的偏差电流值进行运算，并将该运算出的偏差电流值输入到与该加减法器24的输出连接的整流器触发角控制部27。
整流器触发角控制部27基于从加减法器24输入的偏差电流值来计算整流器21的触发角α(以下，称作整流器触发角α。)，并将该计算出的整流器触发角α输入到与该整流器触发角控制部27的输出连接的整流器栅极控制部28。
电压检测部25与交流电源10连接，对向整流器21输入的交流电源电压进行检测，并将检测到的电压值输入到电源同步PLL部26。
整流器栅极控制部28被输入基于从电压检测部25输出的交流电源10的相位而从电源同步PLL部26输出的交流电源电压相位θR、以及从整流器触发角控制部27输出的整流器触发角α。整流器栅极控制部28基于与所输入的交流电源电压相位θR同步的整流器触发角α，生成对构成整流器21的半导体元件(未图示)进行开关的整流器栅极脉冲RG，并输入到整流器21。
整流器21通过从整流器栅极控制部28输入的整流器栅极脉冲RG进行该整流器21的开关。
逆变器触发角控制部44根据来自电压检测部42的电压检测信号(未图示)、来自马达PLL部43的频率信号(未图示)以及来自ABS部23的电流反馈值IR(未图示)、或者未图示的逆变器41的输出电流等，例如运算对逆变器41进行定余裕角控制(γ恒定控制)那样的逆变器触发角β。运算出的逆变器触发角β被输入到逆变器栅极控制部45。
电压检测部42对与逆变器41连接的马达50的感应电压(以下简称为马达电压。)进行检测，并将该检测到的马达电压输入到马达PLL部43。
马达PLL部43输出与马达电压的相位同步的马达相位θI以及马达电压的频率f。另外，马达电压的频率f表示马达的旋转速度，且被唯一地确定，因此之后有时将马达电压的频率f称作马达速度f。马达相位θI被输入到与该马达PLL部43的输出连接的逆变器栅极控制部45，马达速度f被输入到与该马达PLL部43的输出连接的加减法器47。
加减法器47对从上位装置(未图示)输入的速度基准值fRS与从马达PLL部43输入的马达速度f的偏差速度进行运算，并将该运算出的偏差速度值输入到与该加减法器47的输出连接的速度控制部46。
对于逆变器栅极控制部45，从逆变器触发角控制部44输入逆变器触发角β，从马达PLL部43输入马达相位θI。逆变器栅极控制部44将基于与所输入的马达相位θI同步的逆变器触发角β对构成逆变器41的半导体元件(未图示)进行开关的逆变器栅极脉冲IG输出到逆变器41。逆变器41通过从逆变器栅极控制部45输入的逆变器栅极脉冲IG进行该逆变器41的开关。
逆变器41基于从逆变器栅极控制部45输入的逆变器栅极脉冲IG进行控制，并输出3相交流电力。
图2是表示图1所示的马达PLL部43的构成的框图。马达PLL部43构成为，具有坐标转换部430、相位比较部431、正负判别部437(437U、437V、437W的总称)、马达位置设定部438以及速度推测部439等。
马达50的马达电压由电压检测部42检测出并输入到坐标转换部430。
坐标转换部430将包括3相交流电压(U相电压、V相电压、W相电压)的3轴坐标转换成2轴坐标(D轴、Q轴，所谓的DQ转换)并输出。通过进行这样的转换，该马达PLL部43中的PLL控制的要件即马达电压向频率的追随，能够通过监视Q轴电压来进行确认，因此控制变得容易。
相位比较部431构成为，具有比例器432、比例器433a、积分器433b以及加法器434等，进行PI控制以使得坐标转换部430的Q轴电压输出成为零。另外，Kp以及Ki分别为比例系数。以下，对主要部分进行说明。
坐标转换部430进行上述DQ转换，并输出Q轴电压。该输出的Q轴电压被输入到与该坐标转换部430的输出连接的相位比较部431的比例器432以及比例器433a。
比例器432将对从坐标转换部430输出的Q轴电压乘以比例系数Kp而生成的值输入到加法器434。
同样，比例器433a将对从坐标转换部430输出的Q轴电压乘以比例系数Ki而生成的值B输入到积分器433b。
积分器433b为，在未输入代入指令D的通常的情况下，对从比例器433a输出的值B进行积分，并将其输出信号C输入到加法器434。
加法器434将比例器432的输出与积分器433b的输出C相加。将作为相加的结果而得到的值(该值相当于马达电压的频率但与马达的旋转速度唯一地对应，因此将其称为马达速度f。)输入到比例器435。
比例器435将对从加法器434输出的马达速度f乘以比例系数G而生成的电压输入到积分器436。
积分器436对从比例器435输出的电压进行积分，并将其积分值输入到与积分器436的输出连接的坐标转换部430。积分器436将上述的马达速度f转换成马达相位θI并反馈到坐标转换器430，形成反馈环。
此外，构成为，在上述积分器436的输出成为360°的定时将该积分值复位为0。经过上述一系列的动作而进行PLL动作，该积分器436的输出表示马达相位θI(参照图1的马达PLL部43)。
另外，通过改变上述比例系数G的值来改变反馈增益，并根据所处理的频率、马达的极数，设定成使得马达速度f与马达相位θI的相关性一致。此外，上述比例系数Kp或者比例系数Ki是用于设定马达速度f的追随性的系数，通过改变该系数来改变马达速度f的响应时间。
在上述构成中，在马达PLL部43中，对3相量的马达电压进行DQ转换，并进行PI控制以使Q轴追随零。在Q轴输出成为零时，PI控制的积分器433b的输出C等于马达速度f(参照图1的马达PLL部43)。
在能够从低速时起进行PI控制的情况下，从零附近开始对积分器433b内部的积分项进行运算，因此能够从低速到高速区域为止连续地进行速度推测。
其次，对作为本申请发明的主旨的速度推测单元进行说明。马达50的马达电压由电压检测部42检测并输入到坐标转换部430，并且，U相电压被输入到正负判别部437U，V相电压被输入到正负判别部437V，W相电压被输入到正负判别部437W。
正负判别部437U、437V、437W判别从逆变器41输入的U相电压、V相电压以及W相电压的正负。
正负判别部437U、437V、437W在输入电压为正时输出符号“1”，在检测电压为负时输出符号“0”。
判别出的正负判别结果被输入到与正负判别部437U、437V、437W的输出连接的马达位置设定部438。
马达位置设定部438基于从正负判别部437U、437V、437W输入的正负判别结果，设定马达位置。所设定的马达位置被输入到与马达位置设定部438连接的速度推测部439。
上述马达位置是指将马达电压的1个周期分割成6部分、通过分割成该6部分而表现的推测相位，且是分割成6部分的一个区间设为同一值而表现的推测相位，推测相位与马达位置的关系如下所示。
推测相位为0～60°时马达位置＝1
推测相位为60～120°时马达位置＝2
推测相位为120～180°时马达位置＝3
推测相位为180～240°时马达位置＝4
推测相位为240～300°时马达位置＝5
推测相位为300～360°时马达位置＝6
其次，对马达位置的设定单元进行说明。图3是表示基于实施例1的马达电压的正负判别来推测马达位置的方法的图。
图3中的(1)是U相、V相、W相的马达电压波形。图3中的(2)是表示U相、V相、W相的正负判别部437U、437V、437W的输出即正负判别结果的图。U相、V相、W相的马达电压为正弦波，因此正电压的期间与负电压的期间交替地出现。因而，判别U相、V相、W相的马达电压的正电压以及负电压(以下，有时称作正负判别。)。在该判别时，横轴是以U相的马达电压为基准的时间轴(相位轴)t，纵轴为，相对于上述时间轴t将表示正电压的期间设为“1”，将表示负电压的期间设为“0”，由此生成图3中的(2)～(4)所示的U相、V相、W相的正负判别信号。
图3中的(5)是表示马达位置1～6的图。通过以U相的马达电压为基准对U相、V相、W相的马达电压分别与0[V]交叉的点进行描绘，由此设定马达位置1～6。另外，该马达位置1～6相当于以U相的马达电压为基准将图3中的(1)所示的周期T各错开60°的相位而得到的位置。以下，进行具体说明。
图3中的(2)表示图2中的(1)所示的U相马达电压的正负判别部437U的输出。在表示正电压的期间输出“1”，在表示负电压的期间输出“0”。
图3中的(3)表示图2中的(1)所示的V相马达电压的正负判别部437V的输出。在表示正电压的期间输出“1”，在表示负电压的期间输出“0”。
图3中的(4)表示图2中的(1)所示的W相马达电压的正负判别部437W的输出。在表示正电压的期间输出“1”，在表示负电压的期间输出“0”。
上述的U相、V相、W相的马达电压的正负判别部437U、437V、437W的输出被输入到马达位置设定部438。马达位置设定部438按照表1所示的表格来设定马达位置。(马达位置设定单元)。
[表1]
Figure BDA0002138727170000081
所设定的马达位置为马达位置设定部438的输出，马达位置被输入到速度推测部439。
其次，对速度推测部439的动作进行说明。
速度推测部439对所输入的马达位置(即推测相位)运算每单位时间的变化。首先，按照运算周期单位，将马达位置的变化数ΔPOS的变化累计规定的相加次数N次(此处，作为N次进行说明。)。运算周期Δt是速度推测部439的运算上的采样时间，是与马达电压的1/6周期(60°)相比足够短的任意值。
此外，变化数ΔPOS是图3中的(5)所示的马达位置的变化量。如果在运算的采样期间马达位置没有变化，则变化数ΔPOS＝0。
在从马达位置1向马达位置2的变化时，变化数ΔPOS＝+1，在从马达位置2向马达位置3的变化时，变化数ΔPOS＝+1。如此，在马达位置依次增加的变化时，将变化数ΔPOS设为正。
此外，相反地，在从马达位置3向马达位置2的变化时，变化数ΔPOS＝-1，在从马达位置2向1的变化时，变化数ΔPOS＝-1。如此，在马达位置依次减少的变化时，将变化数ΔPOS设为负。
但是，跨越马达位置1与6那样的位置变化，作为连续的变化进行计算。例如，在从马达位置6向1的变化时，变化数ΔPOS＝+1，在从马达位置1向6的变化时，变化数ΔPOS＝-1。以下，将其他情况包括在内，在表2中表示马达位置的变化与变化数ΔPOS之间的关系。
[表2]
Figure BDA0002138727170000091
将第n次运算周期设为Δtn，将马达位置设为变化数ΔPOSn，用数式(1)表示进行了N次量累计时的推测速度(速度推测单元)。
Figure BDA0002138727170000092
(单位：Hz)
另外，将运算周期Δt与累计次数N之积设为与马达的电气的1个周期相比为足够长。此外，在运算周期Δt常时一定的情况下，用数式(2)表示。
Figure BDA0002138727170000101
(单位：Hz)
用数式(1)或者数式(2)表示的值，作为速度推测部439的输出(即推测速度A)输入到积分器433b。
通过按照每个运算周期将i＝n时的Δtn以及ΔPOSn依次更新为新运算出的结果，由此能够连续地进行速度推测。通过所谓的计算出的移动平均，能够进行速度推测。
图4是表示实施例1的马达电压的零交附近的举动的图。图4中的(1)是表示U相马达电压的零交附近的举动的图。在图示的例子中，U相马达电压在从马达位置6变化到1时进行零交(从负电压向正电压通过0[V])。
图4中的(2)表示对于图4中的(1)所示的U相马达电压的正负判别部437U的输出。在图示的例子中，当在检测到的U相马达电压中重叠有噪声的情况下，正负判别部437U的输出在零交附近会重复符号“1”、符号“0”。所谓的振荡有可能变多。其结果，在图示的例子中，U相马达电压为正时的信号重复符号“1”、符号“0”，因此存在马达位置1～6不稳定的情况。
在这种情况下，通过取得足够大的上述式(1)所示的相加次数N，由此能够增大马达位置的变化量ΔPOS的累计值。作为其效果，能够降低由于上述振荡而产生的影响，作为结果，具有抵消振荡的效果。
以上，对U相马达电压的振荡抵消进行了说明，但V相马达电压以及W相马达电压的振荡抵消也是同样的。
通过上述而运算出的推测速度A从图2的速度推测部439输出，并输入到积分器433b。当根据未图示的再启动信号等，在再启动时代入指令D被输入到积分器433b时，对于一次再启动该推测速度仅向积分器433b的积分项代入一次，且仅在此时推测速度A与积分器433b的输出C相等。在此之后，如通常那样，通过将比例器433a的输出B向积分器433b进行积分输入，由此进行积分器433b的运算。通过以上的处理，PI控制的积分项能够根据推测速度A的值开始进行计算，因此，能够更快地使积分器433b的输出C与实际马达速度相等，能够使马达PLL部43中的Q轴电压追随零，能够提高PI控制的响应。
其次，对再启动时的处理流程进行说明。
(1)在马达50中流动励磁电流。另外，在永久磁铁马达的情况下，由于从初始就确立了磁极，因此无需流动励磁电流，因此能够省略该步骤。
(2)马达50被感应出电压(产生马达电压)。
(3)根据各相的马达电压的正电压以及负电压来运算马达位置。
(4)运算N次量马达位置1～6的变化数ΔPOS，并除以总累计时间，由此推测出推测速度A(参照图2中的速度推测部439的马达推测速度A)。
(5)根据来自外部的定时信号等，在启动时对于一次再启动仅向积分器433b输入一次代入指令D(代入指令单元)。
(6)将推测速度A代入积分器433b内部的积分项。
(7)以后，如通常那样，将比例器433a的输出B作为积分器433b的积分输入，进行积分器433b的运算。
(6)如果马达PLL部43的动作稳定，则使用运算出的马达相位θI开始同步电动机的控制。
以下，参照图5对实施例1的积分器433b的动作进行说明。图5是表示作为实施例而积分器433b构成梯形积分器的情况下的本发明的积分器433b的动作的流程图。此处，作为数值积分以梯形积分为例，但积分方法并不限定于梯形积分，也可以通过其他方法来执行。以下，参照图5的流程图对积分器433b的动作进行说明。
在步骤S001中，作为初始设定，对各值B0、C0以及标记F设定初始值。标记F是表示是否对积分值C实施了推测速度A的代入的标记。F＝0意味着未实施代入，F＝1意味着代入完成。值B0、C0相当于在梯形积分时使用的积分器433b中开始运算时的1个周期前的值。
最初，对通常的逆变器运转中进行说明。
在步骤S002中，取入逆变器41的运转状态、速度推测部439的输出即推测速度A、比例器433a的输出值B以及代入指令D。
在步骤S003中，判断逆变器41是否处于运转中，在处于运转中的情况下(步骤S003的是)，前进至步骤S004。
在步骤S004中，由于尚未对积分值C实施推测速度A的代入，所以将标记F设为0。
在步骤S005中，使用值B、值B0、值C0以及积分器433b的运算周期Δt2实施梯形积分运算，对积分值C进行运算。
在步骤S006中，输出积分值C，并输入到加法器434。
在步骤S007中，将表示上次值的值B0以及值C0更新为当前时刻的比例器433a的输出B以及积分值C。接着返回到步骤S002。
如上所述，在逆变器41的运转中，积分器433b反复进行步骤S002到步骤S007，由此实施比例器433a的输出B的积分并输出积分值C。
其次，对逆变器41停止、马达50空转的情况进行说明。
与逆变器41处于运转中相同，在步骤S002中，取入逆变器41的运转状态、速度推测部439的输出即推测速度A、比例器433a的输出值B以及代入指令D。
在步骤S003中，判断逆变器41是否处于运转中，由于不处于运转中(步骤S003的否)，所以前进至步骤S008。
在步骤S008中进行标记F的判定。此处，在上次的步骤环S002到S007的步骤S004中将标记F设定为0(步骤S008的是)，因此前进至步骤S009。
在步骤S009中，判断代入指令D的有无。如果在步骤S009中没有代入指令D(步骤S009的否)，则前进至步骤S005，成为与通常运转的步骤相同的动作。当在步骤S009中判断为存在代入指令D的信号时(步骤S009的是)，前进至步骤S010。
在步骤S010中，将积分值C设为推测速度A的值。即，将推测速度A代入积分项。
在步骤S011中，将标记F设定为1，并前进至步骤S006。
在步骤S006中，将积分值C作为积分器433b的输出而输出到加法器434。
在步骤S007中，将B0、C0分别置换成当前的B、C。接着，返回到步骤S002。
在步骤S002中，在逆变器41停止、接收到代入指令D的第二次的环中，从步骤003前进至步骤008。但是，虽然在步骤008中进行标记F的判断，但由于标记F不为0，所以不向步骤009前进。从步骤008前进至步骤005。
如此，在再启动时仅向积分器433b代入一次推测速度A。
如以上说明的那样，根据本发明，能够提供一种同步电动机的控制装置，能够从低速到高速区域为止，在任意的速度进行速度推测，并能够进行再启动。
符号的说明
1：控制装置；10：交流电源；21：整流器；22：电流检测部；23：ABS部；24：加减法器；25：电压检测部；26：电源同步PLL部；27：整流器触发角控制部；28：整流器栅极控制部；30：直流电抗器；41：逆变器；42：电压检测部；43：马达PLL部；430：坐标转换部；431：相位比较部；432、433a、435：比例器；433b：积分器；434：加法器；436：积分器；437U、437V、437W：正负判别部；438：马达位置设定部；439：速度推测部；44：逆变器触发角控制部；45：逆变器栅极控制部；46：速度控制部；50：同步电动机(马达)；60：负载。

Claims (4)

1.一种同步电动机的控制装置，具备负载换向型逆变器，其特征在于，具有：
正负判别单元，判别上述同步电动机的3相交流输入的各个相的感应电压的正负；
推测相位设定单元，基于上述正负判别单元的判别结果，运算并设定上述感应电压的推测相位；以及
速度推测单元，将推测相位的变化累计规定次数，并除以上述规定次数与运算周期之积，由此推测上述同步电动机的速度。
2.如权利要求1所述的同步电动机的控制装置，其特征在于，
还具备马达位置设定部，
上述马达位置设定部为，
具备推测相位设定单元，该推测相位设定单元基于上述正负判别单元的判别结果，将上述感应电压的1个周期分割成6部分，将分割成6部分后的一个区间设为同一值，而运算并设定推测相位，
将上述分割成6部分后的推测相位的变化累计规定次数，并除以上述规定次数与运算周期之积，由此推测上述同步电动机的速度。
3.如权利要求1或2所述的同步电动机的控制装置，其特征在于，
还具备马达PLL部，
上述马达PLL部具备：
坐标转换部，将上述感应电压转换成D轴与Q轴这两个轴上的电压；
相位比较部，包括比例积分电路；以及
反馈电路，将上述相位比较部的输出向上述坐标转换部进行反馈；以及
代入指令单元，在同步电动机从空转时再启动时，将上述速度推测单元的输出作为在上述比例积分电路的内部进行运算的积分值进行代入，而实施比例积分运算，
上述马达PLL部通过上述坐标转换部、上述相位比较部以及上述反馈电路对上述感应电压的相位和频率进行检测。
4.如权利要求3所述的同步电动机的控制装置，其特征在于，
上述代入指令单元为，在上述同步电动机从空转时再启动时，仅一次将上述速度推测单元的输出作为在上述比例积分电路的内部进行运算的积分值进行代入，而实施比例积分运算。
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