CN111670538A - 多组多相旋转电机的控制装置以及多组多相旋转电机的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种多组多相旋转电机的控制装置1，控制在机械空间相位相差180/N(N为2以上的整数)度的位置配置有不同组的绕组的多组多相旋转电机，该多组多相旋转电机的控制装置1具备：控制目标运算部410，基于转矩指令值计算各相的初始电流指令值；校正系数计算部411，根据由多组多相旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动所引起的电磁力的空间模式M(M为0或正整数)计算与各组对应的各组校正系数；以及电流指令值校正部412，基于初始电流指令值和所述各组校正系数计算校正后的各相的电流指令值。

Description

多组多相旋转电机的控制装置以及多组多相旋转电机的驱动 装置
技术领域
本发明涉及电动助力转向装置、电梯的曳引机等中使用的多组多相旋转电机的控制装置以及多组多相旋转电机的驱动装置。
背景技术
公开了使用多个3相逆变器来控制多组多相旋转电机的控制装置(例如，参照专利文献1)。另外，公开了为了降低绕组中有轴偏心的旋转电机中产生的转矩脉动而对各相电流值进行校正的控制装置(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2013－504293号公报(4－5页，图12)
专利文献2：日本特开2009－296706号公报(6－7页，图1)
发明内容
发明所要解决的技术课题
通常，伴随旋转电机的制造误差而出现偏心或者定子或转子的圆度偏差。由于这样的偏心或圆度偏差，定子与转子之间的缝隙在一个旋转周期的期间发生变化。因此存在如下问题：在一个旋转周期的期间出现磁通密度的波动，产生振动及噪声。
在以往的旋转电机的控制方法中，无法校正在该一个旋转周期的期间出现的磁通密度的波动，无法抑制振动及噪声的产生。
该发明是为了解决上述的技术课题而做出的，目的在于即使由于旋转电机的制造误差而出现偏心或者定子或转子的圆度偏差，也校正在一个旋转周期的期间出现的磁通密度的波动。其结果是能够抑制旋转电机的振动及噪声的产生。
用于解决技术课题的技术方案
该发明的多组多相旋转电机的控制装置控制多组多相旋转电机，在该多组多相旋转电机中，在机械空间相位相差180/N(N为2以上的整数)度的位置配置有不同组的绕组，该多组多相旋转电机的控制装置具备：
控制目标运算部，基于转矩指令值计算各相的初始电流指令值；
校正系数计算部，根据由多组多相旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动所引起的电磁力的空间模式M(M为0或正整数)计算与各组对应的各组校正系数；以及
电流指令值校正部，基于初始电流指令值和所述各组校正系数计算校正后的各相的电流指令值。
发明效果
因为该发明具备：
校正系数计算部，根据由多组多相旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动所引起的电磁力的空间模式M(M为0或正整数)计算与各组对应的各组校正系数；以及
电流指令值校正部，基于初始电流指令值和所述各组校正系数计算校正后的各相的电流指令值，
因此即使由于旋转电机的制造误差而出现偏心或者定子或转子的圆度偏差，也能够校正在一个旋转周期的期间出现的磁通密度的波动。
附图说明
图1为该发明的实施方式1的旋转电机的剖面示意图。
图2为示出该发明的实施方式1的旋转电机与逆变器的连接的示意图。
图3为示出该发明的实施方式1的旋转电机的控制装置的概略图。
图4为示出该发明的实施方式1的旋转电机的控制装置的处理的流程的流程图。
图5为示出该发明的实施方式1的旋转电机的控制装置的硬件结构的结构图。
图6为该发明的实施方式2的旋转电机的剖面示意图。
图7为该发明的实施方式3的旋转电机的剖面示意图。
图8为该发明的实施方式4的旋转电机的剖面示意图。
图9为该发明的实施方式5的旋转电机的剖面示意图。
附图标记
1：控制装置；2：旋转电机；3：逆变器；201：转子；202：定子；203：转子铁芯；204：永磁体；205：轴；206：磁体槽；207：定子轭；208：定子齿；209：定子槽；210：定子线圈；410：控制目标运算部；411：校正系数计算部；412：电流指令值校正部；413：电压变换部；414：PWM运算部。
具体实施方式
实施方式1.
图1为示出用于实施该发明的实施方式1的多组多相旋转电机的构造的剖面示意图。在本实施方式中，列举图1所示的3组3相分布绕组永磁同步型旋转电机为例进行说明。此外在图1中，将旋转电机的旋转轴方向设为z轴，将与z轴垂直的方向分别设为x轴、y轴。
如图1所示，本实施方式的旋转电机2包括转子201和定子202。转子201包括转子铁芯203、永磁体204及轴205。转子铁芯203由电磁钢板层叠而构成。在转子铁芯203中，在周向上等间隔地设置有以两个为一组地构成的6组V字形的磁体槽206。永磁体204被插入到磁体槽206，1个V字构成1极，以在周向上交替构成N极和S极的方式配置。轴205构成于转子铁芯203的内径侧，并且被压入于转子铁芯203。
定子202包括：36个定子齿208，该定子齿208从圆环形的定子轭207向内径方向突出；以及定子线圈210，被插入于在相邻的定子齿208之间构成的定子槽209，并且以在周向上每6个槽地配置线圈的分布绕组方式配置。
定子线圈210与3组3相对应地，包括与第1组的3相对应的U1线圈、V1线圈、W1线圈、与第2组的3相对应的U2线圈、V2线圈、W2线圈和与第3组的3相对应的U3线圈、V3线圈、W3线圈。
在图1中，各定子线圈的+－标记示出电流的方向是纸面垂直方向向上还是向下。第1组的3相线圈被容纳于36个定子槽209中的在周向上相邻的12个定子槽209中。然后，第2组的3相线圈被容纳于与容纳有第1组的3相线圈的12个定子槽209相邻的12个定子槽209中，第3组的3相线圈被容纳于剩余的相邻的12个定子槽209中。像这样，3组3相的线圈的3个组分别配置于相对于与机械上旋转1周对应的机械角360度各偏移120度的位置。
图2为示出本实施方式的旋转电机2与逆变器3的连接的示意图。如图2所示，3个组的3相线圈分别连接于不同的3相逆变器301、302、303。3个组的三相线圈分别由3相逆变器301、302、303单独控制。
接下来，对针对偏心或者定子202或转子201的圆度偏差的校正进行说明。
如图1所示，旋转电机2的定子202与转子201彼此偏心，在+x方向上定子202与转子201接近，在－x方向上定子202与转子201远离。
当在这样的状态下进行以往的电流控制时，由于控制为使得分别向3组通电的电流相等，因此结果是在+x方向上由于缝隙尺寸小于基准值而缝隙磁通密度变高，在－x方向上由于缝隙尺寸大于基准值而缝隙磁通密度变小。当这样时，在与缝隙磁通密度的平方成比例的电磁力上叠加相对于机械角的1个周期增减1次的高次谐波。此外，在此基准值是指假设偏心及定子202或转子201的圆度偏差在旋转电机中均不存在时的缝隙尺寸。
在图1所示的6极36槽的旋转电机中，机械角的1个周期对应于电角的3个周期，因此电角下的基波(电角空间1阶)的电磁力的变形相当于机械角下的空间3阶。因此，在该6极36槽的旋转电机中，与空间3阶对应的变形模式作为除了空间0阶之外的最低阶的电磁力而产生，为最低频率的共振。另一方面，当如上述那样产生偏心时，叠加相对于机械角的一个周期而增减1次的电磁力的高次谐波，上述空间3阶的电磁力被调制为空间2阶和空间4阶，引起共振。空间2阶(模式2)的特征值与空间3阶的特征值相比，其共振频率低，另外一般而言，低阶的共振频率在共振时的传递函数较大，因此容易引起作为振动及噪声的问题。
图3为示出本实施方式的旋转电机的控制装置的概略图。本实施方式的控制装置1具备：控制目标运算部410，基于从外部提供的转矩指令值101运算各组的各相电流初始值102(参照图4的步骤S1)；后述的校正系数计算部411；电流指令值校正部412，基于各组的各相电流初始值102及由校正系数计算部411计算出的校正系数103，计算用校正系数103校正后的各组的各相电流指令值104(参照图4的步骤S3)；电压变换部413，基于各相电流指令值104及实际通电的各组的各相电流值105，将各相电流指令值104变换为各组的各相电压指令值106(参照图4的步骤S4)；以及PWM运算部414，基于各相电压指令值106计算要输出至逆变器3的栅极信号107(参照图4的步骤S5)。各组的各相电流初始值102相当于偏心及定子202或转子201的圆度偏差均不存在时的各组的各相的电流指令值。
逆变器3由图2所示的3相逆变器301、302、303构成。逆变器3作为电力变换器而工作。逆变器3基于从PWM运算部414输出的栅极信号107使电流流过各组的各相绕组。旋转电机2的轴205具备检测旋转位置并将该旋转位置的检测值109发送到控制目标运算部410的功能。另外，旋转电机2具备检查各组的磁通密度的波动并将该检测值108发送到校正系数计算部411的功能。此外，在本实施方式中，由控制装置1和逆变器3构成旋转电机2的驱动装置。
校正系数计算部411根据平均值与各组的磁通密度之比计算校正系数，以使各组的磁通密度平均化(参照图4的步骤S2)。换言之，校正系数计算部411根据由旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动所引起的电磁力的空间模式M(M为0或正整数)计算与各组对应的各组校正系数。此外，所谓空间模式M，表示相对于旋转电机在机械上旋转1周，磁通密度以正弦波形变动M次的状态。另外，磁通密度例如通过霍尔传感器检测。
电流指令值校正部412对各组的指令值乘以校正系数103，计算校正后的各组的各相电流指令值(参照图4的步骤S3)。
图4为示出本实施方式的旋转电机的控制装置的处理的流程的流程图。
如图4所示，在控制装置1中，在步骤S1，控制目标运算部410接受转矩指令值101及旋转电机2的旋转位置的检测值109，基于转矩指令值101及旋转位置的检测值109，运算各组的各相电流初始值102。
在步骤S2，与步骤S1的处理并行地，校正系数计算部411使用由霍尔传感器检测到的磁通密度的检测值108，为了使各组的磁通密度平均化，求出各组的磁通密度的检测值108的平均值，根据该平均值与各组的磁通密度的检测值108之比计算校正系数103。
在步骤S3，电流指令值校正部412接受各组的各相电流初始值102和各组的校正系数103，将各组的各相电流初始值102与各组的校正系数103相乘，计算各组的电流指令值104。
在步骤S4，电压变换部413接受各组的电流指令值104和检测到的各组的电流值105，基于各组的电流指令值104和各组的电流值105，计算各组的各相电压指令值106。此外，作为计算方法，例如，电压变换部413进行PI控制直到各组的电流指令值104与各组的电流值105之差变为0，计算各组的各相电压指令值106。
在步骤S5，PWM运算部414基于各组的各相电压指令值106，运算要输出至逆变器3的栅极信号107，控制逆变器3的工作。
图5为示出控制装置1的硬件结构的结构图。如上述那样，由控制装置1和逆变器3构成驱动装置。驱动装置使用旋转电机2来驱动连接于旋转电机2的未图示的负载。如图5所示，作为硬件结构，控制装置1具备处理器501和存储装置502。通过处理器501读取并执行存储装置502中存储的程序来实现图3所示的控制目标运算部410、校正系数计算部411、电流指令值校正部412、电压变换部413及PWM运算部414的各部的功能。
尽管未图示，存储装置502具备随机存取存储器等易失性存储装置和闪存等非易失性辅助存储装置。也可以具备硬件等辅助存储装置来代替非易失性辅助存储装置。
程序从存储装置502的辅助存储装置经由易失性存储装置被输入至处理器501。处理器501执行从存储装置502输入的程序。另外，处理器501将运算结果等数据输出至存储装置502的易失性存储装置，或是经由易失性存储装置输出至辅助存储装置并保存数据。
此外，控制目标运算部410、校正系数计算部411、电流指令值校正部412、电压变换部413、PWM运算部414也可以由系统LSI等处理电路来实现。
在这样构成的控制装置1中，检测或推定由于偏心或者定子202或转子201的圆度偏差而缝隙尺寸出现波动的状态，抑制随着波动而电磁力中产生低阶模式的情况。在图1所示的例子中，以使处于由于偏心而缝隙尺寸变小的一方(+x方向)的组的各相电流指令值变小的方式进行校正，以使处于缝隙尺寸变大的一方(－x方向)的组的各相电流指令值变大的方式进行校正。
在由这样构成的控制装置1控制的旋转电机中，由于缝隙的磁通密度分布中不产生低阶波形，因此不产生使得产生低阶变形的电磁力，能够防止产生低频共振或产生响应大的共振。
在本实施方式中，由于按机械角每隔120度来配置3组3相绕组，因此能够以偏移120度的3个(偏心)矢量来检测缝隙磁通密度的波动。因此，能够抑制相对于机械角的1个周期而变形1次的激振力和变形两次的激振力。由于变形1次的激振力因偏心而产生，变形两次的激振力因椭圆变形而产生，因此在本实施方式的控制装置1中，能够分别校正偏心及椭圆变形。另外，即使在同时产生偏心和椭圆变形时，也能够检测为重叠，因此能够同时对两者进行校正。
接下来，对用于校正的磁通密度波动的检测方法进行说明。作为1种检测方法，有使用检测磁性而进行电输出的磁电设备的方法。作为磁电设备，有霍尔传感器、TMR(隧道磁阻效应)元件、GMR(巨磁阻)元件、搜索线圈等。
例如，将霍尔传感器每隔机械角120度在各组的中心位置等间隔配置于旋转电机2的定子齿208的前端部(缝隙面)。由于这样能够检测缝隙磁通密度的波动，因此为了基于检测到的磁通密度来降低波动，对位于与磁通密度高的传感器对应的位置的组计算使电流指令值变小的校正值，对位于与磁通密度低的传感器对应的位置的组计算使电流指令值变大的校正值。即使使用其它磁电设备也具有同样效果。此外，虽然设为每隔120度配置传感器，但也可以使用3个以上的传感器而使检测间距变小来进行检测。
另外，也可以不使用搜索线圈而使用定子线圈来进行检测。以这样的方式能够不用追加检测专用的部件而检测缝隙磁通密度的波动。
此外，在上述校正方法中，可以在运行时连续实施对磁通密度波动的检测并随时修正校正系数，也可以在初始时实施对磁通密度波动的检测而计算校正系数，使用该值在运行时推定磁通波动。由于偏心和与正圆的偏差不会随时间经过而发生大的变化，因此如果在初始计算校正系数并使用，则能够降低控制装置的运算不良。另一方面，在转动的偏心随时间经过而发生大的变化的情况下，最好是连续检测磁通密度波动并随时修正校正系数。
作为其它检测方法，有检测相对于电流指令值的实际的各组的通电电流波动来计算校正系数的方法。或者有检测空载感应电压的各组的通电波动来计算校正系数的方法。
本实施方式中说明的校正磁通密度波动的方法在定子202或转子201为由在周向上分开的铁芯的组合而构成的情况以及弯曲冲制为直线形的铁芯而构成为圆环形的情况下尤其有效。另外，在将平板形的构件弯曲呈圆环形来构成框架等与定子202或转子201相接的构件，通过热套、压入等方法将这些构件组装于定子202或转子201的情况下也尤其有效。这是因为通过这些方法构成的定子及转子201中容易出现圆度偏差。
在本实施方式中，由于从3个以上的检测点检测偏心，因此能够计算偏心量和偏心方向，即计算偏心矢量。也可以使用该偏心矢量来进行对旋转位置的检测值109的校正。使用预先准备的针对偏心矢量的校正值的对应表进行校正。可以仅应用初始校正，也可以连续应用校正。
以这样的方式能够降低由偏心导致的旋转位置的检测误差，能够降低由与电流指令值的理想值(无偏心、圆度偏差时的电流指令值)的偏差导致的激振力或转矩脉动引起的振动及噪声。
此外，关于相对于机械角的1个周期以等间隔且相等振幅变形3次(三角形变形)的激振力，在本实施方式的控制装置中，由于各组的校正值相等因此无法校正，但对于其中叠加有偏心的情况则能够校正。
另外，关于相对于机械角的1个周期变形4次的激振力，由于校正自由度不足，因此在本实施方式的控制装置中无法准确校正。
实施方式2.
图6为示出用于实施该发明的实施方式2的多组多相旋转电机的构造的剖面示意图。在本实施方式中，列举图6所示的4组3相集中绕组永磁同步型旋转电机为例进行说明。
如图6所示，本实施方式的旋转电机2为8极12槽的4组3相的集中绕组旋转电机。各组的相线圈被配置为卷绕于定子齿208，依次配置U相线圈、V相线圈、W相线圈。电角的1个周期相当于机械角90度，按照每1极对3个槽，依次以1组、2组、3组、4组来配置绕组。
在本实施方式中，连接于与实施方式1的图3所示的控制装置同样的控制装置。但是，逆变器3由与4个组分别对应的4个3相逆变器构成。流过各组的各相绕组的电流被分别以不同的校正系数进行校正。
在这样构成的控制装置中，不仅能够校正偏心或者定子或转子201的圆度偏差，也能够应对并校正三角形变形。其结果是能够抑制旋转电机的振动和噪声的产生。
实施方式3.
图7为示出用于实施该发明的实施方式3的多组多相旋转电机的构造的剖面示意图。在本实施方式中，列举图7所示的2组3相分布绕组永磁同步型旋转电机为例进行说明。
如图7所示，本实施方式的旋转电机2为8极48槽的2组3相分布绕组旋转电机。对每4极24槽在周向上缠绕1组的绕组，接下来缠绕2组的绕组。
在本实施方式中，连接于与实施方式1的图3所示的控制装置同样的控制装置。但是，逆变器3由与两个组分别对应的两个3相逆变器构成。流过各组的各相绕组的电流被分别以不同的校正系数进行校正。
在这样构成的控制装置中，配置于机械上180度对置的位置的绕组总是为不同组，因此在产生偏心时能够检测定子与转子201接近的方向和远离的方向，能够校正偏心。其结果是能够抑制旋转电机的振动及噪声的产生。
但是，在本实施方式的旋转电机中，在铁芯产生椭圆变形的情况下，由于在180度对置的位置处以相同方式接近或远离，因此无法进行校正。
实施方式4.
图8为示出用于实施该发明的实施方式4的多组多相旋转电机的构造的剖面示意图。在本实施方式中，列举图8所示的2组3相分布绕组永磁同步型旋转电机为例进行说明。
如图8所示，本实施方式的旋转电机2为8极48槽的2组3相分布绕组旋转电机。对每2极12槽在周向上缠绕1组的绕组，接下来缠绕2组的绕组，接下来以1组的绕组、然后2组的绕组这样的方式，每机械角90度交替配置两次1组绕组和2组绕组。
在本实施方式中，连接于与实施方式1的图3所示的控制装置同样的控制装置。但是，逆变器3由与两个组分别对应的两个3相逆变器构成。流过各组的各相绕组的电流被分别以不同的校正系数进行校正。
在这样构成的控制装置中，配置于机械上90度对置的位置的绕组总是为不同组，因此能够在产生椭圆变形时检测接近的方向和远离的方向(短轴方向和长轴方向)，能够校正椭圆变形。其结果是能够抑制旋转电机的振动和噪声的产生。
但是，在本实施方式的旋转电机中，构成为在180度对置的位置处配置相同的组。因此，由于偏心在同组的绕组中平均化，在1组与2组之间难以产生相对于偏心的差，所以无法进行校正。
实施方式5.
图9为示出用于实施该发明的实施方式5的多组多相旋转电机的构造的剖面示意图。在本实施方式中，列举图9所示的2组3相集中绕组永磁同步型旋转电机为例进行说明。
如图9所示，本实施方式的旋转电机2为10极12槽的2组3相集中绕组的旋转电机。1组绕组和2组绕组在周向每隔1个齿交替配置于定子齿208。
在本实施方式中，连接于与实施方式1的图3所示的控制装置同样的控制装置。但是，逆变器3由与两个组分别对应的两个3相逆变器构成。流过各组的各相绕组的电流被分别以不同的校正系数进行校正。
在这样构成的控制装置中，由于在机械上180度对置的位置配置有不同组的绕组，因此能够抑制由于偏心而产生的低阶电磁力的产生。其结果是能够抑制旋转电机的振动及噪声的产生。

Claims (10)

1.一种多组多相旋转电机的控制装置，控制在机械空间相位相差180/N度的位置配置有不同组的绕组的多组多相旋转电机，其中N为2以上的整数，该多组多相旋转电机的控制装置的特征在于，具备：
控制目标运算部，基于转矩指令值计算各相的初始电流指令值；
校正系数计算部，根据由所述多组多相旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动所引起的电磁力的空间模式M计算与各组对应的各组校正系数，其中M为0或正整数；以及
电流指令值校正部，基于所述初始电流指令值和所述各组校正系数计算校正后的所述各相的电流指令值。
2.根据权利要求1所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
校正系数计算部使用所述多组多相旋转电机的各组的磁通波动的检测值来计算各组校正系数。
3.根据权利要求2所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
所述多组多相旋转电机的各组的磁通波动的检测值为在所述多组多相旋转电机的转子与定子之间的缝隙的多个部位检测到的值。
4.根据权利要求2所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
所述多组多相旋转电机的各组的磁通波动的检测值为根据在所述多组多相旋转电机的转子与定子之间的缝隙的3个以上部位检测到的偏心矢量而计算出的值。
5.根据权利要求2所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
所述多组多相旋转电机的各组的磁通波动的检测值为使用所述多组多相旋转电机的定子线圈，根据无负载感应电压的波动计算出的值。
6.根据权利要求1所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
校正系数计算部使用所述多组多相旋转电机的各组的磁通波动的推定值来计算各组校正系数。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
校正系数计算部根据所述多组多相旋转电机的各组的磁通波动来计算偏心矢量并校正旋转角度检测器的输出。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
所述多组多相旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动是由所述多组多相旋转电机的偏心误差所引起的。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的多组多相旋转电机的控制装置，其特征在于，
所述多组多相旋转电机旋转时的相对于旋转周期性的磁通密度波动是由所述多组多相旋转电机的椭圆变形所引起的。
10.一种多组多相旋转电机的驱动装置，其特征在于，具备：
权利要求1～9中任意一项所述的多组多相旋转电机的控制装置；以及
逆变器，从所述控制装置接受电流指令校正值，基于所述电流指令校正值使电流流过所述多组多相旋转电机的绕组。
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