CN112335170A - 电动机控制装置、电动机控制方法以及电动机系统 - Google Patents

Abstract

本公开的电动机控制装置是基于转矩指令值来决定与转子同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量的指令值的电动机控制装置，具备：处理器；以及存储器，其记录由电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数a、由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数b以及极对数N_pp。处理器在接受到转矩指令值时，执行如下处理：求出由转矩指令值相对于极对数N_pp的比规定的系数c；算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy‑c＝0且使f(x)＝x²+(c‑ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值；将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值。

Description

电动机控制装置、电动机控制方法以及电动机系统

技术领域

本公开涉及用于同步电动机的电动机控制装置、电动机控制方法以及电动机系统。

背景技术

为了控制永磁同步电动机等同步电动机，使用矢量控制的算法。在矢量控制中，需要根据速度指令值或转矩指令值来决定与转子的旋转同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量。在决定电流矢量时，将相对于电流的转矩最大化的最大转矩/电流(MTPA：MaximumTorque Per Ampere)控制正在实用化。MTPA控制是在产生同一转矩的电流矢量中选择大小为最小的电流矢量的控制。以下，在本说明书中将电流矢量的大小称为“范数”。为了在同一转矩下使电流矢量的范数最小，需要在规定电流矢量的dq坐标平面上，以从原点到恒转矩曲线的距离为最短的方式决定电流矢量。

这样的电流矢量的决定能够如以下方式进行。首先，预先准备将转矩的多个值与以最小的范数实现各个值的电流矢量对应起来的表(或者映射)。当在电动机的控制时接收到转矩指令值时，从该表读出对应的电流矢量。

日本公开公报特开2016-100982号公报所记载的电动机控制装置为了减少表的数据量而具备规定电感与电流矢量的关系的映射。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本公开公报:特开2016-100982号公报

发明内容

发明要解决的课题

如下文所述，以往的最大转矩/电流(MTPA)控制具有各种问题。本公开的实施方式提供一种实现代替最大转矩/电流控制的最小电流/转矩控制的新的电动机控制装置以及电动机控制方法。另外，本公开的实施方式提供一种具备该电动机控制装置的电动机系统。

用于解决课题的手段

在例示的实施方式中，本公开的电动机控制装置是基于转矩指令值来决定与转子同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量的指令值的电动机控制装置，所述电动机控制装置具备：数字运算电路；以及存储器，其记录有由电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数a、由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数b、以及极对数N_pp，所述数字运算电路在接受到转矩指令值时，执行如下处理：(a)求出由转矩指令值相对于极对数N_pp的比规定的系数c；(b)算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy-c＝0、且使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值；以及(c)将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值。所述数字运算电路在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用基于与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式的近似解，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。

在例示的实施方式中，本公开的电动机系统具备上述的电动机控制装置、与所述电动机控制装置连接的电动机驱动电路、以及与所述电动机驱动电路连接的电动机。

在例示的实施方式中，本公开的电动机控制方法是基于转矩指令值来决定与转子同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量的指令值的电动机控制方法，所述电动机控制方法包括如下处理：(1)求出由转矩指令值相对于电动机的极对数N_pp的比规定的系数c；(2)在将由所述电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数设为a，将由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数设为b时，算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy-c＝0且使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值；以及(3)将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值。所述电动机控制方法在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用基于与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式的近似解，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。

发明效果

根据本公开的实施方式，由于不是执行以往的根据电流矢量导出转矩的正向解法，而是执行根据转矩导出电流矢量的逆向解法的算法，所以不依赖于需要过大的数据量的表或映射，就能够进行从转矩指令值向电流指令值的变换。

附图说明

图1是示意性地表示4次方程式的实数解与变量δ的关系的一例的曲线图。

图2是示意性地表示本公开的电动机控制系统的非限定性的例示的实施方式的结构的图。

图3是表示本公开的电动机控制装置的硬件结构的例子的图。

图4是表示本公开的实施方式的处理的步骤的示例的流程图。

图5是表示本公开的电动机控制装置的实施方式中的结构例的框图。

具体实施方式

在说明本公开的实施方式之前，首先说明根据电流矢量导出转矩的“正向解法(Forward MTPA)”和根据转矩导出电流矢量的“逆向解法(Inverse MTPA)”。

＜根据电流矢量导出转矩的正向解法＞

在矢量控制理论中，能够通过与转子的旋转同步地旋转的dq坐标系来表现电压、电流、磁通、电感等各种量。由3相交流同步电动机产生的转矩T由数式1表示。

[数式1]

T＝N_pp[Ψ_ai_q+(L_q-L_d)i_di_q]

在此，N_pp是极对数，Ψ_a是由转子的永磁铁产生的交链磁通。L_d和L_q分别是d轴电感和q轴电感，i_d和i_q分别是d轴电流和q轴电流。转矩的单位为牛顿·米[Nm]，电感的单位为亨利[H]，电流的单位为安培[A]。数式1是以在3相的定子绕组中分别以2π/3的相位差流过正弦波电流为前提而导出的。另外，电感以及交链磁通的空间高谐波分量被忽略。在不能忽略这些高谐波分量的情况下，在转矩中表现出较小的脉动，但由于高次谐波分量不会对平均转矩造成影响，因此该平均的转矩(恒定分量)与数式1的转矩相等。

数式1的右边的第一项是“磁铁转矩”，第二项是“磁阻转矩”。在L_d及L_q为相同大小的非凸极性的电动机、例如表面磁铁型电动机(SPM)中，转矩仅为第一项的磁铁转矩。与此相对，在永磁铁未安装于转子的电动机、例如开关磁阻电动机(SRM)中，转矩仅为第二项的磁阻转矩。在转子的内部埋入有永磁铁的埋入型电动机(IPM)的转矩具有磁铁转矩以及磁阻转矩的合计值。

执行矢量控制的电动机控制装置在被赋予作为目标的转矩的值(转矩指令值)时，需要决定为了实现该转矩所需的电流矢量。电流矢量是以在dq坐标系中定义的d轴电流I_d和q轴电流I_q为分量的矢量，也能够通过范数I_a和离q轴的超前相位角β₁来表现。以下，有时将电流矢量的范数称为“电流范数”，将电流矢量的离q轴的超前相位角称为“电流相位角”，或者简称为“相位角”。

d轴电流I_d以及q轴电流I_q分别如下述的数式2所示那样使用范数I_a和相位角β₁来表示。

[数式2]

i_q＝I_acosβ₁

i_d＝I_asinβ₁

当使用该关系时，也能够通过以下的数式3来表示转矩T。

[数式3]

高效的电动机控制被称为高效率控制，其代表例是MTPA(Maximum Torque PerAmpere)控制。在MTPA控制中，以相对于某个电流范数得到最大的转矩的方式决定电流相位角。由于电流范数与铜损成比例，所以MTPA也可以说是以相对于预定的铜损得到最大的转矩的方式决定电流相位角的方法。但是，在现实的电动机中，除了铜损以外还存在铁损、风损等损耗，因此MTPA未必给出最佳效率解。但是，由于MTPA容易模型化，所以被广泛利用。特别是在铜损占支配地位的低速高转矩领域，MTPA给出与最优解充分接近的解。

所谓MTPA问题，是指在电流范数I_a恒定的条件下求出使转矩T最大的电流相位角β₁。从数式3可知，如果L_q-L_d＝0，则实现所赋予的转矩T的电流相位角β₁唯一地确定，β₁＝0°。另一方面，在如磁阻电动机那样转子不包含永磁铁的情况下，因为由永磁铁产生的交链磁通Ψ_a为零，所以在电流相位角β₁＝45°时转矩T为最大。这样，在能够忽略磁铁转矩以及磁阻转矩中的一个的电动机中，根据转矩T唯一地确定实现该转矩T的电流矢量。但是，在例如像埋入型磁铁那样磁铁转矩以及磁阻转矩双方都有作用的情况下，实现被赋予的大小的转矩T的电流矢量存在无数。因此，为了进行MTPA控制，需要在固定了电流范数I_a的状态下找到使转矩T为最大的电流相位角β₁。

使转矩T为最大的电流相位角β₁将通过电流相位角β₁对数式3进行微分而得的数式4变为0。

[数式4]

若使数式4的右边设为零，则可得到数式5。

[数式5]

-Ψ_aI_asinβ₁+(L_q-L_d)I_a ²cos2β₁＝0

当L_q和L_d不同时，通过求解数式5，如下述那样确定电流相位角β₁。

[数式6]

作为另一种求解方法，有在给出了I_q和I_d中的一个的情况下求出另一个的方法。根据该方法，分别得到以下的算式所示的解I_q、I_d。

[数式7]

在任一方法中，都是在将规定电流矢量的2个值中的一个固定的基础上，使用MTPA条件来算出另一个的值。在以往的MTPA控制中，例如根据转矩指令值T暂时决定电流范数I_a，求出与该电流范数I_a相对的电流相位角β₁。在该方法中，由于最初任意地决定电流范数I_a，所以必然存在无法得到产生转矩指令值的最小电流这一问题。作为其对策，有进行反复计算的方法。但是，在这种情况下，计算时间增加，并且不清楚进行几次计算能够得到足够的精度，因此不实用。以往的方法是通过正向解法来解出应该通过逆向解法解出的问题。

因此，参照查找表来求出实现转矩T的最小的电流，来代替联机地执行上述的计算。具体而言，通过事先计算将多个不同的转矩T与以最小的电流实现各转矩T的“电流范数和电流相位角”(或者“I_d和I_q”)这2个变量对应起来的表，从而脱机地生成该表并存储到存储器内。在联机时，当被赋予转矩T的指令值时，电动机控制装置参照表而读出“电流范数和电流相位角”(或者“I_d和I_q”)这2个变量。事先计算可以使用求解器计算等来进行。根据该方法，需要针对每个电动机重新制作整个表。另外，若电动机相同，永磁铁磁通或电感等发生变化，则需要改写表，因此也无法应对电动机的温度特性变化及经时变化。

为了应对电动机参数的变化，理论上能够事先准备与各种参数对应的大量表。但是，由于需要庞大的数据，所以不实用。例如，在将电流范数I_a和电流相位角β₁的数据分别设为16比特时，为了表现相对于1个变量的输入(1个转矩值)的电流矢量，需要4字节的数据。在将转矩分辨率设为12比特量(4096)而准备了与各转矩值对应的电流范数I_a和电流相位角β₁的数据的情况下，数据量达到16.384k字节(＝4字节×2¹²)。廉价的微型计算机具有32k字节至128k字节左右的ROM容量，因此在该表中消耗16k字节的容量是不经济的。

若增加表量，则容量急剧增加。例如，在将转矩分辨率扩展为24比特、电流32比特而制作表的情况下，数据量成为约134M字节(＝8字节×2²⁴)这样的庞大的量。在该规模下，难以制作并安装表。

考虑不依赖于表而通过中央运算处理单元(CPU)进行计算的情况。CPU的时钟数越高，CPU成本(微型计算机成本)越上升。另外，由于电动机实时地进行驱动，因此在以载波频率为20kHz的PWM信号进行驱动的情况下，需要每50μsec更新信号。MTPA计算不需要以该周期进行更新，但若考虑电气时间常数，则需要以1msec～10msec进行更新。因此，1次计算中使用的时钟数变少。如果在MTPA控制计算中使用大量的时钟数，则相应地导致CPU成本的上升。但是，MTPA控制本身对于电动机驱动而言不是必须的，因此不允许仅因这种原因提高微型计算机的等级。

＜根据转矩导出电流矢量的逆向解法＞

在本公开的实施方式中，电动机控制装置在接收到转矩指令值时，通过执行以下的电动机控制方法的各处理来导出电流矢量。

(1)求出由转矩指令值相对于电动机的极对数N_pp的比规定的系数c。

(2)在将由电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数设为a、将由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数设为b时，算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy-c＝0、且使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值。

(3)将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值。

在本公开的电动机控制方法中，在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用对与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式进行近似的算式，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。

在该实施方式中，该近似式中的近似解被表格化，并存储在存储器中。在这种情况下，可以使用被表格化的近似解求出实数解。

以下，对上述的处理进行详细说明。

转矩指令值T相对于极对数N_pp的比为T/N_pp。在此，作为最简单的例子，设为c＝T/N_pp。另外，关于由磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数a，设为a＝Ψ_a。关于由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数b，设为b＝(L_q-L_q)/2。另外，关于电流矢量的q轴分量，设为i_q＝x，关于电流矢量的d轴分量，设为i_d＝y。

若使用上述的a、b、c、x以及y，则规定转矩方程式的数式1能够变形为以下的算式。

[数式8]

关于数式8，即使在两边乘以任意的数，例如极对数N_pp，等式也成立。另外，即使将两边除以转矩的基准值，等式也成立。因此，也能够以上述等式成立的方式对a、b以及c进行标准化。例如，通过将基准电压V₀[V]、基准电流I₀[A]、基准电气角速度ω₀[rad/sec]代入按每个电动机而不同的电压方程式，能够求出基准转矩T₀。也可以以在数式8的转矩T与基准转矩T₀相等时成为c＝1的方式，对a和b进行标准化。以下，a、b以及c的参数各自并不限定于a＝Ψ_a、(L_q-L_q)/2以及T/N_pp，也可以是这些值的标准值。这样的标准值a、b以及c也分别相当于之前所述的“由……规定的系数”。

由上述的定义可知，系数c是依赖于转矩T的参数，因此如果被赋予转矩指令值，则系数c的大小确定。另外，系数a、b根据电动机而具有固有的大小。因此，“逆向解法”是指，在电动机固有的系数a、b的基础上，在系数c的大小被指定时，在满足数式8的x和y中，求出使范数(x²+y²)为最小的x、y。范数(x²+y²)基于数式8中的x与y的关系，由下式表示。

[数式9]

当电动机确定时，系数a、b确定，当被赋予转矩指令值时，系数c确定。在本公开的实施方式中，在系数a、b、c已知的状况下，算出使数式9的函数f(x)最小的x。当x确定时，基于以下的算式求出y。

[数式10]

电流矢量由x和y的值决定。

使f(x)最小的x使f(x)的微分为0。由此可知，x是以下方程式的解。

[数式11]

为了求解上述方程式，在本公开的实施方式中，使用对与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式进行近似的算式。该近似式预先准备，并存储在电动机控制装置所具有的存储器内。

与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式是通过将未知数x变换为其他变量而得到的算式。这样的关系式的例子例如可以包含以下的数式12或数式13所示的算式。

[数式12]

[数式13]

例如，针对数式12的关系式，根据预先预测的系数a、b、c来准备s⁴的系数可采用的多个数值例。针对由这些数值例分别决定的各个4次方程式，通过任意的方法求出正的实数解。4次方程式的正的实数解是s⁴的系数可采用的数值例的函数。在本公开中，对上述的“关系式”进行近似的算式是近似地规定上述关系式的解与系数的关系的算式。

同样地，针对数式13的关系式，根据预先预测的系数a、b、c来准备t的系数可采用的数值例。针对由这些数值例分别决定的多个4次方程式，通过任意的方法求出正的实数解。4次方程式的正的实数解是t的系数可采用的数值例的函数。

这样，作为与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式，通过使用具备由系数a、b、c决定的1个系数的关系式，能够将4次方程式的实数解近似地表现为一个变量(例如δ)的函数。

该例子中的变量δ例如可以是数式12中的s⁴的系数、或者数式13中的t的系数。若使变量δ的数值例如从0.00以0.01刻度变化，则根据变量δ的值来确定不同的4次方程式。在电动机控制装置出厂前，预先通过任意的方法求出各个4次方程式的实数解。这样，确定实数解与变量δ之间的关系。

图1是示意性地表示实数解与变量δ的关系的一例的曲线图。该图表的横轴为δ，纵轴为实数解。对于变量δ的各种值的每一个值，分配1个4次方程式，确定其实数解。图1所例示的曲线(虚线)能够通过任意的近似式而被高精度地近似。在该实施方式中，存储器存储有近似解的表数据。数字运算电路能够使用表数据求出4次方程式的正的实数解。另外，在其他实施方式中，存储器也可以存储基于上述关系式的任意的近似式。在该情况下，数字运算电路能够基于转矩指令值，根据近似式求出近似解。

如上所述，系数a、b由电动机决定，系数c由被赋予的转矩指令值决定。在电动机控制的动作中，系数c变化，但能够根据其变化迅速地求出4次方程式的解。例如，如果得到如数式12或数式13所示的4次方程式的解，则通过变换变量，能够得到x的值。在得到x的值时，基于数式10的关系求出y的值。这样，能够决定具有使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x、y作为分量的电流矢量。

这样，在本公开的实施方式中，在被赋予转矩指令值T时，能够通过近似来决定以最小的范数实现转矩指令值T的电流矢量。根据本公开的实施方式，不需要预先准备具有庞大的数据量的表并将其存储在存储器内。电动机控制装置能够通过进行使用了近似式的计算来决定电流矢量。如果在每次更新转矩指令值时进行上述的计算，则能够立即求出范数被最小化的电流矢量。

＜例示性的实施方式＞

以下，对本公开的电动机控制装置的一例进行说明。此外，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明、针对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，从而使本领域技术人员容易理解。本发明人为了使本领域技术人员充分理解本公开而提供附图以及以下的说明。并不意图由此来限定本发明请求专利保护的范围所记载的主题。

参照图2。图2是表示本公开的实施方式的电动机系统的概略结构的图。图2所示的电动机系统1000具备：具备转子30和定子32的永磁同步电动机(以下，简称为“电动机”)300；对电动机300的定子32所具有的绕组34施加电压的电动机驱动电路200；对在绕组34中流动的电流进行测定的电流传感器250；以及与电动机驱动电路200连接的电动机控制装置100。

本实施方式中的转子30具有埋入铁芯中的多个永磁铁。本公开的实施方式并不限定于该例子。转子30也可以不具有永磁铁，仅产生磁阻转矩而旋转。转子30能够采用多种形态。

电动机驱动电路200是具有逆变器作为主电路的电力转换器。主电路包含多个电力半导体元件(在图2中未图示)作为构成要素。电动机控制装置100生成并输出使电动机驱动电路200内的各个电力半导体元件开关的控制信号(门信号)。在图示的例子中，电流传感器250是电流互感器(CT：Current Transformer)，但电流传感器250的例子并不限定于此。在电动机驱动电路200具有1个或多个分流电阻的情况下，通过测定各分流电阻的电压降，能够测定流过绕组34的电流。

图示的电动机控制装置100具备作为“数字运算电路”发挥功能的处理器10、以及记录有控制处理器10的动作的软件程序的存储器20。处理器10例如可以是CPU或数字信号处理器等集成电路(IC)芯片。存储器20是存储有控制处理器10的动作的计算机程序的记录介质。存储器20不需要是单一的记录介质，可以是多个记录介质的集合。如下文所述，存储器20例如可以包括RAM等半导体易失性存储器、闪存ROM等半导体非易失性存储器、以及硬盘驱动器等存储装置。存储器20的至少一部分可以是可拆卸的记录介质。

图2的电动机控制装置100基于转矩指令值，决定与转子30的旋转同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量的指令值。

在存储器20中存储有由电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数a、由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数b、以及极对数N_pp。在存储器20中还存储有对与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式进行近似的算式。

电动机控制装置100的处理器(数字运算电路)10在接收到转矩指令值时，执行以下的处理。

(a)求出由转矩指令值相对于电动机的极对数N_pp的比规定的系数c；

(b)算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy-c＝0、且使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值；以及

(c)将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值。

数字运算电路10在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用存储器20中存储的近似式，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。

这些处理的内容如上所述，在此不重复相同的说明。此外，转矩指令值能够从位于外部的上位的计算机或控制器输入到处理器10。另外，也可以基于从计算机或控制器提供给处理器10的信号，在处理器10的内部生成转矩指令值。

在本公开的实施方式中，处理器10在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用近似式，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。因此，既不需要重复运算，也不需要大容量的表数据。

在本实施方式中，存储器20针对系数a和/或系数b，存储有包含根据电动机300的状态的不同而不同的多个值的查找表。电动机300的状态可以包括电动机的工作温度、磁饱和的程度、在转子30具有永磁铁的情况下的永磁铁的减磁的程度、以及使用期间。

处理器10也可以根据磁铁交链磁通Ψ_a、d轴电感L_d和/或q轴电感L_q的变化，对记录于存储器20中的系数a和/或系数b的值进行更新。如上所述，系数a由磁铁交链磁通Ψ_a规定，因此依赖于电动机300的永磁铁的强度。永磁铁的强度可能因电动机动作中的热减磁而降低。因此，在永磁铁的强度变化了的情况下，可以基于该变化来更新系数a的值。例如，也可以检测电动机的工作温度或绕组电流，根据温度和/或绕组电流使系数a变化。温度和/或绕组电流与系数a的关系可以作为表数据存储于存储器中。另外，也可以将对该关系进行近似的函数存储于存储器中。系数b由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定，因此在电感因磁饱和而变化的情况下，可以基于该变化来更新系数b。绕组电流与系数b的关系也可以作为表数据存储在存储器中。

在本实施方式中，处理器10在接收到电流矢量的测定值时，基于处于电流矢量的测定值与电流矢量的指令值之间的差异来决定电压矢量的指令值。

本实施方式中的电动机300是埋入型的永磁同步电动机，但本公开中的电动机并不限定于该例。

图3是表示本公开的电动机模块中的电动机控制装置100的硬件结构的例子的图。

电动机控制装置100例如可以具有图3所示的硬件结构。该例子中的电动机控制装置100具有相互用总线连接的CPU154、PWM电路155、ROM(只读存储器)156、RAM(随机存取存储器)157、以及I/F(输入输出接口)158。未图示的其他电路或设备(AD转换器等)也可以与总线连接。PWM电路155向图2的电动机驱动电路200提供PWM信号。规定CPU154的动作的程序和数据存储在ROM156和RAM157中的至少一个中。这样的电动机控制装置100例如能够通过32比特的通用的微控制器来实现。这样的微控制器例如可以由1个或多个集成电路芯片构成。

关于电动机控制装置100进行的各种动作的详细情况，在后面叙述。典型地，电动机控制装置100进行的各种动作由存储在存储器20中的程序规定。通过更新程序的内容的一部分或全部，能够变更电动机控制装置100的动作的一部分或全部。这样的程序的更新可以使用存储有程序的记录介质来进行，也可以通过有线或无线通信来进行。通信能够使用图3的I/F158来进行。为了降低图3所示的CPU154的运算量，电动机控制装置100进行的各种动作的一部分、例如矢量运算的一部分也可以通过电动机控制装置100的运算专用的硬件电路来执行。

接着，参照图4，对本公开的实施方式中的电动机控制动作的基本流程进行说明。

首先，在步骤S1中，CPU154接受转矩指令值的输入。接着，在步骤S2中，CPU154决定规定上述的4次方程式的系数a、b、c。系数c具有依赖于在步骤S1中接受到的转矩指令值的大小。在步骤S3中，CPU154从存储器读出近似式的系数。在步骤S4中，CPU154使用近似式求出4次方程式的实数解，由此决定d轴电流指令值和q轴电流指令值。在步骤S5中，CPU154更新或维持系数a、b的值。更新可以在电动机的状态发生了变化的情况下执行。

接着，参照图5，对本公开的实施方式中的电动机控制装置的非限定性的例示的结构以及动作的例子进行说明。在图示的例子中，本实施方式的电动机系统1000中的电动机控制装置100具有通过上述的处理，根据转矩指令值T生成d轴电流指令值i_d ^*和q轴电流指令值i_q ^*的电流指令值生成模块。进一步地，电动机控制装置100具备电流控制电路12、第一坐标变换电路14A以及PWM电路16。电流控制电路12根据d轴电流指令值i_d ^*和q轴电流指令值i_q ^*决定d轴电压指令值V_d ^*和q轴电压指令值V_q ^*。第一坐标变换电路14A将电压指令值从dq坐标系变换为UVW坐标系。PWM电路16基于从第一坐标变换电路14A输出的电压指令值(V_u ^*、V_v ^*、V_w ^*)，生成脉冲宽度调制信号。这些电路12、14A、16的结构以及动作遵循公知的例子。

电动机控制装置100还具备第二坐标变换电路14B、位置检测电路18A以及速度运算电路18B。第二坐标变换电路14B针对从逆变器向电动机300供给的3相U、V、W的绕组电流的检测值i_u、i_v，从UVW坐标系变换为dq坐标系。位置检测电路18A检测电动机300中的转子的机械角位置θ_m。速度运算电路18B根据转子的机械角位置θ_m算出转子的机械角速度ω_m。

从第二坐标变换电路14B将变换为dq坐标系的d轴电流i_d、q轴电流i_q赋予电流控制电路12，分别与d轴电流指令值i_d ^*和q轴电流指令值i_q ^*进行比较。电流控制电路12的典型例子是比例积分(PI)控制器。根据转子的机械角位置θ_m算出转子的电气角位置θ。转子的电气角位置θ用于dq坐标系与UVW坐标系之间的坐标转换。转子的机械角速度ω_m能够用于转矩指令值T的决定。

在电动机驱动电路200的逆变器的前级，可以设置基于PWM信号生成对逆变器内的晶体管进行开关的栅极驱动信号的栅极驱动器。这些要素是公知的，为了简洁而省略了记载。

上述的各电路的一部分或者全部能够通过集成电路装置来实现。这样的集成电路装置典型地能够由1个或多个半导体部件形成。集成电路装置可以包括将来自位置传感器的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器、以及将来自检测电动机300的绕组中流过的电流的传感器(未图示)的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器。

逆变器的至少一部分也可以包含在集成电路装置中。这样的集成电路装置典型地通过在1个封装内将1个或多个半导体芯片相互连接来实现。集成电路装置的一部分或全部例如可以通过在通用的微控制器单元(MCU)中写入本公开特有的程序来实现。

本公开的电动机控制装置、电动机控制方法、电动机系统能够利用于要求高效率动作的各种同步电动机。

附图标记说明

10…处理器(数字运算电路)、20…存储器、100…电动机控制装置、200…电动机控制装置、300…电动机、1000…电动机系统。

Claims (7)

1.一种电动机控制装置，该电动机控制装置基于转矩指令值来决定与转子同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量的指令值，

其特征在于，

所述电动机控制装置具备：

数字运算电路；以及

存储器，其记录有由电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数a、由d轴电感L_q与q轴电感L_q的差异规定的系数b、以及极对数N_pp，

所述数字运算电路在接受转矩指令值时，执行如下处理：

(a)求出由转矩指令值相对于极对数N_pp的比规定的系数c；

(b)算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy-c＝0且使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值；以及

(c)将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值，

所述数字运算电路在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用基于与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式的近似解，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述存储器存储有所述近似解的表数据，

所述数字运算电路使用表数据来求出所述正的实数解。

3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述存储器存储有基于所述关系式的近似式，

所述数字运算电路基于转矩指令值，并根据所述近似式求出所述近似解。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述数字运算电路接受电流矢量的测定值，基于所述电流矢量的测定值与所述电流矢量的指令值之间的差异来决定电压矢量的指令值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述电动机是埋入型的永磁同步电动机。

6.一种电动机系统，其特征在于，

所述电动机系统具备：

权利要求1至5中任一项所述的电动机控制装置；

与所述电动机控制装置连接的电动机驱动电路；以及

与所述电动机驱动电路连接的电动机。

7.一种电动机控制方法，该电动机控制方法基于转矩指令值来决定与转子同步地旋转的dq坐标系中的电流矢量的指令值，

其特征在于，

所述电动机控制方法包括如下处理：

(1)求出由转矩指令值相对于电动机的极对数N_pp的比规定的系数c；

(2)在将由所述电动机的磁铁交链磁通Ψ_a规定的系数设为a、将由d轴电感L_d与q轴电感L_q的差异规定的系数设为b时，算出满足作为转矩方程式的ax+2bxy-c＝0且使f(x)＝x²+(c-ax)²/(2bx)²最小化的x和y的值；以及

(3)将具有x作为q轴分量、具有y作为d轴分量的矢量决定为电流矢量的指令值，

所述电动机控制方法在算出使f(x)最小化的x和y的值时，使用基于与x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0等价的关系式的近似解，求出x⁴+(ac/4b²)x-c²/(4b²)＝0的正的实数解。

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