CN115398794A - 马达控制装置、马达系统及马达控制方法 - Google Patents

马达控制装置、马达系统及马达控制方法 Download PDF

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CN115398794A CN202180025934.9A CN202180025934A CN115398794A CN 115398794 A CN115398794 A CN 115398794A CN 202180025934 A CN202180025934 A CN 202180025934A CN 115398794 A CN115398794 A CN 115398794A
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山崎玲治
木村俊辉
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Abstract

一种马达控制装置，具备对马达的转子的空转时的γ轴感应电压和δ轴感应电压进行推测的观察器、根据所述γ轴感应电压和所述δ轴感应电压对dq轴和γδ轴之间的相位差进行导出的导出部、及根据所述相位差对所述转子的空转状态进行推测的推测部。例如，所述推测部根据所述相位差的周期对所述转子的空转速度进行推测。例如，所述推测部根据所述相位差、所述γ轴感应电压的符号、及所述δ轴感应电压的符号对所述转子的空转时的磁极位置进行推测。

Description

马达控制装置、马达系统及马达控制方法
技术领域
本公开涉及马达(motor)控制装置、马达系统及马达控制方法。
背景技术
在藉由1分流(one shunt)电流检测方式对转子(rotor)的磁极位置进行检测的技术中，通过检测马达启动前转子因风而空转所产生的感应电压(induced voltage)来对转子的磁极位置和旋转速度进行检测是已知的(例如，参见专利文件1)。
[引证文件]
[专利文件]
[专利文件1](日本)特开2007-166695号公报
发明内容
<要解决的技术问题>
在使处于停止状态的永磁同步马达启动的情况下，往往通过所谓的感应检测(inductive sensing)来检测转子磁铁的磁极位置从而使马达启动。然而，在转子处于正在空转的状态下，很难进行基于感应检测的磁极位置的推测(估计)(estimation)。
本公开提供一种能够对转子空转时的磁极位置等的空转状态进行推测的马达控制装置、马达系统及马达控制方法。
<技术方案>
本公开的一个实施方式的马达控制装置具备：
观察器(观测器)(observer)，推测马达的转子的空转时的γ轴感应电压和δ轴感应电压；
导出部，从所述γ轴感应电压和所述δ轴感应电压导出dq轴和γδ轴的相位差；及
推测部，根据所述相位差推测所述转子的空转状态。
<有益效果>
根据本公开，能够对转子空转时的磁极位置等的空转状态进行推测。
附图说明
[图1]本公开的实施方式1的马达系统的构成例的示意图。
[图2]多个(plural)PWM信号的波形、这些PWM信号的每个周期的载波的波形、及各相(相位)的相电压指令的波形的例示图。
[图3]通电时各臂的开关状态的一例的示意图。
[图4]不通电时各臂的开关状态的一例的示意图。
[图5]藉由基于占空比(duty ratio)均为50％的各相的PWM信号使逆变器(inverter)的所有臂中的一部分的臂导通(on)而流入电流检测器的各相的偏移电流(offset current)的例示时序图(timing chart)。
[图6]当逆变器基于哪一个的占空比都不为50％的各相的PWM信号使转子旋转时藉由使与图5相同的一部分的臂导通而流入电流检测器的各相的相电流的例示时序图。
[图7]由向量控制部执行的无传感器(sensorless)向量(vector)控制中使用的坐标系的例示图。
[图8]位置·速度推测部中的观察器的构成的一例的示意图。
[图9]沿磁极位置增大的方向进行空转时的相位差的举动(behavior)的示意图。
[图10]沿磁极位置减小的方向进行空转时的相位差的举动的示意图。
[图11]表示沿磁极位置增大的方向进行空转时的感应电压、相位差、及磁极位置之间的关系的时序图。
[图12]表示沿磁极位置减小的方向进行空转时的感应电压、相位差、及磁极位置之间的关系的时序图。
[图13]风转启动功能(windmill start function)的处理流程的一例的示意图。
[图14]表示磁极位置推测系统的一例的框图。
[图15]至速度推测值稳定为止的推测时间的例示时序图。
具体实施方式
下面参见附图对本公开的实施方式的马达控制装置、马达系统及马达控制方法进行详细说明。
图1是本公开的实施方式1的马达系统1-1的构成例的示意图。图1所示的马达系统1-1对马达4的旋转动作进行控制。可安装马达系统1-1的设备例如为复印机、个人计算机、冰箱、泵等，但该设备并不限定于此。马达系统1-1至少具备马达4和马达控制装置100-1。
马达4为具有多个线圈的永磁同步马达。马达4例如具有包括U相线圈、V相线圈、及W相线圈的3相线圈。作为马达4的具体示例，可列举出3相无刷直流马达(电动机)等。马达4具备配置有至少1个永磁体的转子和围绕该转子的轴而配置的定子。马达4为不使用对转子的磁铁的角度位置(磁极位置)进行检测的位置传感器的无传感器式马达。马达4例如是使送风用的风扇进行旋转的风扇马达。
马达控制装置100-1藉由基于包括3相PWM信号的通电模式(pattern)对3相桥接的多个切换元件进行开(导通)关(切断)(on、off)控制而经由将直流转换为3相交流的逆变器对马达进行驱动。马达控制装置100-1具备逆变器23、电流检测部27、电流检测定时(timing)调整部34、驱动电路33、通电模式生成部35、载波生成部37、及时钟信号生成部36。
逆变器23是藉由使用多个切换元件的切换将从直流电源21供给的直流转换为3相交流并使该3相交流的驱动电流流入马达4而使马达4的转子进行旋转的电路。逆变器23根据由通电模式生成部35生成的多个通电模式(具体而言，由通电模式生成部35内的PWM信号生成部32生成的3相PWM信号)对马达4进行驱动。PWM是指Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)。
逆变器23具有3相桥接的多个臂Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn。上臂Up、Vp、Wp分别为与直流电源21的正极侧经由正侧母线(正母线)22a而连接的高端(high side)切换元件。下臂Un、Vn、Wn分别为与直流电源21的负极侧(具体而言，接地侧)连接的低端(low side)切换元件。多个臂Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn分别根据基于上述通电模式中包含的PWM信号而从驱动电路33供给的多个驱动信号中的对应的驱动信号进行开(on)或关(off)。下面，在不需要对多个臂Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn进行区分的情况下，有时将它们简称为臂(arm)。
U相上臂Up和U相下臂Un的连接点与马达4的U相线圈的一端连接。V相上臂Vp和V相下臂Vn的连接点与马达4的V相线圈的一端连接。W相上臂Wp和W相下臂Wn的连接点与马达4的W相线圈的一端连接。U相线圈、V相线圈、及W相线圈各自的另一端彼此相接。
作为臂的具体示例，可列举出N通道型MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等。但是，臂并不限定于此。
电流检测器24与逆变器23的直流侧连接，并输出与流入逆变器23的直流侧的电流的电流值对应的检测信号Sd。图1所示的电流检测器24产生与流过负侧母线(负母线)22b的电流的电流值对应的检测信号Sd。电流检测器24例如是配置在负母线22b上的电流检测元件，具体而言，为插入负母线22b的分流电阻。分流电阻等的电流检测元件生成与流过自身的电流的电流值对应的电压信号，并将其作为检测信号Sd。
电流检测部27基于由通电模式生成部35生成的多个通电模式(具体而言，3相PWM信号)获取检测信号Sd，由此对流入马达4的U、V、W各相的相电流Iu、Iv、Iw进行检测。详言之，电流检测部27在与多个通电模式(具体而言，3相PWM信号)同步的获取定时(timing)获得检测信号Sd，藉此对流入马达4的U、V、W各相的相电流Iu、Iv、Iw进行检测。检测信号Sd的获取定时由电流检测定时调整部34设定。
例如，电流检测部27在由电流检测定时调整部34设定的获取定时将由电流检测器24产生的模拟电压的检测信号Sd输入AD(Analog to Digital)转换器。该AD转换器设置于电流检测部27。之后，电流检测部27将输入的模拟检测信号Sd转换为数字检测信号Sd，并对AD转换后的数字检测信号Sd进行数字处理，由此对马达4的U、V、W各相的相电流Iu、Iv、Iw进行检测。由电流检测部27检测的各相的相电流Iu、Iv、Iw的检测值被供给至通电模式生成部35。
时钟信号生成部36是藉由内置的振荡电路生成预定频率的时钟信号并将所生成的时钟信号输出至载波生成部37的电路。需要说明的是，时钟信号生成部36例如与马达控制装置100-1的电源被接通的同时开始进行动作(操作/工作)。
载波生成部37根据由时钟信号生成部36生成的时钟信号生成载波C。载波C是电平(level)呈周期性增减的载波信号。
通电模式生成部35生成用于使逆变器23进行通电的模式(逆变器23的通电模式)。逆变器23的通电模式也可被称为使马达4进行通电的模式(马达4的通电模式)。逆变器23的通电模式中包含用于使逆变器23进行通电的3相PWM信号。通电模式生成部35具有PWM信号生成部32，该PWM信号生成部32根据由电流检测部27检测的马达4的相电流Iu、Iv、Iw的检测值生成使逆变器23进行通电的3相PWM信号，以使马达4进行旋转。
通电模式生成部35在通过向量控制来生成逆变器23的通电模式的情况下还具有向量控制部30。需要说明的是，本实施方式中藉由向量控制生成了逆变器的通电模式。
当从外部被赋予了马达4的旋转速度指令ωref后，向量控制部30根据马达4的旋转速度的测定值或推测值和旋转速度指令ωref之间的差分生成转矩(torque)电流指令Iqref和励磁电流指令Idref。向量控制部30根据马达4的U、V、W各相的相电流Iu、Iv、Iw并藉由使用了转子位置θ的向量控制运算来计算转矩电流Iq和励磁电流Id。向量控制部30例如对转矩电流指令Iqref和转矩电流Iq之间的差分进行PI控制运算，由此生成电压指令Vq。向量控制部30例如对励磁电流指令Idref和励磁电流Id之间的差分进行PI控制运算，由此生成电压指令Vd。向量控制部30使用上述转子位置θ将电压指令Vq、Vd转换为U、V、W各相的相电压指令Vu*、Vv*、Vw*。转子位置θ表示马达4的转子的磁极位置。
PWM信号生成部32通过将由向量控制部30生成的相电压指令Vu*、Vv*、Vw*与由载波生成部37生成的载波C的电平进行比较，生成包含3相PWM信号的通电模式。PWM信号生成部32也生成用于使上臂驱动用的3相PWM信号反转的下臂驱动用的PWM信号，根据需要附加死区时间(dead time)后，将包含所生成的PWM信号的通电模式输出至驱动电路33。
驱动电路33根据被赋予的包含PWM信号的通电模式输出使逆变器23中包含的6个臂Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn进行切换的驱动信号。据此，3相交流的驱动电流被供给至马达4，马达4的转子可进行旋转。
电流检测定时调整部34根据从载波生成部37供给的载波C和包含由PWM信号生成部32生成的PWM信号的通电模式，确定用于使电流检测部27在载波C的1个周期内对3个相的相电流中的任一相的相电流进行检测的获取定时。
电流检测部27在由电流检测定时调整部34确定的多个获取定时获取检测信号Sd，藉此对相电流Iu、Iv、Iw进行检测。电流检测部27按照从1个电流检测器24对多个相电流进行检测的方式(所谓的1分流电流检测方式)来检测相电流Iu、Iv、Iw。
另外，作为在无传感器式永磁同步电动机处于停止状态时对转子的磁极位置(初始位置)进行推测的方法，存在一种被称为感应检测的方法。感应检测是指，利用电感的转子位置依赖性对永磁同步马达的转子磁铁的磁极位置进行检测的方法。该位置检测方法不使用马达的感应电压，故即使在马达的转子处于停止或极低速的状态下也可对转子磁铁的磁极位置进行检测。转子处于极低速的状态是指，转子以马达控制装置实质上无法检测感应电压的低速进行旋转的状态。本说明书中，为了便于描述，将“转子处于停止或极低速的状态”简称为“转子的停止状态”。
本实施方式1的马达控制装置100-1具备藉由感应检测对马达的转子的停止状态下的磁极位置即初始位置θs进行推测的初始位置推测部38。通电模式生成部35使用由初始位置推测部38推测的初始位置θs将包含用于使马达4的转子进行旋转的PWM信号的通电模式输出至驱动电路33。向量控制部30将由初始位置推测部38推测的初始位置θs使用为转子位置θ的初始值，由此将电压指令Vδ、Vγ转换为相电压指令Vu*、Vv*、Vw*。需要说明的是，本公开中，作为一例，初始位置θs为具有30度的宽度的值。在这样的情况下，使用根据初始位置θs而确定的预定的值来进行马达4的控制。
图2是对多个PWM信号U、V、W的波形、这些PWM信号的每个周期的载波C的波形、及各相的相电压指令Vu*、Vv*、Vw*的波形进行例示的图。
PWM信号生成部32根据各相的相电压指令Vu*、Vv*、Vw*和载波C的电平之间的大小关系生成多个PWM信号U、V、W。
PWM信号U是用于对构成U相的上下臂的2个切换元件进行驱动的PWM信号。该例中，当PWM信号U为低电平时，U相的下臂的切换元件变为导通(on)(U相的上臂的切换元件变为切断(off))，当PWM信号U为高电平时，U相的下臂的切换元件变为切断(U相的上臂的切换元件变为导通)。构成U相的上下臂的2个切换元件响应于PWM信号U的电平的变化互补地进行导通/切断的动作。
PWM信号V是用于对构成V相的上下臂的2个切换元件进行驱动的PWM信号。该例中，当PWM信号V为低电平时，V相的下臂的切换元件变为导通(V相的上臂的切换元件变为切断)，当PWM信号V为高电平时，V相的下臂的切换元件变为切断(V相的上臂的切换元件变为导通)。构成V相的上下臂的2个切换元件响应于PWM信号V的电平的变化互补地进行导通/切断的动作。
PWM信号W是用于对构成W相的上下臂的2个切换元件进行驱动的PWM信号。该例中，当PWM信号W为低电平时，W相的下臂的切换元件变为导通(W相的上臂的切换元件变为切断)，当PWM信号W为高电平时，W相的下臂的切换元件变为切断(W相的上臂的切换元件变为导通)。构成W相的上下臂的2个切换元件响应于PWM信号W的电平的变化互补地进行导通/切断的动作。
需要说明的是，图2中，用于防止上下臂短路的死区时间(dead time)的图示被进行了省略。此外，图2中还进行了如下定义，即，当PWM信号为高电平时，与该PWM信号对应的相的上臂为导通，当PWM信号为低电平时，与该PWM信号对应的相的下臂为导通。但是，考虑到电路的构成等，也可采用相反的方式对PWM信号的逻辑电平和各臂的导通/切断之间的关系进行定义。
多个PWM信号U、V、W各自的1周期Tpwm相当于载波C的周期(载波频率的倒数)。变化点(t1～t6)表示PWM信号的逻辑电平进行过渡(转变/变化)的时点(时刻)(timing)。
如图2所示，PWM信号生成部32可使用各相共用的1个载波C来生成各相的PWM信号。由于将以相位tb为中心的左右对称的三角波作为了载波C，所以可对用于生成各相的PWM信号的波形的电路结构进行简化。载波C的计数器至相位ta为止进行倒计时(down count)，从相位ta开始至相位tb为止进行正计时(up count)，从相位tb开始进行倒计时。正计时期间和倒计时期间以这种方式进行重复。需要说明的是，PWM信号生成部32也可使用与各相分别对应的多个载波C来生成各相的PWM信号，还可采用其他公知的方法来生成各相的PWM信号。
图2例示了将第1电流检测定时Tm1设定于通电期间T21并将第2电流检测定时Tm2设定于通电期间T22的情况。需要说明的是，设定第1电流检测定时Tm1和第2电流检测定时Tm2的通电期间并不限定于这些期间。
在逆变器23正在输出被进行了PWM调制的3相交流的状态下，电流检测部27可根据与上臂Up、Vp、Wp对应的通电模式来对特定相的电流进行检测。或者，在逆变器23正在输出被进行了PWM调制的3相交流的状态下，电流检测部27可根据与下臂Un、Vn、Wn对应的通电模式来对特定相的电流进行检测。
例如，如图2所示，在通电期间T21内，电流检测器24的两端所产生的电压的电压值与从马达4的U相端子流出的正的U相电流“+Iu”的电流值对应。通电期间T21是从t4开始至t5为止的时间(期间)。通电期间T21相当于下臂Un和上臂Vp、Wp为导通且剩下的3个臂为切断的状态的期间。为此，电流检测部27藉由在通电期间T21内的第1电流检测定时Tm1获取检测信号Sd，可对从马达4的U相端子流出的正的U相电流“+Iu”的电流值进行检测。
电流检测定时调整部34在从PWM信号中的1相转变为与其它2相不同的逻辑电平的时刻(例如，U相的PWM信号从与V相和W相相同的高电平转变到与V相和W相不同的低电平的时刻：t4)起经过了预定延迟时间td时设定第1电流检测定时Tm1。此时，电流检测定时调整部34在通电期间T21内设定第1电流检测定时Tm1。
此外，例如，如图2所示，在通电期间T22内，电流检测器24的两端产生的电压的电压值与从马达4的W相端子流入的负的W相电流“-Iw”的电流值对应。通电期间T22是从t5开始至t6为止的时间(期间)。通电期间T22相当于下臂Un、Vn和上臂Wp为导通且剩下的3个臂为切断的状态的期间。为此，电流检测部27通过在通电期间T22内的第2电流检测定时Tm2获取检测信号Sd，可对从马达4的W相端子流入的负的W相电流“-Iw”的电流值进行检测。
电流检测定时调整部34在PWM信号中的1相转变为与其它2相不同的逻辑电平的时刻(例如，藉由V相的PWM信号从与W相相同的高电平转变为与U相相同的低电平而导致W相变为与U相和V相不同的逻辑电平的时刻：t5)起经过了预定延迟时间td时设定第2电流检测定时Tm2。此时，电流检测定时调整部34在通电期间T22内设定第2电流检测定时Tm2。
同理，电流检测部27也可对其它的相电流的电流值进行检测。
如上所述，如果根据包含3相的PWM信号的通电模式依次对相电流Iu、Iv、Iw中的2相的相电流进行检测和存储，则可分时(in a time division manner)检测3相的电流。由于3相的相电流的总和为零(iu+iv+iw＝0)，所以电流检测部27如果可检测到3相的相电流中的2相的相电流，也就可对剩下的1相的相电流进行检测。
图3是对通电时各臂的开关(on/off)状态的一例进行表示的图。图4是对不通电时各臂的开关状态的一例进行表示的图。如图3所示，在上臂Up和下臂Vn、Wn为导通且剩下的3个臂为切断的状态的通电期间内，电流检测部27可对从马达4的U相端子流入的负的U相电流“-Iu”的电流值进行检测。另一方面，如图4所示，在所有的上臂Up、Vp、Wp都为导通且所有的下臂Un、Vn、Wn都为切断的状态下，电流不会流入电流检测器24，故电流检测部27无法对各相的相电流进行检测。在所有的上臂Up、Vp、Wp都为切断且所有的下臂Un、Vn、Wn都为导通的状态下，电流也不会流入电流检测器24，故电流检测部27也不能对各相的相电流进行检测。
如上所述，在1分流电流检测方式中，如果不设定通电区间(通电期间)，则无法检测各相的相电流。另外，在1分流电流检测方式中，1个通电期间内所能检测的相电流仅为1相，故需要在PWM信号的1个周期内至少设置2个通电期间(参见图2)，并根据公式(iu+iv+iw＝0)来对3相的相电流进行区分和检测。但是，如果为了对各相的相电流进行区分和检测而设置通电期间，则流入电流检测器24的电流会被放大，故当流入电流检测器24的电流为零时，电流检测部27无法分别测定各相的相电流的检测值中所含的检测误差。
为此，存在如下情况，即，当马达处于停止状态时，将藉由根据占空比均为相同值的各相的PWM信号使逆变器23的所有臂中的一部分的臂导通而流入电流检测器24的各相的电流定义为偏移(offset)电流。此情况下，电流检测部27将藉由根据占空比均为相同值的各相的PWM信号使逆变器23的所有臂中的一部分的臂导通而流入电流检测器24的各相的偏移电流的电流值检测为偏移电流值(检测误差)。
图5是对作为一例的藉由根据占空比均为50％的情况下的各相的PWM信号使逆变器23的所有臂中的一部分的臂导通而流入电流检测器24各相的偏移电流进行例示的时序图。图6是对当逆变器23根据哪一个的占空比都不为50％的各相的PWM信号使转子进行旋转时藉由使与图5相同的一部分的臂接通而流入电流检测器24的各相的相电流进行例示的时序图。
图5中，在逆变器23使转子进行旋转之前(马达4的启动之前)，电流检测部27在PWM信号的每个周期内至少进行2次电流检测，藉此对3相的偏移电流的每个的电流值进行检测。电流检测部27将检测到的每个电流值作为3相的偏移电流值而保存在存储器中。图5例示了如下情况，即，电流检测部27对正的U相电流“Iu”和负的W相电流“-Iw”的每个的偏移电流值进行检测，并根据这些检测结果对剩下的V相电流的偏移电流值进行检测(计算)，然后将检测到的3相的偏移电流值保存在存储器中。3相的偏移电流值被保存至存储器后，马达4被逆变器23启动，逆变器23使转子进行旋转。
图6中，当逆变器23根据哪一个的占空比都不为50％的各相的PWM信号使转子进行了旋转时，电流检测部27在PWM信号的每个周期内均采用与图5相同的通电模式进行至少2次的电流检测，由此对3相的相电流的每个的电流值进行检测。在PWM信号的每个周期，电流检测部27都从按照PWM信号的每个周期而检测的3相的相电流的每个的电流值减去存储器中预先保存的3相的偏移电流值，藉此对3相的相电流Iu、Iv、Iw各自的电流检测值进行计算。据此，可从3相的相电流Iu、Iv、Iw各自的电流检测值中除去检测误差。根据检测误差被除去后的3相的相电流Iu、Iv、Iw各自的电流检测值，PWM信号生成部32生成逆变器23使转子进行旋转时的3相PWM信号，由此可通过逆变器23高精度地对马达4的旋转进行控制。
另外，即使在逆变器23不通过3相交流电流使转子进行旋转的状态下，转子也可能因风等的干扰而进行空转。尤其是，就使摩擦电阻较小的风扇等的旋转体进行旋转的转子而言，更容易发生空转。
在使永磁同步马达启动的情况下，一般而言，要么藉由感应检测对转子磁铁的磁极位置进行检测以使马达启动，要么不对磁极位置进行检测而是沿任意方向藉由速度开环(open loop)控制而使马达启动。但是，在转子正在进行空转的状态下难以藉由感应检测来进行磁极位置的推测，为此，如果不对正在进行空转的磁极位置和空转速度进行检测就使马达启动，则马达有可能会发生出现异常声音等的异常。为了使转子在空转时也能平稳启动，需要采用感应检测之外的方法对空转时的磁极位置进行检测，并对马达的空转速度进行检测。
图1所示的本公开的实施方式1的马达控制装置100-1的通电模式生成部35具备用于对转子空转时的磁极位置和旋转速度进行推测的位置·速度推测部45。需要说明的是，空转时的磁极位置有时被称为“空转位置”，空转时的旋转速度有时被称为“空转速度”。空转位置和空转速度分别是表示转子的空转状态的指标之一。由位置·速度推测部45推测的转子的空转位置和空转速度例如可作为马达4的启动时初始值而被向量控制部30所使用。
图7是由向量控制部执行的无传感器向量控制中使用的坐标系的例示图。
d轴是沿用于表示转子的实际磁极位置的实角方向(由转子的磁铁产生的磁通的方向)而延伸的实轴，q轴是沿从d轴前进(增加)了电角90°的方向而延伸的实轴。d轴和q轴可统称为dq轴。dq轴是无传感器向量控制中的模型上的轴。转子的磁极位置θ由d轴以马达的基准线圈(例如，U相线圈)的位置为基准而前进的角度来表示。d-q坐标系从基准线圈前进了θ。
γ轴是沿用于表示转子的被推测出的磁极位置的推测角度方向而延伸的控制轴，δ轴是沿从γ轴前进(增加)了电角90°的方向而延伸的控制轴。γ轴和δ轴可统称为γδ轴。γδ轴是无传感器向量控制中的模型上的轴。转子的推测磁极位置θm由γ轴以马达的基准线圈(例如，U相线圈)的位置为基准而前进的角度来表示。γ-δ坐标系从基准线圈前进了θm。
相位差Δθ是实轴(dq轴)和控制轴(γδ轴)之间的相位差。相位差Δθ可由q轴和δ轴之间的相位差或d轴和γ轴之间的相位差来表示。相位差Δθ为零时，γ-δ坐标系与d-q坐标系一致(相同)。
向量控制部30具有速度控制部、电流控制部、输出转换部、输入转换部等的公知的结构。简言之，速度控制部是以使来自外部的旋转速度指令ωref和由位置·速度推测部45推测的速度推测值ωm之差收敛为零的方式来生成γ-δ坐标系中的γ轴电流指令值Iγ*和δ轴电流指令值Iδ*的速度控制系统。电流控制部采用使由速度控制部生成的γ轴电流指令值Iγ*和由输入转换部生成的γ轴检测电流值Iγ之差收敛为零的方式来生成γ轴电压指令值Vγ。电流控制部藉由使由速度控制部生成的δ轴电流指令值Iδ*和由输入转换部生成的δ轴检测电流值Iδ之差收敛为零的方式来生成δ轴电压指令值Vδ。输出转换部使用由位置·速度推测部45推测的推测磁极位置θm将γ轴电压指令值Vγ*和δ轴电压指令值Vδ*转换为U、V、W各相的相电压指令Vu*、Vv*、Vw*。输入转换部使用由位置·速度推测部45推测的推测磁极位置θm将由电流检测部27检测的3相的相电流Iu、Iv、Iw转换为2相的γ轴检测电流值Iγ和δ轴检测电流值Iδ。
位置·速度推测部45根据由输入转换部生成的γ轴检测电流值Iγ和δ轴检测电流值Iδ以及由电流控制部生成的γ轴电压指令值Vγ和δ轴电压指令值Vδ对推测磁极位置θm和速度推测值ωm进行推测。位置·速度推测部45包括用于对推测磁极位置θm进行推测的位置推测部和用于对速度推测值ωm进行推测的速度推测部。位置·速度推测部45在马达4被逆变器23启动且逆变器23使转子进行了旋转的状态下采用公知的推测方法对推测磁极位置θm和速度推测值ωm进行推测。
本公开的实施方式1的位置·速度推测部45还具有用于对转子的空转位置和空转速度进行推测的所谓的风转启动功能。风转启动功能可基于相位差Δθ对转子的空转状态(例如，空转时的相位(空转位置)、空转速度、空转时的旋转方向(空转方向)等)进行推测，从而实现转子空转时的平稳的旋转控制。例如，位置·速度推测部45在感应检测之前对转子的空转状态进行推测，由此进行转子是处于停止状态还是正在进行空转的判断(判别)。在判断为处于停止状态的情况下，初始位置推测部38藉由感应检测而对转子的处于停止状态下的磁极位置等进行推测，在判断为正在进行空转的情况下，位置·速度推测部45藉由风转启动功能对转子的空转位置和空转速度等进行推测。
本公开的风转启动功能具有多种方式。第1种方式为，将通过使用相位差Δθ的周期性而导出的推测磁极位置θm和速度推测值ωm作为启动时的初始值输入向量控制部30，由此进入无传感器向量控制(下面称风转启动功能1)。第2种方式为，藉由将相位差Δθ输入位置·速度推测部45的磁极位置推测系统而导出推测磁极位置θm和速度推测值ωm，待导出的这些值稳定之后再将它们输入向量控制部30，由此进入无传感器向量控制(下面称风转启动功能2)。这两种功能在藉由观察器对相位差Δθ进行检测(推测)这点上相同，但进入无传感器向量控制的方法不同。
<风转启动功能1>
参见图8～图13对风转启动功能1的处理内容进行说明。
风转启动功能1中，向量控制部30将γ轴和δ轴固定至推测磁极位置θm为零的位置，并将γ轴电流指令值Iγ*和δ轴电流指令值Iδ*固定为零，然后使电流控制部开始进行电流控制。接着，向量控制部30在这样地使电流控制开始进行后，将从电流控制部输出的电压指令值(γ轴电压指令值Vγ和δ轴电压指令值Vδ)以及从输入转换部输出的检测电流值(γ轴检测电流值Iγ和δ轴检测电流值Iδ)输入位置·速度推测部45中的观察器。
图8是位置·速度推测部中的观察器的构成的一例的示意图。图8所示的观察器48配置在位置·速度推测部45中。观察器48对藉由转子的空转而引起的马达4的线圈中所产生的感应电压e(γ轴感应电压eγ和δ轴感应电压eδ)进行推测。γ轴感应电压eγ是感应电压e的γ轴上的感应电压分量，δ轴感应电压eδ是感应电压e的δ轴上的感应电压分量。观察器48具有第1观察器46和第2观察器47。第1观察器46根据由风转启动功能1输入的γ轴电压指令值Vγ和γ轴检测电流值Iγ对转子空转时的γ轴感应电压eγ进行推测。第2观察器47根据由风转启动功能1输入的δ轴电压指令值Vδ和δ轴检测电流值Iδ对转子空转时的δ轴感应电压eδ进行推测。作为第1观察器46和第2观察器47的具体示例，存在一种公知的扩展感应电压观察器，但是，观察器48也可采用与扩展感应电压观察器不同的方式对马达转子空转时的γ轴感应电压eγ和δ轴感应电压eδ进行推测。
需要说明的是，位置·速度推测部45也可以不使用观察器，而是藉由基于一般的电压方程式的计算来求得感应电压。
观察器48具有用于从γ轴感应电压eγ和δ轴感应电压eδ导出dq轴和γδ轴之间的相位差Δθ的导出部。例如，观察器48可通过将γ轴感应电压eγ和δ轴感应电压eδ的推测值代入图8所示的反正切函数来计算相位差Δθ。
图9是沿磁极位置θ增加(增大)的方向进行空转时的相位差Δθ的举动的示意图。图10是沿磁极位置θ减少(减小)的方向进行空转时的相位差Δθ的举动的示意图。相位差Δθ表示实际磁极位置(d轴)相对于固定在推测磁极位置θm为零的位置的γ轴的相位差，以-90°～90°的周期性锯齿波形状来进行检测。锯齿波的2个周期相当于转子旋转1圈(1转)。位置·速度推测部45使用这样的相位差Δθ的周期性并基于转子旋转1圈所需的时间(锯齿波的2个周期的时间)推测空转速度，然后将空转速度的推测值作为相位差Δθ为零时的初始值输入向量控制部30的速度控制部。据此，向量控制部30可平稳地使正在空转的转子进行旋转，并且同时还可通过无传感器向量控制对其进行控制。接下来，参见图11和图12进行更详细的说明。
图11是表示沿磁极位置θ增加的方向进行空转时的感应电压e、相位差Δθ及磁极位置θ之间的关系的时序图。图12是表示沿磁极位置θ减少的方向进行空转时的感应电压e、相位差Δθ及磁极位置θ之间的关系的时序图。
位置·速度推测部45根据由观察器48导出的相位差Δθ的周期对转子的空转速度进行推测。相位差Δθ的锯齿波的2个周期相当于电角的1周，故位置·速度推测部45可藉由对相位差Δθ的锯齿波的2个周期的时间进行测定而将该测定值导出(推测)为空转速度。
位置·速度推测部45根据由观察器48导出的相位差Δθ的递增或递减来推测转子空转的方向。例如，位置·速度推测部45在相位差Δθ如图11所示那样进行了递减的情况下，判定为转子在磁极位置θ增加的方向上进行空转，在相位差Δθ如图12所示那样进行了递增的情况下，判定为转子在磁极位置θ减少的方向上进行空转。
位置·速度推测部45根据由观察器48导出的相位差Δθ、由第1观察器46推测的γ轴感应电压eγ的符号、及由第2观察器47推测的δ轴感应电压eδ之间的关系，对转子空转时的磁极位置(空转位置)进行推测。
例如，如图11所示，当沿磁极位置θ增加的进行空转时，在感应电压e的推测值的符号从(eγ＝正且eδ＝正)变为(eγ＝负且eδ＝正)的时点(timing)，磁极位置θ为零。位置·速度推测部45通过在该时点将空转速度的推测值作为初始值输入向量控制部30的速度控制部，可在该时点使向量控制部30的速度控制部开始进行转子的速度控制。
另一方面，例如，如图12所示，当沿磁极位置θ减少的方向进行空转时，在感应电压e的推测值的符号从(eγ＝正且eδ＝负)变为(eγ＝负且eδ＝负)的时点(timing)，磁极位置θ为零。位置·速度推测部45藉由在该时点将空转速度的推测值作为初始值输入向量控制部30的速度控制部，可在该时点使向量控制部30的速度控制部开始进行转子的速度控制。
此外，位置·速度推测部45将空转速度的推测值作为向量控制部30的速度控制部的旋转速度指令ωref和速度推测值ωm各自的初始值，并作为位置·速度推测部45的磁极位置推测系统50(参见图14)的积分控制52的初始值而进行输入。据此，向量控制部30可平稳地使正在空转的转子进行旋转，并且同时还可开始进行无传感器向量控制。
图13是风转启动功能的处理流程的一例的示意图。图13不仅可应用于风转启动功能1，而且还可应用于风转启动功能2。
位置·速度推测部45根据相位差Δθ是否变化了来判断转子是否正在进行空转(步骤S10)。在相位差Δθ的变化不为锯齿波形状的情况下，位置·速度推测部45判定为转子处于停止状态(步骤S10，NO(否))。此情况下，在感应检测之后，向量控制部30执行速度开环控制(步骤S20)，并执行使转子沿正转方向进行旋转的速度控制(步骤S30)。另一方面，在相位差Δθ的变化为锯齿波形状的情况下，位置·速度推测部45判定为转子正在空转(步骤S10，YES)。此情况下，位置·速度推测部45根据相位差Δθ对转子的空转方向进行推测(步骤S40，S60)。
需要说明的是，正转是指沿所期望的旋转方向(指令旋转方向)进行旋转的状态，逆转是指沿与所期望的旋转方向(指令旋转方向)相反的方向进行旋转的状态。沿正转方向进行空转是指沿所期望的旋转方向(指令旋转方向)进行空转的状态，沿逆转方向进行空转是指沿与所期望的旋转方向(指令旋转方向)相反的方向进行空转的状态。
在判定为转子的空转方向为正转方向的情况下(步骤S40，YES(是))，位置·速度推测部45使用风转启动功能对空转位置和空转速度进行推测。向量控制部30将该推测值作为初始值，并执行使转子沿正转方向进行旋转的速度控制(步骤S50)。
在判定为转子的空转方向既不为正转方向也不为逆转方向的情况下(步骤S60，NO(否))，位置·速度推测部45输出用于向外部通知异常的错误信息(步骤S70)。
在判定为转子的空转方向为逆转方向的情况下(步骤S60，YES(是))，位置·速度推测部45使用风转启动功能对空转位置和空转速度进行推测。向量控制部30将该推测值作为初始值，并执行使转子沿逆转方向进行旋转的速度控制，以使其进行减速(步骤S80)。之后，向量控制部30执行速度开环控制(步骤S90)，并执行使转子沿正转方向进行旋转的速度控制(步骤S100)。
通过进行这样的控制，即使转子沿正转方向或逆转方向进行了空转，也可平稳地使其沿所期望的方向进行启动。
<风转启动功能2>
参见图8、图14及图15对风转启动功能2的处理内容进行说明。
风转启动功能2中，如与参见图8所描述的那样，至对相位差Δθ进行推测为止的方法可与风转启动功能1相同。风转启动功能2中，由观察器48推测的相位差Δθ被输入位置·速度推测部45的磁极位置推测系统50(参见图14)。所推测的相位差Δθ被输入位置·速度推测部45的磁极位置推测系统50后，磁极位置推测系统50以使相位差Δθ变为零的方式对推测磁极位置θm和速度推测值ωm进行控制和输出。
图14是磁极位置推测系统的一例的框图。位置·速度推测部45的磁极位置推测系统50根据相位差Δθ并藉由比例积分控制51对转子的空转速度(速度推测值ωm)进行推测，然后根据所推测的速度推测值ωm并藉由积分控制52对转子空转时的磁极位置(推测磁极位置θm)进行推测。图14中，KP表示比例增益，KI表示积分增益，s表示拉普拉斯算子。
位置·速度推测部45在使磁极位置推测系统50进行动作之前，根据由观察器48导出的相位差Δθ、由第1观察器46推测的γ轴感应电压eγ的符号、及由第2观察器47推测的δ轴感应电压eδ之间的关系，对转子空转时的推测磁极位置θm进行推测。另外，当所推测的推测磁极位置θm为零时，位置·速度推测部45将相位差Δθ输入比例积分控制51，由此开始进行磁极位置推测系统50的动作，并开始进行比例积分控制51和积分控制52。据此，可对流入马达4的电流的波动(hunting)进行抑制。
使磁极位置推测系统50的动作开始进行后，在磁极位置推测系统50的输出即速度推测值ωm和推测磁极位置θm稳定了的时刻，位置·速度推测部45使向量控制部30开始进行速度控制。据此，可进行转子空转时的马达的平稳的启动。速度推测值ωm和推测磁极位置θm变为稳定的时刻取决于(依赖于)比例积分控制51和积分控制52的增益。
图15是至速度推测值ωm稳定为止的推测时间的例示时序图。向量控制部30的速度控制部(速度控制系统)开始进行速度控制的开始时点为取决于比例积分控制51和积分控制52的增益而确定的速度推测时间之后。位置·速度推测部45将空转速度的推测值作为向量控制部30的速度控制部的旋转速度指令ωref和速度推测值ωm各自的初始值而进行输入。据此，向量控制部30可平稳地使正在空转的转子进行旋转，并且同时还可开始进行无传感器向量控制以及开始进行转子的速度控制。
需要说明的是，就电流检测部27、通电模式生成部35、电流检测定时调整部34及初始位置推测部38的各功能而言，由可读取地存储在未图示的存储装置中的程序使CPU(Central Processing Unit)进行运行而实现。例如，这些功能由包含CPU的微机中的硬件和软件的协作而实现。
上面通过实施方式对马达控制装置、马达系统及马达控制方法进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，只要不脱离权利要求书记载的技术范围，还可对上述实施方式进行各种各样的变形和改良。
例如，就输出与流入逆变器的直流侧的电流的电流值对应的检测信号的电流检测器而言，也可为输出与流入正母线的电流的电流值对应的检测信号的电流检测器。另外，电流检测器还可为CT(Current Transformer)等的传感器。
本国际申请主张2020年3月31日申请的日本国专利申请第2020-064146号的优先权，并将该日本国专利申请第2020-064146号的内容全部援引于本国际申请。
附图标记说明：
1-1 马达系统
4 马达
21 直流电源
22a 正母线
22b 负母线
23 逆变器
24 电流检测器
27 电流检测部
30 向量控制部
32 PWM信号生成部
33 驱动电路
34 电流检测定时调整部
35 通电模式生成部
36 时钟信号生成部
37 载波生成部
38 初始位置推测部
45 位置·速度推测部
46 第1观察器
47 第2观察器
48 观察器
50 磁极位置推测系统
51 比例积分控制
52 积分控制
100-1 马达控制装置
Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wn 臂。

Claims (13)

1.一种马达控制装置，具备：
导出部，推测马达的转子的空转时的γ轴感应电压和δ轴感应电压，并根据所述γ轴感应电压和所述δ轴感应电压导出dq轴和γδ轴之间的相位差；及
推测部，根据所述相位差推测所述转子的空转状态。
2.如权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述推测部根据所述相位差的周期推测所述转子的空转速度。
3.如权利要求2所述的马达控制装置，其中，
所述推测部根据所述相位差、所述γ轴感应电压的符号、及所述δ轴感应电压的符号推测所述转子的空转时的磁极位置。
4.如权利要求3所述的马达控制装置，还具备：
向量控制部，将所述磁极位置为零时的所述空转速度作为初始值，并开始进行所述转子的速度控制。
5.如权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述推测部根据所述相位差、所述γ轴感应电压的符号、及所述δ轴感应电压的符号推测所述转子的空转时的磁极位置。
6.如权利要求5所述的马达控制装置，还具备：
向量控制部，当由所述推测部推测出的所述磁极位置为零时，开始进行所述转子的速度控制。
7.如权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述推测部根据所述相位差的递增或递减推测所述转子的空转的方向。
8.如权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述推测部根据所述相位差通过比例积分控制推测所述转子的空转速度，并根据推测出的所述空转速度通过积分控制推测所述转子的空转时的磁极位置。
9.如权利要求8所述的马达控制装置，其中，
所述推测部根据所述相位差、所述γ轴感应电压的符号、及所述δ轴感应电压的符号推测所述磁极位置，并从所述磁极位置为零时开始进行所述比例积分控制。
10.如权利要求8所述的马达控制装置，还具备：
向量控制部，将由所述推测部推测出的所述空转速度作为初始值，并开始进行所述转子的速度控制。
11.如权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述γ轴感应电压和所述δ轴感应电压由观察器来推测。
12.一种马达系统，具备：
如权利要求1所述的马达控制装置；及
所述马达。
13.一种马达控制方法，由用于使具有转子的马达进行通电的马达控制装置执行，所述马达控制方法具有如下步骤，即：
推测所述转子的空转时的γ轴感应电压和δ轴感应电压；
根据所述γ轴感应电压和所述δ轴感应电压导出dq轴和γδ轴之间的相位差；及
根据所述相位差推测所述转子的空转状态。
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