CN115425885A - 旋转电机控制装置 - Google Patents

Abstract

在对输出到将直流电源的直流电压转换为交流电压并施加到旋转电机的功率转换器的交流电压指令进行控制的旋转电机控制装置中，生成交流电压指令以使相电流的1f分量跟随指令电流，但在基于对旋转电机的转子的位置进行检测的位置检测器所得到的转子位置信息中有误差的情况下在相电流中产生偏移分量。其特征在于，包括根据检测电流的检测结果来运算偏移补偿量以使得电流检测器的检测电流的偏移分量降低的偏移补偿部，对电压指令生成部输出的交流电压指令进行偏移补偿指令的加减运算。

Description

旋转电机控制装置

技术领域

本申请涉及旋转电机控制装置。

背景技术

在利用功率转换器进行PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制的旋转电机控制装置中，需要抑制旋转电机中产生的振动和噪声。因此，旋转电机的转子位置由转子位置检测器检测，并基于转子的位置信息来决定脉冲宽度。

但是，在这种装置中，由于转子位置检测器偏心等的影响，在转子的位置信息中产生1f分量(以基本波分量的1倍的频率进行脉动的分量)的脉动。

在这种情况下，如果进行PWM控制，则在旋转电机的相电流中产生偏移分量，有时会引起转矩脉动和电流峰值的增加。因此，优选在除去相电流的偏移分量后控制旋转电机，另外，不仅是转子位置信息的1f分量的脉动，即使在母线电压的1f分量的脉动、或者从施加在旋转电机上的电压相位的0度到180度的电压脉冲、由不能保持从180度到360度的电压脉冲的对称性等这样的PWM所引起的电压误差等叠加在一起的情况下也会产生同样的症状。

因此，在专利文献1中提出，由电流检测器检测旋转电机的驱动电流，根据由电流检测器检测出的电流值求出驱动电流的偏移分量，通过PI(Proportional Integral：比例－积分)控制来补偿PWM控制的电压指令值以使得偏移分量成为0，从而除去相电流的偏移分量。另外，在专利文献2中提出了通过LPF(Low Pass Filter：低通滤波器)提取由电流检测器检测出的电流值中的低频分量来减小PI控制的增益。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4575547号公报

专利文献2：日本专利第5808210号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在专利文献1、2的结构中，存在在偏移误差叠加到电流检测器的情况下，不能分离由电流检测器所引起的相电流的偏移分量、和由转子位置信息的1f脉动所引起的相电流的偏移分量的问题，因此，不能适当地运算针对相电流的偏移分量的补偿电压，存在由于补偿电压而导致相电流的偏移分量的增加，引起转矩脉动及电流峰值的增加这样的问题。例如，在使用本旋转电机控制装置的例如FA、空调、机床、飞机、铁路或汽车等应用的情况下，存在如下问题：当转矩脉动及电流峰值增加时会引起振动及噪声，从而损害使用者或作业者的舒适性。

本申请公开了用于解决上述问题的技术，其目的在于提供一种旋转电机控制装置，在偏移误差叠加到电流检测器的情况下，对由电流检测器所引起的相电流的偏移分量、和由转子位置信息的1f脉动所引起的相电流的偏移分量进行区分，并适当除去相电流的偏移分量。

用于解决技术问题的技术手段

本申请所公开的旋转电机控制装置包括将直流电源的直流电压转换为交流电压并输出到旋转电机的功率转换器、以及向所述功率转换器输出开关指令的控制器，旋转电机控制装置的特征在于，所述控制器包括：电压指令生成部，该电压指令生成部基于从所述功率转换器提供给所述旋转电机的电流值、以及所述旋转机的转子的位置信息，来生成给所述功率转换器的交流电压指令；以及偏移补偿部，该偏移补偿部基于所述电流值来输出偏移补偿指令，所述控制器对所述交流电压指令补偿所述偏移补偿指令，输出所述开关指令。

发明效果

根据本申请的旋转电机控制装置，由于具有偏移补偿部，因此，通过对偏移误差是否叠加到电流检测器进行判断，在误差叠加的情况下，通过限制由偏移补偿量运算部运算出的偏移补偿电压，从而能够防止由偏移补偿电压导致的控制性能的恶化。

附图说明

图1是实施方式1的旋转电机控制装置的结构图。

图2是表示实施方式1的偏移补偿部的结构的框图。

图3是表示实施方式1的偏移补偿量运算部的部结构的框图。

图4是表示实施方式1的偏移补偿限制部的结构的框图。

图5是表示实施方式1的作用效果的说明图。

图6是表示实施方式1的作用效果的说明图。

图7是控制器的硬件结构图。

具体实施方式

实施方式1

以下，基于附图来说明实施方式1。此外，在图中，同一标号表示各相同或相当部分。

图1是实施方式1所涉及的旋转电机控制装置1的概要图。旋转电机控制装置1包括控制器2和功率转换器3。旋转电机控制装置1构成为设在直流电源4与旋转电机5之间，由电流检测器6检测从旋转电机控制装置1提供给旋转电机5的电流，基于由电流检测器6检测出的电流值、以及来自对旋转电机5的转子位置进行检测的位置检测器7的位置信息，来对提供给旋转电机5的电流进行控制。

控制器2基于指令转矩及指令转速等动作指令、来自位置检测器7的位置信息、以及由电流检测器6检测出的电流值来生成电压指令，将用于PWM控制的开关指令输出到功率转换器3。功率转换器3利用布线与直流电源4和旋转电机5相连接，基于来自控制器2的开关指令将直流电源4的直流电压转换为交流电压，将交流电压施加到旋转电机5上。另外，在转速接近0的情况下，交流电流和交流电压成为直流电流和直流电压。另外，在包含偏移分量的情况下，交流电流和交流电压不仅包含交流分量，还包含直流分量。

电流检测器6对输出到旋转电机5的各相的电流iu、iv、iw进行检测。另外，电流检测器6可以使用电流推测器来推测电流值以代替对各相的一部分或全部进行检测，也可以是检测母线侧的电流并运算各相的电流的结构。

位置检测器7例如是旋转变压器，设置在旋转电机5的旋转轴上，并检测转子的位置信息θ。另外，位置检测器7能够使用除旋转变压器以外的装置，例如编码器等。还可以是对转子的位置信息θ进行推测的位置推测器、或由速度检测器或速度推测器来代替的结构。

在该实施方式1中，作为旋转电机5，假设有三相同步电动机或三相感应电动机。然而，也可以构成为例如双重三相绕组电动机或五相电动机等除三相以外的电动机，例如励磁绕组型电动机，也可以是同步磁阻电动机、开关磁阻电动机等同步电动机或感应电动机以外的结构。

控制器2包括转速运算器8、电压指令生成部9、偏移补偿部10、加减运算器11和PWM运算部12。

转速运算器8对转子的位置信息进行微分处理，使其通过LPF来运算转速。转速可以通过除使用LPF以外的方法来求出，也可以由速度检测器来代替。

电压指令生成部9基于来自外部的动作指令、转子位置信息以及交流电流来生成交流电压指令。作为生成该交流电压的方法，能够通过一般已知的方法求出。即，能够通过将动作指令转换为电流指令，在旋转坐标上(d-q坐标上)控制电流矢量，来求出三相电压指令。另外，也可以如V/f恒定控制那样，求出与指令转速相对应的三相电压指令。这里，在转子位置信息中产生1f分量的脉动的情况下，由于电压指令生成部9输出的交流电压指令中包含偏移分量，因此因偏移分量产生相电流的偏移分量。

偏移补偿部10基于从电压指令生成部9输出的交流电压指令、从转速运算器8输出的转速、和由电流检测器6检测出的交流电流值，来输出偏移补偿指令。通过加减运算器11从交流电压指令中减去偏移补偿指令，来补偿偏移的量。这里，在转子位置信息中产生1f分量的脉动的情况下，偏移补偿部10能够通过偏移补偿指令除去交流电压指令的偏移分量。换言之，在转子位置信息中产生1f分量的脉动的情况下，通过使电压指令生成部9输出的交流电压指令的偏移分量与基于偏移补偿部10的补偿电压一致来除去偏移分量。

然而，在偏移误差叠加到电流检测器6的输出上的情况下，则两个偏移分量不一致。这是因为，电压指令生成部9为了在输出的交流电压指令中抑制转子位置信息的1f脉动引起的偏移分量、和电流检测器的偏移误差而运算偏移分量，但是偏移补偿部10为了使交流电流的偏移分量成为叠加到电流检测器6的输出上的偏移的值而运算补偿电压，电压指令生成部9和偏移补偿部10在彼此不同的目的下运算偏移分量。为了解决这样的问题，偏移补偿部10具备后述的偏移补偿限制部14的功能。

此外，偏移补偿部10在固定坐标上(uvw坐标或α-β坐标)构成，但也可以在旋转坐标上(d-q坐标上)构成，也可以是通过乘法或除法来进行补偿的结构，而不是由加减运算器11进行补偿，也可以构成为不仅补偿偏移分量，还补偿低频侧的分量或其他频带的分量。另外，交流电压指令中包含的偏移分量不仅可以是转子位置信息的1f分量的脉动，也可以是由不能保持施加到旋转电机的电压脉冲的对称性的PWM等所引起的电压误差等。

PWM运算部12将由偏移补偿部10的输出所补偿的交流电压指令与载波进行比较，输出用于PWM控制的开关指令。另外，尽管未示出，但是载波频率可以是恒定的，而不取决于转速，也可以使其与转速成比例。另外，也可以是不与载波比较的PWM控制方法。

图2示出了设在图1的控制器2上的偏移补偿部10的结构。

如图2所示，偏移补偿部10包括偏移补偿量运算部13和偏移补偿限制部14。偏移补偿量运算部13基于交流电流、旋转电机5的转速、后述的限制超过量、以及后述的复位信号，利用比例运算、积分运算和微分运算中的任意一个以上的运算方法来运算偏移补偿量。偏移补偿限制部14基于偏移补偿量、转速和交流电压指令来运算并输出偏移补偿指令、限制超过量和复位信号。另外，作为偏移补偿限制部14的输入信息，设有交流电流、转速及交流电压指令，但也可以另外使用转矩、母线电压、母线电流、温度、控制周期等，也可以代替。此外，可以预先运算偏移补偿部10的输入与输出之间的关系，以由映射构成的结构代替偏移补偿部10，也可以采用兼用的结构。

图3示出了图2所示的偏移补偿量运算部13的结构。

如图3所示，偏移补偿量运算部13包括积分系数运算器15、乘法器16和积分器17。积分系数运算器15对成为用于控制交流电流的偏移分量的控制频带的积分系数进行设定，根据旋转电机5的转速来变更运算器的增益。在转速为低速或接近0的情况下，由于无法区分由转子位置信息的1f分量的脉动所引起的偏移分量、和用于驱动的交流电压指令，因此，根据转速将积分系数设为0或非常小的值。通过这样，能够防止转速处于低速区域时控制性能的劣化。乘法器16将基于积分系数运算器15的积分系数与交流电流相乘，并输出到积分器17。

积分器17基于乘法器16的输出、限制超过量和复位信号而输出偏移补偿量。积分器17通常以对乘法器16的输出进行积分运算的方式进行动作，在输入限制超过量的情况下，根据限制超过量对基于积分运算的积分值进行校正。在输入复位信号的情况下，以将基于积分运算的积分值设为0或降低的方式进行校正。由此，偏移补偿量运算部13包含至少一个以上积分控制，从而能够进行运算以相对于所希望的偏移电流没有稳定偏差。

如专利文献1、2所述那样，与通过LPF根据检测电流求出相电流的偏移分量、通过PI控制补偿电压指令以降低相电流的偏移分量的结构不同，在本实施方式1的情况下，偏移补偿量运算部13由于采用通过积分控制根据检测电流来补偿电压指令以使相电流的偏移分量直接降低的结构，因此，在保持降低相电流的偏移分量的效果的同时，不需要LPF和PI控制，具有能够大大减轻运算负荷的效果。另外，由于能够除去不需要的LPF，所以也有改善响应性的效果。

另外，在该实施方式1中，采用积分控制以降低检测电流的偏移分量的结构，但也可以由比例控制、微分控制或其他滤波器来构成以成为所希望的控制、所希望的频率特性。另外，偏移补偿量运算部13若不仅在uvw坐标系(三相固定坐标系)上构成，而且在两相固定坐标(α－β坐标)系上构成，则能够将运算负荷减轻到2/3，也可以为在两相旋转坐标(d-q坐标)系上构成并除去1f分量(固定坐标上的偏移分量)的结构。

另外，作为偏移补偿量运算部13，可以通过预先计算根据转矩、转速这样的动作点或电压指令、检测电流、母线电压、PWM方法等来减小相电流的偏移分量的偏移补偿量，并使用映射等进行补偿的结构来代替，也可以兼用。

图4示出了图2所示的偏移补偿限制部14的结构。

如图4所示，偏移补偿限制部14包括电压偏移检测器18、加减运算器19、限制值运算器20、振幅限制器21和加减运算器22。

电压偏移检测器18根据从电压指令生成部9输出的交流电压指令来提取偏移分量，并输出到加减运算器19。这里，电压偏移检测器18使用LPF或FFT处理等提取偏移分量。由加减运算器19求出电压偏移检测器18的输出与偏移补偿量之差，并输出到限制值运算器20。这里，在偏移误差未叠加到电流检测器6的输出上的情况下，加减运算器19的输出是非常小的值。

限制值运算器20将基于加减运算器19的输出和旋转电机5的转速所运算出的限制值输出到振幅限制器21。当使限制值变小或使偏移补偿的动作停止时，在旋转电机控制装置启动时和停止时输出复位信号。对于限制值，在转速为低速或接近0的情况下，如上所述由于不能区分由转子位置信息的1f分量的脉动所引起的偏移分量、和用于驱动的交流电压指令，因此将限制值变小，而转速在最大转速的5％以下的情况下，设定限制值以使其变小或者成为0。即，当交流电压指令与偏移补偿量之间的关系在预定范围外时，偏移补偿限制部14变更偏移补偿量的值。

即使在偏移误差叠加到电流检测器6的情况下，也不能正确地运算偏移补偿量，因此，根据交流电压指令的偏移分量和偏移补偿量之差来推测电流检测误差，并且在电流检测误差为所假定的最大值的10％以上的情况下，使限制值变小。此外，还根据位置检测器7所假定的1f分量的误差的最大值以及母线侧的电压等来变更限制值。在交流电压指令的偏移分量和偏移补偿量不一致的情况下偏移补偿量不能正确运算的理由在偏移补偿部10的说明中进行了说明，因此在此省略。这里，决定限制值的设定值构成为，使用函数或映射来逐渐变更，使得设定值不会陡峭地变化，从而防止过渡性能降低。通过该结构，能够防止控制性能的恶化。

另外，决定上述限制值的设定值只是用于获得通用效果的标准，当然需要根据产品及装置的结构等来调整设定值。

振幅限制器21在超过由限制值运算器20设定的限制值的情况下，限制偏移补偿量，在不超过限制值的情况下，不变更偏移补偿量而输出偏移补偿指令。加减运算器22运算偏移补偿量与偏移补偿指令之差，并输出限制超过量。即，偏移补偿限制部14在至少旋转电机5的动作点、偏移补偿量、来自电压指令生成部9的交流电压指令、直流电源4的直流电压中的任意一个以上是预定范围外的值的情况下来变更偏移补偿量的值，因此，能够在电流检测器6中产生误差时或在旋转电机5的转速为低速时防止由于偏移补偿而导致的控制性能比未补偿时变差的情况。

接着，通过图5和图6说明旋转电机控制装置1的作用效果。

图5示出了电流检测器6的检测结果中没有发生偏移误差的状态，图6示出了电流检测器6的检测结果中发生偏移误差的状态。

对于图5和图6，各自图中的a行表示在位置检测器7的检测结果的位置信息中没有误差的情况(没有位置信息误差的情况)，且偏移补偿部10的偏移补偿未进行动作的情况(没有偏移补偿的情况)。b行表示在位置检测器7的检测结果的位置信息中没有误差的情况(没有位置信息误差的情况)，且偏移补偿部10的偏移补偿进行动作的情况(有偏移补偿的情况)。c行表示在位置检测器7的检测结果的位置信息中有误差的情况(有位置信息误差的情况)，且偏移补偿部10的偏移补偿未进行动作的情况(没有偏移补偿的情况)。d行表示在位置检测器7的检测结果的位置信息中有误差的情况(有位置信息误差的情况)，且偏移补偿部10的偏移补偿进行动作的情况(有偏移补偿的情况)。

对于图5和图6，各自在A列中表示a行～d行的状态下的相电流和dq轴电流。a行～d行的状态下的B列表示偏移电流。

图5的图中的Δiuvw意味着电流检测器6的偏移误差。根据该图5所示的波形可知，在1f分量的脉动叠加到转子位置信息中的情况下相电流中产生偏移分量，以及即使在1f分量的脉动叠加到转子位置信息中的情况下，只要能够适当地进行偏移补偿，则也可以除去相电流的偏移分量。

图6的图中的Δiu、Δiv、Δiw意味着电流检测器6的偏移误差。根据该图6的波形可知，在电流检测器6中产生偏移误差的情况且偏移补偿未进行动作的情况下，由于电压指令生成部9进行控制以抑制电流检测器6的偏移误差，因此相电流的偏移分量的振幅变得小于电流检测器6的偏移误差。在偏移补偿部10的偏移补偿进行动作的情况下，偏移补偿部10进行控制以使得相电流的偏移分量跟随电流检测器6的偏移误差，因此，相电流的偏移分量比未使偏移补偿进行动作的情况要增加，从而能够确认控制性能的恶化。

在本申请的旋转电机控制装置中，由偏移补偿部10对偏移误差是否叠加到电流检测器6进行判断(偏移补偿限制部14)，在误差叠加的情况下限制运算出的偏移补偿电压(基于由偏移补偿量计算部13运算出的结果)，从而能够防止因偏移补偿电压而导致的控制性能的恶化。

如上所述，本申请的旋转电机控制装置能够适当地除去相电流的偏移分量，在转速较低的情况下以及电流检测器中产生偏移误差的情况下通过限制偏移补偿电压，能够防止因偏移补偿电压而导致的相电流的偏移分量的增加。

另外，与专利文献1、2不同，由于采用通过积分控制根据检测电流来补偿电压指令以使相电流的偏移分量直接降低的结构，因此，不需要LPF和PI控制，能够大大减轻运算负担。

另外，上述实施方式可适用于使用旋转电机控制装置的例如FA或空调、机床、飞机、铁路、汽车等应用。

此外，图7示出了本申请的旋转电机控制装置1的控制器2的硬件的一个示例。由处理器100和存储装置200构成，虽然未进行图示，但存储装置200具备随机存取存储器等易失性存储装置、以及闪存等非易失性的辅助存储装置。此外，也可以具备硬盘这样的辅助存储装置以代替闪存。

处理器100通过执行从存储装置200输入的程序，从而例如进行控制器2的控制。该情况下，程序从辅助存储装置经由易失性存储装置输入到处理器100。另外，处理器100可以将运算结果等数据输出至存储装置200的易失性存储装置，也可以经由易失性存储装置将数据保存至辅助存储装置。

本申请记载了例示性的实施方式，但实施方式所记载的各种特征、方式及功能并不限于特定的实施方式的适用，能单独或以各种组合适用于实施方式。

因此，可以认为未例示的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包含有对至少一个结构要素进行变形的情况、追加的情况或省略的情况。

标号说明

1 旋转电机控制装置

2 控制器

3 功率转换器

4 直流电源

5 旋转电机

6 电流检测器

7 位置检测器

8 转速运算器

9 电压指令生成部

10 偏移补偿部

11 加减运算器

12 PWM运算部

13 偏移补偿量运算部

14 偏移补偿限制部

15 积分系数运算器

16 乘法器

17 积分器

18 电压偏移检测器

19 加减运算器

20 限制值运算器

21 振幅限制器

22 加减运算器

100 处理器

200 存储装置。

Claims (11)

1.一种旋转电机控制装置，其特征在于，

包括将直流电源的直流电压转换为交流电压并输出到旋转电机的功率转换器、以及向所述功率转换器输出开关指令的控制器，

所述控制器包括：

电压指令生成部，该电压指令生成部基于从所述功率转换器提供给所述旋转电机的电流值、以及所述旋转电机的转子的位置信息，来生成给所述功率转换器的交流电压指令；以及

偏移补偿部，该偏移补偿部基于所述电流值来输出偏移补偿指令，

所述控制器对所述交流电压指令补偿所述偏移补偿指令，输出所述开关指令。

2.如权利要求1所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿部具有运算偏移补偿量的偏移补偿量运算部、以及用于根据条件来变更所述偏移补偿量的偏移补偿限制部。

3.如权利要求2所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿量运算部包括运算器，该运算器利用比例运算、积分运算、微分运算中的任意一个以上的运算方法来对所述偏移补偿量进行运算。

4.如权利要求2所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿量运算部输出至少基于所述旋转电机的动作点、来自所述电压指令生成部的交流电压指令、以及所述电流检测器的检测电流中的任意一个以上，事先对所述偏移补偿量进行运算得到的偏移补偿量。

5.如权利要求3所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

根据所述旋转电机的转速来变更所述运算器的增益。

6.如权利要求3或5所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿量运算部至少包含一个以上积分控制。

7.如权利要求2至6中任一项所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿限制部至少基于所述旋转电机的动作点、所述偏移补偿量、来自所述电压指令生成部的交流电压指令、以及所述直流电源的直流电压中的任意一个以上，来变更所述偏移补偿量的值。

8.如权利要求2至7中任一项所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿限制部在所述交流电压指令与所述偏移补偿量之间的关系处于预定的值的范围之外的情况下，变更所述偏移补偿量的值。

9.如权利要求8所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

基于所述电流检测器的检测误差来设定所述偏移补偿限制部的预定的值，将相当于所述检测误差的最大值的10％以上的值设定为预定的值的范围之外。

10.如权利要求2至9中任一项所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

所述偏移补偿限制部在所述旋转电机的转速处于预定的值的范围之外的情况下，变更所述偏移补偿量。

11.如权利要求10所述的旋转电机控制装置，其特征在于，

将所述偏移补偿限制部中的预定的值的范围设定为所述旋转电机的最大转速的5％以下的值。

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