CN116964927A - 电力转换装置、估计器以及估计方法 - Google Patents

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CN116964927A CN202180092729.4A CN202180092729A CN116964927A CN 116964927 A CN116964927 A CN 116964927A CN 202180092729 A CN202180092729 A CN 202180092729A CN 116964927 A CN116964927 A CN 116964927A
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岛本庆太
森本进也
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Abstract

电力转换装置(1)包括：电力转换电路(10)，将初级侧电力转换为次级侧电力并供给至电动机(2)；电压指令生成部(120)，基于与电动机(2)的磁极位置同步旋转的旋转坐标系中的电流指令以及旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成旋转坐标系中的电压指令；以及PWM控制部(111)，控制电力转换电路(10)，以向电动机(2)施加与电压指令对应的次级侧电压。

Description

电力转换装置、估计器以及估计方法
技术领域
本公开涉及电力转换装置、估计器以及估计方法。
背景技术
在专利文献1中公开了一种旋转电机控制装置，对具备具有凸极性的转子的旋转电机施加高频电流，作为对高频电流的响应分量，基于电压指令所包含的高频分量来估计转子的磁极方向，进行控制旋转电机的所谓无传感器矢量控制，该旋转电机控制装置计算因dq轴间的磁通干扰而产生的磁极方向的估计值的误差，并基于该误差进行修正。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-90552号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
本公开提供一种进一步有效降低电动机的动作纹波的电力转换装置。
用于解决课题的手段
本公开的一个方面所涉及的电力转换装置包括：电力转换电路，将初级侧电力转换为次级侧电力并供给至电动机；电压指令生成部，基于与电动机的磁极位置同步旋转的旋转坐标系中的电流指令和旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成旋转坐标系中的电压指令；以及控制部，控制电力转换电路，以向电动机施加与电压指令对应的次级侧电压。
本公开的另一方面所涉及的估计器包括：互感估计部，基于干扰系数、与第一坐标轴对应的电动机的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机的第二电感来估计第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感，干扰系数表示与电动机的磁极位置同步旋转的旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的电磁的相互干扰。
本公开的其他方面所涉及的估计方法包括：基于向电动机供给的电流来计算干扰系数，干扰系数表示与电动机的磁极位置同步旋转的旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的电磁的相互干扰；以及基于干扰系数、与第一坐标轴对应的电动机的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机的第二电感来估计第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感。
发明效果
根据本公开，能够提供进一步有效降低电动机的动作纹波的电力转换装置。
附图说明
图1是例示电力转换装置的结构的示意图。
图2是例示叠加的电压矢量的图。
图3是例示电压指令生成部的结构的框图。
图4是例示控制电路的硬件结构的图。
图5是例示电力转换顺序的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行详细说明。在说明中，对具有相同要素或相同功能的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[电力转换装置]
图1所示的电力转换装置1是将从电源3供给的初级侧电力转换为次级侧电力并供给至电动机2的装置。初级侧电力和次级侧电力可以是交流电力，也可以是直流电力。以下，例示一次侧电力及次级侧电力均为三相交流电力的情况。作为电源3的具体例，可列举出电力公司的电力系统、或不间断电源等。
电动机2具有凸极性。具有凸极性是指电感在旋转坐标系的坐标轴之间不同。旋转坐标系是与电动机2的磁极位置同步地旋转的坐标系。作为具有凸极性的电动机2的具体例子，可列举出IPM(Interior Permanent Magnet内置式永磁)电动机或同步磁阻电动机等。IPM电动机的磁极位置例如是埋入铁芯的永久磁铁所形成的励磁的磁极的位置。同步磁阻电动机的磁极位置例如是电感最大的位置。
电力转换装置1具备电力转换电路10和控制电路100。电力转换电路10(电力转换部)将从电源3供给的初级侧电力转换为次级侧电力并供给至电动机2。作为一例，电力转换电路10具有整流电路11、平滑电容器12、逆变器电路13以及电流传感器14。
整流电路11例如是二极管桥电路或PWM转换器电路，将初级侧电力转换为直流电力。平滑电容器12使上述直流电力平滑化。逆变器电路13进行上述直流电力与次级侧电力之间的电力转换。例如，逆变器电路13在动力运行状态下，将直流电力转换为次级侧电力并向电动机2供给，在再生状态下，将电动机2发电的次级侧电力转换为直流电力。例如，逆变器电路13具有多个开关元件15，通过切换多个开关元件15的接通/断开来进行上述电力转换。开关元件15例如是功率MOSFET(Metal Oxide Semiconductor FieLd EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)或者IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等，根据栅极驱动信号来切换接通/断开。
电流传感器14检测在逆变器电路13与电动机2之间流动的电流(以下称为“次级侧电流”)。例如，电流传感器14可以构成为检测次级侧电力的全相(U相、V相以及W相)的电流，也可以构成为检测次级侧电力的任意两相的电流。只要不产生零相电流，U相、V相以及W相的电流的合计为零，因此在检测两相的电流的情况下也能够得到全相的电流的信息。
以上所示的电力转换电路10的结构只不过是一例。电力转换电路10的结构只要能够将初级侧电力转换为次级侧电力并向电动机2供给，则可以任意变更。例如，整流电路11也可以是将交流电力转换为直流电力的PWM转换器电路。电力转换电路10也可以是不经过直流化而进行电源电力与驱动电力的双向的电力转换的矩阵转换器电路。在电源电力为直流电力的情况下，电力转换电路10也可以不具有整流电路11。
控制电路100控制电力转换电路10，以在逆变器电路13与电动机2之间生成用于流过与电流指令对应的次级侧电流的电压指令，并向电动机2施加与电压指令对应的次级侧电压。
在电压指令的生成中，需要表示电动机的特性的参数。若由参数表示的电动机的特性与实际的特性背离，则次级侧电流对电流指令的追随性降低。若次级侧电流对电流指令的追随性降低，则无法在适当的定时产生次级侧电流，电动机2的动作的纹波有可能变大。因此，为了降低纹波，优选使用更准确地表示电动机的特性的参数。
对此，控制电路100构成为执行如下动作：基于旋转坐标系中的电流指令和旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成旋转坐标系中的电压指令；以及控制电力转换电路10，以向电动机2施加与电压指令对应的次级侧电压。通过基于互感，能够以补偿次级侧电流的第一坐标轴分量对次级侧电压的第二坐标轴分量造成的影响和次级侧电流的第二坐标轴分量对次级侧电压的第一坐标轴分量造成的影响的方式生成电压指令，抑制次级侧电流相对于电流指令的变动。
控制电路100还可以执行基于电动机2的磁极位置、与第一坐标轴对应的电动机2的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机2的第二电感来估计互感，并基于估计出的互感来生成电压指令。控制电路100还可以执行基于次级侧电流估计磁极位置，基于估计出的磁极位置来估计互感。例如，控制电路100以规定的控制周期反复进行如下的控制循环：基于次级侧电流来估计磁极位置；基于估计出的磁极位置来估计互感；基于电流指令和估计出的互感来生成电压指令；以及控制电力转换电路10以向电动机2施加与电压指令对应的次级侧电压。
作为一例，控制电路100作为功能上的构成要素而具有高频叠加部112、电流指令生成部113、三相二相转换部114、坐标转换部115、高频响应评价部116、系数计算部117、互感估计部118、磁极位置估计部119、电压指令生成部120以及PWM控制部111。
高频叠加部112在各控制循环中将磁极位置的估计用的高频分量叠加于次级侧电压或次级侧电流。另外，高频分量是指具有不会对电动机2的动作造成实质性的影响的程度的高频率的分量。例如，将高频分量的频率设定为充分高于电动机2能够机械地响应的频率。作为一例，高频叠加部112在次级侧电压上叠加高频分量。例如，高频叠加部112将由下式表示的高频分量叠加在次级侧电压上。
[数学式1]
αh：
高频电压的α轴分量
Vβh：高频电压的β轴分量
T：高频电压的周期
Vinj：电压矢量的大小
α轴和β轴为αβ坐标系的坐标轴。αβ坐标系是固定于电动机2的定子的固定坐标系的一例。α轴沿着电动机2的u相绕组产生磁场的方向，β轴与α轴和电动机2的转子的旋转中心垂直。
图2是将表示高频叠加部112叠加的高频电压的电压矢量图示在αβ坐标系中的图。如图2所示，高频叠加部112反复进行以下动作：在时间0＜t≤T/4中，将由电压矢量A1表示的电压施加于次级侧电压，在时间T/4＜t≤T/2中，将由电压矢量A2表示的电压施加于次级侧电压，在时间T/2＜t≤3T/4中，将由电压矢量A3表示的电压施加于次级侧电压，在时间3T/4＜t≤T中，将由电压矢量A4表示的电压施加于次级侧电压。
返回图1，电流指令生成部113在各控制循环中生成用于使电动机2进行期望的动作的电流指令。例如，电流指令生成部113生成用于使电动机2的动作速度(例如转速)追随速度指令(例如频率指令)的电流指令。例如，电流指令生成部113对速度指令与动作速度的偏差进行比例运算、比例积分运算或比例积分微分运算等来生成电流指令。
电流指令生成部113生成旋转坐标系中的电流指令。例如，电流指令生成部113生成作为旋转坐标系的一例的dq坐标系中的电流指令。dq坐标系具有d轴和q轴作为坐标轴。d轴朝向电动机2的磁极方向，q轴与d轴和电动机2的转子的旋转中心垂直。d轴和q轴为上述的第一坐标轴和第二坐标轴的一个示例。可以是d轴为第一坐标轴的示例，q轴为第二坐标轴的示例，也可以是q轴为第一坐标轴的示例，d轴为第二坐标轴的示例。此外，旋转坐标系不限于dq坐标系，因此第一坐标轴和第二坐标轴也不限于d轴以及q轴。
例如，电流指令生成部113计算d轴电流指令id_cmd和q轴电流指令iq_cmd。d轴电流指令是表示电流指令的电流指令矢量的d轴分量，q轴电流指令是该电流指令矢量的q轴分量。
三相二相转换部114在各控制循环中获取由电流传感器14检测出的u相电流iu、v相电流iv以及w相电流iw，对它们进行三相二相转换来计算α轴电流iα和β轴电流iβ。α轴电流iα是表示由电流传感器14检测出的电流的电流矢量的α轴分量，β轴电流iβ是该电流矢量的β轴分量。
坐标转换部115在各控制循环中对α轴电流iα及β轴电流iβ进行坐标转换来计算d轴电流id及q轴电流iq。d轴电流id是电流矢量的d轴分量，q轴电流iq是电流矢量的q轴分量。坐标转换需要磁极位置的信息。例如，坐标转换部115在前一个或前几个控制循环(例如前一个控制循环)中基于由后述的磁极位置估计部119估计出的磁极位置进行坐标转换。
高频响应评价部116在各控制循环中评价针对由电流指令生成部113叠加的高频分量的响应。例如，高频响应评价部116从α轴电流iα和β轴电流iβ中提取与叠加在次级侧电压上的高频分量对应的响应分量，评价提取结果。作为响应分量的提取方法，可列举出带通滤波器或快速傅立叶变换等。作为一例，高频响应评价部116通过下式来计算正弦分量n和余弦分量m作为响应分量的评价结果。
[数学式2]
[数学式3]
(d/dt)IαhVα：在α轴方向上叠加电压时，将叠加的电压矢量的方向设为正时的α轴电流的变化
(d/dt)IαhVβ：在β轴方向上叠加电压时，将叠加的电压矢量的方向设为正时的α轴电流的变化
(d/dt)IβhVα：在α轴方向上叠加电压时，将叠加的电压矢量的方向设为正时的β轴电流的变化
(d/dt)IβhVβ：在β轴方向上叠加电压时，将叠加的电压矢量的方向设为正时的β轴电流的变化
在忽略d轴与q轴之间的电磁的相互干扰的情况下，正弦分量n相当于表示上述磁极位置的旋转角θ的2倍(以下称为“倍角2θ”)。的正弦值。另外，在忽略上述相互干扰的情况下，余弦分量m相当于倍角2θ的余弦值。另外，旋转角θ例如是dq坐标系相对于αβ坐标系的旋转角。如上所述，dq坐标系是与电动机2的磁极位置同步地旋转的旋转坐标系的一例，因此旋转角θ表示磁极位置。以下，说明正弦分量n相当于上述倍角2θ的正弦值、余弦分量m相当于倍角2θ的余弦值的理由。
忽略上述相互干扰时的αβ坐标系中的高频分量的电压方程式如下式所示。
[数学式4]
Vαh：α轴电压的高频分量
Vβh：β轴电压的高频分量
Iαh：α轴电流的高频分量
Iβh：β轴电流的高频分量
上式(4)中的L和l由下式(5)、(6)表示。
[数学式5]
[数学式6]
Ld：d轴电感
Lq：q轴电感
d轴电感Ld是d轴磁通(通过d轴电流id在d轴方向上产生的磁通)相对于d轴电流id的比例常数，q轴电感Lq是q轴磁通(通过q轴电流iq在q轴方向上产生的磁通)相对于q轴电流iq的比例常数。
根据上式(1)、(4)，倍角2θ的正切由下式(7)表示。
[数学式7]
上式(2)的右边与上式(7)的右边的分子一致，因此可以说通过上式(2)计算出的正弦分量n相当于倍角2θ的正弦值。上式(3)的右边与上式(7)的右边的分子一致，因此可以说通过上式(3)计算出的余弦分量m相当于倍角2θ的余弦值。
系数计算部117基于次级侧电流计算表示旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的电磁的相互干扰的干扰系数。系数计算部117也可以进一步基于在前一个或前几个控制循环中由后述的磁极位置估计部119估计出的磁极位置来计算干扰系数。
首先，具体例示干扰系数。考虑到上述相互干扰时的αβ坐标系中的高频分量的电压方程式如下式所示。
[数学式8]
[数学式9]
[数学式10]
基于上式(1)、(8)，倍角2θ的正切由下式表示。
[数学式11]
根据式(9)，可以说通过上述相互干扰，正弦分量n乘以Lx/l所得的值影响正切的分母，余弦分量m乘以Lx/l所得的值影响正切的分子。因此，Lx/l可以说是表示相互干扰的系数的一例。因此，作为一例，如下式那样定义干扰系数c。
[数学式12]
在此，若利用角度θ表示正弦分量n及余弦分量m，则如下式所示。
[数学式13]
[数学式14]
通过基于式(12)、(13)、(14)，干扰系数c由下式表示。
[数学式15]
为了基于式(15)导出干扰系数c，除了通过上式(2)、(3)导出的正弦分量n及余弦分量m以外，还需要旋转角θ的值。与此相对，系数计算部117也可以基于在各控制循环中由坐标转换部115计算出的d轴电流id和q轴电流iq以及在前一个或前几个控制循环中由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来计算干扰系数。例如，系数计算部117通过下式计算干扰系数c。
[数学式16]
n[k]：在执行中的控制循环中由高频响应评价部116计算出的正弦分量n
m[k]：在执行中的控制循环中由高频响应评价部116计算出的余弦分量m
θ[k-1]：在前一个控制周期中由磁极位置估计部119估计出的旋转角θ
互感估计部118基于电动机2的磁极位置、与第一坐标轴对应的电动机2的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机2的第二电感来估计电动机2的互感。例如，互感估计部118在各控制周期中基于上述旋转角θ、与d轴对应的d轴电感Ld和与q轴对应的q轴电感Lq来估计互感Ldq、Lqd。
互感Ldq与互感Lqd之差较小的情况多。因此，假定互感Ldq与互感Lqd相等，则互感Ldq、Lqd与d轴电感Ld及q轴电感Lq的关系由下式表示。
[数学式17]
因此，互感估计部118作为一例，基于干扰系数c、d轴电感Ld、以及q轴电感Lq来估计互感Ldq、Lqd。例如，互感估计部118将d轴电感Ld以及q轴电感Lq的值和由系数计算部117计算出的干扰系数c的值代入上式(9)，计算互感Ldq、Lqd的估计值。
如上所述，系数计算部117基于在前一个或前几个控制循环中由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来计算干扰系数c，因此基于干扰系数c估计互感Ldq、Lqd相当于基于在前一个或前几个控制循环中由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来计算干扰系数c的一个例子。
磁极位置估计部119基于次级侧电流估计上述磁极位置。根据上式(14)，对于表示磁极位置的旋转角θ，下式成立。
[数学式18]
因此，磁极位置估计部119也可以进一步基于干扰系数c估计磁极位置。例如，磁极位置估计部119在各控制循环中将由高频响应评价部116计算出的正弦分量n和余弦分量m的值和由系数计算部117计算出的干扰系数c的值代入上式(12)来计算旋转角θ。
如上所述，高频响应评价部116基于α轴电流iα及β轴电流iβ来计算正弦分量n及余弦分量m，因此基于正弦分量n及余弦分量m来估计磁极位置相当于基于次级侧电流的检测结果来估计磁极位置的一个例子。
干扰系数c可能由于电流传感器14的检测结果的噪声等而变为波动的。在这样的情况下，磁极位置估计部119也可以将大于0且小于1的任意的系数与干扰系数c相乘，通过下式(13)计算角度估计值θ。
[数学式19]
磁极位置估计部119也可以进一步计算相当于旋转角θ的微分值的角频率ω。角频率ω例如是dq坐标系相对于αβ坐标系的角速度，相当于磁极位置的变化速度。
另外，磁极位置的估计方法不限于基于干扰系数c的方法。例如，磁极位置估计部119也可以基于互感估计部118对互感Ldq、Lqd的估计结果来计算旋转角θ。作为一例，磁极位置估计部119也可以忽略上述相互干扰而临时估计旋转角θ，通过下式计算忽略上述相互干扰而产生的估计误差，基于估计误差的计算结果修正临时估计结果来计算旋转角θ。
[数学式20]
θe：忽略相互干扰引起的估计误差
电压指令生成部120基于旋转坐标系中的电流指令和旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成旋转坐标系中的电压指令。例如，电压指令生成部120在各控制循环中基于电流指令生成部113生成的d轴电流指令id_cmd和q轴电流指令iq_cmd、坐标转换部115计算出的d轴电流id和q轴电流iq、d轴电感Ld、q轴电感Lq、电动机2的绕组电阻R、电动机2的角频率ω、由互感估计部118估计出的互感Ldq、Lqd以及磁铁磁通Φ来生成dq坐标系中的d轴电压指令Vd_cmd和q轴电压指令Vq_cmd。d轴电压指令Vd_cmd是表示电压指令的电压指令矢量的d轴分量，q轴电压指令Vq_cmd是该电压指令矢量的q轴分量。角频率ω相当于dq坐标系相对于αβ坐标系的角速度，由磁极位置估计部119估计出。
例如，如图3所示，电压指令生成部120具有第一指令生成部121、第二指令生成部122、第一补偿部123以及第二补偿部124。第一指令生成部121基于电流指令的第一坐标轴的分量与次级侧电流的第一坐标轴的分量的偏差来生成电压指令的第一坐标轴的分量。例如，第一指令生成部121如以相加点P11所示的那样，计算d轴电流指令id_cmd与d轴电流id的偏差，对该偏差进行由模块B11表示的比例积分运算、比例运算或比例积分微分运算等来计算d轴电压指令Vd_cmd。
第二指令生成部122基于电流指令的第二坐标轴的分量与次级侧电流的第二坐标轴的分量的偏差来生成电压指令的第二坐标轴的分量。例如，第二指令生成部122如以相加点P21所示的那样，计算q轴电流指令iq_cmd与q轴电流iq的偏差，对该偏差进行由模块B21表示的比例积分运算、比例运算或比例积分微分运算等来计算q轴电压指令Vq_cmd。
第一补偿部123基于互感和次级侧电流的第二坐标轴的分量来校正电压指令的第一坐标轴分量，以补偿互感对次级侧电压的第一坐标轴的分量的影响。例如，第一补偿部123基于q轴电感Lq、电动机2的角频率ω、由互感估计部118估计出的互感Ldq来计算补偿值Vd_ff，如以相加点P31所示的那样，将补偿值Vd_ff加到d轴电压指令Vd_cmd上。作为一例，第一补偿部123通过下式计算补偿值Vd_ff。
[数学式21]
第二补偿部124基于互感和次级侧电流的第一坐标轴的分量来校正电压指令的第二坐标轴的分量，以补偿互感对次级侧电压的第二坐标轴的分量的影响。例如，第二补偿部124基于d轴电感Ld、电动机2的角频率ω、由互感估计部118估计出的互感Lqd来计算补偿值Vq_ff，并如以相加点P41所示的那样将补偿值Vq_ff加到q轴电压指令Vq_cmd上。作为一例，第二补偿部124通过下式计算补偿值Vq_ff。
[数学式22]
电压指令生成部120也可以基于电流指令的第一坐标轴的分量与次级侧电流的第一坐标轴的分量的偏差、电流指令的第二坐标轴的分量与次级侧电流的第二坐标轴的分量的偏差、以及互感，非线性地计算电压指令。例如，电压指令生成部120也可以通过下式计算作为非线性控制的一例的滑动模式控制中的电压指令。
[数学式23]
[数学式24]
[数学式25]
[数学式26]
K：表示式(18)中的偏差e相对于各分量的增益的矩阵
Knl：非线性增益
返回图1，PWM控制部111(控制部)控制电力转换电路10，以向电动机2施加与在各控制循环中由电压指令生成部120生成的电压指令对应的次级侧电压。例如，PWM控制部111通过基于由磁极位置估计部119估计出的磁极位置的坐标转换，将d轴电压指令Vd_cmd及q轴电压指令Vq_cmd转换为αβ坐标系中的电压指令，进而，通过二相三相转换将αβ坐标系中的电压指令转换为u相、v相以及w相的各相的电压指令。以下，将各相的电压指令称为不同相电压指令。
上述的电流指令生成部113也可以将上述的高频分量叠加于被转换为不同相电压指令之前的电压指令。由此，在不同相电压指令中也被叠加高频分量。PWM控制部111通过PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)方式切换开关元件15的接通/断开，以对u相、v相以及w相的各相施加与不同相电压指令对应的电压。
在电动机2中，第一电感及第二电感也可能根据次级侧电流而变化。因此，控制电路100也可以构成为根据次级侧电流来估计第一电感及第二电感的当前值。
例如，控制电路100也可以还具有分轴电感估计部131。分轴电感估计部131基于次级侧电流和由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来估计第一电感和第二电感。例如，分轴电感估计部131在各控制循环中基于由坐标转换部115计算出的d轴电流id及q轴电流iq来估计d轴电感Ld及q轴电感Lq。
如上所述，d轴电流id和q轴电流iq基于电流传感器14的检测结果和由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来计算。因此，基于d轴电流id和q轴电流iq来估计d轴电感Ld和q轴电感Lq相当于基于次级侧电流和由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来估计d轴电感Ld和q轴电感Lq的一例。
作为一例，分轴电感估计部131基于以表示d轴电流id和q轴电流iq与d轴电感Ld和q轴电感Lq之间的关系的方式预先准备的电感曲线、以及d轴电流id和q轴电流iq的当前值，来估计d轴电感Ld和q轴电感Lq的当前值。在该情况下，控制电路100还可以具有电感存储部132。电感存储部132存储通过实机试验或模拟等预先准备的电感曲线。分轴电感估计部131也可以在电感存储部132所存储的电感曲线中，确定与d轴电流id及q轴电流iq的当前值对应的d轴电感Ld及q轴电感Lq。
电感曲线可以是连续地表示d轴电流id和q轴电流iq与d轴电感Ld和q轴电感Lq的关系的函数，也可以是离散地表示d轴电流id和q轴电流iq与d轴电感Ld和q轴电感Lq的关系的点列数据。
在电感存储部132存储离散的电感曲线的情况下，分轴电感估计部131也可以通过线性插值、多项式插值或者样条插值等对电感曲线的点列进行插值，确定与d轴电流id及q轴电流iq的当前值对应的d轴电感Ld及q轴电感Lq。
在控制电路100具备分轴电感估计部131的情况下，互感估计部118也可以基于由分轴电感估计部131估计出的第一电感及第二电感来估计互感。
根据以上例示的控制电路100，以控制周期反复进行包括电压指令生成部120对电压指令的生成、系数计算部117对干扰系数的计算、磁极位置估计部119对磁极位置的估计、以及互感估计部118对互感的估计等的控制循环。控制循环的周期也可以比互感的变动周期短。
以上例示的电力转换装置1包括估计器，该估计器构成为执行如下动作：基于向电动机供给的电流来计算表示与电动机的磁极位置同步地旋转的旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的电磁的相互干扰的干扰系数；以及基于干扰系数、与第一坐标轴对应的电动机2的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机2的第二电感，来估计第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感。
例如，电力转换装置1包括具有系数计算部117和互感估计部118的估计器。该估计器反复进行包括系数计算部117对干扰系数的计算和互感估计部对互感的估计的估计循环，系数计算部117还基于前一个或前几个估计循环中的磁极位置来计算干扰系数。
另外，示出了通过磁极位置估计部119无传感器地估计磁极位置的例子，但在通过设置于电动机2的传感器能够检测磁极位置的情况下，能够省略磁极位置估计部119。在该情况下，坐标转换部115基于旋转角θ的检测结果进行上述的坐标转换，系数计算部117基于旋转角θ的检测结果计算干扰系数，以及PWM控制部111基于旋转角θ的检测结果计算αβ坐标系中的电压指令。另外，电压指令生成部120基于角频率ω的检测结果生成旋转坐标系中的电压指令。
图4是例示控制电路100的硬件结构的框图。如图4所示，控制电路100包括一个以上的处理器191、内存192、存储器193、输入输出端口194以及开关控制电路195。存储器193例如具有非易失性的半导体内存等能够由计算机读取的存储介质。存储器193存储有用于使控制电路100执行以下动作的程序：基于旋转坐标系中的电流指令、旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成旋转坐标系中的电压指令、控制电力转换电路10以向电动机2施加与电压指令对应的次级侧电压。存储器193存储有用于使控制电路100构成上述功能上的各构成要素的程序。
内存192暂时存储从存储器193的存储介质加载的程序以及处理器191的运算结果。处理器191通过与内存192协作执行上述程序来构成控制电路100的各功能块。输入输出端口194按照来自处理器191的指令在与电流传感器14之间进行电信号的输入输出。开关控制电路195按照来自处理器191的指令向逆变器电路13输出用于切换开关元件15的接通/断开的驱动信号。
此外，控制电路100不一定限于由程序构成各功能。例如，控制电路100也可以通过专用的逻辑电路或者集成了该逻辑电路的ASIC(Application Specific IntegratedCircuit：专用集成电路)来构成至少一部分的功能。
[电力转换过程]
接着，作为控制方法的一例，例示控制电路100执行的控制步骤。作为互感的估计方法的一例，该控制步骤包括：基于向电动机2供给的电流来计算干扰系数；以及基于干扰系数、与第一坐标轴对应的电动机2的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机2的第二电感来估计第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感。
如图5所示，控制电路100依次执行步骤S01、S02、S03、S04、S05、S06、S07、S08、S09、S11、S12。在步骤S01中，电流指令生成部113生成用于使电动机2进行期望的动作的d轴电流指令id_cmd和q轴电流指令iq_cmd。
在步骤S02中，三相二相转换部114获取由电流传感器14检测出的u相电流iu、v相电流iv以及w相电流iw。在步骤S03中，三相二相转换部114对u相电流iu、v相电流iv以及w相电流iw进行三相二相转换来计算α轴电流iα及β轴电流iβ。在步骤S04中，坐标转换部115对α轴电流iα及β轴电流iβ进行坐标转换，来计算d轴电流id及q轴电流iq。此时，坐标转换部115基于在前一个或前几个控制循环(例如前一个控制循环)中由磁极位置估计部119估计出的旋转角θ进行坐标转换。
在步骤S05中，分轴电感估计部131基于由坐标转换部115计算出的d轴电流id及q轴电流iq来估计d轴电感Ld及q轴电感Lq。在步骤S06中，高频响应评价部116评价对由电流指令生成部113叠加的高频分量的响应。例如，高频响应评价部116从α轴电流iα和β轴电流iβ中提取与叠加在次级侧电压上的高频分量对应的响应分量，并基于提取结果来计算上述正弦分量n和余弦分量m。
在步骤S07中，系数计算部117基于由坐标转换部115计算出的d轴电流id和q轴电流iq、以及在前一个或前几个控制循环中由磁极位置估计部119估计出的旋转角θ来计算干扰系数c。例如，系数计算部117基于由高频响应评价部116计算出的正弦分量n和余弦分量m、和在前一个控制循环中由磁极位置估计部119估计出的旋转角θ来计算干扰系数c。
在步骤S08中，互感估计部118基于在前一个或前几个控制周期中由磁极位置估计部119估计出的旋转角θ、d轴电感Ld、以及q轴电感Lq来估计互感Ldq、Lqd。例如，互感估计部118基于由系数计算部117计算出的干扰系数c和由分轴电感估计部131估计出的d轴电感Ld和q轴电感Lq来估计互感Ldq、Lqd。
在步骤S09中，磁极位置估计部119基于次级侧电流来估计旋转角θ和角频率ω。例如，磁极位置估计部119基于由高频响应评价部116计算出的正弦分量n和余弦分量m、以及由系数计算部117计算出的干扰系数c来计算旋转角θ。
在步骤S11中，电压指令生成部120基于电流指令生成部113生成的d轴电流指令id_cmd及q轴电流指令iq_cmd、坐标转换部115计算出的d轴电流id及q轴电流iq、d轴电感Ld、q轴电感Lq、电动机2的绕组电阻R、电动机2的角频率ω、由互感估计部118估计出的互感Ldq、Lqd，来生成dq坐标系中的d轴电压指令Vd_cmd及q轴电压指令Vq_cmd。
在步骤S12中，PWM控制部111开始切换电力转换电路10的开关元件15的接通/断开，以将与电压指令生成部120生成的电压指令对应的电压施加于电动机2。电流指令生成部113将上述的高频分量叠加在由PWM控制部111转换为不同相电压指令之前的电压指令(上述αβ坐标系中的电压指令)上。由此，叠加有高频分量的次级侧电压被施加于电动机2。
控制电路100以上述控制周期反复进行以上的控制循环。步骤S09中的旋转角θ的估计结果在下一个循环中用于步骤S04(d轴电流id和q轴电流iq的计算)和步骤S07(干扰系数c的计算)。
此外，以上的步骤能够适当变更。例如，也可以在步骤S07(干扰系数c的计算)之后执行步骤S05(d轴电感Ld及q轴电感Lq的估计)。另外，也可以在步骤S08(互感Ldq、Lqd的估计)之前执行步骤S09(旋转角θ及角频率ω的估计)。
[本实施方式的效果]
如以上说明的那样，电力转换装置1包括：电力转换电路10，将初级侧电力转换为次级侧电力并供给至电动机2；电压指令生成部120，基于与电动机2的磁极位置同步地旋转的旋转坐标系中的电流指令、以及旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成旋转坐标系中的电压指令；以及PWM控制部111，控制电力转换电路10，以向电动机2施加与电压指令对应的次级侧电压。
根据该电力转换装置1，通过基于互感，能够以补偿次级侧电流的第一坐标轴分量对次级侧电压的第二坐标轴分量造成的影响和次级侧电流的第二坐标轴分量对次级侧电压的第一坐标轴分量造成的影响的方式生成电压指令，提高次级侧电流对电流指令的跟随性。因此，可有效降低电动机2的动作的纹波。
电力转换装置1也可以还包括互感估计部118，该互感估计部118基于电动机2的磁极位置、与第一坐标轴对应的电动机2的第一电感、以及与第二坐标轴对应的电动机2的第二电感来估计互感，电压指令生成部120基于由互感估计部118估计出的互感来生成电压指令。在该情况下，通过实时地估计互感并使估计结果反映于电压指令，能够补偿互感自身的时间变化对次级侧电压造成的影响。因此，可进一步有效降低电动机2的动作的纹波。
电力转换装置1也可以还包括基于次级侧电流来估计磁极位置的磁极位置估计部119，互感估计部118基于由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来估计互感。在该情况下，即使在进行无传感器控制的情况下，也能够准确地估计互感。
电力转换装置1也可以还包括系数计算部117，该系数计算部117基于次级侧电流来计算表示第一坐标轴与第二坐标轴之间的电磁的相互干扰的干扰系数，磁极位置估计部119还基于干扰系数来估计磁极位置。在该情况下，通过提高磁极位置的估计精度，能够进一步降低电动机2的动作的纹波。
电力转换装置1也可以反复进行包括电压指令生成部120对电压指令的生成、系数计算部117对干扰系数的计算、磁极位置估计部119对磁极位置的估计、互感估计部118对互感的估计的控制循环，系数计算部117还基于在前一个或前几个控制循环中由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来计算干扰系数。在该情况下，能够容易地计算干扰系数。干扰系数的计算的简化也能够有助于控制循环的周期的缩短。
控制循环的周期也可以比互感的变动周期短。在该情况下，能够进一步抑制由互感的变动引起的动作纹波。
互感估计部118也可以基于干扰系数、第一电感和第二电感来估计互感。在该情况下，通过将干扰系数也活用于互感的估计，能够容易地计算互感。
电力转换装置1也可以还包括基于次级侧电流和由磁极位置估计部119估计出的磁极位置来估计第一电感及第二电感的分轴电感估计部131，互感估计部118基于由分轴电感估计部131估计出的第一电感及第二电感来估计互感。在该情况下，通过实时地估计第一电感及第二电感，并使估计结果反映于电压指令，能够抑制由第一电感及第二电感自身的时间变化引起的动作纹波。
电压指令生成部120也可以具有：第一指令生成部121，其基于电流指令的第一坐标轴的分量与次级侧电流的第一坐标轴的分量的偏差来生成电压指令的第一坐标轴的分量；第二指令生成部122，其基于电流指令的第二坐标轴的分量与次级侧电流的第二坐标轴的分量的偏差来生成电压指令的第二坐标轴的分量；第一补偿部123，其基于互感和次级侧电流的第二坐标轴的分量对电压指令的第一坐标轴的分量进行校正，以补偿互感对次级侧电压的第一坐标轴的分量造成的影响；以及第二补偿部124，其基于互感和次级侧电流的第一坐标轴的分量对电压指令的第二坐标轴的分量进行校正，以补偿互感对次级侧电压的第二坐标轴的分量造成的影响。在该情况下，能够容易地将dq轴间的电磁相互干扰的补偿分量编入到广泛普及的电压指令的计算方法中。
电压指令生成部120也可以基于电流指令的第一坐标轴的分量与次级侧电流的第一坐标轴的分量的偏差、电流指令的第二坐标轴的分量与次级侧电流的第二坐标轴的分量的偏差、以及互感非线性地计算电压指令。在该情况下，通过基于互感，也能够容易地将dq轴间的电磁的相互干扰的补偿分量编入非线性的电压指令的计算。
以上，对实施方式进行了说明，但本公开未必限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更。
符号说明
1…电力转换装置、2…电动机、10…电力转换电路(电力转换部)、111…PWM控制部(控制部)、117…系数计算部、118…互感估计部、119…磁极位置估计部、120…电压指令生成部、121…第一指令生成部、122…第二指令生成部、123…第一补偿部、124…第二补偿部、131…分轴电感估计部。

Claims (13)

1.一种电力转换装置，包括：
电力转换电路，其将初级侧电力转换为次级侧电力并供给至电动机；
电压指令生成部，其基于与所述电动机的磁极位置同步旋转的旋转坐标系中的电流指令和所述旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感来生成所述旋转坐标系中的电压指令；以及
控制部，控制所述电力转换电路，以向所述电动机施加与所述电压指令对应的次级侧电压。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，
还包括互感估计部，其基于所述电动机的磁极位置、与所述第一坐标轴对应的所述电动机的第一电感、以及与所述第二坐标轴对应的所述电动机的第二电感来估计所述互感，
所述电压指令生成部基于由所述互感估计部估计出的所述互感来生成所述电压指令。
3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，
还包括磁极位置估计部，其基于次级侧电流来估计所述磁极位置，
所述互感估计部基于由所述磁极位置估计部估计出的所述磁极位置来估计所述互感。
4.根据权利要求3所述的电力转换装置，其中，
还包括系数计算部，其基于次级侧电流来计算干扰系数，所述干扰系数表示所述第一坐标轴与所述第二坐标轴之间的电磁相互干扰，
所述磁极位置估计部还基于所述干扰系数来估计所述磁极位置。
5.根据权利要求4所述的电力转换装置，其中，
所述电力转换装置反复进行控制循环，该控制循环包括通过所述电压指令生成部的所述电压指令的生成、通过所述系数计算部的所述干扰系数的计算、通过所述磁极位置估计部的所述磁极位置的估计以及通过所述互感估计部的所述互感的估计，
所述系数计算部还基于在前一个或前几个控制循环中通过所述磁极位置估计部估计出的所述磁极位置，来计算所述干扰系数。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
所述控制循环的周期比所述互感的变动周期短。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述互感估计部基于所述干扰系数、所述第一电感和所述第二电感来估计所述互感。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的电力转换装置，其中，
还包括分轴电感估计部，基于次级侧电流和由所述磁极位置估计部估计出的所述磁极位置来估计所述第一电感和所述第二电感，
所述互感估计部基于由所述分轴电感估计部估计出的所述第一电感及所述第二电感来估计所述互感。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电力转换装置，其中，所述电压指令生成部具有：
第一指令生成部，基于所述电流指令的所述第一坐标轴的分量与次级侧电流的所述第一坐标轴的分量的偏差来生成所述电压指令的所述第一坐标轴的分量；
第二指令生成部，基于所述电流指令的所述第二坐标轴的分量与所述次级侧电流的所述第二坐标轴的分量的偏差来生成所述电压指令的所述第二坐标轴的分量；
第一补偿部，基于所述互感和所述次级侧电流的所述第二坐标轴的分量来校正所述电压指令的所述第一坐标轴的分量，以补偿所述互感对所述次级侧电压的所述第一坐标轴的分量造成的影响；以及
第二补偿部，基于所述互感和所述次级侧电流的所述第一坐标轴的分量来校正所述电压指令的所述第二坐标轴的分量，以补偿所述互感对所述次级侧电压的所述第二坐标轴的分量造成的影响。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述电压指令生成部基于所述电流指令的所述第一坐标轴的分量与次级侧电流的所述第一坐标轴的分量的偏差、所述电流指令的所述第二坐标轴的分量与所述次级侧电流的所述第二坐标轴的分量的偏差、以及所述互感，而非线性地计算所述电压指令。
11.一种估计器，其中，
包括互感估计部，所述互感估计部基于干扰系数、电动机的第一电感、以及所述电动机的第二电感来估计第一坐标轴与第二坐标轴之间的互感，所述干扰系数表示与所述电动机的磁极位置同步旋转的旋转坐标系的所述第一坐标轴与所述第二坐标轴之间的电磁相互干扰，所述第一电感与所述第一坐标轴对应，所述第二电感与所述第二坐标轴对应。
12.根据权利要求11所述的估计器，其中，
还包括系数计算部，其基于向所述电动机供给的电流来计算所述干扰系数，
所述估计器反复进行估计循环，所述估计循环包括通过系数计算部的干扰系数的计算和通过互感估计部的互感的估计，
所述系数计算部还基于前一个或前几个估计循环中的所述磁极位置来计算所述干扰系数。
13.一种估计方法，包括：
基于向电动机供给的电流来计算干扰系数，所述干扰系数表示与所述电动机的磁极位置同步旋转的旋转坐标系的第一坐标轴与第二坐标轴之间的电磁相互干扰；以及
基于所述干扰系数、与所述第一坐标轴对应的所述电动机的第一电感、以及与所述第二坐标轴对应的所述电动机的第二电感，来估计所述第一坐标轴与所述第二坐标轴之间的互感。
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