CN1237698C - 马达控制装置 - Google Patents

Abstract

一种马达控制装置，包括相电流检测部分，用于检测提供给马达的相电流；电流相位/电流峰值计算部分，用于根据相电流计算电流相位；电压相位设定部分，用于将预定的相位差与电流相位相加，并将得到的和设定为电压相位；相电压设定部分，用于根据电压相位和指令电压设定提供给马达的相电压。主要地，是通过在不用预测马达轴线位置的情况下保持电压恒定，并一直监视电流/电压相位以保持恒定的相位差来操作马达。

Description

马达控制装置

技术领域

本发明涉及一种马达控制装置，用于通过利用电力变换器例如逆变器来控制同步马达例如无刷马达和磁阻马达，特别是涉及一种马达控制装置，用于在不使用检测马达轴线位置的传感器的情况下控制同步马达的转速等。

背景技术

用于公知的同步马达中无刷马达的驱动系统包括有一种矩形驱动系统(120°励磁系统)和一种正弦形驱动系统(180°励磁系统)。正弦形驱动系统提供给马达正弦形的相电流，以实现低振动、低环境噪声和高效率，并且在这些方面优于矩形驱动系统。

作为用于无刷马达的马达轴线检测系统，有一种是利用来自于位置检测传感器如旋转编码器和分解器的信号，还有一种是在不使用位置检测传感器的情况下获得来自于马达的相电流和相电压的位置信息。后者或无传感器系统不需要提供位置检测传感器和由此所需的导线，从而可较少成本，并在这方面优于前者带有传感器的传感器系统。

在这种情况下，最近已经尝试通过无传感器正弦形驱动系统来控制无刷马达(参见例如，JP-A-2001-268974，JP-A-2001-251889，JP-A-2000-350489，“Sensorlesssalient type brushless DC motor control based on speed electromotive force estimation”，Takeshita，Ichikawa，Li，Matsui in Nagoya Industry University，T.IEE Japan，117-D卷，1997年第1期)。图1示出了无传感器正弦形驱动系统的一个实例。

图1中，附图标记51代表马达；52代表电力变换部分(逆变器)；53代表DC电源；54代表PWM信号产生部分；55代表相电压确定部分；56代表提供的电流确定部分；57代表转速指令；58代表电流/电压检测部分；59代表d/p轴变换部分；60代表轴位置预测部分；61代表马达转速计算部分；以及62、63代表加法器。

提供的电流确定部分56根据转速指令57和马达转速确定要施加的电流，相电压确定部分55根据预测轴线位置和电流相位确定相电压。电流/电压检测部分58检测提供给马达的相电流和相电压，d/p轴变换部分59根据来自于轴位置预测部分60的电流相位信息，执行来自于电流/电压检测部分58的相电流和相电压的d/p轴线变换，而轴位置预测剖分60根据电流和电压的d轴线和p轴线分量Id、Ip、Vd、Vp以及马达转速来通过计算预测马达51的轴线位置。马达转速计算部分61根据由轴位置预测部分60供应的电流相位信息等来计算角速度ω。

前述马达控制装置通过用于确定提供给马达的相电压以保持提供给马达的相电流恒定的控制环、用于从施加的相电流和相电压中预测马达轴线位置的控制环、和用于从预测的马达轴线位置中计算马达转速并用于改变提供给马达的恒定相电流的控制环(马达速度反馈环)，来控制马达操作。这种马达控制装置存在这样一个缺点：由于不可避免地必须要有用于电流的双反馈控制，因此需要很复杂的计算来控制马达的驱动，并且还有这样一个缺点：由于必须以非常高的速度进行电流反馈控制和速度反馈控制，因此需要处理速度高并因而昂贵的控制电路。还有这样的缺点：除马达轴线位置预测时需要复杂的计算外，即使通过进行这样复杂的计算也无法得到非常高的位置精确度。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种可以稳定地操作马达的马达控制装置，其不需要用于控制马达驱动的复杂的计算。

根据本发明，提供了一种马达控制装置，用于通过功率变换器驱动同步马达，该同步马达没有设置用于检测马达轴线位置的传感器。这种马达控制装置包括相电流检测装置，用于检测提供给同步马达的相电流；电流相位计算装置，用于根据由相电流检测装置检测的相电流来计算电流相位；电压相位设定装置，用于设定电压相位，该电压相位是通过将预定相位差加到由电流相位计算装置计算得到的电流相位上而确定的；指令电压确定装置，用于根据转速指令确定指令电压；以及相电压设定装置，用于根据由电压相位设定装置设定的电压相位和由指令电压确定装置确定的指令电压来设定提供给同步马达的相电压。

根据本发明的马达控制装置，根据提供给同步马达的相电流来确定电流相位，并根据通过将预定相位差加到电流相位上而确定的电压相位和根据转速指令确定的指令电压来设定提供给同步马达的相电压，从而可以在不用预测马达轴线位置的情况下，主要通过保持电压恒定并通过一直监视电流和电压相位以保持恒定的相位差，来操作同步马达。

下面的描述和所附的附图将使本发明的上述目的、其它目的、结构特征以及功能和优点更明显。

附图说明

图1是示出了常规的马达控制装置的方框图；

图2是示出了根据本发明实施例的马达控制装置的方框图；

图3是详细地示出了图2中所示的功率变换器的视图；

图4是β＞0时旋转轴线系统的马达矢量图；

图5是示出了输出电流波形和输出电压波形的视图；和

图6是β＝0时旋转轴线系统的马达矢量图。

具体实施方式

接下来，将说明根据本发明实施例的马达控制装置。

如图2所示，用于控制马达1的马达控制装置包括功率变换部分2、DC电源3、PWM信号产生部分4、相电压设定部分5、指令电压确定部分6、相电流检测部分8、电流相位/电流峰值计算部分9、角速度计算部分10、相位差计算部分11、电压相位设定部分12、最大电压值限制部分13和加法器14。

马达1是三相无刷DC马达，由从功率变换部分2得到的U相、V相和W相信号驱动。如图3所示，功率变换部分2包括三对开关晶体管Us、Xs；Vs、Ys和Ws、Zs，分别对应于U相、V相和W相，并且相互间并联连接。每一开关晶体管对Us、Xs；Vs、Ys或Ws、Zs都与包括有电池或类似部件的DC电源3串联连接。这六个开关晶体管Us、Xs；Vs、Ys和Ws、Zs都通过由PWM信号产生部分4提供的PWM信号被接通和关断。

PWM信号产生部分4根据由相电压设定部分5设定的相电压产生PWM信号，并将PWM信号传送到功率变换部分2。至于确定相电压设定部分5中的相电压的方法和确定指令电压确定部分6中的指令电压的方法将在后面进行详细描述，其中指令电压确定部分6置于相电压设定部分5的上游部分。

相电流检测部分8检测提供给马达1的三个相电流Iu、Iv和Iw中的两个相电流，如U相和W相电流Iu和Iw。对于相电流检测，可以使用公知的电流传感器8a、8b(参见图3)，适当地，每个电流传感器都包括有线圈、霍尔元件和类似元件。

电流相位/电流峰值计算部分9基于由相电流检测部分8检测到的两个相电流来计算马达电流峰值I和电流相位δ。接下来，将说明计算马达电流峰值I和电流相位δ的方法。

如果分别用I和δ来表示马达的电流峰值和电流相位，则U相、V相和W相电流Iu、Iv和Iw可以表示如下：Iu＝I×cos(δ)、Iv＝I×cos{δ-(2/3)π}以及Iw＝I×cos{δ+(2/3)π}。因此，当知道三个相电流中的两个时就可以确定马达的电流峰值I和电流相位δ。

例如，当检测到U相和V相电流Iu、Iv时，马达电流峰值I和电流相位δ就可以根据关系式Iv＝-Iu-Iw和下面的公式(由上述公式得到的)：I＝√{(2/3)×(Iu²+Iv²+Iw²)}、cos(δ)＝Iu/I以及sin(δ)＝(Iv-Iw)/(√3×I)来进行确定。

另一方面，当检测到U相和W相电流Iu、Iw时，马达电流峰值I和电流相位δ就可以根据公式：{I²×sin²(δ)}+{I²×cos²(δ)}＝Iu²+{(1/√3)²×(2×Iw+Iu)²}，I²＝Iu²+{(1/3)×(2×Iw+Iu)²}，I＝√[Iu²+{(1/3)×(2×Iw+Iu)²}]，cos(δ)＝Iu/I，以及sin(δ)＝{(1/√3)×(2×Iw+Iu)}/I来确定，其是根据下面的公式：Iw＝{(-1/2)×I×cos(δ)}-{(√3/2)×I×sin(δ)}和I×sin(δ)＝(-1/√3)×(2×Iw+Iu)得到的。

同时，用上述方式确定的电流相位δ可受到谐波成分的影响，导致波形扰动。因此，最好是通过公知的由LPF(低通滤波器)实现的滤波方法来执行波形整形以滤除掉谐波成分。当然，这种滤波可以利用FIR滤波器、IIR滤波器或类似部件通过数字计算来完成。

角速度计算部分10根据由电流相位/电流峰值计算部分9确定的电流相位δ计算感应电压ωψ的角速度ω(参见图4)。更特别的，根据下面的公式来计算角速度ω：ω(rad/sec)＝{δ(t)-δ(t-1)}/Δt，其中，Δt(sec)表示读取电流相位δ的周期；δ(t-1)表示在时间(t-Δt)时读取的电流相位；和δ(t)表示在时间t时读取的电流相位。

同时，如果Δt很短，则用上述方式确定的角速度ω可以在每个周期有很大的变化，因此在确定角速度ω时最好通过公知的利用LPF(低通滤波器)或PI控制的滤波方式进行处理以减小变化。当然，这种滤波可以利用FIR滤波器、IIR滤波器或类似部件通过数字计算来完成。

相位差计算部分11根据由电流相位/电流峰值计算部分9确定的马达电流峰值I、由角速度计算部分10确定的角速度ω和目标电流相位超前角β计算相位差α。接下来，将参考图4说明计算相位差α的方法。

图4是将磁通作为参考位置的旋转轴线系统的马达矢量图，其通量通过一电枢铁芯。图4中，Ia表示当把电枢的N极作为参考位置时得到的马达电流峰值。马达电流峰值Ia的d轴线和q轴线分量Id、Iq可以由下面的公式来确定：

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Id}\\ \mathrm{Iq}\end{array}\right)=\sqrt{(2/3)}\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\φ}& \cos \{\mathrm{\φ}-(2\mathrm{\π}/3)\}& \cos \{\mathrm{\φ}+(2\mathrm{\π}/3)\}\\ -\sin & -\sin \{\mathrm{\φ}-(2\mathrm{\π}/3)\}& -\sin \{\mathrm{\φ}+(2\mathrm{\π}/3)\}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right)$

其中，φ表示旋转轴线的参考位置(电枢铁芯的轴线向位置)和固定轴线的参考位置(U相线圈位置)之间的角度差。

马达电流峰值Ia被表示为：Ia＝√(Id²+Iq²)＝I，使得值Ia等于与坐标轴线的角度φ无关的马达电流峰值I。

这里，由于把电枢铁芯的磁通用作参考位置，因此角度φ是未知的。另一方面，满足了Ia＝I的关系，并且把目标电流相位超前角表示为β，使得d轴线分量Id和q轴线分量Iq可以根据下面的公式由马达电流峰值I和电流相位超前角β来进行确定：

Id＝-I×sin(β)，

Iq＝I×cos(β)。

如果作为马达常数的d轴线电感为Ld、q轴线电感为Lq、马达线圈电阻为Ra、磁通为ψ以及感应电压为ωψ，则可根据下面的公式通过矢量计算确定整个电枢链接磁通ψ和电压E：

ψ＝ψa+LdId+LqIq，

E＝ωψ+RaIa。

这样，可以计算相对于q轴线的电压相位超前角γ，并因此可以由公式α＝γ-β来确定相位差α。

同时，取代进行刚提到的计算，相位差α还可以由马达电流峰值I和感应电压的角速度ω来确定。例如，如果角速度α为100弧度/秒(rad/sec)，马达电流峰值I为50A，则相位差α被确定为20度。在采用刚提到的方法用于相位差确定的情况下，要预先对马达电流峰值和角速度的各种组合进行前述计算或者作为这种计算替换的实验，并预先将计算或实验的结果用相位差数据表的方式存储在存储器内。在相位差确定过程中，从相位差数据表中选择出对应于作为参数的马达电流峰值I和角速度ω的想要得到的相位角α。

电压相位设定部分12根据由电流相位/电流峰值计算部分9确定的电流相位δ和由相位差计算部分11确定的相位差α来设定电压相位θ。特别地，它执行下述计算和设定：电流相位δ+相位差α＝电压相位θ。该电压相位θ作为下一个提供的相电压的相位被用在相电压设定部分5中。

最大电压值限制部分13监视由电流相位/电流峰值计算部分9确定的马达电流峰值I，并限制由相电压设定部分5设定的输出电压，这些功能是用这种方式完成的，即每单位时间的电压变化不超过预定值(这也适用于电流变化)，如，10V/sec，从而防止由于电流或角速度变化的影响而导致图4中所示的马达矢量图无法履行。可选择地，可以有一种通过当马达电流峰值I超过电流的最大值时就逐渐地减小输出电压来限制电流值的方法，其中上述电流的最大值是允许流过功率变换部分2中的开关晶体管的电流值，或有一种当马达电流峰值I超过刚提到的最大电流值时就输出一输出停止指令给相电压设定部分5的方法。

接下来说明了指令电压确定部分6中的指令电压确定方法和相电压确定部分5中的相电压确定方法(在上文中被省略了)。

指令电压确定部分6使由角速度计算部分10确定的角速度ω通过加法器14反馈到由转速指令7指定的目标马达转速(感应电压的角速度)上，并执行P控制、PI控制或类似控制处理，从而确定了指令电压(电压的输出峰值或电压有效值)。可选择地，可以根据下述公式确定指令电压：指令电压＝马达转速×K(K是比例常数)，而不用进行由角速度计算部分10确定的角速度ω的反馈。

相电压设定部分5根据由指令电压确定部分6确定的指令电压和由电压相位设定部分12设定的电压相位θ来确定U相、V相和W相的输出电压。这里，电压相位θ是由电流相位/电流峰值计算部分9确定的电流相位δ与由相位差计算部分11确定的相位差α的和。

如果电压相位为θ，并且电压的输出峰值(√2×有效电压值)为V，则对应的提供给马达1的相电压Vu、Vv和Vw如下式表示，其中在正常操作时这些相电压在相位上彼此延迟(2/3)π：

Vu＝V×cos(θ)

Vv＝V×cos{θ-(2/3)π}

Vw＝V×cos{θ+(2/3)π}。

如果确定了电压相位θ，则由于电压的输出值V是一预先确定的值，因此可以确定各自电压Vu、Vv和Vw。

参考图5，将说明一个具体实例。图5的上部分示出了马达操作期间U相、V相和W相的输出电流波形。如果电流相位为δ并且相位差α为45度，则当在给定的时间点P检测输出电流Iu和Iw时，在时间点P的U相、V相和W相电压Vu、Vv和Vw如下式所示：

Vu＝V×cos(δ+45°)，

Vv＝V×cos{δ-(2/3)π+45°}，

Vw＝V×cos{δ+(2/3)π+45°}。

图5的下半部分示出了U相、V相和W相的输出电压波形。

在根据图4说明的计算方法被用于确定相位差α时，d轴线和q轴线是假想的轴线，而实际的马达轴线位置是未知的，因此，产生了一个问题，即马达1不能通过利用确定的电压和电流相位进行稳定地操作。关于这点，将参考图6给出补充说明。

图6是对应于图4的旋转轴线系统的马达矢量图。图6中，电流相位超前角β为零，使得根据矢量计算，整个电枢链接磁通ψ和电压E如下式被确定：ψ＝ψa+LqIq以及E＝ωψ+RaIa，而且普通操作所需的电压E为图6中所示的E1。

另一方面，在根据图4说明的计算方法中，假设电流相位超前角β＞0，并因此电压相位超前角γ增加，这样实际施加的电压表示为图6中的E0，其偏离了电压E1。为此，电流值根据下述等式变化：E0-E1＝L×(dI/dt)(向量值)，其中其d轴线分量Id增大，而其q轴线分量Iq减小。结果，电流相位超前角β接近图4中所示的状态，并由于该影响，当马达转速增大时角速度ω增大，使得达到稳定状态。当然，即使施加的电压的电压相位超前角γ等于电流相位超前角β与常量相位α的和，马达1也可以持续稳定地旋转。

如上所述，即使假想的d轴线和q轴线被偏离，电流相位超前角β、d轴线分量Id、q轴线分量Iq和角速度ω也会发生变化，以使马达1稳定地旋转，从而可以在使电压E保持为常数的同时稳定地旋转马达1。

前面提到的马达控制装置可以在不用预测马达轴线位置的情况下主要地通过保持电压为常数、监视电流/电压相位并保持恒定的相位差来操作马达1。因此，在控制马达1的驱动时不需要进行复杂的计算，此外，也不需要进行预测马达轴线位置的复杂的计算。这使得可以通过廉价简单的控制电路而稳定地操作不具有检测马达轴线位置的传感器的马达1。

尽管在实施例中使用了三相无刷DC马达，但可以通过与实施例中描述的方法相似的控制方法来驱动其它类型的同步马达，并可以得到相似的功能和优点。

Claims (6)

1.一种马达控制装置，用于通过功率变换器来驱动同步马达，该同步马达没有设置用于检测马达轴线位置的传感器，该马达控制装置包括：

相电流检测装置，用于检测提供给同步马达的相电流；

电流相位计算装置，用于根据由所述相电流检测装置检测到的相电流来计算电流相位；

电压相位设定装置，用于设定电压相位，该电压相位是通过将预定相位差与由所述电流相位计算装置计算得到的电流相位相加而确定的；

指令电压确定装置，用于根据转速指令确定指令电压；以及

相电压设定装置，用于根据由所述电压相位设定装置设定的电压相位和由所述指令电压确定装置确定的指令电压来设定提供给同步马达的相电压。

2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，进一步包括：

电流峰值计算装置，用于根据由所述相电流检测装置检测到的相电流来计算马达电流峰值；

角速度计算装置，用于根据由所述电流相位计算装置计算得到的电流相位来计算角速度；和

相位差计算装置，用于根据由所述电流峰值计算装置计算得到的马达电流峰值和由所述角速度计算装置计算得到的角速度来计算目标电流相位超前角，并用于根据电流相位超前角计算相位差，

其中，所述相位设定装置执行一种计算，在该计算过程中，将由所述相位差计算装置计算得到的相位差与由所述电流相位计算装置计算得到的电流相位相加，从而计算电流相位。

3.根据权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于，进一步包括：

电流峰值计算装置，用于根据由所述相电流检测装置检测到的相电流计算马达电流峰值；

角速度计算装置，用于根据由所述电流相位计算装置计算得到的电流相位计算角速度；和

相位差计算装置，用于利用作为参数的由所述电流峰值计算装置计算得到的马达电流峰值和由所述角速度计算装置计算得到的角速度来从事先准备好的相位差数据表中选择角速度，

其中，所述电压相位设定装置执行一种计算，该计算过程中，将由所述相位差计算装置计算得到的相位差与由所述电流相位计算装置计算得到的电流相位相加从而计算电压相位。

4.根据权利要求2或3所述的马达控制装置，其特征在于，所述指令电压确定装置使由所述角速度计算装置计算得到的角速度被反馈到由转速指令指定的角速度上，从而计算指令电压。

5.根据权利要求2或3所述的马达控制装置，其特征在于，进一步包括：

最大电压值限制装置，用于根据由所述电流峰值计算装置计算得到的马达电流峰值限制输出电压。

6.根据权利要求4所述的马达控制装置，其特征在于，进一步包括：

最大电压值限制装置，用于根据由所述电流峰值计算装置计算得到的马达电流峰值限制输出电压。

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