CN1256801C - 同步电动机的磁极位置推定方法及控制装置 - Google Patents

同步电动机的磁极位置推定方法及控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种同步电动机的磁极位置推定方法及控制装置，即使在高负载时或负载急剧变化时也能可靠地检测同步电动机的磁极位置，进行稳定的控制。提供一种同步电动机的磁极位置推定方法，包括以下步骤：在用于控制同步电动机的电压指令值的励磁分量上，叠加频率与同步电动机驱动频率不同的高频电压，使位于高频区域的阻抗产生电凸极性；根据所述电凸极性推定磁极位置，作为第1磁极位置；将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角；从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。

Description

同步电动机的磁极位置推定方法及控制装置
技术领域
本发明涉及一种利用无速度传感器的向量控制来进行同步电动机控制的同步电动机控制装置，尤其涉及一种同步电动机的磁极位置推定方法。
背景技术
用于控制同步电动机的方法之一为向量控制。所谓向量控制，其目的在于，通过将恒定励磁电流(d轴电流)与对应于必要转矩的转矩电流(q轴电流)的相位差维持为90度电角度，达到与直流机相当或高于其的效率和响应性
一般，为了进行同步电动机的向量控制，必须利用速度传感器来测定同步电动机的速度。但从成本、可靠性等观点来看，不采用速度传感器比较有利。因此，有人采用如下的无速度传感器向量控制，即，不用速度传感器实际测定同步电动机的速度，而是推定同步电动机的速度，并利用该推定值进行向量控制。在无速度传感器的向量控制中，为了推定同步电动机的速度，首先要推定磁极位置，根据该磁极位置来推定速度。
以前，在下述文献里公开了一些同步电动机的控制方法，该控制方法在同步电动机的驱动频率几乎为零的零频率区域(即，在超低速运转时)也能推定同步电动机的磁极位置，输出与负载相匹配的转矩。
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这些方法的特征是将频率与驱动频率不同的高频电压或高频电流叠加于同步电动机上，使用基于转子结构的电机的凸极性所推定的磁极位置，控制同步电动机。
图1表示用上述现有方法推定磁极位置并控制同步电动机的控制装置的一例。
此现有同步电动机的控制装置是由以下部分构成并进行同步电动机1的向量控制，该控制装置的构成部分包括：PWM电压型变频装置(PWMVSI：Voltage Source Inverter)2、高频发生器4、2相3相转换器3、电流控制器5、低通滤波器(LPF)6、d-q转换器7、8、带通滤波器(BPF)9、高频阻抗推定器10、磁极位置推定器21、电流检测器12、加法器38及减法器39～41。
减法器39、40用于分别从电流指令iγ*、iδ*减去实际的电流值iγ、iδ。电流控制器5通过生成使减法器39、40所输出的电流值iγ、iδ与电流指令值iγ*、iδ*的偏差为零的电压指令Vγ*、Vδ*并将其输出来进行电流控制。
高频发生器4用于生成与驱动频率不同的频率为finj的高频电压Vinj。加法器38用于将由高频发生器4所产生的高频电压Vinj加到来自电流控制器5的输出即电压指令值的γ分量(磁通分量)Vγ*上。
2相3相转换器3用于将加法器38的加法运算结果和电压指令值的δ分量(转矩分量)Vδ*转换成3相电压指令值，向PWM电压型变频装置2发出指令。PWM电压型变频装置2根据来自2相3相转换器3的指令进行同步电动机1的控制。
电流检测器12用于检测同步电动机1的电流值is。d-q转换器7利用推定磁极位置θ^，将由电流检测器12所检测到的电流值is坐标转换为控制轴。
低通滤波器(LPF)6从被d-q转换器7坐标转换成控制轴的电流值中，去除与由加法器38所叠加的高频电压Vinj频率相同的成分finj，然后分别反馈到减法器39。通过形成这种构成，利用电流控制器5进行使励磁分量(iγ*)、转矩分量(iδ*)与各个电流指令值的偏差为零的电流控制。
减法器41用来从推定磁极位置θ^减去45度(π/4弧度)。d-q转换器8把检测电流值is的相位转换成减法器41的相位，由此将检测电流值is转换成从推定磁极位置θ^偏移45度处的阻抗观测轴。
带通滤波器(BPF)9抽出与由加法器38所叠加的高频电压指令值Vinj相同的频率成分finj，将所抽出的高频电流成分idm、iqm及高频电压指令值Vinj输入到高频阻抗推定器10。高频阻抗推定器10在比γ轴超前及落后45度电角度的两点推定高频阻抗Zdm及Zqm。
磁极位置推定器13用来推定两个高频阻抗Zdm及Zqm的大小相等时的磁极位置θ^。如图2所示，磁极位置推定器13由减法器31、乘法器32及积分器33所构成。减法器31用来求出高频阻抗Zdm与Zqm的差。乘法器32用于输出将减法器31的输出乘以控制增益(Kp+Ki/s)所得的值。其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益。积分器33对乘法器32的输出值进行积分，并作为推定磁极位置θ^输出。即，磁极位置推定器13通过调整由减法器31、乘法器32所构成的PI调节器，使Zdm与Zqm一致，并利用积分器33对该输出进行积分，得到磁极位置推定值θ^。
接下来，说明该现有同步电动机的控制装置的动作。
图1所示的该现有同步电动机的控制装置中，利用高频发生器4产生与驱动频率不同的高频电压，并加到电流控制器5的输出即电压指令值γ分量(磁通分量)中。将该加法运算的结果和电压指令值δ分量(转矩分量)在2相3相转换器3中被转换成3相电压指令值，向PWM电压型变频装置发出指令，并提供给同步电动机1。利用推定磁极位置，将此时流到同步电动机的电流用d-q转换器7坐标转换成控制轴，将去除与在低通滤波器(LPF)6中叠加的高频电压相同的频率成分所得的结果反馈，用电流控制器5进行电流控制使励磁分量(iγ*)、转矩分量(iδ*)与各个电流指令值的偏差为零。另一方面，d-q转换器8将检测电流转换成从推定磁极位置偏移45度处的阻抗观测轴。然后，抽出在带通滤波器(BPF)9中叠加的高频成分，将所抽出的高频电流成分及高频电压指令值输入到高频阻抗推定器10。高频阻抗推定器10中，在比γ轴超前及落后45度电角度的两点推定高频阻抗Zdm及Zqm，利用图2所示的磁极位置推定器13，推定使该二阻抗的大小相等的磁极位置。
该现有同步电动机的控制装置利用的是下述现象(电凸极性)，即，在所叠加的高频成分中观察阻抗时，由于转子的结构或磁饱和的影响，如图3所示，阻抗的大小在主磁通方向(d轴)及与其成90度电角度的方向(q轴)上是不同的。因而，如图4所示，如果调整推定磁通轴(γ轴)使阻抗偏差变为零，使γ轴最终与实际的磁通轴d轴一致，可以推定磁极位置。
但是，该磁极位置推定方法，能够推定由磁铁产生的磁通和由电枢反作用力产生的磁通所合成的主磁通的位置，但不能推定磁极位置。因此，有时在高负载时和负载急剧变化时，磁极位置和推定磁极位置的误差增加，使得无法控制。
实际上，如图5所示，电动机的负载增加时，主磁通偏移到转子旋转方向的反方向，电凸极性也偏移到与主磁通的偏移相同的方向。这是因为一旦负载增大，由电枢电流所产生磁通增加，致使与由磁铁产生的磁通所合成的主磁通从磁极位置延迟，延迟量是内部相位差角。因此，现有磁极位置推定方法，在对电动机施加负载的状态下推定磁极位置时，所推定磁极位置是所合成的主磁通位置，在γ轴和d轴之间一直存在有内部相位差角的偏差。因此，即使想使γ轴和d轴一致，也会立刻偏移内部相位差角的量，所以在急剧施加负载时将会变得无法控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步电动机控制装置，其在高负载、负载剧烈变化时，也能可靠地检测磁极位置，从而能进行稳定控制。
本发明的另一个目的是提供一种同步电动机的磁极位置推定方法，其使得在高负载、负载剧烈变化时，也能可靠地检测磁极位置，从而能进行稳定控制。
为达到上述目的，提供一种同步电动机的磁极位置推定方法，包括以下步骤：在用于控制同步电动机的电压指令值的励磁分量上，叠加频率与同步电动机驱动频率不同的高频电压，使位于高频区域的阻抗产生电凸极性；根据所述电凸极性推定磁极位置，作为第1磁极位置；将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角；从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
还提供一种同步电动机的磁极位置推定方法，包括以下步骤：在用于控制同步电动机的电流指令值的励磁分量上，叠加频率与同步电动机驱动频率不同的高频电流，使位于高频区域的阻抗产生电凸极性；根据该电凸极性推定磁极位置，作为第1磁极位置；将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角；从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
还提供一种同步电动机的控制装置，根据磁极位置的推定值，将同步电动机的检测电流值分离为磁通分量及转矩分量，并使各分量与各电流指令值分量一致，来进行同步电动机的控制，其包括：高频电压发生器，其将高频电压叠加在同步电动机的控制轴的电压指令值上；坐标转换器，其将同步电动机的检测电流值的相位转换成与所述控制轴的夹角为45度电角度的位置；高频成分抽出器，其把与由所述高频电压发生器所叠加的高频电压的频率成分相同的频率成分信号从所述坐标转换器的输出电流中抽出；高频阻抗推定器，其接收从高频阻抗推定器输出的所述两个高频阻抗之间的偏差，根据由所述高频成分抽出器所抽出的电流及所述高频电压，在比所述控制轴超前和落后45度电角度的两点，分别推定高频阻抗，并推定该两点之间的阻抗的偏差；第1磁极位置推定器，其将所述两个高频阻抗之间的偏差为零时的磁极位置推定为第1磁极位置；及第2磁极位置推定器，其将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角，从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
还提供一种同步电动机的控制装置，根据磁极位置的推定值，将同步电动机的电流值分离成磁通分量及转矩分量，并使各分量与各电流指令值分量一致，来进行同步电动机的控制，其包括：高频电流发生器，其将高频电流叠加在同步电动机的控制轴的电流指令值上；坐标转换器，其将同步电动机的电压值的相位转换成与所述控制轴夹角为45度电角度的位置；高频成分抽出器，其把与由所述高频电流发生器所叠加的高频电流频率成分相同的频率成分信号，从所述坐标转换器的输出电压中抽出；高频阻抗推定器，其根据由所述高频成分抽出器所抽出的电压及所述高频电流，在比所述控制轴超前和落后45度电角度的两点，分别推定高频阻抗，并推定该两点之间的阻抗的偏差；第1磁极位置推定器，其接收从高频阻抗推定器输出的所述两个高频阻抗之间的偏差，将所述两个高频阻抗之间的偏差为零时的磁极位置推定为第1磁极位置；及第2磁极位置推定器，其将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角，从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
本发明中，首先，向同步电动机叠加频率与驱动频率不同的高频电压或高频电流，利用由主磁通产生的磁饱和及由高频产生的集肤效应，使位于高频区域的阻抗产生电凸极性。然后，将根据该凸极性所推定的磁极位置作为第1磁极位置。在同步电动机未施加负载的状态下，在推定该第1磁极位置的时刻，为控制轴(γ轴)与d轴一致的状态。然而，在同步电动机施加负载的状态下，d轴相对于控制轴出现内部相位差角的偏差。因此，将比例常数乘以电流指令值的转矩分量来算出内部相位差角补偿角，从该第1磁极位置减去所算出的内部相位差角补偿角，可推定出真实的d轴位置即第2磁极位置。
然后，利用该第2磁极位置进行向量控制，即使在施加高负载、或负载剧烈变化时，也会根据该负载使阻抗观测轴向电凸极性的偏移方向移动，并进行校正使控制轴一直处于控制稳定的范围内。因此，可以进行稳定控制，解决以往存在的高负载、负载剧烈变化时不能检测磁通位置的问题。
附图说明
图1是表示现有同步电动机的控制装置的构成的方框图。
图2是说明图1中的磁极位置推定器13的构成的方框图。
图3是表示无负载时的高频阻抗轨迹的图。
图4是二次磁通轴、控制轴γ、d轴、阻抗观测轴qm、dm的关系说明图。
图5是表示向同步电动机施加负载时的高频阻抗轨迹的图。
图6是表示本发明的一实施方式的同步电动机的控制装置的构成的方框图。
图7是说明图6中的磁极位置推定器13及磁极位置推定器14的构成的方框图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。
图6是表示本发明的一实施方式的同步电动机的控制装置的构成的方框图。在图6中，与图1中的构成要素相同的构成要素标注相同的符号，并省略其说明。
本实施方式的同步电动机的控制装置，相对于图1所示的现有的同步电动机的控制装置而言，把由磁极位置推定器13推定的磁极位置推定值θ^作为第1磁极位置推定值，并新设置从该第1磁极位置推定值θ^减去内部相位差角作为第2磁极位置推定值θc^的磁极位置推定器14。
本实施方式的同步电动机的控制装置，通过新设置磁极位置推定器14，d-q转换器7、减法器41利用第2磁极位置推定值θc^取代第1磁极位置推定值θ^，进行转换或运算等处理。
磁极位置推定器13用于推定使高频阻抗Zdm与Zqm的偏差为零的第1磁极位置推定值θ^。
磁极位置推定器14根据电流指令值iδ*算出内部相位差角补偿角θr，从由磁极位置推定器13算出的第1磁极位置推定值θ^减去所算出的内部相位差角补偿角θr，从而算出第2磁极位置推定值θc^。
接下来，参照图7，对磁极位置推定器14的构成加以详细说明。
磁极位置推定器14如图7所示，由乘法器34及减法器37构成。
乘法器34将比例常数Kθ乘以转矩分量电流指令值(iδ*)所得的值作为内部相位差角补偿角θr^输出。减法器37从由磁极位置推定器13所推定的第1磁极位置推定值θ^，减去由乘法器34所求得的内部相位差角补偿角θr^，并将所得到的值作为第2磁极位置推定值θc^输出。
根据本实施方式的同步电动机控制装置，首先，通过磁极位置推定器13求出使高频阻抗Zdm与Zqm的偏差为零的第1磁极位置推定值θ^，接着，通过磁极位置推定器14，从转矩分量电流指令值(iδ*)求出包含于第1磁极位置推定值θ^中的内部相位差角补偿角θr^，之后从第1磁极位置推定值θ^减去内部相位差角补偿角θr^，把所得值作为第2磁极位置推定值θc^。然后，再利用第2磁极位置推定值θc^进行同步电动机的控制，如此一来，即使在施加高负载、或负载剧烈变化时，也能输出与其匹配的转矩，所以即便在零频率区域也能稳定控制同步电动机。
本实施方式中，通过将高频电压Vinj叠加在励磁分量电压指令值Vγ*上，检测同步电动机1的电流值，测量高频阻抗，来推定磁极的位置，但本发明并不局限于此，通过将高频电压Vinj叠加在励磁分量电流指令值iγ*上，检测同步电动机1的电压值，测量高频阻抗来推定磁极的位置时，亦可得到同样的效果。

Claims (4)

1.一种同步电动机的磁极位置推定方法，包括以下步骤：
在用于控制同步电动机的电压指令值的励磁分量上，叠加频率与同步电动机驱动频率不同的高频电压，使位于高频区域的阻抗产生电凸极性；
根据所述电凸极性推定磁极位置，作为第1磁极位置；
将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角；
从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
2.一种同步电动机的磁极位置推定方法，包括以下步骤：
在用于控制同步电动机的电流指令值的励磁分量上，叠加频率与同步电动机驱动频率不同的高频电流，使位于高频区域的阻抗产生电凸极性；
根据该电凸极性推定磁极位置，作为第1磁极位置；
将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角；
从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
3.一种同步电动机的控制装置，根据磁极位置的推定值，将同步电动机的检测电流值分离为磁通分量及转矩分量，并使各分量与各电流指令值分量一致，来进行同步电动机的控制，其包括：
高频电压发生器，其将高频电压叠加在同步电动机的控制轴的电压指令值上；
坐标转换器，其将同步电动机的检测电流值的相位转换成与所述控制轴的夹角为45度电角度的位置；
高频成分抽出器，其把与由所述高频电压发生器所叠加的高频电压的频率成分相同的频率成分信号从所述坐标转换器的输出电流中抽出；
高频阻抗推定器，其根据由所述高频成分抽出器所抽出的电流及所述高频电压，在比所述控制轴超前和落后45度电角度的两点，分别推定高频阻抗，并推定该两点之间的阻抗的偏差；
第1磁极位置推定器，其接收从高频阻抗推定器输出的所述两个高频阻抗之间的偏差，将所述两个高频阻抗之间的偏差为零时的磁极位置推定为第1磁极位置；及
第2磁极位置推定器，其将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角，从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
4.一种同步电动机的控制装置，根据磁极位置的推定值，将同步电动机的检测电流值分离成磁通分量及转矩分量，并使各分量与各电流指令值分量一致，来进行同步电动机的控制，其包括：
高频电流发生器，其将高频电流叠加在同步电动机的控制轴的电流指令值上；
坐标转换器，其将同步电动机的电压值的相位转换成与所述控制轴夹角为45度电角度的位置；
高频成分抽出器，其把与由所述高频电流发生器所叠加的高频电流频率成分相同的频率成分信号，从所述坐标转换器的输出电压中抽出；
高频阻抗推定器，其根据由所述高频成分抽出器所抽出的电压及所述高频电流，在比所述控制轴超前和落后45度电角度的两点，分别推定高频阻抗，并推定该两点之间的阻抗的偏差；
第1磁极位置推定器，其接收从高频阻抗推定器输出的所述两个高频阻抗之间的偏差，将所述两个高频阻抗之间的偏差为零时的磁极位置推定为第1磁极位置；及
第2磁极位置推定器，其将电流指令值的转矩分量乘以比例常数，算出内部相位差角补偿角，从所述第1磁极位置减去所算出的所述内部相位差角补偿角，作为第2磁极位置。
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