CN1391340A - 马达装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

速度控制单元基于指令速度和估计速度之差计算出指令电流。电流控制单元输出对应于指令电流和测得马达电流之差的参考电压。通过将估计速度电动势增加到参考电压，形成马达外加电压而驱动同步马达。估算单元计算同步马达的估计位置、估计速度、和估计速度电动势。通过在开始驱动同步马达时提供预定图形的马达电流，将同步马达的转子设定在缺省位置。该缺省位置用作估计位置的初始值。

Description

马达装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种没有位置传感器或速度传感器的马达装置及其控制方法。

背景技术

传统上，众所周知马达的操作是通过给出的位置指令(相位角指令)和速度指令(转动速度指令)来进行控制的。这种类型的马达通常设置有检测转子位置或速度的传感器，并设置有反馈系统，可使传感器的输出跟随指令值。

然而，如果设置了上面提到的传感器，就难以降低成本或使马达尺寸减小。另外，取决于马达所在环境，设置上述马达有时也很困难。因此，开发并使用了不设置传感器而是根据其它参数来估计位置或速度并设置了根据估计值的反馈系统的控制方法。下面将该控制方法称作“无传感器的控制方法”。所述无传感器的控制方法在“无传感器不带电刷的凸极直流马达中基于估计的反电动势”(Takaharu Takeshita等人，日本电气工程师研究所，1997出版，卷117-D No.1，98到104页)的研究论文中进行了介绍。在该论文(下面称作论文A)所介绍的方法中，转子的位置和速度根据外部给出的指令值和实际马达电流的测得值进行估计，并使用该值进行反馈控制。

然而，在无传感器的控制方法中，检测有关马达操作的参数，然后利用检得的参数值对转子的位置、速度等进行估计，例如，在论文A所介绍的方法中，转子的位置等参数是根据测得的电流值进行估计的，即，在操作的初始阶段没有收集估计位置等参数的数据。因此，在无传感器控制方法中，驱动马达的信号经常是根据操作早期阶段不适当的位置数据来产生的。如果驱动马达的信号是根据不适当的位置数据产生的话，就会降低马达效率。

尽管在操作早期阶段处于不适当的状态，驱动马达的信号通过反馈系统迟早会趋于适当的状态。然而，在进入到适当状态之前，马达的效率很低。因此，当环境要求马达开始驱动后在尽可能短的时间达到所希望特征的严格要求时，无传感器控制方法存在着问题。实际上，当无传感器控制方法用于设置在车辆的空调压缩机中的马达就会有问题。即，由于车辆的空调机经常要求能够快速地调节车中的温度，不希望在马达操作的早期阶段存在低效率。

另外，无传感器控制方法中采用的估计转子初始位置的技术在如“无传感器不带电刷的凸极直流马达的马达初始位置估计”(Takaharu Takeshita等人，日本电气工程研究所，1996出版，卷116-D No.7，736到742页)的研究论文中进行了介绍。然而，论文中所介绍的方法，只是估计了初始位置，并存在得到错误结果的可能。

发明内容

本发明的目的是改进无传感器的控制下的马达装置在操作早期阶段的效率。

根据本发明的马达装置包括：带有转子的同步马达；控制器，可利用指令值产生控制信号，指示同步马达的操作、施加给同步马达的电流，以及基于电流估计的转子位置；和可根据所述控制信号驱动同步马达的驱动单元。所述控制器在开始驱动同步马达时向同步马达提供预定的电流图形给，并利用提供的预定电流图形得到的转子位置作为初始转子位置来产生控制信号。

在所述马达装置中，同步马达中的转子位置(即转子的相位)设置成位于与施加给同步马达的预定电流图形唯一对应的位置。因此，如果与预定电流图形对应的转子位置用作初始转子位置，那么，当马达装置开始驱动时，实际的转子位置与估计的位置相一致。其结果是，马达操作在开始驱动后很快可以高效率运行。

控制器设计成当预定的电流图形稳定在一个常量时，所述控制器利用提供所述预定的电流图形得到的转子位置作为初始转子位置来产生所述控制信号。通过这种配置，设定初始转子位置所要求的时间可以设置成最小值。

附图说明。

图1显示根据本发明的一个实施例的马达装置的基本配置；

图2是马达装置的方块图；

图3显示功率转换电路和同步马达的电路的示例；

图4A到图4D显示同步马达的操作；

图5显示马达装置开始驱动时的操作；和

图6A到图6B是根据本发明的实施例的马达装置开始驱动时的操作的流程图。

具体实施方式

下面将参考附图介绍本发明的一个实施例。

图1显示了根据本发明的实施例的马达装置的基本配置。根据实施例的马达装置1包括同步马达2，控制器3和功率转换电路4。

同步马达2是普通的3相马达，与功率转换电路4提供的马达驱动电压同步地操作。同步马达2可以是隐极马达也可以是凸极马达。

控制器3根据外部给出的指令值和提供给同步马达2的马达电流值产生控制信号。给出的指令值是指示同步马达2的转子速度(角速度)的值。控制器3根据上述指令值和将在后面详细介绍的马达电流估计出位置(相位角)和速度，并利用估计值产生控制信号。

功率转换电路4将直流电源5提供的直流电压转换成3相交流电压(Vu，Vv，Vw)，将3相交流电压提供给同步马达作为马达驱动电压。

马达装置1未设置传感器来检测同步马达2转子的位置和速度，而是采用了无传感器控制方法，其中位置和速度根据其它参数进行估计。

图2是马达装置1的方块图。方块图显示了图1所示控制器3的细节。图中显示的控制器基于上述论文A(Takaharu Takeshita等人，日本电气工程研究所，1997出版，卷117-D No.1，98到104页)中介绍的控制系统。

速度控制单元11可以是比例/积分(PI)控制器，可根据外部给出的指令速度和估算单元15计算出的估计速度之间的偏差计算出指令电流。电流控制单元12可以是比例/积分(PI)控制器，可根据速度控制单元11计算出的指令电流和通过电流传感器检测到的马达电流之间的偏差计算出参考电压。然后，通过将估算单元15计算出的估计速度电动势增加到参考电压上，产生马达外加电压。速度电动势与马达2的转子的速度成比例。众所周知，当长度为L的线性导体以速度v横切磁通量B得到的电动势e可以用下面的等式来表示。

e＝VBL

2相/3相转换单元13利用估算单元15计算的估计位置将2相坐标系统表示的马达外加电压转换成3相坐标系统的外加电压。2相坐标系统可以是d-q坐标系统，d-q坐标系统是旋转坐标系统，旋转速度与当3相交流电施加到同步马达2时产生的电压分量、电流分量或磁通分量的合成矢量的转动角速度相同。另一方面，3相坐标系统可以是U-V-W坐标系统。U相，V相，W相分别对应于各自施加了3相交流电的线圈。d-q坐标系统和U-V-W坐标系统之间的转换是众知的。即，3相交流电坐标系统(U-V-W坐标系统)和静态2相交流坐标系统之间的转换用下列的方程式(1)表示。 $\left[\begin{array}{c}{V}_a\\ V_b\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\cos \frac{\mathrm{\π}}{3}& -\cos \frac{\mathrm{\π}}{3}\\ 0& \sin \frac{\mathrm{\π}}{3}& -\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_u\\ V_v\\ V_w\end{array}\right]$ $=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_u\\ V_v\\ V_w\end{array}\right]....\left(1\right)$

静态2相交流坐标系统和旋转坐标系统(d-q坐标系统)之间的转换可通过下面的方程式(2)来表示，其中ω表示旋转坐标系统的角速度，φ表示用估算单元15计算出的估计位置表示的转动相位。 $\left[\begin{array}{c}{V}_d\\ V_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)& \sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ -\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)& \cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$ $=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\φ}& \sin \mathrm{\φ}\\ -\sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]......\left(2\right)$

通过2相/3相转换单元13转换的马达外加电压通过功率转换电路4提供。功率转换电路4通过马达外加电压驱动同步马达。

3相/2相转换单元14根据估算单元15计算出的估计位置将测得的马达电流转换成对应的2相坐标系统的电流值。即，U相，V相，W相的马达电流转换成d-q坐标系统的电流值。估算单元15根据马达外加电压和马达电流计算出估计速度电动势，估计位置和估计速度。计算估计速度电动势、估计位置和估计速度的方法在上述论文A中给出了详细的介绍。

在反馈系统中，产生的马达外加电压使得转子的估计速度与指令速度相一致，并使实际马达电流与指令电流相一致。产生的马达外加电压驱动同步马达2。因此，同步马达2根据外部给出的指令速度进行操作。

图3显示了功率转换电路4和同步马达2电路的实施例。在实施例中，功率转换电路4包括U相电路，V相电路和W相电路。各相电路包括互相串联的一组开关。各相电路由经2相/3相转换单元13转换的马达外加电压来控制。实际上，假设各个开关是由脉宽调制(PWM)方法来控制的，各个开关根据具有对应于马达外加电压的占空度的脉冲信号来控制开和关。

同步马达2设置了可产生旋转磁场的线圈(U相线圈，V相线圈和W相线圈)和作为转子的永久磁铁。U相线圈，V相线圈和W相线圈分别连接到功率转换电路4的U相电路，V相电路和W相电路。

图4A到4D显示了同步马达2的操作。在这个示例中，假设功率转换电路4的U相电路中的正侧开关控制为接通，而负侧开关控制为断开；而在V相电路和W相电路中，正侧开关控制为断开，而负侧开关控制为接通。

在这种情况下，马达电流的流向如图4A所示。马达电流在各个线圈中产生磁通量。得到的磁通量的合成矢量如图4B所示。因此，假设转子的位置如图4C所示，通过线圈的电流如上所述使转子反时针方向转动。

类似地，如果通过适当地控制功率转换电路4的各个开关来产生旋转磁场，转子可同步转动。

根据本实施例的马达装置1就是基于这种配置，在操作的初始阶段强迫同步马达2的转子位于预定的位置。实际上，预定图形的马达电流在预定周期内固定地提供给同步马达。在这个示例中，提供了图4A所示的马达电流。在这种情况下，因为产生了图4B显示的磁通量，转子位于图4D所显示的位置(下面称作缺省位置)，即，马达装置1开始驱动时，同步马达2的转子被强迫设定在缺省位置。

其后，马达装置1的控制系统以缺省位置作为初始转子位置开始产生马达外加电压，后面的操作在论文A中给予了介绍。

当马达开始驱动后可以进行下面的操作。在下面的解释中，缺省位置的相位被设定为零。

(A)当马达装置1加电时，电流控制单元12输出‘零’。

(B)当马达装置1加电时，估算单元15输出数据使图4A中作为估计速度电动势的马达电流流过同步马达，并输出‘零’表示缺省位置作为估计位置。例如，假设2相/3相转换单元13进行上述等式(1)和(2)，通过将‘1’、‘0’、‘0’和‘0’分别代入等式(1)和(2)中的‘V_u’、‘V_v’、‘V_w’和‘θ’得到‘V_d’和‘V_q’，并由估算单元15输出。在这种情况下，从2相/3相转换单元13输出的‘V_u’、‘V_v’、‘V_w’分别是‘1’、‘0’、‘0’。功率转换电路4的U相电路的正侧开关控制为接通，类似地，V相电路和W相电路的正侧开关控制在断开，因此，马达电流的流过如图4A所示。其结果是同步马达2设定在图4D所示的状态。

(C)在上述(A)和(B)过程之后，速度控制单元11、电流控制单元12、和估算单元15进行标准的反馈操作(例如，在上述论文A中介绍的操作)。这时，估计位置的初始值设置为‘零’表示缺省位置的相位。另外，同步马达2的转子被强制位于缺省位置。即，当反馈操作开始时，实际的转子位置与估计位置一致。

在上述(A)和(B)的过程中，同步马达2的转子利用马达装置1的反馈系统设定在缺省位置。然而，在附图中未显示的另一电路可以直接控制功率转换电路4的状态。例如，在马达装置1刚刚加电后的预定时间里，在附图中未显示的另一电路产生控制信号，使U相电路的正侧开关接通，V相电路和W相电路的正侧开关断开。在这种情况下，在预定时限过去后，‘零’表示缺省位置的相位设定为估计位置的初始值，并开始反馈操作。

图5显示马达装置1开始驱动时的操作，在图5中，显示了施加于同步马达2的U相线圈的电流。

当马达装置1加电时，施加到U相线圈的电流设定为缺省值。缺省值足够大到驱动同步马达2的转子。当马达电流如图4A所示流动时，同步马达2的转子位于图4D所示的缺省位置，马达电流趋于稳定。在实施例中，马达电流在加电大约0.1秒后稳定下来。

当马达电流稳定在缺省值时，同步马达2的转子假定设置在缺省位置，反馈操作开始设定同步马达2的转子的速度为指令速度。在这个实施例中，反馈控制操作在加电0.2秒后开始。

在图5所示的实施例中，缺省电流当马达加电时开始流动，标准的反馈控制在加电后的预定时间(即0.2秒)开始。然而，可以在马达电流稳定时启动标准的反馈控制。当转子移动到相应于马达电流的位置时，马达电流变得稳定。即，马达电流稳定在预定值的状态指的是对应于马达电流的转子位置。因此，如果当马达电流变得稳定时启动标准反馈控制，那么同步马达2的转子的实际位置可以与估计值的初始值相一致。在这个方法中，反馈控制操作可在加电后0.2秒之前开始。

图6A到6B是根据本实施例的开始驱动的马达装置1操作的流程图。在步骤S1，马达装置1通过加电而启动。在步骤S2缺省电流提供给同步马达2。缺省电流是图4A显示的马达电流。

然后，在图6A中显示的步骤S3，检查加电是否已经到达预定的时间。继续提供缺省电流直到预定时间结束。当预定时间结束时，控制转到步骤S4。在这里，图6B中显示的步骤S4(是否稳定？)可以在步骤S3的位置进行。

在步骤S4，缺省位置设定为同步马达2转子的估计位置的初始转子位置。然后，进行反馈控制。

因此，在根据本实施例的马达装置1中，转子位置被强制设定在操作初始阶段的预定缺省位置，该缺省位置用作估计位置的初始转子位置。因此，在马达装置1中，同步马达2的实际转子位置与操作非常早期阶段的估计位置相一致。因此，马达装置1在开始驱动后很快就具有很高的马达效率。

根据本实施例的马达装置1对于从开始驱动到实现希望特征的时间有严格要求的环境是非常有效的。例如，如果马达装置1用作车辆空调机的压缩机马达，可以期望能在短时间内对温度进行调节。

另外，根据上述实施例，马达装置1使用论文A中介绍的估计方法，但是并不特别限定于该估计方法，而是可采用各种其它有效的方法。

根据本发明，由于实际马达位置与马达装置开始驱动后的估计位置相一致，启动后马达效率很快得到提高。

Claims (8)

1.一种马达装置，包括：

带有转子的同步马达；

控制器，可利用指令值产生控制信号，指示所述同步马达的操作、提供给所述同步马达的电流，和基于所述电流估计出的转子位置；

驱动单元，可根据所述控制信号驱动所述同步马达；

其特征在于，在开始驱动所述同步马达时，所述控制器通过所述驱动单元提供预定的电流图形给所述同步马达，并利用提供所述预定的电流图形得到的转子位置作为初始转子位置来产生所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的马达装置，其特征在于，在所述预定的电流图形提供了预定时间后，所述控制器利用提供所述预定电流图形得到的转子位置作为初始转子位置来产生所述控制信号。

3.根据权利要求1所述的马达装置，其特征在于，当所述预定电流图形稳定在一个常数值时，所述控制器利用提供所述预定的电流图形得到的转子位置作为初始转子位置开始产生所述控制信号。

4.根据权利要求1所述的马达装置，其特征在于，所述指令值是转动速度。

5.根据权利要求1所述的马达装置，其特征在于，所述控制器在提供所述预定电流图形后进行反馈操作。

6.一种用于控制马达装置的控制方法，所述马达装置包括带转子的同步马达和控制器，所述控制器可利用指令值产生控制信号来指示所述同步马达的操作，提供给所述同步马达的电流，根据所述电流估计的转子位置；以及可根据所述控制信号驱动所述同步马达的驱动单元，所述方法包括：

在开始驱动所述同步马达时通过所述驱动单元提供预定的电流图形给所述同步马达；以及

利用提供所述预定的电流图形得到的转子位置作为初始转子位置来产生所述控制信号。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述指令值是转动速度。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制器在提供所述预定电流图形之后进行反馈操作。

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