CN1619939A - 磁极位置检测装置 - Google Patents

Abstract

提供一种磁极位置检测装置，具有推测磁极位置的第1、第2装置。第1装置，改变励磁相位并給予电流指令，根据电动机的旋转方向和励磁相位来推测磁极位置的电角区域。之后，通过缩小该区域推测磁极位置(S2～S4)。另外，第2装置，根据逐渐改变励磁相位并给予了上述电压指令时的电流反馈来推测磁极方向位置。之后，施加使之磁饱和的电压并决定磁极方向来推测磁极位置(S8～S10)。在使用第1装置电动机因摩擦等不转动时，使用第2装置推测磁极位置。另外，在使用第2装置推测磁极位置有误差时，使用第1装置推测磁极位置。

Description

磁极位置检测装置

技术领域

本发明涉及同步电动机中的转子的磁极位置检测。

背景技术

在同步电动机，因为必须根据转子的磁极位置使电流流入各相线圈，发生所希望的转矩，所以，用编码器等传感器检测转子的磁极位置，并对其进行控制，以使在适当的励磁相位流过电流。为此，必须使用具有用于检测磁极位置的绝对值的传感器、和在安装传感器时进行磁极位置对准的操作。另外，为了免去这些，在电动机的始动时等进行磁极位置检测处理。

作为不使用传感器检测磁极位置的方法，提出了各种方法。例如，有如特开2000-312493号公报所公开的那样的，向永磁同步电动机施加以一定间隔改变角度的正负恒定电压的电压矢量，来检测电动机电流值，将该电流值的差变为最大的电压矢量的位置作为磁检位置进行检测的方法(参照专利文献1)。

另外，例如，还有如特开2002-78391号公报所公开的那样的，给与具有凸极性的电动机微小电压变化，根据该微小电压变化量和流入电动机的电流的电流变化率成分来推测磁极位置的方法。

另外，例如，还有如特开2002-165483号公报所公开的那样的，向具有凸极性的电动机施加高频电压，从电枢电流中抽出与高频电压相同频率的高频电流，根据该高频电流来推测转子位置，根据运转刚刚开始之后的高频电流的极性，向转子位置推测值添加正或负的偏置，作为转子位置推测值的初期值的方法。

另外，同样，例如，还有如特开2003-52193号公报所公开的那样的，向具有凸极性的电动机输入高频电压，根据所检测的高频电流来检测磁极位置的方法。

另外，还有一个众所周知方法是：例如像专利3408468号公报所公开的那样，使电流短时间流入预定的定子励磁相位，根据那时的转子的转动方向，变更励磁相位，同样短时间使电流流出，通过重复该操作，来检测磁极位置的方法。

作为永磁同步电动机的转子构造，大致可分为将磁铁贴附在转子表面的表面贴附构造(SPM)和将磁铁埋入转子内部的埋入磁铁构造(IPM)。一般来说，SPM电动机为电枢线圈的d轴电感和q轴电感相等的非凸极型，IPM电动机为d、q轴的电感不同的凸极型。向上述的电动机施加电压，检测流向电动机的电流，来检测磁极位置的专利文献1～4所记载的方法，只能适用于该凸极型的电动机，不能适用于非凸极型的SPM电动机。

另一方面，在专利文献5所记载的方法中，与凸极型、非凸极型无关，可以适用于同步电动机。但是，在该方法中，必须稍稍转动转子，在机械的磨擦大而转子不转动那样的场合，不能正确检测磁极位置。

本发明的申请者在特别申请2003-362379号中提出了不转动转子检测磁极位置的方法。但是，该方法也是利用电的凸极性和磁饱和的方法，不能适用于非凸极型的SPM电动机。

发明内容

因此，本发明的目的是：提供事前不必知道磨擦等的机械的特性、和凸极性或磁饱和等的转子的特性而能够更准确地检测磁极位置的磁极位置检测装置。

涉及第1形态的发明，是发明的检测同步电动机的转子的磁极位置的磁极位置检测装置，其特征在于：

具有：在预定励磁相位施加电流指令的电流指令施加装置；

由给予上述电流指令时的电动机的旋转方向来推测磁极位置的第1磁极位置推测装置；

在预定励磁相位施加电压指令的电压指令施加装置；

根据给予上述电压指令时的电流反馈来推测磁极位置的第2磁极位置推测装置；

选择推测上述磁极位置的第1、第2磁极位置推测装置的装置；

尽量防止因磨擦等的机械的特性而导致的不能检测磁极位置的情况，并且也可以检测非凸极型的同步电动机的磁极位置。

另外，涉及第2形态的发明，其特征在于：

也具有：

在预定励磁相位施加电流指令的电流指令施加装置；

根据给予上述电流指令时的电动机的旋转方向和励磁位置来推测磁极位置的电角度区域，通过缩小该区域来推测磁极位置的第1磁极位置推测装置；

在预定励磁相位施加电压指令的电压指令施加装置；

依次改变励磁相位，根据给与上述电压指令时的电流反馈推测磁极方向位置，接着施加磁饱和的电压，决定磁极指向，来推测磁极位置的第2磁极位置推测装置；

选择推测上述磁极位置的第1、第2磁极位置推测装置的装置；

尽量防止因磨擦等的机械的特性而导致的不能检测磁极位置的情况，并且也可以检测非凸极型的同步电动机的磁极位置。

另外，选择上述第1、第2磁极位置推测装置的装置，在第1磁极位置推测装置，尽管施加了电流指令，但是当电动机不旋转时，可以自动选择第2磁极位置推测装置。另外，选择上述第1、第2磁极位置推测装置的装置，在第2磁极位置推测装置中，当推测的磁极位置的误差超过预定范围时，可以自动选择第1磁极位置推测装置。

另外，各请求项所记载的用语，不局限于实施例中所记载的特定的含义。

附图说明

通过参照以下附图，将会更准确地理解本发明。

图1是构成本发明的磁极位置检测装置的电动机控制装置的一种实施方式的框图。

图2是说明dq坐标系中的d轴和磁极位置的偏移的说明图。

图3是本发明的一种实施方式的磁极位置检测处理的整体构成的算法。

图4及图5是同实施方式中的第1磁极位置推测处理的算法。

图6及图7是同实施方式中的第2磁极位置推测处理的算法。

具体实施方式

图1是构成本发明的磁极位置检测装置的电动机控制装置的一种实施方式的框图。在通常的电动机驱动控制的场合，开关SA、SB都与a侧连接，根据对d、q相的电流指令，通过由3相变换为d、q相的变换器6，从3相的反馈电流中分别减去被变换了的d、q相反馈电流，求得d、q相的电流偏差，通过电流控制器1进行电流的反馈控制，输出电压指令，根据用检测器5所检测的电动机的转子位置，磁极位置推测器7求得励磁相位φ，根据该励磁相位，通过由d、q相变换为3相的变换器2变换为3相的电压指令，通过放大器3驱动控制电动机4。该电动机4的驱动控制与传统的电动机驱动控制方法没有任何变化。

在本发明中，在上述的电动机驱动要素1、2、3、5、6上附加开关SA、SB以及电流指令发生器8、电压指令发生器9，另外，将磁极位置推测器7的构成作为不同的单元构成磁极位置检测装置。

而且，在本实施方式中，具有：作为磁极位置检测装置在磁极位置推测器7转动电动机的转子来检测磁极位置的装置(以下将该装置称为第1磁极位置推测装置，将其方法称为第1磁极位置推测方法)；和转子不转动，向电动机施加电压，根据反馈电流值检测具有电凸极性的电动机的磁极位置的装置(以下将该装置称为第2磁极位置推测装置，将其方法称为第2磁极位置推测方法)。

在本实施方式中的第1磁极位置推测装置，是使用上述专利文献5所记载的装置的，在实施该装置的方法时，开关SA与b侧连接，开关SB与a侧连接，从通常的控制系统脱开。之后，从电流指令发生器8向d相输出“0”，向q相输出预定的直流励磁电流，驱动电动机。

该方法如果将电流矢量设为I，将磁通矢量设为Φ，则在同步电动机发生的转矩T是

T＝a(I×Φ)

另外，a是常数，×表示是外积。该转矩的大小是

|I||Φ|sinα

其旋转方向，以电流矢量I和磁通矢量Φ的夹角来决定。该角α在0～180度区间，sinα＞0，转子在正方向旋转。另外，在α＝180～360度区间，sinα＜0，转子在负方向旋转。利用此，在本实施方式中，首先在定子励磁相位180度流过直流电流，来检测转子的旋转方向。如果转在正方向旋转，则转子磁极位置(磁通Φ的位置)位于定子励磁相位的180～360度的区域内，如果在负方向旋转，则转子磁极位置位于0～180度的区域内。接着，同样在转子磁极位置所在的区域(180～360度的区域或0～180度的区域)的中间的励磁相位流过直流电流，检测转子的旋转方向，检测转子的磁极位置所在的区域。以下重复此操作，并将该转子磁极位置所在的区域依次设为小的区域，由此，最终检测出该转子的磁极位置。

例如，假定转子磁极位置位于定子励磁相位350度。首先，如果在180度的励磁相位流过电流，则α＝350-180＝170，sin170＞0，转子转向正方向，判别转子磁极位置位于180～360度的区域。接着，在2分该区域的270度的励磁位置流过直流电流。α＝350-270＝80度，sin80＞0，转子转向正方向。由此，判别转子磁极位置位于270～360度的区域。因此，在270～360度的区域中间的315度的励磁相位流过直流电流。这时α＝35，旋转方向也为正方向，在315度和360度中间的337.5度的励磁相位流过直流电流。这时α＝12.5，转到正方向，所以在337.5度和360度中间的348.75的励磁相位使电流流过。因为这时也转到正方向，所以在348.75度和360度中间的354.375度的励磁相位流过电流。这时α＝350-354.375＝-4.375度，sinα＜0，因为转子转到负方向，所以，接着励磁的相位，在348.75和354.375度的区域中间的351.5627度的励磁相位使直流电流流过，检测旋转方向。下面，这样依次使判断为转子磁极位置存在的区域变窄，直到没有转子的旋转，或者通过进行只是预定次数的区域判断来求得转子的磁极位置。

另外，本实施方式使用的第2磁极位置推测装置，是使用上述的特别申请2003-362379号提出的方法、装置，这时，是将开关SB切换到b侧，由电压指令发生器对d相指令高频电压或矩形波电压，不转动转子来检测磁极位置。首先来说明该方法、原理。

如果假设在具有2相线圈的凸极性的dq坐标系中的磁通(λ_d、λ_q)，如图2所示，假定与转子(磁极)的d轴的偏移量为Δθ，则磁通(λ_d、λ_q)如下面的(1-1)式、(1-2)式所示，为偏移量Δθ的函数。

λ_d＝(L_θ+L₂cos2Δθ)·i_d-L₂sin2Δθ·i_q+φcosΔθ…(1-1)

λ_q＝-L₂sin2Δθ·i_d+(L₀-L₂cos2Δθ)·i_q-φsinΔθ…(1-2)

另外，L₀是不依赖励磁相位的平均电感，L₂是依存于励磁相位的变动部分电感，如果将1相部分的d轴电感设为L_d，将1相部分的q轴电感设为L_q，则L_d＝L₀+L₂，L_q＝L₀-L₂。另外，当是具有凸极性的电动机的场合，L₂＜0，L_q＞L_d。另外，在(1-1)式、(1-2)式中，φ表示磁铁的磁通。

在dq坐标上，电压V_dq(d轴电压成分和q轴电压成分的合成电压)用下面的2式表示。

V_dq＝Rs·i_dq+d/dt(λ_dq)+ωπλ_dq    …(2)

另外，Rs是电动机线圈电阻，λ_dq是dq轴合成磁通，i_dq是dq轴合成电流，ω是电动机角速度。

将(1-1)式、(1-2)式代入(2)式，进行整理，则得出下面的(3)式。

$P\left[\begin{array}{cc}i& d\\ i& q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Rs}+\mathrm{pLdc}+\mathrm{\ωLdqc}& -\mathrm{pLdqc}-\mathrm{\ωLqc}\\ -\mathrm{pLdqc}+\mathrm{\ωLdc}& \mathrm{Rs}+\mathrm{pLqc}-\mathrm{\ωLdqc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}i& d\\ i& q\end{array}\right]+\mathrm{\ω\Φ}\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\Δ\θ}\\ \cos \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，L_dc＝L₀+L₂cos2Δθ

      L_qc＝L₀-L₂cos2Δθ

      L_dqc＝L₂sin2Δθ

      p＝d/dt

根据(3)式求电流i_dq，则为下面的(4)式。

$P\left[\begin{array}{cc}i& d\\ i& q\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{Ld}\·\mathrm{Lq}}\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Lqc}& \mathrm{Ldqc}\\ \mathrm{Ldqc}& \mathrm{Ldc}\end{array}\right]\{\left[\begin{array}{cc}v& d\\ v& q\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Rs}+\mathrm{\ωLdqc}& \mathrm{\ωLqc}\\ \mathrm{\ωLdc}& \mathrm{Rs}-\mathrm{\ωLdqc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}i& d\\ i& q\end{array}\right]-\mathrm{\ω\Φ}\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\Δ\θ}\\ \cos \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]---\left(4\right)\end{array}$

因此，为了检测凸极性的电感的差，而指令包括高次谐波的d轴电压指令V_d＝Vsinγt、q轴电压指令＝0。于是，假定上述(4)式的右边第2项不影响高次谐波，另外，以转子静止为前提，所以，电动机角速度ω＝0，上述(4)用下面的(5)式表示。

$p\left[\begin{array}{cc}i& d\\ i& d\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{Ld}\·\mathrm{Lq}}\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Lqc}& \mathrm{Ldqc}\\ \mathrm{Ldqc}& \mathrm{Ldc}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}V\sin {\mathrm{\γ}}^t\\ o\end{array}\right]---\left(5\right)$

通过旋转dq坐标系改变偏移量Δθ，即通过改变励磁相位，凸极性的电感变化，所以，对高频电压指令的反馈电流i_f的振幅发生变化。求得该反馈电流i_f的d轴电流成分i_d的变化值(微分值)pi_d，将其乘以高频指令电压V_d＝Vsinγt，其后用低通滤波器除去高频成分，由此，在电角度360度内得到峰值为2处的数据。即V_db＝Vsinγt。

pi_d·V_dh＝(1/(L_d·L_q))(L₀-L₂cos2Δθ)·V²·(sinγt)²

＝(V²/(2·L_d·L_q))·(L₀-L₂cos2Δθ)·(1-cos2γt)

                                               …(6)

如果通过低通滤波器除去高频成分cos2γt，则

f_d＝pi_d·V_dh

＝(V²/4·L_d·L_q)·(L_d+L_q-(L_d-L_q)·cos2Δθ)    …(7)

根据上述(7)式，

Δ0＝0或π时，             f_d＝V²/(2·L_d)

Δθ＝π/2或3π/2时        f_d＝V²/(2·L_q)

因为IPM电动机是反凸极性，L_d＞L_q，所以Δθ＝0或Δθ＝π时f_d＝pi_d·V_dh为峰值。即，通过d相的反馈电流微分值pi_d乘以高频指令电压，并除去高频成分，从而在电角360度内得到2个峰值，且该峰值是表示转子位置(磁极位置)和dq坐标系的d轴一致时的Δθ＝0或Δθ＝π，所以，根据达到该峰值时的励磁相位，可以求得磁通的方向。但是，即使求得磁通的方向，也分辨不出磁铁的N极和S极。因此，在变为Δθ＝0的位置，因为由电流发生的磁场与主磁通φ的方向一致，所以发生磁饱和而磁通减少，d轴的电感L_d减少，反馈电流的d轴成分i_d增大，因此，用此来判别磁铁的N极和S极。

因此，如下面(8)式那样定义d相电感L_d。在此K是电感的变化率，为比1小的正值。

L_d＝L_d·(1-K·cosΔθ)             …(8)

将上述(8)式代入(7)式，则

Δθ＝0时，            f_d＝V²/2 L_d·(1-K)

Δθ＝π/2时           f_d＝V²/2L_q

Δθ＝π时，           f_d＝V²/2 L_d·(1+K)

Δθ＝3π/2时          f_d＝V²/2L_q

由于L_d＞L_q，f_d在Δθ＝0为最大值，此处表示真正的磁极位置。

因此，由电压指令发生器9作为d相电压指令输出振幅比较小的高频(正弦波)电压(q相电压指令为0)，来驱动电动机。因为d相电压指令是高频而小的电压指令，所以流的电流小，因此电动机4的转子不旋转。在该状态下，磁极位置推测器7在每个预定周期、以预定的变化率在360度内变化电角，检测偏移量Δθ和励磁相位一致的点。即旋转上述的dq坐标系，进行与偏移量Δθ一致的电角的检测。因此，在预定的周期，求得d相反馈电流i_d，求得其微分值和从电压指令发生器输出的电压指令的积，进行振幅调制，除去高频成分，求得变为最大值的励磁相位φ。平均所求得的多个最大值，补正延迟的部分，求得磁通的方向的励磁相位φ。即求得位置检测器5所检测的转子位置中的Δθ＝0的励磁相位φ。

接着，在该磁通方向上固定励磁相位φ，由电压指令发生器使磁饱和的电流流向+、-，根据电流反馈的大小的差决定极性。由此，求得磁极位置。

图3是控制电动机的控制装置的处理器作为本发明的磁极位置检测器、作为一种实施方式工作时的处理的算法。

从作为该电动机控制装置的上一级控制装置的数值控制装置(CNC)等一旦发送来选择磁极位置推测装置、方法的指令，就开始如该图3所示的处理。

首先，判断发送来的指令是指令第1磁极位置推测装置的指令还是指令第2磁极位置推测装置的指令(步骤S1)，当指令第1磁极位置推测装置时，开始第1磁极位置推测处理(步骤S2)，在其处理途中即使用预定大小的直流电流指令驱动电动机，当机械的磨擦等大而转子不转动的场合(步骤S3)，判断在第2磁极位置推测处理中指示不能检测磁极位置的标志F2是否为“1”(步骤S6)，如果不是“1”，则将在第1磁极位置推测处理中指示不能检测磁极位置的标志F1设为“1”(步骤S7)，转移到第2磁极位置推测处理(步骤要S8～S10的处理)。另外，标志F1、F2根据初期设定，最初为“0”。另外，当转子转动时，就照原样执行第1磁极位置推测处理(步骤S4)，确定磁极位置(步骤S5)。另外，在图3中用虚线框上的步骤S2～S4是第1磁极位置推测处理，其细节后面叙述。

另外，在由上位控制装置输入第2磁极位置推测装置的选择指令时，以及在第1磁极位置推测处理途中转子不转动、通过第1磁极位置推测处理不能检测磁极位置时，在步骤S7将标志F1设为“1”后，开始由步骤S8～S10所构成的第2磁极位置推测处理(步骤S8)，在该第2磁极位置推测处理途中，如后所述，当表示磁极位置的励磁相位不在散差设定预定值范围内时，当判断为不是具有电凸极性的电动机、在该第2磁极位置推测装置中不能推测磁极位置时(步骤S9)，判断标志F1是否为“1”(步骤S11)，如果是“1”，则是已经实施第1磁极位置推测处理而未能检测磁极位置，所以，发出警报结束处理(步骤S13)。另外，该标志F1如果不是“1”，则是还未执行第1磁极位置推测处理，所以，将在第2磁极位置推测处理中表示不能检测磁极位置的标志F2设为“1”(步骤S12)，转移到步骤S2，执行第1磁极位置推测处理。

另一方面，在步骤S9，当表示磁极位置的励磁相位在预定范围内、磁极位置(磁极方向)被检测出时，就照原样实施第2磁极位置推测方法，求得、并确定磁极位置(磁极方向和N、S的方向)(步骤S10、S5)。

另外，在步骤S6，在判定标志F2已经设为“1”时，因为是已经进行第2磁极位置推测处理、而磁极位置是未能检测的场合，所以，转移到步骤S13，发出警报结束该处理。

图4及5是上述第1磁极位置推测方法处理(图3的步骤S2～S4)的算法。

在存储推测磁极位置θ的寄存器设置初期值“0”，在存储转子移动量δ的寄存器作为初期转子移动量设置“0”，在存储励磁的直流电流I的寄存器设置作为初期励磁电流所设定的值Ir(步骤A1～A3)。根据来自检测器5的信号，将存储伺服电动机(同步电动机)4的位置(转子的位置)的当前值寄存器的值清除为“0”(步骤A4)，将计数后述的步骤A6～A20处理的重复次数的试行计数器n设置为“1”(步骤A5)。

之后，判断试行计数器n的值是否超过所预定的重复次数N(步骤A6)，如果没超过，则用2ⁿ去除360度，求得预想转子磁极位置(磁通位置)的区域的相位宽度的1/2的相位量β。最初，因为推测转子磁极位置是处在电角0～360度的整个区域内，试行计数器n是被设置为“1”，所以求得推测区域的相位宽度的1/2的相位量β＝180度(步骤A7)。接着，在到当前时点为止所推测的磁极位置(是推测区域的一端，在该实施方式中，是起始点相位角度小的一方)θ加上推测区域的相位宽度的1/2的相位量β及转子移动量δ，来求得定子励磁相位φ(步骤A8)。最初，因为θ＝0，β＝180度，δ＝0，所以定子励磁相位φ作为“180度”可以求得。

判别转子是否停止(根据从检测器5反馈脉冲是否被回授来判别)(步骤A9)。如果转子停止，在步骤A8求得的励磁相位φ流过在寄存器存储的直流的励磁电流I(最初为设定值Ir)的同时，开始计时(步骤A10)。

之后，根据从检测器5反馈脉冲是否被回授来判别转子是否转动(步骤A11)。在转子不移动时，可以设想是励磁相位和磁极位置一致而不移动，所以将励磁相位向前移动90度，来进行磁励的处理。即，判断标志F3是否是“1”(步骤A21)，如果不是“1”，则将该标志F3设置为“1”(步骤A22)，将试行计数器n加1(步骤A23)，在推测磁极位置θ加上相位量β，更新为θ＝180度(步骤A24)，返回到步骤A7。因为试行计数器n被增加“1”变为“2”，所以β的值为90度，励磁相位φ为270度，在该励磁相位电动机被励磁(步骤A7～A10)。

当即使这样将励磁相位改变90度转子也不移动时，判断为因机械的磨擦大而不移动，从步骤A11转移到A21，因为标志F3已经被设置为“1”，所以在移动该转子来检测磁极位置的第1磁极位置推测方法中，作为不能检测而转移到图3的步骤S6。

另一方面，在步骤A11如果判别转子移动，则停止励磁电流，并且停止计时器(步骤A12)。之后，判别转子的旋转方向，判别转子磁极位置的区域(步骤A13)。

如上所述，在同步电动机中流过电流时发生的转矩的大小用第2式表示，其转矩的方向，在磁通矢量与电流矢量的夹角在0度～180度之间为正(sinα＞0)，在180度～360度之间为负(sinα＜0＝，所以，在励磁相位φ＝180度流过直流电流I，而转子在正方向旋转时，转子的磁极位置位于180度～360度的区域。另外，在励磁相位φ＝270度流过直流电流I，而转子在负方向旋转时，转子的磁极位置位于270度～360度的区域。因此，在这种场合，在所推测的磁极相位θ(＝0或180度)加上推测为有磁极的区域的相位幅的1/2的相位量β(＝180度或90度)，求得新的推测磁极位置θ(＝180或270)。即，作为推测磁极位置θ，存储推测为磁极位置存在的区域的起点的相位。在这种场合，因为推测为在定子励磁相位180度～360度(或270度～360度)的区域有转子磁极位置，所以作为新的推测磁极位置θ，存储180度(或270度)(步骤A14)。

另外，在步骤A13，当判别为在负方向旋转时，转子的磁极位置位于0度～180度(或180度～270度)的区域，这时，不更新推测磁极位置θ，而照原样存储推测为有转子磁极位置的区域的0度～180度的起点“0度”(或180度～270度的起点180度)。

因为转子旋转了，所以为了将转子返回到原位置，这次在步骤A10励磁的励磁相位φ流过极性相反的直流电流-I，设置在步骤A12测定的经过时间后让计时器开始计时(步骤A15)。之后，计时器时间一到(步骤A16)，就停止励磁电流(步骤A17)。即，通过在同一时间以相同的大小流过极性相反的励磁电流，反方向移动转子已移动的部分而使转子返回到原位置。

但是，即使将转子返回到原位置，也不能说正确地返回到原位置，所以读取当前位置寄存器的值，将该值作为转子移动量δ存储在寄存器(步骤A18)。将试行计数器n增加“1”(步骤A19)，接着进行下面(9)式的运算来求取励磁的直流电流I的大小(步骤A20)。

I＝Ir×(1+n/N)                …(9)

在本发明中，是逐次逼近以使流过直流电流I的相位和转子磁极位置一致。即，为了使用磁通矢量和电流矢量一致而使两者接近。如上所述，让转子旋转的转矩，因为是“|I||Φ|sinα”，所以，如果直流电流值I为恒定，则会渐渐变小。因此，在本实施方式中，每当变化(使之接近转子磁极位置)励磁的相位，都使励磁直流电流值I增大。

之后，返回到步骤A6，直到试行计数器n超过设定值N，一直重复执行从步骤A6到步骤A20的处理。

如上述那样，使直流电流流向转子，来推测转子磁极位置存在的区域，并且逐次使其区域宽度变小(在该实施方式中，将该区域宽度减少到1/2)，求得推测磁极位置θ。

在该实施方式中，用n＝1，可以将转子磁极位置存在的区域宽度β缩小为360度的一半180度，用n＝2可使β＝90、用n＝3可使β＝45、用n＝4可使β＝22.5、…用n＝10可使β＝0.3516、用n＝11可使β＝0.1758。之后，其区域的起点作为推测磁极位置θ被求得。因此，预先设定可获得必要精度水平的设定值N，求得必要精度的推测磁极位置θ。

这样，当在步骤A6试行计数器n的值超过设定值N时，进入步骤A25，在推测磁极位置θ加上转子的移动量δ，作为最终的推测磁极位置θ，转移到图3的步骤S5，确定磁极位置。

下面是第1磁极位置推测方法处理的算法。

图6及7是第2磁极位置推测方法处理的算法。

在第2磁极位置推测方法处理中，将图1的开关SB切换到b侧，将不使电动机的转子移动的水平的振幅比较小的高频(正弦波)电压作为d相电压指令输入，q相电压指令作为0，来驱动电动机(步骤B1)。由于是高频且振幅小的电压指令，所以转子不移动。之后，以预定周期使励磁相位φ变化预定量(步骤B2)。与该励磁相位φ的预定量变化同步读取d相的反馈电流(步骤B3)。根据读取的d相反馈电流i_d与在上周期读取的d相反馈电流i_d的差，求得该d相反馈电流的微分值pi_d。求得该微分值pi_d与在步骤B1输入的高频电压指令的积f_d(参照(6)式)(步骤B4)。低通滤波处理该积f_d，除去高频成分(参照(7)式)(步骤B5)，求得除去了该高频成分的积f_d为最大值的励磁相位φ(步骤B6)。即，设置存储除去了高频成分的上述积f_d的峰值的寄存器，比较该寄存器存储的值和在步骤B4、B5求得的积f_d的大小，求得的积f_d如果大，则在将该求得的积f_d的值存储到该寄器的同时，将产生积f_d的峰值那时的励磁相位φ存储到寄存器。下面，按电角180度预定周期执行从步骤B1到B6的处理，电角180度的处理如果结束，则可以求得在该电角180度1周期内的最大的上述积f_d，可以求得与该最大的积f_d对应的励磁相位φ。

判断是否实施了预定偶数次(例如8次实施180度处理，在电角360度为4次)按电角180度区分360度并将180度作为1周期的处理(步骤B7)，如果未达到预定次数，则再次执行自上述步骤S1的处理。这样，如果每个电角180度周期可以求得预定次数的电角180度中的上述积f_d为最大的励磁相位φ，则在电角360度内2个所求得的积f_d为最大的励磁相位φ之中选择任意1个电角的励磁相位φ(例如选择励磁相位φ小的一方)，判断其中最大值和最小值之差是否在预定的范围内。即判断是否无误差(步骤B8)。在有电角凸极性的电动机的场合，没有误差，在预定范围内，而在没有电角凸极性的电动机的场合，发生误差，在该第2磁极位置推测方法中，不能检测磁极位置，所以，在这种场合下，转移到图3的步骤S11。

另一方面，如果没有误差，求得其平均值，将其平均值作为积f_d为峰值的励磁相位φ(步骤B9)。之后，根据该平均值补正反馈和滤波的延迟，求得磁通方向(步骤B10)。即，可以求得d轴和磁极的偏移量Δθ为0或π的励磁相位(磁通的方向)φ。接着，对于所求得的励磁相位φ(磁通的方向)，求得磁极的方向。

首先，固定在步骤B10所求得的励磁相位φ(步骤B11)，因为使生成磁饱和水平的电流流入电动机，所以作为d相电压指令、以比较大的电压d相电压指令预定宽度的正的矩形波电压来驱动电动机(步骤B12)。这时，因为励磁相位是d轴方向，所以，即使流过大电流，电动机的转子也不转动。求取并存储此时的d相的反馈电流的峰值(最大值)(步骤B13)。接着，在经过预定时间后(将预定时间、电压指令设为0)，电压的大小相同，将反符号(负)的矩形波电压作为d相电压指令驱动电动机(步骤B14)。这时电动机的转子也不转动。之后，求取并存储d相的反馈电流的峰值(最小值)(步骤B15)。

将在步骤B12、B14求得的d相反馈电流的峰值的最大值和最小值相加，并且累加其相加值(步骤B16)。之后，判断是否执行了所预定的次数，如果未达到预定次数，则返回到步骤B12，重复执行步骤B12以下的上述的处理(步骤B17)。求取预定次数、d相反馈电流的峰值(最大值、最小值)，求得其相加的累加值后，判断该累加值是否为正(步骤B18)。如果是正，则励磁相位φ的方向和磁极的方向一致，当前固定的励磁相位φ为Δθ＝0为与主磁通的方向一致的励磁相位、将励磁相位φ作为磁极位置θ进行确定(步骤B20)。另一方面，如果累加值为负，则当前正在固定的励磁相位φ为Δθ＝π、是与主磁通的方向相反，所以，在固定的励磁相位φ上加上180度(步骤B19)，将其位置作为励磁位置确定并作为磁极位置θ(步骤B20)，返回到图3的步骤S5。

上面，是本实施方式的磁极位置检测方法，由此，当因机械的磨擦大而不能转动转子来检测磁极位置时，根据第2磁极位置推测方法，如果是具有电凸极性的电动机，则通过实施第2磁极位置推测方法可以求得其磁极位置，另外，当是非凸极性的电动机时，用实施使转子转动来检测的第1磁极位置推测方法来检测磁极位置，而且如果用第1磁极位置推测方法不能检测，则自动用第2磁极位置推测方法进行，或者如果用第2磁极位置推测方法不能检测，则自动用第1磁极位置推测方法进行，只有在用第1、第2磁极位置推测方法不能检测时才发出警报。这时，在非凸极性的同步电动机中，只是因为在与该电动机连接的机械的磨擦大时才会导致磁极位置不能检测，所以不能检测的场合是被局限于非常的场合。

作为本发明的效果，通过第1磁极位置推测装置，因为转动电动机自动检测磁极位置，所以与有无电凸极性无关可以自动检测同步电动机的磁极位置。另外，通过该第1磁极位置推测装置，即使是在电动机因磨擦等不转动的场合，在具有电凸极性的同步电动机中，因为也可以通过第2磁极位置推测装置自动求得，所以不能自动求得磁极位置的同步电动机非常少。

Claims (4)

1.一种磁极位置检测装置，用于检测同步电动机的转子的磁极位置，

其特征在于具有：

在预定励磁相位施加电流指令的电流指令施加装置；

根据给予了上述电流指令时的电动机的旋转方向推测磁极位置的第1磁极位置推测装置；

在预定励磁相位施加电压指令的电压指令施加装置；

根据给予了上述电压指令时的电流反馈推测磁极位置的第2磁极位置推测装置；和

选择推测上述磁极位置的第1、第2磁极位置推测装置的装置。

2.一种磁极位置检测装置，用于检测同步电动机的转子的磁极位置，

其特征在于具有：

在预定励磁相位施加电流指令的电流指令施加装置；

根据给予了上述电流指令时的电动机的旋转方向和励磁相位来推测磁极位置的电角区域，通过缩小该区域来推测磁极位置的第1磁极位置推测装置；

在预定励磁相位施加电压指令的电压指令施加装置；

根据逐渐改变励磁相位来给予了上述电压指令时的电流反馈推测磁极方向位置，接着施加使之磁饱和的电压决定磁极方向来推测磁极位置的第2磁极位置推测装置；和

选择推测上述磁极位置的第1、第2磁极位置推测装置的装置。

3.根据权利要求1或2所述的磁极位置检测装置，其特征在于：

选择上述第1、第2磁极位置推测装置的装置，在第1磁极位置推测装置中，在尽管施加了电流指令而电动机不旋转的场合，自动地选择第2磁极位置推测装置。

4.据权利要求1或2所述的磁极位置检测装置，其特征在于：

选择上述第1、第2磁极位置推测装置的装置，在第2磁极位置推测装置中，在推测出的磁极位置的误差超过预定范围的场合，自动地选择第1磁极位置推测装置。

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