CN1954486A - 同步机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于得到考虑电力变换器的输出电流的限制的同时，发生尽可能接近所希望的指令转矩的同步机控制装置，具备由从转矩指令τ*和磁通指令φ*运算转矩电流指令iδ**的转矩电流运算器(15)、根据磁化电流指令iγ*和电流限制值imax，发生能够发生的转矩电流指令最大值的iδ*max的转矩电流限制发生器(14)、根据iδ*max在iδ**中加入限制的限幅器(16)构成的转矩电流指令发生器(9)、根据来自该转矩电流指令发生器(9)的iδ*运算磁通指令φ*的磁通指令发生器(10)、根据电枢电流反馈值运算电枢交链磁通反馈值|φ|的磁通运算器(5)以及生成磁化电流指令iγ*使得φ*与|φ|一致，输入到转矩电流指令发生器(9)中的磁通控制器(13)。

Description

同步机控制装置

技术领域

本发明涉及永久磁铁电动机或者磁阻电动机等同步机的控制装置。

背景技术

在永久磁铁电动机或者磁阻电动机等同步机的控制中，以往对于转子进行控制成使电枢电流矢量朝向一定的相位方向。例如，在以往的永久磁铁电动机中进行控制使电枢电流矢量朝向与转子的永久磁铁磁通轴正交的方向，与所希望的转矩成比例控制电枢电流矢量的绝对值。

另一方面，近年来正在适用利用了根据转子的凸极性发生的磁阻转矩的同步机，在这些电动机中，已知电枢电流矢量的绝对值与发生转矩不成比例，在这种情况下，在以往的控制方式中难以进行高精度的转矩控制。另外，如果永久磁铁电动机的转速上升，则电枢电压由于永久磁铁磁通产生的感应电压而上升，超过控制装置的可输出电压，因此为了防止这一点，进行弱磁通控制使永久磁铁磁通轴方向发生负的电枢电流矢量(弱电流)，以减小电枢交链磁通，而即使弱电流相同，但如果发生转矩不同，电枢电压也发生变化，因此，以往的控制方式难以对于变动的转矩把电枢电压控制成所希望的值。

作为解决这种课题的方法，例如，公开了在专利文献1(特开平10-243699号公报(段落0038～0040，图1、图3))中记载的技术。在专利文献1中公开的技术是生成同步机发生所希望的转矩和电枢电压那样的电枢交链磁通指令和与其正交的电枢电流(转矩电流)指令，另一方面，在决定磁通轴方向的电流(磁化电流)指令，使得从电枢电流进行磁通运算所求出的电枢交链磁通与上述磁通指令一致以后，从转矩电流指令和磁化电流指令生成转子dq轴方向的电流指令。

发明内容

发明要解决的课题

以往的同步机控制装置根据转矩指令和转速计算磁通指令。而且，磁通指令的上限按照用转速除电力变换器的最大输出电压的值来决定，而在电动机端子电压没有达到该最大输出电压的情况下，需要对于转矩指令提供所希望的电动机性能成为最大那样的最佳的磁通指令。这里所谓所希望的电动机性能，指的是例如转矩/电枢电流比，或者转矩/消耗功率比。在现有的同步机控制装置中，根据该转矩指令和磁通指令计算转矩电流指令和磁化电流指令。

然而，在电力变换器中存在可输出的最大输出电流，需要进行限制使得转矩电流指令和磁通电流指令的合成电流不会超过该最大输出电流。在现有的同步机控制装置中，由于根据转矩指令和转速决定磁通指令，因此存在考虑该电流限制的同时，不能够求上述最佳的磁通指令的问题点。

本发明是为解决上述那样的问题点而完成的。即，本发明的目的在于得到：在考虑电力变换器的输出电流的限制的同时，能够发生尽可能接近所希望的指令转矩的转矩的同步机控制装置。

用于解决课题的方法

本发明提供一种同步机控制装置，该同步机控制装置从转矩指令发生电枢电流指令，根据该电枢电流指令由电力变换器控制同步机的电枢电流，其特征在于具备，由从上述转矩指令和磁通指令运算作为上述电枢电流指令的转矩成分的转矩电流指令的转矩电流运算器、使得上述电枢电流不超过上述电力变换器的电流限制值那样，根据作为上述电枢电流指令的磁化成分的磁化电流指令和上述电流限制值，发生能够发生的转矩电流最大值的转矩电流限制发生器和根据上述转矩电流指令最大值在上述转矩电流指令上加入限制的限幅器构成的转矩电流指令发生器、根据来自该转矩电流指令发生器的转矩电流指令运算磁通指令的磁通指令发生器、根据上述同步机的电枢电流或者电枢电流以及电枢电压运算电枢交链磁通的磁通运算器、生成上述磁化电流指令输入到上述转矩电流指令发生器使得上述磁通指令与上述电枢交链磁通一致的磁通控制器。

发明的效果

依据本发明，由于参照磁通指令和磁化电流指令计算转矩电流指令，因此能够考虑电力变换器的输出电流的限制，另外，由于参照转矩电流指令计算磁通指令，因此能够成为反映了由上述输出电流限制所引起的转矩电流指令的变动的最佳指令。

附图说明

图1是表示本发明实施形态1中的同步机控制装置的结构图。

图2是表示转矩电流指令发生器9的内部结构的图。

图3是表示磁通指令发生器10的内部结构的图。

图4的图说明电枢电流与转矩的关系的图。

图5是转矩最大状态下的电动机的矢量图。

图6是表示磁通运算器5的内部结构的图。

图7表示运算放大器5的内部结构是与图6不同的图。

图8是表示本发明实施形态2中的同步机控制装置的结构图。

图9是表示磁通指令发生器10a的内部结构的图。

图10是表示本发明实施形态3中的同步机控制装置的、特别是转矩电流指令发生器9的内部结构的图。

图11是表示本发明实施形态4中的同步机控制装置的、特别是最佳磁通指令运算器17的内部结构的图。

图12是用于说明图11的最佳磁通指令运算器17的动作的流程图。

图13是用于说明图11的最佳磁通指令运算器17的、与图12不同的动作的流程图。

具体实施方式

实施形态1

图1是表示本发明实施形态1中的同步机控制装置的结构图。在作为电力变换器的三相驱动电路2上连接电枢绕线驱动同步机1，由电流传感器3检测电枢绕线的电流。另外，由转子位置传感器4检测同步机1的转子相位(电角)θ。

磁通运算器5如用图6、7在后面叙述的那样，例如，从三相电枢电流反馈值iu、iv、iw和三相电压指令vu*、vv*、vw*(其中，图中简记为vu、vv、vw)计算电枢交链磁通的绝对值||以及相位∠。

由于在电枢交链磁通相位∠的方向(γ轴)以及其正交方向(δ轴)的两个轴上进行电枢电流的控制，因此电枢电流反馈值iu、iv、iw由坐标变换器7变换成γδ轴上的电流iγ-、iδ-，这时，γ轴电流相当于电枢电流的磁化成分即磁化电流，δ轴电流相当于电枢电流的转矩成分即转矩电流。

电枢电流控制器6进行电流控制运算，使电枢电流iγ-、iδ-与γδ轴上的所希望的电枢电流指令iγ*、iδ*一致，输出γδ轴上的电压指令vγ、vδ。而且，该电压矢量vγ、vδ由坐标变换器8变换成三相电压指令vu*、vv*、vw*，输出到三相驱动电路2。

另一方面，转矩电流指令发生器9根据所提供的转矩指令τ*一边参照γ轴电流(磁化电流)指令iγ*、磁通指令*，一边计算δ轴电流(转矩电流)指令iδ*。

磁通指令发生器10根据δ轴电流指令iδ*，一边参照用微分器11把转子相位θ微分后所求出的转速ω，一边计算磁通指令*。另外，加法器12从磁通指令*减去从磁通运算器5输出的电枢交链磁通的绝对值||，计算磁通误差，磁通控制器13调节γ轴电流指令iγ*使得该磁通误差成为0。

图2表示转矩电流指令发生器9的内部结构。在图1所示的控制系统中，由于进行控制使得电枢交链磁通与γ轴一致，因此同步机1发生的转矩τ与δ轴电流iδ之间存在(1)式的关系。其中，pp是同步机1的极对数。

[数1]

$i_{\mathrm{\δ}}=\frac{\mathrm{\τ}}{\mathrm{pp}\·\left|\mathrm{\Φ}\right|}....\left(1\right)$

由于如果良好地进行磁通控制，则磁通绝对值||与磁通指令*一致，因此转矩电流运算器15通过把(1)式的||置换成磁通指令*，计算δ轴电流指令中间值iδ**。转矩电流限制发生器14使用γ轴电流指令iγ*以及电流限制值imax，根据(2)式，计算δ轴电流指令最大值iδ*imax。

[数2]

${i_{\mathrm{\δ}}}^{*}\max =\sqrt{{\left(i_{\max }\right)}^2-{\left({i_{\mathrm{\γ}}}^{*}\right)}^2}\mathrm{}....\left(2\right)$

限幅器16根据δ轴电流指令最大值iδ*imax限制δ轴电流指令中间值iδ**，输出δ轴电流指令iδ*。

图3表示磁通指令发生器10的内部结构。最佳磁通指令运算器17在所输入的δ轴电流指令iδ*中输出最佳磁通指令，以下，参照图4、5说明其概念。

在永久磁铁电动机(包括像IPM电动机那样利用了磁阻转矩的电动机)或者磁阻电动机中，如图4所示，如果使来自绝对值一定的电流矢量的转子d轴的相位ρ变化，则如该图(b)所示，存在转矩成为最大的相位。

这里，d轴在永久磁铁电动机的转子中相当于永久磁铁磁通轴，与其正交的轴相当于q轴。

例如，在像IPM电动机那样，q轴的电感比d轴大的反向凸极性的电动机的情况下，如图4所示，电流矢量的相位在比90°大的某一角度下转矩成为最大。另外，如果没有铁心的磁饱和，则该最佳的电流相位ρ与电枢电流的大小无关是恒定的，而在实际的电动机中，由于电感根据磁饱和发生变化，因此根据磁阻转矩的影响，最佳电流相位ρ根据电枢电流的大小发生变化。

例如，在通常的IPM电动机的情况下，在电枢电流小的状态下由于没有磁饱和，因此使相位ρ比90°大(例如110°左右)时转矩大，而如果加大电枢电流，则在电流主要流动的q轴方向上发生磁饱和，q轴电感与d轴电感之差减小，因此使相位ρ(例如100°左右)减小时转矩变大。

这里，研究在该最佳电流相位状态下的电枢电流与磁通的关系。图5中表示图4(b)的转矩最大状态下的电动机的矢量图，电枢交链磁通由根据电流矢量i产生的电枢反作用磁通a与永久磁铁磁通m的合成表现，如果把与该电枢交链磁通正交的方向作为δ轴，则电流矢量i的δ轴方向成分是δ轴电流iδ。

从而，如果确定右电枢电流绝对值和从该绝对值决定的最佳电流相位ρ构成的电流矢量i，则唯一地决定δ轴电流iδ以及电枢交链磁通的绝对值。从这一点出发，能够理解在转矩最大条件下，δ轴电流iδ与磁通绝对值||之间成立一对一的关系。另外，应该注意的是，进行以上的磁通绝对值||的决定并没有考虑电压的限制。

返回到图3，最佳磁通指令运算器17以数学公式或者表数据的形式保存该δ轴电流iδ与磁通绝对值||的关系，根据所输入的δ轴电流指令iδ*，输出最佳的磁通绝对值即最佳磁通指令**。另外，在以上的说明中，把δ轴电流指令iδ*与最佳磁通指令**建立关系使得发生转矩成为最大，然而依照运行目的，例如，可以是效率最大这样的目标，如果进行一般所希望的性能为最大那样的δ轴电流指令iδ*与最佳磁通指令**的关系对应，则能够得到与其目的相适应的运行特性。

另外，例如，在进行效率成为最大那样的δ轴电流指令iδ*与最佳磁通指令**的关系对应的情况下，由于考虑铁损的影响因此作为其主要原因参照电动机转速，如果进行电动机转速一旦上升则使最佳磁通指令ω**下降的调整，则能够进一步提高特性。

磁通限制发生器18根据电力变换器(三相驱动电路)能够输出的电压，计算与电动机转速ω(同一个方框内限制特性图中的横轴)相对应的磁通指令最大值*max(同一个特性图的纵轴)。限幅器19根据磁通指令最大值*max限制来自最佳磁通指令运算器17的最佳磁通指令**输出磁通指令*。

另外，在图1的结构中，存在着在转矩电流指令发生器9与磁通指令发生器10之间循环计算的问题。即，在图1的结构中，如果直接进行信号的处理，则产生转矩指令τ*→(转矩电流指令发生器9)→转矩电流指令iδ*→(磁通指令发生器10)→磁通指令*→(转矩电流指令发生器9)→转矩电流指令iδ*......这样的环，为了对于所输入的转矩指令τ*确定转矩电流指令iδ*以及磁通指令*，需要反复进行转矩电流指令发生器9以及磁通指令发生器10的运算并使其收敛，一般需要很长的运算时间。或者，还有可能根据条件出现运算不收敛的问题。

然而，如果允许运算精度降低一些，例如，通过实施以下所示的对策能够避免上述问题。即，在实际装置中，可以考虑在使用微机按照预定的运算周期处理上述处理时，例如，在转矩电流指令发生器9使用的磁通指令*中使用前一次运算结果，根据使用该指令值计算的δ轴电流指令iδ*，磁通指令发生器10计算本次的磁通指令*的方法。另外，在磁通指令发生器10中，通过经由适当的滤波器输出磁通指令*的值，能够提高运算处理的稳定性。

另外，在图1～3的说明中，在转矩电流指令发生器9的计算中使用磁通指令*以及γ轴电流指令iγ*，而代替这些值，也可以使用实际值即磁通绝对值||以及γ轴电流反馈值iγ-。另外，在磁通指令发生器10的运算中使用δ轴电流指令iδ*，而代替该值，也可以使用实际值即δ轴电流反馈值iδ-。根据这些变更，控制运算虽然易于受到实际值中包含的噪声的影响，但是能够避免上述的运算成为循环的问题。

其次，图6中表示磁通运算器5的内部构造的一个例子。在图6中，坐标变换器20使用转子相位θ把三相电枢电流iu、iv、iw变换成转子轴上的dq坐标电流id、iq。在电流型磁通运算器21中，从dq轴电流id、iq，求电枢交链磁通的绝对值||和来自该磁通的d轴的相位Δθ。

在永久磁铁电动机中，在电流与磁通之间成立(3)所示的关系。

[数3]

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_d=L_d{i}_d+{\mathrm{\φ}}_m\\ {\mathrm{\φ}}_q=L_q{i}_q\end{array}....\left(3\right)\right.$

式中，d是d轴磁通，q是q轴磁通，Ld是d轴电感，Lq是q轴电感，m是永久磁铁磁通。另外，在磁阻电动机中，(3)式成立其中m＝0。从dq轴磁通d、q，用(4)式求电枢交链磁通的绝对值||以及来自该磁通的d轴的相位Δθ。

[数4]

$\left|\mathrm{\Φ}\right|=\sqrt{{{\mathrm{\φ}}_d}^2+{{\mathrm{\φ}}_q}^2}、\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{ta}{n}^{-1}\frac{{\mathrm{\φ}}_q}{{\mathrm{\φ}}_d}....\left(4\right)$

加法器22把转子相位θ与来自电枢交链磁通的d轴的相位Δθ相加，求电枢交链磁通的相位∠。另外，已知dq轴电感由于磁饱和，其值根据dq轴电流而变化，然而通过预先以数学公式或者表的形式存储dq轴电流与dq轴电感的关系，根据dq轴电流改变在(3)式中使用的dq轴电感的值，能够降低由电感变动引起的磁通推定的误差。

图7表示了与图6不同的磁通运算器5的例子。在图7中，坐标变换器20与图6相同，坐标变换器23使用转子相位θ把电枢的三相电压vu、vv、vw变换成转子轴上的dq坐标电压vd、vq。微分器25把转子相位θ微分求转子的电角度ω。

在电压型磁通运算器24中，从dq轴电压vd、vq以及dq轴电流id、iq，求电枢交链磁通的绝对值||与来自该磁通的d轴的相位Δθ。在永久磁铁电动机中，电流、电压与磁通之间成立(5)式所示的关系。

[数5]

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_d=\frac{1}{\mathrm{\ω}}(v_q-(R+L_{q}s)i_q)\\ {\mathrm{\φ}}_q=-\frac{1}{\mathrm{\ω}}(v_d-(R+L_{d}s)i_d)\end{array}....\left(5\right)\right.$

式中，R是电枢电阻，s是微分算子。另外，在(5)式中，在电流的变化平缓的情况下，也可以忽视包括微分算子s的项，在这种情况下，(5)式变形成以下的(6)式。

[数6]

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\φ}}_d=\frac{1}{\mathrm{\ω}}(v_q-R\·i_q)\\ {\mathrm{\φ}}_q=-\frac{1}{\mathrm{\ω}}(v_d-R\·i_d)\end{array}....\left(6\right)\right.$

进而，在电枢电阻R比其它项小的情况下，也可以忽略包括该值的项。

另一方面，由于电枢电阻R因同步机1的温度而变化，因此如果检测同步机1的温度修正电枢电阻R的值，则能够提高磁通推定的精度。与图6的情况相同，能够从由(5)式或者(6)式求出的dq轴磁通d、q，求电枢交链磁通的绝对值||以及该磁通的相位∠。

另外，在图1中，磁通运算器5在电枢电流中输入反馈值，在电枢电压中输入指令值，在运算中使用，反之，也可以在前者中使用指令值，在后者中使用反馈值，另外，也可以在双方中使用指令值或反馈值的某一个。

另外，从上述那样的电压求磁通的绝对值和相位的计算也可以不使用转子相位θ进行。具体地讲，把从三相电压  vu、vv、vw减去了由三相电流iu、iv、iw引起的电阻压降部分的值进行极坐标变换，可以把用转子电角速度ω除其绝对值的值作为电枢交链磁通绝对值||，把从其相位减去了90°(ω＞0的情况)或者加上了90°(ω＜0的情况)的值作为电枢交链磁通相位∠，该方法具有计算简便的优点。

具有图6所示那样的电流型磁通运算器的磁通运算器与转速无关能够进行磁通的推定，而由于如(3)式所示那样，在磁通运算中使用电感值，因此易于受到饱和等引起的电动机特性的变动的影响。另一方面，在具有图7所示那样的电压型磁通运算器的磁通运算器中，在用(6)式运算的值中，由于不使用电感值因此难以受到电动机特性的变动的影响，但是在转速小、电枢电压低的情况下，有时推定精度降低。作为解决这些问题的方法，并用电流型磁通运算器和电压型磁通运算器，切换磁通运算器使得在转速小的区域中主要使用电流型，如果转速上升则主要使用电压型，或者，也能够使用进行参照了转速加权的同时把两个磁通运算器的输出进行平均等的方法。

实施形态2

图8是表示本发明实施形态2中的同步机控制装置的结构图。本形态表示三相驱动电路2的直流电源电压可变时的结构，1～9以及11～13与实施形态1的部分相同。

这里，说明使三相驱动电路2的直流电源电压可变的优点等。

一般，电力变换器即变换器的直流电源电压根据所使用的电源(蓄电池或者交流电源)决定。另一方面，永久磁铁电动机由于发生大致与转速成比例的感应电压，因此为了把电动机电压限制成小于等于变换器的上限的同时使转速增大，需要在电枢中流过抵消永久磁铁磁通的弱电流，进行弱磁通运行。

该弱电流由于是在转矩的发生方面没有贡献的无效电流，因此在弱磁通运行所需要的区域中永久磁铁电动机的效率显著降低。另外，由于限制变换器的最大电流，因此发生转矩中能够使用的电流相应减少弱电流部分，转矩降低。

对此，如果能够由DC-DC变换器等使直流电源电压可变，提高直流电源电压的话，则能够提高进行上述的弱磁通运行所需要的转速上限，能够以高效率·大转矩运行到更高的转速。

另一方面，DC-DC变换器自身发生损失，一般由于直流电源电压越高变换器的开关损失越大，因此在不需要降低转速进行弱磁通运行的运行区域中，不提高直流电源电压对于系统整体效率更好。从而，在根据需要使直流电源电压可变的方式中具有以上的优点。

返回到图8，根据由磁通指令发生器10a发生的直流电压指令vdc*，可变电压电源26操作向三相驱动电路2供给的直流电源电压。在可变电压电源26的输出电压范围中存在限制，另外，根据三相驱动电路2输出的功率等，实际上可变电压电源26输出的直流电压即直流电压反馈值vdc-有时与直流电压指令vdc*不一致。磁通指令发生器10a参照直流电压反馈值vdc-和转速ω，决定磁通指令*。

图9表示磁通指令发生器10的内部结构。最佳磁通指令运算器17与图3相同，从δ轴电流指令iδ*输出不考虑电压的限制的最佳磁通指令**。乘法器27在最佳磁通指令**上乘以转速(反馈值)ω，计算为了发生最佳磁通指令**所需要的电压。加法器30在该值压上加入控制余量以及作为电阻电压降电压的电压余量△vdc，计算并输出直流电压指令vdc*。

另一方面，从可变电压电源26反馈的实际的直流电压反馈值vdc-，由加法器31减去控制余量以及电阻电压降部分即电压的电压余量△vdc，求磁通电压，在除法器28中用转速ω除该值，计算能够发生的磁通指令最大值*max。限幅器29根据磁通指令最大值*max限制最佳磁通指令**，计算最终的磁通指令*。

从而，在使直流电压反馈值vdc-可靠地跟踪直流电压指令vdc*的控制的条件下，可变电压电源26成为供给与由最佳磁通指令运算器17求出的用于补偿使转矩为最大的最佳磁通指令**的直流电压指令vdc*一致的直流电压反馈值vdc-，从而，这种情况下，限幅器29实质上不进行磁通限制动作，最佳磁通指令**直接作为磁通指令*输出。

另外，在图8的结构中，磁通指令发生器10a在输出直流电压指令vdc*的同时，参照直流电压反馈值vdc-决定磁通指令，而如果是与直流电源电压的变动相对应这样的目的，则也可以不输出直流电压指令vdc*而参照直流电压反馈值vdc-决定磁通指令，这一点是很明确的，可以得到所希望的效果。

另外，在认为直流电源电压像直流电压指令vdc*那样跟踪的情况下，也可以不需要参照直流电压反馈值vdc-，代替直流电压反馈值vdc-使用直流电压指令vdc*，这是很明确的。在这种情况下，由于在直流电源电压的电压输出范围中存在限制，因此在磁通指令发生器10a内需要在直流电压指令vdc*上加入限制。

另外，在图9的磁通指令发生器10a的结构中，在电压余量△vdc的计算中没有参照电枢电流，而当然也可以参照电枢电流计算电压余量△vdc，使得电源利用率进一步提高。

实施形态3

图10表示本发明的实施形态3。

在前面的实施形态1的转矩电流指令发生器9中，设从上一级系统提供的转矩指令τ*直接使用其值。

然而，在同步机1的电感大的情况下，为了使电枢交链磁通与磁通指令*一致，有时需要限制转矩指令τ*。图10是表示需要在转矩限制时的转矩电流指令发生器9的内部结构的图。图中，转矩限制发生器32参照磁通指令*，输出可以用其磁通发生的最大转矩τ*max，限幅器33根据该最大转矩τ*max限制原来的转矩指令τ*，输出限制后的转矩指令τ*。转矩电流限制发生器14、转矩电流运算器15以及限幅器16使用该限制后的转矩指令τ*根据与图2相同的处理计算δ轴电流指令iδ*。

这里，说明转矩限制发生器32的运算例。在同步机是非凸极的永久磁铁电动机的情况下，电动机发生的转矩能够用以下的公式表示。

[数7]

$\mathrm{\τ}=\mathrm{pp}\·{\mathrm{\φ}}_m\·i_q....\left(7\right)$

另一方面，电动机的电枢交链磁通的大小能够用以下公式表示。式中，L是电动机的电感，在非凸极的情况下在dq轴是相同的值。

[数8]

$\mathrm{\φ}=\sqrt{{({\mathrm{\φ}}_m+L\·i_d)}^2+L^2{i_q}^2}....\left(8\right)$

这里，(8)式平方根内的第一项通过使d轴电流id成为负的值能够成为0，第二项根据q轴电流iq的大小决定。即，在要使电枢交链磁通成为所希望的值*的情况下，q轴电流iq需要是满足以下公式的值。

[数9]

$i_q\≤\frac{{\mathrm{\φ}}^{*}}{L}....\left(9\right)$

把(9)式代入到(7)式中，整理后得到下面的公式。

[数10]

$\mathrm{\τ}\≤\mathrm{pp}\frac{{\mathrm{\φ}}_m}{L}{\mathrm{\φ}}^{*....}\left(10\right)$

从以上说明可知，在非凸极的永久磁铁的情况下，转矩限制发生器32可以使用(10)式计算最大转矩τ*max。另外，在电动机具有电感随负载变化的饱和特性的情况下，或者加入了电动机的凸极性的影响的情况下，当然也可以不是上述那样的公式的形式，而是以表的形式预先存储磁通指令*与最大转矩τ*max的关系。

实施形态4

图11是表示本发明的实施形态4的图。

在前面的实施形态1的磁通指令发生器10中，说明了其最佳磁通指令运算器17根据在电枢电流绝对值一定，转矩最大的条件下决定的转矩电流和电枢交链磁通的关系运算磁通指令。

然而，在预先不了解同步机1的运行特性的情况下，或者经过分析得到的特性与实际机器的特性不同的情况下，有时需要学习性地生成或调整同步机1的所希望的性能成为最大那样的δ轴电流指令iδ*与最佳磁通指令**的互相关联。

图11是表示需要学习地进行该δ轴电流指令iδ*和最佳磁通指令**的生成时的最佳磁通指令运算器17的内部结构的图。

初始磁通指令运算器34以数学公式或表数据的形式保存最佳磁通指令的绝对值|**_init|对于δ轴电流指令iδ*的初始的关系，对于所输入的δ轴电流指令iδ*，输出初始的最佳磁通指令**_init。这里，初始的最佳磁通指令**_init可以取对于δ轴电流指令iδ*能够输出的磁通指令的输出范围，即使在预先不了解最佳磁通指令**的情况下，也能够从同步机1的代表性的特性提供大致的初始值。

磁通指令调节器35在对于所输入的初始磁通指令**_init从上位输入了磁通调节指令S_adj的情况下，调节磁通指令*_adj使得所希望的性能成为最大，作为最佳磁通指令器17的指令**输出调节了的磁通指令*_adj的同时，作为与所输入的转矩电流指令iδ*相对应的磁通指令值**_init的更新数据，更新初始磁通指令发生器34的数学公式或表数据。

没有从上位输入磁通调节指令S_adj的情况下，磁通指令调节器35不动作，初始磁通指令发生器34的输出**_init直接成为最佳磁通指令**。

图12以流程图表示所希望的性能是以转矩为最大的条件时的磁通指令调节器35的动作。

首先，判断是否从上位指令系统输入了磁通调节指令S_adj(步骤S1)。这里，设磁通调节指令S_adj只有在恒定转矩、恒定输出而且没有加入三相驱动电路2的电压输出限制的条件下运行电动机1时成为ON。在磁通调节指令S_adj为ON的情况下，调节磁通指令*_adj，OFF的情况下，转移到步骤S10，输出初始最佳磁通指令**_init。

接着，用可能输出的磁通指令值的最小值**_min把调节的磁通指令*_adj初始化和固定(步骤S2)。这时，由于在转矩指令τ*恒定下运行，因此转矩电流指令iδ*根据(1)式成为用磁通指令**_min除转矩指令τ*的值。在更新了磁通指令*_adj以后，待机到转矩电流iδ以及磁通绝对值||收敛到各自指令值iδ*_adj、*_adj为止(步骤S3)。

在转矩电流iδ以及磁通绝对值||收敛到指令值以后，从电枢电流iu、iv、iw求轴电枢电流的绝对值ia(步骤S4)。进而，把绝对值ia与电枢电流最小值ia_min进行比较(步骤S5)。在绝对值ia比电枢电流最小值ia_min小的情况下，把这时的转矩电流指令iδ*_adj以及磁通指令*_adj作为满足转矩最大条件的转矩电流指令iδ*与磁通指令*组(iδ*_opt、*_opt)保存。另外，用电枢电流绝对值ia更新电枢电流最小值ia_min(步骤S6)。

接着，把在步骤S2中固定了的磁通指令*_adj增加Δ进行更新和固定(步骤S7)。然后，在该磁通指令没有超过可能输出的磁通指令**_max的情况下，再次重复步骤S3～步骤S7(步骤S8)。

如果重复上述的动作，则对于一定的转矩指令τ*，在使磁通指令*_adi从最小值**_min到最大值**_max变动时，把电枢电流ia成为最小的(iδ*_adj、_adj)，即，将满足转矩最大条件的转矩电流和磁通的对保存在(iδ*_opt、*_opt)中。

最后，使用上述的(iδ*_opt、*_opt)，更新初始磁通指令发生器34的数学公式或者表数据(步骤S9)。在磁通指令发生器34的数学公式或者表数据更新以后，解除磁通指令调节器35的磁通指令*_adj的固定，对于转矩电流指令iδ*把更新后的(初始)磁通指令发生器34的磁通指令**_init作为最佳磁通指令**进行输出(步骤S10)。

另外，在图12的流程图中，使磁通指令调整器35的磁通指令*_adj从最小值到最大值以△的分辨率活动，求电枢电流ia成为最小的磁通指令，而通过收敛地求电枢电流成为最小的点求该指令，还能够缩短运算时间。

在图13中用流程图表示收敛地求上述(iδ*_opt、*_opt)时的磁通指令调节器35的动作。

在图13中，首先，与图12相同，判断是否从上位指令系统输入了磁通调节指令(步骤S1)，在ON的情况下调节磁通指令，在OFF的情况下转移到步骤S9，直接输出初始最佳磁通指令**_init。

接着，用当前的磁通指令**_init固定磁通指令*_adj(步骤S2)。然后，待机到磁通||以及转矩电流iδ收敛到指令值为止(步骤S3)。

接着，在测定了这时的电枢电流绝对值ia(步骤S4)以后，运算下一次磁通指令与本次磁通指令之差即磁通指令步进宽度△(步骤S5)。这里，磁通指令的步进宽度选择磁通指令初始的3点取包围电枢电流绝对值ia的最小值的3点，而且，在下一次更新中包围电枢电流绝对值ia的最小值的3点的磁通指令的宽度的减少为最大的步进宽度。作为这种步进宽度的选择方法，能够利用放射线内插和Brent的方法(1维)等。

接着，把该步进宽度与磁通指令的最小增加宽度，即磁通指令的收敛误差d进行比较(步骤S6)。在步进宽度△比收敛误差d大的情况下，通过在磁通指令*_adj中加入步进宽度△进行更新和固定(步骤S7)，再次反复进行S3～S6的循环直到△收敛到收敛误差d以内。

收敛结束后，转矩电流指令和磁通指令的对(iδ*_adj、*_adj)成为与满足转矩最大条件的转矩电流指令和磁通指令的对(iδ*_opt、*_opt)相等。根据该对更新初始磁通指令发生器34的数学公式或者表数据(步骤S8)，对于转矩电流指令iδ*，输出更新了的初始最佳磁通指令**_init(步骤S9)。

根据以上的说明，即使在预先不了解满足同步机1的转矩最大条件的转矩电流指令iδ*与磁通指令*的关系的情况下，通过添加进行图12或者图13的流程图中的动作的磁通指令调节器，能够学习性地求对于转矩电流指令iδ*的最佳磁通指令**。

另外，在使所希望的性能成为输入电力最小的情况下，在图12、13的流程图中，如果代替电枢电流ia进行变更使得三相驱动电路2的DC线路电压Vdc与DC电流Idc之积，即DC电力Pdc成为最小，则对于同一个电枢电流绝对值ia，可以得到输入电力成为最小的转矩电流指令iδ*和最佳磁通指令**的点。

另外，在DC线路电压Vdc稳定的情况下，当然也可以进行变更使得DC电流Idc成为最小。

如上所述，在本发明中，

在转矩电流指令发生器的上一级具备发生根据磁通指令能够输出的转矩指令最大值的转矩限制发生器以及根据转矩指令最大值在转矩指令中加入限制的限幅器，转矩电流指令发生器由于根据由该限幅器限制的转矩指令运算转矩指令电流，因此即使在需要限制转矩指令的情况下，也能够进行平滑的同步机控制。

另外，磁通指令发生器由于具备输入同步机的转速反馈值，使得电枢电压不超过电力变换器的电压限制那样，根据转速反馈值和电压限制值发生能够发生的磁通指令最大值的磁通限制发生器以及根据磁通指令最大值在磁通指令中加入限制的限幅器，因此能够在电力变换器的电压限制内可靠地生成所希望的磁通指令。

另外，具备根据直流电压指令在电力变换器中供给直流电压的可变电压电源，磁通指令发生器由于具备输入同步机的转速反馈值，在磁通指令上乘以转速反馈值发生输出到可变电压电源的直流电压指令乘法器、用转速反馈值除从可变电压电源输入的直流电压反馈值，发生能够发生的磁通指令最大值的除法器以及根据磁通指令最大值在磁通指令中加入限制的限幅器，因此能够无障碍地享受使直流电压可变的优点。

另外，除法器由于代替直流电压反馈值输入直流电压指令，因此相应地控制结构简单。

另外，具备根据直流电压指令在电力变换器中供给直流电压的可变电压电源，磁通指令发生器由于具备输入同步机的转速反馈值，用转速反馈值除从可变电压电源输入的直流电压反馈值，发生能够发生的磁通指令最大值的除法器以及根据磁通指令最大值在磁通指令中加入限制的限幅器，因此能够无障碍地享受使直流电压可变的优点。

另外，转矩电流指令发生器由于代替磁化电流指令输入作为电枢电流反馈值的磁化成分的磁化电流反馈值，因此能够使控制动作稳定迅速。

另外，转矩电流指令发生器由于代替磁通指令输入电枢交链磁通，因此使控制动作稳定迅速。

另外，磁通指令发生器由于代替转矩电流指令输入作为电枢电流反馈值的转矩成分的转矩电流反馈值，因此使控制动作稳定迅速。

另外，磁通指令发生器由于根据在电枢电流绝对值一定而且转矩成为最大的条件下决定的转矩电流与电枢交链磁通的关系运算磁通指令，因此在所提供的条件下，实现能够使转矩成为最大的有用的同步机控制。

另外，磁通指令发生器由于根据在转矩指令一定而且使电枢电流绝对值或者输入电力成为最小的条件下决定的转矩电流与电枢交链磁通的关系输出磁通指令那样，学习性地运算转矩指令与电枢交链磁通的关系，因此即使在预先不了解同步机的运行特性的情况下，或者经过分析得到的特性与实际机器的特性不同的情况下，也能够在所提供的条件下使电枢电流绝对值或者输入电力成为最小的有用的同步机控制。

符号的说明

1：同步机

2：三相驱动电路

3：电流传感器

4：转子位置传感器

5：磁通运算器

6：电枢电流控制器

9：转矩电流指令发生器

10、10a：磁通指令发生器

13：磁通控制器

14：转矩电流限制发生器

15：转矩电流运算器

16：限幅器

17：最佳磁通指令运算器

18：磁通限制发生器

19：限幅器

21：电流型磁通运算器

24：电压型磁通运算器

26：可变电压电源

27：乘法器

28：除法器

29：限幅器

32：转矩限制发生器

33：限幅器

34：初始磁通指令发生器

35：磁通指令发生器

Claims (11)

1.一种同步机控制装置，该同步机控制装置从转矩指令发生电枢电流指令，根据该电枢电流指令由电力变换器控制同步机的电枢电流，其特征在于包括：

转矩电流指令发生器；

磁通指令发生器，基于来自该转矩电流指令发生器的转矩电流指令，运算磁通指令；

磁通运算器，基于上述同步机的电枢电流或者电枢电流以及电枢电压，运算电枢交链磁通；以及

磁通控制器，生成上述磁化电流指令输入到上述转矩电流指令发生器使得上述磁通指令与上述电枢交链磁通一致，

其中，所述转矩电流指令发生器的构成包括：

转矩电流运算器，从上述转矩指令和磁通指令运算上述电枢电流指令的转矩成分即转矩电流指令；

转矩电流限制发生器，基于上述电枢电流指令的磁化成分即磁化电流指令和上述电流限制值，发生能够发生的转矩电流指令最大值，使得上述电枢电流不超过上述电力变换器的电流限制值；和

限幅器，基于上述转矩电流指令最大值，在上述转矩电流指令上加入限制。

2.根据权利要求1所述的同步机控制装置，其特征在于：

在上述转矩电流指令发生器的上一级具备：

转矩限制发生器，基于上述磁通指令发生能够输出的转矩指令最大值；以及

限幅器，基于上述转矩指令最大值在上述转矩指令中加入限制，

上述转矩电流指令发生器基于由上述限幅器限制的转矩指令，运算转矩电流指令。

3.根据权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述磁通指令发生器具备：

磁通限制发生器，输入上述同步机的转速反馈值，基于上述转速反馈值和上述电压限制值，发生能够发生的磁通指令最大值，使得上述电枢电压不超过上述电力变换器的电压限制；以及

限幅器，基于上述磁通指令最大值在上述磁通指令中加入限制。

4.根据权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于还包括：

可变电压电源，基于直流电压指令在上述电力变换器中供给直流电压，

上述磁通指令发生器具备：

乘法器，输入上述同步机的转速反馈值，在上述磁通指令上乘以上述转速反馈值，发生输出到上述可变电压电源的上述直流电压指令；

除法器，用上述转速反馈值除从上述可变电压电源输入的直流电压反馈值，发生能够发生的磁通指令最大值；以及

限幅器，基于上述磁通指令最大值在上述磁通指令中加入限制。

5.根据权利要求4所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述除法器代替上述直流电压反馈值输入上述直流电压指令。

6.根据权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于还包括：

可变电压电源，基于直流电压指令在上述电力变换器中供给直流电压，

上述磁通指令发生器具备：

除法器，输入上述同步机的转速反馈值，用上述转速反馈值除从上述可变电压电源输入的直流电压反馈值，发生能够发生的磁通指令最大值；以及

限幅器，基于上述磁通指令最大值在上述磁通指令中加入限制。

7.根据权利要求1至6任一项所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述转矩电流指令发生器代替上述磁化电流指令输入上述电枢电流反馈值即磁化成分的磁化电流反馈值。

8.根据权利要求1至7任一项所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述转矩电流指令发生器代替上述磁通指令输入上述电枢交链磁通。

9.根据权利要求1至8任一项所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述磁通指令发生器代替上述转矩电流指令输入上述电枢电流反馈值的转矩成分即转矩电流反馈值。

10.根据权利要求1至9任一项所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述磁通指令发生器基于在上述电枢电流绝对值一定而且转矩为最大的条件下所决定的转矩电流与电枢交链磁通的关系，运算上述磁通指令。

11.根据权利要求1至9任一项所述的同步机控制装置，其特征在于：

上述磁通指令发生器基于在上述转矩指令一定而且电枢电流绝对值或者输入电力为最小的条件下所决定的转矩电流与电枢交链磁通的关系，学习性地运算上述转矩指令与电枢交链磁通的关系，以便输出上述磁通指令。

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