DE102013019852A1

DE102013019852A1 - Detektor für eine Magnetpolposition in einem Synchronmotor

Info

Publication number: DE102013019852A1
Application number: DE102013019852.6A
Authority: DE
Inventors: Naoto Sonoda; Yukio Toyozawa
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: US9331618B2; JP5667153B2; CN103856121B; JP2014110708A; DE102013019852B4; US20140152204A1; CN103856121A

Abstract

Ein Detektor für eine Magnetpolposition 1 in einem Synchronmotor 2 umfasst: eine Spannungsbefehlseinheit 11, die einen Befehl für eine hochfrequente Spannung in einem dq Koordinatensystem erzeugt, eine Dreiphasen Koordinatentransformationseinheit 12, die den Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem in einen Befehl für die hochfrequente Spannung in einem Dreiphasen-Koordinatensystem unter Verwendung einer geschätzten Magnetpolposition wandelt, eine Strommesseinheit 13, die den dreiphasigen Strom misst, der von einem Stromrichter 3 für die Erzeugung des Antriebsstroms für den Synchronmotor 2 nach Maßgabe des Befehls für die hochfrequente Spannung eingespeist wird, ein dq Koordinatentransformationseinheit 14, die den gemessenen dreiphasigen Strom in Strom in dem dq Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition transformiert, eine Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15, 15', die eine neue Magnetpolposition, die bei der Dreiphasen Transformation und der dq Transformation zu verwenden ist, nach Maßgabe des Stroms in dem dq Koordinatensystem und des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem errechnet, und eine Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition 16, die bestätigt, dass wenn die geschätzte Magnetpolposition stark auf eine bestimmte Position hin konvergiert, die geschätzte Magnetpolposition die Magnetpolposition ist, wenn der Synchronmotor 2 gestartet wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Detektor für eine Magnetpolposition zur Bestimmung einer Magnetpolposition in einem Synchronmotor, wenn der Synchronmotor gestartet wird.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In Synchronmotoren mit Permanentmagneten muss für jede Phase ein Strom an die Wicklungen entsprechend der Magnetpolposition des Rotors eingespeist werden, um ein gewünschtes Drehmoment zu erzeugen. Um dies zu erreichen, werden die Permanentmagnet-Synchronmotoren so gesteuert, dass der Strom zu einer geeigneten Erregungsphase (Magnetpolposition) zugeführt wird. Dazu wird die Magnetpolposition des Rotors mit einem Sensor wie zum Beispiel einem Drehwinkelgeber bestimmt. Die 7A und 7B sind schematische Darstellungen, die die Bestimmung einer Magnetpolposition eines Permanentmagnet-Synchronmotors wiedergeben. Ein in 7A dargestellter Synchronmotor 100, umfasst einen Permanentmagneten 101 auf einem Rotor und Spulenwicklungen 102U, 102V und 102W auf einem Stator. Zu beachten ist, dass 7A nicht genau wiedergibt, wie häufig der Draht jeder Spulenwicklung gewickelt ist, und den Weg, den der Draht jeder Spulenwicklung gewunden ist, aber sie stellt ein typisches Beispiel eines Permanentmagnet-Synchronmotors dar, in dem Wicklungen zur Erzeugung eines dreiphasigen drehenden Magnetfelds eingesetzt werden und bei dem die Phasen beispielsweise die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase sind. Ferner zeigt 7A die Gestalt oder Anordnung des Permanentmagnets nicht genau sondern zeigt nur den Permanentmagnet als einen Magnet mit einem N-Pol und einem S-Pol. Wenn sich der Motor in der in 7A dargestellten Position befindet, wird der Rotor in einer dq-Koordinatenebene so bewegt, wie dies in 7B dargestellt ist. Man nehme zum Beispiel an, dass ein Magnetpol des Rotors 101 des Synchronmotors 100 sich in der in 7B dargestellten Position (auf die als die nachfolgend ”die anfängliche Magnetpolposition” Bezug genommen wird) befindet, was bedeutet, dass er um den Winkel δ gegenüber der d-Achse verschoben ist, wenn der Synchronmotor 100 gestartet wird. In diesem Fall werden die von einem Sensor gemessenen Werte auf der Grundlage der ursprünglichen Magnetpolposition korrigiert und wird die Drehung des Rotors durch Steuerung der Stromphase (Erregungsphase) von jeder der Spulenwicklungen 102U, 102V und 102W auf der Basis der korrigierten Werte gesteuert bzw. geregelt.
Wenn die ursprüngliche Magnetpolposition, die zur Korrektur der von dem Sensor gemessenen Werte verwendet wird, nicht korrekt ist, wird die Drehung des Synchronmotors unter Verwendung des unkorrekten Werts gesteuert. Dies führt während des Betriebs des Synchronmotors häufig zu Schwankungen in der Konstanz des Drehmoments und dazu, dass das maximale Drehmoment nicht erzeugt werden kann. Insbesondere dann, wenn der Synchronmotor mit einer so großen Drehzahl gedreht wird, dass eine schwache Feldsteuerung erforderlich ist, ist es schwer, den richtigen Strom der d-Phase einzuspeisen, wenn die anfängliche Magnetpolposition nicht korrekt ist. Dies führt zu einer zu geringen in den Synchronmotor einzuspeisen Antriebsspannung und macht folglich die Steuerung des Synchronmotors instabil. Aus diesen Gründen ist es für die Steuerung bzw. Regelung des Synchronmotors wichtig, die anfängliche Magnetpolposition genau zu ermitteln, wenn der Synchronmotor gestartet wird. Zur Gewinnung einer genauen anfänglichen Magnetpolposition wird in manchen Fällen ein Sensor eingesetzt, der in der Lage ist, die Magnetpolposition als einen Absolutwert zu bestimmen. In einem solchen Fall wird der Sensor manchmal in der Magnetpolposition ausgerichtet, wenn er eingebaut wird. Alternativ, um den Ausrichtungsvorgang zu vermeiden, führt die Steuervorrichtung bzw. der Regler des Motors einen Bestimmungsprozess für die Magnetpolposition aus, beispielsweise, wenn der Synchronmotor gestartet wird.
Verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Magnetpolposition sind bereits vorgeschlagen worden. So schlägt zum Beispiel das japanische Patent Nr. 3408468 ein Verfahren zur Bestimmung einer Magnetpolposition durch Einspeisen eines Stroms in einer vorgegebenen Erregungsphase eines Stators über eine kurze Zeitspanne und des Einspeisen eine Stroms zu einer anderen Erregungsphase über eine kurze Zeitspanne auf der Grundlage der Richtung, in die sich der Rotor beim vorhergehenden Einspeisen des Stroms gedreht hat.
Ferner schlägt die japanische Patentschrift Nr. 3805336 ein Verfahren zum Bestimmen einer Magnetpolposition in einem Synchronmotor mit einer Saliency (Ausprägung der Schenkelpolarität) durch Beobachten der Feedbacks des Stroms während des Wechsels einer Erregungsphase durch Eingeben eines Befehls für eine hochfrequente Spannung vor.
Weiterhin schlägt die Veröffentlichung Nr. 2002-136174 einer offengelegten japanischen Patentanmeldung ein Verfahren zur Ausführung einer sensorlosen Drehzahlsteuerung bei einem Synchronmotor vor, wenn sich der Synchronmotor in stetigem Betrieb befindet, obwohl dieses Verfahren nicht nur auf die Bestimmung einer Magnetpolposition zu einem Zeitpunkt geeignet ist, zudem der Synchronmotor gestartet wird. Nach dem in der Veröffentlichung Nr. 2002-136174 beschriebenen Verfahren ist die sensorlose Steuerung dadurch ermöglicht, dass bewirkt wird, dass die Phase jedes Spannungsbefehls mit der Phase der im Synchronmotor induzierten entsprechenden gegenelektromotorischen Spannung durch Einsatz eine Phasenregelschleife (phase locked loop PLL) in Übereinstimmung gebracht wird.
Nach dem in der japanischen Patentschrift Nr. 3408468 beschriebenen Verfahren muss der Rotor in kleinsten Schritten gedreht werden. Folglich wird die Genauigkeit der Bestimmung der anfänglichen Magnetpolposition durch die Reibung und das Trägheitsmoment des Rotors beeinflusst. Daher ist es in einigen Fällen schwer, die Position zu bestimmen, wenn der Rotor blockiert ist
Nach dem in der oben erwähnten japanischen Patentschrift Nr. 3805336 beschriebenen Verfahren muss der einzugebende Wert jedes Befehls für die hochfrequente Spannung gemäß dem Grad der Saliency des Synchronmotors eingestellt werden. Folglich gilt, wenn die Saliency niedrig ist, dass die Genauigkeit der Ermittlung einer anfänglichen Magnetpolposition gering ist. Hinzu kommt, dass das Filtern durch Differenzieren der Feedbacks des Stroms durchgeführt und die Magnetpolposition auf der Basis der Amplitudenhöhe bestimmt wird. Aus diesem Grunde ist bei Anwendung dieser Methode eine Beeinflussung durch Rauschen wahrscheinlich.
Das Verfahren nach der oben erwähnten Veröffentlichung Nr. 2002-136174 einer japanischen offengelegten Patentanmeldung verwendet weiterhin eine gegenelektromotorische Spannung. Folglich muss sich der Rotor des Synchronmotors drehen. Wenn dieses Verfahren zur Bestimmung einer anfänglichen Magnetpolposition eingesetzt wird, wird die Genauigkeit der Bestimmung einer anfänglichen Magnetpolposition aus diesem Grunde durch die Reibung und das Trägheitsmoment des Rotors beeinflusst, wie dies für die japanische Patentschrift NR. 3408468 beschrieben ist. Als Ergebnis ist festzuhalten, dass es schwierig ist, die Position zu bestimmen, wenn der Rotor beispielsweise blockiert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgrund der oben beschriebenen Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Detektor für eine Magnetpolposition zu schaffen, der in der Lage ist, eine Magnetpolposition bzw. Rotorlage mit hoher Genauigkeit zum Zeitpunkt des Starts des Synchronmotors zu bestimmen und bei dem eine Beeinflussung durch Rauschen nicht zu erwarten ist.
Um das zuvor angegebene Ziel zu erreichen, umfasst ein Detektor für eine Magnetpolposition zur Bestimmung der Magnetpolposition, wenn ein Synchronmotor gestartet wird,:
eine Spannungsbefehlseinheit, die einen Befehl für eine hochfrequente Spannung in einem dq-Koordinatensystem erzeugt,
eine Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit, die den Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem in einen Befehl für die hochfrequente Spannung in einem Dreiphasen-Koordinatensystem unter Verwendung einer geschätzten Magnetpolposition wandelt,
eine Strommesseinheit, die den dreiphasigen Strom misst, der von einem Stromrichter in den Synchronmotor eingespeist wird, wobei der Stromrichter den Antriebsstrom für den Synchronmotor nach Maßgabe des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem erzeugt,
eine dq-Koordinatentransformationseinheit, die den durch die Strommesseinheit gemessenen dreiphasigen Strom in Strom in dem dq-Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition, die in einer Transformation durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit verwendet wird, transformiert,
eine Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition, die eine neue in einem Koordinatentransformationsprozess durch sowohl die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit als auch die dq-Koordinatentransformationseinheit zu verwendende geschätzte Magnetpolposition nach Maßgabe des Stroms in dem dq-Koordinatensystem und des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem berechnet und
eine Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition, die bestätigt, dass wenn die durch die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition errechnete geschätzte Magnetpolposition stark auf eine bestimmte Position hin konvergiert, die geschätzte Magnetpolposition die Magnetpolposition ist, wenn der Synchronmotor gestartet wird.
Dabei ist vorzuziehen, dass der Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem eine Komponente der d-Phase, die einer Hochfrequenz ist, und eine Komponente der q-Phase, die die Amplitude Null hat, enthält und dass die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition auf der Basis einer Komponente der q-Phase des Stroms in dem dq-Koordinatensystem und einer Komponente der d-Phase, die eine hohe Frequenz ist, errechnet.
Die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition kann umfassen:
eine Differenziereinheit, die einen Wert des Stroms in dem dq-Koordinatensystem differenziert,
eine Recheneinheit für ein Produkt, die das Produkt aus dem Wert des durch die Differenziereinheit differenzierten Werts des Stroms und dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem berechnet,
eine Filtereinheit, die eine hochfrequente Komponente aus dem von der Recheneinheit für ein Produkt errechneten Produkt entfernt,
eine Verstärkereinheit, die ein Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstanten und einem von der Filtereinheit nach dem Entfernen der hochfrequenten Komponente ausgegebenen Signal berechnet, und
eine Integriereinheit, die das von der Verstärkereinheit ausgegebenen Produkt integriert und dann das Ergebnis der Integration als die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition ausgibt.
Die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition kann umfassen:
eine Phasenschiebeeinheit, die in dem dq-Koordinatensystem die Phase des Befehls für eine hochfrequente Spannung verschiebt,
eine Recheneinheit für ein Produkt, die ein Produkt aus einem Wert des Stroms in dem dq-Koordinatensystem und dem Befehl für eine hochfrequente Spannung, dessen Phase durch die Phasenschiebeeinheit verschoben wurde, errechnet,
eine Filtereinheit, die eine hochfrequente Komponente aus dem von der Recheneinheit für ein Produkt errechneten Produkt entfernt,
eine Verstärkereinheit, die das Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstante und dem von der Filtereinheit ausgegebenen Signal nach dem Entfernen der hochfrequenten Komponente berechnet, und
eine Integriereinheit, die das von der Verstärkereinheit ausgegebene Produkt integriert und dann das Ergebnis der Integration als die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition ausgibt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen beigefügten Zeichnungen noch besser verstehen.
1 ist ein Blockschaltbild, das den grundsätzlichen Aufbau eines Detektors für eine Magnetpolposition gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der aktuellen Position eines Rotors und einer durch einen an dem Synchronmotor angebrachten Sensor bestimmten Position des Rotors in einem α-β Koordinatenkreuz zeigt.
3 ist ein Fließschaltbild, das den Betriebsablauf des Detektors für eine Magnetpolposition gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist ein Blockschaltbild, das den grundsätzlichen Aufbau eines Detektors für eine Magnetpolposition gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Fließschaltbild, das den Betriebsablauf des Detektors für eine Magnetpolposition gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
6 ist ein Diagramm des Ergebnisses einer Simulation des Betriebs des Detektors für eine Magnetpolposition.
7A und 7B sind schematischer Darstellungen, die die Bestimmung einer Magnetpolposition eines Permanentmagnet-Synchronmotors verdeutlichen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Detektor für die Magnetpolposition in einem Synchronmotor wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf jene Detektoren, die in den Zeichnungen dargestellt sind, oder auf die der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
1 ist ein Blockdiagramm, das den grundsätzlichen Aufbau eines Detektors für eine Magnetpolposition nach einer ersten Ausführungsform darstellt. Im Folgenden sollen die Grundbestandteile, die mit den gleichen Bezugszahlen und -zeichen in den unterschiedlichen Zeichnungen bezeichnet sind, die gleichen Funktionen haben.
Ein Detektor für eine Magnetpolposition 1 gemäß der ersten Ausführungsform ermittelt eine anfängliche Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt, zu dem der ein Permanentmagnet-Synchronmotor 2 gestartet wird, und ist mit einer nicht dargestellten Motorsteuervorrichtung ausgestattet, der die Drehung des Synchronmotors steuert. Der Detektor für eine Magnetpolposition 1 kann jedoch auch als ein getrenntes Gerät für einen nachträglichen Einbau in eine existierende Motorsteuervorrichtung ausgebildet sein. Der Detektor 1 für eine Magnetpolposition ermittelt bzw. misst eine anfängliche Magnetpolposition (anfängliche Erregungsphase) des Rotors eines Synchronmotors 2 bevor eine Drehzahlsteuerung für den Synchronmotor 2 erfolgt, das bedeutet, wenn der Synchronmotor 2 gestartet wird. Um eine Drehzahlsteuerung des Synchronmotors 2 vorzunehmen, wird ein Schalter SW, der in 1 dargestellt ist, betätigt, um eine Stromsteuereinheit 17 und eine Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 abzuschalten. In diesem Fall erzeugt die Stromsteuereinheit 17 einen Spannungsbefehl für die d-Phase und einen Spannungsbefehl für die q-Phase zur Steuerung eines Stromwandlers (Verstärkers) 3 für die Ausgabe von Antriebsenergie oder -strom, um die gewünschte Drehzahl und das geforderte Drehmoment des Synchronmotors 2 zu erzielen. Diese Befehle werden auf der Basis eines eingegebenen Strombefehls für die d-Phase und Strombefehls für die q-Phase erzeugt, wobei der Wert bzw. die Stärke des Stroms, der durch Ausführen einer dq Koordinatentransformation des vom Stromwandler 3 an den Synchronmotor 2 abgegebenen dreiphasigen Stroms erhalten und durch eine Strommesseinheit 13 gemessen wird, und die Magnetpolposition θs des Rotors des Synchronmotors 2, die durch die Magnetpolposition θs bestimmt ist, die von einem Sensor 18 gemessen wird. In diesem durch die Steuervorrichtung für den Strom 17 ausgeführten Prozess wird die durch den Sensor 18 ermittelte Magnetpolposition θs des Rotors des Synchronmotors 2 durch die Korrektur von Werten durch Verwendung einer von dem Detektor für eine Magnetpolposition 1 bestimmten anfänglichen Magnetpolposition gewonnen. Folglich wird die Rotation des Synchronmotors 2 auf der Basis der derart korrigierten Werte der Magnetpolposition gesteuert. Der Steuerbefehl für die Spannung der d-Phase und der Steuerbefehl für die Spannung der q-Phase, die durch die Steuervorrichtung für den Strom 17 erzeugt werden, werden zu einem Steuerbefehl für die Spannungen der drei Phasen UVW durch eine Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 koordinatentransformiert und der transformierte Spannungsbefehle wird dann in den Stromrichter bzw. Frequenzumrichter 3 eingespeist. Der Stromrichter 3 ist ein Dreiphaseninverter, der zum Beispiel einen Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom (Drehstrom) wandelt. Der Stromrichter 3 wandelt einen eingespeisten Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom, der als Antriebsstrom für den Synchronmotor 2 dient, durch Steuern der Schaltvorgänge von nicht dargestellten Schaltelementen auf der Basis des eingegebenen Steuerbefehls für die drei Phasen der Spannung.
Wie bereits oben beschrieben, wird zum Ausführen der Steuerung der Drehung des Synchronmotors 2 wenn sich der Synchronmotor 2 im stetigen Betrieb befindet, der Schalter SW zum Abtrennen der Steuervorrichtung für den Strom 17 und der Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 gewählt. Im Gegensatz hierzu wird der in 1 gezeigte Schalter SW dazu verwendet, eine Spannungsbefehlseinheit 11 und die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 abzuschalten, wenn der Detektor für eine Magnetpolposition zur Bestimmung der anfänglichen Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt, zu dem der Synchronmotor 2 gestartet wird, verwendet werden soll.
Der Detektor für eine Magnetpolposition 1 bestimmt die anfängliche Magnetpolposition zum Zeitpunkt, zu dem der Synchronmotor 2 gestartet wird, unter Verwendung der Saliency (saliency, Ausprägung der Schenkelpolarität) des Permanentmagnet-Synchronmotors 2 und einer Phasenregelschleife (phase locked loop PLL). Die Konfiguration eines Detektors 1 für eine Magnetpolposition wird nachfolgend beschrieben werden.
Der Detektor für eine Magnetpolposition 1 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die Spannungsbefehlseinheit 11, die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12, die Strommesseinheit 13, eine dq-Koordinatentransformationseinheit 14, eine Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 und eine Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition 16. Die Spannungsbefehlseinheit 11, die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12, die Strommesseinheit 13, die dq-Koordinatentransformationseinheit 14, die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 und die Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition 16 sind als Software in einer Arithmetik-Verarbeitungseinheit in der nicht dargestellten Motorsteuervorrichtung implementiert. Wenn jedoch der Detektor für eine Magnetpolposition 1 als ein getrenntes Gerät ausgebildet ist, sind diese Einheiten in der Form von Software in einer Arithmetik-Verarbeitungseinheit in dem Detektor für eine Magnetpolposition 1 implementiert.
Die Spannungsbefehlseinheit 11 erzeugt den Befehl für eine hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem. Der Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem umfasst eine Komponente für die d Phase, das ist eine hohe Frequenz, und eine Komponente für die q-Phase, die eine Amplitude Null hat.
Die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 wandelt den Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem in einen Befehl für eine hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem unter Verwendung einer geschätzten Magnetpolposition (geschätzte Erregungsphase).
Die Strommesseinheit 13 misst den dreiphasigen Strom, der vom Stromrichter 3 zur Erzeugung des Antriebsstroms für den Synchronmotor 2 in den Synchronmotor 2 in Übereinstimmung mit dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem eingespeist wird.
Die dq Koordinatentransformationseinheit 14 wandelt den von der Strommesseinheit 13 gemessenen dreiphasigen Strom in einen Strom in dem dq Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition, die bei der Transformation durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 verwendet wird.
Die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 berechnet eine neue geschätzte Magnetpolposition, die in dem Koordinatentransformationsprozess durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 und in der dq Koordinatentransformationseinheit 14 zu verwenden ist, auf der Basis eines Stroms in dem dq Koordinatensystem und eines Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem. Wie bereits oben beschrieben, erzeugt die Spannungsbefehlseinheit 11 den Spannungsbefehl für die hohe Frequenz in dem dq-Koordinatensystem einschließlich einer Komponente für die d-Phase, die eine hohe Frequenz ist, und einer Komponente für die q-Phase, die die Amplitude Null hat. Dann berechnet die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 eine neue zu verwendende geschätzte Magnetpolposition auf der Basis der Komponente für die q-Phase des Stroms in dem dq Koordinatensystem und der Komponente der d-Phase, das ist eine hohe Frequenz.
In der ersten Ausführungsform enthält die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 eine Differenziereinheit 21, eine Recheneinheit für ein Produkt 22, eine Filtereinheit 23, eine Verstärkereinheit 24 und eine Integriereinheit 25. Die Differenziereinheit 21 differenziert den Wert des Stroms in dem dq-Koordinatensystem, der durch die dq Koordinatentransformationseinheit 14 berechnet wurde. Die Recheneinheit für ein Produkt 22 berechnet das Produkt aus dem von der Differenziereinheit 21 differenzierten Wert des Stroms und dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem. Die Filtereinheit 23 ist ein Tiefpassfilter (LPF, low pass filter), das eine hochfrequente Komponente aus dem Ergebnis der Berechnung durch die Recheneinheit für ein Produkt 22 ausfiltert. Die Verstärkereinheit 24 berechnet das Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstante (bzw. -faktor) und einem Signal, das von der Filtereinheit 23 nach dem Ausfiltern der hochfrequenten Komponente ausgegeben wird. Die Integriereinheit 25 integriert das von der Verstärkereinheit 24 ausgegebene Ergebnis und gibt dann das Integral als eine zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition aus.
Wenn die geschätzte Magnetpolposition, die von der Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 errechnet wird, auf eine bestimmte Position hin stark konvergiert, bestätigt die Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition 16, dass die geschätzte Magnetpolposition die Magnetpolposition ist, in der der Synchronmotor 2 gestartet wird.
Der Detektor für eine Magnetpolposition 1 bestimmt die Magnetpolposition zu der Zeit, zu der der Synchronmotor 2 gestartet wird, um unter Nutzung der Saliency (saliency, Ausprägung der Schenkelpolarität) des Permanentmagnet-Synchronmotors 2 und des Prinzips der Phasenregelschleife bzw. des Phasenregelkreises (phase locked loop, PLL). Im Folgenden wird das Arbeitsprinzip des Detektors für eine Magnetpolposition 1 gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben.
2 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der aktuellen Position eines Rotors und einer durch einen an dem Synchronmotor angebrachten Sensor bestimmten Position des Rotors in einem α-β Koordinatenkreuz zeigt. Man nehme an, dass sich der Rotor in dem α-β Koordinatensystem zu irgend einem Zeitpunkt in einer um den Winkel θ verlagerten Position von der α-Achse, dass ein Rotationskoordinatensystem ist, befindet, wie es in 2 dargestellt ist, während ein von dem Sensor 18 geliefertes Messergebnis angibt, dass sich der Rotor in einer um den Winkel ρ von der α-Achse verschobenen Position befindet. Mit anderen Worten, man betrachte einen Fall, mit einer Differenz, die durch ”ρ – θ” zwischen der aktuellen Rotorposition θ und der durch den Sensor 18 ermittelten Rotorposition ρ gegeben ist.
Man nehme an, dass die entsprechenden Stromkomponenten, die dem Rotor zugeführt werden, der die Saliency entsprechend zweiphasigen Wicklungen im α-β Koordinatensystem hat, mit i_α und i_β bezeichnet werden, jeder auftretende Magnetfluss mit λ_α und λ_β bezeichnet wird, die Induktivität auf der d-Achse mit L_d bezeichnet wird, die Induktivität auf der q-Achse mit L_q bezeichnet wird, der Gleichstrom und der Welligkeitsstrom jeder der beiden Induktivitäten L_d und L_q mit L₀ und L₂ bezeichnet werden und der magnetische Fluss des Permanentmagneten mit Φ benannt wird. In diesem Fall ist die aktuelle Position des Rotors θ in dem α-β Koordinatensystem, das ein rotierendes Koordinatensystem ist, durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben: λ_α = (L₀ + L₂·cos2θ) + L₂·sin2θ·i_β + Φ·cosθ λ_β = L₂·sin2θ·i_α + (L₀ – L₂·cos2θ)·i_β + Φ·sinθ (1) worin
L_d = L₀ + L₂
L_q = L₀ – L₂
L_q > L_d
sind.
Gleichung (2) gibt einen Fall des Substituierens von ”σ – θ” wieder, wobei dies die Differenz zwischen der aktuellen Position des Rotorsund der durch den Sensor 18 gemessenen Position des Rotors ist, für θ in Gleichung (1) und anschließendes Ausführen einer dq Koordinatentransformation auf das Ergebnis des Substituierens. λd = (L₀ + L₂cos2(σ – θ))·i_d – L₂sin2(σ – θ)·i_q + Φcos(σ – θ) λ_q = –L₂sin2(σ – θ)·i_d + (L₀ – L₂cos2(σ – θ))·i_q – Φsin(σ – θ) (2)
Durch Transformieren von Gleichung (2) in eine Gleichung für die Spannungen v_d und v_q auf den dq Koordinatenachsen erhält man Gleichung (3):
worin
L_dc = L₀ + L₂cos2(σ – θ)
L_qc = L₀ – L₂cos2(σ – θ)
L_dqc = L₂sin2(σ – θ)
p = d/dt
sind.
Gleichung (4) wird durch Differenzieren der Gleichung (3) für das Transformieren der Gleichung (3) zu einer Gleichung für den Strom. In Gleichung (4) ist die Drehzahl des Rotors mit ω bezeichnet.
Wie es bereits oben beschrieben worden ist, erzeugt die Spannungsbefehlseinheit 11 den Spannungsbefehl mit einer Komponente der d-Phase, das ist die Hochfrequenz v_dh = Vsinγt, und eine Komponente der q-Phase, die eine Null Amplitude hat. Durch Einsetzens des Spannungsbefehls in Gleichung (4), wird die Gleichung (5) erhalten, unter der Annahme, dass der zweite Term auf der rechten Seite der Gleichung (4) unberücksichtigt gelassen werden kann, da dieser hohe Frequenzen nicht beeinflusst, und dass ω gleich 0 ist, da der Rotor stillsteht, wenn der Synchronmotor 2 gestartet wird.
Wenn der Stromrichter 3 veranlasst wird, in Übereinstimmung mit dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem, der von der Spannungsbefehlseinheit 11 erzeugt wurde, zu arbeiten, misst die Strommesseinheit 13 den dreiphasigen Strom. Die dq-Koordinatentransformationseinheit 14 transformiert den gemessenen dreiphasigen Strom in einen Strom in dem dq-Koordinatensystem. Der durch die Differenziereinheit 21 in der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 durch Differenzieren des Stroms entsprechend der Komponente der q-Phase gewonnene Strom entspricht pi_q in Gleichung (5). Die Recheneinheit für ein Produkt 22 in der Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 errechnet das Produkt aus i_q in pi_q in Gleichung (5), das durch die Differenziereinheit 21 gewonnen wurde, und die Komponente der d-Phase v_dh = Vsinγt in dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem. Dann entfernt die Filtereinheit 23 in der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 cos2γt, was dem Hochfrequenzträger entspricht, aus dem Produkt. Auf diese Weise werden die in der Gleichung (6) angegebenen Komponenten extrahiert:
Aus Gleichung (6) lässt sich entnehmen, dass die Komponente ”σ – θ”, die die Phasendifferenz zwischen der aktuellen Rotorposition und der durch den Sensor 18 ermittelten Rotorposition ρ enthalten ist. Für die erste Ausführungsform nehme man an, dass ρ in den Gleichungen (1) bis (6) eine geschätzte Magnetpolposition bezeichnet. Der Wert, der durch Multiplizieren der Phasendifferenz auf der Basis von Gleichung (6) durch die vorgegebene Verstärkung entsprechend der Verstärkereinheit 24 und das anschließende Integrieren des erhaltenen Werts durch die Integriereinheit 25 als geschätzte neue Magnetpulsposition vorgegeben wird. Diese neue Position wird bei der Transformation der Koordinaten verwendet, die von der Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 und der dq-Koordinatentransformationseinheit 14 ausgeführt wird. Wenn man eine geeignete von der Verstärkereinheit 24 zu verwendende Verstärkung wählt, ermöglicht dies die Ausgabe bzw. den ausgegebenen Wert des Integrals durch die Integriereinheit 25 auf einen konstanten Wert bei einer bestimmten Zeitkonstante hin zu konvergieren. Folglich bestätigt die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition 16, dass die durch die Integriereinheit 25 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 ausgegebene geschätzte Magnetpolposition – wenn die geschätzte Magnetpolposition stark auf eine bestimmte Position hin konvergiert –, die anfängliche Magnetpolposition zum Zeitpunkt, zu dem der Synchronmotor 2 gestartet wird, ist.
Im Allgemeinen gibt es zwei Arten des Aufbaus des Rotors für einen Synchronmotor: bei der einen Art mit Oberflächenmagneten sind die Permanentmagnete an der Oberfläche des Rotors vorgesehen, und bei der anderen Art mit eingebetteten Magneten sind die Permanentmagnete im Rotor eingebettet. Der Detektor für eine Magnetpolposition 1, der die Saliency des Synchronmotors 2 nutzt, ist für die Bestimmung der Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt geeignet, zudem ein Rotor mit eingebetteten Magneten mit hoher Saliency gestartet wird. Gleichzeitig gilt aber, dass selbst im Falle eines Rotors mit an der Oberfläche vorgesehenen Magneten mit geringer Saliency der Detektor für eine Magnetpolposition 1 in der Lage ist, eine anfängliche Magnetpolposition mit hoher Genauigkeit durch geeignete Wahl der Verstärkungskonstanten bzw. des Verstärkungsfaktors, der von der Verstärkereinheit 24 zu verwenden ist, zu ermitteln.
3 ist ein Fließschaltbild, das den Betriebsablauf des Detektors für eine Magnetpolposition gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
Zunächst wird im Schritt S101 eine bei den Koordinatentransformationen durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 und die dq Koordinatentransformationseinheit 14 zu verwendende geschätzte Magnetpolposition initialisiert.
Im Schritt S102 erzeugt die Spannungsbefehlseinheit 11 einen Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem. Der Befehl für die hochfrequente Spannung und dem dq Koordinatensystem hat eine Komponente für die d-Phase, das ist die hohe Frequenz, und eine Komponente der q-Phase, die die Amplitude Null hat.
Anschließend wandelt die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 im Schritt S103 den Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem zu einem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition um.
Im Schritt S104 wird der durch Transformation im dreiphasigen Koordinatensystem gewonnene Befehl für die hochfrequente Spannung an den Stromrichter 3 ausgegeben. Dabei gibt der Stromrichter 3 dreiphasige Wechselstromleistung bzw. Wechselstrom nach der Maßgabe des empfangenen Befehls für die hochfrequente Spannung aus.
Im Schritt S105 misst die Strommesseinheit 13 den dreiphasigen Strom, der vom Stromrichter 3, der die Antriebsenergie für den Synchronmotor 2 in Übereinstimmung mit dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dreiphasigen Koordinatensystem erzeugt, dem Synchronmotor 2 zugeführt wird.
Anschließend wandelt im Schritt S106 die dq-Koordinatentransformationseinheit 14 den von der Strommesseinheit 13 gemessenen dreiphasigen Strom unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition in einen Strom in dem dq-Koordinatensystem, der bei der Transformation durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 verwendet wird, um.
Nun differenziert im Schritt S107 die Differenziereinheit 21 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 den Wert des Stroms in dem dq Koordinatensystem, der durch die dq Koordinatentransformationseinheit 14 berechnet wurde.
Dann berechnet im Schritt S108 die Recheneinheit für ein Produkt der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 das Produkt des von der Differenziereinheit 21 differenzierten Stromwerts und des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem.
Daraufhin entfernt im Schritt S109 die Filtereinheit 23 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 eine hochfrequente Komponente aus dem von der Recheneinheit für ein Produkt 22 gewonnenen Rechenergebnis.
Im Schritt S110 berechnet die Verstärkereinheit 24 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 nun das Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstante und dem Ausgangssignal der Filtereinheit 23 nach dem Ausfiltern der hochfrequenten Komponente.
Als nächstes integriert die Integriereinheit 25 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15 im Schritt S111 das von der Verstärkereinheit 24 ausgegebene Ergebnis und gibt dann das Integral als eine zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition ab.
Daraufhin bestimmt im Schritt S112 die Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition 16 ob oder ob nicht die durch die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 berechnete geschätzte Magnetpolposition auf eine bestimmte Position hin stark konvergiert. Wenn bestimmt wird, dass die geschätzte Magnetpolposition auf eine bestimmte Position hin stark konvergiert, geht der Arbeitsablauf zum Schritt S113 weiter, in dem die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition 16 bestätigt, dass die geschätzte Magnetpolposition die anfängliche Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt ist, zudem der Synchronmotor 2 gestartet wird. Als ein abgewandeltes Beispiel des Betriebsablaufs kann die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition 16 bestimmen, ob eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist (Schritt S112) und kann, wenn die Bestimmung ergeben hat, dass die vorgegebene Zeitspanne abgelaufen ist, bestätigen, dass die geschätzte Magnetpolposition die Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt ist, zudem der Synchronmotor 2 gestartet wird (Schritt S113).
4 ist ein Blockschaltbild, das den grundsätzlichen Aufbau eines Detektors für eine Magnetpolposition gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Die zweite Ausführungsform stellt ein alternatives Beispiel zu einer Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15, wie sie für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, dar. Die Grundelemente der Schaltung sind bis auf die anderen Bauelemente der der Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15', die gleichen wie die entsprechenden der ersten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, und sind deshalb mit den gleichen Bezugszahlen und -zeichen versehen. Auf eine ausführliche Beschreibung dieser Grundbauelemente wird daher hier verzichtet. Bei der zweiten Ausführungsform sind ebenso wie bei der ersten Ausführungsform die Spannungsbefehlseinheit 11, die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12, die Strommesseinheit 13, die dq-Koordinatentransformationseinheit 14, die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15 und die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition in Form von Software in der Arithmetik-Verarbeitungseinheit in der nicht dargestellten Motorsteuervorrichtung ausgebildet.
Bei der zweiten Ausführungsform umfasst die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15' einer Phasenschiebereinheit 26, die Recheneinheit für ein Produkt 22, die Filtereinheit 23, die Verstärkereinheit 24 und die Integriereinheit 25.
Die Phasenschiebereinheit 26 verschiebt die Phase des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem, der von der Spannungsbefehlseinheit 11 erzeugt ist. Die Einheit für die Berechnung eines Produkts 22 berechnet das Produkt aus dem Stromwert in dem dq Koordinatensystem, das von der dq-Koordinatentransformationseinheit 14 berechnet wurde und dem Befehl für die hochfrequente Spannung, dessen Phase durch die Phasenschiebereinheit 26 verschoben ist. Die Filtereinheit 23 ist eine Tiefpassfilter LPF, der eine hochfrequente Komponente aus dem Ergebnis der Rechnung entfernt, das von dem Produktrechner erhalten wurde. Die Verstärkereinheit 24 berechnet das Produkt aus einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor und einem von der Filtereinheit 23 nach der Entfernung der hochfrequenten Komponente ausgegeben wird. Die Integriereinheit 25 integriert das von der Verstärkereinheit 24 ausgegebene Ergebnis und gibt dann das Integral als die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition aus.
Als nächstes wird das Arbeitsprinzip des Detektors für die Magnetpolposition nach der zweiten Ausführungsform beschrieben. Durch Umformen des Stroms der q-Phase i_q von pi_q, das durch die oben angegebenen Gleichung (5) wiedergegeben ist, wird die Gleichung (7) erhalten:
Durch Phasenverschiebung der Komponente der d-Phase v_dh = Vsinγt, die als ein hochfrequente Spannungsbefehl durch die Spannungsbefehlseinheit 11 erzeugt wurde, mit der Phasenschiebereinheit 26 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' um π/2 wird die Gleichung (8) gewonnen: V'_dh = Vcosγt (8)
Die Produktrecheneinheit 22 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' berechnet das Produkt aus i_q, gegeben durch die Gleichung (7), und Vcosγt, gegeben durch die Gleichung (8). Die Filtereinheit 23 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' entfernt anschließend cos2γt entsprechend dem Hochfrequenzträger aus dem Rechenergebnis. Dabei werden die in Gleichung (9) angegebenen Komponenten abgespaltet:
In Gleichung (9) ist der absolute Wert, obwohl die positive bzw. negative Polarität gegenüber der in Gleichung (6) in der ersten Ausführungsform verschieden ist, der gleiche. Folglich kann mit der zweiten Ausführungsform die gleiche Wirkung wie mit der ersten Ausführungsform erzielt werden.
5 ist ein Fließschaltbild, das den Betriebsablauf des Detektors für eine Magnetpolposition gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
Zunächst wird im Schritt S201 eine bei der Koordinatentransformation durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 und die dq Koordinatentransformationseinheit 14 zu verwendende geschätzte Magnetpolposition initialisiert.
Im Schritt S202 erzeugt die Spannungsbefehlseinheit 11 einen Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem. Dieser Befehl in dem dq Koordinatensystem weist eine Komponente der d-Phase, das ist die hohe Frequenz, und eine Komponente der q-Phase, die die Amplitude Null hat, auf.
Anschließend wandelt im Schritt S203 die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 den Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem zu einem Hochfrequenzspannungsbefehl in dem Dreiphasen-Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition um.
Im Schritt S204 wird der Befehl für die hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem, der durch die Transformation gewonnen wurde, an den Stromrichter 3 ausgegeben. In Übereinstimmung mit dem ausgegebenen Befehl für die hochfrequente Spannung gibt der Stromrichter 3 Strom bzw. Energie ab.
Im Schritt S205 misst die Strommesseinheit 13 den dreiphasigen Strom, der vom Stromrichter 3, der die Antriebsenergie für den Synchronmotor 2 in Übereinstimmung mit dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem erzeugt, dem Synchronmotor 2 zugeführt wird.
Anschließend wandelt im Schritt S206 die dq-Koordinatentransformationseinheit 14 den von der Strommesseinheit 13 gemessenen dreiphasigen Strom in einen Strom in dem dq-Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition, der bei der Transformation durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit 12 verwendet wird, um.
Nun verschiebt im Schritt S207 die Phasenschiebeeinheit 26 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' die Phase des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem, der durch die Spannungsbefehlseinheit 11 erzeugt wurde, um den Wert π/2.
Dann berechnet im Schritt S208 die Recheneinheit für ein Produkt 22 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' das Produkt aus dem Wert des Stroms in dem dq Koordinatensystem, der durch die dq-Koordinatentransformationseinheit 14 berechnet wurde, und dem Hochfrequenzspannungsbefehl, dessen Phase durch die Phasenschiebereinheit 26 verschoben wurde.
Daraufhin entfernt im Schritt S209 die Filtereinheit 23 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' eine hochfrequente Komponente aus dem von der Recheneinheit für ein Produkt 22 erzeugten Rechenergebnis.
Nun berechnet im Schritt S210 die Verstärkereinheit 24 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' das Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstante und dem Ausgangssignal der Filtereinheit 23 nach dem Herausfiltern der hochfrequenten Komponente.
Als nächstes integriert die Integriereinheit 25 der Recheneinheit für die geschätzte Magnetpolposition 15' im Schritt S211 das von der Verstärkereinheit 24 ausgegebene Ergebnis und gibt dann das Integral als eine zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition ab.
Daraufhin bestimmt im Schritt S212 die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition ob oder ob nicht die durch die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition 15' berechnete geschätzte Magnetpolposition stark auf eine bestimmte Position hin konvergiert. Wenn die Bestimmung ergeben hat, dass die geschätzte Magnetpolposition stark auf eine bestimmte Position hin konvergiert, geht der Arbeitsablauf zum Schritt S213 weiter, in dem die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition 16 bestätigt, dass die geschätzte Magnetpolposition die anfängliche Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt ist, zu dem der Synchronmotor 2 gestartet wird. Als ein abgewandeltes Beispiel des Betriebsablaufs kann die Bestätigungseinheit für eine Magnetpolposition 16 bestimmen, ob eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist (Schritt S212) und kann, wenn die Bestimmung ergeben hat, dass die vorgegebene Zeitspanne abgelaufen ist, bestätigen, dass die geschätzte Magnetpolposition die Magnetpolposition zu dem Zeitpunkt ist, zudem der Synchronmotor 2 gestartet wird (Schritt S213).
6 ist ein Diagramm, das das Ergebnis einer Simulation des Betriebsablaufs des Detektors für eine Magnetpolposition darstellt. In 6 gibt die horizontaler Achse die Zeit in Sekunden und gibt die vertikaler Achse ”σ – θ [rad]” wieder, was die Differenz zwischen der aktuellen Rotorposition θ und der von dem Sensor 18 bestimmten Rotorposition σ ist.
Bei der Simulation wurde der Detektor für die Magnetpolposition 1 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet. Hinzu kommt, dass ”σ – θ”, das die Differenz zwischen der aktuellen Rotorposition θ und der durch den Sensor 18 bestimmte Rotorposition σ wiedergibt, auf π/4 vorgegeben wurde. Unter diesen Bedingungen wurde verifiziert, ob die Differenz π/4 durch den Detektor für die Magnetpolposition 1 nach der ersten Ausführungsform bestimmt werden konnte. Die folgenden Parameter wurden bei der Simulation verwendet: 0,4 Ω als ein innerer Widerstand Rr je Phase des Synchronmotors 2; 3,3 mH als die Induktivität L_d der d-Achse; 3,3 mH als die Induktivität L_q der q-Achse je Phase, vier als die Anzahl der Polpaare, und 0,2431 Vp/rad/s als die gegenelektromotorische Spannungskonstante Kv. Hinzukommt, dass die Amplitude einer sinusförmigen hochfrequenten Eingangsspannung auf 1 V voreingestellt war und die Frequenz auf 500 Hz eingestellt war. Das Band des Tiefpassfilters, der als Filtereinheit 23 diente, war auf 3 Hz eingestellt. Die Verstärkungskonstante K der Verstärkereinheit 24 auf 100 eingestellt und der anfängliche Wert der geschätzten Magnetpolposition war auf 0° gesetzt.
Aus 6 lässt sich entnehmen, dass ”σ – θ” auf 0,785 in konvergiert etwa 1 Sekunde nach dem der Detektor für die Magnetpolposition 1 in Betrieb genommen wurde. Da der Wert 0,785 mit dem Wert π/4 bis auf 3 Stellen nach dem Komma übereinstimmt, ist damit gezeigt, dass der Detektor für die Magnetpolposition 1 in der Lage ist, ”σ – θ” zu erfassen, d. h. eine Differenz zwischen der aktuellen Rotorposition θ und der vom Sensor 18 gemessenen Rotorposition σ.
Wie anhand der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben wurde, ist der Detektor zur Bestimmung einer Magnetpolposition in der Lage, die anfängliche Magnetpolposition eines Rotors zu dem Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem der Synchronmotor gestartet wird. Man beachte jedoch, dass der oben beschriebene Detektor für eine Magnetpolposition nur in der Lage ist, eine anfängliche Magnetpolposition des Rotors zu bestimmen, aber nicht in der Lage ist, die Polarität, zum Beispiel den N-Pol oder den S-Pol des Rotors in der anfänglichen Magnetpolposition, zu bestimmen. Zur Bestimmung der Polarität kann ein Verfahren zum Einspeisen eines starken Stroms an einer anfänglichen Magnetpolposition und anschließendes Beobachten der magnetischen Sättigungscharakteristiken wie zum Beispiel der Zeitkonstante des Stromanstiegs zu dem Zeitpunkt, zu dem der Strom eingespeist wird, angewendet werden, wie es in der japanischen Patentschrift Nr. 3805336 beschrieben ist.
Die vorliegende Erfindung kann für die Bestimmung einer Magnetpolposition beim Start eines Synchronmotors verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Detektor für eine Magnetpolposition geschaffen, der in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit eine Magnetpolposition eines Synchronmotors mit Saliency zu bestimmen, wenn der Synchronmotor gestartet wird, und bei dem es unwahrscheinlich ist, dass er durch Rauschen beeinflusst wird.
Ferner muss der Rotor des Synchronmotors für die Bestimmung einer anfänglichen Magnetpolposition nicht gedreht werden. Folglich kann, anders als nach der japanischen Patentschrift Nr. 3408468 und nach der offengelegten japanischen Patentanmeldung Druckschrift Nr. 2002-136 174 , eine anfängliche Magnetpolposition genau bestimmt werden, selbst wenn der Rotor blockiert ist, da die Genauigkeit der Bestimmung der anfänglichen Magnetpolposition nicht durch die Reibung und das Trägheitsmoment des Rotors beeinträchtigt wird.
Allgemeine Arten des Rotoraufbaus für einen Synchronmotor umfassen ferner: Rotoren mit Oberflächenmagneten, bei denen die Permanentmagnete an der Oberfläche des Rotor angebracht sind, und Rotoren mit eingebetteten Magneten, bei denen jeder der Permanentmagnete in den Rotor eingebettet ist. Der Detektor ist für eine Magnetpolposition gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Bestimmung einer Magnetpolposition für einen Rotor mit eingebetteten Magneten mit hoher Saliency, wenn der Rotor gestartet wird. Gleichzeitig aber kann der Detektor für die Magnetpolposition auch im Falle eines Rotors mit Magneten an der Oberfläche mit geringer Saliency in der Lage sein, die anfängliche Magnetpolposition mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, und zwar durch geeignete Wahl eines Verstärkungsfaktors. Hinzu kommt, dass es unwahrscheinlich ist, dass die Bestimmung durch Rauschen beeinflusst wird, wenn ein Verfahren eingesetzt wird, dass keine Differenzberechnung bzw. Differential-Berechnung vornimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 3408468 [0004, 0007, 0009, 0085]
JP 3805336 [0005, 0008, 0082]
JP 2002-136174 [0085]

Claims

Detektor für eine Magnetpolposition (1) zur Bestimmung der Magnetpolposition, wenn ein Synchronmotor (2) gestartet wird, wobei der Detektor für die Magnetpolposition (1) umfasst: eine Spannungsbefehlseinheit (11), die einen Befehl für eine hochfrequente Spannung in einem dq-Koordinatensystem erzeugt, eine Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit (12), die den Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem in einen Befehl für die hochfrequente Spannung in einem Dreiphasen-Koordinatensystem unter Verwendung einer geschätzten Magnetpolposition wandelt, eine Strommesseinheit (13), die den dreiphasigen Strom misst, der von einem Stromrichter (3) in den Synchronmotor (2) eingespeist wird, wobei der Stromrichter (3) den Antriebsstrom für den Synchronmotor (2) nach Maßgabe des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem Dreiphasen-Koordinatensystem erzeugt, eine dq Koordinatentransformationseinheit (14), die den durch die Strommesseinheit (13) gemessenen dreiphasigen Strom in Strom in dem dq-Koordinatensystem unter Verwendung der geschätzten Magnetpolposition, die in einer Transformation durch die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit (12) verwendet wird, transformiert, eine Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition (15, 15'), die eine neue in einem Koordinatentransformationsprozess durch sowohl die Dreiphasen-Koordinatentransformationseinheit (12) als auch die dq-Koordinatentransformationseinheit (14) zu verwendende geschätzte Magnetpolposition nach Maßgabe des Stroms in dem dq Koordinatensystem und des Befehls für die hochfrequente Spannung in dem dq Koordinatensystem berechnet und eine Bestätigungseinheit für die Magnetpolposition (16), die bestätigt, dass wenn die durch die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition (15, 15') errechnete geschätzte Magnetpolposition stark auf eine bestimmte Position hin konvergiert, die geschätzte Magnetpolposition die Magnetpolposition ist, wenn der Synchronmotor (2) gestartet wird.
Detektor für eine Magnetpolposition (1) nach Anspruch 1, bei dem der Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem eine Komponente der d-Phase, die einer Hochfrequenz ist, und eine Komponente der q-Phase, die die Amplitude Null hat, enthält und die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition (15, 15') die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition auf der Basis einer Komponente der q-Phase des Stroms in dem dq-Koordinatensystem und der Komponente der d-Phase, die eine hohe Frequenz ist, errechnet.
Detektor für eine Magnetpolposition (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition (15) umfasst: eine Differenziereinheit (21), die einen Wert des Stroms in dem dq-Koordinatensystem differenziert, eine Recheneinheit für ein Produkt (22), die das Produkt aus dem Wert des durch die Differenziereinheit (21) differenzierten Werts des Stroms und dem Befehl für die hochfrequente Spannung in dem dq-Koordinatensystem berechnet, eine Filtereinheit (23), die eine hochfrequente Komponente aus dem von der Recheneinheit für ein Produkt (22) errechneten Produkt entfernt, eine Verstärkereinheit (24), die ein Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstanten und einem von der Filtereinheit (23) nach dem Entfernen der hochfrequenten Komponente ausgegebenen Signal berechnet, und eine Integriereinheit (25), die das von der Verstärkereinheit (24) ausgegebenen Produkt integriert und dann das Ergebnis der Integration als die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition ausgibt.
Detektor für eine Magnetpolposition (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Recheneinheit für eine geschätzte Magnetpolposition (15') umfasst: eine Phasenschiebeeinheit (26), die in dem dq-Koordinatensystem die Phase des Befehls für die hochfrequente Spannung verschiebt, eine Recheneinheit für ein Produkt (22), die ein Produkt aus einem Wert des Stroms in dem dq Koordinatensystem und dem Befehl für eine hochfrequente Spannung, dessen Phase durch die Phasenschiebeeinheit (26) verschoben wurde, errechnet, eine Filtereinheit (23), die eine hochfrequente Komponente aus dem von der Recheneinheit für ein Produkt (22) errechneten Produkt entfernt, eine Verstärkereinheit (24), die das Produkt aus einer vorgegebenen Verstärkungskonstante und dem von der Filtereinheit (23) ausgegebenen Signal nach dem Entfernen der hochfrequenten Komponente berechnet, und eine Integriereinheit (25), die das von der Verstärkereinheit (24) ausgegebene Produkt integriert und dann das Ergebnis der Integration als die zu verwendende neue geschätzte Magnetpolposition ausgibt.