DE102019101985A1

DE102019101985A1 - Motorsteuereinheit

Info

Publication number: DE102019101985A1
Application number: DE102019101985.0A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Eguchi
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-08-01
Also published as: CN110112972B; US20190238079A1; JP2019134612A; CN110112972A; JP6990118B2; US10594242B2

Abstract

Eine Steuereinheit für einen Motor bestimmt einen Spannungsbegrenzungskreis auf der Grundlage einer Drehzahl des Motors und einer Gleichstrombusspannung eines Wechselrichters, berechnet einen q-Achsenstromgrenzwert auf der Grundlage des Spannungsbegrenzungskreises und eines vorgegebenen Strombegrenzungskreises, bestimmt als einen q-Achsenstromanweisungswert einen Wert, der über einen Begrenzungsvorgang, der unter Verwendung des q-Achsenstromgrenzwertes auf einen q-Achsenstromwert, der gemäß einem Drehmomentanweisungswert berechnet wird, angewandt wird, erhalten wird, und bestimmt einen entsprechenden d-Achsenstromwert auf der Grundlage des q-Achsenstromanweisungswertes.

Description

QUERVERWEIS ZU EINER VERWANDTEN ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018 - 015733 , eingereicht am 31. Januar 2018, die hier durch Bezugnahme vollständig, einschließlich der Beschreibung, der Ansprüche, der Zeichnungen und der Zusammenfassung, mit aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenlegung bezieht sich auf eine Stromsteuertechnik zum Berechnen und Steuern des Stroms eines Motors in einer Motorsteuereinheit (wie z. B. einer Steuereinheit, die in einer Vorschubachse einer NC-Werkzeugmaschine oder dergleichen eingesetzt wird, um eine Drehzahl und einen Drehwinkel (Position) des Motors zu steuern) unter Verwendung eines Zweiphasen-Drehkoordinatensystem (in dem eine Magnetpolaritätsrichtung im Allgemeinen als eine d-Achse bezeichnet wird und eine zur Magnetpolaritätsrichtung elektrisch senkrechte Richtung im Allgemeinen als eine q-Achse bezeichnet wird).
HINTERGRUND
Um zum Zeitpunkt des Auftretens eines Notfalls verlässlich ein umgehendes Anhalten durchzuführen, wird in einer Vorschubachse einer NC-Werkzeugmaschine häufig ein Permanentmagnetsynchronmotor (der im Folgenden als ein „Motor“ bezeichnet wird) eingesetzt, aufgrund des charakteristischen Merkmals des Motors, dass er in der Lage ist, lediglich durch Erzeugen eines Kurzschlusses in Wicklungen während der Drehung eine große Bremskraft zu erzeugen. Währenddessen wird ein PWM-Wechselrichter typischerweise als ein Leistungsumsetzer in einer Steuereinheit zum Steuern der Drehzahl und eines Drehwinkels (Position) des Motors verwendet.
Herkömmlicherweise wurden in Steuereinheiten zum Steuern der Drehzahl und des Drehwinkels (Position) von Permanentmagnetsynchronmotoren mittels PWM-Wechselrichtern Spannungen der Motoren durch Zuführen eines d-Achsenstroms gemäß Spannungseinschränkungen, die aus der Drehzahl der Motoren und von Gleichstrombusspannungen der Wechselrichter resultieren, unterdrückt. Allerdings wurde ein q-Achsenstrom unter Verwendung eines q-Achsenstromgrenzwertes, der auf N-τ-Charakteristiken (Drehzahl-Drehmoment-Charakteristiken) des Motors basiert, gesteuert und wurde nicht unter Berücksichtigung der Spannungseinschränkungen gesteuert.
11 ist ein Blockdiagramm, das eine Beispielkonfiguration einer Drehzahlsteuereinheit 200 zeigt, die als ein Beispiel einer Steuereinheit für einen Dreiphasen-Permanentmagnetsynchronmotor im verwandten Gebiet dargestellt ist. Die Drehzahlsteuereinheit 200 gemäß diesem Beispiel wird unten beschrieben. Zuerst richtet ein PWM-Wechselrichter, in den eine Wechselspannung einer Dreiphasen-Wechselstromleistungsquelle 100 eingegeben wird, die Wechselspannung in einem Umsetzerabschnitt 101 gleich, glättet die gleichgerichtete Wechselspannung in einem großen Kondensator 102 und setzt die gleichgerichtete Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Die umgesetzte Gleichspannung, die als eine Gleichstrombusspannung Vdc bezeichnet wird, variiert abhängig von einer Amplitude der Wechselspannung der Dreiphasen-Wechselstromleistungsquelle 100.
Ein Wechselrichterabschnitt 103 besteht aus Leistungshalbleitern, die eine Brücke zwischen Gleichstrombussen für jede einer U-, V- und W-Phase schaffen, und ist konfiguriert, einen Dreiphasen-Permanentmagnetsynchronmotor 104 mit einer gewünschten zeitlich veränderlichen Spannung, die durch Anpassen von eingeschalteten Zeiträumen eines oberen Halbleiters und eines unteren Halbleiters in der Brücke erhalten wird, zu steuern. Eine Positionserkennungseinrichtung 105 detektiert einen Drehwinkel des Motors und Stromdetektoren 106u und 106w detektieren einen U-Phasenstrom bzw. einen W-Phasenstrom.
Ein Drehzahlanweisungswert ωm* wird von einer Host-Einrichtung (die nicht dargestellt ist) zur Drehzahlsteuereinheit 200 dieses Beispiels ausgegeben. Ein Motordrehwinkel θm, der von der Positionserkennungseinrichtung 105 ausgegeben wird, wird in einem Differenzierer 51 zeitlich differenziert und ein resultierender Zeitdifferentialwert wird als eine Motordrehzahl ωm ausgegeben. Es sollte festgehalten werden, dass ein Bezugsbuchstabe s im Differenzierer 51 einen Differenzialoperator in einem Laplace-Transformationsvorgang bezeichnet. Die Motordrehzahl ωm wird in einem Subtrahierer 50 vom Drehzahlanweisungswert ωm* subtrahiert, um einen Drehzahlabweichungswert zu erhalten. Der Drehzahlabweichungswert, der vom Subtrahierer 50 ausgegeben wird, wird über einen proportionalen Integrationsvorgang in einer Drehzahlsteuereinheit 52 verstärkt und dann als ein Motordrehmomentanweisungswert τc* ausgegeben.
In der Konfiguration wird ein nachfolgender Steuerblock mit einem Zweiphasenkoordinatensystem (d-Achse, q-Achse), das bekannt ist, repräsentiert. Ein Drehmomentumsetzer 53 ist ein Umsetzer, um den Drehmomentanweisungswert τc* in einen q-Achsenstrom (Drehmomentstrom) umzusetzen, und ein Bezugssymbol Ke im Drehmomentumsetzer 53 repräsentiert eine Motordrehmomentkonstante. Entsprechend wirkt der Drehmomentumsetzer 53 als ein q-Achsenstromberechnungsabschnitt, der einen q-Achsenstromwert auf der Grundlage des Drehmomentanweisungswertes τc* bestimmt.
Ein Stromvektorberechnungsabschnitt 80 berechnet einen q-Achsenstromanweisungswert iq* und einen d-Achsenstromanweisungswert id* und gibt sie aus. In einem q-Achsenstrombegrenzer 81 wird eine Ausgabe aus dem Drehmomentstromumsetzer 53 ferner unter Berücksichtigung der N-τ-Eigenschaft (Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik) des Motors durch Durchführen einer Begrenzungsverarbeitung an einer q-Achsenstromanweisung verarbeitet, um eine Drehmomentanweisung an die Motordrehzahl ωm während eines Hochdrehzahlbetriebs zu begrenzen. Es sollte festgehalten werden, dass eine q-Achsenstrombeschränkung Iq_lim in negativer Korrelation mit der Motordrehzahl ωm ist. Eine Ausgabe aus dem q-Achsenstrombegrenzer 81 ist der q-Achsenstromanweisungswert iq*.
Andererseits wird ein d-Achsenstrom durch eine Anweisung in Richtung des Verringerns einer induzierten Spannung des Motors gesteuert, um das Auftreten einer Spannungssättigung während einer Hochdrehzahldrehung zu vermeiden. Ein Gleichstrombus-Spannungsdetektionsabschnitt 54 detektiert eine Gleichstrombusspannung Vdc in Echtzeit und gibt einen detektierten Gleichstrombusspannungsänderungswert Δdc aus, der eine Differenz zwischen der detektierten Gleichstrombusspannung Vdc und einer vorgegebenen Bezugsspannung ist. Ein d-Achsenstromanweisungs-Erzeugungsabschnitt 82 berechnet eine Spannungstoleranz bei der Steuerung der Drehung des Motors auf der Grundlage der induzierten Spannung, die durch Permanentmagneten erzeugt wird, und dem detektierten Gleichstrombusspannungsänderungswert Δdc bei der Motordrehzahl ωm und gibt einen d-Achsenstromanweisungswert id* auf der Grundlage der Spannungstoleranz aus.
Ein U-Phasenstrom iu und ein W-Phasenstrom iw, die dem Motor zugeführt werden, werden in den Stromdetektoren 106u und 106w detektiert. Es sollte festgehalten werden, dass ein V-Phasenstrom iv durch eine Gleichung von iv = -(iu + iw) berechnet werden kann. Ein elektrischer Drehwinkel θre des Motors wird in einem Umsetzer 55 durch Multiplizieren eines mechanischen Drehwinkels θm des Motors mit der Anzahl Polpaare p berechnet. Ein Dreiphasen → dq-Umsetzabschnitt 57 berechnet einen d-Achsenstromdetektionswert id und einen q-Achsenstromdetektionswert iq aus dem elektrischen Drehwinkel θre des Motors, dem U-Phasenstrom iu und dem W-Phasenstrom iw mittels einer Koordinatenkonvertierung und gibt die berechneten Werte id und iq aus.
Ein Subtrahierer 58 subtrahiert den d-Achsenstromdetektionswert id vom d-Achsenstromanweisungswert id* und ein Subtrahierer 59 subtrahiert den q-Achsenstromdetektionswert iq vom q-Achsenstromanweisungswert iq*. Subtrahierte Ergebnisse, die von den Subtrahierern 58 und 59 ausgegeben werden, sind ein d-Achsenstromfehler und ein q-Achsenstromfehler, die einer Stromsteuereinheit 60 als Eingaben zugeführt werden. Die Stromsteuereinheit 60 enthält einen Fehlerverstärker, der jeden der Stromfehler der Achsen über einen proportionalen Integrationsvorgang verstärkt, um ein Abgleichen des Stromanweisungswertes und des Stromdetektionswertes für jede der Achsen durchzuführen, und enthält außerdem eine Kompensationssteuereinheit, die Ströme von den Achsen entkoppelt, um dadurch einen d-Achsenspannungsanweisungswert vd* und einen q-Achsenspannungsanweisungswert vq* zu erhalten, die von der Stromsteuereinheit 60 ausgegeben werden. Es sollte festgehalten werden, dass eine elektrische Winkelgeschwindigkeit ωre als ein Signal, das durch Differenzieren des elektrischen Drehwinkels θre des Motors in Bezug auf die Zeit in einem Differenzierer 56 erhalten wird, zugeführt wird und zum Entkoppeln der Steuerung in der Stromsteuereinheit 60 verwendet wird.
Ein dq → Dreiphasen-Umsetzabschnitt 61 empfängt als Eingaben den elektrischen Drehwinkel θre des Motors, den d-Achsenspannungsanweisungswert vd* und den q-Achsenspannungsanweisungswert vq* und gibt einen U-Phasenspannungsanweisungswert vu*, einen V-Phasenspannungsanweisungswert vv* und einen W-Phasenspannungsanweisungswert vw* aus. Ein PWM-Signal-Berechnungsabschnitt 62 steuert das Verhältnis zwischen eingeschalteten Zeiträumen des oberen Halbleiters und des unteren Halbleiters der Brücke im Wechselrichterabschnitt 103, um Spannungen gemäß dem Betrag der Phasenspannungsanweisungswerte als Motorphasenspannungen auszugeben. Einschalt-/Ausschaltanweisungen, die den Halbleitern zugeführt werden, werden als PWM-Signale bezeichnet (insgesamt werden sechs PWM-Signale zugeführt).
Wie oben beschrieben berechnet die Steuereinheit im verwandten Gebiet die Spannungstoleranz als Antwort auf eine Änderung der Gleichstrombusspannung und bestimmt den d-Achsenstromanweisungswert id* gemäß der Spannungstoleranz. Allerdings wird in der Steuereinheit lediglich eine Beschränkung unter Berücksichtigung der N-τ-Charakteristik (Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik) des Motors auf den q-Achsenstromanweisungswert iq* angewendet, jedoch wird keine Echtzeitspannungseinschränkung berücksichtigt, um den q-Achsenstromanweisungswert iq* zu bestimmen. Aus diesem Grund lag ein Fall vor, in dem ein Drehmoment gemäß einer Anweisung aufgrund der Spannungseinschränkung in einem Leistungsflusszustand bei einer hohen Drehzahl nicht erzeugt werden kann, oder umgekehrt ein Fall, in dem ein maximales Drehmoment, das im Prinzip durch einen Motor erzeugt werden kann, vom Motor aufgrund der Anwesenheit einer übermäßigen Beschränkung nicht erhalten werden kann.
Angesichts derartiger Umstände offenbart die vorliegende Offenlegung eine Motorsteuereinheit, die ein Ausgangsdrehmoment des Motors während einer Hochdrehzahldrehung mit einem erhöhten Wirkungsgrad maximieren kann.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Motorsteuereinheit die hier offenbart wird, ist eine Steuereinheit, in der ein Strom, der einem Motor mittels eines Wechselrichters zugeführt wird, über einen Vorgang unter Verwendung eines Zweiphasendrehkoordinatensystems bestimmt wird, wobei die Motorsteuereinheit einen q-Achsenstromrechner, der einen q-Achsenstromwert gemäß einem Drehmomentanweisungswert berechnet, und eine Stromvektorsteuereinheit, die einen q-Achsenstromanweisungswert und einen d-Achsenstromanweisungswert auf der Grundlage des q-Achsenstromwertes, einer Drehzahl des Motors und einer Gleichstrombusspannung des Wechselrichters berechnet, enthält. In der Motorsteuereinheit ist die Stromvektorsteuereinheit konfiguriert, auf der Grundlage der Drehzahl des Motors und der Gleichstrombusspannung einen Spannungsbegrenzungskreis, der in einer d-q-Ebene Stromgrenzwerte repräsentiert, die durch eine Spannungseinschränkung, die aus der Gleichstrombusspannung resultiert, definiert sind, zu bestimmen, einen q-Achsenstromgrenzwert auf der Grundlage sowohl des Spannungsbegrenzungskreises als auch eines vorgegebenen Strombegrenzungskreises, der in der d-q-Ebene Stromgrenzwerte repräsentiert, die durch eine Stromeinschränkung des Motors definiert sind, zu berechnen, als einen q-Achsenstromanweisungswert einen Wert zu bestimmen, der über eine Begrenzungsverarbeitung erhalten wird, die unter Verwendung des q-Achsenstromgrenzwertes auf den q-Achsenstromwert, der im q-Achsenstromrechner berechnet wird, angewandt wird, und einen entsprechenden d-Achsenstromanweisungswert auf der Grundlage des q-Achsenstromanweisungswertes zu bestimmen.
Zusätzlich ist die Stromvektorsteuereinheit ferner konfiguriert, die Gleichstrombusspannung des Wechselrichters zu konfigurieren, eine Änderung der Gleichstrombusspannung zu finden, die gefundene Änderung der Gleichstrombusspannung in eine Änderung einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit umzusetzen, um dadurch einen Spannungsbegrenzungskreis, der einer geänderten elektrischen Winkelgeschwindigkeit entspricht, zu identifizieren, einen Arbeitspunkt in einem Stromvektor, der durch den identifizierten Spannungsbegrenzungskreis und eine q-Achse definiert ist, zu bestimmen, einen q-Achsenstromgrenzwert Iq_max aus dem Arbeitspunkt zu berechnen und gleichzeitig einen q-Achsenstromanweisungswert iq* und einen d-Achsenstromanweisungswert id* zu berechnen.
Wenn der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max gemäß der Spannungseinschränkung, die die Änderung der Gleichstrombusspannung des Wechselrichters berücksichtigt, bestimmt wird, um den q-Achsenstromanweisungswert iq* und den d-Achsenstromanweisungswert id* optimal zu finden, können sowohl ein erhöhtes Ausgangsdrehmoment während der Hochdrehzahldrehung als auch eine Steuerung mit hohem Wirkungsgrad erzielt werden. Zusätzlich kann eine Umsetzung der Änderung der Gleichstrombusspannung in die Änderung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit zur Beseitigung einer Echtzeitberechnung elektrischer Winkelgeschwindigkeitsparameter (ωa, ωb, ωc) in einem Stromvektorbegrenzungsdiagramm beitragen.
Figurenliste
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung wird mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben; es zeigen

1 ein Blockdiagramm, das eine Beispielkonfiguration einer Steuereinheit für einen Permanentmagnetsynchronmotor zeigt;
2 einen Ablaufplan, um einen Rechenalgorithmus, der durch einen Stromvektorsteuerabschnitt in der Steuereinheit für den Permanentmagnetsynchronmotor ausgeführt wird, zu erläutern;
3 einen Graphen, der als ein Beispiel einen Drehzahlanweisungswert, der in der Steuereinheit erhalten wird, und eine Motordrehzahl zeigt (in einem Fall, in dem Δdc = 0);
4 einen Graphen, der als ein Beispiel einen Drehmomentanweisungswert, einen q-Achsenstromanweisungswert und einen d-Achsenstromanweisungswert, die in der Steuereinheit erhalten werden, zeigt (in einem Fall, in dem Δdc = 0);
5 einen Graphen, der als ein Beispiel einen internen Vorgang zeigt, der während der Beschleunigung durch einen Stromvektorsteuerabschnitt in der Steuereinheit durchgeführt wird (in einem Fall, in dem Δdc = 0);
6 einen Graphen, der als ein Beispiel einen internen Vorgang zeigt, der während der Verzögerung durch den Stromvektorsteuerabschnitt in der Steuereinheit durchgeführt wird (in einem Fall, in dem Δdc = 0);
7 einen Graphen, der als ein Beispiel den Drehmomentanweisungswert, den q-Achsenstromanweisungswert und den d-Achsenstromanweisungswert, die in der Steuereinheit erhalten werden, zeigt (in einem Fall, in dem Δdc > 0);
8 einen Graphen, der als ein Beispiel einen internen Vorgang zeigt, der während der Beschleunigung durch den Stromvektorsteuerabschnitt in der Steuereinheit durchgeführt wird (in einem Fall, in dem Δdc > 0);
9 einen Graphen, der als ein Beispiel einen internen Vorgang zeigt, der während der Verzögerung durch den Stromvektorsteuerabschnitt in der Steuereinheit durchgeführt wird (in einem Fall, in dem Δdc > 0);
10 ein Stromvektorbegrenzungsdiagramm, das einen Steuerbereich eines Stromvektors des Permanentmagnetsynchronmotors repräsentiert; und
11 ein Blockdiagramm, das eine Beispielkonfiguration einer Steuereinheit für einen Permanentmagnetsynchronmotor im verwandten Gebiet zeigt.

BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung beschrieben. Zunächst werden Prinzipien der Berechnung eines q-Achsenstromanweisungswertes iq* und eines d-Achsenstromanweisungswertes id* gemäß dieser Ausführungsform unter Bezugnahme auf 10 beschrieben.
Eine bekannte Gleichung für eine (d, q)-Achsenkoordinatensystemspannung eines Permanentmagnetsynchronmotors wird in Gleichung (1) beschrieben. Wie bekannt war, stimmt hier eine induzierte Spannungskonstante Ke, die in der folgenden Gleichung enthalten ist, mit einer Drehmomentkonstante Ke in einem Drehmomentstromumsetzer 53 (siehe 1 und 11) überein.
[Gleichung 1] $\begin{matrix} [\begin{matrix} v_{d} \\ v_{q} \end{matrix}] & = & [\begin{matrix} R + PL & 0 \\ 0 & R + PL \end{matrix}] & [\begin{matrix} i_{d} \\ i_{q} \end{matrix}] & + & [\begin{matrix} - ω_{ra} {Li}_{q} \\ ω_{re} {Li}_{q} + Ke ω_{m} \end{matrix}] \\ ........ & ............................ & ...... & .......................... \\ V & Z & I & V_{o} \end{matrix}$
wobei v_d: d-Achsenspannung, v_q: q-Achsenspannung, id: d-Achsenstrom, iq: q-Achsenstrom
P: Differentialoperator, R: Widerstand, L: Induktivität
ω_m: Motordrehzahl (mechanischer Winkel), ω_re: elektrische Winkelgeschwindigkeit
Ke: induzierte Spannungskonstante
Ein PWM-Wechselrichter wird einer Stromeinschränkung, die aus einer zulässigen Strombelastbarkeit eines Leistungshalbleiters oder weiteren Faktoren resultiert, unterworfen. Die Strombelastbarkeit wird durch Gleichung (2) wie folgt ausgedrückt. ${\begin{array}{l} I s_{m a x} = \sqrt{\frac{2}{3}} I_{0 m a x} & (2 a) \\ I_{0 m a x} \geq | I_{0} | = \sqrt{i_{q}^{2} + i_{d}^{2}} & (2 b) \end{array}$
wobei Is_max : zulässiger Phasenstromgrenzwert (u-, v-, w-Grenzwert)
I_0max : Stromgrenzwert im (d, q)-Koordinatensystem, der Is_max entspricht Währenddessen sind, um die Drehung des Motors unter Verwendung des PWM-Wechselrichters zu steuern, eine Gleichstrombusspannung Vdc und ein Spannungsvektor V in Gleichung (1) erforderlich, um die Beziehung, die durch die folgende Gleichung (3) ausgedrückt wird, zu erfüllen. ${\begin{array}{l} V_{d c} \geq \sqrt{3} V s_{m a x} = \sqrt{3} \sqrt{\frac{2}{3}} V_{m a x} = \sqrt{2} V_{m a x} & (3 a) \\ V_{m a x} \geq | V | = \sqrt{V_{q}^{2} + V_{d}^{2}} & (3 b) \end{array}$
wobei Vdc: Gleichstrombusspannung
Vs_max : Phasenspannungsgrenzwert (u-, v-, w-Grenzwert), der V_dc entspricht
V_max : Spannungsgrenzwert im (d, q)-Koordinatensystem, der Vs_max entspricht
Die oben genannte Gleichung bezeichnet, dass es zur Motorsteuerung erforderlich ist, dass der Betrag |V| der Spannung im (d, q)-Koordinatensystem derart unterdrückt wird, dass er kleiner oder gleich (1/√2) der Gleichstrombusspannung V_dc ist. Hier kann durch Annehmen eines Stromvektors I in Gleichung (1) als eine Gleichstromgröße und Ausschließen eines Betrags eines Spannungsabfalls, der durch einen Widerstand R bewirkt wird, ein Spannungsgrenzwert V_0max durch Gleichung (4) wie folgt ausgedrückt werden.
[Gleichung 4] $V_{0 max} = V_{max} - R \cdot I_{0 max}$
Zusätzlich zum Erfüllen der Stromeinschränkung, die durch Gleichung (2) ausgedrückt ist, sollte der Spannungsvektor Vo in Gleichung (1) bei oder unter dem Spannungsgrenzwert V_0max , der durch Gleichung (4) ausgedrückt ist, gehalten werden, um die Drehung des Motors wie angewiesen zu steuern. Daher muss der Stromvektor I die Bedingung |V₀| = V_0max; d. h. |V0| ≤ -R·I_0max zusätzlich zum Einhalten einer Anforderung der Stromeinschränkung in Gleichung (1) erfüllen.
10 ist ein Stromvektorbegrenzungsdiagramm, das einen Steuerbereich des Stromvektors I des Permanentmagnetsynchronmotors repräsentiert. Aus dem Spannungsvektor V₀ in Gleichung (1) kann eine Spannungseinschränkung durch Gleichung (5) wie folgt ausgedrückt werden.
[Gleichung 5] ${(\frac{V_{0 m a x}}{ω_{r e} L})}^{2} = {(\frac{K e}{p L} + i_{d})}^{2} + i_{q}^{2}$
Weil die elektrische Winkelgeschwindigkeit core gleich der Motordrehzahl ωm multipliziert mit der Anzahl von Polpaaren p (ωre = p · ωm) ist, repräsentiert Gleichung (5) einen Spannungsbegrenzungskreis, dessen Durchmesser allmählich kleiner wird, während die Motordrehzahl ωm zunimmt. Der Spannungsbegrenzungskreis ist ein Kreis, der Stromgrenzwerte repräsentiert, die aus der Spannungseinschränkung, die durch die Gleichstrombusspannung bewirkt wird, bestimmt werden. In 10 repräsentieren dünne gepunktete Kreise Spannungsbegrenzungskreise, die abhängig von Werten von |ωre| variieren. Ferner repräsentiert in 10 eine dünne durchgehende Linie einen Strombegrenzungskreis. Der Strombegrenzungskreis ist eine Kreis, der in einer d-q-Ebene Stromgrenzwerte, die aus der Stromeinschränkung des Motors bestimmt werden, repräsentiert. Ein Steuerbereich des Stromvektors I liegt in einem Innenbereich, der durch eine Überlappung zwischen dem Strombegrenzungskreis und dem Spannungsbegrenzungskreis definiert ist, und im Steuerbereich wird der d-Achsenstrom id im Bereich (-Ke/pL) ≤ id ≤ 0 gesteuert, um eine Motorspannung mit einem hohen Wirkungsgrad zu unterdrücken.
Bei elektrischen Winkelgeschwindigkeiten core im Bereich |ωre| < ωa kann, weil keine Spannungseinschränkung vorliegt, der d-Achsenstrom id als id = 0 betrachtet werden und lediglich der q-Achsenstrom wird auf der q-Achse gesteuert. Bei elektrischen Winkelgeschwindigkeiten ωre im Bereich ωa ≤ |ωre| ist, weil die Spannungseinschränkung angewandt wird, die Spannung unter Einschränkungen sowohl des Strombegrenzungskreises als auch des Spannungsbegrenzungskreises. Zum Beispiel repräsentiert in 10 eine dicke durchgehende Linie einen Übergang eines Arbeitspunktes bei der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωre von |ωre| = ωab (wobei ωa ≤ ωab < ωb). Wenn |ωre| = ωab, wie in 10 gezeigt ist, schneidet der Spannungsbegrenzungskreis (der zweite dünne gepunktete Kreis von außen) die q-Achse bei den Koordinaten (0, iqab0) und (0, -iqab0) und schneidet außerdem den Strombegrenzungskreis (den dünnen durchgehenden Kreis) bei den Koordinaten (idab, iqab) und (idab, -iqab). Aus diesem Grund kann der d-Achsenstrom id 0 sein, wenn iq < iqab0 erfüllt ist. Allerdings erreicht, wenn die Beziehung iq ≥ iqab0 festgelegt ist, der Spannungsvektor die Spannungseinschränkung, was bewirkt, dass der Arbeitspunkt von den Koordinaten (0, iqab0) zu den Koordinaten (idab, iqab) auf dem Spannungsbegrenzungskreis übergeht. Wenn die Beziehung sich zu iq > iqab ändert, ist das Zuführen des q-Achsenstroms ip aufgrund der Stromeinschränkung nicht zulässig.
Bei elektrischen Winkelgeschwindigkeiten core im Bereich ωb ≤ |ωre| wird, weil sich der Spannungsbegrenzungskreis im Strombegrenzungskreis befindet, der Spannungsbegrenzungskreis als die Einschränkung verwendet. In 10 repräsentiert eine dicke strichpunktierte Linie einen Übergang des Arbeitspunktes bei elektrischen Winkelgeschwindigkeiten ωre im Bereich von |ωre| = ωbc (wobei ωb ≤ ωbc < ωc). Wenn |ωre| = ωbc, kann der q-Achsenstrom iq im Bereich von iq < iqbc0 unter einer Bedingung id = 0 mit dem Arbeitspunkt auf dem Spannungsbegrenzungskreis gesteuert werden, bis der q-Achsenstrom iq einen Bereich iq ≤ iqbc erreicht. Bei elektrischen Winkelgeschwindigkeiten im Bereich ωc ≤ |ωre| liegt im gesamten Bereich der d-Achsenstrom id im Bereich id < 0, wie durch eine doppelt gepunktete, dicke gestrichelte Linie in 10 gezeigt ist, weil die Spannungseinschränkung angewandt wird, selbst wenn iq = 0. Daher kann der q-Achsenstrom iq entlang des Spannungsbegrenzungskreises gesteuert werden, bis er den Bereich iq ≤ iqcd erreicht.
In 10 repräsentiert eine dicke gepunktete Linie einen Übergang eines q-Achsenstromgrenzwertes Iq_max. Der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max nimmt allmählich ab, während die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωre zunimmt. Eine Betriebslinie (Lastlinie) des q-Achsenstromgrenzwertes Iq_max geht von A → B → C → D im Stromvektorbegrenzungsdiagramm über, wenn der q-Achsenstrom iq ein positives Vorzeichen besitzt. Andererseits geht der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max von A' → B' → C' → D' im Stromvektorbegrenzungsdiagramm über, wenn der q-Achsenstrom iq ein negatives Vorzeichen besitzt. Das heißt, dass ein q-Achsenkoordinatenwert, der den größten Betrag unter den q-Achsenkoordinaten im Innenbereich, in dem der Spannungsbegrenzungskreis mit dem Strombegrenzungskreis überlappt, besitzt, als der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max betrachtet wird. Ein Wert, der über eine Begrenzungsverarbeitung, die unter Verwendung des q-Achsenstromgrenzwertes Iq_max am q-Achsenstromwert, der gemäß dem Drehmomentanweisungswert berechnet wird, durchgeführt wird, erhalten wird, wird als ein q-Achsenstromanweisungswert iq* verwendet. Andererseits wird für einen d-Achsenstromanweisungswert id* ein Punkt, dessen q-Achsenkoordinatenwert mit dem q-Achsenstromanweisungswert iq* übereinstimmt und dessen d-Achsenkoordinatenwert den kleinsten Betrag unter den d-Achsenkoordinaten im Innenbereich, in dem der Spannungsbegrenzungskreis mit dem Strombegrenzungskreis überlappt, besitzt, bestimmt und ein d-Achsenkoordinatenwert des bestimmten Punktes wird als der d-Achsenstromanweisungswert id* betrachtet.
In dieser Ausführungsform wird der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max auf der Grundlage der Spannungseinschränkung berechnet, die unter Berücksichtigung einer Änderung der Gleichstrombusspannung des Wechselrichters, der durch den oben beschriebenen Spannungsbeschränkungskreis repräsentiert ist, bestimmt wird, und anschließend werden der q-Achsenstromanweisungswert iq* und der d-Achsenstromanweisungswert id* auf der Grundlage des berechneten q-Achsenstromgrenzwerts Iq_max bestimmt, um dadurch das Ausgangsdrehmoment zu maximieren und den Wirkungsgrad während einer Hochdrehzahldrehung des Motors zu erhöhen.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 1 eine Drehzahlsteuereinheit 10 für einen Dreiphasen-Permanentmagnetsynchronmotor gemäß dieser Ausführungsform erläutert. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Struktur der Drehzahlsteuereinheit 10 für den Dreiphasen-Permanentmagnetsynchronmotor in dieser Ausführungsform zeigt. Lediglich verschiedene Komponenten, die oben nicht in Verbindung mit dem Beispiel der Drehzahlsteuereinheit im verwandten Gebiet erläutert werden, werden unten beschrieben.
Die Drehzahlsteuereinheit 10 besteht z. B. aus einem Mikrocomputer, der einen CPU und einen Speicher enthält. Alternativ kann die Drehzahlsteuereinheit 10 aus einer elektrischen Schaltung, die eine Berechnung gemäß vorgegebenen Prozedurschritten durchführt, oder einer Kombination von zwei oder mehr derartigen elektrischen Schaltungen bestehen. In der Drehzahlsteuereinheit 10 wird eine Ausgabe eines Drehmomentstromumsetzers 53 als eine Eingabe zu einem Stromvektorsteuerabschnitt 1 geliefert. Es sollte festgehalten werden, dass die Ausgabe des Drehmomentstromumsetzers 53 ein q-Achsenstromanweisungswert in einem Zustand vor der Anwendung der Begrenzungsverarbeitung ist. Ein Spannungseinschränkungsausdruck kann mit dem Spannungsbegrenzungskreis, der durch Gleichung (5) definiert ist, beschrieben werden. Wie aus Gleichung (5) offensichtlich ist, ist die Größe (der Radius) des Spannungsbegrenzungskreises zur elektrischen Winkelgeschwindigkeit core (der Motordrehzahl com) umgekehrt proportional und ist zum Spannungsgrenzwert V_0max proportional. Aus den Gleichungen (3a) und (4) wird festgestellt, dass eine Änderung Δdc der Gleichstrombusspannung Vdc und eine Änderung ΔV_0max des Spannungsgrenzwerts V_0max eine Beziehung besitzen, die durch Gleichung (6) wie folgt beschrieben wird.
[Gleichung 6] $Δ V_{0 m a x} = \frac{Δ_{d c}}{\sqrt{2}}$
Deshalb ist ein Spannungsgrenzwert V_{0max_v} , der die Spannungsänderungen einbezieht, für jeden Vorgang im Leistungsbetrieb und im regenerativen Betrieb wie folgt definiert.
[Gleichung 7] ${\begin{array}{l} V_{0 m a x_v} = V_{0 m a x} + Δ V_{0 m a x} = V_{0 m a x} + \frac{Δ_{d c}}{\sqrt{2}} & : F Ü R L E I S T U N G S B E T R I E B \\ V_{0 m a x_v} = V_{0 m a x} + R \cdot I_{0 m a x} + Δ V_{0 m a x} = V_{0 m a x} + R \cdot I_{0 m a x} + \frac{Δ_{d c}}{\sqrt{2}} & : F Ü R R E F E N E R A T I V B E T . \end{array}$
Hier wird Gleichung (8) für den Spannungsgrenzwert V_{0max_v} wie folgt festgelegt.
[Gleichung 8] $\frac{V_{0 m a x_v}}{ω_{r e}} = \frac{V_{0 m a x}}{\frac{V_{0 m a x}}{V_{0 m a x_v}} ω r e} = \frac{V_{0 m a x}}{ω_{r e_v}}$
Deshalb kann der Arbeitspunkt im Stromvektorbegrenzungsdiagramm durch Umwandeln der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωre_{_}v unter Verwendung von Gleichung (9) in die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωre_{_}v, die die Spannungsänderungen berücksichtigt, und anschließendes Wählen des Spannungsbegrenzungskreises unter Verwendung der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωre_v bestimmt werden.
[Gleichung 9] $ω_{r e_v} = \frac{V_{0 m a x}}{V_{0 m a x_v}} ω_{r e}$
Im Stromvektorsteuerabschnitt 1 sind die Anzahl von Polpaaren p, die Wicklungsinduktivität L, der Wicklungswiderstand R und die induzierte Spannungskonstante Ke, die Motorparameter sind, die Gleichstrombusbezugsspannung Vdc, der Bezugsspannungsgrenzwert V_0max und der Stromgrenzwert I_0max , die auf der Grundlage der Bewertung des PWM-Wechselrichter oder weiterer Faktoren bestimmt werden, und elektrische Winkelgeschwindigkeitsparameter ωa, ωb und ωc, die elektrische Winkelgeschwindigkeiten im Stromvektorbegrenzungsdiagramm repräsentieren, voreingestellt und im Speicher gespeichert. Die elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameter ωa, ωb und ωc geben Abgrenzungswerte der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωre_{_}v an, bei denen Berechnungsgleichungen für den q-Achsenstromanweisungswert iq* und den d-Achsenstromanweisungswert id* geändert werden. Der Stromvektorsteuerabschnitt 1 bestimmt aus den voreingestellten Werten, der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωre des Motors, die in Echtzeit variiert, und dem detektierten Gleichstrombusspannungsänderungswert Δdc den Arbeitspunkt im Stromvektorbegrenzungsdiagramm auf der Grundlage eines Berechnungsalgorithmus, der unten erläutert wird, und berechnet, auf der Grundlage des bestimmten Arbeitspunkts den q-Achsenstromanweisungswert iq* und den d-Achsenstromanweisungswert id*, die dann ausgegeben werden.
2 ist ein Ablaufplan, um den Berechnungsalgorithmus, der im Stromvektorsteuerabschnitt 1 der Drehzahlsteuereinheit 10 eingesetzt wird, zu erläutern. Zunächst liest der Stromvektorsteuerabschnitt 1 in Schritt S1 den detektierten Gleichstrombusspannungsänderungswert Δdc. In Schritt S2 bestimmt der Stromvektorsteuerabschnitt 1, ob ein Betriebszustand des Motors ein Leistungsflusszustand oder ein regenerativer Zustand ist. Zum Beispiel wird der Betriebszustand des Motors als der Leistungsflusszustand bestimmt, wenn die Motordrehzahl com und eine Motorbeschleunigung Werte mit demselben Vorzeichen besitzen, oder als der regenerative Zustand bestimmt, wenn sie Werte mit entgegengesetztem Vorzeichen besitzen. Der Vorgang fährt zu Schritt S3 fort, wenn der Leistungsflusszustand bestimmt wird, oder fährt zu Schritt S4 fort, wenn der regenerative Zustand bestimmt wird, und in jedem Schritt berechnet der Stromvektorsteuerabschnitt 1 auf der Grundlage von Gleichung (7) den Spannungsgrenzwert V_{0max_v} , der die Spannungsänderung einbezieht. Der Vorgang fährt ferner zu Schritt S5 fort, in dem der Stromvektorsteuerabschnitt 1 auf der Grundlage von Gleichung (9) die elektrische Winkelgeschwindigkeit core in die elektrische Winkelgeschwindigkeit ωre_{_}v, die die Spannungsänderung berücksichtigt, umwandelt.
Aus den Schritten S6 bis S8 wird eine Domäne des Arbeitspunktes im Stromvektorbegrenzungsdiagramm bestimmt. Die Größe ωa ist ein elektrischer Winkelgeschwindigkeitsparameter, der eine elektrische Winkelgeschwindigkeit angibt, die am kleinsten unter denen ist, die der Spannungseinschränkung bei einer Bezugsspannung unterworfen sind, und ein Spannungsbegrenzungskreis der elektrischen Winkelgeschwindigkeit verläuft über den Punkt A (oder A') im Stromvektorbegrenzungsdiagramm in 10. Der elektrische Winkelgeschwindigkeitsparameter coa ist durch Gleichung (10), die unten beschrieben ist, bestimmt. In Schritt S6 bestimmt der Stromvektorsteuerabschnitt 1, ob ein Betrag |ωre_{_}v| der elektrischen Winkelgeschwindigkeit im Bereich |ωre_{_}v| < ωa liegt.
[Gleichung 10] $ω a = \frac{V_{0 m a x} / L}{\sqrt{{(K e / p L)}^{2} + I_{0 m a x}^{2}}}$
Wenn der Betrag |ωre_{_}v| im Bereich |ωre_{_}v| ≥ ωa liegt, fährt der Vorgang zu Schritt S7 fort, in dem der Stromvektorsteuerabschnitt 1 bestimmt, ob der Betrag |ωre_v| im Bereich ωa ≤ |ωre_v| < ωb liegt oder nicht. Die Größe cob ist ein elektrischer Winkelgeschwindigkeitsparameter, der eine elektrische Winkelgeschwindigkeit angibt, die am kleinsten unter denen ist, die Spannungsbegrenzungskreisen, die sich im Strombegrenzungskreis bei der Bezugsspannung befinden, zugeordnet sind, und ein Spannungsbegrenzungskreis der elektrischen Winkelgeschwindigkeit verläuft über den Punkt B (oder B') auf dem Stromvektorbegrenzungsdiagramm in 10. Der elektrische Winkelgeschwindigkeitsparameter ωb ist durch Gleichung (11) wie folgt bestimmt.
[Gleichung 11] $ω b = \frac{V_{0 m a x} / L}{\sqrt{I_{0 m a x}^{2} - {(K e / p L)}^{2}}}$
Wenn der Betrag |ωre_{_}v| im Bereich |ωre_{_}v| ≥ ωb liegt, fährt der Vorgang zu Schritt S8 fort, in dem der Stromvektorsteuerabschnitt 1 bestimmt, ob der Betrag |ωre_{_}v| im Bereich ωb ≤ |ωre_v| < ωc liegt oder nicht. Die Größe ωc ist ein elektrischer Winkelgeschwindigkeitsparameter, der eine elektrische Winkelgeschwindigkeit angibt, die am kleinsten unter denen ist, die der Spannungseinschränkung unterworfen sind, selbst wenn der q-Achsenstrom iq gleich 0 ist, und ein Spannungsbegrenzungskreis der elektrischen Winkelgeschwindigkeit verläuft über den Punkt C (oder C') auf dem Stromvektorbegrenzungsdiagramm in 10. Der elektrische Winkelgeschwindigkeitsparameter ωc ist durch Gleichung (12) wie folgt bestimmt.
[Gleichung 12] $ω c = \frac{V_{0 m a x}}{(K e / p)}$
Wenn der Betrag |ωre_v| im Bereich |ωre_v| < ωa liegt (in Schritt S6 wird Ja bestimmt), hat die Motordrehzahl die elektrische Winkelgeschwindigkeit, die der elektrischen Einschränkung unterworfen ist, nicht erreicht. In einer Domäne dieses Bereichs kann eine Steuerung mit dem d-Achsenstrom id = 0 durchgeführt werden, während der q-Achsenstrom iq zugeführt werden kann, sofern nicht ein Wert des q-Achsenstroms iq den Stromgrenzwert I_0mx überschreitet. In Schritt S6_{_}1 wird ein Betragswert |iq*| des q-Achsenstromanweisungswerts mit dem Stromgrenzwert I_0mx verglichen und dann, wenn |iq*| > I_0max bestimmt wird, fährt der Vorgang zu Schritt S6_2 fort, in dem die Begrenzungsverarbeitung am q-Achsenstromanweisungswert iq* unter Verwendung des Stromgrenzwerts I_0mx durchgeführt wird. Für den d-Achsenstromanweisungswert id* wird id* = 0 gesetzt und in Schritt S14 ausgegeben.
Wenn der Betrag |ωre_{_}v| im Bereich ωa ≤ |ωre_v| < ωb liegt (in Schritt S7 wird Ja bestimmt), wird es nötig, dass der d-Achsenstrom id gemäß dem q-Achsenstrom iq bestimmt wird. Die q-Achsenstrombegrenzung ist durch einen Schnittpunkt (idap, iqab) eines Spannungsbegrenzungskreises, der in einem A-B-Abschnitt vorliegt, mit dem Strombegrenzungskreis im Stromvektorbegrenzungsdiagramm in 10 definiert und wird durch Gleichung (13) wie folgt berechnet.
[Gleichung 13] ${\begin{array}{l} i_{d a b} = \frac{{V_{0 m a x} / (ω_{r e_v} L)}^{2} - {(K e / p l)}^{2} - I_{0 m a x}^{2}}{2 (K e / p L)} \\ i_{q a b} = \sqrt{I_{0 m a x}^{2} - i_{d a b}^{2}} \end{array}$
Hier stimmt der q-Achsenstrom iq, der die Anwendung der Spannungseinschnürung bewirkt, mit iqab0 von einem Schnittpunkt (0, iqab0) des Spannungsbegrenzungskreises mit der q-Achse überein und wird durch Gleichung (14) wie folgt berechnet.
[Gleichung 14] $i_{q a b 0} = \sqrt{{V_{0 m a x} / (ω_{r e_v} L)}^{2} - {(K e / p L)}^{2}}$
In Schritt S7_{_}1 weist der Stromvektorsteuerabschnitt 1 dem q-Achsenstromgrenzwert Iq_max einen Wert von iqab zu, der durch Gleichung (13) berechnet wurde. In Schritt S7_{_}2 weist der Stromvektorsteuerabschnitt 1 einem Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom Iq_{_}max_{_}0 einen Wert von iqab0 zu, der durch Gleichung (14) berechnet wird. Der Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom Iq_{_}max_{_}0 repräsentiert einen Maximalwert des q-Achsenstromanweisungswerts iq*, der ein Setzen des d-Achsenstromanweisungswerts id* = 0 ermöglicht. Wenn der q-Achsenstromanweisungswert iq* den Wert des Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstroms Iq_max_0 überschreitet, stellt sich |id*| > 0 für den d-Achsenstromanweisungswert id* ein.
Wenn der Betrag |ωre_{_}v| die Beziehung ωb ≤ |ωre_{_}v| < ωc erfüllt (in Schritt S8 wird Ja bestimmt), wird der d-Achsenstrom id auch gemäß dem q-Achsenstrom iq bestimmt. Die q-Achsenstrombegrenzung ist durch einen Schnittpunkt (idbc, iqbc) eines Spannungsbegrenzungskreises, der in einem B-C-Abschnitt vorliegt, mit einer Linie, die durch id = -Ke / pL definiert ist (Linie, die parallel zur q-Achse durch den Mittelpunkt des Spannungsbegrenzungskreises verläuft), im Stromvektorbegrenzungsdiagramm von 10 definiert und wird durch Gleichung (15) wie folgt berechnet.
[Gleichung 15] ${\begin{array}{l} i_{d b c} = - (K e / p L) \\ i_{q b c} = V_{0 m a x} / (ω_{r e_v} L) \end{array}$
In diesem Fall stimmt der q-Achsenstrom iq, der die Anwendung der Spannungseinschnürung bewirkt, mit iqbc0 bei einem Schnittpunkt (0, iqbc0) des Spannungsbegrenzungskreises mit der q-Achse überein und wird durch Gleichung (16) wie folgt berechnet.
[Gleichung 16] $i_{q b c 0} = \sqrt{i_{q b c}^{2} - {(K e / p L)}^{2}}$
In Schritt S8_{_}1 weist der Stromvektorsteuerabschnitt 1 dem q-Achsenstromgrenzwert Iq_max einen Wert des iqbc, der durch Gleichung (15) berechnet wird, zu. In Schritt S8_{_}2 weist der Stromvektorsteuerabschnitt 1 dem Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom Iq_{_}max_{_}0 einen Wert des iqbc, der durch Gleichung (16) berechnet wird, zu.
Wenn der Betrag |ωre_v| die Beziehung |ωre_v| ≥ ωc erfüllt (in Schritt S8 wird Nein bestimmt), wird die Spannungseinschränkung angewandt, selbst wenn der q-Achsenstrom iq null ist, was bedeutet, dass es nötig ist, den d-Achsenstrom id für den Steuerbetrieb zu verwenden. Ein Wert der q-Achsenstrombegrenzung ist durch einen Schnittpunkt (idbc, iqbc) des Spannungsbegrenzungskreises, der im C-D-Abschnitt vorliegt, mit einer Linie, die durch id = -Ke / pL definiert ist (Linie, die parallel zur q-Achse durch den Mittelpunkt des Spannungsbegrenzungskreises verläuft), definiert und wird durch Gleichung (17) wie folgt berechnet.
[Gleichung 17] ${\begin{array}{l} i_{d c d} = - (K e / p L) \\ i_{q c d} = V_{0 m a x} / (ω_{r e_v} L) \end{array}$
In Schritt S9_{_}1 weist der Stromvektorsteuerabschnitt 1 dem q-Achsenstromgrenzwert Iq_max einen Wert des iqcd, der durch Gleichung (17) berechnet wird, zu. Dann setzt der Stromvektorsteuerabschnitt 1 in Schritt S9_2 Iq_{_}max_{_}0 = 0 als den Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom Iq_{_}max_{_}0.
Wenn der Betrag |ωre_v| die Beziehung |ωre_v| ≥ ωa erfüllt (in Schritt 6 wird Nein bestimmt), fährt der Vorgang nach dem Abschließen des Setzens des q-Achsenstromgrenzwerts Iq_max und dem Spannungsbegrenzungsstart-q-Achsenstrom Iq_{_}max_{_}0 zu Schritt S10 fort. In Schritt S10 vergleicht der Stromvektorsteuerabschnitt 1 im Bereich |ωre_{_}v| ≥ ωa, in dem der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max kleiner oder gleich dem Stromgrenzwert I_0max ist, den Betrag |iq*| des q-Aschenstromanweisungswerts mit dem Wert des q-Achsenstromgrenzwerts Iq_{_}max. Wenn die Beziehung |iq*| > Iq_max bestimmt wird, wird die Begrenzungsverarbeitung in Schritt S11 durchgeführt, um den q-Achsenstromanweisungswert iq* derart zu beschränken, dass er Iq_max nicht überschreitet. In Schritt S12 wird der Betrag |iq*| des q-Achsenstromanweisungswerts mit dem Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstromwert Iq_{_}max_{_}0 verglichen und dann, wenn die Beziehung |iq*| < Iq_{_}max_{_}0 gefunden wird, wird der d-Aschenstromanweisungswert id* in Schritt S14 als id* = 0 gesetzt und ausgegeben. Andererseits wird dann, wenn die Beziehung |iq*| ≥ Iq_{_}max_{_}0 bestimmt wird, der Wert von id*, der abhängig von der Spannungseinschränkung benötigt wird, in Schritt S13 auf der Grundlage des iq* durch Gleichung (18) wie folgt berechnet.
[Gleichung 18] $i_{d} * = - (K e / p L) + \sqrt{{V_{0 m a x} / (ω_{r e_v} L)}^{2} - {(i_{q} *)}^{2}}$
Der d-Achsenstromanweisungswert id* und der q-Achsenstromanweisungswert iq*, die unter Verwendung des oben beschriebenen Berechnungsalgorithmus, der in 2 gezeigt ist, bestimmt werden, sind Koordinatenwerte des Arbeitspunkts, der auf der Grundlage des Spannungsbegrenzungskreises und des Strombegrenzungskreises im Stromvektorbegrenzungsdiagramm von 10 unter Berücksichtigung der Spannungsänderung bestimmt wird, um das maximale Ausgangsdrehmoment mit dem höchsten Wirkungsgrad zu erhalten. Die Anweisungswerte id* und iq* werden vom Stromvektorsteuerabschnitt 1, der in 1 gezeigt ist, ausgegeben.
Obwohl der Berechnungsalgorithmus in dieser Ausführungsform in einigen Gleichungen Quadrieroperationen und Operationen, um die Quadratwurzel zu extrahieren, enthält, liegt nahezu kein Anstieg einer Operationsverarbeitungslast vor, weil tatsächliche Operationen mit einer Arkussinusfunktionstabelle (θ = sin^-1x) und einer Kosinusfunktionstabelle (y = cosθ), die vorab erstellt werden, durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann durch Annehmen von x = idab / I_0max der Wert von iqab in Gleichung 13 durch Berechnen von θ = sin^-1x und anschließendes Berechnen von iqab = I_0max · cosθ = I_0max · y erhalten werden.
3 bis 9 zeigen Graphen, die hauptsächlich Antworten des Stromvektorsteuerabschnitts repräsentieren, die durch Eingeben eines Drehzahlanweisungswertes ωm*, der über quadratische Beschleunigungs-/Verzögerungsverarbeitung erhalten wird, in die Drehzahlsteuereinheit gemäß der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, erhalten wurden. Die horizontale Achse entspricht einer Zeitachse, die durch die Anzahl von Abtastwerten für jede Abtastzeit Ts = 0,1 [ms] ausgedrückt ist. Parameter des Motors und des verwendeten PWM-Wechselrichters enthalten die Anzahl von Polpaaren p = 4, die Wicklungsinduktivität L = 2,35 [mH], den Wicklungswiderstand R = 0,2 [Ω], die induzierte Spannungskonstante Ke = 0,764 [V / (rad/s)], die Gleichspannungsbus(bezugs)spannung Vdc = 283 [V], den (Bezugs-)Spannungsgrenzwert V_0max = 175 [V], den Stromgrenzwert I_0max = 124 [A] und die elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameter ωa = 504, ωb = 800 und ωc = 918. Zusätzlich ist eine Spitzengeschwindigkeit vm*max des Drehzahlanweisungswertes ωm* als vm*max = 2500 [min^-1] in Bezug auf eine Motomenndrehzahl von 2000 [min^-1] spezifiziert.
In 3 bis 6 repräsentieren die Graphen die Antworten, die erhalten werden, wenn der detektierte Gleichstrombusspannungsänderungswert Δdc = 0 [V]. 3 zeigt den Drehzahlanweisungswertes ωm* und die Motordrehzahl ωm und 4 zeigt den Drehmomentanweisungswert τc*, den d-Achsenstromanweisungswert id* und den q-Achsenstromanweisungswert iq*. Ferner zeigt 5 die internen Antworten des Stromvektorsteuerabschnitts in einem Beschleunigungsbereich und 6 zeigt jene in einem Verzögerungsbereich. Speziell 5 und 6 zeigen als Parameter, die die internen Antworten angeben, Änderungen des Spannungsgrenzwertes V_{0max_v} , der induzierten Spannung ωmKe, des q-Achsenstromgrenzwertes Iq_{_}max, des Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstroms Iq_{_}max_{_}0, des d-Achsenstromanweisungswertes id* und des q-Achsenstromanweisungswertes iq*. In einer endgültigen Beschleunigungsstufe ist der q-Achsenstromanweisungswert iq* auf den Wert Iq_max beschränkt, während im Verzögerungsbereich der Spannungsgrenzwert V_{0max_v} erhöht wird, weil der regenerative Zustand geschaffen ist, was zu einer linearen Antwort ohne Beschränkung des q-Achsenstromanweisungswertes iq* führt.
Es sollte festgehalten werden, dass, obwohl die elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameter (ωa, ωb und ωc) konstante Werte sind, weil jeder der Werte einen Zeitpunkt des Übereinstimmens der elektrischen Winkelgeschwindigkeit ωre_v in den Graphen angibt, die Werte, die in die Motordrehzahl ωm (= ωre / p) umgewandelt wurden, zwischen dem Leistungsflussbetrieb und dem erzeugenden Betrieb (Graphen in 5 und 6), in denen die Spannungsgrenzwerte V_{0max_v} voneinander abweichen, nicht übereinstimmen.
7 bis 9 sind Graphen, die die Antworten repräsentieren, die erhalten werden, wenn der detektierte Gleichstrombusspannungsänderungswert Δdc = 40 [V]. Der Drehzahlanweisungswert ωm* ist derselbe wie in 3. Der Graph in 7 entspricht dem Graphen in 4 und die Graphen in 8 und 9 entsprechen den Graphen in 5 bzw. 6. In den Graphen von 7 bis 9 ist der q-Achsenstromgrenzwert Iq_max um den Betrag der Spannungstoleranz erhöht, weil die erhöhte Gleichstrombusspannung eine Spannungstoleranz schafft, mit dem Ergebnis, dass die lineare Antwort selbst im Beschleunigungsbereich erhalten werden kann, ohne zu bewirken, dass der Wert von iq* auf den Wert von Iq_max beschränkt ist.
Bezugszeichenliste

1: Stromvektorsteuerabschnitt
10, 200: Drehzahlsteuereinheit
50, 58, 59: Subtrahierer
51, 56: Differenzierer
52: Drehzahlsteuereinheit
53: Drehmomentstromumsetzer
54: Gleichstrombus-Spannungsdetektionsabschnitt
55: Umsetzer
57: Dreiphasen → dq-Umsetzabschnitt
60: Stromsteuereinheit
61: dq → Dreiphasen-Umsetzabschnitt
62: PWM-Signal-Berechnungsabschnitt
100: Dreiphasen-Wechselstromleistungsquelle
101: Umsetzerabschnitt
102: großer Kondensator
103: Wechselrichterabschnitt
104: Dreiphasen-Permanentmagnetsynchronmotor (Motor)
105: Positionserkennungseinrichtung
106u, 106w: Stromdetektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018 [0001]
JP 015733 [0001]

Claims

Motorsteuereinheit, wobei ein Strom, der über einen Wechselrichter zu einem Motor geliefert wird, unter Verwendung eines Zweiphasen-Drehkoordinatensystems berechnet wird, wobei die Motorsteuereinheit Folgendes umfasst: einen q-Achsenstromrechner, der einen q-Achsenstromwert gemäß einem Drehmomentanweisungswert berechnet; und eine Stromvektorsteuereinheit, die einen q-Achsenstromanweisungswert und einen d-Achsenstromanweisungswert auf der Grundlage des q-Achsenstromwertes, einer Drehzahl des Motors und einer Gleichstrombusspannung des Wechselrichters berechnet; wobei die Stromvektorsteuereinheit konfiguriert ist zum Bestimmen auf der Grundlage der Drehzahl des Motors und der Gleichstrombusspannung eines Spannungsbegrenzungskreises, der in einer d-q-Ebene Stromgrenzwerte, die durch eine Spannungseinschränkung, die aus der Gleichstrombusspannung resultiert, definiert sind, repräsentiert, Berechnen eines q-Achsenstromgrenzwertes auf der Grundlage sowohl des Spanungsbegrenzungskreises als auch eines zuvor bestimmten Strombegrenzungskreises, der in der d-q-Ebene Stromgrenzwerte, die durch eine Stromeinschränkung des Motors definiert sind, repräsentiert, Bestimmen als einen q-Achsenstromanweisungswert eines Wertes, der durch eine Begrenzungsverarbeitung erhalten wird, die unter Verwendung des q-Achsenstromgrenzwertes auf den q-Achsenstromwert, der im q-Achsenstromrechner berechnet wird, angewandt wird, und Bestimmen eines entsprechenden d-Achsenstromanweisungswertes auf der Grundlage des q-Achsenstromanweisungswertes.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 1, wobei die Stromvektorsteuereinheit ferner konfiguriert ist, als den q-Achsenstromgrenzwert einen q-Achsenkoordinatenwert zu bestimmen, der einen größten Betrag unter den q-Achsenkoordinatenwerten, die in einem Innenbereich, der durch eine Überlappung zwischen dem Spannungsbegrenzungskreis und dem Strombegrenzungskreis definiert ist, enthalten sind, besitzt.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 2, wobei die Stromvektorsteuereinheit ferner konfiguriert ist, als den d-Achsenstromanweisungswert einen d-Achsenkoordinatenwert eines Punktes im Innenbereich zu bestimmen, wobei der q-Achsenkoordinatenwert des Punktes mit dem q-Achsenstromanweisungswert, der über die Begrenzungsverarbeitung erhalten wurde, übereinstimmt und der d-Achsenkoordinatenwert des Punktes den kleinsten Betrag unter denen der d-Achsenkoordinatenwerte, die im Innenbereich enthalten sind, besitzt.
Motorsteuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Stromvektorsteuereinheit ferner konfiguriert ist zum Multiplizieren einer elektrischen Winkelgeschwindigkeit des Motors mit einer Änderungsrate der Spannungseinschränkung, die aus einer Änderung der Gleichstrombusspannung resultiert, um eine elektrische Winkelgeschwindigkeit zu erhalten, in der die Spannungsänderung berücksichtigt ist, und Bestimmen des Spannungsbegrenzungskreises auf der Grundlage der elektrischen Winkelgeschwindigkeit, die unter Berücksichtigung der Spannungsänderung erhalten wird.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 4, wobei die Stromvektorsteuereinheit ferner konfiguriert ist, zuvor einen elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameter als eine Konstante zu speichern, der die elektrische Winkelgeschwindigkeit, die unter Berücksichtigung der Spannungsänderung erhalten wurde, repräsentiert und bewirkt, dass eine Gleichung zum Berechnen des q-Achsenstromanweisungswertes und des d-Achsenstromanweisungswertes geändert wird.
Motorsteuereinheit nach Anspruch 5, wobei die Stromvektorsteuereinheit ferner konfiguriert ist zum Bestimmen auf der Grundlage sowohl des Spannungsbegrenzungskreises als auch des Strombegrenzungskreises eines Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstroms, der ein maximaler q-Achsenstromwert unter denen ist, die ermöglichen, dass ein d-Achsenstrom auf null gesetzt wird; und Speichern eines ersten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters, der eine kleinste elektrische Winkelgeschwindigkeit anzeigt, bei der die Spannungseinschränkung angewandt wird, eines zweiten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters, der eine kleinste elektrische Winkelgeschwindigkeit anzeigt, deren Spannungsbegrenzungskreis sich im Strombegrenzungskreis befindet, und eines dritten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters, der eine kleinste elektrische Winkelgeschwindigkeit anzeigt, bei der der Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom null ist; und die Stromvektorsteuereinheit als den q-Achsenstromgrenzwert den Stromgrenzwert, der durch die Stromeinschränkung des Motors definiert ist, bestimmt, wenn ein Betrag der elektrischen Winkelgeschwindigkeit, die unter Berücksichtigung der Spannungsänderung erhalten wird, kleiner als ein Wert des ersten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters ist, als den q-Achsenstromgrenzwert einen q-Achsenkoordinatenwert eines Schnittpunkts des Strombegrenzungskreises mit dem Spannungsbegrenzungskreis bestimmt und als den Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom einen q-Achsenkoordinatenwert eines Schnittpunkts des Spannungsbegrenzungskreises mit einer q-Achse bestimmt, wenn der Betrag der elektrischen Winkelgeschwindigkeit, die unter Berücksichtigung der Änderung der Spannung erhalten wird, größer oder gleich dem Wert des ersten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters und kleiner als ein Wert des zweiten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters ist, als den q-Achsenstromgrenzwert einen q-Achsenkoordinatenwert eines Schnittpunkts des Spannungsbegrenzungskreises mit einer Spannungsmittellinie, die parallel zur q-Achse durch den Mittelpunkt des Spannungsbegrenzungskreises verläuft, bestimmt und als den Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenstrom einen q-Achsenkoordinatenwert des Schnittpunkts des Spannungsbegrenzungskreises und der q-Achse bestimmt, wenn der Betrag der elektrischen Winkelgeschwindigkeit, der unter Berücksichtigung der Spannungsänderung erhalten wird, größer oder gleich dem Wert des zweiten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters und kleiner als ein Wert des dritten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters ist, und als den q-Achsenstromgrenzwert den q-Achsenkoordinatenwert des Schnittpunkts des Spannungsbegrenzungskreises mit der Spannungsmittellinie bestimmt und null als den Spannungsbegrenzungsbeginn-q-Achsenwert setzt, wenn der Betrag der elektrischen Winkelgeschwindigkeit, die unter Berücksichtigung der Spannungsänderung erhalten wird, größer oder gleich dem Wert des dritten elektrischen Winkelgeschwindigkeitsparameters ist.