TW201618450A - 交流旋轉機之控制裝置及磁極位置補正量演算方法 - Google Patents

交流旋轉機之控制裝置及磁極位置補正量演算方法 Download PDF

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Abstract

本發明之目的在實現一種交流旋轉機之控制裝置，係不用將交流旋轉機連接至負載裝置就可演算出用以補正旋轉機電流施加時產生的磁極位置誤差之磁極位置補正量。本發明之交流旋轉機之控制裝置(10)的特徵在於：磁極位置補正量演算裝置(5)係根據在電壓施加裝置(3)依照電壓指令(電壓指令向量(V1*)、電壓指令向量(V2*))而施加電壓至交流旋轉機(1)之際檢測出的檢測電流向量(Idt)、及電壓指令而演算出磁極位置補正量(θ c)，並將與檢測電流向量(Idt)產生對應關係之磁極位置補正量(θ c)予以記憶於記憶裝置(6)，電壓向量指令產生裝置(4)係在交流旋轉機(1)的通常運轉之際根據電流向量檢測裝置(2)所檢測出的檢測電流向量(Idt)、及與該檢測電流向量(Idt)對應之磁極位置補正量(θ c)而產生通常運轉用的電壓指令。

Description

交流旋轉機之控制裝置及磁極位置補正量演算方法
本發明係關於不用使用位置感測器就可控制稱為同步機或同步磁阻電動機(SynRM：Synchronous Reluctance Motor)之交流旋轉機的轉子位置之交流旋轉機之控制裝置。
能夠精度良好地控制交流旋轉機之方法，廣為人知的是向量控制(vector control)。在交流旋轉機的向量控制中，為了使交流旋轉機以希望的輸出或轉速旋轉，通常係利用速度感測器或位置感測器來取得交流旋轉機的轉子位置(轉子的磁極位置)或轉子速度而進行控制。然而，此等感測器必須不易故障、容易維護，就這方面而言很不利。因此，希望採用不用使用感測器來檢測出交流旋轉機的轉子的磁極位置或旋轉速度之方法。這樣的方法，公知的是利用感應電壓之方法，且在主要是感應電壓較大之高速域的運轉較有利。另一方面，已知有下列技術：在零速、低速域等之不易利用感應電壓之速度域，利用對於 交流旋轉機重疊施加與基本頻率不同頻率的電壓或電流而得到之電感(inductance)的凸極性(saliency)來推算轉子的磁極位置(例如專利文獻1)。
不過，一般而言，利用電感的凸極性來推算轉子的磁極位置之方法，在大電流流至交流旋轉機之情況，會有因為電感的磁飽和的影響而使得推算出的轉子的磁極位置產生誤差之問題。此位置誤差之影響會造成定位控制時的定位精度變差、速度控制的響應變差等之控制性能的降低。
解決此問題之方法，記載於專利文獻2中。專利文獻2中揭示了：施加高頻的交變電壓至交流旋轉機，且對於得到的高頻電流值，以從推估角偏轉45度後的相位將之轉換到d-q軸座標，再推算出能讓如此得到的高頻電感Zdm及Zqm一致之轉子的磁極位置之方法；以及為了高負載時之補正，將電流指令值的轉矩成分i δ *乘以比例常數K θ而算出補償角θ r^，然後將推算出的磁極位置θ^減去該補償角θ r^來演算出推算位置θ c^之方法。
另外，專利文獻3中揭示了：算出能讓電壓指令空間向量的長度vh*與利用與轉矩目標T*有關的函數fv(T*)而決定的電壓向量長度的目標vh**一致之補正角θ cr之方法；以及為了高負載時之補正，將推估演算出的轉子的磁極位置加上該補正角θ cr之方法。
[先前技術文獻] (專利文獻)
[專利文獻1]日本特許第3312472號公報(第0010至0011段，圖1)
[專利文獻2]日本特許第4687846號公報(第0024、0027至0035段，圖1)
[專利文獻3]日本特許第3882728號公報(第0021至0024段，圖2、圖6)
專利文獻2、3的方法，都是為了補正在高負載時產生的轉子的磁極位置的推算誤差，而使用補償角θ r^或補正角θ cr來補正所推算出的轉子的磁極位置而可提高交流旋轉機的控制性能。該補償角及補正角都是用來補正轉子的磁極位置的推算誤差之補正量，所以以後將前面說明的補償角及補正角都稱為磁極位置補正量。此處，該補償角及補正角都必須在驅動交流旋轉機之前預先測定好。專利文獻2、3中並未觸及到具體的測定方法，但一般而言可考慮將作為控制對象之交流旋轉機連接至負載裝置，然後一邊實際施加旋轉機電流一邊實際量測磁極位置補正量。或者，也可考慮為了省去實際量測之麻煩而藉由電磁場分析來求出磁極位置補正量之方法。
然而，此等方法為了施加旋轉機電流至作為對象之交流旋轉機，必須將交流旋轉機連接至負載裝置，若為交流旋轉機已組裝在機械裝置內之狀態，就不能 連接至負載裝置而無法事先進行磁極位置補正量之測定。另外，採用電磁場分析之方法雖然不需要實機的測定，但對於交流旋轉機的內部構造不明之交流旋轉機就不能使用此一方法，必須將交流旋轉機連接至負載裝置而進行測定。因此，對於如此的交流旋轉機而言並無法求出磁極位置補正量，無法提高交流旋轉機的控制性能。
本發明係為了解決上述諸問題而完成者，其目的在實現一種交流旋轉機之控制裝置，係不用將交流旋轉機連接至負載裝置就可演算出用以補正旋轉機電流施加時產生的磁極位置誤差之磁極位置補正量，且根據以磁極位置補正量將推算的轉子的磁極位置予以補正過後的控制指令進行控制，而可提高交流旋轉機的控制性能。
本發明之交流旋轉機之控制裝置係具備有：電壓向量指令產生裝置，產生用以控制交流旋轉機之電壓指令；電壓施加裝置，根據電壓指令而將電壓施加至交流旋轉機；電流向量檢測裝置，檢測出以流至交流旋轉機之旋轉機電流為成分之檢測電流向量；磁極位置補正量演算裝置，在與通常運轉不同之交流旋轉機的補正量作成運轉之際，演算出用以補正磁極位置誤差之磁極位置補正量，該磁極位置誤差係為推算與電壓指令對應之交流旋轉機的轉子的磁極位置而得到的推算位置、與根據電壓指令來驅動交流旋轉機之情況的轉子的磁極位置之差；以及記憶裝置，記憶磁極位置補正量；其中，磁極位置補正量演 算裝置係根據在電壓施加裝置依照電壓指令而施加電壓至交流旋轉機之際檢測出的檢測電流向量及電壓指令而演算出磁極位置補正量，並將與檢測電流向量產生對應關係之磁極位置補正量記憶於記憶裝置，電壓向量指令產生裝置係在交流旋轉機的通常運轉之際根據電流向量檢測裝置所檢測出的檢測電流向量、及與該檢測電流向量對應之磁極位置補正量而產生通常運轉用的電壓指令。
本發明之交流旋轉機之控制裝置中，磁極位置補正量演算裝置係根據在將根據電壓指令之電壓施加至交流旋轉機之際檢測出的檢測電流向量及電壓指令而演算出磁極位置補正量，所以不用將交流旋轉機連接至負載裝置就可演算出用以補正旋轉機電流施加時產生的磁極位置誤差之磁極位置補正量，且根據以磁極位置補正量將推算的轉子的磁極位置予以補正過後的控制指令進行控制而可提高交流旋轉機的控制性能。
1‧‧‧交流旋轉機
2‧‧‧電流向量檢測裝置
3‧‧‧電壓施加裝置
4‧‧‧電壓向量指令產生裝置
5‧‧‧磁極位置補正量演算裝置
6‧‧‧記憶裝置
10‧‧‧交流旋轉機控制裝置
11‧‧‧電感分布
12‧‧‧電感分布
13‧‧‧轉子磁通向量
14‧‧‧三角波載波波形
15‧‧‧U相脈衝電壓指令波形
16‧‧‧V相脈衝電壓指令波形
17‧‧‧W相脈衝電壓指令波形
20‧‧‧定子
21‧‧‧齒
22‧‧‧空隙
23‧‧‧磁路
24‧‧‧θ軸
25‧‧‧轉子電感
26‧‧‧定子電感
27‧‧‧合成電感
51‧‧‧座標轉換器
52‧‧‧高頻成分抽出部
53‧‧‧振幅抽出部
54‧‧‧加減法器
55‧‧‧磁極位置補正量演算部
56‧‧‧高頻成分抽出部
57‧‧‧振幅抽出部
58‧‧‧陷頻濾波器
71‧‧‧陷頻濾波器
72‧‧‧加減法器
100‧‧‧控制裝置
101‧‧‧處理器
102‧‧‧記憶器
103‧‧‧電壓施加器
104‧‧‧電流檢測器
105‧‧‧微電腦
110‧‧‧驅動系統
θ c‧‧‧磁極位置補正量
θ e‧‧‧推算磁極誤差
Idt‧‧‧檢測電流向量
Iu、iv、iw‧‧‧三相電流
Ic‧‧‧磁極位置補正量
id、iq‧‧‧基本波電流向量
Id*、Iq*‧‧‧目標電流
Idq*‧‧‧目標電流向量
| iuh |、| ivh |、| iwh |‧‧‧電流振幅
| iqh |‧‧‧電流振幅
Vd1*、Vq1*‧‧‧第一電壓指令
V1*‧‧‧第一電壓指令向量
Vd2*、Vq2*‧‧‧第二電壓指令
V2*‧‧‧第二電壓指令向量
Vuh‧‧‧U相電壓指令
Vvh‧‧‧V相電壓指令
Vwh‧‧‧W相電壓指令
第1圖係顯示本發明的實施形態1之交流旋轉機之控制裝置的構成之圖。
第2圖係顯示第1圖中的磁極位置補正量演算裝置的構成之圖。
第3圖係顯示第2圖中的高頻成分抽出部的構成之圖。
第4圖係顯示本發明的實施形態1之交流旋轉機之控 制裝置的磁極位置補正量演算處理之流程圖。
第5圖係顯示旋轉機電流施加時之交流旋轉機的電感分布的變化之圖。
第6圖係顯示本發明的實施形態1中之轉子磁通及電壓指令向量施加方向之圖。
第7圖係顯示本發明的實施形態2中的磁極位置補正量演算裝置的構成之圖。
第8圖係顯示本發明的實施形態2中的電壓施加裝置的三角波載波與三相交流位置推算用電壓指令的關係之圖。
第9圖係顯示旋轉機電流施加時之UVW各相的電感變化之圖。
第10圖係顯示本發明的實施形態2中之UVW各相之相對於轉子位置之電流振幅的變化之圖。
第11圖係顯示本發明的實施形態3之交流旋轉機之控制裝置的磁極位置補正量演算處理之流程圖。
第12圖係用來說明交流旋轉機定子的電感分布之圖。
第13圖係顯示交流旋轉機定子的電感分布之圖。
第14圖係顯示旋轉機電流施加時之交流旋轉機的電感分布之圖。
第15圖係顯示根據本發明之交流旋轉機的驅動系統的硬體構成之圖。
第16圖係顯示根據本發明之交流旋轉機的驅動系統的另一硬體構成之圖。
實施形態1.
本實施形態中，在為了演算交流旋轉機的負載時(旋轉機電流施加時)的磁極位置補正量所需施加的電壓指令方面，係施加第一電壓指令及第二電壓指令。第一電壓指令係使交流旋轉機發生磁飽和之電壓指令，第二電壓指令係為了演算磁極位置補正量所需之電壓指令。依序施加第一電壓指令及第二電壓指令，就可利用很短時間的電流施加，不使交流旋轉機旋轉而演算磁飽和時的磁極位置補正量。因此，以下針對即使在交流旋轉機因連接至機械裝置等而無法連接至負載裝置之狀態下，也可演算出磁極位置補正量而提高交流旋轉機的控制性能之交流旋轉機之控制裝置進行說明。而且，以下適當地將交流旋轉機簡稱為旋轉機。
第1圖係顯示本發明的實施形態1之交流旋轉機之控制裝置的構成之圖。第2圖係顯示第1圖中的磁極位置補正量演算裝置的構成之圖，第3圖係顯示第2圖中的高頻成分抽出部的構成之圖。第4圖係顯示本發明的實施形態1之交流旋轉機之控制裝置的磁極位置補正量演算處理之流程圖。
交流旋轉機1係同步電動機，且在此處係為使用永久磁鐵之同步機。在本實施形態中雖然舉同步電動機為例進行說明，但就算是其他種類的旋轉機也可基於同樣的原理來構成。交流旋轉機控制裝置10具備有電流向量 檢測裝置2、電壓施加裝置3、電壓向量指令產生裝置4、磁極位置補正量演算裝置5、及記憶裝置6。用以檢測出交流旋轉機1的電流向量之電流向量檢測裝置2、及用以施加電壓至交流旋轉機1之相當於逆變器(inverter)等的電力轉換器之電壓施加裝置3係連接至交流旋轉機1。
電流向量檢測裝置2，係檢測出交流旋轉機1的旋轉機電流，亦即三相電流iu、iv、iw的電流，且輸出檢測電流向量Idt。檢測電流向量Idt的成分為三相電流iu、iv、iw。檢測三相電流iu、iv、iw之方法，除了將三相的電流都檢測之方法外，還可檢測兩相份然後利用三相電流iu、iv、iw的和為0之原理來求出三相電流iu、iv、iw之方法、或從逆變器母線電流及流至開關元件的電流及開關元件的狀態來演算三相電流iu、iv、iw之方法。電壓施加裝置3係根據電壓向量指令產生裝置4所輸出的電壓向量指令而施加電壓至交流旋轉機1。電壓向量指令產生裝置4在交流旋轉機1進行通常運轉之情況，係將通常運轉用的電壓向量指令輸出至電壓施加裝置3，在要演算出磁極位置補正量之情況，則是將第一電壓指令向量V1*及第二電壓指令向量V2*輸出至電壓施加裝置3。第一電壓指令向量V1*的成分係為後述的Vd1*、Vq1*。第二電壓指令向量V2*的成分係為後述的Vd2*、Vq2*。
在說明電壓向量指令產生裝置4及磁極位置補正量演算裝置5的構成之前，先針對屬於本發明的課題之在使用高頻電壓之轉子的磁極位置推算中施加電壓 時，亦即施加旋轉機電流來驅動交流旋轉機1之際產生的推算誤差進行說明。而且，適當地將轉子的磁極位置簡稱為磁極位置。
第5圖係顯示旋轉機電流施加時之交流旋轉機的電感分布的變化之圖，係顯示以轉子的磁極的N極的位置為原點時之電角度一週期的電感的分布之圖。第5圖的橫軸為交流旋轉機1的位置(電角度)，縱軸為電感。無負載時，係如實線所表示之電感分布11所示，為轉子磁通軸(以下將之記為dm軸)的電感最低，從磁極位置(dm軸)移動±90度之位置(以下將之記為qm軸)的電感最高之以旋轉機的電角度的兩倍的週期變化之電感分布。在前述之施加高頻電壓來推算磁極位置之方法中，係藉由重疊與旋轉機的驅動頻率不同頻率之電壓，然後檢測其電感之差(凸極性)來推算磁極位置。但是，在施加旋轉機電流至旋轉機之情況，會在旋轉機內部發生磁飽和，而如虛線所表示之電感分布12所示，電感的分布會變化成偏移了θ e的角度之波形，所推算出的磁極位置也與電感分布一樣偏移θ e之角度。
因此，利用電感的凸極性之磁極位置推算方法，在有旋轉機電流產生之時，必須對於所得到的推算磁極位置進行偏差角θ e之補正。而且，因為此偏差角θ e會隨著旋轉機電流之大小而變化，所以補正量之測定必須就旋轉機電流之大小進行複數個形態(pattern)之變更而進行測定。不過，若流通很大的旋轉機電流，在交流旋轉機 之轉矩產生之方向的電流(轉矩電流)就會使交流旋轉機產生轉矩，旋轉速度就會出乎預料地變大，所以過去進行此等測定時，都必須將為了試驗而配備位置檢測器之旋轉機連接至負載裝置，然後利用負載裝置控制速度使其保持一定、或進行位置控制以使交流旋轉機不移動、或使用固定治具，以使交流旋轉機的速度成為一定或不轉動之後，一邊使旋轉機電流在複數個形態間變更一邊量測磁極位置推算值與位置檢測器之差分。
本實施形態中，其特徵在於，為了演算出變更複數次旋轉機電流而施加旋轉機電流時之磁極位置補正量，而依序施加為了使旋轉機電流瞬間地流動而使交流旋轉機發生磁飽和而施加之第一電壓指令、及在藉由施加了第一電壓指令而使交流旋轉機發生磁飽和之後用來演算磁極位置補正量之第二電壓指令，且縮短各個電壓指令的施加時間，藉此儘可能地限制施加各電壓指令時交流旋轉機產生的轉矩，來防止交流旋轉機的速度出乎預料地變大，且不用使用負載裝置來演算交流旋轉機1的驅動之際之磁極位置推算誤差(推算磁極誤差θ e)。磁極位置推算誤差(推算磁極誤差θ e)即為第5圖中說明過的偏差角θ e。交流旋轉機控制裝置10以磁極位置推算誤差(推算磁極誤差θ e)作為磁極位置補正量θ c，且將補正後的電壓向量指令輸出至電壓施加裝置3，就可高精度地控制交流旋轉機1。
接著，針對用來演算磁極位置推算誤差(推 算磁極誤差θ e)所需的電壓向量指令產生裝置4及磁極位置補正量演算裝置5進行說明。首先，說明電壓向量指令產生裝置4的電壓指令的產生方法、及利用此電壓指令而演算出補正量之演算方法。然後，利用磁極位置補正量演算裝置5說明本實施形態的具體的動作。
電壓向量指令產生裝置4依序產生第一電壓指令及第二電壓指令。以下，針對第一電壓指令的電壓指令的演算方法及利用第二電壓指令的電壓指令來演算出補正量的演算原理進行說明。
第一電壓指令係用來使交流旋轉機1發生磁飽和之電壓指令。如前述，推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c，係會隨著施加於交流旋轉機1之旋轉機電流的大小使磁飽和的程度產生變化。因此，必要條件為第一電壓指令為使交流旋轉機發生磁飽和所需的電流流動之電壓指令。為了量測磁飽和的程度的變化，係使電流往交流旋轉機1的一方向流動，且變更該電流量，並演算複數次推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c。此處，將目的的旋轉機電流設為目標電流向量Idq*，將目標電流向量Idq*的成分設為d軸目標電流值Id*及q軸目標電流值Iq*。採用如例如以下的式(1)所示之使用dq軸電流之比例積分控制來構成電流迴路(loop)，就可施加目的的旋轉機電流的值而使磁飽和發生。
[數式1]
其中，Vd*為d軸電壓指令，Vq*為q軸電壓指令，(Vd*,Vq*)為dq軸電壓指令向量。Id為d軸檢測電流值，Iq為q軸檢測電流值，(Id,Iq)為dq軸檢測電流向量。kcdp為d軸電流控制比例常數，kcqp為q軸電流控制比例常數。kcdi為d軸電流控制積分常數，kcqi為q軸電流控制積分常數。
然而，此方法卻有電流值收斂到希望的值會花費控制週期數階段(step)的時間，而會由於在此期間流通的轉矩電流導致交流旋轉機1發生不希望有的旋轉之情形。因此，本實施形態係藉由預先演算出會讓目的的電流值流動之電壓指令，且根據此電壓指令由電壓施加裝置3施加電壓，而可在很短的階段(step)將希望的電流量施加至交流旋轉機1，抑制交流旋轉機1之旋轉。
以下，針對用來施加目的的電流值之d軸目標電流值Id*、q軸目標電流值Iq*之電壓指令的演算方法進行說明。同步旋轉機之在dq軸上的電壓方程式可用如下的式(2)加以表示。
其中，R為電樞電阻，ψ f為磁鐵磁通，Ld、Lq分別為d軸、q軸的電感，此等都可事先設定。
利用式(2)來導出電壓向量指令產生裝置4所輸出的第一電壓指令向量V1*與目標電流向量Idq*之關係。將電壓向量指令產生裝置4所輸出的第一電壓指令向量V1*中的第一電壓值，亦即d軸及q軸的第一電壓指令Vd1*、Vq1*代入式(2)之Vd,Vq，將目標電流向量Idq*中的d軸目標電流值Id*、q軸目標電流值Iq*代入式(2)之Id、Iq，考慮不使交流旋轉機1旋轉(ω r≒0)而將ω r=0代入，則可將第一電壓指令向量V1*表示成如下之式(3)。
以從式(3)演算出的電壓指令作為第一電壓指令，且縮短第一電壓指令的施加時間，就可縮短轉矩電流的發生時間，抑制轉矩電流之發生。實施形態1中之第一電壓指令係具有兩個成分之第一電壓指令向量V1*，第一電壓指令向量V1*的成分為d軸電壓指令Vd1*及q軸電壓指令Vq1*。以上為第一電壓指令的產生方法。
第二電壓指令，係用來演算推算磁極位置的補正量之電壓指令，在本實施形態中係使用具有比交流旋轉機1的驅動頻率高的頻率ω h、及高頻電壓振幅Vh，且在交流旋轉機的磁極軸之d軸中具有180°的相位差之兩 方向的電壓指令。因此，在第二電壓指令的d軸，一方向的值為正，另一方向的值為負。第二電壓指令的兩方向的相位差並不限於180°，可為比90°大比270°小之範圍內的相位差。亦即，只要包含有：第二電壓指令的一方向相對於第二電壓指令的另一方向具有180°的相位差之成分即可。將具有180°的相位差之兩方向的電壓稱為交變。本實施形態中將第二電壓指令設為具有兩個成分之第二電壓指令向量V2*，且將其兩個成分記為d軸電壓指令Vd2*及q軸電壓指令Vq2*並以下述之式(4)求得。
第二電壓指令，係在藉由第一電壓指令之施加而使電流流至交流旋轉機時，亦即在交流旋轉機為磁飽和的狀態下，提供至少頻率ω h的一週期份的交變電壓給d軸，然後由磁極位置補正量演算裝置5從此時得到的檢測電流向量Idt演算出磁極位置補正量θ c。第6圖所示之施加第二電壓指令向量V2*之方向係為d軸方向。第6圖係顯示本發明的實施形態1中之轉子磁通及電壓指令向量施加方向之圖。如第6圖所示，將轉子磁通向量13的方向設為dm軸、將與dm軸正交的方向設為qm軸、將施加電壓指令向量V2*之方向設為d軸、將與d軸正交的方向設為q軸。d軸與dm軸的偏差為△θ。
在此，針對演算磁極位置補正量θ c之原理 進行說明。在d軸交變之電壓指令向量V2*，係為高頻電壓指令向量Vdqh。高頻電壓指令向量Vdqh的成分為高頻電壓指令vdh、vqh。高頻電壓指令vdh為d軸高頻電壓指令，高頻電壓指令vqh為q軸高頻電壓指令。以下，針對施加高頻電壓指令vdh、vqh時流至交流旋轉機1的電流向量的數式進行說明
將高頻電壓指令向量Vdqh施加於d軸時之交流旋轉機1的數式可用如下之式(5)加以表現。式(5)中的p為微分運算子。如前述，假設在某一個旋轉機電流之施加時會在交流旋轉機1的內部發生磁飽和，在某一個旋轉機電流流動之情況會有θ e之推算磁極誤差產生。
其中，Ldc、Lqc、Ldqc、L、l分別如以下所示。
Ldc=L-lcos2(△θ-θ e)
Lqc=L+lcos2(△θ-θ e)
Ldqc=lsin2(△θ-θ e)
L=(Ld+Lq)/2
l=(Ld-Lq)/2
此處，R為交流旋轉機1的電樞電阻，Ld為dm軸方向的電感，Lq為qm軸方向的電感。△θ為dm 軸的位置(電氣角)減去d軸的位置(電氣角)所得到之偏差，ω r為旋轉速度， f為轉子磁通向量的大小。idh為d軸高頻電流，iqh為q軸高頻電流。以下，適當地省略掉d軸、q軸而將idh、iqh稱為高頻電流。在其他的電壓及電流之名稱方面，也使用適當地省略掉d軸、q軸之名稱。
因為控制成使交流旋轉機1不旋轉(ω r≒0)，所以假設交流旋轉機1為停止狀態而設為ω r=0，則可從式(5)得到如下之式(6)。
再以式(4)之第二電壓指令向量作為高頻電壓指令向量Vdqh。式(6)的右邊第二項係高頻電流的微分，高頻電流的微分係會成為高頻電壓的角頻率ω h倍，所以右邊第二項係比右邊第一項大很多(右邊第二項>>右邊第一項)，可忽視右邊第一項。於是，可將式(6)予以變形而得到如下之式(7)。
以高頻電流idh、iqh作為成分之高頻電流向量Idqh係藉由將式(7)的兩邊予以積分而成為如以下之式(8)所示者。
此處，利用式(8)之高頻電流idh、iqh的振幅成分的話，就可利用電流振幅的函數來表示推算磁極誤差θ e。此處，若使用高頻電流idh的正交成分iqh的電流振幅| iqh |，則可從式(8)得到如下之式(9)。
另外，將式(9)改寫成△θ的式子，就成為如下之式(10)。
交流旋轉機1停止中之磁極位置θ 0，可使用例如日本特許第4271397號公報中記載的演算方法預先算出。而且，實施形態1中，在第一電壓指令(第一電壓指令向量V1*)及第二電壓指令(第二電壓指令向量V2*)之施加中，交流旋轉機1幾乎不旋轉，所以dm軸為已知，△θ可忽略，可使△θ=0，故可得到如下之式(11)。
[數式11]
其中，高頻電壓指令vdh的角頻率ω h及高頻電壓振幅Vh為可任意設定之值，所以為已知的。L、l係如前述之式(5)中的符號的定義式所示可從Ld、Lq求出，且Ld、Lq可事先測定而掌握，所以L、l亦為已知的。
如以上所述，由於磁飽和而產生之推算磁極誤差θ e可根據| iqh |而演算出，藉由測定施加第二電壓指令時的| iqh |就可演算出推算磁極誤差θ e。因為以演算出的推算磁極誤差θ e來作為磁極位置補正量θ c，所以可藉由將θ e換為θ c的式子來演算磁極位置補正量θ c。以上為演算出推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c之原理。
電壓向量指令產生裝置4依序產生第一電壓指令及第二電壓指令，並將電壓指令輸出至電壓施加裝置3及磁極位置補正量演算裝置5。接著針對磁極位置補正量演算裝置5的動作進行說明。磁極位置補正量演算裝置5係根據電壓向量指令產生裝置4所產生的屬於電壓指令之第一電壓指令向量V1*及第二電壓指令向量V2*、及電流向量檢測裝置2輸出的檢測電流向量Idt，來演算出推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c。利用第2圖來說明磁極位置補正量演算裝置5的動作。
磁極位置補正量演算裝置5具備有座標轉換器51、高頻成分抽出部52、振幅抽出部53、加減法器 54、及磁極位置補正量演算部55。座標轉換器51，係使用前述之磁極位置θ 0將電流向量檢測裝置2所輸出的檢測電流向量Idt，亦即將(iu,iv,iw)座標轉換為d軸-q軸之d-q軸座標(磁極軸座標)上的電流，並輸出dq軸電流向量Idq，亦即(ids,iqs)。檢測電流向量Idt的成分係為三相電流iu、iv、iw，dq軸電流向量Idq的成分係為d軸轉換電流ids及q軸轉換電流iqs。
高頻成分抽出部52只要是可從dq軸電流向量(ids,iqs)抽出與第二電壓指令相同頻率的成分即可，可採用任何構成。例如，可利用公知之作為狹帶域的帶阻濾波器(band-stop filter)之陷頻濾波器(notch filter)，來抽出如第3圖所示之高頻電流向量Idqh，亦即(idh,iqh)。第3圖中之陷頻濾波器71，係藉由如以下之式(12)所表示之特性的陷頻濾波器，對於dq軸電流向量(ids,iqs)實施將與高頻電壓指令向量Vdqh的角頻率ω h相同的角頻率去除掉之濾波處理，將角頻率ω h成分從dq軸電流向量(ids,iqs)去除掉。加減法器72係將dq軸電流向量(ids,iqs)減去陷頻濾波器71的輸出，來從dq軸電流向量(ids,iqs)演算出角頻率ω h成分的高頻電流向量(idh,iqh)。式(12)中之s係拉普拉斯運算子，qx係陷頻的深度(notch depth)。
振幅抽出部53，係對於高頻電流iqh進行如 以下的式(13)之演算，來演算高頻電流iqh的大小，亦即電流振幅之| iqh |並予以輸出。式(13)中之T為高頻電流iqh的週期。
加減法器54，係將dq軸電流向量(ids,iqs)減去屬於高頻電流成分之高頻電流idh、iqh，來產生屬於dq軸電流向量(ids,iqs)的基本波成分之基本波電流向量Idqf，亦即(id,iq)。基本波電流向量(id,iq)的值與陷頻濾波器71的輸出相同，所以也可利用該值。
磁極位置補正量演算部55，係從屬於電流振幅| iqh |及dq軸電流向量(ids,iqs)的基本波成分之基本波電流向量(id,iq)來演算出磁極位置補正量θ c。首先，根據式(11)而利用電流振幅| iqh |來演算出推算磁極誤差θ e。此時之磁飽和的大小因為可從基本波電流向量(id,iq)得知，所以可彙整於id、iq、θ e之資訊。因此，磁極位置補正量演算部55可演算出某一個旋轉機電流時之推算磁極誤差θ e。如前述，變更複數次第一電壓指令的電壓值而產生複數個(id,iq,θ e)。磁極位置之補正只要補正推算磁極誤差θ e即可，所以磁極位置補正量θ c與推算磁極誤差θ e的值相同。將各個基本波電流id、iq及磁極位置補正量θ c之值記憶於具備有記憶體(memory)等的記憶器件之記憶裝置6中。而且，使基本波電流向量(id,iq)與 檢測電流向量Idt產生對應關係。
此處，在不使用感測器的情況下驅動交流旋轉機1之際所必需的磁極位置補正量θ c，可如以下之式(14)所示從例如驅動時的轉矩軸電流指令值iq_ref演算出磁極位置補正量θ c而加以利用。此情況，必須要有比例常數K。
[數式14]θ c =K*iq_ref．．．(14)
比例常數K可採用例如最小平方法而從複數個取得的q軸基本波電流iq及推算磁極誤差θ e演算出。並不限於式(14)，亦可將演算出的id、iq、θ e(或θ c)保持成為dq軸電流的映射圖(map)(表格)，以此方式來更精確地演算出推算磁極誤差θ e或磁極位置補正量θ c。比例常數K亦可利用按各個轉矩軸電流指令值iq_ref的指定值範圍而不同的值。使用式(14)來控制交流旋轉機1之情況，只要保持複數個比例常數K及轉矩軸電流指令值iq_ref之表格即可，所以有可減小記憶資料量之優點。另外，一個比例常數K之情況就沒有必要做成表格形式，所以可進一步減小記憶資料量。
作為磁極位置補正量θ c而說明的磁極位置補正量並不限於角度之資訊，亦可為電流值之資訊。根據例如國際公開WO 2013/114688A1，係著眼於推算磁極誤差θ e會隨著高頻的q軸電流振幅而變化，而將電流振幅利用作為磁極位置補正量，此情況，只要將本實施形態中 測定的電流振幅| iqh |利用作為磁極位置補正量，然後進行與本實施形態一樣的運算即可。以電流振幅| iqh |作為磁極位置補正量之情況，係以Ic作為磁極位置補正量的符號。
亦即，即便依交流旋轉機1的驅動控制的方法而導致控制中使用的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)改變，也可根據本實施形態的方法變更磁飽和的狀態，然後施加配合驅動控制的狀態之電壓作為第二電壓指令來演算出必要的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)，而可演算出對於各控制方法而言最合適的磁飽和時的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)。
接著，根據第4圖來說明本實施形態之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)的演算處理步驟。
首先，在步驟ST01，交流旋轉機控制裝置10將程式計數器k設為初始值0且在0~n之間變化之正數，並設定目標電流Id*、Iq*。n為1以上的正數。此情況之n係目標電流Id*、Iq*的值要變化之個數(要使之變化之設定個數)。然後，由電壓向量指令產生裝置4產生第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*(電壓指令產生步驟)。
接著，在步驟ST02，在交流旋轉機1的轉子為靜止的狀態下，由電壓施加裝置3將第一電壓指令 vd1*、vq1*施加至交流旋轉機1，然後再將第二電壓指令vd2*、vq2*施加至交流旋轉機1(電壓指令施加步驟)。然後，在步驟ST03，由磁極位置補正量演算裝置5實施磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之演算(磁極位置補正量演算步驟)。
接著，在步驟ST04，將步驟ST03中演算出的基本波電流id、iq及磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之資料記憶至記憶裝置6(資料記憶步驟)。以及，以k=k+1之方式使程式計數器k的值增大(count up)。
最後，在步驟ST05，判定n次的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之演算是否已結束。此處，係在程式計數器k的值變為n時結束演算處理，尚未到達n時則回到步驟ST01，將目標電流Id*、Iq*的值設定為下一個值然後重複步驟ST01以後的處理。
如以上所述，根據本實施形態之構成，交流旋轉機控制裝置10設定用以使磁飽和發生之電壓指令作為第一電壓指令vd1*、vq1*，設定用以演算磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之電壓指令作為第二電壓指令vd2*、vq2*，且藉由短時間依序施加第一電壓指令及第二電壓指令，而可縮短施加旋轉機電流至交流旋轉機1之時間，在不使交流旋轉機1旋轉的情況下演算出磁飽和時的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)。另外，交流旋轉機控制裝置10係即 使在將交流旋轉機1連接至機械裝置，而不能連接至負載裝置的狀態、或者不能使交流旋轉機1旋轉的狀態，也可演算出磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)，且根據與檢測電流向量Idt相對應之此磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)來控制交流旋轉機1，所以可提高交流旋轉機1的無感測器控制性能。又，本實施形態係以讓d軸與dm軸之偏差△θ幾近為0之方式短時間依序施加第一電壓指令及第二電壓指令，所以使第二電壓指令交變之軸係為磁極軸(亦即d軸)。
實施形態1之交流旋轉機控制裝置10，係具備有：電壓向量指令產生裝置4，產生用以控制交流旋轉機1之電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*)；電壓施加裝置3，根據電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*)而施加電壓至交流旋轉機1；電流向量檢測裝置2，檢測出以流至交流旋轉機1之旋轉機電流(三相電流iu、iv、iw)為成分之檢測電流向量Idt；磁極位置補正量演算裝置5，在與通常運轉不同之交流旋轉機的補正量作成運轉之際，演算用以補正磁極位置誤差(推算磁極誤差θ e)之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)，該磁極位置誤差係為推算與電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*)對應之交流旋轉機1的轉子的磁極位置所得到的推算位置、與根據電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*)而驅動交流旋轉機1之情況的 轉子的磁極位置之差；以及記憶裝置6，用以記憶磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)。實施形態1之交流旋轉機控制裝置10的特徵在於：磁極位置補正量演算裝置5根據電壓施加裝置3依照電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*)而施加電壓至交流旋轉機1之際檢測出的檢測電流向量Idt、及電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*及第二電壓指令vd2*、vq2*)而演算出磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)，且將與檢測電流向量Idt產生對應關係之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)記憶至記憶裝置6，電壓向量指令產生裝置4係在交流旋轉機1的通常運轉之際，根據電流向量檢測裝置2所檢測出的檢測電流向量Idt、及與該檢測電流向量Idt對應之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)，來產生通常運轉用的電壓指令。實施形態1之交流旋轉機控制裝置10具有上述特徵，因此不用將交流旋轉機1連接至負載裝置就可演算用以補正旋轉機電流施加時產生之磁極位置誤差(推算磁極誤差θ e)之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)，並根據以磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)對推算的磁極位置進行過補正後的控制指令而進行控制，因而可提高交流旋轉機1的控制性能。
實施形態1之磁極位置補正量演算方法，係包含：電壓指令產生步驟，依序產生用以使目標電流Id*、 Iq*流至交流旋轉機1之第一電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*)、及用來演算在依據第一電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*)之交流旋轉機1的電感狀態下之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之第二電壓指令(第二電壓指令vd2*、vq2*)；電壓指令施加步驟，在不會使轉矩電流在交流旋轉機1產生之設定施加時間內依序施加第一電壓指令及第二電壓指令至交流旋轉機1；磁極位置補正量演算步驟，根據第一電壓指令(第一電壓指令vd1*、vq1*)及第二電壓指令(第二電壓指令vd2*、vq2*)、及施加依第一電壓指令(第一電壓指令vd1*,vq1*)及第二電壓指令(第二電壓指令vd2*,vq2*)而定的電壓之際電流向量檢測裝置2所檢測出的檢測電流向量Idt，來演算出磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)。實施形態1之磁極位置補正量演算方法具有上述特徵，因此不用將交流旋轉機1連接至負載裝置就可演算出用以補正旋轉機電流施加時產生之磁極位置誤差(推算磁極誤差θ e)之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)。依據實施形態1之磁極位置補正量演算方法，根據以磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)對推算的磁極位置進行過補正後的控制指令而進行控制，因而可提高交流旋轉機1的控制性能。
實施形態2.
實施形態1揭示的是不使用負載裝置等而求出磁飽和時的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正 量Ic)之方法。而且，使該磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之演算中使用的補正量演算電壓為在dm軸方向交變之電壓指令。但是，為了如式(11)所示之推算磁極誤差θ e之演算，而使用L及1等的旋轉機常數之情況，若所設定的旋轉機常數與實際的旋轉機常數之間有誤差，就會有磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)的演算精度會降低之情形。實施形態2則將針對不使用旋轉機常數而進行磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)的演算之方法進行說明。
本實施形態係在電壓向量指令產生裝置4輸出的第二電壓指令(第二電壓指令V2*)與實施形態1不同。以下，針對第二電壓指令、及推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c的演算原理進行說明，且說明用來實現此演算原理之磁極位置補正量演算裝置5的具體的構成。其他的構成都與實施形態1一樣故將其說明予以省略。
第7圖係顯示本發明的實施形態2中的磁極位置補正量演算裝置的構成之圖。本實施形態中的電壓施加裝置3，係根據電壓向量指令產生裝置4所輸出之第一電壓指令及第二電壓指令等之電壓指令，以任意的開關(switching)週期使半導體開關(switch)導通(ON)及關斷(OFF)，藉此而施加電壓至交流旋轉機1之裝置，為例如公知的三角波比較PWM逆變器(inverter)之類的以三角波載波週期作為前述的任意的開關週期之電壓施加裝置。以 下，以三角波比較PWM逆變器為例進行說明。第8圖係顯示本發明的實施形態2之電壓施加裝置的三角波載波及三相交流位置推算用電壓指令的關係之圖。第9圖係顯示旋轉機電流施加時之UVW各相的電感變化之圖，第10圖係顯示本發明的實施形態2中之UVW各相之相對於轉子位置之電流振幅的變化之圖。
本實施形態的特徵係在於：重疊上比交流旋轉機1的驅動頻率高的頻率之電壓指令來作為第二電壓指令，且從所得到的U相、V相、W相等各相的電流值的大小關係來演算磁極位置補正量θ c。如後述，不在磁極位置補正量θ c的演算中使用旋轉機常數，所以即使在旋轉機常數的設定上有誤差之情況也可提高磁極位置補正量θ c的演算精度。
屬於第二電壓指令之第二電壓指令向量V2*，係例如第8圖所示，在將屬於電壓施加裝置之三角波比較PWM逆變器的三角波載波波形14的半週期Tc作為一區間時，以六區間(St1、St2、St3、St4、St5、St6)為一週期之訊號，且設定為為了三相平衡而在各相間各錯開兩區間之訊號，亦即設定為例如U相脈衝電壓指令波形15、V相脈衝電壓指令波形16、W相脈衝電壓指令波形17。相對於U相、V相、W相之第二電壓指令，分別為U相電壓指令Vuh、V相電壓指令Vvh、W相電壓指令Vwh。第8圖的橫軸為時間，縱軸為電壓。Th為三相高頻電壓指令向量Vuvwh，亦即(Vuh,Vvh,Vwh)的週期。為了將上述之三 相平衡的電壓指令提供給交流旋轉機，必須設定為前述Tc的6的倍數，亦即三角波載波的週期的3的倍數。
在此針對本實施形態中之推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c的演算原理進行說明。第9圖中顯示交流旋轉機1的各相的電感的變化。第9圖的橫軸為交流旋轉機1的位置(電角度)，縱軸為電感。第9圖顯示交流旋轉機1的dm軸位於從交流旋轉機1的U相偏移了θ角之位置的情況之電感分布。
首先看圖中之實線所示之無負載時的電感分布11，可知U相、V相、W相各相的電感Lu0、Lv0、Lw0係以交流旋轉機1的電角度的2倍的週期變化。而且，UVW相相互之間具有2 π/3之相位差，所以在施加如前述之第二電壓指令，亦即如U相電壓指令Vuh、V相電壓指令Vvh、W相電壓指令Vwh之具有一定振幅的高頻的旋轉電壓時之各相的高頻電流iuh、ivh、iwh可用如下之式(15)加以表示。
其中，Ih為位置推算用電流振幅的平均值，Iha為位置推算用電流之依旋轉機位置而定之變化量，θ為交流旋轉機1的位置(電角度)，ω h為位置推算電壓指令 (U相電壓指令Vuh、V相電壓指令Vvh、W相電壓指令Vwh)的角頻率。
此時，各相的高頻電流iuh、ivh、iwh的大小關係可用2 θ而唯一決定。將式(15)的高頻電流振幅抽出就可得到如下之式(16)。U相的高頻電流振幅為| iuh |、V相的高頻電流振幅為| ivh |、W相的高頻電流振幅為| iwh |。
再來，從式(16)的各相的電流振幅| iuh |、| ivh |、| iwh |減去各相電流振幅的平均值Ih，得到如以下之式(17)之各相的差分電流。U相的差分電流為dIu，V相的差分電流為dIv、W相的差分電流為dIw。各相電流振幅的平均值Ih可表示成如下之式(18)。
[數式18]
從式(17)的三相的差分電流dIu、dIv、dIw的右邊可知，差分電流dIu、dIv、dIw為振幅同為Iha/2，相位相錯開2 π/3之cos2 θ的波形，且三相的大小關係可用2 θ之週期而唯一決定。第10圖係以模式圖的方式表示相對於交流旋轉機1的位置θ之式(17)所表示的差分電流dIu、dIv、dIw的變化量。第10圖的橫軸為交流旋轉機1的位置θ，縱軸為差分電流的振幅。從第10圖可知例如dIu>dIw>dIv的大小關係成立的話，交流旋轉機1的某一個注目的位置θ會存在於區間Sp1內。
另外，在區間Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5、Sp6之各區間，差分電流dIu、dIv、dIw之中在各區間的中心0交叉者，係為以0交叉的點為中心之sin、-sin函數。例如，在區間Sp1內，差分電流dIw在區間Sp1的中心0交叉。在各區間以0交叉之點的相位θ M為原點，且在-π/12~π/12之區間內之差分電流可視為接近直線而進行線性趨近。此處，將屬於在各區間0交叉之點的相位區間中心相位記為θ M，將區間中心相位θ M與dm軸之偏差記為△θ M。區間中心相位θ M因為是各區間的中心，所以可用如下之式(19)加以表示。偏差△θ M可用如下之式(20)加以表示。因此，以dm軸的位置作為注目對象之位置θ，亦即dm軸的位置θ可用如下之式(21)加以表示。其中，式(19)中之N係為0~5之整數，在區間Sp1中N=0、 在區間Sp2中N=1、在區間Sp3中N=2、在區間Sp4中N=3、在區間Sp5中N=4、在區間Sp6中N=5。另外，式(20)中之dImid係為中間差分電流值，係指在各區間的中心0交叉之dIu、dIv、dIw的任一者的中心電流值。例如，在區間Sp1，差分電流dIw的值為中間差分電流值dImid。
[數式21]θ=θ M +△θ M ．．．(21)
式(20)之Iha/2，可如式(22)所示從差分電流dIu、dIv、dIw的平方和的平方根求出。
以上，針對在無負載時根據各相的電流振幅| iuh |、| ivh |、| iwh |的大小關係來演算出交流旋轉機1的一個注目的位置θ之方法進行了說明。此演算可從交流旋轉機1的各相的電流的電流振幅| iuh |、| ivh |、| iwh |的來進行演算，不需要旋轉機常數。
接著，注意第9圖之負載時的電感分布12， 與無負載時不同，交流旋轉機1的dm軸的位置與負載時的dm軸的位置相比偏移了偏差角θ e，所以可將式(17)變更為如下之式(23)來表現負載時的dIu、dIv、dIw。
式(23)係僅是使交流旋轉機1之某一注目的位置從θ變為θ-θ e，所以可經過與無負載時一樣的演算步驟而與式(21)一樣可得到如下之式(24)。
[數式24]θ-θ e =θ M +△θ M ．．．(24)
此處，交流旋轉機1之某一注目的位置θ係指dm軸的位置，本實施形態也與實施形態1一樣在交流旋轉機1處於停止的狀態實施磁極位置θ 0之檢測的話，式(24)的θ=θ 0即為已知的。亦即，偏差角(推算磁極誤差)θ e可用以下的式(25)來算出。
[數式25]θ e =θ 0-(θ M +△θ M )．．．(25)
電感分布係以電氣角的2倍的週期變化，所以相對於某一負載，偏差角(推算磁極誤差)θ e會得到θ e及θ e+π這兩種演算結果，但使相位的變化量以±90度變化的話，就可唯一決定偏差角(推算磁極誤差)。如式(25) 所示，根據從無負載時的測定資料求出的偏差△θ M，可演算出推算磁極誤差θ e。因為以演算出的推算磁極誤差θ e作為磁極位置補正量θ c，所以可利用將θ e換為θ c後之如下的式(26)來演算出磁極位置補正量θ c。
[數式26]θ c=θ 0-(θ M+△θ M)…(26)以上，即為演算出推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c之原理。
接著，針對磁極位置補正量演算裝置5的動作進行說明。第7圖中顯示磁極位置補正量演算裝置5的構成圖。高頻成分抽出部56，係從檢測電流向量Idt，亦即(iu,iv,iw)抽出施加第二電壓指令之際產生的高頻電流向量Idth，亦即(iuh,ivh,iwh)。高頻成分抽出部56的構成係與實施形態1之高頻成分抽出部52一樣，只要對於(iu,iv,iw)實施高頻成分抽出部52的處理即可。若使第二電壓指令為如第8圖所示的構成之波形，則抽出的高頻成分的頻率可利用ω h=2 π/(6．Tc)而求出。
振幅抽出部57係抽出高頻電流向量(iuh,ivh,iwh)的振幅向量Ia，亦即(| iuh |、| ivh |、| iwh |)。振幅向量Ia係以高頻電流向量中之各相的檢測電流的振幅作為成分之向量。振幅抽出部57的構成係與實施形態1的振幅抽出部53一樣。陷頻濾波器58係從dq軸的檢測電流向量，亦即dq軸電流向量(ids,iqs)抽出去除掉高頻電流成分後的基本波電流向量(id,iq)者，陷頻濾波器58的構成 與陷頻濾波器71相同。
磁極位置補正量演算裝置59係利用式(23)及式(25)而從振幅抽出部57所輸出的UVW相的振幅向量(| iuh |,| ivh |,| iwh |)演算推算磁極誤差θ e，得到(id,iq,θ e)之資訊。然後，與實施形態1同樣地演算要用於交流旋轉機1的驅動控制中之磁極位置補正量θ c即可。本實施形態之磁極位置補正量θ c的演算處理步驟，係與實施形態1中所示的第4圖一樣。
本實施形態的特徵係在於，重疊比交流旋轉機1的驅動頻率高的頻率之電壓指令，然後從所得到的UVW各相的電流值的大小關係來演算推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c。實施形態2之交流旋轉機控制裝置10，係在推算磁極誤差θ e、磁極位置補正量θ c的演算中不使用L及1等之旋轉機常數，所以即使是無法測定正確的旋轉機常數之交流旋轉機也可提高磁極位置補正量θ c的演算精度。
實施形態3.
實施形態1、2揭示的是設定用以使磁飽和發生之電壓指令作為第一電壓指令，設定用以演算出磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之電壓指令作為第二電壓指令，且以短時間依序施加第一電壓指令及第二電壓指令，藉此而演算磁飽和時的磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之方法。
但是，如後述，在如具有電感的凸極性會 隨著轉子與定子的位置關係而變化之所謂的二重凸極性之交流旋轉機中，磁極位置補正量θ c也會依轉子位置而增減，所以在某一個轉子位置演算出的磁極位置補正量θ c會與在別的轉子位置演算出的磁極位置補正量θ c不同，所以有交流旋轉機1的控制性能會變動之情形。
本實施形態將針對即使是如磁極位置補正量θ c會依轉子位置之不同而變化之旋轉機，也可提高旋轉機的控制性能之磁極位置補正量θ c的演算方法進行說明。
第11圖係顯示本發明的實施形態3之交流旋轉機之控制裝置的磁極位置補正量演算處理之流程圖，係顯示本實施形態之磁極位置補正量的演算處理步驟之圖。首先，針對電感的凸極性會隨著轉子與定子的位置關係而變化之原理進行說明，然後利用第11圖來說明本實施形態之磁極位置補正量θ c的演算處理步驟。
最初，針對具有二重凸極性之交流旋轉機的磁極位置補正量θ c會依轉子位置之不同而變化的原理，將交流旋轉機1分為轉子及定子而分別探討其磁性的特性，然後說明將兩者組合起來之際的磁性的特性。
首先交流旋轉機1的轉子的電感特性，係如第5圖所示，會發生以dm軸為原點之電氣角兩倍週期之電感的變化。在磁飽和時電感變化最小之位置會偏移，所以必須進行利用磁極位置補正量θ c之補正。
接著，考慮交流旋轉機1的定子的電感特 性。第12圖係用來說明交流旋轉機定子的電感分布之圖，第13圖顯示交流旋轉機定子的電感分布之圖。第12圖顯示的是交流旋轉機的定子的模式圖。考慮使磁通在第12圖中的θ方向產生之情況的電感變化。因為第12圖中以虛線表示之通過θ軸24之磁路23會隨著θ方向的角度而變化，所以θ軸24上的磁通會隨著θ方向的角度變化而在電氣角的一週期內交互地出現定子20的齒21的部分及捲繞線圈的空隙22的部分。由於空隙22的部分難以使磁通產生，所以可說電感會隨著θ方向的角度，亦即θ軸24的位置之不同而變化。在定子20之第12圖中的θ方向使磁通產生之情況的電感變化，若以第12圖的U相為θ=0°則可表示成如第13圖的樣子。第13圖的橫軸為交流旋轉機1的位置(電角度)，縱軸為電感。如上述，在定子側也會發生電感變化，但如第13圖所示，其變化的週期為電角度的6倍。
考慮如此之轉子及定子都有電感的變化之情況，交流旋轉機1全體的電感的分布就會如第14圖的實線所示般變化。第14圖係顯示旋轉機電流施加時之交流旋轉機的電感分布之圖。第14圖的橫軸為以從U相所觀看的位置為基準之位置(電角度)，縱軸為將基準電感設為1時之電感的變動(變動率)。第14圖顯示在磁飽和時電感分布從θ 1位置(dm軸的位置)變化了θ e1時之轉子電感25、定子電感26及兩個電感的合成電感27的分布。
另外，第14圖係顯示磁極位置(dm軸的位 置)在從U相偏移θ 1後的位置之位置θ 1靜止之情況之各電感。圖中以虛線表示之轉子電感25係因磁飽和而在偏移θ e1之位置(位置θ 2)為最小。圖中以鏈線表示之定子電感26係相對於U相以60°之週期變動。在此，觀看以實線表示之兩個電感的合成電感27時，可知合成電感27的最小值係在從轉子電感25的最小的位置(位置θ 2)偏移θ e2後的位置(位置θ 3)。亦即，受到定子電感26的影響，推算磁極誤差θ e會變化從θ e1到θ e1+θ e2之值。而且，因為轉子電感25在橫軸方向變動，合成電感27的值也會變化，隨之合成電感27的最小值的位置(位置θ 3)也會變化，推算磁極誤差θ e也會變化。磁極位置之補正，係只要補正推算磁極誤差θ e即可，所以磁極位置補正量θ c為與推算磁極誤差θ e相同的值。
如上述，推算磁極誤差θ e或磁極位置補正量θ c會受到定子20的電感之影響而變化，所以若考慮定子20所具有之電感變化，只在某一處的磁極位置演算磁極位置補正量θ c，就無法精度良好地演算磁極位置補正量θ c，無法充分提高交流旋轉機1的控制性能。以上為磁極位置補正量θ c會依轉子位置之不同而變化之原理。
為了解決上述問題之本實施形態，係藉由使轉子位置變更n次，且演算出各個磁極位置的磁極位置補正量θ c，而演算出依轉子位置之不同而變化之磁極位置補正量θ c，而使交流旋轉機1的控制性能更加提高。
以下，根據第11圖來說明本實施形態之磁 極位置補正量θ c的演算步驟。首先，在步驟ST11，施加會使交流旋轉機1開始從靜止的初始磁極位置θ 0向前轉到θ 1的位置之電壓來使轉子旋轉，亦即進行轉子的牽入動作(轉子牽入動作步驟)。位置θ 1係有鑒於定子20的電感的變化係以電角度的6倍的週期變化，只要於60度刻度的電氣角內演算磁極位置補正量θ c即可。因此，只要0≦θ 1≦60度之範圍內實施m次(m為1以上的正數)即可。本實施形態之交流旋轉機控制裝置10係將程式計數器k設為初始值為0且在0~(m-1)之間變化之正數，並以θ 1=k×(60/m)之方式使θ 1變化。k=0之情況，並無須做牽入動作。
接著，在步驟ST12實施磁極位置補正量θ c之演算(磁極位置補正量演算步驟)。具體而言，係進行實施形態1中利用第4圖之說明加以說明過之磁極位置補正量的演算處理步驟。而且，可使用實施形態1、2之任一者的方法。
然後，在步驟ST13，將步驟ST12中演算出的基本波電流id、iq及磁極位置補正量θ c加上經過牽入而靜止的磁極位置(θ 0+θ 1)的資料之向量資料(id,iq,θ c,θ 0+θ 1)予以記憶至記憶裝置6(資料記憶步驟)。以及，以k=k+1之方式將程式計數器k的值累加(count up)。
最後，在步驟ST14，判定m次的磁極位置補正量θ c之演算是否已結束。此處，係在程式計數器k的值變為m時結束演算處理，尚未到達m時則回到步驟 ST11，並牽入至下一個磁極位置然後重複步驟ST11以後的處理。
可將利用以上的處理而得到之向量資料(id,iq,θ c,θ 0+θ 1)作為依轉子位置及負載之不同而變化之表格(table)而保持起來。以及，可將在各電流值向量(id,iq)使轉子位置變更n次而演算的磁極位置補正量θ c的平均值當作磁極位置補正量θ mc，而將基本波電流id、iq及磁極位置補正量θ mc之資料，亦即向量資料(id,iq,θ mc,θ 0+θ 1)保存起來。在此情況，因為依負載之不同而變化之磁極位置補正量為磁極位置補正量θ mc，所以精度比測定一次之磁極位置補正量高，可使交流旋轉機1的控制性能更加提高。
如以上所述，實施形態3之交流旋轉機控制裝置10，係即使是具有磁極位置補正量θ c會依轉子位置而增減之所謂的二重凸極性之交流旋轉機，也可演算出會因轉子位置不同而變化之磁極位置補正量θ c，且使用會因轉子位置不同而變化之磁極位置補正量θ c來控制交流旋轉機1，因此可提高交流旋轉機1的控制性能。另外，與實施形態1及2一樣，磁極位置補正量並不限於使用角度的資訊之磁極位置補正量θ c，亦可為使用振幅| idh |、| iuh |、| ivh |、| iwh |之磁極位置補正量Ic。
實施形態3之磁極位置補正量演算方法，係包含：電壓指令產生步驟，依序產生用以使目標電流Id*、Iq*流至交流旋轉機1之第一電壓指令(第一電壓指令 Vd1*、Vq1*)、及用來演算出在依據第一電壓指令(第一電壓指令Vd1*、Vq1*)而形成之交流旋轉機1的電感狀態下之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)之第二電壓指令(第二電壓指令Vd2*、Vq2*)；電壓指令施加步驟，在不會使轉矩電流在交流旋轉機1產生之設定施加時間內依序施加第一電壓指令及第二電壓指令至交流旋轉機；磁極位置補正量演算步驟，根據第一電壓指令(第一電壓指令Vd1*、Vq1*)及第二電壓指令(第二電壓指令Vd2*、Vq2*)、及施加依照第一電壓指令(第一電壓指令Vd1*、Vq1*)及第二電壓指令(第二電壓指令Vd2*、Vq2*)的電壓之際電流向量檢測裝置2所檢測出的檢測電流向量Idt，來演算出磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)；以及轉子牽入動作步驟，係設定交流旋轉機1的轉子位置；其中，在每個於轉子牽入動作步驟中設定的轉子的位置，進行電壓指令產生步驟、電壓指令施加步驟、磁極位置補正量演算步驟，並變更複數次交流旋轉機1的轉子的位置而進行轉子牽入動作步驟、電壓指令產生步驟、電壓指令施加步驟、磁極位置補正量演算步驟。實施形態3之磁極位置補正量演算方法具有上述特徵，因此即使是具有磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)會依轉子位置而增減之所謂的二重凸極性之交流旋轉機，也可演算出會因轉子位置不同而變化之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)。根據實施形態3之磁極位置補正量演算方法，藉由使用會 因轉子位置不同而變化之磁極位置補正量(磁極位置補正量θ c、磁極位置補正量Ic)來控制交流旋轉機1，就可提高交流旋轉機1的控制性能。
第1圖所示的交流旋轉機控制裝置10的電壓向量指令產生裝置4及磁極位置補正量演算裝置5，係由第15圖所示的處理器(processor)101、或第16圖所示的微電腦(microcomputer)105執行程式而進行演算處理。第15圖係顯示根據本發明之交流旋轉機的驅動系統的硬體構成之圖，第16圖係顯示根據本發明之交流旋轉機的驅動系統的另一硬體構成之圖。
第15圖及第16圖中，交流旋轉機之驅動系統110係具備有交流旋轉機1、及相當於交流旋轉機控制裝置10之交流旋轉機之控制裝置100。第15圖及第16圖中，交流旋轉機之控制裝置100係依照類比輸入或藉由通訊進行之輸入等的外部訊號而動作之裝置。第15圖中，交流旋轉機的控制裝置100在硬體方面係具備有處理器101、記憶器102、電壓施加器103、及電流檢測器104。記憶器102係由隨機存取記憶體等之揮發性記憶媒體、快閃記憶體等之非揮發性的輔助記憶媒體等所構成。此外，記憶器102亦可使用硬碟等的輔助記憶媒體來取代非揮發性的輔助記憶媒體。處理器101係執行從記憶器102輸入之程式。處理器101係將演算結果等之資料輸出至記憶器102的揮發性記憶媒體、或透過揮發性記憶媒體而將前述資料保存至輔助記憶媒體。
第16圖中，交流旋轉機之控制裝置100在硬體方面係具備有微電腦105、電壓施加器103、及電流檢測器104。微電腦105係具備有處理器及記憶媒體之裝置。電流檢測器104係相當於第1圖中的電流向量檢測裝置2，係為例如變流器(current transformer)。電壓施加器103係相當於第1圖中的電壓施加裝置3，係為例如使用半導體開關之逆變器等。第1圖中的電壓向量指令產生裝置4、磁極位置補正量演算裝置5，係相當於第15圖中的處理器101、或第16圖中的微電腦105，係利用此硬體來進行演算處理。另外，第1圖中的記憶裝置6係相當於第15圖中的記憶器102、或第16圖中的微電腦105。
除了上述各實施形態，本發明還可在其發明範圍內將各實施形態予以自由組合，或對於各實施形態做適當的變形、省略等。
1‧‧‧交流旋轉機
2‧‧‧電流向量檢測裝置
3‧‧‧電壓施加裝置
4‧‧‧電壓向量指令產生裝置
5‧‧‧磁極位置補正量演算裝置
6‧‧‧記憶裝置
10‧‧‧交流旋轉機控制裝置
id、iq‧‧‧基本波電流向量
Idt‧‧‧檢測電流向量
θ c‧‧‧磁極位置補正量
V1*‧‧‧第一電壓指令向量
V2*‧‧‧第二電壓指令向量

Claims (18)

  1. 一種交流旋轉機之控制裝置，具備有：電壓向量指令產生裝置，產生用以控制交流旋轉機之電壓指令；電壓施加裝置，根據前述電壓指令而將電壓施加至前述交流旋轉機；電流向量檢測裝置，檢測出以流至前述交流旋轉機之旋轉機電流為成分之檢測電流向量；磁極位置補正量演算裝置，在與通常運轉不同之前述交流旋轉機的補正量作成運轉之際，演算用以補正磁極位置誤差之磁極位置補正量，該補正磁極位置誤差係推算與前述電壓指令對應之前述交流旋轉機的轉子的磁極位置而得到的推算位置、與根據前述電壓指令來驅動前述交流旋轉機之情況的前述轉子的磁極位置之差；以及記憶裝置，記憶前述磁極位置補正量；其中，前述磁極位置補正量演算裝置係根據在前述電壓施加裝置依照前述電壓指令而施加電壓至前述交流旋轉機之際檢測出的前述檢測電流向量、及前述電壓指令，而演算前述磁極位置補正量，並將與前述檢測電流向量產生對應關係之前述磁極位置補正量記憶於前述記憶裝置，前述電壓向量指令產生裝置係在前述交流旋轉機的通常運轉之際根據前述電流向量檢測裝置所檢測出 的前述檢測電流向量、及與該檢測電流向量對應之前述磁極位置補正量而產生通常運轉用的前述電壓指令。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述電壓向量指令產生裝置係在演算前述磁極位置補正量之際，依序產生用以使目標電流流至前述交流旋轉機之第一電壓指令、及用來演算由於前述第一電壓指令而使得電流流至前述交流旋轉機之狀態下的前述磁極位置補正量之第二電壓指令，以使電壓施加至前述交流旋轉機，前述磁極位置補正量演算裝置係根據前述第一電壓指令及前述第二電壓指令、以及施加前述第一電壓指令及前述第二電壓指令的電壓之際檢測出的前述檢測電流向量而演算前述磁極位置補正量。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述第一電壓指令係使用以讓前述交流旋轉機發生磁飽和所需的電流流動之電壓指令。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述第一電壓指令係使電流在前述交流旋轉機的一方向流動之電壓指令。
  5. 如申請專利範圍第2或3項所述之交流旋轉機之控制 裝置，其中，在由於依照前述第一電壓指令的電壓之施加而使得前述旋轉機電流流至前述交流旋轉機時，施加依照前述第二電壓指令的電壓至前述交流旋轉機。
  6. 如申請專利範圍第2或3項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述第二電壓指令係在前述交流旋轉機往具有比90°大而比270°小的相位差之兩方向施加之電壓指令。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述第二電壓指令係在前述交流旋轉機往具有180°的相位差之兩方向施加之電壓指令。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述磁極位置補正量演算裝置係根據利用前述磁極位置而從在前述電壓施加裝置依照前述第二電壓指令而施加電壓至前述交流旋轉機之際檢測出的前述檢測電流向量，而轉換至前述轉子的磁極軸及該磁極軸的正交軸後的電流的振幅，來演算前述磁極位置補正量。
  9. 如申請專利範圍第2或3項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述交流旋轉機係三相交流旋轉機，前述第二電壓指令係各相具有120°的相位差之相 同頻率的電壓指令。
  10. 如申請專利範圍第9項之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述電壓施加裝置係藉由以任意的開關週期使半導體開關導通(on)及關斷(off)來使電壓施加至前述交流旋轉機之裝置，前述第二電壓指令的週期為前述開關週期的3的倍數。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述磁極位置補正量演算裝置，係根據在施加前述第二電壓指令之際檢測出的前述檢測電流向量中包含的與前述第二電壓指令相同週期的前述檢測電流向量的電流振幅，而演算前述磁極位置補正量。
  12. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述電壓向量指令產生裝置係在演算前述磁極位置補正量之際，使前述交流旋轉機的前述轉子的位置變更複數次，且在前述轉子的每個不同的位置，依序產生用以使目標電流流至前述交流旋轉機之第一電壓指令、及用來演算由於前述第一電壓指令而使得電流流至前述交流旋轉機之狀態下的前述磁極位置補正量之第二電壓指令，來使電壓施加至前述交流旋轉機， 前述磁極位置補正量演算裝置係根據前述第一電壓指令及前述第二電壓指令、及施加依照前述第一電壓指令及前述第二電壓指令的電壓之際檢測出的前述檢測電流向量而演算前述磁極位置補正量，並將與前述檢測電流向量及前述轉子的位置產生對應關係之前述磁極位置補正量記憶於前述記憶裝置。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之交流旋轉機之控制裝置，其中，前述電壓向量指令產生裝置係在演算前述磁極位置補正量之際，使前述交流旋轉機的前述轉子的位置變更複數次，且在前述轉子的每個不同的位置，依序產生用以使目標電流流至前述交流旋轉機之第一電壓指令、及用來演算由於前述第一電壓指令而使得電流流至前述交流旋轉機之狀態下的前述磁極位置補正量之第二電壓指令，來使電壓施加至前述交流旋轉機，前述磁極位置補正量演算裝置係根據前述第一電壓指令及前述第二電壓指令、及施加依照前述第一電壓指令及前述第二電壓指令的電壓之際檢測出的前述檢測電流向量而演算前述磁極位置補正量，並將與前述檢測電流向量及前述轉子的位置產生對應關係之前述磁極位置補正量記憶於前述記憶裝置。
  14. 一種磁極位置補正量演算方法，係演算用以補正磁極位置誤差之磁極位置補正量，該磁極位置誤差係推算 與前述電壓指令對應之前述交流旋轉機的轉子的磁極位置而得到的推算位置、與驅動前述交流旋轉機之情況的前述轉子的磁極位置之差，該磁極位置補正量演算方法係包含：電壓指令產生步驟，依序產生用以使目標電流流至前述交流旋轉機之第一電壓指令、及用來演算由於前述第一電壓指令而使得電流流至前述交流旋轉機之狀態下的前述磁極位置補正量之第二電壓指令；電壓指令施加步驟，將前述第一電壓指令及前述第二電壓指令依序施加至前述交流旋轉機；以及磁極位置補正量演算步驟，根據前述第一電壓指令及前述第二電壓指令、及在施加依照前述第一電壓指令及前述第二電壓指令的電壓之際由電流向量檢測裝置所檢測出的檢測電流向量來演算出前述磁極位置補正量。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之磁極位置補正量演算方法，其中，前述第一電壓指令係使要讓前述交流旋轉機發生磁飽和所需的電流流動之電壓指令。
  16. 如申請專利範圍第14或15項所述之磁極位置補正量演算方法，其中，前述第二電壓指令係在前述交流旋轉機往具有比90°大比270°小的相位差之兩方向施加之電壓指令。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之磁極位置補正量演算方 法，其中，前述第二電壓指令係在前述交流旋轉機往具有180°的相位差之兩方向施加之電壓指令。
  18. 如申請專利範圍第14或15項之磁極位置補正量演算方法，更包含：轉子牽入動作步驟，設定前述交流旋轉機的前述轉子的位置，並且在前述轉子牽入動作步驟中設定的每個前述轉子的位置，執行前述電壓指令產生步驟、前述電壓指令施加步驟、前述磁極位置補正量演算步驟，變更複數次前述交流旋轉機的前述轉子的位置，而執行前述轉子牽入動作步驟、前述電壓指令產生步驟、前述電壓指令施加步驟、前述磁極位置補正量演算步驟。
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