TW561272B - Method for estimating the magnetic pole location of a synchronous motor and control device of synchronous motor - Google Patents

Description

561272 五、發明說明（1) 技術 行同…制來進 步電動機的磁極位置推定=動機控制裝i ’尤有關於同 免景後康 用在 制。所謂 電流（d車由 相位差維 於其上之 一般 度感測器 的觀點來 用不以感 步電動機 測器的向 推定同步 位置來做 以往 域，亦即 置，並能 在如下列 參考 =動機的控制的方法，其中之— 控制係為目的在於藉由使保持 電流）和對庫於必I鐘如&絲π +二 &的激磁 拄/ Q“ 要轉的轉矩電流(q軸電流）的 ίΐ,ίΓ性角*’而達到與直流機相當或高 效率和響應性能的控制。 t 了要進行同步電動機的向量控制，必須利用速 來測定同步電動機的速度。但從成本、可靠性等 看’不採用速度感測器較有利。因此，乃有人採 測器實際測定同步電動機的速度，而改以推定同 的速度，利用該推定值進行向量控制 量控制。•免速度感測器的向量控制：免= 電動機的速度，首先要推定磁極位置，從該磁極 速度的推定。 ’在同步電動機的驅動頻率幾乎為零的零頻率區 在超低速運轉時亦能推定同步電動機的磁極位 輸出匹配負載的轉矩之同步電動機的控制方法， 所示的文獻裡曾有報告。 文獻1 :M.Schroedl、nSensorless control of

561272 五、發明說明（2) induction motors at low speed and standstill、▼丨in Proceedings ICEM’ 92( International Conference on

Electrical Machines September 1992)， pp·863-867· 參考文獻 2 :M.J. Corley and R.D· Lorenz、’f Rotor Position and Velocity Estimation for a salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds11, IEEE Transactions on Industry Applications - Volume 34, Number 4, July/August， pp. 784-789, 1998·

參考文獻3 :山野、野口、近藤”包含低速區域的凸 極型P Μ馬達的位置之免速度感測器的速度控制法,，，電氣 學會半導體電力轉換研究會、SPC-97-13，pp, 1Μ了 這些手法的特徵是將與驅動頻率相異的頻率之高頻電壓或 局頻電流疊加於同步電動機上，採用依轉子構造之電性凸 極性所推定的磁極位置來控制同步電動機。 圖1顯示如上述以習知方法推定磁極位置而控制同 電動機的控制裝置之一例。 、此一習知的同步電動機的控制裝置是由如下各部份)

ίί二Γ行同步電動機1之向量控制：PWM電壓型變頻」 (^WMVSI : Voltage source Inverte〇 2、高頻產生 d;q:』i?7'換器3、電流控制器5、低通遽波器（LPF)6、 Q轉換益7,8、帶通濾波器（BPF)9、高 磁極位置推定器21、電流债測器12、：== = 3 9〜41。 刀u忒為3 8及減法器 561272

減法器3 9、4 0係分別由電流指令i 的電流值1 r、i 5。電流控制器5則是蕻·/减云實際 述值而執行電流控制：由減法器39、4〇曰所 並輸之下 γ、1 s ;及使電流指令值1 γ、i y的 ^二值1 指令V 、V (T。 锔爰成為零的電壓 相異的頻率finj之高頻 控制器5的輸出亦即電 ，加上由高頻產生器4 尚頻產生器4是產生和驅動頻率 電壓Vinj。加法器38則是將來自電流 壓指令值的7成分（磁通成分）V γ 所產生的高頻電壓vinj。

於2相3相轉換器3中，將在加法器38裡的加法運管 結果和電壓指令值的占成分（轉矩成分）w轉換成 壓指令值，對PWM電壓型變頻裝置2下指令。pwM電壓型辦 頻裝置2基於2相3相轉換器3來的指令而進行同步電 T 又’電流偵測器1 2是偵測同步電動機1的電流值i 。 d-q轉換器7是利用推定磁極位置0，，將由電流偵測^ j 2 所偵測到的電流值is予以座標轉換為控制軸。 低通濾波器（LPF)6，把由d-q轉換器7座標轉換成控制 軸的電流值除去藉由加法器3 8所疊加的高頻電壓ι .相同 頻率成分finj的部分，分別回饋到減法器39。藉由^ 一結 構’利用電流控制器5來使激磁成分、轉矩成分的各個電 流指令值的偏差為零，進而執行電流控制。 減法器41是將推定磁極位置0 Λ減去4 5度（π / 4弧 度）。d_q轉換器8是將偵測電流值is的相位轉換成減法器

561272 五、發明說明（4) 4 1的相位，藉此將偵測電流值is轉換成從推定磁極位置 0 偏移4 5度處之阻抗觀測軸。 窃 帶通濾波器（BPF)9，把藉由加法器38所疊加的高頻電 ，指令值Vinj相同的頻率成分finj抽出，將所抽出的高頻電 流成分idm、iqm及高頻電壓指令值Vinj輸入到高頻阻抗推定 器U。高頻阻抗推定器10，是以從r軸超前45度電性角度 的點及落後的點之兩點來推定高頻阻抗&及L。 又 磁極位置推疋斋1 3，是用來推定兩個高頻阻抗z及z 的大小相等時之磁極位置0、。又，磁極位置推定器丨3，Q :圖2所示，是由減法器31、乘法㈣、及積分器3:所構 將ώ Ϊ法ί 3 1疋用來求南頻阻抗Zdm及Zqm的差。乘法器3 2是 出。=法器31來的輸出乘上控制增g(Kp + Ki/s)的值而輸 此，Kp疋比例增益，I是積分增益。積分器33則是 ίίΓΙ2的輸出做積分運算，並視為推定磁極位置『 用：調整：ί、去立=定器13是為了使 辞減 乘法器32所構成的？1調節器，再將 y雨。利用積分器33做積分運算，而得到磁極位置推定值 之動：了來，㉟明有關此一習用之同步電動機的控制裝置 用古Ϊ ί ^所不此一習用之同步電動機的控制裝置裡，利 用回頻產生器4來產 < 且狂〜 流护制5^ ΛΛ W 生與動頻率相異的高頻電壓，對電 机控制裔5的輸出之雷懕指入 w Α 運算。再將兮^、+冤垄^值7成分（磁通成分）做加法 #將該加法運算的結果和電遷指令值占成分(轉矩 561272 五、發魏㈣⑸ 成分）於2相3相轉換器3中轉換成3相電壓指令值，對PWM電 壓型變頻裝屋下指令，再提供給同步電動機1。將此時流 到同步電動機的電流，在d-q轉換器7利用推定磁極位置， 進行座標轉換成控制軸，回饋去除與疊加在低通濾波器 (LPF)6的高頻電壓相同的頻率成分之部分，用電^控&器 5使與激磁成分（i r * )、轉矩成分（丨)的各個電流指令值 之偏差為零，以達成電流控制。另一方面，在d — q轉換哭8 是將偵測電流值轉換成從推定磁極位置偏移45度處的 '阻°抗 觀測軸。然後，抽出疊加在帶通濾波器（BpF ) g的高頻成 分，將被抽出的高頻電流成分及高頻電壓指定值輸入 頻阻抗推定器ίο。高頻阻抗推定器10是以從§轴45度超前回 電性角度的點及落後的點之兩點來推定高頻阻抗z及^ ， 藉由如圖2所示的磁極位置推定器丨3，推定極位置^至叩二 阻抗的大小變為相等。 μ — 此一習用之同步電動機的控制裝置裡，在 :成分裡，觀察到的阻抗’因轉子的構造或磁通：和 I如圖3所示，阻抗的大小是利用和主磁通方向（d^及= 對於此之90度電性角度的方向（q車由）柏| 性)。幻[如圖4所示調整推定磁通軸、 置最後7轴和實際的磁咖轴-致，即能推定 然此一磁極位置推定方法，能夠施* 通和由電樞反作用力的磁通所合成：：：η: 往並不是推定磁極的方法1此，過去= 561272 五、發明說明（6) 增加$ \磁極位置和推定磁極位置的誤差變得無法控制。 實際上如圖5所示，電動機的負.載增加時，主磁通偏 夕：：轉子的轉動方向相反的方向，電性凸極性則偏移到 J恭治通偏移相同的方向。這是因為一旦負載增大，由電 ^兒机所產生磁通的增加，致使與由磁鐵產生之磁通所合 的主磁通，因磁極位置而延遲了内部相位差角的量之 参葡：I匕二習用之磁極位置推定方法中，纟對電動機施加 1曰人，恶下做磁極位置推定的情形時，被推定磁極位置 二；：位2 =之位置，而於，軸跟d軸間-直存在有 d軸一较會角之偏1。因此，可以想成即使欲7軸跟 載劇烈變化時將會變得無法控制。 ^牡貞 發明之概I 本發明之目 時，亦可_實地 同步電動機控制 為了要達到 置’對於要控制 激磁成分，利用 使位於高頻區域 磁極的位置並視 令值的轉矩成分 的弟1磁極位置， 2在提供一種於兩負載、負載劇烈變化 =出磁極的位置，而能進行穩定控制的 上述之目的，本發明的同步電動 同步電動機的電壓指令值或電流指令 疊加與驅動頻率相異的頻率之高頻電乘， 的阻抗產生電性凸極性，以該凸極心定 為磁極位置，將比例參數乘上電流 以算出内部相位差角的補償角，再曰 減掉所算出的該内部相位差角的補償丫 m 第11頁 561272

並視為弟2磁極位置。 本發明’首务，脸& 戎古相φ田 、^、驅動頻率相異的頻率之高頻電壓 或间頻電流疊加在同步雷細德^ 肩千心同頻笔Μ 及高頻所產生的集膚效庫、’，通所產生的磁通飽和 性凸極性。然#，使位於而頻區域的阻抗產生電 A ΜΙ μ w — X據该凸極性將被推定的磁極位置視 ΐ定的瞬間會在控制轴㈠軸)跟d轴-致的 心Μ “、、、而，在電動機被給予負載的狀態裡，d軸對於控

j轴則會有内部相位差角的量的補償。因此，將比例參數 乘上電流指令值的轉矩成分以算出内部相位差角的補償 角’再從該第2磁極位置，減掉所算出的内部相位差角的 補償角即可推定真實d軸位置的第2磁極位置。 然後，藉由此一第2磁極位置執行向量控制，即便給 予南負載、負載劇烈變化時，將會對應負載使阻抗觀測軸 朝電性凸極性偏移的方向移動，補正至能一直將控制軸放 在安定的控制範圍内。因此，將可安定地控制之，以往存 在的高負載、負載劇烈變化時之無法偵測磁通位置的問題 將可獲得解決。 較佳實施例之#細說明 茲將參照附隨的圖示，以說明本發明。在圖示中，相 似的參考符號指示類似的元件。 圖6是表示本發明的一實施形態之同步電動機控制裝 置構成之方塊圖。在圖6裡，和圖1中的構成要素相同的構

第12頁 五、發明說明（8) 成U加上相同的符號省略該說明。 本實施·形態之同步電動攙¥ 4九月 2習用同步電動機控制裝£，：藉U極對於如所示 定的磁極位置推定值視 : 立置推定器1 3推 此第1磁極位置推定值^成為姑弟1磁極位置推定值，.將 視為第2磁極位置推Α 、卓内部相位差角，再重新設置 探诅罝推疋值<9 c的磁極位 本實施形態之同步電動機 时4。 極位置推定器14，d-q轉換哭7 置’ #由重新設置磁 位置推定值θ(Γ取苻篦彳磁Γ 減器41將採用第2磁極 演算的處理。 ▼位置推疋值0 ，進行轉換或 磁極位置推定器J 3負責4金 高噸阳钞7 « 7从/A ，、貝推足弟1磁極位置推定值θ Λ至 呵頻阻杬Zdm及Zqm的偏差消失。 磁極位置推定器丨4，基於雷户沪八斤 ^ ^ ^ ^ ^ ^ . 土於冤机扣令值1 V算出内部相 第】Λ 藉由將磁極位置推定器13所算出的 ^磁極位f推定值^減掉所算出的内部相位差角的補償 角0r，而算出2磁極位置推定值。 “接下來，參照圖7，將磁極位置推定器丨4的構成加以 砰細說明。磁極位置推定器14如圖7所示是由乘法哭以 及、減法器3 7所構成。 *乘法器3 4將比例參數K 0乘上轉矩成分電流指令值（土 占^的值作為内部相位差角的補償角$ 而輸出。減法器 3了是負責，將藉由磁極位置推定器丨3所推定的第i磁極位 置推定值0 Λ，減掉藉由乘法器34所得到的内部相位差角 的補償角（9f，並視為第2磁極位置推定值而輸出。 561272 五、發明說明（9) 本實施形態之同步電兔M … 置推定器13扃頻阻抗2。：裝[首先，藉由以磁極位 置推定值0，，接菩，dBL qra、的偏差消失而得到第1磁極位 分電流指令值（i 猎，由磁極位置推定器14，從轉矩成 内部相位差角補償角=包含於第1磁極位置推定值θ'的 極位置推定di角〜，以所得之值作為第2磁 γ進行同步電動機的二ί，再利用第2磁極位置推定值0 劇烈變化時，因可輸出盥直沉ί姑々便回負載負載 率6祕玄6 1輸出與其 的轉所以即便在零頻 旱&域亦可女疋地控制同步電動機。 在本實施形態，是將高頻電壓1疊加在激磁成分電 壓心令值V Τ *上偵測同步電動機i的電流值而測出高頻阻 抗來推定磁極的位置，但本發明並不是只侷限在如此的場 合’如欲將高頻電壓Vinj疊加在激磁成分電流指令值i〆上 偵測同步電動機1的電壓值而測出高頻阻抗來推定磁極的 位置時亦可得到同樣的效果。

561272 圖式簡單說明 動機之控制裝置的構成之方塊圖。 疋“說3圖1中之磁極位置推定器13的構成之方塊 圖3是表示益参截日孝夕古 圖4是用來阻抗軌跡圖。 軸^二關係Γ料、控制抽r、d軸、阻抗觀測 =2示Ή同步電動機負荷時的高頻阻抗的執跡。 Γ之疋Λ不壯 的一較佳實施例之詳細說明的同步電動 機之θ控制裝置的構成之方塊圖。 』少電動 i 圖^是用來說明圖6中的磁極位置推定器13及 器14的構成之方塊圖 烛位置推定 符號說明 同步電動機 2相3相轉換器 南頻產生器 電流控制器 低通濾波器（LPF) d-q轉換器 d-q轉換器 帶通濾波器（BPF) 高頻阻抗推定器 電流偵測器 第1磁極位置推定器 第15頁 561272 圖式簡單說明 14 第2磁極位置推定器 21 磁極位至推定器 31 減法器 32 乘法器 33 積分器 34 乘法器 37 減法器 38 加法器 39 減法器 40 減法器 41 減法器 Λ

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Claims (1)

1. 561272 六、 申請專利範圍 1· 一種同步電動機之磁極位置推定方法，包含如下步驟： 在用以控·制同步電動機的電壓指令值之激磁成分上，疊 加與驅動頻率相異的頻率之高頻電壓，使位於高頻區域 之阻机產生電性凸極性的步驟； 基於該電性凸極性而推定出磁極位置，並視為第丨磁極 位置的步驟； 將上電流指令值之轉矩成分乘上比例常數，算出内部相 位差角的補償角的步驟； 從該第一磁極位置減掉所算出的該内部相.位差角的補償 角，以所得差值作為第2磁極位置的步驟。 2· —種同步電動機之磁極位置推定方法，包含如下步驟： 在用以控制同步電動機的電流指令值之激磁成分上，疊 加與驅動頻率相異的頻率之高頻電流，使位於高頻區域且 之阻抗產生電性凸極性的步驟； 基於該電性凸極性而推定出磁極位置並視為第〗磁極位 置的步驟； 將電流指令值之轉矩成分乘上比例常數，算出内部相位 差角的補償角的步驟； 從該第一磁極位置減掉所算出的該内部相位差角的補償 角，以所得差值作為第2磁極位置的步驟。 3· —種同步電動機控制裝置，依據磁極位置之推定值，將 同步電動機之電流值分離成磁通成分及轉矩成分，藉由

   561272 六、申請專利範圍 含·也控制各個電流值而進行同步電動機的控制，包 —H壓產生器，將高頻電壓疊加在同步電動機的控制 轴（《τ軸）的電壓指令值上； 栌==器’將同步電動機的電流值之相位轉換成與該 控：軸夾角為電性角度45度的位置； 電壓頻5出器’把與藉由該高頻產生器所疊加的高頻 輸出電流抽^相同頻率成分的訊號，從該座標轉換器的 乃:ΐ Γ抗推定器，依據該高頻成分產生器所抽出之電流 以冋V員電壓，於從控制軸超前45度點及 分別推定高頻阻抗，再推定於該兩點間：阻1 的Γ極磁位極-位上推定器，將該高頻阻抗間之偏差轉變為零 的磁極位置推定為第1磁極位置；及 第2磁極位置推定器，藉由將電流指 上比例常數而算出内部相位差角的補償角，從轉該矩第t乘 極位置減掉所算出的該内部相位差角的補償角，以 值作為第2磁極位置。 ”差 4. 一種同步電動機控制裝置，依據磁極位置之 步電動機之電流值分離成磁通成分及轉矩成分，同 地控制各個電流值而進行同步電動機的控制， 蜀 高頻電流產生器’將高頻電壓疊加在同步電動：的控制

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   六、申請專利範圍 軸（r軸）的電流指令值上； 座標轉，·器，將同步電動機的電壓值之相位轉換成與該 控制軸夾著電性角度45度的位置； 〆 咼頻成分抽出器，把與藉由該高頻產生器所燊加的问’、 電流頻率成分相同頻率成分的訊號，從該座標轉換器的 輸出電壓抽出； 高，阻抗推定器，基於該高頻成分產生器所抽出之電麼 及該间頻電流’於從控制軸超前45度點及落後45度點之

   2點亡’分別推定高頻阻抗，再推定於該兩點間之阻抗 的偏差； 第1兹極位置推定器，將該高頻阻抗間之偏差轉變為零 "^極位置推定作4第1磁極位置；及 上t 2，磁^極位置推定器，藉由將電流指令值之轉矩成分乘 丨系、數’异出内部相位差角的補償角，從該第1磁 位置減掉所算出的該内部相位差角的補償角，以其差 值作為第2磁極位置。

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