永磁电动机的无位置传感器控制装置的制作方法

专利名称：永磁电动机的无位置传感器控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在永磁电动机的无位置传感器矢量控制系统中，抑制由于 设置电动机的大气气氛温度或电动机的负载状态等、还有电动机与电力变 换器(逆变器)间的布线的延长/縮短等所引起的"电阻成分的变化"而产 生的"低速旋转区域中的失调现象"，实现在电阻成分中低灵敏度的矢量 控制的控制技术。
背景技术：
作为无位置传感器矢量控制方式的技术，公知如日本特开2001 — 251889号公报记载的那样，通过计算"控制轴基准的相位推定值0()*"与"永 磁电动机的相位值e"之间的误差值(以下称作轴误差Ae)来进行推定的 方式。
该方式为采用作为矢量控制的输出即电压指令值(Vdc*， Vqc*)与电 流检测值(Idc， Iqc)以及速度指令值(colC)，按照(式1)进行轴误差 的推定运算的方法。式1
Vdc*—R*' Idc+w，c'Lq*' Iqc
Vqc本一Ff' Iqc—w，c' Lq*' Idc
(1)
其中，Vdc、 d轴的电压指令值、Vqc*: q轴的电压指令值 Idc : d轴的电流检测值、Iqc : q轴的电流检测值 R:电动机的匝电阻值、与电动机和电力变换器的布线电 阻值的相加值 Ld : d轴电感值、Lq : q轴电感值 Ke :感应电压常数 *:设定值 进而，控制速度推定值colC以使该轴误差的推定值A9c为"零"，通过积分处理来作成相位推定值ec*。
专利文献1日本特开2001 — 251889号公报
在矢量控制运算与轴误差推定运算中，需要设定将电动机的线圈电阻 值、与电力变换器(逆变器)和电动机的布线电阻值相加后的电阻值R。
在该设定值矿中生成设定误差(R—R*)时，在低速旋转区域中，加 入冲击(impact)负载干扰等时，在实际的相位误差值A9与推定相位误 差值A0c中产生偏差，其结果存在不能控制最佳的相位，而陷入失调状态 (不能运行)的情况。

发明内容
本发明的一个特征在于，在轴误差的推定运算中，不采用电阻的设定 值R*，而将d轴的电压指令值Vdc^与下述三个信号的乘法运算值相加后， 将该运算值除以速度指令值Q)/与感应电压常数KZ的乘法运算值，上述三 个信号为q轴的电流检测值Iqc或者电流指令值Iq+、电感值Lq^以及速度
推定值COiC等。
能够提供一种即使有电动机常数的设定误差，也能实现无失调地稳定 的运行的永磁电动机的无位置传感器控制装置。


图1为表示本发明的一实施例的永磁电动机的无位置传感器控制装置 的结构图。
图2为采用现有的轴误差推定运算时的在实际的电阻值R与控制系统 的设定值IT中存在设定偏差时的运行特性(R/R*=l)。
图3为在实际的电阻值R与控制系的设定值IT中存在设定偏差时的运 行特性(R/R*=0.5)。
图4为本发明的特征即轴误差推定运算的结构图。
图5为采用本发明的轴误差推定运算时的、在实际的电阻值R与控制 系统的设定值IT中存在设定偏差时的运行特性(R/R*=2)。
图6为采用本发明的轴误差推定运算时的在实际的电阻值R与控制系 的设定值IT中存在设定偏差时的运行特性(R/R*=0. 5)。图7为表示本发明的其他实施例的永磁电动机的无位置传感器控制装 置的结构图。
图8为本发明的特征即轴误差信息推定运算的结构图。符号的说明
l一永磁电动机；2—电力变换器；3—电流检测器；4， 13 —坐标变换
部；5 —轴误差推定部；6 —速度推定部；7 —相位推定部；8 —速度控制部； 9一d轴电流指令设定部；10 — q轴电流控制部；ll一d轴电流控制部；12 一矢量控制部；14一低通滤波器；Id* —第Id轴电流指令值；I(T一第2 的d轴电流指令值；If一第lq轴电流指令值；Iq" —第2的q轴电流指 令值；Vdc* —d轴的电压指令值；Vqc^ — q轴电压指令值；Idc — d轴的电 流检测值；Iqc — q轴的电流检测值；0c—电动机的相位值；0<:* —相位推 定值；A6—轴误差；A9c—轴误差的推定值；AecT—包括轴误差A9的电压 值；cor—电动机速度；co^ —速度推定值。
具体实施例方式
以下，采用附图对本发明的实施例详细地进行说明。 (第l实施例)
图1表示本发明的一实施例即"永磁电动机的无位置传感器控制装置" 的结构例。
永磁电动机l输出合成了永磁体的磁通所引起的转矩成分与电枢线圈 的电感所引起的转矩成分后的电动机转矩。
电力变换器2输出与3相交流的电压指令值Vi/， Vv*， VW成比例的电
压，使永磁电动机1的输出电压与旋转数可变。
直流电源21向电力变换器2供给直流电压。
电流检测器3检测永磁电动机1的3相的交流电流Iu， Iv， Iw。
坐标变换部4根据上述3相的交流电流Iu， Iv, Iw的检测值Iuc， Ivc, Iwc与相位推定值e^输出d轴以及q轴的电流检测值Idc， Iqc。
轴误差推定部5基于电压指令值Vdc、 Vqc*，速度推定值o^c，速度 指令值0)/，电流指令值I(T， Iq，低通滤波器输出值Icftd， Iq^以及电 动机常数(Lq， Ke)，进行相位推定值e^与电动机的相位值6之间的偏差即轴误差的推定运算，输出推定值Aec。
速度推定部6根据为"零"的轴误差的指令值Ae^与轴误差的推定值
A0c之间的偏差输出速度推定值colC。
相位推定部7对速度推定值cdc进行积分，向坐标变换部4， 13输出
相位推定值e 。
速度控制部8根据速度指令值co/与速度推定值colC之间的偏差，输 出q轴的电流指令值Iq、
d轴电流指令设定部9，在低速旋转区域输出为"零"的d轴的电流 指令值IcT。
q轴的电流控制部10根据第1的q轴的电流指令值If与电流检测值 Iqc之间的偏差输出第2的q轴电流指令值Iq**。
d轴的电流控制部11根据第1的d轴的电流指令值Icf与电流检测值 Idc之间的偏差输出第2的d轴电流指令值IcT。
矢量控制部12基于永磁电动机1的电气常数(R， Ld， Lq， Ke)与第 2的电流指令值I(T， Iq"以及速度推定值c^c，输出d轴以及q轴的电压 指令值Vdc、 Vqc*。
坐标变换部13根据电压指令值Vdc*， Vqc^与相位推定值e^输出3相 交流的电压指令值Vu、 V,， Vw*。
低通滤波器14输入q轴的电流指令值Iq*，输出在轴误差推定部5中 所采用的电流指令值Iq;。
首先对电压与相位的基本的控制方法进行叙述。
电压控制的基本动作，在d轴以及q轴的电流控制部10及11中，采 用从上位提供的第1电流指令值IcT， lY与电流检测值Idc， Iqc，运算在 矢量控制中采用的中间的第2的电流指令值I(T， Iq**。
在矢量控制部12中，采用第2的电流指令值I(T， IcT、速度推定值 colC以及电动机常数的设定值，运算(式2)中所示的电压指令值Vdc、 Vqc、控制逆变器的3相的电压指令值Vu、 Vv*， Vv*。式2<formula>formula see original document page 9</formula>
另一方面，关于相位控制的基本动作，在轴误差推定部5中，采用电 压指令值Vdc*、电流指令值If的低通滤波器输出值Iq d、速度推定值AC、 速度指令值co/以及电动机常数的设定值(Lq、 KZ)，相位推定值e^与电
动机相位值e的偏差即轴误差值Ae (=ec*—e)的推定运算通过(式3) 进行。
式3<formula>formula see original document page 9</formula>
此外，在速度推定部6中，通过(式4)所示的运算控制速度推定值 colC以使轴误差的推定值A0c为"零"。式4
<formula>formula see original document page 9</formula>
在此，Kp:比例增益、Ki:积分增益
比例增益Kp、积分增益Ki如(式4)那样设定,式5
叫LL N
(5)
在此，N :速度推定部6的比例'积分增益的拐点(折扎点)比[倍]
C0pLL:速度推定部6的控制响应角频率[rad/s] 相位推定部7中，采用速度推定值colC，通过(式6)所示的运算来
控制相位推定值ec*。
式60g*=o>iC …(6)
以上为电压控制与相位控制的基本动作。
接下来，在本发明的特征即"轴误差推定部5"之前，对"现有的轴
误差推定方式即采用(式l)时"的运行特性进行描述。
图2中，表示"(式l)的运算中所设定的IT与实际的电阻值R—致的 情况的运行特性"。
将速度指令值co/设定为低速旋转数(额定速度的2. 5%)，将负载转矩 TL以倾斜状从图中的a点(零)施加到b点(100%负载)。
在施加负载转矩^的期间(a—b的区间)中，电动机速度COr降低规 定值量，但在b点以后追踪速度指令值。/，能够实现稳定的运行。
可知在图中的a， b点附近，轴误差发生绝对值约3 4deg。
另一方面，在图3中表示"式(1)的运算中所设定的IT与实际的电 阻值R中存在设定偏差时(R/R*=0.5)的运行特性"。
在图中的c点附近产生的轴误差A0发生约5度，图2时发生约2倍。 可知轴误差A0从约40%的负载转矩值进行振动，在d点进行失调的样子。
也即存在在速度推定部6中所设定的IT与实际的电阻值R中存在设定 偏差时，陷入失调现象的情况。
接下来，对该"失调现象的原因"进行说明。
将(式2)的电压指令值(VcT， VcT)代入到(式1)所示的现有的
轴误差推定的运算式中。式7
緣-tatT1
R*. "d林一 idc) —牟Lq*. (Iq林一 lqc〉
Ff - (Iq林一 Iqc) + ，.Ke，
(7)
在此，采用电动机常数(R， Ld， Lq， Ke)、和在矢量控制部12与轴 误差推定部5中设定的控制常数(R、 Lcf， Lq*， Ke*)，表示q轴的电流控 制部10的输出值Iq"与d轴的电流控制运算部11的输出Idl寸，得到(式 8)。
式80J，c-[cjG-(Lq气R—Lq.R*)+1^.0^.(1(6.cos厶0 —Ke*)十Ke.R、sinA 0
iqc'R R*+R*. w ，. (Ke. cos A 0 —Ke*)十LcT' w / (Lq■ !qc—Ke, s i n A 0 〉
(8)
将(式8)代入(式7)。式9
A0c=tan'
-1
一 a^c' (Lq— Lq, Iqc+w]c. Ke'sinA 0 (R—R" ■ Iqc+cu，c' Ke.cosA 0
(9)
在(式9)中，在假定A0的变化量小的情况下，能够近似为cos A 0 —1， sinA0N △ 9 。
在此，设定为d轴电流指令值Icf二O，进行电流控制，将q轴电感Lq 作为已知(Lq*=Lq)时，能够得到(式10)。式10
oj，g' Ke' △ 0
(10:
在(式IO)中，着眼于分母项的电阻值R时，
可知i^ir时，Aec二Ae，
但在R^IT时，在推定值Aec中包括有电阻的设定误差成分[(R—R" -Iqc]。
电动机速度c^为规定值时，轴误差Ae稳定地为零，但在A的变化 时等的过渡时，Ae发生。
q轴的电流检测值Iqc为"正"的情况下，A9发生时， R〉IT时
(式io)的分母值变大，推定值Aec被运算为比Ae小。 也即、即使轴误差A0发生，由于识别为在控制系统中Aec的变化幅 度小(e^的变化小，与e之间的误差变大)，因此处于容易失调的状态。
在R〈IT时
(式10)的分母值变小，推定值A0c被运算为比Ae大。电阻的设定误差成分[(R — R" 'lqc]具有"负"的极性，为了抵消感 应电压成分[O^C《e]，而分母值处于減少方向。在分母值为"零"的时刻 处于失调状态。
也即在低速旋转区域中，电阻的设定误差(R—R"存在时，存在陷入
容易失调的状态的问题。 上述内容成为本发明的特征。
对轴误差推定部5的结构进行说明。采用图4对轴误差推定部5进行 说明。
在轴误差推定部5中，在分子运算部51中，将d轴的电压指令值Vdc* 与下述三个信号的相乘结果相加，即频率推定值》lC、 q轴电流指令值的 低通滤波器输出和电动机常数即q轴电感值Lq的设定值Lq^这三个信号。
分母运算部52中，将速度指令值co/与电动机常数即感应电压常数K^ 这两个信号相乘。
进行该分子运算值与分母运算值之间的除法运算，输出轴误差推定值 A0c。此外，在轴误差Ae的变化大时，进行(式11)所示的反正切运算
来代替该除法运算时，也能够高精度地推定Ae。
式ll
Wr*' Ke*
(")
在本发明中，注目于(式10)的分母值，为了对于电阻的设定误差(R 一R"实现低灵敏度化，而在分母值的运算中采用(o个K^的乘法运算值。 也即，在轴误差推定部5中，在推定值A9c的运算中，采用上述的(式 3)或者(式ll)。
在此，表示本发明的特征即采用(式3)的轴误差推定的效果。 图5为R〉IT时(R/R*=2)的特性，图6为R〉IT (R/R*=0. 5)的特性。 可知图5，图6中均相对电阻的设定误差(R—R"而被低灵敏度化， 即使在R^IT的情况下，也稳定地进行运行动作的样子。
此时，轴误差Ae，在图5，图6中均为发生绝对值约5deg。 可知即使(R—R"存在的情况下，轴误差Ae的大小也不变。在此，对电动机速度Or与轴误差Ae的关系进行说明。
式(12)能够表示从电动机速度0^到速度推定值0)iC的周期(一巡)传递函数G。一^ (S)。
式12
<formula>formula see original document page 13</formula>(12)
Sz+Kp.S + Ki
进而，由于速度推定值C^C与电动机速度"r之间的误差的积分值成
为轴误差，因此从电动机速度c^到轴误差推定值Aec的传递函数G^(S)采用(式5)时，也成为(式13)。式13
<formula>formula see original document page 13</formula>在此，N为速度推定部6的比例，积分增益的拐点比[倍]，通常为5倍左右，将"5"代入(式13)的"N"中时，得到(式14)。式14
<formula>formula see original document page 13</formula>(14)
在此，速度推定运算的控制响应为10rad/s到1000rad/s左右，如果将该数值在任何情况下(何少一 ^力，)代入到(式14)的coPLL，轴误差A0与波形大致一致，则能够证明采用(式3)或者(式ll)的运算方式。
另外，在本实施例中，在轴误差推定部5中采用低通滤波器14的输出信号，但如果速度控制部8的控制增益降低，作为它们的输出信号即Iq*的变动缓慢，则也可直接釆用If来代替Iq*td，进行A0C的推定运算。此外，也可采用电流检测值Iq来代替Icftd。
进而，在本实施例中，在轴误差推定部5的分母项的运算中采用速度指令值co/，但在速度指令值co/骤变时，使co/通过速度控制部8的与控制增益相当的低通滤波器，也可采用该信号，进行A0c的推定运算。并且，也可采用速度推定值wlC来代替速度指令值co/。(第2实施例)
在第l实施例中，着眼于轴误差推定部5的分母项，为了相对电阻的设定误差(R—R"为低灵敏度化，而在分母的运算中采用co/.K^的乘法运算值，但本实施例为只由轴误差推定运算的分子项进行控制的方式。
图7中表示该实施例。在图中，1 4， 6 14， 21与图1的部分相同。对轴误差信息推定部5a的结构进行说明。
采用图8对轴误差信息推定部5a进行说明。
轴误差信息推定部5a中，将d轴的电压指令值VdJ与下述三个信号的乘法运算值相加，即频率推定值colC、 q轴电流指令值的低通滤波器输出Iq d和作为电动机常数的q轴电感值U的设定值Lq^这三个信号。
进行该运算，输出轴误差推定值A9c。轴误差信息推定部5a采用(式15)，运算并输出包括轴误差Ae的电压值AecT。式15
△ ecT-Vdc^+a^c, Lq*'I q*td …(15)
在(式15)中，进行cosA 9 —1， sinA 9 — △ 0的近似，在q轴电感Lq为已知(Lq*=Lq)的情况下，能够得到(式16)。式16
Aed、cu，c'Ke'A 0 …(〗6)
在这种情况下，也能够采用简单的结构实现相对电阻的设定误差(R一R"低灵敏度化，即使在R^IT的情况下也能稳定地动作。
如上所述，在第1， 2实施例中，根据第1电流指令值Id*， Icf与电流检测值Idc， Iqc，作成第2的电流指令值IcT， Iq**，采用该电流指令
值进行矢量控制运算，但也能适用于下述方式中。1)在第1电流指令值Icf， Iq^中根据电流检测值Idc， Iqc作成电压修正值AVcT， AVq、采用该电压修正值、第l的电流指令值Id、 Iq*、速度推定值0V3和永磁电动机l的电气常数(R*， Ld*， Lq*， Ke"，按照(式17)运算电压指令值Vdc、Vqc^的矢量控制运算方式或，2)采用第ld轴的电流指令Icf (二0)以及q轴的电流检测值Iqc的一阶延迟信号Iqctd以及速度指令值0)/、永磁电动机1的电气常数(R Ld*， Lq、 Ke"，按照(式18)运算电压指令值Vdc*，Vqc^的控制运算方式中。
另外，在本实施例中，在轴误差推定部5中采用低通滤波器14的输出信号，但如果速度控制部8的控制增益降低，并且这些输出信号即Iq*的变动缓慢，则也可直接采用Iq^来代替Iq d，进行A0c的推定运算。此外，也可采用电流检测值Iq来代替Iq d。并且，也可采用速度推定值colC来代替速度指令值co/。
此外，在第1， 2实施例中为检测采用高价的电流检测器3检测的3相的交流电流Iu Iw的方式，但根据在电力变换器2的过电流检测用中安装的单分路电阻(one shunt resistance)中流动的直流电流，再现3相的电动机电流KT， Iv'， Iw'，也能对应采用该再现电流值的"低成本的系统"。
如上所述，本发明即使在电阻值R与在控制系统(矢量运算，轴误差
推定)中设定的ir之间产生设定误差(R—ir)的情况下，也能在低速旋
转区域中，实现无失调地稳定的运行，其中电阻值R通过将电动机的线圈电阻值、与逆变器(电力变换器)和电动机之间的布线电阻值相加而得到。此外，对于进行廉价的电流检测的系统，也能提供能公共地适用的"永磁电动机的无位置传感器控制装置"。
权利要求
1. 一种永磁电动机的无位置传感器控制装置，具有矢量控制运算，其对驱动永磁电动机的电力变换器的输出频率与输出电压进行控制；轴误差信息推定运算，其推定包括轴误差的信息的轴误差信息，该轴误差为对永磁电动机的速度推定值进行积分而求出的相位推定值与永磁电动机的相位值之间的偏差；和速度推定演算，其进行控制以使轴误差信息的推定值与轴误差信息的推定值的指令值相一致，其特征在于，在上述轴误差信息推定运算中，采用矢量控制的电压指令值、q轴的电流检测值或者电流指令值、电动机常数的电感值、速度推定值或者速度指令值，来推定轴误差信息。
2. 根据权利要求1所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特 征在于，轴误差信息推定运算，通过将矢量控制运算的输出即d轴的电压指令 值与下述三个信号的乘法运算值相加来推定上述轴误差信息，上述三个信 号为q轴的电流检测值或者电流指令值、电感值以及速度推定值或者速度 指令值。
3. —种永磁电动机的无位置传感器控制装置，具有矢量控制运算， 其对驱动永磁电动机的电力变换器的输出频率与输出电压进行控制；轴误 差推定运算，其推定轴误差，该轴误差为积分永磁电动机的速度推定值而 求出的相位推定值与永磁电动机的相位值之间的偏差；和速度推定运算， 其进行控制以使轴误差推定值与轴误差的指令值一致，其特征在于，在轴误差推定运算中，采用矢量控制的电压指令值、电流检测值或者 电流指令值、电动机常数的电感值、感应电压常数、速度推定值或者速度 指令值，进行轴误差的推定。
4. 根据权利要求3所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特 征在于，轴误差推定运算，将矢量控制运算的输出即d轴的电压指令值与下述 三个信号的乘法运算值相加，并将该运算值除以速度指令值与感应电压系 数的乘法运算值，上述三个信号为q轴的电流检测值或者电流指令值、电感值以及速度推定值或者速度指令值。
5. 根据权利要求3所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特 征在于，轴误差推定运算，将矢量控制运算的输出即d轴的电压指令值与下述 的三个信号的乘法运算值相加，由速度指令值与感应电压常数的乘法运算 值对该运算值进行反正切运算，上述三个信号为q轴的电流检测值或者电流指令值、电感值以及速度推定值或者速度指令值。
6. 根据权利要求1所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特征在于，在轴误差信息推定运算中所采用的q轴的电流指令值为从上位提供的 q轴的电流指令值的低通滤波器输出值。
7. 根据权利要求3所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特 征在于，在轴误差推定运算中所采用的q轴的电流指令值为从上位提供的q轴 的电流指令值的低通滤波器输出值。
8. 根据权利要求6所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特 征在于，电流指令值的低通滤波器输出值的作成是基于在电流控制中设定的 控制响应角频率或者控制增益的一阶延迟信号。
9. 根据权利要求7所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特 征在于，电流指令值的低通滤波器输出值的作成是基于在电流控制中设定的 控制响应角频率或者控制增益的一阶延迟信号。
10. 根据权利要求1所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其 特征在于，在轴误差信息推定运算中采用的速度指令值为从上位提供的速度指 令值的低通滤波器输出值。
11. 根据权利要求3所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其 特征在于，在轴误差推定运算中所采用的速度指令值为从上位提供的速度指令值的低通滤波器输出值。
12. 根据权利要求10所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其 特征在于，速度指令值的低通滤波器输出值的作成是基于速度控制中设定的控 制响应角频率或者控制增益的一阶延迟信号。
13. 根据权利要求11所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其 特征在于，在轴误差信息推定运算中所采用的速度指令值为从上位提供的速度 指令值的低通滤波器输出值。
14. 根据权利要求1所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其特征在于，在额定旋转数的5%以下的低旋转数区域中，磁通轴即d轴的电流指令值为零。
15. 根据权利要求1所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其 特征在于，即使在延长或者縮短了电动机与逆变器间之间的布线的情况下，轴误 差值八e也不限于控制系统中设定的电阻值，在电动机速度c^的变化时采 用下述式发生，式1<formula>formula see original document page 4</formula> (1)其中，COp为速度推定运算中的比例增益或者控制响应角频率。
16.根据权利要求15所述的永磁电动机的无位置传感器控制装置，其 特征在于，比例增益或者控制响应角频率为10rad/s 1000rad/s。
全文摘要
本发明的课题在于即使在电阻值R与在控制系统(矢量运算，轴误差推定)中设定的R^*之间产生设定误差(R-R^*)的情况下，也能在低速旋转区域中，实现无失调地稳定的运行，其中电阻值R通过将电动机的线圈电阻值、与逆变器(电力变换器)和电动机之间的布线电阻值相加而得到。本发明的永磁电动机的无位置传感器控制装置，在轴误差的推定运算中，不采用电阻的设定值，而将d轴的电压指令值与下述三个信号的乘法运算值相加，将该运算值除以速度指令值ω_r^*与感应电压常数Ke^*的乘法运算值或者由速度指令值ω_r^*与感应电压常数Ke^*的乘法运算值对该运算值进行反正切运算，上述三个信号为q轴的电流检测值或者电流指令值、电感值以及速度推定值。
文档编号H02P6/18GK101459401SQ20081018437
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者户张和明, 青柳滋久 申请人:株式会社日立产机系统