专利名称：同步电动机的磁极位置检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够简易、确实并且高精度地检测同步电动机的磁极位置的同步电动机的磁极位置检测装置。
背景技术：
在现有技术中，为了高效控制同步电动机，而检测同步电动机的转子的磁极位置。当检测该同步电动机的磁极位置时，使用编码器等位置检测器来直接检测转子的电气角(磁极位置)。但是，为了直接检测转子的旋转角，就需要给同步电动机附加位置检测器等磁极位置检测专用的传感器，而存在装置构成的规模变大，同时经济性变差的缺点。
因此，提出了不使用位置检测器来检测同步电动机的磁极位置的装置(参照日本专利申请公开公报特开平7-177788号公报)。图24是表示不使用位置检测器的现有的同步电动机的磁极位置检测装置的简要构成的图。在图24中，同步电动机1的转子是永久磁体型的，同步电动机1具有U相、V相和W相的三相绕组。运算部102给电路部3输出电压矢量指令V，同时，给检测部4输出触发信号Tr。电路部3给同步电动机1的各相施加基于所输入的电压矢量指令V的电压。检测部4以触发信号Tr的上升沿定时来检测各相的电流，把检测电流Di输出给运算部102。运算部102以所输入的检测电流Di为基础来运算转子的磁极位置θ，并输出。
图25是表示电路部3的详细构成的电路图。在图25中，电路部3具有半导体开关5～10，半导体开关5、8、6、9、7、10的各对分别串联连接，串联连接的半导体开关5、8、6、9、7、10的各对与生成电位差Ed的直流电压源11并联连接。连接半导体开关5、8的中点Pu与同步电动机1的U相相连接，连接半导体开关6、9的中点Pv与同步电动机1的V相相连接，连接半导体开关7、10的中点Pw与同步电动机1的W相相连接。而且，各个半导体开关5～10分别与绝缘栅型双极晶体管(IGBT)Q1～Q6和二极管D1～D6相对应并且并联连接，二极管的正向向着直流电压源11的正极。施加在该IGBT Q1～Q6的栅极上的栅极信号形成电压矢量指令V，使各个IGBT Q1～Q6导通/关断。
在此，电压矢量指令V具有9个开关方式「0」～「8」，各个开关方式「0」～「8」通过导通的IGBT Q1～Q6的组合来按下面这样进行定义开关方式 导通的IGBT Q1～Q6的组合「0」无「1」Q1、Q5、Q6「2」Q1、Q2、Q6「3」Q4、Q2、Q6「4」Q4、Q2、Q3「5」Q4、Q5、Q3「6」Q1、Q5、Q3「7」Q1、Q2、Q3「8」Q4、Q5、Q6与各个开关方式「0」～「8」分别对应的电压矢量V1～V8，如图26所示的那样，是分别具有依次相差60度的相位差，并且大小相等的电压矢量。在此，具体地说，求出电压矢量V1的大小。由于电压矢量V1与开关方式「1」相对应，故IGBT Q1、Q5、Q6导通，IGBT Q4、Q2、Q3关断。因此，U相与V相之间的线电压Vuv、V相与W相之间的线电压Vvw以及W相与U相之间的线电压Vwu为下式(1)～(3)那样Vuv＝Vu－Vv＝Ed …(1)Vvw＝Vv－Vw＝0 …(2)Vwu＝Vw－Vu＝-Ed …(3)
其中，「Vu」是U相的电位(中点Pu的电位)，「Vv」是V相的电位(中点Pv的电位)，「Vw」是W相的电位(中点Pw的电位)。
而且，当从式(1)～(3)求出电位Vu～Vw时，各电位Vu～Vw为下式(4)～(6)那样Vu＝2/3*Ed …(4)Vv＝-1/3*Ed …(5)Vw＝-1/3*Ed …(6)因此，电压矢量V1的方向，如图26所示的那样，为U相方向。而且电压矢量V1的大小由下式(7)所表示，即｜V1｜＝2/3*Ed-1/3*Ed cos(120度)-1/3*Ed cos(240度)＝Ed(7)其他的电压矢量V2～V6，通过进行与电压矢量V1相同的运算，能够求出其方向和大小，电压矢量V2～V6的方向，如图26所示的那样，相对于U相依次具有相位差60度，大小为Ed。而且，电压矢量V7、V8，如图26所示的那样，成为大小为0的电压矢量。
与该电压矢量V1～V6相对应的电压被施加给同步电动机1的U相、V相和W相，但是，此时，检测部4以触发信号Tr的上升沿定时来检测在各相中流过的电流。图27是表示检测部4的详细构成的方框图。在图27中，电流检测器12～14分别检测流过U相、V相和W相的电流，分别输出给输出处理部15～17。各输出处理部15～17分别具有取样保持电路15a～17a，同时，具有A/D变换器15b～17b。取样保持电路15a～17a以从运算部102所输入的触发信号Tr的上升沿定时来对电流检测器12～14检测出的电流值进行取样保持，A/D变换器15b～17b把取样保持电路15a～17a保持的模拟信号分别变换为数字信号，分别把由U相的电流iu、V相的电流iv、W相的电流iw组成的检测电流Di输出给运算部2。
在此，参照图28所示的时序图，来对电压矢量指令V、触发信号Tr与检测电流Di的关系进行说明。在图28中，运算部102，在同步电动机1静止并且各相的电流为零的状态下，首先作为电压矢量指令V依次向检测部4输出电压矢量V0→V1→V0→V3→V0→V5→V0，同时，在各电压矢量的施加结束之后，把触发信号Tr输出给检测部4。如上述那样，电路部3以电压矢量指令V为基础，依次给同步电动机1施加电压矢量V0→V1→V0→V3→V0→V5→V0。而且，各电压矢量V1、V3、V5的施加时间为同步电动机1不会磁饱和范围内的足够短的时间。检测部4的输出处理部15～17触发信号Tr的上升沿定时来对各相的电流即电流iu、iv、iw进行取样，把U相的电流iu1～iu3、V相的电流iv1～iv3、W相的电流iw1～iw3作为检测结果输出给运算部102。U相的电流iu1、V相的电流iv1、W相的电流iw1是由紧跟电压矢量V1之后所施加的触发信号Tr所检测出的电流，U相的电流iu2、V相的电流iv2、W相的电流iw2是由紧跟电压矢量V3之后所施加的触发信号Tr所检测出的电流，U相的电流iu3、V相的电流iv3、W相的电流iw3是由紧跟电压矢量V5之后所施加的触发信号Tr所检测出的电流。
因此，同步电动机1的转子的磁极位置θ与电流iu1、iv2、iw3的关系具有图29所示的关系。其中，当磁极位置θ着眼于0～180度之间时，能够基于电流iu1、iv2、iw3的电流值的大小关系，把磁极位置θ以30度单位分成6个。其中，当给分成6个的磁极位置θ的区域区间标注分区编号m来表示时，为以下这样分区编号m 区间 大小关系1 0～30度 iu1＞iw3＞iv22 30～60度 iw3＞iu1＞iv23 60～90度 iw3＞iv2＞iu14 90～120度 iv2＞iw3＞iu15120～150度 iv2＞iu1＞iw36150～180度 iu1＞iv2＞iw3因此，以该电流iu1、iv2、iw3的大小关系为基础，如果磁极位置θ是0～180度的范围，能够以30度单位求出磁极位置θ。具体的磁极位置θ的确定以下式(8)为基础进行运算。即θ＝(m－1)×30＋15＋f(m)×(iav－im)×k…(8)通过该式来确定磁极位置θ。在此情况下，在图29中，在30度单位的各区间中的电流iu1、iv2、iw3的电流值中，把具有中间的电流值的电流iu1、iv2、iw3例如磁极位置θ在0～30度区间内的电流iw3在该区间内视为是直线。而且，电流iav是电流iu1、iv2、iw3的平均值，电流im是在分区编号m中近似直线的电流，系数k是该直线的斜率。而且，当分区编号为1、3、5时，f(m)＝1，当分区编号为2、4、6时，f(m)＝-1。
因此，磁极位置θ使用该式(8)，在0～180度的范围内，不是区间，而是能够确定一点的磁极位置θ，但是，如图29所示的那样，磁极位置θ以180度周期变化，因此，对于360度的全部角度，使用磁饱和，来唯一地决定磁极位置θ。
例如，当分区编号m为「1」时，磁极位置θ是0～30度或者180度～210度的区间，而不能唯一地确定磁极位置θ，但是，在此情况下，如
图17所示的那样，通过给同步电动机1施加具有产生磁饱和的长施加时间的电压矢量V1、V4，来选择决定磁极位置θ的区间。
详细描述时，当磁饱和没有发生时，电流iu4、iu5的绝对值为相等的。但是，当施加了接近于磁极位置的电压矢量V1、V4时产生的磁通，相对于同步电动机1的转子的磁通在增磁方向上起作用，因此，当磁饱和发生时，同步电动机1的线圈的电感减少。因此，当磁饱和发生时，若把施加接近于磁极位置θ的相位的电压矢量V1或者V4时的电流与施加相对于接近于磁极位置θ的相位具有180度相位差的电压矢量V1或者V4时的电流进行比较，施加接近于磁极位置θ的相位的电压矢量V1或者V4时的电流的一方具有较大的值。
其结果，例如，当磁极位置θ为0～30度或者180～210度时，当电流iu4的大小｜iu4｜大于电流iu5的大小｜iu5｜时，判定为磁极位置θ是0～30度的区间，原封不动地输出由式(8)求出的磁极位置θ。而且，当电流iu4的大小｜iu4｜小于电流iu5的大小｜iu5｜时，判定为磁极位置θ是180～210度的区间，在此情况下，在式(8)求出的磁极位置θ上加上180度并输出。
同样，当分区编号m为「2」～「6」时，使用式(8)来求出0～180度的范围的磁极位置θ，然后，具有产生磁饱和的施加时间来施加与分区编号相对应的电压矢量，使用该电压矢量的绝对值的大小关系来判定180度的磁极位置关系，来在全部角度范围内唯一地确定磁极位置θ。
但是，上述现有的同步电动机的磁极位置检测装置，首先，为了在较大的180度的范围内求出磁极位置θ，需要给同步电动机1的线圈施加具有不会产生磁饱和的施加时间的电压矢量。通过具有不会产生磁饱和的施加时间的电压矢量的施加，所检测出的电流iu1、iv2、iw3等的振幅值较小，因此，各电流iu1、iv2、iw3等的信号易于受到噪声的影响，而存在输出错误的振幅值的可能性，或者，当由A/D变换器15b～17b把模拟信号变换为数字信号时，存在丢位发生的可能性。因此，存在不能高精度地检测电流iu1、iv2、iw3的情况，其结果，存在不能正确地检测磁极位置θ的问题。
而且，上述现有的同步电动机的磁极位置检测装置，使用磁饱和来在0～360度的范围内唯一地确定磁极位置θ，因此，施加具有发生磁饱和的施加时间的两种电压矢量，但是，在此情况下，没有考虑线圈的滞后特性所产生的影响。实际的检测电流的振幅值受到同步电动机的线圈的滞后特性的影响，而依赖于电压矢量的施加顺序。例如，电流iu4的大小｜iu4｜和电流iu5的大小｜iu5｜受到滞后特性这样的非线性特性的影响，与大小｜iu4｜相比，大小｜iu5｜变小。因此，当通过单纯地比较大小｜iu4｜和大小｜iu5｜，来判定相位相差180的范围，来唯一地确定磁极位置θ时，存在产生进行错误的磁极位置θ的检测的情况。
这样，本发明的目的是提供一种能够简易、确实并且高精度地检测同步电动机的磁极位置的同步电动机的磁极位置检测装置。
发明概述本发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，包括电路装置，根据电压矢量指令给同步电动机的n(n为3以上的自然数)相绕组施加电压矢量；检测装置，检测通过从上述电路装置所施加的电压矢量而生成的n相绕组上的电流；运算装置，向上述电路装置输出上述电压矢量指令，同时，在根据该电压矢量指令的电压矢量的施加结束之后，给上述检测装置提供触发信号，使由上述检测装置所产生的n相绕组上的电流被检测出，以该检测出的电流值为基础，运算输出上述同步电动机的磁极位置，其特征在于，上述运算装置向上述电路装置输出使振幅相等并且具有等间隔相位的2n种电压矢量在同一时间被施加到上述n相绕组上的上述电压矢量指令，以上述检测装置检测出的各相的电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
根据该发明，上述运算装置向上述电路装置输出使振幅相等并且具有等间隔相位的2n种电压矢量在同一时间被施加到上述n相绕组上的上述电压矢量指令，以上述检测装置检测出的各相的电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置，因此，能够以±60/(2^(k＋1))度的精度检测磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，包括电路装置，根据电压矢量指令给同步电动机的n(n为3以上的自然数)相绕组施加电压矢量；检测装置，检测通过从上述电路装置所施加的电压矢量而生成的n相绕组上的电流；运算装置，向上述电路装置输出上述电压矢量指令，同时，在根据该电压矢量指令的电压矢量的施加结束之后，给上述检测装置提供触发信号，使由上述检测装置所产生的n相绕组上的电流被检测出，以该检测出的电流值为基础，运算输出上述同步电动机的磁极位置，其特征在于，上述运算装置向上述电路装置输出以2n种电压矢量的相位单调增加或者单调减少的顺序在同一时间给上述n相绕组施加各个电压矢量的电压矢量指令。
根据该发明，上述运算装置向上述电路装置输出以2n种电压矢量的相位单调增加或者单调减少的顺序在同一时间给上述n相绕组施加各个电压矢量的电压矢量指令，因此，能够抑制由同步电动机的滞后特性等所产生的非线性因素的影响，能够高精度地检测磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，上述运算装置向上述电路装置输出在上述n相绕组发生磁饱和的足够的时间内来施加各个上述电压矢量的电压矢量指令。
根据该发明，上述运算装置向上述电路装置输出在上述n相绕组发生磁饱和的足够的时间内来施加各个上述电压矢量的电压矢量指令，因此，能够检测出由磁饱和所引起的电感的变化，而高精度地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的相加电流值，以该相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
根据该发明，运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的相加电流值，以该相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置，因此，能够抑制由同步电动机的突极性所引起的电感的变化，由此而能够高精度地检测磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置输出与绝对值成为最大的上述相加电流值相对应的磁极位置。
根据该发明，上述运算装置输出与绝对值成为最大的上述相加电流值相对应的磁极位置，因此，能够简易并且正确地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置输出与上述相加电流值各自的符号相对应的磁极位置。
根据该发明，上述运算装置输出与上述相加电流值各自的符号相对应的磁极位置，因此，能够简易并且正确地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第一相加电流值，同时，在具有与上述2n种的电压矢量正交的成分的2n种的电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第二相加电流值，以上述第一和第二相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第一相加电流值，同时，在具有与上述2n种的电压矢量正交的成分的2n种的电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第二相加电流值，以上述第一和第二相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置，因此，能够抑制磁饱和等非线性因素的影响，能够检测出由同步电动机的凸极性所引起的电感的变化，由此而能够高精度地检测磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第一相加电流值，同时，在具有与上述2n种的电压矢量同相的成分的2n种的电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第二相加电流值，以上述第一和第二相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第一相加电流值，同时，在具有与上述2n种的电压矢量同相的成分的2n种的电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第二相加电流值，以上述第一和第二相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置，因此，能够抑制磁饱和等非线性因素的影响，能够检测出由同步电动机的凸极性所引起的电感的变化，由此而能够高精度地检测磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，选择与绝对值成为最大的上述第一相加电流值相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，来确定磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，选择与绝对值成为最大的上述第一相加电流值相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，来确定磁极位置，因此，能够高精度地缩窄磁极位置的范围，高精度地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，选择与上述第一相加电流值的各自的符号相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，来确定磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，选择与上述第一相加电流值的各自的符号相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，来确定磁极位置，因此，能够高精度地缩窄磁极位置的范围，高精度地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，选择与绝对值成为最大的上述第一相加电流值相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，进而，以使用上述第二相加电流值的新的大小关系为基础，进一步缩窄该磁极位置的区域，来确定磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，上述运算装置，选择与绝对值成为最大的上述第一相加电流值相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，进而，以使用上述第二相加电流值的新的大小关系为基础，进一步缩窄该磁极位置的区域，来确定磁极位置，因此，能够高精度地缩窄磁极位置的范围，高精度地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，选择与上述第一相加电流值的各自的符号相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，进而，以使用上述第二相加电流值的新的大小关系为基础，进一步缩窄该磁极位置的区域，来确定磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，选择与上述第一相加电流值的各自的符号相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，进而，以使用上述第二相加电流值的新的大小关系为基础，进一步缩窄该磁极位置的区域，来确定磁极位置，因此，能够高精度地缩窄磁极位置的范围，高精度地检测出磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，生成使用包含上述第一或者第二相加电流值的函数值的函数电流值，以该函数电流值和上述第一或者第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄并确定磁极位置的区域。
根据该发明，上述运算装置，生成使用包含上述第一或者第二相加电流值的函数值的函数电流值，以该函数电流值和上述第一或者第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄并确定磁极位置的区域，因此，能够极端地缩窄磁极位置的范围，而能够检测出更高精度的磁极位置。
另一个发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，在上述发明中，其特征在于，上述运算装置，在上述同步电动机的转子旋转中，给上述n相绕组施加比由该转子的旋转所产生的感应电压足够大的电压矢量，来运算输出磁极位置。
根据该发明，上述运算装置，在上述同步电动机的转子旋转中，给上述n相绕组施加比由该转子的旋转所产生的感应电压足够大的电压矢量，来运算输出磁极位置，因此，即使在同步电动机的旋转中，也能高精度地检测出磁极位置。
附图的简要说明图1是表示本发明的实施例1的同步电动机的磁极位置检测装置的简要构成的框图；图2是表示图1所示的电路部3的详细构成的电路图；图3是表示图1所示的检测部4的详细构成的框图；图4是表示图1所示的运算部2的详细构成的框图；图5是表示电压矢量指令、触发信号以及各相的检测电流的定时图；图6是表示以电压矢量V1～V6的相位增减的顺序施加电压矢量V1～V6时的对磁极位置θ的电流Δiu、Δiv、Δiw的变化的图；图7是表示以电压矢量V1～V6的相位单调增加的顺序施加电压矢量V1～V6时的对磁极位置θ的电流Δiu、Δiv、Δiw的变化的图；图8是表示该实施例1中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图；图9是表示U相、V相和W相的轴与对U相的轴的正交轴的关系的图；图10是表示电流iux、ivx、iwx与磁极位置θ的关系的图；图11是表示该实施例2中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其一)；图12是表示该实施例2中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其二)；图13是表示该实施例3中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其一)；图14是表示该实施例3中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其二)；图15是表示该实施例4中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其一)；图16是表示该实施例4中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其二)；图17是表示该实施例4中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其三)；图18是表示磁极位置θ与本发明的实施例5所用的电流iux、ivx、iwx和使用这些电流iux、ivx、iwx的新的函数的值的关系的图；图19是表示该实施例5中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其一)；图20是表示该实施例5中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其二)；图21是表示该实施例5中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其三)；图22是表示该实施例5中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理程序的流程图(其四)；图23是表示电流iuz、ivz、iwz与磁极位置θ的关系的图；图24是表示现有的同步电动机的磁极位置检测装置的构成的方框图；图25是表示图24所示的电路部3的详细构成的电路图；图26是表示U相、V相和W相与电压矢量V1～V8的关系的图；图27是表示图24所示的检测部4的详细构成的电路图；图28是表示图24所示的现有磁极位置检测装置中的电压矢量指令、触发信号以及各相的检测电流的定时图；图29是表示相对于磁极位置θ的电流iu1、iv2、iw3的变化的图。
用于实施发明的最佳形态为了更详细地描述本发明，按照附图来对其进行说明。
首先，对本发明的实施例1进行说明。图1是表示本发明的实施例1的同步电动机的磁极位置检测装置的简要构成的框图。在图1中，该实施例1中的同步电动机的磁极位置检测装置除了图24所示的现有的同步电动机的磁极位置检测装置中的运算部102的构成之外，其他部分与图24所示的现有的同步电动机的磁极位置检测装置的构成相同。
即，同步电动机1的未图示的转子是永久磁铁型的，同步电动机1具有U相、V相和W相的三相绕组。运算部2给电路部3输出电压矢量指令V，同时，给检测部4输出触发信号Tr。电路部3给同步电动机1的各相施加基于所输入的电压矢量指令V的电压。检测部4以触发信号Tr的上升沿定时来检测各相的电流，把检测电流Di输出给运算部2。运算部2以所输入的检测电流Di为基础来运算转子的磁极位置θ，并输出。
图2是表示电路部3的详细构成的电路图。在图2中，电路部3具有半导体开关5～10，半导体开关5、8、6、9、7、10的各对分别串联连接，串联连接的半导体开关5、8、6、9、7、10的各对与生成电位差Ed的直流电压源11并联连接。连接半导体开关5、8的中点Pu与同步电动机1的U相相连接，连接半导体开关6、9的中点Pv与同步电动机1的V相相连接，连接半导体开关7、10的中点Pw与同步电动机1的W相相连接。而且，半导体开关5～10分别与作为半导体功率开关元件的IGBT Q1～Q6和二极管D1～D6相对应并且并联连接，二极管的正向向着直流电压源11的正极。施加在该IGBT Q1～Q6的栅极上的栅极信号形成电压矢量指令V，使各个IGBT Q1～Q6导通/关断。
电压矢量指令V具有与上述开关方式「1」～「8」分别对应的电压矢量V1～V8种。各个电压矢量V1～V6，如图26所示的那样，分别具有依次相差60度的相位差，大小相等，并且，电压矢量V7、V8，如图26所示的那样，成为大小为0的电压矢量。而且，所谓电压矢量V0是指全部的IGBT Q1～Q6为关断状态。
与该电压矢量V1～V6相对应的电压被施加给同步电动机1的U相、V相和W相，但是，此时，检测部4以触发信号Tr的上升沿定时来检测在各相中流过的电流。图3是表示检测部4的详细构成的方框图。在图3中，电流检测器12～14分别检测流过U相、V相和W相的电流，分别输出给输出处理部15～17。各输出处理部15～17分别具有取样保持电路15a～17a，同时，具有A/D变换器15b～17b。取样保持电路15a～17a以从运算部2所输入的触发信号Tr的上升沿定时来对电流检测器12～14检测出的电流值进行取样保持，A/D变换器15b～17b把取样保持电路15a～17a保持的模拟信号分别变换为数字信号，分别把由U相的电流iu、V相的电流iv、W相的电流iw组成的检测电流Di输出给运算部2。
图4是表示运算部2的详细构成的方框图。在图4中，CPU19以在存储器20中所保持的预定的程序为基础，经由输出电路21向电路部3输出电压矢量指令V，经由输出电路22向检测部4输出触发信号Tr，当从检测部4向输入电路18输入检测电流Di时，以检测电流Di为基础进行后述的运算处理，来确定磁极位置θ，经由输出电路23输出到外部。
图5是表示电压矢量指令V、触发信号Tr与检测电流Di的关系的时序图。在图5中，当向电路部3输出具有电压矢量V0→V1→V0→V2→V0→V3→V0→V4→V0→V5→V0→V6→V0的顺序的电压矢量指令V时，电路部3依次给同步电动机1施加与该电压矢量指令V相对应的电压。该电压矢量V1～V6的施加时间是同步电动机1的线圈发生磁饱和的足够的时间，由于各电压矢量V1～V6的施加，同步电动机1的线圈发生磁饱和。
运算部2在电压矢量V1～V6的施加结束之后，向检测部4输出触发信号Tr。检测部4以各触发信号Tr的上升沿定时检测各相的电流iu(iu1～iu6)、iv(iv1～iv6)、iw(iwi～iw6)，输出给运算部2。
在此，用下式(9)来定义电流Δiu，该电流Δiu是当施加与U相的相位相等的电压矢量V1时所检测出的电流iu与施加该电压矢量V1和相位相差180度的电压矢量V4(参照图26)时所检测出的电流iu的振幅之和。在此情况下，由于以V1→V2→V3→V4→V5→V6的顺序来施加电压矢量V1～V6，故施加电压矢量V1时所检测出的电流iu是电流iu1，施加电压矢量V4时所检测出的电流iu是电流iu4。因此，电流Δiu按下面这样表示，即Δiu＝iu1＋iu4 …(9)在此，当同步电动机1的线圈不产生磁饱和时，电流iu1和电流iu4的振幅相等，符号不同(相位不同)，因此，Δiu＝0。但是，在该实施例1中所施加的电压矢量V1～V6的施加时间是对于产生磁饱和的足够的时间，因此，取决于转子的磁极位置θ，Δiu的值呈现不同的值。
同样，用下式(10)来定义电流Δiv，该电流Δiv是当施加与V相的相位相等的电压矢量V3时所检测出的电流iv与施加与该电压矢量V3相位相差180度的电压矢量V6时所检测出的电流iv的振幅之和。并且，用下式(11)来定义电流Δiw，该电流Δiw是当施加与W相的相位相等的电压矢量V5时所检测出的电流iw与施加该电压矢量V5和相位相差180度的电压矢量V2时所检测出的电流iw的振幅之和。在此情况下，当考虑上述电压矢量V1～V6的施加顺序时，式(10)和式(11)为Δiv＝iv3＋iv6…(10)Δiw＝iw5＋iw2…(11)因此，上述电流Δiu、Δiv、Δiw表现为随转子的磁极位置θ而不同的值。图6是表示以电压矢量V1～V6的相位增减的顺序施加电压矢量V1～V6时的相对于磁极位置θ的电流Δiu、Δiv、Δiw的变化的图。在图6中，表示出了以其相位增减的V1→V4→V3→V6→V5→V2的顺序来施加电压矢量V1～V6时的电流Δiu、Δiv、Δiw的变化。
在此，如果仅考虑线圈的磁饱和所产生的影响，电流Δiu是电压矢量V1施加后检测出的U相的电流iu1与电压矢量V4施加后检测出的U相的电流iu4之和，因此，考虑磁极位置θ为0度时的电流Δiu和磁极位置θ为180度时的电流Δiu的大小(绝对值)为相等的。
但是，如图6所示的那样，实际上，由于同步电动机1的滞后特性等非线性因素，电流Δiu的最大值(磁极位置θ为0度时的值)与最小值(磁极位置θ为180度时的值)的绝对值不是→致的。对于电流Δiv和电流Δiw，这是相同的。
另一方面，图7是表示以电压矢量V1～V6的相位单调增加的顺序施加电压矢量V1～V6时的相对于磁极位置θ的电流Δiu、Δiv、Δiw的变化的图。在图7中，表示了按图5那样以其相位单调增加的V1→V2→V3→V4→V5→V6的顺序来施加电压矢量V1～V6时的电流Δiu、Δiv、Δiw的变化。
在此情况下，通过以相位单调增加的顺序来施加电压矢量V1～V6，就能减小同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响，能够按图7所示的那样使振幅值Δiu、Δiv、Δiw各自的最大值和最小值的绝对值大致相一致。
因此，在该实施例1中，如图5所示的那样，把电压矢量V1～V6的施加顺序作为其相位单调增加的顺序，就不会受到同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响。而且，在该实施例1中，虽然是以电压矢量V1～V6的相位单调增加的顺序来进行施加，但是，以V6→V5→V4→V3→V2→V1这样的相位单调减小的顺序来施加电压矢量V1～V6，也能使振幅值Δiu、Δiv、Δiw各自的最大值和最小值的绝对值大致相一致。
接着，运算部2在运算了上述式(9)～(11)所示的电流Δiu、Δiv、Δiw之后，使用这些电流Δiu、Δiv、Δiw来运算电流Δiu、Δiv、Δiw的绝对值为最大的值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)。而且，MAX(x1、x2、…、xn)表示值x1～xn的最大值。
如图7所示的那样，电流Δiu、Δiv、Δiw的值在磁极位置θ的每个60度中具有最大值和最小值。例如，当磁极位置θ为0时，Δiu为最大值，当磁极位置θ为60度时，Δiw具有最小值。因此，当使用按每60度来分割磁极位置θ的区间的分区编号m时，区间与值MAX的关系为以下这样分区编号m 区间 MAX1 -30～30度 Δiu2 30～90度 -Δiw3 90～150度 Δiv4 150～210度 -Δiu5 210～270度 Δiw6 270～330度 -Δiv而且，在值MAX的括弧内，之所以按-Δiu、-Δiv、-Δiw那样付与负号，是因为例如当磁极位置θ为60度时，Δiw显示出最小值，但是，把该最小值作为最大值来进行运算。
作为具体的值MAX的运算，例如，当磁极位置θ为60度时，值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)＝-Δiw，得到分区编号m＝2，此时的磁极位置θ为30～90度的范围内。
具体地说，运算部2在存储器20内保持上述分区编号m和值MAX的对应关系，以最终运算的值MAX的值为基础，来获得分区编号m，把该分区编号m输出给输出电路23。输出电路23保持分区编号m与区间或者特定的磁极位置θ的对应关系，把与所输入的分区编号m相对应的磁极位置θ输出到外部。
在此，参照图8所示的时序图来对该实施例1中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理进行说明。在图8中，首先，运算部2以一定时间向电路部3输出电压矢量V0，施加给同步电动机1(步骤S101)。然后，把变量n设定为「1」(步骤S102)。接着，以该设定的n的值为基础，运算部2以同步电动机1发生磁饱和所足够的一定时间向电路部3输出电压矢量Vn，施加给同步电动机1(步骤S103)。然后，在电压矢量Vn的施加结束之后，向检测部4输出触发信号Tr(步骤S104)。接着，从检测部4取得图5所示的电流iu、iv、iw(步骤S105)。例如，当变量n为「1」时，取得与电压矢量V1相对应的电流iu1、iv1、iw1。然后，使变量n递增1(步骤S106)，在一定时间内向电路部3输出电压矢量V0，施加给同步电动机1(步骤S107)。然后，判断变量n是否超过「6」(步骤S108)，当变量n未超过「6」时(步骤S108，NO)，移到步骤S103，接着，给同步电动机1施加相位超前60度的电压矢量Vn，取得电流iu、iv、iw，反复进行上述处理。
另一方面，当变量n超过「6」时(步骤S108，YES)，运算部2运算电流Δiu、Δiv、Δiw(步骤S109)。例如，运算电压矢量V1被施加时的电流iu1和具有与电压矢量V1的相位相差180度相位的电压矢量V4被施加时的电流iu4之和，把该和作为电流Δiu保持在存储器20中。同样，运算电流Δiv、Δiw并保持在存储器20中。接着，运算部2运算值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)(步骤S110)，把与所得到的值MAX相对应的分区编号m输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m相对应的磁极位置θ输出到外部(步骤S111)，结束本处理。
在取得电流iu、iv、iw的步骤S105中，可以仅取得在运算电流Δiu、Δiv、Δiw时所需要的电流iu1、iw2、iv3、iu4、iw5、iv6。
而且，在该实施例1中，根据电流Δiu、Δiv、Δiw的大小关系来输出磁极位置θ，但是，也可以根据电流Δiu、Δiv、Δiw的符号来输出磁极位置θ。
即，当使用上述分区编号m和区间时，他们与电流Δiu、Δiv、Δiw的符号的关系为以下这样分区编号m 区间 Δiu Δiv Δiw1 -30～30度 + - -2 30～90度 + + -3 90～150度 - + -4 150～210度- + +5 210～270度- - +6 270～330度+ - +使用这样的分区编号m和区间与电流Δiu、Δiv、Δiw的符号的关系，就能从各电流Δiu、Δiv、Δiw的符号的组合来决定分区编号m的值。
根据该实施例1，经由电路部3向同步电动机1施加单调增加或者单调减少的，具有对同步电动机1的线圈发生磁饱和所足够的施加时间的电压矢量V1～V6，因此，不会受到同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响，能够以±30度的精度正确地检测出磁极位置θ。
下面对实施例2进行说明。在实施例1中，给同步电动机1施加单调增加的电压矢量V1～V6，以此时所检测出的各相的电流iu、iv、iw为基础，以60度的刻度输出磁极位置θ，而在该实施例2中，使用与电压矢量V1～V6正交的成分的检测电流值，以30度的刻度输出磁极位置θ。
该实施例2的构成是这样的由于图1所示的实施例1中的运算部2进行与实施例1不同的处理，故该运算部2的构成是不同的，而其他的构成与实施例1相同。
图9是表示U相、V相和W相的轴与相对于U相的正交轴的关系的图。在图9中，检测电流Di能够分离成U相同相成分Ui和U相正交成分Uq，该U相正交成分Uq与V相的电流iv和W相的电流iw之差成比例。
例如，当给同步电动机1施加电压矢量V1(U相)时，与该电压矢量V1正交的U相正交成分Uq的电流iux1能够使用电流iv1和电流iw1以下式(12)表示，即iux1＝iv1－iw1 (12)同样，当给同步电动机1施加各电压矢量V2～V6时，与该电压矢量V2～V6分别正交的电流iwx2～ivx6可以用下式(13)～(17)表示，即iwx2＝iu2－iv2(13)iux3＝iw3－iu3(14)iux4＝iv4－iw4 (15)iwx5＝iu5－iv5 (16)iux6＝iw6－iu6 (17)当给同步电动机1施加磁饱和不会发生的电压矢量时，电流iux1和电流iux4相对于磁极位置θ以180度周期变化，因此，成为相同的值。另一方面，当给同步电动机1施加磁饱和发生的电压矢量时，由于磁饱和的影响，在360度周期内发生干涉，因此，电流iux1和电流iux4相对于磁极位置θ以360度周期变化。
在此，在磁饱和不会发生的情况下施加电压矢量的现有的磁极位置检测装置中，由于所检测出的电流的振幅较小，检测部4的A/D变换器15b～17b对A/D变换时的分辨能力产生制约，检测精度变差。另一方面，在没有A/D变换时的分辨能力的制约而确保检测精度，并能够产生足够的电流的情况下，由于磁饱和的影响，所检测出的电流iux1和电流iux4的大小不一致。
因此，为了消除该磁饱和的影响，按下式(18)那样定义与电流iux1和电流iux4的平均值成比例的电流iux1和电流iux4之和的电流iux，即iux＝iux1＋iux4 (18)在此，当考虑磁饱和的影响按上述那样以360度周期变化的情况和由线圈的电感变化所产生的影响以180度周期变化的情况时，电流iux不会受到360度周期的磁饱和的影响。
与电流iux相同，能够按下式(19)、(20)那样定义作为电流ivx3和电流ivx6之和的电流ivx、作为电流iwx2和电流iwx5之和的电流iwx，即ivx＝ivx3＋ivx6 (19)iwx＝iwx2＋iwx5 (20)这样求出的电流iux、ivx、iwx与磁极位置θ的关系具有图10所示的关系。在图10中，各个电流iux、ivx、iwx不受磁饱和的影响，以180周期变化。在此，当着眼于与30度刻度的磁极位置θ相对应的电流iux、ivx、iwx时，例如，磁极位置θ在-30～30度中的-30～0度之间，具有2*iux＜ivx＋iwx的关系，在0～30度之间，相反地具有2*iux＞ivx＋iwx的关系。同样，即使对于其他的60度刻度的磁极位置θ，对于把该60度刻度二等分的30度刻度的磁极位置θ，具有大小关系反转的关系。
即，当把与30度刻度的磁极位置θ的分区相对应的分区编号定义为分区编号m1时，具有以下这样的关系分区编号m1 区间 大小关系1a : -30～0度 2*iux＜ivx＋iwx1b : 0～30度 2*iux＞ivx＋iwx2a : 30～60度 2*iwx＜iux＋ivx2b : 60～90度 2*iwx＞iux＋ivx
3a 90～120度 2*ivx＜iux＋iwx3b 120～150度2*ivx＞iux＋iwx4a 150～180度2*iux＜ivx＋iwx4b 180～210度2*iux＞ivx＋iwx5a 210～240度2*iwx＜iux＋ivx5b 240～270度2*iwx＞iux＋ivx6a 270～300度2*ivx＜iux＋iwx6b 300～330度2*ivx＞iux＋iwx在此，参照图11和图12所示的时序图，来对该实施例2中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理进行说明。在图11中，首先，运算部2在步骤S201～S208中，与实施例1的步骤S101～S108相同进行这样的处理通过电路部3把成为V0→V1→V0→V2→V0→V3→V0→V4→V0→V6→V0的电压矢量在同步电动机1发生磁饱和的足够的一定时间内施加给同步电动机1，至少取得电流iu1、iv2、iw3、iu4、iv5、iw6。
然后，当变量n超过「6」时(步骤S208，YES)，运算部2运算电流Δiu、Δiv、Δiw、iux、ivx、iwx(步骤S209)。例如，运算电压矢量V1被施加时的电流iu1和具有与电压矢量V1的相位相差180度相位的电压矢量V4被施加时的电流iu4之和，把该和作为电流Δiu保持在存储器20中。同样，运算电流Δiv、Δiw并保持在存储器20中。而且，算出与各电压矢量V1～V6正交的成分的电流iux、ivx2、iwx3、iux4、ivx5、iwx6，运算这些电流中的相位相差180度的电流的振幅和的电流iux、ivx、iwx。
接着，运算部2运算值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)(步骤S210)，把与所得到的值MAX相对应的分区编号m保持在存储器20中(步骤S211)。在此，与所得到的分区编号m相对应的磁极位置θ与实施例1相同成为60度刻度。
接着，在图12中，运算部2判断分区编号m是否是「1」(步骤S221)，当分区编号m为「1」时(步骤S221，YES)，接着，使用在步骤S209中运算的电流iux、ivx、iwx，判断是否具有2*iux＜ivx＋iwx的大小关系(步骤S222)。当具有2*iux＜ivx＋iwx的大小关系时(步骤S222，YES)，把分区编号m1设定为「1a」，把该分区编号m1输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m1相对应的磁极位置θ即「-15度」输出到外部(步骤S223)，结束本处理。另一方面，当没有2*iux＜ivx＋iwx的大小关系时(步骤S222，NO)，把分区编号m1设定为「1b」，把该分区编号m1输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m1相对应的磁极位置θ即「15度」输出到外部(步骤S224)，结束本处理。
另一方面，当分区编号m不是「1」时(步骤S221，NO)，即分区编号m为「2」～「6」时，接着判断分区编号m是否是「2」(步骤S225)，当分区编号m为「2」时(步骤S225，YES)，接着，使用在步骤S209中运算的电流iux、ivx、iwx，判断是否具有2*iwx＜iux＋ivx的大小关系(步骤S226)。当具有2*iwx＜iux＋ivx的大小关系时(步骤S226，YES)，把分区编号m1设定为「2a」，把该分区编号m1输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m1相对应的磁极位置θ即「45度」输出到外部(步骤S227)，结束本处理。另一方面，当没有2*iwx＜iux＋ivx的大小关系时(步骤S226，NO)，把分区编号m1设定为「2b」，把该分区编号m1输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m1相对应的磁极位置θ即「75度」输出到外部(步骤S228)，结束本处理。
以下同样地进行分区编号m为「3」～「5」所对应的判断处理和使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断处理，执行分区编号m1至「3a」～「6b」的设定和磁极位置θ的外部输出处理。
根据该实施例2，经由电路部3向同步电动机1施加单调增加或者单调减少的，具有对同步电动机1的线圈发生磁饱和所足够的施加时间的电压矢量V1～V6，因此，不会受到同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响，通过使用电流iux、ivx、iwx的大小关系，能够以±30度的精度正确地检测出磁极位置θ。
下面对实施例3进行说明。在实施例2中，使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，以±15度的精度正确地检测出磁极位置θ，而在该实施例3中，取代使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，通过各电流iux、ivx、iwx的值是否超过作为绝对基准的「0」，来以±15度的精度正确地检测出磁极位置θ。
该实施例3的构成是这样的由于图1所示的实施例1中的运算部2进行与实施例1不同的处理，故该运算部2的构成是不同的，而其他的构成与实施例1相同。
在图10中，磁极位置θ在每30度中，电流iux、ivx、iwx的任一个与电流值「0」相交。而且，在把60度刻度的磁极位置θ的范围二等分的磁极位置θ中，与电流值「0」相交，因此，通过判断与各磁极位置θ的范围相对应的电流iux、ivx、iwx的正负，能够确定30度刻度的磁极位置θ。例如，在磁极位置θ范围为-30～30度中的-30～0度之间，电流iux具有iux＜0的大小关系，在-30～30度中的0～30度之间，电流iux具有iux＞0的大小关系。因此，使用该大小关系能够进行30度刻度的磁极位置θ的确定。
即，取代实施例2所示的用于进行分区编号m1是「1a」还是「1b」的判断的大小关系「2*iux＜ivx＋iwx」，而使用大小关系「iux＜0」。对于其他的分区编号m1，同样是通过使用绝对基准「0」的大小关系来判断。
即，当把与30度刻度的磁极位置θ的分区相对应的分区编号定义为分区编号m2时，具有以下这样的关系分区编号m2 区间 大小关系1a -30～0度 iux＜01b 0～30度 iux＞02a 30～60度 iwx＜02b 60～90度 iwx＞03a 90～120度 ivx＜03b 120～150度 ivx＞0
4a 150～180度iux＜04b 180～210度iux＞05a 210～240度iwx＜05b 240～270度iwx＞06a 270～300度ivx＜06b 300～330度ivx＞0在此，参照图13和图14所示的时序图，来对该实施例3中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理进行说明。在图13中，首先，运算部2在步骤S301～S308中，与实施例2的步骤S201～S208相同进行这样的处理通过电路部3把成为V0→V1→V0→V2→V0→V3→V0→V4→V0→V6→V0的电压矢量在同步电动机1发生磁饱和的足够的一定时间内施加给同步电动机1，至少取得电流iu1、iv2、iw3、iu4、iv5、iw6。
接着，在步骤S309～311中，与实施例2相同，运算部2运算电流Δiu、Δiv、Δiw、iux、ivx、iwx，同时，运算值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)，把与所得到的值MAX相对应的分区编号m保持在存储器20中。到此为止的处理与实施例2完全相同，与实施例2相同，成为60度刻度的分区。
接着，在图14中，运算部2判断分区编号m是否是「1」(步骤S321)，当分区编号m为「1」时(步骤S321，YES)，接着，使用在步骤S309中运算的电流iux、ivx、iwx，判断是否具有iux＜0的大小关系(步骤S322)。当具有iux＜0的大小关系时(步骤S322，YES)，把分区编号m2设定为「1a」，把该分区编号m2输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m2相对应的磁极位置θ即「-15度」输出到外部(步骤S323)，结束本处理。另一方面，当没有iux＜0的大小关系时(步骤S322，NO)，把分区编号m2设定为「1b」，把该分区编号m2输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m2相对应的磁极位置θ即「15度」输出到外部(步骤S324)，结束本处理。
另一方面，当分区编号m不是「1」时(步骤S321，NO)，即分区编号m为「2」～「6」时，接着判断分区编号m是否是「2」(步骤S325)，当分区编号m为「2」时(步骤S325，YES)，接着，使用在步骤S309中运算的电流iux、ivx、iwx，判断是否具有iwx＜0的大小关系(步骤S326)。当具有iwx＜0的大小关系时(步骤S326，YES)，把分区编号m2设定为「2a」，把该分区编号m2输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m2相对应的磁极位置θ即「45度」输出到外部(步骤S327)，结束本处理。另一方面，当没有iwx＜0的大小关系时(步骤S326，NO)，把分区编号m2设定为「2b」，把该分区编号m2输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m2相对应的磁极位置θ即「75度」输出到外部(步骤S328)，结束本处理。
以下同样地进行分区编号m为「3」～「5」所对应的判断处理和使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断处理，执行分区编号m2至「3a」～「6b」的设定和磁极位置θ的外部输出处理。
根据该实施例3，经由电路部3向同步电动机1施加单调增加或者单调减少的，具有对同步电动机1的线圈发生磁饱和所足够的施加时间的电压矢量V1～V6，因此，不会受到同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响，通过使用电流iux、ivx、iwx的简易的大小关系，能够以±15度的精度正确地检测出磁极位置θ，同时，通过简易的大小关系，来检测磁极位置θ，因此，能够以比实施例2少的运算量来进行处理。
下面对实施例4进行说明。在实施例2、3中，使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，以±15度的精度正确地检测出磁极位置θ，而在该实施例4中，使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，来以±7.5度的精度正确地检测出磁极位置θ。
该实施例4的构成是这样的由于图1所示的实施例1中的运算部2进行与实施例1不同的处理，故该运算部2的构成是不同的，而其他的构成与实施例1相同。
在图10中，电流iux、ivx、iwx中的任意两个电流iux、ivx、iwx在把30度刻度的磁极位置θ二等分的位置上相交。例如，在磁极位置θ为-30～0度的范围内，在磁极位置θ为-15度处，电流iux与电流iwx相交。在此情况下，通过判断相交的电流iux与电流iwx的大小关系，能够确定精度高的磁极位置θ。
即，对于实施例2、3所示的分区编号m2具有「1a」的分区的磁极位置θ的区域，通过判断电流iux与电流iwx的大小关系，能够以15度刻度确定磁极位置θ的区域。在此，当把与15度刻度的磁极位置θ的分区相对应的分区编号定义为分区编号m3时，具有以下这样的关系分区编号m3 区间大小关系1aα -30～-15度 iux＜iwx1aβ -15～0度 iux＞iwx1bα 0～15度 iux＜ivx1bβ 15～30度 iux＞ivx2aα 30～45度 iwx＜ivx2aβ 45～60度 iwx＞ivx2bα 60～75度 iwx＜iux2bβ 75～90度 iwx＞iux3aα 90～105度ivx＜iux3aβ 105～120度 ivx＞iux3bα 120～135度 ivx＜iwx3bβ 135～150度 ivx＞iwx4aα 150～165度 iux＜iwx4aβ 165～180度 iux＞iwx4bα 180～195度 iux＜ivx4bβ 195～210度 iux＞ivx
5aα 210～225度iwx＜ivx5aβ 225～240度iwx＞ivx5bα 240～255度iwx＜iux5bβ 255～270度iwx＞iux6aα 270～385度ivx＜iux6aβ 385～300度ivx＞iux6bα 300～315度ivx＜iwx6bβ 315～330度ivx＞iwx在此，参照图15～图17所示的时序图，来对该实施例4中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理进行说明。在图15中，首先，运算部2在步骤S401～S408中，与实施例2的步骤S201～S208相同进行这样的处理通过电路部3把成为V0→V1→V0→V2→V0→V3→V0→V4→V0→V6→V0的电压矢量在同步电动机1发生磁饱和的足够的一定时间内施加给同步电动机1，至少取得电流iu1、iv2、iw3、iu4、iv5、iw6。
接着，在步骤S409～411中，与实施例2相同，运算部2运算电流Δiu、Δiv、Δiw、iux、ivx、iwx，同时，运算值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)，把与所得到的值MAX相对应的分区编号m保持在存储器20中。到此为止的处理与实施例2完全相同，与实施例2相同，成为60度刻度的分区。
在图15中，运算部2在步骤S421～S436中，与实施例2相同，判断分区编号m的值，以该判断结果为基础，进一步以30度刻度来二等分磁极位置θ的区域，通过使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，来设定分区编号m1的值，存储到存储器20中。由此，与实施例2相同，以30度刻度分割磁极位置θ的区域。
然后，在图17中，运算部2判断分区编号m1是否是「1a」(步骤S441)，当分区编号m1为「1a」时，接着，判断是否具有iux＜iwx的大小关系(步骤S422)。当具有iux＜iwx的大小关系时(步骤S442，YES)，把分区编号m3设定为「1aα」，把该设定的分区编号m3输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m3相对应的磁极位置θ即「-22.5度」输出到外部(步骤S443)，结束本处理。另一方面，当没有iux＜iwx的大小关系时(步骤S442，NO)，把分区编号m3设定为「1aβ」，把该设定的分区编号m3输出给输出电路23，输出电路23把与该分区编号m3相对应的磁极位置θ即「-7.5度」输出到外部(步骤S444)，结束本处理。
另一方面，当分区编号m1不是「1a」时(步骤S441，NO)，即分区编号m1为「1b」～「6b」时，接着判断分区编号m1是否是「1b」(步骤S445)，当分区编号m1为「1b」时(步骤S445，YES)，接着，使用在步骤S209中运算的电流iux、ivx、iwx，判断是否具有iux＜ivx的大小关系(步骤S446)。当具有iux＜ivx的大小关系时(步骤S446，YES)，把分区编号m3设定为「1bα」，把该分区编号m3输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m3相对应的磁极位置θ即「7.5度」输出到外部(步骤S447)，结束本处理。另一方面，当没有iux＜ivx的大小关系时(步骤S446，NO)，把分区编号m3设定为「1bβ」，把该分区编号m3输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m3相对应的磁极位置θ即「22.5度」输出到外部(步骤S448)，结束本处理。
以下同样地进行分区编号m3为「2a」～「6a」所对应的判断处理和使用电流iux、ivx、iwx的15度刻度的大小关系的判断处理，执行分区编号m3至「2aα」～「6bβ」的设定和磁极位置θ的外部输出处理。
图16所示的步骤S421～436的处理可以进行与图14所示的实施例3相同的处理，把磁极位置θ分成30度刻度。
根据该实施例4，经由电路部3向同步电动机1施加单调增加或者单调减少的，具有对同步电动机1的线圈发生磁饱和所足够的施加时间的电压矢量V1～V6，因此，不会受到同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响，通过使用电流iux、ivx、iwx的简易的大小关系，能够以±7.5度的精度正确地检测出磁极位置θ。
下面对实施例5进行说明。在实施例2～4中，都是使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，以±15度或者±7.5的精度正确地检测出磁极位置θ，而在该实施例5中，进一步使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，来以±3.75度的精度正确地检测出磁极位置θ。
该实施例5的构成是这样的由于图1所示的实施例1中的运算部2进行与实施例1不同的处理，故该运算部2的构成是不同的，而其他的构成与实施例1相同。
在该实施例5中，对于磁极位置θ，不使用由上述电流iux、ivx、iwx本身的变化所引起的大小关系，而是生成使用上述电流iux、ivx、iwx的新的函数，使用这些函数和电流iux、ivx、iwx的大小关系，进一步分割15度刻度的磁极位置θ。
作为新的函数，使用(2*iwx＋iux)/ (2*iwx＋ivx)/ (2*ivx＋iwx)/ 等(2*ivx＋iux)/ 等图18是表示与磁极位置θ为-30～30度的范围内的磁极位置θ相对应的电流iux、ivx、iwx和上述四个函数的变化的图。在图18中，例如，在磁极位置θ为-30～-15度的范围内，电流iux和函数(2*iwx＋iux)/ 在磁极位置θ为「-22.5度」处相交。而且，在磁极位置θ为-15～0度的范围内，电流iux和函数(2*iwx＋ivx)/ 在磁极位置θ为「-7.5度」处相交。因此，通过判断电流iux、ivx、iwx和上述新生成的函数的大小关系，能够进一步分割磁极位置θ的区域，能够确定更高精度的磁极位置。
在此，当把与7.5度刻度的磁极位置θ的分区相对应的分区编号定义为分区编号m4时，具有以下这样的关系。并且，在此，仅对磁极位置θ为-30～30度的范围进行记述，但对于其他的磁极位置θ的范围，可以进行同样的分区。分区编号m4区间 大小关系1aαx -30.0～-22.5度 iux＜(2*iwx＋iux)/ 1aαy -22.5～-15.0度 iux＞(2*iwx＋iux)/ 1aβx -15.0～-7.5度 iux＜(2*iwx＋ivx)/ 1aβy -7.5～0.0度 iux＞(2*iwx＋ivx)/ 1bαx 0.0～ 7.5度 iux＜(2*ivx＋iwx)/ 1bαy 7.5～15.0度 iux＞(2*ivx＋iwx)/ 1bβx 15.0～22.5度 iux＜(2*ivx＋iux)/ 1bβy 22.5～30.0度 iux＞(2*ivx＋iux)/ 在此，参照图19～图22所示的时序图，来对该实施例5中的运算部2所进行的磁极位置θ的检测处理进行说明。在图19中，首先，运算部2在步骤S501～S508中，与实施例4的步骤S401～S408相同进行这样的处理通过电路部3把成为V0→V1→V0→V2→V0→V3→V0→V4→V0→V6→V0的电压矢量在同步电动机1发生磁饱和的足够的一定时间内施加给同步电动机1，至少取得电流iu1、iv2、iw3、iu4、iv5、iw6。
接着，在步骤S509～511中，与实施例4相同，运算部2运算电流Δiu、Δiv、Δiw、iux、ivx、iwx，同时，运算值MAX(Δiu、Δiv、Δiw、-Δiu、-Δiv、-Δiw)，把与所得到的值MAX相对应的分区编号m保持在存储器20中。通过到此为止的处理，能够分割成60度刻度的分区。
在图20中，运算部2在步骤S521～S536中，与实施例4相同，判断分区编号m的值，以该判断结果为基础，进一步以30度刻度来二等分磁极位置θ的区域，通过使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，来设定分区编号m1的值，存储到存储器20中。由此，进一步二等分60度刻度的磁极位置θ的区域，而成为30度刻度。
然后，在图21中，运算部2在步骤S541～S556中，与实施例4相同，判断分区编号m1的值，以该判断结果为基础，进一步以15度刻度来二等分磁极位置θ的区域，通过使用电流iux、ivx、iwx的大小关系的判断式，来设定分区编号m3的值，存储到存储器20中。由此，进一步二等分30度刻度的磁极位置θ的区域，而成为15度刻度。
然后，在图22中，运算部2通过判断电流iux、ivx、iwx和新生成的函数的大小关系，二等分该15度刻度的磁极位置θ的区域。首先，运算部2判断分区编号m3是否是「1aα」(步骤S561)，当分区编号m3为「1aα」时，接着，判断是否具有iux＜(2*iwx＋iux)/ 的大小关系(步骤S562)。当具有iux＜(2*iwx＋iux)/ 的大小关系时(步骤S562，YES)，把分区编号m4设定为「1aαx」，把该设定的分区编号m4输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m4相对应的磁极位置θ即「-26.25度」输出到外部(步骤S563)，结束本处理。另一方面，当没有iux＜(2*iwx＋iux)/ 的大小关系时(步骤S562，NO)，把分区编号m4设定为「1aαy」，把该设定的分区编号m4输出给输出电路23，输出电路23把与该分区编号m4相对应的磁极位置θ即「-18.75度」输出到外部(步骤S564)，结束本处理。
另一方面，当分区编号m3不是「1aα」时(步骤S561，NO)，即分区编号m3为「1aβ」～「6bβ」时，接着，接着判断分区编号m3是否是「1aβ」(步骤S565)，当分区编号m3是「1aβ」时(步骤S565，YES)，接着判断是否具有iux＜(2*iwx＋ivx)/ 的大小关系(步骤S566)。当具有iux＜(2*iwx＋ivx)/ 的大小关系时(步骤S566，YES)，把分区编号m4设定为「1aβx」，把该设定的分区编号m4输出给输出电路23，输出电路23把与所输入的分区编号m4相对应的磁极位置θ即「-11.75度」输出到外部(步骤S567)，结束本处理。另一方面，当没有iux＜(2*iwx＋ivx)/ 的大小关系时(步骤S566，NO)，把分区编号m4设定为「1aβy」，把该设定的分区编号m4输出给输出电路23，输出电路23把与该分区编号m4相对应的磁极位置θ即「-3.75度」输出到外部(步骤S568)，结束本处理。
以下同样地进行分区编号m3为「1bα」～「6bα」所对应的判断处理和7.5度刻度的大小关系的判断处理，执行分区编号m4至「2bαx」～「6bβy」的设定和磁极位置θ的外部输出处理。
根据该实施例5，经由电路部3向同步电动机1施加单调增加或者单调减少的，具有对同步电动机1的线圈发生磁饱和所足够的施加时间的电压矢量V1～V6，因此，不会受到同步电动机1的滞后特性等所引起的非线性因素的影响，通过使用电流iux、ivx、iwx的简易的大小关系，能够以±3.75度的精度正确地检测出磁极位置θ。
下面对实施例6进行说明。在实施例1～5中，都是以同步电动机1静止即转子不旋转的状态为前提进行说明的，但是，在该实施例6中，在同步电动机1进行旋转动作时，使用上述实施例1～5的构成和处理。
在同步电动机1旋转的情况下，与同步电动机1的感应电压进行比较，当所施加的电压矢量V1～V6的大小足够大时，可以忽略该感应电压的存在。
因此，该实施例6在上述实施例1～5中把电压矢量V1～V6设定为与感应电压相比足够大的值。由此，即使同步电动机1处于旋转动作中，也能够高精度地正确检测磁极位置θ。
下面对实施例7进行说明。在实施例2～6中，都是使用与电压矢量V1～V6正交的成分的电流iux、ivx、iwx来输出磁极位置θ，但是，在该实施例7中，可以使用与电压矢量V1～V6同相成分的电流值来输出磁极位置θ。
在图9中，例如，当给同步电动机1施加电压矢量V1时，作为与电压矢量V1同相的成分的U相同相成分Ui的电流iuz1可以使用下式(21)来表示，即iuz1＝2iu1－iv1－iw1…(21)同样，当给同步电动机1施加各个电压矢量V2～V6时，作为与各个电压矢量V2～V6同相的成分的电流iwz2～ivz6可以使用下式(22)～(26)来表示，即
iwz2＝2iw2－iu2－iv2…(22)ivz3＝2iv3－iw3－iu3…(23)iuz4＝2iu4－iv4－iw4…(24)iwz5＝2iw5－iu5－iv5…(25)ivz6＝2iv6－iw6－iu6…(26)接着，与实施例2相同，为了消除磁饱和的影响，当定义把相位处于180度的位置上的电流iuz1～ivz6相加的组合时，能够得到下式(27)～(29)所示的电流iuz～iwz。即iuz＝iuz1＋iuz4－iz0 …(27)ivz＝ivz3＋ivz6－iz0 …(28)iwz＝iwz2＋iwz5－iz0 …(29)其中，「iz0」是由下式(30)所示的值。即iz0＝(iuz1＋iwz2＋ivz3＋iuz4＋iwz5＋ivz6)/3…(30)这样求出的电流iuz、ivz、iwz与磁极位置θ的关系具有图23所示的关系。在图23中，各个电流iuz、ivz、iwz不受磁饱和的影响，以180度周期变化。
因此，通过使用电流iuz、ivz、iwz的大小关系，来取代在上述实施例2～6中使用的电流iux、iux、iwx，就能与实施例2～6相同输出磁极位置θ。
产业上的利用可能性本发明所涉及的同步电动机的磁极位置检测装置，用于能够通过简易的构成有效地进行控制的同步电动机的领域，适用于能够简易、确实并且高精度地检测磁极位置的同步电动机的磁极位置检测装置。
权利要求
1.一种同步电动机的磁极位置检测装置，包括电路装置，根据电压矢量指令给同步电动机的n(n为3以上的自然数)相绕组施加电压矢量；检测装置，检测通过从上述电路装置所施加的电压矢量而生成的n相绕组上的电流；运算装置，向上述电路装置输出上述电压矢量指令，同时，在根据该电压矢量指令的电压矢量的施加结束之后，给上述检测装置提供触发信号，使由上述检测装置所产生的n相绕组上的电流被检测出，以该检测出的电流值为基础，运算输出上述同步电动机的磁极位置，其特征在于，上述运算装置向上述电路装置输出使振幅相等并且具有等间隔相位的2n种电压矢量在同一时间被施加到上述n相绕组上的上述电压矢量指令，以上述检测装置检测出的各相的电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
2.一种同步电动机的磁极位置检测装置，包括电路装置，根据电压矢量指令给同步电动机的n(n为3以上的自然数)相绕组施加电压矢量；检测装置，检测通过从上述电路装置所施加的电压矢量而生成的n相绕组上的电流；运算装置，向上述电路装置输出上述电压矢量指令，同时，在根据该电压矢量指令的电压矢量的施加结束之后，给上述检测装置提供触发信号，使由上述检测装置所产生的n相绕组上的电流被检测出，以该检测出的电流值为基础，运算输出上述同步电动机的磁极位置，其特征在于，上述运算装置向上述电路装置输出以2n种电压矢量的相位单调增加或者单调减少的顺序在同一时间给上述n相绕组施加各个电压矢量的电压矢量指令。
3.根据权利要求1所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置向上述电路装置输出在上述n相绕组发生磁饱和的足够的时间内来施加各个上述电压矢量的电压矢量指令。
4.根据权利要求1所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的相加电流值，以该相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
5.根据权利要求4所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置输出与绝对值成为最大的上述相加电流值相对应的磁极位置。
6.根据权利要求4所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置输出与上述相加电流值各自的符号相对应的磁极位置。
7.根据权利要求1所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第一相加电流值，同时，在具有与上述2n种的电压矢量正交的成分的2n种的电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第二相加电流值，以上述第一和第二相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
8.根据权利要求1所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，在作为与上述2n种的电压矢量相同相位的2n种的上述电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第一相加电流值，同时，在具有与上述2n种的电压矢量同相的成分的2n种的电流值中，生成把相位相差180度的每个组合的电流值相加的第二相加电流值，以上述第一和第二相加电流值为基础，运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置。
9.根据权利要求7或8所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，选择与绝对值成为最大的上述第一相加电流值相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，来确定磁极位置。
10.根据权利要求7或8所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，选择与上述第一相加电流值的各自的符号相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，来确定磁极位置。
11.根据权利要求7或8所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，选择与绝对值成为最大的上述第一相加电流值相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，进而，以使用上述第二相加电流值的新的大小关系为基础，进一步缩窄该磁极位置的区域，来确定磁极位置。
12.根据权利要求7或8所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，选择与上述第一相加电流值的各自的符号相对应的磁极位置的区域，在该选择的磁极位置的区域内，以使用上述第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄磁极位置的区域，进而，以使用上述第二相加电流值的新的大小关系为基础，进一步缩窄该磁极位置的区域，来确定磁极位置。
13.根据权利要求7或8所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，生成使用包含上述第一或者第二相加电流值的函数值的函数电流值，以该函数电流值和上述第一或者第二相加电流值的大小关系为基础，进一步缩窄并确定磁极位置的区域。
14.根据权利要求1或2所述的同步电动机的磁极位置检测装置，其特征在于，上述运算装置，在上述同步电动机的转子旋转中，给上述n相绕组施加比由该转子的旋转所产生的感应电压足够大的电压矢量，来运算输出磁极位置。
全文摘要
本发明涉及同步电动机的磁极位置检测装置,运算部2向电路部3输出具有振幅相等并且具有等间隔相位的6种电压矢量作为电压矢量指令V,通过电路部3,把电压矢量施加到同步电动机1上,同时,每当各个电压矢量的施加结束时,向检测部4输出触发信号Tr,使各相的检测电流Di被检测出。然后,运算部2以检测电流Di为基础,运算输出60/(2^k)度(k是自然数)极距的磁极位置θ。以各电压矢量的相位单调增加或者单调减少的顺序,以各相绕组发生磁饱和的足够的相同时间来施加各个电压矢量。运算部2在检测磁极位置时,在与电压矢量相同相位的电流值中,生成按每个相位相差180度的组合相加的相加电流值,以该相加电流值为基础来确定磁极位置θ。
文档编号H02P6/14GK1326608SQ99813337
公开日2001年12月12日 申请日期1999年9月20日 优先权日1999年9月20日
发明者金原义彦, 贝谷敏之 申请人:三菱电机株式会社