专利名称：矢量控制装置以及电动机控制系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及根据将高频电压重叠而产生的高频电流，来控制电动机的矢量控制装置以及电动机控制系统。
背景技术：
同步电动机或感应电动机等的交流电动机(以下称为“电动机”)的驱动系统，大多使用以逆变器为代表的电力转换装置作为电动机驱动装置。对性能具有高要求的电动机驱动用电力转换装置，需要高精度地检测出电动机的转子位置或旋转速度等转子的控制信息。近年来的电力转换装置使用了以下方法将位置传感器或速度检测器等安装在电动机上，无需实际测定旋转角，就根据由电动机产生的反电动势信息，进行高精度的控制量推定。但是，根据反电动势信息进行控制量推定的方法， 由于在极低速附近反电动势绝对性地变小，因此难以应用。因此，作为在低速条件下推定控制量的方法，有利用电动机的凸极性或磁通量饱和特性的方法。专利文献1的技术特别是使用永久磁铁同步电动机的凸极性，进行磁极位置的推定的技术。该技术在电动机的励磁轴(dc轴)产生交变磁场，检测出与该dc轴正交的推定转矩轴(qc轴)分量的脉动电流(或电压)，并据此对电动机内部的磁极位置进行推定运算。该技术在实际的磁极轴与推定磁极轴之间存在误差的情况下，利用了从dc轴对qc轴存在电感的干涉项的特征。在该技术中，检测出通过将高频电压或电流重叠到电动机而产生的高频电流或电压的变动，从而依次测量电感，并推定二次磁通量的相位作为控制量。专利文献2的技术是利用电动机的磁饱和特性进行磁极位置的推定运算的技术， 根据通过对电动机施加某一方向的电压而产生的电流的大小，对磁极位置进行推定运算。由于这些技术不使用传感器也能够以高精度推定电动机的运行信息，因此，能够消减传感器以及电缆的费用或设置上的费事。而且，能够抑制由传感器的安装误差或环境所引起的噪声、由故障等引起的电动机驱动的非正常运行。专利文献1 JP特许第3312472号公报专利文献2 JP特开2002-78392号公报专利文献1的技术根据由重叠于dc轴的交变电压所产生的高频电流的qc轴分量，检测出dc轴与d轴之间的轴偏差量△ θ。在同步型电动机中，由于后面要提到的电感的凸极性，上述高频电流的电压重叠方向的正交方向分量相对于轴偏差量△ θ，具有与 sin2A θ成比例的倾向。因此，当Δ θ小时，sinA θ = Δ θ成立，能够以某种程度精度来推定轴偏差量Δ θ。但是，如果发生由于制动或冲击性外部干扰所引起的急剧的(过渡性的)轴偏差量Δ θ的增大，则sin Δ θ = Δ θ的近似变得不成立。在这种情况下，虽然轴偏差量Δ θ 增大，但是会观测到基于高频重叠的轴偏差量△ θ的推定量减少，因此，会产生推定误差增大、响应变得小于设计值、最终导致非同步的这一问题。 另外，专利文献2的技术是利用电感的饱和特性来推定相位偏差(轴偏差量Δ θ ) 的方式。但是，通过高频重叠而获得的电感的饱和特性为非线性特性，难以如凸极性的情况那样，以正弦波等的函数进行模型化。因此，不能正确地推定过渡性的轴误差，产生同样的问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种即使针对由于冲击性外部干扰所引起的过渡性的轴偏差量的增大，也能够正确地推定磁极位置的交流电动机驱动用矢量控制装置。为了解决上述课题，本发明为一种矢量控制装置，通过控制励磁轴电压(Vdc*)以及与该轴正交的转矩轴电压(Vqc*)，从而对在交流电动机中流动的电动机电流的励磁轴分量(Idc)以及与该轴正交的电流分量(Iqc)进行矢量控制，以使上述励磁轴分量以及上述电流分量成为目标值。该矢量控制装置具有交变电压重叠单元(6)，其将与上述电动机电流的频率不同的频率的交变电压分解成上述励磁轴电压的分量以及上述转矩轴电压的分量，并进行重叠；高频电流相位差运算单元(7)，其将上述交变电压的基准相位作为重叠轴(P轴)，将由上述交变电压生成的高频电流分解成励磁轴分量(AIdc)以及与该励磁轴正交的电流分量(Δ Iqc)，通过从由励磁轴看到的上述高频电流的相位(arctan(A Iqc/ 八1如)、或者￡11~(^￡111(八11^/^1%))中减去上述重叠轴以及励磁轴之间的相位差(epdc 或θ p)，来运算在上述电动机电流中由于上述交变电压而产生的高频电流与上述交变电压的相位差(9ivh)；重叠轴调整单元(8)，其调整上述重叠轴的相位方向(θρ)，以便由上述高频电流相位差运算单元所运算得到的相位差(θ ivh)成为零或规定的目标值；轴偏差量运算单元(9)，其运算经上述重叠轴调整单元调整了方向的上述重叠轴(ρ轴)与上述励磁轴(dc轴)之间的轴偏差量(△ ec)；和励磁轴调整单元(10)，其调整上述励磁轴(dc 轴)的相位方向，以便上述轴偏差量(△ 9c)成为零或规定的目标值。另外，上述0内的文字 符号是为了举例说明。(发明效果)根据本发明，即使针对由于冲击性外部干扰等所引起的过渡性的轴偏差量的增大，也能够正确地推定磁极位置。因此，能够恰当地检测出过渡性的相位偏差Δ Θ，在即使针对由于制动或冲击性的外部干扰所引起的急剧的轴偏差增大的情况下，也不会产生响应变差或非同步等问题，而能够继续运行。
图1是本发明的第一实施方式的电动机控制系统的构成图。图2是在本发明的第一实施方式中所使用的各坐标系和符号的说明图。图3是交变电压产生单元的框图。图4是轴误差基准量运算单元的框图。图5是重叠相位调整单元的框图。图6是轴偏差量运算单元的框图。图7是励磁相位调整单元的框图。
图8是用于说明轴误差基准量的特性的图。图9是比较例的 电动机控制系统的构成图。图10是本发明的第二实施方式的电动机控制系统的构成图。图11是本发明的第二实施方式中的励磁相位切换调整单元的框图。图12是本发明的第二实施方式中的加减速顺序的说明图。图13是作为本发明的第三实施方式的电动机控制系统的构成图。图14是用于说明本发明的第四实施方式的高负荷时的轴误差基准量特性的说明图。图15是本发明的第六实施方式的框图。图16是本发明的第六实施方式中的交变电压生成单元的框图。图17是本发明的第六实施方式中的轴误差基准量运算单元的框图。图中1电动机(交流电动机、同步电动机)2电流检测单元3坐标转换单元(从uw坐标系到dqc坐标系)4电压运算单元5坐标转换单元(从dqc坐标系到uw坐标系)6交变电压生成单元7轴误差基准量运算单元(高频电流相位差运算单元)7e交变电压符号修正单元8重叠相位调整单元9轴偏差量运算单元10励磁相位调整单元11电力转换器13 二相三相转换单元(从ab坐标系到uw坐标系)14三相二相转换单元(从uw坐标系到ab坐标系)15坐标转换单元(从ab坐标系到dqc坐标系)
16坐标转换单元(从dqc坐标系到ab坐标系)40、40a、40b、40c、40d电动机控制装置(矢量控制装置)42高频电压电流相位差运算单元43响应调整增益50,50a,50b,50c,50d 电力转换装置100、100a、100b、100c、IOOd 电动机控制系统101第二轴偏差量运算单元102励磁相位切换调整单元111切换锥形增益131感应电动机132滑动补偿单元151交变电压生成单元
152轴误差基准量运算单元(高频电流相位运算单元)E直流电源
具体实施例方式以下，参照附图，对本发明的实施方式(以下称为“本实施方式”)进行详细说明。 在各图中，对共通的构成要素或相同的构成要素标注相同的符号，并省略它们重复的说明。(第一实施方式)
以下，通过附图对本发明的实施方式进行详细说明。图1是本发明的第一实施方式的电动机控制系统的构成图；图2是表示在电动机控制中所使用的坐标系和符号的定义的图。在图1中，电动机控制系统100具有电力转换装置50和电动机1，电力转换装置 50 (50a)具有电动机控制装置40 (40a)、电力转换器11和电流检测单元2。电流检测单元2对在电动机1中流动的三相电流Iu、Iv和Iw进行检测，并输出三相电流信号Iuc、Ivc和Iwc。电力转换器11根据电动机控制装置40所生成的三相指令电压Vu、Vv和Vw，将直流电源E的直流电力转换成三相交流电力，并将三相交流电力提供给电动机1。电动机1是三相同步电动机，图中虽然没有显示，但是构成为使粘贴了多个永久磁铁的转子在定子的内部进行旋转。在图2中，ab轴为定子坐标系，a轴一般以u相绕线相位为基准。dq轴为转子坐标系，与转子同步旋转。在d轴为永久磁铁同步电动机的情况下，一般以安装在转子上的永久磁铁的相位为基准，也称为磁极轴。dc-qc轴(以下记载为dqc轴)是假设电动机控制单元是d轴方向的坐标系，也称为控制轴。另外，电动机控制装置的目的之一是使d轴(磁极轴)和dc轴(励磁轴)一致。在图1中，电动机控制装置40a具有坐标转换单元3、电压运算单元4、坐标转换单元5、交变电压生成单元6、作为高频电流相位运算单元的轴误差基准量运算单元7、重叠相位调整单元8、轴偏差量运算单元9和励磁相位调整单元10，对d轴电流Idc以及q轴电流Iqc进行电流控制，以使它们与电流指令值Idc*和Iqc* —致。另外，电动机控制装置 40a 由 ROM (Read Only Memory) > RAM (Random Access Memory)、CPU (Central Processing Unit)以及程序构成。坐标转换单元3将三相电流信号Iuc、Ivc和Iwc转换成dc-qc轴坐标系，并输出电流检测值Idc和Iqc。坐标转换单元5将电压指令值Vdc*和Vqc*转换成三相电压指令 Vu、Vv和Vw，并向电力转换器11输出。另一方面，电压运算单元4输入上位系统所运算得到的电流指令值Idc*和Iqc*，且为了使电流检测值Idc和Iqc与电流指令值Idc*和Iqc* 一致而对电压指令值Vdc*和Vqc*进行运算，并输出运算结果。在此，虽然电流指令值Idc*通常为零，但是当励磁较弱或启动时，有时不设定为零。例如，在启动时，有时通过逐渐地增加d轴的电流检测值Idc，而使转子固定在规定的旋转位置上，进行同步运行，然后进入到无传感器(senseless)控制。以上是电动机控制中的电流控制的基本流程。在上述说明中，是以dc轴与d轴一致为前提的。因此，需要在电流控制的同时，并行地进行使dc轴与d轴一致(同步)的控制。为了使dc轴与d轴同步，需要获取dc轴与d轴之间的轴偏差量，以下，对通过高频重叠方式，在不使用位置传感器的情况下求出轴偏差量的方法进行说明。关于dq坐标系，电动机的电压Vd、Vq，电流Id、Iq和磁通量0d、0q用公式(1)
来表不。公式1
权利要求
1.一种矢量控制装置，通过控制励磁轴电压以及与该轴正交的转矩轴电压，从而对在交流电动机中流动的电动机电流的励磁轴分量以及与该轴正交的电流分量进行矢量控制， 以使上述励磁轴分量以及上述电流分量成为目标值，该矢量控制装置具有交变电压重叠单元，其将与上述电动机电流的频率不同的频率的交变电压分解成上述励磁轴电压的分量以及上述转矩轴电压的分量，并进行重叠；高频电流相位差运算单元，其将上述交变电压的基准相位作为重叠轴，从由上述交变电压在上述电动机电流中产生的高频电流的相位中减去上述重叠轴的相位，由此运算上述高频电流与上述交变电压的相位差；重叠轴调整单元，其调整上述重叠轴的相位方向，以便由上述高频电流相位差运算单元所运算得到的相位差成为零或规定的目标值；轴偏差量运算单元，其运算经上述重叠轴调整单元调整了方向的上述重叠轴与上述励磁轴之间的轴偏差量；和励磁轴调整单元，其调整上述励磁轴的相位方向，以便上述轴偏差量成为零或规定的目标值。
2.根据权利要求1所述的矢量控制装置，其特征为， 上述交流电动机是具有凸极性的同步电动机，上述重叠轴调整单元使上述磁极轴与上述重叠轴大致一致，上述轴偏差量运算单元所运算得到的上述轴偏差量表示上述磁极轴与上述励磁轴之间的相位差。
3.根据权利要求1所述的矢量控制装置，其特征为， 上述交流电动机为感应电动机，上述矢量控制装置还具有滑动频率指令运算单元，其根据上述目标值来计算滑动频率指令值； 加法器，其将上述滑动频率指令值与上述重叠轴的相位变动速度相加；和积分器，其对上述加法器的输出频率进行积分，上述励磁轴调整单元所调整的上述励磁轴的相位方向取决于上述积分器所输出的相位信号。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的矢量控制装置，其特征为，上述交流电动机没有安装对其转子的旋转速度、转子位置以及励磁磁通量位置的任意一项的物理量进行检测的控制量检测单元。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的矢量控制装置，其特征为， 上述交变电压是矩形波电压以及正弦波电压的任意一者。
6.根据权利要求1所述的矢量控制装置，其特征为， 该矢量控制装置还具有高速区域轴偏差量运算单元，其根据上述励磁轴电压、上述转矩轴电压、上述电动机电流的励磁轴分量、与该轴正交的分量、以及上述目标值，来运算电动机的上述磁极轴与上述励磁轴的相位变动；和轴偏差量切换单元，其在上述重叠轴的相位变动速度比设定值还高速时，将上述励磁轴调整单元的输入，从由上述轴偏差量运算单元所运算得到的轴偏差量切换成由上述高速区域轴偏差量运算单元所运算得到的高速区域轴偏差量，在达到上述高速时，上述交变电压重叠单元停止上述交变电压的重叠。
7.根据权利要求1所述的矢量控制装置，其特征为， 还具有高速区域轴偏差量运算单元，其根据上述交流电动机的反向电压来计算电动机的上述磁极轴与上述励磁轴的相位变动；和轴偏差量切换单元，其在上述重叠轴的相位变动速度比设定值还高速时，将上述励磁轴调整单元的输入，从由上述轴偏差量运算单元所运算得到的轴偏差量切换成由上述高速区域轴偏差量运算单元所运算得到的高速区域轴偏差量，在达到上述高速时，上述交变电压重叠单元停止上述交变电压的重叠。
8.根据权利要求6或7所述的矢量控制装置，其特征为， 上述轴偏差量切换单元，在上述重叠轴的相位变动速度减速为比慢于上述设定值的设定速度还低速时，上述交变电压重叠单元开始电压重叠，在经过了跟随期间之后，将上述励磁轴调整单元的输入，从上述高速区域轴偏差量运算单元的输出切换为上述轴偏差推定量运算单元的输出，其中，上述跟随期间取决于上述重叠轴调整单元使上述重叠轴跟随上述交流电动机的转子磁通量的响应速度。
9.根据权利要求1或2所述的矢量控制装置，其特征为，上述重叠轴调整单元使重叠轴跟随电动机转子磁通量的响应速度比上述励磁轴调整单元的响应速度快。
10.根据权利要求1或2所述的矢量控制装置，其特征为，上述重叠轴调整单元设定由上述高频电流相位差运算单元所运算得到的相位差的目标值，以使上述重叠轴与上述磁极轴大致一致。
11.根据权利要求1或2所述的矢量控制装置，其特征为，励磁相位调整单元将上述轴偏差量的目标值设定为从由高频电流产生的高频电流的轨道与上述重叠轴大致一致时的励磁轴看到的重叠轴相位。
12.根据权利要求1或2所述的矢量控制装置，其特征为，对上述高频电流相位差运算单元运算的相位差的目标值和上述轴偏差量的目标值进行设定，以使稳定状态下的电压重叠方向成为抑制由上述交变电压的重叠所引起的转矩波动的相位方向。
13.根据权利要求1或2所述的矢量控制装置，其特征为，上述轴误差基准量是将上述重叠轴与由上述交变电压的重叠所产生的高频电流的轨道的相位的差分乘以增益后得到的值。
14.一种电动机控制系统， 具有交流电动机；电力转换器，其用于驱动上述交流电动机；和电动机控制装置，其通过控制励磁轴电压以及与该轴正交的转矩轴电压，从而对上述交流电动机进行矢量控制，以使在上述交流电动机中流动的电动机电流的励磁轴分量以及与该轴正交的电流分量成为目标值， 上述电动机控制系统具有交变电压重叠单元，其将与上述电动机电流的频率不同的频率的交变电压分解成上述励磁轴电压的分量以及上述转矩轴电压的分量，并进行重叠；高频电流相位差运算单元，其将上述交变电压的基准相位作为重叠轴，从由上述交变电压在上述电动机电流中产生的高频电流的相位中减去上述重叠轴的相位，由此运算上述高频电流与上述交变电压的相位差；和重叠轴调整单元，其调整上述重叠轴的相位方向，以便上述高频电流相位差运算单元所运算的相位差成为零或规定的目标值；轴偏差量运算单元，其运算上述重叠轴调整单元调整了方向的上述重叠轴与上述励磁轴之间的轴偏差量；和 励磁轴调整单元，其调整上述励磁轴的相位方向，以便上述轴偏差量成为零或规定的目标值。
全文摘要
一种矢量控制装置及电动机控制系统，具有交变电压生成单元，其将与电动机电流的频率不同的频率的交变电压分解成励磁轴电压的分量以及转矩轴电压的分量，并进行重叠；高频电流相位差运算单元，其通过从由交变电压在电动机电流中生成的高频电流的相位(arctan(ΔIqc/ΔIdc)、或者arctan(ΔIbc/ΔIac))中减去重叠轴的相位，来运算高频电流与交变电压Vdh*、Vqh*的相位差；重叠轴调整单元，其调整重叠轴的相位方向，以便高频电流相位差运算单元所运算的相位差成为零；轴偏差量运算单元，其运算经重叠轴调整单元调整了方向的重叠轴与励磁轴之间的轴偏差量；和励磁轴调整单元，其调整励磁轴的相位方向，以便轴偏差量成为零。
文档编号H02P21/14GK102386837SQ20111023258
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月15日 优先权日2010年8月31日
发明者小沼雄作, 岩路善尚, 荒川阳一郎, 金子大吾 申请人:株式会社日立产机系统