专利名称：旋转电机的控制装置以及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种在感应电机、同步电机等旋转电机中不使用旋转位置传感器而得到转子位置信息从而能够进行驱动控制的旋转电机的控制装置以及控制方法。
背景技术：
为了高精度地控制旋转电机的旋转动作，需要旋转电机的转子位置信息和流过旋转电机的电流信息。在此，关于转子位置信息，以往通过将旋转位置传感器另行安装到旋转电机，由此得到转子位置信息。但是，从成本削减、省空间、可靠性提高这样的观点来看，另行设置旋转位置传感器的缺点大，因此要求旋转位置传感器的无传感器化。作为用于旋转电机中的位置传感器的无传感器化的控制方法，主要有根据旋转电机的感应电压来推测旋转电机的转子位置的方法、和利用凸极性来推测旋转电机的转子位置的方法。在前者的方法中使用的感应电压的大小具有与旋转电机的速度成比例的特征，因此在零速、低速区域中感应电压变小而使S/N比变差，难以高精度地推测旋转电机的转子位置。另一方面，后者的利用了凸极性的方法为了检测出旋转电机所具有的凸极性(电感的位置依赖性)，将与旋转电机的驱动频率不同的高频电压施加到旋转电机，并检测与此相应地流过旋转电机的高频电流，利用由于旋转电机的凸极性而使高频电流的大小依赖于旋转电机的位置而发生变化的性质，来进行位置推测。这样，在利用凸极性的情况下，必须将用于推测旋转电机的转子位置的位置推测用信号注入到旋转电机，但是具有能够与旋转电机的速度无关地推测旋转电机的转子位置的优点。因此，特别是在零速、低速区域中使用利用了凸极性的无位置传感器控制方法。作为这种利用凸极性来推测旋转电机的转子位置的方法，以往例如提出了如下述非专利文献1、专利文献1所记载的技术。S卩，非专利文献1所记载的以往的位置推测方法对作为任意控制轴的Y轴施加高频电压来进行位置推测。即，求出电流idm和电流iqm，使用傅里叶变换来运算idm和iqm 的大小Idm、Iqm，进行比例积分控制(PI控制)以使Idm、Iqm这两者的值相同，由此间接地推测旋转电机的位置，其中，上述电流idm是将通过对γ轴施加高频电压而流过旋转电机的与高频电压相同频率分量的电流坐标变换到从Y轴延迟45°的dm轴而得到的电流，上述电流iqm是将通过对Y轴施加高频电压而流过旋转电机的与高频电压相同频率分量的电流坐标变换到从Y轴超前45°的qm轴而得到的电流。另外，在专利文献1所记载的以往技术中，为了降低为了推测旋转电机的位置而对旋转电机施加频率高于基频的电压或电流从而产生的噪音，将对旋转电机施加的频率高于基频的电压或电流的频率设为随机。非专利文献 1 :K. Ide, "Saliency-based Sensorless Drive of Adequate Designed IPM Motor for Robot Vehicle Application”，PCC-Nagoya，2007，PP. 1126-1133
专利文献1 日本特开2004-343833号公报
发明内容
但是，在上述非专利文献1所记载的以往技术中，为了求出idm和iqm的大小而使用了傅里叶变换，但是傅里叶变换需要准备与施加到Y轴的高频电压相同的角频率coh的正弦函数sincoht和余弦函数cos ω ht。因此，额外需要用于准备各函数sin ω ht、cos ω ht 的微型计算机(以下称为微机)的运算量、存储容量，根据情况会关系到微机的成本增加， 在实现产品化的方面并不理想。另外，在上述专利文献1所记载的以往技术中，为了降低为了推测旋转电机的位置而对旋转电机施加频率高于基频的电压或电流从而产生的噪音，将频率高于基频的电压或电流的频率设为随机，但是没有描述具体的位置推测方法。假设以专利文献1的技术为前提，如果应用检测通过对旋转电机施加频率高于基频的电压或电流而得到的高频电流或高频电压并利用它们的大小(振幅)依赖于旋转电机的位置的性质来进行位置推测的公知技术，则在利用傅里叶变换等来求出频率高于基频的电流或电压的大小时，对于傅里叶变换的积分区间，通常将频率高于基频的电流或电压的半个周期的整数倍设定为傅里叶变换的积分区间，但是如专利文献1所记载那样将频率高于基频的电流或电压的频率设为随机时，频率高于基频的电流或电压的周期也变为随机。 因而，无法适当地设定傅里叶变换的积分区间，无法高精度地检测旋转位置。本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供如下控制装置以及控制方法即使不进行傅里叶变换也能够求出位置推测用的电流振幅，其结果，能够减少运算量， 能够减轻运算负荷，并且能够高精度地推测旋转电机的转子位置。本发明所涉及的旋转电机的控制装置进行旋转电机的驱动控制，该控制装置具有电流检测单元，检测流过所述旋转电机的旋转电机电流；位置推测单元，根据由所述电流检测单元检测出的所述旋转电机电流，推测转子位置；控制单元，根据由所述电流检测单元检测出的旋转电机电流和由所述位置推测单元推测出的转子位置的信息，输出电压指令；以及电压施加单元，根据来自所述控制单元的电压指令，对所述旋转电机施加驱动控制用的电压，其中，所述控制单元具备驱动电压指令运算部，运算用于驱动所述旋转电机的驱动电压指令；位置推测用电压产生器，输出用于推测所述旋转电机的转子位置的位置推测用电压指令；以及加法单元，将所述驱动电压指令与所述位置推测用电压指令相加后作为所述电压指令而输出到所述电压施加单元，所述位置推测单元具备电流抽取器，抽取由所述电流检测单元检测出的所述旋转电机电流中包含的与所述位置推测用电压指令相同的频率分量的位置推测用电流；位置推测用电流振幅运算部，根据由该电流抽取器抽取出的所述位置推测用电流，运算位置推测用电流振幅；以及位置运算器，根据由该位置推测用电流振幅运算部算出的所述位置推测用电流振幅，对所述旋转电机的转子位置进行推测运算，所述位置推测用电流振幅运算部根据将所述位置推测用电流进行平方得到的值， 运算所述位置推测用电流振幅。本发明所涉及的旋转电机的控制装置在位置推测单元所具有的位置推测用电流振幅运算部运算位置推测用电流振幅时，不进行傅里叶变换，而仅使用将位置推测用电流进行平方得到的值来运算位置推测用电流振幅从而推测转子位置，因此不需要用于准备傅里叶变换所需的正弦函数、余弦函数的运算、存储器。因此，能够消除微机等的运算量、存储容量等的增加因素，高效且不会导致不需要的成本增加而能够进行旋转电机的驱动控制。
图1是本发明的实施方式1中的旋转电机的控制装置的结构图。图2是在该装置的位置推测用电压产生器中产生的位置推测用电压的波形图。图3是由该装置的电流抽取器抽取出的位置推测用电流的波形图。图4是由该装置的位置推测用电流振幅运算部得到的位置推测用电流振幅的波形图。图5是用于说明该装置的位置运算器的动作的图。图6是本发明的实施方式2中的旋转电机的控制装置的结构图。图7是用于说明该装置的位置推测用电流振幅运算部中的低通滤波器的滤波器动作的频率衰减特性图。图8是本发明的实施方式3中的旋转电机的控制装置的结构图。图9是用于说明该装置的位置运算器中的运算动作的图。图10是表示本发明的实施方式3中的旋转电机的控制装置的变形例的结构图。图11是本发明的实施方式4中的旋转电机的控制装置的结构图。图12是表示本发明的实施方式4中的旋转电机的控制装置的变形例的结构图。
具体实施例方式实施方式1.图1是本发明的实施方式1中的旋转电机的控制装置的结构图。在本实施方式1中，在本例中旋转电机1应用嵌入磁铁型的同步电机。并且，控制该旋转电机1的本实施方式的控制装置具备电流检测单元2，与对旋转电机1施加规定的控制电压的电压施加单元3相连接，并且检测流过电压施加单元3与旋转电机1之间的旋转电机电流iu、iv、iw;位置推测单元4，根据由该电流检测单元2检测出的旋转电机电流 iu、iv、iw，推测旋转电机1的转子位置θ L ；以及控制单元5，对电压施加单元3输出驱动控制用的电压指令Vup *、Vvp *、Vwp *。上述电流检测单元2例如由变流器(current transformer)等构成，从将旋转电机1和电压施加单元3进行连接的电力线，检测U相旋转电机电流iu、V相旋转电机电流 iv、以及W相旋转电机电流iw这三相的各旋转电机电流。此外，电流检测单元2除了对U相、V相、W相的各旋转电机电流iu、iv、iw全部进行检测以外，也可以使用如下方法检测这些相中的任意两相的电流，并利用旋转电机电流是三相平衡的性质，通过运算来求出剩余的一相。或者，也可以是如下方法作为电流检测单元2，检测电压施加单元3的输入即直流母线电流，并利用该直流母线电流来运算旋转电机电流。电压施加单元3例如由三角波比较PWM逆变器等构成，根据从控制单元5输出的各电压指令Vup *、Vvp *、Vwp *来施加针对旋转电机1的电压。控制单元5具有驱动电压指令运算部11、位置推测用电压产生器12以及加法器 23u、23v、23w。并且，从驱动电压指令运算部11输出的驱动电压指令Vu *、Vv *、Vw *和从位置推测用电压产生器12输出的位置推测用电压指令Vuh、Vvh、Vwh分别通过加法器23u、 23v、23w相加之后，作为电压指令Vup *、Vvp *、Vwp *输出到电压施加单元3。因而，在对电压施加单元3施加的电压指令Vup *、Vvp *、Vwp *中，对驱动电压指令Vu *、Vv *、Vw 女重叠有位置推测用电压指令Vuh、Vvh、Vwh。此外，关于从位置推测用电压产生器12输出的位置推测用电压指令Vuh、Vvh, Vwh,在后面详细说明。上述驱动电压指令运算部11具有两个减法器13d、13q、d轴电流控制器14d、q轴电流控制器14q、第1坐标变换器15、二相/三相变换器16、第2坐标变换器17以及三相/ 二相变换器18。在此，一个减法器13d求出为了驱动旋转电机1而从控制单元5的外部提供的d轴电流指令id *与从第2坐标变换器17输出的电流id之间的偏差Aid。然后，下一级的d 轴电流控制器14d以使上述偏差Δ id成为0的方式进行比例积分控制(PI控制)由此运算d轴电压指令Vd *。另一个减法器13q求出为了驱动旋转电机1而从控制单元5的外部提供的q轴电流指令iq *与从第2坐标变换器17输出的电流iq之间的偏差Δ iq。然后，下一级的q轴电流控制器14q以使上述偏差Δ iq成为0的方式进行比例积分控制(PI控制)由此运算 q轴电压指令Vq *。第1坐标变换器15将从d轴电流控制器14d和q轴电流控制器14q分别输出的 d轴电压指令Vd *以及q轴电压指令Vq *，分别变换为静止二轴(α-β轴)上的电压指令Va *、νβ *。二相/三相变换器16将从第1坐标变换器15输出的电压指令V α *、 V β *变换为三相交流坐标的驱动电压指令Vu *、Vv *、Vw *。另外，三相/ 二相变换器18将由电流检测单元2检测出的旋转电机电流iu、iv、 iw变换为静止二轴(α - β轴)上的电流i α、i β。第2坐标变换器17将从三相/ 二相变换器18输出的电流ia、 β变换为与作为后述的位置推测单元4的输出的推测位置θ L 同步地旋转的旋转二轴(d_q轴)上的电流id、iq后输出到上述各减法器13d、13q。位置推测用电压产生器12为了推测旋转电机1的转子位置，产生频率与驱动电压指令运算部11所输出的驱动电压指令Vu *、Vv *、Vw *不同的位置推测用电压指令Vuh、 Vvh, Vwh0这些各位置推测用电压指令Vuh、Vvh, Vwh只要频率与驱动电压指令Vu *、Vv *、Vw *不同，就可以是任意指令，在本实施方式1中是三相交流的位置推测用电压指令。S卩，例如如图2所示，在电压施加单元3是三角波比较PWM逆变器的情况下，在将由该三角波比较PWM逆变器进行PWM调制时所使用的三角波载波的半个周期Tc设为1个区间时，这些三相交流的位置推测用电压指令Vuh、Vvh、Vwh是以6个区间(=6 - Tc)为1 个周期这样的信号。另外，这些各位置推测用电压指令Vuh、Vvh, Vwh是为了三相平衡而使各相相互各错开2个区间(=2 · Tc)来设定的。另一方面，位置推测单元4具有三个电流抽取器6u、6v、6w、位置推测用电流振幅运算部7以及位置运算器8。如上所述，在对电压施加单元3施加的电压指令Vup *、Vvp *、Vwp *中，对由控制单元5所输出的驱动电压指令Vu *、Vv *、Vw *重叠有位置推测用电压产生器12所输出的位置推测用电压指令Vuh、Vvh, Vwh,因此在由电流检测单元2检测出的各旋转电机电流iu、iv、iw中，包含与位置推测用电压指令Vuh、Vvh, Vwh相同的频率分量的位置推测用电流 iuh、ivh、iwh0因而，各电流抽取器6u、6v、6w从由电流检测单元2检测出的各旋转电机电流iu、 iv、iw中抽取与位置推测用电压指令Vuh、Vvh、Vwh相同的频率分量的位置推测用电流iuh、 ivh、iwh。具体地说，使用带通滤波器，或者将旋转电机电流iu、iv、iw输入到陷波滤波器而使与位置推测用电压指令Vuh、Vvh、Vwh相同的频率分量衰减，并从旋转电机电流iu、iv、 iw分别减去通过该陷波滤波器后的各电流，由此抽取位置推测用电流iuh、ivh、iwh。位置推测用电流振幅运算部7仅使用将作为各电流抽取器6u、6v、6w的输出的位置推测用电流iuh、ivh、iwh分别进行平方得到的值，不进行傅里叶变换而求出位置推测用电流振幅Iuh、Ivh、Iwh。因此，在本实施方式1中，位置推测用电流振幅运算部7与各相对应地具备乘法器9u、9v、9w、积分器10u、10v、10w以及平方根计算器22u、22v、22w。下面，详细说明根据位置推测用电流iuh、ivh、iwh求出位置推测用电流振幅Iuh、 Ivh、Iwh而不进行傅里叶变换的方法。当将如图2所示的三相交流的位置推测用电压指令Vuh、Vvh, Vwh施加到旋转电机1时，由于旋转电机1的凸极性，由各电流抽取器6u、6v、6w抽取出的各位置推测用电流 iuh、ivh、iwh如图3所示，振幅与旋转电机1的位置相应地以余弦函数方式发生变化。将它表示为公式时，如下面的(1)式所示。在该(1)式中包含旋转电机1的位置(角度)信息 Θ。因此，能够通过求出位置推测用电流振幅Iuh、Ivh、Iwh来推测旋转电机1的位置eL。[式1]
权利要求
1.一种旋转电机的控制装置，进行旋转电机的驱动控制，其特征在于，具有 电流检测单元，检测流过所述旋转电机的旋转电机电流；位置推测单元，根据由所述电流检测单元检测出的所述旋转电机电流，推测转子位置；控制单元，根据由所述电流检测单元检测出的旋转电机电流和由所述位置推测单元推测出的转子位置的信息，输出电压指令；以及电压施加单元，根据来自所述控制单元的电压指令，对所述旋转电机施加驱动控制用的电压，其中，所述控制单元具备驱动电压指令运算部，运算用于驱动所述旋转电机的驱动电压指令；位置推测用电压产生器，输出用于推测所述旋转电机的转子位置的位置推测用电压指令；以及加法单元，将所述驱动电压指令与所述位置推测用电压指令相加后作为所述电压指令而输出到所述电压施加单元，所述位置推测单元具备电流抽取器，抽取由所述电流检测单元检测出的所述旋转电机电流中包含的与所述位置推测用电压指令相同的频率分量的位置推测用电流；位置推测用电流振幅运算部，根据由所述电流抽取器抽取出的所述位置推测用电流，运算位置推测用电流振幅；以及位置运算器，根据由所述位置推测用电流振幅运算部算出的所述位置推测用电流振幅，对所述旋转电机的转子位置进行推测运算，所述位置推测用电流振幅运算部根据将所述位置推测用电流进行平方得到的值，运算所述位置推测用电流振幅。
2.根据权利要求1所述的旋转电机的控制装置，其特征在于， 所述位置推测用电流振幅运算部具备乘法器，将所述位置推测用电流进行平方；以及积分器，对由该乘法器进行平方得到的信号进行积分，所述位置推测用电流振幅运算部根据由所述积分器积分得到的信号，运算所述位置推测用电流振幅。
3.根据权利要求1所述的旋转电机的控制装置，其特征在于， 所述位置推测用电流振幅运算部具备乘法器，将所述位置推测用电流进行平方；以及低通滤波器，使由该乘法器进行平方得到的信号的低频分量通过， 所述位置推测用电流振幅运算部根据通过了所述低通滤波器的信号，运算所述位置推测用电流振幅。
4.根据权利要求1 3中的任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于， 所述位置推测用电压产生器产生三相交流的位置推测用电压指令。
5.根据权利要求1 3中的任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，所述位置推测用电压产生器在与所述旋转电机的转子或磁通矢量同步地旋转的d_q 正交坐标系的d轴方向上产生位置推测用电压指令，所述位置推测单元具备dm-qm变换器，该dm-qm变换器将由所述电流检测单元检测出的所述旋转电机电流坐标变换为从所述d-q正交坐标系偏离45度的dm-qm坐标系的dm轴电流和qm轴电流，所述电流抽取器根据由所述dm-qm变换器进行坐标变换得到的所述dm轴电流和所述 qm轴电流，抽取与所述位置推测用电压指令相同的频率分量的位置推测用电流。
6.根据权利要求1 3中的任一项所述的旋转电机的控制装置，其特征在于，所述位置推测用电压产生器产生交变电压的位置推测用电压指令，所述位置推测单元具备坐标变换器，该坐标变换器将由所述电流检测单元检测出的所述旋转电机电流坐标变换为针对所述位置推测用电压指令的平行分量的平行分量电流和正交分量的正交分量电流，所述电流抽取器根据由所述坐标变换器进行坐标变换得到的所述平行分量电流和所述正交分量电流，抽取与所述位置推测用电压指令相同的频率分量的位置推测用电流。
7.一种旋转电机的控制方法，进行旋转电机的驱动控制，该控制方法的特征在于，包括以下步骤将用于驱动所述旋转电机的驱动电压指令与用于推测所述旋转电机的转子位置的位置推测用电压指令进行相加的步骤；根据所述进行相加得到的信号来检测伴随所述旋转电机被驱动而流过所述旋转电机的旋转电机电流的步骤；抽取所述检测出的旋转电机电流中包含的与所述位置推测用电压指令相同的频率分量的位置推测用电流的步骤；根据将所述抽取出的所述位置推测用电流进行平方得到的自相关值来运算位置推测用电流振幅的步骤；根据所述运算出的所述位置推测用电流振幅对所述旋转电机的转子位置进行推测运算的步骤；以及根据该推测出的转子位置的信息和所述旋转电机电流的值对所述驱动电压指令进行反馈校正的步骤。
全文摘要
输出旋转电机(1)的驱动控制用电压指令的控制单元(5)用加法器(23u～23w)将由位置推测用电压产生器(12)产生的用于推测转子位置的位置推测用电压指令与驱动电压指令相加后作为电压指令而输出，另一方面位置推测单元(4)具备从由电流检测单元(2)检测出的旋转电机电流中抽取与位置推测用电压指令相同的频率分量的位置推测用电流的电流抽取器(6u～6w)、根据该位置推测用电流运算位置推测用电流振幅的位置推测用电流振幅运算部(7)、和根据该位置推测用电流振幅运算旋转电机(1)的推测位置的推测位置运算器(8)，并且位置推测用电流振幅运算部(7)根据将所述位置推测用电流进行平方得到的自相关值运算所述位置推测用电流振幅。
文档编号H02P21/00GK102362424SQ20098015826
公开日2012年2月22日 申请日期2009年3月25日 优先权日2009年3月25日
发明者伊藤正人, 谷本政则, 金原义彦 申请人:三菱电机株式会社