专利名称：交流旋转电机的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过电压施加单元施加交流电压从而驱动控制交流旋转电机的装置。
背景技术：
众所周知对同步机、感应机等的交流旋转电机进行控制的各种方法。如果仅限于低速区域，则一般能够使用应答性低但廉价的位置传感器进行低成本的控制系统下的驱动。因为在低速区域霍尔传感器的输出周期本身就迟缓，所以即使是应答低的位置传感器， 应答低得也不明显，所以能够进行驱动。另一方面，如果想在高旋转区域利用应答低的位置传感器，则因为其迟缓，变得不能在所希望的相位供给电流，交流旋转电机的驱动特性下降。另外，如果根据重叠比交流旋转电机的基本频率高的频率的电压、电流并利用了电感的显著性的位置检测结果进行控制，则即使是位置传感器也能进行低速区域的驱动。但是，如果想要通过该方式在高旋转区域中进行驱动，则因为产生基本波以外的电压、电流，所以在运行效率、电压利用率、最大电流的方面变得不利。因此，介绍各种能够通过无传感器控制从低速区域到高速区域平滑地驱动的交流旋转电机的控制装置。例如，在专利文献1所记载的发明中，为了不使用磁极位置检测器而适当地生成在矢量控制器基本部中需要的旋转d_q坐标系的相位，准备生成低频率区域用的相位的低频率区域相位生成器和生成高频率区域用的相位的高频率区域相位生成器。并且，具备对这2种相位在频率上进行加权平均并合成的相位合成器，将所合成的最终相位设为旋转 d-q坐标系统的相位。另外，在专利文献2所记载的发明中，在用于对交流电动机的零速到高速区域连续地进行控制的无传感器控制方法中，通过位置/速度推定器，使用通过机械数式模型推定出的速度推定值《est和位置推定值θ est进行控制，以使使用转子角度运算的第1磁通量矢量和不使用转子角度运算的第2磁通量矢量的通过外积运算(exterior product calculation)而得到的位置误差Δ θ为零。另外，在专利文献3所记载的发明中，具备使用了根据旋转二轴坐标(d-q轴)上的电流偏差和旋转二轴坐标(d-q轴)上的电压指令以及推定旋转速度而运算角频率、推定电流以及推定转子磁通量的电动机模型的适应观测器(adaptive boserver)，特别是能够在高的旋转速度下控制同步电动机。根据这些发明，能够做到从低速区域到高速区域平滑地驱动交流旋转电机。专利文献1 日本特开平10-94298号公报专利文献2 日本特开2006-158046号公报专利文献3 日本再公表特许W02002/091558号公报
发明内容
(发明要解决的问题)但是，专利文献1所记载的发明因为对2种相位在频率上进行加权平均并合成，所以在频率变低的低速区域，需要基于2种相位中的低频率区域相位生成器进行驱动。因此， 如果低频率区域相位生成器的推定应答迟缓，则存在在低速区域不能较高地保持速度控制应答、转矩控制应答等的应答性的问题。另外，在专利文献2记载的发明中，通过位置/速度推定器利用速度推定值《est 和位置推定值θ est,以使第1磁通量矢量和第2磁通量矢量的通过外积运算得到的位置误差Δ θ为零。在该外积运算中，灵敏度根据第1磁通量矢量和第2磁通量矢量之间的相位差而不同，特别是相位差在超过90度时，不仅与相位差小于90度时相比偏差大，而且因为外积运算值变小，所以如果由于初始值误差或其他某种理由而相位差超过90度，则误差收敛性、位置推定的应答性上存在问题。另外，在专利文献3记载的发明中，适应观测器基于电流偏差进行运算，所以在交流旋转电机停止或者在极低的转速的情况下，几乎或者完全不产生电流偏差，有难以进行流畅的控制的问题。本发明就是为解决这些问题而作出的，目的在于得到一种交流旋转电机的控制装置，该交流旋转电机的控制装置能够从包含速度为零的低速区域到高速区域平滑地进行驱动，并且，即使在推定相位上存在初始值误差也能够使之迅速地误差收敛而得到所希望的特性。(用于解决问题的方案)第1发明的交流旋转电机的控制装置具备电流矢量检测单元，检测交流旋转电机的电流矢量并作为检测电流矢量而输出；交流旋转电机控制单元，参照推定磁通量相位， 以使所述检测电流矢量与电流指令矢量一致的方式输出电压指令矢量；电压施加单元，根据所述电压指令矢量而向所述交流旋转电机施加电压；适应观测单元，根据所述电压指令矢量而输出所述推定磁通量相位；以及磁通量矢量检测单元，检测磁通量矢量并作为检测磁通量矢量而输出，所述适应观测单元除了基于所述电压指令矢量之外还基于电流偏差矢量和放大偏差矢量，除了输出所述推定磁通量相位之外还输出推定电流矢量和推定磁通量矢量，另外，还具备偏差矢量运算单元，对作为所述推定电流矢量和所述检测电流矢量之间的偏差的所述电流偏差矢量以及作为所述推定磁通量矢量和所述检测磁通量矢量之间的偏差的磁通量偏差矢量进行运算，并作为所述放大偏差矢量输出。第2发明的交流旋转电机的控制装置具备电流矢量检测单元，检测交流旋转电机的电流矢量并作为检测电流矢量而输出；交流旋转电机控制单元，参照推定磁通量相位而以使所述检测电流矢量与电流指令矢量一致的方式输出电压指令矢量；电压施加单元， 根据所述电压指令矢量而向所述交流旋转电机施加电压；适应观测单元，根据所述电压指令矢量而输出所述推定磁通量相位；以及磁通量矢量检测单元，检测磁通量矢量并作为检测磁通量矢量而输出，所述适应观测单元除了基于所述电压指令矢量之外还基于放大偏差矢量，除了输出所述推定磁通量相位之外还输出推定磁通量矢量，另外，还具备偏差矢量运算单元，对作为所述推定磁通量矢量和所述检测磁通量矢量之间的偏差的磁通量偏差矢量进行运算，并作为所述放大偏差矢量而输出。(发明的效果)如上所述，第1和第2发明的交流旋转电机的控制装置具备对作为推定磁通量矢量和检测磁通量矢量之间的偏差的磁通量偏差矢量进行运算并输出的偏差矢量运算单元， 并将偏差矢量运算单元的输出输入给适应观测单元，所以不管旋转速度的高低都能够利用基于适应观测单元所推定的推定磁通量矢量的推定磁通量相位对交流旋转电机进行控制， 即使在包含速度为零的低速区域也能够较高地保持速度控制应答等的应答性，并且能够提高存在初始值误差时的误差收敛性。
图1是表示该发明的实施方式1中的交流旋转电机的控制装置的整体结构的图。图2是用于说明磁通量偏差矢量的特征的图。图3是表示图1的交流旋转电机控制单元4的内部结构的图。图4是表示图1的磁通量矢量检测单元6的内部结构的图。图5是表示图1的适应观测单元7的内部结构的图。图6是表示图1的偏差放大单元9的内部结构的图。图7是表示图6的增益矩阵50的内部结构的图。图8是表示增益矩阵50的各增益与推定速度wrO之间的关系的图。图9是表示图6的增益矩阵51的内部结构的图。图10是表示增益矩阵51的各增益与推定速度wrO之间的关系的图。图11是表示该发明的实施方式2中的交流旋转电机的控制装置的整体结构的图。图12是表示图11的交流旋转电机控制单元如的内部结构的图。图13是表示图11的电流分量分配器60的内部结构的图。图14是表示图11的磁通量矢量检测单元6a的内部结构的图。图15是表示交流旋转电机的旋转角度与信号dlu、dlv、dlw之间的关系的图。图16是表示该发明的实施方式3中的交流旋转电机的控制装置的整体结构的图。图17是表示图16的交流旋转电机控制单元4b的内部结构的图。图18是表示图16的适应观测单元7b的内部结构的图。图19是表示该发明的实施方式4中的交流旋转电机的控制装置的整体结构的图。图20是表示图19的速度控制单元110的内部结构的图。图21是表示该发明的实施方式5中的交流旋转电机的控制装置的整体结构的图。图22是表示图21的适应观测单元7c的内部结构的图。图23是表示图21的偏差放大单元9c的内部结构的图。
具体实施例方式实施方式1图1是表示本实施方式1中的整体结构图的图。图中，电压施加单元1根据电压指令矢量Vsref向交流旋转电机2施加电压。在本实施方式1中作为交流旋转电机2而举例对同步机进行了说明，但即使是感应机也能够基于同样原理来构成。
电流矢量检测单元3检测交流旋转电机2的电流矢量并作为检测电流矢量Is而输出。交流旋转电机控制单元4以使从电流矢量检测单元3得到检测电流矢量Is与电流指令矢量Isref—致的方式向电压施加单元1输出电压指令矢量Vsref。旋转位置检测单元5检测交流旋转电机2的旋转位置并向磁通量矢量检测单元6输出，磁通量矢量检测单元6根据该旋转位置检测磁通量矢量并作为检测磁通量矢量Phi而输出。适应观测单元7根据后述的放大偏差矢量E0、同样后述的电流偏差矢量Δ Is以及电压指令矢量Vsref输出推定磁通量相位θ 0、推定电流矢量Isest、推定磁通量矢量Wu5St 以及推定速度wrO。偏差矢量运算单元8根据推定电流矢量Isest和检测电流矢量Is输出电流偏差矢量△ Is，并且根据推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi输出磁通量偏差矢量ΔΗ 。偏差放大单元9将推定速度wrO作为参数对电流偏差矢量Δ Is和磁通量偏差矢量APhi进行放大，并作为放大偏差矢量EO向适应观测单元7输出。在电流矢量检测单元3中，通过3相/2相转换器10将3相交流电流转换为2相交流电流，并将转换后的结果作为检测电流矢量Is而输出。对该3相/2相转换器10输出的2相交流电流进行处理的坐标作为正交静止二轴坐标而众所周知，将该正交静止二轴坐标定义为a-b轴。在偏差矢量运算单元8中，通过减法器11从推定电流矢量Isest中减去检测电流矢量Is，输出电流偏差矢量Δ Is,并且通过减法器12从推定磁通量矢量Phest中减去检测磁通量矢量Wii，输出磁通量偏差矢量ΔΗ 。在此，预先对适应观测单元7的功能解说如下。S卩、对交流旋转电机控制单元4来说，在其控制性能上重要的是，能够精度优良地获得为了以使得检测电流矢量Is与电流指令矢量Isref —致的方式输出电压指令矢量 Vsref而需要的推定磁通量相位θ O。因此，适应观测单元7的第一位的作用是精度优良地生成该推定磁通量相位θ O。 在适应观测单元7中，设交流旋转电机2的旋转速度为该适应观测单元7的推定速度wrO， 将对交流旋转电机2施加了电压指令矢量Vsref时产生的电流矢量和磁通量矢量分别作为推定电流矢量Isest、推定磁通量矢量WieSt输出。并且，因为推定磁通量相位θ O是推定磁通量矢量Wiest的相位，所以使适应观测单元7输出的推定磁通量矢量Phest与交流旋转电机2的磁通量矢量Wi —致能够对提高控制性能作出贡献。如果在交流旋转电机2的旋转速度和适应观测单元7输出的推定速度wrO不同的情况下，产生电流偏差矢量AIs以及磁通量偏差矢量ΔΗ ，所以利用这一点，通过所谓的反馈控制，以使推定速度wrO和交流旋转电机2的旋转速度一致的方式修正推定速度wrO。 如果能够使推定速度wrO和交流旋转电机2的旋转速度一致，则适应观测单元7输出的推定磁通量矢量Phest也与交流旋转电机2磁通量矢量Wi —致，因此，应该能够得到精度高的推定磁通量相位θ O。根据以上说明可以理解的是，在适应观测单元7中的反馈控制中，如何能够正确地把握检测磁通量矢量Phi和推定磁通量矢量WieSt之间的偏差(磁通量偏差矢量ΔΗ )
非常重要。因此，关于该磁通量偏差矢量ΔΗ 的特征，利用图2进行更详细的说明。在图2 (a)的情况1中，推定磁通量矢量Phest相对于检测磁通量矢量Phi为超前相位，其相位差在90度以内。磁通量偏差矢量△ Phi是从推定磁通量矢量Wiest (图中的点划线)中减去检测磁通量矢量Wii (图中的粗线)而得到的值，为图中的虚线所示。因此， 假设如已经说过的专利文献2所示那样地，使通过推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi的外积运算得到的值与利用推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi制作的三角形(图中阴影部分)的面积成比例。由此，如果在推定磁通量矢量Wiest和检测磁通量矢量Phi之间产生相位差，则产生磁通量偏差矢量Δ Phi，或者产生推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi之间的通过外积运算而得到的值。接下来，考虑图2(b)的情况2。在情况2中，推定磁通量矢量Wiest相对于检测磁通量矢量Phi为超前相位，其相位差在90度以上。从推定磁通量矢量Wiest (图中的点划线)中减去检测磁通量矢量Wii (图中的粗线)得到的磁通量偏差矢量ΔΗ (图中的虚线)的大小比情况1时的磁通量偏差矢量APhi还大。另一方面，与图中的阴影部分的面积成比例的通过推定磁通量矢量Wiest和检测磁通量矢量Phi的外积运算而得到的值比情况1时减小。由此，因为不限于推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi之间的相位差越大而通过推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi的外积运算得到的值也越大，所以很难说通过该外积运算得到的值正确地反映了推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量 Phi之间的相位差的大小。另一方面，如果推定磁通量矢量Wiest和检测磁通量矢量Phi之间的相位差变大， 则与此对应地磁通量偏差矢量APhi的大小也增大，所以可以说磁通量偏差矢量APhi正确地反映了推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi之间的相位差的大小。接下来，考虑图2(c)的情况3。在情况3中，推定磁通量矢量Wiest相对于检测磁通量矢量Phi为超前相位，其相位差很小，但将推定磁通量矢量Wiest的大小推定为比检测磁通量矢量Phi还大。从推定磁通量矢量Wiest (图中的点划线)中减去检测磁通量矢量Wii (图中的粗线)得到的磁通量偏差矢量ΔΗ (图中的虚线)可靠地具有大小，但是如果相位差很小，则上述的通过外积运算得到的值不是可靠的。由此，在本实施方式1的交流旋转电机的控制装置中，不进行专利文献2所示那样的外积运算，而根据磁通量偏差矢量APhi求得交流旋转电机2的推定磁通量矢量Wrest， 所以即使在推定磁通量矢量Phest和检测磁通量矢量Phi之间因为初始值误差、干扰等原因而相位差超过90度、或者相位差很小的情况下，也能够保持误差收敛性、位置推定的应答性，其结果是，具有能够稳定地驱动控制交流旋转电机2的效果。另外，对图1所示的各要素的结构进行更详细的说明。图3是表示交流旋转电机控制单元4的内部结构的图。在图中，坐标转换器20将电流矢量检测单元3内的3相/2相转换器10输出的a-b轴坐标上的2相交流电流向与适应观测单元7输出的推定磁通量相位θ0同步旋转的旋转二轴坐标进行坐标转换。在此， 将与推定磁通量相位θ 0同步旋转的旋转二轴坐标定义为d-q轴。即，坐标转换器20根据适应观测单元7输出的推定磁通量相位θ 0，将a-b轴上的检测电流矢量的a轴分量ias以及检测电流矢量的b轴分量ibs作为d-q轴上的检测电流矢量的d轴分量ids以及检测电流矢量的q轴分量iqs输出。
减法器21从电流指令矢量的d轴分量idsref中减去检测电流矢量的d轴分量 ids，减法器22从电流指令矢量的q轴分量iqsref中减去检测电流矢量的q轴分量iqs。放大器23通过对从减法器21得到的电流指令矢量的d轴分量idsref与检测电流矢量的d轴分量ids之间的偏差进行比例积分运算而进行放大，并将其值作为电压指令矢量的d轴分量vdsref输出，放大器24通过对从减法器22得到的电流指令矢量的q轴分量iqsref与检测电流矢量的q轴分量iqs之间的偏差进行比例积分运算而进行放大，并将其值作为电压指令矢量的q轴分量vqsref输出。坐标转换器25根据适应观测单元7输出的推定磁通量相位θ 0，进行将放大器23 以及M输出的d_q轴坐标上的2相电压指令向三相交流电压指令的坐标转换，并输出电压指令矢量Vsref的U相分量、V相分量、W相分量。图4是表示磁通量矢量检测单元6的内部结构的图。在图中，余弦运算器30进行与从旋转位置检测单元5得到的旋转角度θ对应的余弦运算并输出cos θ，增益运算器31 将使余弦运算器30输出的cos θ与预先设定的值成比例所得到的值作为检测磁通量矢量的a轴分量phia输出。另外，增益运算器31的比例系数通过转子磁通量振幅(pf而赋予。正弦运算器32进行与从旋转位置检测单元5得到的旋转角度θ对应的正弦运算并输出sin9，增益运算器33将使正弦运算器32输出的sin θ与预先设定的值成比例所得到的值作为检测磁通量矢量的b轴分量phib输出。增益运算器33的比例系数也与增益运算器31同样地通过转子磁通量振幅(pf而赋予。图5是表示适应观测单元7的内部结构的图。在说明图5之前，对适应观测单元 7中的运算根据进行说明。设交流旋转电机2的电枢电阻为R、电枢电感为L、推定速度为 wrO，以(1)式来定义矩阵A、B、Cl、C2。[数式1]
权利要求
1.一种交流旋转电机的控制装置，其特征在于，具备电流矢量检测单元，检测交流旋转电机的电流矢量并作为检测电流矢量而输出； 交流旋转电机控制单元，参照推定磁通量相位，以使所述检测电流矢量与电流指令矢量一致的方式输出电压指令矢量；电压施加单元，根据所述电压指令矢量而向所述交流旋转电机施加电压； 适应观测单元，根据所述电压指令矢量而输出所述推定磁通量相位；以及磁通量矢量检测单元，检测磁通量矢量并作为检测磁通量矢量而输出， 其中，所述适应观测单元除了根据所述电压指令矢量之外还根据电流偏差矢量和放大偏差矢量，除了输出所述推定磁通量相位之外还输出推定电流矢量和推定磁通量矢量，而且，所述交流旋转电机的控制装置还具备偏差矢量运算单元，该偏差矢量运算单元对作为所述推定电流矢量与所述检测电流矢量之间的偏差的所述电流偏差矢量以及作为所述推定磁通量矢量与所述检测磁通量矢量之间的偏差的磁通量偏差矢量进行运算并作为所述放大偏差矢量而输出。
2.一种交流旋转电机的控制装置，其特征在于，具备电流矢量检测单元，检测交流旋转电机的电流矢量并作为检测电流矢量而输出； 交流旋转电机控制单元，参照推定磁通量相位，以使所述检测电流矢量与电流指令矢量一致的方式输出电压指令矢量；电压施加单元，根据所述电压指令矢量而向所述交流旋转电机施加电压； 适应观测单元，根据所述电压指令矢量而输出所述推定磁通量相位；以及磁通量矢量检测单元，检测磁通量矢量并作为检测磁通量矢量而输出， 其中，所述适应观测单元除了根据所述电压指令矢量之外还根据放大偏差矢量，除了输出所述推定磁通量相位之外还输出推定磁通量矢量，而且，所述交流旋转电机的控制装置还具备偏差矢量运算单元，该偏差矢量运算单元对作为所述推定磁通量矢量与所述检测磁通量矢量之间的偏差的磁通量偏差矢量进行运算并作为所述放大偏差矢量而输出。
3.根据权利要求1或2所述的交流旋转电机的控制装置，其特征在于， 所述适应观测单元还输出推定速度，所述交流旋转电机的控制装置具备偏差放大单元，该偏差放大单元插入在所述偏差矢量运算单元与所述适应观测单元之间，以将所述推定速度作为参数的规定的增益来放大所述偏差矢量运算单元的输出，并作为所述放大偏差矢量而输出给所述适应观测单元，在所述偏差放大单元中，对放大所述磁通量偏差矢量的所述增益进行设定，以使得相对于所述推定速度低时的值，所述推定速度高时的值小。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的交流旋转电机的控制装置，其特征在于， 所述磁通量矢量检测单元根据检测所述交流旋转电机的旋转位置的旋转位置检测单元的输出而输出所述检测磁通量矢量。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的交流旋转电机的控制装置，其特征在于，具备电压重叠单元，将比用于驱动所述交流旋转电机的基本频率高的频率的高频率电压重叠到所述交流旋转电机，所述磁通量矢量检测单元根据起因于由所述电流矢量检测单元提取的所述高频率电压的高频率电流矢量，输出所述检测磁通量矢量。
6.根据权利要求5所述的交流旋转电机的控制装置，其特征在于，设定在所述电压重叠单元中重叠的所述高频率电压的振幅，以使得相对于所述交流旋转电机的转速低时的值，所述转速高时的值小。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的交流旋转电机的控制装置，其特征在于，具备速度控制单元，该速度控制单元以使来自所述适应观测单元的所述推定速度与角速度指令一致的方式制作所述电流指令矢量并输出到所述交流旋转电机控制单元。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种交流旋转电机的控制装置，从包含速度为零的低速区域到高速区域平滑地进行驱动，并且即使在推定相位上存在初始值误差也能够迅速地使误差收敛从而得到所希望的特性。为此，具备适应观测单元(7)，根据电压指令矢量Vsref、电流偏差矢量ΔIs以及放大偏差矢量E0输出推定磁通量相位θ0、推定电流矢量Isest、推定磁通量矢量Phest以及推定速度wr0；偏差矢量运算单元(8)，对推定电流矢量Isest和来自电流矢量检测单元(3)的检测电流矢量Is之间的电流偏差矢量ΔIs以及推定磁通量矢量Phest和来自磁通量矢量检测单元(6)的检测磁通量矢量Phi之间的磁通量偏差矢量ΔPhi进行运算；以及偏差放大单元(9)，对电流偏差矢量ΔIs和磁通量偏差矢量ΔPhi进行放大并输出放大偏差矢量E0。
文档编号H02P21/00GK102365818SQ20098015830
公开日2012年2月29日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26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