专利名称：永磁同步电动机的控制装置以及控制方法
技术领域：
本发明涉及永磁同步电动机的控制装置以及控制方法，特别是涉及推定空转的电 动机的相位以及旋转速度，使永磁同步电动机从空转状态重新启动的控制装置以及控制方法。
背景技术：
在以送风为目的，在永磁同步电动机上安装风扇的情况下，考虑其由于受到风的 影响而进行空转的情况。这在泵中也相同，为了使该空转的永磁同步电动机平滑地重新启 动，需要检测空转时的相位以及旋转速度。但是，通过位置传感器直接检测相位以及旋转速 度，产生与位置传感器相应的成本升高。因此，为了削减成本，提出了不使用位置传感器推 定空转的永磁同步电动机的相位以及旋转速度的技术。例如具有在专利文献1中记载的方式。在对逆变器的输出端子施加在空转的永磁 同步电动机中产生的感应电压时，比较两个线间电压，根据其差的大小来推定相位以及旋 转速度。由此，无需使永磁同步电动机停止，使其从空转状态连续地重新启动。但是，为了 在线间电压相互之间进行比较，需要比较器，所以存在成本以及安装面积增加的问题。此外，还具有在专利文献2中记载的方式。使用A/D端口测定逆变器的输出端子 电压，根据测定值的变化推定相位以及旋转速度。为了测定三相的输出端子电压，本来需要 三个A/D端口，但是提供了仅通过一个A/D端口实现上述测定的方法。但是，作为代替，需 要使用晶体管以及I/O端口，此外，需要高速地切换该晶体管的导通/截止。专利文献1特开2005-137106号公报专利文献2特开2007-166695号公报
发明内容
本发明的课题是，为了解决上述问题，使用简单并且廉价的装置推定空转的永磁 同步电动机的相位以及/或者旋转速度，使电动机重新启动运转。本发明的一个方面为一种永磁同步电动机的控制装置，其具有直流电源；把所 述直流电源提供的直流电转换为交流电的逆变器；以及经由所述逆变器的输出端子被提供 交流电的永磁同步电动机，在所述永磁同步电动机的控制装置中，具备在所述永磁同步电 动机空转时，根据把在所述逆变器的输出端子产生的电位的最小值作为基准的线间电压和 预定的阈值电压的大小关系，推定所述永磁同步电动机的旋转磁极的相位的单元。本发明的另一方面为具备将所述逆变器的直流负极端子和最小值以外的至少一 相的输出端子之间的电压、即线间电压与预定的阈值电压进行比较，根据其大小关系，推定 所述永磁同步电动机的旋转磁极的相位的单元。在永磁同步电动机空转时，逆变器的输出端子电压根据永磁同步电动机的相位进 行变化。特别是把在逆变器的直流负极端子和某个交流输出端子之间出现的任意的线间电 压与预定的阈值电压进行比较，当检测到它们的大小关系的变化时，可以通过极其简单的电路得到与相位对应的变化。因此，可以根据该大小关系推定永磁同步电动机的相位。此外，通过对推定出的相位进行微分，推定旋转速度。对同步运转或矢量控制反馈相位以及旋转速度的推定值，使空转的永磁同步电动 机重新启动。根据本发明的优选实施方式，可以通过简单并且廉价的装置检测针对逆变器的直 流负极端子的输出端子电压与预定的阈值电压的大小关系，推定空转的永磁同步电动机的 相位以及/或者旋转速度，使空转的永磁同步电动机重新启动运转。
图1是本发明第一实施方式的永磁同步电动机的控制装置的结构图。图2是在永磁同步电动机中产生的相感应电压的波形图。图3是在永磁同步电动机中产生的输出端子电压的波形图。图4是比较部输出的标志的波形图。图5是第一实施方式的比较部的具体电路结构例图。图6表示永磁同步电动机正转时的比较部的区域的判定结果。图7表示比较部的区域的判定结果的迁移。图8表示永磁同步电动机正转时的比较部的区域的详细的判定结果。图9表示比较部的区域的详细的判定结果的迁移。图10表示相位·旋转速度推定部的基于标志变化的相位推定的一例。图11表示阈值电压小于感应电压的1. 5倍时的相位推定的一例。图12表示阈值电压大于感应电压的1. 5倍时的相位推定的一例。图13表示以某个时刻的相位以及旋转速度的推定值作为基准的任意的时刻的相 位推定的一例。图14是本发明第二实施方式的永磁同步电动机的控制装置的部分结构图。图15是第二实施方式的比较部的具体的电路结构例图。图16表示使用具有两个阈值电压的比较部时的相位·旋转速度推定部基于标志 变化的相位推定的一例。图17是本发明第三实施方式的永磁同步电动机的控制装置的部分结构图。图18是着眼于第三实施方式的比较部的区域的判定结果迁移的瞬间的输出端子 电压的波形图。符号说明1 永磁同步电动机；2 逆变器IC ；3 逆变器主电路部；4 驱动器；5 直流电压生 成部；5a 交流电源；5b 变换器；6 电流检测部；7 旋转速度指令生成部；8 比较部；9 微 型计算机；10 相位·旋转速度推定部；11 电压指令运算部；12PWM信号生成部；13感应电 压系数辨识部；VDC直流电压；IDC 直流电流；IDC，电流检测值；Sup、Sun、Svp, Svn, Swp, Swn 逆变器主电路部的开关元件；Vu*, Vv*、Vw* :U、V、W相电压指令；Vu, Vv、Vw :U、V、ff相 感应电压；VU_FK、Vv,、VW_FE :U、V、W 相输出端子电压；Vu-flag、Vv-flag, Vw-flag :U、V、W 相 标志、Ke 感应电压系数；Ke* 感应电压系数的设定值；Ke~ 感应电压系数的辨识值； 旋转速度指令；θ :相位；ω 旋转速度；θ 相位的推定值；ω 旋转速度的推定值；θ FR 想要重新启动电动机的时刻的相位的推定值；coFR 想要重新启动电动机的时刻的 旋转速度的推定值；P 阈值电压对感应电压的比
具体实施例方式(第一实施方式)图1是本发明第一实施方式的永磁同步电动机的控制装置的结构图。永磁同步电动机1输出把基于永磁体的磁通的转矩成分以及基于电枢线圈的电 感的转矩合成后的电动机转矩。逆变器IC2由逆变器主电路部3、驱动器4构成。驱动器4 按照PWM信号，使逆变器主电路部3的开关元件Sup、Sim、Svp、Svn, Swp, Swn接通/关断， 将直流电压转换为三相交流电压。直流电压生成部5由交流电源5a和变换器5b构成，向 逆变器IC2施加直流电压VDC。电流检测部6输出从逆变器IC2向直流电压生成部5流动 的电流IDC的检测值IDC’。旋转速度指令生成部7生成旋转速度指令ω r*。比较部8将 逆变器IC2的输出端子电压VU_FK、Vv_FK、VW_FK与阈值电压Vtl进行比较，输出表示其大小关系 的标志 Vu-flag、Vv-flag、Vw-flag。微型计算机9根据检测到的电流值IDC’，以将永磁同步电动机1的旋转速度ω 控制为旋转速度指令ω 的方式决定PWM信号。微型计算机9由相位·旋转速度推定部 10、电压指令运算部11以及PWM信号生成部12构成。相位 旋转速度推定部10根据标志 Vu-flag、Vv-flag、Vw-flag，输出空转的永磁同步电动机1的相位推定值θ FR以及旋转速 度推定值《FR。电压指令运算部11根据预先设定的永磁同步电动机1的常数、相位推定值 θ FR、旋转速度推定值《FR或电流值IDC’，输出电压指令νιΛν/、ν^。PWM信号生成部12 根据电压指令ViA V/、Vw*，输出PWM信号。本控制装置在单芯片中收容逆变器IC2、电流检测部6、比较部8以及微型计算机 9，实现了小型化、模块化。由此能够容易地组装控制装置，此外提高了设置自由度。但是， 小型化、模块化不是必须的，例如可以代替逆变器IC而使用三相逆变器。此时，控制装置大 型化，但对于控制性能没有本质的影响。以下，详细说明各部。当永磁同步电动机1空转时，生成感应电压E。感应电压E是感应电压系数Ke和 永磁同步电动机1的旋转速度ω的积，由(1)式表示。E = Ke · ω ⑴将感应电压E施加到作为永磁同步电动机1和逆变器IC2的连接部的U相、V相、 W相的端子。如果将永磁同步电动机1的相位θ的基准设为U相线圈位置，此外，将永磁同 步电动机1的中性点设为基准电位，则U相、V相、W相的相感应电压Vu、Vv、Vw由(2)式表不。Vu = -E · sin θVv = -E · sin { θ - (2 Ji /3)}Vw = -E · sin { θ + (2 Ji /3)} (2)S卩，如图2所示，Vu、Vv, Vw是振幅为E的正弦波，各个相位相差2 π /3。在永磁同步电动机1空转时，微型计算机9通过驱动器4将逆变器IC2的开关元 件全部关断。考虑将逆变器主电路部3的各相的下臂与电流检测部6的接合点6a(逆变器3的直流负极)的电位作为基准时的、各相的输出端子电压￥11,、\,、￥1 ,。即使将电流检 测部6与直流电压生成部5的负极侧的接合点的电位6b作为基准也相同。在相感应电压Vu、Vv、Vw中，将电压值最小的相设为感应电压最小相。例如考虑使 用(3)式表示θ的情况。Ji /6≤ θ ≤ 5 π /6 (3)在(3)式表示的范围、即图2的区间21中，感应电压最小相为U相。在此，VU_FK比 基准电位小了下臂环流二极管的正向电压Vf的量，但在实际的电路中，Vf微小，所以用(4) 式来表不。VU_FE = -Vf ^ 0 (4)此外，Vv_FK成为以VU_FK为基准，高出线间电压的量的电压，所以由(5)式来表示。Vv_ra = VU_FE+Vu-Vv = Vu-Vv (5)同样还可以求出VW_FK。通过采用以上的记载，并不限于区间21，可以关于任意的相位θ求出VU_FK、Vv_FK、 VW_FK。即，关于任意的相位θ，通过(2)式或图2求出感应电压最小相，通过(4)式使该相 的输出端子电压为零，将其他两相的输出端子电压设为以感应电压最小相的输出端子电压 作为基准的线间电压。关于相当于电角度1周期的相位Θ，当求出Vu_FK、Vv,时得到图3。 为了避免复杂化，省略了图示，但VW_FK也成为从Vv_FK延迟2 π /3的相同的波形。具体地说，作为以逆变器3的直流负极6a的电位作为基准的逆变器3的三相交流 输出端子的电压，可以提取VU_FK、Vv_FE、VW_FE。图4是说明比较部8的动作的波形图。比较部8比较逆变器输出端子电压和阈值电压Vtl的大小关系，至少输出两相的 表示大小关系的标志。以下说明比较VU_FK与Vtl以及Vv_FK与Vtl的大小关系，输出Vu-flag 以及Vv-flag的情况，但除此之外还可以输出Vw-flag。此外，可以输出全部的Vu-flag、 Vv-flag、VW-flag，通过应用以下的原理提高相位θ的推定精度。比较部8比较VU_FK和N0,假设在VU_FK大时，作为Vu-flag输出信号H。此外，相反 在Vu,小时，作为Vu-flag输出信号L。在VU_FK与Vtl相等时，无论输出哪个信号，本方式都 有效，但是以下设定输出L。关于Vv-flag也相同。例如，考虑以下的(6)式的情况。V0 = 1. 2E, θ = Ji (6)此时，在图4的Ρ31表示(6)式表示的交点。该交点Ρ31关于纵轴(电压)，位于 Vu,(实线)上方。这意味着以下的⑵式成立。V0 > VU_FE (7)此时，通过该比较部8，Vu-flag成为L。此外，同样地可知Vv_flag也成为L。比较部8例如可以由电平位移(level shift)电路以及NOT电路构成。图5是本发明第一实施方式的比较部8的具体的结构例图。即，通过电平位移电路81对￥_义，以及VW_FK进行分压，并将它们输入给NOT电 路82，由此，根据它们和Vtl的大小关系，可以输出H或L。在此，根据电平位移电路81的分 压比以及NOT电路82自身的阈值决定V。。由此，与使用比较器的现有例子相比，可以使控制装置小型化以及低成本化。相对于由多个晶体管以及二极管构成比较器，NOT电路可以只用两个晶体管构成，价格大约为 1/10即可。因为Vu-flag以及Vv-flag成为H或L，所以这些标志的组合的总数为22，即4种。 为了进行说明，如表1所示那样，通过A D表示该组合的种类。表 权利要求
一种永磁同步电动机的控制装置，其具有直流电源；把所述直流电源提供的直流电转换为交流电的逆变器；以及经由所述逆变器的输出端子被提供交流电的永磁同步电动机，所述永磁同步电动机的控制装置的特征在于，具备在所述永磁同步电动机空转时，根据把在所述逆变器的输出端子产生的电位的最小值作为基准的线间电压和预定的阈值电压的大小关系，推定所述永磁同步电动机的旋转磁极的相位的单元。
2.一种永磁同步电动机的控制装置，其具有直流电源；把所述直流电源提供的直流电 转换为交流电的逆变器；以及经由所述逆变器的输出端子被提供交流电的永磁同步电动 机，所述永磁同步电动机的控制装置的特征在于，具备将所述逆变器的直流负极端子和最小值以外的至少一相的输出端子之间的电压、 即线间电压与预定的阈值电压进行比较，根据其大小关系，推定所述永磁同步电动机的旋 转磁极的相位的单元。
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于，根据至少一个所述线间电压和所述阈值电压的大小关系，推定所述阈值电压相对于进 行空转的所述永磁同步电动机产生的感应电压的比或大小。
4.根据权利要求1 3的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 设定所述阈值电压，使得所述阈值电压相对于所述永磁同步电动机产生的感应电压的比小于Λ^。
5.根据权利要求1 4的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 根据至少两个不同的线间电压和所述阈值电压的大小关系，推定进行空转的所述永磁同步电动机的旋转方向。
6.根据权利要求1 5的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 根据至少两相的所述线间电压和所述阈值电压的大小关系逆转的定时，推定进行空转的所述永磁同步电动机的位置和时刻的关系。
7.根据权利要求1 6的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 使用电平位移电路以及NOT电路来检测所述线间电压与所述阈值电压的大小关系。
8.根据权利要求1 6的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 使用电平位移电路以及施密特电路来检测所述线间电压与所述阈值电压的大小关系。
9.根据权利要求6 8的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 根据进行空转的所述永磁同步电动机的相位和时刻的关系，推定所述永磁同步电动机的旋转速度。
10.根据权利要求9所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于，根据进行空转的所述永磁同步电动机的相位和时刻的关系以及旋转速度的推定值，推 定任意时刻的所述永磁同步电动机的相位。
11.根据权利要求10所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于，在进行空转的所述永磁同步电动机的旋转速度的推定值的绝对值小于预定值时，进行 直流定位或短路制动，在旋转速度的推定值的绝对值大于预定值时，根据所述永磁同步电 动机的相位的推定值和旋转速度的推定值，开始同步运转或矢量控制。
12.根据权利要求11所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于，在同步运转或矢量控制开始后，在所述永磁同步电动机的旋转方向为逆向时，使所述 永磁同步电动机停止，以及/或者此后使所述永磁同步电动机向正向加速。
13.根据权利要求11或12所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于，在所述永磁同步电动机进行空转的阶段，根据所述阈值电压、所述永磁同步电动机的 相位的推定值、以及旋转速度的推定值，确定所述永磁同步电动机的感应电压系数。
14.根据权利要求1 13的任意一项所述的永磁同步电动机的控制装置，其特征在于， 作为所述逆变器具备三相逆变器IC。
15.一种永磁同步电动机的控制方法，通过逆变器把直流电源提供的直流电转换为交 流电，经由所述逆变器的输出端子对永磁同步电动机提供交流电，所述永磁同步电动机的 控制方法的特征在于，把所述逆变器的直流负极端子和最小值以外的至少一个输出端子之间的线间电压与 预定的阈值电压进行比较，根据其大小关系，推定所述永磁同步电动机的旋转磁极的相位。
全文摘要
本发明提供一种永磁同步电动机的控制装置以及控制方法。使用低成本且简单的装置推定空转的永磁同步电动机的相位以及旋转速度，使空转的永磁同步电动机重新启动运转。在永磁同步电动机空转时，逆变器IC的输出端子电压根据永磁同步电动机的相位而变化。因此，当比较以逆变器的直流负极为基准的输出端子电压与恒定的阈值电压的大小关系时，其极性按照规定的相位进行变化。例如可以通过电平位移电路和NOT电路等低成本且简单的装置检测该大小关系。根据该大小关系的变化，推定永磁同步电动机的相位，此外通过对其进行微分来推定旋转速度。如果对同步运转或矢量控制反馈相位以及旋转速度的推定值，则可以重新启动空转的永磁同步电动机。
文档编号H02P6/18GK101951213SQ20101022694
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月9日
发明者前田大辅, 户张和明, 隅田悟士, 青柳滋久 申请人:株式会社日立制作所