专利名称：同步机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括旋转驱动同步机的功率转换单元的同步机控制装置。
背景技术：
在利用具有逆变器等功率转换单元的同步机控制装置对转子具有永磁体的永磁同步电动机、利用转子的磁凸极性来产生转矩的磁阻电动机等同步机进行控制时，以往较为广泛地采用对转子进行控制以使电枢电流矢量向着一定的相位方向的方法。例如，在现有的永磁同步机中，将电枢电流矢量控制在与转子的永磁体磁通轴正交的方向上，并与所希望的转矩成比例地控制电枢电流矢量的绝对值。此外，对于上述磁阻电动机，已知电枢电流矢量的绝对值与输出转矩不成比例，用现有的控制方法难以实现高精度的转矩控制。而且，若永磁同步机的旋转速度上升，则永磁体磁通引起的感应电压导致电枢电压上升，该感应电压超过逆变器等功率转换单元所能输出的电压，因此，为了防止这样的情况发生,进行弱磁通控制,从而在永磁体磁通轴方向上产生称为弱电流的负的电枢电流矢量来减小电枢交链磁通。但即使弱电流相同，若输出转矩不同，则电枢电压会发生变化，因此，以现有的控制方式根据转矩大小将电枢电压控制为所希望的值是较为困难的。作为解决了这样的技术问题的同步机控制装置的一个示例，其包括转矩电流指令生成器、磁通指令生成器、磁通运算器、及磁通控制器，其中，该转矩电流指令生成器由转矩电流运算器、转矩电流限制生成器、及限幅器(limiter)这三个结构要素所构成，该转矩电流运算器根据转矩指令和磁通指令来运算出电枢电流指令的转矩分量即转矩电流指令，该转矩电流限制生成器产生基于电枢电流指令的磁化分量即磁化电流指令和上述电流限制值所能产生的转矩电流指令最大值以使电枢电流不超过功率转换单元的电流限制值，该限幅器根据上述转矩电流指令最大值来限制转矩电流指令，该磁通指令生成器根据来自该转矩电流指令生成器的转矩电流指令来运算磁通指令，该磁通运算器根据同步机的电枢电流或电枢电流及电枢电压来运算电枢交链磁通，该磁通控制器制生成磁化电流指令并输入到转矩电流指令生成器以使磁通指令与上述电枢交链磁通一致。这是由于，通过一边参照磁通指令和磁化电流指令一边计算出转矩电流指令，以此来考虑功率转换单元的输出电流的限制，且一边参照转矩电流指令一边计算出磁通指令，因此，能生成反映出上述输出电流限制引起的转矩电流指令的变动的优选的磁通指令。(例如参照专利文献I)此外，作为同样的控制装置的另一示例，其生成使同步机产生所希望的转矩和电枢电压的电枢交链磁通指令和与该电枢交链磁通指令正交的电枢电流(转矩电流)指令，另一方面，确定磁通轴方向的电流(磁化电流)指令以使通过基于电枢电流的磁通运算求出的电枢交链磁通与上述电枢交链磁通指令一致，然后，从转矩电流指令和磁化电流指令生成以角频率进行旋转的旋转二轴坐标(以下，用dq轴来表示)的电流指令。这样，通过使同步机的转矩与电流的关系线性化来改善控制特性，通过直接控制端子电压来降低功率转换单元的容量。(例如，参照专利文献2)此外，作为同样的控制装置的又一个示例，该控制装置包括从转矩指令值和电枢交链磁通指令值来运算能线性控制转矩和电枢交链磁通的电流指令值的单元，在该控制装置中，在转矩指令值小于规定值的情况下，将交链磁通指令值设为相对于转矩指令值的增加函数，在转矩指令值大于规定值的情况下，将交链磁通指令值限制在上限值以下的一定值。这样，能通过使同步机的转矩与电流的关系线性化来改善控制特性，通过限制交链磁通的上限来避免磁饱和。(例如，参照专利文献3)现有技术文献专利文献专利文献1:日本专利特许第4531751号公报(图1及其说明)专利文献2 日本专利特许第3640120号公报(图3及其说明)专利文献3 :日本专利特许第3570467号公报(图5及其说明)
发明内容
在上述专利文献I中，对以下的结构进行了说明，即，一边参照转矩电流指令一边输出磁通指令以在电流大小为恒定的条件下使转矩最大，但是，通常，在电流大小恒定的条件下，转矩成为最大的条件与转换效率(同步机或功率转换单元、甚至是同步机和功率转换单元整体的转换效率)成为最大的条件并不相同。在需要以尽可能小的电流获得尽可能大的转矩这样的用途中，优选设定运行目标，以控制成在电流大小为恒定的条件下转矩成为最大，但并不一定一直都希望这样的控制。例如，在冷却能力较低、或在同步机内部具有永磁同步机等、同步机的温度上升成为问题的情况下，需要进行使同步机的转换效率成为最大的控制以抑制同步机的发热，或者，在需要考虑构成同步 机的功率转换单元的开关元件的耐热性的情况下，需要进行能抑制功率转换单元发热的控制 ，而专利文献I的控制难以灵活应对这样的情形。此外，在上述专利文献2、3中，尽管能一边考虑磁饱和及功率转换器的最大输出电压一边直接高精度地控制转矩电流和电枢交链磁通，但关于转矩电流指令和磁通指令的生成，与专利文献I相同，由于生成为在电流的大小为恒定的条件下使转矩成为最大，因此产生与专利文献I相同的问题。此外，上述转换效率最大等的运行目标随着同步机、功率转换单元等的状态(主要是温度)而时时刻刻发生变化，因此，需要在线生成基于状况的运行目标指令的结构。本发明是为了解决如上所述的技术问题而实施的，其目的在于提供一种同步机控制装置，其能根据同步机或功率转换单元等的状态(主要是温度)生成适当的运行目标指令，考虑同步机的转换效率的基础上，依次在线生成满足运行目标(同步机或功率转换单元的效率最大、发热最小等)的控制指令(电枢交链磁通指令)。本发明所涉及的同步机控制装置在同步机的产生电枢交链磁通的方向即Y轴和与Y轴正交方向即δ轴这二个轴上对所述同步机的电枢电流进行控制，所述同步机控制装置包括电压指令生成器，该电压指令生成器根据所述Y轴方向的电流指令即磁化电流指令和所述δ轴方向的电流指令即转矩电流指令来生成电压指令；功率转换单元，该功率转换单元根据所述电压指令来转换电源的电压，并对所述同步机施加电压；电流检测单元，该电流检测单元用于检测所述同步机的电枢电流；位置检测单元，该位置检测单元推定或检测所述同步机的转子位置；速度运算器，该速度运算器根据所述转子位置来运算所述同步机的旋转速度；磁通运算器，该磁通运算器根据所述电枢电流和所述电压指令来推定所述同步机的推定电枢交链磁通；磁化电流指令生成器，该磁化电流指令生成器根据电枢交链磁通指令和所述推定电枢交链磁通的差分来生成所述磁化电流指令；以及控制指令生成器，该控制指令生成器根据转矩指令、所述旋转速度和运行目标指令来生成所述电枢交链磁通指令和所述转矩电流指令，所述控制指令生成器包括第一磁通指令生成器，该第一磁通指令生成器根据所述转矩指令或所述转矩电流指令来生成第一磁通指令；第二磁通指令生成器，该第二磁通指令生成器根据所述转矩指令或所述转矩电流指令、以及所述旋转速度来生成第二磁通指令；指令分配设定器，该指令分配设定器根据所述运行目标指令来设定与所述第一磁通指令和所述第二磁通指令这两个磁通指令的分配比相当的分配系数；磁通指令调节器，该磁通指令调节器根据所述两个磁通指令和所述分配系数来输出所述电枢交链磁通指令；以及转矩电流指令生成器，该转矩电流指令生成器根据所述转矩指令和所述电枢交链磁通指令来生成所述转矩电流指令。根据本发明所涉及的同步机控制装置，鉴于即使在相同的转矩指令的条件下，合适的运行目标也会随同步机和功率转换单元等的状态而发生变化的情形，生成适合同步机和功率转换单元等的状态的运行目标指令，在此基础上依次在线生成既考虑了同步机的转换效率又能满足运行目标的控制指令，从而起到在有效地抑制同步机或功率转换单元的损耗和发热的情况下高效地驱动同步机的效果。
图1是说明本发明的实施方式I所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。图2是表示图1所示的磁通运算器的结构的一个示例的图。图3是表示图1所示的磁通运算器的结构的另一个示例的图。图4是说明本发明的实施方式I所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的另一同步机控制系统的图。图5是表示图4所示的磁通运算器的结构的图。图6是表示图1所示的电压指令生成器的结构的一个示例的图。图7是表示图1所示的电压指令生成器的结构的另一个示例的图。图8是表示图1所示的电压指令生成器的结构的又一个示例的图。图9是表示图1所示的控制指令生成器的结构的一个示例的图。图10是表示相位的定义、相位和转矩之间的关系的图。图11是同步机(主要是永磁同步机)的矢量图。图12是说明转矩电流指令与磁通指令之间关系的图。图13是表示图1所示的控制指令生成器的结构的另一个示例的图。图14是说明转矩指令和磁通指令之间关系的图。图15是说明本发明的实施方式2所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。图16是表示图15所示的控制指令生成器的结构的一个示例的图。图17是表示图15所示的控制指令生成器的结构的另一个示例的图。
图18是说明本发明的实施方式3所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。图19是说明本发明的实施方式3所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的另一同步机控制系统的图。图20是说明本发明的实施方式4所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。图21是说明本发明的实施方式5所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。图22是说明本发明的实施方式5所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的另一同步机控制系统的图。 图23是说明本发明的实施方式6所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的同步机控制装置的优选实施方式进行说明。另夕卜，本发明不受该实施方式的限定，在本发明的范围内能对各实施方式进行组合，或适当地变更、省略各实施方式。实施方式I根据图1，对本发明的实施方式I所涉及的同步机控制装置进行说明。图1是说明本发明的实施方式I所涉及的同步机控制装置的图，是表示包含同步机和同步机控制装置的同步机控制系统的图。以下，对实施方式I所涉及的对同步机进行驱动的同步机控制装置的结构及结构要素的功能进行说明。首先，从旋转驱动同步机的功率转换单元的输出侧开始按顺序进行说明，以下，对作为功率转换单元的输入侧的电压指令的生成为止的流程进行说明。实施方式I所涉及的对同步机I进行驱动的同步机控制装置的结构中，以具有将由电源3提供的功率转换为多相交流功率的功能的逆变器为代表的功率转换单元4与同步机I的电枢绕组相连接，功率转换单元4根据通过后述的电压指令生成器2得到的电压指令对同步机I施加电压来驱动同步机I。其结果是，同步机I的电枢绕组中产生输出电流。另外，电源3是输出直流电压的电源或电池，作为电源3的实施例也包含从单相或三相的交流电源通过公知的换流器而得到直流电压的情况。对于同步机I的输出电流即电枢绕组的电流(以下用电枢电流来表示)，利用以电流传感器为代表的电流检测单元5来进行检测。另外，在同步机I为三相旋转机的情况下，使电流检测单元5成为检测同步机I的三相输出电流中的全相的输出电流的结构，或成为检测出两个相的输出电流、使用检测出的两个相的输出电流iu、iv且根据iw =— iu— iv的关系来求出一个相(例如w相)的输出电流iw的结构。而且，除了直接检测各相的电流的方法以外，也可以使用公知的技术，即通过在电源3与功率转换单元4之间流动的DC链接电流来检测出上述输出电流的方法。位置检测单元6使用公知的旋转变压器(resolver)或编码器等来检测出同步机I的转子位置Θ。此外，速度运算器7根据检测到的转子位置Θ进行微分运算，从而计算出同步机I的旋转速度(电角频率)ω。在同步机I为永磁同步机的情况下，所谓的同步机I的转子位置Θ是指永磁体的N极方向相对于以u相电枢绕组为基准所取的轴的角度，一般将以同步机I的旋转速度(电角频率)ω进行旋转的旋转二轴坐标(以下用dq轴来表示)中的d轴定为上述永磁体的N极方向，以下也据此进行说明。将q轴定为相对于d轴向前90°的正交方向。在同步机I为绕组励磁型的情况下也相同，是指电流流过励磁绕组时产生的励磁磁通的N极方向相对于以u相电枢绕组为基准所取的轴的角度，将此情况下的d轴定为上述励磁磁通的N极方向。另外，该实施方式中，将产生电枢交链磁通的方向设为Y轴，相对于Y轴前进90°的正交方向设为S轴。磁通运算器8至少根据由电流检测单元5检测出的同步机I的输出电流iu、iv、iw以及通过后述的电压指令生成器2和坐标转换器Ila得到的电压指令(三相的情况下为Vu*> Vv*> Vw*),来推定出电枢交链磁通的推定值(以下用推定电枢交链磁通来表示),具体而言，推定出推定电枢交链磁通的绝对值I Φ I和推定电枢交链磁通的相位ZΦ。所谓的推定电枢交链磁通的相位Z Φ是指推定电枢交链磁通的方向相对于以U相电枢绕组为基准的轴的角度。图2是图1所示的磁通运算器8的结构图的一个示例。在图2中，坐标转换器Ilc通过式(I)的运算，根据转子·位置Θ，将同步机I的输出电流iu、iv、iw转换为dq轴上的电流id、iq。(数学式I)
权利要求
1.一种同步机控制装置，该同步机控制装置在同步机(I)的产生电枢交链磁通的方向即Y轴和与Y轴正交方向即δ轴这二个轴上对所述同步机(I)的电枢电流进行控制，其特征在于，包括 电压指令生成器(2、2a、2b)，该电压指令生成器(2、2a、2b)根据所述、轴方向的电流指令即磁化电流指令和所述S轴方向的电流指令即转矩电流指令来生成电压指令； 功率转换单元(4)，该功率转换单元(4)根据所述电压指令来转换电源(3)的电压，并对所述同步机(I)施加电压； 电流检测单元(5)，该电流检测单元(5)用于检测所述同步机(I)的电枢电流； 位置检测单元(6、6a)，该位置检测单元(6、6a)推定或检测所述同步机(I)的转子位置； 速度运算器CO，该速度运算器(7)根据所述转子位置来运算所述同步机(I)的旋转速度； 磁通运算器(8、8a、8b、8c、8d),该磁通运算器(8、8a、8b、8c、8d)根据所述电枢电流和所述电压指令来推定所述同步机(I)的推定电枢交链磁通； 磁化电流指令生成器(9)，该磁化电流指令生成器(9)根据电枢交链磁通指令和所述推定电枢交链磁通的差分来生成所述磁化电流指令；以及 控制指令生成器(10、10a、10b、10c),该控制指令生成器(10、10a、10b、10c)根据转矩指令、所述旋转速度和运行目标指令来生成所述电枢交链磁通指令和所述转矩电流指令，所述控制指令生成器(10、10a、10b、10c)包括 第一磁通指令生成器(21、21a)，该第一磁通指令生成器(21、21a)根据所述转矩指令或所述转矩电流指令来生成第一磁通指令； 第二磁通指令生成器(22、22a)，该第二磁通指令生成器(22、22a)根据所述转矩指令或所述转矩电流指令、以及所述旋转速度来生成第二磁通指令； 指令分配设定器(23)，该指令分配设定器(23)根据所述运行目标指令来设定与所述第一磁通指令和所述第二磁通指令这两个磁通指令的分配比相当的分配系数； 磁通指令调节器(24)，该磁通指令调节器(24)根据所述两个磁通指令和所述分配系数来输出所述电枢交链磁通指令；以及 转矩电流指令生成器(25)，该转矩电流指令生成器(25)根据所述转矩指令和所述电枢交链磁通指令来生成所述转矩电流指令。
2.如权利要求1所述的同步机控制装置，其特征在于，包括检测所述电源(3)的电源电压的电压检测单元(12)，所述控制指令生成器(10、10a、10b、10c)包括根据所述旋转速度和所述电源电压对所述电枢交链磁通指令进行限制的磁通指令限制器(27 )。
3.如权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于，包括检测所述同步机(I)的温度的温度检测单元(31 )，根据由所述温度检测单元(31)检测出的所述同步机(I)的温度来生成所述运行目标指令。
4.如权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于，包括检测所述功率转换单元(4)的温度的温度检测单元(31a)，根据由所述温度检测单元(31a)检测出的所述功率转换单元(4)的温度来生成所述运行目标指令。
5.如权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于，包括根据所述电枢电流和所述电压指令来推定所述同步机(I)的电阻大小的电阻推定器(32)，根据所述电阻推定器(32 )所推定的所述同步机(I)的电阻推定值来生成所述运行目标指令。
6.如权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于，用永磁同步机构成所述同步机(1)，所述磁通运算器(8、8a、8b、8c、8d)推定所述同步机(I)的永磁体的温度，根据所述永磁体的推定温度来生成所述运行目标指令。
7.如权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于，用永磁同步机构成所述同步机(1)，所述磁通运算器(8、8a、8b、8c、8d)推定所述同步机(I)的永磁体的温度，根据所述永磁体的推定温度来生成所述运行目标指令， 且根据所述永磁体的推定温度来限制所述转矩指令。
8.如权利要求1或2所述的同步机控制装置，其特征在于，根据所述旋转速度和所述推定电枢交链磁通来运算出对于所述转矩指令的转矩指令补偿量，在所述转矩指令上加减所述转矩指令补偿量。
全文摘要
本发明的同步机控制装置包括控制指令生成器。根据转矩指令、旋转速度和运行目标指令生成电枢交链磁通指令和转矩电流指令的控制指令生成器包括根据转矩指令或转矩电流指令生成第一磁通指令的第一磁通指令生成器；根据转矩指令或转矩电流指令和同步机的旋转速度生成第二磁通指令的第二磁通指令生成器；指令分配设定器，该指令分配设定器根据运行目标指令设定与第一和第二磁通指令这两个磁通指令的分配比相当的分配系数；磁通指令调节器，该磁通指令调节器根据两个磁通指令和分配系数输出电枢交链磁通指令；及转矩电流指令生成器，该转矩电流指令生成器根据转矩指令和电枢交链磁通指令生成转矩电流指令。
文档编号H02P21/00GK103051269SQ20121032028
公开日2013年4月17日 申请日期2012年8月31日 优先权日2011年10月11日
发明者小林贵彦, 安西清治, 和田典之, 松浦大树 申请人:三菱电机株式会社