专利名称：永磁电机的矢量控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及永磁电机的弱磁域的矢量控制方式。
背景技术：
作为弱磁域的矢量控制方式的以往技术，存在以下两种方法。特开平8-182398号公报所记载的将d轴电流指令值制表化，使d轴和q轴的电流控制采取比例运算方式的方法。特开2002-95300号公报所记载的那样，从d轴和q轴的电流控制部求出电动机的端子电压，通过对端子电压的指令值和上述端子电压的偏差进行比例·积分运算，计算上述d轴电流指令值的方法。
但是，按照特开平8-182398号记载的方法，由于电流控制为比例运算方式，因而会无法产生符合电流指令值的电流，转矩精度发生劣化；而特开2002-95300号记载的方法中，由于d轴电流指令的产生较慢，因此存在转矩响应劣化的倾向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种“永磁电机的弱磁矢量控制装置”，即使是在弱磁控制域中，也可以实现“高精度·高响应的转矩控制”。
本发明在电力转换器的输出电压值受到限制的情况下，利用q轴的电压指令值与电流检测值的偏差，计算作为控制基准轴与电机基准轴的偏差的相位误差的指令值，并使用该相位误差的指令值，修正电力转换器的输出电压指令值，由此，就可以实现高精度·高响应的转矩控制。
根据本发明，可以提供一种“永磁电机的弱磁矢量控制装置”，即使在弱磁域中，也可以实现“高精度·高响应的转矩控制”。
图1是表示本发明的一个实施例的永磁电机的弱磁矢量控制装置的构成图。
图2是没有相位误差指令运算部9的情况下的控制特性。
图3是以往例的弱磁控制区的控制特性。
图4是附加相位误差指令运算部9的情况下的控制特性。
图5是表示本发明的另一实施例的永磁电机的弱磁矢量控制装置的构成图。
图6是表示本发明的另一实施例的永磁电机的弱磁矢量控制装置的构成图。
图7是表示本发明的另一实施例的永磁电机的弱磁矢量控制装置的构成图。
图8是表示本发明的另一实施例的永磁电机的弱磁矢量控制装置的构成图。
图9是表示将本发明的矢量控制应用于模块的实施方式的构成图的一例。
具体实施例方式
下面，参照附图，详述本发明的实施例。
(第1实施例)图1表示作为本发明的一个实施例的永磁电机的弱磁矢量控制装置的构成例。1是永磁电机；2是电力转换器，输出与三相交流的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*成比例的电压；21是直流电源；3是电流检测器，可以检测出三相交流电流Iu、Iv、Iw；4是使用分解器(resolver)和编码器(encoder)的位置检测器，可以检测出电机位置θ；5是频率运算部，根据位置检测值θc计算频率运算值ω1；6是坐标转换部，根据上述三相交流电流Iu、Iv、Iw的检测值Iuc、Ivc、Iwc和电机的位置检测值θc，输出d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc；7是q轴的电流偏差切换部，根据输出电压限制标记V1*lmt_flg，将q轴的电流指令值与电流检测值的偏差ΔIq或“零”，分别输出给相位误差指令运算部9和q轴电流指令运算部10；8是d轴的电流偏差切换部，根据输出电压限制标记V1*lmt_flg，向d轴电流指令运算部11输出d轴的电流指令值与电流检测值的偏差ΔId或“零”；9是相位误差指令运算部，根据q轴的电流偏差切换部的输出值ΔIq1输出相位误差的指令值Δθc*；10是q轴电流指令运算部，根据q轴的电流偏差切换部7的输出值ΔIq2输出第二q轴电流指令值Iq**；11是d轴电流指令运算部，根据d轴的电流偏差切换部8的输出值ΔId1输出第二d轴电流指令值Id**；12是输出电压限制检测部，根据电压指令值Vdc*、Vqc**计算电力转换器的输出电压V1*，当电压值V1*小于由电力转换器2的直流电压值所决定的电压限制值V1*max时，将输出电压限制制标记V1*lmt_flg设为“0”，当电压值V1*达到V1*max时，将输出电压限制标记V1*lmt_flg设为“1”；13是电压矢量运算部，根据电机1的电常数和第二电流指示值Id**、Iq**以及频率运算值ω1，还有相位误差指令值Δθc*，运算电压指令值Vdc**、Vqc**；14是坐标转换部，根据电压指令值Vdc**、Vqc**和位置检测值θc，输出三相交流的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。
首先，对作为本发明特征的使用相位误差指令运算部9的矢量控制方式的电压控制和相位控制的基本动作进行说明。
在电压控制中，图1的输出电压限制检测部12中，通过式(1)，使用d轴和q轴的电压指令值Vdc*、Vqc**计算输出电压值V1*。
V1*=Vdc**2+Vqc**2]]>…(式1)然后，使用V1*和电压限制值V1*max，根据式(2)，生成输出电压限制标记V1*lmt_flg。
V1*max>V1*:V1*lmt_flg=0V1*max≤V1*:V1*lmt_flg=1]]>…(式2)最初，q轴的电流偏差切换部7中，在输出电压限制标记V1*lmt_flg为“0”时，根据式(3)，选择被输入到相位误差指令运算部9的信号ΔIq1、和被输入到q轴电流指令运算部的信号ΔIq2。
ΔIq1=0ΔIq2=ΔIq]]>…(式3)另一方面，在输出电压限制标记V1*lmt_flg为“1”时，根据式(4)，选择信号ΔIq1、ΔIq2。
ΔIq1=ΔIqΔIq2=0]]>…(式4)接着，d轴的电流偏差切换部8中，在输出电压限制标记V1*lmt_flg为“0”时，被输入到d轴电流指令运算部11的信号ΔId1，为d轴的电流偏差ΔId(＝Id*-Idc)，在V1*lmt_flg为“1”时，ΔId1为“0”。
电压矢量运算部13中，使用第二d轴及q轴的电流指令值Id**、Iq**和电机常数、频率运算值ω1，根据式(5)计算中间的电压指令值Vdc*、Vqc*。
Vdc*Cqc*=R*-ω1·Lq*+ω1·Ld*R*·Id**Iq**+0ω1·Ke*]]>…(式5)这里，R*电阻的设定值Ke*感应电压常数的设定值Ld*d轴电感的设定值Lq*q轴电感的设定值然后，使用上述式(5)和相位误差指令值Δθc*，根据式(6)计算新的电压指令值Vdc**、Vqc**，控制电力转换器的输出电压值。
Vdc**Vqc**=Vdc*Vqc*·cosΔθc*-sinΔθc*sinΔθc*cosΔθc*]]>…(式6)
另一方面，在相位控制中，分解器和编码器等位置检测器4中，检测出电机位置θ，得到位置检测值θc。
频率运算部5使用该位置检测值θc，根据式(7)求出频率运算值ω1。
ω1=ddt·θc]]>…(式7)以上是电压控制和相位控制的基本动作。
下面，说明作为本发明特征的相位误差指令运算部9所带来的作用效果。
图2表示在图1的控制装置中，对相位误差的指令值Δθc*实施“零”设定(无弱磁控制)得到的“高速区域中的转矩指令阶跃特性”。
可知在无弱磁控制的情况下，d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc无法按照第一电流指令值Id*、Iq*来追踪，电机转矩τm没有按照指令值τ*产生。
此外，图3表示按照特开2002-95300号所述方法(通过运算求出d轴电流指令值Id*来使输出电压值V1*不饱和)的转矩指令阶跃响应特性。
通常，电机转矩τm与指令值τ*一致地产生，而产生d轴电流指令值Id*需要花费时间，可以看到这一期间电机转矩不足。
因此，不采用计算d轴电流指令值Id*的方式，而是采用计算相位误差的指令值θc*的方式。
相位误差指令运算部9中，在输出电压值V1*被限制时，输出电压限制标记V1*lmt_flg为“1”，对第一q轴电流指令值Iq*与电流检测值Iqc的偏差ΔIq1进行比例积分运算，并将该运算值作为相位误差的指令值Δθc*输出。
这时，13的矢量运算过程中，d轴及q轴的电流指令运算部10、11的输入信号ΔIq2、ΔId1均为“零”，输出值Id**、Iq**的运算未被更新，为保持为前次值的状态。
接着，电压矢量运算部13使用相位误差的指令值Δθc*和中间的电压指令值Vdc*、Vqc*，计算新的电压指令值Vdc**、Vqc**。
在输出电压值V1*受限的区域中，借助相位误差这一控制基准轴与电机磁通轴的偏差，来控制输出电压值V1*，使q轴的电流指令值与电流检测值一致。于是，可以在不产生d轴电流指令Id*的状态下(零)实现弱磁控制。
图4表示使用上述方式情况下的特性。
可知即使d轴的电流指令值Id*实施“零”设定，也可以实现电机转矩为高响应且稳定的运转。
(第2实施例)图5表示本发明的另一实施例。
第1实施例中，在旋转坐标系(d-q轴上)中计算电压指令值Vdc**、Vqc**，而本实施例，是在定子坐标系(三相交流上)中，修正三相电压指令值Vu**、Vv**、Vw**的方式下的永磁电机的弱磁矢量控制装置。
图中，1～12、21与图1相同。
电压矢量运算部13a中，根据上述的式(5)，使用第二d轴及q轴的电流指令值Id**、Iq**、电机常数、频率运算值ω1，计算中间的电压指令值Vdc*、Vqc*。
14a根据式(8)，使用对位置检测值θc加上相位误差的指令值Δθc得到的值θc*，计算三相的电压指令值Vu**、Vv**、Vw**。
Vu**Vv**Vw**=10-12+32-12-32·cosθc*-sinθc*sinθc*cosθc*·Vdc*Vqc*]]>…(式8)由此，可以实现与计算旋转坐标系下的电压指令值Vdc**、Vqc**的方法等价的弱磁控制。
(实施例3)图6表示本发明的另一实施例。
本实施例，将弱磁域控制应用在设置有d轴及q轴的电流控制运算部的矢量控制装置中。
图中，构成要素1～9、12、14、21与图1相同。
10′是q轴电流控制运算部，实施控制使得输入信号ΔIq2为零；11′是d轴电流控制运算部，实施控制使得输入信号ΔId1为零；13b根据式(9)，使用第一d轴和q轴的电流指令值Id*、Iq*、d轴及q轴的电流控制运算部的输出值ΔVd、ΔVq、相位误差的指令值Δθc*以及频率运算值ω1，计算电压指令值Vdc***、Vqc***。
Vdc*′Vqc*′=R*-ω1·Lq*+ω1·Ld*R*·Id*Iq*+0ω1·Ke*+ΔVdΔVq]]>Vdc***Vqc***=Vdc*′Vqc*′·cosΔθc*-sinΔθc*sinΔθc*cosΔθc*]]>…(式9)使用上述方式，也可以得到与第1实施例同样的效果。
此外，本实施例中，虽然采用的是以相位误差的指令值Δθc*来在d-q轴上修正电压指令值的图1的方式，但修正三相电压指令值的图5中采用的方式也可以得到同样效果。
(第4实施例)图7表示本发明的另一实施例。
本实施例，应用在省略了分解器和编码器等位置检测器的控制装置中。
图中，构成要素1～3、6～12、14、21与图1相同。
13c根据式(10)，使用第二d轴及q轴的电流指令值Id**、Iq**、电机常数、频率推定值ω1c，计算中间的电压指令值Vdc*″、Vqc*″和新电压指令值Vdc****、Vqc****。
Vdc*′′Vqc*′′=R*-ω1c·Lq*+ω1c·Ld*R*·Id**Iq**+0ω1·Ke*]]>Vdc****Vqc****=Vdc*′′Vqc*′′·cosΔθc*-sinΔθc*sinΔθc*cosΔθc*]]>…(式10)
14b是坐标转换部，根据电压指令值Vdc****、Vqc****和相位指令值θc**，输出三相交流的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。
15是轴误差运算部，根据电压指令值Vdc*″、Vqc*″、频率推定值ω1c、电流检测值Idc、Iqc和电机常数，利用式(11)，对作为相位指令值θc**与电机相位值θ的偏差的轴误差进行推定运算，并输出Δθc。
Δθc=tan-1[Vdc*′′-R*·Idc-ω1c·Lq*·IqcVqc*′′-R*·Iqc+ω1c·Lq*·Idc]]]>…(式11)16是频率推定部，对频率推定值ω1c进行运算，使轴误差Δθc为“零”。
17是相位运算部，对频率推定值ω1c进行积分，计算相位指令值θc**。
可知，在这种无位置传感器控制方式下，也与上述实施例同样地进行动作，并且可以得到相同效果。
此外，虽然本实施例中，采用的是以相位误差的指令值Δθc*来在d-q轴上修正电压指令值的图1的方式，但修正三相电压指令值的图4中采用的方式也可以得到同样效果。
(第5实施例)虽然上述第1～第4实施例，是对用价格高的电流检测器3检测出三相的交流电流Iu～Iw进行检测的方式，但也可以应用于廉价的进行电流检测的控制装置。
图8表示本实施例。
图中，构成要素1、2、6～12、13c、14b～16、21与图7相同。
18是电流推定推定部，根据电力转换器的输入母线上的直流电流IDC，推定电机1中的三相交流电流Iu、Iv、Iw。
坐标转换部6中，使用该推定电流值Iu^、Iv^、Iw^，计算d轴及q轴的电流检测值Idc、Iqc。
可知，即使是这种无电流传感器控制方式，由于Id*与Idc、Iq*与Iqc分别一致，所以也可以与上述实施例同样地进行动作，并且可以得到相同效果。
此外，本实施例中，虽然采用的是以相位误差的指令值Δθc*，来在d-q轴上修正电压指令值的图1的方式，但修正三相电压指令值的图4中采用的方式也可以得到同样效果。
(第6实施例)利用图9，说明将本发明应用于模块的例子。
本实施例表示将第1实施例的矢量控制应用于模块的实施方式。
这里，使用单片微处理器来构成频率运算部5、坐标转换部6、q轴电流偏差切换部7、d轴电流偏差切换部8、相位误差指令运算部9、q轴电流指令运算部10、d轴电流指令运算部11、输出电压限制检测部12、电压矢量运算部13、坐标转换部14。
此外，所述单片微处理器与电力转换器，是被收置在同一基板上构成的一个模块内的形态。这里所说的模块，是指“规格化的构成单位”它由可分离的硬件/软件的部件构成。另外，在制造上，虽然优选是在同一基板上构成，但也不一定限于同一基板。
因此，可以在同一机壳中内置的多个电路基板上构成。
其他实施例中，也可以采取相同的形态构成。
权利要求
1.一种永磁电机的矢量控制装置，按照d轴及q轴的电流指令值、d轴及q轴的电流检测值、频率运算值和电机常数的设定值，控制驱动永磁电机的电力转换器的输出电压指令值，其中，在所述电力转换器的输出电压值受到限制的情况下，利用q轴的电流指令值与q轴的电流检测值的偏差，生成作为控制基准轴与电机磁通轴的偏差的相位误差的指令值。
2.根据权利要求1所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，根据所述相位误差的指令值，修正所述电力转换器的输出电压指令值。
3.根据权利要求1所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，利用所述相位误差的指令值、d轴的输出电压指令值和q轴的输出电压指令值，修正所述电力转换器的输出电压指令值。
4.根据权利要求1所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，通过将所述相位误差指令值加给永磁电机的转子位置检测值，来修正控制基准轴，从而对所述电力转换器的输出电压指令值进行修正。
5.根据权利要求1所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，按照由第一d轴电流指令值和d轴电流检测值算出的第二d轴电流指令值、由第一q轴电流指令值和q轴电流检测值算出的第二q轴电流指令值、电机常数、频率运算值，计算所述输出电压指令值。
6.根据权利要求1所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，所述电流检测值，根据所述电力转换器的输入直流母线电流检测值计算得到。
7.根据权利要求1所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，根据d轴及q轴的电压指令值、检测出的d轴及q轴的电机电流或者基于所述电力转换器的输入直流母线电流检测值计算得到的电流，经计算求出控制的旋转相位指令值与电机的旋转相位值之间的偏差，然后以使所述偏差近似为零的方式来计算出所述频率运算值。
8.一种永磁电机的矢量控制装置，将由第一d轴及第一q轴的电流指令值、d轴及q轴的电流检测值计算出的电流控制输出值，与使用d轴及q轴的电流指令值、频率运算值、电机常数算出的值相加，按照该相加值，控制驱动永磁电机的电力转换器的输出电压指令值，其中，在所述电力转换器的输出电压值受到限制的情况下，利用所述第一q轴的电流指令值与所述第一q轴的电流检测值的偏差，生成作为控制基准轴与电机磁通轴的偏差的相位误差的指令值。
9.根据权利要求8所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，根据所述相位误差的指令值，修正所述电力转换器的输出电压指令值。
10.根据权利要求8所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，利用所述相位误差的指令值、d轴的输出电压指令值和q轴的输出电压指令值，修正所述电力转换器的输出电压指令值。
11.根据权利要求8所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，基于所述相位误差的指令值，修正永磁电机的转子位置检测值，从而修正所述电力转换器的输出电压指令值。
12.根据权利要求8所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，所述电流检测值，根据所述电力转换器的输入直流母线电流检测值计算得到。
13.根据权利要求8所述的永磁电机的矢量控制装置，其特征在于，根据d轴及q轴的电压指令值、检测出的d轴及q轴的电机电流或者基于所述电力转换器的输入直流母线电流检测值计算得到的电流，经计算求出控制的旋转相位指令值与电机的旋转相位值之间的偏差，然后以使所述偏差近似为零的方式来计算出所述频率运算值。
14.一种模块，具备电力转换器和永磁电机的矢量控制装置，该永磁电机的矢量控制装置按照d轴及q轴的电流指令值、d轴及q轴的电流检测值、频率运算值和电机常数的设定值，控制驱动永磁电机的所述电力转换器的输出电压指令值的，其中，在所述电力转换器的输出电压值受到限制的情况下，利用q轴的电流指令值与q轴的电流检测值的偏差，生成作为控制基准轴与电机磁通轴的偏差的相位误差的指令值。
全文摘要
本发明提供一种永磁电机的弱磁矢量控制装置，在电力转换器的输出电压值饱和的情况下，利用q轴的电压指令值与电流检测值的偏差，计算作为控制基准轴与电机基准轴的偏差的相位误差的指令值，并使用该相位误差的指令值，修正电力转换器的输出电压指令值，由此，可以实现高精度·高响应的转矩控制。
文档编号H02P21/14GK101039093SQ200710084210
公开日2007年9月19日 申请日期2007年2月27日 优先权日2006年3月15日
发明者户张和明, 大井健太郎, 岩路善尚 申请人:株式会社日立制作所, 日立汽车技术有限公司