专利名称：交流旋转机的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以无位置传感器的方式通过逆变器(inverter)来控制使用了永 久磁石的同步机的交流旋转机的控制装置。
背景技术：
以往的交流旋转机的控制装置中，在高精度地控制交流旋转机的输出转矩的情况 下，为了根据交流旋转机的转子位置来使电流流入而需要安装转子位置传感器。然而，由于 转子位置传感器体积较大，而配置上受到制约、用于将传感器输出传输到控制装置的控制 传输线的接线的麻烦，导致断线等的故障要因增加。与之相对，如下的所谓的无传感器矢量 控制已经开始用于实用通过检测在交流旋转机的转子的旋转过程中产生的感应电压，能 够间接地推定转子位置，并据此进行高速高精度的转矩控制。
在无传感器矢量控制中，一般根据施加给交流旋转机的逆变器电压指令、和流经 交流旋转机的电流检测值来推定感应电压。然而，在逆变器工作开始前，无法知道交流旋转 机的转子位置，特别是交流旋转机高速地旋转而反向电压振幅高的情况下，在逆变器再起 动时，由于电流控制不稳定导致产生不期望的转矩、在最坏的情况下有时由于过电流保护 工作而变得无法再起动。
为了解决这样的课题，在从逆变器再起动到固定时间的期间，不实施无传感器控 制而只实施电流反馈控制，根据这期间的电压矢量或者电流矢量的旋转速度来推测交流旋 转机的旋转速度的概略值，之后将该推测值作为初始值来开始无传感器控制。由此，即使 在使用了永久磁石的交流旋转机高速地旋转的状态下，也平滑地进行逆变器的再起动。(例 如，参照专利文献I)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2005-065410号公报(第4-7页、图1、图2)发明内容
发明所要解决的技术问题
如以往的交流旋转机的控制装置那样，在只实施电流反馈控制、并根据这期间的 电压矢量或者电流矢量的旋转速度来推测交流旋转机的旋转速度的概略值的方法中，当交 流旋转机高速旋转时，有时交流旋转机的感应电压到了逆变器的可输出电压以上。在这种 情况下，在专利文献I所示的方法中，存在电流反馈控制不稳定的问题。
本发明是为了解决如上所述的课题而作出的，在于获取一种能够可靠且稳定地进 行交流旋转机、特别是使用了永久磁石的同步电动机的无位置传感器矢量控制的再起动的 交流旋转机的控制装置。
解决技术问题的技术方案
本发明的交流旋转机的控制装置具备控制单元，根据电流指令产生电压指令，并根据电压指令产生开关指令；电力变换器，根据开关指令产生交流电压，并将交流电压向交 流旋转机进行施加；电压检测器，检测电力变换器的输入直流电压；以及电流检测器，检测 流经交流旋转机的交流电流，其中，控制单元具有稳态速度运算器以及运行开始速度运算 器，稳态速度运算器在交流旋转机的稳态控制过程中根据交流电流以及电压指令来运算交 流旋转机的旋转角频率，运行开始速度运算器在交流旋转机的运行开始后的规定的期间内 的起动控制过程中根据交流电流以及电压指令来运算交流旋转机的旋转角频率，在起动控 制过程中，校正电流指令使得电压指令的交流电压振幅为电力变换器的最大输出电压以下 的固定值。
发明效果
本发明具有稳态速度运算器，在交流旋转机的稳态控制过程中根据交流电流以 及电压指令来运算交流旋转机的旋转角频率；以及运行开始速度运算器，在交流旋转机的 运行开始后的规定的期间内的起动控制过程中根据交流电流以及电压指令来运算交流旋 转机的旋转角频率，在起动控制过程中，校正电流指令使得电压指令的交流电压振幅为电 力变换器的最大输出电压以下的固定值，因此在交流旋转机的无负荷感应电压为电力变换 器的输入直流电压以上的过调制区域中能够实施减弱控制，防止过调制导致的控制的不稳 定化，能够对交流旋转机可靠且稳定地进行起动控制。
图1是本发明的实施方式I
图2是本发明的实施方式I
图3是本发明的实施方式I
图4是本发明的实施方式I
图5是本发明的实施方式I
图6是本发明的实施方式I
图7是本发明的实施方式2
图8是本发明的实施方式2
附图标记说明
1、21 :控制电路；2 :电力变换器；3 :交流旋转机；4 :电流检测器；5 :电压检测器； 11 电流指令器；12 :电流控制器；13 :d-q轴/三相坐标变换器；14 :三相/d_q轴坐标变换 器；15 :积分器；16 :稳态速度运算器；17 :运行开始速度运算器；18 :电压固定控制器；19 切换开关；22 :开始相位设定器。中的交流旋转机的控制装置的框图。中的稳态控制时的交流旋转机的控制装置的框图。 中的电压固定控制器的框图。中的起动控制时的交流旋转机的控制装置的框图。 中的调制率和d轴电流的时序图。中的运行开始速度运算器的框图。中的交流旋转机的控制装置的框图。中的开始相位设定器的框图。
具体实施方式
实施方式1.
图1是本发明的实施方式I中的交流旋转机的控制装置的框图。另外，图2是稳 态控制时的交流旋转机的控制装置的框图。图4是起动控制时的交流旋转机的控制装置的 框图。在图1中，交流旋转机的控制装置对交流旋转机3进行驱动控制，由控制电路1、电力 变换器(逆变器)2、电流检测器4、以及电压检测器5构成。
控制电路I是根据电流指令id*、iq*来产生电压指令vd*、vq*、根据电压指令vd*、vq*来产生开关指令su*、sv*、sw*的控制单元。电力变换器2例如是三相电力变换器， 进行直流电力与三相交流电力的电力变换，根据开关指令su*、sv*、sw*来产生交流电压并将交流电压向交流旋转机3进行施加。电力变换器2包含相互并联地连接于直流电源的U 相、V相、W相的三相变换电路。如众所周知，U相、V相、W相的各变换电路分别包含由正侧和负侧这一对开关构成的臂，在各变换电路的一对开关之间连接三相的交流供电路径Iu、 Iv、Iw。在本实施方式中，电力变换器2构成为可变电压可变频率型的三相电力变换器。电力变换器2从控制电路I接受开关指令su*、sv*、sw*,当将直流电力变换为三相交流电力时，根据该开关指令su*、sv*、sw*来产生具有被控制的输出电压以及被控制的角频率的三相交流电力。开关指令su*、sv*、sw*被分别提供给U相、V相、W相的变换电路，各变换电路的一对开关按基于开关指令SU*、SV*、SW*的被控制的相位进行通断。
在本实施方式中，交流旋转机3是使用了永久磁石的同步电动机，经由三相的交流供电路径Iu、Iv、Iw而连接在电力变换器2。电流检测器4例如配置在交流供电路径Iu、 Iv、Iw,根据从电力变换器2流到交流旋转机3的交流相电流、即U相电流iu和W相电流 iw来检测电流。电压检测器5检测施加到电力变换器2的输入侧的输入直流电压Vdc，例如设置在电力变换器2的输入侧，应用检测输入直流电压Vdc的电压传感器。
控制电路I由对于通常的无传感器矢量控制包含交流旋转机3的起动控制的控制系统构成。控制电路I具备有电流指令器11、电流控制器12、d-q轴/三相坐标变换器13、 三相/d-q轴坐标变换器14、积分器15、稳态速度运算器16、运行开始速度运算器17、以及电压固定控制器18。电流指令器11根据交流旋转机3的稳态控制时的转矩指令τ *生成电流指令id*、iq*。电流控制器12根据电流指令id*、iq*生成电压指令vd*、vq*。
稳态速度运算器16在交流旋转机3的稳态控制过程中，根据电压指令vd*、vq*以及电流检测值id、iq来推定通常的无传感器矢量控制所需的交流旋转机3的旋转速度即推定旋转角频率oestl。积分器15根据推定旋转角频率oest来运算推定旋转相位Θ est。 运行开始速度运算器17在交流旋转机3的运行开始后的规定的期间(后述的起动控制期间 SP)内的起动控制(Cs)过程中,根据起动控制时的电压指令vd*、vq*以及电流 检测值id、 iq来推定稳态控制的运行开始推定旋转角频率oestO。电压固定控制器18根据与电压指令vd*、vq*有关的调制率PMF来运算对电流指令id*进行校正的d轴电流校正量dV并进行控制使得成为规定的调制率PMF。而且，控制电路I具备有切换开关19，如下地构成通过起动控制标志(FLs)来选择由稳态速度运算器16推定的推定旋转角频率coestl或者由运行开始速度运算器17推定的运行开始推定旋转角频率《est0，通过只切换推定旋转角频率coest来切换稳态控制和起动控制。
接着，对由控制电路I控制的电力变换器2中的电力变换进行详细说明。作为电力变换的代表性的方式，有正弦波PWM (Pulse Width Modulation :脉宽调制)控制方式、矩形波控制方式、过调制PWM控制方式这3种控制方式。正弦波PWM控制方式作为一般的PWM 控制而使用，按照正弦波状的电压指令值与载波(代表性的为三角波)的电压比较来控制各相臂中的开关元件的通断。其结果，对于与上臂的开关元件的接通期间相对应的高电平期间、和与下臂的开关元件的接通期间相对应的低电平期间的集合，控制占空比使得在固定期间内其基波分量成为正弦波。如众所周知，在正弦波PWM控制方式中，作为相对于电力变换器2的输入直流电压Vdc的基波分量的振幅之比的调制率PMF只能提高到O. 78倍为止。
另一方面，矩形波控制方式在上述固定期间内将高电平期间以及低电平期间之比为1:1的I个脉冲的矩形波施加给交流旋转机。由此，能够将调制率PMF提高到I。另外，过调制PWM控制方式是在正弦波状的电压指令值的振幅比载波的振幅还大的情况下的调制方式，在使电压指令值的振幅缩小地变形的基础上进行与正弦波PWM控制方式相同的PWM 控制。能够使基波分量变形，因此能够将调制率PMF在O. 78^1的范围内提高。
在交流旋转机3中，因为当转数、输出转矩增加时交流旋转机3的感应电压变高， 所以需要加大电力变换器2的电压指令。因而，在稳态控制中进行按照基于如下控制方式的矢量控制的交流旋转机的电流控制在感应电压比电力变换器2的最大值输出电压低的区域中是正弦波PWM控制方式、当电压指令进一步变大时是过调制PWM控制方式。另一方面，当感应电压达到电力变换器2的最大值输出电压时，在维持其最大值输出电压的基础上适用按照减弱磁场控制的矩形波控制方式。
然而，在起动控制中，需要在不知道交流旋转机3的自由运转(free-running)速度以及相位的状态下实施交流旋转机3的电流控制，与稳态控制相比需要可靠地实施交流旋转机3的电流控制。在这点上，由于正弦波PWM控制方式对载波的半周期可靠地开关一次，因此能够以所设计的控制响应来进行电流控制。然而，因为在过调制PWM控制方式中， 电压指令的基本波大于载波，在这期间电力变换器2的开关不进行通断，因此导致电流控制响应下降。在通过这样的过调制PWM控制方式进行起动控制的情况下，导致控制系统不稳定，无法实施起动控制。
因此，在本实施方式中，为了在起动控制中可靠地实施交流旋转机3的电流控制， 使得一定能够以正弦波PWM控制方式实施起动控制时的电流控制，为此在起动控制过程中校正电流指令id*使得电压指令vd*、vq*的交流电压振幅为电力变换器2的最大输出电压以下的固定值。具体地说，在后述的电压固定控制器18中，运算对电流指令id*进行校正的d轴电流校正值dv使得起动控制过程中的调制率PMF在I以下、或者0.78 ( SlnM 下，通过在起动控制中实施减弱磁通控制，由此实现稳定的起动控制。
此外，这里，电力变换器2的最大输出电压(三相交流相电压的瞬时振幅最大值)相对于对电力变换器2输入的 输入直流电压Vdc而成为VdcX 2/π的值。这与调制率PMF=I 相当。另外，在将调制率PMF设为0.78( W/π)的情况下，电力变换器2的最大输出电压成为Vdc X 1/2的值。因此，为了使调制率PMF为I以下，只要校正电流指令id*使得起动控制过程中的电压指令vd*、Vq*的交流电压振幅为电力变换器2的输入直流电压Vdc的2/ π 倍以下的值即可。另外，为了使调制率PMF为0.78 ( Α/π)以下，只要校正电流指令id* 使得起动控制过程中的电压指令vd*、vq*的交流电压振幅为电力变换器2的输入直流电压 Vdc的1/2倍以下的值即可。
接着，对交流旋转机的控制装置的工作进行说明。首先，对稳态控制时的无传感器矢量控制的工作进行说明，之后对起动控制的工作进行说明。首先，根据图2对交流旋转机的控制装置的稳态控制时的工作进行说明。图2是以虚线表示图1所示的交流旋转机的控制装置的框图中的稳态控制时不工作的部分的图。交流旋转机的控制装置的稳态控制以图 2的实线的路径来进行。
电流指令器11接受转矩指令τ *来生成电流指令id*、iq*，将该电流指令id*、 iq*提供给电流控制器12。电流控制器12接受来自电流指令器11的电流指令id*、iq*、来自后述的电压固定控制器18的d轴电流校正量dV、来自后述的三相/d-q轴坐标变换器 14的d轴电流检测值id以及q轴电流检测值iq，产生d轴电压指令vd*以及q轴电压指令vq*，使得d轴电流检测值id与d轴电流指令id*和d轴电流校正量dV之和相等、另外使q轴电流检测值iq与q轴电流指令iq*相等。
d-q轴/三相坐标变换器13是从包含正交的d轴以及q轴的旋转二轴坐标向三相时间坐标进行变换的坐标变换器。d-q轴/三相坐标变换器13接受来自电流控制器12的电压指令vd*、vq*、来自后述的积分器15的推定旋转相位Θ est、以及作为来自电压检测器 5的电压检测值的输入直流电压Vdc，按(I)式运算施加在交流旋转机3的端电压的调制率 PMF。
权利要求
1.一种交流旋转机的控制装置，其特征在于，具备 控制单元，根据电流指令产生电压指令，并根据所述电压指令产生开关指令； 电力变换器，根据所述开关指令产生交流电压，并将所述交流电压施加到交流旋转机； 电压检测器，检测所述电力变换器的输入直流电压；以及 电流检测器，检测流经所述交流旋转机的交流电流， 其中，所述控制单元具有稳态速度运算器和运行开始速度运算器，所述稳态速度运算器在所述交流旋转机的稳态控制过程中，根据所述交流电流以及所述电压指令来运算所述交流旋转机的旋转角频率，所述运行开始速度运算器在所述交流旋转机的运行开始后的规定的期间内的起动控制过程中，根据所述交流电流以及所述电压指令来运算所述交流旋转机的旋转角频率， 在所述起动控制过程中，校正所述电流指令使得所述电压指令的交流电压振幅为所述电力变换器的最大输出电压以下的固定值。
2.根据权利要求1所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于， 所述起动控制过程中的所述电压指令的交流电压振幅为所述电力变换器的输入直流电压的2/Ji倍以下的值。
3.根据权利要求1所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于， 所述起动控制过程中的所述电压指令的交流电压振幅为所述电力变换器的输入直流电压的1/2倍以下的值。
4.根据权利要求1所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于， 所述控制单元切换所述稳态控制过程中的所述电压指令的交流电压振幅的最大设定值、和所述起动控制过程中的所述电压指令的交流电压振幅的最大设定值。
5.根据权利要求4所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于， 所述控制单元将所述稳态控制过程中的所述电压指令的交流电压振幅的最大设定值设定为所述电力变换器的输入直流电压的2/倍的值，将所述起动控制过程中的所述电压指令的交流电压振幅的最大设定值设定为所述电力变换器的输入直流电压的1/2倍的值。
6.根据权利要求1飞中的任一项所述的交流旋转机的控制装置，其特征在于， 所述控制单元具有开始相位设定器， 所述开始相位设定器在所述交流旋转机的运行开始后的规定的期间内的起动控制过程中，根据所述交流电流来运算所述交流旋转机的旋转相位。
全文摘要
为了获得能够可靠且稳定地进行交流旋转机、特别是使用了永久磁石的同步电动机的无位置传感器矢量控制中的起动的交流旋转机的控制装置，交流旋转机的控制装置具有稳态速度运算器16，在交流旋转机3的稳态控制过程中根据交流电流以及电压指令来运算交流旋转机3的旋转角频率；以及运行开始速度运算器17，在交流旋转机3的运行开始后的规定的期间内的起动控制过程中，根据交流电流以及电压指令来运算交流旋转机3的旋转角频率，在起动控制过程中，校正电流指令使得电压指令的交流电压振幅为电力变换器2的最大输出电压以下的固定值。
文档编号H02P27/04GK103026612SQ20118003642
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月26日 优先权日2010年7月27日
发明者加藤将, 山崎尚德, 畠中启太, 北中英俊, 山下良范 申请人:三菱电机株式会社