专利名称：控制永磁铁同步电动机的d轴电流的电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机控制装置，其为了迅速并且稳定地生成永磁铁同步电动机 的转矩，而进行独立地控制永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流的向量控制，其中该永 磁铁同步电动机具有设置有绕组和永磁铁中的一方的定子和设置有另一方的可动元件。
背景技术：
进行向量控制的电动机控制装置例如对通过变换器、滤波电容器和逆变器而被施 加了来自电源(例如三相交流电源)的交流电压的电动机进行控制。在该情况下，电动机控 制装置根据流过电动机的电流(例如U相电流、V相电流和W相电流)和电动机的可动元件 (例如转子)的位置(例如旋转角度)，检测永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流，并且根 据来自上位控制电路(例如CNC (数值控制装置))等的各种指令等，生成q轴电流指令值和 d轴电流指令值。另外，电动机控制装置根据检测出的q轴电流和q轴电流指令值之间的 差、检测出的d轴电流和d轴电流指令值之间的差，生成PWM信号，为了驱动电动机而将PWM 信号输出到逆变器。
以前，在进行向量控制的电动机控制装置中，为了能够在铁损耗变大的高速时也 能够高效地驱动电动机，例如如日本特开2008-236948号公报(JP2008-236948A)所记载的 那样，提出了一种电动机控制装置，其生成电动机的铁损耗和铜损耗的合计为最小的d轴 电流指令值。
在通过电动机控制装置控制在定子(例如stator)和可动元件(例如转子)的任意 一方上设置有永磁铁的永磁铁同步电动机的情况下，会因过热而造成永磁铁的热减磁，永 磁铁同步电动机有时无法迅速并且稳定地生成转矩。因此，为了避免因过热造成的永磁铁 的热减磁的情况，必须尽量地减小永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量。
但是，在生成铁损耗和铜损耗的合计为最小的d轴电流指令值的现有的电动机控 制装置中，在设置有永磁铁的定子或可动元件中集中产生损耗的情况下，永磁铁成为过热 状态，有时产生永磁铁的热减磁。发明内容
作为一个形式，本发明提供一种电动机控制装置，其能够避免因过热而造成永磁 铁同步电动机的永磁铁的热减磁的情况。
根据本发明的一个形式，电动机控制装置具备q轴电流和d轴电流检测部，其根 据流过永磁铁同步电动机的第一相的电流、第二相的电流和第三相的电流中的至少二个以 及可动元件的位置，检测永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流，其中，该永磁铁同步电 动机具有设置有绕组和永磁铁中的一方的定子和设置有另一方的可动元件；q轴电流指令 值生成部，其根据与可动元件对应的速度指令值，生成q轴电流指令值；(1轴电流指令值生 成部，其根据可动元件的速度，生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为 最小的d轴电流指令值；驱动部,其根据q轴电流、d轴电流、q轴电流指令值和d轴电流指令值，驱动永磁铁同步电动机。
优选根据与d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数，设定永磁铁 的温度上升量为最小的d轴电流指令值，对可动元件的每个速度设定与d轴电流的值对应 地变化的永磁铁的温度上升量的函数。
优选根据与可动元件的速度对应地变化的d轴电流的值的函数，设定永磁铁的温 度上升量为最小的d轴电流指令值。
优选根据永磁铁同步电动机的涡流损耗和铜损耗，设定与可动元件的速度对应地 变化的d轴电流的值的函数。
优选根据对可动元件的每个速度测定的永磁铁的温度，设定与可动元件的速度对 应地变化的d轴电流的值的函数。
优选通过至少一条直线来近似与可动元件的速度对应地变化的d轴电流的值的 函数。
根据本发明的一个形式，根据可动元件的速度生成永磁铁同步电动机的稳定时的 永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值，因此能够使永磁铁同步电动机的稳定时的 永磁铁的温度上升量成为最小。因此，由于损耗不集中在设置有永磁铁的定子或可动元件 上而永磁铁不会成为过热状态，能够避免因过热造成永磁铁的热减磁的情况。
通过与附图相关联的以下的实施方式的说明，来进一步明了本发明的目的、特征 和优点。在附图中，
图1是具有本发明的实施方式的电动机控制装置的系统的框图。
图2是表示转速和永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的查找表的一个例子的 图。
图3是表示与d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数的图表。
图4是表示与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的值的函 数的图表。
图5是表示用三条直线对与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴 电流的值的函数进行近似所得的函数的图表。
图6是表示与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流的值的函 数的图表。
图7是表示用三条直线对与转速对应地变化的永磁铁的温度上升量为最小的d轴 电流的值的函数进行近似所得的函数的图表。
具体实施方式
参照附图，说明本发明的电动机控制装置的实施方式。
如果参照附图，则图1是具有本发明的实施方式的电动机控制装置的系统的框 图。图1所示的系统具备三相交流电源1、变换器2、滤波用电容器3、逆变器4、永磁铁同步 电动机5、被驱动体6、旋转角度检测部7、转速运算部8、存储器9、电动机控制装置10以及 上位控制装置21。
变换器2例如由多个(三相交流的情况下为6个)整流二极管以及分别与这些整流二极管逆并联的晶体管构成，将从三相交流电源I供给的交流电变换为直流电。滤波用电容器3为了对由变换器2的直流二极管整流了的电压进行平滑化而与变换器2并联连接。逆变器4与滤波用电容器3并联连接，例如由多个(三相交流的情况下为6个)整流二极管以及分别与这些整流二极管逆并联的晶体管构成，通过根据后面说明的PWM信号Vpwm进行晶体管的导通截止动作，而将由变换器2变换后的直流电变换为交流电。永磁铁同步电动机5连接有工作台、臂、可与工作台和臂装卸的工件等被驱动体6，例如用于改变在机床中保持工件的工作台的位置、姿势，但也可以用于使机器人的臂进行旋转操作等。在本实施方式中，将永磁铁同步电动机5设为旋转型伺服电动机,该旋转型伺服电动机具有安装有旋转角度检测部7的具有旋转轴51的作为可动元件的转子52 ;配置为围住转子52的作为定子的定子53。转子52具有间隔90 °配置的4个永磁铁54a、54b、54c、54d。永磁铁54a、54b、54c、54d被配置成定子53侧的端部相对于转子52的旋转方向相互离开90度，并且永磁铁54a、54b、54c、54d的外侧的端部交替地成为N极、S极、N极和S极。定子53具有间隔120°配置的3个绕组55u、55v、55w，它们分别被供给作为第一相的电流、第二相的电流、第三相的电流的U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw。因此，永磁铁同步电动机5作为三相同步电动机而发挥作用。在本实施方式中，定子53具有线圈(绕组55u、55v、55w)，成为接受电力的一次侧，转子52具有磁铁(永磁铁54a、54b、54c、54d)，成为从一次侧接受力的二次侧。旋转角度检测部7由检测转子52的旋转角度Θ作为可动元件的位置的旋转编码器构成。转速运算部8被输入旋转角度Θ，通过按照时间对旋转角度Θ进行微分，运算出相当于U相电流IU、V相电流Iv和W相电流Iw的频率的转子52的转速ω作为可动元件的速度，并将转速ω输出到电动机控制装置10。存储器9，如图2所示那样，存储转速ω, (k=l，2……η)和永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量△ T为最小的d轴电流值IdkCk=I, 2,……η)的查找表。对于各个转速(k=l, 2......η),使用有限要素法(Finite Element Method)分
析计算出与d轴电流Id的值对应地变化的温度上升量AT的函数，可以通过图3所示那样的图表来表示。因此，可以使用图3所示那样的图表，对于各个转速ω, (k=l，，2……η)预先求出d轴电流值Idk (k=l，2，……η)的值，使用求出的d轴电流值Idk (k=l，2，……η)构成图2所示的查找表。另外，在图3所示的图表中，在永磁铁同步电动机5的q轴电流Iq的值是恒定(例如O)的条件下，设定了与永磁铁同步电动机5的d轴电流Id的值对应地变化的温度上升量AT的函数，但由于温度上升量AT也相对于q轴电流I,的值的变化而变化，所以在求出d轴电流值Idk (k=l，2，……η)的值时也可以考虑q轴电流Iq的值。因此，根据与d轴电流Id的值对应地变化的温度上升量Λ T的函数，来设定d轴
电流值Idk (k=l,2, ......η)的值,对每个转速cok (k=l,2......η)设定与d轴电流Id的值
对应地变化的温度上升量AT的函数。
另一方面，在转子52的磁损耗中，涡流损耗是支配性的、在转子53中铜损耗是支配性的情况下，通过以下的公式来表示温度上升量ΛΤ，
AT={aIq2+b (c+Id)2}o2+d (Iq2+Id2)(I)其中，a、b、C、d是根据永磁铁同步电动机的形状、材质和冷却条件决定的常数。在决定常数a、b、c、d时，在温度上升量Λ T的测量、仿真(例如磁性分析)中，改变d轴电流Id的值和q轴电流I,的值的同时求出温度上升量AT，通过使用最小二乘法等的近似，来选择温度上升量Λ T与公式(I)的残差为最小的常数a、b、C、d。用d轴电流Id对公式(I)进行偏微分，将左边设为0，由此能够通过下式表示永磁铁同步电动机5的稳定时的永磁铁54a、54b、54c、54d的温度上升量AT为最小的d轴电流
权利要求
1.一种电动机控制装置(10)，其进行独立地控制永磁铁同步电动机(5)的q轴电流和d轴电流的向量控制，该电动机控制装置的特征在于，包括 q轴电流和d轴电流检测部(11 )，其根据流过永磁铁同步电动机的第一相的电流、第二相的电流和第三相的电流(I!、Iv、Iw)中的至少二个以及可动元件的位置(Θ )，检测永磁铁同步电动机的q轴电流(Iq)和d轴电流(Id)，其中，该永磁铁同步电动机具有设置有绕组(55u、55v、55w)和永磁铁(54a、54b、54c、54d)中的一方的定子(53)和设置有另一方的可动元件(52)； q轴电流指令值生成部(12)，其根据与可动元件对应的速度指令值(ω ■)，生成q轴电流指令值(I_m); d轴电流指令值生成部(13)，其根据可动元件的速度(ω)，生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值(Idram)； 驱动部(14)，其根据上述q轴电流、上述d轴电流、上述q轴电流指令值和上述d轴电流指令值，驱动上述永磁铁同步电动机。
2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于 根据与上述d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数，设定永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值，对可动元件的每个速度设定与上述d轴电流的值对应地变化的永磁铁的温度上升量的函数。
3.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于 根据与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数，设定永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值。
4.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于 根据永磁铁同步电动机的涡流损耗和铜损耗，设定与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数。
5.根据权利要求3所述的电动机控制装置，其特征在于 根据对可动元件的每个速度测定的永磁铁的温度，设定与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数。
6.根据权利要求3 5的任意一项所述的电动机控制装置，其特征在于 通过至少一条直线来近似与可动元件的速度对应地变化的上述d轴电流的值的函数。
全文摘要
本发明提供的电动机控制装置进行独立地控制永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流的向量控制。该电动机控制装置具备检测永磁铁同步电动机的q轴电流和d轴电流的q轴电流和d轴电流检测部；生成q轴电流指令值的q轴电流指令值生成部；生成永磁铁同步电动机的稳定时的永磁铁的温度上升量为最小的d轴电流指令值的d轴电流指令值生成部；以及驱动永磁铁同步电动机的驱动部。
文档编号H02P21/00GK103051270SQ20121038445
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月11日 优先权日2011年10月12日
发明者赤迫阳一 申请人:发那科株式会社