电动机的控制装置制造方法
【专利摘要】本发明的电动机的控制装置具备驱动电动机的电动机驱动部、电流矢量控制部、弱磁电流指令生成部、以及目标指令限制器或者q轴电流指令限制器。电流矢量控制部按照来自外部的目标指令值将电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制。弱磁电流指令生成部基于来自电流矢量控制部的针对电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差，来生成对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令。目标指令限制器基于d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定来自外部的目标指令值的限制值。
【专利说明】电动机的控制装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在使用电流矢量控制的电动机的控制装置中进行弱磁控制、指令限制从而在电压饱和区域附近使电动机进行电动运行(日语:力行)动作或再生动作的技术。
【背景技术】
[0002]一般来说，作为控制电动机的电流的方法，使用将电动机的电流分离成有助于转矩的q轴电流分量以及与其正交的d轴电流分量来进行控制的矢量控制。矢量控制部接收来自外部的指令，计算针对电动机驱动部的指令电压，该电动机驱动部向电动机提供电力。
[0003]存在以下的现象:在来自外部的指令的值变大等情况下，该指令电压超过电动机驱动部所能够提供的电压。将该现象称为电压饱和。电动机的转速越大，越容易发生电压饱和。这是由于，电动机旋转过程中产生的感应电压与转速成正比地上升，为了以提供电压来弥补该感应电压的上升，电动机的端子间电压也同样上升。另外，在负荷大的情况下或电源电压低的情况下，提供电压余裕也会变小，因此容易发生电压饱和。
[0004]若成为电压饱和状态，则在进行电动运行动作时无法使q轴电流增加，转矩降低或者电流控制器的积分项饱和(wind up)，静态特性、动态特性劣化。另外，在进行再生动作时，流过比指令值大的q轴电流，产生过电流和过电压、过大的制动转矩而安全性降低。
[0005]作为抑制电压饱和的手段，使用以下的弱磁控制:通过流通负的d轴电流，来减少永磁体所产生的磁通,从而抑制感应电压的增加。
[0006]作为以往的弱磁控制的例子，存在以下的闭环弱磁控制:具备电压饱和的检测单元，对与由该检测单元检测出的饱和量相当的信号或者适当的固定值进行积分，将该积分值作为d轴电流指令输出到电流控制器(作为例子，参照专利文献I)。
[0007]但是，若将负的d轴电流继续增加，则电压降低效果变小，不久电压从减少转为增力口。电压转为增加的边界即为上述弱磁控制的极限点。在该极限点，电动机端子间电压的余裕最大。即，成为能够流动的q轴电流和能够输出的转矩最大的状态(下面有时将电动机所能够输出的最大转矩称为极限转矩)。
[0008]极限转矩并不固定，其根据电动机的状态而变化。感应电压越大，电动机端子间电压的余裕越小，因此极限转矩随着转速上升而降低。因此，存在以下的情况:原本在低速域能够输出的转矩在高速域即使进行弱磁控制也无法输出。
[0009]当要输出比极限转矩大的转矩时，会成为电压饱和状态，发生转矩跟踪误差、饱和(wind up)，从而招致控制的不稳定化、特性劣化。另外，若在电压饱和状态下使用上述闭环弱磁控制，则d轴电流指令会向负的方向发散，控制变得不稳定。
[0010]作为针对该输出极限的现有技术的例子，有专利文献2。图14表示基于专利文献2所记载的现有技术的电动机的控制装置的框图。该控制装置具备电流矢量控制部103、饱和检测器904、饱和积分器905、d轴电流上限值运算部108、d轴电流指令限制器109、目标指令的限制值运算部914、目标指令限制器110。电流矢量控制部103按照来自外部的转矩指令Ttl*控制电动机101的电流。饱和检测器904基于从电流矢量控制部103向电动机驱动部102的电压指令vd*和vq*来检测有无电压饱和。饱和积分器905基于从饱和检测器904输出的饱和检测信号来进行积分运算，生成作为负的d轴电流指令的弱磁电流指令ids。*。d轴电流上限值运算部108和d轴电流指令限制器109基于电动机驱动部102所能够提供的电压Vc和电动机101的转速ω来设定弱磁电流指令的负的上限值idslmt。目标指令的限制值运算部914基于上述Vc、ω、Idslfflt来设定极限转矩值τ lmt*。
[0011]根据上述的结构，通过弱磁控制来抑制电压饱和，将来自外部的指令转矩Ttl*限制为电动机所能够输出的极限转矩τ1π?*，因此能够在整个运行区域内消除电压饱和。另外，将弱磁电流指令ids*限制为用于得到极限转矩τ lmt*的弱磁电流指令的上限值idslmt，因此也能够避免d轴电流指令的发散。
[0012]然而，在专利文献2的方法中，基于电动机驱动部102所能够提供的电压Vc、电动机101的转速ω以及弱磁电流指令的负的上限值idslmt，并使用包含电感等电动机固有的常数的计算式来计算电动机101所能够输出的极限转矩Tlnit*。因此，在存在运行状态所引起的电感的变动、每个电动机的电动机常数的偏差的情况下，无法正确地计算极限转矩
[0013]当由于该计算误差而极限转矩Tlmt*被设定为比实际的极限转矩大的值时，会基于比实际的极限转矩大的转矩指令τ *来进行电流控制，从而存在无法消除电压饱和的情况。
[0014]另外，反之，在转矩限制值Tlmt*被设定为比实际的极限转矩小的值的情况下，会过量地限制转矩指令τ *，从而存在无法得到足够的转矩的情况。
[0015]专利文献1:日本特开平11-27996号公报
[0016]专利文献2:日本特开2003-209996号公报
[0017]专利文献3:日本特开2006-254572号公报
【发明内容】
[0018]本发明的电动机的控制装置具备驱动电动机的电动机驱动部、电流矢量控制部、弱磁电流指令生成部、以及目标指令限制器或者q轴电流指令限制器。电流矢量控制部按照来自外部的目标指令值将电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制。弱磁电流指令生成部基于来自电流矢量控制部的针对电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差，来生成对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令。目标指令限制器基于d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定来自外部的目标指令值的限制值。q轴电流指令限制器设定对q轴电流的量进行控制的q轴电流指令的限制值。
[0019]通过该结构，即使在输入了超过电动机的可输出极限的目标指令值的情况下，也能够使d轴电流指令保持为上限值、并将目标指令值或者q轴电流指令自动且正确地限制为可输出极限。其结果，即使存在电动机常数的变动、偏差，也能够消除电压饱和，而且能够维持电动机的可输出极限来进行驱动。
【专利附图】
【附图说明】[0020]图1是本发明的实施方式I中的电动机的控制装置的框图。
[0021]图2是本发明的实施方式I中的电动机的控制装置的变形例的框图。
[0022]图3是本发明的实施方式I中的电动机的控制装置的变形例的框图。
[0023]图4是本发明的实施方式2中的电动机的控制装置的框图。
[0024]图5是本发明的实施方式3中的电动机的控制装置的框图。
[0025]图6是本发明的实施方式4中的电动机的控制装置的框图。
[0026]图7是本发明的实施方式5中的电动机的控制装置的框图。
[0027]图8A是本发明的实施方式5中的简要框图。
[0028]图8B是本发明的实施方式5中的变形例的简要框图。
[0029]图9是嵌入永磁体型同步电动机中的电流矢量轨迹的图。
[0030]图10是表面永磁体型同步电动机中的电流矢量轨迹的图。
[0031]图11是嵌入永磁体型同步电动机中的再生时动作时的电流矢量轨迹的图。
[0032]图12是本发明的实施方式3中的电流矢量轨迹的图。
[0033]图13是本发明的实施方式5中的速度轨迹的图。
[0034]图14是基于现有技术的电动机的控制装置的框图。
【具体实施方式】
[0035]下面，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于该实施方式。
[0036](实施方式I)
[0037]图1是本发明的实施方式I中的电动机的控制装置的框图。图1表示按照来自外部的转矩指令Ttl*对永磁同步电动机(以下有时称为“PMSM”或者仅称为“电动机”。)101进行驱动的装置的驱动控制系统。
[0038]下面说明各部的动作。本实施方式中的电动机的控制装置具备电动机驱动部102、电流矢量控制部103、弱磁电流指令生成部105、d轴电流上限值运算部108、d轴电流指令限制器109、目标指令限制器110、通常区域d轴电流指令设定部111、d轴电流指令相加部112、q轴电流指令生成部113。另外，弱磁电流指令生成部105由输出电压运算部104、积分器106、比例器107构成。
[0039]电动机驱动部102进行2相-3相转换的处理和电力转换的处理，在该2相_3相转换的处理中，将分别针对PMSM的励磁方向即d轴和与其正交的方向即q轴的电压指令vd*、vq*转换为向PMSM的U相、V相、W相提供的3相电压指令，在该电力转换的处理中，按照该3相电压指令在PMSM各相中产生实际的电压。
[0040]电流矢量控制部103以对d轴电流的量进行控制的d轴电流指令id*的值与d轴电流值的误差为零的方式生成d轴电压指令vd*。另外，电流矢量控制部103以对q轴电流的量进行控制的q轴电流指令iq*的值与q轴电流值的误差为零的方式生成q轴电压指令vq*。作为生成d轴电压指令vd*和q轴电压指令vq*的生成手段,例如有PI控制。
[0041]通常区域d轴电流指令设定部111生成不发生电压饱和的运行区域中的d轴电流指令idu*。生成规则并没有特别限定，例如有最大转矩/电流比运行、最大效率运行等。在不发生电压饱和的运行区域中，用于以下用途:以使电动机的铜损、铁损减小的方式调整电流相位。或者也可以单纯输出idu*=0，在不发生电压饱和的运行区域使d轴电流始终保持为零。
[0042]q轴电流指令生成部113生成用于使PMSM的转矩跟踪转矩指令τ *的q轴电流指令iq*。作为生成规则，例如使用表示PMSM的输出转矩与电流的关系的(式I)。在(式
I)中，Ld和Lq是d轴和q轴的电感，P是PMSM的极对数，Ψ0是永磁体所产生的电枢交链磁通，τ是转矩，id和iq是d轴和q轴的电流。
[0043][式I]
[0044]τ =Ρ{ ψ0.iq+(Ld-Lq).id.iq}
[0045]在本实施方式中，在q轴电流指令生成部113内部安装有(式I)或基于该式的数据表，并基于转矩指令τ *和d轴电流指令id*来生成q轴电流指令iq*。
[0046]输出电压运算部104将从电流矢量控制部103向电动机驱动部102的电压指令vd*和vq*代入到(式2),运算电压指令的绝对值I V* I。
[0047][式2]
【权利要求】
1.一种电动机的控制装置，具备: 电动机驱动部，其驱动电动机； 电流矢量控制部，其按照来自外部的目标指令值将上述电动机的电流分离成正交的d轴电流和q轴电流来进行控制； 弱磁电流指令生成部，其基于来自上述电流矢量控制部的针对上述电动机驱动部的电压指令的绝对值与第一规定基准值之差或者上述电压指令的q轴分量与第二规定基准值之差，来生成对上述d轴电流的量进行控制的d轴电流指令；以及 基于上述d轴电流指令比负的上限值超出的值来设定上述来自外部的目标指令值的限制值的目标指令限制器、或者设定对上述q轴电流的量进行控制的q轴电流指令的限制值的q轴电流指令限制器。
2.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于， 还具备滤波器，该滤波器对上述来自外部的目标指令值或者上述q轴电流指令进行平滑化。
3.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于， 还具备电流限制器，该电流限制器根据上述d轴电流指令的大小来限制上述q轴电流指令的大小，使得将上述d轴电流指令与上述q轴电流指令合在一起所得的电动机的电流指令矢量的大小不超过规定的值。
4.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于， 上述弱磁电流指令生成部的上述第二规定基准值是使用针对上述电动机驱动部的上述电压指令的d轴分量对上述第一规定基准值进行校正而得到的。
5.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于， 将上述d轴电流指令的上限值设定为零。
【文档编号】H02P21/00GK103718451SQ201280038804
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年8月10日
【发明者】佐佐木隆太, 岸本宪一 申请人:松下电器产业株式会社