同步电动机控制系统的制作方法
【专利摘要】在将同步电动机从120度通电方式切换到180度通电方式时，存在在比切换速度小的速度附近120度通电方式中电流相位提前、功率因数变差的问题。本发明提供一种能够在从停止状态到中高速区域的广大速度范围中进行转矩冲击小的无缝驱动的同步电动机控制系统。在该控制系统中，以120度通电方式起动同步电动机，之后切换到180度通电方式来进行驱动，其设置有在从120度通电方式向180度通电方式切换时改善120度通电中的功率因数的功率因数改善单元，从该功率因数改善后的120度通电方式切换到180度通电方式来驱动同步电动机。
【专利说明】同步电动机控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及同步电动机的驱动系统，具体地涉及适合于在不使用位置传感器下推测转子的磁极位置来控制同步电动机的转数和转矩的方式的同步电动机控制系统。
【背景技术】
[0002]在家电领域、工业机器领域、汽车领域等【技术领域】中，电动机驱动装置被用于风扇、泵、压缩机、输送带、升降机等的转速控制以及转矩辅助控制、定位控制等中。
[0003]这些【技术领域】的电动机驱动装置中广泛使用有利用永磁铁的小型且高效率的同步电动机。而且，为了驱动同步电动机，需要电动机转子的磁极位置信息，因此需要检测磁极位置的旋转变压器或霍尔IC等位置传感器。
[0004]而近年来，在不使用这样的位置传感器下进行同步电动机的转数控制和转矩控制的“无传感器控制”的技术得到普及。通过该无传感器控制的实用化，能够削减设置位置传感器所需的费用(传感器本身的成本和传感器布线所需的费用)，此外，能够得到因不需要传感器而使装置小型化、和在恶劣环境中的使用变得可能等较大的效果。
[0005]当前，同步电动机的无传感器控制采用:直接检测转子旋转产生的感应电压(速度电动势)作为转子的位置信息以进行同步电动机的驱动的方式；或者根据作为对象的电动机的数学模型推测转子位置的位置推测方式等。
[0006]然而，虽然无传感器控制具有能够削减设置位置传感器所需的费用、因不需要传感器而使装置的小型化、和在恶劣环境中的使用变得可能等较大的效果，但此类无传感器控制在低速运行时的位置检测方法中存在较大问题。
[0007]具体而言，当前实用化的大多数无传感器控制由于基于同步电动机产生的感应电压(速度电动势)，因此存在在感应电压小的零速度附近(实质的停止状态)或低速区域中感应电压的检测灵敏度降低、位置信息被淹没在噪声中的问题。
[0008]对于这样的问题，例如日本特开2009-189176号公报(专利文献I)提出了基于同步电动机的120度通电控制来实现的低速区域中的无传感器控制方式，在速度电动势较小的低速区域中基于非通电相(开路相)的电动势来推测转子的相位和速度，可控制同步电动机。
[0009]此外，在日本特开2004-048886号公报(专利文献2)中，在低速区域中应用以将施加到同步电动机的电压(V)与频率(F)的关系控制为恒定的第一控制系(V/F恒定控制系)，在中高速区域中应用控制同步电动机的驱动电压的振幅和相位的第二控制系(电压矢量控制系)，根据同步电动机的速度来切换两种驱动方式，在从停止状态到高速区域的广大速度范围中使高转矩且高性能的控制特性提高。
[0010]进一步地，作为切换驱动方式的结构的以往例子有日本特开2003-111469号公报(专利文献3)。专利文献3中，由于在切换间歇通电(120度通电)驱动与180度通电驱动时，抑制同步电动机的转数波动，因此，对一方的驱动方式中的切换时的驱动信号进行修正来作为另一方的驱动方式的驱动信号，从而实现控制的稳定化。[0011]现有技术文献
[0012]专利文献
[0013]专利文献1:(日本)特开2009-189176号公报
[0014]专利文献2:(日本)特开2004-048886号公报
[0015]专利文献3:(日本)特开2003-111469号公报
【发明内容】
[0016]发明要解决的技术问题
[0017]然而，在上述以往技术中，例如在专利文献I的发明中，虽然在同步电动机停止或低速区域中能够获得良好的控制性能，但在到中高速区域的广大速度范围中由于速度感应电压增大，非通电相(开路相)电动势的阈值产生误差，电流波形失真，功率因数降低，导致存在无法对同步电动机进行高转矩、高性能的控制的问题。
[0018]另一方面，专利文献2的发明中，虽然到中高速区域的广大速度范围中能够获得良好的控制性能，但在利用现有技术的V/F恒定控制的低速区域中，转矩特性变差，易于失步，并且存在无法实现向中高速方式的转矩冲击小的平滑切换，即存在无法实现无缝驱动的问题。
[0019]此外，专利文献3的发明中，能够通过在驱动方式切换时进行驱动信号的修正以抑制转数波动，但由于未考虑到此时的电流相位，存在因在切换前后电流波形失真而导致转矩脉动增大的问题。此外，对于在停止、低速区域中的无位置传感器以及切换驱动时的对策没有任何说明。
[0020]本发明的目的在于提供一种同步电动机的控制系统，其能够在从停止或低速状态到中高速区域的广大速度范围内高精度地推测相位和速度，并且能够通过进行转矩冲击小的无缝驱动来实现高性能的控制特性。
[0021]用于解决技术问题的手段
[0022]本发明为一种同步电动机的控制系统，其特征在于:以120度通电方式起动同步电动机，之后在转速达到规定值以上的情况下切换到180度通电方式来进行驱动，其设置有在从120度通电方式向180度通电方式切换时改善120度通电中的功率因数的功率因数改善单元，从该功率因数改善后的120度通电方式切换到180度通电方式来进行驱动。
[0023]发明的效果
[0024]通过本发明，能够提供一种同步电动机的控制系统，其能够在从停止到中高速区域的广大速度范围内进行转矩冲击小的无缝驱动，能够实现高性能的控制特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是表示本发明的一个实施例的同步电动机的驱动系统的框图。
[0026]图2是对同步电动机的两相施加脉冲电压时的示意图。
[0027]图3是表示与图2所示的脉冲电压施加相伴的在非通电相(开路相)产生的感应电压的特性图。
[0028]图4是与通电模式对应的在开路相产生的感应电压的特性图。
[0029]图5是表示与通电模式对应的非通电相(开路相)电压与基准电压(阈值)的关系的特性图。
[0030]图6是表示图1所示的基准电平切换器的结构的结构图。
[0031]图7是表示图1所示的相位量化器的通电模式的通电模式图。
[0032]图8是表示流过图1所示的同步电动机的相电流波形的波形图。
[0033]图9是表示作为本发明其它实施例的同步电动机的驱动系统的主要部件的相位及速度推测部的结构的框图。
[0034]图10是表示作为本发明另一实施例的同步电动机的驱动系统的主要部件的相位及速度推测部的结构的框图。
[0035]图11是表示本发明另一实施例的同步电动机的驱动系统的结构的框图。
[0036]图12是表示与本发明的同步电动机的驱动系统中的同步电动机的转速对应的、表示通电方式与相位推测方式的组合的区域的区域说明图。
【具体实施方式】
[0037]以下利用图1至图11说明本发明的实施例，在各图中共通的符号表示同一物体或功能等同的部件。
[0038]此外，在此对于转子中使用永磁铁的同步电动机表示有作为控制对象的同步电动机，但本发明的技术思想也可适用于其它同步电动机(例如，转子中使用励磁绕组或通过磁阻转矩进行驱动的电动机等)，能够获得大致相同的效果。
[0039]实施例1
[0040]图1是表示本发明第一实施例的同步电动机的驱动系统的结构的框图。如图1所示，作为第一实施例的同步电动机的驱动系统具有:作为控制对象的同步电动机4 ;与该同步电动机4相连接、由多个开关元件构成的电力转换器(所谓逆变器装置)2 ;和对该电力转换器2输出电压指令以控制同步电动机4的由多个功能部件构成的控制器。
[0041]该控制器构成为具备如下单元:从同步电动机4的三相绕组中选择通电的两相来施加脉冲电压，基于脉冲施加时的非通电相(即开路相，以下称为非通电相)的电动势推测相位(转子的磁极位置)和速度的单元(模式切换触发器8、速度转换器20)，和基于同步电动机的速度电动势推测相位和速度的单元(相位及速度推测部15)两个推测单元；分别切换两个推测单元的切换单元(201b);以120度通电方式驱动同步电动机的驱动单元(作为120度通电方式部的控制器30)和以180度通电方式驱动同步电动机的驱动单元(作为180度通电方式部的控制器31)两个驱动单元；分别切换两个驱动单元的切换单元(201a)。
[0042]首先，针对在停止/低速区域中的停止/低速区域控制装置部的结构和控制方式进行说明。
[0043]该停止/低速区域控制装置部具备:输出同步电动机4的施加电压指令V*的电流控制运算部(I) Ia ;运算向同步电机4施加的电压并生成向电力转换器2供给的脉冲宽度调制波(PWM)信号的脉冲宽度调制部(I) 12a ;接收脉冲宽度调制部(I) 12a的信号并通过栅极驱动器7产生交流电压的电流转换部2 ;和由这些电压控制的同步电动机4。
[0044]在电流控制运算部(I) Ia中，根据对从未图示的上级控制装置发来的第一 q轴电流指令值Iq*和q轴电流检测值Iqc通过加法器23a进行运算后得到的电流指令值，向同步电动机4输出施加电压指令V*。[0045]在脉冲宽度调制部(I) 12a中，基于电压指令V*来生成脉冲宽度调制后的120度通电波。在通电模式决定器6中，依次输出决定构成电力转换器2的主电路部的6种开关模式的指令。
[0046]在栅极驱动器7中，直接驱动电力转换器2的主电路部的各开关元件，向同步电动机4施加与电压指令V*相当的电压。
[0047]此外，通电模式决定器6根据切换开关201b产生的信号来切换通电模式。进一步地，切换开关201b也为选择120度通电方式的模式信号的开关，在低速时使开关接通Lb侦牝基于模式切换触发器8的信号来切换模式。在达到规定以上的速度的情况下，将切换开关201b切换到Hb侧，基于相位及速度推测部15的信号来进行模式切换。
[0048]模式切换触发器8包括:基准电平切换器9;产生作为同步电动机4的非通电相电动势的基准的阈值的比较器11 ;和基于模式指令从同步电动机4的端子电压中选择非通电相的非通电相电位选择部10。
[0049]此外，比较器11的输出经速度转换器20被转换为速度ω 1L，在速度判定器21中判定是否为后述的切换速度Vl或切换速度V2，在速度为切换速度V2以下的情况下，利用控制器30、基于由相位转换部22得到的非通电相电动势的相位、以及速度的推测方式来驱动同步电动机。S卩，将切换开关20la、20Ib切换到低速侧La、Lb。
[0050]此外，控制器30即120度通电方式部从同步电动机4的三相绕组选择两相绕组来施加电压以产生转矩，这两相绕组的组合共有6种，分别定义为通电模式I?通电模式6。在此，三个绕组定义为众所周知的U相、V相、W相。
[0051]图2 (a)表不从V相向W相通电的状态的模式(如下所述对应模式3),同图(b)表示相反地从W相向V相通电的状态的模式。
[0052]对此，使转子的位置角度变化一个周期量的电气角时的作为非通电相的U相中出现的电动势如图3所示，可知U相的电动势因转子位置而变化的情况。
[0053]该电动势并非速度电动势，而是在V相和W相产生的磁通变化率的差异在作为非通电相的U相作为电压而被观测到，区别于速度电动势。
[0054]而且，在图3中可知低速时的由实线所示的正脉冲时的非通电相电压和由虚线所示的负脉冲时的非通电相电动势均比速度电动势Emu大。
[0055]因此，如果作为速度电动势的替代而检测该非通电相的电动势，则同步电动机4的旋转从零速度附近到低速度区域，能够得到较大的转子位置信号。
[0056]图4表不U相、V相和W相作为非通电相时的电动势、构成电力转换器2的开关兀件的栅极信号、同步电动机的旋转相位角Θ d以及通电模式。
[0057]上述图2 (a)、(b)所示的电压脉冲在120度通电的正常动作中被施加，根据相位角Θ d每60度切换通电的两相。即，依次切换非通电相。
[0058]在图4中，通电模式3和通电模式6分别等价于图2 (a)、(b)的状态，此时由于U相为非通电相，作为非通电相的电动势在粗箭头部分出现。即，通电模式3中观测到向负方向减少的电动势，通电模式6中观测到向正方向增加的电动势。
[0059]当然，由于依次地切换非通电相，在V相为非通电相的情况下，通电模式2和通电模式5中非通电相的电动势在粗箭头部分出现，通电模式2中观测到向正方向增加的电动势，通电模式5中观测到向负方向减少的电动势。[0060]同样地，在W相为非通电相的情况下，通电模式I和通电模式4中非通电相的电动势在粗箭头部分出现，通电模式I中观测到向负方向减少的电动势，通电模式4中观测到向正方向增加的电动势。
[0061]图5中表示通电模式与非通电相以及非通电相的电动势的关系，可知每次切换通电模式时非通电相的电动势在正侧和负侧上分别反复上升和降低的情况。因此，在正侧、负侧上分别设定作为阈值的基准电压(Vhp、Vhn)，可根据该基准电压与非通电相的电动势的大小关系推测相位，由此能够产生切换通电模式的触发信号。
[0062]S卩，将基准电压看作表示切换通电模式的规定相位的值，如果实际的非通电相的电动势超过它，在该时刻产生模式切换触发信号来切换通电模式。因此，该基准电压虽为暂定，但具有可足以在停止/低速状态中推测相位的能力。
[0063]这些动作在模式切换触发器8中实现，在非通电相电位选择器10选择与通电模式相应的非通电相并检测该相的电动势。此外，通过图6所示的产生作为正向旋转方向的阈值的基准电压的基准电平切换器9，产生正侧基准电压Vhp和负侧基准电压Vhn。S卩，通过切换开关113在通电模式2、4、6中产生正侧基准电压Vhp，在通电模式1、3、5中产生负侧基准电压Vhn。
[0064]然后，将上面的非通电相电动势以及作为阈值的正侧基准电压Vhp和负侧基准电压Vhn输入到比较器11，进行其值的比较，在非通电相的电动势达到阈值时产生模式切换触发信号，将通电模式向正向旋转方向推进。以上为零速度附近用于产生转矩的基本动作。
[0065]图6中表示产生作为同步电动机4的非通电相电动势基准的基准电压的基准电平切换器9的结构。基准电平切换器9由正侧基准电平设定器111、负侧基准电平设定器112、切换开关113的功能部件所构成。在通电模式指令为通电模式1、3、5的情况下，使切换开关113为状态I侦彳，使作为阈值的基准电压为Vhp，在通电模式指令为模式2、4、6的情况下，使切换开关113为状态2侧，将基准值设定为Vhn。
[0066]比较器11中将该正侧基准电压Vhp和负侧基准电压Vhn与非通电相的电动势的大小相比较，产生通电模式切换的触发信号。由此，根据旋转的转子位置获得合适的电动机驱动转矩。由于非通电相的感应电压并非速度电动势而是基于磁通变化的电动势(变压器电动势)，因此即使在停止或极低速状态下也能够以良好灵敏度检测。
[0067]如上，如果检测非通电相的电动势，则能够以良好精度检测停止状态或极低速时的转子位置。此外也能够基于此求得转速。
[0068]但相对于非通电相的电动势，速度电动势随着转速增大而成为主导，在速度电动势影响较大的中高速区域中灵敏度降低，检测精度下降，因此需要切换驱动方式。
[0069]接着，针对中高速区域中的中高速区域控制装置部的结构和控制方式进行说明，作为不使用位置传感器的技术如日本特开2006-20411号公报有进行矢量控制的方式。
[0070]控制部包括:用于对同步电动机4进行矢量控制的电流控制运算部(II) Ib以及电压矢量控制运算部13 ;根据来自电压矢量控制运算部13的信号和来自相位推测部19的相位推测值Θ c进行坐标转换的坐标转换部14a ;生成向电力转换器2提高的PWM信号的脉冲宽度调制部(II) 12b ;接收脉冲宽度调制部(II) 12b的信号并通过栅极驱动器7产生交流电压的电力转换器2 ;检测流过同步电动机4的三相交流电流Iu、Iv、Iw的电流检测器3 ;和由这些交流电流控制同步电动机4。[0071]坐标转换部14b中，根据三相交流电流Iu、Iv、Iw的检测值Iuc、Ivc、Iwc和来自相位推测部19的相位推测值Θ c，输出d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc0
[0072]轴误差推测运算部17中，基于d轴和q轴的第二电压指令值Vd**、Vq**、速度推测值《1H、d轴和q轴的电流检测值IdC、IqC、和同步电动机的电常数，根据以下公式(式I)进行轴误差的推测并输出推测值△ Θ C，其中轴误差为相位推测值Θ c与同步电动机的d轴相位Θ d的偏差。
[0073]【式I】
【权利要求】
1.一种同步电动机的控制系统，其具备同步电动机、与所述同步电动机相连接且由多个开关元件构成的电力转换器、和对所述电力转换器输出电压指令来控制所述同步电动机的控制器，该同步电动机的控制系统的特征在于，包括: 第一相位推测单元，其从所述同步电动机的三相绕组中选择通电的两相绕组来施加脉冲电压，基于该脉冲施加时的非通电相电动势来推测相位和速度； 基于所述同步电动机的速度电动势来推测相位和速度的第二相位推测单元； 以120度通电方式驱动所述同步电动机的第一驱动单元； 以180度通电方式驱动所述同步电动机的第二驱动单元； 选择所述第一相位推测单元和所述第二相位推测单元的第一选择单元；和 选择所述第一驱动单元和所述第二驱动单元的第二选择单元， 在所述同步电动机的转速为预先设定的规定值Vl以上的情况下，通过所述第一选择单元选择所述第二相位推测单元，并且通过所述第二选择单元选择所述第二驱动单元， 在所述同步电动机的转速为预先设定的规定值Vl以下且为比该规定值Vl低的规定值V2以上的情况下，通过所述第一选择单元选择所述第二相位推测单元，并且通过所述第二选择单元选择所述第一驱动单元， 在所述同步电动机的转速为所述规定值V2以下的情况下，通过所述第一选择单元选择所述第一相位推测单元，并且通过所述第二选择单元选择所述第一驱动单元。
2.如权利要求1所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 基于所述非通电相电动势来推测相位和速度的所述第一相位推测单元由控制器构成，所述控制器从所述同步电动机的三相绕组中选择通电的两相绕组，在6种通电模式中，通过脉冲宽度调制动作对所述电力转换器进行通电控制， 所述控制器包括: 检测所述非通电相的端子电位与所述同步电动机的定子绕组的连接点电位即中性点电位的电位差的电位差单元； 与所述通电相的通电期间同步地对所述检测值进行采样的采样单元； 将所述采样值与基准电压进行电平比较的比较单元；和 根据该比较结果依次地切换通电模式的通电模式切换单元。
3.如权利要求1所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述基于速度电动势推测相位和速度的第二相位推测单元包括: 通过所述电力转换器对所述同步电动机进行矢量控制的电压矢量运算部； 推测轴误差的轴误差推测运算部，所述轴误差为对速度的推测值积分而求出的相位推测部的值与所述同步电动机的磁通轴的值的偏差；和 速度推测部，其控制速度使得所述轴误差的推测值与所述轴误差的指令值一致。
4.一种同步电动机的控制系统，其具备同步电动机、与所述同步电动机相连接并由多个开关元件构成的电力转换器、和对所述电力转换器输出电压指令来控制所述同步电动机的控制器，该同步电动机的控制系统的特征在于: 所述同步电动机的转速区域至少分割成第一区域、第二区域和第三区域，划分所述各区域的转速Vl和V2的关系设定为V2 < VI，使得第一区域<第二区域<第三区域， 在所述第一区域中，以120度通电方式驱动所述同步电动机，并且从所述同步电动机的三相绕组中选择通电的两相绕组来施加脉冲电压,基于所述脉冲施加时的非通电相电动势至少推测相位，基于该相位依次切换所述两相绕组的通电模式， 在所述第二区域中，以120度通电方式驱动所述同步电动机，并且基于所述同步电动机的速度电动势至少推测相位，基于该相位依次切换所述两相绕组的通电模式， 在所述第三区域中，以180度通电方式驱动所述同步电动机，并且基于所述同步电动机的速度电动势至少推测相位，基于该相位对所述三相绕组通电。
5.如权利要求4所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述第二区域的宽度设定为比所述第一区域的宽度和所述第三区域的宽度小的宽度，其中，所述第二区域的宽度为Vl与V2之间的转速范围，所述第一区域的宽度为从停止或极低速到V2之间的转速范围，所述第三区域的宽度为从Vl到额定转速或最大转速之间的转速范围。
6.如权利要求5所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 以所述180度通电方式和所述120度通电方式切换所述同步电动机的驱动方式的转速Vl为所述同步电动机的额定转速或最大转速的10%程度。
7.—种冋步电机的控制系统，其特征在于: 以120度通电方式起动所述同步电机，当转速上升且大于规定转速Vl时，切换为180度通电方式， 设置功率因素改善单元，其在从所述120度通电方式向所述180度通电方式切换时，改善以所述120度通电方式通电中的功率因数即电压与电流的相位差， 从该功率因数改善后的120度通电方式切换到所述180度通电方式来驱动。
8.如权利要求7所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述改善120度通电中的功率因数的单元包括: 电力转换器； 通过电力转换器对同步电动机进行矢量控制的电压矢量运算部； 推测轴误差的轴误差推测运算部，所述轴误差为对速度的推测值积分而求出的相位推测部的值与所述同步电动机的磁通轴的值的偏差；和 速度推测部，其控制速度使得所述轴误差的推测值与所述轴误差的指令值一致。
9.如权利要求8所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述轴误差推测运算部中，使用所述电压矢量运算部的电压指令值、电流指令值或电流检测值、作为同步电动机的电常数的电感值、感应电压常数、所述同步电动机的每一相的绕组电阻值、和速度推测值或速度指令值，来进行轴误差的推测运算。
10.如权利要求8所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述改善120度通电中的功率因数的单元包括: 对所述6种通电模式的切换进行判定的单元；和 在所述通电模式的切换时从通电模式的重叠期间至规定期间为止的期间不使用所述速度推测部的推测速度的单元。
11.如权利要求10所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述改善120度通电中的功率因数的单元包括: 对所述6种通电模式的切换进行判定的单元；和在所述通电模式的切换时从通电模式的重叠期间到规定的期间之间不使用所述速度推测部的推测速度的单元。
12.如权利要求11所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述改善120度通电中的功率因数的单元中，所述不使用推测速度的单元向所述速度推测部输入零。
13.如权利要求8所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述改善120度通电中的功率因数的单元包括对所述6种通电模式的切换进行判定的单元，与通电模式的切换相应地在所述通电模式内使所述速度推测部仅工作一次。
14.如权利要求13所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 在所述通电模式内使所述速度推测部仅工作一次的时序为与速度相对应的时序。
15.如权利要求13所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 所述速度推测部的控制增益设定成控制增益随着速度增加而增大。
16.如权利要求4或7所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 以所述180度通电方式和所述120度通电方式切换所述同步电动机的驱动方式的转速Vl为所述同步电动机的额定转速或最大转速的10%程度。
17.如权利要求1、4和7中任一项所述的同步电动机的控制系统，其特征在于: 以速度指令值为目标值来控制所述同步电动机。
【文档编号】H02P6/18GK103918173SQ201280039848
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年5月22日 优先权日:2011年9月8日
【发明者】高畑良一, 岩路善尚, 青柳滋久, 户张和明 申请人:株式会社日立产机系统