马达驱动系统的制作方法
【专利摘要】公开了一种马达驱动系统，该马达驱动系统具有用于控制同步马达1的控制设备4A，该控制设备4A包括无传感器控制算法20，该无传感器控制算法20包括用于基于马达1的磁极位置误差估计值来确定算法20中的异常的异常确定设备25。当异常确定设备25已经确定算法20发生了异常时，控制设备4A使用附接于该马达的磁极位置检测器30所检测的磁极位置检测值代替使用磁极位置估计值来控制电力转换器2。此马达驱动系统可以验证无传感器控制算法20的可靠性，同时确保安全性。通过安装已验证了其可靠性的马达驱动系统，增强了电动汽车的安全性。
【专利说明】马达驱动系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请基于2012年8月24日提交的日本专利申请N0.2012-185102并要求其优先权，该申请的内容通过引用结合于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种马达驱动系统，该马达驱动系统在该马达驱动系统的无传感器(sensorless)控制中利用与正常或异常状态相对应的磁极位置的估计值或者磁极位置的检测值。本发明还涉及提供有这种马达驱动系统的电动汽车。
【背景技术】
[0004]为了降低同步马达的驱动系统的大小和成本，已经提出一种不利用磁极位置检测设备来检测转子的磁极位置的驱动控制方法(所谓的无传感器控制方法)。
[0005]熟知的无传感器控制执行根据与马达的端电压和衔铁电流有关的信息来估计该转子的磁极位置的估计操作，并且通过基于所估计的磁极位置来控制电流来执行对该马达的扭矩控制和速度控制。
[0006]例如，在专利文献I和专利文献2中公开了采用该无传感器控制方法的马达驱动系统的已知传统技术。
[0007]专利文献I公开了一种用于驱动马达的马达控制设备，包括磁极位置检测传感器和采用无传感器控制的磁极位置估计设备。在正常操作状态下，该马达是基于该磁极位置检测传感器所检测的位置值来驱动的，而如果在该磁极位置检测传感器中出现任何故障，则该控制被切换为基于该磁极位置估计设备所估计的位置值来执行。
[0008]专利文献2公开了一种电动汽车驱动设备，该电动汽车驱动设备将来自磁极位置检测器的磁极位置的检测值与无传感器控制器对磁极位置的估计值进行比较。如果该检测值和该估计值之间的差超过预定值，则确定该磁极位置检测器中发生了某种故障。
[0009][专利文献I]
[0010]日本未经审查的专利申请公开N0.2001-112282 (具体而言，第[0007]和[0011]段以及图1)
[0011][专利文献2]
[0012]日本未经审查的专利申请公开N0.2007-209105
[0013](具体而言，第[0013]到[0020]段及图1和图2)
[0014]在专利文献I中公开的常规技术中，尽管关于磁极位置的信息加倍，从而提升了可靠性，然而磁极位置检测器、异常检测设备和磁极位置估计设备的提供使得系统变大并且提高了成本。
[0015]在专利文献2中公开的常规技术中，磁极位置检测器的异常是基于以下假设来确定的:无传感器控制器所估计的磁极位置值是正确的。因此，如果该无传感器本身变得不稳定，则磁极位置估计的准确性恶化，这导致对磁极位置检测器的异常的错误确定，甚至可能发生马达的失控。
[0016]与使用磁极位置检测器的传统驱动系统相比，具有无传感器控制算法而不带磁极位置检测器的马达驱动系统应当被制造为具有更小的尺寸和更低的价格。这种不带磁极位置检测器的马达驱动系统具有额外的优点:因为消除了由于振动、发热或噪声所带来的问题，所以整个系统的故障率降低。
[0017]然而，如果无传感器控制的可靠性未被验证，则依赖于该无传感器控制的驱动系统不能被毫不犹豫地用于像要求绝对的安全的电动汽车这样的应用。
【发明内容】
[0018]因此，本发明的一个目标是提供一种能够验证无传感器控制算法的可靠性、同时保证安全的马达驱动系统。本发明的另一个目标是提供一种通过安装已经被验证了其可靠性的这种马达驱动系统来呈现高度安全性的电动汽车。
[0019]为了实现上述目标，如权利要求1所述的本发明的一方面是一种用于通过电力转换器将来自DC电源的DC电力转换为AC电力并且将所述AC电力递送到同步马达来控制所述马达的扭矩或速度的马达驱动系统，所述马达驱动系统具有用于控制所述电力转换器的控制设备，所述控制设备包括无传感器控制算法，所述无传感器控制算法生成所述马达的磁极位置估计值，所述磁极位置估计值用于在所述无传感器控制算法的正常状态中控制所述电力转换器，其中所述无传感器控制算法包括第一异常确定装置，并且当所述第一异常确定装置确定所述无传感器控制算法中的异常时，所述控制设备使用磁极位置检测值代替使用所述磁极位置估计值来控制所述电力转换器，所述磁极位置检测值来自附连到所述马达的磁极位置检测装置。
[0020]当所述无传感器控制操作由于任何原因变得不稳定时，本发明的此方面的马达驱动系统允许通过转换到基于磁极位置检测装置所提供的正常磁极位置信息的控制来继续所述马达操作。从而，本发明的马达驱动系统防止该马达失控，诸如突然加速或减速，并且允许在足够稳定的状态下对该无传感器控制进行验证测试。
[0021]优选地，如在权利要求2中所述，所述第一异常确定装置基于磁极位置误差估计值来确定所述无传感器控制算法的异常，所述磁极位置误差估计值是通过至少使用所述马达的衔铁电流检测值执行运算来获得的。
[0022]特别优选地，如在权利要求3中所述，所述第一异常确定装置根据超出预定角度的所述磁极位置误差估计值来确定所述无传感器控制算法的异常。
[0023]在本发明的这些方面中，确定异常可以在不使用来自磁极位置检测装置的信息，而是基于从在无传感器控制中使用的衔铁电流提取的磁极位置信息来执行磁极位置误差估计值的运算的情况下执行。从而，无传感器控制本身中的异常(如果存在)可以被检测到。无传感器控制算法的异常可以与磁极位置检测装置的异常分开确定。因此，通过转换到基于关于磁极位置检测装置所提供的磁极位置的正常信息的控制，由如专利文献2中的错误确定而带来的对马达的不受控运行得以避免，并且保证了安全。
[0024]优选地，如在权利要求4中所述的，所述控制设备包括第一警告生成装置，所述第一警告生成装置在所述第一异常确定装置确定所述无传感器控制算法中有异常时生成警告信号。[0025]本发明的此方面允许操作人员意识到无传感器控制算法中的异常。因此，操作人员能够基于磁极位置检测值来根据操作人员自己的意图通过处置来控制，由此安全地停止该马达驱动系统。
[0026]优选地，如在权利要求5中所述的，所述控制设备包括数据存储装置，所述数据存储装置存储所述无传感器控制算法中的异常发生之前和之后的预定时间段内的所述无传感器控制算法的信息。该无传感器控制算法的信息优选地包括:如在权利要求6中所述，输入到无传感器控制算法的输入数据及从无传感器控制算法中输出的输出数据。具体而言，该数据可以是该马达的衔铁电流检测值、电压指令值、以及磁极位置估计值。
[0027]这些数据可用于分析无传感器控制算法中的异常的原因，从而对无传感器控制的可靠性的改进做出贡献。
[0028]优选地，如在权利要求7中所述的，所述控制设备包括用于确定所述磁极位置检测装置中的异常的第二异常确定装置，并且如果所述第二异常确定装置在所述电力转换器的控制操作期间根据所述无传感器控制算法所生成的所述磁极位置估计值确定所述磁极位置检测装置发生了异常，则根据所述磁极位置估计值来继续所述电力转换器的所述控制操作。即便在无传感器控制算法的测试期间该磁极位置检测装置中出现任何异常，本发明的此方面允许该马达驱动系统继续其操作，由此避免了该马达的突然停止，并提升了安全性。
[0029]优选地，如在权利要求8中所述的，所述控制设备包括第二警告生成设备，所述第二警告生成设备使用所述第二异常确定装置的输出来生成警告信号。本发明的此方面向操作人员给出了关于磁极位置检测装置中的异常的警告。
[0030]优选地，如在权利要求9中所述，可构造不带磁极位置检测装置的马达驱动系统，其中该无传感器控制算法的可靠性已经通过由根据权利要求1到8中任一项的马达驱动系统的正常确定来验证了。本发明的此方面提供了具有小整体尺寸、低制造成本、以及降低的故障率的马达驱动系统。这些特征最适合于应用到电动汽车。
[0031]本发明的马达驱动系统利用在该控制设备中提供的第一异常确定装置来验证该无传感器控制算法的可靠性。装备有已经被验证了其可靠性的无传感器控制算法的马达驱动系统比具有磁极位置检测装置的驱动系统表现出更小的尺寸、更低的价格、以及更低故障率。本发明的马达驱动系统还有助于改善具有此驱动系统的电动汽车的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1示出d轴和q轴以及Y轴和δ轴的定义；
[0033]图2示出根据本发明的第一实施例的马达驱动系统的构造的示例；
[0034]图3示出图2的马达控制系统中的无传感器控制算法的第一示例；
[0035]图4示出图2的马达控制系统中的无传感器控制算法的第二示例；
[0036]图5示出根据本发明的第二实施例的马达驱动系统的构造的示例；
[0037]图6示出根据本发明的第三实施例的马达驱动系统的构造的示例；
[0038]图7示出图6的马达驱动系统中的数据存储装置的构造的示例；
[0039]图8是示出图7的数据存储装置的操作的时序图；
[0040]图9示出根据本发明的第四实施例的马达驱动系统的构造的示例；[0041] 图10示出根据本发明的第五实施例的马达驱动系统的构造的示例；以及
[0042]图11示出根据本发明的第六实施例的马达驱动系统的构造的示例。
【具体实施方式】
[0043]下面参考附图描述本发明的一些优选实施例。下面描述的实施例是应用于控制永磁同步马达的扭矩的马达驱动系统。
[0044]首先描述的是永磁同步马达的无传感器控制。
[0045]所谓的无传感器控制(不可能直接标识转子在d轴和q轴坐标上的磁极位置)转而使用估计的旋转Y轴和δ轴坐标,来控制该同步马达的扭矩和速度。图1示出d轴和q轴以及Y轴和S轴的定义。d轴是在该永磁同步马达的转子的N极方向上的轴；q轴是从d轴领先90度的轴；Y轴是与d轴相对应的估计轴；而δ轴是从Υ轴领先90度的轴。
[0046]在图1中，指示d轴和q轴的电角速度；ω1是Y轴和δ轴的电角速度，它是估计速度；而指示Υ轴相对于d轴的角度，同时也是δ轴相对于q轴的角度。
由以下的数学公式I来表示。
[0047][数学公式I]
[0048]Θ err= θ1-Θ r，
[0049]其中Θ i和Θ ^分别是Y轴和d轴的角度。
[0050]图2示出根据本发明的第一实施例的马达驱动系统的构造。图2的马达驱动系统包括主电路和控制设备4A。主电路包括永磁同步马达1、电力转换器2(诸如逆变器)、DC电源3、以及磁极位置检测器30 (磁极位置检测装置)，该磁极位置检测器被额外提供以验证无传感器控制的可靠性。控制设备4A包括无传感器控制算法20，该算法是本发明的特征。
[0051]下面描述控制设备4A的构造和操作。
[0052]在图2中的控制设备4A中，电流指令运算器12执行以下运算:将用于控制马达I的输出扭矩的Y轴和δ轴电流指令值1*和is*运算成扭矩指令值τ*。u相电流检测器5u和w相电流检测器5w递送u相电流检测值iu和w相电流检测值iw，u相电流检测值iu和w相电流检测值iw随后被送到电流坐标变换设备6。电流坐标变换设备6使用磁极位置的估计值Q1或磁极位置的检测值θr执行从检测电流值iu和iw到Y轴和δ轴检测电流值iY和is的坐标变换。
[0053]在减法器Ila中得到由电流指令运算器12递送的Y轴电流指令值与Y轴电流检测值iY之间的偏差。此偏差被送到Y轴电流调节器10a，该Y轴电流调节器IOa放大该偏差并且执行运算以给出Y轴电压指令值νY*。以相同方式，在减法器Ilb中得到δ轴电流指令值is*与δ轴电流检测值is的偏差。此偏差被送到δ轴电流调节器10b，该δ轴电流调节器IOb放大该偏差并且执行运算以给出δ轴电压指令值vs*。使用磁极位置估计值Q1或磁极位置检测值Θr在电压坐标变换设备9中将Y轴和δ轴电压指令值Vy*和Vs*变换成相位电压指令值Vu*、Vv*和Vw*。
[0054]电压检测电路7检测由DC电源3供应到电力转换器2的DC电压Ed。。PWM电路8生成门信号来根据相位电压指令值Vu*、Vv*和Vw*、以及检测到的DC电压Ed。来将电力转换器2的输出电压控制为相位电压指令值vu*、vv*和vw*。电力转换器2根据门信号来控制电力转换器2中提供的半导体元件(诸如IGBT)的操作以获得等于相位电压指令值vu*、vv*和Vw*的马达I端电压，由此实现等于扭矩指令值τ *的马达I输出扭矩。
[0055]磁极位置检测器30的输出信号被递送给磁极位置运算器31。磁极位置运算器31执行磁极位置检测值Θ r的运算，所述磁极位置检测值被送到转换切换装置32的输入端。该转换切换装置32的另一输入端接收磁极位置估计值G1，该磁极位置估计值Q1是在该无传感器控制算法20中生成的。
[0056]该转换切换装置32选择与由无传感器控制算法20所递送的标志fIgaen相对应的磁极位置估计值Q1或磁极位置检测值θP并且将所选择的磁极位置值递送到电流坐标变换设备6和电压坐标变换设备9。
[0057]具有下面描述的结构的无传感器控制算法20基于Y轴和δ轴电压指令值
和vs*以及gamma轴和δ轴电流检测值iY和is来生成磁极位置估计值θ ?和标志flgSUOT。
[0058]图3示出在无传感器控制中使用扩展感应电压的无传感器控制算法20的第一示例。图3的无传感器控制算法的具体示例由符号20A来指示。
[0059]参考图3，无传感器控制算法20A包括扩展感应电压运算器21、位置估计误差运算器22、速度估计设备23、磁极位置估计设备24、以及异常确定设备25。
[0060]扩展感应电压运算器21基于Y轴和δ轴电压指令值νgamma*和vs*、Y和δ轴电流检测值i gamma和i s、角速度估计值ω i和马达参数来执行如下面的数学公式2所示的扩展感应电压eMY和eex5的运算。
[0061][数学公式2]
【权利要求】
1.一种用于通过电力转换器将来自DC电源的DC电力转换为AC电力并且将所述AC电力递送到同步马达来控制所述马达的扭矩或速度的马达驱动系统，所述马达驱动系统具有用于控制所述电力转换器的控制设备，所述控制设备包括无传感器控制算法，所述无传感器控制算法生成所述马达的磁极位置估计值，所述磁极位置估计值用于在所述无传感器控制算法的正常状态中控制所述电力转换器， 其中所述无传感器控制算法包括第一异常确定装置，并且当所述第一异常确定装置确定所述无传感器控制算法中的异常时，所述控制设备使用磁极位置检测值代替使用所述磁极位置估计值来控制所述电力转换器，所述磁极位置检测值来自附连到所述马达的磁极位置检测装置。
2.根据权利要求1所述的马达驱动系统，其特征在于，所述第一异常确定装置基于磁极位置误差估计值来确定所述无传感器控制算法的异常，所述磁极位置误差估计值是通过至少使用所述马达的衔铁电流检测值执行运算来获得的。
3.根据权利要求2所述的马达驱动系统，其特征在于，所述第一异常确定装置根据超出预定角度的所述磁极位置误差估计值来确定所述无传感器控制算法的异常。
4.根据权利要求1所述的马达驱动系统，其特征在于，所述控制设备包括第一警告生成装置，所述第一警告生成装置在所述第一异常确定装置确定所述无传感器控制算法中有异常时生成警告信号。
5.根据权利要求1所述的马达驱动系统，其特征在于，所述控制设备包括数据存储装置，所述数据存储装置存储所述无传感器控制算法中的异常发生之前和之后的预定时间段内的所述无传感器控制算法的信息。
6.根据权利要求5所述的马达驱动系统，其特征在于，所述信息包括输入到所述无传感器控制算法的输入数据和从所述无传感器控制算法输出的输出数据。
7.根据权利要求1所述的马达驱动系统，其特征在于，所述控制设备包括用于确定所述磁极位置检测装置中的异常的第二异常确定装置，并且如果所述第二异常确定装置在所述电力转换器的控制操作期间根据所述无传感器控制算法所生成的所述磁极位置估计值确定所述磁极位置检测装置发生了异常，则根据所述磁极位置估计值来继续所述电力转换器的所述控制操作。
8.根据权利要求7所述的马达驱动系统，其特征在于，所述控制设备包括第二警告生成设备，所述第二警告生成设备使用所述第二异常确定装置的输出来生成警告信号。
9.一种用于通过电力转换器将来自DC电源的DC电力转换为AC电力并且将所述AC电力递送到同步马达来控制所述马达的扭矩或速度的马达驱动系统，所述马达驱动系统具有用于控制所述电力转换器的控制设备，所述控制设备包括无传感器控制算法，所述无传感器控制算法生成所述马达的磁极位置估计值，所述磁极位置估计值用于在所述无传感器控制算法的正常状态中控制所述电力转换器， 其中所述无传感器控制算法的可靠性已经通过由如由权利要求1到8中任一项所限定的所述马达驱动系统中的任一个系统进行的正常确定来验证了。
10.一种具有如权利要求9所限定的马达驱动系统的电动汽车。
【文档编号】H02P21/00GK103633909SQ201310296277
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年7月15日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】黑田岳志, 鸟羽章夫 申请人:富士电机株式会社