电机控制装置和磁极位置估计方法
【专利摘要】本发明提供电机控制装置和磁极位置估计方法，即使在电机的转子正在进行旋转的状态下，也能够容易地估计转子的初始磁极位置。实施方式的电机控制装置具有电力转换部和控制部。电力转换部对具有凸极性的电机供给电力。控制部对电流指令与流过电机的电流之间的偏差进行比例积分控制而生成电压指令，根据该电压指令对电力转换部进行控制。而且，控制部通过控制电力转换部，使得高频电流流过电机来估计该电机的转子的磁极位置，根据比例积分控制的积分值对估计的磁极位置进行校正。
【专利说明】电机控制装置和磁极位置估计方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明公开的实施方式涉及电机控制装置和磁极位置估计方法。
【背景技术】
[0002]在使永磁式同步电机等电机启动时，如果转子的磁极位置与控制相位不同，则会在启动时产生震动，而且，还可能向与指令方向相反的方向旋转。因此，在以往的电机控制装置中，在使电机启动时，进行如下的初始磁极位置估计处理:利用电机的凸极性和磁饱和特性对转子的初始磁极位置进行估计。
[0003]在该初始磁极位置估计处理中，在临时估计出转子的磁极位置之后，根据临时估计出的磁极位置的极性(N极、S极)，正式估计转子的磁极位置作为初始磁极位置。上述临时估计例如是如下进行的:将高频电压施加到电机，根据在该高频电压的作用下由于电机的凸极性而在电机中流过的高频电流，对转子的磁极位置进行估计。
[0004]另外，上述正式估计例如是如下进行的:将正负脉冲电压施加到电机而使电机的d轴的磁通量磁饱和，检测在电机中流过的电流变化的差异而判别磁极位置的极性，根据所判別的极性对临时估计出的磁极位置进行校正。
[0005]该初始磁极位置估计处理是以电机处于停止状态为前提的技术，不过，还提出过即使在电机的转子由于空转或因负载引起的带动旋转等而旋转的情况下也能够估计转子的初始磁极位置的技术(例如，参照专利文献I)。在该技术中，同时进行高频电压的施加和脉冲电压的施加，而且能够进行基本波电流的控制来防止过电流的产生。
[0006]专利文献1:日本特开2011-193726号公报
[0007]但是，在一边施加脉冲电压进行极性判別一边实施电流控制时，由d轴磁通量的磁饱和引起的电流变化的差因电流控制的影响而变小，极性判定的精度变差。因此，需要使用带通滤波器以使脉冲电压的带宽不会受到电流控制的影响，或者需要扩大脉冲电压的振幅，这样会导致电路的复杂化和脉冲电压的高电压化。
【发明内容】
[0008]实施方式中的一个方式是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供如下的电机控制装置和磁极位置估计方法:即使处于电机的转子正在进行旋转的状态，也能够容易地估计转子的初始磁极位置。
[0009]实施方式的一个方式的电机控制装置具有电力转换部和控制部。所述电力转换部对具有凸极性的电机供给电力。所述控制部对电流指令与流过所述电机的电流之间的偏差进行比例积分控制而生成电压指令，根据该电压指令对所述电力转换部进行控制。而且，所述控制部通过对所述电力转换部进行控制，使得高频电流流过所述电机来估计该电机的转子的磁极位置，根据所述比例积分控制的积分值对所述估计出的磁极位置进行校正。
[0010]根据实施方式中的一个方式，能够提供如下的电机控制装置和磁极位置估计方法:即使处于电机的转子正在进行旋转的状态，也能够容易地估计转子的初始磁极位置。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是示出实施方式的电机驱动系统的构成例的图。
[0012]图2是示出图1所示的电机控制装置的控制部的构成例的图。
[0013]图3是示出图2所示的q轴电流控制器的构成例的图。
[0014]图4是示出图2所示的位置估计器的构成例的图。
[0015]图5是图2所示的控制部的初始磁极判定处理的流程图。
[0016]图6是示出评价指标为3时的各成分的电流波形的图。
[0017]图7是示出评价指标与位置估计值的误差之间的关系的图。
[0018]图8是示出图2所示的高频信号生成器的构成例的图。
[0019]标号说明
[0020]I电机驱动系统
[0021]2 电机
[0022]3电机控制装置
[0023]4直流电源
[0024]10 电力转换部
[0025]11 电流检测部
[0026]12 控制部
[0027]20 d轴电流控制器
[0028]21 q轴电流控制器
[0029]22 去干扰控制器
[0030]23、24、26、29、55 加法器
[0031]25 高频信号生成器
[0032]27 电压指令生成器
[0033]28 相位指令生成器
[0034]30 PWM 运算器
[0035]31 三相/两相转换器
[0036]32 dq坐标转换器
[0037]33、34带通滤波器
[0038]35、36、51 减法器
[0039]40 速度估计器
[0040]41 位置估计器
[0041]52、53、72 放大器
[0042]54、63、75 积分器
[0043]61 阈值设定器
[0044]62 极性判定器
[0045]64 校正器
[0046]71 d轴高频电压运算器
[0047]73 限幅器
[0048]74 高频频率发生器
[0049]76 正弦运算器
[0050]77 乘法器
【具体实施方式】
[0051]以下，参照附图，详细说明本申请所公开的电机控制装置和磁极位置估计方法的实施方式。另外，本发明不限定于以下所示的实施方式。
[0052]图1是示出实施方式的电机驱动系统的构成例的图。如图1所示，实施方式的电机驱动系统I具有三相交流电机2 (以下，记为电机2)、电机控制装置3以及直流电源4。
[0053]电机2为具有凸极性的电机，例如是内置有多个永久磁石的转子在定子的内部进行旋转的 IPMSM (Inter1r Permanent Magnet Synchronous Motor,内置式永磁同步电机)。该电机2不仅可以是具有驱动功能的电机，还可以是具有发电性能的电动发电机或发电机。例如，电机2可以是与风车的转子等连接的发电机。
[0054]电机控制装置3具有电力转换部10、电流检测部11以及控制部12。该电机控制装置3通过公知的PWM (Pulse Width Modulat1n，脉冲宽度调制)控制，将从直流电源4供给的直流电力转换为具有期望的频率和电压的三相交流电力，并输出到电机2。另外，电机控制装置3也可以具有直流电源4。
[0055]电力转换部10连接在电机2与直流电源4之间，将与从控制部12供给的PWM信号对应的电压和电流供给到电机2。该电力转换部10例如是由六个开关元件进行三相桥接而构成的三相逆变器电路。构成三相逆变器电路的开关元件例如是IGBT (InsulatedGate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)、MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金属-氧化物-半导体场效应晶体管)等半导体元件。
[0056]另外，直流电源4可以是将交流电力转换为直流电力而输出的结构，例如是组合了由二极管和开关元件构成的整流电路和平滑电容器的结构。此时，在整流电路的输入侧连接有交流电源。
[0057]电流检测部11对从电力转换部10向电机2供给的电流进行检测。具体地讲，电流检测部11对分别在电力转换部10与电机2的U相、V相以及W相之间流过的电流的瞬时值iu、iv、iw (以下，记为输出电流iu、iv、iw)进行检测。另外，电流检测部11例如利用作为磁电转换元件的霍尔元件对电流进行检测。
[0058]控制部12在与电力转换部10输出的交流电压的输出频率同步地旋转的作为直角坐标系的dq坐标系中，将电流成分分成与电机2的磁通平行的d轴的成分和与d轴正交的q轴的成分来进行矢量控制，生成PWM信号。该PWM信号作为门控信号而输入到构成电力转换部10的开关元件，由此，对电力转换部10进行控制。
[0059]控制部12使高频电流流过电机2而临时估计转子的磁极位置，并根据极性(N极、S极)对该磁极位置进行校正，从而估计出转子的初始磁极位置。在转子正在进行旋转时，该控制部12根据q轴电流控制中的比例积分控制(以下，记为PI控制)的积分值来判定磁极位置的极性，由此，即使处于转子正在进行旋转的状态，也能够容易地估计转子的初始磁极位置。以下，具体地说明控制部12的结构。
[0060]另外，在以下的各图中，为了容易理解控制部12的各功能而将控制部12分成各个部分来表示，但是应理解为，以下所示的各部分的功能全部都是通过控制部12来实现的。
[0061]另外，只要实现控制部12的各个功能，则控制部12的各个功能既可以由硬件实现，也可以由软件(计算机程序)实现。当然，也可以由硬件与软件的组合来实现。
[0062]作为具体的例子，控制部12例如可以由计算机构成。此时，控制部12例如为CPU(Central Processing Unit,中央处理器)、MPU (Micro Processor Unit,微处理器)、MCU(Micro Control Unit,微控制器)等。另外,控制部12的各个功能也可以通过将预先制作的程序加载到控制部进行执行来实现。
[0063]另外，该程序可以是记录在非一时性的计算机可读记录介质中的程序，所述计算机可读记录介质记录有计算机可执行的多个命令，该程序可以从该记录介质安装到计算机上。另外，作为计算机可读记录介质，例如有硬盘(HD)、软盘(FD)、压缩盘(⑶)、光学磁盘(MO)、存储卡等。
[0064]另外，控制部12可以由一个物理实体来实现，也可以由多个物理实体来实现。
[0065]图2是示出电机控制装置3的控制部12的构成例的图。
[0066]如图2所示，控制部12具有d轴电流控制器20、q轴电流控制器21、去干扰控制器22、加法器23、24、26、29、高频信号生成器25、电压指令生成器27、相位指令生成器28以及PWM运算器30。另外，在以下说明中，将电流指令的d轴成分和q轴成分分别设为d轴电流指令i/和q轴电流指令iq*。
[0067]d轴电流控制器20输入d轴电流指令i/和后述的d轴电流idfb，进行PI控制以使d轴电流指令i/与d轴电流idfb之间的偏差成为零，从而生成d轴电压指令vdl%输出到加法器23。
[0068]q轴电流控制器21输入q轴电流指令和后述的q轴电流iqfb，进行PI控制以使q轴电流指令与q轴电流iqfb之间的偏差成为零，从而生成q轴电压指令v/，输出到加法器24。
[0069]图3是示出q轴电流控制器21的构成例的图。如图3所示，q轴电流控制器21具有减法器51、放大器52、53、积分器54、加法器55。减法器51从q轴电流指令减去q轴电流而生成q轴偏差信号Itien?，输出到放大器52和放大器53。
[0070]放大器52具有比例增益Kp，将q轴偏差信号iqe?放大Kp倍而输出到加法器55。放大器53具有积分增益Ki,将q轴偏差信号iqerr放大Ki倍而输出到积分器54。积分器54对放大了 Ki倍后的q轴偏差信号iqe?进行积分，将积分结果作为q轴积分值vc而输出到加法器55和后述的位置估计器41。加法器55将放大器52的输出和积分器54的输出相加，将其相加结果作为q轴电压指令vql*而输出。
[0071]回到图2继续说明控制部12。去干扰控制器22对d轴与q轴之间的干扰和感应电压进行补偿，根据d轴电流idfb、q轴电流iqfb、速度估计值ω~以及感应电压常数φ，生成d轴电压补偿值Vdff和q轴电压补偿值Vqff而输出。去干扰控制器22例如运算idfb><coALd+coA(p而求出q轴电压补偿值Vqff,运算-1qftX ω ~Lq而求出d轴电压补偿值vdff。另外,Ld为电机2的d轴电感值，Lq为电机2的q轴电感值。
[0072]加法器23对d轴电压指令v/加上d轴电压补偿值Vdff而生成d轴电压指令Vdl'输出到加法器26。另外，加法器24对q轴电压指令v/加上q轴电压补偿值Vqff而生成q轴电压指令V:，输出到电压指令生成器27和相位指令生成器28。
[0073]高频信号生成器25生成高频信号Vdh*而输出到加法器26。加法器26对d轴电压指令Vd:加上高频信号Vdh*而生成d轴电压指令v/，输出到电压指令生成器27和相位指令生成器28。另外，高频信号V:的频率《,被设定得比如后所述驱动电机2的电压的频率高。
[0074]电压指令生成器27根据d轴电压指令v/和q轴电压指令V:求出输出电压指令V*.例如，电压指令生成器27根据以下的式(I)求出输出电压指令/。该输出电压指令/从电压指令生成器27输出到PWM运算器30。
【权利要求】
1.一种电机控制装置，其特征在于，具有: 电力转换部，其对具有凸极性的电机供给电力；以及 控制部，其对电流指令与流过所述电机的电流之间的偏差进行比例积分控制而生成电压指令，根据该电压指令对所述电力转换部进行控制， 所述控制部通过对所述电力转换部进行控制，使得高频电流流过所述电机来估计该电机的转子的磁极位置，根据所述比例积分控制的积分值对估计出的所述磁极位置进行校正。
2.根据权利要求1所述的电机控制装置，其特征在于， 所述控制部执行以下处理: 分别针对与所述电机的磁通平行的d轴的成分和与该d轴正交的q轴的成分，对电流指令与流过所述电机的电流之间的偏差进行比例积分控制而生成d轴的电压指令和q轴的电压指令， 对所述d轴的电压指令加上高频信号，从流过所述电机的电流提取与所述高频信号对应的高频电流， 根据所提取出的所述高频电流来估计所述转子的磁极位置，根据所述q轴的积分值对估计出的所述磁极位置进行校正。
3.根据权利要求2所述的电机控制装置，其特征在于， 所述控制部执行以下处理: 根据所提取出的所述高频电流，求出所述转子的速度估计值，对所述速度估计值进行积分而求出作为所述磁极位置的估计值的第I位置估计值，而且， 根据所述q轴的积分值判定所述磁极位置的极性，根据该判定的结果对第I位置估计值进行校正，求出第2位置估计值。
4.根据权利要求2或3所述的电机控制装置，其特征在于， 所述控制部在所述q轴的积分值超过规定阈值时，根据所述q轴的积分值对估计出的所述磁极位置进行校正。
5.根据权利要求2或3所述的电机控制装置，其特征在于， 所述控制部在所述转子的电气角速度为设定速度以下时，进行所述磁极位置的校正，而且根据所述设定速度、感应电压常数、d轴电感以及q轴电感，求出所述高频信号的振幅值。
6.根据权利要求4所述的电机控制装置，其特征在于， 所述控制部在所述转子的电气角速度为设定速度以下时，进行所述磁极位置的校正，而且根据所述设定速度、感应电压常数、d轴电感以及q轴电感，求出所述高频信号的振幅值。
7.—种磁极位置估计方法，其特征在于， 使高频电流从电力转换部流过具有凸极性的电机来估计所述电机的转子的磁极位置，根据对电流指令与流过所述电机的电流之间的偏差进行比例积分控制而生成电压指令的电流控制器的所述比例积分控制的积分值，对估计出的所述磁极位置进行校正。
【文档编号】H02P6/16GK104079217SQ201410039817
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年1月27日 优先权日:2013年3月29日
【发明者】山崎明, 木野村浩史, 井浦英昭 申请人:株式会社安川电机