同步电机控制装置制造方法
【专利摘要】本发明所涉及的同步电机控制装置包括：检测出同步电机的转子的位置的位置检测部；检测出电枢电流的电流检测部；生成第1及第2电流指令的电流指令生成部；电压指令生成部，该电压指令生成部基于电流指令、转子的位置及电枢电流来生成电压指令；功率转换部，该功率转换部基于电压指令输出至同步电机；磁通推定部，该磁通推定部基于根据转子位置的变化而计算出的转速、电压指令及电枢电流来推定出电枢交链磁通；以及磁体状态推定部，该磁体状态推定部根据转子的位置和电枢电流以及电枢交链磁通来推定永磁体的磁通或温度。由此，能以较高的精度来推定永磁体的温度或磁通，并驱动同步电机，而无需直接对永磁体安装温度检测器。
【专利说明】同步电机控制装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具备驱动同步电机的功率转换单元的同步电机控制装置。
【背景技术】
[0002] 众所周知，在利用具有逆变器等功率转换单元的同步电机控制装置对作为场磁铁 具有永磁体的同步电机进行控制时，伴随着因对同步电机的电枢绕组进行通电或同步电机 本身的铁损等而引起的温度上升，会产生场磁铁的永磁体的磁化强度、即磁通减少的被称 作为"减磁"的现象，还会产生若超过容许温度则即使温度下降至常温、磁通也无法回到减 磁发生前的状态的被称作为"不可逆减磁"的现象。因此，在对作为场磁铁具有永磁体的同 步电机进行控制时，至少需要控制成以使得将永磁体的温度抑制到产生不可逆减磁的容许 温度以下。另外，在仅控制同步电机的电流的情况下，通过减磁在同一电流条件下同步电机 的产生转矩降低。然而，由于同步电机结构上的空间问题以及利用外壳来保护周围等原因， 难以直接将温度检测器安装于永磁体，此外，作为场磁铁具有永磁体的同步电动机大多在 转子一侧的内部具有永磁体，这成为对于安装温度检测器的更大的阻碍原因。因此，为了控 制成主要能抑制到容许温度以下，或者，能掌握因减磁而产生的转矩下降，需要一种利用某 种方法间接地测定或推定永磁体温度、或与永磁体温度相关的磁通的技术。
[0003] 因此，例如在专利文献1的旋转电机的控制装置中，基于从如下的电流传感器、温 度传感器以及磁极位置传感器的各传感器获得的电流、温度、转速的各种信息来获取从设 置于场磁铁的永磁体发出的与电枢绕组发生交链的磁通，其中，所述电流传感器对在逆变 器装置与电动发电机的电枢绕组之间进行交换的电流进行检测，所述温度传感器为了修正 电枢绕组的电阻值而检测出电枢绕组的温度，所述磁极位置传感器用于检测场磁铁的磁极 位置。
[0004] 另外，例如，在专利文献2的电动机驱动装置中，在利用旋转二轴坐标（d_q轴）转 换的控制中，预先将永磁体中未产生减磁时的q轴的电压操作量作为映射来保持，并基于 通过比例积分（PI)控制对电动机进行电流控制时的PI控制部输出即q轴电压操作量、保 持于所述映射中的永磁体中未产生减磁时的q轴电压操作量、以及旋转角速度ω来对减磁 量进行运算。
[0005] 另外，例如在专利文献3的永磁体电动机的减磁检测方法中，通过依次实施以下 步骤来判断转子磁体部的减磁状态，所述步骤包括：步骤ST1，在该步骤ST1中，测定转速以 及电流/电压；步骤ST3,在该步骤ST3中，基于转速以及电流/电压的所述测定值来推定 绕组的温度；步骤ST4,在该步骤ST4中，基于所述绕组温度的推定值来推定所述绕组的电 阻；步骤ST5,在该步骤ST5中，基于所述绕组温度的推定值来推定转子磁体部的温度；步骤 ST6,在该步骤ST6中，基于所述绕组温度的推定值来推定感应电压的正常值；步骤ST7,在 该步骤ST7中，基于所述绕组电阻的推定值来推定感应电压的实际值；步骤ST8,在该步骤 ST8中，将在步骤ST6与ST7中推定出的感应电压系数的正常值与实际值进行比较，在其差 值超过规定的阈值时判断为产生减磁。 现有技术文献 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本专利特开2010-110141号公报 专利文献2 :日本专利特开2005-51892号公报 专利文献3 :日本专利特开2005-192325号公报 专利文献4 :国际公开专利W02002/091558号 专利文献5 :国际公开专利W02010/109528号
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0007] 然而，在专利文献1的旋转电机的控制装置中，当通过磁通观测器获取从场磁铁 的永磁体发出的与电枢绕组发生交链的磁通时，由于使用了基于检测电枢绕组的温度的温 度传感器的输出而被修正的电枢绕组的电阻值，因此需要用于检测电枢绕组温度的温度传 感器，从而产生控制装置的构成元器件必然会增加的问题。
[0008] 另外，在专利文献2的电动机驱动装置中，虽然能判断有没有发生减磁，但专利文 献2并未公开求出磁体温度或磁体磁通的绝对值（量）的方法，此外，为了进行减磁判断， 需要将减磁发生前与减磁发生后的d_q轴上的电流指令设定为相同，因此，在发生减磁时 对减磁发生进行判断后，对减磁量进行运算、修正，从而对由于减磁量而产生的转矩下降量 进行修正，由此会产生如下问题：到判断减磁发生为止电动机所产生的转矩会相对于所希 望的转矩（指令值）而有所下降。
[0009] 另外，在专利文献3的永磁体电动机的减磁检测方法中，预先通过实验来求出电 枢绕组的温度上升与转子永磁体的温度上升之比，并基于电枢绕组的温度来推定永磁体的 温度，但是电枢绕组与永磁体的热时间常数有较大差异，此外，由于也受到电动机的运行条 件、冷却性能等其它因素的影响，因此难以准确地求出转子永磁体相对于电枢绕组的温度 上升而产生的温度上升，从而产生难以针对各种条件、基于电枢绕组的温度，高精度地推测 出磁体温度的问题。
[0010] 本发明为了解决上述问题而得以完成，其目的在于，提供一种同步电机控制装置， 该同步电机控制装置能高精度地推定永磁体的温度或磁通，以对同步电机进行驱动，而无 需直接将温度检测器安装于形成场磁铁的永磁体。 解决技术问题所采用的技术方案
[0011] 为了解决上述问题，本发明的同步电机控制装置具备驱动同步电机的功率转换单 元，其特征在于，该同步电机控制装置包括：位置检测部或位置推定部，该位置检测部检测 出、或者该位置推定部推定出同步电机的转子的位置，该同步电机具有由永磁体形成场磁 铁的转子；电流检测部，该电流检测部检测出同步电机的电枢电流；电流指令生成部，该电 流指令生成部基于转矩指令生成在正交二轴坐标上经过坐标转换的第1及第2电流指令； 电压指令生成部，该电压指令生成部基于第1及第2电流指令、所述转子的位置及电枢电流 来生成电压指令；功率转换部，该功率转换部基于电压指令输出至同步电机；磁通推定部， 该磁通推定部基于根据转子位置的变化而计算出的同步电机的转速、电压指令及电枢电流 来推定出同步电机的电枢交链磁通；以及磁体状态推定部，该磁体状态推定部根据转子位 置和电枢电流以及电枢交链磁通来推定永磁体的磁通或温度。 发明效果
[0012] 根据本发明的同步电机控制装置，通过根据从同步电机的电枢电流在正交二轴坐 标上经过转换的d轴电流以及磁通推定部所推定出的电枢交链磁通的d轴分量来推定构成 场磁铁的永磁体的温度或磁通，从而无需较大地改变稳定的产生转矩，且能抑制因同步电 机的电感的设定值与实际值之间的误差而引起的推定精度的下降，同时还能以较高的精度 推定出构成场磁铁的永磁体的磁通或温度。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是表示实施方式1所涉及的同步电机控制装置及包含同步电机的整个同步电 机系统的图。 图2是表示实施方式1所涉及的同步电机控制装置中的电压指令生成部的一个示例的 结构图。 图3是表示时序图的一个示例的图，该时序图表示实施方式1所涉及的同步电机控制 装置的电流指令生成部中的转矩指令与d_q轴上的电流指令id*、iq*的关系。 图4是表示实施方式1所涉及的同步电机控制装置的其他实施方式以及包含同步电机 的整个同步电机系统的图。 图5是表示实施方式2所涉及的同步电机控制装置及包含同步电机的整个同步电机系 统的图。 图6是在场磁铁中具有永磁体的同步电机的向量图。 图7是表示实施方式2所涉及的同步电机控制装置中的电流指令生成部的一个示例的 结构图。 图8是表示实施方式2所涉及的同步电机控制装置中的电压指令生成部的一个示例的 结构图。 图9是表示时序图的一个示例的图，该时序图表示实施方式2所涉及的同步电机控制 装置的电流指令生成部中的转矩指令与d_q轴上的电流指令id*、iq*的关系。 图10是表示进行实施方式3所涉及的同步电机控制装置中的永磁体温度（磁通）的 推定动作的速度区间的图。 图11是表示进行实施方式3所涉及的同步电机控制装置中的永磁体温度（磁通）的 推定动作的电压范围的图。 图12是表示实施方式4所涉及的同步电机控制装置及包含同步电机的整个同步电机 系统的图。 图13是表示实施方式6所涉及的同步电机控制装置及包含同步电机的整个同步电机 系统的图。 图14是表示实施方式7所涉及的同步电机控制装置及包含同步电机的整个同步电机 系统的图。
【具体实施方式】
[0014] 以下，参照图1?图14对本发明的实施方式所涉及的同步电机控制装置进行说 明。此外，本发明的同步电机具有作为场磁铁由永磁体形成的转子。
[0015] 实施方式1 图1是表示实施方式1所涉及的同步电机控制装置以及包含同步电机的整个同步电机 系统的图，图2是表示实施方式1所涉及的同步电机控制装置中的电压指令生成部的一个 示例的结构图，另外，图3是表示时序图的一个示例的图，该时序图表示实施方式1所涉及 的同步电机控制装置的电流指令生成部中的转矩指令与d_q轴上的电流指令id*、iq*的关 系。
[0016] 如图1所示，同步电机系统1由同步电机控制装置2、同步电机3以及电源4构成。 假定由图1中未图示出的同步电机系统1的上位系统来对本发明中的同步电机控制装 置2提供转矩指令τ*。作为该上位系统的一个示例，在使用用于对电动汽车（EV)或具有 内燃机及电动机这两者的混合动力汽车的车辆、以及铁道车辆这样的电车进行驱动的同步 电机系统1的情况下，具有如下的车辆控制装置等，该车辆控制装置根据来自驾驶者（操作 者）的加速器（档位）或制动器的输入量以及车速或各种输入量来决定转矩指令值τ*，此 夕卜，即使在工厂自动化（Factory Automation :FA)、电梯用途中，也具有基于各种因素生成 转矩指令τ*的上位系统。 另外，本发明的同步电机控制装置2中推定的永磁体的磁通量Omag或温度Tmag也可 以传输至上述上游的系统，将该推定值用于上位系统的控制。其中，在本发明中，提供转矩 指令τ *的上位系统没有限制，因此上位系统的说明仅给出上述示例。 此处，同步电机控制装置2如图1及图2所示那样，包括：位置检测部21，该位置检测部 21作为位置识别部对同步电机3的转子的位置Θ进行检测，该同步电机3具有场磁铁由永 磁体构成的转子；电流检测部22,该电流检测部22对同步电机3的电枢电流iu、iv、iw进 行检测；电流指令生成部23,该电流指令生成部23基于转矩指令τ *在旋转正交二轴坐标 (以下记作d-q轴）上生成电流指令id*、iq* (第1电流指令（idl、iql)以及第2电流指 令（id2、iq2));电压指令生成部24,该电压指令生成部24基于电流指令id*、iq*以及电 流id、iq在正交二轴坐标上生成电压指令vd*、vq*，并根据电压指令vd*、vq*生成经过坐 标转换后的多相（三相）交流电压指令1^*、^*、￥￥*，其中，该电流1(1、19是基于转子的位 置Θ在正交二轴坐标上对电枢电流iu、iv、iw进行转换后得到的；功率转换部25,该功率 转换部25基于电压指令uv*、vv*、vw*对同步电机3输出电压uv、vv、vw ;磁通推定部26, 该磁通推定部26基于同步电机3的转速ω以及电压指令vq*和电枢电流iu、iv、iw推定 同步电机3的电枢交链磁通Φ(1，其中，该同步电机3的转速ω根据转子的位置Θ的变化 计算得出；以及磁体状态推定部27,该磁体状态推定部27根据转子的位置Θ和电枢电流 iu、iv、iw以及电枢交链磁通C>d推定出永磁体的磁通C>mag或温度Tmag。此外，功率转换 部25从电源4接受供电，电源4由直流电压电源或电池构成。此处，通过公知的整流器从 单相或三相的交流电源获得直流电压的装置也包含在电源4的概念内。
[0017] 接下来，对构成实施方式1中的同步电机控制装置2的各个要素、动作进行详细说 明。
[0018] 位置检测部21由公知的旋转变压器、编码器等构成，检测出同步电机3的转子的 位置Θ。此处，同步电机3的转子的位置Θ是指构成场磁铁的永磁体相对于以 u相电枢绕 组为基准的轴在N极方向的角度，一般而言，以同步电机3的转速（设作电角频率ω)旋转 的旋转正交二轴坐标（以下记作d-q轴）的d轴被确定为永磁体的N极方向，其q轴被确 定为是相对于该d轴前进90°的正交方向。以下说明基于上述设定。
[0019] 为了驱动同步电机3,对电枢绕组施加多相交流电压。由此，在同步电机3的电枢 绕组产生输出电流。以下将在该电枢绕组产生的输出电流记作电枢电流。电流检测部22 通过电流传感器等检测出在该电枢绕组产生的电枢电流。在同步电机3是三相同步旋转电 机的情况下，可以采用对同步电机3的三相的电枢电流iu、iv、iw的所有相的电枢电流进 行检测的结构，或者也可以采用如下结构：对于一个相（例如w相）的电枢电流iw，利用所 检测出的其他两个相的电枢电流iu、iv并根据iw = -iu-iv这一关系求出该电枢电流iw。 此外，电流检测部22除了可以采用通过直接对同步电机3的各相的电枢电流进行检测的电 流传感器等来实现的结构以外，也可以使用如下的公知技术：根据电源4与功率转换部25 之间流过的DC链路电流来检测出电枢电流。
[0020] 电流指令生成部23在实施方式1中基于转矩指令τ *生成d-q轴上的电流指令 id*、iq*。已知在同步电机3具有由永磁体构成场磁铁的转子的情况下，转矩τ与d-q轴 上的电流id、iq的关系式由（1)式表示，因此能产生相同转矩τ的d-q轴上的电流指令 id*、iq*的组合（id*、iq*)存在无数个。 数学式1
【权利要求】
1. 一种同步电机控制装置（2)，具备对同步电机（3)进行驱动的功率转换单元，其特征 在于，包括： 位置检测部（21)或位置推定部（21a)，该位置检测部（21)检测出、或者该位置推定部 (21a)推定出所述同步电机（3)的转子的位置，该同步电机（3)具有由永磁体形成场磁铁的 所述转子； 电流检测部（22)，该电流检测部（22)检测出所述同步电机（3)的电枢电流； 电流指令生成部（23)，该电流指令生成部（23)基于转矩指令生成在正交二轴坐标上 经过坐标转换的第1及第2电流指令； 电压指令生成部（24)，该电压指令生成部（24)基于所述第1及第2电流指令、所述转 子的位置及所述电枢电流来生成电压指令； 功率转换部（25)，该功率转换部（25)基于所述电压指令输出至所述同步电机（3); 磁通推定部（26)，该磁通推定部（26)基于根据所述转子的位置的变化而计算出的所 述同步电机⑶的转速、所述电压指令及所述电枢电流来推定出所述同步电机⑶的电枢 交链磁通；以及 磁体状态推定部（27)，该磁体状态推定部（27)根据所述转子的位置和所述电枢电流 以及所述电枢交链磁通来推定所述永磁体的磁通或温度。
2. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 所述正交二轴坐标是旋转正交二轴（d_q轴）坐标， 所述电流指令生成部（23)基于所述转矩指令生成所述第1电流指令以及所述第2电 流指令，所述第1电流指令是第Id轴电流指令与第lq轴电流指令的指令组，所述第2电流 指令是第2d轴电流指令与第2q轴电流指令的指令组。
3. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 所述正交二轴坐标是将所述磁通推定部（26)所推定出的所述电枢交链磁通的产生方 向作为Y轴，将该Y轴的正交方向作为δ轴的正交二轴（γ-δ轴）坐标， 所述电流指令生成部（23)具备：控制指令运算部（231)，该控制指令运算部（231)基 于所述转矩指令输出S轴电流指令及电枢交链磁通指令；以及磁通控制部（232)，该磁通 控制部（232)基于所述电枢交链磁通指令及所述磁通推定部（26)所推定出的所述电枢交 链磁通来输出Υ轴电流指令， 所述电流指令生成部（23)生成所述第1电流指令以及所述第2电流指令，所述第1电 流指令是第1 Υ轴电流指令与第1 S轴电流指令的指令组，所述第2电流指令是第2 γ轴 电流指令与第2δ轴电流指令的指令组。
4. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 仅在根据所述转子的位置的变化计算出的所述同步电机的转速的绝对值在规定值以 上的情况下，利用所述磁体状态推定部（27)来推定所述永磁体的磁通或温度。
5. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 仅在所述电压指令的大小在规定值以上的情况下，利用所述磁体状态推定部（27)来 推定所述永磁体的磁通或温度。
6. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 所述电流指令生成部（23)根据从所述磁体状态推定部（27)输出的所述永磁体的磁通 或温度来对所述电流指令进行限制。
7. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 所述电流指令生成部（23)根据从所述磁体状态推定部（27)输出的所述永磁体的磁通 或温度来生成使所述同步电机（3)的转速的绝对值减小的电流指令。
8. 如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于， 所述磁体状态推定部（27)推定所述永磁体的磁通或温度，并预先推定并存储所述同 步电机（3)的电感的估计值与实际值的误差。
9. 如权利要求1至8中任一项所述的同步电机控制装置，其特征在于， 具备对所述同步电机（3)进行冷却的冷却部（5)，根据从所述磁体状态推定部（27)输 出的所述永磁体的磁通或温度来控制所述冷却部（5)。
【文档编号】H02P21/14GK104158454SQ201410201035
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2013年5月13日
【发明者】小林贵彦, 安西清治, 和田典之, 松浦大树 申请人:三菱电机株式会社