专利名称：永磁无刷电动机初始磁极位置的推断方法
技术领域：
本发明涉及永磁无刷电动机初始磁极位置的 检测方法，尤其是关于在无传感器的无刷电动机起动时检测转子磁极位置的方法。
背景技术：
在已有的无刷电动机中，利用省略由分相、或霍耳效应器件等构成的磁极位置检测用传感器的磁极位置检测方法。
在磁极位置检测方法中可利用的技术是，在起动时容许转子旋转的情况下，如特开平3-239186号公报所公开的，通过执行恒定运行的同步运行模式，和用于检测磁极位置的转子位置检模式的模式切换，在起动时对3相各电枢线圈提供旋转磁场产生用的门脉冲，使转子旋转，起动无刷电动机后，用位置检测电路检测在电枢线圈中产生的感应电压，判别转子位置(磁极位置)。
而且，已有技术是，在起动时不允许转子旋转的情况下，就是说，在仍然使电动机停止推断磁极位置的情况下，如“电学论D、116卷7号、736～742页、平成8年”中所示，在依次按任意方向提供电动机不致旋转的间歇的脉冲状电压指令，根据在那时的静止座标中变换的各相电流iαu、i βu和iαv、iβv和iαw、iβw等的非正弦波形状变化的响应区别，推断位置角θ，电动机仍然停止判别磁极位置。
然而，在上述的已有技术中，存在以下所示的问题，即有关在特开平3-239186号公报中揭示的技术中，使转子旋转起动电动机，为了判别转子位置，不可能与如以动作前转子静止为条件的物件对应。
并且，有关在电学论D、116卷7号发表的技术中也存在实用上的问题，通过3项电压方程式导出各相电流iαu、iαv、iαw等，为了求出电流响应的区别，必需无刷电动机的电感、电阻值等的电气参数。从而，在这些参数未知的情况下，电流的响应区别不明，而且电压指令也不是阶跃状交替指令，所以存在根据电压指令的形状流动过电流，或转子旋转的情况。
于是，本发明目的在于提供一种永磁无刷电动机的初始磁极位置推断方法，即便不能正确把握电参数，也能依然不使转子旋转停止电动机，不流过过电流，可高速地处理转子初始位置推断。
发明的公开为了达到上述目的，本发明在永磁无刷电动机的磁极位置推断方法中，空间座标上在任意设定γ轴和从γ轴前进90度电角的方向上设定δ轴，以闭环构成γ方向的电流控制系统，同时，以开环构成δ轴方向的电流控制系统，观测在把前述γ轴方向的电流指令作为阶跃状交替电流指令提供时的δ轴方向发生的干扰电流，当该干扰电流积分值和γ轴电流指令值的积的符号为正时，仅使γ轴前进微小角Δθ，当前述符号为负时仅滞后微小角Δθ的相位，以此，使γ轴与实际磁轴d轴或从实际磁轴前进180度的-d轴一致。
在上述方式中，关于所述δ轴方向的干扰电流iδ的响应，当设γ轴方向的电流为iγ，设δ轴方向的电流为iδ，设γ轴方向的电压为vγ、设δ轴方向电压为vδ，设q轴的电感为Lq，设d轴的电感为Ld，设定子电阻为Rs，以及γ轴和d轴的电角误差为θe情况下的永磁电动机的速度为0状态的方程式表示为(1)式ddtiγiδ=-RsLdLqLq+(Ld-Lq)sin2θe12(Lq-Ld)sin2θe12(Lq-Ld)sin2θeLd-(Ld-Lq)sin2θe]]>iriδ+1LdLqLq+(Ld-Lq)sin2θe12(Lq-Ld)sin2θe12(Lq-Ld)isn2θeLd-(Ld-Lq)sin2θevrvδ---(1)]]>其中当用开环构成q轴方向的电流控制系统，用比例控制闭环构成d轴方向的电流控制系统时，则由于γ轴电流指令值为iγRef、vδ＝0、vγ＝kγ(iγRef-iγ)，所以永磁电动机的速度为0时的状态方程式用(2)式表示ddtiriδ=-RsLdLqLq00Ldiriδ+1LdLqLq•Kr0(iγRef-ir)-RsLdLq]]>(Ld-Lq)sin2θe12(Lq-Ld)12(Lq-Ld)sin2θe-(Ld-Lq)sin2θeiriδ+1LdLq(Ld-Lq)Krsin2θe12(Lq-Ld)Krsin2θe(irRef-ir)---(2)]]>拉普拉斯变换的iδ响应用(3)式表示iδ(S)=KrarδSS2+[Krarr+RS(arr+aδδ)]S+(Kr+RS)Rs(arraδδ-arδ2)•irRef(S)---(3)]]>其中，Iδ(S)规定为iδ的拉普拉斯表达，IγRef(S)规定为iγ的拉普拉斯表达。还有，aγγ、aδδ、aγδ用(4)式表示arr=Lq+(Ld-Lq)sin2θeLdLq,]]>aδδ=Ld-(Ld-Lq)sin2θeLdLq]]>arδ=(Lq-Ld)sin2θeLdLq---(4)]]>规定把前述γ轴方向电流指令作为阶跃状交替电流指令提供情况下的前述δ轴方向干扰电流iδ的积分∫iδdt比aγγ＝1/Ld、aδδ＝1/Lq、Kr大很多时用(5)式表示lim1→∞∫Otiδdt=Lq-Ld2RSsin2θe•irRef---(5)]]>前述干扰电流积分值和γ轴电流指令值的积fγ用(6)式表示fr=sign(irRef)•limt→∞∫Otiδdt---(6)]]>鉴于上述结果以及fγ和γ轴和d轴的电角度误差θe是在X轴取fγ在γ轴取θe略呈正弦变化的fγ-θe特性，当fγ≥0时，如果调节得使沿γ轴仅前进Δθe，当fγ＜0时，如果调节得使沿γ轴仅滞后Δθe，则指定的γ轴最后渐渐接近d(相当于θe＝0)轴或-d(相当于θe＝180°)轴收敛，可推断磁极位置。
附图的简要说明图1是有关发明实施例的永磁无刷电动机初始磁极位置推断方法的概念方框图；图2是图1所示的无刷电动机初始磁极位置推断方法的流程图；图3是图1所示的γ轴电流指令的波形图；图4是图1所示的γ轴和d轴的关系图；图5是图2所示的θe和fγ的特性曲线图；图6是图2所示的推断磁轴θγ的校正波形图；图7是图6所示的推断磁轴θγ的其他相位的校正波形图。
下面参照
本发明实施例。
图1是有关发明实施例的永磁无刷电动机初始磁极位置推断方法的概念方框图。图2是图1所示的无刷电动机初始磁极位置推断方法的流程图；图3是图1所示的γ轴电流指令的波形图；图4是图1所示的γ轴和d轴的关系图；图5是图2所示的θe和fγ的特性曲线图；图6是图2所示的推断磁轴θγ的校正波形图；图7是图6所示的推断磁轴θγ的其他相位的校正波形图。
在图1中，通过电流传感器等输入如从γ轴电流发生电路1输出的图3所示的阶跃状γ轴电流指令iγRef和驱动无刷电动机8的变换器部5的电流iu、iv，把由3相2相变换部6变换得到的γ轴方向电流iγ输入到γ轴电流控制部2，产生电压指令vγ*。
另一方面，虽然从δ轴电流控制部3也产生δ轴方向电压指令vδ*，但是，由于δ轴方向的控制系统作为开环增益为0，所以vδ*＝0。接着，在θγ形成电路7利用γ轴电流指令iγRef和δ轴电流iδ确定补正角θe(参照图4)，使γ轴的角度θγ更新。借此，从向量控制部4把电压指令大小v*和输出相位θv供给变换器部5，但由于vδ*＝0，所以，v*＝vδ*、θv＝θγ。
接着说明其工作。
参照图2的流程图，首先，输入永磁无刷电动机8的3相中的至少2相电流，其中u相电流和v相电流(也可以是其他组合)的K·Ts秒时(Ts为电流回路取样时间)的电流iu(K)、iv(K)(S101)。
然后，根据通过δ轴的α相的位置(参照图4)θγ(K)，执行2相3相变换，导出iγ(K)、iδ(K)(S102)。接着，根据图3所示的阶跃状交替电流的γ轴电流指令iγRef(K)值使其分支(S103)。
在作S103的判定时，在iγRef(k)非0情况下的执行程序中，进行Sign[iγRef(K)]·∫iδdt运算，存储在fγ(t)中(S104)。接着，在以下S105、S106、S107中，根据fγ(t)的符号，如图4所示，利用使θγ仅变更Δθe，调整成使γ轴与实际磁轴d轴一致。
首先，判断是否fγ(t)≥0(S105)，如果fγ(t)≥0的情况下(S105是)，则θγ变更量Δθe为正(S106)。而且，在判断为fγ(t)＞0的情况下(S105否)，则θγ变更量Δθe为负(S107)。
这样，执行使γ轴与d轴一致的操作，还有，通过时间中断，作成(K+1)Ts秒间的电流指令iγRef(K+1)。如图3所示，iγRef(K+1)以阶跃状提供(S108)。
在前面S103的判断中分路的，在iγRef(K)＝0时的执行程序中，根据上次的γ轴电流指令iγRef(K-1)，利用改变处理，判断是否iγRef(K-1)＝0(S109)。如果判断iγRef(K-1)＝0的情况下(S109是)，维持θγ(K+1)＝θγ(K)(S110)。而且，在判断iγRef(K-1)不为0的情况下(S109否)，根据由前面的S104以下的执行程序确定的Δθe，更新γ轴位置θγ(S111)。就是说，通过在S104～S107确定的Δθe，在该S109～S111的分支程序仅更新一次θγ。
接着，为了下面的S104～S107的分支程序，设置iδ的积分项(S112)。
图6、图7是利用如上的磁极位置推断方法实际调整θγ的实验结果。作为该情况下的条件，是初始推断γ轴和d轴偏差电角90°时的初始磁极位置的结果，以约0.1秒的高速推断d轴或-d轴。
象这样，根据本实施例，利用只是根据干扰电流iδ的积分值和γ轴电流积的符号的正负产生的推断，可迅速地求出初始磁极位置。并且，其中由于在运算中使用积分，所以电流传感器等的噪声再大，电流的大小不大，也只需通过符号判断，只要电感Lq和Ld中存在差别便可，由于不受大小左右，所以能稳定地调整。而且，由于电流指令iγRef交替供给，所以平均转矩为0，因不使转子旋转，所以电动机仍然停止，也可作磁极推断。
如上所述，根据本发明，空间座标上设定γ轴和从γ轴任意前进90°的方向上，设定δ轴，用闭环构成γ轴电流控制系统，用开环构成δ轴电流控制系统，观测把γ轴方向电流指令iγRef作为阶跃状交替电流指令提供时的δ轴方向上产生的干扰电流iδ，根据该干扰电流iδ的积分值和γ轴电流指令值iγRef的积的符号为正时，γ轴仅前进微小角Δθ，符号为负时仅滞后微小角Δθ的相位，就使得γ轴与实际磁轴d轴或从实际磁轴前进180°的-d轴一致，所以即便没有正确把握电感、电阻等的电参数，不使转子旋转，电动机停止不动，也无过电流流动，能高速地推断转子的初始磁极位置。
权利要求
1.一种永磁无刷电动机的磁极位置推断方法，其特征是，在空间座标上任意地设定γ轴和从γ轴前进电角90°的方向上设定δ轴，以闭环构成γ轴方向的电流控制系统，同时以开环构成δ轴方向的电流控制系统，导出把所述γ轴方向电流指令iγRef作为阶跃状交替电流指令提供时的δ轴方向上发生的干扰电流，该干扰电流的积分值和γ轴电流指令值的积的符号为正时，使γ轴仅前进微小角Δθ，当所述符号为负时仅滞后微小角Δθ，据此，使γ轴与实际磁轴d轴或从实际磁轴前进180°的-d轴一致。
全文摘要
一种永磁无刷电动机(8)的磁极位置推断方法,在空间坐标上任意地设定γ轴和从γ轴前进电角90°的方向上设定δ轴,以闭环构成γ轴方向的电流控制部(2),以开环构成δ轴方向的电流控制部(3),导出把所述γ轴方向电流指令作为阶跃状交替电流指令提供时的δ轴方向上发生的干扰电流,该干扰电流的积分值和γ轴电流指令值的积的符号为正时,使γ轴仅前进微小角△θ,当所述符号为负时仅滞后微小角△θ,据此,使γ轴与实际磁轴d轴或从实际磁轴前进180°的－d轴一致。
文档编号H02P27/04GK1267405SQ98808311
公开日2000年9月20日 申请日期1998年6月16日 优先权日1997年6月18日
发明者小黑龙一, 龟井健 申请人:株式会社安川电机