永磁同步电机的矢量控制装置、常数显示系统和变换器模块

具体实施方式

本发明涉及与永久磁铁同步电动机的矢量控制方式有关，通过在紧邻实际运转之前和实际运转中，等同电动机常数，并且自动修正设定在控制系统中的电动机常数，来实现高精度、高响应的转矩控制的技术。

下面我们使用附图详细说明本发明的实施例。

[第1实施例]

图1表示作为本发明的一个实施例的永久磁铁同步电动机的矢量控制装置的结构例。1是永久磁铁同步电动机，2是输出与三相交流的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*成比例的电压的功率变换器，21是直流电源，3是能够检测三相交流电流Iu、Iv、Iw的电流检测器，4是能够检测电动机的位置θ的位置检测器，5是根据位置检测值θc计算频率计算值ω₁*的频率计算单元，6是根据三相交流的电流检测值Iuc、Ivc、Iwc和位置检测值θc输出d轴和q轴的电流检测值Idc、Iqc的坐标变换单元，7是设定第一d轴电流指令值Id*的d轴电流指令设定单元，8是根据第一d轴电流指令值Id*和d轴电流检测值Idc的偏差，输出中间的第二电流指令值Id**的d轴电流指令计算单元，9是根据从前级(日文：上位)给予的第一q轴电流指令值Iq*和q轴电流检测值Iqc的偏差，输出中间的第二q轴电流指令值Iq**的q轴电流指令计算单元，10是利用电压指令值Vdc*、Vqc*和电流检测值Idc、Iqc，计算永久磁铁同步电动机1的无效功率和有效功率，输出无效功率计算值Pc和有效功率计算值Qc的功率计算单元，11是利用无效功率Pc、有效功率Qc和电流检测值Idc、Iqc，计算永久磁铁同步电动机1的电阻的等同值R^、d轴和q轴电感的等同值Ld^、Lq^、感应电压系数的等同值Ke^的电动机常数等同计算单元，12是使用中间的第二d轴和q轴的电流指令值Id**、Iq**、频率计算值ω₁*和电动机常数的设定值(R*、Ld*、Lq*、Ke*)或电动机常数等同计算单元11的输出值(R^、Ld^、Lq^、Ke^)，输出电压指令值Vdc*、Vqc*的矢量控制计算单元，13是由电压指令值Vdc*、Vqc*和位置检测值θc输出三相交流电压指令值Vu*、Vv*、Vw*的坐标变换单元。

首先，记述永久磁铁同步电动机的矢量控制装置中的电压和相位的基本控制方法。

电压控制的基本操作是在d轴和q轴的电流指令计算单元8和9中，使用从上位给予的第一电流指令值Id*、Iq*和电流检测值Idc、Iqc，计算用于矢量控制计算的中间的第二电流指令值Id**、Iq**。

在矢量控制计算单元12中，使用第二电流指令值Id**、Iq**、频率指令值ω₁*和电动机常数的设定值，计算公式(1)所示的电压指令值Vd**、Vq**，并控制功率变换器的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。

[公式1]

$>\left(\left(\left(\left(\right)\right)\right)\right)$

其中，R：电阻值，Ld：d轴电感值，Lq：q轴电感值，Ke：感应电压系数，*：设定值。

另一方面，关于相位控制的基本操作，在位置检测器4中得到永久磁铁同步电动机1的位置检测值θc。在频率计算单元5中，根据该位置检测值θc计算公式(2)所示的频率计算值ω₁*。

[公式2]

$>>>>\omega >1>>*>>=>>d>dt>>\Delta \theta >->->->>(>2>)>>>s>$

另外，通过将坐标变换单元6和13的基准相位当作位置检测值θc，控制永久磁铁同步电动机1的相位。

以上是永久磁铁同步电动机的矢量控制装置中电压控制和相位控制的基本操作。

下面，记述当不设置作为本发明特征的电动机常数等同计算单元11时(电动机常数的设定值为R*、Ld*、Lq*、Ke*)的控制特性。

图2、图3表示在图1的控制装置中，当存在电动机常数的设定误差时的电流阶跃响应特性。

图2是永久磁铁同步电动机1在d轴和q轴的电感值Ld、Lq和在矢量控制计算单元12中设定的设定值Ld*、Lq*一致时(Ld*＝Ld，Lq*＝Lq)的特性。

当电动机以一定速度运转时，可知当在时间为0.1[s]的A点，以虚线所示的方式使q轴电流指令值Iq*发生阶跃变化时，q轴的电流检测值Iqc以1.6[ms]的响应时间，没有过冲地快速跟踪。

另一方面，在表示当电动机的电感值Ld、Lq和设定值Ld*、Lq*不一致时(Ld*＝0.5×Ld，Lq*＝0.5×Lq)的特性的图3中，可知对指令值Iq*，q轴电流检测值Iqc的跟踪变慢，同时还发生过冲。

即，当存在电动机常数的设定误差时，对电流指令值的跟踪特性恶化，与此相随产生关于转矩响应、转矩精度恶化的问题。

下面，说明利用了永久磁铁同步电动机1的有效功率和无效功率的“电动机常数的等同原理”。

当使用电动机电流Id、Iq和电动机常数表示加在永久磁铁同步电动机1的d轴和q轴上的施加电压Vd、Vq时，得到公式(3)。

[公式3]

$>\left(\left(\left(\left(\right)\right)\right)\right)$

首先，说明着眼于有效功率P的“电阻R的等同原理”。

永久磁铁同步电动机1的有效功率P能够用公式(4)表示。

[公式4]

P＝Vd·Id+Vq·Iq                                          (4)

这里，通过公式(3)、(4)，得到公式(5)。

[公式5]

P＝(R·Id-ω₁·Lq·Iq)·Id+(R·Iq+ω₁·Ld·Id+ω₁·Ke)·Iq

＝R·(Id²+Iq²)+ω₁·Iq·(Ke+(Ld-Lq)·Id)              (5)

另外，当令在控制侧计算出的有效功率为Pc时，得到公式(6)。

[公式6]

Pc＝Vdc^*·Idc+Vqc^*·Iqc                                 (6)

当使电动机轴和控制轴一致(有效功率P和有效功率计算值Pc一致)，在公式(5)中，使电动机电流Id、Iq为电流检测值Idc、Iqc，电动机频率ω₁为频率计算值ω₁*时，得到公式(7)。

[公式7]

$>>Pc>=>R>·>>(>>Idc>2>>+>>Iqc>2>>)>>+>>>\omega >1>>*>>·>Iqc>·>>(>Ke>+>>(>Ld>->Lq>)>>·>Idc>)>>->->->>(>7>)>>>s>$

在公式(7)中，如果频率计算值ω₁*在“零”附近，则得到公式(8)。

[公式8]

$>>>Pc>>[>>>\omega >1>>*>>\approx >0>]>>>=>R>·>>(>>Idc>2>>+>>Iqc>2>>)>>->->->>(>8>)>>>s>$

其中，在设置了将第一d轴电流指令值Id*设定在“零”以及“正”或“负”这2个区段上的区间时，令在各个区段中发生的有效功率为Pc_[Idc＝0]、Pc_[Idc≠0]，进行公式(9)的计算，

[公式9]

Pc_[Idc≠0]-Pc_[Idc＝0]＝R·Idc²                   (9)

由公式(10)，能够计算电阻R的等同值R^。

[公式10]

$>>R>^>=>>>>Pc>>[>Idc>>>0>]>>>->>Pc>>[>Idc>=>0>]>>>>>Idc>2>>>->->->>(>10>)>>>s>$

下面，说明着眼于无效功率Q的“d轴和q轴的电感Ld、Lq和感应电压系数Ke的等同原理”。

永久磁铁同步电动机1的无效功率Q能够用公式(11)表示。

[公式11]

Q＝Vd·Iq+Vq·Id                            (11)

这里，通过公式(3)、(11)，得到公式(12)。

[公式12]

Q＝(R·Id-ω₁·Lq·Iq)·Iq-(R·Iq+ω₁·Ld·Id+ω₁·Ke)·Id

＝-ω₁·(Lq+Iq²+Ld·Id²+Ke·Id)         (12)

另外，当令在控制侧计算的无效功率为Qc时，得到公式(13)。

[公式13]

Qc＝Vdc^*·Iqc-Vqc^*·Idc                   (13)

这里，当使电动机轴和控制轴一致，在公式(12)中，使电动机电流Id、Iq为电流检测值Idc、Iqc，电动机频率ω₁为频率计算值ω₁*时，得到公式(14)。

[公式14]

Qc＝-ω₁^*·(Lq·Iqc²+Ld·Idc²+Ke·Idc)   (14)

在公式(14)中，可知在无效功率计算值Qc中包含着电动机常数的d轴和q轴电感Ld、Lq及感应电压系数Ke。

第一，说明“q轴电感Lq的等同原理”。

当在图1中的d轴电流指令设定单元7中，将d轴电流指令值Id*设定为“零”，这时，令由功率计算单元10计算的无效功率计算值Qc为Qc_[Idc＝0]时，得到公式(15)。

[公式15]

$>>>Qc>>[>Idc>=>0>]>>>=>->>>\omega >1>>*>>·>>(>Lq>·>>Idc>2>>)>>->->->>(>15>)>>>s>$

能够用公式(16)计算q轴电感Lq的等同值Lq^。

[公式16]

$>>Lq>^>=>>>|>>Qc>>[>Idc>=>0>]>>>|>>>>>\omega >1>>*>>·>>Iqc>2>>>>->->->>(>16>)>>>s>$

第二，我们说明“感应电压系数Ke的等同原理”。

在设置了将第一d轴电流指令值Id*设定在“正”和“负”这2个区段上的区间的情况下，当使用在各个区间中计算得到的无效功率计算值Qc_[Idc＞0]、Qc_[Idc＜0]，进行公式(17)的计算时，

[公式17]

Qc_[Idc＞0]-Qc_[Idc＜0]＝-2·ω₁^*·Ke·|Idc|                 (17)

可由公式(18)，计算感应电压系数Ke的等同值Ke^。

[公式18]

第三，说明“d轴电感Ld的等同原理”。这次，使用无效功率计算值Qc_[Idc＞0]、Qc_[Idc＜0]，进行公式(19)的计算，

[公式19]

这里，由公式(15)和公式(19)，得到公式(20)。

[公式20]

可由公式(21)计算d轴电感Ld的等同值Ld^。

[公式21]

以上是关于“电动机常数的等同原理”的说明。

这里，我们使用图1、图4、图5说明作为本发明特征的“电动机常数等同计算单元11的结构”。

首先，说明作为本发明特征的在“低速度区域”的区间中实施的“电阻R的等同计算”。

在图4中，将频率计算值ω₁*输入到用于判断“低速度区域”区间的信号发生单元111中。在信号发生单元111中，比较ω₁*和低速度区域检测电平(low_mod_lvl)，利用公式(22)的关系，作成判定标志(low_mod_flg)。

[公式22]

当判定标志为“1”时，判断为低速度区域，并进行电阻R的等同计算。

这里，低速度区域检测电平为电动机额定转数的百分之几以下的值。

另外，在图1的d轴电流指令设定单元7中，将d轴电流指令值Id*设定在“零”和“正”(或“负”)这至少2个阶段上。

下面，使用图5说明“电阻R的等同计算”的具体内容。

将作为将d轴电流指令值Id*设定为“正”时功率计算单元10的输出信号的有效功率计算值Pc_[Idc≠0]、和作为将d轴电流指令值Id*设定为“零”时功率计算单元10的输出信号的计算得到的Pc_[Idc＝0]两者输入到减法单元112中，然后将它的输出信号，与作为乘法单元113的输出信号的d轴电流检测值Idc的平方值一起，输入到除法单元114。除法单元114的输出信号成为电阻R的等同值R^。

第二，使用图6到图10说明在“中高速区域”的区间中实施的“d轴和q轴电感Ld、Lq和感应电压系数Ke的等同计算”。

将频率计算值ω₁*输入到用于判断“中高速区域”区间的信号发生单元115中。在信号发生单元115中，比较ω₁*和中高速区域检测电平(high_mod_lvl)，使用公式(23)的关系，作成判定标志(high_mod_flg)。

[公式23]

当判定标志为“1”时，判断为“中高速区域”区间，并进行“电感值和感应电压系数”的等同计算。这里，中高速区域检测电平为电动机额定转数的约百分之十以上的值。

图7表示第一d轴电流指令值Id*的设定模式和3个(Ld、Lq、Ke)等同区间的关系。

在Idc为“零”区间(A区间)中，等同q轴电感Lq，其次，在Idc为“正”和“负”区间(B区间)中，等同d轴电感Ld和感应电压系数Ke。

下面使用图8～图10来进行说明。

首先，使用图8说明“q轴电感Lq的等同计算”。

将d轴电流检测值Idc输入到乘法单元116，输出Idc的平方值。将频率计算值ω₁*和乘法单元116的输出信号输入到乘法单元117。

将作为将d轴电流指令值Id*设定为“零”时功率计算单元10的输出信号的Qc_[Idc＝0]和乘法单元117的输出信号输入到除法单元118中。

除法单元118的输出信号成为q轴电感Lq的等同值Lq^。

第二，使用图9说明“感应电压系数Ke的等同计算”。

将作为将d轴电流指令值Id*设定为“正”时功率计算单元10的输出的无效功率Qc_[Idc＞0]、和作为将d轴电流指令值Id*设定为“负”时功率计算单元10的输出的Qc_[Idc＜0]输入到减法单元119，然后将它的输出信号输入到绝对值计算单元1110中。

另外，将d轴电流检测值Idc和频率计算值ω₁*输入到乘法单元1111中，然后将它的输出信号乘以作为常数值的“2”，与前面的绝对值计算单元1110的输出信号一起，输入到除法单元1113中。

除法单元1113的输出信号成为感应电压系数Ke的等同值Ke^。

第三，使用图10说明“d轴电感Ld的等同计算”。将作为将d轴电流指令值Id*设定为“正”时功率计算单元10的输出的无效功率Pc_[Idc＞0]、作为将d轴电流指令值Id*设定为“负”时功率计算单元10的输出的Pc_[Idc＜0]、和在作为将d轴电流指令值Id*设定为“零”时的功率计算单元10的输出的Pc_[Idc＝0]上乘以作为常数值1115的“2”得到的值这三个值输入到减法单元1114。然后将它的输出信号输入到绝对值计算单元1116。

另外，将d轴电流检测值Idc输入到乘法单元1117，输出Idc的平方值。将频率计算值ω₁*和乘法单元1117的输出信号输入到乘法单元1118。将它的输出信号乘以作为常数值1119的“2”，与前面的绝对值计算单元1116的输出信号一起，输入到除法单元1120中。

除法单元1120的输出信号成为d轴电感Ld的等同值Ld^。

这里，通过在矢量控制计算单元12中，使用通过计算求得的永久磁铁同步电动机1的等同值，计算公式(24)所示的电压指令值Vdc*、Vqc*，控制功率变换器的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*，从而能够提供在紧临实际运转之前和实际运转中，实现高精度、高响应的转矩控制的永久磁铁同步电动机的矢量控制装置。

[公式24]

$>\left(\left(\left(\left(\right)\right)\right)\right)$

[第2实施例]

在第1实施例中，是使用电动机常数等同计算单元11的输出值(R^、Ld^、Lq^、Ke^)，来设定矢量控制计算单元12的电动机常数的方式，但是也可以应用于使用11的输出值修正第二d轴和q轴电流指令计算单元8a、9a的控制增益中。

图11表示该实施例。在图11中，1～7、10～13、21与图1相同。

如公式(25)所示，如果使用等同后的电动机常数(R^，Ld^，Lq^)，修正电流指令计算单元8a、9a的控制增益(Kp_d，Ki_d，Kp_q，Ki_q)，则能够实现高精度，高响应的转矩控制系统。

[公式25]

$>\left(\right)$

这里，Kp_d：第二d轴电流指令计算用的比例增益，Ki_d：积分增益，Kp_q：第二q轴电流指令计算用的比例增益，Ki_q：积分增益，ωc_acr：电流控制响应角频率[rad/s]。

[第3实施例]

图12表示本发明的其它实施例。本实施例是使用从前级给予的电流指令值和电流检测值的偏差，校正矢量控制计算的输出值Vdc*、Vqc*的永久磁铁同步电动机的矢量控制装置。

在图12中，1～7、10、11、13、21与图1相同。8b是计算d轴的校正电压ΔVd以使d轴电流指令值Id*和d轴电流检测值Idc一致的d轴电流控制计算单元，9b是计算q轴的校正电压ΔVq以使q轴电流指令值Iq*和q轴电流检测值Iqc一致的q轴电流控制计算单元，12′是使用d轴和q轴的电流指令值Id*、Iq*、频率计算值ω₁*和电动机常数等同计算单元11的输出值(R^、Ld^、Lq^、Ke^)，来输出电压指令值Vdc*、Vqc*的矢量控制计算单元。

与前面的实施例中所示的图1的不同点是在于在d轴和q轴的电流控制计算单元8b、9b中，计算电压校正值ΔVd、ΔVq，以使电流检测值Idc、Iqc与从上位给予的电流指令值Id*、Iq*一致的方式。

另外在矢量控制计算单元12′中，使用电流指令值Id*、Iq*、频率指令值ω₁*和电动机常数的等同值来计算公式(26)所示的电压指令基准值Vdc*、Vqc*，

[公式26]

$>\left(\left(\left(\left(\right)\right)\right)\right)$

如公式(27)所示，计算功率变换器的电压指令值Vdc*′、Vqc*′。

[公式27]

$>\left(\left(\left(\right)\right)\right)$

可以明了的是即便在这种矢量控制计算中，也与上述实施例同样地操作，得到同样的效果。

[第4实施例]

在第3实施例中，是使用电动机常数等同计算单元11的输出值(R^、Ld^、Lq^、Ke^)来设定矢量控制计算单元12′的电动机常数的方式，但是也能够应用于使用11的输出值来修正d轴和q轴的电流指令计算单元8c、9c的控制增益。

图13表示该实施例。在图13中，1～7、10、11、12′、13、21与图12相同。

如公式(28)所示，如果使用等同后的电动机常数(R^、Ld^、Lq^)来修正电流指令计算单元8c、9c的控制增益(Kp_d1，Ki_d1，Kp_q1，Ki_q1)，则能够实现高精度，高响应的转矩控制系统。

[公式28]

$>\left(\right)$

这里，Kp_d1：d轴电流控制计算用的比例增益，Ki_d1：积分增益，Kp_q1：q轴电流控制计算用的比例增益，Ki_q1：积分增益，ωc_acr：电流控制响应角频率[rad/s]。

[第5实施例]

在第1实施例中，是使用高价的电流检测器3检测三相交流电流Iu～Iw的方式，但是也能够应用于使用廉价的电流检测器进行电流检测的控制装置。

图14表示本实施例。在图14中，1、2、4～13、21与图1相同。14是根据流过功率变换器的输入母线的直流电流I_DC，推定流过永久磁铁同步电动机1的三相交流电流Iu、Iv、Iw的电流再现单元。

使用该推定电流值Iu^、Iv^、Iw^，在坐标变换单元6中，计算d轴和q轴电流检测值Idc、Iqc。可明了的是即便在这种没有电流传感器的系统中也能够一面实现廉价，一面与上述实施例同样地操作，得到同样的效果。

另外，可以明了的是即便应用于第2、第3、第4实施例，也能够一面实现廉价，一面与上述实施例同样地操作，得到同样的效果。

[第6实施例]

用图15说明将本发明应用于模块的例子。本实施例表示第6实施例的实施方式。

这里，使用单芯片微处理器(日语：1チツプマイコン)构成频率计算单元5、座标变换单元6、d轴电流指令设定单元7、d轴电流指令计算单元8、q轴电流指令计算单元9、功率计算单元10、电动机常数等同计算单元11、矢量控制计算单元12，坐标变换单元13。

另外，上述单芯片微处理器和功率变换器成为内置于在同一基板上构成的1个模块内的形态。这里所谓的模块指的是“标准化的结构单位”的意思，由可以分离的硬件/软件的部件构成。另外，在制造上，优选在同一基板上被构成，但是并不限定于同一基板。因此，也可以构成在内藏于同一框体中的多个电路基板上。即便在其它的实施例中也能够采取同样的方式结构。

[第7实施例]

在此前的实施例中，由电动机常数等同计算单元11计算电动机常数，然后等同矢量控制计算单元的电动机常数，但是也可以考虑由电动机常数等同计算单元11计算电动机常数，并将它们显示出来。

由此，能够使永久磁铁电动机的特性变化可视化。另外，通过可视化能够识别永久磁铁电动机的恶化程度。而且，也实现了当发生某种程度的恶化时知晓交换电动机时期这样的效果。