CN104883106A - 控制同步电动机的电动机控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供控制同步电动机的电动机控制装置，具备：计算单元，其将转矩指令为零时的值设成初始值，并计算转矩指令越增加则越减少的速度基准值；判定单元，其对转矩指令判定由所述计算单元计算的速度基准值与速度指令的大小关系；q轴电流指令单元，其在速度指令小于速度基准值时，根据转矩指令和同步电动机的转矩常数的倒数来生成用于指示流向同步电动机的q轴电流指令，当速度指令在速度基准值以上时，根据将速度指令设成独立变量的函数、转矩指令和同步电动机的转矩常数的倒数来生成用于指示流向同步电动机的q轴电流指令；和d轴电流指令单元，其根据q轴电流指令来生成用于指示流向同步电动机的d轴电流指令。

Description

控制同步电动机的电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种对同步电动机进行电流向量控制的电动机控制装置，尤其涉及一种根据q轴电流指令以及d轴电流指令来对具有凸极性的永磁同步电动机(Permanent Magnetic Synchronous Motor：PMSM)进行电流向量控制的电动机控制装置。

背景技术

作为具有永磁铁的三相交流同步电动机(以下，有时简称为“同步电动机”)的控制方法，例如文献“武田洋次、松井信行、森本茂雄、本田幸夫著，‘埋込磁石同期モータの設計と制御(嵌入式磁铁同步电动机的设计与控制)’、株式会社欧姆(オーム)社、第1版第7次印刷、17～27页以及38～46页、2007年”记载所示，已知的有使用dq坐标控制***的电流向量控制。在dq坐标控制***中，将转子的磁极方向(即，永磁铁的中心轴)设定为d轴，将与d轴以电以及磁正交的轴(永磁铁间的轴)设定为q轴。此时，根据转矩指令生成q轴电流指令以及d轴电流指令，使用q轴电流指令以及d轴电流指令根据同步电动机的转子的磁极位置电流流过适当的励磁相位线圈，由此使同步电动机产生与转矩指令对应的所希望的转矩。

例如，在日本特开2013-226033号公报中记载了一种电动机控制装置，其根据转矩指令以及速度指令来限制q轴电流指令，根据速度指令以及q轴电流指令计算d轴指令，从而使处理速度高速化而无需使用复杂的计算式。

此外，例如，在日本特开2012-249459号公报中记载了如下的电动机控制装置，其预先设定将根据流过同步电动机的电流值变化的d轴以及q轴的电感与电流值关联起来的电感信息，当生成d轴以及q轴的电流指令时，根据已输出的d轴以及q轴的电流指令，使用与视为流过同步电动机的电流值对应的d轴以及q轴的电感来生成d轴电流指令以及q轴电流指令。

此外，例如，如日本特开2013-85407号公报所示，存在如下控制方法：在d轴方向与q轴方向的电感中存在差的电动机中，为了防止高负载侧的转矩迟滞(torque sag)，实现电动机的转矩向上和小型化，进行最大转矩/电流控制来调整电流相位。

当是不具有凸极性的永磁同步电动机时，通过旋转磁场的极与转子的永磁铁的磁极的吸引力以及反作用力来产生磁力矩。将不具有凸极性的同步电动机的极对数设成P_n，将永磁铁的锁交磁通(interlinkage magnetic flux)设成Ψ_a，将流过同步电动机的励磁相位线圈的q轴电流设成I_q时，磁力矩T_M如式1所示。

T_M＝P_n×Ψ_ａ×Ｉ_ｑ…(1)

对于输入的转矩指令T_CMD，根据对式1进行了变形的式2，生成q轴电流指令I_q ^*，进而根据q轴电流指令I_q ^*生成d轴电流指令I_d ^*，通过使用这些q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*，能够控制不具有凸极性的同步电动机。

${I_q}^{*}=\frac{T_{\mathrm{CMD}}}{P_n\×{\mathrm{\Ψ}}_a}...\left(2\right)$

另一方面，当是具有凸极性的永磁同步电动机时，除了产生基于永磁铁的磁力矩外还产生磁阻转矩。磁阻转矩是仅根据基于定子的旋转磁场的极与转子的凸极的吸引力来产生的转矩。当是具有凸极性的同步电动机时，在q轴电感与d轴电感中存在差，因此当使q轴电流恒定，并根据最大电流和输入电压决定d轴电流来进行动作时，仅增加相当于磁阻转矩的量的转矩。将极对数设成P_n，将q轴电感设成L_q[H]，将d轴电感设成L_d[H]，将流过同步电动机的励磁相位线圈的q轴电流设成I_q[A]，将d轴电流设成I_d[A]时，磁阻转矩T_R[Nm]如式3所示。

T_R＝P_n×(L_q-L_d)×I_q×I_d…(3)

因此，使用式1以及式3，将在具有凸极性的同步电动机中产生的转矩T[Nm]表示为如式4所示。

T＝T_M+T_R＝P_n×Ψ_a×I_q+P_n×(L_q-L_d)×I_q×I_d…(4)

图4是表示在具有凸极性的同步电动机中，仅考虑磁力矩来生成q轴电流指令以及d轴电流指令进行电流向量控制时的、转子速度与转矩的关系的图。在具有凸极性的永磁同步电动机中，根据仅考虑了磁力矩的式2来生成q轴电流指令(以及d轴电流指令)来进行电流向量控制时，针对输入的转矩指令T_CMD在同步电动机中实际产生的转矩T仅增加磁阻转矩T_M。尤其在高速区域中磁阻转矩T_M的增加非常显著。但是，即使在该情况下，当在转矩控制回路的前级设置速度控制回路，在速度控制回路的前级设置位置控制回路时，在速度控制回路中根据需要的转矩调整转矩指令，因此自身可以准确地对同步电动机的转子的位置以及速度进行控制。然而，如上所述不能按照转矩指令控制同步电动机的转矩，产生误差。

为了避免这样的转矩误差，考虑并用磁力矩和磁阻转矩来对具有凸极性的同步电动机进行电流向量控制。此时，对于输入的转矩指令T_CMD，根据对式4进行了变形的式5，生成q轴电流指令I_q ^*。

${I_q}^{*}=\frac{T_{\mathrm{CMD}}}{P_n\×\{{\mathrm{\Ψ}}_a+(L_q-L_d)\×I_d\}}...\left(5\right)$

图5是表示在具有凸极性的同步电动机中，考虑磁力矩以及磁阻转矩生成q轴电流指令以及d轴电流指令来进行电流向量控制时的、转子的速度与转矩的关系的图。如果根据式5生成q轴电流指令I_q ^*，则能够使输入的转矩指令T_CMD与在同步电动机中实际产生的转矩T一致。

然而，在q轴电流指令I_q ^*的计算中所使用的式5包括实际流过的d轴电流I_d，从根据式5生成的q轴电流指令I_q ^*求出d轴电流指令I_d ^*，因此当要简单地计算q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*时，它们的计算会循环。为了避免该循环参照，需要将计算q轴电流指令I_q ^*时的d轴电流I_d设成一个周期前的值，并且还是产生由此引起的误差。此外，式5包括对运算处理增加负担的除法运算，因此存在处理花费时间的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高速地生成在控制具有凸极性的同步电动机时所使用的q轴电流指令以及d轴电流指令，能够高精度地控制转矩的电动机控制装置。

为了实现上述的目的，在生成q轴电流指令以及d轴电流指令，并使用这些来控制具有凸极性的同步电动机的电动机控制装置中，具备：计算单元，其将转矩指令为零时的值设成初始值，并计算转矩指令越增加则值越减少的速度基准值；判定单元，其对输入的转矩指令判定由计算单元计算出的速度基准值与输入的速度指令的大小关系；q轴电流指令单元，其在通过判定单元判定为速度指令小于速度基准值时，根据转矩指令和同步电动机的转矩常数的倒数来生成用于指示流向同步电动机的q轴电流的q轴电流指令，在通过判定单元判定为速度指令在速度基准值以上时，根据将速度指令作为独立变量的函数、转矩指令以及同步电动机的转矩常数的倒数来生成用于指示流向同步电动机的q轴电流的q轴电流指令；以及d轴电流指令单元，其根据由q轴电流指令单元生成的q轴电流指令，来生成用于指示流向同步电动机的d轴电流的d轴电流指令。

在此，电动机控制装置还可以具备：存储单元，其存储作为转矩指令为零时的速度基准值的初始值而设定的速度基准值初始值；以及在所述计算单元的计算处理中所使用的速度基准值的变化率。

此外，计算单元也可以在将速度基准值设成ω_n，将作为转矩指令为零时的速度基准值的初始值而设定的速度基准值初始值设成ω₀，将速度基准值的变化率设成k，将输入的转矩指令设成T_CMD时，根据式6来计算速度基准值ω_n。

ω_n＝ω₀-k×T_CMD…(6)

此外，q轴电流指令单元也可以在将指示流向同步电动机的q轴电流的q轴电流指令设成I_q ^*，将输入的转矩指令设成T_CMD，将输入的速度指令设成ω_CMD，将同步电动机的转矩常数的倒数设成R，将系数设成a、b以及c时，当通过判定单元判定为速度指令ω_CMD小于速度基准值ω_n时，根据式7来生成q轴电流指令I_q ^*，当通过判定单元判定为速度指令ω_CMD在速度基准值ω_n以上时，根据式8来生成q轴电流指令I_q ^*。

I_q ^*＝T_CMD×R…(7)

I_q ^*＝T_CMD×R×(aω_CMD ²+bω_CMD+C)…(8)

附图说明

通过参照以下的附图，能够更加明确地理解本发明。

图1是实施例的电动机控制装置的原理框图。

图2是表示在具有凸极性的同步电动机中，通过基于实施例的电动机控制装置进行了电流向量控制时的、转子的速度与转矩的关系的图。

图3是表示实施例的电动机控制装置的动作流程的流程图。

图4是表示在具有凸极性的同步电动机中，仅考虑磁力矩生成q轴电流指令以及d轴电流指令来进行电流向量控制时的、转子的速度与转矩的关系的图。

图5是表示在具有凸极性的同步电动机中，考虑磁力矩以及磁阻转矩生成q轴电流指令以及d轴电流指令来进行电流向量控制时的、转子速度与转矩的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图对控制同步电动机的电动机控制装置进行说明。然而，应理解本发明并不局限于附图或以下说明的实施方式。

图1是实施例的电动机控制装置的原理框图。以下，对使用电动机控制装置1来控制具有凸极性的三相交流同步电动机3的旋转的情况进行说明。同步电动机3的驱动电力通过逆变换器4来供给。逆变换器4例如是PWM逆变器等、在内部具有半导体开关元件的电力变换电路。逆变换器4通过由电动机控制装置1生成的开关指令u^*、v^*以及w^*来控制该半导体开关元件的开关动作，将从电源2供给的直流电力变换成用于驱动具有凸极性的三相交流同步电动机3的所希望的电压以及所希望的频率的三相交流电力。由此，同步电动机3根据供给的电压可变以及频率可变的三相交流电力来动作。另外，向逆变换器4供给直流电力的电源2，例如由将来自工业用三相交流电源(未图示)的三相交流电力变换成直流的整流器构成。

在基于实施例的电动机控制装置1中，考虑磁力矩(Megnet Torque)以及磁阻转矩(Reluctance Torque)双方来生成q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*，但作为在该生成处理中使用的计算式，根据针对同步电动机3的转子的旋转速度的指令即速度指令ω_CMD来分开使用仅考虑磁力矩的计算式和考虑磁力矩以及磁阻转矩双方的计算式。即，在实施例中，根据针对同步电动机3的转子的旋转速度的指令即速度指令ω_CMD来变更在生成q轴电流指令I_q ^*所使用的计算式，由此同步电动机3能够实际产生与转矩指令一致的转矩。此外，将在q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*的生成处理中所使用的计算式设成不包括除法运算，从而能够缩短运算处理所需要的时间，能够高速地生成q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*。为了生成这样的q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*，电动机控制装置1具备：存储单元10、计算单元11、判定单元12、q轴电流指令单元13以及d轴电流指令单元14。

计算单元11计算成为决定应生成的q轴电流指令I_q ^*时所使用的判断基准的速度基准值。即，计算单元11根据式9来计算速度基准值ω_n。在此，将速度基准值设成ω_n，将作为转矩指令为零时的速度基准值的初始值而设定的速度基准值初始值设成ω₀，将速度基准值的变化率设成k，将输入的转矩指令设成T_CMD。

ω_n＝ω₀-k×T_CMD…(9)

如式9所示，速度基准值ω_n是将转矩指令T_CMD为零时的值设成初始值，转矩指令T_CMD越增加则越减少的值。计算单元11根据式9，来计算输入的每个转矩指令T_CMD的速度基准值ω_n。例如，当设成速度基准值初始值ω₀＝3000rpm、速度基准值的变化率k＝100时，如果输入的转矩指令T_CMD从0变化至10，则速度基准值ω_n从3000rpm变化至2000rpm。

另外，速度基准值初始值ω₀以及速度基准值的变化率k可以根据同步电动机3的特性或用途来进行适当的设定，将设定的这些值存储在设置于电动机控制装置1内的存储单元10中。

判定单元12对输入的转矩指令T_CMD判定由计算单元11根据式9计算的速度基准值ω_n与输入的速度指令ω_CMD的大小关系。将基于判定单元12的判定结果发送给q轴电流指令单元13。

q轴电流指令单元13根据判定单元12的判定结果来生成q轴电流指令。在此，将指示应流向同步电动机3的q轴电流的q轴电流指令设成I_q ^*，将输入的转矩指令设成T_CMD，将输入的速度指令设成ω_CMD，将同步电动机3的转矩常数的倒数设成R。当通过判定单元12判定为速度指令ω_CMD小于速度基准值ω_n时，q轴电流指令单元13根据转矩指令T_CMD和同步电动机3的转矩常数的倒数R来生成q轴电流指令I_q ^*，当通过判定单元12判定为速度指令ω_CMD在速度基准值ω_n以上时，q轴电流指令单元13根据将速度指令ω_CMD作为独立变量的函数、转矩指令T_CMD以及同步电动机3的转矩常数的倒数R来生成q轴电流指令I_q ^*。作为一例，对将速度指令ω_CMD作为独立变量的函数设成二次函数时的情况进行说明，如下所示。

当通过判定单元12判定为速度指令ω_CMD小于速度基准值ω_n时，q轴电流指令单元13利用已经说明的磁力矩T_M的式1来生成q轴电流指令I_q ^*。将同步电动机3的转矩常数用“极对数p_n×永磁铁的锁交磁通Ψ_a”来表示，但预先计算该倒数R，并存储在电动机控制装置1内的存储单元(未图示)中，运算处理时使用该倒数R。然后，对输入的转矩指令T_CMD根据将式1变形而得的式10，来生成速度指令ω_CMD小于速度基准值ω_n时的q轴电流指令I_q ^*。在此，将系数设成a、b以及c。

I_q ^*＝T_CMD×R…(10)

另一方面，当通过判定单元12判定为速度指令ω_CMD在速度基准值ω_n以上时，q轴电流指令单元13使用式11来生成q轴电流指令I_q ^*。

I_q ^*＝T_CMD×R×(aω_CMD ²+bω_CMD+C)…(11)

d轴电流指令单元14根据由q轴电流指令单元13生成的q轴电流指令I_q ^*，来生成用于指示流向同步电动机的d轴电流的d轴电流指令I_d ^*。

如上所述，根据针对同步电动机3的转子的旋转速度的指令即速度指令ω_CMD，来变更用于生成q轴电流指令I_q ^*时所使用的计算式，由此同步电动机3能够实际产生与转矩指令T_CMD一致的转矩。此外，由于在q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*的生成处理中所使用的计算式不包括除法运算和对d轴电流的循环参照的项，因此能够缩短运算处理所需要的时间，并且高速地生成q轴电流指令I_q ^*。

将如上述那样生成的q轴电流指令I_q ^*以及指示d轴电流的d轴电流指令I_d ^*输入给DQ/三相变换电路15。

在DQ/三相变换电路块15中，对q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*进行二相三相变换，来生成同步电动机3的u相、v相以及w相等各相的电流指令i_u ^*、i_v ^*以及i_w ^*。

电流控制部16生成用于使流过同步电动机3的励磁相位线圈的电流i_u、i_v以及i_w追随从DQ/三相变换电路15输出的三相电流指令i_u ^*、i_v ^*以及i_w ^*的开关指令u^*、v^*以及w^*。逆变换器4根据生成的开关指令u^*、v^*以及w^*来执行该半导体开关元件的开关动作，由此将来自电源2的直流变换成交流，向同步电动机3的各相线圈供给交流的驱动电流i_u、i_v以及i_w。

另外，计算单元11、判定单元12、q轴电流指令单元13、d轴电流指令单元14、DQ/三相变换电路15以及电流控制部16例如可以按软件程序形式来构建，或者可以由各种电子电路与软件程序的组合来构建。例如将计算单元11、判定单元12、q轴电流指令单元13、d轴电流指令单元14、DQ/三相变换电路15以及电流控制部16按软件程序形式来构建时，电动机控制装置1内的运算处理装置按照该软件程序来动作，由此实现上述的各单元的功能。此外，既存的电动机控制装置通常具有DQ/三相变换电路15以及电流控制部16的功能，但是，也可以对此通过将计算单元11、判定单元12、q轴电流指令单元13以及d轴电流指令单元14的软件程序追加安装在该电动机控制装置上来应用本发明。

另外，在上述的实施例中，作为一例，说明了根据输入的转矩指令T_CMD以及速度指令ω_CMD，来生成q轴电流指令I_q ^*以及d轴电流指令I_d ^*的开放控制回路的情况，但也可以附加使用关于同步电动机3的转子的旋转的速度检测值或位置检测值的反馈控制以及前馈控制。例如，将针对同步电动机3的转子的位置指令作为输入，并将位置反馈控制回路和速度反馈控制回路设置在电动机控制装置1上，其中所述位置反馈控制回路根据位置指令和同步电动机3的转子的位置检测值生成速度指令ω_CMD，所述速度反馈控制回路根据速度指令ω_CMD和同步电动机3的转子的位置检测值生成转矩指令T_CMD。此外，还可以将速度前馈控制***和位置前馈控制***设置在电动机控制装置1上，其中所述速度前馈控制***为了提高针对速度指令的响应性而被附加在速度反馈控制回路上，所述位置前馈控制***为了提高针对位置指令的响应性而被附加在位置反馈控制回路上。

图2是表示在具有凸极性的同步电动机中，通过基于实施例的电动机控制装置进行了电流向量控制时的、转子出的速度与转矩的关系的图。图2示出了在上述式11中假设a＝1、b＝1、c＝1的例子，可知能够控制在现有技术(图4)中产生的高速域的磁阻转矩T_M的增加，能够高精度地控制转矩。

图3是表示实施例的电动机控制装置的动作流程的流程图。首先，当在步骤S100中输入转矩指令T_CMD以及速度指令ω_CMD时，在步骤S101中，计算单元11根据式9来计算速度基准值ω_n。

接着，在步骤S102中，判定单元12对输入的转矩指令T_CMD判断由计算单元11根据式9计算出的速度基准值ω_n与输入的速度指令ω_CMD的大小关系。

在步骤S102中，判定为速度指令ω_CMD小于速度基准值ω_n时，在步骤S103中，q轴电流指令单元13根据式10来生成q轴电流指令I_q ^*。

在步骤S102中，判定为速度指令ω_CMD在速度基准值ω_n以上时，在步骤S104中，q轴电流指令单元13根据式11来生成q轴电流指令I_q ^*。

接着，在步骤S105中，d轴电流指令单元14根据由q轴电流指令单元13生成的q轴电流指令I_q ^*，来生成用于指示流向同步电动机的d轴电流的d轴电流指令I_d ^*。

本发明可以应用于控制嵌入式永磁同步电动机(Interior PermanentMagnetic Synchronous Motor：IPMSM)等具有凸极性的永磁同步电动机(Permanent Magnetic Synchronous Motor：PMSM)的电动机控制装置中。

根据本发明，可以实现一种能够高速地生成用于控制具有凸极性的同步电动机的q轴电流指令以及d轴电流指令，并高精度地控制转矩的电动机控制装置。

即，作为在q轴电流指令以及d轴电流指令的生成处理中所使用的计算式，根据对同步电动机的转子的转速的指令即速度指令，分开使用仅考虑磁力矩的计算式和考虑磁力矩以及磁阻转矩双方的计算式，因此能够在同步电动机中产生与转矩指令一致的转矩，能够高精度地控制转矩。

此外，在q轴电流指令以及d轴电流指令的生成处理中所使用的计算式不包括除法运算和关于d轴电流的循环参照项，因此能够缩短运算处理所需要的时间，高速地生成q轴电流指令以及d轴电流指令。

Claims (3)

1.一种电动机控制装置，其生成q轴电流指令以及d轴电流指令，并使用这些指令来控制具有凸极性的同步电动机，该电动机控制装置的特征在于，具备：

计算单元，其将转矩指令为零时的值设成初始值，并计算转矩指令越增加则值越减少的速度基准值；

判定单元，其对于输入的转矩指令判定由所述计算单元计算出的速度基准值与输入的速度指令的大小关系；

q轴电流指令单元，其在通过所述判定单元判定为速度指令小于速度基准值时，根据转矩指令和同步电动机的转矩常数的倒数来生成用于指示流向同步电动机的q轴电流的q轴电流指令，在通过所述判定单元判定为速度指令在速度基准值以上时，根据将速度指令作为独立变量的函数、转矩指令以及同步电动机的转矩常数的倒数来生成用于指示流向同步电动机的q轴电流的q轴电流指令；以及

d轴电流指令单元，其根据由所述q轴电流指令单元生成的q轴电流指令，来生成用于指示流向同步电动机的d轴电流的d轴电流指令。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

还具备：存储单元，其存储作为转矩指令为零时的速度基准值的初始值而设定的速度基准值初始值以及在所述计算单元的计算处理中所使用的速度基准值的变化率。

3.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置，其特征在于，

在将速度基准值设成ω_n、将作为转矩指令为零时的速度基准值的初始值而设定的速度基准值初始值设成ω₀、将速度基准值的变化率设成k、将输入的转矩指令设成T_CMD时，所述计算单元根据

ω_n＝ω₀-k×T_CMD

在将用于指示流向同步电动机的q轴电流的q轴电流指令设成I_q ^*、将输入的转矩指令设成T_CMD、将输入的速度指令设成ω_CMD、将同步电动机的转矩常数的倒数设成R、将系数设成a、b以及c时，

当通过所述判定单元判定为速度指令ω_CMD小于速度基准值ω_n时，所述q轴电流指令单元根据

I_q ^*＝T_CMD×R

来生成q轴电流指令I_q ^*，

当通过所述判定单元判定为速度指令ω_CMD在速度基准值ω_n以上时，所述q轴电流指令单元根据

I_q ^*＝T_CMD×R×(aω_CMD ²+bω_CMD+C)

来生成q轴电流指令I_q ^*。