CN108988698B - 同步电机控制装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

在包含对直流电源的电压进行升压的转换器的同步电机控制装置中，获得一种同步电机控制装置等，能够同时实现下述效果，即：在动作停止后使动作复原时，防止直流电源的损伤并可靠地进行复原、及缩短复原所花费的时间。在动作复原时，在根据转速、转矩指令运算出的功率运算值为阈值以上的情况下，对逆变器和转换器同时发出动作许可指示。另一方面，在功率运算值小于阈值的情况下，发出动作指示使得逆变器的功率达到阈值以上之后，对转换器发出动作许可指示。

Description

同步电机控制装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及同步电机控制装置及其控制方法，该同步电机控制装置具备功率转换单元，对同步电机进行旋转驱动。
背景技术
同步电机控制装置利用逆变器将直流电源的电压转换成交流电压，向同步电机供电。有的同步电机控制装置为改善效率而装载对直流电源的电压进行升压并向逆变器供电的转换器(例如参照下述专利文献1)。
在利用这种结构的同步电机控制装置进行动作复原时，例如若在转换器的动作开始前开始逆变器的再生动作，则电荷会蓄积在转换器内的电容器中，有可能产生过电压。此外，例如若在同步电机以高转速进行动作，逆变器的动作停止的状态下开始转换器的动作，则逆变器处于全波整流状态，在直流电源中有再生电流流过。若电池在满充电状态下有再生电流流过，则直流电源有可能受到损伤。
因而，作为防止这种动作复原时的过电压、直流电源损伤的方法，首先，使逆变器在再生动作禁止的状态下进行动作，之后通过开始转换器的动作，来进行复原处理。在使转换器的动作开始之前的期间，由于逆变器中不进行再生动作，因此，用于对逆变器的端子间电压进行平滑的转换器内的平滑电容器中不会积累电荷，可防止过电压。此外，由于在逆变器成为再生以外的状态后使转换器进行动作，因此，也可防止直流电源的损伤。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2008-154371号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
像以上那样，在包含对直流电源的电压进行升压的转换器的现有的同步电机控制装置中，在动作复原时，为了防止例如电池在满充电状态下有再生电流流过，使逆变器在再生动作禁止的状态下动作，之后使转换器动作。因此，使逆变器可进行再生动作是在转换器动作开始之后，因此，在逆变器的所期望的动作是再生的情况下，动作复原会花费时间。另一方面，即使在连接有多个逆变器，且任意的逆变器进行再生动作的情况下，只要逆变器的功率总计值为0以上，则用于对逆变器的端子间电压进行平滑的转换器内的平滑电容器中也不会积累电荷，不会产生过电压。因此，现有的方法即使在无需禁止再生动作的情况下，也禁止再生动作，从而有可能导致向所期望动作的复原时间延长至必要以上。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种同步电机控制装置及其控制方法，在包含对直流电源的电压进行升压的转换器的同步电机控制装置中，在动作停止后使动作复原时，能够同时实现下述两方面效果：防止直流电源的损伤并可靠地进行复原、及缩短复原所花费的时间。
解决技术问题的技术方案
本发明在于如下同步电机控制装置等，该同步电机控制装置包括：对直流电压进行升压的转换器；将升压后的直流电压转换成交流电压并向同步电机供电的1个以上的逆变器；及控制所述转换器和所述1个以上的逆变器的控制部，所述控制部包含在所述转换器和所述1个以上的逆变器开始动作时切换所述转换器和所述逆变器的动作开始顺序的综合控制部，所述综合控制部在使所述转换器和所述1个以上的逆变器开始动作时，在如下动作开始顺序之间切换来进行控制，即：在使1个以上的逆变器进行动作使其功率运算值达到阈值以上之后使转换器的动作开始的第1动作开始顺序；及使1个以上的逆变器和转换器同时开始动作的第2动作开始顺序。
发明效果
根据本发明，在包含对直流电源的电压进行升压的转换器的同步电机控制装置中，在动作停止后使动作复原时，能够同时实现下述两方面的效果：防止直流电源的损伤并可靠地进行复原、及缩短复原所花费的时间。
附图说明
图1是表示包含本发明实施方式1及2的同步电机控制装置的同步电机控制***的一例的结构图。
图2是表示本发明实施方式1及2的控制部的结构的一例的功能框图。
图3是本发明实施方式1中的综合控制部的动作流程图。
图4是本发明实施方式2中的综合控制部的动作流程图。
图5是表示包含本发明实施方式1及2的其他形态的同步电机控制装置的同步电机控制***的一例的结构图。
图6是表示包含本发明实施方式1及2的另一形态的同步电机控制装置的同步电机控制***的一例的结构图。
图7是表示包含本发明实施方式1及2的又一形态的同步电机控制装置的同步电机控制***的一例的结构图。
具体实施方式
下面，使用附图，按照各实施方式对本发明的同步电机控制装置及其控制方法进行说明。此外，在各实施方式中，对相同或相当的部分以相同标号示出，并省略重复说明。
实施方式1
图1是表示包含本发明实施方式1及2的同步电机控制装置的同步电机控制***的一例的结构图。同步电机控制***包含直流电源DCPS、同步电机控制装置SCD1、及至少1台同步电机、例如2台同步电机1、2。
同步电机控制装置SCD1由逆变器11、11a、转换器12、及控制部13构成。
逆变器11将后述的C2电容器17b的直流电压转换为交流电压，并提供给同步电机1。逆变器11由开关元件14a、14b、14c、14d、14e、14f、二极管15a、15b、15c、15d、15e、15f、及电流检测器16a、16b、16c构成。
开关元件14a、14b、14c、14d、14e、14f按照来自后述的控制部13的开关导通/关断信号1，进行开关导通/关断。
二极管15a、15b、15c、15d、15e、15f仅在单个方向(图1中为从下朝上的方向)上使电流流过。在所连接的开关元件为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)的情况下，为从发射极到集电极的方向。
电流检测器16a、16b、16c检测同步电机1的三相电流，输出到控制部13。
逆变器11a将后述的C2电容器17b的直流电压转换为交流电压，并提供给同步电机2。逆变器11a的结构与逆变器11相同。
转换器12对直流电源DCPS的直流电压进行升压，并提供给逆变器11、11a。转换器12由开关元件14g、14h、二极管15g、15h、C1电容器17a、C2电容器17b、电抗器18、及放电电阻19构成。
C1电容器17a对直流电源DCPS的端子间电压进行平滑。
C2电容器17b对逆变器11、11a的端子间电压进行平滑。
放电电阻19是为了在同步电机控制装置SCD1的动作停止时对C2电容器17b的电荷放电而追加的。
逆变器11、11a及转换器12的电路结构为基本的逆变器、转换器的结构，省略详细的说明。此外，本发明中具有多个检测因素，因此，除去一部分，在以下的说明中为了方便说明，省略检测器等的图示、详细说明。
控制部13的运算处理部分在由软件构成的情况下，由存储有执行后述各功能的程序及执行各功能所需的各种数据的存储器、按照存储器中存放的程序及各种数据进行处理的处理器构成的计算机可起到作为运算处理部的功能。在由硬件构成的情况下，由执行各种功能的1个或多个数字电路构成，附带的各种数据预先嵌入到数字电路中。
控制部13对同步电机1中内置的角度检测器输出同步电机1励磁信号，获取角度检测器(省略图示)所输出的同步电机1角度检测器输出电压。此外，控制部13大概根据C2电容器17b的电压、同步电机1的三相电流、同步电机1角度检测器输出电压、及同步电机1转矩指令，生成开关导通/关断信号1，以从同步电机1输出如转矩指令那样的实际转矩。
控制部13对同步电机2中内置的角度检测器输出同步电机2励磁信号，获取角度检测器(省略图示)所输出的同步电机2角度检测器输出电压。此外，控制部13根据C2电容器17b的电压、同步电机2的三相电流、同步电机2角度检测器输出电压、及同步电机2转矩指令，生成开关导通/关断信号2，以从同步电机2输出如转矩指令那样的实际转矩。
此外，控制部13利用同步电机1转矩指令、同步电机1转速、同步电机2转矩指令、同步电机2转速、及C2电容器电压，计算C2电容器电压的目标值。此外，生成开关导通/关断信号3，以使得C2电容器17b的电压的实际值与目标值一致。
图2是表示本发明实施方式1的控制部13的结构的一例的功能框图。图2中，第1角度和转速运算部101对同步电机1的角度检测器输出同步电机1励磁信号，利用角度检测器获取同步电机1角度检测器输出电压。然后，根据同步电机1角度检测器输出电压，计算同步电机1角度、同步电机1转速。
第2角度和转速运算部101a对同步电机2的角度检测器输出同步电机2励磁信号，利用角度检测器获取同步电机2角度检测器输出电压。然后，根据同步电机2角度检测器输出电压，计算同步电机2角度、同步电机2转速。
综合控制部102将同步电机1转速、同步电机2转速、同步电机1转矩指令、同步电机2转矩指令、C2电容器电压、及综合动作许可指令作为输入。
同步电机1转速从第1角度和转速运算部101获得，同步电机2转速从第2角度和转速运算部101a获得，同步电机1转矩指令、同步电机2转矩指令及综合动作许可指令从同步电机控制装置SCD1外部获得，C2电容器电压由省略图示的电压检测器获得。
然后，计算逆变器1动作许可指令、逆变器1强制模式、逆变器1强制指令、逆变器2动作许可指令、逆变器2强制模式、逆变器2强制指令、及转换器动作许可指令。
综合控制部102在C2电容器电压为阈值1以上或综合动作许可指令：禁止的情况下，输出
逆变器1动作许可指令：禁止、
逆变器2动作许可指令：禁止、
转换器动作许可指令：禁止。
另一方面，在C2电容器电压小于阈值1且综合动作许可指令：许可的情况下，输出
逆变器1动作许可指令：许可、
逆变器2动作许可指令：许可、
转换器动作许可指令：许可。
但是，在从C2电容器电压为阈值1以上或综合动作许可指令：禁止的状态切换到C2电容器电压小于阈值1且综合动作许可指令：许可的状态时，在一定条件成立的情况下，经过一定时间之后，从转换器动作许可指令：禁止切换到转换器动作许可指令：许可。详细情况将利用后述的图3进行说明。
逆变器控制部103根据同步电机1三相电流、同步电机1转矩指令、C2电容器电压、同步电机1角度、同步电机1转速、逆变器1动作许可指令、逆变器1强制模式、及逆变器1强制指令，生成开关导通/关断信号1。
同步电机1三相电流从电流检测器16获得，同步电机1转矩指令从同步电机控制装置SCD1外部获得，C2电容器电压由省略图示的电压检测器获得，同步电机1角度和同步电机1转速从第1角度和转速运算部101获得，逆变器1动作许可指令、逆变器1强制模式及逆变器1强制指令从综合控制部102获得。
逆变器控制部103在逆变器1动作许可指令：禁止的情况下，固定为开关导通/关断信号1：关断。
另一方面，在逆变器1动作许可指令：许可且逆变器1强制模式：关闭的情况下，利用同步电机1三相电流、C2电容器电压、同步电机1角度、同步电机1转速，生成开关导通/关断信号1，以从同步电机1输出如同步电机1转矩指令那样的实际转矩。
此外，在逆变器1动作许可指令：许可且逆变器1强制模式：打开的情况下，利用同步电机1三相电流、C2电容器电压、同步电机1角度、同步电机1转速，生成开关导通/关断信号1，以从同步电机1输出如逆变器1强制指令那样的实际转矩。
逆变器控制部103a根据同步电机2三相电流、同步电机2转矩指令、C2电容器电压、同步电机2角度、同步电机2转速、逆变器2动作许可指令、逆变器2强制模式、及逆变器2强制指令，生成开关导通/关断信号2。
同步电机2三相电流从电流检测器16获得，同步电机2转矩指令从同步电机控制装置SCD1外部获得，C2电容器电压由省略图示的电压检测器获得，同步电机2角度和同步电机2转速从第2角度和转速运算部101a获得，逆变器2动作许可指令、逆变器2强制模式及逆变器2强制指令从综合控制部102获得。
逆变器控制部103a在逆变器2动作许可指令：禁止的情况下，将开关导通/关断信号2固定为：关断。
另一方面，在逆变器2动作许可指令：许可且逆变器2强制模式：关闭的情况下，利用同步电机2三相电流、C2电容器电压、同步电机2角度、同步电机2转速，生成开关导通/关断信号2，以从同步电机2输出如同步电机2转矩指令那样的实际转矩。
此外，在逆变器2动作许可指令：许可且逆变器2强制模式：打开的情况下，利用同步电机2三相电流、C2电容器电压、同步电机2角度、及同步电机2转速，生成开关导通/关断信号2，以从同步电机2输出如逆变器2强制指令那样的实际转矩。
转换器控制部104根据C1电容器电压、C2电容器电压、同步电机1转矩指令、同步电机1转速、同步电机2转矩指令、同步电机2转速、及转换器动作许可指令，生成开关导通/关断信号3。
C1电容器电压和C2电容器电压由省略图示的电压检测器获得，同步电机1转矩指令、同步电机2转矩指令从同步电机控制装置SCD1外部获得，同步电机1转速从第1角度和转速运算部101获得，同步电机2转速从第2角度和转速运算部101a获得，转换器动作许可指令从综合控制部102获得。
转换器控制部104在转换器动作许可指令：禁止的情况下，固定为开关导通/关断信号3：关断。
另一方面，在转换器动作许可指令：许可的情况下，根据C1电容器电压、同步电机1转矩指令、同步电机1转速、同步电机2转矩指令、及同步电机2转速，计算C2电容器电压的目标值，并利用C1电容器电压、C2电容器电压生成开关导通/关断信号3，以达到如其目标值那样的C2电容器电压。
图3是表示本实施方式1的综合控制部102的动作的流程图。
在C2电容器电压为阈值1以上或综合动作许可指令：禁止的情况下，进行从步骤S101到步骤S109为止的动作。此处，阈值1例如设定为开关元件14a、14b、14c、14d、14e、14f、14g、14h的耐压电压、二极管15a、15b、15c、15d、15e、15f、15g、15h的耐压电压、C1电容器17a的耐压电压、及C2电容器17b的耐压电压内最低的值。
首先，在步骤S101中，切换为
逆变器1动作许可指令：禁止、
逆变器2动作许可指令：禁止、
转换器动作许可指令：禁止，
并前进至步骤S102。
在步骤S102中，判定是否满足C2电容器电压小于阈值2且综合动作许可指令：许可的条件，若不满足条件，则前进至步骤S103，若满足条件，则前进至步骤S104。阈值2设定为低于阈值1的值。
步骤S103中，待机一定时间，前进至步骤S102。
在步骤S104中，若功率运算值为阈值3以上，则前进至步骤S105，若功率运算值小于阈值3，则前进至步骤S106。
作为阈值3，例如可设定0W[瓦特]。此外，例如在从C2电容器电压为阈值2的时刻起逆变器11、逆变器11a在功率运算值α(α＜0W[瓦特])下动作一定时间之时，也可将C2电容器电压落在阈值1以内的最小的α设为设定值。此外，功率运算值例如按下述方式进行运算。例如，根据同步电机1转速、同步电机1转矩指令、同步电机2转速、及同步电机2转矩指令，利用以下式(1)来计算。
(功率运算值)＝(同步电机1转速)×(2π/60)×(同步电机1转矩指令)
+(同步电机2转速)×(2π/60)×(同步电机2转矩指令)
(1)
此外，例如，也可将根据同步电机1转速和同步电机1转矩指令而变化的同步电机1的损耗、逆变器11的损耗、根据同步电机2转速和同步电机2转矩指令而变化的同步电机2的损耗及逆变器11a的损耗分别预先以映射的形式存储，根据同步电机1转速和同步电机1转矩指令，通过映射引导的方式计算同步电机1的损耗和逆变器11的损耗，根据同步电机2转速和同步电机2转矩指令，通过映射引导的方式计算同步电机2的损耗和逆变器11a的损耗，根据下式(2)计算功率运算值。
(功率运算值)＝(同步电机1转速)×(2π/60)×(同步电机1转矩指令)
+(同步电机2转速)×(2π/60)×(同步电机2转矩指令)
+(同步电机1的损耗)+(逆变器11的损耗)
+(同步电机2的损耗)+(逆变器11a的损耗)
(2)
在步骤S105中，将逆变器1动作许可指令、逆变器2动作许可指令、转换器动作许可指令切换为许可，结束处理。
在步骤S106中，将逆变器1强制指令、逆变器2强制指令切换为导通，将逆变器1动作许可指令、逆变器2动作许可指令切换为许可。
此外，输出逆变器1强制指令、逆变器2强制指令。
作为逆变器1强制指令、逆变器2强制指令，例如可将两者均设为0[Nm]以上的值。此外，例如下述式(3)所示的功率运算值也可设定为阈值3以上。
(功率运算值)＝(同步电机1转速)×(2π/60)×(逆变器1强制指令)
+(同步电机2转速)×(2π/60)×(逆变器2强制指令)
(3)
步骤S107中，待机一定时间，前进至步骤S108。此处，关于待机时间的设定，例如设定从切换为逆变器1动作许可指令：许可到输出如逆变器强制指令那样的实际转矩为止所花费的时间、以及从切换为逆变器2动作许可指令：许可到输出如逆变器强制指令那样的实际转矩为止所花费的时间中较大值的一方。
在步骤S108中，发送转换器动作许可指令：许可，并前进至步骤S109。
步骤S109中，待机一定时间，前进至步骤S110。此处，待机时间的设定例如设定为转换器12中C2电容器电压达到如指令那样的值为止所花费的时间。在C2电容器电压为C1电容器电压以下的情况下，例如设定为到开关元件14g固定为导通状态、且开关元件14h固定为关断状态为止所花费的时间。
步骤S110中，将逆变器1强制指令、逆变器2强制指令切换为关断，使逆变器11、11a返回到通常动作的状态，结束处理。
上述专利文献1的方法中，在重新开始逆变器11、11a、转换器12的动作的情况下，不依赖于同步电机1转速、同步电机1转矩指令、同步电机2转速、及同步电机2转矩指令的值，首先，使逆变器11、11a在再生禁止状态下动作，之后，使转换器12动作。逆变器11、11a能进行再生动作是在转换器12开始动作之后，因此，动作的重新开始相应延迟这部分时间。
另一方面，本实施方式1的同步电机控制装置在功率运算值小于阈值3时，不禁止再生动作，而开始逆变器11、11a、转换器12的动作，因此，可比专利文献1的方法更早地进行动作复原。
像以上那样，在实施方式1的同步电机控制装置中，可同时实现下述两方面效果，即：在同步电机的动作开始时可靠地使动作开始、以及缩短动作开始所花费的时间。
实施方式2
上述实施方式1的同步电机控制装置在步骤S104中计算出的功率运算值为阈值3以上的情况下，将逆变器1动作许可指令、逆变器2动作许可指令、及转换器动作许可指令同时切换为许可。
因此，转换器12的动作有可能比逆变器11、逆变器11a的动作更早地开始。此处，在直流电源DCPS为满充电状态、同步电机1或同步电机2以高转速进行动作的情况下，逆变器11或逆变器11a成为全波整流状态，在直流电源DCPS中有再生电流流过，直流电源DCPS有可能受到损伤。
本实施方式2的同步电机控制装置在同步电机1或同步电机2以高转速进行动作的情况下，在转换器12的动作之前，使逆变器11和逆变器11a的动作开始，从而防止再生电流流过直流电源DCPS，防止损伤直流电源DCPS。
本实施方式2的同步电机控制装置的结构与图1、2所说明的上述实施方式1的同步电机控制装置相同。
图4是表示本实施方式2的同步电机控制装置的综合控制部102的动作的流程图。本实施方式2的综合控制部102的动作与上述实施方式1的综合控制部102的动作基本相同，但不同之处在于，图3所示的实施方式1的综合控制部102的步骤S104的处理在实施方式2的综合控制部102中作为图4所示的步骤S112的处理的一部分来执行。
在步骤S112中，在功率运算值小于阈值3、或同步电机1转速为阈值4以上、或同步电机2转速为阈值5以上的情况下，前进至步骤S106，在条件不成立时，前进至步骤S105。
阈值4例如设定为因同步电机1的旋转而产生的感应电压超过直流电源DCPS的电压的转速。
阈值5例如设定为因同步电机2的旋转而产生的感应电压超过直流电源DCPS的电压的转速。
本实施方式2的同步电机控制装置中，对于同步电机1、同步电机2的转速为各自的阈值以上的情况，在使逆变器11、逆变器11a的动作开始之后，开始转换器12的动作。因此，可防止如本实施方式1的同步电机控制装置那样，转换器12的动作比逆变器11、逆变器11a的动作要更早地开始，在直流电源DCPS中有再生电流流过，使得直流电源DCPS损伤这一情况。
像以上那样，在实施方式2的同步电机控制装置中，可防止在同步电机的动作开始时再生电流流过直流电源，从而损伤直流电源。
另外，在上述实施方式1、2中，列举了图1所示的同步电机、逆变器分别为2个的情况作为示例，但同步电机、逆变器的数量分别为1个以上即可。例如，也可如图5所示的同步电机控制装置SCD2那样，同步电机、逆变器各为1个。
此外，对于转换器，也可构成为如图6所示的同步电机控制装置SCD3的转换器12a那样，将与逆变器的电源侧连接的上侧的开关元件和二极管所构成的开关电路、与逆变器的接地侧连接的下侧的开关元件和二极管所构成的开关电路分别以2个开关电路串联连接而构成，将开关元件14h的电源侧和开关元件14i的接地侧连接到电容器17c。
此外，例如对于转换器，也可构成为如图7所示的同步电机控制装置SCD4的转换器12b那样，并联连接2个转换器电路，该转换器电路由串联连接的2个开关电路和1个电抗器构成。
标号说明
1、2同步电机、11、11a逆变器、12、12a、12b转换器、13控制部、14a-14j开关元件、15a-15j二极管、16a、16b、16c电流检测部、17a-17c电容器、18、18a电抗器、19放电电阻、101第1角度和转速运算部、101a第2角度和转速运算部、102综合控制部、103、103a逆变器控制部、104转换器控制部。

Claims (4)

1.一种同步电机控制装置，其特征在于，包括：
对直流电压进行升压的转换器；
将升压后的直流电压转换成交流电压并向同步电机供电的1个以上的逆变器；及
控制所述转换器和所述1个以上的逆变器的控制部，
所述控制部包含在所述转换器和所述1个以上的逆变器开始动作时切换所述转换器和所述逆变器的动作开始顺序的综合控制部，
所述综合控制部在使所述转换器和所述1个以上的逆变器开始动作时，在如下动作开始顺序之间切换来进行控制，即：
在使1个以上的逆变器进行动作使得该1个以上的逆变器的功率运算值达到阈值以上之后使转换器的动作开始的第1动作开始顺序；及
使1个以上的逆变器和转换器同时开始动作的第2动作开始顺序。
2.如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于，
所述综合控制部按照根据所述同步电机的转速和转矩指令运算出的功率运算值，切换所述第1动作开始顺序和所述第2动作开始顺序。
3.如权利要求1所述的同步电机控制装置，其特征在于，
所述综合控制部按照根据所述同步电机的转速和转矩指令运算出的功率运算值、及所述同步电机的转速，切换所述第1动作开始顺序和所述第2动作开始顺序。
4.一种同步电机控制装置的控制方法，该同步电机控制装置包括：对直流电压进行升压的转换器；及将升压后的直流电压转换成交流电压并向同步电机供电的1个以上的逆变器，该同步电机控制装置的控制方法的特征在于，
在所述转换器和所述1个以上的逆变器开始动作时，使动作开始顺序在如下动作开始顺序之间切换来进行控制，即：
在使1个以上的逆变器进行动作使得该1个以上的逆变器的功率运算值达到阈值以上之后使转换器的动作开始的第1动作开始顺序；及
使1个以上的逆变器和转换器同时开始动作的第2动作开始顺序。
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