CN109874396A - 逆变器控制装置以及电动机驱动*** - Google Patents

Abstract

实施方式的逆变器控制装置以使电动机的输出转矩遵照转矩指令的方式生成电流振幅指令，具备：逆变器主电路；检测从所述逆变器主电路输出的电流响应的电流检测器；使用连接于所述逆变器主电路的电动机的旋转相位角将所述电流响应转换为d轴电流与q轴电流的矢量转换器；基于转矩指令与电流相位角指令计算从所述逆变器主电路输出的所述电流响应的电流振幅指令的电流振幅指令计算部；根据所述电流振幅指令与所述电流相位角指令计算d轴电流指令与q轴电流指令的dq轴转换部；以及计算所述d轴电流指令以及q轴电流指令与所述d轴电流以及q轴电流相等的那种电压指令的电流控制器。

Description

逆变器控制装置以及电动机驱动***

技术领域

本发明的实施方式涉及逆变器控制装置以及电动机驱动***。

背景技术

作为磁体磁通较小的同步电动机，例如提出有对驱动同步磁阻马达(SynRM)的逆变器进行控制的逆变器控制装置。同步磁阻马达是不使用永磁体的同步电动机，并且是利用d轴方向(磁通容易流动的方向)的电感与q轴方向(磁通难以流动的方向)的电感之差产生磁阻转矩并使转子旋转的同步电动机。

在控制同步磁阻马达的逆变器控制装置中，提出了根据电流振幅指令对电流相位角进行运算的方法、根据转矩指令以一次函数或者二次函数计算电流振幅指令与电流相位角的方式等。

另一方面，提出了根据速度指令对dq轴电流指令乘以系数来生成转矩指令的速度控制。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2013-223333号公报

专利文献2:日本特开2002-360000号公报

专利文献3:日本特开2010-81743号公报

发明内容

然而，关于对磁体磁通较小的同步电动机进行驱动的逆变器，在如上述那样使用运算式、映射的方法中，难以准确地计算与转矩指令对应的电流振幅指令，有电动机的输出转矩不遵照转矩指令的情况。

本发明的实施方式鉴于上述情况而完成，目的在于提供以使电动机的输出转矩遵照转矩指令的方式生成电流振幅指令的逆变器控制装置以及电动机驱动***。

实施方式的逆变器控制装置具备：逆变器主电路；电流检测器，对从所述逆变器主电路输出的电流响应进行检测；矢量转换器，使用连接于所述逆变器主电路的电动机的旋转相位角，将所述电流响应转换为d轴电流与q轴电流；电流振幅指令计算部，基于转矩指令与电流相位角指令，对从所述逆变器主电路输出的所述电流响应的电流振幅指令进行计算；dq轴转换部，根据所述电流振幅指令与所述电流相位角指令，对d轴电流指令与q轴电流指令进行计算；以及电流控制器，计算所述d轴电流指令以及q轴电流指令与所述d轴电流以及q轴电流相等的那种电压指令。

附图说明

图1是概略地表示第一实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***的构成例的框图。

图2是概略地表示图1所示的逆变器控制装置以及电动机驱动***的电流指令生成部的构成例的框图。

图3是概略地表示第二实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***的构成例的框图。

图4是概略地表示图3所示的弱磁通控制器的一构成例的框图。

图5是概略地表示图3所示的电流指令生成部的一构成例的框图。

图6是表示电动机的输出电压被限制时的、等电压曲线与等转矩曲线的例子的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对第一实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***进行说明。

图1是概略地表示第一实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***的构成例的框图。

本实施方式的电动机驱动***具备电动机2和逆变器控制装置。逆变器控制装置具备逆变器1、电流检测器3、旋转相位角检测器4、PWM调制部22、坐标转换部23、24、电流控制器25、旋转速度计算部26、速度控制器27、以及电流指令生成部29。

逆变器1具备未图示的逆变器主电路和直流电源。逆变器1是将从逆变器控制装置输出的门指令作为输入，利用门指令切换内置于逆变器主电路的多个开关元件，从而能够相互转换直流电流与交流电流的三相交流逆变器。从逆变器1输出的交流电流被向电动机2供给。

另外，逆变器1具备对将逆变器主电路与直流电源连接的直流链的电压V进行检测的电压检测器(未图示)。由电压检测器检测出的电压V的值被向PWM调制部22供给。

电动机2是通过从逆变器1供给的交流电流驱动的、磁体磁通较小的同步电动机，例如是同步磁阻马达(SynRM)。电动机2通过由流经各励磁相的三相交流电流产生的磁场，利用与转子之间的磁的相互作用产生转矩。

电流检测器3检测流经逆变器1与电动机2之间的三相交流电流iu、iv、iw中的至少二相的电流值。

旋转相位角检测器4例如是旋转变压器，检测电动机2的旋转相位角θ。另外，旋转相位角检测器4也可以是例如不使用传感器地根据由电流检测器3检测出的电流检测值、检测出逆变器1的输出电压的电压检测值对旋转相位角推断值进行运算的构成。在该情况下，也可以将旋转相位角的推断值作为旋转相位角θ而输出。

坐标转换部23是使用从旋转相位角检测器4供给的旋转相位角θ将三相固定坐标系的电流响应iu、iw转换为dq轴旋转坐标系的电流响应id、iq的矢量转换器。另外，d轴设为转子的磁阻达到最大(电感最小)的方向，q轴设为从d轴使电角前进90度而得的、转子的磁阻达到最小(电感最大)的方向。

旋转速度计算部26从旋转相位角检测器4接收旋转相位角θ，例如对旋转相位角θ进行时间微分，计算出旋转速度ω并输出。

速度控制器27例如是PI控制器，以使从外部供给旋转速度指令ω^＊和从旋转速度计算部26供给的旋转速度ω相等的方式，计算转矩指令T^＊并输出。

电流指令生成部29根据从旋转速度计算部26供给的旋转速度ω、从坐标转换部23供给的q轴电流iq、以及从速度控制器27供给的转矩指令T^＊计算d轴电流指令id^＊与q轴电流指令iq^＊并输出。之后详细地说明电流指令生成部29的构成。

电流控制器25例如是PI控制器，比较电流响应id、iq与电流指令id^＊、iq^＊，以使电流响应id、iq与电流指令id^＊、iq^＊相等的方式，对d轴电压指令vd^＊和q轴电压指令vq^＊进行运算并输出。

坐标转换部24是使用旋转相位角θ、将dq旋转坐标系的电压指令vd^＊、vq^＊转换为三相固定坐标系的电压指令vu^＊、vv^＊、vw^＊的矢量转换器。

PWM调制部22根据从逆变器1供给的电压V，利用三角波PWM对用于驱动电动机2的电压指令(调制率指令)vu^＊、vv^＊、vw^＊进行调制，将切换逆变器1的逆变器主电路所含的各相开关元件的门信号向逆变器1输出。

图2是概略地表示图1所示的逆变器控制装置以及电动机驱动***的电流指令生成部的构成例的框图。

电流指令生成部29具备电流振幅指令计算部32、电流相位角计算部(第一电流相位角指令计算部)33、符号换算部34、以及dq轴转换部35。

电流振幅指令计算部32根据电感Ld、Lq、转矩限制后的转矩指令T2^＊、以及电流相位角指令β^＊计算电流振幅指令I^＊。电感Ld、Lq例如是未图示的存储器中记录的常数。另外，关于q轴电感Lq，电流振幅指令计算部32也可以使用储存有q轴电流iq所对应的q轴电感Lq的值的表来计算q轴电感Lq的值。在电动机2是同步磁阻马达时，电流振幅指令I^＊能够根据电流相位角β^＊与转矩指令T^＊使用下述数式(1)来求出。

转矩指令T^＊能够通过下式来求出。

T*＝p(L_d-L_q)i_di_q

若使用电流相位角β^＊将该式变形，则成为下式。

T*＝p(L_d-L_q)I*cosβ*I*sinβ*

该式能够进一步如下式那样变形。

若关于电流振幅指令I^＊求解该式，则可获得下述数式(1)。

电流相位角计算部33根据电流振幅计算铜损达到最小的电流相位角β0并输出。电流相位角计算部33可以利用表示电流振幅指令I^＊与电流相位角β0的关系的近似式对电流相位角β0进行运算，也可以具有储存有电流相位角β0相对于电流振幅指令I^＊的值的映射。这里，虽然设为铜损最小，但也可以设为损失最小或功率因数最大。

符号换算部34判断转矩指令T^＊是零以上还是负。在转矩指令T^＊是零以上时，符号换算部34将电流相位角β0的符号设为正，作为电流相位角指令β^＊而输出。在转矩指令T^＊为负时，符号换算部34将电流相位角β0的符号设为负，作为电流相位角指令(第一电流相位角指令)β^＊而输出。

另外，在本实施方式中，电流相位角计算部33以及符号换算部34是基于电流振幅指令I^＊计算从逆变器主电路输出的电流响应的电流相位角指令β^＊的电流相位角指令计算部。

dq轴转换部35根据电流振幅指令I^＊与电流相位角指令β^＊，按照下述数式(3)、数式(4)，计算出电流指令id^＊、iq^＊。电流指令id^＊、iq^＊被向上述电流控制器25供给。

i_d ^*＝I^*cosβ^*...数式(3)

i_q ^*＝I^*sinβ^*...数式(4)

另外，在上述数式(2)中，电流振幅指令I^＊是当前值(N)，电流相位角β^＊是前次值(N-1)，但并不限定于此，电流振幅指令计算部32能够将电流振幅指令I^＊与电流相位角β^＊的一方作为当前值(N)、将另一方作为前次值(N-1)来运算。例如，也可以使用电流振幅指令I^＊的前次值(N-1)计算电流相位角β＊的当前值(N)，并使用电流振幅指令I^＊的前次值(N―1)与电流相位角β^＊的当前值(N)根据上述数式(3)、(4)计算电流指令id^＊、iq^＊。

这里，若对电流振幅指令I^＊与电流相位角β^＊的规定期间内的变化量进行比较，对于变化量大的一方使用当前值(N)，对应变化量小的一方使用前次值(N-1)，则能够计算出更准确的电流指令id^＊、iq^＊。

在本实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***中，通过使用上述数式(1)以及数式(2)对电流振幅指令I^＊进行运算，能够生成遵照转矩指令的电流指令值。

这里，在电流振幅指令计算电流相位角指令等的因运转状态而电流相位角指令发生变化时，电流相位角变化使得转矩改变，因此有未实现遵照转矩指令的输出转矩的情况。例如，在进行了速度控制的情况下，使电流相位角变化的控制与速度控制之间干扰，因此难以使转矩指令与实际输出的转矩相等。

在本实施方式中，如上述那样计算电流振幅指令I＊，由此即使通过铜损最小控制而电流相位角β发生变化，也能够唯一地计算电流指令id^＊、iq^＊。即，只要能够正确地调整马达参数，则电流振幅指令计算部32能够与电流相位角β无关地输出转矩指令T2^＊所对应的电流振幅I^＊。因此，即使利用电流相位角计算部33得出铜损达到最小电流相位角β0，电流指令生成部29也能够计算出与转矩指令T2^＊对应的电流指令id^＊、iq^＊，能够实现遵照转矩指令T2^＊的输出转矩。

而且，在使用了速度控制的情况下，能够利用电流振幅指令计算部32通过电流相位角指令β^＊输出遵照转矩指令T2^＊的转矩，因此能够防止利用电流相位角计算部33将电流相位角β^＊向电流相位角β0变更的控制与速度控制之间干扰、控制***振动·发散。

即，根据本实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***，能够以使电动机的输出转矩遵照转矩指令的方式生成电流振幅指令。

接下来，参照附图，对第二实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***进行说明。另外，在以下的说明中，对与上述的第一实施方式相同的构成标注同一符号并省略说明。

图3是概略地表示第二实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***的构成例的框图。

本实施方式的逆变器控制装置还具备弱磁通控制器(第二电流相位角指令计算部)28。

弱磁通控制器28以使电压指令不超过输出电压最大值(＝电压限制值Vlim)的方式计算弱磁通电流相位角βFW并输出。弱磁通控制器28根据从电流控制器25输出的电压指令vd^＊、vq^＊计算弱电流相位角指令(第二电流相位角指令)βFW并输出。

另外，在本实施方式中，电流相位角计算部33是基于电流振幅指令I^＊而计算第一电流相位角指令β0的第一电流相位角指令计算部。

图4是概略地表示图3所示的弱磁通控制器的一构成例的框图。

弱磁通控制器28具备电压振幅指令计算部41、减法器42、除法器43、PI控制器44、以及界限控制器45。

电压振幅指令计算部41使用下述数式(5)，计算电压指令vd^＊、vq^＊和电压振幅指令V^＊并输出。

减法器42从自电压振幅指令计算部41输出的电压振幅指令V＊减去电压限制值Vlim来计算电压偏差ΔV(＝V^＊-Vlim)。

除法器43将电压偏差ΔV除以电压限制值Vlim，计算PI控制器44的输入U(＝ΔV/Vlim＝(V^＊-Vlim)/Vlim)并输出。

另外，电压限制值Vlim由电压限制值运算部46使用从逆变器1供给的直流电压V例如以下述数式(6)计算，并被减法器42以及除法器43使用于运算。

这里，V是逆变器主电路与直流电源之间的直流链电压(直流电压)V，a是调制率系数。a是预先设定的值，例如，记录于存储器(未图示)，一般设定为约1～1.05。

这里，使用逆变器直流电压V来运算，但也可以不使用直流电压V而是使用预先设定的值。

PI控制器44以使从除法器43供给的输入U成为零的方式，利用比例项P与积分项I计算输出Y并输出。

界限控制器45判断从PI控制器44供给的输入Y是零以上还是小于零。界限控制器45在输入Y小于零时将弱磁通电流相位角βFW作为零而输出。在输入Y是零以上时，将弱磁通电流相位角βFW作为与输入Y相等的值而输出。

界限控制器45在将弱磁通电流相位角βFW的界限设为零时，以使PI控制器44的积分项I与比例项P相等的方式设置积分项(I＝Lim-P)(抗饱和)。

图5是概略地表示图3所示的电流指令生成部的一构成例的框图。

本实施方式的逆变器控制装置的电流指令生成部29还具备转矩界限计算部30、转矩限制部31、以及加法器36。另外，从逆变器1供给的电压V被作为输入而追加。转矩界限计算部30根据电动机2的旋转速度ω、逆变器主电路与直流电源之间的直流链电压(直流电压)V、以及q轴电压iq，对转矩界限(转矩指令最大值)Tlim进行运算并输出。

图6是表示电动机的输出电压被限制时的等电压曲线与等转矩曲线的例子的图。

在电动机2的输出电压被限制时，例如在图3所示的等电压曲线62与等转矩曲线63的交点AB中的A点处，逆变器1进行动作。从该状态起旋转速度上升时的等电压曲线62′相比于等电压曲线62，d轴电流与q轴电流变小。此时，等电压曲线62′与等转矩曲线63在交点A′B′交叉，等电压曲线62′与等转矩曲线63所包围的区域变窄。若旋转速度进一步上升，则等电压曲线62′与等转矩曲线63不再交叉。即，电动机2的输出电压被限制时，不再存在实现某一旋转速度的电流指令id^＊、iq^＊。

另外，在相比于等转矩曲线63、转矩指令T^＊变大时的等转矩曲线63′中，相比于等转矩曲线63，d轴电流与q轴电流变大。此时，等转矩曲线63′与等电压曲线62在交点A″B″交叉，等电压曲线62与等转矩曲线63′所包围的区域变窄。若转矩指令T^＊进一步变大，则等转矩曲线63′与等电压曲线62不再交叉。即，在电动机2的输出电压被限制时，不再存在满足要求的转矩指令T^＊的电流指令id^＊、iq^＊。

因此，在本实施方式中，转矩界限计算部30以不使电流相位角β成为电流相位角界限(电流相位角最大值)βlim以上的方式计算转矩界限Tlim，避免了不存在电流指令id^＊、iq^＊的状况。具体而言，转矩界限计算部30使用下述数式(1)进行转矩限制。

在高速区域中，若忽略电阻部分，则输出电压如下式所示。

另一方面，转矩如下式所示。

T＝p(L_d-L_q)I cosβ*I sinβ

据此，若对转矩求解，则成为下式。

若使该式的电流相位角β为电流相位角界限βlim，使输出电压V为电压限制值Vlim，则可得下述数式(7)。

这里，p表示电动机2的极对数，Ld表示d轴电感，Lq表示q轴电感，Vlim表示逆变器1的输出电压的限制值，ω表示电动机2的旋转速度。

另外，转矩界限计算部30也可以例如使用储存有与q轴电流iq对应的q轴电感Lq的值的表，计算下述数式(1)的运算所使用的q轴电感Lq的值。此外，Vlim可以以数式(A)运算，也可以利用由弱磁通控制器28运算出的值。另外，电流相位角界限βlim的值预先被记录于存储器(未图示)，由转矩界限计算部30使用于运算。

转矩限制部31从转矩界限计算部30接收转矩界限Tlim，并以使转矩指令T^＊不会成为转矩界限Tlim以上的方式进行抑制。即，转矩限制部31比较输入的转矩T＊与转矩界限Tlim，在转矩指令T^＊比转矩界限Tlim大时，使转矩指令T2^＊为与转矩界限Tlim相等的值而输出。转矩限制部31在转矩指令T^＊为转矩界限Tlim以下时，使转矩指令T2^＊为与转矩指令T^＊相等的值而输出。

加法器36配置于电流相位角计算部33的后级、并且是符号换算部34的前级，将铜损达到最小的电流相位角β0和从弱磁通控制器28输出的弱磁通电流相位角βFW相加而输出。

本实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***除了上述的构成以外与上述的第一实施方式相同，能够获得与上述的第一实施方式相同的效果。

另外，电流振幅指令计算部32能够与电流相位角β^＊无关地输出与转矩指令T2^＊对应的电流振幅I^＊。因此，即使利用从弱磁通控制器28输出的弱磁通电流相位角βFW变更电流相位角β，也能够输出遵照转矩指令T2^＊的转矩。

而且，在使用了速度控制的情况下，能够以电流振幅指令计算部32通过电流相位角β^＊输出遵照转矩指令T2^＊的转矩，因此能够防止利用弱磁通控制器28变更电流相位角β^＊的控制与速度控制之间干扰、控制***振动·发散。

如上述那样，根据本实施方式，能够提供避免了铜损最小控制·最大效率控制·弱磁通控制等变更电流相位角的控制与速度控制之间干扰的逆变器控制装置以及电动机驱动***。

另外，在第二实施方式中，电流相位角计算部33即使取代根据电流变更β0而使β0为恒定值，也能够避免变更弱磁通控制的电流相位角的控制与速度控制之间干扰。

另外，如前述那样，利用转矩限制部31施加转矩限制以避免电流相位角成为βlim以上，从而在某一速度·直流电压限制中，能够抑制不存在满足所要求的转矩指令的电流指令而导致控制发散。若对电流相位角施加限制，则弱磁通控制***不正确地动作，成为过电压，相对于此，通过在转矩限制时配合地施加基于电流相位角的限制，能够与一般的失速防止动作相同地降低速度而防止失速。

即，根据本实施方式的逆变器控制装置以及电动机驱动***，能够以使电动机的输出转矩遵照转矩指令的方式生成电流振幅指令。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提出的，意图并不是限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求书记载的发明及其等同的范围中。

例如，在上述的第一实施方式以及第二实施方式中，电流相位角计算部33根据电流振幅计算出铜损达到最小的电流相位角β0，但并不限定于此。电流相位角计算部33也可以取代铜损达到最小的电流相位角β0而计算铜损加上铁损而得的总损失达到最小的电流相位角β0并输出。在该情况下，也可获得与上述的第一实施方式以及第二实施方式相同的效果。

另外，在上述的第一实施方式以及第二实施方式中，说明了采用同步磁阻马达作为电动机2的例子，但并不局限于同步磁阻马达，在将磁体磁通较小的永磁同步电动机用作电动机2的情况下，也可获得与上述的第一实施方式以及第二实施方式相同的效果。

在上述的第一实施方式以及第二实施方式中，逆变器控制装置可以由硬件构成，也可以可以由软件构成，还可以将硬件与软件组合来构成。例如，逆变器控制装置也可以包含一个或者多个处理器和存储器，利用软件实现在各构成中执行的运算。在任一种情况下，都能够获得与上述的第一实施方式以及第二实施方式相同的效果。

Claims (8)

1.一种逆变器控制装置，具备：

逆变器主电路；

电流检测器，对从所述逆变器主电路输出的电流响应进行检测；

矢量转换器，使用连接于所述逆变器主电路的电动机的旋转相位角，将所述电流响应转换为d轴电流与q轴电流；

电流振幅指令计算部，基于转矩指令与电流相位角指令，对从所述逆变器主电路输出的所述电流响应的电流振幅指令进行计算；

dq轴转换部，根据所述电流振幅指令与所述电流相位角指令，对d轴电流指令与q轴电流指令进行计算；以及

电流控制器，计算使所述d轴电流指令以及q轴电流指令与所述d轴电流以及q轴电流成为相等的电压指令。

2.如权利要求1所述的逆变器控制装置，其中，

还具备速度控制器，该速度控制器计算使所述电动机的旋转速度与从外部供给的旋转速度指令成为相等的所述电动机的转矩指令。

3.如权利要求1所述的逆变器控制装置，其中，

还具备电流相位角指令计算部，该电流相位角指令计算部基于所述电流振幅指令，对从所述逆变器主电路输出的所述电流响应的所述电流相位角指令进行计算。

4.如权利要求1或2所述的逆变器控制装置，其中，

具备电流相位角指令值计算部，该电流相位角指令值计算部计算使所述电压指令不超过输出电压最大值的所述电流相位角指令。

5.如权利要求1所述的逆变器控制装置，还具备：

第一电流相位角指令计算部，对根据所述电流振幅指令计算的第一电流相位角指令进行计算；

第二电流相位角指令计算部，以使所述电压指令不超过输出电压目标值的方式计算第二电流相位角指令；以及

加法器，将所述第一电流相位角指令与第二电流相位角指令相加来计算所述电流相位角指令。

6.如权利要求3或4所述的逆变器控制装置，还具备：

转矩界限计算部，计算不超过电流相位角最大值的转矩指令最大值；以及

转矩限制部，以使所述转矩指令不超过所述转矩指令最大值的方式进行限制。

7.一种电动机驱动***，具备：

权利要求1至权利要求6中的任一项所述的逆变器控制装置；以及

连接于所述逆变器主电路的所述电动机。

8.如权利要求7所述的电动机驱动***，其中，

所述电动机是同步磁阻马达。