CN111049433A - 磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置 - Google Patents

磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置 Download PDF

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CN111049433A CN201910955155.3A CN201910955155A CN111049433A CN 111049433 A CN111049433 A CN 111049433A CN 201910955155 A CN201910955155 A CN 201910955155A CN 111049433 A CN111049433 A CN 111049433A
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Abstract

本发明提供一种直磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置。检测同步电动机的转子的磁极初始位置的磁极初始位置检测装置具备：直流励磁指令生成部，其生成第一指令，该第一指令使将电流相位固定为第一相位的恒定的励磁电流向同步电动机流动；扭矩零判断部，其在基于第一指令的励磁电流在同步电动机中流动时，判断在同步电动机的转子上产生的扭矩是否为零；以及磁极初始位置获取部，其根据由扭矩零判断部判断为扭矩为零的时间点附近的转子实际位置、同步电动机的极对数以及基于第一指令的直流励磁中的励磁相位，获取同步电动机的转子的磁极初始位置。

Description

磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置
技术领域
本发明涉及一种磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置。
背景技术
在同步电动机中，使用dq坐标控制***并根据转子的磁极位置使电流流过适当的励磁相绕组，从而产生预期的扭矩。在同步电动机中存在具有用于检测转子的磁极位置的编码器等磁极位置传感器的同步电动机以及不具有磁极位置传感器的同步电动机。
其中，在不具有磁极位置传感器的同步电动机的情况下，每次在同步电动机的电源接通(启动)时进行磁极位置检测处理并检测磁极的初始位置(以下，称为“磁极初始位置”)，根据以该磁极初始位置为基准的磁极位置来控制同步电动机的旋转。作为磁极初始位置的检测方式例如存在以下直流励磁方式：在同步电动机上固定电流相位而使恒定励磁电流持续流动，将最终停止的位置设为磁极初始位置。
例如已知一种无刷电动机的驱动电路，其特征在于，具备：通电单元，其通过励磁电流对驱动线圈通电而使定子产生旋转磁场；转子，其具有通过上述旋转磁场进行旋转驱动的永久磁铁；编码器，其根据上述转子的旋转来输出相位偏离的两相的脉冲状的旋转信号；转速检测单元，其根据单位时间中的上述旋转信号脉冲数来检测转子的旋转角速度，并且根据上述旋转信号来检测转子的旋转方向；逻辑运算单元，其进行控制对上述驱动线圈通电固定时间以后停止通电，并且通过上述转速检测单元的输出来运算转子的初始位置；以及计数器，其输入上述旋转信号并计算从转子的初始位置至当前为止的旋转量，其中，上述逻辑运算单元根据上述转子的初始位置以及直到上述当前为止的旋转量来决定当前的转子位置(例如参照日本特开平2-276492号公报)。
例如已知一种永磁型同步电动机的控制装置，其特征在于，在根据从电力变换装置输出的可变电压和可变频率进行控制的永磁型同步电动机以及通过该永磁型同步电动机驱动的机械装置中的永磁型同步电动机的控制装置中，解除使上述机械装置保持停止的制动装置，与该永磁型同步电动机的旋转位置无关地，在使预定电枢电流流动时的电动机产生扭矩与负载扭矩大致平衡时，根据上述电枢电流和上述负载扭矩估计或根据上述电枢电流估计该永磁型同步电动机的磁极相位(例如参照日本特开2000-78878号公报)。
例如已知一种AC同步电动机的初始磁极估计装置，设置于AC同步电动机控制装置，其特征在于，具备：速度控制单元，其根据指令速度计算指令扭矩(指令电流)；以及电流控制单元和PWM电力变换装置，其按着指令扭矩(指令电流)驱动AC同步电动机，其中，具有：速度偏差运算单元，其将从指令速度模式产生单元产生的上述指令速度减去上述检测速度而计算速度偏差；速度增益控制部，其将上述速度偏差乘以速度增益而计算指令扭矩(指令电流)；模式区间判断单元，其根据上述指令速度进行模式区间(第一周期区间与第二周期区间)的判断处理；模式开关，其按着上述模式区间判断单元的结果，切换为上述第一周期区间与上述第二周期区间的任一个模式区间；数据获取用速度区间判断单元，其在选择上述第一周期区间的情况下，判断上述指令速度是否为数据获取用速度区间；第一指令扭矩运算单元(第一指令电流运算单元)，其在判断出的上述数据获取用速度区间根据上述指令扭矩(上述指令电流)运算第一指令扭矩数据(第一指令电流数据)；数据获取用速度区间判断单元，其在选择上述第二周期区间的情况下，判断上述指令速度是否为上述数据获取用速度区间；第二指令扭矩运算单元(第二指令电流运算单元)，其在判断出的上述数据获取用速度区间根据上述指令扭矩(上述指令电流)运算第二指令扭矩数据(第二指令电流数据)；以及估计初始磁极运算单元，其使用上述第一指令扭矩数据(上述第一指令电流数据)和上述第二指令扭矩数据(上述第二指令电流数据)的信息来运算估计初始磁极位置(例如参照日本特开2001-157482号公报)。
发明内容
在直流励磁方式的磁极初始位置检测处理中，例如将同步电动机以磁极0度进行直流励磁，等待同步电动机的转子停止，接着以磁极90度进行直流励磁，并且作为磁极初始位置而获取停止后的位置。这样从开始对同步电动机进行直流励磁起至同步电动机转子停止为止的时间非常长，获取磁极初始位置较费时。特别是，在如具有静压轴承的同步电动机等那样摩擦非常小且加速性能高的同步电动机中，获取磁极初始位置还有时需要几分钟。因而，期望以下技术：在直流励磁方式的磁极位置检测处理中，在短时间内能够获取同步电动机的转子的磁极初始位置。
根据本公开的一个方式，对同步电动机的转子的磁极初始位置进行检测的磁极初始位置检测装置具备：直流励磁指令生成部，其生成第一指令，该第一指令使将电流相位固定为第一相位的恒定的励磁电流向上述同步电动机流动；扭矩零判断部，其在基于上述第一指令的上述励磁电流在上述同步电动机中流动时，判断在上述同步电动机的转子上产生的扭矩是否为零；以及磁极初始位置获取部，其根据由上述扭矩零判断部判断为上述扭矩为零的时间点附近的转子实际位置、上述同步电动机的极对数以及基于上述第一指令的直流励磁中的励磁相位，获取上述同步电动机的转子的磁极初始位置。
另外，根据本公开的另一方式，磁极位置检测装置具备磁极位置更新部，该磁极位置更新部输出在由上述磁极初始位置检测装置检测出的磁极初始位置被初始化的上述同步电动机的转子的磁极位置。
附图说明
通过说明与附图关联的以下的实施方式，能够更加明确本发明的目的、特征以及优点。在该附图中：
图1是表示本公开的第一实施方式所涉及的磁极初始位置检测装置的框图。
图2A和图2B是示例固定电流相位并使恒定的励磁电流在同步电动机中持续流动时的同步电动机的转子的行为的图，图2A是示例转子的速度和位置的时间经过的图，图2B是在时间轴方向上放大图2A的图。
图3是表示与同步电动机有关的dq坐标系以及与控制同步电动机的电动机控制装置有关的dq坐标系的关系的图。
图4A和图4B是说明为了获取具有显著性的同步电动机的磁极初始位置而流动的励磁电流的大小的图。
图5是示例设置于同步电动机的永久磁铁的温度与同步电动机的主磁通的磁通密度的关系的图。
图6是说明本公开的第一实施方式中的磁极初始位置获取处理的图，是示例同步电动机的转子的加速度、同步电动机的转子的速度以及同步电动机的转子实际位置的图。
图7是表示本公开的第一实施方式的磁极初始位置检测装置的动作流程的流程图。
图8是表示本公开的第一实施方式的包括具备磁极初始位置检测装置的磁极位置检测装置的电动机控制装置的框图。
图9是表示本公开的第二实施方式所涉及的磁极初始位置检测装置的结构的框图。
图10是表示用于决定使用于磁极初始位置检测的励磁相位的励磁相位决定处理的流程图。
图11是表示具有非显著性的同步电动机的情况下的励磁电流的相位与扭矩的关系的图表。
图12是用于说明励磁电流的相位与转子的旋转方向的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本公开的实施方式所涉及的直流励磁方式的磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置。在整个图中，将对应的结构要素附加通用的参照附图标记。为了使理解更容易，适当地变更这些图的比例尺。附图示出的方式为用于实施的一个例，并不限定于图示的实施方式。
第一实施方式
图1是表示本公开的第一实施方式的磁极初始位置检测装置的框图。
如图1所示，本实施方式的对同步电动机2的转子的磁极初始位置进行检测的磁极初始位置检测装置1具备直流励磁指令生成部11、扭矩零判断部12、磁极初始位置获取部13、转子实际位置获取部14以及存储部15。
直流励磁指令生成部11生成用于使将电流相位固定为预定相位(以下，还记载为第一相位)的恒定的励磁电流流向同步电动机2的指令(以下，还记载为第一指令)。由直流励磁指令生成部11生成的指令被发送到用于控制同步电动机2的驱动的电动机控制装置1000内的电流控制部33(参照图8)。电动机控制装置1000内的电流控制部33根据从直流励磁指令生成部11接收的指令以及以固定的电流相位来变换的电流反馈来生成电压指令，电力变换部35根据接收到的电压指令将电压施加到同步电动机2，由此生成固定了电流相位的恒定的励磁电流。将该励磁电流设为驱动源而同步电动机2的转子在旋转方向上振动，振动逐渐衰减并最终停止。
扭矩零判断部12在同步电动机2中流动基于由直流励磁指令生成部11生成的第一指令的恒定的励磁电流时，判断同步电动机2的转子所产生的扭矩是否为零(0)。此外，在旋转方向上振动的转子中扭矩为零的时间点(时机)直到转子完全停止为止存在多次，因此，在扭矩零判断部12中直到转子完全停止前，存在很多进行扭矩零判断的机会。在多个扭矩零判断机会中越是采用接近由直流励磁指令生成部11生成的对同步电动机2的直流励磁指令的开始时间点的扭矩零判断机会，则越是能够从由直流励磁指令生成部11生成的对同步电动机2的直流励磁指令的开始时间点起短时间内完成利用磁极初始位置获取部13进行的对同步电动机2的转子的磁极初始位置的获取处理。例如，最优选扭矩零判断部12在由直流励磁指令生成部11开始生成对同步电动机2的直流励磁指令之后，检测最先产生的扭矩零并将该检测结果(即扭矩零判断)通知给磁极初始位置获取部13。
磁极初始位置获取部13根据由扭矩零判断部12判断为扭矩为零的时间点附近的同步电动机2的转子的位置(转子实际位置)、同步电动机2的极对数以及直流励磁中的励磁相位，获取同步电动机2的转子的磁极初始位置。
转子实际位置获取部14从设置于同步电动机2的传感器51获取同步电动机2的转子的位置即转子实际位置。
存储部15存储与同步电动机2的极对数有关的信息。存储部15例如由EEPROM(注册商标)等那样能够电擦除和记录的非易失性存储器或例如DRAM、SRAM等那样能够以高速读写的随机存取存储器等构成。
在此，参照图2A-2B和图3说明根据同步电动机2的转子所产生的扭矩为零的时间点或其附近的时间点的转子实际位置获取同步电动机2的转子的磁极初始位置的原理。
图2A和图2B是示例固定电流相位并使恒定的励磁电流持续流向同步电动机时的同步电动机转子的行为的图，图2A是示例转子的速度和位置的时间经过的图，图2B是在时间轴方向上放大图2A的图。在图2A和图2B中，实线示出同步电动机2的转子实际位置的时间经过，单点划线示出同步电动机2的速度(旋转角速度)。当固定电流相位并使恒定的励磁电流持续流向同步电动机2时，如图2A和图2B所示，同步电动机2的转子在旋转方向上振动。同步电动机2的振动逐渐衰减，转子最终停止。
图3是表示与同步电动机有关的dq坐标系以及与控制同步电动机的电动机控制装置有关的dq坐标系的关系的图。将与同步电动机有关的dq坐标系的坐标轴设为dm和qm、将与控制同步电动机的电动机控制装置有关的dq坐标系的坐标轴设为dc和qc。另外，将各坐标系间的d轴的偏离量(即坐标轴dm与坐标轴dc所形成的角)设为θ。此外，偏离量θ还是各坐标系间的q轴的偏离量(即坐标轴qm与坐标轴qc所形成的角)。
将电流相位在与电动机控制装置有关的dq坐标系中固定为0度的恒定的励磁电流设为Ie。此时，励磁电流Ie在与同步电动机有关的dq坐标系中如式(1)那样示出。
Figure BDA0002227027620000061
当将同步电动机2的极对数设为pp、将主磁通设为Φ、将d相电感设为Ld、将q相电感设为Lq时，在具有显著性的同步电动机中流动励磁电流Ie时产生的扭矩Tr如式(2)那样示出。
Tr＝pp·{Φ-(Lq-Ld)·Idm}·Iqm
＝pp·{Φ-(Lq-Ld)·Ie·cosθ}·(-Ie·sinθ)
…(2)
另外，在非显著性的同步电动机(即不具有显著性的同步电动机)中，d相电感Ld与q相电感Lq相等。因而，在非显著性的同步电动机中流动励磁电流Ie时产生的扭矩Tr使式(2)变形而如式(3)那样示出。
Tr＝pp·Φ·(-Ie·sinθ)…(3)
当固定电流相位并使恒定的励磁电流持续流向同步电动机时，如图2A和图2B所示，同步电动机的转子在旋转方向上振动，振动逐渐衰减，从而最终停止。在同步电动机的转子位于最终的停止位置时，该转子的停止位置与励磁相位匹配，各坐标系间的偏离量θ变为零。在同步电动机中持续流动励磁电流而转子在旋转方向上振动期间，偏离量θ每时每刻发生变化。在式(2)和式(3)中包含“sinθ”，但是在偏离量θ为零时“sinθ”变为零，因而扭矩Tr变为零。换尔言之，在扭矩Tr为零时，式(2)和式(3)中的“sinθ”为零、即偏离量θ可变为零。因此，在固定电流相位并使恒定的励磁电流持续流向同步电动机时，检测扭矩Tr变为零的时间点，根据该时间点的转子实际位置，获取磁极初始位置。
但是，在具有显著性的同步电动机的情况下，根据励磁电流Ie的大小，在θ为零以外时式(2)中的“{Φ-(Lq-Ld)·Ie·cosθ}”变为零、即式(2)示出的扭矩Tr有可能成为零。也就是说，在具有显著性的同步电动机的情况下，即使是扭矩Tr为零，偏离量θ也不一定为零。因而，在将本实施方式应用于具有显著性的同步电动机时，需要并不使“{Φ-(Lq-Ld)·Ie·cosθ}”为零的励磁电流Ie流动。另一方面，在非显著性的同步电动机的情况下，式(3)示出偏离量θ，因此扭矩Tr变为零并不限定于偏离量θ为零时，因此在将本实施方式应用于非显著性的同步电动机时，并不需要在固定了电流相位的恒定的励磁电流Ie设置上限值。
在此，参照图4A-4B和图5说明为了获取具有显著性的同步电动机的磁极初始位置而应流动的励磁电流Ie的大小。
图4A和图4B是说明为了获取具有显著性的同步电动机的磁极初始位置而流动的励磁电流的大小的图。在图4A中，横轴示出偏离量θ，纵轴示出扭矩Tr。在图4B中，横轴示出偏离量θ，纵轴示出将产生扭矩的式除以q相电流而得到的值。另外，在图4A和图4B中，双点划线示出励磁电流Ie为30Arms的情况，单点划线示出励磁电流Ie为60Arms的情况，实线示出励磁电流Ie为80Arms的情况。此外，图4A和图4B示出的励磁电流Ie的大小始终是一例。
在励磁电流Ie为30Arms的情况下和60Arms的情况下，如图4A所示仅在偏离量θ为零时扭矩Tr变为零。与此相对，在励磁电流Ie为80Arms的情况下，不仅在偏离量θ为零时，即使在“-44度”左右，扭矩Tr也变为零。这样在励磁电流Ie为80Arms的情况下，在偏离量θ为零以外时也产生扭矩Tr变为零的状态是由于，如图4B所示将产生扭矩的式除以q相电流而得到的值中产生负的区域。因此，在将本实施方式应用于具有显著性的同步电动机时，在偏离量θ为零以外的所有情况下，需要设定式2示出的扭矩Tr为正(即大于零)的励磁电流Ie。以下是具体情况。
当在式(2)中应用“Tr>0”且“θ≠0”并整理时，得到不等式(4)。
Φ-(Lq-Ld)·Ie·cosθ＞0…(4)
在不等式(4)中，“-1≤cosθ≤1”成立，因此从不等式(4)得到不等式(5)。
Φ-(Lq-Ld)·Ie＞0…(5)
当整理不等式(5)时，得到不等式(6)。
Figure BDA0002227027620000081
因此，在将本实施方式应用于具有显著性的同步电动机时，固定了电流相位的恒定的励磁电流Ie应设定为满足不等式(6)的大小。在本实施方式中，在要获取磁极初始位置的同步电动机为具有显著性的同步电动机的情况下，直流励磁指令生成部11生成使小于上限值“Φ/(Lq-Ld)”的励磁电流Ie流向同步电动机2的指令。
此外，主磁通Φ随着设置于同步电动机2的永久磁铁的温度的上升而减小。因此，也可以考虑具有显著性的同步电动机2的驱动时假设的永久磁铁的温度上升来设定励磁电流Ie的上限值。在此，参照图5说明考虑到具有显著性的同步电动机的永久磁铁的温度上升的为了获取磁极初始位置而应流动的励磁电流Ie的大小。
图5是示例设置于同步电动机的永久磁铁的温度与同步电动机的主磁通的磁通密度的关系的图。在图5中，横轴示出设置于同步电动机2的永久磁铁的温度，纵轴示出永久磁铁为20℃时将磁通密度设为100％时的磁通密度的比率。此外，图5示出的数值只是一例，也可以是其它数值。例如在具有显著性的同步电动机2的驱动时假设的永久磁铁的最高温度为160度的情况下，以即使在永久磁铁为160度时偏离量θ也在零以外且产生扭矩并不成为零的方式，考虑所假设的同步电动机2的永久磁铁的最高温度中的磁通Φmin(最小的磁通密度)，限制励磁电流Ie。即，能够从不等式(6)得到不等式(7)。
Figure BDA0002227027620000091
因此，在将本实施方式应用于具有显著性的同步电动机时，考虑在驱动同步电动机时假设的永久磁铁的温度上升，也可以将固定了电流相位的恒定的励磁电流Ie设定为满足不等式(7)的大小。在该情况下，直流励磁指令生成部11生成使小于上限值“Φmin/(Lq-Ld)”的励磁电流Ie流向同步电动机2的指令。
接着，参照图2A和图2B说明扭矩零判断部12的扭矩零判断处理。
如图2A和图2B所示，当固定了电流相位并使恒定的励磁电流持续流向同步电动机2时，同步电动机2的转子在旋转方向上振动。同步电动机2的振动逐渐衰减，转子最终停止。在同步电动机2的转子在旋转方向上振动期间，同步电动机2的转子所产生的扭矩Tr变为零是同步电动机2的转子的加速度的极性从正变化为负或从负变化为正的时间点。另外，在同步电动机2的加速度的极性从正变化为负的时间点上示出同步电动机2的速度为最大(极大)，在同步电动机2的加速度的极性从负变化为正的时间点上示出同步电动机2的速度为最小(极小)。因此，在本实施方式中，扭矩零判断部12获取同步电动机2的(转子的)加速度，将同步电动机2的加速度的极性发生变化的时间点判断为扭矩为零的时间点。另外，扭矩零判断部12获取同步电动机2的(转子的)速度，将同步电动机2的速度为最大或最小的时间点判断为扭矩为零的时间点。通过将由转子实际位置获取部14获取的转子实际位置进行二阶微分能够获取同步电动机2的加速度。另外，将由转子实际位置获取部14获取的转子实际位置进行一阶微分能够获取同步电动机2的速度。转子实际位置的微分计算处理可以在扭矩零判断部12中执行，也可以在转子实际位置获取部14中执行或在进一步其它处理部中执行。
接着，参照图6说明磁极初始位置获取部13的磁极初始位置获取处理。
图6是说明本公开的实施方式中的磁极初始位置获取处理的图。在图6中，对同步电动机转子的加速度的例示附加附图标记61，对同步电动机的转子的速度的例示附加附图标记62，对同步电动机的转子的实际位置的例示附加附图标记63。
磁极初始位置获取部13根据由扭矩零判断部12判断为扭矩Tr为零的时间点附近的转子实际位置、同步电动机2的极对数以及直流励磁中的励磁相位，获取同步电动机2的转子的磁极初始位置。在图示的示例中，在将由转子实际位置获取部14获取的转子实际位置的采样周期设为Ts时，转子实际位置获取部14在时刻0处获取转子实际位置之后接着获取转子实际位置为时刻Ts。视为在时刻0与时刻Ts之间的时刻T0处同步电动机2的转子的加速度a的极性从正变化为负(即转子的加速度a为零交叉)。将时刻0中的同步电动机2的转子的加速度设为A0、将转子的速度设为V0、将转子实际位置设为P0，将时刻Ts中的同步电动机2的转子的加速度设为A1、将转子的速度设为V1、将转子实际位置设为P1。另外，将时刻T0中的转子实际位置设为Pe。在图示的示例中，将从扭矩Tr为零的时刻T0中的转子实际位置Pe至时刻Ts中的转子实际位置P1为止期间的偏离乘以同步电动机2的极对数而得到的值加上直流励磁中的励磁相位而得到的值对应于同步电动机2的转子的磁极初始位置。即，在由转子实际位置获取部14获取的转子实际位置的采样区间中、将包含由扭矩零判断部12判断为扭矩Tr为零的时间点的采样区间进行划定的两个采样时间点即时刻0与时刻Ts之间的时间区间内，包含判断为扭矩Tr为零的时间点。在本实施方式中，将由转子实际位置获取部14获取的转子实际位置的采样区间中将包含由扭矩零判断部12判断为扭矩Tr为零的时间点的采样区间进行划定的两个采样时间点(在图6的示例中时刻0与时刻Ts)之间的任一时间点视为“判断为扭矩为零的时间点”，并将其表现为判断为扭矩为零的时间点的“附近”。也就是说，如果“判断为扭矩为零的时间点附近”存在于将包含由扭矩零判断部12判断为扭矩Tr为零的时间点的采样区间进行划定的两个采样时间点之间的时间区间，则也可以是任意时间点。在此，计算该时间点中的转子实际位置Pe。关于转子实际位置Pe的计算处理的方式例，以下举出几个例子。
在转子实际位置Pe的计算处理的第一方式中如下那样计算转子实际位置Pe。
如式(8)那样示出时刻t中的同步电动机2的转子的加速度a。
Figure BDA0002227027620000111
因此，同步电动机2的转子的加速度从正变化为负的时刻T0将t＝T0、a(T0)＝0代入到式(8)而如式(9)那样示出。
Figure BDA0002227027620000112
此时，转子实际位置也大致成比例地单调增加，因此扭矩Tr为零的时间点即同步电动机2的转子的加速度a的极性从正变化为负(即转子的加速度a为零交叉)时间点中的转子实际位置Pe如式(10)那样示出。
Figure BDA0002227027620000113
在转子实际位置Pe的计算处理的第一方式中，磁极初始位置获取部13根据式(10)计算转子实际位置。
在转子实际位置Pe的计算处理的第二方式中如下那样计算转子实际位置Pe。
在包含由扭矩零判断部12判断为扭矩Tr为零的时间点的区间中，同步电动机2的转子速度的变化小，因此当视为同步电动机2的转子的速度为恒定速度V0时，扭矩Tr为零的时间点中的转子实际位置Pe如式(11)那样示出。
Figure BDA0002227027620000114
在转子实际位置Pe的计算处理的第二方式中，磁极初始位置获取部13根据式(11)计算转子实际位置。
在转子实际位置Pe的计算处理的第三方式中如下那样计算转子实际位置Pe。
转子实际位置大致成比例地单调增加，因此将转子实际位置的采样区间的中间点视为扭矩Tr为零的时间点，扭矩Tr为零的时间点中的转子实际位置Pe如式(12)那样示出。
Figure BDA0002227027620000121
在转子实际位置Pe的计算处理的第三方式中，磁极初始位置获取部13根据式(12)计算转子实际位置。
磁极初始位置获取部13使用在第一～第三方式中的任一方式中通过计算处理计算出的扭矩Tr为零的时间点T0中的转子实际位置Pe、扭矩Tr成为零之后起下一采样时间点Ts中的转子实际位置P1以及同步电动机2的极对数pp，根据式(13)计算磁极初始位置。
θ＝pp·(P1-Pe)+励磁相位…(13)
在磁极初始位置检测装置1中检测出的磁极初始位置处使磁极位置计数器(未图示)初始化，在此以后将每个采样周期的增量脉冲量(＝Pn-Pn-1)乘以极对数倍而得到的值加到磁极位置计数器上。
图7是表示本公开的实施方式的磁极初始位置检测装置的动作流程的流程图。
在步骤S101中，直流励磁指令生成部11生成第一指令，该第一指令用于使将电流相位固定为第一相位的恒定的励磁电流流向同步电动机2。电流相位(第一相位)例如被固定为0度。由直流励磁指令生成部11生成的第一指令被发送到用于控制同步电动机2的驱动的电动机控制装置(未图示)内的电流控制部。电动机控制装置内的电流控制部根据从直流励磁指令生成部11接收的指令以及以固定的电流相位变换的电流反馈来生成电压指令，电力变换部(未图示)根据接收到的电压指令将电压施加到同步电动机2，由此生成将电流相位进行固定了的恒定的励磁电流。
在步骤S102中，磁极初始位置检测装置1判断同步电动机2的转子是否旋转。在步骤S102中判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，进入到步骤S103，在并未判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，进入到步骤S105。
在步骤S103中，扭矩零判断部12在同步电动机2中流动基于由直流励磁指令生成部11生成的指令的恒定的励磁电流时，判断同步电动机2的转子所产生的扭矩是否为零。例如，扭矩零判断部12将同步电动机2的加速度的极性发生变化的时间点判断为扭矩为零的时间点。另外，例如扭矩零判断部12将同步电动机2的速度为最大或最小的时间点判断为扭矩为零的时间点。在步骤S103中判断为扭矩为零的情况下，进入到步骤S104，在判断为扭矩并非零的情况下，返回至步骤S102。
在步骤S104中，磁极初始位置获取部13根据由扭矩零判断部12判断为扭矩为零的时间点附近的同步电动机2的转子实际位置、同步电动机2的极对数以及直流励磁中的励磁相位，获取同步电动机2的转子的磁极初始位置。
在步骤S102中并未判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，在步骤S105中，直流励磁指令生成部11生成以下指令：以与在步骤S101中设定的电流相位(例如0度)相差90度的电流相位使恒定的励磁电流流向同步电动机2。这样在步骤S102中并未判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，使电流相位偏离90度而再次使恒定的励磁电流流动是由于，在步骤S101中设定的电流相位已经处于转子的磁极初始位置附近时，即使使励磁电流流动，同步电动机2的转子也不会进行振动性动作，从而无法正确地获取磁极初始位置，因此避免该情况。
在步骤S106中，磁极初始位置检测装置1判断同步电动机2的转子是否旋转。在步骤S106中判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，进入到步骤S103，在并未判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，进入到步骤S107。
在步骤S106中并未判断为同步电动机2的转子旋转的情况下，同步电动机2的转子有可能处于被紧固件固定等某种约束状态，因此磁极初始位置检测装置1发出警报并使其动作停止。
图8是表示本公开的实施方式的包括具备磁极初始位置检测装置1的磁极位置检测装置100的电动机控制装置1000的框图。
磁极位置检测装置100具备磁极初始位置检测装置1和磁极位置更新部41。电动机控制装置1000具备磁极位置检测装置100、速度控制部31、电流指令生成部32、电流控制部33、dq三相变换部34、电力变换部35、三相dq变换部36以及速度获取部37。
速度控制部31根据速度指令ωcmd以及由速度获取部37获取的同步电动机2的转子的速度ωm，生成扭矩指令Tcmd。
电流指令生成部32根据扭矩指令Tcmd以及由速度获取部37获取的同步电动机2的转子的速度ωm，生成d轴电流指令Idc和q轴电流指令Iqc。
三相dq变换部36根据由磁极位置检测装置100检测出的磁极位置对从电力变换部35输出的三相电流Iu、Iv、Iw进行三相dq变换，将d轴电流Id和q轴电流Iq输出到电流控制部33。
电流控制部33在通常的电动机控制时根据d轴电流指令Idc和q轴电流指令Iqc以及d轴电流Id和q轴电流Iq，生成d轴电压指令Vdc和q轴电压指令Vqc。另外，电流控制部33在磁极初始位置检测时根据从磁极初始位置检测装置1(的直流励磁指令生成部11)输出的直流励磁指令(Id＝Ie，Iq＝0)，生成用于使固定了电流相位的恒定的励磁电流流动的d轴电压指令Vdc和q轴电压指令Vqc。
dq三相变换部34根据由磁极位置检测装置100检测出的磁极位置对d轴电压指令Vdc和q轴电压指令Vqc进行dq三相变换，将三相电压指令Vuc、Vvc、Vwc输出到电力变换部35。
电力变换部35例如由包括半导体开关元件的全桥电路的逆变换器(三相逆变器)构成，根据接收到的三相电压指令Vuc、Vvc、Vwc控制半导体开关元件的接通和断开并输出用于驱动同步电动机2的三相电流Iu、Iv、Iw。
磁极位置检测装置100内的磁极位置更新部41在从磁极初始位置检测装置1(的磁极初始位置获取部13)输出的磁极初始位置处使磁极位置计数器初始化。在磁极位置计数器初始化以后，磁极位置更新部41将增量脉冲量乘以极对倍数而得到的值相加到磁极位置计数器而输出磁极位置。
此外，上述直流励磁指令生成部11、扭矩零判断部12、磁极初始位置获取部13、转子实际位置获取部14、速度控制部31、电流指令生成部32、电流控制部33、dq三相变换部34、三相dq变换部36、速度获取部37以及磁极位置更新部41例如可以通过软件程序方式构建或也可以通过各种电子电路与软件程序的组合构建。例如在通过软件程序方式构建这些的情况下，按照该软件程序使处于电动机控制装置1000内的运算处理装置进行动作，由此能够实现上述各部的功能。另外，也可以作为写入了实现各部功能的软件程序的半导体集成电路而实现直流励磁指令生成部11、扭矩零判断部12、磁极初始位置获取部13、转子实际位置获取部14、速度控制部31、电流指令生成部32、电流控制部33、dq三相变换部34、三相dq变换部36、速度获取部37以及磁极位置更新部41。
第二实施方式
以下，说明本公开的第二实施方式所涉及的磁极初始位置检测装置1A。磁极初始位置检测装置1A相当于第一实施方式中的磁极初始位置检测装置1的变形例。图9是表示磁极初始位置检测装置1A的结构的框图。磁极初始位置检测装置1A作为用于实现第一实施方式所涉及的直流励磁指令生成部11的功能的结构要素，具备第一指令生成部11A、励磁相位决定部16以及第二指令生成部11B。第一指令生成部11A具有在第一实施方式中作为直流励磁指令生成部11所具有的功能而说明的生成以下第一指令的功能：使将电流相位固定为第一相位的恒定的励磁电流流向同步电动机2。第二指令生成部11B生成使将电流相位固定为任意设定的第二相位的恒定的励磁电流流向同步电动机2的指令(以下，还记载为第二指令)。励磁相位决定部16根据在同步电动机2中流动基于第二指令的励磁电流时的同步电动机2的旋转方向以及相对于同步电动机2的速度指令(ωcmd)的旋转方向，以同步电动机2根据第一指令在与速度指令(ωcmd)的旋转方向相同方向上旋转的方式，决定用于生成第一指令的第一相位。通过该结构，能够使转子由第一指令生成部11A所生成的第一指令的直流励磁而旋转的方向与转子基于速度指令(ωcmd)的旋转方向一致，从磁极初始位置检测动作顺利地向速度控制转移，从而能够缩短到达指令速度的时间。以下，关注第二实施方式所涉及的磁极初始位置检测装置1A的上述功能而进行说明。
以下是第二实施方式所涉及的磁极初始位置检测装置1A的磁极初始位置的检测动作的概要。首先，第二指令生成部11B以任意设定的第二相位(θ0)的电流相位使同步电动机2进行直流励磁。该情况下的直流励磁也可以是极短时间。由此，转子在与第二相位的电流相位的直流励磁相应的方向上从初始位置开始旋转。接着，励磁相位决定部16获取此时的励磁相位(第二相位)与转子的旋转方向的关系。根据该关系，励磁相位决定部16以转子根据第一指令旋转的方向(极性)与速度指令(ωcmd)的旋转方向(极性)一致的方式，决定用于生成第一指令的第一相位。第一指令生成部11A使用由励磁相位决定部16决定的励磁相位(第一相位)生成第一指令。当根据由第一指令生成部11A生成的第一指令进行直流励磁时，通过扭矩零判断部12和磁极初始位置获取部13的动作获取磁极初始值。在该情况下，扭矩零判断部12在第一指令生成部11A开始对同步电动机2发出第一指令之后，检测最先产生的扭矩零，并将其检测结果通知给磁极初始位置获取部13。当获取磁极初始位置时，根据速度指令(ωcmd)向同步电动机2的速度控制转移。
图10是表示由磁极初始位置检测装置1A(主要是第二指令生成部11B和励磁相位决定部16)执行的用于决定用于检测磁极初始位置的励磁相位(第一相位)的处理(以下，记载为励磁相位决定处理)的流程图。首先，磁极初始位置检测装置1A确认变量‘STAGE’的值(步骤S1)。变量‘STAGE’的值在开始本处理时初始化为零，因此首先在执行步骤S1时判断为‘STAGE’＝0，处理进入到步骤S2。在步骤S2中，磁极初始位置检测装置1A从转子实际位置获取部14获取开始本处理时的转子位置(θm0)并存储，将变量‘STAGE’更新为1。
接着，第二指令生成部11B将任意设定的电流相位θ0(第二相位)的值代入到用于设定直流励磁的电流相位的变量Θe并生成第二指令。第二指令被发送到电动机控制装置1000的电流控制部33，根据第二指令进行直流励磁(步骤S3)。在步骤S4中，确认变量‘STAGE’的值。当前，为‘STAGE’＝1，因此处理进入到步骤S5。在步骤S5中，磁极初始位置检测装置1A判断转子是否旋转。其结果，在转子旋转的情况下(S5：“是”)，励磁相位决定部16判断转子旋转的方向(极性)是否与基于速度指令(ωcmd)的旋转方向(极性)一致(步骤S7)。其结果，在转子旋转的方向与基于速度指令的旋转方向一致的情况下(S7：“是”)，励磁相位决定部16将在步骤S3中设定的电流相位θ0的值代入到代入用于生成第一指令的励磁相位的变量Θw(步骤S8)。
另外，在转子旋转的方向与基于速度指令(ωcmd)的旋转方向并不一致的情况下(S7：“否”)，励磁相位决定部16将对电流相位θ0相加了180度而得到的值代入到变量Θw(步骤S9)。在此，将对电流相位θ0相加了180度而得到的值相加到变量Θw是由于，将基于励磁相位(Θw)的直流励磁中的转子的旋转方向设为与基于电流相位θ0的直流励磁的情况下的转子的旋转方向相反的方向。当前时间点的转子的位置在步骤S2中存储的开始处理时的转子位置(θm0)前，因此将转子前进相当量的相位相加到变量Θw而设为用于生成最终的第一指令的励磁相位(第一相位)(步骤S10)。具体地说，在步骤S10中，以下那样决定变量Θw。
Θw＝Θw+pp(Pc-θm0)
在此，Pc：转子当前位置
pp：极对数
当这样决定用于生成第一指令的励磁相位(Θw)时，励磁相位决定部16将所决定的励磁相位(Θw)发送到第一指令生成部11A，将变量‘STAGE’更新为表示完成处理的3(步骤S11)。在步骤S11中变量‘STAGE’被更新为3时，在步骤S1中判断为变量‘STAGE’为3，结束该励磁相位决定处理。将如上所述决定的励磁相位(Θw)用作在第一指令生成部11A中用于生成第一指令，由此能够使用于磁极初始位置检测动作的直流励磁中的转子的旋转方向与基于速度指令(ωcmd)的转子的旋转方向一致。
在步骤S5中判断为转子并不旋转的情况下，磁极初始位置检测装置1A通过对电流相位θ0相加90度的电流相位Θe进行直流励磁(步骤S6)。在此，在步骤S5中判断为转子并不旋转是电流相位θ0处于转子的磁极初始位置(相位)附近的情况。因此，为了避免该情况，通过对电流相位θ0相加90度而得到的电流相位Θe进行直流励磁。在步骤S6中，将变量‘STAGE’更新为2。在步骤S5中变量‘STAGE’被更新为2而处理返回至步骤S1时，判断为变量‘STAGE’为2，处理进入到步骤S4。在该情况下，在步骤S4中判断为变量‘STAGE’的值为2，处理进入到步骤S12。
在步骤S12中，作为在步骤S6中通过对电流相位θ0相加90度而得到的电流相位Θe进行直流励磁的结果判断转子是否旋转。其结果，在判断为转子旋转的情况下(S12：“是”)，判断转子旋转的方向(极性)(步骤S13)。其结果，在判断为转子的旋转方向为正方向的情况下(S13：‘+’)，在步骤S3中设定的电流相位θ0表示磁极初始位置(相位)。在该情况下，通过以下式求出对电流相位θ0相加开始本处理之后转子移动相当量的相位而得到的值(Θw)而设为磁极初始位置(步骤S14)。
Θw＝θ0+pp(Pc-θm0)
另外，在步骤S13中判断为转子的旋转方向为负方向的情况下(S13：‘-’)，对在步骤S3中设定的电流相位θ0相加了180度而得到的值表示磁极初始位置(相位)。在该情况下，通过在以下式求出对电流相位θ0相加了180度而得到的值上相加开始本处理之后转子移动相当量的相位而得到的值(Θw)而设为磁极初始位置(步骤S15)。
Θw＝θ0+180度+pp(Pc-θm0)
在步骤S16中，将在步骤S14或S15中求出的Θw决定为磁极初始位置，为了完成本励磁相位决定处理而将变量‘STAGE’更新为3。在该情况下，结束本励磁相位决定处理，并不进行利用第一指令生成部11A的第一指令的生成以及基于第一指令的磁极初始位置检测。在步骤S14或S15中求出的Θw被视为从磁极初始位置检测装置1输出到磁极位置更新部41的磁极初始位置。
在此，说明在步骤S6中通过对电流相位θ0相加了90度而得到的电流相位Θe进行直流励磁的情况下根据转子的旋转方向能够通过步骤S14、S15决定磁极初始位置。在步骤S5中判断为转子并不旋转是指电流相位θ0与磁极初始值的相位一致或与磁极初始位置的相位相差180度的情况。在步骤S6中通过电流相位θ0+90度进行直流励磁并考虑转子旋转的状况。如参照图3说明，转子旋转是指在励磁电流Ie的励磁相位(图3的情况下0度)与磁极位置之间偏差θ的情况、即产生式(2)和式(3)示出的扭矩的情况。在此，考虑非显著性的情况(式(3))。图11是表示由励磁相位与磁极位置的偏差θ按照式(3)产生的扭矩的图表。如图11所示，在励磁相位与磁极位置之间的偏差θ为正的范围(0～180度)内将扭矩求出负的值，在θ为负的范围(0～-180度)内扭矩求出正的值。
在该情况下，如图12所示，在磁极位置(相位)相对于将励磁电流Ie设定为dc轴的相位0度的坐标系存在于第一象限和第二象限的情况下，转子在负方向上旋转，在磁极位置(相位)处于第三象限和第四象限的情况下，转子在正方向上旋转。在此，当注意到相位的正方向在图12的左侧周围时，在电流相位(θ0+90度)的直流励磁中转子的旋转方向被判断为正(S13：‘+’)可理解为磁极初始位置相对于电流相位(θ0+90度)在负方向上相差90度的位置(也就是说，电流相位θ0的位置)的情况。除此以外，在电流相位(θ0+90度)的直流励磁中转子的旋转方向被判断为负(S13：‘-’)是磁极初始位置相对于电流相位(θ0+90度)在正方向上相差90度的位置(也就是说，对电流相位θ0相加180度的位置)的情况。因而，在步骤S14中能够将对电流相位θ0相加转子移动相当量的相位而得到的值(Θw)决定为磁极初始值，在步骤S15中能够将对电流相位θ0相加了180度而得到的值相加转子移动相当量的相位而得到的值(Θw)决定为磁极初始值。
返回至图10的说明，在步骤S12中判断为转子并不旋转是同步电动机2处于约束状态或动力线断开的状态。因此，在该情况下，磁极初始位置检测装置1A发出警报，将变量‘STAGE’更新为3以停止本处理。
如上所述，根据第二实施方式，能够使转子根据第一指令生成部11A所生成的第一指令的直流励磁而旋转的方向与基于速度指令(ωcmd)的转子的旋转方向一致，能够顺利地从磁极初始位置检测动作向速度控制转移。
根据本公开的实施方式，能够实现能够在短时间内获取同步电动机转子的磁极初始位置的直流励磁方式的磁极初始位置检测装置以及具备该装置的磁极位置检测装置。
以上，说明了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可理解只要不脱离后述的技术方案所公开的范围则能够进行各种修改和变更。

Claims (9)

1.一种磁极初始位置检测装置，其检测同步电动机的转子的磁极初始位置，该磁极初始位置检测装置的特征在于，
具备：
直流励磁指令生成部，其生成第一指令，该第一指令使将电流相位固定为第一相位的恒定的励磁电流向上述同步电动机流动；
扭矩零判断部，其在基于上述第一指令的上述励磁电流在上述同步电动机中流动时，判断在上述同步电动机的转子上产生的扭矩是否为零；以及
磁极初始位置获取部，其根据由上述扭矩零判断部判断为上述扭矩为零的时间点附近的转子实际位置、上述同步电动机的极对数以及基于上述第一指令的直流励磁中的励磁相位，获取上述同步电动机的转子的磁极初始位置。
2.根据权利要求1所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
上述扭矩零判断部在上述同步电动机的加速度的极性发生变化的时间点，判断为上述扭矩为零。
3.根据权利要求1所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
上述扭矩零判断部在上述同步电动机的速度为最大或最小的时间点，判断为上述扭矩为零。
4.根据权利要求1～3任一项所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
还具备：
转子实际位置获取部，其从设置于上述同步电动机的传感器获取上述转子的位置；以及
存储部，其存储与上述同步电动机的上述极对数相关的信息。
5.根据权利要求4所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
判断为上述扭矩为零的时间点附近的上述转子实际位置为，由上述转子实际位置获取部获取的上述转子的位置的采样区间中的、对包含由上述扭矩零判断部判断为上述扭矩为零的时间点的采样区间进行划定的两个采样时间点之间的任一时间点上的上述转子的位置。
6.根据权利要求1～5任一项所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
在上述同步电动机为具有显著性的同步电动机的情况下，上述直流励磁指令生成部作为上述第一指令而生成使小于预定的上限值的上述励磁电流向上述同步电动机流动的指令。
7.根据权利要求6所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
在将上述同步电动机的主磁通的大小设为Φ、将d相电感设为Ld、将q相电感设为Lq时，基于下式设定上述预定的上限值：
Figure FDA0002227027610000021
8.根据权利要求1～7任一项所述的磁极初始位置检测装置，其特征在于，
上述直流励磁指令生成部具备：
第二指令生成部，其生成第二指令，该第二指令使将电流相位固定为任意设定的第二相位的恒定的励磁电流向上述同步电动机流动；
励磁相位决定部，其基于在上述同步电动机中流动基于上述第二指令的上述励磁电流时的上述同步电动机的旋转方向以及相对于上述同步电动机的速度指令的旋转方向，以上述同步电动机根据上述第一指令在与上述速度指令的旋转方向相同方向上旋转的方式，决定用于生成上述第一指令的上述第一相位；以及
第一指令生成部，其使用由上述励磁相位决定部决定的上述第一相位的电流相位来生成上述第一指令。
9.一种磁极位置检测装置，其特征在于，
具备磁极位置更新部，该磁极位置更新部输出在由权利要求1～8任一项所述的磁极初始位置检测装置检测出的磁极初始位置被初始化的上述同步电动机的转子的磁极位置。
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