DE112018008190T5 - Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine und Steuervorrichtung eines elektrischen Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Es wird eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine bereitgestellt, die eine Magnetpolpositionsschätzeinheit, eine Vektorberechnungseinheit, die konfiguriert ist, einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom basierend auf einem Erfassungsergebnis eines Phasenstroms in jeder durch die rotierende Maschine fließenden Phase zu erzeugen, eine Strombefehlskorrektureinheit, die konfiguriert ist, einen ersten d-Achsenstrombefehl und einen ersten q-Achsenstrombefehl zu korrigieren, um dadurch einen zweiten d-Achsenstrombefehlswert und ein en zweiten q-Achsenstrombefehlswert auszugeben, eine Stromsteuereinheit, eine Spannungsanlegeeinheit, die konfiguriert ist, eine Hochfrequenzspannung, die eine spezifische Frequenzkomponente enthält, den Spannungsbefehlen auf den Rotationskoordinaten zu überlagern, und eine Spannungssteuereinheit enthält. Die Magnetpolpositionsschätzeinheit ist konfiguriert, die Position des Magnetpols basierend auf einer Zustandsgröße der spezifischen Frequenzkomponente zu schätzen. Die Strombefehlskorrektureinheit ist konfiguriert, die Strombefehle so zu korrigieren, dass eine Stromamplitude von elektrischen Winkelfrequenzkomponenten gleich oder größer als eine Hälfte einer Stromamplitude der spezifischen Frequenzkomponente ist.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine, die zur Schätzung einer Magnetpolposition eines Rotors zur Steuerung einer rotierenden Maschine konfiguriert ist, und eine Steuervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
• Hintergrund der Erfindung
• Bisher wurde als Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine eine Steuervorrichtung bereitgestellt, die konfiguriert ist, eine Rotordrehzahl oder Rotorposition einer rotierenden Maschine genau zu erkennen und zu veranlassen, dass Ströme durch Wicklungen zu geeigneten Zeitpunkten basierend auf der Position oder der Anzahl der Umdrehungen des Rotors fließen, um dadurch eine Antriebskraft durch Anziehungskräfte und Abstoßungskräfte von Magneten zu erzeugen. Als artverwandte Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine ist eine Steuervorrichtung bekannt, die einen Sensor, z. B. einen Encoder oder einen Resolver, enthält, um Drehzahlinformationen oder Positionsinformationen am Rotor zu erkennen.
• In einer Konfiguration, in der ein Positionssensor oder ein Geschwindigkeitssensor für eine rotierende Maschine vorgesehen ist, ist es möglich, die Rotordrehzahlinformation oder die Rotorpositionsinformation an der rotierenden Maschine genau zu erhalten. Indessen gibt es zum Beispiel das Problem einer Kostenerhöhung durch den Sensor, das Problem eines Bedarfs an Drähten zur Übertragung der Sensorinformationen an die Steuervorrichtung und das Problem einer Abnahme der Zuverlässigkeit durch einen Ausfall des Sensors selbst.
• Als eine Konfiguration zur Lösung der oben genannten Probleme wurde ein sogenanntes positionssensorloses Steuerungsverfahren entwickelt, das die Rotorposition der rotierenden Maschine aus an die rotierende Maschine angelegten Spannungen oder durch die rotierende Maschine fließenden Strömen abschätzt. Als ein Steuerungsverfahren, das sich auf die sensorlose Steuerung in der rotierenden Maschine bezieht, gibt es ein Verfahren zur Schätzung der Rotorposition der rotierenden Maschine aus einer induzierten Spannung der rotierenden Maschine.
• Es gibt eine solche Eigenschaft, dass eine Größe der induzierten Spannung proportional zur Drehzahl der rotierenden Maschine ist. Aus diesem Grund ist die induzierte Spannung bei einer Nulldrehzahl oder in einem niedrigen Drehzahlbereich gering, und ein S/N-Verhältnis verschlechtert sich dadurch. Infolgedessen ist es schwierig, die Rotorposition der rotierenden Maschine bei Drehzahl Null oder im niedrigen Drehzahlbereich abzuschätzen.
• Darüber hinaus gibt es als eine weitere Konfiguration zur Lösung der oben genannten Probleme ein Steuerungsverfahren, bei dem die magnetische Ausprägung des Rotors verwendet wird, um ein Hochfrequenzsignal zum Schätzen der Position zu überlagern, um dadurch eine Genauigkeit der Schätzung der Rotorposition auf der Basis des überlagerten Hochfrequenzsignals zu erhöhen. Dieses Verfahren erfordert die Eingabe des Hochfrequenzsignals für die Positionsschätzung an die rotierende Maschine, aber das Verfahren hat den Vorteil, dass die Rotorposition der rotierenden Maschine unabhängig von der Drehzahl der rotierenden Maschine geschätzt werden kann. Aus diesem Grund wird das sensorlose Regelungsverfahren unter Verwendung der Ausprägung verwendet, um die Position bei Drehzahl Null und im niedrigen Drehzahlbereich zu erfassen.
• Als das sensorlose Steuerungsverfahren unter Verwendung der Ausprägung wurde ein Steuerungsverfahren zum Schätzen eines elektrischen Winkels einer rotierenden Maschine vorgeschlagen, das auf Stromsignalen mit einer bestimmten Frequenz basiert, die sich tatsächlich in der rotierenden Maschine ausbreiten, wenn ein hochfrequentes Spannungssignal angelegt wird, das in einer positiven Richtung und einer negativen Richtung einer geschätzten „d“-Achse einer dreiphasigen rotierenden Maschine oszilliert (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1) . Bei keiner oder geringer Last, bei der eine Stromamplitude klein ist, besteht jedoch das Problem, dass die Schätzung der Rotorposition aufgrund einer Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassungssignale und eines durch eine Totzeit verursachten Spannungsfehlers schwierig ist.
• Daher gibt es als ein Verfahren zum Erhöhen der Schätzpräzision der Rotorposition bei keiner Last oder niedriger Last ein Verfahren zum Versetzen eines d-Achsenstrombefehlswerts von einem Stromvektor, der auf einer Drehmomentmaximierungskurve definiert ist, in eine negative Richtung, so dass ein d-Achsenstrombefehlswert auf einen Wert korrigiert wird, der gleich oder größer als ein unterer Grenzwert ist. Durch die Anwendung dieses Regelverfahrens wird eine Regelvorrichtung erreicht, die den Einfluss der Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassungssignale unterdrückt (siehe z. B. Patentliteratur 2) .
• Zitierliste
• Patentliteratur
• [PTL 1] JP 3312472 B2
• [PTL 2] JP 2009-290929 A
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Eine Steuervorrichtung für eine rotierende elektrische Maschine, wie sie in der Patentliteratur 2 beschrieben ist, enthält, um die Verschlechterung der Schätzgenauigkeit der Rotorposition zu unterdrücken, eine Obergrenzwertsteuereinheit, die konfiguriert ist, eine Obergrenze des d-Achsenstrombefehlswerts auf Null oder einen negativen Wert zu begrenzen, um dadurch den d-Achsenstrombefehlswert zu korrigieren. Um jedoch einen Korrekturbetrag für den d-Achsenstrombefehlswert zu berechnen, wird angenommen, dass Experimente und dergleichen im Voraus ausgeführt werden, um den Korrekturbetrag einzustellen, der die Verschlechterung der Schätzgenauigkeit der Rotorposition unterdrückt.
• Es ist erwünscht, dass der Korrekturbetrag für den d-Achsenstrombefehlswert für verschiedene Typen von rotierenden Maschinen leicht bestimmt werden kann. Wenn der Korrekturbetrag für den Strombefehlswert der d-Achse zu klein ist, verschlechtert sich die Schätzgenauigkeit der Rotorposition.
• Wenn der Korrekturbetrag für den Strombefehlswert der d-Achse zu groß ist, weicht der Strombefehlswert der d-Achse von einem Stromwert ab, der das Drehmoment maximiert. Infolgedessen führt ein solch großer Korrekturbetrag zu einer Verringerung des Wirkungsgrads und kann darüber hinaus zu einer irreversiblen Entmagnetisierung der im Rotor angeordneten Permanentmagnete führen.
• Darüber hinaus, wenn eine Betriebsumgebung der rotierenden Maschine ändert oder wenn Parameter aufgrund von Herstellungsfehlern schwanken, hat der Stand der Technik das Problem, dass die Verschlechterung der Schätzgenauigkeit der Rotorposition nicht unterdrückt werden kann.
• Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme zu lösen, und hat die Aufgabe, eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine, die in der Lage ist, eine Verschlechterung der Schätzgenauigkeit einer Rotorposition zu unterdrücken, und eine Steuervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitzustellen.
• Lösung des Problems
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine bereitgestellt, umfassend eine Magnetpolpositionsschätzeinheit, die konfiguriert ist, eine Position eines Magnetpols eines Rotors basierend auf einer Zustandsgröße der rotierenden Maschine zu schätzen; eine Vektorberechnungseinheit, die konfiguriert ist, einen Magnetpolpositionsschätzwert zu erhalten, der ein von der Magnetpolpositionsschätzeinheit erhaltenes Schätzergebnis ist, und einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom basierend auf einem Erfassungsergebnis eines Phasenstroms in jeder Phase, die durch die rotierende Maschine fließt, zu erzeugen eine Strombefehlskorrektureinheit, die konfiguriert ist, einen ersten d-Achsenstrombefehl und einen ersten q-Achsenstrombefehl zu korrigieren, um dadurch einen zweiten d-Achsenstrombefehl und einen zweiten q-Achsenstrombefehl auszugeben; eine Stromsteuereinheit, die konfiguriert ist, Spannungsbefehle auf Rotationskoordinaten zu erzeugen, so dass der d-Achsenstrom dem zweiten d-Achsenstrombefehl entspricht und der q-Achsenstrom dem zweiten q-Achsenstrombefehl entspricht eine Spannungsanlegeeinheit, die konfiguriert ist, den Spannungsbefehlen auf den Rotationskoordinaten eine hochfrequente Spannung zu überlagern, die eine spezifische Frequenzkomponente bei einer hohen Frequenz in Bezug auf elektrische Winkelfrequenzkomponenten in Synchronisation mit der Anzahl von Umdrehungen der rotierenden Maschine enthält und eine Spannungssteuereinheit, die konfiguriert ist, den Magnetpolpositionsschätzwert zu erhalten und die Spannungsbefehle auf den Rotationskoordinaten nach der Überlagerung durch die Spannungsanlegeeinheit in Spannungsbefehle auf festen Koordinaten umzuwandeln, um dadurch an die rotierende Maschine anzulegende Spannungen zu steuern, wobei die Magnetpolpositionsschätzeinheit konfiguriert ist, die Position des Magnetpols basierend auf einer Zustandsgröße der spezifischen Frequenzkomponente zu schätzen, und wobei die Strombefehlskorrektureinheit konfiguriert ist, den ersten d-Achsenstrombefehl und den ersten q-Achsenstrombefehl so zu korrigieren, dass eine Stromamplitude der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten gleich oder größer als eine Hälfte einer Stromamplitude der spezifischen Frequenzkomponente ist, um dadurch den zweiten d-Achsenstrombefehl und den zweiten q-Achsenstrombefehl auszugeben.
• Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug vorgesehen, die die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine der vorliegenden Anmeldung umfasst.
• Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine bereitzustellen, die konfiguriert ist, die Verschlechterung der Schätzgenauigkeit der Rotorposition zu unterdrücken, und die Steuervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
• Figurenliste
• 1 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Konfiguration in Bezug auf eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 2 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Konfiguration in Bezug auf eine Magnetpolpositionschätzeinheit in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 3 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Konfiguration zum Erhalten eines Magnetpolpositionsschätzwerts in Bezug auf eine Zustandsbeobachtungseinheit in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 4 ist ein Diagramm zur Darstellung von Wellenformen zu einem Zeitpunkt, zu dem eine sensorlose Steuerung in einem Niedriglastbereich durch eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik ausgeführt wird.
• 5 ist ein Diagramm zur Darstellung von Wellenformen zu einem Zeitpunkt, zu dem die sensorlose Steuerung im Niedriglastbereich durch die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
• 6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Beziehung zwischen einer Stromamplitude einer elektrischen Winkelfrequenzkomponente und einer Stromamplitude einer spezifischen Frequenzkomponente in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• 7 ist ein Flussdiagramm, das sich auf die Berechnungsverarbeitung für einen Strombefehlskorrekturbetrag bezieht, der von einer Strombefehlskorrektureinheit in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
• 8 ist ein Flussdiagramm bezüglich der Berechnungsverarbeitung für einen Strombefehlskorrekturbetrag, der von der Strombefehlskorrektureinheit in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird.
• Beschreibung der Ausführungsformen
• Erste Ausführungsform
• 1 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Konfiguration in Bezug auf eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der ersten Ausführungsform ist nicht nur auf rotierende Maschinen anwendbar, die in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wie Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet werden, sondern auch auf Antriebssysteme, die beliebige Arten von rotierenden Maschinen verwenden.
• Es folgt nun eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Komponenten von 1. Eine rotierende Maschine 1 wird über einen Wechselrichter 2, der konfiguriert ist, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln, mit einem Strom versorgt, um dadurch angetrieben zu werden. Ein Stromsensor 3, der konfiguriert ist, Ströme in drei Phasen zu erfassen, ist auf einer Wechselstromseite des Wechselrichters 2 vorgesehen. Eine Gleichstromversorgung 4 ist an eine Gleichstromseite des Wechselrichters 2 angeschlossen.
• Die rotierende Maschine 1 wird von einer dreiphasigen Wechselstromrotationsmaschine gebildet, wie z. B. einer Permanentmagnetsynchronrotationsmaschine, einer Induktionsrotationsmaschine oder einer Reluktanzrotationsmaschine. Als Permanentmagnete für einen Rotor der Permanentmagnetsynchronrotationsmaschine wird ein Seltene-Erden-Magnet, zum Beispiel Neodym, verwendet. Der Permanentmagnet kann jedoch auch ein anderer Magnettyp sein, wie z. B. ein Samarium-Kobalt-Magnet oder ein Ferritmagnet.
• Der Wechselrichter 2 ist beispielsweise aus sechs Leistungsschaltelementen und Dioden gebildet, die jeweils parallel zum Leistungsschaltelement geschaltet sind. Als Leistungsschaltelement kann z.B. ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) verwendet werden.
• Dem Wechselrichter 2 wird eine durch einen Glättungskondensator geglättete Gleichspannung zugeführt. Darüber hinaus invertiert der Wechselrichter 2 die Gleichspannung in Wechselspannungen, basierend auf einem Ausgabesignal von einer Spannungssteuereinheit 16, und liefert die Wechselspannungen an die rotierende Maschine 1, die die rotierende Wechselstrommaschine ist, um dadurch die rotierende Maschine 1 anzutreiben.
• Der Stromsensor 3 erfasst die dreiphasigen Ströme, die vom Wechselrichter 2, der als Stromrichter dient, an die rotierende Maschine 1 geliefert werden. Der Stromsensor 3 muss nur für mindestens zwei Phasen vorhanden sein. Die Stromerfassungseinheit 10 kann den Strom in der verbleibenden einen Phase durch Berechnung unter der Annahme ermitteln, dass eine Summe der Ströme in den drei Phasen Null ist. Im Folgenden wird die Beschreibung unter der Annahme gegeben, dass die Wechselströme in den drei Phasen durch den Stromsensor 3 erfasst werden, wie in 1 dargestellt.
• Die Stromerfassungseinheit 10 erfasst Ausgabesignale, die den vom Stromsensor 3 ausgegebenen dreiphasigen Strömen entsprechen, basierend auf Erfassungszyklen. Die von der Stromerfassungseinheit 10 bei jedem Erfassungszyklus erfassten dreiphasigen Ströme i_u, i_v und i_w werden in eine Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11 eingegeben.
• Die Gleichstromversorgung 4 wird von einer wiederaufladbaren Batterie gebildet, wie z. B. einer Bleibatterie, Nickel-Wasserstoff oder Lithium-Ionen. Es kann eine solche Konfiguration verwendet werden, dass ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler, der konfiguriert ist, um die Ausgabespannung der Gleichstromversorgung 4 zu erhöhen oder zu verringern, um die erhöhte oder verringerte Spannung an den Wechselrichter 2 zu liefern, weiter angeschlossen ist.
• Die Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11, die als eine Vektorberechnungseinheit dient, liest als Eingabesignale einen Magnetpolpositionsschätzwert θ^, der ein Schätzergebnis ist, das durch eine später im Detail beschriebene Magnetpolpositionsschätzeinheit 20 erhalten wird, und die dreiphasigen Ströme i_u, i_v und i_w, die die durch die Stromerfassungseinheit 10 erhaltenen Erfassungsergebnisse sind. Die Notation „^“ bedeutet, dass ein „^“ über einem entsprechenden Symbol hinzugefügt wird, und bedeutet, dass das Symbol einen geschätzten Wert darstellt. Der Schätzwert für die Magnetpolposition θ^ ist ein Wert, der einer geschätzten Rotorposition entspricht.
• Die Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11 wandelt die dreiphasigen Ströme i_u, i_v und i_w in einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom um, die Ströme auf Rotationskoordinaten sind, die durch eine „d“-Achse und eine „q“-Achse definiert sind und sich synchron mit einer Rotationsgeschwindigkeit drehen, basierend auf dem geschätzten Wert der Magnetpolposition θ^. Ferner schneidet die Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11 einen hochfrequenten Strom, der eine spezifische Frequenzkomponente enthält, aus dem d-Achsenstrom und dem q-Achsenstrom nach der Umwandlung, um dadurch elektrische Winkelfrequenzkomponenten synchron mit der Anzahl der Umdrehungen zu extrahieren, und liefert die extrahierten elektrischen Winkelfrequenzkomponenten als einen d-Achsenstrom I_d und einen q-Achsenstrom I_q an die Stromsteuereinheit 15.
• Eine Strombefehlsberechnungseinheit 13 berechnet einen d-Achsenstrombefehl I_d0* und einen q-Achsenstrombefehl I_q0*, die Strombefehlswerte in einem Rotationskoordinatensystem sind, basierend auf einer Stromversorgungsspannung, einem Drehzahlbefehl und einem Drehmomentbefehl. Der d-Achsenstrombefehlswert I_d0* entspricht einem ersten d-Achsenstrombefehlswert. Der Strombefehlswert I_q0* für die q-Achse entspricht einem ersten Strombefehlswert für die q-Achse.
• Eine Strombefehlskorrektureinheit 14 berechnet einen d-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_dcmp und einen q-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_qcmp, die Korrekturbeträge für die Strombefehlswerte im Rotationskoordinatensystem sind, basierend auf einem Differenzwert Δi_h, der von der Magnetpolpositionsschätzungseinheit 20 ausgegeben wird.
• Ein d-Achsenstrombefehlswert I_d* wird erzeugt, indem der d-Achsenstrombefehlswertkorrekturbetrag I_dcmp, der die Ausgabe der Strombefehlswertkorrektureinheit 14 ist, zu dem d-Achsenstrombefehlswert I_d0* addiert wird, der die Ausgabe der Strombefehlswertberechnungseinheit 13 ist. In ähnlicher Weise wird ein q-Achsenstrombefehlswert I_q* erzeugt, indem der q-Achsenstrombefehlswertkorrekturbetrag I_qcmp, der das Ausgabesignal der Strombefehlswertkorrektureinheit 14 ist, zum q-Achsenstrombefehlswert I_q0* addiert wird, der das Ausgabesignal der Strombefehlswertberechnungseinheit 13 ist. Der d-Achsenstrombefehlswert I_d* entspricht einem zweiten d-Achsenstrombefehlswert. Der q-Achsenstrombefehlswert I_q* entspricht einem zweiten q-Achsenstrombefehlswert.
• Die Stromsteuereinheit 15 liest den d-Achsenstrombefehl I_d* und den q-Achsenstrombefehl I_q* als Befehlswerte und liest den d-Achsenstrom I_d und den q-Achsenstrom I_d, die von der Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11 ausgegeben werden, als Feedback-Werte. Die Stromregelungseinheit 15 berechnet eine Differenz zwischen dem d-Achsenstrombefehlswert I_d* und dem d-Achsenstrom I_d und eine Differenz zwischen dem q-Achsenstrombefehlswert I_q* und dem q-Achsenstrom I_q. Danach führt die Stromregeleinheit 15 eine Proportional-Integral-Regelung aus, um jede der Stromdifferenzen zu eliminieren und so Spannungsbefehle an den Rotationskoordinaten zu berechnen. Das heißt, die Stromregeleinheit 15 führt eine Stromrückkopplungsregelung aus und erzeugt folglich die Spannungsbefehle an den Rotationskoordinaten als Spannungsbefehlsvektoren.
• Eine Hochfrequenzspannungsanlegeeinheit 21, die als Spannungsanlegeeinheit dient, gibt an die Stromsteuereinheit 15 eine Hochfrequenzspannung aus, die die spezifische Frequenzkomponente enthält, die an die Spannungsbefehle angelegt werden soll, um überlagert zu werden, um die Magnetpolposition zu schätzen. Danach gibt die Stromsteuereinheit 15 an die Spannungssteuereinheit 16 Spannungsbefehle V_d* und V_q* aus, die durch Überlagerung der Hochfrequenzspannung einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente mit den berechneten Spannungsbefehlen an den Rotationskoordinaten erhalten werden.
• Die Spannungssteuereinheit 16 verwendet den Magnetpolpositionsschätzwert θ^, um die mit der Hochfrequenzspannung einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente überlagerten Spannungsbefehle V_d* und V_q* in dreiphasige Spannungsbefehle V_u*, V_v* und V_w* auf festen Koordinaten umzuwandeln, und gibt die umgewandelten dreiphasigen Spannungsbefehle V_u*, V_v* und V_w* an den Wechselrichter 2 aus.
• Als die Spannungsbefehle, die mit der Hochfrequenzspannung einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente überlagert werden sollen, können die dreiphasigen Spannungsbefehle anstelle der Spannungsbefehle auf den Drehkoordinaten verwendet werden. Das heißt, die Hochfrequenzspannung einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente muss nur den Spannungsbefehlswerten eines der Spannungsbefehle an den Rotationskoordinaten und der dreiphasigen Spannungsbefehle überlagert werden.
• 2 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Konfiguration in Bezug auf die Magnetpolpositionsschätzeinheit 20 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 2 wird die Magnetpolpositionsschätzungseinheit 20 beschrieben. Eine Zustandsbeobachtungseinheit 201 erhält die Spannungsbefehle V_d* und V_q* auf den Rotationskoordinaten, die mit der Hochfrequenzspannung einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente und den von der Stromerfassungseinheit 10 erfassten dreiphasigen Strömen i_u, i_v und i_w als Zustandsgrößen der rotierenden Maschine 1 überlagert sind, und schätzt aus den Zustandsgrößen den Magnetpolpositionsschätzwert θ^.
• Darüber hinaus erhält die Zustandsbeobachtungseinheit 201 eine Stromamplitude der spezifischen Frequenzkomponente aus den Spannungsbefehlen V_d* und V_q*, die mit der Hochfrequenzspannung einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente überlagert sind. Danach erhält die Zustandsbeobachtungseinheit 201 den Differenzwert Δi_h zwischen einer Stromamplitude der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten und einer Hälfte der Stromamplitude der spezifischen Frequenzkomponente und gibt den erhaltenen Differenzwert Δi_h an die Strombefehlskorrektureinheit 14 aus.
• Eine Permanentmagnetmagnetflussberechnungseinheit 202 berechnet die Permanentmagnetmagnetflussvektoren φ_fd und φ_fq bei einer Drehzahl von Null und in einem Bereich mit niedriger Drehzahl, in dem die induzierten Spannungen gering sind, und gibt die Permanentmagnetmagnetflussvektoren φ_fd und φ_fq an die Zustandsbeobachtungseinheit 201 aus. Die Zustandsbeobachtungseinheit 201 führt eine Berechnung zur Korrektur eines Rotorpositionsfehlers durch. Dadurch ist es möglich, eine Verschlechterung einer Positionsschätzungsgenauigkeit auch bei der Nulldrehzahl und im niedrigen Drehzahlbereich zu unterdrücken.
• 3 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer Konfiguration zum Erhalten des Magnetpolpositionsschätzwertes θ^ in Bezug auf die Zustandsbeobachtungseinheit 201 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 3 wird die Berechnungsverarbeitung für den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ durch die Zustandsbeobachtungseinheit 201 beschrieben. Ein Koordinatenwandler 701 führt die gleiche Verarbeitung wie die von der Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11 ausgeführt. Das heißt, der Koordinatenwandler 701 verwendet den geschätzten Wert der Magnetpolposition θ^, um die dreiphasigen Ströme i_u, i_v und i_w, die die Ausgabe der Stromerfassungseinheit 10 sind, in Ströme i_d und i_q auf Rotationskoordinaten umzuwandeln, die durch die „d“-Achse und die „q“-Achse definiert sind, die sich synchron mit einem geschätzten Wert der Rotationsgeschwindigkeit ω_r^ drehen.
• In der ersten Ausführungsform ist, um diese Bedingungen zu erfüllen, eine Konfiguration vorgesehen, die auf ein numerisches Modell der rotierenden Maschine 1 einen α-Achsen-Spannungsbefehl V_α* und einen β-Achsen-Spannungsbefehl V_β* anwendet, die durch Umwandlung der dreiphasigen Spannungsbefehle V_u*, V_v*, und V_w* in stationäre kartesische Koordinaten, die als „α-Koordinate“ und „β-Koordinate“ bezeichnet werden, und einen α-Achsenstrom I_α und einen β-Achsenstrom I_β, die durch Umwandlung der dreiphasigen Ströme i_u, i_v und i_w in Ströme auf der α-Achse und der β-Achse erhalten werden, um dadurch die Rotorposition zu berechnen. Ausdruck (1) ist eine Spannungsgleichung der rotierenden Maschine 1 auf der α-Achse und der β-Achse.
• $$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_{\alpha }^{·}\\ V_{\beta }^{·}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R+\frac{d}{dt}{L}_{\alpha }& \frac{d}{dt}{L}_{\alpha \beta }\\ \frac{d}{dt}{L}_{\alpha \beta }& R+\frac{d}{dt}{L}_{\beta }\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{E}_{\alpha }\\ E_{\beta }\end{array}\right]\\ \left(\begin{array}{l}{E}_{\alpha }=-{\omega }_r{\varphi }_f\text{sin}{\theta }_{re},E_{\beta }={\omega }_r{\varphi }_f\text{cos}{\theta }_{re}\hfill \\ L_{\alpha }=L+l\text{cos}\left(2{\theta }_{re}\right),L_{\beta }=L-l\text{cos}\left(2{\theta }_{re}\right)\hfill \\ L_{\alpha \beta }=l\text{sin}\left(2{\theta }_{re}\right)\hfill \\ L=\frac{L_d+L_q}{2},l-\frac{L_d-L_q}{2}\hfill \end{array}\right)\end{array}$$

  
• V_α* und V_β*, I_α und I_β können durch Ausdruck (2) bzw. Ausdruck (3) erhalten werden.
• $$\left[\begin{array}{c}{V}_{\alpha }^{·}\\ V_{\beta }^{·}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{lll}1\hfill & -\frac{1}{2}\hfill & -\frac{1}{2}\hfill \\ 0\hfill & \frac{\sqrt{3}}{2}\hfill & -\frac{\sqrt{3}}{2}\hfill \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_u^{*}\\ V_v^{*}\\ V_w^{*}\end{array}\right]$$

  

  $$\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{lll}1\hfill & -\frac{1}{2}\hfill & -\frac{1}{2}\hfill \\ 0\hfill & \frac{\sqrt{3}}{2}\hfill & -\frac{\sqrt{3}}{2}\hfill \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_u\\ i_v\\ i_w\end{array}\right]$$

  
• Die Symbole E_α und E_β des Ausdrucks (1) stellen induzierte Spannungen dar, die durch die Rotation der rotierenden Maschine 1 erzeugt werden. Diese induzierten Spannungen können durch Umformung von Ausdruck (1) wie in Ausdruck (4) dargestellt erhalten werden.
• $$\left[\begin{array}{c}{E}_{\alpha }\\ E_{\beta }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{V}_{\alpha }^{·}\\ V_{\beta }^{·}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}R+\frac{d}{dt}{L}_{\alpha }& \frac{d}{dt}{L}_{\alpha \beta }\\ \frac{d}{dt}{L}_{\alpha \beta }& R+\frac{d}{dt}{L}_{\beta }\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right]$$

  
• Bezüglich der „d“-Achse gibt ein Addierer/Subtrahierer 702 an einen Verstärker 706 und einen Drehzahlidentifizierer 710 eine Stromdifferenz e_id aus, die durch Subtraktion des d-Achsenstroms i_d auf der „d“-Achse und der „q“-Achse von einem geschätzten Strom i_d^ auf den durch die „d“-Achse und die „q“-Achse definierten Rotationskoordinaten erhalten wird, der von einem später beschriebenen Geschätzten-Strom-Rechner 707 ausgegeben wird. In ähnlicher Weise gibt der Addierer/Subtrahierer 702 in Bezug auf die „q“-Achse an den Verstärker 706 und den Drehzahlidentifizierer 710 eine Stromdifferenz e_iq aus, die durch Subtraktion des q-Achsenstroms i_q auf der „d“-Achse und der „q“-Achse von einem geschätzten Strom i_q^ auf den durch die „d“-Achse und die „q“-Achse definierten Rotationskoordinaten erhalten wird, der von dem Geschätzten-Strom-Rechner 707 ausgegeben wird.
• Ein Rotierende-Maschine-Matrixrechner 705 ist konfiguriert, eine durch Ausdruck (5) dargestellte Matrix A zu verwenden, um die Berechnung für die Eingabe auszuführen. Darüber hinaus ist der Verstärker 706 konfiguriert, um eine Matrix H zu verwenden, die durch Ausdruck (6) dargestellt wird, um eine Berechnung für die Eingabe auszuführen.
• $$A=\left(\begin{array}{cccc}-\frac{R}{L_d}& \omega & 0& \omega r\\ -\omega & -\frac{R}{L_q}& -\omega r& 0\\ 0& 0& 0& \omega -\omega r\\ 0& 0& -\omega +\omega r& 0\end{array}\right)$$

  

  $$H=\left[\begin{array}{ll}{h}_{11}\hfill & h_{12}\hfill \\ h_{21}\hfill & h_{22}\hfill \\ h_{31}\hfill & h_{32}\hfill \\ h_{41}\hfill & h_{42}\hfill \end{array}\right]$$

  
• In Ausdruck (5) ist eine Rotorwinkelgeschwindigkeit ω unbekannt. Aus diesem Grund wird die Rotorwinkelgeschwindigkeit ω durch den Drehzahlschätzwert ω_r^ ersetzt, der von dem später beschriebenen Drehzahlidentifizierer 710 ausgegeben wird.
• Die Berechnung, die eine durch Ausdruck (7) dargestellte Beziehung erfüllt, kann unter Verwendung eines Addierers/Subtrahierers 703, eines Integrators 704, des Rotierende-Maschine-Matrixrechners 705 und des Verstärkers 706 ausgeführt werden.
• $$\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{\widehat{\varphi }}_{ds}\\ {\widehat{\varphi }}_{qs}\\ {\widehat{\varphi }}_{dr}\\ {\widehat{\varphi }}_{qr}\end{array}\right]=A\left[\begin{array}{c}{\widehat{\varphi }}_{ds}\\ {\widehat{\varphi }}_{qs}\\ {\widehat{\varphi }}_{dr}\\ {\widehat{\varphi }}_{qr}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ll}1\hfill & 0\hfill \\ 0\hfill & 1\hfill \\ 0\hfill & 0\hfill \\ 0\hfill & 0\hfill \end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\text{V}}_d\ast \\ {\text{V}}_q\ast \end{array}\right]-\text{H}\left[\begin{array}{c}{e}_{id}\\ e_{iq}\end{array}\right]$$

  
• Schließlich integriert der Integrator 704 ein Berechnungsergebnis von Werten auf der rechten Seite von Ausdruck (7), um dadurch Statormagnetflussschätzwerte φ_ds^ und φ_qs^ und Rotormagnetflussschätzwerte φ_dr^ und φ_qr^ der rotierenden Maschine zu erzeugen. Der Integrator 704 gibt die Statormagnetflussschätzwerte (φ_ds^ und φ_qs^ und die Rotormagnetflussschätzwerte φ_dr^ und φ_qr^ in den Rotierende-Maschine-Matrixrechner 705 und den Geschätzten-Strom-Rechner 707 ein. Außerdem gibt der Integrator 704 die Rotormagnetflussschätzwerte φ_dr^ und φ_qr^ an den Addierer/Subtrahierer 708 und den Drehzahlidentifizierer 710 aus.
• Der Geschätzten-Strom-Rechner 707 führt die durch Ausdruck (8) dargestellte Berechnung für die Ausgabe des Integrators 704 aus und gibt die geschätzten Ströme i_d^ und i_q^ auf der „d“-Achse und der „q“-Achse an den Addierer/Subtrahierer 702 aus.
• $$\left[\begin{array}{c}{\widehat{i}}_d\\ {\widehat{i}}_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}\frac{1}{L_d}& 0& 0& 0\\ 0& \frac{1}{L_q}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\widehat{\varphi }}_{ds}\\ {\widehat{\varphi }}_{qs}\\ {\widehat{\varphi }}_{dr}\\ {\widehat{\varphi }}_{qr}\end{array}\right]$$

  
• Bezüglich der „d“-Achse gibt der Addierer/Subtrahierer 708 an den Drehzahlidentifizierer 710 einen Rotormagnetflussfehler Δφ_dr aus, der durch Subtraktion des Permanentmagnetmagnetflussvektors φ_fd vom Rotormagnetflussschätzwert φ_dr^ erhalten wird. In ähnlicher Weise gibt der Addierer/Subtrahierer 708 in Bezug auf die „q“-Achse einen Rotormagnetflussfehler Δφ_qr an den Drehzahlidentifizierer 710 aus, der durch Subtraktion des Permanentmagnetmagnetflussvektors φ_fq von dem Rotormagnetflussschätzwert φ_qr^ erhalten wird.
• Der Drehzahlidentifizierer 710 verwendet die Rotormagnetflussschätzwerte φ_dr^ und φ_qr^ die Stromdifferenzen e_id und e_iq und die Rotormagnetflussfehler Δφ_dr und Δφ_qr, um den Drehzahlschätzwert ω_r^ zu berechnen.
• Ausdruck (9) ist ein Beispiel für einen arithmetischen Ausdruck, der zu verwenden ist, wenn der Drehzahlschätzwert ω_r^ durch Verwendung der Rotormagnetflussschätzwerte φ_dr^ und φ_qr^ und der Stromdifferenzen e_id und e_iq ohne Berücksichtigung der Rotormagnetflussfehler Δφ_dr und Δφ_qr erhalten wird. Wie in Ausdruck (9) dargestellt, wird eine Konfiguration bereitgestellt, die in der Lage ist, den geschätzten Wert der Drehzahl ω_r^ indirekt zu erhalten, indem eine Proportional-Integral-Regelung durch Verwendung einer Proportionalverstärkung K_p und einer Integralverstärkung K_i ausgeführt wird.
• $${\widehat{\omega }}_{`r}=k_p\left(1+\frac{k_i}{s}\right)\frac{e_{iq}\cdot {\widehat{\varphi }}_{dr}-e_{id}\cdot {\widehat{\varphi }}_{qr}}{{\widehat{\varphi }}_{dr}{}^2+{\widehat{\varphi }}_{qr}{}^2}$$

  
• Darüber hinaus ist im Allgemeinen eine Richtung eines Rotormagnetflussvektors mit der „d“-Achse abgestimmt, und der Rotormagnetflussschätzwert der „q“-Achse ist daher (φ_qr^ = 0. Folglich kann Ausdruck (9) in Ausdruck (10) umgewandelt werden. Aus Ausdruck (10) geht hervor, dass der geschätzte Wert der Drehzahl ω_r^ indirekt berechnet wird, indem die proportionale Integralsteuerung bereitgestellt wird, so dass e_iq/φ_dr^ Null ist.
• $${\widehat{\omega }}_r=k_p\left(1+\frac{k_i}{s}\right)\frac{e_{iq}}{{\widehat{\varphi }}_{dr}}$$

  
• Es wird ein Fall betrachtet, in dem der Drehzahlschätzwert ω_r^ wie in Ausdruck (9) oder Ausdruck (10) dargestellt erhalten wird. In diesem Fall tritt, wie oben beschrieben, aufgrund einer Schätzverzögerung der Proportional-Integral-Regelung unter einem transienten Zustand, z. B. einer schnellen Drehzahländerung, ein Fehler im Magnetpolpositionsschätzwert θ^ auf.
• Außerdem werden alle Rotormagnetflussschätzwerte φ_dr^ und φ_qr^ und die Stromdifferenzen e_id und e_iq, die für Ausdruck (9) oder Ausdruck (10) verwendet werden, durch die Koordinatenumwandlung erhalten, die den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ verwendet. Aus diesem Grund enthalten die Werte, die durch die Koordinatenumrechnung erhalten werden, die den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ verwendet, der den Fehler enthält, auch Fehler, die durch den Fehler des Magnetpolpositionsschätzwerts θ^ verursacht werden.
• Weiterhin wird eine solche Schleife gebildet, dass der Drehzahlschätzwert ω_r^ durch Anwendung der Proportional-Integral-Regelung auf die Werte, die die Fehler enthalten, berechnet wird, und der Drehzahlschätzwert ω_r^ wird dann verwendet, um erneut den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ zu berechnen. Infolgedessen können die Drehzahlschätzung und die Positionsschätzung instabil werden. Folglich können die Proportionalverstärkung K_p und die Integralverstärkung K_i nicht auf große Werte eingestellt werden. Das heißt, es ist schwierig, eine Schätzantwort des Drehzahlschätzwertes ω_r^ zu erhöhen.
• Daher werden bei dem Drehzahlidentifizierer 710 in der ersten Ausführungsform die Rotormagnetflussfehler Δφ_dr und Δφ_qr berücksichtigt, um die Schätzantwort zu erhöhen. Insbesondere verwendet der Drehzahlidentifizierer 710 in der ersten Ausführungsform, wie durch den Ausdruck (11) dargestellt, die Rotormagnetflussfehler Δφ_dr und Δφ_qr, die als die Differenzen zwischen den Permanentmagnetmagnetflussvektoren φ_fd und φ_fq, die von der Permanentmagnetmagnetflussberechnungseinheit 202 berechnet werden, und den Rotormagnetflussschätzwerten φ_dr^ und φ_qr^ die die Ausgabe des Integrators 704 sind, berechnet werden, um die Proportional-Integral-Regelung auszuführen.
• Die Permanentmagnetmagnetflussberechnungseinheit 202 kann Ausdruck (12) verwenden, um die Permanentmagnetmagnetflussvektoren φ_fd und φ_fq zu erhalten. In Ausdruck (12) steht φf für den magnetischen Fluss des Permanentmagneten, und Δθ steht für den Fehler der magnetischen Rotorpolposition.
• $${\widehat{\omega }}_r=k_p\left(1+\frac{k_i}{s}\right)\frac{e_{iq\cdot {\widehat{\varphi }}_{dr}-e_{id}\cdot {\widehat{\varphi }}_{qr}-k_{fd}\cdot \Delta {\widehat{\varphi }}_{dr}\cdot {\widehat{\varphi }}_{dr}+k_{fq}\cdot \Delta {\widehat{\varphi }}_{qr}\cdot {\widehat{\varphi }}_{qr}}}{{\widehat{\varphi }}_{dr}{}^2+{\widehat{\varphi }}_{qr}{}^2}$$

  

  $$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Phi }}_{fd}\\ {\mathrm{\Phi }}_{fq}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Phi }}_{f}cos\Delta \theta \\ {\mathrm{\Phi }}_{f}sin\Delta \theta \end{array}\right]$$

  
• Bei dem Verfahren der Überlagerung der spezifischen Frequenzkomponente, die für die Magnetpolpositionsschätzung verwendet wird, mit den Spannungsbefehlen auf den Rotationskoordinaten wird, wenn ein Fehler zwischen einer Richtung, in der die spezifische Frequenzkomponente angelegt wird, und einer Richtung, in der die Induktivität das Minimum ist, besteht, ein Hochfrequenzstrom mit einer q-Achsen-Hochfrequenzstromamplitude |i_qh|, dargestellt durch Ausdruck (13), auf der geschätzten „q“-Achse erzeugt. In Ausdruck (13) stellt V_h eine Spannungsamplitude der spezifischen Frequenzkomponente dar, ω_h stellt eine spezifische Winkelfrequenz dar, und Δθ bezeichnet den Rotormagnetpolpositionsfehler.
• $$\left|i_{qh}\right|=\frac{V_h\left(L_q-L_d\right)}{2{\omega }_h{L}_d{L}_q}\text{sin2}\Delta \theta$$

  
• Wie in Ausdruck (13) dargestellt, enthält ein Hochfrequenzstrom der q-Achse, der durch Anwendung der spezifischen Frequenzkomponente erhalten wird, den Rotormagnetpolpositionsfehler Δθ. Daher wird in der ersten Ausführungsform erwogen, den Rotor-Magnetpolpositionsfehler Δθ durch Erfassung des q-Achsenhochfrequenzstroms einschließlich der spezifischen Frequenzkomponente zu berechnen.
• Der geschätzte Wert der magnetischen Polposition θ^ wird verwendet, um die dreiphasigen Ströme i_u, i_v und i_w, die die Ausgabe der Stromerfassungseinheit 10 sind, in die Ströme i_d und i_q auf den Drehkoordinaten umzuwandeln, die durch die „d“-Achse und die „q“-Achse definiert sind, die sich synchron mit dem geschätzten Wert der Drehgeschwindigkeit ω_r^ drehen.
• Der umgewandelte q-Achsenstrom i_q enthält die spezifische Hochfrequenzkomponente. Durch die Verwendung eines Filters zum Abschneiden einer niederfrequenten Komponente ist es also möglich, die hochfrequente Stromamplitude |i_qh| der q-Achse zu extrahieren, die die spezifische Frequenzkomponente enthält, die höher ist als die Frequenzkomponenten des elektrischen Winkels in Synchronisation mit der Anzahl der Umdrehungen. Der Rotormagnetpolpositionsfehler Δθ kann durch Verwendung der hochfrequenten Stromamplitude der q-Achse |i_qh| gemäß Ausdruck (14) ermittelt werden.
• $$\Delta \theta =-{\text{sin}}^{-1}\left\{\frac{{\omega }_h{L}_d{L}_q}{V_h\left(L_q-L_d\right)}\left|i_{qh}\right|\right\}$$

  
• Als eine spezifische Konfiguration des Filters, der konfiguriert ist, die hochfrequente Stromamplitude der q-Achse | i_qh | zu extrahieren, kann ein Hochpassfilter, der konfiguriert ist, die niederfrequente Komponente abzuschneiden, ein Bandpassfilter, der konfiguriert ist, um die spezifische Frequenzkomponente zu extrahieren, oder Ähnliches verwendet werden.
• Es wird nun ein Ergebnis eines Vergleichs zwischen der Steuerung nach dem verwandten Stand der Technik und der Steuerung in der ersten Ausführungsform zu dem Zeitpunkt beschrieben, zu dem die rotierende Maschine durch sensorlose Steuerung in einem Niedriglastbereich gesteuert wird, in dem die Stromamplitude klein ist.
• 4 ist ein Diagramm zur Darstellung von Wellenformen zu dem Zeitpunkt, zu dem die sensorlose Steuerung durch eine Vorrichtung der verwandten Art im Niedriglastbereich ausgeführt wird. Insbesondere sind in 4 vier Wellenformen der dreiphasigen Stromwellenformen und die hochfrequente Stromamplitude |i_qh| der q-Achse dargestellt, während eine horizontale Achse die Zeit angibt. Außerdem ist in 4 zusätzlich zu jeder Wellenform ein Ergebnis zu dem Zeitpunkt dargestellt, zu dem eine Totzeit idealerweise auf 0 Sekunden gesetzt ist.
• Aus den Wellenformen von 4 ist ersichtlich, dass sich die Wellenform der hochfrequenten Stromamplitude der q-Achse |i_qh|, die durch den Rotormagnetpolpositionsfehler Δθ verursacht wird, in Abhängigkeit davon ändert, ob die Totzeit vorhanden ist oder nicht. Das heißt, ein durch die Totzeit verursachter Spannungsfehler beeinflusst die q-Achsenhochfrequenzstromamplitude |i_qh|.
• Infolgedessen verschlechtert sich im Niedriglastbereich, in dem die Stromamplitude klein ist, die Schätzgenauigkeit der Rotorposition aufgrund eines Einflusses der Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassungssignale und des durch die Totzeit verursachten Spannungsfehlers aufgrund des Nulldurchgangs der Ströme der spezifischen Frequenzkomponente.
• Indessen ist 5 ein Diagramm zur Darstellung von Wellenformen zu der Zeit, wenn die sensorlose Steuerung im Niedriglastbereich durch die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Insbesondere sind in 5 die vier Wellenformen der dreiphasigen Stromwellenformen und die hochfrequente Stromamplitude |i_qh| der q-Achse dargestellt, während eine horizontale Achse die Zeit wie in 4 anzeigt. Darüber hinaus ist in 5 zusammen mit jeder Wellenform zusätzlich ein Ergebnis zu dem Zeitpunkt dargestellt, zu dem die Totzeit idealerweise auf 0 Sekunden gesetzt ist.
• Die Steuerung in der ersten Ausführungsform korrigiert die Strombefehle so, dass die Stromamplitude der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten gleich oder größer ist als die Hälfte der hochfrequenten Stromamplitude, die zur Schätzung der Magnetpolposition verwendet wird. Insbesondere wird der Differenzwert Δi_h zwischen der Stromamplitude der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten und der Hälfte der Stromamplitude der jeweiligen Frequenzkomponente von der Magnetpolpositionsschätzeinheit 20 berechnet. Weiterhin werden die Korrekturbeträge für die Strombefehle von der Strombefehlskorrektureinheit 14 auf der Basis des Differenzwertes Δi_h berechnet.
• Das Symbol Δi_h kann durch Ausdruck (15) als der Differenzwert zwischen der Stromamplitude If_amp der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten und der Hälfte der Stromamplitude Ih_amp der spezifischen Frequenzkomponente dargestellt werden.
• $$\Delta i_h=I{f}_{amp}-\frac{1}{2}\cdot I{h}_{amp}$$

  
• 6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Beziehung zwischen der Stromamplitude If_amp der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten und der Stromamplitude Ih_amp der spezifischen Frequenzkomponente in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromamplitude If_amp der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten kann aus den Strombefehlswerten oder aus den von der Stromerfassungseinheit 10 erhaltenen Stromwerten berechnet werden.
• Die Stromamplitude Ih_amp der spezifischen Frequenzkomponente kann durch Verwendung eines Hochpassfilters, eines Bandpassfilters oder dergleichen aus den von der Stromerfassungseinheit 10 erhaltenen Stromwerten gewonnen werden. Die Stromamplitude Ih_amp kann durch ein anderes Verfahren gewonnen werden, solange die Beziehung zu dem in 6 dargestellten If_amp bestätigt werden kann.
• Eine detaillierte Beschreibung des Korrekturverfahrens für die Strombefehle wird unter Bezugnahme auf ein Flussdiagramm gegeben. 7 ist ein Flussdiagramm, das sich auf die Berechnungsverarbeitung für den Strombefehlskorrekturbetrag bezieht, die von der Strombefehlskorrektureinheit 14 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Zunächst erhält die Strombefehlskorrektureinheit 14 in Schritt S101 den Differenzwert Δi_h, der von der Magnetpolpositionsschätzeinheit 20 ausgegeben wird.
• Dann, in Schritt S102, bestimmt die Strombefehlskorrektureinheit 14, ob der Differenzwert Δi_h gleich oder größer als 0 ist. Wenn der Differenzwert Δi_h kleiner als 0 ist, fährt die Strombefehlskorrektureinheit 14 mit Schritt S103 fort und korrigiert den Strombefehlskorrekturbetrag I_dcmp für die d-Achse. Wenn es sich bei der rotierenden Maschine 1 beispielsweise um einen Innenraum-Permanentmagnetsynchronmotor (IPMSM) handelt, bei dem Permanentmagnete in einem Rotor eingebettet sind, ist es erwünscht, dass die Strombefehlskorrektureinheit 14 den d-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_dcmp auf einen negativen Wert korrigiert.
• Wie in 1 dargestellt, wird der d-Achsenstrombefehl I_d* erzeugt, indem der von der Strombefehlskorrektureinheit 14 berechnete d-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_dcmp zu dem von der Strombefehlsberechnungseinheit 13 berechneten d-Achsenstrombefehl I_d0* addiert wird. Als Ergebnis unterdrückt die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der ersten Ausführungsform den Spannungsfehler, der durch die Totzeit aufgrund des Nulldurchgangs der mit der spezifischen Frequenzkomponente überlagerten Ströme verursacht wird, um dadurch in der Lage zu sein, den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ sehr genau abzuschätzen.
• Die jeweiligen Funktionen der Stromerfassungseinheit 10, der Erfassungsstromvektorberechnungseinheit 11, der Strombefehlsberechnungseinheit 13, der Strombefehlskorrektureinheit 14, der Stromsteuereinheit 15, der Spannungssteuereinheit 16, der Magnetpolpositionsschätzeinheit 20 und der Hochfrequenzspannungsanlegeeinheit 21, die die Komponenten der Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der ersten Ausführungsform sind, werden durch eine Verarbeitungsschaltung implementiert.
• Die Verarbeitungsschaltung kann eine dedizierte Hardware oder ein Prozessor (auch als Zentraleinheit (CPU), Zentralverarbeitungsgerät, Verarbeitungsgerät, Rechengerät, Mikroprozessor, Mikrocomputer oder digitaler Signalprozessor (DSP) bezeichnet) sein, der konfiguriert ist, in einer Speichervorrichtung gespeicherte Programme auszuführen.
• Wie oben beschrieben, kann die erste Ausführungsform die folgenden Effekte erzielen. - Im Niedriglastbereich, in dem die Stromamplitude klein ist, ist es möglich, den Einfluss der Verschlechterung der Schätzgenauigkeit der Rotorposition aufgrund der Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassungssignale oder des Spannungsfehlers zu unterdrücken, der durch die Totzeit aufgrund des Nulldurchgangs der Ströme der spezifischen Frequenzkomponente verursacht wird. - Des Weiteren ist es möglich, eine Konfiguration zu erreichen, die auf verschiedene Arten von rotierenden Maschinen angewendet werden kann und die Rotorposition mit hoher Präzision abschätzen kann.
• - Die Strombefehlswertkorrektureinheit korrigiert den Strombefehlswert der d-Achse nach Bedarf in Richtung der negativen Richtung in Übereinstimmung mit mindestens einem der Ströme oder dem Drehmoment. Infolgedessen können in einer rotierenden Maschine mit Ausprägung die von der Strombefehlsberechnungseinheit berechneten Strombefehle kontinuierlich geändert werden, indem der negative Korrekturbetrag zum d-Achsenstrombefehl addiert wird.
• - Wenn die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der ersten Ausführungsform auf ein Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, wie z. B. ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, angewendet wird, kann eine Kostenerhöhung, die durch die Montage eines Positionssensors verursacht wird, unterbunden werden, und ein Montageplatz und ein Verdrahtungsplatz können leicht gesichert werden. Außerdem kann in einem Fall, in dem der Positionssensor verwendet wird, selbst bei einem Ausfall des Positionssensors der Betrieb fortgesetzt werden, ohne die rotierende Maschine anzuhalten.
• Zweite Ausführungsform
• In einer zweiten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem zusätzlich zur d-Achsenstromkorrektur durch die Strombefehlswertkorrektureinheit 14 auch die q-Achsenstromkorrektur durch die Strombefehlswertkorrektureinheit 14 berücksichtigt wird. Das Blockdiagramm der Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform ist das gleiche wie in 1 der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist die Berechnungsverarbeitung für die Korrekturbeträge durch die Strombefehlswertkorrektureinheit 14 anders als in der ersten Ausführungsform. Daher wird nun hauptsächlich der unterschiedliche Punkt beschrieben.
• 8 ist ein Flussdiagramm, das sich auf die Berechnungsverarbeitung für den Strombefehlskorrekturbetrag bezieht, der von der Strombefehlskorrektureinheit 14 in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird. Details der Verarbeitung in Schritt S101 bis Schritt S103 sind die gleichen wie Details der Verarbeitung in Schritt S101 bis Schritt S103 von 7, und die Beschreibung davon wird daher weggelassen.
• In Schritt S104, zu dem die Strombefehlskorrektureinheit 14 von Schritt S103 übergegangen ist, verwendet die Strombefehlskorrektureinheit 14 den in Schritt S103 erzeugten Strombefehlskorrekturbetrag I_dcmp für die d-Achse und Motorparameter, um einen Drehmomentschätzwert T^ zu berechnen. Danach, in Schritt S105, berechnet die Strombefehlskorrektureinheit 14 eine Differenz zwischen dem Drehmomentbefehlswert T* und dem Drehmomentschätzwert T^ und bestimmt, ob die Differenz 0 ist oder nicht.
• Wenn die Differenz des Drehmoments nicht vorhanden ist, beendet die Strombefehlskorrektureinheit 14 eine Reihe von Verarbeitungsschritten für die Strombefehlskorrektur. Wenn in der Zwischenzeit eine Differenz des Drehmoments auftritt, fährt die Strombefehlskorrektureinheit 14 mit Schritt S106 fort. Danach korrigiert die Strombefehlskorrektureinheit 14 in Schritt S106 den Strombefehlskorrekturbetrag I_qcmp der q-Achse, so dass sich die Differenz des Drehmoments 0 nähert.
• Wie in 1 dargestellt, wird der d-Achsenstrombefehl I_d* erzeugt, indem der von der Strombefehlskorrektureinheit 14 berechnete d-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_dcmp zu dem von der Strombefehlsberechnungseinheit 13 berechneten d-Achsenstrombefehl I_d0* addiert wird. Außerdem wird, wie in 1 dargestellt, der q-Achsenstrombefehl I_q* erzeugt, indem der von der Strombefehlskorrektureinheit 14 berechnete q-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_qcmp zu dem von der Strombefehlsberechnungseinheit 13 berechneten q-Achsenstrombefehl I_q0* addiert wird.
• Das heißt, die Strombefehlskorrektureinheit 14 führt die Verarbeitung in Schritt S104 bis Schritt S106 aus, um dadurch den q-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_qcmp zu erzeugen, um den q-Achsenstrombefehl I_d0* zu korrigieren, so dass die rotierende Maschine 1 das gewünschte Drehmoment basierend auf dem d-Achsenstrombefehlskorrekturbetrag I_dcmp erreicht.
• Als Ergebnis, wie in der ersten Ausführungsform, unterbindet die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform den Spannungsfehler, der durch die Totzeit aufgrund des Nulldurchgangs der Ströme, die mit der spezifischen Frequenzkomponente überlagert sind, verursacht wird, um dadurch in der Lage zu sein, den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ sehr genau zu schätzen. Ferner wird in Übereinstimmung mit dem Ausgabedrehmoment, das sich aufgrund der Korrektur des d-Achsenstrombefehls geändert hat, der q-Achsenstrombefehl korrigiert, um die Drehmomentpräzision sicherstellen zu können.
• In der ersten und zweiten Ausführungsform wurde der Fall beschrieben, in dem der Schätzwert für die Magnetpolposition θ^ basierend auf den Strömen der spezifischen Frequenzkomponente der rotierenden Maschine geschätzt wird. Das Verfahren zum Schätzen des Magnetpolpositionsschätzwerts, das von der Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß jeder Ausführungsform durchgeführt wird, ist jedoch nicht auf dieses Schätzverfahren beschränkt. Durch das weitere Vorsehen einer Drehmomenterfassungseinheit, die konfiguriert ist, um das Ausgabedrehmoment zu erfassen, ist es auch möglich, die Magnetpolpositionsschätzeinheit basierend auf der spezifischen Hochfrequenzkomponente zu schätzen, die in dem Ausgabedrehmoment der rotierenden Maschine enthalten ist.
• Darüber hinaus wird in der ersten und zweiten Ausführungsform das von der Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine ausgeführte Steuerungsverfahren als das Verfahren für die sensorlose Steuerung beschrieben, die keinen Rotorpositionssensor wie einen Encoder oder einen Resolver verwendet. Das Verfahren, das von der Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß jeder Ausführungsform durchgeführt wird, ist jedoch nicht auf dieses Steuerungsverfahren beschränkt. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine gemäß jeder Ausführungsform kann in Kombination mit einem Rotationspositionssensor in einer Konfiguration angewendet werden, die den Rotationspositionssensor enthält. In dem Fall, in dem der Rotationspositionssensor wie oben beschrieben in Kombination verwendet wird, kann selbst bei einem Ausfall des Rotationspositionssensors die Rotationsposition auf den Magnetpolpositionsschätzwert θ^ umgeschaltet werden, um dadurch die Steuerungsverarbeitung fortsetzen zu können.
• Weiterhin sind die Konfigurationen jeder der Ausführungsformen nicht auf eine individuelle Anwendung beschränkt und können in Kombination mit den Konfigurationen der anderen Ausführungsformen angewendet werden, sofern kein Konflikt auftritt.
• Bezugszeichenliste

1

Rotierende Maschine,

2

Wechselrichter,

3

Stromsensor,

4

Gleichstromversorgung,

10

Stromerfassungseinheit,

11

Erfassungsstromvektorberechnungseinheit (Vektorberechnungseinheit),

13

Strombefehlsberechnungseinheit,

14

Strombefehlskorrektureinheit,

15

Stromsteuereinheit,

16

Spannungssteuereinheit,

20

Magnetpolpositionsschätzeinheit,

21

Hochfrequenzspannungsanlegeeinheit (Spannungsanlegeeinheit),

201

Zustandsbeobachtungseinheit,

202

Permanenmagnetmagnetflussberechnungseinheit,

701

Koordinatenwandler,

702, 703

Addierer/Subtrahierer,

704

Integrator,

705

Rotierende-Maschine-Matrixrechner,

706

Verstärker,

707

Geschätzten-Strom-Rechner,

710

Drehzahlidentifizierer,

711

Integrator

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• JP 3312472 B2 [0008]
• JP 2009290929 A [0008]

Claims (7)

1. Eine Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine, umfassend: eine Magnetpolpositionsschätzeinheit, die konfiguriert ist, eine Position eines Magnetpols eines Rotors basierend auf einer Zustandsgröße der rotierenden Maschine zu schätzen; eine Vektorberechnungseinheit, die konfiguriert ist, einen Magnetpolpositionsschätzwert zu erhalten, der ein von der Magnetpolpositionsschätzeinheit erhaltenes Schätzergebnis ist, und um einen d-Achsenstrom und einen q-Achsenstrom auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses eines Phasenstroms in jeder Phase, die durch die rotierende Maschine fließt, zu erzeugen eine Strombefehlskorrektureinheit, die konfiguriert ist, einen ersten d-Achsenstrombefehl und einen ersten q-Achsenstrombefehl zu korrigieren, um dadurch einen zweiten d-Achsenstrombefehl und einen zweiten q-Achsenstrombefehl auszugeben; eine Stromsteuereinheit, die konfiguriert ist, Spannungsbefehle auf Rotationskoordinaten zu erzeugen, so dass der d-Achsenstrom mit dem zweiten d-Achsenstrombefehl übereinstimmt und der q-Achsenstrom mit dem zweiten q-Achsenstrombefehl übereinstimmt eine Spannungsanlegeeinheit, die konfiguriert ist, den Spannungsbefehlen auf den Rotationskoordinaten eine Hochfrequenzspannung zu überlagern, die eine spezifische Frequenzkomponente bei einer hohen Frequenz in Bezug auf elektrische Winkelfrequenzkomponenten in Synchronisation mit der Anzahl von Umdrehungen der rotierenden Maschine enthält; und eine Spannungssteuereinheit, die konfiguriert ist, um den Magnetpolpositionsschätzwert zu erhalten und um die Spannungsbefehle auf den Drehkoordinaten nach der Überlagerung durch die Spannungsanlegeeinheit in Spannungsbefehle auf festen Koordinaten umzuwandeln, um dadurch an die rotierende Maschine anzulegende Spannungen zu steuern, wobei die Magnetpolpositionsschätzeinheit konfiguriert ist, die Position des Magnetpols basierend auf einer Zustandsgröße der spezifischen Frequenzkomponente zu schätzen, und wobei die Strombefehlskorrektureinheit konfiguriert ist, den ersten d-Achsenstrombefehl und den ersten q-Achsenstrombefehl so zu korrigieren, dass eine Stromamplitude der elektrischen Winkelfrequenzkomponenten gleich oder größer als eine Hälfte einer Stromamplitude der spezifischen Frequenzkomponente ist, um dadurch den zweiten d-Achsenstrombefehl und den zweiten q-Achsenstrombefehl auszugeben.
2. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine nach Anspruch 1, wobei die Magnetpolpositionsschätzeinheit konfiguriert ist, das Erfassungsergebnis des Phasenstroms in jeder Phase, die durch die rotierende Maschine fließt, als die Zustandsgröße zu erhalten, und die Position des Magnetpols basierend auf der spezifischen Frequenzkomponente zu schätzen, die in dem Erfassungsergebnis des Phasenstroms in jeder Phase enthalten ist.
3. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine nach Anspruch 2, wobei die Strombefehlskorrektureinheit konfiguriert ist, den ersten d-Achsenstrombefehl in Richtung einer negativen Richtung in Übereinstimmung mit dem Erfassungsergebnis des Phasenstroms in jeder Phase zu korrigieren.
4. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine nach Anspruch 1, wobei die Magnetpolpositionsschätzeinheit konfiguriert ist, ein Erfassungsergebnis eines Ausgabedrehmoments der rotierenden Maschine als die Zustandsgröße zu erhalten und die Position des Magnetpols basierend auf der spezifischen Frequenzkomponente zu schätzen, die in dem Erfassungsergebnis des Ausgabedrehmoments enthalten ist.
5. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine nach Anspruch 4, wobei die Strombefehlskorrektureinheit konfiguriert ist, den ersten d-Achsenstrombefehl in Richtung einer negativen Richtung in Übereinstimmung mit dem Erfassungsergebnis des Ausgabedrehmoments zu korrigieren.
6. Die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strombefehlskorrektureinheit konfiguriert ist, den ersten q-Achsenstrombefehl basierend auf einem Korrekturbetrag des ersten d-Achsenstrombefehls zu korrigieren, so dass die rotierende Maschine ein gewünschtes Drehmoment erreicht.
7. Eine Steuervorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, umfassend die Steuervorrichtung für eine rotierende Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6.

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