TW465171B - Apparatus and method for controlling a synchronous motor - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 __ B7___ 五、發明說明（1 ) [技術領域] 本發明為有關同步電動機之控制裝置及控制方法，尤 其係關於轉子（rotor)内部埋設磁鐵構造的同步電動機之控 制裝置及其控制方法。 [技術背景]

有關將永久磁鐵貼於轉子表面的同步馬達（下稱SPM 馬達）及將永久磁鐵埋設於轉子内部的同步馬達（下稱ίΡΜ 馬達）’對不設檢測轉子旋轉位置的感測器，予以驅動之 習用控制方式已有多種提案。例如（a)曰本特許廳之特開 平8-3 08286號公報及（b)日本特許康之特開平9-191698號 公報等係依推定電流與實際電流間的誤差推定磁極位置， 並以該結果構成同步馬達的向量控制。又於（c)平成3年 之電學論D，111卷’ 8號之P63 9至644中，開示SPM 馬達的簡易電壓指令演算方法及一次角頻率的簡易設定方 法。 茲就（c)方式，詳述於後：唯（c)方式中之^·^軸係與 本發明使用之r - (5軸為相反（亦則（c)方式中之7轴為本發 明的<5軸’（c)方式中之<5軸則為本發明7•軸），故特以提 示。 第6圖為表示於（c)之習用控制系統構成圖β 於第6圓中’ 1為SPM馬達’ 2為對SPM馬達施加 PWM調變之正弦波電壓的轉換器（inverter)，3為產生pwM 調變之ΟΝ/OFF訊號供給於該轉換器2轉換（switchiiig)元 件的PWM控制電路，4為檢測轉換器2供給至SPM馬達 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 310798 — II---------裝· ----11 訂·--I t I 11 (猜先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 65 1 7 1 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 1之電流的電流檢測器’ 5為將該電流檢測器4之獲得數 值變換於轉子上的假想了 ·<?軸的電流變換器，6為微處 理器，係接受電流檢測器5的電流，依後述公式演算電壓 指令及一次角頻率後將電壓予以座標變換輸於PWM控制 電路3者。 電壓指令演算式係如式（1)及式（2)所示。 二 Rl.Ir+wl· λ1<?—wl· λ 占 est (1) V5=R1*I5—K(5 * A<5est (2) 式中R1為一次電阻，wl為一次角頻率，K5為增益 (常數）’ A1占為一次交連磁束中之<5轴成分 β Λ 5 est 貝ij 如：式（3)。 λ <5 est= L1 · (I <5 - I r 2/2I〇+ I〇- I<5 ♦) (3) 式中：LI為一次線圈的電感，iQ為將磁鐵的交連磁 束數Λ〇除以L1之所得。I0=a0/L1。又，I<5*為將一次 交連磁束數指令Λ5*乘以L1之所得。即I<5*=A5*/Lle 一次角頻率wl的設定方法係如：式（4) » wl = wl * — Km · I γ (4) 式中：wl*為角速度指令，Km為比例常數。 唯上述習用方法中（a)、（b)係推定速度，以構成向量 控制’由連接於馬達軸的負荷之慣性，須調整速度控制系 統的增益，且其演算亦較複雜》(c)方式，雖不須由負載 慣性設定其增益，且演算亦少，唯因SPM馬達方式其固 定於定子轴d-q柏上之電感Ld、Lq相異，故不適用於轉 矩產式不同的IPM馬達。 I III II I— ----I I I 1 訂·------ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 2 310798 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 __B7 ____ 五、發明說明（3 ) 矩產式不同的IPM馬達》 [發明的開示] 因此，本發明的目的係在於獲得演算量少，又不需由 負荷慣性調整其增益而能適用於IPM馬達的控制方式。 又因於無感測器而能順滑啟動時，需要正確的一次電 阻，係於啟動時的短時間内獲得正確一次電阻，以實現順 滑起動為目的。 [發明的最佳實施形態] 茲將本發明的實施形態說明於後： 實施形態1 第1圖為表示本發明實施形態1的同步電動機控制裝 置構成囷》 圖中1 0為IPM馬達，11為接受三相電壓指令Vu、Vv、 Vw並變換為PWM後，由交換元件輸出PWM電壓的轉換 器電路，12為用以檢測由轉換器電路11流入IPM馬達10 之電流的電流檢測器’ 13為將電流檢測器12所得之電流， 變換為假想於轉子上之Τ·(5軸電流座標變換器，可將檢 測的電流Iu、1 ν變換為I r、I 5。14為依I 7、I δ演算 修正項I cmp的修正項Icmp演算部，15為演算電壓指令 v<r的vr演算部》16係將vr 、vd演算部 15獲得之電壓指令，變換為三相壓指令Vu、Vv、Vw的 電壓座標變換器，其輸出則供給於轉換器電路11。又，17 為由i r、15演算ipm馬達發生轉矩的轉矩演算部，is 為速度安定化項演算部，係依轉矩演算部17求得之轉矩 ------------I---訂--------I ^ <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格<210 X 297公餐） 3 310798 4 651 7 Α7 Β7 五、發明說明（4 ) 演算速度安定化項WT。19為減算電路，由被指令的速度 W1*減去速度安定化項演算部18求得的速度安定化項 WT ’以獲得一次角頻率W1 » 20為將一次角頻率W1予以 積分求得相位Θ的積分器，求得之相位0可用於電流座標 變換器13及電壓標變換器16的座標變換。 其次’敘述第1圖中各部分的具體内容β首先，JPM 馬達的電壓方程式及轉矩方程式係於固定在轉子軸上的 d-q轴上，則如式（5)及式（6)所示》

Yd R 十 pLd — ct^q 'Id • 0 yq. coLd R + p乙 q *· J o^Pf (5) Tm~Pm <pf -Iq^Pm^Ld-Lqyid lq ( 5 ) f靖先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 · I I I I . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 式t，Vd、Vq為一次電壓的d、q輛成分，R為IP 馬達的一次電阻’ w為轉子之旋轉電氣角速度，Pra為極 對數’ pf為磁鐵交連磁束，Id、Iq分別為d轴、q軸電 流’ Ld、Lq為d軸、q轴電感》又式中之p為微分演算 子（d/dt)。 於正常狀態，將式（5)中之微分，演算子p設為〇，以 獲得（7)式。

Yd- at R -aALg， hr '0 A » J <o\Ld R _ .句 (υ\·φί 上述d-q軸雖固定於轉子轴上，唯於無感測器狀態 下’因不知轉子位置’假想於轉子上的T-占軸通常與d_q 袖偏離。若依本發明控制，該偏離值微小，可將Τ-δ轴 之正常狀態電壓方程式由下式（8)予以近似。 本紙張尺度適用+國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公釐） 310798 I I 訂 緣· A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 ) m R ，如ILq Uy] 0 V6 〇ALd R J cul· • . 而，修正項i cmp演算部14之修正項i cmp則以下 式（9)賦與》 i cmp=Ix*—+ Kcmp · 15 2 (9) 式中lx*為修正電流指令，Kemp為修正增益， V7*、V<5演算部15係以式（9)求得之修正項丨cmp乘 以適當增益加算於式（8)〇即如式（1〇)所示方式予以解算 之。 R 一 oALq 0， 'Kgan W ωΚά R Id u 」 Kdel ‘ ίαηΡ (10) 由上述構成，事先將由電流ΐτ、15流通時，正常施 加的電壓算入，加算修正項ί emp ，可用於埃保ipm馬 達之電壓控制安定性。 其次，說明轉矩演算部17,速度安定化項演算部18, 及減算電路19的動作。如習用例所示’ SPM馬達可由式 (4)獲得速度安定化"所謂速度安定化係指防止速度的調 變脫離》 於IPM馬達中’轉矩係如式（6)所示。將產生於SPM 馬達時不產生之式（6)右邊第2項所示電抗轉矩（reluctance torque) β 因此，於轉矩演算部17以次式（丨1)所示方式實行計 算》 T= Pm · φ t · ΐδ + Pm(Ld- Lq) * I Τ * I ^ (11) ------------*裝* t------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（21〇x 297公釐） 5 310798 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 65 ί 7 ? Α7 _!_ Β7 五、發明說明（6 ) 然後’於速度安定化項解算部18及減算電路19使用該轉 矩Τ’與習用例所示之式（4)同樣求取一次角頻率wl。如 式（12)、式（13)所示β wT=T · Km (12) wl = wl*- wT (13) 於此’如於習用例所說明之參考文獻（c)一樣，操作 WT為0。如此’即可獲得速度安定化，通常能以速度零偏 差進行其控制》 依上述之本實施形態，可由式（9)、式（10)等之簡單演 算進行安定的控制。並且，因不作速度推定而進行控制， 故不須負荷慣性的增益調整*由動作點之解析及實際檢證 結果’由本控制方式能有效利用電感轉矩以實現高效率之 控制。 實施形態2 第2囷為表示本發明實施形態2的同步電動機控制裝 置之構成圖。 第2圖係將第1圖之Vr、V5演算部15予以變更， 而重新作為Vt、V<5演算部21。其他相同符號部分則因 動作相同而省略其說明。 式（10)所示實施形態1之V|·、Vd演算部15對力行 /再生全領域進行其控制時，於各種IPM馬達中，亦有不 一定為安定的IPM馬達》因此，有影響Vr之15成分， 及影響V<5的17*成分，即所謂的干涉項電壓依1占符號 切換為考慮/不考慮構成即可進行安定控制。 -------I I Γ · ------- 訂--- - -----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2KU 297公:g ) 6 310798 A7 A7 vr m •Λ 0 Ίγ •f ' 0 ，Κξ〇ή V6 0 R > ίδ . . cul-φ^ Kdei 五、發明說明（ 如1<5為正時，可用次式（14)，若為負’則用式（1〇)。 'icmP (14) 又於1(5為負時，可將修正項i cmp演算部J 4之數常 Kemp為零，以調整V 5的干涉項’則得以低速再生改善 轉矩特性之事實’可由實際檢證得到確認。又於ϊ(5由正 變為負時，可逐漸進行Kemp與干涉項的操作以使速度在 無振動狀況中進行切換。 如上述之本實施形態，於習用例中敘述之控制式對於 各種速度’轉矩不一定能為良好特性的IPM馬達，亦可 獲得良好轉矩特性。 此外，可大幅提高IPM馬達的設計自由度，於各種 速度’轉矩未必獲得安定控制性能時亦可操作式（9)中之 lx*、K emp及式（10)中之Kgan、Kdel，干涉項等確保其 安定性，獲得良好轉矩特性。 f施形態3 第3圈為表示本發明實施形態3的同步電動機控制裝 置起動時的流程圖。圖中，步驟1係表示輸入運轉開始訊 號。而於步驟2表示停止時之初期磁極位置檢測。該停止 時初期磁極位置檢測方法有多種提案》例如有「無感測器 凸極形無電刷DC馬達之初期位置推定角方法」（電學論 D，第116卷第7號，平成8年）及「使用電流向量軌跡 之PM馬達的無位置感測器界磁極檢測法中推定準確度評 價」（平成7年電氣學會產業應用全國冬會180)等。其於 ------J I-----裝i ------訂·----- I--線 <請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公釐） 7 310798 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 65 ； ^ \ Α7 _ Β7 五、發明說明（8 ) 步驟2中’可用任一方式以良好準確度檢測出磁極位置β 然後’於步驟3通直流電流，推定ΙΡΜ馬達之一次測電 阻值。之後’以步驟3所得之電阻值在步驟4中，以無感 測器控制的開始啟動。其中步驟2與步驟3應於可能的短 時間内實施。 無感測器控制’係於控制式中使用一次電阻值，故由 一次電阻值而有控制特性之變化。因ΙΡΜ馬達的溫度將 使一次電阻值變化’如須經常獲得同一特性，則必須對應 於溫度變化的一次電阻值重設適當數值。尤其啟動特性容 易受該電阻值的影麥。因此須於啟動前的短時間内檢測出 ΙΡΜ馬達的一次電阻，以便在步驟4的無感測器控制啟動 中，得以經常獲得良好啟特性。亦即可不因溫度變化而由 過電流發生不能啟動現象" 第4圊為表示一次電阻推定的具體方法β 於第4圖中，22為相位指令部，係用以指令第3圖 所示之停止時初期磁極位置檢測得的相位。23為Vr、V 占指令部，例如於預定時間指令V r = 3V(預定值），V 5 =0於電壓座標變換器16。另外24則為電阻推定部A。 此時，於電阻推定部A24做如下式（15)之一次電阻值 之推定。 vr //"(I r 2+ I <52) (15) 於此，如能無誤差地推定磁極位置，則15=0，於 是式（15)即可變為式（16) » R=vr/ir 〇6) ϋ張尺度適用中國國家標i^CNS)A4現格（210 X 297公ΐΰ Γ — II---I--!ί^·----- 訂·！---— ·'"' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 A7 B7 五、發明說明（9 ) 推定時間可設定為Ld/R的5倍程度為宜，此時，可 用式（15)或式（16)推定。又式（15)或式（16)中之、15可 用通過濾波器的值以抑制推定值的參差》 又於第5圖表示另一種一次電阻解算方法β 於第5圖中，2 5為7*轴電流控制器係由比例•積分 控制電路構成《•該r軸電流控制器25的輸出為V7•，係 輸入於電麼座標交換器16。26為V5指令部，以V(5=0 為其指令。27為電阻推定部B。此時，電阻推定部B27 係以次式（17)推定一次電阻R。 R= J(Vr - R * Ir )dt (17) 推定時間設定為Ld/R的5倍程度，於推定時間中進 行，式（17)的演算。由上述構成可自動的使式（17)的積分 内部為零，以求得一次電阻推定值R。亦即，以與式（16) 一樣的計算式求取電阻值。如由上述構成，推定值不受雜 訊影饗而得以進行良好的推定。 由於使用上述推定的一次電阻值於無感測器控制開始 啟動，得能不受IPM馬達之溫度的影饗，可經常獲得良 好的加速特性。 [產業上利用的可能性] 如上所述，有關本發明的同步電動機控制裝置，及控 制方法，能以簡單的演算提供安定的控制方式’尤其適合 於不使用檢測旋轉速度及磁極位置予以驅動的同步電動 機。 [圖面的簡單說明] 本紙張尺度適用中®國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 9 310798 -------------裝--------訂----I I ---線 (請先閱請背面之注意事項再填寫本頁) 4 65 五、發明說明（丨0 ) 第1圖為表示本發明第1實施形態的同步電動機控制 裝置構成圖》 第2圖為表示本發明第2實施形態的同步電動機控制 裝置構成圖。 第3圖為表示由本發明第3實施形態的同步電動機控 制裝置啟動時之流程圖。 第4圖為表示由第3圖所示同步電動機控制裝置之電 阻解質方法的構成圖β 第5圖為表示由第3圖所示同步電動機控制裝置之電 阻解質方法之另一例構成圖。 第6圖為表示習用同步電動機控制裝置的構成圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂---------鍵 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

[符號的說明] 1 SPM 2 轉換器 3 PWM控制電路 4 電流檢測器 5 電流變換器 6 微處理器 10 ΙΡΜ馬達 11 轉換器電路 12 電流檢測器 13 電流座標變換器 14 補正項i emp演算部 15 VT、V5演算部式（10) 16 電壓座標變換器 17 轉矩演算部 18 速度安定化項演算部 19 減算電路 20 Wt 21 V 7、V δ演算部 22 相位指令部 23 V 7"、V <5指令部 24 電阻演算部A 25 r軸電流控制器 26 V δ指令部 27 電阻演算部B 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2ΐ〇χ 297公釐） 10 310798

Claims (1)

1. A8B8C8D8 2. ' 申請專利範圍 一種同步電動機控制裝置’係用以驅動在轉子内部配 設水久磁鐵的構造所成之同步電動機的同步電動機控 制裝置，具備.檢測流於上述同步電動機之電流的電 流檢測手段·，將上述檢測電流予以座標變換為假想於 上述轉子上之轴的電流座標變換手段；依任意設 定的修正電流指令及由上述座標變換之電流，演算修 正項的修正項演算手段，以及依上述同步電動機於經 常狀態的電壓方程式與上述修正項，予以演算7_占轴 電壓指令的電壓指令解算手段，為其特徵者。 一種同步電動機的控制方法，係用以驅動在轉子内部 配設永久磁鐵構造所成之同步電動機的同步電動機之 控制方法中’以檢測流於上述同步電動機的電流，將 該檢測出的電流以座標變換，為假想於上述轉子上之 r-<5抽上’以所導出之電流及任意給予的修正電流指 令’求取修正項，且在上述同步電動機正常狀態的電 壓方程式，加算於上述修正項乘以適當增益值求出 5轴電麼指令，為其特徵者。 3·如申請專利範圍第2項記載的同步電動機控制方法， 其中 求出上述修正項的修正式為： i cmp= lx* - I 7 + kcmp · Ιδ 2 者， (式中：i cmp為修正項，Ιχ*為任意給予的修正電流指 令，ir、1<5為座標變換後的電流，Kemp為常數）β 4.如申請專利範圍第3項的同步電動機之控制方法，其 ^--------β---------線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印熨 本纸張Κ度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 310798 以65彳7 t B8 f_g 六、申請專利範圍 中 上述τ-δ轴電壓指令係於is軸為正時，不考慮 r-(?軸電流之干涉項電壓，而於為負時’考慮上 述干涉項電壓予以演算者。 5.如申請專利範圍第2項的同步電動機之控制方法’其 中 於起動時，配合檢測的磁極位置流通直流電流’ 以推定同步電動機之一次側電阻者β — — III! — ！！k, —------訂--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張义度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 12 310798