永磁铁式同步电机的控制装置.pdf

本发明提供一种永磁铁式同步电机的控制装置。具备：将流过电机(40)的电流规定为d轴成分和q轴成分而分别独立控制的电流控制装置(85)；对应电流控制装置的输出的d轴和q轴的电压指令(Vq*、Vd*)控制转换器输出电压的装置(87)；在电机停止状态下，作成与电机的d轴无关的旋转坐标上的相位(θoffset(偏移))，由电流控制装置将与该作成的相位同相的电流施加到电机上，将成为电流控制装置的输出的q轴电压指令(Vq*)为最大时的相位值作为电机的磁极位置而进行推定的磁极位置推定装置(90)。由此，可不需要具有磁极位置信息的传感器，只通过推定来检测电机的磁极位置。

1.  一种永磁铁式同步电机控制装置，其特征在于：在由可变电压、可变频率的转换器驱动的永磁铁式同步电机中，具备：
控制所述转换器，使其在所述电机的停止状态下，将任意大小和频率的交流电流流过所述电机的电流控制装置；
从所述电流控制装置的电压指令之中检测出超前于所述交流电流相位90°的电压成分，将该电压成分为最大时刻的所述交流电流的相位值作为所述电机的磁极位置而进行推定的磁极位置推定装置。

2.  一种永磁铁式同步电机控制装置，其特征在于：在由可变电压、可变频率的转换器驱动的永磁铁式同步电机中，具备：
将流过电机的电流规定为与磁场同方向(d轴)和与磁场正交方向(q轴)，并分别独立地进行控制的电流控制装置；
对应成为所述电流控制装置的输出的d轴和q轴的电压指令，控制所述转换器的输出电压的控制装置；
在所述电机的停止状态下，作成与所述电机的d轴无关的旋转坐标上的相位，由所述电流控制装置将与该作成的相位同相的电流施加到所述电机上，将成为所述电流控制装置的输出的q轴电压指令为最大时刻的相位值作为所述电机的磁极位置而进行推定的磁极位置推定装置。

3.  如权利要求1或2所述的永磁铁式同步电机控制装置，其特征在于：设置将滑轮接合于从所述永磁铁式同步电机来的输出轴端，通过缠绕在所述滑轮上的钢缆使轿箱与平衡锤连接，按照所述电机的旋转，控制所述轿箱升降的电梯。

永磁铁式同步电机的控制装置
技术领域
本发明涉及将永磁铁利用于磁场的永磁铁式同步电机的控制装置，尤其涉及电机磁极位置的检测技术。
背景技术
在将永磁铁利用于磁场的同步电机的驱动控制中，检测永磁铁的磁极位置，通过流过对应检测出的磁极位置的电枢电流而调整转矩。因此，必须有检测磁极的装置，一般采用具有分相器、绝对编码器等的旋转角的位置信息的传感器。
具有所述磁极的位置信息的传感器，与为感应电机的驱动控制而一般采用的增量编码器比较，由于构成复杂，存在成本高以及通用性差等方面的问题。
因此，作为检测磁极位置的装置，在特开平9-215382号公报中公开了利用低成本且具有通用性的增量编码器的技术。该技术在电源投入等的初期，在永磁铁式同步电机的电枢线圈中流过的电流值从零开始渐渐加大，并且对于各自的电流值而改变电流的相位，将所述电机的输出轴开始转动的时刻的电流相位作为功率为1的磁极位置而推定的初始动作。
但是，所述以往的技术中，只考虑到直接耦合于永磁铁式同步电机输出轴的负载为无负载状态的情况。即，在所述电机即使在停止状态，在输出轴上产生负载转矩，由制动输出轴的制动器的制动而保持静止状态的情况下，由于在解除制动检测磁极的过程中，负载的转矩就会使所述电机旋转，因此会使磁极的推定值产生不小的误差。并且，由于在推定磁极位置，电机驱动控制的准备完成前，负载转矩而使之旋转，所以不能抑制增速，将会形成异常状态。
发明内容
本发明鉴于所述的问题，其目的是提供一种即使由制动装置使永磁铁式同步电机保持在静止的停止状态，也不使用具有磁极位置信息的传感器，而通过推定而检测电机的磁极位置的性能良好的永磁铁式同步电机的控制装置。
为了解决所述问题，本发明在由可变电压、可变频率的转换器驱动的永磁铁式同步电机中，设置了控制所述转换器，使其在所述电机的停止状态下，将任意大小和频率的交流电流流过所述电机的电流控制装置；从所述电流控制装置的电压指令之中检测出超前于所述交流电流相位90°的电压成分，将该电压成分为最大时刻的所述交流电流的相位值作为所述电机的磁极位置而进行推定的磁极位置推定装置。
而且，还设有将流过电机的电流规定为与磁场同方向(d轴)和与磁场正交方向(q轴)，并分别独立地进行控制的电流控制装置；对应成为所述电流控制装置的输出的d轴和q轴的电压指令，控制所述转换器的输出电压的控制装置；在所述电机的停止状态下，作成与所述电机的d轴无关的旋转坐标上地相位，由所述电流控制装置将与该作成的相位同相的电流施加到所述电机上，将成为所述电流控制装置的输出的q轴电压指令为最大时刻的相位值作为所述电机的磁极位置而进行推定的磁极位置推定装置。
附图说明
图1是表示本发明一实施例的永磁铁式同步电机的控制装置的图。
图2是电流的矢量图，即注入电机的电流的矢量图。
图3是电压的矢量图。
图4是本发明的原理说明图，即没有由磁饱和引起的电感变动时，固定于d轴磁极位置90度的情况下的动作波形。
图5是本发明原理的说明图，即存在由磁饱和引起的电感变动时，固定于d轴磁极位置90度时的q轴电压指令值的波形。
图6是本发明的原理说明图，即对注入电流的S极与N极的位置的电压差的关系。
图7是本发明的动作的示意流程图，即在编码器的原点信号Φz的位置与同步电机的磁极位置θd的关系(θ偏移的量)丧失的情况下，磁极位置推定动作的流程图。
图8是本发明的动作的示意流程图，只丧失由编码器的原点信号Φz来的相位θz的情况下，磁极位置推定动作的流程图。
图9是表示本发明的应用例的实施方式的图。
图中：1-轿箱，2-滑轮，3-平衡锤，4-钢缆，10-直流电源，20-转换器，30-电流检测器，40-永磁铁式同步电机，50-编码器，51-速度运算装置，52-磁极位置运算装置，53-加法器，54-信号切换开关，60-制动装置，81-速度指令装置，82-速度控制装置，83-q轴电流指令装置，84-d轴电流指令装置，85-电流控制装置，86-dq-uvw坐标变换装置，87-PWM脉冲发生装置，88-uvw-dq坐标变换装置，90-磁极位置推定装置
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。
图1表示本发明的一实施方式的永磁铁式同步电机的控制装置的。
在图1中，直流电源10的直流电压经由转换器20变换成可变电压·可变频率的交流电。转换器20的输出供给永磁铁式电机40，由此可变速驱动同步电机40。在永磁铁式电机40的输出轴直接连接编码器50、制动装置60以及负载装置70。编码器50发生用于检测所述电机40的旋转角、旋转方向以及旋转速度的脉冲信号ΦA、ΦB和表示电机的1周旋转的基准位置的原点信号ΦZ。为了在负载装置70的转矩作用下保持静止而设置了制动装置60。
永磁铁式同步电机40的控制装置，在通常的动作中，从速度指令装置81发生速度指令ω^*后，解除制动装置60的制动，进行同步电机40的速度控制。由速度控制的运行结束后，施加制动并停止。
首先对其通常的动作进行说明。
从速度指令装置81输出速度指令ω^*后，速度运算装置51的输出信号ω被输入到速度控制装置82。这里，速度运算装置51根据从编码器50输出的脉冲信号ΦA、ΦB的相位关系判断正旋转和负旋转，并根据从ΦA的脉冲宽对速度进行运算，向速度控制装置82输出速度输出信号ω。速度控制装置82对应速度指令ω^*与速度输出信号ω的偏差而动作，其输出信号成为同步电机40的转矩指令信号T^*。速度控制装置82的输出信号T^*被输入到q轴电流指令装置83，在q轴电流指令装置83中，运算对应转矩指令信号T^*的q轴电流指令Iq^*。q轴电流指令Iq^*是与同步电机40的电枢电流向量的磁场方向(电机磁铁的N极)正交的成分的指令，被输入到电流控制装置85。d轴电流指令装置84运算与同步电机40的电枢电流转矩的磁场同方向成分的指令的d轴电流指令Id^*，该d轴电流指令Id^*也输入到电流控制装置85。在永磁铁式同步电机的情况下，由于由永磁铁对电枢的磁场平时是存在的，因此通常d轴电流可以是零，d轴电流指令Id^*设定为零。电流控制装置85是为了控制从uvw-dq坐标变换装置88来的dq轴的电流检测值Id、Iq按照dq轴的电流指令Id^*、Iq^*的指令流动的装置，其输出成为d轴以及q轴的直流电压指令Vd^*、Vq^*。Uvw-dq坐标变换装置88，以d轴的相位指令信号θd^*为基础，将在电流检测器30上检测出的转换器20的输出电流iu、iv、iw变换成dq轴坐标轴上的电流Id、Iq。这里，在通常的动作中，由于进入信号切换开关54的a侧的接点，在d轴的相位指令信号θd^*中，输入从加法器53来的d轴相位信号θd。磁极位置运算装置52作为根据从编码器50输出的脉冲信号ΦA、ΦB的相位关系判断正转和反转的上升计数器/下降计数器而动作，将该计数值作为从编码器50的原点信号ΦZ来的相位信号θz输出到加法器53。而且，在磁极位置运算装置52上，与输入原点信号ΦZ的同时，将计数器的值置成零，进行消除计数时的误差的动作。在加法器53上，将磁极位置运算装置52来的相位信号θz与从磁极位置推定装置90输出的偏移值θoffset(偏移)相加，作成同步电机40的d轴相位信号θd，并输出到信号切换开关54。
另外，对于磁极位置推定装置90的磁极位置推定动作以后将进行详细说明。
Dq-uvw坐标变换装置86以d轴磁极的相位指令信号θd^*为基础将从电流控制装置85来的Vd^*、Vq^*变换成三相交流电压指令vu^*、vv^*、vw^*。即，dq-uvw坐标变换装置86是uvw-dq坐标变换装置88的逆变换装置。在PWM脉冲发生装置87上，将驱动对应dq-uvw坐标变换装置86的输出信号vu^*、vv^*、vw^*的转换器20的PWM脉冲信号输出到转换器20上。在转换器20上，由PWM脉冲发生装置87来的PWM脉冲信号执行PWM控制，控制转换器20的输出电压、输出频率。这样地控制永磁铁式同步电机40的速度。
以下对本实施方式的磁极位置的检测动作进行说明。
首先，说明磁极位置的推定原理。凸极形永磁铁式同步电机的dq坐标上的电路方程式由公式(1)、(2)表示。
Vd＝(Ra+P·Ld)·id-(ωre·Lq)·iq                (1)
Vq＝(ωre·Ld)·id+(Ra+P·Lq)·iq+ωre·Φa      (2)
vd、vq：电枢电压的d、q轴成分
id、iq：电枢电流的d、q轴成分
Ra：    1个相的电枢电阻
Ld、Lq：d、q轴的电枢自电感
Φ_a   永磁铁的电枢交链磁通
P：     微分算符(＝d/dt)
ωre：  角频率(电角频率)
这里，将电机轴的约束条件(ωre＝0)赋予公式(1)、(2)中，则得到如下的公式(3)、(4)。
vd＝(Ra+P·Ld)·id                               (3)
vq＝(Ra+P·lq)·iq                               (4)
在这样地约束电机轴的状态中，可以考虑从转换器将公式(5)的条件的电流施加到电机上的情况。
Id^*＝I1、iq^*＝0、θd^*＝(ω1^*)dt             (5)
Id^*、Iq^*：d、q轴的电流指令，
I1：  电机施加电流的大小
ω1^*:角频率指令(＝2πf1)
θd^*：控制装置内的d相位
公式(5)的电流在电机的d、q轴上，
id＝I1·cosδ、iq＝I1·sinδ、δ＝θd^*-θd      (6)
θd：电机的d轴相位
δ：为控制装置内d轴相位与电机d轴相位的差的角度，
电流的向量图，如图2所示。
将公式(6)代入公式(3)、(4)，则可以求出以控制装置内的指令值表示的电机d、q轴上的电压vd、vq。
vd＝Ra·I1·cosδ-ω1^*·Ld·I1·sinδ            (7)
vq＝Ra·I1·sinδ-ω1^*·Lq·I1·cosδ            (8)
这里，d、q轴电压vd、qd与控制装置内d、q轴电压Vd^*、Vq^*的关系如图3的向量图所示，将vd、vq变换成以ω1^*旋转的坐标的控制装置内部的d、q轴电压Vd^*、Vq^*的转换式如公式(9)、(10)所示。
Vd^*＝cosδ·vd+sinδ·vq                  (9)
Vq^*＝-sinδ·vd+cosδ·vq                 (10)
将上述公式(7)、(8)代入转换式(9)、(10)并进行整理，则得到以下公式(11)、(12)。
Vd^*＝Ra·I1+(1/2)·ω1^*·(Lq-Ld)·I1·sin(2δ)   (11)
Vq^*＝ω1^*Ld·I1+(1/2)·ω1^*·(Lq-Ld)·I1
             +ω1^*·(Lq-Ld)·I1·cos(2δ)          (12)
从公式(11)、(12)可以看出：在控制装置内的d、q轴电压Vd^*、Vq^*中，既有与控制装置内d轴相位θd^*与电机d轴相位的差角δ无关的直流成分也有与δ有关的成分。
这里，公式(12)的q轴侧的式子中，请注意q轴电压指令Vd^*成为最大值的点，当cos(2δ)＝1时，Vq^*成为最大，此时的δ可以是δ＝0°或180°的任何一个。也就是，如果经常观测Vq^*而求Vq^*最大时的d轴相位指令θd^*的话，可以检测出电机的d轴相位θd的0°或180°的点。这里，电机的d轴相位θd为0°是电枢交链磁通在正极(N极)成为最大的点，而180°是电枢交链磁通在负极(S极)成为最大的点。
图4是计算在90°的点固定电机的磁极相位θd时的动作波形的图。在图4中，Vq^*为最大值的相位θd^*是90°和270°的两个点，由于极性不明，所以也不明了电机的d轴相位是哪一个。因此，要利用电枢交链磁通的饱和现象判断极性。具体地，将推定磁极位置时施加的电流设定为使在电枢交链磁通产生饱和的充分大的值，不检测N极而检测S极。即，在δ＝0°、180°中，0°是电枢交链磁通正极的相位，当向这个方向流动电枢电流时，由于电枢的铁芯内的磁通在增加，容易产生磁饱和，其结果，N极侧的Vq^*比S极侧的Vq^*小。所以，由于以Vq^*最大条件求出的d轴相位指令θd^*成为S极侧，因此d轴磁极相位的推定值θd’可以由如下公式(13)求出。
θd^＝θd^*(Vq^*max)-180°                     (13)
θd^：电机d轴相位推定值
θd^*(Vq^*max)：Vq^*成为最大值时刻的控制装置内相位θd^*
图5与图4相同，是表示在90°的点固定电机的磁极相位θd时，q轴电压指令值Vq^*的动作波形的图。在图5中，由于Vq^*为最大值的相位θd^*(Vq^*max)是270°，可以推定永磁铁的磁极位置处于270°-180°＝90°的位置。
图6表示相对注入电流的大小的N极与S极的位置的Vq^*的电压差的关系的一例。从图6可以看出：注入电流的大小如果是电机的额定电流(100％)程度的话，则电压差Vq^*max(S极)-Vq^*max(N极)充分大，可忽略噪声等的影响，确保精度。注入电流的大小依电机的形状等变化，只要预先经过实验确认并决定图6所示的特性就可以。而且，由于在推定运算的过程中，完全不使用电机的电常数，因此具有不会由于温度等环境的变化所造成的电机常数的变动而降低精度的优点。而且，由于在推定运算中没有采用复杂的公式，作为产品安装时，由硬件构成控制系统时可以控制部件的件数。而且，即使由微机的软件构成时，只要稍微追加一点程序就可以实现。
以上是本实施方式的磁极位置推定原理，接着对动作进行详细说明。
对需要对同步电机40的磁极位置进行检测动作的情况进行整理的话，大体上有以下两种情况：
(1)当产品生产时或编码器更换时等丢失了编码器50的原点信号ΦZ的位置(θz＝0°)与同步电机40的磁极位置θd的关系(θoffset(偏移))或二者产生偏移，
(2)是虽然知道原点信号ΦZ的位置(θz＝0°)与磁极位置θd的关系(θoffset(偏移))，但是在电源投入的初期，不知道与原点信号ΦZ之间的相位θz。
首先，就上述(1)丢失了编码器50的原点信号ΦZ的位置(θz＝0°)与磁极位置θd的关系(θoffset(偏移))时的动作，参照图1和图7的流程图进行说明。
由于是当产品生产时或编码器更换时丢失了θoffset(偏移)，执行图7的步骤1到步骤7的处理。在步骤1中，将图1的信号切换开关54的接点从通常动作时的a切换到b点。接着，从磁极位置推定装置90设定q轴电流指令装置83和d轴电流指令装置84的输出信号的值。具体地讲，将q轴电流指令Iq^*设定为Iq^*＝0的值，将d轴电流指令Id^*设定为Id^*＝100％(同步电机40的额定)的值。另外，从磁极位置推定装置90向信号切换开关54输出推定用相位信号θtest(测试)，为了使设定的电流流过同步电机40而使电流控制装置85等的装置动作。这里，推定用相位信号在磁极位置推定装置90的内部根据公式(14)作成。
θtest(测试)＝(ωtest(测试))dt                   (14)
θtest(测试)：推定用相位，ωtest(测试)：磁极推定用时的角频率设定值
接着，在步骤2，磁极位置推定装置90从电流控制装置85观测输出的q轴电压指令Vq^*，将Vq^*为最大时的θtest(测试)作为θtest(测试)(Vq^*max)存储，停止电流的施加。
在步骤3，磁极位置推定装置90，用公式15根据在步骤2存储的θtest(测试)(Vq^*max)计算d轴相位。
θd^＝θtest(测试)(Vq(max)-180°                 (15)
由于到此为止的动作可以知晓同步电机的磁极位置，接着，转向求编码器50的原点信号ΦZ与磁极位置的关系的动作。
在步骤4中，磁极位置推定装置90将θd^作为θoffset(偏移)进行假定并输出到加法器53。而且，磁极位置运算装置52将原点信号ΦZ的相位θz清零。
在步骤5中，将信号切换开关从b点切换到a点，通过前述的通常的运行动作，解除制动，使同步电机旋转。在该电机的旋转状态下，等待从编码器50发生的原点信号ΦZ，在发生后，转移到步骤6。
在步骤6中，磁极位置运算装置52将原点信号ΦZ发生时的相位θz作为θz’存储。而且使电机停止。
在步骤7中，磁极位置推定装置90将原点信号发生时的相位θz’与d轴相位θd^的和作为θoffset(偏移)(＝θd^+θz’)而设定并向加法器8输出。这样就完成了磁极位置推定的动作。
接着，参照图1和图8的流程图，对从所述的(2)的原点信号ΦZ只是失去相位θz的情况的动作进行说明。在图8的流程图中，步骤1、步骤2、步骤3与图7的动作一样，因此省略其说明，只对动作不同的步骤4B、步骤5B进行说明。
到步骤3的动作为止得到d轴相位θd^。因此，在步骤4B在磁极位置运算装置52上，根据这个θd^和预先知道的θoffset(偏移)将与原点信号ΦZ之间的相位θz作为推定值θz^进行计算(θz^＝θd^-θoffset(偏移))。
在步骤5B中，在磁极位置运算装置52中，将在步骤4B求出的θz^作为θz进行设定。将信号切换开关54的接点从b点返回到a点，完成磁极位置推定的动作。
如上所述，根据本实施方式，由于在电机停止的状态，也可以推定磁极位置，因此，可以提供不必要具有磁极位置信息的特别的传感器的永磁铁式同步电机的控制装置。
图9是表示将本发明应用于电梯的实施方式。在该图中，与图1相同编号的表示同一物件。
将滑轮2接合到同步电机40的输出轴，通过缠绕在滑轮上的钢缆4将轿箱1与平衡锤3连接起来。依照同步电机40即滑轮的旋转而使轿箱1上升。
本发明的控制装置如图9的实施方式的电梯所示，在由轿箱1与平衡锤3的质量差而形成的不平衡转矩而具有施加在电机上的负载特性的驱动系统中具有特别的效果。即，由于在电机的输出轴上装有制动而对不平衡转矩保持静止的电机停止状态也可以推定磁极位置，因此不会在推定磁极位置的过程中发生由于不平衡转矩而形成异常的增速状态。其结果，可以提供不必要具有磁极位置信息的特别的传感器的应用于电梯的永磁铁式同步电机的控制装置。
如上所述，根据本发明，电机即使由制动装置保持在静止状态，也不必使用具有磁极位置信息的特别的传感器，也可以高精度地对电机的磁极位置进行检测。
而且，由于即使由制动装置使电机保持在不平衡转矩的静止状态，也可以推定磁极位置，因此在推定磁极位置的过程中，不会由于不平衡转矩而形成异常增速状态，可以抑制异常状态。