CN101043196A - 同步电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无速度、位置传感器而平滑地起动加速同步电动机，并且抑制反转的同步电动机驱动装置。本发明的同步电动机驱动装置，控制输出电压的大小、频率、相位，在同步电动机的起动时，给上述相位加上给定的相位修正值，将该相位修正值变更1次以上，并且根据输出电流的检测值，修正上述频率或相位。另外，在变更相位修正值时，在电动机的正转方向上增加相位，例如逐次增加90°以下。另外，在最初变更上述给定的相位修正值时，让设定了最初的相位修正值的时间，比设定了变更后的相位修正值的时间短。

Description

同步电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种进行同步电动机的变速运行的电动机驱动装置，特别是一种不使用速度、位置传感器而起动、加速同步电动机的电动机驱动装置。

背景技术

同步电动机的无速度、位置传感器控制中，以前便有一种对输出电流或输出电压重叠高次谐波，利用磁通轴(d轴)和与磁通轴垂直的轴(q轴)中的电感(Ld、Lq)的差，检测出速度或磁极位置的方法。图10中示出了专利文献1的技术作为以往技术。另外，虽然图10中，同步电动机是永久磁铁式同步电动机，但如果使用伴有磁场装置的绕组式同步电动机，动作也一样。速度控制部103中，使用速度指令值ωr^*与速度推定部112运算出的速度推定值ωr^，运算出转矩指令值τ^*。转矩指令值τ^*由于后述的高次谐波重叠，而含有高次谐波成分，通过陷波滤波器104去除高次谐波成分。电流指令运算部105中，根据转矩指令值τ^*运算出转矩电流指令It^*与励磁电流指令Im^*。这里，同步电动机的转矩控制中，如图11所示，需要控制为使得m轴(垂直于转矩电流的轴)、t轴(平行于转矩电流的轴)相对d轴、q轴的相位差Δ为零。接下来，高次谐波电流发生部113中产生给定振幅、频率的电流高次谐波ΔIm^*。电流高次谐波ΔIm^*与励磁电流指令Im^*相加，并使用相位运算部109得到的相位θ、与来自电流检测器107的电流检测值，由电流控制部106输出3相交流电压指令。另外，电流控制部106中，进行t轴电压指令Vt^*、m轴电压指令Vm^*的运算，并通过基于相位θ的坐标变换运算出3相交流电压指令。电力变换器部101中，根据交流电压指令，给同步电动机102加载电压。另外，由电压检测器108检测出电压，并由高次谐波电压检测部110与m轴垂直地抽出与ΔIm频率相同的高次谐波成分Vh。之后，使用高次谐波成分Vh与ΔIm，由速度误差检测部111运算出速度误差Δω^。以往技术中，利用电动机的构造或磁通的显极性，例如在处于Lq＞Ld这一关系的情况下，速度误差Δω^变为(公式1)所示的关系。ωh为高次谐波成分的频率。

Δω^＝-(正常数)·sin(2·Δ)·ωh·(Lq-Ld)       (公式1)

(公式1)中，在Δ＞0的情况下Δω^＜0，在Δ＜0的情况下Δω^＞0。速度推定部112中，通过比例积分电路将速度误差Δω^作为速度推定值ωr^输出。通过这样，在m轴慢于d轴的情况下(Δ＜0)，加快速度推定值Δωr^(Δω^＞0)，在m轴快于d轴的情况下(Δ＞0)，减缓速度推定值Δωr^(Δω^＜0)，通过这样来进行速度推定。另外，虽然图10中对电流重叠高次谐波并检测出电压，但也可以使用其他方法，将高次谐波电压重叠到电压指令中，并使用该重叠后的电压与电流检测值也能实现同样的目的。

【专利文献1】特许3484058号公报((0011)段至(0019)段的记载)

但是，以往技术中，由于高次谐波重叠而发生转矩脉动，可能会受到机械共振等影响，从而很难平滑地起动。另外，在利用显极性的情况下，例如在具有阻尼绕组的同步电动机的情况下，由于阻尼绕组的影响显极性减小，以往技术的适用变得困难。另外，在需要电压检测的情况下，很容易受到低速时的电压检测误差的影响。进而，由于上述高次谐波以及电压检测误差所引起的控制相位误差，有时会引起电动机反转，在因机械上的制约导致可反转的角度受限的情况下，会出问题。再有，速度控制系统与速度推定系统的设计中，需要电动机与机械系统的常数，无法明确掌握这些的话便很难应用。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种在无速度、位置传感器起动同步电动机时，能够通过简单的构成，无转矩脉动平滑地进行起动，并且减少反转角度的同步电动机驱动装置。

本发明的同步电动机驱动装置，是一种控制输出电压的大小、频率、相位，驱动同步电动机的电动机驱动装置，在起动时，给上述相位加上给定的相位修正值；将该相位修正值变更1次以上，并且根据电流检测值修正上述频率或相位。另外，在变更上述给定的相位修正值时，以在电动机的正转方向上增加相位的方式，例如逐次增加90°以下。另外，在最初变更上述给定的相位修正值时，让设定了最初的相位修正值的时间，比设定变更后的相位修正值的时间短。另外，电动机的转矩电流指令值，设为不超过额定电流值的给定值，让最初变更上述给定的相位修正值之前的转矩电流指令值，比最初变更上述给定的相位修正值之后的转矩电流指令值小。另外，基于上述电流检测值的频率修正值或相位修正值，根据以与电动机的转速的振动相同的频率进行振动的电流检测值来运算。

通过本发明，在无速度、位置传感器起动、加速同步电动机时，能够通过简单的构成，避免发生转矩脉动，并且能够抑制反转，因此不会给机械系统造成负担，另外在电动机或机械常数不明的情况下也能够使用。

附图说明

图1为实施例1的同步电动机驱动装置的结构图。

图2为表示实施例1的相位差Δ与发生转矩之关系的图。

图3为表示实施例1的It^*、ωr^*、Δθ之关系的图。

图4为表示实施例3的It^*、ωr^*、Δθ之关系的图。

图5为表示实施例4的It^*、ωr^*、Δθ之关系的图。

图6为表示实施例5的It^*、ωr^*、Δθ之关系的图。

图7为实施例6的同步电动机驱动装置的结构图。

图8为实施例7的同步电动机驱动装置的结构图。

图9为实施例8的同步电动机驱动装置的结构图。

图10为以往技术的感应电动机驱动装置的结构图。

图11为表示以往技术的基准轴的图。

图中：1-转矩指令值设定部，2-相位修正值设定部，3-频率修正值运算部，4-坐标变换部，5-积分部，11-电流指令切换部，101-电力变换器部，102-同步电动机，103-速度控制部，104-陷波滤波器，105-电流指令运算部，106-电流控制部，107-电流检测器，108-电压检测器，109-相位运算部，110-高次谐波电压检测部，111-速度误差检测部，112-速度推定部，113-高次谐波电流发生部，121-起动可否检测部，122-相位修正值再设定部，123-电流指令再设定部，124-速度指令再设定部。

具体实施方式

下面对照附图对本发明进行详细说明。

【实施例1】

使用图1至图3，对本实施例的感应电动机驱动装置与图10的以往技术不同的部分进行说明。另外，这里所涉及的是从起动到加速到给定速度的控制方法。转矩指令值设定部1中，让转矩指令值τ^*相当于加速转矩+负载转矩，例如设为额定转矩的60％左右。接下来，电流指令运算部105中，设置转矩电流指令It^*＝给定值，励磁电流指令Im^*＝0。由于由另外的磁场装置的磁场电流产生磁通，因此一般控制为Im＝0。此时，同步电动机102的电流Id、Iq、磁通Φd、Φq、发生转矩τm，分别如(公式2)至(公式6)所示。另外，相位差Δ为图11中所示的d轴与m轴的相位偏差，Md、If、P分别为d轴互感系数、磁场电流、以及电动机的极数。

Id＝-sin(Δ)·It^*                            (公式2)

Iq＝cos(Δ)·It^*                             (公式3)

Φd＝Ld·Id+Md·If                              (公式4)

Φq＝Lq·Iq                                     (公式5)

τm＝3·(P/2)·(Φd·Iq-Φq·Id)                (公式6)

这里，发生转矩τm与相位差Δ为图2所示的关系，例如图2所示，如果设电动机的起动所需要的转矩为额定转矩的30％，便如图2所示，存在可起动相位差Δ的范围与无法起动范围，并且还存在即使起动也会反转的范围。在起动电动机时，由于电动机磁通的初始位置不明，因此相位差Δ因如何设定控制相位而变化，无法得知进入了上述哪一个范围。

因此，相位修正部2中，作为相位修正值Δθ，例如使相位修正值变化为Δθ＝-180°→-90°→0°。相位修正值Δθ与相位θ相加，用于电流控制部106和坐标变换部4中的坐标变换。通过这样，即使最初进入了无法起动范围的相位差Δ＝90°±20°、270°±20°的情况下，通过错开90°的相位，也会进入可起动范围，电动机的转子起动。另外，相位修正值Δθ通过在正转方向上增加，使得转子很容易在正方向上旋转。

图3中示出了转矩电流指令It^*、速度指令值ωr^*、以及相位修正值Δθ之间的关系。转矩电流指令It^*赋以给定值。另外，虽然图3中，最初从零开始上升到给定值，但也可以一开始就是给定值。相位修正值Δθ，逐个90°地，对准位置并在1、2、3的范围增加。虽然本实施例中，两次变更相位修正值Δθ，但只要是1次以上即可，但2次以上比1次更容易起动。速度指令值ωr^*从给定值例如0开始增加。可以让速度指令值ωr^*从最初开始增加。此时，在速度指令值ωr^*的给定值被设为0的情况下，动作为转子的磁极位置(d轴)平行于电流轴(t轴)(相位差Δ＝90°或270°)，使发生转矩τm＝0。通过这样，d轴向着相位差Δ＝270°旋转，一开始以此为中心进行振动。此时发生反转情况。

因此，频率修正值运算部3，通过根据电流检测值检测出电动机的转速的振动，运算出频率修正值Δω，并修正输出频率，来抑制旋转的振动，减少反转。频率修正值运算部3例如采用比例电路，将ImFB作为输入。这是由于，起动时通过相位差Δ＝270°，图11中q轴与m轴重合，因此在受到转子的振动成分的影响Iq发生振动的情况下，该振动成分在ImFB中强烈体现的缘故。因此，使用ImFB来控制频率，抑制转速的振动，减少反转。进而，经过了给定时间之后，使其增加速度指令值ωr^*，进行加速。此时，在相位差Δ的影响导致转速发生振动的情况下，使用具有与转速的振动频率相同的振动成分的电流检测值，运算出频率修正值Δω，控制频率。这种情况下，可以不使用图1的ImFB而使用ItFB，频率修正值运算部3由比例或比例积分或不完全微分电路构成。通过这样，与起动时一样，在加速时也能够抑制转速的振动。另外，通过由相位运算部109对速度指令值ωr^*与频率修正值Δω之和进行积分，运算出作为控制相位的相位θ。通过这样，由于不使用速度推定值，因此不会受到电压、电流检测误差等所引起的速度推定误差的影响。

如上所述，本实施例中，在无速度、位置传感器的同步电动机的起动中，设定能够起动的相位，同时减少反转。这样，能够通过简单的设定来进行平滑的起动、加速，同时不会给机械系统带来负担。

【实施例2】

对本实施例与实施例1不同的部分进行说明。本实施例中，将相位修正值Δθ，逐次改变90°以下的例如90°或45°、或30°、或10°等度数。通过这样，旋转变得更加平滑。

【实施例3】

使用图4，对本实施例与实施例1、实施例2不同的部分进行说明。图4中，相对实施例1的图3，让将相位修正值Δθ设为最初的设定值的时间t1，比以后变更相位修正值Δθ的时间t2-t1、t3-t2短。这是由于，图11中，在从t轴(电流轴)与d轴(磁极轴)错开180°的位置上开始的情况下，无法起动，并且由于t轴电流引起去磁，因此在相位修正值Δθ变化而t轴(m轴)移动时，有时因去磁而无法起动。另外，之所以t1以内能够起动，是因为接近相位修正值Δ＝0，接下来在相位修正值Δθ移动90°时还处于可起动范围内，只要防止最初的相位修正值Δθ的去磁即可。本实施例中，通过缩短最初的相位修正值Δθ的设定时间，能够抑制去磁，容易起动。

【实施例4】

使用图5，对本实施例与实施例1至实施例3不同的部分进行说明。图5中，让最初设定相位修正值Δθ的期间(定位1)中的转矩电流指令It^*，比变更过相位修正值Δθ的期间(定位2、定位3)中的转矩电流指令It^*小。例如，定位1设为为额定电流的40％，此后为60％，且均为不会形成过流的程度。通过减小最初的转矩电流指令It^*，与实施例3一样，是为了最初不会去磁，与实施例3一样，容易起动。

【实施例5】

使用图6，对本实施例与实施例1至实施例4不同的部分进行说明。图6中，在变更相位修正值Δθ的时刻，将转矩电流指令It^*暂时设为0，之后再恢复。这样，通过相位修正值Δθ，能够抑制相位变化所引起的电流的过度增加，防止相位修正值Δθ变更时的过流。

【实施例6】

使用图7，对本实施例与实施例1至实施例5不同的部分进行说明。图7中，相对图1，将频率修正值运算部3中所求出的频率修正值Δω在积分部5中进行积分，并变更成相位，对相位θ进行修正。这与实施例1等价，能够得到与实施例1相同的效果。

【实施例7】

使用图8，对本实施例与实施例1至实施例6不同的部分进行说明。图8中，相对图1，设置了电流指令切换部11来代替相位修正值设定部2。电流指令切换部11，在如实施例1所述，使相位θ从初始值开始增加90°的情况下，例如(公式7)、(公式8)所示，根据转矩电流指令It^*、励磁电流指令Im^*，运算出It^**、Im^**。

It^**＝sin(90°)·Im^*+cos(90°)·It^*                 (公式7)

Im^**＝cos(90°)·Im^*-sin(90°)·It^*                 (公式8)

在励磁电流指令Im^*＝0的情况下，It^**＝0，Im^**＝-It^*。另外，接下来在如实施例1所示，希望将相位θ从初始值增加180°的情况下，电流指令切换部11中，只要将(公式7)、(公式8)的90°变为180°，运算出It^**、Im^**即可。通过这样，不用实际变更相位θ，就与让t轴、m轴旋转给定角度等价，从而能够得到与实施例1相同的效果。

【实施例8】

使用图9，对本实施例与实施例1至实施例7不同的部分进行说明。图9中，相对图1，设有起动可否检测部121，使用电流检测值来识别起动与加速是否良好进行。例如，在电流检测值为给定电流以上的情况下，视为起动·加速失败。另外，虽然图9中进行了省略，但本实施例中除了电流检测值之外，还可以使用电压检测值或电压指令值。在检测出起动·加速失败的情况下，为了进行再起动，速度指令再设定部124将速度指令值归为初始值。另外，相位修正值再设定部122中，将相位修正值(包括值以及变更相位的次数)再设定为与起动失败的情况下不同的值。另外，电流指令再设定部123中，将电流指令值(包括值以及变更次数)再设定为与起动失败的情况下不同的值。值的变更，只要用相位修正值与电流指令值中的至少一方进行即可。例如，通过将相位修正值设为小于上一次的值，与实施例2一样，使得旋转更加平滑。另外，如果电流指令值大于上一次，转矩便会增大，起动·加速更加容易。

Claims (18)

1.一种电动机驱动装置，控制输出电压的大小、频率、相位，驱动同步电动机，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，给上述相位加上给定的相位修正值；

将该相位修正值变更1次以上，并且根据输出电流的检测值运算出上述频率的修正值，修正上述输出电压的频率。

2.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，

将速度指令值初始值设为给定值，在到增加该速度指令值为止的期间，进行上述相位的修正与频率的修正。

3.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在变更上述给定的相位修正值时，在上述同步电动机的正转方向上增加相位。

4.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在最初变更上述给定的相位修正值时，设定了最初的相位修正值的时间，比设定了变更后的相位修正值的时间短。

5.如权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于：

将上述同步电动机的转矩电流指令值，设为不超过上述同步电动机的额定电流值的给定值。

6.如权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于：

让最初变更上述给定的相位修正值之前的转矩电流指令值，比变更上述给定的相位修正值之后的转矩电流指令值小。

7.如权利要求5所述的电动机驱动装置，其特征在于：

为使得变更上述给定的相位修正值的期间中上述转矩电流指令值为零，在变更上述给定的相位修正值之前，以给定的速率将上述转矩电流指令值设为零，变更上述给定的相位修正值之后，以给定的速率将上述转矩电流指令值恢复原值。

8.一种电动机驱动装置，控制输出电压的大小、频率、相位，驱动同步电动机，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，给上述相位加上给定的相位修正值，

将该给定的相位修正值变更1次以上，并且将根据输出电流的检测值所运算出的相位修正值，相加给上述相位。

9.如权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，

将速度指令值初始值设为给定值，在到增加该速度指令值为止的期间，进行上述相位的修正。

10.如权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在变更上述给定的相位修正值时，在上述同步电动机的正转方向上增加相位。

11.如权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在最初变更上述给定的相位修正值时，设定最初的相位修正值的时间，比设定变更后的相位修正值的时间短。

12.如权利要求8所述的电动机驱动装置，其特征在于：

上述同步电动机的转矩电流指令值，设为不超过上述同步电动机的额定电流值的给定值。

13.如权利要求12所述的电动机驱动装置，其特征在于：

最初变更上述给定的相位修正值之前的转矩电流指令值，比变更上述给定的相位修正值之后的转矩电流指令值小。

14.如权利要求12所述的电动机驱动装置，其特征在于：

为使得变更上述给定的相位修正值的期间中上述转矩电流指令值为零，在变更上述给定的相位修正值之前，以给定的速率将上述转矩电流指令值设为零，变更上述给定的相位修正值之后，以给定的速率将上述转矩电流指令值恢复原值。

15.一种电动机驱动装置，设定平行于转矩电流的t轴、以及垂直于该t轴的m轴的电流指令值，控制输出电压的大小、频率、相位，驱动同步电动机，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，至少变更1次以上上述t轴电流指令值以及上述m轴电流指令值的值，并且根据输出电流的检测值，运算上述频率修正值，修正上述频率。

16.如权利要求15所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，

将上述速度指令值初始值设为给定值，在到增加该速度指令值为止的期间，进行上述t轴电流指令值与m轴电流指令值之值的变更、以及上述频率的修正。

17.一种电动机驱动装置，设定平行于转矩电流的t轴、以及垂直于该t轴的m轴的电流指令值，控制输出电压的大小、频率、相位，驱动同步电动机，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，至少变更1次以上上述t轴电流指令值以及上述m轴电流指令值的值，并且将根据输出电流的检测值所运算出的相位修正值，相加给上述相位。

18.如权利要求17所述的电动机驱动装置，其特征在于：

在上述同步电动机的起动时，

将速度指令值初始值设为给定值，在到增加该速度指令值为止的期间，进行上述t轴电流指令值与m轴电流指令值之值的变更、以及将根据上述电流检测值所运算出的相位修正值相加给上述相位的相位修正。

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