馬達裝置及其控制方法

專利名稱：馬達裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種沒有位置傳感器或速度傳感器的馬達裝置及其控制方法。
然而，如果設置了上面提到的傳感器，就難以降低成本或使馬達尺寸減小。另外，取決于馬達所在環境，設置上述馬達有時也很困難。因此，開發并使用了不設置傳感器而是根據其它參數來估計位置或速度并設置了根據估計值的反饋系統的控制方法。下面將該控制方法稱作“無傳感器的控制方法”。所述無傳感器的控制方法在“無傳感器不帶電刷的凸極直流馬達中基于估計的反電動勢”(Takaharu Takeshita等人，日本電氣工程師研究所，1997出版，卷117-D No.1，98到104頁)的研究論文中進行了介紹。在該論文(下面稱作論文A)所介紹的方法中，轉子的位置和速度根據外部給出的指令值和實際馬達電流的測得值進行估計，并使用該值進行反饋控制。
然而，在無傳感器的控制方法中，檢測有關馬達操作的參數，然后利用檢得的參數值對轉子的位置、速度等進行估計，例如，在論文A所介紹的方法中，轉子的位置等參數是根據測得的電流值進行估計的，即，在操作的初始階段沒有收集估計位置等參數的數據。因此，在無傳感器控制方法中，驅動馬達的信號經常是根據操作早期階段不適當的位置數據來產生的。如果驅動馬達的信號是根據不適當的位置數據產生的話，就會降低馬達效率。
盡管在操作早期階段處于不適當的狀態，驅動馬達的信號通過反饋系統遲早會趨于適當的狀態。然而，在進入到適當狀態之前，馬達的效率很低。因此，當環境要求馬達開始驅動后在盡可能短的時間達到所希望特征的嚴格要求時，無傳感器控制方法存在著問題。實際上，當無傳感器控制方法用于設置在車輛的空調壓縮機中的馬達就會有問題。即，由于車輛的空調機經常要求能夠快速地調節車中的溫度，不希望在馬達操作的早期階段存在低效率。
另外，無傳感器控制方法中采用的估計轉子初始位置的技術在如“無傳感器不帶電刷的凸極直流馬達的馬達初始位置估計”(Takaharu Takeshita等人，日本電氣工程研究所，1996出版，卷116-D No.7，736到742頁)的研究論文中進行了介紹。然而，論文中所介紹的方法，只是估計了初始位置，并存在得到錯誤結果的可能。
根據本發明的馬達裝置包括帶有轉子的同步馬達；控制器，可利用指令值產生控制信號，指示同步馬達的操作、施加給同步馬達的電流，以及基于電流估計的轉子位置；和可根據所述控制信號驅動同步馬達的驅動單元。所述控制器在開始驅動同步馬達時向同步馬達提供預定的電流圖形給，并利用提供的預定電流圖形得到的轉子位置作為初始轉子位置來產生控制信號。
在所述馬達裝置中，同步馬達中的轉子位置(即轉子的相位)設置成位于與施加給同步馬達的預定電流圖形唯一對應的位置。因此，如果與預定電流圖形對應的轉子位置用作初始轉子位置，那么，當馬達裝置開始驅動時，實際的轉子位置與估計的位置相一致。其結果是，馬達操作在開始驅動后很快可以高效率運行。
控制器設計成當預定的電流圖形穩定在一個常量時，所述控制器利用提供所述預定的電流圖形得到的轉子位置作為初始轉子位置來產生所述控制信號。通過這種配置，設定初始轉子位置所要求的時間可以設置成最小值。


圖1顯示根據本發明的一個實施例的馬達裝置的基本配置；圖2是馬達裝置的方塊圖；圖3顯示功率轉換電路和同步馬達的電路的示例；圖4A到圖4D顯示同步馬達的操作；圖5顯示馬達裝置開始驅動時的操作；和圖6A到圖6B是根據本發明的實施例的馬達裝置開始驅動時的操作的流程圖。
圖1顯示了根據本發明的實施例的馬達裝置的基本配置。根據實施例的馬達裝置1包括同步馬達2，控制器3和功率轉換電路4。
同步馬達2是普通的3相馬達，與功率轉換電路4提供的馬達驅動電壓同步地操作。同步馬達2可以是隱極馬達也可以是凸極馬達。
控制器3根據外部給出的指令值和提供給同步馬達2的馬達電流值產生控制信號。給出的指令值是指示同步馬達2的轉子速度(角速度)的值。控制器3根據上述指令值和將在后面詳細介紹的馬達電流估計出位置(相位角)和速度，并利用估計值產生控制信號。
功率轉換電路4將直流電源5提供的直流電壓轉換成3相交流電壓(Vu，Vv，Vw)，將3相交流電壓提供給同步馬達作為馬達驅動電壓。
馬達裝置1未設置傳感器來檢測同步馬達2轉子的位置和速度，而是采用了無傳感器控制方法，其中位置和速度根據其它參數進行估計。
圖2是馬達裝置1的方塊圖。方塊圖顯示了圖1所示控制器3的細節。圖中顯示的控制器基于上述論文A(Takaharu Takeshita等人，日本電氣工程研究所，1997出版，卷117-D No.1，98到104頁)中介紹的控制系統。
速度控制單元11可以是比例/積分(PI)控制器，可根據外部給出的指令速度和估算單元15計算出的估計速度之間的偏差計算出指令電流。電流控制單元12可以是比例/積分(PI)控制器，可根據速度控制單元11計算出的指令電流和通過電流傳感器檢測到的馬達電流之間的偏差計算出參考電壓。然后，通過將估算單元15計算出的估計速度電動勢增加到參考電壓上，產生馬達外加電壓。速度電動勢與馬達2的轉子的速度成比例。眾所周知，當長度為L的線性導體以速度v橫切磁通量B得到的電動勢e可以用下面的等式來表示。
e＝VBL2相/3相轉換單元13利用估算單元15計算的估計位置將2相坐標系統表示的馬達外加電壓轉換成3相坐標系統的外加電壓。2相坐標系統可以是d-q坐標系統，d-q坐標系統是旋轉坐標系統，旋轉速度與當3相交流電施加到同步馬達2時產生的電壓分量、電流分量或磁通分量的合成矢量的轉動角速度相同。另一方面，3相坐標系統可以是U-V-W坐標系統。U相，V相，W相分別對應于各自施加了3相交流電的線圈。d-q坐標系統和U-V-W坐標系統之間的轉換是眾知的。即，3相交流電坐標系統(U-V-W坐標系統)和靜態2相交流坐標系統之間的轉換用下列的方程式(1)表示。VaVb=231-cosπ3-cosπ30sinπ3-sinπ3VuVvVw]]>=231-12-12032-32VuVvVw....(1)]]>靜態2相交流坐標系統和旋轉坐標系統(d-q坐標系統)之間的轉換可通過下面的方程式(2)來表示，其中ω表示旋轉坐標系統的角速度，φ表示用估算單元15計算出的估計位置表示的轉動相位。VdVq=cos(ωt)sin(ωt)-sin(ωt)cos(ωt)VαVβ]]>=cosφsinφ-sinφcosφVαVβ......(2)]]>通過2相/3相轉換單元13轉換的馬達外加電壓通過功率轉換電路4提供。功率轉換電路4通過馬達外加電壓驅動同步馬達。
3相/2相轉換單元14根據估算單元15計算出的估計位置將測得的馬達電流轉換成對應的2相坐標系統的電流值。即，U相，V相，W相的馬達電流轉換成d-q坐標系統的電流值。估算單元15根據馬達外加電壓和馬達電流計算出估計速度電動勢，估計位置和估計速度。計算估計速度電動勢、估計位置和估計速度的方法在上述論文A中給出了詳細的介紹。
在反饋系統中，產生的馬達外加電壓使得轉子的估計速度與指令速度相一致，并使實際馬達電流與指令電流相一致。產生的馬達外加電壓驅動同步馬達2。因此，同步馬達2根據外部給出的指令速度進行操作。
圖3顯示了功率轉換電路4和同步馬達2電路的實施例。在實施例中，功率轉換電路4包括U相電路，V相電路和W相電路。各相電路包括互相串聯的一組開關。各相電路由經2相/3相轉換單元13轉換的馬達外加電壓來控制。實際上，假設各個開關是由脈寬調制(PWM)方法來控制的，各個開關根據具有對應于馬達外加電壓的占空度的脈沖信號來控制開和關。
同步馬達2設置了可產生旋轉磁場的線圈(U相線圈，V相線圈和W相線圈)和作為轉子的永久磁鐵。U相線圈，V相線圈和W相線圈分別連接到功率轉換電路4的U相電路，V相電路和W相電路。
圖4A到4D顯示了同步馬達2的操作。在這個示例中，假設功率轉換電路4的U相電路中的正側開關控制為接通，而負側開關控制為斷開；而在V相電路和W相電路中，正側開關控制為斷開，而負側開關控制為接通。
在這種情況下，馬達電流的流向如圖4A所示。馬達電流在各個線圈中產生磁通量。得到的磁通量的合成矢量如圖4B所示。因此，假設轉子的位置如圖4C所示，通過線圈的電流如上所述使轉子反時針方向轉動。
類似地，如果通過適當地控制功率轉換電路4的各個開關來產生旋轉磁場，轉子可同步轉動。
根據本實施例的馬達裝置1就是基于這種配置，在操作的初始階段強迫同步馬達2的轉子位于預定的位置。實際上，預定圖形的馬達電流在預定周期內固定地提供給同步馬達。在這個示例中，提供了圖4A所示的馬達電流。在這種情況下，因為產生了圖4B顯示的磁通量，轉子位于圖4D所顯示的位置(下面稱作缺省位置)，即，馬達裝置1開始驅動時，同步馬達2的轉子被強迫設定在缺省位置。
其后，馬達裝置1的控制系統以缺省位置作為初始轉子位置開始產生馬達外加電壓，后面的操作在論文A中給予了介紹。
當馬達開始驅動后可以進行下面的操作。在下面的解釋中，缺省位置的相位被設定為零。
(A)當馬達裝置1加電時，電流控制單元12輸出‘零’。
(B)當馬達裝置1加電時，估算單元15輸出數據使圖4A中作為估計速度電動勢的馬達電流流過同步馬達，并輸出‘零’表示缺省位置作為估計位置。例如，假設2相/3相轉換單元13進行上述等式(1)和(2)，通過將‘1’、‘0’、‘0’和‘0’分別代入等式(1)和(2)中的‘Vu’、‘Vv’、‘Vw’和‘θ’得到‘Vd’和‘Vq’，并由估算單元15輸出。在這種情況下，從2相/3相轉換單元13輸出的‘Vu’、‘Vv’、‘Vw’分別是‘1’、‘0’、‘0’。功率轉換電路4的U相電路的正側開關控制為接通，類似地，V相電路和W相電路的正側開關控制在斷開，因此，馬達電流的流過如圖4A所示。其結果是同步馬達2設定在圖4D所示的狀態。
(C)在上述(A)和(B)過程之后，速度控制單元11、電流控制單元12、和估算單元15進行標準的反饋操作(例如，在上述論文A中介紹的操作)。這時，估計位置的初始值設置為‘零’表示缺省位置的相位。另外，同步馬達2的轉子被強制位于缺省位置。即，當反饋操作開始時，實際的轉子位置與估計位置一致。
在上述(A)和(B)的過程中，同步馬達2的轉子利用馬達裝置1的反饋系統設定在缺省位置。然而，在附圖中未顯示的另一電路可以直接控制功率轉換電路4的狀態。例如，在馬達裝置1剛剛加電后的預定時間里，在附圖中未顯示的另一電路產生控制信號，使U相電路的正側開關接通，V相電路和W相電路的正側開關斷開。在這種情況下，在預定時限過去后，‘零’表示缺省位置的相位設定為估計位置的初始值，并開始反饋操作。
圖5顯示馬達裝置1開始驅動時的操作，在圖5中，顯示了施加于同步馬達2的U相線圈的電流。
當馬達裝置1加電時，施加到U相線圈的電流設定為缺省值。缺省值足夠大到驅動同步馬達2的轉子。當馬達電流如圖4A所示流動時，同步馬達2的轉子位于圖4D所示的缺省位置，馬達電流趨于穩定。在實施例中，馬達電流在加電大約0.1秒后穩定下來。
當馬達電流穩定在缺省值時，同步馬達2的轉子假定設置在缺省位置，反饋操作開始設定同步馬達2的轉子的速度為指令速度。在這個實施例中，反饋控制操作在加電0.2秒后開始。
在圖5所示的實施例中，缺省電流當馬達加電時開始流動，標準的反饋控制在加電后的預定時間(即0.2秒)開始。然而，可以在馬達電流穩定時啟動標準的反饋控制。當轉子移動到相應于馬達電流的位置時，馬達電流變得穩定。即，馬達電流穩定在預定值的狀態指的是對應于馬達電流的轉子位置。因此，如果當馬達電流變得穩定時啟動標準反饋控制，那么同步馬達2的轉子的實際位置可以與估計值的初始值相一致。在這個方法中，反饋控制操作可在加電后0.2秒之前開始。
圖6A到6B是根據本實施例的開始驅動的馬達裝置1操作的流程圖。在步驟S1，馬達裝置1通過加電而啟動。在步驟S2缺省電流提供給同步馬達2。缺省電流是圖4A顯示的馬達電流。
然后，在圖6A中顯示的步驟S3，檢查加電是否已經到達預定的時間。繼續提供缺省電流直到預定時間結束。當預定時間結束時，控制轉到步驟S4。在這里，圖6B中顯示的步驟S4(是否穩定？)可以在步驟S3的位置進行。
在步驟S4，缺省位置設定為同步馬達2轉子的估計位置的初始轉子位置。然后，進行反饋控制。
因此，在根據本實施例的馬達裝置1中，轉子位置被強制設定在操作初始階段的預定缺省位置，該缺省位置用作估計位置的初始轉子位置。因此，在馬達裝置1中，同步馬達2的實際轉子位置與操作非常早期階段的估計位置相一致。因此，馬達裝置1在開始驅動后很快就具有很高的馬達效率。
根據本實施例的馬達裝置1對于從開始驅動到實現希望特征的時間有嚴格要求的環境是非常有效的。例如，如果馬達裝置1用作車輛空調機的壓縮機馬達，可以期望能在短時間內對溫度進行調節。
另外，根據上述實施例，馬達裝置1使用論文A中介紹的估計方法，但是并不特別限定于該估計方法，而是可采用各種其它有效的方法。
根據本發明，由于實際馬達位置與馬達裝置開始驅動后的估計位置相一致，啟動后馬達效率很快得到提高。
權利要求
1.一種馬達裝置，包括帶有轉子的同步馬達；控制器，可利用指令值產生控制信號，指示所述同步馬達的操作、提供給所述同步馬達的電流，和基于所述電流估計出的轉子位置；驅動單元，可根據所述控制信號驅動所述同步馬達；其特征在于，在開始驅動所述同步馬達時，所述控制器通過所述驅動單元提供預定的電流圖形給所述同步馬達，并利用提供所述預定的電流圖形得到的轉子位置作為初始轉子位置來產生所述控制信號。
2.根據權利要求1所述的馬達裝置，其特征在于，在所述預定的電流圖形提供了預定時間后，所述控制器利用提供所述預定電流圖形得到的轉子位置作為初始轉子位置來產生所述控制信號。
3.根據權利要求1所述的馬達裝置，其特征在于，當所述預定電流圖形穩定在一個常數值時，所述控制器利用提供所述預定的電流圖形得到的轉子位置作為初始轉子位置開始產生所述控制信號。
4.根據權利要求1所述的馬達裝置，其特征在于，所述指令值是轉動速度。
5.根據權利要求1所述的馬達裝置，其特征在于，所述控制器在提供所述預定電流圖形后進行反饋操作。
6.一種用于控制馬達裝置的控制方法，所述馬達裝置包括帶轉子的同步馬達和控制器，所述控制器可利用指令值產生控制信號來指示所述同步馬達的操作，提供給所述同步馬達的電流，根據所述電流估計的轉子位置；以及可根據所述控制信號驅動所述同步馬達的驅動單元，所述方法包括在開始驅動所述同步馬達時通過所述驅動單元提供預定的電流圖形給所述同步馬達；以及利用提供所述預定的電流圖形得到的轉子位置作為初始轉子位置來產生所述控制信號。
7.根據權利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述指令值是轉動速度。
8.根據權利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述控制器在提供所述預定電流圖形之后進行反饋操作。
全文摘要
速度控制單元基于指令速度和估計速度之差計算出指令電流。電流控制單元輸出對應于指令電流和測得馬達電流之差的參考電壓。通過將估計速度電動勢增加到參考電壓，形成馬達外加電壓而驅動同步馬達。估算單元計算同步馬達的估計位置、估計速度、和估計速度電動勢。通過在開始驅動同步馬達時提供預定圖形的馬達電流，將同步馬達的轉子設定在缺省位置。該缺省位置用作估計位置的初始值。
文檔編號H02P6/00GK1391340SQ0212285
公開日2003年1月15日 申請日期2002年6月7日 優先權日2001年6月8日
發明者大立泰治, 小川龍男, 家岡升一 申請人:株式會社豐田自動織機