專利名稱：同步電動機中的磁極位置的估算方法
技術領域：
本發明涉及同步電動機中轉子的位置(例如，磁極位置)的估算方法，其中永磁鐵用于轉子。
背景技術：
在如表面永磁同步電動機(SPMSM)或內部永磁同步電動機(IPMSM)的同步電動機中，永磁鐵用于轉子，將由永磁鐵形成的S和N磁極交替地設置在轉子的軸周圍。在電動機的操作過程中，將交流電壓施加到定子的繞組上，由所施加的電壓產生的交流電流流過繞組。與轉子的位置(例如，磁極位置)同步控制電壓的相位。因此，需要用以檢測轉子的磁極位置的位置檢測器。使用霍爾元件、編碼器或分解器作為這樣的檢測器。然而，難以縮小具有位置檢測器的電動機的尺寸，并且需要通過連接線將檢測器與用于控制電動機的控制器連接。
因此，為了在不使用任何位置檢測器的情況下控制同步電動機，近來通過使用電動機的感應電壓來估算電動機中的轉子的磁極位置。在電動機的操作過程中，電動機本身感應依據磁極位置而變化的電壓。因此，可以通過感應電壓來估算磁極位置。例如，已公開的日本專利首次公報第2001-251889號公開了一種電動機模型，近似一個具有d軸和q軸的dq旋轉坐標系，以根據感應電壓來估算磁極位置。將d軸設置為由轉子的S磁極指向N磁極。將q軸設置為在與轉子的旋轉軸垂直的平面上與d軸正交。將坐標系的原點設置在旋轉軸上。
在基于該電動機模型的估算中，同步電動機中的估算磁極位置與實際磁極位置(即，d軸)的軸偏移Δθ通過所檢測到的直流電流沿d軸的分量Idc(以下稱為d軸分量)、所檢測到的直流電流沿q-軸的分量Iqc(以下稱為q軸分量)、施加到電動機的電壓的d軸分量V*d、所施加的電壓的q軸分量V*q以及轉子的指示轉速ω*r來計算。轉子的估算磁極位置通過偏移Δθ來計算。
然而，在實際的電動機中，將三相的交流電壓施加到電動機的定子繞組上，并且檢測到三相的交流電流流過定子的繞組。為了獲得在dq旋轉坐標系上表示的直流電流分量Idc和Iqc，要求根據估算的磁極位置將實際檢測到的交流電流的三維坐標系轉換為二維旋轉坐標系。在這種情況下，分量Idc和Iqc包含源于位置估算中的位置誤差的誤差。由于根據包含誤差的分量Idc和Iqc來估算下一磁極位置，所以不可避免地降低估算的精確度。結果，當根據估算的位置來控制電動機時，不能穩定地操作電動機。
為了解決該問題，在日本電子工程師學會(IEEJ)，第1026號，1999年國家會議的論文“An Extended E.m.f Observer for Salient-PoleBrushless DC Motor’s Sensorless Control”中公開了基于電動機模型使用擴張感應電壓來直接估算磁極位置。在該論文中，根據在表示兩相交流坐標系的αβ固定坐標系上定義的模型構成磁場觀測器。由沿αβ坐標系的α軸和β軸具有兩個分量的矢量來表示施加到同步電動機上的交流電壓和從電動機檢測到的交流電流中的每一個。當將所施加的交流電壓的α和β軸分量和檢測到的交流電流的α和β軸分量提供給觀測器時，可以直接估算磁極位置。將該位置表示為αβ坐標系中α軸與連接原點和轉子的磁極的直線之間的夾角。
在該論文中，可以通過使用在兩相交流坐標系上定義的交流電壓和交流電流的電動機模型來提高磁極位置估算的精度。然而，由于模型包括微分項以詳細計算感應電壓，大大地增加了估算的計算量。
發明內容
考慮到常規的磁極位置估算的缺點，本發明的目的是提供一種準確地估算轉子在同步電動機中的磁極位置同時減少估算所需的計算量而又不會大大降低估算精度的方法。
根據本發明的一個方案，通過提供一種同步電動機的磁極位置的估算方法來實現該目的，該方法包括步驟(1)將交流電壓施加到所述電動機，并且從所述電動機檢測交流電流，通過所施加的交流電壓在兩相交流坐標系中的分量和檢測到的交流電流在兩相交流坐標系中的分量，計算電動機的感應電壓；以及(2)通過感應電壓估算轉子的磁極位置。將交流電流的波高關于時間的微分值基本上設為0。
雖然交流電流的波高隨著時間輕微地變化，但是該波高近似于基本上不取決于時間的波高或者被其替代。在這種情況下，可以除去通過所施加的交流電壓和檢測到的交流電流的感應電壓計算中的微分項。因此，大大地減少估算所需的計算量，并且基本上沒有降低估算的精度。與在dq旋轉坐標系上構成的感應電壓模型比較，可以提高估算的精度。
附圖簡述圖1是執行本發明第一實施例的方法的用于同步電動機的控制單元的方框圖；圖2是示出根據第一實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖；
圖3示出檢測到的具有恒定波高的交流電流的波形和磁極位置的波形；圖4是示出根據本發明第二實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖；圖5是執行圖4所示方法的控制單元的位置和速度估算單元的方框圖；圖6是根據第二實施例的修改例的控制單元的位置和速度估算單元的方框圖；圖7A示出根據本發明第三實施例的在αβ坐標系中的具有噪聲的擴張感應電壓的波形；圖7B示出根據第三實施例的在dq坐標系中的具有噪聲的擴張感應電壓的波形；圖7C示出dq坐標系中的濾波的擴張感應電壓的波形；圖7D示出αβ坐標系中的濾波的擴張感應電壓的波形；圖8是示出根據第三實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖；圖9是示出根據第四實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖；圖10是執行圖9所示方法的位置和速度估算單元的方框圖；圖11示出估算位置的電壓矢量和位置矢量之間的位置關系；圖12是示出根據第五實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖；圖13是執行圖12所示方法的位置和速度估算單元的方框圖；圖14是示出根據第五實施例的第一修改例的磁極位置的估算方法過程的流程圖；圖15是執行圖14所示方法的位置和速度估算單元的方框圖；圖16是執行第五實施例的第二修改例的位置和速度估算單元的方框圖。
優選實施例的詳細說明現在參考
本發明的實施例。
實施例1圖1是執行根據本發明第一實施例的方法的同步電動機的控制單元的方框圖。圖2是示出根據第一實施例的磁極位置的估算方法過程序的流程圖。
圖1所示的同步電動機10具有由永磁鐵制成的定子和轉子(未示出)的繞組。當將三相交流電壓施加到繞組上時，由具有U、V和W相位的相位電流組成的三相交流電流流過繞組，從而由于電磁感應而產生可變的磁場，并且響應磁場而使具有永磁性的轉子在其旋轉軸上旋轉。通過諸如滑輪和皮帶的傳送裝置輸出旋轉力。在圖1所示的控制單元中控制電流的相位，以使轉子按照期望的轉速穩定旋轉。
如圖1所示，將轉子的指定(或期望)轉速ω*(即，磁極的速度)的數據重復地提供給控制單元。每次將速度ω*的數據提供給控制單元時，第一差值計算器1計算速度ω*和估算的轉子的轉速ωes之間的差值。速度控制器2從差值ω*-ωes計算在dq旋轉坐標系中定義的指定的交流電流iac*的d軸分量id*和q軸分量iq*的值，從而使估算的轉速ωes接近于指定的轉速ω*。如隨后所述，速度ωes源于分量id*和iq*。在dq旋轉坐標系中，d軸從觀測到的S磁極指向轉子的相應的N磁極，q軸與垂直于轉子的旋轉軸的平面上的d軸正交，并且將原點設置在旋轉軸上的位置處。因此，將真正的磁極位置設置在d軸上。
第二差值計算器3計算d軸分量id*與檢測到的電流的d軸分量id之間的d軸差值Δid，并且計算q軸分量iq*與檢測到的電流的q軸分量iq之間的q軸差值Δiq。從電動機10的定子繞組檢測電流。電流控制器4從差值Δid和Δiq計算指定電壓的d軸分量V*d和指定電壓的q軸分量V*q，從而使差值Δid和Δiq中的每一個都接近于0。
dq/αβ坐標轉換器5根據最終的轉子的估算磁極位置θes將aq旋轉坐標系轉換成αβ坐標系統，以將指定電壓的分量V*d和V*q轉換成在αβ坐標系中定義的指定電壓的α軸分量V*α和β軸分量V*β。位置θes由轉子的旋轉角來表示。
眾所周知，αβ坐標系是固定系并由在垂直于轉子的旋轉軸的平面上相互正交的α軸和β軸限定，并且將其原點設在轉子的旋轉軸上以便與dq坐標系的原點相同。由于αβ坐標系是固定系，所以電壓和電流分別由αβ坐標系上的交流電流信號和交流電壓信號來表示。因此，αβ坐標系表示兩相交流坐標系。
當正確估算轉子的磁極位置從而使其與真正的位置相符時，可以根據正確估算的位置指定αβ固定坐標系與dq旋轉坐標系之間的相位的相對關系(即，α軸和d軸間的角度)。因此，可以根據估算位置θes正確執行坐標轉換。
αβ/UVW坐標轉換器6將αβ坐標系轉換成由U相軸、V相軸和W相軸限定的UVW坐標系，以將指定電壓的分量V*α和V*β轉換成U相分量V*u、V相分量V*v和W相分量V*w。將UVW坐標系的三個軸在電角度上以120度的相等間距分隔開，并且使其對應于U、V和W相位，而且將UVW坐標系的原點設置在與αβ坐標系的原點相同的位置上。
脈沖寬度調制(PWM)信號發生器7從分量V*u、V*v和V*w中的每一個產生PWM信號。將PWM信號分別傳送到反相器8，以操作相應于定子繞組的三個開關元件。因此，將具有分量V*u、V*v和V*w的交流電壓施加到所述繞組上。響應于所施加的電壓，具有U相分量iU、V相分量iV和W相分量iW的三相交流電流流過所述繞組。此外，電動機10本身產生取決于磁極位置的感應電壓。因此，交流電流取決于所施加的電壓和感應電壓。
電流傳感器9檢測交流電流的分量iU、iV和iW的值。傳感器9可以僅檢測三個分量值中的兩個，以從所檢測到的值來計算另外一個分量的值。UVW/αβ坐標轉換器11將UVW坐標系轉換成αβ坐標系，并且將檢測到的交流電流的分量iU、iV和iW轉換成檢測到的交流電流的α軸分量iα和β軸分量iβ。在αβ/dq坐標轉換器12和位置及速度估算單元13中接收分量iα和iβ。轉換器12根據從估算單元13輸出的最終的估算磁極位置θes將αβ坐標系轉換成dq坐標系，以將檢測到的交流電流的分量iα和iβ轉換成檢測到的電流的d軸分量id和q軸分量iq。將檢測到的電流的分量id和iq傳送到計算器3。
參照圖2說明在單元13中執行磁極(或轉子)的位置和速度的估算。
單元13的擴張感應電壓計算器14從指定電壓的分量V*α和V*β的值和檢測到的電流的分量iα和iβ轉的值計算感應電壓的α軸分量eα和β軸分量eβ的值(步驟S11)。基于將其作為擴張感應電壓模型的近似而獲得的近似感應電壓模型執行該計算。在根據第一公式的αβ坐標系中VαVβ=R+pLdωre(Ld-Lq)-ωre(Ld-Lq)R+pLdiαiβ+{(Ld-Lq)(ωreid-iq)+ωreKE}-sinθrecosθre]]>通過使用施加到電動機的指定電壓的α軸分量Vα和β軸分量Vβ、定子的電阻R、通過求在前面的估算周期中估算的轉子的位置關于時間的微分而獲得的在電角度上的轉子的轉速ωre、電動機中的d軸電感Ld、電動機中的q軸電感Lq、微分運算符p、從電動機檢測到的電流的α軸分量iα和β軸分量iβ、以及感應電壓的常數KE來表示根據現有技術的擴張感應電壓模型。
在該公式中，將右邊的第二項定義為擴張感應電壓。在該模型中，除了基于轉子的永磁性的感應電壓外，產生磁阻轉矩的電感差值Ld-Lq被視為額外磁通量的分量。當基于該模型構成磁場觀測器時，可以通過附加地使用微分運算符s和觀測器極α，根據第二公式直接計算擴張感應電壓的α軸分量eα和β軸分量eβeαeβ=ss+αVαVβ-R+pLdωre(Ld-Lq)-ωre(Ld-Lq)R+pLdiαiβ]]>因為該模型包括微分項s/(s+α)，估算所需的計算量大大增加。為了減少該實施例中的計算量，將不包含任何微分項的近似感應電壓模型用于磁極位置的估算，以替代擴張感應電壓模型。
更具體地，所檢測到的電流的α軸分量iα(iα＝-Ia(t)·sinθ，θ＝ωret+c，c是一個常數)和β軸分量iβ(iβ＝Ia(t)·cosθ)的波高Ia(t)隨著時間變化。這一隨時間變化的波高Ia(t)近似于基本上不隨時間t變化的波高Ia(d/dt·Ia0)，或者被它替代。也就是說，將交流電流的波高關于時間的微分值基本上設置為0(步驟S12)。在這種情況下，可以根據第三公式改寫擴張感應電壓模型中的α軸分量iα的微分項。
pLd·iα=Ldddt·iα]]>=Ld(-ddt·Iαsinθ-Iαddt·sinθ)]]>=-Ld·Iαddt·sinθ]]>=-Ld·ωre·Iα·cosθ]]>=-Ld·ωre·iβ]]>以同樣的方式，可以根據第四公式改寫擴張感應電壓模型中的β軸分量iβ的微分項。
pLd·iβ＝Ld·ωre·iα因此，可以簡化并改寫第二公式，通過將第三和第四公式代入第二公式可以得到表示根據本發明的實施例的近似感應電壓模型的第五公式。
eαeβ=V*αV*β-R-ωreLqωreLqRiαiβ]]>在該第五公式中，計算分量eα和eβ的近似感應電壓模型由定子電阻R、轉速ωre和q軸電感Lq表示。因此，當認為波高Ia關于時間的微分值基本上等于0，也就是說，波高基本上不變時，可以在近似感應電壓模型中除去包含在擴張感應電壓模型中的微分項。當基于不包含微分項的近似感應電壓模型來計算分量eα和eβ時，可以大大減少計算量。
估算位置計算器15通過在計算器14中計算出的分量eα和eβ計算第一估算磁極位置θes1(步驟S13)。因為通過求轉子的磁通量(即，磁極位置)關于時間的微分而確定的電壓矢量領先磁通量90度，滿足tanθes1＝-eα/eβ的關系。因此，通過根據第六公式的反正切計算獲得位置θes1。
θes1=tan-1-eαeβ]]>當感應電壓上沒有疊加噪聲時，將位置θes1作為最終的估算磁極位置θes輸出到轉換器5和轉換器12。微分處理單元16根據第七公式求位置θes1關于時間的微分以獲得轉子的估算轉速ωes(步驟S14)。
ωes=s1+τ·sθes1]]>這里，在該公式中使用了微分運算符s和常數τ。
位置θes1表示對應于感應電壓的交流分量，并且該分量響應分量eα和eβ隨著時間周期性地變化。當求位置θes1的微分時，可以將表示交流分量的位置θes1轉換成表示相對于時間不變的直流分量的速度ωes。
由于電動機10的驅動和/或磁極的突極性產生的死時間(deadtime)，而使電感Ld和Lq隨時間變化。因此，當計算感應電壓分量eα和eβ時，高頻分量作為噪聲被疊加到感應電壓上。當位置θes1源自感應電壓時，高頻分量反而影響位置θes1。因此，估算磁極位置的精度被高頻分量降低了。
低通濾波器17對速度ωes進行低通濾波，以從速度ωes中除去高頻分量(步驟S15)。因為速度ωes由直流分量來表示，所以可以可靠地從速度ωes中除去高頻分量。
圖3示出所檢測到的交流電流iα(iα＝-Ia·sinθ)和iβ(iβ＝Ia·cosθ)中每一個的波形、以及由鋸齒波顯示的磁極位置θ的波形。如圖3所示，可以從估算位置θ中除去高頻分量，而不丟失磁極的開始和結束位置(θ＝0，2π)的信息。將開始和結束的位置設置在α軸上。因此，當基于不包含高頻分量的最終的估算磁極位置而在轉換器5中執行坐標轉換時，可以提高磁極位置的估算精度。
濾波器17將速度ωes輸出到計算器1和積分器18。積分器18相對于時間對速度ωes進行積分，以獲得第二估算磁極位置θes2(步驟S16)。位置θes2表示從其除去包含在位置θes1中的高頻分量的位置。
當通過在濾波器17中對位置θes1進行濾波來獲得位置θes2時，在位置θes2中發生相位延遲。為了補償該相位延遲，相位補償加法器19將從相位補償器20輸出的第一相位補償值加到位置θes2上，以獲得最終的估算磁極位置θes(步驟S17)。
為了計算補償器20中的相位補償值，第三個差值計算器21計算估算位置θes1與θes之間的位置差值Δθes(＝θes1-θes)(步驟S18)，并且補償器20將差值Δθes乘以其值設為Kp1+Ki1/s(1/s表示關于時間的積分)的第一比例和積分(PI)增益，以獲得第一相位補償值(步驟S19)。由于鎖相環(PLL)由加法器19、補償器20和計算器21組成，位置θes的相位可以接近位置θes1的相位。也就是說，可以獲得與位置θes1同步的位置θes(步驟S20)。因此，雖然引起相位延遲以在濾波時除去高頻分量，但是可以通過將第一相位補償值加到位置θes2上，來防止位置θes延遲。
將最終的估算位置θes輸出到轉換器5和12(步驟S21)。因此，估算位置θes接近轉子的真正磁極位置(即，d軸)，并且可以在轉換器5和12中正確地執行dq坐標系與αβ坐標系之間的轉換。也就是說，可以穩定地操作電動機。
因此，由于所檢測到的電流分量iα和iβ的隨時間變化的波高被基本上不隨時間t變化的波高替代，可以從擴張感應電壓模型中除去分量的微分項。因此，與基于在dq旋轉坐標系上構成的感應電壓模型進行估算的情況相比，可以減少估算所需的計算量，并且可以提高估算位置θes的精度。
當過分提高第一PI增益時，在位置θes中包含了不合需要的高頻分量。在這種情況下，由于磁極位置的估算精度降低，所以不需要過分提高第一PI增益。
在本實施例中，在濾波器17中除去高頻噪聲。然而，當噪聲對第一估算位置θes1的不利影響很小時，可以將位置θes1輸出到轉換器5和12而不對位置θes1進行低通濾波，并且可以將在單元16中獲得的速度ωes輸出到計算器1。
實施例2圖4是示出根據本發明的第二實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖。圖5是執行圖4所示方法的另一估算單元24的方框圖。
如圖4和圖5所示，估算單元24具有設置在濾波器17和積分器18之間的相補償加法器22，取代加法器19。加法器22將從補償器20輸出的第二相位補償值加到從濾波器17輸出的速度ωes上，以獲得相位補償速度ωes(步驟S41)。積分器18相關于時間對該速度ωes進行積分，以獲得最終的估算磁極位置θes(步驟S42)。計算器21計算估算位置θes1和θes之間的位置差值Δθes(＝θes1-θes)(步驟S43)。補償器20將差值Δθes乘以其值設為Kp2+Ki2/s的第二PI增益，以獲得第二相位補償值(步驟S44)。
鎖相環(PLL)由計算器21、補償器20和加法器22組成。因此，在PLL中執行最終的估算位置θes與第一估算位置θes1的相位同步，并且可以獲得在相位上與位置θes1同步的位置θes(步驟S45)。將與位置θes1同步的位置θes輸出到轉換器5和12(步驟S46)。從而，以與第一實施例相同的方式，可以防止位置θes的相位延遲，并且可以獲得與第一實施例相同的效果。
圖6是根據第二實施例的修改例的估算單元25的方框圖。
如圖6所示，估算單元25可以同時具有加法器19和22。補償器20分別將第一和第二相位補償值輸出到加法器19和22。加法器22將第二相位補償值加到從濾波器17輸出的速度ωes上，以獲得相位補償速度ωes。積分器18對該速度ωes進行積分，以獲得第二估算磁極位置θes2。加法器19將第一相位補償值加到位置θes2上，以獲得最終的估算磁極位置θes。
鎖相環(PLL)由計算器21、補償器20以及加法器19和22組成，從而可以將與位置θes1同步的位置θes輸出到轉換器5和12。因此，可以進一步防止位置θes的相位延遲。
實施例3在第一實施例中，為了除去疊加在擴張感應電壓分量eα和eβ上的高頻分量(即，噪聲)，將由交流分量表示的位置θes1轉換成由直流分量表示的速度ωes。相反，在第三實施例中，將由交流分量表示的電壓分量eα和eβ直接轉換成由直流分量表示的擴張感應電壓分量ed和eq，以從電壓分量ed和eq中除去噪聲。
圖7A示出αβ坐標系中的擴張感應電壓的波形，圖7B示出dq坐標系中的擴張感應電壓的波形，圖7C示出dq坐標系中的濾波過的擴張感應電壓的波形，圖7D示出αβ坐標系中的濾波過的擴張感應電壓的波形。圖8是示出根據第三實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖。
因為在兩相交流坐標系(例如，αβ坐標系)中限定電壓分量eα和eβ，電壓分量eα和eβ隨時間變化。如圖7A所示，當表示噪聲的高頻分量被疊加到擴張感應電壓上時，難以從分量eα和eβ中除去噪聲。
因此，如圖7B所示，通過將αβ固定坐標系轉換成dq旋轉坐標系，而將計算器14的分量eα和eβ轉換成擴張感應電壓的分量ed和eq(圖8中的步驟S81)。擴張感應電壓由直流分量ed和eq表示，從而可以很容易地從分量ed和eq中除去高頻噪聲。然后，對分量ed和eq進行低通濾波，以從擴張感應電壓中除去高頻分量(圖8中的步驟S82)。因此，如圖7C所示，獲得不包含高頻分量的分量ed和eq。然后，通過將dq旋轉坐標系轉換成αβ固定坐標系，將分量ed和eq轉換成分量eα和eβ(圖8中的步驟S83)。因此，如圖7D所示，獲得不包含噪聲的分量eα和eβ。
之后，根據第八公式，通過分量eα和eβ計算不包含噪聲的最終的估算磁極位置θes(圖8中的步驟S84)。
θes=tan-1-eαeα]]>然后，根據第九公式求位置θes關于時間的微分，以獲得估算磁極速度ωes(即，轉子的轉速)(圖8中的步驟S85)。
ωes=s1+τ·sθes]]>將位置θes輸出到圖2所示的轉換器5和12，并且將速度ωes輸出到圖2所示的計算器1(圖8中的步驟S86)。因此，由于從擴張感應電壓的直流分量中除去高頻噪聲，所以可以獲得與第一實施例相同的效果。
在該實施例中，可以以與第一實施例相同的方式對估算磁極位置執行在步驟S82中引起的相位延遲的相位補償。
實施例4圖9是根據第四實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖，圖10是執行圖9所示的方法的位置和速度估算單元的方框圖。
如圖9和10所示，位置和速度估算單元30從擴張感應電壓計算估算磁極位置。更具體地，單元30的內積計算器31根據第十公式計算擴張感應電壓矢量e(eα，eβ)和估算磁極位置的估算位置矢量θes的內積(步驟S91)。
e·θes=|e||θes|cos(π2+Δθ)]]>=-|e||θes|sin(Δθ)]]>Δθ表示矢量θes和θc的角度差，θc表示設置在d軸上的真正磁極位置。
圖11示出矢量e和θes的位置關系。通過求電動機10的轉子40的磁通量Φ關于時間的微分，來獲得電壓矢量e。磁通量Φ從S磁極指向N磁極。因此，如圖11所示，電壓矢量e領先磁通量Φ的方向90度。此外，由磁通量表示的位置(或角度)與轉子的真正磁極位置相同。因此，當矢量θes正確地表示轉子的真正磁極位置時，矢量e和矢量θes的內積變為0。也就是說，當校正矢量θes使得內積基本上變為0時，矢量θes正確地表示轉子的真正磁極位置θc。
速度轉換器32將內積乘以其值設為Kp3+Ki3/s的第三PI增益，以獲得估算速度ωes(步驟S92)。也就是說，轉換器32不輸出根據第七公式計算的速度，而是輸出取決于矢量θes和θc之間的位置差Δθ的速度。這意味著轉換器32可以計算速度ωes，從而源自速度ωes的校正位置接近真正的位置θc，并且通過校正位置計算的內積基本上變為0。將速度ωes輸出到圖1所示的計算器1和積分器34。積分器34相對于時間對速度ωes進行積分，以得到一個中間的估算磁極位置θesi(步驟S93)。
此外，由于積分而在位置θesi中發生相位延遲。為了補償該相位延遲，相位補償器33將內積乘以其值設為Kp4+Ki4/s的第四PI增益，以獲得補償值(步驟S94)。加法器35將該補償值加到位置θesi上，以獲得位置矢量θes(步驟S95)。將矢量θes作為最終的估算磁極位置輸出到圖1所示的轉換器5和計算器31(步驟S96)。
當由矢量θes表示的位置(或角度)從真正的磁極位置θc偏移位置誤差Δθ時，需要轉換器32計算基于位置誤差Δθ升高或者降低的速度ωes，使得通過速度ωes計算的估算位置接近位置θc。由于內積的值對應于誤差Δθ，所以轉換器32可以計算取決于誤差Δθ的速度ωes，使得由速度ωes獲得的估算位置θes基本上到達真正的位置θc。因此，在單元30中估算的極位置θes基本上到達真正的位置θc。
例如，如圖11所示，當估算位置矢量θes延遲于真正的位置θc(即，Δθ＞0)時，轉換器32計算的速度ωes高于通過根據第七公式求位置矢量θes關于時間的微分而得到的速度。因此，根據誤差Δθ計算被提高的速度ωes，并且位置矢量θes可以接近真正的位置θc。
雖然疊加在電壓矢量e上的高頻分量被轉換成速度ωes，但是在對速度ωes進行積分時，這些分量被消除。因此，積分器34除積分外，實質上還執行了濾波處理。
如上所述，因為通過將內積乘以第三PI增益而獲得的估算速度ωes取決于位置誤差Δθ，所以可以基于位置誤差Δθ提高或降低速度ωes。因此，當通過速度ωes獲得估算位置矢量θes從而基本上將內積減至0時，位置矢量θes可以得到適當的校正，并且接近真正的位置θc。
實施例5圖12是根據第五實施例的磁極位置的估算方法過程的流程圖，圖13是執行圖12所示的方法的位置和速度估算單元的方框圖。
如圖12和13所示，在位置和速度估算單元50中，速度估算單元51從計算器14中連續地接收擴張感應電壓矢量e(eα，eβ)，并且通過在計算器14中在不同的時間t1和t2計算的矢量et1和et2計算第一估算速度ωes1(步驟S121)。也就是說，通過t1和t2之間的時間間隔以及矢量et1和et2之間的位置差計算速度ωes1。
表示噪聲的高頻分量被疊加在矢量et1和et2中的每一個上，從而使這些分量存在于速度ωes1中。低通濾波器52從速度ωes1中除去這些分量(步驟S122)，從而可以大大地減少存在于速度ωes1中的噪聲。在進行該低通濾波時，在速度ωes1中發生相位延遲。
此外，以與第四實施例中的計算器31和轉換器32相同的方式，內積計算器54計算電壓矢量e(eα，eβ)和表示轉子40的估算磁極位置的估算位置矢量θes的內積(步驟S123)，并且速度轉換器55將計算出的內積乘以第三PI增益，以獲得速度校正ωes2(步驟S124)。速度校正取決于估算位置矢量θes和磁極的真正位置θc之間的位置誤差Δθ。加法器53將速度校正ωes2加到估算速度ωes1上以校正估算速度ωes1，并補償估算速度ωes1的相位延遲(步驟S125)。因此，獲得沒有相位延遲的最終的估算速度ωes(＝ωes1+ωes2)。將速度ωes輸出到圖1所示的計算器1和積分器56。積分器56相對于時間對速度ωes進行積分，以獲得矢量θes(步驟S126)。將位置矢量θes作為最終的估算磁極位置輸出到圖1所示的轉換器5和計算器54(步驟S127)。
根據估算位置和磁極的真正位置θc自間的位置誤差確定速度校正ωes2。因此，可以將速度校正ωes2確定成使得源自速度ωes的內積基本上被設置為0，并且以與第四實施例相同的方式，由速度校正校正的位置矢量θes可以接近真正的位置θc。因此，以與第一實施例相同的方式，可以防止位置θes的相位延遲，并且可以獲得與第一實施例相同的效果。
圖14是根據第五實施例的第一修改例的磁極位置的估算方法過程的流程圖，圖15是執行圖14所示的方法的位置和速度估算單元的方框圖。
如圖14和15所示，可以使用相位補償器57替代轉換器55。更具體地，積分器56相對于時間對從濾波器52輸出的速度ωes1進行積分，以獲得第一估算位置矢量θes1(步驟S141)。補償器57將從計算器54輸出的內積乘以第四PI增益，以獲得相位校正(或位置校正)(步驟S142)。為了校正位置矢量θes1并補償在濾波器52中產生的相位延遲，加法器58將相位校正加到位置矢量θes1上，以獲得表示最終的估算磁極位置的估算位置矢量θes(步驟S143)。將矢量θes輸出到轉換器5和12(步驟S144)。
因為根據內積增加或減小相位校正，所以以與第四實施例相同的方式，矢量θes可以接近磁極的真正位置θc。因此，可以防止位置θes的相位延遲，并且可以獲得與第一實施例相同的效果。
圖16是執行第五實施例的第二修改例的方法的位置和速度估算單元的方框圖。
如圖16所示，可以使用轉換器55和補償器57。更具體地，加法器53將速度校正ωes2加到速度ωes1上，以得到校正速度ωes，并且積分器56從校正速度ωes得到估算位置θes1。加法器58將相位校正加到位置θes1上，以得到表示最終的估算磁極位置的估算位置矢量θes，并將該矢量θes輸出到轉換器5和12。
不應該將這些實施例理解為將本發明限于這些實施例的方法，并且本發明的方法還可以與基于現有技術的方法相結合。
例如，在表示兩相交流坐標系的αβ坐標系中估算磁極位置。然而，取代αβ坐標系，可以使用任意的表示兩相交流坐標系的二維坐標系。該二維坐標系可以由兩個互不正交的軸和設置在旋轉軸上與dq坐標系中的位置不同的位置上的原點來定義。
此外，在第四和第五實施例中，可以通過歸一化矢量來計算內積。更具體地，位置矢量θes除以矢量θes的絕對值，電壓矢量e除以矢量e的絕對值，并且計算這些被除后的矢量的內積。因此，由于內積僅取決于矢量θes和e之間的角度差(或位置誤差)，所以可以精確地計算估算速度ωes。
而且，第四和第五實施例不限于內積，并且可以通過領先或落后位置矢量θes90度的第二位置矢量θ±90es來估算磁極位置。更具體地，計算圍繞原點與位置矢量θes的角度差為+90度或-90度的第二位置矢量θ±90es，并且根據第十一公式計算矢量θ±90es與電壓矢量e的外積的長度。
e×θ±90es＝|e‖θ±90es|sin(-Δθ)＝|e‖θ±90es|sin(Δθ)當矢量e與θes之間的角度(或相位差)基本上等于90度時，矢量e與θ90±es之間的角度基本上等于0或180度。因此，當校正位置矢量θes使得外積的值接近于0時，位置矢量θes可以表示真正的磁極位置。
此外，在這些實施例中，估算同步電動機中的轉子的磁極位置。然而，也可以估算轉子的任意部分的位置(即，旋轉角度)。
權利要求
1.一種同步電動機中的磁極位置的估算方法，包括以下步驟將交流電壓施加到所述電動機，并且從所述電動機檢測交流電流，通過所施加的交流電壓在兩相交流坐標系中的分量以及所檢測到的交流電流在兩相交流坐標系中的分量，計算所述電動機的感應電壓；通過所述感應電壓估算磁極位置；其中所述交流電流由其波高關于時間的微分值基本上被設置為0的波組成。
2.如權利要求1所述的方法，其中在表示所述兩相交流坐標系的αβ坐標系中限定所述感應電壓，并且在計算所述感應電壓的步驟中，根據公式eαeβ=VαVβ-R-ωLωLRiαiβ]]>通過使用所述交流電壓在所述αβ坐標系中的α軸分量Vα和β軸分量Vβ、所述電動機的定子的電阻值R、在電角度上的轉速ω、電感值L、以及所述交流電流在所述αβ坐標系中的α軸分量iα和β軸分量iβ，計算所述感應電壓在所述αβ坐標系中的α軸分量eα和β軸分量eβ。
3.如權利要求1所述的方法，其中高頻分量疊加在所述感應電壓上，并且估算所述磁極位置的步驟包括通過所述感應電壓獲得交流分量；將對應于所述感應電壓的交流分量轉換成所述高頻分量疊加在其上的直流分量；從所述直流分量中除去所述高頻分量；以及通過從中除去了所述高頻分量的所述直流分量來計算所述估算磁極位置。
4.如權利要求3所述的方法，其中獲得交流分量的步驟包括通過所述感應電壓計算由所述交流分量表示的第一磁極位置，轉換所述交流分量的步驟包括求所述第一磁極位置的微分，以獲得所述直流分量，以及計算所述估算磁極位置的步驟包括對從中除去了所述高頻分量的所述直流分量進行積分，以獲得第二磁極位置；以及通過所述第二磁極位置計算所述估算磁極位置。
5.如權利要求4所述的方法，其中計算所述估算磁極位置的步驟包括計算所述第一磁極位置與之前計算的估算磁極位置之間的位置差；通過將所述位置差乘以預定增益來獲得相位補償值，使得將所述相位補償值加到所述第二磁極位置上而獲得的位置在相位上與所述第一磁極位置同步；以及確定通過將所述相位補償值加到所述第二磁極位置上而獲得的所述位置作為當前計算的估算磁極位置。
6.如權利要求3所述的方法，其中獲得交流分量的步驟包括通過所述感應電壓計算由所述交流分量表示的第一磁極位置，轉換所述交流分量的步驟包括求所述第一磁極位置的微分，以獲得所述直流分量，以及計算所述估算磁極位置的步驟包括計算所述第一磁極位置與之前計算的估算磁極位置之間的位置差；通過將所述位置差乘以預定增益來獲得相位補償值，使得通過將所述相位補償值加到沒有高頻分量的所述直流分量上而獲得的位置在相位上與所述第一磁極位置同步；將所述相位補償值加到從中除去了所述高頻分量的所述直流分量上，以獲得相位補償的直流分量；對所述相位補償的直流分量進行積分以獲得積分結果；并且將所述積分結果確定為當前計算的估算磁極位置。
7.如權利要求1所述的方法，其中高頻分量疊加在所述感應電壓上，以及估算所述磁極位置的步驟包括以所述兩相交流坐標系中的交流分量表示所述感應電壓；將所述感應電壓的所述交流分量轉換成兩相旋轉坐標系中的直流分量；從所述感應電壓的所述直流分量中除去所述高頻分量；將從中除去了所述高頻分量的所述感應電壓的所述直流分量轉換成所述兩相交流坐標系中的第二交流分量；以及通過所述感應電壓的所述第二交流分量計算所述估算磁極位置。
8.如權利要求1所述的方法，其中估算所述磁極位置的步驟包括以在所述兩相交流坐標系中限定的感應電壓矢量表示所述感應電壓；在所述兩相交流坐標系中設置表示之前估算的磁極位置的位置矢量；校正所述位置矢量，使得所述感應電壓矢量和所述位置矢量的內積基本上變為0；以及獲得對應于所校正的位置矢量的位置，作為當前確定的估算磁極位置。
9.如權利要求8所述的方法，其中設置所述位置矢量的步驟包括估算磁極的速度；并且通過所估算的速度計算所述位置矢量，以及校正所述位置矢量的步驟包括利用所述內積校正所估算的速度，使得源自所校正的估算速度的內積基本上變為0；并且通過所校正的估算速度計算校正的位置矢量。
10.如權利要求9所述的方法，其中計算所校正的位置矢量的步驟包括對所校正的估算速度進行積分，以獲得相移的位置矢量；通過源自所校正的估算速度的所述內積計算相位補償值；以及通過所述相移的位置矢量和所述相位補償值計算所校正的位置矢量。
11.如權利要求8所述的方法，其中在所述內積的計算中將所述感應電壓矢量和所述位置矢量中的每一個歸一化。
12.如權利要求1所述的方法，其中估算所述磁極位置的步驟包括在不同的時間計算多個所述感應電壓的值；通過所述感應電壓的值和所述不同的時間計算磁極的估算速度；通過所述估算速度計算所述估算磁極位置。
13.如權利要求12所述的方法，其中計算所述估算磁極位置的步驟包括將速度校正加到所述估算速度上，以獲得校正速度；以及通過所述校正速度確定所述估算磁極位置，以及加所述速度校正的步驟包括以在所述兩相交流坐標系中限定的感應電壓矢量表示所述感應電壓；計算所述感應電壓矢量與之前計算的估算磁極位置的矢量的內積；以及將所述速度校正確定為通過將所述內積乘以預定增益而獲得的值，使得所述感應電壓矢量與源自所計算的速度校正的估算磁極位置的矢量的內積基本上變為0。
14.如權利要求13所述的方法，其中計算所述估算速度的步驟包括從所述估算速度中除去高頻分量。
15.如權利要求13所述的方法，其中在所述內積的計算中將所述感應電壓矢量和所述位置矢量歸一化。
16.如權利要求12所述的方法，其中計算所述估算磁極位置的步驟包括通過所述估算速度計算第一磁極位置；以及將相位校正加到所述第一磁極位置上，以獲得所述估算磁極位置，以及加所述相位校正的步驟包括以在所述兩相交流坐標系中限定的感應電壓矢量表示所述感應電壓；計算所述感應電壓矢量與之前計算的估算磁極位置的矢量的內積；以及將所述相位校正確定為通過將所述內積乘以預定增益而獲得的值，使得所述感應電壓矢量與源自所計算的相位校正的估算磁極位置的矢量的內積基本上變為0。
17.如權利要求16所述的方法，其中計算所述估算速度的步驟包括從所述估算速度中除去高頻分量。
18.如權利要求16所述的方法，其中在所述內積的計算中將所述感應電壓矢量和所述位置矢量歸一化。
19.如權利要求12所述的方法，其中計算所述估算磁極位置的步驟包括將速度校正加到所述估算速度上，以獲得校正速度；以及通過所述校正速度確定所述估算磁極位置，以及加所述速度校正的步驟包括以在所述兩相交流坐標系中限定的感應電壓矢量表示所述感應電壓；在所述兩相交流坐標系中設置表示之前計算的估算磁極位置的第一位置矢量；計算在所述兩相交流坐標系中領先或落后所述第一位置矢量90度的第二位置矢量；計算所述感應電壓矢量和所述第二位置矢量的外積；以及將所述速度校正確定為通過將所述外積乘以預定增益而獲得的值，使得源自所計算的速度校正的外積基本上變為0。
20.如權利要求19所述的方法，其中計算所述估算速度的步驟包括從所述估算速度中除去高頻分量。
21.如權利要求19所述的方法，其中在所述外積的計算中將所述感應電壓矢量和所述第二位置矢量歸一化。
22.如權利要求12所述的方法，其中計算所述估算磁極位置的步驟包括通過所述估算速度計算第一磁極位置；以及將相位校正加到所述第一磁極位置上，以獲得所述估算磁極位置，以及加所述相位校正的步驟包括以在所述兩相交流坐標系中限定的感應電壓矢量表示所述感應電壓；在所述兩相交流坐標系中設置表示之前計算的估算磁極位置的第一位置矢量；計算在所述兩相交流坐標系中領先或落后所述第一位置矢量90度的第二位置矢量；計算所述感應電壓矢量和所述第二位置矢量的外積；以及將所述相位校正確定為通過將所述外積乘以預定增益而獲得的值，使得源自所計算的相位校正的外積基本上變為0。
23.如權利要求22所述的方法，其中計算所述估算速度的步驟包括從所述估算速度中除去高頻分量。
24.如權利要求22所述的方法，其中在所述外積的計算中將所述感應電壓矢量和所述位置矢量歸一化。
25.如權利要求1所述的方法，其中估算所述磁極位置的步驟包括以在所述兩相交流坐標系中限定的感應電壓矢量表示所述感應電壓；在所述兩相交流坐標系中設置表示之前估算的磁極位置的第一位置矢量；計算在所述兩相交流坐標系中領先或落后所述第一位置矢量90度的第二位置矢量；校正所述第一位置矢量，使得所述感應電壓矢量與所述第二位置矢量的外積基本上變為0；以及獲得對應于所校正的第一位置矢量的位置作為當前確定的估算磁極位置。
26.如權利要求25所述的方法，其中設置所述第一位置矢量的步驟包括估算磁極的速度；并且通過所估算的速度計算所述第一位置矢量，以及校正所述第一位置矢量的步驟包括利用所述外積校正所估算的速度，使得源自所校正的估算速度的外積基本上變為0；并且通過所校正的估算速度計算校正的第一位置矢量。
27.如權利要求26所述的方法，其中計算所校正的第一位置矢量的步驟包括對所校正的估算速度進行積分，以獲得相移的位置矢量；通過源自所校正的估算速度的外積計算相位補償值；以及通過所述相移的位置矢量和所述相位補償值計算所校正的第一位置矢量。
28.如權利要求25所述的方法，其中在所述外積的計算中將所述感應電壓矢量和所述第二位置矢量歸一化。
全文摘要
在一種同步電動機中的磁極位置的估算方法中，向電動機施加交流電壓，該交流電壓在表示兩相交流系的αβ坐標系中具有α和β軸分量，并且從電動機中檢測交流電流的α和β軸分量。隨時間變化的交流電流的波高近似于不隨時間變化的波高，從而波高關于時間的微分值基本上被設置為0。通過交流電壓的分量和交流電流的分量來計算電動機的感應電壓。通過感應電壓來估算磁極位置。
文檔編號H02P6/18GK1941606SQ20061013955
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月26日 優先權日2005年9月27日
發明者井村彰宏, 青木康明 申請人:株式會社電裝