專利名稱：同步機控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括旋轉驅動同步機的功率轉換單元的同步機控制裝置。
背景技術：
在利用具有逆變器等功率轉換單元的同步機控制裝置對轉子具有永磁體的永磁同步電動機、利用轉子的磁凸極性來產生轉矩的磁阻電動機等同步機進行控制時，以往較為廣泛地采用對轉子進行控制以使電樞電流矢量向著一定的相位方向的方法。例如，在現有的永磁同步機中，將電樞電流矢量控制在與轉子的永磁體磁通軸正交的方向上，并與所希望的轉矩成比例地控制電樞電流矢量的絕對值。此外，對于上述磁阻電動機，已知電樞電流矢量的絕對值與輸出轉矩不成比例，用現有的控制方法難以實現高精度的轉矩控制。而且，若永磁同步機的旋轉速度上升，則永磁體磁通引起的感應電壓導致電樞電壓上升，該感應電壓超過逆變器等功率轉換單元所能輸出的電壓，因此，為了防止這樣的情況發生,進行弱磁通控制,從而在永磁體磁通軸方向上產生稱為弱電流的負的電樞電流矢量來減小電樞交鏈磁通。但即使弱電流相同，若輸出轉矩不同，則電樞電壓會發生變化，因此，以現有的控制方式根據轉矩大小將電樞電壓控制為所希望的值是較為困難的。作為解決了這樣的技術問題的同步機控制裝置的一個示例，其包括轉矩電流指令生成器、磁通指令生成器、磁通運算器、及磁通控制器，其中，該轉矩電流指令生成器由轉矩電流運算器、轉矩電流限制生成器、及限幅器(limiter)這三個結構要素所構成，該轉矩電流運算器根據轉矩指令和磁通指令來運算出電樞電流指令的轉矩分量即轉矩電流指令，該轉矩電流限制生成器產生基于電樞電流指令的磁化分量即磁化電流指令和上述電流限制值所能產生的轉矩電流指令最大值以使電樞電流不超過功率轉換單元的電流限制值，該限幅器根據上述轉矩電流指令最大值來限制轉矩電流指令，該磁通指令生成器根據來自該轉矩電流指令生成器的轉矩電流指令來運算磁通指令，該磁通運算器根據同步機的電樞電流或電樞電流及電樞電壓來運算電樞交鏈磁通，該磁通控制器制生成磁化電流指令并輸入到轉矩電流指令生成器以使磁通指令與上述電樞交鏈磁通一致。這是由于，通過一邊參照磁通指令和磁化電流指令一邊計算出轉矩電流指令，以此來考慮功率轉換單元的輸出電流的限制，且一邊參照轉矩電流指令一邊計算出磁通指令，因此，能生成反映出上述輸出電流限制引起的轉矩電流指令的變動的優選的磁通指令。(例如參照專利文獻I)此外，作為同樣的控制裝置的另一示例，其生成使同步機產生所希望的轉矩和電樞電壓的電樞交鏈磁通指令和與該電樞交鏈磁通指令正交的電樞電流(轉矩電流)指令，另一方面，確定磁通軸方向的電流(磁化電流)指令以使通過基于電樞電流的磁通運算求出的電樞交鏈磁通與上述電樞交鏈磁通指令一致，然后，從轉矩電流指令和磁化電流指令生成以角頻率進行旋轉的旋轉二軸坐標(以下，用dq軸來表示)的電流指令。這樣，通過使同步機的轉矩與電流的關系線性化來改善控制特性，通過直接控制端子電壓來降低功率轉換單元的容量。(例如，參照專利文獻2)此外，作為同樣的控制裝置的又一個示例，該控制裝置包括從轉矩指令值和電樞交鏈磁通指令值來運算能線性控制轉矩和電樞交鏈磁通的電流指令值的單元，在該控制裝置中，在轉矩指令值小于規定值的情況下，將交鏈磁通指令值設為相對于轉矩指令值的增加函數，在轉矩指令值大于規定值的情況下，將交鏈磁通指令值限制在上限值以下的一定值。這樣，能通過使同步機的轉矩與電流的關系線性化來改善控制特性，通過限制交鏈磁通的上限來避免磁飽和。(例如，參照專利文獻3)現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本專利特許第4531751號公報(圖1及其說明)專利文獻2 日本專利特許第3640120號公報(圖3及其說明)專利文獻3 :日本專利特許第3570467號公報(圖5及其說明)
發明內容
在上述專利文獻I中，對以下的結構進行了說明，即，一邊參照轉矩電流指令一邊輸出磁通指令以在電流大小為恒定的條件下使轉矩最大，但是，通常，在電流大小恒定的條件下，轉矩成為最大的條件與轉換效率(同步機或功率轉換單元、甚至是同步機和功率轉換單元整體的轉換效率)成為最大的條件并不相同。在需要以盡可能小的電流獲得盡可能大的轉矩這樣的用途中，優選設定運行目標，以控制成在電流大小為恒定的條件下轉矩成為最大，但并不一定一直都希望這樣的控制。例如，在冷卻能力較低、或在同步機內部具有永磁同步機等、同步機的溫度上升成為問題的情況下，需要進行使同步機的轉換效率成為最大的控制以抑制同步機的發熱，或者，在需要考慮構成同步 機的功率轉換單元的開關元件的耐熱性的情況下，需要進行能抑制功率轉換單元發熱的控制 ，而專利文獻I的控制難以靈活應對這樣的情形。此外，在上述專利文獻2、3中，盡管能一邊考慮磁飽和及功率轉換器的最大輸出電壓一邊直接高精度地控制轉矩電流和電樞交鏈磁通，但關于轉矩電流指令和磁通指令的生成，與專利文獻I相同，由于生成為在電流的大小為恒定的條件下使轉矩成為最大，因此產生與專利文獻I相同的問題。此外，上述轉換效率最大等的運行目標隨著同步機、功率轉換單元等的狀態(主要是溫度)而時時刻刻發生變化，因此，需要在線生成基于狀況的運行目標指令的結構。本發明是為了解決如上所述的技術問題而實施的，其目的在于提供一種同步機控制裝置，其能根據同步機或功率轉換單元等的狀態(主要是溫度)生成適當的運行目標指令，考慮同步機的轉換效率的基礎上，依次在線生成滿足運行目標(同步機或功率轉換單元的效率最大、發熱最小等)的控制指令(電樞交鏈磁通指令)。本發明所涉及的同步機控制裝置在同步機的產生電樞交鏈磁通的方向即Y軸和與Y軸正交方向即δ軸這二個軸上對所述同步機的電樞電流進行控制，所述同步機控制裝置包括電壓指令生成器，該電壓指令生成器根據所述Y軸方向的電流指令即磁化電流指令和所述δ軸方向的電流指令即轉矩電流指令來生成電壓指令；功率轉換單元，該功率轉換單元根據所述電壓指令來轉換電源的電壓，并對所述同步機施加電壓；電流檢測單元，該電流檢測單元用于檢測所述同步機的電樞電流；位置檢測單元，該位置檢測單元推定或檢測所述同步機的轉子位置；速度運算器，該速度運算器根據所述轉子位置來運算所述同步機的旋轉速度；磁通運算器，該磁通運算器根據所述電樞電流和所述電壓指令來推定所述同步機的推定電樞交鏈磁通；磁化電流指令生成器，該磁化電流指令生成器根據電樞交鏈磁通指令和所述推定電樞交鏈磁通的差分來生成所述磁化電流指令；以及控制指令生成器，該控制指令生成器根據轉矩指令、所述旋轉速度和運行目標指令來生成所述電樞交鏈磁通指令和所述轉矩電流指令，所述控制指令生成器包括第一磁通指令生成器，該第一磁通指令生成器根據所述轉矩指令或所述轉矩電流指令來生成第一磁通指令；第二磁通指令生成器，該第二磁通指令生成器根據所述轉矩指令或所述轉矩電流指令、以及所述旋轉速度來生成第二磁通指令；指令分配設定器，該指令分配設定器根據所述運行目標指令來設定與所述第一磁通指令和所述第二磁通指令這兩個磁通指令的分配比相當的分配系數；磁通指令調節器，該磁通指令調節器根據所述兩個磁通指令和所述分配系數來輸出所述電樞交鏈磁通指令；以及轉矩電流指令生成器，該轉矩電流指令生成器根據所述轉矩指令和所述電樞交鏈磁通指令來生成所述轉矩電流指令。根據本發明所涉及的同步機控制裝置，鑒于即使在相同的轉矩指令的條件下，合適的運行目標也會隨同步機和功率轉換單元等的狀態而發生變化的情形，生成適合同步機和功率轉換單元等的狀態的運行目標指令，在此基礎上依次在線生成既考慮了同步機的轉換效率又能滿足運行目標的控制指令，從而起到在有效地抑制同步機或功率轉換單元的損耗和發熱的情況下高效地驅動同步機的效果。
圖1是說明本發明的實施方式I所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。圖2是表示圖1所示的磁通運算器的結構的一個示例的圖。圖3是表示圖1所示的磁通運算器的結構的另一個示例的圖。圖4是說明本發明的實施方式I所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的另一同步機控制系統的圖。圖5是表示圖4所示的磁通運算器的結構的圖。圖6是表示圖1所示的電壓指令生成器的結構的一個示例的圖。圖7是表示圖1所示的電壓指令生成器的結構的另一個示例的圖。圖8是表示圖1所示的電壓指令生成器的結構的又一個示例的圖。圖9是表示圖1所示的控制指令生成器的結構的一個示例的圖。圖10是表示相位的定義、相位和轉矩之間的關系的圖。圖11是同步機(主要是永磁同步機)的矢量圖。圖12是說明轉矩電流指令與磁通指令之間關系的圖。圖13是表示圖1所示的控制指令生成器的結構的另一個示例的圖。圖14是說明轉矩指令和磁通指令之間關系的圖。圖15是說明本發明的實施方式2所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。圖16是表示圖15所示的控制指令生成器的結構的一個示例的圖。圖17是表示圖15所示的控制指令生成器的結構的另一個示例的圖。
圖18是說明本發明的實施方式3所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。圖19是說明本發明的實施方式3所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的另一同步機控制系統的圖。圖20是說明本發明的實施方式4所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。圖21是說明本發明的實施方式5所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。圖22是說明本發明的實施方式5所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的另一同步機控制系統的圖。 圖23是說明本發明的實施方式6所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。
具體實施方式
以下，參照附圖對本發明所涉及的同步機控制裝置的優選實施方式進行說明。另夕卜，本發明不受該實施方式的限定，在本發明的范圍內能對各實施方式進行組合，或適當地變更、省略各實施方式。實施方式I根據圖1，對本發明的實施方式I所涉及的同步機控制裝置進行說明。圖1是說明本發明的實施方式I所涉及的同步機控制裝置的圖，是表示包含同步機和同步機控制裝置的同步機控制系統的圖。以下，對實施方式I所涉及的對同步機進行驅動的同步機控制裝置的結構及結構要素的功能進行說明。首先，從旋轉驅動同步機的功率轉換單元的輸出側開始按順序進行說明，以下，對作為功率轉換單元的輸入側的電壓指令的生成為止的流程進行說明。實施方式I所涉及的對同步機I進行驅動的同步機控制裝置的結構中，以具有將由電源3提供的功率轉換為多相交流功率的功能的逆變器為代表的功率轉換單元4與同步機I的電樞繞組相連接，功率轉換單元4根據通過后述的電壓指令生成器2得到的電壓指令對同步機I施加電壓來驅動同步機I。其結果是，同步機I的電樞繞組中產生輸出電流。另外，電源3是輸出直流電壓的電源或電池，作為電源3的實施例也包含從單相或三相的交流電源通過公知的換流器而得到直流電壓的情況。對于同步機I的輸出電流即電樞繞組的電流(以下用電樞電流來表示)，利用以電流傳感器為代表的電流檢測單元5來進行檢測。另外，在同步機I為三相旋轉機的情況下，使電流檢測單元5成為檢測同步機I的三相輸出電流中的全相的輸出電流的結構，或成為檢測出兩個相的輸出電流、使用檢測出的兩個相的輸出電流iu、iv且根據iw =— iu— iv的關系來求出一個相(例如w相)的輸出電流iw的結構。而且，除了直接檢測各相的電流的方法以外，也可以使用公知的技術，即通過在電源3與功率轉換單元4之間流動的DC鏈接電流來檢測出上述輸出電流的方法。位置檢測單元6使用公知的旋轉變壓器(resolver)或編碼器等來檢測出同步機I的轉子位置Θ。此外，速度運算器7根據檢測到的轉子位置Θ進行微分運算，從而計算出同步機I的旋轉速度(電角頻率)ω。在同步機I為永磁同步機的情況下，所謂的同步機I的轉子位置Θ是指永磁體的N極方向相對于以u相電樞繞組為基準所取的軸的角度，一般將以同步機I的旋轉速度(電角頻率)ω進行旋轉的旋轉二軸坐標(以下用dq軸來表示)中的d軸定為上述永磁體的N極方向，以下也據此進行說明。將q軸定為相對于d軸向前90°的正交方向。在同步機I為繞組勵磁型的情況下也相同，是指電流流過勵磁繞組時產生的勵磁磁通的N極方向相對于以u相電樞繞組為基準所取的軸的角度，將此情況下的d軸定為上述勵磁磁通的N極方向。另外，該實施方式中，將產生電樞交鏈磁通的方向設為Y軸，相對于Y軸前進90°的正交方向設為S軸。磁通運算器8至少根據由電流檢測單元5檢測出的同步機I的輸出電流iu、iv、iw以及通過后述的電壓指令生成器2和坐標轉換器Ila得到的電壓指令(三相的情況下為Vu*> Vv*> Vw*),來推定出電樞交鏈磁通的推定值(以下用推定電樞交鏈磁通來表示),具體而言，推定出推定電樞交鏈磁通的絕對值I Φ I和推定電樞交鏈磁通的相位ZΦ。所謂的推定電樞交鏈磁通的相位Z Φ是指推定電樞交鏈磁通的方向相對于以U相電樞繞組為基準的軸的角度。圖2是圖1所示的磁通運算器8的結構圖的一個示例。在圖2中，坐標轉換器Ilc通過式(I)的運算，根據轉子·位置Θ，將同步機I的輸出電流iu、iv、iw轉換為dq軸上的電流id、iq。(數學式I)
權利要求
1.一種同步機控制裝置，該同步機控制裝置在同步機(I)的產生電樞交鏈磁通的方向即Y軸和與Y軸正交方向即δ軸這二個軸上對所述同步機(I)的電樞電流進行控制，其特征在于，包括 電壓指令生成器(2、2a、2b)，該電壓指令生成器(2、2a、2b)根據所述、軸方向的電流指令即磁化電流指令和所述S軸方向的電流指令即轉矩電流指令來生成電壓指令； 功率轉換單元(4)，該功率轉換單元(4)根據所述電壓指令來轉換電源(3)的電壓，并對所述同步機(I)施加電壓； 電流檢測單元(5)，該電流檢測單元(5)用于檢測所述同步機(I)的電樞電流； 位置檢測單元(6、6a)，該位置檢測單元(6、6a)推定或檢測所述同步機(I)的轉子位置； 速度運算器CO，該速度運算器(7)根據所述轉子位置來運算所述同步機(I)的旋轉速度； 磁通運算器(8、8a、8b、8c、8d),該磁通運算器(8、8a、8b、8c、8d)根據所述電樞電流和所述電壓指令來推定所述同步機(I)的推定電樞交鏈磁通； 磁化電流指令生成器(9)，該磁化電流指令生成器(9)根據電樞交鏈磁通指令和所述推定電樞交鏈磁通的差分來生成所述磁化電流指令；以及 控制指令生成器(10、10a、10b、10c),該控制指令生成器(10、10a、10b、10c)根據轉矩指令、所述旋轉速度和運行目標指令來生成所述電樞交鏈磁通指令和所述轉矩電流指令，所述控制指令生成器(10、10a、10b、10c)包括 第一磁通指令生成器(21、21a)，該第一磁通指令生成器(21、21a)根據所述轉矩指令或所述轉矩電流指令來生成第一磁通指令； 第二磁通指令生成器(22、22a)，該第二磁通指令生成器(22、22a)根據所述轉矩指令或所述轉矩電流指令、以及所述旋轉速度來生成第二磁通指令； 指令分配設定器(23)，該指令分配設定器(23)根據所述運行目標指令來設定與所述第一磁通指令和所述第二磁通指令這兩個磁通指令的分配比相當的分配系數； 磁通指令調節器(24)，該磁通指令調節器(24)根據所述兩個磁通指令和所述分配系數來輸出所述電樞交鏈磁通指令；以及 轉矩電流指令生成器(25)，該轉矩電流指令生成器(25)根據所述轉矩指令和所述電樞交鏈磁通指令來生成所述轉矩電流指令。
2.如權利要求1所述的同步機控制裝置，其特征在于，包括檢測所述電源(3)的電源電壓的電壓檢測單元(12)，所述控制指令生成器(10、10a、10b、10c)包括根據所述旋轉速度和所述電源電壓對所述電樞交鏈磁通指令進行限制的磁通指令限制器(27 )。
3.如權利要求1或2所述的同步機控制裝置，其特征在于，包括檢測所述同步機(I)的溫度的溫度檢測單元(31 )，根據由所述溫度檢測單元(31)檢測出的所述同步機(I)的溫度來生成所述運行目標指令。
4.如權利要求1或2所述的同步機控制裝置，其特征在于，包括檢測所述功率轉換單元(4)的溫度的溫度檢測單元(31a)，根據由所述溫度檢測單元(31a)檢測出的所述功率轉換單元(4)的溫度來生成所述運行目標指令。
5.如權利要求1或2所述的同步機控制裝置，其特征在于，包括根據所述電樞電流和所述電壓指令來推定所述同步機(I)的電阻大小的電阻推定器(32)，根據所述電阻推定器(32 )所推定的所述同步機(I)的電阻推定值來生成所述運行目標指令。
6.如權利要求1或2所述的同步機控制裝置，其特征在于，用永磁同步機構成所述同步機(1)，所述磁通運算器(8、8a、8b、8c、8d)推定所述同步機(I)的永磁體的溫度，根據所述永磁體的推定溫度來生成所述運行目標指令。
7.如權利要求1或2所述的同步機控制裝置，其特征在于，用永磁同步機構成所述同步機(1)，所述磁通運算器(8、8a、8b、8c、8d)推定所述同步機(I)的永磁體的溫度，根據所述永磁體的推定溫度來生成所述運行目標指令， 且根據所述永磁體的推定溫度來限制所述轉矩指令。
8.如權利要求1或2所述的同步機控制裝置，其特征在于，根據所述旋轉速度和所述推定電樞交鏈磁通來運算出對于所述轉矩指令的轉矩指令補償量，在所述轉矩指令上加減所述轉矩指令補償量。
全文摘要
本發明的同步機控制裝置包括控制指令生成器。根據轉矩指令、旋轉速度和運行目標指令生成電樞交鏈磁通指令和轉矩電流指令的控制指令生成器包括根據轉矩指令或轉矩電流指令生成第一磁通指令的第一磁通指令生成器；根據轉矩指令或轉矩電流指令和同步機的旋轉速度生成第二磁通指令的第二磁通指令生成器；指令分配設定器，該指令分配設定器根據運行目標指令設定與第一和第二磁通指令這兩個磁通指令的分配比相當的分配系數；磁通指令調節器，該磁通指令調節器根據兩個磁通指令和分配系數輸出電樞交鏈磁通指令；及轉矩電流指令生成器，該轉矩電流指令生成器根據轉矩指令和電樞交鏈磁通指令生成轉矩電流指令。
文檔編號H02P21/00GK103051269SQ20121032028
公開日2013年4月17日 申請日期2012年8月31日 優先權日2011年10月11日
發明者小林貴彥, 安西清治, 和田典之, 松浦大樹 申請人:三菱電機株式會社