同步電動機(jī)的電流控制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種同步電動機(jī)的電流控制裝置，其特征在于，具備：臨時d相電流指令計算部(16)；計算前次采樣周期中的電壓指令矢量的大小的電壓振幅計算部(12)；求出電壓指令矢量的大小和放大器的最大輸出電壓的電壓比的電壓比計算部(14)；取得前次采樣周期中的d相電流指令，根據(jù)電壓比和d相電流指令計算目標(biāo)d相電流指令的目標(biāo)d相電流計算部(15)；通過低通濾波器求出臨時d相電流指令和目標(biāo)d相電流指令的差值、即修正值的修正值計算部(17)；將修正值與此次采樣周期中的d相電流指令相加，計算新的d相電流指令的加法器(18)。
【專利說明】同步電動機(jī)的電流控制裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及同步電動機(jī)的電流控制裝置，尤其涉及通過修正電流指令來進(jìn)行最佳 的弱勵磁的同步電動機(jī)的電流控制裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 通過電流放大器（以下簡稱為"放大器"）驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)（以下簡稱為 "電動機(jī)"），由于該放大器的制約，限制了電流以及電壓的最大值。由于該電流和電壓的限 制，為了獲得最大輸出，需要進(jìn)行最佳的電流矢量控制。
[0003] 在基于正交的dq坐標(biāo)系來進(jìn)行電動機(jī)控制的電流矢量控制中，在電動機(jī)起電壓 (電動勢）超過放大器的最大電壓的高速區(qū)域中驅(qū)動電動機(jī)的情況下，為使電動機(jī)端子電 壓為放大器的最大電壓以下，流過作為無效電流的d相電流。這樣，在電流控制（包含電流 指令生成）中流過d相電流來進(jìn)行弱勵磁，由此可以抑制伴隨速度上升的電動機(jī)端子電壓 的增加，擴(kuò)大穩(wěn)定的輸出運轉(zhuǎn)范圍。但是，如果無法適當(dāng)?shù)乜刂芼相電流，則由于d相電流 增加導(dǎo)致的電動機(jī)發(fā)熱，或由于d相電流的不足導(dǎo)致的電壓飽和、即電動機(jī)端子間電壓受 至IJ放大器可輸出的最大電壓限制，有時電流控制變得不穩(wěn)定。
[0004]為了防止此情況，提出了根據(jù)電動機(jī)的負(fù)荷（實際上是轉(zhuǎn)矩指令）來恰當(dāng)?shù)亓鬟^d 相電流的方法（例如，日本專利公開公報JP-A-2003-052199,以下稱為"專利文獻(xiàn)1"）。具 體來說，計算無負(fù)荷時的最佳d相電流（短路電流）和最大負(fù)荷時的最佳d相電流，使用其 計算與負(fù)荷對應(yīng)的q相和d相的電流指令（參照專利文獻(xiàn)1的式（16)以及式（17))。在 這種情況下，無負(fù)荷和最大負(fù)荷之間通過1次線性近似來求出，因此，有時流過過剩的d相 電流。因此，在該現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)一步使用作為電流控制的輸出的電壓指令，調(diào)整成為開始流 過d相電流的基準(zhǔn)的速度（基礎(chǔ)速度），由此改善d相電流過剩的狀態(tài)，抑制電動機(jī)的發(fā)熱 (參照專利文獻(xiàn)1的圖3)。
[0005] 但是，在該現(xiàn)有技術(shù)中，在由磁鐵的主磁通和電感的比所決定的短路電流比放大 器的最大電流小的電動機(jī)中，在電動機(jī)的高速動作時僅考慮電壓限制來進(jìn)行最大輸出控制 的情況下，存在無法正確流過為了進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩/磁通控制所需的d相電流的問題。在此， 所謂"最大轉(zhuǎn)矩/磁通控制"，是在具有磁鐵的同步電動機(jī)中控制q相電流和d相電流的相 位差，以使流過必要的轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電樞電流時與電動機(jī)端子電壓相當(dāng)?shù)目偞磐ㄟ_(dá)到最小 的方法。
[0006] 另一方面，為了避免電壓飽和導(dǎo)致的電流控制的不穩(wěn)定化，提出了根據(jù)對電壓指 令與基準(zhǔn)值的偏差進(jìn)行比例積分所得的結(jié)果，修正q相電流指令的方法（例如，日本公開專 利公報2000-341990)。但是，在該現(xiàn)有技術(shù)中，盡管電壓飽和時的穩(wěn)定性得到了改善，但未 考慮到流過與電動機(jī)速度對應(yīng)的最佳d相電流以及q相電流，因此，未進(jìn)行最佳的電流控 制。
[0007] 另外，提出了使用轉(zhuǎn)矩指令，根據(jù)某簡單的數(shù)學(xué)式求出d相電流指令，并用其修正 q相電流指令的方法（例如，日本專利公報第4045307號公報）。由此可以流過最佳電流， 可以實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩控制。但是，在該現(xiàn)有技術(shù)中未考慮電壓飽和，因此具有無法在高速區(qū)域 中進(jìn)行最佳電流控制的問題。另外，在簡單的數(shù)學(xué)式中需要電動機(jī)的常數(shù)的準(zhǔn)確值，因此， 在伴隨常數(shù)變化的穩(wěn)定性方面存在問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[000S]本發(fā)明為了恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行電流控制中的高速區(qū)域（電壓保護(hù)區(qū)域）的弱勵磁（weak field)，提供一種使用電流控制的輸出、即電壓指令來修正d相電流指令的同步電動機(jī)的電 流控制裝置。
[0009]本發(fā)明的一個實施例的同步電動機(jī)的電流控制裝置，基于正交的dq坐標(biāo)系，以預(yù) 定的采樣周期生成電流指令，其中，具備：臨時d相電流指令計算部，其根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令、無負(fù) 荷時電流以及最大負(fù)荷時電流，計算臨時的d相電流指令；電壓振幅計算部，其取得此次采 樣周期的1周期前的前次采樣周期中的電流控制的輸出、即電壓指令矢量并計算其大?。?電壓比計算部，其求出電壓指令矢量的大小與放大器的最大輸出電壓的電壓比；目標(biāo)d相 電流計算部，其取得前次采樣周期中的d相電流指令，根據(jù)電壓比和d相電流指令計算目標(biāo) d相電流指令；修正值計算部，其求出使此次采樣周期中的臨時的d相電流指令與目標(biāo)d相 電流指令的差值通過低通濾波器而得的修正值；以及加法器，其將修正值與所述此次采樣 周期中的d相電流指令相加，計算新的d相電流指令。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 通過參照以下的附圖，可以更清楚地理解本發(fā)明。
[0011]圖1是本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖2是構(gòu)成本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置的電流指令生成器的結(jié) 構(gòu)圖。
[0013] 圖3是表示通過本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置計算d相電流以及 q相電流的步驟的流程圖。
[0014] 圖4是表不無負(fù)荷時以及最大負(fù)荷時的電流和電動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系的圖。
[0015] 圖5A是表示在電壓矢量VKVref的情況下計算目標(biāo)電流的步驟的圖。
[0016] 圖5B是表示在電壓矢量VDVref的情況下計算目標(biāo)電流的步驟的圖。
[0017] 圖6是本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)中使用的濾波器的結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖7A是表示在改變時間常數(shù)的情況下的加減速時的電流指令和電流反饋的時間 變化的曲線圖。
[0019] 圖7B是表示在以時間常數(shù)2msec修正了電流指令的情況下的加減速時的電流指 令和電流反饋的時間變化的曲線圖。
[0020] 圖7C是表示在以時間常數(shù)4msec修正了電流指令的情況下的加減速時的電流指 令和電流反饋的時間變化的曲線圖。
[0021] 圖8A是表示在電壓不足的情況下，修正電流指令之前的電流指令和電流反饋的 背離的情形的圖。
[0022] 圖8B是表示在電壓不足的情況下，修正電流指令之后的電流指令和電流反饋的 背離的情形的圖。
[0023]圖9A是表示在電壓中有富余的情況下，修正電流指令之前的電壓指令的特性的 圖。
[0024]圖9B是表示在電壓中有富余的情況下，修正電流指令之后的電壓指令的特性的 圖。
[0025] 圖10是構(gòu)成本發(fā)明實施例2的同步電動機(jī)的電流控制裝置的電流指令生成器的 結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖11是表示通過本發(fā)明實施例2的同步電動機(jī)的電流控制裝置限制d相電流以 及q相電流的步驟的流程圖。

【具體實施方式】
[0027] 以下，參照附圖來說明本發(fā)明的同步電動機(jī)的電流控制裝置。但是，應(yīng)該注意本 發(fā)明的技術(shù)范圍不限于這些實施方式，而涉及請求專利保護(hù)的范圍中記載的發(fā)明及其等價 物。
[0028][實施例1]
[0029] 圖1中表示本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的同步 電動機(jī)的電流控制裝置具有電流指令生成器1、速度控制器2、d相電流控制器3、q相電流 控制器4、dq/3相變換器5、功率放大器6、3相/dq變換部7和累計計數(shù)器8。本發(fā)明的特 征在于電流指令生成器1，但首先對同步電動機(jī)的電流控制裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。
[0030] 速度控制器2從速度指令中減去來自檢測同步電動機(jī)Μ的旋轉(zhuǎn)速度以及旋轉(zhuǎn)位 置的傳感器S的檢測速度com，求出速度偏差，并根據(jù)速度偏差進(jìn)行比例積分等速度環(huán)路處 理，計算轉(zhuǎn)矩指令TCMD。
[0031] 電流指令生成器1根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令TCMD、檢測速度ωιη、(1相電壓指令值VDCMD、q相 電壓指令值VQCMD、前次（1次嘗試前）的d相電流指令值IDCMD。，求出此次的d相電流指 令值IDCMD以及q相電流指令值IQCMD。
[0032] d相電流控制器3以及q相電流控制器4分別從d相電流指令值IDCMD以及q相 電流指令值IQCMD中減去反饋來的d相電流Id以及q相電流Iq，求出電流偏差，并根據(jù)電 流偏差進(jìn)行比例積分等電流環(huán)路處理，分別計算出d相電壓指令值VDCMD、q相電壓指令值 VQCMD。
[0033] dq/3相變換部5通過將d相電壓指令值VDCMD以及q相電壓指令值VQCMD從dq 相變換為3相，變換為U、V、W相的3相的電壓指令Vu、Vv、Vw，經(jīng)由功率放大器6驅(qū)動控制 同步電動機(jī)M。
[0034] 電流檢測器9u、9v檢測在同步電動機(jī)Μ中流過的3相電流內(nèi)的2相的電流（圖示 的例子中為U相、V相的電流Iu、Ιν)。
[0035] 3相/dq變換部7通過從3相變換為dq相，從3相電流的2相電流Iu、I V計算出 d相電流Id、q相電流Iq并反饋。
[0036] 累計計數(shù)器8根據(jù)通過觀測同步電動機(jī)Μ的位置/速度的傳感器S檢測出的信 號，檢測同步電動機(jī)Μ的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置。通過累計計數(shù)器8檢測轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置，并輸出到 dq/3相變換部5、3相/dq相變換部7。
[0037] 在上述的同步電動機(jī)的電流控制裝置中，本發(fā)明在電流指令生成器1中具有特 征，其它要素與現(xiàn)有的通過dq變換進(jìn)行控制的同步電動機(jī)的電流控制裝置相同。
[0038]接著，對構(gòu)成本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置的電流指令生成器進(jìn) 行說明。圖2是構(gòu)成同步電動機(jī)的電流控制裝置的電流指令生成器丨的結(jié)構(gòu)圖。實施例1 的電流指令生成器1具有：臨時d相電流指令計算部16、電壓振幅計算部12、電壓比計算部 14、目標(biāo)d相電流計算部15、修正值計算部17和加法器18。
[0039] 臨時d相電流指令計算部16根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令TCMD、由無負(fù)荷時/最大負(fù)荷時電流計 算部11計算出的無負(fù)荷時d相電流IDMIN、最大負(fù)荷時d相電流IDMAX，計算臨時的d相電 流指令值IDtmp。
[0040] 電壓振幅計算部12取得前次采樣周期中的電流控制的輸出、即電壓指令矢量，計 算其大小Vamp。電壓振幅計算部12可以利用作為低通濾波器的濾波器13去除所取得的電 壓指令矢量的聞頻成分。
[0041] 電壓比計算部14求出電壓指令矢量的大小Vamp和放大器的最大輸出電壓Vref 的電壓比K。
[0042] 目標(biāo)d相電流計算部15取得前次采樣周期中的d相電流指令值IDCMD。，根據(jù)電壓 比K和d相電流指令值IDCMD。計算目標(biāo)d相電流指令值IDt。
[0043] 修正值計算部17具備減法器17a和作為低通濾波器的濾波器17b，減法器17a 計算此次采樣周期中的臨時的d相電流指令值IDtmp和目標(biāo)d相電流指令值IDt的差值 Δ ID ( = IDt-IDtmp)，求出使差值Δ ID通過濾波器17b所得的修正值filter (IDt-IDtmp)。
[0044] 加法器18將修正值filter (IDt-IDtmp)與此次采樣周期中的d相電流指令值 IDtmp相加，計算新的d相電流指令值IDCMD。
[0045] 接著，說明本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置的動作步驟。圖3是表 示通過本發(fā)明實施例1的同步電動機(jī)的電流控制裝置計算d相電流以及q相電流的步驟的 流程圖。
[0046] 首先，在步驟S101中計算同步電動機(jī)的無負(fù)荷時d相電流IDMIN、最大負(fù)荷時d相 電流IDMAX以及最大負(fù)荷時q相電流IQMAX。圖4的曲線圖表示各電流值的計算例。具體 計算方法如下。首先，在電動機(jī)的驅(qū)動所需的電壓較小的低速旋轉(zhuǎn)區(qū)域（0<ω<ω1)中，將 最大負(fù)荷時d相電流IDMAX以及最大負(fù)荷時q相電流IQMA)(分別設(shè)為IDMAX = 0, IQMAX = IMAX。在該狀態(tài)下使轉(zhuǎn)速ω增加時，在某轉(zhuǎn)速ω?下指令電壓達(dá)到同步電動機(jī)的電流控制 裝置的最大輸出電壓VMAX。在該狀態(tài)下，若使轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，則輸出電壓不足。因此，將 該轉(zhuǎn)速ω 1設(shè)為最大負(fù)荷時的d相電流指令開始轉(zhuǎn)速，在電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到該轉(zhuǎn)速以上的 情況下，通過以下的式（1)、（2)分別計算與轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大負(fù)荷時d相電流IDMAX以及最 大負(fù)荷時q相電流IQMAX，d、q相合成電壓值以VMAX恒定，d、q相合成電流值以IMAX恒定。
[0047] IDMAX = 0. 5 · (Φ/L) · [(ΙΜΧΛΦ/?)2+1] · [(ω?/ω)2 - 1] · · ·⑴
[0048] IgMAX=^f(IMA)# -IDMAX2 | ···· ·............ .-.,(2)
[0049] 其中，ω是電動機(jī)的電氣角速度，φ是主磁通，L是d軸方向以及q軸方向的各電 感（Ld = Lq 二 L)。
[0050] 接著，在步驟S102中，臨時d相電流指令計算部16根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令TCMD、無負(fù)荷時/ 最大負(fù)荷時電流計算部11計算出的無負(fù)荷時d相電流IDMIN、最大負(fù)荷時d相電流IDMAX， 計算臨時的d相電流指令值IDtmp。計算式如以下的式（3)。
[0051] IDtmp = IDMIN+(IDMAX-IDMIN) · TCMD........(3)
[0052]接著，在步驟^03中，電壓振幅計算部12計算作為前次電流控制的輸出的電壓指 令矢量的大小Vamp。計算式如以下的式（4)。
[0053]

【權(quán)利要求】
1. 一種同步電動機(jī)的電流控制裝置，其基于正交的dq坐標(biāo)系，以預(yù)定的采樣周期生成 電流指令，其特征在于， 具備： 臨時d相電流指令計算部（16)，其根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令、無負(fù)荷時電流以及最大負(fù)荷時電流， 計算臨時的d相電流指令； 電壓振幅計算部（12)，其取得此次采樣周期的1周期前的前次采樣周期中的電流控制 的輸出、即電壓指令矢量并計算其大?。? 電壓比計算部（14)，其求出所述電壓指令矢量的大小與放大器的最大輸出電壓的電壓 比； 目標(biāo)d相電流計算部（15)，其取得前次采樣周期中的d相電流指令，根據(jù)所述電壓比和 所述d相電流指令計算目標(biāo)d相電流指令； 修正值計算部（17)，其求出使此次采樣周期中的臨時的d相電流指令與所述目標(biāo)d相 電流指令的差值通過低通濾波器而得的修正值；以及 加法器（18)，其將所述修正值與所述此次采樣周期中的d相電流指令相加，計算新的d 相電流指令。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步電動機(jī)的電流控制裝置，其特征在于， 還具備計算d相電流指令限制值以及q相電流指令限制值的電流指令限制值計算部 (20)， 通過
'（（設(shè)定最大電流）2_(所述q相電流指令限制值） 2)來限制所述新的d相電流 指令的最大值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同步電動機(jī)的電流控制裝置，其特征在于， 所述電壓振幅計算部（12)利用低通濾波器去除所取得的電壓指令矢量的高頻成分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的同步電動機(jī)的電流控制裝置，其特征在于， 所述目標(biāo)d相電流指令計算部（15)根據(jù)以下的式子計算目標(biāo)d相電流指令： (目標(biāo)d相電流指令）=(電壓比）X(前次的d相電流指令）+ (電壓比-1)X(短路 電流）。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的同步電動機(jī)的電流控制裝置，其特征在于， 在同步電動機(jī)既不滿足達(dá)到無負(fù)荷時的基礎(chǔ)速度以上的第1條件、也不滿足達(dá)到最大 負(fù)荷時的基礎(chǔ)速度以上并且超過預(yù)定的電壓指令矢量的大小的第2條件的情況下，將所述 修正值設(shè)為零。
【文檔編號】H02P21/00GK104300860SQ201410342331
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】高橋謙治 申請人:發(fā)那科株式會社