同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及同步電動機驅(qū)動系統(tǒng),尤其涉及能夠在低速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高性能的控制特性的同步電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]用于家電、工業(yè)設(shè)備、汽車等的電動機驅(qū)動系統(tǒng)中,廣泛采用了小型、高效率的永磁動機(同步電動機)。不過,為了驅(qū)動永磁動機(以下簡稱PM電動機),需要使用PM電動機的轉(zhuǎn)子位置的信息,需要用于獲得該信息的位置傳感器。近年來,去除了該位置傳感器進行PM電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制的“無傳感器控制”得到廣泛普及。
[0003]通過無傳感器控制的實用化,能夠削減位置傳感器所需的費用(傳感器自身的成本、傳感器的配線所需的成本等)。此外,由于不需要傳感器,能夠相應(yīng)地實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化以及在惡劣環(huán)境中使用的可能性。
[0004]當前,PM電動機的無傳感器控制,采用直接檢測因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓(速度電動勢),將其作為轉(zhuǎn)子的位置信息來進行PM電動機的驅(qū)動的方式,或根據(jù)對象電動機的數(shù)學模型來推定運算轉(zhuǎn)子位置的位置推定技術(shù)等。
[0005]這些無傳感器控制方式中較為嚴重的問題在于包括停止狀態(tài)(零速)在內(nèi)的低速運轉(zhuǎn)時的位置檢測精度。當前已實用化的大部分無傳感器控制是基于PM電動機產(chǎn)生的速度電動勢而實現(xiàn)的,所以在感應(yīng)電壓較小的停止或低速區(qū)域中靈敏度降低,位置信息被噪聲淹沒。
[0006]作為解決該問題的現(xiàn)有方式可舉專利文獻I為例。專利文獻I是以對PM電動機進行120度通電控制為前提的停止或低速區(qū)域的無位置傳感器控制方式,基于開路相中產(chǎn)生的電動勢的變化來切換通電相。該電動勢的變化是隨PM電動機內(nèi)部的磁路變化而發(fā)生的電動勢的變化,與現(xiàn)有的利用由旋轉(zhuǎn)速度引起的速度電動勢的方式基于不同的原理。因此,在停止或低速區(qū)域也能夠?qū)崿F(xiàn)無傳感器控制。
[0007]此外,作為切換通電相時對相位進行修正的現(xiàn)有例,可舉專利文獻2。專利文獻2采用了現(xiàn)有的利用由旋轉(zhuǎn)速度引起的速度電動勢的120度通電驅(qū)動方式的逆變器,在基于開路相中產(chǎn)生的速度電動勢而切換通電相時,為了抑制相位的滯后,計算因通電切換而產(chǎn)生的回流電流的時間,進行設(shè)定以使得該回流電流時間成為與規(guī)定轉(zhuǎn)速(高速區(qū)域)對應(yīng)的值而實現(xiàn)控制的穩(wěn)定化。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本特開2009-189176號公報
[0011]專利文獻2:日本特開2005-204383號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012]發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0013]不過,例如專利文獻I的發(fā)明能夠在PM電動機的停止或低速區(qū)域中獲得良好的控制性能。但是在負載轉(zhuǎn)矩大的用途或者使用電感大的電動機的情況下,轉(zhuǎn)矩電流對磁通(q軸磁通)的影響變大,所以開路相電動勢的閾值發(fā)生誤差,電壓相位超前,功率因數(shù)降低。其結(jié)果,不能夠高轉(zhuǎn)矩、高性能地控制PM電動機。
[0014]此外,專利文獻2的發(fā)明中,通過在切換通電相時考慮回流電流的通電時間,雖然能夠抑制與運轉(zhuǎn)速度相應(yīng)的相位滯后,但僅能夠在30度的范圍中控制。并且,在感應(yīng)電壓小的低速區(qū)域中靈敏度降低,位置信息被噪聲淹沒,所以轉(zhuǎn)矩特性劣化。
[0015]本發(fā)明鑒于這些問題,提供一種在低速區(qū)域也能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的控制特性的PM電動機的驅(qū)動系統(tǒng)。
[0016]解決問題的技術(shù)手段
[0017]本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題,采用了下述技術(shù)方案。
[0018]本發(fā)明的同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)包括:依次切換多個開關(guān)元件而產(chǎn)生交流電壓并將其供給到同步電動機的電力轉(zhuǎn)換器;檢測或推定上述同步電動機的負載轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩檢測部;在將上述電力轉(zhuǎn)換器的通電的2個相的脈沖輸出供給到上述同步電動機的三相繞組中的2個相時,檢測未被供給的相的開路電壓的檢測器;和根據(jù)檢測出的開路電壓而按照規(guī)定的通電模式依次切換上述通電的2個相的控制器,其中,該控制器根據(jù)上述同步電動機的檢測或推定出的負載轉(zhuǎn)矩而使切換上述2個相的時刻延遲。
[0019]發(fā)明效果
[0020]本發(fā)明由于具有上述結(jié)構(gòu),所以可提供一種在低速區(qū)域也能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的控制特性的PM電動機的驅(qū)動系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0021]圖1是說明第一實施方式的同步電動機的驅(qū)動系統(tǒng)的圖。
[0022]圖2是說明通電模式的圖。
[0023]圖3是表示在使轉(zhuǎn)子位置變化的情況下非通電相中出現(xiàn)的電動勢的圖。
[0024]圖4是說明與轉(zhuǎn)子相位角0d相應(yīng)地切換通電的2個相的圖。
[0025]圖5是表示通電模式與非通電相以及非通電相的電動勢的關(guān)系的圖。
[0026]圖6是說明用于生成與同步電動機的非通電相電動勢進行比較的基準電壓(閾值)的基準電平切換器9的圖。
[0027]圖7是現(xiàn)有技術(shù)的同步電動機的矢量圖。
[0028]圖8是說明同步電動機的驅(qū)動系統(tǒng)的相位補償?shù)膱D。
[0029]圖9是表示同步電動機中流動的電流波形的測定結(jié)果的圖。
[0030]圖10是說明第二實施方式的圖。
[0031]圖11是說明第三實施方式的圖。
[0032]圖12是說明第四實施方式的圖。
【具體實施方式】
[0033]以下參考【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。
[0034]圖1是說明實施方式I的同步電動機的驅(qū)動系統(tǒng)的圖。
[0035]如圖1所示,本實施方式的同步電動機的驅(qū)動系統(tǒng)包括作為控制對象的PM電動機4,生成對PM電動機4施加的施加電壓指令V*的V*發(fā)生器1,與PM電動機4連接且由多個開關(guān)元件構(gòu)成的電力轉(zhuǎn)換器(逆變器)3,和對該逆變器3輸出電壓指令來控制PM電動機4的控制器2??刂破?在PM電動機4的三相繞組中選擇兩相施加正或負脈沖電壓。此外,還包括基于施加正或負脈沖時的開路相電動勢推定相位(轉(zhuǎn)子的磁極位置)和速度的單元(模式切換觸發(fā)信號發(fā)生器8)。
[0036]此外,逆變器3包括對逆變器供給電力的直流電源31,具有6個開關(guān)元件Sup?Swn的逆變器主電路部32,和直接驅(qū)動逆變器主電路3的輸出前置驅(qū)動器(outputpre-driver,輸出預(yù)驅(qū)動器)33。
[0037]V*發(fā)生器I用于生成對PM電動機4施加的施加電壓指令V*??刂破?通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)來對PM電動機4施加與指令V*相應(yīng)的電壓。
[0038]即,控制器2基于V*發(fā)生器I的輸出,在PWM發(fā)生器5中生成脈沖寬度調(diào)制后的120度通電波形。在通電模式?jīng)Q定器6中,依次輸出表示逆變器主電路部進行的6種開關(guān)模式中的I種的模式指令。
[0039]柵極(控制極)信號切換器7基于模式指令決定逆變器主電路部的各開關(guān)元件按怎樣的動作進行開關(guān),最終對逆變器3依次輸出6個柵極脈沖信號。
[0040]此外,通電模式?jīng)Q定器6根據(jù)模式切換觸發(fā)信號發(fā)生器8生成的信號逐個切換通電模式。
[0041]模式切換觸發(fā)信號發(fā)生器8包括基準電平切換器9用于生成作為PM電動機4的非通電相中的電動勢的比較基準的閾值,基于模式指令從PM電動機4的三相端子電壓中選擇非通電相的非通電相電位選擇器10,和對非通電相電位選擇器10的輸出與上述閾值進行比較來生成模式切換觸發(fā)信號的比較器11。
[0042]這樣,在120度通電方式的逆變器3中,從PM電動機的三相繞組中選擇2個相施加電壓,使其發(fā)生轉(zhuǎn)矩。此時,2個相的組合存在6種,將它們分別定義為通電模式I?6。
[0043]圖2是說明通電模式的圖,圖2(a)表示了從V相向W相通電的模式3,圖2 (b)表示了相反地從W相向V相通電的狀態(tài)。
[0044]圖3是表示使轉(zhuǎn)子位置的角度變化一個周期的電角度的情況下,非通電相中出現(xiàn)的電動勢的圖。參考這些圖,可知U相的電動勢隨轉(zhuǎn)子位置而變化。
[0045]此處,上述電動勢不是速度電動勢,而是V相和W相的與電樞繞組交鏈的磁通的變化率的差異在U相中被觀測到的結(jié)果。因此,即使在停止或低速區(qū)域,也能夠觀測到與轉(zhuǎn)子位置相應(yīng)的電動勢。此外,圖2(a)、(b)所示的電壓脈沖,是在120度通電方式的逆變器中在通常動作時施加的。圖4表示U?W相的電動勢Etju?E ?、逆變器2的柵極信號Gup?Gm、PM電動機的轉(zhuǎn)子相位角Θ d和通電模式。如圖所不,與轉(zhuǎn)子相位角Θ d相應(yīng)地,每60度切換通電的2個相。
[0046]此外,圖4中的模式3和模式6分別等價于圖2(a)、(b)的狀態(tài)。若對照著圖3 —并記載此時的U相的電動勢,則成為如Etju上的粗箭頭所示。S卩,觀測到模式3中向負方向減小,模式6中向正方向增大的電動勢。
[0047]圖5是表示通電模式與非通電相以及非通電相的電動勢的關(guān)系的圖??芍看瓮娔J角袚Q時,電動勢的正、負切換,分別反復上升、減小。于是,在正側(cè)、負側(cè)分別設(shè)定基準電壓(Vhp、Vhn),能夠根據(jù)±述基準電壓與±述電動勢的大小關(guān)系,生成模式切換的觸發(fā)信號。
[0048]圖6是表示用于生成與同步電動機的非通電相電動勢進行比較的基準電壓(閾值)的基準電平切換器9的結(jié)構(gòu)的圖。
[0049]基準電平切換器9包括正側(cè)基準電壓設(shè)定器111、負側(cè)基準電壓設(shè)定器112和切換開關(guān)113。在模式指令為1、3、5的情況下,將切換開關(guān)設(shè)為I側(cè)來將閾值設(shè)定為Vhp,在模式指令是2、4、6的情況下將切換開關(guān)設(shè)為2側(cè)來將閾值設(shè)定為Vto。
[0050]比較器11中,對該閾值與非通電相的電動勢的大小進行比較,生成模式切換的觸發(fā)信號。
[0051]通過本實施方式,可以按照轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)位置相應(yīng)地得到合適的電動機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。此處,非通電相的感應(yīng)電壓不是如專利文獻2所示的速度電動勢引起的,而是變壓器電動勢,所以在極低速狀態(tài)下也能夠高靈敏度地進行檢測。
[0052]圖7是現(xiàn)有技術(shù)的同步電動機的矢量圖。
[0053]圖7中,(a)是低轉(zhuǎn)矩時,(b)是高轉(zhuǎn)矩時的矢量圖。
[0054]在圖7 (a)所示的低轉(zhuǎn)矩時,PM電動機的主磁通Φ I與永磁體的磁通Oni的相位沒有較大偏差,所以用現(xiàn)有技術(shù)的方式也能夠穩(wěn)定地驅(qū)動PM電動機。
[0055]但是,在圖7(b)所示的高轉(zhuǎn)矩時,PM電動機的主磁通Φ I相對于Φπ相位有較大偏差。因此若基于主磁通Φ I切換模式,則電流成為超前相位,功率因數(shù)惡化,PM電動機的轉(zhuǎn)矩降低,控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0056]因此,為了改善電動機的功率因數(shù)而實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩化,需要根據(jù)轉(zhuǎn)矩而相應(yīng)地使切換通電的2個相的時刻(時機)延遲的處理。由此,在低速區(qū)域能夠高轉(zhuǎn)矩、高性能地控制PM電動機。
[0057]此處,本實施方式的要點在于,在低速區(qū)域中,在通過120度通電方式驅(qū)動同步電動機時,即在基于施加脈沖時產(chǎn)生的開路相的電動勢來切換通電的2個相時,根據(jù)PM電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩或者相當于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)量而相應(yīng)地使上述切換時刻變化,驅(qū)動同步電動機。
[0058]圖8是說明同步電動機的