同步电动机中的磁极位置的估算方法技术

在一种同步电动机中的磁极位置的估算方法中，向电动机施加交流电压，该交流电压在表示两相交流系的αβ坐标系中具有α和β轴分量，并且从电动机中检测交流电流的α和β轴分量。随时间变化的交流电流的波高近似于不随时间变化的波高，从而波高关于时间的微分值基本上被设置为０。通过交流电压的分量和交流电流的分量来计算电动机的感应电压。通过感应电压来估算磁极位置。

【技术实现步骤摘要】
同步电动机中的磁极位置的估算方法与相关申请的交叉参考本申请是基于2005年9月27日提交的在先的日本专利申请2005-280410并要求其优先权，因此在这里并入其中的内容作为参考。专利
本专利技术涉及同步电动机中转子的位置(例如，磁极位置)的估算方法，其中永磁铁用于转子。
技术介绍
在如表面永磁同步电动机(SPMSM)或内部永磁同步电动机(IPMSM)的同步电动机中，永磁铁用于转子，将由永磁铁形成的S和N磁极交替地设置在转子的轴周围。在电动机的操作过程中，将交流电压施加到定子的绕组上，由所施加的电压产生的交流电流流过绕组。与转子的位置(例如，磁极位置)同步控制电压的相位。因此，需要用以检测转子的磁极位置的位置检测器。使用霍尔元件、编码器或分解器作为这样的检测器。然而，难以缩小具有位置检测器的电动机的尺寸，并且需要通过连接线将检测器与用于控制电动机的控制器连接。因此，为了在不使用任何位置检测器的情况下控制同步电动机，近来通过使用电动机的感应电压来估算电动机中的转子的磁极位置。在电动机的操作过程中，电动机本身感应依据磁极位置而变化的电压。因此，可以通过感应电压来估算磁极位置。例如，已公开的日本专利首次公报第2001-251889号公开了一种电动机模型，近似一个具-->有d轴和q轴的dq旋转坐标系，以根据感应电压来估算磁极位置。将d轴设置为由转子的S磁极指向N磁极。将q轴设置为在与转子的旋转轴垂直的平面上与d轴正交。将坐标系的原点设置在旋转轴上。在基于该电动机模型的估算中，同步电动机中的估算磁极位置与实际磁极位置(即，d轴)的轴偏移Δθ通过所检测到的直流电流沿d轴的分量Idc(以下称为d轴分量)、所检测到的直流电流沿q-轴的分量Iqc(以下称为q轴分量)、施加到电动机的电压的d轴分量V*d、所施加的电压的q轴分量V*q以及转子的指示转速ω*r来计算。转子的估算磁极位置通过偏移Δθ来计算。然而，在实际的电动机中，将三相的交流电压施加到电动机的定子绕组上，并且检测到三相的交流电流流过定子的绕组。为了获得在dq旋转坐标系上表示的直流电流分量Idc和Iqc，要求根据估算的磁极位置将实际检测到的交流电流的三维坐标系转换为二维旋转坐标系。在这种情况下，分量Idc和Iqc包含源于位置估算中的位置误差的误差。由于根据包含误差的分量Idc和Iqc来估算下一磁极位置，所以不可避免地降低估算的精确度。结果，当根据估算的位置来控制电动机时，不能稳定地操作电动机。为了解决该问题，在日本电子工程师学会(IEEJ)，第1026号，1999年国家会议的论文“An Extended E.m.f Observer for Salient-PoleBrushless DC Motor’s Sensorless Control”中公开了基于电动机模型使用扩张感应电压来直接估算磁极位置。在该论文中，根据在表示两相交流坐标系的αβ固定坐标系上定义的模型构成磁场观测器。由沿αβ坐标系的α轴和β轴具有两个分量的矢量来表示施加到同步电动机上的交流电压和从电动机检测到的交流电流中的每一个。当将所施加的交流电压的α和β轴分量和检测到的交流电流的α和β轴分量提供给观测器时，可以直接估算磁极位置。将该位置表示为αβ坐标-->系中α轴与连接原点和转子的磁极的直线之间的夹角。在该论文中，可以通过使用在两相交流坐标系上定义的交流电压和交流电流的电动机模型来提高磁极位置估算的精度。然而，由于模型包括微分项以详细计算感应电压，大大地增加了估算的计算量。
技术实现思路
考虑到常规的磁极位置估算的缺点，本专利技术的目的是提供一种准确地估算转子在同步电动机中的磁极位置同时减少估算所需的计算量而又不会大大降低估算精度的方法。根据本专利技术的一个方案，通过提供一种同步电动机的磁极位置的估算方法来实现该目的，该方法包括步骤：(1)将交流电压施加到所述电动机，并且从所述电动机检测交流电流，通过所施加的交流电压在两相交流坐标系中的分量和检测到的交流电流在两相交流坐标系中的分量，计算电动机的感应电压；以及(2)通过感应电压估算转子的磁极位置。将交流电流的波高关于时间的微分值基本上设为0。虽然交流电流的波高随着时间轻微地变化，但是该波高近似于基本上不取决于时间的波高或者被其替代。在这种情况下，可以除去通过所施加的交流电压和检测到的交流电流的感应电压计算中的微分项。因此，大大地减少估算所需的计算量，并且基本上没有降低估算的精度。与在dq旋转坐标系上构成的感应电压模型比较，可以提高估算的精度。附图简述图1是执行本专利技术第一实施例的方法的用于同步电动机的控制单元的方框图；图2是示出根据第一实施例的磁极位置的估算方法过程的流程图；-->图3示出检测到的具有恒定波高的交流电流的波形和磁极位置的波形；图4是示出根据本专利技术第二实施例的磁极位置的估算方法过程的流程图；图5是执行图4所示方法的控制单元的位置和速度估算单元的方框图；图6是根据第二实施例的修改例的控制单元的位置和速度估算单元的方框图；图7A示出根据本专利技术第三实施例的在αβ坐标系中的具有噪声的扩张感应电压的波形；图7B示出根据第三实施例的在dq坐标系中的具有噪声的扩张感应电压的波形；图7C示出dq坐标系中的滤波的扩张感应电压的波形；图7D示出αβ坐标系中的滤波的扩张感应电压的波形；图8是示出根据第三实施例的磁极位置的估算方法过程的流程图；图9是示出根据第四实施例的磁极位置的估算方法过程的流程图；图10是执行图9所示方法的位置和速度估算单元的方框图；图11示出估算位置的电压矢量和位置矢量之间的位置关系；图12是示出根据第五实施例的磁极位置的估算方法过程的流程图；图13是执行图12所示方法的位置和速度估算单元的方框图；图14是示出根据第五实施例的第一修改例的磁极位置的估算方法过程的流程图；图15是执行图14所示方法的位置和速度估算单元的方框图；图16是执行第五实施例的第二修改例的位置和速度估算单元的-->方框图。优选实施例的详细说明现在参考附图说明本专利技术的实施例。实施例1图1是执行根据本专利技术第一实施例的方法的同步电动机的控制单元的方框图。图2是示出根据第一实施例的磁极位置的估算方法过程序的流程图。图1所示的同步电动机10具有由永磁铁制成的定子和转子(未示出)的绕组。当将三相交流电压施加到绕组上时，由具有U、V和W相位的相位电流组成的三相交流电流流过绕组，从而由于电磁感应而产生可变的磁场，并且响应磁场而使具有永磁性的转子在其旋转轴上旋转。通过诸如滑轮和皮带的传送装置输出旋转力。在图1所示的控制单元中控制电流的相位，以使转子按照期望的转速稳定旋转。如图1所示，将转子的指定(或期望)转速ω*(即，磁极的速度)的数据重复地提供给控制单元。每次将速度ω*的数据提供给控制单元时，第一差值计算器1计算速度ω*和估算的转子的转速ωes之间的差值。速度控制器2从差值ω*-ωes计算在dq旋转坐标系中定义的指定的交流电流iac*的d轴分量id*和q轴分量iq*的值，从而使估算的转速ωes接近于指定的转速ω*。如随后所述，速度ωes源于分量id*和iq*。在dq旋转坐标系中，d轴从观测到的S磁极指向转子的相应的N磁极，q轴与垂直于转子的旋转轴的平面上的d轴正交，并且将原点设置在旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步电动机中的磁极位置的估算方法，包括以下步骤：将交流电压施加到所述电动机，并且从所述电动机检测交流电流，通过所施加的交流电压在两相交流坐标系中的分量以及所检测到的交流电流在两相交流坐标系中的分量，计算所述电动机的感应电压； 通过所述感应电压估算磁极位置；其中所述交流电流由其波高关于时间的微分值基本上被设置为０的波组成。

【技术特征摘要】
JP 2005-9-27 280410/20051、一种同步电动机中的磁极位置的估算方法，包括以下步骤：将交流电压施加到所述电动机，并且从所述电动机检测交流电流，通过所施加的交流电压在两相交流坐标系中的分量以及所检测到的交流电流在两相交流坐标系中的分量，计算所述电动机的感应电压；通过所述感应电压估算磁极位置；其中所述交流电流由其波高关于时间的微分值基本上被设置为0的波组成。2、如权利要求1所述的方法，其中在表示所述两相交流坐标系的αβ坐标系中限定所述感应电压，并且在计算所述感应电压的步骤中，根据公式eαeβ=VαVβ-R-ωLωLRiαiβ]]>通过使用所述交流电压在所述αβ坐标系中的α轴分量Vα和β轴分量Vβ、所述电动机的定子的电阻值R、在电角度上的转速ω、电感值L、以及所述交流电流在所述αβ坐标系中的α轴分量iα和β轴分量iβ，计算所述感应电压在所述αβ坐标系中的α轴分量eα和β轴分量eβ。3、如权利要求1所述的方法，其中高频分量叠加在所述感应电压上，并且估算所述磁极位置的步骤包括：通过所述感应电压获得交流分量；将对应于所述感应电压的交流分量转换成所述高频分量叠加在其上的直流分量；从所述直流分量中除去所述高频分量；以及通过从中除去了所述高频分量的所述直流分量来计算所述估算磁极位置。4、如权利要求3所述的方法，其中获得交流分量的步骤包括通过所述感应电压计算由所述交流分量表示的第一磁极位置，转换所述交流分量的步骤包括求所述第一磁极位置的微分，以获得所述直流分量，以及计算所述估算磁极位置的步骤包括：对从中除去了所述高频分量的所述直流分量进行积分，以获得第二磁极位置；以及通过所述第二磁极位置计算所述估算磁极位置。5、如权利要求4所述的方法，其中计算所述估算磁极位置的步骤包括：计算所述第一磁极位置与之前计算的估算磁极位置之间的位置差；通过将所述位置差乘以预定增益来获得相位补偿值，使得将所述相位补偿值加到所述第二磁极位置上而获得的位置在相位上与所述第一磁极位置同步；以及确定通过将所述相位补偿值加到所述第二磁极位置上而获得的所述位置作为当前计算的估算磁极位置。6、如权利要求3所述的方法，其中获得交流分量的步骤包括通过所述感应电压计算由所述交流分量表示的第一磁极位置，转换所述交流分量的步骤包括求所述第一磁极位置的微分，以获得所述直流分量，以及计算所述估算磁极位置的步骤包括：计算所述第一磁极位置与之前计算的估算磁极位置之间的位置差；通过将所述位置差乘以预定增益来获得相位补偿值，使得通过将所述相位补偿值加到没有高频分量的所述直流分量上而获得的位置在相位上与所述第一磁极位置同步；将所述相位补偿值加到从中除去了所述高频分量的所述直流分量上，以获得相位补偿的直流分量；对所述相位补偿的直流分量进行积分以获得积分结果；并且将所述积分结果确定为当前计算的估算磁极位置。7、如权利要求1所述的方法，其中高频分量叠加在所述感应电压上，以及估算所述磁极位置的步骤包括：以所述两相交流坐标系中的交流分量表示所述感应电压；将所述感应电压的所述交流分量转换成两相旋转坐标系中的直流分量；从所述感应电压的所述直流分量中除去所述高频分量；将从中除去了所述高频分量的所述感应电压的所述直流分量转换成所述两相交流坐标系中的第二交流分量；以及通过所述感应电压的所述第二交流分量计算所述估算磁极位置。8、如权利要求1所述的方法，其中估算所述磁极位置的步骤包括：以在所述两相交流坐标系中限定的感应电压矢量表示所述感应电压；在所述两相交流坐标系中设置表示之前估算的磁极位置的位置矢量；校正所述位置矢量，使得所述感应电压矢量和所述位置矢量的内积基本上变为0；以及获得对应于所校正的位置矢量的位置，作为当前确定的估算磁极位置。9、如权利要求8所述的方法，其中设置所述位置矢量的步骤包括：估算磁极的速度；并且通过所估算的速度计算所述位置矢量，以及校正所述位置矢量的步骤包括：利用所述内积校正所估算的速度，使得源自所校正的估算速度的内积基本上变为0；并且通过所校正的估算速度计算校正的位置矢量。10、如权利要求9所述的方法，其中计算所校正的位置矢量的步骤包括：对所校正的估算速度进行积分，以获得相移的位置矢量；通过源自所校正的估算速度的所述内积计算相位补偿值；以及通过所述相移的位置矢量和所述相位补偿值计算所校正的位置矢量。11、如权利要求8所述的方法，其中在所述内积的计算中将所述感应电压矢量和所述位置矢量中的每一个归一化。12、如权利要求1所述的方法，其中估算所述磁极位置的步骤包...

【专利技术属性】
技术研发人员：井村彰宏，青木康明，
申请(专利权)人：株式会社电装，
类型：发明
国别省市：JP[日本]