交流电动机的无传感器控制装置及控制方法制造方法及图纸

一种交流电动机的无传感器控制装置。其具有：向推测磁通轴迭加高频信号的高频发生器（１１０）；从与高频信号相同的频率成分的电压或电流检测信号中提取磁通位置的误差信号的高频成分提取器（１３０）；推测磁通的大小和位置的磁通观测器（１２０）；对高频迭加侧的误差信号进行适应性调整的第１适应调整器；对磁通观测器侧的误差信号进行适应性调整的第２适应调整器；根据速度，在极低速时切换到第１适应调整器、在低速时切换到第１和第２适应调整器、在高速时切换到第２适应调整器的混合器（１４０）；根据混合器的输出值生成速度推测值的速度推测器（１５０）。由此，可以在包括零速度、零输出频率区域的所有驱动范围内实现稳定控制。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
交流电动机的无传感器控制装置及控制方法
本专利技术涉及对于同步电动机或感应电动机等的交流电动机，在不使用位置及速度传感器的情况下，在包括零速度、零输出频率区域的所有驱动范围内实现稳定的转矩、速度、位置控制的无传感器控制方法及其控制装置。
技术介绍
以往，在不能安装速度传感器的环境下或基于控制系统的低成本化的目的，无速度传感器控制被广泛应用于各种用途。现在，在不需要快速响应性的用途中采用V/F控制，但在需要快速响应性的用途中使用无传感器矢量控制。无传感器矢量控制是不使用位置和速度传感器来推测速度，而实现与有传感器控制相同的转矩、速度控制的控制。作为同步电动机等的速度推测方法，主要采用根据旋转产生的感应电压的方法(感应电压法)。除感应电压法以外，也有使用状态观测器的方法“Lang，U.S.Pat.No.5,296,793，issued March.22，1994”。该方法是检测同步电动机的相电压和相电流，并输入给基于电动机的电气机械方程式的由数学模型构成的状态观测器，推测同步电动机的转子的相位角。另外，基于无刷DC电机的电压·电流方程式的无传感器控制，还被记载在“Matsui等，“Sensorless operation of brushless DC motordrives，”Proc.IEEE International Conference on IndustrialElectronics，Control，and Instrumentation，vol.2，pp.739-744，1993”中。但是，这些方法由于根据电动机模型构成，所以相对电动机的参数变动的灵敏度高，其存在着相对电压误差产生控制劣化的问题。因此，特别是在包括感应电压低的零速度的极低速区域不能推测速度。在推测包括零速度的极低速的速度时，有利用电动机的磁凸极性的-->方法。是通过向电动机施加具有除电动机的输出频率以外的频率成分的电压或电流信号，观测基于磁凸极性的定子线圈的电感或阻抗的变化来检测位置和速度。其中的方法之一有[Ogasawara等，“Implementation and positioncontrol performance of a position sensorless IPM motor drive systembased on magnetic saliency，”IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.34，pp.806-812，Jul./Aug.1998.]记载的方法。该方法由于使用电压信号在较短的抽样时间内检测电感，所以存在着容易受参数变动和观测噪声影响的问题。作为其他方法，有使用与电动机的转数同步旋转的高频信号来观测磁通位置的[Jansen等，“Transducerless position and velocityestimation in induction and salient AC machines，”IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.31，pp.240-247，Mar/Apr.1995]记载的方法。但是，由于使用与电动机的转数同步旋转的高频信号，所以使得动特性受到限制。作为其他向感应电动机迭加高频来推测速度的方法，有[Ha等，“Sensorlessfield-orientation control of an induction machine by high-frequencysignal injection，”IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.35，pp.45-51，Jan/Feb.1999]记载的方法，该方法也适用于同步电动机。作为适用于磁阻电动机的例子，有[Ha等，“Position-controlled synchronous reluctance motorwithout any rotational，”IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.35，pp.1393-1398，Nov./Dec.1999]记载的方法，作为适用于永久磁铁内部嵌入型电动机的方法，有[Ha等，“Sensorless position control and initial positionestimation of an interior permanent magnet，”Proc.IEEEIndustry.Applications Conference，2001.]记载的方法。该方法是通过迭加高频波来根据电动机的一次电压和电流推测磁通位置的方法。由于迭加的信号被迭加在与输出频率同步旋转的磁通轴上，所以作为与前面所述的与电动机的转数同步旋转的高频信号不同的方法，迭加频率是独立于转换器输出频率的频率。磁通位置的推测可以通过提取产生磁凸极性的高频阻抗来进行。由于在磁通轴上迭加高频，所以转矩脉动变得较小，噪声也降低。根据本方法可以实现在零速度、零-->输出频率时的转矩、速度及位置控制。另外，作为感应电动机的速度推测和矢量控制方法的示例，有“Schauder，U.S.Pat.No.4,862,054，issued Aug.29，1989”记载的方法。在该方法中使用基于电动机的电气电路方程式的两个规范模型。一个是基于电动机的输入端方程式的电压模型，另一个是基于输出端方程式的电流模型。各个模型在正交坐标系中构成。速度推测是使用PI控制器来进行适应性推测，以使根据各个模型计算的两个磁通的偏差为零。另外，使用磁通观测器对速度进行适应性推测的方法，有[Kubota et al.，“Speedsensorless Field Oriented Control of Induction Motor with RotorResistance Adaptation，”IEEE Trans.on Ind.Appl.，vol.30，No.5，pp.1219-1224，Sep./Oct.1994]记载的方法。在该文献中提出的方法是通过对速度进行适应性推测，使相当于和磁通推测同时观测的转矩误差的观测器和系统的输出误差与磁通推测值的矢积值为零。但是，这些方法由于用电动机模型构成，所以相对电动机的参数变动的灵敏度高，具有相对电压误差产生控制劣化的问题。特别是在零速度、零输出频率区域中容易变得不稳定。有关无传感器控制的稳定问题在下述调查报告中曾有记载，即，[Harnefors，“Instability Phenomenaand Remedies in Sensorless Indirect Field Oriented Control，”IEEETrans.on Power Elec.，Vol.15，No.4，pp.733-743，July，2000”、和“Sugimoto et al.，“A Consideration about Stability of VectorControlled Induction Motor Systems Using Adaptive Secondary FluxObserver，”Trans.of IEE Japan，Vol.119-10，No.10，pp.1212-1222，1999]。这种解决零速度、零输出频率区域的无传感器控制问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交流电动机的无传感器控制装置，不使用位置和速度传感器，根据同步电动机的磁通位置的推测位置把电动机电流分离为磁通成分和转矩成分，通过对它们进行独立控制，实现同步电动机的高性能的控制性能，其特征在于，具有：高频发生器，向电动机的推测 磁通轴迭加高频信号；高频成分提取器，从与所述高频信号相同的频率成分的电压或电流检测信号中，提取根据通过主磁通的磁饱和或高频的趋肤效应产生的高频区域的电动机物理量的磁凸极性而得到的磁通位置的误差信号；磁通观测器，根据电动机输入 电压、检测电流及速度推测值推测磁通的大小和位置；第１适应调整器，对所述高频成分提取器的输出即磁通位置的误差信号进行适应性调整；第２适应调整器，对在所述磁通观测器内用磁通推测值和观测器输出的误差值计算的误差信号进行适应性调整； 混合器，对应速度，在极低速时切换到所述第１适应调整器、在低速时切换到所述第１和第２适应调整器、在高速时切换到第２适应调整器；速度推测器，根据所述混合器的输出值生成速度推测值。

【技术特征摘要】
JP 2002-4-2 100259/20021.一种交流电动机的无传感器控制装置，不使用位置和速度传感器，根据同步电动机的磁通位置的推测位置把电动机电流分离为磁通成分和转矩成分，通过对它们进行独立控制，实现同步电动机的高性能的控制性能，其特征在于，具有：高频发生器，向电动机的推测磁通轴迭加高频信号；高频成分提取器，从与所述高频信号相同的频率成分的电压或电流检测信号中，提取根据通过主磁通的磁饱和或高频的趋肤效应产生的高频区域的电动机物理量的磁凸极性而得到的磁通位置的误差信号；磁通观测器，根据电动机输入电压、检测电流及速度推测值推测磁通的大小和位置；第1适应调整器，对所述高频成分提取器的输出即磁通位置的误差信号进行适应性调整；第2适应调整器，对在所述磁通观测器内用磁通推测值和观测器输出的误差值计算的误差信号进行适应性调整；混合器，对应速度，在极低速时切换到所述第1适应调整器、在低速时切换到所述第1和第2适应调整器、在高速时切换到第2适应调整器；速度推测器，根据所述混合器的输出值生成速度推测值。2.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，具有：磁通调整器，用于进行磁通量的调整、高频区域的电动机物理量的磁凸极性的调整以及效率的调整；推测误差校正器，用于校正在推测磁通、推测转子速度及推测转子位置中产生的推测误差；磁通位置运算器，根据由磁通观测器推测的磁通计算磁通位置；电流控制器，使用所推测的磁通位置把检测电流分离为磁通方向成分和转矩成分并将它们反馈，比较所述磁通方向成分和转矩成分的电流指令值并实施电流控制，使各自的偏差为零；速度控制器，将所推测的速度与指令速度进行比较并实施速度控制，使其偏差为零，输出转矩指令值或相当于转矩指令值的电流指令值；初始磁极位置推测器，在起动之前推测初始磁极位置。3.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述高频发生器具有根据磁通的旋转速度或转子速度调整迭加的高频信号的装置。4.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述高频发生器向电压指令值迭加高频信号。5.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述高频发生器向电流指令值迭加高频信号。6.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述磁通观测器具有对应输出频率或速度从电动机输入电压中去除所述高频信号的功能。7.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，在所述高频成分提取器中得到的磁通位置的误差信号是基于所迭加的高频区域的阻抗或导纳的信号。8.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述混合器具有：在包括零速度的极低速区域去除所述第2适应调整器的输出的功能；和在中高速区域去除所述第1适应调整器的输出的功能。9.根据权利要求1所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述速度推测器对速度进行适应性推测，以使作为混合器的输出值的误差信号为零。10.根据权利要求2所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述磁通调整器在可以保持电动机的特性即保持高频区域的电动机物理量的磁凸极性的点、以及达到高效率的点调整磁通量，所述推测误差校正器校正高频下的磁凸极性降低时产生的推测磁通、推测转子速度及推测转子位置误差。11.根据权利要求2所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述电流控制器具有在所述迭加的高频信号为电压时从反馈的电流中去除迭加高频成分的功能，在所述迭加的高频信号为电流时把控制器的响应频率设定得高于迭加频率成分。12.根据权利要求2所述的交流电动机的无传感器控制装置，其特征在于，所述初始磁极位置推测器具有提取所述迭加高频的2的N次方倍(N＝-1、1、2、3、…、n)的高频中的至少一个频率的信号处理部，以便判别是磁极的N极还是S极。13.一种交流电动机的无传感器控制方法，不使用位置和速度传感器，根据同步电动机的磁通位置的推测位置把电动机电流分离为磁通成分和转矩成分，通过对它们进行独立控制，实现同步电动机的高性能的控制性能，其特征在于，具有：向电动机的推测磁通轴迭加高频信号的单元；从与所述高频信号相同的频率成分的电压或电流检测信号中，提取根据通过主磁通的磁饱和或高频的趋肤效应产生的高频区域的电动机物理量的磁凸极性而得到的磁通位置的误差信号的单元；利用磁通观测器根据电动机输入电压、检测电流及速度推测值推测磁通的大小和位置的单元；对作为所述高频成分提取器的输出的磁通位置的误差信号进行适应性调整的第1适应性调整单元；对在所述磁通观测器内用磁通推测值和观测器输出的误差值计算的误差信号进行适应性调整的第2适应性调整单元；根据速度切换所述第1和第2适应性调整单元的切换单元；根据在所述适应性调整单元的输出信号推测速度的单元。14.根据权利要求13所述的交流电动机的无传感器控制方法，其特征在于，具有：为了保持高频区域的电动机物理量的磁凸极性并保持高效率而调整磁通的单元；校正在推测磁通、推测转子速度及推测转子位置产生的推测误差的推测误差校正单元；根据由磁通观测器推测的磁通矢量计算磁通位置的单元；使用所推测的磁通位置把检测电流分离为磁通方向成分和转矩成分并将它们反馈，比较所述磁通方向成分和转矩成分的电流指令值并实施电流控制，使各自的偏差为零的单元；将所推测的速度与指令速度进行比较并实施速度控制使其偏差为零，输出转矩指令值或相当于转矩指令值的电流指令值的单元；和在起动之前判别磁极是N极还是S极的初始磁极推测单元。15.根据权利要求13所述的交流电动机的无传感器控制方法，其特征在于，根据速度切换所述适应性调整单元的切换单元具有：在包括零速度、零频率的极低速区域去除所述第2适应性单元的输出信号的功能；和在中高速区域去除所述第1适应性单元的输出信号的功能。16.根据权利要求13所述的交流电动机的无传感器控制方法，其特征在于，提取根据所述电动机物理量的磁凸极性得到的磁通位置的误差信号的单元使用的电动机物理量是电动机输入电压指令值和检测电流或检测电压和检测电流。17.根据权利要求13所述的交流电动机的无传感器控制方法，其特征在于，迭加所述高频的单元具有根据输出频率或速度来调整迭加的高频信号的调整单元。18.根据权利要求14所述的交流电动机的无传感器控制方法，其特征在于，调整所述磁通的单元在包括零速度和零频率的极低速时，根据电动机的固有特性调整磁通的大小，以...

【专利技术属性】
技术研发人员：河廷积，井手耕三，
申请(专利权)人：株式会社安川电机，
类型：发明
国别省市：JP[日本]