DE112016004132T5

DE112016004132T5 - Steuervorrichtung eines elektrischen Synchronmotors, integriertes Motorsystem, Pumpensystem und Positioniersystem

Info

Publication number: DE112016004132T5
Application number: DE112016004132.2T
Authority: DE
Inventors: Yoshitaka Iwaji; Masaki Hano; Naoki Okamoto; Takeshi Umetsu
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2036-10-08
Also published as: US20180287526A1; US10644627B2; JP2017073879A; DE112016004132B4; CN108141160B; JP6714987B2; WO2017061612A1; CN108141160A

Abstract

Eine Steuervorrichtung eines Synchronmotors enthält: den Synchronmotor mit dreiphasigen Statorwicklungen in Sternschaltung; eine Erfassungseinheit, welche ein Sternpunktpotential, welches ein Potential an einem Sternpunkt ist, erfasst; und einen Umrichter, welcher den Synchronmotor ansteuert. Die Steuervorrichtung des Synchronmotors, welche den Synchronmotor über den Umrichter steuert, verfügt über einen Messmodus, in welchem das Sternpunktpotential in einem Zustand, in welchem der Synchronmotor durch einen Wechselstrom erregt ist, erfasst wird, und steuert den Synchronmotor auf der Grundlage eines Werts des im Messmodus erfassten Sternpunktpotentials.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine auf zum Beispiel eine Drehzahlsteuerung einer Pumpe, eines Gebläses, eines Kompressors und eines Spindelmotors, eine Positionssteuerung einer Fördereinrichtung, eines Aufzugs und einer mechanischen Vorrichtung und eine Drehmomentsteuerung wie einen elektrischen Kraftverstärker und dergleichen erfordernde Anwendungen angewandte Elektromotoransteuerungstechnik.
Stand der Technik
Zum Beispiel wird auf Gebieten wie Haushaltstechnik, Industrie und Kraftfahrzeuge eine Motoransteuervorrichtung zur Drehzahlsteuerung eines Gebläses, einer Pumpe und eines Kompressors, zur Drehmomentsteuerung der elektrischen Servolenkung und zur Positionssteuerung einer Fördervorrichtung, eines Aufzugs und dergleichen verwendet. In der Motoransteuervorrichtung wird häufig ein Synchronmotor mit Permanentmagneten (im Folgenden als „PM-Motor“ bezeichnet), welcher ein kompakter und hocheffizienter Wechselstrommotor ist, verwendet. Jedoch ist zum Steuern der Ansteuerung des PM-Motors eine Information über eine Magnetpolposition eines Rotors des PM-Motors erforderlich, so dass ein Positionssensor wie ein Drehgeber oder ein Hall-Sensor unerlässlich ist. In letzter Zeit verbreitet sich eine sensorlose Steuerung zum Steuern einer Drehzahl und zur Drehmomentsteuerung des PM-Motors, ohne den Positionssensor zu verwenden.
Durch Realisieren der sensorlosen Steuerung ist es möglich, Kosten des Positionssensors (Kosten des Sensors selbst, Kosten des Verdrahtens des Sensors und Kosten des Anbringens und Justierens des Sensors) zu senken, und da der Sensor überflüssig wird, kann die Vorrichtung miniaturisiert werden und kann sie in einer widrigen Umgebung verwendet werden.
Gegenwärtig übernimmt die sensorlose Steuerung des PM-Motors ein Verfahren des direkten Erfassens der durch Drehen des Rotors erzeugten induzierten Spannung (elektromotorischen Spannung bei einer Drehzahl) und des Ansteuerns des PM-Motors gemäß der Positionsinformation des Rotors oder eine Positionsschätztechnik des Schätzens der Rotorposition aus einem mathematischen Modell des PM-Motors.
Das Verfahren beruht im Prinzip auf einem die elektromotorische Spannung bei einer Drehzahl verwendenden Verfahren, so dass es schwierig auf einen Bereich, in welchem die elektromotorische Spannung bei einer Drehzahl klein wird, wie einen Anhaltebereich, einen niedrigen Drehzahlbereich oder dergleichen anzuwenden ist. Deshalb werden diese Techniken vor allem auf den Drehzahlbereich über einem mittleren bis hohen Drehzahlbereich angewendet und wird eine rückführungslose Steuerung wie V/F-Konstantsteuerung in dem niedrigen Drehzahlbereich verwendet. Da in einem Fall der rückführungslosen Steuerung das durch den Motor erzeugte Drehmoment nicht frei gesteuert werden kann, ist die Steuerbarkeit in dem niedrigen Drehzahlbereich schlecht und verschlechtert sich auch der Wirkungsgrad.
Hinsichtlich des Problems wird ein Verfahren zum Ermitteln der Rotorpositions-Information aus dem niedrigen Drehzahlbereich vorgeschlagen.
In PTL 1 wird eine Impulsspannung an zwei der drei Phasen des PM-Motors angelegt, um die Leerlaufspannung der verbliebenen einen, nicht erregten Phase zu erfassen, so dass die Positionsinformation aus der Spannung gewonnen wird. Da die elektromotorische Spannung der offenen Phase entsprechend der Rotorposition des PM-Motors erzeugt wird, kann die elektromotorische Spannung zur Schätzung der Rotorposition verwendet werden. Die elektromotorische Spannung ist eine durch eine geringe Induktivitätsänderung in dem Motor durch eine Beziehung zwischen einem mit dem Rotor des PM-Motors verbundenen Permanentmagneten-Magnetfluss und einem durch die Impulsspannung erregten Strom erzeugte Spannung, so dass die elektromotorische Spannung in einem Anhaltezustand überwacht werden kann. Diese Spannung wird als „elektromotorische Spannung bei magnetischer Sättigung“ bezeichnet.
Darüber hinaus ist bei diesem Verfahren, da die elektromotorische Spannung der nicht erregten Phase (offenen Phase) von den drei Phasen überwacht wird, eine 120-Grad-Erregungs-Ansteuerung zum Auswählen und Erregen der beiden Phasen unerlässlich. Für positionssensorloses Ansteuern ist es erforderlich, dass diese erregten Phasen entsprechend der Position des Rotors geschaltet werden. Zum Schalten dieser erregten Phasen wird die in der offenen Phase erzeugte „elektromotorische Spannung bei magnetischer Sättigung“ verwendet.
Die elektromotorische Spannung bei magnetischer Sättigung verändert sich, indem sie entsprechend der Position des Rotors monoton steigt oder sinkt. In PTL 1 ist ein „Schwellenwert“ in der elektromotorischen Spannung der offenen Phase vorgesehen. Wenn die elektromotorische Spannung bei magnetischer Sättigung den Schwellenwert erreicht, wird die positionssensorlose Steuerung durch Umschalten auf die nächste Erregungsphase durchgeführt. Dabei ist „Schwellenwert“ ein sehr wichtiger Faktor beim Einstellen. Der Schwellenwert weist geringfügige Schwankungen für jede der Phasen oder Phasenwicklungen des Motors auf, und es ist erforderlich, den Schwellenwert richtig einzustellen. Ein Verfahren zum automatischen Ausführen von Justierarbeiten für jeden Motor ist in PTL 2 beschrieben.
In PTL 2 wird es bezüglich des in PTL 1 beschriebenen Verfahrens dadurch, dass eine automatische Schwellenwertjustierroutine im Voraus ausgeführt wird, überflüssig, einen Bediener den Schwellenwert von Hand justieren zu lassen, und wird Inbetriebnahmeaufwand eines Systems eingespart.
Obwohl die 120-Grad-Erregungs-Ansteuerung in diesen Beispielen nach dem Stand der Technik vorausgesetzt wird, ist ein Sinuswellen-Ansteuerverfahren bereits bekannt. In PTL 3 und 4 wird die Rotorposition durch Überwachen eines Verbindungspunktpotentials (als Sternpunktpotential bezeichnet) dreiphasiger Wicklungen in Sternschaltung unter Verwendung der dreiphasigen Statorwicklungen in Sternschaltung als PM-Motor geschätzt.
Da es überflüssig ist, die offene Phase auf die gleiche Weise wie in PTL 1 zu überwachen, ist es möglich, drei Phasen gleichzeitig zu erregen und den PM-Motor mit einem idealen Sinusstrom anzusteuern. Jedoch ist die Erfassung des Sternpunktpotentials unerlässlich.
In PTL 3 ist ein Verfahren des Einfügens eines Spannungsimpulses zum Überwachen des Sternpunktpotentials beschrieben. Darüber hinaus ist es in PTL 4 möglich, die Rotorposition durch Verwenden einer an den Umrichter zum Ansteuern des PM-Motors angelegten Spannung und Überwachen des Sternpunktpotentials durch Verblocken mit einem PWM-Puls, wenn eine Pulsbreite moduliert wird, unmittelbar zu schätzen.
Druckschriftenverzeichnis
Patentliteratur

PTL 1: JP-A-2009-189176
PTL 2: JP-A-2012-10477
PTL 3: JP-A-2010-74898
PTL 4: Druckschrift der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 13/153657

Kurzbeschreibung der Erfindung
Technisches Problem
Bei der Technik von PTL 1 ist es möglich, ein Drehmoment ohne auszusteigen in einem Zustand, in welchem der Motor stillsteht oder mit einer niedrigen Drehzahl läuft, zu erzeugen. Darüber hinaus beschreibt PTL 2 eine automatisch Justierung des „Schwellenwerts“, welcher eine wichtige Einstellungszahl beim Realisieren einer sensorlosen Ansteuerung in PTL 1 ist. Jedoch ist, da die 120-Grad-Erregungs-Ansteuerung in beiden der Verfahren von PTL 1 und 2 die Grundlage ist, eine Strom-Oberwelle beim Ansteuern des PM-Motors extrem groß. Infolgedessen gibt es einen Fall, in welchem Oberwellenverluste erhöht sein können und eine Vibration/ein Geräusch infolge Drehmomentpulsation problematisch sein kann. Eine Ansteuerung mit dem Sinusstrom ist beim Ansteuern des PM-Motors wünschenswert.
In PTL 3 und 4 ist es möglich, dass das Sternpunktpotential der Statorwicklung des PM-Motors überwacht wird, um den PM-Motor von einer Drehzahl null an mit dem Sinusstrom anzusteuern. Darüber hinaus besteht keine strukturelle Einschränkung (wie zum Beispiel eine Beschränkung auf den eingebetteten Magnettyp) des PM-Motors und ist auch die Vielseitigkeit hoch. Jedoch haben diese PTL 3 und 4 die folgenden ungelösten Probleme.
Obwohl PTL 3 ein Verfahren zum Umschalten der Erregungsphasen der drei Phasen unter Verwendung des überwachten Sternpunktpotentials beschreibt, beschreibt PTL 3 keinen Fall, in welchem das Sternpunktpotential zum Umschalten speziell eingestellt wird, keinen Fall, in welchem Spezifikationen von Motoren voneinander verschieden sind, und keinen Fall einer Unsymmetrie der drei Phasen. Ferner gibt es einen Fall, in welchem das Sternpunktpotential sich infolge eines Drehmomentstroms durch Magnetkreiseigenschaften des Motors ändert, aber PTL 3 beschreibt keine Abhilfemaßnahmen gegen die Veränderung. Aus diesem Grund gibt es, um das Verfahren von PTL 3 zu realisieren, ein Problem im praktischen Einsatz wie eine Justierung für jeden der Motoren und eine Zunahme eines Positionsschätzungsfehlers bezüglich eines Lastmoments.
In PTL 4 wird das Sternpunktpotential bei jedem Spannungsmuster überwacht, wenn zwei Arten von Spannungsmustern angelegt werden, und kann die Rotorposition des PM-Motors durch diesen Signalprozess geschätzt werden. Jedoch wird in einem Fall, in welchem es nicht möglich ist, eine dreiphasige Unsymmetrie zu handhaben, zum Beispiel wenn nur die Induktivität einer bestimmten Phase von den anderen abweicht, eine große Pulsationskomponente an der geschätzten Rotorposition erzeugt. Darüber hinaus ist es, obwohl die zwei Arten der Spannungsmuster durch Pulsbreitenmodulation unter Verwendung eines normalen Dreieckwellen-Trägers erzeugt werden können, erforderlich, einen A/D-Wandler, einen Zeitgeber oder dergleichen als eine Funktion eines Steuergeräts im großen Ausmaß vorzusehen, um das Sternpunktpotential entsprechend jedem der Spannungsmuster zu erfassen. In einem Fall der Verwendung eines preiswerten Mikrocomputers sind diese Funktionen unzureichend und kann die Technik von PTL 4 nicht so, wie sie ist, angewendet werden. Darüber hinaus besteht auf die gleiche Weise wie in PTL 3 in einem Fall, in welchem das Sternpunktpotential sich wegen des Drehmomentstroms ändert, eine Möglichkeit, dass ein Positionsschätzfehler zunimmt und die Drehmomentleistung sich verschlechtert.
Problemlösung
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthält eine Steuervorrichtung eines Synchronmotors: den Synchronmotor mit dreiphasigen Statorwicklungen in Sternschaltung; eine Erfassungseinheit, welche ein Sternpunktpotential, welches ein Potential an einem Sternpunkt ist, erfasst; und einen Umrichter, welcher den Synchronmotor ansteuert. Die Steuervorrichtung des Synchronmotors, welche den Synchronmotor über den Umrichter steuert, verfügt über einen Messmodus, in welchem das Sternpunktpotential in einem Zustand, in welchem der Synchronmotor durch einen Wechselstrom erregt ist, erfasst wird. Bevorzugt steuert die Steuervorrichtung des Synchronmotors den Synchronmotor auf der Grundlage eines Werts des im Messmodus erfassten Sternpunktpotentials.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Da die Erfindung wie oben beschrieben konfiguriert ist, erhält man die folgenden Auswirkungen. Gemäß der Erfindung kann, da eine Beziehung zwischen dem Sternpunktpotential des PM-Motors und der Rotorposition und eine Beziehung zwischen dem Drehmomentstrom und dem Sternpunktpotential im Voraus ermittelt werden kann, eine sensorlose Ansteuerung eines Motors mit irgendwelchen Magnetkreiseigenschaften in einem niedrigen Drehzahlbereich durch einen einfachen Justieralgorithmus realisiert werden.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan zur Veranschaulichung einer Konfiguration einer Steuervorrichtung eines Synchronmotors.
2(a) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Vektoranzeige einer Ausgangsspannung eines Umrichters in aß-Koordinaten.
2(b) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Beziehung mit Rotorpositionen θd eines PM-Motors.
3(a) ist ein Schaltplan zur Veranschaulichung eines Erzeugungsprinzips eines Sternpunktpotentials des PM-Motors gemäß einer ersten Ausführungsform.
3(b) ist ein Schaltplan zur Veranschaulichung eines Erzeugungsprinzips eines Sternpunktpotentials des PM-Motors gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung eines Messbeispiels des Sternpunktpotentials gemäß der ersten Ausführungsform.
5 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung einer Linearisierung des Sternpunktpotentials gemäß der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung aller Arten von Veränderungen des Sternpunktpotentials gemäß der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung einer Veränderung des zum sensorlosen Ansteuern verwendeten Sternpunktpotentials gemäß der ersten Ausführungsform.
8 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung einer Veränderung infolge einer Stromabhängigkeit des zum sensorlosen Ansteuern verwendeten Sternpunktpotentials gemäß der ersten Ausführungsform.
9(a) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem Magnetfluss und einem Drehmomentstrom eines Innern des PM-Motors während des normalen Ansteuerns.
9(b) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einem Magnetfluss und einem Drehmomentstrom des Innern des PM-Motors gemäß der ersten Ausführungsform.
10 ist ein Schaubild zur Veranschaulichung einer Kurve bei Ermittlung der Stromabhängigkeit in einem Messmodus gemäß der ersten Ausführungsform.
11 ist ein Ablaufplan zur Veranschaulichung eines Algorithmus während des Messmodus gemäß der ersten Ausführungsform.
12(a) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Position eines Spannungsbefehls V*, welche einen Spannungsvektor VA ausgeben kann.
12(b) ist ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Spannungsimpulses und eines Sternpunktpotentials jeder der Phasen während einer Nicht-Impulsverschiebung.
12(c) ist ein Schaubild zur Veranschaulichung eines Spannungsimpulses und eines Sternpunktpotentials jeder der Phasen während einer Impulsverschiebung.
13 ist ein Blockschaltbild einer Positionsschätzvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
14 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung eines Aussehens einer Schwankung eines zum sensorlosen Ansteuern verwendeten Sternpunktpotentials gemäß einer zweiten Ausführungsform.
15 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Umschaltens einer Koeffiziententabelle gemäß der zweiten Ausführungsform.
16 ist ein Kurvenschaubild zur Veranschaulichung der Linearisierung eines Sternpunktpotentials gemäß einer dritten Ausführungsform.
17 ist ein Ablaufplan zur Veranschaulichung eines Algorithmus während eines Messmodus gemäß der dritten Ausführungsform.
18 ist ein Ablaufplan zur Veranschaulichung eines Algorithmus während eines Messmodus gemäß einer vierten Ausführungsform.
19 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines integrierten Motoransteuerungssystems gemäß einer fünften Ausführungsform.
20 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Hydraulikpumpensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform.
21 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Konfiguration des Hydraulikpumpensystems, in welchem ein Überdruckventil entfernt ist, gemäß der sechsten Ausführungsform.
22 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Konfiguration eines Positionssteuersystems gemäß einer siebten Ausführungsform.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. In der Ausführungsform der Erfindung ist in Anbetracht eines Problems, dass ein Sternpunktpotential auch wegen eines Drehmomentstroms schwankt, eine Steuervorrichtung eines Synchronmotors vorgesehen, welche eine magnetische Sättigungseigenschaft jedes zu steuernden Motors, eine Abhängigkeit des Drehmomentstroms, eine Drei-Phasen-Unsymmetrieeigenschaft und dergleichen automatisch justiert und eine Sinuswellen-Ansteuerung mit hohem Drehmoment realisiert, ohne in der Nähe der Drehzahl null einen Rotorpositionssensor zu verwenden. Infolgedessen ist es möglich, bei hohem Drehmoment mit weniger Vibrationen und Geräuschen als bei dem früher offenbarten Verfahren anzusteuern. Darüber hinaus wird beim eigentlichen Ansteuern nach dem Justieren eine Positionsschätzung durch einen einfachen Algorithmus möglich, so dass die Positionsschätzung durch einen preiswerten Mikrocomputer realisiert werden kann.
Erste Ausführungsform
Eine Steuervorrichtung eines Wechselstrommotors gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird anhand der 1 bis 13 beschrieben.
Die Vorrichtung dient zum Ansteuern eines dreiphasigen Permanentmagneten-Synchronmotors 4 (im Folgenden als PM-Motor 4 bezeichnet) und ist weitgehend einen Iq*-Generator 1, ein Steuergerät 2, einen Umrichter 3 und den PM-Motor 4, welcher ein Ansteuerziel ist, enthaltend konfiguriert. Der Umrichter 3 enthält eine Gleichstromversorgung 31, einen Umrichter-Hauptstromkreis 32, einen Gate-Treiber 33, einen Virtuelles-Sternpunktpotential-Generator 34 und einen Stromsensor 35.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform den PM-Motor als ein Beispiel des Ansteuerziels verwendet, können, solange ein Elektromotor eine magnetische Sättigungseigenschaft bezüglich einer Rotorposition aufweist, auch andere Arten von Wechselstrommotoren auf das Ansteuerziel angewendet werden.
Der Iq*-Generator 1 ist ein Steuerblock, welcher einen Drehmomentstrombefehl Iq* des PM-Motors 4 erzeugt und einem oberen Steuergerät des Steuergeräts 2 entspricht. Zum Beispiel fungiert der Iq*-Generator 1 als ein Drehzahlsteuergerät, welches eine Drehzahl des PM-Motors 4 steuert, oder ein Block, welcher einen von einem Zustand einer Lastvorrichtung wie einer Pumpe verlangten Drehmomentstrombefehl handhabt und den Befehl an das Steuergerät 2 gibt.
Das Steuergerät 2 ist ein Steuergerät, welches einen Vektor des PM-Motors 4 ohne einen Rotorpositionssensor steuert. Das Steuergerät 2 verfügt über Funktionen wie einen „eigentlichen Betrieb“ zum Realisieren einer normalen, positionssensorlosen Steuerung und einen „Messmodus“ zum automatischen Durchführen einer Justierung an jedem der PM-Motoren vor dem eigentlichen Betrieb. Das Steuergerät 2 schaltet mittels eines Schalters in dem Block zwischen der Ausführung des eigentlichen Betriebs und der Ausführung des Messmodus um.
Das Steuergerät 2 enthält Schalter SW21a bis SW21e, welche zwischen dem eigentlichen Betrieb und dem Messmodus umschalten. Im eigentlichen Betrieb sind die Schalter SW21a bis SW21e auf „1“ geschaltet, und im Messmodus sind die Schalter SW21a bis SW21e auf „0“ geschaltet. Im eigentlichen Betrieb werden eine Positionsschätzung auf der Grundlage des Sternpunktpotentials und ein die Stromsteuerung einer dq-Achse verwendendes Vektorsteuersystem realisiert. Im Messmodus erhält man einen während des eigentlichen Betriebs von einer Positionsschätzvorrichtung 15 benötigten Parameter durch einen unten beschriebenen Algorithmus.
Das Steuergerät 2 enthält eine Stromreproduziervorrichtung 11, welche dreiphasige Wechselströme luc, Ivc und Iwc auf der Grundlage eines Bus-Gleichstroms des Umrichters 3 reproduziert. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Phasenstrom durch Erfassen des Bus-Gleichstroms durch den Stromsensor 35 reproduziert, aber ein Phasenstromsensor kann auch direkt verwendet werden. Auf eine ausführliche Erläuterung der Funktionsweise der Stromreproduziervorrichtung 11 wird verzichtet.
Die reproduzierten dreiphasigen Wechselströme luc, Ivc und Iwc werden durch einen dq-Wandler 12 in einen Wert (Id, Id) einer dq-Koordinatenachse umgewandelt, welche eine Rotor-Koordinatenachse des PM-Motors 4 ist. Ein d-Achsen-Strom Id wird über einen Addierer 6 in ein d-Achsen-Stromsteuergerät IdACR 7 eingegeben. Ein q-Achsen-Strom Iq wird über den Addierer 6 in ein q-Achsen-Stromsteuergerät IqACR 8 eingegeben.
Das d-Achsen-Stromsteuergerät IdACR 7 führt die Stromsteuerung auf der Grundlage des d-Achsen-Stroms Id und eines Erregerstrombefehls Id* an dem PM-Motor 4 durch. Der Id*, welcher bei Durchführung der Stromsteuerung eingegeben wird, wird durch den Schalter SW21c umgeschaltet. Im eigentlichen Betrieb wird ein Signal aus einem Id*-Generator 5a verwendet. Im Messmodus wird ein Signal aus einem Id*-Generator 5b verwendet.
Das q-Achsen-Stromsteuergerät IqACR 8 führt die Stromsteuerung auf der Grundlage des q-Achsen-Stroms Iq und des q-Achsen-Strombefehls Iq* durch. Der Iq*, welcher während der Ausführung der Stromsteuerung eingegeben wird, wird durch den Schalter SW21d umgeschaltet. Im eigentlichen Betrieb wird ein Signal aus einem Iq*-Generator 1 verwendet. Im Messmodus stellt ein Nullgenerator 19 Iq* auf null.
Während des eigentlichen Betriebs werden ein aus dem d-Achsen-Stromsteuergerät IdACR 7 ausgegebener d-Achsen-Spannungsbefehl Vd* und ein aus dem q-Achsen-Stromsteuergerät IqACR 8 ausgegebener q-Achsen-Spannungsbefehl Vq* in einen umgekehrten dq-Wandler 9 eingegeben. Der umgekehrte dq-Wandler 9 wandelt die Spannungsbefehle Vd* und Vq* auf der dq-Achse in dreiphasige Wechselspannungsbefehle Vu0, Vv0 und Vw0 um. Dann erzeugt eine Pulsbreitenmodulations- (PWM-) Einheit 10 ein Gate-Pulssignal, welches den Umrichter 3 auf der Grundlage des dreiphasigen Spannungsbefehls ansteuert.
Nun wird die Ermittlung einer durch den umgekehrten dq-Wandler 9 und den dq-Wandler 12 verwendeten Umwandlungsphase beschrieben.
Das Steuergerät 2 enthält einen Sternpunktpotentialverstärker 13. Der Sternpunktpotentialverstärker 13 verstärkt und erfasst ein Sternpunktpotential Vn des PM-Motors 4 auf der Grundlage eines virtuellen Sternpunktpotentials Vnc des Virtuelles-Sternpunktpotential-Generators 34. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Sternpunktpotential auf der Grundlage des virtuellen Sternpunktpotentials Vnc des Virtuelles-Sternpunktpotential-Generators 34 erfasst, aber ein Potential kann auch standardmäßig vordefiniert sein. Zum Beispiel kann das Sternpunktpotential auch unter Verwendung eines anderen Bezugspotentials als Referenz wie eines Masseniveaus der Gleichstromversorgung 31 des Umrichters 3 oder dergleichen erfasst werden.
Eine Abtast-/Haltevorrichtung 14 tastet ab/hält das erfasste Sternpunktpotential und erfasst das Sternpunktpotential in dem Steuergerät. Dann schätzt die Positionsschätzvorrichtung 15 die Rotorposition θdc des PM-Motors 4 auf der Grundlage des erfassten Sternpunktpotentials Vn0 (tatsächlich eines von VnA bis VnF). Während des eigentlichen Betriebs wird die geschätzte Rotorposition θdc in den umgekehrten dq-Wandler 9 und den dq-Wandler 12 eingegeben. Darüber hinaus schätzt eine Drehzahlhandhabungsvorrichtung 16 eine Rotordrehzahl ω1 auf der Grundlage der geschätzten Rotorposition θdc.
Wie unten beschrieben, hat die Steuervorrichtung der vorliegenden Ausführungsform Eigenschaften des Erregens eines Wechselstroms für den PM-Motor 4 und des Ermitteins einer Stromabhängigkeit des Sternpunktpotentials Vn zu diesem Zeitpunkt. Als eine Konfiguration für die Eigenschaften enthält die Steuervorrichtung des Wechselstrommotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Wechselspannungsbefehlsgenerator 20, welcher während des Messmodus eine Wechselspannung Vh* als q-Achsen-Spannung an den umgekehrten dq-Wandler anlegt.
Das während des Messmodus (das heißt, der Erregung des Wechselstroms) erfasste Sternpunktpotential Vn0 wird durch den Schalter SW21a in eine Schätzparameter-Einstellvorrichtung 18 eingegeben. Eine Schätzparameter-Einstellvorrichtung 18 stellt einen zur Positionsschätzung während des eigentlichen Betriebs erforderlichen Parameter auf der Grundlage des Sternpunktpotentials Vn0 ein.
Darüber hinaus enthält das Steuergerät 2 eine Phaseneinstellvorrichtung 17, welche die Rotorposition während des Messmodus zwangsweise auf eine vordefinierte Position bewegt. Während des Messmodus wird die in den umgekehrten dq-Wandler 9 und den dq-Wandler 12 eingegebene Umwandlungsphase durch den Schalter SW21b auf ein aus der Phaseneinstellvorrichtung 17 ausgegebenes Signal umgeschaltet.
Dann enthält die Steuervorrichtung des Wechselstrommotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Wechselspannungsbefehlsgenerator 20, welcher während des Messmodus die Wechselspannung Vh* als q-Achsen-Spannung an den umgekehrten dq-Wandler anlegt. Demgemäß erhält man die Stromabhängigkeit des Sternpunktpotentials durch Erzeugen des Wechselstroms.
Nun wird ein Prinzip des positionssensorlosen Ansteuerns auf der Grundlage des Sternpunktpotentials anhand der 2 bis 7 beschrieben.
2(a) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Vektoranzeige einer Ausgangsspannung des Umrichters in aß-Koordinaten. In 2(a) gibt ein Zahlenwert „1, 0, 0“ von V(1, 0, 0) einen Schaltzustand der Phasen U, V und W des Umrichter-Hauptstromkreises an, bedeutet „1“ das Einschalten eines oberen Elements und bedeutet „0“ das Einschalten eines unteren Elements. Zum Beispiel bedeutet V(1, 0, 0) die Zustände, in welchen das obere Element der U-Phase eingeschaltet ist und die unteren Elemente der V-Phase und der W-Phase eingeschaltet sind. Die Ausgangsspannung des Umrichters 3 wird zu Spannungsmustern von acht Arten, welche gemäß dem Schaltzustand jeder der dreiphasigen Schaltvorrichtungen (Sup bis Swn) eine Summe von zwei Nullvektoren (V(0, 0, 0) und V(1, 1, 1)) und sechs Nicht-Null-Vektoren (VA bis VF) sind.
Der Umrichter erzeugt unter Verwendung dieser acht Spannungsvektoren ein Muster aus sinusförmigen Impulsen. Zum Beispiel wird für einen willkürlichen Spannungsbefehl V* unter der Annahme, dass der Befehl in einem Bereich 3 in 2(a) liegt, durch Kombinieren der Vektoren VB und VC und eines Nullvektors, welche den Bereich 3 umgeben, eine V* entsprechende Spannung erzeugt.
2(b) ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung der Rotorposition θd des PM-Motors in den aß-Koordinaten. θd ist normalerweise in einer dem Uhrzeigersinn entgegengesetzten Richtung auf der Grundlage einer α-Achse (gleich einer U-Phasen-Statorwicklungs-Position) definiert.
3(a) veranschaulicht ein Anhaltepunktpotential VnA bei angelegtem Spannungsvektor VA, und 3(b) veranschaulicht ein Anhaltepunktpotential VnD bei angelegtem Spannungsvektor VD. Das Sternpunktpotential wird durch in den 3(a) und (b) gezeigte Gleichungen auf der Grundlage eines virtuellen Sternpunktpotentials dargestellt. Auf diese Weise wird jedes der Sternpunktpotentiale als ein geteiltes Potential von Statorwicklungen Lu, Lv und Lw überwacht. Wenn eine Induktivität jeder der Wicklungen gleich einer anderen ist, ist das Sternpunktpotential absolut null. Jedoch weist die Induktivität, da ein Magnetfluss des Rotors sich tatsächlich auf die Wicklung auswirkt, eine Veränderung entsprechend der Rotorposition auf. In der folgenden Beschreibung werden VnA, VnB, VnC, VnD, VnE beziehungsweise VnF als Namen der bei Anlegen der Spannungsvektoren VA, VB, VC, VD, VE und VF erzeugten Sternpunktpotentiale verwendet.
4 veranschaulicht ein Ergebnis des Überwachens des Sternpunktpotentials durch Anlegen eines Spannungsvektors an den eigentlichen PM-Motor. Sowohl V_nA als auch V_nD weist Veränderungen entsprechend der Rotorposition auf. Durch Verwenden der Abhängigkeit des Sternpunktpotentials für die Rotorposition kann die Rotorposition geschätzt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Rotorposition unter Verwendung eines Teils der Kurve in 4 geschätzt. Die 5(a) bis 5(c) veranschaulichen Beispiele einer Linearisierung mit Schwerpunkt auf der Veränderung von VnA in 4.
5(a) veranschaulicht einen Fall, in welchem eine Veränderung von VnA von -60 [Grad] auf 0 [Grad] als eine Gerade angesehen wird und als eine Funktion wie Vn = Fa(θd) dargestellt wird. Wenn die Position geschätzt wird, ist es möglich, die Rotorposition θd unter Verwendung von θd = Fa^-1(Vn) aus Vn zu schätzen.
Um dies zu realisieren, kann man zwei Sternpunktpotentiale bezüglich θd ermitteln. Zum Beispiel wird der Rotor auf -60 [Grad] bewegt und wird VA an eine Position des Rotors angelegt, um das Sternpunktpotential VnA0 zu erhalten. Dann wird der Rotor auf 0 [Grad] bewegt und wird VA an eine Position des Rotors angelegt, um das Sternpunktpotential VnA1 zu erhalten.
5(b) ist ein weiteres Beispiel einer von 5(a) verschiedenen Linearisierung. Wie in 5(b) gezeigt, ist es auch möglich, an einem vordefinierten Punkt in einem Bereich von -60 [Grad] bis 0 [Grad] zu approximieren.
Prinzipiell wird das Sternpunktpotential Vn0 (tatsächlich ein beliebiges von VnA bis VnF) eingegeben und wird die Linearisierung wie durch die folgende Gleichung (1) gegeben durchgeführt. $θ dc 60 = A 1 \cdot Vn 0 + B1$
5(c) ist noch ein weiteres Beispiel einer Linearisierung. Durch ein in 5(c) gezeigtes Verfahren erhält man die Sternpunktpotentiale einer Vielzahl von Punkten innerhalb eines Bereichs von -60 [Grad] bis 0 [Grad]. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von A1 und B1 in der obigen Gleichung erstellt werden, um die Schätzgenauigkeit zu verbessern.
6 veranschaulicht ein Beispiel eines Überwachungsergebnisses von VnA, VnB, VnC, VnD, VnE und VnF, welche sechs Sternpunktpotentiale sind. In 6 sind durchgezogene Linien und gestrichelte Linien vermischt, aber dies dient einer besseren Erkennbarkeit. Wenn diese sechs Sternpunktpotentiale an jeder der Rotorpositionen mit 60 Grad ausgewählt und verwendet werden, erhält man die Kurve wie in 7 gezeigt.
7 ist ein Schaubild, in welchem sechs Arten von Sternpunktpotentialen für jede der Rotorpositionen mit 60 Grad ausgewählt sind. Auf diese Weise kann durch der Reihe nach erfolgendes Verwenden der sechs Arten der Sternpunktpotentiale für jede der Rotorpositionen mit 60 Grad eine Zielkurve überwacht werden und die Rotorposition mittels eines einfachen Algorithmus geschätzt werden. 7 veranschaulicht ein Beispiel eines Verfahrens des Auswählens von sechs Arten der Sternpunktpotentiale.
Der obige Algorithmus erläutert einen grundlegenden Vorgang einer Positionsschätzung unter Verwendung des Sternpunktpotentials. Der grundlegende Vorgang nutzt die Positionsabhängigkeit des entsprechend einer Position eines Magneten-Magnetflusses veränderten Sternpunktpotentials. Jedoch gibt es in dem eigentlichen Motor einen Fall, in welchem es als einen weiteren Faktor zum Ermitteln eines Werts des Sternpunktpotentials eine Stromabhängigkeit gibt, welche durch den Drehmomentstrom verändert wird.
8 veranschaulicht ein durch Messen des Sternpunktpotentials (hier VnA) bei gleichzeitigem Ändern eines Werts des q-Achsen-Stroms (das heißt, eines Stroms einer Drehmomentkomponente) auf 25%, 50%, 100% und 200% erhaltenes Ergebnis. Hier sind die Werte der Sternpunktpotentiale bei den Rotorpositionen θdc von -60 [Grad], -30 [Grad] und 0 [Grad] VnA0, VnA1 beziehungsweise VnA2. Zum Beispiel ist VnA0_025 der Wert des Sternpunktpotentials, wenn die Rotorposition θdc -60 [Grad] ist und der q-Achsen-Strom 25% beträgt.
Obwohl das Maß der Abhängigkeit je nach den Magnetkreiseigenschaften des Motors verschieden ist, gibt es einen Fall, in welchem eine Stromabhängigkeit wie in 8 gezeigt auftreten kann. Demgemäß besteht eine Möglichkeit, dass mit einfachem Einsetzen wie in 5 gezeigt eine genaue Position nicht geschätzt wird und eine Drehmomentvorgabe nicht erfüllt wird; und außerdem wird die Position nicht geschätzt.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die zur Ansteuerung mit hohem Drehmoment von einer Drehzahl null an fähige Steuervorrichtung des Synchronmotors als ein Faktor zum Ermitteln des Werts des Sternpunktpotentials durch Berücksichtigen (1) nicht nur einer durch die Position des Magneten-Magnetflusses veränderten Positionsabhängigkeit, (2) sondern auch einer durch den Drehmomentstrom veränderten Stromabhängigkeit realisiert werden.
Nun wird ein Verfahren zum Ermitteln der Stromabhängigkeit des Sternpunktpotentials beschrieben. Zunächst wird anhand von 9(a) eine Beziehung zwischen einem Permanentmagneten-Magnetfluss Φm und dem Drehmomentstrom Iq während des normalen Ansteuerns beschrieben. Wie in 9(a) gezeigt, fließt beim normalen Ansteuern der Drehmomentstrom Iq in einer zu dem Magneten-Magnetfluss Φm orthogonalen Richtung und erhält man eine Drehkraft. Ein Magnetfluss Φq infolge des Iq wird in einer zu dem Magneten-Magnetfluss Φm orthogonalen Richtung erzeugt. Infolgedessen ist ein Gesamt-Magnetfluss Φ1 innerhalb des Motors ein durch Kombinieren von Φm und Φq erhaltener Magnetfluss. Aus diesem Grund wird das Sternpunktpotential ebenfalls durch den Einfluss von Φq geändert, aber das Maß des Einflusses ist je nach der Konstruktion des Motors verschieden.
Deshalb ist es, wenn die Messung des Sternpunktpotentials in einem Zustand durchgeführt wird, in welchem Iq erregt ist, möglich, die Stromabhängigkeit zu erhalten, aber da der Motor durch das Fließen von Iq eine Drehkraft erzeugt, muss der Rotor mechanisch festgehalten werden und ist es schwierig, das Sternpunktpotential einfach zu messen.
In der vorliegenden Ausführungsform fließt, wie in 9(b) gezeigt, ein Wechselstrom in einer Richtung von ±90 Grad bezüglich des Magneten-Magnetflusses Φm. Wenn Iq kein konstanter Gleichstrom, sondern ein Wechselstrom ist, wird ein durchschnittliches Drehmoment null und kann ein hoher Strom fließen, ohne eine Drehkraft zu erzeugen.
Anhand von 10 wird nun ein Prinzip zum Ermitteln der Stromabhängigkeit durch Fließenlassen eines Wechselstroms beschrieben. Wie in 10 gezeigt, liegt ein Strom einer d-Achse bei null und fließt ein Wechselstrom einer q-Achse. Der Strom wird durch Anlegen der durch den Wechselspannungsbefehlsgenerator 20 in 1 erzeugten Wechselspannung Vh* als q-Achsen-Spannung Vq* erzeugt. Da der Wechselstrom ein Wechselstrom ist, welcher kein rotierendes Magnetfeld bildet, ist ein durchschnittliches Drehmoment des Motors gleich null.
Darüber hinaus wird in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 10(b) gezeigt, durch allmähliches Erhöhen einer Wechselstromamplitude von null an verhindert, dass die Rotorposition des Motors sich bewegt. Obwohl der Strom der Wechselstrom ist, besteht, wenn plötzlich ein hoher Strom zu der q-Achse fließt, eine Möglichkeit, dass die Rotorposition sich infolge des Schocks bewegen kann, aber dies wird unterbunden.
Darüber hinaus ist es durch allmähliches Erhöhen der Amplitude des Wechselstroms und Ermitteln des Sternpunktpotentials bei Erreichen eines gewünschten Stromwerts möglich, den Stromwert und den Sternpunktpotentialwert zu erhalten. Das heißt, man kann die Stromabhängigkeit an einer bestimmten Rotorposition wie in 8 gezeigt erhalten.
11 veranschaulicht einen Ablauf des „Messmodus“ zum Ermitteln des Sternpunktpotentials, welcher auch die Stromabhängigkeit einschließt. Prozesse von (S1) bis (S14) in 11 werden beschrieben.
In (S1) werden SW21a bis SW21d auf eine „0“-Seite gestellt und wird nur SW21e auf einer „1“-Seite gehalten. Dann, in (S2), gibt die Phaseneinstellvorrichtung 17 θdc = -60 [Grad] aus und wird gleichzeitig ein Ausgang des Id*-Generators 5b auf I0 eingestellt. I0 ist ein zum Bewegen des Rotors erforderlicher Stromwert, aber I0 kann, als Richtwert, einem Nennstrom des PM-Motors 4 entsprechen. Durch die Einstellung in (S2) wird ein Gleichstrom an einer Position von θdc = -60 [Grad] erzeugt. Der Rotor bewegt sich entsprechend dem Strom und hält an der Position von θdc = -60 [Grad]. Dann, in (S3), wird SW21e auf „0“ umgeschaltet und wird gleichzeitig Id* auf null eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Gleichstrom unterbrochen.
Dann, in (S4), wird allmählich eine Wechselspannung aus einem Wechselspannungsgenerator 20 angelegt, um das Sternpunktpotential VnA bezüglich eines Spitzenwerts des fließenden Wechselstroms (Kurve in 10) zu erhalten. Der zu diesem Zeitpunkt erhaltene Wert von VnA entspricht VnA0_025 bis VnA0_200 in 8, da die Rotorposition θd gleich -60 [Grad] ist.
Auf die gleiche Weise erhält man durch Einstellen von θdc = -30 [Grad] mittels der Prozesse von (S5) bis (S8) die Stromabhängigkeit VnA1_025 bis VnA1_200 an der Rotorposition von -30 Grad. Dann erhält man durch Einstellen von θdc = 0 [Grad] mittels der Prozesse von (S9) bis (S12) die Stromabhängigkeit VnA2_025 bis VnA2_200 an der Rotorposition von 0 Grad.
In (S13) wird eine Näherungsfunktion zum Interpolieren des Sternpunktpotentials und der auf diesen Sternpunktpotentialwerten beruhenden Rotorposition berechnet. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Linearinterpolationsformel wie in 5 gezeigt als die Näherungsfunktion verwendet und erhält man die Koeffizienten A1 und B1 in der Gleichung (1) für jede der Rotorpositionen und jeden der q-Achsen-Stromwerte. Infolgedessen ist es möglich, eine die Stromabhängigkeit berücksichtigende Tabelle zu erstellen und die Positionsschätzung mit verbesserter Schätzgenauigkeit durchzuführen.
Da der PM-Motor im Prinzip dreiphasensymmetrisch ist, kann das Ergebnis, wenn eine Messung in einem Abschnitt von 60 Grad in einem Phasenwinkel durchgeführt wird, auf andere Phasen angewendet werden (wie in 7 gezeigt, sind Kurven für jeweils 60 Grad einander gleich).
Zum Realisieren des Ablaufs in 11 ist es erforderlich, in (S4), (S8) und (S12) VnA zu erfassen, während der Wechselstrom fließt. Das heißt, wenn der Umrichter 3 einen Wechselstrom auf der q-Achse erzeugt, ist es erforderlich, VA als einen Spannungsvektor in jedem Fall einzubeziehen. Dies lässt sich durch Ausarbeiten eines Verfahrens zum Erzeugen eines Pulses, wenn die Pulsbreite des Umrichters moduliert wird, realisieren. 12 veranschaulicht ein Beispiel des Pulserzeugungsverfahrens.
Wie in 12(a) gezeigt, wird VA, wenn die Position des Spannungsbefehls V* in einem Bereich von ±60 Grad liegt, immer aus dem Umrichter ausgegeben. Deshalb wird VA, wie in 12(b) gezeigt, durch die PWM unter Verwendung des normalen Dreieckwellen-Trägers ausgegeben. Wenn der Spannungsvektor VA ausgegeben wird, ist es durch Messen des Sternpunktpotentials möglich, VnA zu erfassen.
Jedoch besteht je nach einer Bedingung auch eine Möglichkeit, dass eine ausgegebene Periode von VA extrem kurz ist oder VA in einem anderen Bereich als ±60 Grad nicht ausgegeben wird. In diesem Fall wird eine „Impulsverschiebung“ durchgeführt wie in 12(c) gezeigt. Die Impulsverschiebung fügt eine Korrektur hinzu, ohne einen Gesamtwert der ursprünglichen Spannungsbefehle (Vu0, Vv0 und Vw0) in einem abfallenden Abschnitt des Dreieckwellen-Trägers (Periode Tc1 in 12(c)) und einem ansteigenden Abschnitt (Periode Tc2 in 12(c)) zu verändern, und es ist möglich, den Spannungsimpuls von VA durch Verändern des Betrags der Verschiebung auszugeben. Die Impulsverschiebung wird durch den PWM-Generator in 1 ausgeführt.
13 veranschaulicht eine Konfiguration der Positionsschätzvorrichtung 15, welche während des eigentlichen Betriebs arbeitet. In 13 wird das Sternpunktpotential Vn0 eingegeben und erfolgt die Berechnung einer Drehposition unter Verwendung eines Multiplizierers 152 und des Addierers 6 gemäß der Gleichung (1). Messwerte werden in Koeffiziententabellen 1511 und 1512 gesichert, so dass Werte von A1 und B1 in Gleichung (1) entsprechend dem Strom Iq korrigiert werden. In der Ausführungsform ist es, obwohl eine Messung von Strömen an vier Punkten (25%, 50%, 100% und 200%) erfolgt, durch Ausführen einer linearen Interpolation zwischen den Strömen möglich, einen Gesamtstromwert zu handhaben. Alternativ kann die Anzahl der Messpunkte weiter erhöht werden, um die Genauigkeit der Koeffiziententabelle zu verbessern.
θdc 60 wird eingestellt, um innerhalb eines Bereichs von ±30 [Grad] berechnet zu werden, von einem ϕd-Referenzwertgenerator 153 ausgegebene Treppenkurvensignale θdc 0 für jede 60 Grad werden zu θdc 60 addiert, und man erhält die geschätzte Phase θdc von 0 bis 360 [Grad].
Wie oben beschrieben, stellt die Steuervorrichtung des Synchronmotors gemäß der vorliegenden Ausführungsform den PM-Motor mit den dreiphasigen Statorwicklungen in Sternschaltung auf ein Ansteuerziel ein und erregt sie über den Umrichter den Wechselstrom, welcher keine Drehkraft erzeugt, vor dem eigentlichen Ansteuern, um das Sternpunktpotential (Potential des Sternpunkts) des PM-Motors entsprechend der Größenordnung des erregten Stroms zu erhalten. Durch Speichern des erhaltenen Werts in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergeräts und Durchführen der Rotorpositionsschätzung des PM-Motors auf der Grundlage des Werts ist es möglich, die zur Ansteuerung mit hohem Drehmoment von einer Drehzahl null an fähige Steuervorrichtung des Synchronmotors zu realisieren. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, ungeachtet des verwendeten PM-Motors eine automatische Justierung für das positionssensorlose Ansteuern erforderlicher Parameter mühelos durchzuführen und ein sensorloses Ansteuern eines vielseitigen PM-Motors zu realisieren.
Zweite Ausführungsform
Nun wird die Steuervorrichtung des Synchronmotors gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung anhand von 14 und 15 beschrieben.
In der ersten Ausführungsform ist ein Verfahren beschrieben, bei welchem es möglich ist, einen PM-Motor, dessen Eigenschaften unbekannt sind, mittels des einfachen Justieralgorithmus zu handhaben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Vorrichtung, welche ein Problem einer Drei-Phasen-Unsymmetrie in jedem PM-Motor löst, vorgesehen.
In der ersten Ausführungsform ist zum Beispiel, wie in 6 und 7 gezeigt, der Justieralgorithmus unter der Annahme konfiguriert, dass das Sternpunktpotential jedes Spannungsvektors sich in den Erfassungseigenschaften des Sternpunktpotentials gleichermaßen ändert. Jedoch tritt in dem eigentlichen PM-Motor eine Drei-Phasen-Unsymmetrie häufig infolge eines Herstellungsfehlers oder einer Materialschwankung auf. Insbesondere erfasst das in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Sternpunktpotential auch eine Wirkung einer sehr geringen Veränderung der Induktivität jeder Phase und wird dieses Verfahren leicht durch eine Unsymmetrie beeinflusst.
14 veranschaulicht ein Aussehen, bei welchem Messergebnisse des Sternpunktpotentials für sechs Arten von Spannungsvektoren gestreut sind. Diese sind durch eine Drei-Phasen-Unsymmetrie des Motors selbst verursacht und enthalten auch einen Einfluss von Schwankungen einer Erfassungsschaltung (Virtuelles-Sternpunktpotential-Generator 34 in 1) des Sternpunktpotentials. Jedoch kann in der ersten Ausführungsform die Schwankung nicht für jede Phase im Messmodus kompensiert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Justierung, um diese Probleme zu lösen, für jede der sechs Arten der Sternpunktpotentiale durchgeführt. In dem Ablauf in 11 wird das Sternpunktpotential von θd = -60° bis θd = 0° gemessen, aber wird das Sternpunktpotential in allen Bereichen des Phasenwinkels 360° gemessen. Das heißt, (S1) bis (S13) in 11 werden sechsmal wiederholt, um 360 Grad zu handhaben. Unter Verwendung eines Messergebnisses des Sternpunktpotentials werden Koeffiziententabellen 1511B und 1512B in einer in 15 gezeigten Positionsschätzvorrichtung 15B für jeweils 60 Grad erstellt und werden die Koeffiziententabellen mittels Schaltern 154a und 154b umgeschaltet.
Infolgedessen wird die Schwankung für jede der drei Phasen kompensiert und ist es möglich, die Rotorphase θdc genau zu handhaben.
Dritte Ausführungsform
Nun wird die Steuervorrichtung des Synchronmotors gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung anhand von 16 beschrieben.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform wird die Positionsschätzung, als die Rotorphase, durch Teilen des Phasenwinkels von 360 Grad für jeweils 60 Grad in Bezug auf null Grad durchgeführt. Jedoch ist eine Kurve des erfassten Sternpunktpotentials kein Ziel in jeder 60-Grad-Periode und wird ein Fehler in der linearen Näherung groß. Natürlich wird der Prozess, wie in 5(c) gezeigt, obwohl es möglich ist, einige Referenzpunkte zu erhalten und die Punkte durch eine vieleckige Linie zu approximieren, kompliziert und wird auch die Betriebszeit im Messmodus lang.
Die dritte Ausführungsform gemäß der Erfindung löst dieses Problem.
16 zeigt einen Vergleich von Prinzipien der Ausführungsform (16(a)) und der Ausführungsform (16(b)). Zum Beispiel wenn eine 60-Grad-Periode zum Erfassen von VnA auf einen Bereich von -60 Grad bis 0 Grad eingestellt wird, tritt in manchen Teilen ein großer Fehler auf. In der vorliegenden Ausführungsform wird, wie in 16(b) gezeigt, eine Linearisierung in einem Bereich von -75 Grad bis -15 Grad durch Verschieben um 15 Grad durchgeführt. Demgemäß wird das erfasste Sternpunktpotential VnA eine symmetrische Kurve und geht der Fehler in der linearen Näherung stark zurück. Auch wenn ein Abweichungswinkel nicht 15 Grad beträgt, ist natürlich die gleiche Wirkung zu erwarten, wenn der Winkel 15 Grad nahe ist.
Der Ablauf im Messmodus dieses Verfahrens ändert nur eine Einstellung der Phase θd in dem Ablauf in 11. Zum Beispiel kann in dem Prozess von (S2) in 11 θdc = -60 Grad als θdc = -75 Grad eingestellt werden. Ferner kann die Ausführungsform durch Löschen von (S5) bis (S8) und Einstellen von θdc = 0 Grad bis θdc = -15 Grad in (S9) realisiert werden. Der korrigierte Ablauf ist in 17 dargestellt.
Wie oben beschrieben, ist es durch Verschieben der Rotorposition im Messmodus um 15 Grad möglich, eine zu einer genaueren Positionsschätzung fähige sensorlose Ansteuerung zu realisieren. Hinsichtlich der Drei-Phasen-Unsymmetrie ist es möglich, die sensorlose Ansteuerung durch Ausführen auf der Grundlage der zweiten Ausführungsform und Verschieben der Bewegungsposition des Rotors im Messmodus um 15 Grad auf genau die gleiche Weise zu realisieren.
Vierte Ausführungsform
Nun wird die Steuervorrichtung des Synchronmotors gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung anhand von 18 beschrieben.
Wie in den bisherigen Ausführungsformen beschrieben, ist es durch Ermitteln des Sternpunktpotentials einer vordefinierten Phase im Messmodus möglich, den PM-Motor mit einer hohen Ansprechgeschwindigkeit und hohen Qualität (geringer Drehmomentpulsation, niedrigen Verlusten oder dergleichen) anzusteuern. Jedoch wird der Messmodus, wenn der Motor mit dem Steuergerät kombiniert ist, nur einmal als eine Anfangsoperation ausgeführt und kann er nicht mit einer zeitlichen Veränderung der Motoreigenschaften umgehen. Im Prinzip besteht, obwohl der PM-Motor ein Motor mit geringen Veränderungen über die Zeit ist, eine Möglichkeit, dass eine Temperatur des Motors sich während des Ansteuerns von einigen zehn Grad auf etwa 100 Grad ändern kann. Infolge der Temperaturänderung ändern sich die Eigenschaften des an dem Rotor befestigten Permanentmagneten und kann das Sternpunktpotential infolgedessen schwanken. Insbesondere ist der Messmodus ein Erstinbetriebnahmemodus und besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit des Justierens unter einer Bedingung, bei welcher die Temperatur des PM-Motors niedrig ist. Andererseits erzeugt der Motorhauptkörper, wenn der PM-Motor im eigentlichen Betrieb angesteuert wird, Wärme infolge von Kupferverlusten und Eisenverlusten und besteht eine Möglichkeit, dass die Eigenschaften des Motorhauptkörpers von den Eigenschaften im Messmodus verschieden sein können.
Deshalb erfolgt die Erfassung des Sternpunktpotentials im Messmodus bevorzugt so nah wie möglich an einer Temperaturbedingung im eigentlichen Betrieb.
Deshalb werden, wie in 18 gezeigt, dem Messmodus-Algorithmus (9) der ersten Ausführungsform neue Prozesse (P1) und (P2) hinzugefügt. In (P1) werden SW21a bis SW21d vorübergehend auf den Messmodus gestellt, wird l₀ auf einen vordefinierten Wert geändert und wird die Phase θ_dc in (P2) der Reihe nach zu 0 [Grad], 120 [Grad] und -120 [Grad] gewechselt und wird der PM-Motor 4 erregt. Die Erregung in (P2) soll die Kupferverluste infolge eines elektrischen Stroms erzeugen, um die Temperatur des Motors auf einen Wert nahe dem eigentlichen Betrieb zu erhöhen, und Erregungsmuster können willkürlich sein. Jedoch kann die Erregungsphase gewechselt werden, damit der Strom sich nicht in einer bestimmten Phase konzentriert.
Wenn der in den obigen Ausführungsformen beschriebene Messmodus nach Erregen des PM-Motors 4 durch (P2) ausgeführt wird, kann man das Sternpunktpotential bei einer Temperaturbedingung nahe dem eigentlichen Betrieb erhalten.
Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung möglich, das Sternpunktpotential nahe der Temperaturbedingung im eigentlichen Betrieb im Messmodus zu ermitteln und die Positionsschätzgenauigkeit des eigentlichen Betriebs zu verbessern.
Fünfte Ausführungsform
Nun wird die fünfte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
19 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung eines Ansteuersystems des Synchronmotors gemäß der Ausführungsform. In 19 ist ein Synchronmotor-Ansteuersystem 23 als ein einziges System in dem Motor 4 untergebracht. Durch Integrieren des gesamten Synchronmotor-Ansteuersystems 23 und des Motors 4 auf diese Weise kann die Verdrahtung zwischen dem Motor und dem Umrichter wegfallen. Wie in 19 gezeigt, besteht die Verdrahtung des integrierten Ansteuersystems nur aus einer Stromversorgungsleitung zu dem Umrichter 3 und einer Datenübertragungsleitung für einen Drehzahlbefehl, zum Rückmelden des Betriebszustands oder dergleichen.
In der Ausführungsform wird, obwohl es erforderlich ist, das Sternpunktpotential des Motors 4 abzuleiten, die Verdrahtung des Sternpunktpotentials durch Integrieren des Motors und des Ansteuerschaltungsteils auf diese Weise einfach. Darüber hinaus kann das integrierte System, da das positionssensorlose Ansteuern realisiert werden kann, äußerst kompakt sein und kann eine Miniaturisierung realisiert werden.
Sechste Ausführungsform
Nun wird die sechste Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
20 ist ein zur Übertragung von Hydraulikdruck in einem Kraftfahrzeug, Bremshydraulikdruck und dergleichen verwendetes Hydraulikansteuersystem. In 20 ist ein Bezugszeichen 23 das Synchronmotor-Ansteuersystem in 19 und ist eine Ölpumpe 24 mit dem Motor verbunden. Durch die Ölpumpe 24 wird der Hydraulikdruck eines Hydraulikdruckkreises 50 gesteuert. Der Hydraulikdruckkreis 50 ist einen Behälter 51, welcher Öl enthält, ein Überdruckventil 52, welches den Hydraulikdruck unter einem eingestellten Wert hält, ein Magnetventil 53, welches den Hydraulikdruckkreis schaltet, und einen Zylinder 54, welcher als ein hydraulischer Stellantrieb arbeitet, enthaltend konfiguriert.
Die Ölpumpe 24 erzeugt durch das Synchronmotor-Ansteuersystem 23 einen Hydraulikdruck und steuert den Zylinder 54 an, welcher der hydraulische Stellantrieb ist. In dem Hydraulikdruckkreis wird durch Umschalten des Kreises mittels des Magnetventils 53 eine Last der Ölpumpe 24 verändert und wird in dem Synchronmotor-Ansteuersystem 23 eine andere Turbulenz als die Last erzeugt. In dem Hydraulikdruckkreis kann eine Last, welche größer als das Mehrfache oder gleich dem Mehrfachen ist, auf den statischen Druck angewendet werden und kann der Motor gestoppt werden. Jedoch ist es in dem Synchronmotor-Ansteuersystem gemäß der Ausführungsform möglich, die Rotorposition auch in einem Anhaltezustand zu schätzen, so dass kein Problem auftritt. Bei der oben beschriebenen Sensorlosigkeit ist es, da sie schwierig nur in einem mittleren bis hohen Drehzahlbereich anzuwenden ist, unerlässlich, den Hydraulikdruck, welcher eine schwere Last des Motors wird, über das Überdruckventil 52 abzubauen, aber gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es auch möglich, das Überdruckventil 52 wegzulassen wie in 21 gezeigt. Das heißt, eine Hydraulikdrucksteuerung wird ohne das Überdruckventil, welches eine mechanische Schutzvorrichtung zum Vermeiden einer Überlastung des Motors ist, möglich.
Obwohl diese Ausführungsform als das Hydraulikdrucksteuersystem beschrieben ist, lässt sie sich auch auf eine andere Flüssigkeitspumpe anwenden.
Siebte Ausführungsform
Nun wird die siebte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
22 veranschaulicht eine den Motor verwendende Positioniervorrichtung und eine gesamte Blockkonfiguration der Positioniervorrichtung. In 22 ist die Positioniervorrichtung 70 als eine Last des Motors 4 angebracht. Hier fungiert ein Iq*-Generator 1E als ein Drehzahlsteuergerät. Darüber hinaus ist ein Drehzahlbefehl ωr* als eine Ausgabe eines Positionssteuergeräts 71, welches ein oberer Steuerblock ist, vorgesehen. Ein Subtrahierer 6E vergleicht den Drehzahlbefehl ωr* mit einer Ist-Drehzahl ωr und handhabt Iq* so, dass eine Abweichung null wird. Die Positioniervorrichtung 70 ist eine zum Beispiel einen Kugelgewindetrieb verwendende Vorrichtung und wird durch das Positionssteuergerät 71 so justiert, dass die Position auf eine vordefinierte Position θ* gesteuert wird. Der Positionssensor ist nicht an der Positioniervorrichtung 70 befestigt, und der Positionsschätzwert θdc in dem Steuergerät 2 wird so, wie er ist, verwendet. Dadurch ist es nicht erforderlich, den Positionssensor an der Positioniervorrichtung zu befestigen, und kann eine Positionssteuerung durchgeführt werden.
Obwohl die Erfindung speziell auf der Grundlage der Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt und können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden, ohne von einem Kern derselben abzuweichen.
Wie oben beschrieben, ist die Erfindung eine Technik zum Konstruieren der Steuervorrichtung des Synchronmotors unter der Prämisse der Positionssensorlosigkeit und eines die Steuervorrichtung verwendenden Ansteuersystems. Ein Anwendungsbereich dieses Motors kann eine Fördereinrichtung, ein Aufzug, eine Strangpresse, eine Werkzeugmaschine sowie eine Drehzahlsteuerung eines Gebläses, einer Pumpe (Hydraulikpumpe, Wasserpumpe), eines Kompressors, eines Spindelmotors, eines Klimageräts und dergleichen umfassen.
Der Offenbarungsinhalt der folgenden Prioritätsanmeldung ist als Zitat hierin einbezogen. Japanische Patentanmeldung Nr. 2015-199040 (7. Oktober 2015)
Bezugszeichenliste

1: Iq*-Generator
2: Steuergerät
3: Umrichter
31: Gleichstromversorgung
32: Umrichter-Hauptstromkreis
33: Gate-Treiber
34: Virtuelles-Sternpunktpotential-Generator
35: Stromsensor
4: PM-Motor
5: Id*-Generator
6: Addierer
6, 7: d-Achsen-Stromsteuergerät IdACR
8: q-Achsen-Stromsteuergerät IqACR
9: umgekehrter dq-Wandler
10: Pulsbreitenmodulationseinheit
11: Stromreproduziervorrichtung
12: dq-Wandler
13: Sternpunktpotentialverstärker
14: Abtast-/Haltevorrichtung
15: Positionsschätzvorrichtung
16: Drehzahlhandhabungsvorrichtung
17: Phaseneinstellvorrichtung
18: Schätzparameter-Einstellvorrichtung
19: Nullgenerator
20: Wechselspannungsbefehlsgenerator
21: Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2009189176 A [0013]
JP 2012010477 A [0013]
JP 2010074898 A [0013]
WO 13/153657 [0013]
JP 2015199040 [0103]

Claims

Steuervorrichtung eines Synchronmotors, welche den Synchronmotor über einen Umrichter steuert, welche Vorrichtung enthält: den Synchronmotor mit dreiphasigen Statorwicklungen in Sternschaltung; eine Erfassungseinheit, welche ein Sternpunktpotential, welches ein Potential an einem Sternpunkt ist, erfasst; und den Umrichter, welcher den Synchronmotor ansteuert, wobei die Steuervorrichtung des Synchronmotors einen Messmodus aufweist, in welchem das Sternpunktpotential in einem Zustand, in welchem der Synchronmotor durch einen Wechselstrom erregt ist, erfasst wird, und den Synchronmotor auf der Grundlage eines Werts des im Messmodus erfassten Sternpunktpotentials steuert.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 1, wobei, nachdem der Synchronmotor durch einen Gleichstrom erregt wurde, um einen Rotor zu bewegen, das Sternpunktpotential durch den Wechselstrom im Messmodus erfasst wird.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 2, wobei die Erregung durch den Gleichstrom und die Erfassung des Sternpunktpotentials durch den Wechselstrom wiederholt an einer Vielzahl von Positionen des Rotors ausgeführt werden.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl von Bewegungsbereichen des Rotors durch die Erregung durch den Gleichstrom eine Vielzahl von Punkten innerhalb eines Bereichs von mindestens 60 Grad bezüglich eines Phasenwinkels des Synchronmotors ist.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl von Bewegungsbereichen des Rotors durch die Erregung durch den Gleichstrom eine Vielzahl von Punkten innerhalb eines Bereichs von 360 Grad bezüglich des Phasenwinkels des Synchronmotors ist.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 3, wobei eine Gleichstromerregungsphase für den Synchronmotor mindestens eine Phase einer Vielzahl von Punkten in Abständen von 60 Grad in Bezug auf eine um 15 Grad bezüglich null Grad verschobene Phase, wobei eine Position einer U-Phasen-Statorwicklung als null Grad einer Phasenwinkel-Phase definiert ist, enthält.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wechselstrom zum Erregen des Synchronmotors den Synchronmotor erregt, während eine Amplitude des Wechselstroms geändert wird.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 7, wobei ein maximaler Amplitudenwert des Wechselstroms zum Erregen des Synchronmotors mindestens größer als eine oder gleich einer Größenordnung des Stroms während des normalen Ansteuerns des Synchronmotors ist.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 7, wobei die Amplitude des Wechselstroms zum Erregen des Synchronmotors allmählich von null an zunimmt.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei bei Ausführung des Messmodus, nachdem der Synchronmotor im Voraus erregt wurde, das Sternpunktpotential erfasst wird.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei während des Ansteuerns bei normal angesteuertem Synchronmotor, nachdem das Sternpunktpotential im Messmodus erfasst wurde, das Sternpunktpotential erfasst wird, um das Sternpunktpotential durch Anlegen eines Spannungsimpulses zur Sternpunktpotentialerfassung durch den Umrichter zu erfassen, eine Drehposition des Synchronmotors im Voraus aus einem Wert der Erfassung und einem Wert des erfassten Sternpunktpotentials geschätzt wird und der Synchronmotor auf der Grundlage der Drehposition angesteuert wird.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 11, wobei der während des normalen Ansteuerns des Synchronmotors ausgegebene Spannungsimpuls zur Sternpunktpotentialerfassung auf mindestens eine einer Aufwärtsperiode und einer Abwärtsperiode einer Dreieckwellen-Trägerwelle bezüglich der Dreieckwellen-Trägerwelle angewendet wird, wenn eine Pulsbreite des Umrichters moduliert wird, um das Sternpunktpotential zu erfassen, und die Drehposition auf der Grundlage eines Werts der Erfassung geschätzt wird.
Steuervorrichtung des Synchronmotors nach Anspruch 11 oder 12, wobei eine Rotorpositionsschätzung des Synchronmotors im Voraus durch eine auf dem erfassten Sternpunktpotential beruhende Funktion erfolgt.
Integriertes Elektromotorsystem, enthaltend: die Steuervorrichtung des Synchronmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und einen Rotor und einen Stator des Synchronmotors, angesteuert durch die Steuervorrichtung des Synchronmotors, untergebracht in einem gemeinsamen Gehäuse.
Pumpensystem, enthaltend: die Steuervorrichtung des Synchronmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 13; den durch die Steuervorrichtung des Synchronmotors angesteuerten Synchronmotor; und eine durch den Synchronmotor angetriebene Pumpe für Flüssigkeiten.
Positioniersystem, welches ein Objekt mit der Steuervorrichtung des Synchronmotors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bewegt; und wobei der Synchronmotor durch die Steuervorrichtung des Synchronmotors und des Elektromotors angesteuert ist und eine Position des Objekts steuert.