同步电动机的驱动系统技术方案

针对永磁电动机的转数、转矩控制，提供一种使用逆变器以基于所需最少的开关次数的理想正弦波状电流来驱动，且可从零速度附近的极低速范围开始驱动的无位置传感器驱动方式。与逆变器的PWM波形同步地检测永磁电动机4的中性点电位。从该中性点电位的变动中推算永磁电动机4的转子位置。在检测中性点电位时，通过将PWM波形的各相的时刻错开，来生成三种或四种逆变器输出电压不为零矢量的开关状态，对其中至少两种开关状态中的中性点电位进行采样，推算三相同步电动机的转子位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】同步电动机的驱动系统
本专利技术涉及电动机驱动装置，例如风扇、泵、压缩机、旋转电机等旋转速度控制、或者输送机或工作机械中定位的装置，以及如电动助力等在控制转矩的用途中利用的同步电机的驱动系统。
技术介绍
在工业、家电、汽车等各种领域中广泛使用小型、高效率的永磁电动机（三相同步电动机）。然而，为了驱动永磁电动机需要电动机转子的位置信息，需要为此而设的位置传感器。近年来，广泛地普及了取消该位置传感器而进行永磁电动机的转数或转矩控制的无传感器控制。通过无传感器控制的实用化，实现了位置传感器所需费用（传感器自身的成本、传感器布线所需的成本等）的削减、装置的小型化。此外，通过不需要传感器，具有能在恶劣环境下使用等优点。当前，永磁电动机的无传感器控制采用直接检测永磁电动机转子旋转产生的感应电压（速度电动势）作为转子的位置信息进行永磁电动机驱动的方法和根据对象电动机的数学模型来推算转子位置的位置推算技术等。这些无传感器控制中存在较大的问题。其为低速运转时的位置检测方法。当前实用化的大多数无传感器控制基于永磁电动机产生的感应电压。因此，在感应电压较小的停止、低速范围中灵敏度降低，存在位置信息被淹没在噪声中的可能性。针对该问题提出了各种解决方法。专利文献1中记载的专利技术是向永磁电动机输入高频波，根据此时产生的电流检测转子位置的方法。对永磁电动机的转子要求为凸极性，通过由该凸极构造引起的电流高次谐波的影响，使位置检测变得可能。专利文献2中记载的专利技术检测作为三相定子绕组的连接点的电位的“中性点电位”来获得位置信息。虽然需要从定子绕组中性点引线的工作，但与下述专利文献3相比，即使在对三相同时通电的状态下也能够获得位置信息，因此能够以正弦波电流理想地驱动永磁电动机。专利文献3中记载的专利技术为如下驱动方法：从电动机的三相定子绕组中选择两相来通电，以120度通电方式为基础，基于非通电相中产生的电动势（并非随速度产生的电动势，而是电感不平衡导致的电动势）检测转子位置。该方式中，由于利用根据位置产生的电动势，即使在完全停止状态下也能够获取位置信息。专利文献4中记载的专利技术与专利文献2中记载的方法同样地检测作为三相定子绕组的连接点的电位的“中性点电位”来获得位置信息。此时，通过与逆变器的PWM（脉冲宽度调制）波同步地检测中性点电位，与专利文献3同样地能够检测出电感不平衡导致的电动势，作为结果能够获得转子的位置信息。专利文献4的方法中能够使驱动波形为理想的正弦波电流。已有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平7-245981号公报专利文献2：日本特开2000-232797号公报专利文献3：日本特开2009-189176号公报专利文献3：日本特开2010-74898号公报
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题但在专利文献1记载的专利技术中，电动机的转子构造需要为凸极性。无凸极性、凸极性少的电动机中位置检测灵敏度较低，位置推算变得困难。此外，为了高灵敏度地进行检测，需要增加输入的高频波成分，或者降低频率。其结果是成为旋转脉动或振动、噪声的原因，大幅地增加电动机的谐波损耗。在专利文献2记载的专利技术中，利用中性点电位产生的三次谐波电压。因此转子构造不需要为凸极性，能够使驱动电路正弦波化。但由于该三次谐波的感应电压本身为随永磁电动机的旋转产生的速度电动势，因此无法获得低速度范围中的位置信息，无法进行零速度附近的驱动。专利文献3的专利技术为观测三相绕组的非通电相中产生的电动势的方式，能够从停止状态开始驱动电动机，但存在驱动电流波形为120度通电（方波）的问题。本来，以正弦波状的电流驱动永磁电动机对于旋转不匀的抑制和抑制谐波损耗更为有利，但在专利文献3的专利技术中不可能进行正弦波驱动。专利文献4记载的专利技术与专利文献2中记载的方法同样地检测作为三相定子绕组的连接点的电位的“中性点电位”来获得位置信息。通过与从逆变器施加到电动机的脉冲电压同步地检测该中性点电位，能够获得依赖于转子位置的电位变化。专利文献4中，通过由通常的正弦波调制所得到的PWM（脉冲宽度调制）作为施加到电动机的电压，也能够获得位置信息。本专利技术由于具有与专利文献4记载的专利技术相关的部分，故对细节进行说明。图27表示专利文献4记载的PWM波形和此时的中性点电位波形。将三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*与三角波载波比较，产生PWM脉冲波形PVu、PVv、PVw。三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*虽然为正弦波状的波形，但在低速驱动时与三角波载波相比可看作足够低的频率，因此如图27所示在某个瞬间实质上可看作直流。PWM脉冲波形PVu、PVv、PVw在各自不同的时刻重复接通/断开。该图（c）的电压矢量赋以V（0，0，1）的名称，这些下标（0，0，1）分别表示U、V、W相的开关状态。即，V（0，0，1）表示U相中PVu=0，V相中PVv=0，W相中PVw=1。在此，V（0，0，0）以及V（1，1，1）是对电动机施加的电压为零的零矢量。如这些波形所示，通常的PWM波在第一零矢量V（0，0，0）和第二零矢量V（1，1，1）之间产生两种电压矢量V（0，0，1）和V（1，0，1）。即，将V（0，0，0）→V（0，0，1）→V（1，0，1）→V（1，1，1）→V（1，0，1）→V（0，0，1）→V（0，0，0）作为一个周期来重复。对于在该零矢量之间使用的电压矢量，在三相电压指令Vu*、Vv*、Vw*的大小关系不变的期间中，使用同样的电压矢量。在施加这些电压矢量之外的电压时，在中性点电位中产生与转子位置相应的电动势。专利文献4中记载了利用其推算转子位置的方法。但如果使用该方法进行极低速时的中性点电位检测，有较多的实用上的问题。例如，在停止状态下的施加电压只能施加由电动机的绕组电阻产生的电压效果的大小，因此成为极微小的脉冲宽度的电压。在PWM波形的情况下，由于伴随逆变器的开关必然产生减幅振荡（ringing）（开关后的数100kHz～数MHz的振动），实际的中性点电位为图27（f）的波形。由于微小的脉冲宽度中存在该减幅振荡导致的振动，作为中性点电位无法检测到为获得位置信息所需的值。为了防止这点，只能对脉冲宽度的最小值加以限制，其结果是极低速的驱动变得困难。此外，作为专利文献4记载的位置推算算法的问题，基本上必须依赖于表格数据。此外，在专利文献4中，作为提高位置推算灵敏度的方式，同时公开了在施加零矢量的期间强制地施加位置推算用的电压脉冲的方式。虽然是与通常的PWM不同的方式，但通过该方式能够高灵敏度地进行位置推算。但由于与通常的PWM为完全不同的开关模式，因此产生了各种弊端。首先，由于增加了PWM的开关次数，增加了逆变器的开关损耗。对于以高效率为优点的永磁电动机，增加了逆变器的损失，成为一大缺点。其次，由于需要特殊的PWM，无法使用通用微机中具备的PWM功能，因此需要专用的控制器。因此成为成本上升和装置大型化的原因。本专利技术的目的在于，提供从零速度附近的极低速范围开始能够通过正弦波状的电流驱动的同步电动机驱动系统。本专利技术的其它目的在于，提供不增加开关次数也能够高效率地驱动永磁电动机的同步电机驱动系统。用于解决技术问题的技术手段本专利技术的一种方式中，为一种从脉冲宽度调制逆变器向三相同步电动机供电，并基于同步电动机的中性点电位推算转子位置来控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步电动机驱动系统，其包括：输出连续正弦波状的交流电流的逆变器；与所述逆变器连接的三相同步电动机；和控制器，其基于所述三相同步电动机的中性点电位来检测转子位置信息，对所述逆变器输出脉冲宽度调制信号来控制所述逆变器，该同步电动机驱动系统的特征在于：作为所述逆变器的脉冲宽度调制动作，在从各相的开关状态为全负或全正的零矢量状态开始进行开关动作，直到成为原来的零矢量状态为止的载波周期中，使各相的开关动作的时刻错开，由此，生成所述零矢量状态之外的三种或四种开关状态，对该三种或四种开关状态中的至少两种开关状态下的所述中性点电位进行采样，所述控制器基于所述采样值来推算所述三相同步电动机的转子位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种同步电动机驱动系统，其包括：输出连续正弦波状的交流电流的逆变器；与所述逆变器连接的三相同步电动机；和控制器，其基于所述三相同步电动机的中性点电位来检测转子位置信息，对所述逆变器输出脉冲宽度调制信号来控制所述逆变器，该同步电动机驱动系统的特征在于：作为所述逆变器的脉冲宽度调制动作，在从各相的开关状态为全负或全正的零矢量状态开始进行开关动作，直到成为原来的零矢量状态为止的载波周期中，使各相的开关动作的时刻移位，由此，生成所述零矢量状态之外的三种或四种开关状态，对该三种或四种开关状态中的至少两种开关状态下的所述中性点电位进行采样，所述控制器基于所述采样值来推算所述三相同步电动机的转子位置，所述脉冲宽度调制的方式为计算对所述三相同步电动机施加的三相电压指令，并基于这些三相电压指令进行脉冲宽度调制动作的方式，在进行该脉冲宽度调制时，对所述三相电压指令施加电压补偿，使所述各相的开关动作的时刻移位。2.如权利要求1所述的同步电动机驱动系统，其特征在于：所述载波周期内的各相开关动作从第一所述零矢量状态开始，逐相依次地转移到正的开关状态，转移到第二所述零矢量状态之后，从转移到正的开关状态的相开始依次转移到负的开关状态，由此，在所述载波周期内生成四种开关状态，并再次转移到原来的第一所述零矢量。3.如权利要求1所述的同步电动机驱动系统，其特征在于：作为所述逆变器的脉冲宽度调制动作，设置三相中任一相始终保持正或者始终保持负的状态的期间，在该期间中利用剩余的两相进行脉冲宽度调制，使这两相的开关动作的时刻移位，由此，生成所述零矢量之外的三种开关状态，对该三种开关状态中的至少两种开关状态下的所述中性点电位进行采样。4.如权利要求1～3中任一项所述的同步电动机驱动系统，其特征在于：作为所述载波周期内的开关状态，对所述零矢量之外的三种或四种开关状态中的至少两种开关状态的期间设置最小限制值，并将该最小限制值设定为所述中性点电位的变化时的初始变动实质上收敛的期间以上。5.如权利要求1～3中任一项所述的同步电动机驱动系统，其特征在于：通过将所述中性点电位的至少两种以上的采样值作为三相交流信号来处理，推算所述转子位置。6.如权利要求1～3中任一项所述的同步电动机驱动系统，其特征在于：具备检测所述逆变器的直流母线电流的单元，对于该直流母线电流的采样，与对所述中性点电位进行采样的时刻同样地，在所述零...

【专利技术属性】
技术研发人员：岩路善尚，青柳滋久，高畑良一，户张和明，
申请(专利权)人：株式会社日立制作所，
类型：
国别省市：