專利名稱：交流電機的控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及交流電機的控制裝置，特別涉及能驅動不同類型交流電機的控制裝置。
背景技術：
交流電機(以下簡稱為AC電機)可以分為多種類型，根據轉矩產生的特殊原理，它包括感應電機和同步電機。一般來說，用于驅動AC電機的控制裝置可由幾個單元構成，每個單元都可根據AC電機特殊類型具有所適用的控制裝置以及每個單元都可根據AC電機的類型用于驅動電機。例如，在日本申請專利未公開出版No.06-265607中所描述的，當需要驅動感應電機(下面稱為IM)時，就需要對IM驅動換流器(inverter)提供自動調諧來自動測量電機的常數，以提供在運轉起動之前的轉矩性能。另外，只有IM是采用通常稱之為通用換流器的單元來控制的，該通用換流器具有與IM的電機常數有關的多功能性。
在矢量控制類型的換流器單元中往往是采用單元的架構，正如專利公告No2708479中所披露的那樣，該單元能夠驅動感應電機和同步電機。然而，對這類單元而言，要驅動的電機類型需要事先確定的。

發明內容
最近，新型的電機，諸如，嵌入式永磁電機(下面稱為IPM)，表面涂覆的永磁電機(同樣，下面稱為SPM)以及同步磁阻電機(下面稱為SynRM)，都已經研究開發出來并已在商業上取代IM。用于驅動和控制這些新型電機的控制裝置也已經研究開發出來了。然而，為了能驅動這類電機，就需要使用能適用于各類電機的專用控制裝置。
本發明的一個目的是提供不僅能自動識別IM，還能自動識別AC電機(例如，IPM，SPM，和SynRM)的方法和AC電機控制裝置，該種識別裝置是與控制裝置相連接的，即使用戶不了解電機的類型也能使用。本發明的另一個目的是提供一種設備，它能自動地對采用上述方法識別的各類電機，選擇適用的電機控制方案，并采用在自動識別電機類型過程中所獲得的電機常數，來驅動每個電機，上述所獲得的電機常數可設置為上述電機的可變速度控制的電機常數。
與本發明相關的AC電機控制裝置具有一個電機類型識別裝置，通過該裝置對電機發出一個用于電機類型識別的適當的電壓命令并從檢測的電流中判斷出電機轉子是否裝配了磁鐵以及電機轉子是否有磁凸極，可以識別出與電機控制裝置相連接的電機的類型。與本發明相關的AC電機控制裝置還具有一個控制方案選擇裝置，它根據上述識別的類型電機來選擇適當的控制方案并控制電機的驅動。


圖1是用于實施例1的AC電機的控制電路的整體電路方框圖。
圖2是實施例1所使用的控制常數計算電路的方框圖。
圖3是實施例1所使用的矢量控制器的示意圖。
圖4是實施例1中AC電機識別的流程圖。
圖5是用于實施例2的AC電機的控制電路的整體電路方框圖。
圖6是實施例2中AC電機識別的流程圖。
圖7是實施例3中AC電機識別的流程圖。
圖8是實施例4中AC電機識別的流程圖。
具體實施例方式
以下將結合附圖詳細討論本發明。
(實施例1)圖1是實施例的電路方框圖，在該實施例中，采用PWM換流器來驅動AC電機的系統適用于本發明。
在圖1中，AC電機1是一個需要識別它的類型和它的轉子的AC單元，并附有位置監測器10。AC電機1也與PWM換流器2相連接，PWM換流器根據PWM信號向AC電機1提供可變頻率的AC電壓。三相電壓命令信號Vu，Vv，和Vw是由dq-uvw座標變換器3產生。構成該dq-uvw座標變換器是為了能接受根據d-軸電壓命令Vd，q-軸電壓命令Vq，以及來自積分器61的一階角頻率命令ω所產生的輸入相位信號θ，并對三相電壓命令信號Vu，Vv，和Vw進行算術運算。
電流檢測器4a用于檢測U相位的電流，電流監測器4b用于檢測W相位的電流，它們設置在PWM換流器2和AC電機1之間的連接線上，檢測出的電流作為監測器的輸出，并提供給uvw-dq座標變換器5。該uvw-dq座標變換器5構成了電流分量產生裝置，用于從電流監測器4a和4b的檢測電流和上述的相位信號θ中產生d-軸電流分量Id和q-軸電流分量Iq，它們分別與標注為d-軸和q-軸的兩個座標軸有關。與電流分量有關的信號提供給具有電機類型識別功能的矢量控制單元6。
矢量控制單元6具有電機類型識別器7，控制常數算術單元8，和矢量控制器9。電機類型識別器7構成了基于uvw-dq座標變換器5的電流分量Id和Iq以及位置檢測器10的位置檢測信號來識別電機類型的裝置。電機類型識別器7也構成了電機類型識別命令產生裝置，用于將d-軸電流分量Id，q-軸電流分量Iq，以及一階角頻率ω設置在所要求的數值上。
控制常數算術單元8根據由電機類型識別器7已經識別到的電機類型來計算矢量控制器的控制常數。控制常數算術單元8的方框圖如圖2所示。控制常數算術單元8可以再分成為IM控制常數算術單元81，IPM控制常數算術單元82，SPM控制常數算術單元83，SynRM控制常數算術單元84以及用于選擇這些輔助性算術單元的選擇器85。控制常數算術單元8可根據來自電機類型識別器7的信號的狀態從多個輔助性算術單元中選擇出一個算術單元，隨后計算出適用于電機的控制常數，并將控制常數饋送至矢量控制器9。
矢量控制器9根據由控制常數算術單元所計算出的控制常數來控制初級電壓命令Vd和Vq，一階角頻率命令ω以及其它信號。矢量控制器的方框圖如圖3所示。矢量控制器9可以再分成為IM矢量控制器91，IPM矢量控制器92，SPM矢量控制器93，SynRM矢量控制器94以及用于選擇這些輔助性控制器的選擇器95。矢量控制器9可根據來自控制常數算術單元8的信號的狀態從多個輔助性矢量控制器中選擇出一個控制器，隨后根據要控制的電機類型選擇出適用的控制方案，并發出相應的控制命令。在本實施例中，在電機類型識別的過程中，一旦矢量控制器9斷開之后，來自電機類型識別器7的電機類型識別電壓命令Vd和Vq以及一階角頻率命令ω就饋送至dq-uvw座標變換器3。
在本實施例中所使用的電機識別方法的流程圖如圖4所示。以下將討論基于該流程的操作。首先，對AC電機施加足夠高的DC電壓以起動它的轉子，并根據來自位置檢測器10的位置檢測信號的狀態來檢測轉子的運行。這時，如果轉子不能運轉，則電機就可以判斷出在轉子中沒有磁鐵，于是所識別的IM在轉子的形狀上沒有磁凸極。如果轉子運轉著，那么就能估計電機要么是在轉子使用磁鐵的磁電機要么是在轉子的形狀上提供了磁凸極的磁阻電機。然而，已經施加DC電壓的相位可以變化到不產生轉矩的相位。因此，在事實上，所施加的DC電壓至少是在兩個類型的相位上。采用這樣的方法，通過將一個DC電壓施加到AC電機并使用轉子位置檢測裝置來檢測轉子的運行，就可以判斷出電機是否是IM。如果檢測到的電機是IM的，則采用測量已知電機常數的自動調諧技術來計算適用于IM的電機常數，隨后正確地控制著IM。
如果采用上述討論的方法確認了轉子已經運行的事實，也就是說，如果電機已經被識別為IM，那么轉子也就定位了，因為在施加DC電壓的當前相位與轉子的直接軸(d-軸)的相位之間的識別裝置相匹配，所以就可以識別出轉子的d-軸的相位本身。
接著，測量以上識別的d-軸的感應系數(下面稱為Ld)和q-軸的感應系數(下面稱為Lq)，其中，q-軸與d-軸正交且在電學相位上超前90度。計算感應系數可有多種方法。在日本申請專利未公開出版No.07-244099中描述了一種方法，將換流器的輸出電壓信號調制成高頻率的矩形波形，隨后測量電流的變化速率。
在采用以上方法測量了Ld和Lq之后，就可以從測量數值之間的幅值關系上識別出電機的類型。如果Ld＝Lq，那么電機就是SPM；如Ld＜Lq，則電機是IPM；或者，如Ld＞Lq，則電機就是SynRM。
在采用以上方法進行SPM，IPM，和SynRM的識別之后，已經用于識別的Ld和Lq數值可以作為控制電機的電機控制常數。
(實施例2)圖5是與本實施例相關的電路方框圖，與實施例1圖1所不同的是沒有提供用于檢測AC電機1的轉子的旋轉位置的位置檢測器。也就是說，在實施例2中，位置檢測裝置并沒有使用，電機類型的識別沒有使用位置傳感器。換句話說，由于是在沒有電機旋轉的條件下識別電機類型，因此本實施例可適用于在電機識別的過程中電機的轉子不一定要運轉的場合應用。
本實施例的流程圖如圖6所示。首先，對AC電機測量與至少兩種的電學角相位有關的感應系數。這時，如果測量到的感應系數的數值不同，那么，電機就可識別為在轉子的形狀上具有磁凸極的IPM或SynRM類電機。如果測量到的感應系數的數值不是不同，那么，電機就可識別為在轉子的形狀上不具有磁凸極的IM或SPM類電機。采用假定與至少兩種的電學角相位有關的電壓變化并測量電機的電流變化或時間常數變化的相應速率，而不再是測量感應系數，就可以同樣識別出電機的類型。如果在測量的電機的電流變化率或電機的時間常數變化率上存在著差異，那么，電機就可識別為在轉子的形狀上具有磁凸極的IPM或SynRM類電機。如果在測量的電機的電流變化率或電機的時間常數變化率上不存在著差異，那么，電機就可識別為在轉子的形狀上不具有磁凸極的IM或SPM類電機。
上述IPM或SynRM類電機的識別再繼續采用磁飽和的電機識別方法。如果電機采用了磁鐵，當采用在由磁鐵產生的磁通量密度增加的方向施加電壓以提供電流時，就會發生磁飽和，并且在感應系數上最終減少將引起電流的增加。反之，如果采用在由磁鐵產生的磁通量密度減少的方向施加電壓以提供電流的話，既不會發生磁飽和，也不會增加感應系數。對IPM來說，d-軸具有磁鐵，因此Ld的數值就小于Lq的數值。所以，當在測量到感應系數的所有多個相位中以感應系數最小的相位來施加正電壓或負電壓時，如果在最終的正電流和負電流之間存在著差異的話，那么電機就可識別為使用磁鐵轉子的IPM。反之，如果在最終的正電流和負電流之間不存在著差異的話，那么電機就可識別為沒有使用磁鐵轉子的SynRM。
在從感應系數測量結果中將電機識別為IM或SPM之后，當正電壓和負電壓施加到給定的相位時，如果在最終的正和負的電流之間存在著差異的話，該電機就可識別為轉子使用磁鐵的SPM。識別的方法是基于早先已經討論過的磁飽和的方法。如果在最終的正和負的電流之間不存在著差異的話，該電機就可識別為轉子沒有使用磁鐵的IM。然而，當上述的測量只是對一個相位進行的話，如果與磁鐵軸相關的電學角度發生90度相移，那么采用進一步相移的方法有可能得到更準確的測量，因為即使轉子使用了磁鐵，所施加的正和負電壓也不能引起磁飽和的發生。
在采用了上述方法識別IM，SPM，IPM，或SynRM之后，已經用于識別的Ld和Lq數值可以用于控制電機的電機控制常數。
(實施例3)
下面將給出實施例3的討論，和上述實施例2一樣，使用沒有位置傳感器的識別方法來識別電機的類型。在圖5中的電路方框圖幾乎是和圖5的相同。實施例3和實施例2的不同在于，是首先判斷電機的轉子是否采用磁鐵，然后再判斷轉子是否具有磁凸極。
圖7顯示了本實施例的流程圖。首先當正電壓和負電壓以給定的電學角相位施加給AC電機時，如果在最終的正電流和負電流之間存在著差異的話，那么就能將電機識別為轉子采用磁鐵的SPM或IPM。反之，如果在最終的正電流和負電流之間不存在差異的話，那么就能將電機識別為轉子沒有采用磁鐵的IM或SynRM。然而，當上述測量僅僅只對一個相位進行的話，如果與磁鐵軸相關的電學角度發生90度相移，那么采用進一步相移的方法有可能得到更準確的測量，因為即使轉子使用了磁鐵，所施加的正和負電壓也不能引起磁飽和的發生。
接著，測量至少兩個與電學角相位有關的感應系數。這時，正如實施例2那樣，如果在測量到的感應系數中存在著差異，該電機就可識別為在轉子形狀上具有磁凸極的IPM或SynRM。如果在測量到的感應系數中不存在著差異，該電機就可識別為在轉子形狀上不具有磁凸極的IM或SPM。
因此，當轉子使用磁鐵的電機類型識別緊跟著感應系數的測量時，如果在測量到的感應系數中存在著差異，那么該電機可識別為IPM，或者，如果在測量到的感應系數中不存在著差異，那么該電機可識別為SPM。反之，當轉子沒有使用磁鐵的電機類型識別緊跟著感應系數的測量時，如果在測量到的感應系數中存在著差異，那么該電機可識別為SynRM，或者，如果在測量到的感應系數中不存在著差異，那么該電機可識別為IM。在這種情況下，識別采用了測量電流的變化率或電機時間常數的變化率的方法，而不是測量感應系數的方法。
在采用上述方法進行了IM，SPM，IPM，和SynRM的識別之后，已經用于識別的Ld和Lq數值可以作為電機控制常數用于控制電機。
(實施例4)本實施例的電路方框圖于圖5的電路方框圖非常接近。圖8顯示了本實施例的流程圖。首先，采用沒有位置傳感器的辦法來測量與AC電機相關的Ld和Lq。測量Ld和Lq的方法包含了正如日本申請專利未公開出版No.06-315291中所描述的一種方法，該方法首先是通過在給定的電學角相位上施加AC電壓來估計Ld和Lq數值并且測量感應系數，隨后，再在第一角位置上向前和向后偏移45度的相移的相位上施加AC電壓，并且策來那個在三個角相位上的感應系數。從測量到的Ld和Lq數值之間幅值上的相互關系來識別電機的類型。在這方面，實施例4不同于實施例2和3。
如果Ld＝Lq，則電機可識別為IM或SPM；如果Ld＜Lq，則電機就可識別為IPM，或者，如果Ld＞Lq，則電機就可識別為SynRM。
在IM或SPM的上述識別之后，當正電壓和負電壓施加在給定的電學角相位上時，如果在所對應的正的和負的電流之間存在著差異，則電機就可識別為轉子使用磁鐵的SPM。反之，如果在所對應的正的和負的電流之間不存在著差異，則電機就可識別為轉子沒有使用磁鐵的IM。然而，當上述測量僅僅只對一個相位進行的話，如果與磁鐵軸相關的電學角度發生90度相移，那么采用進一步相移的方法有可能得到更準確的測量，因為即使轉子使用了磁鐵，所施加的正和負電壓也不能引起磁飽和的發生。
在采用上述方法進行了IM，SPM，IPM，和SynRM的識別之后，已經用于識別的Ld和Lq數值可以作為電機控制常數用于控制電機。
權利要求
1.一種交流電機驅動設備，包括換流器，用于將直流電壓轉換為交流電流或直流電流，并向交流電機提供電流，和控制裝置，用于控制所述的換流器的輸出電壓的幅值和頻率，其特征在于，所述的控制裝置本身具有與所述的換流器相連接的交流電機類型識別裝置。
2.如權利要求1所述的交流電機控制裝置，其特征在于，所述控制裝置具有電機控制裝置和控制常數計算裝置，根據所述電機類型識別裝置所識別出的電機類型，由控制常數計算裝置來計算用于所述電機控制裝置的控制常數。
3.如權利要求1所述的交流電機控制裝置，其特征在于，所述控制裝置具有用于控制多個電機的多個裝置，并根據所述電機類型識別裝置所識別出的電機類型，選擇所數多個電機控制裝置中的一個。
4.如權利要求1所述的交流電機控制裝置，其特征在于，所述控制驅動設備具有用于檢測交流電機的旋轉速度的裝置，所述的電機類型識別裝置包括測量交流電機感應系數的裝置，并且向交流電機施加電壓，以及通過來自所述的旋轉速度檢測裝置的旋轉速度信息或通過來自感應系數測量裝置的感應系數信息來識別該電機的類型。
5.如權利要求1所述的交流電機控制裝置，其特征在于，所述電機類型識別裝置包括感應測量裝置或電流變化檢測裝置或電機時間常數測量裝置，并以兩個或多個電學角相位，將電壓變化值施加給交流電機，以及通過比較感應系數測量裝置測量到的對應于多個電學角相位的感應系數、電流變化檢測裝置測量到的對應于多個電學角相位的電流變化速率和電機時間常數測量裝置測量到的對應于多個電學角相位的時間常數的結果，來識別所述交流電機的類型。
6.如權利要求1所述的交流電機控制裝置，其特征在于，所述控制裝置包括電機電流檢測裝置，在對應的電機電流檢測數值已經輸入所述的電機類型識別裝置之后，從通過對交流電機施加正電壓所獲得的電流數值和對交流電機施加負電壓所獲得的電流數值之間的差異，來識別所述交流電機的類型。
7.如權利要求1所述的交流電機控制裝置，其特征在于，所述電機類型識別裝置包括用于測量與轉子位置相關的感應系數的特殊變化的裝置，并且根據與對應的轉子位置相關的感應系數的測量的變化，來識別所述交流電機的類型。
全文摘要
本發明提供能自動識別電機類型的AC電機控制裝置,AC電機控制裝置具有電機類型識別裝置,該電機類型識別裝置通過發出用于電機類型識別的適當的電壓命令并從檢測的電流中判斷電機轉子是否設置了磁鐵以及電機轉子是否具有磁凸極來識別與電機控制裝置相連接的電機類型。AC電機控制裝置具有控制方案選擇裝置,它可根據上述電機的識別類型來選擇適當的控制方案并控制電機的驅動。
文檔編號H02P6/14GK1384595SQ0211892
公開日2002年12月11日 申請日期2002年4月30日 優先權日2001年5月9日
發明者中津川潤之介, 遠藤常博, 稻葉博美, 巖路善尚, 川端幸雄, 富田浩之, 加藤淳司 申請人:株式會社日立制作所