电动机控制装置以及该电动机控制装置中的转矩常数的校正方法

摘要

本电动机控制装置至少具有对电动机的转速进行控制的速度控制部。本电动机控制装置具备转矩校正单元，该转矩校正单元进行校正以抑制由电动机的个体差异导致的转矩常数的偏差。并且，本电动机控制装置使用基于施加电压固定的情况下的无负载速度计算出的校正转矩系数来对转矩常数进行校正。或者，使用基于电动机的速度固定的情况下的电动机施加电压计算出的校正转矩系数来对转矩常数进行校正。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对同步电动机进行控制的电动机控制装置以及该电动机控制装置中的校正转矩系数的计算方法。

背景技术

在同步电动机中进行速度控制的情况下，表示转矩指令与实际从电动机输出的实际转矩之间的关系的变换常数一般被称作转矩常数。通常，将转矩常数作为与速度、电流值无关的固定值来构成速度控制系统。但是，实际上，转矩常数未必固定，由于流过电动机的电流、电流控制电路等的影响，转矩常数并不是固定的。

作为应对这些情况的技术，以往存在例如专利文献1那样的方法。在专利文献1中，存在以下单元：实际地对电动机进行驱动，并测定针对转矩指令的实际的输出转矩，根据其关系来对转矩指令进行校正。在专利文献1中，使用该校正后的转矩指令来进行电动机控制，由此将转矩常数保持为固定。

然而，在上述以往的方法中，存在以下问题：虽然能够对与电动机规格相应的转矩常数进行校正，但是无法做到就连电动机的制造偏差、驱动电路的电子部件的特性偏差等个体差异的影响也能够校正。

专利文献1：日本特开平11-191990号公报

发明内容

本发明的电动机控制装置具有对电动机的转速进行控制的速度控制部，且具备转矩校正单元，该转矩校正单元进行校正以抑制由电动机的个体差异导致的转矩常数的偏差。由此，能够消除每个电动机个体的转矩偏差的影响，从而能够实现高精度的转矩控制。

附图说明

图1是具备本发明的实施方式1中的电动机控制装置的无刷电动机的框图。

图2是表示本发明的实施方式1的无刷电动机中的同步电动机的结构例的图。

图3是表示无刷电动机的速度与转矩的关系的图。

图4A是表示本发明的实施方式1的无刷电动机中的转矩指令校正部的结构例的图。

图4B是表示本发明的实施方式1的无刷电动机中的转矩指令校正部的其它结构例的图。

图5是具备本发明的实施方式2中的电动机控制装置的无刷电动机的框图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于该实施方式。

(实施方式1)

图1是具备本发明的实施方式1中的电动机控制装置10的无刷电动机100的框图。

如图1所示，本实施方式的无刷电动机100是包括电动机控制装置10和同步电动机40的结构，电动机控制装置10对同步电动机40进行通电驱动，由此本实施方式的作为电动机的同步电动机40进行旋转动作。

在图1中，电动机控制装置10利用整流电路21将来自交流电源20的交流电压直流化后经过平滑电容器22而平滑化，之后该直流电压被提供到电动机控制装置10内具备的三相的逆变器23。三相的逆变器23对被提供的直流电压进行交流化而变换为任意的电压，被交流化而得到的交流电压的驱动电压被提供到具备永磁体的同步电动机40。在本实施方式中，这样以设为彼此相位相差120度的U相、V相、W相的三相来对同步电动机40进行驱动。

图2是表示本实施方式中的同步电动机40的结构例的图。如图2所示，同步电动机40具备转子41和定子45。在转子41中，以轴(shaft)42为中心保持着永磁体43。定子45构成为在定子芯46上卷绕有电动机绕组47。

并且，在本实施方式中，在同步电动机40中内置有作为电动机控制装置10发挥功能的电路部件48p而构成无刷电动机100。这些电路部件48p安装于电路基板48b，例如，构成逆变器23的开关元件安装在电路基板48b上。并且，以与转子41的永磁体43相向的方式配置有用于检测转子41的旋转位置的位置检测器51。在这样的结构中，向各相的电动机绕组47施加来自逆变器23的三相的交流电压来对电动机绕组47进行通电驱动，由此转子41一边以旋转自如的方式被轴承44支持一边进行旋转。

在如以上那样构成的无刷电动机100中，为了对转子41进行旋转控制，如图1所示，在本实施方式中，电动机控制装置10除了具备如上所述的逆变器23等以外，还具备电流检测器31、转矩变换部32、速度运算部52、速度控制部53、转矩指令校正部54以及电流控制部55。另外，在电动机控制装置10中，从位置检测器51通知表示转子的位置的转子位置信息Pr。并且，在电动机控制装置10中，例如从外部的控制器等通知用于对转速进行控制的速度指令ω*来作为用于对同步电动机40进行旋转控制的指令。

接着，在图1的电动机控制装置10中，速度运算部52根据由位置检测器51检测出的转子位置信息Pr，例如通过微分运算来计算电动机速度，并将该电动机速度作为检测速度ω通知给速度控制部53。速度控制部53计算并输出使速度指令ω*与检测速度ω之间的偏差为零那样的转矩指令iq*。即，速度控制部基于速度指令ω*与检测速度ω之间的偏差来计算转矩指令iq*。在转矩指令校正部54中，对从速度控制部53输出的转矩指令iq*乘以校正转矩系数C_(crr)来进行校正，并将得到的校正转矩指令iq*_(crr)传递到电流控制部55。在本实施方式中，通过设置对基于速度偏差的转矩指令进一步进行校正的转矩指令校正部54，来将转矩常数保持为固定。即，在本实施方式中，具备该转矩指令校正部54来作为转矩校正单元，该转矩校正单元进行校正以抑制由电动机的个体差异导致的转矩常数的偏差。

另外，电流检测器31检测向电动机绕组47施加驱动用的交流电压即驱动电压Vdr时流通的电流，并将该电流作为电动机电流Idet输出到转矩变换部32。转矩变换部32对由电流检测器31检测出的电动机电流Idet进行单位变换而变换为转矩，并将该转矩作为检测转矩iq输出到电流控制部55。电流控制部55计算使校正后的转矩指令iq*_(crr)与检测转矩iq之间的偏差为零那样的电压指令Vc并将该电压指令Vc输出到三相的逆变器23。即，电流控制部55基于校正转矩指令iq*_(crr)和所检测出的电动机电流Idet，来生成用于对同步电动机40的电动机绕组47进行驱动的电压指令Vc。然后，逆变器23基于电压指令Vc生成驱动电压Vdr，并向电动机绕组47施加所生成的驱动电压Vdr。

接着，更详细地说明前述的转矩指令校正部54的结构和动作。

首先，作为d-q轴，如在电动机的矢量控制中公知的那样，将无刷电动机100的转子41的永磁体43的磁通方向的轴作为d轴，将从d轴向旋转方向前进90度相位而得到的轴作为q轴。并且，当将d轴的电流设为d轴电流id、将q轴的电流设为q轴电流iq、将电动机绕组47的d轴电感设为Ld、将q轴电感设为Lq、将同步电动机40的感应电压常数设为Ke、将极对数设为Pn时，能够以下面的式(1)来表示无刷电动机100的转矩T。

【式1】

T＝P_n{K_eiq+(L_d-L_q)i_di_q}………(1)

作为无刷电动机的最一般的、且以往以来所采用的控制的方法，存在将d轴电流保持为0的id＝0控制。在该情况下，电流矢量根据负载状态而在q轴上移动。当d轴电流id＝0时，如根据式(1)可知的那样，磁阻转矩Tr＝0，产生转矩仅为磁体转矩Tm。而且，在该情况下，式(1)能够如下面的式(2)那样地变形来示出。即，如根据式(2)可明确的那样，转矩仅与q轴电流iq成比例，因此转矩的线性控制变得容易。

【式2】

T_m＝P_nK_ei_q………(2)

另外，图3是表示无刷电动机100的速度与转矩的关系的图。当将施加电压V向无刷电动机100的电动机绕组47施加时，能够以下面的式(3)来表示无负载时的电动机速度ω₀。

【式3】

若对式(3)进行变形，则感应电压常数Ke成为下面的式(4)。

【式4】

另一方面，根据式(2)，能够以下面的式(5)来表示预先明确了感应电压常数K_std的基准电动机的转矩T_std。

【式5】

T_std＝P_nK_stdi_q………(5)

在此，当作为量产电动机的转矩T_smpl、感应电压常数K_smpl而代入到式(5)时，成为下面的式(6)。

【式6】

在此，根据式(4)，当将向基准电动机施加任意的电压Va时的无负载速度设为ω_std时，能够以下面的式(7)来表示感应电压常数K_std。

【式7】

另外，当将在相同条件下向量产电动机施加任意的电压Va时的无负载速度设为ω_smpl时，能够以下面的式(8)来表示感应电压常数K_smpl。

【式8】

若将式(7)、式(8)代入式(6)，则成为下面的式(9)。

【式9】

根据以上可知，通过对量产电动机中的q轴电流iq乘以ω_smpl/ω_std而成为与基准电动机相同的转矩值。在此，转矩指令校正部54的校正转矩系数C_(crr)为该ω_smpl/ω_std、即量产电动机中的无负载速度ω_smpl与基准电动机中的无负载速度ω_std之比。

图4A是表示进行这样的校正处理的转矩指令校正部54的结构例的图。如图4A所示，转矩指令校正部54具有乘法器54x，对被输入的转矩指令iq*乘以校正转矩系数C_(crr)＝ω_smpl/ω_std，并将乘法运算结果作为校正转矩指令iq*_(crr)输出。

这样，在本实施方式中，设置转矩指令校正部54来作为转矩校正单元，由此使用校正转矩系数C_(crr)对从速度控制部53输出的转矩指令iq*进行校正。而且，通过这样的转矩指令(q轴电流指令)的校正，能够消除电动机个体差异所影响的转矩偏差，从而能够将转矩常数保持为固定。

也就是说，在作为标准品而预先已知转矩常数的基准电动机中，事先测定向电动机绕组施加预先决定的规定的电压时的无负载最高速度，在量产工序中在相同条件下对全部电动机测定无负载最高速度。然后，根据该速度与标准品的速度之比、即在无负载状态下向基准电动机的电动机绕组施加规定的电压时的无负载速度ω_std与在无负载状态下向同步电动机40的电动机绕组47施加规定的电压时的无负载速度ω_smpl之比ω_smpl/ω_std，来计算用于对转矩进行校正的校正转矩系数C_(crr)，并对转矩指令iq*乘以校正转矩系数C_(crr)来进行校正，通过实施如上的本实施方式中的转矩常数的校正方法，能够改善每个电动机的转矩偏差。另外，具体地说，只要构成为例如将基于在量产工序中测定的无负载最高速度的校正转矩系数C_(crr)存储在存储器等存储部中并由转矩指令校正部54进行校正即可。

此外，在以上的说明中，示出了利用基于将向电动机绕组施加的施加电压设为固定的无负载速度的校正转矩系数C_(crr)来进行校正处理的方法，但是作为转矩校正单元，也可以利用基于将电动机速度设为固定时的施加电压值的校正转矩系数Cv_(crr)来进行校正。

在该情况下，只要如下那样计算校正转矩系数Cv_(crr)即可。

首先，根据式(4)，当将对基准电动机进行控制使其以规定的速度ω_a旋转时的施加电压设为V_std时，能够以下面的式(10)来表示感应电压常数K_std。

【式10】

另外，当将在相同条件下对量产电动机进行控制使其以规定的速度ω_a旋转时的施加电压设为V_smpl时，能够以下面的式(11)来表示感应电压常数K_smpl。

【式11】

若将式(10)、式(11)代入式(6)，则成为下面的式(12)。

【式12】

根据以上，通过对量产电动机中的转矩指令(q轴电流指令)iq*乘以为V_std/V_smpl的校正转矩系数Cv_(crr)，也能够对电动机个体差异所影响的转矩偏差进行校正。即，也可以将校正转矩系数Cv_(crr)设为在无负载状态下对预先已知转矩常数的基准电动机进行控制使其以规定的速度旋转时的向电动机绕组施加的施加电压V_std与对各个无刷电动机100进行控制使其以相同的规定的速度旋转时的向电动机绕组47施加的施加电压V_smpl之比V_std/V_smpl。

图4B是表示进行这样的校正处理的情况下的转矩指令校正部54的结构的图。如图4B所示，转矩指令校正部54具有乘法器54x，对被输入的转矩指令iq*乘以校正转矩系数Cv_(crr)＝V_std/V_smpl，并将乘法运算结果作为校正转矩指令iq*_(crr)输出。

此外，在本实施方式中，作为校正后的转矩的校正转矩指令iq*_(crr)仅在电流控制部55中使用，但是也可以在其它控制器或者运算中使用。

(实施方式2)

图5是具备本发明的实施方式2中的电动机控制装置11的无刷电动机101的框图。与图1所示的实施方式1相比，本电动机控制装置11具备对检测转矩iq进行校正的检测转矩校正部33来代替转矩指令iq*的校正。此外，在图5中对与图1相同的结构要素标注相同标记，并省略关于这些要素的详细说明。

在图5中，速度运算部52根据由位置检测器51检测出的转子位置信息Pr来计算电动机速度，并将该电动机速度作为检测速度ω通知给速度控制部53。速度控制部53计算并输出使速度指令ω*与检测速度ω之间的偏差为零那样的转矩指令iq*。

另一方面，转矩变换部32对由电流检测器31检测出的电动机电流Idet进行单位变换而变换为转矩，并将该转矩作为检测转矩iq输出。然后，检测转矩校正部33使用校正转矩系数Cd_(crr)来对检测转矩iq进行校正，并将得到的校正转矩iq_(crr)传递到电流控制部55。在本实施方式中，通过设置还对基于检测出的电动机电流Idet的检测转矩进行校正的检测转矩校正部33，来将转矩常数保持为固定。

然后，电流控制部55计算使转矩指令iq*与校正转矩iq_(crr)之间的偏差为零那样的电压指令Vc，并将该电压指令Vc输出到三相的逆变器23。

在此，关于检测转矩校正部33的校正内容，对检测转矩(检测出的q轴电流)如实施方式1的式(式9)那样地乘以校正转矩系数Cd_(crr)＝ω_smpl/ω_std，由此得到与基准电动机相同的转矩值。在本实施方式中，通过这样的对检测转矩iq的校正，能够消除电动机个体差异所影响的转矩偏差，从而能够将转矩常数保持为固定。

另外，在本实施方式中，通过对检测转矩(检测出的q轴电流)如实施方式1的式(12)那样地乘以校正转矩系数Cdv_(crr)＝V_std/V_smpl，也能够对电动机个体差异所影响的转矩偏差进行校正。

产业上的可利用性

如以上那样，本发明所涉及的电动机控制装置能够消除由电动机个体差异导致的转矩偏差，因此能够利用于伺服电动机等所有具备速度控制部(包括电流副环(minorloop))的电动机控制装置中。

附图标记说明

10、11：电动机控制装置；20：交流电源；21：整流电路；22：平滑电容器；23：逆变器；31：电流检测器；32：转矩变换部；33：检测转矩校正部；40：同步电动机；41：转子；42：轴；43：永磁体；44：轴承；45：定子；46：定子芯；47：电动机绕组；48b：电路基板；48p：电路部件；51：位置检测器；52：速度运算部；53：速度控制部；54：转矩指令校正部；54x：乘法器；55：电流控制部；100、101：无刷电动机。