[发明专利]交流电动机的控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及适合控制电车驱动用的交流电动机、特别是永磁同步电动机的交流电动机的控制装置。

背景技术

近年来，在产业设备、家电领域、汽车领域等交流电动机应用领域中，用逆变器驱动控制永磁同步电动机的方式正越来越多地取代以往用逆变器驱动控制感应电动机的方式。永磁同步电动机与感应电动机相比，由于内置于转子中的永磁体建立磁通，因此不需要相当于励磁电流的电流；由于转子中没有电流流动，因此不会产生二次铜损；除了利用由永磁体的磁通产生的转矩之外，还利用转子的磁阻差异而产生的磁阻转矩，从而可以高效地得到转矩等，由此可知是一种高效率的电动机，近年来，还探讨将其用于电车驱动系统。

永磁同步电动机的控制方法一般是通过设置电流控制系统进行电流控制，上述电流控制系统将来自设置于逆变器2的输出侧的电流检测器的电流检测值分为与电动机的转子的旋转相位同步旋转的旋转坐标系上的d轴分量(磁通电流分量)和与其正交的q轴分量(转矩电流分量)，调整施加到电动机的电压的大小，使得d/q轴电流与根据转矩指令计算出的d/q轴电流指令一致。

考虑将永磁同步电动机(以下，记为电动机)应用于电车的驱动系统的情况，由于需要在有限的车辆底板空间中搭载设备，因此要求交流电动机的控制装置体积小且重量轻。一般向内置于电车用交流电动机的控制装置中的逆变器输入直流1500V至3000V左右，因此使用具有3300V至6500V左右耐压的高耐压开关元件。然而，高耐压开关元件的开关损耗、导通损耗都较大，若考虑包括冷却器或冷却风扇等的开关元件的冷却装置不过多，则可容许的开关频率最大为1000Hz左右，与例如家电产品或产业用逆变器、电动汽车用的开关频率比较，是其1/10至1/20左右的较低值。

为了实现交流电动机的控制装置的小体积且轻重量，降低内置的开关元件所产生的损耗来使该冷却装置实现小体积且轻重量是一重要事项，需要将开关频率设定得尽量低，并且需要通过将逆变器输入电压最大限度地施加到电动机，从而将电动机电流抑制得尽量小。

另一方面，电车应用时的逆变器输出频率的最大值(电车的设计最高速度时的逆变器输出频率)为400Hz左右。例如逆变器输出频率在最大值400Hz附近的情况下，若将逆变器的开关频率设定为上限1000Hz左右，则逆变器输出电压半周期中包含的脉冲数是将开关频率除以逆变器输出频率而得到的1.875左右，变得非常少。

若在这样的状态下驱动电动机，则逆变器输出电压的正的半周期和负的半周期中分别包含的脉冲数和脉冲位置变得不平衡，施加在电动机上的电压(线间电压)的正负对称性被破坏，在电动机中产生电流振荡或转矩脉动，从而成为噪声或振荡的原因。

因此，在逆变器输出频率较高的区域中，使用和逆变器输出电压同步地决定逆变器的开关定时的同步5脉冲模式、同步3脉冲模式等所谓的同步脉冲模式，而且在向电动机施加最大电压的情况下，使用由矩形波构成逆变器输出电压的单脉冲模式使电动机运转。在同步脉冲模式、单脉冲模式中，逆变器输出电压半周期中包含的脉冲数和脉冲位置不随时间变化而是固定的，因此，逆变器输出电压的正的半周期和负的半周期中的脉冲数和脉冲位置相同，能够确保施加到电动机的电压的正负对称性，因此不必担心在电动机中产生电流振荡或转矩脉动。

由此，在电车用的逆变器中，为了稳定地驱动电动机，在逆变器输出频率较低的运转区域中，选择与逆变器输出频率不同步(例如，固定在1000Hz)地决定开关频率的异步脉冲模式，在逆变器输出频率较高的区域中，选择同步脉冲模式或由矩形波构成逆变器输出电压的单脉冲模式，即根据逆变器输出频率切换脉冲模式使电动机运转。

此外，在同步脉冲模式或单脉冲模式中，由于逆变器输出电压半周期中包含的脉冲数较少，因此为了确保控制稳定性，可以采用使上述电流控制系统的电流控制响应降低、或停止电流控制系统的计算、或切换到仅调整施加到电动机的电压的相位的控制等。

专利文献1：日本国专利特开2006-081287号公报

发明内容

然而，在驱动控制永磁同步电动机的情况下，需要根据电动机的转子位置决定最合适的逆变器输出电压指令，因而，一般采用基于由设置于电动机的轴端的位置检测器获取的电动机转子的位置信号决定逆变器输出电压指令的相位的结构。但是，该位置检测器的输出所包含的偏离真值的误差会导致基于该位置检测器的输出而决定的逆变器输出电压指令也产生误差。另外，构成逆变器的多个开关元件间的导通电压降的偏差或电动机的阻抗的相间偏差等可能导致电动机电压的三相对称性被破坏、产生电动机电流的三相不平衡。