电动机驱动系统
阅读：440发布：2020-05-11
专利汇可以提供电动机驱动系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种 电动机 驱动系统，其控制d轴 电流 和q轴电流，使得降低三相同步电动机的直径方向电磁激振 力 的时间2次分量造成的振动，降低伴随振动而由于与机构的共振产生的噪声。本发明的电动机驱动系统，在预定的q轴电流值以下，对d轴电感和q轴电感大致一致的电动机流过预定的负的d轴电流，对d轴电感和q轴电感不同的电动机流过预定的负的d轴电流，随着q轴电流的增大使上述负的d轴电流增大。，下面是电动机驱动系统专利的具体信息内容。
1.一种电动机驱动装置，具备：
功率变换器，其从直流变换为交流；
与该功率变换器连接的同步电动机；以及
控制器，其检测该同步电动机的转子位置和电动机电流，与检出位置对应地对电动机电流进行PWM控制，
该电动机驱动装置的特征在于，
上述控制器在q轴电流大致为0附近时，使得预先设定的d轴电流负向流动。
2.一种电动机驱动装置，具备：
功率变换器，其从直流变换为交流；
与该功率变换器连接的同步电动机；以及
控制器，其检测该同步电动机的转子位置和电动机电流，与检出位置对应地对电动机电流进行PWM控制，
该电动机驱动装置的特征在于，
上述控制器在预定的q轴电流值以下，对d轴电感和q轴电感大致一致的电动机流过预定的负的d轴电流，
对d轴电感和q轴电感不同的电动机流过预定的负的d轴电流，随着q轴电流的增大使上述负的d轴电流增大。
3.一种电动控制型制动系统，其特征在于，具备：
权利要求1或2所述的电动机驱动装置；
被该电动机驱动装置驱动控制的三相同步电动机；以及
被该三相同步电动机驱动的电动控制型制动器。
4.根据权利要求3所述的电动控制型制动系统，其特征在于，
在车辆停车的情况下，上述控制器在q轴电流大致为0附近时，使得预先设定的d轴电流负向流动。
5.根据权利要求3所述的电动控制型制动系统，其特征在于，
在通过电动控制型制动器的制动而车辆的速度接近停车速度的情况下，上述控制器在q轴电流大致为0附近时，使得预先设定的d轴电流负向流动。
6.一种电动助力转向系统，其特征在于，具备：
权利要求1或2所述的电动机驱动装置；
被该电动机驱动装置驱动控制的三相同步电动机；以及
被该三相同步电动机驱动的电动助力转向。
7.一种电动油泵系统，其特征在于，具备：
权利要求1或2所述的电动机驱动装置；以及
被该电动机驱动装置驱动控制的三相同步电动机。
8.一种泵系统，其特征在于，具备：
权利要求1或2所述的电动机驱动装置；以及
被该电动机驱动装置驱动控制的三相同步电动机。
9.一种压缩机系统，其特征在于，具备：
权利要求1或2所述的电动机驱动装置；以及
被该电动机驱动装置驱动控制的三相同步电动机。
电动机驱动系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电动机驱动系统，例如涉及对风扇、泵、压缩机、主轴电动机等的转速控制、输送机、机床中的定位装置、以及如电动助动等那样控制转矩的用途中所利用的同步电动机进行驱动控制的电动机驱动装置、具备该电动机驱动装置的一体型电动机系统、电动控制型制动系统、电动助力转向系统、油压泵系统、空气悬挂系统以及压缩机驱动系统。
背景技术
[0002] 在工业、家电、汽车等各种领域中，正在广泛使用小型高效的三相同步电动机。该三相同步电动机通过在转子和定子之间起作用的电磁力而旋转。电磁力有圆周方向和直径方向的2个方向，圆周方向的电磁力成为使转子旋转的转矩，直径方向的电磁力成为使定子振动的直径方向电磁激振力。
[0003] 以转子和定子的间隙间的磁通密度的平方给出直径方向电磁激振力，因此直径方向电磁激振力的频率中，电流的基本波频率的2倍成为主分量。将作为该电流的基本波频率的2倍的直径方向电磁激振力称为直径方向电磁激振力的时间2次分量。伴随着直径方向电磁激振力的时间2次分量的振动，在零转矩时、低转矩时与其他因素相比成为支配性。由于该振动而产生电磁噪音并与机械共振，由此该噪音变大。
[0004] 直径方向电磁激振力的时间2次分量引起的振动，根据三相同步电动机的磁铁的极数和定子的槽数的组合而产生变形模式。例如在10极12槽的三相同步电动机的情况下，产生变形为椭圆状的空间2次的变形模式，在8极12槽的三相同步电动机的情况下，产生变形为正方形状的空间4次的变形模式。伴随着这些变形模式的振动与空间次数的4次方成反比例地减小，因此空间2次的变形模式的振动与空间4次的变形模式相比大10倍以上。
[0005] 作为该空间2次的模式的振动对策，以前进行了基于极数和槽数的变更的方法。但是，极数和槽数的变更伴随着三相同步电动机的设计变更，因此制作期间、工时增大。并且，抑制齿槽转矩、转矩脉动的圆周方向的电磁力的设计和抑制直径方向电磁激振力的时间2次分量的振动的直径方向的电磁力的设计具有折衷的关系，因此只是变更极数和槽数难以兼顾双方。
[0006] 专利文献1所记载的发明，将相对于上述的电流的基本波频率为6倍的直径方向电磁激振力作为对象。将其称为直径方向电磁激振力的时间6次分量，在专利文献1中记载了生成电流指令使得抑制伴随该分量的振动分量。电流指令的生成预先对每个转矩进行映射化，与给出的转矩指令对应地使用该映射(map)通过电流指令生成部生成电流指令。
[0007] 作为对三相同步电动机的要求规格，除了转矩、转速以外，肃静性也是重要的。特别对于通过三相同步电动机驱动的电动系统，零转矩、低转矩等轻负荷下的肃静性的要求大。但是，在电动系统中，从使用了三相同步电动机的系统的安装空间、轻量化、成本的观点出发，汽车难以进行吸音材料、减振材料等的振动、噪音对策。
[0008] 因此，希望一种考虑到肃静性的三相同步电动机的驱动系统。在伴随直径方向电磁激振力的时间2次分量的振动与机构共振而产生的轻负荷时，三相同步电动机的噪音是主要的。在现有的专利文献1中，抑制了因直径方向电磁激振力的时间6次分量造成的振动和噪音。但是，在本发明中成为对象的直径方向电磁激振力的时间2次分量比直径方向电磁激振力的时间6次分量大，因其造成的振动和噪声的降低成为课题。
[0009] 专利文献1：日本特开2008-17660号公报
发明内容
[0010] 本发明的目的在于提供一种同步电动机的驱动系统，其控制d轴电流和q轴电流，使得减小三相同步电动机的直径方向电磁激振力的时间2次分量所造成的振动，降低伴随振动而因与机构的共振所产生的噪声。
[0011] 本发明的电动机驱动装置具备：功率变换器，其从直流变换为交流；与该功率变换器连接的同步电动机；控制器，其检测该同步电动机的转子位置和电动机电流，与检出位置对应地对电动机电流进行PWM控制，该电动机驱动装置中，上述控制器在q轴电流大致为0附近时，使得预先设定的d轴电流负向流动。
[0012] 另外，本发明的电动机驱动装置具备：功率变换器，其从直流变换为交流；与该功率变换器连接的同步电动机；控制器，其检测该同步电动机的转子位置和电动机电流，与检出位置对应地对电动机电流进行PWM控制，该电动机驱动装置中，上述控制器在预定的q轴电流值以下，对d轴电感和q轴电感大致一致的电动机流过预定的负的d轴电流，对d轴电感和q轴电感不同的电动机流过预定的负的d轴电流，随着q轴电流的增大使上述负的d轴电流增大。
[0013] 根据本发明的优选的实施方式相关的电动机驱动系统，在零转矩时、低转矩时，能够降低伴随着振动由于与机构的共振所产生的噪音。进而，在高转矩时，虽然降低幅度比低转矩小，但也能够降低噪音。
[0015] 图1是表示本发明的第一实施方式相关的三相同步电动机的驱动系统的结构的框图。
[0016] 图2是本发明相关的图1的电流指令变换部3的电流动作点。
[0017] 图3是图1的控制器2的框图的结构。
[0018] 图4是本发明的第二实施方式相关的电动控制型制动器的图。
[0019] 图5是本发明的第三实施方式相关的电动助力转向的图。
[0020] 图6是本发明的第四实施方式相关的普通的泵驱动系统的图。
[0021] 图7是本发明的第五实施方式相关的空调系统中的室外机的图。
[0022] 图8是本发明的第六实施方式相关的电梯系统的图。
[0023] 图9是本发明的第七实施方式相关的铁路车辆系统的图。
[0024] 符号说明
[0025] 1：三相同步电动机；1G：指令产生树；2：控制器；3：电流指令变换部；4：驱动系统；5：电流检测器；21：坐标变换部dq；22：电压指令计算部；23：坐标变换部UVW；24：驱动信号生成部；25：功率变换器；26：分流电阻；41：电动控制型制动器；42：制动踏板；43：主液压室；44a～44d：制动钳；51：电动助力转向；52：方向盘；53：转矩传感器；54：转向辅助机构；55：转向机构；56：轮胎；61：油泵；62：油压回路；63：罐；64：释放阀；65：电磁阀；66：缸；71：室外机；72：压缩机；81：电梯系统；82：卷扬机；83：配重；84：机械室；85：
轿厢；91：铁路车辆系统；92：铁路车辆；93a～93d：车辆驱动系统；k31：曲线；k32：直线；
k33：曲线；k34：直线。
轿厢；91：铁路车辆系统；92：铁路车辆；93a～93d：车辆驱动系统；k31：曲线；k32：直线；
k33：曲线；k34：直线。
具体实施方式
[0026] 以下，根据附图说明本发明的实施方式。
[0027] (第一实施方式)
[0028] 使用图1～图3说明本发明相关的同步电动机的驱动系统的第一实施方式。
[0029] 图1所示的三相同步电动机的驱动系统4以三相同步电动机1的驱动为目的，包含控制器2、电流指令变换部3以及作为驱动对象的三相同步电动机1而构成。
[0030] 首先，在图3中简要地说明控制器2的结构。控制器2由坐标变换部dq21、电压指令计算部22、坐标变换部UVW23、驱动信号生成部24、功率变换器25构成。首先，通过坐标变换部dq21将检测出的三相电流Iuc、Ivc、Iwc和转子相位θ变换为d轴电流检测值Idc、q轴电流检测值Iqc。接着，向电压指令计算部22输入作为电流指令变换部3的输出的d轴电流指令值Id*和d轴电流检测值Idc之间的差、以及q轴电流指令值Iq*和q轴电流检测值Iqc之间的差，将电压指令计算部22的输出作为d轴电压指令值Vd*、q轴电压指令值Vq*。
[0031] 然后，使用检测出的转子相位θ，通过坐标变换部UVW23设为U相电压指令值Vu*、V相电压指令值Vv*、W相电压指令值Vw*。根据这些电压指令值，通过驱动信号生成部24生成脉冲宽度调制信号，输出驱动功率变换器25的U相电流Iu、V相电流Iv、W相电流Iw。
[0032] 理想的是三相同步电动机1的电流的检测如图1的电流检测器5那样直接检测从控制器2向三相同步电动机1供给的三相电流，但也可以检测流过图3所示的分流电阻26的直流电流I0，使用再现了三相电流的电流Iuc、Ivc、Iwc。
[0034] 接着，简要地说明电流指令变换部3的结构。电流指令变换部3以转矩指令τ*为输入，以d轴电流指令值Id*和q轴电流指令值Iq*为输出。通过根据转矩指令和与三相同步电动机的特性对应的图2的直线k32选择直线k34的电流动作点来生成电流指令。通过跟踪基于这些电流动作点的电流指令值，来降低因直径方向电磁激振力的时间2次分量造成的振动位移，由此降低所产生的噪音。以下说明图2中的直线k32至直线k34的细节。
[0035] 根据电动机的转子和定子之间的间隙间的磁通密度的简易计算，因直径方向电磁激振力的时间2次分量造成的振动位移具有式(1)的特性。x是振动位移，k是比例常数，Ke是感应电压常数，kd是d轴比例常数，Id是d轴电流，kq是q轴比例常数，Iq是q轴电流。通过实验或计算来求出k、Ke、kd以及kq的这些常数。
[0036] (式1)
[0037] 接着，用式(2)表示三相同步电动机1的转矩。T是转矩，P是极对数，Ld是d轴电感，Lq是q轴电感。
[0038] T＝P{Ke+(Ld-Lq)Id}Iq (式2)
[0039] 通过组合本实施方式的式(1)和式(2)导出振动最小的电流动作点，使用该电流动作点。图2表示在本实施方式中导出的d轴电流和q轴电流的电流动作点。直线k32、曲线k33以及直线k34在q轴电流为零时通过预定的d轴电流。曲线k31是以前使用的、对给出的电流产生最大转矩的最大转矩曲线。
[0040] 直线k32是d轴电感和q轴电感大致一致的表面磁铁型同步电动机的振动最小曲线。该曲线为图2的直线k32所示的流过上述预定的负的d轴电流的直线。即，在q轴电流大致为0附近时，使得预先设定的d轴电流负向流动。
[0041] 曲线k33是d轴电感和q轴电感不同的嵌入磁铁型同步电动机的振动最小曲线。该曲线为图2的曲线k33所示的2次曲线。为了简化计算，也可以使用将2次曲线近似为直线所得的直线k34所示的直线来代替图2的曲线k33。通过与三相同步电动机的种类对应地使用k32至k34，能够减小因直径方向电磁激振力的时间2次分量造成的振动。
[0042] 对于q轴电流为负的发电机模式，通过如图2的电流动作点所示那样，以d轴电流为中心使第二象限的电流动作点成为线对称，也能够得到与电动机模式同样的振动和噪音的降低效果。即，对d轴电感和q轴电感不同的电动机流过预定的负的d轴电流，随着q轴电流的增大使上述负的d轴电流增大。
[0043] 通过设为以上结构的电动机驱动系统，能够与三相同步电动机的种类无关地，降低振动并防止因共振造成的电磁噪音的增大。
[0044] (第二实施方式)
[0045] 接着，说明本发明的第二实施方式。
[0046] 图4是电动控制型制动器的结构。电动控制型制动器41通过由同步电动机的驱动系统4控制主液压室43内部的液压，来调整再生制动力和钳紧制动钳44a～44d的制动钳的摩擦制动力。该电动控制型制动器41经由制动踏板42向驾驶员传递液压反作用力，因此对振动、噪音的敏感度高。特别是针对轻踩制动器的低转矩的区域中的动作或驾驶员不希望的条件下的动作所产生的因三相同步电动机造成的振动、噪音的低噪音化的要求高。针对该要求，通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够在停止状态、低转矩状态下降低振动，能够实现低振动、低噪音的电动控制型制动器。
[0047] (第三实施方式)
[0048] 接着，说明本发明的第三实施方式。
[0049] 图5是电动助力转向的结构。电动助力转向51从转矩传感器53检测方向盘52的旋转转矩，从同步电动机的驱动系统4的内部的三相同步电动机1经由转向辅助机构54与方向盘52的输入对应地辅助控制力，向转向机构55输出。轮胎56通过转向机构55转舵。该电动助力转向51经由方向盘52与驾驶员直接耦合，因此对振动、噪音的敏感度高。特别在缓慢地拨转方向盘52的状态或固定了手柄的状态下，因三相同步电动机造成的振动、噪音比其他机构大。但是，通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够降低缓慢地拨转方向盘52的状态或固定了手柄的状态下的振动，能够实现低振动、低噪音的电动助力转向。
[0050] (第四实施方式)
[0051] 接着，说明本发明的第四实施方式。
[0052] 图6是普通的泵驱动系统的结构，被用于汽车内部的传输油压、制动油压等。在图6中，部件编号4是图1所示的同步电动机的驱动系统4，将油泵61安装在三相同步电动机
1上。通过油泵61控制油压回路62的油压。油压回路62由贮存油的罐63、将油压保持为设定值以下的释放阀64、切换油压回路的电磁阀65、作为油压执行器来工作的缸66构成。
1上。通过油泵61控制油压回路62的油压。油压回路62由贮存油的罐63、将油压保持为设定值以下的释放阀64、切换油压回路的电磁阀65、作为油压执行器来工作的缸66构成。
[0053] 油泵61通过包含油泵61的同步电动机的驱动系统4生成油压，驱动作为油压执行器的缸66。在油压回路中通过电磁阀65切换回路，由此油泵61的负荷变化，在同步电动机的驱动系统4中产生负荷干扰，三相同步电动机1振动并产生噪音。但是，通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够在停止状态或低转矩状态下降低振动，降低噪音。
[0054] (第五实施方式)
[0055] 接着，说明本发明的第五实施方式。
[0056] 图7是房间空调、小型空调的空调系统，表示出其室外机71。空调系统的室外机71包含三相同步电动机1、控制器2以及电流指令部3，由压缩机72、风扇等部件构成。其中，压缩机的动力源是三相同步电动机1，被组装在压缩机内部。
[0057] 在空调系统中，振动、噪声的降低逐年进步，特别在从低转矩到高转矩的区域中，需要实现低振动、低噪音的空调系统。但是，在现有的电动机驱动系统中，在三相同步电动机的振动与机构的共振点一致的情况下，噪音增大，因此通过减振材料、吸音材料实施了振动、噪音的降低对策。通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够实现振动、噪音的降低。
[0058] 此外，也可以在空气悬挂系统中使用上述电动机驱动系统而作为使用了压缩材料的系统。
[0059] (第六实施方式)
[0060] 接着，说明本发明的第六实施方式。
[0061] 图8是电梯系统，表示出其结构。电梯系统81由包含三相同步电动机4的卷扬机82、配重83、机械室84以及轿厢85构成。其中，卷扬机的动力源是三相同步电动机，被组装在卷扬机内部。
[0062] 电梯系统的机械室84设置在客房附近，对振动、噪音的降低的敏感度高。通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够满足安装空间的制约、重量的规格和振动、噪音的规格的双方。
[0063] (第七实施方式)
[0064] 接着，说明本发明的第七实施方式。
[0065] 图9是通过三相同步电动机驱动的铁路车辆系统。铁路车辆系统91由铁路车辆92和车辆驱动系统93a～93d构成。车辆驱动系统93a～93d分别包含同步电动机的驱动系统4，通过三相同步电动机分别驱动车轮。在铁路车辆的情况下，在高速行驶时转动音、空气动力音是主要的，但低速行驶时因来自三相同步电动机的振动造成的噪音成为主体。对于在低速行驶中缓慢地进行加速、减速的轻负荷下的驱动，与该振动对应的噪音特别显著。
因此，通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够实现低转矩的轻负荷区域中的加减速时的振动、噪声的降低。
因此，通过使用第一实施方式所示的电动机驱动系统4，能够实现低转矩的轻负荷区域中的加减速时的振动、噪声的降低。
[0066] 以上，具体说明了本发明的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其主要内容的范围内当然能够进行各种变更。
[0067] 另外，主要使用q轴电流为正的电动机模式进行了说明，但在从外部驱动而q轴电流为负的发电机模式中，通过与电动机模式同样地通电负的d轴电流，也能够得到振动和噪音的降低效果。
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