三相交流电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及通过同步电动机、感应电动机等三相交流电动机在数控机床(NC机床)等的轴控制中控制进给轴、主轴的速度、转角(控制对象的位置)时、或者在一般工业机械中控制控制对象的速度、传动转矩时的电动机的电流控制。

以下，详细说明数控机床的轴控制中的本发明的技术的利用例，但本发明的技术是能够应用于所有利用三相交流电动机高精度地控制转矩·速度·位置的用途的技术。

背景技术

通常，在数控机床的轴控制中，大多采用三相交流电动机(以下也使用简称为交流电动机或电机的称呼)。在三相交流电动机中，能够通过在相互错开120deg的电位置上配置U相、V相、W相的电线并高精度地控制各相的电流，从而作为交流电动机实现高转矩控制性。

为了进行高精度的电流控制，需要在宽频带中高精度地检测出各相的电流。然而，在电流检测电路中，由于高频噪声的转化、温度漂移等的影响而(直流的)DC偏移量叠加，其结果，转矩输出中产生电流频率的脉动(转矩脉动)。

图6是表示将三相交流电动机用作驱动电机的、现有的位置控制装置200的一个例子的框图。以下，对本例的位置控制装置200进行说明。从上位装置(未图示)对本例的位置控制装置200输出位置指令值X。由与电机300连结的位置检测器301输出的电机300的转角θ

位置偏差DIF由位置偏差放大器51放大位置环路增益Kp倍后输出速度指令值ω

在永磁体型同步电动机(通常被分类为表面永磁同步电动机(SPMSM)和内置永磁同步电动机(IPMSM))、磁阻型同步电动机(SynRM)的情况下，电流矢量控制运算部57对于电机的转矩指令值τ

另一方面，在感应电动机(IM)的情况下，电流矢量控制运算部57根据该感应电动机的磁场削弱特性和速度检测值ω

位置检测值θ

电流检测偏移补偿值调整器100根据电气角速度ω

此外，W相电流i

减法器58从d轴电流指令值i

减法器60从q轴电流指令值i

d-q→三相变换器63根据d轴电压指令值v

PWM转换器64将各相控制电压指令值(v

图7是表示现有的电流检测偏移补偿值调整器100的构成的一个例子的框图。将电气角速度ω

选择器102是决定调整U相电流检测的偏移补偿量还是调整V相电流检测的偏移补偿量的选择器。首先，在选择U相侧后，U相偏移补偿值调整部103一边使U相电流检测偏移补偿量d

然后，选择V相侧。V相偏移补偿值调整部104一边使V相电流检测偏移补偿量d

以上说明了现有的电流检测偏移补偿的动作算法的一个例子，但在这样的与相选择相伴的探索的算法中，由于无法同时计算各相，所以存在转矩脉动的大小经常变动的状态、在各相的电流检测中叠加的DC偏移的差显著较大时等，无法计算适合的偏移补偿量的情况。

此外，在以下的专利文献1中，作为与本发明相关的技术，记载有降低三相交流电机的电流传感器的偏移误差导致的转矩脉动的技术。

专利文献1：日本特开2019-221105号公报

发明内容

[发明要解决的课题]

本发明的目的在于迅速抑制三相交流电动机的各相的电流检测DC偏移。另外，提供一种具备电流检测偏移补偿值计算器的三相交流电动机的控制装置，在实施方式中，即使在电流检测中叠加的DC偏移导致的电气角速度ω

[解决课题的手段]

本发明的特征在于，检测流过三相交流电动机的三相电流中的至少2相即处理对象相的电流，基于预先求取的偏移补偿量，对于所述处理对象相的电流检测值实施偏移补偿处理，基于所述偏移补偿处理后的所述处理对象相的电流检测值进行所述三相交流电动机的控制，求取所述偏移补偿量的处理包括：对于针对所述三相交流电动机的转矩指令值信号，求取转矩脉动的频率成分的傅里叶系数的处理；求取所述三相交流电动机的所述处理对象相的转矩振幅成分的处理，在该处理中，基于所述傅里叶系数和所述转矩指令值信号的基准时刻中的所述三相交流电动机的电气角，求取所述处理对象相的所述转矩振幅成分；以及基于所述处理对象相的所述转矩振幅成分，求取针对所述处理对象相的所述偏移补偿量的处理。

优选求取所述偏移补偿量的处理包括下述处理：基于所述处理对象相的所述转矩振幅成分求取偏移补偿变化量，该偏移补偿变化量是与对于所述处理对象相而预先求取的所述偏移补偿量相对的偏移补偿变化量，基于对于所述处理对象相的所述偏移补偿变化量、和对于所述处理对象相而预先求取的所述偏移补偿量，求取对于所述处理对象相的新的所述偏移补偿量。

优选所述转矩指令值信号表示针对以恒定速度旋转的所述三相交流电动机的转矩指令值。

在一个实施方式中，在三相交流电动机的转矩·速度·位置的控制装置中具备电流检测偏移补偿值计算器，该电流检测偏移补偿值计算器根据与基于使三相交流电动机以恒定速度旋转而采样收集到的转矩指令值信号计算出的电流频率成分的转矩脉动相对的傅里叶系数、和采样开始时的电流相位，同时导出任意1相的电流检测中叠加的DC偏移误差导致的转矩脉动振幅、和另外2相中的1相的电流检测中叠加的DC偏移误差导致的转矩脉动振幅，根据该转矩脉动振幅计算各相的电流检测偏移误差补偿量，对电流检测施加校正。

另外，在一个实施方式中，具备电流检测偏移补偿值计算器，该电流检测偏移补偿值计算器的特征在于，具有使电流检测偏移误差补偿量的计算通过重复数个循环而使转矩脉动渐近地减少收敛的算法。

在本发明的一个实施方式中，将电流检测中叠加的DC偏移导致的、电气角速度ω

发明的效果

根据本发明，能够迅速地抑制各相的电流检测DC偏移。另外，在本发明的一个实施方式所涉及的三相交流电动机的位置控制装置中，能够利用通过解析算法高速且各相同时求取的偏移补偿量，对成为电气角速度ω

附图说明

图1是表示将本发明的三相交流电动机用作驱动电机的位置控制装置的构成例的框图。

图2是表示本发明的电流检测偏移补偿值计算器的一个例子的框图。

图3是说明电流检测偏移补偿值计算器的动作次序的流程图。

图4是永磁体型同步电动机的转矩脉动频率中的傅里叶系数C

图5是感应电动机、磁阻型同步电动机的转矩脉动频率中的傅里叶系数C

图6是表示将现有的三相交流电动机用作驱动电机的位置控制装置的构成例的框图。

图7是表示现有的电流检测偏移补偿值调整器的一个例子的框图。

具体实施方式

以下，使用例子说明用于实施本发明的最佳方式。图1是表示本发明所涉及的三相交流电动机的位置控制装置20的构成概要的一个例子的框图。对于与图6所示的构成要素相同的构成要素，标注相同的附图标记，简化其说明。位置控制装置20也可以由通过执行程序而实现各构成要素的功能的处理器、数字电路、模拟电路构成。

首先，明确记述各相电流检测中叠加的DC偏移与由此导致的转矩脉动τrip之间的关系。永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)中，即使在d轴电流指令值i

[算式1]

在这里，Is为相电流振幅。

通过三相→d-q变换器62，q轴电流i

[算式2]

在SPMSM的情况下，产生转矩τ为磁转矩，与q轴电流i

[算式3]

τrip＝A{d

其中，A为用于使τrip和d

即，电流检测DC偏移d

另一方面，通过三相→d-q变换器62，d轴电流i

[算式4]

IPMSM的磁阻转矩τr与i

[算式5]

这样就成为算式(3)的磁转矩脉动τrip的常数倍。即，IPMSM的总转矩(＝磁转矩+磁阻转矩)的转矩脉动也能够与SPMSM相同地由算式(3)表现。

图2是表示图1的本发明中的电流检测偏移补偿值计算器1的构成的一个例子的框图。以下针对电流检测偏移补偿值计算器1的动作进行说明。图3是说明电流检测偏移补偿值计算器1的动作次序的各Step(步骤)的流程图。

(Step1).在电流检测DC偏移导致的转矩脉动较大地产生的速度区域中，选择满足算式(6)的电气角速度ω

[算式6]

0

在这里，Ts为采样周期。

(Step2).以采样周期Ts收集N点的转矩指令值信号τ

此外，将τ

(Step3).根据算式(7)计算公知的离散傅里叶变换(DFT)的基本波成分的傅里叶系数C

[算式7]

(Step2)和(Step3)为图2的傅里叶系数计算部2的动作。

根据算式(3)，电气角速度ω

算式(3)的转矩脉动τrip能够使用所述的转矩振幅成分τ

[算式8]

τrip＝B{τ

其中，B为用于使τrip和τ

(Step5).对于图4的τ

[算式9]

在求解该联立方程式后，图4的τ

[算式10]

(Step5)为图2的各相转矩振幅成分计算部3的动作。

(Step6).根据导出的τ

[算式11]

其中，增益G设为0＜G≤B/A的范围的常数。

本次循环(第m循环)的电流检测偏移补偿量d

[算式12]

(Step6)为图2的各相电流检测偏移补偿值设定部4的动作。

这样，本发明的实施方式所涉及的位置控制装置20检测流过三相交流电动机的三相电流中的2相(U相和V相)的电流，基于预先求取的偏移补偿量对于2相的电流检测值实施偏移补偿处理，基于偏移补偿处理后的2相的电流检测值进行三相交流电动机的控制。

求取偏移补偿量的处理包括下述处理：对于针对三相交流电动机的转矩指令值信号(转矩指令值信号τ

另外，求取偏移补偿量d

以上为电流检测偏移补偿值计算器1的动作说明，如图3的(Step4)所示那样，在(Step3)中计算出傅里叶系数C

至此为止的一系列的动作说明是针对永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)的情况记述的。下面，针对感应电动机(IM)、磁阻型同步电动机(SynRM)的情况下的电流检测偏移补偿值计算器1的动作，说明与永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)的情况之间的差异。在IM、SynRM的情况下，由于q轴电流i

因此，在图1的电流矢量控制运算部10中计算出q轴电流指令值i

在IM、SynRM的情况下，电机以电流角速度ω(在SynRM的情况下为电气角速度ω

[算式13]

以下，以SynRM为例进行说明。(SynRM是同步电动机，因此电流角速度ω变为电气角速度ω

通过三相→d-q变换器62，q轴电流i

[算式14]

[算式15]

在这里，如果无视微小的电流检测DC偏移的二次项而计算产生转矩τ，则成为算式(16)。

[算式16]

特别地，电流检测DC偏移d

[算式17]

其中，A为使SynRM的情况下的τrip和d

下面，对SynRM的情况下的电流检测偏移补偿值计算器1的动作次序(Step)进行说明。直至(Step3)为止与永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)的情况相同。在SynRM的情况下，转矩振幅成分τ

由此，算式(17)的转矩脉动τrip能够使用转矩振幅成分τ

[算式18]

其中，B为使SynRM的情况下的τrip和τ

τ

[算式19]

在求解该联立方程式后，图5的τ

[算式20]

即，在SynRM中，基于算式(20)执行图2的各相转矩振幅成分计算部3的动作即(Step5)的次序。以下，对于(Step6)和(Step4)的次序，与前述的永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)的情况相同。

下面，对IM的情况进行说明。电机以电流角速度ω的恒定速度旋转时的电流检测DC偏移d

[算式21]

此外，在IM的情况下，在恒定速度下，被设定为i

[算式22]

其中，A为使IM的情况下的τrip和d

下面，对IM的情况下的电流检测偏移补偿值计算器1的动作次序(Step)进行说明。直至(Step3)为止，只要将电气角速度ω

在IM的情况下，转矩振幅成分τ

[算式23]

其中，BA为使IM的情况下的τrip和τ

τ

对于三相交流电动机为永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)的情况也是相同地，位置控制装置20检测流过三相交流电动机的三相电流中的2相(U相和V相)的电流，基于预先求取的偏移补偿量d

求取偏移补偿量的处理包括下述处理：对于针对三相交流电动机的转矩指令值信号(转矩指令值信号τ

另外，求取偏移补偿量d

以上，如说明所示，根据图1的本发明所涉及的三相交流电动机的位置控制装置20，在驱动电机为永磁体型同步电动机(SPMSM和IPMSM)的情况下，或者在以d轴电流指令值i

附图标记的说明

1电流检测偏移补偿值计算器；2傅里叶系数计算部；3各相转矩振幅成分计算部；4各相电流检测偏移补偿值设定部；10、57电流矢量控制运算部；20位置控制装置(本发明)；50减法器；51位置偏差放大器；52微分器；53减法器；54速度控制器；55乘法器；56微分器；58减法器；59d轴电流控制器；60减法器；61q轴电流控制器；62三相→d-q变换器；63d-q→三相变换器；64PWM转换器；65U相电流检测电路；66V相电流检测电路；67加法器；68加法器；100电流检测偏移补偿值调整器；101FFT变换部；102选择器；103U相偏移补偿值调整部；104V相偏移补偿值调整部；200位置控制装置(现有技术)；300电机；301位置检测器；302负载。