CN100382428C - 电动机控制装置以及控制失控检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机控制装置，其通过使用电动机的控制量的简单计算，能够在短时间内正确地检测出控制失控状态，从而可提高吊车等的安全性。根据本发明，在把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q2轴上并进行控制，并且根据电压或电流的d、q成分检测出控制失控状态的电动机控制装置中，在使用电流的d成分、即激磁电流反馈值Id、和q成分、即转矩电流反馈值Iq，根据θi＝tan^-1(Iq/Id)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

Description

电动机控制装置以及控制失控检测方法

技术领域

本发明涉及检测在不需要脉冲编码器等速度检测器的控制方式下的交流电动机的控制失控状态的控制装置。

背景技术

以往，作为驱动交流电动机的控制装置，公知有基于可变电压可变频率的速度控制，把供给交流电动机的一次电流分解为与转矩直接相关的激磁电流(产生磁通的电流)和转矩电流(产生转矩的电流)进行控制的矢量控制方式已经实现了实用化。由于矢量控制方式是公知的技术，因此省略其说明。

作为进行对这种感应电动机的失调(控制失控)进行检测的无传感器控制装置，例如有在专利文献JP特开平11-8990号公报(段落[0014]～[0046])所公开的“感应电动机的无传感器控制装置”。

其适用于瞬间空间磁通矢量控制法，并且适用于在感应电动机的至少2相上安装电压传感器，检测U、V、W各相的瞬时一次电压的控制装置，当一次磁通的角速度加速到大大超过转子的角速度的控制范围时，转差率增大，不能获得必要的转矩，使感应电动机失调，由此，在一次磁通的角速度大于判定值时，判定为是控制失控状态。

另外，以往作为不需要脉冲编码器等的速度检测器的转差频率式控制方式的检测交流电动机的失控状态的控制装置，有图4所示的无PG矢量控制装置。

图中，电压型变频器1把从直流电源16提供的直流电压按照PWM控制方式转换成任意频率的交流电压。电压型变频器1的各相U、V、W的交流输出端与交流电动机2连接。流入交流电动机2的各相的电流由电流检测器4-1～4-3检测出。

在矢量控制装置3中，设有d-q转换器5，其检测交流电动机2的一次电流，并发送进行坐标转换的转矩电流反馈值Iq和激磁电流反馈值Id。并且，设有转矩电流控制电路(ACRq)7-1、和控制激磁电流方向电压，使来自磁通控制器10的激磁电流指令值Id^*与来自d-q转换器5的激磁电流反馈值Id相一致的激磁电流控制电路(ACRd)7-2。该转矩电流控制电路(ACRq)7-1把速度控制电路(ASR)11的输出值作为电流指令值Iq^*，用于把与该Iq^*和d-q转换器5输出的转矩电流反馈值Iq控制成相互一致，所设置的速度控制电路(ASR)11用于使从指令发生器14输入的速度指令值ωr^*^和来自速度推定器8的速度推定值ωr^(伞形标记“^”之前的记号表示“推定值”。以后也同样)相互一致。

另外，省略了对基于交流电动机2所产生的感应电压、一次电阻r1、漏电感1而产生的反电动势的电压进行补偿的电路。电压指令运算器6把转矩电流控制电路7-1和激磁电流控制电路7-2的输出与各个反电动势的电压补偿值之和(Vqref、Vdref)利用积分器12输出的相位θ进行坐标转换，计算出U、V、W各相的电压指令(Vu^*、Vv^*、Vw^*)，成为电压指令矢量[v1]([]内表示“矢量”，以后也同样)。

此外，d-q转换器5电压指令运算器6分别利用下面的式1和式2进行运算。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Idfb}\\ \mathrm{Iqfb}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1/\sqrt{3}& -1/\sqrt{3}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iw}\\ \mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\end{array}\right)...\left(1\right)$

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vw}*\\ \mathrm{Vu}*\\ \mathrm{Vv}*\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3/2}\\ -1/2& -\sqrt{3/2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Vdref}\\ \mathrm{Vqref}\end{array}\right)...\left(2\right)$

另外，转差频率指令运算器15根据磁通指令发生器9的输出φ^*、转矩电流指令值Iq^*和所设定的二次电阻r2(未图示)求出转差频率指令值ωs^*，通过由加法器13加上来自速度推定器8的速度推定值ωr^，计算出一次频率指令值ω1^*，通过积分器12计算出相位θ。

速度推定器8根据上述的电压指令矢量[v1]、一次电流矢量[i1]推算出交流电动机的磁通φ、速度ωr。交流电动机的磁通φ例如可利用下面的式3求出。

φ^＝∫([v1^*]-r1·[i1]-ω·1·[i1])dt    (3)

控制失控检测器17使用通过式3求出的交流电动机的磁通φ^(表示推定值)，根据检测出的

1、交流电动机磁通φ^在相对磁通指令值φ^*具有大于等于规定值的偏差的状态下持续了大于等于规定的时间；

2、交流电动机磁通φ^在规定的每单位时间内进行了大于等于规定次数的超过规定值的振动；

的交流电动机磁通φ^的表现，判断控制失控状态，如果判断为控制失控状态，则输出通电切断信号，使其停止运转。

这是基于以下的观点所考虑的，即，由于如果矢量控制成立，则交流电动机磁通φ^的大小除了过渡状态，与指令值φ^*非常一致，所以如果检测出不满足该条件的交流电动机的磁通，便可判断为是控制失控的状态。

但是，在上述以往的技术中，在专利文献1所记载的感应电动机的无传感器控制装置中存在着如下的问题，即，不能适用于把在所推定的速度上加上转差频率的一次频率作为输出频率的转差频率型控制方式；不能适用于不具备检测U、V、W各相的瞬时一次电压的电压传感器的控制装置，以及不能检测出低速区域中的控制失控状态。

另外，在第2以往的电动机控制装置中存在着如下的问题，即，不能适用于不运算求出或不需要求出交流电动机磁通的控制方法；为了判断控制失控状态而必须决定的规定值的数多；为了防止误检测而延长了检测时间，结果，在用于如吊车那样的在垂直方向动作的用途中，将成为吊落的要因。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种电动机控制装置和控制失控检测方法，可适用于不需要电压传感器、不求出交流电动机磁通的控制方法中，无论是低速还是高速，都能够在短时间内可靠地检测出控制失控的状态。

为了达到上述的目的，本发明之1提供一种电动机控制装置，其不使用速度检测器，而具有控制失控状态检测器，该电动机控制装置把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q的2轴上并进行控制，该控制失控状态检测器根据电压或电流的d、q成分检测出控制失控状态，该电动机控制装置特征在于，在所述控制失控状态检测器使用电流的d成分、即激磁电流反馈值Id、和q成分、即转矩电流反馈值Iq，根据θi＝tan^-1(Iq/Id)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

根据该电动机控制装置，可如下所述地检测出在不使用脉冲编码器等的速度检测器进行的控制方式中的交流电动机的控制失控状态。

即，以控制相位θ进行交流电动机的一次电流矢量(i1)的坐标转换而得到的转矩电流反馈值Iq和激磁电流反馈值Id，只要相对交流电动机相位θM能够正确地控制相位θ，则本来应通过直流量检测。但是，在转矩电流反馈值Iq和激磁电流反馈值Id是通过交流量检测，且通过旋转d-q轴进行检测时，该旋转速度是交流电动机相位θM与控制相位θ的时间变化的部分。由于该时间变化的部分的累计量就是交流电动机的实际相位θM与控制相位θ的偏离(乖离)量，所以可根据该累计量是否超过了规定值来检测出控制失控状态。

而且，本发明之2提供一种电动机控制装置，其不使用速度检测器，而具有控制失控状态检测器，该电动机控制装置把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q的2轴上并进行控制，该控制失控状态检测器根据电压或电流的d、q成分检测出控制失控状态，该电动机控制装置特征在于，在所述控制失控状态检测器使用电压的d成分、即激磁电流方向电压指令值Vd^*和q成分、即转矩电流方向电压指令值Vq^*，根据θv＝tan^-1(Vq^*/Vd^*)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

根据该电动机控制装置，与本发明之1相同，取代Iq和Id而使用激磁电流方向电压指令值Vd^*和转矩电流方向电压指令值Vq^*，可检测出交流电动机的控制失控状态。

另外，本发明之3提供一种电动机控制装置的控制失控检测方法，在电动机控制装置中，把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q2轴上并进行控制，并且根据电压或电流的d、q成分检测控制失控状态，其特征在于，在使用电流的d成分即激磁电流反馈值Id、和q成分即转矩电流反馈值Iq，根据θi＝tan^-1(Iq/Id)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

根据该电动机控制装置的控制失控检测方法，在本来应被作为直流量检测出来的电流反馈值Iq、Id被作为交流量通过在d-q轴上旋转来检测时，由于其旋转速度是交流电动机相位θM与控制相位θ的时间变化的部分，该时间变化的部分的累计量就是交流电动机的实际相位θM与控制相位θ的偏离(乖离)量，所以可根据该累计量是否超过了规定值来检测出控制失控状态。

另外，本发明之4提供一种电动机控制装置的控制失控检测方法，在电动机控制装置中，把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q2轴上并进行控制，并且根据电压或电流的d、q成分检测控制失控状态，其特征在于，在使用电压的d成分即激磁电流方向电压指令值Vd^*、和q成分即转矩电流方向电压指令值Vq^*，根据θv＝tan^-1(Vq^*/Vd^*)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

根据该电动机控制装置的控制失控检测方法，与本发明之3同样，取代Iq和Id，而使用激磁电流方向电压指令值Vd^*和转矩电流方向电压指令值Vq^*，可检测出交流电动机的控制失控状态。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式的电动机控制装置的方框图。

图2是表示图1所示电动机控制装置中的控制失控状态的检测算法的图。

图3是表示本发明第2实施方式的电动机控制装置中的控制失控状态的检测算法的图。

图4是表示以往的电动机控制装置的方框图。

图中：1-电压型PWM变频器；2-交流电动机；3-矢量控制装置；4-电流检测器；5-d-q转换器；6-电压指令运算器；7-电流控制器；8-速度推定器；9-磁通指令发生器；10-磁通控制器；11-速度控制器；12-积分器；13-加法器；14-指令发生器；15-转差频率指令运算器；16-直流电源；17、17’-控制失控检测器。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的第1实施方式进行详细说明。

图1是表示本发明第1实施方式的电动机控制装置的方框图。

在图1中，与以往例的图4的不同之处是把控制失控检测器17变更为17’。

所变更的控制失控检测器17’从d-q转换器5把转矩电流反馈值Iq、激磁电流反馈值Id作为输入值，在交流电动机内的旋转磁场的相位，即交流电动机相位θM与从积分器12输出的控制相位θ发生偏差时，判断为控制失控状态。

此外，在图1中，对其他的与图3中的相同的构成要素赋予相同的符号，并省略重复的说明。

下面，对动作进行说明

首先，使用图2所示的检测算法对控制失控状态的检测顺序进行说明。

如果控制状态不在基本块中，即如果在控制中，则计算出θi＝tan^-1(Iq/Id)，累计每单位时间的变化量(与上一次值的差)(步骤20)。如上所述，由于该累计量是交流电动机相位θM与控制相位θ之差，所以，在该累计量的绝对值达到大于等于规定值时，判断为控制失控(步骤30)。

另外，如果小于等于规定值，则保存θi(步骤40)。此外，控制状态如果在基本块中，则清除偏差量和θi的上次的值(步骤50)。

该规定值根据θi在正常动作时能够取得的值的范围、和到被判断为控制失控之前容许交流电动机进行几次转动的条件来决定，通常是根据后者，在电角为1周期～2周期(360度～720度)、4极电动机中，设定机械角小于等于一周。

根据上述的结构可检测出控制失控的状态。

下面，参照附图对第2实施方式进行说明。

图3是表示本发明第2实施方式的电动机控制装置中的失控状态的检测算法的图。

此外，第2实施方式与第1实施方式的不同之处是，相对第1实施方式的根据电流Iq、Id输入进行运算的情况，第2实施方式是根据电压指令值Vq^*、Vd^*进行运算，对于图1的控制失控检测器17’在第2实施方式中暂且把控制失控检测器标记为17”，这样，由于只是运算方法不同，因此，关于第2实施方式的方框图与图1相同，所以不做特别的图示。

下面，对动作进行说明

一般的情况下，在矢量控制成立时，如果转矩电流方向电压指令值Vq^*与转矩电流方向电压的实际值Vq；激磁电流方向电压指令值Vd^*与激磁电流方向电压的实际值Vd为一致，则以下的式(4)、式(5)成立。

Vq^*＝E+3·R1·Iq+3·ω1·1·Id+ACRq          (4)

Vq^*＝3·R1·Id-3·ω1·1·Id+ACRd            (5)

此外，ACRq、ACRd表示转矩电流控制电路(ACRq)7-1、激磁电流控制电路(ACRd)7-2的输出值。

转矩电流反馈值Iq、激磁电流反馈值Id如果变成交流量，则根据式4、式5可知，由于转矩电流方向电压指令值Vq^*和激磁电流方向电压指令值Vd^*也变成交流量，所以tan^-1(Vq^*/Vd^*)与tan^-1(Iq^*/Id^*)同样，在d-q轴上进行相应于交流电动机的θM和θ的时间变化量的旋转。

这样，由于即使使用tan^-1(Vq^*/Vd^*)也可以检测出控制失控状态，所以在第1实施方式的控制失控检测器17’中取代tan^-1(Iq/Id)而使用tan^-1(Vq^*/Vd^*)，也可达到完全同样的效果。

下面，参照图3对其检测步骤进行说明。

首先，如果是在控制中，进行θv＝tan^-1(Vq^*/Vd^*)的计算，累计每单位时间的变化量(步骤120)。

在该累计量的绝对值大于等于规定值时判断为是控制失控状态(步骤130)。

另外，如果小于规定值则保存θv(步骤140)。

另外，在最初的判断时，如果控制状态是在基本块中，将偏差量和上次值清零(步骤150)。

至此，以本发明的适用矢量控制方式的电动机控制装置进行了说明，但由于Iq不一定必须是转矩电流值、Id不一定必须是激磁电流值，所以只要是通过把检测出的一次电流进行在d-q轴上的坐标转换来求出Id、Iq的控制方式，可完全同样适用，并且对于Vd、Vq也是同样。

另外，作为交流电动机的一例，对适用于感应电动机的控制装置进行了说明，但同样也可以完全适用于内置磁铁型电动机中。

如上所述，根据本发明，通过进行使用了例如电流的d成分的激磁电流反馈值Id和电流的q成分的转矩电流反馈值I q、或者激磁电流方向电压指令值Vd*和转矩电流方向电压指令值Vq*这样的电动机的控制量的简单的计算，可在短时间内正确地判断出控制失控状态，因此，尤其可有效提高如吊车那样的在垂直方向上动作的机械的安全性。

Claims (4)

1.一种电动机控制装置，该电动机控制装置不使用速度检测器，而具有控制失控状态检测器，该电动机控制装置把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q的2轴上并进行控制，该控制失控状态检测器根据电压或电流的d、q成分检测出控制失控状态，该电动机控制装置特征在于，

在所述控制失控状态检测器使用电流的d成分即激磁电流反馈值Id、和q成分即转矩电流反馈值Iq，根据θi＝tan^-1(Iq/Id)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

2.一种电动机控制装置，该电动机控制装置不使用速度检测器，而具有控制失控状态检测器，该电动机控制装置把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q的2轴上并进行控制，该控制失控状态检测器根据电压或电流的d、q成分检测出控制失控状态，该电动机控制装置特征在于，

在所述控制失控状态检测器使用电压的d成分即激磁电流方向电压指令值Vd^*、和q成分即转矩电流方向电压指令值Vq^*，根据θv＝tan^-1(Vq^*/Vd^*)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

3.一种电动机控制装置的控制失控检测方法，该方法在电动机控制装置中，把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q的2轴上并进行控制，并且根据电压或电流的d、q成分检测控制失控状态，其特征在于，

在使用电流的d成分即激磁电流反馈值Id、和q成分即转矩电流反馈值Iq，根据θi＝tan^-1(Iq/Id)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

4.一种电动机控制装置的控制失控检测方法，该方法在电动机控制装置中，把交流电动机的电压、电流坐标转换到d、q的2轴上并进行控制，并且根据电压或电流的d、q成分检测控制失控状态，其特征在于，

在使用电压的d成分即激磁电流方向电压指令值Vd^*、和q成分即转矩电流方向电压指令值Vq^*，根据θv＝tan^-1(Vq^*/Vd^*)所计算出的值大于等于规定值时，判断为是控制失控状态。

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