CN100391097C - 感应电动机的矢量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种感应电动机的矢量控制装置，它能不必再附加特别的装置，通过追加软件上的处理进行校正，使互感的设定值和实际值一致。本发明涉及的感应电动机的矢量控制装置1包括：根据采用感应电动机15的初级电流实测值计算出的转矩计算值和转矩指令发生部生成的对感应电动机15的转矩指令值间的误差、求出感应电动机15的互感的校正值的互感校正部3；以及采用包括互感的校正值在内的感应电动机15的电路常数控制感应电动机、使感应电动机15产生的转矩和转矩指令值一致的矢量控制部2。

Description

感应电动机的矢量控制装置

技术领域

本发明关于感应电动机的矢量控制装置，尤其是关于校正互感的初始设定值和实际值间的误差的矢量控制装置。

背景技术

通常，所谓矢量控制系指通过沿磁场(磁通)方向及和磁场正交的转矩方向将交流电动机的电流分离，能独立控制磁通分量电流和转矩分量电流，和直流电动机一样能瞬时控制产生的转矩(例如参照非专利文献1)。

现有感应电动机的矢量控制装置使用感应电动机的电路常数，计算加在感应电动机上的电压振幅、频率、相位。此时，若在感应电动机的矢量控制装置中设定的电路常数、和实际感应电动机的电路常数之间存在误差，则矢量控制状态就无法维持，来自系统一侧的转矩指令值和实际感应电动机产生的转矩就不一致。另外，在转矩指令值过渡变化时，感应电动机产生的转矩就发生上冲等，响应产生振荡，转矩控制特性恶化。

关于感应电动机的电路常数中的次级电阻设定值可以如以下所述。即次级电路(转子)通常用铜合金做成，所以实际电阻值因感应电动机的运转状态或随着环境温度变化所引起的温度变化而变化。因此，和感应电动机的矢量控制装置中设定的次级电阻设定值之间产生误差，影响转矩控制性能。因而大多采用对设定值和实际值间的误差进行校正的构成(例如，参照专利文献1)。

另外，关于感应电动机的常数之一的互感，虽然由温度引起的数值变化小，但设定值和实际值的误差对感应电动机稳定转矩特性带来影响。在包含的误差是设定值大于实际值的误差的情况下，感应电动机产生的转矩小于转矩指令值，在包含的误差是设定值小于实际值误差的情况下，感应电动机产生的转矩大于转矩指令值。

例如，电气铁道车辆用的矢量控制装置如有这样的转矩误差存在，则就会产生无法按照驾驶人员的意图使车辆加速、减速的问题。这样，就影响转矩控制特性，所以要尽力使设定值和实际值一致。

因而，在使感应电动机空载运转并根据初级电流能实测互感时，只要将实测值作为设定值进行设定即可。

但是，要对组装在装置中而无法形成空载状态的感应电动机或装在车辆上等的大型感应电动机进行实测，就不是件容易的事。为此，在这种情况下，因为采用设计计算值作为互感的设定值，所以在和实际的互感值之间存在误差。由于这一误差致使转矩输出和转矩指令值不一致，而产生误差。

另外，还没有充分考虑对互感设定值的校正。

非专利文献1：中野孝良著‘交流电动机的矢量控制’日刊工业新闻社、1996年3月29日

专利文献1：特开平6-38574号公报

发明内容

现有的感应电动机的矢量控制装置，在互感设定值和实际值之间存在误差的情况下，存在感应电动机产生的转矩和转矩指令值不一致的问题。

本申请涉及的感应电动机的矢量控制装置包括：根据采用感应电动机的初级电流实测值计算出的转矩计算值和转矩指令发生部生成的对感应电动机的转矩指令值间的误差、求出感应电动机互感的校正值的互感校正部；采用包括互感的校正值在内的感应电动机的电路常数控制感应电动机、使感应电动机产生的转矩和转矩指令值一致的矢量控制部，其中，所述矢量控制部中设定的所述电路常数包括初级电阻设定值，所述矢量控制部根据所述电路常数，求电压指令值及转差角频率指令值，所述互感校正部根据利用所述电压指令值、所述转差角频率指令值与所述感应电动机的电动机旋转角频率的实测值相加后的逆变器的输出角频率、所述初级电阻设定值、所述初级电流的实测值、及所述转矩指令值所计算出的校正值，校正所述互感的初始设定值，从而生成所述互感的校正值。

根据该感应电动机的矢量控制装置，利用互感校正部的输出结果，校正互感初始设定值，并求出新的互感设定值，从而能使感应电动机实际产生的转矩和转矩指令值一致。

附图说明

图1为将本发明实施方式1涉及的矢量控制装置一示例和周围设备的构成一起进行表示的方框图。(实施例1)

图2为表示本发明实施方式1涉及的矢量控制装置控制的感应电动机的等效电路的电路图。(实施例1)

图3为表示本发明实施方式1涉及的矢量控制装置的互感校正部的构成图。(实施例1)

图4为在本发明实施方式1涉及的矢量控制装置中、产生的转矩Tm相对于转矩指令值Tm^*进行响应仿真的波形示例。(实施例1)

具体实施方式

本发明为解决上述问题而提出，其目的在于提供一种感应电动机的矢量控制装置，该装置不必再附加其它特别的装置，能够通过追加软件上的处理进行校正，使互感的设定值与实际值一致。

实施例1

以下，参照附图详细说明本发明实施方式1涉及的感应电动机的矢量控制装置。

还有，本发明虽然要和次级电阻值的校正同时进行，但次级电阻值的校正巳众所周知，故其说明省略，图中也未示出，这里仅对互感的校正进行说明

图1为将本发明实施方式1涉及的矢量控制装置一示例和周围设备的构成一起进行表示的方框图。还有，本发明涉及的互感校正部可适用于一般的矢量控制系统。本实施例中，作为一般的矢量控制系统的例子，表示电气铁道车辆用的矢量控制装置。

图2为表示本发明实施方式1涉及的矢量控制装置控制的感应电动机的等效电路(T型、1相)的电路图。

图1及图2中，感应电动机的矢量控制装置(以后简称为‘矢量控制装置’)1包括：对感应电动机15进行矢量控制的矢量控制部2；以及采用感应电动机15的电路常数、求出感应电动机15的互感的校正值的互感校正部3。另外，矢量控制部2包括：次级磁通指令发生部4、q轴电流指令发生部5、d轴电流指令发生部6、转差角频率指令发生部7、电压前馈运算部8、q轴电流控制器9、积分器10、dq轴·三相坐标变换部11、以及三相·dq轴坐标变换部12。

给出互感的初始设定值M0^*、初级绕组漏抗设定值11^*、次级绕组漏抗设定值12^*、初级电阻设定值R1^*、及次级电阻设定值R2^*，作为根据感应电动机15的电路常数的设定值输入矢量控制部2。

另外，自矢量控制装置1的上位系统即转矩指令发生部13将转矩指令值Tm^*输入矢量控制部2及互感校正部3。

然后，矢量控制部2输出的三相的输出电压指令Vu^*、Vv^*、Vw^*输入PWM逆变器14，PWM逆变器14的输出向感应电动机15输入。

设置在驾驶台上的设定电车加速、减速用的主控制器的设定值(图中未示出)输入转矩指令发生部13，发生的转矩指令值Tm^*输入矢量控制装置1。在次级磁通发生部4输出根据转矩指令发生部13输入的转矩指令值Tm^*、PWM逆变器14的输出角频率ω(以后将叙述)、从直流电源18输入PWM逆变器14的电压值计算出的给感应电动机15的次级磁通指令φ2^*。d轴电流指令发生部6、q轴电流指令发生部5根据转矩指令值Tm^*和次级磁通指令φ2^*，按照下式(1)及(2)计算d轴(励磁分量)电流指令I1d^*、q轴(转矩分量)电流指令I1q^*。

但是，在式(1)及式(2)中，M^*(以后将叙述)为校正互感的初始设定值M0^*后得到的校正值，L2^*(＝M^*+12^*)为次级侧电感。

I1d^*＝Φ2^*/M^*+L2^*/(M^*×Φ2^*)×sΦ2^*…(1)

I1q^*＝(Tm^*/(Φ2^*×PP))×(L2^*/M^*)…(2)

式中，s表示微分算符，PP表示感应电动机15的极对数。

转差角频率指令发生部7根据d轴电流指令I1d^*、q轴电流指令I1q^*和感应电动机15的电路常数，由式(3)计算给感应电动机15的转差角频率指令ωs^*。

ωs^*＝(I1q^*/I1d^*)×(R2^*/L2^*)…(3)

在积分器10对由该式(3)算出的转差角频率指令ωs^*与安装在感应电动机15轴端的速度传感器16的输出即电动机旋转角频率ωr相加后的PWM逆变器14的输出角频率ω(＝ωr+ωs^*)进行积分，再将积分后的值作为坐标变换的相位角闸输入dq轴·三相坐标变换部11及三相·dq轴坐标变换部12。

电压前馈运算部8根据d轴电流指令I1d^*、q轴电流指令I1q^*和感应电动机15的电路常数，按照下式(4)及下式(5)计算给感应电动机15的电压E1d^*、E1q^*。

这里，在式(4)及式(5)中，σ为按照σ＝1-M^*2/(L1^*×L2^*)定义的漏磁系数。另外，L1^*(＝M^*+11^*)为初级侧电感。

E1d^*＝(sL1^*×σ+R1^*)×I1d^*-ω×L1^*×σ×I1q^*+(M^*/L2^*)×sΦ2^*…(4)

E1q^*＝(sL1^*×σ+R1^*)×I1q^*+ω×L1^*×σ×I1d^*+(ω×M^*)/(L2^*×Φ2^*)…(5)

q轴电流控制器9按照下式(6)，取q轴电流指令I1q^*和q轴电流检测值I1q的偏差，用比例积分控制器将偏差放大，作为q轴电流误差ΔI1q输出。

ΔI1q＝(K1+K2/s)×(I1q^*-I1q)…(6)

式(6)中，K1为比例增益，K2为积分增益。

这里，q轴电流检测值I1q为将用电流传感器17检测PWM逆变器14的输出的检测电流IU、IV、IW用下式(7)表示的坐标变换部变换成dq轴上的电流后的值。

$\left(\begin{array}{c}I1q\\ I1d\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{IU}\\ \mathrm{IV}\\ \mathrm{IW}\end{array}\right)\·\·\·\left(7\right)$

如式(8)及式(9)所示，对于d轴，将电压前馈运算部8的输出作为d轴的输出电压指令Vq^*输出。

对于q轴，由于电压E1g^*为前馈后求得的值，包含偏离最佳值的误差，所以当按照利用含该误差的电压E1q^*算出的q轴输出电压指令来驱动感应电动机15时，实际的电流就不象q轴电流指令I1q^*指示的那样。因而，为了校正电压E1q^*所含的误差，将电压前馈运算部8的输出与包括q轴电流检测值I1q和q轴电流指令I1q^*之间的偏差信息在内的q轴电流误差ΔI1q相加，将该值作为q轴的输出电压指令Vq^*输出。

Vd^*＝E1d^*…(8)

Vq^*＝E1q^*+ΔI1q…(9)

图3为表示本发明实施方式1涉及的矢量控制装置的互感校正部3的构成图。互感的初始设定值和实际值间的误差由于在包含互感的式(1)至式(5)中将产生计算误差，成为产生的转矩的误差显现出来，所以能利用转矩计算值TBT和转矩指令值Tm^*间误差，对互感进行校正。

作为根据感应电动机15的电路常数的设定值，给出互感的初始设定值M0^*和初级电阻设定值R1^*，提供给互感校正部3。

另外，将根据矢量控制部2中设定的感应电动机15的电路常数求出的dq轴的输出电压指令Vq^*、Vd^*、同样地根据矢量控制部2中设定的感应电动机15的电路常数求出的转差角频率指令ωs^*与从感应电动机15检测出的电动机旋转角频率ωr相加后的PWM逆变器14的输出角频率ω、对用装在感应电动机15上的电流传感器17检测出的检测电流IU、IV、IW进行变换后得到的dq轴电流I1q、I1d、以及自转矩指令发生部13输入矢量控制部2的转矩指令值Tm^*等输入互感校正部3。

在互感校正部3中，按照式(10)计算转矩计算值TBT。关于转矩计算值TBT的计算，可将式(10)进行变形处理，使得式中不含互感，即使在互感的初始设定值M0^*与实际值M有差异的情况下，能用式(10)计算转矩计算值TBT而对其不受影响。

TBT＝(Vq^*-I1q×R1^*/ω×I1q+(Vd^*-I1d×R1^*)/ω×I1d…(10)

这里，让转矩计算值TBT和转矩指令值Tm^*间的误差通过比例积分控制器(PI)19，利用下式(11)进行运算。然后，通过将运算结果ΔTm和互感的初始设定值M0^*相加，得到互感的校正值M^*，校正值M^*再输入矢量控制部2。

ΔTm＝(K3+K4/s)×(TBT-Tm^*)…(11)

在式(11)中，K3表示比例增益，K4表示积分增益。

互感的校正值M^*的校正法则为：在转矩计算值TBT＞转矩指令值Tm^*时，进行校正，使得比互感的初始设定值M0^*大，从而得到校正值M^*，反之，在转矩计算值TBT＜转矩指令值Tm^*时，进行校正，使得比互感的初始设定值M0^*小，从而得到校正值M^*。

还有，为了在运算结果中不含转矩的微小变动或外部干扰，转矩计算值TBT使用通过滤波器20进行平均处理后的值。

另外，如式(4)及式(5)所示，在感应电动机15的转速为低速时，由于含ω的项变小，所以相对地(sL1^*×σ+R1^*)的项变大。这里，感应电动机15的初级电阻和上述的次级电阻一样，因伴随运转状态的温度变化而变化。因此，利用按式(4)及式(5)计算出的E1d^*和E1q^*，在按式(10)计算的转矩计算值TBT中，因初级电阻设定值R1和实际值之间的误差，按照式(10)就无法计算正确的转矩。这种现象在感应电动机15的转速低时尤为显著。

因而，最好感应电动机15的转速上升到某一程度的速度，在初级电阻设定值R1^*和实际值间的误差可以忽略的区域，校正本发明的互感的初始设定值M0^*，求校正值M^*。

图4为在本发明实施方式1涉及的矢量控制装置中、产生的转矩Tm相对于转矩指令值Tm^*进行响应仿真的波形示例。这里，产生的转矩Tm为使用感应电动机的电路常数、端电压、电流后计算出的值，为仿真模型中的感应电动机产生的转矩。

设互感的初始设定值M0^*为实际值M的0.5倍。在时间1.5s中，转矩指令值Tm^*从0[N·m]向1000[N·m]进行阶跃变化。

这相当于使感应电动机15的转矩从零的状态阶跃地上升到额定的100％。

图4(a)为采用本发明实施方式1涉及的矢量控制装置1时的响应波形。图4(b)为现有方式的响应波形。在时间4s～5s附近的稳态转矩指令值Tm^*的误差，根据本发明的实施方式，就能如图4(a)所示变小。

这样，在本发明实施方式1涉及的矢量控制装置1中，通过根据转矩指令值Tm^*和产生的转矩Tm间的误差生成校正值M^*，从而能使转矩指令值和实际感应电动机15产生的转矩一致，能进行高精度的控制。

上述说明中，作为本发明的用途是以电气铁道车辆的矢量控制装置的情形为例进行了说明，但也能应用于其它的工业用途的矢量控制装置上。另外，图1中假设为控制电压型的矢量控制装置的形式，但对于控制电流型的矢量控制装置也同样适用，图1中是利用速度传感器16来检测感应电动机15的速度，但也能适用于通过运算推定速度等进行检测的无速度传感器的矢量控制装置。

Claims (2)

1.一种感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，包括：

根据采用感应电动机的初级电流实测值计算出的转矩计算值和转矩指令发生部生成的对所述感应电动机的转矩指令值间的误差、求出所述感应电动机的互感的校正值的互感校正部；以及

采用包括所述互感的校正值在内的所述感应电动机的电路常数控制所述感应电动机、使所述感应电动机产生的转矩和所述转矩指令值一致的矢量控制部，

其中，所述矢量控制部中设定的所述电路常数包括初级电阻设定值，

所述矢量控制部根据所述电路常数，求电压指令值及转差角频率指令值，

所述互感校正部根据利用所述电压指令值、所述转差角频率指令值与所述感应电动机的电动机旋转角频率的实测值相加后的逆变器的输出角频率、所述初级电阻设定值、所述初级电流的实测值、及所述转矩指令值所计算出的校正值，校正所述互感的初始设定值，从而生成所述互感的校正值。

2.如权利要求1所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，

所述电路常数包括次级电阻设定值，

所述矢量控制装置还包括校正次级电阻设定值的次级电阻校正部。

Images