CN101834553B - 无传感器交流电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能迅速检测出控制异常并进行保护的无传感器交流电动机控制装置。该装置包括无传感器控制异常检测部(12)，该无传感器控制异常检测部(12)由基于速度指令来计算增益值KG的阈值的阈值计算部(13)和比较部(14)构成。无传感器控制异常检测部(12)利用比较部(14)对在频率运算部(4)中使用的增益值KG和阈值RV进行比较，当增益值KG超过阈值RV达到预定的时间时，判定为控制异常并输出警报信号。

Description

无传感器交流电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及一种不使用检测交流电动机的速度及磁极位置的传感器，控制交流电动机的无传感器交流电动机的控制装置。

背景技术

作为现有的电动机的无传感器交流电动机的控制装置，有观测者(observer)方式、使用电动机参数的方式等。此外，最近在专利第4022630号公报(专利文献1)中公开有含交流电动机的各种交流驱动设备的控制所需的参数少的无传感器控制装置。在专利文献1的图2-1及图2-2所示的控制装置中，控制装置包括：功率变换器、电流检测器、决定功率变换器的运转频率的频率运算部、通过积分根据频率运算部的输出求出相位角信号并输出的积分运算部、正交二轴转换部、二轴电流调节部、PWM信号产生部、根据PWM信号控制功率变换器的PWM控制器。正交二轴转换部根据电流检测器的检测信号及积分运算部的相位角信号，通过正交二轴转换来计算有效成分及无效成分的二轴电流并进行输出。二轴电流设定部输出二轴电流的有效成分的指令值和无效成分的指令值。二轴电流调节部由正交二轴转换部的输出和二轴电流设定部的输出之差计算误差量，并输出与每个二轴成分的误差量相应的振幅指令值。PWM信号产生部根据二轴电流调节部的输出及积分运算部的相位角信号，生成控制功率变换器的PWM信号。而且，在专利文献1所示的控制装置中，由于无传感器化，所以频率运算部决定功率变换器的运转频率，以便将作为二轴电流调节部的输出的振幅指令值之中对应无效成分电流的振幅指令值引导为零。具体地，为了交流电动机(同步电动机、感应电动机等)的控制，将增益值KG和作为二轴电流调节部的输出的振幅指令值之中、对应于有效成分电流的振幅指令值相乘后得到的值，决定为功率变换器的运转频率，其中，增益值KG由从对应于无效成分电流的振幅指令值中求出的感应电压常数的倒数构成。

专利文献1：JP专利第4022630号公报    图2

发明内容

在专利文献1所示的无传感器交流电动机的控制装置中，如果由于任何的原因而使得从控制装置的积分运算部输出的磁极位置θ和实际的电动机的磁极位置θ大大偏离，则会失去同步、没有扭矩，电动机会停止。而且，如果没有迅速检测出电动机失去同步，则担心会影响正在使用的机械系统，并损坏机械部件。但是，在专利文献1中所示的控制装置中没有这种保护功能。

本发明的目的在于，提供一种能迅速检测出控制异常并进行保护的无传感器交流电动机控制装置。

本发明的无传感器交流电动机控制装置包括：功率变换器、电流检测器、频率运算部、积分运算部、正交二轴转换部、二轴电流设定部、二轴电流调节部、控制信号产生部、和PWM控制器。功率变换器连接在直流电路和交流电动机之间，具有开关元件，进行直流-交流功率变换。电流检测器检测从功率变换器输出的电流。频率运算部决定功率变换器的运转频率并输出运转频率信号。积分运算部通过积分由频率运算部的输出来求出相位角信号并输出。正交二轴转换部根据电流检测器的检测信号及积分运算部的相位角信号，通过正交二轴转换来计算有效成分及无效成分的二轴电流并输出。二轴电流设定部输出根据速度指令和由功率变换器的运转频率推定出的推定速度决定的二轴电流的有效成分的指令值和无效成分的指令值。二轴电流调节部由正交二轴转换部的输出和二轴电流设定部的输出之差来计算误差量，并输出与每个二轴成分的误差量相应的振幅指令值。控制信号产生部根据二轴电流调节部的输出及积分运算部的相位角信号，生成用于控制功率变换器的控制信号。PWM控制器对控制信号进行PWM调制，并向功率变换器输出驱动信号。频率运算部为了决定功率变换器的运转频率，以便将作为二轴电流调节部的输出的振幅指令值之中对应于无效成分电流的振幅指令值引导为零，而将增益值KG和作为二轴电流调节部的输出的振幅指令值之中、对应于有效成分电流的振幅指令值相乘后得到的值，决定为功率变换器的运转频率，其中，增益值KG由根据对应于无效成分电流的振幅指令值求出的感应电压常数的倒数构成。

特别地，在本发明中，控制装置包括：根据速度指令来计算增益值KG的阈值的阈值计算部、和无传感器控制异常检测部。无传感器控制异常检测部对在频率运算部中使用的增益值KG和阈值进行比较，当增益值KG超过阈值达到预定的时间时，判定为控制异常并输出警报信号。由于本发明无传感器化而着眼于调整(改变)增益值KG，在增益值KG呈现出异常的值的情况下，通过输出警报信号，使PWM控制器停止来发挥保护功能。

附图说明

图1是表示以无传感器方式控制作为交流电动机的一种的同步电动机的本发明的无传感器交流电动机控制装置的一个实施方式的结构图。

图2是表示阈值和增益值之间关系的曲线图。

符号说明

1    同步电动机

2    二轴电流设定部

3    二轴电流调节部

4    频率运算部

5    积分运算部

6    坐标变换器(控制信号产生部)

7    电流检测器

8    作为正交二轴转换部的坐标变换部

9    PWM控制器

10   功率变换器

11   振荡器

12   无传感器控制异常检测部

具体实施方式

下面，参照附图，详细地说明本发明的无传感器交流电动机控制装置的实施方式。图1是表示以无传感器方式控制作为交流电动机的一种的同步电动机1的本发明的无传感器交流电动机控制装置的一个实施方式的结构图。同步电动机(马达)1包括：永久磁铁被固定在转子芯的表面而形成转子磁极(动子磁极)的转子、和具有将三相的电枢线圈卷绕在定子芯上而构成的定子磁极的定子。根据上述的专利文献1所记载的公知技术，以无传感器方式决定同步电动机1的转子磁极的位置θ“相对于同步电动机1的转子(动子)的定子的相对位置”。

在本实施方式的控制装置中，包括：二轴电流设定部2、二轴电流调节部3、频率运算部4、积分运算部5、构成控制信号产生部的坐标变换器6、电流检测器7、作为正交二轴转换部的坐标变换部8、PWM控制器9、功率变换器10、振荡器11、和无传感器控制异常检测部12。功率变换器10连接在未图示的直流电路和同步电动机(交流电动机)1之间，具有开关元件，进行直流-交流功率变换。电流检测器7从由功率变换器10输出的三相交流电流中检测2相的交流电流IU及IV。正交二轴转换部8以具有基于电流检测器7的检测信号IU及IV以及积分运算部5的相位角信号的相位角的正弦波信号sin及余弦波信号cos作为输入，通过正交二轴转换，计算有效成分及无效成分的二轴电流IδF及IγF并输出。二轴电流设定部2以由未图示的速度指令产生部输出的速度指令和由频率运算部4输出的推定频率(推定速度)之差作为输入，由生成二轴电流的有效成分的指令值Iδc的速度控制器21、和输出二轴电流的无效成分的指令值Iγc的指令发生器22构成。

二轴电流调节部3由作为正交二轴转换部的坐标变换部8的输出(IδF及IγF)和二轴电流设定部2的输出(二轴电流的有效成分的指令值Iδc和二轴电流的无效成分的指令值Iγc)之差计算误差量，并通过电流控制器31及32输出作为与每个二轴成分的误差量相应的电压指令的振幅指令值(Vδc及Vδc)。坐标变换器6根据二轴电流调节部3的输出(Vδc及Vδc)及由积分运算部5输出的相位角信号，以振荡器11输出的正弦波信号sin及余弦波信号cos作为输入，通过坐标变换生成三相的控制信号(VUC、VVC、VWC)。在本实施方式中，坐标变换器6构成控制信号产生部。PWM控制器9对三相的控制信号进行PWM调制，输出功率变换器10的驱动信号，通过向功率变换器10对马达1施加电压。

频率运算部4决定功率变换器10的运转频率ω，以便将作为二轴电流调节部3的输出的振幅指令值之中对应于无效成分电流的振幅指令值Vγc引导为零。具体地，速度推定控制器41输出由从对应于无效成分电流的振幅指令值Vγc中求出的感应电压常数的倒数构成的增益值KG。而且，频率运算部4输出增益值KG和作为二轴电流调节部3的输出的振幅指令值之中、对应于有效成分电流的振幅指令值Vδc相乘后得到的值，作为功率变换器10的运转频率(电动机的推定速度)ω。再有，由于在专利文献1中详细说明了关于将增益值KG和对应于有效成分电流的振幅指令值Vδc相乘后得到的值作为功率变换器10的运转频率(电动机的推定速度)ω的情况(能以无传感器方式推定运转频率)，所以省略说明。积分运算部5通过对频率运算部4的输出ω进行积分，计算相位角信号(表示磁极位置的信号)θ并输出。增益(参数)KG由于表示感应电压常数的倒数，所以如果将增益值KG乘以成为与电动机旋转速度成比例的值所表示的δ轴电压指令的振幅指令值Vδc，则能推定电动机1的速度。

在本实施方式中，包括由基于速度指令计算增益值KG的阈值的阈值计算部13和比较部14构成的无传感器控制异常检测部12。无传感器控制异常检测部12用比较部14对在频率运算部4中使用的增益值KG和阈值RV进行比较，当增益值KG超过阈值RV达到预定的时间时，判定为控制异常并输出警报信号。在此，阈值计算部13结构为，事先通过试验来测定速度指令和正常的增益值KG之间的关系，使在其结果上附加了允许范围后得到的值成为运算式或作为数据保存，每当速度指令变化时，输出对应的阈值。此外，上述的“预定的时间”也通过事前的试验来决定。另外，在本实施方式中，设30ms为“预定的时间”。

在本实施方式中，在频率运算时，着眼于调整(改变)增益值KG，在增益值KG表现出异常的值的情况下，发出警报信号。作为保护功能，例如，一旦输出警报信号，PWM控制器9就停止控制工作。其结果，同步电动机停止旋转。由于速度推定控制器41具有某一程度大小的增益，所以在无传感器控制异常时，电动机速度下降，成为δ轴电压指令的振幅指令值Vδc减少。因此，为了修正此减少，速度推定控制器41迅速地将增益值KG的值变更为其上限侧。通过比较部14检测此变更幅度变大，就能迅速地检测无传感器控制异常。

工业实用性

根据本发明，根据作为无传感器控制的参数的增益值KG成为阈值以上超过预定的时间来检测无传感器控制异常。由此，在无传感器控制中产生异常的时候，也能迅速地检测无传感器控制异常，能实现不影响正在使用的机械系统的安全的无传感器控制装置。

Claims (2)

1.一种无传感器交流电动机的控制装置，包括： 

功率变换器，其连接在直流电路和交流电动机之间，具有开关元件，进行直流-交流功率变换； 

电流检测器，其检测从上述功率变换器输出的电流； 

频率运算部，其决定上述功率变换器的运转频率，并输出运转频率信号； 

积分运算部，其通过积分根据上述频率运算部的输出来求出相位角信号并输出； 

正交二轴转换部，其根据上述电流检测器的检测信号及上述积分运算部的相位角信号，通过正交二轴转换来计算有效成分的二轴电流及无效成分的二轴电流并输出； 

二轴电流设定部，其输出根据速度指令和由上述功率变换器的运转频率推定出的推定速度决定的上述二轴电流的有效成分的指令值和无效成分的指令值； 

二轴电流调节部，其根据从上述正交二轴转换部输出的上述有效成分的二轴电流和从上述二轴电流设定部输出的上述二轴电流的有效成分的指令值之差来计算误差量，并输出与该误差量相应的有效成分电流的振幅指令值，并且根据从所述正交二轴变换部输出的上述无效成分的二轴电流和从上述二轴电流设定部输出的上述二轴电流的无效成分的指令值之差来计算误差量，并输出与该误差量相应的无效成分电流的振幅指令值； 

控制信号产生部，其根据上述二轴电流调节部的输出及积分运算部的相位角信号，输出控制上述功率变换器的控制信号；以及 

PWM控制器，其对上述控制信号进行PWM调制，并向上述功率变换器输出驱动信号， 

上述频率运算部为了决定上述功率变换器的运转频率以便将作为上述二轴电流调节部的输出的振幅指令值之中对应于无效成分电流的振幅指令值引导为零，而将增益值和作为上述二轴电流调节部的输出的振幅指令值之中的对应于有效成分电流的振幅指令值相乘后得到的值作为上述 功率变换器的运转频率，其中，上述增益值由根据对应于上述无效成分电流的振幅指令值求出的感应电压常数的倒数构成， 

该无传感器交流电动机的控制装置具有无传感器控制异常检测部，该无传感器控制异常检测部包括： 

阈值计算部，其根据上述速度指令来计算上述增益值的阈值；和 

比较部，其对在上述频率运算部中使用的上述增益值和上述阈值进行比较，如果上述增益值超过上述阈值达到预定的时间，则判定为控制异常并输出警报信号。 

2.根据权利要求1所述的无传感器交流电动机的控制装置，其特征在于， 

上述PWM控制器根据上述警报信号停止控制工作。 

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