CN1026936C - 电动机速度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

所公开的是一种控制驱动负载(11)的电动机之速度的装置。速度控制器(16)求出电动机(13)的速度指令值与电动机(13)的速度检测值之间的差，并基于该差值产生一个电动机的电流指令值。电流控制器(19)基于速度控制器(16)接收到的电流指令值与电流检测值之间的差控制电动机(13)的电流。转矩检测器(25)安装在电动机(13)与负载(11)相连接的轴(12)上，用于检测作用在轴上的转矩，加法器(26)将由转矩检测器(25)检测到的转矩检测信号加到由速度控制器(16)接收到的电流指令值上，该转矩检测信号为控制电动机加速转矩的校正信号。

Description

本发明涉及一种电动机速度的控制装置，它能对由于作用在负载与驱动负载的电动机之间轴上的转矩引起的振荡加以阻止或抑制，以及涉及电动机速度控制的方法。

对驱动作为负载的滚轧机、例如滚轧钢机的电动机速度控制的一种装置使用的速度控制系统如图3所示。

如图3所示的、该速度控制系统包括一个速度控制环及一个电流控制小环。该速度控制环包括一个速度检测器4，用于检测一个直流电动机3的转速，该电动机经过轴2与负载1连接，第一减法器5用于求得在指令速度值与由速度检测器4检测到的检测速度值之间的差，一个速度控制器6对第一减法器5传来的速度差作出响应，用于在一给定控制理论基础上输出一个指令电流值。该电流控制小环包括一个检测电动机3电流的电流检测器7，第二减法器8用于求得在由速度控制器6提供的指令电流值及由电流检测器7检测的检测电流值之间的差，及一个电流控制器9用于响应由第二减法器8提供的电流差，并在一给定控制理论的基础上将一指令电压值输出到控制电源10。该速度控制单元6及电流控制单元9一般地包括一个比例加积分的电路。

在速度控制装置中作控制目标的负载1与电动机受控制的情况下，如果电动机与负载的连接轴2具有足够的刚性，则该速度控制系统不会出现问题。但另一方面、如果该轴2呈现足够的弹性，则 会观察到由作用在该轴上的转矩引起的电机速度与负载速度中的振荡，其原因将在下面给出，这样就显著地降低了速度控制能力。

在上述的电机控制装置中，所包括的电流控制小环是用来控制电枢电流的，也即正比于电动机产生的转矩的转矩电流。因此，不可能相应于电机速度直接地控制加速转矩，甚至在作用于轴上的转矩能被控制时也是为此。

作为一个例子，在公开的已审查日本专利申请63-1839中公开了一种用于抑制由作用在电机与负载连接轴上的转矩引起的振荡的电动机速度控制装置。

图4是表示一种电动机速度控制装置的方框图。图4中使用了与图3相同的标号用来表示与该图中对应相同的部分或元件。以下只对其不同的部分或元件作出详细的说明。作为一个用以直接相应于电动机速度控制产生的转矩之系统，在与电流控制系统相关的一个反馈系统中设置了一个轴转矩监测器30，它从速度检测器4及电流检测器7上接收检测速度值及检测速度值及检测电流值。该轴转矩监测器基于接收到的检测速度值及检测电流值实行算术运算，以获得一个估算的轴转矩值并将该估算值回输到电流控制的第二减法器8上。在这种情况下，利用算术计算由检测速度值及检测电流值及一个仅确定用于控制目标的数学模型，演算出该轴矩的模拟值。

这个包括轴转矩监测器30的电动机速度控制装置可预期用来抑制电动机轴的振荡到某种程度。

但是，该轴转矩监测器30有时不能得到估算的正确数值，因为其涉及这一问题：诸为估算的误差或对真实值的收敛率。也即，轴转矩监测器30是径由基于一给定理论的数学运算来估算轴转矩的， 然而某些物理现象、诸为噪音并不象理论那样，常在真实应用环境中显露出来。因为这样的现象并未完全在数学模型中被考虑到，有时轴转矩的估算值是完全与所得的监测值相偏离的。在这种状况下，由于轴转矩监测器30的存在使速度控制特性降低了。

根据“监测器”理论，轴转矩监测器30需要对其作出监测的被控制对象的一个数学模型，但是对于电动机/负载系统要获得一个正确的数学模型是必定不容易的。如果基于一个不正确的模型，所得的轴转矩将会偏离真实的轴转矩，这是很显然的。

此外，如果被控制对象的参数、例如机械惯及粘性阻力在电动机工作时随着变化，即使当该数学模型在一个时间点或一个工作点上是正确时，也不能期望在整个工作期间或在整个工作区域上均有正确的估算。如果机械惯性是涉及到一个在电动机上连接轧辊的系统（用于滚轧机的轧辊），例如用于滚轧钢材或类似物的驱动系统中使用的，即使这时将惯性结合到数学模型中，也被证实是不能满足的，其理由在下文中给出。在滚轧钢材时，钢板的质量从它进入轧辊中间到它们离开滚轧现场的过程中是变化着的。在这时对所涉及的质量作出考虑是必要的。人们知道，当利用卷板机卷钢板时，被卷钢板的质量是随卷板操作过程的推进而渐渐增加的，因此，负载的质量在卷板操作开始至完成的时间中变化很大。即使机械惯性已明确地结合在数学模型中，也不可能作到的估算轴扭矩。

相似地，被监测对象的参数也需要用于建立数学模型，但是当被监测的一个对象被转换到另一个被监测对象上时每次负载的参数均有变化，要求对每次数学模型的调整作出麻烦的工作。

在传统的电动机速度控制装置中，轴转矩监测器从电机速度 监测器从电机速度及电流检测器上接收检测的速度值及检测的电流值，并通过基于数学模型上的算术运算估算轴转矩，以及将估算值反馈到电流控制系统来抑制由作用在电动机与负载连接轴上的转矩引起的振荡。该扭矩监测器由测量的电动机速度及电流估算轴转矩。仅在轴上的转矩变化已引起电动机速度变化时才产生速度与电流的变量。因此监测器对转矩的估算滞后于真实转矩一时间。因此，就不可能获得估算的正确值，尤其是，该数学模型是依赖于被控对象被明确地确定的。因为在实际中可能在电动机及负载工作时发生不同于数学模型的物理现象，故有时轴转矩的估算值与监测值产生完全的偏离，就引起一个可靠性的问题。

因此本发明的一个目的在于提供控制电动机速度的一种方法及装置，它能在全部时间上正确的控制其轴转矩，即使负载的参数由于在电机及负载工作过程中出现了各种物理现象而发生变化时也为此，由此可靠地防止或抑制了由作用在轴上的转矩变化引起的振荡。

根据本发明的一种方式，提供了一种对驱动负载的电动机速度控制的方法，它包括：

一个速度控制步骤，用于求出电动机指令速度值与电动机检测速度值之间的差，并基于该差值产生一个电动机电流指令值;

一个转矩检测步骤，用于检测出电动机与负载连接轴上作用的转矩;

一个加法步骤，用于将由转矩检测步骤检测出的检测转矩信号加到由速度控制步骤产生的电流指令值上，该检测转矩信号是作为一个控制电动机产生转矩的校正信号加上的;

一个电流检测步骤，用于检测动机中的电流;及

一个电流控制步骤，用于在被加上检测转矩信号的电流指令值与被电流检测步骤所得到的电流检测值之间的差值基础上控制电动机的电流。

根据本发明的另一种方式，提供了一种对驱动负载的电动机速度控制的装置，它包括：

一个速度控制装置，用于求得电动机指令速度值与电动机检测速度值之间的差，并基于该差值产生一个电动机电流指令值;

一个电流控制装置，用于在由速度控制装置接收的电流指令值与在电动机中检测的检测电流值之间的差值基础上控制电动机中的电流;

一个转矩检测装置，它安装在电动机与负载连接轴上，用于检测作用在该轴上的转矩;及

加法装置，用于将由转矩检测装置检测到的检测转矩信号加到由速度控制装置得到的电流指令值上，该检测转矩信号是一个用于控制电动机产生转矩的校正信号。

在本发明的电动机速度控制装置与方法中，对于电流控制器的电流指令信号是利用由基于真实物理现象的转矩检测器测得的转矩信号来校正的，其结果使得电动机产生的转矩能如上述地受到控制。此外，就有可能防止或抑制由作用于电动机与负载连接轴上的转矩引起的振荡。

本发明另外的目的及优点将在以下的说明中给出，并且其中母部分地将从说明中明显看到，或是由本发明的实践中学到。本发明的目的及优点将借助于在附设权利要求书中特别指出的特征及其组合加以实现及获得。

所包括的及作为本说明书一部分的附图用以说明本发明给出的优选实施例，它与上面的一般说明及下面对优选实施例的详细说明一起用来解释本发明的原理。

图1：根据本发明第一实施例的电动机速度控制装置方框图;

图2：根据本发明第二实施例的电动机速度控制装置方框图;及

图3及图4：不同电动机速度控制装置的每种传统形式。

如图1所示，速度控制系统包括一个速度控制环及一个电流控制小环。该速度控制环包括一个速度检测器14，用于检测经由轴12与负载11相连接的直流电动机13的转速，一个第一减法器15，用以求出一速度指令信号与由速度检测器检测的速度检测信号之间的差值，以及一个速度控制器16，用于从第一减法器15接收一个速度差值信号并基于给定控制理论输出一个电流指令信号。电流控制小环包括一个用以检测电动机13电流的电流检测器17，一个第二减法器18，用于求出由速度控制器16提供的电流指令值与电流检测器17检测的电流检测值之间的差值，以及一个电流控制器19，用于接收由第二减法器18来的电流差值并基于给定控制理论输出一个电压指令值给控制电源20。

这里，该速度控制器16包括由一个比例单元KPS及一个积分单元K_IS/S组成的比例加积分的电路，而另一方面，电流控制器19包括一个比例单元K_PI及一个积分单元K_II/S组成的比例加积分的电路。

在这样一个速度控制系统中，本装置以下列设施来检测作用在轴上的转矩。

一个应变片21及一个发送器22安装在轴12上，电动机13由该轴与负载11相连接。该应变片21检测应变量并将检测信号以电信号给 出。发送器22主要由一个频率调制（FM）发送器组成，用于接收应变片21输出的检测信号并将其以一频率调制（FM）无线电信号发送出来。该应变片21及发送器22与轴连成一体地旋转。一个设置在非转动位置上的接收器23接收由发送器22发送的FM信号，并将该FM被解调用作相应于应变量的检测信号。

该应变片21及相关的发送器与接收器22及23组成了一个转矩检测器25。该转矩检测器25中的接收器23将一个解调了的检测信号输送到一个算术运算电路24。该电路24根据应变片21检测到的应变值在一个下列物理公式的基础上求出一个转矩T_s的值：

T_s＝（π/32）D³G∑ ……（1）

式中：D：轴的直径;

G：横向弹性模量;及

∑：应变量值.

然后该算术运算电路通过一个比例单元将其转换成一电信号。由该算术运算电路24产生的相应于转矩检测器25检测转矩的电信号被由一比例电路K_PT及一微分电路K_DT组成的比例加微分电路放大了，该所得响应信号被反馈到设置在电流控制器19输入级上的加法器26上。该加法器26将相应于轴转矩的电流加到作为速度控制器16输出的电流指令值上，也就是校正了电流指令值，并提供一个相加值到电流控制小环中的第一减法器上。

以下将对这样设施的电动机速度检测装置的作用作出说明。

现在考虑关系式：

T_C＝T_ACC+T_S……（2）

式中：T_C：电动机产生转矩;

T_ACC：电动机的加速转矩;及

T_S：作用在轴上的转矩.

一般地，电流控制小环控制转矩电流，因为转矩电流正比于产生转矩，最终是控制产生转矩。加速转矩相应于产生转矩T_C及轴转矩T_S之间的差。

因而，加速转矩T_ACC变为：

T_ACC＝T_C-T_S……（3）

在轴转矩作用的目标对象必须受到控制的情况下，理想的方式是立即地控制产生转矩T_C，使其等于轴转矩T_S.在这种情况下，方程（3）变成： T_ACC＝0 ……（4）

与微分电路28输出对应的轴转矩反馈中的微分部分代表负载与电动机之间的振荡速度。它将提供一个校正产生转矩T_C的电流指令值，后者进而阻止或抑制由作用轴12上的转矩变化引起的振荡。由此作法，就可以校正相应于轴转矩的分量。在此情况下，由转矩检测器25提供的反馈信号就成为一种电流指令校正信号。

在这个实施例中，由转矩检测器基于真实物理现象所检测的轴转矩信号被转化成电流信号。该电流信号反馈到电流控制器19输入级的加法器26上，使其能与速度控制器16输出的电流指令值相加，并且其相加的结果值反馈到电流控制小环，使其能作为校正电流指令产生校正。由此作法，就可能控制电动机的加速转矩，并因此防止或抑制了由作用在轴12上的转矩引起的振荡，甚至当该转矩是在轴12上产生的也是如此。

图2表示本发明的第二实施例。在图2中所使用的相同标号表示与图1中相对应的部分或单元。以下仅解释不同的部分。

在该第二实施例中，在转矩检测器25及一算术运算电路24中间设置了一个滤波电路27，如图2所示，它用于消除由转矩检测器25所检测的转矩信号中的噪音。该去噪音信号由滤波电路27提供给算示运算电路24。

在第二实施例的设置上，算术运算电路24基于去噪音转矩检测信号进行算术运算，并经这个算术的比例加微分运算产生一个增强的电流指令校正值。

虽然第一及第二实施例中所说明的是使用应变片21作为转矩检测器25安装在轴12上检测轴转矩，并由一发送器22发送该检测信号给一接收器23以及再将其传送到算术运算电路24的，但任何其它的设置也是可以采纳的，只要作用在轴12上的转矩能在旋转部分上检测出来并传送到非旋转位置上。例如，转矩可以由射到轴的一个轴线上的“光”信号以及检测它在接收光信号处与参考点的偏差值进行测量。

虽然所说明的算术运算电路24是设置用于由相应于轴转矩的检测信号求得轴转矩的，但是这样的算术运算也可以在安装在轴12上的发送器侧作出，而不是在接收器侧作出。

虽然所说明的由速度检测器14检测的速度信号是反馈到直接设置在速度控制器16输入级的第一减法器15上，但是也可在该反馈系统中设置一个补偿电路来补偿该反馈系统在速度控制中响应的延迟。

虽然所说明的是直流电动机作为第一及第二实施例中的电动机，但也可以使用其它类型的电动机，例如交流感应电动机或者交流同步电机建立对电流与转矩的控制。在不脱离本发明的思想与范围的情况下对本发明可以作出各种变化或变型。

根据如上所述的本发明，由转矩检测器检测的基于真实物理现象的轴转矩信号作为电流指令校正信号反馈到电流控制小环。因此就可以作到在所有的时间上精确地校正轴转矩，即使发生了负载的变化及电机与负载工作过程中各种物理现象引起的参数变化也是如此，因而就可靠地防止与抑制了由作用在轴上的转矩引起的振荡。

Claims (3)

1、一种用于控制电动机的速度的方法，包括：

一个速度控制步骤，用于求出驱动负载的电动机的速度指令值与电动机的速度检测值之间的差，并基于该差值产生一个电动机的电流指令值，以及一个电流控制步骤，用于根据电动机电流检测值和由速度控制步骤得到的电流指令值之间的差来控制电动机中的电流，其特征在于包括：

一个应变检测步骤，用于检测将电动机连到负载上的一个轴上的应变量，并将所检测的信号转换为一个电信号；

一个发送步骤，用于发送应变检测步骤得到的电信号；

一个接收步骤，用于在电动机外部的一个静止部位上接收由发送步骤发送的信号；

一个计算步骤，用于通过对一个物理公式的计算，从该接收到的信号求出一个轴转矩检测信号；以及

一个加法步骤，用于将计算步骤求得的轴转矩检测信号与由速度控制步骤获得的电流指令值相加，并用于进行补偿，以便从轴转矩分量与表示为电动机的产生转矩的加速转矩的之和当中去除轴转矩分量，从而将加法步骤得到的电流指令值提供给电流控制步骤，并且根据电流指令值与电动机的电流检测值之间的差值，控制电动机的电流。

2、一种用于控制电动机的速度的装置，包括：

速度控制装置，用于求出驱动负载的电动机的速度指令值与电动机的速度检测值之间的差，并基于该差值产生一个电动机的电流指令值，以及电流控制装置，用于根据由速度控制装置得到的电流指令值与电动机的电流检测值之间的差值控制电机的电流，其特征在于包括：

应变检测装置，用于检测将电动机连到负载上的一个轴上的应变量，并将该检测信号转换成电信号;

发送装置，用于从将电动机连到负载的轴的侧面上发送由应变检测装置得到的电信号;

接收装置，设置在电动机外部的静止部位上，用于接收由发送装置发送的信号;

计算装置，响应于从接收装置输入的信号，通过对一个物理公式的计算，从接收的信号中求出轴转矩检测信号;以及

加法装置，用于将计算装置求得的轴转矩检测信号与速度控制装置得到的电流指令值相加，并用于进行补偿，以便从轴转矩分量与表示为电动机的产生转矩的加速转矩分量的之和当中除去转轴矩分量。

3、一种用于控制电动机的速度的装置，包括：

速度控制装置，用于求出驱动负载的电动机的速度指令指值与电动机的速度检测值之间的差，并基于该差值产生一个电动机的电流指令值，以及电流控制装置，用于根据速度控制装置得到的指令值和电动机的电流检测值之间的差来控制电动机中的电流，其特征在于包括：

应变片，用于检测将电动机连到负载之上的一个轴的应变量，并用于将该检测的信号转换成电信号;

发送装置，用于从将电动机连到负载的轴的侧面上发送由应变片得到的电信号;

接收装置，设置在电动机的一个静止的部位上，用于接收由发送装置发送的信号;

滤波装置，响应从接收装置输入的信号，用于消除来自接收信号的接收信号中的噪声;

计算装置，响应从滤波装置输入的去除噪声的信号，用于通过对一个物理公式的计算，从输入信号中求出轴转矩检测信号;以及

加法装置，用于将计算装置求得的轴转矩检测信号与速度控制装置的电流指令值相加，并用于进行补偿，以便从轴转矩分量与表示为电动机的一个产生转矩的加速转矩分量的之和当中去除轴转矩分量。

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