CN102868349B - 感应电动机的速度控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种感应电动机的速度控制装置。本发明的装置利用张力指令、磨损补偿，而计算出针对速度控制部的输出的扭矩限制，并利用该扭矩限制而对感应电动机的速度进行限制，从而在连续工艺线中无需使用张力传感器以及位置传感器，且能够提高矢量控制方式的逆变器的性能。

Description

感应电动机的速度控制装置
技术领域
本发明涉及一种感应电动机的速度控制装置，具体而言，涉及用于在连续工艺系统中使用的感应电动机的速度控制装置。
背景技术
通常情况下，在如钢铁、造纸、纤维、薄膜产业的连续性的产品生产线中，多台电动机同时驱动多个辊。
连续工艺用辊的控制的目的在于，使生产线的线速度(linespeed)保持恒定，并且使施加在材料上的张力保持恒定。若由于辊之间的速度偏差而产生过度的张力，则有可能使材料断裂，而若产生过低的张力，则可能会成为蛇形的原因。
因此，在通常的连续工艺系统中，上位控制器根据线速度指令而对材料的直径(diameter)进行计算，并计算出电动机的指令扭矩，从而若向逆变器发出其指令，则逆变器根据指令扭矩而对电动机进行驱动。
如上述方式的连续工艺系统中，在向逆变器发出线速度和参考张力的指令的情况下，利用作为张力传感器的称重元(loadcell)、和作为位置传感器的浮辊(dancer)，其能够适当地使用于要求精密度的产品中。
然而，在加工普通线材的系统中，存在不使用这种称重元及浮辊的情况，此时，由于不存在保持材料张力的单元，因此存在连续工艺线出现蛇形的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种感应电动机的速度控制装置，其在连续工艺线中实施不使用张力及位置传感器的开环速度控制，从而用于提高矢量逆变器的性能。
为解决如上所述的技术问题，包括一个以上的上位单元和一个以上的下位单元的变频自动化系统的、本发明的继电器二重化装置，包括：多个第一继电器，其通过预定的通信方式，从所述下位单元接收电力数据而传递至所述上位单元，并从所述上位单元接收控制命令而传递至所述下位单元；以及第二继电器，其通过所述通信方式而分别与多个所述第一继电器实施通信，从而替代在所述多个继电器中发生错误的继电器。
在本发明的一实施例中，优选为，多个所述第一继电器分别包括第一存储部，所述第一存储部存储所述电力数据以及包括所述控制命令的数据。
在本发明的一实施例中，优选为，所述第二继电器分别包括第二存储部，所述第二存储部由多个所述第一继电器接收多个所述第一继电器进行通信的数据并进行存储。
在本发明的一实施例中，优选为，所述第二继电器与多个所述第一继电器实时地实施通信。
在本发明的一实施例中，优选为，所述第二继电器与多个所述第一继电器根据预定的周期而周期性地实施通信。
在本发明的一实施例中，优选为，所述第二继电器检测出多个所述第一继电器中发生错误的继电器的错误，而通报至所述上位单元。
在本发明的一实施例中，优选为，所述上位单元将由所述第二继电器来代替所述发生错误的继电器的替换命令传输至所述第二继电器。
在本发明的一实施例中，优选为，由所述第二继电器来代替所述发生错误的继电器。
在本发明的一实施例中，优选为，还包括对所述一个以上的上位单元、多个所述第一继电器以及所述第二继电器进行切换的第一集线器。
在本发明的一实施例中，优选为，还包括对多个所述第一继电器、所述第二继电器以及所述一个以上的下位单元进行切换的第二集线器。
在本发明的一实施例中，所述预定的通信方式优选为以太网。
如上所述的本发明中，利用张力指令和磨损补偿而计算出对速度控制部的输出的扭矩限制，并利用所计算出的扭矩限制而对感应电动机的速度进行限制，从而能够在连续工艺线中不使用张力传感器以及位置传感器，且可以提高矢量控制方式的逆变器的性能。
附图说明
图1为现有的感应电动机的速度控制装置的结构图。
图2为根据本发明的速度控制装置的一实施例的结构图。
具体实施方式
本发明可以进行各种变形，且也可以有各种实施例，以下，参照附图对特定实施例进行详细说明。
但是，本发明并不限定于特定的实施方式，还应包含属于本发明的技术思想以及技术范围内的所有变更、均等物以及替代物。
第一、第二等包括序数的术语可以用于说明多种结构要素，但上述结构要素并不限定于上述术语。
上述术语只为了区别一个结构要素与其它结构要素的目的而使用。例如，在不脱离本发明的权利范围内，可以将第二结构要素命名为第一结构要素，类似地也可以将第一结构要素命名为第二结构要素。
当提及某结构要素与其它结构要素“连接”或“相连”时，应理解为可以与其它结构要素直接连接或相连，也可以在中间存在其它结构要素。相反，当提及某结构要素与其它结构要素“直接连接”或“直接相连”时，应理解为中间不存在其它结构要素。
本申请中所使用的术语只是为了对特定的实施例进行说明，而非限定本发明。在语境中没有明显的区别性表示的情况下，单数的记载包含复数的含义。
在本申请中，“包括”或“具有”等术语表示存在说明书中所记载的特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合，而非预先排除一个或一个以上的其它特征、数字、步骤、动作、结构要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
另外，本申请中的附图，为了便于说明而以放大或缩小的方式示出。
以下参照附图，对现有的感应电动机的速度控制装置进行说明，之后，对根据本发明的优选的一实施例进行详细说明。
图1为现有的感应电动机的速度控制装置的结构图。对其运行进行说明如下。
在现有的速度控制装置中，若感应电动机(IM)118旋转，则在速度检测器(PG)117中对旋转速度ωr进行检测，并输出该检测出的速度。第一比较器109对从外部输入的比例-积分-微分(以下，称作‘PID’)指令与实际PID反馈(PIDFbk)进行比较，并输出基于该比较的偏差。PID控制器110对第一比较器109的输出即输出偏差进行补偿。
第一加法器101将从外部输入的指令速度与PID控制器110的输出相加而输出速度指令若速度指令输入至第二比较器102的非反转端子(+)，则第二比较器102接收输入至反转端子(-)且来自速度检测器117的旋转速度ωr，从而求出两个值之间的偏差，并将其输出至速度控制器103。速度控制器103输出由第二比较器102输出的、用于补偿由速度引起的偏差的扭矩电流指令
另一方面，当感应电动机118旋转时，感应电动机118中检测出的三相电流(ias,ibs,ics)在两相电流转换器116中以固定坐标系上的两相电流的方式分别输出。由两相电流转换器116输出的固定坐标系的两相电流输入至电流坐标转换器115，且电流坐标转换器115输出旋转坐标的实际磁束电流和扭矩电流
第三比较器111通过非反转端子(+)接收从外部输入的磁束电流指令并通过反转端子(-)接收由电流坐标转换器115输出的磁束电流从而求出磁束电流指令与磁束电流之间的偏差，并将其输出至电流控制器105。
另外，第四比较器104求出由电流坐标转换器115输出的扭矩电流与由速度控制器103输出的扭矩电流指令之间的偏差，并将其输出至电流控制器105。
第四比较器104通过非反转端子(+)接收由速度控制器103输出的扭矩电流指令并通过反转端子(-)接收由电流坐标转换器115输出的扭矩电流从而求出两个值之间的偏差，并将其输出至电流控制器105，电流控制器105输出磁束电压指令和扭矩电压指令
电压坐标转换器106从电流控制器105接收磁束电压指令和扭矩电压指令从而在旋转坐标中将其转换成固定坐标。三相电压转换器107将固定坐标中的磁束电压指令和扭矩电压指令转换为固定坐标系上的三相电压(vas,vbs,vcs)。
逆变器部108根据脉宽调制(PWM)信号而对三相电压转换器107的三相电压(vas,vbs,vcs)进行转换，并施加至感应电动机118，从而控制感应电动机118进行旋转。因此，感应电动机118进行旋转。
转差运算器112利用由速度控制器103输出的扭矩电流指令从外部输入的磁束电流指令以及感应电动机转子初始数而计算出转差频率(ωsl)，并将其输出至第二加法器113的一侧端子。
第二加法器113将由速度检测器117输出的速度(ωr)与由转差运算器112输出的转差频率ωsl相加，并将其输出至积分器114，积分器114将对第二加法器113的输出进行积分而得到的值，即转子磁束的位置(θ)输出至电压坐标转换器106和电流坐标转换器115。
接下来，电压坐标转换器106和电流坐标转换器115根据由积分器114输入的转子磁束的位置(θ)而对坐标转换进行控制，且其后的动作与上文所述相同。
这样的现有的速度控制装置，为了得到PID反馈而使用作为张力传感器的称重元和作为位置传感器的浮辊，其在要求精密度的产品中可以适当地使用，但在加工普通线材的张力/位置控制中，不需要这种传感器。
然而，在不使用张力/位置传感器的现有的速度控制装置中，由于不使用用于补偿PID指令与PID反馈之间的偏差的PID控制器110，因此没有对材料张力进行保持的单元。
因此，为了解决如上所述的问题，而需要不使用张力/位置传感器的开环(open-loop)张力控制技术。
本发明中，当上位控制器向逆变器发出线速度和张力的指令时，逆变器利用所施加的线速度和电动机速度而计算出材料的直径，并利用材料的直径和线速度而计算出指令速度，且利用指令速度和速度偏差而计算出电动机最终指令速度。
即，本发明的目的在于，利用张力指令和磨损补偿而计算出针对速度控制器输出的扭矩限制，并利用该扭矩限制而对感应电动机的运转速度进行限制，从而在连续工艺线中执行不使用张力/位置传感器的开环速度控制，由此提高矢量控制方式的逆变器的性能。
图2为根据本发明的速度控制装置的一实施例的结构图。
如图所示，本发明的速度控制装置包括：指令速度运算部1、第一加法部2、第一比较部3、速度控制部4、扭矩限制部5、第二比较部6、电流控制部7、电压坐标转换部8、三相电压转换部9、逆变器部10、直径运算部11、扭矩限制运算部12、第三比较部13、转差运算部14、第二加法部15、积分部16、电流坐标转换部17、两相电流转换部18、速度检测部19以及感应电动机20。
首先，速度检测部19对感应电动机20的旋转速度(ωr)进行检测。
直径运算部11利用由上位控制部(未图示)输入的线速度指令、材料的最小直径(Dmin)以及感应电动机20的最大速度(RPMmax)、和由速度检测部19输入的感应电动机20的旋转速度(ωr)，而对材料的直径进行运算。
指令速度运算部1接收由上位控制部(未图示)输入的线速度指令、和直径运算部11运算得到的材料的直径，而对指令速度进行运算。
第一加法部2将指令速度运算部1运算得到的指令速度与由上位控制部(未图示)输入的速度偏差相加。
第一比较部3对由速度检测部19输出的旋转速度(ωr)、与由第一加法部2的输出进行比较，从而输出基于该比较的由速度引起的偏差。
速度控制部4对由第一比较部3输出的速度引起的偏差进行补偿，从而输出扭矩电流指令
扭矩限制部5将速度控制部4的输出即扭矩电流指令限制在预定范围内。对于此将在后文中进行详细说明。
扭矩限制运算部12利用直径运算部11的输出即材料的直径、从上位控制部(未图示)输入的材料的最小直径(Dmin)、张力指令、以及连续工艺线系统的磨损补偿，来确定扭矩限制部5的扭矩限制范围。
第二比较部6对由扭矩限制部5输出的扭矩电流指令与实际扭矩电流进行比较而输出偏差，第三比较部13对从外部输入的磁束电流指令与实际输出的磁束电流进行比较而输出该偏差。
电流控制部7利用第二比较部6以及第三比较部13的输出，而分别生成扭矩电压指令和磁束电压指令并进行输出。
电压坐标转换部8在旋转坐标系中将电流控制部7输出的旋转坐标的磁束电压指令和扭矩电压指令转换成固定坐标系。三相电压转换部9将固定坐标中的磁束电压指令和扭矩电压指令转换成固定坐标系的三相电压(vas,vbs,vcs)。
逆变器部10根据PWM控制而对三相电压转换部9的三相电压(vas,vbs,vcs)进行转换，并施加至感应电动机20，从而控制感应电动机20进行旋转。
两相电流转换部18接收感应电动机20旋转时检测出的三相电流(ias,ibs,ics)，从而输出转换成固定坐标系的d轴和q轴的电流
电流坐标转换部17将由两相电流转换部18输出的固定坐标的电流转换成旋转坐标系的实际磁束电流和扭矩电流
转差运算部14利用扭矩限制部5的输出即扭矩电流指令从上位控制部(未图示)输入的磁束电流指令以及感应电动机20的转子初始数(Tr)，来计算出转差频率(ωsl)。
第二加法部15将转差运算部14中运算得到的转差频率(ωsl)与速度检测部19中检测出的旋转速度(ωr)相加。
积分部16对第二加法部15的输出进行积分，从而输出在电压坐标转换部8和电流坐标转换部17中使用的转子磁束位置(θ)。
对由此构成的本发明的动作进行说明则如下。
若感应电动机20旋转，则速度检测部19对其旋转速度(ωr)进行检测。直径运算部11利用速度检测部19检测出的旋转速度(ωr)、从外部的上位控制部(未图示)输入的材料的最小直径(Dmin)、感应电动机20的最大速度(RPMmax)以及线速度指令，并根据如下【数学式1】对材料的直径进行运算。运算得到的直径被输入至指令速度运算部1，从而用于对指令速度的运算。
【数学式1】
指令速度运算部1利用直径运算部11运算得到的材料的直径和从外部输入的线速度指令，并通过【数学式2】对指令速度进行运算。
【数学式2】
此时，Dcur为直径运算部11运算得到的当前材料的直径。
第一加法部2将指令速度运算部1运算得到的指令速度、与由上位控制部(未图示)输入的速度偏差相加，而输出最终指令速度从而该最终指令速度输入至第一比较部3的非反转端子(+)。第一比较部3通过反转端子(-)接收旋转速度(ωr)，从而求出两个值之间的偏差并输出至速度控制部4。
速度控制部4对速度引起的偏差进行补偿，从而输出扭矩电流指令其被输入到扭矩限制部5。
扭矩限制运算部12利用直径运算部11的输出、由外部的上位控制部(未图示)输入的张力指令、最小直径以及磨损补偿，而对扭矩限制进行设定，并且其被输入至对速度控制部4的输出进行限制的扭矩限制部5。
扭矩限制部5的输出输入至第二比较部6的非反转端子(+)，从外部输入的磁束电流指令输入至第三比较部13的非反转端子(+)。
另一方面，对于感应电动机20旋转时在感应电动机20中检测出的三相电流(ias,ibs,ics)，两相电流转换部18分别输出固定坐标两相电流
电流坐标转换部17接收两相电流转换部18输出的固定坐标两相电流并输出旋转坐标的实际磁束电流和扭矩电流电流坐标转换部17输出的磁束电流输入至第三比较部13的反转端子(-)。
第三比较部13求出从外部的上位控制部(未图示)输入的磁束电流指令与电流坐标转换部17输出的实际磁束电流之间的偏差，并输出至电流控制部7。
第二比较部6通过非反转端子(+)接收扭矩限制部5输出的扭矩电流指令而通过反转端子(-)接收电流坐标转换部17输出的实际扭矩电流从而求出两个值之间的偏差，并将该求出的偏差输出至电流控制部7。
电流控制部7将第二比较部6的输出即扭矩电流和第三比较部13的输出即磁束电流作为输入，并将磁束电压指令和扭矩电压指令作为输出。
电压坐标转换部8接收旋转坐标系上的磁束电压指令和扭矩电压指令而将其转换到固定坐标系上，三相电压转换部9将作为固定坐标的磁束电压指令和扭矩电压指令转换成三相电压(vas,vbs,vcs)。
逆变器部10接收三相电压(vas,vbs,vcs)，并将其转换而施加于感应电动机20上。由此使感应电动机20旋转。
此时，电流坐标转换部17和两相电流转换部18生成实际旋转坐标中转换为d轴和q轴的实际磁束电流和扭矩电流并由此生成的电流中，磁束电流输出至第三比较部13，而扭矩电流输出至第二比较部6。
另外，转差运算部14利用扭矩限制部5输出的扭矩电流指令由外部的上位控制部输入的磁束电流指令以及感应电动机20的转子初始数(Tr)，而对转差频率(ωsl)进行运算，并输出至第二加法部15的一侧端子。
第二加法部15将速度检测部19输出的速度(ωr)与转差运算部14输出的转差频率(ωsl)相加，并输出至积分部16，积分部16将其积分得到的值即转子磁束的位置(θ)输出至电压坐标转换部8和电流坐标转换部17。
因此，电压坐标转换部8和电流坐标转换部17根据从积分部16输入的转子磁束的位置(θ)而对坐标转换进行控制。
本发明的速度控制装置的收卷(winder)的动作如下。
假设当前收卷(即，感应电动机20)的负载为50％，速度指令为100rpm的情况下，若将扭矩限制部5的扭矩限制设定为45％，则由于缺少对5％负载的输出，因此感应电动机20的旋转速度以100rpm以下的速度(例如95rpm)旋转。
本发明的速度控制装置，利用感应电动机的旋转速度而在直径运算部11中运算出对应于95rpm的材料的直径，且指令速度运算部1利用该运算得到的直径而对指令速度进行重新运算。
在收卷模式中，随着材料的直径的增加，感应电动机20的旋转速度降低，且感应电动机20的负载增加。因此，在扭矩限制运算部12中运算出相当于增加的直径的扭矩限制，从而对扭矩限制部5的扭矩限制进行设定。速度控制部4的输出通过扭矩限制而受到限制。扭矩限制运算部12可以利用如下【数学式3】运算得到。
【数学式3】
在收卷模式的情况下，运算得到的扭矩限制部5的输出是加上磨损的结果，而在放卷(unwinder)模式的情况下，则是减去磨损的结果。
虽然在收卷模式中，感应电动机20应以指令速度与速度偏差之和即最终指令速度进行旋转，但由于材料的直径和磨损而旋转速度小于通过运算得到的扭矩限制来设定的最终指令速度，以保持材料的固定张力。
由于感应电动机20以低于最终指令速度进行旋转，因此运算结果为材料的直径增加，且扭矩限制运算部12运算出多出相当于增加直径的大小的扭矩限制，并将其输出至扭矩限制部5。
磨损为在连续工艺线的运行中产生的因素，由于该磨损是妨碍系统控制性能的因素，因此以损失的方式进行作用。在驱动连续工艺线之前，测定此类磨损而进行补偿，可以将感应电动机20的最大速度(RPMmin)分成10个区间，从而测定出基于各个区间的速度的平均扭矩损失。利用测定出的各个区间的损失，从而通过如下【数学式4】推测出对速度的连续工艺线的损失，并将其补偿到【数学式3】中。
【数学式4】
其中，S1以及S2代表在将感应电动机20的最大速度分成的10个区间中第一及第二区间的电动机速度，T1及T2分别代表此时的扭矩。
根据本发明，在指令速度运算部1中，利用从外部输入的线速度指令和在直径运算部11运算出的当前直径，而运算出速度控制所需的指令速度。
在本发明中，利用在直径运算部11运算出的当前材料的直径、从外部输入的张力指令、最小直径以及连续工艺线的感应电动机磨损补偿，而在扭矩限制运算部12运算出扭矩限制，从而应用于对速度控制部4的输出扭矩进行限制的扭矩限制部5中。
另外，在本发明中，将在指令速度运算部1运算出的速度与速度偏差相加而得到的值作为最终指令速度，从而对感应电动机20进行驱动，进而通过扭矩限制部5的扭矩限制而对感应电动机20进行驱动，因此，感应电动机20以最终指令速度以下的方式进行驱动。利用此时的感应电动机20的速度而在直径运算部11对材料的直径进行运算，由于以低于最终指令速度的速度驱动感应电动机20，因此直径增加，由此不使用用于维持固定的材料的张力的张力传感器、以及作为位置传感器的称重元和浮辊，而能够控制感应电动机20的速度稳定。
以上，通过代表性的实施例对本发明进行了详细说明，但在本发明所属技术领域内，本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围内对上述的实施例进行各种变型。因此，本发明的权利范围并不限定于说明的实施例，不仅包含后述的权利要求范围，还应包含该权利要求范围的均等物。

Claims (6)

1.一种速度控制装置，其为包括对感应电动机的旋转速度进行检测的检测部的感应电动机的速度控制装置，所述速度控制装置包括：
第一运算部，其构造为利用所述旋转速度、材料的最小直径、所述感应电动机的最大速度以及线速度指令，而对材料的直径进行运算；
第二运算部，其构造为利用所述材料的直径、所述线速度指令、所述最小直径以及所述感应电动机的最大速度，而对指令速度进行运算；
第一加法部，其构造为将所述指令速度与速度偏差相加，而输出最终指令速度；
速度控制部，其对所述最终指令速度与所述旋转速度之间的偏差进行补偿，而生成扭矩电流指令；
第三运算部，其构造为利用所述材料的直径、张力指令、材料的最小直径以及磨损补偿，而对扭矩限制进行运算；以及
限制部，其构造为根据所述扭矩限制，而将所述扭矩电流指令限制在预定范围内，
其中所述第一运算部通过以下数学式运算出材料的直径：
其中所述第二运算部通过以下数学式运算出指令速度：
并且
其中，所述第三运算部通过以下数学式运算出扭矩限制：
其中，在辊的收卷模式中加上磨损补偿，而在辊的放卷模式中减去磨损补偿。
2.根据权利要求1所述的速度控制装置，其中，
还包括第一比较部，所述第一比较部构造为从最终指令速度减去所述旋转速度以将偏差输出至所述速度控制部。
3.根据权利要求2所述的速度控制装置，其中，
所述最终指令速度输入至所述第一比较部的非反转端子，而所述旋转速度输入至所述第一比较部的反转端子。
4.根据权利要求1所述的速度控制装置，其中，还包括：
第一转换部，其构造为将由所述感应电动机检测出的三相电流，转换成旋转坐标系上的磁束电流和扭矩电流；
第二比较部，其构造为确定由所述限制部限制的扭矩电流指令与来自所述第一转换部的扭矩电流之间的偏差；
第三比较部，其构造为确定磁束电流指令与来自所述第一转换部的磁束电流之间的偏差；
电流控制部，其构造为利用所述第二比较部以及第三比较部的输出，而生成磁束电压指令以及扭矩电压指令；
第二转换部，其构造为将所述磁束电压指令和扭矩电压指令转换成固定坐标系上的三相电压；以及
逆变器部，其构造为将来自所述第二转换部的三相电压转换成所述感应电动机的电压。
5.根据权利要求4所述的速度控制装置，其中，还包括：
第四运算部，其构造为利用所述磁束电流指令、来自所述限制部的扭矩电流指令以及所述感应电动机的转子初始数，而对转差频率进行运算；
第二加法部，其构造为将所述转差频率与所述旋转速度相加；以及
积分部，其构造为对所述第二加法部的输出进行积分，而输出转子磁束的位置。
6.根据权利要求5所述的速度控制装置，其中，
所述转子磁束的位置输入至所述第一转换部以及第二转换部，而用于坐标转换的控制。
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