CN103427745A - 交流电动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制装置，其基于PMSM和IM等转矩指令值和一次频率指令值运算电压指令值，对逆变器进行PWM控制，由此控制交流电动机的转矩。本发明具备：转矩限制器，其利用转矩限制器上限值，对限制所述转矩指令值用的转矩限制器设定值的上限值进行限制；和运算与转矩限制器上限值相乘的降低系数的降低系数运算单元。降低系数运算单元在逆变器的直流电压为规定值以下且电压指令值的振幅为规定值以上时，或者在逆变器的直流电压为规定值以下且一次频率的绝对值为规定值以上时，运算0.0～1.0的范围的降低系数。通过上述结构，在直流电源电压降低的情况下限制转矩指令值，从而防止交流电动机发生失步或失速。

Description

交流电动机的控制装置

技术领域

本发明涉及用于控制由逆变器驱动的交流电动机的转矩的控制装置。

背景技术

非专利文献1中，记载了矢量控制方式作为感应电动机（InductionMotor，以下也称为IM）或者同步电动机（Synchronous Motor，以下也称为SM）的转矩控制方式。

此外，专利文献1中，记载了利用同步电动机中的一种即永磁铁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，以下也称为PMSM）的磁阻转矩的控制装置。

此处，图8是将PMSM作为驱动对象的现有技术的框图，其基本结构除了后述的转矩限制器外与专利文献1中记载的控制装置相同。

图8中，10是直流电源，20是被PWM（Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制）控制的PWM逆变器，30是作为驱动对象的PMSM。此外，41是检测直流电源电压的直流电压检测单元，42是检测逆变器20的输出电流的电流检测单元，43是在PMSM30的轴上安装的位置/速度检测器。其中，直流电源10由与系统电源连接的二极管整流器和PWM转换器、或者电池等构成。

位置/速度检测器43的输出信号被输入到相位角检测单元61和速度检测单元62，分别求出相位角检测值θ_r、速度检测值ω_r。

速度指令值ω_r ^*与速度检测值ω_r的偏差通过减法单元51运算，该偏差被输入到速度调节单元52。速度调节单元52进行比例积分运算等调节运算，输出其结果。

切换单元53以在进行速度控制时选择速度调节单元52的输出信号、在进行转矩控制时选择来自外部的第一转矩指令值τ^*的方式动作，将选择的信号作为第二转矩指令值τ^**输出。

转矩限制器55进行根据转矩限制器设定值来限制第二转矩指令值τ^**的处理，并将该结果作为第三转矩指令值τ^***输出。

电流指令值运算单元（PMSM）56S将第三转矩指令值τ^***和速度检测值ω_r作为输入，进行基于PMSM30的特性的运算，输出d-q旋转坐标上的d轴电流指令值i_1d ^*、q轴电流指令值i_1q ^*。

电流坐标转换单元63将从电流检测单元42输出的三相交流电流检测值i_u、i_v、i_w作为输入，用来自相位角检测单元61的相位角检测值θ_r进行坐标转换，输出d轴电流检测值i_1d、q轴电流检测值i_1q。

电流调节单元57将d轴电流指令值i_1d ^*、q轴电流指令值i_1q ^*、d轴电流检测值i_1d、q轴电流检测值i_1q和一次频率指令值ω₁ ^*（=速度检测值ω_r）作为输入，进行调节运算以使得各电流检测值i_1d、i_1q与各电流指令值i_1d ^*、i_1q ^*分别一致，输出d轴电压指令值v_1d ^*和q轴电压指令值v_1q ^*。

该d轴电压指令值v_1d ^*和q轴电压指令值v_1q ^*被输入到电压坐标转换单元59，用相位角检测值θ_r转换为三相交流电压指令值v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*。

三相交流电压指令值v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*与直流电压检测值e_dc一同被输入到PWM运算单元60，生成用于驱动逆变器20的半导体开关元件的栅极信号。

逆变器20按照上述栅极信号进行脉冲宽度调制控制，产生符合三相交流电压指令值v_u ^*、v_v ^*、v_w ^*的三相交流电压，驱动PMSM30。

接着，图9是用IM40作为驱动对象的现有技术的框图。该现有技术与图8不同的在于，追加了用于控制IM40的磁通指令值运算单元64、滑差频率运算单元65等，将通过速度检测器44和速度检测单元62得到的速度检测值ω_r与滑差频率指令值ω_sl ^*相加生成一次频率指令值ω₁ ^*这一点，和将对一次频率指令值ω₁ ^*进行积分而求出的相位角指令值θ^*输入到各坐标转换单元59、63这一点，和使用通过磁通指令值运算单元64运算的磁通指令值φ_2d ^*和第三转矩指令值τ^***，由电流指令值运算（IM）56I运算各电流指令值i_1d ^*、i_1q ^*这一点。

其中，66表示加法单元，67表示积分单元。

图10是表示图8、图9中的转矩限制器55的结构的框图。

如图10所示，转矩限制器55中，进行利用转矩限制器设定值（正侧）55a和转矩限制器设定值（负侧）55b来限制第二转矩指令值τ^**的处理（限制器处理），输出第三转矩指令值τ^***。

对转矩限制器设定值（正侧）55a设定转矩限制器上限值（正侧）55c，并对转矩限制器设定值（负侧）55b设定转矩限制器上限值（负侧）55d，该转矩限制器上限值（正侧）55c和转矩限制器（负侧）55d是预先设定的固定值。然后，转矩限制器设定值55a、55b分别超过转矩限制器上限值55c、55d的情况下，以利用该上限值55c、55d来限制转矩限制器设定值55a、55b的方式进行动作。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-243699号公报（段落[0032]，图1等）

非专利文献

非专利文献1：中野孝良，“交流电动机的矢量控制”，第四章～第六章等，1996年，日刊工业新闻社

发明内容

发明要解决的技术问题

逆变器20能够输出的电压的大小与直流输入电压成比例。因此，当直流电源10的电压降低时，逆变器20的输出电压的上限值也降低。

PMSM30和IM40等交流电动机能够输出的最大转矩由逆变器20的输出电压的上限值决定，因此，当直流电源电压降低时，交流电动机能够输出的最大转矩也降低。因此，在给出了超过交流电动机能够输出的最大转矩的转矩指令值的情况下，存在交流电动机不能够产生符合指令值的转矩，发生失步或失速而不能够使交流电动机正常运转的问题。

于是，本发明的目的在于提供一种交流电动机的控制装置，其通过与直流电源电压的降低相应地限制转矩指令值而能够防止交流电动机的失步或失速。

用于解决技术问题的手段

为了解决上述技术问题，本发明以下述控制装置为对象，该控制装置通过基于PMSM和IM等交流电动机的转矩指令值和一次频率指令值运算电压指令值，使用该电压指令值对逆变器进行脉冲宽度调制控制，由此控制交流电动机的转矩。

然后，本发明的控制装置包括：转矩限制器，其利用转矩限制器上限值，对限制转矩指令值用的转矩限制器设定值的上限值进行限制；和降低系数运算单元，其运算与转矩限制器上限值相乘的降低系数。

此处，降低系数运算单元，具有在逆变器的直流电压为规定值以下并且电压指令值的振幅为规定值以上时，或者在逆变器的直流电压为规定值以下并且一次频率指令值的绝对值为规定值以上时，运算0.0～1.0的范围内的降低系数的功能。

具体说明，降低系数运算单元包括：直流电压模式（pattern）运算单元，其输出根据逆变器的直流电压与第一、第二直流电压设定值的大小关系成为0.0～1.0的模式（pattern）；电压振幅模式运算单元，其输出根据电压指令值的振幅与第一、第二电压振幅设定值的大小关系成为0.0～1.0的模式；和从1.0中减去对这两个模式运算单元的输出的相乘结果乘以规定的降低率设定值而得到的结果，从而求出0.0～1.0的范围内的降低系数的单元。

其他例子有，降低系数运算单元包括：上述直流电压模式运算单元；一次频率图案运算单元，其输出根据一次频率的绝对值与第一、第二频率设定值的大小关系成为0.0～1.0的模式；和从1.0中减去对这两个模式运算单元的输出的相乘结果乘以规定的降低率设定值而得到的结果，从而求出0.0～1.0的范围内的降低系数的单元。

此外，对转矩限制器输入的转矩指令值，选择将从外部输入的速度指令值与速度检测值或速度推测值的偏差输入速度调节单元而得到的信号、和从外部输入的转矩指令值中的任意一个。

在交流电动机是PMSM的情况下，使用由转矩限制器限制的转矩指令值和PMSM的速度检测值或速度推测值，运算电流指令值，并基于该电流指令值运算电压指令值。

此外，交流电动机是IM的情况下，使用由转矩限制器限制的转矩指令值，和根据IM的速度检测值或速度推测值运算的磁通指令值，运算电流指令值，并基于该电流指令值运算电压指令值。

通过按照这些电压指令值对逆变器进行PWM控制，从而在直流电源电压降低时适当地限制交流电动机的输出转矩。

发明效果

根据本发明，在逆变器的直流电源电压降低时，通过将转矩限制器限制值设定为交流电动机能够输出的最大转矩以下，能够防止交流电动机的失步或失速而使其继续正常的运转。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的框图。

图2是表示本发明的第二实施方式的框图。

图3是表示第一实施方式和第二实施方式中的限制器值降低系数运算单元的结构的框图。

图4是表示第一实施方式～第四实施方式中的转矩限制器的结构的框图。

图5是表示本发明的第三实施方式的框图。

图6是表示本发明的第四实施方式的框图。

图7是表示第三实施方式和第四实施方式中的限制器值降低系数运算单元的结构的框图。

图8是表示将PMSM作为驱动对象的现有技术的框图。

图9是表示将IM作为驱动对象的现有技术的框图。

图10是表示图8、图9中的转矩限制器的结构的框图。

附图标记的说明

10：直流电源

20：PWM逆变器

30：PMSM

40：IM

41：直流电压检测单元

42：电流检测单元

43：位置/速度检测器

44：速度检测器

51：减法单元

52：速度调节单元

53：切换单元

54A，54B：限制器值降低系数运算单元

541，542，547：模式运算单元

543，544：乘法单元

545：减法单元

546：绝对值运算单元

55A：转矩限制器

55a，55b：转矩限制器设定值

55c，55d：转矩限制器上限值

551，552：乘法单元

56S：电流指令值运算单元（PMSM）

56I：电流指令值运算单元（IM）

57：电流调节单元

58：电压振幅运算单元

59：电压坐标转换单元

60：PWM运算单元

61：相位角检测单元

62：速度检测单元

63：电流坐标转换单元

64：磁通指令值运算单元

65：滑差频率运算单元

66：加法单元

67：积分单元

具体实施方式

以下按照附图说明本发明的实施方式。首先，图1是表示本发明的第一实施方式的框图，涉及用于驱动PMSM30的控制装置。

图1中，对于具有与图8相同的功能的模块附加与图8相同的符号并省略说明，以下以与图8不同的部分为中心进行说明。

图1中，54A是限制器值降低系数运算单元，58是电压振幅运算单元。电压振幅运算单元58使用从电流调节单元57输出的d轴电压指令值v_1d ^*和q轴电压指令值v_1q ^*，通过数学式1运算电压振幅指令值v_a ^*。

【数学式1】

${v_a}^{*}=\sqrt{{\left({v_{1d}}^{*}\right)}^2+{\left({v_{1q}}^{*}\right)}^2}$

限制器值降低系数运算单元54A将直流电压检测值e_dc和电压振幅指令值v_a ^*作为输入来运算降低系数，并将该降低系数输入到转矩限制器55A。

其中，限制器值降低系数运算单元54A的结构和功能在后文中叙述。

接着，图2是表示本发明的第二实施方式的框图，涉及用于驱动IM40的控制装置。

图2中，对于具有与图9相同的功能的模块附加与图9相同的符号并省略说明，以下以与图9不同的部分为中心进行说明。

该第二实施方式也与第一实施方式同样地具备限制器值系数运算单元54A、电压振幅运算单元58。其中，电压振幅运算单元58通过上述数学式1运算电压振幅指令值v_a ^*，限制器值降低系数运算单元54A将直流电压检测值e_dc和电压振幅指令值v_a ^*作为输入来运算降低系数，并将该降低系数输入到转矩限制器55A。

图3是表示第一实施方式和第二实施方式中的限制器值降低系数运算单元54A的结构的框图。

模式运算单元（直流电压）541根据直流电压检测值e_dc与第一直流电压设定值e_dc(1)、第二直流电压设定值e_dc(2)（此处，e_dc(1)<e_dc(2)）的大小关系，进行以下模式运算。

·e_dc<e_dc(1)时……模式的输出为1.0

·e_dc(1)≤e_dc≤e_dc(2)时……模式的输出为1.0～0.0

·e_dc>e_dc(2)时……模式的输出为0.0

其中，模式运算单元（直流电压）541与技术方案中的直流电压模式运算单元相当。

此外，模式运算单元（电压振幅）542根据电压振幅指令值v_a ^*与第一电压振幅设定值v_a ^*(1)、第二电压振幅设定值v_a ^*(2)（此处，v_a ^*(1)<v_a ^*(2)）的大小关系，进行以下模式运算。

·v_a ^*<v_a ^*(1)时……模式的输出为0.0

·v_a ^*(1)≤v_a ^*≤v_a ^*(2)……模式的输出为0.0～1.0

·v_a ^*>v_a ^*(2)时……模式的输出为1.0

其中，模式运算单元（电压振幅）542与技术方法中的电压振幅模式运算单元相当。

然后，利用乘法单元543将模式运算单元（直流电压）541的输出与模式运算单元（电压振幅）542的输出相乘，对于其结果，利用乘法单元544乘以预先设定的降低率设定值（0.0～1.0）。进而，在减法单元545中，通过从“1.0”中减去乘法单元544的输出而运算降低系数（0.0～1.0）。

通过以上结构，运算降低系数，使得该降低系数在直流电压检测值e_dc小并且电压振幅指令值v_a ^*大、电动机的输出转矩达到极限的条件下，成为“0.0以上且不足1.0”。

接着，图4是表示输入由限制器值降低系数运算单元54A（或者后述的限制器值降低系数运算单元54B）运算出的降低系数的转矩限制器55A的结构的框图。该转矩限制器55A的结构在本发明的第一～第四实施例方式是共通的，对于具有与图10相同功能的模块附加与图10相同的符号。

图4的转矩限制器55A中，降低系数作用于转矩限制器上限值（正侧）和转矩限制器上限值（负侧），从而降低这些上限值。

即，降低系数通过乘法单元551与转矩限制器上限值（正侧）55c相乘，并且通过乘法单元552与转矩限制器上限值（负侧）55d相乘。然后，利用乘法单元551的输出来限制转矩限制器设定值（正侧）55a，利用乘法单元552的输出来限制转矩限制器设定值（负侧）55b。此处，转矩限制器上限值（正侧）55c和转矩限制器上限值（负侧）55d是与交流电动机（PMSM或IM）能够输出的最大转矩相当的值。

通过上述结构，转矩限制器55A进行以下工作，即：在降低系数小于1.0时，使转矩限制器上限值降低，从正侧和负侧来限制转矩限制器设定值，将第二转矩指令值τ^**限制在电动机的输出转矩的极限值以下，并作为第三转矩指令值τ^***输出。

从而，在直流电源电压降低的情况下，对交流电动机的转矩指令值降低，所以交流电动机能够产生符合指令值的转矩，所以不会发生失步或失速。

接着，图5是表示本发明的第三实施方式的框图，涉及用于驱动PMSM30的控制装置。图5中，对于具有与图1相同的功能的模块附加与图1相同的符号并省略说明，以下以与图1不同的部分为中心进行说明。

图5所述的第三实施方式中，设置了将直流电压检测值e_dc和一次频率指令值ω₁ ^*作为输入来运算降低系数的限制器值降低系数运算单元54B，利用该运算单元54B运算出的降低系数被输入到转矩限制器55A。

其中，限制器值降低系数运算单元54B的结构和功能在后文中叙述。

图6是表示本发明的第四实施方式的框图，涉及用于驱动IM40的控制装置。图6中，对于具有与图2相同的功能的模块附加与图2相同的符号并省略说明，以下以与图2不同的部分为中心进行说明。

在该第四实施方式中，也设置了将直流电压检测值e_dc和一次频率指令值ω₁ ^*作为输入来运算降低系数的限制器值降低系数运算单元54B，利用该运算单元54B运算出的降低系数被输入到转矩限制器55A。

其中，除去了图2所示的电压振幅运算单元58。

图7是表示第三实施方式和第四实施方式中的限制器值降低系数运算单元54B的结构的框图。

该限制器值降低系数运算单元54B与图3中的限制器值降低系数运算单元54A的不同点在于，具备绝对值运算单元546和模式运算单元（一次频率）547来代替图3的模式运算单元（电压振幅）542这一点。即，图7中，利用绝对值运算单元546运算一次频率指令值ω₁ ^*的绝对值|ω₁ ^*|，根据绝对值|ω₁ ^*|与第一频率设定值ω₁ ^*(1)、ω₁ ^*(2)（此处，ω₁ ^*(1)<ω₁ ^*(2)）的大小关系，进行以下模式运算。

·|ω₁ ^*|<ω₁ ^*(1)时……模式的输出为0.0

·ω₁ ^*(1)≤|ω₁ ^*|≤ω₁ ^*(2)时……模式的输出为0.0～1.0

·|ω₁ ^*|>ω₁ ^*(2)时……模式的输出为1.0

其中，模式运算单元（一次频率）547相当于技术方案中的一次频率模式运算单元。

在图7中的乘法单元543中，将模式运算单元（一次频率）547的输出与模式运算单元（直流电压）541的输出相乘，以下的动作与图3同样。

通过图7的限制器值降低系数运算单元54B，运算降低系数，使得该降低系数在直流电压检测值e_dc小并且一次频率指令值ω₁ ^*大、电动机的输出转矩达到极限的条件下，成为“0.0以上且不足1.0”。

一般而言，交流电动机的感应电压与一次频率成比例，一次频率较高时存在电压振幅也变大的倾向，所以通过该限制器值降低系数运算单元54B，能够实现与图3的限制器值降低系数运算单元54A同样的动作。

由此，转矩限制器55A在从限制器值降低系数运算单元54B输出的降低系数小于1.0时，使转矩限制器上限值降低，从正侧和负侧来限制转矩限制器设定值，将第二转矩指令值τ^**限制在电动机的输出转矩的极限值以下，并作为第三转矩指令值τ^***输出。

从而，在直流电源电压降低的情况下，对交流电动机的转矩指令值降低，交流电动机能够产生符合指令值的转矩，所以不会发生失步或失速。

产业上的利用可能性

上述各实施方式中，说明了使用通过位置/速度检测器43得到的转子的位置/速度检测值、或者通过速度检测器44得到的转子的速度检测值来驱动交流电动机的矢量控制方式。但是，本发明的控制装置，也可以不检测转子的位置或速度，而是能够用作使用对电动机施加的电压和电动机中流过的电流、通过运算推测位置/速度的矢量控制、即所谓无速度传感器矢量控制方式的控制装置。

Claims (9)

1.一种交流电动机的控制装置，其特征在于：

其基于交流电动机的转矩指令值和一次频率指令值运算电压指令值，并使用所述电压指令值对逆变器进行脉冲宽度调制控制，由此控制交流电动机的转矩，

所述交流电动机的控制装置包括：

转矩限制器，其利用转矩限制器上限值，对限制所述转矩指令值用的转矩限制器设定值的上限值进行限制；和

降低系数运算单元，其运算与所述转矩限制器上限值相乘的降低系数。

2.如权利要求1所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

在所述逆变器的直流电压为规定值以下，并且所述电压指令值的振幅为规定值以上时，所述降低系数运算单元运算0.0～1.0的范围的降低系数。

3.如权利要求1所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

在所述逆变器的直流电压为规定值以下，并且所述一次频率指令值的绝对值为规定值以上时，所述降低系数运算单元运算0.0～1.0的范围的降低系数。

4.如权利要求2所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

所述降低系数运算单元包括：

直流电压模式运算单元，其输出在所述直流电压＜第一直流电压设定值时为1.0，在第一直流电压设定值≤所述直流电压≤第二直流电压设定值时为1.0～0.0，在所述直流电压＞第二直流电压设定值时为0.0的模式；

电压振幅模式运算单元，其输出在所述电压指令值的振幅＜第一电压振幅设定值时为0.0，在第一电压振幅设定值≤所述电压指令值的振幅≤第二电压振幅设定值时为0.0～1.0，在所述电压指令值的振幅＞第二电压振幅设定值时为1.0的模式；

乘法单元，其将所述直流电压模式运算单元的输出与所述电压振幅模式运算单元的输出相乘；和

从1.0减去对该乘法单元的输出乘以规定的降低率设定值而得到的结果从而运算所述降低系数的单元。

5.如权利要求3所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

所述降低系数运算单元包括：

直流电压模式运算单元，其输出在所述直流电压＜第一直流电压设定值时为1.0，在第一直流电压设定值≤所述直流电压≤第二直流电压设定值时为1.0～0.0，在所述直流电压＞第二直流电压设定值时为0.0的模式；

一次频率模式运算单元，其输出在所述一次频率的绝对值＜第一频率设定值时为0.0，在第一频率设定值≤所述一次频率的绝对值≤第二频率设定值时为0.0～1.0，在所述一次频率的绝对值＞第二频率设定值时为1.0的模式；

乘法单元，其将所述直流电压模式运算单元的输出与所述一次频率模式运算单元的输出相乘；和

从1.0减去对该乘法单元的输出乘以规定的降低率设定值而得到的结果从而运算所述降低系数的单元。

6.如权利要求1～5中任一项所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

对所述转矩限制器输入的转矩指令值是，将从外部输入的速度指令值与速度检测值的偏差输入速度调节单元而得到的信号和从外部输入的转矩指令值中的任一个。

7.如权利要求1～5中任一项所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

对所述转矩限制器输入的转矩指令值是，将从外部输入的速度指令值与速度推测值的偏差输入速度调节单元而得到的信号和从外部输入的转矩指令值中的任一个。

8.如权利要求1～7中任一项所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

所述交流电动机是永磁铁同步电动机，

所述交流电动机包括：

使用从所述转矩限制器输出的转矩指令值和永磁铁同步电动机的速度检测值或速度推测值，运算电流指令值的单元；和

根据所述电流指令值运算所述电压指令值的单元。

9.如权利要求1～7中任一项所述的交流电动机的控制装置，其特征在于：

所述交流电动机是感应电动机,

所述交流电动机包括：

使用从所述转矩限制器输出的转矩指令值和根据感应电动机的速度检测值或速度推测值运算出的磁通指令值，运算电流指令值的单元；和

根据所述电流指令值运算所述电压指令值的单元。

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