CN104052348A - 具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统 - Google Patents

具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明的具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统的特征在于，具有：电流控制部(11)，其根据配置有永磁体的电动机的转子的磁极位置，在电动机的定子绕组的第一励磁相位在第一时间内提供第一电流指令，在与第一励磁相位不同的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令；电流偏差计算器(13)，其计算作为在第一时间内流过电动机的电流与第一电流指令之差或者在第二时间内流过电动机的电流与第二电流指令之差的电流偏差；以及异常检测诊断器(14)，其基于第一时间和第二时间内的电动机的速度、移动方向、移动量以及电流偏差的大小中的至少一个来检测异常。

Description

具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统
技术领域
本发明涉及一种同步电动机的控制系统，特别涉及一种具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统。
背景技术
在同步电动机中，进行以下控制：根据配置有永磁体的转子的磁极位置在定子绕组的适当的励磁相位流通电流，使得产生期望的转矩。作为检测转子的磁极位置的方法，已知使用专用的磁极传感器等的方法，一般来说，使用具有绝对值的角度传感器的情况多。在这种情况下，在安装角度传感器时，需要进行使角度传感器的基准位置与转子的磁极位置一致的“磁极位置对准作业”。
在通常的带角度传感器的电动机中，在厂商处的制造过程中进行角度传感器的磁极位置对准作业。然而，如果是内置于机械、装置的形式的电动机(机内电动机(built-in motor)，则转子、定子以及传感器的各部件被提供给用户，因此在将电动机装入机械等时需要由用户来进行磁极位置对准作业。
为了使这种由用户进行的磁极位置对准作业变得简单，同步电动机的控制装置具有磁极位置检测功能的情况多，如日本专利申请公开公报特开2001-78487号公报所记载的那样，针对其方法提出了各种方案。在日本特开2001-78487号公报中，公开了利用以下工序来检测转子的磁极位置的方法：(1)在定子的规定励磁相位施加电流；(2)获得因电流的施加所引起的转子的移动方向；(3)基于获得的移动方向来估计转子的磁极位置；(4)基于转子的估计磁极位置来确定下一次施加电流的规定励磁相位；以及(5)反复上述(1)～(4)的工序。
在现有技术中，需要事先获得同步电动机的极数、角度传感器的分辨率、同步电动机和角度传感器的旋转方向等信息，若没有获得这些信息则无法正确地检测磁极位置。另外，在存在向电动机供给电力的放大器与电动机的动力线之间的连接错误、即对于三相同步电动机而言存在各动力线的相序的连接错误、连接不良的情况下，或者在反馈给控制装置的信号、例如流过动力线的电流的反馈信号、角度传感器的反馈信号等中存在大噪声的情况下，无法正确地检测磁极位置。并且，在如以往的磁极位置检测方法那样一边使电动机动作一边检测磁极位置的方法中，有时机械的摩擦、惯性对磁极位置检测结果造成影响，从而检测精度降低。
在像这样无法正确地检测磁极位置的情况下，对其原因进行分析并将其通知给用户是非常重要的。通过将异常通知给用户，能够迅速采取对策，从而能够顺利地进行电动机的初始启动。另外，也能够防止由于基于错误的检测结果使电动机动作而产生意外动作从而对机械造成损伤。
因此，如日本专利申请公开公报特开2005-237199号公报所记载的那样，已知一种能够检测出磁极位置的错误检测等异常的控制装置。在该以往的控制装置中，采用无传感器控制方式，基于流过电动机的电流值来估计磁极位置，能够基于由两个运算单元得到的电力来检测估计磁极位置的异常。
然而，以往的电动机的控制装置存在无法检测电动机的初始启动时的异常的问题。另外，存在以下问题：无法检测出基于电动机的动力线的接线错误、电动机的电动机极数等参数的错误等的异常。
发明内容
本发明的控制系统是一种具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统，其特征在于，具有：电流控制部，其根据配置有永磁体的电动机的转子的磁极位置，在使电动机停止的情况下在电动机的定子绕组的第一励磁相位在第一时间内提供第一电流指令，在使电动机动作的情况下在与第一励磁相位不同的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令；电流偏差计算器，其计算作为在第一时间内流过电动机的电流与第一电流指令之差或者在第二时间内流过电动机的电流与第二电流指令之差的电流偏差；以及异常检测诊断器，其基于第一时间和第二时间内的电动机的速度、移动方向、移动量以及电流偏差的大小中的至少一个来检测异常。
根据本发明的控制系统，能够检测电动机的初始启动时的异常，能够检测出基于电动机的动力线的接线错误、电动机的电动机极数等参数的错误等的异常。
附图说明
图1是本发明的控制系统的结构图。
图2是表示通过本发明的控制系统检测第一异常的过程的流程图。
图3是表示通过本发明的控制系统检测第二及第三异常的过程的流程图。
图4是表示通过本发明的控制系统检测第四异常的过程的流程图。
图5是表示通过本发明的控制系统检测第五异常的过程的流程图。
图6是表示通过本发明的控制系统检测第六及第七异常的过程的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明所涉及的控制系统。其中，需要注意的是，本发明的保护范围并不限定于这些实施方式，而遍及权利要求书所记载的发明及其均等物。
图1中示出了本发明的电动机的控制系统的结构图。本发明的控制系统10包括用于控制电动机4的动作的控制装置1以及对控制装置1提供异常检测开始指令的上级控制装置2。控制装置1具有电流控制部11、磁极位置检测器12、电流偏差计算器13以及异常检测诊断器14。
电流控制部11根据配置有永磁体的电动机4的转子的磁极位置，在使电动机4停止的情况下，在电动机4的定子绕组的第一励磁相位在第一时间内提供第一电流指令。另外，电流控制部11在使电动机4动作的情况下，在与第一励磁相位不同的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令。在此，基于来自磁极位置检测器12的电流指令经由加法器15来提供由电流控制部11对电动机4提供的第一电流指令和第二电流指令。
磁极位置检测器12基于处于停止状态的电动机4的磁极位置对励磁相位进行校正。
电流偏差计算器13计算作为在第一时间内流过电动机4的电流与第一电流指令之差或者在第二时间内流过电动机的电流与第二电流指令之差的电流偏差。
异常检测诊断器14基于第一时间和第二时间内的电动机4的速度、移动方向、移动量以及电流偏差的大小中的至少一个来检测异常。
上级控制装置2对控制装置1所包括的磁极位置检测器12提供检测开始信号，使电动机4的磁极位置检测开始。另外，在控制装置1完成了电动机4的磁极位置检测的情况下，磁极位置检测器12向上级控制装置2发送检测完成信号。
另外，如后所述，在控制装置1检测出电动机4的磁极位置检测的异常的情况下，异常检测诊断器14向上级控制装置2发送异常检测信号和异常详细信息。
从电流控制部11向放大器3发送电压指令，由放大器3控制的电流被提供给电动机4。另外，提供给电动机4的电流被反馈给电流控制部11。
在电动机4的转子(未图示)的附近设置有用于检测转子的速度和位置的检测器5，转子的速度数据和位置数据被反馈给异常检测诊断器14。
接着，说明使用本发明的控制系统来检测电动机的磁极位置检测时的异常的方法。作为本发明的控制系统所检测的异常，有第一～第七异常，对各个检测方法进行说明。
〔第一异常的检测方法〕
在本发明中，在由角度传感器计算的dq坐标上，检测d轴相对于实际的磁极位置(磁通的方向)偏离的“偏离量”，使用该“偏离量”对励磁相位进行校正。根据此时的状态来判断是否存在磁极位置检测异常，并通过上级控制装置(CNC(Computerized Numerical Control：计算机数值控制)等)通知给用户。
首先，说明本发明的控制系统对电动机的第一磁极位置检测异常的检测方法。第一异常是根据在提供了用于使电动机停止的指令的情况下电动机是否正常停止来检测的异常。通过检测是否存在第一异常，能够检测是否存在电动机的动作初期的针对停止指令的异常。
图2中示出了用于说明由本发明的控制系统检测电动机的第一异常的过程的流程图。首先，在步骤S101中，电流控制部11为了使电动机4停止而根据配置有永磁体的电动机4的转子的磁极位置在电动机4的定子绕组的第一励磁相位在第一时间内提供第一电流指令。由此，在dq轴上能够在规定的励磁相位(例如0度=q轴)流通固定电流。
接着，在步骤S102中，为了确认停止状态，异常检测诊断器14判断电动机4的速度是否成为规定的速度以下。在速度未成为规定的速度以下的情况下，在步骤S103中，判定为产生了从电动机4向电流控制部11的电流反馈或者从电动机4向异常检测诊断器14的速度反馈的噪声大等的异常(第一异常)。
接着，在步骤S104中，异常检测诊断器14向上级控制装置2发送异常检测信号，由此通知产生了第一异常。此外，异常检测诊断器14也可以对上级控制装置2发送关于第一异常的内容的异常详细信息。
在步骤S102中，在异常检测诊断器14判断为电动机4的速度成为规定的速度以下的情况下，如后所述那样继续判断是否存在其它异常。
如上，根据尽管进行了用于使电动机停止的控制、但是电动机未停止的情形来检测第一异常，由此能够检测是否存在电动机的初始动作中的针对停止指令的异常。
〔第二及第三异常的检测方法〕
接着，说明本发明的控制系统对电动机的第二及第三异常的检测方法。第二及第三异常是根据在确认了电动机正常停止之后对电动机提供了使电动机在期望的位置动作的指令的情况下电动机是否正常动作来检测的异常。通过检测是否存在第二及第三异常，能够检测是否存在电动机的动作初期的针对动作指令的异常。
图3中示出了用于说明由本发明的控制系统检测电动机的第二及第三异常的过程的流程图。首先，在步骤S201中，电流控制部11在电动机4的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令。在此，第二励磁相位是与第一励磁相位不同的相位(例如90度)。
接着，在步骤S202中，异常检测诊断器14为了确认电动机是否正在动作(不是停止状态)，判断电动机4的速度是否成为规定的速度以上。在速度未成为规定的速度以上的情况下，在步骤S203中，判断电流偏差是否小于规定值。在此，虽然能够根据尽管提供了用于使电动机4动作的第二电流指令、但是电动机4的速度未成为规定的速度以上的情形来确认出产生了某些异常，但是在本发明中，基于电流偏差的大小来分析异常的原因。
在电流偏差小于规定值的情况下，在步骤S204中，判定为产生了基于电动机4的动力线的未接线或者用于驱动电动机的放大器的故障的异常(第二异常)。
另一方面，在电流偏差为规定值以上的情况下，在步骤S205中，判断为机械的摩擦(负荷)非常大、惯性非常大、或者在机械上发生转子被锁定等未处于电动机4能够容易地动作的状态，判定为产生了基于电动机4的摩擦或惯性或者机械上的转子锁定的异常(第三异常)。
接着，在步骤S206中，异常检测诊断器14向上级控制装置2发送异常检测信号，由此通知产生了第二异常或第三异常。此外，异常检测诊断器14也可以对上级控制装置2发送关于第二异常或第三异常的内容的异常详细信息。
在步骤S202中，在异常检测诊断器14判断为电动机4的速度成为规定的速度以上的情况下，如后所述那样继续判断是否存在其它异常。
如上，根据在进行了用于使电动机动作的控制的情况下电动机未按照指令进行动作的情形来检测第二或第三异常，由此能够检测是否存在电动机的初始动作中的针对动作指令的异常。并且，能够基于电流偏差的大小来区分第二异常和第三异常，从而能够正确地检测异常的原因。
〔第四异常的检测方法〕
接着，说明本发明的控制系统对电动机的第四异常的检测方法。第四异常是根据在确认了电动机在初始状态下正常停止且动作之后使电动机动作时转子是否向期望的移动方向进行动作来检测的异常。通过检测是否存在第四异常，能够检测决定电动机的移动方向的结构要素中的异常。
图4中示出了用于说明由本发明的控制系统检测电动机的第四异常的过程的流程图。该流程图接着图3的流程图，在图3的步骤S201中由电流控制部11在电动机4的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令的状态持续。
首先，在步骤S301中，判断正在动作的电动机4的转子的移动方向是否成为期望的移动方向。在转子的移动方向不正确的情况、例如转子的移动方向与规定的方向相反(例如270度的方向)的情况下，在步骤S302中，判定为是检测器(传感器)的安装方向相反或者电动机的动力线的相序出错等安装和布线错误，从而判定为产生了异常(第四异常)。
接着，在步骤S303中，异常检测诊断器14向上级控制装置2发送异常检测信号，由此通知产生了第四异常。此外，异常检测诊断器14也可以对上级控制装置2发送关于第四异常的内容的异常详细信息。
在步骤S301中，在异常检测诊断器14判断为电动机4的移动方向正确的情况下，如后所述那样继续判断是否存在其它异常。
如上，根据在进行了使电动机动作的控制的情况下电动机未向期望的移动方向进行动作的情形来检测第四异常，由此能够检测是否存在检测器的安装错误、动力线的相序错误等对电动机的移动方向造成影响的结构要素中的异常。
〔第五异常的检测方法〕
接着，说明本发明的控制系统对电动机的第五异常的检测方法。第五异常是根据在确认了电动机在初始状态下正常停止且动作、而且转子向期望的移动方向进行动作之后将电流指令停止时暂且动作的电动机是否在规定的时间以内停止来检测的异常。通过检测是否存在第五异常，能够检测连接于电动机的负载的异常、用于驱动电动机的设定参数的异常等。
图5中是示出了用于说明由本发明的控制系统检测电动机的第五异常的过程的流程图。该流程图接着图4的流程图，判定在图3的步骤S201中由电流控制部11在电动机4的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令的状态持续时当停止了电流指令时电动机是否在规定的时间以内停止。
首先，在步骤S401中，判断速度反馈是否在规定时间内成为规定的阈值以下。在速度反馈未在规定时间内成为规定的阈值以下的情况、即未成为停止状态的情况下，在步骤S402中，判定为机械的摩擦(负荷)非常小、或者电动机的极数、角度传感器的分辨率等为了由角度传感器计算励磁相位而需要事先获得的参数出错，从而判定为产生了异常(第五异常)。
接着，在步骤S403中，异常检测诊断器14向上级控制装置2发送异常检测信号，由此通知产生了第五异常。此外，异常检测诊断器14也可以对上级控制装置2发送关于第五异常的内容的异常详细信息。
在步骤S401中，在判断为速度反馈在规定时间内成为规定的阈值以下的情况下，如后所述那样继续判断是否存在其它异常。
如上，在进行用于使电动机动作的控制并确认了电动机向期望的移动方向进行动作之后，判断电动机是否在规定的时间以内停止来检测第五异常，由此能够检测是否存在机械的摩擦(负荷)非常小的情况、或者参数的设定存在错误等异常。
〔第六及第七异常的检测方法〕
接着，说明本发明的控制系统对电动机的第六及第七异常的检测方法。第六及第七异常是根据在确认了电动机在初始状态下正常停止且向期望的移动方向进行动作、而且将电流指令停止后在规定的时间以内停止之后、从处于基于第一励磁的停止状态的电动机的期望位置到基于第二励磁的停止状态为止的移动量是否处于规定的范围内来检测的异常。通过检测是否存在第六及第七异常，能够检测动力线的缺相、参数的设定错误等异常。
图6中示出了用于说明由本发明的控制系统检测电动机的第六及第七异常的过程的流程图。该流程图接着图5的流程图，处于电动机在规定的时间以内停止的状态。
首先，在步骤S501中，判断从基于第一励磁的停止位置到基于第二励磁的停止位置为止的移动量是否处于规定的范围内(例如相对于期望位置90度的移动量为±10度以内)。
在转子的移动量未处于规定的范围内的情况下，进而在步骤S504中判断电流偏差是否小于规定的阈值。
在电流偏差小于规定的阈值的情况下，在步骤S505中，判断为动力线缺相(连接不良)，从而判定为产生了异常(第六异常)。
另一方面，在电流偏差为规定的阈值以上的情况下，在步骤S506中，判定为电动机的极数、角度传感器的分辨率等为了由角度传感器计算励磁相位而需要事先获得的参数出错，从而判定为产生了异常(第七异常)。
接着，在步骤S507中，异常检测诊断器14向上级控制装置2发送异常检测信号，由此通知产生了第六或第七异常。此外，异常检测诊断器14也可以对上级控制装置2发送关于第六或第七异常的内容的异常详细信息。
在步骤S501中判断为从基于第一励磁的停止位置到基于第二励磁的停止位置为止的移动量处于规定的范围内的情况下，最终判定为第一至第七异常的全部异常都未检测出，在步骤S502中判断为转子所停止的位置是磁极位置。在这种情况下，对由角度传感器计算的励磁相位进行校正使得与该磁极位置正交地进行电流控制。并且，在步骤S503中，判断为异常的检测正常结束。
如上，根据在进行用于使电动机动作的控制并确认了电动机向期望的移动方向进行动作并使电动机停止之后转子的移动量未处于规定的范围内的情形来检测第六或第七异常，由此能够检测是否存在动力线的缺相、参数的设定错误等异常。
如以上所说明的那样，根据本发明的控制系统，通过检测是否存在第一～第七异常，能够检测电动机的初始启动时的异常。并且，基于第一～第七异常的详细信息，能够检测出基于电动机的动力线的接线错误、电动机的电动机极数等参数的错误等的异常，用户能够迅速应对异常。

Claims (7)

1.一种控制系统(10)，是具备异常检测诊断功能的同步电动机的控制系统，其特征在于，具有：
电流控制部(11)，其根据配置有永磁体的电动机(4)的转子的磁极位置，在使电动机(4)停止的情况下在电动机(4)的定子绕组的第一励磁相位在第一时间内提供第一电流指令，在使电动机(4)动作的情况下在与上述第一励磁相位不同的第二励磁相位在第二时间内提供第二电流指令；
电流偏差计算器(13)，其计算作为在上述第一时间内流过电动机(4)的电流与上述第一电流指令之差或者在上述第二时间内流过电动机的电流与第二电流指令之差的电流偏差；以及
异常检测诊断器(14)，其基于上述第一时间和上述第二时间内的电动机(4)的速度、移动方向、移动量以及上述电流偏差的大小中的至少一个来检测异常。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第一励磁相位在上述第一时间内提供了上述第一电流指令时电动机(4)的速度未成为规定的速度以下的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为从电动机(4)向上述电流控制部的电流反馈或从电动机(4)向上述异常检测诊断器(14)的速度反馈中产生了异常。
3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其特征在于，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第二励磁相位在上述第二时间内提供了上述第二电流指令时电动机(4)的速度未成为规定的速度以上、且上述电流偏差小于规定值的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为产生了基于电动机(4)的动力线的未接线或用于驱动电动机的放大器的故障的异常，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第二励磁相位在上述第二时间内提供了上述第二电流指令时电动机(4)的速度未成为规定的速度以上、且上述电流偏差为规定值以上的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为产生了基于电动机(4)的摩擦或惯性、或者机械上的转子锁定的异常。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的控制系统，其特征在于，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第二励磁相位在上述第二时间内提供了上述第二电流指令时电动机(4)的速度成为规定的速度以上、且电动机(4)的转子的移动方向未成为规定的方向的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为产生了基于检测转子的磁极位置的传感器的安装方向、或者电动机的动力线的相序的异常。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的控制系统，其特征在于，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第二励磁相位在上述第二时间内提供了上述第二电流指令时电动机(4)的速度成为规定的速度以上、电动机(4)的转子的移动方向成为规定的方向、且电动机(4)的速度反馈未成为规定的阈值以下的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为产生了基于电动机(4)的摩擦、或者根据电动机(4)的角度传感器的测量值计算励磁相位所需的参数的异常。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的控制系统，其特征在于，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第二励磁相位在上述第二时间内提供了上述第二电流指令时电动机(4)的速度成为规定的大小以上、电动机(4)的转子的移动方向成为规定的方向、电动机(4)的速度反馈成为规定的阈值以下、电动机(4)的移动量未处于规定范围内、且上述电流偏差小于规定值的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为产生了基于动力线的连接不良的异常，
在上述电流控制部(11)在电动机(4)的上述第二励磁相位在上述第二时间内提供了上述第二电流指令时电动机(4)的速度成为规定的大小以上、电动机(4)的转子的移动方向成为规定的方向、电动机(4)的速度反馈成为规定的阈值以下、电动机(4)的移动量未处于规定范围内、且上述电流偏差为规定值以上的情况下，上述异常检测诊断器(14)判定为产生了基于根据电动机(4)的角度传感器的测量值计算励磁相位所需的参数的异常。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的控制系统，其特征在于，
上述异常检测诊断器(14)在判定为产生了上述异常的情况下，将所产生的异常中的至少一个通知给上级控制装置(2)。
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