CN108736790B - 伺服电动机的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制装置，在控制交流伺服电动机时，以小的运算负荷可靠地抑制减速开始时的电流过冲导致的过电流的产生，而不会过度地限制转矩。在通过d轴电流指令和q轴电流指令进行电动机的矢量控制时，对于关于电动机在d轴‑q轴坐标平面内规定的电压饱和圆，基于电动机的转速和输入到逆变器电路的主电路电源电压，求出电压饱和圆的半径表示的电流值，利用将该电流值乘以规定的修正值所得的值限制转矩指令，并作为q轴电流指令。

Description

伺服电动机的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及控制交流伺服电动机的装置及方法。

背景技术

作为控制经由逆变器来驱动的交流伺服电动机的位置(旋转角)及速度(转速)的方法，近年来，对与转矩分量对应的q轴电流和与磁场分量对应的d轴电流双方进行控制，将q轴电流及d轴电流转换成三相电流来驱动电动机的、所谓的矢量控制成为主流。因为d轴电流相当于无效电流，所以在电动机中，在未产生电压饱和的区域，以尽可能减小d轴电流的方式进行控制。例如，在专利文献1中公开了一种技术，以如下方式进行控制：在转速N从转速零到第一转速的第一期间(加速区域)，将d轴电流设为零，在超过第一转速到第二转速的第二期间(高速区域)，使d轴电流逐渐增加。在专利文献1记载的技术中，就d轴电流在高速区域的增加形式而言，在将横轴作为转速、将纵轴作为d轴电流的坐标图中，是随着转速增大，d轴电流逐渐接近穿过原点的某线性函数直线。

在伺服电动机的控制中，有时期望不使电动机的加速特性(例如加速时间)和减速特性(例如减速时间)之间产生大的差。另外，有时也期望可以通过小容量的控制装置控制电动机、特别是期望可以减小再生控制需要的电路元件的电容。专利文献2中公开了一种技术，为了不使加速时间和减速时间之间产生大的差，且为了减小再生晶体管的电容，在再生时对动力运行时的最大转矩进行以折线近似后的转矩限制。在该方法中，速度越变高，转矩限制即q轴电流的限制值越降低。另外，在专利文献3中公开了一种技术，作为对电动汽车等由于将蓄电池作为电源而使得电源电压可能大幅变动的系统中的电动机的控制方法，无论动力运行时还是再生时，都以在高速侧与速度成反比的方式限制转矩，并且，动力运行时的转矩限制与电源电压也成正比。根据该方法，在动力运行时能够避免电压降低造成的逆变器输出电压的饱和，并且能够确保再生时的充电量(能量回收量)。

由d轴电流分量和q轴电流分量构成的矢量因伴随电动机的旋转的反电动势和电源电压而受到制约。专利文献4中公开了一种技术，在控制同步电动机时，考虑电动机的数学模型，在dq平面中，求出由逆变器或电动机限制的电流限制圆和表示电动机的反电动势造成的饱和的电压限制椭圆(电压饱和椭圆)的交点，基于交点位置生成电流指令。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-192473号公报

专利文献2：日本特许第3672883号公报

专利文献3：日本特许第4931105号公报

专利文献4：日本特开2016-226270号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

使高速旋转的伺服电动机减速时，在减速开始时电动机电流(q轴电流)增加。此时，电流产生过冲而超过规定值，由此会检测到过电流，有时产生电动机出现空转停止(逆变器输出的停止造成的电动机的惰性停止)的现象。在空转停止中，基于来自外部的位置指令或速度指令的电动机的控制完全不起作用。为了抑制空转停止的产生，认为电动机速度越高，即电动机转速越大，越降低转矩电流指令的限制值，但此时，在运用了专利文献2所记载的方法的情况下，产生如下问题等：(a)根据折线的坐标进行直线插补，求出转矩限制值，因此，运算负荷大；(b)虽然有每个电动机的调节自由度，但是调节耗费时间；(c)根据电动机不同，电动机电流的过冲往往依赖于主电路电源的直流部的电压，在主电路电源的电压足够高的情况下，即使不产生问题的情况，也会降低转矩指令的限制值，不能有效利用电动机的能力。

如专利文献3所记载，运用了在高速侧实施与速度成反比的转矩限制的方法的情况下，产生如下问题等：(d)首先，记载于专利文献3的技术是以使用电压变动大的蓄电池为前提，在从一般的商用交流电源供电的伺服放大器中，加速时间因动力运行时的转矩限制而延长，因此，不理想；(e)在再生时以速度反比进行转矩限制，而与主电路电源的直流部的电压无关，因此，即使在直流部的电压高时没有过冲的情况下，限制值也会降低。在专利文献4记载的计算电压限制椭圆和电流限制圆的交点坐标而生成电流指令的方法中，存在如下问题：(f)因为进行根据牛顿定律等的反复运算，所以交点坐标的计算所需的运算负荷大，例如需要更高性能的微处理器。

本发明的目的在于，提供一种控制交流伺服电动机的装置及方法，能够以小的运算负荷可靠地抑制减速开始时的过冲的产生，而不会过度地限制转矩。

解决技术问题所采用的技术方案

基于本发明的控制装置是控制交流电动机的控制装置，其中，具有：逆变器电路，其驱动交流电动机；主电路电源电压检测电路，其检测输入到逆变器电路的直流电压作为主电路电源电压；控制部，其基于从外部输入的指令，控制逆变器电路，控制部具备：电流指令生成部，其基于从外部输入的指令，生成与交流电动机的旋转状态对应的d轴电流指令和与交流电动机的q轴电流对应的转矩指令；转矩指令限制部，其限制转矩指令，生成q轴电流指令，对于关于交流电动机在d轴-q轴坐标平面内规定的电压饱和圆，转矩指令限制部基于交流电动机的转速和主电路电源电压求出电压饱和圆的半径表示的电流值，利用将电流值乘以规定的修正值所得的值对与转矩指令对应的q轴电流进行限制，并作为q轴电流指令，基于d轴电流指令及q轴电流指令，控制逆变器电路。交流电动机的转速也可以由与交流电动机连接的转速检测器进行检测，作为无传感器结构，也可以由设于控制部的速度推定部进行推定。

本发明的控制方法控制由逆变器电路驱动的交流电动机，其中，相对于基于来自外部的指令而生成的转矩指令，对于关于交流电动机在d轴-q轴坐标平面内规定的电压饱和圆，基于交流电动机的转速和逆变器电路的输入侧的主电路电源电压，求出电压饱和圆的半径表示的电流值，利用将电流值乘以规定的修正值所得的值对与转矩指令对应的q轴电流进行限制，并作为q轴电流指令，基于与交流电动机的转速对应的d轴电流指令和q轴电流指令，控制逆变器电路。

本发明中，基于逆变器电路的直流输入电压即主电路电源电压和电动机的转速来限制转矩指令，生成q轴电流指令。由此，能够抑制高速旋转的电动机开始减速时的伴随电动机电流增加的过冲，能够防止过电流异常的产生。如专利文献4所记载，在根据电流限制圆和电压饱和圆的交点坐标求出q轴电流指令值的情况下，需要牛顿定律计算等，运算负荷变大，且q轴电流指令的计算需要高性能的微处理器等。与之相对，在本发明中，用于求出电压饱和圆的半径的运算的负荷小，另外，修正值的乘法运算的运算负荷也小，因此，不需要高性能的微处理器等。

在本发明中，对于电压饱和圆的半径表示的电流值进一步乘以修正值。在此，之所以乘以修正值是因为在以电压饱和圆的半径表示的电流值限制了q轴电流的情况下，并未考虑d轴电流，所以与由电流限制圆和电压饱和圆决定的制约条件的背离变大。因为d轴电流是无效电流，所以通常不使其为太大的值。因此，在本发明中，为了考虑d轴电流的影响，一律乘以修正值。该修正值能够对使用的每个电动机预先确定好最佳值。通过预先确定好修正值，能够减小实际进行电动机的控制时的运算负荷。

在本发明中，优选基于上述的电压饱和圆的转矩指令的限制仅在电动机的再生时执行。该情况下，在动力运行时，生成基于与转矩指令对应的q轴电流的q轴电流指令。这样进行转矩指令的限制时，在再生时形成与主电路电源电压成正比的q轴电流值，所以在主电路电源电压高时不会进行过剩的限制，从而减速时间也不会延长。另一方面，因为在动力运行时不进行转矩限制，所以加速时间也不会延长。

决定d轴-q轴坐标平面上的电压饱和圆的要素有多个，但如果除去由电动机的构造或电常数决定的部分，实质上可以看作仅由电动机的转速和主电路电源电压来决定，电压饱和圆的半径与电动机的转速成反比、与主电路电源电压成正比。因此，在本发明中，也可以仅基于电动机的转速和主电路电源电压，求出电压饱和圆的半径表示的电流值。此时，通过由以转速和主电路电源电压为变量的简单的函数定义电压饱和圆的半径，或者通过将使主电路电源电压固定在恒定值时的每个速度的电压饱和圆的半径记载于表中，并将应用检测到的速度从表中读取的半径乘以与实际的主电路电源电压成正比的系数，能够以小的运算负荷求出电压饱和圆的半径表示的q轴电流。

发明效果

根据本发明，能够以小的运算负荷可靠地抑制减速开始时的过冲的产生，而不会过度地限制转矩，由此，可以防止过电流异常的产生。

附图说明

图1是表示本发明一实施方式的控制装置的结构的框图。

图2是说明电压饱和圆及电流限制圆的图。

图3是说明转矩指令的限制的图。

标号说明

10…交流电源、11…控制器、20…伺服放大器、21…全波整流电路、22…逆变器电路、23、24…电流传感器、31…主电路电源电压检测电路、32…位置速度控制部、33…转矩指令限制部、34…电流控制部、50…电动机、51…编码器。

具体实施方式

下面、参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1表示本发明一实施方式的控制装置。图1所示的控制装置基于来自控制器11的位置指令及速度指令，控制作为交流伺服电动机的电动机50，控制装置具备与交流电源10连接的伺服放大器20、与电动机50的旋转轴连接的编码器51。编码器51作为转速检测器检测电动机50的转速，输出电动机50的位置和速度。作为无传感器结构，也可以设置检测电动机50的各相的电流或电压并推定速度或位置的速度推定部，替代设置编码器51。在此，电动机50设为同步电动机，但也可以是感应电动机。另外，电动机50不限于旋转电动机，也可以是线性电动机。为线性电动机的情况下，将该电动机的每单位时间的电气角度的变化量作为转速。在伺服放大器20中，设有：对来自交流电源10的交流电力进行全波整流的全波整流器21、检测从全波整流器21输出的直流电压(主电路电源电压)的主电路电源电压检测电路31、将从全波整流器21输出的直流电力转换成三相交电并驱动电动机50的逆变器电路22、用于检测从逆变器电路22供给到电动机50的三相交流电的各相的电流的电流传感器23、24。进而，为了根据位置指令及速度指令控制电动机50，在伺服放大器20中设有位置速度控制部32、转矩指令限制部33、电流控制部34。位置速度控制部32、转矩指令限制部33及电流控制部34可以分别作为单独的装置设置，或者，也可以将它们合起来由微处理器来实现。

在位置速度控制部32中，从编码器51供给电动机50的位置及速度的检测值，同时，从控制器11给出位置指令及速度指令，基于这些计算位置偏差及速度偏差，生成转矩指令。转矩指令由与应指令的转矩对应的q轴电流的值表示。进而，位置速度控制部32根据电动机50的旋转状态生成d轴电流指令，以使在低速旋转时d轴电流为零、在高速旋转时，成为削弱磁场的方向的d轴电流。作为与电动机50的转速相对应的d轴电流指令，例如能够使用专利文献1中记载的指令。根据专利文献1中记载的方法，能够以小的运算量生成d轴电流指令。在电流控制部34，从编码器51输入电动机50的位置的检测值，从电流传感器23、24输入电动机50的各相的电流的检测值。电流控制部34根据电动机50的位置算出电动机50的电气角度，基于各相的电流值和d轴电流指令及q轴电流指令，控制逆变器电路22的三相输出。

转矩指令限制部33从主电路电源电压检测电路31供给主电路电源电压的检测值，从编码器51供给电动机50的速度(转速)的检测值，对位置速度控制部32生成的转矩指令施加限制，生成q轴电流指令。特别是在本实施方式中，转矩指令限制部33基于关于电动机50在d轴-q轴坐标平面内规定的电压饱和圆的半径进行转矩指令的限制。电压饱和圆是由通过电动机的旋转产生的反电动势来规定给予电动机的电压饱和(将使电流不再流向电动机)的限度的电压饱和圆。

图2是示意性表示在d轴-q轴坐标平面中电流限制圆和换算成电流的电压饱和圆的图，横轴为d轴电流，纵轴为q轴电流。图2(a)和图2(b)中，主电路电源电压不同，图2(b)的主电路电源电压较高。因为给予电动机的电压因通过旋转产生的反电动势而饱和，因此如图2所示，基本上，电压饱和圆的半径与逆变器的主电路电源电压成正比，与电动机的转速成反比。于是，转矩指令控制部33基于由编码器51检测到的转速和由主电路电源电压检测电路31检测到的主电路电源电压求出表示电压饱和圆的半径的电流值，将该电流值乘以规定的修正值，限制与转矩指令对应的q轴电流，作为给予电流控制部34的q轴电流指令。这种转矩指令的限制优选仅在再生时进行。通过仅在再生时进行转矩指令的限制，能够防止加速时间延长。

在本实施方式中，在转矩指令限制部33中，根据基于逆变器电路22的直流输入电压即主电路电源电压和电动机50的转速而规定的电压饱和圆的半径表示的电流值，限制转矩指令，生成q轴电流指令。由此，能够抑制高速旋转的电动机50开始减速时的伴随电动机电流增加的过冲，能够防止过电流异常的产生。如后所述，电压饱和圆的半径表示的电流值的计算、及相对于此的修正值的乘法运算所需要的运算负荷小。因此，根据本实施方式，能够以小的运算负荷可靠地抑制开始减速时的过电流的产生，而不过度地限制转矩。

在以电压饱和圆的半径限制了q轴电流的情况下，未考虑d轴电流，所以在本实施方式中，为了补偿未考虑到d轴电流的情况，乘以修正值。该修正值对于每个电动机50而言，例如能够通过实验预先确定好最佳值。通过预先确定好修正值，能够减小实际进行电动机的控制时的运算负荷。另外，因为能够将调整参数设定成一个，所以能够节省整个交流伺服电动机系统的调节时间和劳力。

接着，对电压饱和圆的半径表示的电流值的计算，进一步详细地进行说明。在d轴-q轴坐标平面中，双方的轴(d轴及q轴)用电流来表示，因此，该平面上的电压饱和圆的半径是用电流值表示的半径。d轴-q轴坐标平面中的决定电压饱和圆的要素有多个，但如果除了由电动机50的构造或电常数决定的部分之外，实质上可以被视为仅由电动机的转速和主电路电源电压决定。假定仅由转速和主电路电源电压决定时，电压饱和圆的半径与电动机的转速成反比，与主电路电源电压成正比。于是，在转矩指令限制部33，也可以仅基于电动机的转速和主电路电源电压来求出电压饱和圆的半径表示的电流值。此时，通过利用以转速和主电路电源电压为变量的简单的函数定义电压饱和圆的半径，或者通过将使主电路电源电压固定在恒定值时的每个速度的电压饱和圆的半径记载于表中，并将从表中读取的半径乘以与实际的主电路电源电压成正比的系数，能够求出电压饱和圆的半径。这样，求出电压饱和圆的半径时的运算负荷小。

当电动机50中的d轴电感Ld和q轴电感Lq大不相同时，电压饱和圆形成椭圆状。电压饱和圆形成了椭圆状时(即形成电压饱和椭圆时)，例如，可以将绕组电阻忽略，将椭圆的短半径作为电压饱和圆的半径。

图3是表示在本实施方式中进行了转矩限制后的q轴电流指令和电动机50的转速的关系的坐标图，横轴为速度(转速)，纵轴为q轴电流。速度为正且q轴电流也为正的区域和速度为负且q轴电流也为负的区域是电动机50的动力运行区域，速度为正且q轴电流为负的区域和速度为负且q轴电流为正的区域是再生区域。Nmax表示电动机50的最高转速，Tmax表示位置速度控制部32生成的转矩指令的最大值。如图所示可知，在大的转矩指令值且转速也高的区域，转矩指令由曲线限制。限制转矩指令的各曲线表示q轴电流与转速成反比地被限制。另外，多个曲线并排记载，但其中接近原点的一方与主电路电源电压低的情况相对应。换言之，表示主电路电源电压越低，转矩指令越被限制。

Claims (8)

1.一种控制装置，控制交流电动机，其中，具有：

逆变器电路，其驱动所述交流电动机；

主电路电源电压检测电路，其检测输入到所述逆变器电路的直流电压作为主电路电源电压；

控制部，其基于从外部输入的指令，控制所述逆变器电路，

所述控制部具备：

电流指令生成部，其基于从所述外部输入的指令，生成与所述交流电动机的旋转状态对应的d轴电流指令和与所述交流电动机的q轴电流对应的转矩指令；

转矩指令限制部，其限制由与应指令的转矩对应的q轴电流的值表示的所述转矩指令，生成q轴电流指令，

对于关于所述交流电动机在d轴-q轴坐标平面内规定的电压饱和圆，所述转矩指令限制部通过利用以所述交流电动机的转速和所述主电路电源电压为变量的简单的函数定义所述电压饱和圆的半径，或者通过将使所述主电路电源电压固定在恒定值时的每个转速的所述电压饱和圆的半径记载于表中，并将从表中读取的半径乘以与实际的所述主电路电源电压成正比的系数，求出所述电压饱和圆的半径表示的电流值，利用将所述电流值乘以考虑d轴电流影响的规定的修正值所得的值对与所述转矩指令对应的q轴电流进行限制，并作为所述q轴电流指令，以使在所述交流电动机的再生时，所述q轴电流与所述交流电动机的转速成反比地被限制，且所述主电路电源电压越低，所述转矩指令越被限制，

基于所述d轴电流指令及所述q轴电流指令，控制所述逆变器电路。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，

所述转矩指令限制部仅在所述交流电动机的再生时限制所述转矩指令，在动力运行时，生成基于与所述转矩指令对应的q轴电流的q轴电流指令。

3.根据权利要求1或2所述的控制装置，其中，

所述转矩指令限制部以由除了所述转速及所述主电路电源电压之外的要素决定的数值为恒定的值，基于所述转速和所述主电路电源电压，求所述半径表示的电流值。

4.一种控制方法，其控制由逆变器电路驱动的交流电动机，其中，

相对于基于来自外部的指令而生成的转矩指令，对于关于所述交流电动机在d轴-q轴坐标平面内规定的电压饱和圆，通过利用以所述交流电动机的转速和所述逆变器电路的输入侧的主电路电源电压为变量的简单的函数定义所述电压饱和圆的半径，或者通过将使所述主电路电源电压固定在恒定值时的每个转速的所述电压饱和圆的半径记载于表中，并将从表中读取的半径乘以与实际的所述主电路电源电压成正比的系数，求出电压饱和圆的半径表示的电流值，利用将所述电流值乘以考虑d轴电流影响的规定的修正值所得的值来限制由与应指令的转矩对应的q轴电流的值表示的所述转矩指令，并作为q轴电流指令，以使在所述交流电动机的再生时，所述q轴电流与所述交流电动机的转速成反比地被限制，且所述主电路电源电压越低，所述转矩指令越被限制，

基于与所述交流电动机的转速对应的d轴电流指令和所述q轴电流指令，控制所述逆变器电路。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其中，

仅在所述交流电动机的再生时执行与所述转矩指令对应的q轴电流的限制。

6.根据权利要求4或5所述的控制方法，其中，

仅基于所述转速和所述主电路电源电压，求出所述半径表示的电流值。

7.根据权利要求4或5所述的控制方法，其中，

对每个交流电动机预先确定所述修正值。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其中，

对每个交流电动机预先确定所述修正值。

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