CN111034030A - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够早期检测出电动机进入异常状态的电动机控制装置。电动机控制装置具备:控制部,基于输入的电流指令值来计算电压指令值,并利用计算出的电压指令值进行所述电动机的驱动控制;虚拟电动机部,基于所述控制部计算出的所述电压指令值和与所述电动机的规格有关的多个参数,模拟流过所述电动机的电流值;以及判定部,通过比较输入到所述控制部的所述电流指令值和由所述虚拟电动机部模拟的所述电流值,判定所述电动机是否处于异常状态。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及电动机控制装置。
背景技术
电动机失控时,会给操作者带来危险,由电动机驱动的机器也会破损。因此,通过比较电动机的旋转速度和电动机的驱动电流阈值,来判定电动机是否为失控状态(例如,参照专利文献1)。
但是,在电动机的旋转速度等和阈值的比较中,会出现不能早期检测出电动机进入失控状态的情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开平5-22977号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明是鉴于上述现状而完成的,其目的在于提供一种能够早期检测出电动机进入异常状态的电动机控制装置。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的,本发明的一个观点所涉及的控制电动机的电动机控制装置具备:控制部,基于输入的电流指令值来计算电压指令值,并利用计算出的电压指令值进行所述电动机的驱动控制;虚拟电动机部,基于所述控制部计算出的所述电压指令值和与所述电动机的规格有关的多个参数,模拟流过所述电动机的电流值;判定部,通过比较输入到所述控制部的所述电流指令值和由所述虚拟电动机部模拟的所述电流值,判定所述电动机是否处于异常状态。
即,本发明的一个观点所涉及的电动机控制装置具有如下结构:通过比较输入到控制部的电流指令值、和基于控制部根据该电流指令值计算出的电压指令值而由虚拟电动机部模拟的电流值,来判定电动机是否处于异常状态。换言之,电动机控制装置具有用于判定电动机是否处于异常状态的基准值本身(电流指令值或模拟的电流值)根据状况而被变更的结构。因此,根据电动机控制装置,能够相应地较以往早期检测出电动机进入异常状态的情况。
作为电动机控制装置的各部分(控制部、虚拟电动机部、判定部),可以采用具体构成不同的各种结构。例如,可以是判定部为了判定电动机是否处于异常状态,将电流指令值与电流值之间的差与阈值进行比较。此外,也可以是将电流指令值与电流值的比值与阈值(上下限阈值)进行比较。
在电动机控制装置中,也可以采用“在所述控制部中,输入d轴电流指令值和q轴电流指令值作为所述电流指令值,所述控制部基于输入的所述d轴电流指令值和所述q轴电流指令值,计算d轴电压指令值和q轴电压指令值作为所述电压指令值”的结构。换言之,电动机控制装置的控制部也可以进行矢量控制。
在采用进行矢量控制的控制部的情况下,多个参数也可以包含表示所述电动机的各相的电枢的电阻值的参数、表示所述电动机的d轴电感的参数、表示所述电动机的q轴电感的参数、以及表示所述电动机内的永磁体的电枢交链磁通的参数。此外,也可以采用将上述多个参数中包含的至少一个上述参数作为表示上述电动机的物性值的温度依存性的信息,作为虚拟电动机部,基于上述d轴电压指令值及上述q轴电压指令值、上述多个参数、和上述电动机的温度,模拟上述电动机的d轴电流值和q轴电流值的装置。
发明效果
基于本发明,能够提供一种可早期检测出电动机进入异常状态的电动机控制装置。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的电动机控制装置的概略结构及使用方式的说明图。
图2是第1实施方式的电动机控制装置所具备的控制部的功能框图。
图3是电动机控制部的功能框图。
图4是虚拟电动机部的功能框图。
图5是判定部进行判定处理的流程图。
图6是本发明的第2实施方式的电动机控制装置的概略结构及使用方式的说明图。
图7是第2实施方式的电动机控制装置所具备的控制部的功能框图。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。
《第1实施方式》
图1表示本发明的第1实施方式的电动机控制装置20的概略结构及使用方式。
本实施方式的电动机控制装置20是用于驱动电动机(三相电动机)55的装置(所谓的伺服驱动器)。如图所示,电动机控制装置20具备电源电路21和控制部30。
功率电路21是在控制部30(在下面进行详细描述)的控制下生成向电动机55供给的三相交流电的电路。功率电路21具有用于对来自三相电源50的三相交流电进行整流的整流电路22和平滑电容器23。此外,功率电路21还具备用于将由平滑电容器23平滑化后的整流电路22的输出电压转换为三相交流电压的逆变器电路24。
控制部30基本上是通过按照来自PLC(Programmable logic controller,可编程逻辑控制器)等上位装置10的指示来控制逆变器电路24,从而控制电动机55的单元。控制部30由处理器(CPU、微控制器等)和其周边电路构成。
如图所示,在电动机控制装置20中,设有用于测量电动机55的U相电流值Iu、V相电流值Iv、W相电流值Iw的3个电流传感器25。此外,在电动机55上设有用于检测电动机55的旋转角θ的旋转角传感器56,来自这些传感器25、56的信息被输入到控制部30。
以下,使用图2至图5对控制部30的功能进行说明。图2是控制部30的功能框图,图3是电动机控制部31的功能框图。此外,图4是虚拟电动机部32的功能框图,图5是判定部33进行判定处理的流程图。另外,图2至图4所示的各功能块可以是使用软件的块(作为处理器的一个功能而被实现的块),也可以是硬件(集成电路等)。
如图2所示,电动机控制装置20的控制部30作为电动机控制部31、虚拟电动机部32以及判定部33发挥功能。
电动机控制部31是基于电流指令值Idreq及Iqreq、和电动机55的U相电流值Iu、V相电流值Iv、W相电流值Iw及旋转角θ,通过矢量控制来控制电动机55的功能块。虚拟电动机部32和判定部33是为了能够早期检测电动机55进入异常状态的情况而安装在控制部30中的功能块。
以下,具体说明电动机控制部31、虚拟电动机部32以及判定部33的功能。
[电动机控制部31]
如图3所示,电动机控制部31具备PI控制部41、二相三相转换部42、PWM信号生成部43以及三相二相转换部44。
PI控制部41是通过电流指令值Idreq和来自三相二相转换部44的电流值Id之间的电流偏差的PI运算而生成电压指令值Vd,并且通过电流指令值Iqreq和来自三相二相转换部44的电流值Iq之间的电流偏差的PI运算而生成电压指令值Vq的功能块。另外,本实施方式中的电流指令值Idreq和Iqreq是基于来自上位装置10的指令(速度指令、位置指令等)和其他信息(电动机55的速度等),在控制部30内生成的信息。但是,电流指令值Idreq和Iqreq也可以是从上位装置10输入的信息。
二相三相转换部42是使用电动机55的旋转角θ将来自PI控制部41的电压指令值Vd、Vq转换为三相交流的电压指令值Vu、Vv、Vw的功能块。PWM信号生成部43是基于来自二相三相转换部42的电压指令值Vu、Vv、Vw,生成逆变器电路24内的6个半导体开关的ON/OFF控制用的PWM信号的功能块。
三相二相转换部44是基于电动机55的旋转角θ,将由各相用的电流传感器25检测出的各相的电流值Iu、Iv、Iw转换为旋转坐标系中的二相的电流值Id、Iq的功能块。
电动机控制部31是通过如上结构进行矢量控制的功能块,并且在从判定部33输入了规定的停止指示的情况下,成为中止对电动机55(逆变器电路24)的控制的功能块(参照图2)。
[虚拟电机部32]
虚拟电动机部32(图2)是基于电动机控制部31计算出的电压指令值Vd、Vq等和预先设定的各种电动机参数,模拟电流指令值Idreq和Iqreq的功能块。
在该虚拟电动机部32中,在开始电动机控制装置20的实际运用之前,由上位装置10或其他计算机设定以下的电动机参数。
·电机55各相电枢的电阻值R[ohm]
·电动机55的d轴电感Ld[H]及q轴电感Lq[H]
·电动机55内的永磁体的电枢交链磁通
Figure BDA0002387032840000053
此外,在电动机控制装置20的运用中,在虚拟电动机部32中输入在由电动机控制部31(图3)进行的电动机55的控制处理中生成的电压指令值Vd、Vq和电流值Id、Iq以及电动机55的电机角速度ω(对根据θ计算出的电角θe进行微分后的值)。
并且,虚拟电动机部32构成为,如图4示意性地表示的那样,通过以下的(1)式计算sId、sIq,并对计算出的sId、sIq进行积分,从而反复进行计算Id、Iq的模拟结果Id'、Iq'的处理。
[数1]
Figure BDA0002387032840000051
另外,该(1)式中的s是拉普拉斯算子。此外,(1)式是将永磁体同步电动机的dq坐标系中的电压方程式即以下(2)式对sId、sIq求解而得的式子。
[数2]
Figure BDA0002387032840000052
判定部33是每当由虚拟电动机部32计算出Id、Iq的模拟结果Id'、Iq'时,进行图5所示顺序的判定处理的功能块。
即,如果由虚拟电动机部32计算出Id、Iq的模拟结果Id'、Iq',则判定部33判断在虚拟电流值与实际电流值之间异常判定条件是否成立(步骤S101)。
这里,所谓虚拟电流值,是模拟结果Id'及Iq'的双方或一方。此外,实际电流值在虚拟电流值为Id'及Iq'的情况下是指电流指令值Idreq及Iqreq、或电流值Id及Iq,在虚拟电流值为Ix'(x=d,q)的情况下,是指电流指令值Ixreq、或电流值Ix。
异常判定条件是指预先确定的条件(实际电流值与虚拟电流值的关系式),在能够判定为电机55进入异常状态时成立。
即,虚拟电流值(Id'及Iq'的双方或一方)是在电动机55处于正常状态的情况下流过电动机55的二相电流值的理论值。因此,能够根据虚拟电流值和实际电流值的差异的多少,来判定电动机55是否进入了异常状态。
具体而言,在将Id'及Iq'作为虚拟电流值使用,将Id、Iq作为实际电流值使用的情况下,例如,如果将以下的条件作为异常判定条件使用,则能够判定电动机55是否进入了异常状态。
·(Id'-Id)2+(Iq'-Iq)2≥阈值
·(Id'/Id)值在Id用容许范围外,且(Iq'/Iq)值在Iq用容许范围外。
此外,在将Ix'(x=d,q)作为虚拟电流值使用,将Ix作为实际电流值使用的情况下,例如,如果将以下条件作为异常判定条件使用,则能够判定电动机55是否进入了异常状态。
·|Ix'-Ix|≥阈值
·(Ix'/Ix)值在容许范围外
另外,上述各种条件下的各阈值、各容许范围通过实验等预先设定即可。
在异常判定条件不成立的情况下(步骤S101:否),判定部33不特别地进行处理,结束该判定处理(图5的处理)。另一方面,在异常判定条件成立的情况下(步骤S101:是),判定部33指示电动机控制部31停止控制(步骤S102),然后结束该判定处理。
如以上所说明的那样,本实施方式的电动机控制装置20具有如下结构:通过将输入到电动机控制部31的电流指令值、与基于电动机控制部31根据该电流指令值计算出的电压指令值而模拟出的流过电动机55的电流值进行比较,来判定电动机55是否处于异常状态。换言之,电动机控制装置具有用于判定电动机55是否处于异常状态的基准值本身(电流指令值或模拟后的电流值)根据状况而被变更的结构。因此,根据电动机控制装置,能够相应地较以往早期检测出电动机进入异常状态的情况。
《第2实施方式》
图6表示本发明的第2实施方式的电动机控制装置20b的概略结构及使用方式。
本实施方式的电动机控制装置20b是将电动机控制装置20的控制部30置换成控制部30b的装置。控制部30b是将控制部30变形为考虑电动机55的温度来判定电动机55是否进入了异常状态的单元。
具体而言,如图7所示,控制部30b具有将控制部30的虚拟电动机部32置换成虚拟电动机部32b的结构。
虚拟电动机部32b与虚拟电动机部32同样,是基于电动机控制部31计算出的电压指令值Vd、Vq等和预先设定的各种电动机参数,来模拟电流指令值Idreq和Iqreq的功能块。
但是,在虚拟电动机部32b中,作为各种电动机参数,设定将电动机55的各相的电枢的电阻值作为电动机55的温度T的函数来表示的信息R(T)、将电动机55的d轴电感作为温度T的函数来表示的信息Ld(T)等。此外,电动机55的温度T从安装在电动机55上的温度传感器57被输入至虚拟电动机部32b。并且,虚拟电动机部32b构成为使用电动机55的当前温度T下的参数值(电阻值R、d轴电感Ld等),计算Id'和Iq'(参照图4)。
如以上说明的那样,本实施方式的电动机控制装置20b具有考虑电动机55的温度T来模拟电流指令值的结构,即具有无需考虑电动机55的温度T的影响来决定异常判定条件的结构。而且,在上述的电动机控制装置20中,由于需要考虑电动机55的温度T的影响来决定异常判定条件,因而根据电动机控制装置20b,无需考虑电动机55的温度T的影响来决定异常判定条件,相应地能够比电动机控制装置20早期检测电动机55进入异常状态的情况。
《变形例》
上述各实施方式所涉及的电动机控制装置(20、20b)能够进行各种变形。例如,可以将控制部30(电动机控制部31)变形为进行无传感器的矢量控制的控制部、不进行矢量控制的控制部。在异常判定条件成立的情况下,也可以将判定部33变形为在发出停止指示的同时、或不发出停止指示而将表示该意思的信息发送给上位装置10。
也可以不将对虚拟电动机部32b设定的全部电动机参数设为表示温度依存性的参数,而将对虚拟电动机部32b设定的若干电动机参数设为表示温度依存性的参数。
《附记》
一种控制电动机(55)的电动机控制装置(20),其特征在于,具备:
控制部(31),基于输入的电流指令值计算电压指令值,使用计算出的电压指令值进行所述电动机的驱动控制;
虚拟电动机部(32),基于所述控制部(31)计算出的所述电压指令值和与所述电动机(55)的规格有关的多个参数,模拟流过所述电动机的电流值;以及
判定部(33),通过将输入到所述控制部(31)的所述电流指令值与由所述虚拟电动机部(32)模拟的所述电流值进行比较,判定所述电动机(55)是否处于异常状态。
符号说明
10 上位装置
20、20b 电动机控制装置
21 功率电路
22 整流电路
23 平滑电容器
24 逆变器电路
25 电流传感器
30、30b 控制部
31 电动机控制部
32、32b 虚拟电动机部
33 判定部
41 PI控制部
42 二相三相转换部
43 PWM信号生成部
44 三相二相转换部
50 三相电源
55 电动机
56 旋转角传感器
57 温度传感器

Claims (4)

1.一种控制电动机的电动机控制装置,其特征在于,具备:
控制部,基于输入的电流指令值来计算电压指令值,并利用计算出的电压指令值进行所述电动机的驱动控制;以及
虚拟电动机部,基于所述控制部计算出的所述电压指令值和与所述电动机的规格有关的多个参数,模拟流过所述电动机的电流值;以及
判定部,通过比较输入到所述控制部的所述电流指令值和由所述虚拟电动机部模拟的所述电流值,判定所述电动机是否处于异常状态。
2.如权利要求1所述的电动机控制装置,其特征在于,
向所述控制部输入d轴电流指令值和q轴电流指令值作为所述电流指令值,
所述控制部基于输入的所述d轴电流指令值和所述q轴电流指令值,计算d轴电压指令值和q轴电压指令值作为所述电压指令值。
3.如权利要求2所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述多个参数包括表示所述电动机的各相的电枢的电阻值的参数、表示所述电动机的d轴电感的参数、表示所述电动机的q轴电感的参数、以及表示所述电动机内的永磁体的电枢交链磁通的参数。
4.如权利要求3所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述多个参数中包含的至少一个所述参数是表示所述电动机的物性值的温度依存性的信息。
所述虚拟电动机部基于所述d轴电压指令值及所述q轴电压指令值、所述多个参数和所述电动机的温度,模拟所述电动机的d轴电流值和q轴电流值。
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