CN1249077A - 感应电动机的控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种感应电动机的控制装置,具有通过脉冲宽度调制控制将直流电压变换成变频变压的交流的逆变器以及控制逆变器输出电压的控制装置,该控制装置根据由该逆变器驱动的感应电动机的一次电流中的励磁电流分量指令和转矩电流分量指令运算得出与所述各分量对应的电压分量指令,并根据由所述电压分量指令求出的调制率来控制逆变器的输出电压,其特征在于还具有:从感应电动机一次电流检测转矩电流分量的手段;根据该测出的转矩电流分量值与其指令值的偏差来修正所述转矩电流分量指令的手段;根据该修正的转矩电流分量指令修正所述逆变器的输出频率的手段;以及用规定值以上或任意条件限定所述调制率大小的手段。因此,不切换控制结构,就能对感应电动机从低速区至电压指令大小超过由直流电压决定的逆变器可输出最大电压(PWM脉冲方式为单脉冲区域)的高速区连续进行良好的矢量控制。

Description

感应电动机的控制装置及方法

技术领域

本发明涉及感应电动机的矢量控制，尤其涉及在频率高不能进行电压控制的区域也能进行矢量控制的感应电动机的控制装置及方法。

背景技术

对驱动铁路车辆用电力机车的感应电动机进行矢量控制的技术在日本发明专利公开1993年第83976号公报已有记载。另外，铁路车辆用电力机车一般在高速运行区，为了减少逆变器的开关损耗及最大限度利用直流电源电压，使用PWM脉冲方式为单脉冲方式的控制。但在日本第33次铁路的控制论利用国内研讨会论文集(1996年11月)第247-250页《应用矢量控制的车辆驱动系统》一文中，记载着在不能控制该电压大小的单脉冲方式中也进行矢量控制的技术。

在上述日本发明专利公开1993年第83976号公报记载的矢量控制中，除了根据励磁电流指令值与测出的励磁电流的偏差及转矩电流指令值与测出的转矩电流的偏差来修正矢量控制的2个电压指令信号的2个电流控制手段之外，还设有修正转差频率用的第3电流控制手段，由于控制结构变复杂，故存在用微机运算指令信号时运算时间变长的问题。另外在上述《应用矢量控制的车辆驱动系统》文献中，单脉冲方式必须附加磁通修正值运算，即附加进行减弱励磁的反馈。上述两种传统技术都必须对用单脉冲方式与用其它方式进行控制的控制系统进行切换。

另外，除了上述传统技术之外还有日本发明专利公开1990年第32788号公报。该公报记载的矢量控制的构成如图16所示，包括根据励磁电流及转矩电流的各分量运算电压指令的部分、对1次频率发出指令的电流控制系统以使转矩电流实际值变为转矩电流指令值的部分、以及从所获得的1次频率指令运算上述电压指令的部分。

但是，该公报记载的矢量控制存在的问题是，若PWM脉冲方式变为单脉冲、不能进行电压控制时，就不能进行矢量控制，对此的相应措施无任何说明。

本发明的目的在于，提供一种感应电动机的控制装置及方法，其在对感应电动机进行矢量控制时，能以更简单的控制结构，对从低速区至最大限度利用PWM逆变器的直流电源电压的、PWM脉冲数为单脉冲的高速区能连续进行良好的矢量控制，而不切换控制结构。

发明的公开

本发明的感应电动机的控制装置具有通过脉冲宽度调制控制将直流电压变换成变频变压的交流的逆变器以及控制逆变器输出电压的控制装置，该控制装置根据由该逆变器驱动的感应电动机的一次电流中的励磁电流分量指令和转矩电流分量指令运算得出与所述各分量对应的电压分量指令，并根据由所述电压分量指令求出的调制率(输出电压指令)来控制逆变器的输出电压，其特征在于还具有：从感应电动机一次电流检测转矩电流分量的手段；根据该测出的转矩电流分量值与其指令值的偏差来修正所述转矩电流分量指令的手段；根据该修正的转矩电流分量指令修正逆变器的输出频率的手段；用规定值以上或任意条件限定调制率大小的手段。

附图的简单说明

图1为示出本发明一实施例的控制装置的方框图。图2为图1中的调制率运算器的详细构成图。图3所示为本发明控制的模拟例子。图4所示为本发明控制的转矩响应模拟例子。

实施发明的最佳形态

以下用图1说明本发明的一实施例。在该图中，从直流电源11供给的直流通过滤波电容器13被滤波，供给作为电源变换器的脉冲宽度调制(以下称为PWM)逆变器1。

PWM逆变器1将作为电源的直流电压变换成3相交流电压，并将该交流电压供给感应电动机2。该感应电动机2则作为驱动源驱动电力机车行驶。

电流指令发生器产生励磁电流指令值Id^*及转矩电流指令值Iq^*。

电流控制器4根据转矩电流指令值Iq^*及后面将叙述的坐标变换器5的输出即转矩电流检测值Iq的偏差，生成修正后的转矩电流指令值Iq^**，该指令值Iq^**被输入电压指令运算器6及转差角频率运算器7。

转差角频率运算器7根据励磁电流指令值Iq^*及修正后的转矩电流指令值Iq^**，输出转差角频率指令值ωs^*。

电压指令运算器6根据励磁电流指令值Iq^*、修正后的转矩电流指令值Iq^**及后面将叙述的1次角频率指令值ω1^*，对供给感应电动机2的旋转磁场坐标系的2个电压分量的指令即Vd^*和Vq^*进行运算，并输出到极坐标变换器8。

极坐标变换器8将用Vd^*和Vq^*表示的电压矢量变换成电压矢量的大小V0及相位δ。

另一方面，由速度检测器16测出的感应电动机速度ωr在加法器17与转差角频率运算器7的输出即转差角频率指令值ωs^*相加，生成1次角频率指令值ω1^*。该1次角频率指令值ω1^*供给积分器18及电压指令运算器6。

积分器18对1次角频率指令值ω1^*进行积分，运算坐标基准信号θ。

坐标变换器5输入由检测PWM逆变器1的输出电流的电流检测器15u、15v、15w测出的逆变器输出电流iu、iv、iw，并按坐标基准信号θ变换成旋转磁场坐标系的励磁电流分量Id和转矩电流分量Iq，Iq输出到电流控制器4。

加法器19将积分器18的输出即坐标基准信号θ与极坐标变换器8的输出即电压矢量的相位δ相加，并输出θ’。

调制率运算器10根据对作为电源变换器的电源的直流电压VFC进行检测的电压检测器14输出的信号，限制作为极坐标变换器8的输出即电压矢量的大小V0，以使其不超出电源变换器能输出的最大电压，并输出调制率Vc。

在PWM信号运算器9，由调制率运算器10的输出Vc及加法器19的输出θ’产生通、断脉冲Su、Sv、Sw，供给PWM逆变器1。

下面详细说明上述各部分。

在坐标变换器5，根据式(1)从例如坐标基准信号θ及逆变器输出电流iu、iv、iw运算励磁电流分量Id和转矩电流分量Iq。 $\left[\begin{array}{cc}1& d\\ 1& q\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ -\sin \mathrm{\θ}& -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})& -\sin (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}i& u\\ i& v\\ i& u\end{array}\right]$

                                                         …(1)

作为电流控制器4例如使用比例、积分控制。式(2)为其一例。由此根据电流指令值Iq^*与转矩电流检测值Iq的偏差，输出修正后的电流指令值Iq^**。 ${\mathrm{Iq}}^{**}={\mathrm{Iq}}^{*}+(K1+\frac{K2}{s})({1q}^{*}-1q)----\left(2\right)$ 式中，K1、K2分别为比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。式(3)为电压指令运算器6的一个例子。 $\left[\begin{array}{cc}V& d^{*}\\ V& q^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}& r& 1& \\ L& 1& \mathrm{\ω}& 1^{*}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccccc}-& L& s& \mathrm{\σ}& \mathrm{\ω}& 1^{*}\\ & & r& 1& & \end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& d^{*}\\ 1& q^{**}\end{array}\right]\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$ 式中，r1为感应电动机2的1次电阻，Lsσ为漏电感，L1为1次电感。式(4)为转差角频率运算器7之一例。 ${\mathrm{\ωs}}^{*}=\frac{r2\·{\mathrm{Iq}}^{**}}{M\·I{d}^{*}}\·\·\·\·\·\·\left(4\right)$ 式中，r2为感应电动机2的2次电阻，M为互感。极坐标变换器8用式(5)、(6)表示。 $V0=\sqrt{{\mathrm{Vd}}^{*2}+{\mathrm{Vq}}^{*2}}\·\·\·\·\·\·\left(5\right)$ $\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{Vd}}^{*}}{{\mathrm{Vq}}^{*}}\right)\·\·\·\·\·\·\·\left(6\right)$

图2示出调制率运算器10之一例。通过除法器201，用滤波电容器电压VFC除极坐标变换器8的输出V0，其输出经系数乘法器202归一化成调制率Vc’，该值输入限幅器203。限幅器203使输出的调制率(电压指令)Vc相对输入的调制率Vc’不超出规定值。图2的构成用运算式表示则如式(7)所示。(P6) $\mathrm{Vc}=\min (\sqrt{\frac{2}{3}}\·\frac{\mathrm{\π}}{2}\·\frac{V0}{\mathrm{VFC}},1)\·\·\·\·\left(7\right)$

式中，调制率Vc经过了量程变换，使PWM逆变器输出电压为最大的单脉冲方式时的电压为1。min()为取最小值的函数，计算结果超过1时将Vc限制为1。从式(7)，V0的最大值V0max可写成式(8)。 $V0\max =\sqrt{\frac{3}{2}}\·\frac{2}{3}\·\mathrm{VFC}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

采用以上说明的图1及式(1)-(7)所示的控制结构，对低速区至能最大限度利用PWM逆变器1的直流电压的PWM单脉冲方式高速区都能进行良好的控制。

以下对上述构成中的动作进行说明。

先对电压指令值比由电源的直流电压决定的电源变换器可能输出的最大电压小的低速区的情况进行说明。极坐标变换器的输出V0因为比由调制率运算器10限制的电压V0max小，故Vc＜1。此时，PWM逆变器1输出的电压无误差，感应电动机2的参数与电压指令运算器6、转差角频率运算器7使用的参数一致，在这样的理想条件下，PWM逆变器1输出与电压指令值完全一致的电压。其结果，电流指令发生器3的输出Id^*和Iq^*与坐标变换器的输出Id和Iq完全一致，可进行矢量控制。实际上，由于PWM逆变器1的输出电压误差及感应电动机2的参数变动等，Id^*、Iq^*与Id、Iq之间会发生不一致，但在该情况下，通过电流控制器4进行控制，使Iq与Iq^*一致。例如，若考虑感应电动机的2次电阻r2比在转差角频率运算器7的运算中所使用的r2要大的情况，则因为转差角频率运算器7输出的转差角频率指令值ωs^*比本来应输出的值小，故感应电动机电流变小，Iq^*与Iq就不一致。此时，电流控制器4为了消除该不一致而工作，加大输出Iq^**。其结果，转差角频率指令值ωs^*变大，修正因参数发生变动引起的误差，所以，即使稍有参数误差，通过电流控制器4的工作，也能稳定地进行矢量控制。

接着对输出到感应电动机的电压在电源变换器的可输出最高电压以上(PWM的脉冲方式为单脉冲)的高速区时的情况进行说明。即使在感应电动机的参数无误差的理想条件下，极坐标变换器8输出的电压矢量指令值的大小V0也会比PWM逆变器1可能输出的最大电压V0max要大，在电压指令值与输出电压间会产生不一致。因此，电流指令发生器3的输出Id^*、Iq^*就会与坐标变换器5的输出Id、Iq不一致。

为了解决该条件下存在的问题而添加了调制率运算器9。

该运算器9当如图2所示运算出的电压指令Vc’比可输出的最大电压V0max大时，即用该值进行限制，并将该限制后的值作为逆变器的调制率(输出电压指令)Vc加以输出。

在以往的矢量控制中必须将相当于Vc’与V0max的差分的量进行反馈。例如，在上述《应用矢量控制的车辆驱动系统》文献中，要进行调整以使作为电流指令发生器3的输出的励磁电流指令值Id^*减小(在本发明的动作说明中，将这样对Id^*经过调整后进行矢量控制时的励磁电流指令值称为Id^**)。

但本发明不必进行如上所述的反馈就能进行矢量控制，这是很大的特点。就这一特点，以下详细说明控制原理。

图1中的电流控制器4在上述那样的低速区，对参数变动进行补偿是主要功能，而在高速区，该控制器进行工作，以使因上述的电压不一致导致的Iq*与Iq的误差消除而一致。

例如，若Vc’比V0max大，则相应于其差值，电流控制器4的输出Id^**比Id^*大。其结果是，在控制的平衡状态，电流控制器4的输出Iq^**与电流指令发生器3的输出Id^*之比即Iq^**/Id^*与原来进行矢量控制时的比即Iq^*/Id^**相等。此时转差角频率运算器7的输出即转差角频率指令值ωs^*从式(4)可知，与进行矢量控制时相等，并且在加法器17和积分器18从ωs^*运算出的坐标基准信号θ也相等。同样地，在控制达到平衡状态前的时间内，可以将感应电动机2的速度ωr看作不变化的，这样来决定电流控制器4的响应时间，因而电压指令运算器6的输出Vd^*、Vq^*之比Vq^*/Vd^*也与式(3)无变化。

因此，根据式(6)的极坐标变换器8的输出δ也与原来进行矢量控制时相等。其结果，加法器19运算出的θ’也相等，因此，感应电动机2上被施加与进行通常的矢量控制时完全相同的电压，坐标变换器5作为理想状态下的输出Id、Iq，将输出与进行通常的矢量控制时的值相等的Id^**及Iq^*。电流控制器4因为含有积分环节，所以，即使输入Iq^*与Iq相等，Iq^**也以比Iq^*大的值，呈平衡状态。

即，即使在极坐标变换器8的输出V0比PWM逆变器1输出的电压的最大值V0max大时，根据本发明，由于电流控制器4的作用，不调整电流指令发生器3，也与自动进行使励磁电流指令值下降的矢量控制时完全等效。换言之，一旦PWM逆变器的输出电压固定在能输出的最大电压，即自动进行减弱励磁控制。此外，该控制在电源的直流电压发生变动时，也由于上述控制系统的作用，其影响被自动修正，在稳定状态下，始终控制成转矩电流Iq与转矩电流指令值Iq^*一致。

图3是对图1的控制系统的动作从感应电动机的静止状态至逆变器输出电压达到最大值、电压达到稳定的区域为止的模拟图。图3(a)示出对于时间t的感应电动机速度ωr的变化，表明感应电动机随时间而加速。图3(b)示出对极坐标变换器8的输出V0进行量程变换而变换成与调制率Vc相同量程的Vc’及调制率运算器10的输出Vc随时间发生的变化。在18秒附近，Vc’被限幅器203限制住，此后Vc(PWM逆变器能输出的最大电压)固定在1。图3(c)示出坐标变换器5的输出Id、Iq及电流指令发生器3的输出Id^*、电流控制器4的输出Iq^*随时间发生的变化。此时设来自电流指令发生器3的输出Id^*和Iq^*始终一定。可以看出，在电压被限制之前，Id与Id^*及Iq与Iq^**是一致的，但在电压变为一定的时刻之后，Iq^**由于电流控制器4的作用，随感应电动机速度的增大而变大。另一方面，电压达到一定的时刻之后的Id相对Id^*渐渐变小。即，进行减弱励磁控制。

另外，在图中未示出的是，Iq^*通过电流控制器4的作用，发出与Iq一致的一定的指令值，而Id^*的指令值也设定为一定。

图3(d)示出感应电动机转矩随时间发生的变化，因为在电压受到限制的时刻之前，转矩电流指令值Iq^*及励磁电流指令值Id^*是一定的，故转矩也一定。在电压限制时刻之后，因为即使指令值一定，供给感应电动机的电压也被限制，故按减弱励磁进行的程度，转矩自动地相应下降。就这样可知，基于上述控制原理的控制动作经过模拟也得到确认，可实现从低速至高速连续的矢量控制。

以下从不同的角度证明本实施例中的矢量控制。图4示出在电压一定区域(图3的25秒附近)的转矩响应模拟之一例。在该图中，对于转矩指令值Tref的变化，感应电动机的转矩T的响应虽然有稍许过渡性振动，但除此之外，T对于Tref响应迅速，由此可知，利用本实施例可以进行矢量控制。另外，上述发生的过渡性振动，通过将电流控制器4的控制常数设定成与作为控制对象的感应电动机的常数相适应的最佳值，能使其降低。

如上所述，若采用本实施例，只要用控制转矩电流的1个电流控制器和调制率运算器，不改变控制结构，就能在低速区至电压指令的大小超过由直流电压决定的逆变器可能输出的最大电压(PWM脉冲方式为单脉冲的区域)的高速区，对感应电动机连续进行矢量控制，尤其在电压脉冲为单脉冲的高速区，转矩也能迅速响应。

此外，因为如图2所示，随着直流电源电压VFC的变动，对调制率Vc自动进行修正，所以能不受到直流电源电压变动的影响，完全按指令值控制逆变器的输出。

还有，在上述实施例中，对将电压限幅器的限制值设定为电源变换器的可输出最大电压的情况进行了叙述，但电压限幅器的限制值也可以设定为欲开始进行减弱励磁控制的任意的电压，从该任意的点起执行减弱励磁控制。因此，只要改变该设定值，能就进行减弱励磁控制，因此不必特地预先准备传统的励磁电流指令Id^*的减弱励磁模式，可以简化控制结构。

另外在本实施例中，仅对转矩电流设置电流控制器，但在电压指令值比由电源的直流电压决定的电源变换器的可输出最大电压还小的低速区，也可以对励磁电流和转矩电流都设置电流控制器。只是在极坐标运算器8的输出V0比可输出最大电压V0max还大时，必须切换控制，以使励磁电流的电流控制器不动作。这是因为，从图3也可清楚，此时作为电流指令发生器3的输出即励磁电流指令值Id^*与作为坐标变换器5的输出即励磁电流检测值Id未必是一致的，所以，若加入根据Id^*与Id的偏差使正常偏差为0的具有积分环节的电流控制器，本发明的控制就不能成立。

产业上应用的可能性

若采用本发明，不切换控制结构，就能对感应电动机从低速区至电压指令(调制率)的大小超过由直流电压决定的逆变器可输出最大电压(PWM脉冲方式为单脉冲区)的高速区连续进行良好的矢量控制。因此，本发明当然可以应用于要求有一定转矩响应特性的铁路电力机车的控制，也可以应用于在道路上行驶的电动汽车。

Claims (6)

1.一种感应电动机的控制装置，具有通过脉冲宽度调制控制将直流电压变换成变频变压的交流的逆变器以及控制逆变器输出电压的控制装置，该控制装置根据由该逆变器驱动的感应电动机的一次电流中的励磁电流分量指令和转矩电流分量指令运算得出与所述各分量对应的电压分量指令，并根据由所述电压分量指令求出的调制率(输出电压指令)来控制所述逆变器的输出电压，其特征在于，还具有：

从所述感应电动机一次电流检测转矩电流分量的手段；根据该测出的转矩电流分量值与其指令值的偏差来修正所述转矩电流分量指令的手段；根据该修正的转矩电流分量指令修正所述逆变器的输出频率的手段；用规定值以上或任意条件限定所述调制率大小的手段。

2.根据权利要求1所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，所述调制率根据测出的所述直流电压的大小进行归一化处理。

3.根据权利要求1所述的感应电动机析控制装置，其特征在于，所述调制率的大小在所述规定值以上被限制的期间，从产生规定的值的指令发生手段输出所述励磁电流分量指令。

4.根据权利要求1所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，限制所述调制率大小的所述规定值设定为由所述直流电压决定的所述逆变器的可输出最大电压。

5.根据权利要求1所述的感应电动机的控制装置，其特征在于，限制所述调制率大小的所述任意的条件为，所述逆变器输出的相电压半周期期间内的脉冲数为单脉冲。

6.一种感应电动机的控制方法，该方法利用将直流电压变换成变频变压及恒压变频的交流的逆变器来控制感应电动机，根据该感应电动机的一次电流中的励磁电流分量指令和转矩电流分量指令运算出与所述各分量对应的电压分量指令，并根据由所述电压分量指令求出的调制率(输出电压指令)，控制所述逆变器的输出电压，其特征在于，

从所述变频变压的控制变为所述恒压变频的控制之后，将所述调制率限制在规定值，并且随着所述逆变器输出频率的增加，增加所述转矩电流分量指令。

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