CN1274987A - 与感应电动机一起使用的变速控制装置 - Google Patents

Abstract

一种变速控制装置包括电压指令值计算电路、用于从初级角频率指令值计算相角指令值的积分器、用于根据基于交流电压指令值和相角指令值上的交流电压特性值矢量来执行功率转换的功率转换电路、电流检测器、感应电压计算电路、位置偏差量计算电路、以及补偿器。结果,变速控制装置的坐标轴和感应电动机的坐标轴之间的轴向差减小为“0”,从而提高电动机的效率。

Description

与感应电动机一起使用的变速控制装置

本发明涉及变速控制装置，其通过使用初级角频率指令值和次级磁通指令值来计算AC(交流)电压指令值，并通过将该电压指令值提供到功率转换电路如逆变器等来驱动感应电动机。

图1是表示与感应电动机一起使用的常规变速控制装置整体的方框图。

在该图中，电压指令值计算电路4根据初级角频率指令值ω₁ ^*和次级磁通指令值φ₂ ^*来计算旋转坐标系(d-q轴)中的电压指令值v_1d ^*和v_1q ^*，并输出计算值，其中初级角频率指令值ω₁ ^*和次级磁通指令值φ₂ ^*是指令值产生电路3的输出。接着，积分器5计算相角指令值θ^*，其中ω₁ ^*输入到积分器5中。

在此，假定旋转坐标系以等于初级角频率指令值ω₁ ^*的角速度旋转，其d轴是匹配相角指令值θ^*方向的坐标轴，而其q轴是与d轴正交的坐标轴。

坐标变换电路7根据相角指令值θ^*执行旋转坐标变换并输出交流电压指令值矢量v₁ ^*，其中电压指令值v_1d ^*和v_1q ^*输入到坐标变换电路7中。功率转换电路1如逆变器等根据交流电压指令值矢量v₁ ^*输出每相的交流电压，并驱动感应电动机2。

在上述的常规变速控制装置中，根据相角指令值θ^*的方向确定的次级磁通指令值φ₂ ^*和感应电动机2中出现的次级磁通之间往往存在偏差，这是由于电压指令值计算电路4中的计算误差、功率转换电路1输出的交流电压输出指令值和实际值之间的误差、或类似误差所产生的。

结果，不能产生根据一个指令值的磁通，这导致所产生力矩或电动机的效率等下降。

本发明的一个目的是提供一种与感应电动机一起使用的变速控制装置，其包括用来补偿次级磁通指令值和感应电动机中实际出现的次级磁通之间的偏差的装置，根据指令值产生次级磁通来实现满意的控制，以及能产生期望的力矩并能提高电动机的效率，从而克服上述问题。

本发明的变速控制装置与感应电动机一起使用，并被构造为包括电压指令值计算单元、积分单元、功率转换电路、电流检测单元、电压检测单元、感应电压计算单元、位置偏差量计算单元、以及补偿单元。

在本发明的第一方面中，电压指令值计算单元通过使用初级角频率指令值和次级磁通指令值来计算d-q轴旋转坐标系上的交流电压指令值，该d-q轴旋转坐标系以等于初级角频率指令值的角速度旋转。积分单元通过积分初级角频率指令值来计算相角指令值。功率转换电路根据从交流电压指令值和相角指令值获得的交流电压指令值来执行功率转换，并将交流电压提供到感应电动机上。电流检测单元检测感应电动机的电流。感应电压计算单元从交流电压指令值矢量、电流检测单元的输出、第一初级角频率指令值、以及电动机常量来计算感应电动机的感应电压矢量的d轴分量。位置偏差量计算单元计算感应电动机次级磁通的坐标轴和次级磁通指令值的坐标轴作为位置偏差量，该位置偏差量是初级角频率的补偿量。补偿单元通过将位置偏差量补偿到第一初级角频率指令值来产生第二初级角频率指令值，第二初级角频率指令值被提供到电压指令值计算单元和积分单元。

在本发明的第二方面中，电压指令值计算单元通过使用初级角频率指令值和次级磁通指令值来计算d-q轴旋转坐标系上的交流电压指令值，该d-q轴旋转坐标系以等于初级角频率指令值的角速度旋转。积分单元通过积分初级角频率指令值来计算相角指令值。功率转换电路根据从交流电压指令值和相角指令值获得的交流电压指令值矢量来执行功率转换，并将交流电压提供到感应电动机上。电流检测单元检测感应电动机的电流。电压检测单元检测感应电动机的端电压。感应电压计算单元从电压检测单元的输出、电流检测单元的输出、第一初级角频率指令值、以及电动机常量来计算感应电动机的感应电压矢量的d轴分量。位置偏差量计算单元计算感应电动机次级磁通的坐标轴和从感应电压计算单元的计算结果得到的次级磁通指令值的坐标轴作为位置偏差量，该位置偏差量是初级角频率的补偿量。补偿单元通过将位置偏差量补偿到第一初级角频率指令值来产生第二初级角频率指令值，第二初级角频率指令值被提供到电压指令值计算单元和积分单元。

图1是表示与感应电动机一起使用的常规变速控制装置整体的方框图；

图2是表示感应电压和磁通之间关系的矢量图；

图3是表示本发明第一优选实施例结构的方框图；

图4是表示本发明第二优选实施例结构的方框图；

图5是表示本发明第三优选实施例结构的方框图；以及

图6是表示本发明第四优选实施例结构的方框图。

下面，参考附图来描述本发明的优选实施例。

首先，在d-q轴旋转坐标系中得出的感应电动机电压的等式可用下面的表达式1来表示。

[表达式1]

其中v_1d是初级电压的d轴分量，v_1q是初级电压的q轴分量，i_1d是初级电流的d轴分量，i_1q是初级电流的q轴分量，φ_2d是次级磁通的d轴分量，φ_2q是次级磁通的q轴分量，R₁是初级(定子)绕组的电阻，R₂是次级(转子)导体的电阻，Lσ是漏电感，ω₁是初级角频率，ω₂是次级(转子)角频率，τ₂是次级时间常数，以及p是微分算子(＝d/dt)。

在此考虑这种情况，即变速控制装置中用于表达式1的计算中的电压、电流以及电动机常量和可控感应电动机的电压、电流以及电动机常量之间没有误差。此时，感应电动机的次级磁通φ₂的方向和变速控制装置的次级磁通指令值φ₂ ^*之间没有偏差。

如果给出初级角频率指令值ω₁ ^*和次级磁通指令值φ₂ ^*，将φ_2d＝φ₂ ^*，φ_2q＝0，以及ω₁＝ω₁ ^*置于表达式(1)中。初级电压指令值的d轴分量v_1d ^*和q轴分量v_1q ^*可用表达式2来表示。

[表达式2]

v_1d ^*＝(R₁+pLσ)i_1d-ω₁ ^*Lσi_1q

v_1q ^*＝ω₁ ^*φ₂ ^*+(R₁+pLσ)i_1q+ω₁ ^*Lσi_1d

下面考虑的是感应电动机的次级电路的感应电压矢量e₂＝(e_2d，e_2q)^T(下文称作感应电压，()^T表示矩阵()的转置矩阵)。

通过变换上述表达式1的第一和第二行，感应电压的d轴分量e_2d和q轴分量e_2q可用表达式(3)来表示。这里，从输入到功率转换电路的交流指令值矢量v₁ ^*或感应电动机的端电压检测值得到表达式3中的v_1d和v_1q。

[表达式3]

e_2d＝pφ_2d-ω₁φ_2q＝v_1d-(R₁+pLσ)i_1d+ω₁Lσi_1q

e_2q＝ω₁φ_2d+Pφ_2q＝v_2q-(R₁+pLσ)i_1q+ω₁Lσi_1d

接着考虑上述由于交流电压指令值的计算误差或类似误差引起的感应电动机的次级磁通φ₂的方向和变速控制装置的次级磁通指令值φ₂ ^*之间存在偏差的情况。

图2是表示感应电压e₂和次级磁通φ₂之间关系的矢量图。

在该图中，d-q轴是用于变速装置内部计算的坐标轴，而d_m-q_m轴是基于感应电动机的次级磁通φ₂的坐标轴。

由于感应电压e₂与次级磁通φ₂正交，所以，如果变速控制装置的坐标轴(d-q轴)和感应电动机的坐标轴(d_m-q_m轴)之间没有偏差，那么感应电压e₂的d轴分量e_2d为“0”。如果存在偏差，那么e_2d≠0。

此外，假设轴向偏差角为Δθ，如图2中所示，Δθ和e_2d的符号具有表达式4所表示的关系，其取决于初级角频率指令值ω₁ ^*的(正/负)符号。

[表达式4]

设ω₁ ^*≥0。

      当Δθ＞0，e_2d＞0

    当Δθ＜0，e_2d＜0

设ω₁ ^*＜0.

      当Δθ＞0，e_2d＜0

    当Δθ＜0，e_2d＞0

相应地，执行比例操作或比例积分操作，其将感应电压e₂的d轴分量e_2d用作输入，通过将第一(最初)初级角频率指令值ω₁ ^*的符号数据加到操作结果中而获得的信号(位置偏差量)Δω₁来补偿第一初级角频率指令值ω₁ ^*，其结果被用作第二初级角频率指令值ω₁ ^**输入到电压指令值计算和相角指令值计算中，从而实现将轴向偏差角Δθ减小到“0”的操作。

表达式5和6是信号Δω₁和第二初级角频率指令值ω₁ ^**的计算表达式。这是通过将e_2d用作输入来执行比例积分操作的一个例子。在表达式5中，sgn(ω₁ ^*)是ω₁ ^*的符号数据。当ω₁ ^*≥0，sgn(ω₁ ^*)＝1。当ω₁ ^*＜0，sgn(ω₁ ^*)＝-1。另外，Kp是比例增益，以及T_I是积分时间常数。

[表达式5]

Δω₁＝sgn(ω₁ ^*)·Kp{e_2d+(1/T_I)∫e_2ddt}

[表达式6]

ω₁ ^**＝ω₁ ^*-Δω₁

如上所述，本发明注意到：如果变速控制装置的坐标轴和感应电动机的坐标轴之间存在轴向偏差，以及如果感应电动机的次级磁通φ₂的方向和变速控制装置的次级磁通指令值φ₂ ^*之间存在偏差，那么感应电压e₂的d轴分量e_2d不为“0”，本发明目的在于调整初级角频率指令值以将轴向偏差角减小到“0”。

也就是说，权利要求1中所述的本发明包括电压指令值计算单元，用于通过使用初级角频率指令值和次级磁通指令值来计算d-q轴旋转坐标系上的交流电压指令值，该d-q轴旋转坐标系以等于初级角频率指令值的角速度旋转；积分单元，用于通过积分初级角频率指令值来计算相角指令值；功率转换电路，用于根据从交流电压指令值和相角指令值获得的交流电压指令值矢量来执行功率转换，并将交流电压提供到感应电动机上；用于检测感应电动机电流的电流检测单元；感应电压计算单元，用于根据交流电压指令值矢量、电流检测单元的输出、第一初级角频率指令值、以及电动机常量来计算感应电动机的感应电压矢量的d轴分量(该轴分量的方向与相角指令值的方向相同)；位置偏差量计算单元，用于计算感应电动机次级磁通的坐标轴和次级磁通指令值的坐标轴之间的轴向偏差作为位置偏差量，该位置偏差量是初级角频率的补偿量；以及补偿单元，用于通过将位置偏差量补偿到第一初级角频率指令值来产生第二初级角频率指令值，第二初级角频率指令值被提供到电压指令值计算单元和积分单元。

根据权利要求2所述的本发明，上述感应电压计算单元根据感应电动机的端电压检测单元的输出、电流检测单元的输出、第一角初级角频率指令值、和电动机常量来计算权利要求1所述的变速控制装置中的感应电压矢量的d轴分量。

根据权利要求3所述的本发明，上述位置偏差量计算单元通过将感应电压矢量的d轴分量用作输入来执行比例操作，并通过将操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算权利要求1所述的变速控制装置中的位置偏差量。

根据权利要求4所述的本发明，上述位置偏差量计算单元通过将感应电压矢量的d轴分量用作输入来执行比例积分操作，并通过将操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算权利要求1所述的变速控制装置中的位置偏差量。

根据权利要求5所述的本发明，上述位置偏差量计算单元通过将感应电压矢量的d轴分量用作输入来执行比例操作，并通过将操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算权利要求2所述的变速控制装置中的位置偏差量。

根据权利要求6所述的本发明，上述位置偏差量计算单元通过将感应电压矢量的d轴分量来执行比例积分操作，并通过将操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算权利要求2所述的变速控制装置中的位置偏差量。

下面，参考附图进一步详细描述本发明的优选实施例。

图3是表示本发明第一优选实施例结构的方框图。与图1中所示的相同部件用相同的标号来表示。下面主要描述不同部分。

在图3中，指令值产生电路3输出初级角频率指令值ω₁ ^*(第一角频率指令值ω₁ ^*)和次级磁通指令值φ₂ ^*。初级角频率指令值ω₁ ^*输入到通过加法器实现的补偿器12中，在那里减去从位置偏差量计算单元11获得的位置偏差量Δω₁(后面将要描述)，以及输出第二初级角频率指令值ω₁ ^**。电压指令值计算电路4通过将ω₁ ^**和φ₂ ^*用作输入来计算d-q轴上的电压指令值v_1d ^*和v_1q ^*。积分器5通过积分ω₁ ^*来计算相角指令值θ^*。坐标变换电路7根据v_1d ^*和v_1q ^*的θ^*执行坐标变换，并计算交流电压指令值矢量v₁ ^*。功率转换电路1如逆变器等根据该矢量v₁ ^*产生每相的交流电压，并驱动感应电动机2。

感应电压计算电路10根据上述表达式3通过将交流电压指令值矢量v₁ ^*和从电流检测器6得到的电流检测值i₁用作输入来计算感应电动机2的感应电压e₂的d轴分量e_2d。

该d轴分量e_2d和第一初级角频率指令值ω₁ ^*被输入到位置偏差量计算电路11中，其通过应用上述表达式5来计算位置偏差量Δω₁。该位置偏差量Δω₁被输入到具有如图3中所示符号(任一个符号)的补偿器12中，并从第一初级角频率指令值ω₁ ^*中被减去，从而计算第二初级角频率指令值ω₁ ^**。

结果，如等式4所表示的，根据感应电压e₂的d轴分量e_2d和第一初级角频率指令值ω₁ ^*的符号，能够实现将轴向偏差角Δθ减小到“0”的控制，从而变速控制装置的坐标轴(d-q轴)和感应电动机的坐标轴(d_m-q_m轴)在一条直线上。

图4是表示本发明第二优选实施例结构的方框图。

在该优选实施例中，从电压检测器9得到的端电压检测值v₁用于替代图3中所示的交流电压指令值矢量v₁ ^*，以在感应电压计算电路10中计算感应电压e₂的d轴分量e_2d，并且保持其结构与图3中所示的相似。

由于在此优选实施例中执行的主要操作与图3中所示的相同，所以为了避免重复在此省略其描述。

图5说明本发明第三优选实施例的主要部分，以及表示了图3或4中所示的位置偏差量计算电路11的结构。

位置偏差量计算电路11由P(比例)调整器20、符号计算电路22、以及将P调整器20的输出和符号计算电路22输出相乘的乘法器构成，感应电压e₂的d轴分量e_2d输入到P调整器20中，第一初级角频率指令值ω₁ ^*输入到符号计算电路22中。如上所述，当ω₁ ^*≥0时，符号计算电路22输出的符号数据sgn(ω₁ ^*)为“1”，而当ω₁ ^*＜0时，输出的符号数据sgn(ω₁ ^*)为“-1”。

乘法器21根据下面表达式7的计算来计算位置偏差量Δω₁，并将位置偏差量Δω₁用于第一初级角频率指令值ω₁ ^*的补偿。

[表达式7]

Δω₁＝sgn(ω₁ ^*)·Kp·e_2d

图6表示本发明第四优选实施例的主要部分，以及说明了位置偏差量计算电路11A包括PI(比例积分)调整器20A的结构。

在该优选实施例中位置偏差量Δω₁的计算由表达式5表示，以及根据表达式5计算的位置偏差量Δω₁从乘法器21输出。

如上所述，根据本发明，如果存在轴向偏差的话，应关注感应电压矢量的d轴分量，以及通过将位置偏差量补偿到第一初级角频率指令值产生第二初级角频率指令值，位置偏差量通过使用d轴分量和第一初级角频率指令值的符号用比例操作或比例积分操作来获得，从而变速控制装置和感应电动机之间的轴向偏差角减小为“0”，感应电动机根据指令值产生磁通或力矩来实现高效地可控变速。

Claims (6)

1.与感应电动机一起使用的变速控制装置，包括：

电压指令值计算装置，用于通过使用初级角频率指令值和次级磁通指令值来计算d-q轴旋转坐标系上的交流电压指令值，该d-q轴旋转坐标系以等于初级角频率指令值的角速度旋转；

积分装置，用于通过积分初级角频率指令值来计算相角指令值；

功率转换电路，用于根据从交流电压指令值和相角指令值获得的交流电压指令值来执行功率转换，并将交流电压提供到感应电动机上；

电流检测装置，用于检测感应电动机的电流；

感应电压计算装置，用于根据交流电压指令值矢量、所述电流检测装置的输出、第一初级角频率指令值、以及电动机常量来计算感应电动机的感应电压矢量的d轴分量；

位置偏差量计算装置，用于计算感应电动机次级磁通的坐标轴和从所述感应电压计算装置的计算结果得到的次级磁通指令值的坐标轴之间的轴向偏差作为位置偏差量，该位置偏差量是初级角频率的补偿量；以及

补偿装置，用于通过将位置偏差量补偿到第一初级角频率指令值来产生第二初级角频率指令值，第二初级角频率指令值被提供到所述电压指令值计算装置和所述积分装置中。

2.与感应电动机一起使用的变速控制装置，包括：

电压指令值计算装置，用于通过使用初级角频率指令值和次级磁通指令值来计算d-q轴旋转坐标系上的交流电压指令值，该d-q轴旋转坐标系以等于初级角频率指令值的角速度旋转；

积分装置，用于通过积分初级角频率指令值来计算相角指令值；

功率转换电路，用于根据从交流电压指令值和相角指令值获得的交流电压指令值矢量来执行功率转换，并将交流电压提供到感应电动机上；

电流检测装置，用于检测感应电动机的电流；

电压检测装置，用于检测感应电动机的电压；

感应电压计算装置，用于从所述电压检测装置的输出、所述电流检测装置的输出、第一初级角频率指令值、以及电动机常量来计算感应电动机的感应电压矢量的d轴分量；

位置偏差量计算装置，用于计算感应电动机次级磁通的坐标轴和从所述感应电压计算装置的计算结果得到的次级磁通指令值的坐标轴之间的轴向偏差；以及

补偿装置，用于通过将位置偏差量补偿到第一初级角频率指令值来产生第二初级角频率指令值，第二初级角频率指令值被提供到所述电压指令值计算装置和所述积分装置中。

3.根据权利要求1的变速控制装置，其中

所述位置偏差量计算装置通过使用d轴分量用作输入来执行比例操作，并通过将比例操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算位置偏差量。

4.根据权利要求1的变速控制装置，其中

所述位置偏差量计算装置通过使用d轴分量用作输入来执行比例积分操作，并通过将比例积分操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算位置偏差量。

5.根据权利要求2的变速控制装置，其中

所述位置偏差量计算装置通过使用d轴分量用作输入来执行比例操作，并通过将比例操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算位置偏差量。

6.根据权利要求2的变速控制装置，其中

所述位置偏差量计算装置通过使用d轴分量用作输入来执行比例积分操作，并通过将比例积分操作结果和第一初级角频率指令值的符号数据相乘来计算位置偏差量。

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