CN1926757A - 永磁式同步电动机的控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的永磁式同步电动机的控制装置具有：逆变器(9)，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步电动机(14)；速度控制器(22)，其基于速度偏差信号，产生与电动机(14)的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；损耗运算部(50)，其根据电动机(14)的铜损值和铁损值的和求出损耗值；d轴电流发生器(52)，其基于从电动机(14)的额定损耗值中减去损耗值的值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及电阻接通判断部(58)，其基于直流电压，判断电动机(14)是否为再生状态，同时在为再生状态的情况下，使d轴电流发生器(52)动作。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁式同步电动机的控制装置，其可以在考虑电动机负载状态的同时由电动机消耗再生电力。
背景技术
现有的永磁式同步电动机控制装置中，如特开2001-95300号公报中记载那样，公开了如下技术：即，一种永磁式同步电动机的控制装置，其具有：逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压；永磁式同步电动机，其由所述逆变器供电；速度指令装置，其产生所述电动机的速度指令；速度控制装置，其以使所述电动机的速度追踪所述速度指令的方式产生扭矩指令；q轴电流指令装置，其基于所述扭矩指令，产生与所述电动机的磁场成直角方向的电流成分(q轴电流成分)的指令；d轴电流指令装置，其产生与所述电动机的磁场相同方向的电流成分(d轴电流成分)的指令；以及以使对应于所述q轴电流成分和d轴电流成分的各个指令值的电流流过所述电动机的方式，控制所述逆变器的装置，其中，根据所述电动机的动力运转状态或再生运转状态，切换所述d轴电流指令装置中的所述d轴电流成分的指令值。
由于以使得来自永磁式同步电动机的发电电力不在逆变器的直流电压侧再生的方式，对与电动机的磁场相同方向的电流成分(d轴电流成分)进行控制，所以可以不使用由电阻和开关元件等构成的再生电力消耗用的电路，而抑制再生电力引起的直流电压的增加。其结果，可以小型且经济地构筑控制系统整体。此外，在永磁式同步电动机的运转状态成为再生的区域，为了使由电动机产生的再生电力在电动机的内部消耗，可以通过根据电动机的发电电力或者根据输入至逆变器的直流电压，产生与电动机的磁场相同方向的电流成分(d轴电流成分)，来抑制逆变器的输入侧直流电压的上升。
但是，现有的永磁式同步电动机的控制装置，如果使d轴电流无限制地流过，则电动机的铜损增大而电动机的温度超过允许值，存在电动机的负载过于增大的问题。
发明内容
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供一种永磁式同步电动机的控制装置，在其中流过根据电动机消耗的允许损耗确定的d轴电流。
本发明所涉及的永磁式同步电动机的控制装置的特征在于，具有：逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步型的电动机；q轴电流指令单元，其基于速度指令信号，生成与所述电动机的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；损耗计算单元，其根据所述电动机的铜损值和铁损值的和，求出损耗值；d轴电流发生单元，其基于从所述电动机的额定损耗值中减去所述损耗值后的值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及控制单元，其基于所述直流电压判断所述电动机是否为再生状态，如果是再生状态，则使所述d轴电流发生单元动作。
根据本发明，由于求出电动机目前产生的损耗，在电动机中流过从额定损耗中减去该损耗后的电动机中可以消耗的d轴电流，所以具有可以在防止电动机的过载的同时由电动机的内部消耗再生电力的效果。
本发明所涉及的永磁式同步电动机的控制装置的特征在于，具有：逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步型的电动机；q轴电流指令单元，其基于速度指令信号，生成与所述电动机的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；d轴电流发生单元，其生成与所述电动机的磁场相同方向的d轴电流指令信号；存储单元，其储存被输入的所述电动机的绕组电阻值、磁通常数值、额定损耗值；电流检测单元，其检测所述电动机中流过的电流，生成电流检测信号；位置检测单元，其检测所述电动机的旋转位置，生成位置检测信号；运算单元，其根据所述电流检测信号和所述绕组电阻值求出铜损值，同时根据所述位置检测信号和所述磁通常数值求出铁损值，并求出该铁损值和所述铜损值的和即损耗值；d轴电流发生单元，其基于从所述额定损耗值中减去所述损耗值后的值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及控制单元，其基于所述直流电压，判断所述电动机是否为再生状态，如果是再生状态，则使所述d轴电流发生单元动作。
根据本发明，由于求出电动机目前产生的损耗，使电动机中流过从额定损耗中减去该损耗后的电动机中可以消耗的d轴电流，所以可以在防止电动机的过载的同时由电动机的内部消耗再生电力，并且可以容易地求出电动机目前产生的损耗。
本发明所涉及的永磁式同步电动机的控制装置的特征在于，具有：逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步型的电动机；q轴电流指令单元，其基于速度指令信号，生成与所述电动机的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；d轴电流发生单元，其生成与所述电动机的磁场相同方向的d轴电流指令信号；存储单元，其储存被输入的所述电动机的绕组电阻值、磁通常数值、额定损耗值、热时常数；电流检测单元，其检测所述电动机中流过的电流，生成电流检测信号；位置检测单元，其检测所述电动机的旋转位置，生成位置检测信号；铁损运算单元，其根据所述电流检测信号和所述电阻值求出铜损值，同时根据所述位置检测信号和所述磁通常数求出铁损值，并求出作为该铁损值和所述铜损值的和的损耗值；推定单元，其根据所述损耗值和所述热时常数，推定所述电动机的绕组温度上升值；d轴电流发生单元，其基于所述温度上升值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及控制单元，其基于所述直流电压，判断所述电动机是否为再生状态，在是再生状态，则使所述d轴电流发生单元动作。
根据本发明，根据电动机的损耗推定电动机的绕组温度上升值，在电动机中流过电动机可以消耗的d轴电流。因此，可以在抑制电动机温度上升的同时由电动机内部消耗再生电力。
此外，优选具有d轴电流抑制单元，其基于所述逆变器可以流过的最大电流，对所述d轴电流指令信号进行限制。
根据该结构，由于在逆变器可以流过的最大电流的范围内，在电动机中流过d轴电流，所以可以防止逆变器的过载。
此外，优选具有：再生消耗单元，其为将电阻和开关元件与所述直流电压连接而成；以及动作单元，其判断所述直流电压是否超过预先规定的阈值，在超过的情况下，使所述开关元件动作。
根据该结构，由于在由电动机内部不能完全消耗再生电力的情况下，使开关元件接通而由电阻消耗再生电力，所以具有可以减小该开关元件、电阻的容量的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施例的永磁式同步电动机的控制装置的整体框图。
图2是以图1所示的控制部为中心的框图。
图3是图2所示的损耗运算部的详细框图。
图4是图2所示的d轴电流调整器的特性曲线图。
图5是另一实施例的以图1所示的控制部为中心的框图。
图6是另一实施例的求取电动机的绕组温度上升的框图。
具体实施方式
实施例1
根据图1至图3说明本发明的一个实施例。图1是一个实施例的电动机控制装置的整体框图，图2是图1所示的控制部的详细框图，图3是图2所示的损耗运算部的详细框图。
在图1至图3中，电动机的控制装置具有：功率变换器10；控制部100；电流检测器(电流检测单元)12，其检测电动机14中流过的电流，将电流检测信号is输入至控制部100；以及作为位置检测单元的编码器41，其检测电动机14的旋转位置，将位置检测信号θs输入至控制部100，并且，将由速度控制部150生成的速度指令信号Nr输入至控制部100。
功率变换器10中具有：变换器2，其将三相交流电源变换为直流；电容器4，其使变换器2的具有脉动成分的直流输出电压平滑；逆变器9，其将直流电压变换为三相交流电压，驱动永磁式同步型的电动机14；电阻6，其消耗将由电动机14产生的再生电力通过逆变器9充电到电容器4中的再生电力；以及作为开关元件的晶体管8，其对流过电阻6的电流进行通断控制。
在图2中，控制部100具有：微分器45，其对编码器41的位置检测信号θs进行微分，获得速度检测信号Ns；减法器20，其求出速度指令信号Nr和速度检测信号Ns之间的差即速度偏差信号Ne；作为q轴电流指令单元的速度控制器22，其输入速度偏差信号Ne，获得q轴电流指令信号iqr；坐标变换器43，其利用位置检测信号θs和电流检测信号Is进行坐标变换，求出q轴电流检测信号iqs和d轴电流检测信号ids；直流电压检测器30，其检测功率变换器10内的直流电压，生成电压检测信号Vs，同时将该电压检测信号Vs输入至减法器34；基准电压发生器36，其将预先确定的基准电压信号Vr输入至减法器34；以及减法器34，其求出基准电压信号Vr和电压检测信号Vs之间的差即电压偏差信号Ve。
此外，控制部100具有：减法器24，其求出q轴电流指令信号iqr和q轴电流检测信号iqs之间的偏差即q轴电流偏差信号iqe；q轴电流控制器26，其输入q轴电流偏差信号iqe，生成q轴电流控制信号iqc；损耗运算部50，其根据q轴电流检测信号iqs、d轴电流检测信号ids、电动机14的旋转速度即速度检测信号Ns，求出电动机14的损耗；d轴电流发生器(d轴电流发生单元)52，其从电动机14的额定损耗中减去损耗值，求出电动机14可以流过的d轴电流指令信号idr；作为控制单元的减法器54，其求出d轴电流指令信号idr和d轴电流检测信号ids之间的偏差，生成d轴偏差电流信号ide；d轴电流控制器56，其输入d轴偏差电流信号ide，生成d轴电流控制信号idc；以及坐标逆变换器28，其输入q轴电流控制信号iqc、d轴电流控制信号idc，生成三相交流电流指令信号iur、ivr、iwr。
此外，控制部100具有作为动作单元的电阻接通判断部58，其对预先确定的阈值Vz和电压偏差信号(电压值)Ve进行比较，在电压偏差信号(电压值)Ve高的情况下，判断由电动机14不能完全消耗再生电力，对晶体管8进行通断控制，使电阻6消耗再生电力。
损耗运算部(损耗计算单元)50求出电动机14的总损耗P0(W)，将由电动机14的绕组产生的铜损Pc(W)、在电动机14的铁心内产生的铁损Pi(W)的和，作为电动机14的总损耗P0(W)进行运算。
此外，电动机14的损耗中存在因电动机14旋转而轴承等摩擦的机械损耗，但是由于比铜损和铁损的和少，因而忽略。
Pc＝3RwIp 2＝Rw(ips 2+ids 2)
在这里，Rw：相当于1相的绕组的电阻值(Ω)
Ip：相当于1相的电流的有效值(A)
Pi＝KfΦ1.6
在这里，K：磁通常数、fΦ：磁束的频率(Hz)
fΦ＝pN/60
在这里，P：极数、N：电动机的旋转速度
此外，磁通常数K可以在无负载状态下，以额定转速Nn使电动机14旋转，测定电动机14的输入Pi，用下式求出。
K＝(Nn/60P)1.6/Pi
由此，预先输入磁通常数K、电动机14的电阻Rw，储存在作为存储单元的存储器50m中，由编码器41检测电动机14的旋转速度，电流检测器12检测流过电动机14的电流，坐标变换器43求出q轴电流检测信号iqs、d轴电流检测信号Ids，损耗运算部50可以根据电动机14的q轴电流检测信号iqs、d轴电流检测信号Ids、速度检测信号Ns，求出电动机14的总损耗。
此外，在图3中，损耗运算部50具有：d轴铜损计算部201，其以电阻Rw乘以d轴电流检测信号Ids的平方，获得d轴铜损Pd；q轴铜损计算部203，其以电阻Rw乘以q轴电流检测信号iqs的平方，获得q轴铜损Pq；加法器205，其将d轴铜损和q轴铜损相加，求出总铜损Pc；平均铜损计算部217，其通过将对总铜损Pc进行时间积分后的积分值除以总时间，求出平均铜损Pcave；铁损计算部211，其以常数KΦ乘以电动机14的速度检测信号的1.6次方，获得铁损Pi；平均铁损计算部213，其通过将对铁损Pi进行时间积分的积分值除以总时间，求出平均铁损Piave；以及加法器215，其将平均铜损Pcave和平均铁损Piave相加后的总损耗P0ave输入至d轴电流发生器52。
d轴电流发生器52如图4所示，使从电动机14的额定损耗中减去电动机14产生的总损耗后的值，成为电动机14的d轴电流流过可产生的损耗。因此，构成为将该值变换为d轴电流指令信号idr而产生。
此外，作为电动机14的额定损耗，是对电动机14产生额定输出(W)时的电动机14的输入功率(W)进行测定，将从输入功率中减去额定输出后的值作为电动机14的额定损耗。例如通过实验求出该额定损耗，预先将该额定损耗值输入至存储器50m进行储存。
根据图1至图3对如上所述地构成的电动机控制装置的动作进行说明。首先，输入电动机14的额定损耗值、电动机14的每1相的绕组电阻Rs、磁通常数K，储存在损耗运算部50的存储器50m中。
如果电动机14根据速度指令信号Nr以再生状态运转，则再生电力通过逆变器9向电容器4充电。于是，作为电容器4的两端电压的直流电压上升。
如果将由直流电压检测器30产生的电压检测信号Vs输入至减法器34，同时从基准电压发生器36将基准电压信号Vr输入至减法器34，则减法器34将电压检测信号Vs和基准电压信号Vr之间的差即电压偏差信号Ve输入至d轴电流发生器52。另一方面，电流检测器12检测电动机14中流过的电流，生成电流检测信号is，输入至坐标变换部43，编码器41检测电动机14的旋转位置，将位置检测信号θs输入至坐标变换部43和微分器45。坐标变换部43将电流检测信号is变换为q轴电流检测信号iqs、d轴电流检测信号ids，输入至损耗运算部50，同时将d轴电流检测信号ids输入至减法器54。
损耗运算部50使用储存在存储器50m中的电动机14的电阻Rs，由q轴铜损计算部201根据q轴电流检测信号iqs求出q轴铜损，由d轴铜损计算部203根据d轴电流检测信号ids求出d轴铜损，加到加法器205中。加法器205求出q轴铜损Pq和d轴铜损Pd的和即总铜损Pc，输入至平均铜损计算部217。平均铜损计算部217如图3所示，通过将对总铜损Pc进行时间积分后的积分值除以总时间，求出平均铜损Pcave，输入至加法器215。
另一方面，铁损运算部211使用速度检测信号Ns和储存在存储器50m中的电动机24的磁通常数K，求出铁损Pi，输入至平均铁损计算部213。平均铁损计算部213通过将对铁损Pi进行时间积分后的积分值除以总时间，求出平均铁损Piave，输入至加法器215。加法器215求出平均铜损和平均铁损的和即总损耗P0，输入至d轴电流发生器52。
d轴电流发生器52如图4所示，将从电动机14的额定损耗减去电动机14的总损耗的值，变换为d轴电流指令信号idr，输入至减法器54。减法器54求出d轴电流指令信号idr和d轴电流检测信号ids之间的差即d轴电流偏差信号ide，输入至d轴电流控制器56，d轴电流控制器56将d轴电流控制信号idc输入至坐标逆变换器18。
另一方面，减法器20求出速度指令信号Nr和速度检测信号Ns之间的差即速度偏差信号Ne，输入至速度控制器22。速度控制器22将q轴电流指令信号iqr输入至减法器24，并从坐标变换器43将q轴电流检测信号iqs输入至减法器24。减法器24将q轴电流指令信号iqr和q轴电流检测信号iqs之间的偏差即q轴电流偏差信号iqe输入至q轴电流控制器26。q轴电流控制器26将q轴电流控制信号iqc输入至坐标逆变换器28，坐标逆变换器28将三相交流电流指令信号iur、ivr、iwr输入至逆变器9。由此，通过在电动机14中流过d轴电流，由电动机14的电阻消耗再生电力。
此外，如果电动机14的再生电力增加，由电动机14的内部电阻不能完全消耗再生电力，则逆变器9内部的直流电压上升，电压偏差信号Ve被输入至电阻接通判断部58。电阻接通判断部58对电压偏差信号Ve和阈值Vz进行比较，如果超过阈值Vz，则生成通断信号，对晶体管8进行通断控制，从而由电阻6消耗再生电力。
这样，可以在电动机14的额定输出范围内，使d轴电流流过电动机14。由此，可以在防止电动机14的过载的同时由电动机14的内部消耗再生电力。
此外，如果由电动机14的内部不能完全消耗再生电力，则由电阻6消耗再生电力。因此，可以减小电阻6和晶体管8的额定容量。
实施例2
根据图5对本发明的另一实施例进行说明。图5是另一实施例的电动机控制装置的整体框图。在图5中，与图2相同的标号表示相同的部分，省略其说明。
如果使构成逆变器9的晶体管的额定电流为In，则电动机14中流过的q轴电流、d轴电流具有下述的关系。
In＝(iq 2+id 2)1/2
由此，可以流过的最大的d轴电流指令信号idmax如下式所示。
idmax＝(In 2+id 2)1/2
为了使电流不会大于或等于该d轴电流指令信号idmax，如图5所示，设置对d轴电流发生器52的电流进行限制的电流抑制器103。
根据这种电动机的控制装置，由于即使在电动机14中流过d轴电流，也在构成逆变器9的晶体管的额定电流之内，因而可以防止过电流流过逆变器9。
实施例3
根据图6对本发明的另一实施例进行说明。图6是另一实施例的求取电动机的绕组温度上升的框图。在图6中，与图3相同的标号表示相同的部分，省略其说明。
在图6中，电动机14中的求取绕组温度上升的模块具有：第1温度推定器317，其输入平均铜损计算部217的输出即平均铜损Pcave，求出并输出电动机14的仅绕组本身的温度上升；第2推定器313，其输入平均铁损计算部213的输出即平均铁损Piave，求出电动机14的铁心温度上升；以及加法器315，其将本身温度上升和铁心温度上升相加，推定绕组温度上升，通过将加法器315的输出即绕组温度上升输入至d轴电流发生器52，由d轴电流发生器52生成d轴电流指令信号idr。此外，由第1和第2温度推定器317、313、加法器315构成推定单元。
工业实用性
如上所述，本发明所涉及的永磁式同步电动机的控制装置，适用于电动机控制。
Claims (5)
1.一种永磁式同步电动机的控制装置，其特征在于，具有：
逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步型的电动机；
q轴电流指令单元，其基于速度指令信号，生成与所述电动机的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；
损耗计算单元，其根据所述电动机的铜损值和铁损值的和，求出损耗值；
d轴电流发生单元，其基于从所述电动机的额定损耗值中减去所述损耗值后的值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及
控制单元，其基于所述直流电压判断所述电动机是否为再生状态，如果是再生状态，则使所述d轴电流发生单元动作。
2.一种永磁式同步电动机的控制装置，其特征在于，具有：
逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步型的电动机；
q轴电流指令单元，其基于速度指令信号，生成与所述电动机的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；
d轴电流发生单元，其生成与所述电动机的磁场相同方向的d轴电流指令信号；
存储单元，其储存被输入的所述电动机的绕组电阻值、磁通常数值、额定损耗值；
电流检测单元，其检测所述电动机中流过的电流，生成电流检测信号；
位置检测单元，其检测所述电动机的旋转位置，生成位置检测信号；
运算单元，其根据所述电流检测信号和所述绕组电阻值求出铜损值，同时根据所述位置检测信号和所述磁通常数值求出铁损值，并求出该铁损值和所述铜损值的和即损耗值；
d轴电流发生单元，其基于从所述额定损耗值中减去所述损耗值后的值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及
控制单元，其基于所述直流电压，判断所述电动机是否为再生状态，如果是再生状态，则使所述d轴电流发生单元动作。
3.一种永磁式同步电动机的控制装置，其特征在于，具有：
逆变器，其输入直流电压，变换为可变电压·可变频率的交流电压，并利用该交流电压驱动永磁式同步型的电动机；
q轴电流指令单元，其基于速度指令信号，生成与所述电动机的磁场成直角方向的q轴电流成分的指令；
d轴电流发生单元，其生成与所述电动机的磁场相同方向的d轴电流指令信号；
存储单元，其储存被输入的所述电动机的绕组电阻值、磁通常数值、额定损耗值、热时常数；
电流检测单元，其检测所述电动机中流过的电流，生成电流检测信号；
位置检测单元，其检测所述电动机的旋转位置，生成位置检测信号；
铁损运算单元，其根据所述电流检测信号和所述电阻值求出铜损值，同时根据所述位置检测信号和所述磁通常数求出铁损值，并求出该铁损值和所述铜损值的和即损耗值；
推定单元，其根据所述损耗值和所述热时常数，推定所述电动机的绕组温度上升值；
d轴电流发生单元，其基于所述温度上升值，生成所述电动机中流过的d轴电流指令信号；以及
控制单元，其基于所述直流电压，判断所述电动机是否为再生状态，如果是再生状态，则使所述d轴电流发生单元动作。
4.根据权利要求2或3所述的永磁式同步电动机的控制装置，其特征在于，具有：
d轴电流抑制单元，其基于所述逆变器可以流过的最大电流，对所述d轴电流指令信号进行限制。
5.根据权利要求2或3所述的永磁式同步电动机的控制装置，其特征在于，具有：
再生消耗单元，其是将电阻和开关元件与所述直流电压连接而成的；以及
动作单元，其判断所述直流电压是否超过预先规定的阈值，在超过的情况下，使所述开关元件动作。
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