CN87103189A - 用于感应电动机的运转控制设备 - Google Patents

Abstract

在感应电动机的运转控制设备中，表示感应电动机的转动速度在每单位时间的增加/减少的加速度/减速度曲线的斜率是按照对应于感应电动机的转差速度的角频率ωs的值而改变的。

Description

本发明涉及用于感应电动机的运转控制设备，更具体地说，涉及用于感应电动机中利用转差速度以抑制感应电动机的过快的加速和减速的运转控制设备。

感应电动机利用它的诸如牢固的结构、廉宜选价等特点与一恒频电源一起已被广泛地用在作为一恒速的电动机的各种应用中。

然而，感应电动机并没有被用作需快速的加速和减速的伺服电动机。

依照近来电子器件、微型计算机和软件技术的改进，一种能在宽范围内改变驱动感应电动机的电源的频率的矢量控制技术已经实现，而感应电动机本身也已被改进。其结果，感应电动机可用作伺服电动机。

这种可变频电源是由描述在例如“电气书院出版的上山直彦所著《新驱动电子学》”（后文称之为文献1）中的矢量控制来操作的。

描述在文献1的图6.35中的传统“转差-频率矢量控制”将在后文参照图1进行描述。

在图1中所示的转差-频率矢量控制的基本电路中，参考号数101表示一速度控制放大器;102为一除法器;103为一固定调整器件;104为矢量分析器;105为一乘法器;106为一转换器;107为一电流控制放大器;108为一电力变换器;109为一感应电动机;111为一速度检测器;112为一微分器;113、114、115和116为固定调整器件;117为一除法器;118为一矢量振荡器;及119为一加法器。

以这种电路，一转矩可按照随时间变化的瞬时电流的变化而加以控制。关于转差-速度矢量控制的详细的电路和操作请参照文献1中第6章第2.1节的描述。

即使具有图1中所示的基本电路的转差-速度矢量控制，当将这个电路没有改良的情况下应用于伺服电动机中时，会发生过快加速和减速，及过额电流可能流通。即使当感应电动机的一个原电流增加时，它的转矩也不会增加，即发生所谓的失速状态。

本发明的一个目的在于提供一能消除上述缺陷的感应电动机的运转控制设备。

按照本发明的感应电动机的运转控制设备包括一用于按照对应于感应电动机的转差速度的一角频率ωs的值改变表示一感应电动机的旋转速度在每单位时间内的增加/减少的一加速度/减速度曲线的一斜率的装置。

图1为一显示一传统的转差频率矢量控制的基本电路的方框图;

图2为一按照本发明的一感应电动机的一运转控制设备的线路图;

图3和4为用于说明示于图2中的设备的两个方式的图;

图5为一显示一感应电动机的操作曲线的曲线图;

图6为一用于说明本发明的设备的速度控制的图;

图7和8为用于说明示于图2中的设备的第一方式的操作的流程表;

图9、10和11为用于说明示于图2中的设备的第二方式的操作的流程表。

现将参照附图，对按照本发明的一感应电动机的一运转控制设备的一个实施例进行详细的描述。

图2为一显示感应电动机的运转控制设备的线路图。注意在图2中所用与图1中相同的参考号数表示相同于图1中的部件，关于它们的详细描述将被省略。

参照图2，组成例如一微型计算机的一中央处理单元（后文简称为CPU）55接收：由外部设备（未示：例如一数控设备）包括按照本发明的一感应电动机供给的一K位（K为一任意常数）速度指令S1，用于表示例如感应电动机的转动速度（例如，1000转/分），由该外部设备供给的一控制信号S2，及由外围线路（未示）的各种反常信号S3。该控制信号S2包括一能指令是否进行能使感应电动机的转动速度逐渐增加或减少的一增速/减速的操作的信号（增速/减速信号），及一能指令感应电机是在正向或反向方向转动的信号（转动方向信号）。

感应电动机109的输出轴的转动速度是由一脉冲编码器111A检测。从脉冲编码器111A的一个输出信号ωr通过一同步方向鉴别器33和一F/V（频率电压）转换器34被供给到一绝对值线路35，并被转换成实际速度｜ωr｜，而该实际速度｜ωr｜被输入到一开关线路53的一开关53a的输入端。如示于图1的线路中，一转矩指令是根据作为脉冲编码器的输出的实际角速度ωr和一指令角速度ω 计算出来的，而指令角速度ω

是图2中数模转换器16的输出信号。该转矩指令通过除法器102、常数调定器件116和除法器117及一绝对值线路31而转换成绝对值｜ωs｜，而该转差速度｜ωs｜被输入到开关线路53的一开关53b的输入端。开关线路53的开关53c的输入端连接到一可变电阻52的滑动端。可变电阻52的一端被连接到供给-基准电压Vref的一端，而可变电阻的另一端则接地。如下文将要描述的那样，可变电阻52控制感应电动机的旋转速度的增速/减速操作曲线的斜率。

开关线路53的开关53a、53b和53c的输出端共同地被连接到一模数转换器54的一输入端54a。该模数转换器54的数字数据输出端54b被连接到该CPU的一输入端口55a。

该CPU一输出端55b被连接到模数转换器54的一控制端54c，从而输出一模数转换指令。输出端55c、55d和55e分别被连接到开关线路的开关53a、53b和53c，使得用开关信号来控制那些输出端。

CPU55的一输出端口55f被连接到比率乘法器4的输入端4a，该比率乘法器能将一基准时钟脉冲频率转换成一预定频率（将在下文中叙述）。比率乘法器4的一输入端4b通过“与”门10的一输入端被连接到用以产生频率例如为4兆赫兹基准时钟脉冲的基准时钟脉冲发生器5的输出端。如下文将叙述的那样，“与”门10的另一输入端被连接到CPU    55的输出端55g，并供给一信号作为控制是否继续或抑制感应电动机的运转的第二个装置。

比率乘法器4的一输出端4c被连接到一D触发器6的一时钟脉冲输入端CK。为改进负载比D触发器6的Q输出端被连接到一同步线路7的一输入端7a以获得容许一固定偏差计数器（droop    counter）15正常操作的一计时控制。同步线路7的输入端7b和7c分别接收来自同步脉冲发生器8的脉冲P1和P2。这些脉冲P1和P2用作防止与来自同步方向鉴别器33（将于下文中叙述）的输出信号（±Pωr）“重叠”的同步信号。

同步线路7的一输出端7d被分别连接到三输入端的“与非”门11和12的第一输入端。“与非”门11和12的输出端输出表示一指令速度Pωc的串行脉冲以指令感应电动机的转动速度（将于下文中叙述）。三输入端“与非”门11和12的第二输入端连接到CPU    55的输出端55h。如下文将叙述的那样，输出端55h输出一信号作为控制是否继续或抑制感应电动机的运转的第三个装置。“与非”门11和12的第三输入端可通过及不通过一反相器17而被连接到CPU    55的一输出端55i。“与非”门11和12的输出端分别连接到负逻辑“或”门13和14的一输入端。“或”门13和14的输出端被连接到固定偏差计数器15的输入端“上”和“下”。

该固定偏差计数器15包含一普通的可逆计数器，并计算感应电动机的转子的接受指令位置和它的实际位置的差值。这差值对应于转子的“位置延迟”，而“位置延迟”用作指令感应电动机的转动速度的上述速度指令。

固定偏差计数器15的输出端被连接到一数模转换器16的输入端。该数模转换器16的输出端被连接到一速度控制放大器101的一输入端101a。更具体地说，该速度控制放大器101接收该“位置延迟”作为一模拟值。如示于图1中，该速度控制放大器101的输出端被连接到一转差频率矢量控制型的转差速度控制设备。

其相位偏离实际速度ωr90°的两相脉冲信号A和B从脉冲编码器111A的输出端输出，并输入到同步方向鉴别器33的输入端33d。该同步方向鉴别器33按照两相脉冲信号A和B鉴别感应电动机109的转动方向，并将表示感应电动机109的实际速度ωr的串行脉冲信号±Pωr供给频率电压转换器34。该鉴别器33也将脉冲信号±Pωr供给负逻辑“或”门13和14的另一个输入端。

+Pωr信号是一个表示感应电动机109的正向转动的信号，而-Pωr信号是一个表示感应电动机109的反向转动的信号。同步方向鉴别器33的输入端33e和33f接收来自同步脉冲发生器8的脉冲P3和P4。这些脉冲P3和P4导致实际速度Pωr和指令速度Pωc不彼此重叠。

频率电压转换器34的输出端被连接到绝对值线路35的输入端、同步方向鉴别器33的输入端33c、速度控制放大器101的输入端101b、及加法器119的一输入端。模数转换器32的输出端被连接到一副磁通发生器36的输入端用于感应电动机109的励磁。发生器36向示于图1中的矢量控制线路施加一副磁通量φ^＊ ₂。将来自频率电压转换器34的输出信号加到来自除法器117的输出信号（ωs）上以计算速度ω^＊ _O，并把速度ω^＊ _O施加在矢量振荡器118上。

一用以指示是否继续或抑制感应电动机的转动的信号包括如上所述第一个、第二个和第三个装置。然而，并不必同时使用第一个至第三个装置。例如，当使用第一个装置时，信号S4和S5就不必分别从CPU    55的输出端55g和55h输出。在这种情况下，可将三输入端“与非”门11和12的第二和第三输入端连接起来。

具有如图2所示的电路的感应电动机运动控制设备的操作方式，将参照图3和4而进行叙述。

图3为一显示第一操作方式的图。图3中的直线P表示一种情况，其中沿横轴画出的操作的时间间隔固定为1毫秒，而沿纵轴画出的感应电动机的转动速度是在1毫秒的单位时间间隔内增加2转/分。在这样情况下，经过2毫秒时间过去后，转动速度达到4转/分，经过3毫秒时间过去后，转动速度达到6转/分。在直线P的情况下，感应电动机的转动速度是以一恒定的加速率逐渐地增加，并不会由于突然的变化而对一外部造成不利的影响。

该直线P确定相对于1毫秒的单位时间间隔转动速度的增长为2转/分。例如可对应于1毫秒（固定值）调整为“n转/分（调定值）”（此处n为任意常数）。一线Q表示一种n＝3转分/的情况。与上述相反，直线R表示一减速状态，其中在每1毫秒时间过去后，转动速度递减2转/分。意即，线R表示一与上述线性加速状态相反的线性减速状态。在线性减速状态下，感应电动机的输出轴相对于外部而言不会突变地运转。因此，可维持一非常平滑的减速运动。

图4显示其中沿纵轴画出的转动速度是固定的，而沿横轴画出的时间间隔是可变的。参照图4，直线S表示一种情况，其中旋转速度的阶跃固定为1转/分，而时间间隔是在以1/2毫秒为单位而改变的。在这样情况下，由于也可获得一线性函数，感应电动机的旋转速度是逐渐地增加，而它的输出轴将不会向一外部施加一变化的力。在这样的方式中，一线T表示一减速状态。

为了确定示于图3和4中的直线P、Q、R、S和T的斜率，纵轴（加速度/减速度值轴）的间隔（每单位时间内速度的变化）和横轴（时基）可用示于图3和4中的两种方式来确定。

这间隔可通过调节示于图2线路中的可变电阻器52来确定。更具体地说，基准电压Vref被分压，而分压电压通过开关线路53的开关53c和模数转换器54被供给到CPU    55。然后，CPU    55从一预存数据表选择一对应于输入电压的值并确定该间隔。

将参照图5、6、7和8对示于图2中其操作是以上述的原理作根据的感应电动机运转控制设备的第一种方式（图3）的操作进行叙述。

感应电动机转差速度与转矩之间的已知关系如图5中所示。更具体地说，当转差速度为“0”时，转矩为“0”。当转差速度增加时，转矩迅速地增加。当对应于一最大值转矩Tm所给出的转差速度为Sm时，如果转差速度超过Sm而增加，转矩却逐渐降低。如可于图5中所见，因此，可在转差速度由“0”直至达到最大值Sm期间标感应电动机的转速进行控制。因而实用的控制范围是限制在离开速度“0”的一狭窄范围。

当转差速度超过最大值Sm时，导致产生一状态，其中速度控制变为不可能，意即，一种失调状态，而感应电动机的旋转速度不可能加以控制。更具体地说，为了执行感应电动机的速度控制，需一直监测感应电机的实际速度ωr，并控制转差速度ωs使之小于一给定值（例如小于图5中的Sm）。为此目的，实际转速ωr相对于容许量即示于图6中转差速度ωs的容许值ωs′的特性曲线可存储在CPU    55的一存储器（可编程序只读存储器PROM）中，而转差速度是按这种特性曲线加以控制的。

实际速度ωr相对于转差速度的容许值ωs′的特性曲线而言，可编排出始终能提供例如当实际速度为ωr1时转差速度为ωs1的数据表，而转差速度ωs1调整在示于图5中转矩曲线的控制范围内（即失速范围之外）。

图7是一主要流程表，而图8是一在执行示于图7中的主要流程表期间进行在相等间隔中的一中断的流程表。

在图7所示的流程表中，系统在步骤701被启动后，基准电压Vref被可变电阻器52分压。将分压电压通过开关线路53的开关53c供给到模数转换器54（步骤702）。在步骤703中，分压电压被模数转换器54转换成数字信号，而数字信号在步骤704中被供给到CPU    55。在步骤705中，从编排在CPU    55中的数据表确定一对应于输入数据的单位时间内速度的变化。更具体地说，选择数据供选择沿图3的纵轴的一变化用以按照从可变电阻器52的分压电压确定感应电动机的转动的加速或减速操作曲线的斜率。在步骤706和707中，CPU    55接收来自一外部设备的一速度指令和来自外围线路的各种状态信号，及在步骤708中，CPU    55检查各种反常信号。如果检测到一反常情况，流程进入到步骤709以执行反常情况的处理，而中断被抑制，使得不去执行不考虑反常情况的处理。在步骤710中，输出一抑制信号以停止电动机的旋转。如果在步骤708中检测不出反常情况，重复步骤706和707的操作。

当步骤706，707与708的操作被重复时，便执行图8所示的1-毫秒间隔的中断。

参照图8，在步骤801中，将指令速度ωc′与一现在速度ωc加以比较。如果发现它们之间是一致，流程跳到步骤810。如果指令速度大于现在速度，执行步骤802、803和804的操作。当指令速度小于现在速度时，执行步骤805、806、807、808和809的操作，使得对应于现在转动速度（转/分）的频率被计算出来，而计算的结果被输出到比率乘法器4（步骤810）。在步骤811中，开关线路53选择实际速度的绝对值｜ωr｜，而在步骤812中，将所选择的结果通过模数转换器54转换成数字信号。在步骤813中，该数字信号作为实际速度的绝对值被输入到CPU    55中。在步骤814中，如示于图7中，由于具有一对应于转差速度的容许值ωs′的实际速度ωr的特性的图表是预先储存在可编程序只续存储器PROM中，确定对应于实际速度｜ωr｜的容许值ωs′。

在步骤815中，由于开关线路53接收来自绝对值线路31的转差速度｜ωs｜，这绝对值通过A/D转换器54在步骤816中被转换成数字数据，而在步骤817中该数字数据被输送到CPU    55。

CPU    55同时地接收转差速度的容许值ωs′，和该转差速度的绝对值｜ωs｜，并在步骤818中将这些值进行比较。

当转差速度的容许值ωs′是大于或等于转差速度｜ωs｜，在步骤819中输出一继续信号而感应电动机继续转动。与此相反，如果转差速度｜ωs｜是大于转差的容许值ωs′，在步骤820中输出一抑制信号，并将之输送到比率乘法器4。用这种方式，感应电动机的过快的加速和减速可被抑制。

示于图2中的实施例的第二种方式中的操作，意即，在一种如示于图4中的情况其中沿横轴画的时间间隔是可变的，而沿纵轴画的输出到感应电动机的每单位时间的速度改变是固定的，将参照图9、10和11的流程图而加以叙述。

图9、10和11分别显示主程序、用于一缓慢启动/停止处理程序的间隔中断，和用于检验失速的间隔中断的流程图。

在该缓慢启动/缓慢停止处理程序和失速检验的程序中，间隔中断是每经过n“秒”或m“秒”而执行的。注意，n与m为任意常数，n是通过后面将要叙述的方法确定的，而m是用前面叙述过的方法确定的。

在图9中，在步骤902中，当可变电阻器52的滑动端移动时，基准电压Vref被分压，而分压电压被供给到开关线路53的开关53c。如上所述，基准电压Vref的分压电压从开关53e被供给到模数转换器54以进行模数转换（步骤903），然后将数字数据供给到CPU    55（步骤904）。在步骤905中，该数字数据被输入到CPU    55，和一每单位速度变化的时间即间隔中断的时间T（S）是根据编排在CPU    55中的数据表确定的。

在步骤906中，执行T（S）间隔中断的启动，从而容许间隔中断。

随后，CPU    55接收速度指令信号和转动方向信号作为一控制信号（步骤907）。在步骤908中，CPU    55判定该转动方向信号是否对应于现在的转动方向为相反指令。如果反向指令被检测出，这意味着，例如电动机现在是顺时针方向转动时，则须使之逆时针方向转动，及流程进入到步骤909。在这种情况下，设置一反向标志，设置一反向继续标志，而流程进入到步骤911中。如果没有检测到反向指令，在步骤910中清除反向标志，而流程推进到步骤911。在步骤911中，从外围线路输入各种状态信号，并在步骤912中检验是否检测到一反常情况。如果没有检测出反常情况，重复步骤907至911的操作。然而，如果检测出一反常情况则执行与第一种方式相同的处理。

该T（S）间隔中断处理将参照图10所示的流程图加以叙述。如果在步骤101中检测到反向标志已清除，及其步骤102中检测到反向继续标志已清除，将输入到CPU    55的速度指令与从CPU    55输出到比率乘法器4的数据（R）加以比较。如果发现它们之间是一致的，流程跳到“返回”。如果速度指令是大于输出到比率乘法器4的数据（R），则输出到比率乘法器4的数据（R）递增1，及在步骤105中将新数据（R）输出到比率乘法器4。然后，流程跳到“返回”。如果速度指令小于输出到比率乘法器4的数据（R），则数据（R）递减1，从而获得新数据（R）（步骤106）。如果反向标志和反向继续标志被设置，流程从步骤101或102跳到步骤104以检验速度是否为零。如果在步骤104中检测到速度为零，流程跳到步骤109，而转动方向信号被倒相，及反向继续标志被清除。此后，流程返回到主程序。如果在步骤104中检测到速度不为零，输出到比率乘法器4的数据（R）递减1，并再输出到乘法器4。在步骤108中检验速度是否为零。如果在步骤108中检测到速度为零，流程推进到步骤109，及转动方向信号被倒相。在步骤110中反向继续标志被清除，而后流程返回到主程序。如果在步骤108中检测速度不为零，流程即刻返回到主程序。

失速检验间隔中断处理将参照示于图11中流程图加以叙述。

参照图11，输入到所选择的开关线路53的开关53a的实际速度｜ωr｜通过模数转换器54被转变成数字信号，而该数字信号被输送到CPU    55（步骤111、112和113）。在步骤114中，转差容许量ωs′是由数据表中输出的。转差速度｜ωs｜被输入到开关线路53的开关53b，并通过模数转换器54转换成数字信号。然后将该数字信号输送到CPU    55（步骤115、116和117）。

在步骤118中，将转差速度｜ωs｜与转差速度的容许量ωs′进行比较。如果容许量ωs′大于转差速度｜ωs｜，在步骤120中，将继续信号S4和S5输出，及流程返回到主程序。如果转差速度｜ωs｜大于容许量ωs′，抑制信号S4和S5被输出以便抑制感应电动机的转动，及流程因此而返回到主程序。

用这种方式，可抑制过快的加速和减速，而失速状态也可被避免。

按照本发明，可抑制过快的加速和减速，而可把感应电动机作为一伺服电动机使用。

Claims (3)

1、一感应电动机运转控制设备，其特征在于，其中表示所述感应电动机的转动速度在每单位时间的一增加/减少的加速度/减速度曲线的斜率是按照对应于所述感应电动机的转差速度的一角频率ωs的值而改变的。

2、一种按照权利要求1所述的设备，其特征在于，其中加速度/减速度曲线的斜率是按照角频率ωs的值而改变的，而在加速度/减速度曲线中，一单位时间间隔被调整成常数，而每单位时间间隔的转动速度的改变是可变的。

3、一种按照权利要求1所述的设备，其特征在于，其中加速度/减速度曲线的斜率是按照角频率ωs的值而改变的，而在加速度/减速度曲线中，每单位时间间隔的转动速度的改变被调整成常数，而一单位时间间隔是可变的。

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