DE102007028914A1

DE102007028914A1 - Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Geschwindigkeit eines elektrischen Motors

Info

Publication number: DE102007028914A1
Application number: DE102007028914A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Suzuka Tajima
Original assignee: Fuji Electric FA Components and Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2027-06-23
Also published as: CN101093975A; US7781996B2; DE102007028914B4; US20070296361A1

Abstract

In einer Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, die eine Geschwindigkeitsbefehlsgenerierungseinheit, eine Addiereinheit, eine Einheit (13) zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, eine Stromregeleinheit (14), eine Trägheitsschätzeinheit (15), eine Trägheitseinstelleinheit (16), eine Schalteinheit (17) und eine Parametereinstelleinheit (18) umfasst, wird, wenn es möglich ist, Beschleunigungs- oder Bremsoperationen eines elektrischen Motors (1) durchzuführen, um die Trägheitsmomente des elektrischen Motors (1) und eines anzutreibenden Gegenstands zu schätzen, diese Operation ausgeführt, um einen Trägheitsmomentschätzwert abzuleiten. Die proportionale Verstärkung von der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit (13) wird durch die Schalteinheit (17) und die Parametereinstelleinheit (18) auf Basis des Trägheitsmomentschätzwertes eingestellt. Wenn es nicht möglich ist, die obige Operation durchzuführen, wird die proportionale Verstärkung der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit durch die Schalteinheit und die Parametereinstelleinheit auf Basis des manuell eingestellten Trägheitsmomentswertes eingestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln der Geschwindigkeit bzw. Drehzahl eines elektrischen Motors.
Ein Verfahren zur automatischen Einstellung eines Parameters in einer Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, die eine Einrichtung zum variablen Steuern und/oder Regeln der Geschwindigkeit eines elektrischen Motors bildet, ist z. B. in JP-A-1-218389 offenbart. Entsprechend diesem Verfahren wird dem Ausgang der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit ein Störsignal zugeführt, um die Geschwindigkeit des elektrischen Motors zu verändern, das gesamte Trägheitsmoment des elektrischen Motors und das Trägheitsmoment von einem anzutreibenden Gegenstand wird auf Basis der Geschwindigkeit des elektrischen Motors und des aktuellen Stroms des elektrischen Motors geschätzt und dann wird der Parameter der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit automatisch auf Basis des Schätzwertes eingestellt.
Gemäß einem konventionellen Verfahren zur Schätzung des Trägheitsmomentes des elektrischen Motors und des anzutreibenden Gegenstands ist es erforderlich den elektrischen Motor durch die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit zu drehen und weiterhin ein Störsignal in die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit einzuspeisen. Allerdings kann es unter einigen Betriebsbedingungen des anzutreibenden Gegenstands unmöglich sein, den elektrischen Motor zu drehen, so dass das Störsignal nicht in die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit eingespeist werden kann. Daher existiert hier das Problem, dass der Parameter nicht in der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit eingestellt werden kann, die zum Steuern und/oder Regeln der Geschwindigkeit erforderlich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für einen elektrischen Motor bereitzustellen, die das oben genannte Problem lösen kann.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit zum variablen Steuern und/oder Regeln der Geschwindigkeit eines elektrischen Motors unter Verwendung einer Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, in der zumindest ein Parameter verändert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit

– eine Trägheitsschätzeinheit zur Schätzung des gesamten Trägheitsmomentes des elektrischen Motors und des Trägheitsmomentes eines anzutreibenden Gegenstands und zur Ausgabe des Schätzergebnisses in Form eines Trägheitsmomentschätzwerts;
– eine Trägheitseinstelleinheit zur manuellen Einstellung des Trägheitsmoments und zur Ausgabe des manuell eingestellten Trägheitsmoments in Form eines manuell eingestellten Trägheitsmomentswerts;
– eine Schalteinheit zum Auswählen und Ausgeben des Trägheitsmomentschätzwertes oder des manuell eingestellten Trägheitsmomentswertes, abhängig davon, ob das Trägheitsmoment geschätzt werden kann oder nicht; und
– eine Parametereinstelleinheit zur Einstellung des Parameters der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit auf Basis des Ausgangswertes der Schalteinheit umfasst.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung leitetet, in der Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für den elektrischen Motor, die Trägheitsschätzeinheit den Trägheitsmomentschätzwert auf Basis eines Drehmomentbefehlswerts, der von der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit ausgeben ist, und eines Geschwindigkeitsdetektionswerts oder Geschwindigkeitsschätzwerts des elektrischen Motors ab. Dies geschieht, wenn, entsprechend der ersten Ausgestaltung, der elektrische Motor von der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit gesteuert und/oder geregelt ist, um eine Beschleunigungsbewegung oder Bremsbewegung durchzuführen.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird, in der Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für den elektrischen Motor, entsprechend der ersten oder zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit durch eine proportionale Berechnungseinheit oder eine proportionale Integrationseinheit gebildet und die Parametereinstelleinheit stellt eine proportionale Verstärkung von der proportionalen Berechnungseinheit oder der proportionalen Integrationseinheit auf der Basis eines Wertes dar, der proportional zu dem Ausgabewert der Schalteinheit ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wenn es möglich ist, die Beschleunigungs- oder Bremsoperation des elektrischen Motors zur Schätzung der Trägheitsmomente des elektrischen Motors und des anzutreibenden Gegenstands durchzuführen, diese Operation ausgeführt, um das Trägheitsmoment zu schätzen und der Parameter der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit wird auf der Basis dieses Trägheitsmomentschätzwerts eingestellt. Wenn es unmöglich ist diese Operation durchzuführen, kann der Parameter der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit auf Basis des manuell eingestell ten Trägheitsmomentwerts eingestellt werden, der manuell in der Trägheitseinstelleinheit eingestellt wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 ist ein Diagramm, das die Schaltstruktur einer Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit eines elektrischen Motors entsprechend einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Diagramm, das das teilweise detaillierte Schaltungsdiagramm der Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit zeigt, die in 1 dargestellt ist;
3 ist ein Wellenform-Diagramm, das die Operation der Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit zeigt, die in 1 dargestellt ist; und
4 ist ein Diagramm, das die Schaltstruktur einer Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für einen elektrischen Motor entsprechend einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 ist ein Diagramm, das die Schaltstruktur einer Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für einen elektrischen Motor entsprechend einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 stellt das Bezugszeichen 1 einen elektrischen Motor, insbesondere einen Induktionsmotor oder Ähnliches dar. Das Bezugszeichen 2 stellt einen Leistungswandler 2, insbesondere einen PWM-Inverter (Pulsweitenmodulation-Inverter) zur Versorgung des elektrischen Motors 2 mit einer Wechselspannung (AC-Spannung) entsprechend einem primären Spannungsbefehlswert (V₁*), der später beschrieben wird, oder Ähnliches dar. Das Bezugszeichen 3 stellt eine Wechselspannungsquelle für den Leistungswandler dar. Das Bezugszeichen 4 stellt einen Stromdetektor zur Detektion eines primären Stroms des elektrischen Motors 2 in Form eines Primärstromdetektionswerts (i₁) dar. Das Bezugszeichen 5 stellt einen Geschwindigkeitsdetektor zur Detektion der Geschwindigkeit des elektrischen Motors, der mit der Ausgangswelle des elektrischen Motors 1 verbunden ist, in Form eines Geschwindigkeitsdetektionswerts (ω_r) dar. Das Bezugszeichen 10 stellt eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit dar.
Die Einrichtung 10 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit wird durch die folgenden Einheiten oder Elemente 11 bis 18 gebildet, die unten beschrieben sind. Das heißt, eine Geschwindigkeitsbefehlsgenerierungseinheit 11 generiert einen Geschwindigkeitsbefehlswert (ω_r*), eine Addiereinheit 12 berechnet die Abweichung zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlswert (ω_r*) und dem Geschwindigkeitsdetektionswert (ω_r), der von dem Geschwindigkeitsdetektor 5 detektiert wird, und die Einheit 13 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit führt eine Einstelloperation aus, so dass die betrachtete Abweichung gleich null ist und gibt das Operationsergebnis als Drehmomentsbefehlswert (τ*) zu dem elektrischen Motor 1 aus. Die Stromregeleinheit 14 leitet einen primären Strombefehlswert (i₁*) für den elektrischen Motor 1 auf der Basis des Drehmomentbefehlswerts (τ*) ab, führt eine Einstelloperation aus, so dass die Abweichung zwischen dem primären Strombefehlswert (i₁*) und dem primären Stromdetektionswert (i₁), der von dem Stromdetektor 4 detektiert wird, gleich null ist und gibt dann das Operationsergebnis als einen primären Spannungsbefehlswert (v₁*) an den Leistungswandler 2 aus.
Die Trägheitsschätzeinheit 15 schätzt die Gesamtheit der Trägheitsmomente des elektrischen Motors 1 und des anzutreibenden Gegenstands auf Basis des Geschwindigkeitsdetektionswerts (ω_r) und des Drehmomentbefehlswerts (τ*) und gibt das Schätzergebnis in Form eines Drehmomentschätzwerts (J^#) aus. Die Trägheitseinstelleinheit 16 stellt das Trägheitsmoment manuell ein und gibt das eingestellte Trägheitsmoment in Form eines manuell eingestellten Trägheitsmomentswerts (J*) aus. Die Schalteinheit 17 schaltet auf den und wählt den Trägheitsmomentschätzwert (J^#) oder den manuell eingestellten Trägheitsmomentswert (J*) und gibt das Auswahlergebnis als einen eingestellten Trägheitsmomentswert (J**) aus. Die Parametereinstelleinheit 18 stellt den Parameter der Geschwindigkeitsregeleinheit 13 auf Basis des eingestellten Trägheitsmomentswerts (J**) ein. Die Komponenten des Schaltdiagramms, die in 1 gezeigt sind, werden durch bekannte Techniken gebildet und daher wird die detaillierte Beschreibung dieser Komponenten ausgelassen.
2 ist ein Diagramm, das die Schaltungsstruktur zeigt, die ein Beispiel von der Trägheitsschätzeinheit 15 zeigt, die in 1 dargestellt ist, und die Trägheitsschätzeinheit 15 ist mit einer Differenziereinheit 15a zum Differenzieren des Geschwindigkeitsdetektionswerts (ω_r) des elektrischen Motors 1, einer Multipliziereinheit 15b, einer Addiereinheit 15c und einer Integriereinheit 15d ausgestattet.
Ein Verfahren zur Herleitung des Trägheitsmomentsschätzwerts (J^#) in der Trägheitsschätzeinheit 15 wird hiernach beschrieben werden.
Der Geschwindigkeitsbefehlswert (ω_r*) wird von der Geschwindigkeitsbefehlgenerierungseinheit 11 wie in 3 gezeigt generiert und das aktuelle Beschleunigungs-/Bremsmoment (τ_acc) des elektrischen Motors 1 wird durch die folgende Gleichung (1) unter der Bedingung, dass das Beschleunigungsmoment von dem elektrischen Motor 1 ausreichend größer als ein Lastmoment ist beschrieben. τacc = J·{d(ωr)/dt} (1)
Hier beschreibt J das Trägheitsmoment und (ω_r) beschreibt den Geschwindigkeitsdetektionswert von dem elektrischen Motor 1.
Wenn der elektrische Motor 1 unter einer lastfreien Bedingung beschleunigt bzw. gebremst wird, τ_acc = τ*, kann damit das Trägheitsmoment entsprechend der Schaltungsstruktur, die in 2 gezeigt ist, durch Eingeben der Abweichung zwischen dem Drehmomentbefehlswert (τ*) und J^#·{d(ω_r)/dt} in die Integriereinheit 15d und durch Darstellen des Ausgangs der Integriereinheit als J^# geschätzt werden.
Das heißt, wenn der Trägheitsmomentschätzwert durch J^# dargestellt wird, kann dieser Wert von dem arithmetischen Ausdruck, der in der folgenden Gleichung (2) gezeigt ist, berechnet werden. J# = (τ* – J#·dωr/dt)dt (2)
In der Parametereinstelleinheit 18, die in 1 gezeigt ist, wird, wenn die Geschwindigkeitsregeleinheit 13 durch die proportionale Berechnungseinheit oder die proportionale Integrationseinheit auf Basis des eingestellten Trägheitsmomentswerts (J**), der ausgewählt wird und von der Schalteinheit 17 ausgegeben wird, gebildet ist, die proportionale Verstärkung K von einer beliebigen der Berechnungseinheiten auf einen Wert eingestellt, der durch die folgenden Gleichung (3) erhalten wird. Kp = K·J** (3)
Hier stellt K einen Umwandlungsfaktor dar. Wenn die Geschwindigkeitsregeleinheit die proportionale Integriereinheit ist, kann die Integrationszeit weiterhin gesetzt werden.
Das heißt, gemäß dem Bauteil 10 des elektronischen Motors, das in 1 gezeigt ist, wird, wenn es möglich ist die Beschleunigungs- bzw. Bremsoperation des elektrischen Motors durchzuführen, um die Trägheitsmomente des elektrischen Motors 1 und des anzutreibenden Gegenstands zu schätzen, diese Operation ausgeführt, um den Trägheitsmomentschätzwert (J^#) abzuleiten und die proportionale Verstärkung Kp von der Einheit 13 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit wird durch die Schalteinheit 17 und die Parametereinstelleinheit 18 auf der Basis des Trägheitsmomentschätzwertes (J^#) eingestellt. Wenn es unmöglich ist, die Beschleunigungs-/Bremsoperation durchzuführen, wird die proportionale Verstärkung K_p von der Einheit 13 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit durch die Schalteinheit 17 und die Parametereinstelleinheit 18 auf der Basis des manuell eingestellten Trägheitsmomentswerts (J*), der manuell in der Trägheitseinstelleinheit 15 eingestellt wird, eingestellt.
Das manuelle Einstellen wird durch Berechnung des gesamten Trägheitsmomentes, das die Last mit der Motorwelle als eine Referenz umfasst, durchgeführt. Weiterhin, wenn der manuell eingestellte Wert deutlich von dem tatsächlichen Trägheitsmoment abweicht, taucht ein Problem auf, dass der eingestellte Parameter von der Einheit 13 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, der von der Parametereinstelleinheit 18 ausgegeben wird, ungeeignet ist.
Das heißt, in dem Fall (tatsächliche Last > manuelle eingestellter Wert) ist die Antwort der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit langsam und in dem Fall (tatsächliche Last < manuelle eingestellter Wert) ist die Antwort der Einheit 13 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit übermäßig schnell und damit tritt eine Vibration wahrscheinlich auf.
In jedem Fall ist eine manuelle Einstellung oder Ähnliches erforderlich und die geeignete Gegenmaßnahme muss in der Zukunft unternommen werden.
4 ist ein Diagramm, das die Schaltstruktur der Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für einen elektrischen Motor entsprechend einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt. In 4 sind die Elemente mit den gleichen Funktionen wie die Schaltkonstruktion, die in 1 gezeigt ist, durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt und die Beschreibung davon ist ausgelassen.
Das heißt, in der Schaltstruktur, die in 4 gezeigt ist, ist der Geschwindigkeitsdetektor 5 ausgelassen und die Einrichtung 20 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit ist zusätzlich zu der Geschwindigkeitsbefehlsgenerierungseinheit 11, der Addiereinheit 12, der Einheit 13 zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, der Stromregeleinheit 14, der Trägheitsschätzeinheit 15, der Trägheitseinstelleinheit 16, der Schalteinheit 17 und der Parametereinstelleinheit 18 auch mit einer Geschwindigkeitsschätzeinheit 21 ausgestattet.
Die Geschwindigkeitsschätzeinheit 21 ist durch eine bekannte Technik gebildet, und die Geschwindigkeitsschätzeinheit ist z. B. so ausgebildet, dass eine gegenelektromotorische Kraft von dem elektrischen Motor von einem primären Spannungsbefehlswert (v₁*) und einem primären Stromdetektionswert (i₁) des Elektromotors 1 berechnet wird und ein Geschwindigkeitsschätzwert (ω_r ^#) des elektrischen Motors 1 auf Basis der gegenelektromotorische Kraft abgeleitet und damit berechnet wird.
Der Geschwindigkeitsschätzwert (ω_r ^#) wird durch die folgende Gleichung (4) bestimmt. ωr # = sgn(ET){|ET|/Φ2) – GemEM} (4)
Hier stellt Φ₂ einen sekundären magnetischen Fluss dar, E_M stellt die induzierte Spannung von einer axialen Komponente des magnetischen Flusse dar, E_T stellt die induzierte Spannung von der Drehachsenkomponente (senkrecht zu der Achse des magnetischen Flusses) und G_em stellt eine Übertragungsfunktion von der Einstelleinheit mit einem Eingang von E_M dar.
Wenn ω_l* einen primären Kreisfrequenzbefehlswert darstellt und ω_s* einen Schlupffrequenzbefehlswert darstellt, ist der Geschwindigkeitsschätzwert ω_r ^# entsprechend der folgenden Gleichung (5) berechnet. ωr # = ωl* – ωs* (5)
Entsprechend ist in der Trägheitsschätzeinheit 15 der Schaltstruktur, die in 4 gezeigt ist, der Trägheitsmomentschätzwert (J^#) auf der Basis des Drehmomentbefehlswerts (τ*) und des Geschwindigkeitsschätzwerts (ω_r ^#) bestimmt.
Das heißt, der Geschwindigkeitsdetektionswert (ω_r) der Trägheitsschätzeinheit 15, die in 2 gezeigt ist, ist durch den Geschwindigkeitsschätzwert (ω_r ^#) ersetzt und der Trägheitsmomentschätzwert (J^#) wird aus dem Geschwindigkeitsschätzwert (ω_r ^#) und dem Drehmomentbefehlswert (τ*) berechnet.

1, 4

1: elektrischer Motor
2: Leistungswandler
11: Geschwindigkeitsbefehlsgenerierungseinheit
13: Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit
14: Stromregeleinheit
15: Trägheitsschätzeinheit
16: Trägheitseinstelleinheit
17: Schalteinheit
18: Parametereinstelleinheit
21: Geschwindigkeitsschätzeinheit

2

15: Trägheitsschätzeinheit
15a: Differenziereinheit
15d: Integriereinheit

Claims

Eine Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit zum variablen Steuern und/oder Regeln der Geschwindigkeit von einem elektrischem Motor unter Verwendung einer Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit, in der zumindest ein Parameter veränderbar ist, umfassend: eine Trägheitsschätzeinheit zur Schätzung der Gesamtheit von Trägheitsmomenten des elektrischen Motors und eines anzutreibenden Gegenstands und zur Ausgabe des geschätzten gesamten Trägheitsmoments als ein Trägheitsmomentschätzwert; eine Trägheitseinstelleinheit zur manuellen Einstellung eines Trägheitsmoments und zur Ausgabe des manuell eingestellten Trägheitsmoments in Form eines manuell eingestellten Trägheitsmomentswerts; eine Schalteinheit zum Schalten auf und Ausgeben von dem Trägheitsmomentschätzwert oder dem manuell eingestellten Trägheitsmomentswert abhängig davon, ob das Trägheitsmoment geschätzt werden kann oder nicht; und eine Parametereinstelleinheit zum Einstellen eines Parameters der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit auf Basis des Ausgabewertes der Schalteinheit.
Die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für den elektrischen Motor entsprechend Anspruch 1, wobei, wenn der elekt rische Motor von der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit gesteuert und/oder geregelt ist, eine Beschleunigungs- oder Bremsoperation durchzuführen, leitet die Trägheitsmomentschätzeinheit den Trägheitsmomentschätzwert auf Basis eines Drehmomentbefehlswerts, der von der Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit ausgegeben wird, und dem Geschwindigkeitsdetektionswert oder dem Geschwindigkeitsschätzwert des elektrischen Motors ab.
Die Einrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit für den elektrischen Motor entsprechend Anspruch 1 oder 2, wobei die Einheit zum Steuern und/oder Regeln einer Geschwindigkeit durch eine proportionale Berechnungseinheit oder eine proportionale Integriereinheit gebildet wird und die Parametereinstelleinheit die proportionale Verstärkung von jeder einzelnen der Berechnungseinheiten auf der Basis eines Wertes einstellt, der proportional zu dem Ausgangswert der Schalteinheit ist.