DE3734094A1

DE3734094A1 - Steuervorrichtung fuer induktionsmotor

Info

Publication number: DE3734094A1
Application number: DE19873734094
Authority: DE
Inventors: Akira Horie; Yoshiji Jimbo; Kingo Abe; Jinkoo Choo; Seiki Amikura; Yozo Tsuzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-10-08
Filing date: 1987-10-08
Publication date: 1988-04-21
Also published as: AU7938787A; CN87106844A; AU586358B2; US4785225A; CN1006948B; KR880005737A

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für einen Induktions- oder Asynchronmotor und insbesondere eine Steuervorrichtung, die für die Einstellung eines konstanten Drehmoments eines Induktionsmotors geeignet ist, der von einem Wechselrichter mit variabler Spannung und variabler Frequenz angesteuert wird.

Es ist eine Steuervorrichtung für einen Induktions- oder Asynchronmotor bekannt, bei der eine von einer Gleichstrom- Leistungsquelle zugeführte Gleichstromleistung durch einen Wechselrichter in eine Wechselstromleistung mit variabler Spannung und variabler Frequenz umgeformt, und die umgeformte Wechselstromleistung dem Induktionsmotor zugeführt wird. Der oben erwähnte Wechselrichter für variable Spannung und variable Frequenz wird im folgenden kurz als "VVVF-Wechselrichter" bezeichnet (abgeleitet von der englischen Bezeichnung "Variable Voltage, Variable Frequency Inverter"). In einer solchen Steuervorrichtung wird der VVVF-Wechselrichter oft so betrieben, daß das Verhältnis (V/f) der Ausgangs-Wechselspannung zu ihrer Frequenz konstant gehalten wird. Eine derartige Steuerung ist als eine Steuerung eines konstanten V/F-Verhältnisses eines Wechselrichters bekannt.

Als ein Anwendungsbeispiel für die oben genannte Induktionsmotor- Steuervorrichtung ist eine Anwendung als eine Steuervorrichtung für elektrische Fahrzeuge bekannt, die Induktionsmotoren als Antriebsmotoren haben. In diesem Fall wird eine über eine Oberleitung zugeführte Gleichstromleitung durch einen VVVF-Wechselrichter in eine Wechselstromleistung mit variabler Spannung und variabler Frequenz umgeformt. Die so erhaltene Wechselleistung wird einem Induktionsmotor zugeführt. Der VVVF-Wechselrichter wird nach dem Steuerungsmodell für ein konstantes V/f-Verhältnis betrieben, bis die Ausgangsspannung des Wechselrichters ihren Maximalwert annimmt. Danach wird der Wechselrichter so betrieben, daß die Schlupffrequenz des Motors erhöht wird, bis sie den durch das Kippmoment des Induktionsmotors gegebenen Grenzwert erreicht.

In einer derartigen Steuervorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug wird ein Wechselrichter entsprechend einem Sollwert für den Strom gesteuert, der einem Induktionsmotor zugeführt werden soll, damit der Motor das konstante Drehmoment liefert. Der Grund dafür wird im folgenden erläutert.

Das von einem Induktionsmotor erzeugte Drehmoment T _M ist näherungsweise durch folgende Gleichung (1) gegeben:

wobei I _M den Motorstrom, R₂ den Sekundärwiderstand des Induktionsmotors, f _s die Schlupffrequenz und k₁ eine Konstante bezeichnet.

Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, ist das vom Motor erzeugte Drehmoment T _M proportional zum Quadrat des Motorstroms I _M, da die durch die Veränderung der Temperatur hervorgerufene Veränderung von R₂ vernächlässigbar ist, und f _s entsprechend der Charakteristik des Induktionsmotors auf Grundlage eines geforderten Drehmoments automatisch vorgegeben wird. Demnach kann die Steuerung eines konstanten Drehmoments erfolgen, indem der Motorstrom auf einen konstanten Wert eingestellt wird.

Im folgenden wird eine bekannte Steuerungstechnik erläutert, bei der die oben beschriebene Drehmomentsteuerung nach einem sogenannten Pulsbreiten-Modulation-Steuerungsverfahren (im folgenden als "PWM-Steuerungsverfahren" bezeichnet) eines VVVF-Wechselrichters erfolgt.

Zuerst wird der Motorstrom I _M erfaßt, und der erfaßte Strom I _M mit einem entsprechenden Sollwert verglichen, um die Abweichung zu erhalten.

Auf Grundlage dieser Abweichung wird ein Bezugswert für die Schlupffrequenz des Motors bestimmt. Eine Dreh- oder Rotationsfrequenz, die proportional zur Umdrehungszahl des Motors ist, wird erfaßt, und der erhaltene Schlupffrequenz-Bezugswert wird zu der erfaßten Drehfrequenz addiert, um einen Bezugswert für die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters zu schaffen, die gleich der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters ist, d. h. der an den Motor angelegten Spannung.

Weiterhin wird ein Modulationsfaktor in der PWM-Steuerung, der das Verhältnis einer Amplitude eines Spannungs- Steuersignals zu der eines Trägerwellensignals angibt, so gesteuert, daß die Ausgangsspannung des Wechselrichters proportional zu seiner auf oben beschriebene Weise bestimmten Frequenz ist. Das heißt, der Wechselrichter wird so gesteuert, daß das Verhältnis V/f in seiner Ausgangsspannung auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird.

Nach dem oben genannten Stand der Technik kann jedoch nicht immer das geforderte Drehmoment erzeugt werden. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Steuerung des Wechselrichters auf Grundlage des Sollwertes für den Motorstrom erfolgt, den man durch Umrechnung des notwendigen Drehmoments entsprechend Gleichung (1) erhält. Diese Tendenz tritt besonders in dem Steuerbereich auf, in dem nur die Frequenz gesteuert wird, nachdem die Ausgangsspannung des Wechselrichters ihren Maximalwert erreicht hat, da die Beziehung zwischen dem Motorstrom und dem Drehmoment in diesem Bereich sehr kompliziert ist.

Aufgrund dieser Komplikation ist es weiterhin sehr schwierig und mühsam, ein Muster oder Modell für den Motorstrom-Sollwert, bezogen auf die Geschwindigkeit oder Drehzahl eines Fahrzeugs, anzugeben.

Die generelle Aufgabe der Erfindung ist darin zu sehen, eine Steuervorrichtung für einen Induktions-oder Asynchronmotor anzugeben, mit der die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest überwunden werden. Insbesondere soll eine verbesserte Steuervorrichtung für einen Induktionsmotor geschaffen werden, die einen Wechselrichter für die Umformung von Gleichstromleistung in Wechselstromleistung mit variabler Spannung und variabler Frequenz, um den Induktionsmotor zu speisen, sowie eine Steuereineit für die Erzeugung von Signalen aufweist, um den Wechselrichter nach dem PWM- Steuerverfahren so zu betreiben, daß das vom Induktionsmotor erzeugte Drehmoment so gesteuert wird, daß es einem gegebenen Drehmoment-Kurvenfeld bzw. Drehmoment-Muster mit einer hohen Genauigkeit folgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden nach vorliegender Erfindung der tatsächliche Motorstrom und die tatsächliche Schlupffrequenz eines zu steuernden Induktionsmotors durch entsprechende Detektoren erfaßt. Der erfaßte Motorstrom wird mit einem Drehmoment-Bezugswert verglichen, der von einem Mustergenerator erzeugt wird, um die Abweichung zwischen diesen Werten zu erhalten. Bei diesem Vergleich wird zumindest einer der Werte, Motorstrom und Drehmoment-Bezugswert, in eine mit dem Drehmoment korrelierte Steuervariable umgeformt, so daß beide zu vergleichenden Steuervariablen dieselbe Dimension haben. Ein Referenzwert für die Schlupffrequenz des Induktionsmotors wird entsprechend der beim obigen Vergleich erhaltenen Abweichung erzeugt. Daneben wird ein Bezugswert für die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters auf Grundlage des erhaltenen Schlupffrequenz-Bezugswerts und der Drehfrequenz des Induktionsmotors bestimmt. Eine Steuereinheit für den Wechselrichter erzeugt Signale, um den Wechselrichter so zu betreiben, daß er die Ausgangsspannung entsprechend dem Frequenz- Bezugswert erzeugt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines Induktionsmotors zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, in der die Veränderung des Impedanzverhältnisses in einem Induktionsmotor bezogen auf die Schlupffrequenz dargestellt ist;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Steuervorrichtung für einen Induktionsmotor nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Beispiel des Kennlinienfeldes eines Drehmoment- Mustergenerators, wie er in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen Anwendung findet;

Fig. 5 ein Beispiel des Kennlinienfeldes eines Erregungsstrom- Mustergenerators, wie er in den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen Anwendung findet;

Fig. 6 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei nur der relevante Bereich dargestellt ist; und

Fig. 7 die Kennlinien von verschiedenen Steuervariablen, wenn die Steuerung mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung erfolgt.

Zuerst soll das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip erläutert werden. Vor der detaillierten Beschreibung werden die dabei verwendeten Symbole definiert:

VAnschluß- oder Klemmenspannung des Induktionsmotors, entsprechend der Ausgangsspannung eines den Induktionsmotor speisenden WechselrichtersE₀induzierte Sekundärspannung des Induktionsmotors I₁Primärstrom des Induktionsmotors, auch als Motorstrom I _M bezeichnet I₂Sekundärstrom des Induktionsmotors I₀Erregungsstrom des Induktionsmotors Z₁Impedanz der Primärseite des Induktionsmotors R₁Primärwiderstand des Induktionsmotors L₁Primärinduktivität des Induktionsmotors Z₂Impedanz der Sekundärseite des Induktionsmotors R₂Sekundärwiderstand des Induktionsmotors, Widerstandswert, der den Widerstandswert einer Sekundärentwicklung des Induktionsmotors und einen Lastwiderstandswert enthält L₂Sekundärinduktivität Z₀gegenseitige Impedanz, Kopplungsimpedanz des Induktionsmotors MGegeninduktivität des Induktionsmotors sSchlupf f₁Frequenz der Klemmenspannung V, entsprechend der Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters f _rDrehfrequenz, proportional zur Drehzahl des Induktionsmotors f _sSchlupffrequenz, gleich sf₁

In Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Induktionsmotors dargestellt. Die darin gezeigte Anschluß- oder Klemmenspannung V des Induktionsmotors ist durch die folgende Gleichung (2) gegeben, wobei der durch die Primärimpedanz Z₁ hervorgerufene Spannungsabfall zur Vereinfachung der Erklärung vernachlässigt wird. Dieser Spannungsabfall ist tatsächlich, verglichen mit dem durch die Sekundärimpedanz und die gegenseitige Impedanz oder Kopplungsimpedanz hervorgerufenen Spannungsabfall, sehr klein.

V = E₀ = k₂ · f₁ · I₀ (2)

wobei k₂ eine Konstante ist. Danach ist die Erregungsstrom- Komponente I₀ folgendermaßen gegeben:

wobei k₃ eine Konstante ist. Wie aus Gleichung (3) ersichtlich, kann die Erregungsstrom-Komponente I₀ durch die Klemmenspannung V und ihre Frequenz f₁ gesteuert werden. Die durch die Gleichung (3) angegebene Erregungsstrom- Komponente I₀ entspricht dem Feldstrom in einem Gleichstrommotor. Wenn daher die Erregungsstrom-Komponente I₀ konstant gehalten wird, kann das vom Induktionsmotor erzeugte Drehmoment beliebig durch die Sekundärstrom-Komponente I₂ gesteuert werden.

Das vom Induktionsmotor erzeugte Drehmoment T _M ist mit der Sekundär-Komponente I₂ folgendermaßen gegeben:

wobei k₄ und k₅ Konstanten sind.

Wie aus dem Ersatzschaltbild nach Fig. 1 ersichtlich ist, besteht darüber hinaus zwischen dem Primärstrom I₁, dem Sekundärstrom I₂ und dem Erregungsstrom I₀, ausgedrückt in Vektorbeträgen, folgende Beziehung:

V = Z₁ · I₁ + Z₀ · I₀ (5)
Z₀ · I₀ = Z₂ · I₂ (6)
I₁ = I₀ + I₂ (7)

Aus obigen Gleichungen (6) und (7) läßt sich der Vektorbetrag des Erregungsstroms I₀ folgendermaßen berechnen:

Obige Beziehung läßt sich in Absolutbeträgen folgendermaßen ausdrücken:

Auch der vektorielle Betrag des Sekundärstroms I₂ läßt sich aus den Gleichungen (6) und (7) ableiten:

Die obige Beziehung läßt sich in Absolutbeträgen folgendermaßen ausdrücken:

Die Impedanzverhältnisse in den Gleichungen (8) und (9) erhält man folgendermaßen:

Auf diese Weise werden beide Impedanzverhältnisse als Funktionen F₀(f _s) bzw. F₂(f _s) der Schlupffrequenz f _s ausgedrückt.

Beispiele der gemessenen Werte der Impedanzverhältnisse sind in Fig. 2 gezeigt. Danach nimmt F₀(f _s) mit f _s ab, während F₂(f _s) zunimmt. Die Schlupffrequenz f _s ist in dieser Figur als ein Absolutwert angegeben, da, wie später beschrieben, f _s in dem Zustand, in dem der Motor Leistung liefert, als ein positiver Wert benutzt wird, während es im Bremszustand des Motors als ein negativer Wert benutzt wird.

Sowohl der Erregungsstrom I₀ als auch der Sekundärstrom I₂ lassen sich als Funktion der Schlupffrequenz f _s schreiben:

I₀ = F₀(f _s) · I₁ (12)
I₂ = F₂(f _s) · I₁ (13)

Die obigen Funktionen F₀(f _s) und F₂(f _s) lassen sich im voraus durch Messung oder Berechnung ermitteln und in einem entsprechenden Speicher abspeichern. Die gespeicherten Daten können in Antwort auf die dann vorhandene Schlupffrequenz f _s ausgelesen werden. Die aus dem Speicher ausgelesenen Werte der Funktionen F₀(f _s) und F₂ (fs) werden mit dem tatsächlich erfaßten Primärstrom I₁ multipliziert, wodurch man entsprechend den obigen Gleichungen (12), (13) den Erregungsstrom I₀ und den Sekundärstrom I₂ erhalten kann. Das Drehmoment T _M kann nach Gleichung (4) auf Grundlage der so erhaltenen Werte für den Sekundärstrom I₂ und die Schlupffrequenz f _s bestimmt werden.

Anschließend wird ein gegebener Drehmoment-Sollwert T _MP mit dem berechneten Drehmoment T _M verglichen, um eine Abweichung Δ T _M zwischen diesen Werten zu bestimmen, und die Schlupffrequenz f _s wird so gesteuert, daß diese Abweichung Δ T _M Null wird. Dazu wird, wie allgemein bekannt, ein PWM- Steuergerät für den Wechselrichter mit einem Bezugswert f₁ für die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters versorgt, wie er unten definiert ist:

f₁ = f _r±f _s (14)

wobei das Pluszeichen Anwendung findet, wenn sich der Motor in dem Zustand befindet, in dem er Leistung abgibt, und das Minuszeichen, wenn sich der Motor in seinem Bremszustand befindet. Als Folge davon kann die Drehmomentsteuerung des Induktionsmotors entsprechend einem gewünschten Drehmoment- Sollwert oder Drehmoment-Muster bzw. -Kennlinienfeld erfolgen.

Oben wurde ein Fall erläutert, in dem das aus dem erfaßten Primärstrom I₁ berechnete tatsächliche Drehmoment T _M mit dem Drehmoment-Muster T _MP verglichen wird. Statt dessen können jedoch auch die Steuervariablen verwendet werden, die sich auf das Drehmoment beziehen. Das heißt, das Drehmoment wird in die Drehmoment-bezogene Steuervariable umgerechnet, beispielsweise den Primärstrom I₁ oder den Sekundärstrom I₂.

Ein Sekundärstrom-Muster I₂_P als die Drehmoment-bezogene Steuervariable erhält man beispielsweise, indem man das Drehmoment-Muster T _MP nach Gleichung (4) umrechnet. Der Sekundärstrom I₂ wird andererseits aus dem erfaßten Primärstrom I₁ nach Gleichung (13) berechnet. Das umgerechnete Sekundärstrom-Muster I _2P und der berechnete Sekundärstrom I₂, die beide dieselbe Dimension haben, werden miteinander verglichen, und man erhält die Abweichung Δ I₂. Die Schlupffrequenz f _s wird auf Grundlage der so erhaltenen Abweichung Δ I₂ berechnet.

Bei der oben erwähnten Steuerung des Wechselrichters wird nun die Ausgangsspannung V des Wechselrichters im allgemeinen mit dem PWM-Steuerverfahren so eingestellt, daß das Verhältnis V/f₁ konstant gehalten wird. Nach einem typischen Beispiel wird ein Bezugswert V _P für die Ausgangsspannung auf Grundlage des Wertes f₁, den man entsprechend obigen Erläuterungen erhält, und des vorgegebenen Verhältnisses V/f₁ bestimmt. Die Ausgangsspannung V des Wechselrichters wird gewöhnlich entsprechend dem so erhaltenen Bezugswert V _P gesteuert.

Wie aus Gleichung (3) verständlich wird, kann das Verhältnis V/f₁ konstant gehalten werden, indem der Erregungsstrom I₀ auf den konstanten Wert eingestellt wird. Zu diesem Zweck kann ein Erregungsstrom-Steuersystem vorgesehen werden, in dem der Strom I₀, der sich nach Gleichung (12) berechnet, so gesteuert wird, daß er einem im voraus vorgegebenen Erregungsstrom- Muster I₀_P folgt. Obwohl das erzeugte Drehmoment im allgemeinen beim Anlaufen des Induktionsmotors aufgrund des Spannungsabfalls auf der Primärseite des Motors verringert wird, kann diese Verringerung des Drehmoments durch das oben genannte Erregungsstrom-Steuersystem verhindert werden.

Als Folge der oben beschriebenen Steuerung kann das vom Induktionsmotor erzeugte Drehmoment so gesteuert werden, daß es genau einem gegebenen Drehmoment-Muster folgt. Die Steuerung auf ein konstantes Drehmoment kann daneben nicht nur in einem Bereich variabler Spannung erfolgen, in dem der Wechselrichter der Steuerung für das konstante V/f-Verhältnis unterzogen wird, sondern auch im Spannungs-Sättigungsbereich in dem der Wechselrichter weiterhin die maximale Ausgangsspannung abgibt, und die Wechselrichterfrequenz bis zu dem Grenzwert erhöht wird, der durch ein Kippmoment des Induktionsmotors vorgegeben ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden eine Steuervorrichtung für einen Induktionsmotor nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

In diesem Ausführungsbeispiel findet die Erfindung auf eine Steuervorrichtung für ein elektrisches Fahrzeug Anwendung. Zuerst wird ein Hauptkreis des elektrischen Fahrzeuges erläutert. Mehrere Induktionsmotoren 11, 13, die als Antriebsmotoren dienen, werden mit einer Wechselleistung mit variabler Spannung und variabler Frequenz versorgt. Eine solche Wechselleistung erhält man, indem eine von einer Oberleitung 15 über einen Stromabnehmer 17 und einen Filter 19 aus einer Drosselspule und einem Kondensator zugeführte Gleichleistung durch einen VVVF-Wechselrichter 21 umgeformt wird. Die Ausgangsspannung des Wechselrichters 21 ist eine Dreiphasen- Wechselspannung. In jeder Phase sind Strom-Detektoren vorgesehen, um durch entsprechende Phasen fließende Ströme i _u, i _v, i _w zu erfassen. In der Figur ist jedoch nur ein einziger Detektor 23 dargestellt.

Eine über den Anschlüssen des Kondensators im Filter 19 auftretende Spannung wird als eine Spannung E _s der Gleichstrom- Leistungsquelle erfaßt. Die Motoren 11, 13 sind mit Impuls-Generatoren 25 bzw. 27 versehen, um die Drehzahl der Motoren 11, 13 zu erfassen. Die Impuls-Generatoren 25, 27 erzeugen Signale proportional zur Drehzahl des jeweiligen Motors 11, 13 in Form von Drehfrequenzen f _r1, f _r2. Obwohl in Fig. 3 zwei Hauptmotoren 11, 13 dargestellt sind, ist die Erfindung in keiner Weise auf diese Anzahl von Hauptmotoren beschränkt.

Im folgenden wird der Aufbau der Steuervorrichtung nach diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Obwohl eine Steuervorrichtung dieser Art im allgemeinen mit einem entsprechend programmierten Mikrocomputer und entsprechende Peripherie realisiert wird, wird im folgenden eine Vorrichtung erläutert, die aus verschiedenen unabhängigen und diskreten Elementen aufgebaut ist, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern.

Die Ausgangssignale i _u, i _v, i _w der Strom-Detektoren 23 werden zu einem Effektivwert-Rechner 29 geführt, in dem der Effektivwert des Motorstroms i _M entsprechend folgender Gleichung berechnet wird:

Es ist anzumerken, daß der so berechnete Motorstrom I _M dem Primärstrom I₁ entspricht.

Die Ausgangssignale f _r₁, f _r₂ der Impuls-Generatoren 25, 27 werden einem f _r, f _s′-Detektor 31 zugeführt, in dem ein tatsächlicher Wert f _s′ der Schlupffrequenz nach folgender Gleichung berechnet wird:

wobei f₁ die Wechselrichterfrequenz angibt, wie später im einzelnen erläutert. In obiger Gleichung sind mit dem f _r₁ und f _r₂ die Drehzahlfrequenzen bezeichnet, die von den entsprechenden Impuls-Generatoren 25, 27 erfaßt werden. f _s₁ und f _s₂ bezeichnen daher Schlupffrequenzen, die in den jeweiligen Motoren 11, 13 auftreten und deren Mittelwert als die tatsächliche Schlupffrequenz f _s′ verwendet wird. Obwohl die Werte f _s₁ und f _s₂ entsprechend Gleichungen (16) einer einfachen Mittelwertbildung unterzogen werden, sind auch andere Maßnahmen möglich, beispielsweise eine gewichtete Mittelwertbildung, um den tatsächlichen Wert f _s′ der Schlupffrequenz zu bestimmen.

Der Detektor 31 liefert auch die Drehfrequenz f _r. Zu diesem Zweck hat der Detektor 31 die Funktion, daß er entweder den Maximalwert oder den Minimalwert von f _r₁ und f _r₂ in Antwort auf ein Leistungsabgabe- oder ein Brems-Signal (P/B-Signal) auswählt. Befinden sich die Motoren 11, 13 im Zustand der Leistungsabgabe, wird der kleinere der Werte f _r₁ und f _r₂ gewählt, während der größere Wert gewählt wird, wenn sich die Motoren im regenerativen Bremszustand befinden.

Der im Effektivwert-Rechner 29 berechnete Motorstrom I _M und die vom Detektor 31 erfaßte tatsächliche Schlupffrequenz f _s′ werden zu einem Sekundärstrom-Rechner 33 geführt, in dem der dann vorhandene Sekundärstrom I₂ entsprechend Gleichung (13) auf Grundlage von I _M und f _s′ berechnet wird. Wie später im einzelnen erörtert, werden I _M und f _s′ auch einem Erregungsstrom-Rechner 35 zugeführt.

Der berechnete Sekundärstrom I₂ wird zu einem Drehmoment- Rechner 37 geführt, dem die vom Detektor 31 erfaßte Schlupffrequenz f _s′ zugeführt wird. Der Rechner 37 berechnet das Drehmoment T _M entsprechend Gleichung (4) auf Grundlage von I₂ und f _s′. Das berechnete Drehmoment T _M wird auf einen Vergleicher 39 gegeben, der mit einem vom Drehmoment-Mustergenerator 41 erzeugten Drehmoment-Muster T _MP versorgt wird.

Der Drehmoment-Mustergenerator 41 wird mit den folgenden vier Eingangssignalen versorgt: (1) einem Lastsignal, das die Lastbedingungen des elektrischen Fahrzeugs angibt; (2) einer von einer (nicht gezeigten) Master-Steuereinheit durch einen Operator gegebenen Stellungs-Anweisung; (3) einem P/B- Signal, das anzeigt, daß die Motoren 11,13 im Leistungsabgabe- oder im regenerativen Bremszustand sind; und (4) der Drehfrequenz f _r vom Detektor 31.

Der Drehmoment-Mustergenerator 41 empfängt die oben genannten vier Eingangssignale und erzeugt entsprechend der in Fig. 4 gezeigten Charakteristik das Drehmoment-Muster T _MP. In dieser Figur ist auf der Abszisse die Drehfrequenz f _r als das Drehzahlsignal, und auf der Ordinate das Drehmoment als das Drehmoment-Muster T _MP aufgetragen. Die Stellungs-Anweisungen N von der ersten Stellung (N = 1) bis zur vierten Stellung (N = 4) werden als Parameter verwendet. Das Drehmoment- Muster wird in Antwort auf die Last zwischen der Musterkennlinie für die Vollastbedingung (durchgezogene Linie in Fig. 4) und der Musterkennlinie für die Leerlaufbedingung (gestrichelte Linie in Fig. 4) nach oben und unten verschoben.

Obwohl für die Leistungsabgabe und das Bremsen ein Drehmoment- Muster T _MP mit dem selben Profil erzeugt wird, ist das Drehmoment in der Musterkennlinie für das Bremsen etwas größer als in der für die Leistungsabgabe.

Zurück zu Fig. 3. Das im Rechner 37 berechnete Drehmoment T _M und das im Generator 41 erzeugte Drehmoment-Muster T _MP werden miteinander verglichen, und man erhält die Abweichung Δ T _M zwischen diesen Werten. Ein Schlupffrequenz- Rechner 43 erzeugt einen Referenzwert f _s für die Schlupffrequenz auf Grundlage der Abweichung Δ T _M mittels einer Proportional-Integral-Operation.

Das Ausgangssignal f _s des Rechners 43 wird zu einem Addierer 45 geführt, wobei sein Vorzeichen entsprechend dem Betriebszustand der Motoren 11, 13 gewählt wird. Befinden sich die Motoren 11, 13 im Leistungsabgabe-Zustand, ist f _s positiv, so daß es im Addierer 45 zu f _r addiert wird, befinden sich die Motoren 11, 13 jedoch im regenerativen Bremszustand, ist f _s negativ, so daß es von f _r subtrahiert wird. Das heißt, im Addierer 45 wird die Rechnung nach Gleichung (14) durchgeführt, um den Frequenz-Bezugswert f₁ für den Wechselrichter 21 zu erzeugen, der einer PWM-Modulationseinheit 47 zugeführt wird.

In der PWM-Modulationseinheit 47 wird eine sinusförmige Steuerspannung erzeugt, deren Frequenz gleich dem Frequenz- Bezugswert f₁ ist. Eine solche Steuerspannung wird mit einem Trägerwellensignal verglichen, das gewöhnlich eine Dreieckwelle ist, deren Frequenz höher als die der Steuerspannung ist. Die Amplitude der Steuerspannung wird entsprechend einem vorgegebenen Modulationsfaktor γ verändert. Wie schon beschrieben, gibt der Modulationsfaktor das Verhältnis der Amplitude des Steuerspannungs-Signals zu der des Trägerwellensignals an, durch das die Ausgangsspannung des Wechselrichters 21 eingestellt wird. Daher erzeugt der Wechselrichter 21 die Ausgangsspannung, die auf dem konstanten Verhältnis V/f₁ gehalten wird, wenn der Modulationsfaktor γ auf einen Wert in Antwort auf den Frequenz-Bezugswert f₁ gesetzt wird.

Entsprechend dem Ergebnis des oben genannten Vergleichs werden Gate-Signale erzeugt, um den EIN-AUS-Betrieb des Wechselrichters 21 zu steuern. Als Folge des EIN-AUS-Betriebs werden die Spannung und die Frequenz der Ausgangs-Wechselspannung des Wechselrichters 21 entsprechend dem Modulationsfaktor γ und dem Frequenz-Bezugswert f₁ gesteuert. Da die Funktion und der Betrieb dieser Einheit 47 selbst bekannt sind, kann hier auf eine weitere Beschreibung verzichtet werden.

Der Frequenz-Bezugswert f₁ wird auch einem Modus-Wandler 49 zugeführt, der ein Impuls-Modus-Veränderungssignal PM zur PWM-Modulationseinheit 47 erzeugt. In Antwort auf das Modus-Veränderungssignal PM, verändert die Modulationseinheit 47 die Anzahl der Wellen des Trägerwellensignals, die in einem Zyklus der Steuerspannung auftreten. Diese Veränderung des Modus wird entsprechend dem Frequenz-Bezugswert f₁ durchgeführt, der der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit des elektrischen Fahrzeugs entspricht.

Das dient der Unterdrückung der im Motorstrom i _u, i _v, i _w vorhandenen Welligkeit. Die Anzahl der Wellen des Trägerwellensignals in einem Zyklus der Steuerspannung wird beispielsweise von 45 Wellen im unteren Drehzahlbereich über 27, 15, 9 und 3 Wellen auf 1 Welle im hohen Drehzahlbereich verändert. Diesbezüglich wird auf die US-Patentanmeldung mit dem Titel "Control apparatus for pulse width modulation inverters" (Seriennummer 003 024, Anmeldetag 13. Januar 1987) verwiesen.

Auf diese Weise kann das von den Induktionsmotoren 11, 13 erzeugte Drehmoment T _M genau entsprechend dem Drehmoment- Muster T _MP gesteuert werden. Nach obiger Beschreibung wird jedoch der Erregungsstrom I₀ nur dadurch konstant gehalten, daß das Verhältnis V/f₁ auf den vorgegebenen Wert eingestellt wird. Zum Zeitpunkt des Anlaufens eines Induktionsmotors kann jedoch der Spannungsabfall auf seiner Primärseite nicht vernachlässigt werden, und es ist schwierig, das Verhältnis V/f₁ konstant zu halten. Daher ist in diesem Ausführungsbeispiel weiterhin ein Erregungsstrom-Steuersystem vorgesehen, durch das der Erregungsstrom I₀ entsprechend einem gewünschten Muster gesteuert werden kann.

Im folgenden wird dieses Steuersystem beschrieben. Das System weist einen Erregungsstrom-Rechner 25 auf, dem die bereits berechneten oder erfaßten Werte des Motorstroms I _M und der Schlupffrequenz f _s′ zugeführt werden, um entsprechend Gleichung (12) den tatsächlichen Wert des Erregungsstroms I₀ zu berechnen. Der berechnete Wert des Erregungsstroms I₀ wird einem Vergleicher 51 zugeführt, auf den von einem Erregungsstrom- Mustergenerator 53 auch ein Erregungsstrom-Muster I₀_P gegeben wird. Der Mustergenerator 53 empfängt vier Eingangssignale: die Quellen-Gleichspannung E _S, die Drehfrequenz f _r, die Stellungs-Anweisung N und das P/B-Signal und erzeugt entsprechend dem in Fig. 5 gezeigten Kennlinienfeld ein Erregungsstrom-Muster I _0P.

In dieser Figur ist auf der Ordinate der Erregungsstrom als der Erregungsstrom-Muster I _0P, und auf der Abszisse die Drehfrequenz f _r als das Drehzahlsignal des elektrischen Fahrzeugs aufgetragen. Die Stellungs-Anweisungen N von der ersten Stellung (N = 1) bis zur vierten Stellung (N = 4) werden als Parameter verwendet. Die Kennlinie wird entsprechend der Last des elektrischen Fahrzeugs nach oben und nach unten verschoben, wie mit durchgezogenen und gestrichelten Linien dargestellt. Daneben wird die Kennlinie auch durch die Veränderung der Quellen-Gleichspannung E _S eingestellt, wie es in der Figur mit einem Pfeil gezeigt ist. Obwohl in diesem Kennlinienfeld für die Leerlauf-Bedingung kein Pfeil gezeigt ist, trifft das auch für diesen Fall zu.

Nochmals zu Fig. 3. Der berechnete Erregungsstrom I₀ und das erzeugte Muster I _0P werden im Komparator 51 miteinander verglichen, um die Abweichung Δ I₀ zwischen diesen Werten zu erhalten. Diese Abweichung Δ I₀ wird einem Modulationsfaktor- Rechner 55 zugeführt, in dem dieses Abweichungssignal durch eine Proportional-Integral-Operation in den Bezugswert für den Modulationsfaktor γ umgerechnet wird. Der berechnete Bezugswert γ für den Modulationsfaktor wird an die PWM-Modulationseinheit 47 gegeben. Als Folge davon erzeugt die Modulationseinheit 47 die Gate-Signale für die schaltenden Elemente des Wechselrichters 21 auf Grundlage des Modulationsfaktor-Bezugswertes γ, der entsprechend dem gewünschten Erregungsstrom-Muster festgesetzt ist.

Wie oben beschrieben, erhält man nach diesem Ausführungsbeispiel den tatsächlichen Wert des Sekundärstroms I₂ der Indutktionsmotoren 11, 13 durch Berechnung. Das von den Motoren erzeugte Drehmoment T _M erhält man auf Grundlage des tatsächlichen Sekundärstroms I₂. Der so erhaltene tatsächliche Wert des Drehmoments T _M wird mit dem Drehmoment- Muster T _MP verglichen, wodurch das Drehmoment T _M so gesteuert wird, daß es dem Muster T _MP folgt. Als Folge davon kann eine genaue Steuerung der Motoren 11, 13 auf ein konstantes Drehmoment erfolgen, die dem Drehmoment-Muster folgt. Daneben wird die Verringerung des von den Motoren 11, 13 erzeugten Drehmoments zum Zeitpunkt des Anlaufens der Motoren durch zusätzliches Vorsehen des Erregungsstrom-Steuersystems kompensiert, so daß die Steuerung auf ein konstantes Drehmoment weiter verbessert wird.

Nach obiger Beschreibung wurde der VVVF-Wechselrichter 21 so gesteuert, daß das von den Induktionsmotoren 11, 13 erzeugte tatsächliche Drehmoment T _M dem Drehmoment-Muster T _MP folgt. Wie aus Gleichung (4) verständlich wird, kann jedoch das Drehmoment T _M in den Sekundärstrom I₂ umgerechnet werden. Es läßt sich daher ein weiterens Ausführungsbeispiel realisieren, in dem das Drehmoment-Muster T _MP in den entsprechenden Sekundärstrom umgerechnet wird, der als ein Sekundärstrom-Muster I _2P dient, und das so erhaltene Sekundärstrom- Muster I _2P mit dem tatsächlichen Sekundärstrom I₂ verglichen wird, den man durch oben beschriebene Berechnung erhält. Fig. 6 zeigt ein weiteres dementsprechendes Ausführungsbeispiel. In der Figur ist jedoch nur der relevante Teil des Ausführungsbeispiels gezeigt, wobei der nicht gezeigte Teil dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 entspricht. Weiterhin werden in Fig. 6 dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 3 für übereinstimmende Elemente verwendet.

Nach Fig. 6 ist neu ein Sekundärstrom-Mustergenerator 57 vorgesehen, in dem, wie oben beschrieben, ein Sekundärstrom- Muster I _2P durch Umrechnen des von dem Drehmoment- Mustergenerator 41 erzeugten Drehmoment-Musters T _MP generiert wird. Das so generierte Sekundärstrom-Muster I _2P wird zu einem Komparator 59 geführt, in dem es mit dem tatsächlichen Sekundärstrom I₂ verglichen wird, um die Abweichung Δ I₂ zu erhalten. Da auf diese Weise der tatsächliche Wert und der Bezugswert in Form des Sekundärstroms miteinander verglichen werden, wird in diesem Ausführungsbeispiel natürlich der Drehmoment-Rechner 37 nach Fig. 3 unnötig. Der Schlupffrequenz- Rechner 43 erzeugt den Bezugswert f _s für die Schlupffrequenz durch eine Proportional-Integral-Operation.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 erfolgt eine Beschreibung des Effekts vorliegender Erfindung. In Fig. 7 ist die Veränderung der verschiedenen Steuervariablen bezogen auf die Drehfrequenz f _r dargestellt, wenn ein Induktionsmotor durch die Steuervorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel gesteuert wird. Wie aus der Figur hervorgeht, nimmt die Klemmenspannung V linear zu, bis die Drehfrequenz f _r etwa 53 Hz erreicht, wonach eine Sättigung auf einem konstanten Spannungswert eintritt. Dabei werden der Sekundärstrom I₂ und die Schlupffrequenz f _s jeweils auf vorgegebene Werte gesteuert. Als Folge davon wird das Drehmoment T _M konstant gehalten, wie es in der Fig. mit einer dicken Linie gezeigt ist. Nach Eintreten der Sättigung der Spannung V nimmt die Schlupffrequenz f _s bis zu dem Grenzwert, etwa 72 Hz, zu, der durch das Kippmoment des Induktionsmotors gegeben ist. Während des Ansteigens der Schlupffrequenz wird weiterhin das konstante Drehmoment erzeugt.

Obwohl oben nur einige Formen von Vorrichtungen beschrieben wurden, die erfindungsgemäß aufgebaut sind, wird daraus für den Fachmann verständlich, daß im Rahmen der Erfindung vielfältige Veränderungen und Modifikationen möglich sind.

Claims

1. Steuervorrichtung für einen Induktionsmotor mit
einer Gleichstrom-Leistungsquelle,
einer Wechselrichtereinrichtung (21) für die Umformung der von der Gleichstrom-Leistungsquelle zugeführten Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung mit variabler Spannung und variabler Frequenz zur Speisung des Induktionsmotors (11, 13) und
einer Modulationseinrichtung (47) für die Erzeugung von Signalen zum Betreiben der Wechseleinrichtung (21) entsprechend einem Pulsbreiten-Modulationsverfahren auf Grundlage eines vorgegebenen Verhältnisses von Spannung zu Frequenz in einer Ausgangs-Wechselspannung der Wechselrichtereinrichtung und eines Bezugswertes für die Frequenz der Ausgangs-Wechselspannung, gekennzeichnet durch,
eine Strom-Erfassungseinrichtung (23, 29) zum Erfassen eines Effektivwertes (I _M) eines Motorstroms des Induktionsmotors (11, 13),
eine Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) zum Erfassen einer tatsächlichen Drehfrequenz (f _r) und einer tatsächlichen Schlupffrequenz (f _s′) des Induktionsmotors,
eine Muster-Erzeugungseinrichtung (41) zum Erzeugen eines Bezugswertes (T _MP) für ein von dem Induktionsmotor zu erzeugendes Drehmoment,
eine Vergleichseinrichtung (39; 59) zum Vergleichen des von der Strom-Erfassungseinrichtung (23) erfaßten Motorstroms (I _M) mit dem von der Muster-Erzeugungseinrichtung (41) erzeugten Drehmoment-Bezugswert (T _MP), um eine Abweichung (ΔT _M) zwischen diesen Werten zu erhalten, wobei der Motorstrom (I _M) und/oder der Drehmoment-Bezugswert (T _MP) so umgeformt wird, daß beide Werte Drehzahl-bezogene Steuervariable mit derselben Dimension sind, und
eine Arbeitsfrequenz-Bezugswert-Erzeugungseinrichtung (43) zum Berechnen eines Bezugswertes für eine Schlupffrequenz (f _s) entsprechend der von der Vergleichseinrichtung (39;59) erhaltenen Abweichung (ΔT _M) und zum Erhalten des Frequenz- Bezugswerts (f₁), der an die Modulationseinrichtung (47) gegeben wird, auf Grundlage des berechneten Schlupffrequenz-Bezugswerts (f _s) und der von der Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) erfaßten tatsächlichen Drehfrequenz (f _r).

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung (33) zum Berechnen einer Sekundärstrom- Komponente (I₂) des Induktionsmotors (11, 13) auf Grundlage des von der Strom-Erfassungseinrichtung (23) erfaßten Motorstroms (I _M) und der von der Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) erfaßten tatsächlichen Schlupffrequenz (f _s′).

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von dem Induktionsmotor (11, 13) erzeugtes Drehmoment aus der von der Sekundärstrom-Recheneinrichtung (33) erhaltenen Sekundärstrom-Komponente (I₂) und der von der Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) erfaßten tatsächlichen Schlupffrequenz (f _s′) berechnet wird, und daß die Vergleichseinrichtung (39) das berechnete Drehmoment (T _M) mit dem von der Muster-Erzeugungseinrichtung (41) erzeugten Drehmoment- Bezugswert (T _MP) vergleicht.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Muster-Erzeugungseinrichtung (41) erzeugte Drehmoment-Bezugswert (T _MP) in einen Bezugswert (I _2P) für eine Sekundärstrom-Komponente des Induktionsmotors (11, 13) umgeformt wird, und daß die Vergleichseinrichtung 59 den Sekundärstrom-Bezugswert (I _2P) mit der von der Sekundärstrom- Recheneinrichtung (33) erhaltenen Sekundärstrom-Komponente (I₂) vergleicht.

5. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (35) für die Steuerung einer Erregungsstrom-Komponente (I₀) des von der Strom-Erfassungseinrichtung (23, 29) erfaßten Motorstroms (I _M) entsprechend einem gewünschten Erregungsstrom-Bezugswert (I _0P).

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregungsstrom-Komponente (I₀) auf Grundlage des von der Strom-Erfassungsreinrichtung (23, 29) erfaßten Motorstroms (I _M) und der von der Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) erfaßten tatsächlichen Schlupffrequenz (f _s′) berechnet wird.

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Erregungstrom-Komponente (I₀) mit dem Erregungsstrom-Bezugswert (I _0P) verglichen wird, um eine Abweichung (ΔI₀) zwischen diesen Werten zu erhalten, und daß das Verhältnis der Spannung zur Frequenz der Ausgangs- Wechselspannung der Wechselrichtereinrichtung (21) entsprechend der erhaltenen Abweichung ( Δ I₀) gesteuert wird.

8. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Induktionsmotoren (11, 13) von der Wechselrichtereinrichtung (21) mit der Wechselstromleistung versorgt werden.

9. Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) als Wert für die tatsächliche Schlupffrequenz (f _s′) den Durchschnittswert der in den Induktionsmotoren (11, 13) auftretenden Schlupffrequenzen erzeugt.

10. Steuervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz-Erfassungseinrichtung (31) als Wert für die tatsächliche Drehfrequenz (f _r) während dem Leistungsabgabe- Zustand der Induktionsmotoren (11, 13) den Minimalwert und während des regenerativen Brems-Zustands der Induktionsmotoren den Maximalwert der in den Induktionsmotoren auftretenden Drehfrequenzen (f _r₁), f _r₂) erzeugt.