DE60318066T2

DE60318066T2 - Sensorloses vektorsteuerverfahren für einen wechselstromgenerator und steuereinrichtung dafür

Info

Publication number: DE60318066T2
Application number: DE60318066T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Kitakyushu-shi IURA; Kazuhiro Kitakyushu-shi NONAKA; Yuichi Kitakyushu-shi TERAZONO; Yoichi Kitakyushu-shi YAMAMOTO; Kenji Kitakyushu-shi SUESHIMA; Katsushi Kitakyushu-shi TERAZONO; Mitsujiro Kitakyushu-shi SAWAMURA
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2002-07-08
Filing date: 2003-07-02
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: DE60318066D1; EP1536552B1; CN1669213A; WO2004006424A1; EP1536552A1; EP1536552A4; CN1328847C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein sensorloses Vektorsteuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor, wobei vor dem Start eines Wechselstrommotors die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand geschätzt wird und der Wechselstrommotor mit der geschätzten Geschwindigkeit betrieben wird, um einen sanften Start zu ermöglichen, und bezieht sich auf eine Steuerungsvorrichtung hierfür.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Eingereicht durch den derzeitigen Erfinder und beschrieben in JP-A-2001-161094 ist ein Steuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor, wobei ein Stromrichter für die Ausgabe eines Stroms an den Wechselstrommotor vorgesehen ist, und ein Stromregler zum Regeln des Stroms, der von dem Stromrichter ausgegeben wird, basierend auf einem Signal, das eine Abweichung anzeigt zwischen einem Stromanweisungssignal und einem Detektionssignal, das den Strom anzeigt, der durch den Stromrichter ausgegeben wird, und wobei ein Geschwindigkeitsdetektor und ein Spannungsdetektor nicht vorgesehen sind. Gemäß diesem Steuerungsverfahren sind vorgesehen der Stromrichter zur Ausgabe eines Stroms an den Wechselstrommotor, und der Stromregler zum Regeln des von dem Stromrichter ausgegeben Stroms, basierend auf einem Signal, das eine Abweichung zwischen einem Stromanweisungssignal und einem Detektionssignal anzeigt, das den Strom anzeigt, der durch den Stromrichter ausgegeben wird, und wenn der Wechselstrommotor sich in dem freilaufenden Zustand befindet, wird ein beliebiger Gleichstrom für eine festgelegte Zeitdauer zur Verfügung gestellt, wird eine Frequenzkomponente detektiert, die in dem Detektionssignal für den durch den Stromrichter ausgegeben Strom vorkommt, und wird die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors basierend auf der Frequenzkomponente geschätzt.
Ebenso offenbart ist ein Steuerungsverfahren, wobei, wenn ein Wechselstrommotor sich in einem freilaufenden Zustand befindet, wird, wie oben beschrieben, ein Stromanweisungssignal zwangsmäßig auf Null gesetzt, um den Strom für den Wechselstrommotor auf Null einzustellen; und wobei der Pegel der verbleibenden Spannung, die Phase und die Winkelgeschwindigkeit des Wechselstrommotors erhalten werden, basierend auf einem ausgegebenen Spannungsanweisungssignal, das unter Benutzung einer Kalkulation erhalten wird, die den Strom, der von dem Stromrichter ausgegeben wird, verwendet, und dann wird die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand geschätzt, so dass der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand sanft gestartet werden kann.
Außerdem ist ein Steuerungsverfahren gezeigt, wobei, wenn ein ausgegebenes Spannungsanweisungssignal, das erhalten wird unter Verwendung einer Kalkulation, die auf der Ausgabe des Stromreglers basiert, wenn die Stromregelung mit einem Stromanweisungssignal von Null durchgeführt wird, niedriger ist als ein beliebig festgelegter Spannungspegel, wird die Stromregelung angehalten und eine Anweisung für einen Gleichstrom beliebigen Pegels wird in eine beliebige Richtung für eine festgelegte Zeitdauer gesendet, und danach wird eine Anweisung für einen Strom beliebigen Pegels in eine Richtung gesendet, für die die Phase um 180° abweicht von der Richtung, in welche die Gleichstromanweisung gesendet wird; wobei die Stromregelung für eine festgelegte Zeitdauer erneut durchgeführt wird, und die Frequenzkomponente, die in dem detektierten Stromwert auftritt und die Phasenlage detektiert werden; und wobei die Frequenzkomponente als die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors geschätzt wird und die Drehrichtung basierend auf der Phasenlage geschätzt wird.
Wenn jedoch gemäß dem in JP-2001-161094 beschriebenen Verfahren eine hohe Restspannung in dem Wechselstrommotor verbleibt, würde aufgrund der gegensätzlichen Beeinflussung der Restspannung eine Geschwindigkeit geschätzt werden, die stark von der tatsächlichen Geschwindigkeit des Wechselstrommotors abweicht. In diesem Fall, wenn der Wechselstrommotor gestartet wird, während eine Frequenz entsprechend der geschätzten Geschwindigkeit für den Stromrichter festgelegt wird, fließt ein hoher Strom, der eine Geschwindigkeit annähernd der fehlerhaft detektierten Geschwindigkeit für den Wechselstrommotor erzeugt, und der Wechselstrommotor kann nicht sanft wieder gestartet werden.
Wenn eine Antwort von dem Stromregler nicht zufriedenstellend ist, ist es schwierig, den Strom des Wechselstrommotors auf Null zu setzen, der Stromrichter fällt in einen Überstromzustand, und der Wechselstrommotor kann nicht sanft gestartet werden.
Wenn ferner der Wechselstrommotor ein Induktionsmotor ist, ist es einfach, den Strom des Induktionsmotors auf Null zu reduzieren, da die Restspannung in dem freilaufenden Zustand schrittweise reduziert wird. Wenn jedoch der Wechselstrommotor ein Dauermagnet- Synchronmotor ist, wird eine hohe Induktionsspannung in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit erzeugt, und es ist nicht einfach, den Strom des Dauermagnet-Synchronmotors auf Null zu setzen.
Außerdem, wenn der Wechselstrommotor sich in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit befindet, ist die Detektionsauflösung für eine Frequenz, die in einem detektierten Stromwert auftritt, oder die Amplitude des Signals einer Frequenzkomponente, die in einem detektierten Stromwert auftritt, reduziert, so dass die Frequenz nicht detektiert werden kann.
Zusätzlich, gemäß dem Steuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor, wie in JP-A-2001-161094 beschrieben, wenn der Wechselstrommotor sich in einem freilaufenden Zustand befindet, wird ein beliebiger Gleichstrom für eine festgelegte Zeitdauer bereitgestellt. Für das Verfahren ist jedoch für die Bestimmung der festgelegten Zeitdauer keine genaue Erklärung gegeben.
Gemäß einem Steuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor, wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-80891 beschrieben ist, sind eine vorbestimmte Frequenz und eine detektierte Drehrichtung für eine Frequenz-Abgleichsschaltung eingestellt, und wenn ein eingegebener Drehmomentstromdetektionswert positiv ist, wird die ausgegebene Frequenz erniedrigt, oder wenn der Drehmomentstromdetektionswert negativ ist, wird die ausgegebene Frequenz erhöht. Wenn die ausgegebene Frequenz in dieser Weise angepasst wird, so dass sie sich an den Drehmomentstromdetektionswert von Null annähert, kann die ausgegebene Frequenz des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand der ausgegebenen Frequenz des Stromrichters entsprechen, so dass ein sanfter Start erreicht wird.
Jedoch ist auch in diesem Falle der Wechselstrommotor nicht immer sanft zu starten, selbst wenn die ausgegebene Frequenz angepasst ist, so dass ein Drehmomentstromdetektionswert von Null angenähert wird.
Eine Steuerungsstrategie für fehlerhafte Betriebszustände von AC-Antriebssystemen ist in der wissenschaftlichen Veröffentlichung "Improving the Start and Restart Behaviour through State Recognition of AC Drives" von Pan, Springob und Holtz, IEEE, 1997 offenbart. Das Dokument schlägt zwei Verfahren vor: auf der einen Seite ein sensorloses feldorientiertes Regelungsverfahren, und auf der anderen Seite ein Spannungs/Frequenz – Steuerungsverfahren, um einen AC-Motor sanft wieder zu starten, während einer Zustandserkennung in einem freilaufenden Zustand. Gemäß den präsentierten Verfahren wird eine Geschwindigkeit eines AC-Motors geschätzt aufgrund zwei Arten, je nachdem, ob eine gegenelektrische motorische Kraft existiert oder nicht.
Um diese Defizite zu beheben, ist deshalb eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sensorloses Vektorsteuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor bereitzustellen, wobei, wenn beim Wiederstarten des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand eine falsche Drehrichtung oder eine falsche Geschwindigkeit geschätzt wird, kann dies als eine fehlerhafte Schätzung bestimmt werden und der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand kann sanft wieder gestartet werden, und wobei, wenn ein Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand wieder zu starten ist, wird eine Dauer für das Anlegen eines Gleichstroms an den Wechselstrommotor korrekt festgelegt, so dass der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand sanft wieder gestartet werden kann; und eine Steuerungsvorrichtung dafür.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein sensorloses Vektorsteuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor bereitzustellen, wobei ein laufender Betrieb sogar dann reibungslos und angemessen fortgesetzt werden kann, wenn eine Antwort von einem Stromregler schwach ist, oder wenn der Wechselstrommotor ein Induktionswechselstrommotor ist, oder sogar ein Dauermagnet – Synchron – Wechselstrommotor; und eine Steuerungsvorrichtung dafür.
Es ist eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sensorloses Vektorsteuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor bereitzustellen, wobei die folgenden drei Punkte erfüllt werden können: Wenn, nachdem ein Stromanweisungssignal auf Null gesetzt ist, um den Strom für einen Wechselstrommotor auf Null anzupassen, Stromregelung ausgeführt wird, um die Antwort eines Stromreglers zu erhöhen und den Eintritt in einen Überstromzustand eines Stromrichters zu vermeiden, so dass der laufende Betrieb reibungslos fortgesetzt werden kann; wenn, nachdem eine geschätzte Geschwindigkeit und Drehrichtung für den Wechselstrommotor verwendet werden, um eine Gleichstromanweisung für den Wechselstrommotor bereitzustellen, wird die Genauigkeit der Detektion einer Frequenz für den Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit erhöht; und wenn der laufende Betrieb reibungslos fortgesetzt wird auch während der Wechselstrommotor sich in einem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit befindet; und um eine Steuerungsvorrichtung dafür bereitzustellen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs 1, Vorrichtungsanspruch 15 und die entsprechenden abhängigen Ansprüche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor zeigt, gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Grafik, die die Veränderung für einen Drehmomentstromdetektionswert i_qfb zeigt, für einen Fall, in dem ein Gleichstrom einem in einem freilaufendem Zustand befindenden Wechselstrommotor zur Verfügung gestellt wird, der in Vorwärtsrichtung rotiert;
3 ist eine Grafik, die eine Veränderung des Drehmomentstromdetektionswertes i_qfb darstellt, für einen Fall, in dem ein Gleichstrom dem in dem freilaufenden Zustand befindenden Wechselstrommotor bereitgestellt wird, welcher in Rückwärtsrichtung rotiert;
4 ist eine Grafik, die eine Veränderung des Drehmomentstromdetektionswertes i_qfb zeigt, für einen Fall, in dem ein Gleichstrom dem in dem freilaufenden Zustand befindenden Wechselstrommotor zur Verfügung gestellt wird, der mit einer niedrigen Geschwindigkeit rotiert;
5 ist eine Grafik, die eine Veränderung des Drehmomentstromdetektionswertes i_qfb zeigt, für einen Fall, in dem ein Gleichstrom dem Wechselstrommotor zur Verfügung gestellt wird, welcher eine große sekundäre Schaltzeitkonstante hat, als ein Beispiel;
6 ist ein Flussdiagramm, das die Konfiguration gemäß der ersten Ausgestaltung zeigt;
7 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 zeigt eine Betriebsfrequenz vor einem freilaufenden Zustand und eine Wartezeit, bevor ein erneuter Start auftritt;
9 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
10 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor gemäß einer vierten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die Referenzzeichen, die in den Zeichnungen verwendet werden, sind wie folgt:

1: Stromrichter
2: Wechselstrommotor
3: Stromdetektor
4: Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung
5: Drehmomentstrom – Regelungsschaltung
6: Erregerstrom – Regelungsschaltung
7: Phasenbetriebsschaltung
8: Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung
9: Ausgabespannungs – Betriebsschaltung
10: Schaltmuster – Erzeugungsschaltung
11: Frequenz – Abgleichsschaltung
12, 13, 14, 17: Schalter
15: Geschwindigkeits – Schätzschaltung (dritte Ausgestaltung)
15B: Geschwindigkeits – Schätzschaltung (vierte Ausgestaltung)
16: Addierer

BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun beschrieben, während auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.
Zuerst wird nun eine erste Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung erklärt.
Gemäß der ersten Ausgestaltung, wenn ein Wechselstrommotor neu zu starten ist, und wenn ein in einem Wechselstrommotor fließender Strom auf einem festgelegten Strompegel oder höher für eine festgelegte Zeitdauer fortbesteht, wird entschieden, dass eine Drehrichtung oder eine Geschwindigkeit für den Wechselstrommotor fehlerhaft geschätzt ist, und ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung wird erneut angelegt, um die Drehrichtung und die Geschwindigkeit zu schätzen.
1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor zeigt, gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Für diese Ausgestaltung beinhaltet die sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor: einen Stromrichter 1, einen Wechselstrommotor 2, einen Stromdetektor 3, eine Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4, eine Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5, eine Erregerstrom – Regelungsschaltung 6, eine Phasenbetriebsschaltung 7, eine Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8, eine Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9, eine Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10 und eine Frequenz – Abgleichsschaltung 11.
Der Stromrichter 1 verwendet das Pulsbreitenmodulations – Regelungssystem, um eine Gleichspannung, die erhalten wird, durch die Umwandlung eines Dreiphasen – Wechselstroms unter Verwendung eines Leistungsgerätes, in einen Wechselstrom mit beliebiger Frequenz und beliebiger Spannung umzuwandeln, und stellt den Wechselstrom dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung.
Der Stromdetektor 3 detektiert einen Strom, der dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung gestellt wird.
Die Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4 teilt den Strom, der durch den Stromdetektor 3 detektiert wird auf, um einen Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb und einen Erregerstrom – Detektionswert i_dfb zu erhalten.
Die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 berechnet einen ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V'_qref, so dass ein zur Verfügung gestellter Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref mit dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb übereinstimmt.
Die Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 berechnet einen d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert d_ref, so dass ein zur Verfügung gestellter Erregerstrom-Anweisungswert i_dref mit dem Erregerstrom – Detektionswert i_dfb übereinstimmt.
Die Phasenbetriebsschaltung 7 integriert eine zur Verfügung gestellte Frequenz f1, um eine Phase 0 zu erhalten.
Die Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 verwendet die zur Verfügung gestellte Frequenz f1, um eine Spannung E_ref zu berechnen, die einer Induktionsspannung für den Wechselstrommotor entspricht.
Die Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9 erhält eine zweite q-achsenförmige Spannungsanweisung V_qref durch Addition des ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswertes V'_qref, der die Ausgabe der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 ist, zur Spannung E_ref, die die Ausgabe der Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 ist, und gibt einen Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und seine Spannungsphase θV aus in Übereinstimmung mit dem zweiten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V_qref und dem d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert d_ref.
Die Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10 bestimmt ein Schaltmuster für den Stromrichter 1, basierend auf dem Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und eine Stromrichter – Ausgabephase θ_deg, die durch Addition der Spannungsphase θV und der Phase θ erhalten wird.
Die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 ist eine Schaltung zum Abgleichen der Frequenz, die durch den Stromrichter 1 ausgegeben wird, so dass der Wechselstrommotor 2 in dem freilaufenden Zustand sanft wieder gestartet werden kann.
Zur Schätzung der Drehrichtung und der Geschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufenden Zustand ist eine Gleichstromanweisung vorgesehen für den Erregerstrom – Anweisungswert i_dref, während einer beliebig festgelegten Zeitdauer, dann wird die Stromregelung durchgeführt durch Wechseln des Vorzeichens und des Pegels der Gleichstromanweisung und die Veränderung in dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb wird gemessen.
Gemäß dieser Erfindung wird ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung an den Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand angelegt, bevor er neu gestartet wird, und ein sekundärer Strom, der zu dieser Zeit fließt, wird verwendet, um die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors zu schätzen. In 2 ist ein Fall gezeigt, in dem der Wechselstrommotor 2 in dem freilaufenden Zustand vorwärts rotiert und in 3 ist ein Fall gezeigt, in dem der Wechselstrommotor 2 in dem freilaufenden Zustand rückwärts rotiert. In den 2 und 3 stellt (a) den Erregerstrom – Detektionswert i_dfb des Wechselstrommotors 2 dar, und (b) stellt einen Zeitübergangswechsel des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb des Wechselstrommotors 2 dar.
In 2, wenn zur Zeit t1, gezeigt in (a), der Erregerstrom – Detektionswert i_dfb, der eine negative rechteckige Impulsform aufweist, dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung gestellt wird, der in dem freilaufenden Zustand vorwärts rotiert, wird der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb erzeugt, der eine Wellenform aufweist, die sich in die positive Richtung erhebt, wie in (b) gezeigt.
Auf der anderen Seite, wie in 3 gezeigt, wenn zur Zeit t1 in (a) der Erregerstrom – Detektionswert i_dfb, der eine negative rechteckige Impulsform aufweist, dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung gestellt wird, der in dem freilaufenden Zustand rückwärts rotiert, wird der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb erzeugt, der eine Wellenform aufweist, die in die negative Richtung fällt, wie ebenfalls in (b) gezeigt.
Konzentrierend auf diesen Punkt, kann der Zeitübergangswechsel des erhaltenen Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb verwendet werden, um die Drehrichtung zu detektieren, und wenn die Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb gemessen ist, kann die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors geschätzt werden.
Die damit geschätzte Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 werden in der Frequenz – Abgleichsschaltung 11 eingestellt, welche so dann betrieben wird. Die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 passt eine Frequenz an, so dass der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb Null erreicht, und gleicht die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufenden Zustand mit der von dem Stromrichter ausgegebenen Frequenz ab. Folglich kann der Wechselstrommotor 2 sanft gestartet werden.
Außerdem, wenn gemäß der vorliegenden Erfindung der geschätzte Geschwindigkeitswert falsch ist, oder wenn die Drehrichtung falsch detektiert wurde, wird dies automatisch ermit telt und ein Gleichstrom wird erneut angelegt, um die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors zu schätzen, basierend auf dem Zeitübergangswechsel in dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb. Das heißt, es wird in Übereinstimmung mit dem Pegel des Stroms, der in dem Wechselstrommotors fließt, angenommen, dass die Drehrichtung und die Frequenz, die für die Frequenz – Abgleichsschaltung festgelegt wird, von der tatsächlichen Drehrichtung und der tatsächlichen Geschwindigkeit des Wechselstrommotors abgewichen ist. Insbesondere wird als notwendige Vorraussetzung erachtet, dass der Pegel eines Stroms, der in dem Wechselstrommotor fließt, fortgesetzt wird für eine festgelegte Zeitdauer auf einem Pegel gleich oder höher als ein Pegel eines festgelegten Stroms. Wenn diese Voraussetzung gegeben ist, wird das Neustarten des Wechselstrommotors angehalten, ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung wird erneut an den Wechselstrommotor angelegt und ein sekundärer Strom, der zu dieser Zeit zur Verfügung gestellt wird, wird verwendet, um erneut die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors zu schätzen. Für die erneute Schätzung in diesem Falle wird die Geschwindigkeit geschätzt, so dass der obere Schätzgrenzwert für die Geschwindigkeit durch einen festgelegten Geschwindigkeitspegel niedriger ist als der zuvor geschätzte Wert, oder gleich dem Endausgabewert der Frequenz – Abgleichsschaltung ist. Dann wird die dem geschätzten Wert entsprechende Frequenz für die Frequenz – Abgleichsschaltung festgelegt, und der Wechselstrommotor wird gestartet.
Während auf 1 und 6 Bezug genommen wird, wird als nächstes eine detaillierte Beschreibung für die Durchführung der Ausgestaltung für das Wiederstarten des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand gegeben.
Wenn der Wechselstrommotor 2 sich in dem freilaufenden Zustand befindet, werden die drei Schalter S1 bis S3 in 1 von dem normalen Betriebszustand auf einer Seite A zum freilaufenden Startzustand auf einer Seite B gewechselt. Hierzu wird der Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref = 0 eingestellt, eine Erregerstromanweisung wird durch die Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 ausgegeben, und die Ausgabefrequenz f1 wird durch die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 ausgegeben. Es soll erwähnt werden, dass eine Null-Frequenz als Startwert für die Ausgabe der Frequenz – Abgleichsschaltung 11 gesetzt wird. Dann wird ein beliebiger Gleichstrom (vgl. (a) in den 2 oder 3) dem Wechselstrommotor 2 für eine festgelegte Zeitdauer zur Verfügung gestellt (Schritt S1). Der Detektionswert i_qfb (vgl. (b) in den 2 oder 3) für einen Drehmomentstrom, der zu dieser Zeit fließt, wird verwendet, um die Frequenz und die Drehrichtung zu schätzen (Schritt S2). Basierend auf den Schätzergebnissen werden die Frequenz und die Drehrichtung für die Ausgabefrequenz – Abgleichsschaltung 11 erneut festgelegt (Schritt S3).
Nachdem die Frequenz und die Drehrichtung für die Ausgabefrequenz – Abgleichsschaltung 11 erneut festgelegt sind, wendet die Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 in Übereinstimmung mit einer sekundären Schaltzeitkonstante eine Erregerstromanweisung an, um einen magnetischen Fluss zu errichten, und der magnetische Fluss und die festgelegte Frequenz f1 werden verwendet, um die Spannung E_ref zu berechnen und auszugeben, die einer Induktionsspannung für den Wechselstrommotor entspricht.
Die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 reduziert die Frequenz, wenn der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb positiv ist, oder erhöht die Ausgabefrequenz, wenn der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb negativ ist, so dass der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb sich Null annähert.
Wenn der magnetische Fluss den Normalbetriebspegel erreicht, und wenn der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb einen bestimmten Einrichtungspegel nahe bei Null erreicht (z. B. wenn der Strom, der in dem Wechselstrommotor fließt, nicht länger auf einem Einrichtungspegel oder höher fortgesetzt wird für eine beliebige Zeitdauer (NO bei Schritt S4)), wird entschieden, dass der Wechselstrommotor normal gestartet werden kann und die drei Schalter Si bis S3 werden zur Seite A geschaltet (Schritt S7).
Auf der anderen Seite, wenn der Strom, der in dem Wechselstrommotor fließt, auf einem beliebigen Einrichtungspegel oder höher für eine beliebige Zeitdauer fortgesetzt wird, während die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 die Frequenz abgleicht (YES bei Schritt S4), wird in dieser Ausgestaltung entschieden, dass offensichtlich ein fehlerhafter Zustand aufgetreten ist (Schritt S5). Dieser Zustand stellt einen Fall dar, worin entweder die Drehrichtung des Wechselstrommotors sich von der für die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 festgelegten Drehrichtung unterscheidet, oder worin die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors von der für die Frequenz – Abgleichsschaltung 11 festgelegte Frequenz – Einrichtungswert stark abweicht.
Wenn dieser Zustand detektiert wird, wird der Stromrichter vorübergehend angehalten (Schritt S6), die Programmsteuerung kehrt zum Schritt S1 zurück, bei dem erneut ein Gleichstrom angelegt wird, die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors geschätzt und erneut für die Frequenz – Abgleichsschaltung festgelegt werden.
In diesem Fall wird ein Wert, der durch Subtraktion eines beliebigen Pegelwertes von der zuvor geschätzten Frequenz oder der letzten von der Frequenz – Abgleichsschaltung ausgegebenen Frequenz erhalten wird, definiert als die obere Grenze für den geschätzten Geschwindigkeitswertes des Wechselstrommotors. Dann kann eine fehlerhafte Detektion während der erneuten Beurteilung vermieden werden.
Außerdem wird in dieser Ausgestaltung eine Erklärung für die Stromumwandlungsvorrichtung gegeben, die den Strom, der in dem Wechselstrommotor 2 fließt, in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom aufteilt, und eine Vektorsteuerung zur unabhängigen Regelung dieser Ströme bereitstellt. Jedoch kann die vorliegende Erfindung ebenso durch eine Stromumwandlungsvorrichtung bereitgestellt werden, die eine Spannungs/Frequenz – Steuerung zur Verfügung stellt unter Durchführung von exakt dem gleichem Ablauf, solange zusätzlich eine Stromsteuerungsschaltung bereitgestellt ist, die einen in dem freilaufenden Zustand in dem Wechselstrommotor fließenden Strom in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom anlegt, und die diese Ströme unabhängig regelt.
Eine Abänderung der ersten Ausgestaltung wird nun beschrieben.
Die Abänderung der ersten Ausgestaltung bezieht sich auf ein Verfahren zur Festsetzung einer beliebigen Zeitdauer, während der eine Gleichstromanweisung für den Erregerstrom – Anweisungswert i_dref zur Verfügung gestellt wird. Ein größerer Wert, entweder der untere Grenzwert der geschätzten Geschwindigkeit für den Wechselstrommotor oder eine sekundäre Schaltzeitkonstante, ist festgelegt als eine beliebige Dauer für das Anlegen eines Gleichstroms, um die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors korrekt zu schätzen.
Als ein Verfahren zur Messung der Frequenz eines Drehmomentstrom – Detektionswertes ist ein Verfahren zur Messung einer Periode für einen Scheitel auf der positiven Seite und ein Scheitel auf der negativen Seite oder eine Periode zwischen Nulldurchgängen.
Wenn jedoch eine Periode T1 zwischen einem Scheitel auf der positiven Seite und einem Scheitel auf der negativen Seite oder eine Periode T2 zwischen Nulldurchgängen, gezeigt in 4, nicht gemessen werden kann, kann die Frequenz nicht detektiert werden. Deshalb muss ein Gleichstrom kontinuierlich zur Verfügung gestellt werden, um die Detektion der Frequenz zu ermöglichen.
Solange der Wechselstrommotor sich in dem freilaufenden Zustand bei einer niedrigen Geschwindigkeit befindet, liegt folglich der Schwerpunkt darauf, dass der Stromrichter sanft aktiviert werden kann, mit einem leichten Stoß, selbst mit der Null-Frequenz oder der niedrigsten Frequenz, die ausgegeben werden kann, und folglich ist der untere Grenzwert im Voraus festgelegt als der geschätzte Geschwindigkeitswert für den Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand. Wenn die geschätzte Geschwindigkeit niedriger ist als der untere Grenzwert, wird entschieden, dass der Wechselstrommotor angehalten ist, und der geschätzte Geschwindigkeitswert wird für die Frequenz – Abgleichschaltung als ein vorbestimmter Wert oder eine Null-Frequenz gesetzt.
Für einen Wechselstrommotor mit einer großen Schaltzeitkonstante tritt ferner ein Fall auf, worin der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb eine Wellenform aufweist, wie in 5 gezeigt, aufgrund der Beeinflussung der Restspannung, und worin eine Drehrichtung nicht genau detektiert werden kann. Um die Beeinflussung der Restspannung zunichte zu machen, wird während einer Periode, die äquivalent zu oder proportional zu der sekundären Schaltzeitkonstante ist, ein Gleichstrom angelegt.
Als ein Ergebnis wird die Restspannung durch den angelegten Strom aufgehoben, welche leicht zu beseitigen ist, und die Wellenform in 5 wechselt zu der Wellenform, wie in 2 (oder 3) gezeigt, und die Drehrichtung kann genau geschätzt werden.
Folglich, als das Verfahren zur Einrichtung einer beliebigen Dauer, während der eine Gleichstromanweisung zur Verfügung gestellt wird, ist eine längere Dauer zugewiesen, entweder eine Dauer, die basierend auf dem vorbestimmten unteren Grenzwert für den geschätzten Geschwindigkeitswert erhalten wird, oder eine Dauer äquivalent zu oder proportional zu der sekundären Schaltzeitkonstante.
Da die Operation für den Neustart des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand, detailliert in der ersten Ausgestaltung geschrieben ist, wird hierfür keine Erklärung gegeben.
Eine Erklärung der vorliegenden Erfindung wird für eine Stromumwandlungsvorrichtung gegeben, die einen Strom, der in dem Wechselstrommotor 2 fließt, in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom aufteilt und die Vektorsteuerung zur unabhängigen Regelung dieser Ströme zur Verfügung stellt.
Jedoch kann die vorliegende Erfindung ebenso durch eine Stromumwandlungsvorrichtung bereitgestellt werden, die eine konstante Spannungs/Frequenz – Steuerung zur Verfügung stellt unter Durchführung exakt des gleichen Ablaufs, solange eine Stromsteuerungsschaltung zusätzlich zur Verfügung gestellt wird, die einen Strom, der in dem Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand fließt, in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom aufteilt, und die diese Ströme unabhängig regelt.
Außerdem wird als das Frequenzmessverfahren in der vorliegenden Erfindung eine Erklärung gegeben für die Methode, die verwendet wird, um eine Periode zwischen einem Scheitel auf der positiven Seite und einem Scheitel auf der negativen Seite zu messen, oder eine Periode zwischen den Nulldurchgängen. Jedoch kann die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors ebenso unter Verwendung eines allgemeinen, etablierten Frequenz – Detektionsverfahrens geschätzt werden.
7 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor zeigt, gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Für diese Ausgestaltung beinhaltet die sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor: einen Stromrichter 1, einen Wechselstrommotor 2, einen Stromdetektor 3, eine Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4, eine Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5, eine Erregerstrom – Regelungsschaltung 6, eine Phasenbetriebsschaltung 7, eine Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8, eine Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9, eine Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10, Schalter 12, 13 und 14 und eine Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15.
Der Stromrichter 1 führt das Schalten eines Hauptschaltungsleistungsgerätes durch und verwendet das Pulsbreitenmodulations – Regelungssystem, um eine Gleichspannung, die durch Vorwärtsumwandlung eines Dreiphasen – Wechselstroms durch ein Leistungsgerät erhalten wird, in einen Wechselstrom mit beliebiger Frequenz und beliebiger Spannung umzuwandeln, und stellt den Wechselstrom dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung. Der Stromdetektor 3 detektiert einen Strom, der dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung gestellt wird. Die Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4 teilt den Strom, der durch den Stromdetektor 3 detektiert wird, auf, um einen Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb und einen Erregerstrom – Detektionswert i_dfb zu erhalten. Die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 berechnet einen ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V'_qref, so dass ein zur Verfügung gestellter Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref mit dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb übereinstimmt. Die Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 berechnet einen d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert d_ref, so dass ein zur Verfügung gestellter Erregerstrom – Anweisungsstrom i_dref mit dem Erregerstrom – Detektionswert i_dfb übereinstimmt.
Die Phasenbetriebsschaltung 7 integriert eine bereitgestellte Frequenz f1, um eine Phase θ zu erhalten. Die Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 verwendet die zur Verfügung gestellte Frequenz f1, um eine Spannung E_ref zu berechnen, die einer Induktionsspannung für den Wechselstrommotor entspricht.
Die Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9 erhält eine zweite q-achsenförmige Spannungsanweisung V_qref durch Addition des ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswertes V'_qref, der die Ausgabe der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 ist, zur Spannung E_ref, die die Ausgabe der Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 ist, und gibt einen Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und seine Spannungsphase θV aus, in Übereinstimmung mit dem zweiten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert und dem d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert. Die Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10 bestimmt ein Schaltmuster für den Stromrichter 1, basierend auf dem Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und einer Stromrichterausgabephase θ_deg, welche durch Addition der Spannungsphase θV und der Phase θ erhalten wird.
Die Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 ist eine Schaltung zur Schätzung einer Geschwindigkeit fr für den Wechselstrommotor 2 in dem freilaufenden Zustand. Der Schalter 12 ist ein Schalter, der den Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref zu einer Seite B schaltet, welche Null ist, oder zu einer Seite A, welche die für die Zuführung zu der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 ist. Der Schalter 13 ist ein Schalter, um den Erregerstrom – Anweisungswert i_dref zu einer Seite B zu schalten, welche Null ist, oder zu einer Seite A, welche die für die Zuführung zu der Erregerstrom -Regelungsschaltung 6 ist. Der Schalter 14 ist ein Schalter, der die Frequenz f1 zu einer Seite B schaltet, welche Null ist, oder zu einer Seite A, welche die für die Zuführung zu der Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 ist.
Eine detaillierte Erklärung wird nun für den Betrieb des Neustartens des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand gegeben. Wenn sich der Wechselstrommotor 2 in dem freilaufenden Zustand befindet, sind die drei Schalter 12, 13 und 14 in 7 von dem Normalbetriebszustand auf der Seite A auf den freilaufenden Startzustand auf der Seite B geschaltet. Dann sind der Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref = 0 und der Erregerstrom – Anweisungswert i_dref = 0 gebildet. Da eine Referenzphase nicht vorliegt, da der Wechselstrommotor sich in dem freilaufenden Zustand befindet, ist ferner eine zu addierende Phase in Übereinstimmung mit der Ausgabefrequenz während der Normalsteuerung auf Null festgesetzt, und ein Strom, der in dem Wechselstrommotor fließt, ist eingestellt auf Null. Da eine Induktionsspannung in Übereinstimmung mit der Rotationsgeschwindigkeit des Wechselstrommotors in freilaufendem Zustand erzeugt wird, und sich mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors dreht, wird ein Strom zwischen dem Wechselstrommotor 2 und dem Stromrichter 1 angelegt, wenn der Stromrichter 1 anläuft, ungeachtet der Pegel der Drehgeschwindigkeit und der Induktionsspannung des Wechselstrommotors 2. Deshalb muss der Strom durch die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 auf Null eingestellt werden, so dass der Pegel der Induktionsspannung, die Phase und die Frequenz des Wechselstrommotors 2 mit dem Pegel der Ausgabespannung, der Phase und der Frequenz des Stromrichters übereinstimmen. Das Einstellen des in dem Wechselstrommotorfließenden Stroms auf Null wird Nullstromsteuerung genannt.
Ein erster q-achsenförmiger Spannungsanweisungswert V'_qref und ein d-achsenförmiger Spannungsanweisungswert V_dref, welche die Ausgaben der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 während Nullstromsteuerung sind, sind Spannungsanweisungswerte, für die eine sinusförmige Frequenz in Übereinstimmung ist mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2. Die Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9 erhält den ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V'_qref und den d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert, und gibt den Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und die Spannungsphase θV aus. Der Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref stellt den Pegel einer Induktionsspannung für den Wechselstrommotor dar, und die Spannungsphase θ0 stellt die Phase der Induktionsspannung dar. Wenn der Zeitübergangswechsel in der Phase der Induktionsspannung für jede bestimmte Zeitdauer gemessen wird, misst die Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 die Frequenz der Induktionsspannung. Wie von der vorhergehenden Erklärung offensichtlich ist, kann die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufenden Zustand geschätzt werden, da die Frequenz für die Induktionsspannung mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 übereinstimmt. Wenn der Wechselstrommotor rückwärts rotiert, wird das Phasenwechselverhältnis negativ, so dass die Vorwärtsdrehung oder die Rückwärtsdrehung des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand ebenso geschätzt werden kann. Wenn, wie oben beschrieben, die Induktionsspannung des Wechselstrommotors durch Nullstromsteuerung überwacht wird, kann nicht nur die Drehrichtung, sondern auch die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors geschätzt werden.
Eine Erklärung wird für ein Verfahren gegeben, worin eine geschätzte Drehrichtung und eine geschätzte Geschwindigkeit für den Stromrichter eingestellt werden, wenn von Nullstromsteuerung zur Normalsteuerung geschaltet wird. Wenn der Stromrichter 1 gestartet wird durch Abgleichen von lediglich der Frequenzen, um von dem Nullstromsteuerungszustand zum normalen Betrieb umzuschalten, kann ein Überstrom zum Wechselstrommotor fließen und ein sanfter Start könnte nicht möglich sein. Um dies zu verhindern, muss die Induktionsspannung auf dem Pegel während der Nullstromsteuerung und der Phase fortgesetzt werden, auch in dem Moment, in dem von Nullstromsteuerung zu Normalsteuerung geschaltet wird. Folglich muss der Initialwert für den Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref die Ausgabephase θ_deg und die Ausgabefrequenz f1 des Stromrichters eingestellt werden. Insbesondere in einem Normalbetriebszustand wird die Ausgabephase θ_deg des Stromrichters eingestellt unter Verwendung der Phase des magnetischen Flusses des Wechselstrommotors 2 als eine Referenz, während bei Nullstromsteuerung die Ausgabephase die ist, die mit der Induktionsspannung des Wechselstrommotors 2 übereinstimmt. Während der Nullstromsteuerung ist als ein Ergebnis die Phase für die Vorwärtsdrehung derjenigen Phase während der Normalsteuerung um 90° voreilend, und die Phase für die Rückwärtsdrehung um 90° verzögert. In Übereinstimmung mit der Drehrichtung wird deshalb die Phase um 90° von der letzten Phase bei Nullstromsteuerung korrigiert, der geschätzte Wert fr, der von der Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 als die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 ausgegeben wird, wird in eine Phase konvertiert, diese erhaltene Phase zur korrigierten Phase addiert, und der resultierende Wert wird als ein Initialwert für die Ausgabephase θ_deg des Stromrichters gesetzt. Durch diese Prozedur kann die Kontinuität der Phase erhalten bleiben.
Der während der Nullstromsteuerung ausgegebene Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref ist ferner als eine Induktionsspannung festgelegt, und Kontinuität der Ausgabespannung bleibt erhalten. Durch diese Prozedur kann Nullstromsteuerung sanft auf die Normalsteuerung umgeschaltet werden.
Da in Bezug auf einen Induktionsmotor, der als Wechselstrommotor verwendet wird, eine Induktionsspannung in Übereinstimmung mit der sekundären Schaltzeitkonstante abgeschwächt ist, wird festgelegt, dass, wenn die Induktionsspannung den normalen Spannungs/Frequenzpegel basierend auf der sekundären Schaltzeitkonstante erreicht hat, der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand normal gestartet werden kann, und die drei Schalter 12, 13, und 14 werden auf Seite A geschaltet.
Da in Bezug auf einen Dauermagnet – Synchron – Motor, der als Wechselstrommotor verwendet wird, eine Induktionsspannung nicht abgeschwächt wird, wird festgelegt, dass, wenn der Prozess für das Erhalten von Kontinuität für die Phase und die Ausgabespannung vollendet ist, dass der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand normal gestartet werden kann und die drei Schalter 12, 13 und 14 werden auf Seite A geschaltet.
Eine Erklärung wird nun zur Bestimmung einer Wartezeit gegeben, bis der Stromrichter gestartet wird. Um die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand zu schätzen, muss der erste q-achsenförmige Spannungsanweisungswert V'_qref und der d-achsenförmige Spannungsanweisungswert V_dref, die die Ausgabe der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 sind, mit der Induktionsspannung des Wechselstrommotors übereinstimmen. Dies stellt kein Problem dar, solange die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und die Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 zufrieden stellende Funktionen für die Reduktion des in dem Wechselstrommotors fließenden Stroms auf Null nachweisen.
Wenn jedoch die Verstärkungen in der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 niedrig sind, oder wenn der Wechselstrommotor mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird, tritt eine hohe Induktionsspannung auf und ein überhöhter Betrag eines Stroms fließt unmittelbar, nachdem der Stromrichter gestartet ist, so dass der Stromrichter ausgelöst und nicht sanft gestartet werden könnte. Um dies zu verhindern, muss nur das Antwortvermögen der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 im Voraus erhalten werden, und der Span nungspegel, der von dem Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand erzeugt wird, muss lediglich gleich oder niedriger als ein beliebiger Wert gesetzt werden, so dass Nullstromsteuerung durchgeführt werden kann und die Schätzung der Geschwindigkeit wird ermöglicht. Das heißt, die Induktionsspannung des Wechselstrommotors muss lediglich gleich oder niedriger als ein beliebig festgelegter Spannungspegel gesetzt werden.
Als ein Verfahren kann dies durch Kontrollieren der Zeitdauer, bevor der Stromrichter gestartet ist, vorgesehen werden. Da die Induktionsspannung des Wechselstrommotors auf Basis einer Betriebszeitfrequenz vor dem freilaufenden Zustand bestimmt wird, wird die Wartezeit nicht benötigt, wenn die Operation mit einer Frequenz durchgeführt wird, bei der die Induktionsspannung bis auf gleich oder niedriger als einen beliebig festgelegter Spannungspegel reduziert wird. Wenn die Operation bei dieser oder einer höheren Frequenz durchgeführt wird, wird die Wartezeit benötigt, und kann in Übereinstimmung mit der Betriebszeitfrequenz vor dem freilaufenden Zustand und der sekundären Schaltzeitkonstante des Wechselstrommotors erhalten werden. Wenn die maximal benötigte Wartezeit berechnet ist und in Übereinstimmung mit der sekundären Schaltzeitkonstante des Wechselstrommotors erhalten wird, kann eine angemessene Wartezeit bestimmt werden, wie gezeigt in 8, in Übereinstimmung mit der Betriebszeitfrequenz, bevor der Wechselstrommotor in den freilaufenden Zustand eintritt.
Eine Erklärung wird nun gegeben für ein Verfahren gemäß einer anderen Erfindung, um einen Fall zu bewältigen, worin es schwierig ist, den Strom in dem Wechselstrommotor auf Null einzustellen, da die Induktionsspannung des Wechselstrommotors groß ist. Wenn der Wechselstrommotor ein Induktionsmotor mit einer großen sekundären Schaltzeitkonstante ist oder ein Dauermagnet – Synchron – Motor, gibt es die Möglichkeit, dass die Induktionsspannung nicht auf gleich oder niedriger als ein beliebig festgelegter Spannungspegel reduziert wird, auch wenn die oben beschriebene Wartezeit verstrichen ist. In diesem Falle wird Nullstromsteuerung vorübergehend angehalten, Schalten wird für den Stromrichter durchgeführt, so dass die drei Phasen des Wechselstrommotors kurzgeschlossen sind und der Dreiphasenkurzschluss wird für eine beliebig festgelegte Zeitdauer fortgesetzt. Dann wird eine Dämpfungskraft in dem Wechselstrommotor erzeugt, welcher infolge verlangsamt.
Folglich ist die Induktionsspannung des Wechselstrommotors reduziert. Nachdem eine beliebige Zeitdauer verstrichen ist, wird Nullstromsteuerung erneut initiiert, und wenn die Induktionsspannung bis auf einen beliebig festgelegten Spannungspegel oder darunter fällt, kann die Geschwindigkeit durch Nullstromsteuerung geschätzt werden. Wenn jedoch die Induktionsspannung nicht gleich oder niedriger als ein beliebig festgelegter Spannungspegel ist, wird das Schalten erneut durchgeführt, um den Dreiphasenkurzschluss während der beliebigen Zeitdauer aufrecht zu erhalten. Wie oben beschrieben, ist es gekennzeichnet, dadurch, dass der Prozess wiederholt wird, bis die Induktionsspannung des Wechselstrommotors auf den beliebig festgelegten Spannungspegel reduziert ist, so dass der Fluss eines überhöhten Betrages eines Stroms und das Auslösen des Stromrichters verhindert werden kann, und der Wechselstrommotor sanft gestartet werden kann.
In dieser Ausgestaltung wird außerdem eine Erklärung für die Stromumwandlungsvorrichtung gegeben, die einen in dem Wechselstrommotor 2 fließenden Strom in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom aufteilt, und die Vektorsteuerung zur unabhängigen Regelung dieser Ströme zur Verfügung stellt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei einer Strom umwandlungsvorrichtung vorgesehen sein, die konstante Spannungs/Frequenz – Steuerung ausführt unter Durchführung exakt der gleichen Prozedur, solange zusätzlich eine Stromsteuerungsschaltung zur Verfügung gestellt wird, die einen Strom, der in dem Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand fließt, in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom aufteilt, und die diese Ströme unabhängig regelt.
9 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor zeigt, gemäß einer dritten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Für diese Ausgestaltung beinhaltet die sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor: einen Stromrichter 1, einen Wechselstrommotor 2, einen Stromdetektor 3, eine Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4, eine Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5, eine Erregerstrom – Regelungsschaltung 6, eine Phasenbetriebsschaitung 7, eine Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8, eine Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9, eine Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10, eine Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 und einen Addierer 16. Der Stromrichter 1 verwendet das Pulsbreiten-Modulationssteuerungssystem, um eine Gleichspannung, die durch Konvertierung eines Dreiphasenwechselstroms unter Verwendung eines Leistungsgerätes erhalten wird, in einen Wechselstrom mit beliebiger Frequenz und beliebiger Spannung konvertiert, und stellt den Wechselstrom dem Wechselstrommotor 2 zur Verfügung.
Der Stromdetektor 3 detektiert einen Strom, der dem Wechselstrommotor 2 bereitgestellt wird und stellt der Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4 ein Stromdetektionssignal zur Verfügung.
Die Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4 teilt den durch den Stromdetektor 3 detektiert Strom auf, um einen Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb und einen Erregerstrom – Detektionswert i_dfb zu erhalten, übermittelt den erhaltenen Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb zur Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5, und übermittelt den erhaltenen Erregerstrom – Detektionswert i_dfb zur Erregerstrom – Regelungsschaltung 6. Die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 berechnet einen ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V'_qref, so dass ein zur Verfügung gestellter Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref mit dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb übereinstimmt.
Die Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 berechnet einen d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert d_ref, so dass ein zur Verfügung gestellter Erregerstrom – Anweisungswert i_dref mit dem Erregerstrom – Detektionswert i_dfb übereinstimmt.
Die Phasenbetriebsschaltung 7 integriert eine zur Verfügung gestellte Frequenz f1, um eine Phase θ zu erhalten, und übermittelt die Phase θ der Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4 und dem Addierer 16.
Die Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 verwendet die zur Verfügung gestellte Frequenz f1, um eine Spannung E_ref zu berechnen, die einer Induktionsspannung für den Wechselstrommotor entspricht. Diese Spannung E_ref ist im Voraus eingestellt, um E_ref/f1 = konstanter Wert zu bilden.
Die Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9 erhält eine zweite q-achsenförmige Spannungsanweisung V_qref durch Addition des ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswertes V'_qref, welche die Ausgabe der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 ist, zur Spannung E_ref, welche die Ausgabe der Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8 ist, und gibt einen Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und ihre Spannungsphase 8V aus, in Übereinstimmung mit dem zweiten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert ^Vqref und dem d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert d_ref. V1ref = [(Vdref) 2 + (Vqref)2]1/2 (1) θV = tan – 1(Vqref/Vdref) (2)
Die Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10 bestimmt ein Schaltmuster für den Stromrichter 1, basierend auf dem Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und einer Stromrichter-Ausgabephase θ_deg, die durch Addition der Spannungsphase θV und der Phase θ erhalten wird.
Die Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 ist eine Schaltung, die durch eine Zeitpunkteinheit Veränderungen in der Spannungsphase θV verwendet, um die Geschwindigkeit fr und die Drehrichtung des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufenden Zustand zu schätzen.
Eine detaillierte Beschreibung für die Durchführung des Neustarts des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand wird nun gegeben. Wenn sich der Wechselstrommotor 2 in dem freilaufenden Zustand befindet, sind die drei Schalter 12, 13 und 14 in 9 von dem Normalbetriebszustand auf der Seite A auf den freilaufenden Startzustand auf der Seite B geschaltet. Dann sind der Drehmomentstrom – Anweisungswert i_qref = 0 und der Erregerstrom – Anweisungswert i_qref = 0 gebildet. Da ferner eine Referenzphase nicht vorliegt, da der Wechselstrommotor sich in dem freilaufenden Zustand befindet, ist eine in Übereinstimmung mit der Ausgabefrequenz während der Normalsteuerung zu addierende Phase ist auf Null festgesetzt, und ein Strom, der in dem Wechselstrommotor fließt ist auf Null eingestellt. Da eine Induktionsspannung in Übereinstimmung mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufenden Zustand erzeugt wird, und mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors rotiert, wird ein Strom zwischen dem Wechselstrommotor 2 und dem Stromrichter 1 bereitgestellt, wenn der Stromrichter 1 anläuft, ungeachtet der Pegel der Drehgeschwindigkeit und der Induktionsspannung des Wechselstrommotors 2. Deshalb muss durch die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 der Strom auf Null eingestellt werden, so dass die Pegel der Induktionsspannung, die Phase und die Frequenz des Wechselstrommotors 2 übereinstimmen mit dem Pegel der Ausgabespannung, der Phase und der Frequenz des Stromrichters. Das Einstellen des durch den Wechselstrommotor fließenden Stroms auf Null wird Nullstromsteuerung genannt.
Ein erster q-achsenförmiger Spannungsanweisungswert V'_qref und ein d-achsenförmiger Spannungsanweisungswert V_dref, die die Ausgaben der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 während der Nullstrom steuerung sind, sind Spannungsanweisungswerte, für die eine sinusförmige Frequenz mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 in Übereinstimmung ist. Die Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9 empfängt den ersten q-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V'_qref und den d-achsenförmigen Spannungsanweisungswert V_dref und gibt den Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref und die Spannungsphase 8V aus. Der Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref stellt den Pegel einer Induktionsspannung für den Wechselstrommotor dar, und die Spannungsphase 80 stellt die Phase der Induktionsspannung dar. Wenn der Zeitübergangswechsel in der Phase der Induktionsspannung für jede bestimmte Zeitdauer gemessen wird, misst die Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 die Frequenz der Induktionsspannung. Wie von der vorhergehenden Erklärung ersichtlich ist, kann die Drehgeschwindigkeit in dem freilaufenden Zustand geschätzt werden, da die Frequenz für die Induktionsspannung mit der Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 übereinstimmt. Wenn der Wechselstrommotor rückwärts rotiert, wird das Phasenwechselverhältnis negativ, so dass die Vorwärtsdrehung oder die Rückwärtsdrehung des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand ebenso geschätzt werden kann. Wie oben beschrieben, kann nicht nur die Drehrichtung, sondern auch die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors geschätzt werden, wenn die Induktionsspannung des Wechselstrommotors durch Nullstromsteuerung überwacht wird.
Eine Erklärung wird nun für ein Verfahren gegeben, worin eine geschätzte Drehrichtung und eine geschätzte Geschwindigkeit für den Stromrichter gesetzt werden, wenn Nullstromsteuerung zur Normalsteuerung geschaltet wird.
Wenn der Stromrichter 1 durch Abgleichen von nur der Frequenzen gestartet wird, um von Nullstromsteuerung zum Normalbetrieb zu schalten, könnte ein Überstrom zum Wechselstrommotor fließen und ein sanfter Start könnte nicht ermöglicht sein. Um dies zu verhindern, muss die Induktionsspannung auf dem Pegel während der Nullstromsteuerung sowie die Phase beibehalten werden, auch in dem Moment, in dem von Nullstromsteuerung zu Normalsteuerung geschaltet wird. Deshalb muss der Initialwert für den Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref, die Ausgabephase θ_deg und die Ausgabefrequenz f1 des Stromrichters gesetzt werden. Insbesondere in einem Normalbetriebszustand ist die Ausgabephase θ_deg des Stromrichters unter Verwendung der Phase des magnetischen Flusses des Wechselstrommotors 2 als eine Referenz angepasst, während bei Nullstromsteuerung die Ausgabephase in Übereinstimmung mit der Induktionsspannung des Wechselstrommotors 2 ist.
Während der Nullstromsteuerung ist als ein Ergebnis die Phase für die Vorwärtsdrehung derjenigen Phase während der Normalsteuerung um 90° voreilend, und die Phase für die Rückwärtsdrehung um 90° verzögert. In Übereinstimmung mit der Drehrichtung wird deshalb die Phase um 90° von der letzten Phase bei Nullstromsteuerung korrigiert, der geschätzte Wert fr, der von der Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15 als die Drehgeschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 ausgegeben wird, wird in eine Phase konvertiert, diese erhaltene Phase zur korrigierten Phase addiert, und der resultierende Wert wird als ein Initialwert für die Ausgabephase θ_deg des Stromrichters gesetzt. Durch diese Prozedur kann die Kontinuität der Phase erhalten bleiben.
Der während der Nullstromsteuerung ausgegebene Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref ist ferner als eine Induktionsspannung festgelegt, und Kontinuität der Ausgabespannung bleibt erhalten. Durch diese Prozedur kann Nullstromsteuerung sanft auf die Normalsteuerung umgeschaltet werden.
Die Induktionsspannung des Wechselstrommotors wird in Übereinstimmung mit der sekundären Schaltzeitkonstante schrittweise erhöht, und wenn die Induktionsspannung mit dem normalen Spannungs/Frequenzpegel übereinstimmt, wird entschieden, dass der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand normal gestartet werden kann, und die drei Schalter werden zur Seite A geschaltet.
Eine Erklärung wird nun gegeben für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verbesserung des Stromansprechverhaltens während Nullstromsteuerung. Um die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand zu schätzen, müssen der erste q-achsenförmige Spannungsanweisungswert V'_qref und der d-achsenförmige Spannungsanweisungswert V_dref, die die Ausgaben der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 während Nullstromkontrolle sind, mit der Induktionsspannung des Wechselstrommotors übereinstimmen.
Dies stellt kein Problem dar, solange die Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und die Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 zufrieden stellende Funktionen bei der Einstellung des in dem Wechselstrommotor fließenden Stroms auf Null nachweisen. Wenn jedoch die Verstärkungen der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 nicht erhöht werden können, oder wenn der Wechselstrommotor mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert, wird eine hohe Induktionsspannung erzeugt und ein überhöh ter Betrag eines Stroms fließt unmittelbar nachdem der Stromrichter anläuft, so dass der Stromrichter ausgelöst und nicht sanft gestartet werden könnte. Um dies zu verhindern, muss das Ansprechverhalten der Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5 und der Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 verbessert werden. Da Antworten verzögert sind, wenn die Abtastperiode bei der Durchführung von Stromregelung kurz ist, kann der Strom wie angeordnet geregelt werden. Solange während Nullstromregelung andere Operationen unterlassen werden, kann die Abtastperiode für die Stromregelung reduziert werden, verglichen mit Normalsteuerung, und das Stromregelungsansprechverhalten kann verbessert werden. Wenn ferner die Aufbereitung der Schaltmuster für den Stromrichter verzögert ist, sind die Effekte, die durch die Reduktion der Abtastrate für die Stromregelung erhalten werden, um die Hälfte reduziert, auch wenn die Abtastperiode für die Stromregelung während Nullstromsteuerung reduziert ist. Wenn folglich Nullstromsteuerung zu benutzen ist, muss lediglich eine als Referenz verwendete Trägerfrequenz für den bei einer hohen Geschwindigkeit betriebenen Stromrichter erhöht werden. In dieser Weise kann das Stromregelungsansprechverhalten verbessert werden.
Wie oben beschrieben, ist es gekennzeichnet dadurch, dass die Stromregelungsabtastperiode während Nullstromsteuerung reduziert ist, verglichen mit Normalsteuerung, oder die Trägerfrequenz für den Stromrichter ist erhöht, so dass das Strom regelungsansprechverhalten verbessert ist, der Fluss eines überhöhten Betrages eines Stroms während Nullstromsteuerung und das Auslösen des Stromrichters vermieden werden kann, und der Wechselstrommotor sanft gestartet werden kann.
Eine Erklärung wird nun gegeben unter Bezugnahme auf 10, welche ein Blockdiagramm ist, das die Konfiguration einer sensorlosen Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor zeigt, gemäß einer Abänderung für eine vierte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Die sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Motor gemäß dieser Ausgestaltung beinhaltet: einen Stromrichter 1, einen Wechselstrommotor 2, einen Stromdetektor 3, eine Stromkoordinaten – Umwandlungsschaltung 4, eine Drehmomentstrom – Regelungsschaltung 5, eine Erregerstrom – Regelungsschaltung 6, eine Phasenbetriebsschaltung 7, eine Spannungs/Frequenz – Umwandlungsschaltung 8, eine Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9, eine Schaltmuster – Erzeugungsschaltung 10 und eine Geschwindigkeits – Schätz schaltung 15B. Da außer der Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15B die Komponenten allgemein verwendet werden, wird für diese keine Erklärung gegeben.
Die Geschwindigkeits – Schätzschaltung 15B ist eine Schaltung, die verwendet wird, um die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufenden Zustand zu schätzen, in Übereinstimmung mit einem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb und einem Erregerstrom – Detektionswert i_dfb, die nach dem Anlegen eines Gleichstroms erhalten werden.
Eine detaillierte Erklärung wird nun für die Durchführung eines Neustarts des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand gegeben. Wenn in der dritten Ausgestaltung ein Ausgabespannungs – Anweisungswert V1_ref, welcher durch die Ausgabespannungs – Betriebsschaltung 9 während Nullstromsteuerung ausgegeben wird, niedriger als ein beliebiger festgelegter Pegel ist, kann nicht bestimmt werden, ob dies aufgetreten ist, da der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand im Wesentlichen angehalten ist, oder ob eine Restspannung aufgrund einer kleinen sekundären Schaltzeitkonstante abgeführt wurde. Wenn dieser Zustand auftritt, wird deshalb die Durchführung in der dritten Ausgestaltung angehalten, und es wird zur Durchführung in der vierten Ausgestaltung übergegangen.
Drei Schalter (12, 14 und 17) in 10 werden von dem Normalbetriebszustand auf Seite A zum freilaufenden Startzustand auf Seite B geschaltet, und folglich ist eine Drehmomentstromanweisung i_qref = 0 gebildet. Da ferner keine Phase als eine Referenz verwendet wird, während sich der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand befindet, wird eine in Übereinstimmung mit der Ausgabefrequenz während der Normalsteuerung zu addierende Phase auf Null eingestellt, und ein Strom, der in dem Wechselstrommotor fließt, wird geregelt. Zusätzlich wird ein zweiter q-achsenförmiger Spannungsanweisungswert V_qref auf Null gesetzt, um für den Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand den Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb für die Schätzung der Geschwindigkeit und der Drehrichtung zu verwenden.
Ein bestimmter Einrichtungswert wird zur Verfügung gestellt als ein Erregerstrom – Anweisungswert i_dref, um den Wechselstrommotor anzuregen, und die Erregerstrom – Regelungsschaltung 6 stellt die Regelung für eine festgelegte Zeitdauer zur Verfügung, so dass ein Erregerstrom – Detektionswert i_dfb dem Erregerstrom – Anweisungswert i_dref gleich ist.
Danach wird das Vorzeichen und der Pegel des Erregerstrom – Anweisungswertes i_dref gewechselt und für eine bestimmte Zeitdauer wird die Regelung zur Verfügung gestellt.
Zu dieser Zeit wird durch das Anlegen eines Gleichstroms in dem Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand ein magnetischer Fluss erzeugt, so dass ein sekundärer Strom, der vorübergehend über den Läufer des Wechselstrommotors fließt basierend auf dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb detektiert wird. Die Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb und der Phaseninformation, die aufgrund des Anlegens des Gleichstroms erhalten werden, werden detektiert, und die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Wechselstrommotors werden geschätzt.
Wenn der Wechselstrommotor 2 vorwärts rotiert, verändert sich der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb wie in 2 gezeigt. Wenn das Vorzeichen des Erregerstrom – Detektionswertes i_dfb negativ ist, verändert sich die Phase des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb zu einer Sinuswelle, die bei 0° beginnt. Wenn das Vorzeichen des Erregerstrom – Detektionswertes i_dfb positiv ist, verändert sich die Phase des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb zu einer Sinuswelle, die bei 180° beginnt. Da die Frequenz der Sinuswelle des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb mit der Geschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 in dem freilaufendem Zustand übereinstimmt, kann die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors 2 durch das Messen der Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb erhalten werden. Wenn überdies der Wechselstrommotor rückwärts rotiert, verändert sich der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb wie in 3 gezeigt. Wenn das Vorzeichen des Erregerstrom – Detektionswertes i_dfb negativ ist, verändert sich die Phase des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb zu einer Sinuswelle, die bei 180° beginnt. Wenn das Vorzeichen des Erregerstrom – Detektionswertes i_dfb positiv ist, verändert sich die Phase des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb zu einer Sinuswelle, die bei 0° beginnt.
Wenn, wie oben beschrieben, ein Gleichstrom an den Wechselstrommotor angelegt wird, werden die Phasenbeziehung zwischen dem Erregerstrom – Detektionswert i_dfb und dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb, und die Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb detektiert, so dass die Geschwindigkeit und die Drehrichtung geschätzt werden kann.
Eine Erklärung wird nun gegeben für ein Verfahren zur Festlegung einer Drehrichtung und einer Geschwindigkeit für den Stromrichter, welche geschätzt werden, wenn der Gleichstromanlegestatus zur Normalsteuerung geschaltet wird, nachdem eine beliebige Zeit verstrichen ist. Im Unterschied zur dritten Ausgestaltung muss in diesem Falle ein magnetischer Fluss erneut erzeugt werden, da nahezu keine Induktionsspannung in dem Wechselstrommotor verbleibt, und der Stromrichter 1 muss lediglich gestartet werden durch Abgleichen der Drehrichtung und der Frequenz. Die Induktionsspannung des Wechselstrommotors wird in Übereinstimmung mit der sekundären Schaltzeitkonstante schrittweise erhöht, und wenn die Induktionsspannung den normalen Spannungs/Frequenzpegel erreicht, wird entschieden, dass der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand normal gestartet werden kann und die drei Schalter werden zur Seite A geschaltet.
Eine Erklärung wird nun gegeben für ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Erhöhung der Genauigkeit, wobei eine Geschwindigkeit durch Detektieren der Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb während des Anlegens eines Gleichstroms geschätzt wird.
Wenn sich der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit befindet, wird die Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb in den 2 oder 3 erhöht. Als ein Verfahren zur Messung der Frequenz des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb gibt es ein Verfahren zur Messung der Periode zwischen einem Scheitel auf der positiven Seite und einem Scheitel auf der negativen Seite, oder einer Periode zwischen Nulldurchgängen. Wenn die Abtastung für die Stromregelung zur Messung der Periode zwischen einem Scheitel auf der positiven Seite und einem Scheitel auf der negativen Seite, oder der Periode zwischen Nulldurchgängen langsam ist, ist die Genauigkeit der Messung der Periode gering, und die Genauigkeit der Detektion der Frequenz ist ebenso gering. Wenn ferner der Wechselstrommotor sich in einem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit befindet, ist der Unterschied zwischen einem Gleichstrom und der Frequenz des Wechselstrommotors erhöht, und aufgrund dieses Frequenzunterschiedes ist die Impedanz erhöht, während ein durch den Läufer fließender Strom reduziert ist. Dementsprechend ist der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb reduziert, und es ist schwierig, die Periode zwischen dem Scheitel auf der positiven Seite und dem Scheitel auf der negativen Seite des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb, oder die Periode zwischen Nulldurchgängen zu messen.
Solange während des Anlegens des Gleichstroms andere Operationen unterlassen werden, kann die Abtastperiode für die Stromregelung reduziert werden, verglichen mit der Normalsteuerung, und die Frequenzdetektionsgenauigkeit kann erhöht werden. Wenn außerdem die Stromregelungsabtastperiode während des Anlegens des Gleichstroms reduziert ist und die Trägerfrequenz des Stromrichters erhöht ist, kann das Stromregelungsansprechverhalten verbessert werden und der Erregerstrom – Detektionswert i_dfb kann eingestellt werden, um eine rechteckige Wellenform zur Verfügung zu stellen. Folglich ist der sekundäre Strom des Wechselstrommotors vollständig auf dem Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb reflektiert. Zusätzlich, wenn die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand erhöht wird, ist der Drehmomentstrom – Detektionswert i_qfb reduziert, und die Detektion unter Verwendung eines allgemeinen Stromdetektionsverfahrens ist schwierig. Folglich muss während des Anlegens des Gleichstroms die Detektionsempfindlichkeit der Stromdetektionsschaltung lediglich mehrmals erhöht werden, um auch einen schwachen Strom zu detektieren, so dass in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit die Periode zwischen dem Scheitel auf der positiven Seite und dem Scheitel auf der negativen Seite, oder die Periode zwischen Nulldurchgängen gemessen werden kann.
Es ist folglich charakterisiert, dadurch dass: das Stromregelungsansprechverhalten verbessert werden kann durch Reduzierung der Stromregelungsabtastperiode während des Anlegens eines Gleichstroms und durch Erhöhung der Trägerfrequenz des Stromrichters; die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand kann genau gemessen werden, da die Auflösung zur Messung der Periode zwischen dem Positivseitenscheitel und dem Negativseitenscheitel des Drehmomentstrom – Detektionswertes i_qfb, oder der Periode zwischen Nulldurchgängen erhöht wird; und da während des Anlegens eines Gleichstroms die Detektionsempfindlichkeit der Stromdetektionsschaltung stärker erhöht wird als unter Normalsteuerung, die Geschwindigkeit kann in dem freilaufenden Zustand unter einer Beschränkung detektiert werden, so dass der Wechselstrommotor sanft gestartet werden kann.
Gemäß dieser Ausgestaltung wird überdies hinaus eine Erklärung gegeben für eine Stromumwandlungsvorrichtung, die einen in dem Wechselstrommotor 2 fließenden Strom aufteilt in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom, und eine Vektorsteuerung zur unabhängigen Regelung dieser Ströme zur Verfügung stellt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch ebenso durch eine Strom umwandlungsvorrichtung bereitgestellt werden, die konstante Spannungs/Frequenzregelung ausführt unter Durchführung exakt der gleichen Prozedur, so lange eine Stromregelungsschaltung zusätzlich zur Verfügung gestellt wird, die einen Strom, der in dem Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand fließt, in einen Drehmomentstrom und einen Erregerstrom aufteilt und die diese Ströme unabhängig regelt.
Die vorliegende Erfindung ist im Detail beschrieben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausgestaltungen. Jedoch wird es für jemanden mit gewöhnlichem Fachwissen offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung verschieden modifiziert oder umgestaltet werden kann, ohne von dem Wesen und dem Bereich der Erfindung abzuweichen.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung (Nr. 2002-198712 ), die am B. Juli 2002 eingereicht wurde, der japanischen Patentanmeldung (Nr. 2002-315177 ), die am 30. Oktober 2002 eingereicht wurde und der japanischen Patentanmeldung (Nr. 2003-121733 ), die am 25. April 2003 eingereicht wurde, und die Inhalte dieser Anmeldungen werden hier als Referenz verwendet.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, gemäß der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wenn der Wechselstrommotor gestartet wird und der Strom, der kontinuierlich in dem Wechselstrommotor auf einem festgelegten Strompegel oder höher für eine festgelegte Zeitdauer fließt, wird entschieden, dass die Drehrichtung oder Geschwindigkeit des Wechselstrommotors fehlerhaft geschätzt ist, und ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung wird erneut angelegt, um die Drehrichtung und die Geschwindigkeit zu schätzen. Folglich kann der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand sanft gestartet werden.
Gemäß der Abänderung der ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, da ein größerer Wert, entweder der untere Grenzwert der geschätzten Geschwindigkeit des Wechselstrommotors oder die sekundäre Schaltzeitkonstante, festgelegt ist als eine beliebige Dauer für das Anlegen eines Gleichstroms, wird die optimale Gleichstromanlegezeit verwendet, um die Drehrichtung und die Geschwindigkeit des Wechselstrommotors geeignet zu schätzen. Folglich kann der Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand ebenso sanft gestartet werden.
Gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung, ein sensorloses Vektorsteuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor, wobei vorgesehen ist ein Stromrichter für die Ausgabe von Strom an einen Wechselstrommotor, und ein Stromregler zum Regeln eines Ausgabestroms des Stromrichters, basierend auf einem Signal, das eine Abweichung zwischen einem Stromanweisungssignal und einem Detektionssignal für einen Ausgabestrom des Stromrichters anzeigt, und ein Geschwindigkeitsdetektor und ein Spannungsdetektor sind nicht zur Verfügung gestellt, wobei Stromregelung durchgeführt wird durch zwangsmäßiges Setzen des Stromanweisungssignals auf Null, um einem Strom in dem Wechselstrommotor in dem freilaufenden Zustand auf Null zu reduzieren, wobei ein Pegel und eine Phase einer verbleibenden Spannung in dem Wechselstrommotor und eine Winkelgeschwindigkeit berechnet werden, basierend auf einem Ausgabespannungs – Anweisungssignal, das erhalten wird unter Verwendung eines von dem Stromrichter ausgegebenen Stroms, und eine Drehrichtung und eine Geschwindigkeit des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand wird geschätzt, und wobei in Übereinstimmung mit einer Betriebsfrequenz des Stromrichters vor dem freilaufenden Zustand, und einer sekundären Schaltzeitkonstante des Wechselstrommotors, eine Wartezeit bestimmt wird, bis die Stromregelung gestartet wird mit dem Stromanweisungssignal, das auf Null gesetzt ist. Folglich kann ein Steuerungsverfahren und eine Steuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor zur Verfügung gestellt werden, wobei, wenn die Antwort des Stromreglers schwach ist, oder wenn nicht nur ein Induktionsmotor, sondern auch ein Dauermagnet – Synchronmotor als der Wechselstrommotor verwendet wird, kann der Betrieb des Wechselstrommotor geeignet und sanft fortgesetzt werden.
Gemäß der dritten Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Stromregelung durch zwangsmäßiges Setzen des Stromanweisungssignals auf Null durchgeführt wird, um den Strom in dem Wechselstrommotor auf Null zu reduzieren, wird die Antwort von dem Stromregler erhöht, der Überstromzustand des Stromrichters wird vermieden, und der Betrieb kann sanft fortgesetzt werden.
Gemäß der vierten Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Wechselstrommotors in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit geschätzt wurden unter Bereitstellen einer Gleichstromanweisung, ist die Genauigkeit der Frequenzdetektion erhöht. Folglich, können Wirkungen erzielt werden, so dass der Betrieb sanft fortgesetzt werden kann, wenn der Wechselstrommotor sich in dem freilaufenden Zustand bei einer hohen Geschwindigkeit befindet.

Claims

Ein sensorloses Vektorsteuerungsverfahren für einen Wechselstrommotor, das folgende Schritte umfasst: Anlegen eines Gleichstroms oder einer Gleichspannung an den Wechselstrommotor (2) in einem freilaufenden Zustand durch einen Stromrichter, bevor der Wechselstrommotor (2) neu gestartet ist, Schätzen einer Drehrichtung und einer Geschwindigkeit für den Wechselstrommotor (2) basierend auf einem sekundären Strom, der zwischen dem Stromrichter (1) und dem Wechselstrommotor (2), während der Zeit des Anlegens des Gleichstroms oder der Gleichspannung fließt, Versorgen einer Frequenzabgleichsschaltung (11) mit einer Anfangsfrequenz, die der geschätzten Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) entspricht, und Abgleichen einer Frequenz zum Steuern des Wechselstrommotors (2) mit der Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) durch die Frequenzabgleichsschaltung, gekennzeichnet durch Beurteilen, ob eine geschätzte Drehrichtung oder eine geschätzte Geschwindigkeit von einer tatsächlichen Drehrichtung oder einer tatsächlichen Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) abweicht, basierend auf dem Strompegel, der zwischen dem Wechselstrommotor (2) und dem Stromrichter (1) fließt, während die Frequenzabgleichsschaltung (11) die Frequenz anpasst.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Strompegel, der zwischen dem Wechselstrommotor (2) und dem Stromrichter (1) fließt verwendet wird, um zu bestimmen, ob die geschätzte Drehrichtung und Geschwindigkeit beziehungsweise Frequenz von der tatsächlichen Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) abweicht, wenn er während einer vorgegebenen Zeitdauer gleich oder höher als ein bestimmter Strompegel ist.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch wenn die geschätzte Drehrichtung und Frequenz beziehungsweise Geschwindigkeit von der tatsächlichen Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) abweicht: Wiederanlegen eines Gleichstroms oder eine Gleichspannung an den Wechselstrommotor (2) Verwenden eines sekundären Stroms, der während der Zeit des Anlegens des wiederangelegten Gleichstroms oder Gleichspannung fließt, um die Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) neu zu beurteilen, Setzen eines Frequenzwertes entsprechend der neu beurteilten Drehrichtung und Geschwindigkeit, und Neustarten des Wechselstrommotors (2).
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Bestimmen des oberen Grenzwertes für einen geschätzten Geschwindigkeitswert, der gleich oder niedriger als der vorherige geschätzte Geschwindigkeitswert ist.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass ein Zeitraum für das Anlegen und entsprechend das Wiederanlegen des Gleichstroms oder der Gleichspannung an den Wechselstrommotors (2) entweder basierend auf einem vorbestimmten unteren Geschwindigkeitsgrenzwert erlangt wird, oder äquivalent zu oder proportional zu einer sekundären Schaltzeitkonstante gewählt wird.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, gekennzeichnet durch wenn die Frequenz des sekundären Stroms während des Zeitraums des Anlegens des Gleichstroms oder der Gleichspannung nicht erhalten wurde: Bestimmen, dass der Wechselstrommotor (2) angehalten ist, und Senden eines vorgegebenen niedrigsten Frequenzwertes oder eines Nullfrequenzwertes an die Frequenzabgleichsschaltung.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, gekennzeichnet durch Durchführen eines Stromkompensationsprozesses, um einen Strom, der zwischen dem Stromrichter (1) und dem Wechselstrommotor (2) fließt, im freilaufenden Zustand auf Null zu kompensieren durch Anlegen eines Stromanweisungssignals, das unter Verwendung eines durch einen Stromregler ausgegebenen Stroms berechnet wird, Berechnen einer Winkelgeschwindigkeit, eines Pegels und einer Phase einer Restspannung im Wechselstrommotor (2), basierend auf einem ausgegebenen Spannungsanweisungssignal, das unter Verwendung eines von einem Stromregler ausgegeben Stromes erhalten wird, Schätzen einer Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) im freilaufenden Zustand, und Bestimmen einer Wartezeit, bis der Stromkompensationsprozess gestartet wird unter Berücksichtigung einer Betriebszeitfrequenz, beziehungsweise der Frequenz des Stromrichtersignals bevor der freilaufende Zustand eingetreten ist, und einer sekundären Schaltzeitkonstante des Wechselstrommotors (2).
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Setzen der Wartezeit, bis der Stromkompensationsprozess mit dem Stromanweisungssignal gestartet wird, auf Null, wenn die Betriebszeitfrequenz des Stromrichters (1) niedriger als eine beliebig festgelegte Frequenz ist, bevor der freilaufende Zustand eingetreten ist,
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 7 und 8, gekennzeichnet durch wenn der Strom nicht auf Null kompensiert werden kann aufgrund einer hohen Induktionsspannung des Wechselstrommotors (2), Stoppen des Stromompensationsprozesses, Kurzschließen der drei Eingangsphasen des Wechselstrommotors (2), Anwenden einer Dämpfungskraft auf den Wechselstrommotor (2), Verlangsamen des Wechselstrommotors (2), Kompensieren des Stromes, der zwischen dem Stromrichter (1) und dem Wechselstrommotor (2) fließt, wieder auf Null, und Schätzen der Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) im freilaufenden Zustand.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Erhöhen der Abtastrate des sekundären Stromes, wenn der Stromkompensationsprozess durchgeführt wird.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Erhöhung einer Trägerfrequenz des Stromrichters (1) während des Stromkompensationsprozesses.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Durchführen eines Stromkompensationsprozesses, um einen Strom, der zwischen dem Stromrichter (1) und dem Wechselstrommotor (2) fließt, im freilaufenden Zustand auf Null zu kompensieren durch Anlegen eines Stromanweisungssignals, das unter Verwendung eines durch einen Stromregler ausgegebenen Stromes berechnet wird, wenn das Stromanweisungssignal niedriger als ein Strom entsprechend eines beliebig festgelegten Spannungspegels ist: Stoppen des Strom kompensationsprozesses, Senden einer Gleichstromanweisung beliebigen Pegels für eine festgelegte Zeitdauer, anschließend Senden eines Gleichstromanweisungssignals beliebigem Pegels in eine Richtung mit einer Phase, die um 180° verschieden zu der Richtung des gesendeten Gleichstroms oder Gleichspannung ist, erneutes Durchführen des Stromkompensationsprozesses für eine bestimmte Zeitdauer, Schätzen der Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) unter Verwendung einer Frequenzkomponente eines Stromdetektionswertes, Verwenden einer Phasenlage, um eine Drehrichtung des Wechselstrommotors (2) zu schätzen, und Erhöhen der Abtastrate des sekundären Stromes während des Stromkompensationsprozesses, wenn die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Wechselstrommotors (2) durch das Bereitstellen einer Gleichstromanweisung für den Wechselstrommotor (2) geschätzt wurde,
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Erhöhen einer Trägerfrequenz des Stromrichters (1) während des Stromkompensationsprozesses, wenn die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Wechselstrommotors (2) durch Bereitstellen einer Gleichstromanweisung für den Wechselstrommotor (2) geschätzt wurden.
Das sensorlose Vektorsteuerungsverfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Verwenden eines Stromdetektors (3), der verschieden ist zu dem, der für einen normalen Betriebssteuerprozess des Wechselstrommotors (2) verwendet wird, und der empfindlich genug ist, um auch einen schwachen Strom zu detektieren, wenn die Geschwindigkeit und die Drehrichtung des Wechselstrommotors (2) durch Bereitstellen einer Gleichstromanweisung für den Wechselstrommotor (2) geschätzt wird.
Eine sensorlose Vektorsteuerungsvorrichtung für einen Wechselstrommotor (2), umfassend: einen Stromrichter (1), um in einem freilaufenden Zustand durch einen Stromrichter einen Gleichstrom oder eine Gleichspannung an den Wechselstrommotor (2) anzulegen, bevor der Wechselstrommotor (2) neu gestartet ist, Schätzmittel, um eine Drehrichtung und eine Geschwindigkeit für den Wechselstrommotor (2) zu schätzen, basierend auf einem sekundären Strom, der zwischen dem Stromrichter (1) und dem Wechselstrommotor (2) während der Zeit des Anlegens des Gleichstroms oder der Gleichspannung fließt, und eine Frequenzabgleichsschaltung (11), die mit einer Anfangsfrequenz versorgt wird, die der geschätzten Drehrichtung und Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) entspricht, wobei die Frequenzabgleichsschaltung (11) angepasst ist, um eine Frequenz für das Steuern des Wechselstrommotors (2) mit der Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) abzugleichen, gekennzeichnet durch weiter umfassend Mittel zur Beurteilung, ob eine geschätzte Drehrichtung oder eine geschätzte Geschwindigkeit von einer tatsächlichen Drehrichtung oder einer tatsächlichen Geschwindigkeit des Wechselstrommotors (2) abweicht, basierend auf dem Pegel eines Stroms, der zwischen dem Wechselstrommotor (2) und dem Stromrichter (1) fließt, während die Frequenzabgleichsschaltung (11) die Frequenz anpasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 15, weiter Mittel umfassend, die angepasst sind, um die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 14 durchzuführen.