CN101136608A - 具有马达保护功能的控制装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种根据马达的运行状态具有最佳保护功能的同步马达控制装置。所述马达控制装置包括检测马达转子的角位置的位置检测传感器，基于由位置检测传感器测得的马达转子的角位置控制马达速度的速度控制器，通过速度控制器计算的电流命令值或者扭矩命令值估计马达温度并且当估计的温度达到阈值时将电流切断信号输出到切断电流到马达的路径的电流控制器的温度估计组件，和根据位置检测传感器测得的马达转子的角位置确定马达运行状态的运行状态确定组件，其中温度估计组件根据运行状态确定组件确定的马达运行状态改变阈值。

Description

具有马达保护功能的控制装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年8月29日提交的申请号为No.2006-232066的日本专利申请的优先权，其全部内容通过引用而包含在本申请中。

技术领域

本发明涉及马达控制装置，具体涉及根据马达的运行状态而具有最佳保护功能的马达控制装置。

背景技术

当运行马达时，如果过载状态持续，马达线圈的温度可持续升高，可能导致马达线圈的烧毁。考虑到这种可能性，当温度升高时必须使用热保护装置，诸如嵌入马达线圈中的温控器或热敏电阻器，其使用温度计以切断到达马达的电流。

另外，还可以使用其中没有采用温度检测器的电子热系统，诸如由待审日本专利申请No.9-261850或待审日本专利申请No.6-253577公开的电子热系统。这样的系统试图对具有数秒或更长的热时间常数的发热元件和它们的环境进行热保护，并基于当前命令的历史或类似物通过计算热值和热释放量来估计温度以对待保护对象进行保护。

图5是应用电子热系统的马达控制装置的示例性框图。根据由高水平控制器(诸如位置控制，在图5中未显示)计算的速度命令V^*控制马达44。控制流程如下所述。

速度控制器41接收速度反馈V和速度命令V^*作为输入以执行作诸如PI控制和计算电流命令I^*的操作，该速度反馈V由转换器46使用编码器45的位置检测值计算。接着，电流控制器42接收电流反馈I和电流命令I^*以计算逆变驱动命令。根据逆变驱动命令，逆变电路43输出功率波形以驱动马达44。而且，根据电流命令I^*，温度估计组件47估计温度。如果估计的温度达到阈值，温度估计组件47将马达44的运行停止命令输出到电流控制器42。

在上述使用热保护装置的系统中，假定由用作温度检测器的热敏电阻器或温控器检测到的温度精确地反映了马达线圈本身的温度。因此，如果温度检测器与马达线圈之间存在温度差，保护功能可能无法正确工作。而且，如果作为例如碰撞的结果马达旋转被卡住，电流可被集中在一相上，引起部分马达线圈的温度升高。结果，在温度升高的部分马达线圈和温度检测器之间产生温度差，使温度检测器不能正确检测马达线圈的温度，还可能导致烧毁马达线圈。此外，如果从马达线圈到温度检测器的热传导很差或者马达线圈的热时间常数小于温度检测器的检测延迟，温度检测器不能正确检测马达线圈的温度，在这种情况中可能无法防止马达线圈的烧毁或者可能的实际燃烧。

在上述传统的电子热系统中，当马达旋转时，因为电流在三相(U相、V相和W相)中同等流动并且马达线圈的温度作为整体升高，温度估计组件47可精确地估计马达线圈的温度。在这种情况下的马达保护曲线看起来如图4中所示的曲线。这里，图4中的M4、A4和T4是由马达确定的值。这里，值M4是马达电流限制值，值A4典型地被设定为马达连续额定电流，值T4基于马达被设定。例如，保护曲线可根据当马达以连续的额定功率旋转时实际测得的热时间常数来设定。但是，如果马达被锁定，电流集中在一相中使一部分马达线圈的温度升高，导致马达线圈烧毁。因此，需要重新检查(降低)阈值，以在马达被锁定时防止马达线圈烧毁。但是，如果阈值被降低并且马达在旋转，估计的温度值可超过阈值，甚至当马达正常运行时也是如此，从而引起保护功能的不必要的起动的问题。

此外，在电子热系统中，不管马达的运行状态如何，对马达线圈的三相温度估计值都是相同的。此时，如果电流集中在一相中，马达线圈的温度偏离温度的估计值，引起在保护功能起动之前马达线圈烧毁的问题。

提出本发明以解决上述问题，其目的是提供最佳马达保护功能。

发明内容

本发明通过提供马达控制装置有利地解决上述常见例子中的问题，所述马达控制装置包括检测马达转子(motor needle)的角位置的位置检测传感器，基于位置检测传感器测得的马达转子的角位置控制马达速度的速度控制器，温度估计组件，其通过速度控制器计算的电流命令值或扭矩命令值估计马达温度，并且当估计的温度达到阈值时，将电流切断信号输出到切断电流到马达的路径的电流控制器，还包括根据位置检测传感器测得的马达转子的角位置确定马达运行状态的运行状态确定组件，其中温度估计组件根据运行状态确定组件确定的马达运行状态改变阈值。

本发明还可被构造成马达控制装置，其包括用于检测马达转子的角位置的位置检测器件、根据位置检测器件测得的马达转子的角位置控制马达速度的速度控制器件、通过速度控制部件计算的电流命令值或扭矩命令值评估马达温度的温度估计器件、当温度估计器件估计的马达温度达到阈值时切断电流到马达的路径的电流控制器件、根据位置检测器件测得的马达转子的角位置确定马达运行状态的运行状态确定器件、和根据运行状态确定器件确定的马达运行状态改变阈值的阈值改变器件。

而且在本发明的马达控制装置中，当位置检测器件测得的马达转子的角位置没有改变时，运行状态确定器件可确定马达处于锁定状态，以及当马达转子的角位置改变时，其可确定马达正在旋转，并且当运行状态确定器件确定马达正在旋转时，阈值改变器件将该阈值设定为第一阈值，当运行状态确定器件确定马达处于锁定状态时，将该阈值设定为第二阈值，该第二阈值小于第一阈值。

本发明还提供了马达控制方法，所述马达控制方法包括检测马达转子的角位置的位置检测步骤、根据位置检测步骤测得的马达转子的角位置控制马达速度的速度控制步骤、通过速度控制步骤计算的电流命令值或者扭矩命令值估计马达温度的温度估计步骤、当温度估计步骤估计的温度达到阈值时切断电流到马达的路径的电流控制步骤、根据由位置检测步骤测得的马达转子的角位置确定马达运行状态的运行状态确定步骤、和根据运行状态确定步骤确定的马达运行状态改变阈值的阈值改变步骤。

在本发明的马达控制方法中，当位置检测步骤测得的马达转子的角位置没有改变时，运行状态确定步骤可确定马达处于锁定状态，以及当马达转子的角位置改变时，其可确定马达正在旋转，并且当运行状态确定步骤确定马达正在旋转时，阈值改变步骤将该阈值设定为第一阈值，并且当运行状态确定步骤确定马达处于锁定状态时，将该阈值设定为第二阈值，该第二阈值小于第一阈值。

通过应用本发明，可提供可根据马达运行状态起动最佳保护功能的马达控制装置。

附图说明

图1是显示具有根据本发明的实施方式的保护功能的马达控制装置的控制模块的框图；

图2是显示本发明的实施方式中的马达控制装置中的温度估计组件的细节的框图；

图3是显示由本发明的实施方式中的马达控制装置中的温度估计组件使用的保护曲线的例子；

图4是显示传统马达的保护曲线的例子；和

图5是显示具有利用常用电子热系统的保护功能的马达控制装置的控制模块的框图。

具体实施方式

将参照图1和图2描述应用于马达控制装置的本发明的实施方式。图1是显示具有如本发明所述的保护功能的马达控制装置的控制模块的框图。图2是温度估计组件的细节框图。

首先将参照图1描述具有保护功能的马达控制装置的运行。速度控制器1接收由转换器6通过编码器5的位置检测值计算的速度反馈V(编码器5是用于检测马达转子位置的位置检测器件)和速度命令V^*，以此作为输入以执行诸如PI控制的操作，并计算电流命令I^*。在图1中，速度控制器1的输出被制成电流命令I^*，但类似功能还可通过使用与电流命令I^*成比例的扭矩命令来实现。下面将使用电流命令I^*描述本发明。电流控制器2接收电流反馈I和电流命令I^*作为输入以计算逆变驱动命令。基于来自电流控制器2的逆变驱动命令，逆变电路3转化马达4的驱动电流。基于由转换器6转换的编码器5的位置检测值，运行状态确定组件8确定马达4的运行状态。当由转换器6转换的编码器5的位置检测值不发生改变时，运行状态确定组件8确定马达4处于锁定状态，当位置检测值发生改变时，确定马达4正在旋转。运行状态确定组件8将马达4的运行状态确定信号输出到温度估计组件7。温度估计组件7具有基于电流命令I^*计算温度估计值的温度估计器件和根据从运行状态确定组件8输出的马达4的运行状态确定信号改变阈值的阈值改变器件。当确定马达4正在旋转时，阈值改变器件将此阈值设定为第一阈值，当确定马达4处于锁定状态时，将其设定为第二阈值，该第二阈值小于第一阈值。这里，如果估计的温度值达到阈值，温度估计组件7将命令输出到电流控制器2以切断到马达4的电流通路，使马达4的运转停止。在这种情况下，温度估计组件7将切断到马达4的电流的命令输出到电流控制器2，但是温度估计组件7还可将切断到马达4的电流的命令输出到计算电流命令I^*的速度控制器1。

下面，将参照图2详细描述在温度估计组件7中的处理。温度估计组件7包括计算组件11、确定组件12和数据组件13。计算组件11具有根据电流命令I^*计算温度估计值的温度估计器件。数据组件13具有基于从运行状态确定组件8输出的运行状态确定信号改变阈值的阈值改变器件。确定组件12比较温度估计值和阈值，以将运行的继续/停止(运行继续或者运行停止)的命令信号输出到电流控制器2。

这里，下面将详细描述数据组件13。在图3中显示的保护曲线的数据被存储在数据组件13中。这里，(a)显示马达旋转状态的保护曲线，也就是当电流相旋转时，以及(b)显示马达锁定状态的保护曲线，也就是当电流相被锁定时。图3中的符号(M3、A3、B3、T3A和T3B)是由马达确定的值。例如，M3是马达电流限制值，A3是马达连续额定电流值，B3是马达连续额定电流值的1/。当电流相被锁定时，电流作为直流电流动并且马达的发热量与电流的平方成比例，因而，与当电流相旋转时产生相同发热量的电流变成1/。因此，从马达保护的观点来看，当电流相被锁定时，可连续通过的电流值变成马达连续额定电流值的1/。此外，设定T3A和T3B的例子包括在电流相正在旋转的条件下，马达电流限制值被连续超过(pass)时、温度升高100℃之前T3A的设定，和T3B设定为在马达被锁定的条件下，马达电流限制值被连续超过直到温度升高100℃的时间。

此外，下面将详细描述在计算组件11中怎样计算温度的估计值。考虑待保护对象的等效电路确定电子热计算方法。可考虑各种计算方法，例如保护曲线，下面将显示一例。

如果在任何给定时间的温度升高为T[n]，前一温度升高为T[n-1]，电流为i[n]，A和β是比例常数，存在下列关系：

T[n]＝β{A·i[n]-T[n-1]}+T[n-1]             公式(1)

其中公式1中的β范围为0<β<1。

通过公式1，

T[n]-A·i[n]＝(1-β){T[n-1]-A·i[n]}

成立，给出：

T[n]-A·i [n]＝(1-β)ⁿ{T[0]-A·i[n]}

这里，由于基于公式1认为T[0]＝0，当恒定电流i连续流动时温度升高T[n]由下列方程给出：

T[n]＝A{1-(1-β)ⁿ}·i                   公式(2)

如果在公式(2)中n→∞，由于0<(1-β)<1，

T[n]_n→∞＝A·i

如果该点的电流i是连续电流ic，并且ic和i被表示为对电流限制值IL的比率，用于电子热系统的保护区域的条件表达式由下列公式给出：

A·ic<A{1-(1-β)ⁿ}·i＝T[n]             公式(3)

两侧除以A·IL得到：

ic/IL<{1-(1-β)ⁿ}·i/IL＝T[n]/(A·IL)    公式(4)

将θ[n]＝T[n]/(A·IL)和γ＝ic/IL代入公式4中得到：

γ＝ic/IL<A{1-((1-β)ⁿ)·i/IL＝θ[n]  公式(5)

公式(1)给出：

θ[n]＝β{i[n]/IL-θ[n-1]}+θ[n-1]       公式(6)

公式6中的θ[n]表示温度的估计值，并且通过公式5和公式6，基于温度的估计值确定保护曲线的常数为γ和β。这里，γ是表示当电流限制值被设定为1时的连续电流常数，β表示保护曲线的时间常数。例如，如果待保护的对象是马达，马达的发热量与电流的平方成比例，因此，温度的估计值可通过电流的平方来计算。即温度的估计值通过将公式(6)中的i[n]/IL改变成(i[n]/IL)²来计算。换言之，温度估计值的计算必须考虑待保护对象的发热量与什么成比例。

在数据组件13的上述详细描述中，已经描述了根据运行状态改变保护曲线。而且，当运行状态发生改变时(电流相旋转电流相锁定)可改变温度的估计值。变化内容的例子将在下面描述。

由于马达温度的估计值使用电流的平方来计算，可考虑温度的估计值大约等于电流的平方(

电流²)。如果当电流相正在旋转时可连续流动的电流值为Im，当电流相被锁定时可连续流动的电流值就变成了Im/。这里，如果当电流相被锁定和当电流相正在旋转时温度的估计值分别是T_R和T_L，下列关系表达式成立：

$T_L\&cong;(\mathrm{Im}/\sqrt{2}{)}^2={\mathrm{Im}}^2/2\&cong;T_R/2$                                               公式(7)

通过公式(7)的关系式，显然当运行状态从旋转电流相变成锁定电流相时，温度的估计值变成原来的一半，并且当运行状态从锁定电流相变成旋转电流相时，温度的估计值增加一倍。

Claims (5)

1.一种马达控制装置，包括：

位置检测传感器，检测马达转子的角位置；

速度控制器，根据位置检测传感器测得的马达转子的角位置控制马达速度；

温度估计组件，通过由速度控制器计算的电流命令值或者扭矩命令值估计马达温度，并且当估计的温度达到阈值时，将电流切断信号输出到切断电流到马达的路径的电流控制器；和

运行状态确定组件，根据位置检测传感器测得的马达转子的角位置确定马达运行状态，其中温度估计组件根据由运行状态确定组件确定的马达运行状态改变阈值。

2.一种马达控制装置，包括：

位置检测器件，用于检测马达转子的角位置；

速度控制器件，根据位置检测器件测得的马达转子的角位置控制马达速度；

温度估计器件，通过由速度控制器件计算的电流命令值或者扭矩命令值估计马达温度；

电流控制器件，当温度估计器件估计的马达温度达到阈值时，切断电流到马达的路径；

运行状态确定器件，根据位置检测器件测得的马达转子的角位置确定马达运行状态；和

阈值改变器件，根据运行状态确定器件确定的马达运行状态改变阈值。

3.如权利要求2所述的马达控制装置，其中

当位置检测器件测得的马达转子的角位置没有改变时，运行状态确定器件确定马达处于锁定状态，以及当马达转子的角位置改变时，其确定马达正在旋转，和

当运行状态确定器件确定马达正在旋转时，阈值改变器件将该阈值设定为第一阈值，并且当运行状态确定器件确定马达处于锁定状态时，将该阈值设定为第二阈值，该第二阈值小于第一阈值。

4.一种马达控制方法，包括：

位置检测步骤，检测马达转子的角位置；

速度控制步骤，根据位置检测步骤测得的马达转子的角位置控制马达速度；

温度估计步骤，根据速度控制步骤计算的电流命令值或者扭矩命令值估计马达温度；

电流控制步骤，当温度估计步骤估计的马达温度达到阈值时，切断电流到马达的路径；

运行状态确定步骤，根据位置检测步骤测得的马达转子的角位置确定马达运行状态；和

阈值改变步骤，根据运行状态确定步骤确定的马达运行状态改变阈值。

5.如权利要求4所述的马达控制方法，其中

当由位置检测步骤测得的马达转子的角位置没有改变时，运行状态确定步骤确定马达处于锁定状态，当马达转子的角位置改变时，其确定马达正在旋转，和

当运行状态确定步骤确定马达正在旋转时，阈值改变步骤将该阈值设定为第一阈值，并且当运行状态确定步骤确定马达处于锁定状态时，将该阈值设定为第二阈值，该第二阈值小于第一阈值。

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