CN1993881A - 感应电动机的矢量控制装置 - Google Patents

Abstract

提供一种感应电动机的矢量控制装置，该矢量控制装置根据由感应电动机的电路常数与实测值算出的磁通指令值，即使在转速低的情况下，也能够提高输出电压的SN，抑制一次角频率计算值的计算误差，即使是低速运转时，也能够用较短的调整时间得到稳定的旋转。它具有：根据从外部输出的转矩指令值Tmr及感应电动机的电路常数及与感应电动机相关的实测值、来选择并输出磁通指令值的磁通指令值计算单元(11)；以及基于从磁通指令值计算单元(11)输出的磁通指令值与感应电动机8的电路常数、控制逆变器装置3的矢量控制单元(10)，磁通指令计算单元(11)包括算出磁通指令计算值F2RB的磁通指令值逆运算计算单元21，从而使得向感应电动机8施加的电压大于对应于不稳定区域的设定值。

Description

感应电动机的矢量控制装置

技术领域

本发明涉及一种感应电动机的无速度传感器矢量控制装置，该矢量控制装置即使不特别使用速度传感器等旋转速度检测单元，也能够大幅度地减少低速运转时的不稳定区域。

背景技术

矢量控制就是通过将交流电动机的电流分解为磁场(磁通)方向及与磁场垂直的转矩方向，能够使磁通分量电流与转矩分量电流相互独立并进行控制，能够与直流电动机一样瞬时控制发生转矩。

在矢量控制中，为了测定磁通，需要速度传感器。但是，速度传感器内通常安装有电子电路，该电子电路的使用温度范围比安装速度传感器的交流电动机的使用温度范围要小。

另外，电动机使用两个轴端时、以及对电动机的设置位置有限制时等情况下，不能安装速度传感器。另外，即使能够安装，由于与电动机的连接部承受冲击的能力弱，以及需要低电平信号布线，因此为了确保设备的可靠性，最好避免安装速度传感器。

这里提出一种不使用速度传感器、而根据速度以外的信息来进行速度推定的矢量控制装置。

但是，在低速运转时，由于输出电压值变得非常小，所以输出角频率产生误差，存在旋转速度变得不稳定的区域。

为了解决这个问题，过去的感应电动机的矢量控制装置为了减少低速运转时的不稳定区域，具备：具有用一次角频率指令参照磁通量指令值曲线来设定磁通量指令值的图表等的磁通产生电路(例如，参照专利文献1)。

这种情况下，因为是采用由磁通产生电路产生磁通指令的结构，所以即使是低速运转时也能够防止感应电压转矩轴分量降到规定值以下，提高SN比，而且将感应电压转矩轴分量及一次角频率的计算值的计算误差抑制得较小。

但是，上述方法中在进行矢量控制时，如果通过逆变器装置控制的感应电动机改变，则对每个感应电动机都必须要改变磁通产生电路的设定值。

专利文献1：特开平8-9697号公报

过去的感应电动机的矢量控制装置如果改变感应电动机，则因为必须对每个感应电动机改变磁通产生电路的设定值及构成控制系统的软件的图表数据等，所以存在为了避免不稳定区域而很难进行调整的问题。

发明内容

与本发明相关的感应电动机的矢量控制装置是通过逆变器装置驱动感应电动机用的矢量控制装置，具有：基于由矢量指令值计算单元根据来自外部系统的输入信号而计算的转矩指令值以及感应电动机的电路常数与关于感应电动机的实测值、来选择并输出磁通指令值的磁通指令值计算单元；以及基于由磁通指令值计算单元输出的磁通指令值和感应电动机的电路常数、来控制逆变器装置的矢量控制单元，磁通指令值计算单元具有算出磁通指令计算值的磁通指令值逆运算计算单元，使得对感应电动机施加的电压大于对应于不稳定区域的设定值。

如果采用本发明的感应电动机的矢量控制装置，为了不使低速运转时不稳定，是基于由转矩指令值计算单元根据来自外部系统的输入信号计算的转矩指令值、和感应电动机的电路常数与关于感应电动机的实测值，来逆运算出磁通指令值，提高输出电压的SN比，从而即使不特别地使用速度传感器等旋转速度检测单元，也能够大幅度地减少低速运转时的不稳定区域。

另外，在改变感应电动机时，通过自动逆运算磁通指令值，使得能够将低速运转时输出电压的SN比设定得较高，从而具有的效果是，能够避免不稳定区域，不用进行控制调整就能够适用。

附图说明

图1表示的是包括与本发明的实施形态1相关的感应电动机的矢量控制装置的设备结构的框图。(实施例1)

图2表示图1所示的感应电动机的矢量控制装置的磁通指令值计算单元的框图。(实施例1)

图3表示图1所示的感应电动机的等效电路的电路图。(实施例1)

图4表示的是与本发明的实施形态1有关的、在感应电动机的无速度传感器矢量控制装置中的不稳定区域的说明图。(实施例1)

图5表示的是与本发明的实施形态1相关的感应电动机的矢量控制装置中的、速度与感应电动机电压之间关系的说明图。(实施例1)

图6表示的是包括与本发明的实施形态2相关的感应电动机的矢量控制装置的设备结构的框图。(实施例2)

图7表示图6所示的感应电动机的矢量控制装置的磁通指令值计算单元的框图。(实施例2)

具体实施方式

本发明正是为了解决上述的问题而提出的，其目的在于提供一种感应电动机的矢量控制装置，该矢量控制装置由于利用由感应电动机的电路常数与实测值算出的磁通指令值，即使是感应电动机的旋转速度低的情况下，也提高输出电压的SN，将一次角频率计算值的计算误差抑制得较小，所以即使在低速运转时，也能够用较短的调整时间，得到稳定的旋转。

实施例1

以下，根据附图来说明本发明的各实施形态，但是在各图中对于相同或相当部分，附加同一标号说明。

图1表示的是包括与本发明的实施形态1相关的感应电动机的矢量控制装置的设备结构的框图。

另外，在图1中，虽然以直流电车为例说明，但是交流电车的情况也能够同样适用。

在图1中，电车的主电路包括：向电车提供直流功率的架空线1、从架空线1汇集直流功率的导电弓2、将从架空线1汇集的直流功率转变为任意频率的交流功率的VVVF逆变器3、连接在VVVF逆变器3的直流端上的直流电抗器4与滤波电容器5及连接在滤波电容器负端上的车轮6、通过车轮6将滤波电容器5的一端接地的轨道7、以及连接在VVVF逆变器3的交流端上的感应电动机8。

这里，对滤波电容器5设置检测电容器电压的电压检测器9。

另外，在图1中，矢量控制装置具有：控制VVVF逆变器3的矢量控制单元10、以及计算磁通指令值的磁通指令值计算单元11。

矢量控制单元10具有：检测流过感应电动机8的1次电流的电流检测器12；将用电流检测器12检测出的1次电流转变为磁通轴(d轴)与转矩轴(q轴)的旋转坐标系的2个轴、并输出d轴电流与q轴电流的坐标变换器13；根据磁通指令值与转矩指令值、计算磁通轴电流指令与转矩轴电流指令的电流指令值计算单元14；根据是电流指令值计算单元14的输出的磁通轴电流指令值与转矩轴电流指令值、计算转差角频率的转差角频率计算单元15；根据是电流指令值计算单元14的输出的磁通轴电流指令与转矩轴电流指令及输出角频率、计算d轴电压指令与q轴电压指令的电压矢量控制计算单元16；根据输出角频率与磁通指令值与d轴电流与q轴电流与d轴电压指令及q轴电压指令、计算转子旋转角频率推定值的转子旋转角频率计算单元17；将转差角频率与转子旋转角频率推定值相加、计算输出角频率的加法器18；对输出角频率进行积分、计算相位角的积分器19；以及根据相位角与d轴电压指令与q轴电压指令、控制VVVF逆变器3的栅极的栅极控制单元20。

图2表示图1所示的感应电动机的矢量控制装置的磁通指令值计算单元11的框图。

在图2中，磁通指令值计算单元11具有：基于根据d轴电压指令与q轴电压指令与输出角频率与滤波电容器电压以及来自外部系统的输入信号用转矩指令值计算单元(没有图示)计算出的指令值、算出磁通指令值的磁通指令值逆运算计算单元21。

另外，磁通指令值计算单元11具有：是第1磁通指令切换装置的比较转子旋转角频率的比较器22、以及根据比较器22的结果来切换磁通指令值的切换器23。

另外，将磁通指令基准值F2RM与转子旋转角频率设定值Wr12M给予磁通指令值计算单元11。

图3表示图1所示的感应电动机的等效电路的电路图。

在图3中，将是感应电动机8的电路常数的互感M、1次电感L1、2次电感L2、1次电阻R1、2次电阻R2给予矢量控制装置10。

另外，设感应电动机8的极对数为P。

图4表示的是与本发明的实施形态1有关的、在感应电动机的无速度传感器矢量控制装置中的不稳定区域的图形。

在图4中，带斜线处是低速运转时的不稳定区域。

图5表示的是与本发明的实施形态1相关的感应电动机的矢量控制装置中的、速度推定值与感应电动机电压之间关系的图形。

以下，说明关于上述结构的感应电动机8的矢量控制装置的工作。

首先，电流检测器12检测出感应电动机8中流过的电流Iu、Iv、Iw。将检测出的1次电流Iu、Iv、Iw输入坐标变换器13，根据下式(1)，变换成磁通轴(d轴)与转矩轴(q轴)的旋转坐标系的2个轴，作为d轴电流Id与q轴电流Iq输出。

[数学式1]

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iq}\\ \mathrm{Id}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ \sin \mathrm{\θ}& \sin (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \sin (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}\mathrm{Iu}\\ \mathrm{Iv}\\ \mathrm{Iw}\end{array}\right)---\left(1\right)$

另外，用电流指令值计算单元14，将是磁通指令值计算单元的输出的磁通指令值F2R、以及根据由电车的运转台等得到的变速指令等决定的转矩指令值Tmr作为输入，根据下式(2)，计算d轴电流指令Idr与q轴电流指令Iqr。

[数学式2]

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Idr}=\frac{F2R}{M}\\ \mathrm{Iqr}=\frac{1}{P}\frac{L2\×\mathrm{Tmr}}{\mathrm{PM}\×F2R}\end{array}\right.---\left(2\right)$

在转差角频率计算单元15中，根据是电流指令值计算单元14的输出的d轴电流指令Idr及q轴电流指令Iqr，通过下式(3)来计算应该给予的转差角频率ωs。

[数学式3]

$\mathrm{\ωs}=\frac{R2}{L2}\×\frac{\mathrm{Iqr}}{\mathrm{Idr}}---\left(3\right)$

在加法器18中，将用转差角频率计算单元15计算的转差角频率ωs、以及用转子旋转角频率计算单元17计算的转子旋转角频率Wr1相加，作为VVVF逆变器3的输出角频率ω_i(逆变器角频率)。

这里，作为转子旋转角频率Wr1的计算方法，能够使用例如特开平11-4599号公报中所示的、旋转角速度推定方法等。

在电压矢量控制装置计算单元16中，输入d轴电流指令Idr与q轴电流指令Iqr、是坐标变换器13的输出的d轴电流Id与q轴电流Iq、输出角频率ω_i，根据下式(4)计算d轴电压指令Vdr与q轴电压指令Vqr。

[数学式4]

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Vdr}=R1\×\mathrm{Idr}-\mathrm{\ωi}\×\mathrm{\σ}\×L1\×\mathrm{Iqr}+(\mathrm{Kp}+\frac{\mathrm{Ki}}{g})\×(\mathrm{Idr}-\mathrm{Id})\\ \mathrm{Vqr}=R1\×\mathrm{Iqr}+\mathrm{\ωi}\×L1\×\mathrm{Idr}+(\mathrm{Kp}+\frac{\mathrm{Ki}}{g})\×(\mathrm{Iqr}-\mathrm{Iq})\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，σ表示漏电感(＝1-(M×M/(L1×L2)))，Kp：电流控制比例增益，Ki：电流控制积分增益，g：拉普拉斯算子。

另外，将输出角频率ω₁输入积分器19，再将该积分值输入栅极控制单元20。该积分器19的输出是从静止坐标系的a轴到旋转坐标轴系d轴的相位角θ。

在栅极控制单元20中，根据是来自电压指令计算单元的输出的d轴电压指令Vdr与q轴电压指令Vqr、以及来自积分器19的输出的相位角θ，生成控制VVVF逆变器3的栅极信号。

用设置在磁通指令值计算单元11中的磁通指令值逆运算计算单元21，根据由电压检测器9检测出的滤波电容器电压Efc、是电压矢量控制计算单元16的输出的d轴电压指令Vdr、q轴电压指令Vqr及输出角频率ω_i，计算必须给出的磁通指令值F2RB。

首先，在稳定状态下，由于d轴电流Id及q轴电流Iq、与d轴电流指令Idr及q轴电流指令Iqr一致，因此上式(4)变为下式(5)。

[数学式5]

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Vdr}=R1\×\mathrm{Idr}-\mathrm{\ωi}\×\mathrm{\σ}\×L1\×\mathrm{Iqr}\\ \mathrm{Vqr}=R1\×\mathrm{Iqr}+\mathrm{\ωi}\×L1\×\mathrm{Idr}\end{array}\right.---\left(5\right)$

另外，利用式(2)将式(3)变形为式(6)。

[数学式6]

$\mathrm{\ωs}=\frac{R2}{L2}\×\frac{M}{F2R}\×\mathrm{Iqr}---\left(6\right)$

另外，根据式(2)，2次磁通指令值F2R、转矩指令值Tmr能够用下式(7)及下式(8)来表示。

[数学式7]

F2R＝M×Idr…(7)

[数学式8]

根据式(4)，q轴电流指令Iqr变为下式(9)。

[数学式9]

$\mathrm{Iqr}=\frac{\mathrm{Tmr}}{k\×F2R}---\left(9\right)$

这里，设感应电动机电压为V，根据d轴电压指令Vdr与q轴电压指令Vqr，则下式(10)的关系成立。

[数学式10]

通过将式(5)、式(6)，式(7)以及式(8)代入式(10)中，则用下式(11)来求解2次磁通指令值F2R。

[数学式11]

$F2R=\sqrt{\frac{-(\frac{2R1\·\mathrm{\ωi}\·\mathrm{Tmr}}{P}-V)+\sqrt{{(\frac{2R1\·\mathrm{\ωi}\·\mathrm{Tmr}}{P}-V)}^2-4\left(\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}-L1)}^2}{M^2}\right)\left(\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}\·L1\·\mathrm{\σ})}^2}{k^2}\right){\mathrm{Tmr}}^2}}{2\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}-L1)}^2}{M^2}}}---\left(11\right)$

通过使用式(11)，通过输入感应电动机8的电路常数(R1、L1、M、L2、P)、输出角频率ω_i、感应电动机电压V、以及转矩指令值Tmr，能够唯一决定2次磁通指令值F2R。

另外，感应电动机电压V与滤波电容器电压Efc间的关系用下式(12)来表示。

[数学式12]

$V=\frac{\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}\mathrm{Efc}\×a---\left(12\right)$

在式(12)中，a为称为调制率或者电压利用率的值。

另外，通过将式(12)代入式(11)中，则式(11)表示成下式(13)那样。

[数学式13]

$F2R=\sqrt{\frac{-(\frac{2R1\·\mathrm{\ωi}\·\mathrm{Tmr}}{P}-\frac{\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}\mathrm{Efc}\×a)+\sqrt{{(\frac{2R1\·\mathrm{\ωi}\·\mathrm{Tmr}}{P}-\frac{\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}\mathrm{Efc}\×a)}^2-4\left(\frac{R{1}^2+{(\mathrm{\ωi}-L1)}^2}{M^2}\right)\left(\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}\·L1\·\mathrm{\σ})}^2}{k^2}\right){\mathrm{Tmr}}^2}}{2\frac{{R1}^3+{(\mathrm{\ωi}-L1)}^2}{M^2}}---\left(13\right)}$

这里，式(13)表示的感应电动机8的电流常数(R1、L1、M、L2、P)、d轴电压指令Vdr、q轴电压指令Vqr、输出角频率ω_i、滤波电容器电压Efc、转矩指令值Tmr是输入变量。

在式(13)中，通过决定调制率a，使得确保向感应电动机8施加的电压在某个值以上，能够避免图4的不稳定区域，从而能够减少低速运转时的不稳定区域。

即通过设定向感应电动机8施加的最低电压Vm，使得能够避免图4的不稳定区域，从而由式(12)来决定调制率a。

通过将该调制率a代入式(13)中，如下式(14)所示，能够得到磁通指令值F2RB。

[数学式14]

$F2\mathrm{RB}=\sqrt{\frac{-(\frac{2R1\·\mathrm{\ωi}\·\mathrm{Tmr}}{P}-\frac{\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}\mathrm{Efc}\×a)+\sqrt{{(\frac{2R1\·\mathrm{\ωi}\·\mathrm{Tmr}}{P}-\frac{\sqrt{6}}{\mathrm{\π}}\mathrm{Efc}\×a)}^2-4\left(\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}-L1)}^2}{M^2}\right)\left(\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}\·L1\·\mathrm{\σ})}^2}{k^2}\right){\mathrm{Tmr}}^2}}{2\frac{{R1}^2+{(\mathrm{\ωi}-L1)}^2}{M^2}}}---\left(14\right)$

通过使用由式(14)得到的磁通指令值F2RB，即使在低速运转时，感应电动机8的输出电压也能够确保为设定的最低电压Vm。

另外，转子旋转角频率计算单元17无论是带自适应观测器的无传感器控制的速度推定方法等速度推定方法都能够适用。

这里，来说明在磁通指令值计算单元11中的工作。

首先，用比较器22比较设定为切换设定值的转子旋转角频率设定值Wr12M与转子旋转角频率Wr1。

这里，在转子旋转角频率Wr1低于转子旋转角频率设定值Wr12M时，切换器23切换到磁通指令值逆运算计算单元21一侧。然后，将用磁通指令值逆运算计算单元21算出的F2RB作为磁通指令值输出。

另外，在转子旋转角频率Wr1高于转子旋转角频率设定值Wr12M时，切换器23切换到磁通指令基准值F2RM一侧。然后，磁通指令基准值F2RM作为磁通指令值输出。

这时，对应于速度的感应电动机8的电压是图5的图形中用实线表示的值，当转子旋转角频率低于转子旋转角频率设定值Wr12M、进行低速运转时，输出作为向感应电动机8施加的最低电压来设定的最低电压Vm。

如果采用与本发明的实施形态1相关的感应电动机的矢量控制装置，则通过使用由决定调制率a而算出的2次磁通指令值F2RB，即使是感应电动机8的旋转速度低的情况下，也能够确保最低电压Vm，能够提高输出电压的SN比。因此，能够将一次角频率计算值的计算误差抑制得较小，即使是低速运转时也能够得到稳定的旋转。

另外，因为必须要计算的值只有调制率a，所以与过去的结构相比，能够使调整要素简化，也能够缩短调整时间。

另外具有的效果是，不论是什么速度推定方法都能够适用，在低速运转时能够避免不稳定的区域，也能够减少调整方法。

实施例2

另外，在上述的实施形态1中，在磁通指令值计算单元中，是只考虑转子旋转角频率，来进行磁通指令的切换，但是也可以考虑制动指令。

实施形态2是对实施形态1附加根据制动指令来切换磁通指令值的单元。

图6表示的是包括与本发明的实施形态2相关的感应电动机的矢量控制装置的设备结构的框图。

在图6中，在矢量控制装置中，向磁通指令值计算单元11输入制动指令B。在其它的结构中，与实施形态1相同，所以省略其说明。

图7表示图6所示的感应电动机的矢量控制装置的磁通指令值计算单元11的框图。

在图7中，磁通指令值计算单元11具有是第2磁通指令切换单元的切换器24。在其它的结构中，与实施形态1相同，所以省略其说明。

下面，来说明关于上述结构的感应电动机的矢量控制装置的工作。

首先，矢量控制装置10不通过制动指令而与实施形态1具有相同的工作情况，所以省略其说明。

在磁通指令值计算单元11中，在只生成制动指令B时，切换器24进行与实施形态1相同的工作，在不生成制动指令B时，进行切换，使得始终输出磁通指令基准值F2RM。

如果采用与本发明相关的实施形态2的感应电动机的矢量控制装置，则由于一般低速运行时的不稳定区域只发生在制动时，所以只在制动时磁通指令值逆运算计算单元21工作，因此能够分离制动与牵引的功能。

另外，在上述的实施形态1与实施形态2中，是以作为本发明的用途适用于无速度传感器矢量控制的电车控制装置的情况来说明的，但是也能够应用于其它的通用逆变器的情况及电动汽车的领域。

Claims (4)

1.一种感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，

是一种通过逆变器装置驱动感应电动机用的矢量控制装置，具有：

基于由转矩指令值计算单元根据来自外部系统的输入信号计算出的转矩指令值和所述感应电动机的电路常数以及关于所述感应电动机的实测值、来选择并输出磁通指令值的磁通指令值计算单元；

以及基于从所述磁通指令值计算单元输出的所述磁通指令值和所述感应电动机的电路常数、来控制所述逆变器装置的矢量控制单元，

所述磁通指令值单元具有算出磁通指令计算值的磁通指令值逆运算计算单元，从而使得向所述感应电动机施加的电压大于对应于不稳定区域的设定值。

2.如权利要求1中所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，

所述实测值包含所述感应电动机的1次电流、以及与所述逆变器装置的直流端连接的电容器的电容器电压，

所述矢量控制单元根据所述电路常数与所述1次电流来求解电压指令值、所述感应电动机的转差角频率以及转子旋转角频率，同时将所述转差角频率与所述转子旋转角频率相加，求出输出角频率，

所述磁通指令值逆运算计算单元根据所述电压指令值、所述输出角频率、所述电容器电压、以及所述转矩指令值，来计算所述磁通指令计算值。

3.如权利要求1或2中所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，

所述矢量控制单元根据所述电路常数与所述1次电流来求解所述感应电动机的转子旋转角频率，

所述磁通指令值计算单元包含根据所述转子旋转角频率的第1磁通指令切换单元，

所述第1磁通指令切换单元，当所述转子旋转角频率在规定的频率以下时，以所述磁通指令计算值作为所述磁通指令值输出，当大于规定的频率时，以给予所述磁通指令值计算单元的磁通指令基准值作为所述磁通指令值输出。

4.如权利要求1至3中任一项所述的感应电动机的矢量控制装置，其特征在于，

所述磁通指令值计算单元包含响应制动指令的第2磁通指令切换单元，

所述第2磁通指令切换单元，根据制动指令，在生成制动指令时，以所述磁通指令计算值作为所述磁通指令值输出，在没有生成制动指令时，以给予所述磁通指令值计算单元的磁通指令基准值作为所述磁通指令值输出。

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