专利名称：具有矢量控制功能的电动机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动电动机的电力变换装置，特别地涉及具备用于校正由于负载急速变动引起的减速状态的具有矢量控制功能的电动机控制装置。
背景技术：
电压型逆变器方式的电动机控制装置的一般构造如图1所示。图1所示的电动机控制装置由于是具有速度反馈、电流反馈控制的矢量控制方式，输入的速度基准信号ωr*与速度检测器1以及一次磁通角运算器2、微分器3计算后的速度反馈信号ω’进行反馈运算，运算结果由速度控制器(ASPR＝Automatic SpeedRegulator)4变换成转矩基准信号Tr*，将该值除以二次磁通基准φ2*，由此计算出q轴转矩电流基准信号Iq*。另一方面，根据速度反馈信号ω’利用励磁减弱控制器(AFER)5以及磁通饱和图案器6计算出d轴电流基准信号Id*。相对于上述的电流基准信号Id*、Iq*，根据d轴以及q轴电流反馈(F.B.)信号Id’、Iq’的反馈运算，生成各自的最终电流基准信号Id、Iq，由d轴以及q轴各自的电流控制器(ACR＝Automatic Current Regulator)7、8输出各自的电压基准Vd*、Vq*。然后，根据上述的电压基准Vd*、Vq*，根据来自2-3轴坐标/PWM变换器9的元件栅极点弧脉冲指令，电力变换器10将从直流电源供给的直流电压Vdc变换成要求的交流电压Vac并且输出，向电动机(IM)11供给所要求的电流而进行驱动。
在上述的构造中，作为矢量控制中的电动机励磁成分的d轴励磁电流Id根据位于励磁减弱控制器5内的某一磁场图案并且对应于速度反馈信号ω’来运算二次磁通基准φ2*。该励磁图案由连接在电动机控制装置上的各个电动机来决定，并设定为固定值。由此，当输入某一大小的速度反馈信号ω’时，运算沿着励磁图案的电动机的d轴励磁电流Id。又，以利用一次磁通角运算器2所运算的一次磁通角θr与提供电动机所必须的转矩的q轴转矩电流Iq为基准，计算出滑动角θs，与作为实际电动机磁通角的一次磁通角θr相加，由此求得电动机所必须的二次磁通角θo。以此作为基准，从d-q轴成分变换到3相交流输出成分，通过向电动机11提供任意的电压而来驱动电动机11。
在上述以往的电动机控制装置中，不管速度基准ωr*是否恒定，如图2所示那样当咬入压延材料时等的负载急剧发生变化时(impact drop冲击速降)，电动机速度会降低，为了使得该下降的电动机速度成为冲击降速之前的目标速度而增加q轴转矩电流Iq，随之运算附加了滑动角θs的二次磁通角θo以及利用d轴、q轴电流控制器7、8运算各自的电压基准Vd*、Vq*，向电动机11提供电动机加速转矩。此时，通过限制控制装置(变换器)输出电压的输出范围，转矩的增加会延迟。如此，对于以往的电动机控制装置，恢复冲击速降引起的电动机速度下降的时间较长。
该冲击降速引起的电动机速度的下降对于压延机械设备保证产品质量以及在经济方面上会产生不良影响，对于以往的电动机控制装置，非常需要改善冲击速降的情况。
发明内容
本发明为了解决上述技术中的问题，目的在于提供一种具有矢量控制功能的电动机控制装置，该装置在因负载急剧变化产生冲击速降时，通过改善电动机电流的上升使得由于冲击速降引起的电动机速度下降迅速回复。
利用具有下述构造的具有矢量控制功能的电动机控制装置来达成上述目的。
即本发明的具有矢量控制功能的电动机控制装置由外部设备控制装置输入速度基准信号并且按照所述速度基准信号输出要求的交流电压以及频率，它具备根据从所述外部设备控制装置输入的负载信息判定电动机的负载状况的负载状况判定手段；当所述负载状况判定手段判定负载急剧变化时限制d轴励磁电流Id在某限制量内的d轴励磁电流限制手段；通过增加q轴转矩电流·Iq来补偿由所述d轴励磁电流限制手段抑制d轴励磁电流Id而引起的电动机转矩不足部分的d轴励磁转矩补偿手段。
对于本发明的具有矢量控制功能的电动机控制装置，作为预先检测冲击速降的电平，相对于预先设定的单位时间的负载变换量基准L*，当从外部设备控制装置接受到的实际负载变换量L超过基准电平L*时，通过抑制d轴励磁电流Id在某限制量内，仅在规定的励磁抑制期间Td抑制d轴电压基准Vd*进而抑制电动机电枢电压Eac，在变换器输出电压Vac与交流电动机的电枢电压Eac之间产生较大电位差(电压余量)，使得电动机的输出电流立即上升。此后通过使得电压电平回到原来的d轴基准Vd*，能够迅速使得冲击速降后的电动机速度回复。
下面描述本发明的其他实施形态和优点，其中可以通过下面的说明或者实施本发明来进一步明确本发明。能够通过各种手段以及下述内容的结合来实现本发明的各个实施形态和优点。
图1是以往的电动机控制装置的框图。
图2是表示以往的电动机控制装置发生冲击速降时的速度基准、电动机速度、q轴转矩电流反馈、d轴励磁电流反馈、电动机电枢电压的关系的曲线图。
图3是表示发明第1实施例的电动机控制装置的框图。
图4是表示上述实施例当发生冲击速降时的速度基准。电动机速度、q轴转矩电流反馈、d轴励磁电流反馈、电动机电枢电压的关系的曲线图。
图5是表示本发明第2实施例的电动机控制装置的框图。
图6是表示上述实施例中的励磁减弱模式与d轴励磁电流的关系的曲线图。
图7是表示本发明第3实施例的电动机控制装置的框图。
图8是表示本发明第4实施例的电动机控制装置的框图。
图9是表示本发明第5实施例的电动机控制装置的框图。
具体实施形态参照附图，根据这些附图中的标号或者相应的部分，尤其是图3，对于本发明的一实施形态进行说明。
图3是表示本发明第1实施例的电动机控制装置构造的框图。该图所示的电动机控制装置具备使得反馈并计算从上位外部设备控制装置输入的速度基准信号ωr*与利用一次磁通各运算器2以及微分器3运算所得的速度反馈信号ω’并且将速度基准信号变换成转矩基准信号Tr*的速度控制器(ASPR)4；再次将速度反馈信号ω’变换成二次磁通基准φ2*的励磁减弱控制器(AWFWR)5；将来自励磁减弱控制器5的二次磁通基准φ2*变换成d轴励磁电流基准信号Id*的磁通饱和图案器6；将来自磁通饱和图案器6的d轴励磁电流基准信号Id*与d轴电流反馈(F.B.)信号Id’的反馈运算结果变换成d轴电压基准信号Vd*的电流控制器(ASCR)7；将来自速度控制器(ASPR)4的转矩基准信号Tr*除以来自励磁减弱控制器(AFWER)5的二次磁通基准φ2*获得的q轴转矩电流基准信号Iq*与q轴电流反馈(F.B.)信号Iq’的反馈运算结果变换成q轴电压基准信号Vq*的电流控制器(ACR)8。
本实施例的电动机控制装置还具备2个d轴以及q轴电压基准信号Vd*、Vq*进行2-3轴变换并且输出PWM(脉冲宽度调制)信号的2-3轴/PWM变换器9；将从该2-3轴/PWM变换器9输出的PWM信号变换成电动机驱动用交流电压并且向电动机(IM)11供给所要求的电流并进行驱动的电力变换器10；检测电动机11的旋转速度的速度检测器(SS＝Speed Sensor)1；检测出流过电动机11的电流的电流检测器12；将从该电流检测器(CT)12检测出的电流反馈信号进行3-2轴以及d-q轴变换并且作为转矩控制中的d轴反馈电流Id’以及q轴反馈电流Iq’的电流反馈坐标变换器13；从励磁减弱控制器5的二次磁通基准φ2*与q轴矩阵电流基准信号Iq*计算出滑动角ωs并且对滑动角ωs进行积分的积分器14。
本实施例的电动机控制装置还具备限制根据磁通饱和图案器6输出的d轴励磁电流基准Id*与d轴反馈电流Id’的反馈运算获得的d轴励磁电流Id的d轴励磁电流控制器21；从外部设备监视装置的负载继电器的输出检测到负载状况的负载状况判定器22；然后为了不抑制电动机转矩自体而通过减少二次磁通基准φ2*而相对于q轴转矩电流Iq来补偿d轴励磁电流抑制成分的d轴励磁转矩补偿器23。又，在这些电动机控制装置的构造部分中，除了d轴励磁电流限制器21、负载状况判定器22以及d轴励磁转矩补偿器23，其他的构造部分与图8所示的以往的电动机控制装置的构造部分相同。
在负载状况判定器22中，预先检测出冲击速降，作为电平预先进行设定，对于任意的每个单位时间的负载变化量基准电平L*，当从外部设备控制装置接收到的实际负载变化量L超过基准电平时，进行选择使得d轴励磁电流Id通过d轴励磁电流控制器21。
通过d轴励磁电流限制器21，由此，如4所示那样，在励磁抑制期间Ts中限制d轴励磁电流Id使得不超过由原来的各个电动机所决定的大小，由此，能够抑制d轴电压基准Vd*甚至交流电压Vac。在该励磁抑制期间Ts之后，返回到以本来的励磁图案所决定的d轴磁力电流基准Id*，由此，能够使得d轴电压基准Vd*以及电枢电压Eac从励磁抑制期间电压Vds变化到本来的电枢电压Vdt(此时，为了恢复速度，控制装置进行输出直到输出电压界限为止)。使得该变换器的输出与电动机11之间产生电位差并且使得具有电压余量，这些与增大电动机电流的di/dt以及立即改善电压上升存在关系，能够使得冲击速降时的电动机速度下降迅速恢复。此时，通过控制二次磁通基准φ2*或者d轴励磁电流Id而进行电动机转矩的不足成分补偿，故通过d轴励磁转矩补偿器23能够向增加方向上补偿q轴转矩电流Iq。
如此，在本发明第1实施例中，当发生由于负载急剧变化引起的冲击速降时，仅在如图4所示的期间Ts，通过抑制d轴励磁电流Id，抑制产生在交流电动机11上的电枢电压Eac。此时，通过减少二次磁通基准φ2*、增加q轴转矩电流Iq，由此，实现利用抑制d轴励磁电流Id来补偿电动机的转矩。该励磁抑制期间Ts相对于冲击速降引起的电动机速度的回复是极短的期间。在该励磁抑制期间Ts之后，使得d轴励磁电流Id回到原来的励磁减弱控制器5与磁通饱和图案器6所确定的值，如图4所示，通过使得电动机电压从励磁抑制期间输出电压Vds变化到原来的输出电压Vdt，在变换器输出电压与电动机电压间产生电位差，使得具有较大的电压余量。由此，通过改善电动机电流的上升，能够使得冲击速降时的电动机速度的下降迅速回复。
其次，参照图5以及图6对于本发明第2实施例的电动机控制装置进行说明。第2实施例的特点在于，相对于图3所示的第1实施例还具备励磁变换运算器24。即，当负载状况判定器检测到负载急剧变化时，由励磁变换运算器24从速度反馈信号ω’起使得励磁减弱控制器5具有的励磁减弱图案全体在某励磁抑制期间Ts中降低图案全体来变换d轴励磁电流Id，由此能够进行抑制使得二次磁通基准φ2*减小、d轴励磁电流Id减小。即使在该情况下，由于通过抑制二次磁通基准φ2*或者d轴励磁电流Id来补偿电动机转矩的不足成分，故通过d轴励磁转矩补偿器23在增加方向上补偿了q轴转矩电流Iq。
由此，能够使得电枢电压Eac具有仅在所要求的励磁抑制时间Ts规定量抑制为较低的电压变化宽度(电压余量)，能够改善电流的上升，能够使得冲击速降之后的电动机速度迅速回复。
其次，参照图7对于本发明第3实施例的电动机控制装置进行说明。第3实施例具有图7所示的构造，其特点在于，负载状况判定器22根据速度反馈信号ω’来判定负载状况，相对于图3所示的第1实施例的电动机控制装置，在本实施例中还附加了速度变换器25。
在第3实施例中，速度变换器25将速度反馈信号ω’变换成某单位时间内的速度变化量(＝L)，负载状况判定器22当该速度变换量L大于预先作为冲击速降检测电平而设定的变换量基准电平L*时判定发生了冲击速降，由此，仅在励磁抑制期间Ts抑制电枢电压，通过扩大电枢电压Eac的电压余量而迅速地使得从冲击速降回复。
其次，参照图8对于本发明第4实施例的电动机控制装置进行说明。第4实施例的特征在于，设有运算单位时间的q轴转矩电流Iq*的变化量L的q轴转矩电流变化量运算器26，相对于在负载状况判定器22内预先作为冲击速降检测电平而设定的单位时间的q轴转矩电流变化量矩阵电平L*，当q轴转矩电流变化量运算器26所计算出的q轴转矩电流变化量L超过基准电平L*时判定发生了冲击速降。
根据该第4实施例，在负载状况判定起22中，相对于预先作为冲击速降检测电平而设定的单位时间的q轴转矩电流变化量基准电平L*，当q轴转矩电流变化量运算器26计算出的q轴转矩电力变化量L超过了上述基准电平L*时判定发生了冲击速降，进行选择使得d轴励磁电流Id通过d轴励磁电流限制器1，仅在励磁抑制期间Ts抑制输出电压，利用由此获得的电枢电压余量，迅速使得从冲击速降回复。
其次，参照图9对于本发明第5实施例的电动机控制装置进行说明。在第5实施例中，其特点在于，作为负载状况判定器22具备励磁抑制运算器27。该励磁抑制运算器27使得从速度变换器25输入某单位时间的速度反馈信号变化量L，当速度反馈变化量L超过预先作为冲击速降检测电平而设定的单位时间的速度变化量基准电平L*时，动态地或线性地计算出与该冲击速降量成比例的电压抑制期间TdL以及电压抑制电流IdL，进行选择使得d轴励磁电流Id通过d轴励磁电流限制器21，仅在励磁抑制期间TdL抑制d轴励磁电流Id为电压抑制电流IdL。
如此，仅在电压抑制期间TdL中利用电压抑制电平IdL来抑制d轴励磁电流，由此，与上述各实施例相同地，能够提供对应于冲击速降量的电枢电压余量，能够迅速并且节能地使得从冲击速降回复。
又，上述说明的使得具有电压变化宽度(余量程度)而从冲击速降迅速回复的实施方式也可以适用于循环换流器、双电平逆变器或者NPC型三电平逆变器方式等的其他控制方式。
如上所述，根据本发明的实施例，当由于负载急剧变化产生冲击速降时，通过改善电动机电流的上升，能够使得由于冲击速降导致的电动机速度的下降迅速回复。
再者，更具体地，根据本发明的实施例，d轴励磁电流限制手段当所述负载状况判定手段判定负载急剧发生变化时使得抑制励磁图案为较低并且使得进行变换，由此，能够抑制使得d轴励磁电流较低，而且能够仅在规定时间仅规定量地抑制电动机电压。
即，当发生冲击速降时，从速度反馈信号ω’利用规定的励磁减弱图案计算出d轴励磁电流Id，通过使得该励磁减弱图案全体仅某规定的反馈降低、变换来抑制d轴励磁电流为较低，同时，为了保持电极转矩而增加q轴转矩电流Iq进行校正，由此仅在要求的时间抑制使得电动机电枢电压Eac为较低，使得变换器的输出与电动机之间存在电位差(电压余量)并且改善电流的上升(di/dt)，能够迅速使得冲击速降之后的电动机速度回复。
而且，再者，具体地根据本发明的实施例，负载状况判定手段根据从外部负载继电器输入的负载信号判定负载状况。
即，根据来自外部负载继电器的信号判定冲击速降的发生，通过抑制d轴励磁电流，能够使得变换器的输出与电动机之间存在电位差(电压余量)，能够迅速地使得电动机速度回复。
而且，再者具体地，根据本发明的实施例，负载状况判定手段从电动机速度的变化量判定负载状况。
即，将电动机的速度反馈信号换算成某单位时间内的速度变化量，当该变化量大于预先任意设定的速度变化量基准时判定产生冲击速降，由此，仅在比电动机速度所需要的时间更短时间内抑制电枢电压，利用该电动机电枢电压的电压余量，能够从冲击速降迅速地使得电动机速度回复。
再者，具体地，根据本发明的实施例，负载状况判定手段从在该装置内运算的q轴转矩电流的大小与预先设定的内部的冲击速降基准量来判断负载是否急剧变化。
即，将矢量控制过程运算中的转矩基准信号换算成某单位时间内的转矩电流变化量，当该变化量大于预先任意设定的冲击速降相当的变化量基准时判定产生冲击速降，由此仅在非常短的期间内抑制电枢电压，利用这样获得电动机电枢电压的电压余量能够从冲击速降迅速地使得电动机速度回复。
再者，具体地，根据本发明的实施例，根据某单位时间的速度反馈信号变化量来判定抑制d轴励磁电流以及电动机电压为较低的期间TdL与d轴励磁电流抑制电平IdL。
即，d轴励磁电流限制手段根据单位时间的电动机速度变化量运算抑制d轴励磁电流Id为较低的期间TdL与此时d轴励磁电流限制量，并且根据冲击速降量将结果变换成动态以及线性。
在本实施例中，根据某单位时间的速度反馈信号变化量，使得抑制d轴励磁电流Id以及电动机电枢电压Eac为较低的期间TdL与该d轴励磁电流抑制电平IdL变换成动态以及线性，由此，使得变换器的输出与电动机之间产生电位差，使得具有规定的期间以及电压余量的大小，由此能够进行对应冲击速降量的平滑且迅速地补偿。
再者，具体地，根据本发明的实施例，也可以适用于循环换流器、双电平逆变器或者NPC型三电平逆变器的矢量控制方式。
即，利用抑制d轴励磁电流来进行的冲击速降的补偿也能够适用于循环换流器、双电平逆变器或者NPC型三电平逆变器的矢量控制方式。
本发明领域的技术人员能够容易地实现本发明的其他优点以及修改。而且，本发明范围并不限于上述详细说明以及实施形态。因此，在不背离本发明的精神以及所附权利要求的基础上，能够进行各种各样的变换。
权利要求
1.一种具有矢量控制功能的电动机控制装置，由外部设备控制装置输入速度基准信号，按照所述速度基准信号输出要求的交流电压以及频率，其特征在于，具备根据从所述外部设备控制装置输入的负载信息判定电动机的负载状况的负载状况判定手段；当所述负载状况判定手段判定负载急剧变化时限制d轴励磁电流在某限制量内的d轴励磁电流限制手段；通过增加q轴转矩电流来补偿由所述d轴励磁电流限制手段抑制d轴励磁电流而引起的电动机转矩不足部分的d轴励磁转矩补偿手段。
2.如权利要求1所述的具有矢量控制功能的电动机控制装置，其特征在于，所述d轴励磁电流限制手段当所述负载状况判定手段判定所述负载急剧变化时通过抑制使得励磁图案位移较小来抑制d轴励磁电流，并且能够仅在规定时间内抑制电动机电压变化为规定量。
3.如权利要求1所述的具有矢量控制功能的电动机控制装置，其特征在于，所述负载状况判定手段根据从外部负载继电器输入的负载信号判定负载状况。
4.如权利要求1所述的具有矢量控制功能的电动机控制装置，其特征在于，所述负载状况判定手段从电动机速度的变化量判定负载状况。
5.如权利要求1所述的具有矢量控制功能的电动机控制装置，其特征在于，所述负载状况判定手段根据在该装置内运算所得的q轴转矩电流的大小以及预先设定的内部冲击速降基准量来判定负载是否急剧下降。
6.如权利要求1所述的具有矢量控制功能的电动机控制装置，其特征在于，所述d轴励磁电流限制手段根据单位时间的电动机速度的变换量来运算抑制所述d轴励磁电流较低的期间与此时的d轴励磁电流限制量并且根据冲击速降量将结果变换成动态以及线性。
7.如权利要求1所述的具有矢量控制功能的电动机控制装置，其特征在于，适用于循环换流器、双电平逆变器或者NPC型三电平逆变器的矢量控制方式。
全文摘要
作为预先检测冲击速降的电平,相对于预先设定的单位时间的负载变换量基准L*,当从外部设备控制装置接受到的实际负载变换量L超过基准电平L*时,通过抑制d轴励磁电流Id在某限制量内,仅在规定的励磁抑制期间Td抑制d轴电压基准Vd*进而抑制电动机电枢电压Eac,在变换器输出电压Vac与交流电动机的电枢电压Eac之间产生较大电位差(电压余量),使得电动机的输出电流立即上升。此后通过使得电压电平回到原来的d轴基准Vd*,能够迅速使得冲击速降后的电动机速度回复。
文档编号H02P21/00GK1344061SQ0113269
公开日2002年4月10日 申请日期2001年9月7日 优先权日2000年9月14日
发明者加藤义人 申请人:东芝株式会社