专利名称:检测矢量控制的原电流异常现象的装置的制作方法
本发明涉及一种检测用于控制矢量的交流电动机(例如一感应电动机和一同步电动机)的原电流异常现象的装置，以防止电动机烧坏。
一种热继电器通常被用作为一种防止一电动机由于过电流而烧坏的装置。
热继电器利用温度变化引起的双金属片弯曲，并且和一种电磁接触器一起被用来接通或切断一驱动器或一控制电路。
一种变压变频反向变流器已经普遍地作为一种用于交流电动机(一感应电动机)的可变转速控制的电力转换器。电动机的速度可以在一个宽速度范围内连续变化，从一低速度变到一很高速度。
最近，一种矢量控制交流电动机已经研制成功(例如上山直彦编的，电气书院出版社出版的《新驱动电子学》)，并且已经用于机床，机器人以及诸如此类所需要的高精度速度控制，高精度定位控制，以及突然加速或减速的各式各样的用途。
感应电动机有以下的优点。这种电动机有一简单的转子结构和高的机械强度。同时，感应电动机无电刷。因而可以用在一恶劣的环境中，并且维修也很简单。因此，在许多工业领域里感应电动机已经成为一股普遍地作为伺服电动机的潜势。
一种传统的热继电器体积大，昂贵而又笨重。此外，热继电器常常随热继电器位置的不同而被保持在不同于电动机温度的环境温度中，因而降低了控制精度。
作为机床，机器人，或诸如此类的一驱动源的伺服电动机的变速控制必须以高精度进行，并且要求一很短的响应时间。在这些情况下，电动机的工作特性必须改善，以使它的故障必须以一实时为条件而被测出，而且降低电动机的成本也是所希望的。可是，满足上述需要的一种热保护装置(一种检测原电流异常现象的装置)的实际应用，还没有出现。
本发明的一个目的是解决以上这个传统性的问题，并且提供一种高精度地检测高速状态下的原电流的异常现象的装置，以保护一矢量控制系统的交流电动机免遭一过电流。
根据本发明的一个方面，一种检测原电流异常现象的装置包括(1)转换一直流激磁电流id和一直流转矩电流iq电平的装置，直流激磁电流id和直流转矩电流iq二者都是通过一坐标转换器获得的，该坐标转换器用于检测被一矢量控制系统接收到的控制输入数据，即供给一交流电动机的原电流，并且用于将三相转换成两相，(2)对来自电平转换装置的输出信号进行模数转换的装置，以及(3)用于取出来自模数转换装置的一输出信号，在预定的处理方法基础上对信号进行处理，检测原电流的异常现象，以及输出一个报警信号的一台微型电子计算机。
根据本发明的另一个方面，获得一种新的功能。一种检测一感应电动机矢量控制的一副电流异常现象的装置，其特征在于两个都是从一矢量控制器取出的一副d轴电流i2d和一副q轴电流i2q被输入到一台微型计算机;对于每一个给定的时间间隔△T，计算出在最后的时间TL内的感应电动机的副电流的有效值
I2，该间隔△T由监测时间TL所确定，监测时间TL对应于都储存在微型计算机存储器部分的副导体的一热电时间常数和一容差;把有效值
I2同对应于副导体热电时间常数的并且被储存在存储器部分的一个容许均方根电流I2rms作比较;根据比较结果判别副电流的异常或正常;当一判别结果表示异常时就会产生一异常信号。
图1是表示一矢量控制交流电动机系统的主要布置的方框图，该系统利用一个根据本发明一实施例的检测原电流异常现象的装置;
图2A是一个图1中所示装置的线路图;
图2B是一个表示图1中所示装置的作为一时间函数的原电流的变化图;
图2C是一个表示作为一时间函数的原电流的变化以说明一监测时间TL的图;
图3是一个表示原电流瞬时值同激磁电流和转矩电流之间关系的图;
图4A是一个根据本发明另一个实施例的检测原电流异常现象的装置的线路图;
图4B是一个表示图4A中所示装置的作为一时间函数的原电流的变化图;
图5是一个矢量控制感应电动机系统的方框图，该系统使用一个根据本发明又一个实施例的检测一副电流异常现象的装置;
图6A是一个图5中所示装置的线路图;
图6B是一个表示图5中装置的作为一时间函数的副电流变化图;
图6C是一个表示副电流瞬时值同激磁电流和转矩电流之间关系的图。
参照附图就详细地描述本发明的最佳实施例。为了说明和描写方便起见，利用一感应电动机来举例说明电动机，但是并不限于感应电动机。本发明同样可以适用于一同步电动机。
图1表示一个使用一检测原电流异常现象的装置(即一个电子热电线路)的矢量控制交流感应电动机系统。
参考图1，参考数字1表示一整流器;2表示一脉冲宽度调制反向变流器;3表示一感应电动机;以及4表示一脉冲发生器。一坐标转换器5检测供给感应电动机3的电流，并且把三相转换成两相。坐标转换器5因而产生一激磁电流id和一转矩电流iq。这些电流是原电流的两相分量。一矢量控制器6接收一指令信号和一个来自脉冲发生器4的反馈信号，并且产生一个激磁电流指令Id和一个转矩电流指令Iq。参考数字7表示一用于将激磁电流指令Id和激磁电流id相加的加法器;以及8表示一个用于将转矩电流指令Iq和转矩电流iq相加的加法器。参考数字9和10分别表示放大器。参考数字11表示一个把两相转换成三相的坐标转换器。坐标转换器11接收来自放大器9和10的d和q轴原电流分量，并且将一控制信号输送给脉冲宽度调制反向变流器2。
以上分量的总系统结构详细地描述在例如日本电气工程师学会，通讯训练委员会的《电气设备》3.7.2上，以及查阅它关于其它的细节。
图2A是一个根据本发明的一实施例的检测一原电流异常现象的装置(电子热电线路)12的线路图。
参考图2A，装置12包括一电平转换器13和一台带有一模数转换器的微型计算机14。
由于电流id和iq信号并不确定是正或负的，电平转换器13将从坐标转换器5来的激磁电流id和转矩电流iq输出信号补偿为正。电平转换器13于是把表示激磁电流id和转矩电流iq的信号电平转换成为与微型计算机14相容的电平。电平转换器B包括一个产生补偿电压的直流电源E同运算放大器OA1和OA2。
微型计算机14装有一用于把一输入信号转换成一数字信号的模数转换器，并且利用一个μPD 78PG 11E计算机来举例说明。微型计算机14包括一运算部分，一存储器部分和一输入输出控制部分。存储器部分储存有一容许时间TAO，一给定时间间隔△T，一容许电流值I0(或I20)等等，所有这些被调整成与感应电动机原绕组及其辅助构件的热电时间常数相对应。
微型计算机14的数据处理方法如下。
微型计算机14通过电平转换器13取得表示激磁电流id和转矩电流iq的正补偿信号。如图2B中所示的每经过一时间间隔△T的值i2d和i2q被计算出来并彼此相加得到I21。如图2C中所示，计算得到的值I21同被调整成对应于原绕组热电时间常数的容许电流值I20相比较。微型计算机于是测量和计算出条件I21≥I20成立的一段持续时间TAA。如果被监测到的时间TAA超过存于微型计算机存储器部分的容许时间TAO，就会产生一个异常信号(一报警信号)。响应这个异常信号，驱动电源就从电动机分离，或者产生一异常警报。
容许时间TAO值被调整成与感应电动机原绕组及其辅助构件的热电时间常数(容许温升)相对应。利用激磁电流id和转矩电流iq作为原电流的分量，以一实时为基础计算机出供给感应电动机的原电流的瞬时值Il以确定计算得到的值是否落在图2C所示的容许电流图的范围内。
图3表示感应电动机的原电流I1同输入数据的激磁电流id和转矩电流iq之间的关系。更准确地说明，原电流Il可以利用关系式I21＝i2d+i2q简易地算出。
图4A表示根据本发明另一个实施例的检测原电流异常现象的图1的装置12。
参考图4A，装置12包括一电平转换器13和一台带有一模数转换器件的微型计算机14。
由于信号id和iq并不肯定是正或是负的，电平转换器13将从坐标转换器5来的激磁电流id和转矩电流ig输出信号补偿为正。电平转换器13于是把表示激磁电流id和转矩电流iq的信号电平转换成与微型计算机14相容的电平。电平转换器包括一产生一补偿电压的直流电源E以及运算放大器OA1和OA2。
微型计算机14装有一将输入信号转换成数字信号的模数转换器，并且可利用μPD78G11E计算机作为举例说明。微型计算机14包括一运送部分，一存储器部分，和一输入输出控制部分。存储器部分储存有一监测时间TL，一给定的时间间隔△T，一容许均方根电流Irms(或I2rms)等等，所有这些被调整成与感应电动机的原绕组及其辅助构件的热电时间常数相对应。
微型计算机14的数据处理方法如下。
微型计算机14通过电平转换器13取得表示激磁电流id和转矩电流iq的正补偿信号。每经过一时间间隔△T的值i2d和i2q被计算出来并彼此相加得到I21。计算出最后监测时间TL(T0，T1，T2……)内的一平均值∑I21/TL把计算得到的值∑I21/T2与容许均方根电流I2rms作比较。如果I2rms≤∑I21/TL，那么产生一报警音调。可是，如果I2rms＞∑I21/TL，那么就保留值∑I21/TL并且重复进行数据处理。每当隔一段时间△T算出I21时，一新的I21值被加到和上。同时，最早的I21值从最新的和中减去。根据最新和计算得到的平均值于是与电流Irms作比较。
在以上的数据处理中，均方根电流
I1是以一平方的形式，即以
I21计算出来的。值
I21不作修正就可使用，并且能与均方根电流Irms平方作比较以判别异常或正常。因此，可以省略开平方根以提高运算效率。
如图4B中所示，每经过由容差和原绕组及其辅助构件的热电时间常数所确定的一给定的时间间隔△T，算出最后时间TL的电动机均方根原电流
I1。在这种情况下，容差和热电时间常数被储存在微型计算机的存储器部分。计算得到的均方根原电流I21与对应于原绕组及其辅助构件的热电时间常数的容许均方根电流Irms作比较。热电时间常数也储存在微型计算机的存储器部分。根据由比较结果表示的符号判别正常或异常。如果比较结果表示异常，就产生一个异常信号(即一报警信号)。响应这个报警信号，驱动电源从电动机分离，或者产生一异常音调。
按以下选择给定时间间隔△T的值。由容差和监测时间TL确定采样数。如果容差是n%，时间间隔△T的值按n/100×T×K(式中K＝0.3至3)给出。因此，每经过一预定的时间间隔△T计算出最后监测时间TL(＝T0，T1，T2……)内的均方根原电流I1，以连续不断地监测计算得到的值是否超过容许均方根电流Irms。
图3中表示原电流
I1与一输入数据激磁电流id和转矩电流iq之间的关系。利用关系式I21＝i2d+i2g可以简单地计算出均方根原电流
I1。
用根据如上述两个实施例的检测矢量控制原电流异常现象的装置，交流电动机的异常现象检测及其防犯措施能够以高速度高精度地进行。同时，这种装置可以做成小巧而又廉价。
图5表示一矢量控制感应电动机系统的主要部分，该系统使用一个根据本发明又一个实施例的检测一副电流异常现象的装置。因为副电流不可能直接检出，不可能利用传统的方法例如热继电器来获得这种功能。
参考图5，参考数字1表示一整流器;2表示一脉宽调制反向变流器;3表示一感应电动机(1M);40表示一速度传感器(SS);以及50表示一矢量控制器。参考数字60表示一个根据这个实施例检测副电流异常现象的装置。
矢量控制器50利用供给感应电动机的原电流的一种检测信号，以及一个控制指令，一个来自速度传感器的反馈信号等等，并且产生副d轴电流id和副q轴电流iq。这些电流id和ig被输入到电子热电线路。
图6A表示图5中所示装置60的详细布置。参考图6A，电子热电线路60包括一电平转换器61和一台带有一模数转换器的微型计算机62，这些装置具有和图4A中所示装置相同的硬件。
由于信号id和iq并不确定是正或负的，电平转换器61对从矢量控制器50来的副d轴激磁电流id和副q轴转矩电流iq输出信号补偿为正。电平转换器61于是把表示激磁电流id和转矩电流ig的信号电平转换成与微型计算机62相容的电平。电平转换器61包括一个产生补偿电压的直流电源E以及运算放大器OA1和OA2。
微型计算机62装有一个用于把一输入信号转换成一数字信号的模数转换器，并且利用μD78PG11E机来举例说明。微型计算机62包括一运算部分，一存储器部分，和一个输入输出控制部分。存储器部分储存有一监控时间TL，一给定时间间隔△T，一容许均方根电流I2rms(或I22rms)等等，所有这些都被调整成与感应电动机的副导体即副绕组的一热电时间常数相对应。
微型计算机62的数据处理方法如下。
微型计算机62通过电平转换器61取得由矢量控制器50引出的表示副d轴激磁电流i2d和副q.轴转矩电流i2q的正补偿信号。计算出每经过一时间间隔△T的值i22d和i22q，并且彼此相加得到I22。表示一有效值，即最后监控时间TL(T0，T1，T2……)内的一均方根副电流
I2的一平均值∑I22/TL由计算得到。将计算得到的值∑I22/TL与容许均方根电流I2rms作比较。如果I22rms≤∑I22/TL，那么产生一报警音调。可是，如果I22rms＞∑I22/TL，那么值∑I22/TL被保留。并且重复进行数据处理。每当经过时间△T后计算出I22时，一个新的I22值被同和值相加。同时，最先的那个I22被从最新的和中减去。根据最新和计算得到的平均值于是与电流I2rms作比较。
在以上的数据处理中，均方根副电流
I2是以平方的形式I22的形式计算出来的。值∑I22/TL不作修正就可使用，并且可与均方根电流I2rms的平方作比较，以判别异常或正常。因此，可以省略开平方根以提高运算效率。
按以下选择给定时间隔△T的值。由容差和监测时间TL确定采样数。如果容差是n%，时间间隔△T的值按n/100×TL×K(式中K＝0.3至3)给出。采样数是一个对应于TL/△T的值。
用根据本发明的检测一副电流异常现象的装置，每经过一预定的时间间隔△T计算出最后监测时间TL(＝T0，T1，T2……)内的副均方根电流
I2，以连续不断地监视所计算得到的值是否超过容许均方根电流I2rms。
副电流I2可以按以下计算
I2＝(-1/R2)(d φ2/dt+jws.φ2)＝i2d+i2q式中R2感应电动机的副电阻φ2感应电动机的副磁链Ws转差角频率副d轴电流i2d，副q轴电流i2q和副电流I2满足图6C所示的关系，并且副电流I2可以很容易地按下式算出I22＝i22d+i22q用根据如上所述实施例的检测矢量控制副电流异常现象的装置，矢量控制交流电动机的异常现象检测能够以高速度高精度地进行。而且，这种装置能够制成小巧而又廉价。
权利要求
1.一种检测其转子旋转于一旋转磁场中的交流感应电动机或同步电动机的一矢量控制原电流异常现象的装置，其特征在于输送到一矢量控制系统的表示一激磁电流id和一转矩电流iq的信号被输入到一微型计算机；每经过一预定的时间间隔ΔT计算出电动机原电流的一瞬时值I1；一计算得到的瞬时值I1与储存于上述微型计算机一存储器部分的一容许电流值I0作比较；监测到I1≥I0的一段时间TAA；并且如果这段时间TAA超过置于上述计算机的上述存储器部分内的容许时间TAO，就产生一异常信号。
2.一种根据权利要求
1的装置，其特征在于一个容许时间TAO的值被调整成与电动机的一原绕组及其辅助构件的一热电时间常数相对应。
3.一种检测其转子旋转于一旋转磁场中的交流感应电动机或同步电动机的一矢量控制原电流异常现象的装置，其特征在于输送到一矢量控制系统的表示一激磁电流id和一转矩电流iq的信号被输入到一微型计算机;每经过一预定的时间间隔△T，计算出最后时间TL内的一均方根原电流
I1，时间间隔△T由对应于一容差和一原绕组及其辅助构件的热电时间常数的一监测时间TL所确定;容差和热电时间常数被储存于上述微型计算机的一存储器部分;一计算得到的均方根原电流
I1与一对应于原绕组及其构件的热电时间常数的并且被储存在上述微型计算机的上述存储器部分的容许均方根电流Irms作比较;根据比较结果的符号判别异常或正常;而且如果一判别结果表示异常，就会产生一异常信号。
4.一种根据权利要求
3的装置，其特征在于取样数是一个对应于TL/△T的值。
5.一种根据权利要求
3或4的装置，其特征在于如果取样数是由容差和监测时间TL确定的，并且容差为n%，一个预定时间间隔△T的值被选定为n/100×TL×K(式中K＝0.3至3)。
6.一种检测一感应电动机一矢量控制副电流异常现象的装置，其特征在于都从一矢量控制器取出的一副d轴电流i2d和一副q轴电流i2q，二者被输入到一微型计算机;每经过一给定的时间间隔△T计算出最后时间TL内的感应电动机一均方根副电流
I2，时间间隔△T由对应于一容差和一副导体的热电时间常数的监测时间TL所确定，容差和热电时间常数二者都被储存于上述微型计算机的一存储器部分;有效值
I2与对应于副导体热电时间常数并被储存在上述存储器部分的容许均方根电流I2rms作比较;根据比较结果判别副电流的异常或正常;并且当判别结果表示异常时，就会产生一异常信号
7.一种根据权利要求
6的装置，其特征在于采样数是一个对应于TL/△T的值。
8.一种根据权利要求
6或7的装置，其特征在于如果采样数是由容差和监测时间TL确定的，并且容差为n%，一预定时间间隔△T的值被选定为n/100×TL×K(式中K＝0.3至3)。
专利摘要
在一种检测其转子旋转于旋转磁场中的交流感 应电动机或者同步电动机的矢量控制原电流异常现 象的装置中，输送到矢量控制系统的表示激磁电流 i
文档编号G01R31/34GK87102809SQ87102809
公开日1987年10月21日 申请日期1987年4月13日
发明者冈本清和, 冈浩志 申请人:日本电气株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan