专利名称：交流电动机的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对控制对象的位置、速度、电流、电压等状态
量进行控制的控制装置，特别地，涉及一种适用于交流电动机的控制装置。
背景技术：
在控制交流电动机(以下除了特别区别的情况以外，简称为“电动机”)时，在由急加减速运转等引起电流急剧变化时，因电感及电流变化的乘积(V = L· (di/dt))，使电压指令的振幅过渡性地变大，有可能超过电压限制器的限制值。由此，产生过渡性的电压饱和 (以下称为“过渡电压饱和”)。另外，已知在产生这样的过渡电压饱和时，电动机发生振动等而使动作不稳定。
另一方面，针对由于过渡电压饱和而产生的电动机不稳定现象，在下述专利文献I 中，提取过渡电压饱和量，对所提取出的过渡电压饱和量赋予增益，然后经由滤波器向位置指令中反馈，通过修正位置指令，以不产生过渡电压饱和，从而抑制电动机的不稳定现象。
专利文献I :日本特开2010-57223号公报发明内容
但是，在上述专利文献I中，由于没有对应于作为控制对象的电动机和控制装置的每种组合，而唯一地揭示出将过渡电压饱和量向位置指令中反馈(以下记作“F/B”)时的增益赋予及滤波器处理，所以必须针对电动机和控制装置的每种组合，以实验的方式进行增益和滤波器的设计。
另外，在上述专利文献I中，由于没有进行理论上的增益设计，所以用于修正位置指令的位置指令修正量△ P没有被最优化，有时对于位置指令的修正产生过度修正或修正不足，有时无法充分地抑制由过渡电压饱和引起的不稳定现象。
本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供一种交流电动机的控制装置，其可以充分地抑制由于过渡电压饱和而产生的电动机的不稳定现象。
为了解决上述课题，实现目的，本发明的特征在于，具有速度控制器，其利用速度指令和所述交流电动机的速度之间的偏差，生成电流指令；电流控制器，其利用所述电流指令和所述交流电动机中流动的电流之间的偏差，生成电压指令；电压饱和量计算部，其利用所述电流指令的变化率和相当于所述交流电动机中的电感成分的值，计算相当于q轴电压方程式的过渡电压成分的电压饱和量；以及饱和量反馈部，其使所述电压饱和量通过低通滤波器，将所获得的滤波器输出的换算值作为速度指令修正量而向所述速度控制器的输入侧反馈，所述饱和量反馈部具有频带设定器而构成，该频带设定器将相当于所述交流电动机的电路时间常数的倒数的值，作为用于确定所述低通滤波器的频带的滤波器常数而设定。
发明的效果
根据本发明，具有下述效果，即，可以充分地抑制由于过渡电压饱和而产生的电动机的不稳定现象。
图I是表示实施方式I所涉及的控制装置的一个结构例的图。
图2是表示实施方式I所涉及的饱和量F/B部的结构的图。
图3是表示实施方式I所涉及的实现滤波器功能的控制系统的一个结构例的图。
图4是表示设定滤波器频带的频带设定器的一个结构例的图。
图5是表示过渡电压饱和时的响应波形(现有技术及实施方式I)的图。
图6是表示利用LPF的性质近似后的与LPF输入对应的LPF输出的示意图。
图7是对用于改善LPF的I次延迟响应特性的、实施方式2所涉及的一种方法进是表示实施方式2所涉及的饱和量F/B部的详细结构的图。是表示与位置偏差相关的3种类型(现有技术、时间常数固定、时间常数可行说明的图。
图8
图9变)的模拟结果的图。
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的交流电动机的控制装置进行说明。 此外，本发明并不受以下所示的实施方式限定。
实施方式I
(控制装置的结构)
图I是表示本发明的实施方式I所涉及的控制装置的结构的图，示出了将交流电动机作为控制对象而构成的控制装置的一个通用的结构例。
实施方式I所涉及的控制装置具有在图I中分别以虚线部进行表示的第I控制系统10以及第2控制系统12而构成。在控制装置的输入端即第I控制系统10的输入端上， 连接有上位控制器114，在控制装置的输出端即第2控制系统12的输出端上，连接有对作为控制对象的电动机112进行驱动的逆变器装置(以下记作“INV”)110。在电动机112上， 连接有对与电动机112的转子(如果是线性电动机，则为可动件)相关的位置信息进行检测的位置检测器(以下记作“ENC”)113，并构成为，将ENC 113所检测出的位置信息向第I 控制系统10输入。另外，在INV 110和电动机112之间，设置有电流检测器Illa 111c， 并构成为，将电流检测器Illa Illc所检测出的电动机电流iu、iv、iw向第2控制系统12 输入。此外，在图I中，采用不将INV110、电流检测器Illa lllc、ENC 113包含在控制装置内的结构，但也可以采用在控制装置内包含它们中的大于或等于I个的结构。
(第I控制系统10的结构以及动作)
下面，对第I控制系统10的结构以及动作进行说明。在图I中，第I控制系统10 具有位置控制器101、速度控制器102、电流振幅限制器103、di/dt限制器部104、饱和量F/ B部105、微分器106以及加减法器115 117而构成。
位置控制器101将加减法器116输出的位置偏差e p作为输入信号，生成速度指令 W*并输出。另外，位置偏差e p是作为加减法器115输出的修正位置指令P**和ENC 113 输出的位置F/B信号pfb之间的减法输出，而通过加减法器116生成的。另外，修正位置指令P**是作为上位控制器114输出的位置指令P*和饱和量F/B部105输出的位置指令修正量Λ P之间的减法输出，而通过加减法器115生成的。
速度控制器102将加减法器117输出的速度偏差4 作为输入信号，生成电流指令iq*并输出。另外，速度偏差em是作为位置控制器101输出的速度指令W*和微分器106 输出的速度F/B信号Wfb之间的减法输出，而通过加减法器117生成的。另外，速度F/B信号Wfb是将ENC 113输出的位置F/B信号Pfb作为输入,而通过微分器106生成的。
电流振幅限制器103具有作为电流振幅限制器的功能，生成并输出q轴电流指令该q轴电流指令iq**是将速度控制器102输出的q轴电流指令iq*的振幅抑制在规定幅度内而获得的。另外，对q轴电流指令iq*以及q轴电流指令i,**标记标号而进行区别，但在没有标号而仍要进行区别的情况下，将q轴电流指令iq*称为“振幅限制前的q轴电流指令”，将q轴电流指令iq**称为“振幅限制后的q轴电流指令”。
di/dt限制器部104具有作为电压饱和量计算部以及电流变化量限制部的功能， 该电压饱和量计算部使用电流指令变化率和与电动机112的电感成分相当的值，求出与后述的q轴电压方程式的过渡电压成分相当的电压的饱和量(过渡电压饱和量)，该电流变化量限制部对q轴电流指令的变化量进行限制。在图I的结构中，将q轴电流指令i,**作为输入信号，生成并输出修正q轴电流指令i,***以及推定q轴电压饱和量AV\。另外，修正 q轴电流指令iq***是限制了 q轴电流指令iq**的变化量(振幅变化率)后的电流指令， 成为针对第2控制系统12的输入信号。另外，推定q轴电压饱和量成为针对饱和量 F/B部105的输入信号。
饱和量F/B部105具有滤波器功能及增益设定功能等，将di/dt限制器部104输出的推定q轴电压饱和量Λ 作为输入信号，生成并输出位置指令修正量ΛΡ。另外，位置指令修正量ΛΡ成为针对加减法器115的一个输入信号，成为用于与位置指令P*进行减法运算的信号。
另外，在图I中，采用了将位置指令修正量Λ P向位置指令P*中进行F/B的结构， 但如果使位置控制器101的增益与位置指令修正量ΛΡ相乘，则可以将位置指令修正量ΛΡ 视为速度指令修正量。在这种情况下，也可以采用将饱和量F/B部105的输出向速度控制器102的输入侧进行F/B的结构，即，将速度指令修正量向速度指令W*进行F/B的结构。
(第2控制系统12的结构以及动作)
下面，对第2控制系统12的结构及动作进行说明。在图I中，第2控制系统12具有d轴电流控制器107a、q轴电流控制器107b、d轴电压振幅限制器108a、q轴电压振幅限制器108b以及坐标变换器109a、109b而构成。
坐标变换器109b执行下述处理，即，将UVW三相静止坐标系的输出值，变换为与 INV 110的输出频率同步地旋转的旋转坐标系(dq正交2轴旋转坐标系)的输出值。具体地说，坐标变换器10%将电流检测器Illa Illc所检测出的电动机电流iu、iv、iw作为输入信号，生成并输出用于向d轴电流控制器107a以及q轴电流控制器107b的各输入侧进行F/B的电流信号，即，d轴F/B电流idfb以及q轴F/B电流iqfb。
d轴电流控制器107a将加减法器118a输出的d轴电流偏差~1(1作为输入信号， 生成并输出d轴电压指令Vd*。另外，d轴电流偏差e id是作为规定的指令信号即d轴电流指令id*和坐标变换器109b的一个输出即d轴F/B电流idfb之间的减法输出，而通过加减法器118a生成的。
q轴电流控制器107b将加减法器118b输出的q轴电流偏差e_作为输入信号， 生成并输出q轴电压指令V,*。另外，q轴电流偏差^,是作为第I控制系统10的输出和坐标变换器10%的另一个输出即q轴F/B电流i-之间的减法输出，而通过加减法器118b 生成的，更详细地说，第I控制系统10的输出指的是di/dt限制器部104的输出信号即修正q轴电流指令ij**。
d轴电压振幅限制器108a具有作为电压振幅限制器的功能，生成并输出d轴电压指令Vd**，该d轴电压指令Vd**是将d轴电流控制器107a输出的d轴电压指令Vd*的振幅抑制在规定幅度内而获得的。另外，对d轴电压指令Vd*以及d轴电压指令Vd**标记标号而进行区别，但在没有标号而仍要进行区别的情况下，将d轴电压指令Vd*称为“振幅限制前的d轴电压指令”，将d轴电压指令Vd**称为“振幅限制后的d轴电压指令”。
q轴电压振幅限制器108b具有作为电压振幅限制器的功能，生成并输出q轴电压指令Vtl**,该q轴电压指令Vtl**是将q轴电流控制器107b输出的q轴电压指令Vtl*的振幅抑制在规定幅度内而获得的。另外，对q轴电压指令Vq*以及q轴电压指令Vq**标记标号而进行区别，但在没有标号而仍要进行区别的情况下，将q轴电压指令V,*称为“振幅限制前的q轴电压指令”，将q轴电压指令V,**称为“振幅限制后的q轴电压指令”。
坐标变换器109a进行下述处理，S卩，将dq正交2轴旋转坐标系的输出值变换为 UVW三相静止坐标系的输出值。具体地说，将d轴电压振幅限制器108a以及q轴电压振幅限制器108b的各输出、即d轴电压指令Vd**以及q轴电压指令V,**作为输入信号，生成并输出针对INV 110的电压指令Vu、Vv、Vw。另外，INV 110使用所输入的电压指令Vu、Vv、Vw生成PWM电压，对电动机112进行驱动。
(饱和量F/B部105的结构以及动作)
下面,参照图2,对饱和量F/B部105的结构以及动作进行说明。图2是表示图I 所示的饱和量F/B部105的结构的图。在图2中，饱和量F/B部105具有低通滤波器(以下记作“LPF”)121以及频带设定器122而构成。
LPF 121进行使di/dt限制器部104输出的推定q轴电压饱和量Λ 的高频成分降低的滤波处理。另外，滤波输出为位置指令修正量ΛΡ，成为针对位置控制器101的输入信号(反馈信号)。频带设定器122对用于确定LPF 121的滤波器频带的滤波器常数ω 进行运算。将该滤波器常数ω向LPF 121输入，设定LPF 121的滤波器特性。
下面，进行用于根据电动机常数唯一确定饱和量F/B部105的滤波器功能以及增益设定功能的理论说明。
首先，交流电动机(例如，永磁体型同步电动机)的q轴电压方程式，通常以下面的公式表不。
公式I
"Vrcj = (R + sL)!^ + Ofe+ Litl) * · *{1)
在这里，上述公式⑴中包含的各符号的含义如下。
Vq* q轴电压指令，R 电枢绕组电阻，s :拉普拉斯算子，L 电枢绕组电感，iq q轴电流， re :电角速度，Φ :磁链数，id d轴电流，Pm :电动机磁体的极对数
由q轴电流变化引起的过渡电压饱和，即使在电角速度较低的情况下也会产生，因此，如果将公式(I)的电角速度设为= 0，则成为公式(2)。
公式2
权利要求
1.一种交流电动机的控制装置，其特征在于，具有 速度控制器，其利用速度指令和作为控制对象的交流电动机的速度之间的偏差，生成电流指令； 电流控制器，其利用所述电流指令和所述交流电动机中流动的电流之间的偏差，生成电压指令； 电压饱和量计算部，其利用所述电流指令的变化率和相当于所述交流电动机中的电感成分的值，计算相当于q轴电压方程式的过渡电压成分的电压饱和量；以及 饱和量反馈部，其使所述电压饱和量通过低通滤波器，将所获得的滤波器输出的换算值作为速度指令修正量而向所述速度控制器的输入侧反馈， 所述饱和量反馈部具有频带设定器而构成，该频带设定器将相当于所述交流电动机的电路时间常数的倒数的值，作为用于确定所述低通滤波器的频带的滤波器常数而设定。
2.根据权利要求I所述的交流电动机的控制装置，其特征在于， 还具有位置控制器，其利用位置指令和所述交流电动机的位置信息之间的偏差，生成作为向所述速度控制器输入的输入信号的所述速度指令， 所述饱和量反馈部使所述电压饱和量通过低通滤波器，将所获得的滤波器输出的换算值作为位置指令修正量而向所述位置控制器的输入侧反馈。
3.根据权利要求I或2所述的交流电动机的控制装置，其特征在于， 所述饱和量反馈部具有 比较值设定器，其基于向所述低通滤波器输入的输入值和从所述低通滤波器输出的输出值之间的偏差，对成为判定该输出值的大小时的基准的比较值进行设定； 比较器，其将所述输出值和所述比较值设定器中保存的比较值进行比较，在所述输出值比所述比较值小的情况下，生成用于对所述低通滤波器的时间常数的变更进行指示的信号；以及 频带可变设定器，其基于来自所述比较器的信号，对所述低通滤波器的时间常数进行变更。
4.根据权利要求3所述的交流电动机的控制装置，其特征在于， 在所述比较值设定器中，设定有值依次变小的多个比较值， 在所述频带可变设定器中，降序设定有所述多个比较值和与这些比较值对应而确定的所述时间常数， 所述频带可变设定器在每次接收来自所述比较器的信号时，依次选择与所述各比较值对应而设定的时间常数，对所述低通滤波器的频带进行变更。
全文摘要
本发明提供一种交流电动机的控制装置，其抑制由于过渡电压饱和而产生的电动机的不稳定现象。交流电动机的控制装置具有位置控制器，其生成速度指令；速度控制器，其生成电流指令；电流控制器，其生成电压指令；di/dt限制器部，其对相当于q轴电压方程式的过渡电压成分的q轴电压饱和量进行计算；以及饱和量F/B部，其利用q轴电压饱和量生成位置指令修正量。另外，该饱和量F/B部具有LPF，其使q轴电压饱和量通过，将通过后所获得的输出的换算值作为位置指令修正量，向位置控制器的输入侧反馈；以及频带设定器，其将相当于电动机的电路时间常数的倒数的值，作为用于确定LPF的频带的滤波器常数而设定在LPF中。
文档编号H02P21/14GK102983805SQ201210055810
公开日2013年3月20日 申请日期2012年3月5日 优先权日2011年9月5日
发明者江头洋一 申请人:三菱电机株式会社