电机控制装置的制作方法

本发明涉及通过矢量控制能够使电机进行高速调速的电机控制装置。

背景技术：
由于进行螺纹加工的机床的主轴要提高加工精度、缩短加工时间，因此就需要惯性小且能够高速旋转的主轴电机。主轴电机一般利用同步机或感应电机。尤其是在优先考虑机床成本的情况下，大多利用不使用稀土的感应电机。关于以往的感应电机，增大惯性而注重基于惯性的动作稳定性。为了利用感应电机进行要求高速调速的螺纹加工，就需要利用低惯性的感应电机，因此需要通过控制系统而使动作稳定性提高。因而，以往的低惯性感应电机的高速调速控制，要变成不进行磁场削弱控制的电机规格并确保动作稳定性。但是，在不进行磁场削弱控制的情况下，就会存在能够在低速区域输出的转矩变小、在低速区域无法进行大负荷的切削（低速重切削）的问题。另外，还存在反相器（inverter）容量增大、且电机控制装置的成本增高的问题。在考虑到要增大能够在低速区域输出的转矩、电机控制装置的成本，并在有限的反相器容量中能使电机高速旋转的情况下，对电机进行恒功率控制。在恒功率区域，与电机旋转速度的上升成反比例并进行降低电机磁通的磁场削弱控制，将电机的端子电压控制在反相器能够输出的容许电压以下。但是，若进行磁场削弱控制，则由于容易因磁场削弱而产生控制特性的恶化，因此就需要防止随着磁场削弱而产生的控制特性恶化的控制系统。图4是以往的利用矢量控制的电机控制装置。以下是图4的电机控制装置的动作。首先，将速度指令与来自编码器10的速度反馈进行比较，通过速度控制器12求出q轴（转矩）电流指令IqC。将q轴电流指令IqC与来自坐标转换器14的q轴电流反馈IqF进行比较，通过q轴电流控制器16求出q轴电压指令VqC。另一方面，将所需要的与磁通相对应的励磁电流指令作为d轴电流指令IdC。将d轴电流指令IdC与来自坐标转换器14的d轴电流反馈IdF进行比较，通过d轴电流控制器18求出d轴电压指令VdC。输入q轴电流指令IqC和d轴电流指令IdC，通过差频运算器20求出差频指令ωs。差频指令ωs与来自编码器10的电机旋转速度ωm相加，求出主频率指令ω1。对主频率指令ω1进行积分并求出定子位置指令θmc，向坐标转换器22输出定子位置指令θmc。q轴电压指令VqC、d轴电压指令VdC以及定子位置指令θmc通过坐标转换器22进行坐标转换，由定子位置指令θmc求出三相电压指令VUC、VVC、VWC。三相电压指令VUC、VVC、VWC通过PWM控制器24、功率转换器26而被供给到电机30，根据三相电压指令VUC、VVC、VWC来驱动电机30。q轴电流反馈IqF和d轴电流反馈IdF是，以定子位置指令θmc为基础，对电机电流IU、IV进行坐标转换而求出的。如图所示，d轴电流指令IdC在恒功率区域以与电机速度上升成反比例的方式减少，从而进行磁场削弱控制。图4的电机控制装置中，通过磁场削弱，相对于转矩指令而使实际输出的的转矩改变，电机30越进行高速旋转则输出的转矩越小。这意味着从转矩指令到实际的电机转矩为止的增益，会在高速区域下降。因此，在恒转矩区域内设定较高的速度控制增益时，在高速区域相对于低响应的转矩控制系统而设定较高的速度增益，控制系统的动作就变得不稳定，在非常情况下有可能会振荡。由于螺纹加工需要使主轴电机与垂直轴电机的控制进行同步，并需要较高的增益控制，因此，在磁场削弱区域内就需要有高响应特性。另外，通过d轴电流控制器18对磁通进行控制，但磁通与d轴电流具有下式的关系，相对于d轴电流的变化，磁通延迟并追踪。φ2d=1/（1+L2/R2×s）×M×I1d在上式中，φ2d表示次级磁通；L2表示次级电感；R2表示次级电阻；M表示互感系数；I1d表示初级侧d轴电流。因此，在图4的控制系统中使低惯性的电机30进行高速调速时，磁通的变化无法追踪电机30的速度变化，产生了电机30的电压饱和，并产生了转矩的振动。为了改善图4的电机控制装置中的磁通的响应延迟，而考虑用图5所示的电机控制装置：其是在图4的电机控制装置中增加了磁通控制器32和磁通运算器34。图5所示的电机控制装置是，将所需要的磁通作为磁通指令φ2C，并将磁通指令φ2C与磁通φ2进行比较，通过磁通控制器32来控制d轴电流指令IdC，所述磁通φ2是以来自坐标转换器14的d轴电流反馈IdF为基础而由磁通运算器34求出的。由于图5所示的电机控制装置是通过磁通控制器32而以高速来控制磁通，因此，即使使电机30进行高速调速，磁通也能够追踪且不会延迟，不会产生电机30的电压饱和，也不会产生转矩的振动。但是，为了使磁通进行高速响应，d轴电流变化很大，d轴电流与q轴电流的合计值会超过反相器的容许电流值，并存在过电流的问题。考虑到这种反相器的容许电流值的限制，作为对d轴电流以及q轴电流进行控制的方法之一，有一种下述专利文献1所示的技术。专利文献1为，以磁通指令和其微分值为基础而求出转矩电流指令，并以励磁电流为基础而限定转矩电流指令。而且，通过用限定后的转矩电流指令与磁通估算，来计算差频并对电机的转矩进行控制。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平8-163900号公报

技术实现要素：
可是，专利文献1公开的方法，由于对磁通指令进行微分而计算出励磁电流指令，因此在磁通指令发生变化时，励磁电流突变。另外，由于以励磁电流为基础而限定转矩电流，因此存在励磁电流突变和电机的转矩突变的问题。在螺纹加工中，不优选转矩突变。另外，专利文献1公开的方法，由于利用励磁电流指令来估算磁通，因此，在高速区域并在反相器输出产生了电压饱和的情况下，会存在如下问题：即、励磁电流不会根据励磁电流指令进行流动，磁通估算的误差变大。由于由误差很大的磁通估算而算出转矩电流指令，因此转矩电流指令变小，还存在无法输出充足的转矩的问题。由于在高速区域，电机的感应电压增高，因此，电源电压下降的情况等，在反相器输出上容易产生电压饱和。并且，在从转矩指令求出转矩电流指令的结构中，基于励磁电流指令来限定转矩电流指令。因此，即使励磁电流指令发生变化，转矩指令也不会受到限定，在励磁电流发生变化时存在无法判断转矩指令的限定值的问题。由于通过旋转速度而使磁通指令发生变化，随之励磁电流指令也发生变化，因此，可能在掌握各状态的转矩指令的限定值的同时无法进行控制且产生转矩的过分不足。尤其是想要对转矩进行限定并使用时，只能将转矩限定在各状态的转矩指令的限定值为止。另外，电机能够输出的最大转矩由转矩指令限定值进行确定，由于通过该最大转矩而确定调速时间，因此掌握转矩指令限定值就很重要。本发明是为了解决如上所述的以往的电机控制装置的问题而完成的，其目的在于，提供一种通过矢量控制能够使电机进行高速调速的电机控制装置。这样，以往的电机的矢量控制，因磁场削弱而导致特性恶化，不能对低惯性感应电机进行稳定的调速控制。本发明的电机控制装置在受到反相器容量的限制中，能够实现高速的磁通控制，而且，能够抑制随着磁场削弱而产生的励磁电流突变并能抑制急剧的转矩变动，在励磁电流发生变化时，还能够掌握进行最大输出的转矩指令，另外，即使进行磁场削弱，相对于转矩指令而实际的电机转矩的下降很少，在高速区域能实现速度控制系统的响应下降很少的电机的矢量控制。实现上述矢量控制的本发明的电机控制装置的特征在于，具有：转矩指令限定部，其是将接收到的转矩指令的大小限定在一定范围的大小；电流运算器，其利用由所述转矩指令限定部限定了大小的转矩指令，输出第一电流指令；磁通控制器，其利用由所述电机中流动的电流所得到的磁通和以与所述电机的旋转速度相应的大小进行输出的次级磁通指令，来输出磁通指令；电机驱动部，其利用所述电流运算器输出的所述第一电流指令和由所述磁通控制器得到的第二电流指令，来驱动所述电机。根据以上所构成的本发明的电机控制装置，能够改善因磁场削弱而导致的特性恶化，利用在恒功率区域设置的电机，能够同时实现低速度重切削和高速度螺纹加工。附图说明图1是实施方式1的电机控制装置的框图。图2是实施方式2的电机控制装置的框图。图3是图1以及图2的框图中的主要部分的波形图。图4是表示以往的电机控制装置之一例的框图。图5是表示以往的电机控制装置之一例的框图。附图标记的说明100、200：电机控制装置110：速度控制器112：限幅器114：q轴电流运算器115：转矩指令限定部116：转矩限定值运算器118：坐标转换器120：编码器122：q轴控制器130：低通滤波器132：前馈补偿器134：磁通控制器136：低通滤波器138：差频运算器140：磁通运算器142：d轴控制器150：电机155：电机驱动部160：坐标转换器162：PWM控制器164：功率转换器具体实施方式本发明的电机控制装置在低惯性的感应电机的矢量控制中，即使反相器的输出电压饱和，也能将磁通估算的误差控制成很小。即使反相器容量受到限制，也能实现高速的磁通控制。对随着磁场削弱而产生的励磁电流突变进行抑制并且不产生急剧的转矩变动，在励磁电流发生变化时，还能够掌握成为最大输出的转矩指令。即使进行磁场削弱控制，相对于转矩指令而实际的电机转矩的下降很少，在高速区域的速度控制系统的响应下降也很少，并以高响应实现急剧的调速。然后，在参照附图的同时，将发挥出上述特性的、本实施方式的电机控制装置分成[实施方式1]和[实施方式2]进行说明。[实施方式1][电机控制装置的结构]图1是实施方式1的电机控制装置100的框图。作为提供q轴电压指令VqC的系统，电机控制装置100具有限幅器112、q轴电流运算器114、转矩限定值运算器116、坐标转换器118、编码器120、q轴控制器122以及速度运算器125。此外，由限幅器112和转矩限定值运算器116而构成转矩指令限定部115。限幅器112利用由转矩限定值运算器116计算出的转矩限定值TLIM，对所接收的转矩指令进行限定。q轴电流运算器114用于输出q轴电流指令IqC，该指令来自通过限幅器112输出的转矩指令和由磁通运算器140输出的磁通φ2。转矩限定值运算器116是，从d轴电流指令IdC、由磁通运算器140输出的磁通φ2和最大初级电流指令IPC中，计算出限幅器112接收到的转矩限定值TLIM。坐标转换器118是，从供给到电机150的U相电流IU和V相电流IV中，求出q轴电流反馈IqF和d轴电流反馈IdF。编码器120用于输出：电机150的旋转位置θm。q轴控制器122是，将来自q轴电流运算器114的q轴电流指令IqC减去来自坐标转换器118的q轴电流反馈IqF，并通过减去后的q轴电流指令来输出q轴电压指令VqC。速度运算器125利用编码器120检测出的电机150的旋转位置θm，来计算电机速度（电机的旋转速度）ωm。另外，作为提供d轴电压指令VdC的系统，电机控制装置100具有低通滤波器130、前馈补偿器132、磁通控制器134、低通滤波器136、差频运算器138、磁通运算器140以及d轴控制器142。低通滤波器130用于去除次级磁通指令φ2c的高频成分（急剧的变动）。前馈补偿器132是，从通过低通滤波器130去除了高频成分的次级磁通指令φ2c中，输出电流指令。磁通控制器134是，从通过低通滤波器130去除了高频成分的次级磁通指令φ2c中减去由磁通运算器140进行计算后的磁通φ2，并对由减去后的磁通指令输出的电流指令进行控制。低通滤波器136用于去除由磁通控制器134输出的电流指令的高频成分。差频运算器138可输入由q轴电流运算器114求出的q轴电流指令IqC和由磁通运算器140计算出的磁通φ2，并计算出电机150的差频ωs。磁通运算器140利用坐标转换器118输出的d轴电流反馈IdF，来计算磁通φ2。而且，作为向电机150提供电力的系统，电机控制装置100具有坐标转换器160、PWM控制器162、功率转换器164。坐标转换器160是，由q轴控制器122输出的q轴电压指令VqC和d轴控制器142输出的d轴电压指令VdC，来输出应施加给电机150的U、V、W相的三相电压指令VUC、VVC、VWC。PWM控制器162是，根据坐标转换器140输出的三相电压指令VUC、VVC、VWC，来输出功率转换器164的选通信号。功率转换器164是，根据PWM控制器162输出的选通信号而对内部的功率半导体进行开关，并将所希望的波形的三相电压提供给电机150。此外，坐标转换器118、q轴控制器122、d轴控制器142、坐标转换器160、PWM控制器162以及功率转换器164，可构成电机驱动部155。[电机控制装置的动作]如图1所示，将接收到的速度指令与由速度运算器125输出的电机速度ωm进行比较。将接收到的转矩指令限定在不超过±TLIM的范围，该TLIM是由限幅器112设定的转矩限定值。转矩限定值TLIM是以如下方式通过转矩限定值运算器116求出的。转矩限定值运算器116基于下式并由d轴电流指令IdC和最大初级电流指令IPC进行计算。在限幅器112中设定了计算出的转矩限定值TLIM。TLIM=Pm×M/L2×φ2×（IPC2-IdC2）1/2在上式中，φ2表示次级磁通；L2表示次级电感；M表示互感系数；Pm表示极对数。通过限幅器112限定为最大值是±TLIM的、转矩限定后的转矩指令被输入到q轴电流运算器114，q轴电流运算器114基于转矩限定后的转矩指令而求出q轴电流指令IqC。q轴电流运算器114进行如下的计算而求出q轴电流指令IqC。IqC=L2/（Pm×M×φ2）×（转矩限定后的转矩指令）然后，将q轴电流指令IqC与由坐标转换器118输出的q轴电流反馈IqF进行比较。从q轴电流指令IqC中减去了q轴电流反馈IqF后的电流指令被输入到q轴控制器122，并由q轴控制器122输出q轴电压指令VqC。如图1的次级磁通指令φ2C与电机速度ωm的关系图所示，本实施方式中，次级磁通指令φ2C在恒转矩区域成为固定值并与电机150的旋转速度没有关系，该次级磁通指令φ2C在恒功率区域下降并与电机150的旋转速度成反比例。即、进行了磁场削弱控制。次级磁通指令φ2C由低通滤波器130去除了高频成分。低通滤波器处理后的磁通指令被输入到前馈补偿器132，并由前馈补偿器132输出电流指令。前馈补偿器132具有：使滤波处理后的磁通指令为1/M倍的结构。另外，利用坐标转换器118输出的d轴电流反馈IdF，将低通滤波器处理后的磁通指令与磁通运算器140计算出的磁通φ2进行比较。磁通运算器140具有进行比例积分控制的结构。磁通运算器140以如下方式由d轴电流反馈IdF求出磁通φ2。φ2=1/(1+L2/R2×s)×M×IdF从低通滤波器处理后的磁通指令中减去了磁通φ2的磁通指令被输入到磁通控制器134。磁通控制器134由输入的磁通指令求出电流指令，所求出的电流指令通过低通滤波器136去除了高频成分。将前馈补偿器132输出的电流指令加上通过低通滤波器136输出的电流指令，而求出d轴电流指令IdC。然后，将d轴电流指令IdC与由坐标转换器118输出的d轴电流反馈IdF进行比较。从d轴电流指令IdC中减去了d轴电流反馈IdF后的电流指令被输入到d轴控制器142，并由d轴控制器142输出d轴电压指令VdC。另一方面，将磁通运算器140计算出的磁通φ2与q轴电流指令IqC同时输入到差频运算器138。差频运算器138以如下方式求出差频指令ωs。ωs=M×R2/L2×（IqC/φ2）在上式中，R2表示次级电阻。将差频运算器138求出的差频指令ωs加上由速度运算器125输出的电机速度ωm，而求出初级频率指令ω1。对初级频率指令ω1进行积分而求出定子位置指令θmc，所求出的定子位置指令θmc被输出到坐标转换器118、160。坐标转换器118利用定子位置指令θmc，通过对电机电流IU、IV进行坐标转换来求出q轴电流反馈IqF和d轴电流反馈IdF。坐标转换器160输入了q轴控制器122输出的q轴电压指令VqC和d轴控制器142输出的d轴电压指令VdC、以及定子位置指令θmc，并进行坐标转换，求出三相电压指令VUC、VVC、VWC。将三相电压指令VUC、VVC、VWC通过PWM控制器162、功率转换器164而供给至电机150，根据三相电压指令VUC、VVC、VWC来驱动电机150。如上所述，本实施方式的电机控制装置100是使磁通指令通过低通滤波器130，从而抑制磁通指令的急剧变动。而且使得由磁通控制器134输出的磁通经过低通滤波器136，从而抑制d轴电流的急剧变动。一般，在受到反相器的最大初级电流的限制中，当对q轴电流指令以及d轴电流指令进行限定时，d轴电流的急剧变动会引起q轴电流的急剧变动，尤其是在d轴电流急剧变大的情况下，q轴电流急剧变小，且转矩的变动很大。本实施方式的电机控制装置100是，通过在磁通控制器134的输出中还插入低通滤波器136，从而抑制d轴电流指令的急剧变动。由此，随着磁场削弱控制，d轴电流指令的变动对q轴电流指令的影响减小。另外，通过前馈补偿器132，对因磁通控制器134导致的响应延迟进行补偿，而使磁通响应不下降。而且，在受到最大初级电流的限制中，基于d轴电流指令来限定转矩指令，通过由限定后的转矩指令求出q轴电流指令，由此，在受到反相器容量的限制中，可以实现高速的磁通控制。这样，由于基于d轴电流指令来限定转矩指令，因此，在d轴电流发生变化时，能够掌握进行最大输出的转矩指令。另外，由于将转矩指令除以磁通来计算q轴电流指令，因此q轴电流指令增加并与磁通成反比例，即使进行磁场削弱控制，也可输出按照转矩指令的转矩。因此，速度控制系统的响应也不会受到磁场削弱控制的影响，在高速区域的速度控制系统的响应不会下降。而且，由于由d轴电流反馈计算出磁通，因此在反相器的输出电压饱和的情况下，d轴电流变小，磁通计算值不会受到反相器的电压饱和的影响。此外，次级电阻R2在检测或估算电机的线圈温度并进行补偿、线圈温度发生变化时，用于防止特性恶化。另外，可以将转矩指令插入到低通滤波器或陷波滤波器，来抑制机械系统的高频共振。而且，可以用三相电流控制系统来构成q轴电流控制系统以及d轴电流控制系统的内部。[实施方式2][电机控制装置的结构]图2是实施方式2的电机控制装置200的框图。对图2中的与图1相同的构成要素，标注与图1相同的附图标记。作为提供q轴电压指令VqC的系统，电机控制装置200与实施方式1的电机控制装置100相比，不同的是仅设置了速度控制器110。速度控制器110是，将接收到的速度指令减去来自速度运算器125的速度反馈，并由减去后的速度指令来输出转矩指令。限幅器112利用由转矩限定值运算器116计算出的转矩限定值TLIM，对速度控制器110输出的转矩指令进行限定。q轴电流运算器114、转矩限定值运算器116、坐标转换器118、编码器120、q轴控制器122、速度运算器125的功能，与实施方式1的电机控制装置相同。作为提供d轴电压指令VdC的系统，还具有低通滤波器130、前馈补偿器132、磁通控制器134、低通滤波器136、差频运算器138、磁通运算器140、d轴控制器142，这与实施方式1的电机控制装置相同。另外，这些构成要素的功能也与实施方式1的电机控制装置相同。[电机控制装置的动作]将实施方式2的电机控制装置200的动作与实施方式1的电机控制装置100进行比较，不同的仅仅是转矩指令由速度控制器110输出。即、如图2所示，将接收到的速度指令与由速度运算器125输出的电机速度ωm进行比较。从接收到的速度指令中减去了电机速度ωm后的速度指令被输入到速度控制器110，并由速度控制器110输出转矩指令。将转矩指令限定在不超过±TLIM的范围，该TLIM是由限幅器112设定的转矩限定值。之后的动作与实施方式1的电机控制装置100相同。[实施方式1、2的电机控制装置的主要部分的波形]图3是图1以及图2的框图中的主要部分的波形图，并表示在电机150利用了低惯性感应电机情况下的动作波形。图中表示：以阶梯状对速度指令进行加速或减速情况下的各部分的动作波形。由图可知，磁通指令通过旋转速度，磁场被削弱，但磁通会追踪磁通指令。另外，如图所示，因磁通的变化而使d轴电流指令发生变化，但通过接收了磁通指令的低通滤波器130、磁通控制器134的输出一侧的低通滤波器136，从而抑制d轴电流指令的急剧变化。另外，基于d轴电流指令或磁通的变化，转矩限定值TLIM也发生变化，在旋转速度上升的同时转矩指令下降，并观察到实现了恒功率特性。另外，由图可知，在d轴电流指令发生变化时，q轴电流指令不发生急剧变化。另外，由图可知，虽然电机的相电流使d轴电流变化很大，但是不会成为过电流并能将其抑制到最大初级电流以下。这样，根据实施方式1的电机控制装置100以及实施方式2的电机控制装置200，在低惯性感应电机的矢量控制中，在反相器的输出电压饱和时磁通计算的误差也很小，在受到反相器容量的限制中，能够实现高速的磁通控制。而且，能够抑制随着磁场削弱而产生的励磁电流突变，并能抑制急剧的转矩变动，在励磁电流发生变化时，也能够掌握进行最大输出的转矩指令。另外，即使进行磁场削弱，也能得到如下特性：相对于转矩指令而实际的电机转矩的下降很少，在高速区域的速度控制系统的响应下降也很少。因此，实施方式1的电机控制装置100以及实施方式2的电机控制装置200，由于可防止因磁场削弱而导致的控制特性的恶化，磁通响应为高速且高旋转速度时的速度响应的下降很少，因此，利用在恒功率区域设置的电机，能够同时实现低速度重切削和高速度螺纹加工。