專利名稱：與感應電動機一起使用的變速控制裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及變速控制裝置，其通過使用初級角頻率指令值和次級磁通指令值來計算AC(交流)電壓指令值，并通過將該電壓指令值提供到功率轉換電路如逆變器等來驅動感應電動機。


圖1是表示與感應電動機一起使用的常規(guī)變速控制裝置整體的方框圖。
在該圖中，電壓指令值計算電路4根據初級角頻率指令值ω1*和次級磁通指令值φ2*來計算旋轉坐標系(d-q軸)中的電壓指令值v1d*和v1q*，并輸出計算值，其中初級角頻率指令值ω1*和次級磁通指令值φ2*是指令值產生電路3的輸出。接著，積分器5計算相角指令值θ*，其中ω1*輸入到積分器5中。
在此，假定旋轉坐標系以等于初級角頻率指令值ω1*的角速度旋轉，其d軸是匹配相角指令值θ*方向的坐標軸，而其q軸是與d軸正交的坐標軸。
坐標變換電路7根據相角指令值θ*執(zhí)行旋轉坐標變換并輸出交流電壓指令值矢量v1*，其中電壓指令值v1d*和v1q*輸入到坐標變換電路7中。功率轉換電路1如逆變器等根據交流電壓指令值矢量v1*輸出每相的交流電壓，并驅動感應電動機2。
在上述的常規(guī)變速控制裝置中，根據相角指令值θ*的方向確定的次級磁通指令值φ2*和感應電動機2中出現(xiàn)的次級磁通之間往往存在偏差，這是由于電壓指令值計算電路4中的計算誤差、功率轉換電路1輸出的交流電壓輸出指令值和實際值之間的誤差、或類似誤差所產生的。
結果，不能產生根據一個指令值的磁通，這導致所產生力矩或電動機的效率等下降。
本發(fā)明的一個目的是提供一種與感應電動機一起使用的變速控制裝置，其包括用來補償次級磁通指令值和感應電動機中實際出現(xiàn)的次級磁通之間的偏差的裝置，根據指令值產生次級磁通來實現(xiàn)滿意的控制，以及能產生期望的力矩并能提高電動機的效率，從而克服上述問題。
本發(fā)明的變速控制裝置與感應電動機一起使用，并被構造為包括電壓指令值計算單元、積分單元、功率轉換電路、電流檢測單元、電壓檢測單元、感應電壓計算單元、位置偏差量計算單元、以及補償單元。
在本發(fā)明的第一方面中，電壓指令值計算單元通過使用初級角頻率指令值和次級磁通指令值來計算d-q軸旋轉坐標系上的交流電壓指令值，該d-q軸旋轉坐標系以等于初級角頻率指令值的角速度旋轉。積分單元通過積分初級角頻率指令值來計算相角指令值。功率轉換電路根據從交流電壓指令值和相角指令值獲得的交流電壓指令值來執(zhí)行功率轉換，并將交流電壓提供到感應電動機上。電流檢測單元檢測感應電動機的電流。感應電壓計算單元從交流電壓指令值矢量、電流檢測單元的輸出、第一初級角頻率指令值、以及電動機常量來計算感應電動機的感應電壓矢量的d軸分量。位置偏差量計算單元計算感應電動機次級磁通的坐標軸和次級磁通指令值的坐標軸作為位置偏差量，該位置偏差量是初級角頻率的補償量。補償單元通過將位置偏差量補償?shù)降谝怀跫壗穷l率指令值來產生第二初級角頻率指令值，第二初級角頻率指令值被提供到電壓指令值計算單元和積分單元。
在本發(fā)明的第二方面中，電壓指令值計算單元通過使用初級角頻率指令值和次級磁通指令值來計算d-q軸旋轉坐標系上的交流電壓指令值，該d-q軸旋轉坐標系以等于初級角頻率指令值的角速度旋轉。積分單元通過積分初級角頻率指令值來計算相角指令值。功率轉換電路根據從交流電壓指令值和相角指令值獲得的交流電壓指令值矢量來執(zhí)行功率轉換，并將交流電壓提供到感應電動機上。電流檢測單元檢測感應電動機的電流。電壓檢測單元檢測感應電動機的端電壓。感應電壓計算單元從電壓檢測單元的輸出、電流檢測單元的輸出、第一初級角頻率指令值、以及電動機常量來計算感應電動機的感應電壓矢量的d軸分量。位置偏差量計算單元計算感應電動機次級磁通的坐標軸和從感應電壓計算單元的計算結果得到的次級磁通指令值的坐標軸作為位置偏差量，該位置偏差量是初級角頻率的補償量。補償單元通過將位置偏差量補償?shù)降谝怀跫壗穷l率指令值來產生第二初級角頻率指令值，第二初級角頻率指令值被提供到電壓指令值計算單元和積分單元。
圖1是表示與感應電動機一起使用的常規(guī)變速控制裝置整體的方框圖；圖2是表示感應電壓和磁通之間關系的矢量圖；圖3是表示本發(fā)明第一優(yōu)選實施例結構的方框圖；圖4是表示本發(fā)明第二優(yōu)選實施例結構的方框圖；圖5是表示本發(fā)明第三優(yōu)選實施例結構的方框圖；以及圖6是表示本發(fā)明第四優(yōu)選實施例結構的方框圖。
下面，參考附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
首先，在d-q軸旋轉坐標系中得出的感應電動機電壓的等式可用下面的表達式1來表示。
其中v1d是初級電壓的d軸分量，v1q是初級電壓的q軸分量，i1d是初級電流的d軸分量，i1q是初級電流的q軸分量，φ2d是次級磁通的d軸分量，φ2q是次級磁通的q軸分量，R1是初級(定子)繞組的電阻，R2是次級(轉子)導體的電阻，Lσ是漏電感，ω1是初級角頻率，ω2是次級(轉子)角頻率，τ2是次級時間常數(shù)，以及p是微分算子(＝d/dt)。
在此考慮這種情況，即變速控制裝置中用于表達式1的計算中的電壓、電流以及電動機常量和可控感應電動機的電壓、電流以及電動機常量之間沒有誤差。此時，感應電動機的次級磁通φ2的方向和變速控制裝置的次級磁通指令值φ2*之間沒有偏差。
如果給出初級角頻率指令值ω1*和次級磁通指令值φ2*，將φ2d＝φ2*，φ2q＝0，以及ω1＝ω1*置于表達式(1)中。初級電壓指令值的d軸分量v1d*和q軸分量v1q*可用表達式2來表示。v1d*＝(R1+pLσ)i1d-ω1*Lσi1qv1q*＝ω1*φ2*+(R1+pLσ)i1q+ω1*Lσi1d下面考慮的是感應電動機的次級電路的感應電壓矢量e2＝(e2d，e2q)T(下文稱作感應電壓，()T表示矩陣()的轉置矩陣)。
通過變換上述表達式1的第一和第二行，感應電壓的d軸分量e2d和q軸分量e2q可用表達式(3)來表示。這里，從輸入到功率轉換電路的交流指令值矢量v1*或感應電動機的端電壓檢測值得到表達式3中的v1d和v1q。e2d＝pφ2d-ω1φ2q＝v1d-(R1+pLσ)i1d+ω1Lσi1qe2q＝ω1φ2d+Pφ2q＝v2q-(R1+pLσ)i1q+ω1Lσi1d接著考慮上述由于交流電壓指令值的計算誤差或類似誤差引起的感應電動機的次級磁通φ2的方向和變速控制裝置的次級磁通指令值φ2*之間存在偏差的情況。
圖2是表示感應電壓e2和次級磁通φ2之間關系的矢量圖。
在該圖中，d-q軸是用于變速裝置內部計算的坐標軸，而dm-qm軸是基于感應電動機的次級磁通φ2的坐標軸。
由于感應電壓e2與次級磁通φ2正交，所以，如果變速控制裝置的坐標軸(d-q軸)和感應電動機的坐標軸(dm-qm軸)之間沒有偏差，那么感應電壓e2的d軸分量e2d為“0”。如果存在偏差，那么e2d≠0。
此外，假設軸向偏差角為Δθ，如圖2中所示，Δθ和e2d的符號具有表達式4所表示的關系，其取決于初級角頻率指令值ω1*的(正/負)符號。設ω1*≥0。
當Δθ＞0，e2d＞0當Δθ＜0，e2d＜0設ω1*＜0.
當Δθ＞0，e2d＜0當Δθ＜0，e2d＞0相應地，執(zhí)行比例操作或比例積分操作，其將感應電壓e2的d軸分量e2d用作輸入，通過將第一(最初)初級角頻率指令值ω1*的符號數(shù)據加到操作結果中而獲得的信號(位置偏差量)Δω1來補償?shù)谝怀跫壗穷l率指令值ω1*，其結果被用作第二初級角頻率指令值ω1**輸入到電壓指令值計算和相角指令值計算中，從而實現(xiàn)將軸向偏差角Δθ減小到“0”的操作。
表達式5和6是信號Δω1和第二初級角頻率指令值ω1**的計算表達式。這是通過將e2d用作輸入來執(zhí)行比例積分操作的一個例子。在表達式5中，sgn(ω1*)是ω1*的符號數(shù)據。當ω1*≥0，sgn(ω1*)＝1。當ω1*＜0，sgn(ω1*)＝-1。另外，Kp是比例增益，以及TI是積分時間常數(shù)。Δω1＝sgn(ω1*)·Kp{e2d+(1/TI)∫e2ddt}[表達式6]ω1**＝ω1*-Δω1如上所述，本發(fā)明注意到如果變速控制裝置的坐標軸和感應電動機的坐標軸之間存在軸向偏差，以及如果感應電動機的次級磁通φ2的方向和變速控制裝置的次級磁通指令值φ2*之間存在偏差，那么感應電壓e2的d軸分量e2d不為“0”，本發(fā)明目的在于調整初級角頻率指令值以將軸向偏差角減小到“0”。
也就是說，權利要求1中所述的本發(fā)明包括電壓指令值計算單元，用于通過使用初級角頻率指令值和次級磁通指令值來計算d-q軸旋轉坐標系上的交流電壓指令值，該d-q軸旋轉坐標系以等于初級角頻率指令值的角速度旋轉；積分單元，用于通過積分初級角頻率指令值來計算相角指令值；功率轉換電路，用于根據從交流電壓指令值和相角指令值獲得的交流電壓指令值矢量來執(zhí)行功率轉換，并將交流電壓提供到感應電動機上；用于檢測感應電動機電流的電流檢測單元；感應電壓計算單元，用于根據交流電壓指令值矢量、電流檢測單元的輸出、第一初級角頻率指令值、以及電動機常量來計算感應電動機的感應電壓矢量的d軸分量(該軸分量的方向與相角指令值的方向相同)；位置偏差量計算單元，用于計算感應電動機次級磁通的坐標軸和次級磁通指令值的坐標軸之間的軸向偏差作為位置偏差量，該位置偏差量是初級角頻率的補償量；以及補償單元，用于通過將位置偏差量補償?shù)降谝怀跫壗穷l率指令值來產生第二初級角頻率指令值，第二初級角頻率指令值被提供到電壓指令值計算單元和積分單元。
根據權利要求2所述的本發(fā)明，上述感應電壓計算單元根據感應電動機的端電壓檢測單元的輸出、電流檢測單元的輸出、第一角初級角頻率指令值、和電動機常量來計算權利要求1所述的變速控制裝置中的感應電壓矢量的d軸分量。
根據權利要求3所述的本發(fā)明，上述位置偏差量計算單元通過將感應電壓矢量的d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例操作，并通過將操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算權利要求1所述的變速控制裝置中的位置偏差量。
根據權利要求4所述的本發(fā)明，上述位置偏差量計算單元通過將感應電壓矢量的d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例積分操作，并通過將操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算權利要求1所述的變速控制裝置中的位置偏差量。
根據權利要求5所述的本發(fā)明，上述位置偏差量計算單元通過將感應電壓矢量的d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例操作，并通過將操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算權利要求2所述的變速控制裝置中的位置偏差量。
根據權利要求6所述的本發(fā)明，上述位置偏差量計算單元通過將感應電壓矢量的d軸分量來執(zhí)行比例積分操作，并通過將操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算權利要求2所述的變速控制裝置中的位置偏差量。
下面，參考附圖進一步詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖3是表示本發(fā)明第一優(yōu)選實施例結構的方框圖。與圖1中所示的相同部件用相同的標號來表示。下面主要描述不同部分。
在圖3中，指令值產生電路3輸出初級角頻率指令值ω1*(第一角頻率指令值ω1*)和次級磁通指令值φ2*。初級角頻率指令值ω1*輸入到通過加法器實現(xiàn)的補償器12中，在那里減去從位置偏差量計算單元11獲得的位置偏差量Δω1(后面將要描述)，以及輸出第二初級角頻率指令值ω1**。電壓指令值計算電路4通過將ω1**和φ2*用作輸入來計算d-q軸上的電壓指令值v1d*和v1q*。積分器5通過積分ω1*來計算相角指令值θ*。坐標變換電路7根據v1d*和v1q*的θ*執(zhí)行坐標變換，并計算交流電壓指令值矢量v1*。功率轉換電路1如逆變器等根據該矢量v1*產生每相的交流電壓，并驅動感應電動機2。
感應電壓計算電路10根據上述表達式3通過將交流電壓指令值矢量v1*和從電流檢測器6得到的電流檢測值i1用作輸入來計算感應電動機2的感應電壓e2的d軸分量e2d。
該d軸分量e2d和第一初級角頻率指令值ω1*被輸入到位置偏差量計算電路11中，其通過應用上述表達式5來計算位置偏差量Δω1。該位置偏差量Δω1被輸入到具有如圖3中所示符號(任一個符號)的補償器12中，并從第一初級角頻率指令值ω1*中被減去，從而計算第二初級角頻率指令值ω1**。
結果，如等式4所表示的，根據感應電壓e2的d軸分量e2d和第一初級角頻率指令值ω1*的符號，能夠實現(xiàn)將軸向偏差角Δθ減小到“0”的控制，從而變速控制裝置的坐標軸(d-q軸)和感應電動機的坐標軸(dm-qm軸)在一條直線上。
圖4是表示本發(fā)明第二優(yōu)選實施例結構的方框圖。
在該優(yōu)選實施例中，從電壓檢測器9得到的端電壓檢測值v1用于替代圖3中所示的交流電壓指令值矢量v1*，以在感應電壓計算電路10中計算感應電壓e2的d軸分量e2d，并且保持其結構與圖3中所示的相似。
由于在此優(yōu)選實施例中執(zhí)行的主要操作與圖3中所示的相同，所以為了避免重復在此省略其描述。
圖5說明本發(fā)明第三優(yōu)選實施例的主要部分，以及表示了圖3或4中所示的位置偏差量計算電路11的結構。
位置偏差量計算電路11由P(比例)調整器20、符號計算電路22、以及將P調整器20的輸出和符號計算電路22輸出相乘的乘法器構成，感應電壓e2的d軸分量e2d輸入到P調整器20中，第一初級角頻率指令值ω1*輸入到符號計算電路22中。如上所述，當ω1*≥0時，符號計算電路22輸出的符號數(shù)據sgn(ω1*)為“1”，而當ω1*＜0時，輸出的符號數(shù)據sgn(ω1*)為“-1”。
乘法器21根據下面表達式7的計算來計算位置偏差量Δω1，并將位置偏差量Δω1用于第一初級角頻率指令值ω1*的補償。Δω1＝sgn(ω1*)·Kp·e2d圖6表示本發(fā)明第四優(yōu)選實施例的主要部分，以及說明了位置偏差量計算電路11A包括PI(比例積分)調整器20A的結構。
在該優(yōu)選實施例中位置偏差量Δω1的計算由表達式5表示，以及根據表達式5計算的位置偏差量Δω1從乘法器21輸出。
如上所述，根據本發(fā)明，如果存在軸向偏差的話，應關注感應電壓矢量的d軸分量，以及通過將位置偏差量補償?shù)降谝怀跫壗穷l率指令值產生第二初級角頻率指令值，位置偏差量通過使用d軸分量和第一初級角頻率指令值的符號用比例操作或比例積分操作來獲得，從而變速控制裝置和感應電動機之間的軸向偏差角減小為“0”，感應電動機根據指令值產生磁通或力矩來實現(xiàn)高效地可控變速。
權利要求
1.與感應電動機一起使用的變速控制裝置，包括電壓指令值計算裝置，用于通過使用初級角頻率指令值和次級磁通指令值來計算d-q軸旋轉坐標系上的交流電壓指令值，該d-q軸旋轉坐標系以等于初級角頻率指令值的角速度旋轉；積分裝置，用于通過積分初級角頻率指令值來計算相角指令值；功率轉換電路，用于根據從交流電壓指令值和相角指令值獲得的交流電壓指令值來執(zhí)行功率轉換，并將交流電壓提供到感應電動機上；電流檢測裝置，用于檢測感應電動機的電流；感應電壓計算裝置，用于根據交流電壓指令值矢量、所述電流檢測裝置的輸出、第一初級角頻率指令值、以及電動機常量來計算感應電動機的感應電壓矢量的d軸分量；位置偏差量計算裝置，用于計算感應電動機次級磁通的坐標軸和從所述感應電壓計算裝置的計算結果得到的次級磁通指令值的坐標軸之間的軸向偏差作為位置偏差量，該位置偏差量是初級角頻率的補償量；以及補償裝置，用于通過將位置偏差量補償?shù)降谝怀跫壗穷l率指令值來產生第二初級角頻率指令值，第二初級角頻率指令值被提供到所述電壓指令值計算裝置和所述積分裝置中。
2.與感應電動機一起使用的變速控制裝置，包括電壓指令值計算裝置，用于通過使用初級角頻率指令值和次級磁通指令值來計算d-q軸旋轉坐標系上的交流電壓指令值，該d-q軸旋轉坐標系以等于初級角頻率指令值的角速度旋轉；積分裝置，用于通過積分初級角頻率指令值來計算相角指令值；功率轉換電路，用于根據從交流電壓指令值和相角指令值獲得的交流電壓指令值矢量來執(zhí)行功率轉換，并將交流電壓提供到感應電動機上；電流檢測裝置，用于檢測感應電動機的電流；電壓檢測裝置，用于檢測感應電動機的電壓；感應電壓計算裝置，用于從所述電壓檢測裝置的輸出、所述電流檢測裝置的輸出、第一初級角頻率指令值、以及電動機常量來計算感應電動機的感應電壓矢量的d軸分量；位置偏差量計算裝置，用于計算感應電動機次級磁通的坐標軸和從所述感應電壓計算裝置的計算結果得到的次級磁通指令值的坐標軸之間的軸向偏差；以及補償裝置，用于通過將位置偏差量補償?shù)降谝怀跫壗穷l率指令值來產生第二初級角頻率指令值，第二初級角頻率指令值被提供到所述電壓指令值計算裝置和所述積分裝置中。
3.根據權利要求1的變速控制裝置，其中所述位置偏差量計算裝置通過使用d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例操作，并通過將比例操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算位置偏差量。
4.根據權利要求1的變速控制裝置，其中所述位置偏差量計算裝置通過使用d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例積分操作，并通過將比例積分操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算位置偏差量。
5.根據權利要求2的變速控制裝置，其中所述位置偏差量計算裝置通過使用d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例操作，并通過將比例操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算位置偏差量。
6.根據權利要求2的變速控制裝置，其中所述位置偏差量計算裝置通過使用d軸分量用作輸入來執(zhí)行比例積分操作，并通過將比例積分操作結果和第一初級角頻率指令值的符號數(shù)據相乘來計算位置偏差量。
全文摘要
一種變速控制裝置包括電壓指令值計算電路、用于從初級角頻率指令值計算相角指令值的積分器、用于根據基于交流電壓指令值和相角指令值上的交流電壓特性值矢量來執(zhí)行功率轉換的功率轉換電路、電流檢測器、感應電壓計算電路、位置偏差量計算電路、以及補償器。結果,變速控制裝置的坐標軸和感應電動機的坐標軸之間的軸向差減小為“0”,從而提高電動機的效率。
文檔編號H02P21/14GK1274987SQ0010859
公開日2000年11月29日 申請日期2000年5月18日 優(yōu)先權日1999年5月21日
發(fā)明者田島宏一, 石井新一, 海田英俊 申請人:富士電機株式會社