專利名稱:感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，尤其涉及一種適合于由可調(diào)壓、調(diào)頻的逆變器(VVVF INV.)驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制的控制裝置。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置是眾所周知的，其中由一個(gè)直流電源提供的直流電可由一個(gè)逆變器變成可調(diào)壓，調(diào)頻的交流電，并將逆變產(chǎn)生的交流電供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，上面提到的逆變器通常稱作可調(diào)壓、調(diào)頻的逆變器(以下縮寫成VVVF逆變器)。在這種控制裝置，VVVF逆變器常以交流輸出電壓與其頻率的比值保持不變的方式進(jìn)行控制的。這種類型的控制被稱為逆變器的恒定電壓/頻率比控制。
如上所述的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制裝置的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例是一種用于把感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電氣有軌車輛的控制裝置。在這種情況下，由架空(滑接)線供電的直流電經(jīng)VVVF逆變器逆變成一種可調(diào)壓和調(diào)頻的交流電。由此得到的交流電供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。VVVF逆變器是按照電壓與頻率的比值進(jìn)行控制的，直到逆變器的輸出電壓達(dá)到它的最大電壓，此后通過工作提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率，直到轉(zhuǎn)差頻率達(dá)到由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩所限定的數(shù)值。
在這種用于電氣車輛的控制裝置中，逆變器是按照要供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電流的信號(hào)進(jìn)行控制以便于使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生一種恒定的轉(zhuǎn)矩，其原因如下所述。
由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM如下式(1)近似表示TM＝kl·IM2· (R2)/(fS) (1)
其中IM表示電動(dòng)機(jī)電流，R2表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)電阻，fS表示轉(zhuǎn)差頻率，K1為一常數(shù)。
從式(1)可看出，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM與電動(dòng)機(jī)電流IM平方成正比，這是因?yàn)橐驕囟茸兓a(chǎn)生的電阻R2的偏差可忽略不計(jì)，由所需的轉(zhuǎn)矩按照感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性，轉(zhuǎn)差頻率fS自然就被確定了。因此恒轉(zhuǎn)矩的控制可通過將電動(dòng)機(jī)電流調(diào)節(jié)在一定值來實(shí)現(xiàn)。
下面對(duì)已有技術(shù)控制方法進(jìn)行解釋，其中如上所述的轉(zhuǎn)矩控制是通過一種所謂的VVVF逆變器的脈寬調(diào)制(PWM)控制方法實(shí)現(xiàn)。
電動(dòng)機(jī)電流IM首先要進(jìn)行檢波，將檢波后的電流IM與其目標(biāo)值進(jìn)行比較，以得到偏差值。
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率的參考值也取決于上述的偏差值。和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例的旋轉(zhuǎn)頻率要進(jìn)行檢波，然后把上面給出的轉(zhuǎn)差頻率參考值加到經(jīng)檢波的旋轉(zhuǎn)頻率上，以提供給作為逆變器工作頻率的參考值，此值與逆變器的輸出電壓亦即電動(dòng)機(jī)的供電電壓頻率相同。
另外，在PWM的控制中，對(duì)代表電壓控制信號(hào)幅值與載波信號(hào)幅值的比值的調(diào)制系數(shù)進(jìn)行控制，以使逆變器的輸出電壓與上面所述方法確定的頻率成比例。也就是控制逆變器，而使其輸出電壓的電壓與頻率的比值保持在一預(yù)定的常數(shù)上。
然而，在如上提到的已有技術(shù)中，不可能一直產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩。這是因?yàn)槟孀兤鞯目刂剖歉鶕?jù)電動(dòng)機(jī)電流目標(biāo)值進(jìn)行的，這電流目標(biāo)值是按公式(1)換算所需轉(zhuǎn)矩得出的。這種傾向表現(xiàn)得很明顯，尤其在控制區(qū)，此處當(dāng)逆變器的輸出電壓達(dá)到最大值后僅對(duì)頻率進(jìn)行控制，這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系在控制區(qū)中十分復(fù)雜。另外，由于這種復(fù)雜性，所以制備一種體現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電流目標(biāo)值與機(jī)車速度之間關(guān)系的模型是十分困難和令人頭痛的。
本發(fā)明的目的是為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供一種改進(jìn)型的控制裝置，它包括一個(gè)將直流電轉(zhuǎn)變成供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的可變電壓、可變頻率交流電的逆變器，一個(gè)能產(chǎn)生信號(hào)按PWM控制方法去控制逆變器的控制器，它使由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩按所給的轉(zhuǎn)矩模型高精度地進(jìn)行控制。
本發(fā)明的特征如下所述，被控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流和轉(zhuǎn)差頻率由各自的檢波器進(jìn)行檢波。將檢波后的電動(dòng)機(jī)電流與由模型發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩參考值進(jìn)行比較，可得出兩者間的偏差。在這一比較中，電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩參考值中至少一個(gè)要轉(zhuǎn)變成與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的控制變量，以使被比較的兩個(gè)控制變量具有相同的量綱。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率的參考值是按照上述比較中得出的偏差而產(chǎn)生的。另外，逆變器的輸出電壓頻率的參考值是在上面得出的轉(zhuǎn)差頻率參考值和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率基礎(chǔ)上確定的。逆變器的控制器產(chǎn)生控制逆變器的信號(hào)而使它按照頻率參考值產(chǎn)生輸出電壓。
附圖簡(jiǎn)述圖1為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等效電路，用于對(duì)本發(fā)明基本原理進(jìn)行解釋;
圖2是表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的阻抗系數(shù)隨轉(zhuǎn)差頻率變化的曲線圖;
圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制裝置的方塊圖;
圖4表示用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的轉(zhuǎn)矩模型發(fā)生器特性的實(shí)例;
圖5表示用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的勵(lì)磁電流模型發(fā)生器特性的實(shí)例;
圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例的方塊圖，其中僅僅圖示了有關(guān)的部分;和圖7表示按本發(fā)明的控制裝置進(jìn)行控制時(shí)，各種控制變量的特性;
首先將對(duì)本發(fā)明的基本原理進(jìn)行解釋，在解釋以前，這里所用的符號(hào)列在下面V 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端電壓，它相當(dāng)于供給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的逆變器的輸出電壓;
E0感應(yīng)電動(dòng)機(jī)次級(jí)的感應(yīng)電壓;
I1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初級(jí)電流，它也相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)電流IM;
I2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)次級(jí)電流;
I0感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流;
Z1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)側(cè)的阻抗;
R1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)電阻;
L1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)電感;
Z2T感應(yīng)電動(dòng)機(jī)次級(jí)側(cè)的阻抗;
R2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)次級(jí)電阻，它相當(dāng)于包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)次級(jí)線圈的電阻和負(fù)荷電阻;
L2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)電感;
Z0感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的互阻抗;
M 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的互感;
S 轉(zhuǎn)差率;
f1端電壓V的頻率，它相當(dāng)于逆變器輸出電壓的頻率;
fr旋轉(zhuǎn)頻率，它與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例;和fs轉(zhuǎn)差頻率，它相當(dāng)于sf1。
在圖1所示的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的等效電路中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的端電壓V用式(2)表示，為說明簡(jiǎn)化起見，式中略去由初級(jí)阻抗Z引起的電壓降。事實(shí)上與次級(jí)阻抗和互阻抗引起的電壓降相比上述電壓降是很小的。
V＝E0＝k2·f1·I0(2)
式中，K2是常量。相應(yīng)地，勵(lì)磁電流分量I0可用下式表示I0＝K3· (V)/(f1) (3)式中，K3是一個(gè)常量。從式(3)可看出，勵(lì)磁電流分量I0是受控于端電壓V和它的頻率f1，由式(3)表示的勵(lì)磁分量I0在直流電動(dòng)機(jī)中相當(dāng)于激磁電流。如勵(lì)磁電流分量I0保持不變時(shí)，則由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩完全可由次級(jí)電流分量I2所控制。
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM由次級(jí)電流分量I2表示如下TM＝k4·(I2)2· (R2)/(fS)＝k5· ((I2)2)/(fS) (4)式中K4和K5是常量。
此外，由圖1的等效電路可見，就矢量的值而言，在初級(jí)電流I1、次級(jí)電流I2和勵(lì)磁電流I0中存在著如下的關(guān)系，V＝Z1·I1+Z0·I0(5)Z0·I0＝Z2·I2(6)I1＝I0+I2(7)從上式(6)和(7)，可得到下式用矢量值表示的勵(lì)磁電流I0I0＝ (Z2)/(Z0+Z2) ·I1
于是，上述關(guān)系就絕對(duì)值而言可表達(dá)如下｜I0｜＝｜ (Z2)/(Z0+Z2) ｜·｜I1｜ (8)次級(jí)電流I2就矢量大小而言也能從式(6)和(7)得出下式I2＝ (Z0)/(Z0+Z2) ·I1同樣，上述關(guān)系就絕對(duì)值大小而言可得如下式｜I2｜＝｜ (Z0)/(Z0+Z2) ｜·｜I1｜ (9)由式(8)和式(9)，阻抗比值能從下式得出｜ (Z2)/(Z0+Z2) ｜={(R2/ fS)2+ 4π2L2(M+L2)}2+4π2{(R2/ fS)M}2]]>x 1/{(R2/fS)2+4π2(M+L2)2}(10)｜ (Z0)/(Z0+Z2) ｜=2π{2π M (M+L2)}2+ {M(R2/ fS)}2]]>x 1/{(R2/fS)2+4π2(M+L2)2}(11)這樣，二個(gè)阻抗比值可分別地表示成轉(zhuǎn)差頻率fS的函數(shù)F0(fs)和F2(fs)。
測(cè)量值的實(shí)例表示在圖2中。在所示的圖中Fo(fs)隨fs減少而減少，反之，F(xiàn)2(fs)卻增加。另外轉(zhuǎn)差頻率fs在圖中表示為絕對(duì)值，因?yàn)椋绾竺嫠?，fs在電動(dòng)機(jī)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)作正值，在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)狀態(tài)時(shí)作負(fù)值。
勵(lì)磁電流分量I0和次級(jí)電流I2都可作為轉(zhuǎn)差頻率fs的函數(shù)得出如下I0＝F0(fS)·I1(12)I2＝F2(fS)·I1(13)上述函數(shù)F0(fs)和F2(fs)事先由測(cè)量和計(jì)算得出，并保存在適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器中。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可根據(jù)瞬時(shí)(then-present)轉(zhuǎn)差頻率fs讀出。從存儲(chǔ)器中讀出的函數(shù)F0(fs)和F2(fs)的值和檢波后的初級(jí)電流I1相乘，從而按上式(12)和(13)可得出勵(lì)磁電流I0和次級(jí)電流I2在由此得到的次級(jí)電流I2和轉(zhuǎn)差頻率fs的基礎(chǔ)上，按式(14)即可確定轉(zhuǎn)矩TM。
然后，將給定的轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值TMP與上述計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩TM進(jìn)行比較，得到偏差△TM，對(duì)轉(zhuǎn)差頻率fs進(jìn)行控制，以使這偏差△TM變?yōu)榱?。為此，正如眾所周知，為逆變器的PWM控制裝置提供了一個(gè)逆變器工作頻率的參考值f1fl＝fr±fs(14)式中當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)取正號(hào)，而當(dāng)它處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)取負(fù)號(hào)。因此感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制可按所需的轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值或模型而實(shí)現(xiàn)。
在上文中，對(duì)檢測(cè)到的初級(jí)電流I1計(jì)算得到的實(shí)際轉(zhuǎn)矩TM與轉(zhuǎn)矩模型TMP相比的情況進(jìn)行了說明。然而，有關(guān)轉(zhuǎn)矩的控制變量也是能代用的，也就是說，轉(zhuǎn)矩可轉(zhuǎn)變成與轉(zhuǎn)矩相關(guān)的控制變量，如初級(jí)電流I1或次級(jí)電流I2。
例如，次級(jí)電流的模型值I2P是一種與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的控制變量，它是按式(4)由轉(zhuǎn)矩模型值TMP而得到的。另一方面，次級(jí)電流I2是按式(13)從檢測(cè)后的初級(jí)電流I1計(jì)算得到的。換算得到的次級(jí)電流模型值I2P和計(jì)算得到的次級(jí)電流I2，兩者都有同一量綱，能相互比較，然后得出偏差△I2，轉(zhuǎn)差頻率fs是在由此得到的偏差△I2基礎(chǔ)上計(jì)算出來的。
現(xiàn)在，在如上所提到的逆變器的控制中，逆變器的輸出電壓V通常是用PWM控制方法進(jìn)行控制而保持V/f1的比值不變。因此根據(jù)實(shí)例中的一個(gè)典型例子，在如上述得到的f1和預(yù)定的V/f1比值的基礎(chǔ)上提供了一個(gè)輸出電壓的參考值Vp。逆變器的輸出電壓V通常是按照由此得到的參考值Vp進(jìn)行控制的。
另外，由式(3)可認(rèn)識(shí)到，控制勵(lì)磁電流I0為一定值就能保持V/f1的比值為常數(shù)，由此可見，可提供一種勵(lì)磁電流控制系統(tǒng)，其中對(duì)由式(12)計(jì)算得到的勵(lì)磁電流I0進(jìn)行控制，以遵循事先提供的勵(lì)磁電流模型值IOP。雖然由于電動(dòng)機(jī)的初級(jí)側(cè)有一電壓降產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通常在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)發(fā)生下降，但轉(zhuǎn)矩的下降將能被上述勵(lì)磁電流控制系統(tǒng)所制約。
通過上述控制，對(duì)由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能進(jìn)行控制，以準(zhǔn)確地遵循給出的轉(zhuǎn)矩理想值。另外，恒轉(zhuǎn)矩控制不僅能在逆變器受恒定的V/f比值控制的可變電壓區(qū)實(shí)現(xiàn)，而且也能在電壓飽和區(qū)實(shí)現(xiàn)，而在飽和區(qū)其中逆變器繼續(xù)輸出最大的輸出電壓，并且逆變器頻率增加至由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的逆轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩所限定的值。
參考下面圖3，按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將對(duì)感應(yīng)電匡機(jī)的控制裝置進(jìn)行說明。
在這實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于一種電動(dòng)機(jī)車的控制裝置。首先，對(duì)電動(dòng)機(jī)車的主要電路予以解釋。作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)11，13的配有可變電壓，可變頻率的交流電源。這樣的交流電是通過從架空滑接線經(jīng)一個(gè)(電車頂)導(dǎo)電弓17和包括電抗器和電容器的濾波器19供給的直流電由VVVF逆變器21變模得到。逆變器21的輸出電壓為三相交流電，在每相中裝有電流檢波器以便對(duì)流過的各相電流iu、iv、iw進(jìn)行檢波，然而在圖中僅用一只檢波器23表示。
出現(xiàn)在濾波器19的電容器的兩端的電壓經(jīng)檢測(cè)為直流電源的電壓Es電動(dòng)機(jī)11，13分別裝有脈沖發(fā)生器25、27，以便檢測(cè)電動(dòng)機(jī)11，13的速度。脈沖發(fā)生器25、27產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)頻率為fr1，fr2的各自電動(dòng)機(jī)11、13的速度成比例的信號(hào)。雖然兩個(gè)主電動(dòng)機(jī)11、13在圖中已畫出，但本發(fā)明絕不受電動(dòng)機(jī)數(shù)目的限制。
以下，將根據(jù)本實(shí)施例對(duì)控制裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。雖然這種類型的控制裝置通常是通過有目的地進(jìn)行編程的微機(jī)以及相應(yīng)的外圍設(shè)備獲得的，但下面將對(duì)由各種獨(dú)立的、分離元件組成的裝置進(jìn)行說明以便比較容易理解本發(fā)明。
電流檢測(cè)器23的輸出量iu、iv、iw被送到一個(gè)有效值計(jì)算器29，其中電動(dòng)機(jī)電流IM的有效值按下式進(jìn)行計(jì)算IM＝0.577×iu2+iV2+iW2]]>(15)應(yīng)該注意的是由此算出的電動(dòng)機(jī)電流IM與初級(jí)電流I相等。
脈沖發(fā)生器25，27的輸出量fr1，fr2被送到一個(gè)fr，fs′檢波器31、其中轉(zhuǎn)差頻率的實(shí)際值fs′按下式進(jìn)行計(jì)算
式中雖然f1代表了逆變器頻率，但后面將對(duì)它進(jìn)行更詳細(xì)地說明。另外，在上式中，fr1和fr2表示分別經(jīng)各自脈沖發(fā)生器檢波的旋轉(zhuǎn)頻率。因此fs1和fs2系指在各自的電動(dòng)機(jī)11，13中存在的轉(zhuǎn)差頻率，它們的平均值被當(dāng)作實(shí)際的轉(zhuǎn)差頻率fs′。雖然fs1和fs2在式(16)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的平均，但其它的方法如加權(quán)平均也是可行的，以便確定轉(zhuǎn)差頻率的實(shí)際值fs′。
檢波器31也提供旋轉(zhuǎn)頻率fr，為此，檢波器31還有一種功能。即根據(jù)電動(dòng)或制動(dòng)(P/B)的信號(hào)從fr1和fr2中選擇最大值或最小值、當(dāng)電動(dòng)機(jī)11、13處于電動(dòng)狀態(tài)，就選擇fr1和fr2中較小的一個(gè)，當(dāng)他們處在再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就選擇兩者中較大的一個(gè)。
由有效值計(jì)算器29計(jì)算得到的電動(dòng)機(jī)電流IM和由檢波器31檢波得到的實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率fs′被選入次級(jí)電流計(jì)算器33，其中瞬時(shí)(then-prescnt)次級(jí)電流I2根據(jù)I-M和fs′按式(13)進(jìn)行計(jì)算。IM和fs′也送到勵(lì)磁電流計(jì)算器35，這將在以后作詳細(xì)討論。
計(jì)算出的次線電流I2被送到轉(zhuǎn)矩計(jì)算器37，其中經(jīng)檢波器31檢波后的轉(zhuǎn)差頻率fs′，也送到37，根據(jù)I2和fs′，按式(4)由計(jì)算器37計(jì)算出轉(zhuǎn)矩TM。計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩TM被送到比較器39，它也收到由轉(zhuǎn)矩模型發(fā)生器41產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩模型值TMP。
轉(zhuǎn)矩模型發(fā)生器41也供有如下四個(gè)輸入信號(hào)。第一個(gè)輸入信號(hào)是相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)車負(fù)載情況的負(fù)載信號(hào)。第二個(gè)信號(hào)是由操作人員發(fā)出的，來自主控制器(圖中未表示)的步進(jìn)觸點(diǎn)指令，第三個(gè)輸入信號(hào)是表示電動(dòng)機(jī)11、13處于電動(dòng)狀態(tài)或再生制動(dòng)狀態(tài)的P/B信號(hào)，而最后一個(gè)信號(hào)是來自檢波器31的旋轉(zhuǎn)頻率fr。
轉(zhuǎn)矩模型發(fā)生器41接收上述四個(gè)輸入信號(hào)并產(chǎn)生如圖4所示的特性轉(zhuǎn)矩模型值TMP。在圖中，橫坐標(biāo)表示作為速度信號(hào)的旋轉(zhuǎn)頻率fr，縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)矩，它相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩理想值TMP。從第一個(gè)觸點(diǎn)(N＝1)到第四個(gè)觸點(diǎn)(N＝4)的步進(jìn)觸點(diǎn)指令N作為一個(gè)參數(shù)。轉(zhuǎn)矩根據(jù)模式圖中用實(shí)線表示的滿載時(shí)和模式圖中用虛線表示的空載時(shí)之間的負(fù)載上下移動(dòng)。
另外，雖然電動(dòng)機(jī)電動(dòng)和制動(dòng)兩種情況都形成具有相同形狀的轉(zhuǎn)矩模型值TMP、但在制動(dòng)模式時(shí)的轉(zhuǎn)矩比電動(dòng)模式時(shí)稍大。
再回到圖3，由計(jì)算器37中的計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩TM和在發(fā)生器41中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩模型值TMP互相進(jìn)行比較，并由此得到偏差△TM采用比例積分控制。并根據(jù)偏差△TM的數(shù)值，轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算器產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)差頻率的參考值fS。
計(jì)算器43的輸出值fS被送到一個(gè)加法器45，fS的符號(hào)取決于電動(dòng)機(jī)11、13的工作狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)11、13處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，fS為正值，這樣它在加法器45中與fr相加，如電動(dòng)機(jī)11、13處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，fS為負(fù)值，這樣它與fr相減。也就是說，式(14)的計(jì)算在加法器45中完成，以產(chǎn)生逆變器21的頻率參考值f1，它將被送到一個(gè)PWM調(diào)制單元47中。
在PWM調(diào)制單元47中，產(chǎn)生一個(gè)正弦波的控制電壓、它的頻率和頻率參考值f1相等，這一控制電壓和一個(gè)頻率比控制電壓高的通常為三角波的載波信號(hào)進(jìn)行比較。控制電壓的幅值按預(yù)定的調(diào)制系數(shù)γ變化而變化。如已所述的，調(diào)制系數(shù)代表控制電壓信號(hào)幅值與載波信號(hào)幅值的比值，由這系數(shù)對(duì)逆變器21的輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。因此，如果調(diào)制系數(shù)γ是根據(jù)頻率參考值f1產(chǎn)生的，那么逆變器21將產(chǎn)生使比值v/f保持常量的輸出電壓。
按上述比較的結(jié)果，產(chǎn)生了控制逆變器21起一停運(yùn)行的門信號(hào)。由于起一停運(yùn)行，逆變器21的交流輸出端的電壓和頻率將按調(diào)制系數(shù)γ和頻率參考值f1進(jìn)行控制，因?yàn)閱卧?7的功能和工作過程是公知的，在這就不作更多的說明。
頻率參考值f1同時(shí)也被送到模變換器(mode changer)49，它產(chǎn)生一種送入PWM調(diào)制單元47的脈沖變換信號(hào)PM。根據(jù)模變換信號(hào)PM，調(diào)制單元47可改變?cè)谝粋€(gè)控制電壓周期內(nèi)的載波信號(hào)的波數(shù)，這種模變換是按頻率參考值f1實(shí)現(xiàn)的，f1相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)車的速度。
這是為了消除包含在電動(dòng)機(jī)電流iu、iv、iw中的波動(dòng)，例如在一個(gè)控制電壓周期內(nèi)，載波信號(hào)波數(shù)將從低速期間的45個(gè)波紋經(jīng)過27、15、9和3個(gè)波紋，變成在變速時(shí)的1個(gè)波紋。在這方面的詳細(xì)資料，可參照申請(qǐng)?zhí)枮?03，024，申請(qǐng)日為1987年1月13日，題為“脈寬調(diào)制逆變器的控制裝置”的美國(guó)專利申請(qǐng)書。
這樣，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)11，13產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM能按轉(zhuǎn)矩模型值TMP精確地進(jìn)行控制。在上文中，僅僅靠控制v/f比值在預(yù)定值以使勵(lì)磁電流I0保持不變。然而，在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，在初級(jí)側(cè)的電壓降不能忽略，而且保持v/f比值不變是很難的。此外，本實(shí)施例還設(shè)有一種勵(lì)磁電流控制系統(tǒng)，由此使勵(lì)磁電流I0按所需的模式進(jìn)行控制。
下面將對(duì)這控制系統(tǒng)進(jìn)行敘述。這系統(tǒng)包括一個(gè)勵(lì)磙電流計(jì)算器35，它接到經(jīng)計(jì)算或檢波的電動(dòng)機(jī)電流IM和轉(zhuǎn)差頻率f′S，以按照式(12)計(jì)算勵(lì)磁電流I0的實(shí)際值。計(jì)算得到的勵(lì)磁電流I0被送入比較器51，也來自勵(lì)磁電流模式發(fā)生器53的勵(lì)磁電流模型值IOP被送到比較器51。模式發(fā)生器53收到以下四個(gè)輸入信號(hào)，即直流電源電壓ES，旋轉(zhuǎn)頻率fr，步進(jìn)觸點(diǎn)指令N和P/B信號(hào)，并按圖5所示的特性曲線產(chǎn)生勵(lì)磁電流模值IOP。
在這圖中，縱坐標(biāo)表示作為勵(lì)磁電流模值IOP的勵(lì)磁電流，橫坐標(biāo)表示作為電動(dòng)機(jī)車速度信號(hào)的旋轉(zhuǎn)頻率fr。從第一個(gè)觸點(diǎn)(N＝1)到第四個(gè)觸點(diǎn)(N＝4)取為步進(jìn)觸點(diǎn)指令N一個(gè)參數(shù)。根據(jù)如圖中實(shí)線和虛線表示的電動(dòng)機(jī)車的負(fù)載情況特性曲線上下移動(dòng)。另外特性曲線也可由改變直流電源電壓ES(如圖中箭頭所示)而進(jìn)行調(diào)整。雖然在特性曲線中對(duì)空載情況沒用箭頭表示，但情況也是相同的。
再回到圖3，計(jì)算得到的勵(lì)磁電流I0和發(fā)生器產(chǎn)生的模型值IOP在比較器51中相比較而得到偏差△I0，偏差△I0被送入調(diào)制系數(shù)計(jì)算器55，在其中由比例積分運(yùn)算使△I0轉(zhuǎn)變成調(diào)制系數(shù)r的參考值。計(jì)算得到的調(diào)制系數(shù)的參考值γ被送到調(diào)制單元47。因此，調(diào)制單元47在按所需勵(lì)磁電流模確定的調(diào)制系數(shù)參考值γ的基礎(chǔ)上對(duì)逆變器21的換向元件產(chǎn)生門信號(hào)。
如上所述，按本實(shí)施例，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)11、13的次級(jí)電流I2的實(shí)際值由計(jì)算得到。由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩TM可根據(jù)次級(jí)電流實(shí)際值I2得到。由此得到的轉(zhuǎn)矩TM的實(shí)際值與轉(zhuǎn)矩模型值TMP相比，從而對(duì)轉(zhuǎn)矩TM進(jìn)行控制，以遵循模型值TMP。因此，電動(dòng)機(jī)11，13的恒轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制能通過遵循轉(zhuǎn)矩模型值而實(shí)現(xiàn)。另外，電動(dòng)機(jī)11，13在起動(dòng)時(shí)刻所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩降通過增加控制系統(tǒng)勵(lì)磁電流而使它得到補(bǔ)償，這樣恒轉(zhuǎn)矩的控制進(jìn)一步得以改善。
在上文中，對(duì)VVVF逆變器21進(jìn)行控制而使由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)11，13產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)矩TM遵循轉(zhuǎn)矩模值TMP。然而從式(4)中可以明白，轉(zhuǎn)矩TM能轉(zhuǎn)換成次級(jí)電流I2。因此，另一個(gè)實(shí)施例也是能實(shí)現(xiàn)的，其中轉(zhuǎn)矩模型值TMP能轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的次級(jí)電流，即次級(jí)電流模型值I20，并且所得的次級(jí)電流模型值I20要與上述的計(jì)算得到的次級(jí)電流實(shí)際值I2相比較。圖6表示據(jù)此的另一實(shí)施例。但在這圖中只畫出了本實(shí)施例中有關(guān)部分，在本圖中沒有表示出的部分與圖3相同。另外，在圖中，相同的參考符號(hào)和數(shù)碼表示了如圖3所示的相同部分。
在圖6中，新給出了一個(gè)次級(jí)電流模發(fā)生器57，如上所述，其中次級(jí)電流模型值I2P系由轉(zhuǎn)矩模發(fā)生器41所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩模型值TMP的轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生，由此產(chǎn)生的次級(jí)電流模型值I2P被送入比較器59，其中I2P和次級(jí)電流實(shí)際值I2相比較而得到偏差ΔI2。這樣，因?yàn)閷?shí)際值和參考值以次級(jí)電流形式相互進(jìn)行比較，所以在圖3中的轉(zhuǎn)矩計(jì)算器37在本實(shí)施例中當(dāng)然就不再需要了，轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算器43經(jīng)比例積分運(yùn)算產(chǎn)生轉(zhuǎn)差頻率的參考值fS。
參考下一個(gè)圖7，將對(duì)本發(fā)明的效用進(jìn)行說明。圖7表示當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)按本發(fā)明的第一種實(shí)施例進(jìn)行控制時(shí)各種控制變量隨旋轉(zhuǎn)頻率fr的變化情況，由圖可見，端電壓V線性地增長(zhǎng)直到旋轉(zhuǎn)頻率fr達(dá)到53赫茲、此后在一恒定的電壓下達(dá)到飽和狀態(tài)。在這期間，次級(jí)電流I2和轉(zhuǎn)差頻率fS分別地被控制在預(yù)定值。因此，轉(zhuǎn)矩TM保持恒定，在圖中由粗線表示，當(dāng)電壓V達(dá)到飽和后，轉(zhuǎn)差頻率fS增長(zhǎng)到由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的逆轉(zhuǎn)矩所限制的值。約為72赫茲，在轉(zhuǎn)差頻率增長(zhǎng)期間，一直保持著恒轉(zhuǎn)矩。
雖然本文內(nèi)僅僅表示和說明了實(shí)施本發(fā)明的幾種形式，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下可進(jìn)行各種改變和變換，而這些變化都在所附權(quán)利要求
書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，它包括直流電源；逆變器，即將所述的直流電源提供的直流電轉(zhuǎn)換成可變壓和可變頻的用來對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)供電的交流電源；和調(diào)制器，即在所述的逆變器的交流輸出電壓中在預(yù)定的電壓與頻率比值的基礎(chǔ)上按脈沖寬度調(diào)制方法將產(chǎn)生一種可用于控制所說的逆變器的信號(hào)和交流輸出電壓的頻率參考值，其特征在于電流檢測(cè)器，即對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)電流的有效值進(jìn)行檢測(cè)；頻率檢測(cè)器，即對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)頻率和實(shí)際的轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行檢測(cè)；模發(fā)生器，即產(chǎn)生一由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的參考值；比較器，即將由所說的電流檢測(cè)器檢測(cè)后得到的電動(dòng)機(jī)電流和由所說的模發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩參考值進(jìn)行比較而得出兩者的偏差，其中電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩參考值兩者中至少有一個(gè)將發(fā)生變換而使兩者是有相同量綱的與轉(zhuǎn)矩相關(guān)的控制變量；和工作頻率參考值發(fā)生器，即按由所說的比較器得出的偏差，計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率的參考值，并在計(jì)算得到的轉(zhuǎn)差頻率參考值和由所說的頻率檢波器檢波出的實(shí)際旋轉(zhuǎn)頻率的基礎(chǔ)上得到需提供給所說調(diào)制器的頻率參考值。
2.如權(quán)利要求
1所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征是還設(shè)有計(jì)算器，用以根據(jù)所說的電流檢測(cè)器檢測(cè)得到的電動(dòng)機(jī)電流和由所說的頻率檢測(cè)器檢測(cè)得到的實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率而計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)機(jī)次級(jí)電流分量。
3.按權(quán)利要求
2所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其中由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩由所說的次級(jí)電流計(jì)算器計(jì)算得到的次級(jí)電流分量和由所說頻率檢測(cè)器檢測(cè)得到的實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算得到，而所說的比較器將計(jì)算出的轉(zhuǎn)矩和由所說模發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩參考值進(jìn)行比較。
4.按權(quán)利要求
2所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于由所說模發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩參考值變換成感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)電流分量的參考值而所說的比較器將次級(jí)電流參考值與由所說的次級(jí)電流計(jì)算器計(jì)算得到的次級(jí)電流分量進(jìn)行比較。
5.按權(quán)利要求
1所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于還設(shè)有用來按所需的勵(lì)磁電流參考值控制由所說的電流檢測(cè)器檢測(cè)得到的電動(dòng)機(jī)電流的勵(lì)磁電流分量。
6.按權(quán)利要求
5所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于勵(lì)磁電流分量是根據(jù)由所說的電流檢測(cè)器檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)電流和由所說的頻率檢測(cè)器檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行計(jì)算。
7.按權(quán)利要求
6所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于計(jì)算出的勵(lì)磁電流分量與勵(lì)磁電流參考值進(jìn)行比較而得到兩者的偏差，按得到的偏差對(duì)所說的逆變器交流輸出電壓端的電壓與頻率之比值進(jìn)行控制。
8.按權(quán)利要求
1所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于數(shù)個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)配有由所說的逆變器產(chǎn)生的交流電源，而所說的頻率檢測(cè)器產(chǎn)生在數(shù)個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中存在的轉(zhuǎn)差頻率平均值，并作為實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率。
9.按權(quán)利要求
1所定義的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其中數(shù)個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)配有由所說的逆變器產(chǎn)生的交流電源，所說的頻率檢測(cè)器在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生存在于數(shù)個(gè)感應(yīng)電動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)頻率的最小值，并作為實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)頻率而在再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它產(chǎn)生最大值。
專利摘要
一種感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制裝置，它包括向電動(dòng)機(jī)供電的可變壓、變頻的逆變器，并通過PWM控制器進(jìn)行控制。電動(dòng)機(jī)的次級(jí)電流分量和勵(lì)磁電流分量可根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流和電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算得到。從所得的次級(jí)電流分量，可對(duì)由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算。PWM控制器的頻率參考值由實(shí)際轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩參考值的比較結(jié)果得出。PWM控制器的調(diào)制系數(shù)參考值由勵(lì)磁電流分量和勵(lì)磁電流參考值的比較結(jié)果得出。按這控制裝置，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩經(jīng)控制后能高精度地遵循轉(zhuǎn)矩參考值。
文檔編號(hào)H02P27/04GK87106844SQ87106844
公開日1988年4月20日 申請(qǐng)日期1987年10月8日
發(fā)明者堀江哲, 神保佳司, 阿部金吾, 張仁浩, 聖紀(jì), 都洋三 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan