專(zhuān)利名稱(chēng)：交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)控制對(duì)象的位置、速度、電流、電壓等狀態(tài)
量進(jìn)行控制的控制裝置，特別地，涉及一種適用于交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置。
背景技術(shù)：
在控制交流電動(dòng)機(jī)(以下除了特別區(qū)別的情況以外，簡(jiǎn)稱(chēng)為“電動(dòng)機(jī)”)時(shí)，在由急加減速運(yùn)轉(zhuǎn)等引起電流急劇變化時(shí)，因電感及電流變化的乘積(V = L· (di/dt))，使電壓指令的振幅過(guò)渡性地變大，有可能超過(guò)電壓限制器的限制值。由此，產(chǎn)生過(guò)渡性的電壓飽和 (以下稱(chēng)為“過(guò)渡電壓飽和”)。另外，已知在產(chǎn)生這樣的過(guò)渡電壓飽和時(shí)，電動(dòng)機(jī)發(fā)生振動(dòng)等而使動(dòng)作不穩(wěn)定。
另一方面，針對(duì)由于過(guò)渡電壓飽和而產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定現(xiàn)象，在下述專(zhuān)利文獻(xiàn)I 中，提取過(guò)渡電壓飽和量，對(duì)所提取出的過(guò)渡電壓飽和量賦予增益，然后經(jīng)由濾波器向位置指令中反饋，通過(guò)修正位置指令，以不產(chǎn)生過(guò)渡電壓飽和，從而抑制電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
專(zhuān)利文獻(xiàn)I :日本特開(kāi)2010-57223號(hào)公報(bào)發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述專(zhuān)利文獻(xiàn)I中，由于沒(méi)有對(duì)應(yīng)于作為控制對(duì)象的電動(dòng)機(jī)和控制裝置的每種組合，而唯一地揭示出將過(guò)渡電壓飽和量向位置指令中反饋(以下記作“F/B”)時(shí)的增益賦予及濾波器處理，所以必須針對(duì)電動(dòng)機(jī)和控制裝置的每種組合，以實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行增益和濾波器的設(shè)計(jì)。
另外，在上述專(zhuān)利文獻(xiàn)I中，由于沒(méi)有進(jìn)行理論上的增益設(shè)計(jì)，所以用于修正位置指令的位置指令修正量△ P沒(méi)有被最優(yōu)化，有時(shí)對(duì)于位置指令的修正產(chǎn)生過(guò)度修正或修正不足，有時(shí)無(wú)法充分地抑制由過(guò)渡電壓飽和引起的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
本發(fā)明就是鑒于上述情況而提出的，其目的在于，提供一種交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其可以充分地抑制由于過(guò)渡電壓飽和而產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
為了解決上述課題，實(shí)現(xiàn)目的，本發(fā)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電動(dòng)機(jī)的速度之間的偏差，生成電流指令；電流控制器，其利用所述電流指令和所述交流電動(dòng)機(jī)中流動(dòng)的電流之間的偏差，生成電壓指令；電壓飽和量計(jì)算部，其利用所述電流指令的變化率和相當(dāng)于所述交流電動(dòng)機(jī)中的電感成分的值，計(jì)算相當(dāng)于q軸電壓方程式的過(guò)渡電壓成分的電壓飽和量；以及飽和量反饋部，其使所述電壓飽和量通過(guò)低通濾波器，將所獲得的濾波器輸出的換算值作為速度指令修正量而向所述速度控制器的輸入側(cè)反饋，所述飽和量反饋部具有頻帶設(shè)定器而構(gòu)成，該頻帶設(shè)定器將相當(dāng)于所述交流電動(dòng)機(jī)的電路時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)的值，作為用于確定所述低通濾波器的頻帶的濾波器常數(shù)而設(shè)定。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，具有下述效果，即，可以充分地抑制由于過(guò)渡電壓飽和而產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。


圖I是表示實(shí)施方式I所涉及的控制裝置的一個(gè)結(jié)構(gòu)例的圖。
圖2是表示實(shí)施方式I所涉及的飽和量F/B部的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是表示實(shí)施方式I所涉及的實(shí)現(xiàn)濾波器功能的控制系統(tǒng)的一個(gè)結(jié)構(gòu)例的圖。
圖4是表示設(shè)定濾波器頻帶的頻帶設(shè)定器的一個(gè)結(jié)構(gòu)例的圖。
圖5是表示過(guò)渡電壓飽和時(shí)的響應(yīng)波形(現(xiàn)有技術(shù)及實(shí)施方式I)的圖。
圖6是表示利用LPF的性質(zhì)近似后的與LPF輸入對(duì)應(yīng)的LPF輸出的示意圖。
圖7是對(duì)用于改善LPF的I次延遲響應(yīng)特性的、實(shí)施方式2所涉及的一種方法進(jìn)是表示實(shí)施方式2所涉及的飽和量F/B部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖。是表示與位置偏差相關(guān)的3種類(lèi)型(現(xiàn)有技術(shù)、時(shí)間常數(shù)固定、時(shí)間常數(shù)可行說(shuō)明的圖。
圖8
圖9變)的模擬結(jié)果的圖。
具體實(shí)施方式
下面，參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置進(jìn)行說(shuō)明。 此外，本發(fā)明并不受以下所示的實(shí)施方式限定。
實(shí)施方式I
(控制裝置的結(jié)構(gòu))
圖I是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的控制裝置的結(jié)構(gòu)的圖，示出了將交流電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象而構(gòu)成的控制裝置的一個(gè)通用的結(jié)構(gòu)例。
實(shí)施方式I所涉及的控制裝置具有在圖I中分別以虛線部進(jìn)行表示的第I控制系統(tǒng)10以及第2控制系統(tǒng)12而構(gòu)成。在控制裝置的輸入端即第I控制系統(tǒng)10的輸入端上， 連接有上位控制器114，在控制裝置的輸出端即第2控制系統(tǒng)12的輸出端上，連接有對(duì)作為控制對(duì)象的電動(dòng)機(jī)112進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的逆變器裝置(以下記作“INV”)110。在電動(dòng)機(jī)112上， 連接有對(duì)與電動(dòng)機(jī)112的轉(zhuǎn)子(如果是線性電動(dòng)機(jī)，則為可動(dòng)件)相關(guān)的位置信息進(jìn)行檢測(cè)的位置檢測(cè)器(以下記作“ENC”)113，并構(gòu)成為，將ENC 113所檢測(cè)出的位置信息向第I 控制系統(tǒng)10輸入。另外，在INV 110和電動(dòng)機(jī)112之間，設(shè)置有電流檢測(cè)器Illa 111c， 并構(gòu)成為，將電流檢測(cè)器Illa Illc所檢測(cè)出的電動(dòng)機(jī)電流iu、iv、iw向第2控制系統(tǒng)12 輸入。此外，在圖I中，采用不將INV110、電流檢測(cè)器Illa lllc、ENC 113包含在控制裝置內(nèi)的結(jié)構(gòu)，但也可以采用在控制裝置內(nèi)包含它們中的大于或等于I個(gè)的結(jié)構(gòu)。
(第I控制系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作)
下面，對(duì)第I控制系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。在圖I中，第I控制系統(tǒng)10 具有位置控制器101、速度控制器102、電流振幅限制器103、di/dt限制器部104、飽和量F/ B部105、微分器106以及加減法器115 117而構(gòu)成。
位置控制器101將加減法器116輸出的位置偏差e p作為輸入信號(hào)，生成速度指令 W*并輸出。另外，位置偏差e p是作為加減法器115輸出的修正位置指令P**和ENC 113 輸出的位置F/B信號(hào)pfb之間的減法輸出，而通過(guò)加減法器116生成的。另外，修正位置指令P**是作為上位控制器114輸出的位置指令P*和飽和量F/B部105輸出的位置指令修正量Λ P之間的減法輸出，而通過(guò)加減法器115生成的。
速度控制器102將加減法器117輸出的速度偏差4 作為輸入信號(hào)，生成電流指令iq*并輸出。另外，速度偏差em是作為位置控制器101輸出的速度指令W*和微分器106 輸出的速度F/B信號(hào)Wfb之間的減法輸出，而通過(guò)加減法器117生成的。另外，速度F/B信號(hào)Wfb是將ENC 113輸出的位置F/B信號(hào)Pfb作為輸入,而通過(guò)微分器106生成的。
電流振幅限制器103具有作為電流振幅限制器的功能，生成并輸出q軸電流指令該q軸電流指令iq**是將速度控制器102輸出的q軸電流指令iq*的振幅抑制在規(guī)定幅度內(nèi)而獲得的。另外，對(duì)q軸電流指令iq*以及q軸電流指令i,**標(biāo)記標(biāo)號(hào)而進(jìn)行區(qū)別，但在沒(méi)有標(biāo)號(hào)而仍要進(jìn)行區(qū)別的情況下，將q軸電流指令iq*稱(chēng)為“振幅限制前的q軸電流指令”，將q軸電流指令iq**稱(chēng)為“振幅限制后的q軸電流指令”。
di/dt限制器部104具有作為電壓飽和量計(jì)算部以及電流變化量限制部的功能， 該電壓飽和量計(jì)算部使用電流指令變化率和與電動(dòng)機(jī)112的電感成分相當(dāng)?shù)闹?，求出與后述的q軸電壓方程式的過(guò)渡電壓成分相當(dāng)?shù)碾妷旱娘柡土?過(guò)渡電壓飽和量)，該電流變化量限制部對(duì)q軸電流指令的變化量進(jìn)行限制。在圖I的結(jié)構(gòu)中，將q軸電流指令i,**作為輸入信號(hào)，生成并輸出修正q軸電流指令i,***以及推定q軸電壓飽和量AV\。另外，修正 q軸電流指令iq***是限制了 q軸電流指令iq**的變化量(振幅變化率)后的電流指令， 成為針對(duì)第2控制系統(tǒng)12的輸入信號(hào)。另外，推定q軸電壓飽和量成為針對(duì)飽和量 F/B部105的輸入信號(hào)。
飽和量F/B部105具有濾波器功能及增益設(shè)定功能等，將di/dt限制器部104輸出的推定q軸電壓飽和量Λ 作為輸入信號(hào)，生成并輸出位置指令修正量ΛΡ。另外，位置指令修正量ΛΡ成為針對(duì)加減法器115的一個(gè)輸入信號(hào)，成為用于與位置指令P*進(jìn)行減法運(yùn)算的信號(hào)。
另外，在圖I中，采用了將位置指令修正量Λ P向位置指令P*中進(jìn)行F/B的結(jié)構(gòu)， 但如果使位置控制器101的增益與位置指令修正量ΛΡ相乘，則可以將位置指令修正量ΛΡ 視為速度指令修正量。在這種情況下，也可以采用將飽和量F/B部105的輸出向速度控制器102的輸入側(cè)進(jìn)行F/B的結(jié)構(gòu)，即，將速度指令修正量向速度指令W*進(jìn)行F/B的結(jié)構(gòu)。
(第2控制系統(tǒng)12的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作)
下面，對(duì)第2控制系統(tǒng)12的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。在圖I中，第2控制系統(tǒng)12具有d軸電流控制器107a、q軸電流控制器107b、d軸電壓振幅限制器108a、q軸電壓振幅限制器108b以及坐標(biāo)變換器109a、109b而構(gòu)成。
坐標(biāo)變換器109b執(zhí)行下述處理，即，將UVW三相靜止坐標(biāo)系的輸出值，變換為與 INV 110的輸出頻率同步地旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq正交2軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系)的輸出值。具體地說(shuō)，坐標(biāo)變換器10%將電流檢測(cè)器Illa Illc所檢測(cè)出的電動(dòng)機(jī)電流iu、iv、iw作為輸入信號(hào)，生成并輸出用于向d軸電流控制器107a以及q軸電流控制器107b的各輸入側(cè)進(jìn)行F/B的電流信號(hào)，即，d軸F/B電流idfb以及q軸F/B電流iqfb。
d軸電流控制器107a將加減法器118a輸出的d軸電流偏差~1(1作為輸入信號(hào)， 生成并輸出d軸電壓指令Vd*。另外，d軸電流偏差e id是作為規(guī)定的指令信號(hào)即d軸電流指令id*和坐標(biāo)變換器109b的一個(gè)輸出即d軸F/B電流idfb之間的減法輸出，而通過(guò)加減法器118a生成的。
q軸電流控制器107b將加減法器118b輸出的q軸電流偏差e_作為輸入信號(hào)， 生成并輸出q軸電壓指令V,*。另外，q軸電流偏差^,是作為第I控制系統(tǒng)10的輸出和坐標(biāo)變換器10%的另一個(gè)輸出即q軸F/B電流i-之間的減法輸出，而通過(guò)加減法器118b 生成的，更詳細(xì)地說(shuō)，第I控制系統(tǒng)10的輸出指的是di/dt限制器部104的輸出信號(hào)即修正q軸電流指令ij**。
d軸電壓振幅限制器108a具有作為電壓振幅限制器的功能，生成并輸出d軸電壓指令Vd**，該d軸電壓指令Vd**是將d軸電流控制器107a輸出的d軸電壓指令Vd*的振幅抑制在規(guī)定幅度內(nèi)而獲得的。另外，對(duì)d軸電壓指令Vd*以及d軸電壓指令Vd**標(biāo)記標(biāo)號(hào)而進(jìn)行區(qū)別，但在沒(méi)有標(biāo)號(hào)而仍要進(jìn)行區(qū)別的情況下，將d軸電壓指令Vd*稱(chēng)為“振幅限制前的d軸電壓指令”，將d軸電壓指令Vd**稱(chēng)為“振幅限制后的d軸電壓指令”。
q軸電壓振幅限制器108b具有作為電壓振幅限制器的功能，生成并輸出q軸電壓指令Vtl**,該q軸電壓指令Vtl**是將q軸電流控制器107b輸出的q軸電壓指令Vtl*的振幅抑制在規(guī)定幅度內(nèi)而獲得的。另外，對(duì)q軸電壓指令Vq*以及q軸電壓指令Vq**標(biāo)記標(biāo)號(hào)而進(jìn)行區(qū)別，但在沒(méi)有標(biāo)號(hào)而仍要進(jìn)行區(qū)別的情況下，將q軸電壓指令V,*稱(chēng)為“振幅限制前的q軸電壓指令”，將q軸電壓指令V,**稱(chēng)為“振幅限制后的q軸電壓指令”。
坐標(biāo)變換器109a進(jìn)行下述處理，S卩，將dq正交2軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的輸出值變換為 UVW三相靜止坐標(biāo)系的輸出值。具體地說(shuō)，將d軸電壓振幅限制器108a以及q軸電壓振幅限制器108b的各輸出、即d軸電壓指令Vd**以及q軸電壓指令V,**作為輸入信號(hào)，生成并輸出針對(duì)INV 110的電壓指令Vu、Vv、Vw。另外，INV 110使用所輸入的電壓指令Vu、Vv、Vw生成PWM電壓，對(duì)電動(dòng)機(jī)112進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
(飽和量F/B部105的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作)
下面,參照?qǐng)D2,對(duì)飽和量F/B部105的結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作進(jìn)行說(shuō)明。圖2是表示圖I 所示的飽和量F/B部105的結(jié)構(gòu)的圖。在圖2中，飽和量F/B部105具有低通濾波器(以下記作“LPF”)121以及頻帶設(shè)定器122而構(gòu)成。
LPF 121進(jìn)行使di/dt限制器部104輸出的推定q軸電壓飽和量Λ 的高頻成分降低的濾波處理。另外，濾波輸出為位置指令修正量ΛΡ，成為針對(duì)位置控制器101的輸入信號(hào)(反饋信號(hào))。頻帶設(shè)定器122對(duì)用于確定LPF 121的濾波器頻帶的濾波器常數(shù)ω 進(jìn)行運(yùn)算。將該濾波器常數(shù)ω向LPF 121輸入，設(shè)定LPF 121的濾波器特性。
下面，進(jìn)行用于根據(jù)電動(dòng)機(jī)常數(shù)唯一確定飽和量F/B部105的濾波器功能以及增益設(shè)定功能的理論說(shuō)明。
首先，交流電動(dòng)機(jī)(例如，永磁體型同步電動(dòng)機(jī))的q軸電壓方程式，通常以下面的公式表不。
公式I
"Vrcj = (R + sL)!^ + Ofe+ Litl) * · *{1)
在這里，上述公式⑴中包含的各符號(hào)的含義如下。
Vq* q軸電壓指令，R 電樞繞組電阻，s :拉普拉斯算子，L 電樞繞組電感，iq q軸電流， re :電角速度，Φ :磁鏈數(shù)，id d軸電流，Pm :電動(dòng)機(jī)磁體的極對(duì)數(shù)
由q軸電流變化引起的過(guò)渡電壓飽和，即使在電角速度較低的情況下也會(huì)產(chǎn)生，因此，如果將公式(I)的電角速度設(shè)為= 0，則成為公式(2)。
公式2
權(quán)利要求
1.一種交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于，具有 速度控制器，其利用速度指令和作為控制對(duì)象的交流電動(dòng)機(jī)的速度之間的偏差，生成電流指令； 電流控制器，其利用所述電流指令和所述交流電動(dòng)機(jī)中流動(dòng)的電流之間的偏差，生成電壓指令； 電壓飽和量計(jì)算部，其利用所述電流指令的變化率和相當(dāng)于所述交流電動(dòng)機(jī)中的電感成分的值，計(jì)算相當(dāng)于q軸電壓方程式的過(guò)渡電壓成分的電壓飽和量；以及 飽和量反饋部，其使所述電壓飽和量通過(guò)低通濾波器，將所獲得的濾波器輸出的換算值作為速度指令修正量而向所述速度控制器的輸入側(cè)反饋， 所述飽和量反饋部具有頻帶設(shè)定器而構(gòu)成，該頻帶設(shè)定器將相當(dāng)于所述交流電動(dòng)機(jī)的電路時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)的值，作為用于確定所述低通濾波器的頻帶的濾波器常數(shù)而設(shè)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于， 還具有位置控制器，其利用位置指令和所述交流電動(dòng)機(jī)的位置信息之間的偏差，生成作為向所述速度控制器輸入的輸入信號(hào)的所述速度指令， 所述飽和量反饋部使所述電壓飽和量通過(guò)低通濾波器，將所獲得的濾波器輸出的換算值作為位置指令修正量而向所述位置控制器的輸入側(cè)反饋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于， 所述飽和量反饋部具有 比較值設(shè)定器，其基于向所述低通濾波器輸入的輸入值和從所述低通濾波器輸出的輸出值之間的偏差，對(duì)成為判定該輸出值的大小時(shí)的基準(zhǔn)的比較值進(jìn)行設(shè)定； 比較器，其將所述輸出值和所述比較值設(shè)定器中保存的比較值進(jìn)行比較，在所述輸出值比所述比較值小的情況下，生成用于對(duì)所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)的變更進(jìn)行指示的信號(hào)；以及 頻帶可變?cè)O(shè)定器，其基于來(lái)自所述比較器的信號(hào)，對(duì)所述低通濾波器的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行變更。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其特征在于， 在所述比較值設(shè)定器中，設(shè)定有值依次變小的多個(gè)比較值， 在所述頻帶可變?cè)O(shè)定器中，降序設(shè)定有所述多個(gè)比較值和與這些比較值對(duì)應(yīng)而確定的所述時(shí)間常數(shù)， 所述頻帶可變?cè)O(shè)定器在每次接收來(lái)自所述比較器的信號(hào)時(shí)，依次選擇與所述各比較值對(duì)應(yīng)而設(shè)定的時(shí)間常數(shù)，對(duì)所述低通濾波器的頻帶進(jìn)行變更。
全文摘要
本發(fā)明提供一種交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置，其抑制由于過(guò)渡電壓飽和而產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。交流電動(dòng)機(jī)的控制裝置具有位置控制器，其生成速度指令；速度控制器，其生成電流指令；電流控制器，其生成電壓指令；di/dt限制器部，其對(duì)相當(dāng)于q軸電壓方程式的過(guò)渡電壓成分的q軸電壓飽和量進(jìn)行計(jì)算；以及飽和量F/B部，其利用q軸電壓飽和量生成位置指令修正量。另外，該飽和量F/B部具有LPF，其使q軸電壓飽和量通過(guò)，將通過(guò)后所獲得的輸出的換算值作為位置指令修正量，向位置控制器的輸入側(cè)反饋；以及頻帶設(shè)定器，其將相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的電路時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)的值，作為用于確定LPF的頻帶的濾波器常數(shù)而設(shè)定在LPF中。
文檔編號(hào)H02P21/14GK102983805SQ201210055810
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者江頭洋一 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社