專利名稱：逆變器控制的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種逆變器控制設備和驅動馬達的方法的改進。
為了便于理解，下面將結合例子來描述用于驅動感應馬達的矢量控制逆變器控制設備(以下稱為“逆變器控制設備”)。
圖25、26、27和28顯示了傳統(tǒng)的控制型矢量控制逆變器控制設備。圖25是主要裝置圖，圖26是矢量控制框圖，圖27是PWM操作原理圖，且圖28(a)-28(b-3)是逆變器控制設備的輪廓圖。
在圖25中，標號1表示一個三相交流電源，2表示由二極管等組成的整流電路-它從三相交流電源1獲得直流電壓，3表示直流電壓平滑濾波器，4表示由諸如晶體管的開關器件組成的逆變器電路，5表示一個作為負載的感應電機(以下稱為“馬達”)。6表示檢測馬達5的速度的速度檢測器，7表示提供馬達5的速度依據(jù)的速度指令電路，8表示一個矢量控制運算電路-它根據(jù)速度指令電路7的指令值ωr*與速度檢測器6的檢測輸出ωr之間的偏離對馬達5的初級電流指令值I*進行運算，9表示一個電流檢測器-它檢測馬達5的初級電流檢測值I，10表示一個脈沖寬度調制控制電路(以下稱為“PWM電路”)-它根據(jù)所述初級電流指令值I*與初級電流檢測值I之間的偏離來產生使開關裝置通-斷的信號，且11表示一個散熱器，它散掉由裝在整流電路2和逆變器電路4中的裝置產生的熱量。
在上述裝置中，現(xiàn)在根據(jù)圖26的矢量控制框圖來描述矢量控制運算電路8的內部設置。在此圖中，81表示一個運算放大器，它放大速度指令電路7的指令值ωr*與速度檢測器6的檢測值ωr之間的差，并輸出用于力矩Iq*的電流指令值；82表示一個次級磁通量圖形發(fā)生器，它根據(jù)速度檢測器6的檢測值ωr來產生次級磁通量指令值Φ2*；83表示一個算法電路，它根據(jù)次級磁通量圖形發(fā)生器82的輸出來產生一個估計的次級磁通量Φ2和激勵電流分量指令值Id*；84表示一個初級電流幅度發(fā)生器，它根據(jù)用于力矩Iq*的電流指令值和激勵電流分量指令值Id*來產生一個初級電流幅度值｜I1*｜；85表示一個力矩幅角算法電路，它從力矩Iq*的電流指令值和激勵電流分量指令值Id*對力矩幅角θ*進行運算；86表示一個滑差頻率指令算法電路，它從用于力矩Iq*的所述電流指令值和估計的次級磁通量Φ2對一個滑差頻率指令ωs*進行運算；且87表示一個初級電流指令算法電路，它根據(jù)由力矩幅角算法電路85的輸出｜I1*｜、力矩幅角算法電路85的輸出θ*和滑差頻率指令算法電路86的輸出ωr*與速度檢測器6的輸出ωr之和組成的逆變頻率指令ω0來對初級電流指令值I*進行計算。所述電路組成了矢量控制運算電路8。
在這種設置中，現(xiàn)在將根據(jù)圖27的PWM操作原理圖，來描述PWM電路10的內部設置。在此圖中，1001表示ΔI或初級電流指令值I*與初級電流檢測值I之間的偏離，1002表示用于斬波ΔI的三角波，且1003表示開關信號-它作為所述ΔI與三角波之間的比較結果，當ΔI大于該三角波時導通且當ΔI小于該三角波時關斷。該三角波的周期一般被稱為PWM頻率且在下面被稱為“fpwm”。這些裝置，諸如裝在逆變器電路4中的功率晶體管，(以下稱為“開關裝置”)在這種開關信號1003的控制下被通一斷。
圖28(a)-28(b-3)是包含所述設置的逆變器控制設備的輪廓圖。在這些附圖中，標號11a、11b和11c表示了散熱器，12表示一個電路，且13表示一個冷卻風扇。當負載或馬達受到逆變器控制設備的驅動時，fpwm通常被設定為大約3kHz。然而，由于處于人所能夠聽見的范圍內，大約為3kHz的頻率在馬達運行時產生了討厭的噪聲。為了降低或基本上消除這種噪聲，經常將fpwm設定在人的聽力范圍以外或大約為10kHz-20kHz。另外，當馬達以非?？斓乃俣绒D動時(大約為50000rpm或更高)，必須將fpwm設定在并正常情況下更高的值(大約5kHz-10Hz)，以保持如下的控制性能，因為馬達電流的頻率更高。在這些圖中，圖28(a)顯示了逆變器控制設備的輪廓，其中fpwm大約為3kHz；且圖28(b-1)、28(b-2)和28(b-3)顯示了當fpwm為大約5kHz-20kHz的逆變器控制設備的輪廓。隨著fpwm增大，逆變器電路4中的開關裝置的開關損耗上升且產生的熱量增大。因此，散熱器11b、11c必須比圖28(b-1)和28(b-2)中的散熱器11a大，或者必須在外側設置冷卻風扇13，如圖28(b-3)所示，以改善散熱能力。
在上述驅動馬達的傳統(tǒng)逆變器控制設備中，當需要以低噪聲驅動馬達時，要將fpwm設定在比正常情況更高的值。另外，當需要以非?？斓霓D速驅動馬達時，需要將fpwm設定在比正常情況更高的值。在傳統(tǒng)上，作方對付開關裝置由于如上所述地設定在更高值的fpwm而產生的熱量增大的措施，將逆變器控制設備的散熱器作得更大或者在外側設置額外的冷卻風扇。因此，當以低噪聲或快的轉速驅動馬達時，逆變器控制設備的尺寸或成本因而被增大了。
因此，本發(fā)明的一個目的，是通過提供一種馬達驅動逆變器控制設備來克服上述問題，當以低噪聲或非?？斓霓D速驅動馬達時，該逆變器控制設備不需要大的尺寸和外形，因而不會導致成本的增大。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的馬達驅動逆變器控制設備具有以下的一或多個特征(1)低速-高速PWM切換，由在馬達的低速和高速范圍之間切換fpwm的裝置提供；(2)恒定力矩恒定輸出PWM切換，由在馬達的恒定力矩特性區(qū)和恒定輸出區(qū)之間切換fpwm并將fpwm與速度函數(shù)一起設定在恒定輸出區(qū)中的裝置提供；(3)加速/減速穩(wěn)定狀態(tài)pwm切換，由只在馬達加速/減速期間將fpwm設定在更高值的裝置提供；(4)速度-位置PWM切換，由只在位置環(huán)操作將fpwm設定在更高值的裝置提供；(5)等效負載因子PWM切換，由對馬達負載因子進行運算并能夠根據(jù)該負載因子來改變fpwm的裝置提供；(6)散熱器-環(huán)境溫度差PWM切換，由檢測散熱器的溫度和逆變器控制設備的環(huán)境溫度并能夠根據(jù)它們之間的差來改變fpwm的裝置提供；(7)由在固定和改變fpwm之間進行選擇的裝置進行的切換；以及(8)當fpwm受到切換時，將開關裝置的柵極關閉一次。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的一個實施例的主設置圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的一個實施例的操作時序圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的一個實施例的操作流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第二實施例的主設置圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第二實施例的操作時序圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第二實施例的操作流程圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第三實施例的主設置圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第三實施例的操作時序圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第三實施例的操作流程圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第四實施例的主設置圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第四實施例的操作時序圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第四實施例的操作流程圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第五實施例的主設置圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第五實施例的操作時序圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第五實施例的操作流程圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第六實施例的主設置圖。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第六實施例的操作時序圖。
圖18是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第六實施例的操作流程圖。
圖19是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第七實施例的主設置圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第七實施例的操作時序圖。
圖21是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第七實施例的操作流程圖。
圖22是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第八實施例的主設置圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第八實施例的操作時序圖。
圖24是根據(jù)本發(fā)明的用于驅動馬達的逆變器控制設備的第八實施例的操作流程圖。
圖25是傳統(tǒng)的用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。
圖26是傳統(tǒng)的用于驅動馬達的逆變器控制設備的矢量控制框圖。
圖27是傳統(tǒng)的用于驅動馬達的逆變器控制設備的PWM操作原理圖。
圖28(a)-28(b-3)是傳統(tǒng)的用于驅動馬達的逆變器控制設備的輪廓圖。
在上述附圖中，在本發(fā)明的幾個實施例中，與現(xiàn)有技術中的部分相同的部分由相同的標號表示。
下面結合圖1描述本發(fā)明的第一實施例；圖1是用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。
在此圖中，標號14表示一個低速-高速PWM切換電路14，它具有接收速度檢測器6的檢測輸出ωr、判定當前馬達速度是處于低速范圍還是處于高速范圍、并切換PWM電路10的fpwm的裝置。
圖2是本發(fā)明的第一實施例用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖?，F(xiàn)在根據(jù)圖2來描述該實施例的操作原理。
在圖2中，顯示了圖27中的PWM電路10的內部設置，下面將描述fpwm與馬達電流頻率fm之間的關系。一般地，要在不影響控制性能的情況下驅動馬達，至少需要滿足以下的條件fpwm＞6×fm即，在馬達電流的一個周期中至少應該進行六次切換。圖2顯示了六次切換的出現(xiàn)。為了給出一個具體的例予以便于理解，當兩極感應馬達以50000rpm轉動時fm＝P×ωr/12＝(2×50000/120)＝0.833kHz因此，fpwm＞6×0.833kHz＝5kHz如果馬達以25000rpm轉動，fpwm可以是2.5kHz。
圖3是本發(fā)明的第一實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖?，F(xiàn)在結合圖3描述由低速-高速PWM切換電路14進行的操作的流程例子。首先，在步驟101判定馬達速度r是否小于25000rpm。如果速度小于25000rpm，則在步驟102將fpwm設定在2.5kHz。如果不小于25000rpm，則在步驟103將fpwm設定在5kHz。
根據(jù)傳統(tǒng)技術，fpwm在低速范圍中也被設定在5kHz，以便于50000rpm驅動馬達，這在進行較多次的重切削且馬達電流增大的情況下，在低速范圍中使開關裝置產生出的熱量增大。如所解釋的，這造成了逆變器控制設備的尺寸的增大。
根據(jù)本發(fā)明，fpwm在低速范圍中與現(xiàn)有技術的相同(其中進行較多次的重切削)，以防止開關裝置產生的熱量增大。然而，在主要進行輕切削的高速范圍中，fpwm得到了提高，以保持控制性能。其結果，能夠用具有圖28(a)所示的傳統(tǒng)設備的特征的逆變器控制設備，來如下所述地保持非?？斓霓D速。
另外，在本發(fā)明中，fpwm的切換速度，就是直接裝在馬達上的速度檢測器檢測的速度。因此，能夠實時地掌握馬達的實際速度，且在切換時序中不會出現(xiàn)速度檢測延遲，以提供平滑的加速/減速特性。
除了本發(fā)明的實施例以外，fpwm的切換速度可以由一個速度指令確定或者從馬達電流的頻率估計。如果采用速度指令，則在速度指令與實際速度之間一般有一個延遲，造成切換的速度與所希望用于切換的實際速度有所不同。另外，如果采用從電流頻率估計的速度，則由于具有PWM導出的諧波的電流波形，會產生速度估計值誤差，使得無法以精確的速度進行切換。因此，與本發(fā)明的第一實施例相比，難于以這種方法提供平滑的加速/減速特性。
現(xiàn)在結合圖4來描述本發(fā)明的第二實施例；圖4是用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。在此圖中，15表示一個恒定力矩-恒定輸出PWM切換電路，它接收速度檢測器6的檢測輸出ωr和包含在矢量控制運算電路8中的次級磁通量圖形發(fā)生器的馬達基速ωb、判定當前馬達速度是處于恒定力矩區(qū)內(即小于ωb)還是處于恒定輸出區(qū)內(即不小于ωb)，并切換PWM電路10的fpwm。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖?，F(xiàn)在將結合圖5來描述本實施例的操作原理。
圖5顯示了馬達特性，其中201表示輸出-速度特性，202表示力矩-速度特性，203表示次級磁通量-速度特性，且204表示初級電流-速度特性。感應馬達的輸出特性一般被設計成在小于ωb的速度區(qū)中如201所示地使輸出與速度成比例地增大，且在不小于ωb的速度區(qū)中使輸出保持恒定。用于切換ωb的該速度通常被稱為基速。202明顯地表示了在小于ωb時的恒定力矩特性(恒定力矩區(qū))和在不小于ωb時的恒定輸出特性(恒定輸出區(qū))。另外，與力矩成比例地，次級磁通量如203所示地象力矩那樣地彎曲。另外，馬達的初級電流，即流過逆變器電路4的開關裝置的電流，在小于ωb處如204所示地是恒定的，且在超過ωb時逐漸減小。
現(xiàn)在描述fpwm、馬達初級電流和開關裝置所產生的熱量之間的關系。一般地，開關裝置的損耗被分成(1)與fpwm和馬達初級電流成正比的切換損耗；以及(2)與馬達初級電流成正比的穩(wěn)定損耗。
另外，馬達通常以低噪聲運行，以減小令人討厭的馬達激勵噪聲，這種噪聲特別容易在小于ωb(此時次級磁通量大)時發(fā)生。因此，fpwm不一定在所有的速度區(qū)中都高以保持低噪聲，且本發(fā)明的目的是減小在次級磁通量和馬達初級電流小的恒定輸出區(qū)中的fpwm，以防止總的開關裝置損耗增大。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖。現(xiàn)在結合圖6描述由恒定力矩-恒定輸出PWM切換電路15進行的操作的流程圖。首先，在步驟205判定馬達速度ωr是否小于ωb。如果該速度小于ωb，則在步驟206將fpwm設定為fpwm0＝10-20kHz。如果該速度不小于ωb，則在步驟207，在fpwm＞3kHz的條件下，將fpwm設定為(ωb/ωr)×fpwm0。
根據(jù)現(xiàn)有技術，雖然主要應該是在小于ωb的速度區(qū)中降低馬達噪聲，但由于沒有fpwm切換功能，在不小于ωb的速度區(qū)中fpwm也被設定在10-20kHz，這導致了開關裝置產生的熱量在所有速度區(qū)中的增大，從而造成了逆變器控制設備的尺寸的增大。
根據(jù)本發(fā)明，在次級磁通量大的恒定力矩區(qū)中fpwm得到了提高，而在次級磁通量以更高的速度減小的恒定輸出區(qū)中fpwm被逐漸減小，以防止總的開關裝置產生熱量的增大，其結果，是能夠用與圖28(a)所示的傳統(tǒng)設計相同的逆變器控制設備，來保證馬達的低噪聲運行。如下所述?，F(xiàn)在描述本實施例與第一實施例的不同。第一實施例在低速范圍和高速范圍之間切換fpwm(在低速范圍中為低fpwm且在高速范圍中為高fpwm)，且第二實施例的恒定力矩區(qū)與恒定輸出區(qū)之間切換fpwm(在恒定力矩區(qū)中為高fpwm且在恒定輸出區(qū)中為低fpwm)。兩個實施例在以給定的速度切換fpwm上是類似的，但在以下方面不同(1)第一實施例采用了滿足條件fpwm＞6×fm的速度作為切換速度，其中fm＝馬達初級電流的頻率，以便即使在高速范圍中也保持控制性能，并降低在低速范圍中的產生熱量；且(2)第二實施例采用了馬達基速ωb作為切換速度，以在小于基速時降低馬達噪聲并在不小于基速度時降低熱量產生。因此，第一和第二實施例在fpwm在切換速度下減小和增大是彼此相對的，因而它們有不同的效果，即，第一實施例抑制了熱量產生并同時保持在非常高的速度范圍中的控制性能，而第二實施例抑制了熱量產生并同時降低了低速范圍中的噪聲。
現(xiàn)在結合圖7描述本發(fā)明的第三實施例；圖7是用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。在此圖中，16表示一個加速/減速-穩(wěn)定狀態(tài)PWM切換電路，它具有接收速度檢測器6的檢測輸出ωr和速度指令電路7的指令輸出ωr*、判定電流馬達操作是處于加熱/減速操作模式還是處于任何其穩(wěn)定-狀態(tài)操作模式、并切換PWM電路10的fpwm的裝置。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖。現(xiàn)在根據(jù)圖8描述該實施例的操作原理。
圖8顯示了判定馬達操作模式的方式，其中301表示馬達速度，302表示一個馬達啟動信號，303表示一個達到速度信號，304表示一個加速/減速標志，305表示一個切削負載狀態(tài)，且306表示一個馬達初級電流。首先，當馬達啟動信號302在時刻刻t被導通時，馬達加速并在時刻t2達到一個目標速度，從而導通一個達到速度信號303。當負載305隨后通過在時刻t3切削而被加到馬達上時，馬達初級電流306即等于該負載的電流。當負載305在時刻t4被切斷時且啟動信號302隨后在時刻t5被關斷時，達到速度信號303關斷且馬達減速。在t1的t2之間和t5與t6之間，以后面方法判定馬達是在加速還是在減速，且加速/減速標志304導通。在這些加速和減速期間，通常還提供馬達的最大輸出，以減小加速和減速所需的時間，且為了實現(xiàn)這點，馬達初級電流也被增大。
為了以低噪聲操作馬達，經常強調的是在加速/減速期間減小噪聲。這是由于當不進行加速/減速且進行沒有切削的空載運行時，通常進行軟激勵控制，該控制如在本發(fā)明的第二實施例中所述地強行減小馬達的次級磁通量，以降低馬達激勵聲，因而噪聲不是一個問題。另外還由于當不進行加速/減速且進行切削時，在所要切削的工件與工具之間產生的機械切削噪聲比馬達產生的電激勵噪大得多。因此，經常的情況是馬達不需要進行噪聲抑制。
因此，并不是在所有的操作模式下都需要為了降低噪聲而增大fpwm，且本發(fā)明的目的是只在噪聲特別成為問題的加速/減速期間增大fpwm且在其他穩(wěn)定狀態(tài)操作期間降低fpwm，從而防止總的開關裝置損耗增大。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖?，F(xiàn)在根據(jù)圖9描述由加速/減速-穩(wěn)定狀態(tài)PWM切換電路16進行的操作流程圖。首先，在步驟307判定加速/減速標志是否導通。如果該標志不導通，則在步驟308檢查啟動指令。如果該指令還沒有改變，則在步驟309將fpwm設定為fpwmL＝3-5kHz。如果在步驟308所檢查的指令已經改變，則在步驟310使加速/減速標志導通并在步驟311將fpwm設定為fpwmH＝5-20kHz。如果在步驟307加速/減速標志為導通，則在步驟312檢查達到速度信號。如果它為導通，則程序進行到步驟311。如果該信號不導通，則在步驟313將加速/減速標志關斷，且操作隨后進行到步驟309。
根據(jù)傳統(tǒng)技術，已經應該主要只在加速/減速操作模式下降低馬達噪聲，但在所有的模式下fpwm都被設定在10-20kHz，因為沒有fpwm切換功能。這造成了開關裝置在所有操作模式下所產生的熱量的增大，導致了逆變器控制設備尺寸的增大。
根據(jù)本發(fā)明，在馬達電流大且馬達激勵聲令人討厭的加速/減速操作模式下，fpwm被提高，以降低馬達噪聲，且在馬達激勵聲不成為問題的穩(wěn)定狀態(tài)操作模式，fpwm被降低，以防止開關裝置產生的總熱量的增大。其結果，可以具有用圖28(a)所示的傳統(tǒng)設備的特征的逆變器控制設備，來保證如下所述的馬達低噪聲運行。
本發(fā)明的特征，還在于它在不處于加速/減速模式時連續(xù)進行了PWM控制。其結果，在穩(wěn)定狀態(tài)模式下保證了迅速的響應，且系統(tǒng)能夠抵抗干擾負載。這些特征，對于例如在加速/減速模式下降低機器工具的主軸的噪聲并同時在和穩(wěn)定狀態(tài)模式下保持對切削負載的響應是有效的。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的第四實施例。圖10是用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。在此圖中，17表示一個對速度檢測器6的檢測輸出ωr進行積分并輸出位置檢測值θr的積分器；18表示一個位置指令電路，它提供馬達5的位置基準θr*；19表示一個位置環(huán)增益電路，它將位置指令電路18的輸出θr*與積分器17的輸出θr之間形成偏離與一個位置環(huán)增益KP相乘，并將相乘的結果作為速度指令ωr*而輸出；20表示一個速度-位置模式選擇開關，它在當前模式為速度指令操作模式時將一個觸頭切換到位置a，并在當前模式為位置指令操作模式時將該觸頭切換到位置b；且21表示一個速度-位置PWM切換電路，它具有檢測速度-位置模式選擇開關20的位置并在速度指令操作模式與位置指令操作模式之間切換PWM電路10的fpwm的裝置。
圖11是根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖。圖11顯示了判定馬達的指令模式的方式，其中401表示馬達速度，402表示位置模式ON信號，403表示初始位置返回完成信號，且404表示速度-位置模式選擇開關20的狀態(tài)信號。首先，當在位置模式ON信叫402在時刻t1被導通時，馬達開始減速以返回到起始位置并在時刻t2完成起始位置返回。此時，初始位置返回完成信43被導通，且同時速度-位置模式選擇開關20從位置a移動到位置b。隨后，馬達在時刻t3在位置指令行下運行。當位置模式ON信號402隨后在時刻t5被關斷時，初始位置返回完成信號403被關斷且同時速度-位置模式選擇開關20從位置b移到位置a。在t2與t5之間，即在位置指令模式下，馬達的速度環(huán)要求高響應，如同在C軸控制。因而，在此位置指令模式中，不進行本發(fā)明的第三實施例中所述的軟激勵控制(因為軟激勵控制相應地降低了速度環(huán)增益，影響了速度響應)，而是經常進行硬激勵控制，從而象上面所述的那樣產生大的噪聲(激勵聲)。因此，在該位置指令模式下，馬達必須以低噪聲運行，但fpwm不用在所有的運行模式下都為此而得到增大。本發(fā)明的目的，是只在噪聲特別成為問題的位置指令模式下增大fpwm并在其他模式下減小fpwm，從而在問題指令模式下保持速度環(huán)響應并防止總的開關裝置損耗的增大。
圖12是本發(fā)明的第四實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖?，F(xiàn)在結合圖12描述速度-位置模式選擇開關20進行的操作的流程。首先，在步驟405判定是否處于位置指令模式。如果不是，則在步驟407執(zhí)行軟激勵控制并在步驟408將fpwm設定為fpwmL＝3-5kHz。如果在步驟405是處于位置指令模式，則在步驟406判定初始位置返回完成信號是否導通。如果它不導通，則操作進行到步驟407和408。如果在步驟406初始位置返回完成信號導通，則在步驟409執(zhí)行硬激勵控制并在步驟410將fpwm設定為fpwmH＝10-20kHz。
根據(jù)傳統(tǒng)技術，雖然主要只是在位置指令模式下需要降低馬達噪聲，但由于沒有fpwm切換功能，fpwm在所有的模式下都被設定為10-20kHz，這造成了開關裝置在所有模式下所產生的熱量的增大，導致了逆變器控制設備的尺寸的增大。
根據(jù)本發(fā)明，在馬達激勵聲令人討厭的位置指令模式下，fpwm被提高，以降低馬達噪聲，且在馬達激勵聲不成問題的其他速度，指令模式下，fpwm被降低，以防止開關裝置產生的總熱量的增大。其結果，可以具有用圖28(a)所示的傳統(tǒng)設備的特征的逆變器控制設備，來保證如下所述的馬達低噪聲運行。
現(xiàn)在結合圖13來描述本發(fā)明的第五實施例；圖13是一種用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。在此圖中，22表示一個等效負載因子PWM切換電路，它具有從矢量控制算法電路8接收用于力矩Iq*的電流指令值、對馬達的等效負載因子進行運算、并切換PWM電路10的fpwm的裝置。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖?，F(xiàn)在根據(jù)圖14來描述該實施例的操作原理。
圖14顯示了對馬達的等效負載因子進行運算的方式，其中501表示一個馬達速度，502表示一個馬達啟動信號，503表示一個切削負載狀態(tài)，且504表示一個用于力矩Iq*的電流指令值。首先，當馬達啟動信號502在時刻t1被導通時，馬達被加速并在時刻t2達到目標速度。當負載503通過切削等等而在時刻t3被加到馬達上時，與該負載對應的用于力矩Iq*504的電流指令值得到輸出。當負載503在時刻t4被切斷且馬達啟動信號502隨后在時刻t5被關斷時，馬達被減速。在t1與t2和t5與t6之間，馬達被加速和減速，提供馬達的最大輸出以減小加速和減速所需的時間，且為了實現(xiàn)這點，用于力矩Iq*的電流指令值通常為用于力矩的額定電流值的120％。
假定在t3與t4之間的切削負載為例如80％，且T是用于找到等效負載因子所需的基準時間，則可用下式找到時刻t0與t6之間的等效負載因子等效負載因子＝(1.22×{(t2-t1)+(t6-t5)}+0.82×)1/2/T……數(shù)字表達式1類似地，在下一個周期T(在時刻t6與t7)之間中的等效負載因子，也用類似的數(shù)學表達式得到。因此，以類似的方式為各個T周期找到等效負載因子。最好將此時間T設定為單個周期時間(即用于重復相同的操作的時間)的1/5到1/10，因為如果T與例如單個周期時間相匹配，則等效負載因子將始終得到固定，從而不能產生本發(fā)明的效果。
為了使馬達以低噪聲運行，關鍵是要考慮這種等效負載因子，因為如果為了使馬達以低噪聲運行而以如上所述的方式過度增大fpwm，則開關裝置產生的熱量增大，且在最壞的情況下，可能會超過裝置的允許溫度，從而造成裝置的損壞或產生過熱警報以保護裝置。為了防止這種情況，需要監(jiān)測等效負載因子并同時控制fpwm的值，以抑制裝置產生的熱量。
因此，為了降低噪聲而將fpwm保持為高，會在裝置保護方面產生問題，且本發(fā)明的目的是使fpwm根據(jù)負載因子而變化，從而防止總開關裝置損耗的增大。
圖1 5是根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖?，F(xiàn)在結合圖15來描述由等效負載因子PWM切換電路22進行的操作的流程。首先，在步驟505判定定時器是否計時到了T。如果它還沒有計時到T，則在步驟506使定時器繼續(xù)計時。如果定時器已經計時到了T，則在步驟507將其復置，隨后在步驟508用數(shù)字表達式1對等效負載因子進行運算，且該計算處理的結果被定義為Load-e(％)。隨后，在步驟509將fpwm設定為fpwm)×(Load-c/Load-e)(其中fpwm0＝10-20kHz，Load-c＝100％)。因此，根據(jù)該操作流程，隨著等效負載因子增大，fpwm降低。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)等效負載因子而改變fpwm，以防止開關裝置產生的總熱量的增大，從而能夠采用如圖28(a)所示的傳統(tǒng)設備相同的逆變器控制設備來以如下所述的方式保持馬達的低噪聲運行。
作為與本發(fā)明的方法類似的一種方法，可以想到的是馬達電流的瞬時值或用于力矩Iq*的電流指令值的瞬時值被看作負載因子，且使fpwm能夠保持該負載因子改變。然而，用這種方法，由于馬達電流和用于力矩Iq*的電流指令突然改變(即迅速跟蹤負載變化)，所以fpwm也突然改變，從而使得難于執(zhí)行穩(wěn)定的電流控制。
與其相反，本發(fā)明在一定的時間的保持了給定的fpwm，從而保證了更穩(wěn)定的電流控制。
現(xiàn)在結合圖16描述本發(fā)明的第六實施例，圖16是用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。在此圖中，23表示一個散熱器熱敏電阻，它裝在散熱器11上以測量逆變器電路4中的開關裝置的溫度；24表示一個散熱器溫度檢測電路，它接收散熱器熱敏電阻23的輸出；26表示一個環(huán)境溫度熱敏電阻，它裝在安裝在控制盒中的逆變器控制設備的周邊上，以測量控制盒的環(huán)境溫度；27表示一個環(huán)境溫度檢測電路，它接收環(huán)境溫度熱敏電阻26的輸出；且25表示一個散熱器-環(huán)境溫度差PWM切換電路，它具有接收來自環(huán)境溫度檢測電路27的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)并根據(jù)它們之間的差切換PWM電路10的fpwm的裝置。
圖17是根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖?，F(xiàn)在結合圖17描述該實施例；圖17顯示了散熱器溫度和環(huán)境溫度的改變。在此圖中，601表示散熱器溫度，602表示環(huán)境溫度，且603表示馬達負載狀態(tài)。
在此圖中，在時刻t1與t2之間，馬達負載603為0，且散熱器溫度601幾乎與環(huán)境溫度602相同。當負載L1在時刻t2被加上時，散熱器溫度601上升。當在時刻t3加上了負載L2(＞L1)時，散熱器溫度601進一步上升。當環(huán)境溫度602在時刻t4在加上了負載L2的情況下上升時，散熱器溫度601也相應地上升，但溫度差相等(散熱器溫度-環(huán)境溫度)且在時刻t4與t5之間為常數(shù)。當馬達負載603在時刻t5再次為零時，散熱器溫度601下降并最終達到幾乎與環(huán)境溫度602相同的值。
為了使馬達以低噪聲運行，關鍵是要考慮該溫度差，因為如果為了使馬達以低噪聲運行而使fpwm以如上所述的方式過度增大，開關裝置產生的熱量增大，且在最壞的情況下，可能會超過裝置的允許溫度，從而造成裝置的損壞或產生過熱警報以保護裝置。為了防止這些，只有散熱器溫度可以得到檢測，且fpwm在溫度低時被增大，在溫度高時被減小，但馬達的負載因子還沒有得到考慮，因為在此情況下散熱器溫度包括環(huán)境溫度。即，由于如果只有環(huán)境溫度改變則fpwm的值改變，因而即使馬達負載因子相同，馬達的噪聲水平也取決于環(huán)境溫度。本發(fā)明對這種缺陷進行了補償，即根據(jù)散熱器溫度與環(huán)境溫度之差而只獲得了裝置的溫度上升，從而估計馬達的等效負載因子并同時控制fpwm的值，以抑制裝置產生的熱量。因此，由于為降低噪聲而把fwpm保持為高在裝置的溫度保護方面產生了問題，所以本發(fā)明的目的是使fpwm根據(jù)負載因子而變化，以防止總的開關裝置損耗的增大。
圖18是根據(jù)本發(fā)明的第六第實施例的用于驅動馬達的逆變控制設備的操作流程圖?，F(xiàn)在結合圖1 8描述由散熱器-環(huán)境溫度差PWM切換電路25進行的操作的流程。首先，在步驟604從散熱器溫度-環(huán)境溫度計算裝置溫度上升。隨后，在步驟605，根據(jù)計算結果而將fpwm設定為fpwm0×(溫度上升基準值/裝置溫度上升)(其中，例如，fpwm0＝10-20kHz，fpwm＜20kHz，溫度上升基準值＝25度)。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)散熱器溫度與環(huán)境溫度(與開關裝置溫度上升和馬達等效負載因子相比較)之間的差來改變fpwm，以防止開關裝置產生的總熱量的增大。其結果，能夠采用與圖28(a)所示的傳統(tǒng)設備相同的逆變器控制設備來保證如下所述的馬達低噪聲運行。
現(xiàn)在用圖19來描述本發(fā)明的第七實施例；圖19是用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。在此圖中，28表示一個低頻PWM設定電路，其中fpwm被固定在3-5kHz的低頻；29表示一個PWM切換電路，它在前述第二至第六實施例中的每一個里都得到了顯示；且30表示一個PWM系統(tǒng)選擇開關，它選擇低頻PWM電路28或PWM切換電路29。
圖20是根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖。現(xiàn)在根據(jù)圖20來描述該實施例的操作原理。在此圖中，801表示PWM系統(tǒng)選擇開關30的設定。在時刻t1之間，PWM系統(tǒng)選擇開關30被設定在位置a，以象在現(xiàn)有技術中那樣進行不需要低馬達噪聲的普通運行。隨后，當要求低馬達噪聲時，PWM系統(tǒng)選擇開關30在時刻t1被移動到位置b，以進行本發(fā)明的實施例2至6中所述的低噪聲運行。為了移動開關30，可以采用一個設定銷來選擇兩個位置中的一個、采用參數(shù)設定裝置(未顯示)的參數(shù)設定值來選擇兩個位置中的一個、或采用外部指令裝置(未顯示)的切換指令信號來選擇位置中的一個。圖20顯示了采用外部指令裝置的切換指令信號來動態(tài)地選擇位置的情況。
相應地，本發(fā)明的目的，是避免高頻PWM-其中操作條件受到了限制以減少開關裝置產生的熱量，以便在不特別要求低噪聲時以盡可能高的負載因子進行運行，并提供如在前述的實施例中所述的fpwm改變功能，以便在要求低噪聲時能夠采用相同的逆變器控制設備，即使開關裝置產生的熱量的增大將使負載因子比在開關30被設定在位置a的情況下低。
圖21是本發(fā)明的第七實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖。現(xiàn)在結合圖21來描述本發(fā)明的該操作流程。首先，在步驟802，判定當前運行是否處于低噪聲模式。如果不是處于低噪聲模式，則在步驟803將開關30設定在位置a，以便將fpwm設定在3-5kHz。如果在步驟802當前運行是處于低噪聲模式，則在步驟804將開關30置于位置b，以進行在本發(fā)明的第二至第六實施例中所述的低噪聲操作。
根據(jù)本發(fā)明，當要求低噪聲時能夠以最大的負載因子進行操作，且當要求低噪聲時進行在第二至第六實施例中所述的低噪聲操作。因此，第一個優(yōu)點是只設定開關使得能夠采用相同的逆變器控制設備作為低噪聲和高負載因子型設備，且第二個優(yōu)點是能夠按照需要在低噪聲模式和高負載因子模式之間切換操作。
現(xiàn)在描述本發(fā)明的第八實施例。圖22是本發(fā)明的第八實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的主設置圖。
在此圖中，31表示在前述的第一至第六實施例的每一個中所示的PWM切換電路；32表示PWM柵極關閉電路，它在一旦從PWM切換電路31接收的切換信號的控制下fwpm受到切換時，輸出一個柵極關斷信號(GOFF)以停止逆變器電路4中的開關裝置的切換。
圖23是根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作時序圖?，F(xiàn)在結合圖23來描述該實施例的操作原理。
在此圖中，901表示一個用于PWM控制的三角波，902表示馬達電流，且903表示一個開關裝置柵極導通信號。圖23a顯示了本發(fā)明的實施例1至7中所示的非?？焖龠\行或低噪聲操作中fpwm的切換，其中fpwm是在時刻t1瞬時從低頻切換到高頻或從高頻切換到低頻的。在此情況下，一個問題是該圖中所示的電流跳躍，它是由控制系統(tǒng)在時刻t1附近的干擾使fpwm突然改變引起的。在顯示本發(fā)明的圖23b中，柵極關閉在早于時刻t1的時刻t2進行，fpwm在時刻t1被切換到該狀態(tài)，且柵極導通信號在晚于時刻t1的時刻t3再將被導通。因此，本發(fā)明的目的，是保證在沒有在圖23a中造成問題的馬達電流902的跳躍的情況下的穩(wěn)定fpwm切換。
圖24是本發(fā)明的第八實施例的用于驅動馬達的逆變器控制設備的操作流程圖?，F(xiàn)在結合圖24描述由該PWM柵極關閉電路32進行的操作流程。首先，在步驟904檢查來自PWM切換電路31的輸出信號，以自動判定是否要切換fpwm(該判定方法如在本發(fā)明的實施例1至6中所描述的)。如果不切換fpwm，則在步驟905將在后面描述的定時器復位。如果在步驟904切換fpwm，則在步驟906判定該柵極關閉定時器是否已經計時到了設定的值TG。如果該定時器還沒有計時到TG，則在步驟908判定該定時器是否已經計時到了TG/2。如果該定時器還沒有計時到TG/2，則在步驟910使該定時器繼續(xù)計時。如果該定時器在步驟908已經計時到了TG/2，則在步驟909切換fpwm且流程進行到步驟910。如果該定時器在步驟906已經計時到了TG，則在步驟907使柵極導通信號導通。
根據(jù)本實施例，當馬達以非常高的速度或低噪聲運行時，能夠在進行fpwm切換時不出現(xiàn)馬達電流跳躍的情況下，實現(xiàn)穩(wěn)定的fpwm切換。
在本實施例中，雖然為了理解的方便而以矢量控制逆變器控制設備作為例子，但相同的裝置可以被安裝在其中設定PWM頻率以驅動馬達的任何其他系統(tǒng)中。
除了上述各個實施例以外，也可以將這些實施例的特征結合起來。在這里沒有給出這些結合的實施例，因為本技術領域中的人員能夠根據(jù)以下的教導很容易地將所顯示和公布的實施例結合起來。
第九實施例包括了第二和第六實施例的結合。為了減少在恒定力矩區(qū)(即小于ωb)中驅動馬達時產生的熱量，第二和第六實施例的結合將使fpwm在恒定力矩區(qū)中根據(jù)負載因子而變化。這種結合還提供了這樣的優(yōu)點，即具有優(yōu)異的噪聲減小效率。從第二和第七實施例的結合，可以獲得類似的結果。
第十實施例由第三實施例和第六實施例的結合獲得，并且也提供了高的噪聲減小效率。為了減小當重復且頻繁地進行加速和減速時產生的熱量，第十實施例中所述的結合將使fpwm在恒定力矩區(qū)中根據(jù)負載因子而變化。當把第三實施例與第七實施例相結合時，也能夠獲得類似的結果。
第十一實施例是從第四實施例和第六實施例的結合而獲得的，它用于減小在位置環(huán)驅動期間產生的熱量和噪聲。作為所公布的結合的結果，fpwm在位置環(huán)中根據(jù)負載因子而變化。當把第四實施例與第七實施例相結合時，也能夠獲得類似的結果。
第十二實施例是從第三、第四和第六實施例的結合獲得的。作為這種結合的結果，在只將第三和第六實施例相結合時在位置環(huán)驅動期間可能產生的噪聲，以及在只把第四和第六實施例相結合時在加速和減速期間可能產生的噪聲，都得到了減小。當把第三、第四和第七實施例相結合時，也能夠獲得類似的優(yōu)點。
每一個其他專利申請的整個公開-本發(fā)明從這些現(xiàn)有技術申請中獲得了好處-在此都被作為參考文獻。
雖然借助至少一個最佳實施例而以一定程度的具體性描述了本發(fā)明，但應該理解的是該最佳實施例的公布只是以舉例的方式進行的，且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以進行編號和部件設置上的改變。
權利要求
1.一種逆變器控制設備，包括用于檢測由一個逆變器電路驅動的馬達的初級電流的電流檢測器和用于根據(jù)所述電流檢測器的初級電流檢測值和一個初級電流指令值對所述逆變器電路進行脈沖寬度調制的脈沖寬度調制電路，其特征在于所述逆變器控制設備包括用于在固定和改變所述脈沖寬度調制電路的PWM頻率之間進行選擇的開關裝置。
全文摘要
用于由逆變器電路驅動的馬達的逆變器控制設備和方法。該馬達的初級電流由一個檢測電路檢測并與一個初級電流指令值一起被用來提供逆變器電路的脈沖寬度調制。該逆變器受到一個開關電路的控制，該開關電路能夠根據(jù)任一或多個個因素來改變PWM頻率，這些因素包括馬達速度、馬達速度或位置控制模式、等效負載因子和檢測溫度。
文檔編號H02M7/48GK1164144SQ97102460
公開日1997年11月5日 申請日期1997年2月15日 優(yōu)先權日1994年1月28日
發(fā)明者林田隆洋 申請人:三菱電機株式會社