CN1331306C - 旋转机械的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的旋转机械的控制装置具备：对根据角速度指令提供的初级角频率进行积分而计算相位的积分装置(11)；根据三相电压指令向旋转机械(1)施加三相电压的电力变换装置(14)；检测流过上述旋转机械的三相电流的电流检测装置(15)；根据上述积分装置(11)输出的相位把上述电流检测装置检测出的电流坐标变换为旋转二轴坐标上的电流，同时把旋转二轴坐标上的电压指令坐标变换为上述三相电压指令的坐标变换装置(13)；根据上述初级角频率和上述旋转二轴坐标上的电流，计算上述旋转二轴坐标上的电压指令的电压指令计算装置(12)，电压指令计算装置(12)根据上述旋转二轴坐标上的电流的各轴成分的绝对值计算上述旋转二轴坐标上的电压指令。由此，如果是负载扭矩相同的动作点，则在负载扭矩增加时和减少时可以使电流的过渡响应相等。

Description

旋转机械的控制装置

技术领域

本发明涉及旋转机械的控制装置。

背景技术

在旋转机械中包含感应电机和同步电机。其中，作为感应电动机的控制装置，以往例如知道在专利文献1中揭示的装置。即，在专利文献1中，特别如第8页-12页、图1、图8、图9、图12、图14所示那样，揭示了具备以下电路的感应电动机的控制装置：输出可变电压可变频率的交流初级电压(primary voltage)驱动感应电动机的电力变换电路；用于检测从上述电力变换电路提供给上述感应电动机的初级电流(primary current)的电流检测器；根据上述初级电流和预先设定的上述交流初级电压的频率指令值，计算第1以及第2电流成分的电流成分计算电路；计算使上述第1电流成分的平方值和上述第2电流成分的平分值的振幅比成为预先设定的规定值那样的磁通量指令值的磁通量指令计算电路；根据上述频率指令值和上述磁通量指令值计算初级电压成分指令值的电压成分指令计算电路；根据上述频率指令值和上述初级电压成分指令值，计算上述感应电动机的初级电压指令值并输出到上述电力变换电路的初级电压指令计算电路。

在该专利文献1中揭示的感应电动机的控制装置中，因为控制上述电流成分计算电路计算与上述初级电压成分指令值同相的第1电流成分以及相位偏离90度的第2电流成分，所以上述第1电流成分的平方值和上述第2电流成分的平方值的振幅比为预先设定的规定值，可以高效率地驱动感应电动机。

进而，在专利文献2中，揭示了这样的技术，根据倒相器(inverter)的频率、电压和电流，计算转差(slip)和成为最佳效率的转差频率，控制使其一致。另外，在专利文献3中，揭示了这样的技术，根据倒相器的频率、电压和电流计算转差和成为最佳效率的转差频率，控制使其一致。

[专利文献1]

特开2000-175492号公报

[专利文献2]

美国专利第5500581号说明书

[专利文献3]

美国专利第5786231号说明书

但是，因为作为与上述初级电压成分指令值同相的电力成分以及相位偏移90度的第2电力成分，提供各自的电流成分的平方值，使第1电流成分的平方值和上述第2电流成分的平方值的振幅比为预先设定的规定值，所以即使是负载扭矩相同的动作点，也存在负载增加时和减少时电流的过渡响应不同的问题，存在负载扭矩的动作点在轻负载时和高负载时电流的过渡响应不同的问题。

另外，因为将初级角频率(primary angular frequency)保持一定，所以如果因冲击负载等而旋转速度急剧变化时，由“初级角频率-转速”给出的转差频率也急剧变化，其结果，还存在电流振幅急剧变化出现过电流的问题。

进而，在专利文献2中，未考虑感应电动机的过渡特性。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种旋转机械的控制装置，它可以不管负载扭矩的增减和动作点如何都把电流的过渡响应保持一定，另外，即使因冲击负载等引起转速急剧变化时，也可以使电流的振幅在所希望的范围内。

在本发明中，其特征在于具备：对根据角速度指令提供的初级角频率进行积分计算相位的积分装置；根据三相电压指令向旋转机械施加三相电压的电力变换装置；检测流过上述旋转机械的三相电流的电流检测装置；根据上述积分装置输出的相位对上述电流检测装置检测出的电流进行座标变换而变换为旋转二轴座标上的电流，同时对旋转二轴座标上的电压指令进行座标变换而变换为上述三相电压指令的座标变换装置；根据上述初级角频率、以及上述旋转二轴上的电流的各轴电流的绝对值的偏差(|iq|-K|id|)，计算上述旋转二轴上的电压指令的电压指令计算装置。

如果采用本发明，则因为把旋转二轴座标上的电流的各轴成分作为绝对值处理，所以如果是负载扭矩相同的动作点，则在负载扭矩增加时和减少时可以使电流的过渡响应相等。

另一个发明是在上述发明中，其特征在于：上述电压指令计算装置计算与负载相应变化的励磁电流指令，同时用上述励磁电流指令除算上述旋转二轴座标上的电流的各轴成分的绝对值的偏差，求出微小励磁电流，根据求得的微小励磁电流和上述初级角频率计算上述旋转二轴座标上的电压指令。

如果采用本发明，因为用与负载对应地变化的励磁电流指令除算旋转二轴座标上的电流的各轴成分的绝对值，所以即使负载扭矩的动作点从轻负载变化到高负载时，也可以使电流的过渡响应相等。

另一个发明的特征在于：在上述发明中具备根据上述旋转二轴座标上的电流计算频率修正量，根据上述角速度指令限制该频率修正量，从上述初级角速度指令中减去上述限制后的频率修正量，输出上述初级角频率的频率修正装置。

如果采用本发明，因为即使因冲击负载等旋转速度急剧变化时，也与旋转速度的变化相应地使初级角频率变化，所以可以抑止电流振幅的急剧变化，可以解决过电流的问题。

附图说明

图1是展示作为本发明一个实施例的旋转机械的控制装置构成的框图。

图2是展示图1所示的电压指令计算器的构成例子的框图。

图3是展示图2所示的微小励磁电流计算单元的构成例子的框图。

图4是展示在初级频率(primary frequency)60Hz下使励磁电流指令值进行各种变化时的旋转速度和电流偏差(iq²-id²)的关系的图。

图5是展示在初级频率60Hz下使励磁电流指令值进行各种变化时的旋转速度和电流偏差(|iq|-|id|)的关系的图。

图6是展示在初级频率60Hz下使励磁电流指令值进行各种变化时中的旋转速度和电流偏差(|iq|-|id|)÷励磁电流指令的关系的图。

图7是展示在初级频率60Hz下使旋转速度变化时的转差频率和电流偏差(|iq|-|id|)÷励磁电流指令的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的旋转机械的控制装置的适宜的实施例。

图1是展示本发明的一个实施例的旋转机械的控制装置构成的框图。如图1所示，本实施例的旋转机械(例如感应电动机)1的控制装置具备频率修正器10、积分器11、电压指令计算器12、座标变换器13、电力变换器14和电流检测器15。

电力变换器14根据从座标变换器13输入的三相电压指令vu^*、vv^*、vw^*向旋转机械1施加三相电压。

电流检测器15检测流过旋转机械1的三相电流中的二相的相电流iu、iv并输出到座标变换器13。进而，在此展示了电流检测器15检测流过旋转机械1的三相电流中的二相电流的构成，但其构成也可以是例如检测三相电流的全部三相的电流，另外，还可以检测电力变换器14的母线电流，根据该检测值检测流过旋转机械1的三相电流。

积分器11对从频率修正器10输入的旋转机械1的初级角频率ω进行积分求出相位θ，输出到座标变换器13。

座标变换器13根据积分器11输出的相位θ，进行以下的处理：把从电流检测器15得到的二相的相电流iu、iv座标变换为旋转二轴座标上的电流id、iq，并提供给电压指令计算器12和频率修正器10的处理；把从电压指令计算器12输入的旋转二轴上的电压指令vd^*、vq^*座标变换为上述三相电压指令vu^*、vv^*、vw^*的处理。

电压指令计算器12根据从频率修正器10输入的旋转机械1的初级角频率ω和从座标变换器13输入的旋转二轴座标上的电流id、iq，计算上述旋转二轴座标上的电压指令vd^*、vq^*。

频率修正器10根据从座标变换器13输入的旋转二轴座标上的电流id、iq，修正从外部输入的角速度指令ω^*并输出上述初级角频率ω。具体地说，频率修正器10由以下部分构成：根据上述旋转二轴座标上的电流id、iq，计算与旋转机械1的负载变化量相应的频率修正量Δω的修正量计算器17；根据角速度指令ω^*限制频率修正量Δω的值的修正量限幅器18；从角速度指令ω^*中减去修正量限幅器18中的限幅值，输出上述初级角频率ω的减法器19。

在此，假设在座标变换器13输出的旋转二轴座标上的电流id、iq中，电流id是与上述相位θ同相位的电流成分，电流iq是与相位θ正交的相位的电流成分。另外，在被输入到座标变换器5的旋转二轴座标上的电压指令vd^*、vq^*中，电压指令vd^*是与上述相位θ同相位的电压指令成分，电压指令vq^*是与相位θ正交的相位的电压指令成分。

首先，参照图1，说明频率修正器10的动作。频率修正器10是为了解决专利文献1中揭示的技术具有的问题，即，因为将初级角频率保持一定，所以如果因冲击负载等旋转速度急剧变化，则转差角频率(＝初级角频率-旋转速度)也急剧变化，其结果是电流振幅急剧变化而处于过电流的问题而设置的。

即，在旋转机械1中，如果轴扭矩增加则旋转速度加速，如果轴扭矩减少则旋转速度减速。因而，如果判断轴扭矩的变化率则还判断旋转速度的增减。因而，在本实施例中，通过代替轴扭矩而使用旋转机械1的输出扭矩，根据旋转速度的增减，修正初级角频率，使转差角频率(＝初级角频率-旋转速度)不会急剧变化。

修正量计算器17如以下那样计算与旋转机械1的负载变化量相应的频率修正量Δω。即，通过式(1)的计算从上述电流id求出次级磁通量相当值φd，通过式(2)的计算从上述电流iq和求出的次级磁通量相当值φd求出输出扭矩推定值τ0。

φd＝1/(1+Tr·s)×id    ......(1)

τ0＝Pm×φd×iq    ......(2)

进而，在式(1)(2)中，s是拉普拉斯算子，Tr是旋转机械1的电气时间常数，Pm是旋转机械1的极对数。接着，通过式(3)的计算求出与已求得的输出扭矩推定值τ0的变化相应的频率修正量Δω。进而，在式(3)中，G1、G2是任意的实数。

Δω＝G1×s/(1+G2×s)×τ0    ......(3)

而后，因为如果频率修正量Δω过大，则初级角频率ω的值过小，所以在旋转机械1中引起不能产生充分的输出扭矩的现象。为了避免该现象，在修正量限幅器18中与角速度指令ω^*相应地限制频率修正量Δω的上限值或者下限值。其结果，从减法器19输出适宜值的初级角频率ω。

如果采用这样构成的频率修正器10，因为即使因冲击负载等旋转速度急剧变化时也可以与旋转速度变化相应地改变初级角频率ω，所以可以抑制电流振幅的急剧变化，可以解决过电流这种问题。

另外，在旋转机械1输出扭矩时，旋转角频率是从初级角频率中减去转差角频率的值。该转差角频率可以看作与输出扭矩成比例，可以把上述式(3)置换为以下的式(4)。进而，在式(4)中，G3是任意的实数。

Δω＝{G1×s/(1+G2×s)+G3}×τ0    ......(4)

通过代替式(3)使用式(4)，除了电流振幅急剧变化的抑止效果外，还具有可以修正因转差角频率引起的旋转机械1的速度降低的效果。其中，如果把任意的实数G1设置为零，则可以修正因转差角频率引起的旋转机械1的速度下降，但损害了电流振幅急剧变化的抑止效果。

以下，图2是展示图1所示的电压指令计算器12的构成例子的框图。如图2所示，电压指令计算器12具备微小励磁电流计算单元20、限幅器21、表23、带限制功能的积分器24、放大器25、26、乘法器27。

通过该构成，电压指令计算器12求出基于上述旋转二座标轴上的电流的各轴成分的绝对值偏差的微小励磁电流指令ΔI0、通过放大该微小励磁电流指令ΔI0而向旋转机械1提供的励磁电流指令I0，计算用于使励磁电流指令ΔI0流过旋转机械1的电压指令。

微小励磁电流计算单元20具体地说如图3所示那样构成，计算上述旋转二轴上的q轴电流成分iq的绝对值和d轴电流成分id的绝对值，把各自的偏差放大Kwi倍，用从带限制功能的积分器24输入的励磁电流指令IO除算它，求出微小励磁电流指令ΔI0。

限幅器21限制微小励磁电流计算单元20输出的微小励磁电流指令ΔI0的振幅。低通滤波器22输出除去了上述初级角频率ω的高频成分的低频成分ωf。表23根据低通滤波器22输出的低频成分ωf输出励磁电流指令的下限值I0MIN。

带限制功能的积分器24对从限幅器21得到的微小励磁电流指令ΔI0进行积分计算，输出受到如下限制的励磁电流指令I0，即，使该积分计算结果的范围收敛在从表23输入的励磁电流指令的下限值I0MIN和预先设定的励磁电流指令的上限值I0MAX的范围内。

放大器25将从限幅器21得到的微小励磁电流指令ΔI0乘以旋转机械1的电感值Ls，把它作为旋转二轴座标上的d轴电压指令vd^* 输出。放大器26将从带限制功能的积分器24得到的励磁电流指令I0乘以旋转机械1的电感值Ls。乘法器27将放大器26的输出和初级角频率ω相乘，把它作为旋转二轴座标上的q轴电压指令vq^*输出。

以下，图3是展示图2所示的微小励磁电流计算单元20的构成例子的框图。如图3所示，微小励磁电流计算单元20具备：绝对值计算器(ABS)30、31；放大器32；减法器33；除法器34；放大器35。

绝对值计算器(ABS)30计算d轴电流成分id的绝对值|id|。绝对值计算器(ABS)31计算q轴电流成分iq的绝对值|iq|。放大器32将绝对值计算器(ABS)30输出的d轴电流成分id的绝对值|id|放大K1倍。

减法器33从绝对值计算器(ABS)31输出的d轴电流成分id的绝对值|iq|中减去放大器32输出的K1×|id|。除法器34用励磁电流指令值I0除算减法器33的计算结果。放大器35将除法器34的计算结果放大Kwi倍，把它作为微小励磁电流指令ΔI0输出。

电压指令计算器12根据初级角频率和与旋转二轴上的电流的各轴成分的绝对值相关的偏差(|iq|-K1×|id|)，计算上述旋转二轴座标上的电压指令。

以下，参照图4～图7说明具备以上那样构成的电压指令计算器12的控制装置的动作。进而，图4是说明在专利文献1中揭示的技术的特性图，图5～图7是在本实施例中得到的特性图。在各图中，为了容易理解，作为vd^*＝0、vq^*＝ωLsI0，展示了用K1＝1时的开环来驱动旋转机械1时的常数特性。

在本实施例的电压指令计算器12中，如上所述，虽然不求出旋转二轴座标上的q轴电流成分iq的平方值和d轴电流成分id的平方值，但如在专利文献1中揭示的技术那样，在图4中展示求出平方值时的旋转速度和电流偏差(iq²-id²)的关系。

在图4中，横轴是旋转速度[Hz]，刻度为58Hz～62Hz。纵轴是电流偏差(iq²-id²)[A²]，刻度是400～-200。初级频率是60Hz。另外，励磁电流指令I0以200[V]÷(2π60Ls)[A]为基准，在0.6倍～1.4倍之间变化(参照符号40)。

如图4所示，旋转速度在59Hz附近或者61Hz附近时，与励磁电流指令I0的值无关地电流偏差(iq²-id²)为零。

因此，在旋转二轴座标上的d轴电流成分id的平方值和q轴电流成分iq的平方值的振幅比是预先设定的规定值那样的在专利文献1中揭示的技术中，假设操作励磁电流指令I0的值调整发生扭矩，使得实际旋转速度在59Hz或者61Hz附近。

但是，在根据电流偏差(iq²-id²)的大小控制旋转机械1时，如可以从图4理解的那样，因为电流偏差(iq²-id²)的大小和旋转速度(或者转差频率)的关系非线性地变化，所以在旋转速度的初始值是60Hz，收敛于59Hz的情况下和旋转速度的初始值是58Hz收敛于59Hz的情况下，收敛响应不一致。

另一方面，图5是展示用本实施例的电压指令计算器12得到的转送速度和电流偏差(|iqs|-|ids|)的关系的图。在图5中，横轴是旋转速度[Hz]，刻度是58～62Hz。纵轴是电流偏差(|iqs|-|ids|)[A]，刻度是10～-10。初级频率是60Hz。另外，励磁电流指令I0以200[V]÷(2π60Ls)[A]为基准在0.6倍～1.4倍之间变化(参照符号50)。

在图5中，也与图4一样，在旋转速度处于59Hz附近或者61Hz附近时，与励磁电流指令I0的值无关地电流偏差(iqs-ids)为零。

但是，在图5中，与图4不同，在旋转速度处于59Hz附近或者61Hz附近时，电流偏差(|iqs|-|ids|)与旋转速度的变位对应地表现比例性变化。

即，如果考虑K1＝1的情况，则因为图3所示的微小励磁电流计算单元20具备：计算d轴电流成分id的绝对值|id|的绝对值计算器30；计算q轴电流成分iq的绝对值|iq|的绝对值计算器31；计算电流偏差(|iq|-|id|)的减法器33，所以在旋转速度的初始值是60Hz收敛于59Hz的情况和旋转速度的初始值是58Hz收敛于59Hz的情况下，收敛响应一致。

以下，在图4以及图5所示的特性中，即使是同样的转速也因励磁电流指令I0的原因而电流偏差的振幅不同。这是因为在专利文献1中公开的技术中，即使是负载扭矩相同的动作点，在负载扭矩增加时和减少时电流的过渡响应不同，负载扭矩的动作点在轻负载时和高负载时电流的过渡响应不同。

在本实施例中，如果如图5所示也根据电流偏差(|iq|-|id|)的值控制旋转机械1，则因励磁电流指令I0的初始值引起直至收敛于固定点为止的响应不一致，但从图3所示的构成可以理解，在本实施例中，因为进行从图5所示的特性可以得到图6所示的特性的操作，所以不发生这样的问题。

图6是展示在初级频率60Hz下使励磁电流指令值进行各种变化时的转速和电流偏差(|iqs|-|ids|)÷励磁电流指令的关系的图。

在图6中横轴是旋转速度[Hz]，刻度是58Hz～62Hz。纵轴是电流偏差(|iqs|-|ids|)÷励磁电流指令I0[p.u]，刻度是+1～-1。在图6中，励磁电流指令I0以200[V]÷(2π60Ls)[A]为基准在0.6倍～1.4倍之间变化(参照符号60)。

如图6所示，可知如果把控制的电流偏差设置为(|iqs|-|ids|)÷I0，则旋转速度和控制的电流偏差的关系不依赖于励磁电流指令I0的振幅。由图3所示的除法器34进行该电流偏差(|iqs|-|ids|)÷励磁电流指令I0操作。

这样，在本实施例中，因为用与负载对应地变化的励磁电流指令I0除算q轴电流成分的绝对值和d轴电流成分的绝对值，所以即使负载扭矩的动作点从轻负载时变化到高负载时，也可以使电流的过渡响应相等。

以下，图7是展示在初级频率60Hz下使旋转速度变化时的转差频率和电流偏差{(|iqs|-|ids|)÷励磁电流指令}的关系的图。在图7中，横轴是转差频率[Hz]，纵轴是电流偏差{(|iqs|-|ids|)÷励磁电流指令I0}。在图7中，转速在10Hz～60Hz变化(参照符号70)。另外，励磁电流指令I0的值为基准值(200V÷(2π60Ls))。

在图7中，对于电流偏差{(|iqs|-|ids|)÷励磁电流指令I0}为零的转差频率，在旋转速度为10Hz左右的低速下与大于等于20Hz的情况有一些不同，但在旋转速度大于等于20Hz时表现为几乎不受旋转速度的影响。即，即使因冲击负载等旋转速度急剧变化，转差频率也可以保持一定。

如上所述，在本实施例中，因为代替计算与初级电压成分指令值同相位的电力成分以及相位偏移90度的第二电力成分，而计算各自的电流成分的绝对值，设它们为预先设定的规定值，所以如果是负载扭矩相同的动作点，则在负载扭矩增加时和减少时可以使电流的过渡响应相等。

另外，因为用与负载相应地变化的励磁电流指令除算各个电流成分的绝对值，所以无论负载扭矩的动作点是轻负载还是高负载，都可以使电流过渡响应相等。

进而，因为用频率修正器修正初级角频率，所以可以抑止因冲击负载等引起的旋转速度急剧变化时的电流振幅急剧变化，可以解决过电流的问题。

进而，在本实施例中，作为旋转机械以感应电机为例子说明，但本发明并不限于此，除此以外，例如也同样可以适用于同步机械。

本发明可以不管负载扭矩的增减和动作点如何都把电流的过渡响应保持为一定，另外，因为即使在因冲击负载等引起旋转速度急剧变化时，也可以使电流的振幅在所希望的范围内，所以作为高效率驱动控制三相感应电动机和同步电动机等旋转机械的控制装置是适宜的。

Claims (3)

1.一种旋转机械的控制装置，其特征在于包括：

对根据角速度指令提供的初级角频率进行积分计算相位的积分装置；

根据三相电压指令向旋转机械施加三相电压的电力变换装置；

检测流过上述旋转机械的三相电流的电流检测装置；

根据上述积分装置输出的相位对上述电流检测装置检测出的电流进行座标变换而变换为旋转二轴座标上的电流，同时对旋转二轴座标上的电压指令进行座标变换而变换为上述三相电压指令的座标变换装置；

根据上述初级角频率、以及上述旋转二轴上的电流的各轴电流的绝对值的偏差，计算上述旋转二轴上的电压指令的电压指令计算装置。

2.根据权利要求1所述的旋转机械的控制装置，其特征在于：

上述电压指令计算装置计算与负载对应地变化的励磁电流指令，同时用上述励磁电流指令除算上述旋转二轴座标上的电流的各轴成分的绝对值的偏差，求出微小励磁电流指令，根据求得的微小励磁电流指令和上述初级角频率计算上述旋转二轴座标上的电压指令。

3.根据权利要求1所述的旋转机械的控制装置，其特征在于还包括：

根据上述旋转二轴座标上的电流计算频率修正量，根据上述角速度指令限制该频率修正量，从上述角速度指令中减去上述限制后的频率修正量，输出上述初级角频率的频率修正装置。

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