DE3637144A1

DE3637144A1 - Geschwindigkeits-regelvorrichtung fuer wechselstrommotor

Info

Publication number: DE3637144A1
Application number: DE19863637144
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Okachi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-10-31
Filing date: 1986-10-31
Publication date: 1987-05-07
Also published as: JPS62107691A; US4751447A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geschwindigkeits- Regelvorrichtung, die die Geschwindigkeit, wie die Umdrehungsgeschwindigkeit und die Ansprechgeschwindigkeit, eines Wechselstrommotors regelt, beispielsweise eines Induktionsmotors, eines Synchronmotors und eines Wechselstrom- Kommutatormotors.

Auf den verschiedenen industriellen Gebieten finden Motoren unterschiedlicher Abmessungen und Arten allgemein Anwendung, die grob in Gleichstrommotoren und Wechselstrommotoren unterteilt werden können. Von diesen verschiedenen Arten von Motoren haben die Gleichstrommotoren eine hervorragende Beherrschbarkeit oder Regelbarkeit, die eine hohe Betriebszuverlässigkeit sicherstellt; sie sind aufgrund ihres komplizierten Aufbaus und ihrer hohen Herstellungskosten in der Anwendbarkeit jedoch unterlegen. Daher werden in vielen industriellen Bereichen regelmäßig Wechselstrommotoren verwendet, die sich in Induktionsmotoren, Synchronmotoren, Wechselstrom-Kommutatormotoren usw. einteilen lassen.

Die Geschwindigkeitsregelung eines oben beschriebenen Wechselstrommotors wurde mit einer Geschwindigkeits- Regelvorrichtung durchgeführt, wie sie in dem Blockdiagramm nach Fig. 1 dargestellt ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist diese Geschwindigkeits-Regelvorrichtung folgende Baugruppen auf: einen Geschwindigkeitskompensator 1, Stromkompensatoren 2 und 3, einen ersten Koordinatenumformer 4, der einen bei einem Wechselstrommotor erfaßten Eingangsstrom, wie später beschrieben, in eine Magnetflußkomponente und eine Drehmomentkomponente umformt, einen Schlupffrequenzrechner 5, der eine Schlupffrequenz des Drehmomentstroms berechnet, einen Addierer 6, der die Summe des berechneten Wertes dieser Schlupffrequenz und den erfaßten Geschwindigkeitswert des Wechselstrommotors berechnet, einen Integrator 7, der die Ausgangssignale dieses Addierers 6 integriert, einen zweiten Koordinatenumformer 8, der die Ausgangssignale der Stromkompensatoren 2, 3 in eine Dreiphasen-Wechselspannungsführungsgröße umformt, eine Komparatorschaltung 9, in die eine Ausgangsgröße des zweiten Koordinatenumformers 8 eingegeben wird, eine ein Totzeitsignal bildende Schaltung 10, die die zeitliche Abfolge eines Ausgangssignals der Komparatorschaltung 9 für eine bestimmte Zeit verzögert, einen Basisverstärker 11, der ein Paar von Ausgängen dieser Totzeit-Schaltung 10 isoliert und sie verstärkt, einen Inverter oder Wechselrichter 12, der für die Leistungsverstärkung ein Halbleiterbauelement verwendet, beispielsweise einen Leistungstransistor, das auf die Ausgabe des Basisverstärkers 11 anspricht, und der einen Ansteuerungsstrom des Wechselstrommotors vektoriell steuert, einen Stromdetektor 13, der den Ansteuerungsstrom für den Wechselstrommotor erfaßt, der in den ersten Koordinatenumformer 4 eingegeben wird, einen Induktionsmotor 14 als Wechselstrommotor, der durch die vektorielle Regelung angesteuert wird, und einen Geschwindigkeits- bzw. Drehzahldetektor 15, der die Drehgeschwindigkeit des Induktionsmotors 14 erfaßt. In Fig. 1 ist die Geschwindigkeits- Regelvorrichtung mit Ausnahme der Bauelemente dargestellt, die in keinem direkten Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stehen, wie Kompensationseinrichtungen, beispielsweise eine Kompensationseinrichtung für die elektromotorische Gegenkraft.

Im folgenden wird der mit obigem Aufbau durchgeführte Betrieb erläutert.

Wie bekannt, ist die vektorielle Regelung dafür bestimmt, durch die Einzelregelung der Stromkomponente für den Magnetfluß und der Stromkomponente für das Drehmoment des zum Motor gegebenen Stroms eine hochgradige Ansprechregelung zu erzielen. Daher wird davon ausgegangen, daß eine Koordinate, die sich synchron mit dem Sekundär- Magnetfluß dreht, die Axialkomponente i _d (Strom für Magnetfluß), die parallel zu dem Sekundär-Magnetfluß ist, sowie die Axialkomponente i _q (Strom für Drehmoment) annimmt, die senkrecht zu dem Sekundär-Magnetfluß als der Regelgröße ist.

Entsprechend Fig. 1 wird die Abweichung (ω _r* - ω _r) einer Geschwindigkeits-Führungsgröße ω _r* und eines Geschwindigkeits- Erfassungssignals ω _r vom Geschwindigkeitsdetektor 15 durch den Geschwindigkeitskompensator 1 verstärkt, und dessen Ausgabe wird zur Drehmoment-Stromführungsgröße i _q*. Inzwischen wird ein vom Stromdetektor 13 erfaßter Dreiphasen- Wechselstrom durch den ersten Koordinatenumformer 4 in einen Magnetfluß-Strom i _d und einen Drehmoment-Strom i _q umgeformt. Die Abweichung zwischen der Drehmoment-Stromführungsgröße i _q* und dem Drehmoment-Strom i _q wird durch den Stromkompensator 2 verstärkt und wird zu einer q-Achsen-Spannungsführungsgröße v _q*. Diese wird dann in den zweiten Koordinatenumformer 8 eingegeben. In derselben Weise wird eine Magnetfluß-Stromführungsgröße i _d* entsprechend der Charakteristik des Lastmotors festgesetzt, und die Abweichung zwischen dieser Größe und dem Magnetfluß- Strom i _d wird durch den Stromkompensator 3 verstärkt und wird zu einer d-Achsen-Spannungsführungsgröße v _d*. Auch diese Größe wird dann in den zweiten Koordinatenumformer 8 eingegeben. Im zweiten Koordinatenumformer 8 werden die d-Achsen-Spannungsführungsgröße v _d* und die q-Achsen-Spannungsführungsgröße v _q* in die Dreiphasen- Wechselspannungsführungsgrößen v _n*, v _v*, v _w* umgeformt und diese anschließend in die Komparatorschaltung 9 eingegeben. Diese Größen werden darin mit einem Dreieck- Wellensignal verglichen, wodurch das EIN-AUS-Signal des den Transistorinverter 12 aufbauenden Transistors erzeugt wird. Da jedoch während des Übergangs zwischen dem EIN- und AUS-Zustand des Transistors eine bestimmte Zeitverzögerung erzeugt wird, ist der EIN-Zeitpunkt um eine konstante Periode T _d verzögert, so daß in dem Transistorinverter 12 ein Paar von Transistoren, die zwischen den Gleichstrom-Bussen in Serie geschaltet sind, nicht gleichzeitig EIN geschaltet wird. Zu diesem Zweck ist die das Totzeit-Signal bildende Schaltung 10 vorgesehen. Ein Ausgangssignal dieser Schaltung wird als ein tatsächliches Ansteuersignal des Transistors für den Inverter durch den Basisverstärker 11 verstärkt und isoliert.

Darüberhinaus muß die Schlupffrequenz ω _s nach dem bekannten Verfahren unter Anwendung der unten angegebenen Gleichung geregelt werden, um die Regel-Koordinatenachse synchron mit dem Sekundär-Magnetfluß zu drehen.

ω _s = (R ₂ · i _q) / (L ₂ · i _d-)

In dieser Gleichung ist R ₂ ein Sekundärwiderstand und L ₂ eine Sekundärinduktivität.

Der Schlupffrequenzrechner 5 berechnet die Schlupffrequenz ω _s unter Anwendung der obigen Gleichung. Die von diesem Rechner 5 abgegebene Schlupffrequenz ω _s und das Geschwindigkeits- Erfassungssignal ω _r vom Geschwindigkeitsdetektor 15 werden im Addierer 6 addiert, und durch Integration der so addierten Ausgangsgröße im Integrator 7 läßt sich ein Positionswert ϑ des Sekundär-Magnetflusses erhalten. Dieser Positionswert ϑ wird an den ersten Koordinatenumformer 4 und den zweiten Koordinatenumformer 8 abgegeben, womit die Koordinatentransformation vervollständigt wird.

Mit dem oben beschriebenen Aufbau und den damit durchgeführten Operationen wird ein Ansteuerungsstrom in einen Magnetfluß-Strom und einen Drehmoment-Strom umgeformt und entsprechend der Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor nach dem Stand der Technik als eine Gleichstromkomponente geregelt. Daher läßt sich eine Drehgeschwindigkeitsregelung eines Wechselstrommotors und auch eine digitale Regelung unter Anwendung eines Mikroprozessors usw. leicht umsetzen. In diesem Punkt kann die bekannte Vorrichtung als eine sehr wirkungsvolle Regelvorrichtung betrachtet werden.

Die bestehende Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor hat jedoch die folgenden Probleme:

Die Eingangsseite des Transistorinverters 12 ist mit der das Totzeitsignal bildenden Schaltung 10 versehen, um zu verhindern, daß ein Paar von in Serie geschalteten Transistoren gleichzeitig EIN geschaltet wird. Diese Totzeit macht die Größen i _d/v _d*, i _q/v _q* nichtlinear und erzeugt einen Offset, wie in Fig. 3 gezeigt und später erläutert. Die Stromkompensatoren 2 und 3 führen die Proportional- und Integral-Kompensation (PI-Kompensation) durch, und der Einfluß der nichtlinearen Kennlinie wurde durch Anheben des Proportional-Verstärkerfaktors auf die Minimalbedingung eingestellt. Ein übermäßig hoher Verstärkungsfaktor macht jedoch einen Stabilitätsspielraum des Regelsystems klein. Insbesondere bei Durchführung einer Abtastregelung unter Verwendung eines Mikrocomputers wird der zulässige obere Grenzwert des Verstärkungsfaktors durch andere Einschränkungen herabgesetzt, so daß die Kompensation ungenügend ist und ein Problem in dem Bereich auftritt, in dem eine Spannungsamplitude niedrig ist, das darin liegt, daß die Schleifenverstärkung des Strom-Regelkreises entsprechend verringert wird, auch das Ansprechverhalten des Strom-Regelkreises herabgesetzt wird und als Ergebnis kein hinreichendes Geschwindigkeitsansprechverhalten erzielt werden kann.

Die generelle Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor anzugeben, mit der die Nachteile bekannter Systeme überwunden werden. Insbesondere soll mit der erfindungsgemäßen Geschwindigkeits-Regelvorrichtung das Geschwindigkeitsansprechverhalten eines Wechselstrommotors durch Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit eines Strom-Regelsystems verbessert werden.

Zur Lösung der obigen Aufgabe wird in der erfindungsgemäßen Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor zu dem Strom-Regelsystem eine nichtlineare Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung hinzugefügt, die eine Verstärkungskompensation der in dem Strom-Regelsystem erzeugten nichtlinearen Kennlinie durchführt, die sich aus einer Totzeit des Inverters ergibt, in dem ein Leistungshalbleiterbauelement für eine Vektorregelung Anwendung findet.

Die Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung nach vorliegender Erfindung arbeitet so, daß sie die durch die Totzeit des Halbleiterbauelements für die Leistungsverstärkung, wie eines Leistungstransistors, erzeugte nichtlineare Charakteristik negiert und dadurch die Stromregelung linearisiert sowie eine gleichmäßig hohe Stromansprechbreite ohne Einfluß auf die Eingangsamplitude realisiert.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm für eine Vektorregelung mit einer bekannten Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor;

Fig. 2 ein Blockdiagramm für eine Vektorregelung mit einer Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm der Strom/Spannungs-Kennlinie in der Geschwindigkeits-Regelvorrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm der Kompensationskennlinie der Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung, die der Geschwindigkeits-Regelvorrichtung nach Fig. 1 hinzugefügt wird; und

Fig. 5 ein Blockdiagramm für eine Vektorregelung mit einer Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Die Bauelemente oder Baugruppen, die denen der in Fig. 1 dargestellten Geschwindigkeits- Regelvorrichtung nach dem Stand der Technik entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht nochmals erläutert.

Entsprechend Fig. 2 sind die nach vorliegender Erfindung zusätzlich vorgesehenen Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtungen 20, 30 zwischen den Stromkompensatoren 2 bzw. 3, die die Ansteuerströme eines als Wechselstrommotors verwendeten Induktionsmotors 14 abgeben, und dem zweiten Koordinatenumformer 8 vorgesehen, der die Ausgaben dieser Stromkompensatoren 2, 3 in die Dreiphasen-Wechselspannungsführungsgrößen umformt.

Der Betrieb dieses Aufbaus wird im folgenden erläutert.

Nach Fig. 2 werden die Eingangs/Ausgangs-Kennlinien eines Drehmoment-Stroms i _q an dem Verbindungspunkt x ₁ _q zwischen der Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung 20 und dem zweiten Koordinatenumformer 8 und eines Magnetfluß-Stroms i _d am Verbindungspunkt x ₁ _d zwischen der Verstärkungs- Kompensationsregeleinrichtung 30 und dem zweiten Koordinatenumformer 8 linear, wie in Fig. 3 gezeigt. Diese Kennlinien können durch folgende Gleichungen angegeben werden:

i = A x ₁ -B (x ₁ B/A)
i = A x ₁ +B (x ₁ ≦ωτ -B/A)

In diesem Fall hängt der Wert von A vom Primärwicklungs- Widerstand des als Last verwendeten Induktionsmotors 14 ab, und der Wert B/A hängt von der Totzeit T _d für die Transistoren des Halbleiterbauelement-Inverters 12 für die Leistungsverstärkung ab.

Daher wird die Kompensationsregelung ausgeführt, indem den Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtungen 20, 30 die lineare Kompensationskennlinie gegeben wird, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Diese lineare Kennlinie kann folgendermaßen angegeben werden:

x ₁ = x ₂ + B/A (x ₂ 0)
x ₁ = x ₂ - B/A (x ₂ ≦ωτ 0)

Die Strom-Kennlinien des Drehmoment-Stroms i _q am Verbindungspunkt x ₂ _q zwischen dem Stromkompensator 2 und der Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung 20 und des Magnetfluß-Stroms i _d am Verbindungspunkt x ₂ _d zwischen dem Stromkompensator 3 und der Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung 30 werden als "i = A · x ₂" angegeben, und die von der Totzeit T _d des Inverters abhängende Offset- Kennlinie kann eliminiert werden. Als Ergebnis kann die Ansprechcharakteristik verbessert und für den gesamten Arbeitsbereich stabilisiert werden.

Im obigen Ausführungsbeispiel wird die Kompensationsregelung durch den Hardware-Aufbau ausgeführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt, und ein Ansteuerstrom für einen Wechselstrommotor kann beispielsweise auch durch eine Software-Verarbeitung mit einem Mikrocomputer geregelt werden, wobei die Geschwindigkeits- Regelgüte beträchtlich verbessert werden kann.

Nach obiger Erläuterung wurde die Geschwindigkeitsregelung für einen Induktionsmotor 14 durchgeführt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen solchen Induktionsmotor beschränkt, sondern kann auch für eine Geschwindigkeits- Regelvorrichtung ausgelegt werden, die die Geschwindigkeit eines Synchronmotors 24 regelt, wie in Fig. 5 gezeigt. In diesem Fall wird das vom Geschwindigkeitsdetektor 15 des Synchronmotors 24 erfaßte Geschwindigkeits- Erfassungssignal ω _r durch den Integrator 7 integriert, das Ausgangssignal dieses Integrators 7 und das Ausgangssignal einer Vorgabeeinrichtung 25 für die Magnetpolposition werden im Addierer 6 addiert und das Ausgangssignal dieses Addierers 6 wird an den zweiten Koordinatenumformer 4 sowie an den zweiten Koordinatenumformer 8 als die Positionsgröße ϑ des Sekundär-Magnetflusses abgegeben, womit die Koordinatentransformation vervollständigt wird.

Wie oben im einzelnen erläutert, ist in der erfindungsgemäßen Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor eine Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung vorgesehen, die den aus der Totzeit eines Inverters, der ein Halbleiterbauelement für die Leistungsverstärkung verwendet, resultierenden Regel-Offset kompensiert. Durch diese Verstärkungs-Kompensationsregeleinrichtung wird die auf dieser Totzeit beruhende nichtlineare Kennlinie negiert, wodurch sich eine Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor mit einer ausgezeichneten Stabilität, Zuverlässigkeit und Regelgüte erzielen läßt, ohne die Herstellungskosten zu erhöhen.

Claims

1. Geschwindigkeits-Regelvorrichtung für einen Wechselstrommotor, gekennzeichnet durch
eine Rückkopplungs-Stromregelschleife (13, 4, 8 - 12), die einen Ansteuerungsstrom eines Wechselstrommotors (14) mit einem Inverter (12), der ein Halbleiterbauelement für Leistungsverstärkung des Stromsteuertyps verwendet, vektoriell regelt, und
eine Kompensationsregeleinrichtung (20, 30), die innerhalb der Stromregelschleife vorgesehen ist und die nichtlineare Stromkennlinie kompensiert, die durch eine aus einer Zündverzögerung des Halbleiterbauelements resultierenden Totzeit erzeugt wird.

2. Geschwindigkeits-Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungs-Stromregelschleife eine Stromerfassungseinrichtung (13), die den Ansteuerungsstrom des Wechselstrommotors (14) erfaßt, einen ersten Koordinatenumformer (4), der einen von der Stromerfassungseinrichtung (13) erfaßten Wechselstrom jeweils in einen Magnetfluß-Strom (i _d) und einen Drehmoment-Strom (i _q) umformt, einen zweiten Koordinatenumformer (8), der auf eine Abweichung zwischen dem Magnetfluß-Strom (i _d) und einer Magnetfluß-Stromführungsgröße (i _d*) sowie auf eine Abweichung zwischen dem Drehmoment-Strom (i _q) und einer Drehmoment-Stromführungsgröße (i _q*) anspricht und eine Dreiphasen-Wechselspannungsführungsgröße abgibt, und eine ein Totzeitsignal bildende Einrichtung (10) aufweist, die für ein den Inverter (12) aufbauendes Halbleiterbauelement eine Zündverzögerung erzeugt.

3. Geschwindigkeits-Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsregeleinrichtung aus Verstärkungs-Kompensationsschaltungen (20, 30) aufgebaut ist, die auf der Eingangsseite des zweiten Koordinatenumformers (8) an der Position, an der ein Abweichungssignal des Magnetfluß- Stroms (i _d) und der Magnetfluß-Stromführungsgröße (i _d*) eingegeben wird, bzw. an der Position, an der ein Abweichungssignal des Drehmoment-Stroms (i _q) und der Drehmoment-Stromführungsgröße (i _q*) eingegeben wird, vorgesehen sind und die die nichtlineare Kennlinie des Abweichungsausgangssignals der entsprechenden Ströme kompensieren.

4. Geschwindigkeits-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor ein Induktionsmotor (14) ist und durch eine zweite Rückkopplungs-Regelschleife (15, 6, 7) geregelt wird, die eine Schlupffrequenz (ω _s), die von einer Schlupffrequenz-Recheneinrichtung (5) in Abhängigkeit von einem Drehmoment-Stromausgangswert (i _q) des ersten Koordinatenumformers (4) berechnet wird, und ein Geschwindigkeits-Erfassungssignal (ω _r) addiert, das von einer an dem Induktionsmotor (14) vorgesehenen Geschwindigkeits-Erfassungseinrichtung (15) erfaßt wird, die so addierten Ausgangsgrößen mit einer Integrationseinrichtung (7) integriert und die integrierten Signale jeweils an den ersten und zweiten Koordinatenumformer (4, 8) ausgibt.

5. Geschwindigkeits-Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor ein Synchronmotor (24) ist und durch eine zweite Rückkopplungs-Regelschleife geregelt wird, die ein Geschwindigkeits-Erfassungssignal (ω _r), das durch eine an dem Synchronmotor (24) vorgesehene Geschwindigkeits-Erfassungseinrichtung (15) erfaßt wird, und ein von einer Vorgabeeinrichtung (25) abgegebenes Vorgabesignal für eine Magnetpolposition addiert und so das addierte Ausgangssignal jeweils an den ersten und zweiten Koordinatenumformer (4, 8) ausgibt.