專利名稱:感應(yīng)電動機(jī)控制裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種感應(yīng)電動機(jī)控制裝置，更具體地說，本發(fā)明涉及能顯著改善在低速運(yùn)轉(zhuǎn)下的感應(yīng)電動機(jī)平穩(wěn)度的一種感應(yīng)電動機(jī)控制裝置。
普通的感應(yīng)電動機(jī)利用具有一預(yù)定頻率的電源而作為恒速的電動機(jī)，以及有利于牢固和廉價地用于各種用途。
隨著電子器件、微型計算機(jī)及軟件的新近發(fā)展，可以得到以向量控制(后文稱為激勵器)為基礎(chǔ)的一種具有寬變頻范圍的電源，作為驅(qū)動感應(yīng)電動機(jī)用的電源。因而，感應(yīng)電動機(jī)已被普遍地作為伺服電動機(jī)。以下的激勵器根據(jù)以下的原理是向量控制的。
利用轉(zhuǎn)矩電流ilq，用以產(chǎn)生副磁通φ2的激磁電流即磁通分量電流ild，以及轉(zhuǎn)差速度ωs給出了以下用于向量控制的基本公式i1q＝(L2/M)(T/φ2) (1)i1d＝｛φ2+(L2/R2)(dφ2/dt｝/M (2)ωs＝T(R2/φ22)＝(R2/L2)(i1q/i1d) (3)式中L2是副電感，M是互感，T是轉(zhuǎn)矩，φ2是副磁通，以及R2是副電阻。
在向量控制中，公式(1)和(3)中的轉(zhuǎn)矩是給予向量控制裝置的指令值，副磁通φ2則是預(yù)先給出的一個值。
從公式(1)，(2)和(3)可以如下推導(dǎo)出轉(zhuǎn)矩T＝(M2/R2)ωsi21d＝(M2/L2)i1di1q(4)當(dāng)這樣確定了轉(zhuǎn)差速度ωs，轉(zhuǎn)矩電流i1q和激磁電流i1d時，轉(zhuǎn)差速度ωs，激磁電流i1d和轉(zhuǎn)矩電流i1q被用來控制一種所謂變流器，從而將電力輸送給感應(yīng)電動機(jī)，使得能驅(qū)動感應(yīng)電動機(jī)，以具備理想的特性。
圖1是表示為實現(xiàn)上述原理的轉(zhuǎn)差頻率向量控制裝置的普通基本電路的方框圖。
參照圖1，參考編號1表示速度控制放大器;2表示除法器;3表示常量裝定器;4表示向量分析器;5表示乘法器;6表示變換器;7表示電流控制放大器;8表示電力變換器;9表示感應(yīng)電動機(jī);11表示速度傳感器;12表示微分器;13，14，15和16均表示常量裝定器;17表示除法器;18表示向量振蕩器，以及19和20表示加法器。
工作時，來自速度控制放大器1的輸出信號作為一轉(zhuǎn)矩指令T＊M來處理。除法器2將轉(zhuǎn)矩指令T＊M除以副磁通指令φ＊2，以得到一個副q軸電流指令-i＊2q。常量裝定器3將指令-i＊2q乘以L2/M，從而得出一個轉(zhuǎn)矩電流分量指令i＊1q。
磁通電流分量改令i＊1d是從副磁通指令φ＊2按如下方式推出的。為了補(bǔ)償副磁通φ2偏離磁通電流分量i1d的基本滯后，通過由裝定器15將副磁通指令φ＊2與1/M相乘得到的用以產(chǎn)生副磁通的一個電流，與用以迫使副磁通正比于通過微分器12以及裝定器13和14的副磁通指令φ＊2的時間變化率的一個電流相加，以得到磁通分量電流指令i＊1d。
利用副磁量指令φ＊2和副q軸電流指令-i＊2q而計算出轉(zhuǎn)差頻率指令ω＊s。加法器20將來自速度傳感器11的實際速度ωr與轉(zhuǎn)差頻率指令ω＊s相加，以得到一副磁通速度ω＊o，而且將副磁通速度ω＊o輸入到向量振蕩器18。因而，向量振蕩器18產(chǎn)生表示副磁通預(yù)先位置θ＊o的一個單位向量
由轉(zhuǎn)矩電流分量和磁通分量指令值確定的畫在副磁通坐標(biāo)系上的原電流向量i＊1(θ＊o)通過乘法器5與單位向量
相乘，因而被轉(zhuǎn)換成固定坐標(biāo)上的原電流向量i＊1。為了獲得各相的電流指令值i＊u，i＊v和i＊w，三相地轉(zhuǎn)換原電流向量i＊1，從而使電流控制環(huán)路控制電流控制放大器7和電力變換器8。
取決于瞬時電流變化的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時變化可以受到控制。
可是，當(dāng)感應(yīng)電動機(jī)用作伺服電動機(jī)時，圖1中所示的“轉(zhuǎn)差頻率向量控制裝置”會出現(xiàn)以下的問題。當(dāng)要實行例如機(jī)床精加工用的工作臺進(jìn)刀量的高精度控制時，需要伺服電動機(jī)在低速范圍內(nèi)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，即很小的轉(zhuǎn)速變化。為此，在感應(yīng)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，必須產(chǎn)生一額定轉(zhuǎn)矩。在感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，如果感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩TL，轉(zhuǎn)矩T必須基本上等于一穩(wěn)定的，不變(無不規(guī)則)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。換言之，如果關(guān)系式TG＝TL+△T成立，則必須將轉(zhuǎn)矩波動△T減至最小。應(yīng)該指出的是，引起轉(zhuǎn)矩波動△T的原因是一磁動勢，是由于相對于從激勵器輸送給感應(yīng)電動機(jī)原繞組的原電流頻率f1的空間和時間的諧波分量所造成的。
在用以產(chǎn)生具有簡單3相矩形電壓波的電能的一激勵器中，電能包括相對于原頻率f1的(6k±1)倍(k＝1，2，3……)的時間諧波分量。因此，在與感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩TG成正比的磁勢波中，自然會產(chǎn)生6kf1頻率的轉(zhuǎn)矩波動分量。
隨著電了器件(例如大規(guī)模集成電路和功率控制的半導(dǎo)體元件)、傳感器(例如電流、速度和位置傳感器)以及用于高精度、高速度數(shù)據(jù)處理的軟件技術(shù)的新近發(fā)展，近年來在市場上已能買到能夠在可變頻率范圍內(nèi)供給具有近乎正弦波電能的激勵器。
當(dāng)將具有基本理想正弦波的原電流輸送給感應(yīng)電動機(jī)，并且感應(yīng)電動機(jī)在原頻率f1的寬范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)時，在較高的電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩波動的主要分量的頻率是2f1等。但當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速減低時，2f1或諸如此類的分量就不那么顯著。代之以一般出現(xiàn)的6kf1諧波分量。
圖2是表示用轉(zhuǎn)矩頻譜傳感器測得的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩頻譜的曲線圖，圖3表示轉(zhuǎn)矩傳感器的固有頻譜(15Hz和50Hz的倍數(shù))。在圖2的轉(zhuǎn)矩頻譜中，陰影線部分表示轉(zhuǎn)矩頻譜傳感器的影響。
從圖2顯而易見，在2f1和6f1頻率處，轉(zhuǎn)矩波動值很大。除了矩形波外，這種現(xiàn)象在輸出為正弦波時同樣會發(fā)生。當(dāng)將正弦波原電流供給感應(yīng)電動機(jī)時，對于產(chǎn)生6kf1頻率的轉(zhuǎn)矩波動還沒有給出適當(dāng)?shù)慕忉?。對此也沒有提出有效的防范措施。
然而，對于高精度伺服電動機(jī)來說，在近乎零速的6kf1頻率下的諧波轉(zhuǎn)矩分量△T是決定性的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電動機(jī)控制裝置，它能顯著地減少對應(yīng)于感應(yīng)電動機(jī)原電流i1的頻率f1的2f1和6f1諧波分量的轉(zhuǎn)矩波動。
根據(jù)本發(fā)明的一種感應(yīng)電動機(jī)控制裝置包括檢測由加到感應(yīng)電動機(jī)原繞組的多相原電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通的轉(zhuǎn)動位置用的裝置;用以貯存對應(yīng)于周期地產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動測量值且與磁通的轉(zhuǎn)動位置相一致的校正值的存儲裝置，以接收來自檢測磁通轉(zhuǎn)動位置的檢測裝置的輸出信號，以及輸出貯存在存儲裝置內(nèi)與轉(zhuǎn)動位置相一致的校正值之一;通過從存儲裝置讀出與磁通的轉(zhuǎn)動位置相一致的校正值而產(chǎn)生校正電流用的裝置;以及用以通過校正電流校正原電流，從而大大地減少感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動的裝置。
圖1是表示一種普通技術(shù)的方框圖;
圖2是表示普通感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩頻譜測量結(jié)果的曲線圖;
圖3是表示用于圖2測量的一種傳感器的固有頻譜的曲線圖;
圖4是表示原電流與其向量分量之間的關(guān)系圖;
圖5是說明感應(yīng)電動機(jī)副磁通的波動用的圖;
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的感應(yīng)電動機(jī)控制電路的方框圖;
圖7是表示原電流與副磁通之間的關(guān)系圖;
圖8是表示超前補(bǔ)償電路的線路圖。
參照附圖以介紹根據(jù)本發(fā)明實施例的一種感應(yīng)電動機(jī)控制裝置。
在詳細(xì)說明之前，先介紹本發(fā)明所用的原理。
眾所周知，感應(yīng)電動機(jī)的原電流i1可以分解成如圖4所示的激磁電流i1d和轉(zhuǎn)矩電流i1q的向量分量。
實際上正如公式(2)所表示，感應(yīng)電動機(jī)的副磁通φ2的密度是由激磁電流所決定的。即使所給的激磁電流恒定不變，由于電動機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)，副磁通φ2也不可能恒定不變。圖5表示副磁通φ2的波動。正如圖2和圖3中所示，副磁通的波動周期為60°電角度或它的整數(shù)倍。這個周期是本發(fā)明人在研制感應(yīng)電動機(jī)的過程中發(fā)現(xiàn)的。
如公式(4)所表示，轉(zhuǎn)矩可由激磁電流i1d和轉(zhuǎn)矩電流i1q所限定。本發(fā)明人是根據(jù)這樣一個設(shè)想完成這個發(fā)明的，即為了減少轉(zhuǎn)矩波動如果適當(dāng)?shù)乜刂萍ご烹娏鱥1d和轉(zhuǎn)矩電流i1q，就可以實現(xiàn)感應(yīng)電動機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。
參照圖6現(xiàn)在就來介紹根據(jù)本發(fā)明實施例的感應(yīng)電動機(jī)控制裝置。與圖1中相同的參考編號表示圖6中相同的部分，其詳細(xì)的描述也就略去。
所考慮的感應(yīng)電動機(jī)的激磁電流指令i＊1d每改變一單位值，就用一適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩波動傳感器測量電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩波動值。根據(jù)測量結(jié)果計算出在各轉(zhuǎn)動位置θo上激磁電流△i1d與每安培激磁電流指令i＊1d之比△i1d/i＊1d。計算得到的值貯存在存儲器21中對應(yīng)于位置θo的地址內(nèi)。
類似地，轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q每改變一單位值，就測出對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩值。計算出在各轉(zhuǎn)動θo上的轉(zhuǎn)矩校正電流△i1q與每安培轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q之比，并將計算得到的值貯存在存儲器21中對應(yīng)于位置θo的地址內(nèi)。
參照圖6，向量振蕩器18的輸出端連接到存儲器21和乘法器5的輸入端。通過把轉(zhuǎn)動位置θo作為地址數(shù)據(jù)，將感應(yīng)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)通量的瞬時轉(zhuǎn)動位置θo貯存在存儲器21中。從存儲器21的一個輸出端21a輸出對應(yīng)于輸入的轉(zhuǎn)動位置θo的激磁校正電流與每安培激磁電流指令i＊1d之比△i1d/i＊1d。類似地，從存儲器21的一個輸出端21b輸出對應(yīng)于輸入的轉(zhuǎn)動位置θo的轉(zhuǎn)矩校正電流與每安培轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1d之比△i1q/i＊1q。
存儲器21的輸出端21b連接到乘法器25的一個輸入端25a。乘法器25的另一個輸入端25b連接到常量裝定器3的輸出端。乘法器25的輸出端連接到加法器23的一個輸入端。加法器23的另一輸入端連接到常量裝定器3的輸出端。加法器23的輸出端連接到向量分析器4的一輸入端Im。
存儲器21的輸出端21a連接到乘法器26的一個輸入端26a。乘法器26的另一輸入端26b連接到加法器22的一個輸入端以及連接到輸出激磁電流指令i＊1d用的加法器19的輸出端。加法器22的另一輸入端連接到乘法器26的輸出端。加法器22的輸出端連接到向量分析器4的一輸入端Re。
下面就介紹具有圖6中所示的電路的感應(yīng)電動機(jī)控制裝置的動作。
感應(yīng)電動機(jī)9運(yùn)轉(zhuǎn)期間，由向量振蕩器18瞬時地檢測感應(yīng)電動機(jī)9的旋轉(zhuǎn)通量的轉(zhuǎn)動位置θo。測得的轉(zhuǎn)動位置θo作為地址輸入信號傳送給存儲器21。響應(yīng)輸入的轉(zhuǎn)動位置θo，將激磁校正電流△i1d與每安培激磁電流指令i＊1d之比以及轉(zhuǎn)矩校正電流△i1q與每安培轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q之比分別從存儲器21傳送給乘法器26和25。
乘法器25和26產(chǎn)生分別與轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q和激磁電流指令i＊1d成正比的轉(zhuǎn)矩校正電流△i1q和激磁校正電流△i1d。
加法器22將激磁校正電流△i1d與從加法器19傳送來的激磁電流指令i＊1d相加。其和(i＊1d+△i1d)被傳送到向量分析器4的端子Re。
加法器23將轉(zhuǎn)矩校正電流△i1q與從常量裝定器3傳送來的轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q相加。其和(i＊1q+△i1q)傳送到向量分析器4的輸入端Im。
用于轉(zhuǎn)矩電流分量指令i＊1q和磁通電流分量指令(即激磁電流指令)i＊1d的校正操作是在向量分析器4中進(jìn)行的。將結(jié)果從分析器4傳送到乘法器5。以與參照圖1所述的同樣方式，將三相原電流分量通過變換器6，電流控制放大器7，電力變換器8等輸送給感應(yīng)電動機(jī)9。將波動補(bǔ)償電流分量輸送給感應(yīng)電動機(jī)9，因而可以保持低速范圍內(nèi)的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。
在上述實施例中，被校正的是原電流i1的轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q和激磁電流指令i＊1d，但不必校正兩個分量。
來自由存儲器21與乘法器25和26組成的校正電流發(fā)生器27的轉(zhuǎn)矩校正電流△i1q被傳送到加法器23，而能校正的只是轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q。在這種情況，激磁電流指令i＊1d所需要的激磁校正電流△i1d就不必從校正電流發(fā)生器27輸出。激磁電流指令i＊1d作為從加法器19的輸出信號不作調(diào)整地加到向量分析器4的輸入端Re。
反之，轉(zhuǎn)矩電流指令i＊1q不必予以校正，并可加到向量分析器4的輸入端Im。在這種情況下，激磁電流指令i＊1d所需要的激磁校正電流△i1d就從校正電流發(fā)生器27輸出。
當(dāng)原電流輸入到感應(yīng)電動機(jī)后，電檢測副磁通φ2時，它引起一段預(yù)定時間的滯后。這種時滯稱為“電時間常數(shù)”。
當(dāng)圖7中用參考符號P表示的階躍信號作為原電流i1輸送時，用參考符號Q表示的副磁通φ由于電時間常數(shù)以一時滯上升。在這種情況下，將一個用參考符號R表示的信號加到副磁通φ2上，可以抵消上述的延時。對于用參考符號R表示的電時間常數(shù)的補(bǔ)償稱為“超前補(bǔ)償”。
當(dāng)如圖8所示的包括電阻器R1，R3和R4以及一個運(yùn)算放大器A的超前補(bǔ)償電路完成由校正電流所表示的例如從圖6中所示的校正電流發(fā)生器27所傳送的△i1q來校正時，因而可以減少電時間常數(shù)的延時。
如上所述，由于根據(jù)本發(fā)明可以減少很低轉(zhuǎn)速蕩圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩波動，因此可以保持感應(yīng)電動機(jī)在低速范圍內(nèi)的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)電動機(jī)的控制裝置，其特征在于包括檢測由加到一感應(yīng)電動機(jī)原繞組的多相原電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通的一轉(zhuǎn)動位置用的裝置；用以貯存對應(yīng)于周期地產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動測量值且與該磁通的該轉(zhuǎn)動位置相一致的校正值的存儲裝置，以接收來自檢測該磁通的轉(zhuǎn)動位置用的所述檢測裝置的一個輸出信號，以及輸出貯存在所說存儲裝置內(nèi)的對應(yīng)于該轉(zhuǎn)動位置的該校正值之一；通過從所述存儲裝置讀出對應(yīng)于該磁通的該轉(zhuǎn)動位置的該校正值而產(chǎn)生一校正電流用的裝置；以及利用該校正電流校正該原電流用的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種裝置，其特征在于該校正值是每單位值原電流的至少一個向量分量的一指令值所組成的一校正電流值，所述校正電流發(fā)生裝置包括用以將該原電流的所述至少一個向量分量的每個指令值與所述存儲器中貯存的一對應(yīng)的校正電流值相乘的至少一個乘法器，以及所述原電流校正裝置包括用以將該原電流的所述至少一個向量分量的所述每個指令值與來自所述至少一個乘法器的一對應(yīng)輸出信號相加的一個加法器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的一種裝置，其特征在于該原電流的所述至少一個向量分量包括一激磁電流和一轉(zhuǎn)矩電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2的一種裝置，其特征在于該原電流的至少一個向量分量是由一激磁電流和一轉(zhuǎn)矩電流所組成的一個向量分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種裝置，其特征在于用以檢測旋轉(zhuǎn)磁通的該轉(zhuǎn)動位置的所述裝置包括與所述感應(yīng)電動機(jī)相連接、用以輸出該電動機(jī)一實際轉(zhuǎn)速的一個速度傳感器;用以輸出一轉(zhuǎn)差頻率指令值的裝置;根據(jù)該實際轉(zhuǎn)速和該轉(zhuǎn)差頻率指令值，用以計算該副磁通的一轉(zhuǎn)速指令值的裝置;以及根據(jù)該副磁通的該轉(zhuǎn)速指令值，用以輸出該副磁通的一預(yù)先轉(zhuǎn)動位置的一向量振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的一種裝置，其特征在于該磁通轉(zhuǎn)動位置上的一校正電流周期為60°電角度或其一整數(shù)倍，或為其整體的幾分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種裝置，其特征在于所述存儲裝置接收該磁通轉(zhuǎn)動位置作為一地址信號，以及輸出與一實際轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的一校正值。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種裝置，其特征在于用以產(chǎn)生校正值的所述裝置包括一個超前補(bǔ)償電路。
專利摘要
一種感應(yīng)電動機(jī)的控制裝置，包括一個檢測器，一個存儲器，一個校正電流發(fā)生器以及一個原電流校正電路。檢測器檢測由加到感應(yīng)電機(jī)原繞組的多相原電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁通的轉(zhuǎn)動位置。存儲器貯存對應(yīng)于測得的與磁通的轉(zhuǎn)動位置相對應(yīng)的周期地產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動值的校正值，接收來自檢測器的輸出信號，以及輸出貯存在存儲器內(nèi)的對應(yīng)的校正值之一。校正電流發(fā)生器通過從存儲器讀出對應(yīng)的校正值而產(chǎn)生一校正電流。原電流校正電路利用校正電流校正原電流。
文檔編號H02P21/06GK87105236SQ87105236
公開日1988年2月3日 申請日期1987年7月25日
發(fā)明者岡本清和, 雨海秀行, 板井照明 申請人:日本電氣株式會社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan