电动机控制装置.pdf

一种电动机控制装置，是能够切换是否应用磁通控制的电动机控制装置，对将励磁电流和转矩电流分开控制的感应电动机(1)进行驱动，该电动机控制装置具备：第一励磁电流指令发生器(21)，其根据速度和转矩指令来产生第一励磁电流指令；第二励磁电流指令发生器(22)，其具有磁通控制器(27)和磁通估计器(26)，输出第二励磁电流指令，其中，该磁通控制器(27)使用第一励磁电流指令与磁通估计值之差来产生第二励磁电流指令，该磁通估计器(26)基于第二励磁电流指令来产生磁通估计值；以及切换器(31)，其根据控制模式或外部信息来选择第一励磁电流指令和第二励磁电流指令中的一个。

1.  一种电动机控制装置，对将励磁电流和转矩电流分开控制的感应电动机(1)进行驱动，该电动机控制装置的特征在于，具备：
第一励磁电流指令发生器(21)，其根据速度和转矩指令来产生第一励磁电流指令；
第二励磁电流指令发生器(22)，其具有磁通指令发生器(24)、磁通控制器(27)以及磁通估计器(26)，输出第二励磁电流指令，其中，该磁通指令发生器(24)根据速度和转矩指令来产生磁通指令，该磁通控制器(27)使用上述磁通指令与磁通估计值之差来产生上述第二励磁电流指令，该磁通估计器(26)基于上述第二励磁电流指令来产生上述磁通估计值；以及
切换器(31)，其根据控制模式或外部信息来选择上述第一励磁电流指令和上述第二励磁电流指令中的一个。

2.  根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
在对上述感应电动机(1)进行速度控制的情况下，上述切换器(31)选择上述第一励磁电流指令，
在对上述感应电动机(1)进行位置控制的情况下，上述切换器(31)选择上述第二励磁电流指令。

3.  根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，
接受对上述第一励磁电流指令和上述第二励磁电流指令进行选择的外部信息，
在未输入上述外部信息时，选择上述第一励磁电流指令，
在输入了上述外部信息时，选择上述第二励磁电流指令。

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置，特别是涉及一种能够切换是否应用磁通控制的电动机控制装置。
背景技术
图7是表示感应电动机(电动机)控制系统的基本结构的框图。
感应电动机控制系统具有：励磁电流指令发生器61，其产生励磁电流指令；励磁电流差运算器62，其计算励磁电流指令与从感应电动机100检测出的励磁电流分量之差；励磁电流控制器63，其基于励磁电流差来产生电压指令；转矩电流指令发生器71，其产生转矩电流指令；转矩电流差运算器72，其计算转矩电流指令与从感应电动机100检测出的转矩电流分量之差；转矩电流控制器73，其基于转矩电流差来产生电压指令；以及坐标转换器80，其将由励磁电流控制器63输出的电压指令和转矩电流控制器73输出的电压指令构成的磁场坐标系(旋转磁场)的信息转换为定子坐标系的信息。此外，磁场坐标系中的运算通过数字处理来进行，磁场坐标系的信息是数字数据，定子坐标系的信息在与感应电动机100进行输入输出阶段是模拟信号，但是并不限定于此，为了易于说明，有时将它们称为信息。对来自坐标转换器80的输出进行PWM(脉宽调制)控制，经由电力转换装置提供给感应电动机(电动机)100。在此，坐标转换器80将磁场坐标系的两相信息转换为定子坐标系的三相信息，并且将作为定子坐标系的三相信息的励磁电流分量信息和转矩电流分量信息转换为磁场坐标系的两相信息。
假设在感应电动机控制系统中，产生励磁电流指令和转矩指令，根据这些指令对感应电动机100进行控制，由此在感应电动机100中实现与指令对应的状态。在图7的控制系统中，由励磁电流指令发生器61产生的励磁电流指令直接输入到励磁电流控制器63。这意味着，在图7的控制系统中，将励磁 电流指令视作磁通指令值。即，假设励磁电流指令＝磁通指令这种关系成立，而且实际的磁通无延迟地跟随磁通指令。励磁电流指令作为磁通指令值不仅输入到励磁电流控制器63，还输入到几个运算器。
图8A是表示图7的控制系统中的与呈台阶状变化(上升)的磁通指令(励磁电流指令)相对的理想的磁通值的特性的例子的图。图8B是表示图7的控制系统中的与呈台阶状地变化(上升)的磁通指令(励磁电流指令)相对的实际磁通的特性的例子的图。
在图8A中，虚线表示呈台阶状上升的磁通指令(励磁电流指令)，实线表示图7的控制系统中的理想的磁通值。如上所述，在图7的控制系统中，将励磁电流指令视作磁通指令值，认为磁通无延迟地跟随磁通指令值、与呈台阶状上升的磁通指令相同。但是，在实际的感应电动机的驱动控制中，感应电动机的次级磁通的上升慢，不会呈现这种状态。
在图8B中，虚线表示呈台阶状上升的磁通指令(励磁电流指令)，实线表示与呈台阶状上升的磁通指令相应地在感应电动机100中实际产生的磁通。如图8B所示，在图7的控制系统中，实际的感应电动机中产生的磁通具有相对于磁通指令延迟地上升这种特性。在到磁通实际上升为止的期间，磁通估计值与实际磁通之间产生差异，因此无法进行正确地控制。此时，例如会产生感应电动机的输出中产生波动之类的问题。
对此，已知如下一种方法：如日本特开2013-066342号公报和“AC伺服系统的理论和设计的实际”(综合电子出版社第7版，122项，图5.23)(“ACサーボシステムの理論と設計の実際”，総合電子出版社第7版、122項、図5.23)所记载的那样，通过应用磁通控制来实现输出的稳定化。
图9是表示应用了磁通控制系统的感应电动机控制系统的结构的框图。
应用了磁通控制系统的感应电动机控制系统在图7的控制系统中代替励磁电流指令发生器61而设置了由磁通指令发生器64、磁通差运算器65、磁通估计器66以及磁通控制器67构成的磁通控制用励磁电流指令发生器。磁通指令发生器64产生磁通指令。磁通指令发生器64产生的磁通指令与励磁电流指 令发生器61产生的励磁电流指令是相同的信息。磁通差运算器65计算磁通指令发生器64产生的磁通指令与磁通估计器66产生的磁通估计值的磁通差。磁通控制器67基于磁通差运算器65输出的磁通差来产生励磁电流指令，输出到励磁电流差运算器62。磁通估计器66基于磁通控制器67输出的励磁电流指令来产生磁通估计值。
图10是表示磁通估计器66对于呈台阶状上升的励磁电流指令而产生的磁通估计值的例子的图。
磁通估计器66产生对包括如图8B所示的感应电动机100中的实际的磁通上升延迟的部分在内的、与磁通指令的值的变化相应地在感应电动机100中实际产生的磁通进行估计而得到的值。由此，磁通控制器67输出的励磁电流指令始终为对实际产生的磁通进行正确估计的信息，能够实现正确的控制，从而能够抑制输出的波动。
在此，对作为磁通估计器66中的估计的基础的、感应电动机的次级磁通的状态的导出进行说明。
在感应电动机的控制中，已知一种将D相电流(励磁电流)和Q相电流(转矩电流)分开控制的矢量控制。在矢量控制中，以下面的(1)～(4)来表示DQ坐标上的感应电动机的方程式。
初级侧方程式V1=R1I1+ddtΦ1+ωJΦ1---(1)]]>
次级侧方程式V2=R2I2+ddtΦ2+ωsJΦ2=0---(2)]]>
磁通的方程式Φ₁＝L₁I₁+MI₂          (3)
Φ₂＝MI₁+L₂I₂          (4)
其中，设v₁＝(v_1d v_1q)^T:初级电压，v₂＝(v_2d v_2q)^T:次级电压，
Φ₁＝(φ_1d φ_1q)^T:初级磁通，Φ₂＝(φ_2d φ_2q)^T:次级磁通。
根据上述的式(2)和式(4)，如式(5)那样求出次级磁通与初级电流的关系式。
ddtφ2dφ2q=-R2/L2ωs-ωs-R2/L2φ2dφ2q+MR2L2i1di1q---(5)]]>
在感应电动机的矢量控制中，控制次级Q相磁通使得是前提。此时，从上述的式(5)导出下面的式(6)的传递函数。
φ2d=ML2/R2s+1i1d---(6)]]>
式(6)示出了：感应电动机的次级磁通相对于励磁电流i_1d以L₂/R₂的时间常数延迟地上升。因此，磁通估计器66能够以励磁电流作输入，通过进行式(6)的计算来正确地估计感应电动机的次级磁通。这样，通过磁通控制使输出稳定，由此提高进行位置控制时的可控性。
在进行位置控制时，转矩的正确控制是重要的。通过应用磁通控制，在抑制输出的波动的同时也抑制了转矩的波动，因此能够进行稳定的转矩控制。因此，能够在位置控制中通过始终应用磁通控制来提高可控性能。
图11A是表示进行刚性攻丝动作时的感应电动机的速度和转矩指令的状态的图，表示在位置控制中不应用磁通控制(无磁通控制)的例子。图11B是表示进行刚性攻丝动作时的感应电动机的速度和转矩指令的状态的图，表示在位置控制中应用了磁通控制(有磁通控制)的例子。
转矩指令中存在上限值和下限值，在转矩指令达到其上限值或下限值的情况下，位置控制中的可控性会恶化。因此，需要以使转矩指令收敛于上限值与下限值之间的方式设定电动机的加速度。为了缩短加工时间需要将加速度设定得尽可能大，因此期望以使转矩指令未达到上限值且尽可能接近上限值的方式来调整加速度。
在图11A所示的无磁通控制时，转矩指令中产生大的波动，由于波动而产生的转矩指令的峰值达到了其上限值。虽然转矩指令接近峰值的速度以外的转矩指令距上限值尚有富余，但是由于要使峰值值不超过上限值，因此无法将电动机的加速度设定得更大。
在图11B所示的有磁通控制时，抑制了转矩指令的波动，因此能够进行调整使得整个速度域的转矩指令大到接近上限值。因此，能够将加速度设定得大于无磁通控制时，从而能够大幅缩短加工时间。
另一方面，在速度控制中也有期望应用磁通控制的情况，对此进行说明。
图12A是表示在速度控制中限制了电动机输出时的加速时输出的变化例的图，表示无磁通控制的情况。图12B是表示在速度控制中限制了电动机输出时的加速时输出的变化例的图，表示有磁通控制的情况。在图12A和图12B中，实线表示无输出限制的情况，点线表示输出限制值为13kW的情况，虚线表示输出限制值为9kW的情况。
由于电源容量的限制，有时会限制电动机的最大输出。在无磁通控制时，如图12A所示，在输出波动大的电动机中，存在由于波动而产生的输出的峰值远超过限制目标值的情况。在这种情况下，若以使输出的峰值收敛于限制目标值的方式进行输出限制，则会限制过度而加速时间变长。
与此相对地，通过应用磁通控制，如图12B所示，与不应用的情况相比能够减小输出的变动。这样，通过磁通控制，抑制了输出的波动，能够对速度控制中的加减速正确地进行输出限制。由此，无需对输出进行多余的限制，能够减短加速时间。
图13是对不进行位置的控制仅进行速度的控制的情况下使最高转速从零加速到8000min^-1(8000rpm)时的感应电动机的加速时的输出变化根据有无磁通控制进行比较的图。另外，图14是对同样条件下的速度变化根据有无磁通控制进行比较的图。在图13和图14中，实线表示无磁通控制的情况，点线表示有磁通控制的情况。
如图13所示，在无磁通控制时，会在加速中途产生因波动导致的输出下降，在3000min^-1(约650ms)以后的速度范围中，有磁通控制的平均输出变大。因此，如图14所示，关于达到3000min^-1以后的速度范围的加速时间，有磁通控制的加速时间变短。这样，在不进行位置控制仅进行速度控制的情况下，当输出的波动大时，在达到高速的加速中加速时间变长，因此通过应用磁通控制能够抑制输出的波动、实现加速性能的提高。
但是，在无磁通控制时，存在以下情况：如图13所示，在3000min^-1之前的低速范围的加速中，输出出现波动而变高，因此，如图14所示，加速时间 变短。因此，存在若应用磁通控制则有时加速性能反而变差的问题。
如以上所说明的那样，在无磁通控制的情况下输出中产生波动，从而产生因速度不同而加速时间有时变短、有时变长这样的偏差。另一方面，在有磁通控制的情况下输出的波动变少，因此不会产生因速度导致的加速时间的偏差，但是有时加速时间比无磁通控制时长。因而，在重视加速时间的速度控制中，有时不应用磁通控制较佳。
发明内容
本发明的目的在于，鉴于上述问题，实现能够根据使用状况来进行最合适的控制的电动机控制装置。
为了实现上述目的，电动机控制装置对将励磁电流和转矩电流分开控制的感应电动机进行驱动，该电动机控制装置具备：第一励磁电流指令发生器，其根据速度和转矩指令来产生第一励磁电流指令；第二励磁电流指令发生器，其具有磁通指令发生单元、磁通控制器以及磁通估计器，输出第二励磁电流指令，其中，该磁通指令发生单元根据速度和转矩指令来产生磁通指令，该磁通控制器使用磁通指令与磁通估计值之差来产生第二励磁电流指令，该磁通估计器基于第二励磁电流指令来产生磁通估计值；以及切换器，其根据控制模式或外部信息来选择第一励磁电流指令和第二励磁电流指令中的一个。
在此，在对感应电动机进行速度控制的情况下，切换器选择第一励磁电流指令，在对感应电动机进行位置控制的情况下，切换器选择第二励磁电流指令。
在此，该电动机控制装置接受对第一励磁电流指令和第二励磁电流指令进行选择的外部信息，在未输入外部信息时，选择第一励磁电流指令，在输入了外部信息时，选择第二励磁电流指令。
通过参照下面的附图能够更明确地理解本发明。
附图说明
图1A是表示实施例的感应电动机控制系统的结构的框图，表示感应电动机控制系统的结构。
图1B是表示实施例的感应电动机控制系统的结构的框图，表示第二励磁电流指令发生器的结构。
图2是表示与实施例的感应电动机控制系统的励磁电流指令切换器有关的动作的流程图。
图3是表示在实施例的感应电动机控制系统中使对励磁电流指令切换器的选择进行切换的“状态的判定”结果为“是位置控制还是速度控制的判定”结果时的结构的图。
图4是表示在实施例的感应电动机控制系统中根据上述的“位置控制还是速度控制的判定”结果来切换励磁电流指令切换器时的动作的流程图。
图5是表示在实施例的感应电动机控制系统中按照外部信息来切换励磁电流指令切换器的选择时的结构的图。
图6是表示在实施例的感应电动机控制系统中根据上述的外部信息来切换励磁电流指令切换器时的动作的流程图。
图7是表示感应电动机控制系统的基本结构的框图。
图8A是表示图7的控制系统中的与呈台阶状变化(上升)的磁通指令(励磁电流指令)相对的理想的磁通值的特性的例子的图。
图8B是表示图7的控制系统中的与呈台阶状地变化(上升)的磁通指令(励磁电流指令)相对的实际磁通的特性的例子的图。
图9是表示应用了磁通控制系统的感应电动机控制系统的结构的框图。
图10是表示磁通估计器对于呈台阶状上升的励磁电流指令产生的磁通估计值的例子的图。
图11A是表示进行刚性攻丝动作时的感应电动机的速度和转矩指令的状态的图，表示在位置控制中不应用磁通控制(无磁通控制)的例子。
图11B是表示进行刚性攻丝动作时的感应电动机的速度和转矩指令的状 态的图，表示在位置控制中应用了磁通控制(有磁通控制)的例子。
图12A是表示在速度控制中限制了电动机输出时的加速时输出的变化例的图，表示无磁通控制的情况。
图12B是表示在速度控制中限制了电动机输出时的加速时输出的变化例的图，表示有磁通控制的情况。
图13是对不进行位置的控制而仅进行速度的控制的情况下使最高转速从零加速到8000min^-1(8000rpm)时的感应电动机的输出变化根据有无磁通控制进行比较的图。
图14是对不进行位置的控制而仅进行速度的控制的情况下使最高转速从零加速到8000min^-1(8000rpm)时的感应电动机的速度变化根据有无磁通控制进行比较的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明能够切换是否应用磁通控制的电动机控制装置。然而，希望能理解的是，本发明并不限定于附图或下面说明的实施方式。
图1A是表示实施例的感应电动机控制系统的结构的框图，表示感应电动机控制系统的结构。图1B是表示实施例的感应电动机控制系统的结构的框图，表示第二励磁电流指令发生器的结构。
实施例的感应电动机控制系统对感应电动机1进行控制。感应电动机控制系统具有位置控制器11、速度指令发生器12、速度指令切换器13、速度控制器14、第一励磁电流指令发生器21、第二励磁电流指令发生器22、励磁电流指令切换器31、励磁电流差运算器32、励磁电流控制器33、转矩电流指令发生器41、转矩电流差运算器42、转矩电流控制器43以及坐标转换器50。
位置控制器11基于作为外部信息的位置指令以及对来自电动机速度检测器51的反馈数据进行积分得到的感应电动机1的旋转位置信息，来产生用于旋转到位置指令所指示的位置的第二速度指令。速度指令发生器12根据作为外部信息的速度指令来产生用于以所指示的速度进行旋转的第一速度指 令。速度指令切换器13进行切换使得在速度控制时第一速度指令输入到速度控制器14，在位置控制时第二速度指令输入到速度控制器14。
速度控制器14基于第一速度指令和第二速度指令中的一个以及来自电动机速度检测器51的感应电动机1的速度信息，来产生用于以所指示的速度进行旋转的转矩指令。转矩指令输入到第一励磁电流指令发生器21、第二励磁电流指令发生器22以及转矩电流指令发生器41。
第一励磁电流指令发生器21根据转矩指令来产生第一励磁电流指令，输出到励磁电流指令切换器31。第一励磁电流指令是与图7的励磁电流指令发生器61产生的励磁电流指令相同的指令，例如为用于进行期望的旋转的磁场坐标系的磁通轴分量。
如图1B所示，第二励磁电流指令发生器22具有磁通指令发生器24、磁通差运算器25、磁通估计器26以及磁通控制器27。
磁通指令发生器24根据转矩指令来产生磁通指令。例如，磁通指令发生器24产生的磁通指令是与第一励磁电流指令发生器21产生的第一励磁电流指令相同的指令，在这种情况下，也可以不设置磁通指令发生器24而利用第一励磁电流指令发生器21产生的第一励磁电流指令。磁通差运算器25计算磁通指令发生器24产生的磁通指令与磁通估计器26产生的磁通估计值的磁通差。磁通控制器27基于磁通差运算器25输出的磁通差来产生第二励磁电流指令，输出到励磁电流指令切换器31和磁通估计器26。磁通估计器26基于磁通控制器27输出的第二励磁电流指令来产生磁通估计值。如上，第二励磁电流指令发生器22具有与图9的磁通控制用励磁电流指令发生器同样的结构。
励磁电流指令切换器31根据与“状态的判定”结果有关的信息来进行切换，使得第一励磁电流指令和第二励磁电流指令中的一个输入到励磁电流差运算器32。
励磁电流差运算器32计算由励磁电流指令切换器31选择出的第一励磁电流指令和第二励磁电流指令中的一个与从感应电动机1检测出的励磁电流分量的励磁电流差。励磁电流控制器33基于励磁电流差运算器32输出的励磁 差来产生电压指令。
转矩电流指令发生器41基于速度控制器14输出的转矩指令来产生转矩电流指令。转矩电流差运算器42计算转矩电流指令与从感应电动机1检测出的转矩电流分量的转矩电流差。转矩电流控制器43基于转矩电流差来产生电压指令。
坐标转换器50将由励磁电流控制器33输出的电压指令和转矩电流控制器43输出的电压指令构成的磁场坐标系(旋转磁场)的信息转换为定子坐标系的信息。对来自坐标转换器50的输出进行PWM控制，经由电力转换装置提供给感应电动机1。在此，坐标转换器50将磁场坐标系的两相信息转换为定子坐标系的三相信息。另外，坐标转换器50将定子坐标系的励磁电流分量、转矩电流分量转换为磁场坐标系的信息。
如以上所说明的那样，实施例的感应电动机控制系统在励磁电流指令切换器31选择了第一励磁电流指令的情况下，形成不应用图7所示的磁通控制的控制系统，在励磁电流指令切换器31选择了第二励磁电流指令的情况下，形成应用图9所示的磁通控制的控制系统。
图2是表示与实施例的感应电动机控制系统的励磁电流指令切换器31有关的动作的流程图。
在步骤S11中，进行状态的判定，若为状态1则进入步骤S12，若为状态2则进入步骤S13。
在步骤S12中，励磁电流指令切换器31选择第二励磁电流指令，形成应用磁通控制(有磁通控制)的控制系统。
在步骤S13中，励磁电流指令切换器31选择第一励磁电流指令，形成不应用磁通控制(无磁通控制)的控制系统。
此外，速度指令切换器13的控制是与步骤S12和步骤S13的控制无特别关系地任意设定的。
图3是表示在实施例的感应电动机控制系统中使对励磁电流指令切换器31的选择进行切换的“状态的判定”结果为“是位置控制还是速度控制的判定” 结果时的结构的图
图4是表示在实施例的感应电动机控制系统中根据上述的“是位置控制还是速度控制的判定”结果来切换励磁电流指令切换器31时的动作的流程图。
在步骤S21中，进行“是位置控制还是速度控制的判定”，若为位置控制则进入步骤S22，若为速度控制则进入步骤S23。
在步骤S22中，励磁电流指令切换器31选择第二励磁电流指令，形成应用磁通控制(有磁通控制)的控制系统。此时，使速度指令切换器13选择第二速度指令，第二速度指令输入到速度控制器14。由此，实施例的感应电动机控制系统形成进行有磁通控制的位置控制的控制系统。
在步骤S23中，励磁电流指令切换器31选择第一励磁电流指令，形成不应用磁通控制(无磁通控制)的控制系统。此时，使速度指令切换器13选择第一速度指令，第一速度指令输入到速度控制器14。由此，实施例的感应电动机控制系统形成进行无磁通控制的速度控制的控制系统。
图5是表示在实施例的感应电动机控制系统中按照外部信息来切换励磁电流指令切换器31的选择时的结构的图。
图6是表示在实施例的感应电动机控制系统中根据上述的外部信息来切换励磁电流指令切换器31时的动作的流程图。
在步骤S31中，进行外部信息是开(ON)(有输入)还是关(OFF)(无输入)的判定，若为开则进入步骤S32，若为关则进入步骤S33。
在步骤S32中，励磁电流指令切换器31选择第二励磁电流指令，形成应用磁通控制(有磁通控制)的控制系统。
在步骤S33中，励磁电流指令切换器31选择第一励磁电流指令，形成不应用磁通控制(无磁通控制)的控制系统。
此外，速度指令切换器13的控制是与步骤S32和S33的控制无特别关系地任意设定的。
例如，考虑进行以下控制的情况：在启动感应电动机1的旋转的情况下， 在紧接在启动之后的规定期间进行无磁通控制的速度控制，之后进行有磁通控制的速度控制，并且在成为某种程度的高速旋转之后进行有磁通控制的位置控制。在这种情况下，在启动后的规定期间内，使外部信息关且进行设定使得速度指令切换器13选择第一速度指令，来进行无磁通控制的速度控制。在规定期间经过之后，使外部信息开且维持速度指令切换器13选择第一速度指令的状态，来进行有磁通控制的速度控制。并且，之后，维持使外部信息开的状态且使速度指令切换器13为选择第二速度指令的状态，由此进行有磁通控制的位置控制。由此，实现如下的控制系统：在启动感应电动机1的旋转时能够得到高的加速度，当速度高到某种程度时能够进行稳定的旋转。
以上，说明了本发明的实施方式，但是所记载的实施方式是用于说明发明的，本领域技术人员能够容易地理解在权利要求书中可以有各种变形例。
根据本发明，能够选择应用磁通控制的情况和不应用磁通控制的情况，因此能够实现能够根据使用状况来进行最合适的控制的电动机控制装置。
例如，在位置控制时，对切换器进行切换使其选择第二励磁电流指令，进行磁通控制。另一方面，在进行速度控制时，对切换器进行切换使其选择第一励磁电流指令，不进行磁通控制。
另外，设为能够基于外部信息来切换磁通控制的有无，而在速度控制中，若追求可控性，则也通过输入外部信息来使磁通控制有效。