电动机控制装置 【技术领域】
本发明涉及电动机控制装置。
背景技术
作为感应电动机的速度控制装置，广泛采用控制输出电压V与输出频率f之比为一定值的V/f恒定控制方式的逆变装置。这样的逆变装置中，在发生瞬时停电逆变器装置停止之后恢复供电重新起动的情况下，或者逆变器停止时感应电动机因外力作用从自由旋转状态起动的情况下，必需使自由旋转的感应电动机的旋转频率F与逆变装置的输出频率f大致一致后使其再加速。因此必需知道V/f恒定控制方式的逆变装置在其起动时的输出频率f与自由旋转的感应电动机的旋转频率F，通过具备测速发电机等速度检测器，检测感应电动机地剩余电压，根据其频率分量进行计算的方法求出旋转频率F。
又，作为以求出自由旋转的感应电动机的旋转频率F为目的，且无需安装测速发电机等速度检测器的专用感应电动机或者感应电动机的剩余电压检测用的电压检测用变压器那样的专用电压检测器的装置，有专利文献1(特开平3-3694号公报)中公开的感应电动机的控制装置。
专利文献1的内容是，在感应电动机自由旋转的情况下，从电流指令部输出直流电流指令信号时，利用控制信号系统，根据该直流电流指令信号与作为逆变部的输出电流的检测值的检测信号之差，控制逆变部的输出电流，这时控制信号系统中产生纹波分量，将该纹波分量加以提取，求出自由旋转的感应电动机的旋转状态。
又，专利文献1中记载了以下内容(第7頁右下栏的第1行～第12行)，即开始检测自由旋转的感应电动机的旋转状态，在10ms之后使电流指令的相位角θ从0反转为180°，使逆变部的输出电流的极性反转，并且使与电压指令重叠的纹波分量的振幅大幅度增大。
上述专利文献1存在以下问题，即由于在其通电途中使对自由旋转的感应电动机输入的电流的极性反转，控制信号系统受到随着急剧的电流变化带来的干扰，并且虽然是利用重叠的纹波分量的峰值的增大，但由于速度检测中所使用的纹波放大有波动，特别是在频率低的情况下纹波小，并且无法高精度地测出自由旋转的感应电动机的旋转频率F。
本发明是为解决上述课题而完成的，第1个目的是，得到即使在速度检测中所使用的纹波放大有波动的情况下，也可以高精度地测出自由旋转的感应电动机的旋转频率F的电动机控制装置。
【发明内容】
本发明的电动机控制装置具有：将使直流电逆变为交流电的逆变部的输出电流变换成正交的2相的d轴电流分量信号hq轴电流分量信号的3相/2相变换手段、瞬时停止后再起动时，输出正交的2相的d轴电流分量指令信号、q轴电流分量指令信号以及这些d轴电流分量指令信号、q轴电流分量指令信号的相位角θ的电流相位指令手段、将作为d轴电流分量指令信号与d轴电流分量信号的差分的d轴电流分量的差值信号加以放大，同时将控制逆变部的输出电流，使差值信号为0用的2相电压指令的d轴分量加以输出的d轴电流控制手段、将作为q轴电流分量指令信号与q轴电流分量信号的差分的q轴电流分量的差值信号加以放大，同时将控制逆变部的输出电流，使差值信号为0用的2相电压指令的q轴分量加以输出的q轴电流控制手段、以及将由d轴电流控制手段输出的2相电压指令的d轴分量以及由q轴电流控制手段输出的2相电压指令的q轴分量加以输入，并计算自由旋转的感应电动机的旋转频率与旋转方向的感应电动机旋转状态检测部，
由于具有将重叠于由所述d轴电流控制手段输出的2相电压指令d轴分量的纹波分量的放大率变为最大的特定相位作为相位反转时刻加以检测的相位反转时刻检测手段，电流相位指令手段根据由该相位反转时刻检测手段输出的特定相位，使电流指令的相位反转180°，因此可以高精度地测出自由旋转的感应电动机的旋转频率F。
又，相位反转时刻检测手段在瞬时停止再起动时的电流控制开始后，并且是在因过度变动产生的影响稳定之后，进行由d轴电流控制手段输出的2相电压指令的d轴分量的积分项与上一次的值的比较，在测出最初的最大值、最初的最小值以及第2次的最大值之后，将2相电压指令的d轴分量的积分项达到(最初的最小值+第2次的最大值)/2以下的时间作为使电流指令的相位反转180°的第1特定相位向所述电流相位指令手段输出，因此可以测出特定相位Tθ1而不受自由旋转的感应电动机的旋转方向的影响。
还有，相位反转时刻检测手段在第1特定相位输出之后，继续进行2相电压指令的d轴分量的积分项与上一次的值的比较，并且在测出最初的最大值、最初的最小值以及第2次的最大值之后，将达到第2次的最大值的时间作为使电流指令的相位反转180°的第2特定相位向所述电流相位指令手段输出，因此即使2相位电压指令的q轴分量vqs*的波形以O为中心振动且剩余电压大量剩余的情况下，也可以正确地计算出纹波频率fn。
【附图说明】
图1是本发明实施方式1的电动机控制装置的结构图。
图2是表示3相/2相变换手段21输出的2相电流的d轴分量ids与纹波放大率之间关系的关系图。
图3是示出本发明实施方式1的各种波形的图，并且是示出关于纹波放大率达到最大的特定相位Tθ1的计算的各种波形的图。
图4是示出本发明实施方式1的感应电动机再起动运算部20中的电流相位指令手段22的结构图。
图5是示出关于剩余电压大量剩余时的纹波放大率达到最大的特定相位Tθ1的计算的各种波形的图。
图6是示出本发明实施方式2的各种波形的图，并且是示出关于剩余电压大量剩余时的纹波的放大率达到最大的特定相位Tθ1、Tθ2的计算的各种波形的图。
最佳实施方式
实施方式1
下面根据图1对本发明的实施方式1的电动机控制装置的结构以及处理进行说明。图1中，整流电路1将由3相商用电源2输入的3相交流电变换为直流电，用主电路电容器3使变换的直流电压平滑。另外，逆变部4由晶体管等开关元件和与该开关元件并联的反馈二极管组成，通过利用来自控制电路部5的控制信号对开关元件进行ON/OFF控制，将直流电逆变为可变频率、可变电压的交流电，并对感应电动机6进行变速驱动。
在感应电动机6停止的状态使其启动时，利用加减速指令器7设定作为感应电动机的旋转速度的输出频率f，接通3相商用电源2。另外，频率切换手段8使加减速指令器7或者下述感应电动机旋转状态检测部30中的任何一方的输出信号通过，通常根据来自瞬时停电检测再起动电路9的指令信号，切换设定在加减速指令器7一侧。又，电压/频率变换手段10输出与由加减速指令器7设定的输出频率f的电压/频率比固定的电压指令V。又，输出切换手段11使电压/频率变换手段10的输出信号或者下述2相/3相变换手段34的输出信号的任何一个输出信号通过，通常是根据来自瞬时停电检测再起动电路9的指令信号，切换设定在电压/频率变换手段10一侧。又，瞬时停电检测再起动电路9在测出商用电源2瞬时停电时，就将能够测出自由旋转的感应电动机的旋转状态的指令信号向下述感应电动机再起动运算部20输出。
PWM电路12中，以该电压指令V为基础生成PWM信号，对逆变部4的开关元件进行ON/OFF控制，并且将直流电逆变为可变频率、可变电压的交流电，以对感应电动机6进行加速使感应电动机6从零开始缓缓在要规定的时间达到设定的旋转速度。
其次，在发生瞬时停电且电动机控制装置停止之后，通过恢复供电再起动时，或者电动机控制装置停止时感应电动机受外力作用从自由旋转状态起动时，3相/2相变换手段21、电流相位指令手段22、d轴电流比较手段26、q轴电流比较手段27、d轴电流控制手段28、q轴电流控制手段29、感应电动机旋转状态检测部30、2相/3相变换手段34构成的感应电动机再起动运算部20对自由旋转的感应电动机的旋转状态进行检测。又根据来自瞬时停电检测再起动电路9的指令信号，频率切换手段8切换到感应电动机旋转状态检测部30一侧，电压/频率变换手段10以由感应电动机旋转状态检测部30输出的旋转频率F为依据，输出相对于旋转频率F的电压/频率之比固定的电压指令V。又输出切换手段11根据来自瞬时停电检测再起动电路9的指令信号，在利用感应电动机旋转状态检测部30计算自由旋转的感应电动机的旋转状态的过程中，切换设定在2相/3相变换手段34一侧，使2相/3相变换手段34的输出信号通过，在检测自由旋转感应电动机的旋转状态之后，切换到电压/频率变换手段10一侧，并且输出与测出的旋转频率F对应的电压指令V。又在PWM电路12中，利用以该电压指令V为基础生成PWM信号，对逆变部4的开关元件进行ON/OFF控制，并将直流电逆变为交流电的方法，从检测感应电动机6时的自由旋转的感应电动机的旋转频率F再起动。
下面对在供电遮断的情况下也自由旋转的感应电动机的旋转状态检测处理进行说明。
首先，利用3相/2相变换手段21，将电路检测部13测出的逆变部的输出电流iu、iv、iw变换为2相电流ids(d轴分量)、iqs(q轴分量)。又，电流相位指令手段22在有来自瞬时停电检测再起动电路9的指令信号输入时，即输出2相电流指令ids*、iqs*以及2相电流指令ids*、iqs*的相位角θ。
d轴电流比较手段26将电流相位指令手段22输出的2相电流指令的d轴分量ids*与3相/2相变换手段21输出的2相电流的d轴分量ids加以比较，并输出差值信号(ids*-ids)。又，q轴电流比较手段27将电流相位指令手段22输出的2相电流指令的q轴分量iqs*与3相/2相变换手段21输出的2相电流的q轴分量iqs加以比较并输出差值信号(iqs*-iqs)。
又，d轴电流控制手段28在输入并放大来自d轴电流比较手段26的差值信号的同时，将控制逆变部的输出电流使上述差值信号为零用的2相电压指令的d轴分量vds*加以输出。又，q轴电流控制手段29输入并放大来自q电流比较手段27的差值信号，同时将控制逆变部的输出电流使上述差值信号为零用的2相电压指令的q轴分量vqs*加以输出。
感应电动机旋转状态检测部30手段由以下手段构成，即以从d轴电流控制手段28输出的2相电压指令的d轴分量vds*为基础对相位反转时刻进行检测的相位反转时刻检测手段31、将从d轴电流控制手段28和q轴电流控制手段29输出的2相电压指令的d轴分量vds*、2相电压指令的q轴分量vqs*加以输入，并提取与2相电压指令的d轴分量vds*、2相电压指令的q轴分量vqs*重叠的纹波分量的纹波检测手段、以及以测出的纹波分量为基础对自由旋转的感应电动机的旋转频率F与旋转方向进行运算的旋转频率·旋转方向运算手段33；在纹波分量的放大率达到最大的特定相位，使电流指令的相位反转180°并计算自由旋转的感应电动机的旋转频率F与旋转方向。
又，2相/3相变换手段34将由d轴电流控制手段28输出的2相电压指令的d轴分量vds*以及由q轴电流控制手段29输出的2相电压指令的q轴分量vqs*加以输入，并变换为3相电压指令vu*、vv*、vw*。
图2中，(a)是3相/2相变换手段21输出的2相电流的d轴分量ids的波形，(b)是作为180°相位反转后的纹波振幅/180°相位反转前的纹波振幅的纹波放大率的波形。如图2所示，2相电流的d轴分量ids达到最大时，纹波的放大率在Tθ1点达到最大。
又，下面利用图3就纹波放大率达到最大的特定相位的计算进行说明。图3中，(a)是3相/2相变换手段输出的2相电流的d轴分量ids的波形，(b)是2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的波形，(c)是3相/2相变换手段输出的2相电流的q轴分量iqs的波形，(d)是2相电压指令的q轴分量vqs*的波形。如图3所示，2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的相位相对2相电流的d轴分量ids的相位滞后90°。
纹波放大率达到最大的特定相位Tθ1是2相电流的d轴分量ids为最大的时刻，但在检测Tθ1时，相位反转时刻检测手段31使用容易不受旋转方向影响地检测的2相电压指令的d轴分量vds*的积分项，采用以下方法进行计算。
起动后，从过度波动所产生的影响消除后的几毫秒之后开始，由d轴电流控制手段28输出的2相电压指令的d轴分量vds*的积分项用与上一次的值进行比较，计算出相位反转的时间作为纹波放大率达到最大的特定相位。
(1)2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的上一次的值＞2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的本次的值时，作为最初的最大值V1，
(2)然后，当2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的上一次的值＜2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的本次的值时，作为最初的最小值V2。
(3)测出V2之后，2相电压指令的d轴分量vds*的积分项目的上一次的值＞2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的本次的值时，作为第2次的最大值V3，
(4)经过V3之后，将2相电压指令的d轴分量vds*的积分项达到(V2+V3)/2以下的时间Tθ1作为相位反转的特定相位。
纹波在这个位置增多的理由是，由于2相电压指令的d轴分量vds*的积分项发生剧烈变化，对控制系统造成很大的干扰，控制系统处于更加不稳定状态。
下面根据图4对电流相位指令手段22在Tθ1相位反转的处理进行说明。图4中，电流相位指令手段22由d轴电流指令手段23、q轴电流指令手段24以及相位角发生手段25构成，在输入来自瞬时停电检测再起动电路9的指令信号之后，即输出如下指令作为电路指令信号。
(1)t＜Tθ1时，
ids*＝Ids(固定值)
iqs*＝0
θ＝0
(2)t＞Tθ1时，
ids*＝Ids(固定值)
iqs*＝0
θ＝180°
这里，ids*、iqs*为2相电流指令，θ为2相电流指令ids*、iqs*的相位角。又，Tθ1为相位反转时刻检测手段31计算出的纹波放大率达到最大的时间。
如上所述，实施方式1的电动机控制装置中，在纹波分量的放大率达到最大的特定相位时使电流指令的相位反转180°，而不将反转时间选择在固定时间，因此可以高精度地测出自由旋转的感应电动机的旋转频率F。
又，由于使用2相电压指令的d轴分量vds*的积分项对纹波分量的放大率达到最大的特定相位Tθ1进行检测，因此可以测出特定相位Tθ1而不受自由旋转的感应电动机的旋转方向的影响。
实施方式2
图5中，(a)是3相/2相变换手段输出的2相电流的d轴分量ids的波形，(b)是2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的波形。(c)是2相电压指令的q轴分量vqs*的波形。
如图5所示，剩余电压大量剩余时，在时间Tθ1(＝达到(V2+V3)/2以下的时间)进行180°相位反转的情况下，纹波过度变大，2相电压指令的q轴分量vqs*的波形如图5(c)所示那样逐渐偏离O的中心线。
自由旋转的感应电动机的旋转状态(旋转频率F、旋转方向)以与2相电压指令的d轴分量vds*、2相电压指令的q轴分量vqs*重叠的纹波频率fn为基础进行计算。设定iqs*＝0作为电流指令时，2相互电压指令的q轴分量vqs*的平均值为0，并且只是交流纹波，因此，一般是以2相电压指令的q轴分量vqs*为基础求出纹波频率fn。
因此，如图5(c)所示，一旦2相电压指令的q轴分量vqs*的波形逐渐偏离O的中心线，就无法正确计算出纹波频率fn。
实施方式2是在剩余电压大量剩余时，在时间Tθ1点进行180°相位反转且纹波过度变大的情况下，在时间Tθ2点进行第2轮的180°相位反转。
下面根据图6对在时间点Tθ2进行第2轮180°相位反转的处理进行说明。图6中，(a)是3相/2相变换手段输出的2相电流的d轴分量ids的波形，(b)是2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的波形，(c)是2相电压指令的q轴分量vqs*的波形。
相位反转时刻检测手段31确认由q轴电流控制手段29输出的2相电压指令的q轴分量vqs*的波形，在采用上述实施方式1的方法算出的时间Tθ1(达到(V2+V3)/2以下时间)，考虑在电流相位指令手段22进行相位反转处理之后，纹波如图6(b)所示那样变大，2相电压指令的q轴分量vqs*的波形如图6(c)所示那样偏离O的中心线的情况，接着进行计算相位反转的时间Tθ2作为第2次的特定相位。
(1)进行2相电压指令的d轴分量vds*的积分项与上一次的值的比较，2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的上一次的值＞2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的本次的值时，作为第2轮的最初的最大值V1。
(2)然后，2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的上一次的值＜2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的本次的值时，作为第2轮的最初的最小值V12。
(3)测出V12之后，2相电压指令的d轴分量vds*的积分项目的上一次的值＞2相电压指令的d轴分量vds*的积分项的本次的值时，作为第2轮的第2次的最大值V13，并且将达到V13的时间Tθ2作为第2轮的相位反转时刻。
接着，电流相位指令手段22在Tθ2进行第2轮的相位反转。
如上所述，实施方式2的电动机控制装置中，在剩余电压大量剩余的情况下，在时间Tθ2点进行第2轮的180°相位反转，因而2相电压指令的q轴分量vqs*的波形以O为中心振动，并且即使在剩余电压大量剩余的情况下也可以正确地计算出纹波频率fn。
产业上利用的可能性
如上所述，本发明的电动机控制装置可以高精度地测出自由旋转的感应电动机的旋转状态(旋转频率F、旋转方向)，因此即使在供电遮断的情况下，也可以适合作为负荷的感应电动机惯性旋转的用途。