专利名称:马达速度控制装置的制作方法
本发明涉及马达速度控制装置，尤其适合于驱动如轧钢机之类的振荡负载的马达的速度控制装置。
西干诺·莫里默岛和马沙多·高雅马(Sigeo Morimoto，Masato Kogama)所写的“马达速度控制系统的自适应型电流控制的应用”(日本工程师学会半导体和电力研究杂志中第SPC-86-2(1985)期，第11～20页所示)以及塔楚诺·哈沙格瓦，洛其·库罗沙瓦，西洛米·火速达和凯库·阿贝(Tatsuro Hasegawa，Ryoichi.Kurosawa，Hiromi Hosoda，Kikuo Abe)所写的“具有模拟电流控制的有微机的马达驱动系统”(IEEE;IECON86年第41～46页)揭示了用于驱动振荡负载的马达的速度控制装置，该马达包括由相串联的电机转矩模型和马达速度模型的马达模型，一电流指令信号加到电流控制电路和马达模型上，其中马达速度模型的输出和马达实际速度相比较，并且一个正比于其差的补偿信号加到电流指令信号上，该补偿信号等于转矩指令信号，这样形成马达电流控制电路的校正电流指令信号，以达到自适应模型电流控制。
上述已有技术是有效的，即把正比于模型和实际马达的速度差的补偿信号加入到马达速度控制装置的电流指令信号上能够使马达即使在驱动振荡负载的情况下通过抑制振荡来使速度控制稳定。但是，当马达速度控制装置中的电流控制系统的响应慢时，而它是等效于转矩控制系统的，且电流指令信号是加在其上的，响应的延迟将导致振荡抑制效应的减少。
因此，本发明的一个目的是提供一种具有大振荡抑制效应的马达速度控制装置，即使在马达速度控制装置中的电流控制系统的响应较慢。
上述目的是通过下述方法实现的除利用马达速度模型的输出以外，还利用等效于马达电流模型的马达转矩模型的输出，并把这一正比于马达转矩模型和实际马达转矩间差的进一步的补偿信号加到控制装置的转矩指令信号上，此外正比于马达速度模型和实际马达速度间的差值的通常的补偿信号也加在其上。
本发明提供了马达的速度控制装置，其中马达的速度是通过控制马达转矩的产生来控制的，该马达转矩的产生是响应于由计算马达速度指令信号和即时的实际马达速度信号得到的基本转矩指令信号的，其特征在于提供了的马达转矩模型和马达速度模型，马达转矩模型和马达速度模型的输出信号被分别与即时的实际马达转矩和转速信号相比较，并且其偏差分别通过各自的补偿元件加到基本转矩指令信号上以使其校正。
当通过马达转矩模型的所需马达转矩响应不同于实际马达转矩时，新加上的控制环校正转矩指令信号，这样两转矩相互一致。例如，如果马达速度是振荡的，则马达的感应电压变化，其中实际马达转矩(等效于马达电流)相应变化。在另一方面，马达转矩模型的输出表示了对应于无振荡情况的理想响应。因此，通过控制马达产生的转矩以限制其差值来抑制振荡是可能的。在以往的技术中，只有马达速度模型的输出被比较，而该马达速度模型的输出包括了对应于马达惯量的积分作用成分，因此在惯用的控制环中存在延迟响应。特别是，当转矩(电流)控制系统具有一较大延迟时，由马达产生的实际转矩将有更大的延迟，这样振荡抑制效应被成小到那个等级。相反，当采用马达转矩(电流)模型的输出信号的进一步的控制环被加上后，就可以通过不包括任何积分作用成份的快速控制环来衡量振荡效应，并使其反馈。因此，甚至可以用具有较大响应延迟的转矩(电流)控制系统来抑制振荡。
图1是本发明直流马达的速度控制装置的一个实施例的方框说明图;
图2是说明图1所示的马达速度控制装置的控制系统的一个部分的示意图，其中各个方框由其传递函数所表示;
图3是说明如图2所示的马达速度控制系统的根轨迹的典型示意图;
图4是本发明的感应马达速度控制装置的一个实施例的方框图。
下面参照附图1，对本发明的一个实施例作详细说明。图1是说明本发明的用于直流马达的速度控制装置的一个应用实例。速度控制电路1计算基本电流指令信号Ic，从而通过用速度指令信号Nr和由连到直流马达5上的速度检测器6检测的实际速度信号Nf来决定了直流马达5的速度。基本电流指令信号Ic通过包括两个加法器和加法电路2与II和IN相加，并被转变成电流控制电路3的校正电流指令信号Ir。电流控制电路3把由电流检测器7检测的实际电流信号If和校正的电流指令信号Ir作比较，并且通过变换经门脉冲产生电路4和功率变换器8的加到直流马达5的电压来控制流到直流马达5的电流。速度控制电路1的输出Ic同样输入到马达模型9。马达模型9由相互串联的由理想马达用来产生电流的马达电流模型10和由理想马达用来产生速度的马达速度模型11构成。马达电流模型10的输出信号IM与实际检测得的电流信号If相比较，其偏移量εI通过第一补偿元件12产生第一电流指令校正信号II。马达速度模型11的输出信号NM与实际检测得的速度信号Nf相比较，其偏差εN通过第二补偿元件13产生第二电流指令校正信号IN。
当速度指令信号Nr逐渐变化时，速度控制电路1的输出信号Ic也变化，该变化被同时输入到马达电流模型10和加法电路2中。当马达电流模型10和马达速度模型11的特性是与即时马达运行特性一致时，各个模型的输出信号和各实际信号间的偏移量εL和εN都变成零。在这种情况下，第一和第二电流指令校正信号II和IN都变成零，并且速度控制电路1的输出信号，电流指令信号IC变成等于电流控制电路3的输入信号Ir。结果，电流控制电路3通过门脉冲产生电路4控制功率变换器8以使电流指令信号Ir与实际检测的电流信号If相一致。
在另一方面，当具有理想响应特性的马达电流和马达速度模型10和11的输出信号分别不同于即时马达电流和速度信号时，产生第一和第二电流指令校正信号Ir和IN以使实际马达响应与马达模型响应一致。当直流马达5驱动的负载显示振荡特性时，在实际马达电流和速度信号上出现振荡负载的影响，但是在马达电流和速度模型10和11的输出信号上几乎没有影响。结果，在模型输出信号和实际信号间会出现偏移εI和εN。换句话说，在振荡负载的情况下，在实际信号中的振荡成份是如εI和εN的输出，正比于偏移量εI和εN的第一和第二电流指令校正信号II和IN被加到电流指令信号Io上，这样的控制使实际马达响应与马达模型响应一致。这样，实现了有小振荡的马达速度控制。
特别地，通过比较马达电流模型10的输出信号IM和实际检测的电流信号If而产生的第一电流指令校正信号II的第一控制环路以较小响应延迟来判别由负载振荡引起的振荡成份，这样控制环路能补偿甚至是在很短周期内变化的振荡成份。反过来说，甚至当包括电流控制电路3的控制系统的响应较慢时，由于振荡抑制控制环路的延时因有第一校正信号II而较小，所以控制的延迟总体上说变得较小，因此导致了振荡抑制效应。另一方面，由于使用比较马达速度模型11的输出信号NM和实际检测得的速度信号Nf而产生的第二校正信号IN的第二控制环路包括积分项，所以其响应稍慢。然而，第二环路对于抑制最终速度振荡是有效的。
如上所述，根据图1所示的实施例，包括具有慢响应的电流控制系统和驱动一个振荡负载的马达速度控制装置接近于由马达电流和速度模型所代表的无振荡马达模型的响应。即是，速度控制装置中的振荡结果被抑制。
上述效果参看附图2作详细说明，图2是说明如图1所示的驱动振荡负载的马达速度控制装置的方框示意图。图2所示的是从图1所示的速度控制电路1的输出信号IC到直流马达5的实际速度Nf的框图。图中用与图1相同的标号表示相同的元件。由如图1所示的电流控制电路3，门脉冲产生电路4，功率变换器8，直流马达5和电流检测器7组成的电流控制系统的特性，由时间常数T1的初级延迟元件15来表示。初级延迟元件15的输出通过直流马达转矩常数KT的方框16被变成马达转矩τm。马达转矩τm通过具有马达惯量Jm的积分元件17变成直流马达的速度Nf。由虚线18所表示的具有惯量Jl，阻尼系数Cl和刚性Kl的双重质量负载被连到直流马达上。τl是加到双重质量负载18上的负载转矩。其中阻尼系数Cl假定为非常小，这是因为负载具有振荡特性。负载的惯量Jl，阻尼系数Cl和刚性Kl分别由方框19，20和21表示。马达电流模型10由具有时间常数Tm的初级延迟元件表示，并且马达速度模型11是由具有系数Km的比例元件22和具有系数l/Jm的积分元件23构成。第一补偿元件12由此例常数KI表示，而第二补偿元件13由比例常数KN表示。
如图2所示的控制系统框图中的由基本电流指令信号I到实际马达速度Nf的传递系数由下列等式得到(Nf(S))/(Ic(S)) = (KT(S2+(CL/Jl)S+(KL/JL)) (JMTMS2+JM(1+KMKI)S+KMKN))/(A(S))……(1)
在等式(1)中，A(s)由下式表示A(S)＝JmIMS(1+TMS)｛JmTIS4+(1+KTKI+2ζωnTI)JmS3+(Jm((2ζωn)(1+KTKI)+ωn2TI+KNKT)S2+(Jmωn2(1+KTKI)+(Cl/Jl)KNKT)S+(Kl/Jl)KNKT｝ ……(2)在等式(2)中ζ和ωm分别如下式所示ζ = (C l / 2 )(1Jm+1Jl) /K l……]]>(3)ωn=K l (1Jm+1Jl)……]]>(4)当速度控制电路1的输出信号IC变化时的实际马达速度Nf的变化如等式(1)所表示，并且特别地，振荡特性大致上由等式(1)的分母决定，即等式(2)的根决定。在等式(2)中，如果补偿元件的比例系数KI和KN被置0，则A(s)由下式表示A(S)＝JmJMS2(1+TMS)(1+TlS)(S2+2ζωn+ωn2)…(5)由等式(5)可以理解到，图2所示的控制系统的框图具有含阻尼系数ζ的振荡特性，该阻尼系数ζ只是由马达和负载特性决定的。特别是，具有较小阻尼系数Cl的控制系统是具有较大的振荡，这是因为该系统具有非常小的阻尼系数的原因。相反，当分别具有比例常数KI和KN的第一和第二补偿元件12和13被引入控制系统中时，可能使式A(s)＝0的根置于一个适当值。图3是说明式A(s)＝0的根相对于TI，KI和KN的根轨迹的示意图。假定等式(2)的振荡根(仅是具有正的虚数部分二次系统)是在点A处，并且当电流控制系统15的延迟为零时，在此TI＝0，特征根相对于原先值的倾角θ变大，它是仅通过调节第二补偿元件13的第二个比例常数KN来进行的，如图中实线所示，结果阻尼系数ζ增大。例如通过调节KN可以选择特征根使其在点B处以使振荡大大抑制。然而，当在马达控制系统中的电流控制系统的延迟T较大时，并且如果第二比例常数KN单独增加，根的轨迹的变化如图3中虚线所示。从该轨迹所示，倾角θ渐渐增加来轻微地抑制振荡，但是振荡抑制效应还不是充分的。相反，如果第一补偿元件12的第一比例常数KI从点C开始增加，则根的轨迹变成如图3中虚线所示，可以理解为随着KI的增大，相对于原先值的特征根的倾角θ进一步增加，因此进一步提高振荡抑制效应。
如上所述，还发现本发明的实施例具有甚至当电流控制系统15的延迟TI是大时也有振荡抑制效应。
尽管在图1所示的实施例中用马达电流模型的输出代替马达转矩模型的输出，来自比例元件22的输出信号的马达转矩模型的输出信号，可与实际马达转矩信号τm相比较以形成第一偏移量εI，它是通过用转矩检测器来取代电流检测器7。
图4是本发明的应用到感应马达的速度控制装置的另一个应用实施例。速度探测器32机械地连到感应马达31上，实际检测得的速度信号Nf是来自速度检测器32的输出。此外，直流电源的电压通过变换器34变换成交流电压，该交流电压是加到感应马达31上的以引起各自的相电流。各个相的电流是通过电流检测器35到37来检测的，并用作反馈信号被反馈到交流电流控制电路38上，同时也提供到三相/二相变换电路39以检测d-轴和q-轴的电流分量。交流电流控制电路38的输出迭加到基本信号产生电路40上，该基本信号产生电路40产生构成变换器34的晶体管的基本信号。交流电流控制电路38的指令信号iur，ivr和iwr是从二相/三相变换电路41的输出获得的。
在另一方面，速度控制系统计算电流指令信号Iqc，它通过利用速度指令信号Nr和实际检测的速度信号Nf间的差值在速度控制电路42中构成q轴电流分量的基础。d-轴电流分量的电流指令信号Idr是来自指令产生器43的输出，但是电流指令信号Idr在此假设为恒定以便简化说明。d-轴和q-轴电流分量的电流指令信号Idr和Iqc被分别输入到感应马达模型47中，该感应马达模型是由乘法器44，对应于马达转矩模型的初级延迟元件45和对应于马达速度模型的积分器元件46构成。在另一方面，马达产生的转矩τf是分别把q轴电流分量信号Iqf和d轴电流分量信号Idf通过乘法器48相乘而获得的，而上述二信号Iqf和Idf是被三相二相变换电路39检测出来的。来自马达转矩模型45的输出信号τm和来自马达速度模型46的输出信号Nm被分别与实际马达转矩信号τf和实际马达速度信号Nf相比较，并且其差值εI和εN通过第一补偿元件49和第二补偿元件50被分别转变成第一和第二校正信号IqI和IqN，该两校正信号IqI和IqN被加到q轴的电流分量的电流指令信号IqC，该电流指令信号IqC是q轴电流分量的基础，由此能获得q轴的电流分量的校正电流指令信号Iqr。这些q轴和d轴的电流分量的电流指令信号Iqr和Idr被分别与实际电流信号Iqr和Idr相比较，并且分别提供给q轴和d轴的电流分量控制电路51和52，而其输出被加到二相/三相变换电路41上。参考标号53代表计算变换器角频率ω1的电路，该电路通过用q轴和d轴电流分量的电流指令信号Iqr和Idr以及检测得的速度信号54来实现计算变换器角频率ω1的，标号54表示用角频率ω1产生一个具有角频率ω1的交流信号的电路。
在图4中，当加上速度指令信号Nr后，速度控制电路42根据实际速度信号Nf计算q轴电流分量的基本电流指令信号Iqc。其结果和d轴电流分量的电流指令信号Idc被送入感应马达模型47，两个信号Iqc和Idc通过乘法器44相乘，转矩指令信号被计算作为结果。其结果输入到具有等同于马达转矩系统的时间常数的初级延迟元件45中，由此获得马达转矩模型的输出信号Cm。输出信号τm进一步输入到积分器元件46，从而得到马达速度模型的输出信号Nm。当这些模型的输出信号τm和NM分别与实际转矩和实际速度相一致时，第一和第二补偿元件49和50的输入值ετ，εm变成零，这样输出信号IqI和IqN也变成零，因此q轴电流分量的基本电流指令信号Iqc与q轴电流分量的校正电流指令信号Iqr一致。在该情况下，感应马达模型47的输出信号不影响整个速度控制系统的特性。速度控制系统作一般标准的感应马达速度控制装置而运行，由此它被控制成使感应马达31的速度与指令信号Nr一致。
然而，如果由感应马达31所驱动的机器是具有振荡特性的话，则它们的影响会出现在实际测得的信号Idf，Iqf和Nf上。另一方面，它们对感应马达模型47的影响很小。因此，在模型信号输出和实际信号间的差值ετ，εN上会出现振荡分量的影响，同时产生第一和第二校正信号IqI和IqN，这样差值的产生为零，以此控制感应马达31的转矩。结果，所述的感应马达速度控制装置抑制了振荡并且具有与图1所示实施例相同的稳定的速度控制特性。
如上所述，本发明同样也可用于交流马达的速度控制装置，并且可以抑制马达的振荡并即使马达驱动振荡负载时，能获得与马达模型的理想响应接近的稳定控制特性。
尽管在图4所示的实施例中，校正信号只加到q轴电流分量上，然而当d轴电流分量的基本电流指令信号变化时，校正信号在保持较正信号矢积恒定的同时，根据基本电流指令信号的比例被分别分开。
本发明的优点在于，即使当马达驱动一振荡负载时，能够抑制振荡并提供稳定的速度控制特性。
权利要求
1.一种马达速度控制装置，其特征在于包括通过比较速度参考信号和即时马达实际速度信号而产生基本电流指令信号的速度控制电路；用于校正来自所述速度控制电路的基本电流指令信号并产生校正的电流指令信号的加法器；用于比较来自所述加法器的校正的电流指令信号和马达的即时实际电流信号的比较器，控制流过马达的电流使之响应于所述比较器的输出信号的电流控制电路；供有基本电流指令信号的并对其具有理想响应的马达模型，所述马达模型包括一相互串联的马达电流模型和马达速度模型；比较即时实际电流信号和来自所述马达电流模型的输出信号，并能产生加到所述加法器上的第一电流校正信号的第一控制环路，以及比较即时实际速度信号和来自所述马达速度模型的输出信号，并产生加到所述加法器上的第二电流校正信号的第二控制环路。
2.如权利要求
1所述的马达速度控制装置，其特征在于所述第一控制环路包括产生正比于即时实际电流信号和来自所述马达电流模型输出信号之间偏差的第一电流校正信号的第一补偿元件;并且所述第二控制环路包括产生正比于即时实际速度和来自所述马达速度模型输出信号间偏差的第二电流校正信号的第二补偿元件。
3.如权利要求
2所述的马达速度控制装置，其特征在于所述马达是一直流马达。
4.如权利要求
2所述的马达速度控制装置，其特征在于所述马达是感应马达。
5.如权利要求
4所述的马达速度控制装置，其特征在于所述速度控制电路包括产生q轴电流分量的第一基本电流指令信号的第一速度控制电路和产生d轴电流分量的第二基本电流指令信号的第二速度控制电路，第一和第二基本电流指令信号通过第一乘法器被加到所述的马达模型;所述的比较器包括为q轴电流分量的第一比较器和为d轴电流分量的第二比较器;所述电流控制电路包括一接收来自第一比较器输出信号的q轴电流分量控制电路以及一接收来自第二比较器输出信号的d轴电流分量控制电路;接收分别来自所述q轴和d轴电流分量控制电路输出的二相/三相变换电路，和接收来自所述二相/三相变换电路输出的交流电流控制电路;并进一步包括一接收即时实际电流信号并把q轴电流分量的即时实际电流信号提供给所述第一比较器和第二乘法器;以及把d轴电流分量的即时实际电流信号提供给所述第二比较器和所述第二乘法器以形成即时实际电流信号的三相/二相变换电路;变换器角频率计算电路接收q轴电流分量的校正的电流指令信号，d轴电流分量的校正的电流指令信号以及即时实际速度信号，并产生一预定变换器角频率，交流信号产生电路接收来自所述变换器角频率计算电路的预定变换器角频率，并把具有预定变换器角频率的交流信号提供给所述二相/三相变换电路和所述三相/二相变换电路。
专利摘要
一种马达速度控制装置包括由相串联的马达电流模型和马达速度模型构成的马达模型，基本转矩指令信号被加到所述马达模型上，第一和第二控制环把马达电流模型和马达速度模型的输出信号分别与即时实际马达电流信号和即时实际马达速度信号相比较并产生被加到基本转矩指令信号上的第一和第二校正信号，以形成加到马达电流控制电路上的校正的转矩指令信号，由此即使当马达驱动振荡负载时，能抑制速度振荡。
文档编号H02P29/00GK87104603SQ87104603
公开日1988年1月27日 申请日期1987年6月30日
发明者大前力, 松田敏彦, 川隆, 飞世正博 申请人:株式会社日立制作所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan