专利名称：感应电动机的驱动装置及方法
技术领域：
本发明涉及可变速驱动感应电动机的感应电动机的驱动装置以及方法，尤其涉及驱动吊起货物的起重机设备等的情况下适用的感应电动机的驱动装置以及方法。
背景技术：
在使用起重机等升降设备以加速度α吊起货物时，所需要的转矩τm如(1)式所示，依赖于加速度α和载货的重量m·g。另外，在(1)式中，设通过半径r的滑轮吊起货物，J是包括电动机或机械系统(滑轮等)的全体转动惯量，ω是电动机旋转速度，m是载货的质量，g是重力加速度。
M·α·r＝J·dω/dt＝τm-m·g·r…………………………………(1)在此，转矩τm的最大值由电动机容量确定，若m·g·r大，则(1)式中的加速度α变为负或零，不能提起货物。另外，即使加速度α为正，若速度变化率dω*/dt比(转矩τm最大值-m·g·r)/J大，则电动机无法服从指令，吊起动作会失败。
例如在专利文献1中公开了现有的感应电动机的矢量控制。对现有的感应电动机的无速度传感器矢量控制的概要进行说明。根据起动指令赋予一次频率，对励磁电流指令进行运算，若感应电动机起动则根据电流或电压指令等对速度推断值进行运算。按照使该速度推断值与赋予的速度指令一致的方式对转矩电流指令进行运算。具备d、q各轴的电流控制系统，分别按照与指令值一致的方式对d、q各轴的电压进行修正。根据速度指令、速度推断值、电流指令等运算针对电力变换器的一次频率指令。利用该一次频率指令和各种电流指令、以及电流控制部的输出，对d、q各轴的电压指令进行运算，利用运算相位变换为三相交流电压指令，根据该指令通过电力变换器产生三相交流电压，供给感应电动机。
这样，在现有的矢量控制中，按照实际速度服从规定的速度指令的方式控制电流、电压。
专利文献1专利第3351244号公报在起重机等升降设备中，有时会进行吊起某一重量的货物到其他位置放下再吊起其他不同重量的货物等动作，货物的大小有可能每次差异较大。在加速速率始终恒定的情况下，若荷重(m·g)大，则根据(1)式会产生无法加速的情况。在不能吊起货物的情况下，例如也有向操作人员发出警报而减少货物从而减轻负载然后进行吊起的方法，但这样作业会中断，效率差。在可设想最大负载的情况下，初始设定的加速速率也没有问题，但负载的大小每次不同而当施加设想外的负载的情况下，用现有的控制方法将无法应对。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种对各种荷重不使作业中断而进行高效运转的感应电动机的驱动装置。
本发明其一方面在具备根据速度指令使感应电动机可变速运转的电力变换器的感应电动机的驱动控制中，对感应电动机的滑动频率进行运算，当运算出的滑动频率在规定范围接近产生最大转矩的最大转矩产生滑动频率时，降低速度指令的变化率。
速度指令的变化率降低方法希望降低速度指令的增加率。
本发明其另一方面在具备根据速度指令使感应电动机可变速运转的电力变换器的感应电动机的驱动控制中，对感应电动机的滑动频率进行运算，当该滑动频率在规定范围接近产生最大转矩的最大转矩产生滑动频率时，以视觉及/或听觉方式发出警报。
在本发明的希望的实施方式中，设置有滑动频率运算部，对感应电动机的滑动频率进行运算；和最大转矩产生滑动频率运算部，对产生最大转矩的滑动频率进行运算，当滑动频率运算值超过了最大转矩产生滑动频率所对应的规定值时，抑制速度指令的变化率或对速度指令进行修正，并且将该情况通过显示器和扬声器报知操作人员。
另外，在本发明的希望的另一实施方式中，根据滑动频率运算值与最大转矩产生滑动频率所对应的规定值之间的差分来修正速度指令的变化率。
(发明效果)根据本发明的希望的实施方式，在使感应电动机加速时，能以与荷重相称的最佳的速率使电动机加速。由此，例如，在用起重机等升降设备吊起货物时，即使在相对于规定的加速速率负载重的情况下，也可改变为最佳的加速速率，从而不停止装置地进行高效作业。
本发明的其他目的和特征在以下描述的实施例中可以明确。
图1是本发明的实施例1的感应电动机的驱动装置的整体控制框图；图2是相对于本发明实施例1的感应电动机的速度的q轴磁通量特性图；图3是相对于本发明实施例1中的速度指令的电流控制特性图；图4是本发明的实施例1中的速度变化率运算部17的具体构成例的图；图5是本发明的实施例5的感应电动机驱动装置的速度变化率运算部的构成图；图6是本发明的实施例6的感应电动机的驱动装置的整体控制框图。
图中1-速度指令运算部；2-励磁电流指令运算部；3-速度推断部；4-速度控制部；5-d轴电流控制部；6-q轴电流控制部；7-一次频率运算部；8-电压指令运算部；9-相位运算部；10、14-坐标变换部；11-电力变换器；12-感应电动机；13-电流检测部；15-滑动频率推断值运算部；16-最大转矩产生滑动运算部；17-速度变化率运算部；171-阈值运算部；172-比较部；173-最佳速度变化率运算部；174、176-速度变化率设定部；175-减法运算部；18-速度变化率修正部；19-警报机构；191-警报输出部；192-显示部；193-声音输出部；20-速度修正值运算部；21-速度修正部。
具体实施例方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1是本发明的实施例1的感应电动机的驱动装置的整体控制框图。首先，从基于矢量控制的感应电动机的驱动控制系统开始说明。
从速度指令运算部1输出速度指令ωr*。在加速时，ωr*随着时间一起以规定的变化率变化。在励磁电流指令运算部2中，对励磁电流指令Id*进行运算。在速度推断部3中，根据电流反馈值和电压指令等对速度推断值ωr^进行运算。ωr^运算方法存在各种方法，本发明对除该实施例以外的ωr^的推断方法也可适用。速度控制部4可按照ωr^和ωr*一致的方式对转矩电流指令Iq*进行运算。在d轴电流控制部5和q轴电流控制部6中，分别按照Id反馈值(IdFB)和Iq反馈值(IqFB)与Id*和Iq*一致的方式对d轴、q轴电压修正值Δd、Δq进行运算。在一次频率运算部7中，根据ωr*、ωr^、Iq*等，对一次频率ω1进行运算。在电压指令运算部8中，利用ω1和各种电流指令、电流控制部的输出，对d轴电压指令Vd*、q轴电压指令Vq*进行运算。Vd*、Vq*利用由相位运算部9运算出的相位θ，由坐标变换部10变换成三相交流电压指令，并经由电力变换器11对感应电动机12施加三相交流电压。另外，来自电流检测部13的电流检测值由坐标变换部14利用上述相位θ变换为IdFB、IqFB。
下面，对通过本发明添加的速度变化率修正控制系统从其概要开始进行说明。
首先，由滑动频率推断值运算部15对感应电动机12的滑动频率ωs^进行推断运算。另一方面，由最大转矩产生滑动运算部16对产生最大转矩的滑动频率ωsmax进行运算。然后，由于推断出的感应电动机12的滑动频率ωs^不能超过产生最大转矩的滑动频率ωsmax，因此在速度变化率运算部17中，对与所述ωsmax对应的阈值进行运算。接着，在速度变化率修正部18中，当速度指令ωr*的变化率为正时，其变化率尤其是增加率按照不超过由速度变化率运算部17设定的值的方式进行修正。
由此，在使感应电动机12加速时，能以与荷重相称的最佳的速率使电动机加速。以下，对速度变化率修正控制系统详细地进行说明。
首先，由滑动频率推断值运算部15对感应电动机12的滑动频率ωs^进行推断运算。滑动频率ωs例如可如下运算。
在电压指令运算部8中，如(2)式、(3)式那样对Vd*、Vq*进行运算。
Vd*＝r1*·Id*-ω1*·Lσ*·Iq*+Δd ………(2)Vq*＝r1*·Iq*-ω1*·Lσ*·Id*+ω1*·(M*/L2*)·Φ2d*+Δq ………(3)这里，在电动机的常数的标记中，r1*是一次电阻，Lσ*是一次+二次漏电感，M*是互电感，L2*是互电感与二次侧漏电感之和的设定值，Φ2d*是二次侧d轴磁通量指令值。Δd、Δq是所述的d轴电流控制部5、q轴电流控制部6的输出。另一方面，在电动机12的内部，(4)、(5)式的关系成立。没有星号(*)的标记是电动机侧的实际值，Φ2q是二次侧q轴磁通量。
Vd＝r1·Id-ω1·Lσ·Iq-ω1·(M/L2)·Φ2q………(4)Vq＝r1·Iq+ω1·Lσ·Id+ω1·(M/L2)·Φ2d………(5)通过电流控制系统而控制为Id＝Id*、Iq＝Iq*，在低速区域，(3)、(5)式的右边第二项分别比右边第三项小，可以忽略。另外，r1、ω1、M和L2假定为设定值，一般而言，由于Vd*＝Vd、Vq*＝Vq，因此若求取Φ2d^、Φ2q^则如(6)、(7)所示。
Φ2d^＝(Δq+ω1*(M*/L2*)Φ2d*)/ω1*(M*/L2*)………(6)Φ2q^＝-Δd/(ω1*(M*/L2*)) ………(7)利用上式，如下述那样求出ωs^。一般而言，Φ2q、Φ2d满足(8)、(9)式。这里，T2是电动机二次时间常数，s是微分算符。
Φ2d＝(M·Id+ωs·T2·Φ2q)/(1+T2·s) ………(8)Φ2q＝(M·Iq-ωs·T2·Φ2d)/(1+T2·s) ………(9)这里，在低速时，为了产生高转矩，使Id流动额定电流的程度(额定励磁电流的两倍以上的程度)，并且控制为Iq＝0的情况下，ωs的稳定解从(9)式变为如(10)式所示。
ωs＝-1/T2·Φ2q/Φ2d ………(10)因此，根据(6)、(7)和(10)对ωs进行运算，设为ωs^。
然后，由最大转矩产生滑动运算部16对产生最大矢量的滑动频率ωsmax进行运算。转矩τω如(11)式所示。另外，在(11)式中，P为电动机的极数。
τm＝3·(P/2)·(M/L2)·(Φ2d·Iq-Φ2q·Id) ………(11)这里，与上述同样，使Id比通常情况大，在控制为Iq＝0时，转矩如式(12)所示。
τm＝3·(P/2)·(M/L2)·(-Φ2q·Id) ………(12)由于Id是恒定值，因此根据(12)式，当Φ2q在负方向最大时，将产生最大转矩。此外，对Φ2d、Φ2q带入稳定解，则(8)、(9)式变为(13)、(14)式。另外，(13)、(14)式中的^是表示乘方的标记。
Φ2d＝M·Id/(1+(ωs·T2)^2)………(13)Φ2q＝-ωs·T2·M·Id/(1+(ωs·T2)^2) ………(14)这里，作为Id，由于流动额定励磁电流以上的电流，因此磁通量增加至磁通量饱和区域，设磁通量达到γ·Φ0。Φ0表示电动机的额定磁通量，通常γ为1.1～1.3的程度。此时，Φ2d、Φ2q满足(15)式，变为(16)式所示的关系。
(Φ2d^2+Φ2q^2)＝γ·Ф0 ………(15)M·Id/(1+(ωs·T2)^2＝γ·Ф0 ………(16)根据(16)式和(14)式，Φ2q变为如(17)式所示。
Φ2q＝-ωs·T2·γ·Φ0/(1+(ωs·T2)^2)………(17)当用起重机吊起货物时，在提高一次频率ω1、使Id达到额定以上的情况下，Φ2q按照(17)式，相对于ωs单调增加。在电动机从静止状态到旋转为止，一次频率ω1与ωs相等。但是，若该一次频率ω1继续增加，则磁饱和解除，Φ2q将按照(14)式。
图2是相对于本发明的实施例1的感应电动机的速度的q轴磁通量特性图，是表示相对于速度ωs(用规定值标准化)的磁通量Φ2q的绝对值(用规定值标准化)的图。该实施例中，在规定的低速域，用额定励磁电流以上的实质上的恒定值来控制励磁电流Id，并采用将Iq实质上固定在零的控制。若加速至规定速度，则伴随速度的增加使励磁电流减少至额定励磁电流相当值。通过该励磁电流Id的减少，在(14)式与(17)式的曲线交叉的位置饱和解除，Φ2q即转矩达到最大。根据(17)式，转矩达到最大的滑动频率ωsmax如(18)式所示，此时的最大转矩τmmax如(19)式所示。在(18)式中，利用IdFB和Id*求出Id即可，γ例如预先输入1.1～1.3程度的值即可。
ωsmax＝((M·Id/γ/Φ0)^2-1)/T2 ………(18)τmmax＝3·(P/2)·(M/L2)·γ·Φ0·(Id^2-(γ·Φ0/M)^2)………(19)另外，在控制Id为额定励磁电流以上的恒定值、恒定控制Iq为0时，不依赖于负载的大小，电流值达到下面所述的规定速度ωr1而实质上变得恒定。
图3是在本发明的实施例1中相对于速度指令的电流控制特性图。如该图所示，在速度指令ωr*从零速度到规定速度ωr1的定速域，使励磁电流Id为规定的大的恒定值，在现有的无传感器矢量控制中，将称作转矩电流的q轴电流Iq实质地保持在零。在该低速域，通过大励磁电流Id，同步电动机的磁通量达到饱和状态，因此，根据基于图2所示的饱和时的|Φq|的电动机转矩而起动和加速。若速度指令ωr*达到规定值ωr1，则随着速度指令ωr*的增加而使Id减少。在规定速度ωr2下，若按照Id减少至额定励磁电流相当值的方式构成励磁电流指令运算部2，则通过速度控制部4，按照使速度ωr^服从速度指令ωr*的方式，q轴电流Iq流动与负载对应的电流值，产生加速转矩。
图4是本发明的实施例1中的速度变化率运算部17的具体构成例的图。如图所示，由阈值运算部171对与ωsmax对应的阈值ωsmaxTH进行运算。例如，使ωsmax为a倍(a≤1)。在比较部172中，对ωs^和ωsmaxTH进行比较，若ωs^≤ωsmaxTH，则在速度变化率设定部174中，设定初始设定的速度变化率。另一方面，若ωs^≥ωsmaxTH，则设定由最佳速度变化率运算部173运算出的速度变化率dω/dt2。在最佳速度变化率运算部173中，例如，根据(12)式和(7)式对τm^进行推断运算，并输出利用(1)式运算的dω/dt，作为新速度变化率dω/dtnew。
然后，在速度变化率修正部18中，当速度指令ωr*的变化率为正时，按照该变化率不超过速度变化率运算部17的输出值的方式进行修正。另外，当ωr*的变化率为负时，按照其绝对值不超过速度变化率运算部17的输出的绝对值的方式进行修正。由速度变化率运算部17得到的修正值在ωs^≤ωsmaxTH时设定初始设定的速度变化率，因此在速度变化率修正部18中ωr*的变化率不被修正。另一方面，若ωs^≥ωsmaxTH，则从速度变化率运算部17输出由最佳速度变化率运算部173得到的新的速度变化率，由速度变化率修正部18修正为该值。
另一方面，在ωs^超过了ωsmaxTH的情况下，比较部172判断为过荷重，向警报机构19的警报输出部191输出过荷重信号，由显示部192进行视觉显示，由声音输出部193发出声音警报。
如上所述，在本实施例中，当滑动频率推断值ωs^超过了产生最大转矩的滑动频率ωsmax所对应的阈值ωsmaxTH的情况下，改变速度指令ωr*的变化率，修正为重新设定的值。因此，在与荷重相比，速度指令ωr*的变化率过大时，可降低该变化率而稳定地加速。
另外，在滑动频率推断值ωs^接近于产生最大转矩的滑动频率ωsmax的时刻，通过发出警报向起重机等的操作人员传递该意思。
(实施例2)关于本发明的实施例2的感应电动机的驱动装置，对与实施例1不同的部分进行说明。例如，与实施例1相反，考虑如下情况在低速域，使励磁电流Id实质保持为零即Id＝0，使q轴电流Iq流动比通常的额定转矩电流大的额定电流相当值。速度推断值ωs^在(8)式中作为Id＝0的稳定解，如(20)式所示。例如，作为Φ2d、Φ2q，利用(6)式、(7)式的Φ2d^、Φ2q^即可。
ωs^＝1/T2·Φ2d/Φ2q ………(20)(20)式的ωs^是在(10)式中交换d和q下标，使极性标记反相。因此，产生最大转矩τmmax和此时的滑动频率ωsmax分别与(18)式、(19)式的交换了d和q下标而得到量等效。因此，下面，与实施例1同样，由图4的阈值运算部171对与ωsmax对应的阈值ωsmaxTH进行运算，例如使ωsmax变为a倍(a≤1)。并且，当速度推断值ωs^超过了ωsmaxTH的情况下，通过改变速度指令ωr*的变化率，可获得与实施例1同样的效果。
(实施例3)关于本发明的实施例3的感应电动机的驱动装置，对与实施例1不同的部分进行说明。本实施例3中，在图4的最佳速度变化率运算部173中，作为dω/dt2赋予零。由此，速度指令ωr*的变化率与荷重相比过大，在速度变化率设定部174中，当ωs^超过了ωsmaxTH时，作为dω/dtnew输出零。在图1的速度变化率修正部18中，ωr*被固定。然后，当ωs^降低到ωsmaxTH以下时，从速度变化率设定部174输出初始设定的速度变化率，因此在速度变化率修正部18中，ωr*的变化率不被修正。在本实施例3中，形成了使速度指令的变化率实质为零的速度指令的变化阻止机构，与实施例1、2相比，最佳速度变化率运算部173中的设定被简化，速度变化率从平均上达到最佳值。
(实施例4)关于本发明的实施例4的感应电动机的驱动装置，对与实施例1不同的部分进行说明。本实施例4中，在图4的最佳速度变化率运算部173中，作为dω/dt2赋予最大转矩推断值×规定值/J。最大转矩推断值例如可根据(19)式运算。通常认为最大转矩与荷重转矩之差即加速转矩为最大转矩的0.1倍～0.7倍的程度，上述规定值设定为0.1～0.7的程度即可。在本实施例4中，与实施例3同样，最佳速度变化率运算部173中的设定被简化，而且与实施例3相比，具有可实现快的加速的优点。
(实施例5)图5是本发明的实施例5的感应电动机驱动装置的速度变化率运算部的构成图。关于实施例5，对与实施例1不同的部分进行说明。
首先，由阈值运算部171对与ωsmax对应的阈值ωsmaxTH进行运算。例如与实施例1同样使ωsmax变为a倍(a≤1)。在减法运算部175中，取出ωs^和与ωsmax对应的阈值ωsmaxTH的偏差，通过速度变化率设定部176对dω/dtnew进行运算。例如，速度变化率设定部176由比例或比例积分器构成。由此，按照ωs^接近输出最大转矩的ωsmax的方式修正ωr*变化率。
根据本实施例5，在速度变化率相对于荷重过大的情况下，降低该变化率，而在速度变化率小的情况下，提高变化率，由此可设定最佳的速度变化率。
(实施例6)图6是本发明的实施例6的感应电动机的驱动装置的整体控制框图。关于实施例6，对与实施例1不同的部分进行说明。
在速度修正值运算部20中，根据ωs^和与ωsmax对应的阈值ωsmaxTH的差输出速度修正值Δωr*。在速度修正部21中，根据Δωr*修正ωr*。例如，在ωs^超过了ωsmaxTH的情况下，Δωr*使ωr*仅降低规定值，或者用将与ωs^与ωsmax的差分对应的值乘比例增益而得到的值、或乘比例积分增益而得到的值进行修正。
在该实施例6中，形成了使速度指令降低的速度指令降低机构，可获得与实施例1和实施例4等效的效果。
权利要求
1.一种感应电动机的驱动装置，具备根据速度指令使感应电动机可变速运转的电力变换器，其中包括滑动频率运算部，对所述感应电动机的滑动频率进行运算；和变化率降低机构，在运算出的所述滑动频率在规定范围接近产生最大转矩的最大转矩产生滑动频率时，降低所述速度指令的变化率。
2.根据权利要求1所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备最大转矩产生滑动频率运算部，对使所述感应电动机实质产生最大转矩的所述最大转矩产生滑动频率进行运算。
3.根据权利要求1或2所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，速度指令的所述变化率降低机构具备增加率降低机构，其降低所述速度指令的增加率。
4.根据权利要求1或2所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，速度指令的所述变化率降低机构具备速度指令的变化阻止机构，其使所述速度指令的变化率实质为零。
5.根据权利要求1或2所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，速度指令的所述变化率降低机构具备速度指令降低机构，其使所述速度指令降低。
6.根据权利要求1或2所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，速度指令的所述变化率降低机构具备根据最大转矩推断值设定所述速度指令的变化率的机构。
7.根据权利要求1或2所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备根据所述滑动频率的运算值接近所述最大转矩产生滑动频率的程度来修正速度指令的变化率的机构。
8.根据权利要求1～7的任一项所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备如下机构在所述速度指令或速度相当值为规定值以下的区域，设定励磁电流指令(Id*)使其比此外的区域大。
9.根据权利要求1～7的任一项所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备如下机构在所述速度指令或速度推断值的任一个为规定值以下的区域，设定q轴电流指令(Iq*)使其比此外的区域大。
10.根据权利要求1～9的任一项所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备电流控制机构，其在所述速度指令或速度推断值的任一个为规定值以下的区域，不依赖于负载的大小，将所述感应电动机的电流实质地控制在恒定。
11.一种感应电动机的驱动装置，具备根据速度指令使感应电动机可变速运转的电力变换器，其中包括滑动频率运算部，对所述感应电动机的滑动频率进行运算；和报知机构，在运算出的所述滑动频率接近产生最大转矩的最大转矩产生滑动频率直至规定范围时，以视觉及/或听觉方式发出警报。
12.根据权利要求11所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备报知机构，其在运算出的所述滑动频率在规定范围接近产生最大转矩的最大转矩产生滑动频率时发出警报，并且还具备变化率降低机构，其降低所述速度指令的变化率。
13.根据权利要求12所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，速度指令的所述变化率降低机构具备增加率降低机构，其降低所述速度指令的增加率。
14.根据权利要求11～13的任一项所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备如下机构在所述速度指令或速度相当值为规定值以下的区域，设定励磁电流指令(Id*)使其比此外的区域大。
15.根据权利要求11～14的任一项所述的感应电动机的驱动装置，其特征在于，具备电流控制机构，其不依赖于负载的大小，将所述感应电动机的电流实质控制在恒定。
16.一种感应电动机的驱动方法，所述感应电动机具备根据速度指令使感应电动机可变速运转的电力变换器，该驱动方法包括滑动频率运算步骤，对所述感应电动机的滑动频率进行运算；和变化率降低步骤，在运算出的所述滑动频率在规定范围接近产生最大转矩的最大转矩产生滑动频率时，降低所述速度指令的变化率。
17.根据权利要求16所述的感应电动机的驱动方法，其特征在于，速度指令的所述变化率降低步骤包括增加率降低步骤，降低所述速度指令的增加率。
18.根据权利要求16或17所述的感应电动机的驱动方法，其特征在于，速度指令的所述变化率降低步骤包括根据最大转矩推断值设定所述速度指令的变化率的步骤。
19.根据权利要求16～18的任一项所述的感应电动机的驱动方法，其特征在于，包括根据所述滑动频率的运算值接近所述最大转矩产生滑动频率的程度来修正速度指令的变化率的步骤。
20.根据权利要求16～19的任一项所述的感应电动机的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤在所述速度指令或速度相当值为规定值以下的区域，设定励磁电流指令(Id*)使其比此外的区域大。
全文摘要
一种感应电动机的驱动装置，设有滑动频率运算部(15)，对感应电动机(12)的滑动频率(ωs
文档编号H02P23/14GK101039092SQ200710004710
公开日2007年9月19日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年3月13日
发明者永田浩一郎, 奥山俊昭, 山本弘毅, 富田浩之 申请人:株式会社日立产机系统