专利名称：交流旋转机的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据扭矩指令控制交流旋转机的扭矩的控制装置。
背景技术：
一般使用通过电力变换器将直流电压变换为交流电压并驱动控制交流旋转机的控制装置。在这样的交流旋转机的控制装置中，一般为了高效率地驱动交流旋转机，通过按照基于矢量控制的正弦波PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制对交流旋转机的电流进行控制，来控制扭矩。而且，另一方面，在以比较高的频率驱动交流旋转机的情况下，对于直流电压需要将电动机驱动电压设置成最大，使用基于峰值恒定的矩形波电压的驱动方式。在矩形波驱动中，基于开关控制的电压波形的峰值恒定，能够通过操作电压波形的相位来操作电动机 产生的扭矩，例如，在是永久磁铁同步电动机的情况下，如果操作相对于转子位置的电压波形相位，则能够操纵扭矩。但是，交流旋转机产生的扭矩伴随交流旋转机的参数(例如，在是永久磁铁同步电动机的情况下，相当于永久磁铁磁通、电感、电枢电阻)的变化而变化。例如，电感由于向交流旋转机通电引起的磁饱和而降低的情况，或交流旋转机的输出扭矩由于伴随发热磁铁温度上升引起的退磁作用而降低。为了应对此现象，公开了一种交流旋转机的控制装置，该交流旋转机的控制装置被构成为根据交流旋转机的运转条件(代表性的是，交流旋转机的感应电压 扭矩 转速)适当地切换以上那样的电力变换器的驱动方式(正弦波PWM控制方式，以及矩形波驱动方式)，对于交流旋转机在从零速到高速的宽广的速度区域中实施扭矩控制，为了抑制扭矩变动，该交流旋转机的控制装置推测交流旋转机的输出扭矩并进行反馈控制(例如，参照以下的专利文献I)。根据该专利文献I，根据交流旋转机的运转条件，选择性地设定电力变换器中的电压变换的控制方式。即，在控制方式选择单元选择了将矩形波电压施加给交流旋转机的第I控制方式的情况下，通过反馈控制来进行扭矩控制，该反馈控制根据针对扭矩控制中的扭矩指令值的扭矩偏差来调整矩形波电压的相位。另外，在控制方式选择单元选择了按照基于矢量控制的脉冲宽度调制方式控制对交流旋转机的施加电压的第2控制方式的情况下，通过交流旋转机的电流的反馈控制来进行扭矩控制。由此，在选择第2控制方式时，因为附加与和选择第I控制方式时同样的扭矩偏差相应的反馈控制，进行交流旋转机的电流的反馈控制，所以能够进行电机电流控制以补偿依赖于温度变化等的交流旋转机的扭矩特性的变化。其结果，即使不特意设置温度传感器等，也能够防止因磁铁温度变化等引起的扭矩变动的产生。另外，在第1、第2控制方式的双方中，进行与扭矩偏差相应的反馈控制，所以能够防止在这些控制方式的切换时发生扭矩变动。专利文献1:特开2006-311770号公报
以往的交流旋转机的控制装置如此从电力变换器的输出电力推测扭矩，但是，由于在电力变换器的输出电力中包含对扭矩没有作用的电力变换器损失、电机损失，所以如以往的控制装置那样，在从输出电力中推测扭矩的方式中，会包含由这些损失引起的误差，难以高精度地控制扭矩。而且，在以往技术中，例如如特开2002-233199号公报(以下称为专利文献2)中记载的那样，虽然提出了根据交流旋转机的参数推测扭矩的方式，但参数变动影响到推测扭矩，所以难以准确地进行扭矩控制。
发明内容
本发明就是为了解决这样的而做出的，其目的在于对交流旋转机在从零速到高速的宽广的速度区域中实施扭矩控制的交流旋转机的控制装置中，即使在上述那样的交流旋转机的参数发生了变动的情况下，也准确地控制交流旋转机的扭矩，抑制由交流旋转机的参数变动弓I起的扭矩变动的产生。根据本发明的交流旋转机的控制装置具备将直流电力变换为交流动力提供给交流旋转机的电力变换器；检测从该电力变换器流到所述交流旋转机的电流的电流检测单元；根据由该电流检测单元检测出的检测电流和扭矩指令值对所述电力变换器产生交流旋转机控制用的三相交流的电压指令的控制单元，所述控制单元具备根据所述检测电流和所述电压指令计算所述交流旋转机的磁通推测值的观测器；根据所述扭矩指令和由所述观测器得到的所述磁通推测值计算旋转2轴上的电流指令值的电流指令值计算器；根据由该电流指令计算器得到的所述电流指令值和由所述观测器得到的所述磁通推测值计算所述电压指令的电压指令计算器。根据本发明，在交流旋转机的参数发生了变动而与控制单元的扭转指令值不同的情况下，观测器以包含其误差量的形式推测交流旋转机的磁通，所以该磁通推测值的变化反映参数的变动。而且，通过将观测器推测出的磁通推测值用于所述电流指令计算器和所述电压指令计算器，能够计算考虑了参数变动的最佳的电流指令值以及电压指令值。由此，即使在不使用反馈电流控制系统的控制系统中，也可以准确地控制交流旋转机的扭矩和电流。
图1是涉及本发明的实施方式I的交流旋转机的控制装置的方框图。图2是涉及本发明的实施方式I的交流旋转机的控制装置的电流指令计算器的方框图。图3是涉及本发明的实施方式I的交流旋转机的控制装置的扭矩和最小电流条件的说明图。图4是涉及本发明的实施方式I的交流旋转机的控制装置的电压指令计算器的方框图。图5是涉及本发明的实施方式I的交流旋转机的控制装置的观测器的方框图。图6是表示涉及本发明的实施方式I的交流旋转机的控制装置的稳定状态中的电压指令计算器和观测器的关系的图。
图7是涉及本发明的实施方式2的交流旋转机的控制装置的方框图。图8是涉及本发明的实施方式2的交流旋转机的控制装置的电压指令计算器的方框图。图9是涉及本发明的实施方式3的交流旋转机的控制装置的方框图。图10是涉及本发明的实施方式3的交流旋转机的控制装置的弱电流计算器的方框图。
具体实施例方式实施方式I 图1是表示本发明的实施方式I中的交流旋转机的控制装置的方框图。本实施方式I的交流旋转机的控制装置包含控制单元1、电力变换器2以及电流检测单元4，直流电源6连接到电力变换器2的输入侧，交流旋转机3连接到输出侧。在此，上述的直流电源6并不限于电池，也可以是将交流电力变换为直流电力的变换器、铁路车辆等中从受电弓直接接受直流电力的直流架空线等。另外，交流旋转机3在本实施方式I中是使用永久磁铁的同步电动机，经由三相交流供电线路Iu、Iv、Iw连接到电力变换器2。电力变换器2例如构成为可变电压可变频率型的三相电力变换器，将来自直流电源6的直流电力变换为三相交流电力并提供给交流旋转机3。这种情况下，电力变换器2具备相互并联地连接到直流电源6的未图示的U、V、W的三相变换电路，各变换电路如公知的那样，分别包含正端和负端的一对开关，在各变换电路的一对开关之间连接三相交流供电线路Iu、Iv、Iw。而后，该电力变换器2从控制单元I接受电压指令Vu'V/、Vw*，在将直流电力变换为三相交流电力时，根据该电压指令Vu' Vv*, ￥ %产生具有经过控制的输出电压和经过控制的角频率的三相交流电力。电流检测单元4例如配置于交流供电线路Iu、Iv、Iw，根据从电力变换器2流到交流旋转机3的交流相电流，即U相电流iu、V相电流iv、W相电流iw来检测电流。但是，在本实施方式I中，将电流检测单元4安装在交流电流的2相上，如果是三相平衡的状态，则使用iu+iv+iw=0的关系,只从2相的信号计算输出剩下的一相。控制单元I构成为对于交流旋转机3进行不设置旋转位置传感器、旋转速度传感器等而能够进行矢量控制的无传感器矢量控制。而后，该控制单元I包含电流指令计算器10、电压指令计算器20、第I坐标变换器30、以及第2坐标变换器40、观测器50以及积分器60。特别是作为本实施方式I的控制单元I的特征，观测器50构成为推测计算交流旋转机3的磁通，将该磁通推测值O a用于电流指令计算器10和电压指令计算器20的计算。这一点以后详细说明。在此首先参照图2说明电流指令计算器10的构成的一个例子。该电流指令计算器10根据成为控制目标值的扭矩指令T*产生电流指令Id' Iq*,扭矩指令值T*被输入到d轴电流指令计算单元11，产生第一 d轴电流指令值Idl'作为该第一 d轴电流指令值Idf的计算方法，已知有交流旋转机3能够用最小的电流产生所希望的扭矩的最大扭矩控制方法，有根据扭矩指令值T*通过计算式得到最佳的第一 d轴电流指令值Idf的方法(例如，参照武田洋次等“嵌入式磁铁同步电机的设计与控制”欧姆公司，发行日期(平成13年10月25日)，pp. 23-24，以下将该文献称为非专利文献I)。根据该非专利文献I，将上述方法称为最大扭矩/电流控制。d轴电流指令计算单元11可以用公知例子构成，但是没有与交流旋转机的参数变动有关的记载。因此，当交流旋转机的参数发生了变动的情况下，不能高精度地实现最大扭矩/电流控制。因而，在本实施方式I中，在根据扭矩指令值T*得到第一 d轴电流指令值Idf的计算式中使用以后说明的观测器50推测出的交流旋转机3的磁通推测值O八(特别在此是转子侧d轴磁通推测值P八dr)。在该磁通推测值O a中，反映参数变动的影响，所以通过使用该磁通推测值O '即使在交流旋转机3的参数发生了变动的情况下，也能够得到最佳的电流指令值Id' Iq*,实现最大扭矩/电流控制。具体地说，用以下的(I)式所示的计算式计算第一 d轴电流指令值Idl' ( I)式的特征是，将在以往的公知例子中原本成为永久磁铁磁通Oa (Wb)的项置换为观测器50推测的交流旋转机3的磁通推测值O八(p八dr)。而且，有关(I)式表示的计算式的导出方
法以后详细说明。
Ml * — {(斤彡办)+ * -Lq*)] ± {(aP pdr) + bP(Ld * -Lf*)}2 — 4{aP(Ld * -Lq*)\bP pdr - T*)
(I)在此，Idf是第一 d轴电流指令值(A)，Lcf是d轴电感设定值(H)，Lq*是q轴电感设定值(H)，P是极对数，a是最大扭矩/电流控制曲线的斜率，b是最大扭矩/电流曲线的截距。而且，d轴电流指令计算单元11的构成也可以采用根据扭矩指令值T*参照映射得到最佳的第一 d轴电流指令值Idf的方法。但是，在使用映射的方法中，需要制作收罗了全部与参数变动相应的磁通推测值的映射，应用层面上有困难。如果产生第一 d轴电流指令值Idr，则接着通过在加法器12中对于第一 d轴电流指令值Idf加上弱电流指令值dV，得到最终的d轴电流指令值Id'具体地说用(2)式计算d轴电流指令值Id'Id* = Idr+dV (2)在此，弱电流指令值dV取零或者负的值，以进行弱磁通控制的目的而设置，所谓弱磁通控制通过对第一 d轴电流指令值Idf实施负方向的补正，在负方向上增大d轴电流指令值Id'产生抵消由交流旋转机3的永久磁铁产生的磁通的方向的磁通，减弱交流旋转机3的交链磁通。另外，当在交流旋转机3以高速旋转且进行弱磁通控制的区域中进行扭矩控制的情况下，加法运算弱电流指令值dV的位置对于设置成本实施方式I所述的构成是非常重要的。而且，对于弱电流指令值dV的产生方法，可以用公知例子构成，所以在此省略详细的说明。最后，由q轴电流指令计算单元13根据d轴电流指令值IcT和扭矩指令值T*产生q轴电流指令值Iq'作为q轴电流指令值Iq*的产生方法如上述那样，有通过参照映射得到最佳的q轴电流指令值Iq%或者通过计算式得到最佳的q轴电流指令值Iq*的方法。但是，参照映射的方法存在难于制作收罗了全部参数变动的映射的问题。因而，在本实施方式I中，使用观测器50推测的交流旋转机3的磁通推测值O八(P八dr)，使用基于下面(3)式所示的计算式的方法。在该(3)式中与(I)式同样地，也将原本成为永久磁铁磁通Oa (Wb)的项置换为磁通推测值" (p a办)。通过使用该磁通推测值O八，即使在交流旋转机3的参数发生了变动的情况下，也能够计算考虑到参数变动的最佳的q轴电流指令值Iq'
权利要求
1.一种交流旋转机的控制装置，具备 电力变换器，将直流电力变换为交流电力提供给交流旋转机； 电流检测单元，检测从该电力变换器流到所述交流旋转机的电流； 控制单元，根据由该电流检测单元检测出的检测电流和扭矩指令值，对所述电力变换器产生交流旋转机控制用的三相交流的电压指令， 所述控制单元具备 观测器，根据所述检测电流和所述电压指令，计算所述交流旋转机的磁通推测值； 电流指令计算器，根据所述扭矩指令和由所述观测器得到的所述磁通推测值，计算旋转2轴上的电流指令值； 电压指令计算器，根据由该电流指令计算器得到的所述电流指令值和由所述观测器得到的所述磁通推测值，计算所述电压指令。
2.根据权利要求1所述的交流旋转机的控制装置，所述观测器根据所述检测电流和所述电压指令，除了计算所述交流旋转机的所述磁通推测值外还计算角速度推测值，而且，所述电压指令计算器根据所述电流指令值和所述磁通推测值和所述角速度推测值计算电压指令。
3.根据权利要求1或者2所述的交流旋转机的控制装置，所述电压指令计算器根据由所述观测器得到的计算结果、以及所述电流指令值与所述检测电流的电流偏差的反馈计算，来计算电压指令。
4.根据权利要求1所述的交流旋转机的控制装置，进一步具备 电压检测单元，检测输入到所述电力变换器的直流电压； 弱电流计算器，计算用于将调制率控制在规定的值以下的弱电流指令，所述调制率根据由该电压检测单元检测到的所述直流电压检测值和所述电压指令值而计算出。
5.根据权利要求2所述的交流旋转机的控制装置，进一步具备 电压检测单元，检测输入到所述电力变换器的直流电压； 弱电流计算器，计算用于将调制率控制在规定的值以下的弱电流指令，所述调制率根据由该电压检测单元检测到的所述直流电压检测值和所述电压指令值而计算出。
6.根据权利要求3所述的交流旋转机的控制装置，进一步具备 电压检测单元，检测输入到所述电力变换器的直流电压； 弱电流计算器，计算用于将调制率控制在规定的值以下的弱电流指令，所述调制率根据由该电压检测单元检测到的所述直流电压检测值和所述电压指令值而计算出。
全文摘要
交流旋转机的控制装置，具备电流检测单元(4)，检测从电力变换器(2)流到交流电动机(3)的电流；控制单元(1)，根据由该电流检测单元(4)检测到的检测电流和扭矩指令值产生针对电力变换器(2)的三相交流的电压指令，控制单元(1)具备观测器(50)，根据检测电流和电压指令计算交流旋转机(3)的磁通推测值；电流指令计算器(10)，根据扭矩指令和由观测器(50)得到的磁通推测值计算旋转2轴上的电流指令值；电压指令计算器(20)，根据由该电流指令计算器(10)得到的电流指令值和由观测器(50)得到的磁通推测值计算电压指令。
文档编号H02P27/06GK103026615SQ20118003675
公开日2013年4月3日 申请日期2011年3月25日 优先权日2010年7月28日
发明者加藤将, 山崎尚德, 畠中启太, 北中英俊, 山下良范 申请人:三菱电机株式会社