CN101877569A - 电动机驱动***、电动机控制装置以及电动机的驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机驱动***。由电力转换器对电动机进行可变速驱动，经由减速齿轮、增速齿轮等使风扇、泵、压缩机等的转动设备运转时，有时在电动机与转动设备之间的轴(shaft)上产生特定频率的振动分量。本发明的电动机驱动***以简单的控制***以及调整来降低这些振动分量。在根据电动机的电流值控制用于驱动电动机的输出电压的电力转换器中，使电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上。

Description

电动机驱动***、电动机控制装置以及电动机的驱动方法

技术领域

本发明涉及一种电动机驱动***、电动机控制装置以及电动机的驱动方法，特别涉及一种恰当地降低连接于电动机的转动设备的轴(shaft)的振动的电动机驱动***、电动机控制装置以及电动机的驱动方法。

背景技术

由电力转换器可变速地驱动电动机，经由减速齿轮、增速齿轮等使风扇、泵、压缩机等的转动设备运转的电动机驱动***中，有时在电动机与转动设备之间的轴(shaft)上产生特定频率的振动分量。该振动频率在设备中是固有的，电力转换器驱动中需要进行控制从而使该固有频率的振动对机器并不带来不良影响。

因此，周知如下的技术，该技术控制电力转换器的输出频率从而缩短(跳过)振动加剧的特定频率下的运转时间。另外，在特定频率附近的驱动中，为了消除上述振动分量，例如周知特开2000-41400号公报或特开平4-319715号公报中记载的控制电力转换器的技术，该技术中对速度变动或转矩变动分量进行估计，从而施加用于消除这些脉动的逆电动机转矩。

[专利文献1]特开2000-41400号公报

[专利文献2]特开平4-319715号公报

但是，在以往技术中，速度估计或轴振动转矩的估计中电动机或机械***的信息不可缺少。需要事先取得或者测定这些常量，在这些值与实际值不符时，相反有可能产生使振动加剧的转矩。另外，上述估计中控制运算较复杂，在控制滞后变得明显时，有可能产生使振动加剧的转矩。

发明内容

本发明鉴于上述问题点，提供一种可以恰当地抑制振动分量的电动机驱动***、电动机控制装置以及电动机的驱动方法。

为了实现上述目的，本发明中构成为：控制用于驱动电动机的电压，使电动机所产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上。

更具体而言，电动机驱动***具有输出电压修正部，所述输出电压修正部在使电动机的电流值超前90度以上时，修正上述电力转换器的输出电压。另外，上述输出电压修正部由转矩超前电压修正值计算部、修正部构成，其中：转矩超前电压修正值计算部，计算用于使其超前90度以上的电压指令修正值；修正部，使用该电压修正值对电压指令值进行修正。再有，上述转矩超前电压修正值计算部也可以由比例部、或者比例部×一阶滞后部、或者(比例部-微分部)、或者比例部×一阶滞后部×不完全微分部、或者(比例部-微分部)×不完全微分部构成。

根据本发明可以适当地进行振动分量的抑制。涉及具体例子的发明中，电动机驱动***由电力转换器对电动机进行可变速驱动，并经由减速齿轮、增速齿轮等使风扇、泵、压缩机等的转动设备运转，在所述电动机驱动***中，并不需要详细的电动机或机械常数而能够由简单的控制***实现电动机与转动设备之间的轴(shaft)上产生的特定频率的振动分量。

附图说明

图1是实施例1的电动机驱动***的结构图。

图2是表示与本发明的动作相关的、使相位偏移90度以上的效果的图。

图3是实施例1中包括转矩超前电压修正计算部11的***的框图。

图4表示实施例1中从-ωr(电动机的转动角频率)至Iq(转矩电流)的传递框图。

图5是表示实施例1中从-ωr(电动机的转动角频率)至Iq(转矩电流)的相位差的图。

图6是表示电角频率ωr与电动机的转矩τe或者转矩电流IqFB之间的相位关系的图。

图7是实施例2的电动机驱动***的结构图。

图中：

1-交流电源

2-电力转换器

3-电动机

4-转矩传递部

5-负载器

6-电流检测部

10-控制部

11-转矩超前电压修正值计算部

12、13-坐标转换部

14-电压指令计算部

15-相位计算部

16-PWM门脉冲生成部

21-交流电压修正部

22-转矩超前交流电压修正值计算部

23-交流电流指令值计算部

具体实施方式

下面，利用附图对本发明进行详细说明。

【实施例1】

利用图1对本实施例的电动机驱动***进行说明。图1表示包含本实施例的电动机驱动***的整体结构。

图1中由交流电源1对电力转换器2提供电力。由电力转换器2对电动机3进行可变速的驱动并经由转矩传递部4使负载器5运转。通过控制部10基于由电流检测部6检测到的电流值控制电力转换器2。根据电力转换器2的输出电压驱动电动机3。电动机的转动转矩经由转矩传递部4的机械轴、齿轮(减速齿轮、增速齿轮等)等传递至负载器5。负载器5例如是风扇、泵、压缩机等的转动设备等。控制部10中表示了本发明中的控制模块，下面对其进行详细说明。

坐标转换部12中将来自电流检测部6的交流电流信号坐标转换为d(磁通量轴)、q(转矩轴)方向的直流量。使用该d、q坐标系进行的矢量控制是本控制的基础。由于矢量控制是一般性知识，因此省略其详细内容。坐标转换中使用的相位θ使用频率指令ω1^*并由相位计算部15进行计算。电压指令计算部14中，基于励磁电流指令Id^*、转矩电流指令Iq^*、频率指令ω1^*，计算直流电压指令Vd^*、Vq^*。此外，电压指令计算部14中不仅使用电流指令，有时也使用转矩指令等(图示中省略)。转矩超前电压修正值计算部11中，基于转矩电流指令Iq^*、转矩电流检测值IqFB计算q轴电压修正值ΔVq^*。计算出的ΔVq^*对电压指令计算部14的输出即Vq^*进行修正。由电压指令计算部14所形成的直流电压指令Vd^*、Vq^*由坐标转换部13转换为交流电压指令。交流电压指令由PWM门脉冲生成部16转换为控制电力转换器2的开关的门脉冲，并发送至电力转换器2。此外，相位计算部15中，输出2种θ，这是因为输出了如下的θ，分别是：用于坐标转换为交流输出电压的坐标转换部13中使用的θ、对交流电流检测值进行坐标转换的坐标转换部12中使用的θ。这些要考虑检测或计算的滞后等而分别确定。

在转矩超前电压修正计算部11中，设定ΔVq^*，从而使转矩电流IqFB或者电动机转矩τe中包含的振动分量相对于电动机的转动角频率ωr中包含的振动分量超前90度以上。通过使其超前90度以上，能够抑制机械***的振动。利用图2对其原因进行说明。图2(a)是贡献于从电动机角频率ωr至电动机转矩τe为止的振动的环路。对于图中符号，rσ表示对电动机一次以及二次电阻进行一次侧换算之后的合成分量，Lσ表示对电动机漏电感的一次以及二次分量进行一次侧换算之后的合成分量，P表示极数，M表示互感，L2表示电动机互感与漏二次电感的和，Φ2表示电动机d轴的二次磁通量，JM表示电动机惯性力矩，s表示微分算子。图2(a)中，在与施加于电动机的q轴电压分量Vq与电动机的感应电压emf之间的差值相当的电位差下，经由电动机的阻抗分量rσ+Lσ·s流过转矩电流Iq。接下来，Iq使其产生电动机转矩τe，根据来自机械侧的转矩τs与电动机惯性力矩JM决定电动机的转动角频率ωr。再有，图2(b-1)、图2(b-2)分别表示τe中含有的振动分量相对于ωr中含有的振动分量超前90度以上或者90度以内时的等价环路。使用比例增益β、时间常数α的一阶滞后分别表示90度以上、90度以内的相位偏差。若对这些进行等价变换，则如图2(c-1)、图2(c-2)所示。在此，τe的相位超前90度以上时，图2(c-1)中相当于电衰减系数的K″为正值，从而被衰减，超前90度以内时，图2(c-2)中相当于衰减系数的K″为负值，从而增加振动。这样，相对于ωr中含有的振动分量使τe(或者转矩电流Iq)中含有的振动分量超前90度以上来进行控制，能够抑制机械***的转矩τs的振动。

接下来，对转矩超前电压修正计算部11的设定方法进行叙述。图3中表示包括转矩超前电压修正计算部11的***的框图，图4中表示从-ωr至Iq的传递框图。如前所述，若相对于ωr使IqFB的相位∠IqFB/ωr超前90度以上(本图的情况下，使∠Iq/-ωr滞后90度以内)，则能够减少振动。图4的传递函数G如式1所示。转矩超前电压修正计算部11的增益设为K。

G＝A/((rσ+K)+Lσ·s)(此外，A＝P/2×M/L2×Φ2d) 式1

增益G如式2所示，通过增大K值使其减小。

|G(jω)|＝A/√((rσ+K)+Lσ·ω)                 式2

另外，式3中表示从-ωr至IqFB为止的相位差。

∠G(jω)＝-tan^-1(ω·Tσ′)(Tσ′≡Lσ/(rσ+K)) 式3

式3中时间常数Tσ′如式3所示。相对于电动机电流的变动时间常数即Tσ(＝Lσ/rσ)，Tσ′(＝Lσ/(rσ+K))中通过K部分使其减小。这表示通过增大K从而使从-ωr至IqFB为止的滞后变小。换句话说，通过增大K，从ωr至IqFB为止的滞后变大(参照图5)，能够期待良好振动效果。

这样，在转矩超前电压修正计算部11中，设定如下的比例分量K，该K值使电动机3中产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于电动机3的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位，超前90度以上。此外，若增大比例分量K，则***整体变得不稳定，这样在机械***的转矩τs的振动振幅为预先确定的规定值以上时，设定使其超前90度以上这种的比例分量K，除此以外可以将比例分量K设定得比使其超前90度以上这种的值小。

利用图6对具体的动作进行说明。图6(a)中假定要将电动机3的电角频率ωr控制在恒定值即例如60Hz。但是，由于经由减速齿轮、增速齿轮等使负载器5运转，因此受到这些影响在电动机3与负载器5的轴(shaft)之间产生振动，电动机3的电角频率ωr周期性地(周期T)在振幅60Hz±α之间进行振动。也就是说，在图6(a)中具有周期为T、振幅为α的振动分量。与此相对，在图6(b)中，电动机的转矩τe或者转矩电流IqFB中具有与电动机3的电角频率ωr的振动分量相同频率(周期T)的分量，并且与电角频率ωr的振动分量相比使其超前90度以上。

如上所述，本实施方式中，相对于电动机转动角频率的振动分量使转矩电流或者转矩的振动分量的相位超前90度以上，从而能够增大振动的衰减系数。另外，控制中没有使用详细的机械***的常数的情况下，可以简单地设定控制***。

【实施例2】

下面，对本发明的第2实施例进行说明，主要对与第1实施例的不同点进行说明。在第1实施例中，由于转矩超前电压修正计算部11中提高增益K时式2的***整体的增益|G|下降，因此有时对于振动其灵敏度下降。因此，本实施例中，作为不降低***整体的增益|G|的情况下仅使相位超前的方法，使增益K为式4所示的形式。也就是说，设定如下的K2、Lσ′等，从而使电动机3中产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于电动机3的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上。

K→K2-Lσ′·s                             式4

由此，式1、式2、式3成为式5、式6、式7。

G＝A/((rσ+K2)+(Lσ-Lσ′)·s)             式5

式6

∠G(jω)＝-tan^-1(ω·Tσ″)

(Tσ″≡(Lσ-Lσ′)/(rσ+K2))              式7

因此，由于调整Lσ′，这样即使增大K2，通过使Lσ′靠近于Lσ也能够在不改变增益的情况下仅使相位超前。

换句话说，在转矩超前电压修正计算部11中，将K2设定为比第1实施例中的K小的值，并且设定如下的Lσ′，使电动机3中产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于电动机3的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位，超前90度以上。在此，实现K2-Lσ′·s时，s也可以进行微分，或者能够如下所示那样使用一阶滞后获得。

1/(K2+Lσ′·s)-＞(K2-j·ω·Lσ′)/(K2²+Lσ′²·ω²)

-＞(K2-Lσ′·s)/(K2²+Lσ′²·ω²)

＝＞K2-Lσ′·s＝(K2²+Lσ′²·ω²)/(K2+Lσ′·s)式8

如上所述，虽然转矩超前电压修正计算部11的增益如实施例1所示那样，若由比例系数K进行设定，则可以使Iq的振动分量的相位相对于ωr的振动分量超前90度以上，但是如式8所示，通过由比例***×一阶滞后***来进行设定，不降低增益而使相位偏移从而具有更好的效果。另外，不仅是式8，式4中也可以直接在比例系-微分系设定增益。另外，通过该增益，产生了与机械***的固有振动数相比低频率(几Hz)的振动分量时，还可以增加低频率截止用的不完全微分***。再有，本实施例中，虽然使用转矩电流检测值与转矩电流指令值，但是使用转矩检测值与转矩指令值也能够获得同样的效果。

此外，在转动角频率的振动分量与转矩电流或者转矩的振动分量不是完全的正弦波时，将对波形进行积分从而得到的平均值与波形相交的点作为零点，若观察其相位差，则可以判断转矩电流或者转矩振动波形相对于转动角频率的振动波形是否超前90度以上。或者，将转动电角频率的振动波形的最大峰值之间设为180度，同样将转矩电流或者转矩的振动频率的振动波形的最大峰值之间设为180度，可以观测上述转矩电流或者转矩的振动波形的最大峰值相对于从上述电角频率的振动波形得到的最大峰值的超前角。

根据上述内容，本实施例中通过使转矩电流或者转矩的振动分量的相位相对于电动机转动角频率的振动分量超前90度以上，能够增大振动的衰减系数。此时，与第1实施例相比，由于并没有降低***整体的增益，因此具有更好的效果。另外，控制中并不使用机械***，知道电动机的电阻与电感的分量即可，这样可以简单地设定控制***。

【实施例3】

接下来，对本发明的第3实施例进行说明，主要对与第1以及第2实施例的不同点进行说明。相对于修正直流电压指令，图7中的本实施例修正交流电压指令。在交流电流指令值计算部23中，使用来自相位计算部15的相位θ，通过坐标转换等将直流电流指令Id^*、Iq^*转换为三相交流电流指令值。在转矩超前交流电压修正值计算部22中，使用上述的交流电流指令值与电流检测部6所检测出的交流电流检测值，例如基于各相(U、V、W)的指令值与检测值的差值，与实施例1、实施例2同样地在比例***、比例***×一阶滞后系、(比例***-微分***)、以及对各自附加了不完全微分***的情况下分别计算各相的交流电压修正值。另外，可以进行本实施例的交流电压修正与图1的直流电压修正的双方。

根据上述内容，本实施例中，通过进行交流分量的修正，从而使转矩电流或者转矩的振动分量的相位相对于电动机转动角频率的振动分量超前90度以上，这样能够简单地使机械***的振动分量衰减。

Claims (9)

1.一种电动机驱动***，具有电力转换器，所述电力转换器根据电动机的电流值控制用于驱动所述电动机的电压，所述电动机驱动***的特征在于，

控制用于驱动所述电动机的电压，使由所述电动机产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于所述电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上。

2.一种电动机驱动***，具有电力转换器，所述电力转换器根据电动机的电流值控制用于驱动所述电动机的电压，所述电动机驱动***的特征在于，

具有：电压指令计算部，其计算用于驱动所述电动机的电压指令；和

输出电压修正部，其对所述电压指令进行修正，从而使由所述电动机产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于所述电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上。

3.根据权利要求2所述的电动机驱动***，其特征在于，

所述输出电压修正部由差值计算部、转矩超前电压修正值计算部、修正部构成，其中：

所述差值计算部，其计算所述电动机的检测电流与电流指令值的差值；

所述转矩超前电压修正值计算部，其使用该差值计算电压指令修正值，所述电压指令修正值用于使所述电动机产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于所述电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上；

所述修正部，其使用该电压修正值，对电压指令值进行修正。

4.根据权利要求3所述的电动机驱动***，其特征在于，

所述转矩超前电压修正值计算部构成为，作为计算包括以下计算中的一个：比例、比例与一阶滞后、比例与微分、比例与一阶滞后以及不完全微分、或者比例与微分以及不完全微分。

5.根据权利要求3所述的电动机驱动***，其特征在于，

所述转矩超前电压修正值计算部构成为，作为计算包括以下计算中的一个：比例、或者比例×一阶滞后、比例一微分、比例×一阶滞后×不完全微分、或者比例-微分×不完全微分。

6.根据权利要求1至4中任意一项所述的电动机驱动***，其特征在于，

将所述电角频率的振动分量的波形的平均值与该振动分量的波形的交点作为零点，并将所述转矩电流或者转矩的振动频率的振动分量的波形的平均值与该振动分量的波形的交点作为零点时，从所述转矩电流或者转矩的振动分量的波形得到的零点相对于从所述电角频率的振动分量的波形得到的零点超前90度以上。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的电动机驱动***，其特征在于，

将所述电角频率的振动分量的波形的最大峰值之间设为180度，并将所述转矩电流或者转矩的振动频率的振动分量的波形的最大峰值之间设为180度，则所述转矩电流或者转矩的振动分量的波形的最大峰值相对于从所述电角频率的振动分量的波形得到的最大峰值超前90度以上。

8.一种电动机控制装置，根据电动机的电流值控制用于驱动电动机的电压，其特征在于，

所述电动机控制装置控制所述电动机，使由所述电动机产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于所述电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上。

9.一种电动机的驱动方法，其特征在于，

输入电动机的电流值，且基于所述电流值计算用于以如下的方式驱动所述电动机的电压值，并基于所述电压值控制所述电动机，所述方式是由所述电动机产生的电动机转矩或者电动机转矩电流中含有的振动分量的相位相对于所述电动机的电角频率中含有的相同频率的振动分量的相位超前90度以上的方式。

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