CN104081653B

CN104081653B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN104081653B
Application number: CN201380007352.3A
Authority: CN
Inventors: 吉本拓史; 山下良范
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: JP5586798B2; US9667187B2; US20150028793A1; CN104081653A; EP2811644B1; BR112014017549A2; EP2811644A4; WO2013115240A1; EP2811644A1; JPWO2013115240A1

Abstract

本发明的电动机控制装置具备：二次磁通指令运算部(5)，该二次磁通指令运算部(5)具有最小电流二次磁通指令运算部来计算使由转矩电流和励磁电流所得到的电流有效值为最小的二次磁通指令(F2R)；以及PWM信号生成部(9)，该PWM信号生成部(9)生成用于输出所希望的转矩指令(PTR)的转矩电流指令和用于输出二次磁通指令(F2R)的励磁电流指令，进行转矩控制，以使得转矩电流的检测值即q轴电流(I1QF)和励磁电流的检测值即d轴电流(I1DF)分别与转矩电流指令及励磁电流指令相一致，生成用于使逆变器(11)内所具备的开关元件(16)导通/断开的控制信号(U、V、W、X、Y、Z)。

Description

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

以往，已揭示了如下方法：解析地导出表示感应电动机(motor)内产生的全部损耗为最小的励磁电流指令值的数学式，根据利用了所导出的励磁电流指令值的电流控制对感应电动机进行控制(例如下述的专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平9－191700号公报(第0043段落、数学式(16))

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在由上述专利文献1所导出的数学式中存在如下问题；在平方根的计算式内包含了平方根彼此的除法运算、三角函数的乘法运算以及幂运算，导致无法简单地进行控制计算。

在电动机控制装置中，当对作为控制对象的电动机的转速进行控制时，通常例如从启动时起直到低速区域或者中速区域为止进行将电压与频率之比设为恒定的V/F恒定控制。另一方面，在上述现有技术中存在如下问题：在从启动时起直到高速区域的整个速度区域中，进行使用了上述数学式的运算处理，所进行的控制未必能够得到与控制方式相对应的效果。

另外，在V/F恒定控制方式中，根据电动机的转速指令而非与负载相对应的值，决定电压与频率之比，从而能够得到在额定时达到最佳的输出电压特性。因此，存在如下问题：在低速区域或低负载的驱动区域中，对电动机会施加过量的电压，导致电动机损耗大于最佳值，从而进行的运转并不高效。

本发明是鉴于上述问题而得到的，其目的在于提供电动机控制装置，在使用V/F恒定控制方式的电动机控制装置中，尤其能够降低在低速区域或低负载的驱动区域中的电动机损耗，从而能够进一步提高效率。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述问题、并达成目的，本发明所涉及的电动机控制装置将从由逆变器所驱动的电动机流出的电流、或流入由逆变器所驱动的电动机的电流分成转矩电流和励磁电流，并根据由转矩指令所得到的转矩电流指令和励磁电流指令来分别进行控制，该电动机控制装置的特征在于具有：

二次磁通指令运算部，该二次磁通指令运算部具有第1运算部，该第1运算部在由转矩电流指令和励磁电流指令所得到的电流有效值达到最小的条件下基于转矩指令来计算最小电流二次磁通指令；以及

PWM信号生成部，该PWM信号生成部根据转矩指令和最小电流二次磁通指令，生成转矩电流指令和励磁电流指令，进行转矩控制，以使得转矩电流的检测值和励磁电流的检测值分别与转矩电流指令和励磁电流指令相一致，并生成使所述逆变器中所包括的开关元件导通或断开的控制信号。

发明效果

根据本发明，在使用了V/F恒定控制方式的电动机控制装置中，尤其能够在低速区域或轻负载的驱动区域中更进一步地降低电动机损耗，从而能够进行更高效的运转。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的一个结构示例的框图。

图2是说明电动机常数和dq各轴电流之间的关系的图。

图3是说明dq各轴电流和转矩之间的关系的图。

图4是表示实施方式1所涉及的二次磁通指令运算部的一个结构示例的框图。

图5是表示相对于二次磁通指令的损耗曲线的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的电动机控制装置进行说明。另外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。

实施方式1

图1是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的一个结构示例的框图。实施方式1所涉及的电动机控制装置1是利用转矩控制方式进行控制的控制装置，该转矩控制方式中，将从由逆变器11驱动的电动机12流出、或流入由逆变器11驱动的电动机12的电流(一次电流)分为转矩电流和励磁电流来分别进行控制，该电动机控制装置1如图所示，由转矩指令运算部4、二次磁通指令运算部5、电动机常数运算部6、坐标变换部7、速度控制部8、以及生成作为电压指令的PWM信号的PWM信号生成部9构成。

向电动机控制装置1中输入从未图示的外部控制装置输出的档位指令和载荷补偿信号、由设置于逆变器11和电动机(motor)12之间的电流检测器14(14U、14V、14W)检测出的各相(U相、V相、W相)电动机电流IU、IV、IW、以及由设置于电动机12的脉冲发生器(PG)13检测出的PG脉冲信号等。电动机控制装置1根据这些档位指令、载荷补偿信号、电动机电流IU、IV、IW以及PG脉冲信号，利用位于最终级的PWM信号生成部9来生成作为控制逆变器11的电压指令的PWM信号(U、V、W、X、Y、Z)。

接着，对实施方式1所涉及的电动机控制装置1的动作进行说明。首先，向转矩指令运算部4输入档位指令和载荷补偿信号、以及生成于内部的逆变器频率FINV。转矩指令运算部4具有如图所示那样当速度在阈值以下时转矩固定而当速度超过阈值时转矩减小的转矩指令模式(转矩模式)，该转矩指令运算部4生成与档位指令、载荷补偿信号、以及逆变器频率FINV相对应的转矩指令PTR，并输出至二次磁通指令运算部5和PWM信号生成部9。另外，逆变器频率FINV可以作为来自外部的输入信号。

电动机常数运算部6对用等效电路模型来表示电动机12时的电动机常数进行运算。作为电动机常数，以一次电阻、二次电阻、一次电感、二次电感、互感、极对数等作为代表，但在实施方式1中，至少向二次磁通指令运算部5输出二次电感L2R和极对数Pm的值。关于极对数Pm，在电动机12的结构不能变更极对数Pm的情况下，输出至二次磁通指令运算部5的极对数Pm是固定值。另一方面，在能够变更极对数Pm的电动机12的情况下，向二次磁通指令运算部5输出与该变化相对应的值。

将电流检测器14(14U、14V、14W)所检测出的各相电动机电流IU、IV、IW输入至坐标变换部7。坐标变换部7将3相坐标系的电流检测值、即各相电动机电流IU、IV、IW变换成dq轴坐标系的电流检测值，生成d轴电流I1DF和q轴电流I1QF。这些电流之中，将d轴电流I1DF输入至PWM信号生成部9和二次磁通指令运算部5双方，将q轴电流I1QF输入至PWM信号生成部9。在图1中，示出了将各相电动机电流IU、IV、IW全部输入至坐标变换部7的结构，但只要有各相电动机电流IU、IV、IW之中的任意2个信息，就能计算出d轴电流I1DF和q轴电流I1QF。

将逆变器频率FINV、转矩指令PTR、二次电感L2R、极对数Pm以及d轴电流I1DF输入至二次磁通指令运算部5。二次磁通指令运算部5根据这些逆变器频率FINV、转矩指令PTR、二次电感L2R、极对数Pm以及d轴电流I1DF，生成二次磁通指令F2R，并输出至PWM信号生成部9。二次磁通指令运算部5的内部结构以及更详细的动作将在后文阐述。

将脉冲发生器(PG)13所检测出的PG脉冲信号输入至速度控制部8。速度控制部8根据PG脉冲信号的周期、或PG脉冲信号中所包含的每一周期的脉冲数等信息，生成电动机12的旋转频率即电动机频率FM，并输出至PWM信号生成部9。

由此，将转矩指令PTR、二次磁通指令F2R、d轴电流I1DF、q轴电流I1QF、以及电动机频率FM输入至PWM信号生成部9。除了这些信号(信息)以外，还将逆变器频率FINV、以及设置于逆变器11的直流部一侧的未图示的滤波电容器的电压即滤波电容器电压EFC也输入至PWM信号生成部9。PWM信号生成部9在内部生成用于输出转矩指令PTR的转矩电流指令和用于输出二次磁通指令F2R的励磁电流指令，进行转矩控制，以使得转矩电流的检测值即q轴电流I1QF和励磁电流的检测值即d轴电流I1DF分别与转矩指令及励磁电流指令相一致，生成用于对逆变器11内所具备的开关元件16进行导通/断开控制的PWM信号U、V、W、X、Y、Z，并输出至逆变器11。PWM信号U、V、W、X、Y、Z是逆变器11为3相逆变器的情况下的一个示例，对于构成上臂的开关元件的开关信号与U、V、W相对应，对于构成下臂的开关元件的开关信号与X、Y、Z相对应。

接着，参照图2及图3等对应用于实施方式1的电动机控制装置1中的计算式进行说明。图2是说明电动机常数和dq各轴电流的关系的图，图3是说明dq平面中dq各轴电流和转矩的关系的图。

首先，进行转矩控制的控制装置中通常采用的转矩电流指令I1QR和励磁电流指令I1DR也如图2所示，能够用转矩指令PTR、二次电感L2R、二次磁通指令F2R、极对数Pm、互感MR及二次电阻R2R分别以下面2个数学式来表示。

I1QR＝(PTR/F2R)×(1/Pm)×(L2R/MR)…(1)

I1DR＝(F2R/MR)+(L2R/MR)×(1/R2R)×d(F2R)/dt…(2)

此处，在V/F恒定控制区域中，转矩指令PTR被控制成大致固定的值。因此，数学式(2)中表示二次磁通指令F2R的时间变化的第2项可置为0，二次磁通指令F2R能够利用励磁电流指令I1DR以如下的数学式来表示。

F2R＝I1DR×MR…(3)

若将该数学式(3)带入上述数学式(1)中，则得到如下数学式。

PTR＝(Pm/L2R)×MR²×I1QR×I1DR…(4)

在上述数学式(4)中，由于“(Pm/L2R)×MR²”是由电动机常数所确定的值，因此可看作为常数。因而，转矩指令PTR的大小与转矩电流指令I1QR和励磁电流指令I1DR之积、即图3中用阴影示出的长方形部分的面积成正比。因此，当接收到转矩指令PTR时，能够选择满足I1QR×I1DR＝固定值的条件(面积固定(即转矩固定)的条件)的任意值的I1QR和I1DR。另一方面，任意值的I1QR和I1DR之中，当I1QR＝I1DR时、即图4所示的阴影部分为正方形时，电流有效值为最小。

在实施方式1的电动机控制装置中，利用上述的构思。若将I1QR＝I1DR的条件和数学式(3)的条件用于数学式(4)，则励磁电流指令I1DR能够利用转矩指令PTR以如下数学式来表示。

若将该数学式(5)带入上述数学式(3)中，则二次磁通指令F2R能够表示为如下数学式。

根据该数学式(6)，能够利用转矩指令PTR、二次电感L2R以及极对数Pm，来求出二次磁通指令F2R。因而，如图4所示那样地来构成图1所示的二次磁通指令运算部5。图4是表示实施方式1所涉及的二次磁通指令运算部5的一个结构示例的框图。如图所示，二次磁通指令运算部5具有作为第1运算部的最小电流二次磁通指令运算部21、作为第2运算部的磁通指令补偿运算部22、乘法器23以及减法器24。

在该二次磁通指令运算部5中，向最小电流二次磁通指令运算部21中输入转矩指令PTR、二次电感L2R以及极对数Pm。最小电流二次磁通指令运算部21根据转矩指令PTR、二次电感L2R以及极对数Pm，进行数学式(6)所示的运算处理，将该运算结果作为最小电流二次磁通指令F2R1来输出。

由此，在利用最小电流二次磁通指令运算部21来生成最小电流二次磁通指令F2R1的情况下，进行转矩电流指令I1QR＝励磁电流指令I1DR的电流调整，能使为了产生相同的转矩所必需的电流为最小。电动机12中的铜损依赖于电流的大小，由于电流越大则损耗越大，因此通过减小电流来减小铜损。另外，由于逆变器11的开关元件16中的损耗也依赖于电流的大小，因此通过将电流控制在最小，也能降低逆变器11中的损耗。

接着，对设置磁通指令补偿运算部22的意义进行说明。图5是表示相对于二次磁通指令F2R的损耗曲线的图。在图5中，实线表示铜损，虚线表示铁损。由于因电动机而产生的损耗主要是铜损和铁损，因此若能够使铜损和铁损之和为最小，则几乎能够使电动机损耗为最小。

然而，在利用最小电流二次磁通指令运算部21生成最小电流二次磁通指令F2R1的情况下，如上所述，进行I1QR＝I1DR的电流调整，以将铜损调整为最小。但是，若还考虑铁损，则铜损为最小额定最小电流二次磁通指令值F2R1无法满足损耗最小的磁通条件。在逆变器频率FINV较小、且施加到电动机的电压V较小的情况下，铁损较小，即使忽略铁损也没有问题。

另一方面，若逆变器频率FINV变大、且施加到电动机的电压V变大，则铁损的大小不容忽视。在此情况下，根据图5可知：若使二次磁通指令值F2R稍微小于最小电流二次磁通指令值F2R1，则铁损的减少量将大于铜损的增加量，从而使得铜损和铁损的合计损耗也减少。也就是说，使得铜损和铁损的合计损耗最小的二次磁通指令值F2R小于F2R1。因而，在实施方式1的二次磁通指令运算部5中，如图所示那样设置有磁通指令补偿运算部22，该磁通指令补偿运算部22根据电动机的频率求出使电动机的铜损和铁损的合计损耗为最小的二次磁通指令值相对于最小电流二次磁通指令F2R1的补偿量，并且该二次磁通指令运算部5利用乘法器23对磁通指令补偿运算部22的输出和d轴电流I1DF进行相乘，从最小电流二次磁通指令运算部21的输出减去相乘后得到的乘法值。

在磁通指令补偿运算部22中具有预先在设计时利用电动机特性来计算铁损的铁损量考量表，根据所输入的逆变器频率FINV，来对d轴电流I1DF生成降低因铁损而产生的损耗的最佳补偿系数，并输出至乘法器23。

此处，在乘法器23的输出不为零时，从最小电流二次磁通指令F2R1减去考虑了乘法器23的输出即铁损的补偿量，作为最终的二次磁通指令F2R而生成，并输出至PWM信号生成部9。

在乘法器23的输出为零或者小于最小电流二次磁通指令F2R1的情况下(例如在d轴电流I1DF较小的情况下、或者在磁通指令补偿运算部22所输出的补偿系数为零或较小的情况下)，最小电流二次磁通指令运算部21所生成的最小电流二次磁通指令F2R1直接作为二次磁通指令F2R，输出至上述的PWM信号生成部9。

如上所说明的那样，根据实施方式1的电动机控制装置，在以电压与频率之比固定、且转矩固定的方式进行驱动的驱动区域中，对由转矩电流和励磁电流得到的电流有效值为最小的二次磁通指令值进行计算，进行转矩控制，以使得转矩电流的检测值和励磁电流的检测值分别与根据转矩指令和最小电流二次磁通指令计算出的转矩电流指令及励磁电流指令相一致，因此，能够降低包含铜损及铁损在内的电动机损耗，能够实现可进行更高效的运转控制的电动机控制装置。

实施方式2

在实施方式2中，对逆变器11中所具备的开关元件16进行说明。作为逆变器11中所使用的开关元件16，一般以硅(Si)作为原料的半导体开关元件(IGBT、MOSFET等，下面简记为“Si－SW”)。在上述实施方式1所说明的技术中，能够使用该一般的Si－SW来构成。

另一方面，上述实施方式1的技术并不仅限于该Si－SW。当然也能够使用以近些年备受瞩目的碳化硅(SiC)作为原料的半导体开关元件(下面简记为“SiC-SW”)来作为上述开关元件16。

此处，作为逆变器11中的损耗，主要是开关元件16的开关损耗和导通损耗。尤其是若将SiC－SW设为MOSFET结构，则可以期待大幅度地降低开关损耗。另外，在将SiC－SW设为MOSFET结构的情况下，由于MOSFET的导通损耗与电流的平方成正比地增加，因此通过减小流过SiC－SW的电流，能够降低导通损耗。

在实施方式1的电动机控制装置中，由于能够使用于产生相同转矩的电流最小化，因此，通过将实施方式1的逆变器11中所具备的开关元件16设为SiC－SW，能够大幅度地降低导通损耗。由此，能够降低逆变器11上的损耗，能够实现可更高效地进行电动机控制的电动控制装置。

另外，以往在驱动电车等的大容量电动机的情况下，依次地将逆变器11的输出频率切换成多脉冲模式、单脉冲模式这多个控制模式来进行控制，但由SiC等宽带隙半导体构成的开关元件16能够在整个控制区域中进行非同步PWM控制。因此，本实施方式的电动机控制装置的损耗降低效果可遍及所有区域，从而所有区域都能进行高效率的电动机控制。尤其是在为了在所有区域都进行非同步PWM控制而将电流值设定得较高的情况下，对于电动机的损耗降低效果非常大。

另外，SiC具有带隙大于Si的特征，是被成为宽带隙半导体的半导体的一个示例(与此相对地，Si被称为窄带隙半导体)。除了上述SiC以外，例如使用氮化钙类材料或者金刚石而形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性中也有许多与碳化硅相似之处。因此，使用除碳化硅以外的其它宽带隙半导体的结构也包含在本发明的主旨之中。

另外，由上述的宽带隙半导体形成的开关元件的耐压性较高、且允许电流密度较大，因此开关元件能够实现小型化，通过使用这些被小型化后的开关元件，能够使组装有这些元件的半导体模块实现小型化。

另外，由宽带隙半导体所形成的开关元件的耐热性也较高，因此在需要散热器等的冷却机构的开关元件的情况下，能够使冷却机构实现小型化，且能够使开关元件模块进一步实现小型化。

另外，以上的实施方式1、2所示的结构是本发明结构的一个示例，也可以与其他已知的技术进行组合，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等、或进行变更来构成。

工业上的实用性

如上所述，本发明适用于在低速区域或低负载的驱动区域中能够降低电动机损耗的电动机控制装置。

标号说明

1电动机控制装置，4转矩指令运算部，5二次磁通指令运算部，6电动机常数运算部，7坐标变换部，8速度控制部，9 PWM信号生成部，11逆变器，12电动机，13脉冲发生器(PG)，14电流检测器，16开关元件，21最小电流二次磁通指令运算部，22磁通指令补偿运算部，23乘法器，24减法器。

Claims

1.一种电动机控制装置，该电动机控制装置将从由逆变器驱动的电动机流出、或流入由逆变器驱动的电动机的电流分成转矩电流和励磁电流，并根据由转矩指令所得到的转矩电流指令和励磁电流指令来分别进行控制，其特征在于，具有：

二次磁通指令运算部，该二次磁通指令运算部具有第1运算部，该第1运算部在由所述转矩电流指令和所述励磁电流指令所得到的电流有效值为最小的条件下基于所述转矩指令来计算最小电流二次磁通指令；以及

PWM信号生成部，该PWM信号生成部根据所述转矩指令和所述最小电流二次磁通指令生成所述转矩电流指令和所述励磁电流指令，进行转矩控制，以使得所述转矩电流的检测值和所述励磁电流的检测值分别与所述转矩电流指令和所述励磁电流指令相一致，并生成使所述逆变器中包括的开关元件导通或断开的控制信号。

2.一种电动机控制装置，该电动机控制装置将从由逆变器驱动的电动机流出、或流入由逆变器驱动的电动机的电流分成转矩电流和励磁电流，并根据由转矩指令所得到的转矩电流指令和励磁电流指令来分别进行控制，其特征在于，具有：

二次磁通指令运算部，该二次磁通指令运算部具有第1运算部，该第1运算部在由所述转矩电流指令和所述励磁电流指令所得到的电流有效值为最小的条件下基于所述转矩指令来计算最小电流二次磁通指令，该二次磁通指令运算部根据逆变器频率和所述最小电流二次磁通指令，来计算所述电动机的铜损和铁损的合计损耗小于使用所述最小电流二次磁通指令时的合计损耗的二次磁通指令；以及

PWM信号生成部，该PWM信号生成部根据所述转矩指令和所述最小电流二次磁通指令来生成所述转矩电流指令和所述励磁电流指令，进行转矩控制，以使得所述转矩电流的检测值和所述励磁电流的检测值分别与所述转矩电流指令和所述励磁电流指令相一致，并生成使所述逆变器中包括的开关元件导通或断开的控制信号。

3.如权利要求2所记载的电动机控制装置，其特征在于，

所述二次磁通指令运算部根据所述逆变器频率来生成用于降低因铁损而造成的损耗的补偿量，从所述最小电流二次磁通指令减去所述补偿量以计算所述二次磁通指令。

4.如权利要求1至3的任一项所记载的电动机控制装置，其特征在于，

所述第1运算部根据所述电动机的二次电感、极对数及所述转矩指令来计算所述最小电流二次磁通指令。

5.如权利要求1至3中任一项所记载的电动机控制装置，其特征在于，

所述开关元件由宽带隙半导体来形成。

6.如权利要求5所记载的电动机控制装置，其特征在于，

所述宽带隙半导体是使用了碳化硅、氮化钙类材料、或者金刚石的半导体。