CN106911284B - 电机控制设备 - Google Patents

Abstract

一种电机控制设备，该电机控制设备基于速度指令和电机的速度检测值计算速度差，基于励磁电流指令值和励磁电流检测值计算励磁电流共同相位电压差，并且在满足所有以下条件时判断出现退磁：励磁电流共同相位电压差超过电压阈值；速度差超过速度阈值；以及正在进行加速。

Description

电机控制设备

相关申请的交叉引用

于2015年12月22日申请、申请号为2015-250333的日本专利申请的全部公开，包括说明书、权利要求书、附图以及摘要，通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请涉及一种电机控制设备，该电机控制设备用于机床等之中的包括直线轴和旋转轴的进给轴。

背景技术

利用永磁铁的电机，比如，用于移动机床等的进给轴的无刷直流电机，要求高输出和高速响应，还需要维持质量。特别地，机床等通常用在恶劣环境中。因此，常规地，为了处理由于老化的绝缘退化等，在电机完全失效之前，即，在故障的初始阶段，在电机中进行各种尝试以检测异常。

图4和5为展示常规控制的框图。关于一个控制对象，其中工作台141由电机14通过滚珠螺杆142操作，基于通过u相电流检测器12检测的u相电流Iu、通过v相电流检测器13检测的v相电流Iv以及通过安装在电机14上的位置检测器15检测的位置检测值Pd，电流检测值计算单元16输出作为两相电流检测值的励磁电流检测值Idd和转矩电流检测值Iqd。微分器17对位置检测值Pd进行微分，并且输出电机的速度检测值Vdet。减法器2计算速度指令Vc与速度检测值Vdet之差，并且输出结果作为速度差Vdif。电流指令计算单元3基于所述速度差Vdif输出作为两相电流指令值的励磁电流指令值Idc和转矩电流指令值Iqc。减法器4计算励磁电流指令值Idc与励磁电流检测值Idd之差，并且输出结果作为励磁电流差。d轴电压差计算单元5基于所述励磁电流差、比例增益Kp和积分增益Ki输出励磁电流共同相位电压差ΔVdc。减法器6计算所述转矩电流指令值Iqc与所述转矩电流检测值Iqd之差，输出结果作为转矩电流差。q轴电压差计算单元7基于所述转矩电流差、比例增益Kp和积分增益Ki输出转矩电流共同相位电压差ΔVqc。基于所述速度检测值Vdet、所述励磁电流指令值Idc以及所述转矩电流指令值Iqc，电压前馈值计算单元8基于速度检测值Vdet、励磁电流指令值Idc和转矩电流，输出励磁电流共同相位电压前馈值Vdff和转矩电流共同相位电压前馈值Vqff。加法器9基于所述励磁电流共同相位电压前馈值Vdff和所述励磁电流共同相位电压差ΔVdc输出励磁电流共同相位电压指令Vdc，加法器10基于所述转矩电流共同相位前馈值Vqff和所述转矩电流共同相位电压差ΔVqc输出转矩电流共同相位电压指令Vqc。逆变器11基于所述励磁电流共同相位电压指令Vdc、所述转矩电流共同相位电压指令Vqc以及所述位置检测值Pd输出三相电流(u,v和w相)。d轴电压差计算单元5计算的励磁电流共同相位电压差ΔVdc和q轴电压差计算单元7计算的转矩电流共同相位电压差ΔVqc输入至电压差检测器18。

所述电压差检测器18检测电机是否处于异常状态。如果所述电压差检测器18判断电机处于异常状态，则输出指示该状态的信号W1。在以下任意一种情况下，所述电压差检测器18判断电机处于异常状态并且输出信号W1：励磁电流共同相位电压差ΔVdc的大小超过预设阈值Ref1；接收作为输入的所述励磁电流共同相位电压差ΔVdc的一阶滞后电路183的输出的大小超过预设阈值Ref2；转矩电流共同相位电压差ΔVqc的大小超过预设阈值Ref3；接收作为输入的所述转矩电流共同相位电压差ΔVqc的一阶滞后电路188的输出的大小超过预设阈值Ref4。收到所述信号W1之后，主机控制设备判断电机处于异常状态并且迅速地停止电机。

下面对能够基于励磁电流共同相位电压差ΔVdc或转矩电流共同相位电压差ΔVqc检测电机异常的原理进行简单的说明。在无刷直流电机的情况下，假设线圈电阻为R，电感值为L，电角频率为ωe，电机速度为ω，感应电压常数为Ke，励磁电流共同相位电压理论值Vd和转矩电流共同相位电压理论值Vq的电压方程式通常表示为方程式(1)和方程式(2)。

Vd＝R×Id+ωe×L×Iq 方程式(1)

Vq＝R×Iq-ωe×L×Id+ω×Ke 方程式(2)

如果电机构造为电机的常数几乎以理论给予值提供，并且如果方程式(1)计算的Vd输出为励磁电流共同相位电压前馈值Vdff以及方程式(2)计算的Vq输出为转矩电流共同相位电压前馈值Vqff，逆变器单元11输出具有与理论值相同的值的三相电流(u,v和w相位)。因此，因为励磁电流指令值Idc等于励磁电流检测值Idd，d轴电压差计算单元5的输出ΔVdc为零。进一步地，因为转矩电流指令值Iqc等于转矩电流检测值Iqd，q轴电压差计算单元7的输出ΔVqc为零。然而，如果线圈电阻、电感值以及感应电压常数由于制造缺陷等偏离其理论值，则产生励磁电流共同相位电压差ΔVdc和转矩电流共同相位电压差ΔVqc。即，在异常状态下，线圈电阻、电感值以及感应电压常数与其理论值大不相同，励磁电流共同相位电压差ΔVdc和转矩电流共同相位电压差ΔVqc同样是大的，并且由此可以通过利用电压差检测器18监控这些值ΔVdc和ΔVqc来检测电机中的异常存在。

进一步地，如果电流指令意外地改变，由于控制延迟等，可能根据电机的常数在一瞬间产生大的差ΔVdc和ΔVqc，并且可能错误地检测到电机中的异常。在此情况下，可基于用于ΔVdc的一阶滞后电路的输出和用于ΔVqc的一阶滞后电路的输出检测电机中的异常存在。

此处，这种异常检测包括两种类型的错误检测：将正常错误地检测为“异常”的“过度检测”，以及尽管发生异常也错误地检测为“正常”的“异常忽略”。在图4和5所示的常规技术中，为了表示“过度检测”，所述阈值Ref1,Ref2,Ref3,和Ref4以及所述一阶滞后电路183和188的常数需要设定为大于其理论值，这可能在检测异常中造成难题。然而，当电机由于机器碰撞或超载状态而产生热量时，或者当由于逆变器的故障等而导致意外的电流流动时，易于产生退磁，退磁为电机故障模式的一种。同时，如上所述，如果各种常数设定为大于其理论值，则存在仅在电机加速至一定程度后才可以检测异常检测的问题。因此，在退磁状态下，仅在工作台141加速并且大体达到目标速度之后才可以检测电机中的异常，由此延迟了退磁状态的检测。此处，存在一种可能性，在所述退磁状态下，理想的减速转矩不能在减速时输出，工作台141超过目标位置并且引起机器碰撞等。即，如果增加所述阈值Ref1,Ref2,Ref3和Ref4的值以防止过度检测，则引起不能在必要时间检测退磁的异常忽略。此外，相反地，如果所述阈值Ref1,Ref2,Ref3和Ref4的值减少，则存在另一问题，频繁地引起尽管不存在退磁而错误地检测为出现退磁的过度检测。因此，本申请公开了一种电机控制设备，其可以改进退磁的检测精确性。

发明内容

本申请公开了一种电机控制设备，用于控制由从直流电源转换的三相交流电驱动的电机。所述电机控制设备包括：电流指令计算单元，基于作为速度指令与电机的速度检测值之差的速度差输出转矩电流指令值和励磁电流指令值；电流检测值计算单元，通过电机的三相电流检测值计算转矩电流检测值和励磁电流检测值；d轴电压差计算单元，基于所述励磁电流指令值和所述励磁电流检测值计算与励磁电流同相的励磁电流共同相位电压差；q轴电压差计算单元，基于所述转矩电流指令值和所述转矩电流检测值计算与转矩电流同相的转矩电流共同相位电压差；d轴电压指令计算单元，基于所述励磁电流共同相位电压差和所述励磁电流共同相位电压前馈值计算与励磁电流同相的励磁电流共同相位电压指令；q轴电压指令计算单元，基于所述转矩电流共同相位电压差和所述转矩电流共同相位电压前馈值计算与转矩电流同相的转矩电流共同相位电压指令；以及逆变器单元，基于所述转矩电流共同相位电压指令、所述励磁电流共同相位电压指令和电机的位置检测值向电机输出三相电流。在所述电机控制设备中，当满足所有以下条件时，则判断出现退磁：所述励磁电流共同相位电压差、所述转矩电流共同相位电压差以及其一阶滞后电路的输出值中的至少一个超过预设的相应阈值；所述速度指令和所述速度检测值之差超过预设阈值；以及正在进行加速。

利用本申请公开的电机控制设备，能够高精确性地检测退磁的发生以及迅速且安全地停止所述电机。

附图说明

参考附图，对本公开的实施例进行描述，其中：

图1为展示一个实施例的框图；

图2为展示速度差检测器的一个示例的框图；

图3为展示电压差检测器的另一示例的框图；

图4为展示一种现有技术的框图；以及

图5为展示电压差检测器的一个示例的示意图。

具体实施方式

对实施例进行描述。与现有技术的示例中相同的部件分配相同的参考编号，省略其详细描述。图1和图2展示了本发明的电机控制设备的框图。类似于图4例示的电机控制设备，本发明的电机控制设备也是基于速度差Vdif输出两相电流指令值Idc和Iqc，并对电流指令值Idc和Iqc之差(电流差)以及电流反馈值Idd和Iqd之差(电流差)进行比例积分，并且输出两相电压差ΔVdc和ΔVqc。此外，所述电机控制设备还基于所述两相电流指令值Idc和Iqc以及电机14的速度检测值Vdet计算两相电压前馈值Vdff和Vqff。然后，所述电机控制设备将电压前馈值Vdff和Vqff分别添加至相同相位的电压差ΔVdc和ΔVqc，由此计算两相电压指令值Vdc和Vqc。在这种情况下，加法器9和10分别用作d轴电压指令计算单元和q轴电压指令计算单元。逆变器单元11基于所述两相电压指令值Vdc和Vqc以及电机14的位置检测值输出三相电流Iu,Iw和Iv。

如此的电机控制设备具有电压差检测器18、速度差检测器20以及加速检测器21，以便检测电机14的退磁出现。所述电压差检测器18具有如图5所示的结构。更具体地，所述电压差检测器18具有四个比较器182、185、187和189，或电路(OR circuit)191以及状态指示器192。所述比较器182将励磁电流共同相位电压差ΔVdc与阈值ref1进行比较，当一阶滞后电路输出值较大时输出“1”。比较器185将励磁电流共同相位电压差ΔVdc与阈值ref2进行比较，当一阶滞后电路输出值较大时输出“1”。所述比较器187将转矩电流共同相位电压差ΔVqc与阈值ref3进行比较，当转矩电流共同相位电压差ΔVqc较大时输出“1”。所述比较器189将转矩电流共同相位电压差ΔVqc的一阶滞后电路输出值与阈值ref4进行比较，当一阶滞后电路输出值较大时输出“1”。

如果所述四个比较器182、185、187和189的至少一个输出“1”，所述或电路191指令所述状态指示器192输出一个信号。所述状态指示器192在收到指令后输出信号W1。即，如果所述励磁电流共同相位电压差ΔVdc、所述转矩电流共同相位电压差ΔVqc及其一阶滞后电路输出值中的至少一个大于相应阈值ref1、ref2、ref3或ref4，所述电压差检测器18输出信号W1以指示此状态。

如果速度差Vdif的大小超过预设阈值Ref，速度差检测器20输出信号W2以指示此状态。图2为展示速度差检测器20的一个示例的框图。此速度差检测器20具有比较器203和状态指示器204。所述比较器203接收作为输入的速度差Vdif的绝对值(绝对值获取单元201的输出值)和预设阈值Ref。如果速度差Vdif较大，所述比较器203指示状态指示器204输出一个信号。所述状态指示器204在接收指令后输出信号W2。此处，所述速度差Vdif为出现退磁时增大的参数。即，当退磁出现时，电机的输出转矩减小，不能获得理想加速。因此，电机的速度检测值Vdet并非理想速度。因此，当退磁出现时，所述速度差Vdif增加。

所述加速检测器21通过速度指令Vc检测是否正在进行加速，并且输出信号W3以指示此状态。与电路(AND circuit)22基于所述信号W1、W2和W3执行与计算，并且输出信号W以指示此状态。即，所述与电路22仅在信号W1、W2和W3都输入时输出所述信号W。当所述主机控制设备接收作为输入的所述信号W时，判断电机中出现退磁，并且迅速地停止电机。换言之，如果满足所有以下条件，所述主机控制设备判断出现退磁：正在进行加速；电压差(ΔVdc、ΔVqc或其一阶滞后电路输出值)大；以及速度差Vdif大。

因此，监控了电压差、速度差和加速的存在的三个元件，以便减少退磁的错误检测并且改进退磁的检测精确性。此处，所述错误检测包括尽管发生异常而错误地检测为“正常”的“异常忽略”以及错误地检测正常为“出现退磁”的“过度检测”。

在本实施例中，为了减少“异常忽略”，待与电压差(ΔVdc、ΔVqc或其一阶滞后电路输出值)以及速度差Vdif比较的所述阈值ref1,ref2,ref3,ref4和Ref的值为相对的小理论值。此处，所述理论值为差值，该差值由正常电机中由于电机的个别差异导致的特征值的变化和控制延迟所引起。例如，如上所述，d轴和q轴的电压指令理论值可以根据方程式(1)和(2)计算。方程式(1)和(2)中使用的线圈电阻R、电感L以及感应电压常数Ke的值采用定值，不考虑电机中的个别差异。另一方面，即使电机是正常的，电机的线圈电阻R、电感L以及感应电压常数Ke的值在实际中变化。由于每个电机的特征值的如此变化以及控制延迟，电压差ΔVdc和ΔVqc变得大于0。在本实施例中，将即使在正常电机中也可能产生的特征值的变化所引起的电压差ΔVdc和ΔVqc的值以及控制延迟所引起的电压差ΔVdc和ΔVqc的值分别相加，该求和值(理论值)设定为阈值ref1,ref2,ref3和ref4。如此的理论值可以通过提前进行试验等来获得。

类似地，将即使在正常电机中也可能产生的特征值(惯性和转矩)的变化所引起的速度差的值以及控制延迟所引起的速度差的值相加，该求和值(理论值)设定为阈值Ref。所述阈值Ref的理论值还可以通过提前进行试验等来获得。

如果待比较的所述阈值ref1,ref2,ref3,ref4和Ref的值减小，可以减少“异常忽略”，但出现将正常识别为“出现退磁”的“过度检测”。在本实施例中，为了防止这种“过度检测”，仅在W1和W2都输出时判断“出现退磁”。原因见下文。

虽然退磁出现时电压差ΔVdc和ΔVqc以及速度差Vdif增加，它们基本上是不相关的参数。例如，不仅在出现退磁时，而且当线圈电阻R或电感L由于开路、电机相间短路等而改变时，以及当比如切割冲击扭矩的一个扭矩大幅度地增加和电流指令突然改变时，电压差ΔVdc和ΔVqc也会增加。另一方面，所述速度差Vdif在这些情况下不会特别增加。进一步地，当切割载荷增加时，所述速度差Vdif增加。另一方面，所述电压差ΔVdc和ΔVqc在此情况下不会特别增加，即使是大切割载荷。

因此，如果单独基于电压差ΔVdc和ΔVqc判断存在退磁，则存在将开路、电机相间短路或电流指令中的突然变化的出现错误地检测为出现“退磁”(过度检测)的风险。另一方面，如果单独基于所述速度差Vdif判断存在退磁，则存在当切割载荷逐渐增加时错误地检测为“退磁”出现的风险。虽然所述电压差ΔVdc和ΔVqc与所述速度差Vdif之间没有关联，在本实施例中，通过监控在退磁中增加的两种类型的参数，可以有效地防止过度检测。此外，因为可以有效地防止过度检测，用于判断退磁的出现的所述阈值Ref,ref1,ref2,ref3,ref4的值可以减小，由此减少遗漏异常的“异常忽略”。

如果在由于开始切割产生剧烈的冲击扭矩之后切割载荷大，即使不出现退磁，电压差ΔVdc和ΔVqc以及速度差Vdif也会增加。在这种情况下，尽管退磁出现的不存在，但存在错误地判断切割之后立即出现退磁的“过度检测”的风险。通常，在切割之前，机床通常以快进方式执行接近操作直至切割点。所述接近操作在开始时必然地具有加速操作。通过仅在该加速操作期间而不在切割期间判断是否出现退磁，可以防止以上描述的切割之后立即发生的错误检测(过度检测)。

进一步地，如果出现退磁，当快进速度减速时，过冲变得更大，且可能由于机器碰撞引起大的破坏。因此，当出现退磁时，优选在减速开始之前检测电机故障，并且迅速地停止电机。即使出现退磁，通过在加速期间判断退磁的出现，可以在减速开始之前停止电机，由此有效地防止机器超过目标位置并且与其它部分碰撞的问题。

从以上描述明显看出，在本实施例中，如果满足所有以下条件，通过输出指示出现退磁的信号W，可以有效地防止尽管没有出现退磁而错误地检测为出现退磁的“过度检测”：电压差ΔVdc或ΔVqc大；速度差Vdif大；以及正在进行加速。此外，因为能够防止过度检测，可以减小所述阈值Ref,ref1,ref2,ref3和ref4，并且可以防止错误地检测退磁出现为“正常”的“异常忽略”。然后，因为能够防止异常忽略，可以轻易地发现退磁，并且可以迅速地停止电机。因此，可以有效地防止所述问题，比如，机器与其它部分的碰撞。

下一步，对另一实施例进行描述。图3为电机控制设备的电压差检测器18的另一实施例的框图。当励磁电流共同相位电压差ΔVdc的大小超过预设阈值ref1时，或者当转矩电流共同相位电压差ΔVqc的大小超过预设阈值ref3，此电压差检测器18检测电机处于异常状态并且输出此状态W1。换言之，在此实施例中，不监控电压差ΔVdc和ΔVqc的一阶滞后电路输出值。这是因为，所述速度差检测器20和所述加速检测器21用于减少退磁的错误检测的可能性，并且与传统示例相比，即使没有一阶滞后电路，也可以以更高精确度检测电机中的异常，比如，退磁。

Claims (3)

1.一种电机控制设备，用于控制通过从直流电源转换的三相交流电驱动的电机，所述电机控制设备包括：

电流指令计算单元，该电流指令计算单元基于作为速度指令与所述电机的速度检测值之差的速度差，输出转矩电流指令值和励磁电流指令值；

电流检测值计算单元，该电流检测值计算单元通过所述电机的三相电流检测值计算转矩电流检测值和励磁电流检测值；

d轴电压差计算单元，该d轴电压差计算单元基于所述励磁电流指令值和所述励磁电流检测值计算与所述励磁电流同相的励磁电流共同相位电压差；

q轴电压差计算单元，该q轴电压差计算单元基于所述转矩电流指令值和所述转矩电流检测值计算与所述转矩电流同相的转矩电流共同相位电压差；

d轴电压指令计算单元，该d轴电压指令计算单元基于所述励磁电流共同相位电压差和励磁电流共同相位电压前馈值计算与所述励磁电流同相的励磁电流共同相位电压指令；

q轴电压指令计算单元，该q轴电压指令计算单元基于所述转矩电流共同相位电压差和转矩电流共同相位电压前馈值计算与所述转矩电流同相的转矩电流共同相位电压指令；以及

逆变器单元，该逆变器单元基于所述转矩电流共同相位电压指令、所述励磁电流共同相位电压指令和所述电机的位置检测值向所述电机输出三相电流，其中

当满足所有以下条件时，则判断出现退磁：所述励磁电流共同相位电压差、所述转矩电流共同相位电压差以及其一阶滞后电路的输出值中的至少一个超过预设的相应电压阈值；所述速度差超过预设速度阈值；以及正在进行加速。

2.根据权利要求1所述的电机控制设备，其特征在于，所述电压阈值是由正常电机中产生的特征值的变化引起的电压差和由控制延迟引起的电压差的总和。

3.根据权利要求1所述的电机控制设备，其特征在于，所述速度阈值是由正常电机中产生的特征值的变化引起的速度差和由控制延迟引起的速度差的总和。

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