专利名称:感应电动机矢量控制装置的制作方法本发明涉及一种感应电动机的矢量控制装置，特别是涉及可以大大改善在低速时有小转矩的电动机的旋转平稳性和可以大大减少有大转矩的电动机损耗的感应电动机矢量控制装置。用预定频率电源的传统感应电动机由于其硬速度特性和低价格被广泛用作为恒速电动机。随着最近电子器件、微计算机和软件的发展，可获得具有宽调频的电源来驱动感应电动机。感应电动机的运用范围正在从恒速电动机改变为伺服电动机。变频电源是根据矢量控制来运行的。矢量控制里的基本参数是转矩电流i1q，产生次级磁通φ2的激磁电流i0和转差速度ωS並被定义如下i1q＝(L22/M)(T/φ2) …(1)iO＝｛φ2+(L22/R2)·(dφ2/dt)｝/M …(2)ωS＝TR2/φ22＝(R2/L22)·(i1q/iO) …(3)对稳态，即dφ2/dt＝0这里L22是次级绕组的电感，M是初次级绕组之间的互感，T是转矩，φ2是由次级绕组产生並与次级绕组交链的磁通，R2是次级绕组的电阻。次级磁通φ2在矢量控制中是一个预定值，转矩T是提供给矢量控制器对于dφ2/dt＝0时的指令值，它是T＝(M2/R2)ωSi2O＝(M2/L22)iOi1q… …(4)就是说，所谓的逆变器由转差速度ωS，激磁电流iO和转矩电流i1q控制来提供功率给感应电动机以便让电动机在要求的定额下运转。图1是表示在Naohiko Kamiyama的《新驱动电子学》第205页中的传统矢量控制系统的框图。换句话说，图1表示传统“转差频率型矢量控制”的基本方案。参照图1，数标1表示产生转矩T的速度控制放大器;2是除法器;3是为输出转矩电流i1q的常数设定器;4是矢量分析器;5是乘法器;6是变换器;7是电流放大器;8是功率变换器;9是感应电动机;11是速度检测器;12是微分器;13、14、15和16是为产生激磁电流iO的常数设定器;17是产生转差速度ωS的除法器;18是矢量振荡器;20是加法器。根据上述方案，转矩可以按照瞬时电流来控制。对于图1所示电路的运行请参照上述参考资料的第205～206页。正如图1所示的转差频率型矢量控制电路的情况下，次级磁通φ2的预期值φE在整个旋转速度范围内和在整个转矩范围内通常是恒定的(即称为恒转矩特性，故感应电动机的输出与电动机旋转速度成正比例增加)。如图2所示。如果需要感应电动机在高速区有恒定输出，次级磁通φ2在旋转速度低于预定旋转速度ωr11时保持恒定，如图3所示。然而，在旋转速度超过预定旋转速度ωr11时，次级磁通φ2与旋转速度ωr成反比例(即，恒输出特性)。在这种情况下，次级磁通φ2是旋转速度ωr的函数。然而，如果感应电动机用作为伺服电动机，就出现下列问题。伺服电动机必需满足下列要求(1)平稳地旋转，即为了达到高精度控制，例如在机床中工作台进给精加工，主要在低速区需要旋转速度变动小;(2)在高输出的运行中，例如在机床中工作台进给粗加工，热损耗需尽可能小。
在传统的转差频率型矢量控制中，伺服电动机的要求不可能充分地满足。更确切地说，在高转矩运行时输出的损耗不可能减少且不可能达到在小负载低速时有平稳的旋转。
本发明的目的是提供一种感应电动机矢量控制装置，该装置在高转矩运行时可减少损耗，小负载时达到平稳地旋转。
按照本发明的矢量控制装置包括输出转矩指令的装置;输出次级磁通指令的装置;根据转矩指令值和次级磁通指令值计算感应电动机的每相电流指令值的装置;将相当于电流指令值的电流加到感应电动机去的装置;次级磁通指令值输出装置包括为存储表示感应电动机转速，转矩和次级磁通之间预定的关系的函数的存储装置和为输出相应于转速和转矩数据的次级磁通的存储装置和至少要提供转矩数据给存储装置的装置。
图1是传统感应电动机矢量控制装置的框图。
图2和3是说明图1所示矢量控制装置运行的曲线图。
图4是说明本发明的运行原理曲线图。
图5是根据本发明一个具体实施例的感应电动机控制装置框图。
图6是表示图5所示存储器存储内容的曲线图。
图7、8和9表示与图5所示存储器不同的存储内容的曲线图。
图10是根据本发明另一种具体实施例的矢量控制装置框图。
图11是根据本发明再一种具体实施例的矢量控制装置框图。
将先从说明最佳实施例来描述本发明的原理，以便最好地理解本发明。
一般，当驱动象机床那样的负载时，当大的力矩作用于负载上时加在负载侧的大转矩(力)造成受力状态。在这种情况下，必需产生高输出。甚至牺牲感应电动机的旋转平稳性也必需尽可能减少发热而造成的损耗。感应电动机的损耗可分为铜耗，铁耗和机械损耗。在这些损耗中，铜耗是主要的损耗。铜耗的增加与初级和次级的电流平方成正比。铁耗与随磁通密度(如果忽略相对较小的磁滞损耗，则它与激磁电流成正比)的1.6到二次幂成正比例增加，与感应电动机外加的电源原频率ω1的平方(二次幂)成正比。为了简单起见，假定铁耗随磁通密度或激磁电流的平方成正比而增加。
机械损耗由其他原因产生，将不再在这里描述了。
为了减少损耗，减少与激磁电流i0和转矩电流i1q相关的损耗是非常重要的。
损耗L的主要成分可描述如下L＝R1i21+R2i22+aω21i20…(5)其中 i21＝i20+i21qi22＝(Mi1q/L22)2a＝常数在(5)式中，第一和第二项对应于铜耗，第三项对应于铁耗。
若R1′＝R1+aω21′ 那么L＝R1′i20+(R1+R2M2/L222)i21q…(6)由(1)和(3)式得i21q＝(L222/M2)·(T2/φ22)＝(T/M2)·(L222/R2)·ωS
把这式子代入(6)式得连系损耗L和转矩T的下列式子L＝(T/M2)〔(R1′R2/ωS+(R1/R2)×(L222+R2M2/R1)ωS〕 …(7)(7)式可改写成如下L = ( T / M2) 〔｛R1′R2/ ωS-( R1/ R2)]]>×( L222+ R2M2/ R1) ωS｝2]]>≥ 2 ( T / M2)R1′R1L222+ R2M2/ R1]]>(如果 ωS=10R1′R1·R2/L222+ R2M2/ R1… ( 9 )]]>L等於右边)即T/L＝M2/｛(R1′R2/ωS)+(R1/R2)(L222+R2M2/R1)ωS｝≤M2/ 2R1′R1L222+ R2M2/ R1… ( 10 )]]>(如果 ωS= (R1′R1·R2) /L222+ R2M2/ R1]]>T/L等於右边，即T/L＝最小值)计算速度变化△ωr和转矩T的谐波分量△T之间的关系。速度变化△ωr由感应电动机的转子运动方程来计算如下运动方程是Jd(ωr+△ωr)/dt+Dr(ωr+△ωr)+TL＝Ta+△T …(11)其中J为惯量，Dr为速度内摩擦系数，ωr为转速，TL为转矩损失，Ta为输出转矩。
在稳态时，dωr/dt＝0和Drωr+TL＝Ta因此Jd△ωr/dt+Drωr＝△T …(12)如果基频ω1的谐波分量为mpω1，这里p为极对数，那么△ωr＝△T/( J m p ω1)2+ D r2]]>≤△T/Jmpω1…(13)因为ω1＝ωr＝ωr+ωS′ 那么△ωr＝(△T/Jmp)｛1/(ωr+ωS)｝ …(14)为了在给定的谐波分量△T时减少△ωr，要增加ωS。如果ωS乘以K2，那么式(14)可以改写成如下△ωr＝(△T/Jmp)×｛1/(ωr+K2/ωS)｝…(15)式(15)的△T/Jmp项为常数，1/(ωr+K2/ωS)项是可变的。此变量中，即(15)式中的1/(ωr+K2/ωS)里如果转速ωr低，速度变化△ωr可由增加K来减少。即如果转速值ωr小，速度变化△ωr可由增加转差速度ωS来减少。
如以上描述可清楚，为了增加T/L或减少△ωr，最重要的因素是转差速度ωS。转矩T，损耗L和转差速度ωS之间的关系用分别以i0和i1q为横座标和纵座标的座标系统表示的图4来描述。损耗L由上述(6)式给出L＝R1′i20+(R1+R2M2/L222)i21q…(6)在损耗L恒定时，例如是图4中的L1、L2，式(6)表示i0和i1q是椭圆的一部分。
同时，转矩T由(4)式来表示T＝(M2/L22)i0i1q…(4)在i0-i1q座标系统中，“转矩T＝常数值”时，例如，图4中的T1和T2，表示为双曲线。
感应电动机的允许热损耗是预定的。当给出一具体转矩T时，转差速度ωS的上限确定为允许损耗L的函数。例如，参照图4，计算在允许损耗值L1下的转矩T1和T2的转差速度ωS的上限。譬如在允许损耗值L1下的转矩T1和T2的转差速度ωS的上限值ωS1分别是ωSA和ωSB。
如果预期值ωSE与转差速度上限值ωS1的比(ωsE/ωS1)给出为K20，K20为最大值。即，如果K20增加，损耗超过可允许的热损耗。换句话说，当转差速度ωS增加时，损耗也增加。由增加转差速度ωS得到的好处如下。
由于转差速度ωS由(3)式是转矩T的函数，转差速度ωS比在低速时有大转矩T的转速ωr大。如果K0大于1，K20ωS大于ωr。由于这原因，当在式(15)中的ωr小时，转速变化△ωr将落在足够窄的范围内。
作为伺服电动机的感应电动机有一个即使为加速或减速而需要大转矩的情况也可抑制电磁饱和的结构。因此，感应电动机被视为具有即使激磁或转矩电流部分地增加或减少也不会电磁饱和的结构。
适当地选择转差速度ωS＝(R2/L22)(i1q/i0)，即激磁电流i0与转矩电流i1q的比，损耗L可减至最小。另外，速度变化△ωr可减少。
本发明是基于上述原理之上的。
图5是根据本发明的一个具体实施例的感应电动机矢量控制装置的框图。图5中用与图1中一样的数标表示的是相同的部分，其详细说明将略去。
参照图5，表示转速ωr的信号从速度传感器11输入速度控制放大器1。这个信号由A/D变换器21作A/D变换。A/D变换器21的输出端连接到存储器22的输入端22A。速度控制放大器1的输出端通过A/D变换器19连接到存储器22的输入端22B。存储器22的输出端22C通过D/A变换器23连接到除法器2，微分器12，常数设定器15和除法器17上。
具有图5上述方案的矢量控制装置的运行待在下面描述。
表示转速ωr的信号通过A/D变换器21输入存储器22。来自速度控制放大器1的表示转矩T的信号通过A/D变换器19输入存储器22。表示转速ωr、转矩T和次级磁通φ2之间关系的三维数据存储在存储器22中。
图6表示存储入存储器22的数据的一个例子。参照图6，转速ωr和次级磁通φ2的ωr-φ2平面只表示在转矩为零和T1的情况。更确切地说，如果T＝0，那么当转速ωr比ωr1小时，次级磁通φ2逐渐增加如图的曲线φ21所示。在转速ωr1和ωr2之间的范围内，次级磁通φ2有个预定的最大值。如果转速超过ωr2，次级磁通φ2逐渐减少。然而，如果转矩T增加到T1，次级磁通φ2在ωr0到ωr2范围内有一个最大值，如曲线φ22所示。转矩T和转速ωr分别从输入端22B和输入端22A作为地址信号输入到存储器22去。次级磁通φ2(例如φ21和φ22)从存储器22单独地输出。
次级磁通φ2的数值的确定使损耗L落在允许范围内。次级磁通φ2和转矩T及转速ωr一起用于根据保持矢量控制关系的(1)、(2)和(3)式计算转差速度ωS、激磁电流i0和转矩电流i1q。
存储在存储器22里的数据没有限制只是在图6中所示的那个。图7、8和9所示的数据可能代替图6所示的数据被存储进去。图7、8和9中箭头所示的是转矩T增加的方向。
图7所示的数据用于在感应电动机和电源都有充分的余地以及甚至在高速度时也需要大转矩的情况。图8所示的数据用于在感应电动机有充分余地但是在中及低速度时需要大转矩的情况。图9所示的数据用于感应电动机和电源都没有余地且在低速时需要大转矩的情况。
由于矢量控制参数由(1)、(2)和(3)式描述，(2)式是关系式φ2＝φφ2(i0)。将这个关系式代入(1)和(3)式得出(1)和(3)为i0的函数。因此，不使用次级磁通φ2是显见的。
例如，代替由转矩T和转速ωr来确定次级磁通φ2，可由转矩T和转速ωr来确定与次级磁通φ2一一对应的激磁电流i0。用从(1)和(3)式除去次级磁通φ2而得到的式子去计算转矩电流i1q和滑差速度ωS可获得如上述相同的结果。没有使用次级磁通φ2的技术将不违背本发明的精神和目的。
图10为表示另一种本发明具体实施例的框图。图10中与图5相同的数标是表示同样的部分，其详细说明将略去。
参照图10，表示转速ωr的数据输入速度控制放大器1。速度控制放大器1的输出端通过A/D变换器19连接到存储器22的输入端22B。存储器22的输出端22C通过D/A变换器23连接到除法器2，微分器12，常数设定器15和除法器17上。
在运行中，转速ωr的数据输入速度控制放大器1。从速度控制放大器1输出的转矩T的数据通过A/D变换器19输入存储器22。
图6所示的数据预存于存储器22。即使转矩T是大的，在低速下次级磁通φ2也被设定为大的(φ22)。次级磁通φ2只由转矩T信号所改变。曲线(φ22)形状不变。换一句话说，在低于ωr1区域的曲线不能象在φ21时那样变化。
在这种情况下，次级磁通φ2的确定要使损耗L落在容差范围内。以次级磁通φ2作为一参数，转矩T和转速ωr被用来获得一转差速度ωS、激磁电流i0和转矩电流i1q，所有这些量之间都保持矢量控制关系。
图11表示本发明的再一种具体实施例。在图11中与图5相同的数标表示同样的部分，其详细说明将略去。
参照图11，转速ωr的数据通过A/D变换器21输入存储器22的输入端22A。存储器22的输出端22C通过D/A变换器连接到除法器2，微分器12，常数设定器15和除法器17上。DIP(双列直插组件)开关24连接到存储器22的输入端22B。要求转矩T的数据可由适当设定的DIP开关24自外部进入。
存储器22预存相当于转速ωr的值和转矩T的值的次级磁通φ2。例如图6所示的数据，那里转矩T的值被预定並存储在存储器22里。通过设定DIP开关24来提供转矩T和提供转速ωr作为地址信号，对应的次级磁通φ2可单独从存储器22输出。在存储器22里存储的数据可以是图7、8和9所示之一。
在上述三个实施例中，在存储器22中存储的数据的确定要满足下列两点
(1)当转速ωr的绝对值｜ωr｜小且转矩T也小时，减少速度变化△ωr以获得平稳地旋转。
为了这目的，损耗L在容差范围内增加，转差速度ωS也增加。转差速度ωS这样确定要使转矩T和转速ωr被选定来得到相应的次级磁通φ2，並使转矩T和次级磁通φ2被用来计算转差速度ωS、激磁电流i0和转矩电流i1q，以便保持矢量控制关系(即建立(1)、(2)和(3)式)。
(2)当转矩T增加，损耗L减少时在这种情况下，牺牲速度变化△ωr来减少转差速度ωS。因此，确定转差速度ωS使损耗L减至最小。
因为ωS＝TR2/φ22，在传统恒转矩和输出特性时转矩T增加引起转差速度ωS成比例地增加。然而，根据本发明，次级磁通φ2是由转矩T和转速ωr确定。与传统的情况相比那里转差速度ωS与转矩T成正比增加，转差速度ωS可大大地减少。因此，在恒转矩T时损耗L可减到最小。
如图4所示，传统的损耗特性曲线是以符号L1表示的椭圆曲线。在这种情况下，对应的转矩T1由点划线描述。感应电动机的工作点由符号
P表示。然而，根据本发明，用控制转差速度ωS的办法，並由此减少损耗为如符号L2所示，可使工作点从P移到Pm。
(3)实现本发明的方案可以由加上相对便宜的存储器和类似物来完成。


感应电动机的矢量控制装置，根据转矩指令和次级磁通指令计算的各相电流指令值，控制感应电动机旋转，并包含为存储表示感应电动机转速、转矩和次级磁通的预定关系的函数和为输出的相应于所给转速和转矩数据的次级磁通的存储装置和为至少提供转矩数据给存储装置的装置。函数这样设定，以使感应电动机在高负载运行时损耗减少且感应电动机的转速变动在低负载运行时减少。