專利名稱：具有無效電流指令作成部的電動機驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及在把來自交流電源的交流電力變換為直流電力后進而變換為交流電力、將其作為驅動電力的用于控制電動機的電動機驅動裝置，特別涉及能夠抑制直流變換部發生過電壓異常的電動機驅動裝置。
背景技術：
在機床系統中，機床的每一驅動軸具有電動機,通過電動機驅動裝置驅動控制這些電動機。電動機驅動裝置，對于驅動機床的驅動軸的驅動軸數量的電動機，指令電動機的速度、轉矩、或者轉子的位置進行控制。電動機驅動裝置具有把三相商用交流電力變換為直流電力的直流變換部、和把從直流變換部輸出的直流電力變換為作為電動機的驅動電力供給的具有希望的頻率的交流電力或者把從電動機再生的交流電力變換為直流電力的交流變換部，控制在該交流變換部的交流側連接的電動機的速度、轉矩、或者轉子的位置。交流變換部為向與機床中的多個驅動軸對應分別設置的各電動機個別供給驅動電力驅動控制電動機，設置與電動機的個數相同的個數。另一方面，直流變換部為減低電動機驅動裝置的成本或者占有空間，大多對于多個交流變換部設置一個。在用電動機驅動裝置減速控制電動機時，從電動機發生再生電力。該再生電力經由交流變換部返回直流變換部側。因此，交流變換部不僅能夠把直流電力變換為交流電力，而且也能夠把交流電力變換為直流電力，也就是說作為可交直雙向變換的半導體電力變換器構成。通過電動機減速控制時發生的來自電動機的再生電力，直流變換部的直流輸出側的電壓上升。當再生電力大時直流變換部的直流輸出側的電壓急劇上升，有時發生過電壓異常，直流變換部故障。為避免這樣的直流變換部的直流輸出側的過電壓異常，在直流變換部的直流輸出側另外設置使直流輸出側的電壓的上升量作為熱消耗的再生用電阻器，或者另外設置把再生電力返回交流電源側的電源再生電路。例如，像日本特開平7 - 95775號公報中記載的那樣，提出一種交流變換器保護裝置，其運算直流變換器的輸出電壓和從流入交流變換器的直流電流的方向的再生電力水平，在再生電力電平超過預定的設定值的情況下使再生電阻導通，使直流電壓的上升量作為熱消耗，由此防止由于急劇的過電壓上升損壞交流變換器的元件。另外，因為根據電動機的慣性的大小或者速度，在再生時流過再生電阻的額定值以上的電流有時會燒壞再生電阻，所以提出再生電阻保護電路等，在過電壓時切斷流向再生電阻的電流。例如像日本特許第3511173號公報記載的那樣，提出了再生電阻保護機構，在檢出超過再生電阻的額定值的過電流時，切斷從在直流變換器的輸出端子間連接的電容器向再生電阻流動的電流，同時關斷控制向直流變換器的交流輸入的輸入控制觸點，由此防止再生電阻燒壞。另外例如像日本特許第3368930號公報記載的那樣，提出了伺服電動機再生處理電路，從伺服電動機的電流、速度以及轉矩等計算再生電力，計算減速轉矩，使電動機減速，不使超過允許電力，由此防止通過過電壓燒壞再生電阻以及晶體管等。在為避免直流變換部的直流輸出側的過電壓異常，在直流變換部的直流輸出側另外設置把直流輸出側的電壓的上升量作為熱消耗的再生用電阻器、或者另外設置使再生電力返回交流電源側的電源再生電路的情況下，在從電動機發生的再生電力能夠變大的情況下，必須與其對應選定容量大的再生用電阻器或者電源再生電路，有電動機驅動裝置相應大型化，成本也增大這樣的問題。例如，根據上述日本特開平7 — 95775號公報中記載的發明，再生時從電動機發生的再生電力的大小，根據電動機的規格以及動作而不同。因此，在發生的再生電力能夠變大的情況下，必須與其對應選定容量大的再生用電阻器或者電源再生電路，電動機驅動裝置的成本也相應增大。另外，根據上述日本特許第3511173號公報以及上述日本特許第3368930號公報記載的發明，另外設置保護再生電阻的再生電阻保護電路，有電動機驅動裝置的成本也相應增大這樣的問題。特別根據上述日本特許第3368930號公報記載的發明，因為在再生用電阻之外，還需要設置電阻再生保護電路等，所以電動機驅動裝置的成本進一步增大。
發明內容
鑒于上述問題，本發明的目的是提供一種電動機驅動裝置，其具有把輸入的交流變換為直流的直流變換部、把從直流變換部輸出的直流變換為用于驅動電動機的交流的交流變換部，所述電動機驅動裝置能夠抑制過電壓異常，控制容易，成本低并且節省空間。為實現上述目的，在本發明中，電動機驅動裝置具有把輸入的交流變換為直流的直流變換部；把直流變換部輸出的直流變換為用于驅動電動機的交流的交流變換部；檢測直流變換部的直流輸出側的電壓的電壓檢測部；在電壓檢測部檢出的電壓超過規定的閾值時進行控制使交流變換部輸出無效電流并使電動機中的消耗電力增加的數值控制部。上述數值控制部具有監視電壓檢測部檢出的電壓是否超過規定的閾值的電壓監視部；在電壓監視部判定為電壓檢測部檢出的電壓超過規定的閾值時，根據電壓檢測部檢出的電壓作成為使交流變換部輸出無效電流的無效電流指令的無效電流指令作成部。也可以把上述規定的閾值設定為比直流變換部允許的直流輸出側的最大電壓值低的值。另外，數值控制部也可以在電壓檢測部檢出的電壓超過規定的閾值時，對于多個交流變換部中的至少一個進行控制使輸出無效電流。另外，也可以把交流變換器對電動機輸出的電流的極限值設定為比為限制電動機的輸出轉矩而設定的電流的極限值高的值。另外，數值控制部也可以在電壓檢測部檢出的電壓超過規定的閾值時，進行控制使交流變換部輸出正弦波形或者矩形波形的無效電流。
通過參照下面的附圖能夠更加明確地理解本發明。圖1是表示本發明的實施例的電動機驅動裝置的圖。圖2是表示根據本發明的實施例的電動機驅動裝置的動作流程的流程圖。圖3是表不有效電流以及無效電流和實際電流的關系的圖。圖4是說明根據本發明的實施例的電動機驅動裝置中的電壓監視的閾值的設定的圖。圖5是說明根據本發明的實施例的電動機驅動裝置中的無效電流指令的波形圖，是表示無效電流指令是正弦波形的情況的圖。圖6是說明根據本發明的實施例的電動機驅動裝置中的無效電流指令的波形圖，是表示無效電流指令是矩形波形的情況的圖。
具體實施例方式下面參照附圖，說明具有無效電流指令作成部的電動機驅動裝置。但是希望理解，本發明不限于附圖或者以下說明的實施方式。在根據以下說明的本發明的實施例的電動機驅動裝置上，連接驅動機床的進給軸以及主軸的驅動軸數量的電動機。在本實施例中，因為設定機床的驅動軸數為3所以設置3個電動機，但是這些個數不過是一例，不限定本發明。圖1是表示根據本發明的實施例的電動機驅動裝置的圖。在圖示的例子中，因為設定機床的驅動軸數為3所以設置3個電動機3，電動機驅動裝置I驅動控制這些電動機3。本發明的實施例的電動機驅動裝置I具有把從三相交流的商用電源2輸入的交流變換為直流的直流變換部11 ;把直流變換部11輸出的直流變換為用于驅動電動機3的交流的交流變換部12 ;檢測直流變換部11的直流輸出側的電壓的電壓檢測部13 ;和在電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時進行控制使交流變換部12輸出無效電流并使增加電動機3中的消耗電力的數值控制部14。直流變換部11例如由使用功率半導體元件以及與其反并聯的二極管組成的橋電路構成，在直流輸出側設置濾波變換后的直流電壓的濾波電容器。直流變換部11在向電動機3供給電力時亦即在電動機3動力運行時通過六個二極管全波整流來自三相商用交流電源的交流電壓變換為直流電壓。交流變換部12例如由使用功率半導體元件以及與其反并聯的二極管組成的橋電路構成。交流變換部12通過數值控制部14控制其開關動作。也就是說，交流變換部12通過根據來自數值控制部14的指令導通關斷控制(例如PWM控制)這些功率半導體元件，把直流電壓變換為具有希望的波形以及頻率的交流電壓。交流變換部12輸出的交流的驅動電力被供給電動機3。由此電動機3進行旋轉動作。電壓檢測部13檢測直流變換部11的直流輸出側的電壓。本發明的實施例中的數值控制部14具有有效電流指令作成功能和無效電流指令作成功能，通過有效電流指令以及無效電流指令控制交流變換部12內的功率半導體元件的開關動作。因此，數值控制部14具有電壓監視部21、無效電流指令作成部22、和有效電流指令作成部23。這些電壓監視部21、無效電流指令作成部22以及有效電流指令作成部23例如由DSP或者FPGA等的運算處理處理器組成，其動作通過軟件程序規定。
有效電流指令作成部23為使電動機3以希望的速度(例如加速、減速、恒速、停止等)、轉矩、或者轉子的位置旋轉動作，而根據從在電動機3上設置的傳感器31接受的電動機3的轉子的速度以及位置等的旋轉信息，作成使對應的交流變換部12輸出具有必要的波形或者頻率的交流電流的有效電流指令。對于每一個交流變換部12(亦即每一個電動機3)生成有效電流指令。另外，有效電流指令作成部23和后述的無效電流指令作成部22獨立動作。此外，數值控制部14在控制電動機3的旋轉動作時，檢測流出流入電動機3的交流電流、電動機3的旋轉速度、交流變換部12的輸入輸出的電壓以及交流輸出的電壓等，需要在處理中使用這些，但是在圖1中關于傳感器31以外的檢測器省略圖示。電壓監視部21監視電壓檢測部13檢出的電壓是否超過規定的閾值。關于電壓監視部21的動作的細節后述。無效電流指令作成部22在電壓監視部21判定為電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時，根據電壓檢測部13檢出的電壓作成使交流變換部12輸出無效電流的無效電流指令。關于無效電流指令作成部22的動作的細節后述。數值控制部14合成通過有效電流指令作成部23作成的有效電流指令和通過無效電流指令作成部22作成的無效電流指令。合成的電流指令在例如用PWM方式控制交流變換部12的情況下與規定的載波頻率的三角波載波信號比較，生成PWM開關信號。把生成的PWM開關信號輸入交流變換部12，根據該PWM開關信號使交流變換部12內的功率半導體元件進行開關動作。接著說明電動機驅動裝置I中的使用無效電流抑制過電壓異常發生的動作。圖2是表示根據本發明的實施例的電動機驅動裝置的動作流程的流程圖，圖3是表示有效電流以及無效電流和實際電流的關系的圖。如上述，通過在電動機3的減速控制時發生的來自電動機3的再生電力，直流變換部11的直流輸出側的電壓上升。根據本發明的實施例，在直流變換部11的直流輸出側的電壓超過規定的閾值時，在有效電流之外，流過與該電壓對應的無效電流，使電動機3中的熱損失增大，由此抑制直流變換部11的直流輸出側的電壓上升。從交流變換部12朝向電動機3流動的有效電流，有助于電動機3的旋轉動作亦即電動機3的轉矩發生，但是從交流變換部12朝向電動機3流動的無效電流，無助于電動機3的轉矩發生。例如在圖3中，當在某一定的有效電流Ia上重疊無效電流Ibl、Ib2時，實際電流(標準)分別成為Ip I2以及13。也就是說，對于某一定的有效電流，重疊的無效電流越大則越大，實際電流(標準)也變大。當流過電動機3的實際電流變大時，電動機3中消耗的電力變大，但是實際電流中的無效電流量無助于電動機3的轉矩發生，成為電動機3的熱損失。也就是說，如果在流過電動機3的實際電流中增減無效電流量，則可以調整電動機3中消耗的電力。在本發明的實施例中，根據直流變換部11允許的直流輸出側的最大電壓值設定規定的閾值，在通過電動機3減速控制時發生的來自電動機3的再生電力直流變換部11的直流輸出側的電壓上升變得比該規定的閾值大的情況下，使與電壓檢測部13檢測的電壓對應的無效電流流過電動機3，使電動機3中的熱損失增加，抑制直流變換部11的直流輸出側的電壓過度上升。亦即，通過有意識地在電動機3中流過無效電流，使電動機3減速控制時發生的來自電動機3的再生電力量作為電動機3的熱損失消耗。圖2表示根據本發明的實施例的電動機驅動裝置I的具體的動作流程。
S卩，在圖2的步驟S101，電壓檢測部13在時刻t檢測直流變換部11的直流輸出側的電壓V(t)。數值控制部14內的電壓監視部21在步驟S102中，監視電壓檢測部13檢出的電壓V (t)是否超過規定的閾值。數值控制部14內的無效電流指令作成部22，在電壓監視部21判定為電壓檢測部13檢出的電壓V (t)超過規定的閾值時，根據電壓檢測部13檢出的電壓V (t)作成為使交流變換部12輸出無效電流的無效電流指令(步驟S103)。這里，因為電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差越大，電動機3減速時發生的再生電力越大，所以無效電流指令作成部22在步驟S103根據電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差作成無效電流指令。具體說，因為電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差越大，必須使在電動機3中消耗的熱損失越大，所以把無效電流指令作為與電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差成比例的值作成。另一方面，無效電流指令作成部22，在電壓監視部21判定為電壓檢測部13檢出的電壓不超過規定的閾值時，關于無效電流指令設定為O (零)(步驟S104)。當步驟S103或者S104結束時返回步驟S101。在這以后重復執行上述各處理。這樣，根據本發明的實施例，因為檢測直流變換部的直流輸出側的電壓，在該檢出的電壓超過規定的閾值時，進行控制使交流變換部輸出無效電流，無效電流流過電動機，增加電動機中的消耗電力，能夠不使用復雜的控制容易地抑制過電壓異常。圖4是說明根據本發明的實施例的電動機驅動裝置中的電壓監視的閾值的設定的圖。在電動機3中流過無效電流的情況下，因為無效電流開始流動，直流變換部11的直流輸出側的電壓有若干過沖，所以如圖4所示，由電壓監視部21在直流變換部11的直流輸出側的電壓的監視中使用的閾值，較之不留余地地設定為直流變換部11允許的直流輸出側的最大電壓值的“過電壓檢測電平”，更理想的是考慮上述過沖具有若干余度地設定為比過電壓檢測電平低的值。另外，也可以設定為直流變換部11的直流輸出側的電壓的下限值，此時在電動機3內也可以流過無效電流，由此防止通過數值控制部14內的無線電流指令作成部22作成的無效電流指令的有無在極短的時間內切換，能夠更穩定地保持控制。另外，一般為使得不超過電動機3的輸出轉矩的極限值，對于交流變換部12的輸出電流設定極限值。如上所述，從交流變換部12向電動機3流動的有效電流有助于電動機3的旋轉動作亦即電動機3的轉矩發生，但是從交流變換部12向電動機3流動的無效電流無助于電動機3的轉矩發生。因此交流變換部12的輸出電流的極限值，也可以設定為比“為限制電動機的輸出轉矩設置的電流的極限值”更高的值。由此，在電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值的情況下，能夠在電動機3中流過比交流變換部12的輸出電流的極限值大的電流，能夠流過相應量的無效電流。圖5以及圖6是說明根據本發明的實施例的電動機驅動裝置中的無效電流指令的波形圖，圖5表示無效電流指令是正弦波形的情況，圖6表示無效電流指令是矩形波形的情況。如上述，因為電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差越大，則電動機3減速時產生的再生電力越大，所以無效電流指令作成部22根據電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差作成無效電流指令。因為電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差越大，則必須使電動機3中消耗的熱損失越是增大，所以將無效電流指令作成為與電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差成比例的值。但是，因為通過流過無效電流會在電動機3中發生磁阻，所以無效電流指令作成部22也可以作成使交流變換部12輸出以下那樣的無效電流的無效電流指令，該無效電流具有與電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差成比例的直流成分、并且具有比電動機3的轉子的共振點高的頻率的作為圖5表示的正弦波形或者圖6表示的矩形形狀的高頻成分。由此，可以形成如果長周期觀察則把電動機3的磁阻轉矩的平均值視為O (零)的狀態。此外，在圖5以及圖6中，為使畫面簡潔，表示對于基于電壓檢測部13檢出的電壓和規定的閾值的差的某恒定值(途中用虛線表示)的無效電流指令以正弦波形或者矩形波形變化的情況。此外，參照圖1說明的電動機驅動裝置1，作為一例，因為假定機床的驅動軸數為3個所以設置3個電動機3，與這些電動機3對應關于交流變換部12也設置3個。數值控制部14，在電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時，進行控制使對于交流變換部12輸出無效電流，但是，也可以針對多個交流變換部中的至少一個執行這樣的無效電流輸出控制。例如在圖1表示的例子中，數值控制部14也可以針對3個交流變換部12中的至少一個執行上述無效電流輸出控制，或者數值控制部14也可以針對3個交流變換部12中的任何兩個或者全部三個執行上述無效電流輸出控制。在針對上述任何兩個或者全部三個交流變換部12執行上述無效電流輸出控制的情況下，可以進行控制使各交流變換部12均等地輸出無效電流，或者也可以進行加權控制使任何一個交流變換部12比其他交流變換部12更多地輸出無效電流。數值控制部14內的電壓監視部21、無效電流指令作成部22以及有效電流指令作成部23例如由DSP或者FPGA等的運算處理處理器組成，其動作通過軟件程序規定。因此，例如即使在通過變更由電動機驅動裝置I驅動的電動機的運轉狀況等從電動機發生的再生電力增加的情況下，因為能夠通過變更數值控制部14的程序來應對，所以也能夠靈活而且迅速地應對由于電動機驅動裝置I驅動的電動機的運轉狀況等造成的變更，能夠減低用戶經濟方面以及時間方面的負擔。本發明可以在機床的每一個驅動軸具有電動機的機床系統中在用電動機驅動裝置驅動這些電動機(伺服電動機)的情況下應用，所述電動機驅動裝置具有把輸入的交流變換為直流的直流變換部、和把從直流變換部輸出的直流變換為作為各電動機的驅動電力分別供給的交流的交流變換部。根據本發明，因為在具有把輸入的交流變換為直流的直流變換部、把從直流變換部輸出的直流變換為用于驅動電動機的交流的交流變換部的電動機驅動裝置中，檢測直流變換部的直流輸出側的電壓，在該檢測的電壓超過規定的閾值時進行控制使交流變換部輸出無效電流，并使電動機流過無效電流增加電動機中的消耗電力，所以不用復雜的控制就能夠容易地抑制過電壓異常。根據本發明，因為不需要另外設置再生用電阻器、電源再生電路以及再生用電阻保護電路等，所以能夠用低成本實現小型的電動機驅動裝置。另外例如，在由于變更通過電動機驅動裝置驅動的電動機的運轉狀況等而從電動機發生的再生電力增加的情況下，根據另外設置再生用電阻器或者電源再生電路的現有技術，有時產生必須與再生電力的增加對應地還變更再生用電阻器或者電源再生電路的設計的狀況，電動機驅動裝置的大幅的改造或者設置布局的變更等會給用戶帶來經濟方面以及時間方面的負擔。對此，根據本發明，因為不需要另外設置再生用電阻器或者電源再生電路等，能夠通過變更數值控制部的程序來應對，所以也能夠靈活而且迅速地應對由于電動機驅動裝置驅動的電動機的運轉狀況等造成的變更，能夠降低用戶經濟方面以及時間方面的負擔。
權利要求
1.電動機驅動裝置1，其特征在于，包括: 把輸入的交流變換為直流的直流變換部11; 把上述直流變換部11輸出的直流變換為用于驅動電動機3的交流的交流變換部12 ； 檢測上述直流變換部11的直流輸出側的電壓的電壓檢測部13 ； 數值控制部14，在上述電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時，進行控制使上述交流變換部12輸出無效電流，并使上述電動機3中的消耗電力增加。
2.根據權利要求1所述的電動機驅動裝置1，其特征在于， 上述數值控制部14具有: 監視上述電壓檢測部13檢出的電壓是否超過規定的閾值的電壓監視部21 ； 無效電流指令作成部22，在上述電壓監視部21判定為上述電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時，與上述電壓檢測部13檢出的電壓對應地作成用于使上述交流變換部12輸出無效電流的無效電流指令。
3.根據權利要求1或2所述的電動機驅動裝置1，其特征在于， 把上述規定的閾值設定為比上述直流變換部11允許的直流輸出側的最大電壓值低的值。
4.根據權利要求1 3中任何一項所述的電動機驅動裝置1，其特征在于， 上述數值控制部 14在上述電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時，對多個上述交流變換部12中的至少一個進行控制使其輸出無效電流。
5.根據權利要求1 4中任何一項所述的電動機驅動裝置1，其特征在于， 把上述交流變換部12向上述電動機3輸出的電流的極限值設定為比為了限制上述電動機3的輸出轉矩而設定的電流的極限值高的值。
6.根據權利要求1 5中任何一項所述的電動機驅動裝置1，其特征在于，上述數值控制部14在上述電壓檢測部13檢出的電壓超過規定的閾值時，進行 控制使上述交流變換部12輸出正弦波形或者矩形波形的無效電流。
全文摘要
電動機驅動裝置(1)具有把輸入的交流變換為直流的直流變換部(11)；把直流變換部(11)輸出的直流變換為用于驅動電動機(3)的交流的交流變換部(12)；檢測直流變換部(11)的直流輸出側的電壓的電壓檢測部(13)；數值控制部(14)，在電壓檢測部(13)檢出的電壓超過規定的閾值時，進行控制使交流變換部(12)輸出無效電流，并使電動機中的消耗電力增加。
文檔編號H02P27/00GK103078587SQ201210410490
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月24日 優先權日2011年10月25日
發明者巖下平輔, 小川肇 申請人:發那科株式會社