专利名称：具有无效电流指令作成部的电动机驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在把来自交流电源的交流电力变换为直流电力后进而变换为交流电力、将其作为驱动电力的用于控制电动机的电动机驱动装置，特别涉及能够抑制直流变换部发生过电压异常的电动机驱动装置。
背景技术：
在机床系统中，机床的每一驱动轴具有电动机,通过电动机驱动装置驱动控制这些电动机。电动机驱动装置，对于驱动机床的驱动轴的驱动轴数量的电动机，指令电动机的速度、转矩、或者转子的位置进行控制。电动机驱动装置具有把三相商用交流电力变换为直流电力的直流变换部、和把从直流变换部输出的直流电力变换为作为电动机的驱动电力供给的具有希望的频率的交流电力或者把从电动机再生的交流电力变换为直流电力的交流变换部，控制在该交流变换部的交流侧连接的电动机的速度、转矩、或者转子的位置。交流变换部为向与机床中的多个驱动轴对应分别设置的各电动机个别供给驱动电力驱动控制电动机，设置与电动机的个数相同的个数。另一方面，直流变换部为减低电动机驱动装置的成本或者占有空间，大多对于多个交流变换部设置一个。在用电动机驱动装置减速控制电动机时，从电动机发生再生电力。该再生电力经由交流变换部返回直流变换部侧。因此，交流变换部不仅能够把直流电力变换为交流电力，而且也能够把交流电力变换为直流电力，也就是说作为可交直双向变换的半导体电力变换器构成。通过电动机减速控制时发生的来自电动机的再生电力，直流变换部的直流输出侧的电压上升。当再生电力大时直流变换部的直流输出侧的电压急剧上升，有时发生过电压异常，直流变换部故障。为避免这样的直流变换部的直流输出侧的过电压异常，在直流变换部的直流输出侧另外设置使直流输出侧的电压的上升量作为热消耗的再生用电阻器，或者另外设置把再生电力返回交流电源侧的电源再生电路。例如，像日本特开平7 - 95775号公报中记载的那样，提出一种交流变换器保护装置，其运算直流变换器的输出电压和从流入交流变换器的直流电流的方向的再生电力水平，在再生电力电平超过预定的设定值的情况下使再生电阻导通，使直流电压的上升量作为热消耗，由此防止由于急剧的过电压上升损坏交流变换器的元件。另外，因为根据电动机的惯性的大小或者速度，在再生时流过再生电阻的额定值以上的电流有时会烧坏再生电阻，所以提出再生电阻保护电路等，在过电压时切断流向再生电阻的电流。例如像日本特许第3511173号公报记载的那样，提出了再生电阻保护机构，在检出超过再生电阻的额定值的过电流时，切断从在直流变换器的输出端子间连接的电容器向再生电阻流动的电流，同时关断控制向直流变换器的交流输入的输入控制触点，由此防止再生电阻烧坏。另外例如像日本特许第3368930号公报记载的那样，提出了伺服电动机再生处理电路，从伺服电动机的电流、速度以及转矩等计算再生电力，计算减速转矩，使电动机减速，不使超过允许电力，由此防止通过过电压烧坏再生电阻以及晶体管等。在为避免直流变换部的直流输出侧的过电压异常，在直流变换部的直流输出侧另外设置把直流输出侧的电压的上升量作为热消耗的再生用电阻器、或者另外设置使再生电力返回交流电源侧的电源再生电路的情况下，在从电动机发生的再生电力能够变大的情况下，必须与其对应选定容量大的再生用电阻器或者电源再生电路，有电动机驱动装置相应大型化，成本也增大这样的问题。例如，根据上述日本特开平7 — 95775号公报中记载的发明，再生时从电动机发生的再生电力的大小，根据电动机的规格以及动作而不同。因此，在发生的再生电力能够变大的情况下，必须与其对应选定容量大的再生用电阻器或者电源再生电路，电动机驱动装置的成本也相应增大。另外，根据上述日本特许第3511173号公报以及上述日本特许第3368930号公报记载的发明，另外设置保护再生电阻的再生电阻保护电路，有电动机驱动装置的成本也相应增大这样的问题。特别根据上述日本特许第3368930号公报记载的发明，因为在再生用电阻之外，还需要设置电阻再生保护电路等，所以电动机驱动装置的成本进一步增大。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种电动机驱动装置，其具有把输入的交流变换为直流的直流变换部、把从直流变换部输出的直流变换为用于驱动电动机的交流的交流变换部，所述电动机驱动装置能够抑制过电压异常，控制容易，成本低并且节省空间。为实现上述目的，在本发明中，电动机驱动装置具有把输入的交流变换为直流的直流变换部；把直流变换部输出的直流变换为用于驱动电动机的交流的交流变换部；检测直流变换部的直流输出侧的电压的电压检测部；在电压检测部检出的电压超过规定的阈值时进行控制使交流变换部输出无效电流并使电动机中的消耗电力增加的数值控制部。上述数值控制部具有监视电压检测部检出的电压是否超过规定的阈值的电压监视部；在电压监视部判定为电压检测部检出的电压超过规定的阈值时，根据电压检测部检出的电压作成为使交流变换部输出无效电流的无效电流指令的无效电流指令作成部。也可以把上述规定的阈值设定为比直流变换部允许的直流输出侧的最大电压值低的值。另外，数值控制部也可以在电压检测部检出的电压超过规定的阈值时，对于多个交流变换部中的至少一个进行控制使输出无效电流。另外，也可以把交流变换器对电动机输出的电流的极限值设定为比为限制电动机的输出转矩而设定的电流的极限值高的值。另外，数值控制部也可以在电压检测部检出的电压超过规定的阈值时，进行控制使交流变换部输出正弦波形或者矩形波形的无效电流。
通过参照下面的附图能够更加明确地理解本发明。图1是表示本发明的实施例的电动机驱动装置的图。图2是表示根据本发明的实施例的电动机驱动装置的动作流程的流程图。图3是表不有效电流以及无效电流和实际电流的关系的图。图4是说明根据本发明的实施例的电动机驱动装置中的电压监视的阈值的设定的图。图5是说明根据本发明的实施例的电动机驱动装置中的无效电流指令的波形图，是表示无效电流指令是正弦波形的情况的图。图6是说明根据本发明的实施例的电动机驱动装置中的无效电流指令的波形图，是表示无效电流指令是矩形波形的情况的图。
具体实施例方式下面参照附图，说明具有无效电流指令作成部的电动机驱动装置。但是希望理解，本发明不限于附图或者以下说明的实施方式。在根据以下说明的本发明的实施例的电动机驱动装置上，连接驱动机床的进给轴以及主轴的驱动轴数量的电动机。在本实施例中，因为设定机床的驱动轴数为3所以设置3个电动机，但是这些个数不过是一例，不限定本发明。图1是表示根据本发明的实施例的电动机驱动装置的图。在图示的例子中，因为设定机床的驱动轴数为3所以设置3个电动机3，电动机驱动装置I驱动控制这些电动机3。本发明的实施例的电动机驱动装置I具有把从三相交流的商用电源2输入的交流变换为直流的直流变换部11 ;把直流变换部11输出的直流变换为用于驱动电动机3的交流的交流变换部12 ;检测直流变换部11的直流输出侧的电压的电压检测部13 ;和在电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时进行控制使交流变换部12输出无效电流并使增加电动机3中的消耗电力的数值控制部14。直流变换部11例如由使用功率半导体元件以及与其反并联的二极管组成的桥电路构成，在直流输出侧设置滤波变换后的直流电压的滤波电容器。直流变换部11在向电动机3供给电力时亦即在电动机3动力运行时通过六个二极管全波整流来自三相商用交流电源的交流电压变换为直流电压。交流变换部12例如由使用功率半导体元件以及与其反并联的二极管组成的桥电路构成。交流变换部12通过数值控制部14控制其开关动作。也就是说，交流变换部12通过根据来自数值控制部14的指令导通关断控制(例如PWM控制)这些功率半导体元件，把直流电压变换为具有希望的波形以及频率的交流电压。交流变换部12输出的交流的驱动电力被供给电动机3。由此电动机3进行旋转动作。电压检测部13检测直流变换部11的直流输出侧的电压。本发明的实施例中的数值控制部14具有有效电流指令作成功能和无效电流指令作成功能，通过有效电流指令以及无效电流指令控制交流变换部12内的功率半导体元件的开关动作。因此，数值控制部14具有电压监视部21、无效电流指令作成部22、和有效电流指令作成部23。这些电压监视部21、无效电流指令作成部22以及有效电流指令作成部23例如由DSP或者FPGA等的运算处理处理器组成，其动作通过软件程序规定。
有效电流指令作成部23为使电动机3以希望的速度(例如加速、减速、恒速、停止等)、转矩、或者转子的位置旋转动作，而根据从在电动机3上设置的传感器31接受的电动机3的转子的速度以及位置等的旋转信息，作成使对应的交流变换部12输出具有必要的波形或者频率的交流电流的有效电流指令。对于每一个交流变换部12(亦即每一个电动机3)生成有效电流指令。另外，有效电流指令作成部23和后述的无效电流指令作成部22独立动作。此外，数值控制部14在控制电动机3的旋转动作时，检测流出流入电动机3的交流电流、电动机3的旋转速度、交流变换部12的输入输出的电压以及交流输出的电压等，需要在处理中使用这些，但是在图1中关于传感器31以外的检测器省略图示。电压监视部21监视电压检测部13检出的电压是否超过规定的阈值。关于电压监视部21的动作的细节后述。无效电流指令作成部22在电压监视部21判定为电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时，根据电压检测部13检出的电压作成使交流变换部12输出无效电流的无效电流指令。关于无效电流指令作成部22的动作的细节后述。数值控制部14合成通过有效电流指令作成部23作成的有效电流指令和通过无效电流指令作成部22作成的无效电流指令。合成的电流指令在例如用PWM方式控制交流变换部12的情况下与规定的载波频率的三角波载波信号比较，生成PWM开关信号。把生成的PWM开关信号输入交流变换部12，根据该PWM开关信号使交流变换部12内的功率半导体元件进行开关动作。接着说明电动机驱动装置I中的使用无效电流抑制过电压异常发生的动作。图2是表示根据本发明的实施例的电动机驱动装置的动作流程的流程图，图3是表示有效电流以及无效电流和实际电流的关系的图。如上述，通过在电动机3的减速控制时发生的来自电动机3的再生电力，直流变换部11的直流输出侧的电压上升。根据本发明的实施例，在直流变换部11的直流输出侧的电压超过规定的阈值时，在有效电流之外，流过与该电压对应的无效电流，使电动机3中的热损失增大，由此抑制直流变换部11的直流输出侧的电压上升。从交流变换部12朝向电动机3流动的有效电流，有助于电动机3的旋转动作亦即电动机3的转矩发生，但是从交流变换部12朝向电动机3流动的无效电流，无助于电动机3的转矩发生。例如在图3中，当在某一定的有效电流Ia上重叠无效电流Ibl、Ib2时，实际电流(标准)分别成为Ip I2以及13。也就是说，对于某一定的有效电流，重叠的无效电流越大则越大，实际电流(标准)也变大。当流过电动机3的实际电流变大时，电动机3中消耗的电力变大，但是实际电流中的无效电流量无助于电动机3的转矩发生，成为电动机3的热损失。也就是说，如果在流过电动机3的实际电流中增减无效电流量，则可以调整电动机3中消耗的电力。在本发明的实施例中，根据直流变换部11允许的直流输出侧的最大电压值设定规定的阈值，在通过电动机3减速控制时发生的来自电动机3的再生电力直流变换部11的直流输出侧的电压上升变得比该规定的阈值大的情况下，使与电压检测部13检测的电压对应的无效电流流过电动机3，使电动机3中的热损失增加，抑制直流变换部11的直流输出侧的电压过度上升。亦即，通过有意识地在电动机3中流过无效电流，使电动机3减速控制时发生的来自电动机3的再生电力量作为电动机3的热损失消耗。图2表示根据本发明的实施例的电动机驱动装置I的具体的动作流程。
S卩，在图2的步骤S101，电压检测部13在时刻t检测直流变换部11的直流输出侧的电压V(t)。数值控制部14内的电压监视部21在步骤S102中，监视电压检测部13检出的电压V (t)是否超过规定的阈值。数值控制部14内的无效电流指令作成部22，在电压监视部21判定为电压检测部13检出的电压V (t)超过规定的阈值时，根据电压检测部13检出的电压V (t)作成为使交流变换部12输出无效电流的无效电流指令(步骤S103)。这里，因为电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差越大，电动机3减速时发生的再生电力越大，所以无效电流指令作成部22在步骤S103根据电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差作成无效电流指令。具体说，因为电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差越大，必须使在电动机3中消耗的热损失越大，所以把无效电流指令作为与电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差成比例的值作成。另一方面，无效电流指令作成部22，在电压监视部21判定为电压检测部13检出的电压不超过规定的阈值时，关于无效电流指令设定为O (零)(步骤S104)。当步骤S103或者S104结束时返回步骤S101。在这以后重复执行上述各处理。这样，根据本发明的实施例，因为检测直流变换部的直流输出侧的电压，在该检出的电压超过规定的阈值时，进行控制使交流变换部输出无效电流，无效电流流过电动机，增加电动机中的消耗电力，能够不使用复杂的控制容易地抑制过电压异常。图4是说明根据本发明的实施例的电动机驱动装置中的电压监视的阈值的设定的图。在电动机3中流过无效电流的情况下，因为无效电流开始流动，直流变换部11的直流输出侧的电压有若干过冲，所以如图4所示，由电压监视部21在直流变换部11的直流输出侧的电压的监视中使用的阈值，较之不留余地地设定为直流变换部11允许的直流输出侧的最大电压值的“过电压检测电平”，更理想的是考虑上述过冲具有若干余度地设定为比过电压检测电平低的值。另外，也可以设定为直流变换部11的直流输出侧的电压的下限值，此时在电动机3内也可以流过无效电流，由此防止通过数值控制部14内的无线电流指令作成部22作成的无效电流指令的有无在极短的时间内切换，能够更稳定地保持控制。另外，一般为使得不超过电动机3的输出转矩的极限值，对于交流变换部12的输出电流设定极限值。如上所述，从交流变换部12向电动机3流动的有效电流有助于电动机3的旋转动作亦即电动机3的转矩发生，但是从交流变换部12向电动机3流动的无效电流无助于电动机3的转矩发生。因此交流变换部12的输出电流的极限值，也可以设定为比“为限制电动机的输出转矩设置的电流的极限值”更高的值。由此，在电压检测部13检出的电压超过规定的阈值的情况下，能够在电动机3中流过比交流变换部12的输出电流的极限值大的电流，能够流过相应量的无效电流。图5以及图6是说明根据本发明的实施例的电动机驱动装置中的无效电流指令的波形图，图5表示无效电流指令是正弦波形的情况，图6表示无效电流指令是矩形波形的情况。如上述，因为电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差越大，则电动机3减速时产生的再生电力越大，所以无效电流指令作成部22根据电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差作成无效电流指令。因为电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差越大，则必须使电动机3中消耗的热损失越是增大，所以将无效电流指令作成为与电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差成比例的值。但是，因为通过流过无效电流会在电动机3中发生磁阻，所以无效电流指令作成部22也可以作成使交流变换部12输出以下那样的无效电流的无效电流指令，该无效电流具有与电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差成比例的直流成分、并且具有比电动机3的转子的共振点高的频率的作为图5表示的正弦波形或者图6表示的矩形形状的高频成分。由此，可以形成如果长周期观察则把电动机3的磁阻转矩的平均值视为O (零)的状态。此外，在图5以及图6中，为使画面简洁，表示对于基于电压检测部13检出的电压和规定的阈值的差的某恒定值(途中用虚线表示)的无效电流指令以正弦波形或者矩形波形变化的情况。此外，参照图1说明的电动机驱动装置1，作为一例，因为假定机床的驱动轴数为3个所以设置3个电动机3，与这些电动机3对应关于交流变换部12也设置3个。数值控制部14，在电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时，进行控制使对于交流变换部12输出无效电流，但是，也可以针对多个交流变换部中的至少一个执行这样的无效电流输出控制。例如在图1表示的例子中，数值控制部14也可以针对3个交流变换部12中的至少一个执行上述无效电流输出控制，或者数值控制部14也可以针对3个交流变换部12中的任何两个或者全部三个执行上述无效电流输出控制。在针对上述任何两个或者全部三个交流变换部12执行上述无效电流输出控制的情况下，可以进行控制使各交流变换部12均等地输出无效电流，或者也可以进行加权控制使任何一个交流变换部12比其他交流变换部12更多地输出无效电流。数值控制部14内的电压监视部21、无效电流指令作成部22以及有效电流指令作成部23例如由DSP或者FPGA等的运算处理处理器组成，其动作通过软件程序规定。因此，例如即使在通过变更由电动机驱动装置I驱动的电动机的运转状况等从电动机发生的再生电力增加的情况下，因为能够通过变更数值控制部14的程序来应对，所以也能够灵活而且迅速地应对由于电动机驱动装置I驱动的电动机的运转状况等造成的变更，能够减低用户经济方面以及时间方面的负担。本发明可以在机床的每一个驱动轴具有电动机的机床系统中在用电动机驱动装置驱动这些电动机(伺服电动机)的情况下应用，所述电动机驱动装置具有把输入的交流变换为直流的直流变换部、和把从直流变换部输出的直流变换为作为各电动机的驱动电力分别供给的交流的交流变换部。根据本发明，因为在具有把输入的交流变换为直流的直流变换部、把从直流变换部输出的直流变换为用于驱动电动机的交流的交流变换部的电动机驱动装置中，检测直流变换部的直流输出侧的电压，在该检测的电压超过规定的阈值时进行控制使交流变换部输出无效电流，并使电动机流过无效电流增加电动机中的消耗电力，所以不用复杂的控制就能够容易地抑制过电压异常。根据本发明，因为不需要另外设置再生用电阻器、电源再生电路以及再生用电阻保护电路等，所以能够用低成本实现小型的电动机驱动装置。另外例如，在由于变更通过电动机驱动装置驱动的电动机的运转状况等而从电动机发生的再生电力增加的情况下，根据另外设置再生用电阻器或者电源再生电路的现有技术，有时产生必须与再生电力的增加对应地还变更再生用电阻器或者电源再生电路的设计的状况，电动机驱动装置的大幅的改造或者设置布局的变更等会给用户带来经济方面以及时间方面的负担。对此，根据本发明，因为不需要另外设置再生用电阻器或者电源再生电路等，能够通过变更数值控制部的程序来应对，所以也能够灵活而且迅速地应对由于电动机驱动装置驱动的电动机的运转状况等造成的变更，能够降低用户经济方面以及时间方面的负担。
权利要求
1.电动机驱动装置1，其特征在于，包括: 把输入的交流变换为直流的直流变换部11; 把上述直流变换部11输出的直流变换为用于驱动电动机3的交流的交流变换部12 ； 检测上述直流变换部11的直流输出侧的电压的电压检测部13 ； 数值控制部14，在上述电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时，进行控制使上述交流变换部12输出无效电流，并使上述电动机3中的消耗电力增加。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置1，其特征在于， 上述数值控制部14具有: 监视上述电压检测部13检出的电压是否超过规定的阈值的电压监视部21 ； 无效电流指令作成部22，在上述电压监视部21判定为上述电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时，与上述电压检测部13检出的电压对应地作成用于使上述交流变换部12输出无效电流的无效电流指令。
3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置1，其特征在于， 把上述规定的阈值设定为比上述直流变换部11允许的直流输出侧的最大电压值低的值。
4.根据权利要求1 3中任何一项所述的电动机驱动装置1，其特征在于， 上述数值控制部 14在上述电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时，对多个上述交流变换部12中的至少一个进行控制使其输出无效电流。
5.根据权利要求1 4中任何一项所述的电动机驱动装置1，其特征在于， 把上述交流变换部12向上述电动机3输出的电流的极限值设定为比为了限制上述电动机3的输出转矩而设定的电流的极限值高的值。
6.根据权利要求1 5中任何一项所述的电动机驱动装置1，其特征在于，上述数值控制部14在上述电压检测部13检出的电压超过规定的阈值时，进行 控制使上述交流变换部12输出正弦波形或者矩形波形的无效电流。
全文摘要
电动机驱动装置(1)具有把输入的交流变换为直流的直流变换部(11)；把直流变换部(11)输出的直流变换为用于驱动电动机(3)的交流的交流变换部(12)；检测直流变换部(11)的直流输出侧的电压的电压检测部(13)；数值控制部(14)，在电压检测部(13)检出的电压超过规定的阈值时，进行控制使交流变换部(12)输出无效电流，并使电动机中的消耗电力增加。
文档编号H02P27/00GK103078587SQ201210410490
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月24日 优先权日2011年10月25日
发明者岩下平辅, 小川肇 申请人:发那科株式会社