专利名称：具有相同负载模式的装置的省电力驱动装置及方法
技术领域：
本发明涉及具有相同负载模式的装置的省电力驱动装置及方法。
背景技术：
本发明的对象为被电力供给的电动机(Motor)驱动，以相同负载模式(uniformload pattern)被反复运转的装置。以后，将此种装置称为“相同负载模式装置”。在所述电动机中，接受来自由被电池驱动的DC-DC转换器(DC-DC converter)的输出驱动的逆变器(inverter)的电力供给的第一种结构中，主要设想相同负载模式装置为伺服压力机、压力机用模具缓冲机构、搬运装置、物流装置等产业用装置，但不局限于这些。
在所述电动机中，由非接触式电力传送装置进行电力供给的第2种结构中，主要设想相同负载模式装置为设置于无人搬运台车等移动体上的搬运装置、物流装置等产业用装置，但并不局限于它们。第一种结构中，上述相同负载模式装置中的损耗量变化取决于电力变换电路的参数(parameter)，例如DC-DC转换器的输出电压、逆变器的载波频率、开关波形的电压变化率dv/dt等。第二种结构中，上述相同负载模式装置中的损耗量变化取决于非接触式电力传送装置的参数，例如非接触式电力传送装置的振荡频率。第一种结构中，所谓“损耗量”，是由电池供给的电力与电动机输出的差，即，在从电池到电动机的电路(包括DC-DC转换器、逆变器及电动机)及电动机内部的磁路中以发热、电磁辐射的形式失去的功。第二种结构中，所谓“损耗量”，是由非接触式电力传送装置供给的电力与电动机输出的差，即，在从非接触式电力传送装置到电动机的电路及电动机内部的磁路中以发热、电磁辐射的形式失去的功。关于第一种结构，作为减低损耗量的方法，例如已有专利文献I的提案，本发明相关的技术，公开于专利文献2及非专利文件I、2中。关于第二种结构，作为在非接触式电力传送装置中提高传送效率的方法，例如已有专利文献3 8的提案。专利文献I是在装置的运转条件发生变化时，使电力变换的参数(DC-DC转换器的载波频率)变化而减小损耗量的文献。非专利文献2中，公开有通过对应低速区、中速区、高速区在运转中切换开关频率以减低损耗的内容。现有技术文献 专利文献
专利文献I :日本特开2003-116280号公报、《驱动装置及动力输出装置》；
专利文献2 日本特开平5-184182号公报，《逆变器控制装置》；专利文献3 :日本特开2009-225551号，《电力传送系统》；
专利文献4 :日本特开2008-236916号，《非接触式电力传送装置》；
专利文献5 :日本特开2010-158151号，《非接触式电力传送装置》；
专利文献6 :日本特开2010-141977号，《非接触式电力传送装置中的电力传送方法及非接触式电力传送装置》;
专利文献7 :日本特开2010-130878号，《非接触式电力传送装置》；
专利文献8 :日本特开2010-141976号，《非接触式电力传送装置》。非专利文献 非专利文献I:电气学会半导体电力变换系统调查专门委员会编《功率电子电路(〃 ”一二 >夕卜口二夕7回路)》欧姆社2000年；
非专利文献2 :大久保光一等《EV电动机用低损耗逆变器的开发(EV 用低損失^ 一夕Q開発)》、三菱重工技报VOL. 45 NO. 3:2008。
发明内容
关于第一种结构，在专利文献I中，提出(A)通过利用能量储存单元、开关元件、电动机各相线圈的损耗特性，或者(B)预先实验等求得使损耗量变小的载波(称为carrier)频率的方案。但是，如果想将专利文献I的方法应用于各种装置，特别是由电池驱动的伺服压力机、压力机用模具缓冲机构、搬运装置、物流装置等产业用装置中的话，会有以下问题。
对于(A)而言，会有“未考虑其他结构要素的损耗特性”的问题。例如，未考虑逆变器与电动机间的布线、电磁噪声除去用元件(铁氧体磁芯、滤波器)、电动机的转子(rotor)中的损耗(转子内诱导电流导致的损耗等)。另外，由于在产业用装置中，逆变器与电动机之间的布线长，电磁噪声除去用元件、电动机为大型，多数情况下来自这些结构要素的损耗量也不能无视。对于(B)而言，会有“难以预先求得用于决定载波频率的数据(综合性的损耗特性)”的问题。这是由于例如以下的理由。(a)具备由电池驱动的DC-DC转换器和由DC-DC转换器的输出驱动的逆变器时，无法最优化DC-DC转换器的输出电压。( b )由于布线作业是利用已有材料组合，所以无法事前预测布线的电气特性。(C)电磁噪声除去用元件有时会在装置设置后被追加。(d)会有电动机发生故障被更换的情况，但每台电动机的特性各不相同。(e)电动机的温度在装置刚起动后低，装置连续运转后上升，但电动机的损耗特性随着温度变化。另一方面，关于第二种结构，上述专利文献31未将“相同负载模式”作为对象。因此，构成非接触式电力传送装置的供电用天线线圈(antenna coil)和受电用天线线圈的相对位置变动时，例如，在无人搬运台车等移动体停止后以非接触式进行电力传送的情况中，有因为每次停止的停止位置都会变动的情况下，产生的影响无法补偿，电力传送的效率降低的问题。
此外，非接触式电力传送装置存在也会因为温度变化导致电力传送的效率降低的问题。本发明是为解决上述问题点而构思的发明。本发明的第一目的，在于提供一种具有相同负载模式的装置的省电力驱动装置及方法，使得关于第一种结构，不用预先做实验而取得DC-DC转换器的输出电压、布线的电气特性、电磁噪声除去用元件的有无、每台电动机的损耗特性及温度变化等的损耗特性的数据，便能够考虑全部结构要素的损耗特性而使损耗量最小化。本发明的第二目的，在于提供一种具有相同负载模式的装置的省电力驱动装置及方法，使得关于第二种结构，即使存在伴随温度等的变化的谐振频率的变化、供电端和受电端的天线线圈相对位置的变化等，也能将非接触式电力传送的效率自动维持在高水平。为达成第一目的，本发明提供一种具备相同负载模式的装置的省电力驱动装置，其具备由电池驱动的DC-DC转换器和由该DC-DC转换器的输出驱动的逆变器，用于被由该逆变器供给电力的电动机驱动，具有相同负载模式的装置，其特征在于，具备·
电量运算器，计算所述相同负载模式中来自电池的受电电量；以及参数选择指令器，使逆变器的参数变化为多个值，比较各参数下的所述受电电量，选择使该受电电量最小的参数，向逆变器发指令。根据本发明的实施方式，具备输出所述负载模式的循环开始信号和循环结束信号的指令值生成器。所述逆变器的参数为载波频率及DC-DC转换器的输出电压。此外，为达成第一目的，本发明提供一种具有相同负载模式的装置的省电力驱动方法，用于具备由电池驱动的DC-DC转换器和由该DC-DC转换器的输出驱动的逆变器，并且被由该逆变器供给电力的电动机驱动的、具有相同负载模式的装置，其特征在于
使逆变器的参数变化为多个值，
计算所述各参数下的所述相同负载模式导致的来自电池的受电电量，
比较各参数下的所述受电电量，选择使该受电电量最小的参数，向逆变器发指令。为达成第二目的，本发明提供一种具有相同负载模式的装置的省电力驱动装置，其用于被由非接触式电力传送装置进行电力供给的电动机驱动，具有相同负载模式的装置，其特征在于，具备
电量运算器，计算所述相同负载模式下非接触式电力传送装置的初级端电量；以及参数选择指令器，将非接触式电力传送装置的参数变化为多个值，比较各参数下的所述初级端电量，选择使该初级端电量最小的参数，向非接触式电力传送装置发指令。根据本发明的优选实施方式，具备输出所述负载模式的循环开始信号和循环结束信号的指令值生成器。所述非接触式电力传送装置的参数，优选供电端的谐振频率。另外，为达成第二目的，本发明提供一种具有相同负载模式的装置的省电力驱动方法，其用于被由非接触式电力传送装置进行电力供给的电动机驱动的、具有相同负载模式的装置，其特征在于
将非接触式电力传送装置的参数变化为多个值，
计算所述各参数下所述相同负载模式导致的非接触式电力传送装置的初级端电量，比较各参数下所述初级端电量，选择使该初级端电量最小的参数，向非接触式电力传送装置发指令。依据上述本发明的装置及方法，因为具备电量运算器和参数选择指令器，使逆变器的参数变化为多个值，计算、比较各参数下相同负载模式导致的来自电池的受电电量，选择使该受电电量最小的参数，向逆变器发指令，所以不必预先做实验而取得布线的电气特性、电磁噪声除去用元件的有无、每台电动机的损耗特性及温度变化等而的损耗特性的数据，便能够考虑全部结构要素的损耗特性而使损耗量最小化。此外，根据上述本发明的装置及方法，具备电量运算器及参数选择指令器，将非接触式电力传送装置的参数变化为多个值，计算、比较各参数下相同负载模式导致的非接触式电力传送装置的初级端电量，选择使该初级端电量最小的参数，向非接触式电力传送装置发指令，所以即使存在伴随温度等的变化的谐振频率的变化、供电端和受电端的天线线圈的相对位置的变化等，也能将非接触式电力传送的效率自动维持在高水平。
图I是示出本发明的省电力驱动装置的第I实施方式的 图2是以本发明为对象的相同负载模式装置的动作说明 图3是参数选择指令器的动作说明 图4是探索、决定多个参数的方法的说明 图5是示出本发明的省电力驱动装置的第2实施方式的 图6是示出本发明的省电力驱动装置的第3实施方式的 图7是以本发明的第3实施方式为对象的相同负载模式装置的动作说明 图8是第3实施方式的参数选择指令器183的动作说明 图9是示出每100循环重做参数的探索、决定的例子的 图10是示出在具有多个动作模式的装置中，重做参数的探索、决定的例子的 图11是示出本发明的省电力驱动装置的第4实施方式的图。
具体实施例方式下面，参照
本发明的优选实施方式。此外在各图中，对相同部分附以相同附图标记，省略重复的说明。第I实施方式
图I是示出本发明的省电力驱动装置的第I实施方式的图。在该图中，本发明的省电力驱动装置具备用电池91驱动的DC-DC转换器93和由DC-DC转换器93的输出驱动的逆变器19。电池91是例如锂离子电池、镍氢电池、铅蓄电池等二次电池。为提高电池的输出电压，电池91将电池单元(cell)串联连接，且具备电池的控制器。另外，该电池91利用未图示的太阳能电池、燃料电池、风力发电机等进行直流电力的充电。DC-DC转换器93的输入端(图中左端)与电池91连接，输出端(图中右端)与逆变器19连接。
DC-DC转换器93是进行直流电压的升压或降压或这两者的输出电压可变的DC-DC转换器。在图I中，DC-DC转换器93的右侧的电容器17的两端间的电压为输出电压。此DC-DC转换器93的结构不仅能够实现牵引(图I中电力从左向右移动)，也能够实现再生(图I中电力从右向左移动)。 这种DC-DC转换器93通过组合IGBT、功率MOSFET等的电力控制元件和感应器、变压器实现。在图I中，95是DC-DC转换器控制电路。DC-DC转换器控制电路95生成DC-DC转换器93的电力控制元件的栅极信号，控制DC-DC转换器93的输出电压。DC-DC转换器控制电路95通过电子电路或者装入CPU和专用控制程序乃至两者的组合实现。·
直流总线15将DC-DC转换器93和逆变器19电连接。在图中，上方所示是直流总线15的正侧( + )，下方所示是直流总线15的负侧(_)。17是电容器，将直流总线15的电压平滑化。电容器17多使用铝电解电容器，但也可以使用其他种类的电容器、双电荷层电容器。19是逆变器，控制由直流总线15流向电动机21的电流、电压，使电动机21产生所需的转矩。逆变器19在本实施方式中假定为电压型逆变器，但也可以是电流型逆变器。在电流型逆变器的情况下，使用电抗器代替电容器17。此外，逆变器19在本实施方式中假定为能够使电动机21正反旋转、牵引、再生的4象限驱动的逆变器，但根据机械负载23 (相同负载模式装置)的特性及动作的不同，也可以是旋转方向只有单方向，或者只能够牵引的逆变器。使用只能够牵引的逆变器时，DC-DC转换器也可以是只能够牵引的转换器。21是电动机，通过逆变器19和电动机21的组合，电动机21追随控制器27输入的
转矩指令值产生转矩。电动机21在本实施方式中假定为三相感应电动机或三相永磁同步电动机，但如果通过与逆变器的组合能够使得转矩、旋转速度可变的话，也可以是其他形式的电动机。23是机械负载，即相同负载模式装置，由电动机21驱动。25是电动机编码器(motor encoder)，测定电动机21的旋转位置(角度)。作为电动机编码器25，使用光学式、磁式的旋转编码器、解算器(resolver)。此外，控制器27进行速度控制时，只要测定电动机21的旋转速度(角速度)即可。这时，既可以将旋转编码器、解算器测定的旋转位置时间微分，也可像转速计(tachometer)那样直接测定旋转速度。27是控制器，由逆变器19、电动机21、电动机编码器25，控制器27构成反馈环路，控制电动机21以使其追随来自指令值生成器29的指令值。在本实施方式中，控制器27假定为位置控制，但也可以是速度控制。作为控制器内部的运算手法，多使用PID (Proportional Integral Derivative :比例积分微分)控制、I-PD (Integral Proportional Derivative :积分比例微分)控制等,但也可以使用其他控制手法。还可以组合用于改善控制性的前馈运算。控制器27可由使用DSP (DigitalSignal Processor :数字信号处理器)、微型计算机的可编程装置或模拟电路或它们的组合实现。29是指令值生成器，在各个时刻中，将电动机21应该追随的电动机旋转角度指令值Ac输出到控制器27。电动机旋转角度指令值Ac的传送，采用利用相位90度偏移的二相脉冲串的传送、利用各种通信网络的传送。因为电动机21的旋转角和机械负载23机械联动，所以指令电动机21的旋转角度与指令机械负载23的位置意义相同。图2是以本发明为对象的相同负载模式装置的动作说明图。因为本发明以在相同负载模式下反复被运转的装置(相同负载模式装置)为对象，所以在本实施方式中，如图所示，电动机旋转角度指令值Ac具有循环(反复的相同模式)，在循环的开始时刻及结束时刻，指令值生成器29分别输出循环开始信号Cs和循环结束信号Ce。在此图中，Cl、C2、C3分别表示循环。循环与循环之间可以输出任意指令值，例如停止机械负载23那样的指令值、使机械负载23按照手动操作而动作的指令值。此外，在以后的说明中为简化说明，设循环与循环之间输出使机械负载23停止那 样的指令值。此外，在图2中循环开始信号Cs、循环结束信号Ce为脉冲信号，但也可以是将循环开始表示为信号的上升沿、将循环结束表示为信号的下降沿等的其他信号波形。另外，控制器27进行速度控制时，使指令值生成器29输出电动机旋转速度指令值即可。指令值生成器29能够由使用具有半导体存储器之类的存储装置的DSP、微型计算机的可编程装置实现。逆变器19由以下的要素构成，使用遵循参数选择指令器83输出的载波频率指令值F的频率的载波Cw进行PWM (Pulse Width Modulation :脉宽调制)调制。逆变器的结构、动作例的细节，例如公开于非专利文献I中。此外，利用可变载波频率进行PWM调制的方法的例子，公开于专利文献2中。另外专利文献2中将载波称为
u· yy
carrier 041是电力控制部，通过随着栅极信号导通状态变化的电力控制元件，控制由直流总线15到电动机21的电压、电流。电力控制部41在本实施方式中假定使用功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor :金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor :绝缘栅双极型晶体管)等通过断开栅极信号而能消弧的电力控制元件，但也可以将GT0(Gate Turn Off :矩形脉冲断开)等其他种类的电力控制元件与对用于电力控制元件相对应的适当的栅极驱动电路组合使用。43是电动机电流测定器，测定从电力控制部41到电动机21的UVW各相的电流。电动机电流测定器43是测定随着电流在电线周围产生的磁场的非接触式的装置、测定随着将电阻插入电路中电阻两端产生的电位差的装置等。电流测定器63的实现方法也一样。45是指令运算器，向PWM调制器47输出相对UVW各相的调制波Mw，以使电动机21追随来自控制器27的转矩指令值Tc产生转矩。作为指令运算器45，可以是将通过向量运算计算出的对各相的电流指令和电动机电流测定器43的测定值比较求得各相的调制波的装置，但也可以是其他装置。指令值运算器45能够通过使用DSP、微型计算机的可编程装置或电子电路或它们的组合实现。此外，还能够使用状态估计等手法达到减少必要的电动机电流测定器43的个数的结构。47是PWM调制器，以载波Cw调制调制波Mw,输出决定电力控制元件的导通、断开的陷波Nw。PWM调制器47在本实施方式中设想为使用三角载波，通过调制波Mw和载波Cw的大小比较决定陷波Nw的通断的单元。PWM调制器47能够通过模拟电子电路(比较仪)或DSP、微型计算机的程序实现。49是载波振荡器，振荡产生PWM调制用的载波Cw。载波振荡器49成遵循载波频率指令值F，振荡频率可变的结构。载波振荡器49的结构可以是由电子电路、DSP、微型计算机的程序构成在两个值M1、M2之间反复递加递减的加减计数器，振荡产生三角载波，响应载波频率指令值F通过适当改变Ml、M2的值而改变振荡频率，但也可以采取使用模拟电子电路的振荡电路等其他方法构成。51是栅极驱动电路，将陷波Nw绝缘、电平变换或放大、而输出驱动电力控制元件 的栅极的栅极信号Gs。栅极驱动电路51能够通过使用绝缘型电源、光电耦合器等的电子电路实现。61是电压测定器，63是电流测定器。电压测定器61和电流测定器63为计算从电池91流入DC-DC转换器93的电量W，分别测定电压和电流，将电压测定值V (t)和电流测定值I (t)输出至电量运算器81。电压测定值V (t)、电流测定值I (t)的传送，能够使用以电压振幅、电流振幅模拟传送的方法、使用各种通信网络数字传送。将电压测定器61测定的时刻t时相对于电池91负侧的正侧电压记为V (t)。另外将电流测定器63在时刻t时测定的图中从左到右流经电池91的正侧的电流记为I(t)。电流测定值为负时，电流在图中表示为从右到左流动。81是电量运算器，运算I个循环的电量W。即，将电压测定值V (t)和电流测定值I (t)相乘所得的值，从循环开始信号Cs被输入的时间点开始到循环结束信号Ce被输入的时间为止时间积分并输出。I个循环的电量W的传送,能够使用以电压振幅、电流振幅模拟传送的方法、或使用各种通信网络数字传送。电量运算器81能够通过使用DSP、微型计算机的可编程装置或模拟电子电路或它们的组合实现。电量运算器81进行如以下的运算。在时刻t的功率P (t)为电压与电流的积，如公式(I)所示。在这里，P (t)如为正值，则表示电在图中从左往右，如果P (t)为负值，则表示电在图中从右往左流动。P (t) =V (t) XI ⑴(I)
因为I个循环的电量W是功率的时间积分，将此循环的循环开始信号的时刻写为Tl，循环结束信号的时刻写为T2时，则如数学式I的公式(2)所示。[数学式I]
T2
W= f P(fc)dt * · · (2) 。
' 了 I如果设电量运算器81的运算进行时间AT周期，将公式(2)差分，从时刻Tl到时刻T2为止累加V (t)XI (t) X AT，就是I个循环的电量W。即，在循环结束的时间点，能够输出对于此循环而言的I个循环的电量。如上所述，通过容许电流测定值和功率存在负的值，本发明可以适用于I个循环中牵引和再生混合存在的情况。即，功率的正、负，各自相当于牵引、再生。83是参数选择指令器，在指令影响损耗量的参数的值的同时，基于各循环中I个循环的电量，选择适当的参数的值。在本实施方式中，参数是载波Cw的频率和DC-DC转换器的输出电压，参数选择指令器83向载波发送器49输出载波频率指令值F，向DC-DC转换器控制电路95输出输出电压指令值G。参数选择指令器83能够通过使用DSP、微型计算机的可编程装置实现。图3是参数选择指令器83的动作说明图。下面，说明DC-DC转换器控制电路95的输出电压指令值G为恒定时的情况。通过参数选择指令器83，探索、决定减小损耗的参数的过程如下。参数选择指令器83在每个循环输出不同的载波频率指令值F。在循环结束的时间点，由电量运算器81输出对各循环的I个循环的电量W，所以存储于参数选择指令器83的内部。参数选择指令器83比较已存储的I个循环的电量W，将电量最小的载波频率指令值 F作为以后的载波频率指令值F输出。作为例子，如图3所示，对于5个循环(图中，Cl、C2、C3、C4、C5)将其各自的载波频率指令值F变为FI、F2、F3、F4、F5，设各个循环中的I个循环的电量为Wl、W2、W3、W4、W5。存储Wl、W2、W3、W4、W5，在循环5 (图中，C5 )结束的时间点进行比较，若假设W4最小，则能够知道对应W4的载波频率指令值F4是使损耗最小的载波频率指令值。在此，参数选择指令器83此后将F4作为载波频率指令值持续输出。另外，图3所示的例子中，将载波频率指令值F变为FfF5的五种值，探索、决定参数(载波频率指令值)时需要Cf C5的5个循环，但是载波频率指令值F的变化数不局限于5，只要是2以上的数Q即可。这时，探索、决定参数(载波频率指令值)需要Q个循环。作为进行参数的探索、决定的时机，例如可以考虑到以下的(I)和(2 )。(I)在向从逆变器到电动机的布线中追加噪音过滤器、更换电动机、改造机械负载等，影响损耗的硬件性变更进行后立刻进行参数的探索、决定。例如，在参数选择指令器83上连接按钮(未图示)，如果进行了硬件性变更则由人按下按钮。参数选择指令器在按钮被按下后，在最初进行的循环(本例中为最初的5个循环)中进行参数(本例中为载波频率指令值)的探索、决定，此后持续输出决定的载波频率指令值。(2)装置运转经过一定的循环数或一定时间后，重新进行参数的探索、决定。比如在参数选择指令器内设置对循环开始信号或循环结束信号的发生次数进行计数的计数器或测量经过时间的计时器，当计数器的值或计时器的值到达一定的值后重新进行参数的探索、决定。同时重置计数器或计时器重新开始循环数的计数或经过时间的测量。在图I中，参数选择指令器83具有除上述载波频率指令值F外将输出电压指令值G输出到DC-DC转换器控制电路95的功能。下面，说明载波频率指令值F和输出电压指令值G能够变化的情况。这时，参数选择指令器83变化输出的载波频率指令值F和输出电压指令值G，存储、比较I个循环的电量W，将电量W最小的载波频率指令值F和输出电压指令值G作为此后的载波频率指令值F和输出电压指令值G输出。图4是探索、决定多个参数的方法的说明图。作为探索、决定减小损耗的多个参数(载波频率指令值F和输出电压指令值G)的方法，例如有以下的方法。对于频率指令值F和输出电压指令值G的全部组合，存储、比较I个循环的电量。例如，载波频率指令值F有FI、F2、F3、F4、F5这5种，输出电压指令值G有Gl、G2、G3这3种时，如图4所示对于5X3 = 15个循环(图中，Cf C15)，存储、比较I个循环的电量(图中，Wf W15)，选择载波频率指令值F和输出电压指令值G。在图4中，示出WfW15中W3最小时的例子，能够知道对应W3的载波频率指令值Fl和输出电压指令值G3的组合是使损耗最小的载波频率指令值和输出电压指令值的组合，所以参数选择指令器83在循环15结束以后(即，图中的循环C16以后)，将Fl作为载波频率指令值，将G3作为输出电压指令值持续输出。另外，图4所示的例子中，将载波频率指令值F变为Ff F5这5种，输出电压指令值G变为GfG3这3种，需要5X3 = 15个循环(图中，C1 C15)以探索、决定参数(载波频率指令值和电压变化率的指令值)，但是载波频率指令值F的变化数、输出电压指令值G的变化数并不分别局限于5、3，可以是2以上的数Q、R。这时，参数(载波频率指令值和输出电·压指令值G)的探索、决定需要QXR个循环。当使用以上的方法，参数的值的组合数(以上的例子中为15种)太多、参数的探索、决定所需要的循环数太多时，也可以只选择从参数的组合中通过随机数、遗传算法选择的组合。也可以使用基于实验设计法的其他方法。第2实施方式
图5是示出本发明的省电力驱动装置的第2实施方式的图。本实施方式中，有多台逆变器和电动机，全部进行同样的动作。例如，因为电动机的尺寸受限制，由多台电动机分担驱动一体的机械负载的情况。图5所示为逆变器和电动机为3台的情况，2台或4台以上的情况也一样。此外在图5中，DC-DC转换器的内部和逆变器内部的结构与第I实施方式相同，所以省略DC-DC转换器内部及逆变器内部结构的图示。下面的结构要素存在于各逆变器和电动机中，所以在末尾加上A、B、C识别。各要素的结构与第I实施方式相同。19A、19B、19C 逆变器 21A、21B、21C 电动机 23A、23B、23C机械负载 25A、25B、25C电动机编码器 27A、27B、27C 控制器
末尾附有A、B、C的三组完全进行相同的动作，所以参数选择指令器83只有一台，针对各组的参数(载波频率指令值F和输出电压指令值G)始终保持相同。电压测定器61和电流测定器63被连接以测量3组总计的电量W，所以通过和第I实施方式相同的电量运算、参数的探索、决定动作，探索、决定参数(载波频率指令值F、输出电压指令值G)使得3组总计的损耗变小。依据上述本发明的第I实施方式或第2实施方式的装置及方法，因为具备电量运算器81和参数选择指令器83，将逆变器19的参数变化为多个值，计算、比较各参数下相同负载模式的逆变器的受电电量W，选择使该受电电量最小的参数，向逆变器发指令，所以不用预先做实验而取得布线的电气特性、电磁噪声除去用元件的有无、每台电动机的损耗特性及温度变化等而取得损耗特性的数据，就能够考虑全部的结构要素的损耗特性使损耗量最小化。第3实施方式
图6是示出本发明的省电力驱动装置的第3实施方式的图。在此图中，111为外部电源，如电力公司供给的电源、自家发电装置。外部电源111在本实施方式中假定为供给三相交流电，但也可以是单相交流电或其他形态的电源。113是转换器，将外部电源111供给的电力变换为直流供给给非接触式电力传送装置140。转换器113在本实施方式中假定为二极管电桥，但也可以是通过相位控制而电压可变的晶闸管电桥、使用功率MOSFET、IGBT等电力控制元件的电桥。 119是逆变器，控制由非接触式电力传送装置140流向电动机121的电流、电压，使电动机121产生要求的转矩。逆变器119在本实施方式中假定为电压型逆变器，但也可以是电流型逆变器。当是电流型逆变器时，用电抗器代替作为非接触式电力传送装置的输出的电容器。此外，逆变器119在本实施方式中假定为能够实现电动机121的正反旋转、牵引、再生的4象限驱动的逆变器，但根据机械负载123 (相同负载模式装置)的特性及动作，也可以是旋转方向只有单向、或只能够实现牵引的逆变器。121是电动机，通过逆变器119与电动机121的组合，追随控制器127输入的转矩指令值，电动机121产生转矩。电动机121在本实施方式中，假定为三相感应电动机或三相永磁同步电动机，但如果通过与逆变器的组合可使得转矩、旋转速度可变的话，也可以是其他形式的电动机。123是机械负载，即相同负载模式装置，由电动机121驱动。125是电动机编码器，测定电动机121的旋转位置(角度)。作为电动机编码器125，使用光学式、磁式的旋转编码器、解算器。另外，控制器127进行速度控制时，测定电动机121的旋转速度(角速度)即可。这时，可将旋转编码器、解算器测定的旋转位置时间微分，也可像转速计那样直接测定旋转速度。127是控制器，由逆变器119、电动机121、电动机编码器125，控制器127构成前馈环路，电动机21进行控制以追随指令值生成器129的指令值。控制器127在本实施方式中，假定为位置控制，但也可以是速度控制。作为控制器内部的运算手法，多使用PID (Proportional Integral Derivative :比例积分微分)控制、I-PD (Integral Proportional Derivative :积分比例微分)控制等,但也可以使用其他控制手法。也可以组合用于改善控制性的前馈运算。控制器127能够由使用DSP (DigitalSignal Processor :数字信号处理器)、微型计算机的可编程装置或模拟电路或这些的组合实现。129是指令值生成器，将每个时刻中电动机121应该追随的电动机旋转角度指令值Ac输出到控制器127。电动机旋转角度指令值Ac的传送中，采用利用相位90度偏移的2相脉冲串的传送、利用各种通信网络的传送。因为电动机121的旋转角和机械负载123机械联动，所以指令电动机121的旋转角度与指令机械负载123的位置意义相同。指令值生成器129能够由使用具有半导体存储器之类的存储装置的DSP、微型计算机的可编程装置实现。140是非接触式电力传送装置，以直流电为输入及输出，以非接触式从供电端向受电端传送电力。在图6中，非接触式电力传送装置140由供电端电路和受电端电路构成。供电端电路，在本例中，由供电用天线线圈141、振荡电路143、驱动时钟生成电路144、驱动器控制电路145及驱动器146构成。受电端电路，在本例中，由受电用天线线圈142、电容器Cl及由4个整流二极管构成的整流电路147、及平滑电容器C2构成。受电用天线线圈142和电容器Cl形成谐振电路。对于供电用天线线圈141，由振荡电路143、驱动时钟生成电路144、驱动器控制电 路145、及驱动器146供给任意频率(谐振频率)的信号。当供电用天线线圈141被供给任意的频率(振荡频率)的信号时，因电磁耦合，受电用天线线圈142的两端产生感应电压，此感应电压通过整流电路147蓄电于平滑电容器C2，成为平滑的直流电压，供给给逆变器119。供电端电路的振荡电路143为产生例如由要求的频率构成的脉冲的电路。此振荡电路143的振荡动作的控制，由参数选择指令器183进行。驱动时钟生成电路144，是基于振荡电路143的输出生成指定频率的驱动时钟的电路，此频率的控制，由参数选择指令器183进行。驱动器控制电路145基于驱动时钟生成电路144生成的驱动时钟生成操作驱动器146的信号,输出于驱动器146。驱动器146由多个放大器和电容器C3构成，为驱动串联谐振电路的电路。作为使振荡电路143振荡对应发送频率指令值的频率的方法，有以下方法。(I)将具有远高于振荡频率的频率的晶体振荡器的输出用数字计数器(DigitalCounter)分频。通过计数器改变累加的值使得可以改变振荡频率。(2)用数字锁相环(Digital Phase-locked Loop)构成振荡电路，累加锁相环(PLL Phase-locked Loop)的分频计数器的值。(3)模拟振荡电路，用因电压容量变化的变容二极管等的元件构成。150是无线信号传送装置，由发送端的无线信号传送装置152和接收端的无线信号传送装置154构成。为发挥非接触式电力传送的优点，供电端和受电端之间用于信号传送的电缆也被除去，以无线传送循环开始信号Cs、循环结束信号Ce。有无线LAN (LocalArea Network :局域网)等通过电波传送的方式、在非接触式电力传送的动作时，使信号传送用的发光元件和受光元件对向配置，调制光并传送的方式等。161是电压测定器，163为电流测定器。电压测定器161和电流测定器163为计算流入非接触式电力传送装置140的电量，分别测定电压和电流，将电压测定值V (t)和电流测定值I (t)输出至电量运算器181。电压测定值V (t)、电流测定值I (t)的传送，能够使用以电压振幅、电流振幅模拟传送的方法、使用各种通信网络数字传送。将电压测定器161测定的时刻t时相对于负侧的正侧电压记为V (t)。此外将电流测定器163在时刻t时测定的图中从左流到右直流的正侧的电流记为I (t)。当电流测定值为负时，电流在图中表示为从右到左流动。
181是电量运算器，运算I个循环的电量W。即，将电压测定值V (t)和电流测定值I (t)相乘所得的值，从循环开始信号Cs被输入的时间点开始到循环结束信号Ce被输入的时间为止时间积分并输出。I个循环的电量W的传送，能够使用以电压振幅、电流振幅的模拟传送的方法、使用各种通信网络数字传送。电量运算器181可以通过使用DSP、微型计算机的可编程装置或模拟电子电路或这些的组合实现。电量运算器181进行如以下的运算。在时刻t的功率P (t)为电压与电流的积，如公式(3)所示。在这里，P (t)如为正值，则表示电在图中从左往右，如果P (t)为负值，则表示电在图中从右往左流动。P (t) =V (t) X I (t) (3) 因为I个循环的电量W是功率的时间积分，将此循环的循环开始信号的时刻写为Tl，循环结束信号的时刻写为T2的话，则如数学式2的公式(4)所示。[数学式2]
T2
W= J f(t)dt · · (4) 。
Tl如果设电量运算器181的运算进行时间AT周期，将公式(2)差分，从时刻Tl到时刻T2为止累加V (t)XI (t) X AT，就是I个循环的电量W。即，在循环结束的时间点，能够输出对于此循环而言的I个循环的电量。如上所述，通过容许电流测定值和功率存在负的值，本发明能够适用于I个循环中牵引和再生混合存在的情况。即，功率的正、负，各自相当于牵引和再生。183是参数选择指令器，在指令影响损耗量的参数的值的同时，基于各循环中I个循环的电量，选择适当的参数的值。在本实施方式中，参数为非接触式电力传送装置的振荡频率，参数选择指令器183向发送电路143输出振荡频率指令值F。参数选择指令器183能够通过使用DSP、微型计算机的可编程装置实现。图7是以本发明的第3实施方式为对象的相同负载模式装置的动作说明图。因为本发明以在相同负载模式下反复被运转的装置(相同负载模式装置)为对象，所以在本实施方式中，如图所示，电动机旋转角度指令值Ac具有循环(反复的相同模式)，在循环的开始时刻及结束时刻，指令值生成器129分别输出循环开始信号Cs和循环结束信号Ce。图7中，Cl、C2、C3分别表示循环。循环与循环之间可以输出任意指令值，例如停止机械负载123那样的指令值、使机械负载123按照手动操作而动作的指令值，但因为与本发明的动作没有关系，在以后的说明中为简化说明，设循环与循环之间输出使机械负载123停止那样的指令值。此外，在此图中循环开始信号Cs、循环结束信号Ce为脉冲信号，但可以是将循环开始表示为信号的上升沿、将循环结束表示为信号的下降沿等的其他信号波形。另外，控制器127进行速度控制时，使指令值生成器129输出电动机旋转速度指令值即可。
图8是参数选择指令器183的动作说明图。通过参数选择指令器183，探索、决定减小损耗的参数的过程如下。参数选择指令器183在每个循环输出不同的振荡频率指令值F。在循环结束的时间点，由电量运算器181输出各循环I个循环的电量W，所以存储于参数选择指令器183的内部。参数选择指令器183比较存储的I个循环的电量W，将电量最小的振荡频率指令值F作为以后的振荡频率指令值F输出。作为例子，如图8所示，设对于5个循环(图中，Cl、C2、C3、C4、C5)将其各自的振荡频率指令值F变为F1、F2、F3、F4、F5，设各个循环中的I个循环的电量为Wl、W2、W3、W4、W5。存储Wl、W2、W3、W4、W5，在循环5 (图中，C5 )结束的时间点进行比较，若假设W4最小，则能够知道对应W4的振荡频率指令值F4是使损耗最小的振荡频率指令值。在此，参数选择指令器183此后将F4作为振荡频率指令值持续输出。 另外，图8所示的例子中，将振荡频率指令值F变为Ff F5的五种值，探索、决定参数(振荡频率指令值)时需要Cf C5的5个循环，但是振荡频率指令值F的变化数不局限于5，只要是2以上的数Q即可。这时，探索、决定参数(振荡频率指令值)需要Q个循环。作为进行参数的探索、决定的时机，例如可以考虑到以下的(I) (3)。(I)供电用天线线圈和受电用天线线圈的相对位置关系发生变化时。例如，典型地，在受电用天线线圈搭载于移动体，在移动体停止中进行电力传送时，移动体移动，重新停止的情况。(2)电路元件的温度等使谐振频率发生变化的环境条件发生变化时。比如，可以使用温度计等实际测量环境条件的变化，发生了一定值以上的变化时进行参数的探索、决定，也可以在经过一定的循环数或一定时间后重新探索、决定参数。作为实现后者的方法，例如，在参数选择指令器内设置计算循环开始信号或循环结束信号的发生次数的计数器或测量经过时间的计时器，当计数器的值或计时器的值到达一定的值后重新进行参数的探索、决定。同时重置计数器或计时器重新开始循环数的计数或经过时间的测量。(3)将本发明适用于具有多个动作模式的装置(例如，搬运多个对象物的搬运装置，根据对象物不同改变搬运轨迹的情况)时，切换动作模式后立即进行参数的探索、决定。比如，由指示切换动作模式的控制器(未图示)向参数选择指令器通知切换动作模式，一旦通知动作模式的切换就进行参数的探索、决定。此外，也可用以上的时机的组合决定进行参数的探索、决定的时机。另外以上所述为例子，参数的探索、决定的时机并不由其限定。图9是示出每100循环重做参数的探索、决定的例子的图。在此例中，如图9所示变化振荡频率指令值。对于最初的5个循环(图中，C1、C2、C3、C4、C5)，将其各自的振荡频率指令值F变为F1、F2、F3、F4、F5，设各个循环中的I个循环的电量为W1、W2、W3、W4、W5。存储W1、W2、W3、W4、W5，在循环5 (图中，C5)结束的时间点进行比较，若假设W4最小，则能够知道对应W4的振荡频率指令值F4在此时是使损耗最小的振荡频率指令值，参数选择指令器183，此后在100个循环经过为止(B卩，对于循环C6 C100)将F4作为振荡频率指令值持续输出。100个循环经过后，再次，对于5个循环(图中，C101、C102、C103、C104、C105),将其各自的振荡频率指令值F变为FI、F2、F3、F4、F5，设各个循环中的I个循环的电量为W1M2M3M4M5,0 存储 Wl’、W2’、W3’、W4’、W5’，在循环 105 (图中，C105)结束的时间点进行比较，若假设W3’最小，则能够知道对应W3’的振荡频率指令值F3在此时是使损耗最小的振荡频率指令值，参数选择指令器183，此后在100个循环经过为止(即，对于循环C106 C200)将F3作为振荡频率指令值持续输出。此后，每100个循环重复以上的动作。另外本图9表示的最初的201个循环(图中，Cl C201)。装置周围的气温变化、装置持续运转导致装置发热、电路元件的温度等变化而使谐振电路的谐振频率发生变化时，使非接触式电力传送装置最高效传送电力的参数(本实施方式中为振荡频率)虽然也有发生变化的可能性，但通过以以上的方法重新探索、决定振荡频率指令值，始终能够以非接触式电力传送装置以最高效地进行电力传送的参数(振荡频率)运转。·
图10是示出在具有多个动作模式的装置中，重做参数的探索、决定的例子的图。模式I中，运转的最初的5个循环(图中，C1、C2、C3、C4、C5)，将其各自的振荡频率指令值F变为Fl、F2、F3、F4、F5，设各个循环中的I个循环的电量为Wl、W2、W3、W4、W5。存储11、12、13、14、15，在循环5 (图中，C5)结束的时间点进行比较，若假设Wl最小，则能够知道对应Wl的振荡频率指令值Fl对于模式I是使损耗最小的振荡频率指令值，参数选择指令器183，此后在模式I运转期间，将Fl作为振荡频率指令值持续输出。动作模式切换到模式2时，模式2中运转的最初的5个循环(图中，Cl、C2、C3、C4、C5)，将其各自的振荡频率指令值F变为F1、F2、F3、F4、F5，设各个循环中的I个循环的电量为 W1’、W2’、W3’、W4’、W5’。存储 Wl’、W2’、W3’、W4’、W5’，在循环 5 (图中，C5)结束的时间点进行比较，若假设W5’最小，则能够知道对应W5’的振荡频率指令值F5对于模式2是使损耗最小的振荡频率指令值，参数选择指令器183，此后在模式2运转期间，将F5作为振荡频率指令值持续输出。第4实施方式
图11是示出本发明的省电力驱动装置的第4实施方式的图。本例中，有多台逆变器和电动机，指令值生成器129将每个时刻中电动机121A应该追随的电动机旋转角度指令值Ac’输出到控制器127A，电动机121B应该追随的电动机旋转角度指令值Ac”输出到控制器127B。多台电动机的动作，可以是下面的任何一个。(I)全部的电动机进行相同的动作。例如，由于电动机的尺寸受到限制，由多台电动机分担驱动一体的机械负载的情况。这时，电动机121A应该追随的电动机旋转角度指令值Ac’和电动机121B应该追随的电动机旋转角度指令值Ac”，始终是同一个值即可。(2)各台电动机动作不同。例如，多关节机器人中，具备驱动各个关节的马达的情况。这时，电动机121A应该追随的电动机旋转角度指令值Ac’和电动机121B应该追随的电动机旋转角度指令值Ac ”，一般为不同的值。此图表示第3实施方式中逆变器和电动机为2台的情况的例子。另外此例中，虽然表示逆变器和电动机为2台的情况，但3台以上的情况也相同。下面的结构要素存在于各逆变器和电动机中，所以在末尾加上A、B识别。各要素的结构与第3实施方式相同。
119AU19B 逆变器 121AU21B 电动机 123AU23B机械负载 125AU25B 电动机编码器 127AU27B控制器
对于末尾附有A、B的2组，电力供给通过一台非接触式电力传送装置进行，所以通过进行与第3实施方式相同的电量运算、参数探索、决定动作，探索、决定参数(振荡频率指令值F)使2组总计的损耗变小。另外，本发明并不局限于上述实施方式，它由权利要求书所示出，进而包含与权利要求书所记载的内容均等的意思及范围内的全部变更。例如，也可以相同负载模式内的每多个区间选择上述参数 此外，逆变器的参数，也可以是开关波形的电压变化率。 上述本发明的循环是装置进行相同动作的区间即可，无需和本发明适用的装置的运转循环严密一致。例如，也可以只将装置的动作激烈，大电流流过电动机的区间作为本发明的循环对待。电动机21、121，也可以用线性电动机作为旋转电动机的代替。取代电动机编码器而使用直接检测机械负载的位置、速度的负载编码器、线性编码器也可。作为外部电源和转换器的组合，也可以由直流电源(直流发电机、燃料电池、电池等)直接电力供给交流电。符号说明
15直流总线；17电容器；19、19A、19B、19C逆变器；21、21A、21B、21C电动机；23、23A、23B、23C机械负载(相同负载模式装置)；25、25A、25B、25C电动机编码器；27、27A、27B、27C控制器；29指令值生成器；41电力控制部；43电动机电流测定器；45指令运算器；47 PWM调制器；49载波振荡器；51栅极驱动电路；61电压测定器；63电流测定器；81电量运算器；83参数选择指令器；91电池；93 DC-DC转换器；95 DC-DC转换器控制电路；111外部电源；113转换器；119、119A、119B逆变器；121、121A、121B电动机；123、123A、123B机械负载(相同负载模式装置);125、125A、125B电动机编码器;127、127A、127B控制器；129指令值生成器；140非接触式电力传送装置；141供电用天线线圈；142受电用天线线圈；143振荡电路；144驱动时钟生成电路；145驱动器控制电路；146驱动器；147整流电路；150无线信号传送装置；152发送端的无线信号传送装置；154接收端的无线信号传送装置；161电压测定器；163电流测定器；181电力量运算器；183参数选择指令器。
权利要求
1.一种省电力驱动装置，其具备由电池驱动的DC-DC转换器及由该DC-DC转换器的输出驱动的逆变器，用于被由该逆变器供给电力的电动机驱动的具有相同负载模式的装置，其特征在于，具备 电量运算器，计算所述相同负载模式下的来自电池的受电电量；和参数选择指令器，使逆变器的参数变化为多个值，比较各参数下的所述受电电量，选择使该受电电量最小的参数，向逆变器发指令。
2.如权利要求I所述的省电力驱动装置，其特征在于，具备 指令值生成器，输出所述负载模式的循环开始信号和循环结束信号。
3.如权利要求I或2所述的省电力驱动装置，其特征在于 所述逆变器的参数为载波频率及DC-DC转换器的输出电压。
4.一种省电力驱动方法，用于具备由电池驱动的DC-DC转换器及由该DC-DC转换器的输出驱动的逆变器，并且被由该逆变器供给电力的电动机驱动的具有相同负载模式的装置，其特征在于 使逆变器的参数变化为多个值， 计算所述各参数下的所述相同负载模式导致的来自电池的受电电量， 比较各参数下的所述受电电量，选择使该受电电量最小的参数，向逆变器发指令。
5.一种省电力驱动装置，用于被由非接触式电力传送装置进行电力供给的电动机驱动，具有相同负载模式的装置，其特征在于，具备 电量运算器，计算所述相同负载模式下非接触式电力传送装置的初级端电量；和参数选择指令器，将非接触式电力传送装置的参数变化为多个值，比较各参数下的所述初级端电量，选择使该初级端电量最小的参数，向非接触式电力传送装置发指令。
6.如权利要求5所述的省电力驱动装置，其特征在于，具备 指令值生成器，输出所述负载模式的循环开始信号和循环结束信号。
7.如权利要求5或6所述的省电力驱动装置，其特征在于 所述非接触式电力传送装置的参数为供电端的振荡频率。
8.一种省电力驱动方法，用于被由非接触式电力传送装置进行电力供给的电动机驱动的、具有相同负载模式的装置，其特征在于 将非接触式电力传送装置的参数变化为多个值， 计算所述各参数下所述相同负载模式导致的非接触式电力传送装置的初级端电量，比较各参数下所述初级端电量，选择使该初级端电量最小的参数，向非接触式电力传送装置发指令。
全文摘要
本发明提供一种省电力驱动装置，其具备由电池(91)驱动的DC-DC转换器(93)、和由DC-DC转换器的输出所驱动的逆变器(19)，用于被由逆变器供给电力的电动机(21)驱动，以相同负载模式反复运转的相同负载模式装置(23)。其具备电量运算器(81)，计算在相同负载模式下来自电池的受电电量W；以及参数选择指令器(83)，将逆变器的参数(载波频率指令值F及输出电压指令值G)变化为多个值，比较各参数下的受电电量，选择使受电电量最小的参数，向逆变器发指令。
文档编号H02M7/48GK102893512SQ20118002341
公开日2013年1月23日 申请日期2011年6月13日 优先权日2010年6月15日
发明者新妻素直 申请人:株式会社Ihi