CN105229918A - 电动机控制装置 - Google Patents

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Abstract

目的在于得到一种对电阻再生方式的电动机驱动设备进行控制的电动机控制装置,其能够准确地计算出电力,而不使用电力计等专用的测量设备,该电动机控制装置所具有的消耗电力计算部(5)基于电动机电流(I)、或者电动机电流(I)和电动机速度(v),计算出损耗(L),计算出根据电动机速度(v)与扭矩(τ)或推力之积计算出的电动机输出(W),对再生电阻(3)是否正在通电进行判定,在再生电阻(3)通电时,如果损耗(L)和电动机输出(W)的合计值(W+L)≥0,则利用W+L计算出每单位时间的消耗电力(P),如果损耗(L)和电动机输出(W)的合计值(W+L)<0,则将每单位时间的消耗电力计算为P=0,在再生电阻(3)未通电时,利用损耗(L)和电动机输出(W)的合计值(W+L),计算出每单位时间的消耗电力(P)。

Description

电动机控制装置
技术领域
本发明涉及一种电动机控制装置。
背景技术
关于伺服放大器等电动机驱动设备,从对驱动时产生的再生电力(能量)进行处理的方式的角度出发,分类为:使再生电力返回电源的电源再生方式、和由再生电阻(再生制动)对再生电力进行消耗的电阻再生方式。电阻再生方式的电动机驱动设备不同于电源再生方式,由于不需要设置使再生电力返回电源的专用的电路(电源再生转换器等),因此具有与电源再生方式的电动机驱动设备相比硬件价格便宜的优点,作为用于驱动工业用机械的电动机驱动设备而被广泛地使用。
另一方面,历来,存在下述要求,即,希望准确地掌握电动机驱动设备对电动机进行驱动时的消耗电力,而不设置电力计(功率计)等高价的专用测量设备。其原因在于,通过准确地掌握消耗电力,能够准确地掌握电动机驱动时的电费、选择适当的电源设备容量。
为了解决上述问题,例如在专利文献1中公开了下述技术,即,在从共用电源部供给电力、对多个轴进行驱动的电阻再生方式的电动机驱动装置中,计算出各轴的输出的合计值,在合计值为负的情况下,将电量设为零,计算出整体的消耗电力。在专利文献1中,在各轴的输出的合计值为负的情况下,将电量设为零,设定为由再生电阻消耗相当于该负值的电力而进行处理。
专利文献1:日本特开2010-81679号公报
发明内容
但是,在具有再生电阻的电动机驱动设备中,电动机进行减速动作的情况下等产生的再生电力并非全部由再生电阻消耗,其一部分能够积蓄在设置于电动机控制设备处的平滑电容器中。由再生电阻而消耗的电力成为损耗,但积蓄在平滑电容器中的电力能够进行再利用,如果将其作为损耗而进行计算,则不能准确地计算出消耗电力。
在上述现有技术中,未考虑积蓄在该平滑电容器中的这部分电力。因此,存在不能准确地计算出电动机驱动时的消耗电力的问题。
本发明就是鉴于上述情况而提出的,其目的在于,得到一种对电阻再生方式的电动机驱动设备进行控制的电动机控制装置,该电动机控制装置能够准确地计算出电力,而不使用电力计等专用的测量设备。
为了解决上述课题,实现目的,本发明是一种电动机控制装置,该电动机控制装置的特征在于,具有:整流部,其将交流电源的电力变换为直流电力并输出;主电路平滑用的平滑电容器,其与所述整流部的输出连接;再生电阻,其消耗再生电力,该再生电阻的一个端子与所述平滑电容器的一个电极连接;逆变器部,其将所述整流部输出的直流电力变换为适合于电动机的驱动的交流电力;电流检测部,其连接于所述电动机和所述逆变器部之间,对所述电动机的电动机电流进行检测;速度计算部,其计算出所述电动机的电动机速度;扭矩计算部,其基于所述电动机电流,计算出所述电动机的扭矩或推力;伺服控制部,其根据各种指令信息,向所述逆变器部发送电压指令;以及消耗电力计算部,其基于所述电动机电流、或者所述电动机电流和所述电动机速度,计算出损耗,计算出根据所述电动机速度与所述扭矩或推力之积而计算出的电动机输出,对所述再生电阻是否正在通电进行判定,所述消耗电力计算部,在所述再生电阻通电时,如果所述损耗和所述电动机输出的合计值大于或等于0,则将每单位时间的消耗电力计算为所述合计值,如果所述损耗和所述电动机输出的所述合计值为负,则将每单位时间的所述消耗电力计算为0,在所述再生电阻未通电时,将每单位时间的消耗电力计算为所述损耗和所述电动机输出的所述合计值。
发明的效果
根据本发明,具有下述效果,即,能够得到一种电动机控制装置,该电动机控制装置能够准确地计算出电力,而不使用电力计等专用的测量设备。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。
图2是说明实施方式1所涉及的电动机控制装置的动作例的流程图。
图3是表示实施方式2所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。
图4是说明实施方式2所涉及的电动机控制装置的动作例的流程图。
图5是表示实施方式3所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。
图6是说明实施方式3所涉及的电动机控制装置的动作例的流程图。
图7是表示实施方式4所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。
图8是说明实施方式4所涉及的电动机控制装置的动作例的流程图。
图9是表示实施方式4所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。
图10是表示实施方式4所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。
具体实施方式
下面,基于附图,对本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式进行详细说明。此外,本发明并不受本实施方式限定。
实施方式1
图1是表示本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式1的结构例的框图。图1所示的电动机控制装置与交流电源1连接,具有整流器2、平滑电容器10、母线电压测量部11、再生电阻3、再生晶体管4、消耗电力计算部5、逆变器103、电流检测部104、伺服控制部106以及扭矩计算部105,对带编码器102的电动机101进行控制。编码器102是速度计算部的一个例子。
交流电源1(例如三相交流电源)与整流器2(例如二极管堆)连接,从交流电源1供给的交流电力受到整流,整流得到的电力由平滑电容器10进行平滑化,从而输出直流电压。
母线电压测量部11与平滑电容器10的后级连接,由母线电压测量部11测量到的母线电压Vdc向消耗电力计算部5输出。
串联连接的再生电阻3和再生晶体管4(再生开关)与母线电压测量部11的后级连接。如果产生再生电力,直流电源的电压上升至阈值,则再生晶体管4进行动作,由再生电阻3将该再生电力消耗,进行改正动作。
逆变器103与再生电阻3和再生晶体管4的后级连接。逆变器103经由电流检测部104而与电动机101连接。作为逆变器103,能够例示出PMW逆变器。
电动机101具有编码器102。编码器102对电动机101的电动机速度v及位置进行检测,向消耗电力计算部5及伺服控制部106输出。
电流检测部104对电动机101的电动机电流I进行检测,向伺服控制部106、扭矩计算部105及消耗电力计算部5输出。
伺服控制部106基于各种指令信息(电动机101的动作的参照信号,即位置指令、速度指令、电流指令等),计算用于产生电动机101进行追随而所需的电流的电压指令,并向逆变器103输出。基于该电压指令,向电动机101供给直流电力。伺服控制部106例如构成反馈控制***,以使指令信息追随作为检测值的位置、速度、电流。
扭矩计算部105根据由电流检测部104检测到的电动机101的电动机电流I,计算出电动机101的扭矩τ,向消耗电力计算部5输出。扭矩计算部105在检测到了电动机电流I时,计算出扭矩τ。具体地说,在扭矩τ和电动机电流I存在比例关系的情况下,根据τ=Kt×I,计算出扭矩τ。在这里,Kt是扭矩常数。
此外,作为电动机101,在使用同步电动机的情况下,由于扭矩常数和感应电压常数相等,因此也可以取代扭矩常数而使用感应电压常数。或者,即便在扭矩τ和电动机电流I不存在比例关系的情况下,扭矩τ也依赖于电流。因此,在扭矩τ和电动机电流I不存在比例关系时,也可以将电动机电流I和产生的扭矩τ之间的关系作为表格或函数而预先存储,基于此计算出扭矩τ。即,如果将表示电动机电流I(t)和扭矩τ(t)之间的关系的表格或函数设为F(I),则τ=F(I)。因此,扭矩计算部105存储扭矩常数Kt或表示电动机电流I(t)与扭矩τ(t)之间的关系的表格或函数即可。
消耗电力计算部5基于由母线电压测量部11测量到的母线电压Vdc、由编码器102检测到的电动机101的电动机速度v及位置等信息、由电流检测部104检测到的电动机101的电动机电流I及由扭矩计算部105计算得到的扭矩τ,计算出消耗电量(或累计电量)E并输出。
下面,参照图2,对电动机101的驱动时的电动机控制装置的动作进行说明。图2是说明本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式1的动作例的流程图。
首先,消耗电力计算部5将累计电量E设为0(步骤S1)。
然后,电流检测部104对电动机电流I进行检测,编码器102对电动机速度v进行检测(步骤S2)。此外,步骤S2以后的处理针对每个采样时间ΔT而进行。
然后,扭矩计算部105基于由电流检测部104检测到的电动机电流I,计算出扭矩τ(步骤S3)。在这里,关于扭矩τ的计算,如上述说明所述,利用扭矩τ依赖于电动机电流I这一情况进行计算即可。
然后,消耗电力计算部5根据由编码器102检测到的电动机速度v及由扭矩计算部105计算得到的扭矩τ,计算出电动机输出W,根据电动机速度v及由电流检测部104检测到的电动机电流I,计算出损耗L(步骤S4)。
电动机输出W利用W=v×τ进行计算。
另外,作为与电动机101的驱动相伴而产生的损耗L,能够举出铜损Lc及铁损Li。铜损Lc是由于电动机101中线圈的电阻而丧失的能量,铁损Li是电动机101中卷绕的铁心被交流磁化时丧失的能量。
铜损Lc能够使用电动机绕组电阻R而利用下述算式(1)进行计算
【算式1】
Lc=R·I2...(1)
铁损Li是迟滞损耗和涡流损耗之和。铁损Li能够根据电动机101的磁通密度B、和电动机速度v,表示为Li=α’×v×Bγ+β’×v2×B2。在这里,α’、β’、γ是比例常数。并且,通过利用磁通密度B与电动机电流I大致成正比这一情况,使用其他的比例常数α和β,从而铁损Li能够利用下述算式(2)进行表示。
【算式2】
Li=α·v.Iγ+β·v2·I2...(2)
因此,铁损Li不仅依赖于电流,还依赖于速度。此外,α、β、γ能够通过对电动机101进行电磁场解析而得到。
与电动机101的驱动相伴而产生的损耗L是铜损Lc及铁损Li之和,能够利用下述算式(3)进行表示。
【算式3】
L=Lc+Li=R·I2+α·v·Iγ+β·v2·I2...(3)
此外,上述算式及各种常数等(电动机绕组电阻R、常数α、β、γ等)存储在消耗电力计算部5中。
此外,在上述的损耗L中,也可以还加上逆变器及整流部的损耗。
此外,在上述说明中,利用算式(3)计算出由与电动机电流I的平方成正比地产生的铜损Lc、和依赖于电动机速度v和电动机电流I两者而产生的铁损Li构成的损耗L,但不限定于此,只要是表示用于对损耗进行模型化的算式及常数的方法,则也可以使用其他方法。另外,在使用铁损Li充分小的电动机的情况下,也可以忽略铁损Li
然后,母线电压测量部11对母线电压Vdc进行检测(步骤S5)。
然后,消耗电力计算部5对步骤S5中检测到的母线电压Vdc是否大于或等于阈值进行比较(步骤S6)。在这里,作为阈值,能够例示再生晶体管4导通的电压、即阈值电压Vth。如果母线电压Vdc大于或等于再生晶体管4的阈值电压Vth,则再生晶体管4导通,由再生电阻3将再生电力消耗。如果母线电压Vdc大于或等于再生晶体管4的阈值电压Vth,则跳转至步骤S7。如果母线电压Vdc小于再生晶体管4的阈值电压Vth,则跳转至步骤S9。
<跳转至步骤S7的情况>
消耗电力计算部5基于步骤S4中计算得到的电动机输出W和损耗L之和是大于或等于0还是为负,利用下述算式(4),计算每单位时间的消耗电力P(步骤S7)。
【算式4】
P = W + L ( W + L &GreaterEqual; 0 ) 0 ( W + L < 0 ) ... ( 4 )
然后,消耗电力计算部5计算每单位时间的再生电力Q=Vdc 2/Rr(步骤S8)。在这里,电阻值Rr是再生电阻3的电阻值。电阻值Rr存储在消耗电力计算部5中。然后,跳转至步骤S11。
<跳转至步骤S9的情况>
使用步骤S4中计算出的电动机输出W和损耗L,消耗电力计算部5利用下述算式(5)计算出每单位时间的消耗电力P(步骤S9)。
【算式5】
P=W+L...(5)
然后,消耗电力计算部5将每单位时间的再生电力设为Q=0(步骤S10)。然后,跳转至步骤S11。
<跳转至步骤S11后>
然后,消耗电力计算部5将在步骤S7或步骤S9中计算出的消耗电力P与每单位时间的固定部分消耗电力Pc相加,计算总消耗电力(步骤S11)。在这里,所谓固定部分消耗电力Pc,是指即使产生再生电力也不能利用该电力的电动机驱动设备所消耗的电力。固定部分消耗电力Pc例如在伺服控制部106是微处理器的情况下,是该微处理器的每单位时间的消耗电力。此外,在固定部分消耗电力Pc相对于消耗电力P小得能够忽略的情况下,也可以将固定部分消耗电力设为Pc=0,省略步骤S11。
然后,消耗电力计算部5在时间上对再生电力Q进行平滑化,计算出平滑化再生电力Q’(步骤S12)。在这里,使用一阶延迟滤波器或移动平均滤波器进行平滑化即可。
然后,消耗电力计算部5对每单位时间的消耗电力P进行累计,利用下述算式(6)计算出累计电量E(步骤S13)。
【算式6】
E=E+P·ΔT...(6)
然后,消耗电力计算部5对是否经过了计算累计电量E的累计时间进行判定(步骤S14)。如果经过了计算累计电量E的累计时间,则结束处理,如果未经过累计时间,则返回步骤S2。
如上述说明所述,根据图2的流程图,能够计算出从开始处理至累计时间为止所消耗的电量的总和,即累计电量E。
另外,根据图2的流程图,针对每采样时间ΔT,能够得到每单位时间的消耗电力P、每单位时间的再生电力Q、每单位时间的平均再生电力Q’、以及从处理开始至当前为止的电动机和电动机驱动设备所使用的累计电量E。
在这里,在下面说明能够准确地计算出电动机和电动机驱动设备的消耗电力的理由。
在步骤S4中,通常,如果电动机进行动作,则产生铜损或铁损,损耗L≥0,并且,在电动机进行加速时,由于速度和扭矩的符号一致,因此电动机输出W>0,在电动机进行减速时,由于速度和扭矩的符号不一致,因此电动机输出W<0。
在步骤S6中进入N分支时,即,在母线电压Vdc小于阈值电压Vth、再生电阻3未通电时,由于如果W>0,则消耗与电动机输出W的电力和损耗L的合计值相对应的量的电力,因此每单位时间的消耗电力P为P=W+L。当然,P=W+L>0,整体上是消耗电力。
另外,如果W<0、W+L>0,则电动机所产生的再生电力的一部分充当损耗的补偿,由于整体上消耗W+L的电力,因此每单位时间的消耗电力P为P=W+L。
并且,如果W<0、W+L<0,则整体上未消耗电力,而是在产生电力。由于再生电阻未通电,因此电力积蓄于母线间(平滑电容器10中)。在该情况下,每单位时间的消耗电力P也作为P=W+L进行计算。P=W+L<0,表示在产生电力。
即,在步骤S6中进入N分支的情况下,不论是哪一种情况,每单位时间的消耗电力P均为P=W+L(步骤S9)。并且,由于再生电阻3未通电,因此每单位时间的再生电力Q为Q=0(步骤S10)。
在步骤S6中进入Y分支时,即,在母线电压Vdc大于或等于阈值电压Vth、再生电阻3未通电时,由于如果W+L≥0,则整体上是消耗电力,因此每单位时间的消耗电力P为P=W+L。并且,如果W+L<0,则由于虽然产生再生电力,但该再生电力被再生电阻3消耗,因此每单位时间的消耗电力为P=0(步骤S7)。并且,由于再生电阻3正在通电,因此根据母线电压Vdc和再生电阻3的电阻值Rr,电流Vdc/Rr流过再生电阻3。因此,每单位时间的再生电力Q为Q=Vdc’×(Vdc/Rr)=Vdc 2/Rr(步骤S8)。
此外,平滑电容器10能够积蓄与其电容相应的电力。如果积蓄的电力增大,则与其电容相应地,平滑电容器10间的电压上升。即,母线电压Vdc上升。然后,如果母线电压Vdc上升至再生晶体管4的阈值电压Vth,则再生电力被再生电阻3消耗。
根据本发明的结构,由于逐次(针对每个规定的采样时间)对母线电压Vdc进行监视,判断再生电力是积蓄在平滑电容器10中、还是被再生电阻3消耗,并且对消耗电力进行计算,因此能够进行准确的计算。
如果以上述方式对每单位时间的消耗电力P进行计算,则还能够更准确地计算出对消耗电力P进行累计而计算得到的累计电量E。
并且,在步骤S11中,加上了每单位时间的固定部分消耗电力Pc,该固定部分消耗电力Pc是即使产生再生电力,也不能利用该再生电力的电动机控制装置的电子部件(例如微处理器等)所消耗的电力。
例如,在不能利用该再生电力的电子部件是微处理器的情况下,能够根据微处理器的规格预先计算出具体的固定部分消耗电力Pc,将该值存储到消耗电力计算部5中即可。
如上所述,在步骤S11中,由于即使在再生晶体管4导通、再生电力被再生电阻3消耗的情况下,也将不能利用再生电力的电子部件的消耗电力作为固定部分消耗电力Pc相加,因此能够准确地计算出每单位时间的消耗电力P。
另外,在步骤S12中,通过对再生电力Q进行平滑化,计算出平滑化再生电力Q’。其原因在于,由于如果母线电压Vdc每隔采样时间而以跨越再生晶体管4的阈值电压Vth的方式进行变化,则在步骤S6中,每隔采样时间而切换地进入N分支和Y分支,再生电力Q每隔采样时间在非0值和0之间进行切换,难以直观地掌握是否产生了再生电力Q,因此利用一阶延迟滤波器或移动平均滤波器等对再生电力Q进行平滑化,计算出平滑化再生电力Q’,从而掌握平均的再生电力。此外,在希望掌握再生电力Q而不对其进行平滑化的情况下,也可以省略步骤S12。
作为前述的电动机控制装置准确地计算出电力信息、尤其是累计电量的典型例子,以使用电动机间歇性地进行多次定位动作的情况为例,进一步进行详细说明。
在电动机从停止状态进行加速的情况和进行匀速动作的情况下,由于加速扭矩和摩擦扭矩即电动机扭矩的符号与速度的符号相同,因此电动机输出W始终为正。但是,如果电动机开始减速动作,则电动机扭矩和速度的方向通常相反,电动机输出W为负。
并且,在电动机输出W和损耗L之和也为负的情况(W+L<0)下,产生再生电力,但再生电力未立即被再生电阻3消耗。再生电力首先贮存在电动机控制装置内的平滑电容器中,与此相应地,母线电压Vdc上升。然后,如果母线电压Vdc变得大于或等于再生晶体管4的阈值电压Vth,则再生晶体管4导通,再生电力的一部分被再生电阻3消耗,母线电压Vdc降低。
另外,如果在减速动作中母线电压Vdc并未大于或等于再生晶体管4的设定电压(在本实施方式中,大于或等于阈值电压Vth),则再生晶体管4不导通,再生电力持续地积蓄在母线间(平滑电容器10中)。不论是哪一种情况,在刚减速停止后,再生电力的一部分或全部残留在母线间(平滑电容器10中)。
然后,在减速停止完成后,再次进行定位动作时,在加速动作时,使用在上次定位动作时产生的再生电力的一部分或全部。如前所述,该再生电力贮存在平滑电容器中。如果假设再生电力全部被再生电阻3消耗而计算出累计电量,则实际使用的累计电量、和计算出的累计电量之间产生误差。但是,根据本发明,在产生了再生电力的情况下,由于考虑到是积蓄在平滑电容器10中(将每单位时间的消耗电力P计算为负值)、还是被再生电阻3消耗(将每单位时间的消耗电力P计算为0)而进行计算,因此能够准确地计算每单位时间的消耗电力P及将每单位时间的消耗电力P进行累计而得到的累计电量E。
即,本发明的特征之一在于,根据再生电阻3是否通电,对每单位时间的消耗电力P及再生电力Q的计算方法进行变更。
此外,在本实施方式中,以编码器102安装于电动机101、编码器102能够直接对电动机101的速度进行检测的情况为例进行了说明,但也可以是下述结构,即,在不直接对电动机101的速度进行检测的情况下,根据流过电动机101的电流、电动机101的相间电压等信息,推算电动机101的速度,作为速度信息使用。
此外,在本实施方式中,对电动机101是旋转型电动机的情况进行了说明,但使用线性电动机也是同样的。此时,与旋转型电动机的扭矩相当的是线性电动机的推力。由于线性电动机的推力依赖于电动机电流I,因此使用推力常数Kt、表格或函数F,对线性电动机的推力进行计算即可。
实施方式2
在实施方式1中,根据母线电压Vdc是否大于再生晶体管4的设定电压(阈值电压Vth),从而判定再生电阻3是否正在通电,但本发明不限定于此。在本实施方式中,说明利用通过除了母线电压Vdc和再生晶体管4的阈值电压Vth的大小关系以外的方法而对再生电阻3是否正在通电进行判定的方式。
图3是表示本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式2的结构例的框图。与图1相比,获取再生晶体管4的导通/截止状态信号这一点不同。并且,图4是说明本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式2的动作例的流程图。在本实施方式中,关注于与图2不同的部分进行说明。
首先,步骤S1~S5与实施方式1的图2相同。在本实施方式中,在步骤S5之后,获取再生晶体管4的导通/截止状态(步骤S6-1)。然后,消耗电力计算部5基于在步骤S5中获取到的再生晶体管4的导通/截止状态,进行再生晶体管4是否导通的判定(步骤S6-2)。在再生晶体管4处于导通的情况下,跳转至步骤S7,在再生晶体管4未导通的情况下,跳转至步骤S9。跳转至步骤S7后及跳转至步骤S9后的处理与实施方式1的图2相同。
如以上说明所述,在图4中,通过再生晶体管4是否导通,对再生电阻3是否正在通电进行判定。如果再生晶体管4处于导通,则再生电阻3通电,如果再生晶体管4处于截止,则再生电阻3未通电。
在本实施方式中,也与实施方式1同样地,能够考虑到积蓄在平滑电容器10中的再生电力,准确地计算出每单位时间的消耗电力P、每单位时间的再生电力Q及累计电量E。
如上所述,在实施方式1中,通过母线电压Vdc,对再生电阻3是否正在通电进行判定,在本实施方式中,通过再生晶体管4的导通/截止状态,对再生电阻3是否正在通电进行判定。即,消耗电力计算部5在再生晶体管4处于导通时,判定为在进行再生动作,在再生晶体管4处于截止时,判定为未进行再生动作。但是,本发明不限定于此。例如,也可以对表示再生电力相对于容许再生电力的比例的再生负载率进行计算,基于再生负载率,对再生电阻3是否正在通电进行判定。即,也可以在再生负载率为0时,判定为再生电阻3未通电,在再生负载率大于0时,判定为再生电阻3通电。
实施方式3
在实施方式1、2中,说明了相对于1个整流部及平滑电容器设置1个逆变器、驱动1个电动机的电动机控制装置,但本发明不限定于此。在本实施方式中,说明相对于1个转换器设置多个逆变器、驱动多个电动机的电动机控制装置。
图5是表示实施方式3所涉及的电动机控制装置的结构例的框图。图5所示的电动机控制装置相对于图1所示的电动机控制装置,追加了带第2编码器102b的第2电动机101b、第2逆变器103b、第2电流检测部104b、第2轴扭矩计算部105b、以及第2轴伺服控制部106b。
此外,图5所示的第1电动机101a与图1所示的电动机101相同,图5所示的第1编码器102a与图1所示的编码器102相同,图5所示的第1逆变器103a与图1所示的逆变器103相同,图5所示的第1电流检测部104a与图1所示的电流检测部104相同,图5所示的第1轴扭矩计算部105a与图1所示的扭矩计算部105相同,图5所示的第1轴伺服控制部106a与图1所示的伺服控制部106相同。
第1逆变器103a将电流从整流部和平滑电容器所生成的直流电源向第1电动机101a供给。第2逆变器103b也将电流从转换器和平滑电容器所生成的直流电源向第2电动机101b供给。
第1电流检测部104a对第1电动机101a的电动机电流I1进行检测。第2电流检测部104b也对第2电动机101b的电动机电流I2进行检测。
第1轴扭矩计算部105a根据电动机电流I1,计算出在第1电动机101a中产生的扭矩τ1。第2轴扭矩计算部105b根据电动机电流I2,计算出在第2电动机101b中产生的扭矩τ2。此外,第1轴扭矩计算部105a和第2轴扭矩计算部105b与扭矩计算部105起相同的作用,在连接有第1电动机101a和第2电动机101b的情况下,存储有对应于各个电动机的扭矩常数Kt或表示电动机电流I(t)与扭矩τ(t)之间的关系的表格或函数。
第1轴伺服控制部106a对第1轴电动机101a进行控制,计算出第1轴电压指令,该第1轴电压指令用于产生第1电动机101a追随第1电动机101a的动作的参照信号、即第1轴指令信号(位置指令、速度指令、电流指令)而所需的电流。第2轴伺服控制部106b对第2电动机101b进行控制,计算出第2轴电压指令,该第2轴电压指令用于产生第2电动机101b追随第2电动机101b的动作的参照信号、即第2轴指令信号(位置指令、速度指令、电流指令)而所需的电流。
在图5所示的结构和图1所示的结构之间,2个逆变器和2个电动机与1个整流部的输出连接这一点不同。
消耗电力计算部5基于由母线电压测量部11测量到的母线电压Vdc、由第1编码器102a、第2编码器102b检测到的第1电动机101a、第2电动机101b的电动机速度v1、v2及位置等信息、由第1电流检测部104a、第2电流检测部104b检测到的第1电动机101a、第2电动机101b的电动机电流I1、I2以及由第1轴扭矩计算部105a、第2轴扭矩计算部105b计算得到的扭矩τ1、τ2,计算出消耗电量并输出。
下面,参照图6,对电动机101a、101b的驱动时的电动机控制装置的动作进行说明。图6是说明本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式3的动作例的流程图。
此外,在图6中,N个(N≥2,为自然数)逆变器与1个整流部连接,N个电动机受到驱动。另外,引入轴编号索引i。
首先,消耗电力计算部5将累计电量E设为0,设为轴编号索引i=1(步骤S1a)。
然后,利用第i轴电流检测部104i对第i轴电动机电流Ii进行检测,利用第i轴编码器102i对第i轴电动机速度vi进行检测(步骤S2a)。此外,在本实施方式中,对i=1(第1轴)的结构的标号附加“a”,对i=2(第2轴)的结构的标号附加“b”,其他也如此。例如,关于电流检测部,针对第1轴记载为“第1轴电流检测部104a”,针对第2轴记载为“第2轴电流检测部104b”。此外,在每个采样时间ΔT内进行步骤S2a及其以后的处理。
然后,第i轴扭矩计算部105i基于由第i轴电流检测部104i检测到的第i轴电动机电流Ii,计算出第i轴扭矩τi(步骤S3a)。在这里,扭矩τi的计算以实施方式1中说明的方式进行即可,在这里省略其说明。
然后,消耗电力计算部5根据由第i轴编码器102i检测到的第i轴电动机速度vi及由第i轴扭矩计算部105i计算出的第i轴扭矩τi,计算出第i轴电动机输出Wi,根据第i轴电动机速度vi及由第i轴电流检测部104i检测到的第i轴电动机电流Ii,计算出第i轴损耗Li(步骤S4a)。在这里,电动机输出及损耗的计算以实施方式1中说明的方式进行即可,在这里省略其说明。
然后,消耗电力计算部5对轴编号索引i是否为N进行判定(步骤S20)。在判定的结果是i不为N的情况下,对i进行加1运算(步骤S21),返回步骤S2a。在i为N的情况下,跳转至步骤S5a。
然后,母线电压测量部11对母线电压Vdc进行检测(步骤S5a)。
然后,消耗电力计算部5对步骤S5a中检测到的母线电压Vdc是否大于或等于阈值进行比较(步骤S6a)。在这里,作为阈值,能够例示再生晶体管4导通的电压、即阈值电压Vth。如果母线电压Vdc大于或等于再生晶体管4的阈值电压Vth,则再生晶体管4导通,再生电力被再生电阻3消耗。如果母线电压Vdc大于或等于再生晶体管4的阈值电压Vth,则跳转至步骤S7a。如果母线电压Vdc小于再生晶体管4的阈值电压Vth,则跳转至步骤S9a。
<跳转至步骤S7a的情况>
消耗电力计算部5基于步骤S4a中计算出的第1轴~第N轴电动机输出W和第1轴~第N轴损耗L的总和是大于或等于0还是为负,利用下述算式(7)计算出每单位时间的消耗电力P(步骤S7a)。
【算式7】
P = &Sigma; i = 1 N ( W i + L i ) ( &Sigma; i = 1 N ( W i + L i ) &GreaterEqual; 0 ) 0 ( &Sigma; i = 1 N ( W i + L i ) < 0 ) ... ( 7 )
然后,消耗电力计算部5计算出每单位时间的再生电力Q=Vdc 2/Rr(步骤S8a)。在这里,电阻值Rr是再生电阻3的电阻值。电阻值Rr存储在消耗电力计算部5中。然后,跳转至步骤S11a。
<跳转至步骤S9a的情况>
使用步骤S4a中计算出的第1轴~第N轴电动机输出W和第1轴~第N轴损耗L,消耗电力计算部5利用下述算式(8),计算出第1轴~第N轴的每单位时间的消耗电力P(步骤S9a)。
【算式8】
P = &Sigma; i = 1 N ( W i + L i ) ... ( 8 )
然后,消耗电力计算部5设为每单位时间的再生电力Q=0(步骤S10a)。然后,跳转至步骤S11a。
<跳转至步骤S11a后>
然后,消耗电力计算部5与实施方式1同样地,将每单位时间的固定部分消耗电力Pc与步骤S7a或步骤S9a中计算出的消耗电力相加(步骤S11a)。此外,与实施方式1同样地,在固定部分消耗电力Pc相对于消耗电力P小得可忽略的情况下,也可以设为固定部分消耗电力Pc=0,省略步骤S11a。
然后,消耗电力计算部5使用再生电力Q及过去的再生电力,在时间上进行平滑化,从而计算出平滑化再生电力Q’(步骤S12a)。在这里,使用一阶延迟滤波器或移动平均滤波器进行平滑化即可。
然后,消耗电力计算部5对每单位时间的消耗电力P进行累计,与实施方式1同样地计算出累计电量E(步骤S13a)。
然后,消耗电力计算部5对是否经过了计算累计电量E的累计时间进行判定(步骤S14a)。如果经过了计算累计电量E的累计时间,则结束处理,如果未经过累计时间,则返回步骤S2a。
如上述说明所述,根据图6的流程图,计算出从开始处理起至累计时间为止消耗的电量的总和,即累计电量E。
另外,根据图6的流程图,针对每采样时间ΔT,能够得到每单位时间的消耗电力P、每单位时间的再生电力Q、每单位时间的平均再生电力Q’、以及从处理开始至当前为止的电动机和电动机驱动设备所使用的累计电量E。
如实施方式1说明的那样,在1个逆变器与1个整流部连接、1个电动机受到驱动的方式(电动机为1轴的方式)中,根据损耗L和电动机输出W的合计值的正负、和母线电压的值,决定再生电阻3是正在通电还是未通电。
如本实施方式所述,在N个(N≥2)逆变器与1个整流部连接、N个电动机受到驱动的方式中,由于各逆变器从共用的母线电压(由交流电源1施加,由整流器2和平滑电容器10变换为直流的电压)供给电力,因此在任意轴中电动机输出W和损耗L的合计值为负的情况(即,在该轴的电动机和逆变器中产生再生电力的情况)下,能够经由共用的母线电压而由其他轴使用该产生的电力。
例如,在N=2的结构中,如果第1轴损耗L1和第1轴电动机输出W1的合计L1+W1<0,则在第1轴中产生再生电力。因此,如果第2轴损耗L2和第2轴电动机输出W2的合计L2+W2>0,则能够在第2轴中使用第1轴所产生的再生电力。
在所有轴的电动机输出W和损耗L的合计为负的情况下,即,在上述的2轴的例子中,在L1+W1+L2+W2<0的情况下,与实施方式1同样地,如果再生电阻3正在通电,则产生的电力被再生电阻3消耗,如果再生电阻3未通电,则积蓄在平滑电容器10中。即,产生的电力是被消耗还是被积蓄,决定于母线电压Vdc和再生晶体管4的阈值电压Vth
即,如果Vdc>Vth,则产生的电力被再生电阻3消耗。根据本发明,由于在消耗电力的计算中,考虑到了再生电阻3的消耗电力,因此能够准确地计算出每单位时间的消耗电力。
相反,如果Vdc<Vth,则产生的电力不被再生电阻3消耗。因此,在消耗电力的计算中,能够将再生电阻3的消耗电力设为0,准确地计算出每单位时间的消耗电力。特别地,在P<0的情况下,能够考虑到积蓄在平滑电容器10中的电力,准确地计算出消耗电力。
根据本实施方式,即使在多个逆变器与1个整流部连接、多个电动机受到驱动的情况下,也能够通过利用再生电阻的通电状态,在考虑到积蓄在平滑电容器中的电力、和再生电阻的消耗电力的同时,准确地计算出每单位时间的消耗电力P、某段时间所消耗的消耗电量E。
此外,在本实施方式的上述说明中,与实施方式1同样地,根据母线电压和再生晶体管的大小关系,对再生电阻是否正在通电进行识别,但在本实施方式中,也可以与实施方式2同样地,直接获取再生晶体管的导通/截止状态并进行判定,也可以根据再生负载率是为0或者大于0,对再生电阻是否正在通电进行判定。
实施方式4
在实施方式3中,为了驱动多个轴的电动机,利用1个整流部及平滑电容器输出直流电力,在多个轴处使用该直流电力,计算出此时的消耗电力,但本发明不限定于此。在本实施方式中,说明相对于各逆变器分别设置1个平滑电容器、具有多个平滑电容器的电动机控制装置。
在本实施方式中,对下述方式进行说明,即,通过对母线电压进行共用,共享多个平滑电容器,并且驱动多个电动机。
图7是表示本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式4的结构例的框图。在图7中,标注与图1或图5相同的标号的结构是与图1或图5相同的结构,具备相同的功能。
在图5中,由1个整流部和1个平滑电容器构成输出直流电力的母线,但在图7中,将图1的电动机控制装置设置多个(此处是2个),通过共同配线部7,这些母线彼此并联连接,能够利用消耗电力计算部5计算出利用该结构而驱动多个电动机时整体的消耗电力。
此外,在本实施方式中,交流电源未与整流器2b连接,利用共同配线部7,向平滑电容器10b及逆变器103b供给直流电力。并且,将再生电阻3a的电阻值设为Rr1,将再生电阻3b的电阻值设为Rr2,如果母线电压变得大于或等于阈值,则再生晶体管3a、3b导通,电力被再生电阻消耗,在小于阈值时,维持截止状态。
在图7的结构中,将各单元中各具有一个整流部、平滑电容器、逆变器部的伺服放大器等以共用彼此的母线的方式进行连接并使用的情况是典型的应用例。并且,共同配线部7将平滑电容器的端子间并联连接,从而利用逆变器103a、103b对母线电压进行共用。由此,由1个电动机(例如电动机101a)产生的再生电力能够被其他电动机(例如电动机101b)使用,或者,在该再生电力没有能被其他电动机(例如电动机101b)使用的情况下,能够由所连接的全部平滑电容器(在图7中是平滑电容器10a、10b两者)共享。另外,如果积蓄在平滑电容器10a、10b中的再生电力变大,则母线电压上升。并且,如果母线电压超过阈值,则再生晶体管4a、4b导通,剩余的再生电力被再生电阻3a、3b消耗。
下面,参照图8,对电动机控制装置的动作进行说明。图8是说明本发明所涉及的电动机控制装置的实施方式4的动作例的流程图。在图8中,标注与图6相同的标号的步骤是进行与图6相同的处理的步骤。另外,在本实施方式中,也与实施方式2同样地,由于母线电压由逆变器103a、103b共享,各电动机的再生电力也被共享,因此消耗电力的计算与实施方式2相同。图8在取代图6的步骤S8a而进行步骤S8b的处理这一点上不同。
在图8中,利用各电动机的输出和损耗的总合计值,计算出每单位时间的消耗电力,但其原因在于,通过共同配线部7,作为各逆变器的电力供给源的母线电压被共用,某个轴的再生电力能够作为其他轴的驱动电力进行使用。另外,在输出和损耗的总合计值小于0时,电动机整体为再生状态,在每单位时间的消耗电力P为负的情况下,在步骤S6a中,判定为再生电阻3a、3b未通电,该再生电力积蓄在平滑电容器10a、10b中。另外,此时,由于再生电阻3a、3b未通电,因此再生电力Q=0。另外,在步骤S6a中,母线电压Vdc大于阈值电压Vth,在步骤S8b中,如果各电动机的输出和损耗的总合计值大于或等于0,则将该合计值作为每单位时间的消耗电力,如果总合计值小于0,则将每单位时间的消耗电力设为0。这与下述情况相对应,即,由于在步骤S6a中判定为再生电阻3a、3b正在通电,因此如果总合计值小于0,即电动机整体为再生状态,则判定为该再生电力被再生电阻消耗,因此每单位时间的消耗电力为0。
另外,关于再生电力Q,计算出将多个再生电阻并联连接的情况下的合成电阻值Rr=Rr1×Rr2/(Rr1+Rr2),基于该合成电阻值Rr计算出再生电力Q。该处理对应于图8所示的流程图的步骤S8b。
在图7所示的电动机控制装置中,2个再生电阻相对于母线电压并联连接,在连接有大于或等于3个再生电阻的情况下,也可以计算出它们的合成电阻值并使用。
然后,与图6同样地,将固定部分消耗电力Pc与每单位时间的消耗电力P相加,计算出平滑化再生电力Q’,对每单位时间的消耗电力P进行累计,从而计算出累计电量E。在本实施方式中,也与图6同样地,由于在母线电压Vdc小于再生晶体管的阈值电压、且电动机整体的每单位时间的消耗电力P为负时,将它作为再生电力,该再生电力积蓄在平滑电容器10a、10b中,因此能够准确地计算出每单位时间的消耗电力P、累计电量E及再生电力Q。
在图7所示的电动机控制装置中,与图5所示的电动机控制装置同样地,由于母线电压被各逆变器部及各电动机共享,因此1个电动机产生的再生电力能够由其他电动机进行使用,另外,能够将再生电力积蓄在平滑电容器10a、10b中。如果再生电力不断地积蓄在平滑电容器10a、10b中,则母线电压上升,如果母线电压变得大于或等于阈值电压,则再生晶体管4a、4b通电,再生电力被再生电阻3a、3b消耗。由此,如果通过共同配线部7共享母线,则即使存在多个平滑电容器10a、10b,也能够通过与实施方式3中说明的方法相同的方法,计算出多个电动机及电动机驱动设备的消耗电力。
此外,在本实施方式的说明中,设置为交流电源1未与整流器2b连接、利用共同配线部7仅将由整流器2a进行整流而得到的直流电力向多个逆变器部及平滑电容器供给的结构,但如图9所示,也可以是交流电源1与整流器2a、2b两者连接。或者,也可以如图10所示,是从图7所示的电动机控制装置中去除整流器2b、不设置整流器2b的结构。在图9或图10中,由于通过共同配线部7而对母线电压进行共用,各电动机的再生电力积蓄在多个平滑电容器10a、10b两者中并被共享,因此具有与图7说明的结构相同的效果。
并且,在本实施方式中说明了2轴的情况,但只要是通过共同配线部将多个平滑电容器两端连接、对多个轴的母线电压进行共用的结构,则也可以大于或等于3轴。并且,电动机、逆变器部、以及平滑电容器部不一定数量相同,也可以是平滑电容器比电动机及逆变器部多、或少的结构。即使在上述情况下,下述一点也是共通的,具有与图7说明的电动机控制装置相同的效果,即,由于通过共同配线部7而共享母线电压,因此由1个电动机产生的再生电力被其他电动机使用,或者,将再生电力蓄积在多个平滑电容器中,如果母线电压变得大于或等于阈值电压,则再生电阻通电,将再生电力消耗。
工业实用性
如上所述,本发明所涉及的电动机控制装置在伺服放大器等电动机驱动设备的控制中是有益的。
标号的说明
1交流电源,2、2a、2b整流器,3、3a、3b再生电阻,4、4a、4b再生晶体管,5消耗电力计算部,10、10a、10b平滑电容器,11母线电压测量部,101、101a、101b电动机,102、102a、102b编码器,103、103a、103b逆变器,104、104a、104b电流检测部,105、105a、105b扭矩计算部,106、106a、106b伺服控制部,S1~S14、S1a~S14a、S8b、S20、S21步骤。

Claims (12)

1.一种电动机控制装置,其特征在于,具有:
整流部,其将交流电源的电力变换为直流电力并输出;
主电路平滑用的平滑电容器,其与所述整流部的输出连接;
再生电阻,其消耗再生电力,该再生电阻的一个端子与所述平滑电容器的一个电极连接;
逆变器部,其将所述整流部输出的直流电力变换为适合于电动机的驱动的交流电力;
电流检测部,其连接于所述电动机和所述逆变器部之间,对所述电动机的电动机电流进行检测;
速度计算部,其计算出所述电动机的电动机速度;
扭矩计算部,其基于所述电动机电流,计算出所述电动机的扭矩或推力;
伺服控制部,其根据各种指令信息,向所述逆变器部发送电压指令;以及
消耗电力计算部,其基于所述电动机电流、或者所述电动机电流和所述电动机速度,计算出损耗,计算出根据所述电动机速度与所述扭矩或推力之积而计算出的电动机输出,对所述再生电阻是否正在通电进行判定,
所述消耗电力计算部,
在所述再生电阻通电时,如果所述损耗和所述电动机输出的合计值大于或等于0,则将每单位时间的消耗电力计算为所述合计值,如果所述损耗和所述电动机输出的所述合计值为负,则将每单位时间的所述消耗电力计算为0,
在所述再生电阻未通电时,将每单位时间的所述消耗电力计算为所述损耗和所述电动机输出的所述合计值。
2.一种电动机控制装置,其特征在于,具有:
整流部,其将交流电源的电力变换为直流电力并输出;
主电路平滑用的平滑电容器,其与所述整流部的输出连接;
再生电阻,其消耗再生电力,该再生电阻的一个端子与所述平滑电容器的一个电极连接;
N个逆变器部,其将所述整流部输出的直流电力变换为适合于各轴的电动机的驱动的交流电力,N为大于或等于2的自然数;
N个电流检测部,其连接于所述电动机和所述逆变器部之间,对所述电动机的各电动机电流进行检测;
N个速度计算部,其计算出所述电动机中的每一个的电动机速度;
N个扭矩计算部,其基于所述电动机电流中的每一个,计算出所述电动机中的每一个所产生的扭矩或推力;
N个伺服控制部,其根据各种指令信息,向所述逆变器部发送电压指令;以及
消耗电力计算部,其基于所述电动机电流中的每一个、或者所述电动机电流和所述电动机速度中的每一个,计算出各自的损耗,计算出根据所述电动机速度中的每一个与所述扭矩或推力之积计算出的电动机输出中的每一个,对所述再生电阻是否正在通电进行判定,
所述消耗电力计算部,
在所述再生电阻通电时,如果所述损耗和所述电动机输出的总合计值大于或等于0,则将每单位时间的消耗电力计算为所述总合计值,如果所述损耗和所述电动机输出的所述总合计值为负,则将每单位时间的所述消耗电力计算为0,
在所述再生电阻未通电时,将每单位时间的消耗电力计算为所述损耗和所述电动机输出的所述总合计值。
3.一种电动机控制装置,其特征在于,具有:
1个或多个整流部,其将交流电源的电力变换为直流电力并输出;
主电路平滑用的多个平滑电容器,其与所述整流部的输出连接;
多个再生电阻,其消耗再生电力,该再生电阻的一个端子与所述平滑电容器的一个电极连接;
共同配线部,其通过将所述多个平滑电容器的两端并联连接,从而对母线电压进行共用;
N个逆变器部,其将从所述共用的母线电压供给的直流电力变换为适合于各轴的电动机的驱动的交流电力,N为大于或等于2的自然数;
N个电流检测部,其连接于所述电动机和所述逆变器部之间,对所述电动机的各电动机电流进行检测;
N个速度计算部,其计算出所述电动机中的每一个的电动机速度;
N个扭矩计算部,其基于所述电动机电流中的每一个,计算出所述电动机中的每一个所产生的扭矩或推力;
N个伺服控制部,其根据各种指令信息,向所述逆变器部发送电压指令;以及
消耗电力计算部,其基于所述电动机电流中的每一个、或者所述电动机电流和所述电动机速度中的每一个,计算出各自的损耗,计算出根据所述电动机速度中的每一个与所述扭矩或推力之积而计算出的电动机输出中的每一个,对所述再生电阻是否正在通电进行判定,
所述消耗电力计算部,
在所述再生电阻通电时,如果所述损耗和所述电动机输出的总合计值大于或等于0,则将每单位时间的消耗电力计算为所述总合计值,如果所述损耗和所述电动机输出的所述总合计值为负,则将每单位时间的所述消耗电力计算为0,
在所述再生电阻未通电时,将每单位时间的消耗电力计算为所述损耗和所述电动机输出的所述总合计值。
4.根据权利要求1或2所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部,
在所述再生电阻通电时,将每单位时间的再生电力设为母线电压的平方除以再生电阻的电阻值而得到的值,
在所述再生电阻未通电时,将每单位时间的再生电力设为0。
5.根据权利要求3所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部,
在所述再生电阻通电时,将每单位时间的再生电力设为母线电压的平方除以多个再生电阻的合成电阻值而得到的值,
在所述再生电阻未通电时,将每单位时间的再生电力设为0。
6.根据权利要求4所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部计算出每单位时间的再生电力,然后在时间上对所述每单位时间的再生电力进行平滑化,从而计算出平滑化再生电力。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部对计算出的每单位时间的所述消耗电力进行累计,计算出累计电量。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部将固定部分消耗电力与每单位时间的所述消耗电力相加,计算出总消耗电力,该固定部分消耗电力是不能利用再生电力的电子部件的每单位时间的消耗电力。
9.根据权利要求7所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部对计算出的每单位时间的所述总消耗电力进行累计,计算出累计电量。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电动机控制装置,其中,
所述消耗电力计算部,
如果所述整流部所输出的所述母线电压大于或等于阈值,则判定为所述再生电阻通电并正在进行再生动作,如果所述母线电压小于所述阈值,则判定为所述再生电阻未通电,未进行再生动作。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部,
在与所述再生电阻串联连接的再生晶体管处于导通时,判定为正在进行再生动作,
在所述再生晶体管处于截止时,判定为未进行再生动作。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的电动机控制装置,其特征在于,
所述消耗电力计算部计算出再生负载率,
在所述再生负载率大于0的情况下,判定为正在进行再生动作,
在所述再生负载率为0的情况下,判定为未进行再生动作。
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