专利名称：回转电动机驱动用变换器控制方法
技术领域：
本发明涉及回转电动机驱动用变换器控制方法，详细而言涉及如下的回转电动机驱动用变换器控制方法，即、在发生驱动回转电动机的变换器的过电流及过电压时，为了防止在断开变换器半导体开关的情况下产生的回转上部体的自由旋转，通过以接通/断开(0N/0FF)的方式切换变换器的下相位开关或上相位开关，在变换器发生故障时最大地产生回转电动机的制动转矩，从而保护变换器，能够迅速地停止回转上部体，能够防止事故的危险。
背景技术：
最近随着油价的急剧的上升，较多地进行着对如下形态的工程机械的研究，S卩、将发动机的剩余动力储存到电池，从电池供给发动机的不足的动力，从而改善燃料效率的混合动力。如此地，将发动机和电动马达作为共同动力源而使用并具有电能储存装置的系统称为混合动力系统。例如，混合动力系统包括混合动力汽车及挖掘机等重型设备用混合动力系统。另一方面，一般的挖掘机系统以发动机为动力源，通过所谓的液压的媒质执行使作为最终负荷的动臂、斗杆、以及铲斗回转或行驶。不同于此，混合动力挖掘机系统通过在一般的挖掘机上追加设置两个马达和电储存装置，从而能够提高挖掘机系统的整体效率。追加于混合动力挖掘机系统的主要部件包括马达、电储存装置、变换器、以及转换器。图I是一般的液压式挖掘机装置的结构图。如图I所示，一般的液压式挖掘机装置包括发动机110、液压泵120、控制阀130、动臂/斗杆/铲斗缸140、回转马达150、以及行驶马达160。液压泵120与发动机110直接结合，并将压力油供给到控制阀130。即、液压泵120利用发动机Iio的旋转力使液压泵旋转，向液压主控制阀130供给压力油。控制阀130通过控制从液压泵120供给的液压，从而能够控制要提供到促动器(actuator)(例如,动臂/斗杆/纟产斗缸140、回转马达150、及行驶马达160)的压力油。即、控制阀130根据操作者的操作杆指令，向动臂/斗杆/铲斗缸140、回转马达150、以及行驶马达160供给压力油，使挖掘机运转。动臂/斗杆/铲斗缸140接收从控制阀130提供的压力油而驱动挖掘机的动臂、斗杆、以及铲斗。回转马达150是回转用液压马达，接收从控制阀130提供的压力油而使挖掘机的上部回转体旋转。另外，在停止时，若控制阀130切断压力油的供给，则回转马达150获得制动力。行驶马达160接收从控制阀130提供的压力油而驱动挖掘机的行驶装置。图2是一般的混合动力挖掘机的结构图。如图2所示，一般的混合动力挖掘机包括发动机110、液压泵120、控制阀130、发动机辅助电动机210、发动机辅助用变换器220、回转用变换器230、具备制动器的回转电动机240、能量储存部250、混合动力控制部260、以及DC/DC (Direct Current)转换器270。在此，混合动力控制部260与检测能量储存部250和DC/DC转换器270之间的电流的电流检测器261连结。另外，混合动力控制部260与检测能量储存部250和DC/DC转换器270之间的电压的电压检测器262连结。一般的混合动力挖掘机通过发动机110、与发动机110直接连结的发动机辅助电动机210、与发动机辅助电动机210直接连结的液压泵120、控制液压泵120的压力油的控制阀130、以及驱动动臂、斗杆、及铲斗的促动器获得利用液压的驱动力。与发动机110直接连结的发动机辅助电动机210在发动机110的输出不足时作为电动机动作。相反，在发动机110的输出具有富余时，与发动机110直接连结的发动机辅助 电动机210作为发电机动作。发动机辅助用变换器220使发动机辅助电动机210作为马达或发电机动作。发动机辅助用变换器220根据混合动力控制部260的控制而驱动电动机。在发动机辅助用变换器220的输入端具备作为规定的电容的DC链路电容221。DC链路电容221使发动机辅助用变换器220的输入电压稳定化，在发动机辅助电动机210作为发电机动作时，DC链路电容221起到暂时储存所产生的能量的功能。回转电动机240驱动混合动力挖掘机的上部回转体。在此,驱动回转电动机240的回转用变换器230连结于作为DC电压端的DC链路电容221。驱动回转电动机240的回转用变换器230随着操作混合动力挖掘机的使用者的操作杆控制，执行加速和减速运转。回转用变换器230在加速时使回转电动机240作为马达动作。另一方面，回转用变换器230在减速时使回转电动机240作为发电机动作。S卩，回转用变换器230将混合动力挖掘机的回转上部体的旋转惯性能量变换为电能，向DC电压端的DC链路电容221供给其已变换的电能。能量储存部250执行储存电能的功能，与控制充电及放电的DC/DC转换器270连结。DC/DC转换器270通过控制使作为DC电压端的DC链路电容221的电压一定。混合动力控制部260控制发动机辅助用变换器220、回转用变换器230、以及DC/DC转换器270。混合动力控制部260控制混合动力挖掘机整体的电力的流动，从而决定发动机辅助电动机210作为马达动作时的输出量和作为发电机动作时的输出量。而且,混合动力控制部260通过控制使储存在能量储存部250的电能量维持为一定范围内的电压。图3是与图2不同的混合动力挖掘机的结构图。图3所示的另一混合动力挖掘机的整体的结构与图2所示的一般的混合动力挖掘机相同，但图3的另一混合动力挖掘机在发动机辅助用变换器220和能量储存部250之间不具备DC/DC转换器。以下，通过比较图2所示的一般的混合动力挖掘机和图3所示的另一混合动力挖掘机的结构，说明结构上的区别点。在发动机辅助用变换器220的输入端并列地构成有作为规定的电容的DC链路电容221和大容量的能量储存部250。在此，构成为随着发动机辅助用变换器220的运转的充电及放电而引起的波纹电流从DC链路电容221供给或充电。另一混合动力挖掘机具备储存能量的能量储存部250。能量储存部250构成为能够将发动机110富余能量进行充电，在回转上部体运转时将能量进行放电。混合动力控制部260通过控制混合动力挖掘机整体的电力的流动，决定发动机辅助电动机210作为马达动作时的输出量和作为发电机动作时的输出量。而且，混合动力控制部260通过控制使储存在能量储存部250的电能量维持为一定范围内的电压。另一方面，驱动回转电动机240的回转用变换器230为了驱动三相电动机,包括六个半导体开关；控制半导体开关的接通/断开(0N/0FF)的变换器控制器；以及使输入端的电压稳定化的DC端电容。变换器控制器为了向回转电动机240供给电流，调整六个开关的接通/断开脉冲宽度，从而控制加载于回转电动机240的电压。半导体开关元件在产生过电流时、或者因过电压而使元件破损。为了防止这种破损，回转用变换器230的变换器控制器在产生过电流、及过电压时为了保护回转用变换器230而断开六个开关。在回转上部体旋转的期间，若感应到回转用变换器230的过电流、及过电压的故障，变换器控制器断开开关，则回转上部体由于旋转惯性，直到制动器动作之前，回转上部体自由旋转。此时，存在因周围的物体和回转上部体的冲突等而引起的事故的危险会较大地增加的问题。S卩，为了驱动回转上部体，若在采用了电动式回转电动机240的混合动力挖掘机上产生电动机或者驱动电动机变换器的过电流、过电压等的异常状态，则以前的回转用变换器会切断电动机的电力供给。由此，存在如下问题，即、直到制动器动作之前，上部回转体会自由旋转，此时发生事故的危险会较大地增加。为了解决该问题，急切地需要感应到驱动电动机的变换器的故障时有效地停止电动机的变换器控制方法。
发明内容
技术课题本发明是为了解决上述问题而提出，其目的在于提供如下的回转电动机驱动用变换器控制方法，即、在发生驱动回转电动机的变换器的过电流及过电压时，为了防止在断开变换器半导体开关的情况下产生的回转上部体的自由旋转，通过切换接通/断开(0N/0FF)变换器的下相位开关或上相位开关，在变换器发生故障时最大地产生回转电动机的制动转矩，从而保护变换器，能够迅速地停止回转上部体，能够防止事故的危险。课题解决方法为此，本发明的回转电动机驱动用变换器控制方法的特征在于，包括如下的步骤确认在回转电动机驱动用变换器是否发生因过电流、及过电压而引起的故障的故障确认步骤；以及，若确认到上述回转电动机驱动用变换器的故障，则断开上述回转电动机驱动用变换器的开关，接通/断开切换上述回转电动机驱动用变换器的上相位开关或下相位开关， 从而产生回转电动机的制动转矩的切换步骤。发明效果本发明具有如下的效果。检出在采用了驱动回转上部体的回转电动机的混合动力挖掘机运转时，因过电流或过电压而引起的变换器的故障，在产生这种故障时，保护变换器，迅速地停止回转上部体，防止事故的危险。
图I是一般的液压式挖掘机装置的结构图。图2是一般的混合动力挖掘机的结构图。图3是与图2不同的另一混合动力挖掘机的结构图。图4是采用本发明的回转电动机驱动用变换器装置的一实施例的结构图。图5是一般的回转电动机的等效电路的一实施例的说明图。图6是对接通变换器的三个下相位开关的情况下的制动转矩的一实施例的示意图。
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图7a及图7b是对接通/断开开关时的回转电动机驱动用变换器的电流的一实施例的说明图。图8是根据本发明的变换器的接通/断开占空比的变化的制动转矩一实施例的说明图。图9是根据本发明的占空比的变化的电动机的制动转矩的一实施例的说明图。图10是本发明的回转电动机驱动用变换器控制方法的一实施例的流程图。
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的实施例。通过以下的详细说明可以更清楚地理解本发明的结构及对此的作用效果。在本发明的详细说明之前，对于相同的构成要素而言，即使标注在不同的附图，也尽可能用相同的符号标注，对于公知的结构，如果可能扰乱本发明的宗旨，则省略其具体说明。图4是本发明的回转电动机驱动用变换器装置的一实施例的结构图。 如图4所示，采用本发明的回转电动机驱动用变换器装置400包括DC端电容410、半导体开关420、以及变换器控制部430。以下，分别观察回转电动机驱动用变换器装置400的构成要素。半导体开关420包括用于驱动三相电动机的回转电动机240的六个开关SWl至SW6 (参照图7a)。六个开关SWl至SW6分为上相位开关SW1、Sff2, SW3和下相位开关SW4、SW5、SW6。变换器控制部430控制半导体开关420的接通/断开(On/off)。图5是一般的回转电动机的等效电路的一实施例的说明图。如图5所示，回转电动机240的等效电路可以由电阻(R) 511、521、及531、电感512、522、及532、以及伴随电感电动机的旋转的逆电动势成分513、523、及533等效。在此，若以电动机的电压方程式表示回转电动机240的等效电路，则可以表示为如下的数学式I。数学式I
VaI Fr O O ]p.a]丨LsM Mlfia] ^ 卜]卜Vfj = O R O ib + M Ls H i'tj =· —b + (.'b |
Vcl OOR Uc M M I, H.c ' jc kcJ
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在此，Va、Vb、V。表示回转电动机240的电压，ia、ib、i。表示在回转电动机240流动的电流501、502、及503，R表示回转电动机240的电阻，Ls表示电感512、522、及532，M表示相互电感，ea、eb、e。表示逆电动势成分513、523、及533。在上述数学式I中，假设在回转电动机240流动的电流501、502、及503为三相平衡，则表示为如下的数学式2。数学式2ia+ib+ic = 0，M · (ia+ib) = -H · ic在此，ia、ib、ic表示在回转电动机240流动的电流501、502、及503，以及M表示相 互电感。在上述数学式2中，若整理回转电动机240的电压方程式，可以整理为如下述的数学式3及数学式4。数学式3]
Va ROO ■ >. ^ L s -M O O κ €*暴Vb = O R O Ib + O Ls-M O 著 +■ %
Vc OOR ,；； O O Li-M
m meMmmm 4mejiM m在此，Va、Vb、V。表示回转电动机240的电压，ia、ib、i。表示在回转电动机240流动的电流501、502、及503，R表示回转电动机240的电阻，Ls表示电感512、522、及532，M表示相互电感，ea、eb、e。表示逆电动势成分513、523、及533。数学式4
fVal ΗΛ ιΛ (θΛVb = R ib +L套 ％ +
.VcJ , ; Jcj 1 ]而且，回转电动机240的产生转矩如下述数学式5表示。数学式57’e = e^a+ % + .
"\JL/在此,Te表示回转电动机240的产生转矩，ia、ib、i。表示在回转电动机240流动的电流501、502、及503，R表示回转电动机240的电阻，LS表示电感512、522、及532，M表示相互电感，ea、eb、e。表示逆电动势成分513、523、及533，以及Wm表示回转电动机240的速度。使回转电动机240以规定的速度旋转时，若在变换器控制部430感应到过电流等的故障而断开(OFF)变换器的半导体开关420，则回转电动机240的电流成为“0”，如上述的数学式5所示，回转电动机240的产生转矩成为“0”，直到制动器动作之前，回转上部体进行自由旋转。使回转电动机240以规定的速度旋转时，若同时接通(ON)半导体开关420的三个上相位开关SW1、SW2、SW3或者三个下相位开关SW4、Sff5, SW6，则回转电动机240作为发电机动作，产生负(一)转矩，获得制动力。制动转矩由下述的数学式6的微分方程式求出。数学式权利要求
1.ー种回转电动机驱动用变换器控制方法，其特征在于，包括 确认是否在回转电动机驱动用变换器发生因过电流、及过电压而引起的故障的故障确认步骤；以及， 若确认到上述回转电动机驱动用变换器的故障，则断开上述回转电动机驱动用变换器的开关，以接通/断开的方式切換上述回转电动机驱动用变换器的上相位开关或下相位开关，从而产生回转电动机的制动转矩的切換步骤。
2.根据权利要求I所述的回转电动机驱动用变换器控制方法，其特征在于，还包括 检测与上述回转电动机驱动用变换器连结的DC链路电压及上述回转电动机的电动机速度的电压及速度检测步骤；以及 利用上述检测出的DC链路电压及上述检测出的电动机速度，算出产生最大制动转矩的上述上相位开关或者上述下相位开关的接通/断开占空比(ON/OFF duty)的占空比算出步骤， 在上述切换步骤根据上述算出的接通/断开占空比以接通/断开的方式切換上述上相位开关或者上述下相位开关。
3.根据权利要求2所述的回转电动机驱动用变换器控制方法，其特征在干， 在上述占空比算出步骤算出与上述检测出的DC链路电压成比、与上述检测出的电动机速度成反比的接通/断开占空比。
4.根据权利要求2所述的回转电动机驱动用变换器控制方法，其特征在干， 还包括占空比更新步骤，该步骤在上述切换步骤之后，若上述DC链路电压及上述电动机速度由制动转矩而变更，则根据上述变更的DC链路电压及电动机速度更新上述算出的接通/断开占空比， 在上述切换步骤根据上述更新的接通/断开占空比以接通/断开的方式切換上述上相位开关或者上述下相位开关。
5.根据权利要求2所述的回转电动机驱动用变换器控制方法，其特征在干， 在上述切换步骤断开上述上相位开关并根据上述算出的接通/断开占空比以接通/断开的方式切換上述下相位开关，或者断开上述下相位开关并根据上述算出的接通/断开占空比以接通/断开的方式切換上述上相位开关。
全文摘要
本发明涉及回转电动机驱动用变换器控制方法，详细而言涉及在发生驱动回转电动机的变换器的过电流及过电压时，为了防止在断开变换器半导体开关的情况下产生的回转上部体的自由旋转，通过以接通/断开(ON/OFF)的方式切换变换器的下相位开关或上相位开关，在变换器发生故障时最大地产生回转电动机的制动转矩，从而保护变换器，能够迅速地停止回转上部体，能够防止事故的危险。
文档编号H02M1/32GK102687381SQ201080058558
公开日2012年9月19日 申请日期2010年12月23日 优先权日2009年12月24日
发明者金昌铉 申请人:斗山英维高株式会社