专利名称：电动机驱动装置及电动机驱动方法
技术领域：
本发明涉及电动机驱动装置，特别涉及作为与电动机控制部联合的电动机驱动部
而具有应用p丽控制的变换器的电动机驱动装置。
背景技术：
在用于驱动机床、工业机械、机器人等的电动机驱动装置中，通过使用用于把交流 输入电力变换为直流电力的变换器，并且在该变换器的动作中应用基于功率开关元件的 P丽控制，使输入电流更接近于正弦波这样的方法(所谓的P丽变换器)，近年来正被广泛 采用。 在这样的方法中具有以下特征，即在得到使向变换器的输入电流接近正弦波来减 少其高次谐波成分的效果的同时，即使在该变换器的输入侧交流电压恒定，也能够使作为 变换器的输出的直流电压(输出直流电压)可变。 作为与后面要详细叙述的本发明关联的公知技术，有下述专利文献1和专利文献 2。 专利文献1 :特开平7-245957号公报
专利文献2 :特开平9-271101号公报 在上述专利文献1中，应用能够使变换器的上述输出直流电压可变这样的上述技 术。在该专利文献l中，特征在于，通过根据电动机的负荷电流变更变换器的输出直流电 压，预先防止由于该电动机的过负荷而使输入电流异常增大。因此，与后述的本发明的特征 根本不同。 另外，在上述专利文献2中，根据电动机的旋转速度变更变换器的输出直流电压， 但其特征是流过电动机的高次谐波电流的减少，和电动机的旋转噪声的降低。因此，与后述 的本发明的特征根本不同。 结果，在上述公知技术中，虽然变更变换器的输出直流电压，但完全不是着眼于电 动机的有效运用。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供具有通过变更变换器的输出直流电压能够实现电
动机的有效运用的功能(单元)的电动机驱动装置。 另外，提供实现电动机的有效运用的电动机驱动方法。 本发明的电动机驱动装置，引入判定电动机的运转状况的状况判定单元。该状况 判定单元，根据电动机的运转状况，把可变的"直流电压指令"提供给变换器，使施加在逆变 器上的、来自变换器的输出直流电压可变。 S卩，是一种具有如下功能(单元)的电动机驱动装置，所述功能(单元)在用于把 交流输入电力变换为直流电力的变换器动作中，应用基于功率开关元件的P丽控制，使变 换后的输出直流电压可以动态改变。
其着眼点在于，为使变换器的输出直流电压变化所需要的时间，一般比电动机的 速度、负荷、进给电动机等的运转状况变化的时间充分短。从该着眼点出发，可以根据其运 转状况进行控制，以使变换器的输出直流电压成为最佳电压。 例如，在驱动机床的伺服控制装置或者主轴控制装置的情况下，在上述输出直流 电压(DC链路(link)电压)低时，有"因为电压指令的实际分辨能力升高，所以能够更精密 地控制"这样的好处，另外也有"因为能够减小功率开关元件中伴随开关动作的损失所以节 能"这样的好处。 另一方面，因为在电动机高速转动时，施加在该电动机上的电压升高，所以当使上 述的直流输出电压(DC链路电压)升高时，有"能够增大电动机的最大转矩和最大输出"这 样的好处，另外也有"能够减小用于降低电动机端子电压的弱励磁电流所以节能"这样的好 处。 因此，本发明具有通过根据电动机的高/低速度、负荷的大小、切削进给、快速进 给等运转状况，使变换器的输出直流电压可变，生成对于各种运转状态都能够使电动机运 转效率成为最佳的状态的输出直流电压的功能(单元)。 是应该升高还是应该降低该输出直流电压，通过根据运转状况要求的特性所决
定，所以组合一个或者多个运转条件来决定，适宜变更该输出直流电压。 当变换器的输出直流电压恒定时，在输出直流电压高的情况下得到的好处和在输
出直流电压低的情况下得到的好处哪个也不能享受。因此，为提高包含电动机和电动机驱
动装置的伺服系统的特性，积极地变更输出直流电压。当该输出直流电压可变时，既能够享
受在上述输出直流电压高的情况下得到的好处、又能够享受在上述输出直流电压低的情况
下得到的好处。
图1是本发明的电动机驱动装置的系统结构图。图2是表示图1的电动机驱动部6的结构例的图。图3是表示基于本发明的基本实施例的图。图4是表示基于本发明的第一实施例的图。图5是表示基于本发明的第二实施例的图。图6是表示基于本发明的第三实施例的图。图7是表示基于本发明的第四实施例的图。图8是表示基于本发明的第五实施例的图。图9是表示基于本发明的第六实施例的图。图10是表示基于本发明的电动机驱动方法的步骤的流程图。符号说明3电动机驱动装置4指令运算部5电动机控制部6电动机驱动部7P丽变换器
8逆变器9电动机10状况判定单元11电压指令输出部12位置控制部13速度控制部14电流控制部21高/低*精度用电压切换部31切削/快速进给用电压切换部41高速/低速用电压切换部51高加速度/低加速度用电压切换部52加速度运算部61电动机 高电压/低电压用电压切换部71高转矩/低转矩用电压切换部72电流判定部
具体实施例方式
图1是本发明的电动机驱动系统的基本结构图。 在图1中，电动机驱动系统1大体由数值控制装置2和电动机驱动装置3构成。该 电动机驱动装置3包含接受来自指令运算部4的控制指令的电动机控制部5、和通过该电动 机控制部5被驱动控制的电动机驱动部6。 上述电动机驱动部6具有P丽变换器7和逆变器8而构成，经过从电源S接受电 力供给的P丽变换器7、和通过DC链路与其连接的逆变器8，最终驱动控制作为该驱动部6 的驱动对象的电动机9。 这里应该注意的部分是在电动机控制部5内图示的状况判定单元IO。该状况判定 单元10对P丽变换器7提供"直流电压指令"Cdc。对逆变器8提供通常的"电动机驱动指 令"Cmd。状况判定单元10的配置不限定于图示的位置。 更具体说，电动机驱动系统1由运算对于工件的加工指令的数值控制装置2、遵照 来自状况判定单元10的直流电压指令Cdc把交流电力变换为直流电力的P丽变换器7、和 遵照来自电动机控制部5的电动机外加电压指令把直流电力变换为交流电力来驱动电动 机9的逆变器8构成。 此夕卜，由上述的P丽变换器7和逆变器8组成的电动机驱动部6自身是公知的结 构，在图2中对其进行表示。图2是表示图1的电动机驱动部6的结构例的图。
在图2中，P丽变换器7从电源S通过三相电抗器R，在IGBT等的功率开关元件TR 以及整流用二极管D的组接收三相交流电力，变换为输出直流电压V，进而通过滤波电容器 C滤波。上述组(TR、D)有6组，通过它们构成三相桥电路。 这里归纳本发明的要点，本发明的电动机驱动装置3，首先是具有(i)电动机驱动 部6和(ii)电动机控制部5的电动机驱动装置，所述电动机驱动部6，具有把交流输入电压 变换为直流电压后输出的变换器7、和把输出的直流电压V变换为交流电压后向作为负载的电动机(M) 9输出的逆变器8，所述电动机控制部5，接受来自指示对于电动机9的预定动 作的指令运算部4的指令，对于变换器7提供预定的直流电压指令Cdc，另一方面，对于逆变 器8提供预定的电动机驱动指令Cmd，并且，在此设置逐次判定电动机9的运转状况的状况 判定单元10。该状况判定单元IO，根据判定出的上述运转状况，自适应地设定直流电压指 令Cdc。进而遵照该直流电压指令Cdc，使来自变换器7的直流电压V可变。
该状况判定单元10，作为应该判定的电动机9的运转状况，具体说，把电动机动 作、电动机速度、电动机加速度、电动机外加电压以及电动机转矩中至少一个作为判定对 象。 因此，状况判定单元10根据 来自指令运算部4的指令 电动机控制部5内的控制状态信息 输入逆变器8的电动机驱动指令 的某一个判定电动机9的运转状况。以下进一步具体说明。 图3是表示基于本发明的基本实施例的图。在全部附图中，对同样的构成元素赋 予相同的参照符号或者记号来表示。 在本图中，具体表示电动机控制部5的内部，另外，也表示出表示电动机9的旋转 角的编码器15。在本图的电动机控制部5中，将图1的状况判定单元IO表示为电压指令输 出部11。 来自图1的指令计算部4的、电动机的旋转"位置指令"，与来自编码器15的"位置 反馈"信号一同被输入位置控制部12，进行电动机9的旋转位置控制。针对电动机9的"速 度指令"，与来自编码器15的"速度反馈"信号一同被输入速度控制部13，进行电动机9的 旋转速度控制。另外，针对电动机9的"转矩指令"，与来自逆变器8的"电流反馈"信号一 同被输入电流控制部14，进行对于电动机9的转矩控制。此外，上述的功能部11(10)、12、 13以及14可以用硬件构成，也可以用软件构成(以下同样)。下面进一步具体说明。
电动机控制部5如上述那样构成，执行位置控制、速度控制以及电流控制的全部 或者一部分。例如，在从指令运算部4接受速度指令来动作的情况下，执行速度控制和电流 控制，在接受转矩指令来动作的情况下，执行电流控制。 另夕卜，向P丽变换器7输出与电动机的运转状况即电动机动作、电动机速度、电动 机加速度、电动机外加电压以及电动机转矩中的至少一个对应的"直流电压指令"Cdc。
作为运转状况的判定方法的例子，具有仅判定电动机动作是快速进给还是切削 进给的方法；或者组合电动机动作和电动机外加电压，判定电动机动作是快速进给、切削 进给下基于电动机外加电压指令Cmd的电压高、还是切削进给下基于电动机外加电压指令 Cmd的电压低的方法等。 通过根据电动机运转状况使直流电压指令Cdc可变，能够得到以下那样的好处。
在从P丽变换器7向逆变器8供给的直流电压V低的情况下，因为电动机驱动
(电动机外加电压)指令Cmd的实际分辨能力升高，所以能够进行更精密的控制。
另外，因为功率开关元件TR的开关损失降低，所以产生节能效果。 另一方面，在供给逆变器 的直流电压V高的情况下，具有在电动机外加电压升高
的高速区域内使电动机9的最大转矩 最大输出增大的效果。另外，因为能够减小用于降低电动机端子电压的弱励磁电流，所以也能够得到节能效果。
下面说明基于图3的基本实施例的第一 第六实施例。 图4是表示第一实施例的图。在该第一实施例中，作为上述的状况判定单元10， 采用高/低，精度用电压切换部21，预先设定电动机的动作轨迹中不需要精度的情况下的 直流"电压指令l"、和需要精度的情况下的直流"电压指令2"。根据是否是要求精度的加 工，通过来自指令运算部4的切换信号Csw，分别把直流电压指令Cdc切换到高电压侧或者 低电压侧，向P丽变换器7输出。 概括来说，第一实施例中的状况判定单元10(21)分别以如下方式设定直流电压 指令Cdc :当来自指令运算部4的指令Csw是在作为电动机动作在动作轨迹中不需要精度 的指令时，使开关SW到上侧来升高直流电压V ;另一方面，当来自指令运算部4的指令Csw 是在作为电动机动作在动作轨迹中需要精度的指令时，使开关SW到下侧来降低直流电压 V。 图5表示第二实施例。在该第二实施例中，作为上述的状况判定单元IO，采用切削 /快速进给用电压切换部31 (10)，预先设定好进给轴电动机的动作轨迹中不需要精度的快 速进给动作时的直流电压指令Cdc(比切削时高的电压)、和需要精度的切削动作时的直流 电压指令Cdc(比快速进给时低的电压)。判定来自指令运算部4的指令Cm是快速进给还 是切削，使用开关SW切换到与该指令对应的直流电压指令Cdc，向P丽变换器7输出。
概括来说，第二实施例中的状况判定单元10(31)，把作为上述的电动机动作在动 作轨迹中不需要精度的指令，作为通过电动机9驱动的进给轴的快速进给指令，另一方面， 把作为上述的电动机动作在动作轨迹中需要精度的指令，作为基于该进给轴的工件的切削 指令。 图6表示第三实施例。在该第三实施例中，作为上述的状况判定单元IO，采用高 速/低速用电压切换部41 (10)，判定指令速度或者反馈速度，通过在电动机9高速旋转时 升高直流电压指令Cdc的电压，实现电动机的最大转矩，最大输出的增大，另外，在其低 速旋转时降低直流电压指令Cdc的电压。此外，在直流电压指令Cdc切换时，为防止抖振 (chattering)，优选具有磁滞特性，或者根据速度的高低慢慢使速度变化。
概括来说，第三实施例中的状况判定单元10 (41)，作为电动机控制部5内的控制 状态信息而监视电动机速度，在判定出基于来自指令运算部4的指令的电动机速度或者在 电动机9的输出侧检测到的反馈速度比预定的速度基准值Sref大时，把直流电压指令Cdc 设定在高电压侧，另一方面，在判定出比预定的速度基准值Sref小时，把直流电压指令Cdc 设定在低电压侧。 图7表示第四实施例。在该实施例中，作为上述的状况判定单元IO，采用高加速 度/低加速度用电压切换部51 (10)，判定指令加速度或者反馈加速度，在以高加速度动作 的情况下，通过升高直流电压指令Cdc的电压，实现电动机9的最大转矩的增大，另外，在以 低加速度动作的情况下，降低直流电压指令Cdc的电压。该指令加速度，在加速度运算部52 中能够根据速度指令的差来计算出，另外，反馈加速度可以根据反馈速度的差来计算出。此 外，在直流电压指令Cdc切换时，为防止抖振，优选具有磁滞特性，或者根据加速度的高低 慢慢使加速度变化。 概括来说，状况判定单元10 (51)，作为电动机控制部5内的控制状态信息而监视电动机加速度，在判定出通过来自指令运算部4的指令引起的电动机加速度或者在电动机 9的输出侧检测到的反馈加速度比预定的加速度基准值Aref大时，把直流电压指令Cdc设 定在高电压侧，另一方面，在判定出比预定的加速度基准值Aref小时，把直流电压指令Cdc 设定在低电压侧。 图8表示第五实施例。在该实施例中，作为上述的状况判定单元IO，采用电动 机*高电压/低电压用电压切换部61(10)，判定电动机驱动(电动机外加电压)指令Cmd， 在对电动机9施加高电压时，升高直流电压指令Cdc的电压，施加指令所指示的电动机电 压，另外，在施加低电压时降低直流电压指令Cdc的电压。此外，在直流电压指令Cdc切换 时，为防止抖振，优选具有磁滞特性，或者根据对电动机9的外加电压的高低慢慢使外加电 压变化。 概括来说，状况判定单元10 (61)，作为电动机控制部5内的控制状态信息而监视 电动机外加电压，在判定出通过来自指令运算部4的指令引起的电动机外加电压比预定的 外加电压基准值Vref大时，把直流电压指令Cdc设定在高电压侧，另一方面，在判定出比预 定的外加电压基准值Vref小时，把直流电压指令Cdc设定在低电压侧。
图9表示第六实施例。在该第六实施例中，作为上述的状况判定单元10，采用高转 矩/低转矩用电压切换部71 (10)，判定转矩指令，另外使用电流判定部72判定反馈电流的 转矩发生成分电流，在电动机9的转矩大的情况下，升高直流电压指令Cdc的电压，另外在 该转矩小的情况下，降低直流电压指令Cdc的电压。此外，在直流电压指令Cdc切换时，为 防止抖振，优选具有磁滞特性，或者根据电动机转矩的大小慢慢使转矩变化。
概括来说，状况判定单元10(71,72)，作为电动机控制部5内的控制状态信息而监 视电动机转矩，在判定出通过来自指令运算部4的指令引起的电动机转矩或者来自逆变器 8的反馈电流的转矩发生成分电流分别比预定的转矩基准值Tref或转矩成分电流基准值 Iref大时，把直流电压指令Cdc设定在高电压侧，另一方面，在判定出小时，把直流电压指 令Cdc设定在低电压侧。 在这种情况下，上述的反馈电流的转矩发生成分电流，是该反馈电流的有效电流 成分。 最后，叙述本发明的电动机驱动方法。该方法是在具有电动机驱动部6和电动机 控制部5的电动机驱动装置3中的电动机驱动方法，所述电动机驱动部6具有把交流输入 电压变换为直流电压V后输出的变换器7、和把输出的直流电压V变换为交流电压向作为负 载的电动机9输出的逆变器8，所述电动机控制部5从指示对于电动机9的预定动作的指令 运算部4接收指令，把预定的直流电压指令Cdc提供给变换器7，另一方面把预定的电动机 驱动指令Cmd提供给逆变器8。图10是表示该电动机驱动方法的步骤的流程图。
在本图中， 步骤Sll :是逐次取得电动机9的运转状况的步骤。
步骤S12 :是判定逐次取得的电动机9的运转状况的属性的步骤。 步骤S13/S14 :是根据判定出的运转状况的属性，把直流电压指令Cdc设定在高电
压侧(S13)或者低电压侧(S14)的步骤。 步骤S15 :是把被设定在高/低某侧的直流电压指令Cdc提供给变换器7的步骤。
此外，所谓在上述的属性判定步骤S12中应该判定的运转状况的属性，是电动机动作、电动机速度、电动机加速度、电动机外加电压以及电动机转矩中的至少一个。 另外，在上述的电动机运转状况取得步骤Sll中，取得来自指令运算部4的指令
Cm、电动机控制部5内的控制状态信息、和向逆变器8输入的电动机驱动指令Cmd中的某一 个。 此外，实施上述步骤的位置控制部12、速度控制部13、电流控制部14、状况判定单 元10(11，21，31，41，51，61，71/72)中的各处理，作为各个中断处理被执行，每当发生相应 中断信号时被执行。 根据上述的本发明，能够根据电动机9的速度、负荷、电动机动作(快速进给/切 削进给)等运转状况，对电动机9提供运转效率最佳的电力。
权利要求
一种电动机驱动装置，具有电动机驱动部，其具有把交流输入电压变换为直流电压后输出的变换器、和把所述输出的直流电压变换为交流电压后向作为负荷的电动机输出的逆变器；和电动机控制部，其接受来自指令运算部的指令，对所述变换器提供预定的直流电压指令，另一方面，对所述逆变器提供预定的电动机驱动指令，所述指令运算部指示针对所述电动机的预定动作，所述电动机驱动装置的特征在于，设置逐次判定所述电动机的运转状况的状况判定单元，该状况判定单元根据判定的所述运转状况，适应性地设定所述直流电压指令，遵照该直流电压指令使来自所述变换器的所述直流电压可变。
2. 根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元，作为应该判定的所述电动机的运转状况，把电动机动作、电动机速 度、电动机加速度、电动机外加电压以及电动机转矩中的至少一个作为判定对象。
3. 根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元，根据(i)来自所述指令运算部的指令、(ii)所述电动机控制部内 的控制状态信息以及(iii)向所述逆变器输入的电动机驱动指令中的某一个，判定所述电 动机的运转状况。
4. 根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元以如下方式设定所述直流电压指令当来自所述指令运算部的指令 是作为所述电动机动作在动作轨迹中不需要精度的指令时，升高所述直流电压；另一方面， 当来自所述指令运算部的指令是作为所述电动机动作在动作轨迹中需要精度的指令时，降 低所述直流电压。
5. 根据权利要求4所述的电动机驱动装置，其特征在于，作为所述电动机动作在动作轨迹中不需要精度的指令，是通过所述电动机驱动的进给 轴的快速进给指令，另一方面，作为所述电动机动作在动作轨迹中需要精度的指令，是基于 所述进给轴的工件的切削指令。
6. 根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元，作为所述电动机控制部内的控制状态信息而监视所述电动机速 度，在判定为通过来自所述指令运算部的指令引起的电动机速度或者在所述电动机的输出 侧检测到的反馈速度比预定的速度基准值大时，把所述直流电压指令设定在高电压侧，另 一方面，在判定为比所述预定的速度基准值小时，把所述直流电压指令设定在低电压侧。
7. 根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元，作为所述电动机控制部内的控制状态信息而监视所述电动机加速 度，在判定为通过来自所述指令运算部的指令引起的电动机加速度或者在所述电动机的输 出侧检测到的反馈加速度比预定的加速度基准值大时，把所述直流电压指令设定在高电压 侧，另一方面，在判定为比所述预定的加速度基准值小时，把所述直流电压指令设定在低电
8. 根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元，作为所述电动机控制部内的控制状态信息而监视所述电动机外加 电压，在判定为通过来自所述指令运算部的指令引起的电动机外加电压比预定的外加电压基准值大时，把所述直流电压指令设定在高电压侧，另一方面，在判定为比所述预定的外加 电压基准值小时，把所述直流电压指令设定在低电压侧。
9. 根据权利要求3所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述状况判定单元，作为所述电动机控制部内的控制状态信息而监视所述电动机转 矩，在判定为通过来自所述指令运算部的指令引起的电动机转矩或者来自所述逆变器的反 馈电流的转矩发生成分电流分别比预定的转矩基准值或者转矩成分电流基准值大时，把所 述直流电压指令设定在高电压侧，另一方面，在判定为比所述预定的转矩基准值或者转矩 成分电流基准值小时，把所述直流电压指令设定在低电压侧。
10. —种电动机驱动装置中的电动机驱动方法，所述电动机驱动装置具有 电动机驱动部，其具有把交流输入电压变换为直流电压后输出的变换器、和把所述输出的直流电压变换为交流电压后向作为负荷的电动机输出的逆变器；禾口电动机控制部，其接受来自指令运算部的指令，对所述变换器提供预定的直流电压指令，另一方面，对所述逆变器提供预定的电动机驱动指令，所述指令运算部指示针对所述电动机的预定动作，所述电动机驱动方法的特征在于， 具有逐次取得所述电动机的运转状况的工序； 判定逐次取得的所述电动机的运转状况的属性的工序；根据判定的所述运转状况的属性，把所述直流电压指令设定在高电压侧或者低电压侧 的工序；和把所设定的直流电压指令提供给所述变换器的工序。
11. 根据权利要求10所述的电动机驱动方法，其特征在于，在所述属性判定工序中应该判定的所述运转状况的属性，是电动机动作、电动机速度、 电动机加速度、电动机外加电压以及电动机转矩中的至少一个。
12. 根据权利要求10所述的电动机驱动方法，其特征在于，在所述电动机运转状况取得工序中，取得来自所述指令运算部的指令、所述电动机控 制部内的控制状态信息、向所述逆变器输入的电动机驱动指令中的某一个。
全文摘要
本发明的目的是，在通过PWM控制的变换器把交流输入电力变换为直流后进而通过逆变器驱动电动机的电动机驱动装置中，使电动机的运转效率进一步提高。通过电动机控制部(5)的状况判定单元(10)把直流电压指令Cdc提供给变换器(7)。状况判定单元(10)根据电动机的速度或者负荷等运转状况，生成运转效率最佳的可变的直流电压指令Cdc。
文档编号H02P27/08GK101729019SQ20091020764
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月28日 优先权日2008年10月31日
发明者丹羽正一, 岩下平辅, 河村宏之, 秋山隆洋, 置田肇 申请人:发那科株式会社