专利名称：具有电源再生功能的电动机驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备将电动机减速时产生的再生电力返回给电源的电源再生功能的 电动机驱动装置。
背景技术：
在用于机床、锻压机械、注射成型机、工业用机器人以及工业机械等的电动机驱动 装置中，使用将工业电力转换为直流电力并将该直流电力供给作为电动机控制用电力变换 器的逆变器(inverter)的整流器(正向变换器或者AC-DC变换器)。在当今节约能源的趋 势下，具有将电动机减速时产生的电力返回给电源的电源再生装置的整流器、其中能够以 较低成本实现电源再生功能的120度通电方式的整流器也得到了广泛的应用(例如，参照 下述的专利文献1)。在所述120度通电方式的整流器中，存在牵引动作及再生动作这两种动作。牵引 动作是通过由二极管等整流元件构成的三相桥式整流电路来给逆变器供电的动作。另一 方面，再生动作是根据电源相位，使相对于三相桥式整流电路中的多个二极管分别逆并联 连接的多个IGBT (Insulated Gate Bipolar mode Transistor 绝缘栅双极型晶体管)等 能够自消弧的半导体元件组接通/断开，将从逆变器供给的再生电力返回给输入电源的动 作。在120度通电方式的整流器中，需要根据通过整流器的电力的极性来对这些动作进行 切换。一般来讲，根据通过整流器的有效功率的瞬时值的极性来进行用于从再生动作向 牵引动作切换的判断。因此，有时尽管持续从逆变器供给再生电力，整流器的再生动作还是 停止。此时，整流器的直流电压输出中产生电位变动，给电动机控制带来不良影响。另一方 面，有时尽管已结束从逆变器供给再生电力，整流器的再生动作还是不停止。此时，在工业 电源和驱动装置的平滑电容器之间流过波纹(ripple)电流，给平滑电容器带来不良影响。作为针对上述问题的对策，在下述专利文献2中公开了一种电源再生变换器，其 具备对用于再生动作停止的再生电流采样相位进行修正的修正单元。下述专利文献2通过 该修正单元，即使在电源电压中发生高次谐波畸变时，也能够稳定地进行再生动作及再生 动作的停止(下述专利文献2的段落0013及0014)。但是，在该提案中，通过修正后的再生 电流采样相位中的电流值变为预定值以下来进行判断，但是通过该判断无法保证可靠地停 止再生动作。为了进行可靠的再生动作停止判断，必须进行有效功率的监视。专利文献1 JP特开平6-62584号公报专利文献2 JP特开2004-180427号公报
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种电动机驱动装置，其能够 在持续从逆变器供给再生电力时，可靠地继续整流器的再生动作，在已结束从逆变器供给 再生电力时，可靠地停止整流器的再生动作。
为了达到上述目的，本发明提供一种电动机驱动装置，其具备将三相交流输入电 源转换为直流电源的整流器和将该直流电源转换为希望的频率的交流电源的逆变器，并控 制该整流器来进行电源再生，该电动机驱动装置具备检测部，其检测从该三相交流输入电 源供给的输入电压和输入电流；瞬时有效功率运算部，其根据通过该检测部检测出的输入 电压及输入电流，运算从该整流器对该逆变器供给的瞬时有效功率；直流成分运算部，其根 据通过该瞬时有效功率运算部运算的功率值，运算从该整流器对该逆变器供给的有效功率 的直流成分；以及再生动作停止判断部，其将通过该直流成分运算部运算的直流成分的值 与预定的阈值进行比较，如果该直流成分的值比该阈值大，则进行停止将从该逆变器供给 的再生电力返回给该三相交流输入电源的电源再生动作的判断。 在一个优选方式中，该直流成分运算部使用移动平均滤波器或者一次低通滤波器 来运算该直流成分。在一个优选方式中，该瞬时有效功率运算部，将通过该检测部检测出的从该三相 交流输入电源供给的输入电压及输入电流的同相成分彼此相乘，将对相乘而得的每个相的 值进行合计后的值作为运算结果来输出。或者，该瞬时有效功率运算部，对通过该检测部检测出的从该三相交流输入电源 供给的输入电压及输入电流进行坐标变换，变换为与三相交流坐标上的该输入电压及该输 入电流等价的静止坐标(α-β坐标)上的两相交流电压及两相交流电流(α-β变换)，并 将该两相交流电压及该两相交流电流的同相成分彼此相乘，将对相乘而得的每个相的值进 行合计后的值作为运算结果来输出。或者，该瞬时有效功率运算部，对通过该检测部检测出的从该三相交流输入电源 供给的输入电压及输入电流进行坐标变换，变换为与三相交流坐标上的该输入电压及该输 入电流等价的静止坐标(α-β坐标)上的两相交流电压及两相交流电流(α-β变换)，再 对该静止坐标(α-β坐标)上的该两相交流电压及该两相交流电流进行坐标变换，变换为 与该静止坐标上的该两相交流电压及该两相交流电流等价的旋转坐标(d_q坐标)上的两 相交流电压及两相交流电流(d_q变换)，然后将该旋转坐标(d_q坐标)上的该两相交流电 压及该两相交流电流的同相成分彼此相乘，将对相乘而得的每个相的值进行合计后的值作 为运算结果来输出。在本发明的电动机驱动装置中，提取根据通过整流器的瞬时有效功率剔除脉动成 分(ripple成分)后的有效功率直流成分(平均功率)，根据该直流成分判断从再生动作向 牵引动作的切换。因此，在持续从逆变器供给再生电力时，整流器的再生动作可靠地继续， 当已结束从逆变器供给再生电力时，整流器的再生动作可靠地停止。下面参照附图对本发明的特征及有益效果进行阐述。
图1是表示使用了 120度通电方式的整流器的电动机驱动装置的一个结构例的框 图。图2是用于说明图1所示的电动机驱动装置中的整流器的牵引动作的图。图3是用于说明图1所示的电动机驱动装置中的整流器的再生动作的图。图4是表示再生动作时半导体开关的接通/断开模式的时间图表。
图5是用于说明现有技术问题点的图。图6是表示本发明的电动机驱动装置的一个实施方式的框图。
具体实施例方式为了容易理解本发明，首先使用图1 图5对电动机驱动装置中的整流器的再生 动作和现有技术的问题点进行说明。图1是表示使用了 120度通电方式的整流器的电动机 驱动装置的一个结构例的框图。在图1中，分别用符号102表示电动机、符号104表示工业 三相输入电源、符号106表示逆变器(inverter)以及符号108表示整流器(只图示其主电 路部分)。另外，分别用符号112表示三相输入电压检测电路、符号114表示三相输入电流 检测电路、符号116表示直流电压检测电路以及用符号120表示整流器控制部。整流器108包含三相桥整流电路和平滑电容器。在三相桥整流电路的各二极管上 逆并联连接能够自消弧的半导体开关IGBT (Insulated Gate Bipolar mode Transistor 绝缘栅双极型晶体管)。即二极管的阴极与晶体管的集电极连接，并且二极管的阳极与晶体 管的发射极连接。整流器108进行牵引动作和再生动作。逆变器106例如是三相电压型PWM逆变器，将通过整流器108所生成的直流电转 换为适用于电动机控制的交流电。图1是表示逆变器为一台的情况，但是也可以在直流电 压输出端子上并联连接多台逆变器。整流器控制部120从各检测电路112、114以及116取得从三相输入电源104输入 到整流器108的各相位的电压和 电流以及整流器108的直流电压输出。然后，整流器控制 部120进行用于从牵引动作向再生动作切换以及从再生动作向牵引动作切换的判断，并且 输出将整流器108内的半导体开关元件接通/断开的控制信号。图2及图3是分别用于说明图1所示的电动机驱动装置中的整流器的牵引动作及 再生动作的图。在整流器的牵引动作，即向逆变器供给电力时的动作中，如图2所示，通过 整流器控制部120的控制，所有的半导体开关(晶体管)处于断开状态，通过三相桥整流电 路的二极管对逆变器供给电力。另一方面，在整流器的再生动作，即从逆变器接受电力时的 动作中，如图3所示，通过由整流器控制部120来执行与电源相位相应的半导体开关的接通 /断开控制，将来自逆变器的再生电力返回给电源。图4是表示再生动作时的半导体开关的接通/断开模式的时间图表。再生动作时， 整流器控制部120将与三相电源电压即R相电压、S相电压以及T相电压中的、电位最大的 相连接的半导体开关和与电位最小的相连接的半导体开关接通，将其它半导体开关断开。电位最大的相和电位最小的相，根据电源相位，如图4的上部的时间图表所示那 样进行变化。因此，整流器控制部120根据电源相位，如图4的下部的时间图表所示那样对 各半导体开关的接通/断开进行控制。各半导体开关分别在120度期间接通，因此称为120 度通电方式。上述的专利文献1及专利文献2中公开的技术也是对与120度通电方式相关 的控制进行改良的技术。接下来，说明在整流器控制部120中，如何进行在牵引动作和再生动作之间的动 作切换的判断。首先，说明用于从牵引动作向再生动作迁移的条件的判断，即再生动作开始 判断。在整流器108 —侧正在进行牵引动作的状态下，即在半导体开关全部断开的状态下， 若从逆变器106供给再生电力，则在平滑电容器中蓄积电荷，整流器108的直流电压输出的电位上升。在再生动作开始判断中，检测直流电压输出，当
(i)直流电压输出的电位超过了预定值时，或者(ii)直流电源输出与三相输入电源的相间电压振幅的电位差超过了预定值时，判 断为再生动作开始条件已成立。接下来，说明用于从再生动作向牵引动作迁移的条件的判断，即再生动作停止判 断。当从逆变器106的再生电力的供给结束时，通过整流器108的有效功率的符号变为“非 负”。但是，对于向逆变器106供给电力的方向，设极性为“正”，对于与其相反的方向，设极 性为“负”。在再生动作停止判断中，检测有效功率的瞬时值，即检测瞬时有效功率，当(i)瞬时有效功率的瞬时值超过了预定值时，判断为再生动作停止条件已成立。图5是用于说明上述现有技术的问题点的图，表示在通过逆变器106驱动的电动 机102进行了加减速时，通过整流器108的功率的波形的例子。120度通电方式的整流器中 流过包含高次谐波成分的电流。因此，通过整流器108的瞬时有效功率成为包含了脉动成 分(ripple成分)的、如图5所示那样的波形。在电动机102开始减速，整流器108迁移到再生动作后，期待成为如下这样的动 作(i)在电动机减速过程中(从逆变器供给再生电力)，整流器的再生动作持续，并 且(ii)在电动机停止(结束从逆变器供给再生电力)的同时，整流器的再生动作也停止。在根据通过整流器的瞬时有效功率的值判断再生停止时，例如，在区域A那样，“与 瞬时有效功率的直流成分相比，脉动成分大，因此，尽管直流成分的极性为负，即在平均地 从逆变器供给再生电力的状态下，瞬时有效功率的极性也变成正”的区域中，有时判断为再 生动作停止条件已成立。此时，实际上电动机没有结束减速、来自逆变器的再生电力供给持续，因此，在平 滑电容器中蓄积电荷，直流电压输出上升。当直流电压输出上升时，再生动作开始条件成 立，因此再次开始再生，直流电压输出降低。之后，瞬时有效功率的极性变成正，另外再生动 作停止条件成立。因为这样的动作重复进行，所以直流电压输出产生较大变动，给逆变器的 电流控制带来不良影响。另外，电动机停止后，立即有区域B那样“与瞬时有效功率的直流成分相比，脉动 成分大，因此尽管直流成分的极性为正，即处于从三相输入电源对逆变器供给电力的状态 下，瞬时有效功率的极性也变成负”的区域。因此，在进行再生动作停止判断的周期与电力 脉动成分的周期同步的情况下，电动机停止后，再生动作停止条件也不成立。此时，在输入 电源和平滑电容器之间继续流过高频电流，因此给平滑电容器带来不良影响。因此，本发明通过从通过整流器的瞬时有效功率值中去除脉动成分(ripple成 分)来提取直流成分(平均功率)，根据其极性判断从再生动作向牵引动作的切换，由此来 实现可靠地进行(i)持续从逆变器供给再生电力的过程中的再生动作的继续，以及(ii)结束从逆变器供给再生电力时的再生动作的停止。图6是表示本发明的电动机驱动装置的一个实施方式的框图。图6中的电动机102、工业三相输入电源104、逆变器(inverter) 106、整流器108、三相输入电压检测电路 112、三相输入电流检测电路114以及直流电压检测电路116与图1所示的各部相同。另一 方面，本实施方式中的整流器控制部620具备电源相位运算部622、电压振幅 运算部624、瞬时有效功率运算部626、直流成分运算部628、再生动作开始判断部630、再生 动作停止判断部632以及开关模式运算部634。电源相位运算部622根据通过三相输入电压检测电路112检测出的各相(R相、S 相以及T相)的电压的变化，运算三相输入电源104目前处于哪个相位(电角)。另外，电 压振幅运算部624根据通过三相输入电压检测电路112检测出的各相电压，运算三相输入 电源104的相间电压振幅。另外，再生动作开始判断部630根据通过直流电压检测电路116检测出的直流 电压输出、和通过电压振幅运算部624运算的三相输入电源的相位间电压振幅，进行当直 流电压输出与相位间振幅的电位差超过了预定值时，判断为再生动作开始条件已成立的处理。接下来，对本实施方式中的再生动作停止判断进行说明。瞬时有效功率运算部626 根据通过三相输入电压检测电路112检测出的各相电压和通过三相输入电流检测电路114 检测出的各相电流，运算从三相输入电源104向整流器108以及从整流器108向逆变器106 供给的瞬时有效功率。瞬时有效功率运算部626采用下面的三个运算方法的某一个作为其 运算方法。第一个瞬时有效功率运算方法是将从三相交流输入电源供给的输入电压va、Vb 及ν。以及输入电流ia、ib及i。的同相成分相乘而得的各相的值合计后的值作为计算结果。 即，当已分别按公式(1)、⑵
VaVo4e= Sb…(1)
-"V Kiabc = Ii…(2)设定了整流器108的三相交流输入电压矢量Vab。及三相交流输入电流矢量iab。时， 瞬时有效功率运算部626按下式来计算瞬时有效功率P。P = va. ia+vb · ib+vc · ic第二瞬时有效功率运算方法是对从三相交流输入电源供给的输入电压及输入 电流进行坐标变换，变换为与三相交流坐标上的该输入电压及该输入电流等价的静止坐标 (α-β坐标)上的两相交流电压及两相交流电流(所谓的α-β变换)，将该两相交流电 压及该两相交流电流的同相成分相乘而得的各相的值进行合计后的值作为运算结果。艮口， 瞬时有效功率运算部626对整流器108的三相交流输入电压矢量Vabe及三相交流输入电流 矢量iab。实施以下的坐标变换(α-β变换)，变换为静止坐标上的两相交流电压矢量να0 及两相交流电流矢量iae。
权利要求
1.一种电动机驱动装置，其具备将三相交流输入电源转换为直流电源的整流器和将该 直流电源转换为希望的频率的交流电源的逆变器，并控制该整流器来进行电源再生，该电 动机驱动装置的特征在于，具备检测部，其检测从该三相交流输入电源供给的输入电压及输入电流；瞬时有效功率运算部，其根据通过该检测部检测出的输入电压及输入电流，运算从该 整流器对该逆变器供给的瞬时有效功率；直流成分运算部，其根据通过该瞬时有效功率运算部运算的功率值，运算从该整流器 对该逆变器供给的有效功率的直流成分；以及再生动作停止判断部，其将通过该直流成分运算部运算的直流成分的值和预定的阈值 进行比较，如果该直流成分的值比该阈值大，则进行停止把从该逆变器供给的再生电力返 回给该三相交流输入电源的电源再生动作的判断。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，该直流成分运算部使用移动平均滤波器或者一次低通滤波器来运算该直流成分。
3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，该瞬时有效功率运算部，将通过该检测部检测出的、从该三相交流输入电源供给的输 入电压及输入电流的同相成分彼此相乘，把对相乘而得的每个相的值进行合计后的值作为 运算结果来输出。
4.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，该瞬时有效功率运算部，对通过该检测部检测出的、从该三相交流输入电源供给的输 入电压及输入电流进行被称为α-β变换的坐标变换，变换为与三相交流坐标上的该输入 电压及该输入电流等价的静止坐标、即α-β坐标上的两相交流电压及两相交流电流，并 且将该两相交流电压及该两相交流电流的同相成分彼此相乘，把对相乘而得的每个相的值 进行合计后的值作为运算结果来输出。
5.根据权利要求1或2所述的电动机驱动装置，其特征在于，该瞬时有效功率运算部，对通过该检测部检测出的、从该三相交流输入电源供给的输 入电压及输入电流进行被称为α-β变换的坐标变换，变换为与三相交流坐标上的该输入 电压及该输入电流等价的静止坐标、即α-β坐标上的两相交流电压及两相交流电流，并 且对该静止坐标、即α-β坐标上的该两相交流电压及该两相交流电流进行被称为d_q变 换的坐标变换，变换为与该静止坐标上的该两相交流电压及该两相交流电流等价的旋转坐 标、即d-q坐标上的两相交流电压及两相交流电流，并将该旋转坐标、即d_q坐标上的该两 相交流电压及该两相交流电流的同相成分彼此相乘，把对相乘而得的每个相的值进行合计 后的值作为运算结果来输出。
全文摘要
一种具有电源再生功能的电动机驱动装置，能够在持续从逆变器供给电力时可靠地进行整流器的再生动作，在结束从逆变器供给电力时可靠地停止整流器的再生动作。具备整流器和逆变器并进行电源再生的电动机驱动装置包含检测部，检测三相交流输入电源的输入电压及输入电流；瞬时有效功率运算部，根据所检测的输入电压及输入电流运算从整流器对逆变器供给的瞬时有效功率；直流成分运算部，根据所述瞬时有效功率运算部运算的功率值运算从整流器对逆变器供给的有效功率的直流成分；再生动作停止判断部，比较运算而得的直流成分的值与预定的阈值，若直流成分的值大于阈值则进行停止把从逆变器供给的再生电力返回给三相交流输入电源的电源再生动作的判断。
文档编号H02M7/797GK102130625SQ201010600839
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年1月20日
发明者丹羽正一, 岩下平辅, 置田肇 申请人:发那科株式会社