马达控制装置和马达驱动系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及的马达控制装置，包括电力转换部、PWM控制部和交流电抗器。电力转换部具有开关元件。PWM控制部对电力转换部进行PWM控制，向轴向间隙型马达供应交流电力。交流电抗器设置在电力转换部和轴向间隙型马达之间。
【专利说明】马达控制装置和马达驱动系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种马达控制装置和马达驱动系统。
【背景技术】
[0002]目前,作为马达的一种，已知有轴向间隙(Axial gap)型马达。轴向间隙型马达与作为一般马达的径向间隙(Radial gap)型马达不同，是呈圆板状形成的转子与定子在轴向上相向配置的马达(例如参照日本专利第5052288号)。
[0003]轴向间隙型马达具有如下特征，S卩，其与径向间隙型马达相比能够形成为薄型马达，相应地与径向间隙型马达相比其线圈匝数减少。因此，轴向间隙型马达与径向间隙型马达相比电感小。
[0004]电感越小，伴随开关元件的切换而产生的电流变化越剧烈。因此，如果要通过PWM(Pulse Width Modulat1n,脉冲宽度调制)控制对轴向间隙型马达的驱动进行控制,则可能导致电流纹波(RiPPle)等开关噪声变得显著。开关噪声因作为使驱动控制不稳定和马达发热的一个原因而不优选。
[0005]本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种在通过PWM控制对轴向间隙型马达进行控制的情况下能够抑制开关噪声的马达控制装置和马达驱动系统。
【发明内容】
[0006]本发明涉及的马达控制装置，包括电力转换部、PWM控制部和交流电抗器(Reactor)。电力转换部具有开关元件。PWM控制部对电力转换部进行PWM控制，向轴向间隙型马达供应交流电力。交流电抗器设置在电力转换部和轴向间隙型马达之间。
[0007]根据本发明，在通过PWM控制对轴向间隙型马达进行控制的情况下能够抑制开关噪声。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]以下，参照附图阅读下述发明的详细说明，能够容易地对本发明进行更为完整的认识，并理解与其相关的优点。
[0009]图1是表示实施方式I涉及的马达驱动系统的结构示例的示意图。
[0010]图2是表示轴向间隙型马达的结构示例的示意图。
[0011]图3是表示实施方式I涉及的马达控制装置的结构示例的框图。
[0012]图4是表示交流电抗器的配置的一个示例的示意图。
[0013]图5是表示交流电抗器的配置的另一个示例的示意图。
[0014]图6是表示实施方式2涉及的马达驱动系统的结构示例的示意图。
[0015]图7是表示实施方式2涉及的马达控制装置的结构示例的框图。
[0016]图8是表示实施方式2涉及的交流电抗器的结构示例的示意图。
[0017]图9是表示设定信息的一个示例的图。
【具体实施方式】
[0018]下面，参照附图，详细说明本发明涉及的马达控制装置和马达驱动系统的实施方式。此外，本发明不限定于以下所示的各实施方式。
[0019](实施方式I)
[0020]图1是表示实施方式I涉及的马达驱动系统的结构示例的示意图。如图1所示，实施方式I涉及的马达驱动系统I包括轴向间隙型马达2和马达控制装置3。
[0021]此外，这里，对电源4为直流电源的示例进行说明。电源4例如也可以是用转换器电路将从交流电源输出的交流电压转换成直流电压而得到的直流电源。
[0022]轴向间隙型马达2是呈圆板状的转子与定子在轴向上相向配置的马达。这里，参照图2说明轴向间隙型马达2的结构。图2是表示轴向间隙型马达2的结构示例的图。
[0023]轴向间隙型马达2的定子5具备多个线圈51。上述多个线圈51围绕旋转轴ο排列配置。此外，虽然在图2中仅示出了 2个线圈51，但是在定子5上，例如可以围绕旋转轴ο以一定间隔排列配置8个线圈51。
[0024]轴向间隙型马达2的转子6，与定子5在轴向上隔着间隙相向配置。在转子6，多个永久磁铁61围绕旋转轴ο排列配置。
[0025]轴向间隙型马达2如上述那样构成，在定子5产生的磁通作用于转子6，从而使转子6旋转。
[0026]在实施方式I中，采用定子5不具有定子铁芯的无铁芯式轴向间隙型马达作为轴向间隙型马达2，关于这一点将在后面说明。
[0027]马达控制装置3对由电源4供应的直流电力进行PWM(Pulse Width Modulat1n,脉冲宽度调制)控制，将其转换成所期望的交流电力向轴向间隙型马达2输出，由此控制轴向间隙型马达2的驱动。
[0028]这里，参照图3对马达控制装置3的结构进行说明。图3是表示实施方式I涉及的马达控制装置3的结构示例的框图。
[0029]如图3所示，马达控制装置3具备马达驱动单元10、控制单元20和电抗器单元30。此外，马达驱动单元10具备电力转换部11和PWM控制部12，电抗器单元30具备交流电抗器31。上述马达驱动单元10、控制单元20和电抗器单元30收纳在控制盘40的内部。
[0030]在轴向间隙型马达2设置有位置检测器7。位置检测器7对轴向间隙型马达2的位置进行检测，输出与检测位置对应的检测信号。该位置检测器7例如与轴向间隙型马达2的输出轴连结，对轴向间隙型马达2的输出轴的旋转位置进行检测。
[0031]电力转换部11连接在电源4和轴向间隙型马达2之间，向轴向间隙型马达2供应与由PWM控制部12供应的PWM信号对应的电压和电流。该电力转换部11例如是将6个开关元件按三相桥式连接而构成的三相逆变器电路。
[0032]PWM控制部12基于控制单元20的控制信号，生成使构成电力转换部11的开关元件导通/断开的PWM信号，并输出到电力转换部11。
[0033]控制单元20生成基于位置检测器7的检测信号的转矩指令，并向PWM控制部12输出与该转矩指令对应的控制信号。
[0034]这里，作为马达控制装置3的控制对象的轴向间隙型马达2具有如下特征，即，其与径向间隙型马达相比能够形成为薄型马达，相应地其线圈51的匝数与径向间隙型马达相比减少。因此，轴向间隙型马达2与径向间隙型马达相比电感小。
[0035]此外，如实施方式I涉及的轴向间隙型马达2那样，无铁芯式轴向间隙型马达与具有定子铁芯式的轴向间隙型马达相比，所产生的磁通的磁通密度较小，所以具有电感进一步变小的倾向。
[0036]由于电感越小，伴随开关元件的切换而产生的电流变化越剧烈，所以如果要通过PWM控制对轴向间隙型马达的驱动进行控制，则可能导致电流纹波等开关噪声变得显著。
[0037]因此，在实施方式I涉及的马达控制装置3中，通过在电力转换部11与轴向间隙型马达2之间设置交流电抗器31，来抑制开关噪声。
[0038]交流电抗器31例如由3个线圈构成。各线圈的一端分别与U相、V相和W相连接，另一端与电力转换部11连接。
[0039]通过该交流电抗器31具有的电感，将伴随构成电力转换部11的开关元件的切换而产生的电流变化的高频分量进行抑制。因此，即使在进行电感比径向间隙型马达小的轴向间隙型马达2的驱动控制的情况下，也能够抑制伴随切换而产生的电流纹波等开关噪声。
[0040]然而，由于轴向间隙型马达2为薄型是一项优点，所以对使用者而言，可能更优选的是将交流电抗器31配置在例如控制盘40的内部，而非配置在轴向间隙型马达2的附近。
[0041]在这种情况下，如果采用具有芯材的交流电抗器作为交流电抗器31，则由于芯材会因铁损而发热，所以在将交流电抗器31配置在控制盘40的内部时并不优选。
[0042]因此，在实施方式I涉及的马达控制装置3中，采用不具有芯材的无铁芯式交流电抗器作为交流电抗器31。由此，在将交流电抗器31配置在控制盘40的内部时，不需要考虑发热的影响。作为无铁芯式电抗器，例如除日本特开平09-199342号等中记载的空芯电抗器以外，能够使用各种公知技术。
[0043]然而，无铁芯式交流电抗器31因为不具有芯材，所以与具有芯材的交流电抗器相比电感小。因此，如果要实现与具有芯材的交流电抗器相同的电感，则无铁芯式交流电抗器31的尺寸比具有芯材的交流电抗器大。这样，交流电抗器31的尺寸变大，在将交流电抗器31配置在控制盘40的内部时也并不优选。
[0044]因此，在实施方式I涉及的马达控制装置3中，使PWM信号的载波频率高载波化。
[0045]PWM控制部12构成为，能够根据来自控制单元20的控制信号，切换径向间隙型马达用的载波频率和轴向间隙型马达2用的载波频率这两种载波频率。轴向间隙型马达2用的载波频率比径向间隙型马达用的载波频率高，例如为15kHz。PWM控制部12基于来自控制单元20的控制信号，以轴向间隙型马达用的较高的载波频率生成PWM信号。
[0046]这样，通过使PWM信号高载波化，与以径向间隙型马达用的较低的载波频率生成PWM信号的情况相比，能够更加抑制电流纹波等开关噪声。而且，由于通过高载波化来抑制开关噪声能够相应地使交流电抗器31的电感减小，所以即使在使用无铁芯式交流电抗器31的情况下，也能够抑制交流电抗器31的大型化。
[0047]如上所述，在实施方式I涉及的马达控制装置3中，通过使用无铁芯式交流电抗器31，并且使PWM信号高载波化，能够抑制交流电抗器31的发热和大型化。因此，能够容易地将交流电抗器31配置在设置空间有限的控制盘40的内部，而且在将交流电抗器31配置在控制盘40的内部时,也不需要设置散热器(Heat Sink)等冷却单元。
[0048]此外，这里，PWM控制部12是以15kHz以上的载波频率生成PWM信号的，不过PWM控制部12只要是以至少SkHz以上的载波频率生成PWM信号即可。
[0049]此外，PWM控制部12也可以以使构成电力转换部11的开关元件以最高速度切换的载波频率(例如20kHz)生成PWM信号。并且，如果通过交流电抗器31来抑制即使高载波化也无法完全抑制的电流纹波，则能够将交流电抗器31的尺寸控制得更小。
[0050]收纳交流电抗器31的电抗器单元30对于马达驱动单元10装卸自如，以外置于马达驱动单元10的状态配置在控制盘40内。参照图4对上述结构进行说明。图4是表示交流电抗器31的配置的一个示例的示意图。
[0051]如图4所示，马达驱动单元10具备箱体15,在该箱体15内配置有电力转换部11和PWM控制部12。此外，在箱体15的背面设置有用于冷却电力转换部11和PWM控制部12等的散热器等冷却部16。
[0052]电抗器单元30具备箱体35，在该箱体35内配置有交流电抗器31。而且，电抗器单元30外置于马达驱动单元10的箱体15的背面即外置于冷却部16。
[0053]这样，通过将作为分别独立的单元的马达驱动单元10和电抗器单元30组装成一体，能够消除设置空间的浪费，能够实现交流电抗器31进一步的省空间化。
[0054]此外，通过将电抗器单元30安装于马达驱动单元10的冷却部16，也能够用冷却部16来冷却交流电抗器31。
[0055]此外，电抗器单元30也能够以从马达驱动单元10拆卸下的状态设置在控制盘40内。在这种情况下，电抗器单元30通过配线部件与马达驱动单元10连接。
[0056]此外，这里例示了将电抗器单元30外置于马达驱动单元10的背面的情况，但是安装电抗器单元30的场所也可以是马达驱动单元10的背面以外的场所。
[0057]此外，交流电抗器31也可以配置在马达驱动单元10的内部。参照图5对上述结构进行说明。图5是表示交流电抗器31的配置的另一个示例的示意图。
[0058]如图5所示，交流电抗器31也可以配置在马达驱动单元10的箱体15内。在这种情况下，通过按照箱体15内部的死区的形状形成交流电抗器31，能够抑制马达驱动单元10的大型化，并且实现交流电抗器31的省空间化。
[0059]这样，通过将交流电抗器31与马达驱动单元10 —体设置，能够高效率地配置交流电抗器31。
[0060]如上所述，实施方式I涉及的马达驱动系统I具备轴向间隙型马达2和控制轴向间隙型马达2的驱动的马达控制装置3。此外，马达控制装置3具备电力转换部11、PWM控制部12和交流电抗器31。电力转换部11具有开关元件。PWM控制部12对电力转换部11进行PWM控制，并且向轴向间隙型马达2供应交流电力。交流电抗器31设置在电力转换部11和轴向间隙型马达2之间。
[0061]因此，根据实施方式I涉及的马达驱动系统I，能够在通过PWM控制对轴向间隙型马达进行控制的情况下抑制开关噪声。
[0062]此外，在实施方式I中，采用无铁芯式轴向间隙型马达作为轴向间隙型马达2，但是轴向间隙型马达2也可以是具有定子铁芯的铁芯式轴向间隙型马达。
[0063]此外，在实施方式I中，采用无铁芯式交流电抗器作为交流电抗器31，但是交流电抗器31也可以是具有芯材的交流电抗器。在这种情况下，例如在交流电抗器31设置有散热器等冷却单元时，也可以将交流电抗器31配置在控制盘40内。
[0064]此外，交流电抗器31并非一定要配置在控制盘40的内部，也可以配置在控制盘40的外部。
[0065](实施方式2)
[0066]接着，对实施方式2涉及的马达驱动系统的结构进行说明。图6是表示实施方式2涉及的马达驱动系统的结构示例的示意图。
[0067]如图6所示，实施方式2涉及的马达驱动系统IA进行多个轴向间隙型马达的驱动控制。该马达驱动系统IA具备多个轴向间隙型马达(这里仅示出轴向间隙型马达2a?2f)和马达控制装置3A。
[0068]多个轴向间隙型马达2a?2f?中的轴向间隙型马达2a、2b、轴向间隙型马达2c、2d以及轴向间隙型马达2e、2f是分别用于同一作业的轴向间隙型马达。例如，轴向间隙型马达2a、2b是纺织纤维的纺机用马达，轴向间隙型马达2c、2d是卷绕纤维的卷绕机用马达，轴向间隙型马达2e、2f是裁断纤维的裁断机用马达。
[0069]轴向间隙型马达2a、2c、2e以其旋转轴ο (参照图2)与作业流向k交叉的状态，沿作业流向k排列配置。在马达驱动系统IA中，通过上述轴向间隙型马达2a、2c、2e，依序进行例如纺织作业、卷绕作业和裁断作业。
[0070]此外，轴向间隙型马达2b、2d、2f分别是进行与轴向间隙型马达2a、2c、2e相同的作业的马达。轴向间隙型马达2b、2d、2f与轴向间隙型马达2a、2c、2e同样，以其旋转轴ο与作业流向k交叉的状态，沿作业流向k排列配置。
[0071]而且，分别进行一连串作业的轴向间隙型马达2a、2c、2e与轴向间隙型马达2b、2d、2f在与作业流向k交叉的方向即轴向上相向配置。
[0072]如上所述，在马达驱动系统IA中，在以其旋转轴与作业流向交叉的状态配置多个马达的情况下，使用轴向厚度较薄的轴向间隙型马达2a?2f。由此，能够密集地配置进行一连串作业的马达组(这里是轴向间隙型马达2a、2c、2e和轴向间隙型马达2b、2d、2f)，因此能够实现设置空间的省空间化。
[0073]下面，将轴向间隙型马达2a?2f中的、进行相同作业的轴向间隙型马达2a、2b、轴向间隙型马达2c、2d以及轴向间隙型马达2e、2f分别记为马达组Ml、M2、M3。
[0074]马达控制装置3A进行上述轴向间隙型马达2a?2f的驱动控制。这里，参照图7对实施方式2涉及的马达控制装置3A的结构进行说明。图7是表示实施方式2涉及的马达控制装置3A的结构示例的框图。
[0075]如图7所示，实施方式2涉及的马达控制装置3A具备多个马达驱动单元1a?1f和多个电抗器单元30a?30f、以及控制单元20A，它们配置在控制盘40A内。
[0076]多个马达驱动单元1a?1f分别配置在轴向间隙型马达2a?2f和电源4之间。各马达驱动单元1a?1f与实施方式I涉及的马达驱动单元10同样，具备电力转换部和PWM控制部。
[0077]各马达驱动单元1a?1f具备的PWM控制部构成为，能够根据来自后述的控制单元20A的控制信号切换PWM信号的载波频率。
[0078]多个电抗器单元30a?30f分别设置在马达驱动单元1a?1f和轴向间隙型马达2a?2f之间。
[0079]这里，参照图8对实施方式2涉及的电抗器单元30a?30f的结构进行说明。图8是表示实施方式2涉及的电抗器单元30a?30f的结构示例的示意图。此外，由于各电抗器单元30a?30f的结构是相同的，所以这里以电抗器单元30a的结构为示例进行说明。
[0080]如图8所示，实施方式2涉及的电抗器单元30a具备交流电抗器31a。交流电抗器3Ia在U相、V相和W相分别具备串联连接的2个线圈。具体而言，交流电抗器31a具备与U相对应的线圈32ul和32u2、与V相对应的线圈32vl和32v2、与W相对应的线圈32wl和32w20
[0081]此外，串联连接的2个线圈中的一个线圈，具体而言线圈32u2、线圈32v2和线圈32w2分别与切换器33u、33v、33w并联连接。根据来自控制单元20A的控制信号控制上述切换器33u、33v、33w的开闭。
[0082]在切换器33u、33v、33w断开的情况下，交流电抗器31a的各相的电感分别等于线圈32ul和32u2、线圈32vl和32v2、以及线圈32wl和32w2的串联电路的电感。另一方面，如果切换器33u、33v、33w闭合，则线圈32u2、32v2、32w2的两端短路。其结果，交流电抗器31a的各相的电感分别等于线圈32ul、线圈32vl和线圈32wl的电感。
[0083]这样，实施方式2涉及的交流电抗器31a构成为，能够通过使切换器33u、33v、33w开闭来切换电感。
[0084]返回图7，对控制单元20A进行说明。如图7所示，控制单元20A通过总线50与各马达驱动单元1a?1f及各电抗器单元30a?30f相互连接。
[0085]控制单元20A具备存储部21和控制部22。此外，存储部21存储设定信息211。设定信息211是对上述马达组M1、M2、M3，将切换器33u、33v、33w的开闭状态与从各马达驱动单元1a?1f的PWM控制部输出的PWM信号的载波频率相关联的信息。
[0086]这里，参照图9对设定信息211的一个示例进行说明。图9是表示设定信息211的一个示例的图。如图9所示，设定信息211对马达组M1、M2、M3，将“切换器的开闭状态”项目与“载波频率”项目相关联。“切换器的开闭状态”项目是包含了交流电抗器31a的切换器33u、33v、33w的开闭状态的项目。此外，“载波频率”项目是包含了 PWM信号的载波频率的项目。
[0087]例如在图9所示的例子中，切换器的开闭状态“开”和载波频率“fl”与马达组Ml相关联。同样，切换器的开闭状态“开”和载波频率“f2”与马达组M2相关联，切换器的开闭状态“闭”和载波频率“f3”与马达组M3相关联。
[0088]而且，控制单元20A的控制部22基于存储在存储部21中的设定信息211，对马达组Ml、M2、M3，进行切换器33u、33v、33w的开闭状态和PWM信号的载波频率的切换处理。
[0089]例如，控制部22对与马达组Ml对应的电抗器单元30a、30b的切换器33u、33v、33w，输出使其为“开”状态的控制信号。此外，控制部22对与马达组Ml对应的马达驱动单元10a、10b的PWM控制部，输出将载波频率切换为“Π”的控制信号。
[0090]同样，控制部22对与马达组M2对应的电抗器单元30c、30d的切换器33u、33v、33w，输出使其为“开”状态的控制信号，并且对与马达组M2对应的马达驱动单元10c、1d的PWM控制部，输出将载波频率切换为“f2”的控制信号。此外，控制部22对与马达组M3对应的电抗器单元30e、30f的切换器33u、33v、33w，输出使其为“闭”状态的控制信号，并且对与马达组M3对应的马达驱动单元10e、10f的PWM控制部，输出将载波频率切换为“f3”的控制信号。
[0091]如上所述，在实施方式2涉及的马达驱动系统IA中，对用于分别进行不同作业的马达组Ml、M2、M3，切换交流电抗器的电感和PWM信号的载波频率。因此，能够根据作业内容恰当地抑制伴随开关元件的切换而产生的电流纹波等开关噪声。此外，由于不需要对马达组Ml、M2、M3分别准备不同的马达驱动单元和电抗器单元，所以能够提供通用性高的马达驱动系统。
[0092]此外，这里，交流电抗器31a具备在各相串联连接的2个线圈32ul和32u2、32vl和32v2、32wl和32w2、以及与一个线圈32u2、32v2、32w2并联连接的切换器33u、33v、33w。然而，不限定于上述结构，交流电抗器31a也可以是具备串联连接的3个以上的线圈、以及与其中的至少一个线圈并联连接对于该线圈的导通状态进行切换的切换器的结构。通过采用上述结构，能够将交流电抗器31a的电感切换为3个以上不同的电感。
【权利要求】
1.一种马达控制装置，其特征在于，包括: 电力转换部，其具有开关元件； PWM控制部，其对所述电力转换部进行PWM控制，向轴向间隙型马达供应交流电力；以及 交流电抗器，其设置在所述电力转换部和所述轴向间隙型马达之间。
2.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于: 所述电力转换部和所述PWM控制部配置在马达驱动单元内， 所述交流电抗器与所述马达驱动单元一体设置。
3.如权利要求2所述的马达控制装置，其特征在于: 所述交流电抗器配置在对于所述马达驱动单元装卸自如的电抗器单元内。
4.如权利要求2所述的马达控制装置，其特征在于: 所述交流电抗器配置在所述马达驱动单元内。
5.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于: 所述PWM控制部以8kHz以上的载波频率对所述电力转换部进行PWM控制。
6.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于: 所述PWM控制部，以使所述电力转换部具有的开关元件以最高速度切换的载波频率对所述电力转换部进行PWM控制。
7.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于: 所述交流电抗器是不具有芯材的无铁芯式交流电抗器。
8.如权利要求1所述的马达控制装置，其特征在于: 所述PWM控制部对所述电力转换部进行PWM控制，向不具有定子铁芯的无铁芯式轴向间隙型马达供应交流电力。
9.一种马达驱动系统，其特征在于，包括: 轴向间隙型马达；以及 马达控制装置，其控制所述轴向间隙型马达的驱动， 所述马达控制装置包括: 电力转换部，其具有开关元件； PWM控制部，其对所述电力转换部进行PWM控制，向所述轴向间隙型马达供应交流电力；以及 交流电抗器，其设置在所述电力转换部和所述轴向间隙型马达之间。
10.如权利要求9所述的马达驱动系统，其特征在于: 具备多个所述轴向间隙型马达， 所述交流电抗器包括: 多个线圈，其串联连接；以及 切换器，其与所述多个线圈中的至少一个线圈并联连接，对该线圈的导通状态进行切换， 所述马达控制装置包括: 存储部，其对包含多个所述轴向间隙型马达中的两个以上的轴向间隙型马达的每个马达组，存储将所述切换器的开闭状态与从所述PWM控制部输出的PWM信号的载波频率相关联的设定信息；以及 控制部，其基于所述设定信息，对所述每个马达组，切换所述切换器的开闭状态和所述PWM信号的载波频率。
【文档编号】H02P5/74GK104167978SQ201310187617
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月20日 优先权日:2013年5月20日
【发明者】福井耕平, 野中和浩, 山崎明, 寺园裕一, 陈喆 申请人:安川电机（中国）有限公司, 株式会社安川电机