马达控制装置、电力转换装置、辅助电源装置和控制方法与流程

公开的实施方式涉及马达控制装置、电力转换装置、辅助电源装置以及辅助电源控制方法。

背景技术：

在专利文献1中记载有如下的马达驱动装置，在并用电容器蓄积部和飞轮蓄积部时，通过控制飞轮的角速度来控制飞轮蓄积部的充放电。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5291763号公报。

技术实现要素：

在上述现有技术中，由于难以调节使用飞轮的充放电的变化过程，因此需要复杂的顺序并且控制变得繁杂。

本发明是鉴于这些问题点而完成的，其目的在于，提供以简单的控制构成来提高直流电力的辅助供电功能的马达控制装置、电力转换装置、辅助电源装置以及辅助电源控制方法。

为了解决上述课题，根据本发明的一个方面，使用马达控制装置，包括：ac-dc转换器部，将来自交流电源的交流电力转换为直流电力并供给到直流母线；辅助电源部，对所述直流母线进行直流电力的充电和放电；以及第一逆变器部，控制对马达的供电电力，所述马达使用了所述直流母线的直流电力，所述辅助电源部包括：旋转电机；飞轮，与所述旋转电机结合；第二逆变器部，进行从所述直流母线的直流电力向所述旋转电机的供电和再生；以及控制部，控制所述第二逆变器部，使得所述飞轮的旋转角速度和所述直流母线的母线间电压保持正相关关系。

另外，根据本发明的另一方面，使用电力转换装置，包括ac-dc转换器部，将来自交流电源的交流电力转换为直流电力并供给到直流母线；以及辅助电源部，对所述直流母线进行直流电力的充电和放电，所述辅助电源部包括：旋转电机；飞轮，与所述旋转电机结合；第二逆变器部，进行从所述直流母线的直流电力向所述旋转电机的供电和再生；以及控制部，控制所述第二逆变器部，使得所述飞轮的旋转角速度与所述直流母线的母线间电压保持正相关关系。

另外，根据本发明的另一方面，使用辅助电源装置，所述辅助电源装置对直流母线进行直流电力的充电和放电，包括：旋转电机；飞轮，与所述旋转电机结合；第二逆变器部，进行从所述直流母线的直流电力向所述旋转电机的供电和再生；以及控制部，控制所述第二逆变器部，使得所述飞轮的旋转角速度与所述直流母线的母线间电压保持正相关关系。

另外，根据本发明的另一方面，使用辅助电源控制方法，所述辅助电源控制方法对辅助电源装置进行所述辅助电源控制方法对辅助电源装置进行，所述辅助电源装置包括旋转电机、与所述旋转电机结合的飞轮、以及进行从直流母线的直流电力向所述旋转电机的供电和再生的第二逆变器部，所述辅助电源控制方法执行对所述第二逆变器部的控制，以使所述飞轮的旋转角速度与所述直流母线的母线间电压保持正相关关系。

根据本发明，能够以简单的控制构成来提高直流电力的辅助供电功能。

附图说明

图1是示出实施方式的马达控制装置的简略的电路构成的一例的图。

图2是示出电源逆变器的具体构成的一例的图。

图3是示出在直流母线之间直接连接充放电用电容的比较构成例子的图。

图4是示出在控制部中的速度控制的控制块的一例的图。

图5是示出在不具备辅助电源的情况下的充放电试验的模拟结果的图。

图6是示出作为辅助电源具备充放电用电容的情况下的充放电试验的模拟结果的图。

图7是示出作为辅助电源具备实施方式的辅助电源部的情况下的充放电试验的模拟结果的图。

图8是示出在进行无速度传感器控制的情况下的控制部中的速度控制的控制块的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。

马达控制装置的概略构成

图1示出本实施方式的马达控制装置的简略的电路构成的一例。该马达控制装置1通过将从外部的交流电源2供给的交流电力转换为直流电力并将该直流电力转换为预定的交流电力以供给至负载马达3，由此对该负载马达3和与其连结的负载机械4进行驱动控制。在图1中，马达控制装置1具有转换器5、浪涌用平滑电容6、负载逆变器7以及辅助电源部8。

转换器5(ac-dc转换器部)具有例如由二极管桥构成的整流部11和电源用平滑电容12，通过将来自外部的交流电源的交流电力由整流部11整流并由电源用平滑电容12进行平滑，由此向直流母线13供给直流电力。

浪涌用平滑电容6是以横跨上述直流母线之间的方式连接的电容，在该例子中是应对浪涌用的容量相对小的电容。

负载逆变器7(第一逆变器部)具有开关电路16，该开关电路16例如将并联连接了飞轮二极管14的半导体开关元件15桥连接。该负载逆变器7通过未特别具体图示的驱动控制装置的pwm控制来适当地开关各半导体开关元件15，由此将直流母线13的直流电力转换为所期望的频率以及波形的交流电压，并供给到负载马达3以进行其驱动控制。另外，负载逆变器7还具有将来自负载马达3的再生电力再生到直流母线13的功能。此外，在以下的描述中，将由上述的转换器5、浪涌用平滑电容6以及负载逆变器7构成的电路称为主电路。另外，负载马达3相当于在各权利要求中记载的马达。

辅助电源部8具有电源逆变器21、电源马达22以及飞轮23(详细后述)，并且连接在上述主电路的直流母线13之间进行在该直流母线13中的电能与飞轮23的旋转动能的相互转换。也就是说，辅助电源部8通过主动控制飞轮23的旋转运动来选择性地对直流母线13进行充电和放电。

在如上构成的马达控制装置1中，在控制对象的负载马达3的容量较大的情况下，以进行急加速或急减速的方式来进行驱动控制，直流母线13之间的直流电压(母线间电压)变化较大，从而发生直流电力的过量或不足而容易变得不稳定。辅助电源部8根据这种主电路中的直流电压的变化，选择性地进行电力峰值削减和电力辅助的动作。也就是说，在母线间电压上升的情况下，辅助电源部8将该过剩的量的直流电力转换为飞轮23的旋转动能并进行蓄积，即、辅助电源部8充电直流母线13的直流电力而进行电力峰值削减。另外，在母线间电压降低的情况下，辅助电源部8将该不足的量的直流电力从飞轮23的旋转动能进行转换并补偿，即、辅助电源部8放电(再生)直流电力来进行电力辅助。如上所述，辅助电源部8将直流母线13的电能和飞轮23的旋转动能相互转换，并且对主电路的直流母线13进行对应于其直流电力的过量或不足的充放电，作为所谓的飞轮电池而发挥功能。

辅助电源部的具体的构成例及其功能

图2示出辅助电源部8的具体构成的一例。如上所述，辅助电源部8具有电源逆变器21、电源马达22、飞轮23以及控制部24。

电源逆变器21(第二逆变器部)是例如将并联连接了飞轮二极管33的半导体开关元件34作为臂开关元件qh、ql并将两个该臂开关元件qh、ql串联连接的串联电路以三组并联的方式桥连接的电路。在该电源逆变器21中，三组并联连接的两端被连接于直流母线13之间，在三组中的每一组中，串联连接的两个臂开关元件qh、ql之间的中间点与作为三相交流马达的电源马达22的各相端子连接。并且，电源逆变器21具有如下功能：根据从后述的控制部24输出的开关信号适当地开关各半导体开关元件34，由此将直流母线13的直流电力转换为三相交流电力，并供应给电源马达22。另外，电源逆变器21还具有如下功能：将从电源马达22再生的三相交流电力转换(再生)为直流母线13的直流电力。

电源马达22(旋转电机)是如上所述的旋转型的三相交流马达，在其输出轴上机械地连接有飞轮23，该飞轮23具有固定的大的惯性(惯性力矩)。

控制部24具有母线间电压检测部35(在图中缩写为“v1电压检测部”)。母线间电压检测部35用于检测直流母线13的正侧配线13p和负侧配线13n之间的母线间电压v1。并且，控制部24通过基于母线间电压检测部35的检测值的pwm控制来输出开关信号，以控制各臂开关元件qh、ql的开关。

在上述构成的辅助电源部8中，电源逆变器21向电源马达22供应驱动电力，由此该电源马达22作为电动机发挥功能并对飞轮23进行旋转驱动，即、将电能转换为旋转动能而蓄积。另外，当供给到电源马达22的电能比飞轮23的旋转动能低时，通过飞轮23的惯性旋转，该电源马达22作为发电机发挥功能并向电源逆变器21输出再生电力，即、将旋转动转换为电能而放电。

这样的充电和放电的切换，通过控制部24在进行各臂开关元件qh、ql的开关的pwm控制下的占空比以及直流母线13中的母线间电压v1之间的平衡来切换。也就是说，为了有意切换上述构成的辅助电源部8中的充电和放电的动作选择，需要监测飞轮23的旋转角速度和母线间电压v1两者的同时对电源马达22适当地进行反映了这些的供电控制。

<对电源马达的供电控制的方法>

首先，作为本实施方式中的辅助电源部8的目的，如上所述，当母线间电压v1上升时，需要进行使该辅助电源部8充电(使飞轮23加速)的峰值削减控制，当母线间电压v1降低时，需要进行使该辅助电源部8放电(使飞轮23减速)的峰值辅助控制。但是，难以调节如上的峰值削减控制和峰值辅助控制的切换定时以及各自的充放电量的变化过程，需要复杂的顺序，因此对电源马达22的供电控制往往变得繁杂。

与之相对，在如图3所示的比较例那样将充放电用的电容41直接连接在直流母线13之间的构成中，不需要上述的充电和放电的切换控制，从容易控制的观点来看是最优选的。因此，在本实施方式中，通过所谓控制部24中对飞轮23的旋转角速度的控制的软件方法，进行电源马达22的供电控制，使得整个辅助电源部8以与宛如上述比较例那样的单一的充放电用电容41同等的行为来进行充放电。

具体而言，在将本实施方式的辅助电源部8的整体视为与单一的充放电用电容41等价的情况下，各自的可蓄积能量也视为相等，由此能够导出以下的式(1)。

其中，c是充放电用电容41(电容器)的电容量，v是充放电用电容41的端子之间电压(与母线间电压v1相等)，j是旋转部(包括联轴器等)整体的惯性，该旋转部包括电源马达22的转子和飞轮23，ω是该旋转部的旋转角速度。

当根据上述的式(1)进行式变形以分别求得旋转角速度ω和电容量c时，为

即，根据上述式(2)，在本实施方式的辅助电源部8中，如果飞轮23的旋转角速度ω相对于母线间电压v1总是为正相关关系，具体而言如果为比例关系(ω＝(c/j)^1/2·v1)，则能够保持上述等价性。并且，根据上述式(3)，此时的辅助电源部8中的充电容量可以视为与电容量c(＝j·(ω/v1)²)等价。

如上所述，在本实施方式的例子中，在辅助电源部8的电源逆变器21中，以使飞轮23的旋转角速度ω相对于母线间电压v1总是保持以(c/j)^1/2作为比例系数的正比例关系的方式进行电源马达22的供电控制即可。这仅仅进行保持飞轮23的旋转角速度ω与母线间电压v1之间的正比例关系这样的简单的控制，就能够实现自动地对应于母线间电压v1增减的、响应性好的辅助电源部8的充放电控制，而不会意识到充电控制(峰值削减控制)与放电控制(峰值辅助控制)的切换。另外，通过适当地调整惯性j，容易设定辅助电源部8的充电容量c，该充电容量c对应于主电路的直流母线13中预想的母线间电压v1的变化幅度。

<反馈控制块的一例>

这里，图4中示出了根据本实施方式的用于实现对电源马达22的供电控制的反馈控制块的一例。图示的控制块以传递函数形式描述，辅助电源部8的控制部24以软件形式具备。在该图4中，控制部24具有速度指令生成部51、减法器52、速度控制部53、pwm控制部54以及速度转换部55。

速度指令生成部51将对于由上述母线间电压检测部35检测出的母线间电压v1乘以预先设定的比例系数((c/j)^1/2)而得到的值作为速度指令ω生成。

减法器52从上述的速度指令ω减去后述的速度检测值ωfb，并输出它们之间的速度偏差δω。

速度控制部53通过对被输入的上述速度偏差δω进行例如pi控制(比例积分控制)来生成转矩指令。

pwm控制部54通过基于上述转矩指令的占空比的pwm控制来对上述电源逆变器21(在图4中省略图示)进行开关，将直流母线13的直流电力转换为交流电力而向电源马达22供电。

另外，电源马达22具备编码器等位置检测器56(在上述图1、图2中省略图示)，该位置检测器56检测电源马达22(飞轮23)的旋转位置作为位置检测值θ。速度转换部55将该位置检测值θ转换为电源马达22的速度检测值ωfb而输出到上述减法器52。该速度换部55可以由所谓的微分器(s)构成。

通过上述的反馈控制块，控制部24能够生成速度指令ω，并且以使飞轮23的旋转角速度跟随该速度指令的方式进行驱动控制，该速度指令ω与在该时间点检测出的母线间电压v1以上述比例系数((c/j)^1/2)而成正比例关系。也就是说，能够对电源马达22进行供电控制，使得飞轮23的旋转角速度ω相对于母线间电压v1总是保持以(c/j)^1/2作为比例系数的正比例关系。

<模拟结果>

图5是示出在主电路不具备任何辅助电源的比较例(未具体示出)中当以预定的负载模式驱动负载马达3时的母线间电压v1、负载马达电力以及转换器输出的各自的时间变化的模拟结果的时序图。另外，图6是示出在主电路具备作为辅助电源而具有预定的静电容量c的充放电用电容41的比较例(参照上述图3)中与上述图5相同的各参数的模拟结果的时序图。另外，图7是示出在主电路具备作为辅助电源而具有与上述图6的情况中的充放电用电容41的静电容量c相同的充电容量的本实施方式的辅助电源部8的构成例中除了与上述图5、图6相同的各参数之外还加上速度指令ω(图中的虚线)、速度检测值ωfb(图中的实线)的时间变化的模拟结果的时序图。此外，在各个模拟中，为了便于在时序图中图示，进行处理，使得当母线间电压v1变为100v以下时将负载马达电力降到0(也就是说，即使负载马达电力变得多大，母线间电压v1最低也保持100v左右)。

在不具备辅助电源的图5中，如果负载马达电力上升，则直流母线13中的直流电力不足从而母线间电压v1急剧下降。并且，与该母线间电压v1的急剧下降相应地，转换器输出也急剧上升，虽然增加直流电力，但其结果赶不上直流电力的不足，母线间电压v1持续保持下降状态，从而处于异常动作状态。

与之相对，在作为辅助电源具备充放电用电容41的情况的图6中，即使在负载马达电力上升而直流母线13中的直流电力急剧被消耗时，母线间电压v1也仅是缓慢下降，且其变化幅度也被抑制得较小。这是因为，由来自充放电用电容41的放电来补充即使转换器输出的上升而导致的增加直流电力也不足的量(相当于电力辅助)。另外，在负载马达电力下降之后，母线间电压v1缓慢上升而返回到原来的初始电压。这是因为，与此对应，转换器输出下降的同时，由负载马达3将下降的直流电力充电到充放电用电容41(符合基于电力辅助的电力峰值削减)。

并且，在具备本实施方式的辅助电源部8的情况的图7中，在负载马达电力上升而急剧消耗直流母线13中的直流电力的情况或负载马达电力下降而停止消耗直流电力的情况的任一种情况下，母线间电压v1与上述图6的充放电用电容41的情况大致相同地抑制在时间上的变化。由此可以视为，本实施方式的辅助电源部8能够以与上述图6的充放电用电容41同等的行为进行充放电。

此外，在负载马达电力上升而直流母线13的直流电力不足的期间，电源马达22的速度检测值ωfb(参照图中的实线)以跟随与其相比总是略低的速度指令ω(参照图中的虚线)的方式减速。由此可知，在电源马达22中生成由飞轮23的惯性旋转引起的再生电力(从飞轮23的旋转动能转换为电能)，辅助电源部8对直流母线13进行放电，进行所谓的电力辅助控制。

另外，在负载马达电力下降而直流母线13的直流电力变得过剩的期间，电源马达22的速度检测值ωfb(参照图中的实线)以跟随与其相比总是略高的速度指令ω(参照图中的虚线)的方式加速。由此可知，电源马达22消耗直流电力来使飞轮23加速(从电能转换为飞轮23的旋转动能)，辅助电源部8从直流母线13充电，进行与所谓的电力峰值削减控制相符的控制。

此外，在上述的各个模拟中，在将电源马达22以其最大速度nmax旋转时可蓄积在飞轮23中的旋转动能设为emax的情况下，将蓄积约其一半的旋转动能(emax/2)时的电源马达22的旋转速度n0设为初始动作速度。在该情况下，为

根据如上能量守恒式，将初始动作速度n0表示为如下：

通过如此设定初始动作速度n0，能够在充电容量和放电容量两者中设定相同的裕度余量，以便能够对应如上述的各模拟那样的电力辅助→电力峰值削减顺序的充放电过程并且与其相反的电力峰值削减→电力辅助的充放电过程(未具体图示)。

本实施方式的效果

如以上说明那样，在本实施方式的马达控制装置1中，控制部24对电源逆变器21进行控制，使得飞轮23的旋转角速度ω和直流母线13的母线间电压v1保持正相关关系，该电源逆变器21进行从直流母线13的直流电力向电源马达22供电和再生。如此仅进行保持正相关关系的控制，就能够实现自动对应于母线间电压v1的增减的、响应性好的辅助电源部8的充放电控制，而不需要有意切换峰值削减控制和峰值辅助控制的复杂的切换顺序。其结果，能够以简单的控制构成来提高直流电力的辅助供电功能。

另外，在本实施方式中，尤其是，控制部24控制电源逆变器21，使得飞轮23的旋转角速度ω与母线间电压v1保持正比例关系(ω＝(c/j)^1/2·v1)，该正比例关系(ω＝(c/j)^1/2·v1)以将包含电源马达22的转子和飞轮23的旋转部(还包含联轴器等)的惯性j(惯性力矩)作为分母、将可蓄积能量与该惯性j等价的充放电用电容41的静电容量c作为分子的比例的平方根作为比例系数((c/j)^1/2)。由此，虽然是简单的控制，但宛如在直流母线13之间直接连接了与辅助电源部8相同容量的单一的充放电用电容41(电容器)的情况同样地能够进行功能性充放电控制。

另外，在本实施方式中，尤其是，控制部24向电源逆变器21输入速度指令ω，该速度指令ω为将基于从直流母线13检测出的母线间电压v1和比例系数((c/j)^1/2)算出的旋转角速度，电源逆变器21向电源马达22供电，以便保持被输入的速度指令ω的速度。由此，能够使用通常利用的可进行速度控制的逆变器(伺服放大器)来具体实现作为飞轮电池的辅助电源部8。

另外，在本实施方式中，尤其是，电源逆变器21向电源马达22供电，以便通过将从电源马达22或者飞轮23检测出的旋转角速度(速度检测值ωfb)作为反馈值的反馈控制来保持速度指令ω的旋转角速度。由此，能够实现对应于实际的飞轮23的旋转角速度变化的高精度的充放电控制。此外，在对主电路的充放电控制不要求高精度的情况下，也可以不进行反馈控制而进行其他前馈控制等(省略图示)。

变形例

此外，公开的实施方式不限于以上，在不脱离其主旨和技术思想的范围内可以进行各种变形。

变形例1：辅助电源部的控制部进行无速度传感器控制的情况

在上述实施方式中，辅助电源部8的电源马达22具备编码器等位置检测器56，控制部24的速度转换部55将由该位置检测器56检测出的位置检测值θ转换为速度检测值ωfb而用于速度反馈控制，但并不限定于此。例如，如对应于上述图4的图8的反馈控制块所示那样，也可以构成为，将向电源马达22供电的驱动电力的电流以及电压分别作为电流检测值im、电压检测值vm检测，并将速度检测部57基于这些检测值im、vm算出的速度检测值ωfb用于速度反馈控制。该速度检测部57的计算处理方法，可以使用已知的在无速度传感器控制中进行的处理方法，在此省略其详细说明。通过采用不需要这种高价的位置检测器56的构成，能够降低系统整体的制造成本。

变形例2：其他

例如，即使在仅由上述图1中的转换器5和辅助电源部8构成电力转换装置的情况下，对除了马达控制装置1以外的其他的电气设备(例如个人计算机等)也适合用作稳定电源。另外，即使在仅将辅助电源部8作为独立的辅助电源装置构成的情况下，对于连接多个电气设备的一般的直流电源，也适合于根据电气设备数量任意连接到直流母线13的应用。

此外，在以上说明中，在存在“垂直”、“平行”、“平面”等记载的情况下，该记载不是严格意义上的意思。即，这些“垂直”、“平行”、“平面”是允许设计上、制造上的公差和误差，是“实质上垂直”、“实质上平行”、“实质上平面”的意思。

另外，在以上的说明中，在存在外观上的尺寸或大小、形状、位置等“同样”、“相同”、“相等”、“不同”等记载的情况下，该记载不是严格意义上的意思。即，这些“同样”、“相同”、“相等”、“不同”是允许设计上、制造上的公差和误差，是“实质上同样”、“实质上相同”、“实质上相等”、“实质上不同”的意思。

另外，除了以上已经描述的以外，也可以适当组合上述实施方式和各变形例的方法来利用。此外，不一一例示，但上述实施方式和各变形例在不脱离其主旨的范围内添加各种变更而实施。

符号说明

1马达控制装置

2交流电源

3负载马达(马达)

4负载机械

5转换器(ac-dc转换部)

6浪涌用平滑电容

7负载逆变器(第一逆变器部)

8辅助电源部(辅助电源装置)

11整流部

12电源用平滑电容

13直流母线

21电源逆变器(第二逆变器部)

22电源马达(旋转电机)

23飞轮

24控制部

33飞轮二极管

34半导体开关元件

35母线间电压检测部

41充放电用电容

51速度指令生成部

52减法器

53速度控制部

54pwm控制部

55速度转换部

56位置检测器

57速度检测部。