推定杂散电容的电动机驱动装置的制作方法

本发明涉及推定杂散电容的电动机驱动装置。

背景技术：

在对机床、锻压机械、注射成型机、工业机械、或各种机器人内的电动机进行驱动的电动机驱动装置中，在将从交流电源供给的交流电力暂时变换为直流电力后再变换为交流电力，并将该交流电力作为驱动电力经由电动机动力线供给到设置在每个驱动轴中的电动机。因此，电动机驱动装置具备将从交流电源侧输入的交流电力变换(整流)为直流电力的变换器(整流器)、将作为变换器的直流侧的dc链路中的直流电力变换为交流电力的逆变器。

在电动机驱动装置中向电动机供给驱动电力的逆变器由功率元件(半导体开关元件)和与之逆并联连接的二极管的桥电路构成。内部的功率元件根据从电动机控制部接收到的开关指令进行开关驱动，由此逆变器将输入的直流电压(即dc链路的直流电压)变换为用于驱动电动机的交流电压。在高速地对逆变器内的功率元件进行开关驱动时，高频电流经由存在于电动机动力线和电动机中的杂散电容而流动。经由杂散电容流动的高频电流造成因高频噪声产生的电动机驱动装置的内部电路和外围设备的错误动作、电动机驱动装置的功率因数的降低、电动机驱动装置、电动机动力线以及外围设备的发热、破损等。作为外围设备的例子，有cnc(computerizednumericalcontrol：计算机数值控制)装置、plc(programmablelogiccontroller：可编程逻辑控制器)等。

例如，如国际公开第2012/070117号所记载的那样，已知一种电动机驱动电路，其对交流电动机进行pwm驱动，该电动机驱动电路的特征在于，具备：整流电路，其对来自交流电源的电力进行整流；直流中间电路，其对上述整流电路的输出进行滤波并保持；逆变器电路，其根据上述直流中间电路所保持的直流电力，对向上述交流电动机的施加电压进行pwm控制；滤波电路，其插入到上述交流电源和上述整流电路之间，其中，上述滤波电路具备：噪声滤波器，其降低无论是否进行上述pwm控制都可能产生的谐波噪声；以及频带截止滤波器，其降低由于上述pwm控制而可能产生的具有频带宽度的谐波噪声。

例如，如日本特开平10-032931号公报所记载的那样，已知一种谐波抑制装置的控制装置，具备：控制装置，其与电线连接，检测叠加在电线中的谐波电流分量，并输出与该检测出的谐波分量相位相反的信号作为控制信号；以及有源滤波器，其输入该控制信号，并将与之成比例的电流经由匹配变压器注入到上述电线中，该谐波抑制装置的控制装置的特征在于，设置有检测谐波抑制装置的设置点的电压的变压器，将来自上述变压器的检测电压输入给控制装置，从该输入的检测电压中去除基波分量并乘以1/r而导出控制电流，并且将符号反转并加上从上述电线中检测出的控制电流，作为向有源滤波器的输入电流。

例如，如日本特开2004-312864号公报所记载的那样，已知一种电动机控制装置，其具备：电流检测电路，其检测流过三相交流电动机的电流；基波电流控制电路，其在与上述电动机的旋转同步地旋转的dq坐标系中，对电动机电流的基波分量进行反馈控制；谐波电流控制电路，其在以电动机电流的基波分量的频率的整数倍的频率来进行旋转的dhqh坐标系中，对电动机电流的谐波分量进行反馈控制；指令值计算电路，其将上述基波电流控制电路的输出和上述谐波电流控制电路的输出相加而计算交流电压指令值；以及电力变换电路，其生成与上述交流电压指令值对应的三相交流电压并施加给上述三相交流电动机，该电动机控制装置的特征在于，具备：谐波分量除去电路，其根据上述基波电流控制电路中的基波电流指令值与电动机电流反馈值之间的控制偏差，除去电动机电流的谐波分量。

技术实现要素：

在电动机驱动装置中，经由存在于电动机动力线和电动机中的杂散电容而流动的高频电流造成因高频噪声产生的电动机驱动装置的内部电路和外围设备的错误动作、电动机驱动装置的功率因数的降低、电动机驱动装置、电动机动力线以及外围设备的发热、破损等，因此尽量减小杂散电容的对策是重要的。在针对杂散电容的对策中，需要使用单独的高频电流测定器来测定高频电流。但是，追加设置测定高频电流的高频电流测定器会造成电动机驱动装置的成本增加。另外，根据由高频电流测定器测定出的高频电流来计算杂散电容是麻烦并且花费时间的工作，无法高效地进行杂散电容对策。因此，在电动机驱动装置的领域中，希望有一种能够低成本并且容易地掌握电动机动力线和电动机的杂散电容的技术。

根据本发明的一个实施例，电动机驱动装置具备：逆变器，其内部的功率元件进行开关驱动，由此将所输入的直流电压变换为用于驱动电动机的交流电压来进行输出；高频电流检测部，其从通过经由电动机动力线向电动机施加从逆变器输出的交流电压而流过电动机动力线的电流中，检测高频电流；以及杂散电容推定部，其根据由高频电流检测部检测出的高频电流，推定在电动机动力线和电动机中产生的杂散电容。

附图说明

通过参考以下的附图，能够更明确地理解本发明。

图1是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置的图。

图2a是示例由电流检测电路检测出的流过电动机动力线的电流的图，示例不包含高频电流的电流。

图2b是示例由电流检测电路检测出的流过电动机动力线的电流的图，示例包含高频电流的电流。

图3是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置中的高频电流检测部的第一形式的图。

图4是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置中的高频电流检测部的第二形式的图。

图5是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置的动作流程的流程图。

具体实施方式

以下，参考附图说明推定杂散电容的电动机驱动装置。为了容易理解，这些附图适当地变更了比例尺。附图所示的实施例是用于实施的一个例子，并不限于图示的实施方式。

图1是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置的图。

作为一个例子，说明由连接到交流电源2的电动机驱动装置1来控制单绕组型的一个交流电动机(以下简称为“电动机”)3的情况。本实施方式并不具体限定电动机3的个数，也可以是除此以外的个数。另外，电动机3也可以是多绕组型。在每个电动机的绕组中设置逆变器12。例如，在具有多个单绕组型的电动机3的情况下，对每个电动机3设置逆变器12，在具有一个多绕组型的电动机3的情况下，对每个绕组设置逆变器12，在具有多个多绕组型的电动机3的情况下，对各电动机3的每个绕组设置逆变器12。对于本实施方式中的高频电流检测部13和杂散电容推定部14，例如针对一个逆变器12设置一个即可。设置有电动机3的机械例如包括机床、机器人、锻压机械、注射成型机、工业机械、各种电器、电车、汽车、飞机等。

本实施方式并不具体限定连接到电动机驱动装置1的交流电源2和电动机3的相数，例如既可以是三相，也可以是单相。另外，对于电动机3的种类，本实施方式也不进行具体限定，例如既可以是感应电动机，也可以是同步电动机。此外，在以下说明的例子中，将电动机驱动装置1设为具备变换器11和逆变器12并将交流电源2作为驱动源而驱动交流电动机3的装置，但本实施方式也能够应用于不具备变换器而具备以电池等直流电源(未图示)作为动力源的逆变器的电动机驱动装置。

在说明一实施方式的电动机驱动装置1之前，先说明对电动机3的驱动控制。电动机驱动装置1与普通的电动机驱动装置同样，控制逆变器12，该逆变器12将从dc链路输入(施加)的直流电压变换为用于驱动电动机3的交流电压并进行输出。电动机驱动装置1内的电动机控制部30根据电动机3的转速(速度反馈)、经由电流检测电路21检测出的流过电动机动力线的电流(电流反馈)、预定的转矩指令、以及电动机3的动作程序等，生成用于控制电动机3的转速、转矩、或转子的位置的开关指令。根据由电动机控制部30制作的开关指令，来控制逆变器12的电力变换动作。

如图1所示，电动机驱动装置1具备逆变器12、高频电流检测部13、杂散电容推定部14、以及上述电动机控制部30。另外，电动机驱动装置1具备向逆变器12供给直流电压(直流电力)的变换器11。另外，电动机驱动装置1也可以具备比较部15和警报部16作为选项。

变换器11将从交流电源2输入的交流电压变换为直流电压来输出给作为直流侧的dc链路。作为变换器11的例子，有二极管整流电路、120度通电型整流电路、或在内部具备功率元件的pwm开关控制方式的整流电路等。在本实施方式中，将交流电源2设为三相，因此变换器11构成为三相的桥电路，但在交流电源2是单相的情况下，由单相桥电路构成。此外，在将电池等直流电源(未图示)作为向逆变器12供给直流电压的供给源的情况下，电动机驱动装置1不具备变换器。

在将变换器11的直流输出侧和逆变器12的直流输入侧连接起来的dc链路中，设置有dc链路电容器(也称为平滑电容器)4。dc链路电容器4具有抑制变换器11的直流输出的脉动分量的功能、以及在dc链路中积蓄直流电力的功能。

逆变器12由功率元件(半导体开关元件)和与之逆并联连接的二极管的桥电路构成，各功率元件根据从电动机控制部30接收到的开关指令来进行开关驱动，由此将从dc链路输入的直流电压变换为用于驱动电动机3的交流电压来进行输出。逆变器12和电动机3经由电动机动力线连接，因此，从逆变器12输出的电压经由电动机动力线施加到电动机3的端子之间。更详细地说，逆变器12根据从电动机控制部30接收到的开关指令，对内部的功率元件进行开关驱动，将从dc链路输入的直流电压变换为用于驱动电动机3的期望电压和期望频率的交流电压来进行输出。由此，经由电动机动力线向电动机3供给交流的驱动电流。作为功率元件的例子，有igbt、晶闸管、gto、晶体管等，但本实施方式并不限定功率元件的种类自身，也可以是其他的功率元件。此外，在本实施方式中，将连接到电动机驱动装置1的电动机3设为三相交流电动机，因此逆变换器13构成为三相桥电路，但在电动机3是单相交流电动机的情况下，由单相桥电路构成。

经由电动机动力线向电动机3施加从逆变器12输出的交流电压，由此从逆变器12经由电动机动力线向电动机3流过电流。由电流检测电路21检测流过电动机动力线的电流。电流检测电路21可以与电流检测电路共用，该电流检测电路例如通常为了控制逆变器12的变换动作、检测向电动机控制部30反馈的逆变器输出电流而设置。另外，为了向电动机控制部30反馈去除了高频分量后的逆变器输出电流，在电流检测电路21的后级，一般设置有低通滤波器(在图1中未图示)。

高频电流检测部13从由电流检测电路21检测出的流过电动机动力线的电流中，检测高频电流。图2a是示例由电流检测电路检测出的流过电动机动力线的电流的图，示例不包含高频电流的电流。图2b是示例由电流检测电路检测出的流过电动机动力线的电流的图，示例包含高频电流的电流。此外，在图2a和图2b中，为了简化附图，省略了伴随着pwm控制而产生的电流的脉动分量。如图2b所示，在连接逆变器12和电动机3的电动机动力线中流过的由电流检测电路21检测出的电流中，包含因逆变器12内的功率元件的开关驱动而造成的高频电流。一般为了控制逆变器12的变换动作而向电动机控制部30反馈的逆变器输出电流使用的是，通过低通滤波器(在图1中未图示)从图2b所示那样的包含高频电流的电流中去除了高频分量后的图2a所示那样的电流。此外，将在后面详细说明高频电流检测部13的高频电流检测方法。

杂散电容推定部14根据由高频电流检测部13检测出的高频电流，推定在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容。在图1以及后述的图2a、图2b、图3中，用参考符号5表示在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容。在本实施方式中，将流过在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容的电流看作是流过电动机动力线的电流中的高频分量，根据由高频电流检测部13检测出的高频电流，推定在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容。以下进行详细描述。

杂散电容推定部14将由高频电流检测部13检测出的高频电流的值除以功率元件的两端电压在单位时间内的变化量，由此计算在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容。当设杂散电容的积蓄电荷为q，杂散电容的电容为c，功率元件两端的电压为v时，如下述公式(1)那样表示高频电流的大小i。

杂散电容推定部14依照上述公式(1)，将由高频电流检测部13检测出的高频电流的大小i除以功率元件的两端电压在单位时间内的变化量dv/dt，由此计算在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容c。功率元件的两端电压在单位时间内的变化量dv/dt一般被规定为与功率元件有关的规格数据，例如记载在功率元件的规格表、安装说明书等中。或者，也可以通过事先的实验来求出功率元件的两端电压在单位时间内的变化量dv/dt。例如，当由高频电流检测部13检测出的高频电流的大小i是5a，功率元件的两端电压在单位时间内的变化量dv/dt是500v/微秒时，杂散电容c为“5a÷500v/微秒＝10微法”。

此外，也可以将由杂散电容推定部14推定出的杂散电容的值显示在附属于个人计算机、便携终端、用于电动机驱动装置1的控制终端、电动机驱动装置1的上位控制装置等的显示器(未图示)上。经由显示器了解到在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容的大小的用户例如可以进行以下这样的设计变更，即将连接逆变器12和电动机3的电动机动力线、连接变换器11和交流电源2的电源线更换为短的，或者变更布线位置。例如，在工厂中存在多个机床的情况下，如果对设置在各个机床内的电动机驱动装置1的每个逆变器12设置高频电流检测部13和杂散电容推定部14，则用户能够掌握每个机械(即，每个机床、每个电动机驱动装置1、或每个逆变器12)的杂散电容，因此例如能够高效地应对每个机械的设计变更、作为系统整体的设计变更等。此外，也可以将由杂散电容推定部14推定出的与杂散电容有关的数据存储在存储装置中，并将该数据用于其他用途。

比较部15对由杂散电容推定部14推定出的杂散电容和预先规定的阈值进行比较。当比较部15的比较结果是由杂散电容推定部14推定出的杂散电容超过了阈值的情况下，警报部16输出警报信号。例如，将阈值设定为能够检测出产生因高频噪声造成的电动机驱动装置的内部电路和外围设备的错误动作、电动机驱动装置的功率因数的降低、电动机驱动装置、电动机动力线以及外围设备的发热、破损等那样的大小的值。在该情况下，当由杂散电容推定部14推定出的杂散电容超过了阈值时，警报部16输出警报信号，例如根据该警报信号，能够在附属于个人计算机、便携终端、用于电动机驱动装置1的控制终端、电动机驱动装置1的上位控制装置等的显示器上显示“产生了大到足以引起错误动作、发热、破损等的杂散电容”。另外，也可以根据该警报信号，例如通过扬声器、蜂鸣器、钟(chime)等那样的发出声音的音响设备，向用户通知“产生了大到足以引起错误动作、发热、破损等的杂散电容”。可以根据该警报信号，例如使用打印机打印在纸上等来进行显示。另外，或者也可以适当地组合它们，来向用户通知“产生了大到足以引起错误动作、发热、破损等的杂散电容”。

此外，作为用于比较部15的比较处理的阈值，可以设定大小2个级别的阈值。例如，可以设定用于检测“产生了不足以引起错误动作、破损但有可能造成较大发热的杂散电容”的第一阈值，并设定用于检测“产生了大到足以引起错误动作、破损的杂散电容”的、大于第一阈值的第二阈值。例如，当比较部15的比较结果是由杂散电容推定部14推定出的杂散电容超过了第一阈值时，警报部16输出预警(warning)信号作为事先警报，并在由杂散电容推定部14推定出的杂散电容超过了第二阈值时，输出警报信号。能够使附属于个人计算机、便携终端、用于电动机驱动装置1的控制终端、电动机驱动装置1的上位控制装置等的显示器在接收到预警信号时，显示“产生了有可能造成较大发热的杂散电容”，并在接收到警报信号时，显示“产生了大到足以引起错误动作、破损的杂散电容”。在对用户的通知部是上述扬声器、蜂鸣器、钟等那样的发出声音的音响设备、打印机的情况也是同样的。这样设定大小2个级别的阈值，与杂散电容的大小对应地输出预警信号、警报信号，并将向用户通知的杂散电容的产生状况分为2个阶段，由此能够采取更细致的应对措施。例如，用户能够进行以下这样的更高效的设计变更，即在通过显示器等知道了“产生了不足以引起错误动作、破损但有可能造成较大发热的杂散电容”时，变更连接逆变器12和电动机3的电动机动力线、连接变换器11和交流电源2的电源线的布线位置，在知道了“产生了大到足以引起错误动作、破损等的杂散电容”时，将连接逆变器12和电动机3的电动机动力线、连接变换器11和交流电源2的电源线更换为短的。

接着，说明高频电流检测部13的高频电流检测方法。

图3是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置的高频电流检测部的第一形式的图。第一形式的高频电流检测部13具备高通滤波器41，其去除具有比截止频率低的频率的分量的电流。第一形式的高频电流检测部13通过高通滤波器41，从流过电动机动力线的电流中去除具有比预定的截止频率低的频率的电流分量，由此检测用于杂散电容推定部14中的杂散电容推定处理的高频电流。高频电流的频率例如是数百khz～数mhz，且不依赖于电动机电流的频率。列举一个例子，例如能够将具有不足100khz的频率分量的电流定义为“不包含高频分量的电流”，并将具有500khz以上的频率分量的电流定义为“包含高频分量的电流”。在将高通滤波器41的截止频率例如设定为500khz时，第一形式的高频电流检测部13能够检测出具有比500khz大的频率的分量的高频电流。此外，高频电流检测部13以外的电路构成元件与参考图1所说明的电路构成元件相同，因此对相同的电路构成元件附加相同符号，来省略对该电路构成元件的详细说明。

图4是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置中的高频电流检测部的第二形式的图。第二形式的高频电流检测部13具备差值取得部42，其取得流过电动机动力线的电流与通过低通滤波器31从流过电动机动力线的电流中去除了具有比截止频率高的频率的分量的电流后的电流之间的差值。如上所述，作为一般为了控制逆变器12的变换动作而反馈给电动机控制部30的逆变器输出电流，使用通过低通滤波器31从由电流检测电路21检测出的流过电动机动力线的电流(图2b)中去除了具有比预定的截止频率高的频率的电流分量后的电流(图2a)。差值取得部42通过计算来取得由电流检测电路21检测出的电流(即包含高频电流的电流)和经由低通滤波器31输出的电流(即不包含高频电流的电流，也是被用于由电动机控制部30进行的对逆变器12的电力动作的控制的电流)之间的差值。第二形式的高频电流检测部13将由差值取得部42取得的差值作为用于杂散电容推定部14中的杂散电容的推定处理的高频电流而输出。此外，高频电流检测部13以外的电路构成元件与参考图1所说明的电路构成元件相同，因此对相同的电路构成元件附加相同符号，来省略对该电路构成元件的详细说明。

图5是表示本发明的实施方式的电动机驱动装置的动作流程的流程图。

在电动机驱动装置1在实际应用中驱动电动机3的情况下，在步骤s101中，电流检测电路21检测流过连接逆变器12和电动机3的电动机动力线的电流。

在步骤s102中，高频电流检测部13从由电流检测电路21检测出的流过电动机动力线的电流中，检测高频电流。

在步骤s103中，杂散电容推定部14根据由高频电流检测部13检测出的高频电流，推定在电动机动力线和电动机3中产生的杂散电容。

在步骤s104中，比较部15对由杂散电容推定部14推定出的杂散电容和阈值进行比较。

在比较部15判定为通过杂散电容推定部14推定出的杂散电容超过了阈值的情况下，在步骤s105中，警报部16输出警报信号。然后，根据该警报信号，可以在附属于个人计算机、便携终端、用于电动机驱动装置1的控制终端、电动机驱动装置1的上位控制装置等的显示器上，显示“产生了大到足以引起错误动作、破损等的杂散电容”。或者，也可以通过上述扬声器、蜂鸣器、钟等那样发出声音的音响设备、打印机，来向用户通知“产生了大到足以引起错误动作、破损等的杂散电容”。

此外，也可以在步骤s104中由比较部15对大小2个级别的阈值和由杂散电容推定部14推定出的杂散电容进行比较，根据比较部15的比较结果，在步骤s105中，警报部16输出预警信号或警报信号。

在上述实施方式中，在电动机驱动装置1在实际应用中驱动电动机3的情况下，执行步骤s101～s105的处理，但也可以在与电动机驱动装置1实际应用(通常运转模式)电动机3的驱动的时刻不同的时刻，另外设置杂散电容推定模式作为电动机驱动装置1的动作模式，在该杂散电容推定模式下，使电动机驱动装置1动作而执行步骤s101～s105，来推定杂散电容。

上述高频电流检测部13、杂散电容推定部14、比较部15、以及电动机控制部30例如既可以以软件程序形式构筑，或者也可以由各种电子电路和软件程序的组合来构筑。在该情况下，例如可以使该软件程序在asic、dsp等运算处理装置中动作来实现各部的功能。另外，高频电流检测部13、杂散电容推定部14、以及比较部15既可以在与电动机控制部30共享的asic、dsp等运算处理装置中实现，或者也可以在独立于电动机控制部30的asic、dsp等运算处理装置中实现。

另外，检测流过连接逆变器12和电动机3的电动机动力线的电流的电流检测电路21，例如可以共享一般为了控制逆变器12的变换动作、检测反馈给电动机控制部30的逆变器输出电流而设置的电流检测电路，可以不新设置作为硬件的电流检测电路。另外，为了向电动机控制部30反馈去除了高频分量后的逆变器输出电流，在电流检测电路21的后级，一般设置有低通滤波器31，但在实现第二形式的高频电流检测部13的情况下，将低通滤波器31的输出输入给差值取得部42即可，可以不另外设置新的低通滤波器。这样，根据本实施方式，作为硬件的电流检测电路21沿用已经设置在电动机驱动装置1中的电路，因此不需要另外设置用于检测电流的硬件。另外，也不需要另外设置用于测定高频电流的高频电流测定器。在本实施方式中，根据由现存的电流检测电路21检测出的电流来推定杂散电容，因此能够低成本并且容易地掌握电动机动力线和电动机的杂散电容的产生状况，并能够高效地采取尽量减小杂散电容那样的措施。

根据本发明的一个实施例，能够实现能够低成本并且容易地掌握电动机动力线和电动机的杂散电容的电动机驱动装置。