具有DC连接部的电容器短路判定部的电动机驱动装置的制作方法

本发明涉及具有dc连接部的电容器的短路判定部的电动机驱动装置。

背景技术：

在驱动机床、锻压机、注塑成形机、工业机械或者各种机器人内的电动机的电动机驱动装置中，通过转换器将从交流电源供给的交流电力转换为直流电力并输出到dc连接部，并且通过逆变器将dc连接部的直流电力转换为交流电力，并将该交流电力作为驱动电力供给到设置在每个驱动轴的电动机。

dc连接部中设置有电容器，该电容器具有抑制转换器直流输出的脉动量的功能和累积直流电力的功能。这种电容器也被称为dc连接电容器或平滑电容器。一般电容器中有耐压，所以有时将多个电容器串联连接从而使得能够承受dc连接部中的大的直流电压。

例如，如国际公开第2011/161730号所记载的那样，已知一种电力转换装置，其具备：转换器，其将交流电源的交流电压转换为直流电压；n(n是2以上的整数)个电容器，其为了平滑该直流电压而串联连接，该n个电容器从高电位侧设定为第一、第二、……、第n；以及电容器异常检测电路，其检测上述n个电容器的哪个产生了短路故障，上述电容器异常检测电路具备：n个开关电路，其具有励磁电路和通过该励磁电流而使接点闭合的接点电路，且从高电位侧起设定为第一、第二、……、第n；n个励磁电阻，其与上述n个开关电路的各个励磁电路交替串联连接；以及n个接点电阻，其与上述n个开关电路的各个接点电路交替串联连接，该电力转换装置将上述第一开关电路的励磁电路以及接点电路的一端连接于上述第一电容器的高电位侧，将连接于上述第一开关电路的第一励磁电阻与上述第二开关电路的励磁电路的连接点作为第一连接点，将连接于上述第一开关电路的第一接点电阻和上述第二开关电路的接点电路的连接点与该第一连接点连接，并且在使电流从第一连接点流向上述第二电容器的高电位侧的方向上连接第一二极管，并且同样地，以下将连接于上述第k开关电路的第k接点电阻和上述第(k+1)开关电路的接点电路的连接点依次与第k{(k＝2、3、……(n-1)}的连接点连接，并且，在电流从该第k连接点流到上述第(k+1)电容器的高电位侧的方向上连接第k二极管，将连接于第n开关电路的第n励磁电阻的另一端和连接于第n开关电路的第n接点电阻的另一端与上述第n电容器的低电位侧连接，在运行上述转换器中切断上述第n开关电路的励磁时，判断上述n个电容器中的至少一台发生了短路故障。

例如，如日本特开2010-142066号公报记载的那样，已知一种机器人，其具备：机器人主体，其具有通过电动机驱动的轴；直流电源装置，其具有在将从交流电源提供的交流电压进行整流的整流器和与该整流器的各输出端子连接的一对直流电源线间串联连接的第一电容器以及第二电容器；电源开关单元，其被设置成能够开关从上述交流电源到上述直流电源装置的电源供给路径；逆变器装置，其输入上述直流电源线间的直流电压并驱动上述电动机；交流电压输入部，其将上述交流电源的电压进行分压并输入；电容器电压检测部，其检测与低电位侧的上述直流电源线连接的上述第一电容器的端子间电压；以及控制电路，其根据通过上述交流电压输入部输入的交流电压来监视上述交流电源的瞬时停电，并且控制上述电源开关单元的开关，上述控制电路具备：最大值检测部，其将低电位侧的上述直流电源线的电位作为基准来检测通过上述交流电压输入部输入的交流电压的最大值；电容器电压推定部，其从上述最大值减去通过上述电容器电压检测部检测出的上述第一电容器的端子间电压的值，推定上述第二电容器的端子间电压，机器人将检测出的上述第一电容器的端子间电压的值或推定出的上述第二电容器的端子间电压的值与设定为比上述各个电容器的额定耐压更高的阈值电压进行比较，当上述各个电容器端子间电压的值中的至少一个比上述阈值电压高时开放上述电源开关单元。

例如，如日本特开2009-92505号公报记载的那样，已知一种电容器电路的电容器故障检测电路，电容器电路通过将多组电容器电路单元并联连接构成，该电容器电路单元通过将电容器和平衡电阻的并联电路串联连接2个而构成，与上述电容器电路单元的一个电容器并联连接的平衡电阻由多个电阻构成，电容器电路的电容器故障检测电路具备：电压检测单元，其检测上述多个电阻中一个电阻的电压下降；以及电容器异常检测单元，其具有下限阈值和比该下限阈值大的上限阈值，当通过上述电压检测单元检测出的电压比上述下限阈值小时，判断为上述电容器电路单元的任意一个电容器异常，当该电压比上述上限阈值大时，判断为上述电容器电路单元的任意一个电容器异常，上述下限阈值至少与施加于上述电容器电路单元的直流电压成比例变化。

技术实现要素：

如果在电动机驱动装置内的转换器和逆变器之间的dc连接部中设置的串联连接的多个电容器中的任意一个产生短路故障，则在没有短路故障的正常电容器上施加有比目前为止还要高的电压。若施加于正常电容器的高电压是电容器耐压以上的电压或者如果施加有高电压的状态长时间持续，则施加有高电压的电容器会破损或会着火。其结果为会产生以下问题，即电动机、驱动该电动机的电动机驱动装置、连接于该电动机驱动装置所驱动的电动机的工具、该工具所加工的加工对象、具有该电动机驱动装置的生产线等会产生破损或变形等任意的故障。因此，早期检测在dc连接部中设置的电容器的短路故障是非常重要的。例如也考虑始终监视分别施加于串联连接的多个电容器的电压来检测短路故障的情况。但是，针对各电容器分别设置电压监视电路会导致部件件数的增加、电路的追加甚至成本的增加，这是不优选的。因此，希望一种能够不设置追加电路而以低成本检测设置在电动机驱动装置内的转换器和逆变器之间的dc连接部上的串联连接的多个电容器的短路故障的技术。

根据本公开的一个方式，电动机驱动装置具备：转换器，其将从交流电源输入的交流电力转换为直流电力并输出；dc连接部，其与转换器的直流输出侧并联连接，且具有相互串联连接的多个电容器；逆变器，其与dc连接部并联连接，将dc连接部的直流电力转换为用于电动机驱动的交流电力并输出；以及短路判定部，其将施加于dc连接部的正负两极端子的电压值和预先规定的第一阈值进行比较，并且将经由转换器从交流电源流到dc连接部的输入电流值和预先规定的第二阈值进行比较，在比较的结果为施加于dc连接部的正负两极端子的电压的值低于第一阈值时经由转换器从交流电源流到dc连接部的输入电流的值高于第二阈值的情况下，判定为dc连接部内的多个电容器中的至少一个短路。

附图说明

通过参照以下的附图能够更加明确地理解本发明。

图1是表示本公开的实施方式的电动机驱动装置的图。

图2是例示本实施方式的电动机驱动装置的短路判定处理的图。

图3是例示现有的电动机驱动装置的dc连接部的电容器短路产生时的图。

图4是表示本公开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，参照附图说明具有dc连接部的电容器的短路判定部的电动机驱动装置。为了容易理解，适当变更这些附图的比例尺。附图所示的方式是用于实施的一个例子，但不限于图示的实施方式。

图1表示本公开实施方式的电动机驱动装置。

作为一例，说明通过与交流电源2连接的电动机驱动装置1来1个控制1绕组型的交流电动机(以下简单称为“电动机”)3的情况。电动机3的个数可以不特别限定于本实施方式的个数而是这以外的个数，另外，电动机3也可以是多个绕组型。逆变器13设置在电动机3的每个绕组上。例如，在存在多个1绕组型的电动机3时在每个电动机3上设置逆变器13，在有一个多绕组型的电动机3时在每个绕组上设置逆变器13，在有多个多绕组型的电动机3时，在各电动机3的每个绕组上设置逆变器13。交流电源2以及电动机3的相数不特别限定本实施方式，例如可以是三相也可以是单相。另外，关于电动机3的种类也不特别限定本实施方式，例如可以是感应电动机，也可以是同步电动机。在此，设置有电动机3的机器中例如包括机床、机器人、锻压机、注塑成形机、工业机器、各种电器、电车、汽车、飞机等。

电动机驱动装置1与一般的电动机驱动装置同样地控制逆变器13，该逆变器13在dc连接部12的直流电力和电动机3的驱动电力或再生电力即交流电力之间进行电力转换。电动机驱动装置1内的电动机控制部20根据电动机3的(转子的)速度(速度反馈)、流过电动机3的绕组的电流(电流反馈)、预定的转矩指令以及电动机3的动作程序等，生成电动机3的速度、转矩或用于控制转子的位置的开关指令。根据由电动机控制部20生成的开关指令来控制逆变器13进行的电力转换动作。

如图1所示，电动机驱动装置1具备转换器11、dc连接部12、逆变器13、短路判定部14、停止部15。另外，电动机驱动装置1具备电压测量部16以及输入电流测量部17。另外，电动机驱动装置1可以具备电磁接触部18。

转换器11将从交流电源12输入的交流电力转换为直流电力并输出到直流侧。作为转换器11的例子，有二极管整流电路、120度通电型整流电路或者内部具有开关元件的pwm开关控制方式的整流电路等。转换器11在交流电源2为三相时构成为三相的桥电路，当交流电源2为单相时由单相桥电路构成。当转换器11为二极管整流电路时，对从交流电源2输入的交流电流进行整流，并将直流电流输出到直流侧即dc连接部12。当转换器11为120度通电型整流电路或pwm开关控制方式的整流电路时，转换器11能够实现为将从交流电源12输入的交流电力转换为直流电力并向直流侧输出，并且在电动机减速时将dc连接部12的直流电力转换为交流电力向交流电源2侧返回的能够在交直双向进行转换的电力转换器。当转换器11是pwm开关控制方式的整流电路时，由开关元件以及与其逆并联连接的二极管桥电路构成。此时，作为开关元件的例子有igbt、晶闸管、gto(gateturn-offthyristor：闸极关断晶闸管)、晶体管等，但是开关元件的种类自身不限定本实施方式，可以是其它的开关元件。

dc连接部12并联连接于转换器11的直流输出侧以及逆变器13的直流输入侧。dc连接部12具有相互串联连接的多个电容器c1～cn(n是2以上的整数)。dc连接部12的电容器c1～cn具有抑制转换器11的直流输出的脉动量的功能和累积直流电的功能。

逆变器13与dc连接部12并联连接，将dc连接部12的直流电转换为用于驱动电动机3的交流电并输出。逆变器13由开关元件以及与其逆并联连接的二极管的桥电路构成。逆变器13在电动机3为三相时构成为三相的桥电路，在电动机3为单相时通过单相桥电路构成。逆变器13根据从电动机控制部20接收到的开关指令来接通切断控制各个开关元件，从而在dc连接部12的直流电力和电动机3的驱动电流或再生电力即交流电力之间进行电力转换。更详细而言，逆变器13根据从电动机控制部20接收到的开关指令来使内部的开关元件进行开关动作，将经由dc连接部12从转换器11供给的直流电力转换为用于驱动电动机3的所希望的电压以及所希望的频率的交流电力，并进行输出(逆转换动作)。由此，电动机3根据供给的电压可变以及频率可变的交流电力进行动作。另外，在电动机3的减速时产生再生电力，但是根据从电动机控制部20接收到的开关指令来使内部的开关元件进行开关动作，将电动机3中产生的交流的再生电力转换为直流电力，并返回dc连接部12(顺转换动作)。作为开关元件的例子，有igbt、晶闸管、gto、晶体管等，但是开关元件的种类自身并不限定本实施方式，也可以是其它开关元件。

短路判定部14比较施加于dc连接部12的正负两极端子的电压值和预先规定的第一阈值th1，并且比较经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值和预先规定的第二阈值th2，该比较结果为，当检测到施加于dc连接部12的正负两极端子的电压的值低于第一阈值th1时并且经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值高于第二阈值th2时，判定为dc连接部12内的多个电容器c1～cn中的至少一个短路。换言之，施加于dc连接部12的正负两极端子的电压是电容器c1的正极端子与电容器cn的负极端子之间的电位差。以下，将施加于dc连接部12的正负两极端子的电压简单称为“dc连接部电压”。以下更详细地说明短路判定部14的短路判定处理。

在dc连接部12内的多个电容器c1～cn都没有短路故障的正常状态中，在通过电动机控制部20控制逆变器13的电力转换动作来进行电动机3的驱动的情况下，dc连接部电压(电容器c1的正极端子与电容器cn的负极端子之间的电位差)大致一定的。此时，如果多个电容器c1～cn中的任意一个短路，则dc连接部电压的值临时大幅下降，并且经由转换器11的从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流的值临时增加。因此，在本实施方式中，当dc连接部电压的值临时大幅下降时判定经由转换器11的从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流的值是否临时增加，并且在dc连接部电压的值临时大幅下降时且经由转换器11的从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流的值临时增加的情况下，判定为多个电容器c1～cn中的至少一个短路。

因此，在本实施方式中，为了检测施加于dc连接部12的正负两极端子的电压即dc连接部电压的值临时大幅下降的情况，而将比在稳定时施加于dc连接部12的正负两极端子的电压小的值预先设定为第一阈值th1。“在稳定时施加于dc连接部12的正负两极端子的电压”例如是在通过电动机控制部20控制逆变器13的电力转换动作并进行使电动机3加速、减速以及恒速的通常驱动的情况下，维持在大致一定的dc连接部电压。在电动机驱动中的稳定时dc连接电压也多少脉动并上下变动，但是第一阈值th1优选设定为比因在电动机驱动中的稳定时的脉动而下降的dc连接电压小的值。

并且，在本实施方式中，为了检测当dc连接部电压的值临时大幅下降时经由转换器11的从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流的值临时增加的情况，而将比在稳定时经由转换器11的从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流大的电流值预先设定为第二阈值th2。“在稳定时经由转换器11的从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流”例如是在通过电动机控制部20控制逆变器13的电力转换动作进行电动机3的驱动的情况下稳定流动的输入电流。在进行使电动机3加速、减速以及恒速的通常驱动的情况下，特别是在电动机3加减速驱动时存在输入电流会进行脉动并上下变动的情况。因此，为了区别电动机3的通常加减速驱动时的输入电流的变动和多个电容器中的任意一个短路故障时产生的输入电流的变动，第二阈值th2优选被设定为比因在电动机驱动中的稳定时(例如电动机3的通常加减速驱动时等)的脉动引起增加的输入电流大的值。例如，在哪个电容器都没有产生短路故障的状态中像通常那样加减速驱动电动机3，此时观测经由转换器11的从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的话，能够知道“因电动机驱动中的稳定时的脉动而引起增加的输入电流”，设定第二阈值th2以使成为比在该电动机3的通常的加减速驱动时观测到的输入电流的值大的值即可。

如此，短路判定部14比较施加于dc连接部12的正负两极端子的电压的值和预先规定的第一阈值th1，并且比较经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值和预先规定的第二阈值th2，该比较结果为，当检测到施加于dc连接部12的正负两极端子的电压的值低于第一阈值th1并且经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值高于第二阈值th2时，判定为dc连接部12内的多个电容器c1～cn中的至少一个短路。

在此，在本实施方式的电动机驱动装置1和现有的电动机驱动装置中，比较相互串联连接的多个电容器中的任意一个短路故障时的行动。

图2是例示本实施方式的电动机驱动装置的短路判定处理的图。图2中，上段例示dc连接部的电压，下段例示经由转换器从交流电源流到dc连接部的输入电流。另外，图3例示现有的电动机驱动装置的dc连接部的电容器短路产生时。图3中，上段例示一个电容器的电压，下段例示经由转换器从交流电源流到dc连接部的输入电流。

在本实施方式的电动机驱动装置1中，在没有电容器短路而通过电动机控制部20控制逆变器13的电力转换动作并进行电动机3的驱动的情况下，如图2所示，施加于dc连接部12的正负两极端子的电压即dc连接部的电压的值高于第一阈值th1(图2的上段波形)。例如在时刻t1中如果任意一个电容器产生了短路故障，则dc连接部12的电压的值临时大幅下降，但是之后，dc连接部12的电压恢复到短路事故发生前的dc连接部12的电压(图2的上段波形)。但是，对没有短路故障的电容器施加比时刻t1以前时高的电压。此时，经由转换器11从交流电源2流入到dc连接部12的输入电流的值临时增加(图2的下段波形)。如果通过短路判定部14检测到经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值高于第二阈值th2的情况，则判定为dc连接部12内的多个电容器c1～cn中的至少一个短路。如后所述，在短路判定部14的后段设置停止部15，该停止部15在短路判定部14判定为多个电容器c1～cn中的至少一个短路的情况下停止电动机3的驱动，例如在时刻t2停止部15使电动机3的驱动停止，从而没有短路故障的电容器从高电压状态被释放并且dc连接部电压慢慢下降，能够回避破损和着火等进一步的故障。

另一方面，在现有的电动机驱动装置中，在控制逆变器的电力转换动作并进行电动机的驱动状态中，如图3所示，如果设置在dc连接部的串联连接的多个电容器中的例如在时刻t1中任意一个电容器产生短路故障，则对没有短路故障的电容器施加比时刻t1以前时高的电压，输入电流从交流电源流入转换器(图3的下段的波形)，没有短路故障的电容器的电压上升(图3的上段的波形)。之后，没有短路故障的电容器的高电压状态继续，即使在时刻t2没有产生短路故障的电容器也会产生破损或着火并产生短路(图3的上段的波形)，另外关于没有产生短路故障的全部的电容器也同样短路，dc连接部电压为零且流过大电流(图3的下段的波形)。

另外，短路判定部14的短路判定处理中使用的dc连接部电压的值通过电压测量部16测量。电压测量部16例如为了测量dc连接部12的电容器c1～cn的电压控制中使用的dc连接部电压的值而可以挪用一般设置的电压测量器，也可以另外设置新的电压测量部16。电压测量部16设置在能够测量施加于dc连接部12的正负两极端子的电压即dc连接部的电压的值的位置上即可，例如设置在图1所示的位置(转换器11和多个电容器c1～cn的组之间)或者a的位置(多个电容器c1～cn和逆变器13之间)上。

短路判定部14的短路判定处理中使用的上述输入电流的值通过输入电流测量部17测量。输入电流测量部17例如为了测量dc连接部12的电容器c1～cn的电压控制或者转换器11(特别是在转换器11是pwm控制方式的整流电路的情况下)的电力转换控制中使用的输入电流的值而可以挪用一般设置的电流测量器，也可以另外设置新的输入电流测量部17。输入电流测量部17可以是设置在能够测量经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值的位置上的电流测量器。例如将设置在图1所示的位置上的电流测量器用作输入电流测量部17，可以测量从交流电源2流到逆变器11的交流电流的值。另外，例如将设置在b-1或b-2的位置上的电流测量器作为输入电流测量部17使用，可以测量从转换器11流到dc连接部12的直流电流的值。这样，输入电流测量部17测量的“经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流”在设置输入电流测量部17的位置为转换器11的交流输入侧时为交流电流，在设置输入电流测量部17的位置为直流输入侧时为直流电流。

停止部15在短路判定部14判定为多个电容器c1～cn中的至少一个短路的情况下停止电动机3的驱动，停止部15如图1所示，例如对于为了开关电动机驱动装置1与交流电源2之间的电路而一般设置的电磁接触器18输出切断指令(开指令)，使电磁接触器18的接点离开，从而切断从交流电源2到电动机驱动装置1的电力供给，从而使电动机3的驱动停止。或者，停止部15例如对逆变器13输出使电力转换动作停止的指令，并停止逆变器3的对电动机3的电力供给，从而可以停止电动机3的驱动。

图4是表示本公开的实施方式的电动机驱动装置的动作流程的流程图。

在本实施方式的电动机驱动装置1中，当通过电动机控制部20控制逆变器13的电力转换动作并进行电动机3的驱动时，在步骤s101中，短路判定部14为了判别dc连接部电压的值是否临时大幅下降而比较施加于dc连接部12的正负两极端子的电压即dc连接部电压的值和预先规定的第一阈值th1，判定dc连接部电压的值是否低于第一阈值th1。在步骤s101中，当通过短路判定部14判定dc连接部电压的值小于第一阈值th1时，进入步骤s102。

在步骤s102中，短路判定部14判定经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值是否高于第二阈值th2。在步骤s102中，当通过短路判定部14没有判定为输入电流的值高于第二阈值th2时，返回步骤s101。

在步骤s102中，当通过短路判定部14判定为输入电流的值高于第二阈值th2时，进入步骤s103。在进入步骤s103的情况下，当dc连接部电压的值低于第一阈值th1时(即dc连接部电压的值临时大幅下降时)，由于经由转换器11从交流电源2流到dc连接部12的输入电流的值超过第二阈值th2时，所以短路判定部14判定为dc连接部12内的多个电容器c1～cn中的至少一个短路。

在步骤s104中，停止部15使电动机3的驱动停止。

短路判定部14、停止部15以及电动机控制部20例如可以通过软件程序方式构成，或者也可以通过各种电子电路和软件程序之间的组合构成。此时，例如在asic或dsp等的运算处理装置中使该软件程序工作来实现各部分的功能。在上述实施方式中，在电动机控制部20内设置了短路判定14以及停止部15，但是也可以代替此种设置，在电动机控制部20的外部的asic或dsp等的运算处理装置中执行上述软件程序来实现各部分的功能，或者也可以作为写入了实现短路判定部14以及停止部15的功能的软件程序的半导体集成电路来实现。

另外，测量短路判定部14的短路判定处理中使用的dc连接部电压的电压测量部16例如为了测量dc连接部12的电容器c1～cn的电压控制中使用的dc连接部电压的值而可以挪用一般设置的电压测量器，也可以另外设置新的电压测量器。另外，测量短路判定部14的短路判定处理中使用的上述输入电流的值的输入电流测量部17例如为了测量dc连接部12的电容器c1～cn的电压控制或转换器11(特别当转换器11是pwm控制方式的整流电路的情况下)的电力转换控制中使用的输入电流的值而可以挪用一般设置的电流测量器，也可以另外设置新的输入电流测量器。根据本实施方式，能够不设置追加电路而以低成本来检测设置在电动机驱动装置内的转换器和逆变器之间的dc连接部的串联连接的多个电容器的短路故障。

根据本公开的一个方式，能够实现电动机驱动装置，该电动机驱动装置能够不设置追加的电路而以低成本来检测设置在转换器和逆变器之间的dc连接部上的串联连接的多个电容器的短路故障。