CN104106206A - 电动机驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机驱动系统，其中，逆变器一体型电动机单元(200)与对逆变器及电动机进行控制的上位控制装置(100)分离形成，由上位控制装置(100)通过无线方式向电动机单元(200)发送用于控制逆变器(205)以及电动机(207)的各种指令。电动机单元(200)包括对表示自身运行状态、运行历史的信息进行存储的状态监视装置(209)，根据由上位控制装置(100)发送的指令将状态监视装置(209)内的信息以无线方式发送给上位控制装置(100)。通过利用无线LAN等在上位控制装置(100)与电动机单元(200)之间收发实时性要求较低的指令、数据，从而由上位控制装置(100)对多台电动机单元(200)进行统一控制，从而省略布线操作，不容易受噪音的影响。

Description

电动机驱动系统

技术领域

本发明涉及一种电动机驱动系统，该电动机驱动系统使电动机驱动用的逆变器等功率转换器与电动机一体化来形成功率转换器一体型电动机单元，并由上位控制装置通过无线通信来控制该电动机单元。

背景技术

例如，逆变器一体型电动机具有能简化逆变器与电动机之间的布线、并能缩短布线距离的优点。此外，近年来，随着永磁体同步电动机的显著小型化，SiC(Silicon Carbide：碳化硅)功率器件作为逆变器用半导体开关元件受到了关注，在这样的背景下，期待逆变器一体型电动机的小型化、高效化。

另一方面，作为利用无线通信控制这种逆变器一体型电动机的技术，存在专利文献1～3所记载的现有技术。

例如，专利文献1中公开了如下技术：使具备逆变器、CPU等的控制装置与泵、风扇等旋转机械一体化来形成控制装置一体型旋转机械，能在多台控制装置一体型旋转机械相互间进行无线通信从而进行添加/解列运行、交替运行等。

专利文献2中记载了如下这种逆变器一体型电动机：使逆变器装置、其控制电路基板、以及电动机一体化来形成逆变器一体型电动机，由外部设备利用红外线等无线通信来设定电动机的运行条件。

专利文献3中记载了如下这种电动机驱动装置：如图6所示，使主电路部20与控制部10分离形成，能在收发电路13、26之间进行无线通信，该主电路部20包括电动机驱动部21、控制对象电动机(无刷电机)22、位置检测传感器部23、检测处理部24、异常检测部25、收发电路26、以及过电流保护部27，该控制部10包括电源部11、控制电路12、以及收发电路13。

另外，主电路部20中，21a是逆变器电路，21b是PWM电路，24a是逻辑电路，24b是旋转检测脉冲输出电路，28是逻辑IC，控制部10中，11a是交流电源，11b是噪音去除滤波器部，11c是生成电动机22的驱动电源的整流/平滑部，11d是生成控制电源的稳定化电源电路部。

在该电动机驱动装置中，控制电路12进行如下异常处理：接收从旋转检测脉冲输出电路24b经由收发电路26、13发送的电动机22的旋转检测脉冲，对电动机22、电动机驱动部21的异常进行检测，并向异常检测部25发送信号来使逆变器电路21a停止等。

此外，控制电路12根据电动机22的旋转检测脉冲来检测转速，将根据检测速度与目标速度的偏差而生成的速度指令发送给主电路部20，电动机驱动部21根据上述速度指令来驱动电动机22。即，在该现有技术中，使用无线通信来作为用于对电动机22的转速进行控制的速度反馈环路的信号传输单元。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004-360704号公报(段落[0018]～[0028]、图1～图3等)

专利文献2：日本专利特开平10-248198号公报(段落[0025]等)。

专利文献3：日本专利特开2008-17651号公报(权利要求2、段落[0060]、图1等)

发明内容

发明所要解决的技术问题

若采用专利文献1所记载的现有技术，则能缩短控制装置与旋转机械之间的布线长度，若使用母线等作为布线构件，则能消除布线走线的烦杂。然而，必须将安装于外部配管的压力传感器、温度传感器等检测信号读入控制装置，因而需要相应的布线操作，而且在恶劣的周围环境下可能会产生断路。

此外，由于与旋转机械一体化的控制装置内置有生成旋转机械的运行所需的各种指令、运行条件的控制电路，因此容易受到逆变器、旋转机械运行时产生的噪音的影响。而且，在改写控制程序的情况下，必须将带入旋转机械设置现场的个人电脑与控制装置连接起来执行，其操作较为烦琐。

在专利文献2所记载的现有技术中，电动机主体的端面部安装有各种传感器，因此专利文献1那样伴随传感器的布线而产生的问题能在一定程度上得到消除。

然而，专利文献2并没有特别提到从外部设备通过无线通信发送给内置在逆变器一体型电动机中的控制电路的运行条件的具体内容。

另外，在专利文献3所记载的现有技术中，不仅是速度指令，也在电动机转速、用于进行主电路部的异常处理的信息交换中利用无线通信，这些信息通常被要求与构成控制电路的微机的运算周期同步地进行收发。特别是在专利文献3中，如上所述，在电动机22的速度反馈环路中，使用无线来从电动机22的旋转检测脉冲输出电路24b向控制电路12传输信号。该情况下，若通过无线收发的信号(旋转检测脉冲)产生延迟或缺陷，则速度反馈系统会紊乱，动作会立即变得不稳定，从而无法进行稳定的速度控制，因此要求收发电路26、13之间的无线通信具有严格的实时性。

这里，作为无线通信方式，例如使用2.4[GHz]频带的载波的无线LAN(Local Area Network：局域网)由于通信品质稳定、系统成本低等原因而使用较为广泛。然而，为了将该无线LAN用作专利文献3那样要求具有严格的实时性的转速信息、异常处理信息的通信单元，需要另外设置专用的协议，应用所谓的个人电脑等所使用的通用的无线LAN是极其困难的。

此外，在专利文献3中，由控制部经由电源电缆向主电路部提供直流电源，因此控制部及主电路部的设置、两者间的距离存在限制，各设备布局上的自由度较低。因此，不适合在工厂、各种厂房内的限制空间中的由一台控制部控制多台主电路部(多台电动机)的用途。

因此，本发明的目的在于提供一种电动机驱动系统，在上位控制装置与和该上位控制装置分离形成的功率转换器一体型电动机单元之间，利用通用的无线LAN等来对实时性的要求比较低、或不要求实时性的信息进行相互通信。特别是，本发明的目的在于能利用一台上位控制装置来统一地对多台功率转换器一体型电动机单元进行无线控制。

另外，本发明的其它目的在于提供一种布线操作的负担得以减轻、断路可能性较低、而且不容易受噪音影响的电动机驱动系统。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述问题，本发明的电动机驱动系统包括：将电动机驱动用的功率转换器与所述电动机一体化后得到的功率转换器一体型电动机单元；以及与所述电动机单元分离形成，并对所述功率转换器及电动机进行控制的上位控制装置。这里，功率转换器一体型电动机单元是指例如将逆变器、矩阵转换器等各种电动机驱动用功率转换器与电动机一体化后得到的装置。

本发明的特征在于，从上位控制装置通过无线方式向电动机单元发送用于控制所述功率转换器和电动机的运行/停止指令、电动机的正转/反转指令、速度指令等各种指令。

这里，功率转换器一体型电动机单元优选包括对表示自身运行状态及/或运行历史的信息进行存储的状态监视装置，根据来自上位控制装置的指令，利用无线方式将从状态监视装置读取到的所述信息发送给上位控制装置。

此外，存储在状态监视装置中并发送给上位控制装置的信息优选包含功率转换器一体型电动机单元的警报信息。

另外，上位控制装置可以包括运行管理装置，该运行管理装置基于从功率转换器一体型电动机单元接收到的信息来存储该电动机单元的运行状况，并进行管理以便于在维护检查时使用。

另外，本发明的电动机驱动系统适合应用于在工厂、各种厂房中，由单一的上位控制装置对多台功率转换器一体型电动机单元进行统一控制的系统。

上位控制装置与功率转换器一体型电动机单元之间的无线收发可以使用30[MHz](尤其是1[GHz])以上频带的载波，优选为使用利用2.4[GHz]频带的载波进行的无线LAN。

发明效果

本发明在于利用通用的无线LAN等在上位控制装置与功率转换器一体型电动机单元之间对决定功率转换器一体型电动机单元的运行模式的运行/停止指令、电动机的正转/反转指令、速度指令、加减速时间指令等各种指令、电动机单元的运行状态、运行历史那样实时性要求较低、或不要求实时性的信息进行相互的收发。因此，能在稳定的通信品质的基础上以低成本实现上位控制装置对一台或多台电动机单元进行驱动控制。

尤其是，本发明不像专利文献3那样，在构成逆变器等的一个功能的速度反馈环路中进行转速信息等的无线通信，而是对不要求严格的实时性的信息进行无线通信，因此能应用不需要特殊协议的通用的无线LAN，从而能享受其通信品质、成本等优点。

而且，通过将收发电路、各种控制电路、状态监视装置等安装到基板上来与功率转换器及电动机一体化，也能构成功率转换器一体型电动机单元，只需将该电动机单元与电源相连并与负载耦合，即可立即投入实际运行。

此外，由于上位控制装置与功率转换器一体型电动机单元能完全分离设置，且不需要对两装置之间进行连接的电源线、控制线，因此不需要担心断路、噪音的叠加，能提供一种设置场所、距离的限制较少的电动机驱动系统。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的电动机驱动系统的整体结构的框图。

图2是将图1中的上位控制电路的简要结构与周边的电路、装置一同表示的框图。

图3是将图1中的下位控制电路的简要结构与周边的电路、装置一同表示的框图。

图4是表示图1中的逆变器控制电路的一结构例的主要部分的框图。

图5是本发明的实施方式中、在上位控制装置与逆变器一体型电动机单元之间收发的信息的说明图。

图6是表示现有技术的结构图。

具体实施方式

下面，按照附图对本发明的实施方式进行说明。该实施方式中，作为功率转换器一体型电动机单元，对将逆变器与电动机一体化而得到的逆变器一体型电动机单元进行说明，但除了逆变器以外，也能将矩阵变换器等各种功率转换器用作为电动机驱动用的功率转换器。

图1是表示本实施方式的电动机驱动系统的整体结构的框图。图1中，100是上位控制装置，200是逆变器一体型电动机单元(以下简称为电动机单元)，300是永磁体同步电动机等电动机。

这里，以如下系统为例来进行说明：即、利用一台上位控制装置100控制多台电动机单元200,并分别对与各电动机单元200相连的负载300进行驱动的系统。另外，在如后述那样上位控制装置100与多台电动机单元200构成基础结构模式的无线LAN的情况下，上位控制装置100作为接入点进行动作，电动机单元200作为客户端进行动作。

上位控制装置100包括：上位控制电路101、收发电路102、天线103、运行管理装置104、以及显示装置105。

为了控制多台电动机单元200，上位控制电路101具有：生成包含运行条件的各种指令的功能、以及对收发电路102、运行管理装置104、以及显示装置105进行控制的功能。

图2是将上位控制电路101的简要结构与周边的电路、装置一同表示的框图。该上位控制电路101包括：生成对于各电动机单元200的各种指令(如上述那样包含运行条件)的指令生成单元101a、用于对运行管理装置104以及显示装置105的动作进行控制的装置控制单元101b、控制收发电路102的收发控制单元101c、以及输入输出接口101d。

此外，收发电路102具有利用无线在上位控制电路101与各电动机单元200之间收发各种指令、数据的功能。该收发电路102例如是利用30[MHz](特别是1[GHz])以上的频带的载波的无线通信装置，优选构成为利用2.4[GHz]频带(2.4～2.5[GHz])的载波的无线LAN标准规格“IEEE802.11b”的接入点。

上述30[MHz]是国际无线电干扰特别委员会(CISPR)制定的作为标准的CISPR22“来自信息技术装置的干扰波的允许值及测定法”中规定的传导性噪音的允许频率的上限值，1[GHz]同样是辐射性噪音的允许频率的上限值。在使用上述上限值以上的频带作为载波的情况下，噪音不会对周边设备产生不良影响，实质上受到后述的逆变器205产生的开关噪音的影响的可能性较小。

特别是若使用利用2.4[GHz]频带的载波的无线LAN作为无线通信单元，则除了上述作用效果以外，还能以低成本提供收发电路102等的硬件和软件，例如若是100m左右的距离，则能与客户端之间进行稳定的无线通信。

图1的运行管理装置104具有：对多台电动机单元200的当前运行状态(逆变器的输出电压/电流值、逆变器及电动机的温度、电动机的转速等)进行统一监视、并根据需要产生警报的功能；以及对各电动机单元200的运行历史进行存储，并进行管理以便在维护检查时使用的功能。

此外，显示装置105还包括显示器装置、灯等，该显示气装置利用数值、趋势图等来显示从运行管理装置104经由上位控制电路101发送的各电动机单元200当前的运行状态、运行历史。

另外，图1、图2所示的上位控制电路101及运行管理装置104由具备CPU(Central Processing Unit：中央处理器)以及大容量的存储装置等的运算处理装置构成。

另一方面，多台逆变器一体型电动机单元200的结构均相同，包括：具备天线201的收发电路202、下位控制电路203、逆变器控制电路204、逆变器205、电流检测器206、电动机207、位置检测器208、状态监视装置209、以及显示装置210。另外，作为逆变器205的电源，例如使用对系统的交流电源进行整流、平滑而得到的整流电源。

收发电路202具有作为能与上位控制装置100的收发电路102进行无线通信的客户端的功能。

下位控制电路203具备：将由上位控制电路101发送的各种指令发送给后续电路，并将存储在状态监视装置209中的信息发送给上位控制电路101一侧的监视控制功能；以及对收发电路202、状态监视装置209以及显示装置210的动作进行控制的功能。

图3是将下位控制电路203的简要结构与周边的电路、装置一同表示的框图。该下位控制电路203包括：指令/监视控制单元203a、控制收发电路202的收发控制单元203b、以及输入输出接口203c。

指令/监视控制单元203a进行如下一系列动作：将从上位控制电路101接收到的各种指令发送给逆变器控制电路204，并与状态监视装置209协同来监视逆变器205以及电动机207的运行状态，并将该运行状态、运行历史发送给上位控制电路101。

状态监视装置209具备：对逆变器205及电动机207当前的运行状态进行监视的功能、产生警报的功能、在产生警报时使逆变器205的运行停止的功能、对运行历史进行存储的功能等，其状态监视项目与上述上位控制装置100内的运行管理装置104的监视项目大致相同。

状态监视装置209除了输入由电流检测器206检测到的逆变器205的输出电流(电动机207的电流)i、由位置检测器208检测到的电动机207的磁极位置θ以外，还输入由未图示的电压检测器检测到的逆变器205的输出电压(电动机207的端子电压)、由温度检测器检测到的逆变器205、电动机207的温度。

下位控制电路203及状态监视装置209也由具备CPU、存储装置的运算处理装置构成。

上述结构中，对于电动机207的磁极位置，可以不使用位置检测器208，而通过所谓的无位置传感器方式根据电流检测值以及速度指令来进行推算。

显示装置210对状态监视装置209的监视结果、运行历史、警报等进行显示，根据需要来设置即可。

电动机单元200内的逆变器控制电路204接受来自下位控制电路203的指令，并基于上述电流检测值等信息来生成并输出用于驱动逆变器205的选通脉冲。

图4是表示逆变器控制电路204的一结构例的主要部分的框图。

图4中，速度检测单元204a根据磁极位置θ检测电动机207的速度，并输出到减法单元204b以及电流指令运算单元204c。减法单元204b求得由下位控制电路203发送的速度指令ω*与速度检测值ω的偏差，电流指令运算单元204c基于上述偏差和速度检测值ω来计算并输出旋转坐标上的二轴电流指令值。电流调节单元204d基于上述电流指令值、电流检测值i以及磁极位置θ来计算并输出电压指令值。PWM(Pulse Width Modulation：脉冲调制)运算单元204e根据上述电压指令值来进行PWM运算，生成并输出要提供给逆变器205的半导体开关元件的选通脉冲。

在上述那样的本实施方式中，对于电动机207的速度反馈环路那样要求信号传输具有严格的实时性的通信单元不使用无线，因此所传输的信号不会产生紊乱、缺陷，能实现高响应且稳定的速度反馈控制。

另外，由于逆变器的控制方式并非本发明的主要内容，因此逆变器控制电路204的结构不限于图2所示的结构，例如也可以使用V/f恒定控制方式、无传感器矢量控制方式。

此外，在与电动机207一体化的功率转换器是逆变器以外的功率转换器的情况下，该功率转换器的结构、功率转换方式等所对应的控制电路显然也内置在电动机单元内。

接着，对该实施方式的动作进行说明。

对上位控制装置100和多台电动机单元200分别分配了地址，通过在上位控制装置100与各电动机单元200之间指定地址，从而利用无线对各种指令、数据等信息进行收发。

图5是对在上位控制装置100与电动机单元200之间收发的信息进行例示的图。

如图5所示，从上位控制装置100向各电动机单元200发送包含逆变器205以及电动机207的运行条件的各种指令，并从各电动机单元200向上位控制装置100发送逆变器205以及电动机207的运行状态、运行历史、警报信息等。

这里，从上位控制装置100发送给各电动机单元200的指令中包括：逆变器205及电动机207的运行指令/停止指令；电动机207的正转/反转指令；速度指令(最高频率、基底频率、启动频率等频率指令)；加减速时间指令；瞬时停电再启动指令；用于在逆变器205跳脱(trip)时进行再启动的重启指令；用于根据负载的种类(降低转矩负载、恒定转矩负载)、电动机207的特性来对逆变器205的输出频率-输出电压(转矩)特性进行调整的转矩提升指令；进行直流制动时的动作水平指令；用于在逆变器205的输出电流异常时进行调整的电动机特性指令；对于逆变器205及电动机207的过热保护指令；运行历史保存指令/消除指令；警报历史呼叫指令/解除指令；设定数据的初始化指令/锁定指令等。

此外，从各电动机单元200发送给上位控制装置100的逆变器205及电动机207的运行状态包含：逆变器205的输出电压、电流值、逆变器205、电动机207的温度、电动机207的转速等，运行历史包含例如平均每天的运行时间、累计运行时间、动力运行/再生运行的状况、以及电动机207的机械输出所对应的负载300的变动等。另外，警报信息中包含电压、电流、温度、速度等异常引起的警报产生时刻、产生场所、产生次数等。

这里，从上位控制装置100发送给各电动机单元200的各种指令主要与提供给各电动机单元200的运行模式有关。即，这些信息通常在电动机单元200运行前进行设定，是在无线发送时，对实时性的要求则比较低，或者不要求实时性的信息。

此外，从各电动机单元200发送给上位控制装置100的信息主要是各电动机单元200当前或过去的运行状况，即使假设发生了警报，停止逆变器205等应对也能由电动机单元200一侧的状态监视装置209自行完成，因此并非是需要在上位控制装置100一侧立即获取来应对的信息。也就是说，从各电动机单元200发送给上位控制装置100的信息也对实时性的要求较低，或者不要求实时性。

因此，在上位控制装置100与各电动机单元200之间对上述信息进行无线通信的本实施方式的系统中，与有线通信的情况相比，也没有常规模式噪音的影响，尤其能充分享受无线LAN的特性(高品质以及低成本)。

此外，在工厂、各种厂房等恶劣的设置环境下不需要上位控制装置100与各电动机单元200之间烦杂的布线操作，消除了断路的可能性。

作为驱动系统整体的动作，将上位控制装置100内的上位控制电路101所生成的上述各种指令发送给电动机单元200。在电动机单元200中，根据经由下位控制电路203接收到的指令来运行逆变器205，以规定速度及速度模式使电动机207正转或反转，来驱动负载300。

逆变器205和电动机207的运行状态始终由状态监视装置209来进行监视，状态监视装置209根据来自上位控制装置100的指令对运行状态、运行历史、警报信息进行存储，并经由下位控制电路203发送给上位控制装置100。显示装置210根据需要显示状态监视结果。

上位控制装置100中，运行管理装置104对上位控制电路101从各电动机单元200接收到的包含运行状态、运行历史、警报信息的运行状况进行存储并管理，同时显示装置105依次对这些运行状况进行显示。

运行管理装置104所管理的所有电动机单元200的运行状况能用于各电动机单元200的维护检查、电动机驱动系统整体的电力使用状况的掌握等。

另外，本实施方式中，无需像专利文献3那样由上位控制装置100向通信对象即各电动机单元200提供直流电源，因此无需利用电源电缆来对两者之间进行连接。因此，只要是能进行无线通信的距离，上位控制装置100及电动机单元200的设置自由度高于专利文献3，有利于设备的布局。

工业上的实用性

本发明最适合例如在工厂、各种厂房中，利用一台上位控制装置来并行地对多台功率转换器一体型电动机进行驱动控制的用途。此外，本发明也能用作使一台功率转换器一体型电动机运行的系统。

标号说明

100  上位控制装置

101  上位控制电路

101a  指令生成单元

101b  装置控制单元

101c  收发控制单元

101d  输入输出接口

102  收发电路

103  天线

104  运行管理装置

105  显示装置

200  逆变器一体型电动机单元

201  天线

202  收发电路

203  下位控制电路

203a  指令/运行条件生成单元

203b  收发控制单元

203c  输入输出接口

204  逆变器控制电路

204a  速度检测单元

204b  减法单元

204c  电流指令运算单元

204d  电流调节单元

204e  PWM运算单元

205  逆变器

206  电流检测器

207  电动机

208  位置检测器

209  状态监视装置

210  显示装置

300  负载

Claims (9)

1.一种电动机驱动系统，其特征在于，包括：

将电动机驱动用的功率转换器与所述电动机一体化后得到的功率转换器一体型电动机单元；以及

与所述电动机单元分离形成，并对所述功率转换器及电动机进行控制的上位控制装置，

在所述电动机驱动系统中，从所述上位控制装置利用无线方式向所述电动机单元发送用于控制所述功率转换器以及电动机的各种指令。

2.如权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述功率转换器一体型电动机单元包括对表示自身运行状态及/或运行历史的信息进行存储的状态监视装置，根据来自所述上位控制装置的指令，利用无线方式将从所述状态监视装置读取到的所述信息发送给所述上位控制装置。

3.如权利要求2所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述功率转换器一体型电动机单元进一步将自身的警报信息存储在所述状态监视装置中，并将所述警报信息包含在从所述功率转换器一体型电动机单元发送给所述上位控制装置的信息中。

4.如权利要求2或3所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述上位控制装置包括运行管理装置，该运行管理装置基于从所述功率转换器一体型电动机单元接收到的信息来存储所述功率转换器一体型电动机单元的运行状况，并进行管理以便在维护检查时使用。

5.如权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述上位控制装置为一台，所述功率转换器一体型电动机单元为多台。

6.如权利要求4所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述上位控制装置为一台，所述功率转换器一体型电动机单元为多台。

7.如权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述上位控制装置与所述功率转换器一体型电动机单元之间的无线收发使用了30MHz以上频带的载波。

8.如权利要求1至3中任一项所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述上位控制装置与所述功率转换器一体型电动机单元之间的无线收发使用了1GHz以上频带的载波。

9.如权利要求8所述的电动机驱动系统，其特征在于，

所述上位控制装置与所述功率转换器一体型电动机单元之间的无线收发使用了利用2.4GHz频带的载波的无线LAN。