CN104218869A - 变频装置和回转式工程机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种变频装置和回转式工程机械。所述变频装置用于驱动电动机，其包括：PWM波形生成部，生成用于执行所述电动机的PWM控制的波形；转速检测部，检测所述电动机的转速；载频运算部，基于所述转速检测部检测出的转速来运算载频；以及载频切换部，基于所述载频运算部算出的所述载频来切换由所述PWM波形生成部生成的波形的载频，其中，由所述转速检测部检测的所述电动机转速越高，所述载频运算部算出的所述载频越高。据此，能够在电动机的大范围的速度区域内维持控制稳定性和变频器效率。

Description

变频装置和回转式工程机械
技术领域
本发明涉及一种通过PWM控制方式来驱动电动机的变频装置以及具有该变频装置的回转式工程机械。
背景技术
以往，在电动机驱动用变频装置中，确定脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制的脉冲宽度调制周期的载频(carrier frequency)一般被设定为能够在电动机的最高转速下确保控制稳定性的值，与电动机的转速变化无关而采用固定值(以下称作第一公知技术)。
另一方面，使载频对应于某些要素而变化的技术也是公知的。例如在日本专利公开公报特开2009-291019号中，公开了使载频对应于电压指令值(输出扭矩)而变化的技术(以下称作第二公知技术)。该第二公知技术中，在输出扭矩大的区域中载频被设定为较高，在输出扭矩小的区域中载频被设定为较低，从而同时实现电流纹波(current ripple)的降低与开关损失的降低。
在所述第一公知技术中，从控制稳定性的观点看来所需的载频本应在电动机转速高的速度区域中变高，且随着电动机转速的下降而变低。即，第一公知技术中，载频在低速区域中会高过必要，随着电动机转速的降低，开关损失变大，导致变频器效率下降。
另一方面，第二公知技术中，在载频的变化时，完全未考虑电动机转速。因此会产生如下问题：当在低速区域中需要大扭矩时，变频器效率变差，而在高速区域中需要小扭矩时，控制稳定性变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变频装置，用于驱动电动机，能够在该电动机的大范围的速度区域内维持控制稳定性和变频器效率。本发明所提供的变频装置包括：PWM波形生成部，生成用于执行所述电动机的PWM控制的波形；转速检测部，检测所述电动机的转速；载频运算部，基于所述转速检测部检测出的转速来运算载频；以及载频切换部，基于所述载频运算部算出的所述载频来切换由所述PWM波形生成部生成的波形的载频，其中，由所述转速检测部检测的所述电动机转速越高，所述载频运算部算出的所述载频越高。
另外，本发明提供一种回转式工程机械，包括：下部行走体；上部回转体，回转自如地搭载于所述下部行走体上；回转电动机，使所述上部回转体回转；以及如上所述的变频装置，被用于驱动所述回转电动机。
根据本发明，能够在电动机的大范围的速度区域内维持控制稳定性和变频器效率。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的变频装置的方块图。
图2是表示所述变频装置中的载频运算部的处理内容的方块线图。
图3是表示在所述变频装置中被预先设定的电动机转速与速度增益的关系的特性的图。
图4是表示所述变频装置中的输出扭矩与用于载频运算的增益的关系的图。
图5是表示所述变频装置中的负载惯量与用于载频运算的增益的关系的图。
图6A是表示在本发明的第二实施方式中用于使载频阶段性地变化的电动机转速与载频的关系的图。
图6B是表示所述第二实施方式所涉及的载频切换部的处理的方块线图。
图7是表示本发明的第三实施方式中的电动机转速与输出扭矩的关系的图。
图8是搭载有本发明所涉及的变频装置的驱动对象的一例即回转电动机的挖掘机的概略侧视图。
具体实施方式
参照图1～图5来说明本发明的第一实施方式。另外，在本说明书中，“变频装置”是指整个电动机驱动控制系统，包括通过开关作用进行直流/交流的转换的狭义上的变频器、及对该变频器输出用于PWM控制的控制信号的控制单元在内。
图1表示所述第一实施方式所涉及的变频装置的系统结构。该变频装置用于驱动电动机1，具备旋转角检测器2、转速运算部3、三相/两相转换部4、电流指令生成部5、电压指令生成部6、两相/三相转换部7、PWM波形生成部8、载频运算部9、载频切换部10及载频切换限制部11。
上述旋转角检测器2例如包含分解器，检测作为驱动对象的电动机1的旋转角θ。转速运算部3根据上述旋转角检测器2检测出的旋转角θ来运算电动机转速ω。本实施方式中，旋转角检测器2和转速运算部3构成本发明的转速检测部。
上述三相/两相转换部4基于上述电动机旋转角θ将三相的各相电流iu、iv、iw转换成d轴实际电流id及q轴实际电流iq。上述电流指令生成部5基于扭矩指令及上述电动机转速ω输出d轴电流指令Id及q轴电流指令Iq。上述电压指令生成部6基于上述d轴、q轴两实际电流id、iq及d轴、q轴两电流指令Id、Iq算出d轴及q轴电压指令Vd、Vq。上述两相/三相转换部7基于上述电动机旋转角θ将d轴电压指令Vd及q轴电压指令Vq转换成三相的各相电压Vu、Vv、Vw。
上述PWM波形生成部8基于上述各相电压Vu、Vv、Vw与载波信号的比较来生成PWM脉冲(PWM波形＝开关信号)。上述载频运算部9基于多个要素运算载频。上述载频切换部10基于上述载频运算部9运算出的载频，切换由上述PWM波形生成部8生成的PWM脉冲的载频。
上述转速运算部3兼作运算电动机1的旋转角加速度的旋转角加速度运算部。载频切换限制部11根据基于该转速运算部3运算出的转速而求出的电动机1的旋转角加速度(dω/dt)来判断可否切换载频。具体而言，上述载频切换限制部11在电动机1的旋转角加速度即速度变化达到设定值以上时，视为存在急剧的速度变化因而不应进行载频的切换，对载频切换部10输入频率切换限制指令，即禁止与电动机速度对应的频率切换处理，使载频固定为例如能够在电动机1的最高转速下确保控制稳定性的值。
上述载频运算部9基于电动机转速ω、由未图示的惯量检测器检测出的负载惯量、及从电压指令生成部6输出的输出扭矩来运算载频。详细而言，基于下述数式来运算载频fc。
fc＝α×Gt×Ga×ω+β
此处，α：用于稳定状态下的载频切换的增益
Gt：与输出扭矩对应的增益(参照图4)
Ga：与负载惯量对应的增益(参照图5)
ω：电动机转速
β：电动机锁定状态下的载频
图3表示电动机转速ω和应与其对应地确定的基本载频fco的关系。如图3所示，设定增益α被设定为使上述基本载频fco在电动机最高转速ωmax下达到最大，且与速度下降成比例地变小。换言之，载频运算部9预先将能够维持控制稳定性与变频器效率的最佳的电动机转速ω与基本载频fco的关系作为频率特性而储存，基于该频率特性来计算每个速度的基本载频fco，最终计算出在该基本载频fco同时考虑到输出扭矩与负载惯量的实际载频fc。此处，图4所示的输出扭矩增益Gt及图5所示的负载惯量增益Ga分别被设定成对应于输出扭矩、负载惯量的增加而增加。
上述载频切换部10在上述载频切换限制部11允许切换载频时，将由载频运算部9求出的载频fc输出至PWM波形生成部8。收到该输出的PWM波形生成部8生成与载频fc对应的PWM波形(脉冲)，并输入至狭义的变频器即电源/门电路12。电源/门电路12基于上述PWM波形将交流电压输入至电动机1。
针对上述变频装置，本发明人着眼于以下两点：确保控制稳定性所需的载频对应于电动机转速的下降而变低；以及载频越低则变频器损失(开关损失)越小，进而变频器效率变得越好。从而，如上所述，使载频对应于电动机转速在整个速度区域内的低速侧变低。由此，能够在整个速度区域内维持控制稳定性和变频器效率。
而且，该变频装置中，将根据电动机转速求出的基本载频fco乘以与电动机的输出扭矩及负载的惯量对应的增益Gt、Ga，以求出实际载频fc。即，将搭载有电动机1的机械的动作状态考虑在内来确定实际的载频fc。由此，能够获得理想的机械动作。例如在负载惯量或输出扭矩大的状况下，即使产生少许的扭矩变动，也不会发生冲击(控制稳定性不会受损)，因此以变频器效率为优先来确定载频。另一方面，在负载惯量或输出扭矩小的状况下，机械动作相对于扭矩变动的反应变得敏感，因此通过使载频平缓地变化来抑制冲击的产生。
此外，上述载频切换限制部11在旋转角加速度(dω/dt)超过设定值时，停止载频的切换，即，在电动机的速度变化大的情况下，禁止载频的切换。由此，能够使控制变得稳定。
接下来，参照图6A及图6B来说明本发明的第二实施方式。
该第二实施方式中，电动机转速的全范围被分成多个区间。该实施方式所涉及的变频装置具备与第一实施方式相同的结构要素，但其中的载频切换部10在每个上述区间内阶段性地进行载频的切换。即，载频切换部10如图6A所示，预先存储对电动机转速的多个区间的每个区域施加的多个载频fc，作为图6B所示的“频率条件判定”，调出上述多个载频fc中的与检测出的电动机转速ω所属的速度区间对应的载频fc并输出。而且，该实施方式中，载频的阶段性的切换被施加图6A所示的迟滞(hysteresis)。
该第二实施方式中，与根据所有的电动机转速连续运算载频并切换的情况相比，能够以较少的运算量来确定载频，从而控制变得容易。而且，对载频的切换施加迟滞能够抑制切换点附近的振动(chattering)的产生，从而能够进行流畅的控制。
参照图7说明本发明的第三实施方式。
该第三实施方式中，将输出频率高的电动机转速的区域预先设定为高频率输出区域，在该高频率输出区域中，较其他区域更细致地切换载频。具体而言，图7表示频繁使用与某速度区间ωs及扭矩范围Ts对应的区域As内的电动机转速及输出扭矩的情况，此时，该区域As被细分化为多个使用区域A1～A6，载频运算部9存储根据该各使用区域A1～A6分别分配的多个载频，进行该载频的切换。这样，能够使高频率使用的区域中的控制变得更加稳定，且能够提高效率。
本发明所涉及的变频装置能够适用于各种电动机的驱动，尤其有用于工程机械用的电动机的驱动。图8表示本发明所涉及的变频装置及搭载有作为其驱动对象的回转电动机的回转式工程机械的例子即挖掘机。该挖掘机具备履带式的下部行走体13、绕垂直于地面的轴X回转自如地搭载于下部行走体13上的上部回转体14、被安装于该上部回转体14的用于进行挖掘等作业的前附属装置15、及使上述上部回转体14回转的未图示的回转电动机，该回转电动机由本发明所涉及的变频装置予以驱动。
在该挖掘机或者通过将其前附属装置15更换为其他附属装置而构成的各种回转式工程机械中，回转速度会在低速至高速的较大的速度区域中频繁地变化，因此通过对应于回转电动机的速度变化来进行载频的切换，能够获得大的节能效果。
本发明并不限定于以上说明的实施方式。
例如，上述第一实施方式中，通过将根据电动机转速求出的载频乘以与负载惯量及输出扭矩这两者对应的增益，从而计算实际使用的载频，但也可将根据电动机转速求出的载频乘以仅与负载惯量及输出扭矩中的一者对应的增益。
而且，上述第一实施方式中，如图3所示，基本载频fco被设定为相对于电动机转速ω而以斜率一定的直线状变化，但其意图并非限定该电动机转速ω与基本载频fco的具体关系。例如，该电动机转速ω与基本载频fco的关系也可由具备互不相同的斜率的多条直线连成的折线来表示。
如上所述，本发明提供一种变频装置，用于驱动电动机，该变频装置包括：PWM波形生成部，生成用于执行所述电动机的PWM控制的波形；转速检测部，检测所述电动机的转速；载频运算部，基于所述转速检测部检测出的转速来运算载频；以及载频切换部，基于所述载频运算部算出的所述载频来切换由所述PWM波形生成部生成的波形的载频，其中，由所述转速检测部检测的所述电动机转速越高，所述载频运算部算出的所述载频越高(此处的高包含大于的情况，此外，还包含等于的情况，因此，本结构例如还包括在根据电动机转速而预先划分的多个区间的每个区间内，阶段性地进行载频的切换的情况；而且，还包括载频切换部所进行的载频的阶段性切换被施加迟滞的情况)。
根据上述结构，能够在该电动机的大范围的速度区域内维持控制稳定性和变频器效率。
针对上述该变频装置，本发明人着眼于(i)使控制保持稳定所需的载频对应于电动机转速的下降而变低；以及(ii)载频越低则变频器损失即开关损失越小而变频器效率变得越好。较为理想的是，在全部电动机转速区域内，电动机转速越低，则计算出的载频越低。这样，在所述电动机的大范围的转速区域内，较为理想的是在整个速度区域内，能够使控制稳定且能够使变频器效率提高。
实际上，所述载频运算部将维持控制稳定性与变频器效率的最佳的电动机转速与基本载频的关系作为频率特性而储存，并基于该频率特性来求出每个速度(或速度区域)下的载频。
具体而言，较为理想的是，所述载频运算部基于所述电动机转速来计算基本载频，并且，通过将该基本载频乘以与所述电动机的输出扭矩及负载的惯量中的至少一者对应的增益来计算所述载频。这样，将搭载有电动机的机械的动作状态即输出扭矩或负载惯量考虑在内来确定实际的载频，能够获得理想的机械动作。例如在负载惯量或输出扭矩大的状况下，即使产生少许的扭矩变动，也不会发生冲击，即控制稳定性不会受损，因此以变频器效率为优先来确定载频，另一方面，在负载惯量或输出扭矩小的状况下，机械动作相对于扭矩变动的反应变得敏感，因此通过使载频平缓地变化，能够抑制冲击的产生。
而且，较为理想的是，本发明所涉及的变频装置还包括：旋转角加速度运算部，运算所述电动机的旋转角加速度；以及载频切换限制部，在所述旋转角加速度运算部算出的旋转角加速度超过设定值时，停止所述载频切换部的频率切换。这样，在电动机的速度变化大的情况下，限制载频的切换能够实现更稳定的控制。
较为理想的是，所述载频运算部在电动机转速与变频器输出的关系的高频率输出区域中，比其他区域更细致地进行所述载频的切换，所述高频率输出区域为输出频率比其他区域高的区域。这样，能够使高频率使用的区域中的控制变得更加稳定，且能够提高效率。
另一方面，较为理想的是，所述载频切换部在根据所述电动机转速而预先划分的多个区间的每个区间内，阶段性地进行所述载频的切换。该载频的阶段性的切换与根据所有的电动机转速中的每个转速连续运算载频并切换的情况相比，能够以较少的运算量来确定载频，从而使控制变得容易。
此时，更为理想的是，所述载频切换部所进行的所述载频的阶段性切换被施加迟滞。该迟滞的施加能够抑制切换点附近的振动的产生，从而能够进行流畅的控制。
而且，本发明提供一种回转式的工程机械，其包括：下部行走体；上部回转体，回转自如地搭载于该下部行走体上；回转电动机，使所述上部回转体回转；以及所述的变频装置，被用于驱动所述回转电动机。
此种回转式的工程机械中，回转速度会在低速至高速的广速度区域中频繁地变化，因此与回转电动机的速度变化对应的载频切换起到大的节能效果。

Claims (7)

1.一种变频装置，用于驱动电动机，其特征在于包括：
PWM波形生成部，生成用于执行所述电动机的PWM控制的波形；
转速检测部，检测所述电动机的转速；
载频运算部，基于所述转速检测部检测出的转速来运算载频；以及
载频切换部，基于所述载频运算部算出的所述载频来切换由所述PWM波形生成部生成的波形的载频，其中，
由所述转速检测部检测的所述电动机转速越高，所述载频运算部算出的所述载频越高。
2.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于，
所述载频运算部基于所述电动机转速来计算基本载频，并且，通过将该基本载频乘以与所述电动机的输出扭矩及负载的惯量中的至少一者对应的增益来计算所述载频。
3.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于还包括：
旋转角加速度运算部，运算所述电动机的旋转角加速度；以及
载频切换限制部，在所述旋转角加速度运算部算出的旋转角加速度超过设定值时，停止所述载频切换部的频率切换。
4.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于：
所述载频运算部在电动机转速与变频器输出的关系的高频率输出区域中，比其他区域更细致地进行所述载频的切换，所述高频率输出区域为输出频率比其他区域高的区域。
5.根据权利要求1所述的变频装置，其特征在于：
所述载频切换部在根据所述电动机转速而预先划分的多个区间的每个区间内，阶段性地进行所述载频的切换。
6.根据权利要求5所述的变频装置，其特征在于：
所述载频切换部所进行的所述载频的阶段性切换被施加迟滞。
7.一种回转式工程机械，其特征在于包括：
下部行走体；
上部回转体，回转自如地搭载于所述下部行走体上；
回转电动机，使所述上部回转体回转；以及
权利要求1至6任一项所述的变频装置，被用于驱动所述回转电动机。
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