CN105450145B

CN105450145B - 电动机控制装置

Info

Publication number: CN105450145B
Application number: CN201510595464.6A
Authority: CN
Inventors: 山本健太
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2019-12-17
Anticipated expiration: 2035-09-17
Also published as: JP2016063705A; JP6193831B2; CN105450145A; US20160087558A1; DE102015011912A1; US9859821B2

Abstract

本发明的电动机控制装置的特征在于，具有：整流器，其将来自电源的交流电力变换为直流电力；平滑电容器，其设置于作为整流器的输出侧的直流环节；逆变换器，其连接于直流环节，将直流电力与交流电力的相互之间进行变换；交流电压检测部，其检测电源的电压值；电压振幅运算部，其将交流电压值变换为电源电压振幅值；停电检测部，其在电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定的时间的情况下检测出处于停电状态；直流电压检测部，其检测平滑电容器的直流电压值；以及保护动作开始判定部，其在停电检测部检测出电源的停电并且直流电压值为第二阈值以下的情况下，对逆变换器通知轴停止或轴退避动作的开始。

Description

电动机控制装置

技术领域

本发明涉及一种电动机控制装置，特别涉及一种具有判定是否开始机械的保护动作的功能的电动机控制装置。

背景技术

在对机床、锻压机械、注射成型机、产业机械、机器人等的电动机进行驱动的电动机控制装置中，使用将三相交流输入电源的交流电力变换为直流电力的整流器、以及将整流器所输出的直流电力变换为用于驱动电动机的交流电力的逆变换器。

在如上述那样的电动机控制装置中，当在整流器的交流电源侧发生停电而输入电压下降时，无法继续电动机的正常的运转，从而在使用电动机控制装置的加工中产生某些故障。因此，电动机控制装置需要具备交流电源侧的停电检测单元，在检测出停电时进行用于避免故障或者将故障抑制在最低限度的保护动作。

作为停电的检测方法，例如存在如下方法：将三相交流输入电源变换为与其等效的二相坐标上的电压向量，计算该向量的振幅，由此计算电源电压的振幅，根据该值小于规定的基准电压值的状态持续了规定的基准时间而判定为停电(例如日本专利公开公报特开2006-14546号(JP2006-14546))。

但是，如果在停电时也保持着作为整流器的直流输出侧的直流环节的电压，则电动机能够继续正常的运转。在大部分的瞬停(瞬时电压下降)时，通过整流器的平滑电容器的蓄电效果，直流环节的电压不会下降。然而，在以往技术中，即使在发生瞬停时电动机能够继续运转的状况下也检测为停电，进行轴停止、轴退避这种保护动作，因此机械的运转率下降。

说明以往的电动机控制装置中的基于电源电压的振幅值的停电检测方法。图1是以往的电动机控制装置的结构图。以往的电动机控制装置1000将来自三相交流电源10的交流电力经由AC电抗器190供给到整流器110，整流器110将交流电力变换为直流电力。整流器110所输出的直流电力通过设置于直流环节200的平滑电容器120被平滑化后被供给到逆变换器130。逆变换器130将直流电力变换为交流电力来对电动机30进行驱动。

如图1所示，由交流电压检测部140检测三相交流电源10的电压值，由电压振幅运算部150计算振幅值。停电检测部160在振幅值为基准电压值以下的状态持续了规定时间的情况下判定为三相交流电源10处于停电状态。

在三相交流电源10的停电发生时，不是立即变得无法继续电动机30的正常的运转。如果维持着向逆变换器130供给的能量(＝作为整流器110的直流输出侧的直流环节的能量)，则电动机30能够继续正常的动作。

另外，当瞬停的发生定时与电动机的加减速的定时即电动机的输出为最大的定时一致时，存在直流电压下降的可能性，但发生这种状况是极为罕见的。因此，在大部分的瞬停时，通过平滑电容器的蓄电效果，直流环节电压不会大幅地下降，电动机能够继续正常的运转。

然而，在以往技术的基于电源电压的振幅值的停电检测方法中，不管直流环节的状态如何都检测电源是否为停电状态。因此，即使在可以不进行保护动作的瞬停时也检测为停电，导致机械进行保护动作。

在机械进行保护动作的情况下，不会发生工件、工具破损，但机械的加工停止。因此，在每次瞬停时都进行机械的保护动作的情况下，存在机械的运转率下降的问题。

发明内容

以往存在如下问题：在直流环节电压不下降的大部分的瞬停时也检测为停电而导致进行机械的保护动作，从而机械的运转率下降。

本发明的一个实施例所涉及的电动机控制装置的特征在于，具有：整流器，其将从三相交流电源供给的交流电力变换为直流电力；平滑电容器，其设置于作为整流器的直流输出侧的直流环节；逆变换器，其连接于直流环节，将直流环节的直流电力与作为对轴进行驱动的电动机的驱动电力或来自电动机的再生电力的交流电力的相互之间进行电力变换；交流电压检测部，其检测三相交流电源的交流电压值；电压振幅运算部，其将交流电压值变换为电源电压振幅值；停电检测部，其在电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定的时间的情况下，检测出三相交流电源为停电状态；直流电压检测部，其检测平滑电容器的直流电压值；以及保护动作开始判定部，其在停电检测部检测出三相交流电源为停电状态并且直流电压值为第二阈值以下的情况下，对逆变换器通知轴停止或轴退避动作的开始。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关联的以下的实施方式的说明会变得更加明确。在该附图中，

图1是以往的电动机控制装置的结构图，

图2是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的结构图，

图3A是用于说明在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中在三相交流电源不恢复供电的情况下的、三相交流电源的电源电压振幅值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图3B是用于说明在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中在三相交流电源不恢复供电的情况下的、直流环节的直流电压值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图4A是用于说明在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中在三相交流电源恢复供电的情况下的、三相交流电源的电源电压振幅值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图4B是用于说明在本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中在三相交流电源恢复供电的情况下的、直流环节的直流电压值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图5是用于说明本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的动作过程的流程图，

图6是本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的结构图，

图7A是用于说明在本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中在使主轴用电动机减速的情况下的、三相交流电源的电源电压振幅值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图7B是用于说明在本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中在使主轴用电动机减速的情况下的、直流环节的直流电压值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图7C是用于说明在本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中在使主轴用电动机减速的情况下的、主轴用电动机速度与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图8A是用于说明在本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中在使主轴用电动机加速的情况下的、三相交流电源的电源电压振幅值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图8B是用于说明在本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中在使主轴用电动机加速的情况下的、直流环节的直流电压值与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，

图8C是用于说明在本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中在使主轴用电动机加速的情况下的、主轴用电动机速度与停电检测及保护动作开始的定时之间的关系的曲线图，以及

图9是用于说明本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的动作过程的流程图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明所涉及的电动机控制装置。其中，需要留意的是本发明的技术范围并不限定于这些实施方式，而涵盖权利要求书中记载的发明及其等同物。

[实施例1]

首先使用附图来说明本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置。图2是本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的结构图。本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置101的特征在于，具有：整流器1，其将从三相交流电源10供给的交流电力变换为直流电力；平滑电容器2，其设置于作为整流器1的直流输出侧的直流环节20；逆变换器3，其连接于直流环节20，将直流环节20的直流电力与作为对轴进行驱动的电动机30的驱动电力或来自电动机30的再生电力的交流电力的相互之间进行电力变换；交流电压检测部4，其检测三相交流电源10的交流电压值；电压振幅运算部5，其将交流电压值变换为电源电压振幅值；停电检测部6，其在电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定的时间的情况下，检测出三相交流电源10为停电状态；直流电压检测部7，其检测平滑电容器2的直流电压值；以及保护动作开始判定部8，其在停电检测部6检测出三相交流电源10为停电状态并且直流电压值为第二阈值以下的情况下，对逆变换器3通知轴停止或轴退避动作的开始。

交流电压检测部4检测整流器1的交流输入侧的电压值。即，交流电压检测部4连接于经由AC电抗器9将三相交流电源10与整流器1进行连接的配线，检测三相交流电源10的交流电压值。

电压振幅运算部5将交流电压检测部4的检测值即三相交流电源10的交流电压值变换为电源电压振幅值。关于该变换，既可以对检测值进行三相二相变换并求出其向量范数(vector norm)，也可以求出检测值的峰值。

停电检测部6在电压振幅运算部5计算出的电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定时间的情况下，判定为三相交流电源10为停电状态。因而，在电源电压振幅值为第一阈值以下的状态只发生了极短的时间的情况下，不判定为三相交流电源10发生停电。由此，能够避免在由于噪声等而电源电压振幅值变小的情况下误检测为发生了三相交流电源10的停电。

直流电压检测部7检测作为整流器1的直流输出侧的直流环节20(平滑电容器2)的电压，并输出所检测出的直流电压检测值。具体地说，直流电压检测部7测定平滑电容器2的两侧的端子2a与端子2b之间的电压。

保护动作开始判定部8在停电检测部6判定为三相交流电源10为停电状态并且直流电压检测部7检测出的直流电压检测值为第二阈值以下的情况下，对逆变换器3通知由电动机30驱动的机械(未图示)的保护动作的开始。在此，第二阈值设定为比如下的电压值大的值：该电压值为将从停电检测到机械的保护动作开始为止所需的能量的量作为余量而与无法继续电动机30的正常的运转的直流环节的直流电压值相加所得到的电压值。

另外，在图2中只连接有一台电动机。然而，电动机的连接台数并不限定于此，也可以是两台以上。

接着，详细地说明本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置中的从停电发生到保护动作开始为止的动作。首先，说明在三相交流电源不恢复供电的情况下的电动机控制装置的动作。图3A是表示在三相交流电源不恢复供电的情况下的、三相交流电源10的电源电压振幅值的时间变化的曲线图。图3B是表示同样在三相交流电源不恢复供电的情况下的、直流环节20的直流电压值的时间变化的曲线图。此外，在图3A和图3B中，示出了电源电压振幅值及直流电压值与时间成比例地减少的例子，但是这只是一个例子，并不限定于这样的情况。

如图3A所示，将停电发生前即时刻t₀以前的三相交流电源10的电源电压振幅值设为V₀。图3A是假设如下情况的图：在时刻t₀三相交流电源10发生停电，之后电源电压振幅值逐渐下降，最终下降到某特定的电压V₁。此外，在一般的停电中V₁＝0[V]。在此，将电源电压振幅值V₀与V₁之间的规定的电压值设定为第一阈值V_TH1。将电源电压振幅值达到第一阈值V_TH1的时刻设为t₁。在从t₁起经过了规定的时间Δt时，判断为三相交流电源10发生停电。在此，当将检测出停电的时刻设为t₂时，从t₂到t₁的时间相当于规定的时间Δt。像这样，为了判断三相交流电源10是否发生停电，将电源电压振幅值为第一阈值V_TH1以下的期间设定为用于判断有无停电的规定的时间。由此，能够避免在由于噪声等而电源电压振幅值瞬间性地变为第一阈值V_TH1以下的情况下误检测为三相交流电源10发生停电。

接着，说明直流电压值的时间变化。如图3B所示，将在三相交流电源10发生停电的时刻t₀以前的直流环节20的直流电压值设为V_DC0。当在时刻t₀三相交流电源10发生停电时，直流环节20的直流电压值下降。并且，设直流电压值如图3B中的曲线1那样下降。首先，在检测出停电的时刻t₂，直流电压值下降到V_DC1，之后在时刻t₄直流环节20的直流电压值达到第二阈值V_TH2，此时开始电动机的保护动作。

另外，假定在时刻t₅直流电压达到V_DC3而电动机无法继续正常的动作。可知，通过将第二阈值V_TH2设定为比V_DC3大的值，能够在电动机无法继续正常的动作之前开始电动机的保护动作。

接着，说明在三相交流电源恢复供电的情况下的电动机控制装置的动作。图4A是表示在三相交流电源恢复供电的情况下的、三相交流电源10的电源电压振幅值的时间变化的曲线图。图4B是表示同样在三相交流电源恢复供电的情况下的、直流环节20的直流电压值的时间变化的曲线图。在发生了停电的时刻t₂之后的、开始保护动作的时刻t₄之前的时刻即时刻t₃三相交流电源如图4B所示的曲线2那样恢复供电的情况下，能够避免一旦检测出停电之后保护动作开始。即，在如曲线2那样直流电压值的最小值V_DC2的值大于第二阈值V_TH2的情况下，直流环节20的直流电压值恢复到足够驱动电动机的大小。能够避免在这样的情况下开始不需要的电动机的保护动作。

接着，使用图5所示的流程图来说明本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置的动作过程。

首先，在步骤S101中，如图2所示，从三相交流电源10向整流器1供给交流电力，交流电压检测部4检测整流器1的交流输入侧的电压值。接着，在步骤S102中，电压振幅运算部5将交流电压检测部4的检测值变换为电源电压振幅值。关于变换，既可以对检测值进行三相二相变换并求出其向量范数，也可以求出检测值的峰值。

接着，在步骤S103中，停电检测部6判断电压振幅运算部5计算出的电源电压振幅值为第一阈值以下的状态是否持续了规定时间。在判断为电源电压振幅值为第一阈值以下的状态没有持续规定时间的情况下，返回到步骤S101，继续进行三相交流电源10的电压值的检测。

另一方面，在判断为电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定时间的情况下，在步骤S104中，判定为三相交流电源10为停电状态。

接着，在步骤S105中，直流电压检测部7检测作为整流器1的直流输出侧的直流环节20(平滑电容器2)的电压即直流电压值。接着，在步骤S106中，保护动作开始判定部8判断直流电压检测值是否为第二阈值以下。在由于三相交流电源10不恢复供电而直流电压检测值为第二阈值以下的情况下，在步骤S107中，保护动作开始判定部8对逆变换器3通知保护动作的开始。

另一方面，在由于三相交流电源10恢复供电而直流电压检测值大于第二阈值的情况下，保护动作开始判定部8不对逆变换器3通知保护动作的开始。像这样，保护动作开始判定部8在停电检测部判定为停电状态并且直流电压检测值为第二阈值以下的情况下，通知保护动作的开始。

如以上那样，根据本发明的实施例1所涉及的电动机控制装置，在直流环节的直流电压值为规定的值以下的情况下通知保护动作的开始。由此，能够只在由于停电而电动机无法继续正常的运转的情况下进行机械的保护动作，在电动机能够继续正常的运转的大部分的瞬停时，不进行机械的保护动作。作为其结果，能够使机械的保护动作为最小限度，从而抑制机械的运转率下降。

[实施例2]

接着，说明本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置。图6是本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的结构图。实施例2所涉及的电动机控制装置102与实施例1所涉及的电动机控制装置101不同的点在于：在作为整流器1的直流输出侧的直流环节20处连接有多个逆变换器3、31，在停电检测部6检测出三相交流电源10的停电的情况下，多个逆变换器中的至少一台逆变换器使主轴用电动机40加减速，由此使直流电压值处于大于第二阈值的规定的范围内。实施例2所涉及的电动机控制装置的其它结构与实施例1所涉及的电动机控制装置的结构相同，因此省略详细的说明。

在一般的机械中配备有多台电动机。其中，可以使主轴比较自由地加减速。

因此，多个逆变换器3、31中的用于驱动主轴用电动机40的主轴用逆变换器31当从停电检测部6被通知三相交流电源10的停电状态时，一边监视直流环节20的直流电压值一边使主轴用电动机40加减速，来进行能量的输出输入，由此将直流环节的直流电压值控制在电动机30能够继续正常的运转的范围内。

通过使主轴用电动机40加速，直流环节20的能量被消耗，从而能够使直流环节电压即直流环节的直流电压值下降。另一方面，通过使主轴用电动机40减速，向直流环节20返回能量，从而能够使直流环节的直流电压值上升。

像这样使主轴用电动机40加减速来将电动机30的动能与直流环节的能量的相互之间进行变换，由此能够控制直流环节的直流电压值。

通过使用本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置，在停电发生时能够维持直流环节电压的可能性变高，在瞬停时可以不进行机械的保护动作的可能性变高。

另外，在图6中只连接有两台电动机，但电动机的连接台数不限定于此，也可以为三台以上。并且，主轴用电动机也可以为两台以上。

接着，详细地说明本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置中的从停电发生到保护动作开始为止的动作。首先，说明使主轴用电动机减速的情况下的电动机控制装置的动作。图7A～图7C分别为表示在使主轴用电动机减速的情况下的、三相交流电源10的电源电压振幅值、直流环节20的直流电压值以及主轴用电动机速度的时间变化的曲线图。

如图7A所示，将停电发生前即时刻t₀以前的三相交流电源10的电源电压振幅值设为V₀。图7A是假设如下情况的图：在时刻t₀三相交流电源10发生停电，之后电源电压振幅值逐渐下降，最终下降到某特定的电压V₁。此外，在一般的停电中V₁＝0[V]。

如图7B所示，直到检测出三相交流电源10的停电的时刻t₂为止，如实线所示那样实施例1和实施例2所涉及的电动机控制装置的直流电压值相同。在时刻t₂以后的时刻t₆除了主轴用电动机40以外的其它电动机30加速的情况下，直流电压值急剧地下降。然而，在实施例2所涉及的电动机控制装置中，如曲线3所示那样，在直流电压值下降到第二阈值V_TH2之前，在时刻t₇使主轴用电动机40从速度S₀减速到速度S₁(参照图7C)。由此，能量被返回到直流环节20，直流环节20的直流电压值增加。其结果，直流环节20的直流电压值不会成为第二阈值V_TH2以下，因此能够避免机械的保护动作。

接着，说明使主轴用电动机加速的情况下的电动机控制装置的动作。图8A～图8C是分别表示在使主轴用电动机加速的情况下的、三相交流电源10的电源电压振幅值、直流环节20的直流电压值以及主轴用电动机速度的时间变化的曲线图。图8A所示的三相交流电源10的电源电压振幅值的时间变化与图7A相同。

如图8B所示，直到检测出三相交流电源10的停电的时刻t₂为止，如实线所示那样实施例1和实施例2所涉及的电动机控制装置的直流电压值相同。在时刻t₂以后的时刻t₈除了主轴用电动机40以外的其它电动机30减速的情况下，直流电压值急剧地增加。然而，在实施例2所涉及的电动机控制装置中，如曲线4所示那样，在直流电压值达到规定的值V_DC4之前，在时刻t₉使主轴用电动机40从速度S₀加速到速度S₂(参照图8C)，由此从直流环节20消耗能量，从而直流环节20的直流电压值下降。其结果，直流环节20的直流电压值不会成为规定的值V_DC4以上，因此能够避免直流环节的异常的电压上升。V_DC4是根据部件的耐压等来决定的。

如以上那样，根据实施例2所涉及的电动机驱动装置，使主轴加减速来将电动机的动能与直流环节的能量的相互之间进行变换，由此能够控制直流环节电压。其结果，在停电发生时能够维持直流环节电压的可能性变高，从而能够进一步提高在瞬停时能够避免机械的保护动作的开始的可能性。

接着，使用图9中示出的流程图来说明本发明的实施例2所涉及的电动机控制装置的动作过程。

首先，在步骤S201中，如图6所示，从三相交流电源10向整流器1供给交流电力，交流电压检测部4检测整流器1的交流输入侧的电压值。接着，在步骤S202中，电压振幅运算部5将交流电压检测部4的检测值变换为电源电压振幅值。关于变换，既可以对检测值进行三相二相变换并求出其向量范数，也可以求出检测值的峰值。

接着，在步骤S203中，停电检测部6判断电压振幅运算部5计算出的电源电压振幅值为第一阈值以下的状态是否持续了规定时间。在判断为电源电压振幅值为第一阈值以下的状态没有持续规定时间的情况下，返回到步骤S201，继续进行三相交流电源10的电压值的检测。

另一方面，在判断为电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定时间的情况下，在步骤S204中，判定为三相交流电源10为停电状态。

接着，在步骤S205中，直流电压检测部7检测作为整流器1的直流输出侧的直流环节20(平滑电容器2)的电压即直流电压检测值。

接着，在步骤S206中，主轴用逆变换器31一边监视直流电压检测部7的直流电压检测值一边使主轴用电动机40加减速，来将直流环节电压尽可能地控制在电动机30能够继续正常的运转的范围内。接着，在步骤S207中，保护动作开始判定部8判断直流电压检测值是否为第二阈值以下。在直流电压检测值为第二阈值以下的情况下，在步骤S208中，保护动作开始判定部8对逆变换器3通知保护动作的开始。

另一方面，在直流电压检测值大于第二阈值的情况下，保护动作开始判定部8不对逆变换器3通知保护动作的开始。这样，保护动作开始判定部8在停电检测部判定为停电状态并且直流电压检测值为第二阈值以下的情况下，通知保护动作的开始。

如以上那样，根据实施例2所涉及的电动机控制装置，对主轴用逆变换器31通知停电状态，由此，在停电发生时能够维持直流环节电压的可能性变高，因此能够比实施例1所涉及的电动机控制装置更容易地在瞬停时不进行保护动作而使通常动作继续。

根据本发明的一个实施例所涉及的电动机控制装置，在电源发生停电的情况下，能够不使机械的运转率下降而只在实际需要的情况下进行机械的保护动作。

Claims

1.一种电动机控制装置，其特征在于，具有：

整流器，其将从三相交流电源供给的交流电力变换为直流电力；

平滑电容器，其设置于作为上述整流器的直流输出侧的直流环节；

多个逆变换器，其连接于上述直流环节，将上述直流环节的直流电力与作为对轴进行驱动的电动机的驱动电力或来自电动机的再生电力的交流电力的相互之间进行电力变换；

交流电压检测部，其检测三相交流电源的交流电压值；

电压振幅运算部，其将上述交流电压值变换为电源电压振幅值；

停电检测部，其在上述电源电压振幅值为第一阈值以下的状态持续了规定的时间的情况下，检测出三相交流电源为停电状态；

直流电压检测部，其检测上述平滑电容器的直流电压值；以及

保护动作开始判定部，其在上述停电检测部检测出三相交流电源为停电状态并且上述直流电压值为第二阈值以下的情况下，对上述逆变换器通知轴停止或轴退避动作这样的机械的保护动作的开始，在上述直流电压值比上述第二阈值大的情况下，不对上述逆变换器通知上述保护动作的开始，

其中，上述第二阈值为比如下的电压值大的值：该电压值为将与从检测出上述停电状态到机械的保护动作开始为止所需的能量相对应的电压值作为余量而与无法继续电动机的正常的运转的直流环节的直流电压值相加所得到的电压值，

在上述停电检测部检测出三相交流电源的停电的情况下，在上述直流电压值下降到第二阈值之前，上述多个逆变换器中的至少一台逆变换器使主轴用电动机加减速，由此使上述直流电压值处于大于上述第二阈值的规定的范围内。