CN106487317A - 电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种电动机驱动装置。该电动机驱动装置具备：电动机驱动部，通过开关元件被进行接通断开驱动，来将直流环节侧的直流电压变换为交流电压后向交流电动机侧输出；栅极驱动电路，其根据栅极驱动指令来对电动机驱动部的开关元件进行接通断开驱动；栅极驱动指令生成部，其对栅极驱动电路输出接通指令和断开指令来作为栅极驱动指令；以及过电流检测部，其对流过直流环节部的电流或交流电动机侧的交流电流的过电流进行检测，其中，在过电流检测部检测出过电流时，栅极驱动指令生成部一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加，一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令。

Description

电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及一种对机床的进给轴、主轴或产业机械、产业用机器人的臂等进行驱动的电动机驱动装置。
背景技术
在对作为机床的进给轴、主轴或产业机械、产业用机器人的臂等的驱动源的交流电动机进行驱动的电动机驱动装置中，在将从交流电源侧输入的交流电压暂且变换为直流电压之后再变换为交流电压，来向交流电动机提供交流电流。因此，电动机驱动装置具备：整流器，其对从交流电源侧提供的交流电压进行整流来向DC环节(直流环节)输出直流电压；以及逆变换器，其与作为整流器的直流侧的直流环节连接，通过内部的开关元件的开关动作将直流环节侧的直流电压变换为交流电压，来向交流电动机提供交流电流。
图5是表示使用直流电源来驱动三相交流电动机的一般的电动机驱动装置的电路图。在驱动三相交流电动机(以下简称为“交流电动机”)200的电动机驱动装置100内设置有逆变换器50，对逆变换器50的直流环节侧施加来自直流电源的直流电压，从逆变换器50输出用于驱动电动机200的三相的交流电流。此外，在此未特别地图示，但是一般来说，在逆变换器50的直流环节侧设置将从商用的交流电源输入的交流电流变换为直流电流并输出该直流电流的整流器。
电动机驱动装置100具备逆变换器50、栅极驱动电路61、栅极驱动指令生成部62、过电流检测部63以及电流指令生成部64。逆变换器50包括具有开关元件S以及与该开关元件S反并联地连接的二极管D的开关部的桥电路，通过开关元件S被进行接通断开驱动，该逆变换器50将直流环节侧的直流电压变换为交流电压并向交流电动机200侧输出该交流电压。电动机控制部60包括栅极驱动指令生成部62、过电流检测部63以及电流指令生成部64。电流指令生成部64基于由电动机电流检测器71检测出的向交流电动机200流入的交流电流来生成电流指令。栅极驱动指令生成部62对栅极驱动电路61输出接通指令和断开指令中的任一个来作为栅极驱动指令。栅极驱动电路61根据接收到的栅极驱动指令来对电动机驱动部的开关元件S进行接通断开驱动。此外，为了使附图简明，关于栅极驱动电路61，仅图示出一个相的栅极驱动电路61。过电流检测部63对由直流环节部电流检测器72检测出的流过直流环节部的电流或由电动机电流检测器71检测出的交流电动机200侧的交流电流的过电流的发生进行检测。
如图5所示，当在电动机驱动装置100的交流电动机200侧的输出相之间发生异常短路时，发生沿如加粗箭头所示的那样的路径流动的过电流。当持续流过过电流时，开关元件S等各元件发生故障，因此需要切断过电流来保护各元件。因此，在过电流检测部63检测出过电流的发生时，栅极驱动指令生成部62对栅极驱动电路61生成用于将开关元件S断开的断开指令，栅极驱动电路61根据该断开指令立即将开关元件S断开，来切断过电流。
然而，由于将非常大的过电流高速地切断，因此电流的相对于时间的变化大，由于电流路径的电感而产生的浪涌电压变得非常大，成为开关元件S等各元件发生故障的原因。
因此，多数情况下，为了抑制在切断过电流时产生的浪涌电压，而设置如图5所示那样的用于吸收浪涌的缓冲电路81。此外，在图5中，为了使附图简明，关于缓冲电路81，仅图示出一个相的缓冲电路81。
另外，除此以外，作为抑制在切断过电流时产生的浪涌电压的方法，例如还存在如下方法：通过增大开关元件的栅极电阻来使开关元件的开关速度下降，由此缓慢地进行电流的切断。
另外，作为将开关速度按过电流时和通常时进行区分的方法，例如存在如下方法：准备电阻值大的栅极电阻与电阻值小的栅极电阻这两个种类的开关元件的栅极电阻，在通常时使用电阻值小的栅极电阻来避免开关速度变慢，在过电流时使用电阻值大的栅极电阻来使开关速度变慢。
另外，例如日本专利第3692740号公报所记载那样，存在如下方法：在通常的开关动作中，使用栅极电压模式发生器来生成具有使栅极电压变化缓慢以使浪涌电压变小的部分以及使栅极电压变化急剧以避免开关损耗变大的部分这两个模式的栅极电压模式，由此抑制浪涌电压。
为了防止开关元件S等各元件的故障，如上述那样抑制在切断过电流时发生的浪涌电压是重要的。
抑制在切断过电流时产生的浪涌电压的方法中的利用缓冲电路的方法存在如下问题：想要抑制的浪涌电压越大，则需要使构成缓冲电路的部件的规模越大，即使不是在切断过电流时、即在通常时，也不得不搭载多余的缓冲电路，从而成本增加。
另外，通过增大栅极电阻来使开关元件的开关速度变慢的方法存在如下问题：在开关速度快也没有问题的通常时，开关损耗增加而效率下降。
另外，使用电阻值互不相同的多个栅极电阻的方法存在如下问题：电路的结构要素增多，从而成本增加，损害了可靠性。
另外，根据日本专利第3692740号公报所记载的发明，在一次的关断动作中，必须创建具有开关速度快的部分和慢的部分的栅极电压模式，存在控制变得复杂、需要增加电路的结构要素这样的问题。
发明内容
本发明的目的在于，鉴于上述问题，以高效率、低成本提供一种可靠性高的电动机驱动装置，该电动机驱动装置能够不增加通常时的开关损耗且不增加电路的结构要素地容易地抑制在切断过电流时发生的浪涌电压。
为了实现上述目的，通过开关元件的开关动作将直流电压变换为交流电压来向交流电动机提供交流电流的电动机驱动装置具备：电动机驱动部，其通过其内部的开关元件被进行接通断开驱动，来将直流环节侧的直流电压变换为交流电压后向交流电动机侧输出；栅极驱动电路，其根据接收到的栅极驱动指令来对电动机驱动部的开关元件进行接通断开驱动；栅极驱动指令生成部，其对栅极驱动电路输出接通指令和断开指令中的任一个来作为栅极驱动指令；以及过电流检测部，其对流过电动机驱动部的直流环节部的电流或交流电动机侧的交流电流的过电流的发生进行检测，其中，在过电流检测部检测出过电流的发生时，栅极驱动指令生成部一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令。
在此，也可以是，电动机驱动装置具备对流过直流环节部的电流进行检测的直流环节部电流检测器，过电流检测部对直流环节部电流检测器所检测的电流进行监视，在检测出过电流的发生时，对栅极驱动指令生成部通知过电流发生。
另外，也可以是，电动机驱动装置具备对交流电动机侧的交流电流进行检测的电动机电流检测器，过电流检测部对电动机电流检测器所检测的交流电流进行监视，在检测出过电流的发生时，对栅极驱动指令生成部通知过电流发生。
附图说明
通过参照下面的附图，会更明确地理解本发明。
图1是表示基于实施例的电动机驱动装置的电路图。
图2A是说明基于实施例的电动机驱动装置中的在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极驱动指令。
图2B是说明基于实施例的电动机驱动装置中的在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极电压。
图2C是说明基于实施例的电动机驱动装置中的在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出集电极电流、集电极-发射极间电压以及浪涌电压。
图3A是为了与本发明进行比较而说明以往在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极驱动指令。
图3B是为了与本发明进行比较而说明以往在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极电压。
图3C是为了与本发明进行比较而说明以往在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出集电极电流、集电极-发射极间电压以及浪涌电压。
图4是表示基于实施例的电动机驱动装置的动作流程的流程图。
图5是表示使用直流电源来驱动三相交流电动机的一般的电动机驱动装置的电路图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明具有过电流检测部的电动机驱动装置。然而，希望理解的是，本发明并不限定于附图或以下所说明的实施方式。
图1是表示基于实施例的电动机驱动装置的电路图。基于实施例的电动机驱动装置1通过开关元件S的开关动作来将被输入的直流电压变换为交流电压后提供到交流电动机200。交流电动机200例如被用作机床的进给轴、主轴或产业机械、产业用机器人的臂等的驱动源。另外，在此未特别地图示，但是在电动机驱动装置1的直流环节侧，既可以设置将从商用的交流电源输入的交流变换为直流后输出的正变换器，或者也可以设置电池等直流电源。此外，在此所说明的实施例中，关于对一个交流电动机200进行驱动控制的电动机驱动装置1进行说明，但是关于进行驱动控制的电动机的个数，并不对本发明特别地进行限定，也能够应用于对多个电动机进行驱动控制的电动机驱动装置。另外，关于由电动机驱动装置1驱动的交流电动机的种类，也不对本发明特别地进行限定，例如既可以是感应电动机也可以是同步电动机。
基于实施例的电动机驱动装置1具备电动机驱动部11、栅极驱动电路12、栅极驱动指令生成部13以及过电流检测部14。另外，电动机驱动装置1与一般的电动机驱动装置同样地，具备电流指令生成部15、直流环节部电流检测器16以及电动机电流检测器17。电动机控制部10包括栅极驱动指令生成部13、过电流检测部14以及电流指令生成部15。
电动机驱动部11是包括开关部的桥电路的逆变换器(逆变器)，该开关部具有开关元件S以及与该开关元件S反并联地连接的二极管D，对电动机驱动部11的开关元件S进行接通断开驱动，来将直流环节侧的直流电压变换为交流电压后向交流电动机200侧输出。作为开关元件S的例子，有IGBT、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor：金属-氧化物半导体场效应晶体管)、晶闸管、GTO(Gate Turn-OFF Thyristor：门极可关断晶闸管)等，但是关于开关元件S的种类本身，并不对本发明进行限定，也可以是其它的开关元件。
栅极驱动电路12根据从后述的栅极驱动指令生成部13接收到的栅极驱动指令，对各开关元件S输出用于对电动机驱动部11的开关元件S进行接通断开驱动的电压。此外，为了使附图简明，关于栅极驱动电路12，仅图示出一个相的栅极驱动电路12，但是栅极驱动电路12是针对电动机驱动部11内的各开关元件S分别设置的。
栅极驱动指令生成部13对栅极驱动电路12输出接通指令和断开指令中的任一个来作为栅极驱动指令。在通常时，栅极驱动指令生成部13输出与由电流指令生成部15生成的电流指令相应的栅极驱动指令，但是在过电流发生时，栅极驱动指令生成部13一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加，一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令。
过电流检测部14对流过电动机驱动部11的直流环节部的电流或交流电动机200侧的交流电流的过电流的发生进行检测。关于过电流检测方法本身，并不对本发明进行限定，只要使用公知的方法即可。另外，关于过电流检测水平，只要根据构成电动机驱动装置1的部件、使用环境等适当设定即可。
直流环节部电流检测器16对流过直流环节部的电流进行检测。上述的过电流检测部14对直流环节部电流检测器16所检测的电流进行监视，在检测出过电流的发生时，对栅极驱动指令生成部13通知过电流发生。
电动机电流检测器17对交流电动机200侧的交流电流进行检测。上述的过电流检测部14对电动机电流检测器17所检测的交流电流进行监视，在检测出过电流的发生时，对栅极驱动指令生成部13通知过电流发生。
电流指令生成部15基于由电动机电流检测器17检测出的交流电动机200侧的交流电流，生成通常时(即非过电流发生时)的电流指令。更详细地说，电流指令生成部15使用电动机电流检测器17的检测值、被输入的速度指令、交流电动机200的动作程序、交流电动机200的旋转速度等，生成用于对交流电动机200的速度、转矩或转子的位置进行控制的电流指令。
如上所述，在过电流检测部14检测出过电流发生时，栅极驱动指令生成部13一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加，一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令。下面，对此更详细地进行说明。图2A是说明基于实施例的电动机驱动装置中的在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极驱动指令。图2B是说明基于实施例的电动机驱动装置中的在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极电压。图2C是说明基于实施例的电动机驱动装置中的在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出集电极电流、集电极-发射极间电压以及浪涌电压。另外，图3A是为了与本发明进行比较而说明以往在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极驱动指令。图3B是为了与本发明进行比较而说明以往在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出栅极电压。图3C是为了与本发明进行比较而说明以往在切断过电流时发生浪涌电压的图，示出集电极电流、集电极-发射极间电压以及浪涌电压。
首先，参照图3A～图3C来说明以往在切断过电流时发生的浪涌电压。以往，当设为在时刻t1发生了过电流时，如图3A所示，对栅极驱动电路提供开关元件的断开指令(时刻t2)以切断过电流。通过对栅极驱动电路提供断开指令来使开关元件立即断开，但是如图3B所示，开关元件的栅极电压的下降快，因此如图3C所示，集电极电流的相对于时间的变化大，集电极-发射极间电压中产生的浪涌电压变大。
与此相对，在实施例中，如图2A所示，在时刻t1由过电流检测部14检测出过电流的发生时，栅极驱动指令生成部13在时刻t2以后一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令(时刻t3)。通过一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加一边交替地输出接通指令和断开指令，相比于以往而言，如图2B所示，开关元件的栅极电压的下降变得缓慢，如图2C所示，集电极电流的相对于时间的变化变小，相比于以往而言能够更好地抑制集电极-发射极间电压中产生的浪涌电压。
图4是表示基于实施例的电动机驱动装置的动作流程的流程图。
在步骤S101中，电流指令生成部15使用电动机电流检测器17的检测值、被输入的速度指令、交流电动机200的动作程序、交流电动机200的旋转速度等，生成用于对交流电动机200的速度、转矩或转子的位置进行控制的电流指令。由此，对交流电动机200进行驱动。
在步骤S102中，过电流检测部14针对流过电动机驱动部11的直流环节部的电流或交流电动机200侧的交流电流判别是否发生了过电流。在判定为发生了过电流的情况下，进入步骤S103。过电流检测部14对直流环节部电流检测器16所检测的电流以及电动机电流检测器17所检测的电流进行监视，在针对该直流环节部电流和该电动机电流中的任一个检测出过电流的发生时，对栅极驱动指令生成部13通知过电流发生。
在步骤S103中，栅极驱动指令生成部13一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加，一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令。由此，栅极驱动电路12一边使断开时间相对于接通时间的比例逐渐地增加，一边对开关元件S的栅极交替地输出用于接通的电压和用于断开的电压，最终仅输出用于断开的电压。与此相应地，开关元件S一边使断开时间相对于接通时间的比例逐渐地增加，一边交替地重复进行接通和断开，最终断开。其结果，相比于以往而言，开关元件S的栅极电压的下降变得缓慢，集电极电流的相对于时间的变化变小，从而相比于以往而言能够更好地抑制集电极-发射极间电压中产生的浪涌电压。
根据本发明，能够不增加通常时的开关损耗且不增加电路的结构要素地容易地抑制在切断过电流时发生的浪涌电压，能够不降低效率、不增加成本地实现电动机驱动装置的高可靠性。

Claims (3)

1.一种电动机驱动装置，通过开关元件的开关动作将直流电压变换为交流电压来向交流电动机提供交流电流，该电动机驱动装置的特征在于，具备：
电动机驱动部，其通过其内部的开关元件被进行接通断开驱动，来将直流环节侧的直流电压变换为交流电压后向交流电动机侧输出；
栅极驱动电路，其根据接收到的栅极驱动指令来对电动机驱动部的开关元件进行接通断开驱动；
栅极驱动指令生成部，其对所述栅极驱动电路输出接通指令和断开指令中的任一个来作为所述栅极驱动指令；以及
过电流检测部，其对流过所述电动机驱动部的直流环节部的电流或交流电动机侧的交流电流的过电流的发生进行检测，
其中，在所述过电流检测部检测出过电流的发生时，所述栅极驱动指令生成部一边使断开指令相对于接通指令的比例逐渐地增加一边交替地输出接通指令和断开指令，最终仅输出断开指令。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
具备对流过直流环节部的电流进行检测的直流环节部电流检测器，
所述过电流检测部对所述直流环节部电流检测器所检测的电流进行监视，在检测出过电流的发生时，对所述栅极驱动指令生成部通知过电流发生。
3.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
具备对交流电动机侧的交流电流进行检测的电动机电流检测器，
所述过电流检测部对所述电动机电流检测器所检测的交流电流进行监视，在检测出过电流的发生时，对所述栅极驱动指令生成部通知过电流发生。
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