CN109672371B - 具备多绕组缓冲用伺服电动机的电动机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具备多绕组缓冲用伺服电动机的电动机驱动系统。电动机驱动系统(1)具备：飞轮(11)；缓冲用伺服电动机(12)，其具备多个独立的绕组，并使飞轮旋转；分别与绕组连接的多个缓冲用逆变器(13‑A、13‑B)；分别与直流链路(4‑A、4‑B)连接的多个变换器(14‑A、14‑B)；驱动用逆变器(15‑A1、15‑A2、15‑B)，其在直流链路中的直流电力和作为驱动用伺服电动机(3‑A1、3‑A2、3‑B)的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换；以及缓冲用电动机控制部(16)，其通过控制与每个绕组连接的各个缓冲用逆变器的电力变换，来控制缓冲用伺服电动机的驱动。

Description

具备多绕组缓冲用伺服电动机的电动机驱动系统
技术领域
本发明涉及一种具备多绕组缓冲用伺服电动机的电动机驱动系统。
背景技术
在对于包括机床、机器人等的机械中设置的伺服电动机(以下称为“驱动用伺服电动机”)进行驱动的电动机驱动系统中，通过变换器(整流器)将从电源供给的交流电力变换为直流电力后向直流链路输出，并且通过逆变器将直流链路的直流电力变换为交流电力，将该交流电力作为用于驱动对每个驱动轴设置的驱动用伺服电动机的电力来使用。一般，以降低电动机驱动系统的成本、占用空间为目的，大多对于多个逆变器设置一个变换器。即，将交流电源供给的交流电力变换为直流电力的变换器被用作针对多个驱动用逆变器(伺服放大器)的公共电源部，这些多个驱动用逆变器使用从电源部输出的直流电力，生成用于驱动各驱动用伺服电动机的交流电力。
在通过电动机驱动系统对驱动用伺服电动机进行加速或减速控制时，对于交流电源要求大的交流电力的输出或再生，因此产生功率峰值。特别是在对变换器连接了多个驱动用逆变器的电动机驱动系统中，可能产生更大的功率峰值。功率峰值越大，电源容量、电动机驱动系统的运转成本越是增大，或是在电源侧产生停电、闪变等电力故障，因此希望降低功率峰值。
为了降低功率峰值，以往使用了以下的方法：在将电动机驱动系统的变换器与驱动用逆变器连接起来的直流链路中设置可积蓄直流电力的蓄电装置，经由直流链路适当地供给或积蓄由驱动用伺服电动机消耗或再生的能量。根据该方法，在驱动用伺服电动机的减速时，能够将从驱动用伺服电动机产生的再生电力积蓄到蓄电装置，在驱动用伺服电动机的加速时能够再利用所积蓄的电力，因此能够降低功率峰值。即，通过使用对于直流链路进行电力的积蓄/供给的蓄电装置，能够应对伴随有比电源部的最大输出功率大的消耗功率的驱动用伺服电动机的动作(加减速)。
举一个例子，压力机在进行压力动作时产生的最大消耗功率非常大，有时存在电源容量不足的问题。因此，在压力机的电动机驱动系统中，在直流链路中设置蓄电装置，在压力机消耗功率大时，从蓄电装置供给电力，由此，能够在小容量的电源的情况下驱动压力机。作为蓄电装置的例子，具有使用飞轮的蓄电装置。例如，在驱动用伺服电动机的消耗功率小时，使连结了飞轮的缓冲用伺服电动机以固定速度旋转，在由于驱动用伺服电动机的加减速等使得消耗功率变大时，降低缓冲用伺服电动机的转速，经由缓冲用逆变器进行电力再生，向直流链路供给用于驱动驱动用伺服电动机的直流电力。由此，针对伴随有比变换器能够电力变换的最大电能即最大电力变换量更大的消耗功率的加减速动作，也可通过使用来自缓冲用伺服电动机的再生电力进行驱动，其中，该缓冲用伺服电动机连结了具有旋转能量的飞轮。
例如，如在日本特开2013-009524号公报中记载的那样，已知一种电动机驱动装置，其特征在于，具备：交流直流变换器，其将来自交流电源的交流电力变换为直流电力；直流交流变换器，其将直流电力变换为用于驱动电动机的交流电力，或者将从电动机再生的交流电力变换为直流电力；DC链路部，其将所述交流直流变换器的直流侧与所述直流交流变换器的直流侧连接，进行直流电力的传递；能量积蓄部，其与上述DC链路部连接，具备从上述DC链路部积蓄直流电力或者向上述DC链路部供给直流电力的至少一个电容器积蓄部和至少一个飞轮积蓄部；电动机控制部，其根据用于指令电动机的动作的电动机动作指令进行控制，使得上述直流交流变换器输出希望的交流电力；能量控制部，其进行控制使得上述能量积蓄部从上述DC链路部积蓄直流电力或者向上述DC链路部供给直流电力。
例如，如日本特开2016-046833号公报所记载的那样，已知一种伺服电动机控制系统，其驱动工业机械或机床的轴，该伺服电动机的控制系统具备：多个第一伺服电动机，其用于驱动轴；多个变换器，其将交流电压变换为直流电压；多个第一逆变器，其从上述变换器接受直流电压来变换为用于驱动上述多个第一伺服电动机的交流电压，或者将从上述第一伺服电动机再生的交流电力变换为直流电力；第二伺服电动机，其使惯性元件旋转；多个第二逆变器，其从上述变换器接受直流电压来变换为用于驱动上述第二伺服电动机的交流电压，或者将从上述第二伺服电动机再生的交流电力变换为直流电力；以及伺服电动机控制装置，其控制上述多个第一伺服电动机和上述第二伺服电动机，其中，上述第二伺服电动机的数量比上述多个第二逆变器的数量少，上述第二伺服电动机中的至少一个具备多个独立的绕组，上述多个第二逆变器中的至少一部分与在一个第二伺服电动机中设置的多个独立的绕组相连接。
在将变换器与驱动用逆变器之间连接起来的直流链路中设置了具备缓冲用伺服电动机和缓冲用逆变器的飞轮型蓄电装置的电动机驱动系统中，在设置了驱动用伺服电动机的机械(机床或机器人)等为大型机械的情况下，飞轮型蓄电装置也大型化，成本也增加。另外，通过控制蓄电装置内的缓冲用伺服电动机的速度，来通过蓄电装置进行直流电力的蓄电和放电，因此需要生成与驱动用伺服电动机的运转状态、消耗功率相匹配的速度指令，无法避免缓冲用伺服电动机的控制的复杂化。另外，一般在伺服电动机的速度控制中，在实际速度对速度指令的跟随中存在时滞，因此进行缓冲用伺服电动机的速度控制的飞轮型蓄电装置对于放电指令、蓄电指令的响应性差。因此，在具备飞轮型蓄电装置的电动机驱动系统中，希望实现容易控制、响应性高、小型且低成本的蓄电装置。
发明内容
根据本发明的一个实施例，电动机驱动系统具备：飞轮，其能够积蓄旋转能量；缓冲用伺服电动机，其具备多个独立的绕组，并使飞轮旋转；多个缓冲用逆变器，其分别与绕组连接，在作为缓冲用伺服电动机的驱动电力或再生电力的交流电力与连接了缓冲用逆变器的直流链路中的直流电力之间进行电力变换；多个变换器，其分别与连接了缓冲用逆变器的直流链路连接，在电源侧的交流电力与直流链路中的直流电力之间进行电力变换；驱动用逆变器，其与直流链路中的任意一个连接，在该直流链路中的直流电力与作为驱动用伺服电动机的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换；缓冲用电动机控制部，其通过控制与每个绕组连接的各缓冲用逆变器的电力变换，来控制缓冲用伺服电动机的驱动。
附图说明
通过参照以下的附图，更加明确地理解本发明。
图1是第一实施方式的电动机驱动系统的框图。
图2A用于说明具备多个独立的绕组的缓冲用伺服电动机，是例示缓冲用伺服电动机的绕组构造的截面图。
图2B用于说明具备多个独立的绕组的缓冲用伺服电动机，是例示缓冲用伺服电动机与缓冲用逆变器之间的连接关系的电路图。
图3例示从电动机驱动系统内的蓄电装置供给的直流电力与从变换器供给的直流电力之间的关系。
图4是表示第一实施方式的针对电动机驱动系统内的蓄电装置中的缓冲用伺服电动机的控制环的框图。
图5A说明第一实施方式的电动机驱动系统的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间阶梯状地进行切换的例子。
图5B说明第一实施方式的电动机驱动系统的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间一边按照线性时间常数使其变化一边进行切换的例子。
图5C说明第一实施方式的电动机驱动系统的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间一边按照钟形时间常数使其变化一边进行切换的例子。
图5D说明第一实施方式的电动机驱动系统的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间一边按照指数形时间常数使其变化一边进行切换的例子。
图6例示第一实施方式的电动机驱动系统的总消耗电能与缓冲用伺服电动机的转速之间的关系。
图7例示另一个实施方式的电动机驱动系统的总消耗电能与缓冲用伺服电动机的转速之间的关系。
图8是第二实施方式的电动机驱动系统的框图。
图9是表示针对第二实施方式的电动机驱动系统内的蓄电装置中的缓冲用伺服电动机的控制环的框图。
具体实施方式
以下，参照附图说明具备多绕组缓冲用伺服电动机的电动机驱动系统。在各附图中，对相同的部件赋予相同的参照符号。另外，在不同的附图中赋予了相同的参照符号表示具有相同功能的构成要素。另外，为了容易理解，这些附图适当地变更了比例尺。附图所示的形式是用于实施本发明的一个例子，本发明并不限于图示的形式。另外，设为“驱动用伺服电动机的输出”包括“驱动用伺服电动机的消耗电能”和“驱动用伺服电动机的再生电能”，“缓冲用伺服电动机的输出”包括“缓冲用伺服电动机的消耗电能”和“缓冲用伺服电动机的再生电能”。另外，将驱动用伺服电动机和缓冲用伺服电动机的旋转角速度简称为“旋转速度”。
本发明的实施方式的电动机驱动系统被用于以下的系统，即在包括机床、机器人等的机械中设置多个用于驱动驱动轴的驱动用伺服电动机，与之对应地设置了多个用于供给对驱动用伺服电动机进行驱动的交流电力的驱动用逆变器和变换器。在本公开的实施方式的电动机驱动系统中，使用用于使飞轮旋转的缓冲用伺服电动机具备多个独立的绕组的蓄电装置。通过单独地控制与缓冲用伺服电动机的各绕组连接的各缓冲用逆变器的电力变换，来对缓冲用伺服电动机进行驱动控制。以下，列举本公开的实施方式。
图1是第一实施方式的电动机驱动系统的框图。在第一实施方式和后述的第二实施方式中，作为一个例子，说明通过与电源2连接的电动机驱动系统1控制3个驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的情况。在图1和后述的图8中，作为一个例子，为了对驱动用伺服电动机3-A1和3-A2进行驱动，经由直流链路4-A连接了驱动用逆变器15-A1和15-A2、逆变器14-A以及缓冲用逆变器13-A，另外为了对驱动用伺服电动机3-B进行驱动，经由直流链路4-B连接了驱动用逆变器15-B、逆变器14-B以及缓冲用逆变器13-B。此外，将直流链路4-A和4-B的个数设为2个，但直流链路的个数并非特别限于2个，2个以上即可。另外，与各直流链路连接的驱动用伺服电动机的个数并非限于图1所示的3个，2个以上即可。另外，驱动用伺服电动机5的个数在直流链路之间可以是相同的个数，也可以是不同的个数。另外，对各直流链路4-A和4-B分别连接一个变换器14-A和14-B，因此直流链路的个数与变换器的个数对应。另外，关于电源2、驱动用伺服电动机3-A1、3-A2、3-B、以及缓冲用伺服电动机12的相数，对本实施方式没有特别限定，例如可以是三相也可以是单相。在此，作为一个例子，将电源2、驱动用伺服电动机3-A1、3-A2、3-B、以及缓冲用伺服电动机12的相数全部设为三相。另外，关于驱动用伺服电动机3-A1、3-A2、3-B、以及缓冲用伺服电动机12的种类，对本实施方式也没有特别限定，例如可以是感应电动机也可以是同步电动机。在此，在设置有驱动用伺服电动机3-A1、3-A2、3-B的机械中包含机床、机器人、锻压机械、注射成型机、工业机械、各种电子产品、电车、汽车、飞机等。
如图1所示，第一实施方式的电动机驱动系统1具备飞轮11、缓冲用伺服电动机12、缓冲用逆变器13-A和13-B、变换器14-A和14-B、驱动用逆变器15-A1、15-A2和15-B、缓冲用电动机控制部16、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18、转矩限制值计算部19、比较部20。另外，电动机驱动系统1与普通的电动机驱动系统同样地具备用于控制驱动用逆变器15-A1、15-A2和15-B的驱动用电动机控制部21。
首先，说明第一实施方式的电动机驱动系统1的各电路构成要素。
对驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B中的每一个设置驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B。驱动用逆变器15-A1和15-A2与直流链路4-A连接，驱动用逆变器15-B与直流链路4-B连接。驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B分别构成将直流链路4-A和4-B中的直流电力变换为交流电力，并将其作为驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的驱动电力进行输出的伺服放大器。一般，在驱动用伺服电动机中设置有一个以上的绕组，但为了驱动该驱动用伺服电动机，该驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B内的每一个绕组都需要一个驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B。在图1中，为了简化说明，作为一个例子，将驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B设为单绕组型，因此，对各驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B连接各驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B连接。
各驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B由开关元件以及与其逆并联连接的二极管的桥电路构成，例如基于三角波比较方式的PWM开关控制，对各开关元件进行开关控制。各驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B在驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B是三相电机的情况下，由三相桥电路构成，在驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B是单相电动机的情况下，由单相桥电路构成。作为开关元件的例子，具有FET等单极型晶体管、双极型晶体管、IGBT、晶闸管、GTO等，关于开关元件的种类本身，并没有对本实施方式进行限定，也可以是其他的开关元件。
各驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B根据从后述的驱动用伺服电动机控制部21接收到的驱动指令，对各开关元件进行开关控制，由此在直流链路4-A和4-B的直流电力与作为驱动用伺服电动机3的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换。更详细地说，驱动用逆变器15-A1、15-A2根据从驱动用伺服电动机控制部21接收到的驱动指令，使内部的开关元件进行开关动作，将经由直流链路4-A从变换器14-A供给的直流电力变换为用于驱动驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的具有希望的电压和希望的频率的交流电力(逆变换动作)。由此，各驱动用伺服电动机3-A1、3-A2例如基于电压可变和频率可变的交流电力进行动作。另外，在各驱动用伺服电动机3-A1以及3-A2的减速时，有时产生再生电力，根据从驱动用伺服电动机控制部21接收到的驱动指令使内部的开关元件进行开关动作，将由驱动用伺服电动机3-A1、3-A2产生的交流的再生电力变换为直流电力使其返回直流链路4-A(正变换动作)。同样地，驱动用逆变器15-B根据从驱动用伺服电动机控制部21接收到的驱动指令，使内部的开关元件进行开关动作，将经由直流链路4-B从变换器14-B供给的直流电力变换为用于驱动驱动用伺服电动机3-B的具有希望的电压和希望的频率的交流电力(逆变换动作)。由此，驱动用伺服电动机3-B例如基于电压可变和频率可变的交流电力进行动作。另外，在各驱动用伺服电动机3-B的减速时，有时产生再生电力，根据从驱动用伺服电动机控制部21接收到的驱动指令，使内部的开关元件进行开关动作，将由驱动用伺服电动机3-B产生的交流的再生电力变换为直流电力使其返回直流链路4-B(正变换动作)。
驱动用伺服电动机控制部21控制驱动用逆变器15-A1、驱动用逆变器15-A2以及驱动用逆变器15-B。驱动用伺服电动机控制部21根据由速度检测器31检测出的各驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的(转子的)速度(速度反馈)、驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的绕组中流过的电流(电流反馈)、预定的转矩指令以及驱动用伺服电动机3-A1、3-A2、3-B的动作程序等，生成用于控制各驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的速度、转矩、或转子的位置的各驱动指令。根据由驱动用伺服电动机控制部21生成的驱动指令，控制驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B的各电力变换动作。此外，在此定义的驱动用伺服电动机控制部21的结构只不过是一个例子，例如也可以包含位置指令生成部、转矩指令生成部以及开关指令生成部等术语来定义驱动用伺服电动机控制部21的结构。
变换器14-A和14-B分别与直流链路4-A和4-B连接，是在电源2侧的交流电力与各直流链路4-A和4-B中的直流电力之间进行电力变换的正变换器。变换器14-A和14-B在从电源2供给三相交流的情况下，由三相桥电路构成，在从电源2供给单相交流的情况下，由单相桥电路构成。将变换器14-A和14-B例如实现为120度通电型整流电路以及PWM开关控制方式的整流电路等那样的、将从电源2侧输入的交流电力变换为直流电力后向直流侧输出，在电力再生时将交流链路4-A和4-B的直流电力变换为交流电力后向电源2侧输出那样的能够在交流直流两个方向上进行变换的电力变换器。例如，在变换器14-A和14-B是PWM开关控制方式的整流电路的情况下，由开关元件以及与其逆并联连接的二极管的桥电路构成，根据从上位控制装置(未图示)接收到的驱动指令对各开关元件进行开关控制，从而在交流直流两个方向上进行电力变换。作为开关元件的例子，具有FET等单极型晶体管、双极型晶体管、IGBT、晶闸管、GTO等，关于开关元件的种类本身，并没有对本实施方式进行限定，也可以是其他的开关元件。
关于各变换器14-A和14-B，作为能够从交流电力向直流电力进行电力变换的最大电能以及能够从直流电力向交流电力进行电力变换的最大电能，分别规定了“最大电力变换量”。最大电力变换量一般被规定为与变换器14-A和14-B的变换容量有关的各数据，例如记载在变换器14-A和14-B的规格表或使用说明书等中。
这样，为了驱动驱动用伺服电动机3-A1、3-A2，对直流链路4-A连接驱动用逆变器15-A1、15-A2以及变换器14-A，为了驱动驱动用伺服电动机3-B，对直流链路4-B连接驱动用逆变器15-B以及变换器14-B。除此以外，在直流链路4-A和4-B设置有直流链路电容器(也称为平滑电容器)，但在此省略图示。直流链路电容器具有在直流链路4-A和4-B中积蓄直流电力的功能以及用于抑制变换器14-A和14-B的直流输出的脉动分量的功能。
为了能够通过超过变换器14-A和14-B的最大电力变换量的输出来驱动驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B，在电动机驱动系统1中设置有飞轮型蓄电装置10。蓄电装置10由飞轮11、缓冲用伺服电动机12、缓冲用逆变器13-A和13-B构成。
飞轮11能够积蓄旋转能量，也称为惯性元件。
缓冲用伺服电动机12用于使飞轮11旋转，飞轮11与缓冲用伺服电动机12的旋转轴连接。通过使缓冲用伺服电动机12旋转，能够向飞轮11积蓄旋转能量。缓冲用伺服电动机12具有多个独立的绕组。在图1中，作为一个例子，将缓冲用伺服电动机12设为双绕组型。另外，对缓冲用伺服电动机12的每个独立的绕组设置缓冲用逆变器(在图1的例子中为2个)。如果更详细地说明则如下所述。
图2A说明具有多个独立的绕组的缓冲用伺服电动机，是例示缓冲用伺服电动机的绕组构造的截面图。图2B说明具有多个独立的绕组的缓冲用伺服电动机，是例示缓冲用伺服电动机与缓冲用逆变器的连接关系的电路图。在图2A中，作为一个例子，表示了双绕组类型的缓冲用伺服电动机12。在缓冲用伺服电动机12的定子121配置有多个绕组(U1、U2、V1、V2、W1、W2、U3、U4、V3、V4、W3、W4)，但在双绕组型的情况下，将多个绕组(U1、U2、V1、V2、W1、W2、U3、U4、V3、V4、W3、W4)分为一组绕组(U1、U2、V1、V2、W1、W2)和另一组绕组(U3、U4、V3、V4、W3、W4)。另外，为了驱动具有多个独立的绕组的缓冲用伺服电动机12，对每个绕组设置缓冲用逆变器13-A和13-B。即，如图2B所示，上述多个绕组中的一组绕组(U1、U2、V1、V2、W1、W2)与一个缓冲用逆变器13-A连接，上述多个绕组中的另一组绕组(U3、U4、V3、V4、W3、W4)与另一个缓冲用逆变器13-B连接。这样，对缓冲用伺服电动机12的每个独立的绕组设置缓冲用逆变器13-A和13-B。在图2A和图2B中，缓冲用伺服电动机12是双绕组型，因此设置2个缓冲用逆变器13-A和13-B。例如，如果缓冲用伺服电动机是三绕组型，则设置3个缓冲用逆变器，如果缓冲用伺服电动机是四绕组型，则设置4个缓冲用逆变器。
这样，对缓冲用伺服电动机12的每个独立的绕组设置缓冲用逆变器13-A和13-B。缓冲用逆变器13-A根据从缓冲用电动机控制部16接收到的驱动指令对各开关元件进行开关控制，由此在作为缓冲用伺服电动机12的驱动电力或再生电力的交流电力与连接了缓冲用逆变器13-A的直流链路4-A中的直流电力之间进行电力变换。另外，缓冲用逆变器13-B根据从缓冲用电动机控制部16接收到的驱动指令对各开关元件进行开关控制，由此在作为缓冲用伺服电动机12的驱动电力或再生电力的交流电力与连接了缓冲用逆变器13-B的直流链路4-B中的直流电力之间进行电力变换。
缓冲用逆变器13-A和13-B由开关元件以及与其逆并联连接的二极管的桥电路构成。缓冲用逆变器13-A和13-B在缓冲用伺服电动机12是三相电动机的情况下，由三相桥电路构成，在缓冲用伺服电动机12是单相电动机的情况下，由单相桥电路构成。作为开关元件的例子，具有FET等单极型晶体管、双极型晶体管、IGBT、晶闸管、GTO等，关于开关元件的种类本身，并没有对本实施方式进行限定，也可以是其他的开关元件。例如，根据通过将接收到的驱动指令与三角波载波(carrier)进行比较而得到的PWM开关信号，对缓冲用逆变器13-A和13-B内的各开关元件进行开关控制。
通过缓冲用电动机控制部16来控制缓冲用逆变器13-A和13-B的电力变换，由此连接了飞轮11的缓冲用伺服电动机12一边加速或减速一边旋转或者以恒定速度旋转，在飞轮11的旋转能量与直流链路4-A和4-B中的电能之间进行变换，调整蓄电装置10应该积蓄或供给的直流电能(蓄电装置10针对直流链路4-A和4-B积蓄/供给的直流电能)。如果更详细地说明蓄电装置10针对直流电力的蓄电和供给则如下所述。
当缓冲用逆变器13-A和13-B根据从缓冲用电动机控制部16接收到的驱动指令，进行将直流链路4-A和4-B中的直流电力向交流电力进行变换的逆变换动作时，向缓冲用伺服电动机12侧取入来自直流链路4-A和4-B的电能，通过该电能，连接了飞轮11的缓冲用伺服电动机12旋转。如此在飞轮型蓄电装置10中，将从直流链路4-A和4-B流入的电能变换为飞轮11的旋转能量来进行积蓄。另外，缓冲用逆变器13-A和13-B根据从缓冲用电动机控制部16接收到的驱动指令，使连接了飞轮11的缓冲用伺服电动机12减速从而产生交流的再生电力，进行将该交流电力向直流电力进行变换的正变换动作，由此将积蓄在飞轮11的旋转能量变换为电能来向直流链路4-A和4-B供给。
在电动机驱动系统1中，例如在驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B加速时，除了从变换器14-A供给的能量以外，还经由直流链路4-A和4-B向驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B供给在蓄电装置10中积蓄的能量，作为用于使驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B加速的动力来使用。图3例示从电动机驱动系统内的蓄电装置供给的直流电力与从变换器供给的直流电力之间的关系。关于从变换器14-A向直流链路4-A供给的电力，除了作为驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的驱动电力(即，对应于驱动用伺服电动机3-A1以及3-A2的输出)而消耗以外，还作为驱动用伺服电动机3-A1、3-A2中的绕组损失、变换器14-A中的损失以及驱动用逆变器15-A1和15-A2中的损失而消耗。此外，关于从变换器14-B向直流链路4-B供给的电力，除了作为驱动用伺服电动机3-B的驱动电力(即，对应于驱动用伺服电动机3-B的输出)而消耗以外，还作为驱动用伺服电动机3-B中的绕组损失、变换器14-B中的损失以及驱动用逆变器15-B中的损失而消耗。在此，把在驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B、驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B、以及变换器14-A和14-B中消耗的电力的总和称为“总消耗功率”，在图3中用实线表示总消耗功率。另外，点划线表示变换器14-A和14-B的正变换动作的最大电力变换量。如图3所示，在驱动用伺服电动机3-A1、3-A2和/或3-B的加速时，如果能够通过从蓄电装置10向直流链路4-A和/或4-B输出(供给)的直流电力来补偿总消耗功率中的超过变换器14-A和/或14-B的最大供给功率的部分(图中用虚线所示的区域)，则能够降低功率峰值。另外，在图3中虽然没有表示，但是在驱动用伺服电动机3-A1、3-A2和/或3-B的减速时，如果能够将从驱动用伺服电动机3-A1、3-A2和/或3-B再生的能量中的变换器4-A和/或4-B未返回到电源2侧的部分取入(积蓄)到蓄电装置10中，则能够降低功率峰值。如此，在对驱动用伺服电动机3-B进行驱动时，能够与变换器14-B供给的电力一起再次利用在蓄电装置10中积蓄的能量，因此能够通过超过变换器14-B的最大电力变换量的输出来驱动驱动用伺服电动机3-B，能够降低功率峰值。由于功率峰值的降低，能够抑制电源2的容量、电动机驱动系统1的运行成本，另外能够避免电源2侧的停电、闪变。
在本实施方式中，通过消耗电能计算部17和可蓄电供给电能计算部18计算各种电能，根据该计算结果来控制缓冲用伺服电动机12的驱动，由此来调整蓄电装置10应该积蓄或供给的直流电能。
消耗电能计算部17针对直流链路4-A和4-B中的每个直流链路，计算在驱动驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B时消耗或再生的总消耗电能。总消耗电能包含作为“驱动用伺服电动机的输出”的“驱动用伺服电动机的消耗电能”以及“驱动用伺服电动机的再生电能”。更具体地说如以下所述。即，消耗电能计算部17针对直流链路4-A，计算作为与直流链路4-A连接的变换器14-A以及驱动用逆变器15-A1和15-A2中的损失、以及经由驱动用逆变器15-A1和15-A2分别与直流链路4-A连接的驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的输出及绕组损失之和而得到的总消耗电能。另外，消耗电能计算部17针对直流链路4-B，计算作为与直流链路4-B连接的变换器14-B以及驱动用逆变器15-B中的损失、以及经由驱动用逆变器15-B与直流链路4-B连接的驱动用伺服电动机3-B的输出及绕组损失之和而得到的总消耗电能。
可蓄电供给电能计算部18针对缓冲用逆变器13-A和13-B中的每一个计算可蓄电供给电能。即，可蓄电供给电能计算部18针对缓冲用逆变器13-A，根据由消耗电能计算部17对于直流链路4-A计算出的总消耗电能以及被规定为能够由变换器14-A进行电力变换的最大电能的最大电力变换量，计算被规定为缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-A取入或者能够向直流链路4-A输出的直流电能的可蓄电供给电能。另外，可蓄电供给电能计算部18针对缓冲用逆变器13-B，根据由消耗电能计算部17对于直流链路4-B计算出的总消耗电能以及被规定为能够由变换器14-B进行电力变换的最大电能的最大电力变换量，计算被规定为缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-B取入或能够向直流链路4-B输出的直流电能的可蓄电供给电能。此外，在本实施方式中，由可蓄电供给电能计算部18计算的可蓄电供给电能表示“能够从直流链路取入”或“能够向直流链路输出”的电能，根据后述的缓冲用电动机控制部16的控制内容，有时与“实际从直流链路取入”或“实际向直流链路输出”的电能不同。
转矩限制值计算部19根据由可蓄电供给电能计算部18计算出的可蓄电供给电能以及由速度检测器32检测出的缓冲用伺服电动机12的转速，计算针对缓冲用伺服电动机12的转矩限制值。对缓冲用伺服电动机12的转矩指令设定转矩限制值，将在后面详细说明。
比较部20将用于表示缓冲用逆变器13-A和13-B能够从直流链路4-A和4-B取入的直流电能的可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小与用于表示缓冲用逆变器13-A和13-B能够向直流链路4-A和4-B输出的直流电能的可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小进行比较。将在后面详细说明比较部20的比较处理。
缓冲用电动机控制部16根据由可蓄电供给电能计算部18计算出的可蓄电供给电能，向与每个绕组连接的各缓冲用逆变器13-A和13-B输出驱动指令来控制各电力变换，由此控制缓冲用伺服电动机12的驱动，调整蓄电装置10应该积蓄或供给的直流电能。缓冲用逆变器13-A和13-B根据接收到的驱动指令，进行将直流链路4-A和4-B中的直流电力变换为交流电力并向缓冲用伺服电动机12供给的逆变换动作(动力运行动作)、或者将从缓冲用伺服电动机12再生的交流电力变换为直流电力并返回到直流链路4-A和4-B的正变换动作(再生动作)。在第一实施方式中，缓冲用电动机控制部16针对缓冲用逆变器13-A和13-B中的每一个，一边通过转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值来变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行缓冲用伺服电动机12的转矩控制，由此调整各缓冲用逆变器13-A和13-B从直流链路4-A和4-B取入的直流电能、或向直流链路4-A和4-B输出的直流电能。将在后面详细说明缓冲用电动机控制部16对缓冲用逆变器13-A和13-B的控制。
接着，更详细地说明第一实施方式中的使用转矩限制值的转矩控制以及比较部的比较处理。
如上所述，通过缓冲用逆变器13-A和13-B进行的从直流电力向交流电力的变换动作(逆变换)，将从直流链路4-A和4-B向缓冲用伺服电动机12侧取入的电能积蓄为连接了飞轮11的缓冲用伺服电动机12的旋转能量，由此实现飞轮型蓄电装置10的蓄电。另外，使连接了飞轮11的缓冲用伺服电动机12减速来产生交流的再生电力，通过缓冲用逆变器13-A和13-B进行的从交流电力向直流电力的变换动作(正变换)，将积蓄在飞轮11中的旋转能量变换为电能向直流链路4-A和4-B供给，由此实现飞轮型蓄电装置10的电力供给。即，蓄电装置10从直流链路4-A和4-B积蓄或向直流链路4-A和4-B供给的直流电能对应于蓄电装置10内的缓冲用伺服电动机12的输出。
一般，根据伺服电动机的转速(旋转角速度)和伺服电动机的转矩，如式1那样表示伺服电动机的输出。
伺服电动机的输出(W)＝转速(rad/s)×转矩(Nm)……(1)
上述式1对于缓冲用伺服电动机12也成立。如果针对缓冲用伺服电动机12将式1变形，则得到式2。
缓冲用伺服电动机12的转矩(Nm)＝缓冲用伺服电动机12的输出(W)/缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)……(2)
如上所述，蓄电装置10从直流链路4-A和4-B积蓄或向直流链路4-A和4-B供给的直流电能对应于蓄电装置10内的缓冲用伺服电动机12的输出。因此，在本实施方式中，将式2表示的缓冲用伺服电动机12的转矩用作针对转矩指令的转矩限制值来进行转矩控制，调整蓄电装置10从直流链路4-A和4-B积蓄或向直流链路4-A和4-B供给的直流电能。
图4是表示第一实施方式的针对电动机驱动系统内的蓄电装置中的缓冲用伺服电动机的控制环的框图。图1的缓冲用电动机控制部16在图4中对应于缓冲用电动机控制部16-A和16-B。如图4所示，缓冲用电动机控制部16-A具备：速度控制部41-A，其执行使缓冲用伺服电动机12的转速跟随速度指令的速度反馈控制；转矩控制部42-A，其使用由速度控制部41-A生成的转矩指令以及由转矩限制值计算部19计算出的关于缓冲用逆变器13-A的转矩限制值，执行转矩控制；以及电流控制部43-A，其根据由转矩控制部42-A生成的电流指令执行电流控制。此外，缓冲用电动机控制部16-B具备：速度控制部41-B，其执行使缓冲用伺服电动机12的转速跟随速度指令的速度反馈控制；转矩控制部42-B，其使用由速度控制部41-B生成的转矩指令以及由转矩限制值计算部19计算出的关于缓冲用逆变器13-B的转矩限制值，执行转矩控制；以及电流控制部43-B，其根据由转矩控制部42-B生成的电流指令来执行电流控制。
消耗电能计算部17针对直流链路4-A，计算作为与直流链路4-A连接的变换器14-A和驱动用逆变器15-A1和15-A2的损失、以及经由驱动用逆变器15-A1和15-A2分别与直流链路4-A连接的驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的输出及绕组损失之和而得到的总消耗电能。另外，消耗电能计算部17针对直流链路4-B，计算作为与直流链路4-B连接的变换器14-B和驱动用逆变器15-B的损失、以及经由驱动用逆变器15-B与直流链路4-B连接的驱动用伺服电动机3-B的输出及绕组损失之和而得到的总消耗电能。在此，依照式1，通过由速度检测器31检测出的驱动用伺服电动机3-A1的转速与驱动用伺服电动机3的转矩的乘法运算，得到驱动用伺服电动机3-A1的输出。依照式1，通过由速度检测器31检测出的驱动用伺服电动机3-A2的转速与驱动用伺服电动机3的转矩的乘法运算，得到驱动用伺服电动机3-A2的输出。依照式1，通过由速度检测器31检测出的驱动用伺服电动机3-B的转速与驱动用伺服电动机3的转矩的乘法运算，得到驱动用伺服电动机3-B的输出。
例如，在驱动用伺服电动机3-A1进行加速时，驱动用伺服电动机3-A1分别消耗从驱动用逆变器15-A1供给的交流电力，将该电力消耗时的驱动用伺服电动机3-A1的输出设为“正”。因此，在由于驱动用伺服电动机3-A1进行减速而再生电力时，驱动用伺服电动机3-A1的输出成为“负”。驱动用伺服电动机3-A2、驱动用逆变器15-A2、驱动用伺服电动机3-B以及驱动用逆变器15-B也具有同样的关系。
关于直流链路4-A，变换器14-A和驱动用逆变器15-A1、15-A2的损失以及驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的绕组损失一般比驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的输出的绝对值小，因此驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的输出的影响对于总消耗电能是支配性的。因此，消耗电能计算部17计算的关于直流链路4-A的总消耗电能的正负大致与驱动用伺服电动机3-A1、3-A2的输出的正负(消耗或再生)对应。同样地，消耗电能计算部17计算的关于直流链路4-B的总消耗电能的正负大致与驱动用伺服电动机3-B的输出的正负(消耗或再生)对应。
此外，关于直流链路4-A，在缓冲用逆变器13-A中也存在损失，因此消耗电能计算部17可以计算对于变换器14-A中的损失、驱动用逆变器15-A1和15-A2中的损失、以及驱动用伺服电动机3-A1、3-A2中的绕组损失之和进一步相加缓冲用逆变器13-A中的损失而得到的结果，来作为总消耗电能。同样，关于直流链路4-B，消耗电能计算部17可以计算对于变换器14-B中的损失、驱动用逆变器15-B中的损失以及驱动用伺服电动机3-B中的绕组损失之和进一步相加缓冲用逆变器13-B中的损失而得到的结果，来作为总消耗电能。
可蓄电供给电能计算部18针对缓冲用逆变器13-A和13-B中的每一个，计算可蓄电供给电能。更详细地说，关于缓冲用逆变器13-A，可蓄电供给电能计算部18计算被规定为能够由变换器14-A进行电力变换的最大电能的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能之间的差(即从最大电力变换量减去总消耗电能所得到的值)。变换器14-A的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能之间的差对应于缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-A取入或能够向直流链路4-A输出的直流电能即“可蓄电供给电能”。例如，在与变换器14-A的正变换动作有关的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能之间的差即“可蓄电供给电能”为负时，表示总消耗功率超过了变换器14-A正变换时的最大供给功率，在该情况下，仅通过变换器14-A从电源2侧向直流链路4-A取入的能量无法完全满足全部的总消耗电能，因此，针对该不足部分，需要通过从缓冲用逆变器13-A向直流链路4-A进行输出来应对。相反地说，如果缓冲用逆变器13-A能够向直流链路4-A输出与上述不足部分对应的“可蓄电供给电能”，则能够在变换器14-A的最大电力变换量的范围内驱动驱动用伺服电动机3-A1和/或3-A2。另外，例如在与变换器14-A的逆变换动作有关的最大电力变换量的绝对值与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能的绝对值之间的差即“可蓄电供给电能”为负时，表示总消耗功率超过了变换器14-A的逆变换时的最大再生功率，在该情况下，仅通过使用变换器14-A从直流链路4-A向电源2返回能量无法完全回收从驱动用伺服电动机3-A1和/或3-A2再生的能量，因此针对该超出部分，需要通过缓冲用逆变器13-A从直流链路4-A取入电能来应对。相反地说，如果缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-A取入与上述超出部分对应的“可蓄电供给电能”，则能够在变换器14-A的最大电力变换量的范围内驱动驱动用伺服电动机3-A1和/或3-A2。此外，关于可蓄电供给电能，在此针对缓冲用逆变器13-A进行了说明，但对于缓冲用逆变器13-B也可以说是一样的。
此外，一般伺服电动机存在驱动效率(伺服电动机的输出相对于向伺服电动机供给的驱动电力的比例)，还可以考虑缓冲用伺服电动机12的驱动效率来计算可蓄电供给电能。即，例如关于缓冲用逆变器13-A，可蓄电供给电能计算部18可以根据消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能、变换器14-A的最大电力变换量以及缓冲用伺服电动机12的驱动效率，计算可蓄电供给电能。例如，在通过具有驱动效率为90％的缓冲用伺服电动机12的蓄电装置10向直流链路4-A供给直流电力的情况下，可蓄电供给电能计算部18可以计算将变换器14-A的最大电力变换量与消耗电能计算部17计算出的总消耗电能之间的差进一步乘以“100/90”倍而得到的值，来作为与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能(能够向直流链路4-A输出的直流电能)。另外，在通过具有驱动效率为90％的缓冲用伺服电动机12的蓄电装置10积蓄来自直流链路4-A的直流电力的情况下，可蓄电供给电能计算部18可以计算将变换器14-A的最大电力变换量与消耗电能计算部17计算出的总消耗电能之间的差进一步乘以“90/100”倍而得到的值，来作为与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能(能够从直流链路4-A取入的直流电能)。对于缓冲用逆变器13-B也可以说是一样的。
转矩限制值计算部19根据由可蓄电供给电能计算部18计算出的可蓄电供给电能以及由速度检测器32检测出的缓冲用伺服电动机12的转速，计算对于缓冲用伺服电动机12的转矩限制值。对缓冲用逆变器13-A和13-B中的每一个计算转矩限制值。如上所述，与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能对应于变换器14-A的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能之间的差。另外，与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能对应于蓄电装置10内的缓冲用伺服电动机12的输出。因此，转矩限制值计算部19将可蓄电供给电能计算部18计算出的“变换器14-A的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能之间的差”即可蓄电供给电能除以由速度检测器32检测出的缓冲用伺服电动机12的转速，由此计算在缓冲用电动机控制部16-A中使用的转矩限制值。在缓冲用电动机控制部16-A内的转矩控制部42-A中，将转矩限制值作为针对转矩指令的转矩限制值来使用。同样地，转矩限制值计算部19将可蓄电供给电能计算部18计算出的“变换器14-B的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能之间的差”即可蓄电供给电能除以由速度检测器32检测出的缓冲用伺服电动机12的转速，由此计算在缓冲用电动机控制部16-B中使用的转矩限制值。在缓冲用电动机控制部16-B内的转矩控制部42-B中，将转矩限制值作为针对转矩指令的转矩限制值来使用。与每个缓冲用逆变器13-A和13-B的可蓄电供给电能的内容对应地执行利用了转矩限制值的转矩控制，将在后面详细说明。
在缓冲用电动机控制部16-A中，速度控制部41-A执行用于使作为控制对象的缓冲用伺服电动机12的转速跟随由速度指令切换部51-A设定的速度指令的速度反馈控制。如果知道变换器14-A的最大电力变换量与消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能之间的大小关系(换言之，如果知道可蓄电供给电能)，则能够判别应该使缓冲用伺服电动机12加速从而从直流链路4-A取入能量(向蓄电装置10积蓄直流电力)，还是应该使缓冲用伺服电动机12减速从而向直流链路4-A输出能量(从蓄电装置供给直流电力)。在第一实施方式中，作为第一阈值即供给阈值，设定为与变换器14-A将交流电力变换为直流电力的正变换动作有关的最大电力变换量。另外，作为第二阈值即蓄电阈值，设定与变换器14-A将直流电力变换为交流电力的逆变换动作有关的最大电力变换量。同样地，在缓冲用电动机控制部16-B中，速度控制部41-B执行用于使作为控制对象的缓冲用伺服电动机12的转速跟随由速度指令切换部51-B设定的速度指令的速度反馈控制。作为第一阈值即供给阈值，设定为与变换器14-B将交流电力变换为直流电力的正变换动作有关的最大电力变换量。另外，作为第二阈值即蓄电阈值，设定与变换器14-B将直流电力变换为交流电力的逆变换动作有关的最大电力变换量。此外，将蓄电阈值设定为比供给阈值小的值。或者，考虑到对于变换器14-A和14-B的安全性，作为供给阈值可以设定比正变换动作的最大电力变换量小的值，作为蓄电阈值设定比逆变换动作的最大电力变换量大的值。
缓冲用电动机控制部16-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能超过了供给阈值(第一阈值)的情况下，控制缓冲用逆变器13-A的电力变换，使得缓冲用伺服电动机12通过比预先规定的基础转速小的电力供给用转速进行旋转。另外，缓冲用电动机控制部16-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能低于蓄电阈值(第二阈值)的情况下，控制缓冲用逆变器13-A的电力变换，使得缓冲用伺服电动机12通过比基础转速大的蓄电用转速进行旋转。另外，缓冲用电动机控制部16-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能在供给阈值(第一阈值)和蓄电阈值(第二阈值)之间的情况下，控制缓冲用逆变器13-A的电力变换，使得缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转。因此，在第一实施方式中，缓冲用电动机控制部16-A内的速度指令切换部51-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能超过了供给阈值(第一阈值)的情况下，设为用于使缓冲用伺服电动机12以电力供给用转速进行旋转的速度指令，并输出供给用速度指令。另外，缓冲用电动机控制部16-A内的速度指令切换部51-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能低于蓄电阈值(第二阈值)的情况下，设为用于使缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转的速度指令，并输出蓄电用速度指令。另外，缓冲用电动机控制部16-A内的速度指令切换部51-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能在供给阈值(第一阈值)和蓄电阈值(第二阈值)之间的情况下，设为用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的速度指令，并输出基础用速度指令。同样地，在缓冲用电动机控制部16-B中，速度指令切换部51-B在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能超过了供给阈值(第一阈值)的情况下，设为用于使缓冲用伺服电动机12以电力供给用转速进行旋转的速度指令，并输出供给用速度指令。另外，缓冲用电动机控制部16-B内的速度指令切换部51-B在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能低于蓄电阈值(第二阈值)的情况下，设为用于使缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转的速度指令，并输出蓄电用速度指令。另外，缓冲用电动机控制部16-B内的速度指令切换部51-B在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能在供给阈值(第一阈值)和蓄电阈值(第二阈值)之间的情况下，设为用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的速度指令，并输出基础用速度指令。
如此，在第一实施方式中，将速度指令切换部51-A和51-B设定的速度指令简化为上述的供给用速度指令、蓄电用速度指令以及基础用速度指令仅三种指令，因此控制变得容易。另外，不需要生成与驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的运转状态、消耗功率相匹配的速度指令，能够简化缓冲用伺服电动机12的驱动程序。可以将供给用速度指令、蓄电用速度指令以及基础用速度指令设定为预先确定的固定值。或者，也可以事先测定驱动用伺服电动机3-A1、3-A2以及3-B的输出，根据该测定结果来计算蓄电供给所需要的电力，从而规定供给用速度指令、蓄电用速度指令以及基础用速度指令。
缓冲用电动机控制部16-A内的速度控制部41-A生成用于使缓冲用伺服电动机12的转速跟随由速度指令切换部51-A设定的速度指令的转矩指令。缓冲用电动机控制部16-B内的速度控制部41-B生成用于使缓冲用伺服电动机12的转速跟随由速度指令切换部51-B设定的速度指令的转矩指令。
缓冲用电动机控制部16-A和16-B(在图1中为缓冲用电动机控制部16)针对缓冲用逆变器13-A和13-B中的每一个，一边通过转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值来变更转矩指令的上限值和下限值，一边执行针对缓冲用伺服电动机12的转矩控制，生成针对各缓冲用逆变器13-A和13-B的电流指令值。因此，继速度控制部41-A之后的转矩控制部42-A具备转矩限制部52-A，将其作为通过转矩限制值来限制转矩指令的限制器。另外，继速度控制部41-B之后的转矩控制部42-B具备转矩限制部52-B，将其作为通过转矩限制值来限制转矩指令的限制器。
如上所述，在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能超过供给阈值(第一阈值)的情况下，缓冲用电动机控制部16-A从用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的基础用速度指令切换到用于使缓冲用伺服电动机12以电力供给用转速进行旋转的供给用速度指令。在该情况下，转矩限制值计算部19使用下述式3，计算针对缓冲用伺服电动机12的转矩限制值。在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能超过供给阈值(第一阈值)的情况下也同样地进行处理。此外，在式3中，供给阈值减去总消耗电能所得到的值的绝对值表示可蓄电供给电能。按照式3计算出的在从基础用速度指令向供给用速度指令进行切换时使用的转矩限制值成为0以下的值。
转矩限制值(Nm)＝(供给阈值(W)－总消耗电能(W))/缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)……(3)
另外，在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能低于蓄电阈值(第二阈值)的情况下，缓冲用电动机控制部16-A从用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的基础用速度指令切换到用于使缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转的蓄电用速度指令。在该情况下，转矩限制值计算部19使用下述式4，计算对缓冲用伺服电动机12的转矩限制值。在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能超过了蓄电阈值(第二阈值)的情况下也同样地进行处理。此外，在式4中，蓄电阈值减去总消耗电能所得到的值的绝对值表示可蓄电供给电能。按照式4计算出的在从基础用速度指令向蓄电用速度指令进行切换时使用的转矩限制值成为0以上的值。
转矩限制值(Nm)＝(蓄电阈值(W)－总消耗电能(W))/缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)……(4)
另外，在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能从超过供给阈值的状态变为低于供给阈值的情况下，缓冲用电动机控制部16-A从用于使缓冲用伺服电动机12以电力供给用转速进行旋转的供给用速度指令切换到用于使缓冲用伺服电动机12以基础用转速进行旋转的基础用速度指令。在该情况下，转矩限制值计算部19使用下述式5，计算对缓冲用伺服电动机12的转矩限制值。在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能从超过供给阈值的状态变得低于供给阈值的情况下也同样进行处理。此外，在式5中，供给阈值减去总消耗电能所得到的值的绝对值表示可蓄电供给电能。按照式5计算出的在从供给用速度指令向基础用速度指令切换时使用的转矩限制值成为0以上的值。
转矩限制值(Nm)＝(供给阈值(W)－总消耗电能(W))/缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)……(5)
另外，在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能从低于蓄电阈值的状态变得超过蓄电阈值的情况下，缓冲用电动机控制部16-A从用于使缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转的蓄电用速度指令切换到用于使缓冲用伺服电动机12以基础用转速进行旋转的基础用速度指令。在该情况下，转矩限制值计算部19使用下述式6，计算对缓冲用伺服电动机12的转矩限制值。在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能从低于蓄电阈值的状态变得超过蓄电阈值的情况下也同样地进程处理。此外，在式6中，从蓄电阈值减去总消耗电能所得到的值的绝对值表示可蓄电供给电能。按照式6计算出的从蓄电用速度指令向基础用速度指令切换时使用的转矩限制值成为0以下的值。
转矩限制值(Nm)＝(蓄电阈值(W)－总消耗电能(W))/缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)……(6)
此外，在式3～式6中，将缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)设为整数。
在第一实施方式中，根据由蓄电供给电能计算部18计算出的每个缓冲用逆变器13-A和13-B的可蓄电供给电能的内容，来决定有无使用如上述那样计算出的转矩限制值来执行转矩控制。在转矩控制的内容中具有以下四个模式。各转矩控制部42-A和42-B根据蓄电供给电能计算部18的计算结果以及比较部20的比较结果来判定相当于哪个模式。当同样地控制与缓冲用伺服电动机12的各绕组连接的缓冲用逆变器13-A和13-B的电力变换时，产生各缓冲用逆变器13-A和13-B进行的直流电力的取入和输出变得过剩的情况，因此在缓冲用电动机控制部16-A和16-B中，单独地控制与每个绕组连接的各缓冲用逆变器13-A和13-B的电力变换，由此对缓冲用伺服电动机12进行驱动控制。
在使用转矩限制值执行转矩控制的情况下，缓冲用电动机控制部16-A和16-B内的转矩控制部42-A和42-B一边通过由转矩限制值计算部19按照式3～式6计算出的转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边执行对缓冲用伺服电动机22的转矩控制，生成电流指令。即，转矩控制部42-A和42-B内的转矩限制部52-A和52-B如以下式7所示，通过转矩限制值来限制转矩指令的上限值和下限值。
﹣|转矩限制值|≤转矩指令≤|转矩限制值|……(7)
第一模式是与缓冲用逆变器有关的全部的可蓄电供给电能表示能够从直流链路取入的直流电能(即，蓄电装置10能够积蓄的直流电能)的情况下的转矩控制。缓冲用电动机控制部的转矩控制部在判定为相当于第一模式时，针对每个缓冲用逆变器，一边通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此调整该缓冲用逆变器从直流链路取入的直流电能。在图1和图4所示的例子中，在与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能以及与缓冲用逆变器13-B有关的可蓄电供给电能分别表示能够从直流链路4-A和4-B取入的直流电能的情况下，缓冲用电动机控制部16-A内的转矩控制部42-A一边在转矩限制部52-A中通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机12的转矩控制，由此调整缓冲用逆变器13-A从直流链路4-A向缓冲用伺服电动机12侧取入的直流电能，并且调整缓冲用逆变器13-B从直流链路4-B向缓冲用伺服电动机12侧取入的直流电能。此外，在第一模式下，缓冲用逆变器13-A和13-B进行从直流链路4-A和4-B向缓冲用伺服电动机12侧取入直流电力的控制，但如已经说明的那样，缓冲用电动机控制部16-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能超过供给阈值(第一阈值)的情况下，生成供给用速度指令使得缓冲用伺服电动机12通过比预先规定的基础转速小的电力供给用转速进行旋转，缓冲用电动机控制部16-B在消耗电能计算部17针对直流链路4-B计算出的总消耗电能超过供给阈值(第一阈值)的情况下，生成供给用速度指令使得缓冲用伺服电动机12通过比预先规定的基础转速小的电力供给用转速进行旋转。
第二模式是与缓冲用逆变器有关的全部的可蓄电供给电能表示能够向直流链路输出的直流电能(即，蓄电装置10能够供给的直流电能)的情况下的转矩控制。缓冲用电动机控制部的转矩控制部在判定为相当于第二模式的情况下，针对每个缓冲用逆变器，一边通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此调整该缓冲用逆变器向直流链路输出的直流电能。在图1和图4所示的例子中，在与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能以及与缓冲用逆变器13-B有关的可蓄电供给电能分别表示能够向直流链路4-A和4-B输出的直流电能的情况下，缓冲用电动机控制部16-A内的转矩控制部42-A一边在转矩限制部52-A中通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机12的转矩控制，由此调整缓冲用逆变器13-A从缓冲用伺服电动机12侧向直流链路4-A输出的直流电能，并且调整缓冲用逆变器13-B从缓冲用伺服电动机12侧向直流链路4-B输出的直流电能。此外，在第二模式中，缓冲用逆变器13-A和13-B进行向直流链路4-A和4-B输出直流电力的控制，但是如已经说明的那样，缓冲用电动机控制部16-A在消耗电能计算部17针对直流链路4-A计算出的总消耗电能低于蓄电阈值(第二阈值)的情况下，生成蓄电用速度指令使得缓冲用伺服电动机12通过比预先规定的基础转速大的蓄电用转速进行旋转。
另外，作为不是相当于上述第一模式以及第二模式的情况，存在以下的情况，即针对每个缓冲用逆变器，与该缓冲用逆变器有关的可蓄电供给电能所表示的内容分为能够从直流链路取入的直流电能(即，蓄电装置10能够积蓄的直流电能)以及能够向直流链路输出的直流电能(即，蓄电装置10能够供给的直流电能)。在该情况下，比较部20将用于表示缓冲用逆变器能够从直流链路取入的直流电能的可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小与用于表示缓冲用逆变器能够向直流链路输出的直流电能的可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小进行比较，转矩控制部42-A和42-B根据比较部20的比较结果，使用由速度控制部41-A和41-B生成的转矩指令，执行基于以下第三模式或第四模式的转矩控制。
第三模式是由比较部20判定为绝对值大的可蓄电供给电能表示能够从直流链路取入的直流电能(即，蓄电装置10能够积蓄的直流电能)的情况下的转矩控制。缓冲用电动机控制部的转矩控制部在判定为相当于第三模式的情况下，针对能够从直流链路取入直流电力的缓冲用逆变器，一边通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此调整该缓冲用逆变器从直流链路向缓冲用伺服电动机侧取入的直流电能，另一方面，针对表示能够向直流链路输出直流电力的缓冲用逆变器，不对缓冲用伺服电动机进行转矩控制。例如，在图1和图4所示的例子中，在表示缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-A取入的直流电能的可蓄电供给电能是40(kW)，表示缓冲用逆变器13-B能够向直流链路4-B输出的直流电能的可蓄电供给电能是20(kW)的情况下，当比较各个可蓄电供给电能的绝对值时，表示缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-A取入的直流电能的可蓄电供给电能40(kW)大。因此，缓冲用电动机控制部16-A内的转矩控制部42-A针对能够从直流链路4-A取入直流电力的缓冲用逆变器13-A，一边在转矩限制部52-A中通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机12的转矩控制，由此调整缓冲用逆变器13-A从直流链路4-A向缓冲用伺服电动机12侧取入的直流电能，另一方面，针对表示能够向直流链路4-B输出直流电力的缓冲用逆变器13-B，缓冲用电动机控制部16-B内的转矩控制部42-B将转矩限制值设定为零，由此不对缓冲用伺服电动机12进行转矩控制，使得缓冲用逆变器13-B不向直流链路4-B输出直流电力。
第四模式是比较部20判定为绝对值大的可蓄电供给电能表示能够向直流链路输出的直流电能(即，蓄电装置10能够供给的直流电能)的情况下的转矩控制。缓冲用电动机控制部的转矩控制部在判定为相当于第四模式的情况下，针对能够向直流链路输出直流电力的缓冲用逆变器，一边通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此调整该缓冲用逆变器向直流链路输出的直流电能，另一方面，针对表示能够从直流链路取入直流电力的缓冲用逆变器，不对缓冲用伺服电动机进行转矩控制。例如，在图1和图4所示的例子中，在表示缓冲用逆变器13-A能够从直流链路4-A取入的直流电能的可蓄电供给电能是10(kW)，表示缓冲用逆变器13-B能够向直流链路4-B输出的直流电能的可蓄电供给电能是30(kW)的情况下，当比较各个可蓄电供给电能的绝对值时，表示缓冲用逆变器13-B能够向直流链路4-B输出的直流电能的可蓄电供给电能30(kW)大。因此，缓冲用电动机控制部16-B内的转矩控制部42-B一边在转矩限制部52-B中通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行对缓冲用伺服电动机12的转矩控制，由此调整缓冲用逆变器13-B向直流链路4-B输出的直流电能，另一方面，缓冲用电动机控制部16-A内的转矩控制部42-A针对表示能够从直流链路4-A取入直流电力的缓冲用逆变器13-A，将转矩限制值设定为零，由此不对缓冲用伺服电动机12进行转矩控制，使得缓冲用逆变器13-A不从直流链路4-A向缓冲用伺服电动机12侧取入直流电力。
此外，关于第三模式和第四模式，以图1和图4所示的双绕组类型的缓冲用伺服电动机12为例子进行了说明，但在三绕组以上的情况下，根据表示缓冲用逆变器能够从直流链路取入的直流电能的可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小与表示缓冲用逆变器能够向直流链路输出的直流电能的可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小之间的比较结果，进行上述处理。例如，在由四绕组类型的缓冲用伺服电动机(未图示)构成蓄电装置的情况下，如果使与4个缓冲用逆变器有关的可蓄电供给电能分别为“能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能是10(kW)”、“能够向直流链路输出(供给)的直流电能是20(kW)”、“能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能是15(kW)”、“能够向直流链路输出(供给)的直流电能是10(kW)”，则能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能的总和是25(＝10+15)(kW)，能够向直流链路输出(供给)的直流电能的总和是30(20+10)(kW)。由此，通过比较部20的比较处理，判定为能够向直流链路输出(供给)的直流电能的总和大，因此，缓冲用电动机控制部16依照第四模式进行控制。另外，例如如果使与4个缓冲用逆变器有关的可蓄电供给电能分别为“能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能是10(kW)”、“能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能是20(kW)”、“能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能是15(kW)”、“能够向直流链路输出(供给)的直流电能是10(kW)”，则能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能的总和是45(＝10+20+15)(kW)，能够向直流链路输出(供给)的直流电能的总和是10(kW)。由此，通过比较部20的比较处理，判定为能够从直流链路取入(蓄电)的直流电能的总和大，因此，缓冲用电动机控制部16按照第三模式进行控制。
继上述转矩控制部42-A之后的电流控制部43-A生成用于使流过缓冲用逆变器13-A的电流跟随由转矩控制部42-A生成的电流指令的驱动指令。将电流控制部43-A生成的驱动指令发送到缓冲用逆变器13-A，缓冲用逆变器13-A根据该驱动指令对各开关元件进行开关控制，在直流链路4-A的直流电力与作为缓冲用伺服电动机12的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换。另外，继上述转矩控制部42-B之后的电流控制部43-B生成用于使流过缓冲用逆变器13-B的电流跟随由转矩控制部42-B生成的电流指令的驱动指令。将电流控制部43-B生成的驱动指令发送到缓冲用逆变器13-B，缓冲用逆变器13-B根据该驱动指令对各开关元件进行开关控制，在直流链路4-B的直流电力与作为缓冲用伺服电动机12的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换。如参照图2A和图2B说明的那样，缓冲用伺服电动机12具有多个绕组，将多个绕组中的一组绕组(在图2B中为U1、U2、V1、V2、W1、W2)与缓冲用逆变器13-A连接，将上述多个绕组中的另一组绕组(在图2B中为U3、U4、V3、V4、W3、W4)与缓冲用逆变器13-B连接。经由这两个缓冲用逆变器13-A和13-B对缓冲用伺服电动机12进行交流电力的输入输出。在很多时候，关于交流电力的量及其输入输出方向，在缓冲用逆变器13-A和13-B中不同。因此，在缓冲用伺服电动机12内的各绕组中产生的转矩不同，缓冲用伺服电动机12受到大的转矩的支配而旋转。即，根据各缓冲用逆变器13-A和13-B的交流电力的量及其输入输出方向来唯一决定缓冲用伺服电动机12的旋转状态。通过缓冲用电动机控制部16-A和16-B(在图1中为缓冲用电动机控制部16)来控制缓冲用逆变器13-A和13-B的电力变换，由此使连接了飞轮11的缓冲用伺服电动机12一边加速或减速一边进行旋转或者以固定速度进行旋转，在飞轮11的旋转能量与直流链路4-A和4-B中的电能之间进行变换，由此调整蓄电装置10应该积蓄或供给的直流电能(蓄电装置10向直流链路4-A和4-B输入输出的直流电能)。
如此，在第一实施方式中，对于按照式2进行计算的缓冲用伺服电动机12，根据由速度指令切换部51-A和51-B设定的速度指令进行速度控制，并且根据每个缓冲用逆变器的可蓄电供给电能的内容，使用转矩限制值进行转矩控制。使用由消耗电能计算部17计算出的总消耗电能来设定转矩的限制值，通过利用了该转矩限制值的转矩控制来驱动缓冲用伺服电动机12，因此蓄电装置10的响应性提高。
图5A用于说明第一实施方式的电动机驱动系统中的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间阶梯状地进行切换的例子。图5B用于说明第一实施方式的电动机驱动系统中的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间一边按照线性时间常数使其变化一边进行切换的例子。图5C用于说明第一实施方式的电动机驱动系统中的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间一边按照钟形时间常数使其变化一边进行切换的例子。图5D用于说明第一实施方式的电动机驱动系统中的速度指令的切换例子，表示在各速度指令之间一边按照指数形时间常数使其变化一边进行切换的例子。如上所述，在速度控制部41-A和41-B中使用的速度指令具有供给用速度指令、蓄电用速度指令以及基础用速度指令这三种，根据由消耗电能计算部17计算出的总消耗功率与各阈值之间的大小关系，由缓冲用电动机控制部16-A和16-B(在图1中为缓冲用电动机控制部16)中的速度控制部41-A和41-B中设置的各速度指令切换部51-A和51-B在这些速度指令之间进行切换。在图5A～图5D中，为了简化说明，针对速度指令切换部51-A图示了从基础用速度指令向蓄电用速度指令的切换，但是也能够同样地应用于从蓄电用速度指令向基础用速度指令的切换、从基础用速度指令向供给用速度指令的切换、从供给用速度指令向基础用速度指令的切换。另外，也能够同样地应用于速度指令切换部51-B。
例如，速度指令切换部51-A可以在各速度指令之间阶梯状地切换用于使缓冲用伺服电动机12分别以电力供给用转速、基础转速以及蓄电用转速进行旋转的各速度指令。如果在各速度指令之间阶梯状地进行切换，则蓄电装置10的蓄电以及电力供给的响应性提高。例如，如图5A所示，速度指令切换部51-A将用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的基础用速度指令阶梯状地切换为蓄电用速度指令。
另外，例如，如图5B～5D所示，速度指令切换部51-A可以在各速度指令之间一边无间断地连续使速度指令变化，一边切换用于使缓冲用伺服电动机12分别以电力供给用转速、基础转速以及蓄电用转速进行旋转的各速度指令。如果使各速度指令之间的切换无间断地连续变化而非阶梯状地变化，则速度指令不会急剧地变化，因此具有对于缓冲用伺服电动机12的负荷变小的优点。例如，如图5B所示，速度指令切换部51-A一边按照线性时间常数使用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的基础用速度指令变化，一边阶梯状地切换为蓄电用速度指令。例如，如图5C所示，速度指令切换部51-A一边按照钟形时间常数使用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的基础用速度指令变化，一边阶梯状地切换为蓄电用速度指令。例如，如图5D所示，速度指令切换部51-A一边按照指数型时间常数使用于使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转的基础用速度指令变化，一边阶梯状地切换为蓄电用速度指令。
此外，在第一实施方式中，为了根据总消耗电能将缓冲用伺服电动机12的速度切换为电力供给用转速、蓄电用转速或基础转速，在缓冲用电动机控制部16-A和16-B(在图1中为缓冲用电动机控制部16)中设置速度指令切换部51-A和51-B，该速度指令切换部51-A和51-B根据总消耗电能来切换为供给用速度指令、蓄电用速度指令或基础用速度指令。作为与根据总消耗电能将缓冲用伺服电动机12的速度切换为电力供给用转速、蓄电用转速或基础转速的指令相关的变形例，也可以在缓冲用电动机控制部16-A和16-B(在图1中为缓冲用电动机控制部16)中设置位置指令切换部(未图示)，由该位置指令切换部根据总消耗电能来切换为供给用位置指令、蓄电用位置指令或基础用位置指令。例如，可以将供给用位置指令、蓄电用位置指令或基础用位置指令分别设定为满足“供给用位置指令的变化量＜基础用位置指令的变化量＜蓄电用位置指令的变化量”这样的关系的斜坡指令，由位置指令切换部根据总消耗电能切换这些指令即可。如果举出一个例子，则如下所述。
供给用位置指令(mm)＝实际位置(mm)+供给用速度指令(mm/s)/位置增益(1/s)
蓄电用位置指令(mm)＝实际位置(mm)+蓄电用速度指令(mm/s)/位置增益(1/s)
基础用位置指令(mm)＝实际位置(mm)+基础用速度指令(mm/s)/位置增益(1/s)
如此，即使根据总消耗电能来切换为供给用位置指令、蓄电用位置指令或基础用位置指令，也能够得到与切换供给用速度指令、蓄电用速度指令或基础用速度指令同样的效果。
在执行速度指令的切换和位置指令的切换中的任意一个切换的实施方式中，转矩控制部42-A和42-B根据由可蓄电供给电能计算部18计算出的每个缓冲用逆变器13-A和13-B的可蓄电供给电能的内容，一边通过转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边执行对缓冲用伺服电动机12的转矩控制，生成电流指令。
图6例示第一实施方式的电动机驱动系统中的总消耗电能与缓冲用伺服电动机的转速之间的关系。在图6中，为了简化说明，图示了重复执行驱动用伺服电动机3-B的减速和加速的情况，但是也能够同样地应用于驱动用伺服电动机3-A1和3-A2。在图6中，在上段表示重复执行驱动用伺服电动机3-B的减速和加速时的由消耗电能计算部17计算出的总消耗电能(虚线)与变换器14-B的输出(实线)，在下段表示缓冲用伺服电动机12的转速(实线)和速度指令(虚线)。
在图6中，如果在直到时刻t1为止的期间使驱动用伺服电动机3-B减速，则产生再生电力，由消耗电能计算部17计算出的总消耗电能(即，驱动用伺服电动机3-B的输出、驱动用伺服电动机3-B的绕组损失、变换器14-B的损失以及驱动用逆变器15-B的损失之和)减少。如果总消耗电能低于蓄电阈值，则为了降低(削减)功率峰值，速度指令切换部51-B为了使缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转而输出蓄电用速度指令。缓冲用电动机控制部16-B使用由速度指令切换部51-B设定的蓄电用速度指令以及由转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值，控制缓冲用逆变器13-B的电力变换动作，由此缓冲用伺服电动机12的转速逐渐上升，积蓄为飞轮11的旋转能量。
在时刻t1，如果由消耗电能计算部17计算出的总消耗电能高于蓄电阈值，则速度指令切换部51-B为了使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转，而输出基础用速度指令。结果，缓冲用伺服电动机12减速，产生再生电力。直到缓冲用伺服电动机12恢复为基础转速为止(时刻t2)，关于向直流链路4-B供给的直流电力，通过缓冲用逆变器13-B将产生的交流的再生电力变换为直流电力后供给到直流链路4-B，并且通过变换器14-B变换为交流电力后返回到电源2侧。
然后，如果使驱动用伺服电动机3-B加速，则总消耗功率逐渐上升。如果总消耗功率超过供给阈值(时刻t3)，则为了降低(削减)功率峰值，速度指令切换部51-B为了使缓冲用伺服电动机12以供给用转速进行旋转，而输出供给用速度指令。缓冲用电动机控制部16-B使用由速度指令切换部51-B设定的供给用速度指令以及由转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值，控制缓冲用逆变器13-B的电力变换动作，由此缓冲用伺服电动机12的转速逐渐降低，产生再生电力。通过缓冲用逆变器13-B将产生的交流的再生电力变换为直流电力后向直流链路4-B供给。通过驱动用逆变器15-B将向直流链路4-B供给的直流电力变换为交流电力，作为驱动用伺服电动机3-B的驱动电力而被消耗。
然后，例如，如果驱动用伺服电动机3-B减速，则产生再生电力，总消耗功率逐渐降低。如果总消耗功率逐渐降低而低于供给阈值(时刻t4)，则速度指令切换部51-B为了使缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转，而输出基础用速度指令。缓冲用电动机控制部16-B使用由速度指令切换部51-B设定的基础用速度指令以及由转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值，控制缓冲用逆变器13-B的电力变换动作。直到缓冲用伺服电动机12恢复为基础转速为止(时刻t5)，由于经由变换器14-B从电源2侧供给的能量，缓冲用伺服电动机12的转速逐渐上升。
在时刻t5，如果缓冲用伺服电动机12以固定的基础转速进行旋转，则蓄电装置10的蓄电结束，由于驱动用伺服电动机22再生的电力，总消耗电能逐渐减少。如果总消耗电能低于蓄电阈值(时刻t6)，则为了降低(削减)功率峰值，速度指令切换部51-B为了使缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转而输出蓄电用速度指令。缓冲用电动机控制部16-B使用由速度指令切换部51-B设定的蓄电用速度指令以及由转矩限制值计算部19计算出的转矩限制值，控制缓冲用逆变器13-B的电力变换动作，由此缓冲用伺服电动机12的转速逐渐上升，积蓄为飞轮11的旋转能量。以后执行该动作。
在上述实施方式中，速度指令切换部51-B在总消耗电能低于蓄电阈值时，在从基础速度指令切换为蓄电用速度指令而向蓄电装置10蓄电后，在总消耗电能高于蓄电阈值的时刻，判断为不需要由蓄电装置10积蓄直流电力，从蓄电用速度指令切换为基础速度指令。同样地，速度指令切换部51-B在总消耗电能超过供给阈值时，在从基础速度指令切换为供给用速度指令而从蓄电装置10向直流链路4-B供给直流电力后，在总消耗电能低于供给阈值的时刻，判断为不需要由蓄电装置10供给直流电力，从供给用速度指令切换为基础速度指令。
也可以对上述实施方式进行变形，在不需要由蓄电装置10积蓄直流电力或者不需要供给直流电力的时刻不立即从蓄电用速度指令或供给用速度指令切换到基础速度指令，而是从不需要由蓄电装置10积蓄直流电力或者不需要供给直流电力的时刻开始在时间上具有某种程度的余裕来切换为基础速度指令。参照图7说明该实施方式。
图7例示另一实施方式的电动机驱动系统中的总消耗电能与缓冲用伺服电动机的转速之间的关系。在图7中，为了简化说明，图示了重复执行驱动用伺服电动机3-B的减速和加速的情况，但是也能够同样地应用于驱动用伺服电动机3-A1和3-A2。在图7中，在上段表示在重复执行驱动用伺服电动机3-B的减速和加速时由消耗电能计算部17计算出的总消耗电能(虚线)和变换器14-B的输出(实线)，在下段表示缓冲用伺服电动机12的转速(实线)和速度指令(虚线)。在另一实施方式中，作为用于使缓冲用伺服电动机12的转速从电力供给用转速恢复为基础转速的第三阈值，设定比供给阈值(第一阈值)小并且比蓄电阈值(第二阈值)大的上侧基础恢复阈值。另外，作为用于使缓冲用伺服电动机12的转速从蓄电用转速恢复为基础转速的第四阈值，设定比蓄电阈值(第二阈值)大并且比上侧基础恢复阈值(第三阈值)小的下侧基础恢复阈值。即，在本实施方式中，缓冲用电动机控制部16-B在正在控制缓冲用逆变器13-B的电力变换使得缓冲用伺服电动机12以电力供给用转速进行旋转时，在总消耗电能低于上侧基础恢复阈值(第三阈值)的情况下，控制缓冲用逆变器13-B的电力变换，使得缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转。因此，缓冲用电动机控制部16-B内的速度指令切换部51-B在正在控制缓冲用逆变器13-B的电力变换使得缓冲用伺服电动机12以电力供给用转速进行旋转时，在总消耗电能低于上侧基础恢复阈值(第三阈值)的情况下，从供给用速度指令切换为基础用速度指令。另外，缓冲用电动机控制部16-B在正在控制缓冲用逆变器13-B的电力变换使得缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转时，在总消耗电能超过下侧基础恢复阈值(第四阈值)的情况下，控制缓冲用逆变器13-B的电力变换，使得缓冲用伺服电动机12以基础转速进行旋转。因此，缓冲用电动机控制部16-B内的速度指令切换部51-B在正在控制缓冲用逆变器13-B的电力变换使得缓冲用伺服电动机12以蓄电用转速进行旋转时，在总消耗电能超过下侧基础恢复阈值(第四阈值)的情况下，从蓄电用速度指令切换为基础用速度指令。
例如，在图7中，在时刻t1之前，缓冲用伺服电动机12按照由速度指令切换部51-B设定的蓄电用速度指令以蓄电用转速进行旋转时，即使总消耗电能逐渐增加从而超过蓄电阈值，也维持由速度指令切换部51-B设定的蓄电用速度指令。在总消耗电能进一步增加从而在时刻t1超过下侧基础恢复阈值(第四阈值)时，速度指令切换部51-B从蓄电用速度指令切换为基础用速度指令。结果，缓冲用伺服电动机12减速，产生再生电力。直到缓冲用伺服电动机12恢复为基础转速为止(时刻t2)，关于向直流链路4-B供给的直流电力，将所产生的交流的再生电力通过缓冲用逆变器13-B变换为直流电力后向直流链路4-B供给，并且通过变换器14-B变换为交流电力后返回到电源2侧。
另外，在时刻t3到时刻t4之间，缓冲用伺服电动机12按照由速度指令切换部51-B设定的供给用速度指令以电力供给用转速进行旋转时，即使总消耗电能逐渐降低从而低于供给阈值，也维持由速度指令切换部51-B设定的供给用速度指令。在总消耗电能进一步降低从而在时刻t4低于上侧基础恢复阈值(第三阈值)时，速度指令切换部51-B从供给用速度指令切换为基础用速度指令。结果，关于缓冲用伺服电动机12，直到缓冲用伺服电动机12恢复为基础转速为止(时刻t5)，使用经由变换器14-B从电源2侧供给的能量，缓冲用伺服电动机12的转速逐渐上升。
接着，说明第二实施方式的电动机驱动系统。在上述第一实施方式中，针对每个缓冲用逆变器，根据由消耗电能计算部计算的总消耗电能切换速度指令来进行速度控制，并且根据由可蓄电供给电能计算部计算的可蓄电供给电能的内容，一边通过转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行转矩控制。与此相对，在第二实施方式中，针对每个缓冲用逆变器，根据由可蓄电供给电能计算部计算的与该缓冲用逆变器有关的可蓄电供给电能以及缓冲用伺服电动机的转速，生成针对缓冲用伺服电动机的转矩指令，使用该转矩指令进行转矩控制。
图8是第二实施方式的电动机驱动系统的框图。与第一实施方式同样地，作为一个例子，说明由与电源2连接的电动机驱动系统1控制三个驱动用伺服电动机3-A1、3-A2、以及3-B的情况。
如图8所示，第二实施方式的电动机驱动系统1具备飞轮11、缓冲用伺服电动机12、缓冲用逆变器13-A和13-B、变换器14-A和14-B、驱动用逆变器15-A1、15-A2及15-B、缓冲用电动机控制部16’、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18。另外，电动机驱动系统1与普通的电动机驱动系统同样地具备用于控制驱动用逆变器15-A1、15-A2、以及15-B的驱动用电动机控制部21。
关于飞轮11、缓冲用伺服电动机12、缓冲用逆变器13-A和13-B、变换器14-A和14-B、驱动用逆变器15-A1、15-A2以及15-B、消耗电能计算部17、以及可蓄电供给电能计算部18，因为与第一实施方式相同，所以省略对该电路构成要素的详细说明。
在第二实施方式中，缓冲用电动机控制部16’针对每个缓冲用逆变器13-A和13-B，使用根据由可蓄电供给电能计算部18计算的与该缓冲用逆变器有关的可蓄电供给电能以及由速度检测器32检测的缓冲用伺服电动机12的转速而生成的针对缓冲用伺服电动机12的转矩指令来进行转矩控制，由此调整该缓冲用逆变器从直流链路取入的直流电能、或者向直流链路输出的直流电能。如果参照图9更详细地进行说明，则如下所述。
图9是表示第二实施方式的针对电动机驱动系统内的蓄电装置中的缓冲用伺服电动机的控制环的框图。
图8的缓冲用电动机控制部16’在图9中对应于缓冲用电动机控制部16’-A和缓冲用电动机控制部16’-B。缓冲用电动机控制部16’-A内的转矩控制部42’-A根据由可蓄电供给电能计算部18计算的与缓冲用逆变器13-A有关的可蓄电供给电能以及由速度检测器32检测的缓冲用伺服电动机12的转速，使用下述式8生产在缓冲用逆变器13-A的转矩控制中使用的转矩指令。另外，缓冲用电动机控制部16’-B内的转矩控制部42’-B根据由可蓄电供给电能计算部18计算的与缓冲用逆变器13-B有关的可蓄电供给电能以及由速度检测器32检测的缓冲用伺服电动机12的转速，使用下述式8生产在缓冲用逆变器13-B的转矩控制中使用的转矩指令。
针对缓冲用伺服电动机12的转矩指令(Nm)＝可蓄电供给电能(W)/缓冲用伺服电动机12的转速(rad/s)……(8)
缓冲用电动机控制部16’-A内的转矩控制部42’-A使用按照式8针对缓冲用逆变器13-A生成的转矩指令，进行缓冲用逆变器13-A的转矩控制，生成针对缓冲用逆变器13-A的电流指令。缓冲用电动机控制部16’-B内的转矩控制部42’-B使用按照式8针对缓冲用逆变器13-B生成的转矩指令，进行缓冲用逆变器13-B的转矩控制，生成针对缓冲用逆变器13-B的电流指令。
继上述转矩控制部42’-A之后的电流控制部43-A生成用于使流过缓冲用逆变器13-A的电流跟随由转矩控制部42’-A生成的电流指令的驱动指令。将电流控制部43-A生成的驱动指令发送到缓冲用逆变器13-A，缓冲用逆变器13-A根据该驱动指令对各开关元件进行开关控制，在直流链路4-A的直流电力与作为缓冲用伺服电动机12的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换。另外，继上述转矩控制部42’-B之后的电流控制部43-B生成用于使流过缓冲用逆变器13-B的电流跟随由转矩控制部42’-B生成的电流指令的驱动指令。将电流控制部43-B生成的驱动指令发送到缓冲用逆变器13-B，缓冲用逆变器13-B根据该驱动指令对各开关元件进行开关控制，在直流链路4-B的直流电力与作为缓冲用伺服电动机12的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换。
此外，在不需要由缓冲用逆变器13-A或13-B从直流链路4-A或4-B向缓冲用伺服电动机12侧取入直流电力的情况以及不需要由缓冲用逆变器13-A或13-B向直流链路4-A或4-B输出直流电力的情况下，由可蓄电供给电能计算部18计算出的可蓄电供给电能为零。在该情况下，根据式8转矩指令为零，因此缓冲用电动机控制部16’-A和16’-B不进行转矩控制，仅执行使缓冲用伺服电动机12按照预先规定的基础转速进行旋转的速度控制。
另外，在第二实施方式中，只进行转矩控制不进行速度控制，因此缓冲用伺服电动机12的转速有可能没有界限地持续上升或下降。因此，预先规定速度上限值和速度下限值，在由速度检测器32检测出的缓冲用伺服电动机12的转速高于速度上限值的情况以及低于速度下限值的情况下，缓冲用电动机控制部16’-A和16’-B可以不进行转矩控制，而仅执行使缓冲用伺服电动机12按照预先规定的基础转速进行旋转的速度控制。
上述的缓冲用电动机控制部16、16-A、16-B、16’、16’-A、16’-B(包括速度控制部41-A和41-B、转矩控制部42-A、42-B、42’-A和42’-B、电流控制部43-A和43-B、速度指令切换部51-A和51-B、以及转矩限制部52-A和52-B。以下相同)、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18、转矩限制值计算部19、以及比较部20例如与驱动用电动机控制部21一起设置在数值控制装置100内。缓冲用电动机控制部16、16-A、16-B、16’、16’-A、16’-B、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18、转矩限制值计算部19、以及比较部20例如可以通过软件程序的方式来构筑，或者也可以通过各种电路与软件程序的组合来构筑。在上述各实施方式中，通过软件程序的方式来构筑缓冲用电动机控制部16、16-A、16-B、16’、16’-A、16’-B、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18、转矩限制值计算部19以及比较部20，在数值控制装置100内的运算处理装置中运行该软件程序来实现各部的功能。
另外，或者也可以与数值控制装置100相独立地设置按照软件程序介质来进行工作的计算机，其中，上述软件程序介质用于实现缓冲用电动机控制部16、16-A、16-B、16’、16’-A、16’-B、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18、转矩限制值计算部19以及比较部20的功能。另外，或者也可以将缓冲用电动机控制部16、16-A、16-B、16’、16’-A、16’-B、消耗电能计算部17、可蓄电供给电能计算部18、转矩限制值计算部19以及比较部20实现为写入了用于实现上述各部的功能的软件程序介质的半导体集成电路，在该情况下，例如通过将该半导体集成电路安装到现有的数值控制装置中，来实现各部的功能。
根据本发明的实施方式，使用用于使飞轮旋转的缓冲用伺服电动机具有多个独立绕组的蓄电装置，因此与使用单绕组类型的缓冲用伺服电动机来构成蓄电装置的情况相比，能够实现小型且低成本的电动机驱动系统。即使在设置了驱动用伺服电动机的机械(机床或机器人)等是大型机械的情况下，也能够将小型且低成本的电动机驱动系统组装到该机械中。另外，单独地控制与缓冲用伺服电动机的每个绕组连接的各缓冲用逆变器的电力变换，因此能够高效地进行各缓冲用逆变器从直流链路的直流电力的取入(蓄电)以及向直流链路的输出(供电)，能够降低损失。另外，缓冲用伺服电动机的线路控制不是逐次生成速度指令而进行的速度控制，而是基于与可蓄电供给电能的内容相对应的转矩控制而进行的，因此控制容易，响应性高。另外，不需要生成与驱动用伺服电动机的运转状态、消耗功率相匹配的速度指令，能够简化缓冲用伺服电动机的驱动程序。
根据本发明的一个形式，在具有飞轮型蓄电装置的电动机驱动系统中，能够实现控制容易、响应性高、小型且低成本的蓄电装置。

Claims (9)

1.一种电动机驱动系统，其特征在于，
上述电动机驱动系统具备：
飞轮，其能够积蓄旋转能量；
缓冲用伺服电动机，其具备多个独立的绕组，并使上述飞轮旋转；
多个缓冲用逆变器，其分别与上述绕组连接，在作为上述缓冲用伺服电动机的驱动电力或再生电力的交流电力与连接了上述缓冲用逆变器的直流链路中的直流电力之间进行电力变换；
多个变换器，其分别与连接了上述缓冲用逆变器的上述直流链路连接，在电源侧的交流电力与上述直流链路中的直流电力之间进行电力变换；
驱动用逆变器，其与上述直流链路中的任意一个连接，在该直流链路中的直流电力与作为驱动用伺服电动机的驱动电力或再生电力的交流电力之间进行电力变换；
缓冲用电动机控制部，其通过控制与每个上述绕组连接的各个上述缓冲用逆变器的电力变换，来控制上述缓冲用伺服电动机的驱动；
消耗电能计算部，其针对每个上述直流链路计算总消耗电能，该总消耗电能是作为与该直流链路连接的上述变换器和上述驱动用逆变器的损失、经由上述驱动用逆变器与该直流链路连接的驱动用伺服电动机的输出和绕组损失之和而得到的；
可蓄电供给电能计算部，其针对每个上述缓冲用逆变器，根据上述总消耗电能以及被规定为能够由上述变换器进行电力变换的最大电能的最大电力变换量，计算被规定为上述缓冲用逆变器能够从上述直流链路取入或能够向上述直流链路输出的直流电能的可蓄电供给电能；
转矩限制值计算部，其根据上述可蓄电供给电能和上述缓冲用伺服电动机的转速，计算针对上述缓冲用伺服电动机的转矩限制值；以及
比较部，其将表示上述缓冲用逆变器能够从上述直流链路取入的直流电能的上述可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小与表示上述缓冲用逆变器能够向上述直流链路输出的直流电能的上述可蓄电供给电能的总和的绝对值的大小进行比较，
上述缓冲用电动机控制部在由上述比较部判定为绝对值大的上述可蓄电供给电能表示能够从上述直流链路取入的直流电能的情况下，针对能够从上述直流链路取入直流电力的上述缓冲用逆变器，一边通过上述转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行针对上述缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此来调整该缓冲用逆变器从上述直流链路取入的直流电能，并且针对表示能够向上述直流链路输出直流电力的上述缓冲用逆变器，不对上述缓冲用伺服电动机进行转矩控制，
上述缓冲用电动机控制部在由上述比较部判定为绝对值大的上述可蓄电供给电能表示能够向上述直流链路输出的直流电能的情况下，针对能够向上述直流链路输出直流电力的上述缓冲用逆变器，一边通过上述转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行针对上述缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此来调整该缓冲用逆变器向上述直流链路输出的直流电能，并且针对表示能够从上述直流链路取入直流电力的上述缓冲用逆变器，不对上述缓冲用伺服电动机进行转矩控制。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部在各个上述可蓄电供给电能全部表示能够从上述直流链路取入的直流电能的情况下，针对每个上述缓冲用逆变器，一边通过上述转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行针对上述缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此来调整该缓冲用逆变器从上述直流链路取入的直流电能，
上述缓冲用电动机控制部在各个上述可蓄电供给电能全部表示能够向上述直流链路输出的直流电能的情况下，针对每个上述缓冲用逆变器，一边通过上述转矩限制值变更转矩指令的上限值和下限值，一边进行针对上述缓冲用伺服电动机的转矩控制，由此来调整该缓冲用逆变器向上述直流链路输出的直流电能。
3.根据权利要求1或2所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部在上述总消耗电能超过第一阈值的情况下，针对使用上述转矩限制值进行转矩控制的上述缓冲用逆变器进行电力变换的控制，使得上述缓冲用伺服电动机通过比预先规定的基础转速小的电力供给用转速进行旋转，
上述缓冲用电动机控制部在上述总消耗电能低于比上述第一阈值小的第二阈值的情况下，针对使用上述转矩限制值进行转矩控制的上述缓冲用逆变器进行电力变换的控制，使得上述缓冲用伺服电动机通过比上述基础转速大的蓄电用转速进行旋转。
4.根据权利要求3所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部在上述总消耗电能在上述第一阈值与上述第二阈值之间的情况下，针对使用上述转矩限制值进行转矩控制的上述缓冲用逆变器进行电力变换的控制，使得上述缓冲用伺服电动机通过上述基础转速进行旋转。
5.根据权利要求3所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部在正在控制上述缓冲用逆变器的电力变换使得上述缓冲用伺服电动机通过上述电力供给用转速进行旋转时，在上述总消耗电能低于比上述第一阈值小并且比上述第二阈值大的第三阈值的情况下，针对使用上述转矩限制值进行转矩控制的上述缓冲用逆变器进行电力变换的控制，使得上述缓冲用伺服电动机通过上述基础转速进行旋转，
上述缓冲用电动机控制部在正在控制上述缓冲用逆变器的电力变换使得上述缓冲用伺服电动机通过上述蓄电用转速进行旋转时，在上述总消耗电能超过比上述第二阈值大并且比上述第三阈值小的第四阈值的情况下，针对使用上述转矩限制值进行转矩控制的上述缓冲用逆变器进行电力变换的控制，使得上述缓冲用伺服电动机通过上述基础转速进行旋转。
6.根据权利要求3所述的电动机驱动系统，其特征在于，
将上述第一阈值设定为与上述变换器将交流电力变换为直流电力的正变换动作有关的上述最大电力变换量、或比该最大电力变换量小的值，
将上述第二阈值设定为与上述变换器将直流电力变换为交流电力的逆变换动作有关的上述最大电力变换量、或比该最大电力变换量大的值。
7.根据权利要求3所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部在各个速度指令之间阶梯状地切换用于使上述缓冲用伺服电动机通过上述电力供给用转速、上述基础转速以及上述蓄电用转速中的各个转速进行旋转的上述各个速度指令。
8.根据权利要求3所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部使用于使上述缓冲用伺服电动机通过上述电力供给用转速、上述基础转速以及上述蓄电用转速中的各个转速进行旋转的各个速度指令在上述各个速度指令之间没有间断地连续变化。
9.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其特征在于，
上述缓冲用电动机控制部针对每个上述缓冲用逆变器，使用针对上述缓冲用伺服电动机的转矩指令来进行转矩控制，由此来调整该缓冲用逆变器从上述直流链路取入的直流电能或向上述直流链路输出的直流电能，其中，上述转矩指令是根据上述可蓄电供给电能计算部计算的与该缓冲用逆变器有关的上述可蓄电供给电能以及上述缓冲用伺服电动机的转速而生成的。
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