CN112585862B - 电力转换系统和电动机控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换系统和电动机控制方法，具有将电力提供给对电动机(3)供电的电动机电力转换装置(2)的电源装置(1)，电动机电力转换装置(2)包括对电力进行转换的逆变器(7)、控制逆变器(7)的控制电路(8)和检测逆变器(7)内的电流的电流检测器(59、60)，电源装置(1)包括与电压相应地蓄积电力的蓄积装置(6)、按照电压指令变更蓄积装置(6)的电压的升降压电源电路(5)、以及运算蓄积装置(6)中蓄积的能量并将其作为电压指令输出至升降压电源电路(5)的电压指令运算电路(15)，基于使用来自电动机(3)所具有的编码器(10)的信息和由电流检测器(59、60)检测出的电流值而计算出的电动机(3)的动力运行能量或再生能量来运算要在蓄积装置(6)中蓄积的能量。由此，能够抑制电动机负载的经年劣化等导致的特性变化引起的控制的偏差。

Description

电力转换系统和电动机控制方法
技术领域
本发明涉及电力转换系统和电动机控制方法。
背景技术
作为现有技术，例如，专利文献1中公开了一种具有电源电路、电源控制电路和蓄电装置，对具备贮存能量的功能的装置供电的电源装置和电源系统，其基于所述装置中贮存的能量可变地设定蓄电装置的控制指令值。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-200048号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述现有技术中，目的在于提供一种通过基于电动机和电动机负载等惯性负载中贮存的转动能或弹性能可变地设定蓄积装置的控制指令值而对其进行控制，来实现低成本、低损耗且高密度的电源装置。
一般而言，电动机和蓄积装置的特性因经年劣化等而变化。要求与这样的各种因素导致的特性变化相应的高精度的控制。
本发明是鉴于上述要求而得出的。
用于解决课题的技术方案
本申请包括解决上述课题的多个技术方案，举其一例，是一种具有对电动机供电的电力转换装置和对所述电力转换装置供电的电源装置的电力转换系统，其中，所述电力转换装置包括对电力进行转换的电力转换部、控制所述电力转换部的控制部、以及检测所述电力转换部内的电流的电流检测部，所述电源装置包括与电压相应地蓄积电能的蓄积装置、按照电压指令变更所述蓄积装置的电压的升降压电源电路、以及运算所述蓄积装置中蓄积的能量并将其作为所述电压指令输出至所述升降压电源电路的运算电路，所述控制部使用来自所述电动机所具有的编码器的信息和由所述电流检测部检测出的电流值来计算所述电动机的动力运行能量或再生能量，所述运算电路基于由所述控制部计算出的所述电动机的动力运行能量或再生能量来运算要在所述蓄积装置中蓄积的能量。
发明效果
根据本发明，能够抑制电动机负载的经年劣化等导致的特性变化引起的控制的偏差，能够抑制控制精度的恶化。另外，能够抑制对蓄积装置过度蓄积电力，能够实现电力损耗的减少和蓄积装置的小型化。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的电力转换系统的整体结构的图。
图2是说明惯性负载中蓄积的转动能或动能的图。
图3是示意性地说明带有气压式模具缓冲的压力机的结构的图。
图4是说明气压式模具缓冲中蓄积的能量的图。
图5是说明升降装置中蓄积的能量的图。
图6是说明曲柄压力机的曲轴角速度与滑动速度的关系的图。
图7是示意性地表示第一实施例的电力转换系统的一例的图。
图8是表示电源装置的转换器、升降压电源电路和蓄积装置的详情的一例的图，示出了使用进行升压动作的电路作为升降压电源电路的情况。
图9是表示电源装置的转换器、升降压电源电路和蓄积装置的详情的其他例的图，示出了使用进行降压动作的电路作为升降压电源电路的情况。
图10是表示电动机电力转换装置的逆变器和位置速度电流控制电路的详情的图。
图11是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的滑块电机的角速度检测信号的波形的一例的图。
图12是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的滑块电机的转矩检测信号的波形的一例的图。
图13是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的加减速转矩运算电路的输出波形的一例的图。
图14是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的加减法运算器的输出波形的一例的图。
图15是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的惯性负载蓄积能量运算电路的输出波形的一例的图。
图16是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的弹性负载蓄积能量运算电路的输出波形的一例的图。
图17是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的蓄积能量运算电路的加法运算器的输出波形的一例的图。
图18是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的电压指令运算电路的输出波形的一例的图。
图19是示意性地表示第二实施例的电力转换系统的一例的图。
图20是示意性地表示第三实施例的电力转换系统的一例的图。
图21是示意性地说明第三实施例的带有伺服模具缓冲的压力机的结构的图。
图22是示意性地表示第四实施例的电力转换系统的一例的图。
图23是示意性地表示第五实施例的电力转换系统的一例的图。
图24是示意性地表示第六实施例的电力转换系统的一例的图。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式参考附图进行说明。
首先，对于本实施方式的电力转换系统的基本原理进行说明。
图1是示意性地表示本实施方式的电力转换系统的整体结构的图。
本实施方式的电力转换系统通过将从电源11对电动机3提供的电力进行转换，来控制电动机3的动作，大致由电源装置1和电动机电力转换装置2(电力转换装置)构成。电源装置1具有将从电源11以交流电压提供的电力转换为直流电压VPN的转换器4；控制用转换器4转换为直流电压后的电力的电压VPN的升降压电源电路5；蓄积用升降压电源电路5进行电压控制后的电力并将其对电动机电力转换装置2供给，并且蓄积因电动机3的再生动作而生成并经由电动机电力转换装置2供给的电力的蓄积装置6(例如电容器、蓄电池等)；和控制升降压电源电路5的动作而控制电压VPN的电压指令运算电路15。另外，电动机电力转换装置2具有通过对从电源装置1的升降压电源电路5经由蓄积装置6供给的电力进行转换并将其对电动机3提供而控制电动机3的动作，并且将因电动机3的再生动作而生成的电力供给至电源装置1的蓄积装置6的逆变器(逆变器)7(电力转换部)，和控制逆变器7的动作、并且基于经由电动机3中设置的编码器10得到的电动机3的角速度、基于用电动机3中设置的电流检测器(电流检测部)检测出的电流值运算得到的电动机3的转矩、以及预先设定的关于电动机3的惯性矩计算电动机3和被电动机3驱动的电动机负载120中贮存的能量即贮存能量的控制电路8(控制部)，和基于用控制电路8计算出的贮存能量、以及预先规定为允许蓄积至蓄积装置6的电能的最大值的最大电能控制升降压电源电路5，控制从电源11蓄积至蓄积装置6的电能的电压指令运算电路15。此处，升降压电源电路5和电压指令运算电路15构成基于贮存能量和最大电能来控制从电源11蓄积至蓄积装置6的电能的蓄电装置控制电路。
此时，考虑由交流电动机9和编码器10构成的旋转驱动式的电动机3时，电动机3的输出轴旋转，其转动能蓄积在包括电动机轴的负载侧(电动机负载120)中。另外，考虑直线电机等电动机3时，承载负载的可动部在直线上移动，动能蓄积在负载方和可动部(电动机负载120)中。
如果排除电动机3的旋转角仅移动微小角度(例如10°以下)的负载和在直线上仅移动微小距离(10mm以下)的特殊的负载，则电子部件组装机械和半导体/液晶制造装置、金属机床和金属加工机械、搬运机械和工业用机器人等一般工业机械中，负载侧的物体移动时，转动能或动能蓄积在该物体中。
令旋转的物体的惯性矩为J、电动机的输出轴的旋转的角速度为ω(rad/s)时，加减速转矩Tα用以下(式1)表达。
[数学式1]
另外，在电动机的输出轴上连接曲轴而将旋转运动转换为往复运动，对具有弹簧特性的负载反复进行推压和复原的动作时，令包括加减速中的电动机负载转矩为Tq(N·m)时，与弹簧特性相对的弹性负载转矩Td用以下(式2)表达。另外，设此时的摩擦负载和滚动摩擦、其他负载小到能够忽略的程度。
[数学式2]
另外，令旋转速度为N(min^(-1))，以上(式1)中正在发生加减速转矩时的惯性负载动力Pα用以下(式3)表达。
[数学式3]
接着，恒定角速度运转中的弹性负载动力Pd用以下(式4)表达。
[数学式4]
此处，以用以上(式3)给出的动力Pα运转时，惯性负载中蓄积的惯性负载蓄积能量通过对以上(式3)进行时间积分而用以下(式5)表达。
[数学式5]
Eα＝∫(Pα)dt (J)… (式5)
同样地，以用以上(式4)给出的动力Pd运转时，弹性负载中蓄积的弹性负载蓄积能量通过对以上(式4)进行时间积分而用以下(式6)表达。
[数学式6]
Ed≈(除惯性负载蓄积能量以外的弹性负载蓄积能量)
＝∫(Pd)dt (J)
……(式6)
从而，将惯性负载蓄积能量Eα与弹性负载蓄积能量Ed相加得到的总负载蓄积能量E用以下(式7)表达。
[数学式7]
E＝Eα+Ed (J)…(式7)
从该状态起使电动机3减速停止时，惯性负载和弹性负载(或重力负载)中蓄积的能量，作为再生能量从电动机负载120经由电动机3和逆变器7、例如返回至电解电容器或蓄电池等蓄积装置6。此时，为了防止蓄积装置6成为过充电状态，而随时运算从电动机3的运转开始时起在惯性负载或负载侧中蓄积的能量，从蓄积装置6中蓄积的能量中减去该量，以在因再生而生成的能量蓄积至蓄积装置6的情况下也成为规定的能量的方式，用控制电路8控制电压指令运算电路15而对蓄积装置6的电力的蓄积量进行可变控制。
另外，惯性负载或负载方中蓄积的能量，不是根据物理的动力运算的，而是使用由在电动机3和驱动它的结构中设置的传感器等检测出的控制信号。这是因为能够根据电动机3的电流和电压、位置、速度和角速度、动力和能量而准确地得到惯性矩和弹性负载特性(或重力负载特性)。例如，弹性负载的情况下，使用压缩空气的复原力的弹簧特性等具有使用寿命，在寿命之前会发生特性劣化。但是，即使在该情况下，也能够用电动机3和驱动它的结构的传感器忠实地取得与经年变化相应的负载特性。反之，使弹簧特性保持初始的常数地运转并根据物理的动力进行运算时，会运算与实际的特性偏离的状态，存在产生电动机3的运转中的控制精度等的恶化和误差的风险。
根据能量守恒定律，设蓄积装置6满充电时蓄积的能量为Emax(J)时，蓄积装置6中蓄积的适当能量Eref用以下(式8)表达。
[数学式8]
Eref＝Emax-(Eα+Ed) (J)…(式8)
例如，使用电容C(F)的电解电容器作为蓄积装置6的情况下，令电解电容器的适当电压为Vref(V)时，电解电容器中蓄积的适当的能量用以下(式9)表达。
[数学式9]
将以上(式9)代入以上(式8)并整理时，弹性负载时的蓄积装置6的电解电容器的适当电压Vref用以下(式10)表达。
[数学式10]
此处，以上(式10)中的常数k用以下(式11)表达。
[数学式11]
接着，关于重力负载，与弹性负载同样地考虑转矩、动力、蓄积能量。另外，重力负载时的加减速转矩与以上(式1)相同。作为重力负载，例如可以考虑在电动机3的输出轴上连接曳引机、在绳缆的前端悬吊轿厢或货物并使其升降运转的情况。
设包括加减速中的电动机转矩为Tq(N·m)时，重力负载转矩Tw用以下(式12)表达。另外，设此时的摩擦负载和滚动摩擦、其他负载小到能够忽略的程度。
[数学式12]
接着，恒定角速度运转中的重力负载动力Pw用以下(式13)表达。
[数学式13]
以用以上(式13)给出的重力负载动力Pw运转时，重力负载中蓄积的重力负载蓄积能量通过对以上(式13)进行时间积分而用以下(式14)表达。
[数学式14]
从而，将惯性负载蓄积能量Eα与重力负载蓄积能量Ew相加得到的总负载蓄积能量E用以下(式15)表达。
[数学式15]
E＝Eα+Ew (J)…(式15)
接着，重力负载的情况下，设蓄积装置6满充电时蓄积的能量为Emax(J)时，蓄积装置6中蓄积的适当能量Eref用以下(式16)表达。
[数学式16]
Eref＝Emax-(Eα+Ew) (J)…(式16)
另外，例如使用电容C(F)的电解电容器作为蓄积装置6的情况下，电解电容器中蓄积的适当的能量用以上(式9)表达，所以将以上(式9)代入以上(式16)并整理时，重力负载时的蓄积装置6的电解电容器的适当电压Vref用以下(式17)表达。其中，比例常数k用以上(式11)表达。
[数学式17]
此处，惯性负载能量Eα、弹性负载能量Ed、重力负载能量Ew再生时、再生能量从负载侧经由电动机3和逆变器7返回至蓄积装置6时，再生效率不是100％，所以一部分作为损耗被消耗。于是，再生时的运算中，通过对惯性负载能量Eα、弹性负载能量Ed、重力负载能量Ew分别乘以再生效率X1(<1)而反映再生效率，并且在动力运行时的运算中，通过设为X1＝1，而仅在再生时设定再生效率X1(<1)，所以能够实现精度更高的控制。
例如，作为电动机负载120，考虑利用压缩空气的复原力的弹性负载的情况下，对于压缩空气，滑块下降而在负载中蓄积能量，接着滑块转为上升时，再生能量因上升速度而不同。这是因为包含压缩空气的材料中也产生复原时间，所以滑块先离开时电动机中不再存在来自弹性负载的反作用力而不成为再生状态。实际上滑块不会离开包含压缩空气的材料所以会产生再生能量。但是，滑块下降时的动力能量与滑块上升时的再生能量并不均等，而是再生侧的能量较少的状态。该情况下，随时运算使电动机开始运转时在负载侧中蓄积的能量，从蓄积装置中蓄积的能量中减去该量，产生在再生时并不恢复至规定的能量的状态。于是，该情况下与再生时的能量相应地对动力运行时的能量乘以权重系数X2(≠1)。例如，在运转开始时，进行(负载侧中蓄积的能量)×(权重系数X2)来对蓄积装置6中蓄积的能量进行修正而减去该量，在再生时，进行(再生的能量)×(权重系数X2)(其中X2＝1)而作为原样的能量返回，则减去的量恢复为原本的值。
将再生时的再生效率X1(其中再生时：X1<1，动力运行时X1＝1)和动力运行时的权重系数X2(其中动力运行时X2≠1，再生时：X2＝1)合并为系数X时，用以下(式18)表达。
[数学式18]
X＝X1·X2…(式18)
此处，以上(式10)所示的弹性负载时的蓄积装置6(电解电容器)的适当电压Vref和以上(式17)所示的重力负载时的蓄积装置6(电解电容器)的适当电压Vref分别使用以上(式18)的系数X用以下(式19)和以下(式20)表达。
[数学式19]
[数学式20]
其中，以上(式18)中，作为权重系数X2，设定为动力运行时X2≠1、再生时X2＝1，但也可以设定为再生时权重系数X2≠1、动力运行时权重系数X2＝1。
如上所述，弹性负载、重力负载的情况下，惯性负载对于双方的负载共同地产生，对于蓄积装置(电解电容器)的适当电压Vref，用以上(式19)和(式20)，预先随时运算从使电动机开始运转时起在惯性负载或负载侧中蓄积的能量，从蓄积装置中蓄积的能量中减去该量，以在再生时恢复为规定的能量的方式对蓄积装置的直流电压进行可变控制即可。
此处，对于惯性负载和弹性负载、重力负载等，举出具体例详细进行说明。
图2是说明惯性负载中蓄积的转动能或动能的图。
如图2所示，用电动机等对惯性体持续ta时间地施加电能的情况下，对惯性体施加以角速度ω旋转的转动能。此处，忽略电路和滚动摩擦、风阻等损耗时，即使停止供给电能，惯性体也永久地持续旋转。但是，实际上损耗是不能忽略的，所以为了维持惯性体的旋转必须用电能持续施加相当于损耗的能量。接着，对惯性体持续td时间地施加再生制动而取出转动能时，惯性体停止，转动能被再生而作为电能返回至电源。即，使惯性负载旋转是将从电源供给的电能转换为转动能，另外，用再生制动使惯性负载停止是将转动能再次转换为电能的形式，可以认为这是使能量的保存场所转移的行为。
图2中，作为旋转运动的一例示出了曲柄压力机的曲轴的旋转运动，示意性地表示为将滑块质量集中在点A示出、将等价地表示平衡调整的平衡质量的质点表示为点B的飞轮的旋转运动。这样的惯性体中蓄积的能量E，在设曲轴的角速度为ω(rad/s)、惯性体的惯性矩为J(kg·m^2)时，用以下(式21)表达，可知与惯性矩J成正比，与角速度ω的平方成正比。
[数学式21]
另外，如图2所示，直线运动的情况下作为动能蓄积的能量E，在设惯性体的质量为m(kg)、移动速度为Vl时，用以下(式22)表达，可知与质量m成正比且与移动速度Vl(m/s)的平方成正比。
[数学式22]
图3是示意性地说明带有气压式模具缓冲的压力机的结构的图。
图3中，压力机中具有升降运动的滑块25和固定的工作台27。使滑块电机20的旋转通过滑块驱动单元21和曲柄机构(曲轴22、曲柄偏心部23)而使滑块25被滑块引导部26引导地进行升降运动。工作台27是固定在机床28上并通过压力机的框架与滑块机构连接、承受来自上方的加压力的结构。作为滑块驱动单元21的一例，在最常用的曲柄压力机的情况下，使滑块电机20的旋转从曲轴22传递至曲柄偏心部23，经由连杆24使滑块25升降。在该压力机上安装模具而进行冲压加工。上模具29设置在滑块25的底面，下模具30设置在工作台27的顶面，由上下一对构成一个模具。模具能够对铁板等进行剪切、弯曲、拉延等加工，能够对铁板施加塑性变形而生成目标形状。该模具的品质、性能承担涉及冲压加工的生产效率、品质的重要作用。关于气压式模具缓冲装置31，在拉延加工中，例如杯状拉延中随着加工进行，在成形品的外缘部产生圆周方向的压缩应力，如果忽视则会产生褶皱。气压式模具缓冲装置31是为了防止产生该褶皱而从下侧发生必要的防褶皱压力的装置。气压式模具缓冲装置31内置在机床28中，模具缓冲垫(未图示)和模具缓冲销(未图示)与下模具30联动地工作。另外，气压式模具缓冲装置31中，在气压式和液压式等类型之外也存在使用伺服电机的伺服模具缓冲。
图4是说明气压式模具缓冲中蓄积的能量的图。
如图4所示，模具缓冲是发生拉延加工的防褶皱用反作用力、成形品的上推力的压力保持装置。气压式模具缓冲可以等价地置换为空气弹簧。弹簧变形时，能量以弹性能的形式蓄积在弹簧中。如果使蓄积的能量释放，则能够使弹簧做机械功。作为产生空气的复原力的材料的空气弹簧也是其中的一种，在气压式模具缓冲中使用。
在气压式模具缓冲装置31中蓄积能量的情况下，滑块25向下降方向移动而压缩气压式模具缓冲内的空气，在该部分中蓄积弹性能，同时产生向滑块方向的反作用力。用滑块25越向下推压则反作用力31E越大，所以能够置换为弹簧常数k(N/m)的弹簧考虑，令用滑块25推压的情况下的位移为x(m)，则蓄积的弹性能E由以下(式23)给出。
[数学式23]
图5是说明升降装置中蓄积的能量的图。
如图5所示，升降装置82(后述)中，在电动机输出轴上连结曳引机76，在绳缆78的前端悬吊货物(或收容货物的轿厢)77并进行升降运转。图5中，质量m(kg)的货物77位于地上的情况下，能量处于释放状态。从该状态起将货物77卷升至高度h(m)时，蓄积了势能mgh(J)。货物77上升时，因为向与对货物77作用的重力的方向相反的方向移动，所以电动机以动力运行状态运转，在货物77中蓄积势能。另外，货物77下降时，在抑制货物77因重力而落下的同时使其下降，所以电动机以再生状态运转，货物77中蓄积的势能被释放。
图6是说明曲柄压力机的曲轴角速度与滑块速度的关系的图。
图6中，示出了使曲轴在旋转方向上从上止点起经过下止点直到上止点地旋转360°(1转)的情况，分别在横轴中示出时间t(s)，在纵轴中示出曲轴角速度ω(rad/s)、滑块位置θs(mm)和滑块速度Vs(m/s)。滑块速度Vs在滑块位置是中间点时是零速度，滑块速度的正侧表示上升速度、负侧表示下降速度。图6中，滑块位置成余弦曲线，滑块速度因为曲轴的连杆的连接点旋转所以成滞后180°相位的正弦曲线。
对如上所述地构成的本实施方式中的作用效果进行说明。
现有技术中，存在通过基于电动机和电动机负载中贮存的转动能或弹性能可变地设定蓄积装置的控制指令值而实现低成本、低损耗且高密度的电源装置。该现有技术对于对以惯性负载中蓄积的能量为对象的蓄积装置的电压进行可变控制的电源装置是有效的。但是，对于惯性负载以外中蓄积的能量并没有具体地示出，对于弹簧等形成的弹性负载中蓄积的能量并不明确。
另外，其他现有技术中，存在具有被交流电动机可变驱动的滑块的伺服压力装置中、基于压力机械的运转模式选择控制能量蓄积装置的充放电状态的控制模式、使电源转换器小型化、高效率化、并且使能量蓄积装置的容量优化的技术。该现有技术在预先登记压力机械的运转模式和控制基于该运转模式的能量蓄积装置的充放电状态的控制模式、运转模式与控制模式同步地给出运转指令的系统中是有效的。但是，存在对于独立的设定器、或随其状况设定的运转指令的情况下的运转模式与控制模式同步的运转指令的应对方法并不明确这一课题。
进而，其他现有技术中，存在对交流电源进行整流而转换为直流的固定电压的逆变器中、关于用再生制动电路的电阻器消耗再生的能量而进行再生制动状态的异常处理和显示的技术。该现有技术对于用整流电路将交流电源转换为直流的固定电压的逆变器的再生制动状态的异常处理和显示是有效的。但是，因为用再生制动电路的电阻器消耗再生的能量，所以关于针对全球变暖的环境改善存在课题。
对于这样的现有技术的课题，根据本实施方式，构成为区分运转中的负载是惯性负载还是弹性负载、或者区分是惯性负载还是重力负载，对于惯性负载的情况、发生反作用力的弹性负载的情况、进行升降动作的重力负载的情况，对蓄积装置中蓄积的电能进行可变控制，所以能够抑制对蓄积装置过度蓄积电力，实现电力损耗的减少和蓄积装置的小型化。另外，不需要预先登记作为负载的压力机械的运转模式和控制基于该运转模式的能量蓄积装置的充放电状态的控制模式，也不需要使运转模式与控制模式同步地给出运转指令。另外，也不需要用再生制动电路的电阻器消耗再生的能量。
即，本实施方式中，在电动机3的负载对于惯性负载、弹性负载、重力负载与运转同时地在负载侧蓄积能量、在逆变器7的输入侧具有蓄积装置6的电力转换系统中，与电动机3运转一同用检测器检测电动机3的速度和电流并运算负载侧中蓄积的能量E，设蓄积装置6中蓄积的能量指令值为Eref、满充电时的蓄积装置6的能量为Emax的情况下，通过按蓄积装置6中蓄积的能量指令值Eref＝(Emax-E)进行运算，能够使蓄积装置6中蓄积的能量优化，实现电力转换系统的小型化、高效率化、低成本化。
实施例1
参考图7～图18说明本发明的第一实施例。
图7是示意性地表示本实施例的电力转换系统的一例的图。
本实施例中，举例示出了以带有气压式模具缓冲的压力机为负载用电动机驱动的情况。
图7中，电力转换系统通过将从电源11对电动机3供给的电力进行转换，来控制电动机3的动作，大致由电源装置1和电动机转换装置2构成。
电源装置1具有将从电源11以交流电压提供的电力转换为直流电压VPN的转换器4；控制用转换器4转换为直流电压的电力的电压VPN的升降压电源电路5；蓄积用升降压电源电路5进行电压控制后的电力并将其对电动机电力转换装置2提供、并且蓄积因电动机3的再生动作而生成并经由电动机电力转换装置2提供的电力的蓄积装置6(例如电容器、蓄电池等)；控制升降压电源电路5的动作而控制电压VPN的电压指令运算电路15。此处，升降压电源电路5和电压指令运算电路15构成基于贮存能量和最大电能而控制从电源11蓄积至蓄积装置6的电能的蓄电装置控制电路。
电动机电力转换装置2具有通过对从电源装置1的升降压电源电路5经由蓄积装置6提供的电力进行转换并将其对电动机3提供而控制电动机3的动作、并且将因电动机3的再生动作而生成的电力提供至电源装置1的蓄积装置6的逆变器(逆变器)7，和控制逆变器7的动作、并且基于经由电动机3中设置的编码器10得到的电动机3的角速度、基于用电动机3中设置的电流检测器59、60(后述)检测出的电流值而运算得到的电动机3的转矩、预先设定的关于电动机3的惯性矩计算电动机3和被电动机3驱动的电动机负载(此处是带有气压式模具缓冲的压力机12)中贮存的能量即贮存能量的控制电路8；基于用控制电路8计算出的贮存能量和预先规定为允许蓄积至蓄积装置6的电能的最大值的最大电能来控制升降压电源电路5，控制从电源11蓄积至蓄积装置6的电能的电压指令运算电路15。控制电路8具有基于来自逆变器7的电流检测器59、60和电动机3的编码器10等的检测结果来生成栅极信号，并用该栅极信号控制逆变器7而控制电动机3的驱动，并且运算电动机3的角速度和转矩等的位置速度电流控制电路16；基于位置速度电流控制电路16的运算结果计算电动机负载即带有气压式模具缓冲的压力机12的贮存能量的蓄积能量运算电路14(运算电路)。
对带有气压式模具缓冲的压力机12(以后也简称为压力机12)的滑块25进行驱动的电动机3，由交流电动机9和在交流电动机9中设置的编码器10构成。交流电动机9的速度、位置和磁极位置被编码器10检测出，并反馈至电动机电力转换装置2的控制电路8的位置速度电流控制电路16。位置速度电流控制电路16中，对从编码器10反馈的信号(速度、位置、磁极位置)与来自上级装置13的电动机驱动指令进行比较运算，以使被电动机3驱动的压力机12的滑块25符合电动机驱动指令地追随的方式，生成PWM信号且其被输出至逆变器7。逆变器7输入从电源装置1提供的DC电压(PN间电压)，转换为交流的可变电压、可变电流，由此驱动交流电动机9，控制电动机的位置、速度和电流。另外，交流电动机9的电流被逆变器7内的电流检测器59、60(后述)检测，并反馈至位置速度电流控制电路16而用于转矩等的运算。
电源装置1从电源11输入交流电力，用转换器4从AC转换为DC电压，对升降压电源电路5输入DC电压。升降压电源电路5通过对DC电压进行升压、降压、或升降压两者而对逆变器7施加可变的DC电压。升降压电源电路5被电压指令运算电路15控制。电压指令运算电路15接收用电动机电力转换装置2的控制电路8运算得到的信号E，以蓄积装置6的DC电压VPN成为最优的电压的方式对升降压电源电路5进行可变电压控制。另外，蓄积装置6设置在升降压电源电路5与逆变器7之间，蓄积从电源11提供的电能、和从压力机12经由电动机3、逆变器7等提供的再生能量。
接着，说明电力转换系统整体的控制的动作的概要。首先，对于压力机12的惯性负载中蓄积的能量进行说明。从上级装置13给出电动机驱动指令时，电动机3按照该指令开始滑块25的升降动作。滑块25开始升降动作的情况下，实时地运算包括电动机3和与其负载相连的机构部的惯性矩中蓄积的惯性负载的蓄积能量。另外，滑块25和气压式模具缓冲装置31一同开始升降动作的情况下，实时地运算包括至气压式模具缓冲装置31的惯性矩中蓄积的惯性负载的蓄积能量。接着，在再生停止时，即使该再生能量返回，也必须使蓄积装置6的蓄积容量不会溢出。因此，与开始动作同时预先控制使蓄积装置6中蓄积的能量的容量减小。在这样地控制的状态下，再生停止指令作为电动机驱动指令从上级装置13到来，实际上即使再生能量返回也恢复为运转开始前的原本的能量状态的水平，所以蓄积装置6不会成为过充电的状态。
另外，上述蓄积能量运算由电动机电力转换装置2的控制电路8内的蓄积能量运算电路14进行，蓄积装置6的能量容量的最优值的控制，用置换为蓄积装置6的电压的PN间电压指令Vref由电源装置1的电压指令运算电路15进行。
接着，对于电动机电力转换装置2的蓄积能量运算电路14和电源装置1的电压指令运算电路15的详细的动作进行说明。从位置速度电流控制电路16输入的信号是用编码器10检测出的角速度检测信号ω和转矩检测信号Tq以及惯性矩J。首先对于惯性负载中蓄积的能量进行说明。对于电动机3的角速度信号ω用加减速转矩运算电路42按以上(式1)的运算计算加减速转矩Tα。对于加减速转矩运算电路42的输出Tα用加减速动力运算电路43运算与角速度信号ω的以上(式3)的积而输出加减速动力Pα。对于加减速动力Pα用惯性负载蓄积能量运算电路44进行使用以上(式5)的时间积分运算而输出惯性负载蓄积能量Eα。另外，将加减速动力运算电路43和惯性负载蓄积能量运算电路44作为惯性负载蓄积能量运算模块40。
接着，对于弹性负载中蓄积的能量进行说明。对于转矩检测信号Tq和加减速转矩运算电路42的输出Tα用加减法运算器51进行以上(式2)所示的差运算而输出弹性负载转矩Td。对该弹性负载转矩Td和角速度信号ω用弹性负载动力运算电路45运算以上(式4)的积而输出弹性负载动力Pd。对于弹性负载动力Pd用弹性负载蓄积能量运算电路46进行使用以上(式6)的时间积分运算而输出弹性负载蓄积能量Ed。另外，将弹性负载动力运算电路45和弹性负载蓄积能量运算电路46作为弹性负载蓄积能量运算模块41。
另外，对惯性负载蓄积能量运算电路44和弹性负载蓄积能量运算电路46输入的信号中，存在从位置速度电流控制电路16输出的CLR1、CLR2。该积分清零信号CLR1、CLR2信号是使积分运算电路、即惯性负载蓄积能量运算电路44或弹性负载蓄积能量运算电路46的输出清零的信号。另外，从位置速度电流控制电路16对加减速转矩运算电路42输出交流电动机9的转子惯性矩与换算至电动机轴的电动机3的负载侧的惯性矩的合计值J。
对于惯性负载蓄积能量运算模块40的输出Eα和弹性负载蓄积能量运算模块41的输出Ed，用加法运算器50进行以上(式7)的加法运算，作为总负载蓄积能量E对电源装置1的电压指令运算电路15输出。电源装置1的电压指令运算电路15中，对满充电时能量设定模块47设定了值Emax作为蓄积装置6的满充电时的能量，用加减法运算器51按以上(式8)导出该值Emax与从电动机电力转换装置2的蓄积能量运算电路14输出的总负荷蓄积能量E的差、即蓄积装置6中蓄积的适当能量Eref。
此处，例如使用电解电容器C作为蓄积装置6的情况下，对于加减法运算器51的输出即Eref用比例系数模块乘以以上(式11)所示的k＝2/C之后，用平方根运算电路49进行平方根运算，得到以上(式10)所示的关于蓄积装置6的电压指令Vref。另外，蓄积装置6的两端电压VPN(PN间电压)被串联连接的电阻值R1的电阻器56(后述)和电阻值R2的电阻器57(后述)分压而被检测为检测值(反馈电压)Vf，用绝缘放大器18进行电绝缘之后反馈。之后，对于蓄积装置6的电压指令Vref和反馈电压Vf用加减法运算器51进行Vref-Vf的差运算。对于该差电压用PI调节器17进行比例积分运算，经由位置速度电流控制电路16的驱动电路61(后述)控制逆变器7，由此按电压指令Vref的值对升降压电源电路5的输出电压VPN、即蓄积装置6的输出电压进行反馈控制。
图8是表示电源装置的转换器、升降压电源电路和蓄积装置的详情的一例的图，示出了使用进行升压动作的电路作为升降压电源电路的情况。
即，图8中的升降压电源电路5可以认为是表现出升压动作的升压电源电路。
转换器4对从交流电源11提供的交流电压用全波整流器55进行整流，转换为由受电电压决定的大致恒定的直流电压并用平滑电容器52进行平滑。平滑后的直流电压在升压电源电路即升降压电源电路5中经由升压电抗器58与反复ON/OFF(接通/关断)的开关元件53连接。开关元件53ON时升压电抗器58中流过的电流增大，接着开关元件OFF时，从升压电抗器58对开关元件53流过的电流切换至二极管54一侧，输出电压VPN中对直流电压(P0-N间电压)加上升压电抗器58的两端发生的电压e＝-L·(dI/dt)而被升压。开关元件53反复ON/OFF，构成能够通过改变其导通比而进行升压电压的可变控制的升降压电源电路5。对于升降压电源电路5的输出连接平滑电容器52作为蓄积装置6，蓄积从交流电源11充电的电能和从负载侧再生的再生能量。另外，图8中，使用了平滑电容器52作为蓄积装置6，但使大容量电解电容器并联连接、大容量化地使用，也可以使用二次电池、双电层电容器等。
图9是表示电源装置的转换器、升降压电源电路和蓄积装置的详情的其他例的图，示出了使用进行降压动作的电路作为升降压电源电路的情况。
即，图9中的升降压电源电路5A可以认为是表现出降压动作的降压电源电路。
转换器4对从交流电源11提供的交流电压用全波整流器55进行整流，转换为由受电电压决定的大致恒定的直流电压并用平滑电容器52进行平滑。接着，反复ON/OFF的开关元件53位于入口，开关元件53ON时降压电抗器58A与负载串联连接，所以分压地施加，构成作为能够通过改变ON/OFF导通比而进行降压电压的可变控制的降压电源电路工作的升降压电源电路5A。对于输出连接平滑电容器52作为蓄积装置6，蓄积从交流电源11充电的电能和从负载侧再生的再生能量。关于平滑电容器52的大容量化是与图8同样的。
图10是表示电动机电力转换装置的逆变器和位置速度电流控制电路的详情的图。
图10中，电动机电力转换装置2中，使用AC伺服放大器、矢量控制逆变器和逆变器和DCBL控制器，将它们合称为电动机电力转换装置2。
逆变器7中，存在使开关元件53与二极管54的逆并联电路2组串联连接的1个臂，并联连接3个臂构成三相逆变器。另外，图10中，举例示出了构成三相逆变器的情况，但也可以构成其他多相逆变器。各臂的中间端子与电动机3的电动机端子连接，对于其中的2相(U相、W相)分别连接了U相电流检测器59和W相电流检测器60。另外，有时将U相电流检测器59和W相电流检测器60合并简记作电流检测器59、60。
作为交流电动机9，使用永磁体式电动机或感应型电动机、DC无刷电动机(DCBL电动机)等。另外，交流电动机并不仅限于在圆筒状的中心中具有轴、该轴旋转的永磁体式电动机和感应型电动机。例如，也可以是将交流电动机9的圆周上的定子一侧的一处切开成为直线并使旋转部分进行直线的往复运动的直线电机。作为驱动直线电机的AC伺服放大器和矢量控制逆变器和逆变器、DCBL控制器，能够直接沿用交流电动机9的。直线电机的情况下的传感器，代替编码器10地在移动路径上相对地在固定部中设置直线传感器标尺、在移动部中设置直线传感器头，检测位置和速度。另外，需要磁体的磁极位置检测信号的情况下，通过安装磁极位置检测传感器能够应对。另外，用AC伺服放大器驱动的直线电机，也称为直线伺服电机。以后的说明中，交流电动机9在没有特别记载的情况下包括直线电机。
交流电动机9的输出轴上安装的编码器10的输出，被输入至位置速度磁极位置运算电路62，作为运算结果的一项的旋转速度N被输出至反馈，作为运算结果的另一项的磁极位置信号θ被输出至三相/dq转换电路68和dq/三相转换电路66。
对于旋转速度N，从上级装置13输出的电动机驱动指令中的速度指令Ns经过模式切换开关74(Mod2)，用加减法运算器51运算其偏差ε＝Ns-N。偏差ε被速度控制电路(ASR)63放大并经过模式切换开关(Mod1)，作为转矩电流指令Iq输出。另外，模式切换开关73(Mod1)在ON时使电动机驱动指令切换为转矩指令Ts，在OFF时切换为位置指令或速度指令。另外，模式切换开关74(Mod2)在ON时使电动机驱动指令切换为位置指令θs，在OFF时切换为速度指令Ns。另外，关于使电动机驱动指令切换为哪个模式，由上级装置13对电动机电力转换装置2的位置速度电流控制电路16的CPU72发出指令，CPU72切换为该模式。即，CPU72不仅控制积分清零信号CLR1、CLR2的输出，也基于来自上级装置13的指令控制位置速度电流控制电路16整体的动作。
电流检测器59、60的检测结果被作为交流电动机9的电流反馈信号Iuf、Iwf输入至三相/dq转换电路68，转换为dq轴正交的2个矢量信号即d轴电流负反馈信号Idf和转矩电流反馈信号Iqf。转矩电流指令Iq被输入至运算与转矩电流反馈信号Iqf的差的加减法运算器51，其偏差被q轴电流控制电路(ACR)65放大。d轴电流指令Id是进行弱磁控制的情况下的电流指令，被输入至运算与d轴电流负反馈信号Idf的差的加减法运算器51，其偏差被d轴电流控制电路(ACR)64放大。d轴电流控制电路(ACR)64的输出即d轴电流指令Vd和q轴电流控制电路(ACR)65的输出即q轴电压指令Vq被输入至dq/三相转换电路66，转换为三相电压指令Vu、Vv、Vw并输出至PWM电路67，从PWM电路67经由驱动电路61作为驱动逆变器7的6个开关元件53的栅极信号输出，由此追随电动机驱动指令地控制电动机3。
另外，对于交流电动机9的惯性矩Jm与换算至电动机轴的电动机3的负载侧的惯性矩JI的合计值J＝Jm+JI，能够在试运转时对电动机电力转换装置2的参数输入计算值的惯性矩J，或者用通过电动机电力转换装置2的试运转功能进行的惯性矩J的自动调谐功能进行调谐。另外，电动机电力转换装置2中，如果具有在运转中实时地调谐惯性矩J的功能(实时自动调谐功能)，则在惯性矩J变化的情况下也能够用该功能实时地更新为调谐后的值。位置速度电流控制电路16的CPU72将通过调谐等而在参数区域75中存储并更新的惯性矩J输出至蓄积能量运算电路14的加减速转矩运算电路42，能够实时地更新加减速转矩运算电路42中使用的惯性矩J。另外，对于这些参数，在电源断开时将当时的值从RAM存储器写入非易失性存储器中，在下次电源接入时从非易失性存储器读取至RAM存储器而继承更新后的惯性矩J。
图11是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的滑块电机的角速度检测信号的波形的一例的图。
本实施例中，滑块电机的角速度检测信号ω和转矩检测信号Tq从位置速度电流控制电路16输出。拉延加工中，在滑块25一侧的上模具和气压式模具缓冲装置31一侧的下模具之间夹入坯料，用来自上方的滑块转矩和由气压式模具缓冲装置31产生的来自下方的上推反作用力，从上下双方对坯料施加压缩力。如图11所示，在拉延加工的最初，滑块25从上止点起高速地开始下降，在即将与气压式模具缓冲装置31接触前减速至中速。成为中速之后，进入拉延加工并通过下止点之后，滑块25转为上升而离开气压式模具缓冲装置31之后，角速度检测信号ω再次加速至高速并在上止点停止。此处，滑块电机(电动机3)的旋转方向是向一个方向运转，但滑块25的运转方向在下降、上升之间切换(参考图6)。另外，图11中，中速时作为拉延加工期间中而用箭头的范围示出了拉延加工的时机。
图12是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的滑块电机的转矩检测信号的波形的一例的图。
如图12所示，并未进行拉延加工时的滑块转矩(转矩检测信号)Tq在加速时加速转矩在正侧产生，在减速时减速转矩在负侧产生，即仅在角速度变化时产生加减速转矩。进入拉延加工期间中时，滑块25下降并逐渐推压气压式模具缓冲装置31的压缩空气，蓄积弹性能，滑块电机的转矩(转矩检测信号Tq)在正方向上逐渐增大。在下止点处，成为推压转矩成为零但受到来自气压式模具缓冲装置31的反作用力的状态。通过下止点转为上升时，滑块转矩(转矩检测信号)Tq因气压式模具缓冲装置31的增大的反作用力而维持中速，所以切换为再生制动转矩而成为负方向。滑块25离开气压式模具缓冲装置31时，蓄积的弹性能被释放，再生转矩急速减少成为零。另外，图12中，在拉延加工期间中用箭头的范围示出的部分中，产生了模具缓冲转矩。
图13是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的加减速转矩运算电路的输出波形的一例的图。
加减速转矩运算电路42的输出波形是对滑块电机的角速度检测信号ω进行微分并乘以惯性矩J得到的波形。从而，如图13所示，角速度检测信号ω恒定时输出是零，并且在拉延加工期间中角速度检测信号ω恒定所以并不表现出模具缓冲转矩。因此，作为加减速转矩运算电路42的输出波形，得到仅分离出滑块电机的加减速转矩的波形。通常，用电动机3的电流波形进行检测中因为包括总负载电流，所以不能仅分离出加减速转矩地进行检测。即，能够用运算仅分离出加减速转矩是本实施例的特征之一。
图14是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的加减法运算器的输出波形的一例的图。
加减法运算器51的输出Td表达为转矩检测信号Tq-加减速转矩Tα。例如，用带有气压式模具缓冲的压力机12进行拉延加工的情况下，滑块电机的主要转矩是使负载惯性矩进行加减速的加减速转矩、以及用滑块25和气压式模具缓冲装置31进行拉延加工的模具缓冲转矩这2种。一般而言，在电动机3的转矩检测信号Tq中，出现对电动机3施加的全部负载的转矩成分，但拉延加工时的模具缓冲转矩等于弹性负载转矩Td，所以如图14所示，弹性负载转矩Td用滑块电机转矩(转矩检测信号)Tq-加减速转矩Tα计算。
如以上图13和图14所示，本实施例中，具有滑块电机转矩(转矩检测信号)Tq被分离为惯性负载中产生的加减速转矩Tα和弹性负载中产生的弹性负载转矩Td这2种检测的特征。
图15是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的惯性负载蓄积能量运算电路的输出波形的一例的图。
惯性负载蓄积能量运算电路44的输出即惯性负载蓄积能量Eα是通过用加减速动力运算电路43将滑块电机的角速度检测信号ω与加减速转矩Tα相乘而计算加减速动力Pα、对该加减速动力Pα进行时间积分而计算的。对于在图15中示出波形的惯性负载蓄积能量Eα，仅在滑块电机的角速度检测信号ω(参考图11)变化时累加或减去能量，从而，在角速度检测信号ω恒定的拉延加工期间中、即产生模具缓冲转矩时并不累加。
图16是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的弹性负载蓄积能量运算电路的输出波形的一例的图。
弹性负载蓄积能量运算电路46的输出即弹性负载蓄积能量Ed是通过用弹性负载动力运算电路45将滑块电机的角速度ω与弹性负载转矩Td相乘而计算弹性负载动力Pd，并对该弹性负载动力Pd进行时间积分而计算的。对于在图16中示出波形的弹性负载蓄积能量Ed，因为在拉延加工期间中滑块电机的角速度检测信号ω固定为中速，所以是对弹性负载转矩Td的波形(参考图14)进行积分的形状。
如以上图15和图16所示，本实施例中，具有个别地计算滑块电机及其负载中蓄积的惯性负载蓄积能量Eα和气压式模具缓冲装置31中蓄积的弹性负载蓄积能量Ed的特征。
图17是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的蓄积能量运算电路的加法运算器的输出波形的一例的图。
如图17所示，加法运算器50的输出即总负载蓄积能量E，就是将惯性负载蓄积能量Eα(参考图13)与弹性负载蓄积能量Ed(参考图14)相加得到的波形。
图18是表示用带有气压式模具缓冲的压力机进行拉延加工的情况下的电压指令运算电路的输出波形的一例的图。
电压指令运算电路15的输出是控制升降压电源电路5用的输出电压指令Vref。电压指令运算电路15中，首先，在加减法运算器51中，从蓄积装置6的满充电时的能量Emax中减去控制电路8的蓄积能量运算电路14的输出(即加法运算器50的输出)即总负载蓄积能量E。蓄积装置6的满充电时的能量Emax是满充电时的最大值、是固定值，所以加减法运算器51的输出经由乘以比例系数k(＝2/C)的比例系数模块48和平方根运算电路49而从能量(J)置换为电压(V)的单位。结果，如图18所示，关于输出电压指令Vref，得到从固定值减去总蓄积能量E(参考图17)的波形后的波形。
如图18所示，在拉延加工中，最初滑块电机下降的情况下的角速度检测信号ω的加速→高速→中速的变化中，关于蓄积装置6的电压Vref，在直到高速的加速时在惯性负载中逐渐蓄积，所以为了可以立即再生而使蓄积装置6的电压逐渐降低，在角速度检测值ω恒定时维持电压Vref，在直到中速的减速时能量被部分再生，所以相应地使电压Vref恢复上升。接着，在拉延加工中，气压式模具缓冲装置31中从电源11提供的弹性负载能量增大，所以使蓄积装置6的电压Vref大幅降低。另外，总能量E超过峰值时，该弹性负载能量转为再生，所以蓄积装置6的电压Vref此时恢复为上升。然后，拉延加工结束时，再次转移至惯性负载蓄积能量的动作，在中速→高速→停止中进行与最初的高速运转时同样的动作。
如以上图11～图18所示，本实施例中，根据惯性负载中蓄积的能量和弹性负载中蓄积的能量，对蓄积装置6的电压指令Vref进行可变控制。
实施例2
参考图19说明本发明的第二实施例。本实施例中，仅说明与实施例1的不同点，在本实施例中使用的附图中对于与第一实施例相同的部件附加同一附图标记，省略说明。
本实施例将电源装置内置在电动机电力转换装置中，基于惯性负载蓄积能量对蓄积装置的电压进行可变控制。
图19是示意性地表示本实施例的电力转换系统的一例的图。
本实施例中，代替第一实施例的蓄积装置6使用蓄电元件6A，用电动机驱动注塑成型机作为负载。
图19中，本实施例的电力转换系统的电动机电力转换装置2A具有转换器4、升降压电源电路5、蓄电元件6A、逆变器7、控制电路8和电压指令运算电路15。另外，控制电路8具有蓄积能量运算电路14A(运算电路)和位置速度电流控制电路16A。
本实施例的蓄积能量运算电路14A构成为将加减速转矩运算电路42的输出即加减速转矩Tα、以及弹性负载转矩Td(加减法运算器51的输出)输出至位置速度电流控制电路16A。一般而言，电动机的转矩检测信号中，出现对电动机施加的全部负载的转矩成分。与此相对，本实施例中，能够分离为惯性负载中产生的加减速转矩Tα和弹性负载中产生的弹性负载转矩Td这2种，所以将该加减速转矩Tα和弹性负载转矩Td反馈至位置速度电流控制电路16A。位置速度电流控制电路16A具有导入来自蓄积能量运算电路14A的加减速转矩Tα和弹性负载转矩Td的功能，即分离后的监视转矩功能。
另外，位置速度电流控制电路16A将导入的加减速转矩Tα和弹性负载转矩Td输出至上级装置13。上级装置13中，在为了实现节能而减小什么动力的研究中，使用加减速转矩Tα和弹性负载转矩Td。即，关于是使惯性负载动力降低、还是使弹性负载动力降低、还是改变节拍时间或改变弹性负载转矩，能够通过改变各种条件进行运转，而参考能够个别地测定的加减速转矩Tα和弹性负载转矩Td进行研究。
另外，图19中，举例示出了注塑成型机35的注射轴34作为一般工业机械用负载。作为电动机负载的注射轴34，除惯性负载外不是弹性负载和重力负载而不蓄积能量，所以对于弹性负载蓄积能量运算电路46，将积分清零信号2的CLR2设为总是ON而使其输出为零而设为无效。但是，惯性负载蓄积能量运算电路44设为有效而进行能量蓄积运算。积分清零信号CLR1、CLR2能够从外部用参数设定为总是ON，是不能蓄积能量的负载时能够设定为ON。另外，ON的设定也能够由上级装置13设定。
其他结构与第一实施例相同。
本申请发明中，即使再生能量返回至蓄电装置也不会过充电，所以使用蓄电元件6A(例如电解电容器)作为蓄电装置的情况下，能够削减对蓄电元件6A预先设定的电压范围的上限裕度而提高电压范围的上限，不增加电解电容器的容量地使能够蓄积的能量上升，进而能够减小损耗。从而，如本实施例一般，能够将转换器4、升降压电源电路5和蓄电元件6A(电解电容器)内置在电动机电力转换装置2A中。
另外，图19所示的控制电路8内的蓄积能量运算电路14A和电压指令运算电路15的直到输出蓄电元件6A(电解电容器)的适当电压Vref的模块和PI调节器17是软件处理，由位置速度电流控制电路16A的CPU72进行处理，所以不需要追加新的CPU。
实施例3
参考图20和图21说明本发明的第三实施例。本实施例中，仅说明与第一实施例的不同点，在本实施例中使用的附图中对于与第一实施例相同的部件附加同一附图标记，省略说明。
本实施例使用具有作为电动机负载的滑块25和伺服模具缓冲装置32、使滑块25和伺服模具缓冲装置32的电源系统成为不同电源的带有伺服模具缓冲的压力机12A。
图20是示意性地表示本实施例的电力转换系统的一例的图。
图20中，结构是对于第一实施例(图7)将气压式模具缓冲装置31置换为伺服模具缓冲装置32，用模具缓冲用的电动机103从下侧施加反作用力，模具缓冲用的电动机103被模具缓冲用电动机电力转换装置121(AC输入)控制。
模具缓冲用的电动机103在交流电动机109中内置了编码器110。另外，模具缓冲用电动机电力转换装置121(AC输入)的电动机电力转换电路107中内置了转换器和逆变器等的功能(未图示)，所以从三相交流的交流电源11供电，逆变器的输入施加恒定的直流电压。即，电动机电力转换电路107是没有升降压电源电路的标准的电动机电力转换装置。
另外，图20中，用1条线表示来自交流电源11的电力供给用的配线并通过附加3条斜线而表示是三相配线。另外，模具缓冲用电动机电力转换装置121的控制电路108具有与第一实施例所示的位置速度电流控制电路16(参考图10)同样的结构，不具有作为蓄积能量运算电路14的功能。另外，对于模具缓冲用电动机电力转换装置121(AC输入)的控制电路108，从上级装置13施加电动机驱动指令，模具缓冲用的电动机103的运转模式是在拉延加工期间中用上模具和下模具夹着坯料，所以用转矩控制施加反作用力。该转矩控制中，施加与使用气压式模具缓冲装置31的情况下的反作用力相同的转矩。另外，在拉延加工期间中以外以位置控制或速度控制运转。
图21是示意性地说明本实施例的带有伺服模具缓冲的压力机的结构的图。
图21中，带有伺服模具缓冲的压力机12A与第一实施例所示的带有气压式模具缓冲的压力机12(参考图3)相比，将气压式模具缓冲装置31变更为伺服模具缓冲装置32，并且具有驱动伺服模具缓冲装置32的模具缓冲用的电动机103。
其他结构与第一实施例相同。
实施例4
参考图22说明本发明的第四实施例。本实施例中，仅说明与第三实施例的不同点，在本实施例中使用的附图中对于与第三实施例相同的部件附加同一附图标记，省略说明。
本实施例使第三实施例的带有伺服模具缓冲的压力机12A中的伺服模具缓冲装置32的电源改为从升降压电源电路5的输入(换言之是转换器4的输出)提供。
图22是示意性地表示本实施例的电力转换系统的一例的图。
图22中，模具缓冲用电动机电力转换装置121A(DC输入)的输入电源连接在电源装置1的升降压电源电路5的输入侧P0-N之间。即，模具缓冲用电动机电力转换装置121A(DC输入)与转换器4的输出连接，所以是直流电源输入，电动机电力转换电路107A中不需要作为转换器的功能。
其他结构与第三实施例相同。
电动机3(以后也记作滑块电机3)和模具缓冲用的电动机103在拉延加工切削中向相互推压的方向输出转矩，所以滑块电机3在动力运行方向上运转时，模具缓冲用的电动机103进行再生运转。反之，滑块电机3在再生方向上运转时，模具缓冲用的电动机103进行动力运转。例如滑块电机3动力运转时是要从电源11一侧供电时，此时模具缓冲用的电动机103是再生，从电源提供的电力处于过剩的状态。模具缓冲用电动机电力转换装置121A(DC输入)不具有作为升降压电源电路的功能，所以电压水平与滑块电机3相同，因此能够将两者与电源装置1的转换器4连接。在该状态下，模具缓冲用的电动机103的再生电力例如能够被升降压电源电路5升压并作为滑块电机3的动力运行电力供给，所以能够抑制或消除从电源11一侧的电力供给，能够实现节能。
另外，作为相反的情况，如果滑块电机3是再生，则预测蓄积装置6电压是再生状态，电压已经处于降低状态，所以从该电压起开始再生。此时，模具缓冲用的电动机103是动力运行，所以能够从电源11一侧供电，不会从两者双方供给电源。
如上所述，拉延加工切削中动力运行和再生均衡地切换，所以在电源装置1的直流电压P0-N之间无论哪一方电压处于再生状态都保持恒定。因此，能够得到即使将弹性负载蓄积能量运算电路46设为无效状态、即将清零信号CLR2设为ON运转也没有问题的效果。另外，拉延加工切削结束时滑块电机3在惯性负载中蓄积能量，所以需要将惯性负载蓄积能量运算电路44设为有效(清零信号CLR1是OFF)地运转。
实施例5
参考图23说明本发明的第五实施例。本实施例中，仅说明与第一实施例的不同点，在本实施例中使用的附图中对于与第一实施例相同的部件附加同一附图标记，省略说明。
本实施例举例示出将升降装置作为负载用电动机驱动的情况。
图23是示意性地表示本实施例的电力转换系统的一例的图。
本实施例中，在图23中，本实施例的升降装置82具有曳引机76(参考图5)。升降装置82是作为重力负载最易于说明再生状态的负载。作为本实施例的升降负载并不设想在重力方向上高低差较大的升降机，而是设想楼层内的轿厢和货物的升降装置、上下货架间的收纳部件的升降装置、在装置内上下搬运的部件搬运。货物77上升时，因为是与重力相反方向的动作，所以电动机3以动力运行状态运转，下降时因为抑制落下地下降，所以电动机3成为再生状态。
另外，图23中，蓄积能量运算电路14B(运算电路)中，与第一实施例的蓄积能量运算电路14(参考图7)相比，弹性负载蓄积能量运算模块41被置换为重力负载蓄积能量运算模块79。另外，重力负载蓄积能量运算模块79具有重力负载动力运算电路80和重力负载蓄积能量运算电路81。但是，重力负载转矩Tw如以上(式12)所述是Tq-Tα，用重力负载动力运算电路80运算重力负载动力Pw，用重力负载蓄积能量运算电路81运算重力负载蓄积能量Ew。
对于惯性负载蓄积能量运算模块40的输出Eα和重力负载蓄积能量运算模块79的输出Ew，用加法运算器50相加并对电源装置1的电压指令运算电路15输出总负载蓄积能量E。
其他结构与第一实施例相同。
如上所述地构成的本实施例中，也可以与第一实施例同样地得到以上(式17)所示的蓄积装置6的电压指令Vref。
实施例6
参考图24说明本发明的第六实施例。本实施例中，仅说明与实施例1的不同点，在本实施例中使用的附图中对于与实施例1相同的部件附加同一附图标记，省略说明。
本实施例用直线电机和编码器构成电动机。
图24是示意性地表示本实施例的电力转换系统的一例的图。
图24中，电动机3C由直线电机9C和取得直线电机9C的位置用的位置检测器(直线编码器、霍尔传感器)10C构成。
本实施例的直线电机9C的物理量、与第一实施例所示的交流电动机9的物理量如下所述地对应。即，直线电机9C中的速度v(m/s)、推力Fq(N)、质量M(kg)和(1/2)Mv^2，分别对应于交流电动机9(即旋转型伺服电机)的角速度ω(rad/s)、转矩Tq(N·m)、惯性矩J(kg·m^2)和惯性负载能量(1/2)Jω^2。
另外，直线电机9C中的惯性负载动力Pα、运行动力Pd、惯性负载能量Eα和运行能量Ed(分别对应于交流电动机9的情况下的以上(式3)～(式6))，分别用以下(式24)～(式27)表达。
[数学式24]
[数学式25]
Pd＝Fq·v (W)… (式25)
以上(式25)中，运行速度v(m/s)＝dl/dt，推力总是Fq(N)。
[数学式26]
[数学式27]
即，图24中，蓄积能量运算电路14C(运算电路)中，与第一实施例的蓄积能量运算电路14(参考图7)相比，涉及惯性矩J的加减速转矩运算电路42被置换为涉及质量M的加减速转矩运算电路142，位置速度电流控制电路16C中，构成为对加减速转矩运算电路142输出质量M，并且代替电动机负载转矩Tq地输出推力Fq。
其他结构与第一实施例相同。
如上所述，在使用直线电机的情况下也能够与第一实施方式同样地进行控制。
＜附记＞
另外，本发明不限定于上述实施方式，包括不脱离其主旨的范围内的各种变形例和组合。另外，本发明不限定于包括上述实施方式中说明的全部结构，也包括删除其结构的一部分后的结构。另外，对于上述各结构、功能等，例如可以通过在集成电路中设计等而实现其一部分或全部。另外，上述各结构、功能等也可以通过处理器解释、执行实现各功能的程序而用软件实现。
附图标记说明
1…电源装置，2、2A…电动机电力转换装置(电力转换装置)，3…电动机，3C…直线电机，4…转换器，5…升降压电源电路(升压电源电路、降压电源电路)，6…蓄电装置，6A…蓄电元件，7…逆变器(电力转换部)，8、108…控制电路(控制部)，9…交流电动机，9C…交流电动机(直线电机)，10…编码器，10C…位置检测器(直线编码器、霍尔传感器)，11…交流电源，12…带有气压式模具缓冲的压力机，12A…带有伺服模具缓冲的压力机，13…上级装置，14、14A、14B、14C…蓄积能量运算电路(运算电路)，15…电压指令运算电路，16、16A…位置速度电流控制电路，17…调节器，18…绝缘放大器，20…滑块电机，21…滑块驱动单元，22…曲轴，23…曲柄偏心部，24…连杆，25…滑块，26…滑块引导部，27…工作台，28…机床，29…上模具，30…下模具，31…气压式模具缓冲装置，32…伺服模具缓冲装置，34…注射轴，35…注塑成型机，40…惯性负载蓄积能量运算模块，41…弹性负载蓄积能量运算模块，42、142…加减速转矩运算电路，43…加减速动力运算电路，44…惯性负载蓄积能量运算电路，45…弹性负载动力运算电路，46…弹性负载蓄积能量运算电路，47…满充电时能量设定模块，48…比例系数模块，49…平方根运算电路，50…加法运算器，51…加减法运算器，52…平滑电容器，53…开关元件，54…二极管，55…全波整流器，56…电阻器，58…升压电抗器，58A…降压电抗器，59…U相电流检测器(电流检测器)，60…W相电流检测器(电流检测器)，61…驱动电路，62…位置速度磁极位置运算电路，63…速度控制电路(ASR)，64…轴电流控制电路(ACR)，65…轴电流控制电路(ACR)，66…相转换电路，67…电路，68…转换电路，73、74…模式切换开关，75…参数区域，76…曳引机，77…货物(或收容货物等的轿厢)，78…绳缆，79…重力负载蓄积能量运算模块，80…重力负载动力运算电路，81…重力负载蓄积能量运算电路，82…升降装置，103…模具缓冲用电动机，107、107A…电动机电力转换电路，109…交流电动机，110…编码器，120…电动机负载，121、121A…模具缓冲用电动机电力转换装置。

Claims (8)

1.一种具有对电动机供电的电力转换装置和对所述电力转换装置供电的电源装置的电力转换系统，其特征在于：
所述电力转换装置包括对电力进行转换的电力转换部、控制所述电力转换部的控制部、以及检测所述电力转换部内的电流的电流检测部，
所述电源装置包括与电压相应地蓄积电能的蓄积装置、按照电压指令变更所述蓄积装置的电压的升降压电源电路、以及运算所述蓄积装置中蓄积的能量并将其作为所述电压指令输出至所述升降压电源电路的运算电路，
所述控制部使用来自所述电动机所具有的编码器的信息和由所述电流检测部检测出的电流值来计算所述电动机的角速度和转矩，并使用计算出的所述角速度、转矩和预先设定的惯性矩值来计算所述电动机的动力运行能量或再生能量，
所述运算电路基于由所述控制部用提供给所述电动机的电流值计算出的所述电动机的动力运行能量或再生能量来运算要在所述蓄积装置中蓄积的能量，使得所述蓄积装置中蓄积的电能因所述再生能量而成为最大电能。
2.如权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于：
所述控制部基于所述电动机中蓄积的惯性能量和被所述电动机驱动的电动机负载中蓄积的弹性能量来计算所述再生能量。
3.如权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于：
所述控制部基于被所述电动机驱动的电动机负载中蓄积的惯性能量和所述电动机负载中蓄积的重力能量来计算所述再生能量。
4.如权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于：
所述惯性矩值是在所述电动机的试运转时或实时自动调谐时存储的。
5.一种电动机控制方法，其特征在于，包括：
对经由蓄积电能的蓄积装置而提供的电力进行转换并将其提供给电动机的步骤；
使用来自所述电动机所具有的编码器的信息和提供给所述电动机的电流值来计算所述电动机的角速度和转矩的步骤；
使用计算出的所述角速度、转矩和预先设定的惯性矩值来计算所述电动机的动力运行能量或再生能量的步骤；
基于用提供给所述电动机的电流值计算出的所述电动机的动力运行能量或再生能量来运算要在所述蓄积装置中蓄积的能量，使得所述蓄积装置中蓄积的电能因所述再生能量而成为最大电能的步骤；和
基于要在所述蓄积装置中蓄积的能量的运算结果来变更所述蓄积装置中蓄积的电能的步骤。
6.如权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于：
基于所述电动机中蓄积的惯性能量和被所述电动机驱动的电动机负载中蓄积的弹性能量来计算所述再生能量。
7.如权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于：
基于被所述电动机驱动的电动机负载中蓄积的惯性能量和所述电动机负载中蓄积的重力能量来计算所述再生能量。
8.如权利要求5所述的电动机控制方法，其特征在于：
所述惯性矩值是在所述电动机的试运转时或实时自动调谐时存储的。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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