CN116897501A - 马达控制装置 - Google Patents

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土井昌志
西川武男
芦田岳史
德崎裕幸
沈俍羽
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Abstract

一种马达控制装置，具有：多个逆变器，其通过PWM控制对多个马达分别供给电力；直流电源，其向所述多个逆变器供给电力；以及电容器，其与所述直流电源并联连接，所述多个逆变器被分类为基于开关频率的多个组中的任一个，在所述多个组各自中，与属于该组的全部逆变器对应的所述载波信号是基于分配给该组的基准频率决定的三角波信号，并且存在至少1个以上的频率和相位中的至少一方与其他三角波信号不重叠的三角波信号。

Description

马达控制装置
技术领域
本发明涉及马达控制装置。
背景技术
以往，在伺服供电系统中，对多个马达分别进行了如下控制：从1个AC电源(交流电源)对1个马达供给与该马达的转速匹配的电力。通过这样向多个马达供给电力，实现了如下情况：1个设备进行动作。但是，在这样的结构中，存在如下课题：布线的数量较多，用于连接马达和电源的布线结构变得复杂。并且，在这样的结构中，产生了布线变粗、容易产生噪声以及容易产生热等许多课题。
因此，在专利文献1中，将1个AC电源的电力转换成DC(直流)，对控制多个马达的多个逆变器部分配供给该1个电力。由此，能够实现供电中的低噪声化、使布线变细。并且，在专利文献1中，在使用基于作为PWM控制的基本波形的各三角波信号(三角波)进行PWM控制的多个逆变器的情况下，使各逆变器部的各三角波信号的相位全部不同。由此，能够抑制流过与电源并联连接的电容器的纹波电流(ripple current)对电容器造成不良影响。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-259546号公报
发明内容
发明要解决的课题
在此，在专利文献1中，如果在全部逆变器部中，开关元件的开关频率相同，则通过使决定开关频率和时刻的载波信号的三角波信号的相位全部不同，能够抑制纹波电流，因此，能够有效地抑制纹波电流的影响。但是，当在多个逆变器部中存在开关频率大不相同的逆变器部时，即使使全部三角波信号的相位不同，也无法充分地抑制纹波电流，无法有效地抑制纹波电流的影响。
因此，本发明的目的在于提供一种如下技术：即使在向多个马达供给电力的多个逆变器中存在开关频率大不相同的逆变器的情况下，也能够抑制纹波电流的影响。
用于解决课题的手段
为了达到上述目的，本发明采用以下的结构。
即，本发明的一个方面的马达控制装置对多个马达的动作进行控制，其中，所述马达控制装置具有：多个逆变器，它们分别具有开关元件，并且通过基于表示PWM控制的基本波形的载波信号的PWM控制对所述多个马达分别供给电力；直流电源，其向所述多个逆变器供给电力；以及电容器，其与所述直流电源并联连接，所述多个逆变器被分配基于各自的开关频率并且与用于PWM控制的载波信号相关的基准频率，所述多个逆变器被分类为基于所分配的所述基准频率的多个组中的任一个，在所述多个组各自中，与属于该组的全部逆变器对应的所述载波信号是基于分配给该组的基准频率决定的三角波信号，并且与该全部逆变器对应的所述载波信号中的至少1个载波信号的频率和相位中的至少一方与其他载波信号不重叠。
根据上述结构，在基于基准频率的组中，在各组内，载波信号(三角波信号)的频率或相位不重叠，因此，能够在各组内使开关元件的接通/断开的定时错开。因此，能够抑制在电容器中产生的纹波电流的峰值，因此，能够抑制马达控制装置中的纹波电流的影响。
在上述马达控制装置中，也可以是，所述多个逆变器各自的所述载波信号是具有如下这样的频率的三角波信号：该频率基于该逆变器所属的规定组的所述基准频率，并且被设定成在属于该规定组的全部逆变器中不重叠。这样，通过使在1个组中频率不重叠，与相位不重叠的情况不同，控制载波信号的频率变化，由此能够进行载波信号之间的同步。
在上述马达控制装置中，也可以是，所述多个组中的各组内的所述载波信号的频率的变动幅度小于该组与基准频率最接近该组的组这2个组之间的基准频率之差，这2个组中的低侧的组的所述载波信号的最高频率低于高侧的组的所述载波信号的最低频率。由此，能够使得在相邻的2个组中载波信号的频率不重叠。因此，在组之间，开关元件的接通/断开的频率不会重叠。因此，能够抑制在电容器中产生的纹波电流的峰值，因此，能够抑制马达控制装置中的纹波电流的影响。
在上述马达控制装置中，也可以是，所述多个逆变器各自的所述载波信号和属于该逆变器所属的组的其他逆变器的所述载波信号的频率从由多个频率构成的规定组合中按照互不相同的顺序进行切换。由此，能够按照规定组合的频率的数量的每个期间，在组内进行载波信号的同步，能够在同步的时刻以外，使载波信号的峰值的时刻不重叠。由此，能够实现组内的载波信号的同步，并且抑制在电容器中产生的纹波电流的峰值。
在上述马达控制装置中，也可以是，所述规定组合所具有的全部频率各错开规定值，该规定值是将与所述规定组合对应的组内的所述载波信号的频率的变动幅度除以从属于该组的逆变器数量减去1所得的数量而得到的。由此，能够在组内使载波信号的频率大不相同，因此，能够更加抑制马达控制装置中的纹波电流的影响。
在上述马达控制装置中，也可以是，所述多个逆变器各自的基准频率是与该逆变器所属的规定组中的其他全部逆变器相同的基准频率。
在上述马达控制装置中，也可以是，所述多个逆变器各自的所述载波信号是如下这样的三角波信号：该三角波信号的频率基于该逆变器所属的规定组的所述基准频率，并且该三角波信号被设定成在属于该规定组的全部逆变器中相位不重叠。
在上述马达控制装置中，也可以是，属于所述规定组的全部逆变器的所述载波信号的相位各错开将180度除以属于所述规定组的逆变器数量而得到的量。由此，能够在组内使载波信号的相位大不相同，因此，能够更加抑制马达控制装置中的纹波电流的影响。更具体而言，能够使开关波动中的2次谐波相互抵消，因此，能够更加抑制马达控制装置中的纹波电流的影响。
本发明可以理解为具有上述单元中的至少一部分的装置，也可以理解为控制装置、控制系统、马达系统、马达装置。此外，本发明也可以理解为包含上述处理中的至少一部分的控制方法、设定方法。此外，本发明也能够理解为用于实现该方法的程序、非暂时性地记录有该程序的记录介质。另外，上述的单元和处理能够分别尽可能地相互组合而构成本发明。
发明效果
根据本发明，即使在向多个马达供给电力的多个逆变器中存在开关频率大不相同的逆变器的情况下，也能够抑制纹波电流的影响。
附图说明
[图1]图1是说明实施方式1的马达控制装置的结构图。
[图2]图2是说明实施方式1的马达控制装置的结构图。
[图3]图3A是说明实施方式1的三角波信号的频率变化的控制的图，图3B是说明实施方式1的三角波信号的相位控制的图。
[图4]图4是示出控制了实施方式1的频率变化的三角波信号的图。
[图5]图5是示出进行了实施方式1的相位控制的三角波信号的图。
具体实施方式
以下，使用附图，记载用于实施本发明的实施方式。
<应用例>
以下，对如图1和图2所示的向多个马达42提供动力(交流电力)的马达控制装置1进行说明。在马达控制装置1中，通过切换多个逆变器41的开关元件100的接通/断开，进行逆变器41的PWM控制(向多个马达42供给的输出电压的控制)。在此，逆变器41的PWM控制的基本波形是由三角波生成电路43生成的三角波信号(三角波)决定的。因此，以下，在马达控制装置1中，将多个逆变器41分类成基于开关元件100的开关频率(基准频率)的组，在相同组的逆变器41中，使三角波信号的相位或三角波信号的频率(频率变化)不同。即，多个逆变器41分别基于相位或频率与该逆变器41所属的组的其他逆变器41使用的三角波信号不同的三角波信号，进行PWM控制。由此，在同一组的逆变器41之间，开关元件100的接通/断开的定时错开，因此，能够抑制与电源20并联连接的电容器25中的纹波电流的峰值。
<实施方式1>
[马达控制装置的结构]
参照图1和图2的结构图，说明本实施方式的控制多个马达42(马达421～427)的马达控制装置1的结构。马达控制装置1具有电源20、电容器25、电容器401～407、逆变器411～417、三角波生成电路43(参照图2)。另外，在图1和图2中，各配置有7个逆变器41、电容器40和马达42，但也可以各配置任意数量。此外，也可以将具有马达控制装置1和多个马达42的系统作为马达系统。
电源20向逆变器411～417提供直流电力(直流电流)。电源20具有系统(交流电源)和使来自系统的电力直流化的转换器(换言之，直流电源)。
电容器25与电源20并联连接。电容器25与电源20组合起来向相互并联连接的多个逆变器411～417供给直流电力。由于电容器25的存在，向多个逆变器411～417供给的电压大致保持恒定，因此，能够抑制向多个逆变器411～417供给的电压的急剧(暂时)的变化(过电压/低电压)。另外，在电容器25中，与多个逆变器411～417的动作的变化相伴，产生被称作纹波电流的电流。在纹波电流较大的情况下，在电容器25中产生较大的热上升，因此，对电容器25和马达控制装置1的寿命造成不良影响。因此，在本实施方式中，实现抑制该纹波电流的峰值。
电容器401～407分别是抑制直流电力的脉动量的平滑电容器，也能够蓄积直流电力。
逆变器41X(X＝1～7的每1个)通过根据所输入的电力生成马达42X使用的频率的交流电力，控制马达42X。逆变器411～417与电源20及电容器25相互并联连接。如图2所示，逆变器41X具有6个开关元件100X和控制电路101X。
开关元件100X基于来自控制电路101X的PWM控制信号，变化成接通或断开的状态。由此，进行控制从逆变器41X向马达42X供给的交流电力的所谓PWM(Pulse WidthModulation；脉冲宽度调制)控制。在此，应该将开关元件100X切换成接通/断开的频率(开关频率)由逆变器41X的机型预先设定(确定)。更详细而言，马达42X的电容越大，开关频率越低。
控制电路101X对从三角波生成电路43输出的三角波信号和从动作控制部(未图示)输入的马达42X的三相电压的指令值进行比较，生成控制开关元件100X的接通和断开的PWM控制信号。控制电路101X将所生成的PWM控制信号输出到6个开关元件100X。
三角波生成电路43生成作为各逆变器41的PWM控制的基本波形的三角波信号。在此，三角波信号是为了发送信息而使用的基本波即载波信号(载波)。然后，三角波生成电路43将三角波信号输出到逆变器411～417(控制电路1011～1017)。另外，在本实施方式中，通过按照每个基准频率对逆变器411～417进行编组，三角波生成电路43按照每个组控制三角波信号，由此抑制在电容器25中产生的纹波电流。具体而言，针对逆变器411～417，基于各自的开关频率分配基准频率。即，针对开关频率接近(开关频率是同一类别)的逆变器41，分配同一基准频率。然后，按照每个该基准频率，对逆变器411～417进行编组。在此，三角波生成电路43按照每个组，基于分配给该组的基准频率，控制三角波信号。另外，分配给某个组的基准频率可以与该组的逆变器41的开关频率相同，也可以基准频率与开关频率不同。
例如，如图3A和图3B所示，假设逆变器的机型A～C的基准频率为fa，机型D的基准频率为fb，机型E的基准频率为fc。而且，假设逆变器411为机型A，逆变器412为机型B，逆变器413为机型C，逆变器414、415为机型D，逆变器416、417为机型E。于是，基准频率为fa的逆变器411～413被分类为组1，基准频率为fb的逆变器414、415被分类为组2，基准频率为fc的逆变器416、417被分类为组3。另外，假设该分类预先设定于三角波生成电路43。
(使用了频率的三角波信号的控制)
首先，说明如下方法：三角波生成电路43通过频率来控制三角波信号，由此控制纹波电流。三角波生成电路43按照每个基准频率的组，在属于该组的逆变器41之间使三角波信号的频率变化(频率)不同。例如，对于组1，三角波生成电路43决定作为属于组1的逆变器41的数量的3个频率的组合。在该情况下，三角波生成电路43例如以与组1对应的基准频率即fa为中心，根据可变频率fr的幅度(变动幅度)的范围即fa-fr/2～fa+fr/2的频率范围的频率，决定频率的组合。具体而言，三角波生成电路43决定具有fa、fa-fr/2、fa+fr/2的频率的组合。在该组合的频率中，例如，错开将可变频率fr除以从属于组的逆变器数量3减去1而得到的数即2而得到的值。但是，不限于此，组合的各频率只要是fa-fr/2～fa+fr/2的频率范围内的值，则也可以是任意的值。在此，例如，基准频率fa为8kHz，可变频率fr为200Hz。而且，三角波生成电路43在针对逆变器411～413的三角波信号中，生成按照该组合中包含的频率不同的顺序切换那样的三角波信号。另外，组合具有的频率的数量不需要是属于组的逆变器41的数量，也可以是多于属于组的逆变器41的数量的任意数量。
例如，如图4所示，三角波生成电路43生成按照频率fa-fr/2、fa、fa+fr/2的顺序切换那样的三角波信号，作为向逆变器411输出的三角波信号。三角波生成电路43生成按照频率fa、fa+fr/2、fa-fr/2的顺序切换那样的三角波信号，作为向逆变器412输出的三角波信号。三角波生成电路43生成按照频率fa+fr/2、fa-fr/2、fa的顺序切换那样的三角波信号，作为向逆变器413输出的三角波信号。
如果这样生成三角波信号，则按照频率的组合所具有的频率的数量(组1的逆变器41的数量即3个)的周期的每个期间，同一组1的三角波信号能够相互同步。此外，在该同步的时刻以外，3个三角波信号的峰值的时刻不重叠。因此，在同步时刻以外的时刻，在逆变器411～413中，开关元件100在不同的定时变化成接通/断开，因此，能够抑制在电容器25中产生的纹波电流的峰值(最大值)。
另外，对于其他组2、3，也如图3A所示，三角波生成电路43决定频率的组合，以频率在组内按照不同的顺序发生变化的方式生成三角波信号。另外，三角波生成电路43也可以在基准频率不同的组之间，以决定频率的组合时的范围即频率范围相互不重叠的方式决定可变频率fr。即，各组内的三角波信号的频率的变动幅度也可以小于该组与基准频率最接近该组的组这2个组之间的基准频率之差。并且，在该情况下，这2个组中的低侧的组的三角波信号的最高频率低于高侧的组的三角波信号的最低频率即可。
在发明人实施的实验中，在基准频率(开关频率)fa＝8kHz、可变频率fr＝200Hz、并且仅使上述的逆变器411～413工作而如本实施方式那样控制了三角波信号的情况下，与不这样控制频率变化的情况相比，使开关波动的振幅最大的频带的该振幅的峰值减少了大约15％。这样，如本实施方式那样，通过控制三角波信号，能够抑制马达控制装置1中的纹波电流的峰值。
(使用了相位的三角波信号的控制)
接着，说明如下方法：三角波生成电路43通过相位来控制三角波信号，由此控制纹波电流。如图3B所示，三角波生成电路43按照基准频率的每个组，在属于该组的逆变器41之间使三角波信号的相位不同。例如，对于组1，如图5所示，三角波生成电路43设为相同的频率(基准频率表示的频率)，并且使逆变器411～413的三角波信号的相位在相邻的相位之间各相差60度。此时，不同的相位例如是将180度除以同一组的逆变器41的数量n而得到的。但是，不限于180度，也可以是360度等任意的角度。
具体而言，如图5所示，三角波生成电路43以逆变器411的三角波信号为基准，使逆变器412的三角波信号的相位从逆变器411的三角波信号偏移60度，使逆变器413的三角波信号的相位从逆变器411的三角波信号偏移120度。
另外，在本实施方式中，由于按照每个组控制相位，因此，与上述的专利文献1不同，并非在全部三角波信号中相位不同。具体而言，在各组中必定存在相位为0度的三角波信号。
在发明人实施的实验中，在基准频率fa＝8kHz、可变频率fr＝200Hz、并且使上述的逆变器411～413工作而如本实施方式那样控制了三角波信号的相位的情况下，与不这样控制相位的情况相比，使开关波动的振幅最大的频带的该振幅的峰值减少了大约95％。由此，能够抑制马达控制装置1中的由纹波电流引起的不良影响。
另外，如上所述，说明了在向基准频率的1个组输出的全部三角波信号中使频率变化或相位不同的例子。但是，也可以不是在向基准频率的1个组输出的全部三角波信号中，而是在向基准频率的1个组输出的全部三角波信号中的至少1个以上的三角波信号中，使频率变化或相位与其他三角波信号不同。
此外，也可以在向基准频率的1个组输出的全部三角波信号中，使频率变化和相位双方不同。例如，也可以在组1中，生成相位互不相同并且频率从多个频率的组合中按照互不相同的顺序发生变化那样的三角波信号。
并且，也可以不是三角波生成电路43，而是逆变器411～417分别针对三角波信号进行使频率变化或相位不同的处理。在该情况下，三角波生成电路43也可以对同一组的多个逆变器41输出相同的三角波信号。而且，例如，控制电路1011也可以基于从三角波生成电路43取得的三角波信号，以使频率的变化与同一组的开关元件1002和开关元件1003的PWM控制中使用的三角波信号不同的方式生成(转换)开关元件1001的PWM控制中使用的三角波信号。
此外，在上述中，按照每个基准频率对逆变器411～417进行了编组，但也可以在该编组之后，进一步将同一基准频率的多个逆变器41分类成多个组。由此，也能够在各组中使三角波信号的频率或相位不重叠，因此，能够抑制纹波电流的峰值。
另外，权利要求书中记载的解释并不仅限于实施方式中记载的事项。在权利要求书中记载的解释中，也包含考虑到申请时的技术常识的、为了使本领域技术人员能够认识到能够解决发明的课题而记载的范围。
(附注)
一种马达控制装置(1)，其对多个马达(42)的动作进行控制，其中，所述马达控制装置(1)具有：
多个逆变器(41)，它们分别具有开关元件(100)，通过基于载波信号的PWM控制对所述多个马达(42)分别供给电力；
直流电源(20)，其向所述多个逆变器(41)供给电力；以及
电容器(25)，其与所述直流电源(20)并联连接，
所述多个逆变器(41)被分配基于各自的开关频率并且与载波信号相关的基准频率，
所述多个逆变器(41)被分类为基于所分配的所述基准频率的多个组中的任一个，
在所述多个组中的每组中，与属于该组的全部逆变器(41)对应的所述载波信号是基于分配给该组的基准频率决定的三角波信号，并且与该全部逆变器(41)对应的所述载波信号中的至少1个载波信号的频率和相位中的至少一方与其他载波信号不重叠。
标号说明
1：马达控制装置：20：电源：25：电容器：40：电容器：41：逆变器：42：马达：43：三角波生成电路：100：开关元件：101：控制电路。

Claims (8)

1.一种马达控制装置，其对多个马达的动作进行控制，其中，
所述马达控制装置具有：
多个逆变器，它们分别具有开关元件，并且通过基于载波信号的PWM控制对所述多个马达分别供给电力；
直流电源，其向所述多个逆变器供给电力；以及
电容器，其与所述直流电源并联连接，
所述多个逆变器被分配基于各自的开关频率并且与用于PWM控制的载波信号相关的基准频率，
所述多个逆变器被分类为基于所分配的所述基准频率的多个组中的任一个，
在所述多个组各自中，与属于该组的全部逆变器对应的所述载波信号是基于分配给该组的基准频率决定的三角波信号，并且与该全部逆变器对应的所述载波信号中的至少1个载波信号的频率和相位中的至少一方与其他载波信号不重叠。
2.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述多个逆变器各自的所述载波信号是具有如下这样的频率的三角波信号：该频率基于该逆变器所属的规定组的所述基准频率，并且被设定成在属于该规定组的全部逆变器中不重叠。
3.根据权利要求1或2所述的马达控制装置，其中，
所述多个组中的各组内的所述载波信号的频率的变动幅度小于该组与基准频率最接近该组的组这2个组之间的基准频率之差，
这2个组中的低侧的组的所述载波信号的最高频率低于高侧的组的所述载波信号的最低频率。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的马达控制装置，其中，
所述多个逆变器各自的所述载波信号和属于该逆变器所属的组的其他逆变器的所述载波信号的频率从由多个频率构成的规定组合中按照互不相同的顺序进行切换。
5.根据权利要求4所述的马达控制装置，其中，
所述规定组合所具有的全部频率各错开规定值，该规定值是将与所述规定组合对应的组内的所述载波信号的频率的变动幅度除以从属于该组的逆变器数量减去1所得的数量而得到的。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的马达控制装置，其中，
所述多个逆变器各自的基准频率是与该逆变器所属的规定组中的其他全部逆变器相同的基准频率。
7.根据权利要求1所述的马达控制装置，其中，
所述多个逆变器各自的所述载波信号是如下这样的三角波信号：该三角波信号的频率基于该逆变器所属的规定组的所述基准频率，并且该三角波信号被设定成在属于该规定组的全部逆变器中相位不重叠。
8.根据权利要求7所述的马达控制装置，其中，
属于所述规定组的全部逆变器的所述载波信号的相位各错开将180度除以属于所述规定组的逆变器数量而得到的量。
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