DE102022203715A1

DE102022203715A1 - Verarbeitungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022203715A1
Application number: DE102022203715.4A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kiribuchi
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2022-04-13
Publication date: 2022-10-20
Also published as: US11955914B2; US20220337185A1; JP2022163794A; CN115225013A

Abstract

Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad für die Zufuhr von Energie zu einer Motorsteuerung werden reduziert. Eine Verarbeitungseinrichtung reduziert Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad für die Energiezufuhr von einer Gleichstrom-Energieversorgung zu mindestens einer Motorsteuerung. Die Einrichtung umfasst eine Filterschaltung und eine Steuerung. Die Filterschaltung umfasst eine Vielzahl von vorbestimmten Einheiten, die jeweils ein Schaltungselement und einen Halbleiterschalter enthalten. Das Schaltungselement enthält mindestens ein vorbestimmtes passives Element. Der Halbleiterschalter steuert einen Strom, der dem Schaltungselement zugeführt werden soll. Die Filterschaltung ist mit dem Energiezuführungspfad verbunden. Die Steuerung steuert das Schalten des Halbleiterschalters, der in jeder der Vielzahl von vorbestimmten Einheiten in der Filterschaltung enthalten ist, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu reduzieren.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-068836 , die am 15. April 2021 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verarbeitungseinrichtung, die Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad für die Zuführung von Energie von einer Gleichstrom(DC)-Energieversorgung zu Motorsteuerungen reduziert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Systeme, die in Fabriken oder anderen Einrichtungen verwendet werden (z. B. Systeme mit Robotern und ihren Steuerungen), können mehrere Elektromotoren enthalten, die durch Pulsweitenmodulation (PWM) unter Verwendung mehrerer an entfernten Positionen installierter Servotreiber angesteuert werden. Ein solches System soll das Abstrahlungsrauschen von langen Kabeln, die Elektromotoren und Servotreiber verbinden, reduzieren und kann daher die Schaltgeschwindigkeit nicht erhöhen, und es werden auch viele Kabel zur Verbindung der Elektromotoren und der Servotreiber verwendet.
Ein System, das diese Probleme löst, kann in der Nähe der jeweiligen Elektromotoren Einrichtungen mit der gleichen Struktur wie die Servotreiber, jedoch jeweils ohne Umrichter bzw. Wandler (im Folgenden als Motorsteuerungen oder Motorcontroller bezeichnet), und eine einzige DC-Energieversorgung zur Zuführung von Energie an diese Motorsteuerungen mit einem DC-Bus (Gleichstrombus) umfassen. Das System mit dieser Struktur kann jedoch Spannungsschwankungen (Oszillationen) auf dem Gleichstrombus aufweisen, die auf Interferenzen zwischen einer an den Gleichstrombus angeschlossenen LC-Schaltung und den Motorsteuerungen zurückzuführen sind (siehe z. B. Nicht-Patentliteratur 1).
LITERATURVERZEICHNIS
NICHT-PATENT-LITERATUR
Nicht-Patent-Literatur 1: Masashi Yokoo; Keiichiro Kondo, A Method to Design a Damping Control System for a Field Oriented Controlled Induction Motor Traction System for DC Electric Railway Vehicles. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering D, 2015, Vol. 135, No.6, 622-631
ZUSAMMENFASSUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Verschiedene Faktoren können solche Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad (oder dem oben angegebenen Gleichstrombus) von der Gleichstrom-Energieversorgung zu den Motorreglern verursachen. Beispielsweise kann jede Resonanz auf dem Energiezuführungspfad, die aus dem Betrieb eines Motors resultiert, der einen von der entsprechenden Motorsteuerung gesteuerten Ansteuerstrom erhält, Spannungsschwankungen verursachen. Als Reaktion auf dieses Problem sind ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren zur Verringerung von Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad für die Energiezufuhr zu Motorsteuerungen gerichtet.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Verarbeitungseinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zum Verringern von Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad zum Zuführen von Energie von einer Gleichstrom-Energieversorgung zu mindestens einer Motorsteuerung (auch als Motorcontroller bezeichnet). Die Einrichtung umfasst eine Filterschaltung und einen Controller (auch als Steuerung bezeichnet). Die Filterschaltung umfasst eine Vielzahl von vorbestimmten Einheiten, die jeweils ein Schaltungselement und einen Halbleiterschalter enthalten. Das Schaltungselement enthält mindestens ein vorbestimmtes passives Element. Der Halbleiterschalter steuert einen Strom, der dem Schaltungselement zugeführt werden soll. Die Filterschaltung ist mit dem Energiezuführungspfad verbunden. Der Controller steuert das Schalten des Halbleiterschalters, der in jeder der mehreren vorbestimmten Einheiten in der Filterschaltung enthalten ist, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu reduzieren.
In der obigen Verarbeitungseinrichtung kann die Filterschaltung eine Resonanzcharakteristik über der Filterschaltung durch Schalten des Halbleiterschalters einstellen, der in jeder der Vielzahl von vorbestimmten Einheiten enthalten ist. Der Controller kann das Schalten des Halbleiterschalters auf der Grundlage einer Drehzahl eines Motors, der einen von dem mindestens einen Motorcontroller zugeführten Antriebs- bzw. Ansteuerstrom empfängt, oder einer Pulsweitenmodulationsfrequenz des mindestens einen Motorcontrollers steuern, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu reduzieren.
Zu den Faktoren für solche Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad für die Energiezufuhr zu den Motorsteuerungen gehören die Drehzahl eines beliebigen Motors in Verbindung mit der Frequenz eines von der entsprechenden Motorsteuerung erzeugten Ansteuerstroms und die PWM-Frequenz in einer beliebigen Motorsteuerung. Schwankungen der Drehzahl eines beliebigen Motors oder der Frequenz eines Ansteuerstroms, die von der PWM-Frequenz in einer beliebigen Motorsteuerung beeinflusst werden, das näher an der Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad liegt, können eine elektrische Resonanz verursachen, die zu Spannungsschwankungen führen kann. Als Reaktion darauf enthält die Verarbeitungseinrichtung die Filterschaltung, die mit dem Energiezuführungspfad verbunden ist. Der Controller steuert das Schalten des Halbleiterschalters, der in jeder der vorgegebenen Einheiten im Filterkreis enthalten ist.
Jede vorbestimmte Einheit umfasst das Schaltungselement und den Halbleiterschalter. Der Halbleiterschalter wird geschaltet, um den Strom zu steuern, der dem Schaltungselement zugeführt werden soll. Beispiele für das Schaltungselement sind passive Elemente wie Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände. Das Schaltungselement kann ein Kondensator, eine Induktivität, ein Widerstand oder eine Kombination dieser Elemente sein. Die Halbleiterschalter werden so geschaltet, dass die Filterschaltung, die solche vorgegebenen Einheiten enthält, die Resonanzcharakteristik der Filterschaltung einstellen kann. Beispiele für die Resonanzcharakteristik sind die Resonanzfrequenz und der Gütefaktor (O). Der Controller steuert das Schalten jedes Halbleiterschalters wie oben beschrieben, um z. B. die Resonanzfrequenz der Filterschaltung auf eine Frequenz einzustellen, die eine ausreichend große Differenz zur Frequenz des mit der Motordrehzahl verbundenen Ansteuerstroms und der PWM-Frequenz in der entsprechenden Motorsteuerung aufweist. Diese Struktur reduziert somit Gleichspannungsschwankungen bzw. Stromschwankungen auf dem Energiezuführungspfad.
In der obigen Verarbeitungseinrichtung kann der Controller das Schalten des Halbleiterschalters in jeder der mehreren vorbestimmten Einheiten steuern, um zu bewirken, dass eine Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad, der mit der Filterschaltung verbunden ist, außerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs liegt, dessen Mittenfrequenz eine Frequenz des Ansteuerstroms ist, die auf der Drehzahl des Motors oder der Pulsweitenmodulationsfrequenz in der mindestens einen Motorsteuerung basiert. Diese Struktur reduziert Gleichspannungsschwankungen oder Gleichstromschwankungen auf dem Energiezuführungspfad effektiver.
In einem anderen Beispiel kann die Steuerung in der obigen Verarbeitungseinrichtung Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad erkennen und das Schalten des Halbleiterschalters auf der Grundlage eines Erkennungsergebnisses steuern, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu verringern und eine Impedanz auf dem Energiezuführungspfad einzustellen, der mit der Filterschaltung verbunden ist. Spannungsschwankungen können auf dem Energiezuführungspfad auftreten, wenn die Impedanz in einem Teil, der von einer Motorsteuerung einschließlich des Motors gesteuert wird (z. B. ein Teil, der eine Wechselrichterschaltung und den Motor enthält), kleiner ist als auf dem Energiezuführungspfad. Die Schaltsteuerung wird daher über die Halbleiterschalter durchgeführt, um die Spitzenimpedanz auf dem Energiezuführungspfad zu senken und so die Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad zu verringern.
In der oben beschriebenen Verarbeitungseinrichtung können die vorbestimmten Einheiten in der Filterschaltung andere Strukturen als die hier beschriebenen aufweisen. Zum Beispiel kann jede der Vielzahl von vorbestimmten Einheiten zwischen einer positiven Leitung und einer negativen Leitung angeordnet sein, die in dem Energiezuführungspfad enthalten sind. Zum Beispiel kann jede der vorbestimmten Einheiten parallel oder in Reihe zwischen der positiven und der negativen Leitung angeordnet sein. In einem anderen Beispiel kann jede der mehreren vorbestimmten Einheiten mit einer positiven oder negativen Leitung im Energiezuführungspfad verbunden sein. Zum Beispiel kann jede der vorbestimmten Einheiten parallel oder in Reihe zu der positiven Leitung oder der negativen Leitung bzw. Draht angeordnet sein. Jede der vorbestimmten Einheiten, die in der Filterschaltung enthalten sind, kann Schaltungselemente desselben Typs und einen Halbleiterschalter enthalten, oder kann Schaltungselemente von zwei oder mehr Typen und einen Halbleiterschalter enthalten.
In der obigen Verarbeitungseinrichtung kann die mindestens eine Motorsteuerung eine Vielzahl von Motorsteuerungen umfassen, die mit dem Energiezuführungspfad verbunden sind, und Energie von der Gleichstrom-Energieversorgung kann an die Vielzahl von Motorsteuerungen verteilt werden. Mit anderen Worten, die Verarbeitungseinrichtung gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung kann für eine beliebige Struktur zum Zuführen von DC Energie an mehrere Motorsteuerungen mit einem Energiezuführungspfad verwendet werden, und die Steuerung des Schaltens jedes Halbleiterschalters reduziert Gleichspannungsschwankungen oder Stromschwankungen auf dem Energiezuführungspfad.
Die obige Verarbeitungseinrichtung kann die Strukturen gemäß einem oder mehreren Aspekten aufweisen. Die Verarbeitungseinrichtung gemäß einem ersten Aspekt kann einen Verbinder enthalten, der ein Paar von Eingangsanschlüssen und ein Paar von Ausgangsanschlüssen enthält, die elektrisch mit dem Paar von Eingangsanschlüssen verbunden sind, und das Paar von Eingangsanschlüssen und das Paar von Ausgangsanschlüssen können mit einer positiven Leitung und einer negativen Leitung verbunden sein, die in dem Energiezuführungspfad enthalten sind. Die Verarbeitungseinrichtung gemäß einem zweiten Aspekt kann in die Gleichstrom-Energieversorgung eingesetzt werden, um zu bewirken, dass der Energiezuführungspfad ein Ausgangssignal von der Filterschaltung erhält. In der Verarbeitungseinrichtung gemäß einem dritten Aspekt kann die mindestens eine Motorsteuerung einen Wechselrichter umfassen, der den zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, um einen Servomotor anzutreiben bzw. anzusteuern. Die Verarbeitungseinrichtung gemäß dem dritten Aspekt kann in der mindestens einen Motorsteuerung angeordnet sein, um den Wechselrichter zu veranlassen, ein Ausgangssignal von der Filterschaltung zu empfangen. Die Verarbeitungseinrichtung gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung kann andere Strukturen als die Strukturen gemäß den drei oben beschriebenen Aspekten aufweisen.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN
Die Technik reduziert Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad für die Stromzufuhr zu den Motorsteuerungen.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Servo-DC(Gleichstrom)-Energieversorgungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein schematisches Diagramm eines Motorcontrollers, der in das Servo-DC-Energieversorgungssystem integriert ist.
3 ist ein erstes schematisches Diagramm einer ^^, die in dem Servo-DC-Energieversorgungssystem enthalten ist.
4 ist ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens zur Verringerung von Spannungsschwankungen, das von einer in der DC-Energieversorgung enthaltenen Verarbeitungseinrichtung durchgeführt wird.
5 ist ein zweites schematisches Diagramm einer DC-Energieversorgung, die in dem Servo-DC-Energieversorgungssystem enthalten ist.
6 ist ein Diagramm einer Ersatzschaltung für das Servo-DC-Energieversorgungssystem.
7 ist ein Diagramm, das einen instabilen Bereich für das in 6 dargestellte Ersatzschaltbild zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die Funktionen einer Filterschaltung beschreibt.
9 ist ein erstes schematisches Diagramm eines weiteren Motorcontrollers, der in das Servo-DC-Energieversorgungssystem integriert ist.
10 ist ein zweites schematisches Diagramm eines weiteren Motorcontrollers, der in das Servo-DC-Energieversorgungssystem integriert ist.
11 ist eine erste schematische Darstellung eines Servo-DC-Energieversorgungssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine zweite schematische Darstellung eines Servo-DC-Energieversorgungssystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Servo-Gleichstrom(DC)-Energieversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein schematisches Diagramm eines Motorcontrollers 10, der in dem Servo-DC-Energieversorgungssystem enthalten ist.
Erste Ausführungsform
Wie in 1 gezeigt, umfasst das Servo-DC-Energieversorgungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine DC-Energieversorgung 30 (auch als Gleichstrom-Energieversorgung bezeichnet), mehrere Motorsteuerungen 10 (auch als Motorcontroller bezeichnet), und einen Energiezuführungspfad 35, der die DC-Energieversorgung 30 und die Motorsteuerungen 10 verbindet. Die DC-Energieversorgung 30 gibt eine vorgegebene Gleichspannung aus. Die DC-Energieversorgung 30 umfasst eine interne Energieversorgungseinheit 31 (siehe 6, die später beschrieben wird). Die Energieversorgungseinheit 31 gibt eine vorgegebene DC(Gleich-)spannung aus. Die Energieversorgungseinheit 31 kann dreiphasigen Wechselstrom (AC) von einer dreiphasigen AC-Energieversorgung 50 in eine Gleichspannung (DC-Spannung) umwandeln oder einphasigen AC in eine Gleichspannung umwandeln. Die Energieversorgungseinheit 31 kann ein Gleichrichter mit einer Diode (z. B. ein Vollwellengleichrichter) oder ein Wechselstrom-Gleichstrom(AC-DC)-Wandler mit einem Schaltelement (z. B. einem Energiewiederherstellungs-Wandler) sein. Bei der Energieversorgungseinheit 31 kann es sich um eine wiederaufladbare Batterie handeln. Jede Motorsteuerung 10 steuert einen Servomotor 40 (im Folgenden einfach Motor 40) in Übereinstimmung mit Befehlen (z. B. Positions- oder Geschwindigkeitsbefehlen) von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einem anderen Host-Gerät. Wie in 2 dargestellt, umfasst jede Motorsteuerung 10 einen Umrichter 11 und eine Steuereinheit 12.
Der Wechselrichter 11 wandelt eine Gleichspannung, die von der DC-Energieversorgung 30 über den Energiezuführungspfad 35 zugeführt wird, in dreiphasigen Wechselstrom um. Der Wechselrichter 11 umfasst einen Zweig für eine U-Phase, einen Zweig für eine V-Phase und einen Zweig für eine W-Phase, die parallel zwischen einer positiven Energieleitung und einer negativen Energieleitung angeschlossen sind. Die Motorsteuerung 10 umfasst einen Stromsensor 28 zur Messung eines Ausgangsstroms von jedem Zweig des Wechselrichters 11.
Die Steuereinheit 12 steuert den Wechselrichter 11 mit Pulsweitenmodulation (PWM) in Übereinstimmung mit Befehlen vom Host-Gerät (z. B. der SPS). Die Steuereinheit 12 umfasst einen Prozessor (z. B. einen Mikrocontroller oder eine Zentraleinheit (CPU)) und seine peripheren Schaltungen. Die Steuereinheit 12 empfängt Signale von den Stromsensoren 28, Signale von einem am Motor 40 angebrachten Encoder 41 (einem Absolut- oder Inkremental-Encoder).
Wie in 1 dargestellt, umfasst der Energiezuführungspfad 35 mehrere Energiekabel zur Verteilung und Zuführung von Energie (Strom) von der DC-Energieversorgung 30 zu den Motorcontrollern 10, die zum Servo-DC-Energieversorgungssystem gehören. Der Energiezuführungspfad 35 umfasst typischerweise Glättungskondensatoren 18 an seinen Anschlüssen zu den jeweiligen Motorsteuerungen 10 (zwischen den Energieversorgungsanschlüssen jeder Motorsteuerung 10).
3 ist ein schematisches Diagramm der Motorsteuerung 10, die in dem Servo-DC-Energieversorgungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform enthalten ist. Wie dargestellt, umfasst die Motorsteuerung 10 den Wechselrichter 11 und eine Filterschaltung 32. Die Filterschaltung 32 befindet sich an einer Verbindung zum Energiezuführungspfad 35 in der Motorsteuerung 10. Die Filterschaltung 32 empfängt Gleichstrom über den Energiezuführungspfad 35 und gibt den Gleichstrom an den Wechselrichter 11 ab.
Die Filterschaltung 32 stabilisiert den DC auf dem Energiezuführungspfad 35. Wie dargestellt, umfasst die Filterschaltung 32 eine Steuerschaltung 21 und mehrere Stabilisatoren 81 zwischen den positiven und negativen Stromleitungen (drei Stabilisatoren 81 in dem in 3 dargestellten Beispiel). Jeder der Stabilisatoren 81 umfasst eine Reihenschaltung aus einem Kondensator 23 und einem Transistor 24, der als Halbleiterschalter arbeitet, sowie eine Ansteuerung 22 für den Transistor 24. Die Ansteuerung 22 steuert den Transistor 24, der als Halbleiterschalter dienst, durch Anlegen einer Spannung an das Gate des Transistors 24 in Reaktion auf ein Steuersignal von der Steuerschaltung 21.
Die Steuerschaltung 21 empfängt Eingangsinformationen über die Drehzahl des Motors 40, die in einem Befehl enthalten sind, der der Steuereinheit 12, die in der Motorsteuerung 10 enthalten ist, von dem Host-Gerät bereitgestellt wird. Basierend auf den Informationen über die Drehzahl legt die Steuerschaltung 21 eine Spannung an die jeweiligen Ansteuerungen 22 für die mehreren Stabilisatoren 81 an, um das Schalten der entsprechenden Transistoren 24 zu steuern.
Auf dem Energiezuführungspfad 35 ist L1 die Induktivität auf dem Energiezuführungspfad 35 und C1 ist die Summe der Kapazität auf dem Energiezuführungspfad 35 und der Kapazität des Glättungskondensators 18, und C2 ist die Kapazität des Kondensators 23 als passives Element, das in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 enthalten ist. Wenn der Transistor 24, der in einem Stabilisator 81 allein enthalten ist, von der Steuerschaltung 21 eingeschaltet wird (Fall 1), wenn die Transistoren 24 in zwei Stabilisatoren 81 von der Steuerschaltung 21 eingeschaltet werden (Fall 2) und wenn die Transistoren 24 in allen Stabilisatoren 81 von der Steuerschaltung 21 eingeschaltet werden (Fall 3), weist der Energiezuführungspfad 35 die nachstehend angegebenen Resonanzfrequenzen auf.
Fall 1 $ƒ 1 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 1 \cdot (C 1 + C 2)}}$

Fall 2 $ƒ 2 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 1 \cdot (C 1 + 2 \cdot C 2)}}$

Fall 3 $ƒ 3 = \frac{1}{2 π \sqrt{L 1 \cdot (C 1 + 3 \cdot C 2)}}$
In diesem Zustand ist f3 < f2 < f1.
Die Steuerschaltung 21 steuert das Schalten der Transistoren 24 auf diese Weise, um die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 zu steuern. Die Schaltsteuerung der Transistoren 24, die von der Steuerschaltung 21 in jeder Motorsteuerung 10 durchgeführt wird, wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Der in 4 dargestellte Prozess wird von der Steuerschaltung 21 durchgeführt, indem sie wiederholt ein vorbestimmtes Steuerprogramm in vorbestimmten Intervallen ausführt. In S101 werden Geschwindigkeitsinformationen (Informationen über die Rotationsgeschwindigkeit) für den Motor 40 erhalten, der jeder Motorsteuerung 10 in dem in 1 dargestellten Servo-DC-Energieversorgungssystem entspricht.
In S102 wird bestimmt, ob die Resonanzfrequenz der Filterschaltung 32 angepasst werden soll. Genauer gesagt, wenn die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35, die von dem Schaltzustand (entweder ein oder aus) des Transistors 24, der in jedem Stabilisator 81 enthalten ist, abgeleitet wird, zu diesem Zeitpunkt in einen vorbestimmten Frequenzbereich fällt, dessen Mittenfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms des Motors 40 ist, wird bestimmt, dass die Resonanzfrequenz der Filterschaltung 32 eingestellt werden soll. Die Verarbeitung schreitet zu S103 in Reaktion auf ein positives Bestimmungsergebnis, das in S102 erhalten wurde, und schreitet zu S104 in Reaktion auf ein negatives Bestimmungsergebnis, das in S102 erhalten wurde. In S103 wird der Schaltzustand des Transistors 24, der in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 enthalten ist, geändert, um die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 außerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs zu haben, wobei die Mittenfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms des Motors 40 ist. In S104 wird der Schaltzustand des Transistors 24, der in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 enthalten ist, aufgrund einer geringeren Wahrscheinlichkeit, dass die Resonanz Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 verursacht, beibehalten.
In Übereinstimmung mit der in 4 gezeigten Steuerung, wie oben beschrieben, steuert die Steuerschaltung 21 das Schalten der Transistoren 24, um zu ermöglichen, dass die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 außerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs liegt, wobei die Mittelfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms ist, der auf der Drehgeschwindigkeit jedes Motors 40 basiert. Diese Struktur vermeidet effektiv Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35, die durch die Resonanz der DC-Spannung verursacht werden, die aus der Motoransteuerung resultiert.
Die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 kann innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs fallen, wobei die Mittenfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms des Motors 40 ist, obwohl der Schaltzustand des Transistors 24 in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 eingestellt ist. In diesem Fall kann der Schaltzustand des Transistors 24 einfach so eingestellt werden, dass die Differenz zwischen der Frequenz des Ansteuerstroms des Motors 40 und der Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 maximiert wird.
Bei der in 4 gezeigten Steuerung empfängt die Steuerschaltung 21 Informationen über die Drehzahl des Motors 40 und steuert das Schalten der Transistoren 24 auf der Grundlage der Informationen über die Drehzahl. In einigen Ausführungsformen kann die Steuerschaltung 21 auch Informationen über die PWM-Frequenz des Wechselrichters 11 erhalten. Die Steuerschaltung 21 steuert dann das Schalten der Transistoren 24 auf der Grundlage der Informationen über die PWM-Frequenz, um die durch den Schaltvorgang im Wechselrichter 11 verursachten Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 zu verringern.
Modifikationen
Eine Filterschaltung, die in einer DC-Energieversorgung 30 gemäß einer Modifikation enthalten sein soll, wird nun unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Eine Filterschaltung 32A in der Modifikation wird entweder auf einer positiven oder einer negativen Stromleitung platziert. In 5 ist die Filterschaltung 32A an der positiven Stromleitung der Energieversorgungseinheit 31 angeordnet. Die Filterschaltung 32A umfasst eine Steuerschaltung 21 und mehrere Stabilisatoren 82 (zwei Stabilisatoren 82 in dem in 5 dargestellten Beispiel). Jeder der Stabilisatoren 82 enthält eine Induktivität 25 als passives Element und einen Parallel-Verbinden für einen Transistor 24, der als Halbleiterschalter dient, sowie eine Ansteuerung 22 für den Transistor 24. In der Filterschaltung 32A sind die Stabilisatoren 82 parallel zueinander geschaltet. Die Steuerschaltung 21 und die Ansteuerung 22 sind im Wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden Komponenten in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform und werden hier nicht näher beschrieben.
Die Steuerschaltung 21 erhält auch bei der vorliegenden Modifikation Informationen über die Drehzahl des Motors 40. Basierend auf den Informationen über die Drehzahl legt die Steuerschaltung 21 eine Spannung an die jeweiligen Ansteuerungen 22 für die mehreren Stabilisatoren 82 an, um das Schalten der entsprechenden Transistoren 24 zu steuern. Mit dieser Struktur kann auch die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 gesteuert werden.
Jeder Stabilisator 82 kann als passives Elemente, zusätzlich zu dem oben beschriebenen Kondensator und der Induktivität, einen Widerstand enthalten. Jeder Stabilisator 82 kann je nach Bedarf passive Elemente aus einem Kondensator, einer Induktivität und einem Widerstand kombinieren.
Zweite Ausführungsform
In der obigen Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 durch die Schaltsteuerung über die Transistoren 24 gesteuert, um Spannungsschwankungen zu reduzieren. In der vorliegenden Ausführungsform werden DC-Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 erfasst. Basierend auf den Erfassungsergebnissen kann die Schaltsteuerung über die Transistoren 24 durchgeführt werden, um die Impedanz auf dem Energiezuführungspfad 35 einschließlich der Filterschaltung 32 oder 32A anzupassen d.h. einzustellen. Dadurch werden Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 reduziert.
Genauer gesagt kann das Servo-DC-Energieversorgungssystem gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung (ein bekanntes Servo-DC-Energieversorgungssystem) als Ersatzschaltung ausgedrückt werden, die in 6 dargestellt ist, in der Zm die Impedanz am Motor ist (der Teil, der die mehreren Motorsteuerungen 10 und die mehreren Motoren 40 in 1 enthält). In 6 ist L1 die Induktivität im Energiezuführungspfad 35, rL ist der Serienwiderstand für die Induktivität L1, C1 ist die Summe der Kapazität im Energiezuführungspfad 35 und der Kapazität des Glättungskondensators 18, und rC ist der Serienwiderstand für die Kapazität C1.
Der Spitzenwert Z_o-peak der Ausgangsimpedanz an der Energieversorgung in der Ersatzschaltung (6) wird nach der folgenden Formel berechnet. $Z_{o_p e a k} = \frac{L_{1}}{C_{1} (r_{L} + r_{C})}$
Wie aus dem Diagramm in 7 hervorgeht, ist die Spannung auf dem Energiezuführungspfad 35 in einem Bereich mit einem Spitzenwert Z_o-peak > Zm instabil. Eine Verringerung des Spitzenwerts Z_o-peak kann daher die Wahrscheinlichkeit instabiler Spannungen (Spannungsschwankungen) auf dem Energiezuführungspfad 35 verringern.
Die Stabilisatoren 81, die jeweils den Transistor 24 in der Filterschaltung 32 enthalten, und die Stabilisatoren 82, die jeweils den Transistor 24 in der Filterschaltung 32A enthalten, können durch Schaltsteuerung über die jeweiligen Transistoren 24 die Impedanz auf dem Energiezuführungspfad 35 ändern, an den die Filterschaltung 32 oder 32A angeschlossen ist. Die Steuerschaltung 21 erkennt dann Spannungs- oder Stromschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 und führt eine Schaltsteuerung über die Transistoren 24 durch, um basierend auf den Erfassungsergebnissen zu bewirken, dass der Spitzenwert Z_o-peak unter dem Wert Zm liegt, wie in 8 dargestellt. Dadurch werden instabile Spannungen (Spannungsschwankungen) auf dem Energiezuführungspfad 35 reduziert.
Dritte Ausführungsform
Obwohl die Filterschaltung 32 oder 32A in der ersten Ausführungsform in der Motorsteuerung 10 enthalten ist, ist die Filterschaltung 32 oder 32A in der vorliegenden Ausführungsform in der DC-Energieversorgung 30 enthalten, wie in den 9 und 10 gezeigt. Die Filterschaltungen 32 und 32A haben die in der ersten Ausführungsform beschriebenen Strukturen. In 9 ist die Filterschaltung 32 in der DC-Energieversorgung 30 enthalten. Die Filterschaltung 32 ist an einer Verbindung mit dem Energiezuführungspfad 35 angeordnet. Die Filterschaltung 32 empfängt DC Energie von der Energieversorgungseinheit 31 und gibt die DC Energie an den Energiezuführungspfad 35 ab. In 10 ist die Filterschaltung 32A an einer positiven Energieleitung 33p in der DC-Energieversorgung 30 angeordnet. Die Filterschaltung 32A ist an einer Verbindung mit der positiven Energieleitung 33p des Energiezuführungspfads 35 angeordnet. Die Filterschaltung 32A empfängt DC Energie von der Energieversorgungseinheit 31 und gibt die DC Energie an den Energiezuführungspfad 35 ab. Die Filterschaltung 32A kann an einer negativen Energieleitung 33m in der DC-Energieversorgung 30 angeordnet sein.
Die Schaltsteuerung über die Transistoren 24, die von der Steuerschaltung 21 in einer dritten Ausführungsform durchgeführt wird, wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. In S101 werden Geschwindigkeitsinformationen (Informationen über die Drehgeschwindigkeit) für alle Motoren 40, die in dem in 1 dargestellten Servo-DC-Energieversorgungssystem angetrieben d. h. angesteuert werden, ermittelt. Genauer gesagt werden die Geschwindigkeitsinformationen für jeden der drei Motoren 40 von der Motorsteuerung 10, die dem Motor 40 entspricht, an die Steuerschaltung 21 übermittelt.
In S102 wird bestimmt, ob die Resonanzfrequenz der Filterschaltung 32 angepasst werden soll. Die Verarbeitung schreitet zu S103 in Reaktion auf ein positives Bestimmungsergebnis, das in S102 erhalten wird, und schreitet zu S104 in Reaktion auf ein negatives Bestimmungsergebnis, das in S102 erhalten wird. In S103 wird der Schaltzustand des Transistors 24, der in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 enthalten ist, so geändert, dass die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 außerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs liegt, wobei die Mittenfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms jedes der drei Motoren 40 ist. In S104 wird der Schaltzustand des Transistors 24, der in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 enthalten ist, aufgrund einer geringeren Wahrscheinlichkeit, dass die Resonanz Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 verursacht, beibehalten.
Wie oben beschrieben, steuert die Steuerschaltung 21 das Schalten der Transistoren 24, um zu ermöglichen, dass die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 außerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs liegt, wobei die Mittenfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms ist, der auf der Drehzahl der Motoren 40 basiert. Durch diese Struktur werden Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35, die durch die Resonanz der DC-Spannung infolge des Motorbetriebs verursacht werden, wirksam vermieden. Die Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 kann in den vorbestimmten Frequenzbereich fallen, wobei die Mittenfrequenz die Frequenz des Ansteuerstroms jedes der drei Motoren 40 ist, obwohl der Schaltzustand des Transistors 24, der in jedem Stabilisator 81 in der Filterschaltung 32 enthalten ist, eingestellt wird. In diesem Fall kann der Schaltzustand jedes Transistors 24 so eingestellt werden, dass die Differenz zwischen der Frequenz des Ansteuerstroms jedes der drei Motoren 40 und der Resonanzfrequenz auf dem Energiezuführungspfad 35 maximiert wird. Wenn einer der drei Motoren 40 die Schwankungen der DC-Spannung auf dem Energiezuführungspfad 35 stark beeinflusst (z. B. wenn ein Motor 40 einen höheren Ansteuerstrom als die anderen Motoren 40 aufweist), kann die in 4 gezeigte Steuerung einfach auf der Grundlage der Drehzahlinformationen über den Motor 40, der die Schwankungen stark beeinflusst, durchgeführt werden.
Auch in der vorliegenden Ausführungsform kann die Information, die in die Steuerschaltung 21 eingegeben wird, eine Information über die PWM-Frequenz des Wechselrichters 11 sein, anstelle der Information über die Drehzahl des Motors 40. Die Steuerschaltung 21 steuert dann das Schalten der Transistoren 24 auf der Grundlage der Informationen über die PWM-Frequenz, um die durch den Schaltvorgang im Wechselrichter 11 verursachten Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35 zu verringern.
Vierte Ausführungsform
Obwohl die Filterschaltung 32 oder 32A in der ersten Ausführungsform in der DC-Energieversorgung 30 enthalten ist, ist die Filterschaltung 32 oder 32A in der vorliegenden Ausführungsform in einem Verbinder 20 auf dem Energiezuführungspfad 35 enthalten, wie in 11 und 12 gezeigt. Die Filterschaltungen 32 und 32A haben die in der ersten Ausführungsform beschriebenen Strukturen.
In 11 ist die Filterschaltung 32 im Verbinder 20 enthalten, der sich auf dem Energiezuführungspfad 35 befindet. Der Verbinder 20 umfasst ein Paar von Eingangsanschlüssen 21p und 21m zum Anschluss des stromaufwärts gelegenen Energiekabels (neben der DC-Energieversorgung 30). Der Eingangsanschluss 21p ist ein positiver Eingangsanschluss. Der Eingangsanschluss 21m ist ein negativer Eingangsanschluss. Der Verbinder 20 umfasst ferner ein Paar von Ausgangsanschlüssen 22p und 22m zum Anschluss des stromabwärts gelegenen Energiekabels. Der Ausgangsanschluss 22p ist mit dem Eingangsanschluss 21p verbunden, und der Ausgangsanschluss 22m ist mit dem Eingangsanschluss 21 m durch interne Verdrahtung des Verbinders 20 verbunden. Der Verbinder 20 umfasst die interne Verdrahtung mit Verzweigungsdrähten und Anschlüssen, die mit den Verzweigungsdrähten verbunden sind, um eine Verbindung mit dem Energiezuführungspfad 35 für andere Motorsteuerungen 10 herzustellen. Der Verbinder 20 enthält die Filterschaltung 32 an einer Verbindung zum Energiezuführungspfad 35. Die Filterschaltung 32 empfängt DC Energie auf dem Energiezuführungspfad 35 und gibt die DC Energie von der DC-Energieversorgung 30 an die Motorsteuerung 10 ab.
Der Energiezuführungspfad 35 umfasst einen Verbinder 55, der sich stromabwärts vom Verbinder 20 befindet, um den Zuführungspfad weiter zu verzweigen. Als Verbinder 55 wird jedoch ein bekannter Verbinder für die Verzweigung des Zuführungspfads verwendet. Dieser Verbinder enthält nicht die Filterschaltung 32. In einigen Ausführungsformen kann der Verbinder 55 (Verbindungsstück) auch die Filterschaltung 32 enthalten.
In 12 ist die Filterschaltung 32A in den Verbinder 20 auf dem Energiezuführungspfad 35 integriert. Der Verbinder 20 hat ein Paar Eingangsanschlüsse 21p und 21m zum Anschluss des stromaufwärts gelegenen Energiekabels (neben der DC-Energieversorgung 30) und ein Paar Ausgangsanschlüsse 22p und 22m zum Anschluss des stromabwärts gelegenen Energiekabels. Der Ausgangsanschluss 22p ist mit dem Eingangsanschluss 21p verbunden, und der Ausgangsanschluss 22m ist mit dem Eingangsanschluss 21 m durch interne Verdrahtung des Verbinders 20 verbunden. Der Verbinder 20 enthält die Filterschaltung 32Aan einer Verbindung zum Energiezuführungspfad 35. Die Filterschaltung 32A empfängt DC Energie auf dem Energiezuführungspfad 35 und gibt den Gleichstrom von der DC-Energieversorgung 30 an die Motorsteuerung 10 ab. Der Zuführungspfad an jedem der Verbinder 20 und 55 in 12 kann sich auf die gleiche Weise verzweigen wie in 11 dargestellt.
Diese Struktur ermöglicht es der Steuerschaltung 21, die in der Filterschaltung 32 oder 32A enthalten ist, das Schalten der Transistoren 24 zu steuern, wodurch Spannungsschwankungen auf dem Energiezuführungspfad 35, die durch die Resonanz der DC-Spannung infolge der Motoransteuerung verursacht werden, wirksam vermieden werden.
Anhang 1
Eine Verarbeitungseinrichtung zum Reduzieren von Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad (35) zum Zuführen von Energie von einer Gleichstrom-Energieversorgung (30) zu mindestens einer Motorsteuerung (10), wobei die Einrichtung umfasst:

eine Filterschaltung (32, 32A) mit einer Vielzahl von vorbestimmten Einheiten (81, 82), die jeweils ein Schaltungselement (23, 25) und einen Halbleiterschalter (24) enthalten, wobei das Schaltungselement (23, 25) mindestens einen vorbestimmten Kondensator oder eine vorbestimmte Induktivität enthält, wobei der Halbleiterschalter (24) so konfiguriert ist, dass er einen dem Schaltungselement (23, 25) zuzuführenden Strom steuert, wobei die Filterschaltung (32, 32A) mit dem Energiezuführungspfad (35) verbunden ist; und
eine Steuerung (21), die so konfiguriert ist, dass sie das Schalten des Halbleiterschalters (24) steuert, der in jeder der mehreren vorbestimmten Einheiten (81, 82) in der Filterschaltung (32, 32A) enthalten ist, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad (35) zu reduzieren.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2021068836 [0001]

Claims

Verarbeitungseinrichtung zum Verringern von Spannungsschwankungen auf einem Energiezuführungspfad zum Zuführen von Energie von einer Gleichstrom-Energieversorgung zu mindestens einer Motorsteuerung, wobei die Einrichtung umfasst: eine Filterschaltung mit einer Vielzahl vorbestimmter Einheiten, die jeweils ein Schaltungselement und einen Halbleiterschalter enthalten, wobei das Schaltungselement mindestens ein vorbestimmtes passives Element enthält, der Halbleiterschalter so konfiguriert ist, dass er einen dem Schaltungselement zuzuführenden Strom steuert, und die Filterschaltung mit dem Energiezuführungspfad verbunden ist; und eine Steuerung, die so konfiguriert ist, dass sie das Schalten des Halbleiterschalters steuert, der in jeder der mehreren vorbestimmten Einheiten in der Filterschaltung enthalten ist, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu reduzieren.
Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Filterschaltung eine Resonanzcharakteristik über die Filterschaltung durch Schalten des Halbleiterschalters einstellt, der in jeder der mehreren vorbestimmten Einheiten enthalten ist, und die Steuerung das Schalten des Halbleiterschalters auf der Grundlage einer Drehzahl eines Motors, der einen von der mindestens einen Motorsteuerung zugeführten Ansteuerstrom empfängt, oder einer Pulsweitenmodulationsfrequenz der mindestens einen Motorsteuerung steuert, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu reduzieren.
Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuerung das Schalten des Halbleiterschalters in jeder der mehreren vorbestimmten Einheiten steuert, um zu bewirken, dass eine Resonanzfrequenz auf dem mit der Filterschaltung verbundenen Energiezuführungspfad außerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs liegt, dessen Mittenfrequenz eine Frequenz des Ansteuerstroms ist, auf der Grundlage der Drehzahl des Motors oder der Pulsweitenmodulationsfrequenz in der mindestens einen Motorsteuerung.
Verarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad erfasst und das Schalten des Halbleiterschalters auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses steuert, um Spannungsschwankungen oder Stromschwankungen des Gleichstroms auf dem Energiezuführungspfad zu verringern und eine Impedanz auf dem Energiezuführungspfad, der mit der Filterschaltung verbunden ist, einzustellen.
Verarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der Vielzahl von vorbestimmten Einheiten sich zwischen einer positiven Leitung und einer negativen Leitung befindet, die in dem Energiezuführungspfad enthalten sind.
Verarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jede der mehreren vorbestimmten Einheiten mit einer positiven Leitung oder einer negativen Leitung verbunden ist, die in dem Energiezuführungspfad enthalten sind.
Verarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Motorsteuerung eine Vielzahl von Motorsteuerungen umfasst, die mit dem Energiezuführungspfad verbunden sind, und Energie von der Gleichstrom-Energieversorgung an die Vielzahl von Motorsteuerungen verteilt wird.
Verarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verarbeitungseinrichtung einen Verbinder enthält, der ein Paar von Eingangsanschlüssen und ein Paar von Ausgangsanschlüssen enthält, die elektrisch mit dem Paar von Eingangsanschlüssen verbunden sind, und das Paar von Eingangsanschlüssen und das Paar von Ausgangsanschlüssen mit einer positiven Leitung und einer negativen Leitung verbunden sind, die in dem Energiezuführungspfad enthalten sind.
Verarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Verarbeitungseinrichtung in die Gleichstrom-Energieversorgung eingesetzt ist, damit der Energiezuführungspfad ein Ausgangssignal von der Filterschaltung empfängt.
Verarbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Motorsteuerung einen Wechselrichter umfasst, der so konfiguriert ist, dass er den zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt, um einen Servomotor anzusteuern, und die Verarbeitungseinrichtung in der mindestens einen Motorsteuerung zu platzieren ist, um den Wechselrichter zu veranlassen, ein Ausgangssignal von der Filterschaltung zu empfangen.