JP2014233178A - 電動機駆動用インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電動機の全速度域を通じて制御安定性と効率を両立させる。【解決手段】電動機１をＰＷＭ制御方式によって駆動する電動機駆動用インバータ装置において、キャリア周波数演算部９において、ＰＷＭ制御のためのキャリア周波数を、電動機回転速度に応じて、全速度域を通じて、相対的に高速側で高く低速側で低くなる値として演算し、この演算されたキャリア周波数をキャリア周波数切替部１０によりＰＷＭ制御を実行する実行周波数として切り替えるように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は建設機械等に設けられた電動機をＰＷＭ制御方式によって駆動する電動機駆動用インバータ装置に関するものである。
従来、電動機駆動用インバータ装置において、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御のパルス幅変調周期を決定するキャリア周波数は、一般に、電動機の最高回転速度において制御安定性を確保できる値として設定され、電動機の回転速度の変化に関係なく一定とされる(公知技術の１)。
一方、キャリア周波数を何らかの要素に応じて変化させる技術も公知である。たとえば特許文献１には、電圧指令値(出力トルク)に応じてキャリア周波数を変化させる技術(公知技術の２)が開示されている。
この公知技術の２では、キャリア周波数を、出力トルクが大きい領域で高く、小さい領域で低くすることにより、電流リップルの低減とスイッチング損失の低減を両立させることとしている。
特開２００９−２９１０１９号公報
しかし、公知技術の１について、制御安定性の観点で必要なキャリア周波数は、本来、電動機回転速度が高い速域では高くなるが、電動機回転速度の低下に連れて低くなる。すなわち、公知技術の１では、キャリア周波数が低速域で必要以上に高くなるため、電動機回転速度の低下に連れてスイッチングロスが大きくなり、インバータ効率が悪くなっていた。
一方、公知技術の２を含めてキャリア周波数を変化させる公知技術では、電動機回転速度については全く考慮されていない。このため、低速域で大トルクが必要な場合、インバータ効率が悪くなり、高速域で小トルクが必要な場合、制御安定性が悪くなるという問題が生じる。
そこで本発明は、電動機の全速度域を通じて制御安定性と効率を両立させることができる電動機駆動用インバータ装置を提供するものである。
上記課題を解決する手段として、本発明においては、キャリア周波数を演算するキャリア周波数演算部と、キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部と、駆動対象となる電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、上記キャリア周波数演算部は、上記キャリア周波数を、上記回転速度検出手段によって検出される上記電動機回転速度に応じて、全速度域を通じて、相対的に高速側で高く低速側で低くなる値として演算し、この演算されたキャリア周波数を上記キャリア周波数切替部によりＰＷＭ制御を実行する実行周波数として切り替えるように構成したものである。
このように、本発明によると、
(ｉ) 制御安定性を確保する上で必要なキャリア周波数は電動機回転速度の低下に応じて低くなること、
(ｉｉ) キャリア周波数が低いほどインバータ損失(スイッチングロス)が小さくてインバータ効率が良くなること
に着目し、キャリア周波数を、電動機回転速度に応じて、全速度域を通じて、低速側で低くなるように変化させるため、全速度域を通じて制御安定性と効率を両立させることが可能となる。
ここで、実際上の処理としては、キャリア周波数演算部において、予め、上記電動機回転速度とキャリア周波数の関係について、制御安定性とインバータ効率を両立させる観点での最適値を周波数特性として設定しておき、この周波数特性に基づき、速度(または速度域)ごとにキャリア周波数を求め、切り替えることとなる。
本発明において、上記キャリア周波数演算部は、上記電動機回転速度から求められるキャリア周波数に、上記電動機の出力トルク、及び負荷のイナーシャの少なくとも一方に応じたゲインを乗じて実際キャリア周波数を求めるように構成するのが望ましい(請求項２)。
このように、電動機が搭載された機械の動作状態(出力トルク、負荷イナーシャ)を加味して実際のキャリア周波数を決定することにより、好ましい機械動作を得ることができる。たとえば負荷イナーシャや出力トルクが大きい状況では、多少のトルク変動が生じてもショックは発生しない(制御安定性が損なわれない)ことから、インバータ効率優先でキャリア周波数を決定する。一方、負荷イナーシャや出力トルクが小さい状況では、トルク変動に対する機械動作の反応が敏感になるため、キャリア周波数を緩やかに変化させることでショックの発生を抑えることができる。
また本発明においては、上記電動機の回転角加速度を演算する回転角加速度演算部と、キャリア周波数可変可否判断部を備え、このキャリア周波数可変可否判断部は、上記回転角加速度演算部で演算された回転角加速度が設定値を超えるときに、上記キャリア周波数切替部による周波数切り替えを停止させるように構成するのが望ましい(請求項３)。
この構成によれば、電動機の速度変化が大きい場合にはキャリア周波数の切り替えを行わないことにより制御安定性を確保することができる。
さらに本発明においては、上記キャリア周波数演算部は、電動機回転速度とインバータ出力の関係において出力頻度が高い領域として予め設定された高頻度出力領域では、上記キャリア周波数の切り替えを他の領域よりも細かく行うように構成するのが望ましい(請求項４)。
この構成によれば、高頻度で使用される領域での制御安定性と効率をより高くすることができる。
一方、本発明において、上記キャリア周波数切替部は、上記電動機回転速度を複数の区間に分け、上記キャリア周波数の切り替えを、上記区間ごとに段階的に行うように構成するのが望ましい(請求項５，６)。
こうすれば、すべての電動機回転速度ごとにキャリア周波数を連続的に演算し、切り替える場合と比較して、演算量が少なくなり、制御が容易となる。
この場合、上記キャリア周波数切替部は、上記キャリア周波数の段階的な切り替えにヒステリシスを持たせるように構成するのが望ましい(請求項６)。
こうすれば、切り替え点付近でのチャタリングの発生を抑え、スムーズな制御を行うことができる。
本発明は、下部走行体上に上部旋回体が旋回自在に搭載された建設機械における上記上部旋回体の駆動源としての旋回電動機を駆動対象とするのが望ましい(請求項７)。
ショベルのような旋回式の建設機械では、旋回速度が低速〜高速の広い速度領域で頻繁に速度変化するため、旋回電動機の速度変化に応じてキャリア周波数の切り替えを行うことで大きな省エネルギー効果を得ることができる。
本発明によると、電動機の全速度域を通じて制御安定性と効率を両立させることができる。
本発明の第１実施形態にかかるインバータ装置のブロック構成図である。 同装置におけるキャリア周波数演算部の処理内容を示す制御ブロック図である。 同装置において電動機回転速度と速度ゲインの関係について予め設定された特性を示す図である。 同装置において出力トルクとキャリア周波数演算のためのゲインの関係を示す図である。 同装置において負荷イナーシャとキャリア周波数演算のためのゲインの関係を示す図である。 (ａ)は本発明の第２実施形態としてキャリア周波数を段階的に変化させるための電動機回転速度とキャリア周波数の関係を示す図、(ｂ)は同制御ブロック図である。 本発明の第３実施形態における電動機回転速度と出力トルクの関係、及び高頻度出力領域での周波数切り替え状況を示す図である。 本発明の適用対象例としての旋回電動機が搭載されたショベルの概略側面図である。
第１実施形態(図１〜図５参照)
図１は第１実施形態にかかるインバータ装置のシステム構成を示す。
なお、この明細書において「インバータ装置」は、スイッチング作用によって直流／交流の変換を行う狭義でのインバータと、このインバータにＰＷＭ制御のための制御信号を出力する制御ユニットを含めた電動機駆動制御システム全体をいう。
このインバータ装置は、駆動対象となる電動機１の回転角θを検出する回転角センサ(たとえばレゾルバ)２と、同検出器２で検出された回転角から回転速度を演算する回転速度演算部３と、３相の各相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを電動機回転角θに基づいてｄ軸実電流ｉｄ及びｑ軸実電流ｉｑに変換する３相／２相変換部４と、トルク指令及び電動機回転速度ωに基づいてｄ軸電流指令Ｉｄ及びｑ軸電流指令Ｉｑを出力する電流指令生成部５と、ｄ軸、ｑ軸両実電流ｉｄ，ｉｑ、及びｄ軸、ｑ軸両電流指令Ｉｄ，Ｉｑに基づいてｄ軸及びｑ軸電圧指令Ｖｄ，Ｖｑを算出する電圧指令生成部６と、電動機回転角θに基づいてｄ軸電圧指令Ｖｄ及びｑ軸電圧指令Ｖｑを３相の各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する２相３相変換部７と、各相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとキャリア信号の比較に基づいてＰＷＭパルス(ＰＷＭ波形＝スイッチング信号)を生成するＰＷＭ波形生成部８と、複数の要素に基づいてキャリア周波数を演算するキャリア周波数演算部９と、キャリア周波数を切り替えてＰＷＭ波形生成部８に出力するキャリア周波数切替部１０と、回転速度演算部３で得られる電動機１の回転角加速度(ｄω／ｄｔ)に基づいてキャリア周波数切り替えの可否を判断するキャリア可変可否判断部１１を具備する。
なお、回転速度演算部３は、電動機１の回転角加速度を演算する回転角加速度演算部を兼ねる。
キャリア可変可否判断部１１は、電動機１の回転角加速度、つまり速度変化が設定値以上となると、急激な速度変化があったためにキャリア周波数の切り替えを行うべきでないとして、キャリア周波数切替部１０での電動機速度に応じた周波数切替処理を停止させ、たとえばキャリア周波数を電動機１の最高回転速度において制御安定性を確保できる値に設定する。
キャリア周波数演算部９は、電動機回転速度ωと、図示しないイナーシャ検出器によって検出される負荷イナーシャと、電圧指令生成部６から出力される出力トルクに基づいてキャリア周波数を演算する。
詳述すると、キャリア周波数ｆｃを、
ｆｃ＝α×Gt×Ga×ω＋β
によって演算する。
ここで、α：定常状態でのキャリア周波数切替のためのゲイン
Gt：出力トルクに応じたゲイン(図４参照)
Ga：負荷イナーシャに応じたゲイン(図５参照)
ω：電動機回転速度
β：電動機ロック状態でのキャリア周波数
である。
図３は電動機回転速度ωと基本キャリア周波数ｆｃ´の関係を示し、基本キャリア周波数ｆｃ´が電動機最高回転速度ωｍａｘで最大となり、速度低下に比例して小さくなるようにゲインαが設定される。
いいかえれば、キャリア周波数演算部９において、予め、電動機回転速度ωと基本キャリア周波数ｆｃ´の関係について、制御安定性とインバータ効率を両立させる観点での最適値を周波数特性として設定しておき、この周波数特性に基づき、速度ごとに求められる基本キャリア周波数ｆｃ´に出力トルクと慣性イナーシャを加味して実際のキャリア周波数ｆｃを求めるように構成されている。
なお、図４に示す出力トルクゲインＧｔ、及び図５に示す負荷イナーシャゲインＧａは、それぞれ出力トルク、負荷イナーシャの増加に応じて増加するように設定されている。
キャリア周波数切替部１０は、キャリア可変可否判断部１１でキャリア周波数の切替が「可」と判断されたときに、キャリア周波数演算部９で求められたキャリア周波数ｆｃをＰＷＭ波形生成部８に出力する。
そして、このＰＷＭ波形生成部８からキャリア周波数ｆｃに応じたＰＷＭ波形(パルス)が生成されて電源／ゲート回路(狭義のインバータ)１２に出力され、この電源／ゲート回路１２からＰＷＭ波形に基づいた交流電圧が電動機１に出力される。
このインバータ装置においては、制御安定性を確保する上で必要なキャリア周波数は電動機回転速度の低下に応じて低くなること、及びキャリア周波数が低いほどインバータ損失(スイッチングロス)が小さくてインバータ効率が良くなることの２点に着目し、上記のようにキャリア周波数を、電動機回転速度に応じて、全速度域を通じて、低速側で低くなるように変化させるため、全速度域を通じて制御安定性と効率を両立させることが可能となる。
また、電動機回転速度から求められる基本キャリア周波数ｆｃ´に、電動機の出力トルク、及び負荷のイナーシャに応じたゲインＧｔ，Ｇａを乗じて実際キャリア周波数ｆｃを求めるため、いいかえれば電動機１が搭載された機械の動作状態を加味して実際のキャリア周波数ｆｃを決定するため、好ましい機械動作を得ることができる。
たとえば負荷イナーシャや出力トルクが大きい状況では、多少のトルク変動が生じてもショックは発生しない(制御安定性が損なわれない)ことから、インバータ効率優先でキャリア周波数を決定する。一方、負荷イナーシャや出力トルクが小さい状況では、トルク変動に対する機械動作の反応が敏感になるため、キャリア周波数を緩やかに変化させることでショックの発生を抑えることができる。
さらに、キャリア可変可否判断部１１において、回転角加速度(ｄω／ｄｔ)が設定値を超えるときに、キャリア周波数の切り替えを停止させるため、電動機の速度変化が大きい場合にはキャリア周波数の切り替えを行わないことにより制御安定性を確保することができる。
第２実施形態(図６参照)
第２実施形態では、電動機回転速度を複数の区間に分け、キャリア周波数切替部１０でのキャリア周波数の切り替えを、区間ごとに段階的に行うように構成している。
すなわち、キャリア周波数切替部１０において、予め、図６(ａ)に示すように電動機回転速度の複数の区間ごとにキャリア周波数ｆｃを設定し、図６(ｂ)に示す「周波数条件判定」として、電動機回転速度ωが属する速度区間ごとにキャリア周波数ｆｃを呼び出して出力する。
この場合、図６(ａ)に示すように、キャリア周波数の段階的な切り替えにヒステリシスを持たせている。
この第２実施形態の構成によれば、すべての電動機回転速度ごとにキャリア周波数を連続的に演算し、切り替える場合と比較して、演算量が少なくなり、制御が容易となる。
また、キャリア周波数の切替にヒステリシスを持たせるため、切り替え点付近でのチャタリングの発生を抑え、スムーズな制御を行うことができる。
第３実施形態(図７参照)
第３実施形態では、出力頻度が高い領域として予め設定された高頻度出力領域では、キャリア周波数の切り替えを他の領域よりも細かく行うように構成している。
図７は、ある速度区間ωｓとトルク範囲Ｔｓの領域Ａで頻繁に使用される場合に、キャリア周波数演算部９においてその領域Ａを複数の使用領域Ａ１〜Ａ６に分け、この使用領域Ａ１〜Ａ６ごとに上記キャリア周波数の切り替えを行う場合を示す。
こうすれば、高頻度で使用される領域での制御安定性と効率をより高くすることができる。
図８は本発明の適用対象例としての旋回電動機が搭載されたショベルを示す。
このショベルは、クローラ式の下部走行体１３上に上部旋回体１４が地面に対して垂直な軸Ｘのまわりに旋回自在に搭載されるとともに、この上部旋回体１４に掘削等の作業を行うためのフロントアタッチメント１５が取付けられて構成され、図示しない旋回電動機を駆動源として上部旋回体１４が旋回動作を行う。
このショベル、またはショベルを母体としてフロントアタッチメント１５を変えて構成される旋回式の建設機械では、旋回速度が低速〜高速の広い速度領域で頻繁に速度変化するため、旋回電動機の速度変化に応じてキャリア周波数の切り替えを行うことで大きな省エネルギー効果を得ることができる。
その他の実施形態
(１) 第１実施形態において、電動機回転速度から求められるキャリア周波数に、負荷イナーシャと出力トルクの双方に応じたゲインを乗じて実際キャリア周波数を求めるようにしたが、負荷イナーシャと出力トルクの一方のみに応じたゲインを乗じるようにしてもよい。
(２) 第１実施形態において、図３に示すように電動機回転速度ωに応じて基本キャリア周波数ｆｃ´を、傾きが一定の直線状に変化させる構成をとったが、傾きが大小異なる複数の直線を連続させた折れ線上で変化させるようにしてもよい。
１ 電動機
２ 回転速度検出手段を構成する回転角センサ
３ 回転速度検出手段を構成する回転速度演算部
５ 電流指令生成部
６ 電圧指令生成部
８ 波形生成部
９ キャリア周波数演算部
１０ キャリア周波数切替部
１１ キャリア可変可否判断部
１２ 電源／ゲート回路
１３ 下部走行体
１４ 上部旋回体
１５ フロントアタッチメント
Ｇａ 負荷イナーシャゲイン
Ｇｔ 出力トルクゲイン
ｆｃ´ 基本キャリア周波数
ｆｃ 実際キャリア周波数
α 電動機回転速度ゲイン
θ 電動機回転角
ω 電動機回転速度

Claims (7)

  1. キャリア周波数を演算するキャリア周波数演算部と、キャリア周波数を切り替えるキャリア周波数切替部と、駆動対象となる電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、上記キャリア周波数演算部は、上記キャリア周波数を、上記回転速度検出手段によって検出される上記電動機回転速度に応じて、全速度域を通じて、相対的に高速側で高く低速側で低くなる値として演算し、この演算されたキャリア周波数を上記キャリア周波数切替部によりＰＷＭ制御を実行する実行周波数として切り替えるように構成したことを特徴とする電動機駆動用インバータ装置。
  2. 上記キャリア周波数演算部は、上記電動機回転速度から求められるキャリア周波数に、上記電動機の出力トルク、及び負荷のイナーシャの少なくとも一方に応じたゲインを乗じて実際キャリア周波数を求めるように構成したことを特徴とする請求項１記載の電動機駆動用インバータ装置。
  3. 上記電動機の回転角加速度を演算する回転角加速度演算部と、キャリア周波数可変可否判断部を備え、このキャリア周波数可変可否判断部は、上記回転角加速度演算部で演算された回転角加速度が設定値を超えるときに、上記キャリア周波数切替部による上記電動機速度に応じた周波数切り替えを停止させるように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の電動機駆動用インバータ装置。
  4. 上記キャリア周波数演算部は、電動機回転速度とインバータ出力の関係において出力頻度が高い領域として予め設定された高頻度出力領域では、上記キャリア周波数の切り替えを他の領域よりも細かく行うように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機駆動用インバータ装置。
  5. 上記キャリア周波数切替部は、上記電動機回転速度を複数の区間に分け、上記キャリア周波数の切り替えを、上記区間ごとに段階的に行うように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機駆動用インバータ装置。
  6. 上記キャリア周波数切替部は、上記キャリア周波数の段階的な切り替えにヒステリシスを持たせるように構成したことを特徴とする請求項５記載の電動機駆動用インバータ装置。
  7. 下部走行体上に上部旋回体が旋回自在に搭載された建設機械における上記上部旋回体の駆動源としての旋回電動機を駆動対象としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動機駆動用インバータ装置。
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