交流電動機驅動裝置以及控制方法

2023-11-02 06:53:47 1

專利名稱：：交流電動機驅動裝置以及控制方法
技術領域：
：本發明涉及交流電動機的控制，特別是涉及一種交流電動機的驅動裝置以及控制方法，使輸出電壓成為脈衝狀，控制脈衝的數量、脈衝的間隔、脈衝的寬度等，使用將輸出電壓等效地作為與輸出頻率對應的輸出電壓的方式(PWM(PulseWidthModulation)方式)，來控制驅動時間常數較小的電動機。
背景技術：
：作業設備的各種操作臺、產業用機器人的運行部、各種搬送裝置等較多使用的線性電動機執行元件，對於操作臺等的可動體給予直線運動，並且，具備使可動體在規定的位置停止的功能。雖然作為這些驅動機構，使用交流線性同步電動機，但其構造為在定子和轉子的一部分巻繞由銅線構成的勵磁線圈，在勵磁線圈流動勵磁電流而產生驅動力，使其進行直線運動。這裡，交流電動機的旋轉速度(線性電動機的直線運動速度)基本上與供給頻率成比例。因此，交流電動機的控制取如下方法，將商用電源暫時變換成直流，將該直流作為電源再次變換成具有任意的頻率的交流的方法。在作為將直流功率變換成交流功率的功率變換裝置，使用逆變器的交流電動機的控制中，大多使用控制輸出電壓波的寬度，或截斷輸出電壓波的半周期內來使脈衝寬度的比值變化的脈寬調製(PWM(PulseWidthModulation))方式。在這樣地控制脈衝的數量、脈衝間隔、脈衝寬度以及斷開(off)期間，通過將輸出電壓等效地作為與輸出頻率對應的輸出電壓來進行交流電動機的控制的情況下，電動機的時間常數是重要的控制參數。但是，由於現有的線性電動機執行元件的可動體具有一定以上的質量，所以交流電動機的電參數給予執行元件的影響與機械的時間常數(慣性)的影響相比非常小，到目前為止沒有成為問題。但是，伴隨著線性電動機執行元件的小型化，輕量化，伴隨著勵磁線圈的巻繞線條數僅為數條程度的超小型交流線性同步電動機被作成，1)由於若在超小型交流線性同步電動機中原封不動地使用PWM方式，則勵磁線圈的巻繞線數量較少，所以時間常數(L/R)變得非常小，其結果，針對電壓的電流響應變快，不能進行電流控制。2)雖然期望在勵磁線圈中流動的電流波形為正弦波，但高次諧波被疊加而使電動機振動或異常聲響產生等的問題變得顯著。作為在交流電動機的控制中，取勵磁線圈的電感值作為電動機控制的參數而採納的現有技術，有下述的專利文獻l。專利文獻l涉及電動機控制及其控制方法。雖然電動機的巻繞線的電感值依賴於電動機的旋轉數量和溫度等而變化，但將電感值作為固定值而進行電動機施加電壓或者進行電動機電流的算出的結果，會帶來電動機效率的降低，但在專利文獻1中，公開了根據電動機的使用環境提取電動機常數，根據提取的電動機常數生成控制信號的機構來作為防止這些情況的機構。但是，專利文獻l和本申請發明不同，沒有解決時間常數非常小的小型交流電動機的控制上的問題，另外，公開了解決了相關問題的現有技術的文獻幾乎沒有。專利文獻1:日本特開2002—369598號公報
發明內容因此，本發明的課題是提供一種即使是勵磁線圈的巻繞線數量極少的超小型交流電動機，也可以直接利用現有的PWM方式，並且不產生振動、異常聲響的交流電動機驅動裝置以及交流電動機控制方法。本發明的交流電動機驅動裝置，包括將直流電壓變換為交流電壓，並至少向交流電動機供給交流電壓的逆變器；和通過脈衝寬度調製來控制該逆變器的輸出電壓的大小和頻率的PWM裝置，其特徵在於，上述交流電動機驅動裝置具備使上述交流電動機的時間常數按照PWM的載波頻率來變化的機構。電動機的勵磁線圈的巻繞線數量非常少(數次程度)的交流電動機的時間常數(L/R)非常小，對於電壓的電流響應變快。雖然其結果，交流電動機的控制變得困難，但若按照PWM的載波頻率來調整交流電動機的時間常數，則能夠使勵磁線圈的電流波形接近於正弦波，能夠控制時間常數較小的超小型交流電動機。在上述PWM裝置和交流電動機之間設置調整電動機時間常數的時間常數調整線圈以及/或者電容器，通過按照PWM的載波頻率調整這些容量，可以成為適當的電動機時間常數，由此能夠實現超小型交流電動機的控制。另外，與上述時間常數調整線圈並聯地設置開關元件，按照在交流電動機起動時，僅PWM裝置最初輸出的脈衝的期間，不附加時間常數調整線圈的方式來使相關的開關元件接通，即、接通與時間常數調整線圈並聯連接的開關。由此，能夠減小交流電動機起動時的時間常數，可以使電流的上升較快。通過上升後斷開開關元件，能夠使電流波形平坦化，由此能夠進行理想的控制。發明的效果根據本發明，能夠提供一種即使是勵磁線圈的巻繞線數量極少的超小型交流電動機，也可以直接利用現有的PWM方式，而且不產生電動機的振動、異常聲響的交流電動機驅動裝置。圖1是表示線性電動機執行元件的一個例子的立體圖。圖2是表示從圖1所示的線性電動機執行元件取下操作臺板的狀態的立體圖。圖3是表示圖1所示的線性電動機執行元件的電動機部的詳細的立體圖。圖4是表示為了調整交流線性同步電動機的等效電路以及電動機時間常數而插入線圈、電容器時的與交流電動機驅動裝置100的接線的圖。圖5是表示基於脈衝寬度調製方式的輸出電壓脈衝、R—S線間電壓波形以及電動機時間常數較小時的勵磁線圈電流的波形的圖。圖6是表示為了調整交流線性電動機的時間常數，而在交流電動機驅動裝置100中沒有插入線圈的情況和插入後的情況的勵磁線圈的電流的波形的圖。圖7是作為時間常數調整部101，使時間常數調整線圈111和與其並聯的開關元件112連接時的交流電動機和電動機驅動裝置之間的接線圖。圖8是表示在起動時，使開關元件112為接通(ON)，成為額定電流後為斷開時的時間(橫軸)一電流(縱軸)特性和使開關元件112始終保持斷開時的特性的比較的圖。符號的說明l一基底部件，2—軌道，3—滑動操作臺(slidetable)，4一交流線性同步電動機，5_滑塊(slideblock)，6—操作臺板，40—定子磁體，41—勵磁線圈，100—交流電動機驅動裝置，101—時間常數調整部，lll一時間常數調整線圈，112—開關元件(三端雙向)具體實施方式圖1是表示應用本發明的交流電動機驅動裝置的線性電動機執行元件的實施方式的立體圖。該線性電動機執行元件由基底部件1、鋪設於該基底部件1之上的軌道2、能夠沿著該軌道2自由地反覆運動的滑動操作臺3、在基底部件1上推進該滑動操作臺3的交流線性同步電動機4、以及交流電動機驅動裝置100構成。這裡，交流電動機驅動裝置100具備載波頻率8KHz的PWM裝置。線性電動機執行元件的構成部件即基底部件1具有底板10以及立設於該底板10的兩側的一對側壁11、11並形成為槽形，在底板10上用於定位軌道2的安裝槽12沿著基底部件1的長邊方向而形成。另外，滑動操作臺3由沿著軌道2運動的滑塊5、和固定於該滑塊5的操作臺板6而被構成。圖2是表示從圖1所示的立體圖中取下操作臺板6後的狀態的立體圖。滑塊5與軌道2相互作用，構成線性導向器，沿著軌道2引導操作臺板6。交流線性同步電動機4是電感值為22pH、電阻值為2Q、時間常數為llps的同步線性電動機，由與在基底部件1的各側壁11排列為一列的多個定子磁體40、和與這些定子磁體40隔開微小的間隙對置，並且搭載於上述滑動操作臺3的一對的勵磁線圈4而被構成。在基底部件1的各側壁11上，定子磁體40按照使N極以及S極交替地朝向勵磁線圈41的方式被排列。這些定子磁體40被排列於合成樹脂制的保持板42上，通過使相關保持板42粘接於基底部件1的側壁11的內側面，可以容易地進行針對定子磁體40的基底部件1的排列。另外，定子磁體40通過射出成形保持板42來與保持板42—體化。另外，勵磁線圈41對於由鐵等強磁性體形成的芯部件，巻繞線圈而形成。雖然在該線性電動機執行元件中，存在有與排列於基底部件l的各側壁11的定子磁體40相對置的一對勵磁線圈41、41，但在圖2所示的例子中，使用1片芯板43來形成這些一對的勵磁線圈41、41。圖3是表示勵磁線圈41和操作臺板6的結合狀態的立體圖，作為截面圖描述了勵磁線圈41的構造。勵磁線圈41是在芯板43上巻繞線圈44而形成。該芯板43由與上述操作臺板6結合的中央部43a和位於該中央部43a的兩側的一對芯部43b、43b構成，在各芯部43b分別形成有用於收容線圈44的槽(slot)。即通過對於各芯部43b巻繞線圈44，構成通過芯板43被一體化的一對勵磁線圈41。各勵磁線圈41具備u相、v相以及w相的三相的線圈44，對於這些線圈44，通過通電由交流電動機驅動裝置100供給的三相交流電，對於勵磁線圈41產生沿著定子磁體40的排列方向的推力。在基底部件1的一方的側壁，固定有截面呈大致L字型的支架(bracket)13(圖2)，在該支架13的上面，沿著基底部件1的長邊方向貼設有線性刻度尺(scale)14。另外，在上述操作臺板6的下表面，按照該操作臺板6的移動，固定有讀取上述線性刻度14的編碼器15，以對應操作臺板6的移動速度的間隔輸出脈衝信號。在對於勵磁線圈41的通電、以及編碼器15的輸出信號的傳送中，使用柔性印刷布線板(FPC)，這些FPC被固定於操作臺板6的下表面，向基底部件1的側方引出，與交流電動機驅動裝置100連接。在如以上構成的線性電動機執行元件中，對於固定於操作臺板6的勵磁線圈41通電三相交流電流後，在勵磁線圈41中產生沿著定子磁體40的排列方向的推力，滑塊3沿著軌道2進退。由於上述編碼器15讀取線性刻度14，輸出對應滑動操作臺3的移動速度以及移動距離的輸出信號，所以通過一邊參照編碼器15的輸出信號，一邊控制向勵磁線圈41的通電,可以任意地控制滑動操作臺3的往復運動。圖4是表示上述的交流線性同步電動機4和與控制其的交流電動機驅動裝置100之間的連接的接線圖。在交流電動機驅動裝置100的電壓輸出端，設有用於調整交流電動機的時間常數的時間常數調整線圈111。交流電動機驅動裝置100通過PWM方式進行交流線性同步電動機4的控制。另外，也可以通過與電容器的組合來設置時間常數調整線圈111(圖4，下圖)。圖5是表示交流電動機驅動裝置100的R相、S相、T相的輸出電壓波形以及流過交流線性同步電動機4的R相一S相間的變壓波形等的圖。圖5(a)是表示使與基本頻率相等的頻率的正弦波控制信號和具有比該頻率足夠高的頻率的三角波的載波(carrier)疊加，在其交點使逆變器整流的狀況的圖。調整正弦波信號的振幅和頻率來進行輸出電壓的大小以及頻率的控制。載波頻率決定輸出電壓的截斷次數，決定輸出所包含的高次諧波的頻率。圖5(b)為通過上述方法來截斷輸出電壓時的R相、S相、T相的輸出電壓波形，各相間的電壓(圖5(b)中圖示R—S相間)儘可能按照成為正弦波(低階高次諧波的除去)的方式來進行調整。圖5(c)表示圖5(b)所示的R相一S相間電壓的一部分的輸出電壓波形和這時的勵磁線圈電流的波形。在載波頻率為8KHz，交流線性同步電動機4的時間常數為llp時，如圖5(c)的下圖所示，電流不能追蹤電壓，電流波形產生脈動。其結果，交流線性同步電動機4的勵磁線圈電流的波形不會成為整齊的正弦波，電流控制變得困難。因此，如圖4所示，在PWM的輸出端追加調整交流線性同步電動機時間常數的時間常數調整線圈Ul。這裡追加的時間常數調整線圈111優選由與載波頻率之間的關係來決定，例如，在載波頻率為8KHz(周期為125ps)的情況下，優選按照交流線性同步電動機4的時間常數比其大的方式(成為125p以上的方式)來設置時間常數調整線圈111，更優選按照成為載波頻率周期的25倍的時間常數的方式來設置時間常數調整線圈111。這樣，在交流電動機驅動裝置100的輸出端，通過以與載波頻率之間的關係追加時間常數調整線圈111，可以防止圖5(c)所示的勵磁線圈電流波形的脈動，由此能夠穩定地控制交流線性同步電動機4。另外，也可以如上那樣通過將電容器與時間常數調整線圈111組合來調整時間常數。圖6是勵磁線圈的電感值為22MH的交流線性同步電動機4的電流波形(圖6(a))，和追加lOOOiiH作為時間常數調整線圈111時的電流波形(圖6(b))。在沒有時間常數調整線圈111的情況下，電流不能追蹤電壓，成為較大的脈動(三角波圖6(a))，與此相對，通過插入時間常數調整線圈lll，可以成為沒有脈動的電流波形(圖6(b))，可以獲得大致接近於正弦波的電流波形。圖7是表示作為時間常數調整部101，連接用於調整交流線性同步電動機4的時間常數的時間常數調整線圈111和與其並聯的開關元件112的實施方式的接線圖。雖然交流線性同步電動機4的起動通過從交流電動機驅動裝置100向交流線性同步電動機4供給起動電流來進行，但期望起動電流儘可能早地到達規定的電流值。由於起動電流的上升時間由包含時間常數調整線圈111的交流線性同步電動機4的時間常數來決定，所以在起動時，通過附加時間常數調整線圈lll，如圖8所示，電流的上升延遲。但是，如圖7所示，與時間常數調整線圈111並聯地設置開關元件112(三端雙向)，到起動電流上升為止，按照起動電流流過三端雙向開關112的方式進行接通控制。由此，可以如圖8所示，加快起動電流的上升，可以明顯提高交流線性同步電動機4的控制性。雖然，本實施方式中使用了三端雙向開關來作為開關元件，但若是光電三端雙向適配器、固態繼電器(solidstaterelay)等能夠兩方向通電的元件，則沒有特別的限定。起動電流到達額定值後，斷開三端雙向開關112，按照交流線性同步電動機4的驅動電流流過時間常數調整線圈111的方式來進行控制。由此，即使是時間常數極小例如時間常數為lps以下的交流線性同步電動機，也可以穩定地進行控制。另外，圖8所示的接通，斷開時間是PWM裝置的載波的周期。另外，縱軸是由電動機參數決定的電流值(Arms)。實施例1選定角形線性電動機作為線性電動機執行元件的交流線性同步電動機。該角形線性電動機的額定推力為0.13N，最大推力為0.4N。另外電流額定值為0.27Arms，最大電流為0.8Arms。電阻為2Q，電感為22pH，該交流電動機的時間常數為llps。該交流線性同步電動機的巻繞線為0=O.llmm，巻繞線數為48次。作為該交流線性同步電動機的時間常數調整線圈111，分別在交流電動機驅動裝置100的輸出端的各相追加2000jiH的線圈，由此將時間常數調整為412ps，消除了交流電動機的振動、異常聲響的產生，並且，可以穩定地控制線性電動機執行元件。實施例2選定球形線性電動機，作為線性電動機執行元件的交流線性同步電動機。該角球形線性電動機的額定推力為0.048N，最大推力二0.145N。另外電流額定為O.lArms，最大電流為0.3Arms。電阻為13.2Q，電感為16|iH，該交流電動機的時間常數為1.21)lis。該交流電動機的巻繞線為O二0.07mm，巻繞線數=60次。作為該交流線性同步電動機的時間常數調整線圈111，分別在交流電動機驅動裝置100的輸出端的各相追加3000pH的線圈，由此將時間常數調整為324^is，消除了交流電動機的振動、異常聲響的產生，並且，可以穩定地控制線性電動機執行元件。本說明書基於2006年3月31日提出申請的特願2006—098311以及2006年4月28日提出申請的特願2006—124930。其內容全部包括在這裡。權利要求1.一種交流電動機驅動裝置，包括逆變器；和通過脈衝寬度調製來控制至少供給交流電動機的輸出電壓的PWM裝置，其特徵在於，上述交流電動機驅動裝置具備使交流電動機的時間常數按照上述PWM裝置中的載波頻率來變化的機構。2.根據權利要求1所述的交流電動機驅動裝置，其特徵在於，在上述PWM裝置的輸出端，具備上述交流電動機的時間常數調整線圈以及/或者電容器。3.根據權利要求2所述的交流電動機驅動裝置，其特徵在於，具備按照使上述交流電動機的時間常數成為上述PWM裝置的載波頻率的周期以上的方式，來調整上述時間常數調整線圈的容量以及/或者電容器的容量的機構。4.根據權利要求3所述的交流電動機驅動裝置，其特徵在於，按照上述交流電動機的時間常數成為上述載波頻率的周期的2倍到5倍的方式來調整上述時間常數調整線圈的容量以及/或者電容器的容量。5.根據權利要求4所述的交流電動機驅動裝置，其特徵在於，將開關元件與上述時間常數調整線圈並聯地連接。6.根據權利要求5所述的交流電動機驅動裝置，其特徵在於，上述開關元件是能夠兩個方向通電的元件。7.根據權利要求5或6所述的交流電動機驅動裝置，其特徵在於，具備按照在上述交流電動機起動時，至少上述PWM裝置最初輸出的脈衝期間，不附加上述時間常數調整線圈的方式來控制上述開關元件的機構。8.—種交流電動機控制方法，使交流電壓為脈衝狀，控制脈衝數量、脈衝間隔、脈衝寬度的至少任意一個，並使用用於調整對交流電動機供給的電壓的脈衝寬度調製方式，以下將該脈衝寬度調製稱為PWM，其特徵在於，按照上述PWM的載波頻率，使上述交流電動機的時間常數變化且進行上述交流電動機的控制。9.根據權利要求8所述的交流電動機控制方法，其特徵在於，在上述PWM的輸出電壓端和上述交流電動機之間，設置上述交流電動機的時間常數調整線圈以及/或者電容器，使該時間常數調整線圈的容量以及/或者電容器的容量可變，從而調整上述交流電動機的時間常數。10.根據權利要求8或9所述的交流電動機控制方法，其特徵在於，按照使上述交流電動機的時間常數成為PWM的載波頻率的周期以上的方式來調整上述時間常數調整線圈的容量以及/或者電容器的容量。11.根據權利要求10所述的交流電動機控制方法，其特徵在於，按照上述交流電動機的時間常數成為上述載波頻率的周期的2倍到5倍的方式來調整上述時間常數調整線圈的容量以及/或者電容器的容量。12.根據權利要求911中任意一項所述的交流電動機控制方法，其特徵在於，將開關元件與上述時間常數調整線圈並聯地連接，按照在上述交流電動機起動時，至少上述PWM最初輸出的脈衝的期間，不附加上述交流電動機的時間常數調整線圈的方式來控制上述開關元件。全文摘要本發明提供一種交流電動機驅動裝置以及交流電動機控制方法，即使是勵磁線圈的卷繞線數量極少的超小型交流電動機，也可以直接利用現有的PWM方式，並且不產生振動、異常聲響。在包括將直流電壓變換成交流電壓，並向交流電動機供給交流電壓的逆變器和控制該逆變器的輸出電壓的大小和頻率的PWM裝置的交流電動機驅動裝置中，上述交流電動機驅動裝置具備按照PWM裝置的載波頻率使上述交流電動機的時間常數變化的機構。在PWM裝置和交流電動機之間設置調整電動機時間常數的線圈以及/或者電容器，按照PWM的載波頻率來調整它們的容量。文檔編號H02P6/08GK101411053SQ20078001066公開日2009年4月15日申請日期2007年3月26日優先權日2006年3月31日發明者正田和男,野村祐樹,長門義文申請人:Thk株式會社