專利名稱：：交流電動機驅(qū)動裝置以及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)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(qū)動裝置以及控制方法，使輸出電壓成為脈沖狀，控制脈沖的數(shù)量、脈沖的間隔、脈沖的寬度等，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(qū)動時間常數(shù)較小的電動機。
背景技術(shù)：
：作業(yè)設(shè)備的各種操作臺、產(chǎn)業(yè)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(zhí)行元件，對于操作臺等的可動體給予直線運動，并且，具備使可動體在規(guī)定的位置停止的功能。雖然作為這些驅(qū)動機構(gòu)，使用交流線性同步電動機，但其構(gòu)造為在定子和轉(zhuǎn)子的一部分巻繞由銅線構(gòu)成的勵磁線圈，在勵磁線圈流動勵磁電流而產(chǎn)生驅(qū)動力，使其進行直線運動。這里，交流電動機的旋轉(zhuǎn)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(nèi)來使脈沖寬度的比值變化的脈寬調(diào)制(PWM(PulseWidthModulation))方式。在這樣地控制脈沖的數(shù)量、脈沖間隔、脈沖寬度以及斷開(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(shù)是重要的控制參數(shù)。但是，由于現(xiàn)有的線性電動機執(zhí)行元件的可動體具有一定以上的質(zhì)量，所以交流電動機的電參數(shù)給予執(zhí)行元件的影響與機械的時間常數(shù)(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(zhí)行元件的小型化，輕量化，伴隨著勵磁線圈的巻繞線條數(shù)僅為數(shù)條程度的超小型交流線性同步電動機被作成，1)由于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(shù)量較少，所以時間常數(shù)(L/R)變得非常小，其結(jié)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(chǎn)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(shù)而采納的現(xiàn)有技術(shù)，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于電動機的旋轉(zhuǎn)數(shù)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(jié)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(jù)電動機的使用環(huán)境提取電動機常數(shù)，根據(jù)提取的電動機常數(shù)生成控制信號的機構(gòu)來作為防止這些情況的機構(gòu)。但是，專利文獻l和本申請發(fā)明不同，沒有解決時間常數(shù)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(guān)問題的現(xiàn)有技術(shù)的文獻幾乎沒有。專利文獻1:日本特開2002—369598號公報
發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的課題是提供一種即使是勵磁線圈的巻繞線數(shù)量極少的超小型交流電動機，也可以直接利用現(xiàn)有的PWM方式，并且不產(chǎn)生振動、異常聲響的交流電動機驅(qū)動裝置以及交流電動機控制方法。本發(fā)明的交流電動機驅(qū)動裝置，包括將直流電壓變換為交流電壓，并至少向交流電動機供給交流電壓的逆變器；和通過脈沖寬度調(diào)制來控制該逆變器的輸出電壓的大小和頻率的PWM裝置，其特征在于，上述交流電動機驅(qū)動裝置具備使上述交流電動機的時間常數(shù)按照PWM的載波頻率來變化的機構(gòu)。電動機的勵磁線圈的巻繞線數(shù)量非常少(數(shù)次程度)的交流電動機的時間常數(shù)(L/R)非常小，對于電壓的電流響應變快。雖然其結(jié)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(diào)整交流電動機的時間常數(shù)，則能夠使勵磁線圈的電流波形接近于正弦波，能夠控制時間常數(shù)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(shè)置調(diào)整電動機時間常數(shù)的時間常數(shù)調(diào)整線圈以及/或者電容器，通過按照PWM的載波頻率調(diào)整這些容量，可以成為適當?shù)碾妱訖C時間常數(shù)，由此能夠?qū)崿F(xiàn)超小型交流電動機的控制。另外，與上述時間常數(shù)調(diào)整線圈并聯(lián)地設(shè)置開關(guān)元件，按照在交流電動機起動時，僅PWM裝置最初輸出的脈沖的期間，不附加時間常數(shù)調(diào)整線圈的方式來使相關(guān)的開關(guān)元件接通，即、接通與時間常數(shù)調(diào)整線圈并聯(lián)連接的開關(guān)。由此，能夠減小交流電動機起動時的時間常數(shù)，可以使電流的上升較快。通過上升后斷開開關(guān)元件，能夠使電流波形平坦化，由此能夠進行理想的控制。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種即使是勵磁線圈的巻繞線數(shù)量極少的超小型交流電動機，也可以直接利用現(xiàn)有的PWM方式，而且不產(chǎn)生電動機的振動、異常聲響的交流電動機驅(qū)動裝置。圖1是表示線性電動機執(zhí)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(zhí)行元件取下操作臺板的狀態(tài)的立體圖。圖3是表示圖1所示的線性電動機執(zhí)行元件的電動機部的詳細的立體圖。圖4是表示為了調(diào)整交流線性同步電動機的等效電路以及電動機時間常數(shù)而插入線圈、電容器時的與交流電動機驅(qū)動裝置100的接線的圖。圖5是表示基于脈沖寬度調(diào)制方式的輸出電壓脈沖、R—S線間電壓波形以及電動機時間常數(shù)較小時的勵磁線圈電流的波形的圖。圖6是表示為了調(diào)整交流線性電動機的時間常數(shù)，而在交流電動機驅(qū)動裝置100中沒有插入線圈的情況和插入后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(shù)調(diào)整部101，使時間常數(shù)調(diào)整線圈111和與其并聯(lián)的開關(guān)元件112連接時的交流電動機和電動機驅(qū)動裝置之間的接線圖。圖8是表示在起動時，使開關(guān)元件112為接通(ON)，成為額定電流后為斷開時的時間(橫軸)一電流(縱軸)特性和使開關(guān)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(qū)動裝置，101—時間常數(shù)調(diào)整部，lll一時間常數(shù)調(diào)整線圈，112—開關(guān)元件(三端雙向)具體實施方式圖1是表示應用本發(fā)明的交流電動機驅(qū)動裝置的線性電動機執(zhí)行元件的實施方式的立體圖。該線性電動機執(zhí)行元件由基底部件1、鋪設(shè)于該基底部件1之上的軌道2、能夠沿著該軌道2自由地反復運動的滑動操作臺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(qū)動裝置100構(gòu)成。這里，交流電動機驅(qū)動裝置100具備載波頻率8KHz的PWM裝置。線性電動機執(zhí)行元件的構(gòu)成部件即基底部件1具有底板10以及立設(shè)于該底板10的兩側(cè)的一對側(cè)壁11、11并形成為槽形，在底板10上用于定位軌道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、和固定于該滑塊5的操作臺板6而被構(gòu)成。圖2是表示從圖1所示的立體圖中取下操作臺板6后的狀態(tài)的立體圖?；瑝K5與軌道2相互作用，構(gòu)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(shù)為llps的同步線性電動機，由與在基底部件1的各側(cè)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，并且搭載于上述滑動操作臺3的一對的勵磁線圈4而被構(gòu)成。在基底部件1的各側(cè)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被排列于合成樹脂制的保持板42上，通過使相關(guān)保持板42粘接于基底部件1的側(cè)壁11的內(nèi)側(cè)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對于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(zhí)行元件中，存在有與排列于基底部件l的各側(cè)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(jié)合狀態(tài)的立體圖，作為截面圖描述了勵磁線圈41的構(gòu)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(jié)合的中央部43a和位于該中央部43a的兩側(cè)的一對芯部43b、43b構(gòu)成，在各芯部43b分別形成有用于收容線圈44的槽(slot)。即通過對于各芯部43b巻繞線圈44，構(gòu)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，對于這些線圈44，通過通電由交流電動機驅(qū)動裝置100供給的三相交流電，對于勵磁線圈41產(chǎn)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(cè)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(shè)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沖信號。在對于勵磁線圈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被固定于操作臺板6的下表面，向基底部件1的側(cè)方引出，與交流電動機驅(qū)動裝置100連接。在如以上構(gòu)成的線性電動機執(zhí)行元件中，對于固定于操作臺板6的勵磁線圈41通電三相交流電流后，在勵磁線圈41中產(chǎn)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。由于上述編碼器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(qū)動裝置100之間的連接的接線圖。在交流電動機驅(qū)動裝置100的電壓輸出端，設(shè)有用于調(diào)整交流電動機的時間常數(shù)的時間常數(shù)調(diào)整線圈111。交流電動機驅(qū)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(shè)置時間常數(shù)調(diào)整線圈111(圖4，下圖)。圖5是表示交流電動機驅(qū)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(diào)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(shù)，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)盡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(diào)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(shù)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(chǎn)生脈動。其結(jié)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(diào)整交流線性同步電動機時間常數(shù)的時間常數(shù)調(diào)整線圈Ul。這里追加的時間常數(shù)調(diào)整線圈111優(yōu)選由與載波頻率之間的關(guān)系來決定，例如，在載波頻率為8KHz(周期為125ps)的情況下，優(yōu)選按照交流線性同步電動機4的時間常數(shù)比其大的方式(成為125p以上的方式)來設(shè)置時間常數(shù)調(diào)整線圈111，更優(yōu)選按照成為載波頻率周期的25倍的時間常數(shù)的方式來設(shè)置時間常數(shù)調(diào)整線圈111。這樣，在交流電動機驅(qū)動裝置100的輸出端，通過以與載波頻率之間的關(guān)系追加時間常數(shù)調(diào)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(wěn)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(shù)調(diào)整線圈111組合來調(diào)整時間常數(shù)。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(shù)調(diào)整線圈111時的電流波形(圖6(b))。在沒有時間常數(shù)調(diào)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(shù)調(diào)整線圈lll，可以成為沒有脈動的電流波形(圖6(b))，可以獲得大致接近于正弦波的電流波形。圖7是表示作為時間常數(shù)調(diào)整部101，連接用于調(diào)整交流線性同步電動機4的時間常數(shù)的時間常數(shù)調(diào)整線圈111和與其并聯(lián)的開關(guān)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(qū)動裝置100向交流線性同步電動機4供給起動電流來進行，但期望起動電流盡可能早地到達規(guī)定的電流值。由于起動電流的上升時間由包含時間常數(shù)調(diào)整線圈111的交流線性同步電動機4的時間常數(shù)來決定，所以在起動時，通過附加時間常數(shù)調(diào)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(shù)調(diào)整線圈111并聯(lián)地設(shè)置開關(guān)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(guān)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(guān)來作為開關(guān)元件，但若是光電三端雙向適配器、固態(tài)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后，斷開三端雙向開關(guān)112，按照交流線性同步電動機4的驅(qū)動電流流過時間常數(shù)調(diào)整線圈111的方式來進行控制。由此，即使是時間常數(shù)極小例如時間常數(shù)為lps以下的交流線性同步電動機，也可以穩(wěn)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(shù)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(zhí)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(shù)為llps。該交流線性同步電動機的巻繞線為0=O.llmm，巻繞線數(shù)為48次。作為該交流線性同步電動機的時間常數(shù)調(diào)整線圈111，分別在交流電動機驅(qū)動裝置100的輸出端的各相追加2000jiH的線圈，由此將時間常數(shù)調(diào)整為412ps，消除了交流電動機的振動、異常聲響的產(chǎn)生，并且，可以穩(wěn)定地控制線性電動機執(zhí)行元件。實施例2選定球形線性電動機，作為線性電動機執(zhí)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(shù)為1.21)lis。該交流電動機的巻繞線為O二0.07mm，巻繞線數(shù)=60次。作為該交流線性同步電動機的時間常數(shù)調(diào)整線圈111，分別在交流電動機驅(qū)動裝置100的輸出端的各相追加3000pH的線圈，由此將時間常數(shù)調(diào)整為324^is，消除了交流電動機的振動、異常聲響的產(chǎn)生，并且，可以穩(wěn)定地控制線性電動機執(zhí)行元件。本說明書基于2006年3月31日提出申請的特愿2006—098311以及2006年4月28日提出申請的特愿2006—124930。其內(nèi)容全部包括在這里。權(quán)利要求1.一種交流電動機驅(qū)動裝置，包括逆變器；和通過脈沖寬度調(diào)制來控制至少供給交流電動機的輸出電壓的PWM裝置，其特征在于，上述交流電動機驅(qū)動裝置具備使交流電動機的時間常數(shù)按照上述PWM裝置中的載波頻率來變化的機構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，在上述PWM裝置的輸出端，具備上述交流電動機的時間常數(shù)調(diào)整線圈以及/或者電容器。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，具備按照使上述交流電動機的時間常數(shù)成為上述PWM裝置的載波頻率的周期以上的方式，來調(diào)整上述時間常數(shù)調(diào)整線圈的容量以及/或者電容器的容量的機構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的交流電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，按照上述交流電動機的時間常數(shù)成為上述載波頻率的周期的2倍到5倍的方式來調(diào)整上述時間常數(shù)調(diào)整線圈的容量以及/或者電容器的容量。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的交流電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，將開關(guān)元件與上述時間常數(shù)調(diào)整線圈并聯(lián)地連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，上述開關(guān)元件是能夠兩個方向通電的元件。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的交流電動機驅(qū)動裝置，其特征在于，具備按照在上述交流電動機起動時，至少上述PWM裝置最初輸出的脈沖期間，不附加上述時間常數(shù)調(diào)整線圈的方式來控制上述開關(guān)元件的機構(gòu)。8.—種交流電動機控制方法，使交流電壓為脈沖狀，控制脈沖數(shù)量、脈沖間隔、脈沖寬度的至少任意一個，并使用用于調(diào)整對交流電動機供給的電壓的脈沖寬度調(diào)制方式，以下將該脈沖寬度調(diào)制稱為PWM，其特征在于，按照上述PWM的載波頻率，使上述交流電動機的時間常數(shù)變化且進行上述交流電動機的控制。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的交流電動機控制方法，其特征在于，在上述PWM的輸出電壓端和上述交流電動機之間，設(shè)置上述交流電動機的時間常數(shù)調(diào)整線圈以及/或者電容器，使該時間常數(shù)調(diào)整線圈的容量以及/或者電容器的容量可變，從而調(diào)整上述交流電動機的時間常數(shù)。10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的交流電動機控制方法，其特征在于，按照使上述交流電動機的時間常數(shù)成為PWM的載波頻率的周期以上的方式來調(diào)整上述時間常數(shù)調(diào)整線圈的容量以及/或者電容器的容量。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的交流電動機控制方法，其特征在于，按照上述交流電動機的時間常數(shù)成為上述載波頻率的周期的2倍到5倍的方式來調(diào)整上述時間常數(shù)調(diào)整線圈的容量以及/或者電容器的容量。12.根據(jù)權(quán)利要求911中任意一項所述的交流電動機控制方法，其特征在于，將開關(guān)元件與上述時間常數(shù)調(diào)整線圈并聯(lián)地連接，按照在上述交流電動機起動時，至少上述PWM最初輸出的脈沖的期間，不附加上述交流電動機的時間常數(shù)調(diào)整線圈的方式來控制上述開關(guān)元件。全文摘要本發(fā)明提供一種交流電動機驅(qū)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(shù)量極少的超小型交流電動機，也可以直接利用現(xiàn)有的PWM方式，并且不產(chǎn)生振動、異常聲響。在包括將直流電壓變換成交流電壓，并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(qū)動裝置中，上述交流電動機驅(qū)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(shù)變化的機構(gòu)。在PWM裝置和交流電動機之間設(shè)置調(diào)整電動機時間常數(shù)的線圈以及/或者電容器，按照PWM的載波頻率來調(diào)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(yōu)先權(quán)日2006年3月31日發(fā)明者正田和男,野村祐樹,長門義文申請人:Thk株式會社