特許 7535178 インバータ制御装置、駆動装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-06

(45)【発行日】2024-08-15

(54)【発明の名称】インバータ制御装置、駆動装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240807BHJP

   E02F 9/20 20060101ALI20240807BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 T

E02F9/20 Z

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2023512894

(86)(22)【出願日】2022-03-16

(86)【国際出願番号】 JP2022012051

(87)【国際公開番号】W WO2022215469

(87)【国際公開日】2022-10-13

【審査請求日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】P 2021065182

(32)【優先日】2021-04-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】503405689

【氏名又は名称】ナブテスコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】中村 和人

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１０４９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２４６７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１３８５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０２２６３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－ ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電位側ラインと低電位側ラインの間で直流電圧が入力される直流電圧入力部と、
前記高電位側ラインと前記低電位側ラインの間に直列に設けられ、前記直流電圧を分圧する複数の分圧素子と、
前記複数の分圧素子それぞれの高電位側電極に接続される高電位側端子と、前記複数の分圧素子それぞれの低電位側電極に接続される低電位側端子とから入力される分圧された直流電圧を交流電圧に変換して複数のアクチュエータにそれぞれ供給する複数のインバータと、
前記各アクチュエータの電力需要情報を取得する電力需要情報取得部と、
前記各アクチュエータの電力需要情報に基づいて、前記各インバータの高電位側端子と低電位側端子の間の導通状態を制御する制御部と
を備え、
前記電力需要情報は、前記各アクチュエータの動作状態に関する測定情報であり、
前記制御部は、動作していないアクチュエータに対応するインバータの高電位側端子と低電位側端子の間を導通させるインバータ制御装置。

【請求項2】

前記各インバータは、高電位側端子と低電位側端子の間の導通状態を切り替えるトランジスタを備え、
前記制御部は、前記トランジスタの制御電極にパルス幅変調による制御信号を印加する
請求項１に記載のインバータ制御装置。

【請求項3】

前記分圧素子はコンデンサであり、
前記制御部は、前記各インバータの高電位側端子と低電位側端子の間を導通させる際、導通開始時点において前記トランジスタの制御電極に印加する制御信号のデューティ比を、前記導通開始時点より後の少なくとも一時点において前記トランジスタの制御電極に印加する制御信号のデューティ比より小さくする
請求項２に記載のインバータ制御装置。

【請求項4】

前記高電位側ラインと前記低電位側ラインの間に前記複数のインバータと並列に設けられる別のインバータであって、高電位側端子と低電位側端子の間で入力される直流電圧を交流電圧に変換してアクチュエータに供給する別のインバータを更に備える請求項１から３のいずれかに記載のインバータ制御装置。

【請求項5】

地面を走行可能な走行部と、走行部に対して旋回可能に取り付けられた旋回部と、旋回部に取り付けられて作業を行う作業部とを備える建設機械用のインバータ制御装置であって、
前記別のインバータは、前記走行部または前記旋回部を駆動するアクチュエータに交流電圧を供給する
請求項４に記載のインバータ制御装置。

【請求項6】

前記別のインバータの高電位側端子と低電位側端子の間で入力される直流電圧を昇圧および降圧可能な昇降圧回路を更に備える請求項５に記載のインバータ制御装置。

【請求項7】

前記各アクチュエータはコイルを備えるモータであり、
前記動作状態に関する測定情報は前記コイルの電流の測定値である
請求項１から６のいずれかに記載のインバータ制御装置。

【請求項8】

前記電力需要情報は、前記各アクチュエータに対する動作指令であり、
前記制御部は、動作指令が出されていないアクチュエータに対応するインバータの高電位側端子と低電位側端子の間を導通させる
請求項１から７のいずれかに記載のインバータ制御装置。

【請求項9】

前記複数の分圧素子および前記複数のインバータは、Ｎを３以上の自然数としてそれぞれＮ個あり、
前記制御部は、Ｎ個の前記インバータの導通状態を制御する際、高電位側端子と低電位側端子の間を同時に導通させるインバータの最大数をＮ－２個とする
請求項１から８のいずれかに記載のインバータ制御装置。

【請求項10】

地面を走行可能な下部走行体と、下部走行体に対して旋回可能に取り付けられた上部旋回体と、上部旋回体に起伏可能に取り付けられたブームと、ブームに屈曲可能に取り付けられたアームと、アームに屈曲可能に取り付けられたバケットとを備える建設機械用のインバータ制御装置であって、
Ｎを４以上の自然数としてＮ個の前記インバータは、前記上部旋回体、前記ブーム、前記アーム、前記バケットを駆動するアクチュエータに交流電圧を供給するインバータを含む
請求項９に記載のインバータ制御装置。

【請求項11】

前記分圧素子はコンデンサである請求項１から１０のいずれかに記載のインバータ制御装置。

【請求項12】

複数のアクチュエータと、
高電位側ラインと低電位側ラインの間で直流電圧が入力される直流電圧入力部と、
前記高電位側ラインと前記低電位側ラインの間に直列に設けられ、前記直流電圧を分圧する複数の分圧素子と、
前記複数の分圧素子それぞれの高電位側電極に接続される高電位側端子と、前記複数の分圧素子それぞれの低電位側電極に接続される低電位側端子とから入力される分圧された直流電圧を交流電圧に変換して前記複数のアクチュエータにそれぞれ供給する複数のインバータと、
前記複数のアクチュエータそれぞれの電力需要情報を取得する電力需要情報取得部と、
前記複数のアクチュエータそれぞれの電力需要情報に基づいて、前記各インバータの高電位側端子と低電位側端子の間の導通状態を制御する制御部と
を備え、
前記電力需要情報は、前記各アクチュエータの動作状態に関する測定情報であり、
前記制御部は、動作していないアクチュエータに対応するインバータの高電位側端子と低電位側端子の間を導通させる駆動装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はインバータ制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

建設現場で使用される建設機械（以下、建機ともいう）として、電動機（以下、電気モータまたはモータともいう）で駆動される電動建機や、油圧機器と電動機が併用されるハイブリッド建機が知られている（以下、総称して電動建機ともいう）。モータの回転動力で駆動されるボールねじ等の機械要素によって電動建機の各駆動部を直接的に駆動する方式のアクチュエータは電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ：Electro-Mechanical Actuator）と呼ばれ、モータの回転動力で駆動される油圧ポンプ等の油圧機器によって電動建機の各駆動部を間接的に駆動する方式のアクチュエータは電気油圧式アクチュエータ（ＥＨＡ：Electro-Hydrostatic Actuator）と呼ばれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－８８６６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電動建機の各駆動部、例えば、下部走行体、上部旋回体、ブーム、アーム、バケットをモータで駆動する場合、共通の電源から供給される直流電圧を交流電圧に変換して各モータに供給するインバータが各駆動部に設けられる。通常、これらの複数のインバータは、電源の高電位側端子に接続された共通の高電位側ラインと、電源の低電位側端子に接続された共通の低電位側ラインの間に並列に設けられる。この場合、並列接続された全てのインバータに常に大きな直流電圧が印加されるが、電動建機の稼働中に全ての駆動部が同時に最大負荷で駆動されることはほとんどなく、駆動されていない駆動部や負荷の小さい駆動部のインバータへの直流電圧が無駄になっている。本発明者は、このような無駄な電力を削減することで、電動建機を省電力化できる可能性を認識した。

【0005】

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、省電力化が可能なインバータ制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のインバータ制御装置は、高電位側ラインと低電位側ラインの間で直流電圧が入力される直流電圧入力部と、高電位側ラインと低電位側ラインの間に直列に設けられ、直流電圧を分圧する複数の分圧素子と、複数の分圧素子それぞれの高電位側電極に接続される高電位側端子と、複数の分圧素子それぞれの低電位側電極に接続される低電位側端子とから入力される分圧された直流電圧を交流電圧に変換して複数のアクチュエータにそれぞれ供給する複数のインバータと、各アクチュエータの電力需要情報を取得する電力需要情報取得部と、各アクチュエータの電力需要情報に基づいて、各インバータの高電位側端子と低電位側端子の間の導通状態を制御する制御部とを備える。

【0007】

この態様では、各アクチュエータの電力需要情報に基づいて、直列接続された各インバータの端子間の導通状態が制御される。例えば、電力需要のないアクチュエータのインバータの端子間を完全に導通させれば、当該インバータの端子間の直流電圧は０となって無駄な電力が削減されるとともに、余剰の電力は直列接続された他のインバータで有効に消費される。

【0008】

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、省電力化が可能なインバータ制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】電動建機の概略構成図である。

【図2】電動建機の上面図である。

【図3】インバータ制御装置の概略構成図である。

【図4】電動建機の各駆動部に対応するドライバの詳細な構成を示す図である。

【図5】制御部が各インバータのトランジスタの各制御電極に印加する制御信号を模式的に示す図である。

【図6】電動建機の各種の動作時の各駆動部の負荷を模式的に示す図である。

【図7】インバータ制御装置の変形例の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明のインバータ制御装置は、交流電圧で駆動される複数のアクチュエータを備える任意の装置に適用できる。したがって、適用対象の装置が特に限定されるものではないが、本実施形態ではアクチュエータによって駆動される複数の駆動部を備える電動建機の例を説明する。また、本実施形態ではモータの回転動力で駆動される機械要素によって電動建機の各駆動部を直接的に駆動するＥＭＡをアクチュエータとして例示するが、本発明はモータの回転動力で駆動される油圧機器によって電動建機の各駆動部を間接的に駆動するＥＨＡにも適用できる。

【0012】

図１は、電動建機１００の概略構成図である。図２は、電動建機１００の上面図である。なお、以下の説明において、前後上下左右等の向きは、電動建機１００の向きと同一とする。すなわち、以下の説明では、電動建機１００の進行方向前方を単に前方と称し、電動建機１００の進行方向後方を単に後方と称し、重力方向上側を単に上側と称し、重力方向下側を単に下側と称し、前方を向いて車幅方向右側を単に右側と称し、車幅方向左側を単に左側と称して説明する。

【0013】

建設機械である電動建機１００では、地面を前方および後方に走行可能な下部走行体１０１の上に上部旋回体１０２が旋回可能に取り付けられている。上部旋回体１０２は、電動建機１００に設けられたインバータ制御装置１（図３参照）によって、下部走行体１０１に対して旋回駆動される。

【0014】

上部旋回体１０２には、前方左側にキャブ１０３が設けられると共に、前方中央部にブーム１０４が起伏可能に取り付けられている。ブーム１０４の先端には、アーム１０５が上下に屈曲可能に取り付けられている。アーム１０５の先端には、バケット１０６が上下に屈曲可能に取り付けられている。

【0015】

キャブ１０３の前方左側には、ジャイロセンサ１１０が取り付けられている。換言すれば、上部旋回体１０２において、旋回中心Ｃ１から最大限離間した位置にジャイロセンサ１１０が取り付けられている。ジャイロセンサ１１０は、キャブ１０３（下部走行
体１０１、上部旋回体１０２）の傾斜角度、傾斜方向、旋回位置、回転角速度を検出可能なセンサである。なお、傾斜方向とは、傾斜の上り方向または下り方向をいう。

【0016】

以下、下部走行体１０１、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６を電動建機１００の駆動部と総称する。したがって、図１、２の電動建機１００は５個の駆動部を有する建設機械である。なお、下部走行体１０１は地面を走行可能な走行部を構成し、上部旋回体１０２は走行部に対して旋回可能な旋回部を構成し、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６は旋回部に取り付けられて作業を行う作業部を構成する。

【0017】

図３は、インバータ制御装置１の概略構成図である。インバータ制御装置１は、直流電源１０と、５個の駆動部に対応して設けられる５個のコンデンサ２１～２５（コンデンサ２０と総称する）と、５個の抵抗３１～３５（抵抗３０と総称する）と、５個のインバータ４１～４５（インバータ４０と総称する）を備える。５個のインバータ４１～４５は、直流電源１０から入力される直流電圧を交流電圧に変換して、各駆動部のアクチュエータとしての５個のモータ５１～５５（モータ５０と総称する）にそれぞれ供給する。以下、５個の駆動部に対応して設けられるコンデンサ２１～２５、抵抗３１～３５、インバータ４１～４５のそれぞれの組をドライバ９１～９５と総称する。また、５個のドライバ９１～９５をドライバ９０と総称する。

【0018】

図４は、各駆動部に対応するドライバ９０の詳細な構成を示す。各ドライバ９０のインバータ４０は、高電位側端子４０１と低電位側端子４０２の間で入力される直流電圧に基づいて３相の交流電力を生成する。具体的には、直流電圧に基づいてＵ相の交流電流Ｉ_Ｕを生成するＵ相インバータ４０Ｕと、直流電圧に基づいてＶ相の交流電流Ｉ_Ｖを生成するＶ相インバータ４０Ｖと、直流電圧に基づいてＷ相の交流電流Ｉ_Ｗを生成するＷ相インバータ４０Ｗが並列に設けられる。各相のインバータ４０Ｕ、４０Ｖ、４０Ｗの構成は共通であるため、以下では適宜インバータ４０と総称してまとめて説明する。

【0019】

インバータ４０は、高い直流電位が入力される高電位側端子４０１と、低い直流電位が入力される低電位側端子４０２と、両入力端子４０１、４０２の直流電位の間で変動する交流電圧を出力する出力端子４０３を備える。高電位側端子４０１と出力端子４０３の間には高電位トランジスタ４０４Ｈが接続され、低電位側端子４０２と出力端子４０３の間には低電位トランジスタ４０４Ｌが接続される。各トランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌは、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されるが、MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）や、バイポーラトランジスタ等の他のタイプのトランジスタで構成してもよい。

【0020】

高電位トランジスタ４０４Ｈおよび低電位トランジスタ４０４Ｌは、それぞれの制御電極に印加される制御部６０（図３参照）からの制御信号に応じて導通状態が切り替えられる。具体的には、インバータ４０の通常稼働時において、後述する制御部６０のＰＷＭ信号生成部６２が、高電位トランジスタ４０４Ｈおよび低電位トランジスタ４０４Ｌからなるトランジスタ対４０４の導通状態を相補的に切り替えるスイッチング制御を行うことで直流電力を交流電力に変換する。ここで「相補的に切り替える」とは、各トランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌの一方がオンの時に他方がオフになるように制御することを意味する。すなわち、トランジスタ４０４Ｈがオンの時はトランジスタ４０４Ｌをオフとし、トランジスタ４０４Ｌがオンの時はトランジスタ４０４Ｈをオフとする。これによって、高電位トランジスタ４０４Ｈがオンの時は出力端子４０３に高電位が現われて他相のコイルとの間で正の電流を流し、低電位トランジスタ４０４Ｌがオンの時は出力端子４０３に低電位が現われて他相のコイルとの間で負の電流を流す。このようなスイッチング制御を繰り返すことで、出力端子４０３には正と負の電流が交互に流れるため交流電力が生成される。

【0021】

インバータ４０で生成された３相の交流電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗは、電動建機１００の各駆動部を駆動するモータ５０に供給される。モータ５０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のコイルを備える３相ブラシレスモータである。Ｕ相コイルにはＵ相インバータ４０ＵからのＵ相電流Ｉ_Ｕが流れ、Ｖ相コイルにはＶ相インバータ４０ＶからのＶ相電流Ｉ_Ｖが流れ、Ｗ相コイルにはＷ相インバータ４０ＷからのＷ相電流Ｉ_Ｗが流れる。各相のインバータ４０Ｕ、４０Ｖ、４０Ｗは、モータ５０の複数（例えば３個）のホール素子が検知した回転子の回転位置に基づき、互いに位相が異なる交流電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗを各相のコイルに流すことで回転磁界を発生させる。この回転磁界によって回転する回転子から所望の回転動力が得られる。なお、モータ５０は、交流電力で駆動される他のタイプのモータでもよい。また、モータ５０の相の数は３に限られず、２以上の任意の自然数でよい。

【0022】

インバータ４０に並列に設けられるコンデンサ２０および抵抗３０は、インバータ４０の動作を安定させる機能を持つ。例えば、コンデンサ２０は直流電源１０から入力される直流電圧を平滑して波形を整える機能を持ち、抵抗３０は直流電圧の急激な変動を緩和する機能を持つ。

【0023】

図３に戻り、各駆動部に対応するドライバ９０（コンデンサ２０、抵抗３０、インバータ４０の組）の配置を説明する。図３の例では、直流電源１０の高電位側端子に接続された高電位側ライン１１と、直流電源１０の低電位側端子に接続された低電位側ライン１２の間に、第１～第４のドライバ９１～９４が直列に設けられる。また、第５のドライバ９５は、高電位側ライン１１と低電位側ライン１２の間に、第１～第４のドライバ９１～９４と並列に設けられる。

【0024】

直列に接続された第１～第４のドライバ９１～９４において、コンデンサ２１～２４は、高電位側ライン１１と低電位側ライン１２の間で入力される直流電源１０からの直流電圧を分圧する分圧素子として機能する。そして、インバータ４１～４４は、各分圧コンデンサ２１～２４の高電位側電極と低電位側電極から入力される分圧された直流電圧を交流電圧に変換して各モータ５１～５４に供給する。このように、直列に接続された第１～第４のドライバ９１～９４の間で、直流電源１０からの直流電圧の分配が行われる。一方、第１～第４のドライバ９１～９４と並列に接続された第５のドライバ９５には、直流電源１０からの直流電圧がそのまま印加される。なお、直流電圧を分圧する分圧素子はコンデンサに限らず、高電位側ライン１１と低電位側ライン１２の間に直列に接続されたドライバと同数の複数の抵抗でもよい。

【0025】

５個のドライバ９１～９５を５個の駆動部に割り当てる方法は任意であるが、各駆動部の負荷を考慮するのが好ましい。例えば、常に最大の直流電圧が印加される第５のドライバ９５を、高い頻度で大きな負荷がかかる下部走行体１０１や上部旋回体１０２に割り当てることによって、負荷が大きくなっても安定した駆動が可能になる。以下の説明では、第５のドライバ９５が上部旋回体１０２に割り当てられるものとする。また、分圧された直流電圧が印加される第１～第４のドライバ９１～９４は、負荷が小さい駆動部や、負荷のかかるタイミングが互いに異なる複数の駆動部に割り当てるのが好ましい。

【0026】

例えば、作業部を構成するブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６は、作業中に同じタイミングで駆動されることが多いが、それぞれにかかる負荷は小さいため分圧された直流電圧でも十分に駆動できる。また、作業部の作業中に下部走行体１０１が走行することや、下部走行体１０１の走行中に作業部が作業することはほとんどなく、作業部と下部走行体１０１で負荷がかかるタイミングは互いに異なる。このため、作業部を構成する３個の駆動部（ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６）と下部走行体１０１を第１～第４のドライバ９１～９４に割り当てることで、作業部の作業中にはブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６に電力を供給でき、下部走行体１０１の走行中には下部走行体１０１に電力を供給できる。このように、作業部と下部走行体１０１の間で効率的な電力の分配が実現される。電力の分配の具体的な方法については後述する。

【0027】

なお、電動建機１００が５個のドライバ９１～９５を有する図３の例では４個のドライバ９１～９４を直列接続し１個のドライバ９５を並列接続したが、直列接続されるドライバの数は２以上の任意の整数でよく、並列接続されるドライバの数は０以上の任意の整数でよい。直列接続されるドライバの数を括弧内で区切って表記すれば図３の例は（４，１）となるが、この変形例として（５）、（３，２）、（３，１，１）、（２，２，１）、（２，１，１，１）、（１，１，１，１，１）の組合せが考えられる。ここで、最後の変形例（１，１，１，１，１）は、５個のドライバ９１～９５が高電位側ライン１１と低電位側ライン１２の間に並列に設けられる例であり、上記の直列接続されたドライバ間の電力分配の効果は得られない。逆に、最初の変形例（５）は、５個のドライバ９１～９５が高電位側ライン１１と低電位側ライン１２の間に直列に設けられる例であり、全ての駆動部の間で電力が分配される。

【0028】

後述するように、直列接続されたドライバ（図３の例では９１～９４）の内、一部のドライバへの電力供給を無効化して、余剰電力を他のドライバに供給することもできる。Ｎを４以上の自然数として直列接続されたドライバの総数がＮ（図３の例では４）の場合、電力供給を無効化するドライバの最大数をＮ－２（図３の例では２）に限定すれば、常に少なくとも２個のドライバに電力供給が行われている状態を実現できる。この場合、１個のドライバに直流電源１０からの直流電圧が集中することがないため（並列接続されたドライバ９５を除く）、各ドライバを耐圧の低い安価な部品で構成できる。このような直列接続されたＮ個のドライバを各駆動部に割り当てる方法は任意であるが、下部走行体１０１、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６にＮ（４）個のドライバを割り当てる以下の例に限らず、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６にＮ（４）個のドライバを割り当ててもよい。

【0029】

続いて、直列接続されたドライバ（図３の例では９１～９４）の間で電力を効率的に分配する方法を説明する。以下の説明では、上記の例に従って、下部走行体１０１、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の４個の駆動部が、この順で第１～第４のドライバ９１～９４に割り当てられているものとする。

【0030】

第１の電力分配方法では、各ドライバ９１～９４の分圧コンデンサ２１～２４の容量値を利用する。例えば、４個の駆動部のうち、負荷が比較的大きい下部走行体１０１の分圧コンデンサ２１の容量値を小さくし、負荷が比較的小さいブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の分圧コンデンサ２２～２４の容量値を大きくする。分圧コンデンサ２１～２４の電極間の電圧は容量値に反比例するため、容量値が小さいほど分圧される直流電圧が大きくなる。このように、容量値の小さい分圧コンデンサ２１には大きな直流電圧が分圧されるため、負荷の大きい下部走行体１０１を安定して走行駆動できる。なお、各分圧コンデンサ２１～２４の容量値は可変としてもよく、後述する電力需要情報取得部７０が取得する電力需要情報から各駆動部の負荷をリアルタイムで検知し、それに応じて各分圧コンデンサ２１～２４の容量値をリアルタイムで変化させてもよい。

【0031】

第２の電力分配方法では、制御部６０が、各モータ５１～５４の電力需要情報に基づいて、各インバータ４１～４４の高電位側端子４０１と低電位側端子４０２の間の導通状態を制御する。具体的には、制御部６０の導通状態制御部６１が、各インバータ４１～４４のトランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌの各制御電極に制御信号を印加して、各インバータ４１～４４の導通状態を制御する。

【0032】

図５は、制御部６０が各インバータ４１～４４のトランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌの各制御電極に印加する制御信号を模式的に示す。図５（Ａ）は制御部６０が高電位トランジスタ４０４Ｈの制御電極に印加する制御信号の例を示し、図５（Ｂ）は制御部６０が低電位トランジスタ４０４Ｌの制御電極に印加する制御信号の例を示し、図５（Ｃ）は出力端子４０３を流れる電流の例を示す。

【0033】

ここで、パルスＰ１は制御部６０の導通状態制御部６１が生成し、パルスＰ２は制御部６０のＰＷＭ信号生成部６２が生成する。

【0034】

導通状態制御部６１は、駆動する必要のない駆動部のインバータ４０（４個のインバータ４１～４４の少なくとも一つ）の両トランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌを同時にオンにするパルスＰ１を生成する。両トランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌがオンになると、インバータ４０の高電位側端子４０１と低電位側端子４０２の間が導通するため、両端子４０１、４０２間の直流電圧が０になる。このため、インバータ４０は実質的に無効化される。このように、動作させる必要のないインバータ４０での電力消費が防止されるとともに、余剰の電力は直列接続された他のインバータで有効に消費される。

【0035】

ここで、分圧コンデンサ２０に大きな電荷が蓄積されている状態でパルスＰ１によってインバータ４０の高電位側端子４０１と低電位側端子４０２の間を短絡すると、分圧コンデンサ２０に蓄積された電荷による過大な短絡電流がインバータ４０を流れる可能性がある。これを防止するために、導通状態制御部６１は、各インバータ４０の高電位側端子４０１と低電位側端子４０２の間を導通させる際、両トランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌの制御電極に印加するパルスＰ１のデューティ比を徐々に大きくしてもよい。すなわち、図５に示されるパルスＰ１を小区間に分割し、各小区間におけるパルスＰ１のデューティ比を０％から１００％まで徐々に大きくすることで過大な短絡電流の発生を防止できる。換言すれば、導通開始時点において両トランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌの制御電極に印加するパルスＰ１のデューティ比を、導通開始時点より後の少なくとも一時点においてトランジスタ４０４Ｈ、４０４Ｌの制御電極に印加するパルスＰ１のデューティ比より小さくする。

【0036】

なお、次に説明するＰＷＭ信号生成部６２が生成するパルスＰ２と異なり、導通状態制御部６１が生成するパルスＰ１は、トランジスタ対４０４の導通状態を相補的に切り替えるものではない。すなわち、一方のトランジスタがオンの時に他方のトランジスタもオンになるため、通常のインバータ動作が行われない。

【0037】

ＰＷＭ信号生成部６２が生成するパルスＰ２は、インバータ４１～４４の通常のインバータ動作のためのパルス幅変調（PWM: pulse width modulation）信号である。図５（Ｃ）の正弦波状の交流を生成するために、正弦波の正の区間では図５（Ａ）のように高電位トランジスタ４０４Ｈを間欠的にオン状態とする幅の異なるパルス群Ｐ２１が生成され、正弦波の負の区間では図５（Ｂ）のように低電位トランジスタ４０４Ｌを間欠的にオン状態とする幅の異なるパルス群Ｐ２２が生成される。

【0038】

なお、導通状態制御部６１およびＰＷＭ信号生成部６２は、インバータ４０のトランジスタ対４０４への制御信号（パルス）を生成するという共通の機能を有するため、同一または共通のハードウェア資源によって構成できる。後述するように、各インバータ４０に導通状態制御部６１のパルスＰ１が印加される停止フェーズと、各インバータ４０にＰＷＭ信号生成部６２のパルスＰ２が印加される通常フェーズは、電動建機１００の動作に応じて動的に切り替わる。フェーズが切り替わる際にパルスＰ１、Ｐ２を一方から他方に短い時間で切り替えると、コンデンサ２０、抵抗３０、インバータ４０等のドライバ９０の各構成要素に過大な負荷がかかる可能性があるため、一方のパルスから他方のパルスへの遷移は、デューティ比を緩やかに変化させながら徐々に行うのが好ましい。

【0039】

図５の変形例として、ＰＷＭ信号生成部６２が生成する通常のインバータ動作のためのパルスＰ２に、導通状態制御部６１が生成するインバータ端子間の直流電圧制御のためのパルスＰ１を所定の割合で織り交ぜてもよい。この時、インバータ４０はパルスＰ２によって通常のインバータ動作を行うが、織り交ぜられるパルスＰ１の割合に応じて高電位側端子４０１と低電位側端子４０２の間の直流電圧が低下するため、低電圧でのインバータ動作を実現できる。

【0040】

図５のパルスＰ１（導通状態制御部６１）およびパルスＰ２（ＰＷＭ信号生成部６２）の切替えを行うために、インバータ制御装置１は電力需要情報取得部７０を更に備える。電力需要情報取得部７０は、電流値取得部７１と動作指令取得部７２を備え、各駆動部のモータ５１～５５の電力需要情報を取得する。ここで、電流値取得部７１によって取得される電流値および動作指令取得部７２で取得される動作指令は、各モータ５０の電力需要を表す電力需要情報の一例である。

【0041】

電流値取得部７１は、各モータ５０の動作状態に関する測定情報として、各モータ５０の各相のコイルの電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗの測定値を取得する。制御部６０は、取得された電流値に基づいて各モータ５０の動作状態を把握でき、動作しているモータ５０に対応するインバータ４０にはＰＷＭ信号生成部６２が通常のインバータ動作のためのパルスＰ２を加え、動作していないモータ５０に対応するインバータ４０には導通状態制御部６１がインバータ動作を無効化して無駄な電力消費を防止するためのパルスＰ１を加える。なお、各モータ５０の動作状態に関する測定情報は、各相のコイルの電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗの測定値に限らず、回転子の回転数の測定値でもよい。これらの測定情報はいずれも各モータ５０の電力需要を表す電力需要情報の一例である。

【0042】

動作指令取得部７２は、電動建機１００のオペレータが操作する操作レバー等の動作指令部８０からの各モータ５０に対する動作指令を電力需要情報として取得する。制御部６０は、取得された動作指令に基づいて各モータ５０が取るべき動作を把握でき、動作が求められるモータ５０に対応するインバータ４０にはＰＷＭ信号生成部６２が動作指令部８０からの動作指令に応じた通常のインバータ動作のためのパルスＰ２を加え、動作が求められないモータ５０に対応するインバータ４０には導通状態制御部６１がインバータ動作を無効化して無駄な電力消費を防止するためのパルスＰ１を加える。

【0043】

図６は、電動建機１００の各種の動作時の各駆動部の負荷を模式的に示す。上記の例に従って、下部走行体１０１（本図では「走行」と示される）、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６の４個の駆動部が、この順で直列接続された第１～第４のドライバ９１～９４に割り当てられており、上部旋回体１０２（本図では「旋回」と示される）が並列接続された第５のドライバ９５に割り当てられている。

【0044】

掘削時は、下部走行体１０１が小刻みに移動しながら、作業部を構成するブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６が最大負荷で稼働する。下部走行体１０１の負荷は小さいため、これを駆動するドライバ９１に印加されるＰＷＭ信号生成部６２のパルスＰ２に導通状態制御部６１のパルスＰ１を織り交ぜることで、低電圧でインバータ動作させてもよい。これによって、負荷が大きな作業部の３個の駆動部に余剰の電力を分配できる。また、掘削時に上部旋回体１０２を駆動する必要がない場合は、導通状態制御部６１のパルスＰ１によってドライバ９５を無効化してもよい。

【0045】

法面押し当て時は、下部走行体１０１が停止した状態で上部旋回体１０２が旋回し、作業部を法面に押し当てる。下部走行体１０１を駆動する必要がないため、導通状態制御部６１のパルスＰ１によってドライバ９１を無効化して消費電力の低減を図る。上部旋回体１０２には大きな負荷がかかるが、これを駆動する第５のドライバ９５には常に最大の直流電圧が印加されるため、安定した駆動が可能になる。

【0046】

９０度旋回積み込み時は、下部走行体１０１が停止した状態で、作業部が掻き取った掘削物等を上部旋回体１０２の旋回によって所定の場所に積み込む。下部走行体１０１を駆動する必要がないため、導通状態制御部６１のパルスＰ１によってドライバ９１を無効化して、負荷が大きな作業部の３個の駆動部に余剰の電力を分配する。また、上部旋回体１０２には大きな負荷がかかるが、これを駆動する第５のドライバ９５には常に最大の直流電圧が印加されるため、安定した駆動が可能になる。

【0047】

走行時は、上部旋回体１０２、ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６が停止した状態で、下部走行体１０１が走行する。ブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６を駆動する必要がないため、導通状態制御部６１のパルスＰ１によってドライバ９２～９４を無効化して、負荷が大きな下部走行体１０１のドライバ９１に余剰の電力を分配する。これによって、ドライバ９１には最大の直流電圧が印加されるため、安定した駆動が可能になる。また、走行時に上部旋回体１０２を駆動する必要がない場合は、導通状態制御部６１のパルスＰ１によってドライバ９５を無効化してもよい。

【0048】

以上のように、電動建機１００の各種の動作において、駆動する必要がない駆動部や負荷が小さい駆動部のドライバに導通状態制御部６１のパルスＰ１を印加することで、当該ドライバでの電力消費を抑制できるとともに、負荷の大きい他のドライバに余剰の電力を分配できる。したがって、本実施形態によれば電動建機１００を省電力化できる。

【0049】

図７は、インバータ制御装置１の変形例の概略構成図である。この変形例では、３個のドライバ９１～９３が直列に接続され、それと並列にドライバ９４、９５がそれぞれ接続されている。上記の表記に従えば（３，１，１）の構成である。例えば、ドライバ９１～９３には作業部を構成するブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６が割り当てられ、ドライバ９４には下部走行体１０１が割り当てられ、ドライバ９５には上部旋回体１０２が割り当てられる。

【0050】

インバータ制御装置１は、並列接続されたドライバ９４、９５に入力される直流電圧を昇圧および降圧可能な昇降圧回路１３を備える。昇降圧回路１３は、いわゆる昇降圧チョッパ回路あるいはバックブーストコンバータであり、トランジスタによる２個の半導体スイッチ１３１、１３２と、リアクトル１３３と、キャパシタ１３４を備える。

【0051】

電気二重層キャパシタ（EDLC: Electric double-layer capacitor）等で構成されるキャパシタ１３４には下部走行体１０１のモータ５４および上部旋回体１０２のモータ５５で発生した回生電力が蓄積され、半導体スイッチ１３１、１３２のスイッチング制御におけるデューティ比を変えることでリアクトル１３３を介して昇圧または降圧された回生電力が各駆動部に供給される。これらの回生電力は主として加減速による急激な負荷の変化を伴う下部走行体１０１および上部旋回体１０２に補助電力として供給されるが、作業部の負荷が一時的に増加した場合等はブーム１０４、アーム１０５、バケット１０６にも供給される。このように、昇降圧回路１３によれば、電動建機１００の各駆動部における電力の更なる有効活用が図られる。なお、高電位側ライン１１のダイオード１４は、回生電力が主電源としての直流電源１０に悪影響を及ぼさないように設けられる。

【0052】

以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【0053】

実施形態ではモータ５０が電動建機１００の各駆動部を直接的に駆動するＥＭＡの例を説明したが、電動建機１００の各駆動部はモータ５０によって間接的に駆動されてもよい。例えば、各駆動部を直接的に駆動するのが油圧モータや油圧シリンダ等の油圧機器である場合、各油圧機器への油圧を制御する油圧バルブの制御にモータ５０を用いることでアクチュエータをＥＨＡとして構成してもよい。

【0054】

なお、実施形態で説明した各装置の機能構成はハードウェア資源またはソフトウェア資源により、あるいはハードウェア資源とソフトウェア資源の協働により実現できる。ハードウェア資源としてプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてオペレーティングシステム、アプリケーション等のプログラムを利用できる。

【0055】

本明細書で開示した実施形態のうち、複数の機能が分散して設けられているものは、当該複数の機能の一部又は全部を集約して設けても良く、逆に複数の機能が集約して設けられているものを、当該複数の機能の一部又は全部が分散するように設けることができる。機能が集約されているか分散されているかにかかわらず、発明の目的を達成できるように構成されていればよい。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明はインバータ制御装置に関する。

【符号の説明】

【0057】

１ インバータ制御装置、１０ 直流電源、１１ 高電位側ライン、１２ 低電位側ライン、１３ 昇降圧回路、２０ コンデンサ、４０ インバータ、５０ モータ、６０ 制御部、６１ 導通状態制御部、６２ ＰＷＭ信号生成部、７０ 電力需要情報取得部、７１ 電流値取得部、７２ 動作指令取得部、８０ 動作指令部、９０ ドライバ、１００ 電動建機、１０１ 下部走行体、１０２ 上部旋回体、１０４ ブーム、１０５ アーム、１０６ バケット、４０１ 高電位側端子、４０２ 低電位側端子、４０３ 出力端子、４０４ トランジスタ対。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】