DE112020004867T5 - Gleichstromversorgungsvorrichtung und servo-gleichstromversorgungssystem - Google Patents

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Toshiyuki Zaitsu
Takeshi Ashida
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Abstract

Es wird eine Gleichstromversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die in der Lage ist, eine Spannungsoszillation eines Stromversorgungspfads zu einer Motorsteuervorrichtung zu verhindern. Die Gleichstromversorgungsvorrichtung umfasst eine Stromversorgungseinheit (wie etwa einen AC/DC-Wandler), die einen Gleichstrom ausgibt, und eine Filterschaltung, die eine Spannungsschwankung des von der Stromversorgungseinheit ausgegebenen Gleichstroms erfasst und die Impedanz der eigenen Schaltung auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses derart anpasst, dass die Spannungsschwankung des Gleichstroms wird verhindert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstromversorgungsvorrichtung und ein Servo-Gleichstromversorgungssystem.
  • STAND DER TECHNIK
  • In einem System (wie etwa einem System mit einem Roboter und einer Steuervorrichtung), das in einer Fabrik und dergleichen verwendet wird, wird eine Vielzahl von Elektromotoren durch eine Vielzahl von an entfernten Orten angeordneten Servo-Treibern PWM-gesteuert. Das System weist Probleme dahingehend auf, dass eine Schaltgeschwindigkeit nicht erhöht werden kann, um eine Störstrahlung von einem langen Kabel zwischen dem Elektromotor und dem Servo-Treiber zu reduzieren, und eine große Anzahl von Kabeln für die Verbindung zwischen dem Elektromotor und dem Servo-Treiber erforderlich ist.
  • Das obige Problem kann verhindert werden, indem eine Anordnung übernommen wird, bei der eine Vorrichtung (im Folgenden als Motorsteuervorrichtung bezeichnet), die durch Entfernen eines Wandlers von dem Servo-Treiber erhalten wird, in der Nähe jedes Elektromotors angeordnet ist, um jede Motorsteuervorrichtung durch einen DC-Bus mit Strom von einer Gleichstromversorgungsvorrichtung zu versorgen. In dem System, das diese Anordnung anwendet, beeinträchtigen sich jedoch manchmal eine LC-Schaltung auf der Seite des DC-Busses und der Seite der Motorsteuervorrichtung, um die Spannung des DC-Busses zu oszillieren (siehe zum Beispiel Nicht-Patentdokument 1).
  • DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
  • NICHT-PATENT-DOKUMENT
  • Nicht-Patentdokument 1: Masashi Yokoo and Keiichiro Kondo, „Damping control system designing method for vectorcontrolled induction motor drive system in DC electric railway vehicle”, Journal of the Institute of Electrical Engineers D, Vol. 135, No. 6 pp. 622-631 (2015)
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
  • Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die obigen Probleme gemacht worden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Spannungsoszillation eines Stromversorgungspfads zu verhindern, durch den zumindest eine Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird.
  • MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
  • Eine Gleichstromversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Stromversorgungseinheit, die eingerichtet ist, um einen Gleichstrom auszugeben; und eine Filterschaltung, die eingerichtet ist, um eine Spannungsschwankung oder eine Stromschwankung des Gleichstromausgangs von der Stromversorgungseinheit zu erfassen und die Impedanz der eigenen Schaltung auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses derart anzupassen, dass die Spannungsschwankung oder die Stromschwankung des Gleichstroms verhindert wird.
  • Die Spannung des Stromversorgungspfads, über den zumindest eine Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, wird oszilliert bzw. in Schwingungen versetzt, wenn die Impedanz auf der Motorseite (einem Abschnitt, der eine Wechselrichterschaltung und den Servomotor umfasst) kleiner als die Impedanz auf Stromversorgungsseite (die Seite des Stromversorgungspfads) ist. Die Gleichstromversorgungsvorrichtung umfasst die Filterschaltung, die die Impedanz der eigenen Schaltung (eigene Filterschaltung) derart anpasst bzw. einstellt, dass eine Spannungsschwankung des ausgegebenen Gleichstroms verhindert wird. Demzufolge kann eine Verwendung der Gleichstromversorgungsvorrichtung die Spannungsoszillation des Stromversorgungspfads, durch den zumindest eine Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, verhindern.
  • Eine spezifische Schaltungsanordnung der Filterschaltung in der Gleichstromversorgungsvorrichtung ist nicht besonders eigeschränkt. Die Filterschaltung kann umfassen: einen Reihenschaltungskörper aus einem Kondensator und einem variablen Widerstand, wobei der Reihenschaltungskörper zwischen einer Stromleitung der positiven Seite und einer Stromleitung der negativen Seite von der Stromversorgungseinheit angeordnet ist (zum Beispiel eine Schaltung, die den Wechselstrom in den Gleichstrom umwandelt); und eine Steuerung, die einen Widerstandswert des variablen Widerstands auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses einer Spannungsschwankung der Stromleitung der positiven Seite oder der Stromleitung der negativen Seite derart steuert, dass die Spannungsschwankung des Gleichstroms verhindert wird. Die Filterschaltung kann umfassen: einen variablen Widerstand, der in eine Stromleitung der positiven Seite oder eine Stromleitung der negativen Seite von der Stromversorgungseinheit eingefügt ist; und eine Steuerung, die einen Widerstandswert des variablen Widerstands auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses der Spannungsschwankung der Stromleitung der positiven Seite oder Stromleitung der negativen Seite derart steuert, dass die Spannungsschwankung des Gleichstroms verhindert wird. Darüber hinaus kann der variable Widerstand jeder Filterschaltung mit dieser Anordnung ein Transistor sein, der von der Steuerung gesteuert wird, um in dem aktiven Bereich zu arbeiten.
  • WIRKUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Spannungsoszillation des Stromversorgungspfads, durch den zumindest eine Motorsteuervorrichtung mit Strom versorgt wird, verhindert werden.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Anordnung eines Servo-DC-Speisesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 2 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Anordnung einer Motorsteuervorrichtung in dem Servo-DC-Speisesystem darstellt.
    • 3 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine schematische Anordnung einer Gleichstromversorgungsvorrichtung darstellt, die in dem Servo-DC-Speisesystem verwendet wird.
    • 4 zeigt eine erläuternde Ansicht, die eine Ersatzschaltung des Servo-DC-Speisesystems darstellt.
    • 5 zeigt eine Ansicht, die einen instabilen Bereich der Ersatzschaltung in 4 darstellt.
    • 6 zeigt eine Ansicht, die eine Funktion einer Filterschaltung darstellt.
    • 7 zeigt eine erläuternde Ansicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel der Filterschaltung darstellt.
  • MODUS ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 1 stellt eine schematische Anordnung eines Servo-DC-Speisesystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, und 2 stellt eine schematische Anordnung einer Motorsteuervorrichtung 10 in dem Servo-DC-Speisesystem dar.
  • Wie in 1 dargestellt, ist das Servo-DC-Speisesystem der Ausführungsform ein System, in dem eine Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 und eine Vielzahl von Motorsteuervorrichtungen 10 durch einen Stromversorgungspfad 35 verbunden sind.
  • Die Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 ist eine Stromversorgung, die die vorgegebene Gleichspannung (DC-Spannung) ausgibt. Details der Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 werden später beschrieben.
  • Die Motorsteuervorrichtung 10 ist eine Vorrichtung, die einen Servomotor 40 (im Folgenden auch einfach als Motor 40 bezeichnet) gemäß einem Befehl (einem Positionsbefehl, einem Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlbefehl und dergleichen) von einer Host-Vorrichtung wie eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) steuert. Wie in 2 dargestellt, umfasst die Motorsteuervorrichtung 10 eine Wechselrichterschaltung 11 und eine Steuerung (Controller) 12.
  • Die Wechselrichterschaltung 11 ist eine Schaltung, die eine Gleichspannung (DC-Spannung), die von der Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 über den Stromversorgungspfad 35 eingegeben wird, in eine dreiphasige Wechselspannung umwandelt. Die Wechselrichterschaltung 11 weist eine Anordnung auf, bei der ein U-Phasen-Zweig, ein V-Phasen-Zweig und ein W-Phasen-Zweig parallel zwischen einer Stromleitung der positiven Seite und einer Stromleitung der negativen Seite parallelgeschaltet sind, und ein Stromsensor 28, der einen Ausgangsstrom jedes Zweigs der Wechselrichterschaltung 11 misst, in der Motorsteuervorrichtung 10 vorgesehen ist.
  • Die Steuerung 12 ist eine Einheit, die eine Pulsbreitenmodulations- (Pulse Width Modulation - PWM) Steuerung der Wechselrichterschaltung 11 gemäß dem Befehl von der Host-Vorrichtung (PLC oder dergleichen) durchführt. Die Steuerung 12 umfasst einen Prozessor (Mikrocontroller, CPU oder dergleichen) und eine periphere Schaltung des Prozessors, und Signale von den jeweiligen Stromsensoren 28, Signale von Codierern 41 (einem Absolutcodierer und einem Inkrementalcodierer), die an den Motoren 40 angebracht sind, und dergleichen werden in die Steuerung 12 eingegeben.
  • Der Stromversorgungspfad 35 (1) ist ein Einspeisungspfad, in dem eine Vielzahl von Leistungen derart kombiniert wird, dass Leistung (Strom) von der Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 verteilt und jeder Motorsteuervorrichtung 10 in dem Servo-DC-Speisesystem zugeführt werden kann. Wie in 1 dargestellt, ist üblicherweise ein Glättungskondensator 18 an einem Verbindungsabschnitt (zwischen Stromversorgungsanschlüssen jeder Motorsteuervorrichtung 10) des Stromversorgungspfads 35 zu jeder Motorsteuervorrichtung 10 vorgesehen.
  • 3 zeigt eine schematische Anordnung der Gleichstromversorgungsvorrichtung 30, die in dem Servo-DC-Speisesystem der Ausführungsform verwendet wird. Wie in 3 dargestellt, umfasst die Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 eine Stromversorgungseinheit 31 und eine Filterschaltung 32.
  • Die Stromversorgungseinheit 31 ist eine Einheit, die eine vorgegeben Gleichspannung ausgibt. Obwohl 3 die Einheit, die den dreiphasigen Wechselstrom von einer dreiphasigen Wechselstromversorgung 50 in die Gleichspannung umwandelt, als die Stromversorgungseinheit 31 darstellt, kann die Stromversorgungseinheit 31 eine Einheit sein, die den einphasigen Wechselstrom in die Gleichspannung umwandelt. Ferner kann die Stromversorgungseinheit 31 eine Gleichrichterschaltung (zum Beispiel eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung), die durch Kombinieren von Dioden erhalten wird, oder ein AC-DC-Wandler (zum Beispiel ein Stromversorgungs-Regenerationswandler) unter Verwendung eines Schaltelements sein. Des Weiteren kann die Stromversorgungseinheit 31 eine Sekundärbatterie sein.
  • Die Filterschaltung 32 ist eine Schaltung, die den Gleichstrom, der in die eigene Filterschaltung 32 eingegeben wird, stabilisiert und ausgibt. Wie in 3 dargestellt, umfasst die Filterschaltung 32 einen Reihenschaltungskörper aus einem Kondensator 23 und einem Transistor 24, eine Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 und eine Treiberschaltung 22, die zwischen einer Stromleitung 33p der positiven Seite und einer Stromleitung 33m der negativen Seite von der Stromversorgungseinheit 31 angeordnet sind.
  • Die Treiberschaltung 22 ist eine Schaltung, die eine Spannung, die bewirkt, dass der Transistor 24 in einem aktiven Bereich (linearen Bereich) arbeitet, gemäß dem Steuersignal von der Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 an das Gate des Transistors 24 anlegt.
  • Die Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 ist eine Schaltung, die die Spannungsschwankung (eine Spannungsänderungsgröße innerhalb einer vorgegebenen Zeit) der Stromleitung 33p erfasst und einen Pegel des Steuersignals an die Treiberschaltung 22 in eine Richtung ändert, in der der Widerstand des Transistors 24 zunimmt, wenn die Spannungsschwankung größer oder gleich einem vorgegebenen Schwellenwert ist. Die Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 weist auch auf eine Funktion zum Ändern des Pegels des Steuersignals an die Treiberschaltung 22 gemäß der Anweisung von der Hostvorrichtung und eine Funktion zum Ändern des Pegels des Steuersignals an die Treiberschaltung 22 in die Richtung, in der der Widerstand des Transistors 24 abnimmt, wenn ein Zustand, in dem die Spannung der Stromleitung 33p als stabil angesehen wird, für eine bestimmte Zeit andauert.
  • Das Servo-DC-Speisesystem der Ausführungsform weist die oben beschriebene Anordnung auf. Folglich kann gemäß dem Servo-DC-Speisesystem die Spannungsoszillation des Stromversorgungspfads 35 verhindert werden.
  • Insbesondere wenn die Impedanz auf der Motorseite (dem Abschnitt mit der Vielzahl von Motorsteuervorrichtungen 10 und der Vielzahl von Motoren 40) als Zm ausgedrückt wird, kann das Servo-DC-Speisesystem mit der Anordnung in 1 durch die Ersatzschaltung in 4 ausgedrückt werden.
  • In 4 stellt L1 die Induktivität des Stromversorgungspfads 35 dar und rL stellt einen Serienwiderstand von L1 dar. Darüber hinaus entspricht C1 einer kombinierten Kapazität aus der Kapazität des Stromversorgungspfads 35 und der Kapazität des Glättungskondensators 18 und rc entspricht einem Serienwiderstand von C1.
  • Ein Spitzenwert Zo-Peak der Ausgangsimpedanz auf der Stromversorgungsseite in der Ersatzschaltung (4) wird durch die folgende Formel ausgedrückt.
  • Z e _ p e a k = L 1 C 1 ( r L + r C )
    Figure DE112020004867T5_0001
  • Wie schematisch in 5 dargestellt, wenn „Zo-Peak > Zm“ gilt, wird die Spannung an dem Stromversorgungspfad 35 instabil. Demzufolge kann, wenn der Zo-Peak-Wert verringert wird, verhindert werden, dass die Spannung an dem Stromversorgungspfad 35 instabil (oszilliert) wird.
  • Wie oben beschrieben, ist die Filterschaltung 32 in einer Stufe nach der Stromversorgungseinheit 31 der DC-Gleichstromausgang 30 (3) des Servo-DC-Speisesystems vorgesehen.
  • Die Filterschaltung 32 weist eine Konfiguration auf, bei der die Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 den Widerstand des Transistors 24 auf einen Pegel steuert bzw. regelt, bei dem die Spannung an dem Stromversorgungspfad 35 nicht instabil ist. Demzufolge kann in dem Servo-DC-Speisesystem der Ausführungsform, wie schematisch in 6 dargestellt, der Zo-Peak-Wert niedriger gemacht werden als der in dem System, in dem die nicht mit der Filterschaltung 32 versehene Gleichstromversorgungsvorrichtung verwendet wird. Als Ergebnis wird verhindert, dass die Spannung an dem Stromversorgungspfad 35 instabil (oszilliert) wird.
  • <Modifikationen>
  • Das Servo-DC-Speisesystem und die Gleichstromversorgungsvorrichtung 30, die oben beschrieben sind, können auf verschiedene Weise modifiziert werden. Beispielsweise kann der Stromversorgungspfad 35 des Servo-DC-Speisesystems eine Anordnung aufweisen, die sich von der in 1 unterscheidet, solange die Leistung (Strom) von der Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 allen Motorsteuervorrichtungen 10 in dem Servo-DC-Speisesystem zugeführt werden kann. Zusätzlich kann die Filterschaltung 32 in der Gleichstromversorgungsvorrichtung 30 eine Schaltung sein, die in der Lage ist, die Impedanz der eigenen Filterschaltung 32 einzustellen bzw. anzupassen, um die Spannungsschwankung des Stromversorgungspfads 35 zu verhindern. Demzufolge können anstelle des Transistors 24 der Filterschaltung 32 (3) eine Vielzahl von Widerständen und eine Auswahlvorrichtung, die einen der Widerstände zwischen einem Ende des Kondensators 23 und der Stromleitung 33m der negativen Seite einfügt, vorgesehen sein. Zusätzlich kann anstelle des Kondensators 23 und des Transistors 24 der Filterschaltung 32 ein variabler Kondensator verwendet werden, der in der Lage ist, die Kapazität elektrisch zu steuern bzw. zu regeln.
  • Eine Schaltung mit der Anordnung in 7, nämlich eine Schaltung mit dem Transistor 24, der in die Stromleitung 33p der positiven Seite eingefügt ist, und die Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 und die Treiberschaltung 22, die den Widerstand des Transistors 24 steuern, kann als Filterschaltung 32 angenommen werden. Die Filterschaltung 32 mit der Anordnung in 7 kann zu einer modifiziert werden, bei der der Transistor 24 in die Stromleitung 33m der negativen Seite eingefügt ist. Die Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung 21 kann eine Schaltung sein, die die Spannungsschwankung der Stromleitung 33p erfasst.
  • Der durch den Stromversorgungspfad 35 fließende Strom schwankt auch während der Spannungsschwankung des Stromversorgungspfads 35. Da die Spannungsschwankung verhindert wird, indem die Stromschwankung verhindert wird, kann die Filterschaltung 32 eine Schaltung sein, die die Stromschwankung des Stromversorgungspfads 35 erfasst und die Impedanz der eigenen Schaltung anpasst, um die Stromschwankung zu verhindern. Die Filterschaltung 32 kann eine Schaltung sein, in der der Schwellenwert von außen eingestellt werden kann, und dann kann das Servo-DC-Speisesystem zu einem System modifiziert werden, das betrieben wird, während der in der Filterschaltung eingestellte Schwellenwert eingestellt wird.
  • <Ergänzung 1>
  • Eine Gleichstromversorgungsvorrichtung (10) umfasst: eine Stromversorgungseinheit (31), die eingerichtet ist, um einen Gleichstrom (DC - Direct Current) auszugeben; und eine Filterschaltung (32), die eingerichtet ist, um eine Spannungsschwankung oder eine Stromschwankung des von der Stromversorgungseinheit ausgegebenen Gleichstroms zu erfassen und die Impedanz der eigenen Schaltung auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses derart einzustellen, dass die Spannungsschwankung oder die Stromschwankung des Gleichstroms verhindert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Motorsteuervorrichtung
    11
    Wechselrichterschaltung
    12
    Steuerung (Controller)
    18
    Glättungskondensator
    21
    Schwingungsspannungs-Erfassungsschaltung
    22
    Treiberschaltung
    23
    Kondensator
    24
    Transistor
    25
    Induktivität
    28
    Stromsensor
    30
    Gleichstromversorgungsvorrichtung
    31
    Stromversorgungseinheit
    32
    Filterschaltung
    33p
    Stromleitung der positiven Seite
    33m
    Stromleitung der negativen Seite
    35
    Stromversorgungspfad
    40
    Servomotor
    41
    Codierer
    50
    Dreiphasen-Wechselstromversorgung

Claims (6)

  1. Gleichstromversorgungsvorrichtung, aufweisend: eine Stromversorgungseinheit, die eigerichtet ist, um einen Gleichstrom auszugeben; und eine Filterschaltung, die eigerichtet ist, eine Spannungsschwankung oder eine Stromschwankung des von der Stromversorgungseinheit ausgegebenen Gleichstroms zu erfassen und die Impedanz der eigenen Schaltung auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses derart anzupassen, dass die Spannungsschwankung oder die Stromschwankung des Gleichstroms verhindert wird.
  2. Gleichstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungseinheit eine Schaltung ist, die einen Wechselstrom in den Gleichstrom umwandelt.
  3. Gleichstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filterschaltung umfasst: einen Reihenschaltungskörper aus einem Kondensator und einem variablen Widerstand, wobei der Reihenschaltungskörper zwischen einer Stromleitung der positiven Seite und einer Stromleitung der negativen Seite von der Stromversorgungseinheit angeordnet ist; und eine Steuerung, die einen Widerstandswert des variablen Widerstands auf der Grundlage eines Erfassungsergebnisses einer Spannungsschwankung der Stromleitung der positiven Seite oder der Stromleitung der negativen Seite derart steuert, dass die Spannungsschwankung des Gleichstroms verhindert wird.
  4. Gleichstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Filterschaltung umfasst: einen variablen Widerstand, der in eine Stromleitung der positiven Seite oder eine Stromleitung der negativen Seite von der Stromversorgungseinheit eingefügt ist; und eine Steuerung, die einen Widerstandswert des variablen Widerstands auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses der Spannungsschwankung der Stromleitung der positiven Seite oder der Stromleitung der negativen Seite derart steuert, dass die Spannungsschwankung des Gleichstroms verhindert wird.
  5. Gleichstromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei der variable Widerstand ein Transistor ist, der durch die Steuerung gesteuert wird, um in einem aktiven Bereich zu arbeiten.
  6. Servo-DC-Speisesystem, aufweisend: die Gleichstromversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5; zumindest eine Motorsteuervorrichtung; und einen Stromversorgungspfad, der eigerichtet ist, um die zumindest eine Motorsteuervorrichtung mit Strom von der Gleichstromversorgungsvorrichtung zu versorgen.
DE112020004867.5T 2019-10-11 2020-03-05 Gleichstromversorgungsvorrichtung und servo-gleichstromversorgungssystem Pending DE112020004867T5 (de)

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JP2019-187380 2019-10-11
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