JP2005039932A - ９相モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 トルクリプルが小さく、低価格の９相モータ駆動装置を提供する。
【解決手段】 ３台の３相ンバータを使用して９相モータを駆動する９相モータ駆動装置において、４０度電気角位相差の第１〜第３の３組の３相巻線が施されたステータとロータとで構成したモータと、第１の３相インバータは第１の３相巻線を、第２の３相インバータは第２の３相巻線を、第３の３相インバータは第３の３相巻線を駆動するように接続した３組の３相インバータと、３相の電流検出器の出力を３相／２相変換して電流を制御し、２相の電圧指令を出力する電流制御器と、２相の電圧指令を互いに４０度電気角位相差の３組の３相電圧指令に変換し、さらにＰＷＭ変換して３組の３相ゲートドライブ信号を発生する３組の３相ＰＷＭ変換回路とを備えるよう構成したのでトルクリプルを小さくでき、低価格の駆動装置を実現できた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置や工作機の回転テーブル駆動、直動テーブル駆動、主軸モータなどに使用され、トルクリプルが小さく、低価格な９相モータ駆動装置に関する。

従来、複数台の電圧形インバータ回路を接続してモータを駆動する駆動装置として、例えば特許文献１がある。
特開平８−２８９５８７号公報

以下、図５により従来技術を説明する。図５において、１は電源系統を整流して得た直流電源、２は制御回路、１０、２０は電圧形インバータ回路、１００は３相モータ、１０１、１０２、１０３は３相モータのＵ、Ｖ、Ｗ相の巻線である。さらに、３は電流平衡回路、３１ｕ、３１ｖ、３１ｗ、３２ｕ、３２ｖ、３２ｗは電流検出器である。１１、２１は電圧形インバータ回路１０、２０内の３相ブリッジ変換回路、１２、２２はベースドライブ回路である。
このような構成において、直流電源１を入力とする３相インバータ１０、２０は、ゲートドライブ回路１２、２２のゲート信号に基づき巻線１０１、１０２、１０３の線間に出力電圧を印加して３相モータ１００を駆動する。その際、ゲートドライブ回路１２、２２は制御回路２の出力を入力とするとともに、電流平衡回路３の出力を補正信号として得ている。また、補正信号は電流平衡回路３の電流偏差検出回路３ｕ、３ｖ、３ｗからの出力である。
このように構成されたモータ駆動装置は、複数台のインバータ回路で３相モータを駆動する場合に必要であった並列結合リアクトルを除去することができる。つまり、同一相の電流偏差を検知して、電流偏差が零になる補正信号を得て、インバータ回路の出力電流を平衡させる。出力電流を平衡にすることで、不平衡時にインダクタンスとして作用させていた並列結合リアクトルを除去することができる。

しかしながら、特許文献１の従来例のモータ駆動装置には、以下のような問題があった。
（１）複数台のインバータ回路を用いて３相の巻線に出力電圧を印加することから、電流波形は時間高調波成分を含み、電流により生成されるギャップ磁束分布波形も時間高調波成分が生じる。ギャップ磁束分布の高調波成分はトルクリプルとなり、精密な回転動作が要求される用途には問題となる。特に、高回転速度の主軸モータなどの低巻線インピーダンスのモータでは通電電流波形が出力電圧波形に近くなり上記問題が顕著になる。
（２）複数台の電圧形インバータ回路を用いて３相の巻線に出力電圧を印加することから、電流により生成されるギャップ磁束分布波形には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線の配置にともない電気角１２０度ずれの大きな開きを有する空間高調波成分が生じる。ギャップ磁束分布の空間高調波成分はトルクリプルとなるため、精密な回転動作が要求される用途には問題となる。特に、永久磁石形ＡＣサーボモータのように巻線がステータティースに集中巻される３相モータでは上記の問題が顕著になる。
（３）出力電流を平衡させるために電流検出器が６個必要であり、また、電流検出器の精度が出力電流の平衡度合いを決めることから、電流検出器は高精度なものを選定しなければならず、高価格となる。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、低インピーダンスや集中巻モータにおいてもギャップ磁束の高調波成分を低減させ、トルクリップルが小さく、さらには、電流検出器数を増加させない低価格な９相モータ駆動装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明は、ゲートドライブ信号を入力とする３相インバータを３台使用して９相モータを駆動する９相モータ駆動装置において、９×ｍ（ｍは自然数）のスロットに中性点を接続した４０度電気角位相差の９相巻線を施したステータと、極数が２×ｎ×ｍ（ｎは自然数）のロータとで構成したモータと、０度、１２０度、２４０度電気角位相差の第１の３相巻線と４０度、１６０度、２８０度電気角位相差の第２の３相巻線と８０度、２００度、３２０度電気角位相差の第３の３相巻線で構成した前記９相巻線と、第１の３相インバータは第１の３相巻線を、第２の３相インバータは第２の３相巻線を、第３の３相インバータは第３の３相巻線を駆動するように接続した第１〜第３の３相インバータと、３相の電流を検出する電流検出器と、電流検出器の電流検出値を用いて電流を制御し、２相の電圧指令を出力する電流制御器と、２相の電圧指令を入力し互いに４０度位相差をもつ３組の３相電圧指令に変換し、３組の３相電圧指令から３組の３相ＰＷＭ信号を生成するゲートドライブ信号生成器を備え、３組の３相ＰＷＭ信号を第１〜第３の３相インバータの入力とする構成にしたので、通電電流が作るギャップ磁束分布の高調波を低減でき、低巻線インピーダンスや集中巻のモータにおいてもトルクリプルが小さく、低価格の駆動装置を提供することができる。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の９相モータ駆動装置において電流制御器をｄ―ｑ軸電流制御器で構成したので通電電流が作るギャップ磁束分布の高調波を低減でき、低巻線インピーダンスや集中巻のモータにおいてもトルクリプルが小さく、低価格の駆動装置を提供することができる。

本発明の９相モータ駆動装置により、以下のような効果を得ることができる。
（１）電気角４０度の位相差のリップルの少ない出力電圧波形を９相分の巻線に印加することができるので、出力電圧波形の時間高調波成分を低減することができる。低インピーダンスのモータであってもトルクリプルの小さいモータ駆動装置を提供できる。
（２）電気角４０度の位相差のリップルの少ない出力電圧波形を９相分の巻線に印加することができるので、従来技術で問題となっていた出力電圧波形の空間高調波成分を低減することができる。各相の巻線が集中して配置される集中巻のモータであってもトルクリプルの小さいモータ駆動装置を提供できる。
（３）従来６個の電流検出器が必要であったものが３個もしくは２個で構成することができ、低価格な駆動装置を提供できる。

以下、本発明の第１の実施例を図１、図２を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施例の構成図、図２は９相モータの断面図、図３は従来例の相電圧波形シミュレーション、図４は本発明の相電圧波形シミュレーションである。

図１において、１は整流後の直流電源、９は速度制御器、４は電流制御器で３相／２相変換器４１と２相偏差増幅器４２である。５はゲートドライブ信号生成器で２相／３×３相電圧指令変換器５１と３×３相ＰＷＭ変換器である。６０、７０、８０はそれぞれ、第１、第２、第３の３相インバータ、６２、７２、８２はそれぞれ３相インバータ６０、７０、８０の第１、第２、第３のゲートドライブ回路であり、６１、７１、８１はそれぞれ第１、第２、第３の３相ブリッジ電力変換回路、４ｕ、４ｖ、４ｗは電流検出器である。２００は９相モータであり、２１０は９相モータ２００のステータ、２５０はロータである。２１１〜２１９は９相モータの各相巻線、２２０はスロット、２２１はティースである。２５１はロータ２５０の外周表面に貼り付けられた界磁とする永久磁石、２５２は永久磁石２５１の磁束を通すためのヨーク、２５３はシャフトである。巻線２１１〜２１９は９×ｍ個（ｍ＝１）のスロット２２０に収納されるが、ティース２２１に各巻線２１１〜２１９は集中巻に巻かれている。また、巻線２１１〜２１９は第１の３相巻線、第２の３相巻線、第３の３相巻線の３つに分けられ、各巻線群は３台の３相インバータ６０、７０、８０に接続される。第１の巻線群は互いに電気角１２０度位相差の巻線２１１、２１４、２１７、第２の巻線群は第１の巻線群に対して電気角４０度の位相差の巻線２１２、２１５、２１８、第３の巻線群は第１の巻線群に対して電気角８０度の位相差の巻線２１３、２１６、２１９から構成されている。なお、第１、第２、第３の巻線群は中性点が接続され、さらに第１、第２、第３の巻線群の中性点同士も接続されている。一方、ロータ２５０はその外周表面に界磁とする永久磁石２５１が設けられており、２×ｎ×ｍ＝８極（ｎ＝４、ｍ＝１）で構成されている。ここで、ロータ全周は８極×１８０度＝１４４０度であるため、１スロットのピッチ角は１４４０度／９＝１６０度であり、隣接する巻線の位相差は１６０度になる。
次に従来例と本発明の相電圧波形シミュレーションについて説明する。図３は従来例の相電圧波形シミュレーションを示したものである。１２０度電気角の３相電圧指令を三角波と比較してパルス幅変調し、パルス幅変調信号出力で３組の３相ブリッジ電力変換回路のゲートをドライブし、３相ブリッジ電力変換回路の出力を１２０度電気角の３組の３相巻線に印加したものである。このときの電圧指令は周波数１００Ｈｚ、振幅±５Ｖであり、三角波は周波数２ｋＨｚ、振幅±６Ｖである。また、図４は本発明の３組のうち１組の相電圧波形シミュレーションを示したものである。３相電圧指令から４０度位相差の３組の３相電圧指令を生成し、３組の３相電圧指令を三角波と比較してパルス幅変調し、パルス幅変調信号出力で３組の３相ブリッジ電力変換回路のゲートをドライブし、３相ブリッジ電力変換回路出力を４０度電気角の９相巻線に印加したものである。このときの電圧指令は周波数は１００Ｈｚ、振幅±５Ｖ、三角波は周波数２ｋＨｚ、振幅±６Ｖで従来例と同じである。本発明では、電気角４０度の位相差の出力電圧を９相分の巻線に印加することができるので、従来例で問題となっていた図３の出力電圧波形を本発明により図４のように低減することができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。図１において、速度制御器９は設定された速度指令と位置検出器２６０の位置信号の微分値を比較し、速度偏差をＰＩＤ増幅して、ｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを生成する。第１の巻線群に設けられた電流検出器４ｕ、４ｖ、４ｗは、それぞれ電流検出値Ｉｕｆｂ、Ｉｖｆｂ、Ｉｗｆｂを検出する。電流制御器４の３相／２相変換器４１は電流検出値Ｉｕｆｂ、Ｉｖｆｂ、Ｉｗｆｂをｄ−ｑ変換して、Ｉｄｆｂ、Ｉｑｆｂを出力する。偏差増幅器４２はｄーｑ軸電流指令Ｉｄｒｅｆ、Ｉｑｒｅｆと電流検出値Ｉｄｆｂ、Ｉｑｆｂの偏差をＰＩＤ増幅し、２相の電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを生成しゲートドライブ信号生成器に出力する。ゲートドライブ信号生成器５の２相／９相電圧指令変換器５１は２相のｄーｑ軸電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを入力し、互いに４０度電気角位相差の９相電圧指令Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９に変換し、互いに４０度電気角位相差をもつ第１の３相電圧指令、第２の３相電圧指令、第３の３相電圧指令の３組に分けて３×３相ＰＷＭ変換器に出力する。第１の３相電圧指令は互いに１２０度電気角位相差のＶ１、Ｖ４、Ｖ７であり、第２の３相電圧指令は互いに１２０度電気角位相差のＶ２、Ｖ５、Ｖ８であり、第３の電圧指令は互いに１２０度電気角位相差のＶ３、Ｖ６、Ｖ９である。３×３相ＰＷＭ変換器５２は３組の３相電圧指令をＰＷＭ信号に変換して第１の３相ゲートドライブ信号、第２の３相ゲートドライブ信号、第３の３相ゲートドライブ信号を生成し、それぞれ、第１の３相インバータ、第２の３相インバータ、第３の３相インバータへ出力する。第１の３相インバータのゲートドライブ回路６２は第１の３相ゲートドライブ信号ｆ１を入力し、絶縁増幅して信号ｇ１を出力し、３相ブリッジ電力変換回路のゲートをドライブする。第２、第３の３相インバータも同様の動作をする。第１の３相インバータの出力は第１の３相巻線を、第２の３相インバータは第２の３相巻線を、第３の３相インバータは第３の３相巻線を励磁するので巻線２１１〜２１９には各々が電気角４０度の位相差を有する出力電圧波形が印加される。

本発明はモータの大容量化の要求に対して標準の大形モータの結線変更と標準インバータの簡単な変更で対応しようとしたものである。ここでは、永久磁石形ＡＣ同期モータを例に説明したが、誘導電動機であっても良い。また９相モータを例に説明したが１２相モータなど３の倍数相を持つモータに適用できる。また電流制御を２相に限定して説明したが３相の電流制御であってもよい。

本発明の第１実施例を示す９相モータ駆動装置の構成図 本発明の第１実施例を示す９相モータの断面図 従来例の出力電圧波形 本発明の出力電圧波形 従来技術におけるモータ駆動装置の構成図

符号の説明

１ 直流電源
２ 制御回路
３ 電流平衡回路
４ 電流制御器
５ 電圧指令生成器
９ 速度制御器
１０、２０ ３相インバータ
１００ ３相モータ
１０１、１０２、１０３ Ｕ、Ｖ、Ｗ相の巻線
３１ｕ、３１ｖ、３１ｗ、３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ 電流検出器
１１、２１ ３相ブリッジ変換回路
２１、２２ ベースドライブ回路
３ｕ、３ｖ、３ｗ 電流偏差検出回路
６０、７０，８０ 第１、第２、第３の３相インバータ
６１、７１、８１ 第１、第２、第３の３相ブリッジ電力変換回路
６２、７２、８２ 第１、第２、第３のゲートドライブ回路
４ｕ、４ｖ、４ｗ 電流検出器
２００ ９相モータ
２１０ ステータ
２１１〜２１９ 巻線
２２０ スロット
２２１ ティース
２５０ ロータ
２５１ 永久磁石
２５２ ヨーク
２５３ シャフト
２６０ 位置検出器
ａ１ 第１の３相巻線のＵ相電流検出値Ｉｕｆｂ
ａ２ 第１の３相巻線のＶ相電流検出値Ｉｖｆｂ
ａ３ 第１の３相巻線のＷ相電流検出値Ｉｗｆｂ
ｂ１、ｂ２ ２相電流
ｃ１、ｃ２ ２相電流指令
ｄ１、ｄ２ ２相電圧指令
ｅ１、ｅ２、ｅ３ ３組の３相電圧指令
ｆ１、ｆ２、ｆ３ ３組の３相ゲートドライブ信号
ｇ１、ｇ２、ｇ３ ３組の絶縁されたゲートドライブ信号

Claims (2)

1. ゲートドライブ信号を入力とする３相インバータを３台使用して９相モータを駆動する９相モータ駆動装置において、
   ９×ｍ（ｍは自然数）のスロットに中性点を接続した４０度電気角位相差の９相巻線を施したステータと、極数が２×ｎ×ｍ（ｎは自然数）のロータとで構成したモータと、
   ０度、１２０度、２４０度電気角位相差の第１の３相巻線と４０度、１６０度、２８０度電気角位相差の第２の３相巻線と８０度、２００度、３２０度電気角位相差の第３の３相巻線で構成した前記９相巻線と、
   第１の３相インバータは前記第１の３相巻線を、第２の３相インバータは前記第２の３相巻線を、第３の３相インバータは前記第３の３相巻線を駆動するように接続した第１〜第３の３相インバータと、
   ３相の電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器の電流検出値を用いて電流を制御し、２相の電圧指令を出力する電流制御器と、２相の電圧指令を入力し互いに４０度位相差をもつ３組の３相電圧指令に変換し、前記３組の３相電圧指令から３組の３相ＰＷＭ信号を生成するゲートドライブ信号生成器を備え、
   前記３組の３相ＰＷＭ信号を前記第１〜第３の３相インバータの入力としたことを特徴とする９相モータ駆動装置。
2. 前記電流制御器はｄ―ｑ軸電流制御器で構成したことを特徴とする請求項１記載の９相モータ駆動装置。