JP2005198385A

JP2005198385A - モータの駆動装置およびその制御方法

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Publication number: JP2005198385A
Application number: JP2004000749A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Tamai; 博文玉井
Original assignee: Muscle Corp
Current assignee: Muscle Corp
Priority date: 2004-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-07-21

Abstract

【課題】小型化されしかも回生制動時などの電力回生により得られる電力を有効に利用できるモータの駆動装置およびその制御方法を提供することを目的としている。
【解決手段】３相交流を直流に変換するコンバータ１と、該コンバータ１により得られた直流を所望の交流に変換してモータＭに供給するインバータ２とを備え、前記コンバータ１は、６個の整流素子Ｄ１〜Ｄ６からなるブリッジ回路と、各整流素子Ｄ１〜Ｄ６に逆並列に接続してなる回生電力帰還用のトランジスタＲＰ，ＲＮ，ＳＮ．ＳＰ，ＴＰ，ＴＮとを有してなるモータＭの駆動装置Ｋで、母線Ｐ，Ｎ間の電圧との電位差が最小の端子に回生電力が戻される。
【選択図】図１

Description

本発明はモータの駆動装置およびその制御方法に関する。さらに詳しくは、モータとドライバが一体化されてなるインテグレイティッド・モータの小型化を促進できるモータの駆動装置およびその制御方法に関する。

従来より、小型のサーボモータやステッピングモータの制御には、それらの応答性を向上させる観点から、電圧制御形インバータが用いられている。また、その制御にはサーボモータなどに印加する電圧を、直流電圧を変えることなく電力変換回路内のトランジスタのオン、オフの時間比率を変えることにより、平均的に変えることができるところからのＰＷＭ（パルス幅変調）が用いられている。図７に、一般的な電圧制御形インバータの駆動制御回路の一例を示す。

この駆動制御回路１００は、図７に示すように、３相交流電源１０１を直流に変換するコンバータ部１０２と、このコンバータ部１０２で得られた直流を交流に変換するインバータ部１０３と、このインバータ部１０３を制御するＰＷＭ制御回路部１０４と、サーボモータ１０５と、電力回生制御回路部１０６などから構成されている。

前記コンバータ部１０２は、６個のダイオードをブリッジ状に用いた整流回路と、電流平滑用コンデンサとからなっており、インバータ部１０３はパワートランジスタ６個からなるブリッジ回路により構成されている。前記６個のパワートランジスタは、前記ＰＷＭ制御回路部１０４によりオン、オフ制御され、サーボモータ１０５に入力されるＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電流、電圧は１２０度の位相差をもって適宜に制御されてサーボモータ１０５の回転速度、回転方向などを自在に制御できるものとされている(例えば特許文献１)。

また、前記６個のパワートランジスタには逆並列にダイオードが接続されていて、サーボモータ１０５の端子にかかる電圧は負荷に無関係に各パワートランジスタによって、電源電圧にクランプされた矩形波となるようにされている。

電力回生制御回路部１０６は、回生制御回路部１０７により制御されるスイッチングトランジスタと、このスイッチングトランジスタに直列に接続された回生抵抗１０８とから構成されている。この電力回生制御回路部１０６は、サーボモータ１０５に回生制動時に発生する逆起電力による電流を回生制御回路部１０７によりスイッチングトランジスタを適宜オン、オフすることにより、回生抵抗１０８で熱エネルギーとして消費させるものとされる。

このように、従来の駆動制御回路１００においては、回生制動時に発生する電力を熱エネルギーとして消費させているため、そのエネルギーを有効に利用できていないという問題がある。また、コンバータ部１０２には平滑コンデンサとして容量が大きくサイズも大きなコンデンサが用いられているため、駆動制御回路１００の小型化を阻害しているという問題もある。
特開平８−１０３８２１号公報参照

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、小型化されしかも回生制動時などの電力回生により得られる電力を有効に利用できるモータの駆動装置およびその制御方法を提供することを目的としている。

本発明のモータの駆動装置は、３相交流を直流に変換するコンバータと、該コンバータにより得られた直流を所望の交流に変換してモータに供給するインバータとを備えてなるモータの駆動装置であって、前記コンバータは、６個の整流素子からなるブリッジ回路と、各整流素子に逆並列に接続してなる回生電力帰還用のトランジスタとを有してなることを特徴とする。

本発明のモータの駆動装置においては、コンバータが、トランジスタのスイッチング重なり期間における相間短絡を防止する相間短絡防止リアクトルを入力側に有してなるのが好ましい。

本発明のモータの駆動装置においては、コンバータが、トランジスタのデッドタイムにおける電力回生により得られた電気エネルギーを保持するデッドタイム補償コンデンサを出力側に有してなるのが好ましい。

本発明のモータの駆動装置の制御方法は、前記のいずれかに記載のモータの駆動装置の制御方法であって、母線間の電圧との電位差が最小の端子に回生電力を戻すように制御することを特徴とする。

本発明によれば、電力回生により得られた電気エネルギーをモータに入力電源として有効に利用できるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
図１に、本発明の実施形態１に係るモータの駆動装置を示す。

駆動装置Ｋは、図１に示すように、３相交流電源Ｅを直流に変換するコンバータ（順変換器）１と、コンバータ１で得られた直流を所望の電圧、周波数の交流に変換してＡＣサーボモータ(以下、単にモータという)Ｍに供給するインバータ（逆変換器）２と、コンバータ１を制御する入力ＰＷＭ制御回路３と、インバータ２を制御する出力ＰＷＭ制御回路４と、インバータ２の出力電圧、出力周波数、相回転についての指令値に応じた制御信号を入力ＰＷＭ制御回路３および出力ＰＷＭ制御回路４に送る制御部５と、３相交流電源Ｅの電圧、位相、電流を検出してその検出結果を示す信号を制御部５に入力する検出部６とを主要構成要素として備えてなる。

コンバータ１は、電力回生、例えば回生制動により得られる電気エネルギー（回生エネルギー）を電力として利用する電力回生形コンバータとして、６個の整流素子（ダイオード）Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６からなるブリッジ回路において、各整流素子Ｄ１〜Ｄ６に回生電力帰還用のトランジスタＲＰ，ＲＮ，ＳＰ，ＳＮ，ＴＰ，ＴＮを逆並列に接続して構成されている。

また、コンバータ１の入力部には、後述するトランジスタスイッチング時の相間短絡に起因する素子破壊を回避するために、小容量のリアクトル(相間短絡防止リアクトル)１１がＲ，Ｓ，Ｔの各相に対応して設けられており、これらリアクトル１１を介して、コンバータ１の入力側は、電源Ｅの端子Ｒ，Ｓ，Ｔに接続されている。また、出力側は２本の直流母線Ｐ，Ｎを介して、インバータ２の入力側に接続される。

インバータ２は、６個のスイッチング素子（トランジスタ）からなるブリッジ回路において、各トランジスタに回生電力帰還用のダイオードを逆並列に接続して構成されている。このインバータ２の入力側は、母線Ｐ，Ｎに接続され、出力側はモータＭに接続されている。

入力ＰＷＭ制御回路３は、回生動作時に、制御部５の指令に従って後述するトランジスタＲＰ〜ＴＮのスイッチング制御を行うものとされる。なお、入力ＰＷＭ制御回路３は周知のものが使用できるので詳細は省略してある。

出力側ＰＷＭ制御回路４は、インバータ２の出力として三相の正弦波状の相電圧を得るように、三角波のキャリア信号（不図示である）と指令値とを比較し、電圧指令が高い場合は、母線Ｐ側のトランジスタをオンさせ、低い場合は母線Ｎ側のトランジスタをオンさせる、といった公知のＰＷＭスイッチング制御を行うものとされる。

次に、入力ＰＷＭ制御回路３によるスイッチング制御を説明する。

図２に、電力回生時における、入力ＰＷＭ制御回路３によるスイッチングのタイミングチャートを示す。ここでは、電源Ｅの各相Ｒ，Ｓ，Ｔの電圧とトランジスタＲＰ，ＲＮ，ＳＰ，ＳＮ，ＴＰ，ＴＮのオン、オフの期間との対応が示されている。同図に示すように、本実施形態においては、トランジスタＲＰ，ＲＮ，ＳＰ，ＳＮ，ＴＰ，ＴＮの中で、順変換時（力行時）に導通状態となる整流素子と対のトランジスタを選択し、前記整流素子が導通状態となる期間に一致させて、前記選択されたトランジスタをオンするよう制御がなされるものとされる。すなわち、端子Ｒ，Ｓ，Ｔの内、母線Ｐ，Ｎ間の電圧との電位差が最小の端子を回生動作中の各時点において選択し、選択された端子と母線Ｐ，Ｎとを順次導通させるようトランジスタＲＰ〜ＴＮのスイッチング制御がなされる。この結果、回生時において、電力回生により得られた電気エネルギーが入力として利用されるように制御がなされる。

しかるに、３相交流電源を全波整流すると、周知のようにコンバータ１の出力Ｖｄｃ、つまり母線Ｐ，Ｎ間にはＲ相，Ｓ相，Ｔ相の各相間電圧の最大値Ｖｄｍが出力されるが、本実施形態ではモータＭの回生制動などによって母線Ｐ，Ｎ間の電圧がＶｄｍ以上に上昇した場合であっても、トランジスタＲＰ〜ＴＮのスイッチング制御によって電力が電源として回生されるため、母線Ｐ，Ｎ間の電圧は最大値Ｖｄｍに維持される。これによって、コンバータ１およびインバータ２のスイッチング素子つまりトランジスタＲＰ〜ＴＮが過電圧により破壊されるのが回避される。

したがって、回生電力を一時的に保持するための大容量のコンデンサをコンバータ１の出力端子間に設けることなく、回生エネルギーを全て入力として利用することが可能となる。これにより、回生制動時などに発生する電力を有効利用できるとともに、機構の簡素化および小型化が図られる。また、母線Ｐ，Ｎ間の電圧との電位差が最小である端子に電力を戻すよう制御がなされるため、過大な電流が素子に流れるのを回避することも可能となる。

このように、理論的には、母線Ｐおよび母線Ｎの双方において、トランジスタＲＰ，ＳＰ，ＴＰおよびトランジスタＲＮ，ＳＮ，ＴＮのオンの期間を繋げるようにスイッチングすることによって、回生電力を間断なく入力として利用することが可能となる。

しかるに、トランジスタのスイッチングには所定時定数による遅延が生じることから、前述したようなスイッチング制御を行った場合には、図４に示すように、オンの期間が前後する同極の２つのトランジスタ（図示例は、トランジスタＲＰとトランジスタＳＰの場合である）の間で両方がオンとなるスイッチング重なり期間Ｔ１が発生する。このスイッチング重なり期間Ｔ１において、コンバータ１は相間短絡状態となり、この短絡電流により素子破壊が生じるおそれがある。

そのため、実施形態１においては、コンバータ１の入力部に前記したように小容量のリアクトル１１を設け、これらリアクトル１１によって、前記短絡電流による素子破壊を回避するものとされる。なお、このようなリアクトル１１は、公知の電力回生コンバータの入力側に高調波抑制のために設けられる交流リアクトルほど大容量のものではなく、瞬時の短絡電流から回路を保護するもので比較的容量の小さなものでよい。ちなみに、リアクトル１１の容量は、通常１０μＨ〜１００μＨ程度であるのに対し、交流リアクトルの容量は、通常１０００μＨ(１ｍＨ)〜１００００μＨ(１０ｍＨ)程度である。また、リアクトル１１は、回生電力を保持するために通常設けられる大容量のコンデンサ等と比較してサイズが小さいため、それを設けた場合にも装置の小型化は阻害されない。

実施形態２
図５に、実施形態２のモータの駆動装置Ｋ１を示す。同図に示すように、この実施形態２は、実施形態１を改変したものであって、実施形態１におけるリアクトル１１を廃止し、それに代えて、コンバータ１Ａの出力端子間に、回生電力を極短期間保持するための小容量のコンデンサ(デッドタイム補償コンデンサ)１２を付加してなるものとされる。ちなみに、コンデンサ１２の容量は、通常１μＦ〜１０μＦ程度であるのに対し、平滑コンデンサの容量は、通常１０００μＦ〜１００００μＦ程度である。

実施形態２において、入力ＰＷＭ制御回路３は、マクロ的には実施形態１と同様に、母線Ｐおよび母線Ｎの双方のトランジスタＲＰ，ＳＰ，ＴＰおよびトランジスタＲＮ，ＳＮ，ＴＮについて、オンの期間を繋げるようにスイッチング（図２参照）するものとされる。しかしながら、実施形態２では、図６に示すように、オンの期間が前後する同極側の２つのトランジスタ（図示例は、トランジスタＲＰとトランジスタＳＰの場合である）のスイッチング点において、前記相間短絡状態の発生を回避するためのデッドタイムＴ２を設定し、各トランジスタＲＰ〜ＴＮをこのデッドタイムＴ２だけ遅らせてオンするようにスイッチングするものとされる。

これにより、前記相間短絡状態の発生を防止する一方で、デッドタイムＴ２の導入により極短時間、入力として利用されなくなった回生電力をコンデンサ１２により一時的に保持するものとされる。ここで、このような電力は、デッドタイムＴ２の設定誤差に対応するものであり、極めて小さい電力であることから、コンデンサ１２として前述したように小容量のコンデンサを用いることができる。したがって、このようなコンデンサ１２を設けても、装置の小型化は阻害されない。

本発明は電力回生がなされているモータに適用してその省エネルギーが図られる。

本発明の実施形態１に係るモータの駆動装置の構成を示す回路図である。同装置の入力ＰＷＭ制御回路による回生時の制御内容を示すタイミングチャートである。同装置のコンバータの出力状態を示すグラフ図である。図２の制御における問題点を示すための模式図である。本発明の実施形態２に係るモータの駆動装置の構成を示す回路図である。同装置の入力ＰＷＭ制御回路による回生時の制御内容を模式的に示すグラフ図である。従来のモータの駆動制御装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

Ｋ，Ｋ１モータの駆動装置
１コンバータ（順変換器）
２インバータ（逆変換器）
３入力ＰＷＭ制御回路
４出力ＰＷＭ制御回路
５制御部
６検出部
１１相間短絡防止リアクトル
１２デッドタイム補償コンデンサ

Claims

３相交流を直流に変換するコンバータと、該コンバータにより得られた直流を所望の交流に変換してモータに供給するインバータとを備えてなるモータの駆動装置であって、
前記コンバータは、６個の整流素子からなるブリッジ回路と、各整流素子に逆並列に接続してなる回生電力帰還用のトランジスタとを有してなることを特徴とするモータの駆動装置。
コンバータが、トランジスタのスイッチング重なり期間における相間短絡を防止する相間短絡防止リアクトルを入力側に有してなることを特徴とする請求項１記載のモータの駆動装置。
コンバータが、トランジスタのデッドタイムにおける電力回生により得られた電気エネルギーを保持するデッドタイム補償コンデンサを出力側に有してなることを特徴とする請求項１記載のモータの駆動装置。
請求項１、２または３記載のモータの駆動装置の制御方法であって、
母線間の電圧との電位差が最小の端子に回生電力を戻すように制御することを特徴とするモータの駆動装置の制御方法。