JP2005261161A - モータの駆動制御方法および駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 単相交流電源を用いて回生エネルギを有効利用しながら、しかも滑らかな回転数制御を実現することができるモータの駆動制御方法および駆動制御装置を提供する。
【解決手段】 電力回生がなされた単相交流電源を用いたモータＭの駆動制御において、電源電圧のゼロクロスＳ前後の回生停止角間は、電力回生を停止することを特徴とする。ここで、前記回生停止角は下記式を満足する角度の内で最小の角度を超える角度とされる。
Ｖｍ・sinα＝ｅ
ここに、
Ｖｍ：母線間電圧
α：回生停止角規定角
ｅ：モータの誘起電圧
【選択図】 図２

Description

本発明はモータの駆動制御方法および駆動制御装置に関する。さらに詳しくは、単相交流電源を用いたモータとドライバが一体化された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制御方法および駆動制御装置に関する。

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。

電圧制御形およびＰＷＭ制御形のインバータでは、電動機の回生エネルギは、インバータを構成する順変換回路（コンバータ）と逆変換回路（狭義のインバータ）との中間回路に配されるコンデンサに返されるため、前記中間回路における電圧が上昇し、回路破壊を招くおそれがある。このため、通常、放電抵抗でコンデンサ電荷を放電させる方法を取っているが、この方法は回生エネルギを熱エネルギとして放出してしまうものであるため、経済的であるとはいえない。

したがって、エネルギの有効利用の観点からも回生エネルギを電源に返還する技術が要求され、電力回生形コンバータとして実用化されている。

図５に、トランジスタを用いた電力回生形コンバータ(単相コンバータ)の一例を示す。このコンバータ１００は、定常状態では順変換器として動作し電源１０１からモータへ電力を供給する一方、モータ回生制御時には所定のトランジスタＱ，Ｑをオン、オフして逆変換器として動作し、コンデンサに蓄積された回生電力を電源１０１に帰還させる。これにより、エネルギの有効利用が図られる。なお、図中の符号Ｄはダイオードを示す。

しかしながら、この方法では複雑な制御および大型の電解コンデンサが必要になり、構成の簡素化および小型化が図れないという問題がある。
特開平８−１０３８２１号公報

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、単相交流電源を用いて回生エネルギを有効利用しながら、しかも滑らかな回転数制御を実現することができるモータの駆動制御方法および駆動制御装置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制御方法は、電力回生がなされた単相交流電源を用いたモータの駆動制御方法であって、電源電圧のゼロクロス前後の回生停止角間は、電力回生を停止することを特徴とする。

本発明のモータの駆動制御方法においては、前記回生停止角は下記式を満足する角度の内で最小の角度を超える角度とされるのが好ましい。

Ｖｍ・sinα＝ｅ
ここに、
Ｖｍ：母線間電圧
α：回生停止角規定角
ｅ：モータの誘起電圧
本発明のモータの駆動制御装置は、電力回生がなされた単相交流電源を用いたモータの駆動制御装置であって、電源電圧のゼロクロス前後の回生停止角間は、電力回生を停止するよう構成されてなることを特徴とする。

本発明のモータの駆動制御装置は、前記回生停止角は下記式を満足する角度の内で最小の角度を超える角度とされてなるのが好ましい。

Ｖｍ・sinα＝ｅ
ここに、
Ｖｍ：母線間電圧
α：回生停止角規定角
ｅ：モータの誘起電圧

本発明によれば、単相交流電源を用いたモータにおいて、モータ制御性を損なうことなく回生エネルギを有効利用がなし得る単相コンバータを簡易に実現でき、しかもその小型化が図られ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。

図１に、本発明の一実施形態に係るモータの駆動制御方法が適用された駆動制御装置を示す。

駆動制御装置Ｋは、図１に示すように、単相の交流電源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３相交流に変換して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、交流電源Ｅの電圧、位相、電流を検出し、その検出結果を示す信号を出力する検出部５と、この検出部５の出力信号をモニタしつつ、インバータ２からモータＭへの出力電圧、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（回生エネルギという）を電源に戻して利用する電力回生形コンバータとして、４個の整流素子（ダイオード）Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４からなるブリッジ回路において、各整流素子Ｄ１〜Ｄ４に回生電力帰還用のトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を逆並列に接続して構成されている。

また、コンバータ１の出力端子間、すなわちインバータ２の入力端子間には、平滑コンデンサ１１が設けられる。ここで、コンバータ１の出力側とインバータ２の入力側とは、２本の直流母線Ｐ，Ｎを介して接続されている。

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。

入力側ＰＷＭ制御回路３は、回生時の電圧上昇による回路破壊を防止するために、制御部６の指令に従って、所定のタイミングで帰還用トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の適当な組をオン／オフするよう動作させるものである。

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ＰＷＭスイッチング制御を行うものとされる。

次に、制御部６による電源回生制御を説明する。

図２に、本実施形態における制御部６の制御内容を示す。ここで、制御部６は、モータＭの回転数を指令値による回転数（以下、指令回転数という）と一致させるよう出力ＰＷＭ制御回路４に指令を発する一方で、回生エネルギを電源Ｅに帰還するための電源回生制御を実施するものとされる。

すなわち、図３に示すように、コンバータ１が整流動作のみを行うものとした場合、つまりトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を常にオフとしてコンバータ１に電源回生動作を行わせない場合、母線Ｐの母線Ｎとの電位差（以下、母線電圧という）Ｖｍが、モータＭの誘起電圧ｅを下回ることはなく、モータＭは、母線電圧Ｖｍが誘起電圧ｅを超えていれば力行運転または回生制動を行い、母線電圧Ｖｍが誘起電圧ｅ以下であればフリーラン状態になる、といった動作を電源周波数の２倍の周波数で繰り返すことになる。

しかして、この状態では、放電抵抗等を用いない限り回生電力により母線電圧Ｖｍが過大となり、素子破壊に至る。

また、図４に示すように、コンバータ１に常時電源回生動作を行わせる場合、つまり電源電圧のゼロクロスＳ（図２参照）と同期させて、トランジスタＱ１およびトランジスタＱ４の組がオンである状態と、トランジスタＱ２およびトランジスタＱ３の組がオンである状態とを切り替えるよう制御する場合には、モータＭの回生動作により得られるエネルギを全て電源に戻すことが可能となる。しかしながら、この状態でモータＭを指令回転数により運転させた場合、モータＭの挙動は、定常運転状態で、母線電圧Ｖｍが誘起電圧ｅを超える間は常に力行運転を行って加速し、母線電圧Ｖｍが電圧ｅを下回ると急減速する、といった動作を繰り返すことになりやすく、モータ回転が滑らかなものとはならない。すなわち、滑らかなモータＭの回転数制御を行うことが困難になる。

そこで、前記図２に示すように、検出部５の出力によりモニタされる電源電圧のゼロクロスＳを中心とした所定期間Ｔ３はコンバータ１の電源回生動作を行わないものとする。つまり、全てのトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４をオフとする。そして、前記所定期間Ｔ３を除いた期間（以下、回生可能期間という）ＴＲには、電源Ｅへの電力帰還を可能とするように、電源電圧の正負に応じて、トランジスタＱ１およびトランジスタＱ４とトランジスタＱ２およびトランジスタＱ３のいずれかの組をオンするように制御する。

このとき、インバータ２においては、指令回転数を基準とする力行運転・回生制動の切り替えがコンバータ１の動作とは無関係に行われるが、前記所定期間Ｔ３においては、コンバータ１の全てのトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４がオフされるため、回生制動時にもモータＭはフリーラン状態となり、回生電力は発生しない。

また、ここで、前記所定期間Ｔ３はモータＭの定格点において下記式１を満足する範囲で最小角度αを超える角度(回生停止角)となるように、モータＭの回転数に応じて制御部６により動的に設定される。ここに、前記αは期間Ｔ３の１／２に相当する電気角を示す。なお、前記αを本明細書では「回生停止角規定角」と定義することにする。

Ｖｍ・sinα＝ｅ （１）
すなわち、モータＭの誘起電圧ｅはモータＭの回転数から容易に推定できるため、モータＭの回転数をモニタすることによって、前記式１を満足する回生停止角規定角αを演算することが可能であり、そしてその回生停止角規定角αに基づいて最適な回生停止角を設定することが可能となる。また、モータの停止直前や低速時には回生停止角規定角αはほとんどゼロに近い値となる。このため、前記所定期間Ｔ３も極めて短い期間となるため、モータ電流の連続性が確保される。したがって、実際には制御性が損なわれることはほとんどない。

このように、本実施形態のモータの駆動制御装置Ｋにおいては、電源電圧のゼロクロスを中心とする必要最小限（モータＭの定格により決まる）の所定期間Ｔ３は、電源回生動作を行わないようコンバータ１の帰還用トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を全てオフとし、つまりモータＭを回生制動が有効でないフリーラン状態とし、それ以外の期間にのみ電源Ｅへの回生エネルギ帰還を可能とするようにコンバータ１のトランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の適当な組をオンするので、電圧形インバータの有する高度の制御性をほとんど損なうことなく、また例えば放電抵抗を用いることなく、回生エネルギを全て電源Ｅに戻すことが可能となる。

本発明は電力回生がなされている単相交流電源を用いたモータに適用できる。

本発明の一実施形態に係るモータの駆動制御装置の構成を示す回路図である。 同装置の制御部による電源回生制御を示すタイミングチャートである。 回生動作時の問題点を示すためのグラフ図である。 単相交流電源による電源回生制御の問題点を示すためのグラフ図である。 従来の電源回生形コンバータの一例を示す回路図である。

符号の説明

Ｋ モータの駆動制御装置
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 検出部
６ 制御部
１１ コンデンサ

Claims (4)

1. 電力回生がなされた単相交流電源を用いたモータの駆動制御方法であって、
   電源電圧のゼロクロス前後の回生停止角間は、電力回生を停止することを特徴とするモータの駆動制御方法。
2. 前記回生停止角は下記式を満足する角度の内で最小の角度を超える角度とされることを特徴とする請求項１記載のモータの駆動制御方法。
   Ｖｍ・sinα＝ｅ
   ここに、
   Ｖｍ：母線間電圧
   α：回生停止角規定角
   ｅ：モータの誘起電圧
3. 電力回生がなされた単相交流電源を用いたモータの駆動制御装置であって、
   電源電圧のゼロクロス前後の回生停止角間は、電力回生を停止するよう構成されてなることを特徴とするモータの駆動制御装置。
4. 前記回生停止角は下記式を満足する角度の内で最小の角度を超える角度とされてなることを特徴とする請求項３記載のモータの駆動制御装置。
   Ｖｍ・sinα＝ｅ
   ここに、
   Ｖｍ：母線間電圧
   α：回生停止角規定角
   ｅ：モータの誘起電圧
   

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