JP2010119253A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生エネルギー処理回路とＤＢ回路を備えるものであって、回生エネルギー処理回路の抵抗とＤＢ回路の抵抗とを共用すると共に両回路を簡単化し、また、サーボモータ駆動時の両回路における損失を抑制し、装置自体の小形化または低コスト化を図ることができるモータ制御装置を提供する。
【解決手段】3相のサーボモータを駆動するサーボアンプにおいて、 3つのダイオード素子１、２、３と、抵抗１と、半導体スイッチ素子１と、前記半導体スイッチ素子を保護する保護ダイオード素子４と前記半導体スイッチ素子１とインバータブリッジ回路を制御する制御装置を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動すると共に、モータからの回生時に主回路の過電圧を防ぐ回生エネルギー処理回路と、モータを強制停止させるダイナミックブレーキ回路（以下、ＤＢ回路という）を備えるモータ制御装置の小形化に関する。

モータ制御装置における回生エネルギー処理回路と、ＤＢ回路の必要性については、次のようなことが知られている。
図１２は従来のモータ制御装置における回生エネルギー処理回路とＤＢ回路とを示す図であり、図１３は従来のモータ制御装置におけるＤＢ回路の簡略化を示す図である。
モータ制御装置は、一般的に、３相交流電源を入力としダイオードを用いた整流回路と平滑コンデンサによって直流電源を作り、直流電源を３相交流に変換するインバータブリッジで３相のモータを駆動するものである。

インバータブリッジ回路より電力を供給し、モータは連結された負荷を駆動するが、負荷の状態によっては負荷がモータを駆動し、モータ制御装置側へ電力が回生される場合がある。このとき、回生電力は、インバータブリッジによって直流へ変換され、平滑コンデンサに蓄えられ平滑コンデンサの電圧が上昇する。平滑コンデンサやインバータブリッジが耐えることのできる直流電圧には上限があるので、直流電圧が一定以上にならないように保護する必要がある。
この直流電圧の上昇を抑制する方法として、図１２のように直流配線に抵抗３と半導体スイッチ５を直列接続し、半導体スイッチ５の保護用ダイオード１２を備えた回生エネルギー処理回路が用いられる。回生エネルギー処理回路のダイオード１２は、半導体スイッチ５がオフした際に、抵抗３の配線インダクタンスに起因するサージ電圧を抑制するために必要である。回生エネルギー処理回路は、直流電圧が閾値よりも上昇すると制御回路によって半導体スイッチ５をオンし、抵抗３によってサーボモータ４からの回生エネルギーを消費する。従って、回生エネルギー処理回路の抵抗３は、サーボモータ４からの回生電力量を消費しなければならず、かなり大きなサイズの抵抗が必要となるのである。

また、サーボモータが負荷を駆動している際に、装置の故障や停電が起こると、サーボモータを速やかに停止しなければならない。サーボモータを迅速に停止する技術としては、図１２のようなＤＢ回路が用いられる。サーボアンプは、急速停止の際にインバータブリッジ（半導体スイッチ６乃至１１およびダイオード１３乃至１８で構成）の動作を停止し、ＤＢ回路のリレー２６などのスイッチをオンすることで、サーボモータ４内に残る残留エネルギーをＤＢ回路の抵抗２５で消費することで、サーボモータ４は停止する。前述の回生エネルギー処理回路の抵抗３と同様に、ＤＢ回路の抵抗２５もサーボモータ４の容量に依存して大きなサイズの抵抗が必要となるのである。更に、ＤＢ回路は、サーボモータから出力される交流電流を整流回路（ダイオード１９乃至２４で構成）によって直流へ整流して抵抗２５に流すので、図１３のようにコストダウンのために整流回路の一部（ダイオード２２乃至２４）をインバータブリッジ（半導体スイッチ６乃至１１およびダイオード１３乃至１８で構成）が備えるダイオード（ダイオード１４，１６，１８）を利用する回路も用いられる。
このように、従来のモータ制御装置は、前述のように、回生エネルギー処理回路およびＤＢ回路が必要なために、それぞれ追加の回路と大きなサイズの抵抗を備える必要があり、モータ制御装置自体の小形化または低価格化ができないという問題があった。

この問題を解決するために、第１の従来技術におけるモータ制御装置は、「突入電流防止回路、過電圧保護回路及びダイナミックブレーキング回路を有するモーター電源供給装置に関する」ものであって、「部品を供有することにより、部品数が減少し、製品サイズ及び製造コストを減らすことができるモーター電源供給装置を提供すること」を目的としている（例えば、特許文献１参照）。
図１４は、第１の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図である。図において、１はＡＣ電源供給部、３は整流部、５はコンデンサー、７はモーター、９はインバーター部、１１は過電圧保護スイッチング素子、１３はダイナミックブレーキング抵抗、１５は抵抗、１７は過電圧保護ダイオード、１９は多接点リレーである。なお、図面に付した符号は、第１の従来技術である特許文献１に付された符号と同一のものを用いて説明している。

第１の従来技術におけるモータ制御装置は、「モーター７の駆動時に急停止させたり電源がオフされてモーター７の駆動が停止した場合、制御部は多接点リレー１９を第３接点Ｃに接続させる。これにより、外力によりモーター７が回転しようとする時に発生される過多の電流がインバーター部９内に設けられたダイオードで抵抗１５と流れ、抵抗１５により熱で消耗されるようにして、モーター７の損傷を防止し、モーター７が回転することを防止することができる。即ち、ダイナミックブレーキング機能を行うことである。」「また、ＡＣ電源供給部１から初期電源が印加されると、制御部は、多接点リレー１９を第１接点Ａに接続させる。この時、ＡＣ電源供給部１から供給される交流電圧（ＶＬ１−Ｌ２）は整流部３により整流され、整流部３により整流された電圧（ＶＤ１）は抵抗１５を通じてコンデンサー５に充電される。即ち、多接点リレー１９が第１接点Ａに接続された状態で、抵抗１５は突入電流防止機能を行う」ことである。

また、第２の従来技術におけるモータ制御装置は、「回生制御が可能な複数のサーボモータ等を制御するモータ制御装置に関するもの」であって、「複数のモータの回生処理及びブレーキ処理を簡単な構成で実施でき」、また「専用のブレーキ回路を用いることなく、電源の停電時に複数のモータに同時にブレーキをかけることができ」、更に「回生処理回路の回生抵抗とこの回生抵抗に回生電流を流すスイッチング手段を利用して、電源の停電時に複数のモータにブレーキをかけることができ」、また更に「複数のモータに迅速にブレーキかけることができて、しかも回生処理時に回生抵抗を破損または焼損させることのないモータ制御装置を提供すること」を目的としている（例えば、特許文献２）。
図１５は、第２の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図である。図において、１Ａ〜１Ｃはモータ、２Ａ〜２Ｃはインバータ回路、３は整流回路、４は主回路コンデンサ、５は電圧監視回路、６は回生抵抗、７，７´は回生用トランジスタ（スイッチング手段）、８，８´は制御回路（制御信号発生回路）、９Ａ〜９Ｃはインバータ駆動回路、１０は制御電源回路、１１は電源監視回路、１２は回生検出回路である。なお、図面に付した符号は、第２の従来技術である特許文献２に付された符号と同一のものを用いて説明している。

第２の従来技術におけるモータ制御装置は、「電源スイッチＭＳに対しては抵抗値が大きな突入防止抵抗Ｒが並列接続されている。またインバータ回路２Ａ〜２Ｃの一方の極性の入力端子と主回路コンデンサ４の一方の端子（または共通電源の一方の出力端子）との間には、インバータ回路２Ａ〜２Ｃへの電力の供給を選択的に可能にするスイッチ回路がそれぞれ配置されている。」また、「回生抵抗６と回生用トランジスタ（スイッチング手段）７の直列回路が、回生電力をジュール熱に変換する回生処理回路の一部を構成している。」回生状態とブレーキ状態とで、インバータ回路２Ａ〜２Ｃへの電力の供給を選択的に可能にするスイッチ回路（ＴＲ１乃至ＴＲ３）と回生用トランジスタ（スイッチング手段）７とを適宜制御することにより、「複数のインバータ回路からの回生電力を１つの回生抵抗とスイッチング手段によって回生処理することができて、制御装置の構成が簡単になる上、回生処理回路の回生抵抗をブレーキ抵抗として利用して、電源が停電状態になったときに、複数のモータにブレーキをかけることができるので、専用のブレーキ回路を設ける必要がないという利点がある」ものである。

また、第３の従来技術におけるモータ制御装置は、「回生制御が可能なサーボモータ等のモータ制御装置に関するものであり、特に電源で停電が発生した際に、迅速にモータの回転を停止できるモータ制御装置に関するもの」であって、「専用のブレーキ回路を用いることなく、電源の停電時にモータにブレーキをかけることができ」、また「回生処理回路の回生抵抗とこの回生抵抗に回生電流を流すスイッチング手段を利用して、電源の停電時にモータにブレーキをかけることができ」、更に「迅速にブレーキかけることができて、しかも回生処理時に回生抵抗を破損または焼損させることのないモータ制御装置を提供すること」を目的としている（例えば、特許文献３）。図１６は、第３の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図である。図において、１はモータ、２はインバータ回路、３は整流回路、４は主回路コンデンサ、５は電圧監視回路、６は回生抵抗、７は回生用トランジスタ（スイッチング手段）、８は制御回路（制御信号発生回路）、９はインバータ駆動回路、１０は制御電源回路、１１は電源監視回路、１２は回生検出回路である。なお、図面に付した符号は、第３の従来技術である特許文献３に付された符号と同一のものを用いて説明している。

第３の従来技術におけるモータ制御装置は、「回生処理回路で用いるスイッチング手段として、制御端子に制御信号が入力されているときにはオフ状態となり、制御端子に制御信号が入力されていないときにはオン状態になるノーマリーオン構造の回生用トランジスタ７を用い」、「電源で停電が発生している間、回生用トンラジスタ７はオン状態となり、モータ１からインバータ回路２を通して供給される回生電力は、回生抵抗６でジュール熱となって消費され、モータにブレーキがかかる」ように構成するものである。
特開２００４−２４８４８８号公報（第４−６頁、図２） 特開２０００−１８８８９７号公報（第６−１０頁、図１） 特開平１１−１８４６４号公報（第６−９頁、図１）

前述の通り、一般的なモータ制御装置は、回生エネルギー処理回路とＤＢ回路が必要なために、それぞれ追加の回路と大きなサイズの抵抗が必要であり、モータ制御装置自体の小形化または低価格化ができないという問題があった。
また、第１の従来技術におけるモータ制御装置（特許文献１）では、比較的小サイズでよい突入電流防止用の抵抗は省略できるが、回生エネルギー処理回路については言及されておらず、大きなサイズの回生エネルギー処理回路とＤＢ回路の抵抗を共用することができない。また、直流電源の配線上に接点を備えることで抵抗部品を共用して部品数を減少し、製品サイズ及び製造コストを減らすことを実現しているが、通常のサーボモータを駆動する運転時に、この接点部での損失が増加してしまい、一般的なモータ制御装置よりも効率が低下するという問題もあった。
また、第２の従来技術におけるモータ制御装置（特許文献２）では、直流電源の配線上に半導体スイッチを設けているので、通常の運転時にリレー接点よりもさらに大幅に損失が増加し、この半導体スイッチの冷却装置も必要となり、一般的なモータ制御装置よりも大幅に効率が低下し、大形化してしまうという問題があった。
また、第３の従来技術におけるモータ制御装置（特許文献３）では、「回生処理回路で用いるスイッチング手段として、制御端子に制御信号が入力されているときにはオフ状態となり、制御端子に制御信号が入力されていないときにはオン状態になるノーマリーオン構造の回生用トランジスタ７を用い」ているので、停電時でない場合にダイナミックブレーキを行うことができない。また、停電時でない場合にダイナミックブレーキ動作を行うと直流電源から抵抗へ電力が供給されるので抵抗が焼損してしまうという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、回生エネルギー処理回路とＤＢ回路を備えるものであって、回生エネルギー処理回路の抵抗とＤＢ回路の抵抗とを共用すると共に両回路を簡単化し、また、サーボモータ駆動時の両回路における損失を抑制し、装置自体の小形化または低コスト化を図ることができるモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを兼ねる共通抵抗と、前記インバータブリッジの出力端にアノード端子を接続するダイオードと、を備え、前記ダイオードのカソード端子と前記共通抵抗とを接続し、前記共通抵抗の他端と前記半導体スイッチとを接続し、前記半導体スイッチの他端と前記直流電源の負側とを接続したことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを兼ねる共通抵抗を備え、前記制御回路が、ダイナミックブレーキの場合、前記インバータブリッジを全てオフ動作、かつ前記半導体スイッチをオン動作させ、回生の場合、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号のタイミング時に、前記半導体スイッチをオン動作させることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを共用するように構成し、前記制御回路が、ダイナミックブレーキの場合、前記インバータブリッジを全てオフ動作、かつ前記半導体スイッチをオン動作させ、回生の場合、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号のタイミング時に、前記半導体スイッチをオン動作させることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを共用するように構成することを特徴とするものである。
また、請求項５記載の発明は、請求項１または４に記載の発明における前記制御回路が、ダイナミックブレーキの場合、前記インバータブリッジを全てオフ動作、かつ前記半導体スイッチをオン動作させ、回生の場合、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号のタイミング時に、前記半導体スイッチをオン動作させることを特徴とするものである。
また、請求項６記載の発明は、請求項１または２に記載の発明における前記共通抵抗と、前記半導体スイッチとの組みを複数組み備え、複数組みの互いの前記共通抵抗を並列接続することを特徴とするものである。
また、請求項７記載の発明は、請求項１または２に記載の発明における前記共通抵抗と、前記半導体スイッチとの組みを複数組み備え、複数組みの互いの前記共通抵抗を直列接続することを特徴とするものである。
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の発明における前記制御回路が、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号の時間を調整することを特徴とするものである。
また、請求項９記載の発明は、請求項８に記載の発明における前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御信号を生成するための電圧指令に対して、オフセット量を加えて前記ＰＷＭ制御信号の時間を調整することを特徴とするものである。
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の発明における前記制御回路が、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号の時間を、ＰＷＭ周期中に可変することを特徴とするものである。
また、請求項１１記載の発明は、請求項１０に記載の発明における前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御信号を生成するための電圧指令に対して、オフセット量を加えて前記ＰＷＭ制御信号の時間を、ＰＷＭ周期中に可変することを特徴とするものである。

請求項１乃至５のいずれか１つに記載の発明によると、回生エネルギー処理回路の抵抗とＤＢ回路の抵抗とを共用すると共に両回路を簡単化でき、また、サーボモータ駆動時の両回路における損失を抑制することができる。また、大きなサイズの抵抗は、格納する大きな空間や発熱を冷却するための空間、冷却用ＦＡＮなどの冷却装置が必要であったが、抵抗を共用することにより必要な空間や冷却装置を減少させることができ、装置自体の小形化または低コスト化、更には省エネルギー化を図ることができる。
また、請求項６または７に記載の発明によると、簡単な回路の増設で回生動作とＤＢ動作の抵抗値を調整することができるので、サーボドライブ装置の性能と安全性を向上することができる。また、回生用の抵抗とダイナミックブレーキ用の抵抗とを分けて設計したい場合や抵抗値を状況に応じて細かく調整したい場合、容易に対応することができ、最適な両回路動作をさせることができ、モータ制御装置自体の信頼性向上を図ることができる。
また、請求項８乃至１１のいずれか１つに記載の発明によると、ＰＷＭ動作によって回生エネルギーの消費量を調整・増加させることができるので、更に装置自体の小形化または低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置の概略構成図である。図において、１はダイオード整流などの入力電源へ回生する機能のない直流電源、２は平滑コンデンサ、３は抵抗、４はモータ、５〜１１は半導体スイッチ、１２〜２１はダイオード、３０は制御回路である。なお、図において、第１乃至３の従来技術におけるモータ制御装置の図１４乃至１６に付された構成と同一の符号を付しているが、相互に関係するものではなく、その作用効果も全く異なるものである。
本発明における回生エネルギー処理回路またはＤＢ回路は、抵抗３、半導体スイッチ５、ダイオード１２、ダイオード１９乃至２１で構成されるものであり、抵抗３が両回路に共用する抵抗となるものである。

回生エネルギー処理回路またはＤＢ回路は、モータ４と半導体スイッチ６乃至１１とが繋がる出力線上にダイオード１９〜２１のアノードを接続し、ダイオード１９〜２１の全てのカソードと抵抗３とを接続する。また、抵抗３の他端は半導体スイッチ５のコレクタとダイオード１２のアノードに接続され、半導体スイッチ５のエミッタは直流電源１の負端子（Ｎ）に接続され、ダイオード１２のカソードは直流電源１の正端子（Ｐ）へ接続される。なお、ダイオード１２は、半導体スイッチ５がオフした際に、抵抗３の配線インダクタンスに起因するサージ電圧を抑制するために必要なものである。

また、各半導体スイッチ５〜１１は、制御回路３０によってオンオフを制御されるものであって、制御回路３０は、半導体スイッチ６〜１１とダイオード１３〜１８で構成されるインバータブリッジを制御してモータ４を駆動する。なお、回生エネルギー処理回路またはＤＢ回路におけるダイオード１９〜２１、抵抗３、半導体スイッチ５、ダイオード１２には、モータ４を駆動する通常運転時に電流が流れない（制御回路３０による半導体スイッチ５のオン動作をしない）ので、モータ制御装置の効率は従来に比べて低下せず、冷却装置も従来の装置と同じでよいのである。
また、制御装置３０は、直流電源１のＰとＮの端子間電圧である主回路電圧（ＶＰＮ）を監視し、適宜、半導体スイッチ５をオンオフ動作させるものである。

図２は本発明の回生エネルギー処理回路動作時の電流経路例を示す図であり、図３は本発明のＤＢ回路動作時の電流経路例を示す図である。図において、図１と同一の符号を付した構成は、同一の作用効果を奏するものであるため、詳細な説明は省略する。
図２において点線矢印が回生時の電流経路であり、図１における制御回路３０は、図示するように半導体スイッチ５，６，８，１０をオン動作させると、平滑コンデンサ２に蓄えられたエネルギーは該電流経路を通って、抵抗３によって消費されるのである。
また、図３において点線矢印がＤＢ時の電流経路であり、図１における制御回路３０は、図示するように半導体スイッチ５のみをオン動作させると、モータ４からのＤＢエネルギーは該電流経路を通って、抵抗３によって消費されるのである。
このように、回生時またはＤＢ時にオン動作させる半導体スイッチを可変することにより、抵抗３を共用できると共に、簡単な回路構成により、回生エネルギー処理回路とＤＢ回路とを構成できるのである。

図４は本発明の回生エネルギー処理回路動作時の各スイッチ（半導体スイッチ５〜１１）動作例１を示す図であり、図５は本発明の回生エネルギー処理回路動作時の各スイッチ（半導体スイッチ５〜１１）動作例２を示す図である。図において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相電圧指令および搬送波（キャリア）は、図１における制御回路３０が半導体スイッチ６乃至１１をＰＷＭ制御するための信号、ＳＷ５乃至１１は、図１における半導体スイッチ５乃至１１に相当する各ＳＷのオンオフ動作信号（半導体スイッチ５乃至１１がＩＧＢＴやｎチャンネルＭＯＳＦＥＴの場合、ゲート電圧信号に相当）、ＤＢ制御信号および回生制御信号は、図１における制御回路３０がある条件下で発生する信号、主回路電圧は、図１における直流電源１のＰ（正）とＮ（負）の端子間電圧であり、制御回路３０がこの主回路電圧を監視するものである。

インバータブリッジ（図１における半導体スイッチ６乃至１１およびダイオード１３乃至１８に相当）が、図４のようにＰＷＭ動作を行っている場合、回生動作時、即ちモータ４からの回生エネルギーがモータ制御装置側に移動すると、直流電源１は電源回生機能がないので、回生エネルギーは平滑コンデンサ３へ蓄えられ主回路電圧が上昇する。
しかしながら、ＰＷＭ動作の中で、半導体スイッチ６、８、１０がオン、半導体スイッチ７、９、１１がオフであって、インバータブリッジの全ての出力電圧が直流電源１のＰ（正）の端子電圧となり、モータ４へ印加される線間電圧は零となる状態（線間出力零電圧状態）、または、半導体スイッチ６、８、１０がオフ、半導体スイッチ７、９、１１がオンであって、インバータブリッジの全ての出力電圧が直流電源１のＮ（負）の端子電圧となり、モータ４へ印加される線間電圧は零となる状態（線間出力零電圧状態）では、電流はモータ４の配線内で閉じてしまうので、平滑コンデンサ３への充電は行われないのである。

ここで、主回路電圧がＯＮ Ｌｅｖｅｌに達すると、制御回路３０は回生制御信号をオンとし、回生制御信号とＳＷ６、ＳＷ８、ＳＷ１０の信号とが、全てオンとなる線間出力零電圧状態のタイミングで、ＳＷ５をオンとして半導体スイッチ５をオン動作させる。このようにすると、平滑コンデンサ２に蓄えられたエネルギーは、図２のような電流経路を通って、抵抗３によって消費され、これに伴って、主回路電圧が低下し、ＯＦＦ Ｌｅｖｅｌに達すると、制御回路３０は回生制御信号をオフとし、ＳＷ５をオフとして半導体スイッチ５をオフ動作させる。なお、ＯＮ ＬｅｖｅｌとＯＦＦ Ｌｅｖｅｌは、平滑コンデンサ２など主回路電圧が印加される部品が破壊しないレベルの電位を選べばよい。

このようなＰＷＭ動作中の回生エネルギーの移動は、図４に示す通り、インバータブリッジが線間出力零電圧状態でない時は、モータからモータ制御装置側へ回生エネルギーが移動し平滑コンデンサの電圧が上昇する。一方、線間出力零電圧状態では、モータの回生エネルギーはモータ内で閉じており外部へは出力されない。
前述のように、半導体スイッチ６、８、１０がオンの線間出力零電圧状態で半導体スイッチ５がオンすると、主回路の平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーは、抵抗に移動し消費される。このとき半導体スイッチ６、８、１０には、モータの負荷電流方向によって、モータの電流と平滑コンデンサから抵抗へ流れる電流の和が流れることとなり、半導体スイッチの損失が従来のモータ制御装置よりも増加することもある。しかしながら、回生エネルギー処理は、もともとエネルギーを抵抗の損失へ変えるものであるので、この動作時に損失が増えることはモータ制御装置の効率には影響なく問題ないものである。なお、この電流増加に伴う損失増加が、半導体スイッチ５、６、８、１０の冷却能力を超えないように抵抗３の値を決めるか、駆動する負荷側で回生エネルギー量を制限する必要がある。

図４に示す例は、ＰＷＭ周期中（搬送波の山から山の間）に、主回路電圧が、一旦ＯＮ Ｌｅｖｅｌを超えて、回生エネルギー処理によりＯＦＦ Ｌｅｖｅｌまで低下した例であるが、回生エネルギーと抵抗３で消費できるエネルギーとのバランスから、図５のように複数のＰＷＭ周期に渡って回生エネルギー処理が継続することもある。

図６は本発明の回生エネルギー処理回路動作比率を増加させた動作例を示す図であり、図７は本発明の回生エネルギー処理回路動作比率を調整させた動作例を示す図である。図において、図４および５と同一の信号名の記載は、同一の作用をするものであるため、詳細な説明は省略する。
前述のように、抵抗３による回生エネルギー処理動作は、半導体スイッチ６、８、１０が全てオンとなる線間出力零電圧状態の条件下のみで行われる。この線間出力零電圧状態の期間は、インバータブリッジの出力電圧に依存し、出力電圧が高い場合は、この期間が非常に短くなる。モータ４から電力を回生する条件では、インバータ出力電圧 ＜ モータ電圧（モータの電圧はモータ回転速度に依存）となるため、線間出力零電圧の期間は、ある程度確保される傾向になる。

一旦ＯＮ Ｌｅｖｅｌを超えた主回路電圧を早く減少させる必要がある場合は、図６のように、半導体スイッチ６、８、１０が全てオンとなる線間出力零電圧状態の期間を長くすればよい。即ち、３相の電圧指令（Ｕ，Ｖ，Ｗ相電圧指令）に同じ量のオフセット量を加えることにより、半導体スイッチ６、８、１０が全てオンとなる線間出力零電圧状態の期間を長くすることができる。３相の電圧指令（Ｕ，Ｖ，Ｗ相電圧指令）に同じ量のオフセット量を加えるということは、半導体スイッチ７、９、１１が全てオンとなる線間出力零電圧状態の期間を短くし、半導体スイッチ６、８、１０が全てオンとなる線間出力零電圧状態の期間を長くするように調整し、一旦ＯＮ Ｌｅｖｅｌを超えた主回路電圧を早く減少させるのである。なお、この場合、モータ４の端子間電圧（線間電圧）は変化しないので、モータ４の駆動・回生にはなんら影響なく、回生エネルギーの消費を多く行うことができるのである。また、この期間の調整（３相の電圧指令（Ｕ，Ｖ，Ｗ相電圧指令）に同じ量のオフセット量を加える調整）は、図７のように必要な時にのみ行い、必要ない場合は従来の期間へ戻してもよいものである。

図８は、本発明のＤＢ動作時の各スイッチ動作例を示す図である。図において、図４乃至７と同一の信号名の記載は、同一の作用をするものであるため、詳細な説明は省略する。
本発明におけるモータ制御装置のダイナミックブレーキ動作は、図１における制御回路３０が入力電源の停電、装置故障などを監視して、ダイナミックブレーキを用いた非常停止の必要性を判断した上で行うものである。
ダイナミックブレーキを行う場合には、制御回路は、ＤＢ制御信号をオン、かつ半導体スイッチ６〜１１の信号ＳＷ６〜ＳＷ１１の全てをオフとし、半導体スイッチ５の信号ＳＷ５をオンとして半導体スイッチ５をオン動作させる。この時のＤＢ時の電流経路は、図３の例に示すような経路を通って、電力が抵抗３によって消費されるのである。

図９は、本発明の回生エネルギー処理回路動作からＤＢ動作へ移行する動作例を示す図である。図において、図４乃至８と同一の信号名の記載は、同一の作用をするものであるため、詳細な説明は省略する。
前述のように、ダイナミックブレーキを行うと、モータからのエネルギーは図３に示すＤＢ時の電流経路を介して電力が抵抗３で消費されるので、主回路電圧を下げることはできなくなる。しかしながら、モータから平滑コンデンサ２への充電がなくなるので、平滑コンデンサの電位上昇も止まり、主回路電圧がＯＮ Ｌｅｖｅｌ以下であれば、平滑コンデンサ２等の部品の電圧破壊もないため、この電圧で保持されても問題はない。
したがって、回生エネルギー処理回路動作からＤＢ動作へ移行する場合においても、主回路電圧がＯＮ Ｌｅｖｅｌ以下であれば、ダイナミックブレーキを行っても何ら問題はないのである。逆に、回生エネルギー処理回路動作中の主回路電圧がＯＮ Ｌｅｖｅｌ以上である間は、ダイナミックブレーキを行わない等のシーケンス処理か、負荷装置の保護を優先する場合はダイナミックブレーキを行い、ＯＮ Ｌｅｖｅｌの値を若干超える値も平滑コンデンサ２など主回路電圧が印加される部品が破壊しないレベルに設計することが必要である。

図１０ は、本発明のＳＷ５の動作信号を生成するロジック回路例を示す図であって、図４乃至９におけるＳＷ６，８，１０の動作信号および回生制御信号ならびにＤＢ制御信号からＳＷ５の動作信号を作り出すロジック回路の例である。このような簡単なロジック回路での構成が可能であり、モータ制御装置として安価に実現可能なものである。

図１１（ａ）は本発明の抵抗回路を増加させる場合の実施例を示す図、（ｂ）は本発明の抵抗回路を増加させる場合の他の実施例を示す図である。図において、２７は半導体スイッチ、２８は抵抗、２９はダイオードであって、図１乃至３と同一の符号を付した構成は、同一の作用効果を奏するものであるため、詳細な説明は省略する。
回生エネルギーの消費電力とダイナミックブレーキの消費電力は、モータ制御装置が利用される負荷装置の容量や、その運転条件によって決まるので、その条件に応じて、それぞれ違う最適値が存在することが知られている。
回生エネルギーは負荷に依存するものであって、モータ制御装置の数〜数十％程度であり、モータ制御装置の利用時にその抵抗値Ｒ１が設計される。また、ダイナミックブレーキは、モータの巻線インダクタンスと巻線抵抗、回転数によって、最短時間で停止する抵抗値の最適値Ｒ２が決まるので、モータ固有の値となる。

一般的には、ダイナミックブレーキに最適な抵抗値Ｒ２は低めの値で、Ｒ１＞Ｒ２である。本発明のモータ制御装置のように、回生エネルギー処理回路とＤＢ回路との抵抗を共用すると、回生時の抵抗はパルス動作となるので、単位時間当たりの抵抗利用率をＤ（＜１．０）、抵抗値をＲ２とすると、等価的な回生用の抵抗値はＲ１＝Ｒ２/Ｄとなり、Ｒ１＞Ｒ２の条件を満たす。
したがって、抵抗の容量は、一般的に回生用抵抗の方が大きいので、抵抗サイズは必要な回生エネルギー消費量に合わせるように設計すればよい。

また、回生用の抵抗とダイナミックブレーキ用の抵抗とを分けて設計したい場合や、抵抗値を状況に応じて細かく調整したい場合には、図１１（ａ）（ｂ）のように、半導体スイッチ２７と抵抗２８、ダイオード２９を増やし、抵抗３と抵抗４を直列または並列接続することで、各動作の抵抗値を変更し、最適値に近づけることができる。
なお、図１１は抵抗回路を１つ増設する例を示したが、増設数をさらに増やしてもよい。また、抵抗を多数並列接続するよう構成すれば、各抵抗の有効あるいは無効の組み合わせにより、細かい抵抗値の調整が可能となり、ブレーキ時の力の可変もできるようになる。

本発明のモータ制御装置の概略構成図 本発明の回生エネルギー処理回路動作時の電流経路例を示す図 本発明のＤＢ回路動作時の電流経路例を示す図 本発明の回生エネルギー処理回路動作時の各スイッチ動作例１を示す図 本発明の回生エネルギー処理回路動作時の各スイッチ動作例２を示す図 本発明の回生エネルギー処理回路動作比率を増加させた動作例を示す図 本発明の回生エネルギー処理回路動作比率を調整させた動作例を示す図 本発明のＤＢ動作時の各スイッチ動作例を示す図 本発明の回生エネルギー処理回路動作からＤＢ動作へ移行する動作例を示す図 本発明のＳＷ５の動作信号を生成するロジック回路例を示す図 （ａ）本発明の抵抗回路を増加させる場合の実施例を示す図（ｂ）本発明の抵抗回路を増加させる場合の他の実施例を示す図 従来のモータ制御装置における回生エネルギー処理回路とＤＢ回路とを示す図 従来のモータ制御装置におけるＤＢ回路の簡略化を示す図 第１の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図 第２の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図 第３の従来技術におけるモータ制御装置の概略構成図

符号の説明

１ 直流電源
２ 平滑コンデンサ
３、２５、２８ 抵抗
４ モータ
５〜１１、２７ 半導体スイッチ
１２〜２１、２９ ダイオード
３０ 制御回路

Claims (11)

1. 入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、
   前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを兼ねる共通抵抗と、
   前記インバータブリッジの出力端にアノード端子を接続するダイオードと、を備え、
   前記ダイオードのカソード端子と前記共通抵抗とを接続し、前記共通抵抗の他端と前記半導体スイッチとを接続し、前記半導体スイッチの他端と前記直流電源の負側とを接続したことを特徴とするモータ制御装置。
2. 入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、
   前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを兼ねる共通抵抗を備え、
   前記制御回路が、ダイナミックブレーキの場合、前記インバータブリッジを全てオフ動作、かつ前記半導体スイッチをオン動作させ、回生の場合、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号のタイミング時に、前記半導体スイッチをオン動作させることを特徴とするモータ制御装置。
3. 入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、
   前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを共用するように構成し、
   前記制御回路が、ダイナミックブレーキの場合、前記インバータブリッジを全てオフ動作、かつ前記半導体スイッチをオン動作させ、回生の場合、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号のタイミング時に、前記半導体スイッチをオン動作させることを特徴とするモータ制御装置。
4. 入力される交流電源から直流電源を生成する整流回路および平滑コンデンサと、前記直流電源を交流に変換してモータへ電力を供給するインバータブリッジを含むインバータブリッジ回路と、前記インバータブリッジ回路にＰＷＭ制御信号を出力する制御回路と、前記モータからの回生電力をジュール熱に変換する回生抵抗および半導体スイッチを含む回生処理回路と、前記モータからの制動電力をジュール熱に変換するブレーキ抵抗を含むダイナミックブレーキ回路と、を備えるモータ制御装置において、
   前記回生抵抗と前記ブレーキ抵抗とを共用するように構成することを特徴とするモータ制御装置。
5. 前記制御回路が、ダイナミックブレーキの場合、前記インバータブリッジを全てオフ動作、かつ前記半導体スイッチをオン動作させ、回生の場合、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号のタイミング時に、前記半導体スイッチをオン動作させることを特徴とする請求項１または４に記載のモータ制御装置。
6. 前記共通抵抗と、前記半導体スイッチとの組みを複数組み備え、
   複数組みの互いの前記共通抵抗を並列接続することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
7. 前記共通抵抗と、前記半導体スイッチとの組みを複数組み備え、
   複数組みの互いの前記共通抵抗を直列接続することを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
8. 前記制御回路が、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号の時間を調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のモータ制御装置。
9. 前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御信号を生成するための電圧指令に対して、オフセット量を加えて前記ＰＷＭ制御信号の時間を調整することを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
10. 前記制御回路が、前記インバータブリッジの出力電圧が、全て、前記直流電源の正側電圧となる前記ＰＷＭ制御信号の時間を、ＰＷＭ周期中に可変することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のモータ制御装置。
11. 前記制御回路が、前記ＰＷＭ制御信号を生成するための電圧指令に対して、オフセット量を加えて前記ＰＷＭ制御信号の時間を、ＰＷＭ周期中に可変することを特徴とする請求項１０に記載のモータ制御装置。
    
    

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