JP2011036100A - 同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配線の電気的特性、電磁ノイズ除去用素子の有無、モータごとの損失特性及び温度変化、等を予め実験して損失特性のデータを取得することなく、すべての構成要素の損失特性を考慮して損失量を最小化することができる同一負荷パターン装置の省電力駆動装置及び方法を提供する。
【解決手段】インバータ１９から電力供給されるモータ２１で駆動され、同一負荷パターンで繰り返し運転される同一負荷パターン装置２３の省電力駆動装置。同一負荷パターン内の複数の区間毎におけるインバータの受電電力量を計算する電力量演算器８１と、インバータのパラメタを複数の値に変化させ、各パラメタにおける受電電力量を比較し、受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令するパラメタ選択・指令器８３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置及び方法に関する。

本発明は、インバータから電力供給されるモータで駆動され、同一負荷パターンで繰り返し運転される装置を対象とする。以下、かかる装置を「同一負荷パターン装置」と呼ぶ。
なお、同一負荷パターン装置は、サーボプレス、プレス用ダイクッション、搬送装置、物流装置などの産業用装置を主に想定するが、それらには限定されない。

上述した同一負荷パターン装置における損失量は、電力変換回路のパラメタ、例えば搬送波周波数やスイッチング波形の電圧変化率ｄｖ／ｄｔなどにより変化する。
ここで「損失量」とは、インバータの受電電力とモータ出力との差、すなわち、インバータからモータに到る電気回路（インバータとモータを含む）およびモータ内部の磁気回路において発熱や電磁放射の形で失われる仕事量を意味する。
この損失量を低減する手段として、例えば特許文献１が既に提案されている。また、本発明に関連する技術が、特許文献２と非特許文献１，２に開示されている。

特許文献１は、装置の運転条件が変化したとき、電力変換のパラメタ（ＤＣ／ＤＣコンバータの搬送波周波数）を変化させて損失量を小さくするものである。

非特許文献２には、低速域・中速域・高速域に応じて運転中にスイッチング周波数を切り替えることにより損失を低減することが開示されている。

特開２００３−１１６２８０号公報、「駆動装置および動力出力装置」 特開平５−１８４１８２号公報、「インバータ制御装置」

電気学会・半導体電力変換システム調査専門委員会編 「パワーエレクトロニクス回路」 オーム社 ２０００年 大久保光一、他、「ＥＶモータ用低損失インバータの開発」、三菱重工技報 ＶＯＬ．４５ ＮＯ．３：２００８

特許文献１では、損失量を小さくする搬送波（キャリアと称する）周波数を、（Ａ）エネルギ蓄積手段、スイッチング素子、電動機各相コイルの損失特性を損失特性として用い、或いは（Ｂ）予め実験などにより求める手段が提案されている。
しかし、特許文献１の手段を各種装置、特にサーボプレス、プレス用ダイクッション、搬送装置、物流装置などの産業用装置に適用しようとすると以下の問題がある。

（Ａ）に対しては、「他の構成要素の損失特性が考慮されていない」という問題がある。
例えば、インバータとモータ間の配線、電磁ノイズ除去用素子（フェライトコアやフィルタ）、モータのロータにおける損失（ロータ内に誘導される電流による損失など）が考慮されていない。
また、産業用装置ではインバータとモータ間の配線が長かったり、電磁ノイズ除去用素子やモータが大型であったりするため、これらの構成要素からの損失量も無視できないことが多い。

（Ｂ）に対しては、「搬送波周波数を決めるためのデータ（総合的な損失特性）を予め求めておくことが困難である」という問題がある。
この理由は、例えば、次の理由による。
（ａ）配線作業が現物合わせのため、配線の電気的特性が事前に予測できない。
（ｂ）電磁ノイズ除去用素子が装置設置後に追加されることがある、
（ｃ）モータが故障して交換されることがあるが、モータは一台ごとに特性が異なる。
（ｄ）モータの温度は、装置の起動直後は低く、装置を連続運転していると上昇するが、モータの損失特性は温度によって変化する。

更に、従来の方法では、負荷パターンの１サイクル中に、運転条件（典型的にはモータの回転速度やトルク）が大きく異なる複数の動作が含まれている場合に、損失量の低減効果が十分に得られない可能性がある。
たとえば、サーボプレスやプレス用ダイクッションでは、１サイクル中に、金型が加工対象物と接触しプレス成型を行っている区間と、加工対象物の出し入れのため金型を加工対象物から離して移動させている区間がある。プレス成型を行っている区間では低速だが大トルクが必要であり、金型を移動している区間では低トルクだが高速が必要とされる。このような場合、それぞれの区間でインバータのパラメタを変えることにより、従来の方法よりもさらに損失量を小さくするパラメタを選択できる可能性がある。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、配線の電気的特性、電磁ノイズ除去用素子の有無、モータごとの損失特性及び温度変化、等を予め実験して損失特性のデータを取得することなく、すべての構成要素の損失特性を考慮して損失量を最小化することができる同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置及び方法を提供することにある。

本発明によれば、インバータから電力供給されるモータで駆動され、同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置であって、
前記同一負荷パターン内の複数の区間毎におけるインバータの受電電力量を計算する電力量演算器と、
インバータのパラメタを複数の値に変化させ、各パラメタにおける前記受電電力量を比較し、該受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令するパラメタ選択・指令器と、を備える、ことを特徴とする同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記負荷パターンのサイクル開始信号とサイクル終了信号、及び負荷パターン内の前記各区間を示す区間番号を出力する指令値生成器を備える。

前記インバータのパラメタは、搬送波周波数及び／又はスイッチング波形の電圧変化率である。

また本発明によれば、インバータから電力供給されるモータで駆動され、同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動方法であって、
インバータのパラメタを複数の値に変化させ、
前記各パラメタにおける前記同一負荷パターン内の複数の区間毎にインバータの受電電力量を計算し、
各パラメタにおける前記受電電力量を比較し、該受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令する、ことを特徴とする同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記複数の区間は、負荷パターンにおけるモータの速度、可速度、又はトルクが異なるように設定する。

上記本発明の装置及び方法によれば、電力量演算器とパラメタ選択・指令器とを備え、インバータのパラメタを複数の値に変化させ、各パラメタにおける同一負荷パターン内の複数の区間毎にインバータの受電電力量を計算して比較し、該受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令するので、配線の電気的特性、電磁ノイズ除去用素子の有無、モータごとの損失特性及び温度変化、等を予め実験して損失特性のデータを取得することなく、すべての構成要素の損失特性を考慮して損失量を最小化することができる。

サーボプレス、プレス用ダイクッション、搬送装置、物流装置などの産業用装置が同一負荷パターンで繰り返し運転される場合、それぞれのサイクルにおいてモータの出力は同じである。
そのため、インバータのパラメタが例えば搬送波周波数である場合、あるサイクルでは搬送波周波数ｆ１で、別のサイクルでは搬送波周波数ｆ２で運転し、それぞれのサイクルにおけるインバータの受電電力量の測定値をＥ１およびＥ２とすると、損失量はインバータの受電電力量とモータ出力の積算値の差であるから、もしＥ１＜Ｅ２であれば搬送波周波数ｆ１のほうが損失量が小さく、もしＥ１＞Ｅ２であれば搬送波周波数ｆ２のほうが損失量が小さい。
従って、インバータのパラメタ（例えば搬送波周波数）を変えてサイクルにおけるインバータの受電電力量を測定し比較することにより、損失量をもっとも小さくするパラメタを探しだすことができるので、そのパラメタで装置を運転することにより、損失量を最小化することができる。

また、インバータは、１サイクルの途中であっても、パラメタ（搬送周波数、スイッチング波形の電圧変化率ｄｖ／ｄｔ）を切り替えることができる機能を有する。
本発明では、１サイクルの中を複数の区間に分割し、電力量演算器において、それぞれの区間ごとに分けて電力量を演算し、それぞれの区間に対して、パラメタの異なる複数のサイクル間で電力量を比較し、電力量が最小となるパラメタを選択するので、損失量をさらに削減可能である。

従って、上記本発明の装置及び方法によれば、以下の効果が得られる。
（１）予め実験して損失特性のデータを取得する手間・時間なしに、損失の小さくなる搬送波周波数を探し出して損失の小さい運転が可能である。
（２）装置の運転においてモータが力行のみでなく回生も行う場合、さらには回生のみ行うような場合にも適用可能である。
（３）配線の変更やモータの交換や温度変化などの外部状況の変化に対して、装置の運転を継続した状態のまま、自動的に、損失の小さくなる搬送波周波数を探し出して損失の小さい運転を行う構成も可能である。
（４）損失に影響する搬送波周波数以外のパラメタ、たとえばスイッチング波形の電圧変化率ｄｖ／ｄｔを自動調整して損失の小さい運転を行うことも可能である。
（５）１サイクルの中を複数の区間毎に電力量が最小となるパラメタを選択するので、損失量をさらに削減できる。

本発明による省電力駆動装置の第１実施形態を示す図である。 本発明が対象としている同一負荷パターン装置の作動説明図である。 図２に示す信号を指令値生成器で生成する方法の例を示す図である。 電力量演算器８１の内部構成の模式図である。 パラメタ選択・指令器８３の作動説明図である。 本発明による省電力駆動装置の第２実施形態を示す図である。 複数のパラメタを探索・決定する方法の説明図である。 本発明による省電力駆動装置の第３実施形態を示す図である。 本発明による省電力駆動装置の第４実施形態を示す図である。 電圧測定器と電流測定器の別の構成図である。 区間の分割例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による省電力駆動装置の第１実施形態を示す図である。

この図において、１１は外部電源であり、電力会社から供給される電源や、自家発電装置である。外部電源１１は、この実施形態では３相交流を供給すると仮定するが、単相交流など他の形態の電源でもよい。
１３はコンバータであり、外部電源１１から供給される電力を直流に変換して直流バス１５に供給する。コンバータ１３は、この実施形態ではダイオードブリッジを仮定するが、位相制御により電圧可変なサイリスタブリッジや、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力制御素子を用いた回生可能なブリッジでもよい。
１５は直流バスであり、コンバータ１３とインバータ１９を電気的に接続する。図中で、上方に示されているのが直流バス１５のプラス側（＋）、下方に示されているのが直流バス１５のマイナス側（−）である。
１７はキャパシタであり、直流バス１５の電圧を平滑化する。キャパシタ１７は、アルミ電解コンデンサが使用されることが多いが、他の種類のコンデンサや電気二重層キャパシタを用いてもよい。

１９はインバータであり、直流バス１５からモータ２１へ流れる電流・電圧を制御し、モータ２１が所望のトルクを発生するようにする。インバータ１９は、この実施形態では電圧型インバータを仮定するが、電流型インバータでもよい。電流型インバータの場合、キャパシタ１７の代わりにリアクトルを用いる。
また、インバータ１９は、この実施形態では、モータ２１の正逆回転、力行・回生が可能な４象限駆動のインバータを仮定するが、機械負荷２３（同一負荷パターン装置）の特性および動作によっては、回転方向が一方向のみ、もしくは力行のみが可能なインバータでもよい。

さらに本出願において、インバータ１９は、１サイクルの途中であっても、パラメタ（搬送周波数、スイッチング波形の電圧変化率ｄｖ／ｄｔ）を切り替えることができる機能を有する。

２１はモータであり、インバータ１９とモータ２１の組み合わせにより、制御器２７から入力されるトルク指令値に追従してモータ２１がトルクを発生する。
モータ２１は、この実施形態では、３相誘導モータないし３相永久磁石同期モータを仮定するが、インバータとの組み合わせでトルク・回転速度が可変であれば、他の形式のモータでもよい。

２３は機械負荷、すなわち同一負荷パターン装置であり、モータ２１により駆動される。
２５はモータエンコーダであり、モータ２１の回転位置（角度）を測定する。モータエンコーダ２５として、光学式や磁気式のロータリーエンコーダやレゾルバが用いられる。なお、制御器２７が速度制御を行う場合には、モータ２１の回転速度（角速度）を測定すればよい。この場合、ロータリーエンコーダやレゾルバで測定した回転位置を時間微分してもよいし、タコメータのように回転速度を直接測定してもよい。

２７は制御器であり、インバータ１９、モータ２１、モータエンコーダ２５、制御器２７でフィードバックループを構成し、モータ２１が指令値生成器２９からの指令値に追随するよう制御する。
制御器２７は、この実施形態では、位置制御を仮定するが、速度制御でもよい。制御器内部の演算手法としては、ＰＩＤ制御やＩ−ＰＤ制御などが多く用いられるが、その他の制御手法を用いてもよい。制御性を改善するためのフィードフォワード演算を組み合わせてもよい。制御器２７は、ＤＳＰやマイコンを用いたプログラマブル装置もしくはアナログ回路もしくはそれらの組み合わせにより実現可能である。

２９は指令値生成器であり、それぞれの時刻において、モータ２１が追随すべきモータ回転角度指令値Ａｃを制御器２７へ出力する。モータ回転角度指令値Ａｃの伝送には、９０度位相がずれた２相パルス列による伝送や、各種通信ネットワークによる伝送が用いられる。モータ２１の回転角と機械負荷２３は機械的に連動しているので、モータ２１の回転角度を指令することは、機械負荷２３の位置を指令することと同じ意味である。

図２は、本発明が対象としている同一負荷パターン装置の作動説明図である。
本発明は同一負荷パターンで繰り返し運転される装置（同一負荷パターン装置）を対象としているので、この実施形態において、図２に示すように、モータ回転角度指令値Ａｃはサイクル（繰り返される同一パターン）を有し、サイクルの開始時点と終了時点において、指令値生成器２９はサイクル開始信号Ｃｓとサイクル終了信号Ｃｅをそれぞれ出力するものとする。図２において、Ｃは１サイクルを示している。

また、本願において、指令値生成器２９は、ある時刻において１サイクル中のどの区間であるかを示す区間番号Ｋを生成し、電力量演算器８１、パラメタ選択・指令器８３へ出力する。この例で、区間番号１，２，３はそれぞれ低速域、中速域、高速域に対応しているが、本願はこの例に限定されず、複数の区間は、運転条件、すなわち負荷パターンにおけるモータの速度、可速度、又はトルクが大きく異なるように設定するのがよい。
サイクルとサイクルの間における指令値生成器２９の出力は本発明の動作には関係しないが、サイクルとサイクルの間では装置は停止ないし手動で低速運転するケースが多いことを考慮し、単純化のため、以下の説明においてはサイクルとサイクルの間は区間番号として一番低い速度に対応する区間番号（実施例では区間１）を出力するものとする。

なお、図２ではサイクル開始信号Ｃｓ、サイクル終了信号Ｃｅはパルス信号としたが、サイクル開始を信号の立上がりエッジで、サイクル終了を信号の立下りエッジで示すようにするなど、他の信号波形でもよい。
なお、制御器２７が速度制御を行う場合には、指令値生成器２９はモータ回転速度指令値を出力するようにすればよい。

指令値生成器２９は、半導体メモリのような記憶装置を有するＤＳＰやマイコンを用いたプログラマブル装置により実現可能である。

図３は、モータ回転角度指令値と区間番号を指令値生成器で生成する方法の例を示す図である。
モータ回転角度指令値と区間番号を指令値生成器２９で生成する１つの方法として、図３（Ａ）に示すように時刻とモータ回転角度指令値・区間番号との関係をテーブル方式で記憶し、モータ回転角度指令値としては図３（Ｂ）に示すようにテーブルで指定された点の間を直線補間し、区間番号としては図３（Ｃ）に示すようにテーブルで指定された時刻の間、テーブルで指定された区間番号を出力するように構成することが可能である。

インバータ１９は、以下の要素から構成され、パラメタ選択・指令器８３が出力する搬送波周波数指令値Ｆにしたがった周波数の搬送波Ｃｗを用いてＰＷＭ変調が行われる。
インバータの構成・動作例の詳細は例えば、非特許文献１に示されている。また、可変な搬送波周波数によりＰＷＭ変調を行う方法の例は、特許文献２に示されている。なお特許文献２では、搬送波はキャリアと呼ばれている。

４１は電力制御部であり、ゲート信号により導通状態が変化する電力制御素子により、直流バス１５からモータ２１への電圧・電流を制御する。電力制御部４１は、この実施形態ではパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのゲート信号をオフすることにより消弧可能な電力制御素子を用いることを仮定するが、ＧＴＯなど他の種類の電力制御素子を電力制御素子に応じた適当なゲート駆動回路と組み合わせて用いてもよい。

４３はモータ電流測定器であり、電力制御部４１からモータ２１へのＵＶＷ各相の電流を測定する。モータ電流測定器４３は、電流にともなって電線の周囲に発生する磁場を測定する非接触方式の装置や、回路に抵抗を挿入し電流にともなって抵抗の両端に発生する電位差を測定する装置などである。電流測定器６３の実現方法も同様である。

４５は指令演算器であり、制御器２７からのトルク指令値Ｔｃに追随してモータ２１がトルクを発生するよう、ＰＷＭ変調器４７へＵＶＷの各相に対する変調波Ｍｗを出力する。指令演算器４５として、ベクトル演算により計算した各相への電流指令をモータ電流測定器４３の測定値と比較して各相の変調波を求める装置が可能であるが、他の装置でもよい。指令演算器４５は、ＤＳＰやマイコンを用いたプログラマブル装置もしくは電子回路もしくはそれらの組み合わせにより実現可能である。なお、状態推定等の手法を用いて、必要なモータ電流測定器４３の個数を減らす構成も可能である。

４７はＰＷＭ変調器であり、変調波Ｍｗを搬送波Ｃｗで変調し、電力制御素子の導通・非導通を決めるノッチ波Ｎｗを出力する。ＰＷＭ変調器４７は、この実施形態では三角搬送波を用い、変調波Ｍｗと搬送波Ｃｗの大小比較でノッチ波Ｎｗのオンオフを決める手段を想定する。ＰＷＭ変調器４７は、アナログ電子回路（コンパレータ）もしくはＤＳＰやマイコンのプログラムで実現可能である。

４９は搬送波発振器であり、ＰＷＭ変調のための搬送波Ｃｗを発振する。搬送波発振器４９は、搬送波周波数指令値Ｆにしたがって発振周波数が可変となるよう構成する。
搬送波発振器４９は、２つの値Ｍ１，Ｍ２の間でカウントアップ・ダウンを繰り返すアップダウンカウンタを電子回路やＤＳＰやマイコンのプログラムで構成して三角搬送波を発振し、搬送波周波数指令値Ｆに応じてＭ１，Ｍ２の値を適切に変えることにより発振周波数を変える構成が可能であるが、アナログ電子回路による発振回路など他の方法で構成してもよい。

５１はゲート駆動回路であり、ノッチ波Ｎｗを絶縁、レベル変換又は増幅して、電力制御素子のゲートを駆動するゲート信号を出力する。ゲート駆動回路５１は、絶縁型電源・フォトカプラ等を用いた電子回路により実現できる。

６１は電圧測定器であり、６３は電流測定器である。電圧測定器６１と電流測定器６３は、直流バス１５（キャパシタ１７を含む）からインバータ１９へ流入する電力量を計算するため、それぞれ電圧と電流を測定し、電圧測定値Ｖ（ｔ）と電流測定値Ｉ（ｔ）を電力量演算器８１へ出力する。電圧測定値Ｖ（ｔ）、電流測定値Ｉ（ｔ）の伝送には、電圧振幅や電流振幅としてアナログ伝送する手段や、各種通信ネットワークを用いてデジタル伝送することが可能である。
電圧測定器６１で測定される時刻ｔにおける直流バス１５のマイナス側に対するプラス側の電圧をＶ（ｔ）と記す。また電流測定器６３で測定される時刻ｔにおける直流バスのプラス側を図中で左から右へ流れる電流をＩ（ｔ）と記す。電流測定値が負の値の場合、電流が図中で右から左へ流れることを示す。

８１は電力量演算器であり、１サイクル内の複数の区間毎の電力量を演算する。すなわち、電圧測定値Ｖ（ｔ）と電流測定値Ｉ（ｔ）を乗算した値を、サイクル開始信号Ｃｓが入力された時点から、複数の区間毎に、サイクル終了信号Ｃｅが入力される時間までそれぞれ別個に時間積分して出力する。

すなわち、本実施例において電力演算器は、各サイクルにおける１サイクル中の区間１、区間２、区間３に対する電力量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を演算する。なおこの実施例では、区間数が３であるが、区間数がＮの場合、区間１、…、区間Ｎに対する電力量Ｗ１、…、ＷＮを演算する。

１サイクル中の区間１、区間２、区間３に対する電力量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の伝送には、電圧振幅や電流振幅としてアナログ伝送する手段や、各種通信ネットワークを用いてデジタル伝送することが可能である。
電力量演算器８１は、ＤＳＰやマイコンを用いたプログラマブル装置もしくはアナログ電子回路もしくはそれらの組み合わせにより実現可能である。
電力量演算器８１は、以下のような演算を行う。
時刻ｔにおける電力Ｐ（ｔ）は電圧と電流の積であり、式（１）であらわされる。ここで、Ｐ（ｔ）が正の値であれば電力が図中の左から右へ、Ｐ（ｔ）が負の値であれば電力が図中の右から左へ流れることを示す。
Ｐ（ｔ）＝Ｖ（ｔ）×Ｉ（ｔ）・・・（１）

電力量は電力の時間積分なので、１サイクル中の区間１に対する電力量Ｗ１、１サイクル中の区間２に対する電力量Ｗ２、１サイクル中の区間３に対する電力量Ｗ３は、それぞれ数１の式（２）、式（３）、式（４）であらわされる。ただし、Ｔ１、Ｔ２はそれぞれ、そのサイクルに対するサイクル開始信号の時刻、およびサイクル終了信号の時刻である。また、Ａ１（ｔ），Ａ２（ｔ）， Ａ３（ｔ）はそれぞれ、以下のような信号である。
Ａ１（ｔ）： 区間１で１、それ以外で０
Ａ２（ｔ）： 区間２で１、それ以外で０
Ａ３（ｔ）： 区間３で１、それ以外で０
たとえば、区間番号が図４（Ｂ）の一番上のグラフに示すように変化する場合、Ａ１（ｔ）、Ａ２（ｔ）、Ａ３（ｔ）はそれぞれ図４（Ｂ）の上から２番目、３番目、４番目のグラフに示すように変化する信号である。
なお、実施例では区間数が３であるが、区間数がＮの場合、それぞれの区間に対する電力量はＷ１，…，ＷＮ、信号はＡ１（ｔ），…，ＡＮ（ｔ）とする。

図４は、電力量演算器８１の内部構成の模式図である。
この図において、８２ａは区間判別、８２ｂは乗算、８２ｃは積分をしめしている。８２ｃはサイクル開始信号Ｃｓが入力されると積分を開始し、サイクル終了信号Ｃｅが入力されると積分を終了する。
電力量演算器８１の内部を、たとえば図４に示すように構成することにより、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を演算することができる。

電力量演算器８１での演算が時間ΔＴ周期で行われるとすれば、式（２）〜（４）を差分化し、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで複数の区間毎に独立にＶ（ｔ）×Ｉ（ｔ）×ΔＴを積算すれば、１サイクル内の複数の区間毎の電力量Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３となる。すなわち、サイクル終了時点において、そのサイクル内の複数の区間のそれぞれに対する電力量を出力可能である。
以上の説明のように、電流測定値と電力に負の値も許容することにより、１サイクル中で力行と回生が混在している場合にも本発明は適用可能となる。すなわち、電力の正、負が、それぞれ力行、回生に相当する。

８３はパラメタ選択・指令器であり、損失量に影響するパラメタの値を指令するとともに、各サイクルにおける１サイクル内の複数の区間毎の電力量にもとづいて、適切なパラメタの値を選択する。この実施形態では、パラメタは搬送波Ｃｗの周波数であり、パラメタ選択・指令器８３は、搬送波周波数指令値Ｆを搬送波発信器４９へ出力する。パラメタ選択・指令器８３は、ＤＳＰやマイコンをもちいたプログラマブル装置により実現可能である。

図５は、パラメタ選択・指令器８３の作動説明図である。
パラメタ選択・指令器８３により、損失を小さくするパラメタを探索・決定するための手順は以下のようになる。
パラメタ選択・指令器８３は、１サイクル毎に異なる搬送波周波数指令値Ｆを出力する。サイクル終了時点において、電力量演算器８１から各サイクル内の複数の区間毎の電力量が出力されるので、パラメタ選択・指令器８３の内部に記憶しておく。パラメタ選択・指令器８３は、記憶した１サイクル内の複数の区間毎の電力量について、同じ区間に対する異なるサイクルどうしの電力量を比較し、もっとも電力量が小さくなる搬送波周波数指令値Ｆを、その区間に対する以降の搬送波周波数指令値Ｆとして出力する。

例として、図５に示すように、４サイクル（図中、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）のそれぞれに対して搬送波周波数指令値ＦをＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４に変化させ、それぞれのサイクルにおける１サイクル内の複数の区間毎の電力量がＷ１−１，２，３、Ｗ２−１，２，３、Ｗ３−１，２，３、Ｗ４−１，２，３であったとする。Ｗ１−１，２，３、Ｗ２−１，２，３、Ｗ３−１，２，３、Ｗ４−１，２，３を記憶しておき、サイクル４（図中、Ｃ４）が終了した時点で図５に示すように、区間１、区間２、区間３、それぞれ独立に異なるサイクル間で電力量を比較する。
（１）サイクル１（Ｃ１）における区間１、サイクル２（Ｃ２）における区間１、サイクル３（Ｃ３）における区間１、…の電力量を比較する。
（２）サイクル１（Ｃ１）における区間２、サイクル２（Ｃ２）における区間２、サイクル３（Ｃ３）における区間２、…の電力量を比較する。
（３）サイクル１（Ｃ１）における区間３、サイクル２（Ｃ２）における区間３、サイクル３（Ｃ３）における区間３、…の電力量を比較する。

すなわち、以下のように電力量を比較し、パラメタを選択する。
（１）区間１に対しては、Ｗ１−１、Ｗ２−１、Ｗ３−１、Ｗ４−１を比較する。Ｗ１−１がもっとも小さかったとすると、区間１に対してはＷ１−１に対応する搬送波周波数指令値Ｆ１がもっとも損失を小さくする搬送波周波数指令値ということがわかる。そこで、パラメタ選択・指令器８３は、以降、区間１においては搬送波周波数指令値としてＦ１を出力し続ける。
（２）区間２に対しては、Ｗ１−２、Ｗ２−２、Ｗ３−２、Ｗ４−２を比較する。Ｗ３−２がもっとも小さかったとすると、区間２に対してはＷ３−２に対応する搬送波周波数指令値Ｆ３がもっとも損失を小さくする搬送波周波数指令値ということがわかる。そこで、パラメタ選択・指令器８３は、以降、区間２においては搬送波周波数指令値としてＦ３を出力し続ける。
（３）区間３に対しては、Ｗ１−３、Ｗ２−３、Ｗ３−３、Ｗ４−３を比較する。Ｗ４−３がもっとも小さかったとすると、区間３に対してはＷ４−３に対応する搬送波周波数指令値Ｆ４がもっとも損失を小さくする搬送波周波数指令値ということがわかる。そこで、パラメタ選択・指令器８３は、以降、区間３においては搬送波周波数指令値としてＦ４を出力し続ける。

なお、図５に示す例では、搬送波周波数指令値ＦをＦ１〜Ｆ４の４通りに変化させ、パラメタ（搬送波周波数指令値）の探索・決定にＣ１〜Ｃ４の４サイクルを要するものとしたが、搬送波周波数指令値Ｆを変化させる数は４に限らず、２以上の数Ｑでよい。この場合、パラメタ（搬送波周波数指令値）の探索・決定にＱサイクル要することになる。

パラメタの探索・決定を行うタイミングとしては、たとえば以下の（１）〜（３）が考えられる。
（１）インバータからモータへ到る配線へのノイズフィルタの追加、モータの交換、機械負荷の改造など、損失に影響を与えるハードウェア的な変更が行われた直後にパラメタの探索・決定を行う。たとえば、パラメタ選択・指令器８３に押しボタン（図示せず）を接続し、ハードウェア的な変更が行われたら人間が押しボタンを押す。パラメタ選択・指令器は押しボタンが押された後、最初に行われるサイクル（本例では最初の４サイクル）においてパラメタ（本例では搬送波周波数指令値）の探索・決定を行い、以降、それぞれの区間に対して決定された搬送波周波数指令値を出力し続ける。

（２）装置を運転して一定のサイクル数もしくは一定時間が経過したら、パラメタの探索・決定をやり直す。たとえば、サイクル開始信号もしくはサイクル終了信号の発生回数をカウントするカウンタもしくは経過時間を計測するタイマをパラメタ選択・指令器内に設け、カウンタの値もしくはタイマの値が一定値に達したらパラメタの探索・決定をやり直す。同時にカウンタもしくはタイマをリセットしてサイクル数のカウントもしくは経過時間の計測を再スタートする。

装置の運転を継続していると、電気部品（モータ、インバータ、配線、フィルタなど）や機械部品（ベアリングなど）の温度が上昇し、パラメタと損失の関係が変化する可能性があるが、そのような場合に常に損失を最小とするパラメタで運転することができる。

（３）複数の動作パターンを有する装置（たとえば、複数の金型を取り付けられるサーボプレスで、それぞれの金型ごとに動きが異なる場合）に本発明を適用する場合には、動作パターンが切り替えられた直後にパラメタの探索・決定を行う。たとえば、動作パターンの切り替えを指示する制御器（図示せず）からパラメタ選択・指令器へ動作パターンの切り替えを通知するように構成し、動作パターンの切り替えが通知されたらパラメタの探索・決定を行う。

なお以上のタイミングの組み合わせでパラメタの探索・決定を行うタイミングを決めてもよい。また以上は例であり、パラメタの探索・決定のタイミングはこれらに限定されるものではない。

図６は、本発明による省電力駆動装置の第２実施形態を示す図である。
この第２実施形態は、パラメタとして、搬送波周波数に加えスイッチング波形の電圧変化率ｄｖ／ｄｔを用いる例である。
以下、図１の第１実施形態との相違のみ示す。

５１ａはゲート駆動回路であり、第１実施形態のゲート駆動回路５１に加え、電圧変化率の指令値Ｇに応じてゲート電圧とゲート電流を制御し、スイッチング波形の電圧変化率ｄｖ／ｄｔを電圧変化率の指令値Ｇに抑制するソフトゲート駆動機能を有する。ソフトゲート駆動方式の例は、非特許文献１に示されている。

８３ａはパラメタ選択・指令器であり、第１実施形態のパラメタ選択・指令器８３に加え電圧変化率の指令値Ｇをゲート駆動回路５１ａへ出力する機能を有する。
第１実施形態と同様に、パラメタ選択・指令器８３ａが出力する搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇを変化させて１サイクル内の複数の区間毎の電力量を記憶し、同じ区間に対する電力量を異なるサイクル間で比較し、もっとも電力量が小さくなる搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇを、その区間に対する以降の搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇとして出力する。
この実施形態では、電圧変化率の指令値Ｇも変化させることにより、第１実施形態よりもさらに損失を小さくすることが可能となる。

図７は、複数のパラメタを探索・決定する方法の説明図である。
損失を小さくする複数のパラメタ（搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇ）を探索・決定する方法としてはたとえば以下の方法がある。

搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇのすべての組み合わせに対して１サイクル内の複数の区間毎の電力量を記憶・比較する。たとえば、搬送波周波数指令値ＦがＦ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の４通り、電圧変化率の指令値ＧがＧ１，Ｇ２，Ｇ３の３通りの場合、図７に示すように４×３＝１２サイクル（図中、Ｃ１〜Ｃ１２）に対し、１サイクルの電力量（図中、Ｗ１−１、Ｗ１−２、Ｗ１−３、．．．、Ｗ１２−１、Ｗ１２−２、Ｗ１２−３）を記憶し、区間1、区間２、区間３、それぞれ独立に異なるサイクル間で電力量を比較して、搬送波周波数指令値Ｆ・電圧変化率の指令値Ｇを選択する。

図７の例では、
（１）区間１に対して：Ｗ１−１〜Ｗ１２−１を比較し、最も値が小さいＷ４−１に対応する搬送波周波数指令値Ｆ２、電圧変化率Ｇ１を選択する。
（２）区間２に対して：Ｗ１−２〜Ｗ１２−２を比較し、最も値が小さいＷ８−２に対応する搬送波周波数指令値Ｆ３、電圧変化率Ｇ２を選択する。
（３）区間３に対して：Ｗ１−３〜Ｗ１２−３を比較し、最も値が小さいＷ１１−３に対応する搬送波周波数指令値Ｆ４、電圧変化率Ｇ２を選択する。
以降、パラメタ選択・指令器８３ａは、サイクル１２終了以降（すなわち、図中のサイクルＣ１３以降）、区間１、区間２、区間３のそれぞれに対し、選択した搬送波周波数指令値と、選択した電圧変化率を出力し続ける。すなわち、区間１においては搬送波周波数指令値としてＦ２、電圧変化率としてＧ１を出力する。区間２においては搬送波周波数指令値としてＦ３、電圧変化率としてＧ２を出力する。区間３においては搬送波周波数指令値としてＦ４、電圧変化率としてＧ２を出力する。

なお、図７に示す例では、搬送波周波数指令値ＦをＦ１〜Ｆ４の４通り、電圧変化率の指令値ＧをＧ１〜Ｇ３の３通りに変化させ、パラメタ（搬送波周波数指令値と電圧変化率の指令値）の探索・決定に４×３＝１２サイクル（図中、Ｃ１〜Ｃ１２）を要するものとしたが、搬送波周波数指令値Ｆを変化させる数、電圧変化率の指令値Ｇを変化させる数はそれぞれ４、３に限らず、２以上の数Ｑ、Ｒでよい。この場合、パラメタ（搬送波周波数指令値と電圧変化率の指令値）の探索・決定にＱ×Ｒサイクル要することになる。

以上の方法ではパラメタの値の組み合わせ数（以上の例では１２通り）が多くなりすぎ、パラメタの探索・決定に要するサイクル数が多数となりすぎる場合には、パラメタの組み合わせの中から乱数や遺伝的アルゴリズムにより選択した組み合わせのみ用いてもよい。実験計画法にもとづく他の方法を用いてもよい。

図８は、本発明による省電力駆動装置の第３実施形態を示す図である。
この例は、インバータとモータが複数台で、それぞれが独立の動きをする場合である。たとえば、搬送装置でｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を有しており、それぞれを独立の軌跡で動かして３次元空間内の任意の位置へ移動させるような場合である。
第２実施形態でインバータとモータを複数台とした場合の例を示すが、電圧変化率の指令値Ｇを省略すれば第１実施形態でインバータとモータを複数台とした場合に相当する。図はインバータとモータが３台の場合を示すが、２台もしくは４台以上の場合も同様である。図において、インバータ１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃの内部の構成は第２実施形態と同じなので、インバータ内部の構成は図示を省略する。

以下の構成要素が各インバータとモータごとにあるので、末尾にＡ、Ｂ、Ｃをつけて識別する。各要素の構成は第２実施形態と同じである。
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ インバータ
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ モータ
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 機械負荷
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ モータエンコーダ
２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ 制御器
２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ 指令値生成器
６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ 電圧測定器
６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ 電流測定器
８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ 電力量演算器
８３ａＡ、８３ａＢ、８３ａＣ パラメタ選択・指令器

末尾にＡ、Ｂ、Ｃを付した３組が完全に独立に動作するので、それぞれの組が第２実施形態と同じ動作をすることにより、それぞれの組に対するパラメタ（搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇ）が探索・決定され、それぞれの組の損失を小さくすることができる。

図９は、本発明による省電力駆動装置の第４実施形態を示す図である。
この例は、インバータとモータが複数台で、すべてが同じ動きをする場合である。たとえば、モータのサイズが制限されるため、一体の機械負荷を複数台のモータで分担して駆動するような場合である。
第２実施形態でインバータとモータを複数台とした場合の例を示すが、電圧変化率の指令値Ｇを省略すれば第１実施形態でインバータとモータを複数台とした場合に相当する。図はインバータとモータが３台の場合を示すが、２台もしくは４台以上の場合も同様である。図において、インバータ内部の構成は第２実施形態と同じなので、インバータ内部の構成は図示を省略する。

以下の構成要素が各インバータとモータごとにあるので、末尾にＡ、Ｂ、Ｃをつけて識別する。各要素の構成は第２実施形態と同じである。
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ インバータ
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ モータ
２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 機械負荷
２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ モータエンコーダ
２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ 制御器

末尾にＡ、Ｂ、Ｃを付した３組が完全に同一の動作をするので、パラメタ選択・指令器は１台のみであり、それぞれの組に対するパラメタ（搬送波周波数指令値Ｆと電圧変化率の指令値Ｇ）は常に同一になるようにする。３組の総計の電力量を計測するように電圧・電流測定器が接続されているので、第２実施形態と同じ電力量演算、パラメタ探索・決定動作をすることにより、３組の総計の損失を小さくするようにパラメタ（搬送波周波数指令値、電圧変化率の指令値Ｇ）が探索・決定される。

上述した本発明のサイクルは装置が同一の動きをする区間であればよく、本発明が適用される装置の運転サイクルと厳密に一致する必要はない。たとえば、装置の動きが激しくモータに大きい電流が流れる区間のみを本発明でのサイクルとして扱ってもよい。

電圧測定器６１と電流測定器６３を入れ替えて、図中で、電流測定器を左側に持ってきてもよい。

上述した各実施形態に示す構成は機能で分割したものであり、物理的な構成は異なっていてもよい。たとえば、インバータ内部にあるＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）やマイコンを用いたプログラマブル装置により、指令演算器だけでなく、電力量演算器、パラメタ選択・指令器を実現するようにしてもよい。また、電圧測定器、電流測定器（ただし、第１、２、３実施形態のみ）の一方もしくは双方がインバータ内部に構成されていてもよい。

図１０は、電圧測定器と電流測定器の別の構成図である。
上述した第１、２、４実施形態において、電圧測定器と電流測定器で直流バスの電圧と電流を測定する代わりに、図１０に示すように、外部電源１１とコンバータ１３の間で３相交流の各相の電圧（中性点に対し）と電流を測定して電力量演算器への入力とし、各相の電圧と電流の積を３相にわたって加算して電力を求め時間積分して１サイクルの電力量としてもよい。すなわち、各相に対する電圧測定値をＶ１（ｔ）、Ｖ２（ｔ）、Ｖ３（ｔ）とし、電流測定値をＩ１（ｔ）、Ｉ２（ｔ）、Ｉ３（ｔ）とすれば、Ｐ（ｔ）は式（１）のかわりに式（５）で表現される。

Ｐ（ｔ）＝Ｖ１（ｔ）×Ｉ１（ｔ）＋Ｖ２（ｔ）×Ｉ２（ｔ）＋Ｖ３（ｔ）×Ｉ３（ｔ）・・・（５）
この式（５）を式（２）、式（３）、式（４）のそれぞれに代入した式を電力量演算器で計算すればよい。

測定誤差を低減するため、パラメタの探索・決定において、１サイクルごとにパラメタの値を変えるのではなく、Ｎサイクル（Ｎは２以上）ごとにパラメタの値を変えるようにし、Ｎサイクルのそれぞれに対して測定した１サイクルの電力量をＮサイクルにわたって平均化してもよい。

（区間の分けかた）
図１１は、区間の分割例を示す図である。
本願において、１サイクル内を運転条件が大きく異なる複数の区間に分ける手段として、たとえば以下の手段がある。
Ａ．負荷パターン（モータ回転角度指令値やモータ回転速度指令値）が与えられた場合、人間が判断して１サイクル内を区間に分割しそれぞれの区間における区間番号を決める。特に、負荷パターンそのものも人間が決める場合、負荷パターンを決めると同時に区間分割も決めることが合理的である。
Ｂ．負荷パターン（モータ回転角度指令値やモータ回転速度指令値）が与えられた場合、速度や加速度の値にもとづいて自動的に区間に分ける。

たとえば、図１１（Ａ）に示すような負荷パターン（この例ではモータ回転角度指令値）が与えられたとき、負荷パターンの時間微分を計算することにより図１１（Ｂ）のように速度を求める。速度を、あらかじめ定めておいた低速度域、中速度域、高速度域に分別し、図１１（Ｃ）に示すように低速度域を区間１、中速度域を区間２、高速度域を区間３とすることにより、１サイクル内を区間に分割しそれぞれの区間における区間番号を決める。低速度域、中速度域、高速度域をあらかじめ定める方法としては、たとえば、モータの定格最大速度をＶｍａｘとして、Ｖｍａｘの３０％未満を低速度域、Ｖｍａｘの３０％以上６０％未満を中速度域、それ以上を高速度域とする、というように決めることができる。

上述した実施形態では電圧型インバータを用いているが、電力制御素子のスイッチングによりモータへ供給する電圧もしくは電流を制御する方式であれば本発明が適用可能である。たとえば、電流型インバータ、電圧型ないし電流型のマルチレベルインバータ、コンバータとインバータを一体化したマトリクスコンバータ、マルチレベルマトリクスコンバータなどに適用可能である。マトリクスコンバータを用いる場合には直流バスが無いので、電圧・電流測定は図１０に示すように外部電源１１の直後の３相交流に対して行えばよい。

モータ２１は、回転モータのかわりにリニアモータでもよい。
モータエンコーダのかわりに、機械負荷の位置・速度を直接検知するロータリーエンコーダやリニアエンコーダを用いてもよい。
外部電源とコンバータの組み合わせの代わりに、直流電源（直流発電機、燃料電池、バッテリーなど）から直接直流バスに電力供給してもよい。
三相誘導ないし同期モータでセンサレスベクトル制御する例を示したが、三相誘導モータで回転速度検出センサを用いるベクトル制御もしくは三相同期モータで回転角度検出センサを用いるベクトル制御でもよい。
外部電源は非接触給電装置でもよい。非接触給電装置がコンバータを含んでいてもよい。

上述した実施形態では、ＰＷＭ変調器において変調波と搬送波の大小比較でノッチ波のオンオフを決める方法を仮定したが、非特許文献１に例示されている瞬時空間ベクトルの概念を用いた変調法を採用する場合には、例えば、搬送波を方形波とし搬送波の立ち上がりエッジのタイミングにおいてＰＷＭ変調器を構成するＤＳＰやマイコンに割り込みをかけることにより、搬送波の１周期あたり１回のベクトル演算が行われるように構成すればよい。

上述した本発明の装置及び方法によれば、電力量演算器８１とパラメタ選択・指令器８３とを備え、インバータ１９のパラメタを複数の値に変化させ、各パラメタにおける同一負荷パターン内の複数の区間毎にインバータの受電電力量を計算して比較し、該受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令するので、配線の電気的特性、電磁ノイズ除去用素子の有無、モータごとの損失特性及び温度変化、等を予め実験して損失特性のデータを取得することなく、すべての構成要素の損失特性を考慮して損失量を最小化することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

１１ 外部電源、１３ コンバータ、１５ 直流バス、
１７ キャパシタ、１９、１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ インバータ、
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ モータ、
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ 機械負荷（同一負荷パターン装置）、
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ モータエンコーダ、
２７、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃ 制御器、
２９、２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ 指令値生成器、
４１ 電力制御部、４３ モータ電流測定器、
４５ 指令演算器、４７ ＰＷＭ変調器、４９ 搬送波発振器、
５１、５１ａ ゲート駆動回路、
６１、６１Ａ、６１Ｂ、６１Ｃ 電圧測定器、
６３、６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ 電流測定器、
８１、８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ 電力量演算器、
８３、８３ａ、８３ａＡ、８３ａＢ、８３ａＣ パラメタ選択・指令器

Claims (5)

1. インバータから電力供給されるモータで駆動され、同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置であって、
   前記同一負荷パターン内の複数の区間毎におけるインバータの受電電力量を計算する電力量演算器と、
   インバータのパラメタを複数の値に変化させ、各パラメタにおける前記受電電力量を比較し、該受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令するパラメタ選択・指令器と、を備える、ことを特徴とする同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動装置。
2. 前記負荷パターンのサイクル開始信号とサイクル終了信号、及び負荷パターン内の前記各区間を示す区間番号を出力する指令値生成器を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の省電力駆動装置。
3. 前記インバータのパラメタは、搬送波周波数及び／又はスイッチング波形の電圧変化率である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の省電力駆動装置。
4. インバータから電力供給されるモータで駆動され、同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動方法であって、
   インバータのパラメタを複数の値に変化させ、
   前記各パラメタにおける前記同一負荷パターン内の複数の区間毎にインバータの受電電力量を計算し、
   各パラメタにおける前記受電電力量を比較し、該受電電力量を最小にするパラメタを選択して、インバータに指令する、ことを特徴とする同一負荷パターンを有する装置の省電力駆動方法。
5. 前記複数の区間は、負荷パターンにおけるモータの速度、可速度、又はトルクが異なるように設定する、ことを特徴とする請求項４に記載の省電力駆動方法。
   
   
   
   
   
   
   

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