JP2011199996A - モータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 インバータ部に平滑コンデンサ103と電流制限抵抗202とを直列接続する第2のスイッチと、ダイオード整流器102と平滑コンデンサ103とを並列接続する第1のスイッチと、DC/DCコンバータ制御部800に、蓄電器Bの端子電圧を所定の値に等しくするVb電圧制御器805と、蓄電器Bに流れる電流をVb電圧制御器の出力と等しくするように第1の電圧指令を演算するIb電流制御器と、蓄電器Bを充電する時に流れる蓄電器電流Ibが電流不連続モードとなるように、第2の電圧指令Vp1を演算出力するVb0演算器811と、を備える。
【選択図】 図1
Description
この一般的な技術課題を解決するために、従来のモータ駆動装置は、DC/DCコンバータを用いて、蓄電器にモータ回生時のエネルギーを蓄える充電動作、モータ力行時に蓄えた回生エネルギーを再利用する放電動作を行っている。
本昇降圧チョッパ装置は、高圧側にインバータ装置のDCリンク部を、また低圧側に蓄電池を接続され、電圧制御器の後段に電流制御器を配置することでDCリンク部電圧が変動した場合、電圧比例成分の電圧ゲインだけでなく、電流比例成分の電流比例ゲインも用いて制御でき、電流変動への応答性を向上させている(例えば特許文献2参照)。
前記インバータの直流入力端子に並列に接続される第1の平滑コンデンサと、前記DC/DCコンバータの動作を切り替える動作切替手段と、を備え、
前記蓄電器に流れる電流を検出する蓄電器電流検出回路と、前記第1の平滑コンデンサの端子電圧を検出する主回路直流電圧検出回路と、前記蓄電器の端子電圧を検出する蓄電器電圧検出回路と、を有した前記DC/DCコンバータと、
直流電圧指令および蓄電器電圧指令と、前記DC/DCコンバータにおける主回路直流電圧検出値と蓄電器電圧検出値並びに蓄電器電流検出値とを入力し、前記モータの運転状態または前記主回路電圧検出値並びに前記蓄電器電圧検出値に応じて前記動作切替手段を動作させ、前記PWM制御信号を生成して出力する前記DC/DCコンバータ制御部と、を備えたことを特徴とするものである。
前記第1の制御スイッチは前記第1の電流指令と前記第2の電流指令のいずれか一方を選択し、選択した電流指令を前記蓄電器電流制御器に入力し、前記第2の制御スイッチは前記第1の電圧指令と前記第2の電圧指令のいずれか一方を選択し、選択した電圧指令を前記PWM制御器に入力することを特徴とするものである。
また、モータ駆動装置の運転開始時の蓄電器への充電により、運転開始時から蓄電器の端子電圧を充放電可能な所定の値に設定できる。運転開始後の充放電においても蓄電器の端子電圧を設定した値に制御することが可能であるため、安定した充放電制御を行うことができる。
さらに、モータ加速時における放電動作中に、モータ駆動装置の直流電源部の平滑コンデンサに供給されるエネルギーを抑制することで、蓄電器に蓄えられた回生エネルギーを効率よく再利用できるので省エネルギー化を図ることができる。
以下に、DC/DCコンバータ制御部800の各構成要素の動作概要について説明する。
一方、Vb電圧制御器805は、減算器803にて蓄電器電圧指令Vb0と蓄電器電圧Vbとの偏差を取り、蓄電器電圧制御量Vb*を出力する。蓄電器電圧制御量Vb*は、反転器804によって符号を反転した後、PI制御器にて増幅され、リミッタ806を介してVb電圧制御器805の出力信号として第2の電流指令I2が出力される。Vpn制御器と同様、PI制御器はこれに限らず、P制御器やPID制御器であってもよい。
図2(a)、(b)は、本発明におけるモータ駆動装置の運転状態を表したタイムチャートを示した図である。図2(a)は、図1に示したモータ106の運転状態を示した図である。
時間ta〜tbにおいて、モータ106は加速中(力行運転)である。時間tc〜tdにおいて、モータ106は減速中(回生運転)である。モータ106は時間tb〜tcは一定速度運転中であり、また時間td〜ta1では停止中である。本実施例においてモータ106の回転速度NおよびトルクTは、時間ta〜ta1を繰り返す運転パターンであるため、DC/DCコンバータ700は放電動作と充電動作を交互に繰り返すことになる。
第1の制御スイッチ807はa側、第2の制御スイッチ813はX側が選択されている。時刻taにおいて、交流電源101からの電力の流入を抑制するためにスイッチSW1はOFFする。時間ta〜tbにおいて主回路直流電圧Vpnは、図2(b)上側の動作波形に示すように減少する。DC/DCコンバータ制御部800は、主回路直流電圧Vpnが主回路直流電圧指令V*になるようDC/DCコンバータ700に蓄電器Bを放電動作させる指令を与える。従って、主回路直流電圧Vpnは増加して時刻tbxに放電動作を完了する。蓄電器電圧Vbは、図2(b)下側の動作波形に示すように減少する。
時刻tbxにおいて、スイッチSW1をONする。スイッチSW1をONするタイミングはモータ106の加速が完了する時刻tbでも構わないが、本実施例では時刻tbxとする。
交流電源101からの電力が供給され主回路直流電圧Vpnは安定する。DC/DCコンバータ制御部800は、充放電動作を停止するため、主回路直流電圧Vpn、蓄電器電圧Vbの変動はない。
従って、主回路直流電圧Vpnは減少して時刻tdxに充電動作を完了する。蓄電器電圧Vbは増加する。
時刻tdxにおいて、スイッチSW1をONの状態を維持する。交流電源101からの電力が供給され主回路直流電圧Vpnは安定する。DC/DCコンバータ制御部800は、充放電動作を停止するため、主回路直流電圧Vpn、蓄電器電圧Vbの変動はない。時刻ta1からは、上述した時刻taからの動作を繰り返す。またこの動作の繰り返しの中でSW2は常時ONの状態を維持している。
図2に示す動作は、蓄電器電圧Vbが適切な範囲内にある時の充放電制御である。次に、蓄電器電圧Vbが蓄電器低電圧Vbuv以下および蓄電器過電圧Vbov以上になった時の充放電制御について説明する。ここで蓄電器低電圧Vbuvおよび蓄電器過電圧Vbovは、蓄電器Bの静電容量が第1および第2の平滑コンデンサ103および201と比べ大きいほど両者の差を小さく設定できる。通常蓄電器Bの静電容量は第1および第2の平滑コンデンサの容量が無視できるほど大きく、このような場合は、各々蓄電器電圧指令Vb0から10V未満程度の電圧に設定することが可能で、こうすることにより運転中の蓄電器電圧の変動の少ない安定した充放電制御が可能である。
蓄電器電圧Vbは、蓄電器電圧検出回路703によりDC/DCコンバータ制御部800に出力されており、図3の動作波形に示す放電動作完了後の時刻tbxと充電動作完了後の時刻tdxにおいて、蓄電器Bの過電圧および低電圧の判定が行われる。
図3に示す蓄電器電圧Vbの上側の動作波形は、時刻tdxにおいて蓄電器電圧Vb≧蓄電器過電圧Vbovである。従って、時間tdx〜ta1において、第1の制御スイッチ807はb側が選択され、蓄電器電圧Vbを減少させるようにDC/DCコンバータ制御部800は放電動作指令をDC/DCコンバータ700へ出力する。時刻tbxにおいては、蓄電器電圧Vbは、Vbuv<Vb<Vbovであるため、時間tbx〜tcにおいては充放電動作を行わない。スイッチSW1の状態は、図2に示す動作と同じである。
尚、時間ta〜tbxおよび時間tc〜tdxは、第1の制御スイッチ807はa側が選択され、図2に示すVpn電圧制御器802を使用した充放電動作を実行している。
スイッチSW1の状態は、図2に示す動作と同じである。またスイッチSW2はON状態を維持する。
DC/DCコンバータ制御部800は、蓄電器Bの過電圧、低電圧に応じた充放電制御を実施する。この時、図1に示す第1の制御スイッチ807はb側に、第2の制御スイッチ813はX側に設定され、Vb電圧制御器805により第2の電流指令I2が作成される。蓄電器電圧指令Vb0は、モータ106の運転開始時に初期充電動作により所定の値に設定されている。
反転器804の出力は、Vb電圧制御器805においてPI制御されリミッタ806を介して第2の電流指令I2となる。リミッタ806においては、モータ106が一定速度運転中および停止中において、この充放電動作によって主回路直流電圧Vpnが設定値よりも過電圧、低電圧にならないように設定することができる。
またインバータ制御部104とDC/DCコンバータ制御部800を一つの制御器にまとめる構成も当然ながら可能である。
Ib電流制御器809およびPWM制御部814のスキャン時間は蓄電器電流指令I*の作成およびVb0演算器811の出力である第2の電圧指令Vp1の作成のスキャン時間よりも短く設定する。尚、主回路直流電圧Vpnの変動が短時間の場合、蓄電器電流指令I*の作成のスキャン時間も第2の電圧指令Vp1の作成のスキャンより短く設定する。
まず最初に主回路直流電圧Vpnの電圧判定を行う(S1)。放電開始電圧Vpnuv<主回路直流電圧Vpn<充電開始電圧Vpnovである場合は、I1=0としDC/DCコンバータ700は動作させず(S2)、Vb電圧制御器805による充放電制御ができるように、第1の制御スイッチ807をb側とする(S4)。スイッチSW1をONしてから(S5)、蓄電器電圧Vbの電圧判定を行い(S6)、蓄電器低電圧Vbuv<蓄電器電圧Vb<蓄電器過電圧Vbovである場合は、I2=0としDC/DCコンバータ700は動作させず(S7)、それ以外は、Vb電圧制御器805により第2の電流指令I2を作成する(S8)。これで充放電制御が実行される。
放電開始電圧Vpnuv<主回路直流電圧Vpn<充電開始電圧Vpnovでない場合は、Vpn電圧制御器802による充放電制御が必要となるので、第1の制御スイッチ807をa側とし(S3)、第1の電流指令I1を作成する(S9)。第1の電流指令I1の符号判定を実施し(S10)、第1の電流指令I1<0である場合、すなわち放電動作指令である場合は、スイッチSW1をOFFさせて(S12)、それ以外はスイッチSW1をONにする(S11)。これで充放電制御が実行される。
第1の電流指令I1および、第2の電流指令I2が作成され本処理を終了する(S13)。
しかしながら、モータ駆動装置をしばらくの間停止させていた状態では、蓄電器Bの自然放電によって蓄電器電圧Vbは減少している場合がある。また、蓄電器Bを新規に設置する時には、蓄電されていない状態、すなわち蓄電器電圧Vb=0となっている場合もある。
従って、モータ駆動装置の運転を開始する直前には、常に蓄電器電圧Vbが所望の値である蓄電器電圧指令Vb0に設定されているかどうかを確認し、蓄電器電圧Vb<蓄電器電圧指令Vb0である場合は蓄電器Bを充電する必要がある。この動作を初期充電動作とする。
蓄電器Bは充電され蓄電器電圧Vbは増加し続ける。蓄電器電圧Vb=第1の蓄電器充電電圧Vbcとなった時刻t=t1において半導体スイッチング素子Q1をOFFして、充電動作を一時中断する。本動作は、蓄電器電圧Vb=0の時に過大な突入電流が流れるのを防止することが目的であり、また電流制限抵抗202も小容量の小型のものが利用できるほうが有利であるため、第1の蓄電器充電電圧Vbcは小さな値に設定する。通常は蓄電器電圧指令Vb0の5〜10%程度の値とする。
次に、スイッチSW2をONして、電流制限抵抗202と第1の平滑コンデンサ103を直列に接続すると、交流電源101により第1の平滑コンデンサ103は充電される。第1の平滑コンデンサ103が、スイッチSW1の投入による突入電流が過大とならないような所定の値まで充電された後、スイッチSW1をONにして第1の平滑コンデンサ103の充電が完了し、このときの時刻をt=t2とする。この充電動作により、交流電源101の電力を第1の平滑コンデンサ103へ供給できる。
時刻t2において、第2の制御スイッチ813をY側とし、Vb0演算器811から出力される充電動作指令により充電動作を再開し充電する。蓄電器電圧Vb=蓄電器電圧指令Vb0になった時に初期充電動作を終了する。
図6は、図1に示したDC/DCコンバータ700のリアクトル電圧VL1と蓄電器電流Ibの動作波形を示した図である。
図6(a)、(b)においては、半導体スイッチング素子Q1をONすると、リアクトルL1にはVpn−Vbの電圧がかかり蓄電器電流Ibは正の向きに一定の割合で増加する。次に半導体スイッチング素子Q1をOFFすると、リアクトルL1には−Vbの電圧がかかり蓄電器電流Ibは一定の割合で減少する。
Vb0演算器811は、半導体スイッチング素子Q1がONしたときを起点として時刻t=(キャリア周期T)において、蓄電器電流Ib=0である電流不連続モードにするためのtonを式(1)により演算して、充電動作指令とする。この充電動作指令はPWM制御器814へ出力される。
図6(a)は、一例として主回路直流電圧Vpn=300V、蓄電器電圧Vb=50Vの場合の動作波形であり、キャリア周期T=100μsecの場合はton≒16.7μsecとなる。
図6(b)は、他の例として主回路直流電圧Vpn=300V、蓄電器電圧Vb=150Vの場合の動作波形であり、キャリア周期T=100μsecの場合はton≒50μsecとなり、半導体スイッチング素子Q1をONする時間がキャリア周期Tの(1/2)である。
モータ駆動装置の運転開始時に初期充電動作を開始する(S20)。まず最初に、蓄電器電圧Vb=蓄電器電圧指令Vb0の状態であるかを確認する(S21)。確認できた場合は初期充電動作は必要ないので、初期充電動作完了フラグfVb0=0、第2の電圧指令Vp1=0として(S22)、本処理を終了する(S34)。蓄電器電圧Vb=蓄電器電圧指令Vb0でない場合は初期充電動作を実行する。
初期充電動作完了フラグfVb0=1である場合は、スイッチSW2をONの状態にし(S24)、その後スイッチSW1をONの状態にする(S30〜S31)。制御スイッチ813をY側とし、Vb0演算器811による演算を実行して(S32)、第2の電圧指令Vp1を作成し(S33)、本処理を終了する(S34)。
また、DC/DCコンバータとその制御部を一体としてモータ駆動装置とは独立させて、DC/DCコンバータ制御装置として利用することにより、蓄電器から他の蓄電器に充放電させてエネルギーの授受を行うことができるので、自動車や搬送台車、フォークリフト等の移動体装置への充放電装置という用途にも適用できる。
102 ダイオード整流器
103 第1の平滑コンデンサ
104 インバータ制御部
105 インバータ
106 モータ
201 第2の平滑コンデンサ
202 電流制限抵抗
SW1 第1のスイッチ
SW2 第2のスイッチ
700 DC/DCコンバータ
701 主回路直流電圧検出回路
702 蓄電器電流検出回路
703 蓄電器電圧検出回路
L1 リアクトル
B 蓄電器
Q1、Q2 半導体スイッチング素子
D1、D2 ダイオード
800 DC/DCコンバータ制御部
801 803 808 減算器
802 Vpn電圧制御器
804 反転器
805 Vb電圧制御器
806 810 812 リミッタ
807 第1の制御スイッチ
809 Ib電流制御器
811 Vb0演算器
813 第2の制御スイッチ
814 PWM制御器
901 動作切替手段
Claims (6)
- 直流電源の直流電圧を交流電圧に変換しモータを駆動するインバータと、DC/DCコンバータと、該DC/DCコンバータにPWM制御信号を出力するDC/DCコンバータ制御部と、前記DC/DCコンバータによって充放電される蓄電器と、を備えたモータ駆動装置であって、
前記インバータの直流入力端子に並列に接続される第1の平滑コンデンサと、
前記DC/DCコンバータの動作を切り替える動作切替手段と、
前記蓄電器に流れる電流を検出する蓄電器電流検出回路と、前記第1の平滑コンデンサの端子電圧を検出する主回路直流電圧検出回路と、前記蓄電器の端子電圧を検出する蓄電器電圧検出回路と、を有した前記DC/DCコンバータと、
直流電圧指令および蓄電器電圧指令と、前記DC/DCコンバータにおける主回路直流電圧検出値と蓄電器電圧検出値並びに蓄電器電流検出値とを入力し、前記モータの運転状態または前記主回路電圧検出値並びに前記蓄電器電圧検出値に応じて前記動作切替手段を動作させ、前記PWM制御信号を生成して出力する前記DC/DCコンバータ制御部と、
を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。 - 前記動作切替手段は、第1のスイッチと、
電流制限抵抗と、
第2のスイッチと、
制御切替手段と、を備え
前記第1のスイッチに、前記電流制限抵抗と前記第2のスイッチを直列接続したものを並列に接続し、前記第1のスイッチと前記電流制限抵抗の接続点を前記直流電源の正極に接続し、前記第1のスイッチと第2のスイッチの接続点を前記第1のコンデンサの正極側に接続し、前記電流制限抵抗と前記第2のスイッチの接続点を前記DC/DCコンバータの入力の正極側に接続し、前記直流電源の負極側を前記第1の平滑コンデンサの負極と前記DC/DCコンバータの入力の負極に接続し、
前記制御切替手段にて、前記PWM制御信号を前記直流電圧指令と前記主回路直流電圧検出値と前記蓄電器電流検出値とから生成するか、前記蓄電器電圧指令と前記蓄電器電圧検出値と前記蓄電器電流検出値とから生成するか、前記主回路直流電圧検出値と前記蓄電器電圧検出値とから生成するか、のいずれか一つを選択することを特徴とする請求項1記載のモータ駆動装置。 - 前記DC/DCコンバータ制御部が、前記直流電圧指令と前記主回路直流電圧検出値との偏差を増幅し、第1の電流指令を演算する直流電圧制御器と、
前記蓄電池電圧指令と前記蓄電器電圧検出値との偏差を反転増幅し、第2の電流指令を演算する蓄電器電圧制御器と、
前記動作切替手段にて選択した前記第1の電流指令と前記第2の電流指令のいずれか一方と前記蓄電器電流検出値との偏差を増幅し、第1の電圧指令を演算する蓄電器電流制御器と、
前記主回路直流電圧検出値と前記蓄電器電圧検出値との比から、前記蓄電器電流検出値が不連続となる第2の電圧指令を演算する初期充電動作演算器と、
前記動作切替手段にて選択した前記第1の電圧指令もしくは前記第2の電圧指令のいずれか一方から前記PWM制御信号を生成出力するPWM制御器と、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。 - 前記制御切替手段は、
第1の制御スイッチと、
第2の制御スイッチと、を備え
前記第1の制御スイッチは前記第1の電流指令と前記第2の電流指令のいずれか一方を選択し、選択した電流指令を前記蓄電器電流制御器に入力し、
前記第2の制御スイッチは前記第1の電圧指令と前記第2の電圧指令のいずれか一方を選択し、選択した電圧指令を前記PWM制御器に入力することを特徴とする請求項2または請求項3に記載のモータ駆動装置。 - 前記DC/DCコンバータは、自己消弧型半導体素子とダイオードを逆並列に接続することにより構成した半導体スイッチを2個直列接続し、第1の半導体スイッチのダイオードカソード側端子と第2の半導体スイッチのダイオードアノード側端子間に直流電圧を供給し、前記二つの半導体スイッチの共通接続点にリアクトルの一端を接続したものであり、前記リアクトルの他端と前記第2の半導体スイッチのダイオードアノード側端子間を前記蓄電器に接続したことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
- 前記直流電源は、交流電源と前記交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するダイオード整流器と、前記直流電圧を平滑化する第2の平滑コンデンサとを有することを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動装置。
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