JP2011259546A

JP2011259546A - モータ制御装置および産業用ロボット

Info

Publication number: JP2011259546A
Application number: JP2010129742A
Authority: JP
Inventors: Somsawas Tungpataratanawong; ソムサワッスタンパタラタナウォン; Tetsuya Takayama; 哲哉高山
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】複数のモータの動作を制御するモータ制御装置において、複数のモータ各々に対して各々ＰＷＭ制御を行う複数のインバータ部に供給する三角波キャリアの位相が同一であると、各インバータ部のスイッチング素子の動作が同期して大きなリプル電流が直流電源部を構成するコンデンサに流れ、コンデンサに悪影響を及ぼす。
【解決手段】複数のモータの動作を制御するモータ制御装置において、複数のモータ各々に対して各々ＰＷＭ制御を行う複数のインバータ部と、前記複数のインバータ部に供給する動力を平滑する容量性素子を備え、各インバータ部はＰＷＭ制御の基本波形となる各三角波に基づいてＰＷＭ制御を行い、各インバータ部の各三角波の位相を全て異なるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用ロボットや電動機器等のモータを制御する装置に用いられているＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）制御形インバータの三角波キャリア制御に関するものである。

関節軸をＮ軸有する従来の多関節型の産業用ロボットにおいて、Ｎ台のモータを駆動するシステム構成は、図３に示すように、コンバータ８（順変換回路）を用いて三相交流電源１５の三相交流を整流し、平滑コンデンサ９に直流電源電圧として充電する。この直流電源電圧を、第１のＰＷＭインバータ１０ａ、第２のＰＷＭインバータ１０ｂ、第ＮのＰＷＭインバータ１０ｎ各々で逆変換し、所望の電圧および周波数の交流電圧として出力し、サーボモータであるモータ１４を駆動する。

なお、第２のＰＷＭインバータ１０ｂと第ＮのＰＷＭインバータ１０ｎの各々にもモータ１４が接続されているが、図３ではこれらのモータの記載を省略している。

また、ＰＷＭインバータはＮ個あり、第３のＰＷＭインバータから第Ｎ−１のＰＷＭインバータも存在するが、図３ではこれらのＰＷＭインバータの記載を省略している。

また、各ＰＷＭインバータ１０ａ、１０ｂ、１０ｎは、各ＰＷＭインバータを構成する６つのスイッチング素子１１のオンとオフを制御するため、オンとオフの制御信号であるスウイッチングドライブ信号を６つのスイッチング素子１１に出力する制御回路１２を備えている。

なお、第２のＰＷＭインバータ１０ｂと第ＮのＰＷＭインバータ１０ｎの各々にも制御回路が設けられているが、図３ではこれらの制御回路の記載を省略している。

また、産業用ロボットは、各ＰＷＭインバータ１０ａ、１０ｂ、１０ｎに対して共通の三角波キャリアを出力する共通三角波キャリア生成回路１３を備えている。

産業用ロボットは、一般的に複数の関節軸を有しており、複数台のモータ１４を用いることが一般的である。複数台のモータ１４を駆動する場合、図３のように、コンバータ８と平滑コンデンサ９からなる直流電源部１６に複数台のＰＷＭインバータを並列に接続し、共通三角波キャリア生成回路１３から出力された三角波キャリア信号をモータ１４の三相電圧指令値と比較し、各ＰＷＭインバータの制御回路１２が各ＰＷＭインバータのスイッチング素子のオンとオフのタイミングを制御し、交流電圧としてモータ１４に出力してモータ１４を駆動する。

直流電源部１６から供給される電流は、各モータ１４が必要な動作に応じて各ＰＷＭインバータの動作によって変更される。図４に示す波形のように、各相のスイッチング信号に基づいてスイッチング素子をオン・オフすることで、方形波電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをモータ１４に供給する。直流電源部１６は、各相のスイッチング素子１１の動作とモータ１４の特性に応じて電流を供給する。例えば、図４に示すようなＰＷＭインバータのスイッチング素子のオンとオフのタイミングでモータ１４に三相交流電圧を出力し、電流がモータ１４に流れ、図４（ｆ）に示すような直流電源部１６側の電流ｉｄにリプル成分を発生させることがわかる。

Ｎ軸を有する多関節型の産業用ロボットでは、図３に示したようにＮ台のモータ１４に対してＮ台のＰＷＭインバータ用の共用の基本波形となる三角波キャリアを１つ備え、各モータ１４を制御する各ＰＷＭインバータのスイッチング素子１１のオンとオフのタイミングにより、各ＰＷＭインバータによるリプル電流が重畳して大きくなる。そして、リプル電流の周波数が高いため、平滑コンデンサ９に電流が流れてしまい、この平滑コンデンサ９が劣化するといった問題がある。特に、各ＰＷＭインバータのスイッチング素子のオン・オフタイミングが同じになる時に問題が大きい。

図５は、一例として、共通三角波キャリアを用いて６台のモータ１４を駆動する６台のＰＷＭインバータシステムの構成において、直流電源部１６の電流の高周波リプル成分を示す波形である。

なお、位相ずれの三角波キャリアを用いる複数台インバータの制御装置として、複数台の三相二重電圧形ＰＷＭインバータを制御し、三相二重巻線電動機へ出力し、ＰＷＭ波形の発生方法により、高周波電流を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１４５８７０号公報

直流電源部に対して並列に接続された複数台のＰＷＭインバータのシステム構成では、図５に示す波形のように、直流電源部の高周波電流リプル成分の重畳が大きい。そして、平滑コンデンサ９にリプル電流が流れ、平滑コンデンサ９の劣化や短寿命化といった課題を有していた。

本発明は、複数のモータで駆動する産業用ロボットなどのモータ制御装置において、共通の直流電源部に複数台のＰＷＭインバータを接続したシステム構成で、各ＰＷＭが異なる位相の三角波キャリアを用いることにより、共通の直流電源部のリプル電流の重畳を抑制して平滑コンデンサへの影響を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ制御装置は、複数のモータの動作を制御するモータ制御装置であって、複数のモータ各々に対して各々ＰＷＭ制御を行う複数のインバータ部と、前記複数のインバータ部に供給する動力を平滑する容量性素子を備え、各インバータ部はＰＷＭ制御の基本波形となる各三角波に基づいてＰＷＭ制御を行い、各インバータ部の各三角波の位相は全て異なるものである。

また、本発明の産業用ロボットは、複数のモータと前記複数のモータにより動作する複数のアームを備えた産業用ロボットであって、複数のモータ各々に対して各々ＰＷＭ制御を行う複数のインバータ部と、前記複数のインバータ部に供給する電力を平滑する容量性素子とを備え、各インバータ部はＰＷＭ制御の基本波形となる各三角波に基づいてＰＷＭ制御を行い、各インバータ部の各三角波の位相は全て異なるものである。

以上のように、本発明は、複数台のＰＷＭインバータ各々に各々位相がずれた三角波キャリアを供給することにより、複数台のＰＷＭインバータに共通の直流電源部の電流リプル成分を低減し、直流電源部を構成する平滑用コンデンサへの劣化等の影響を抑制することができる。

本発明の実施の形態における位相ずれ三角波キャリア電圧形ＰＷＭインバータを備えた産業用ロボットの概略全体構成を示す図本発明の複数台ＰＷＭインバータの実施の形態における直流電源母線の電流波形を示す図（ａ）本発明の実施の形態における位相のずれ三角波キャリアを示す図（ｂ）本発明の実施の形態におけるリプル電流を示す図ＰＷＭインバータを複数台備えた従来の多関節産業用ロボットの概略構成を示す図（ａ）従来のＰＷＭインバータにおける直流電源母線の電流波形を示す図（ｂ）従来のＰＷＭインバータにおける共通三角波キャリアを示す図（ｃ）従来のＰＷＭインバータにおけるｕ相の電圧波形を示す図（ｄ）従来のＰＷＭインバータにおけるｖ相の電圧波形を示す図（ｅ）従来のＰＷＭインバータにおけるｗ相の電圧波形を示す図（ｆ）従来のＰＷＭインバータにおけるリプル電流を示す図従来のＰＷＭインバータを備えた産業用ロボットにおける直流電源部の電流の高周波リプル成分を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本実施の形態におけるモータ制御装置の一例である産業用ロボットの概略構成を示す図であり、この産業用ロボットはＮ軸の回転軸を有している。

図１において、産業用ロボットは、コンバータ１（順変換回路）と、平滑コンデンサ２と、第１のＰＷＭインバータ３ａから第ＮのＰＷＭインバータ３ｎまでのＮ個のＰＷＭインバータと、各ＰＷＭインバータに各々位相が異なる三角波キャリアを出力する三角波キャリア生成回路６と、回転軸を駆動するためのモータ７を備えている。なお、各ＰＷＭインバータは並列に接続されている。

また、Ｎ軸の産業用ロボットはＰＷＭインバータをＮ個備えており、第１のＰＷＭインバータ３ａと、第２のＰＷＭインバータ３ｂと、第ＮのＰＷＭインバータ３ｎだけではなく、第３のＰＷＭインバータから第Ｎ−１のＰＷＭインバータも存在するが、図１ではこれらＰＷＭインバータの記載を省略している。そして、例えば、産業用ロボットが６軸の垂直多関節ロボットである場合、第１から第６までの６つのＰＷＭインバータを備えることとなる。

また、Ｎ軸の産業用ロボットは、モータ７をＮ個備え、各モータ７は各ＰＷＭインバータに接続されるものであるが、図１では、第１のＰＷＭインバータ３ａに接続されているモータ７以外のモータについては記載を省略している。

また、三角波キャリア生成回路６は、各ＰＷＭインバータに対して各々位相が異なる三角波キャリアを出力するものである。

また、各ＰＷＭインバータは、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子４と、スイッチング素子１１のオンとオフを制御する制御信号であるスイッチングドライブ信号を６つのスイッチング素子４に出力する制御回路５を備えている。

以上のように構成された産業用ロボットの動作について説明する。

コンバータ１と平滑コンデンサ２により、三相交流電源１５から入力した三相交流を直流に変換し、直流母線を介してＮ台のＰＷＭインバータである第１のＰＷＭインバータ３ａと、第２のＰＷＭインバータ３ｂと、第ＮのＰＷＭインバータ３ｎに供給する。

三角波キャリア生成回路６は、第１のＰＷＭインバータ３ａと、第２のＰＷＭインバータ３ｂと、第ＮのＰＷＭインバータ３ｎに対して、各々位相が異なる三角波キャリアを出力する。各ＰＷＭインバータの制御回路５は、三角波キャリア生成回路６から出力された三角波キャリア信号と、産業用ロボットの動作を制御する図示しないロボット動作制御部からのモータ１４の三相電圧指令値を比較してスイッチング素子４のオンとオフを制御するスイッチングドライブ信号を生成してスイッチング素子４に出力する。

各ＰＷＭインバータのスイッチング素子４は、制御回路５からの制御信号に基づいてオンまたはオフし、矩形波信号をモータ７に供給する。各モータ７は各ＰＷＭインバータから供給される矩形波信号に基づいて駆動され、Ｎ軸の産業用ロボットが動作することとなる。

ここで、三角波キャリア生成回路６から各ＰＷＭインバータに供給される三角波キャリアは各々位相が異なり、故に、各ＰＷＭインバータを構成する各スイッチング素子４が駆動するタイミングも異なるので、各ＰＷＭインバータに共通の直流電源部１６からの電流変化の重畳を低減することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、各ＰＷＭインバータのスイッチング素子４のオン・オフタイミングができるだけ重ならないようにするために、三角波キャリア生成回路６が図２（ａ）に示すように例えば互いに２π／Ｎ［ｒａｄ］ずれている三角波キャリアを各ＰＷＭインバータに供給する。これにより、各ＰＷＭインバータのスイッチング素子４のスイッチングタイミングが同期することを回避することができ、図２（ｂ）に示すように直流電源１６からの電流の高周波リプル成分を抑制することができる。

そして、このように直流電源１６からの電流の高周波リプル成分を抑制することで、平滑コンデンサ９に大きなリプル電流が流れることを抑制し、平滑コンデンサ９の劣化や短寿命化といったことを防ぐことができる。

以上のように、本実施の形態によれば、位相ずれの三角波キャリア生成回路６とＮ台ＰＷＭインバータ３、３ａ、３ｂのスイッチング素子４のオン・オフタイミングができるだけ重ならないように、各ＰＷＭインバータ３ａ、３ｂ、３ｎの制御回路５において図２（ａ）に示すように例えば互いに２π／Ｎ［ｒａｄ］ずれている三角波キャリアを供給することにより、同期するスイッチングタイミングを回避することで、図２（ｂ）に示すように直流電源部１６からの電流の高周波リプル成分を抑制することができる。

本発明の位相ずれ三角波キャリアＰＷＭインバータシステム構成は、直流電源部側の平滑コンデンサへの影響する直流母線のリプル電流を低減することで、平滑コンデンサの劣化を抑制することができ、産業用ロボット等として産業上有用である。

１コンバータ
２平滑コンデンサ
３ａ第１のＰＷＭインバータ
３ｂ第２のＰＷＭインバータ
３ｎ第ＮのＰＷＭインバータ
４スイッチング素子
５制御回路
６三角波キャリア生成回路
７モータ
８コンバータ
９平滑コンデンサ
１０ａ第１のＰＷＭインバータ
１０ｂ第２のＰＷＭインバータ
１０ｎ第ＮのＰＷＭインバータ
１１スイッチング素子
１２制御回路
１３共通三角波キャリア生成回路
１４モータ
１５三相交流電源
１６直流電源部

Claims

複数のモータの動作を制御するモータ制御装置であって、複数のモータ各々に対して各々ＰＷＭ制御を行う複数のインバータ部と、前記複数のインバータ部に供給する動力を平滑する容量性素子を備え、各インバータ部はＰＷＭ制御の基本波形となる各三角波に基づいてＰＷＭ制御を行い、各インバータ部の各三角波の位相は全て異なるモータ制御装置。
複数のモータと前記複数のモータにより動作する複数のアームを備えた産業用ロボットであって、複数のモータ各々に対して各々ＰＷＭ制御を行う複数のインバータ部と、前記複数のインバータ部に供給する電力を平滑する容量性素子とを備え、各インバータ部はＰＷＭ制御の基本波形となる各三角波に基づいてＰＷＭ制御を行い、各インバータ部の各三角波の位相は全て異なる産業用ロボット。