JP2014023241A

JP2014023241A - 蓄電装置を有するモータ駆動装置

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Publication number: JP2014023241A
Application number: JP2012158483A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Niwa; 正一丹羽; Kojiro Sakai; 幸次郎酒井
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-02-03
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: DE102013011483A1; CN203445820U; US20140021888A1; CN103546073B; JP5559261B2; CN103546073A; US9054620B2

Abstract

【課題】交流電源側の停電発生時の保護動作に必要なエネルギーをモータに供給できる小型で低コストのモータ駆動装置を実現する。
【解決手段】モータ駆動装置1は、交流電力を整流して直流電力を出力する整流器11と、整流器11の直流側の直流リンク13に接続され、直流リンク13における直流電力とモータ2の駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器12と、整流器11の交流側の停電を検出する停電検出手段14と、直流リンク13に接続され、直流電力を蓄積し得る蓄電装置15と、直流リンク13における直流電力により蓄電装置15を充電する昇圧機能を有する充電手段16と、蓄電装置15に蓄積された直流電力を直流リンク13に放電させる放電手段17と、停電検出手段14が停電を検出しないとき又はモータ駆動開始前に充電手段を動作させ、停電検出手段14が停電を検出したとき放電手段17を動作させるとともに逆変換器12を動作させる制御手段18とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ駆動装置に関し、特に、停電時の保護動作のための蓄電装置を有するモータ駆動装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置においては、交流側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。

図６は、複数のモータを駆動する一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。モータ駆動装置１００は、商用三相交流電源３からの交流電力を整流して直流電力を出力する整流器１１と、整流器１１の直流側である直流リンク１３に接続され、整流器１１から出力された直流電力をモータ２の駆動電力として供給される所望の電圧および所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器１２と、を備え、当該逆変換器１２の交流側に接続されたモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。逆変換器１２は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータ２に個別に駆動電力を供給してモータ２を駆動制御するためにモータ２の個数と同数個設けられる。一方、整流器１１は、モータ駆動装置１００のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器１２に対して１個が設けられることが多い。

上位制御装置５１は、各逆変換器１２に対してモータ駆動指令を送信して当該逆変換器１２による直流電力から交流電力への変換動作（より具体的には、当該逆変換器１２内のスイッチング素子のスイッチング動作）を制御することで、当該逆変換器１２が直流リンク１３における直流電力を変換して所望の交流電力を出力するように制御する。逆変換器１２から出力された交流電力を駆動電力としてモータ２は動作するので、逆変換器１２から出力される交流電力を制御すれば、当該逆変換器１２の交流側に接続されたモータ２の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御することができる。モータ駆動装置１００でモータを減速制御する際には、モータ２から回生電力が発生する。この回生電力は逆変換器１２を経て、直流リンク１３に戻される。

このようなモータ駆動装置１００では、整流器１１の交流側において停電が発生し入力電源電圧が低下すると、モータ２の正常な運転を継続することができなくなる。このため、モータ２、当該モータ２を駆動するモータ駆動装置１００、当該モータ駆動装置１００が駆動するモータ２に接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置１００を有する製造ラインなどが、破損したり変形するなどといった何らかの障害が生じることになる。したがって、整流器１１の交流入力側に停電検出手段５２を設けて整流器１１の交流側の停電発生の有無を監視し、停電検出手段５２が停電発生を検知した場合には、上記障害を回避するかもしくは最小限に抑える必要がある。

例えば、停電時の保護動作を行うために、整流器と逆変換器との間の直流リンクに、充電手段および放電手段を介して蓄電装置を並列に設け、正常時（すなわち非停電時）には充電手段を介して直流リンクにおける直流出力を蓄電装置に蓄積しておき、停電時には蓄積しておいた直流電力を放電手段を介して直流リンクへ放出することにより、逆変換器を介して保護動作のためのエネルギーをモータへ供給する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

図７は特開平１１−１７８２４５号公報（特許文献１）に記載された発明における充電手段を模式的に示した回路図であり、図８は特開平１１−１７８２４５号公報（特許文献１）に記載された発明における放電手段を模式的に示した回路図である。特許文献１に記載された発明において、充電手段６０は、スイッチ６１、電流制限抵抗６２およびダイオード６３からなる直列回路で構成される。ダイオード６３は、商用三相交流電源（図示せず）の電圧変動や逆変換器（図示せず）の動作内容により直流リンクの電位が蓄電装置の電位よりも低下した場合に蓄電装置から直流リンクへエネルギーが逆流することを防ぐものである。蓄電装置（図示せず）を充電する際には、直流リンク（すなわち整流器の直流側出力）の電位と蓄積装置の電位とを比較し、蓄積装置の電位が直流リンクの電位よりも低い場合にスイッチ６１を閉路（ＯＮ）し、直流リンクにおける直流電力を蓄電装置に取り込んで蓄電装置を充電する。放電手段７０は、サイリスタ７１およびインダクタ７２からなる。停電時にはサイリスタ７１をオンして直流リンクと蓄電装置とを短絡し、蓄電装置に蓄積しておいた直流電力を直流リンクへ供給する。

また例えば、整流回路と電圧形インバータとの間に蓄電池を設け、停電時に蓄電池の電力をモータに供給してモータの運転を継続し、エレベータの安全な着床を可能としたものがある（例えば、特許文献２参照。）。

また例えば、コンバータ部（整流器）とインバータ部（逆変換器）との間にコンデンサ（蓄電装置）を設け、整流器の交流側の交流電圧の低下により生じる整流器の直流側の電圧降下を検知したとき、コンデンサに蓄積されたエネルギーを用いてモータの運転を継続する方法がある（例えば、特許文献３参照。）。

また例えば、交流入力側の停電時にモータを減速させ、モータの減速時に得られる回生パワーを保護動作のためのエネルギーとして用いる方法がある（例えば、特許文献４参照。）。

特開平１１−１７８２４５号公報特開昭６１−２６７６７５号公報特開２００９−２６１１６１号公報特開平８−５４９１４号公報

上述のように、モータ駆動装置では、整流器の交流側において停電が発生し入力電源電圧が低下すると、モータの正常な運転を継続することができなくなる、このため、モータ、当該モータを駆動するモータ駆動装置、当該モータ駆動装置が駆動するモータに接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置を有する製造ラインなどが、破損したり変形するなどといった何らかの障害が生じることになる。したがって、整流器の交流入力側に停電検出手段を設けて整流器の交流側の停電発生の有無を監視し、停電検出手段が停電発生を検知した場合には、上記障害を回避するかもしくは最小限に抑える保護動作を行う必要がある。

上述の特許文献１（特開平１１−１７８２４５号公報）に記載された発明によれば、蓄電装置への充電は、直流リンクの電位が蓄積装置の電位よりも高い場合でなければ行うことができない。したがって、設計上、畜電装置の電圧は整流器の直流出力電圧（すなわち商用三相交流電源電圧の波高値）以上に上げることができない。蓄電装置が例えばコンデンサからなる場合、コンデンサに蓄積できるエネルギーＥ、コンデンサの容量をＣ、コンデンサ電圧（すなわち蓄電装置の電圧）をＶとしたとき、式１で表わされる。

ここで、停電時の保護動作を行うためのエネルギーを確保するために、蓄電装置に蓄積するエネルギーＥをできるだけ大きくすることを考えた場合、上述の通りコンデンサ電圧は整流器の直流出力電圧（すなわち商用三相交流電源電圧の波高値）以上に上げることができないという制約があることから、必然的にコンデンサの容量Ｃを大きくせざるを得ない。このため、特許文献１に記載された発明によれば、蓄電装置（コンデンサ）の容積およびコストが増大し、ひいては蓄電装置（コンデンサ）を含むモータ駆動装置の容積およびコストも増大してしまう。上述の特許文献２（特開昭６１−２６７６７５号公報）に記載された発明も、直流リンクの電位が蓄電池の電位よりも高いときに蓄電池への充電が行われるものであるので、蓄電池およびモータ駆動装置の容積およびコストの増大という同様の問題が生じる。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、交流電源側の停電発生時における保護動作を行うために必要なエネルギーをモータに供給することができる、小型で低コストのモータ駆動装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、モータ駆動装置は、交流側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、整流器の直流側である直流リンクに接続され、直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、整流器の交流側の停電を検出する停電検出手段と、直流リンクに接続され、直流電力を蓄積し得る蓄電装置と、直流リンクにおける直流電圧よりも高い電圧に蓄電装置を充電する昇圧機能を有する充電手段と、蓄電装置と直流リンクとを短絡して蓄電装置に蓄積された直流電力を直流リンクに放電させる放電手段と、停電検出手段が整流器の交流側の停電を検出しないときまたはモータの駆動を開始する前に、充電手段を動作させるための充電指令を出力し、停電検出手段が整流器の交流側の停電を検出したとき、放電手段を動作させるための放電指令を出力するとともに逆変換器を動作させるための所定のモータ駆動指令を出力する制御手段と、を備える。

上記所定のモータ駆動指令は、逆変換器に対し、直流リンクにおける直流電力を、交流側の停電時に行うものとして予め定められた動作をモータが行うのに必要な交流電力へ変換する指令である。

また、モータ駆動装置は、抵抗と、この抵抗と直流リンクとの間を閉路もしくは開放するスイッチと、を有し、抵抗消費開始指令を受信したときスイッチは閉路し、抵抗消費停止指令を受信したときスイッチは開放する回生電力消費手段と、直流リンクにおける直流電圧を検出する電圧検出手段と、をさらに備えてもよい。ここで、制御手段は、停電検出手段が整流器の交流側の停電を検出したときにおいて、電圧検出手段により検出された直流電圧が、第１のしきい値よりも高いときは回生電力消費手段に対して抵抗消費開始指令を送信し、第１のしきい値よりも低い第２のしきい値より低いときは回生電力消費手段に対して抵抗消費停止指令を送信することが好ましい。

本発明によれば、交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、直流リンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、直流リンクに接続され直流電力を蓄積する蓄電装置とを備えるモータ駆動装置において、直流リンクの直流電圧よりも高く蓄電装置を充電する昇圧機能を有する充電手段を用いて蓄電装置を充電するので、蓄電装置の単位体積当たりの蓄積エネルギーを最大にすることができる。したがって、本発明によれば、蓄電装置の小型化および低コスト化を実現することができ、さらには蓄電装置を含むモータ駆動装置の小型化および低コスト化を実現することができる。

また、本発明によれば、停電が発生したときに保護動作をモータが行うのに必要なエネルギーを蓄電装置から供給するので、蓄電装置への充電はモータ駆動制御開始前に行えばよく、充電についての時間な制約は特にない。したがって、充電手段には、電流定格の小さい回路素子を用いることができるので、充電手段の小型化および低コスト化を実現することが容易であり、さらにはモータ駆動装置の小型化および低コスト化も可能である。

また、本発明によれば、さらに回生電力消費手段を備えることで、保護動作を実行してモータが減速するときに発生する回生電力に起因する直流リンクにおける直流電圧の上昇を抑えることができ、モータ駆動装置内の機器の損傷を防ぐことができる。

なお、上記特許文献２（特開昭６１−２６７６７５号公報）および上記特許文献３（特開２００９−２６１１６１号公報）に記載された発明は、交流側の停電時にモータの運転を継続することを目的とするものであり、この場合は、充電手段を構成するスイッチ、ダイオードおよびインダクタなどの回路素子の定格は、非停電時のモータの駆動制御中においても必要に応じて充電を行うことから、順変換器や逆変換器に用いられている素子の定格と同等とする必要があり、充電手段の小型化は難しい。これに対し、本発明によるモータ駆動装置は、停電が発生したときに保護動作をモータが行うのに必要なエネルギーを蓄電装置から供給できるようにするものであるので、蓄電装置への充電はモータ駆動制御開始前に行えばよく、充電完了についての時間的な制約は特にない。したがって、充電手段には、電流定格の小さい回路素子を用いることができるので、充電手段の小型化および低コスト化を実現することが容易であり、さらにはモータ駆動装置の小型化および低コスト化も可能である。

本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。本発明によるモータ駆動装置における充電手段の第１の具体例を示す回路図である。本発明によるモータ駆動装置における充電手段の第２の具体例を示す回路図である。本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置における回生電力消費手段を示す回路図である。複数のモータを駆動する一般的なモータ駆動装置の構成を示す図である。特開平１１−１７８２４５号公報（特許文献１）に記載された発明における充電手段を模式的に示した回路図である。特開平１１−１７８２４５号公報（特許文献１）に記載された発明における放電手段を模式的に示した回路図である。

以下に説明する実施例では、複数個のモータを駆動制御するモータ駆動装置について説明するが、駆動制御するモータの個数は、本発明を特に限定するものではない。

図１は、本発明の第１の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味する。

本発明の第１の実施例によるモータ２を駆動するためのモータ駆動装置１は、整流器１１と、逆変換器１２と、停電検出手段１４と、蓄電装置１５と、充電手段１６と、放電手段１７と、制御手段１８と、を備える。また、モータ駆動装置１は、蓄電装置１５の充電電圧を検出する蓄電装置電圧検出手段１９と、整流器１１と逆変換器１２との間の直流リンク１３における直流電圧を検出する直流電圧検出手段２０と、を備える。

整流器１１は、商用三相交流電源３より供給された交流電力を整流して直流電力を出力する。本発明では、用いられる整流器１１の実施形態は特に限定されず、例えば３相全波整流回路、１２０度通電型整流回路、あるいはＰＷＭ制御方式の整流回路などがある。

整流器１１と逆変換器１２とは、直流リンク１３を介して接続される。逆変換器１２は、例えばＰＷＭインバータなどのような、内部にスイッチング素子を有する変換回路として構成される。ここでは、モータ駆動装置１で複数のモータ２を駆動制御することを例として取りあげているので、各モータ２ごとに逆変換器１２が設けられる。逆変換器１２は、直流リンク１３側から供給される直流電力を、制御手段１８から受信したモータ駆動指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ２を駆動のための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。モータ２は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ２の制動時には回生電力が発生するが、制御手段１８から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ２で発生した回生電力である交流電力を、直流電力へ変換して直流リンク１３へ戻す。このように、逆変換器１２は、受信したモータ駆動指令に基づき、直流リンク１３における直流電力とモータ２の駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換するものである。

停電検出手段１４は、整流器１１に交流電力を供給する商用三相交流電源３側に設けられ、整流器１１の交流側の停電の有無を検出する。停電検出手段１４の検出結果は制御手段１８に送られる。

直流電圧検出手段２０は、整流器１１と逆変換器１２との間の直流リンク１３における直流電圧を検出する。直流電圧検出手段２０の検出結果は制御手段１８に送られる。

蓄電装置１５は、直流リンク１３に接続され、直流電力を蓄積し得るものであり、例えばコンデンサなどにより構成される。蓄電装置１５には、充電電圧を検出するための蓄電装置電圧検出手段１９が設けられ、蓄電装置電圧検出手段１９が検出した蓄電装置１５の充電電圧に関する情報は制御手段１８に送られる。

充電手段１６は、制御手段１８から充電指令を受信したとき、直流リンク１３における直流電力を蓄電装置１５に取り込んで蓄電装置１５を充電する。制御手段１８は、蓄電装置１５を充電する際には、蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧と、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧とを比較し、充電手段１６の充電動作を指令する充電指令を作成し、これを充電手段１６へ送出する。充電手段１６は、直流リンク１３における直流電圧よりも高い電圧に蓄電装置１５を充電する昇圧機能を有するものであり、例えば昇降圧チョッパ回路により構成される。ここでは、昇降圧チョッパ回路により構成される充電手段１６について、２つの具体例を示す。

図２は、本発明によるモータ駆動装置における充電手段の第１の具体例を示す回路図である。第１の具体例による充電手段１６は、図２に示すように、スイッチＳ１およびＳ２、ダイオードＤ１およびＤ２、ならびにインダクタＬ１からなる昇降圧チョッパ回路により構成される。制御手段１８は、蓄電装置１５を充電する際、蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧と、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧との比較に基づき、スイッチＳ１およびＳ２をオンオフ制御する充電指令を作成する。蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧が、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧よりも小さい場合には、制御手段１８の制御により、スイッチＳ２を常時オフし、スイッチＳ１を所定のデューディー比でオンオフ制御して蓄電装置１５を充電する。その後、蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧が、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧よりも大きくなった場合には、制御手段１８の制御により、スイッチＳ１を常時オフし、スイッチＳ２を所定のデューディー比でオンオフ制御して蓄電装置１５を充電する。このような充電手段１８により、蓄電装置１５を、直流リンク１３における直流電圧よりも高い電圧まで充電することができる。

上述した昇降圧チョッパ回路は１つの具体例であるが、これ以外の昇降圧チョッパ回路で充電手段を構成してもよい。図３は、本発明によるモータ駆動装置における充電手段の第２の具体例を示す回路図である。充電手段１６は、図３に第２の具体例として示すように、スイッチＳ３、ダイオードＤ３およびインダクタＬ２からなる昇降圧チョッパ回路で構成してもよい。

図１に説明を戻すと、放電手段１７は、制御手段１８から放電指令を受信したとき、蓄電装置１５と直流リンク１３とを短絡して蓄電装置１５に蓄積された直流電力を直流リンク１３に放電させるものである。放電手段１７は、例えば、図８を参照して説明した回路などがある。

制御手段１８は、モータ駆動指令、充電指令および放電指令を以下の通り生成する。

制御手段１８は、整流器１１の交流側が非停電時（すなわち正常時）であるときにモータ２を駆動させる場合、逆変換器１２に対して、直流電力をモータ２の駆動のための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換するモータ駆動指令を送出する。これにより、逆変換器１２は受信したモータ駆動指令に基づいて直流電力を交流電力に変換し、モータ２はこの交流電力に基づいて動作する。

また、制御手段１８は、充電手段１６に対して充電指令を送信する。モータ２の駆動制御を開始する前に、制御手段１８により充電手段１６に対して充電指令を送信しておくことで、予め規定された充電電圧以上に蓄電装置１５を充電しておくことが好ましい。蓄電装置１５は、充電手段１６の昇圧機能により、直流リンク１３における直流電圧よりも高い電圧まで充電されることができることは上述した通りであり、したがって、上記予め規定された充電電圧として、直流リンク１３における直流電圧よりも高い電圧を設定することができる。また、モータ２の駆動制御の開始後は、蓄電装置１５では、その内部抵抗に起因する損失などにより、蓄積したエネルギーが徐々に消費されていく。したがって、モータ２の非停電時（すなわち正常時）における駆動制御期間中は、蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧が、上記予め規定された充電電圧を下回ったときには、制御手段１８により充電手段１６に対して充電指令を送信することで、蓄電装置１５を適宜充電する。

また、制御手段１８は、停電検出手段１４から、整流器１１の交流側の停電の発生を示す信号を受信したとき、放電手段１７に対して放電指令を送信するとともに、逆変換器１２に対して所定のモータ駆動指令を送信する。この停電時に送信される上記所定のモータ駆動指令は、逆変換器１２が、直流リンク１３における直流電力を、「交流側の停電時に行うものとして予め定められた保護動作をモータ２が行うのに必要な交流電力」へ変換する指令である。すなわち、停電時に送信される上記所定のモータ駆動指令は、非停電時（すなわち正常時）においてモータ２を駆動するために送信されるモータ駆動指令とは異なるものである。

なお、交流側の停電時に行うものとして予め定められた保護動作としては、特許文献１にも記載されているようなリトラクト制御、制動制御、および落下防止制御などがある。リトラクト制御とは、ワークと工具が同期して数値制御される工作機械において、交流側の停電時に、ワークと工具の同期を保持したまま、互いに干渉しない位置まで待避を行う制御であり、これにより、ワークと工具の同期ずれによる破損の発生を防止する。制動制御とは、交流側の停電時における送り軸の惰性距離が問題となる工作機械において、送り軸の惰送によって衝突が発生しないように減速停止を行う制御である。落下防止制御とは、重力軸を備える機械において、停電時に重力軸が落下してワークや工具が破損しないように、現状の位置を保持する制御である。

上記いずれの保護動作についても、モータ２を駆動するための交流電力が必要となる。そこで、本発明では、制御手段１８が、停電検出手段１４から停電の発生を示す信号を受信したとき、逆変換器１２に対して保護動作のための上記所定のモータ駆動指令を送信するに併せて、放電手段１７に対して放電指令を送信することで、逆変換器１２が、蓄電装置１５から直流リンク１３へ放電された直流電力を変換して、当該保護動作を行うために必要なモータ２を駆動するだけの交流電力を出力できるようにする。これによりモータ２は保護動作を行うことができ、その結果、当該モータ駆動装置１が駆動するモータ２、当該モータ２に接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置１を有する製造ラインなどが、破損したり変形するなどといった障害を回避することができる。

図４は、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置を示す回路図である。また、図５は、本発明の第２の実施例によるモータ駆動装置における回生電力消費手段を示す回路図である。本発明の第２の実施例は、上述の第１の実施例に、回生電力消費手段２１を追加したものである。上述のように保護動作を実行してモータ２が減速すると、モータ２に回生電力が発生する。この回生電力は逆変換器１２によって直流電源に変換されるが、これにより直流リンク１３における直流電圧の電位が上昇する。この回生電力による直流リンク１３における直流電圧の上昇を放置すると、整流器１１や逆変換器１２などを構成する各素子が耐圧を超えて破壊される恐れが生じる。したがって、本発明の第２の実施例では、保護動作を実行してモータ２が減速するときに発生する回生電力を熱エネルギーとして消費する回生電力消費手段２１を設け、モータ２の減速時の直流リンク１３における直流電圧の上昇を抑える。なお、回生電力消費手段２１および制御手段１８以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。

直流電圧検出手段２０は、モータ２が正常に駆動制御されているとき以外、すなわち停電時においても、直流リンク１３における直流電圧を検出する。

回生電力消費手段２１は、抵抗Ｒ１と、この抵抗Ｒ１と直流リンク１３との間を閉路もしくは開放するスイッチＳ４とを有し、制御手段１８から抵抗消費開始指令を受信したときスイッチＳ４は閉路し、制御手段１８から抵抗消費停止指令を受信したときスイッチＳ４は開放する。

制御手段１８は、停電検出手段１４が整流器１１の交流側の停電を検出したときにおいて、直流電圧検出手段２０により検出された直流電圧が、予め設定された第１のしきい値よりも高いときは回生電力消費手段２１に対して抵抗消費開始指令を送信する。これに応答して、回生電力消費手段２１は、制御手段１８から抵抗消費開始指令を受信したときスイッチＳ４は閉路する。その結果、モータ２において発生した回生電力の直流変換後のエネルギー（直流電力）は抵抗Ｒ１において熱エネルギーの形で消費されるので、直流リンク１３における直流電圧の上昇を抑えることができる。抵抗Ｒ１での当該エネルギー消費が進むと、直流リンク１３における直流電圧が徐々に低下する。そして、直流電圧検出手段２０により検出された直流電圧が、第１のしきい値よりも低いあらかじめ設定された第２のしきい値より低くなったとき、回生電力消費手段２１に対して抵抗消費停止指令を送信する。これにより、回生電力消費手段２１は、スイッチＳ４を開放し、直流リンク１３における直流電圧が降下しすぎることを防ぐ。第１のしきい値および第２のしきい値については、モータ駆動装置の適用場面などに応じて適宜設定すればよい。

なお、上記特許文献２（特開昭６１−２６７６７５号公報）および上記特許文献３（特開２００９−２６１１６１号公報）に記載された発明などのように停電時においてもモータの駆動を継続することを目的としてエネルギーを蓄電装置に蓄積する場合は、充電手段を構成するスイッチ、ダイオードおよびインダクタなどの回路素子の定格は、非停電時のモータの駆動制御中においても必要に応じて充電を行うことから、順変換器や逆変換器に用いられている素子の定格と同等とする必要があり、充電手段の小型化は難しい。これに対し、本発明によるモータ駆動装置は、停電が発生したときに保護動作をモータが行うのに必要なエネルギーを蓄電装置から供給できるようにするものであるので、蓄電装置への充電はモータ駆動制御開始前に行えばよく、充電完了についての時間的な制約は特にない。したがって、充電手段には、電流定格の小さい回路素子を用いることができるので、充電手段の小型化および低コスト化を実現することが容易であり、さらにはモータ駆動装置の小型化および低コスト化も可能である。

また、例えば、蓄電装置がコンデンサである場合、コンデンサに蓄積できるエネルギーＥは、式１で表わされるようにコンデンサ電圧の２乗に比例する。蓄電装置としては通常、想定し得る整流器出力（直流リンク）の最大電圧値、すなわち商用三相交流電源の波高値の変動の上限値に対して十分余裕を持った定格電圧のコンデンサが使用されるので、本発明のモータ駆動装置における昇圧機能を有する充電手段を用いてコンデンサを定格ぎりぎりまで充電することができるので、コンデンサの単位体積当たりの蓄積エネルギーを最大にすることができる。したがって、本発明によれば、蓄電装置（コンデンサ）の小型化および低コスト化を実現することができ、さらには蓄電装置（コンデンサ）を含むモータ駆動装置の小型化および低コスト化を実現することができる。

本発明は、工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置として、入力された交流を直流に変換する整流器と、直流変換部から出力された直流を各モータの駆動電力としてそれぞれ供給される交流に変換する逆変換器と、を有するものにおいて、整流器の交流側で停電の発生が発生した際に、このモータ駆動装置が駆動するモータ、当該モータに接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置を有する製造ラインなどを保護するための各種保護動作が実行される場合に適用することができる。

１モータ駆動装置
２モータ
３商用三相交流電源
１１整流器
１２逆変換器
１３直流リンク
１４停電検出手段
１５蓄電装置
１６充電手段
１７放電手段
１８制御手段
１９蓄電装置電圧検出手段
２０直流電圧検出手段
２１回生電力消費手段
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ダイオード
Ｌ１、Ｌ２インダクタ
Ｒ１抵抗
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４スイッチ

上述のように、モータ駆動装置では、整流器の交流側において停電が発生し入力電源電圧が低下すると、モータの正常な運転を継続することができなくなる。このため、モータ、当該モータを駆動するモータ駆動装置、当該モータ駆動装置が駆動するモータに接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置を有する製造ラインなどが、破損したり変形するなどといった何らかの障害が生じることになる。したがって、整流器の交流入力側に停電検出手段を設けて整流器の交流側の停電発生の有無を監視し、停電検出手段が停電発生を検知した場合には、上記障害を回避するかもしくは最小限に抑える保護動作を行う必要がある。

また、モータ駆動装置は、抵抗と、この抵抗と直流リンクとの間を閉路もしくは開放するスイッチと、を有し、抵抗消費開始指令を受信したときスイッチは閉路し、抵抗消費停止指令を受信したときスイッチは開放する回生電力消費手段と、直流リンクにおける直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、をさらに備えてもよい。ここで、制御手段は、停電検出手段が整流器の交流側の停電を検出したときにおいて、直流電圧検出手段により検出された直流電圧が、第１のしきい値よりも高いときは回生電力消費手段に対して抵抗消費開始指令を送信し、第１のしきい値よりも低い第２のしきい値より低いときは回生電力消費手段に対して抵抗消費停止指令を送信することが好ましい。

図２は、本発明によるモータ駆動装置における充電手段の第１の具体例を示す回路図である。第１の具体例による充電手段１６は、図２に示すように、スイッチＳ１およびＳ２、ダイオードＤ１およびＤ２、ならびにインダクタＬ１からなる昇降圧チョッパ回路により構成される。制御手段１８は、蓄電装置１５を充電する際、蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧と、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧との比較に基づき、スイッチＳ１およびＳ２をオンオフ制御する充電指令を作成する。蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧が、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧よりも小さい場合には、制御手段１８の制御により、スイッチＳ２を常時オフし、スイッチＳ１を所定のデューディー比でオンオフ制御して蓄電装置１５を充電する。その後、蓄電装置電圧検出手段１９により検出された蓄電装置１５の充電電圧が、直流電圧検出手段２０により検出された直流リンク１３における直流電圧よりも大きくなった場合には、制御手段１８の制御により、スイッチＳ１を常時オンし、スイッチＳ２を所定のデューディー比でオンオフ制御して蓄電装置１５を充電する。このような充電手段１６により、蓄電装置１５を、直流リンク１３における直流電圧よりも高い電圧まで充電することができる。

本発明は、工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置として、入力された交流を直流に変換する整流器と、直流変換部から出力された直流を各モータの駆動電力としてそれぞれ供給される交流に変換する逆変換器と、を有するものにおいて、整流器の交流側で停電が発生した際に、このモータ駆動装置が駆動するモータ、当該モータに接続されたツール、当該ツールが加工する加工対象、当該モータ駆動装置を有する製造ラインなどを保護するための各種保護動作が実行される場合に適用することができる。

Claims

交流側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する整流器と、
前記整流器の直流側である直流リンクに接続され、前記直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、
前記整流器の交流側の停電を検出する停電検出手段と、
前記直流リンクに接続され、直流電力を蓄積し得る蓄電装置と、
前記直流リンクにおける直流電圧よりも高い電圧に前記蓄電装置を充電する昇圧機能を有する充電手段と、
前記蓄電装置と前記直流リンクとを短絡して前記蓄電装置に蓄積された直流電力を前記直流リンクに放電させる放電手段と、
前記停電検出手段が前記整流器の交流側の停電を検出しないときまたはモータの駆動を開始する前に、前記充電手段を動作させるための充電指令を出力し、前記停電検出手段が前記整流器の交流側の停電を検出したとき、前記放電手段を動作させるための放電指令を出力するとともに前記逆変換器を動作させるための所定のモータ駆動指令を出力する制御手段と、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
前記所定のモータ駆動指令は、前記逆変換器に対し、前記直流リンクにおける直流電力を、交流側の停電時に行うものとして予め定められた動作をモータが行うのに必要な交流電力へ変換する指令である、請求項１に記載のモータ駆動装置。
抵抗と、前記抵抗と前記直流リンクとの間を閉路もしくは開放するスイッチと、を有し、抵抗消費開始指令を受信したとき前記スイッチは閉路し、抵抗消費停止指令を受信したとき前記スイッチは開放する回生電力消費手段と、
前記直流リンクにおける直流電圧を検出する電圧検出手段と、
をさらに備え、
前記制御手段は、前記停電検出手段が前記整流器の交流側の停電を検出したときにおいて、前記電圧検出手段により検出された直流電圧が、第１のしきい値よりも高いときは前記回生電力消費手段に対して前記抵抗消費開始指令を送信し、前記第１のしきい値よりも低い第２のしきい値より低いときは前記回生電力消費手段に対して前記抵抗消費停止指令を送信する、請求項２に記載のモータ駆動装置。