JP2017192225A - Ｄｃリンクコンデンサの電圧変動を抑制するモータ駆動装置 - Google Patents

Ｄｃリンクコンデンサの電圧変動を抑制するモータ駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制すると共に、低コスト及び小型化が可能なモータ駆動装置を提供する。【解決手段】モータ制御部１４は、電圧検出部１３で検出される直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満である場合には、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａに設定し、電圧検出部１３で検出される直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上である場合には、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａよりも大きい第２の閾値Ｂに設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制するモータ駆動装置に関する。
従来より、サーボモータ等のモータを制御するモータ駆動装置は、順変換器と逆変換器との間にＤＣリンクコンデンサを備えている。このようなモータ駆動装置において、ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
例えば、特許文献１に記載のモータ駆動装置は、ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制するために、図７に示すようにモータ駆動装置１００の順変換器の入力部分に対地間コンデンサＣ１００を備えている。また、図７に示すようにＤＣリンクコンデンサの両端にＤＣ／ＤＣ電源や抵抗１１０等を接続することによりＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制する技術も知られている。
また、特許文献２に記載のモータ駆動装置は、ＤＣリンクコンデンサの電圧が上昇した場合に、モータに無効電流を流すことによりモータの消費エネルギーを増加させ、ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制している。
特開２００７−３２５３７７号公報 特開２０１３−０９３９５７号公報
しかし、特許文献１等のように対地間コンデンサ、ＤＣ／ＤＣ電源、抵抗等の部品をモータ駆動装置に追加した場合、製造コストが増大し、モータ駆動装置の小型化が困難であった。
また、特許文献２のようにモータの消費エネルギーを増加させる場合、モータの熱損失が大きくなるため、モータの熱損失の増加に伴ってモータを冷却する装置を設ける必要がある。そのため、特許文献２のようなモータ駆動装置でも製造コストが増大し、モータ駆動装置の小型化が困難であった。
そこで、本発明は、ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制すると共に、低コスト及び小型化が可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。
本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述のモータ駆動装置１）は、電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器（例えば、後述の順変換器１１）と、前記順変換器に接続されるＤＣリンクコンデンサ（例えば、後述のＤＣリンクコンデンサＣ１）と、前記ＤＣリンクコンデンサにおける直流電圧値を検出する電圧検出部（例えば、後述の電圧検出部１３）と、前記ＤＣリンクコンデンサに接続され、前記直流電力をモータの駆動電力に変換すると共に、前記電圧検出部で検出される前記直流電圧値が前記モータの回生を開始する閾値に達した場合に、前記直流電力を三相交流電力に変換する逆変換器（例えば、後述の逆変換器１２）と、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満である場合には、前記閾値を第１の閾値に設定し、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上である場合には、前記閾値を前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値に設定するモータ制御部（例えば、後述のモータ制御部１４）と、を備える
前記モータ制御部は、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が前記モータの減速時の直流電圧値の単位時間当たりの増加量よりも小さい場合に、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満であると判断し、前記閾値を第１の閾値に設定してもよい。
前記モータ制御部は、前記閾値が前記第１の閾値に設定されている状態で、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が前記モータ駆動装置の最大許容値を超える場合に、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上であると判断し、前記閾値を前記第２の閾値に設定してもよい。
前記第１の閾値、前記第２の閾値及び前記モータ駆動装置の最大許容値は、外部機器によって書き換え可能であってもよい。
本発明によれば、ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を抑制すると共に、低コスト及び小型化が可能なモータ駆動装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回生動作時の電流の流れを示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回生動作時の電流の流れを示す図である。 ＤＣリンクコンデンサの電圧変動を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置のＤＣリンクコンデンサの電圧変動を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の処理の流れを示すフローチャートである。 従来のモータ駆動装置の回路構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１の回路構成を示す図である。
モータ駆動装置１は、商用の三相交流電源２及びモータ３と接続され、交流電源２からの電力を用いてモータ３を駆動及び制御する。
なお、交流電源２は、三相交流に限定されず、例えば、単相交流であってもよい。
モータ駆動装置１は、順変換器（コンバータ）１１と、逆変換器（インバータ）１２と、ＤＣリンクコンデンサＣ１と、電圧検出部１３と、モータ制御部１４と、を備える。
順変換器１１は、交流電源２から入力された交流電力を直流電力に変換する。
順変換器１１は、例えば、パワー半導体素子及びパワー半導体素子に逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路を有するダイオード整流コンバータ又はＰＷＭコンバータで構成される。順変換器１１は、モータ３へ電力を供給するときには、ダイオードによって三相交流電源からの交流電圧を全波整流して直流電圧に変換する。
逆変換器１２は、直流電力をモータ３の駆動のための交流電力に変換する。また、逆変換器１２は、モータ３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は、例えば、パワー半導体素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードを有するブリッジ回路から構成される。そして、これらのパワー半導体素子をモータ制御部１４からの指令によりオンオフ制御（例えばＰＷＭ制御）することにより、直流電圧を所望の波形及び周波数の交流電圧に変換する。逆変換器１２は、出力した交流電流をモータ３に供給する。
逆変換器１２のスイッチング動作は、モータ制御部１４によって制御される。すなわち、モータ制御部１４は、モータ３が所望の速度（加速、減速、定速、停止等）、トルク又は回転子の位置で動作するための指令を作成する。
そして、モータ制御部１４は、当該指令に基づいてモータ３が動作するために必要な波形や周波数を有する交流電流を逆変換器１２が出力するように、逆変換器１２のパワー半導体素子にオンオフ指令を出力する。モータ３には逆変換器１２が出力した交流電流が入力され、これによりモータ３は回転動作を行う。
ＤＣリンクコンデンサＣ１は、順変換器１１の直流側と逆変換器１２の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行う。ＤＣリンクコンデンサＣ１は、順変換器１１又は逆変換器１２によって変換された直流電圧を平滑化する。
電圧検出部１３は、ＤＣリンクコンデンサＣ１における直流電圧値を検出する。電圧検出部１３は、検出した直流電圧値をモータ制御部１４に送信する。電圧検出部１３としては、例えば、既存の電圧検出回路を用いることができる。
モータ制御部１４は、順変換器１１、逆変換器１２及び電圧検出部１３と接続され、所定の制御を行う。モータ制御部１４は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。モータ制御部１４の動作は、所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。
また、モータ制御部１４は、例えば、コンピュータ等を備える外部機器１５と接続される。
次に、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１のＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動について説明する。
図２及び３は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１の回生動作時の電流の流れを示す図である。図４は、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を示す図である。
モータ３が停止して励磁のみの状態のときに、逆変換器１２のパワー半導体素子Ｓ１をオンにすると、図２に示すように、充電電流は、交流電源２から浮遊容量Ｃ２に対してルートＸの経路で流れ、浮遊容量Ｃ２に電荷が蓄えられる。
次に、パワー半導体素子Ｓ１をオフにすると、図３に示すように、浮遊容量Ｃ２に蓄えられた電荷は、ＤＣリンクコンデンサＣ１にルートＹの経路で流れ込み、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧が増加する。
パワー半導体素子Ｓ１のオン・オフによりＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧は増加する。そして、図４に示すようにＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧が回生を開始する電圧（閾値）に達すると、回生が開始される。しかし、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧増加は、モータ３の減速時に発生する回生電力による電圧増加ではないため、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧増加は、直ぐに解消され、回生も終了する。
このように、浮遊容量Ｃ２の電荷の充放電及び回生の開始／終了の繰り返しによって、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧増加と電圧増加の解消とが繰り返されるため、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動は、大きくなる。
そこで、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を抑制するために、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１は、以下のような制御を行う。
図５は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１のＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を示す図である。
図５に示すように、モータ制御部１４は、電圧検出部１３で検出される直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満である場合には、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａに設定する。
また、モータ制御部１４は、電圧検出部１３で検出される直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上である場合には、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａよりも大きい第２の閾値Ｂに設定する。
このように、モータ制御部１４は、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧の単位時間当たりの増加量が小さい場合（第１の閾値Ａ）でも回生を行うことにより、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧の大幅な上昇を抑える。これにより、モータ駆動装置１は、浮遊容量Ｃ２の電荷の充放電及び回生の開始／終了の繰り返しにより生じるＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を抑えることができる。
より具体的には、モータ制御部１４は、直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ３の減速時の直流電圧値の単位時間当たりの増加量よりも小さい場合に、直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満であると判断し、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａに設定する。
また、モータ制御部１４は、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変化の傾きから求めることによって、直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満であるかどうかを判断してもよい。
モータ制御部１４は、閾値が第１の閾値Ａに設定されている状態で、直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ駆動装置１の最大許容値を超える場合に、直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上であると判断し、閾値を第２の閾値Ｂに設定する。
第１の閾値Ａ、第２の閾値Ｂ及びモータ駆動装置１の最大許容値は、モータ制御部１４に接続された外部機器１５によって書き換え可能であることが好ましい。
図６は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置１の処理の流れを示すフローチャートである。
なお、モータ制御部１４は、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａ又は第２の閾値Ｂに設定した状態で処理を開始する。
ステップＳ１において、モータ制御部１４は、直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ３の減速時の直流電圧値の単位時間当たりの増加量よりも小さいかどうかを判断することにより、電圧検出部１３で検出される直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満であるどうかを判断する。直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ２へ進む。直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上である場合（ＮＯ）には、ステップＳ５へ進む。
ステップＳ２において、モータ制御部１４は、直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ駆動装置１の最大許容値未満かどうかを判断する。直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ駆動装置１の最大許容値未満である場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３へ進む。直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ駆動装置１の最大許容値を超える場合（ＮＯ）には、ステップＳ６へ進む。
ステップＳ３において、モータ制御部１４は、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａに設定する。
ステップＳ４において、モータ制御部１４は、第１の閾値Ａで回生を開始し、その後、処理は、ステップ１へ戻る。
ステップＳ５において、モータ制御部１４は、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧値、つまりの電圧検出部１３で検出される直流電圧値が第２の閾値Ｂに達したかを判断する。直流電圧値が第２の閾値Ｂに達した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ６へ進む。直流電圧値が第２の閾値Ｂに達していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ１へ戻る。
ステップＳ６において、モータ制御部１４は、回生を開始する電圧の閾値を第２の閾値Ｂに設定する。
ステップＳ７において、モータ制御部１４は、第２の閾値Ｂで回生を開始し、その後、処理は、ステップＳ１へ戻る。
本実施形態によれば、モータ駆動装置１は、電圧検出部１３で検出される直流電圧値の単位時間当たりの増加量に応じて、回生を開始する電圧の閾値を第１の閾値Ａ又は第２の閾値Ｂに設定する。ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧の単位時間当たりの増加量が小さい場合（第１の閾値Ａ）でも回生を行うことにより、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧の大幅な上昇を抑えることができる。これにより、モータ駆動装置１は、浮遊容量Ｃ２の電荷の充放電及び回生の開始／終了の繰り返しにより生じるＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を抑えることができる。
また、モータ駆動装置１は、閾値の設定によってＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を抑えているため、例えば、モータの熱損失の増加に伴うモータを冷却する装置等を設ける必要がない。したがって、モータ駆動装置１は、ＤＣリンクコンデンサＣ１の電圧変動を抑えると共に、製造コストの低減及び小型化が可能となる。
また、モータ駆動装置１は、直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ３の減速時の直流電圧値の単位時間当たりの増加量よりも小さい場合に、閾値を第１の閾値Ａに設定する。このように、モータ駆動装置１は、直流電圧値の単位時間当たりの増加量をモータ３の減速時の直流電圧値の単位時間当たりの増加量で判断することにより、モータ３の状態に応じて閾値を適切に設定することができる。
また、モータ駆動装置１は、直流電圧値の単位時間当たりの増加量がモータ駆動装置１の最大許容値を超える場合に、閾値を第１の閾値Ａよりも大きい第２の閾値Ｂに設定する。これにより、モータ駆動装置１は、ＤＣリンクコンデンサＣ１の状態に応じて閾値を適切に設定し、適切な回生を行うことができる。
また、モータ駆動装置１において、第１の閾値Ａ、第２の閾値Ｂ及びモータ駆動装置１の最大許容値は、モータ制御部１４に接続された外部機器１５によって書き換え可能であるため、モータ駆動装置１は、一旦、値を設定した後であっても、第１の閾値、第２の閾値及び最大許容値を適切な値に変更することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態では、モータ３は、１つのみであったが、モータ３は、複数設けられてもよい。モータ３が複数存在する場合には、モータ制御部１４は、例えば、全てのモータ３が停止した状態をモータ３が停止していると判断としてもよい。モータ制御部１４は、モータ３が停止した状態として、モータ３への回転指令や速度指令から判断してもよく、又はモータ３の電流が０となったことによって判断してもよい。
１ モータ駆動装置
２ 交流電源
３ モータ
１１ 順変換器
１２ 逆変換器
１３ 電圧検出部
１４ モータ制御部
１５ 外部機器
Ｃ１ ＤＣリンクコンデンサ
Ｃ２ 浮遊容量

Claims (4)

  1. 電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
    前記順変換器に接続されるＤＣリンクコンデンサと、
    前記ＤＣリンクコンデンサにおける直流電圧値を検出する電圧検出部と、
    前記ＤＣリンクコンデンサに接続され、前記直流電力をモータの駆動電力に変換すると共に、前記電圧検出部で検出される前記直流電圧値が前記モータの回生を開始する閾値に達した場合に、前記直流電力を三相交流電力に変換する逆変換器と、
    前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満である場合には、前記閾値を第１の閾値に設定し、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上である場合には、前記閾値を前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値に設定するモータ制御部と、
    を備えるモータ駆動装置。
  2. 前記モータ制御部は、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が前記モータの減速時の直流電圧値の単位時間当たりの増加量よりも小さい場合に、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量未満であると判断し、前記閾値を第１の閾値に設定する請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記モータ制御部は、前記閾値が前記第１の閾値に設定されている状態で、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が前記モータ駆動装置の最大許容値を超える場合に、前記直流電圧値の単位時間当たりの増加量が一定量以上であると判断し、前記閾値を前記第２の閾値に設定する請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記第１の閾値、前記第２の閾値及び前記モータ駆動装置の最大許容値は、外部機器によって書き換え可能である請求項１から３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
JP2016080871A 2016-04-14 2016-04-14 Ｄｃリンクコンデンサの電圧変動を抑制するモータ駆動装置 Active JP6608761B2 (ja)

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