JP2018102033A - モータ制御システムとその起動方法、及びモータ制御用補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ制御システムの保全性を向上する。【解決手段】モータ９と、出力側直流母線１０間に出力側平滑コンデンサ４１を有するものであって、外部から給電された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータ９に駆動電力として給電するインバータ１１と、インバータ１１がモータ９に駆動電力を給電していない間に、モータ９の出力線８とインバータ１１の出力側直流母線１０の負極線Ｎとを短絡させるコンタクタ１３及びコンタクタ駆動装置１４と、を有する。また、負極線Ｎに接続され、インバータ１１に直流電力を給電する電源回生コンバータ３を有し、コンタクタ１３は、電源回生コンバータ３がインバータ１１への直流電力の給電前に３相交流電源２からの交流電力を直流電力に昇圧変換する動作期間中における少なくとも一度又は全期間中で短絡させる。【選択図】図３

Description

開示の実施形態は、モータ制御システムとその起動方法、及びモータ制御用補助装置に関する。

特許文献１には、ＰＷＭインバータのＤＣリンク電圧が所定の閾値を超えた場合にモータからの回生電力を抵抗で消費させるモータ駆動装置の技術が記載されている。

特許第４９１７６８０号公報

しかしながら、モータ制御装置自体が電源未投入状態であっても、何らかの外部要因によって生じたノイズ電流が、モータの対地浮遊容量によりモータ制御装置内へ逆流入して内部回路に電気的な悪影響を与える恐れがある。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、保全性を向上できるモータ制御システムとその起動方法、及びモータ制御用補助装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、モータと、直流母線間に平滑コンデンサを有するものであって、外部から給電された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を前記モータに駆動電力として給電するモータ制御装置と、前記モータ制御装置が前記モータに前記駆動電力を給電していない間に、前記モータの出力線と前記モータ制御装置の前記直流母線の負極線とを短絡させる短絡実施部と、を有するモータ制御システムが適用される。

また、本発明の別の観点によれば、前記短絡実施部が前記出力線と前記負極線とを短絡することと、前記電源回生コンバータが商用電源からの交流電力を直流電力に変換する動作を開始することと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに前記モータ制御装置を接続して給電することと、前記短絡実施部が前記出力線と前記負極線とを開放することと、を順に実行するモータ制御システムの起動方法が適用される。

また、本発明の別の観点によれば、外部から給電された直流電力を交流電力の駆動電力に変換してモータに給電するモータ制御装置が前記モータに前記駆動電力を給電していない間に、前記モータの出力線と前記モータ制御装置の負極線とを短絡させる接続切替部、を有するモータ制御用補助装置が適用される。

本発明によれば、モータ制御システムの保全性を向上できる。

第１実施形態に係るモータ制御システム全体のハードウェア回路構成を概略的に表す図である。 コンタクタを備えていない比較例における逆流電流の発生と流通経路を説明する図である。 コンタクタを備えた第１実施形態における逆流電流の発生と流通経路を説明する図である。 比較例と第１実施形態それぞれの起動シーケンスのタイムチャートを重ねて表す図である。 コンタクタ駆動装置におけるコンタクタ信号とアンサー信号のタイミングチャートを表す図である。 制御電源投入時におけるコンタクタ動作のタイミングチャートを表す図である。 サーボオン要求状態とモータ通電状態に対するコンタクタ動作のタイミングチャートを表す図である。 モータ停止時におけるコンタクタ動作のタイミングチャートを表す図である。 モータ速度に対するコンタクタ動作のヒステリシス特性を表す図である。 第２実施形態における逆流電流の発生と流通経路を説明する図である。

＜第１実施形態＞
以下、第１の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜第１実施形態のモータ制御システムの概略構成＞
まず、図１を用いて、本実施形態に係るモータ制御システム全体のハードウェア回路構成について説明する。図１に示すように、モータ制御システム１は、３相交流電源２（商用電源）に接続する電源回生コンバータ３と、この電源回生コンバータ３の駆動を制御する電源回生コンバータ駆動装置４と、入力側直流母線５を介して電源回生コンバータ４に接続可能なＤＣ−ＤＣコンバータ６と、このＤＣ−ＤＣコンバータ６の駆動を制御するＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７と、出力線８を介してモータ９に接続するとともに出力側直流母線１０を介してＤＣ−ＤＣコンバータ６にも接続可能なインバータ１１と、このインバータ１１の駆動を制御するインバータ駆動装置１２と、上記出力線８とインバータ１１の負極線Ｎとの間の短絡と開放を切り替えるコンタクタ１３と、このコンタクタ１３の駆動を制御するコンタクタ駆動装置１４と、システム制御装置１５を備える。

電源回生コンバータ３は、入力側ブリッジ回路２１と、入力側平滑コンデンサ２２とを備えている。

入力側ブリッジ回路２１は、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＨＥＭＴなどの半導体で構成する６つのアームスイッチング素子３１をブリッジ接続したデバイスである。詳しくは、半導体スイッチング素子３２とフライホイールダイオード（ＦＷＤ）であるダイオード３３とを並列接続して構成したアームスイッチング素子３１を２つ直列に接続して１組とし、上記入力側直流母線５に対して３組並列に接続している。そのうち、以下では、入力側直流母線５の正極側（正極線Ｐ側）に接続するアームスイッチング素子３１を上アームスイッチング素子Ｑ_ＣＨといい、負極側（負極線Ｎ側）に接続するアームスイッチング素子３１を下アームスイッチング素子Ｑ_ＣＬという。３組それぞれにおける上アームスイッチング素子Ｑ_ＣＨと下アームスイッチング素子Ｑ_ＣＬの間の中間点が、それぞれリアクトル１６を介して３相交流電源２の各相ＲＳＴに対応して接続されている。

入力側平滑コンデンサ２２は、入力側直流母線５間を渡すように接続され、後述するように上記入力側ブリッジ回路２１とリアクトル１６によって全波整流して昇圧した直流電力を平滑する。

電源回生コンバータ駆動装置４は、後述のシステム制御装置１５から入力される駆動制御信号に基づき、入力側ブリッジ回路２１の各アームスイッチング素子３１に対しそれぞれのゲートソース間電圧を制御することでそのＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替える。電源回生コンバータ駆動装置４が、３相交流電源２の交流電力の位相に同期して各アームスイッチング素子３１をスイッチング制御することで、上記入力側ブリッジ回路２１とリアクトル１６はその交流電力を全波整流して昇圧変換した直流電力を入力側直流母線５に給電する。

以上の構成によって、電源回生コンバータ３は、３相交流電源２から供給される交流電力を整流、昇圧、平滑して直流電力に変換し、入力側直流母線５に直流電力を出力する。なお、電源回生コンバータ３と電源回生コンバータ駆動装置４が、各請求項記載の電源回生コンバータに相当する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、内部に複数の半導体スイッチング素子と、フライホイールダイオードと、リアクトルとを備えたいわゆる降圧型スイッチングレギュレータである（内部回路は図示省略）。ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７は、後述のシステム制御装置１５から入力される駆動制御信号に基づき、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の各半導体スイッチング素子に対しそれぞれのゲートソース間電圧を制御することでそのＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替える。ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７が、始めに低いデューティ比で各半導体スイッチング素子をスイッチング制御することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ６は電源回生コンバータ３から入力側直流母線５を介して給電される直流電力の電圧を一旦降圧してインバータ１１の出力側直流母線１０に給電する。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７が徐々にデューティ比を増加することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ６はインバータ１１への給電電圧を電源回生コンバータ３の出力電圧まで徐々に上げることができる。

以上の構成によって、ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、システム起動時（給電開始時）における電源回生コンバータ３からインバータ１１への過大な突入電流の流入を防ぎ、円滑な直流電力の給電を行う。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ６とＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７が、各請求項記載のＤＣ−ＤＣコンバータに相当する。

インバータ１１は、出力側平滑コンデンサ４１と、出力側ブリッジ回路４２とを備えている。

出力側平滑コンデンサ４１は、出力側直流母線１０間を渡すように接続され、上記のＤＣ−ＤＣコンバータ６又は電源回生コンバータ３から給電された直流電力と、モータ９からの回生直流電力を充電する。

出力側ブリッジ回路４２は、上記入力側ブリッジ回路２１と同等の構成であり、例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＨＥＭＴなどの半導体で構成する６つのアームスイッチング素子３１をブリッジ接続したデバイスである。詳しくは、半導体スイッチング素子３２とフライホイールダイオード（ＦＷＤ）であるダイオード３３とを並列接続して構成したアームスイッチング素子３１を２つ直列に接続して１組とし、上記出力側直流母線１０に対して３組並列に接続している。そのうち、以下では、出力側直流母線１０の正極側（正極線Ｐ側）に接続するアームスイッチング素子３１を上アームスイッチング素子Ｑ_ＩＨといい、負極側（負極線Ｎ側）に接続するアームスイッチング素子３１を下アームスイッチング素子Ｑ_ＩＬという。３組それぞれにおける上アームスイッチング素子Ｑ_ＩＨと下アームスイッチング素子Ｑ_ＩＬの間の中間点が、それぞれ出力線８を介してモータ９の各相ＵＶＷの巻線に接続されている。

インバータ駆動装置１２は、後述のシステム制御装置１５から入力される駆動制御信号に基づき、出力側ブリッジ回路４２の各アームスイッチング素子３１に対しそれぞれのゲートソース間電圧を制御することでそのＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替える。インバータ駆動装置１２が、ＰＷＭ制御により各アームスイッチング素子３１をスイッチング制御することで、上記出力側ブリッジ回路４２は出力側直流母線１０の直流電力を交流電力に変換し、これを駆動電力として出力線８を介してモータ９に給電する。

以上の構成によって、インバータ１１は、出力側直流母線１０を介してＤＣ−ＤＣコンバータ６又は電源回生コンバータ３から給電される直流電力を所望の振幅、周波数、位相の交流電力に変換し、この交流電力を駆動電力としてモータ９に出力する。なお、インバータ１１とインバータ駆動装置１２が、各請求項記載のモータ制御装置に相当する。

コンタクタ１３は、４つの接点と１つの電磁石５２を備えたいわゆる継電器（リレー）である。４つの接点のうちの３つは、それぞれモータ９の各相ＵＶＷに対応した上記出力線８とインバータ１１における出力側直流母線１０の負極線Ｎ（もしくは後述の図３に示すように電源回生コンバータ３の負極側端子）との間の短絡と開放を切り替え可能に接続された短絡接点５１ａである。また残りの１つの接点は、上記３つの短絡接点５１ａと共通の電磁石５２により短絡と開放を切り替え可能な補助接点５１ｂである。

コンタクタ駆動装置１４は、後述のシステム制御装置１５から入力される駆動制御信号に基づき、電磁石５２の通電状態と非通電状態を切り替え、すなわち４つの接点５１全ての短絡と開放を同時に切り替える。またコンタクタ駆動装置１４は、上記補助接点５１ｂの接続状況に応じたアンサー信号をシステム制御装置１５に出力する。

以上の構成によって、コンタクタ１３は、電磁石５２が通電状態となった際に全ての接点５１を短絡させ、電磁石５２が非通電状態となった際に全ての接点５１を開放させる、いわゆるノーマリオフの態様で動作する。なお、コンタクタ１３が各請求項記載の接続切替部及びモータ制御用補助装置に相当し、コンタクタ駆動装置１４及びシステム制御装置１５中のコンタクタ動作に関係する制御部分が各請求項記載の切替制御部に相当し、コンタクタ１３、コンタクタ駆動装置１４、及びシステム制御装置１５中のコンタクタ動作に関係する制御部分が各請求項記載の短絡実施部に相当する。

システム制御装置１５は、ＣＰＵ等で構成されており、電源回生コンバータ駆動装置４、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７、インバータ駆動装置１２、及びコンタクタ駆動装置１４との間で駆動制御信号と各種検出信号を送受することで、当該モータ制御システム１全体の動作を制御する。

なお、電源回生コンバータ３とＤＣ−ＤＣコンバータ６とインバータ１１の間における正極線Ｐの周辺には、第１スイッチ１７と第２スイッチ１８の２つのスイッチが設けられている。第１スイッチ１７は、インバータ１１の出力側直流母線１０の正極線Ｐに対するＤＣ−ＤＣコンバータ６の正極側出力の接続と開放を切り替えることができる。第２スイッチ１８は、電源回生コンバータ３側の入力側直流母線５の正極線Ｐと、インバータ１１側の出力側直流母線１０の正極線Ｐとの間の接続と開放を切り替えることができる。上記システム制御装置１５は、これら第１スイッチ１７と第２スイッチ１８の切り替えをそれぞれ個別に制御できる（図示省略）。また、負極線Ｎについては、電源回生コンバータ３とＤＣ−ＤＣコンバータ６とインバータ１１の間において常に同一の負極線Ｎで接続されている。

＜モータ制御システムの起動シーケンスの概略について＞
上記構成のモータ制御システム１の起動シーケンスの概略について説明する。なお、コンタクタ１３の動作については後述するとし、ここでは説明を省略する。

上記図１において、まずシステム起動前の状態、つまりシステム全体に電源が投入される前の状態では、入力側直流母線５（入力側平滑コンデンサ２２）及び出力側直流母線１０（出力側平滑コンデンサ４１）それぞれの母線間電圧が無電圧（０Ｖ）となっている。そしてこの起動前状態からシステムを起動する際には、まずシステム制御装置１５だけに制御電源が投入され、このシステム制御装置１５が第１スイッチ１７と第２スイッチ１８の両方を開放し、電源回生コンバータ３、ＤＣ−ＤＣコンバータ６、及びインバータ１１の間の電力給電を阻止する。ただしこれらの機器の間では、上述したように直流母線の負極側にある共通の負極線Ｎで常に接続されている状態となっている。

そして次に、システム制御装置１５が電源回生コンバータ駆動装置４を介して電源回生コンバータ３にスイッチング制御を行わせることで、３相交流電源２からの交流電力が整流、昇圧、平滑されて入力側直流母線５の母線間電圧を上昇させる。そして入力側直流母線５の母線間電圧が規定電圧に達した後に、システム制御装置１５は第１スイッチ１７を接続する。なお、この第１スイッチ１７の接続時にはＤＣ−ＤＣコンバータ６にスイッチング制御を行わせないことで、当該第１スイッチ１７に直流電流は流れず、すなわち電源回生コンバータ３からインバータ１１への直流電力の給電は実質的に行われない。

そして、システム制御装置１５がＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置７を介してＤＣ−ＤＣコンバータ６にスイッチング制御を行わせることで、電源回生コンバータ３の入力側直流母線５からインバータ１１の出力側直流母線１０への直流電力の給電を開始する。このＤＣ−ＤＣコンバータ６のスイッチング制御において、最初はデューティ比を０％とした無給電状態から徐々にデューティ比を増加させることで、適度な大きさの直流電流をインバータ１１の出力側直流母線１０の正極線Ｐに流して出力側平滑コンデンサ４１に充電させることができる。これにより、インバータ１１への給電開始時における過大な突入電流の流入を防ぎ、安全かつ円滑な直流電力の給電開始が可能となる。

そしてＤＣ−ＤＣコンバータ６のデューティ比が１００％となり、入力側直流母線間電圧と出力側直流母線間電圧が同等となった際には、システム制御装置１５が第２スイッチ１８を接続し、第１スイッチ１７を開放する。これにより、各直流母線からＤＣ−ＤＣコンバータ６を分離して、電源回生コンバータ３からインバータ１１への直接的な直流電力の給電が可能となる。このようにインバータ１１に直流電力が給電されている状態で、インバータ駆動装置１２がＰＷＭ制御に基づいてインバータ１１をスイッチング制御することで、交流電力の駆動電力が出力線８を介してモータ９に給電される。

＜本実施形態の特徴＞
ここで一般的なインバータ１１の動作としては、上述したように外部から給電された直流電力をＰＷＭ制御等により交流電力に変換し、その交流電力を駆動電力としてモータ９へ向かう方向で給電してその駆動を制御する。

しかしながら、モータ制御システム１のシステム構成によっては、インバータ１１がモータ９に駆動電力を給電していない際、すなわちモータ９の非通電時（非励磁時）であっても、何らかの外部要因により生じたノイズ電流が、モータ９の対地浮遊容量によりインバータ１１内へ逆流入する事象が発生する場合がある。このように非通電時のモータ９からインバータ１１に逆流電流が流入した場合には、当該インバータ１１の内部に電気的な悪影響を与える恐れがある。

例えばインバータ１１には、上述した本実施形態の構成のように正極線Ｐと負極線Ｎの間の直流電圧を安定的に保持するために上記のような出力側平滑コンデンサ４１が備えられている場合が多くある。このため、モータ９が非通電時であっても、上記逆流電流がインバータ１１内部に流れて出力側平滑コンデンサ４１を充電した場合には、本来は無電圧であるはずのインバータ１１の出力側直流母線間電圧（正極線Ｐと負極線Ｎの間の電圧）を大きく上昇させてしまう（後述の図２参照）。

これに対し本実施形態のモータ制御システム１においては、インバータ１１がモータ９に駆動電力を給電していない間に、モータ９の出力線８とインバータ１１の出力側直流母線１０の負極線Ｎとを短絡させるコンタクタ１３とコンタクタ駆動装置１４を有している。これにより、モータ９からインバータ１１へ向かう上記逆流電流が発生した際にインバータ１１の負極線Ｎへの循環経路を形成させることができ、インバータ１１への流れ込みを防いでインバータ１１内部における電気的な悪影響を防ぐことができる。

＜モータからインバータへ逆流電流が流れる場合の弊害と対策＞
図２は、コンタクタ１３を備えていない比較例における逆流電流の発生と流通経路を表している。なお、図示の煩雑を避けるために各駆動装置４，７，１２，１４とシステム制御装置１５の図示を省略している。

このようなモータ制御システム１に対して、上述した起動シーケンスをそのまま行った場合には、インバータ１１の出力側直流母線間電圧が意図せず大きく上昇してしまう。これは、電源回生コンバータ３が入力側直流母線間電圧を昇圧変換するためのスイッチング制御を行った際に、このスイッチング制御により生じたノイズ電流Ｉｎがモータ９の接地に対する対地浮遊容量Ｃｍを介してモータ９からインバータ１１へ逆流電流として流れ込むためである。

具体的には、上述したように 電源回生コンバータ３、ＤＣ−ＤＣコンバータ６、及びインバータ１１はいずれも共通の負極線Ｎが接続されており、この負極線ＮはシステムＦＧを介して接地されている。そして、モータ９の巻線には接地に対する対地浮遊容量Ｃｍが潜在的に内在しており、実際にモータ巻線の中性点が接地配線されていなくとも、電源回生コンバータ３のスイッチング制御により生じたノイズ電流Ｉｎが対地浮遊容量Ｃｍを介してモータ巻線に流れ込み、出力線８を介してインバータ１１に逆流電流として流入してしまう現象が発生する。

そしてこの逆流電流がインバータ１１内の上アームスイッチング素子Ｑ_ＩＨのフライホイールダイオード３３を順方向で通過して出力側直流母線１０の正極線Ｐに流れ込み、出力側平滑コンデンサ４１を充電する（図２中の太実線矢印参照）。この逆流電流による充電が長く続いた場合には、本来は無電圧（０Ｖ）であるはずの出力側直流母線間電圧を数１００Ｖもの高電圧まで上昇させる可能性がある（後述の図４中のＶｒ参照）。

この状態で第１スイッチ１７を接続してＤＣ−ＤＣコンバータ６を出力側直流母線１０に接続した場合には、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ６に入力側直流母線間電圧よりもはるかに高い逆電圧（後述の図４中のＶｒ参照）が付加されて内部の各半導体スイッチング素子を損傷させるなど電気的な悪影響を与えてしまう。

これに対し本実施形態のモータ制御システム１では、図３に示すように、上記逆流電流が発生した際にコンタクタ１３の全ての接点５１を接続させることで、インバータ１１（もしくは図示するように電源回生コンバータ３）の負極線Ｎへの循環経路を形成させることができ、インバータ１１への流れ込みを防いで出力側直流母線間電圧の上昇を抑えることができる。

＜コンタクタ動作も含めた本実施形態の起動シーケンス＞
図４は、上記図２で示した比較例の場合（図中の破線参照）と、上記図３で示した本実施形態の場合（図中の実線参照）のそれぞれの起動シーケンスのタイムチャートを表している。この図４においては、図中の上から順に、第１スイッチ１７のＯＮ／ＯＦＦ状態、第２スイッチ１８のＯＮ／ＯＦＦ状態、電源回生コンバータ３の入力側直流母線間電圧、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の直流出力電圧、インバータ１１の出力側直流母線間電圧、コンタクタ１３の開／閉状態、逆流電流の発生状態を示している。

この図４において、逆流電流が発生するのは電源回生コンバータ３が昇圧変換動作のスイッチング制御を開始してから、ＤＣ−ＤＣコンバータ６が降圧給電動作のスイッチング制御を開始するまでの間である。したがってコンタクタ１３は、この逆流電流が発生する期間中の少なくとも一度、または全期間中で閉状態とすればよい（図示する例では全期間中で閉動作）。これにより、インバータ１１の出力側直流母線間電圧の上昇を抑えることができ、第１スイッチ１７を接続してＤＣ−ＤＣコンバータ６を出力側直流母線１０に接続した際にも、逆電圧を付加することがない。なお、システム起動した後の通常運転時においても電源回生コンバータ３の昇圧変換動作は継続して行われるが、第２スイッチ１８が接続された状態では入力側直流母線間電圧と出力側直流母線間電圧が等しくなり上記逆流電流が発生することがないため、この間にコンタクタ１３を閉状態とする必要はない。

以上より、本実施形態のモータ制御システム１における起動シーケンスとしては、コンタクタ１３が出力線８と負極線Ｎとを短絡することと、電源回生コンバータ３が３相交流電源２からの交流電力を直流電力に変換する昇圧変換動作を開始することと、第１スイッチ１７を接続してＤＣ−ＤＣコンバータ６にインバータ１１を接続して降圧給電動作を開始することと、コンタクタ１３が出力線８と負極線Ｎとを開放することと、を順に実行すればよい。

また、後述するように システム起動後の通常運転時においてもコンタクタ１３を動作させたい場合がある。しかし、通常運転時においてインバータ１１のいずれかの上アームスイッチング素子Ｑ_ＩＨとコンタクタ１３が同時に接続状態（ＯＮ状態、閉状態）となった場合には、出力側直流母線１０間が縦短絡となってしまう。このため、少なくともインバータ１１の全ての上アームスイッチング素子Ｑ_ＩＨが確実にＯＦＦ状態となってモータ９に駆動電力を給電していない間、つまりモータ９が非通電状態（非励磁状態）となっている間に限りコンタクタ１３の閉動作を行わせるようにする。逆に、モータ９が通電状態（励磁状態）となっている間は、必ずコンタクタ１３を開状態としなければならない。

＜コンタクタ動作の詳細について＞
＜Ｉ：コンタクタの通常動作について＞
図５は、コンタクタ駆動装置１４におけるコンタクタ信号とアンサー信号のタイミングチャートを表している。この図５において、コンタクタ信号はシステム制御装置１５がコンタクタ駆動装置１４に対して出力する制御信号であり、コンタクタ駆動装置１４はコンタクタ信号を受けた際にコンタクタ１３の電磁石５２を通電して全ての接点５１を接続するよう制御する。またアンサー信号は、コンタクタ１３の補助接点５１ｂの接続状況を検出したコンタクタ駆動装置１４がシステム制御装置１５に対して出力する応答信号である。なお図示する例では、コンタクタ信号はＨｉｇｈレベルのときにコンタクタ１３を閉状態とするよう指示し、Ｌｏｗレベルのときにコンタクタ１３を開状態とするよう指示する。一方、アンサー信号はコンタクタ信号と逆位相で出力され、つまりアンサー信号がＨｉｇｈレベルのときはコンタクタ１３が開状態であることを示し、Ｌｏｗレベルのときはコンタクタ１３が閉状態であることを示す。

通常では、システム制御装置１５からコンタクタ駆動装置１４に出力するコンタクタ信号の内容を変化させてから、それに対応してアンサー信号も変化するまでに所定の時間差を要する。このためシステム制御装置１５は、図５に示すように、コンタクタ信号を変化させてから所定時間差ΔＴａを経過した後にアンサー信号の内容を確認する。もし、コンタクタ信号の内容とアンサー信号の内容が相違する場合には、各接点５１に溶着などの異常状態が発生した可能性を想定して報知する。

また、上記図４に示した起動シーケンスでは、逆流電流が発生する直前、つまり電源回生コンバータ３が昇圧変換動作を開始する直前にコンタクタ１３の閉動作を行っていた。しかし、電源回生コンバータ３以外からのノイズ電流の影響による逆流電流の発生も考慮して、図６に示すようにシステム制御装置１５の制御電源投入時からコンタクタ１３を閉動作させてもよい。この場合には、システムの安定動作を考慮して制御電源を投入してから所定の時間差ΔＴｃでコンタクタ信号を閉に変化させるとよい。

また同様に、電源回生コンバータ３以外からのノイズ電流の影響を最大限に防ぐために、図７に示すようにシステム制御装置１５がインバータ駆動装置１２に対してサーボオン要求（インバータ１１のスイッチング制御のスタンバイ要求）を出力している以外の間、つまりサーボオフ要求を出力している間にコンタクタ１３を閉動作させてもよい。ただしこの場合には、上述したように、モータ通電状態の間はコンタクタ１３を閉動作させないよう、つまり出力側直流母線１０間を縦短絡させないよう、コンタクタ信号の変化タイミングΔＴａ及びモータ通電のタイミングΔＴｍを調整する必要がある。また、システムの安定動作を考慮して、サーボオン要求及びサーボオフ要求の切り替えタイミングから所定の時間差ΔＴｓ１，ΔＴｓ２でコンタクタ信号を変化させるとよい。

＜ＩＩ：コンタクタは本来のダイナミックブレーキ機能を有さない点について＞
本実施形態におけるコンタクタ１３は、モータ９の各相の出力線８を同一の負極線Ｎに接続可能となっていることから、回路的にはいわゆるダイナミックブレーキの構成に近い。このため、モータ９の惰性回転中にコンタクタ１３を閉動作させた場合には、モータ巻線から発生した各相の回生電力がコンタクタ１３で短絡し、ダイナミックブレーキを作動させた場合と同様にモータ９を急停止させることになる。しかし本実施形態におけるコンタクタ１３は、出力線８に流れる微弱な逆流電流を負極線Ｎに短絡させるという本来の目的から、内部の抵抗値はできるだけ低い方がよい。このため、一般的に大きな抵抗値で回生電力を消費させる実際のダイナミックブレーキとは異なり、本実施形態におけるコンタクタ１３に回生電力を短絡させると各接点５１に大電流が流れて損傷させてしまう。

このため本実施形態では、図８に示すように、モータ非通電状態であってもモータ９の回転速度が略停止するまではコンタクタ１３を閉動作させないこととする。つまり回転駆動中のモータ９を非通電状態としてから惰性回転で自然停止（フリーラン停止）させている間にはコンタクタ１３は開状態を維持する。そして回生電力が十分に小さい略停止レベル（図示する例のモータ停止レベル５ｍｉｎ^−１）まで減速した時点でコンタクタ１３を閉動作させ、ダイナミックブレーキ状態とする。このため、当該モータ制御システム１においてモータ速度を検出するエンコーダ等の検出部を備える必要がある（特に図示せず）。

また、モータ９に連結される駆動機械の構成（特に図示せず）によっては、モータ９が略停止した後でも外力等によって一時的な回生電力が発生する場合がある。このため、図９に示すように、上記モータ停止レベルの速度（第１の速度）よりも少し高い速度（第２の速度；図示する例の２０ｍｉｎ^−１）でコンタクタＯＦＦレベルを設定し、モータ速度がこのコンタクタＯＦＦレベルより高い場合にはコンタクタ１３を開動作させる。これにより、比較的低いモータ停止レベルと比較的高いコンタクタＯＦＦレベルでモータ速度に対するコンタクタ動作のヒステリシス特性を設定することができ、モータ９が停止した後に外力等によって一時的な回生電力が発生した場合でもコンタクタ１３におけるチャタリングを防止できる。

＜本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のモータ制御システム１によれば、インバータ１１がモータ９に駆動電力を給電していない間（モータ非通電状態の間）に、モータ９の出力線８とインバータ１１の出力側直流母線１０の負極線Ｎとを短絡させるコンタクタ１３及びコンタクタ駆動装置１４等を有している。これにより、モータ９からインバータ１１へ向かう逆流電流が発生した際にインバータ１１の負極線Ｎへの循環経路を形成させることができ、インバータ１１への流れ込みを防いでインバータ１１内部における電気的な悪影響を防ぐことができる。この結果、モータ制御システム１の保全性を向上できる。

また、本実施形態では特に、アームスイッチング素子３１のスイッチング制御等により３相交流電源２からの交流電力を昇圧変換して直流電力を出力する電源回生コンバータ３を有している。このような電源回生コンバータ３がインバータ１１の負極線Ｎに接続される場合には、電源回生コンバータ３からの直流電力がインバータ１１に給電されていない間であっても、当該電源回生コンバータ３の昇圧変換動作中における上記スイッチング制御により生じたノイズ電流Ｉｎがモータ９の接地に対する対地浮遊容量Ｃｍによりインバータ１１へ流れ込む上記逆流電流を発生させる原因となりやすい。これに対し本実施形態のように、コンタクタ１３及びコンタクタ駆動装置１４等を備えて逆流電流を負極線Ｎに循環可能な構成を適用することが特に好適となる。

また、本実施形態では特に、コンタクタ１３及びコンタクタ駆動装置１４等は、電源回生コンバータ３がインバータ１１への直流電力の給電前に３相交流電源２からの交流電力を直流電力に昇圧変換する動作期間中における少なくとも一度又は全期間中で短絡させる。これにより、上述した電源回生コンバータ３の昇圧変換動作に起因して発生する上記逆流電流の少なくとも一部または全部を負極線Ｎに循環させることができ、直流電力未給電状態にあるインバータ１１の出力側平滑コンデンサ４１の充電を抑えて出力側直流母線間電圧の異常上昇を防ぐことができる。

また、本実施形態では特に、電源回生コンバータ３で昇圧変換された直流電力をインバータ１１へ円滑に給電するために、電源回生コンバータ３からの直流電力を一旦降圧してインバータ１１へ徐々に昇圧給電するＤＣ−ＤＣコンバータ６を有している。このため、インバータ１１の出力側平滑コンデンサ４１が逆流電流により充電されて出力側直流母線間電圧が異常上昇した状態でＤＣ−ＤＣコンバータ６を接続した場合には、当該ＤＣ−ＤＣコンバータ６に逆電圧が付加されて電気的な悪影響が与えられる恐れがある。これに対し本実施形態のように、コンタクタ１３及びコンタクタ駆動装置１４等を備えて逆流電流を負極線Ｎに循環可能な構成を適用することが特に好適となる。

また、本実施形態では特に、出力線８と負極線Ｎとを短絡もしくは開放するコンタクタ１３と、コンタクタ１３の動作を制御するコンタクタ駆動装置１４及びシステム制御装置１５と、を有している。このように、コンタクタ１３とコンタクタ駆動装置１４等に分化した構成とすることで、コンタクタ動作を機能的に実現できる。なお、コンタクタ駆動装置１４はその単体を、又はコンタクタ動作に関係するシステム制御装置１５の制御部分と併せて、インバータ駆動装置１２と一体に構成してもよい。

また、本実施形態では特に、コンタクタ１３は、短絡接点５１ａと共通の電磁石５２で動作する補助接点５１ｂを有する継電器であり、コンタクタ駆動装置１４及びシステム制御装置１５は、コンタクタ１３の動作を制御した際の補助接点５１ｂの接続状況に基づいて継電器の異常状態を検出する。これにより、モータ出力線８に流れる大きな駆動電力に対しても絶縁性を確保して耐えられる継電器でコンタクタ１３を堅牢に構成でき、またもし継電器の各接点５１が溶着するような異常状態となった場合でもコンタクタ駆動装置１４等は補助接点５１ｂの接続状況からその継電器全体の異常状態を容易かつ確実に検出できる。

また、本実施形態では特に、コンタクタ駆動装置１４等は、モータ９が略停止している際にコンタクタ１３を短絡する。これにより、モータ９の惰性回転等によって生じた大きい回生電力をコンタクタ１３の短絡接点５１ａに流さず、モータ停止後に発生した比較的小さい逆流電流だけを短絡して循環できるため、その耐久性を向上できる。なおこの場合のモータ９の停止判定は、エンコーダ等を用いた検出部により直接検出してもよいし、モータ制御システム１全体の制御シーケンスに基づいて判定してもよい。

また、本実施形態では特に、モータ９のモータ速度を検出する検出部（エンコーダ等、図示省略）を有し、コンタクタ駆動装置１４等は、モータ速度がモータ停止レベル未満の場合にコンタクタ１３を短絡し、モータ停止レベルより高く設定されたコンタクタＯＦＦレベルよりモータ速度が高い場合にコンタクタ１３を開放する。これにより、コンタクタ１３がいわゆる疑似ダイナミックブレーキとして機能してしまう場合を考慮してモータ速度に対するヒステリシス特性で短絡切替が可能となり、モータ９が停止した後に外力等によって一時的な回生電力が発生した場合でもコンタクタ１３におけるチャタリングを防止できる。なお、コンタクタ１３の短絡接点５１ａにおける許容電流を抑えるためにもコンタクタ１３の疑似ダイナミックブレーキ機能は積極的には利用しないのが望ましい。

また、本実施形態では特に、モータ制御システム１の起動方法として、コンタクタ１３が出力線８と負極線Ｎとを短絡することと、電源回生コンバータ３が３相交流電源２からの交流電力を直流電力に変換する動作を開始することと、ＤＣ−ＤＣコンバータ６にインバータ１１を接続して給電することと、コンタクタ１３が出力線８と負極線Ｎとを開放することと、を順に実行する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ６にインバータ１１を接続する際のＤＣ−ＤＣコンバータ６への逆電圧の付加を回避するとともに、電源回生コンバータ３からインバータ１１への直流電力の給電開始を安全かつ円滑に行うことができる。

＜第２実施形態＞
なお、開示の実施形態は、上記に限られるものではなく、その趣旨及び技術的思想を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記第１実施形態ではインバータ１１の外部に別途設けたコンタクタ１３で出力線８と負極線Ｎの間の短絡と開放を切り替えていたが、これに限られない。他にも、図１０に示すように、インバータ１１内の下アームスイッチング素子Ｑ_ＩＬ（負極側スイッチング素子）をＯＮ動作させることで、モータ９からインバータ１１へ向かう逆流電流を負極線Ｎへ短絡させる循環経路を形成してもよい。この場合でも、出力側直流母線１０間の縦短絡を防ぐために、インバータ駆動装置１２及びシステム制御装置１５は、モータ非通電状態とした上で全ての上アームスイッチング素子Ｑ_ＩＨを確実にＯＦＦ動作させてから下アームスイッチング素子Ｑ_ＩＬをＯＮ動作して短絡させる。

なお、この第２実施形態においては、インバータ１１の出力側ブリッジ回路４２における下アームスイッチング素子Ｑ_ＩＬが各請求項記載の接続切替部に相当し、インバータ駆動装置１２及び関係するシステム制御装置１５の制御部分が各請求項記載の切替制御部に相当し、下アームスイッチング素子Ｑ_ＩＬ、インバータ駆動装置１２、及びシステム制御装置１５が各請求項記載の短絡実施部に相当する。

これにより、専用の装置を設けずともインバータ１１の駆動制御だけで逆流電流を負極線Ｎへ短絡させる機能部を実現でき、システム全体の構成の簡易化と製造コストの抑制が可能となる。

なお、以上の説明において、「垂直」「平行」「平面」等の記載がある場合には、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「垂直」「平行」「平面」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に垂直」「実質的に平行」「実質的に平面」という意味である。

また、以上の説明において、外観上の寸法や大きさ、形状、位置等が「同一」「同じ」「等しい」「異なる」等の記載がある場合は、当該記載は厳密な意味ではない。すなわち、それら「同一」「等しい」「異なる」とは、設計上、製造上の公差、誤差が許容され、「実質的に同一」「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に異なる」という意味である。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。その他、一々例示はしないが、上記実施形態や各変形例は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１，１Ａ モータ制御システム
２ ３相交流電源（商用電源）
３ 電源回生コンバータ（電源回生コンバータ）
４ 電源回生コンバータ駆動装置（電源回生コンバータ）
５ 入力側直流母線
６ ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
７ ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
８ 出力線
９ モータ
１０ 出力側直流母線
１１ インバータ（モータ制御装置）
１２ インバータ駆動装置（モータ制御装置、短絡実施部、切替制御部）
１３ コンタクタ（短絡実施部、接続切替部）
１４ コンタクタ駆動装置（短絡実施部、切替制御部）
１５ システム制御装置（短絡実施部、切替制御部）
１６ リアクトル
１７ 第１スイッチ
１８ 第２スイッチ
２１ 入力側ブリッジ回路
２２ 入力側平滑コンデンサ
３１ アームスイッチング素子
３２ 半導体スイッチング素子
３３ ダイオード
４１ 出力側平滑コンデンサ
４２ 出力側ブリッジ回路
５１ａ 短絡接点
５１ｂ 補助接点
５２ 電磁石
Ｑ_ＣＨ 電源回生コンバータの上アームスイッチング素子
Ｑ_ＣＬ 電源回生コンバータの下アームスイッチング素子
Ｑ_ＩＨ インバータの上アームスイッチング素子
Ｑ_ＩＬ インバータの下アームスイッチング素子（短絡実施部、接続切替部、
負極側スイッチング素子）

Claims (11)

1. モータと、
   直流母線間に平滑コンデンサを有するものであって、外部から給電された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を前記モータに駆動電力として給電するモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置が前記モータに前記駆動電力を給電していない間に、前記モータの出力線と前記モータ制御装置の前記直流母線の負極線とを短絡させる短絡実施部と、
   を有することを特徴とするモータ制御システム。
2. 前記負極線に接続され、前記モータ制御装置に直流電力を給電する電源回生コンバータを有することを特徴とする請求項１記載のモータ制御システム。
3. 前記短絡実施部は、前記電源回生コンバータが前記モータ制御装置への直流電力の給電前に商用電源からの交流電力を直流電力に昇圧変換する動作期間中における少なくとも一度又は全期間中で短絡させることを特徴とする請求項２記載のモータ制御システム。
4. 前記負極線に接続され、前記電源回生コンバータからの前記直流電力を降圧して前記モータ制御装置に給電するＤＣ−ＤＣコンバータを有することを特徴とする請求項２又は３記載のモータ制御システム。
5. 前記短絡実施部は、
   前記出力線と前記負極線とを短絡もしくは開放する接続切替部と、
   前記接続切替部の動作を制御する切替制御部と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ制御システム。
6. 前記接続切替部は、短絡接点と共通の電磁石で動作する補助接点を有する継電器であり、
   前記切替制御部は、前記接続切替部の動作を制御した際の前記補助接点の接続状況に基づいて前記継電器の異常状態を検出することを特徴とする請求項５記載のモータ制御システム。
7. 前記接続切替部は、前記モータ制御装置が備える負極側スイッチング素子であり、
   前記切替制御部は、前記負極側スイッチング素子をオンオフ動作させることを特徴とする請求項５記載のモータ制御システム。
8. 前記切替制御部は、前記モータが略停止している際に前記接続切替部を短絡することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載のモータ制御システム。
9. 前記モータのモータ速度を検出する検出部を有し、
   前記切替制御部は、前記モータ速度が第１の速度未満の場合に前記接続切替部を短絡し、前記第１の速度より高く設定された第２の速度より前記モータ速度が高い場合に前記接続切替部を開放することを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載のモータ制御システム。
10. 請求項４記載のモータ制御システムの起動方法であって、
    前記短絡実施部が前記出力線と前記負極線とを短絡することと、
    前記電源回生コンバータが商用電源からの交流電力を直流電力に変換する動作を開始することと、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータに前記モータ制御装置を接続して給電することと、
    前記短絡実施部が前記出力線と前記負極線とを開放することと、
    を順に実行することを特徴とするモータ制御システムの起動方法。
11. 外部から給電された直流電力を交流電力の駆動電力に変換してモータに給電するモータ制御装置が前記モータに前記駆動電力を給電していない間に、前記モータの出力線と前記モータ制御装置の負極線とを短絡させる接続切替部、
    を有することを特徴とするモータ制御用補助装置。
    
    

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