JP3550849B2 - モータ駆動電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータの駆動を行うための直流電圧電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、モータ駆動用の直流電圧電源は、加速時や負荷運転時にモータに電力を供給する電力供給機能と、減速時にモータから電力を戻してモータに制動を加える電力消費機能の二つの機能を備えている。図８は従来のモータ駆動電源装置の機能を説明するための概略ブロック図である。図８において、モータ駆動電源装置１１は電力供給手段１２と電力消費手段１３とを備え、何れか一方の手段を動作させることにより、直流モータ１４を加減速したり、インバータ１５を介して誘導モータや同期モータ等の交流モータ１６やブラシレス直流モータを加減速している。モータを加速したり負荷運転を行う場合（力行）には、電力供給手段１２のみを動作させ、逆にモータを減速させたり回生運転を行う場合（回生）には、電力消費手段１３のみを動作させる。
【０００３】
図９は従来のモータ駆動電源装置のフィードバック制御系を備えたブロック図である。図９に示すブロック図において、フィードバック制御手段８は、電力供給手段１２を流れる電流を検出する第１電流検出手段５と出力電圧を検出する電圧検出手段７と共に第１のフィードバック制御系を構成して、電力供給手段１２のフィードバック制御を行う。他方、フィードバック制御手段９は、電力消費手段１３を流れる電流を検出する第２電流検出手段６と出力電圧を検出する電圧検出手段７と共に第１のフィードバック制御系を構成して、電力消費手段１３のフィードバック制御を行う。両フィードバック制御系はそれぞれ独立しており、電力供給手段１２と電力消費手段１３とを別個に制御している。なお、制御回路８２，８３，９２，９３はＰＩ制御あるいはＰＩＤ制御を行い、駆動回路８４，９４は各々のフィードバック制御信号を出力して電力供給の制御および電力消費の制御を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のモータ駆動電力装置では、電力供給手段１２と電力消費手段１３は独立して制御を行い、出力電圧を一定に維持する制御を行う場合には、電力供給手段１２が維持しようとする目標電圧ＶＡ を電力消費手段１３が維持しようとする目標電圧ＶＢ よりも低く設定している。図１０に示す従来のモータ駆動電力装置の出力電圧と出力電流との関係を説明する図である。図１０において、出力端子における出力電圧Ｖが目標電圧ＶＡ より低い場合（力行の場合）には、電力供給手段１２が動作して出力電流をモータに向かって供給し、出力電圧Ｖが目標電圧ＶＡ となるよう制御する。他方、出力電圧Ｖが目標電圧ＶＡ より高い場合（回生の場合）には、電力消費手段１３が動作してモータ側から電流を吸い込んで、出力電圧Ｖが目標電圧ＶＢ となるよう制御する。図９のブロック図において、目標電圧はフィードバック制御手段８，９中の電圧設定手段により行われる。
【０００５】
このように電力供給手段１２の目標電圧ＶＡ を電力消費手段１３の目標電圧ＶＢ よりも低く設定するのは、素子の動作特性のばらつき等によって電力供給手段１２と電力消費消費１３の目標電圧を一致させることは現実には困難であり、電力供給手段１２の目標電圧ＶＡ が電力消費手段１３の目標電圧ＶＢ よりも高くなると、モータ駆動電力装置内で電力供給手段１２から電力消費手段１３に電力が流れる不都合が生じるためである。
【０００６】
図１１は電力供給手段１２の目標電圧ＶＡ が電力消費手段１３の目標電圧ＶＢ よりも高い場合の電力の流れを説明する図である。図１１において、出力電圧Ｖが目標電圧ＶＡ と目標電圧ＶＢ の間の場合には、電力供給手段１２は電力を供給して出力電圧Ｖを目標電圧ＶＡ に向かって（図中の矢印Ａの方向）上昇させようとし、逆に電力消費手段１３は電力を消費して出力電圧Ｖを目標電圧ＶＢ に向かって（図中の矢印Ｂの方向）下降させようとする。したがって、電力供給手段１２と電力消費手段１３は両者の間で電力がより多く流れる方向の正帰還が発生し、この悪循環はいずれかの手段の能力が限界に達するまで続くことになる。
【０００７】
このような状態では、モータに充分な電力を供給したり、モータを充分に回生動作させることは困難となる。そのため、従来のモータ駆動電源装置では、電力供給手段１２の目標電圧ＶＡ を電力消費手段１３の目標電圧ＶＢ よりも低く設定している。
【０００８】
しかしながら、このように目標電圧を設定すると、両者の目標電圧の間に不感帯と呼ばれるモータの制御が困難となる部分が発生するという問題点が生じる。図１０において、出力電圧Ｖが目標電圧ＶＡ と目標電圧ＶＢ （＞目標電圧ＶＡ ）の間の不感帯にあると、電力供給手段１２は電力の供給を行わず電力消費手段１３も電力の消費を行わない。そのため、不感帯中にある出力電圧Ｖはいずれからも制御を受けずに変動し不安定な状態となる。
【０００９】
この不感帯は、例えばサーボモータのように加速と制動を頻繁に繰り返す場合や回転を電圧制御する場合には、応答性や精度を低下させる原因となる。
【００１０】
そこで、本発明は前記した従来のモータ駆動電源装置の問題点を解決し、不感帯を生じることなく電力供給と電力消費の制御を行うことができるモータ駆動電源装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電力供給手段と電力消費手段を備えたモータ駆動電源装置において、電力供給手段と電力消費手段は一つのフィードバック制御手段を共有し、このフィードバック制御手段は、電力供給手段と電力消費手段を同時に制御することによって、電力供給制御と電力消費制御の何れの制御も行われない不感帯を生じることなく電力供給と電力消費の制御を行う。
【００１２】
本発明のモータ駆動電源装置において、電力供給手段はモータに対して電力を供給する手段であり、電力消費手段はモータ側の運動エネルギーを電気的に消費して制動をかける手段であり、またフィードバック制御手段はモータ駆動電源装置の出力電圧の検出値，電力供給手段から出力される電流の検出値，電力消費手段に入力される電流の検出値等を入力して、電力供給手段および電力消費手段の制御を行う手段である。
【００１３】
本発明のモータ駆動電源装置は、一つのフィードバック制御手段によって電力供給手段と電力消費手段を制御し、力行で出力電圧が目標とする設定電圧よりも低い場合には、電力供給手段を制御して出力電圧を上昇させ、回生で出力電圧が目標とする設定電圧よりも高い場合には、電力消費手段を制御して出力電圧を下降させる。また、軽い力行及び軽い回生の場合（出力電圧が目標の設定電圧の近傍にあるとき）、フィードバック制御手段は電力供給手段と電力消費手段を同時に制御する。これによって、制御が行われない不感帯を生じることなくモータ駆動電源の制御を行う。
【００１４】
本発明の第１の実施態様では、フィードバック制御手段はモータ駆動電源装置の出力電圧の検出値を共通の帰還信号とし、電力供給手段と電力消費手段が制御しようとする目標設定を共通化するものであり、これによって、電力供給手段と電力消費手段に一つのフィードバック制御手段を共有させることができる。
【００１５】
本発明の第２の実施態様では、フィードバック制御手段は、電力供給手段からの出力される電流の検出値と電力消費手段に入力される電流の検出値にそれぞれオフセット値を加えるものであり、これによって、電力供給手段および電力消費手段が制御する電流領域を重ね合わせて、制御目標とする電圧の近傍で電力供給手段と電力消費手段を同時に制御させることができる。
【００１６】
本発明の第１，２の実施態様において、力行で出力電圧が設定電圧よりも低いときには、フィードバック制御手段は、電力供給手段が出力する電流の検出値にオフセット値を加えたものと出力電圧の検出値と電圧設定値との差を帰還信号として、電力供給手段に対してフィードバック制御を行う。また、回生で出力電圧が設定電圧よりも高いときには、フィードバック制御手段は、電力消費手段が入力する電流の検出値にオフセット値を加えたものと出力電圧の検出値と電圧設定値との差を帰還信号として、電力消費手段に対してフィードバック制御を行う。
【００１７】
また、フィードバック制御手段は、軽い力行及び軽い回生の場合（出力電圧が設定電圧の近傍にあるとき）には、フィードバック制御手段は、電力供給手段に帰還する電流検出値と電力消費手段に帰還する電流検出値にオフセット値を加えることよって、電力供給手段が供給する電流範囲と電力消費手段が吸い込む電流範囲を重ならせる。この電流制御範囲の重なりによって、制御目標とする電圧の近傍において電力供給手段と電力消費手段とを同時に制御する。電力供給手段と電力消費手段とを同時に制御することによって、電力供給制御と電力消費制御の何れの制御も行われない不感帯を生じることなく電力供給と電力消費の制御を行う。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明のモータ駆動電源装置を説明するためのブロック図である。モータ駆動電源装置１は、加速時や負荷運転時にモータに電力を供給する電力供給機能を備えた電力供給手段２と、減速時にモータから電力を戻してモータに制動を加える電力消費機能を備えた電力消費手段３を備え、直流モータ１４を加減速したり、インバータ１５を介して誘導モータや同期モータ等の交流モータ１６やブラシレス直流モータを加減速を行う。
【００２０】
さらに、モータ駆動電源装置１は、電力供給手段２と電力消費手段３をフィードバック制御するフィードバック制御手段４を備え、電力供給手段２の出力電流の検出値と電力消費手段３への入力電流の検出値とモータ駆動電源装置１の出力電圧の検出値を帰還信号として入力し、電力供給手段２と電力消費手段３に制御信号を出力する。また、フィードバック制御手段４は、設定電圧等の設定を行うために外部制御信号を入力している。
【００２１】
電力供給手段２の出力電流の検出値は、電力供給手段２と出力端との間に直列に接続された第１電流検出手段５によって検出され、電力消費手段３への入力電流の検出値は電力消費手段３に直列接続された第２電流検出手段６によって検出され、また、モータ駆動電源装置１の出力電圧の検出値は出力端に並列に接続された電圧検出手段７によって検出される。なお、電力供給手段２には外部電源１０が接続されて電力の供給を受ける。
【００２２】
次に、図２を用いて本発明のモータ駆動電源装置の動作の概略を説明する。図２の横軸はモータ駆動電源装置１の端子間の出力電圧であり、縦軸は出力電流であって上方は電力供給手段２が供給する電流を示し、下方は電力消費手段３が吸い込む電流を示している。図２中のａで示す部分は電力供給手段２が制御を行う範囲を示し、ｂで示す部分は電力消費手段３が制御を行う範囲を示し、さらにｃで示す部分（図中の斜線の範囲）は電力供給手段２と電力消費手段３が同時に制御を行う範囲を示している。
【００２３】
フィードバック制御手段４は、出力電流がＩＢ 以上のとき（図２中のａ’の範囲）には電力供給手段２のみを動作させてモータ側に電力を供給して、出力電圧が設定電圧ＶＳ となるように電圧上昇の制御を行い、出力電流が−ＩＡ 以上のとき（図２中のｂ’の範囲）には電力消費手段３のみを動作させてモータ側から電力を吸い込んで消費し、出力電圧が設定電圧ＶＳ となるように電圧下降の制御を行う。また、出力電流が−ＩＡ とＩＢ の間のとき（図２中のｃの範囲）には電力供給手段２と電力消費手段３を同時に動作させる。このとき、電力供給手段２から電力消費手段３に対して小電力が流れ、両手段は協調して両電力が平衡するよう動作し設定電圧への制御を行う。これによって、電力供給手段２と電力消費手段３のいずれの手段も制御を行わない不感帯の部分は無くなり、連続した制御が行われる。
【００２４】
次に、図３，４，５を用いてモータ駆動電源装置の各手段の構成について説明する。図３中の電力供給手段２は、ドロッパ電源やＰＷＭチョッパやＰＷＭ ＤＣ−ＤＣコンバータ等の単方向電流源２１とみなすことができ、例えば図４の概略ブロック図に示すように、ダイオード２３とコイル２４とコンデンサ２５からなる整流平滑回路と該整流平滑回路と外部電源１０との接続を制御するスイッチ２２によって構成することができる。図３中の電力消費手段３は、トランジスタやＦＥＴのリニア領域での駆動や抵抗器のスイッチング制御による可変等価抵抗等の単方向電流源３１とみなすことができ、例えば図５の概略ブロック図に示すように、抵抗器３３と出力端との接続を制御するスイッチ３２によって構成することができる。
【００２５】
図３に示すフィードバック制御手段４は、出力電圧の検出値と、電力供給手段２の出力電流の検出値と、電力消費手段３への入力電流の検出値を帰還信号として入力し、電力供給手段２と電力消費手段３の二つの制御対象に対して制御信号を送信する。なお、各検出値は、電圧検出手段７，第１電流検出手段５，および第２電流検出手段６によって検出することができる。ここで、フィードバック制御手段４は、出力電圧の検出値を二つの制御対象に対して共通の帰還信号とし、この帰還信号に共通の電圧設定を行うことによって、電力供給手段２と電力消費手段３を一つのフィードバック制御手段による制御を行う。電圧設定は、モータ駆動電源装置１が制御する電圧を定めるものであり、電圧設定手段４１からの設定値から電圧検出値を減じることによって行う。
【００２６】
電力供給手段２に対する制御は、電圧設定後の値を制御回路４２に通した後に、第１電流検出手段５からの電流検出値を減じると共にオフセットＯ１を加え、この値を制御回路４４および駆動回路４５を通して電力供給手段２にフィードバックして行う。また、電力消費手段３に対する制御は、電圧設定後の値を制御回路４２に通し符号反転器４６で符号を反転した後に、第２電流検出手段６からの電流検出値を減じると共にオフセットＯ２を加え、この値を制御回路４８および駆動回路４９を通して電力消費手段３にフィードバックして行う。
【００２７】
オフセットＯ１およびオフセットＯ２は、電力供給の制御と電力消費の制御の重なり部分を形成した、両制御を同時に行わせるために設定する。
【００２８】
次に、図６，図７を用いてフィードバック制御手段の動作について説明する。図６はモータ駆動電源装置１の出力電圧が設定電圧Ｖｓよりも低い場合であり、図７はモータ駆動電源装置１の出力電圧が設定電圧Ｖｓよりも高い場合である。
【００２９】
図６において、出力電圧が設定電圧Ｖｓよりも低いＶａのとき、電力供給手段２は電流Ｉａを供給し、フィードバック制御手段４は図中の点Ｐから設定電圧Ｖｓで定まる供給電流値に向けて制御を行う。出力電圧が設定電圧Ｖｓの近傍のＶｂのとき、オフセットＯ２の設定によって電力供給手段２と電力消費手段３を同時に動作する。電力供給手段２は、電流Ｉｂ１を供給して図中の点Ｑから出力電流を増やす方向に動作し、他方電力消費手段３は、電流Ｉｂ２を供給して図中の点Ｒから出力電流を減らす方向に動作する。
【００３０】
また、図７において、出力電圧が設定電圧Ｖｓよりも高いＶｃのとき、電力供給手段２は電流Ｉｃを供給し、フィードバック制御手段４は図中の点Ｓから設定電圧Ｖｓで定まる供給電流値に向けて制御を行う。出力電圧が設定電圧Ｖｓの近傍のＶｄのとき、オフセットＯ１の設定によって電力供給手段２と電力消費手段３を同時に動作する。電力消費手段３は、電流Ｉｄ２を消費して図中の点Ｔから出力電流を減らす方向に動作し、他方電力供給手段２は、電流Ｉｄ１を供給して図中の点Ｕから出力電流を増やす方向に動作する。
【００３１】
電力供給手段２と電力消費手段３が同時に動作すると、電力供給手段２からと電力消費手段３に向けて電流が流れ、モータ駆動電源装置１は両者の電流が平衡するよう協調した制御が行われる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータ駆動電源装置は電力供給制御と電力消費制御の何れの制御も行われない不感帯を生じることなく電力供給と電力消費の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモータ駆動電源装置を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明のモータ駆動電源装置の動作の概略を説明する図である。
【図３】本発明のモータ駆動電源装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の電力供給手段の構成を説明するためのブロック図である。
【図５】本発明の電力消費手段の構成を説明するためのブロック図である。
【図６】出力電圧が設定電圧Ｖｓよりも低い場合のモータ駆動電源装置の動作図である。
【図７】出力電圧が設定電圧Ｖｓよりも高い場合のモータ駆動電源装置の動作図である。
【図８】従来のモータ駆動電源装置の機能を説明するための概略ブロック図である。
【図９】従来のモータ駆動電源装置のフィードバック制御系を備えたブロック図である。
【図１０】従来のモータ駆動電力装置の出力電圧と出力電流との関係を説明する図である。
【図１１】電力供給手段の目標電圧が電力消費手段の目標電圧よりも高い場合の電力の流れを説明する図である。
【符号の説明】
１…モータ駆動電源装置、２，１２…電力供給手段、３，１３…電力消費手段、４，８，９…フィードバック制御手段、５…第１電流検出手段、６…第２電流検出手段、７…電圧検出手段、１０…外部電源、２１，３１…単方向電流源、４１…電圧設定手段、４２，４４，４８，８２，８３…制御回路、４３，４７…オフセット手段、４５，４９，…駆動回路、４６…符号反転手段。

Claims (1)

1. 電力供給手段と電力消費手段を備えたモータ駆動電源装置において、前記電力供給手段と電力消費手段は一つのフィードバック制御手段を共有し、前記フィードバック制御手段は、モータ駆動電源装置の出力電圧の検出値を共通の帰還信号とし、当該帰還信号に対して、前記電力供給手段及び電力消費手段に共通の目標電圧を一つの共通制御回路に対して設定するとともに、前記共通制御回路の出力に前記電力供給手段から流れ出る電流の検出値と第１オフセット値を加えて前記電力供給手段にフィードバックする回路と、前記共通制御回路の出力に前記電力消費手段に流れ込む電流の検出値に第２オフセット値を加えて前記電力消費手段にフィードバックする回路を備えることにより、前記一つのフィードバック制御手段により電力供給手段と電力消費手段を同時に制御することを特徴とするモータ駆動電源装置。

Images