JP4512665B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は電動機を駆動する電動機駆動装置に係り、特に、モートル電流を検出してフィードバック制御を構成した電流制御ループを内部に備え、位置、速度、電流、トルク等を制御するのに好適な電動機駆動装置に関するものである。

マイクロプロセッサーの発達により、一般産業機械に使用されるモートル制御装置も、従来のアナログ制御からマイクロコントローラを使ったデジタル制御へと移り変わってきた。プリント基板に使用される部品もトランジスタから集積回路ＩＣ（Integrated Circuit）へ、更に中規模集積回路ＭＳＩ、大規模集積回路ＬＳＩ、超大規模集積回路ＶＬＳＩと移り変わり、ＡＳＩＣ（Application SpecificＩＣ）や顧客仕様による専用のカスタム用ＬＳＩ、ゲートアレイ等が使われるようになり、制御装置の小型化が進んでいる。これらのデジタルＩＣのパッケージはプリント基板へ表面実装することにより、より一層の小型化が進んでいる。また、これらＩＣの高密度集積化が進み、ＩＣのリード端子数（ピン数）も１００ピンを越えるものになっており、それに伴いリード端子のピッチも、従来の２．５４ｍｍから、ハーフピッチと呼ばれる１．２７ｍｍ、さらに１．００ｍｍ、０．８ｍｍ、０．７５ｍｍピッチのものが使用されている。さらに最近では、０．５ｍｍピッチのリードパッケージが使われるようになってきた。これに合わせて、プリント基板の導体パターン間隔も２．５４ｍｍのリードピッチ間に、導体パターンを１本通すピン間１本から、最近はピン間３本または３本以上通すような設計が進められ、プリント基板としての高実装化が進んでいる。

一方、一般産業機械の可変速運転を行う動力源として、交流モートルである誘導電動機をインバータで駆動する速度センサーレスベクトル制御、速度センサー付きベクトル制御が使われ、また、工作機、金属加工機械、組立機械、繊維機械、織機、ロボット等の位置、速度センサを内蔵したＡＣサーボモートルが、自動化、省力化の要求により、加工組立て現場などで盛んに使われる様になってきた。これらの基本制御は位置、速度、電流、トルク制御であり、最近のライン速度の高速化、タクトタイムの高速化の要求により、誘導電動機のベクトル制御では、モートルの電流をトルクに比例するトルク分電流と、このトルク分電流に直交する磁束分電流に分離して、高速電流制御が行われている。またＡＣサーボモートルの場合は、回転子に永久磁石を用いた回転界磁形同期電動機を、磁極位置検出器で永久磁石の位置を検出して高速の電流制御を行なっており、いづれの場合も電流の瞬時値を制御している。

これらの交流モートル制御装置の設置場所は、組立て現場や加工現場のモートルの近くに設置された制御盤内であり、この周囲の環境は切削した金属の屑、切削油、タイヤ加工工場であればタイヤを加工した炭素を含んだ粉塵が浮遊し、繊維工場、織機工場であれば綿ボコリが浮遊している。これらの粉塵、綿ボコリは制御装置内のプリント基板上に少しづつ付着する。また織機工場で、縦糸と横糸を編む自動織機の横糸をウォータで飛ばすウォータジェット方式では水を扱っているため周囲の湿度が高くなり、気温の上昇下降と共にモートル制御回路のプリント基板上が結露する。プリント基板上には集積回路が実装されており、上述のリードピッチの狭い部品が搭載されている。このため、プリント基板上に長期間かけて付着した炭素を含む粉塵、綿ボコリが集積回路のリードを覆う事になる。

交流モートルを毎日朝、運転開始し、運転と共に制御盤内の気温が上昇し、夜、運転停止して制御盤内の気温は下降し、外気温も下降する。このため、昼暖められた制御盤内の空気は湿度が上昇し、夜、臨界温度以下でプリント基板上に付着した炭素を含む粉塵、綿ボコリと共に結露する。つぎの日、朝運転開始時、粉塵、綿ボコリと共に結露した状態で通電すると、集積回路のリード間が電気ショートを起こす事がある。これは湿度の高い梅雨時期に多く発生するが、水を使用するウォータージェットタイプの織機の場合は、時期に限らず発生する。このためモートル制御回路が誤動作し、場合によってはインバータ主回路の半導体素子が破損する事がある。

つぎに、位置、速度、電流、トルクを制御するＡＣサーボモートル制御回路のプリント基板上に実装されている集積回路のリード端子が、粉塵、綿ボコリが付着し結露することによって、隣接するリードどうしが、ショートした場合についての影響を述べる。

図１４に従来の一実施形態であるＡＣサーボモートルの制御ブロック図を示す。１はＡＣサーボモートル、２はエンコーダでＡＣサーボモートルのロータの磁極位置を検出する磁極位置センサー２-１と、ＡＣサーボモートルの回転位置を検出する回転位置センサー２-２を、複合的に合わせ持ち、ＡＣサーボモートルに内蔵されている。３は位置制御、５は速度制御、７は電流制御、８はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御演算部で、前向きのループを構成している。４は位置カウンタ回路、６は速度演算回路、１０は電流検出回路で、それぞれ位置、速度、電流フィードバックループの後向きループを構成している。９はＡＣサーボモートル１のロータの磁極位置センサー２-１と回転位置センサー２-２を入力して磁極位置を演算する磁極位置演算回路である。１３はスイッチング素子を駆動するドライバとその制御電源回路を含むインバータ主回路である。このうちインバータ主回路はエポキシ樹脂などの樹脂でモールドされたパワーモジュールの中に実装されている。１１は電流検出器で、ＡＣサーボモートルに流れる電流を検出して電流検出回路１０にフィードバックしている。なお、１２−１〜１２−３は指令信号とフィードバック信号を加算する加算点であり、符号をつけて＋は加算、−は減算となる。図では指令信号は＋、フィードバックは−としているため負帰還フィードバック回路を構成している。

ＡＣサーボモートルの制御回路は、ロジックプリント基板１９に実装され、マイクロプロセッサＣＰＵ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、Ａ／Ｄコンバータ（アナログ／デジタル変換器）、各種のＬＳＩ、インターフェイス用部品等の電子部品で構成され、図１４の枠１９で囲んだ範囲で示される。これらに採用される部品のリード端子のピッチは、０．５〜０．８ｍｍ前後の高密度パッケージとなっている。

ここで、位置、速度、電流（またはトルク）の３種類のフィードバックループが構成されており、一般に各フィードバックループの応答性は、内側に構成されているループ程、応答性を早くして、オーバーシュート、アンダーシュートの少ない安定な制御系を構成する。その応答は速度制御の場合は、位置制御の応答の４〜６倍高く設定し、電流制御の応答は速度制御応答の４〜６倍高く設定する。このため、マイクロプロセッサＣＰＵでソフトウェア処理する場合、ソフトウェアの演算周期は電流フィードバックループが最も速く、つぎに速度フィードバックループとなり、位置フィードバックは最も遅い処理となるのが一般的である。

図１５は一般的な外部保護形態の一実施形態で、ＡＣサーボモートル１、エンコーダ２と、ＡＣサーボモートル制御装置２０の外部に設けた外部保護装置１８である。ＡＣサーボモートルが誤動作を起こした場合、作業者の安全を図るための装置で、機械に合わせた保護システムが設置される。これらのセンサーには機械側に設置された加速度センサー１４、オーバー速度センサー１５、稼動範囲の両端に取り付けた、右、左側エッジセンサー１６で、規定の加速度を越えた場合や、規定速度を越えた場合、また、規定の機械の稼動範囲を越えた場合に、これらのセンサーからの信号で暴走防止のための保護処理回路１７に入力し、ＡＣサーボモートルを停止させる。また、この外部保護装置１８により主回路電源をオフさせたり、さらに機械ブレーキを動作させる等の、安全処置を行っている。一般にＡＣサーボモートル１とエンコーダ２とＡＣサーボモートル制御装置２０は汎用品として電機メーカが製作し、セットメーカはこれらの電機品を購入して機械設計を行い、電気、機械を含めた全体システムに対しての外部保護システムを設置する。

図１６に、従来のＡＣサーボモートル制御装置に使われているパワーモジュールの一実施形態の内部回路図を示す。交流電源はＲ、Ｓ、Ｔ端子に接続されダイオード整流器４３で交流から直流に変換される。端子Ｐ−Ｐ１にはパワーモジュールの外部に図示しない限流抵抗が接続され、またＰ１−Ｎ端子間には図示しない平滑コンデンサが接続され、交流電源投入時の平滑コンデンサに流れる突入電流を限流抵抗で制限する。平滑コンデンサで平滑された直流電圧は、スイッチング素子Ｓu,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓy,Ｓz（パワートランジスタなど）とダイオードＤu,Ｄv,Ｄw,Ｄx,Ｄy,Ｄzの逆並列回路が６組で構成されたインバータ回路４５に印加され、この各スイッチング素子のベースまたはゲートをオン・オフ制御することにより交流を出力し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続された図示しないＡＣサーボモートルを駆動する。また、ＡＣサーボモートルから回生されるエネルギーは、Ｐ１−Ｎ間に接続された平滑コンデンサに蓄えられ、直流電圧が上昇した時に図示しないＰ１−ＢＲ端子間に接続された放電抵抗と共に、回生制動回路４４のスイッチング素子がオンし、放電抵抗で回生エネルギーを消費する。回生制動回路とインバータ回路の７個のスイッチング素子のゲート入力は、パワーモジュールの外部のドライバー回路から供給される。このゲート端子ＧＵ、ＥＵ、ＧＶ、ＥＶ、ＧＷ、ＥＷとＧＸ、ＧＹ、ＧＺ、ＧＢ、Ｅは、後述する図１７のパワーモジール２２に示すように、細いリード端子であり、狭いピッチで並んでいる。これに対し、主回路端子は太いリード端子であり、並んだ間隔は広く開けられており、粉塵は通り抜ける。主回路プリント基板はパワーモジュール２２の端子位置に合わせて、このリード端子が貫通し、半田付けにより電気的に接続される様になっており、主回路プリント基板のゲート端子のリードピッチは、同様に狭くなり、集積回路のリードピッチと全く同様に、粉塵、綿ボコリと共に結露した状態で通電すると、パワーモジュールのゲート端子のリード間がショートを起こす事がある。

図１７は従来のＡＣサーボモートル制御装置の一実施形態の分解構造図である。２２は図１６で説明したパワーモジュールで、冷却フィン２１に取り付けられている。１９はロジックプリント基板で、２３は主回路プリント基板である。２４はパワーモジュール２２と２枚のプリント基板１９、２３を覆っているカバーである。カバーは通風孔３９があけられており、装置内で暖められた空気を自然空冷で外部に排出できる様になっている。また正面に主回路プリント基板２３に取り付けられた主回路コネクタ２６とロジックプリント基板１９に取り付けられた入出力コネクタ３７とエンコーダコネクタ３８を外部に出すための貫通孔４０、４１、４２があけられている。

ロジックプリント基板１９は、図１４の１９で囲まれた枠内の構成部品を搭載したものを示しており、位置、速度、電流（トルク）等を制御演算する１個のマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）３１、ＡＣサーボモートルの電流をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄコンバータ３２、ゲートアレイ３３、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４、インターフェイスＩＣ３５、ＲＡＭ（Random Access Memory）３６等の集積回路部品で構成されている。

主回路プリント基板２３は、交流を直流に変換するダイオード整流器４３の出力のＰ−Ｐ１端子間の限流抵抗、Ｐ１−Ｎ端子間に接続された平滑コンデンサ２５や、ＡＣサーボモートル１の電流を検出する２個の電流検出器１１等の主回路部品が実装され、また、制御電源回路を構成するスイッチングトランス２７、およびスイッチング電源用ＩＣ２９と、ＰＷＭ制御演算から出力された信号を２８のドライバＩＣで駆動するドライブ回路、主回路とのインターフェイスをやり取りするインターフェイスＩＣ３０等が実装されている。このように図１７のロジックプリント基板１９、主回路プリント基板２３には、各種の集積回路部品が実装されており、これらＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ、ゲートアレイ、ＡＳＩＣのリードピッチは、０．５〜０．８ｍｍ前後の高密度パッケージが採用されている。

つぎに、プリント基板上に実装されている集積回路のリード端子が、粉塵、綿ボコリが付着し結露することによって、隣接するリード端子どうしが、ショートした場合についての動作を述べる。隣接するリード端子どうしがショートする場合は、隣のリード端子がロジック電源５Ｖ（ハイレベルのＨ電位に固定）であったり、コモンの０Ｖ（ローレベルのＬ電位に固定）であったり、別の信号ライン（Ｈ電位、Ｌ電位混在）であったりするが、簡易的にロジック電源５Ｖ（Ｈ電位に固定）と、コモンの０Ｖ（Ｌ電位に固定）ついて述べる。

一般に、フィードバックを持った自動制御ループの信号がコモンとなる０Ｖラインにショートした場合についてその動作を検討する。図１４で、加算点１２−１〜１２−３の−側のフィードバック信号である後ろ向きの信号の位置フィードバック信号θｆ、速度フィードバック信号Ｎｆ、電流フィードバック信号Ｉｆがコモン電位の０Ｖラインにショートした場合は、指令信号θｒｅｆ、Ｎref、Ｉrefに対して実際の位置、速度、電流(トルク)が、指令値どおりに追従するようフィードバック制御が働く。

まず、位置制御ループの位置フィードバック信号θｆが０Ｖラインにショートした場合では、実際はその位置に達しているのに指令位置まで達していないと判断して、加速する。しかし位置フィードバック信号は０Ｖラインにショートしているため正規の位置はフィードバックされず加速を続け暴走する。しかし、電流制御ループが正常に動作していれば、ＡＣサーボモートルの電流は最大値以下に制限されており、外部保護装置１８が動作してくれるので、ＡＣサーボモートル１、エンコーダ２やＡＣサーボモートル制御装置２０が破損する事はない。

次に、速度制御ループの速度フィードバック信号Ｎｆが０Ｖラインにショートした場合では、実際はその速度に達しているのに、指令速度まで達していないと判断して増速する。しかし速度フィードバック信号は０Ｖラインにショートしているため正規の速度はフィードバックされず増速を続け暴走となる。この場合も、電流制御ループが正常に動作していれば、ＡＣサーボモートルの電流は最大値以下に制限され、ＡＣサーボモートル１、エンコーダ２やＡＣサーボモートル制御装置２０が破損する事はない。

次に、電流制御ループの電流フィードバック信号Ｉｆが０Ｖラインにショートした場合では、実際はその電流に達しているのに指令電流まで達していないと判断して瞬時に増加する。しかし電流フィードバック信号は０Ｖラインにショートしているため正規の電流はフィードバックされず増加を続け瞬時に、最大電流を越え、過電流となり、ＡＣサーボモートルが加速する時間もなく、過電流検出回路の保護動作を行い、インバータ主回路のスイッチング素子はベース遮断し、ＡＣサーボモートル制御装置２０はトリップする。この時、パワーモジュール２２のスイッチング素子に流れる電流は、スイッチング素子の電流増幅率で決まる飽和電流まで大きな電流が流れ、過電流検出回路が動作して遮断する。この時、スイッチング素子の内部の温度は上昇しており、内部温度が下がっていない状態で繰り返すと、熱疲労でスイッチング素子が破損する。

位置制御ループ、速度制御ループでの応答時間は、実際の機械が移動するための加減速時間であり、この加減速時間はＡＣサーボモートルの慣性モーメントとモートル軸に換算した機械の慣性モーメントの和に比例し、モートルトルクと負荷トルクの差に反比例する。したがって、機械の慣性モーメントが関係し、応答性は遅い。また、前述のようにオーバーシュート、アンダーシュートの少ない安定な制御系を構成するために、応答性は速い順に電流ループ、速度ループ、位置ループとなる。したがって、位置ループ、速度ループの応答時間は電流ループの応答時間より遅く設計している。このため、機械に加速度センサー、オーバー速度センサー、稼動範囲を逸脱しないように稼動範囲の両端に取り付けた右左のエッジセンサーで、時間的に遅れることなく検出し保護する事ができた。例えばセットメーカは電気、機械を含めた全体システムに対しての外部保護装置１８を製作し、機械側に設置された加速度センサー１４、オーバー速度センサー１５、稼動範囲の両端に取り付けた、右側エッジセンサーと左側エッジセンサー１６で、暴走防止を行い人命の安全を確保し、機械の保護を行うので、ＡＣサーボモートルの保護を行う事ができた。

また、フィードバック系でそのループ内の信号がＨレベルとなる５Ｖラインにショートした場合についてその動作を検討する。

加算点１２−１〜１２−３の−で加算される位置フィードバック信号θｆ、速度フィードバック信号Ｎｆ、電流フィードバック信号Ｉｆが、Ｈレベルの５Ｖラインすなわち、正方向の最大値にショートした場合は、指令信号θｒｅｆ、Ｎref、Ｉrefに対して実際の位置、速度、電流（トルク）が、指令値どおりに追従するようフィードバック制御が働く。

まず、位置制御ループでは、実際はその指定位置に達しているのに正の最大位置がフィードバックされるため、行き過ぎたと判断して、逆転方向に加速する。しかし、位置フィードバック信号はＨレベルの５Ｖにショートしているため正規の位置はフィードバックされず逆転方向に加速を続け暴走する。

次に、速度制御ループでは、実際はその指令速度に達しているのに指令速度を越え、最大速度まで達したと判断して減速し、さらに逆転方向に加速する。しかし速度フィードバック信号は５Ｖラインにショートしているため正規の速度はフィードバックされず、逆転加速を続け暴走状態となる。しかし、フィードバック信号が０Ｖラインにショートした場合と同様に、電流制御ループが正常に動作していれば、ＡＣサーボモートルの電流は最大値以下に制限されており、 ＡＣサーボモートル１、エンコーダ２やＡＣサーボモートル制御装置２０が破損する事はない。さらに、全体システムに対しての外部保護装置１８を製作し、機械側に設置された加速度センサー１４、オーバー速度センサー１５、稼動範囲の両端に取り付けた、右側エッジセンサーと左側エッジセンサー１６で、暴走防止を行い人命の安全を確保し、機械の保護を行うので、ＡＣサーボモートルの保護を行う事ができる。

次に、電流制御ループでは、実際は指令電流に達しているのに、最大電流まで達していると判断して瞬時に減少し、逆極性側の負の最大電流を越えてなおも増加する。しかし電流フィードバック信号は５Ｖラインにショートしているため正規の電流はフィードバックされず負側に増加を続け瞬時に過電流となる。これが繰り返せば、熱疲労でスイッチング素子が瞬時に破損する。

なお、エンコーダ２の磁極位置センサー２−１および、回転位置センサー２−２とＡＣサーボモートル制御装置２０への出力線の断線検出は、実開昭６２−４４２６２号公報に示されており、基準パルスと、この基準パルスを反転した反転パルスの、両方出力したパルスエンコーダを使用し、 ＡＣサーボモートル制御装置の受信側で、両者のパルスの排他的論理和で断線検出する事が行われていた。これにより、エンコーダ２とＡＣサーボモートル制御装置２０とのエンコーダ出力線の断線は、断線すると共に瞬時に検出するので、機械が暴走する事はありえない。

つぎに、図１４の加算点１２−１〜１２−３から前向きのループ側で、Ｌレベル、Ｈレベルにショートした場合について述べる。

位置制御演算部３、速度制御演算部５の出力がＬレベルにショートした場合、速度指令Ｎref、電流指令Ｉrefがゼロとなる。位置制御演算部３の出力がショートした場合では、ＡＣサーボモートルの速度は減速し停止する。また、速度制御演算部５の出力がショートした場合では、ＡＣサーボモートルはフリーランとなり、破損する事はない。

次に、Ｈレベルにショートした場合、速度指令Ｎref、電流指令ＩrefがＨレベルとなる。位置制御演算部３の出力がショートした場合には最高速度で運転し、速度制御演算部５の出力がショートした場合では最大電流が流れＡＣサーボモートルは加速するが外部保護装置１８が働き保護できる。

次に、電流制御部７の出力がＬレベル、Ｈレベルにショートした場合を考える。電流制御部７の出力がＬレベルにショートであればフリーランとなるが、Ｈレベルにショートした場合では電圧指令が最大となり、電流は最大電流を越え、過電流となりトリップする。この時、スイッチング素子の内部の温度は上昇しており、内部温度が下がっていない状態で繰り返すと、熱疲労でスイッチング素子が破損する。

また、ＰＷＭ制御演算部８の出力においてピン間短絡した場合には、通常ＰＷＭ信号は上アームスイッチング素子と、下アームスイッチング素子が交互にオン、オフを繰り返しており、短絡するとインバータ回路の平滑コンデンサ間を短絡するアーム短絡となり、この場合も繰り返すと熱疲労でスイッチング素子が破損する。

以上より位置制御ループ、速度制御ループがプリント基板上で集積回路のリード端子が、粉塵、綿ボコリが付着し、結露した結果、ショートしてもＡＣサーボモートルは最大電流以下に制御されており、パワーモジュールは破損する事はない。プリント基板が乾燥すれば再び正常に動作する事もある。しかし、電流制御ループで、集積回路のリードが、粉塵、綿ボコリが付着し、結露した結果、瞬時に最大電流を越えるので、これを繰り返せばパワーモジュールは熱疲労により破損する。このため、電流制御ループだけがパワーモジュール破損に対して最も敏感であり、環境の悪い場所に設置されて結露した場合には破損の危険性が十分にあり得る。

なお、特開平６−１６９５７８号公報によれば、パワーモジュールの上にプリント基板が搭載されており、またエポキシ等で固められていないため、ＩＣ等のリード端子間に粉塵、綿ボコリが付着して結露する可能性がある。このため、リードピッチの狭い部分はショートする事に対して保護が十分でなかった。また、特開平９−２２９９７２号公報によればマイクロプロセッサＣＰＵで位置制御、速度制御、電流制御を処理しており、電流フィードバックデータが他のループのデータバスの中を走るため、粉塵、綿ボコリがマイクロプロセッサＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータあるいはプリント基板上に付着して結露した場合には、リード端子のピッチ、あるいはプリント基板上の導体パターン間の間隔が狭い部品であるためショートしてしまう。このことに対して何ら考慮されていなかった。

一般産業機械の場合、製作現場や加工現場の近くに、ＡＣサーボモートル制御装置が収納された制御盤が設置される。制御盤の中に粉塵、綿ボコリが中に入らないように防塵構造にしても、定期点検や定期検査で制御盤のドアを開けることになり、長期間の運転に入れば制御盤内のＡＣサーボモートル制御装置のロジック基板や、主回路基板には粉塵、綿ボコリが付着してくる。また湿度の高くなる梅雨時期ではプリント基板は結露することがあるので、このような場合でもＡＣサーボモートル制御装置が破損する等の復帰できない故障をなくし、高信頼性製品を作り上げる事にある。

この場合、破損しない事が目的であり、破損しなければ、仮に機械の動作に異常が発生しても、外部保護回路で安全性は確保される。結露が乾燥すれば、また正常に動作するので、外部保護動作が働いた場合には、粉塵、綿ボコリの付着をとって、清掃してもらえばまた元のように正常に動作する事ができる。

これらの課題を解決する手段として
（１） 電流検出器から加算点までのフィードバックの後向きのループの導電部分を、外部の雰囲気に触れることなく密封する。その一つの方法として、エポキシ樹脂などの樹脂でモールドして作られるパワーモジールの中に実装し、粉塵、綿ボコリの付着する外部に露出しないように密封する。このため、電流検出器をパワーモジュールの内部で検出するようにする。

（２） 電流制御の加算点から、スイッチング素子のゲート端子まで、前向きのループの導電部分を、外部の雰囲気に触れることなく密封する。その一つの方法として、エポキシ樹脂などの樹脂でモールドして作られるパワーモジールの中に電流制御の加算点から、スイッチング素子のゲート端子まで、前向きのループの導電部分を実装し、粉塵、綿ボコリの付着する外部に露出しないように密封する。このように密封することにより、ゲート端子ＧＵ、ＥＵ、ＧＶ、ＥＶ、ＧＷ、ＥＷとＧＸ、ＧＹ、ＧＺ、ＧＢ、Ｅの端子は、パワーモジュール内部の信号として扱えるので、これらの端子をパワーモジュールから出てくる端子として設けなくてもよくなる。したがって従来狭いピッチで立っていたゲート端子及びこれに対応するプリント基板に狭いピッチでリード端子を設ける必要が無くなり、粉塵、綿
ボコリによりショートする問題がなくなる。

（３） 従来の、位置制御、速度制御、電流制御、インターフェイス処理を１個のマイクロプロセッサに集中する集中制御では、電流ループの分離は不可能である。そこで本発明では、電流ループと、それ以外の位置制御、速度制御、インターフェイス処理を２個所に分けて分散処理を行う。このため電流フィードバックを含む電流制御ループを、別の副マイクロプロセッサで構成して、共にエポキシ樹脂などの樹脂でモールドして作られるパワーモジールの中に実装する。

（４） 主、副マイクロプロセッサのシステムクロック信号は共通化せず、分散化のためそれぞれ個別に所有する。

（５） また、本発明の実施形態として好適なものとして、パワーモジュールの制御信号用入出力端子を少なくするために、主マイクロプロセッサとパワーモジュール内の副マイクロプロセッサ間で、シリアル通信による信号の授受を行い、入出力端子が最小となるようにする。そして、その入出力はリード端子間がショートしても、パワーモジュールが破損しない信号の所、すなわち、電流指令(Iref)で分離するようにしたものがあげられる。なお、電流指令には電流指令リミッタを設け、過大電圧が入力しても最大電流値以下になるようにする。

（６） 更に、本発明の実施形態として好適なものとして、磁極位置データは、エンコーダから出力された信号を主マイクロプロセッサで受信し、シリアル通信でパワーモジュールに転送するものがあげられる。電流制御ループの副マイクロプロセッサの制御演算周期は、位置、速度、インターフェイス処理の周期より早く演算するので、磁極位置データは、副マイクロプロセッサで、主マイクロプロセッサの周期より速い演算周期の補間を行い、電流制御を行うようにする。

以上述べたように本発明によれば、電流フィードバックループの前向きループ、後ろ向きループの、信号導電部分が外気に触れる事がないので、隣のリード端子とショートすることがない。また電流指令に電流リミッタが設けられているので、指令入力端子に過大入力やショートが生じても電流指令は最大値以下に制限され、インバータ回路のスイッチング素子が破損することがない。このため、製品信頼性は大きく向上する。

本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の全体構成図。 本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置のパワーモジュール内部構成図。 本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の制御ブロック図。 本発明による電流検出タイムチャート。 本発明によるＡ／Ｄコンバータ電流検出タイムチャート。 本発明による主、副マイクロプロセッサ間のシリアル通信タイムチャート。 本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の分解構造図。 本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置のパワーモジュールの構造。 本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の制御ブロック図。 本発明による一実施形態を説明するための速度トルク特性図。 本発明による一実施形態である速度センサーレスべクトルインバータの制御ブロック図。 本発明による一実施形態である電源側コンバータ制御装置のパワーモジュール内部構成図。 本発明による一実施形態である電源側コンバータ制御装置の全体構成図。 従来の一実施形態であるＡＣサーボモートルの制御ブロック図。 一般的な外部保護形態の一実施形態。 従来の一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置のパワーモジュール内部回路図。 従来の一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の分解構造図。

本発明は、電動機駆動装置の制御回路に電流制御ループを有するものに広く適用できるが、以下簡単のために、まずＡＣサーボモートル制御装置の一実施形態を例にとって詳しく説明する。

ＡＣサーボモートル制御装置の全体構成図を図１に、パワーモジュール１２２の内部構成図を図２に示す。１はＡＣサーボモートル、２はＡＣサーボモートルに内蔵されたエンコーダで、エンコーダ２は磁極位置センサー２−１と回転位置センサー２−２を持っている。

３１-２は主マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）で、ＡＣサーボモートル１の位置制御、速度制御や外部インターフェイスとのやり取りを行う。外部インターフェイス回路６８にはアナログ入出力インターフェイス（ＡＩＯ）６９および、デジタル入出力インターフェイス（ＤＩＯ）７０と、シリアル通信インターフェイス（ＳＩＯ）６７、エンコーダ２から、磁極位置センサー２−１と回転位置センサー２−２の信号を入力するエンコーダインターフェイス回路６６が有る。また主マイクロプロセッサ３１−２の周辺にはＲＯＭ（ Read Only Memory）３４、 ＲＡＭ（Random Access Memory）３６、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５８等がある。スイッチング電源回路６５は外部から制御電源を入力し、主マイクロプロセッサ３１−２等のロジック電源やアナログ回路の制御電源、エンコーダに供給するエンコーダ電源と、パワーモジュール１２２のロジック回路に供給するパワーモジュールロジック電源１５Ｖを供給する。なお、デジタル入出力インターフェイス７０、シリアル通信インターフェイス６７はノイズ対策のため、主マイクロプロセッサ３１−２のロジック回路と絶縁されている。また、パワーモジュールロジック電源１５Ｖ、０Ｖはインバータ回路からのＮ電位と同一のコモンとなっており、他の電源とは電気的に絶縁されている。主マイクロプロセッサ３１−２とパワーモジュール１２２との信号の授受はシリアル通信で行い、シリアル通信同期クロックＳＣＫ、第一のシリアルデータＲＸＤを主マイクロプロセッサ３１−２からインバータゲート５９を通して、パワーモジュール１２２へ送信し、パワーモジュール１２２から主マイクロプロセッサ３１−２には、第２のシリアルデータＴＸＤがシリアル通信同期クロックＳＣＫに同期して、インバータゲート５９を通って受信される。これらのシリアルデータはパワーモジュール内で、フォトカプラ６３で電気的に絶縁されて信号が伝送される。

パワーモジュール１２２のＰ、Ｎ１、Ｎ、ＢＲ端子に接続されている平滑コンデンサ２５、限流抵抗４８、放電抵抗４９はパワーモジュール外部で主回路の一部を構成している。

パワーモジュール１２２の詳細構成を図２で説明する。
三相交流電源はＲ、Ｓ、Ｔ端子に接続され、ダイオード整流器４３で交流から直流に変換される。
端子Ｎ１−Ｎには限流抵抗４８が接続され、またＰ−Ｎ端子間には平滑コンデンサ２５が接続され、交流電源投入時の平滑コンデンサ２５に流れる突入電流を限流抵抗４８で制限する。平滑コンデンサ２５に充電された後、限流抵抗４８を短絡するためにサイリスタ５０を点弧し、導通状態にする。平滑コンデンサ２５で平滑された直流電圧は、スイッチング素子Ｓu,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓy,ＳzとダイオードＤu,Ｄv,Ｄw,Ｄx,Ｄy,Ｄzの逆並列回路を６個用いてインバータ回路４５を構成し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続されるＡＣサーボモートル１を駆動する。

また、ＡＣサーボモートルから回生されたエネルギーは、一旦、Ｐ−Ｎ間に接続された平滑コンデンサ２５に蓄えられ、直流電圧がある一定の電圧まで上昇した時に、回生制動回路４４のスイッチング素子がオンされて、Ｐ−ＢＲ端子間に接続された放電抵抗４９により消費される。

回生制動回路４４はＰ−Ｎ間電圧を抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧して検出し、Ｖ／Ｆコンバータ５４で電圧／周波数変換し、副マイクロプロセッサ３１−１に入力し、その周波数の周期を測定して周波数を求め、 Ｖ／Ｆコンバータ５４の電圧／周波数関係と抵抗Ｒ１、Ｒ２の分圧比の関係より直流電圧を知る。副マイクロプロセッサ３１−１は、直流電圧がある一定の電圧まで上昇した時、回生制動用ドライブ回路６０にオン信号を送り回生制動回路４４のスイッチング素子を導通させる。回生エネルギーが放電抵抗４９で消費し、Ｐ−Ｎ間電圧が下がれば、副マイクロプロセッサ３１−１は回生制動用ドライブ回路６０にオフ信号を出力する。

ＡＣサーボモートル１の電流は、インバータ回路４５のＮ側の電流検出用シャント抵抗ＳＨ１、ＳＨ３のそれぞれの両端電圧で検出する。この電圧は増幅器５２−１、５２−２で増幅されて、２個のサンプルホールド付きＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ３２−１、３２−２で、同時タイミングでデジタル信号に変換される。このデジタルデータは、交互に、Ｄ形フリップフロップ５７を通して副マイクロプロセッサ３１−１にシリアル転送し入力する。これらのＡ／Ｄ変換タイミング、データセレクト、シリアル同期クロック信号の出力は、副マイクロプロセッサ３１−１が行う。

副マイクロプロセサ３１−１は主マイクロプロセッサ３１−２から送られた電流指令データＩrefと２個のＡ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２で検出した値から演算して、電流フィードバックＩfとの差（Ｉref−Ｉf）を演算し、電流制御演算、ＰＷＭ制御演算を行い、ドライバーＩＣ２８へ６個分のＰＷＭ信号を出力する。ドライバーＩＣ２８では、インバータ回路の６個のスイッチング素子のゲート信号のレベル変換を行い、インバータ回路４５のスイッチング素子を駆動する。

インバータ主回路部の保護回路５３は、インバータ直流電圧Ｐ−Ｎ間の過電圧検出ＯＶ、Ｐ−Ｎ間の不足電圧検出ＵＶ、インバータの電流検出用シャント抵抗ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３による上下アーム間の過電流ＯＣ、スイッチング素子付近の温度上昇検出によるスイッチング素子過熱ＯＨを検出して副マイクロプロセッサ３１−１へ出力する。副マイクロプロセッサ３１−１はこれらの検出に対し、ドライバーＩＣ２８に対しＰＷＭ信号を緊急遮断してフリーランさせ、その後、主マイクロプロセッサ３１−２へアラーム内容を報告する。不揮発性メモリ５８は、ＡＣサーボモートル１の巻線抵抗、インダクタンス、誘起電圧定数、出力、定格および最大回転数、最大トルク、極数およびエンコーダ分解能や電流制御の比例、積分定数等を、電源をオフした時においても記憶しておくために用いられ、つぎの電源オン時、これらのデータを読み込んで通常制御に使用する。

主マイクロプロセッサ３１−２との通信は、シリアル通信同期クロックＳＣＫと第一のシリアルデータＲＸＤを、フォトカプラ６３で電気絶縁して受信する。またアラームデータ、ステータスモニタ等の第２のシリアルデータＴＸＤを、シリアル通信同期クロックＳＣＫに同期してインバータゲート５９、フォトカプラ６３を通して送信する。

クロック同期信号異常検出回路４７は、シリアル通信同期クロックＳＣＫが“Ｌ”レベルに固定した場合、その時間を測定して異常を検出し、インバータ回路の出力を遮断する。また、制御電源異常検出回路７２は、パワーモジュール内制御電源１５Ｖ、５Ｖ、０Ｖに異常が生じた場合、副マイクロプロセッサ３１−１がリセットされインバータ回路４５、回生制動回路４４の７個のスイッチング素子を遮断状態にする。

図３は本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の制御ブロック図を示す。
従来の一実施形態である図１４の制御ブロック図に対して異なるところは、パワーモジュール１２２に含まれる電流制御系と、１１９の枠内に含まれる速度、位置制御系の2つに分散処理している事である。主マイクロプロセッサ３１−２では１１９の枠内の位置制御３、速度制御５の演算、位置カウンタ４、速度演算回路６、磁極位置演算回路９の処理を行い、電流指令Ｉref、磁極位置信号データを等をシリアル通信でパワーモジュール１２２ヘ転送する。
パワーモジュール１２２の中の副マイクロプロセッサ３１−１では、電流制御７、ＰＷＭ制御８、電流検出回路１０、電流指令リミッタ７１で、ＡＣサーボモートル１の電流制御ループの制御を分担する。そして、インバータ主回路１３のスイッチング素子を駆動する。また、アラーム・ステータスモニタ回路４６などのモニタデータを主マイクロプロセッサ３１−２に送信する。

つぎに図４に、本発明による電流検出タイムチャートを説明する。

図４のａ）は、図２におけるインバータ回路４５の出力のＵ相モートル電流を示したものである（電流の正方向は図１のIuの矢印を参照）。モートル電流検出用シャント抵抗ＳＨ１は下アームスイッチング素子とＮ端子の間に挿入されている。Ｕ相モートル電流の正の半サイクルの下アームのスイッチング素子がオンするタイミングでは、下アームのスイッチング素子には電流は流れず、これと並列に接続されたダイオードに電流が流れ、この時電流検出用シャント抵抗ＳＨ１にはＮ側から上向きに電流が流れる。また、Ｕ相モートル電流の負の半サイクルの下アームのスイッチング素子がオンしたタイミングでは、下アームのスイッチング素子に電流が流れ、この時電流検出用シャント抵抗ＳＨ１にはＮ側へ下向きに電流が流れる。この電流検出用シャント抵抗ＳＨ１の両端電圧を図４のｂ）に示す。この両端電圧は、増幅器５２−１で増幅されてＡ／Ｄコンバータ３２−１に入力される。Ａ／Ｄコンバータはサンプルホールド回路が内蔵されており、図４のｃ）はそのＡ／Ｄコンバータ３２−１の内部のサンプルホールド回路出力波形を示したものである。なお、上記はＵ相について述べたが、Ｗ相についても同様である。図４から分かるように、モートル電流は下アームの電流検出用シャント抵抗でサンプルホールドする事で検出する事ができる。

つぎに図５に本発明によるＡ／Ｄコンバータ電流検出タイムチャートについて、図２のパワーモジュール内部構成図より説明する。

図５のａ）は副マイクロプロセッサ３１−１からＡ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２に、Ａ／Ｄ変換開始信号ＣＯＮＶを出力した波形を示したものである。ＣＯＮＶ信号は、ＰＷＭ信号を作るキャリア周波数に同期して出力され、立ち上がり信号でＡ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２は増幅器５２−１、５２−２の信号を同時にサンプルホールドする。そして、サンプルホールド完了と共にＡ／Ｄ変換を開始する。Ａ／Ｄ変換中の場合には図５のｂ）に示すように、Ａ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２よりＢＵＳＹ信号が出力され、両者の信号をＯＲゲート５６で論理和を取り、副マイクロプロセッサ３１−１に変換中である事を送信する。変換が完了するとＢＵＳＹ信号はＬレベルとなり、副マイクロプロセッサ３１−１は各Ａ／Ｄコンバータよりデータを受け取るために、セレクト信号ＳＥＬ１（Ａ／Ｄコンバータ３２−１を選択信号）、ＳＥＬ２（Ａ／Ｄコンバータ３２−２を選択信号）を交互に図５のｃ）、ｄ）に示すように与える。つぎに、副マイクロプロセッサ３１−１は同期クロック信号ＳＣＬＫを出力し、前述のセレクト信号とＡＮＤゲート５５で論理積を取り、各Ａ／Ｄコンバータに送る。Ａ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２は同期クロック信号ＳＣＬＫに同期して、図５のｆ）、ｇ）に示すように、デジタルに変換された電流データを、シリアル信号でＤ形フリップフロップ５７に送り、タイミングを合わせて副マイクロプロセッサ３１−１のＳＤＡＴＡ端子に出力する。デジタルに変換された電流データは、セレクト信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２で選択され、Ｕ相電流データ、Ｗ相電流データの順に図５のｈ）のように入力されデータ転送が完了する。

図６は本発明による主、副マイクロプロセッサ間のシリアル通信タイムチャートを、図１より説明する。主マイクロプロセッサ３１−２での速度制御演算周期をtasr、副マイクロプロセッサ３１−１の電流制御演算周期をtacrとすると、電流制御演算tacrの方が早い処理をしている。これについては、前に述べた。また、主マイクロプロセッサ３１−２と副マイクロプロセッサ３１−１のシステムクロックは分散処理を行うため、別々の水晶発振器で動作させており、それぞれの処理は非同期方式である。主マイクロプロセッサ３１−２から副マイクロプロセッサ３１−１へシリアル通信同期クロックＳＣＫは図６のａ）のように出力される。データ伝送していない時は、Ｈレベルで待機状態であり、発振状態の時にシリアル通信同期クロックＳＣＫに同期して、図６のｂ）の第一のシリアルデータＲＸＤが送られる。

一方、副マイクロプロセッサ３１−１では、前述した電流検出用Ａ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２に、図６のｃ）のようにＡ／Ｄ変換開始信号ＣＯＮＶをキャリア周波数に同期して出力している。主マイクロプロセッサ３１−２から送られた電流指令Irefや、ＡＣサーボモートルの磁極位置データは、データ転送するために転送時間がかかり、図６では遅れ時間tdで示している。したがって、副マイクロプロセッサ３１−１で反映されるデータ更新は、遅れ時間td後となる。電流指令データIrefでは図６のｄ）に示すようにtd時間遅れ、副マイクロプロセッサ３１−１の電流制御演算周期tacrは、データ更新されるまで同じデータが使用される。

つぎに、磁極位置検出データは主マイクロプロッセッサ３１−２よりtasr間隔で更新されているので、副マイクロプロセッサ３１−１の電流制御演算周期tacrに計算し直す必要がある。図６のｅ）では、磁極位置データは、主マイクロプロッセッサ３１−２よりデータ更新されるまで、同じデータで使用されるのでなく、図中、（１）の直線で補間して求める。具体的には時間t1-0においてデータ更新された時、前回のt0-0と今回のt1-0のデータを結んだ直線を延長し、各時間t1-1,t1-2,t1-3の黒丸で図示されているようにデータを補間して制御する。同様に時間t2-0においてデータ更新された時、前回のt1-0と今回のt2-0のデータを結んだ直線を延長し、各時間t2-1・・・・・で図示されているように補間して制御する。

このように、磁極位置データは、モートルは常に回転しているので、加速、減速している時にも、前回と同じ傾斜で加減速しているとして、きめ細かに制御すれば、より滑らかに運転することができる。

また、エンコーダの磁極位置信号、回転位置信号のフィードバックはパワーモジュールで側ではなく、速度、位置制御側にフィードバックしており、パワーモジュールとシリアル通信で最小限のＩ／Ｏ端子数で構成しているので、粉塵、綿ボコリの付着や、腐食に対しても、信頼性が大きく向上している。

なお、tsは磁極位置データを副マイクロプロセッサ３１−１の演算周期に変換するための演算時間遅れを表した値である。

図７に本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の分解構造図を示す。

１２２はパワーモジュールで電流制御フィードバックループの後向きのループ、前向きのループ、電流指令リミッタ等、副マイクロプロセッサ３１−１やドライバーＩＣ２８、電流検出用Ａ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２が内蔵されている。その内部構成は図２に示すとおりである。このパワーモジュールは冷却フィン２１に取り付けられており、発生した熱を冷却フィンにより、自然空冷で外部へ放熱できる様になっている。プリント基板１１９は主マイクロプロセッサ３１−２、ＲＯＭ３４、ＲＡＭ３６、シリアル通信インターフェイス６７不揮発性メモリ５８、アナログ入出力インターフェイス６９等のＩＣ、ＬＳＩや平滑コンデンサ２５、スイッチングトランス２７、交流電源およびモートル出力接続用主回路コネクタ２６、入出力用コネクタ３７、エンコーダコネクタ３８等実装されている。これらの部品は図２に示すパワーモジュール１２２を除いた部分で、位置、速度制御演算を行っている。１２４はパワーモジュール１２２とロジックプリント基板１１９を覆っているカバーである。カバーは通風孔１３９があけられており、装置内で暖められた空気を自然空冷で外部に排出できる様になっている。また正面にロジックプリント基板１１９に取り付けられた主回路コネクタ２６と入出力コネクタ３７、エンコーダコネクタ３８を外部に出すための貫通孔１４０、１４１、１４２があけられている。このように、パワーモジュール１２２にはリードピッチの狭いＩＣ、ＬＳＩ、ゲートアレイ等を含む電流制御ループが内蔵され、外部の雰囲気に触れることのないように、密封されている。

図８に、本発明による一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置のパワーモジュールの構造を示す。パワーモジュール１２２は放熱を兼ねた金属ベース７５を用い、その上に図示していない絶縁層を形成してから、その上にスイッチング素子とダイオードからなるインバータ主回路４５および電流検出用シャント抵抗ＳＨ１〜ＳＨ３、回生制動回路４４、ダイオード整流器４３、サイリスタ５０、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２などを実装し、さらにパワーモジュールロジックプリント基板７３を中に実装している。図８には、部品の配置を破線で示している。さらに、これらをモールド樹脂または相当品で絶縁封止を行ったものである。このパワーモジュールロジックプリント基板７３には、図２のパワーモジュール６４の枠内に示す部品が実装されている。また、モールド樹脂上に出ている端子には、図２の１２２の枠にある端子に付されている符号と同じ符号が付してある。そして、このモジュール１２２は取付穴７４により、インバータ装置の冷却フィン２１に取り付けられて使用される。

図９は本発明による別の一実施形態であるＡＣサーボモートル制御装置の制御ブロック図を示したものである。パワーモジュール１２２の電流制御ループは図３と同一であるが、ロジックプリント基板１１９が位置制御、速度制御でなく、トルク制御構成となっている。

巻取機の張力を制御する場合、ＡＣサーボモートルのトルク制御が必要になる。図９はＡＣサーボモートルのトルク指令Ｔrefを、主マイクロプロセッサ３１−２から副マイクロプロセッサ３１−１にシリアル通信で転送し、パワーモジュール１２２で電流制御を行なっている。

１はＡＣサーボモートル、２はエンコーダでＡＣサーボモートルのロータの磁極位置を検出する磁極位置センサー２-１と、ＡＣサーボモートルの回転位置を検出する回転位置センサー２-２を、複合的に合わせ持ち、ＡＣサーボモートルに内蔵されている。７は電流制御、８はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御演算部で、それぞれ前向きのループを構成している。１１はＡＣサーボモートル１の電流を検出する電流検出器でインバータ主回路の下アームから電流を検出している。この信号は１０の電流検出回路に送られ、１２−３の加算点で負帰還フィードバックされ、後ろ向きループの電流フィードバックを構成している。この詳細は図４〜６と同様であり、説明を省略する。６は速度演算回路でＡＣサーボモートル１の速度を監視している。９はＡＣサーボモートル１のロータの磁極位置センサー２-１と回転位置センサー２-２を入力して磁極位置を演算する磁極位置演算回路である。７９は暴走防止回路で、比較回路８０、リミッタ回路８１で構成される。リミッタ回路８１の特性は図１０で示すトルク−速度特性で、トルク制御範囲である回転数Ｎ１からＮ２区間であれば出力Ｔbはゼロであり、トルク指令Ｔrefとの加算点１２−４には何ら影響を与えない。

トルク指令Ｔrefに対し、負荷トルクが小さく、例えば巻取機の張力制御中、材料切れして巻取機が暴走状態のときに、回転数Ｎ１からＮ２の範囲外となった時、比較回路８０が動作し、比例制御の速度制御に切り替わり、速度リミッタとして動作し、暴走防止を行なう。

次に、図１１は本発明による別の一実施形態である速度センサーレスべクトルインバータの制御ブロック図である。８４は誘導電動機であり速度センサーは不付きである。パワーモジュール１２２には電流制御ループが２ループあり、トルクに寄与する電流のトルク電流制御と、これに直交する磁束電流制御で７−１、７−２で演算される。８−１はトルク電流制御と磁束電流制御の出力をベクトル合成してＰＷＭ制御を行なうベクトル合成ＰＷＭ制御回路で、１３のドライバ、制御電源回路とインバータ主回路に送られる。電流検出は図９と同様であるが、電流フィードバックはトルク電流成分Itfと磁束電流成分Imfの直交成分の直流量に変換される。それぞれの直流フィードバック電流は、加算点１２−３、１２−５で電流指令リミッタ７１からの出力の２つの電流指令、即ちトルク電流指令Itと磁束電流指令Imと比較されて負帰還制御を構成される。これらの制御は副マイクロプロセッサ３１−１で行なわれ、ロジックプリント基板１１９からの主マイクロプロセッサ３１−２の指令で動作する。磁束制御回路８３の入力の一次角周波数ω１はパワーモジュール１２２のトルク電流制御７−１の出力より検出し、シリアル通信で転送される。ω１は磁束制御回路８３で磁束電流指令Imを演算して、再びパワーモジュール１２２へシリアル通信で転送する。一方すべり角周波数演算回路８２ではパワーモジュール１２２で、電流検出回路１０−１より出力されたトルク電流フィードバックItfをシリアル通信で転送し、トルク電流フィードバックItfに比例したすべり角周波数ωｓを出力し、一次角周波数ω１との差をとり、速度フィードバックωｒ＝ω１−ωｓを演算する。加算点１２−６で速度指令ωｒｅｆと速度フィードバックωｒの差演算を行ない、５−１で速度制御演算が行なわれる。この出力はトルク電流指令Itとして、シリアル通信でパワーモジュール１２２に転送され、速度センサーレスベクトル制御が構成される。

図１２は本発明の別の一実施形態である電源側コンバータ制御装置のパワーモジュール内部構成図を示したものである。電源投入時、電源からの電流は交流電源Ｒ，Ｓ，Ｔより限流抵抗ＲＳ、高調波吸収リアクトルＡＣＬ０、電源協調リアクトルＡＣＬ１を通って、電源側コンバータ主回路１５１のダイオードより整流され平滑コンデンサ２５を充電する。平滑コンデンサ２５に充電完了後、電磁接触器Ｍｇがオンして、以後電磁接触器Ｍｇを通してパワーを供給する。

次に電源側コンバータ主回路１５１のスイッチング素子Ｓu,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓy,Ｓzが、ゲート端子ＧＵ、ＧＶ、ＧＷ、ＧＸ、ＧＹ、ＧＺからオン・オフ信号を受けてＰＷＭスイッチングを開始し、Ｐ−Ｎ間出力電圧が一定電圧になるよう昇圧制御を行ない、電力を電源側Ｒ、Ｓ、Ｔから負荷側Ｐ、Ｎに供給する。また、逆に負荷側Ｐ、Ｎから電源側コンバータ主回路１５１を通してＲ、Ｓ、Ｔ側へ電力が回生された場合でも、Ｐ−Ｎ間電圧が一定電圧になるよう、回生された電力を電源に戻す、すなわち回生動作を行うものである。

このとき、従来は電源側の端子Ｒ-1、Ｓ-1、Ｔ-1の交流側電流を変流器ＣＴで検出し、電流フィードバックを行なっていたが、本実施例では図２と同様、電源側コンバータ主回路１５１のＮ側の電流検出用シャント抵抗ＳＨ１、ＳＨ３のそれぞれの両端電圧で検出する。電流検出については図４のタイムチャート、図５のＡ/Ｄコンバータ電流検出タイムチャートと同様であり、パワーモジュール１５０に電流フィードバック回路が内蔵されている。なお、ＡＣサーボモートルではエンコーダより磁極位置検出を主マイクロプロセッサ３１−２で行なっていたが、それに替わるものとして電源電圧位相を主マイクロプロセッサ３１−２で行い、副マイクロプロセッサ３１−１で補間して求めることは同様である。

図１３は本発明による一実施形態である電源側コンバータ制御装置の全体構成図を示したものである。負荷としてはＡＣサーボモートル制御装置１５５、ＡＣサーボモートル１が接続され、Ｐ−Ｎ間直流電圧が一定電圧に制御されている。図１３で、既に説明したＡＣサーボモートルの場合は、エンコーダフィードバックにより、速度、位置をフィードバックしていたが、電源側コンバータ制御装置では、電源側コンバータ主回路１５１の出力である平滑コンデンサ２５の両端電圧をフィードバックしている。

以上の実施例ではパワーモジュールの入出力を三相交流とするＡＣサーボモートル制御装置で説明したが、単相交流あるいは、単相、三相混在であっても、三相を越える多相交流であっても同様の制御装置で有れば、本発明を同様に適用できる。またＡＣサーボモートル制御装置でなくても電流制御と他の速度制御などが混在している制御系を有するインバータ装置に同様に適用できる（ＡＣサーボモートル制御装置も一種のインバータ装置である）。またダイオード整流器４３が不要の直流受電であっても本発明を同様に適用できる。また、インバータ回路４５をチョッパ回路に置き換えた直流出力で直流電動機を駆動するであっても本発明を同様に適用できる。

また、図１〜図１３の本発明の実施例は、実施例を示すものであって、これに限定されることはなく発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能なことは言うまでもない。

また本発明は、粉塵、綿ボコリが多く、湿度の高い環境でその大きな効果を発揮するが、このような厳しい環境でなくても長期間の使用によって導体間の絶縁は劣化してくるものを本発明によって防止することができ、したがって一般の環境に広く本発明を適用することが出きる。

以上は粉塵、綿ボコリなどの影響で電流制御系が誤動作を起こしたとき、重大な事故などにつながるので、この部分の信頼性を向上することが重要であることを説明してきたが、以上の実施例によれば次の効果も奏する。即ち位置又は速度のフィードバック制御ループは、ユーザなどの要求を入れた制御方法に変更したり制御の制御方法（例えばベクトル制御におけるオートチューニングの方法など）などに変更が生じると、図１に示した記憶手段であるＲＯＭ３４やＥＥＰＲＯＭ５８の記憶内容やその他の制御回路構成を変える必要が生じる。これに対し電流制御制御系や主回路はこのような変更が発生することがほとんどない。したがって電流制御系のみで一体化、あるいは電流制御系と主回路を一体化してひとまとまりにしてモジュール化しておけば、電流制御系の上位で変更が生じても、電流制御系は共通に使用でき、従って量産化に適するようになるという効果がある。

また、以上の実施例によれば、低速タスクであるが全体を管理、使い勝手などの機能を重視するソフトウェアを受け持つ上位専用ＣＰＵと、電流制御の高速応答を実現する高速タスクのソフトウェアを受け持つ電流制御専用ＣＰＵとを設けて、しかも上位専用ＣＰＵ部分とは別にして電流制御専用ＣＰＵが受け持つ電流制御ループ内の処理をモジュール化し、上記上位専用ＣＰＵと電流制御専用ＣＰＵとの間をシリアルデータ伝送している。このシリアルデータ伝送部分は、従来の三相交流モータ用の各相データ（３相データ）から、ベクトル制御の内部信号として得られるＤＣデータ（一般には励磁分（ｄ軸）とトルク分（ｑ軸）であるｄ−ｑ軸２相、但し永久磁石形同期モータの場合は励磁分を制御しないのでId＝０でありｑ軸１相分のみにできる）としてデータ数を少なくし、しかも電動機の磁極位置検出側で検出して上記ＤＣデータと共にシリアル伝送することができる。従って上記実施例によれば電流制御系が纏められたモジュールと上位専用ＣＰＵとのデータ伝送のインターフェースが非常に単純化され、データ伝送の信号本数が少なくなる効果があり、また、これら上位専用ＣＰＵがある上位部分と、電流制御専用ＣＰＵがあるモジュール部分との電気絶縁が容易に行えるという効果もある。これは、例えば制御装置１２２の一部分を一体化してモジュール化する場合に、他の部分（例えば位置制御系と速度制御系の間）でインターフェースを形成するのに比べ、より有利になる。

１…ＡＣサーボモートル、２…エンコーダ、２−１…磁極位置センサー、２−２…回転位置センサー、３…位置制御演算部、４…位置カウンタ回路、５…速度制御演算部、５−１…速度制御演算部、６…速度演算回路、７…電流制御演算部、７−１…トルク電流制御演算部、７−２…磁束電流制御演算部、８…ＰＷＭ制御演算部、８−１…ベクトル合成PWM制御演算部、９…磁極位置演算回路、１０…電流検出回路、１０−１…電流検出回路、１１…電流検出器、１２−１，１２−２，１２−３，１２−４，１２−５，１２−６，１２−７…加算部、１３…ドライバ、制御電源回路及びインバータ主回路、１４…加速度センサー、１５…オーバー速度センサー、１６…右、左側エッジセンサー、１７…保護処理回路、１８…外部保護装置、１９…ロジックプリント基板、２０…ＡＣサーボモートル制御装置、２１…冷却フィン、２２…パワーモジュール、２３…主回路プリント基板、２４、１２４…カバー、２５…平滑コンデンサ、２６…主回路コネクタ、２７…スイッチングトランス、２８…ドライバＩＣ、２９…スイッチング電源ＩＣ、３０…主回路インターフェイスＩＣ、３１…マイクロプロセッサ、３１−１…副マイクロプロセッサ、３１−２…主マイクロプロセッサ、３２…Ａ／Ｄコンバータ、３２−１…Ｕ相Ａ／Ｄコンバータ、３２−２…Ｗ相Ａ／Ｄコンバータ、３３…ゲートアレイ、３４…ＲＯＭ、３５…インターフェイスＩＣ、３６…ＲＡＭ、３７…入出力コネクタ、３８…エンコーダコネクタ、３９…通風孔、４０…主回路コネクタ貫通孔、４１…入出力コネクタ貫通孔、４２…エンコーダコネクタ貫通孔、４３…ダイオード整流器、４４…回生制動回路、４５…インバータ回路、４６…アラーム・ステータスモニタ回路、４７…クロック同期信号異常検出回路、４８…限流抵抗、４９…放電抵抗、５０…サイリスタ、５１…温度検出器、５２−１…増幅器１、５２−２…増幅器２、５３…保護回路、５４…Ｖ／Ｆコンバータ、５５…ＡＮＤゲート、５６…ＯＲゲート、５７…Ｄ形フリップフロップ、５８…不揮発性メモリ、５９…インバータゲート、６０…回生制動用ドライブ回路、６１…サイリスタドライブ回路、６２…ロジック電源回路、６３…フォトカプラ、６４…パワーモジュール内部制御回路、６５…スイッチング電源回路、６６…エンコーダインターフェイス回路、６７…シリアル通信インターフェイス回路、６８…外部インターフェイス回路、６９…アナログ入出力インターフェイス回路、７０…デジタル入出力インターフェイス回路、７１…電流指令リミッタ、７２…制御電源異常検出回路、７３…パワーモジュールロジックプリント基板、７４…取付穴、７５…金属ベース、７９…暴走防止回路、８０…比較回路、８１…リミッタ回路、８２…すべり角周波数演算回路、８３…磁束制御回路、８４…誘導電動機、１１９…ロジックプリント基板、１２０…ＡＣサーボモートル制御装置、１２２…パワーモジュール、１３９…通風孔、１４０…主回路コネクタ貫通孔、１４１…入出力コネクタ貫通孔、１４２…エンコーダコネクタ貫通孔、１５０…パワーモジュール、１５１…電源側コンバータ主回路、１５２…パワーモジュール内部制御回路、１５３…電源側コンバータ制御回路、１５５…ＡＣサーボモートル制御装置、Ｒ１〜Ｒ３…抵抗、ＳＨ１〜ＳＨ３…電流検出用シャント抵抗、Ｍｇ…電磁接触器、Ｒｓ…限流抵抗、ＡＣＬ０…高調波吸収リアクトル、ＡＣＬ１…電源協調リアクトル、Ｃ０…高調波吸収コンデンサ、Ｄu,Ｄv,Ｄw,Ｄx,Ｄy,Ｄz…ダイオード、Ｓu,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓy,Ｓz…スイッチング素子。

Claims (2)

1. 位置または速度のフィードバック制御ループの内側に、前記位置または速度のフィードバック制御ループから得られる電流指令に基づいて電流を制御する電流フィードバック制御ループを有してインバータ主回路のスイッチング素子に駆動信号を供給して、電動機の電流を制御するインバータ制御装置において、
   前記電流フィードバック制御ループを構成する電流制御系に設けられ電流指令の大きさを制限する電流リミッタ回路と、
   前記電流リミッタ回路と、前記位置または速度のフィードバック制御ループ及び前記電流フィードバック制御ループにより構成されるフィードバック制御ループのうちの前記電動機の電流検出点から該検出電流のフィードバック信号を電流指令に加算する加算点までの後ろ向きループの信号導電部分及び前記加算点から前記駆動信号が供給されるスイッチング素子までの前向きループの信号導電部分を含む電流フィードバックループとが外部の雰囲気に触れることなく封じられたパワーモジュールと、
   前記位置または速度フィードバック制御ループを構成し、位置または速度演算制御を行うマイクロプロセッサが実装される基板と、
   前記パワーモジュールが取り付けられる冷却フィンと、
   通風孔が設けられ、前記パワーモジュール及び前記基板を覆うカバーと、を備え、
   前記パワーモジュールは、金属ベース上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に形成された基板とを有し、前記金属ベースが前記冷却フィンに取り付けられることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記パワーモジュールには取付穴が設けられ、この取付穴を介して前記パワーモジュールが前記冷却フィンに取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

Images