JP4551471B2 - モータ駆動装置およびモータ駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置、特にモータ制御部に連携するモータ駆動部として、ＰＷＭ制御を適用したコンバータを有するモータ駆動装置に関する。

工作機械、産業機械、ロボット等を駆動するためのモータ駆動装置においては、交流の入力電力を直流の入力電力に変換するためのコンバータが用いられており、そしてそのコンバータ動作に、パワースイッチング素子によるＰＷＭ制御を適用することにより、入力電流をより正弦波に近づけるという手法（いわゆるＰＷＭコンバータ）が、近年広く採用されるようになってきている。

このような手法においては、コンバータへの入力電流を正弦波に近づけてその高調波成分を低減するという効果が得られるとともに、そのコンバータの入力側交流電圧が一定であっても、コンバータの出力である直流電圧（出力直流電圧）を可変にできるという特徴も有している。

なお後に詳述する本発明に関連する公知技術としては、下記の〔特許文献１〕や〔特許文献２〕がある。

特開平７−２４５９５７号公報 特開平７−２７１１０１号公報

上記〔特許文献１〕においては、コンバータの上記出力直流電圧を可変にできるという上述の技術を利用するものではあるが、この〔特許文献１〕においては、モータの負荷電流によってコンバータの出力直流電圧を変更することにより、そのモータの過負荷によって入力電流が異常に増大することを未然に防止することを特徴とするものである。したがって、後述する本発明の特徴とは根本的に異なる。

また上記〔特許文献２〕においても、モータの回転速度に応じてコンバータの出力直流電圧を変更するようにしてはいるが、その特徴とするところは、モータに流れる高調波電流の減少とモータの回転騒音の低減である。したがって、後述する本発明の特徴とは根本的に異なる。

結局、上記公知技術においては、コンバータの出力直流電圧を変更するものの、モータの効率的運用ということには全く着眼していない。

したがって本発明は、コンバータの出力直流電圧を変更することによって、モータの効率的運用を図ることのできる機能（手段）を備えたモータ駆動装置を提供することを目的とするものである。

またモータの効率的運用が図れるモータ駆動方法を提供する。

本発明のモータ駆動装置は、モータの運転状況を判定する状況判定手段を導入する。この状況判定手段は、モータの運転状況に応じて可変の「直流電圧指令」をコンバータに与え、インバータに印加する、コンバータからの出力直流電圧を可変とするものである。

すなわち、交流の入力電力を直流の電力に変換するためのコンバータ動作に、パワースイッチング素子によるＰＷＭ制御を適用して、変換後の出力直流電圧を、ダイナミックに可変する機能（手段）を備えたモータ駆動装置である。

その着眼は、コンバータの出力直流電圧を変化させるのに要する時間は、一般には、モータの速度、負荷、送りモード等の運転状況が変化する時間よりも十分に短い点にある。この着眼により、その運転状況に応じて、コンバータの出力直流電圧を最適電圧とするように制御することが可能となる。

例えば、工作機械を駆動するサーボ制御装置やスピンドル制御装置の場合、上記の出力直流電圧（ＤＣリンク電圧）が低い場合には、「電圧指令の実分解能が高くなるため、より精密な制御が可能となる」というメリットがあり、また「パワースイッチング素子においてはスイッチングに伴う損失を低減できるので省エネになる」といったメリットもある。

一方、モータの高速回転時にはそのモータへの印加電圧が高くなるため、上記の直流出力電圧（ＤＣリンク電圧）を高くすると、「モータの最大トルクと最大出力を増大させることができる」というメリットがあり、また「モータ端子電圧を下げるための弱め界磁電流を減らすことができるので省エネになる」といったメリットもある。

そこで本発明は、モータの高／低速度、負荷の大小、切削送りか、早送りか等の運転状況に応じて、コンバータの出力直流電圧を可変にすることにより、各運転状態にとってもっともモータ運転効率が良い状態となる出力直流電圧を生成する機能（手段）をもたせるものである。

その出力直流電圧を上げるべきか下げるべきかは、運転状況に応じて要求される特性によって定められるため、１つまたは複数の運転条件を組み合わせて決定し、その出力直流電圧を適宜変更する。

コンバータの出力直流電圧が一定であると出力直流電圧が高い場合に得られるメリットと、出力直流電圧が低い場合に得られるメリットのいずれをも享受することができない。

そこで、モータとモータ駆動装置を含むサーボシステムの特性向上のために、積極的に出力直流電圧を変更する。この出力直流電圧が可変であると、上記出力直流電圧が高い場合に得られるメリットと、上記出力直流電圧が低い場合に得られるメリットとを、ともに享受することが可能となる。

図１は本発明に係るモータ駆動システムの基本構成図である。
本図においてモータ駆動システム１は、数値制御装置２とモータ駆動装置３とに大別して構成される。そしてこのモータ駆動装置３は、指令演算部４からの制御指令を受けるモータ制御部５と、このモータ制御部５によって駆動制御されるモータ駆動部６とを含んでなる。

上記モータ駆動部６は、ＰＷＭコンバータ７とインバータ８とを有して構成され、電源Ｓから電力供給を受けるＰＷＭコンバータ７と、これにＤＣリンクを介して接続するインバータ８とを経て、この駆動部６の駆動対象であるモータ９を最終的に駆動制御する。

ここで特に注目すべき部分は、モータ制御部５内に図示された状況判定手段１０である。この状況判定手段１０は「直流電圧指令」Ｃｄｃ（Command DC Voltage）をＰＷＭコンバータ７に与えるものである。なお、インバータ８には通常の「モータ駆動指令」Ｃｍｄ（Command motor drive）が与えられる。なお状況判定手段１０の配置は、図示する位置に限定するものではない。

より具体的には、ワークに対する加工指令を演算する数値制御装置２と、状況判定手段１０からの直流電圧指令Ｃｄｃにしたがって交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータ７と、モータ制御部５からのモータ印加電圧指令にしたがって直流電力を交流電力に変換してモータ９を駆動するインバータ８と、からモータ駆動システム１が構成される。

なお、上記のＰＷＭコンバータ７とインバータ８からなるモータ駆動部６それ自体は公知の構成であり、これを図２に示す。図２は図１のモータ駆動部６の構成例を示す図である。

図２において、ＰＷＭコンバータ７は電源Ｓより三相交流電力を三相リアクトルＲを介して、ＩＧＢＴ等のパワースイッチング素子ＴＲおよび整流用ダイオードＤの組に受け、出力直流電圧Ｖに変換し、さらに平滑コンデンサＣにより平滑化する。なお、上記の組（ＴＲ，Ｄ）は６組有し、これらにより三相ブリッジ回路を構成する。

ここで本発明のポイントを要約すると、本発明に係るモータ駆動装置３は、まず、（ｉ）交流入力電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータ７と、出力された直流電圧Ｖを交流電圧に変換して負荷となるモータ（Ｍ）９に出力するインバータ８とを有するモータ駆動部６と、（ii）モータ９に対する所定動作を指示する指令演算部４からの指令を受けて、コンバータ７には所定の直流電圧指令Ｃｄｃを与え、一方インバータ８には所定のモータ駆動指令Ｃｍｄを与えるモータ制御部５と、を備えるモータ駆動装置である、そしてここに、モータ９の運転状況を逐次判定する状況判定手段１０を設ける。この状況判定手段１０は、判定した上記の運転状況に応じて直流電圧指令Ｃｄｃを適応的に設定する。さらにこの直流電圧指令Ｃｄｃに従ってコンバータ７からの直流電圧Ｖを可変とするように構成する。

この状況判定手段１０は、判定すべきモータ９の運転状況として、具体的に、モータ動作、モータ速度、モータ加速度、モータ印加電圧およびモータトルクのうちの少なくとも１つを判定対象とする。

したがって、状況判定手段１０は、
・指令演算部４からの指令
・モータ制御部５内での制御状態情報
・インバータ８に入力されるモータ駆動指令
のいずれかに基づいてモータ９の運転状況を判定する。以下に、さらに具体的に説明する。

図３は本発明に基づく基本実施例を表す図である。なお全図を通して、同様の構成要素には同一の参照番号または記号を付して示す。
本図において、モータ制御部５の内部が、具体的に示され、またモータ９の回転角を表すエンコーダ１５も示されている。本図のモータ制御部５においては、図１の状況判定手段１０が電圧指令出力部１１として示されている。

図１の指令演算部４からの、モータの回転「位置指令」は、エンコーダ１５からの「位置帰置」信号とともに位置制御部１２に入力され、モータ９の回転位置制御を行う。モータ９に対する「速度指令」は、エンコーダ１５からの「速度帰還」信号とともに速度制御部１３に入力され、モータ９の回転速度制御を行う。またモータ９に対する「トルク指令」は、インバータ８からの「電流帰還」信号とともに電流制御部１４に入力され、モータ９に対するトルク制御を行う。なお上記の機能部１１（１０），１２，１３および１４は、ハードウェアで構成されても良いし、またソフトウェアで構成されても良い（以下、同様）。以下に、さらに具体的に説明する。

モータ制御部５は上述したような構成となっていて、位置制御、速度制御および電流制御の全部かまたは一部を行う。例えば、指令演算部４から速度指令を受け取って動作する場合は、速度制御と電流制御を行い、トルク指令を受け取って動作する場合は、電流制御を行う。

また、モータの運転状況すなわちモータ動作、モータ速度、モータ加速度、モータ印加電圧およびモータトルクのうちの少なくとも１つに応じた「直流電圧指令」Ｃｄｃを、ＰＷＭコンバータ７へ出力する。

運転状況の判定方法の例としては、モータ動作が早送りか、切削送りか、のみを判定する方法や、モータ動作とモータ印加電圧を組み合わせて、早送りか、切削送りでモータ印加電圧指令Ｃｍｄによる電圧が高いか、切削送りでモータ印加電圧指令Ｃｍｄの電圧が低いか、を判定する方法等がある。

モータ運転状況に応じて直流電圧指令Ｃｄｃを可変とすることにより、以下のようなメリットが得られる。

・ＰＷＭコンバータ７からインバータ８に供給される直流電圧Ｖが低い場合は、モータ駆動（モータ印加電圧）指令Ｃｍｄの実分解能が高くなるため、より精密なモータ制御が可能となる。

・また、パワースイッチング素子ＴＲのスイッチング損失が低減されるので、省エネ効果も生じる。

一方、インバータ８に供給される直流電圧Ｖが高い場合は、モータ印加電圧が高くなる高速領域において、モータ９の最大トルク・最大出力を増大させる効果がある。また、モータ端子電圧を下げるための弱め界磁電流を減らすことができるので、省エネ効果も得られる。

次に図３の基本実施例に基づく第１〜第６実施例について説明する。
図４は第１実施例を示す図である。この第１実施例では、上記の状況判定判定手段１０として、高／低・精度用電圧切換部２１を採用し、モータの動作軌跡に精度を必要としない場合の直流「電圧指令１」と、精度が必要な場合の直流「電圧指令２」をあらかじめ設定しておく。精度が要求される加工か否かに応じて、指令演算部４からの切換え信号Ｃｓｗにより、直流電圧指令Ｃｄｃを高電圧側にまたは低電圧側にそれぞれ切換えて、ＰＷＭコンバータ７に出力する。

概括すると第１実施例での状況判定手段１０（２１）は、指令演算部４からの指令Ｃｓｗが、モータ動作として動作軌跡に精度を要しない指令のときはスイッチＳＷを上側にして直流電圧Ｖを高くするように、一方モータ動作として動作軌跡に精度を必要とする指令のときはスイッチＳＷを下側にして直流電圧Ｖを低くするようにそれぞれ、直流電圧指令Ｃｄｃを設定するようにするものである。

図５は第２実施例を示す図である。この第２実施例では、上記の状況判定手段１０として、切削／早送り用電圧切換部３１（１０）を採用し、送り軸モータの動作軌跡に精度を必要としない早送り動作時の直流電圧指令Ｃｄｃ（切削時よりも高い電圧）と、精度が必要な切削動作時の直流電圧指令Ｃｄｃ（早送り時よりも低い電圧）をあらかじめ設定しておく。指令演算部４からの指令Ｃｍが、早送りか切削かを判定して、その指令に対応した直流電圧指令Ｃｄｃに、スイッチＳＷにて切換え、ＰＷＭコンバータ７に出力する。

概括すると、第２実施例での状況判定手段１０（３１）は、上述したモータ動作として動作軌跡に精度を要しない指令を、モータ９により駆動される送り軸の早送り指令とし、一方上述したモータ動作として動作軌跡に精度を必要とする指令を、その送り軸によるワークの切削指令とするようにするものである。

図６は第３実施例を示す図である。この第３実施例では、上記の状況判定手段１０として、高速／低速用電圧切換部４１（１０）を採用し、指令速度またはフィードバック速度を判定して、モータ９の高速回転時には直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を高くすることにより、モータの最大トルク・最大出力の増大を図り、またその低速回転時には直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を低くする。なお直流電圧指令Ｃｄｃの切換えの際には、チャタリング防止のために、ヒステリシス特性をもたせたり、速度の高低に応じて徐々に速度変化させたりするのが好ましい。

概括すると、第３実施例での状況判定手段１０（４１）は、モータ制御部５内での制御状態情報としてモータ速度を監視し、指令演算部４からの指令によるモータ速度またはモータ９の出力側で検知したフィードバック速度が、所定の速度基準値Ｓｒｅｆよりも大と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを高電圧側に設定し、一方所定の速度基準値Ｓｒｅｆよりも小と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを低電圧側に設定するようにするものである。

図７は第４実施例を示す図である。この実施例では、上記の状況判定手段１０として、高加速度／低加速度用電圧切換部５１（１０）を採用し、指令加速度またはフィードバック加速度を判定して、高加速度で動作する場合には、直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を高くすることにより、モータ９の最大トルクの増大を図り、また低加速度で動作する場合には、直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を低くする。その指令加速度は、加速度演算部５２において、速度指令の差分から算出することができ、またフィードバック加速度はフィードバック速度の差分から算出することができる。なお、直流電圧指令Ｃｄｃの切換えの際には、チャタリング防止のために、ヒステリシス特性をもたせたり、加速度の高低に応じて徐々に加速度変化させたりするのが好ましい。

概括的には、状況判定手段１０（５１）は、モータ制御部５内での制御状態情報としてモータ加速度を監視し、指令演算部４からの指令に起因するモータ加速度またはモータ９の出力側で検知したフィードバック加速度が、所定の加速度基準値Ａｒｅｆよりも大と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを高電圧側に設定し、一方所定の加速度基準値Ａｒｅｆよりも小と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを低電圧側に設定するようにするものである。

図８は第５実施例を示す図である。この実施例では、上記の状況判定手段１０として、モータ・高電圧／低電圧用電圧切換部６１（１０）を採用してモータ駆動（モータ印加電圧）指令Ｃｍｄを判定し、モータ９に高い電圧を印加する場合には、直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を高くして、指令どおりのモータ電圧を印加し、また低い電圧を印加する場合には、直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を低くする。なお、直流電圧指令Ｃｄｃの切換えの際には、チャタリング防止のためにヒステリシス特性をもたせたり、モータ９への印加電圧の高低に応じて徐々に印加電圧を変化させたりするのが好ましい。

概括的には、状況判定手段１０（６１）は、モータ制御部５内での制御状態情報としてモータ印加電圧を監視し、指令演算部４からの指令に起因するモータ印加電圧が、所定の印加電圧基準値Ｖｒｅｆよりも大と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを高電圧側に設定し、一方所定の印加電圧基準値Ｖｒｅｆよりも小と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを低電圧側に設定するようにするものである。

図９は第６実施例を示す図である。この第６実施例では、上記の状況判定手段１０として、高トルク／低トルク用電圧切換部７１（１０）を採用してトルク指令を判定し、またはフィードバック電流のトルク発生成分電流判定部７２で判定し、モータ９のトルクが大きい場合には、直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を高くし、またそのトルクが小さい場合には、直流電圧指令Ｃｄｃの電圧を低くする。なお、直流電圧指令Ｃｄｃの切換えの際には、チャタリング防止のために、ヒステリシス特性をもたせたり、モータトルクの大小に応じて徐々にトルク変化させたりするのが好ましい。

概括的には、状況判定手段１０（７１，７２）は、モータ制御部５内での制御状態情報としてモータトルクを監視し、指令演算部４からの指令に起因するモータトルクまたはインバータ８からのフィードバック電流のトルク発生成分電流が、所定のトルク基準値Ｔｒｅｆまたはトルク成分電流基準値Ｉｒｅｆよりもそれぞれ大と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを高電圧側に設定し、一方小と判定したときは直流電圧指令Ｃｄｃを低電圧側に設定するようにするものである。

この場合、上記のフィードバック電流のトルク発生成分電流は、このフィードバック電流の有効電流成分である。

最後に、本発明に係るモータ駆動方法について述べる。この方法は、交流入力電圧を直流電圧Ｖに変換して出力するコンバータ７と、出力された直流電圧Ｖを交流電圧に変換して負荷となるモータ９に出力するインバータ８とを有するモータ駆動部６と、モータ９に対する所定動作を指示する指令演算部４からの指令を受けて、コンバータ７には所定の直流電圧指令Ｃｄｃを与え、一方インバータ８には所定のモータ駆動指令Ｃｍｄを与えるモータ制御部５とを備えるモータ駆動装置３における、モータ駆動方法であり、図１０は、このモータ駆動方法の工程を表すフローチャートである。

本図において、
ステップＳ１１：モータ９の運転状況を逐次取得する工程である。
ステップＳ１２：逐次取得したモータ９の運転状況の属性を判定する工程である。
ステップＳ１３／Ｓ１４：判定した運転状況の属性に応じて、直流電圧指令Ｃｄｃを高電圧側（Ｓ１３）または低電圧側（Ｓ１４）に設定する工程である。
ステップＳ１５：高／低いずれかに設定された直流電圧指令Ｃｄｃをコンバータ７に与える工程である。

なお、上記の属性判定工程Ｓ１２において判定すべき運転状況の属性とは、モータ動作、モータ速度、モータ加速度、モータ印加電圧およびモータトルクのうちの少なくとも１つのことである。

また上記のモータ運転状況取得工程Ｓ１１においては、指令演算部４からの指令Ｃｍか、モータ制御部５内での制御状態情報か、インバータ８に入力されるモータ駆動指令Ｃｍｄのいずれかを取得するようにする。

なお、上述の工程を実施する位置制御部１２、速度制御部１３、電流制御部１４、状況判定手段１０（１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１／７２）での各処理は、別々の割り込み処理として実行され、当該割り込み信号が発生する毎に実行される。

以上述べたとおり本発明によれば、モータ９の速度、負荷、モータ（早送り／切削送り）等の運転状況に応じて、最も運転効率の良い電力をモータ９に提供することができる。

本発明に係るモータ駆動装置のシステム構成図である。 図１のモータ駆動部６の構成例を示す図である。 本発明に基づく基本実施例を表す図である。 本発明に基づく第１実施例を表す図である。 本発明に基づく第２実施例を表す図である。 本発明に基づく第３実施例を表す図である。 本発明に基づく第４実施例を表す図である。 本発明に基づく第５実施例を表す図である。 本発明に基づく第６実施例を表す図である。 本発明に基づくモータ駆動方法の工程を表すフローチャートである。

符号の説明

３ モータ駆動装置
４ 指令演算部
５ モータ制御部
６ モータ駆動部
７ ＰＷＭコンバータ
８ インバータ
９ モータ
１０ 状況判定手段
１１ 電圧指令出力部
１２ 位置制御部
１３ 速度制御部
１４ 電流制御部
２１ 高／低・精度用電圧切換部
３１ 切削／早送り用電圧切換部
４１ 高速／低速用電圧切換部
５１ 高加速度／低加速度用電圧切換部
５２ 加速度演算部
６１ モータ・高電圧／低電圧用電圧切換部
７１ 高トルク／低トルク用電圧切換部
７２ 電流判定部

Claims (2)

1. 交流入力電圧を直流電圧に変換して出力するコンバータと、前記出力された直流電圧を交流電圧に変換して負荷となるモータに出力するインバータとを有するモータ駆動部と、
   前記モータに対する所定動作を指示する指令演算部からの指令を受けて、前記コンバータには所定の直流電圧指令を与え、一方前記インバータには所定のモータ駆動指令を与えるモータ制御部と、を備えるモータ駆動装置において、
   前記指令演算部からの指令が、前記モータ動作として動作軌跡に精度を要しない指令のときは前記直流電圧を高くし、一方前記モータ動作として動作軌跡に精度を必要とする指令のときは前記直流電圧を低くするように、前記直流電圧指令を設定することを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記モータ動作として動作軌跡に精度を要しない指令は、前記モータにより駆動される送り軸の早送り指令であり、一方前記モータ動作として動作軌跡に精度を必要とする指令は、前記送り軸によるワークの切削指令であることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。

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