JP4847597B2 - 電源回生動作モードの切替機能を有するモータ駆動装置 - Google Patents

電源回生動作モードの切替機能を有するモータ駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、交流入力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部とその直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換してモータを駆動するＤＣ／ＡＣ変換部とを備え、ＡＣ／ＤＣ変換部が電源回生動作時における動作モードを切り替える機能を有するモータ駆動装置に関する。
工作機械や産業機械、ロボット等を駆動するモータ制御装置において、交流の入力電力を直流の電力に変換するためのＡＣ／ＤＣ変換動作に、パワースイッチング素子によるＰＷＭ制御を適用して、入力電流をより正弦波に近づける手法（ＰＷＭコンバータ）が使用される場合がある。
このＰＷＭコンバータ方式は、「入力電流の高調波成分を低減できる」、「出力直流電圧を可変にできる」等のメリットがある。しかしながら、モータの減速制御時などにモータにおいて発生するエネルギを電源に回生する電源回生動作時においては、ＰＷＭ制御では、パワー素子のスイッチングに伴う発熱が、後述の１２０°通電方式電源回生と比べると大きくなる面も持っている。
そのため、ＰＷＭコンバータの負荷が大きくなると、従来では過熱保護のためシステムを停止する必要があった。
一方、電源回生のために従来から広く採用されている１２０°通電方式は、３相の電源の中で最も電圧が高い相と、最も電圧が低い相の間に回生電流を流し込む様に、６つのスイッチの内、２つのスイッチをＯＮするだけの方式である（下記引用文献２参照）。この方式は、ＰＷＭコンバータ方式と比較しスイッチング回数が少ないのでＰＷＭコンバータ方式と比べるとパワー素子の発熱は小さい。しかしながら、パルス状の大電流が一気に流れるため、電流入力に含まれる高調波が大きい、また出力直流電圧が急変してモータの制御に副作用を与える等の問題がある。なお、特許文献１には、力行時にスイッチング損失をなくすためにダイオード整流モードで運転し、回生時のみＰＷＭコンバータ制御を行うことが記載されている。
特開平８−２２８４９０号公報 特開平６−６２５８４号公報
したがって本発明の目的は、回生時のみまたは力行時においても、入力電流の高調波成分低減のためにＰＷＭコンバータ方式が採用されている場合に、コンバータへの負荷が過大となっても運転を継続することが可能なモータ駆動装置を提供することにある。
本発明によれば、電源からの交流入力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、前記直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換してモータを駆動するＤＣ／ＡＣ変換部を具備するモータ駆動装置であって、前記ＡＣ／ＤＣ変換部は、整流ダイオードと、該整流ダイオードに逆並列に接続されたトランジスタと、前記トランジスタを、指令値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ（パルス幅変調）信号で制御する第１の電源回生制御部と、前記モータが発生するエネルギを電源に回生する電源回生動作時において、最大の電位を示す相と最小の電位を示す相の間に回生電流を流すように前記トランジスタを制御する第２の電源回生制御部と、前記電源回生動作時における前記トランジスタの制御を前記第１の電源回生制御部による制御と前記第２の電源回生制御部による制御との間で切り替える電源回生動作切り替え部とを含むモータ駆動装置が提供される。
前記電源回生動作切り替え部は、例えば、電源回生動作時における前記ＡＣ／ＤＣ変換部の負荷を表わすパラメータの値が所定値以下である間は前記第１の電源回生制御部による制御を選択し、前記パラメータの値が所定値を超えたとき、第２の電源回生制御部による制御に切り替える。
前記パラメータは、例えば前記ＡＣ／ＤＣ変換部に含まれるパワー素子の温度または該パワー素子が取り付けられた放熱器の温度である。
或いはまた、前記パラメータは、前記電源と前記ＡＣ／ＤＣ変換部の間に流れる電流から決定される、前記ＡＣ／ＤＣ変換部に含まれるパワー素子の負荷の推定値である。
電源回生動作時におけるＡＣ／ＤＣ変換部の負荷が所定値を超えたときにトランジスタの制御を第１の電源回生制御部による制御、すなわちＰＷＭ制御から、第２の電源回生制御部による制御、すなわち発熱の少ない１２０°通電制御（３相の場合）に切り替えることで運転を継続することができる。
本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示す図である。 ＰＷＭ制御を説明する波形図である。 １２０°通電方式の電源回生制御を説明する波形図である。 １２０°通電方式への切り替えによる運転の続行を説明するグラフである。 図１の回生動作切替部２０の動作のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動装置を示す図である。 図６の回生動作切替部２０′の動作のフローチャートである。
図１は本発明の第１の実施形態に係り、電源回生動作モードを切り替える機能を有するモータ駆動装置のＡＣ／ＤＣ変換部（コンバータ）の構成を示す。ＤＣ／ＡＣ変換部（インバータ）については図示を省略する。
図１において、コンバータ１０は主回路部１６と制御部１２とで構成される。制御部１２に設けられるＰＷＭ制御部１４は、主回路部１６の６つの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタＡ〜Ｆに対して、図２を参照して説明されるＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行うためのＰＷＭ信号を生成する。１２０°通電制御部１８は、図３を参照して説明される１２０°通電方式の電源回生制御を行うための制御信号を生成する。温度検出素子２４は、整流ダイオードおよびトランジスタＡ〜Ｆなどのパワー素子がその上に取り付けられる放熱器２２の温度を測定するために設けられている。回生動作切替部２０は、図４および図５を参照して説明されるように、温度検出素子２４が検出する温度からパワー素子の負荷状況を推定し、その結果として必要があればトランジスタＡ〜Ｆに与える制御信号を、ＰＷＭ制御部１４からのＰＷＭ信号から、１２０°通電制御部１８からの制御信号に切り替える。
図２はＰＷＭ制御部１４において行なわれるＰＷＭ制御を説明する波形図である。図２の（ａ）欄は３相交流電源２８からコンバータ１０へ３相交流を供給する３本の電源線Ｌ１〜Ｌ３のうちの電源線Ｌ１上の電圧波形を示す。（ｂ）欄は（ａ）欄の電源電圧から決定される正弦波状のＰＷＭ電圧指令３０と、それからＰＷＭ電圧指令に応じたパルス幅のＰＷＭ信号を生成するための三角波３２を示す。ＰＷＭ制御部１４におけるＰＷＭ制御においては、ＰＷＭ電圧指令３０とＰＷＭ搬送波３２とが比較され、ＰＷＭ電圧指令の方が大きいときは電源線Ｌ１に接続されているトランジスタＡがオフに、トランジスタＤがオンにされる。ＰＷＭ電圧指令がＰＷＭ搬送波よりも小さいときはトランジスタＡがオンに、トランジスタＤがオフに制御される。電源線Ｌ２に接続されているトランジスタＢ，Ｅおよび電源線Ｌ３に接続されているトランジスタＣ，Ｆについても同様な制御が行なわれる。
トランジスタＡ〜Ｆをこの様に制御することで、電源線Ｌ１〜Ｌ３を流れる電流の波形は図２の（ｃ）欄に示すように正弦波に近づく。また、ＤＣリンク２６の電圧とその目標電圧との差に応じてＰＷＭ電圧指令３０の振幅を変えることでコンバータ１０が出力する直流の電圧を制御することができる。一方、デメリットとして、トランジスタＡ〜Ｆのスイッチングが頻繁に行なわれるので、パワー素子、特に電源回生時のトランジスタＡ〜Ｆの発熱が大きい。
図３は電源回生時において、１２０°通電制御部１８において行なわれる１２０°通電方式の電源回生制御を説明するための図である。コンバータ１０が電源回生動作をしているか力行動作をしているかは、コンバータ２２とインバータ（図示せず）を接続するＤＣリンク２６の電圧を検出することで判定することができる。図３の（ａ）欄は図２の（ａ）欄と同様に電源線Ｌ１上の電圧波形を示す。図示されていないが、電源線Ｌ２およびＬ３上にはこれよりも位相がそれぞれ１２０°および２４０°シフトした電圧が現われる。（ｂ）欄はトランジスタＡに与えられる制御信号を示す。（ｂ）欄に示されるように、トランジスタＡには３本の電源線Ｌ１〜Ｌ３のうち電源線Ｌ１上の電位が最も高くなる期間においてトランジスタＡをオンにする制御信号が与えられる。（ｃ）欄および（ｄ）欄にそれぞれ示されるようにトランジスタＢおよびトランジスタＣには、電源線Ｌ２および電源線Ｌ３上の電位が最も高くなる期間においてトランジスタＢおよびトランジスタＣをそれぞれオンにする制御信号が与えられる。
（ｅ）欄はトランジスタＤに与えられる制御信号を示す。（ｅ）欄に示されるように、トランジスタＤには３本の電源線Ｌ１〜Ｌ３のうち電源線Ｌ１上の電位が最も低くなる期間においてトランジスタＤをオンにする制御信号が与えられる。（ｆ）欄および（ｇ）欄にそれぞれ示されるようにトランジスタＥおよびトランジスタＦには、電源線Ｌ２および電源線Ｌ３上の電位が最も低くなる期間においてトランジスタＥおよびトランジスタＦをそれぞれオンにする制御信号が与えられる。
電源回生制御時にトランジスタＡ〜Ｆをこの様に制御することで、３相交流電源の３相の中で最大の電位を示す相と最小の電位を示す相の間に回生電流が流し込まれる。図３の（ｈ）欄はこのときの電源線Ｌ１に流れる電流の波形を示す。この様に、１２０°通電方式の電源回生制御では入力電流に含まれる高調波が大きく、また、コンバータが出力する直流の電圧が急変してモータの制御に副作用を与える等の問題がある。しかしながらトランジスタＡ〜Ｆのスイッチングの回数はＰＷＭ制御の場合と比べてはるかに少ないので、パワー素子の発熱が小さいというメリットがある。
したがって、通常の動作においてはＰＷＭ制御を選択して高調波を抑制し、回生電流によるコンバータの負荷が過大となったら１２０°通電方式に切り替えることでシステム停止を回避して運転を続行することができる。
図１に示した実施形態では、温度検出素子２４が検出する温度からパワー素子の負荷を推定する。図４に示すように、検出温度がシステム停止レベルに達するとシステム停止となる。しかしそれよりも前に、システム停止レベルよりも低い動作切り替え設定値に達した時点で１２０°通電方式の回生動作に切り替えることで運転を続行することができる。回生動作切替部２０による自動的な切替に加えて、装置外部から与えられる信号により切り替えるようにしても良い。
図５はこの制御を実現する回生動作切替部２０の動作を示すフローチャートである。図５において、ＰＷＭモードで回生動作中において（ステップ１０００）、放熱器２２の温度を検出する温度検出素子２４が検出する温度からパワー素子の負荷状況を推定し（ステップ１００２）、検出温度が動作切替設定値を超えていてパワー素子の負荷状況が動作モード切替レベル以下であると推定されるときは（ステップ１００４）、ＰＷＭモードによる制御を維持する（ステップ１００６）。動作モード切替レベルを超えていると推定されるときはＰＷＭ制御から１２０°通電方式による電源回生制御に切り替える（ステップ１００８）。
図６は本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を示し、図７は第２の実施形態における回生動作切替部２０′の動作のフローチャートである。
第１の実施形態において温度検出素子２４が検出する温度からパワー素子の負荷状況を推定することに代えて、第２の実施形態では、電源線Ｌ１〜Ｌ３に設けられた電流センサ３４，３６，３８が検出する電流値からパワー素子の負荷状況を推定する。すなわち例えば、電流センサ３４，３６，３８が検出する電流から決定される、パワー素子に流れる電流の値をＩ(n)、パワー素子の負荷の推定値をＱ(n)とするとき、漸化式
Ｑ(o)＝０
Ｑ(n)＝ａ1・Ｑ(n-1)＋ａ2・Ｉ2 (n) （ｎ＝１，２，…）
よりＱ(n)を決定する（ステップ１１０２）。ただし、ａ1，ａ2はそれぞれ０＜ａ1＜１および０＜ａ2の定数である。パワー素子の負荷の推定値Ｑ(n)が動作モード切替レベル以下であると推定されるとき（ステップ１１０４）、ＰＷＭモードによる制御を維持し（ステップ１１０６）、動作モード切替レベルを超えているときはＰＷＭ制御から１２０°通電方式による電源回生制御に切り替える（ステップ１１０８）。

Claims (4)

  1. 電源からの交流入力電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、前記直流電圧を周波数可変の交流電圧に変換してモータを駆動するＤＣ／ＡＣ変換部を具備するモータ駆動装置であって、前記ＡＣ／ＤＣ変換部は、
    整流ダイオードと、
    該整流ダイオードに逆並列に接続されたトランジスタと、
    前記トランジスタを、指令値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ（パルス幅変調）信号で制御する第１の電源回生制御部と、
    前記モータが発生するエネルギを電源に回生する電源回生動作時において、最大の電位を示す相と最小の電位を示す相の間に回生電流を流すように前記トランジスタを制御する第２の電源回生制御部と、
    前記電源回生動作時における前記トランジスタの制御を前記第１の電源回生制御部による制御と前記第２の電源回生制御部による制御との間で切り替える電源回生動作切り替え部とを含み、
    前記電源回生動作切り替え部は、前記電源回生動作時における前記ＡＣ／ＤＣ変換部の負荷を表わすパラメータの値がシステム停止レベルより低い動作切り替え設定値以下である間は前記第１の電源回生制御部による制御を選択し、前記パラメータの値が前記動作切り替え設定値を超えたとき、前記第２の電源回生制御部による制御に切り替えるモータ駆動装置。
  2. 前記電源回生動作切り替え部は、外部から供給される信号に応答して前記切り替えを行う請求項１記載のモータ駆動装置。
  3. 前記パラメータは、前記ＡＣ／ＤＣ変換部に含まれるパワー素子の温度または該パワー素子が取り付けられた放熱器の温度である請求項１または２記載のモータ駆動装置。
  4. 前記パラメータは、前記電源と前記ＡＣ／ＤＣ変換部の間に流れる電流から決定される、前記ＡＣ／ＤＣ変換部に含まれるパワー素子の負荷の推定値である請求項１または２記載のモータ駆動装置。
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