JP5026553B2

JP5026553B2 - Ａｃ／ｄｃコンバータの変換動作モードを動的に切替える機能を有するモータ駆動装置

Info

Publication number: JP5026553B2
Application number: JP2010099126A
Authority: JP
Inventors: 友和吉田; 隆原田; 眞一堀越; 平輔岩下
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-04-22
Also published as: CN102237846A; US8624538B2; JP2011229342A; DE102011016931B4; DE102011016931A1; CN102237846B; US20110260662A1

Description

本発明は、交流電源から電力を入力してモータを駆動するモータ駆動装置に関し、より詳細には、モータが力行運転状態にあるときにＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードを動的に切替える機能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モータに対するモータ駆動装置において、入力交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換動作の方式には、ＰＷＭコンバータ方式とダイオード整流方式とがある。

ＰＷＭコンバータ方式は、パワースイッチング素子によるＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御を適用して、入力電流をより正弦波に近づける手法である。このＰＷＭコンバータ方式には、入力電流の高調波成分を低減することができる、出力直流電圧を可変にすることができる、等の長所があるものの、パワースイッチング素子のスイッチングに伴う発熱がダイオード整流方式と比べて大きくなる短所も存在する。

一方、ダイオード整流方式は、従来から広く採用されている方式であり、電源からの交流入力をダイオードブリッジ回路に通すことで整流を実現する方式である。この方式では、ＰＷＭコンバータ方式とは逆に、入力に含まれる高調波成分が大きい、出力直流電圧は入力交流電圧の波高値で決まってしまう、等の制約はあるものの、スイッチングを行わないのでＰＷＭコンバータ方式と比べてパワースイッチング素子の発熱は小さくなる。

モータの減速エネルギーを電源側に戻す回生運転状態においては、ＰＷＭコンバータ方式の場合、その制御は力行運転状態における制御と特に違いはなく、電流の位相が電圧の位相と逆となる様にスイッチング素子を制御すればよい。一方、ダイオード整流方式の場合、電源の回生は、ダイオードではなく、ダイオードに逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor：絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ）等の素子を通じて行われる。

現状、回生方式としては、三相の電源の中で最も電圧が高い相と最も電圧が低い相との間に回生電流を流し込む様に、６個のスイッチの内、２個のスイッチだけをオンする方式が取られている。なお、一般に、この回生方式は１２０°通電方式電源回生と呼ばれている。その結果、パルス状の大電流が一気に流れてしまい、ノイズ成分が大きい、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。

下記の特許文献１には、モータを力行運転するときにダイオード整流方式とＰＷＭコンバータ方式との二つの動作モードの内のいずれかを設定する技術が開示されている。しかし、この技術では、力行運転時における動作モードは固定されており、ＰＷＭコンバータ方式又はダイオード整流方式のいずれか一方の動作しか行われない。

上述のように、ＰＷＭコンバータ方式には、パワースイッチング素子の発熱が増加するという問題があり、一方、ダイオード整流方式には、入力電流の高調波成分が大きい、回生開始時に流れる大電流による副作用がある、等の問題がある。また、電源への高調波電流を抑制するためにＰＷＭコンバータ方式が適用される場合がある。しかし、ＰＷＭコンバータ動作の途中で負荷が大きくなったときには、過熱保護のためにシステムを停止する必要がある。

特開平８−２２８４９０号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、通常運転時にあっては入力高調波成分を抑制する一方、過負荷運転時にあってはシステムの停止を回避して運転の継続を可能とするようにＡＣ／ＤＣ変換を行うモータ駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、交流電源から電力を入力してモータを駆動するモータ駆動装置であって、直並列に接続された複数のパワースイッチング素子をＰＷＭ制御することにより入力交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータ動作モードと、該複数のパワースイッチング素子の各々に対してそれぞれ逆並列接続された複数のダイオードにより入力交流電圧を直流電圧に変換するダイオード整流動作モードと、を変換動作モードとして有するＡＣ／ＤＣコンバータと、モータが力行運転状態にあるときに、負荷に応じて該ＡＣ／ＤＣコンバータの該変換動作モードを動的に切替えるコンバータ制御部と、を具備するモータ駆動装置が提供される。

一つの好適な態様では、該負荷を検出する負荷検出部が更に具備され、該コンバータ制御部は、該負荷検出部によって検出された負荷が所定のレベル以下の場合に該ＡＣ／ＤＣコンバータを該ＰＷＭコンバータ動作モードで動作させ、該負荷が所定のレベルを超えた場合に該ＡＣ／ＤＣコンバータを該ダイオード整流動作モードで動作させる。

そして、該負荷検出部は、該パワースイッチング素子の温度又は該パワースイッチング素子が取付けられた放熱器の温度を該負荷として検出する。あるいは、該負荷検出部は、該パワースイッチング素子を流れる電流を検出し、該電流を積算した値を該負荷とする。

本発明によるモータ駆動装置においては、モータが力行運転状態にあるときに、負荷に応じてＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードがＰＷＭコンバータ動作モードからダイオード整流動作モードへと動的に切替え可能となる。そのため、通常運転時にあっては入力高調波成分が抑制される一方、過負荷運転時にあってはパワースイッチング素子の発熱が抑制されることでシステムの停止が回避されて継続運転が可能となる。

本発明によるモータ駆動装置の一実施形態を示すブロック図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、ＡＣ／ＤＣコンバータが、それぞれ、ダイオード整流動作モード及びＰＷＭコンバータ動作モードで動作するときの入力電流波形を示す図である。従来技術と本発明とを比較して示す図である。力行運転時に負荷に応じてＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードを切替えることによりシステム停止を回避する様子を示す図である。コンバータ制御部による力行運転時の制御を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明によるモータ駆動装置の一実施形態を示すブロック図である。このモータ駆動装置は、商用の三相交流電源１０２から電力を入力してモータ１０４を可変速駆動する装置であって、インバータ１０６、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８、及びコンバータ制御部１２０を含む。インバータ１０６は、例えば、三相電圧形ＰＷＭインバータであり、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８によって生成された直流電力をモータ制御に適した交流電力に変換する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８は、直並列に接続された６個のパワー半導体素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、及びＦと、平滑コンデンサ１１０と、を含む。各パワー半導体素子は、自己消弧可能な半導体パワースイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor：絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ）と、そのＩＧＢＴに逆並列接続されたダイオードと、を含む。すなわち、ダイオードのカソードとトランジスタのコレクタとが接続されるとともに、ダイオードのアノードとトランジスタのエミッタとが接続されている。これらのパワー半導体素子は、放熱器１１２に取付けられている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８には、放熱器１１２の温度を検出する温度検出素子１１４が設けられている。また、三相交流電源１０２からの各相（Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相）の入力電流を検出する電流検出素子１１６Ｒ、１１６Ｓ、及び１１６Ｔ（任意の素子を符合１１６で示す）が設けられている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８は、その変換動作モードとして、ＰＷＭコンバータ動作モードとダイオード整流動作モードとを有する。ＰＷＭコンバータ動作モードは、ＩＧＢＴ部がＰＷＭ制御を受けることにより入力交流電圧を直流電圧に変換するモードである。一方、ダイオード整流動作モードは、ＩＧＢＴ部が全てオフとされ、ダイオード部が三相ブリッジ整流回路として入力交流電圧を直流電圧に変換するモードである。

コンバータ制御部１２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードを制御する。モータ１０４の減速時にインバータ１０６から供給される電力を入力電源１０２に戻す回生運転時には、コンバータ制御部１２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８をＰＷＭコンバータ動作モードで動作させる。つまり、回生運転時、コンバータ制御部１２０は、三相交流電源１０２の各相電圧すなわちＲ相電圧、Ｓ相電圧、及びＴ相電圧のうち、電位が最大である相と繋がっているＩＧＢＴと、電位が最小である相と繋がっているＩＧＢＴとをオンし、その他のＩＧＢＴをオフする制御を行う。

一方、入力電源１０２から供給される電力をインバータ１０６へ供給する力行運転時には、コンバータ制御部１２０は、負荷に応じてＰＷＭコンバータ動作モード又はダイオード整流動作モードを選択することにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードを動的に切替える制御を行う。

ダイオード整流動作による力行運転では、パワー半導体素子Ａ〜Ｆにおいて、ＩＧＢＴ部への指令は常にオフ状態とされ、ダイオード部のみでＡＣ／ＤＣ変換が行われる。一方、ＰＷＭコンバータ動作による力行運転では、パワー半導体素子Ａ〜ＦのＩＧＢＴ部及びダイオード部でＡＣ／ＤＣ変換が行われ、ＩＧＢＴ部への指令としてＰＷＭ指令が与えられる。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８が、それぞれ、ダイオード整流動作モード及びＰＷＭコンバータ動作モードで動作するときの入力電流波形を示す図である。図２（Ａ）に示されるように、ダイオード整流動作モード時の入力電流波形は、パワー半導体素子のダイオード部のみ通電するＡＣ／ＤＣ変換動作のため、１２０°毎にダイオードの通電箇所が移り変わる波形となる。このとき、パワー半導体素子のＩＧＢＴ部への指令は常にオフ状態とされている。一方、図２（Ｂ）に示されるように、ＰＷＭコンバータ動作モード時の入力電流波形は、パワー半導体素子のＩＧＢＴ部にＰＷＭ指令を与えて入力電流を制御するＡＣ／ＤＣ変換動作のため、正弦波形となる。

図３は、従来技術と本発明とを比較して示す図である。従来技術では、力行運転時のＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードは、ダイオード整流動作モード又はＰＷＭコンバータ動作モードのいずれか一方に固定される。ダイオード整流動作モードの場合には、入力に含まれる高調波が大きい、出力直流電圧は入力交流電圧の波高値で決まる、といった問題がある。一方、ＰＷＭコンバータ動作モードの場合、入力電流の高調波を低減することができる、出力直流電圧を可変にすることができる、という利点がある反面、パワー半導体素子の発熱が増加する、といった問題がある。

このような従来技術に対し、本発明では、力行運転時のＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードは、ダイオード整流動作モード又はＰＷＭコンバータ動作モードのいずれか一方に固定されることなく、負荷条件に応じて動的に切替えられる。そのため、システムの停止が回避され、連続運転が可能になる。

図４は、力行運転時に負荷に応じてＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードを切替えることによりシステム停止を回避する様子を示す図である。図４においては、横軸はモータ負荷を示し、縦軸は放熱器等の温度を示す。従来技術では、力行運転時にＡＣ／ＤＣコンバータの変換動作モードを動的に切替えることができないため、負荷が増大して放熱器の温度やパワー半導体素子の推定温度がアラームレベルに達した場合、システムの停止に至る。

これに対し、本発明は、アラームレベルよりも下に変換動作モード切替えレベルを設ける。この変換動作モード切替えレベルは、放熱器の温度及びパワー半導体素子の推定温度のそれぞれに対して設定されてもよいし、いずれか一方に対してでもよい。そして、コンバータ制御部１２０は、変換動作モード切替えレベルとそのような温度データとを比較することで、力行運転時のＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードを切替える必要があるか否かを判定する。

すなわち、コンバータ制御部１２０は、ＰＷＭコンバータ動作モードによる動作中に負荷の増大に伴い温度データが変換動作モード切替えレベルに達すると、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードをダイオード整流動作モードに切替える。このような操作を行うことで、更なる温度上昇が抑制され、過熱防止のためのシステム停止の必要性が排除される。

上述の制御を実現するため、図１に示されるように、コンバータ制御部１２０は、放熱器温度測定部１２２、素子温度推定部１２４、過負荷判定部１２６、変換動作モード切替え判定部１２８、及びＩＧＢＴ指令部１３０を備える。これらの動作については、図５を参照しつつ説明する。

図５は、コンバータ制御部１２０による力行運転時の制御を示すフローチャートである。まず、ＩＧＢＴ指令部１３０が、初期設定で選択された変換動作モードでＡＣ／ＤＣコンバータ１０８を動作させる（ステップ５０２）。すなわち、ダイオード整流動作モードの場合、ＩＧＢＴ指令部１３０は、パワー半導体素子Ａ〜ＦのＩＧＢＴ部へ“０”（オフ状態）指令を送る。一方、ＰＷＭコンバータ動作モードの場合、ＩＧＢＴ指令部１３０は、パワー半導体素子Ａ〜ＦのＩＧＢＴ部へＰＷＭ指令を送る。

次いで、放熱器温度測定部１２２が、温度検出素子１１４の出力に基づいて放熱器１１２の温度を測定し、過負荷判定部１２６が、測定された放熱器１１２の温度と所定の変換動作モード切替えレベルとを比較することにより、放熱器１１２の温度が変換動作モード切替えレベル以下か否かを判定する（ステップ５０４）。

また、素子温度推定部１２４が、電流検出素子１１６による入力電流検出値を積算することによりパワー半導体素子の温度を推定し、過負荷判定部１２６が、その推定温度と所定の変換動作モード切替えレベルとを比較することにより、パワー半導体素子の推定温度が変換動作モード切替えレベル以下か否かを判定する（ステップ５０６）。

ステップ５０４の判定結果がＹＥＳの場合及びステップ５０６の判定結果がＹＥＳの場合、変換動作モード切替え判定部１２８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードを切替える必要はないとの判定を行う（ステップ５０８）。

一方、ステップ５０４の判定結果がＮＯの場合又はステップ５０６の判定結果がＮＯの場合、変換動作モード切替え判定部１２８は、現在、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードはＰＷＭコンバータ動作モードであり、それをダイオード整流動作モードに切替える必要があるとの判定を行い、その旨をＩＧＢＴ指令部１３０に指示し、その指示を受けたＩＧＢＴ指令部１３０が、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードをダイオード整流動作モードへ切替える（ステップ５１０）。

このように、本実施形態は、過負荷となって温度が上昇した場合に、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８の変換動作モードをダイオード整流動作モードに切替えることで、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０８において発生する熱損失を低減し、更なる温度上昇を抑制し、過熱防止のためのシステム停止の必要性を排除する。

以上、本発明の実施形態について述べてきたが、もちろん本発明はこれに限定されるものではなく、様々な実施形態を採用することが可能である。例えば、パワー半導体素子が取付けられた放熱器の温度を検出する代わりに、パワー半導体素子それ自体の温度を検出するようにしてもよい。

１０２三相交流電源
１０４モータ
１０６インバータ
１０８ＡＣ／ＤＣコンバータ
１１０平滑コンデンサ
１１２放熱器
１１４温度検出素子
１１６電流検出素子
１２０コンバータ制御部
１２２放熱器温度測定部
１２４素子温度推定部
１２６過負荷判定部
１２８変換動作モード切替え判定部
１３０ＩＧＢＴ指令部

Claims

交流電源から電力を入力してモータを駆動するモータ駆動装置であって、
直並列に接続された複数のパワースイッチング素子をＰＷＭ制御することにより入力交流電圧を直流電圧に変換するＰＷＭコンバータ動作モードと、該複数のパワースイッチング素子の各々に対してそれぞれ逆並列接続された複数のダイオードにより入力交流電圧を直流電圧に変換するダイオード整流動作モードと、を変換動作モードとして有するＡＣ／ＤＣコンバータと、
モータが力行運転状態にあるときに、負荷に応じて該ＡＣ／ＤＣコンバータの該変換動作モードを動的に切替えるコンバータ制御部と、
を具備するモータ駆動装置。
該負荷を検出する負荷検出部を更に具備し、該コンバータ制御部は、該負荷検出部によって検出された負荷が所定のレベル以下の場合に該ＡＣ／ＤＣコンバータを該ＰＷＭコンバータ動作モードで動作させ、該負荷が所定のレベルを超えた場合に該ＡＣ／ＤＣコンバータを該ダイオード整流動作モードで動作させる、請求項１に記載のモータ駆動装置。
該負荷検出部は、該パワースイッチング素子の温度又は該パワースイッチング素子が取付けられた放熱器の温度を該負荷として検出する、請求項２に記載のモータ駆動装置。
該負荷検出部は、該パワースイッチング素子を流れる電流を検出し、該電流を積算した値を該負荷として検出する、請求項２に記載のモータ駆動装置。