JP5092328B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力消費回路を用いることなくブラシレスモータの回生による減速（制動）が可能なモータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

頻繁に運転、停止を繰返す機器例えばミシンにおいては、ミシン主軸の駆動源としてインバータ回路により制御されるブラシレスモータが用いられているが、減速停止時にブラシレスモータからの回生電力が電源側の平滑用コンデンサの端子電圧を上昇させるため、電力消費回路が設けることが余儀なくされている。

このため、従来では、ブラシレスモータのモータ電流を回転座標系のｑ軸電流（磁束と直交したモータ電流成分）とｄ軸電流（磁束と平行したモータ電流成分）とに分け、ｑ軸電流を調整して制動トルクを制御し、ｄ軸電流を調整して回生エネルギーを制御する構成とし、更に、平滑用コンデンサの端子電圧が所定値を超えたときに、直流電圧に対する比例積分制御を行なってｄ軸電流を出力する構成として、電力消費回路を省略するようにしている（例えば特許文献１の第１実施形態）。

また、従来では、上位制御系からのトルク指令であるｑ軸電流指令値を入力として、このｑ軸電流指令値からブラシレスモータの入出力電力が０になるｄ軸電流を生成する構成として、電力消費回路を省略するようにしている（例えば特許文献１の第３実施形態）。
特開２００２−８４７８０号公報

前者の従来構成では、平滑用コンデンサの端子電圧が制限上限値に近づくに従ってより多くのｄ軸電流を流すような指令になる比例積分制御を用いているので、ブラシレスモータ、負荷、インバータ回路の損失等、組み合わせられるシステムの物理的条件に応じた最適な比例ゲイン及び積分ゲイン設定しないと、比例積分制御の特性上、制限上限値（電圧制限）を超えてしまうという問題がある。

また、後者の従来構成では、回生電圧を制御するｄ軸電流指令式は、ｑ軸電流とブラシレスモータの回転数とに比例しているので、高回転数域で急制動する必要がある場合等には、より多くのｄ軸電流を流す指令となるが、インバータ回路に流せる電流には限界があるので、充分なｄ軸電流を流すことができなくなって、所望の回生電圧制御が不可能になる問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システムの物理的条件（物理量）の設定を行なうことなく、簡便に回生電圧制御を行なうことができ、更に、インバータ回路に流せる電流の上限値を超えない範囲で最大限の回生電圧制御を行なうことができるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することにある。

請求項１記載のモータ制御装置は、負荷側に平滑用コンデンサを有する直流電源回路と、この直流電源回路からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、このインバータ回路からの交流電力が供給されるブラシレスモータと、前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ブラシレスモータの減速開始時に、ブラシレスモータの減速開始時に平滑用コンデンサに蓄積可能なエネルギーを算出し、これと前記ブラシレスモータからのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーとを比較し、その差エネルギーを前記ブラシレスモータにｄ軸電流を流すように制御することにより前記ブラシレスモータに消費させるようにしたことを特徴とする。

このような構成によれば、ブラシレスモータの減速時に、平滑用コンデンサに蓄積可能なエネルギーとブラシレスモータからのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーとの差エネルギーをブラシレスモータにｄ軸電流を流すように制御することにより前記ブラシレスモータに消費させるようにしたので、回生電圧の制御が簡便に行なえて、従来（前者）のような、システムの物理的条件の設定を行なう必要がなく、また、従来（後者）とはことなり、インバータ回路に流せる電流の上限値を超えない範囲で最大限の回生電圧制御を行なうことができる。

請求項４記載のモータ制御方法は、負荷側に平滑用コンデンサを有する直流電源回路からの直流電力をインバータ回路に供給し、このインバータ回路からの交流電力をブラシレスモータに供給するようにしたモータ制御方法において、前記ブラシレスモータの減速開始時に、ブラシレスモータの減速開始時に平滑用コンデンサに蓄積可能なエネルギーを算出し、これと前記ブラシレスモータからのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーとを比較し、その差エネルギーを前記ブラシレスモータにｄ軸電流を流すように制御することにより前記ブラシレスモータに消費させるようにしたことを特徴とする。

このような構成によっても、回生電圧の制御が簡便に行なえて、従来（前者）のような、システムの物理的条件の設定を行なう必要がなく、また、従来（後者）とはことなり、インバータ回路に流せる電流の上限値を超えない範囲で最大限の回生電圧制御を行なうことができる。

本発明によれば、システムの物理的条件（物理量）の設定を行なうことなく、簡便に回生電圧制御を行なうことができ、更に、インバータ回路に流せる電流の上限値を超えない範囲で最大限の回生電圧制御を行なうことができる。

以下、本発明の一実施例につき、図面を参照して説明する。なお、この実施例は、本発明をミシンに適用して、ブラシレスモータはミシン主軸を駆動するものとする。
まず、図１は、全体の電気的構成を示すブロック線図である。この図１において、全波整流回路１は、ダイオード１ａを単相ブリッジ接続して構成され、その交流入力端子は、１００Ｖの商用電源（単相交流電源）２に接続されており、直流出力端子間には、平滑用コンデンサ３が接続されており、これらの全波整流回路１及び平滑用コンデンサ３により直流電源回路４が構成されている。

インバータ回路５は、夫々フリーホイールダイオード５ｃ、５ｄを有するスイッチング素子たるＩＧＢＴ５ａ、５ｂが直列に接続されて１相分（１アーム分）とし、これが３相分並列接続（３相ブリッジ接続）されて構成され、その直流入力端子は、平滑用コンデンサ３の両端子に接続され、３相の出力端子は、ブラシレスモータ６の３相の巻線に接続されている。なお、前述したように、ブラシレスモータ６は、ミシン主軸を駆動するようになっている。

制御手段たる制御装置７は、マイクロコンピュータを主体として構成されるものであるが、ここでは、説明の便宜上、機能別のブロック線図として示されている。すなわち、制御装置７は、回転数制御器８、回生電圧制御器９及び制御器１０を含んで構成されている。以下、これらについて、順次説明する。

ブラシレスモータ６には、その永久磁石形ロータの回転位置を検出するホールＩＣからなる位置検出器１１が配設されていて、位置検出信号を出力するようになっている。この位置検出器１１は、制御器１０及び回転数演算器１２に接続されている。回転数演算器１２は、位置検出器１１からの位置検出信号を演算することによりブラシレスモータ６の回転数を演算し、これを検出回転数Ｎとして出力して回転数制御器８に与えるようになっている。

回転数制御器８は、その上位制御系（ホストコンピュータ）から回転数指令値Ｎ＊が与えられるようになっており、次のように動作する。すなわち、回転数制御器８は、回転数指令値Ｎ＊と検出回転数Ｎとの偏差を比例積分し、検出回転数Ｎを回転数指令値Ｎ＊にするためのｑ軸電流Ｉｑ、すなわち回転数指令値Ｎ＊と回転数演算値Ｎとの偏差を零に抑制するためのｑ軸電流Ｉｑを生成して制御器１０に与えるように構成されている。

直流電源回路４の平滑用コンデンサ３には、これと並列に例えば２つの抵抗器を直列に接続してなる直流電圧検出手段としての直流電圧検出器１３が接続されている。この直流電圧検出器１３は、インバータ回路５側からみた１次側電圧たる平滑用コンデンサ３の端子電圧を検出するもので、その検出直流電圧は、回生電圧制御器９に与えられるようになっている。回生電圧制御器９には、回転数制御器８からのｑ軸電流Ｉｑが与えられるようになっている。回生電圧制御器９は、ｑ軸電流Ｉｑの極性からブラシレスモータ６が加速或いは定速状態にあるか、若しくは、減速状態にあるかを判断して、切換手段９ａを介して異なるｄ軸電流Ｉｄを出力して制御器１０に与えるようになっている。

制御器１０は、例えば、電流制御器、ｄ、ｑ／３相交流座標変換器等を備えており、ブラシレスモータ６のモータ電流を回転座標系のｄ軸成分とｑ軸成分とに分けて、ｑ軸電流の調整によってブラシレスモータ６に対するトルクを制御し、ｄ軸電流を調整してブラシレスモータ６から発生する回生エネルギーを制御するための制御信号として、例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調信号）信号を生成する制御信号生成手段として構成されている。そして、制御器１０の生成による制御信号（ＰＷＭ信号）はインバータ回路５の３相分の各スイッチング素子たるＩＧＢＴ５ａ、５ｂのゲートに印加されるようになっている。

次に、本実施例の作用につき、図２ないし図４をも参照して説明する。
回転数制御器８には、ブラシレスモータ６の加速及び定速運転時には、その上位制御系（ホストコンピュータ）から回転数指令値Ｎ＊が与えられるようになっており、回転数制御器８は、回転数指令値Ｎ＊と検出回転数Ｎとの偏差を比例積分し、検出回転数Ｎを回転数指令値Ｎ＊にするためのｑ軸電流Ｉｑ、すなわち回転数指令値Ｎ＊と回転数演算値Ｎとの偏差を零に抑制するためのｑ軸電流Ｉｑを生成して制御器１０に与える。この場合、ブラシレスモータ６が加速或いは定速運転のときには、ｑ軸電流Ｉｑは正であるので、これを入力する回生電圧制御器９は、ブラシレスモータ６の現在の状態は、加速或いは定速運転であると判断して、切換手段９ａを介してＩｄ＝０のｄ軸電流Ｉｄを出力する。

制御器１０は、ｑ軸電流Ｉｑに応じてブラシレスモータ６に対するトルクを制御するように、制御信号（ＰＷＭ信号）をインバータ回路５の各スイッチング素子たるＩＧＢＴ５ａ、５ｂのゲートに印加する。この場合、制御器１０は、ｄ軸電流ＩｄはＩｄ＝０であるので、回生エネルギー制御は行なわない。以上により、ブラシレスモータ６は、回転数指令値Ｎ＊と回転数演算値Ｎとの偏差が零になるように制御される。

次に、ブラシレスモータ６の減速運転について述べる。減速運転は、基本的には、ブラシレスモータ６の減速開始時に、平滑用コンデンサ３に蓄積可能なエネルギーを算出し、これと前記ブラシレスモータ６からのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーとを比較し、その差エネルギーを前記ブラシレスモータ６にｄ軸電流を流すように制御することにより消費させる構成である。

ここで、ブラシレスモータ６の減速開始時（制動開始時）に平滑用コンデンサ３に蓄積可能なエネルギーＥ１は、平滑用コンデンサ３の容量をＣとし、減速開始時の一次側電圧（平滑用コンデンサ３の端子電圧）をＶｓとし、減速完了時の同電圧をＶｅとし、平滑用コンデンサ３の制限上限値をＶlimとすると、

となる。

また、ブラシレスモータ６の減速によって、ブラシレスモータ６から電源側たる平滑用コンデンサ３に回生されるエネルギーＥ２は、

となる。この式（１）（２）から、ブラシレスモータ６の減速終了時に、Ｖlim＝ＶｅつまりＥ１＝Ｅ２になるように減速時にｄ軸電流を流して制御（制動）すれば、省エネルギーの観点から最も望ましい制御となる。

一方、ある減速指令値（ブラシレスモータ６の現在の回転数よりも低い回転数指令値Ｎ＊）で減速する場合、換言すれば、ある負のｑ軸電流（Ｉｑ１）を流して減速する場合、印加可能なｄ軸電流Ｉｄの最大値Ｉｄ１は、インバータ回路６に流せる電流の最大値をＩmaxとすると、

となる。

以上のような、ｄ軸電流（Ｉｄ１）を流して減速をかけた場合の回生エネルギーをＥ３とし、ｄ軸電流（Ｉｄ１）を流さないで減速をかけた場合の回生エネルギーをＥ４とすると、両者の間には、

の関係が成立する。但し、Ｒはブラシレスモータ６の巻線抵抗値、ｔは減速時間（制動時間）を示す。

以上のような基本的構成に基づく本実施例の減速運転の具体的制御について、図２のフローチャート、図３及び図４の直流電圧・回転数特性図をも参照して説明する。図２に示すフローチャートは、回転数制御器８、回生電圧制御器９及び制御器１０を含む制御装置７が実行する。したがって、回転数制御器８、回生電圧制御器９及び制御器１０は，図２のフローチャートを部分的に実行することになるが、分散して説明すると、説明が複雑になるので、以下においては、総称して制御装置７が実行するものとして説明する。

ブラシレスモータ６が減速運転になると、制御装置７は、図２のフローチャートの実行を開始（スタート）する。制御装置７は、まず、処理ステップＳ１で、直流電圧検出器１３を介して平滑用コンデンサ３の端子電圧（直流電圧）を減速開始電圧Ｖｓとして読み込み、次いで、処理ステップＳ２で、タイマーＴを初期化（Ｔ←０）する。なお、タイマーＴは、初期化されると自動的に計時動作を開始（スタート）する。

制御装置７は、判断ステップＳ３に移行して、ここでは、今回の減速運転が電源投入後の最初の減速か否かを判断し、「ＹＥＳ」（初回）のときには、処理ステップＳ４に移行する。制御装置７は、この処理ステップＳ４においては、ｑ軸電流としてＩｑ１及びｄ軸電流としてＩｄ１（式（３）参照）を出力させ、ｑ軸電流Ｉｑ１に基づいてブラシレスモータ６に対する制動トルクを制御し、ｄ軸電流Ｉｄ１に基づいてブラシレスモータ６から発生する回生エネルギーを制御するようにインバータ回路５に対してＰＷＭ信号を出力する。

制御装置７は、判断ステップＳ５に移行して、ここでは、減速運転が完了したかを判断する。減速運転が完了したか否かは，ブラシレスモータ６の検出回転数Ｎが減速指令の回転数指令値Ｎ＊になったか否かで判断できる。そして、制御装置７は、この判断ステップＳ５において、「ＮＯ」（未完了）のときには、処理ステップＳ４を繰り返し、「ＹＥＳ」（完了）のときには、処理ステップＳ６に移行する。制御装置７は、処理ステップＳ６では、直流電圧検出器１３を介して平滑用コンデンサ３の端子電圧（直流電圧）を減速完了電圧Ｖｅとして読み込み、次いで、処理ステップＳ７で、タイマーＴの計時時間ｔを制動時間として読み込む（Ｔ→ｔ）。

制御装置７は、処理ステップＳ８に移行し、ここでは、上記検出した減速開始電圧Ｖｓ及び減速完了電圧ｖｅと式（２）を用いることにより、ブラシレスモータ６にｄ軸電流（Ｉｄ１）を流して制動をかけた場合の回生エネルギーＥ３を、

のように演算する。

その後、制御装置７は、処理ステップＳ９に移行して、ここでは、処理ステップＳ７で得た制動時間ｔと処理ステップＳ８で得た回生エネルギーＥ３と式（４）を用いることにより、ブラシレスモータ６にｄ軸電流（Ｉｄ１）を流さないで制動をかけた場合の回生エネルギーＥ４を、

のように演算する。そして、制御装置７は、処理を終了する（エンド）。

以上のステップＳ１ないしステップＳ９は、ブラシレスモータ６の次回（2回目以降）からの減速運転時に用いられる判断データたる回生エネルギーＥ３、Ｅ４を得るためのルーチンであり、このときの時間に対する平滑用コンデンサ３の端子電圧（直流電圧）及びブラシレスモータ６の回転数（Ｎ）の変化は、図３に示す通りである。

さて、ブラシレスモータ６の２回目以降の減速運転について説明する。
ブラシレスモータ６が再び減速運転になると、制御装置７は、図２のフローチャートの実行を再開始（スタート）する。制御装置７は、前述したように、まず、処理ステップＳ１で、直流電圧検出器１３を介して平滑用コンデンサ３の端子電圧（直流電圧）を減速開始電圧Ｖｓとして読み込み、次いで、処理ステップＳ２で、タイマーＴを初期化（Ｔ←０）する。タイマーＴは、初期化されると自動的にスタートする。

制御装置７は、判断ステップＳ３に移行して、ここでは、「ＮＯ」（２回目以降）と判断して処理ステップＳ１０に移行する。制御装置７は、この処理ステップＳ１０では、処理ステップＳ１で得た減速開始電圧Ｖｓを式（１）に代入することにより、この時点において平滑用コンデンサ３に蓄積可能なエネルギーＥ１を演算し、次の判断ステップＳ１２に移行する。制御装置７は、この判断ステップＳ１２においては、上記エネルギーＥ１が処理ステップＳ８で得られた回生エネルギーＥ４（式（６）参照）以上（Ｅ１≧Ｅ４）か否かを判断し、ここでは「ＮＯ」と判断して処理ステップＳ１３に移行するものとする。

制御装置７は、この処理ステップＳ１３では、制限制動時間ｔ１（０＜ｔ１＜ｔ）の演算を行なう。すなわち、制御装置7は、Ｅ１＝Ｅ２にするために、式（４）から、

を得る。

更に、制御装置７は、上記式（７）から、

を得る。

制御装置７は、判断ステップＳ１４に移行し、ここでは、タイマーＴが制限制動時間ｔ１以下（Ｔ≦ｔ１）か否かを判断し、「ＹＥＳ」（以下）であれば、処理ステップＳ１５に移行する。制御装置７は、この処理ステップＳ１５においては、ｑ軸電流としてＩｑ１及びｄ軸電流としてＩｄ１を出力させ、ｑ軸電流Ｉｑ１に基づいてブラシレスモータ６に対する制動トルクを制御し、ｄ軸電流Ｉｄ１に基づいてブラシレスモータ６から発生する回生エネルギーを制御する。

制御装置７は、更に、判断ステップＳ１６に移行して、ここでは、減速運転が完了した（Ｔ＝ｔ？）か否かを判断し、「ＮＯ」（未完了）の時には判断ステップＳ１４に戻り、処理ステップＳ１５を繰り返す。その後、タイマーＴが制限制動時間ｔ１を超えるようになると、制御装置７は、判断ステップＳ１４で「ＮＯ」と判断して処理ステップＳ１７に移行し、ｑ軸電流としてＩｑ１を出力させた状態として、ｑ軸電流Ｉｑ１に基づいてブラシレスモータ６に対する制動トルクを制御するが、ｄ軸電流Ｉｄは零（Ｉｄ＝０）にしてブラシレスモータ６から発生する回生エネルギーの制御は行なわない。すなわち、制御装置７は、処理ステップＳ１７により通常の回生制動に戻るのである。

制御装置７は、判断ステップＳ１６に移行して、ここで「ＮＯ」（未完了）と判断すれば、判断ステップＳ１４に戻り、処理ステップＳ１７を繰り返すようになる。その後、ブラシレスモータ６の減速運転が完了すると（Ｔ＝ｔ）、制御装置７は、判断ステップＳ１６で「ＹＥＳ」と判断して制御を終了する（エンド）。

以上のステップＳ１ないしステップＳ３及びステップＳ１０ないしステップＳ１７は、ブラシレスモータ６の２回目以降の減速開始時に、平滑用コンデンサ３に蓄積可能なエネルギーＥ１を算出し、これと前記ブラシレスモータ６からのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーＥ４とを比較し、平滑用コンデンサに３に供給される回生エネルギーＥ２が上記エネルギーＥ１と等しくなるように、その差エネルギーをブラシレスモータ６に制限制動時間ｔ１だけｄ軸電流を流すように制御することによりそのブラシレスモータ６に消費させるためのルーチンであり、このときの時間に対する平滑用コンデンサ３の端子電圧（直流電圧）及びブラシレスモータ６の回転数（Ｎ）の変化は、図４に示す通りである。

また、制御装置７は、図２に示すフローチャートにおいて、判断ステップＳ１２で「ＹＥＳ」と判断した場合には、処理ステップＳ１９に移行して、制限始動時間ｔ１を零に設定し（ｔ１＝０）、判断ステップＳ１４に移行する。制御装置７は、この判断ステップＳ１４では、処理ステップＳ１９で制限始動時間ｔ１が零に設定されたことにより、「ＮＯ」と判断して処理ステップＳ１５に移行することなく直ちに処理ステップＳ１７に移行するようになり、以下、減速運転が完了する（Ｔ＝ｔ）まで処理ステップＳ１７（通常の回生制動）を繰り返すようになる。すなわち、ブラシレスモータ６の減速開始時に平滑用コンデンサ３に蓄積可能なエネルギーＥ１が回生エネルギーＥ３より大であるということは、無制御で回生制動を行なっても（ｄ軸電流＝０）、平滑用コンデンサ３の端子電圧は制限上限値Ｖlimには達しないことを意味している。

このように本実施例は、ブラシレスモータ６の減速開始時に、平滑用コンデンサ３に蓄積可能なエネルギーＥ１を算出し、これと前記ブラシレスモータ６からのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーＥ４とを比較し、平滑用コンデンサに３供給される回生エネルギーＥ２が上記エネルギーＥ１と等しくなるように、その差分のエネルギーをブラシレスモータ６に制限制動時間ｔ１だけｄ軸電流を流すように制御することによりそのブラシレスモータ６に消費させるようにした。したがって、回生電圧の制御が簡便に行なえて、従来（前者）のような、システムの物理的条件の設定を行なう必要がなく、また、従来（後者）とはことなり、インバータ回路５に流せる電流の上限値を超えない範囲で最大限の回生電圧制御を行なうことができる。

また、ブラシレスモータ６の電源投入後の最初の減速運転時に２回目以降の減速運転時に用いられる判断データたる回生エネルギーＥ３、Ｅ４を得るようにしているので、例えばシュミレーション若しくは想定演算により回生エネルギーＥ３、Ｅ４を得る場合に比し、簡単であり、確実である。
そして、各種エネルギーは、電圧として処理するようにしているので。処理が簡単である。

なお、本発明は、上記し図面に示す実施例にのみ限定されるものではなく、次のような変形、拡張が可能である。
上記実施例では、位置検出器（センサ）１１を設けるようにしたが、例えば、センサレスのベクトル制御方式としてもよい。
ミシンに限らず、ブラシレスモータを用いる機器全般に適用することができる。

本発明の一実施例を示すブロック線図 制御内容を示すフローチャート 直流電圧・回転数特性図（初回の減速時） 直流電圧・回転数特性図（２回目以降の減速時）

図面中、３は平滑用コンデンサ、４は直流電電回路、５はインバータ回路、６はブラシレスモータ、７は制御装置（制御手段）、８は回転数制御器、９は回生電圧制御器、１０は制御器、１１は位置検出器、１２は回転数演算器、１３は直流電圧検出器（直流電圧検出手段）を示す。

Claims (4)

1. 負荷側に平滑用コンデンサを有する直流電源回路と、
   この直流電源回路からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
   このインバータ回路からの交流電力が供給されるブラシレスモータと、
   前記インバータ回路を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ブラシレスモータの減速開始時に、ブラシレスモータの減速開始時に平滑用コンデンサに蓄積可能なエネルギーを算出し、これと前記ブラシレスモータからのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーとを比較し、その差エネルギーを前記ブラシレスモータにｄ軸電流を流すように制御することにより前記ブラシレスモータに消費させるようにしたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御手段は、電源投入後の最初のブラシレスモータの減速時にｄ軸電流を零とする回生エネルギーを演算することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記制御手段は、エネルギーを電圧として処理することを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 負荷側に平滑用コンデンサを有する直流電源回路からの直流電力をインバータ回路に供給し、このインバータ回路からの交流電力をブラシレスモータに供給するようにしたモータ制御方法において、前記ブラシレスモータの減速開始時に、ブラシレスモータの減速開始時に平滑用コンデンサに蓄積可能なエネルギーを算出し、これと前記ブラシレスモータからのｄ軸電流を零とした状態の回生エネルギーとを比較し、その差エネルギーを前記ブラシレスモータにｄ軸電流を流すように制御することにより前記ブラシレスモータに消費させるようにしたことを特徴とするモータ制御方法。

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