JP5165554B2 - 交流モータ駆動装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は交流モータの制御に関し、特に出力電圧をパルス状にし、パルスの数、パルス間隔、パルスの幅などを制御し、等価的に出力周波数に対応した出力電圧とする方式(PWM(Pulse Width Modulation)方式)を用いて、時定数の小さいモータを制御・駆動する交流モータの駆動装置および制御方法に関する。

工作機械の各種テーブル、産業用ロボットの走行部、各種搬送装置等に多用されているリニアモータアクチュエータは、テーブル等の可動体に対して直線運動を与えると共に、可動体を所定の位置に停止させる機能を備える。これらの駆動手段としては交流リニア同期モータが使用されているが、その構造は固定子、又は可動子の一部に銅線からなる励磁コイルを巻き、励磁コイルに励磁電流を流して駆動力を発生せしめ、直線運動を行わせるというものである。

ここで、交流モータの回転速度（リニアモータの直線運動速度）は、基本的には供給周波数に比例する。そのため交流モータの制御は、商用電源を一旦直流に変換し、その直流を電源として再び任意の周波数をもつ交流に変換する方法がとられている。直流電力を交流電力に変換する電力変換装置としてインバータを用いた交流モータの制御においては、出力電圧波の幅を制御するか、出力電圧波の半サイクル内を裁断してパルス幅の比を変化させるパルス幅変調(PWM(Pulse Width Modulation))方式が多く用いられている。

このようにパルスの数、パルス間隔、パルス幅およびオフ期間を制御して、等価的に出力周波数に対応した出力電圧とすることにより交流モータの制御を行う場合、モータの時定数は重要な制御パラメータである。しかし、従来のリニアモータアクチュエータの可動体は一定以上の質量があるため、交流モータの電気的パラメータがアクチュエータに与える影響は、機械的時定数（イナーシャ）の影響に比較し非常に小さく、これまではほとんど問題にならなかった。

しかし、リニアモータアクチュエータの小型化、軽量化に伴い、励磁コイルの巻き線本数が数本程度という超小型交流リニア同期モータが作成されるようになったことに伴い、1)超小型交流リニア同期モータにPWM方式をそのまま使用すると励磁コイルの巻き線数が少ないため時定数（L/R）が非常に小さくなり、この結果、電圧に対する電流応答が早くなり電流制御ができない、2)励磁コイルに流れる電流波形は正弦波であることが望ましいが、高調波成分が重畳されモータが振動する、あるいは異音が発生する、等の問題が顕在化してきた。

交流モータの制御において励磁コイルのインダクタンス値をモータの制御パラメータとして取り上げた先行技術としては下記特許文献1がある。特許文献1は、モータ制御、及びその制御方法に関する。モータの巻き線のインダクタンス値がモータの回転数や温度等に依存して変化するにもかかわらず、インダクタンス値を固定値としてモータ印加電圧、又はモータ電流の算出を行っていた結果、モータ効率の低下を招いていたが、特許文献1では、これを防止する手段としてモータの使用環境に基づいてモータ定数を抽出し、抽出したモータ定数に基づいて制御信号を生成することを開示している。しかし、特許文献1は、本願発明とは異なり時定数が非常に小さい小型交流モータの制御上の問題を解決するものではなく、また係る問題点を解決する先行技術を開示する文献はほとんどない。

特開2002-369598号公報

そこで本発明の課題は、励磁コイルの巻き線数の極めて少ない超小型交流モータであっても、従来のPWM方式がそのまま利用でき、かつ振動、異音を生じさせない交流モータ駆動装置、および交流モータ制御方法を提供することにある。

本発明は、直流電圧を交流電圧に変換し、少なくとも交流モータへ交流電圧を供給するインバータと、該インバータの出力電圧の大きさと周波数とをパルス幅変調により制御するPWM装置とを含む交流モータ駆動装置において、前記PWM装置の出力端に前記交流モータの時定数調整コイルを備え、前記交流モータの時定数を、前記PWM装置のキャリア周波数の周期以上となるように前記時定数調整コイルの容量を調整することを特徴とする。

モータの励磁コイルの巻き線数が非常に少ない（数回程度）交流モータの時定数（L/R）は非常に小さく電圧に対する電流応答が早くなる。この結果、交流モータの制御が困難となるが、交流モータの時定数をPWMのキャリア周波数に応じて調整すれば、励磁コイルの電流波形を正弦波に近づけることができ、時定数の小さい超小型交流モータの制御が可能となる。

前記PWM装置と交流モータとの間にモータ時定数を調整する時定数調整コイル、及び／又はコンデンサーを設け、これらの容量をPWMのキャリア周波数に応じて調整することにより、適切なモータ時定数とすることができ、これにより超小型交流モータの制御が可能となる。

また、前記時定数調整コイルと並列にスイッチング素子を設け、係るスイッチング素子を交流モータが始動する際にPWM装置が最初に出力するパルスの期間のみ、時定数調整コイルが付加されないように、即ち、時定数調整コイルに並列に接続されているスイッチングをオンにする。これにより、交流モータが始動するときの時定数を小さくすることができ、電流の立ち上がりを早くすることができる。立ち上がり後はスイッチング素子をオフとすることにより、電流波形を平坦化することができ、これにより理想的な制御を行うことが可能となる。

本発明によれば、励磁コイルの巻き線数が極めて少ない超小型交流モータであっても、従来のPWM方式がそのまま利用でき、またモータの振動、異音を発生させない交流モータ駆動装置を提供することができる。

リニアモータアクチュエータの一例を示す斜視図である。 図1に示したリニアモータアクチュエータからテーブルプレートを取り除いた状態を示す斜視図である。 図1に示すリニアモータアクチュエータのモータ部の詳細を示した斜視図である。 交流リニア同期モータの等価回路およびモータ時定数を調整するためコイル、コンデンサーを挿入したときの交流モータ駆動装置100との結線を示した図である。 パルス幅変調方式による出力電圧パルス、R−S線間電圧波形、およびモータ時定数が小さいときの励磁コイル電流の波形を示した図である。 交流リニア同期モータの時定数を調整するために交流モータ駆動装置100にコイルを挿入しない場合と、挿入した場合の励磁コイル電流の波形を示した図である。 時定数調整部101として、時定数調整コイル111とこれに並列にスイッチング素子112を接続したときの、交流モータとモータ駆動装置との結線図である。 始動時にスイッチング素子112をオンにし、定格電流となった後にオフとしたときの時間（横軸）−電流（縦軸）特性と、スイッチング素子112がオフのままのときの特性との比較を示した図である。

符号の説明

1 ベース部材
2 軌道レール
3 スライドテーブル
4 交流リニア同期モータ
5 スライドブロック
6 テーブルプレート
40 固定子マグネット
41 励磁コイル
100 交流モータ駆動装置
101 時定数調整部
111 時定数調整コイル
112 スイッチング素子（トライアック）

図1は本発明の交流モータ駆動装置を適用したリニアモータアクチュエータの実施の形態を示す斜視図である。このリニアモータアクチュエータはベース部材1と、このベース部材1の上に敷設された軌道レール2と、この軌道レール2に沿って自在に往復運動が可能なスライドテーブル3と、このスライドテーブル3をベース部材1上で推進する交流リニア同期モータ4、および交流モータ駆動装置100とから構成されている。ここで交流モータ駆動装置100はキャリア周波数8KHzのPWM装置を備えている。

リニアモータアクチュエータの構成部材であるベース部材1は底板10、及びこの底板10の両側に立設された一対の側壁11、11を有してチャネル状に形成されており、底板10には軌道レール2を位置決めするための取付け溝12がベース部材1の長手方向に沿って形成されている。

また、スライドテーブル3は軌道レール2に沿って運動するスライドブロック5と、このスライドブロック5に固定されたテーブルプレート6とから構成されている。

図2は図1に示した斜視図からテーブルプレート6を取り外した状態を示す斜視図である。スライドブロック5は軌道レール2と相まってリニアガイドを構成しており、テーブルプレート6を軌道レール2に沿って案内する。

交流リニア同期モータ4は、インダクタンス値22μH、電気抵抗値2Ω、時定数11μsの同期リニアモータであり、ベース部材1の各側壁11に一列に配列された複数の固定子マグネット40と、これら固定子マグネット40と僅かな隙間を介して対向すると共に前記スライドテーブル3に搭載された一対の励磁コイル41とから構成されている。

ベース部材1の各側壁11上において、固定子マグネット40はＮ極及びＳ極を交互に励磁コイル41に向けるように配列されている。これらの固定子マグネット40は合成樹脂製の保持プレート42に配列されており、かかる保持プレート42をベース部材1の側壁11の内側面に接着することで、固定子マグネット40のベース部材1に対する配列を容易に行い得るようになっている。また、固定子マグネット40は保持プレート42を射出成形することにより保持プレート42と一体化されている。

また、励磁コイル41は鉄等の強磁性体から形成されたコア部材に対してコイルを巻き回して形成されている。このリニアモータアクチュエータでは、ベース部材1の各側壁11に配列された固定子マグネット40と対向する一対の励磁コイル41、41が存在するが、図2に示す例では、これら一対の励磁コイル41、41を1枚のコアプレート43を用いて形成している。

図3は励磁コイル41とテーブルプレート6との結合状態を示す斜視図であり、励磁コイル41の構造が断面図として描かれている。励磁コイル41はコアプレート43にコイル44を巻いて形成されている。このコアプレート43は、前記テーブルプレート6に結合される中央部43aと、この中央部43aの両側に位置する一対のコア部43b、43bとから構成されており、各コア部43bにはコイル44を収容するためのスロットが夫々形成されている。

すなわち、各コア部43bに対してコイル44を巻くことで、コアプレート43によって一体化された一対の励磁コイル41が構成されている。各励磁コイル41はu相、v相及びw相の三相のコイル44を具備しており、これらのコイル44に対して交流モータ駆動装置100が供給する三相交流電流を通電することにより、励磁コイル41に対して固定子マグネット40の配列方向に沿った推力が発生するようになっている。

ベース部材1の一方の側壁には断面略Ｌ字型のブラケット13が固定されており（図2）、このブラケット13の上面にはベース部材1の長手方向に沿ってリニアスケール14が貼り付けられている。また、前記テーブルプレート6の下面には該テーブルプレート6の移動に応じて前記リニアスケール14を読み取るエンコーダ15が固定されており、テーブルプレート6の移動速度に応じた間隔でパルス信号を出力する。

励磁コイル41に対する通電、及びエンコーダ15の出力信号の伝送には、フレキシブルプリント配線板(FPC)が用いられており、これらFPCはテーブルプレート6の下面に固定され、ベース部材1の側方へ引き出されており、交流モータ駆動装置100と接続されている。

以上のように構成されたリニアモータアクチュエータでは、テーブルプレート6に固定された励磁コイル41に対して三相交流電流を通電すると、励磁コイル41に固定子マグネット40の配列方向に沿った推力が発生し、スライドテーブル3が軌道レール2に沿って進退する。前記エンコーダ15はリニアスケール14を読み取り、スライドテーブル3の移動速度及び移動距離に応じた出力信号を出力するので、エンコーダ15の出力信号を参照しながら励磁コイル41への通電を制御することにより、スライドテーブル3の往復運動を任意に制御することができる。

図4は上述した交流リニア同期モータ4と、これを制御する交流モータ駆動装置100との接続を示した結線図である。交流モータ駆動装置100の電圧出力端には交流モータの時定数を調整するための時定数調整コイル111が設けられている。交流モータ駆動装置100はPWM方式により交流リニア同期モータ4の制御を行う。なお、時定数調整コイル111をコンデンサーとの組み合わせにより設けても良い（図4、下図）。

図5は交流モータ駆動装置100のR相、S相、T相の出力電圧波形、および交流リニア同期モータ4のR相−S相間に流れる電圧波形等を示した図である。図5(a)は、基本周波数と等しい周波数の正弦波制御信号と、この周波数よりも十分に高い周波数をもった三角波の搬送波(キャリア)とを重畳させ、その交点でインバータを転流させる様子を示した図である。出力電圧の大きさおよび周波数の制御は、正弦波信号の振幅と周波数を調整して行う。キャリア周波数は、出力電圧の裁断回数を決め、出力に含まれる高調波の周波数を決める。図5(b)は上述した方法により出力電圧を裁断したときのR相、S相、T相の出力電圧波形であり、各相間の電圧（図5(b)ではR−S相間を図示している）は出来るだけ正弦波(低次高調波の除去)となるように調整する。

図5(c)は図5(b)に示すR相−S相線間電圧の一部分の出力電圧波形と、そのときの励磁コイル電流の波形を示したものである。キャリア周波数は8KHz、交流リニア同期モータ4の時定数が11μsの場合、図5(c)の下図に示すように電圧に電流が追従できず、電流波形が脈動する。この結果、交流リニア同期モータ4の励磁コイル電流の波形がきれいな正弦波とならず電流制御が困難となる。

そこで、図4に示すように、PWMの出力端に交流リニア同期モータ時定数を調整する時定数調整コイル111を追加する。ここで追加する時定数調整コイル111は、キャリア周波数との関係で決定することが好ましく、例えばキャリア周波数が8KHz(周期が125μs)の場合は、これよりも交流リニア同期モータ4の時定数が大きくなるように（125μs以上となるように）時定数調整コイル111を設けることが好ましく、より好ましくはキャリア周波数周期の2〜5倍の時定数となるように時定数調整コイル111を設ける。

このようにして、交流モータ駆動装置100の出力端に時定数調整コイル111をキャリア周波数との関係で追加することにより、図5(c)に示すような励磁コイル電流波形の脈動を防止することができ、これにより安定して交流リニア同期モータ4を制御することが可能となる。また、上述したように時定数調整コイル111にコンデンサーを組み合わせることにより時定数を調整してもよい。

図6は励磁コイルのインダクタンスが22μHの交流リニア同期モータ4の電流波形（図6 (a)）と、時定数調整コイル111として1000μHを追加したときの電流波形（図6(b)）である。時定数調整コイル111が無い場合には、電圧に電流が追従できず、大きく脈動(三角波形：図6(a))となってしまうのに対し、時定数調整コイル111を挿入したことにより、脈動のない電流波形（図6(b)）となり、ほぼ正弦波に近い電流波形を得ることができた。

図７は時定数調整部101として、交流リニア同期モータ4の時定数を調整するための時定数調整コイル111と、これに並列にスイッチング素子112を接続した実施の形態を示した図である。交流リニア同期モータ4の始動は、交流モータ駆動装置100から交流リニア同期モータ4に始動電流を供給することにより行われるが、始動電流はできるだけ早く所定の電流値にまで達することが望ましい。

始動電流の立ち上がり時間は、時定数調整コイル111を含めた交流リニア同期モータ4の時定数で決まるため、始動時においては時定数調整コイル111が付加されることにより、図８に示すように電流の立ち上がりが遅くなる。

しかし、図７に示すように時定数調整コイル111と並列にスイッチング素子112（トライアック）を設け、始動電流が立ち上がるまで、始動電流がトライアック112を流れるようにオン制御する。これにより、図８に示すように始動電流の立ち上がりを早くすることができ、交流リニア同期モータ4の制御性を格段に向上させることができる。本実施の形態ではスイッチング素子としてトライアックを用いたが、フォトトライアックカプラ、ソリッドステートリレー等、両方向に通電可能な素子であれば特に限定されない。

始動電流が定格値に達した後は、トライアック112をオフとし、交流リニア同期モータ4の駆動電流が時定数調整コイル111を流れるように制御する。これにより、時定数の極めて小さい、例えば時定数1μs以下の交流リニア同期モータであっても、安定して制御することができる。なお、図８に示すON・OFF時間は、PWM装置のキャリアの周期である。また、縦軸はモータパラメータで決定される電流値（Arms）である。

リニアモータアクチュエータの交流リニア同期モータとして角形リニアモータを選定した。この角形リニアモータは定格推力=0.13N、最大推力=0.4Nである。また電流定格は0.27Arms、最大電流は0.8Armsである。電気抵抗は2Ω、インダクタンスは22μHであり、この交流モータの時定数は11μsである。この交流リニア同期モータの巻き線はφ=0.11mm、巻き線数=48回である。

この交流リニア同期モータの時定数調整コイル111として2000μHのコイルを交流モータ駆動装置100の出力端の各相にそれぞれ追加し、これにより時定数を412μsに調整したところ、交流モータの振動、異音の発生が消滅するとともに、リニアモータアクチュエータを安定して制御することができた。

リニアモータアクチュエータの交流リニア同期モータとして丸形リニアモータを選定した。この丸形リニアモータは定格推力=0.048N、最大推力=0.145Nである。また電流定格は0.1Arms、最大電流は0.3Armsである。電気抵抗は13.2Ω、インダクタンスは16μHであり、この交流モータの時定数は1.21μsである。この交流モータの巻き線はφ=0.07mm、巻き線数=60回である。

この交流リニア同期モータの時定数調整コイル111として3000μHのコイルを交流モータ駆動装置100の出力端の各相にそれぞれ追加し、これにより時定数を324μsに調整したところ、交流モータの振動、異音の発生が消滅するとともに、リニアモータアクチュエータを安定して制御することができた。

本明細書は、２００６年３月３１日出願の特願２００６−０９８３１１および２００６年４月２８日出願の特願２００６−１２４９３０に基づく。この内容はすべてここに含めておく。

Claims (12)

1. インバータと少なくとも交流モータに供給する出力電圧をパルス幅変調により制御するPWM装置とを含む交流モータ駆動装置において、前記PWM装置の出力端に前記交流モータの時定数調整コイルを備え、前記交流モータの時定数を、前記PWM装置のキャリア周波数の周期以上となるように前記時定数調整コイルの容量を調整する交流モータ駆動装置。
2. 前記PWM装置の出力端に前記交流モータの時定数調整コイル及びコンデンサーを備えたことを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
3. 前記交流モータの時定数を、前記PWM装置のキャリア周波数の周期以上となるように前記時定数調整コイルの容量及びコンデンサーの容量を調整することを特徴とする請求項２に記載の交流モータ駆動装置。
4. 前記交流モータの時定数が前記キャリア周波数の周期の2倍から5倍となるように前記時定数調整コイルの容量が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
5. 前記時定数調整コイルと並列にスイッチング素子を接続したことを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
6. 前記スイッチング素子が両方向に通電可能な素子であることを特徴とする請求項５に記載の交流モータ駆動装置。
7. 前記交流モータが始動する際に、少なくとも前記PWM装置が最初に出力するパルス期間、前記時定数調整コイルが付加されないように前記スイッチング素子を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項５又は６に記載の交流モータ駆動装置。
8. 交流電圧をパルス状にし、パルス数、パルス間隔、パルス幅の少なくともいずれか一つを制御し、交流モータに供給する電圧を調整するパルス幅変調(以下、PWM)方式を用いた交流モータ制御方法であって、
   前記PWMの出力電圧端と前記交流モータとの間に、前記交流モータの時定数調整コイルを設け、前記交流モータの時定数をPWMにおけるキャリア周波数の周期以上となるように前記時定数調整コイルの容量を調整する交流モータ制御方法。
9. 前記PWMの出力電圧端と前記交流モータとの間に、前記交流モータの時定数調整コイル及びコンデンサーを設け、該時定数調整コイルの容量及びコンデンサーの容量を可変し、前記交流モータの時定数を調整することを特徴とする請求項８に記載の交流モータ制御方法。
10. 前記交流モータの時定数をPWMにおけるキャリア周波数の周期以上となるように前記時定数調整コイルの容量及びコンデンサーの容量を調整することを特徴とする請求項９に記載の交流モータ制御方法。
11. 前記交流モータの時定数が前記キャリア周波数の周期の2倍から5倍となるように前記時定数調整コイルの容量を調整することを特徴とする請求項８に記載の交流モータ制御方法。
12. 前記時定数調整コイルと並列にスイッチング素子を接続し、前記交流モータが始動する際に、少なくとも前記PWMが最初に出力するパルスの期間、前記交流モータの時定数調整コイルが付加されないように前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載の交流モータ制御方法。

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