JP5197041B2 - モータ駆動装置の回生電力吸収回路 - Google Patents

Description

本発明は、整流器により交流電源入力を整流して、一旦直流電圧を作り、この直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動すると共に、モータが減速する際、モータから発生する回生電力を吸収する回生吸収動作を行なうモータ駆動装置の回生電力吸収回路に係り、特に、回生電力を吸収し、回生吸収用抵抗で消費する一般的な回生吸収回路に加えて、回生電力の電荷を蓄えることを目的とした小容量の回生吸収用コンデンサ、及び該回生吸収用コンデンサに係る最小限の部品を併せて設けることで、該回生吸収用コンデンサは小容量としながらも、回生吸収用抵抗の定格電力の縮小、及び回生電力の一部再利用を図ることができるモータ駆動装置の回生電力吸収回路に関する。

図１は、従来のインバータ回路を使用したモータ駆動装置の一般的な構成を示す回路図である。

このモータ駆動装置は、整流回路１１と、突入電流抑制回路１２と、インバータ部１４と、モータ制御回路１５とを備える。更に、抵抗１９、トランジスタ５１、及びダイオード７１を備えた、回生電力を該抵抗１９により吸収するための回路（以下回生吸収抵抗回路と呼ぶ）１６を備える。なお、以下、該抵抗１９を回生用抵抗と呼ぶ。

外部からの交流電源入力１０は、３相または単相の交流電源である。この交流電源入力１０は、整流回路１１により整流され、抵抗５５、トランジスタ５０、及びダイオード５４を備えた突入電流抑制回路１２を経て、平滑コンデンサ１３を充電し、一旦直流電圧が作られる。

突入電流抑制回路１２において、まず、電源投入時には、トランジスタ５０はオフとされ、電源の経路に介在する抵抗５５により、整流回路１１からの突入電流が抑制される。この突入電流は、未充電の平滑コンデンサ１３に流れ込む電流である。又、このような電源投入の後、平滑コンデンサ１３の充電電流が小さくなった後、該トランジスタ５０はオンとされて、この抵抗５５は該トランジスタ５０によりバイパスされ、電源電流は抑制されなくなる。なお、ダイオード５４は、サージ電流吸収用である。

そして、この直流電圧は、６つのトランジスタ５２及び６つのダイオード７２を備え、モータ制御回路１５により制御されるインバータ部１４により、交流電圧に変換されてモータ２０に供給され、モータ２０は駆動される。このインバータ部１４は、一般にＰＷＭスイッチング方式が採用され、電力の損失を少しでも低く抑えようという努力がなされている。

又、このモータ駆動装置において、回生吸収抵抗回路１６は、モータが減速する際、モータから発生する回生電力を吸収する回生吸収動作を行なう。

モータ２０の運転においては、加速と減速が繰り返され、加速時のモータ２０の駆動時には、モータ２０へ電力を供給して駆動し（力行運転）、あるいは、減速時のモータ２０の回生時には、モータ２０から戻ってくる電力を吸収する（回生運転）。

モータ２０は、回転数に比例した誘起電圧を発生し、回転数が高くなって、その誘起電圧が大きくなるほど、モータ２０の回転の減速時に平滑コンデンサ１３へ多くの電力を回生する、回生電流の平均値が大きくなる。

力行運転を行う場合は、急峻な加速を行うために大電流が必要とされ、インバータ部１４の部分での消費電力も大きなものとなる。一方、回生運転を行う場合は、高速な回転から減速を行なうほどモータ２０からの回生電流が大きくなることが知られており、モータ２０からインバータ部１４を介して平滑コンデンサ１３へ回生電流が戻ってくる。その結果、平滑コンデンサ１３の直流電圧が上昇していき、インバータ１４のパワー素子の耐圧を超える心配があるため、何らかの回生吸収対策が必要となる。

そこで、一般的に行われる回生吸収対策として、回生吸収抵抗回路１６を設けて、平滑コンデンサ１３の直流電圧がインバータ１４のパワー素子の耐圧に対して余裕のある適当なしきい値を超える場合には、トランジスタ５１をオンにして、回生吸収用の抵抗１９で電力を消費させることで、平滑コンデンサ１３の直流電圧の上昇を防いでいる。なお、ダイオード７１は、トランジスタ５１がターンオフする際の、回生吸収用抵抗のインダクタンス成分等によるノイズを防ぐためのサージ吸収用であり、必要であれば設ける。

ここで、省電力化の要求が強まりつつある中、前記モータ２０からの回生電力を回生吸収用抵抗１９で無駄に電力消費させることなく、コンデンサに蓄えることで省電力化を図る工夫も行われている。

例えば、特許文献１の図１には、本願の図２に示される回路例のような、モータ駆動装置の回生電力吸収回路が開示されている。

図２は、従来のコンデンサで回生吸収するインバータ回路を使用した、モータ駆動装置の一般的な構成を示す回路図である。

この図２において、外部からの交流電源入力１０は、整流回路１１により整流され、力率改善用インダクタンス２２を経て、平滑コンデンサ１３を充電して、一旦直流電圧が作られる。そして、この直流電圧は、インバータ部１４により交流電圧に変換され、モータ２０を駆動する。

ここで、特許文献１では、更に、コンデンサ２６、スイッチ２５、及びダイオード２７を備えた、回生電力を該コンデンサ２６により吸収するための回路（以下回生吸収コンデンサ回路と呼ぶ）２４を備える。なお、以下、該コンデンサ２６を回生吸収用コンデンサと呼ぶ。又、図１の回生吸収抵抗回路１６のように回生電力を抵抗により吸収する回路、上記の回生吸収コンデンサ回路２４のように回生電力をコンデンサにより吸収する回路を回生吸収回路と総称する。

上記回生吸収コンデンサ回路２４において、まず、力行運転時には、スイッチ２５は、接点ｂ側に切替えられ、力率改善用インダクタンス２２側、又、平滑コンデンサ１３のプラス（＋）側と、コンデンサ２６の一端とをオンとするように切り替える。これにより、平滑コンデンサ１３側、又電源供給側からインバータ部１４に直流電力が供給される。この際、コンデンサ２６に電荷が蓄えられていると、この電荷の直流電力も、インバータ部１４に供給される。

回生吸収コンデンサ回路２４において、次に、モータの減速時、スイッチ２５は、接点ａ側に切替えられ、インバータ部１４の電力入出力のマイナス（−）端子と、コンデンサ２６の一端とをオンとするように切り替える。これにより、モータが減速する際、モータから発生する回生電力は、該コンデンサ２６に電荷として吸収される。又この電荷は、この後、上述のように、力行運転時には、インバータ部１４に供給され、再利用されることになる。

このような特許文献１の例では、前述の図１の従来例のように、回生電力を回生用抵抗１９で消費されているような電力損失がなく、省電力化の効果が期待できる。なお、ダイオード２７は、該コンデンサ２６の逆方向の充電を防止するものである。

特許３６７８５８２号公報（図１）

しかしながら、特許文献１のように、コンデンサに回生電力を有効に蓄え、力行時にその蓄えた電荷を有効に利用するものは、省電力効果は大きいが、実際にはいくつかの問題点がある。これら問題点について、前述の図２の回路を例として説明する。

まず、インバータ部１４の電力の入出力経路に、直列に挿入される回生吸収直列コンデンサ２６は、力行運転時にも、又回生運転時にも、常時スイッチング電流が流れる。このため、コンデンサ２６は、低インピーダンスである必要がある。更に、このコンデンサ２６の容量が小さいと、電荷蓄積時に電圧が上昇し易くなるため、インバータ部１４の、パワー素子であるトランジスタ５２の耐圧破損を招かないよう、この回生吸収用のコンデンサ２６の容量は、十分に大きなものとしなければならないという制約がある。しかしながら、コンデンサ２６が大容量になると、配置するためのスペースなどの制約が増大し、又コストも拡大し、実用上の障害となる。

更に、図２において、回生吸収時にスイッチ２５を接点ａに切り替えて、回生電力吸収用のコンデンサ２６のマイナス（−）側を０電位に接続するような構成を採用している。しかしながら、減速時のみとはいえ、インバータ部１４の直流電圧が大きく変化する可能性があり、直流電圧が大きく変化すると、モータ２０へ流れる電流の流れ方に影響が及ぶ恐れがある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、回生電力を吸収し、回生吸収用抵抗で消費する一般的な回生吸収回路に加えて、回生電力の電荷を蓄えることを目的とした小容量の回生吸収用コンデンサ、及び該回生吸収用コンデンサに係る最小限の部品を併せて設けることで、該回生吸収用コンデンサは小容量としながらも、回生吸収用抵抗の定格電力の縮小、及び回生電力の一部再利用を図ることができる回生電力吸収回路を提供することを課題とする。

本発明は、整流器により交流電源入力を整流して、一旦直流電圧を作り、この直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動すると共に、モータが減速する際、モータから発生する回生電力を吸収する回生吸収動作を行なうモータ駆動装置の回生電力吸収回路において、回生電力を吸収し、回生吸収用の抵抗で消費する回生吸収抵抗回路と、回生電力を吸収し、回生吸収用のコンデンサに電荷として蓄える回生吸収コンデンサ回路を備え、モータが減速する際発生する回生エネルギを、前記回生吸収抵抗回路及び前記回生吸収コンデンサ回路で同時に併用して回生吸収する動作を行うと共に、モータ加速時を含む力行時には、この回生吸収により前記回生吸収用コンデンサに蓄えた電荷を、モータの駆動に再利用することにより、前記課題を解決したものである。

又、上記モータ駆動装置の回生電力吸収回路において、前記回生吸収コンデンサ回路は、前記回生吸収動作を行なって回生吸収用コンデンサに電荷を蓄える回生充電回路と、力行時に、回生吸収により前記回生吸収用コンデンサに蓄えた電荷を、モータの駆動に再利用する力行放電回路と、に加えて、前記回生吸収動作が始まるタイミングの前に、外部から入力される事前放出放電信号に従って、前記回生吸収用コンデンサに蓄えた電荷を放電させる放出放電回路を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

又、本発明は、整流器により交流電源入力を整流して、一旦直流電圧を作り、この直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動すると共に、モータが減速する際、モータから発生する回生電力を吸収する回生吸収動作を行なうモータ駆動装置の制御方法において、回生吸収抵抗回路が備える回生吸収用の抵抗で、回生電力を吸収し、消費すると共に、回生吸収コンデンサ回路が備える回生吸収用のコンデンサで、回生電力を吸収し、電荷として蓄積し、モータが減速する際発生する回生エネルギを、これら、前記回生吸収抵抗回路による消費、及び前記回生吸収コンデンサ回路による電荷蓄積を、同時に併用して回生吸収する共に、モータ加速時を含む力行時には、この回生吸収により前記回生吸収用コンデンサに蓄積された電荷を、モータの駆動に再利用することにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、従来の一般的な回生吸収回路に加えて、回生電力を蓄えることを目的とした小容量の回生吸収用コンデンサ、及びこれに係る他の最小限の部品を設けることで、モータが減速する際に発生する回生電力を、回生吸収用抵抗と小容量の回生吸収用コンデンサとの２つの吸収電流径路からなる回生吸収回路で回収することができる。又、この後の力行運転時に、回生吸収用コンデンサに蓄えた分の電荷を放出して再利用することができる。

そのため、回生吸収用抵抗に流す電流を減らすことができ、その分、同抵抗の抵抗値を大きくして定格電力の小さな抵抗にすることができる。なお、定格電力とは、その抵抗の部品が消費することのできる電力の大きさである。更に、本発明で設ける回生吸収用コンデンサは、平滑コンデンサの役割の一部を負担すると考え、平滑コンデンサの容量の一部を該回生吸収用コンデンサに移設して設けてもよい。この場合、コスト、スペース面での負担は少なく抑えることができる。

又、本発明において、回生吸収により回生吸収用コンデンサに蓄えている電荷を、次の回生吸収動作が始まるタイミングの前に、外部から入力される事前放出放電信号に従って放電させ、回生吸収用コンデンサの電位を下げることも可能である（以下、事前放出放電あるいは放出放電と呼ぶ）。このように回生吸収用コンデンサの電位を下げることで、次の回生吸収の際には、この回生吸収用コンデンサで吸収する電荷量を増やすことができる。これによって、モータが高速回転から急激な減速を行う場合でも十分な回生吸収量を確保することができる。

例えば、本発明のモータ駆動装置の回生電力吸収回路を、実装プログラムに従って、基板に電子部品を実装していく部品実装装置において、実装する電子部品を吸着するヘッドの位置決め用のモータに対して用いる場合、この実装プログラムに従って、将来のモータの減速を予測することができる。このため、該予測に従って、上記の事前放出放電信号を発生するようにしてもよい。

以下、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

以下に述べる各実施形態では、本発明は、特に図３に示す回生電力吸収回路１７において適用されている。

この回生電力吸収回路１７は、まず、モータ２０の減速時の回生電力を電荷として蓄える、回生吸収用コンデンサ１８を備えている。更に、該回生電力吸収回路１７は、このように回生電力を電荷として回生吸収用コンデンサ１８に蓄える回生充電回路３２と、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられている電荷をモータ２０の力行時に該モータ２０側に供給するための力行放電回路３６とにより構成される。この回生電力吸収回路は、小容量の回生吸収用コンデンサ１８を備えると共に、少数の部品を追加する簡易な構成となっている。

本発明のこれら実施形態では、いずれも、前述の従来の問題点を考慮し、従来の回生電力吸収回路のように、大容量の回生吸収用コンデンサにモータ２０の回生電力の全てを吸収することをせず、回生電力吸収回路１７の、比較的小容量の回生吸収用コンデンサ１８へモータ２０の回生電力の一部を吸収し、この後の力行動作時にインバータ部１４を介してモータ２０へ放出して再利用することとし、図１又図２の一般的な構成の回生吸収回路と比べても、スペース、コスト面での負担が少ない回生吸収回路の構成を実現するものである。

図３は、本発明が適用された第１実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。

この第１実施形態は、本発明の最も簡単な構成であり、同図を用いて最も基本的な動作を記す。

交流電源入力１０として、商用電源から交流の、例えばＡＣ１００Ｖ±１５％、若しくは、ＡＣ２００Ｖ±１５％で、５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの三相又は単相の交流電圧が供給される。この交流電源入力１０から供給される交流電流は、整流回路１１によって全波整流され、必要に応じて突入電流抑制回路１２（図１、図３）及び図示しないチョークコイルなどの力率補正回路（図２の符号２２）を経て、平滑コンデンサ１３により直流電圧が作られ、該直流電圧はインバータ部１４に供給される。更に、インバータ部１４は、モータ制御回路１５によって制御されつつ、直流を交流に変換して、モータ２０へ必要な電力を供給し、回転駆動する。

本実施形態では、まず、図１の従来例と同様、回生用抵抗１９、トランジスタ５１、及びダイオード７１を備えた、回生電力を該回生用抵抗１９により吸収するための回生吸収抵抗回路１６を備える。

本実施形態は、更に、この回生吸収抵抗回路１６に加えて、回生電力吸収回路１７を備える。但し、該回生電力吸収回路１７は、回生吸収抵抗回路１６と一部素子が共用され、複合的に構成されている。

この回生電力吸収回路１７は、まず回生吸収用コンデンサ１８を備え、回生電力を該回生吸収用コンデンサ１８に吸収する。更に、該回生電力吸収回路１７は、回生充電回路３２、及び力行放電回路３６を備える。なお、該回生吸収用コンデンサ１８は、本発明の要となる部品ということができる。

なお、回生吸収抵抗回路１６及び回生電力吸収回路１７について、又回生充電回路３２及び力行放電回路３６については、それぞれ互いに、一部の素子が共用されている。

まず、上記の回生充電回路３２は、モータ２０の減速時に回生電力を電荷として回生吸収用コンデンサ１８に蓄えるための回路であり、ダイオード７６と、抵抗７７と、トランジスタ５１とにより構成されている。モータ２０の減速時に、該減速による回生電力の電荷を回生吸収用コンデンサ１８に蓄える場合には、トランジスタ５１のベースにＨ状態の信号が入力され、該トランジスタ５１はオンとされる。すると、インバータ部１４からの回生電力の電流は、インバータ部１４のプラス（＋）から流れ出て、回生吸収用コンデンサ１８、ダイオード７６、抵抗７７、トランジスタ５１の順に流れてから、インバータ部１４に流入し、このような電流による電荷は回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられる。

なお、抵抗７７は、トランジスタ５１がオフからオンに切り替わった時の、突入電流を抑えるものである。この突入電流は、回生吸収用コンデンサ１８に電荷が蓄えられていなと一瞬でも電流が大きくなるため、該抵抗７７によってこれを抑える。

なお、モータ２０のこの減速時においては、回生電力は、回生吸収抵抗回路１６においても吸収される（回生吸収）。この回生吸収抵抗回路１６は、図１の従来例と、構成も動作も基本的に同じである。例えば、平滑コンデンサ１３の直流電圧が、インバータ１０５のパワー素子の耐圧に対して余裕のある適当な閾値を超える場合には、トランジスタ５１をオンにする。又、該トランジスタ５１がオンの状態で、平滑コンデンサ１３の直流電圧が低下してゆき、該トランジスタ５１がターンオン時より若干低い適当な閾値を下回った場合に、該トランジスタ５１をオフするようにしてもよい。

回生電力吸収回路１７において、次に、力行放電回路３６は、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられている電荷を、モータ２０の力行時に該モータ２０側に供給するものであり、ダイオード７５が該力行放電回路３６の構成として用いられている。回生吸収用コンデンサ１８に電荷が蓄えられていて、モータ２０を回転駆動する力行時において、該回生吸収用コンデンサ１８の電圧が、整流回路１１が出力する直流の電圧以上であれば、回生吸収用コンデンサ１８に電荷が、ダイオード７５に順方向となる電流として流れ、モータ２０の回転駆動に再利用される。ダイオード７５は、一方方向にのみ電流を流すことで、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えた電荷を無駄に放出しないよう、放電を防ぐ役割を果たす。

なお、上述のように力行放電回路３６により再利用される電力の電流は、回生吸収用コンデンサ１８のプラス（＋）から流れ出て、インバータ部１４、ダイオード７５を経由して、回生吸収用コンデンサ１８のマイナス（−）に流れ込む。このような電流によって、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷は放出される。

なお、本実施形態では、回生吸収用コンデンサ１８は、平滑コンデンサ１３の役割の一部を負担すると考えることができる。従って、平滑コンデンサ１３の容量の一部を移設して設けるものとしてもよく、該平滑コンデンサ１３の容量を抑えることができる。これにより、コスト、スペース面での負担を抑えることができる。

以上のような回生電力吸収回路１７において、モータ２０のこの減速時に、前述したように、回生電力の電流は、まず回生吸収抵抗回路１６の経路（回生吸収用抵抗の経路：図１３の矢印Ｂ参考）に流れると共に、回生充電回路３２の経路（回生吸収用コンデンサの経路：図１３の矢印Ａ１〜Ａ３矢印参考）に流れる。このため、本発明を採用する場合、これら回生吸収抵抗経路及び回生吸収コンデンサ経路において、それぞれにどれだけの電流を流すかを決める必要がある。

減速回生時に生じる回生電力を可能な限り吸収できるようにする場合、例えば、回生吸収用コンデンサ１８の容量を平滑コンデンサ１３の５〜２０％程度の容量値とし、負荷条件によって決まる回生吸収時間に合わせて決めるようにしてもよい。

又、抵抗７７の抵抗値は、回生吸収用コンデンサ１８の容量に応じて定めるようにする。該抵抗７７の抵抗値は、回生吸収用コンデンサ１８が未充電の状態でトランジスタ５１がオンになった時に、ダイオード７６やトランジスタ５１に流れる電流の大きさが、該電流の経路にある部品の定格電流の範囲内となる、最小の抵抗値とする。但し、抵抗７７の抵抗値が大きすぎると、回生吸収用コンデンサ１８により回生電力を吸収し難くなる。

ここで、単に回生電力の全てをコンデンサで回収するだけなら、本発明のように回生吸収用コンデンサ１８を配置せずとも、平滑コンデンサ１３の値を必要なだけ大きくすればよい。しかしながら、スペースとコスト、電源投入時の突入電流の負担が増えること、力率を悪化させることなどを考慮すると容易には実現できない。仮に平滑コンデンサ１３の値を、前記した回生吸収用コンデンサ１８の容量に相当する分増やすとしても、それだけでは回生吸収回路で吸収しなければならない電流値は大幅には下げられないことが多く、本発明のように、回生吸収用コンデンサ１８を中心として回生充電回路３２を備え、且つ、回生用抵抗１９を中心として回生吸収抵抗回路１６を備え、併用して回生電力を吸収する構成は極めて有効であるといえる。

次に、図４は、本発明が適用された第２実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。

この第２実施形態は、前述の第１実施形態におけるダイオード７６を、図４に示すように、ダイオード７６及びトランジスタ７８を組み合われたものに置き換えたものである。該トランジスタ７８のエミッタ及びコレクタに対して、ダイオード７６のアノード及びカソードが並列接続され構成されている。このような並列接続構成のものとして、ダイオードを内蔵したＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴを使用すると、デバイスの数が増えないので好都合である。

本実施形態では、回生電力吸収回路１７において、前述の第１実施形態にはない、放出放電回路３４を備えている。本実施形態の放出放電回路３４は、回生用抵抗１９、抵抗７７、トランジスタ７８により構成される。該放出放電回路３４は、図中において、概ね破線３４の範囲である。又、該放出放電回路３４は、前述の事前放出放電あるいは放出放電を行うものである。つまり、該放出放電回路３４は、回生吸収用コンデンサ１８の電荷を放出させてその後に蓄えられる回生電力の電荷を多くする回路である。

該放出による電力は、前述の事前放出放電信号に従ってトランジスタ７８をオンとすることにより、回生用抵抗１９及び抵抗７７で消費される。又、該放出の電流は、回生吸収用コンデンサ１８のプラス（＋）から流れ出て、回生用抵抗１９、抵抗７７、トランジスタ７８を経て、回生吸収用コンデンサ１８のマイナス（−）に流れ込む。

モータ２０の減速時、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えることができる、該減速による回生電力の電荷の量には、該回生吸収用コンデンサ１８の容量に従った限界がある。又、回生吸収用コンデンサ１８に電荷が一杯になると、回生充電回路３２による、該回生吸収用コンデンサ１８への回生吸収ができなくなったり、不十分になったりする。

このため、本実施形態では、回生吸収動作が始まるタイミングの前に、外部から入力される事前放出放電信号に従って、放出放電回路３４のトランジスタ７８をオンとし、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えた電荷を放電させておく（放出放電と呼ぶ）。これにより、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えることが可能な、この後に、該減速による回生電力の電荷の量を増加することができ、回生充電回路３２によるモータ２０減速の回生吸収を効果的に行なうことができる。

なお、上述のような放出放電回路３４は、本第２実施形態（図４）、後述する第４実施形態（図６）、第６実施形態（図８）が備えるものである。一方、前述の第１実施形態、又、後述する第３、第５実施形態では、いずれも該放出放電回路３４は省かれている。

本実施形態では、前述の第１実施形態に比べて、放出放電回路３４を備えることで、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられている電荷を能率よく放出放電することができる。回生吸収用コンデンサ１８の電荷が多く放出されていると、回生充電回路３２による回生吸収が効果的になる。例えば、モータ２０が最高速度付近で動作していて減速動作を行った場合など、より大きな回生吸収電流を流したい時には有効な手段となる。

続いて、図５は、本発明が適用された第３実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。

本第３実施形態は、前述の図３に示す第１実施形態における突入電流抑制回路１２を、図５に示すように、トランジスタ５０と、ダイオード５４及びダイオード８０と、抵抗８１とを組み合われたものに置き換え、又図３の抵抗７７を省いたものである。これにより、本第３実施形態において、回生充電回路３２、及び力行放電回路３６は、それぞれ、図３に示す第１実施形態の回生充電回路３２及び力行放電回路３６に、図５の突入電流抑制回路１２を構成として加えたものとなっている。なお、本第３実施形態の図５において、回生充電回路３２又力行放電回路３６の、破線及び符号による図示は混迷するため省略する。

本実施形態の突入電流抑制回路１２は、図５に示すように、トランジスタ５０のコレクタ及びエミッタに対して、ダイオード５４のカソード及びアノードが並列になっている。又、この並列の構成に対して、直列接続された抵抗８１及びダイオード８０が、更に並列に接続されている。

又、本実施形態では、回生充電回路３２は、図５において符号３２−１の回路、及び突入電流抑制回路１２により構成されている。即ち、回生充電回路３２は、前述の第１実施形態の回生充電回路３２に対して、ダイオード５４及び抵抗８１が加えられている。このため、回生充電回路３２において、モータ２０の減速時の回生吸収の際に、該減速による回生電力の電荷を回生吸収用コンデンサ１８に蓄える際に流れる電流の経路に、抵抗８１が挿入され、該抵抗８１により、回生吸収の電流における突入電流を抑えることができる。該抵抗８１は、交流電源入力１０からの電源投入の際の突入電流を抑えるためのものであり、このような抵抗８１を、上述の、回生吸収の突入電流の抑制にも用いることができる。なお、回生吸収の電流経路は、インバータ部１４のプラス（＋）から流れ出て、ダイオード５４、抵抗８１、回生吸収用コンデンサ１８、ダイオード７６、トランジスタ５１を順に流れて、インバータ部１４に流入するものである。

本実施形態では、このように２種類の突入電流を抑制するための、電力定格が大きくて大型となる抵抗を共用化することができ、コストやスペースの面で有利である。

次に、図６は、本発明が適用された第４実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。

本第４実施形態は、前述の図５に示す第３実施形態における突入電流抑制回路１２のダイオード８０を、図６に示すように抵抗８２に置き換えたものである。更に、本第４実施形態は、前述の図５に示す第３実施形態におけるダイオード７６を、図６に示すようにダイオード７６及びトランジスタ７８を組み合われたものに置き換えたものである。このダイオード７６及びトランジスタ７８を組み合われたものは、前述の第２実施形態と同様のものである。

あるいは、本第４実施形態は、前述の図４に示す第２実施形態における突入電流抑制回路１２を、図６に示すように、トランジスタ５０と、ダイオード５４と、抵抗８１及び抵抗８２とを組み合われた突入電流抑制回路１２に置き換えたものである。更に、前述の図４に示す第２実施形態における抵抗７７を省いたものである。

これにより、本第４実施形態において、回生充電回路３２、力行放電回路３６、及び放出放電回路３４は、それぞれ、第２実施形態の図４に示す回生充電回路３２及び力行放電回路３６及び放出放電回路３４に、図６の突入電流抑制回路１２を構成として含むようになっている。なお、本第４実施形態の図６において、回生充電回路３２又力行放電回路３６の、破線及び符号による図示は混迷するため省略する。

このような本第４実施形態では、前述の第３実施形態における突入電流抑制回路１２において、図５に示すダイオード８０を、図６に示すように抵抗８２に置き換えているので、第４実施形態においてトランジスタ７８がターンオンする際、該トランジスタ７８のコレクタ部分で急峻に電圧が変化するために流れるおそれがあるスパイク電流を抑制することができる。

又、本第４実施形態では、前述の第２実施形態の抵抗７７を省いているが、本第４実施形態の抵抗８１や抵抗８２が該抵抗７７と同様の作用をすることになり、スパイク電流を抑制することができる。

続いて、図７は、本発明が適用された第５実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。

この第５実施形態は、前述の第３実施形態における突入電流抑制回路１２を、整流回路１１の出力のマイナス（−）端子側に設けたものであり、該第３実施形態と同様に動作することができる。

なお、本第５実施形態において、又次に述べる第６実施形態において、回生充電回路３２又力行放電回路３６の、破線及び符号による図示は混迷するため省略する。

次に、図８は、本発明が適用された第６実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図である。

この第６実施形態は、前述の第５実施形態に対して、出力負荷回路３５を備えたものであり、該出力負荷回路３５を中心として放出放電回路３４が構成されている。該出力負荷回路３５は、ダイオード８３及び８４、抵抗８２、トランジスタ８７により構成されている。

本実施形態では、放出放電回路３４において、このトランジスタ８７は、前述の事前放出放電信号に従ってオンとすることで、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えた電荷を放出放電することができる。この時、回生吸収用コンデンサ１８から流出する該電荷の電流は、ダイオード８４、抵抗８２、トランジスタ８７、ダイオード８０の順に流れ、回生吸収用コンデンサ１８に流入する。

本実施形態では、前述の第２実施形態や第４実施形態と同様、放出放電回路３４を備えることで、適宜、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられている電荷を能率よく放出することができる。又、回生吸収用コンデンサ１８の電荷が多く放出されていると、回生充電回路３２による回生吸収が効果的になる。

更に、本実施形態では、回生吸収用コンデンサ１８のプラス（＋）は、ダイオード７５を介して、平滑コンデンサ１３のプラス（＋）や、整流回路１１のプラス（＋）端子に接続されている。又、回生吸収用コンデンサ１８のマイナス（−）は、抵抗８１やダイオード５４やダイオード８０を介して、平滑コンデンサ１３のマイナス（−）や、整流回路１１のマイナス（−）端子に接続されている。従って、平滑コンデンサ１３の電荷や、インバータ部１４からの回生電力を、例えば電源系統に復帰させるなどの回路を設ける場合には、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷の電力も復帰することができ、省電力化に貢献することができる。

上述のように、回生電力を電源系統に復帰させるようにすると、再利用可能な回生電力が増加し、省電力化に貢献することができる。又、このように復帰できる電力量は、平滑コンデンサ１３の容量に従って増加させることができるが、該平滑コンデンサ１３の容量には、回生吸収用コンデンサ１８の容量を加えて、この回生電力の復帰に利用することができ、これにより擬似的に、該平滑コンデンサ１３の容量を増加させることができる。このため、平滑コンデンサ１３のコストを抑えつつ、電源系統に復帰できる電力量を増加することができ、この点でも、省電力化に貢献することができる。

ここで、図９は、これまでに述べた第１実施形態〜第６実施形態の動作を示すタイムチャートである。

この図９のタイムチャートにおいて、上から順に、図１の従来例のインバータ部１４の電圧Ｖｉ０、該従来例の回生吸収抵抗回路１６で回生吸収される電流Ｉ０、第１〜第６実施形態のインバータ部１４の電圧Ｖｉ、これら実施形態の回生吸収用コンデンサ１８で回生吸収される電流Ｉｃ、これら実施形態の回生吸収抵抗回路１６で回生吸収される電流Ｉｒのタイムチャートとなっている。

ここで、インバータ部１４の電圧Ｖｉ０、Ｖｉとは、インバータ部１４のプラス（＋）及びマイナス（−）の端子部分に対して入出力される直流の電圧であり、平滑コンデンサ１３の電圧とも言うことができる。又、この図９において、中段のインバータ部１４の電圧Ｖｉのグラフには、符号Ａの一点鎖線により第１、第３、及び第５実施形態の回生吸収用コンデンサ１８の電圧が、符号Ｂの二点鎖線により第２、第４、及び第６実施形態の回生吸収用コンデンサ１８の電圧が示されている。

なお、上記の回生吸収される電流Ｉ０、Ｉｃ、Ｉｒとは、モータ２０減速時にインバータ部１４側から回生されて流れ込む電流である。

又、図９の中段以下に示される、電流Ｉｃのタイムチャートでは、符号Ａの一点鎖線により第１、第３、及び第５実施形態が示され、符号Ｂの二点鎖線により第２、第４、及び第６実施形態が示されている。

図９において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが減速期間であり、時刻ｔ１’において前述の事前放出放電信号が入力されている。時刻ｔ３以降が加速期間であり、該加速期間において時刻ｔ３’から、回生吸収で回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられていた電荷を、モータ２０の加速に用いている。又、時刻ｔ１以前、そして時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、減速も加速もしていない期間である。

まず、減速も加速もしていない期間では、従来例でも、これら実施形態でも、インバータ部１４の電圧Ｖｉ０、Ｖｉは、整流回路１１が出力する電圧となる。

そして、時刻ｔ１から減速期間となり、インバータ部１４の電圧Ｖｉ０、Ｖｉは、この時刻ｔ１以降は上昇している。又、この減速期間において、回生吸収される電流Ｉ０、Ｉｃ、Ｉｒが流れると、インバータ部１４の電圧Ｖｉは低下している。

回生吸収抵抗回路１６のみで回生吸収する図１の従来例の電流Ｉ０に対して、本実施形態では、回生充電回路３２により回生吸収用コンデンサ１８へも、電流Ｉｃとして回生吸収しているため、本実施形態の回生吸収抵抗回路１６で回生吸収される電流Ｉｒは全体的に小さくなっている。又、回生吸収用コンデンサ１８へ回生吸収される電流Ｉｃは、電流が流れて電荷が回生吸収用コンデンサ１８に蓄積されると減少している。

ここで、符号Ａの一点鎖線の第１、第３、及び第５実施形態に比較して、符号Ｂの一点鎖線の第２、第４、及び第６実施形態では、回生吸収される電流Ｉｃが全体的に大きくなっている。

これは、第２、第４、及び第６実施形態では、第１、第３、及び第５実施形態にはない、放出放電回路３４を備えていることによる。該放出放電回路３４は、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられている電荷を、適宜、放出放電することで、後に該回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられる電荷を増加させることができる。例えば、図９では時刻ｔ１’において、前述の事前放出放電信号が入力され、放出放電回路３４は該信号により放出放電を行う。このため、上記のように、回生吸収される電流Ｉｃが全体的に大きくなる。

次に、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで加速期間になると、従来例の場合も、これら実施形態の場合も、平滑コンデンサ１３の電荷が減少するについて、インバータ部１４の電圧Ｖｉ０、Ｖｉは、整流回路１１が出力する電圧まで低下していく。又、この加速期間中において、時刻ｔ３’から時刻ｔ４までの期間は、本実施形態では、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられていた電荷を再利用するようにしている。

なお、図９において、斜線部分は、回生吸収される電荷、あるいは回生吸収されていた電荷で、上述のように再利用される電荷を示す。

次に、図１０〜図１５は、各動作状態における第４実施形態の要部の回路図である。

回路図については、これまでに述べた実施形態で最も複雑な第４実施形態のものの要部を示し、これにより、他の実施形態の動作も示すものとする。

これらの図において、図１０は電源投入時の、図１１は平滑コンデンサ１３が充電完了時の、図１２は回生吸収用コンデンサ１８を放出放電させる時の、図１３はモータ２０減速時に回生吸収する時の、図１４は回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷の電力も用いたモータ２０の力行時の、図１５は交流電源入力１０からの電源の遮断後のコンデンサ電荷の放電時の、本発明の第１〜第６実施形態の動作を示す、いずれも第４実施形態を代表例としてその要部を示す回路図である。

まず、図１０に示す電源投入時、トランジスタ５０、５１、７８は、いずれもオフとなる。あるいは、トランジスタ５０、５１、はオフとなり、トランジスタ７８はオンとなる。交流電源入力１０からの電源が投入された瞬間、平滑コンデンサ１３が未充電の状態であるので、突入電流が流れる。その突入電流の流れすぎを防ぐため、トランジスタ５０はオフとなる。

この電源投入時、整流回路１１のプラス（＋）端子から流出した電流は、抵抗８１、８２、平滑コンデンサ１３を順に経て、整流回路１１のマイナス（−）端子に流入し、平滑コンデンサ１３に充電が開始される。又、整流回路１１のプラス（＋）端子から流出した電流は、抵抗８１、回生吸収用コンデンサ１８、ダイオード７６又はトランジスタ７８、ダイオード７１、平滑コンデンサ１３を順に経て、整流回路１１のマイナス（−）端子にも流入し、平滑コンデンサ１３に充電が開始されると共に、回生吸収用コンデンサ１８にも充電が開始される。なお、回生吸収用コンデンサ１８が充電されても、平滑コンデンサ１３が充電される電圧よりかなり低く、回生吸収時の回生吸収コンデンサ１８の回生吸収量としては、ほとんど影響はない。

次に、図１１に示す平滑コンデンサ１３が充電完了時、平滑コンデンサ１３の電圧が一定値以上に達すると、トランジスタ５０をオンとし、トランジスタ５１、７８はオフとする。あるいは、交流電源入力１０からの電源投入後、平滑コンデンサ１３が充電完了状態であるので、突入電流が流れることがないため、トランジスタ５０はオンとする。該トランジスタ５０をオンとすることで、電力損失なく、インバータ部１４に整流回路１１から電力を供給することができる。このインバータ部１４への電力供給の際、整流回路１１のプラス（＋）端子から流出した電流は、トランジスタ５０、インバータ部１４を順に経て、整流回路１１のマイナス（−）端子に流入する。

続いて、回生吸収動作開始直前、図１２に示す回生吸収用コンデンサ１８を放出放電させる時、トランジスタ５０、７８をオンとし、トランジスタ５１をオフとする。すると、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷による、該回生吸収用コンデンサ１８から流出する電流は、並列接続の抵抗８１及び抵抗８２、回生用抵抗１９、トランジスタ７８を流れ、回生吸収用コンデンサ１８に流入し、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷が放出され、この電力は、抵抗８１、８２、１９で消費される。

次に、図１３に示すモータ２０減速時に回生吸収する時、トランジスタ５０、５１をオンとする。トランジスタ７８はオンでもオフでもよい。すると、回生吸収抵抗回路１６での回生吸収に加えて、回生充電回路３２による回生吸収用コンデンサ１８への回生吸収が行なわれる。まず、インバータ部１４のプラス（＋）端子から流出する電流は、並列接続の抵抗８１及び抵抗８２、回生吸収用コンデンサ１８、ダイオード７６、トランジスタ５１を経て、インバータ部１４のマイナス（−）端子に流入する。又、インバータ部１４のプラス（＋）端子から流出する電流は、回生用抵抗１９、トランジスタ５１を経て、インバータ部１４のマイナス（−）端子に流入し、回生吸収抵抗回路１６の回生吸収用抵抗１９での回生吸収が行なわれる。ここで、回生吸収抵抗回路１６で回生吸収された電流は、電力消費になり、回生吸収用コンデンサ１８に回生吸収された電流は、同コンデンサを充電し電荷として蓄積される。この蓄えた電荷は、力行時に放出し、再利用することができる。回生用抵抗１９の抵抗値が大きくして同抵抗の吸収電流値を少なくし、回生吸収用コンデンサ１８へ流れ込む電流を大きく設定するならば、全体的な電力消費を抑えることができる場合があり、該回生用抵抗１９の定格電力を小さくすることも可能である。

次には、図１４に示す回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷の電力も用いたモータ２０の力行時、トランジスタ５０をオンとし、トランジスタ７８、５１をオフとする。すると、回生吸収用コンデンサ１８から流出する電流は、並列接続の抵抗８１及び抵抗８２、インバータ部１４、ダイオード７５を経て回生吸収用コンデンサ１８に流入し、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷による電力がインバータ部１４において再利用され、モータ２０を加速する電力として再利用される。

次に、図１５は交流電源入力１０からの電源の遮断後のコンデンサ電荷の放電時、トランジスタ５０、５１をオンとする。トランジスタ７８はオンでもオフでもよい。すると、平滑コンデンサ１３に蓄えられている電荷も、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられている電荷も放出することができる。

まず、平滑コンデンサ１３については、該平滑コンデンサ１３から流出した電流が回生用抵抗１９及びトランジスタ５１を経て平滑コンデンサ１３に流入し、充電されていた電荷が放出される。又、回生吸収用コンデンサ１８については、該回生吸収用コンデンサ１８から流出する電流は、並列接続の抵抗８１及び抵抗８２、回生用抵抗１９、トランジスタ５１、ダイオード７５を経て回生吸収用コンデンサ１８に流入し、回生吸収用コンデンサ１８に蓄えられた電荷は放出される。

電源遮断時には安全その他のために、平滑コンデンサ１３や回生吸収用コンデンサ１８の電荷は速やかに放電する必要があるが、本実施形態では特別な追加回路を設けずに、回生用抵抗１９、抵抗８１、８２において、該電荷の電力を消費させることができる。従って、新たに放電抵抗を付加する必要がなく、スペースやコストの面で有利である。

従来のインバータ回路を使用したモータ駆動装置の一般的な構成を示す回路図 従来のコンデンサで回生吸収するインバータ回路を使用したモータ駆動装置の一般的な構成を示す回路図 本発明が適用された第１実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図 本発明が適用された第２実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図 本発明が適用された第３実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図 本発明が適用された第４実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図 本発明が適用された第５実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図 本発明が適用された第６実施形態のモータ駆動装置の構成を示す回路図 上記第１実施形態〜第６実施形態の動作を示すタイムチャート 電源投入時の動作状態における第４実施形態の要部の回路図 平滑コンデンサ１３が充電完了時の動作状態における第４実施形態の要部の回路図 回生吸収用コンデンサを放出放電させる時の動作状態における第４実施形態の要部の回路図 モータ減速時に回生吸収する時の動作状態における第４実施形態の要部の回路図 回生吸収用コンデンサに蓄えられた電荷の電力も用いたモータの力行時の 交流電源入力からの電源の遮断後のコンデンサ電荷の放電時の動作状態における第４実施形態の要部の回路図

符号の説明

１０…交流電源入力
１１…整流回路
１２…突入電流抑制回路
１３…平滑コンデンサ
１４…インバータ部
１５…モータ制御回路
１６…回生吸収抵抗回路
１７…回生電力吸収回路
１８…回生吸収用コンデンサ
１９…回生吸収用抵抗
２０…モータ
２２…力率改善用インダクタンス
２４…回生吸収コンデンサ回路
３２…回生充電回路
３４…放出放電回路
３５…出力負荷回路
３６…力行放電回路

Claims (3)

1. 整流器により交流電源入力を整流して、一旦直流電圧を作り、この直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動すると共に、モータが減速する際、モータから発生する回生電力を吸収する回生吸収動作を行なうモータ駆動装置の回生電力吸収回路において、
   回生電力を吸収し、回生吸収用の抵抗で消費する回生吸収抵抗回路と、
   回生電力を吸収し、回生吸収用のコンデンサに電荷として蓄える回生吸収コンデンサ回路を備え、
   モータが減速する際発生する回生エネルギを、前記回生吸収抵抗回路及び前記回生吸収コンデンサ回路で同時に併用して回生吸収する動作を行うと共に、モータ加速時を含む力行時には、この回生吸収により前記回生吸収用コンデンサに蓄えた電荷を、モータの駆動に再利用することを特徴とするモータ駆動装置の回生電力吸収回路。
2. 請求項１に記載のモータ駆動装置の回生電力吸収回路において、前記回生吸収コンデンサ回路は、
   前記回生吸収動作を行なって回生吸収用コンデンサに電荷を蓄える回生充電回路と、
   力行時に、回生吸収により前記回生吸収用コンデンサに蓄えた電荷を、モータの駆動に再利用する力行放電回路と、に加えて、
   前記回生吸収動作が始まるタイミングの前に、外部から入力される事前放出放電信号に従って、前記回生吸収用コンデンサに蓄えた電荷を放電させる放出放電回路を備えたことを特徴とするモータ駆動装置の回生電力吸収回路。
3. 整流器により交流電源入力を整流して、一旦直流電圧を作り、この直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動すると共に、モータが減速する際、モータから発生する回生電力を吸収する回生吸収動作を行なうモータ駆動装置の制御方法において、
   回生吸収抵抗回路が備える回生吸収用の抵抗で、回生電力を吸収し、消費すると共に、
   回生吸収コンデンサ回路が備える回生吸収用のコンデンサで、回生電力を吸収し、電荷として蓄積し、
   モータが減速する際発生する回生エネルギを、これら、前記回生吸収抵抗回路による消費、及び前記回生吸収コンデンサ回路による電荷蓄積を、同時に併用して回生吸収する共に、
   モータ加速時を含む力行時には、この回生吸収により前記回生吸収用コンデンサに蓄積された電荷を、モータの駆動に再利用することを特徴とするモータ駆動装置の制御方法。

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