JP5523541B2 - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボモータ制御装置に関し、特にサーボモータ制御装置の電流検出部の構造に関するものである。

従来、サーボモータ制御装置においてサーボモータに流れる電流を検出する手段としては、抵抗検出或いは電流センサを用いた検出が一般的である。抵抗検出の場合、抵抗を基板にハンダ付けし、パターンを介して電流を流す。抵抗に流れた電流を電圧値として検出し、サーボモータに流れる電流として算出している。このような、抵抗検出では、周囲温度による検出バラツキが少なく、精度の高い検出手段であるが、大電流を流すと発熱により抵抗自体の温度上昇や基板パターンの温度上昇が発生する。この温度上昇によりハンダ剥がれや基板パターン破損が発生する可能性があるため、一般的に大電流の電流検出手段には不向きである。

一方、電流センサによる方法は、電線や導体等に電流を流し、ホール効果を利用した磁電変換素子であるホール素子を利用し、電線や導体等に流れる電流を検出する。この場合、導体はパワーモジュールの端子や端子台等に直接接続されるため、大電流を流しても基板パターンの温度上昇は発生せず、一般的に大電流の電流検出手段として使用される（例えば、特許文献１の図２参照）。

特開２００６−３８８３４号公報、図２

しかしながら、上記従来の技術によれば、電流センサによる方法は、周囲温度により検出精度が劣化するという問題があり、抵抗検出と比較して検出精度が劣るという問題があった。また、抵抗検出で行う方法と比較して、電流センサの配置や導体の配置方法などサーボモータ制御装置の構造を複雑化するという問題があった。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、サーボモータへ流れる大電流を検出する場合においても高精度な電流検出を行うことができ、さらに構造を簡素化することができるサーボモータ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるサーボモータ制御装置は、サーボモータに流れる電流を検出する電流検出部を備え、該電流検出部が検出する電流値を用いてサーボモータの制御を行うサーボモータ制御装置において、前記電流検出部は、基板とは別に設けられて、前記基板を介さずに電力供給部からの電力を前記サーボモータに供給するとともに、電流検出の際の電流検出抵抗の役割をする抵抗兼用導体と、前記抵抗兼用導体の所定の２箇所に接続された電流検出端子に出力される電圧から前記サーボモータに流れる電流を検出する電流検出器とを有することを特徴とする。

この発明によれば、電流検出部は、電力供給部からの電力をサーボモータに供給するとともに電流検出の際の電流検出抵抗の役割をする抵抗兼用導体を有しており、この抵抗兼用導体に流れた電流を電圧値として検出してサーボモータに流れる電流として算出する。そのため、周囲温度による検出バラツキが少なく、精度の高い電流検出を可能とする。一方、抵抗兼用導体は基板とは別に設けられているので、大電流を流した場合であっても、基板及び基板パターンの温度上昇を伴うことがない。そのため、温度上昇によるハンダ剥がれや基板パターン破損を防止することができる。さらには、抵抗兼用導体は、電力供給部からの電力をサーボモータに供給する導体の役割と、電流検出の際の電流検出抵抗の役割を１つの部材で兼任するので、部品点数が削減され、構造が簡素化する。

図１は、本発明にかかるサーボモータ制御装置の実施の形態を示すブロック図である。 図２は、図１の電流検出部の要部を示す斜視図である。

以下に、本発明にかかるサーボモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本実施の形態のサーボモータ制御装置のブロック図である。図１において、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電源を発生する三相交流電源１は、三相交流電圧を直流電圧に整流するコンバータ部２に接続される。コンバータ部２は三相交流モータ４（以下モータ４とする）を制御するインバータ部３と接続され、インバータ部３とモータ４とが電流検出部６を介して接続される。ここで、上記コンバータ部２は交流電源端子４１，４２，４３と直流電源端子２１，２２を備えている。交流電源端子４１，４２，４３は上記三相交流電源１の各電源端子と接続する。また、上記コンバータ部２の直流電源端子２１，２２は上記インバータ部３の直流電源端子に接続される。上記コンバータ部２内には、直流電源端子２１，２２に接続される直流母線２３，２４が配置され、直流母線２３，２４間には、平滑コンデンサ４０が接続される。

コンバータ部２内には、整流用ダイオード１５，１６，１７，１８，１９，２０を備え、直流母線２３，２４間に直列接続した整流用ダイオード１５，１６，整流用ダイオード１７，１８，および整流用ダイオード１９，２０の３組が並列に接続される。すなわち、直流母線２３には整流用ダイオード１５，１７，１９のカソード端子が接続され、直流母線２４には、整流用ダイオード１６，１８，２０のアノード端子が接続される。そして、整流用ダイオード１５のアノード端子と整流用ダイオード１６のカソード端子とは、共通に交流電源端子４１に接続される。同様に、整流用ダイオード１７のアノード端子と整流用ダイオード１８のカソード端子とは、共通に交流電源端子４２に接続され、整流用ダイオード１９のアノード端子と整流用ダイオード２０のカソード端子とは、共通に交流電源端子４３に接続される。

一方、インバータ部３内には、スイッチング素子２５，２６，２７，２８，２９，３０を備える。直流電圧端子２１には、上アームを構成するスイッチング素子２５，２７，２９のコレクタ端子が接続され、直流電圧端子２２には、下アームを構成するスイッチング素子２６，２８，３０のエミッタ端子が接続される。そして、スイッチング素子２５のエミッタ端子とスイッチング素子２６のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子３７に接続される。同様に、スイッチング素子２７のエミッタ端子とスイッチング素子２８のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子３８に接続され、スイッチング素子２９のエミッタ端子とスイッチング素子３０のコレクタ端子とは、共通に交流電源端子３９に接続される。なお、これらのスイッチング素子２５，２６，２７，２８，２９，３０には、還流ダイオード３１，３２，３３，３４，３５，３６がそれぞれ並列に接続され、還流ダイオードのカソード端子はスイッチング素子のコレクタ端子に接続される。

インバータ部３内の交流電源端子３７，３８，３９は上記モータ４に接続され、ＰＷＭ制御により出力される交流電力が供給される。上記インバータ部３から上記モータ４に流れる電流を検出するために電流検出部６を備える。また、上記モータ４の位置フィードバック、速度フィードバック、磁極位置を検出するために検出部５を備える。上記電流検出部６により検出される交流電流値ｉ_ｕａ，ｉ_ｖａ，ｉ_ｗａおよび上記検出部５より検出される磁極位置θ_ｒｅを電流制御部４６に入力する。

電流検出部６は、Ｕ相において、インバータ部３の交流電源端子３７とモータ４との間に直列に接続された抵抗兼用導体（以下、導体一体型電流検出抵抗と呼ぶ）５１と、導体一体型電流検出抵抗５１の所定の２箇所に接続された電流検出端子５８，５９に出力される電圧からモータ４に流れる電流検出器７１とを有する。導体一体型電流検出抵抗５１は、両端部に設けられた通電端子５６，５７を介して交流電源端子３７とモータ４との間に接続されている。電流検出部６は、同じくＶ相において、インバータ部３の交流電源端子３８とモータ４との間に直列に接続された導体一体型電流検出抵抗６１と、導体一体型電流検出抵抗６１の所定の２箇所に接続された電流検出端子６８，６９に出力される電圧からモータ４に流れる電流検出器８１とを有する。導体一体型電流検出抵抗６１は、両端部に設けられた通電端子６６，６７を介して交流電源端子３８とモータ４との間に接続されている。導体一体型電流検出抵抗５１，６１は、電力供給部を構成するモジュール部（インバータ部）３から出力される電力をモータ４に供給するとともに電流検出の際の電流検出抵抗の役割をする。

図２は図１の電流検出部６の要部を示す斜視図である。なお、図２においては、電流検出部６のうちＵ相の部分のみを示すが、Ｖ相の部分においても概略同様の構成を成す。導体一体型電流検出抵抗５１は、基板９０とは別体として設けられている。導体一体型電流検出抵抗５１は、所定の電気抵抗の板状金属材料を折り曲げて作製されている。導体一体型電流検出抵抗５１は、基板９０に対して平行となる平坦部５１ａ、５１ｂと、基板９０に対して垂直となる垂直部５１ｃ，５１ｄとから成り、特に垂直部５１ｃ，５１ｄを設けることで放熱性の向上が図られている。導体一体型電流検出抵抗５１には、所定の抵抗値となるように所定の距離だけ離れた２箇所に電流検出端子５８，５９が接続されている。電流検出端子５８，５９の接続箇所は、端子取り付けの際のネジ止めが容易となるように垂直部５１ｃ、５１ｄに設けられている。なお、抵抗値を任意に変更する目的で、電流検出端子の取付部を２箇所以上複数設けて置き、そのうちの任意の２箇所を選択して接続するようにしてもよい。また、電流検出端子５８，５９の接続箇所は、電流検出端子５８，５９の取付作業の際、工具が基板９０と干渉しない程度に基板９０から離れた位置に設けられれば、垂直部５１ｃ、５１ｄに限らず、その他の箇所に設けられても概略同様の効果を得ることができる。

基板９０には、導体一体型電流検出抵抗５１を基板９０に接触させずに設置する目的で穴９０ａが形成されている。導体一体型電流検出抵抗５１の一端の通電端子５６は、スタット３ａにより嵩上げされた位置でパワーモジュール（インバータ部３）上に支持されている。導体一体型電流検出抵抗５１の他端の通電端子５７は基板９０上の端子台５３に接続されている。導体一体型電流検出抵抗５１は、スタット３ａや端子台５３に支持されて、基板９０の表面から所定距離離れた位置に配設されている。スタット３ａや端子台５３は、導体一体型電流検出抵抗５１を嵩上げする嵩上げ手段を構成している。なお、嵩上げ手段は、スタット３ａや端子台５３に限らず、その他の部材や導体一体型電流検出抵抗５１自らの形状によって構成されてもよい。

電流検出端子５９が取り付けられている側の垂直部５１ｃの周縁部は、矩形の凹凸形状とされている。これは、電流検出端子５８，５９間の抵抗値が所定のものとなるように調整するとき、導体一体型電流検出抵抗５１の容積（面積）を所定量増やしたり減らしたりするが、その際に設計が容易となるように所定の幅の凹凸が形成されている。なお、凹凸形状は矩形に限らず円弧状等であってもよく、つまり、容積（面積）を求めやすい形状とされれば所定の効果を得ることができる。電流検出端子５８，５９から延びるリード線はコネクタ５４に接続されている。コネクタ５４は基板９０上のコネクタ５５と接続されている。コネクタ５５は図示しない基板パターンにより、図示しない電流検出器７１（図１）に接続されている。

なお、本実施の形態の導体一体型電流検出抵抗５１は、平坦部５１ａ、５１ｂと垂直部５１ｃ，５１ｄとから成るがこれは一例であり、特にこのような形状に限定されるものではなく、周囲の状況に合わせた自由な形状とされてよい。このとき上記のように導体一体型電流検出抵抗を基板の表面からから所定距離離れた位置に配設することで、例えば熱の伝達を遮断する等の効果を得ることもできる。

図１に戻り、電流制御部４６について説明する。上記電流制御部４６は、三相交流電流→ｄｑ軸変換部９、電流制御器１１、電流制御器１２、ｄｑ軸→三相交流電圧変換部１０、ＰＷＭ波形生成部１３、及び減算器４５ａ，４５ｂを備える。

三相交流電流→ｄｑ軸変換部９について説明する。上記交流電流値ｉ_ｕａ，ｉ_ｖａ，ｉ_ｗａおよび上記磁極位置θ_ｒｅを上記三相交流電流→ｄｑ軸変換部９に入力する。上記三相交流電流→ｄｑ軸変換部９は式（２）により電流値の変換を行っている。

式（２）により上記交流電流値をｄｑ軸に対応する電流値に変換している。なお，図１に示すようにＵ相，Ｖ相にのみに電流検出部を備え、Ｗ相に電流検出部を持たない場合でも、式（３）でＵ，Ｖ相→ｄｑ軸変換を行うことができる。

上式は、Ｗ相に電流検出部がない場合であるが、Ｕ相あるいはＶ相に電流検出部がない場合も同様に考えることができる。

次に、ｄｑ軸→三相交流電圧変換部１０について説明する。電流指令値ｉ_ｑｃｍｄ，ｉ_ｄｃｍｄと上記電流値ｉ_ｑａ，ｉ_ｄａとの差分を減算器４５ａ，４５ｂで算出しそれぞれ電流制御器１１、電流制御器１２に入力する。上記電流制御器１１、上記電流制御器１２の出力である電圧指令Ｖ_ｑａ，Ｖ_ｄａと上記磁極位置θ_ｒｅをｄｑ軸→三相交流電圧変換部１０に入力する。上記ｄｑ軸→三相交流電圧変換部１０は式（４）に示す変換を行っている。

式（４）によりｄｑ軸電圧指令を三相交流電圧指令Ｖ_ｕａ，Ｖ_ｖａ，Ｖ_ｗａに変換している。

次に、ＰＷＭ波形生成部１３について説明する。ＰＷＭ波形生成部１３は、上記三相交流電圧指令Ｖ_ｕａ，Ｖ_ｖａ，Ｖ_ｗａをもとに、上記インバータ部３内のスイッチング素子２５，２６，２７，２８，２９，３０にオン／オフ制御を行うパルス信号を生成する。パルス波形生成部の出力端子はスイッチング素子２５，２６，２７，２８，２９，３０の対応する端子に接続される。これにより上記スイッチング素子がオン／オフを行い、上記モータ４を駆動している。

次に、電流制御部を備えるサーボモータ制御装置の電流制御の流れについて、図１を使用して説明する。まず、ｑ軸電流指令が入力され、電流制御器を通ってｄｑ軸→三相交流電圧変換部１０に入力される。Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、Ｗ相電圧が出力され、ＰＷＭ波形生成部１３に入力し、インバータ部３内のスイッチング素子２５、２６，２７，２８，２９，３０にオン／オフ制御を行うパルス信号を送信する。これによりスイッチング素子がオン／オフを行い、モータ４に電流が流れる。この電流を電流検出部６にて検出し、電流制御部４６に入力して電流制御を行っている。

電流検出部に電流センサを使用する際、電流センサを２つ以上使用する場合、電流センサそのものがスペースをとるため、導体の配置方法や電流センサの配置方法など構造が複雑化されるのに対し、本実施の形態のように電流検出部６に導体一体型電流検出抵抗５１，６１を用いた場合、導体だけを配置すればよく構造が簡易化されるメリットがある。

また、電流センサ使用時と同様に、導体一体型電流検出抵抗５１，６１の通電端子５６，５７，６６，６７がパワーモジュール（インバータ部３）の端子および端子台５３にそれぞれ接続されているため、大電流を流しても基板温度上昇を防ぐことができる。

導体一体型電流検出抵抗５１，６１の電流検出端子５８，５９，６８，６９の端子間距離が電流検出抵抗値になるため、端子間距離を広げることで、抵抗値が上がる。抵抗検出による電流検出方法は、電流検出端子の端子間電圧を検出して、この値を元に電流値を算出している。

式（５）の電流検出抵抗値Ｒを大きくすればサーボモータに流れる電流値Ｉが小さくても、端子間電圧Ｖを大きくすることができ、高精度な電流検出を行うことができる。しかし、抵抗発熱温度は抵抗値と流れる電流によって決定され、基板にハンダ付けする電流検出抵抗は大電流を流す場合、電流検出抵抗値Ｒを小さくすることで発熱を抑えることが一般的である。

本実施の形態の導体一体型電流検出抵抗５１，６１は、導体全体が抵抗体であるため、電流検出抵抗の発熱量は、導体全体の発熱量であり、電流検出抵抗値に依存しない。そのため、電流検出抵抗値を大きくしても発熱量は変化しないため、構造で可能な限り電流検出抵抗値を大きくすることで、より高精度な電流検出が実現できる。

また、直接電流検出を行わない電流検出端子間の外側にある抵抗体部分に銅などの抵抗値の低い素材を取り付ければ、導体全体の抵抗値を下げることができ、発熱量を下げることができる。

以上のように、本発明にかかるサーボモータ制御装置は、構造の簡素化、検出精度の向上が望まれるサーボモータ制御装置に有用なものであり、特に、大電流の電流検出手段においても高精度な電流検出を要求されるサーボモータ制御装置に最適なものである。

１ 三相交流電源、２ コンバータ部、３ インバータ部、３ａ スタット、４ 三相交流モータ、５ 検出部、６ 電流検出部、９ 三相交流電流→ｄｑ軸変換部、１０ ｄｑ軸→三相交流電圧変換部、１１，１２ 電流制御器、１３ ＰＷＭ波形生成部、１５，１６，１７，１８，１９，２０ 整流用ダイオード、２１，２２ 直流電源端子、２３，２４ 直流母線、２５，２６，２７，２８，２９，３０ スイッチング素子、３１，３２，３３，３４，３５，３６ 還流ダイオード、３７，３８，３９ 交流電源端子、４０ 平滑コンデンサ、４１，４２，４３ 交流電源端子、４５ａ，４５ｂ 減算器、４６ 電流制御部、５１，６１ 導体一体型電流検出抵抗（抵抗兼用導体）、５３ 端子台、５４，５５ コネクタ、５６，５７，６６，６７ 通電端子、５８，５９，６８，６９ 電流検出端子、７１，８１ 電流検出器、９０ 基板。

Claims (5)

1. サーボモータに流れる電流を検出する電流検出部を備え、該電流検出部が検出する電流値を用いてサーボモータの制御を行うサーボモータ制御装置において、
   前記電流検出部は、
   基板とは別に設けられて、前記基板を介さずに電力供給部からの電力を前記サーボモータに供給するとともに、電流検出の際の電流検出抵抗の役割をする抵抗兼用導体と、
   前記抵抗兼用導体の所定の２箇所に接続された電流検出端子に出力される電圧から前記サーボモータに流れる電流を検出する電流検出器とを有する
   ことを特徴とするサーボモータ制御装置。
2. 前記電流検出器は、前記サーボモータに流れる電流を検出し、前記サーボモータの電流制御を行う電流制御部に入力する
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
3. 前記抵抗兼用導体の一端は、前記基板に接触せずに前記パワーモジュールの端子に接続され、
   前記抵抗兼用導体の他端は、前記基板に接触せずに前記サーボモータに電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
4. 前記抵抗兼用導体では、２箇所の前記電流検出端子の外側にある抵抗体部分であって電流検出に直接関わらない抵抗体部分に抵抗値の低い素材が取り付けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。
5. 前記電流検出器は、前記抵抗兼用導体の前記電流検出端子からリード線を介して第１のコネクタに接続され、前記第１のコネクタが前記基板上の第２のコネクタに接続された状態で、電流検出を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボモータ制御装置。

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