JP5609627B2 - モータの制御システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば産業用ロボットの可動部に設けられるモータについてその制御システムに関するものである。

産業用ロボットの関節部等の可動部に設けられる交流サーボモータは、加速制御と減速制御とが繰り返し実施されることで所望の動作を実現するものである。この場合、モータの減速時には回生電力が発生し、その回生電力を回生抵抗を用いて回収する技術が各種提案されている。例えば特許文献１では、直流電源線間に回生抵抗を介して接続されたスイッチング素子をオンし、モータからの回生電力を直流電源線側にバイパスして回生抵抗で消費させるように制御することとしている。

特開２００７−３７３０１号公報

しかしながら、モータ回生電力を回生抵抗により回収（消費）する構成では、その回生抵抗において熱が生じることにより、ロボットコントローラ等への影響が懸念される。この点、回生抵抗による発熱の影響を軽減するために、ロボットコントローラに放熱器を設ける等の対策が必要となる。ここで、放熱器等による熱対策の簡素化を図り、かつロボットコントローラ等への熱の影響を抑制するには、モータ回生時における発熱を抑制する技術の構築が望まれる。一方、既存の技術は、回生電力（回生エネルギ）を熱として放出するものであり、エネルギの観点からしても改善の余地があると考えられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、モータの回生電力を好適に回収し、しかもその回生電力の有効利用を図ることができるモータの制御システムを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて作用、効果等を示しつつ説明する。

第１の発明は、
交流電力からモータ駆動用の直流電力を生成する第１電源回路と、
前記第１電源回路から供給される直流電力を駆動電力に変換してモータを駆動するインバータ回路と、
前記交流電力から制御回路駆動用の直流電力を生成する第２電源回路と、
前記第２電源回路から供給される直流電力により駆動される制御回路と、
を備え、前記制御回路により前記インバータ回路を制御することで前記モータの回転を制御するモータの制御システムであって、
前記第１電源回路は、前記モータ駆動用の直流電力を前記インバータ回路に各々供給する複数の第１電力経路を有し、該複数の第１電力経路には、モータ回生時における回生電力を回収可能なコンデンサと、このコンデンサと前記インバータ回路との接続を開閉する第１開閉手段とが各々設けられ、
前記複数の第１電力経路には各々連結経路が接続され、これらの複数の連結経路を介して、前記第２電源回路において前記制御回路駆動用の直流電力を出力する第２電力経路に各第１電力経路が接続され、
前記複数の連結経路には、それら各連結経路を開閉する第２開閉手段が設けられており、
前記モータの回生が行われるモータ回生期間において、前記複数の第１電力経路のうちいずれかの第１電力経路の第１開閉手段を閉鎖しかつそれ以外の第１電力経路の第１開閉手段を開放するとともに、前記第１開閉手段が閉鎖された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を開放し、前記第１開閉手段が開放された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を閉鎖する開閉制御手段と、
同じく前記モータ回生期間において、前記複数の第１電力経路にそれぞれ設けられた複数の第１開閉手段、及び前記複数の連結経路に各々設けられた複数の第２開閉手段について開閉状態の切替を実施する切替手段と、
を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、モータ回生期間において、複数の第１電力経路のうちいずれかの第１電力経路の第１開閉手段を閉鎖しかつそれ以外の第１電力経路の第１開閉手段を開放することで、少なくともモータ回生中のあるタイミングを見れば複数のコンデンサ（複数の第１電力経路に各々設けられるコンデンサ）のいずれかのみで回生電力の回収が行われることとなる。また、かかるモータ回生期間においては、第１開閉手段が閉鎖された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を開放し、第１開閉手段が開放された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を閉鎖するため、複数のコンデンサのうち回生電力回収中のコンデンサは第２電源回路側に接続されず、回生電力回収中でないコンデンサが第２電源回路側に接続されることとなる。つまり、第２電源回路側には、いずれかの連結経路を介して、複数のコンデンサのうち回生電力回収中でないコンデンサからの電力供給が可能となる。この場合、複数のコンデンサは、いずれかのコンデンサが回生電力の回収に用いられ、その他のコンデンサが第２電源回路への電力供給源として用いられることとなる。

さらに、モータの回生期間において、複数の第１電力経路にそれぞれ設けられた複数の第１開閉手段、及び複数の連結経路に各々設けられた複数の第２開閉手段について開閉状態の切替を実施する構成としたため、各々のコンデンサを見れば、回生電力の回収と、その回収済み電力の第２電源回路側への供給とが交互に実施される。したがって、一のコンデンサにおいて回生電力を回収しきれなくなっても、他のコンデンサで回生電力の回収を継続でき、これを交互に繰り返すことで、回生抵抗が不要となるか、又は回生抵抗が設けられていてもその発熱を極力抑えることが可能となる。ゆえに、放熱器等による熱対策の簡素化が可能となる。また、コンデンサで回収した回生電力（回生エネルギ）を、制御回路の駆動に利用できる。その結果、モータの回生電力を好適に回収し、しかもその回生電力の有効利用を図ることができる。

第２の発明では、前記モータ回生期間において、前記複数の第１電力経路にそれぞれ設けられた複数のコンデンサのうち回生電力の回収が行われている電力回収中コンデンサについて蓄電量が所定量に達したか否かを判定する判定手段を備える。そして、前記切替手段は、前記判定手段により前記電力回収中コンデンサの蓄電量が所定量に達したと判定された場合に、該電力回収中コンデンサについて、回生電力の回収を停止し、かつ回収済みの電力の前記第２電源回路側への供給を開始すべく、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段の開閉状態の切替を実施する。

上記構成によれば、回生電力の回収が行われている電力回収中コンデンサの蓄電量が所定量に達した時点で、第１開閉手段及び第２開閉手段の開閉状態の切替が実施される。これにより、電力回収中コンデンサについて回生電力の回収が停止されるとともに、回収済みの電力の第２電源回路側への供給が開始される。この場合、電力回収中コンデンサの蓄電量が十分量となった状態で、当該コンデンサの電力回収から電力供給への切替を実施することができ、その切替後において第２電源回路側への電力供給を好適に実施できる。

第３の発明では、前記第２電源回路は、交流電源からの前記交流電力の供給を遮断する電源スイッチを有し、前記モータの回生期間において前記電源スイッチを開放する手段を備える。

上記構成によれば、モータ回生期間には交流電力の第２電源回路への供給が停止される。そのため、制御回路を駆動させる上での交流電力の消費を低減でき、省エネの観点から望ましい構成であると言える。

第４の発明では、前記第２電源回路は、前記モータ回生期間において交流電源からの前記交流電力の供給により前記制御回路側への電力の供給を実施するものであり、前記モータ回生期間において、前記第１電源回路で回生電力の回収中となっているコンデンサと、前記第２電源回路側への電力供給中となっているコンデンサとのうち、前記電力供給中となっているコンデンサの蓄電量を検出する手段を備える。そして、前記切替手段は、前記電力供給中となっているコンデンサの蓄電量がゼロ又はゼロ付近まで低下した場合に、当該蓄電量がゼロ又はゼロ付近まで低下したコンデンサを、前記回生電力の回収コンデンサに切り替えるべく、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段の開閉状態の切替を実施する。

要するに、仮に第１電源回路に１つのコンデンサが設けられている構成では、モータ駆動時のコンデンサ蓄電量（充電電圧）は電力経路における経路電圧（バス電圧）に依存する。この場合、モータ回生期間における回生電力の回収能力は、回生開始時のコンデンサ蓄電量、すなわちモータ駆動時の経路電圧に依存するものとなる。そのため、コンデンサにおいて、モータ回生期間における電力回収に制限が生じることが懸念される。また、第１電源回路に複数のコンデンサが設けられているとしても、各コンデンサについて、上記のように回生電力の回収能力がモータ駆動時の経路電圧に依存するものであれば、同様にモータ回生期間における電力回収に制限が生じることが懸念される。

この点、上記構成によれば、第１電源回路に複数のコンデンサが設けられている構成において、電力供給中となっているコンデンサの蓄電量がゼロ又はゼロ付近まで低下した場合（蓄電量が殆どカラになった場合）に、当該蓄電量がゼロ又はゼロ付近まで低下したコンデンサが、回生電力の回収コンデンサに切り替えられるように各開閉手段の切替操作が実施される。これにより、回生電力の回収が開始されるコンデンサは、電力回収開始時のコンデンサ蓄電量がモータ駆動時の経路電圧である場合に比べて、回生電力の回収能力が高いものとなる。したがって、電力回収の制限を緩和することができ、回生電力の回収効率を向上させることができる。

モータ制御システムの概要を示す構成図。 モータ電源回路と制御電源回路との動作の状態を説明するための回路図。 モータ回生期間において各スイッチの切替と各コンデンサの電圧の推移とを説明するためのタイムチャート。 モータ回生電力の回収制御の手順を示すフローチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、産業用ロボットの可動部（関節部）に組み込まれた交流サーボモータの制御システムを具体化するものであり、まずは当該システムの概要を図１を用いて説明する。

図１に示すように、本制御システムは、主要な構成として、ロボット本体に設けられたモータ（交流サーボモータ）１１と、このモータ１１を駆動するインバータ回路１２と、交流電力からモータ駆動用の直流電力を生成するモータ電源回路１３と、インバータ回路１２を制御することでひいてはモータ１１を制御する制御回路１４と、交流電力から制御回路駆動用の直流電力を生成する制御電源回路１５とを備えている。次に、モータ電源回路１３の構成を説明する。

モータ電源回路１３において、交流電源２１にはモータ駆動用の電源スイッチ２２を介して整流回路２３が接続されている。なお、電源スイッチ２２は、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチよりなり、交流電源２１と整流回路２３との間の一対の電力線にそれぞれ接点が設けられた２極単投スイッチとして設けられている（後述の各スイッチも同様）。整流回路２３は、例えば４つのダイオードによって構成されるブリッジ全波整流回路よりなり、この整流回路２３により交流電力が直流電力に変換される。例えば、交流電源２１からはＡＣ２００Ｖの交流電力が出力され、その交流電力が整流回路２３で整流されることにより、整流回路２３からＤＣ２８０Ｖの直流電力が出力される。なお、電源スイッチ２２として機械式スイッチを用いることが可能であり、２極単投スイッチに代えて単極単投スイッチを用いることも可能である（後述の電源スイッチ４１も同様）。

整流回路２３の出力側には、直流電力（モータ駆動用の直流電力）をインバータ回路１２に各々出力する２系統の電力経路２４，２５が接続されており、これら各電力経路２４，２５には、それぞれ平滑回路を構成するコンデンサ２６，２７が接続されている。詳しくは、電力経路２４は一対の電力線２４ａ，２４ｂよりなり、その電力線２４ａ，２４ｂ間には第１コンデンサ２６が接続されている。また、電力経路２５は一対の電力線２５ａ，２５ｂよりなり、その電力線２５ａ，２５ｂ間には第２コンデンサ２７が接続されている。本実施形態では、２つのコンデンサ２６，２７として蓄電容量が同じものを用いている。

電力経路２４，２５には、コンデンサ２６，２７に並列にインバータ回路１２が接続されている。インバータ回路１２は３相インバータ回路よりなり、インバータ回路１２により直流電力が３相交流電力に変換され、その３相交流電力がモータ１１に駆動電力として供給される。インバータ回路１２からの駆動電力の供給によりモータ１１が駆動される。

電力経路２４（電力線２４ａ，２４ｂ）において、整流回路２３と第１コンデンサ２６との間にはスイッチ３１ａが設けられ、第１コンデンサ２６とインバータ回路１２との間にはスイッチ３１ｂが設けられている。また、電力経路２５（電力線２５ａ，２５ｂ）において、整流回路２３と第２コンデンサ２７との間にはスイッチ３２ａが設けられ、第２コンデンサ２７とインバータ回路１２との間にはスイッチ３２ｂが設けられている。

かかる場合、電力経路２４に設けられたスイッチ３１ａ，３１ｂは同時に開閉操作されるものであり、以下これら各スイッチ３１ａ，３１ｂをまとめて「第１スイッチ３１」という。第１スイッチ３１をオン（閉鎖）することにより、電力経路２４を通じて整流回路２３からインバータ回路１２への電力供給が行われ、第１スイッチ３１をオフ（開放）することにより、電力経路２４を通じてのインバータ回路１２への電力供給が遮断されるとともに、第１コンデンサ２６が整流回路２３及びインバータ回路１２から電気的に切り離される。モータ１１の回生時には、第１スイッチ３１をオン（閉鎖）することにより、第１コンデンサ２６において電力経路２４を通じて回生電力の回収が行われる。

また、電力経路２５に設けられたスイッチ３２ａ，３２ｂは同時に開閉操作されるものであり、以下これら各スイッチ３２ａ，３２ｂをまとめて「第２スイッチ３２」という。第２スイッチ３２をオン（閉鎖）することにより、電力経路２５を通じて整流回路２３からインバータ回路１２への電力供給が行われ、第２スイッチ３２をオフ（開放）することにより、電力経路２５を通じてのインバータ回路１２への電力供給が遮断されるとともに、第２コンデンサ２７が整流回路２３及びインバータ回路１２から電気的に切り離される。モータ１１の回生時には、第２スイッチ３２をオン（閉鎖）することにより、第２コンデンサ２７において電力経路２５を通じて回生電力の回収が行われる。

なお、スイッチ３１ａ，３１ｂは同時に開閉操作されるものでなくてもよく、各々時間差を持って開閉操作されるものであってもよい。スイッチ３２ａ，３２ｂについても同様である。本実施形態では、モータ電源回路１３が「第１電源回路」に相当し、電力経路２４，２５が「複数の第１電力経路」に相当し、スイッチ３１，３２が「第１開閉手段」に相当する。

また、制御電源回路１５において、交流電源２１には制御電源用の電源スイッチ４１を介して整流回路４２が接続されている。整流回路４２は、整流回路２３と同様、ブリッジ全波整流回路よりなり、この整流回路４２により、ＡＣ２００Ｖの交流電力がＤＣ２８０Ｖの直流電力に変換される。整流回路４２の出力側には、一対の電力線４３ａ，４３ｂよりなる電力経路４３が接続されており、この電力経路４３には、平滑回路を構成するコンデンサ４４が接続されている。また、電力経路４３には、整流回路４２の出力電圧（例えばＤＣ２８０Ｖ）を所定の定電圧（例えばＤＣ５Ｖ）に変換する変圧器（ＤＣＤＣコンバータ）４５が接続されている。

モータ電源回路１３の電力経路２４（電力線２４ａ，２４ｂ）と制御電源回路１５の電力経路４３（電力線４３ａ，４３ｂ）とは、一対の電力線４６ａ，４６ｂよりなる電力経路４６により接続されており、その電力経路４６には第３スイッチ４７が設けられている。この第３スイッチ４７は、モータ１１の駆動状態においてオフ（開放）されており、後述するようにモータ回生時にオン（閉鎖）されることにより、電力経路２４（詳しくは第１コンデンサ２６の各電極）と電力経路４３とが電力経路４６を介して導通される。また、モータ電源回路１３の電力経路２５（電力線２５ａ，２５ｂ）と制御電源回路１５の電力経路４３（電力線４３ａ，４３ｂ）とは、一対の電力線４８ａ，４８ｂよりなる電力経路４８により接続されており、その電力経路４８には第４スイッチ４９が設けられている。この第４スイッチ４９は、モータ１１の駆動状態においてオフ（開放）されており、後述するようにモータ回生時にオン（閉鎖）されることにより、電力経路２５（詳しくは第２コンデンサ２７の各電極）と電力経路４３とが電力経路４８を介して導通される。

なお本実施形態では、制御電源回路１５が「第２電源回路」に相当し、電力経路４３が「第２電力経路」に相当し、電力経路４６，４８が「複数の連結経路」に相当し、スイッチ４７，４９が「第２開閉手段」に相当する。

制御回路１４は、ＣＰＵや各種メモリ、入出力回路等を有する周知の論理演算回路であり、メモリ内に格納されている制御プログラムにより各種のモータ制御を実施する。例えば、インバータ回路１２に設けられた複数のスイッチング素子をＰＷＭ信号により制御することでモータ１１の回転を制御する。この場合、制御回路１４は、図示しないロータリエンコーダ（位置検出手段）の検出信号に基づいてモータ１１の位置フィードバック制御を実施する。また、制御回路１４には、第１コンデンサ２６の充電電圧（図のＶ１）を検出する電圧検出部５１と、第２コンデンサ２７の充電電圧（図のＶ２）を検出する電圧検出部５２とが接続されており、これら各電圧検出部５１，５２の検出結果は制御回路１４に対して適宜出力されるようになっている。

モータ駆動に際して、モータ１１は、加速→等速→減速を一連の動作パターンとして駆動される。つまり、モータ１１は、まず加速期間ではモータ速度＝０の状態から一定の加速度（正の加速度）で所定速度まで加速され、その後、等速期間では所定速度のまま保持される。またその後、一定の加速度（負の加速度）でモータ速度＝０まで減速される。モータ減速期間がモータ回生期間に相当する。

また本実施形態では、モータ回生期間において、回生電力の回収の好適化や回生電力の有効利用を図るべく、制御回路１４により各スイッチを制御し、第１コンデンサ２６及び第２コンデンサ２７を、電力回収の役目を果たす状態と制御回路１４の電源としての役目を果たす状態とのいずれかとし、さらにそれらの両状態を両コンデンサ２６，２７で交互に切り替える構成としている。以下、その詳細を説明する。

モータ電源回路１３と制御電源回路１５とは、基本的に３つ状態が切り替えられて制御されるようになっており、それらの各状態を図２を用いて説明する。図２において、（ａ）はモータ駆動時（回生時以外）の回路の状態を示し、（ｂ），（ｃ）はモータ回生時の回路の状態を示している。図２では、説明の便宜上、スイッチオフにより遮断されている電力経路については図示せず、導通されている電力経路のみを示している。なお、モータ電源回路１３の電源スイッチ２２については、ロボット作業の開始時にオンされると、その後作業終了までオフされないため、常時オンになっている。

図２（ａ）に示すモータ駆動時においては、
電源スイッチ４１＝オン（閉鎖）、
第１スイッチ３１＝オン（閉鎖）、
第２スイッチ３２＝オフ（開放）、
第３スイッチ４７＝オフ（開放）、
第４スイッチ４９＝オフ（開放）、
となっており、かかる状態では、整流回路２３からインバータ回路１２に対して電力経路２４を介して直流電力が出力される。なお、整流回路２３の出力電圧は例えば２８０Ｖであり、第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１は略２８０Ｖに保持される。この場合、モータ電源回路１３の電力経路２４と制御電源回路１５の電力経路４３とは電気的に切り離されており、制御回路１４には、整流回路４２からの供給電力により生成される駆動用電力が供給される。

なお、電源スイッチ４１は、変圧器４５の一次側を最低動作電圧に保つべくスイッチング駆動されるのが望ましく、オン状態のまま保持される以外に、都度の一次側電圧（図の電圧Ｖ３）に応じてオン／オフ制御されるとよい。

また、図２（ｂ）に示すモータ回生時においては、
電源スイッチ４１＝オフ（開放）、
第１スイッチ３１＝オフ（開放）、
第２スイッチ３２＝オン（閉鎖）、
第３スイッチ４７＝オン（閉鎖）、
第４スイッチ４９＝オフ（開放）、
となっており、かかる状態では、モータ１１の回生電力が電力経路２５を介して流れ、第２コンデンサ２７にて回収される。この場合、第１コンデンサ２６と制御電源回路１５の電力経路４３とが電力経路４６を介して電気的に接続されており、制御回路１４には、第１コンデンサ２６からの供給電力により生成される駆動用電力が供給される。

また、図２（ｃ）に示すモータ回生時においては、
電源スイッチ４１＝オフ（開放）、
第１スイッチ３１＝オン（閉鎖）、
第２スイッチ３２＝オフ（開放）、
第３スイッチ４７＝オフ（開放）、
第４スイッチ４９＝オン（閉鎖）、
となっており、かかる状態では、モータ１１の回生電力が電力経路２４を介して流れ、第１コンデンサ２６にて回収される。この場合、第２コンデンサ２７と制御電源回路１５の電力経路４３とが電力経路４８を介して電気的に接続されており、制御回路１４には、第２コンデンサ２７からの供給電力により生成される駆動用電力が供給される。

以下の説明では、図２（ａ）に示す状態を第１制御状態、図２（ｂ）に示す状態を第２制御状態、図２（ｃ）に示す状態を第３制御状態と称する。

モータ１１が駆動状態から回生状態に移行した場合には、モータ回生が行われるモータ回生期間において上記図２（ａ）〜（ｃ）に示す各制御状態が適宜切り替えられる。それら各制御状態の切替と各コンデンサの電圧の推移とを図３のタイムチャートにより説明する。なお、図３では、タイミングｔ１以前がモータ１１の等速期間であり、タイミングｔ１〜ｔ５がモータ回生期間である。

さて、タイミングｔ１以前においては、モータ電源回路１３及び制御電源回路１５の各スイッチが第１制御状態（図２（ａ）に示す状態）に制御されている。このとき、モータ電源回路１３の第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１、制御電源回路１５のコンデンサ４４の電圧Ｖ３はそれぞれ概ね基準値（２８０Ｖ）に保持されており、第２コンデンサ２７の電圧Ｖ２は０Ｖになっている。

タイミングｔ１でモータ回生が開始されると、その回生開始当初は第１制御状態のままとされ、かかる状態においてモータ回生電力の回収（蓄電）により第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１が上昇する。そして、第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ１まで上昇すると、第１制御状態から第２制御状態への移行が行われる（タイミングｔ２）。しきい値電圧Ｖｔｈ１は、第１コンデンサ２６の耐圧に基づいて定められるとよく、例えば４００Ｖである。

タイミングｔ２では、電圧Ｖ１＞電圧Ｖ３の状態で第１コンデンサ２６と制御電源回路１５の電力経路４３とが電力経路４６を介して電気的に接続されるため、ｔ２以降、電圧Ｖ１が低下し、電圧Ｖ３が上昇する。また、第２コンデンサ２７の電圧Ｖ２は、モータ回収電力を回収することにより上昇する。タイミングｔ２では、第２コンデンサ２７の電圧Ｖ２が十分低いため（初期電圧≒０）、回生電力の回収を好適に実施できる。したがって、モータ１１の減速に影響が及ぶこと等を抑制できる。

タイミングｔ２以降、電源スイッチ４１がオフされることで、制御電源回路１５への交流電力の供給が停止されるが、これに代えて、第１コンデンサ２６からの電力供給（エネルギ供給）がなされ、制御回路１４の駆動が継続される。

その後、タイミングｔ３で電圧Ｖ１＝電圧Ｖ３になると、電圧Ｖ３が低下に転じ、電圧Ｖ１と共に低下する。

その後、第２コンデンサ２７の電圧Ｖ２が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ２まで上昇すると、第２制御状態から第３制御状態への移行が行われる（タイミングｔ４）。なお、しきい値電圧Ｖｔｈ２は、第２コンデンサ２７の耐圧に基づいて定められるとよく、例えば４００Ｖである。このとき、電圧Ｖ２＞電圧Ｖ３の状態で第２コンデンサ２７と制御電源回路１５の電力経路４３とが電力経路４８を介して電気的に接続されるため、ｔ４以降、電圧Ｖ２が低下し、電圧Ｖ３が上昇する。また、第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１は、モータ回収電力を回収することにより上昇する。なお、タイミングｔ４での第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１（回収開始電圧）は、基準値（２８０Ｖ）を下回っていることが望ましい。モータ回生期間におけるこれ以降の処理は、上述の動作が繰り返されることになるため、説明を省略する。

そして、モータ回生が終了するタイミングｔ５になると、第１制御状態に戻される。これにより、いずれ電圧Ｖ１，Ｖ３がそれぞれ基準値（２８０Ｖ）に戻り、電圧Ｖ２が０Ｖに戻る。

次に、制御回路１４により実行されるモータ回生電力の回収制御について図４のフローチャートを用いて詳細に説明する。本処理は、制御回路１４により所定周期で繰り返し実行されるものである。

図４において、まずステップＳ１１では、今現在、モータ回生期間であるか否かを判定する。そして、モータ回生期間でなければ本処理をそのまま終了し、モータ回生期間であれば後続のステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、今現在、第１制御状態での制御中であるか否かを判定する。本実施形態では、モータ回生の開始当初にまずは第１制御状態での制御を実施することとしており、モータ回生の開始当初においてはステップＳ１２がＹＥＳとなり、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１を読み込み、続くステップＳ１４では、電圧Ｖ１が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ１以上であるか否かを判定する。そして、Ｖ１＜Ｖｔｈ１であればステップＳ１５に進み、第１制御状態での制御を継続する。また、Ｖ１≧Ｖｔｈ１であればステップＳ１６に進み、第１制御状態での制御から第２制御状態での制御に移行する。

第２制御状態での制御への移行がなされると、その後はステップＳ１２が毎回ＮＯとなり、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、今現在、第２制御状態での制御中であるか否かを判定し、ＹＥＳであればステップＳ１８に進む。

ステップＳ１８では、第２コンデンサ２７の電圧Ｖ２を読み込み、続くステップＳ１９では、電圧Ｖ２が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ２以上であるか否かを判定する。そして、Ｖ２＜Ｖｔｈ２であればそのまま処理を終了し、第２制御状態での制御を継続する。また、Ｖ２≧Ｖｔｈ２であればステップＳ２０に進み、第２制御状態での制御から第３制御状態での制御に移行する。

第３制御状態での制御への移行がなされると、その後はステップＳ１２，Ｓ１７が毎回ＮＯとなり、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、第１コンデンサ２６の電圧Ｖ１を読み込み、続くステップＳ２２では、電圧Ｖ１が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ１以上であるか否かを判定する。そして、Ｖ１＜Ｖｔｈ１であればそのまま処理を終了し、第３制御状態での制御を継続する。また、Ｖ１≧Ｖｔｈ１であればステップＳ２３に進み、第３制御状態での制御から第２制御状態での制御に戻す。

以降、モータ回生状態が継続している間、ステップＳ１７〜Ｓ２３により、第２制御状態での制御と第３制御状態での制御とが交互に実施される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

モータ回生期間において、電力経路２４，２５の両スイッチ３１，３２のうち一方を閉鎖、他方を開放するとともに、そのスイッチ３１，３２の開閉に合わせて、電力経路４６，４８に設けられているスイッチ４７，４９の開閉を制御する構成とし、さらに、それら各スイッチ（第１〜第４スイッチ）の開閉状態の切替を実施するようにした。これにより、コンデンサ２６，２７のうち一方（回生電力回収中のコンデンサ）は制御電源回路１５側に接続されず、他方（回生電力回収中でないコンデンサ）が制御電源回路１５側に接続されることになり、これらコンデンサ２６，２７により、回生電力の回収と制御電源回路１５側への電力供給とを同時に実施できることとなる。

また、モータ回生期間に、各スイッチ（第１〜第４スイッチ）のオン／オフが交互に切り替えられるため、各々のコンデンサを見れば、回生電力の回収と、その回収済み電力の制御電源回路１５側への供給とが交互に実施される。したがって、一方のコンデンサにおいて回生電力を回収しきれなくなっても、他方のコンデンサで回生電力の回収を継続でき、これを交互に繰り返すことで、モータ電源回路１３において回生抵抗が不要となるか、又は回生抵抗が設けられていてもその発熱を極力抑えることが可能となる。ゆえに、放熱器等による熱対策の簡素化が可能となる。また、コンデンサ２６，２７で回収した回生電力（回生エネルギ）を、制御回路１４の駆動に利用できる。その結果、モータ１１の回生電力を好適に回収し、しかもその回生電力の有効利用を図ることができる。

モータ回生期間において、電力回収中のコンデンサについて充電電圧（蓄電量）が所定値に達したか否かを判定し、その充電電圧が所定値に達したと判定された場合に、該電力回収中のコンデンサについて、回生電力の回収を停止しかつ制御電源回路１５側への電力供給を開始すべく、スイッチ３１，３２のオン／オフ切替を実施するようにした。これにより、電力回収中のコンデンサが例えば満充電又はそれ相当になった状態で、制御電源回路１５側への電力供給を開始でき、電源電力としての電力供給を好適に実施できることとなる。

制御電源回路１５において、交流電力の供給を遮断する電源スイッチ４１をモータ回生期間で開放する構成としたため、モータ回生期間では交流電力の制御電源回路１５への供給が停止される。そのため、制御回路１４を駆動させる上での交流電力の消費を低減でき、省エネの観点から望ましい構成であると言える。

［他の実施形態］
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、モータ回生期間において、電力回収中のコンデンサについて充電電圧（蓄電量）が所定値に達した時点で、その電力回収中のコンデンサについて、回生電力の回収を停止しかつ回収済みの電力の制御電源回路１５側への供給を開始する構成とした。つまり、電力回収中コンデンサの充電電圧（蓄電量）に基づいて、電力回収するコンデンサを切り替える構成とした。この点について以下のように変更してもよい。例えば、モータ回生期間において、１つのコンデンサの電力回収時間（充電時間）があらかじめ定めた所定時間に達した時点で、その電力回収中のコンデンサについて、回生電力の回収を停止しかつ回収済みの電力の制御電源回路１５側への供給を開始する構成としてもよい。つまり、コンデンサの電力回収時間に基づいて、電力回収するコンデンサを切り替える構成とする。

・上記実施形態では、モータ電源回路１３の電力経路２４，２５に設けられる各コンデンサ２６，２７として蓄電容量が同じものを用いたが、これを変更し、蓄電容量が異なるものを用いる構成であってもよい。この場合、例えば「コンデンサ２６の蓄電容量＞コンデンサ２７の蓄電容量」とし、モータ駆動時（加速時及び等速時）にはコンデンサ２６を用いて電力平滑化を行い、モータ回生時（減速時）には両方のコンデンサ２６，２７により回生電力の回収及び制御電源回路への電力供給を実施するとよい。この場合、コンデンサ２６はメインコンデンサとして機能し、コンデンサ２７はサブコンデンサとして機能する。

・モータ電源回路１３において、３系統又はそれより多数の系統の電力経路（第１電力経路）を設けるとともにこれらの各電力経路にそれぞれコンデンサを設け、これら各コンデンサの使い分けを実施する構成であってもよい。モータ電源回路１３に３系統の電力経路（第１電力経路）を設けた構成について例示すると、モータ回生期間における制御回路１４による制御対象は、モータ電源回路１３に設けられた３つのスイッチ（第１開閉手段）と、モータ電源回路１３と制御電源回路１５とを接続する３つの連結経路に設けられた３つのスイッチ（第２開閉手段）と、制御電源回路１５の電源スイッチ４１とになる。

かかる場合、制御回路１４は、モータ回生期間において、モータ電源回路１３の３つのスイッチのうちいずれか１つをオン（閉鎖）し、それ以外の２つをオフ（開放）するとともに、モータ電源回路１３においてスイッチ＝オンとなった電力経路に接続されている１つの連結経路のスイッチをオフ（開放）し、モータ電源回路１３においてスイッチ＝オフとなった電力経路に接続されている２つの連結経路のスイッチをオン（閉鎖）する。また、制御回路１４は、モータ電源回路１３の３つのスイッチ（第１開閉手段）、及び連結経路の３つのスイッチ（第２開閉手段）についていずれをオン（閉鎖）、オフ（開放）するかを、コンデンサ蓄電量や蓄電時間に基づいて適宜切り替える。以上により、３つのコンデンサのうち１つを使ってモータ回生電力の回収が行われるとともに、他の２つを使って制御電源回路１５への電力供給が行われる。なお、モータ回生期間において、３つのコンデンサのうち２つを使ってモータ回生電力の回収を行い、他の１つを使って制御電源回路１５への電力供給を行う構成であってもよい。

・上記実施形態では、モータ回生期間において制御電源回路１５の電源スイッチ４１をオフ（開放）する構成としたが、これを変更し、モータ回生期間において制御電源回路１５の電源スイッチ４１をオン（閉鎖）しておく構成であってもよい。この場合、制御電源回路１５は、モータ回生期間においても、交流電源２１からの交流電力の供給により制御回路１４側への電力の供給を実施するものとなっている。

・上記のように、制御電源回路１５が、モータ回生期間においても交流電源２１からの交流電力の供給により制御回路１４側への電力の供給を実施する場合には、以下のようにコンデンサの切替を実施するようにしてもよい。すなわち、制御回路１４は、モータ回生期間において、回生電力の回収中となっているコンデンサ（コンデンサ２６，２７の一方）と、制御電源回路１５側への電力供給中となっているコンデンサ（コンデンサ２６，２７の他方）とのうち、電力供給中となっているコンデンサの充電電圧（蓄電量）を検出し、該検出した充電電圧がゼロ（又はゼロ付近でも可）まで低下した場合に、そのコンデンサを、回生電力の回収コンデンサに切り替えるべく、スイッチ３１，３２のオン／オフ切替を実施する。

上記構成によれば、モータ回生期間において、回生電力の回収が開始されるコンデンサは、電力回収開始時のコンデンサ充電電圧がモータ駆動時の経路電圧（整流回路２３の出力電圧であり、例えば２８０Ｖ）となっている場合に比べて、回生電力の回収能力が十分高いものとなる。したがって、電力回収の制限を緩和することができ、回生電力の回収効率を向上させることができる。

ここで、例えば多関節ロボットのように、使用するモータが複数で、かつそれぞれのモータ容量が異なり、さらに同じ容量モータでも状況により回生電力の生じ方がまちまちの場合（動作の都合上、減速が最速で行われたり、意外とゆるりと行われたりする場合）は、小容量モータから返ってくる回生電力が低電圧であったり、大容量モータでも低い電圧の回生電力が返ってきたりするパターンがあり、必ずしもコンデンサ内に既に蓄積されている充電電圧（蓄電量）よりも高い電圧の回生電力が返ってくるとは限らない。こうした状況は、コンデンサにそもそも回収できない回生電力が存在することを意味する。この点、上記構成によれば、仮に各モータから返ってくる回生電力が大小まちまちであるとしても、電力回収のロスを減らし、回生電力の回収を好適に実施できる。

・モータ回生期間において、回生電力の回収中となっているコンデンサ（コンデンサ２６，２７の一方）の充電電圧ＶＸ１を検出するとともに、制御電源回路１５側への電力供給中となっているコンデンサ（コンデンサ２６，２７の他方）の充電電圧ＶＸ２を検出し、それら充電電圧ＶＸ１，ＶＸ２の相対比較の結果に基づいて、回生電力の回収コンデンサと電力供給コンデンサとを切り替えるべくスイッチ３１，３２のオン／オフ切替を実施する構成としてもよい。具体的には、制御回路１４は、モータ回生期間において、充電電圧ＶＸ１が「充電電圧ＶＸ２＋α（α＞０）」よりも大きくなったか否かを判定し、ＶＸ１＞ＶＸ２＋αとなった時点で、回生電力回収中のコンデンサと電力供給中のコンデンサとを入れ替える。αは、放電⇒充電の切替時におけるコンデンサの許容電圧差である。

上記の構成によれば、複数のコンデンサのうちいずれかが、電力供給（電力消費）状態から電力回収状態に移行する場合において、コンデンサ充電開始当初における電圧差（充電電圧と回生電力の電圧との差）を小さくすることができる。この場合、αを小さくするほどその効果が高められる。ゆえに、放電⇒充電の切替時における電圧差が原因となるコンデンサへの負荷を軽減できる。つまり、当該電圧差が大きければ大きいほどコンデンサに一気に印加される電圧が高くなり、コンデンサの素子に大きな物理的負荷を与えることになるが、上記構成によればこうした負荷を緩和できる。これにより、上記の構成のように充放電が繰り返される場合において、コンデンサの保護を図ることができる。

上記構成は、以下のような技術的思想として把握できる。

（１）交流電力からモータ駆動用の直流電力を生成する第１電源回路と、
前記第１電源回路から供給される直流電力を駆動電力に変換してモータを駆動するインバータ回路と、
前記交流電力から制御回路駆動用の直流電力を生成する第２電源回路と、
前記第２電源回路から供給される直流電力により駆動される制御回路と、
を備え、前記制御回路により前記インバータ回路を制御することで前記モータの回転を制御するモータの制御システムであって、
前記第１電源回路は、前記モータ駆動用の直流電力を前記インバータ回路に各々供給する複数の第１電力経路を有し、該複数の第１電力経路には、モータ回生時における回生電力を回収可能なコンデンサと、このコンデンサと前記インバータ回路との接続を開閉する第１開閉手段とが各々設けられ、
前記複数の第１電力経路には各々連結経路が接続され、これらの複数の連結経路を介して、前記第２電源回路において前記制御回路駆動用の直流電力を出力する第２電力経路に各第１電力経路が接続され、
前記複数の連結経路には、それら各連結経路を開閉する第２開閉手段が設けられており、
前記モータの回生が行われるモータ回生期間において、前記複数の第１電力経路のうちいずれかの第１電力経路の第１開閉手段を閉鎖しかつそれ以外の第１電力経路の第１開閉手段を開放するとともに、前記第１開閉手段が閉鎖された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を開放し、前記第１開閉手段が開放された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を閉鎖する開閉制御手段と、
同じく前記モータ回生期間において、前記複数の第１電力経路にそれぞれ設けられた複数の第１開閉手段、及び前記複数の連結経路に各々設けられた複数の第２開閉手段について開閉状態の切替を実施する切替手段と、
前記モータ回生期間において、前記第１電源回路で回生電力の回収中となっているコンデンサの蓄電量と、前記第２電源回路側への電力供給中となっているコンデンサの蓄電量とを検出する検出手段と、
を備え、
前記切替手段は、前記電力供給中となっているコンデンサの蓄電量と、前記電力供給中となっているコンデンサの蓄電量との相対比較の結果に基づいて、前記第１開閉手段及び前記第２開閉手段の開閉状態の切替を実施することを特徴とするモータの制御システム。

１１…モータ、１２…インバータ回路、１３…モータ電源回路（第１電源回路）、１４…制御回路（開閉制御手段、切替手段、判定手段）、１５…制御電源回路（第２電源回路）、２１…交流電源、２４，２５…電力経路（第１電力経路）、３１，３２…スイッチ（第１開閉手段）、４１…電源スイッチ、４３…電力経路（第２電力経路）、４６，４８…電力経路（連結経路）、４７，４９…スイッチ（第２開閉手段）。

Claims (4)

1. 交流電力からモータ駆動用の直流電力を生成する第１電源回路と、
   前記第１電源回路から供給される直流電力を駆動電力に変換してモータを駆動するインバータ回路と、
   前記交流電力から制御回路駆動用の直流電力を生成する第２電源回路と、
   前記第２電源回路から供給される直流電力により駆動される制御回路と、
   を備え、前記制御回路により前記インバータ回路を制御することで前記モータの回転を制御するモータの制御システムであって、
   前記第１電源回路は、前記モータ駆動用の直流電力を前記インバータ回路に各々供給する複数の第１電力経路を有し、該複数の第１電力経路には、モータ回生時における回生電力を回収可能なコンデンサと、このコンデンサと前記インバータ回路との接続を開閉する第１開閉手段とが各々設けられ、
   前記複数の第１電力経路には各々連結経路が接続され、これらの複数の連結経路を介して、前記第２電源回路において前記制御回路駆動用の直流電力を出力する第２電力経路に各第１電力経路が接続され、
   前記複数の連結経路には、それら各連結経路を開閉する第２開閉手段が設けられており、
   前記モータの回生が行われるモータ回生期間において、前記複数の第１電力経路のうちいずれかの第１電力経路の第１開閉手段を閉鎖しかつそれ以外の第１電力経路の第１開閉手段を開放するとともに、前記第１開閉手段が閉鎖された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を開放し、前記第１開閉手段が開放された第１電力経路に接続されている連結経路の第２開閉手段を閉鎖する開閉制御手段と、
   同じく前記モータ回生期間において、前記複数の第１電力経路にそれぞれ設けられた複数の第１開閉手段、及び前記複数の連結経路に各々設けられた複数の第２開閉手段について、前記開閉制御手段によりいずれを開放又は閉鎖するかの開閉状態の切替を実施する切替手段と、
   を備えることを特徴とするモータの制御システム。
2. 前記モータ回生期間において、前記複数の第１電力経路にそれぞれ設けられた複数のコンデンサのうち回生電力の回収が行われている電力回収中コンデンサについて蓄電量が所定量に達したか否かを判定する判定手段を備え、
   前記切替手段は、前記判定手段により前記電力回収中コンデンサの蓄電量が所定量に達したと判定された場合に、該電力回収中コンデンサについて、回生電力の回収を停止し、かつ回収済みの電力の前記第２電源回路側への供給を開始すべく、前記開閉状態の切替を実施する請求項１に記載のモータの制御システム。
3. 前記第２電源回路は、交流電源からの前記交流電力の供給を遮断する電源スイッチを有し、
   前記モータ回生期間において前記電源スイッチを開放する手段を備える請求項１又は２に記載のモータの制御システム。
4. 前記第２電源回路は、前記モータ回生期間において交流電源からの前記交流電力の供給により前記制御回路側への電力の供給を実施するものであり、
   前記モータ回生期間において、前記第１電源回路で回生電力の回収中となっているコンデンサと、前記第２電源回路側への電力供給中となっているコンデンサとのうち、前記電力供給中となっているコンデンサの蓄電量を検出する手段を備え、
   前記切替手段は、前記電力供給中となっているコンデンサの蓄電量がゼロ又はゼロ付近まで低下した場合に、当該蓄電量がゼロ又はゼロ付近まで低下したコンデンサを、前記回生電力の回収コンデンサに切り替えるべく、前記開閉状態の切替を実施する請求項１に記載のモータの制御システム。

Images