JP6312584B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関するものである。

近年、モータを備える機械装置では、その機械装置を用いた時の製造コストを小さくするために、サイクルタイムを短縮することが求められている。
このサイクルタイムを短縮するには、機械装置を駆動するモータの最高速度を高くすることが必要になる。
しかし、モータの最高速度は、動力伝達機構の制約により、むやみに高くすることは困難である。

一方、サイクルタイムを短縮するために、モータの加速・減速時間を短縮することも考えられる。これには、モータの最大トルクを大きくすることで対応可能となる。
そこで、このモータの最大トルクを大きくするためには、モータ制御装置の最大出力電流を増大させる必要がある。
しかし、モータ制御装置のインバータ部に用いる電力用半導体素子には最大出力電流に対して制約があるため、単純にモータ制御装置の出力電流を増大させることはできない。

このため、電力用半導体素子の保護機能をモータ制御装置に設け、電力用半導体素子に最大出力電流以上の電流が流れないように、一定値以内で電流を流すように制限している。
特に、同期電動機を駆動するモータ制御装置では、モータが停止した状態において、トルクを必要とする場合には、特定の相（１つの相）に電流が集中して流れてしまう。この場合、その特定の相の電力用半導体素子に対して、最大出力電流以上の電流が流れる可能性がある。
このため、モータ停止状態でも、電力用半導体素子にその素子が許容する値以上の電流が流れないように抑制している。

また、モータ電流の連続定格に対する割合に応じて、定格を超える電流が流れている時間が一定以上経過すると過負荷状態であるとして保護する機能を搭載して、連続定格以上の電流に対して、電力用半導体素子の過負荷保護を行っている。そして、この過負荷保護によって、電力用半導体素子に、その負荷率に応じて許容される電流以上の電流が流れないように抑制している。

このようなモータ制御装置の最大出力電流値を増加させる技術として、特許文献１のような保護機能を搭載する技術がある。
特許文献１では、インバータの負荷量と所定量との差を積分する積分器と、該積分器の出力が所定値を超えたときにインバータのトリップ信号を出力する比較器とを具備したインバータの過負荷積分トリップ回路を有している。
そして、特許文献１では、所定の周波数より低い周波数域での積分器による積分量を増大させる過負荷積分時間特性を付加しているインバータの過負荷積分トリップ回路が記載されている。
このような特許文献１の技術を用いる事により、特定の相の電力用半導体素子に電流が集中する場合は運転できる時間を短くする事により、モータ制御装置の最大出力電流を増大させて、トルクを最大化させることができる。

しかし、押し当てなどに使用するモータ制御装置では、モータ停止状態で、一定の時間、トルクを出力できることが要求され、この場合では、特許文献１の技術では対応できない。
特に、特許文献１の技術の場合、低速域での過負荷検出時間が短くなっており、途中で保護機能が働いてモータのトルク出力が停止してしまう可能性がある。

一方、電力用半導体素子には、パワーサイクル寿命やサーマルサイクル寿命があり、押し当てなどの用途において、モータ制御装置の最大出力電流を増大させた場合には、特定の相の温度変化が激しくなり、寿命が短くなってしまう可能性がある。
また、急峻に加減速を行う用途においても、モータ停止状態から急加速させる場合には、特定の相に最大電流が流れて加速し、急減速でモータを停止させる場合には、特定の相に最大電流が流れて停止することなる。
そして、同じ位置からの加速や同じ位置への停止を繰り返した場合、その相の寿命が短くなってしまう可能性がある。

上記のように特許文献１で低速時において保護動作が働いてしまうことを改善した例として特許文献２の技術がある。
特許文献２には、保護機能を有するＡＣサーボドライバでＡＣサーボモータを制御する技術が開示されている。
より具体的には、特許文献２のＡＣサーボモータの過負荷保護装置は、ＡＣサーボモータを介して機械装置の制御を行うものである。
特許文献２のＡＣサーボモータの過負荷保護装置は、このＡＣサーボモータに速度検出器を設け、この速度検出器にて検出された速度信号をＡＣサーボドライバに設けられた速度モニタ部を介して導入する過負荷制限部を設けている。
そして、この過負荷制限部のリミッタ特性を、導入された速度信号が±Ｎ１までのＡＣサーボモータへの出力信号をＡＣサーボモータの定格トルクの１００％で最低トルクリミッタ値に設定する。その上で、速度信号が±Ｎ１を越えて±Ｎ２となったときＡＣサーボモータの定格トルクの３００％を最大トルクリミッタ値に設定してＡＣサーボドライバに出力するよう構成している。

このように特許文献２では、速度信号が±Ｎ１までのＡＣサーボモータへの出力信号をＡＣサーボモータの定格トルクの１００％で最低トルクリミッタ値に設定する事により、過負荷の異常監視機能によりＡＣサーボモータ及びシステム全体が停止してしまうことを防止している。

特開平９−９３９５３号公報 特開２００２−２１８７７９号公報

しかしながら、上述したように、特許文献１の技術の場合、低速域の過負荷検出時間が短くなっており、途中で保護機能が働いてモータのトルク出力が停止してしまう可能性がある。
また、特許文献２の手法では、速度信号が±Ｎ１までの速度でのトルクが小さくなり、通常のモータの加減速を行う場合に加減速時間が長くなってしまうという問題がある。従って、サイクルタイムを短縮することができない。

そこで、本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その課題の一例は、電力用半導体素子のパワーサイクル寿命やサーマルサイクル寿命を短くすることなく、モータ制御装置の最大電流を増大させ、モータの最大トルクを大きくすることができるモータ制御装置を提供することにある。

本発明のモータ制御装置は、モータ制御装置は、モータと、モータを制御する制御部と、を有し、制御部は、モータを瞬間的に駆動する場合において、速度の絶対値が所定値未満の領域では、速度の絶対値の増加に応じてトルクの絶対値の最大値を増加させることを特徴とする。

好適には、制御部は、モータに供給する電力を制御する半導体を有し、速度の絶対値がゼロの状態でのトルクの絶対値の最大値であるＴ１は、半導体のジャンクション温度、パワーサイクル寿命、サーマルサイクル寿命の少なくとも１つ以上によって決定されることを特徴とする。

好適には、制御部において、速度の絶対値が所定値でのトルクの絶対値の最大値であるＴ３値は、Ｔ３＞Ｔ１の関係を有する。

好適には、制御部において、所定値は、半導体の熱破壊を生じさせない速度に設定されることを特徴とする。

本発明によって、電力用半導体素子のパワーサイクル寿命やサーマルサイクル寿命を短くする事なく、モータ制御装置の最大電流を増大させ、モータの最大トルクを大きくすることができるモータ制御装置を提供することが可能となる。

本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置の説明図である。 本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置のトルク制限値の特性図の説明図である。 従来のモータ制御装置のトルク回転速度特性図である。 本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置のトルク回転速度特性図である。

以下、本発明係る実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置の説明図である。

モータ制御装置１は、制御部１００とモータ２０とエンコーダ２１を有する。制御部１００は、速度検出部１０、絶対値化部１１、トルクリミッタ部１２およびトルク制御器１３を有する。モータ制御装置１は、外部の電源から電力供給を受けている。

また、制御部１００は、モータ２０を駆動している。
モータ２０の回転は、エンコーダ２１によって検出される。検出されたモータの回転（速度）は、モータ制御装置１に入力される。

モータ２０の制御を行う部分について説明を行う。
モータ２０の位置はエンコーダ２１によって電気信号（以下、「モータ回転信号」という）に変換されて、制御部１００の速度検出部１０に対して出力される。
速度検出部１０は、モータ位置信号を微分して速度を算出し、算出した値（以下、「速度値」という）を絶対値化部１１に対して出力する。
絶対値化部１１は、速度値を絶対値化し、回転速度値としてトルクリミッタ部１２に出力する。
トルクリミッタ部１２は、絶対値化部１１からのモータ２０の回転速度値の絶対値とトルク指令値が入力される。
そして、トルクリミッタ部１２は、後述する図２に表されるトルク制限値の特性図に従って制御する。
より具体的には、トルク指令値の絶対値が回転速度の絶対値ごとに設定されるトルクの絶対値の最大値未満である場合には、そのままトルク指令値をトルク制御器１３に出力する。
他方、トルク指令値の絶対値が回転速度の絶対値ごとに設定されるトルクの絶対値の最大値以上である場合には、トルク指令値の値にかかわらず、以下の値を出力する。
（１）トルク指令値が正の場合にはトルクの絶対値の最大値を出力する。
（２）トルク指令値が負の場合にはトルクの絶対値の最大値に−１を掛けた値を出力する。
ここで、トルクの最大値を表したものが、図２であるが、図２についてはより詳しく後述する。
トルク制御器１３は、入力されたトルク指令値又はトルク制限値に応じてモータを駆動する。これにより、モータ２０は所定のトルク等で制御される事になる。

以上の工程によって、モータ２０が制御される。次に、本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置１のトルク制限値の特性を説明する。前述のように、図２は、本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置１のトルク制限値の特性図の説明図である。
横軸は、回転速度の絶対値、つまり、絶対値化部１１から出力される回転速度値である。
縦軸は、回転速度の絶対値ごとに許容できるトルクの最大値である。
つまり、所定の回転数の絶対値においては、図２で表された線の内側部分の範囲でのみモータ２０はトルクを出力することが許容される。
ここで、図２のモータ制御装置のトルク制限値の特性図は、正方向に対しても逆方向に対しても同じ特性を示すためトルク横軸に対して対称となっている。
また、図２のモータ制御装置のトルク制限値の特性図は、瞬間的なトルク出力の際に許容できるトルクの最大値を表したものである。

図２のモータ制御装置のトルク制限値の特性図は、回転速度がゼロのとき、トルク制限値は±Ｔ１となる。
回転速度の絶対値がゼロから所定値であるＮ１に増加するに応じて、トルクが増加し、回転速度の絶対値がＮ１になったとき、トルク制限値はＴ３となる。
ここで、Ｔ３＞Ｔ１の関係となっている。同様に−Ｔ３＜−Ｔ１の関係となっている。

このトルク制限値Ｔ１は、モータ停止状態でも、電力用半導体素子が耐久性を保つことができる値とする。ここで、例えば、Ｔ１は、従来技術において、所定のモータ２０が回転速度の絶対値がゼロである場合に許容されるトルク値と同値である（図３も参照のこと）。
つまり、Ｔ１は、特定の相に電流を完全に集中した場合に許容される最大のトルク値となる。
そして規定の回転速度Ｎ１以上では、トルク制限値を回転速度ゼロのときの値Ｔ１よりも高い一定値Ｔ３に設定する。
ここで、この規定の回転速度Ｎ１は、モータに応じて、特定の相への電流集中によるジャンクション温度上昇や、パワーサイクル寿命、サーマルサイクル寿命の低下が起きないような回転速度が設定されている。
この回転速度以上の回転速度では、特定の相に電流集中が起こらないため、モータ制御装置１の最大出力電流を従来と比較し、高い値に設定する事ができる。
この値は、モータ電流がモータ制御装置１のトルク制御器１３の電力用半導体素子に流れた場合に電力用半導体素子のジャンクション温度が規定の温度を超えない値で、かつ、パワーサイクル寿命やサーマルサイクル寿命が速度ゼロで１相に電流集中した場合と同等程度になる電流値を設定することが可能である。つまり、半導体の熱破壊を生じさせない速度に設定される。
これにより、従来では、トルクの最大値（トルク制限値）がＴ１にとどまっていたのに対して、本実施形態では、電力用半導体素子の寿命を短くする事なく、モータ制御装置１の最大電流を増大させ、モータ２０の最大トルクを大きくする事ができる。

次に、従来のモータ制御装置のトルク回転速度特性と、本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置のトルク回転速度特性について説明する。
図３は、従来のモータ制御装置のトルク回転速度特性図である。図４は、本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置のトルク回転速度特性図である。
なお、図２は、瞬間的に許容されるトルクの最大値（トルク制限値）のみを表していたが、実際のモータ２０は、瞬間的に許容されるトルクの最大値のみならず、連続的にトルクを出す場合に許容されるトルクの最大値を有しており、その両方を記載したのが、図３及び図４である。

モータ２０を連続的に駆動する場合における回転速度の絶対値とトルクの絶対値の最大値との関係を表す連続領域とし、モータ２０を瞬間的に駆動する場合における回転速度の絶対値とトルク最大値との関係を表す瞬間領域としたとき、瞬間領域の回転速度の絶対値がゼロの状態でのトルク最大値をＴ１値とし、連続領域における回転速度の絶対値がゼロの状態でのトルク最大値をＴ２値とする。ここで、Ｔ１＞Ｔ２となるのは、瞬間的で有れば、モータ２０やモータ２０に電力を供給する半導体回路等が耐えられるからである。
従来のモータ制御装置のトルク回転速度特性図では、瞬間領域の回転速度の絶対値がゼロの状態でのトルク最大値をＴ１値とし、回転速度の絶対値が小さいときから大きくなるまで一定のＴ１をトルク最大値としている。
このため、回転速度の絶対値が大きいときには、トルクが小さく、効率的にモータ２０を駆動させていないこととなる。

次に図４の本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置のトルク回転速度特性図に基づいて、トルク回転速度特性について説明する。
ここで、瞬間領域は、モータの回転速度の絶対値がゼロの状態から回転速度の絶対値が増加するに応じてトルク最大値が増加するものであり、瞬間領域の回転速度の絶対値がゼロの状態でのトルクの絶対値の最大値であるＴ１値は、連続領域における回転速度の絶対値がゼロの状態でのトルクの絶対値の最大値であるＴ２値との間に、Ｔ１＞Ｔ２の関係を有する。
なお、モータへ供給する電力は半導体によって制御され、Ｔ１は、半導体のジャンクション温度、パワーサイクル寿命、サーマルサイクル寿命の少なくとも１つ以上によって決定される。このようにすることで、半導体の耐久性を高めることができる。

本発明に係る実施形態におけるモータ制御装置のトルク回転速度特性では、瞬間領域は、回転速度の絶対値がゼロから増加するに応じてトルク最大値（トルク制限値）がＴ１から増加し、回転速度の絶対値が所定値であるＮ１以上になったとき、トルク最大値がＴ３となる。つまり、制御部１００は、モータ２０を瞬間的に駆動する場合において、速度の絶対値が所定値Ｎ１未満の領域では、速度の絶対値の増加に応じてトルクの絶対値の最大値を増加させる。従って、モータ２０の回転速度が小さい場合、回転速度の増加に応じて、トルク制限値が変更される。これにより、効率的に最大限のトルクを得ることができる。

また、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、様々な変化した構造、構成、制御を行っていても良い。
例えば、モータ制御装置１での制御は、プログラムによって制御してもよい。また、トルクリミッタ部１２によりトルク指令値を制限する事により、モータ制御装置１から出力する電流を制限したが、トルク制御器１３の電流指令リミッタによりモータ制御装置１から出力される電流を制限してもよい。

１ モータ制御装置
１０ 速度検出部
１１ 絶対値化部
１２ トルクリミッタ部
１３ トルク制御器
２０ モータ
２１ エンコーダ
１００ 制御部

Claims (4)

1. モータと、
   前記モータを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記モータを瞬間的に駆動する場合において、速度の絶対値が０以上所定値未満の領域では、速度の絶対値の増加に応じてトルクの絶対値の最大値を増加させ、
   前記制御部は、前記モータを瞬間的に駆動する場合における前記モータの速度が０のときのトルクの絶対値の最大値が、前記モータを連続的に駆動する場合における前記モータの速度が０のときのトルクの絶対値の最大値よりも大きくなるように、前記モータを駆動する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御部は、前記モータに供給する電力を制御する半導体を有し、
   速度の絶対値がゼロの状態でのトルクの絶対値の最大値であるＴ１は、前記半導体のジャンクション温度、パワーサイクル寿命、サーマルサイクル寿命の少なくとも１つ以上によって決定されることを特徴とする
   請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記制御部において、速度の絶対値が所定値でのトルクの絶対値の最大値であるＴ３値は、Ｔ３＞Ｔ１の関係を有する
   請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記制御部において、前記所定値は、
   前記半導体の熱破壊を生じさせない速度に設定されることを特徴とする
   請求項２または３いずれか１項に記載のモータ制御装置。

Images