JP6616199B2

JP6616199B2 - モータの減速用速度変化率を変更する手段を有するモータ制御装置

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Publication number: JP6616199B2
Application number: JP2016010984A
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Inventors: 友和吉田
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Publication date: 2019-12-04
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Description

本発明は、三相交流入力側から供給された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置に関し、特にＤＣリンクコンデンサの電圧上昇に応じてモータの減速時における単位時間当たりの速度の変化量（以下、「モータ減速用速度変化率」と称する）を変更する手段を有するモータ制御装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ制御装置においては、交流電源側から入力された交流電力を直流電力に一旦変換したのちさらに交流電力に変換し、この交流電力を駆動軸ごとに設けられたモータの駆動電力として用いている。このようなモータ制御装置は、三相交流入力電源のある交流電源側から供給された交流電力を整流して直流電力を出力する順変換器と、順変換器の直流出力側であるＤＣリンク（直流リンク）に接続され、ＤＣリンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、を備え、当該逆変換器の交流出力側に接続されたモータの速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。順変換器の直流側と逆変換器の直流側とを接続するＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサが設けられている。ＤＣリンクコンデンサは、順変換器の直流出力の脈動分を抑えるための平滑コンデンサとしての機能を有するものであり、直流電力を蓄積し得るものである。逆変換器は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給してモータを駆動制御するためにモータの個数と同数個設けられる。一方、順変換器は、モータ制御装置コストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器に対して１個が設けられることが多い。

近年、省エネルギー化の要求から、モータ制御装置における順変換器として、モータ減速時に生じる回生電力を交流電源側に戻すことができる電源回生方式の順変換器が多く用いられている。この順変換器は、交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力する機能とともに、モータ減速時には直流側から供給された直流電力を交流電力に変換して交流電源側へ出力する機能を有する。モータ減速時にモータで発生する回生電力は、逆変換器により交流電力から直流電力に変換され、この直流電力はＤＣリンクを介して順変換器に入力され、さらに順変換器により交流電力に変換されて交流電源側に電源回生される。この時、ＤＣリンクに設けられたＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は、モータで発生する回生電力の量と、逆変換器、ＤＣリンクおよび順変換器を介して交流電源側に回生される交流電力の量と、に応じて変動する。

交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置において、モータで発生する回生電力の量および交流電源側に回生される交流電力の量とＤＣリンクコンデンサの電圧との関係を、図８〜図１０を参照して説明すると次の通りである。図８〜図１０に示すように、モータ制御装置１０００は、交流電源３側の交流電力と直流側であるＤＣリンクの直流電力との間で電力変換する順変換器１１１と、順変換器１１１から出力された直流電力をモータ２の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器１１２と、順変換器１１１と逆変換器１１２との間のＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサ１１３とを備える。順変換器１１１の交流電源３側の電源インピーダンス成分については参照符号４で表す。

図８は、モータ制御装置において、モータ減速時に発生する回生電力の量（以下、「減速エネルギー量」と称する）が交流電源側に回生される交流電力の量（以下、「電源回生量」と称する）と等しい場合におけるエネルギーの流れを説明する回路図である。図８に示すように、モータ減速時において、逆変換器１１２の電力変換動作によりモータ２側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量Ｅ₂と順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁とが等しい場合、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇せず、一定の電圧値に制御される。

図９は、モータ制御装置において、モータ減速時に発生する減速エネルギー量が交流電源側に回生される電源回生量よりも大きい場合におけるエネルギーの流れを説明する回路図である。モータ減速時にモータ２で発生する交流の回生電力は逆変換器により直流電力に変換されるが、逆変換器１１２の電力変換動作によりモータ２側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量Ｅ₂が、順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁よりも大きくなった場合、順変換器１１１の変換能力では変換しきれない直流電力がＤＣリンクコンデンサ１１３に蓄積され続けるので、ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値は上昇を続ける。

図１０は、モータ制御装置の移設などによって順変換器の交流電源側の電源インピーダンスが大きくなった場合におけるエネルギーの流れを説明する回路図である。モータ制御装置の移設などによって順変換器の交流電源側の電源インピーダンス４が増加すると、順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁は、移設前に比べて減少し、逆変換器１１２の電力変換動作によりモータ２側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量Ｅ₂よりも小さくなる。この場合も順変換器１１１の変換能力では変換しきれない直流電力がＤＣリンクコンデンサ１１３に蓄積され続けるので、ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値は上昇を続ける。

ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値が上昇を続けて順変換器１１１および逆変換器１１２の構成素子やＤＣリンクコンデンサ１１３自体の耐圧を超えると、各素子の破壊を招く。そこで、一般的には、順変換器１１１および逆変換器１１２の構成素子やＤＣリンクコンデンサ１１３自体の耐圧上許容できる最大電圧として過電圧アラームレベルを予め設定しておき、ＤＣリンク内のＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値が過電圧アラームレベルを超えたときには何らかの危機回避処理を実行するようにしている。危機回避処理の例として、例えば、ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値が過電圧アラームレベルを超えたとき、逆変換器１１２に対して過電圧アラーム信号を出力し、これに応答して逆変換器１１２は電力変換動作のためのスイッチング動作をオフし、モータ２で発生する回生電力の直流電力への変換を停止（以下、「アラーム停止」と称する）する対策が取られる。これにより、ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値が順変換器１１１および逆変換器１１２の構成素子やＤＣリンクコンデンサ１１３の耐圧を超えないようにする。

ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値の上昇を抑える技術として、例えば、逆変換器の電力変換動作により負荷側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量が、順変換器の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源側へ戻される電源回生量よりも大きい場合に、逆変換器内のスイッチング素子のスイッチング周波数を上げてスイッチング損失を増加させることでＤＣリンクコンデンサの電圧上昇を防止するものがある（例えば、特許文献１参照）。図１１は、特開平９−１２１５６１号公報（特許文献１）に記載された発明によるシステムにおけるエネルギーの流れを説明する回路図である。特許文献１に記載された発明によれば、負荷２’で発生した回生電力量Ｅ₃が順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁よりも大きくなった場合、ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値が上昇しないようにするために、逆変換器１１２の電力変換動作により負荷側からＤＣリンク側へ戻されるエネルギー量Ｅ₂と順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁とのバランスが取れるよう、逆変換器１１２内のスイッチング素子のスイッチング周波数を上げることで逆変換器１１２内のスイッチング素子のスイッチング損失を増加させ、負荷２’で発生した回生電力量Ｅ₃のうちの一部のエネルギーＥ₄（＝Ｅ₃−Ｅ₂）を熱損失として消費するようにする。これにより、ＤＣリンクに流入するエネルギー量Ｅ₂と順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁とが等しくなり、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇せず、一定の電圧値に制御される。

ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値の上昇を抑える別の技術として、例えば、逆変換器の電力変換動作により負荷側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量が、順変換器の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源側へ戻される電源回生量よりも大きい場合に、モータから逆変換器へ流れる回生電流の位相を補正してモータ巻線で消費されるエネルギーを増加させることでＤＣリンクコンデンサの電圧上昇を防止するものがある（例えば、特許文献２参照）。図１２は、特開２００３−３３０６１号公報（特許文献２）に記載された発明によるシステムにおけるエネルギーの流れを説明する回路図である。特許文献２に記載された発明によれば、モータ２で発生した回生電力量Ｅ₃が順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁よりも大きくなった場合、ＤＣリンクコンデンサ１１３の直流電圧値が上昇しないようにするために、逆変換器１１２の電力変換動作により負荷側からＤＣリンク側へ戻されるエネルギー量Ｅ₂と順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁とのバランスが取れるよう、モータ２からの回生電流の位相を補正することで、モータ２で発生した回生電力量Ｅ₃のうちの一部のエネルギーＥ₅（＝Ｅ₃−Ｅ₂）をモータ巻線において熱損失として消費するようにする。これにより、ＤＣリンクに流入するエネルギー量Ｅ₂と順変換器１１１の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源３側へ戻される電源回生量Ｅ₁とが等しくなり、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇せず、一定の電圧値に制御される。

特開平９−１２１５６１号公報特開２００３−３３０６１号公報

上述したように、モータ減速時に発生する回生電力が非常に大きい場合やモータ制御装置の移設などによって順変換器の交流電源側の電源インピーダンスが大きくなった場合など、逆変換器の電力変換動作によりモータ側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量が、順変換器の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源側へ戻される電源回生量よりも大きくなる状況になると、順変換器の変換能力では変換しきれない直流電力がＤＣリンクコンデンサに蓄積され続けるので、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇を続ける。ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値が上昇し続けて過電圧アラームレベルに達すると、順変換器および逆変換器の構成素子やＤＣリンクコンデンサの破壊を防ぐためにモータ制御装置はアラーム停止する。アラーム停止すればこれら各素子の破壊を防ぐことはできるものの、当該モータ制御装置が組み込まれた製造ラインが停止するので経済的損失が発生する。したがって、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を一定値に制御することは重要である。

例えば、特許文献１に記載された発明は、逆変換器内のスイッチング素子のスイッチング周波数を上げることで、負荷で発生した回生電力量のうち順変換器の変換能力では変換しきれない直流電力をスイッチング素子に熱損失として消費させるものであるが、熱損失の増加に伴いスイッチング素子の劣化が早まり信頼性が低下するという問題がある。また、スイッチング素子の熱損失の増加に備えてスイッチング素子のための冷却装置を別途設けなければならず、その分モータ制御装置が大型化しコストが増加するという問題がある。

また例えば、特許文献２に記載された発明は、モータから逆変換器へ流れる回生電流の位相を補正することで、モータで発生した回生電力量のうち順変換器の変換能力では変換しきれない直流電力をモータ巻線に熱損失として消費させるものであるが、モータの熱損失の発生に備えてモータのための冷却装置も別途設けなければならず、また位相補正回路も別途設けなければならない。したがって、モータ制御装置が大型化しコストが増加するという問題がある。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置において、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を安定に維持することができる、構造容易で小型で低コストのモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、モータ制御装置は、交流電源側の交流電力と直流側であるＤＣリンクの直流電力との間で電力変換する順変換器と、ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクに接続され、ＤＣリンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換する逆変換器と、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を検出する直流電圧検出部と、モータが所望の回転動作を行うことになるように逆変換器の電力変換動作を制御するためのモータ駆動指令を生成する指令生成部と、指令生成部によるモータ駆動指令の生成に用いられるモータ減速用速度変化率を記憶する速度変化率記憶部と、モータ減速時において、直流電圧検出部により検出された直流電圧値が予め設定された閾値を超えた場合、速度変化率記憶部に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換えてこれを速度変化率記憶部に新たに記憶させる速度変化率変更部とを備える。

ここで、速度変化率変更部は、指令生成部により生成されたモータ駆動指令に基づいて、モータ減速時であるか否かを判定する減速判定部と、上記閾値を記憶する電圧閾値記憶部と、モータ減速時において、直流電圧検出部により検出された直流電圧値と、電圧閾値記憶部に記憶された閾値とを比較する比較部と、比較部による比較の結果、直流電圧検出部により検出された直流電圧値が、電圧閾値記憶部に記憶された閾値より大きいと判定された場合、速度変化率記憶部に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に変更する変更部とを有するようにしてもよい。

また、速度変化率変更部は、モータ減速時であってかつ順変換器は電源回生動作を行っている時に、直流電圧検出部により検出された直流電圧値が予め設定された閾値を超えた場合、速度変化率記憶部に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換えてこれを速度変化率記憶部に新たに記憶させるようにしてもよい。

また、モータ制御装置は、順変換器の交流電源側の交流電流値を検出する交流電流検出部をさらに備え、速度変化率変更部は、交流電流検出部により検出された交流電流値に基づいて、順変換器が、ＤＣリンクの直流電力を交流電力に変換して交流電源側へ出力する電源回生動作を行っているか否かを判定する電源回生動作判定部を有するようにしてもよい。

本発明によれば、交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換して出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置において、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を安定に維持することができる、構造容易で小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。

本発明によれば、モータ減速時に発生する回生電力が非常に大きい場合やモータ制御装置の移設などによって順変換器の交流電源側の電源インピーダンスが大きくなった場合であっても、モータ減速用速度変化率を変更しＤＣリンクコンデンサの直流電圧値の上昇を抑制して一定値に制御するので、モータ制御装置のアラーム停止を回避することができる。

また、本発明によれば、モータ制御装置がモータの駆動制御のために本来的に備える直流電圧検出部および交流電流検出部により検出された直流電圧値および交流電流値を用いてモータ減速用速度変化率の変更処理を実行するので、従来技術のように新たなハードウェア装置を設ける必要がない。したがって、既存のモータ制御装置にも後付けで適用することも可能であり、また、モータ制御装置内の構造は容易であり、小型化、および低コスト化を図ることができる。本発明によれば、例えば特許文献１に記載された発明におけるようなスイッチング素子のための冷却装置や特許文献２に記載された発明におけるようなモータのための冷却装置および位相補正回路を別途設ける必要もない。

本発明の第１の実施例によるモータ制御装置の構成を示す図である。モータ制御装置においてモータ減速時に発生する減速エネルギー量が電源回生量を超えない場合におけるＤＣリンクコンデンサの直流電圧値およびモータ速度を説明する図であり、（Ａ）は、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を表し、（Ｂ）は、モータ速度を表す。図２（Ａ）中、破線は過電圧アラームレベルを示す。モータ制御装置においてモータ減速時に発生する減速エネルギー量が電源回生量を超える場合におけるＤＣリンクコンデンサの直流電圧値およびモータ速度を説明する図であり、（Ａ）は、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を表し、（Ｂ）は、モータ速度を表す。図３（Ａ）中、破線は過電圧アラームレベルを示す。本発明の第１の実施例によるモータ制御装置においてモータ減速時に発生する減速エネルギー量が電源回生量を超える場合におけるＤＣリンクコンデンサの直流電圧値およびモータ速度を説明する図であり、（Ａ）は、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を表し、（Ｂ）は、モータ速度を表す。本発明の第１の実施例によるモータ制御装置におけるモータ減速時の動作フローを示すフローチャートである。本発明の第２の実施例によるモータ制御装置の構成を示す図である。本発明の第２の実施例によるモータ制御装置におけるモータ減速時の動作フローを示すフローチャートである。モータ制御装置において、モータ減速時に発生する減速エネルギー量と交流電源側に回生される電源回生量と等しい場合におけるエネルギーの流れを説明する回路図である。モータ減速時に発生する減速エネルギー量が交流電源側に回生される電源回生量よりも大きい場合におけるエネルギーの流れを説明する回路図である。モータ制御装置の移設などによって順変換器の交流電源側の電源インピーダンスが大きくなった場合におけるエネルギーの流れを説明する回路図である。特開平９−１２１５６１号公報（特許文献１）に記載された発明によるシステムにおけるエネルギーの流れを説明する回路図である。特開２００３−３３０６１号公報（特許文献２）に記載された発明によるシステムにおけるエネルギーの流れを説明する回路図である。

図１は、本発明の第１の実施例によるモータ制御装置の構成を示す図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。モータ制御装置１の三相交流入力側には交流電源３が接続され、モータ制御装置１の交流モータ側には三相交流のモータ２が接続される。なお、以下で説明する実施例では、モータ制御装置１に接続される交流電源３およびモータ２をともに三相としたが、相数は本発明を特に限定するものではなく、例えば単相であってもよい。また、モータ制御装置１によって駆動されるモータ２の種類についても本発明を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。

図１に示すように、モータ制御装置１は、順変換器１１と、ＤＣリンクコンデンサ１３と、逆変換器１２と、直流電圧検出部１４と、指令生成部１５と、速度変化率記憶部１６と、速度変化率変更部１７とを備える。

順変換器１１は、交流電源３側の交流電力と直流側であるＤＣリンクの直流電力との間で電力変換する。すなわち、順変換器１１は、交流電源３側から供給された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力し、モータ減速時にはＤＣリンクから供給された直流電力を交流電力に変換して交流電源３側へ出力する、交直双方向に変換可能である電力変換器である。順変換器１１は、交直双方向に変換可能である電力変換器であれば実施形態は特に限定されず、例えば１２０度通電型整流回路、あるいはＰＷＭ制御方式の整流回路などがある。順変換器１１は、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎ−ＯＦＦｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。例えば、順変換器１１がＰＷＭ制御方式の整流器である場合、力率１の交流電力を発生させるとともにＤＣリンクコンデンサ１３の両端に印加される直流電圧を所望の値に保つよう、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作が指令生成部１５により生成されるＰＷＭ制御信号により制御され、また、受信したＰＷＭ制御信号に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。モータ制御装置１の制御によりモータ２を減速させる際にはモータ２にて回生電力が発生するが、順変換器１１は、その内部のスイッチング素子のスイッチング動作がＰＷＭ制御信号により制御されて直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）を行い、逆変換器１２を経て戻された回生エネルギーをさらに交流電源３側へ戻すことができる。

ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１の直流側と逆変換器の直流側とを接続するＤＣリンクに設けられる。ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１の直流出力の脈動分を抑えるための平滑コンデンサとしての機能を有するものであり、かつ直流電力を蓄積し得るものである。

逆変換器１２は、ＤＣリンクに接続され、ＤＣリンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で双方向に電力変換することができるものであり、受信したモータ駆動指令に従い、交流電力を直流電力に変換する力行動作（順変換動作）および直流電力を交流電力に変換する回生動作（逆変換動作）のいずれかを行う。具体的には、逆変換器１２は、ＤＣリンク側から供給される直流電力を、指令生成部１５から受信したモータ駆動指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ２を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。モータ２は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ２の減速時には回生電力が発生するが、指令生成部１５から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ２で発生した交流の回生電力を直流電力へ変換してＤＣリンクへ戻す。なお、モータ制御装置１で複数のモータ２を駆動制御する場合には、各モータ２に個別に駆動電力を供給してモータ２を駆動制御するために、逆変換器１２は、モータ２の個数と同数個、並列接続される。逆変換器１２は、例えばＰＷＭインバータなどのような、スイッチング素子およびこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。スイッチング素子の例としては、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（ＧａｔｅＴｕｒｎ−ＯＦＦｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。

直流電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１３の両端に印加される直流電圧値を検出する。

指令生成部１５は、モータ２が所望の回転動作を行うことになるように逆変換器の電力変換動作を制御するためのモータ駆動指令を生成する。特に本発明では、モータ２を減速制御する際には、後述する速度変化率記憶部１６に記憶されたモータ減速用速度変化率を用いてモータ駆動指令を生成する。指令生成部１５は、モータ２が所望の速度（加速、減速、定速、停止など）、トルク、もしくは回転子の位置で動作するためのモータ駆動指令を作成し、このモータ駆動指令に基づいた動作をモータ２がするために必要な波形や周波数を有する交流電流を逆変換器１２が出力するようなモータ駆動指令を生成する。指令生成部１５が生成したモータ駆動指令により逆変換器１２のスイッチング動作が制御されることになる。例えば逆変換器１２がＰＷＭインバータである場合、指令生成部１５は、生成したモータ駆動指令と所定のキャリア周波数を有する三角波キャリア信号とを比較し、逆変換器１２であるＰＷＭインバータ内のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成し、各スイッチング素子に向けて出力する。

速度変化率記憶部１６は、指令生成部１５によるモータ駆動指令の生成に用いられるモータ減速用速度変化率を記憶する。モータ減速用速度変化率は、モータの減速時における単位時間当たりの速度の変化量を表す。本明細書では、モータ減速用速度変化率を、大きさのみを持つ量（スカラー）で表し、すなわち、モータ減速用速度変化率が小さいほどモータは緩やかに減速することを意味し、モータ減速用速度変化率が大きいほどモータは急激に減速することを意味する。

速度変化率変更部１７は、モータ減速時において、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が予め設定された閾値を超えた場合、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換え、これを速度変化率記憶部１６に新たに記憶させる。このため、速度変化率変更部１７は、指令生成部１５により生成されたモータ駆動指令に基づいて、モータ減速時であるか否かを判定する減速判定部２１と、上記閾値を記憶する電圧閾値記憶部２２と、モータ減速時において、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と、電圧閾値記憶部２２に記憶された閾値とを比較する比較部２３と、比較部２３による比較の結果、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が、電圧閾値記憶部２２に記憶された閾値より大きいと判定された場合、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に変更する変更部２４とを有する。なお、減速判定部２１の変形例として、モータに一般的に設けられている速度センサからの信号に基づいて、モータ減速時であるか否かを判定するようにしてもよい。速度変化率変更部１７により記速度変化率記憶部１６により小さいモータ減速用速度変化率に書き換えられると、指令生成部１４により生成されるモータ駆動指令は、モータ２をより緩やかに減速させる指令となり、指令生成部１５が生成した当該モータ駆動指令により逆変換器１２のスイッチング動作が制御され、モータ２は、モータ減速用速度変化率に書き換え前の状態よりもより緩やかに減速することになる。

モータ減速用速度変化率は、ＤＣリンクコンデンサ１３の直流電圧値の単位時間当たりの上昇率を考慮して設定すればよく、例えば、モータ制御装置１を実際に運用する前に、実験やシミュレーションにより、モータ減速用速度変化率と当該モータ減速用速度変化率を用いた場合のＤＣリンクコンデンサ１３の直流電圧値の上昇率との関係を示すテーブルを予め求めてこれを速度変化率変更部１７内の変更部２４に設けられるメモリ（図示せず）に記憶しておき、モータ制御装置１を実際に運用する際には、速度変化率変更部１７内の変更部２４は当該メモリに記憶されたテーブルからモータ減速用速度変化率を読み出すようにしてもよい。また、速度変化率変更部１７内の変更部２４に設けられるメモリに記憶されるテーブルは、外部から書き換え可能としてもよい。

続いて、モータ制御装置１の動作原理について説明する。

図２は、モータ制御装置においてモータ減速時に発生する減速エネルギー量が電源回生量を超えない場合におけるＤＣリンクコンデンサの直流電圧値およびモータ速度を説明する図であり、（Ａ）はＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を表し、（Ｂ）はモータ速度を表す。図２（Ａ）中、破線は過電圧アラームレベルを示す。モータの減速が開始すると、モータは予め設定された減速用速度変化率にて減速を開始するが（図２（Ｂ））、減速用速度変化率が小さい場合や順変換器の交流電源側の電源インピーダンスが小さい場合は、逆変換器の電力変換動作によりモータ側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量が、順変換器の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源側へ戻される電源回生量を超えることはなく、この場合はＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇せず、一定の電圧値に制御される（図２（Ａ））。

図３は、モータ制御装置においてモータ減速時に発生する減速エネルギー量が電源回生量を超える場合におけるＤＣリンクコンデンサの直流電圧値およびモータ速度を説明する図であり、（Ａ）はＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を表し、（Ｂ）はモータ速度を表す。図３（Ａ）中、破線は過電圧アラームレベルを示す。モータが予め設定された減速用速度変化率にて減速しているとき（図３（Ｂ））、減速用速度変化率が大きい場合（すなわちモータが急減速する場合）や順変換器の交流電源側の電源インピーダンスが大きい場合は、逆変換器の電力変換動作によりモータ側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量が、順変換器の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源側へ戻される電源回生量を超える場合がある。この場合は、順変換器の変換能力では変換しきれない直流電力がＤＣリンクコンデンサに蓄積され続けるので、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇を続ける（図３（Ａ））。ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値が過電圧アラームレベルを超えると（時刻Ｔ₁）、逆変換器に対して過電圧アラーム信号を出力し、これに応答して逆変換器は電力変換動作のためのスイッチング動作をオフし、モータ制御装置はアラーム停止する。

図４は、本発明の第１の実施例によるモータ制御装置においてモータ減速時に発生する減速エネルギー量が電源回生量を超える場合におけるＤＣリンクコンデンサの直流電圧値およびモータ速度を説明する図であり、（Ａ）はＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を表し、（Ｂ）はモータ速度を表す。図４（Ａ）中、破線は過電圧アラームレベルを示し、一点鎖線は電圧閾値記憶部２２に記憶される閾値を示す。本発明の第１の実施例では、モータが予め設定された減速用速度変化率にて減速しているときにおいて（図４（Ｂ））、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が電圧閾値記憶部２２に記憶されていた閾値を超えたると（時刻Ｔ₂）、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換えてこれを速度変化率記憶部１６に新たに記憶させる。指令生成部１５は、モータ２を減速制御する際には、速度変化率記憶部１６に新たに記憶されたモータ減速用速度変化率を用いてモータ駆動指令を生成するが、モータ減速用速度変化率はより小さな値のものに変更されているので、逆変換器１２の電力変換動作によりモータ側からＤＣリンク側へ戻される減速エネルギー量がより小さくなり、結果として、順変換器の電力変換動作によりＤＣリンク側から交流電源側へ戻される電源回生量内に収まるようになる。これにより、ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値は上昇せず、一定の電圧値に制御され、過電圧アラームレベルを超えることはない（図４（Ａ））。したがって、モータ制御装置１はアラーム停止することはない。

図４から分かるように、電圧閾値記憶部２２に記憶される閾値の設定如何により、モータ減速用速度変化率が変更されるタイミングが変わってくる。例えば、モータ制御装置１を実際に運用する前に、実験やシミュレーションにより、変更後のモータ減速用速度変化率に基づいて生成されたモータ駆動指令を用いてモータ２の減速制御を行った場合にＤＣリンクコンデンサ１３の直流電圧値が過電圧アラームレベルを超えないような閾値を予め求めておき、これを電圧閾値記憶部２２に記憶しておく。なお、モータ制御装置１の運用の変更によってＤＣリンクコンデンサの直流電圧値の上昇の仕方や過電圧アラームレベルも変わってくるので、電圧閾値記憶部２２に記憶される閾値は、外部から書き換え可能とするのが好ましい。

図５は、本発明の第１の実施例によるモータ制御装置におけるモータ減速時の動作フローを示すフローチャートである。

モータ制御装置１によりモータ２を駆動制御している場合において、ステップＳ１０１において、直流電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１３の両端に印加される直流電圧値を検出する。

ステップＳ１０２において、速度変化率変更手段１７内の減速判定部２１は、指令生成部１５により生成されたモータ駆動指令に基づいて、モータ減速時であるか否かを判定する。ステップＳ１０２においてモータ減速時であると判定された場合は、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、速度変化率変更手段１７内の比較部２３は、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と、電圧閾値記憶部２２に記憶された閾値とを比較する。比較の結果、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が電圧閾値記憶部２２に記憶された閾値を超えたと判定された場合は、ステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、速度変化率変更部１７内の変更部２４は、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に変更する。変更後のモータ減速用速度変化率は、速度変化率記憶部１６に新たに記憶される。これ以降、指令生成部１５は、速度変化率記憶部１６に新たに記憶されたモータ減速用速度変化率を用いてモータ駆動指令を生成し、モータ２を減速制御する。

図６は、本発明の第２の実施例によるモータ制御装置の構成を示す図である。本発明の第２の実施例は、速度変化率変更部１７がモータ減速用速度変化率の変更処理を実行する条件として、「モータ２が減速中であること」に加えて、「順変換器１１が電源回生動作を行っていること」を加えたものである。すなわち、本発明の第２の実施例では、速度変化率変更部１７は、モータ減速時であってかつ順変換器１１は電源回生動作を行っているときに、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が予め設定された閾値を超えた場合、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換えてこれを速度変化率記憶部１６に新たに記憶させる。このようにすることで、本発明の第２の実施例は、第１の実施例の場合に比べて、より確実かにモータ減速用速度変化率の変更処理を実行することができる。

図６に示すように、本発明の第２の実施例によるモータ制御装置１は、順変換器の交流電源側の交流電流値を検出する交流電流検出部１８をさらに備える。また、速度変化率変更部１７は、交流電流検出部１８により検出された交流電流値に基づいて、順変換器１１が、ＤＣリンクの直流電力を交流電力に変換して交流電源側へ出力する電源回生動作を行っているか否かを判定する電源回生動作判定部２５をさらに有する。速度変化率変更部１７は、モータ減速時であってかつ順変換器１１は電源回生動作を行っている時に、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が予め設定された閾値を超えた場合、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換えてこれを速度変化率記憶部１６に新たに記憶させる。指令生成部１５は、速度変化率記憶部１６に記憶されたモータ減速用速度変化率を用いてモータ駆動指令を生成し、モータ２を減速制御する。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。

図７は、本発明の第２の実施例によるモータ制御装置におけるモータ減速時の動作フローを示すフローチャートである。

モータ制御装置１によりモータ２を駆動制御している場合において、ステップＳ２０１において、直流電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１３の両端に印加される直流電圧値を検出する。

ステップＳ２０２において、速度変化率変更手段１７内の減速判定部２１は、指令生成部１５により生成されたモータ駆動指令に基づいて、モータ減速時であるか否かを判定する。ステップＳ２０２においてモータ減速時であると判定された場合は、ステップＳ２０３へ進む。

ステップＳ２０３では、速度変化率変更手段１７内の電源回生動作判定部２５は、交流電流検出部１８により検出された交流電流値に基づいて、順変換器１１が、ＤＣリンクの直流電力を交流電力に変換して交流電源側へ出力する電源回生動作を行っているか否かを判定する。ステップＳ２０３において順変換器１１が電源回生動作を行っていると判定された場合は、ステップＳ２０４へ進む。

ステップＳ２０４では、速度変化率変更手段１７内の比較部２３は、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値と、電圧閾値記憶部２２に記憶された閾値とを比較する。比較の結果、直流電圧検出部１４により検出された直流電圧値が電圧閾値記憶部２２に記憶された閾値を超えたと判定された場合は、ステップＳ２０５へ進む。

ステップＳ２０５では、速度変化率変更部１７内の変更部２４は、速度変化率記憶部１６に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に変更する。変更後のモータ減速用速度変化率は、速度変化率記憶部１６に新たに記憶される。これ以降、指令生成部１５は、速度変化率記憶部１６に新たに記憶されたモータ減速用速度変化率を用いてモータ駆動指令を生成し、モータ２を減速制御する。

なお、上述の第１および第２の実施例では、モータ制御装置１で駆動制御するモータ２の個数を１個としたので、モータ２に対して１個の逆変換器２１が設けられた。一般に、駆動軸（送り軸および主軸）が複数ある場合は、各駆動軸を駆動するためにモータも複数設けられる。この場合、逆変換器は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給してモータを駆動制御するために、モータの個数と同数個、並列接続され、順変換器については、モータ制御装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器に対して１個が設けられる。本発明は、このような複数個の逆変換器で複数個のモータを駆動制御するモータ制御装置にも適用可能である。この場合、例えば、複数個のモータのうち、最も大きな減速エネルギー量を発生するモータについてのみ、上述した本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行するようにしてもよい。またあるいは、複数個のモータのうち、いくつかのモータについて本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行し、残りのモータについては本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理は実行しないようにしてもよい。またあるいは、複数個のモータに対して、本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理が実行される優先順位を設けてもよく、例えば、まず第１のモータについて本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行し、当該実行によってもＤＣリンクコンデンサの直流電圧値が上昇してしまう場合は第１および第２のモータについて本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行し、当該実行によってもＤＣリンクコンデンサの直流電圧値が上昇してしまう場合は第１〜第３のモータについて本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行する処理を行うようにしてもよい。

なお、上述した指令生成部１５、速度変化率記憶部１６、および速度変化率変更部１７は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段および回路をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内にある演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで上述の各部の機能が実現される。また、モータ制御装置がモータの駆動制御のために本来的に備える直流電圧検出部１４および交流電流検出部１８により検出された直流電圧値および交流電流値を用いて本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行するので、従来技術のように新たなハードウェア装置を設ける必要がないことから、既存のモータ制御装置にも後付けで適用することも可能である。この場合、上述した指令生成部１５、速度変化率記憶部１６、および速度変化率変更部１７に係るソフトウェアプログラムを当該既存のモータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすればよい。

このように、本発明によれば、モータ制御装置１がモータの駆動制御のために本来的に備える直流電圧検出部１４および交流電流検出部１８により検出された直流電圧値および交流電流値を用いて本発明によるモータ減速用速度変化率の変更処理を実行するので、従来技術のように新たなハードウェア装置を設ける必要なくＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を安定に維持することができ、構造容易であり、小型化、および低コスト化を図ることができる。

１モータ制御装置
２モータ
３商用三相交流電源
１１整流器
１２逆変換器
１３ＤＣリンクコンデンサ
１４直流電圧検出部
１５指令生成部
１６速度変化率記憶部
１７速度変化率変更部
１８交流電流検出部
２１減速判定部
２２電圧閾値記憶部
２３比較部
２４変更部
２５電源回生動作判定部

Claims

交流電源側の交流電力と直流側であるＤＣリンクの直流電力との間で電力変換する順変換器と、
前記ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、
前記ＤＣリンクに接続され、前記ＤＣリンクの直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で電力変換する逆変換器と、
前記ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値を検出する直流電圧検出部と、
モータが所望の回転動作を行うことになるように前記逆変換器の電力変換動作を制御するためのモータ駆動指令を生成する指令生成部と、
前記指令生成部によるモータ駆動指令の生成に用いられるモータ減速用速度変化率を記憶する速度変化率記憶部と、
モータ減速時であってかつ前記順変換器が電源回生動作を行っている時に、前記直流電圧検出部により検出された直流電圧値が予め設定された閾値を超えた場合、前記速度変化率記憶部に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に書き換えてこれを前記速度変化率記憶部に新たに記憶させる速度変化率変更部と、
を備え、
前記速度変化率変更部は、
前記指令生成部により生成されたモータ駆動指令に基づいて、モータ減速時であるか否かを判定する減速判定部と、
前記閾値を記憶する電圧閾値記憶部と、
モータ減速時において、前記直流電圧検出部により検出された直流電圧値と、前記電圧閾値記憶部に記憶された閾値とを比較する比較部と、
前記比較部による比較の結果、前記直流電圧検出部により検出された直流電圧値が、前記電圧閾値記憶部に記憶された閾値より大きいと判定された場合、前記速度変化率記憶部に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を、より小さいモータ減速用速度変化率に変更する変更部と、
を有し、
前記速度変化率変更部内の前記変更部内のメモリに、前記モータ減速用速度変化率と当該モータ減速用速度変化率を用いた場合の前記ＤＣリンクコンデンサの直流電圧値の上昇率との関係を示すテーブルが予め記憶され、
前記速度変化率変更部内の前記変更部は、前記メモリに記憶されたテーブルから読み出したモータ減速用速度変化率にて、前記速度変化率記憶部に既に記憶されていたモータ減速用速度変化率を変更する、モータ制御装置。
前記順変換器の交流電源側の交流電流値を検出する交流電流検出部をさらに備え、
前記速度変化率変更部は、前記交流電流検出部により検出された交流電流値に基づいて、前記順変換器が、前記ＤＣリンクの直流電力を交流電力に変換して交流電源側へ出力する電源回生動作を行っているか否かを判定する電源回生動作判定部を有する請求項１に記載のモータ制御装置。