JP6640812B2 - 蓄電装置を有するモータ駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、蓄電装置を有するモータ駆動システムに関する。

工作機械やロボットなどを含む機械に設けられたサーボモータ（以下、「ドライブ用サーボモータ」と称する。）を駆動するモータ駆動システムにおいては、電源から供給される交流電力をコンバータ（整流器）にて直流電力に変換して直流リンクへ出力し、さらにインバータにて直流リンクの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をドライブ用サーボモータの駆動電力として用いている。一般に、コンバータは、モータ駆動システムのコストや占有スペースを低減する目的で、複数のインバータに対して１個が設けられることが多い。すなわち、交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータを複数のドライブ用インバータ（ドライブ用サーボアンプ）に対する共通の電源部とし、これら複数のドライブ用インバータは、この電源部から出力される直流電力を用いて、各ドライブ用サーボモータを駆動するための交流電力を生成する。

モータ駆動システムでドライブ用サーボモータを加速または減速制御する際には、交流電源に対して大きな交流電力の出力または回生が要求されるので電力ピークが発生する。特に、１個のコンバータに対して複数のドライブ用インバータが接続されるモータ駆動システムにおいては、発生する電力ピークもより大きなものとなり得る。電力ピークが大きくなるほど、電源容量やモータ駆動システムの運用コストが増大したり、電源側に停電やフリッカなどの電力障害が発生したりするので、電力ピークを低減するのが望ましい。

電力ピークを低減するために、モータ駆動システムのコンバータとドライブ用インバータとを接続する直流リンクに直流電力を蓄積し得る蓄電装置を設けて、ドライブ用サーボモータで消費や回生されるエネルギーを直流リンクを介して適宜やり取りする手法が、従来より用いられている。この手法によれば、ドライブ用サーボモータの減速時にドライブ用サーボモータから発生する回生電力を蓄電装置に蓄積させたり、蓄積した電力をドライブ用サーボモータの加速時に再利用したりすることができるので、電力ピークを低減することができる。つまり、直流リンクに対して電力の出し入れを行う蓄電装置を用いることで、電源部の最大出力電力よりも大きい消費電力を伴うようなドライブ用サーボモータの動作（加減速）に対しても対応可能となる。

一例を挙げると、プレス機は、プレス動作を行う際に発生する最大消費電力が非常に大きく、電源容量不足が問題になることがある。そこで、プレス機におけるモータ駆動システムでは直流リンクに蓄電装置を設け、プレス機が大電力を消費する場合は蓄電装置から電力を供給することで、小さな容量の電源の下でのプレス機の駆動を可能にしている。蓄電装置の例としては、フライホイールを用いたものがある。例えば、ドライブ用サーボモータの消費電力が少ない時には、フライホイールを結合したバッファ用サーボモータを一定速で回転させておき、ドライブ用サーボモータの加減速等により消費電力が大きくなった際には、バッファ用サーボモータの回転速度を低くしてバッファ用インバータを介して電力回生を行い、ドライブ用サーボモータを駆動するための直流電力を直流リンクへ供給する。これにより、コンバータによる電力変換可能な最大電力量である最大電力変換量より大きい消費電力を伴うような加減速動作に対しても、回転エネルギーを有するフライホイールを結合したバッファ用サーボモータからの回生電力を用いることで駆動することが可能となる。

例えば、交流電源からの交流電力を直流電力に変換する交流直流変換器と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換する直流交流変換器と、前記交流直流変換器の直流側と前記直流交流変換器の直流側とを接続し、直流電力の受け渡しを行うＤＣリンク部と、前記ＤＣリンク部に接続され、直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給する、少なくとも１つのキャパシタ蓄積部および少なくとも１つのフライホイール蓄積部を有するエネルギー蓄積部と、モータの動作を指令するモータ動作指令に基づき、前記直流交流変換器が所望の交流電力を出力するよう制御するモータ制御部と、前記エネルギー蓄積部が直流電力を前記ＤＣリンク部から蓄積しまたは前記ＤＣリンク部へ供給するよう制御するエネルギー制御部と、を備えることを特徴とするモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、産業機械や工作機械の軸を駆動するサーボモータの制御システムであって、軸を駆動するための複数の第１サーボモータと、交流電圧を直流電圧に変換する複数のコンバータと、前記のコンバータから直流電圧を受電して前記複数の第１サーボモータを駆動するための交流電圧に変換し、または、前記の第１サーボモータから回生される交流電力を直流電力に変換する第１インバータを複数と、イナーシャを回転させる第２サーボモータと、前記コンバータから直流電圧を受電し、前記第２サーボモータを駆動するための交流電圧に変換し、または、前記第２サーボモータから回生される交流電力を直流電力に変換する第２インバータを複数と、前記複数の第１サーボモータ及び前記第２サーボモータを制御するサーボモータ制御装置と、を有し、前記第２サーボモータの数は、前記複数の第２インバータの数よりも少なく、前記第２サーボモータのうちの少なくとも１つは複数の独立した巻線を備え、前記複数の第２インバータのうちの少なくとも一部が１つの第２サーボモータに設けられた複数の独立した巻線に接続されている、ことを特徴とするサーボモータ制御システムが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１３−００９５２４号公報 特開２０１６−０４６８３３号公報

コンバータとドライブ用インバータとの間を接続する直流リンクに、バッファ用サーボモータ及びバッファ用インバータを有するフライホイール型の蓄電装置が設けられたモータ駆動システムにおいては、蓄電装置内のバッファ用サーボモータの速度を制御することで蓄電装置による直流電力の蓄電及び放電を行っている。このため、ドライブ用サーボモータの稼働状態や消費電力に合わせた速度指令の作成が必要であり、バッファ用サーボモータの制御の複雑化を免れなかった。また、一般にサーボモータの速度制御においては、速度指令に対する実速度の追従にタイムラグがあることから、バッファ用サーボモータの速度制御が行われるフライホイール型の蓄電装置は、放電指令や蓄電指令に対する応答性が悪い。したがって、このようなフライホイール型の蓄電装置を有するモータ駆動システムにおいては、制御が容易で応答性の高い蓄電装置の実現が望まれている。

本開示の一態様によれば、モータ駆動システムは、電源側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行うコンバータと、直流リンクにおける直流電力とドライブ用サーボモータの駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行うドライブ用インバータと、直流リンクから直流電力を蓄積しまたは直流リンクへ直流電力を供給する蓄電装置であって、回転エネルギーを蓄積し得るフライホイールが結合した回転軸を有するバッファ用サーボモータと、受信した指令に基づき直流リンクにおける直流電力とバッファ用サーボモータの駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行うバッファ用インバータとを有する蓄電装置と、バッファ用サーボモータの回転速度と蓄電装置が直流リンクから蓄電または直流リンクへ供給する直流電力量とに基づいて、バッファ用サーボモータに対するトルク制限値を計算するトルク制限値計算部と、バッファ用インバータの電力変換を制御することでバッファ用サーボモータの回転を制御するバッファ用モータ制御部と、を備え、バッファ用モータ制御部は、トルク制限値にてトルク指令の上限値及び下限値を変更しながらバッファ用サーボモータに対するトルク制御を行うことで、蓄電装置が直流リンクから蓄電または直流リンクへ供給する直流電力量を調整する。

本開示の一態様によれば、フライホイール型の蓄電装置を有するモータ駆動システムにおいて、制御が容易で応答性の高い蓄電装置を実現することができる。

一実施形態によるモータ駆動システムのブロック図である。 一実施形態によるモータ駆動システム内の蓄電装置から供給される直流電力とコンバータから供給される直流電力の関係を例示する図である。 一実施形態によるモータ駆動システム内の蓄電装置におけるバッファ用サーボモータに対する制御ループを示すブロック図である。 一実施形態によるモータ駆動システムにおける速度指令の切換例を説明する図であって、（Ａ）は各速度指令間でステップ状に切り換える例を示し、（Ｂ）は各速度指令間で直線形時定数にて変化させながら切り換える例を示し、（Ｃ）は各速度指令間でベル形時定数にて変化させながら切り換える例を示し、（Ｄ）は各速度指令間で指数形時定数にて変化させながら切り換える例を示す。 一実施形態によるモータ駆動システムにおける総消費電力量とバッファ用サーボモータの回転速度との関係を例示する図である。 さらなる実施形態によるモータ駆動システムにおける総消費電力量とバッファ用サーボモータの回転速度との関係を例示する図である。

以下図面を参照して、蓄電装置を有するモータ駆動システムについて説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、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。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、「ドライブ用サーボモータの出力」には「ドライブ用サーボモータの消費電力」及び「ドライブ用サーボモータの回生電力」が含まれ、「バッファ用サーボモータの出力」には「バッファ用サーボモータの消費電力」及び「バッファ用サーボモータの回生電力」が含まれるものとする。また、ドライブ用サーボモータ及びバッファ用サーボモータの回転角速度については単に「回転速度」と称する。

図１は、一実施形態によるモータ駆動システムのブロック図である。ここでは、一例として、電源２に接続されたモータ駆動システム１により２個のドライブ用サーボモータ３を制御する場合について説明する。ただし、ドライブ用サーボモータ３の個数は本実施形態を特に限定するものではなく１個または３個以上であってもよい。また、電源２、ドライブ用サーボモータ３及びバッファ用サーボモータ２２の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。また、ドライブ用サーボモータ３及びバッファ用サーボモータ２２の種類についても本実施形態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。ここで、ドライブ用サーボモータ３が設けられる機械には、工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、各種電化製品、電車、自動車、航空機などが含まれる。

一実施形態によるモータ駆動システム１を説明するに先立ち、ドライブ用サーボモータ３に対する駆動制御について説明する。モータ駆動システム１は、一般的なモータ駆動システムと同様、直流リンク４における直流電力とドライブ用サーボモータ３の駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行うドライブ用インバータ１２を制御するためのドライブ用モータ制御部１８を有する。ドライブ用モータ制御部１８は、速度検出器３１によって検出されたドライブ用サーボモータ３の（回転子の）速度（速度フィードバック）、ドライブ用サーボモータ３の巻線に流れる電流（電流フィードバック）、所定のトルク指令、及びドライブ用サーボモータ３の動作プログラムなどに基づいて、ドライブ用サーボモータ３の速度、トルク、または回転子の位置を制御するための駆動指令を生成する。ドライブ用モータ制御部１８によって作成された駆動指令に基づいて、ドライブ用インバータ１２による電力変換動作が制御される。なお、ここで定義したドライブ用モータ制御部１８の構成はあくまでも一例であって、例えば、位置指令作成部、トルク指令作成部、及びスイッチング指令作成部などの用語を含めてドライブ用モータ制御部１８の構成を規定してもよい。

図１に示すように、一実施形態によるモータ駆動システム１は、コンバータ１１と、ドライブ用インバータ１２と、蓄電装置１３と、トルク制限値計算部１４と、バッファ用モータ制御部１５と、消費電力量計算部１６と、蓄電供給電力量計算部１７とを備える。

コンバータ１１は、電源２側の交流電力と直流リンク４における直流電力との間で電力変換を行う順変換器である。コンバータ１１は、電源２から三相交流が供給される場合は三相ブリッジ回路で構成され、電源２から単相交流が供給される場合は単相ブリッジ回路で構成される。コンバータ１１は、例えば、１２０度通電型整流回路及びＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路などのような、電源２側から入力された交流電力を直流電力に変換して直流側へ出力し、電力回生時には直流リンク４の直流電力を交流電力に変換して電源２側へ出力する、交直双方向に変換可能である電力変換器として実現される。例えば、コンバータ１１がＰＷＭスイッチング制御方式の整流回路である場合は、スイッチング素子及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り、上位制御装置（図示せず）から受信した駆動指令に応じて各スイッチング素子がオンオフ制御されて交直双方向に電力変換を行う。スイッチング素子の例としては、ＦＥＴなどのユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。

また、コンバータ１１については、交流電力から直流電力への電力変換可能な最大電力量及び直流電力から交流電力への電力変換可能な最大電力量として、「最大電力変換量」が規定されている。最大電力変換量は、コンバータ１１の変換容量に関する諸元データとして一般的に規定されるものであり、例えばコンバータ１１の規格表や取扱説明書などに記載されている。

なお、直流リンク４には、直流リンクコンデンサ（平滑コンデンサとも称する）が設けられるが、ここでは図示を省略している。直流リンクコンデンサは、直流リンク４において直流電力を蓄積する機能、及びコンバータ１１の直流出力の脈動分を抑える機能を有する。

コンバータ１１には、直流リンク４を介してドライブ用インバータ１２が接続される。ドライブ用インバータ１２は、ドライブ用サーボモータ３を駆動するために、直流リンク４における直流電力を交流電力に変換し、ドライブ用サーボモータ３へ駆動電力として供給するサーボアンプを構成する。ドライブ用インバータ１２は、直流リンク４における直流電力とドライブ用サーボモータ３の駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行う。一般に、ドライブ用サーボモータ３には１巻線以上の巻線が設けられており、ドライブ用サーボモータ３を駆動するためには、当該ドライブ用サーボモータ３内の１巻線あたり１個のドライブ用インバータ１２が必要である。図１では、一例としてドライブ用サーボモータ３を１巻線タイプとしており、したがって、各ドライブ用サーボモータ３に対して１個のドライブ用インバータ１２が接続される。ドライブ用インバータ１２は、スイッチング素子及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り、例えば三角波比較方式のＰＷＭスイッチング制御に基づいて各スイッチング素子がオンオフ制御される。ドライブ用インバータ１２は、ドライブ用サーボモータ３が三相モータである場合は三相ブリッジ回路で構成され、ドライブ用サーボモータ３が単相モータである場合は単相ブリッジ回路で構成される。スイッチング素子の例としては、ＦＥＴなどのユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。

ドライブ用インバータ１２は、ドライブ用モータ制御部１８から受信した駆動指令に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより、直流リンク４の直流電力とドライブ用サーボモータ３の駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換する。より詳細には、ドライブ用インバータ１２は、ドライブ用モータ制御部１８から受信した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、直流リンク４を介してコンバータ１１から供給される直流電力を、ドライブ用サーボモータ３を駆動するための所望の電圧及び所望の周波数を有する交流電力に変換する（逆変換動作）。これにより、ドライブ用サーボモータ３は、例えば電圧可変及び周波数可変の交流電力に基づいて動作することになる。また、ドライブ用サーボモータ３の減速時には回生電力が発生することがあるが、ドライブ用モータ制御部１８から受信した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、ドライブ用サーボモータ３で発生した交流の回生電力を直流電力へ変換して直流リンク４へ戻す（順変換動作）。

蓄電装置１３は、直流リンク４から直流電力を蓄積しまたは直流リンク４へ直流電力を供給する。蓄電装置１３は、回転エネルギーを蓄積し得るフライホイール２１と、フライホイール２１が結合した回転軸を有するバッファ用サーボモータ２２と、受信した指令に基づき直流リンク４における直流電力とバッファ用サーボモータ２２の駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行うバッファ用インバータ２３と、を有する。

バッファ用インバータ２３は、バッファ用モータ制御部１５から受信した駆動指令に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより、直流リンク４の直流電力とバッファ用サーボモータ２２の駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換する。バッファ用インバータ２３は、スイッチング素子及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。バッファ用インバータ２３は、バッファ用サーボモータ２２が三相モータである場合は三相ブリッジ回路で構成され、バッファ用サーボモータ２２が単相モータである場合は単相ブリッジ回路で構成される。スイッチング素子の例としては、ＦＥＴなどのユニポーラトランジスタ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。例えば、受信した駆動指令を三角波搬送波（キャリア）と比較することで得られるＰＷＭスイッチング信号に基づいて、バッファ用インバータ２３内の各スイッチング素子がオンオフ制御される。

バッファ用モータ制御部１５によりバッファ用インバータ２３の電力変換が制御されることで、フライホイール２１が接続されたバッファ用サーボモータ２２が加速もしくは減速しながら回転しまたは一定速度で回転し、その結果、蓄電装置１３が蓄積または供給すべき直流電力量（蓄電装置１３が直流リンク４に対して出し入れする直流電力量）が調整される。より詳細には次の通りである。

バッファ用インバータ２３は、蓄電装置１３による直流電力の蓄積を行う場合、バッファ用モータ制御部１５から受信した駆動指令に基づき、直流リンク４における直流電力を交流電力へ変換する逆変換動作を行う。これにより、直流リンク４からの電気エネルギーがバッファ用サーボモータ２２側へ取り込まれ、この電気エネルギーにより、フライホイール２１が接続されたバッファ用サーボモータ２２が回転する。このようにフライホイール型の蓄電装置１３では、直流リンク４から流入した電気エネルギーが、フライホイール２１の回転エネルギーに変換されて蓄積される。

また、バッファ用インバータ２３は、蓄電装置１３による直流電力の供給を行う場合、バッファ用モータ制御部１５から受信した駆動指令に基づき、フライホイール２１が接続されたバッファ用サーボモータ２２を減速させて交流の回生電力を発生させ、この交流電力を直流電力へ変換する順変換動作を行う。これにより、フライホイール２１に蓄積された回転エネルギーは電気エネルギーに変換されて直流リンク４へ供給される。

モータ駆動システム１では、上記の動作を行う蓄電装置１３を備えることにより、ドライブ用サーボモータ３の加速時には、コンバータ１１から供給されるエネルギーに加えて蓄電装置１３に蓄積されたエネルギーがドライブ用サーボモータ３に供給され、ドライブ用サーボモータ３の加速のための動力として利用される。図２は、一実施形態によるモータ駆動システム内の蓄電装置から供給される直流電力とコンバータから供給される直流電力の関係を例示する図である。コンバータ１１から直流リンク４へ供給される電力は、ドライブ用サーボモータ３の駆動電力（すなわちドライブ用サーボモータ３の出力が対応）として消費されるほかに、ドライブ用サーボモータ３における巻線損失とコンバータ１１における損失とドライブ用インバータ１２における損失として消費される。ここで、ドライブ用サーボモータ３、ドライブ用インバータ１２及びコンバータ１１で消費される電力の総和を「総消費電力」と称し、これを図２では実線で示す。一点鎖線は、コンバータ１１の順変換動作における最大電力変換量を示す。図２に示すように、総消費電力のうちのコンバータ１１の最大供給電力を超える分（図中、斜線で示す領域）については、蓄電装置１３から直流リンク４へ供給される直流電力によって補われる。

モータ駆動システム１では、ドライブ用サーボモータ３の減速時には、ドライブ用サーボモータ３から回生されたエネルギーが蓄電装置１３に蓄積される。蓄電装置１３に蓄積されたエネルギーは、コンバータ１１が供給する電力と併せてドライブ用サーボモータ３の駆動に利用されるので、コンバータ１１の最大電力変換量を超えた出力でドライブ用サーボモータ３を駆動することでき、電力ピークを低減することができる。電力ピークの低減により、電源容量やモータ駆動システム１の運用コストを抑えることができ、また、電源２側の停電やフリッカを回避することができる。

トルク制限値計算部１４は、速度検出器２４によって検出されたバッファ用サーボモータ２２の回転速度と蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量とに基づいて、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク制限値を計算する。トルク制限値は、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク指令に対して設定されるものであるが、詳細については後述する。

バッファ用モータ制御部１５は、蓄電装置１３が蓄積または供給すべき直流電力量を調整するために、バッファ用インバータ２３に対して駆動指令を出力する。バッファ用インバータ２３は、受信した駆動指令により、直流リンク４における直流電力を交流電力に変換してバッファ用サーボモータ２２へ供給する逆変換動作（力行動作）、またはバッファ用サーボモータ２２から回生された交流電力を直流電力に変換して直流リンク４へ戻す順変換動作（回生動作）を行う。本実施形態では、バッファ用モータ制御部１５は、トルク制限値計算部１４によって計算されたトルク制限値にてトルク指令の上限値及び下限値を変更しながらバッファ用サーボモータ２２に対するトルク制御を行うことで、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量を調整する。

上述したトルク制限値計算部１４、バッファ用モータ制御部１５、消費電力量計算部１６及び蓄電供給電力量計算部１７は、例えばドライブ用モータ制御部１８とともに数値制御装置１００内に設けられる。トルク制限値計算部１４、バッファ用モータ制御部１５、消費電力量計算部１６及び蓄電供給電力量計算部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。図１に示した実施形態では、トルク制限値計算部１４、バッファ用モータ制御部１５、消費電力量計算部１６及び蓄電供給電力量計算部１７をソフトウェアプログラム形式で構築し、数値制御装置１００内の演算処理装置にこのソフトウェアプログラムを動作させて各部の機能を実現している。

またあるいは、トルク制限値計算部１４、バッファ用モータ制御部１５、消費電力量計算部１６及び蓄電供給電力量計算部１７の機能を実現するソフトウェアプログラム媒体に従って動作するコンピュータを、数値制御装置１００とは別個に設けてもよい。またあるいは、トルク制限値計算部１４、バッファ用モータ制御部１５、消費電力量計算部１６及び蓄電供給電力量計算部１７を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラム媒体を書き込んだ半導体集積回路として実現してもよく、この場合は、当該半導体集積回路を例えば既存の数値制御装置に取り付けることによって、各部の機能が実現される。

続いて、トルク制限値を用いたトルク制御について、より詳細に説明する。

上述のように、フライホイール型の蓄電装置１３による蓄電は、バッファ用インバータ２３による直流電力から交流電力への変換動作（逆変換）によりバッファ用サーボモータ２２側に取り込まれた電気エネルギーを、フライホイール２１が接続されたバッファ用サーボモータ２２の回転エネルギーとして蓄積することで実現される。また、フライホイール型の蓄電装置１３による電力供給は、フライホイール２１が接続されたバッファ用サーボモータ２２を減速させて交流の回生電力を発生させ、バッファ用インバータ２３による交流電力から直流電力への変換動作（順変換）により、フライホイール２１に蓄積された回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、直流リンク４へ供給することで実現される。つまり、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量は、蓄電装置１３内のバッファ用サーボモータ２２の出力が対応する。

一般にサーボモータの出力は、サーボモータの回転速度（回転角速度）及びサーボモータのトルクに基づいて式１のように表される。

サーボモータの出力［Ｗ］＝回転速度［ｒａｄ／ｓ］×トルク［Ｎｍ］ ・・・（１）

上記式１は、バッファ用サーボモータ２２についても成り立つ。バッファ用サーボモータ２２に関して式１を変形すると式２が得られる。

バッファ用サーボモータ２２のトルク［Ｎｍ］＝バッファ用サーボモータ２２の出力［Ｗ］／バッファ用サーボモータ２２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］ ・・・（２）

上述のように、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量は、蓄電装置１３内のバッファ用サーボモータ２２の出力が対応する。そこで、本実施形態では、バッファ用サーボモータ２２のトルクを、トルク指令に対するトルク制限値として用いてトルク制御を行い、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量を調整する。図３は、一実施形態によるモータ駆動システム内の蓄電装置におけるバッファ用サーボモータに対する制御ループを示すブロック図である。

図３に示すように、消費電力量計算部１６は、ドライブ用サーボモータ３の出力とドライブ用サーボモータ３における巻線損失とコンバータ１１における損失とドライブ用インバータ１２における損失との和として得られる総消費電力量を計算する。ここで、ドライブ用サーボモータ３の出力は、式１に従い、速度検出器３１により検出されたドライブ用サーボモータ３の回転速度とドライブ用サーボモータ３のトルクとの乗算により得られる。ドライブ用サーボモータ３が加速する際は、ドライブ用サーボモータ３は、ドライブ用インバータ１２から供給された交流電力を消費するが、この電力消費時のドライブ用サーボモータ３の出力を「正」とする。したがって、ドライブ用サーボモータ３が減速することにより電力が回生されることきは、ドライブ用サーボモータ３の出力は「負」となる。通常は、ドライブ用サーボモータ３における巻線損失、コンバータ１１における損失及びドライブ用インバータ１２における損失は、ドライブ用サーボモータ３の出力の絶対値に比べて小さいので、ドライブ用サーボモータ３の出力の影響が総消費電力量に対して支配的である。したがって、ドライブ用サーボモータ３の出力の正負（消費または回生）は、総消費電力量の正負にほぼ対応する。

なお、バッファ用インバータ２３にも損失が存在することから、消費電力量計算部１６は、ドライブ用サーボモータ３の出力とドライブ用サーボモータ３における巻線損失とコンバータ１１における損失とドライブ用インバータ１２における損失との和に、さらにバッファ用インバータ２３における損失を加算したものを、総消費電力量として算出してもよい。

蓄電供給電力量計算部１７は、消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量とコンバータ１１の最大電力変換量とに基づいて、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量を計算する。より詳細には、蓄電供給電力量計算部１７は、コンバータ１１の最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との差（すなわち最大電力変換量から総消費電力量を減算した値）を計算する。コンバータ１１の最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との差は、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量に対応する。例えば、コンバータ１１の順変換動作についての最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との差が負のときは、総消費電力がコンバータ１１の順変換時の最大供給電力を超えており、すなわちコンバータ１１が電源２側から直流リンク４へ取り込むエネルギーでは総消費電力量の全てを賄いきれないので、その不足分が、蓄電装置１３から直流リンク４へ供給される直流電力によって補われる。また例えば、コンバータ１１の逆変換動作についての最大電力変換量の絶対値と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量の絶対値との差が負のときは、総消費電力がコンバータ１１の逆変換時の最大回生電力を超えているので、その超過分が、蓄電装置１３に蓄電される。

なお、一般にサーボモータには駆動効率（サーボモータに供給される駆動電力に対するサーボモータの出力の割合）が存在するが、バッファ用サーボモータ２２の駆動効率を考慮して蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量を計算してもよい。すなわち、蓄電供給電力量計算部１７は、総消費電力量とコンバータ１１により電力変換可能な最大電力量として規定された最大電力変換量とバッファ用サーボモータ２２の駆動効率とに基づいて、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量を計算してもよい。例えば、駆動効率が９０％であるバッファ用サーボモータ２２を有する蓄電装置１３にて直流リンク４へ直流電力を供給する場合、蓄電供給電力量計算部１７は、コンバータ１１の最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との差をさらに「１００／９０」倍して得られる値を、蓄電装置１３から直流リンク４へ供給する直流電力量として算出する。また、駆動効率が９０％であるバッファ用サーボモータ２２を有する蓄電装置１３にて直流リンク４からの直流電力を蓄電する場合、蓄電供給電力量計算部１７は、コンバータ１１の最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との差をさらに「９０／１００」倍して得られる値を、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電する直流電力量として算出する。

トルク制限値計算部１４は、速度検出器２４によって検出されたバッファ用サーボモータ２２の回転速度と蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量とに基づいて、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク制限値を計算する。上述のように、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量は、コンバータ１１の最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との差が対応する。また、蓄電装置１３が直流リンク４から蓄電または直流リンク４へ供給する直流電力量は、蓄電装置１３内のバッファ用サーボモータ２２の出力が対応する。そこで、トルク制限値計算部１４は、蓄電供給電力量計算部１７によって計算された「コンバータ１１の最大電力変換量と総消費電力量との差」を、速度検出器２４によって検出されたバッファ用サーボモータ２２の回転速度で除算することで、トルク制限値を算出する。トルク制限値は、バッファ用モータ制御部１５内のトルク制御部４２において、トルク指令に対するトルク制限値として用いられる。トルク制限値の計算についての詳細は後述する。

また、図３に示すように、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２の回転速度を速度指令に追従させる速度フィードバック制御を実行する速度制御部４１と、速度制御部４１で生成されたトルク指令及びトルク制限値計算部１４により計算されたトルク制限値を用いてトルク制御を実行するトルク制御部４２と、トルク制御部４２で生成された電流指令に基づいて電流制御を実行する電流制御部４３とを備える。

速度制御部４１は、制御対象であるバッファ用サーボモータ２２の回転速度を、速度指令切換部５１によって設定された速度指令に追従させる速度フィードバック制御を実行する。コンバータ１１の最大電力変換量と消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量との大小関係が分かれば、バッファ用サーボモータ２２を加速することで直流リンク４から直流電力を蓄電装置１３に蓄電すべきか、あるいはバッファ用サーボモータ２２を減速することで蓄電装置１３から直流リンク４へ直流電力を供給すべきかがわかる。本実施形態では、第１の閾値である供給閾値として、コンバータ１１が交流電力を直流電力に電力変換する順変換動作についての最大電力変換量に設定する。また、第２の閾値である蓄電閾値として、コンバータ１１が直流電力を交流電力に電力変換する逆変換動作についての最大電力変換量を設定する。なお、蓄電閾値は、供給閾値よりも小さい値に設定される。あるいは、コンバータ１１に対する安全性を考慮して、供給閾値として順変換動作についての最大電力変換量よりも小さい値を設定し、蓄電閾値として逆変換動作についての最大電力変換量よりも大きい値を設定してもよい。

バッファ用モータ制御部１５は、総消費電力量が供給閾値（第１の閾値）を超えた場合、バッファ用サーボモータ２２が予め規定されたベース回転速度よりも小さい電力供給用回転速度で回転するよう、バッファ用インバータ２３の電力変換を制御する。また、バッファ用モータ制御部１５は、総消費電力量が蓄電閾値（第２の閾値）を下回った場合、バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度よりも大きい蓄電用回転速度で回転するよう、バッファ用インバータ２３の電力変換を制御する。また、バッファ用モータ制御部１５は、総消費電力量が供給閾値（第１の閾値）と蓄電閾値（第２の閾値）との間にある場合、バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度で回転するよう、バッファ用インバータ２３の電力変換を制御する。このため、本実施形態では、バッファ用モータ制御部１５内の速度指令切換部５１は、総消費電力量が供給閾値（第１の閾値）を超えた場合、バッファ用サーボモータ２２を電力供給用回転速度で回転させるための速度指令として、供給用速度指令を出力する。また、バッファ用モータ制御部１５内の速度指令切換部５１は、総消費電力量が蓄電閾値（第２の閾値）を下回った場合、バッファ用サーボモータ２２を蓄電用回転速度で回転させるための速度指令として、蓄電用速度指令を出力する。また、バッファ用モータ制御部１５内の速度指令切換部５１は、総消費電力量が供給閾値（第１の閾値）と蓄電閾値（第２の閾値）との間にある場合、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるための速度指令として、ベース用速度指令を出力する。

このように、本実施形態では、速度指令切換部５１によって設定される速度指令は、上述のような供給用速度指令、蓄電用速度指令及びベース用速度指令の３種類のみに単純化されるので、制御が容易である。また、ドライブ用サーボモータ３の稼働状態や消費電力に合わせた速度指令の作成が不要であり、バッファ用サーボモータ２２の駆動プログラムを単純化することができる。供給用速度指令、蓄電用速度指令及びベース用速度指令は、予め定めた一定値として設定しておけばよい。またあるいは、ドライブ用サーボモータ３の出力を事前に測定しておき、この測定結果から蓄電供給に必要な電力を計算して供給用速度指令、蓄電用速度指令及びベース用速度指令を規定してもよい。

バッファ用モータ制御部１５内の速度制御部４１は、バッファ用サーボモータ２２の回転速度を、速度指令切換部５１によって設定された速度指令に追従させるためのトルク指令を生成する。

バッファ用モータ制御部１５内のトルク制御部４２は、トルク制限値計算部１４によって計算されたトルク制限値にてトルク指令の上限値及び下限値を変更しながらバッファ用サーボモータ２２に対するトルク制御を実行し、電流指令を生成する。すなわち、トルク制御部４２は、トルク制限値にてトルク指令を制限するリミッタとして、トルク制限部５２を有する。

上述のように、消費電力量計算部１６により計算された総消費電力量が供給閾値（第１の閾値）を超えた場合、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令から電力供給用回転速度で回転させるための供給用速度指令へ切り換える。この場合、トルク制限値計算部１４は、下記式３を用いて、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク制限値を計算する。式３に従って計算されたベース用速度指令から供給用速度指令へ切り換えるときに用いられるトルク制限値は０以下の値となる。

トルク制限値［Ｎｍ］＝（供給閾値［Ｗ］−総消費電力量［Ｗ］）／バッファ用サーボモータ２２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］ ・・・（３）

また、消費電力量計算部１６により計算された総消費電力量が蓄電閾値（第２の閾値）を下回った場合、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令から蓄電用回転速度で回転させるための蓄電用速度指令へ切り換える。この場合、トルク制限値計算部１４は、下記式４を用いて、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク制限値を計算する。式４に従って計算されたベース用速度指令から蓄電用速度指令へ切り換えるときに用いられるトルク制限値は０以上の値となる。

トルク制限値［Ｎｍ］＝（蓄電閾値［Ｗ］−総消費電力量［Ｗ］）／バッファ用サーボモータ２２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］ ・・・（４）

また、消費電力量計算部１６により計算された総消費電力量が供給閾値を超えていた状態から供給閾値を下回った場合、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２を電力供給用回転速度で回転させるための供給用速度指令からベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令へ切り換える。この場合、トルク制限値計算部１４は、下記式５を用いて、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク制限値を計算する。式５に従って計算された供給用速度指令からベース用速度指令へ切り換えるときに用いられるトルク制限値は０以上の値となる。

トルク制限値［Ｎｍ］＝（供給閾値［Ｗ］−総消費電力量［Ｗ］）／バッファ用サーボモータ２２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］ ・・・（５）

また、直流リンク４−Ａについて消費電力量計算部１６により計算された総消費電力量が蓄電閾値を下回っていた状態から蓄電閾値を超えた場合、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２を蓄電用回転速度で回転させるための蓄電用速度指令からベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令へ切り換える。この場合、トルク制限値計算部１４は、下記式６を用いて、バッファ用サーボモータ２２に対するトルク制限値を計算する。式６に従って計算された蓄電用速度指令からベース用速度指令へ切り換えるときに用いられるトルク制限値は０以下の値となる。

トルク制限値［Ｎｍ］＝（蓄電閾値［Ｗ］−総消費電力量［Ｗ］）／バッファ用サーボモータ２２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］ ・・・（６）

なお、式３〜式６において、バッファ用サーボモータ２２の回転速度［ｒａｄ／ｓ］を正数としている。

バッファ用モータ制御部１５内のトルク制御部４２は、トルク制限値計算部１４によって式３〜式６に従って計算されたトルク制限値にてトルク指令の上限値及び下限値を変更しながらバッファ用サーボモータ２２に対するトルク制御を実行し、電流指令を生成する。すなわち、トルク制御部４２内のトルク制限部５２は、下記式７に示すようにトルク指令の上限値及び下限値を、トルク制限値にて制限する。

−｜トルク制限値｜≦トルク指令≦｜トルク制限値｜ ・・・（７）

バッファ用モータ制御部１５内の電流制御部４３は、バッファ用インバータ２３に流れる電流をトルク制御部４２によって生成された電流指令に追従させるための駆動指令を生成する。電流制御部４３によって生成された駆動指令は、バッファ用インバータ２３に送られ、バッファ用インバータ２３は、この駆動指令に基づき各スイッチング素子がオンオフ制御されることにより、直流リンク４の直流電力とバッファ用サーボモータ２２の駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換する。その結果、フライホイール２１が接続されたバッファ用サーボモータ２２は加速もしくは減速しながら回転しまたは一定速度で回転する。

このように、本実施形態では、式３〜式６に従って計算されるバッファ用サーボモータ２２のトルク制限値にてトルク指令の上限値及び下限値を変更しながらトルク制御が行われるので、バッファ用サーボモータ２２の回転速度が速度指令切換部５１によって設定される速度指令に追従する。トルクの制限値は、消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量を用いて設定され、このトルク制限値を用いたトルク制御によりバッファ用サーボモータ２２は駆動するので、蓄電装置１３の応答性は高くなる。

図４は、一実施形態によるモータ駆動システムにおける速度指令の切換例を説明する図であって、（Ａ）は各速度指令間でステップ状に切り換える例を示し、（Ｂ）は各速度指令間で直線形時定数にて変化させながら切り換える例を示し、（Ｃ）は各速度指令間でベル形時定数にて変化させながら切り換える例を示し、（Ｄ）は各速度指令間で指数形時定数にて変化させながら切り換える例を示す。上述のように、速度制御部４１で用いられる速度指令は、供給用速度指令、蓄電用速度指令及びベース用速度指令の３種類であり、消費電力量計算部１６により計算された総消費電力と各閾値との大小関係に応じて、バッファ用モータ制御部１５内の速度制御部４１に設けられた速度指令切換部５１はこれら速度指令間で切り換えを行う。図４では、説明を簡明なものとするために、ベース用速度指令から蓄電用速度指令への切換えについて図示するが、蓄電用速度指令からベース用速度指令への切換え、ベース用速度指令から供給用速度指令への切換え、供給用速度指令からベース用速度指令への切換えについても同様に適用可能である。

例えば、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２を電力供給用回転速度、ベース回転速度及び蓄電用回転速度のそれぞれで回転させるための各速度指令を、各速度指令間でステップ状に切り換えてもよい。各速度指令間でステップ状に切り換えると、蓄電装置１３の蓄電及び電力供給の応答性がより高まる。例えば、図４（Ａ）に示すように、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令を、蓄電用速度指令にステップ状に切り換える。

また例えば、図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）に示すように、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２を電力供給用回転速度、ベース回転速度及び蓄電用回転速度のそれぞれで回転させるための各速度指令を、各速度指令間で切れ目なく連続的に変化させながら切り換えてもよい。各速度指令間の切り換えをステップ状ではなく切れ目なく連続的に変化させると、速度指令が急激に変化しないので、バッファ用サーボモータ２２に対する負荷が小さくなる利点がある。例えば、図４（Ｂ）に示すように、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令を、直線形時定数にて変化させながら蓄電用速度指令にステップ状に切り換える。例えば図４（Ｃ）に示すように、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令を、ベル形時定数にて変化させながら蓄電用速度指令にステップ状に切り換える。例えば図４（Ｄ）に示すように、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるためのベース用速度指令を、指数形時定数にて変化させながら蓄電用速度指令にステップ状に切り換える。

なお、上述の実施形態では、総消費電力量に応じてバッファ用サーボモータ２２の速度を電力供給用回転速度、蓄電用回転速度またはベース回転速度に切り換えるために、バッファ用モータ制御部１５内に速度指令切換部５１を設け、この速度指令切換部５１により総消費電力量に応じて供給用速度指令、蓄電用速度指令またはベース用速度指令に切り換えるようにした。総消費電力量に応じてバッファ用サーボモータ２２の速度を電力供給用回転速度、蓄電用回転速度またはベース回転速度に切り換えるための指令に関する変形例として、バッファ用モータ制御部１５内に位置指令切換部（図示せず）を設け、この位置指令切換部により総消費電力量に応じて供給用位置指令、蓄電用位置指令またはベース用位置指令に切り換えるようにしてもよい。例えば、供給用位置指令、蓄電用位置指令、及びベース用位置指令を、「供給用位置指令の変化量＜ベース用位置指令の変化量＜蓄電用位置指令の変化量」の関係を満たすようなランプ指令としてそれぞれ設定し、総消費電力量に応じて位置指令切換部にてこれら指令を切り換えればよい。一例を挙げると次の通りである。

供給用位置指令［ｍｍ］＝実位置［ｍｍ］＋供給用速度指令［ｍｍ／ｓ］／ポジションゲイン［1／ｓ］
蓄電用位置指令［ｍｍ］＝実位置［ｍｍ］＋蓄電用速度指令［ｍｍ／ｓ］／ポジションゲイン［1／ｓ］
ベース用位置指令［ｍｍ］＝実位置［ｍｍ］＋ベース用速度指令［ｍｍ／ｓ］／ポジションゲイン［1／ｓ］

このように、総消費電力量に応じて供給用位置指令、蓄電用位置指令またはベース用位置指令に切り換えても、供給用速度指令、蓄電用速度指令またはベース用速度指令を切り換えることと同様の効果を得ることができる。

速度指令の切り換え及び位置指令の切り換えのいずれの実施形態においても、トルク制御部４２は、トルク制限値計算部１４によって計算されたトルク制限値にてトルク制限部５２でトルク指令の上限値及び下限値を変更しながらバッファ用サーボモータ２２に対するトルク制御を実行し、電流指令を生成する。

図５は、一実施形態によるモータ駆動システムにおける総消費電力量とバッファ用サーボモータの回転速度との関係を例示する図である。図５では、ドライブ用サーボモータ３の減速及び加速を繰り返し実行した場合における、消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量（破線）及びコンバータ１１の出力（実線）を上段に示し、バッファ用サーボモータ２２の回転速度（実線）及び速度指令（破線）を下段に示している。

図５において、時刻ｔ₁までの間、ドライブ用サーボモータ３を減速させると、回生電力が発生し、消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量（すなわち、ドライブ用サーボモータ３の出力とドライブ用サーボモータ３における巻線損失とコンバータ１１における損失とドライブ用インバータ１２における損失との和）が減少する。総消費電力量が蓄電閾値を下回ると、電力ピークを低減（カット）すべく、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２を蓄電用回転速度で回転させるために、蓄電用速度指令を出力する。バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定され蓄電用速度指令とトルク制限値計算部１４により計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御し、これにより、バッファ用サーボモータ２２の回転速度は徐々に上昇し、フライホイール２１の回転エネルギーとして蓄積される。

時刻ｔ₁で、消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量が蓄電閾値を上回ると、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるために、ベース用速度指令を出力する。その結果、バッファ用サーボモータ２２は減速し、回生電力が発生する。バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度に戻るまで（時刻ｔ₂）、発生した交流の回生電力はバッファ用インバータ２３により直流電力に変換されて直流リンク４へ供給され、さらにコンバータ１１により交流電力に変換されて電源２側へ戻される。

その後、ドライブ用サーボモータ３を加速させると、総消費電力が徐々に上昇する。総消費電力が供給閾値を超えると（時刻ｔ₃）、電力ピークを低減（カット）すべく、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２を供給用回転速度で回転させるために、供給用速度指令を出力する。バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定され供給用速度指令とトルク制限値計算部１４により式３を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御し、これにより、バッファ用サーボモータ２２の回転速度は徐々に低下し、回生電力が発生する。発生した交流の回生電力はバッファ用インバータ２３により直流電力に変換されて直流リンク４へ供給される。直流リンク４へ供給された直流電力は、ドライブ用インバータ１２により交流電力に変換され、ドライブ用サーボモータ３の駆動電力として消費される。

その後、例えばドライブ用サーボモータ３が減速すると、回生電力が発生し、総消費電力は徐々に低下する。総消費電力が徐々に低下し、供給閾値を下回ると（時刻ｔ₄）、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２をベース回転速度で回転させるために、ベース用速度指令を出力する。バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定されベース用速度指令とトルク制限値計算部１４により式５を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御する。バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度に戻るまで（時刻ｔ₅）、コンバータ１１を介して電源２側から供給されたエネルギーにより、バッファ用サーボモータ２２の回転速度は徐々に上昇する。

時刻ｔ₅で、バッファ用サーボモータ２２が一定のベース回転速度で回転することになると、蓄電装置１３による蓄電は終わり、ドライブ用サーボモータ３で回生された電力により、総消費電力量は徐々に減少する。総消費電力量が蓄電閾値を下回ると（時刻ｔ₆）、電力ピークを低減（カット）すべく、速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２を蓄電用回転速度で回転させるために、蓄電用速度指令を出力する。バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定され蓄電用速度指令とトルク制限値計算部１４により式４を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御し、これにより、バッファ用サーボモータ２２の回転速度は徐々に上昇し、フライホイール２１の回転エネルギーとして蓄積される。以後、この動作が実行される。

上述の実施形態では、速度指令切換部５１は、総消費電力量が蓄電閾値を下回ったときはベース速度指令から蓄電用速度指令に切り換えて蓄電装置１３に蓄電した後、総消費電力量が蓄電閾値を上回った時点で、蓄電装置１３による直流電力の蓄電が必要なくなったと判断して蓄電用速度指令からベース速度指令に切り換えていた。同様に、速度指令切換部５１は、総消費電力量が供給閾値を超えたときはベース速度指令から供給用速度指令に切り換えて蓄電装置１３から直流リンク４へ直流電力を供給した後、総消費電力量が供給閾値を下回った時点で、蓄電装置１３による直流電力の供給が必要なくなった判断として供給用速度指令からベース速度指令に切り換えていた。

上記実施形態を変形して、蓄電装置１３による直流電力の蓄電または供給が必要なくなった時点ですぐに蓄電用速度指令または供給用速度指令からベース速度指令へ切り換えるのではなく、蓄電装置１３による直流電力の蓄電または供給が必要なくなった時点からある程度時間的に余裕を持たせてベース速度指令へ切り換えるようにしてもよい。この実施形態について図６を参照して説明する。

図６は、さらなる実施形態によるモータ駆動システムにおける総消費電力量とバッファ用サーボモータの回転速度との関係を例示する図である。図６において、ドライブ用サーボモータ３の減速及び加速を繰り返し実行した場合における、消費電力量計算部１６によって計算された総消費電力量（破線）及びコンバータ１１の出力（実線）を上段に示し、バッファ用サーボモータ２２の回転速度（実線）及び速度指令（破線）を下段に示している。さらなる実施形態では、バッファ用サーボモータ２２の回転速度を電力供給用回転速度からベース回転速度に戻すための第３の閾値として、供給閾値（第１の閾値）より小さくかつ蓄電閾値（第２の閾値）よりも大きい上側ベース回復閾値を設定する。また、バッファ用サーボモータ２２の回転速度を蓄電用回転速度からベース回転速度に戻すための第４の閾値として、蓄電閾値（第２の閾値）より大きくかつ上側ベース回復閾値（第３の閾値）より小さい下側ベース回復閾値を設定する。すなわち、本実施形態では、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２が電力供給用回転速度で回転するようバッファ用インバータ２３の電力変換を制御しているときにおいて、総消費電力量が上側ベース回復閾値（第３の閾値）を下回った場合、バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度で回転するよう、バッファ用インバータ２３の電力変換を制御する。このため、バッファ用モータ制御部１５内の速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２が電力供給用回転速度で回転するようバッファ用インバータ２３の電力変換を制御しているときにおいて、総消費電力量が上側ベース回復閾値（第３の閾値）を下回った場合、供給用速度指令からベース用速度指令に切り換える。この場合、バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定されベース用速度指令とトルク制限値計算部１４により式５を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御する。また、バッファ用モータ制御部１５は、バッファ用サーボモータ２２が蓄電用回転速度で回転するようバッファ用インバータ２３の電力変換を制御しているときにおいて、総消費電力量が下側ベース回復閾値（第４の閾値）を超えた場合、バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度で回転するよう、バッファ用インバータ２３の電力変換を制御する。このため、バッファ用モータ制御部１５内の速度指令切換部５１は、バッファ用サーボモータ２２が蓄電用回転速度で回転するようバッファ用インバータ２３の電力変換を制御しているときにおいて、総消費電力量が下側ベース回復閾値（第４の閾値）を超えた場合、蓄電用速度指令からベース用速度指令に切り換える。この場合、バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定されベース用速度指令とトルク制限値計算部１４により式６を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御する。

例えば図６において、時刻ｔ₁より前の、速度指令切換部５１で設定された蓄電用速度指令に従いバッファ用サーボモータ２２は蓄電用回転速度で回転しているときにおいて、総消費電力量が徐々に増加して蓄電閾値を超えても、速度指令切換部５１で設定された蓄電用速度指令は維持される。総消費電力量がさらに増加して時刻ｔ₁で下側ベース回復閾値（第４の閾値）を超えたとき、速度指令切換部５１は、蓄電用速度指令からベース用速度指令に切り換え、バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定されベース用速度指令とトルク制限値計算部１４により式６を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御する。その結果、バッファ用サーボモータ２２は減速し、回生電力が発生する。バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度に戻るまで（時刻ｔ₂）、発生した交流の回生電力はバッファ用インバータ２３により直流電力に変換されて直流リンク４へ供給され、さらにコンバータ１１により交流電力に変換されて電源２側へ戻される。

また、時刻ｔ₃から時刻ｔ₄までの間の、速度指令切換部５１で設定された供給用速度指令に従いバッファ用サーボモータ２２は電力供給用回転速度で回転しているときにおいて、総消費電力量が徐々に低下して供給閾値を下回っても、速度指令切換部５１で設定された供給用速度指令は維持される。総消費電力量がさらに低下して時刻ｔ₄で上側ベース回復閾値（第３の閾値）を下回ったとき、速度指令切換部５１は、供給用速度指令からベース用速度指令に切り換え、バッファ用モータ制御部１５は、速度指令切換部５１により設定されベース用速度指令とトルク制限値計算部１４により式５を用いて計算されたトルク制限値とを用いて、バッファ用インバータ２３の電力変換動作を制御する。その結果、バッファ用サーボモータ２２がベース回転速度に戻るまで（時刻ｔ₅）、コンバータ１１を介して電源２側から供給されたエネルギーを用いてバッファ用サーボモータ２２の回転速度は徐々に上昇する。

１ モータ駆動システム
２ 電源
３ ドライブ用サーボモータ
４ 直流リンク
１１ コンバータ
１２ ドライブ用インバータ
１３ 蓄電装置
１４ トルク制限値計算部
１５ バッファ用モータ制御部
１６ 消費電力量計算部
１７ 蓄電供給電力量計算部
１８ ドライブ用モータ制御部
２１ フライホイール
２２ バッファ用サーボモータ
２３ バッファ用インバータ
２４ 速度検出器
３１ 速度検出器
４１ 速度制御部
４２ トルク制御部
４３ 電流制御部
５１ 速度指令切換部
５２ トルク制限部
１００ 数値制御装置

Claims (8)

1. 電源側の交流電力と直流リンクにおける直流電力との間で電力変換を行うコンバータと、
   直流リンクにおける直流電力とドライブ用サーボモータの駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行うドライブ用インバータと、
   直流リンクから直流電力を蓄積しまたは直流リンクへ直流電力を供給する蓄電装置であって、回転エネルギーを蓄積し得るフライホイールが結合した回転軸を有するバッファ用サーボモータと、受信した指令に基づき直流リンクにおける直流電力と前記バッファ用サーボモータの駆動電力または回生電力である交流電力との間で電力変換を行うバッファ用インバータとを有する蓄電装置と、
   前記バッファ用サーボモータの回転速度と前記蓄電装置が直流リンクから蓄電または直流リンクへ供給する直流電力量とに基づいて、前記バッファ用サーボモータに対するトルク制限値を計算するトルク制限値計算部と、
   前記バッファ用インバータの電力変換を制御することで前記バッファ用サーボモータの回転を制御するバッファ用モータ制御部と、
   ドライブ用サーボモータの出力とドライブ用サーボモータにおける巻線損失と前記コンバータにおける損失と前記ドライブ用インバータにおける損失との和として得られる総消費電力量を計算する消費電力量計算部と、
   前記総消費電力量と前記コンバータにより電力変換可能な最大電力量として規定された最大電力変換量とに基づいて、前記蓄電装置が直流リンクから蓄電または直流リンクへ供給する直流電力量を計算する蓄電供給電力量計算部と、
   を備え、
   前記バッファ用モータ制御部は、前記トルク制限値にてトルク指令の上限値及び下限値を変更しながら前記バッファ用サーボモータに対するトルク制御を行うことで、前記蓄電装置が直流リンクから蓄電または直流リンクへ供給する直流電力量を調整するものであり、
   前記バッファ用モータ制御部は、
   前記総消費電力量が第１の閾値を超えた場合、前記バッファ用サーボモータが予め規定されたベース回転速度よりも小さい電力供給用回転速度で回転するよう、前記バッファ用インバータの電力変換を制御し、
   前記総消費電力量が前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値を下回った場合、前記バッファ用サーボモータが前記ベース回転速度よりも大きい蓄電用回転速度で回転するよう、前記バッファ用インバータの電力変換を制御する、モータ駆動システム。
2. 前記蓄電供給電力量計算部は、前記総消費電力量と前記コンバータにより電力変換可能な最大電力量として規定された最大電力変換量と前記バッファ用サーボモータの駆動効率とに基づいて、前記蓄電装置が直流リンクから蓄電または直流リンクへ供給する直流電力量を計算する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
3. 前記消費電力量計算部は、ドライブ用サーボモータの出力とドライブ用サーボモータにおける巻線損失と前記コンバータにおける損失と前記ドライブ用インバータにおける損失との和に、さらに前記バッファ用インバータにおける損失を加算したものを、前記総消費電力量として算出する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
4. 前記バッファ用モータ制御部は、前記総消費電力量が前記第１の閾値と前記第２の閾値との間にある場合、前記バッファ用サーボモータが前記ベース回転速度で回転するよう、前記バッファ用インバータの電力変換を制御する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
5. 前記バッファ用モータ制御部は、
   前記バッファ用サーボモータが前記電力供給用回転速度で回転するよう前記バッファ用インバータの電力変換を制御しているときにおいて、前記総消費電力量が前記第１の閾値より小さくかつ前記第２の閾値よりも大きい第３の閾値を下回った場合、前記バッファ用サーボモータが前記ベース回転速度で回転するよう、前記バッファ用インバータの電力変換を制御し、
   前記バッファ用サーボモータが前記蓄電用回転速度で回転するよう前記バッファ用インバータの電力変換を制御しているときにおいて、前記総消費電力量が前記第２の閾値より大きくかつ前記第３の閾値より小さい第４の閾値を超えた場合、前記バッファ用サーボモータが前記ベース回転速度で回転するよう、前記バッファ用インバータの電力変換を制御する、請求項１に記載のモータ駆動システム。
6. 前記第１の閾値は、前記コンバータが交流電力を直流電力に電力変換する順変換動作についての前記最大電力変換量、または当該最大電力変換量よりも小さい値に設定され、
   前記第２の閾値は、前記コンバータが直流電力を交流電力に電力変換する逆変換動作についての前記最大電力変換量、または当該最大電力変換量よりも大きい値に設定される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ駆動システム。
7. 前記バッファ用モータ制御部は、前記バッファ用サーボモータを前記電力供給用回転速度、前記ベース回転速度及び前記蓄電用回転速度のそれぞれで回転させるための各速度指令を、各前記速度指令間でステップ状に切り換える、請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ駆動システム。
8. 前記バッファ用モータ制御部は、前記バッファ用サーボモータを前記電力供給用回転速度、前記ベース回転速度及び前記蓄電用回転速度のそれぞれで回転させるための各速度指令を、各前記速度指令間で切れ目なく連続的に変化させる、請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ駆動システム。

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