JP6868155B1 - モータ駆動システム及びモータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

モータ駆動システム(300)は、ムービングマグネット方式のモータを駆動するモータ駆動装置(200a,200b)と、モータ制御有効指令を生成するコントローラ(125)とを備える。モータ駆動装置(200a,200b)は、それぞれ制御部(23)およびインバータ回路(20)を備え、インバータ回路(20)の上アームスイッチング素子は、上アームスイッチング素子を駆動するゲート電源回路に共通の電源を用いるゲート駆動回路によって駆動される。制御部(23)は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、上アームスイッチング素子への駆動指令の出力を停止するとともに下アームスイッチング素子に対しては上アームスイッチング素子の駆動に必要な電源を維持できるタイミングでスイッチングを継続し、モータ制御有効指令を受信した際にはモータを駆動する。

Description

本発明は、モータを駆動するモータ駆動システム及びモータ駆動装置に関する。
モータ駆動装置は、モータに交流電力を供給するインバータ回路を備える。インバータ回路は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とが直列接続されたレグを2つ以上備えて構成される。上アームは高電位側を指し、下アームは低電位側を指している。
インバータ回路に具備される各スイッチング素子を制御するには、各スイッチング素子にゲート駆動電圧を印加するためのゲート駆動回路が必要である。また、ゲート駆動回路を動作させるためには、ゲート電源が必要である。ゲート駆動回路の電源方式には、インバータ回路の上アームスイッチング素子を駆動するためのゲート電源回路に対し個別にゲート電源を接続した個別電源方式と、上アームスイッチング素子を駆動するためのゲート電源回路に対し共通のゲート電源を接続した共通電源方式とがある。
個別電源方式は、共通電源方式と比較してゲート電源を多く用意する必要があるので、高コストを要する。共通電源方式では、上アームスイッチング素子を駆動する際には、予め対応する下アームスイッチング素子を動作させて、ゲート電源回路が備えるチャージポンプ回路の充電を完了しておく必要がある。チャージポンプ回路の充電には、ある程度の時間を要する。このため、駆動指令が発出されてから実際にON動作又はOFF動作する時間は、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との間において、ばらつきがある。また、チャージポンプ回路の充電時間にもばらつきがあるので、上アームスイッチング素子間においても、ON動作又はOFF動作の時間にばらつきが生じる。
下記特許文献1の電力変換装置は、共通電源方式のゲート駆動回路に対してモータ動作の開始を早めるために、インバータが休止する期間(インバータ休止期間)に下アームスイッチング素子をONすることで、上アームゲート電源(上アームスイッチング素子のゲート電源)を維持している。これにより、下記特許文献1の電力変換装置では、インバータ休止期間後に、上アームゲート電源を用いて直ちにモータ動作を開始している。
また、インバータ回路によって駆動されるモータを大別すると、回転軸の周りにロータが回転する回転式モータと、回転軸がなく直進運動を行うリニアモータとがある。一般的なリニアモータの構成は、地上側に固定部としての磁石対を配置し、可動部側にコイルを配置する方式である。この方式において、可動部のコイルは、モータ駆動装置から供給される電流によって駆動される。
ところが、コイルが可動部にある方式では、可動部に電源電圧を印加するための電源ケーブルを可動部のコイルの動作に追従して並走させる仕組みが必要である。或いは、非接触給電装置を増設するなどにより、可動部に電源電圧を印加する仕組みが必要である。可動部のコイルの動作に追従して電源ケーブルを並走させる場合において、周回するような運転経路の場合、ケーブル長、ケーブルねじれといった制約がある。また、非接触給電装置を増設する場合、多くの費用を要するという課題がある。
上記の課題に対し、一般的なリニアモータとは逆の構成とする方式、即ち、コイルを固定部として地上側に配置し、可動部に磁石を配置する方式もある。この方式は、「ムービングマグネット方式」又は「ムービングマグネット制御」などと呼ばれる。ムービングマグネット方式の場合、可動部が磁石であることから、可動部への電源供給は不要である。このため、可動部にコイルを配置する方式のリニアモータで課題となっていた、ケーブル長、ケーブルねじれといった制約は生じない。また、このムービングマグネット方式の場合、非接触給電装置の増設も不要である。
特開平9−219976号公報
しかしながら、ムービングマグネット方式にも課題がある。例えば、可動部の動作範囲であるストロークがある一定以上長くなると、1組のコイルと1台のモータ駆動装置では、ストロークが確保できず、コイル及びモータ駆動装置の組を複数用意する必要がある。そして、この複数用意されたコイルのうち、励磁対象のコイルを切り替える際に、制御の連続性を確保して、コイル間の切り替えを滑らかに行う技術が必要である。
上記特許文献1の共通電源方式のゲート駆動回路の場合、下アームスイッチング素子への充電パルスを長時間ONしてしまうと、下アームスイッチング素子をONした時間だけダイナミックブレーキの作用が発生してしまう。ダイナミックブレーキは、回転エネルギーを熱消費させてモータを停止させるブレーキである。このため、上記特許文献1の共通電源方式のゲート駆動回路では、ムービングマグネット方式における複数のコイル間の切り替えを滑らかに行うことができない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、励磁対象のコイルを切り替える際に、コイル間の切り替えを滑らかに行うことができるモータ駆動システム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、本発明に係るモータ駆動システムは、第1及び第2のモータ駆動装置と、上位制御装置とを備える。第1のモータ駆動装置は、第1の制御部および第1のインバータ回路を備え、第1の制御部が生成する第1の駆動指令に基づいて第1のリニアモータを駆動する。第2のモータ駆動装置は、第2の制御部および第2のインバータ回路を備え、第2の制御部が生成する第2の駆動指令に基づいて第2のリニアモータを駆動する。上位制御装置は、モータ制御有効指令を生成し、モータ制御有効指令に基づいて第1及び第2のモータ駆動装置の動作を制御する。第1のリニアモータは、固定部に配置された第1のコイルと、第1の方向の正側及び負側に移動可能に構成される可動部に配置された複数の磁石対とで構成されている。第2のリニアモータは、固定部に配置され、第1の方向の正側で第1のコイルに隣接する第2のコイルと、複数の磁石対とで構成されている。第1及び第2のコイルは、可動部の移動に伴って第1の方向の正側又は負側に隣接するコイルに順次切り替わる。上位制御装置は、第1及び第2のモータ駆動装置の何れか1つにモータ制御有効指令を出力する。第1のインバータ回路の第1の上アームスイッチング素子は、第1の上アームスイッチング素子を駆動するゲート電源回路に共通の電源を用いる第1のゲート駆動回路によって駆動される。第2のインバータ回路の第2の上アームスイッチング素子は、第2の上アームスイッチング素子を駆動するゲート電源回路に共通の電源を用いる第2のゲート駆動回路によって駆動される。第1の制御部は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、第1の上アームスイッチング素子への第1の駆動指令の出力を停止するとともに第1のインバータ回路の第1の下アームスイッチング素子に対しては第1の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第1の上アームゲート電源を維持できる第1のタイミングでスイッチングを継続し、モータ制御有効指令を受信した際には第1の駆動指令を出力する。第2の制御部は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、第2の上アームスイッチング素子への第2の駆動指令の出力を停止するとともに第2のインバータ回路の第2の下アームスイッチング素子に対しては第2の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第2の上アームゲート電源を維持できる第2のタイミングでスイッチングを継続し、モータ制御有効指令を受信した際には第2の駆動指令を出力する。第1及び第2の制御部はメモリを有し、メモリには、上位制御装置から出力されるモータ制御有効指令の情報がパラメータにして書き込まれており、第1及び第2の制御部は、第1及び第2の駆動指令を出力する機能の有効無効をパラメータに基づいて切り替え、パラメータが第1の情報を示す場合に機能を有効にし、モータ制御有効指令を受信していない期間は、第1及び第2の上アームスイッチング素子への第1及び第2の駆動指令の出力を停止するとともに第1及び第2のインバータ回路の第1及び第2の下アームスイッチング素子に対しては第1及び第2の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第1及び第2の上アームゲート電源を維持できる第1及び第2のタイミングでスイッチングを継続し、パラメータが第2の情報を示す場合に機能を無効にする。
本発明に係るモータ駆動システムによれば、励磁対象のコイルを切り替える際に、コイル間の切り替えを滑らかに行うことができるという効果を奏する。
実施の形態1に係るモータ駆動システムに使用されるモータ駆動装置の構成を示すブロック図 図1に示すインバータ回路の詳細な構成を示す回路図 実施の形態1におけるゲート駆動回路の構成の説明に使用する回路図 図1に示すモータ駆動装置を用いた実施の形態1に係るモータ駆動システムの構成例を示す図 第1のコイルから第2のコイルに切り替わる直前の動作状態を図4に示した図 第2のコイルに切り替わった直後の動作状態を図4に示した図 図4に示すモータ駆動システムの動作説明に供するタイムチャート 図3に示す上アームゲート電源電圧の波形と、下アームスイッチング素子のゲート信号との関係の説明に使用する図 実施の形態2に係るモータ駆動システムの動作説明に供するタイムチャート
以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動システム及びモータ駆動装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下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1.
図1は、実施の形態1に係るモータ駆動システムに使用されるモータ駆動装置200の構成を示すブロック図である。モータ駆動装置200は、図1に示すように、交流電源26から供給される電力を用いて、負荷であるモータ150を駆動する駆動装置である。モータ駆動装置200は、コンバータ回路18と、インバータ回路20と、平滑コンデンサ22と、制御部23と、ゲート駆動回路24とを備えている。
コンバータ回路18は、交流電源26から印加される交流電圧を整流して直流電圧に変換する。コンバータ回路18の一例は、ダイオードブリッジで構成された全波整流回路である。コンバータ回路18の出力端には、インバータ回路20が接続される。コンバータ回路18とインバータ回路20とは、高電位側の直流母線27と低電位側の直流母線28とによって接続される。直流母線27と直流母線28との間には、平滑コンデンサ22が配置される。直流母線27と直流母線28との間の電圧は、「母線電圧」と呼ばれる。平滑コンデンサ22は、母線電圧を平滑して、母線電圧を安定化する役目を担う。
インバータ回路20は、平滑コンデンサ22によって平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータ150に印加する。モータ150は、インバータ回路20から供給される交流電力によって駆動される。モータ150には、位置センサ130が設けられている。位置センサ130は、モータ150における図示しないロータの回転位置を検出する。位置センサ130によって検出された位置センサ信号132は、制御部23に入力される。
制御部23は、プロセッサ23aと、メモリ23bとを備える。プロセッサ23aは、位置センサ信号132に基づいて、インバータ回路20のスイッチング素子21を制御するための駆動指令30を生成する。ゲート駆動回路24は、駆動指令30に基づいて駆動電圧32を発生する。駆動電圧32は、インバータ回路20のスイッチング素子21を駆動するためのゲート駆動電圧である。
プロセッサ23aは、マイクロプロセッサ、マイコン、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)と称されるものでもよい。
メモリ23bには、プロセッサ23aによって読みとられるプログラム、プロセッサ23aによって参照されるパラメータ、プロセッサ23aの処理によって得られるデータなどが保存される。メモリ23bは、プロセッサ23aが演算処理を行う際の作業領域としても使用される。メモリ23bは、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリが一般的である。
なお、図1では、交流電源26を三相電源としているが、これに限定されない。交流電源26は、単相電源でもよい。交流電源26が単相電源である場合、コンバータ回路18は、単相電源に合わせた構成とされる。モータ150の一例は、三相モータである。モータ150が三相モータである場合、インバータ回路20も、三相の回路構成となる。
図2は、図1に示すインバータ回路20の詳細な構成を示す回路図である。インバータ回路20は、図2に示されるように、レグ21A、レグ21B及びレグ21Cを有する。レグ21A、レグ21B及びレグ21Cは、直流母線27と直流母線28との間において、互いに並列に接続されている。レグ21Aは、U相の上アームスイッチング素子21UPと下アームスイッチング素子21UNとが直列に接続された回路部である。レグ21Bは、V相の上アームスイッチング素子21VPと下アームスイッチング素子21VNとが直列に接続された回路部である。レグ21Cは、W相の上アームスイッチング素子21WPと下アームスイッチング素子21WNとが直列に接続された回路部である。
なお、図2では、上アームスイッチング素子21UP,21VP,21WP及び下アームスイッチング素子21UN,21VN,21WNが金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)である場合を例示しているが、これに限定されない。MOSFETに代えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)を用いてもよい。
また、各スイッチング素子には、逆並列に接続されるダイオードを備えていてもよい。スイッチング素子がMOSFETである場合、MOSFET自身が内部に有する寄生ダイオードを用いてもよい。寄生ダイオードは、ボディダイオードとも呼ばれる。
図3は、実施の形態1におけるゲート駆動回路24の構成の説明に使用する回路図である。図3では、図1に示すプロセッサ23aとインバータ回路20との間に配置されるゲート駆動回路24の詳細な接続関係が示されている。実施の形態1におけるゲート駆動回路24は、共通電源方式のゲート駆動回路である。
実施の形態1におけるゲート駆動回路24は、図3に示すように、ゲート電源回路24a,24b,24c,24dを有する。ゲート電源回路24a,24b,24cは、上アームスイッチング素子用のゲート電源回路である。ゲート電源回路24aは、抵抗241と、信号伝達手段及び絶縁手段であるフォトカプラ242と、各上アームゲート電源を維持するためのチャージポンプ回路と、直流電源243とを備えている。チャージポンプ回路は、整流ダイオード246、抵抗245、ツェナーダイオード247、及びコンデンサ248を有している。ゲート電源回路24b,24cもゲート電源回路24aと同様に構成される。
また、ゲート電源回路24dは、下アームスイッチング素子用のゲート電源回路である。抵抗241及びフォトカプラ242を下アームスイッチング素子ごとに個々に備える構成は、チャージポンプ回路が存在しないこと以外は上アームスイッチング素子用のゲート電源回路24a,24b,24cと同様である。
また、図3に示すゲート電源回路24dは、下アームゲート電源が共通化されて1つの直流電源244を備える構成である。これは、インバータ回路20において、下アームスイッチング素子のソース端子同士は、それぞれが接続されていて同電位であり、この電位をゲート電源回路24dの基準電位にできるからである。従って、ゲート駆動回路が個別電源方式であるか、共通電源方式であるかは、上アームゲート電源が共通化されているか否かで決まる。なお、下アームゲート電源を共通化せずに、3つの直流電源を用いて構成してもよいことは言うまでもない。
プロセッサ23aから駆動指令30が発出されると、駆動指令30によってフォトカプラ242が導通する。例えば、駆動指令30がU相の上アームスイッチング素子21UPをONさせる駆動指令である場合、ゲート電源回路24aのフォトカプラ242が導通し、上アームスイッチング素子21UPに駆動電圧32が印加される。これにより、上アームスイッチング素子21UPがONとなる。他のスイッチング素子も同様に駆動される。また、フォトカプラ242の導通が遮断されると、スイッチング素子はOFFとなる。
次に、上記で説明したモータ駆動装置200の応用例について説明する。図4は、図1に示すモータ駆動装置200を用いた実施の形態1に係るモータ駆動システム300の構成例を示す図である。図4に示すモータ駆動システム300の駆動対象は、ムービングマグネット方式のリニアモータである。ムービングマグネット方式のリニアモータでは、地上側に構成される固定部には複数のコイルが配置され、可動部には複数の磁石対が配置される。各コイルは、スター結線等によって結線された3つのコイル部材を有している。
図4において、地上側には、複数のコイルの例示として、第1の方向であるx1の正の方向に沿って3つのコイル100a,100b,100cが、この順序で配置されている。また、可動部を構成する可動台車124には、複数の磁石対の例示として、3つの磁石対120が搭載されている。コイル100a,100b,100cと、可動台車124に搭載されている3つの磁石対120とでリニアモータが構成される。
磁石対120の磁極方向は、第2の方向であるy1の方向である。y1は、x1に直交する方向である。3つの磁石対120は連結され、隣り合う磁石対同士は、磁極のNSが180°反転されている。これにより、可動台車124が第1の方向に移動するとき、コイル側から参照される磁石対120の磁極は、N極とS極が交互に現れるようになる。
1つのコイルのx1の方向の長さをL1とし、3つの磁石対120全体のx1の方向の長さをL2とする。図4の例の場合、これらL1,L2の間には、L1<L2<2×L1の関係がある。L1<L2<2×L1の関係は、複数のコイルからなるコイル群の両端以外では、3つの磁石対120が2つのコイルに跨った状態となり、且つ、3つ以上のコイルに跨っている状態は、存在しないことを意味する。なお、システムの仕様によっては、3つ以上のコイルに跨っている状態が許容される場合もあり得る。また、システムの仕様によっては、L1>L2となる場合もある。
地上側には、モータ駆動装置200a,200b,200cが載置されている。モータ駆動装置200a,200b,200cのそれぞれと、コイル100a,100b,100cのそれぞれとは、1対1で接続されている。コイル100aは、モータ駆動装置200aが出力する電流により励磁される。これにより、コイル100aが電磁石となり、可動台車124に配置されている磁石対120との間で吸引力又は反発力が発生し、可動台車124はx1の正の方向に進む。
また、コイル100a,100b,100cのそれぞれには、センサ130a,130b,130cがそれぞれ配置されている。センサ130a,130b,130cの一例は光学センサであり、光学センサの具体例はバーコードリーダである。可動台車124には、位置識別子としてのバーコード123が、バーコードリーダであるセンサ130a,130b,130cによって読み取り可能に貼付されている。なお、図4において、コイル100a,100b,100cは、一部を示したものであり、コイルの数は、システムの規模によって決定される。また、図4では、各コイルを隙間なく配置しているが、各コイルは、隙間を空けて配置されていてもよい。また、センサ130a,130b,130cは、磁気式のセンサであってもよい。この場合、可動台車124にはバーコード123を設けなくてもよい。
モータ駆動装置200aは、通信線106によってモータ駆動装置200bと接続され、モータ駆動装置200bは、通信線106によってモータ駆動装置200cと接続されている。即ち、モータ駆動装置200a,200b,200cは、通信線106によってシリーズに接続されている。モータ駆動装置200aは、更に通信線106によって上位制御装置であるコントローラ125に接続されている。
コントローラ125は、制御指令140を生成する。制御指令140は、通信線106を通じてモータ駆動装置200aに伝送される。制御指令140には、運転指令、位置指令、速度指令、及びモータ制御有効指令が含まれる。運転指令は、可動部である可動台車124を動作させるか停止させるかを決めるための指令値又は指令信号である。位置指令は、可動台車124の位置を指示するための指令値又は指令信号である。速度指令は、可動台車124の速度を指示するための指令値又は指令信号である。モータ制御有効指令については、後述する。
モータ駆動装置200aは、受信した制御指令140をモータ駆動装置200bに伝送する。モータ駆動装置200bは、受信した制御指令140をモータ駆動装置200cに伝送する。なお、図4の接続例は一例であり、この例に限定されない。コントローラ125によって生成された制御指令140がモータ駆動装置200a,200b,200cに伝送できれば、どのような接続形態でもよい。また、図4では、有線で接続されているが、無線で接続されていてもよい。
次に、図4に示すモータ駆動システム300の動作について、図4に加え、更に図5から図7の図面を参照して説明する。図5は、モータ制御を有効とするコイルが第1のコイルから第2のコイルに切り替わる直前の動作状態を図4に示した図である。図6は、モータ制御を有効とするコイルが第2のコイルに切り替わった直後の動作状態を図4に示した図である。図7は、図4に示すモータ駆動システム300の動作説明に供するタイムチャートである。図面について補足すると、図4では、モータ制御を有効とするコイルが第1のコイルである場合の動作の様子が示されている。また、図7では、モータ制御を有効とするコイルが第1のコイルから第2のコイルに切り替わるときの動作が示されている。
図7において、まず、時刻t1では、コントローラ125により、モータ駆動装置200aに対して位置指令が出力され(図7(d)参照)、モータ駆動装置200aに対してモータ制御有効指令が出力される(図7(f)参照)。図7(f),(g)では、モータ制御有効指令を受信してモータ制御が有効である状態を“ON”で表し、モータ制御有効指令を受信しておらず、モータ制御が有効ではない状態を“OFF”で表している。モータ駆動装置200aの動作状態はOFFからONに切り替わり、動作を開始する。モータ駆動装置200aがON状態のとき、モータ駆動装置200aはコイル100aを励磁するので、可動台車124は駆動されて移動し、可動台車124の位置は変化する(図7(a)参照)。図7(b)には、センサ130aによって検出される可動台車124の位置情報が示されている。位置情報は、モータ駆動装置200aを経由してコントローラ125に伝送される。なお、図7では、モータ駆動装置200aに対して位置指令が出力される同時刻t1で可動台車124の位置が変化しているが、実際には、制御のタイムラグにより、可動台車124の位置の変化が位置指令の変化よりも遅れて生じることは言うまでもない。
一方、時刻t1のとき、モータ駆動装置200bに対してはモータ制御有効指令が出力されておらず、モータ駆動装置200bの動作状態はOFFのままである(図7(g)参照)。ここで、モータ制御有効指令について補足する。前述したように、モータ制御有効指令は、コントローラ125から出力される制御指令140の1つである。コントローラ125は、モータ制御有効指令を出力する際、モータ制御を有効とする1つのモータ駆動装置を指定する。なお、1台の可動台車124に対して複数のモータ駆動装置が同時に指定されることはない。
図7の説明に戻り、モータ駆動装置200aに対する位置指令は、時刻t3を超えて時刻t12まで継続され、モータ駆動装置200bに対する位置指令は、時刻t3の手前の時刻t11から開始される。即ち、モータ駆動装置200a,200bに対する位置指令は、時刻t11,t12間でオーバラップさせている。一方、モータ駆動装置200aに対するモータ制御有効指令と、モータ駆動装置200bに対するモータ制御有効指令とは、オーバラップしないように時刻t3で切り替えている(図7(f),(g)参照)。図5は時刻t11の状態を示しており、図6は時刻t12の状態を示している。
図5及び図6の場合、バーコード123に対して、センサ130a,130bの双方が読み取り可能な位置関係にあるので、センサ130a,130bの双方が位置情報を検出している(図7(b),(c)参照)。なお、図示はしていないが、時刻t2は、バーコード123の右端がセンサ130bに到達した時刻であり、時刻t4は、バーコード123の左端がセンサ130aを抜けた時刻である。
ムービングマグネット方式のリニアモータの場合、可動台車124に搭載する磁石対120は有限長であり、1つのコイルのみでは、可動台車124を全領域において動作させることはできない。そこで、図5及び図6に示すように、可動台車124がある程度進行し、磁石対120と対向する長さが、第1のコイルであるコイル100aよりも、第2のコイルであるコイル100bの方が長くなったタイミングでモータ制御の有効を切り替える。コイル100bからコイル100cへの切り替えも同様に行うことができる。コイル100bからコイル100cへ切り替える場合、コイル100bが第1のコイルになり、コイル100cが第2のコイルになる。また、第1のコイルを励磁するモータ駆動装置を第1のモータ駆動装置とし、第2のコイルを励磁するモータ駆動装置を第2のモータ駆動装置とするとき、コイル100bを駆動するモータ駆動装置200bが第1のモータ駆動装置となり、コイル100cを駆動するモータ駆動装置200cが第2のモータ駆動装置となる。
ここで、第1のモータ駆動装置がモータ駆動装置200aであり、第2のモータ駆動装置がモータ駆動装置200bである場合の、モータ駆動装置200a,200bが備える構成要素の関係について説明する。モータ駆動装置200aの制御部23が第1の制御部であり、モータ駆動装置200bの制御部23が第2の制御部である。この場合、モータ駆動装置200aが生成する駆動指令30が第1の駆動指令であり、モータ駆動装置200bが生成する駆動指令30が第2の駆動指令である。また、モータ駆動装置200aのインバータ回路20が、第1のインバータ回路であり、モータ駆動装置200bのインバータ回路20が、第2のインバータ回路である。また、モータ駆動装置200aの上アームスイッチング素子21UP,21VP,21WPが、第1の上アームスイッチング素子であり、モータ駆動装置200bの上アームスイッチング素子21UP,21VP,21WPが、第2の上アームスイッチング素子である。また、モータ駆動装置200aの下アームスイッチング素子21UN,21VN,21WNが、第1の下アームスイッチング素子であり、モータ駆動装置200bの下アームスイッチング素子21UN,21VN,21WNが、第2の下アームスイッチング素子である。また、モータ駆動装置200aのゲート駆動回路24が第1のゲート駆動回路であり、モータ駆動装置200bのゲート駆動回路24が第2のゲート駆動回路である。また、モータ駆動装置200aの上アームゲート電源が第1の上アームゲート電源であり、モータ駆動装置200bの上アームゲート電源が第2の上アームゲート電源である。
なお、上記の説明では、動作させる可動台車124の台数が1台の場合について説明したが、これに限定されない。動作させる可動台車124の台数は複数であってもよい。動作させる可動台車124の台数が複数である場合、可動台車124のそれぞれに対して第1のモータ駆動装置が指定される。また、可動台車124ごとに、上述したコイル及びモータ駆動装置の切り替えが行われる。
また、図4から図6の例において、可動台車124はx1の正の方向に進むものとして説明したが、可動台車124はx1の負の方向にも進むことが可能である。可動台車124がx1の負の方向に進む場合、コイル100bからコイル100aへの切り替えが行われる。この場合、第1のコイルは、コイル100cからコイル100bに切り替わり、第2のコイルは、コイル100bからコイル100aに切り替わる。また、第1のモータ駆動装置は、モータ駆動装置200cからモータ駆動装置200bに切り替わり、第2のモータ駆動装置は、モータ駆動装置200bからモータ駆動装置200aに切り替わる。
また、図5及び図6の例では、磁石対120と対向する長さの長短に基づいてモータ制御の有効を切り替える例について説明したが、この例に限定されない。コイル切り替えの手法は様々あり、他の手法も用いてもよい。一例を挙げると、位置センサ信号132の検出レベルに基づいてモータ制御の有効を切り替えることが考えられる。
チャージポンプ回路を用いて構成されたゲート電源を有するゲート駆動回路24の場合、モータ制御が不要な場合であっても、上アームゲート電源を確保するために、下アームスイッチング素子のスイッチングを継続する必要がある。下アームスイッチング素子のスイッチングを継続した場合、ダイナミックブレーキによってブレーキ電流が流れ、モータにブレーキ力が発生してモータが減速してしまう。
ここで、図3に示すゲート駆動回路24のチャージポンプ回路における上アームゲート電源電圧の波形と下アームスイッチング素子のゲート信号(ゲート駆動信号)との関係について説明する。図8は、図3に示す上アームゲート電源電圧の波形と、下アームスイッチング素子のゲート信号との関係の説明に使用する図である。図8に示す動作は、モータ制御有効指令がOFFの間に行われる。例えば、モータ駆動装置200aに対しては、図7の(f)に示すモータ制御有効指令がOFFの間(時刻t3の後)に、図8に示すように、下アームスイッチング素子のゲート信号を特定の時間だけONする動作が実行される。
図8に示す時間Tonは、下アームスイッチング素子のON時間であり、時間Toffは、下アームスイッチング素子のOFF時間である。上アームゲート電源電圧305は、フォトカプラ242の出力側の電源電圧である。すなわち、上アームゲート電源電圧305は、フォトカプラ242の電圧入力側と整流ダイオード246のカソード側とを接続する接続点と、フォトカプラ242の電圧出力側とツェナーダイオード247のアノード側とを接続する接続点との間にかけられる電圧に等しい。
必要電源電圧303は、上アームスイッチング素子の駆動に必要な、上アームゲート電源の電源電圧である。下アームスイッチング素子を動作させてチャージポンプ回路の充電を完了させる際の電源電圧は、上アームスイッチング素子の駆動に必要な電源電圧よりも大きな電源電圧とする。本実施の形態のモータ駆動装置200は、必要電源電圧303を下回らないよう、上アームゲート電源電圧305を維持する。
電圧下降量yaは、下アームスイッチング素子をOFFしている間に上アームゲート電源電圧305が下降する量である。電圧上昇量ybは、下アームスイッチング素子をONしている間に上アームゲート電源電圧305が上昇する量である。
ゲート供給電源電圧V0は、直流電源243によってゲート電源回路24aに供給される電源電圧である。電圧Viniは、上アームゲート電源に充電済みの電圧である。電圧Viniは、必要電源電圧303よりも大きな電圧値である。時間Toffsetは、上アームゲート電源電圧305を0Vから電圧上昇量ybの下限電圧値まで上昇させるのに要する時間である。電圧上昇量ybの下限電圧値は、第1の電圧値から第2の電圧値までの電圧上昇量を電圧上昇量ybとした場合の、第1の電圧値である。上アームゲート電源電圧305は、時間Toffsetの間に0Vから第1の電圧値まで上昇し、その後、時間Tonの間に電圧上昇量ybだけ上昇することによって第2の電圧値となる。
上アームゲート電源電圧305は、時間Toffの間に上アームゲート電源電圧305が下降する。モータ駆動装置200は、上アームゲート電源電圧305が電圧Viniとなるタイミングで下アームスイッチング素子をONすることで、上アームゲート電源電圧305を上昇させる。モータ駆動装置200は、これらの処理を繰り返すことで、上アームゲート電源電圧305が必要電源電圧303を下回らないよう、上アームゲート電源電圧305を維持する。
例えば、モータ駆動装置200aが第1のモータ駆動装置である場合、第1の制御部は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、第1の上アームスイッチング素子への第1の駆動指令の出力を停止するとともに第1のインバータ回路の第1の下アームスイッチング素子に対しては第1の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第1の上アームゲート電源を維持できる第1のタイミングでスイッチングを継続し、モータ制御有効指令を受信した際には第1の駆動指令を出力する。また、モータ駆動装置200bが第2のモータ駆動装置である場合、第2の制御部は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、第2の上アームスイッチング素子への第2の駆動指令の出力を停止するとともに第2のインバータ回路の第2の下アームスイッチング素子に対しては第2の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第2の上アームゲート電源を維持できる第2のタイミングでスイッチングを継続し、モータ制御有効指令を受信した際には第2の駆動指令を出力する。
第1のタイミングでのスイッチングにおける下アームスイッチング素子のON時間の例は、第1の上アームゲート電源を維持可能であり、且つ下アームスイッチング素子のON時間が最小となるON時間である。第2のタイミングでのスイッチングにおける下アームスイッチング素子のON時間の例は、第2の上アームゲート電源を維持可能であり、且つ下アームスイッチング素子のON時間が最小となるON時間である。
チャージポンプ回路による時間Ton(下アームスイッチング素子のON時間)が最小になるのは、上アームゲート電源電圧305が必要電源電圧303以上であり、且つ電圧下降量yaと電圧上昇量ybとが等しくなる場合である。電圧下降量yaは、以下の式(1)で示される。また、電圧上昇量ybは、以下の式(2)で示される。このように、電圧下降量yaと電圧上昇量ybとが等しくなる場合の下アームスイッチング素子のON時間が、最小のON時間(最小の時間Ton)となる。最小のON時間は、上アームゲート電源電圧305が必要電源電圧303以上となるON時間のうち、最小のON時間である。第1のモータ駆動装置がモータ駆動装置200aであり、第2のモータ駆動装置がモータ駆動装置200bである場合、モータ駆動装置200aにおける最小のON時間が第1の最小ON時間であり、モータ駆動装置200bにおける最小のON時間が第2の最小ON時間である。以下の説明では、下アームスイッチング素子の最小のON時間を、下アーム最小ON時間という場合がある。
Figure 0006868155
Figure 0006868155
式(2)に示した電圧上昇量ybは、チャージポンプ回路の抵抗245とコンデンサ248と、直流電源243とからなる一般的なCR回路のCR時定数(充電時定数)に基づいて上昇する。この場合において、チャージポンプ回路は、上アームゲート電源電圧305がある程度維持された状態から充電を開始するので、電圧上昇は、電圧Viniを差し引いて算出される必要がある。一方、式(1)に示した電圧下降量yaは、ゲート駆動回路24への電圧がコンデンサ248からおよそ定電流で供給されるので、コンデンサ248の定電流放電時の電圧低下に基づいて下降する。
実施の形態1のモータ駆動システム300は、共通電源方式のゲート駆動回路24を用いつつ、電圧下降量yaと電圧上昇量ybとが等しくなるよう下アームスイッチング素子のON時間を制御するので、ダイナミックブレーキの影響を受けてしまう下アームスイッチング素子のON時間を最小にすることができる。これにより、モータ駆動システム300は、上アームゲート電源を確保する際のダイナミックブレーキの発生を最小限に抑制できる。
また、モータ駆動システム300は、インバータ休止期間中にチャージポンプ回路の充電を行うので、モータ制御をOFFからONに切り替える際の共通電源方式のデメリットであった事前の充電処理が不要となり、コイル切り替えの際に制御がなされない期間が無くなる。これにより、モータ駆動システム300は、個別電源方式では実現できない安価なモータ駆動回路で、効率の良いモータ制御を実現することができる。
また、ムービングマグネット方式のリニアモータの場合、図4に示すように、磁石対120が第1のコイルから第2のコイルに切り替える過程で、第1のコイル及び第2のコイルの双方が磁石対120とオーバラップするケースが存在する。一方、実施の形態1の手法では、モータ制御が有効ではない場合、上アームスイッチング素子はONすることは無く、下アームスイッチング素子においてもON時間は極めて小さくなる。このため、ダイナミックブレーキによる外乱又は衝撃の発生を最小限に抑制することができ、コイル同士のつなぎの箇所において、コイル間の切り替えを滑らかに行うことができる。
ただし、チャージポンプ回路の抵抗245及びコンデンサ248と、スイッチング周波数Fとの関係から、下アーム最小ON時間が、スイッチング周波数Fの逆数の2分の1以上となった場合、下アームスイッチング素子のON時間自体が長くなってしまう。すなわち、下アームスイッチング素子のON時間を、下アームスイッチング素子の動作時間で割った値であるデューティー比が50%以上となる場合、ダイナミックブレーキの影響によるブレーキ力が多く発生してしまう。このため、本実施の形態のモータ駆動装置200は、以下の式(3)に示す条件を満たすスイッチング周波数Fを用いることとしてもよい。すなわち、スイッチング周波数Fが抵抗245及びコンデンサ248の定数から決まるCR時定数に2を乗じた値の逆数よりも小さくなるよう、モータ駆動装置200に対してCR時定数が設定されてもよい。
Figure 0006868155
以上説明したように、実施の形態1に係るモータ駆動システムによれば、上位制御装置は、第1及び第2のモータ駆動装置の何れか1つにモータ制御有効指令を出力し、第1及び第2の制御部は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、上アームの駆動指令の出力を停止し、下アームの駆動指令はToff未満のON時間となるよう出力する。これにより、第1のモータ駆動装置によって励磁される第1のコイルと、第2のモータ駆動装置によって励磁される第2のコイルとを切り替える際に、コイル間の切り替えを滑らかに行うことができる。
また、実施の形態1に係るモータ駆動システムは、第1のモータが、固定部に配置された第1のコイルと、第1の方向の正側及び負側に移動可能に構成される可動部に配置された複数の磁石対とで構成され、第2のモータが、固定部に配置され第1の方向の正側で第1のコイルに隣接する第2のコイルと複数の磁石対とで構成されるリニアモータに適用することができる。その際、第1のモータ駆動装置によって励磁される第1のコイルと、第2のモータ駆動装置によって励磁される第2のコイルとは、可動部の移動に伴って第1の方向の正側又は負側に隣接するコイルに順次切り替わって行く。そして、上位制御装置は、第1及び第2のモータ駆動装置の何れか1つにモータ制御有効指令を出力し、第1及び第2の制御部は、モータ制御有効指令を受信していない期間は、上アームの駆動指令の出力を停止し、下アームの駆動指令はToff未満のON時間となるよう出力する。これにより、第1及び第2のコイルの双方が磁石対とオーバラップする期間が存在していても、第1及び第2のコイルの双方が同時に励磁されることはなく、下アームの駆動指令がONとなる短時間以外ではスイッチング素子はOFFであり、ダイナミックブレーキ電流が流れることはない。これにより、ダイナミックブレーキの発生を抑制することができる。また、第1のモータ駆動装置によって励磁される第1のコイルと、第2のモータ駆動装置によって励磁される第2のコイルとを切り替える際に、コイル間の切り替えを滑らかに行うことができる。
また、モータ制御が有効であるか否かを瞬時に判断するため、上位制御装置から伝送されるモータ制御有効指令の情報をパラメータにして、メモリ23bに記憶しておいてもよい。このようにすれば、既存の機能と新規の機能との共存が容易であり、システム構築のコストを削減することができる。なお、以下に、パラメータの使用方法の一例を示す。
(1)通常のモータ制御の場合
・パラメータを“0”に設定する。
・パラメータが“0”の場合、モータ制御有効指令が出力されていない時は全てのスイッチング素子をOFFする。
(2)ムービングマグネット制御の場合
・パラメータを“1”に設定する。
・パラメータが“1”の場合、モータ制御有効指令が出力されていない時は上アームのスイッチング素子をOFFし、下アームのスイッチング素子は第1および第2のタイミングでスイッチングを継続する。
実施の形態2.
実施の形態1のように、モータが動作している最中に制御対象が切り替わるシステムの構成では、例えば高速回転しているモータに対してモータ制御を開始する必要がある。従来のモータ駆動装置では、このような状況が想定されていない。このため、従来の保護機能では、異常ではないのにも関わらず、位置偏差異常、速度検出異常、位置検出異常、速度指令異常などといったアラームを発出してしまう。そこで、実施の形態2では、実施の形態1で説明したモータ制御有効指令を利用して、アラームの誤検知を抑制する制御手法を提案する。
図9は、実施の形態2に係るモータ駆動システムの動作説明に供するタイムチャートである。図9において、(a)〜(g)までの波形は、図7に示すものと同一である。実施の形態2では、アラームの誤検知を抑制するため、アラーム検出を有効とする期間が設定されている(図9(h),(i)参照)。具体的に、時刻t21(時刻t1よりも後の時刻)から時刻t22(時刻t3よりも前の時刻)の間では、モータ駆動装置200aに対して、アラーム検出有効期間が設定されている。このアラーム検出有効期間は、コントローラ125によって設定される。なお、図9では、アラーム検出有効期間は、モータ制御有効指令が出力されている期間よりも短い期間としているが、モータ制御有効指令が出力されている期間と同じ期間としてもよい。同じ期間とすれば、時間管理が容易となり、制御が簡易となる。
実施の形態2に係るモータ駆動システムによれば、モータ制御有効指令に基づいて、アラーム検出有効期間が設定されるので、モータ制御が有効ではない期間において行われた意図しない動作によってアラームが発出されるのを抑止することができる。
また、実施の形態2に係るモータ駆動システムによれば、モータ制御が有効とされる期間よりも短いアラーム検出有効期間が設定されるので、誤検知によってアラームが発出される可能性を小さくすることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
18 コンバータ回路、20 インバータ回路、21 スイッチング素子、21A〜21C レグ、21UN,21VN,21WN 下アームスイッチング素子、21UP,21VP,21WP 上アームスイッチング素子、22 平滑コンデンサ、23 制御部、23a プロセッサ、23b メモリ、24 ゲート駆動回路、24a,24b,24c,24d ゲート電源回路、26 交流電源、27,28 直流母線、30 駆動指令、32 駆動電圧、100a,100b,100c コイル、106 通信線、120 磁石対、123 バーコード、124 可動台車、125 コントローラ、130 位置センサ、130a,130b,130c センサ、132 位置センサ信号、140 制御指令、150 モータ、200,200a,200b,200c モータ駆動装置、241,245 抵抗、242 フォトカプラ、243,244 直流電源、246 整流ダイオード、247 ツェナーダイオード、248 コンデンサ、300 モータ駆動システム。

Claims (4)

  1. 第1の制御部および第1のインバータ回路を備え、前記第1の制御部が生成する第1の駆動指令に基づいて第1のリニアモータを駆動する第1のモータ駆動装置と、
    第2の制御部および第2のインバータ回路を備え、前記第2の制御部が生成する第2の駆動指令に基づいて第2のリニアモータを駆動する第2のモータ駆動装置と、
    モータ制御有効指令を生成し、前記モータ制御有効指令に基づいて前記第1及び第2のモータ駆動装置の動作を制御する上位制御装置と、
    を有し、
    前記第1のリニアモータは、固定部に配置された第1のコイルと、第1の方向の正側及び負側に移動可能に構成される可動部に配置された複数の磁石対とで構成され、
    前記第2のリニアモータは、前記固定部に配置され、前記第1の方向の正側で前記第1のコイルに隣接する第2のコイルと、複数の前記磁石対とで構成され、
    前記第1及び第2のコイルは、前記可動部の移動に伴って前記第1の方向の正側又は負側に隣接するコイルに順次切り替わり、
    前記上位制御装置は、前記第1及び第2のモータ駆動装置の何れか1つに前記モータ制御有効指令を出力し、
    前記第1のインバータ回路の第1の上アームスイッチング素子は、前記第1の上アームスイッチング素子を駆動するゲート電源回路に共通の電源を用いる第1のゲート駆動回路によって駆動され、
    前記第2のインバータ回路の第2の上アームスイッチング素子は、前記第2の上アームスイッチング素子を駆動するゲート電源回路に共通の電源を用いる第2のゲート駆動回路によって駆動され、
    前記第1の制御部は、前記モータ制御有効指令を受信していない期間は、前記第1の上アームスイッチング素子への第1の駆動指令の出力を停止するとともに前記第1のインバータ回路の第1の下アームスイッチング素子に対しては前記第1の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第1の上アームゲート電源を維持できる第1のタイミングでスイッチングを継続し、前記モータ制御有効指令を受信した際には前記第1の駆動指令を出力し、
    前記第2の制御部は、前記モータ制御有効指令を受信していない期間は、前記第2の上アームスイッチング素子への第2の駆動指令の出力を停止するとともに前記第2のインバータ回路の第2の下アームスイッチング素子に対しては前記第2の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第2の上アームゲート電源を維持できる第2のタイミングでスイッチングを継続し、前記モータ制御有効指令を受信した際には前記第2の駆動指令を出力し、
    前記第1及び第2の制御部はメモリを有し、
    前記メモリには、前記上位制御装置から出力される前記モータ制御有効指令の情報がパラメータにして書き込まれており、
    前記第1及び第2の制御部は、前記第1及び第2の駆動指令を出力する機能の有効無効を前記パラメータに基づいて切り替え、前記パラメータが第1の情報を示す場合に前記機能を有効にし、前記モータ制御有効指令を受信していない期間は、前記第1及び第2の上アームスイッチング素子への第1及び第2の駆動指令の出力を停止するとともに前記第1及び第2のインバータ回路の第1及び第2の下アームスイッチング素子に対しては前記第1及び第2の上アームスイッチング素子の駆動に必要な第1及び第2の上アームゲート電源を維持できる第1及び第2のタイミングでスイッチングを継続し、前記パラメータが第2の情報を示す場合に前記機能を無効にする、
    ことを特徴とするモータ駆動システム。
  2. 前記第1のタイミングにおける前記第1の下アームスイッチング素子の第1のオン時間は、前記モータ制御有効指令を受信していない期間において、前記第1の下アームスイッチング素子がオンしている間に前記第1の上アームゲート電源の電源電圧が上昇する量と、前記第1の下アームスイッチング素子がオフしている間に前記第1の上アームゲート電源の電源電圧が下降する量と、が等しくなるオン時間であり、
    前記第2のタイミングにおける前記第2の下アームスイッチング素子の第2のオン時間は、前記モータ制御有効指令を受信していない期間において、前記第2の下アームスイッチング素子がオンしている間に前記第2の上アームゲート電源の電源電圧が上昇する量と、前記第2の下アームスイッチング素子がオフしている間に前記第2の上アームゲート電源の電源電圧が下降する量と、が等しくなるオン時間である、
    ことを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動システム。
  3. 前記第1のオン時間は、前記第1の下アームスイッチング素子がオフとなる時間よりも短い時間であり、
    前記第2のオン時間は、前記第2の下アームスイッチング素子がオフとなる時間よりも短い時間である、
    ことを特徴とする請求項に記載のモータ駆動システム。
  4. 上位制御装置から送られてくるモータ制御有効指令に基づいて、ムービングマグネット方式のリニアモータを駆動するモータ駆動装置であって、
    制御部と、
    上アームスイッチング素子および下アームスイッチング素子を有したインバータ回路と、
    を備え、
    前記上アームスイッチング素子は、前記上アームスイッチング素子を駆動するゲート電源回路に共通の電源を用いるゲート駆動回路によって駆動され、
    前記制御部は、前記モータ制御有効指令を受信していない期間は、前記上アームスイッチング素子への駆動指令の出力を停止するとともに前記下アームスイッチング素子に対しては前記上アームスイッチング素子の駆動に必要な上アームゲート電源を維持できるタイミングでスイッチングを継続し、前記モータ制御有効指令を受信した際には前記駆動指令を出力し、
    前記制御部はメモリを有し、
    前記メモリには、前記上位制御装置から出力される前記モータ制御有効指令の情報がパラメータにして書き込まれており、
    前記制御部は、前記駆動指令を出力する機能の有効無効を前記パラメータに基づいて切り替え、前記パラメータが第1の情報を示す場合に前記機能を有効にし、前記モータ制御有効指令を受信していない期間は、前記上アームスイッチング素子への駆動指令の出力を停止するとともに前記インバータ回路の下アームスイッチング素子に対しては前記上アームスイッチング素子の駆動に必要な上アームゲート電源を維持できるタイミングでスイッチングを継続し、前記パラメータが第2の情報を示す場合に前記機能を無効にする、
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
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