JP7224228B2

JP7224228B2 - モータ駆動装置及びサーボｄｃ給電システム

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Publication number: JP7224228B2
Application number: JP2019074129A
Authority: JP
Inventors: 岳桐淵; 俊行財津; 岳史蘆田; 昌志土井
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2023-02-17
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: WO2020208980A1; JP2020174443A

Description

本発明は、モータ駆動装置とサーボＤＣ給電システムとに関する。

工場等では、複数のサーボモータが、離れた場所に配置された複数のサーボドライバにてＰＷＭ駆動されるシステム（ロボットとその制御装置とで構成されたシステム等）が使用されている。そのようなシステムには、サーボモータ・サーボドライバ間の長いケーブルからの放射ノイズを低減するために、スイッチングスピードを速くできない、電動機・サーボドライバ間の接続に多数のケーブルが必要とされる、といった問題がある。

各サーボモータの近傍に、サーボドライバからコンバータを除去した装置（以下、モータ駆動装置と表記する）を配置し、１つの直流電源からＤＣバスにて複数のモータ駆動装置に電力を供給する構成を採用しておけば、上記問題が発生しないようにすることが出来る。ただし、この構成を採用したシステム（以下、サーボＤＣ給電システムと表記する）では、モータ駆動装置のインピーダンスの方が直流電源のインピーダンスよりも小さいため、或るモータ駆動装置からの回生電流が他のモータ駆動装置に流入するという問題が生じ得る。

特開２００６－５９８１号公報

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、各モータ駆動装置に他のモータ駆動装置から過度の回生電流が流入することがないサーボＤＣ給電システムと、そのようなサーボＤＣ給電システムを構築できるモータ駆動装置とを提供することを目的とする。

本発明の一観点に係る、サーボモータを駆動するモータ駆動装置は、前記サーボモータに供給する交流電力を生成するインバータ回路と、直流電源からの直流電力を前記インバータ回路に供給する正側電力線及び負側電力線と、前記正側電力線と前記負側電力線との間に配置されたコンデンサと、前記正側電力線の前記コンデンサの接続部よりも前記直流電源側の箇所、又は、前記負側電力線の前記コンデンサの接続部よりも前記直流電源側の箇所に挿入されたスイッチと、前記コンデンサの両端間の電圧が所定電圧以上である場合に前記スイッチをオフする制御部と、を備える。

すなわち、モータ駆動装置は、回生電流の流入によりコンデンサの両端間の電圧が上昇すると、スイッチがオフされて回生電流のコンデンサ側への供給が停止される構成を有している。従って、直流電源からの直流電力を複数のモータ駆動装置に電力供給路にて分配供給されるサーボＤＣ給電システムの各モータ駆動装置として、上記構成のモータ駆動装置を用いておけば、各モータ駆動装置に他のモータ駆動装置から過度の回生電流が流入することがないシステムを構築することが出来る。

モータ駆動装置は、スイッチの両端間に他の素子が配置されていない構成の装置であっても良い。ただし、回生電流の供給先（流出先）がコンデンサのみとなるのを防ぐために、モータ駆動装置は、前記サーボモータからの回生電流が順方向電流となるように前記ス
イッチの両端間に配置されたダイオードを備えていることが好ましい。

モータ駆動装置に、『前記正側電力線と前記負側電力線との間に配置された回生電力吸収回路を、さらに備え、前記制御部は、前記コンデンサの両端間の電圧が前記所定電圧以上の第２所定電圧以上である場合に、回生電力を吸収するように回生電力吸収回路を制御する』構成を採用しておいても良い。また、この回生電力吸収回路と同様の機能を有する回生電力吸収装置をサーボＤＣ給電システムの電力供給路に配置しておいても良い。

本発明によれば、各モータ駆動装置に他のモータ駆動装置から過度の回生電流が流入することがないサーボＤＣ給電システムと、そのようなサーボＤＣ給電システムを構築できるモータ駆動装置と、を提供することが出来る。

図１は、本発明の一実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの構成の説明図である。図２は、サーボＤＣ給電システム内のモータ駆動装置の構成の説明図である。図３は、２つのモータ駆動装置を備えたサーボＤＣ給電システムの構成図である。図４は、図３に示した構成のサーボＤＣ給電システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。図５は、サーボＤＣ給電システムの変形例の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの概要を説明する。なお、図１は、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの構成の説明図であり、図２は、サーボＤＣ給電システムの構成要素であるモータ駆動装置１０の構成の説明図である。

図１に示してあるように、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、直流電源３０と複数（図１では、３つ）のモータ駆動装置１０との間を、電力供給路３５にて接続したシステムである。

直流電源３０は、所定の直流電圧を出力する電源である。図１には、直流電源３０として、三相交流電源５０からの三相交流を直流電圧に変換する装置を示してあるが、直流電源３０は、単相交流を直流電圧に変換する装置であっても良い。また、直流電源３０は、ダイオードを組み合わせた整流回路（例えば、全波整流回路）であっても、スイッチング素子が用いられたＡＣ－ＤＣコンバータであっても良い。

モータ駆動装置１０は、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller）等の上位装置からの指令（位置指令、速度指令等）に従って、サーボモータ４０（以下、単に、モータ４０とも表記する）を制御する装置（詳細は後述）である。電力供給路３５は、直流電源３０からの電力（電流）を、サーボＤＣ給電システム内の各モータ駆動装置１０に分配供給できるように複数の電力ケーブルを組み合わせた給電路である。

図２に示してあるように、モータ駆動装置１０は、インバータ回路１１と制御部１２とを備える。

インバータ回路１１は、直流電圧を、モータ４０駆動用の三相交流に変換するための回路である。インバータ回路１１は、正側電力線１５ｐと負側電力線１５ｍとの間に、Ｕ相用のレグ、Ｖ相用のレグ及びＷ相用のレグを並列接続した構成を有しており、モータ駆動装置１０には、インバータ回路１１の各レグの出力電流を測定するための電流センサ２８が設けられている。

モータ駆動装置１０の正側電力線１５ｐと負側電力線１５ｍとの間には、インバータ回路１１への入力を平滑化するためのコンデンサ１６が配置されている。モータ駆動装置１０内には、このコンデンサ１６の両端間の電圧（以下、コンデンサ電圧とも表記する）を検出するための電圧検出器１９が設けられている。

モータ駆動装置１０の正側電力線１５ｐと負側電力線１５ｍとの間には、回生電力吸収回路２０も配置されてもよい。本実施形態に係る回生電力吸収回路２０は、スイッチ２３（半導体スイッチ）がオンされると、回生電力が、回生抵抗２１によって吸収される（熱に変換される）回路である。なお、回生抵抗２１に並列に接続されているダイオード２２は、サージ吸収用のダイオードである。

正側電力線１５ｐの、コンデンサ１６、回生電力吸収回路２０の各接続部よりも直流電源３０側（図２における左側）の部分には、電流をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチ１７が挿入されている。なお、本実施形態におけるスイッチ１７は、半導体スイッチであるが、スイッチ１７は、メカニカルリレーであっても良い。

スイッチ１７の両端間には、ダイオード１８が配置されている。図示してあるように、このダイオード１８は、モータ４０からの回生電流が順方向電流となる向きでスイッチ１７の両端間に接続されている。

制御部１２は、プロセッサ（マイクロコントローラ、ＣＰＵ等）とその周辺回路とから構成されたユニットである。制御部１２には、各電流センサ２８からの信号、モータ４０に取り付けられたエンコーダ４１（アブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダ）からの信号が入力されている。制御部１２は、それらの信号を基づき、上位装置（ＰＣＬ等）からの指令に従って、インバータ回路１１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。

また、制御部１２には、電圧検出器１９により検出されるコンデンサ電圧（コンデンサ１６の両端間の電圧）も入力されている。そして、制御部１２は、コンデンサ電圧が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１以上となった場合には、スイッチ１７をオフし、コンデンサ電圧が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２以上となった場合には、スイッチ２３をオンするように、構成（プログラミング）されている。ここで、第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２とは、バス電圧（電力供給路３５を構成する２線間の電圧）の許容値のことである。この第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２としては、各種部品の劣化や破壊を引き起こさないという観点から定めた値が使用される。また、閾値電圧Ｖ_ＴＨ１とは、第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２未満の電圧のことである。この閾値電圧Ｖ_ＴＨ１としては、例えば、第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２に所定の比例係数（＜１）を乗じた値が使用される。なお、本実施形態に係る制御部１２は、コンデンサ電圧が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１未満となった場合に、スイッチ１７をオンし、コンデンサ電圧が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２未満となった場合に、スイッチ２３をオフするものである。ただし、コンデンサ電圧が、閾値電圧Ｖ_ＴＨ１よりも低い電圧Ｖ_ＴＨ３未満となった場合に、スイッチ１７がオンされ、コンデンサ電圧が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２よりも低い電圧Ｖ_ＴＨ４未満となった場合に、スイッチ２３がオフされるようにしておいても良い。

以下、図３及び図４を用いて、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムについてさらに具体的に説明する。図３は、２つのモータ駆動装置１０_１及び１０_２を備えたサーボＤＣ給電システムの構成図である。また、図４は、図３に示した構成のサーボＤＣ給電システムの動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、以下の説明では、図３に示してあるように、モータ駆動装置１０_Ｘ（Ｘ＝１、２）内のコンデンサ１６、スイッチ１７、ダイオード１８、インバータ回路１１、制御部１２のことを、それぞれ、Ｃ＃Ｘ、ＳＷ＃Ｘ、Ｄ＃Ｘ、インバータ回路＃Ｘ、制御部＃Ｘと表記する。また、モータ駆動装置１０_Ｘが駆動するモータ４０のことを、モータ＃Ｘと表記する。

図３に示してあるサーボＤＣ給電システムのモータ＃１の速度が、図４に示してあるように制御された場合を考える。すなわち、モータ＃１が、加速されてから一定速度で運転された後に減速された場合を考える。なお、モータ＃２は、停止しているものとする。

上記場合、モータ＃１の減速時に回生電流（回生電力）が発生する。そのため、図４に示してあるように、モータ＃１の減速が開始されると、モータ駆動装置１０_１内の正側電力線１５ｐを直流電源３０方向に電流が流れる状態（インバータ回路＃１への電流ｉ１が負となる状態）が形成される。そして、モータ駆動装置１０_１の入力端子とモータ駆動装置１０_２の入力端子との間が接続されているため、モータ＃１の減速が開始されると、Ｃ＃１の両端間の電圧Ｖｃ１とＣ＃２の両端間の電圧Ｖｃ２とが上昇し始める。

電圧Ｖｃ２が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１以上となると、制御部＃２により制御信号ＣＳ２のレベルが変更されてＳＷ＃２がオフされる。そのため、モータ駆動装置１０_１側からモータ駆動装置１０_２側への回生電流の流入が停止され、その結果として、電圧Ｖｃ２の上昇も停止する。そして、モータ＃２の運転開始等により、電圧Ｖｃ２が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１未満となったときに、ＳＷ＃２がオン状態に戻される。

また、ＳＷ＃１，ＳＷ＃２の双方がオンである場合、電圧Ｖｃ１＝電圧Ｖｃ２となるため、電圧Ｖｃ２が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１以上となると、電圧Ｖｃ１も閾値電圧Ｖ_ＴＨ１以上となる。従って、ＳＷ＃２のオフ時には、ＳＷ＃１もオフされるが、ＳＷ＃１は、コンデンサ＃１よりも直流電源３０側に設けられている。そのため、ＳＷ＃１がオフされても、図４に示してあるように、電圧Ｖｃ１は上昇し続ける。そして、電圧Ｖｃ１が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２以上となる前にモータ＃１が停止した場合には、電圧Ｖｃ１が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１未満となったときに、ＳＷ＃１がオン状態に戻される。

一方、電圧Ｖｃ１が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２以上となった場合には、モータ駆動装置１０_１内の回生電力吸収回路２０のスイッチ２３（図２）が制御部＃１によりオンされる。スイッチ２３がオンされると回生電力吸収回路２０（回生抵抗２１）により回生電力が吸収されるため、電圧Ｖｃ１がそれ以上上昇しなくなる。そして、モータ＃１の停止等により、電圧Ｖｃ１が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１未満となったときに、ＳＷ＃１がオン状態に戻される。

以上、説明したように、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの各モータ駆動装置１０は、コンデンサ電圧が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１以上となったときに、スイッチ１７の制御により、コンデンサ１６側への電流の流入が停止される構成を有している。従って、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、各モータ駆動装置１０に他のモータ駆動装置１０から過度の回生電流が流入することがないシステムとして機能する。また、モータ駆動装置１０は、コンデンサ電圧が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２（＞閾値電圧Ｖ_ＴＨ１）以上となったときに機能する回生電力吸収回路２０を備えている。従って、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムによれば、コンデンサ電圧の過度の上昇により各モータ駆動装置１０の部品の劣化や破壊が生ずることも防止することが出来る。

《変形形態》
上記したサーボＤＣ給電システム、モータ駆動装置１０は、各種の変形が可能なものである。例えば、電力供給路３５は、直流電源３０からの電力（電流）を、サーボＤＣ給電システム内の全モータ駆動装置１０に供給できるものであれば、図１に示したものとは異なる構成のものであっても良い。また、モータ駆動装置１０を、スイッチ１７の制御を行うユニットを制御部１２とは別に備えた装置に変形しても良い。モータ駆動装置１０から、ダイオード１８を除去しても良い。ただし、ダイオード１８がないと、回生電流の供給先（流出先）がコンデンサ１６のみとなる。ダイオード１８があれば、回生電流の供給先をコンデンサ１６、電力供給路３５及び直流電源３０とすることが出来るので、モータ駆動装置１０には、ダイオード１８を設けておくことが好ましい。

モータ駆動装置１０に、スイッチと抵抗とを並列接続した突入電流制限回路を搭載し、当該突入電流制限回路のスイッチを、スイッチ１７として利用しても良い。

各モータ駆動装置１０内に回生電力吸収回路２０が設ける代わりに、図５に模式的に示したように、電力供給路３５に、回生電力吸収回路２０と同様に機能する回生電力吸収装置４５を設けても良い。なお、回生電力吸収回路２０と同様に機能するとは、電力供給路３５の電圧が第２閾値電圧Ｖ_ＴＨ２以上である場合に、回生電力を吸収するということである。回生電力吸収回路２０と同様に機能する回生電力吸収装置４５は、例えば、上記した回生電力吸収回路２０に、スイッチ２３を電力供給路３５の電圧に基づき制御する制御系を組み合わせることで実現することが出来る。

《付記１》
サーボモータ（４０）を駆動するモータ駆動装置（１０）であって、
前記サーボモータ（４０）に供給する交流電力を生成するインバータ回路（１１）と、
直流電源（３０）からの直流電力を前記インバータ回路（１１）に供給する正側電力線（１５ｐ）及び負側電力線（１５ｍ）と、
前記正側電力線（１５ｐ）と前記負側電力線（１５ｍ）との間に配置されたコンデンサ（１６）と、
前記正側電力線（１５ｐ）の前記コンデンサ（１６）の接続部よりも前記直流電源（３０）側の箇所、又は、前記負側電力線（１５ｍ）の前記コンデンサ（１６）の接続部よりも前記直流電源（３０）側の箇所に挿入されたスイッチ（１７）と、
前記コンデンサ（１６）の両端間の電圧が所定電圧以上である場合に前記スイッチ（１７）をオフする制御部（１２）と、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置（１０）。

１０モータ駆動装置
１１インバータ回路
１２制御部
１５ｐ正側電力線
１５ｍ負側電力線
１６コンデンサ
１７スイッチ
１８ダイオード
１９電圧検出器
２８電流センサ
３０直流電源
３５電力供給路
４０サーボモータ
４１エンコーダ
５０三相交流電源

Claims

直流電源と電力供給路とを備えるサーボＤＣ給電システムにおいて前記電力供給路から前記直流電源からの直流電力が分配供給されてサーボモータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記サーボモータに供給する交流電力を生成するインバータ回路と、
直流電源からの直流電力を前記インバータ回路に供給する、前記モータ駆動装置内の正側電力線及び負側電力線と、
前記正側電力線と前記負側電力線との間に配置されたコンデンサと、
前記正側電力線の前記コンデンサの接続部よりも前記直流電源側の箇所、又は、前記負側電力線の前記コンデンサの接続部よりも前記直流電源側の箇所に挿入されたスイッチと、
前記電力供給路から前記直流電源の直流電力が分配供給されて駆動される別のサーボモータの減速時に前記コンデンサの両端間の電圧が所定電圧以上である場合に前記スイッチをオフする制御部と、
を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
前記サーボモータからの回生電流が順方向電流となるように前記スイッチの両端間に配置されたダイオードを、さらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。