JP7383969B2 - 直流電源装置及びサーボｄｃ給電システム - Google Patents

直流電源装置及びサーボｄｃ給電システム Download PDF

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Description

本発明は、直流電源装置とサーボＤＣ給電システムとに関する。
工場等では、複数の電動機が、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、電動機・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。
各電動機の近傍に、サーボドライバからコンバータを除去した装置（以下、モータ制御装置と表記する）を配置し、１つの直流電源装置からＤＣバスにて各モータ制御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では、ＤＣバス側のＬＣ回路とモータ制御装置側とが干渉してＤＣバスの電圧が発振する場合がある（例えば、非特許文献１参照）。
横尾 真志, 近藤 圭一郎,「直流電気鉄道車両におけるベクトル制御された誘導電動機駆動システムのダンピング制御系設計法」、電気学会論文誌Ｄ，Vol.135 No.6 pp.622-631（2015）
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、１つ以上のモータ制御装置に電力を供給する電力供給路の電圧の発振を抑制できる技術を提供することを目的とする。
本発明の一観点に係る直流電源装置は、直流に出力する電源部と、前記電源部から出力される直流の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記直流の電圧変動又は電流変動が抑制されるように、自回路のインピーダンスを調整するフィルタ回路と、を備える。
１つ以上のモータ制御装置に電力を供給する電力供給路の電圧の発振は、モータ側（インバータ回路とサーボモータとからなる部分）のインピーダンスが、電源側（電力供給路側）のインピーダンスよりも小さい場合に生じるものである。直流電源装置は、出力される直流の電圧変動が抑制されるように、自回路（自フィルタ回路）のインピーダンスを調整するフィルタ回路を備えている。従って、この直流電源装置を用いておけば、１つ以上のモータ制御装置へ電力を供給するための電力供給路の電圧の発振を抑制することができる。
直流電源装置内のフィルタ回路の具体的な回路構成は、特に限定されない。フィルタ回路は、前記電源部（例えば、交流を直流に変換する回路）からのプラス側の電力線とマイナス側の電力線との間に配置された、コンデンサと可変抵抗の直列接続体と、前記可変抵抗の抵抗値を、前記プラス側の電力線又は前記マイナス側の電力線の電圧変動の検知結果に基づき、前記直流の電圧変動が抑制されるように制御する制御部と、を備えていても良い。フィルタ回路は、前記電源部からのプラス側の電力線又はマイナス側の電力線に挿入
された可変抵抗と、前記可変抵抗の抵抗値を、前記プラス側の電力線又は前記マイナス側の電力線の電圧変動の検知結果に基づき、前記直流の電圧変動が抑制されるように制御する制御部と、を備えても良い。また、この構成を有する各フィルタ回路の可変抵抗は、前記制御部により能動領域で動作するよう制御されるトランジスタであっても良い。
本発明によれば、１つ以上のモータ制御装置へ電力を供給する電力供給路の電圧発振を抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの概略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制御装置の概略構成の説明図である。 図３は、サーボＤＣ給電システムに用いられている直流電源装置の概略構成の説明図である。 図４は、サーボＤＣ給電システムの等価回路の説明図である。 図５は、図４に示した等価回路の不安定となる領域を説明するための図である。 図６は、フィルタ回路の機能を説明するための図である。 図７は、フィルタ回路の他の構成例の説明図である。
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。
図１に、本発明の一実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの概略構成を示し、図２に、サーボＤＣ給電システムに含まれるモータ制御装置１０の概略構成を示す。
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、直流電源装置３０と複数のモータ制御装置１０との間を、電力供給路３５にて接続したシステムである。
直流電源装置３０は、所定の直流電圧を出力する電源である。この直流電源装置３０の詳細については後述する。
モータ制御装置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）を制御する装置である。図２に示してあるように、モータ制御装置１０は、インバータ回路１１と制御部１２とを備えている。
インバータ回路１１は、電力供給路３５を介して入力される直流電源装置３０からの直流電圧を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、プラス側の電力線とマイナス側の電力線との間に、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、モータ制御装置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。
制御部１２は、上位装置（ＰＬＣ等）からの指令に従って、インバータ回路１１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するユニットである。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ており、制御部１２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）からの信号等が入力されている。
電力供給路３５（図１）は、直流電源装置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制御装置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１に示してあるように、電力供給路３５の各モータ制御装置１０との接続部分（各モータ制御装置１０の電源端子間）には、通常、平滑コンデンサ１８が設けられる。
図３に、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムに用いられている直流電源装置３０の概略構成を示す。図示してあるように、直流電源装置３０は、電源部３１とフィルタ回路３２とを備える。
電源部３１は、所定の直流電圧を出力するユニットである。図３には、電源部３１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ユニットを示してあるが、電源部３１は、単相交流を直流電圧に変換するユニットであっても良い。また、電源部３１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（例えば、電源回生コンバータ）であっても良い。さらに、電源部３１は、二次電池であっても良い。
フィルタ回路３２は、自フィルタ回路３２に入力される直流を安定化して出力する回路である。図示してあるように、フィルタ回路３２は、電源部３１からのプラス側の電力線３３ｐ及びマイナス側の電力線３３ｍ間に配置された、コンデンサ２３とトランジスタ２４の直列接続体と、振動電圧検出回路２１と駆動回路２２とを備える。
駆動回路２２は、振動電圧検出回路２１からの制御信号に応じた、トランジスタ２４が能動領域(線形領域)で動作することになる電圧をトランジスタ２４のゲートに印加する回路である。
振動電圧検出回路２１は、電力線３３ｐの電圧変動（所定時間内の電圧変化量）を検出し、予め定められている閾値以上の電圧変動を検出したときに、トランジスタ２４の抵抗が上昇する方向に駆動回路２２への制御信号のレベルを変更する回路である。なお、振動電圧検出回路２１は、上位装置からの指示に従って、駆動回路２２への制御信号のレベルを変更する機能、及び、電力線３３ｐの電圧変動が無いとみなせる状態が規定時間継続した場合に、トランジスタ２４の抵抗が下降する方向に駆動回路２２への制御信号のレベルを変更する機能も有している。
本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、以上、説明した構成を有している。従って、サーボＤＣ給電システムによれば、電力供給路３５の電圧の発振を抑制することが出来る。
具体的には、図１に示したような構成のサーボＤＣ給電システムは、モータ側（複数のモータ制御装置１０と複数のモータ４０からなる部分）のインピーダンスをＺｍと表記すると、図４に示した等価回路で表すことが出来る。
なお、この図４において、Ｌ１は、電力供給路３５のインダクタンス、ｒＬは、Ｌ１の直列抵抗である。また、Ｃ１は、電力供給路３５のキャパシタンスと平滑コンデンサ１８のキャパシタンスの合成キャパシタンス、ｒＣは、Ｃ１の直列抵抗である。
この等価回路（図４）における電源側の出力インピーダンスのピーク値Ｚｏ－ｐｅａｋは、以下の式により表される。
Figure 0007383969000001
そして、図５に模式的に示してあるように、“Ｚｏ－ｐｅａｋ＞Ｚｍ”が成立する場合に、電力供給路３５の電圧が不安定となる。従って、Ｚｏ－ｐｅａｋ値を減少させれば、電力供給路３５の電圧が不安定になること（発振すること）を抑止することができる。
上記したように、サーボＤＣ給電システムの直流電源装置３０（図３）の電源部３１の後段には、フィルタ回路３２が設けられている。
そして、フィルタ回路３２は、トランジスタ２４の抵抗が、振動電圧検出回路２１により、電力供給路３５の電圧が不安定とならない抵抗に制御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給電システムでは、図６に模式的に示してあるように、フィルタ回路３２が設けられていない直流電源装置が用いられたシステムよりも、Ｚｏ－ｐｅａｋ値を低くすることが出来る。そして、その結果として、電力供給路３５の電圧が不安定になること（発振すること）が抑止されることになる。
《変形形態》
上記したサーボＤＣ給電システム、直流電源装置３０は、各種の変形が可能なものである。例えば、サーボＤＣ給電システムの電力供給路３５は、直流電源装置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制御装置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、直流電源装置３０内のフィルタ回路３２は、電力供給路３５の電圧変動が抑制されるように、自フィルタ回路３２のインピーダンスを調整可能な回路であれば良い。従って、フィルタ回路３２（図３）のトランジスタ２４の代わりに、複数の抵抗器と、それらの抵抗器の中のいずれかをコンデンサ２３の一端とマイナス側の電力線３３ｍ間に挿入するセレクタとを設けても良い。また、フィルタ回路３２のコンデンサ２３及びトランジスタ２４の代わりに、容量を電気的に制御できるバリアブルキャパシタを用いても良い。
フィルタ回路３２として、図７に示した構成の回路、すなわち、プラス側の電力線３３ｐに挿入されたトランジスタ２４と、当該トランジスタ２４の抵抗を制御する振動電圧検出回路２１及び駆動回路２２とで構成された回路を採用しても良い。図７に示した構成のフィルタ回路３２を、マイナス側の電力線３３ｍにトランジスタ２４が挿入されているものに変形しても良い。回路振動電圧検出回路２１を、電力線３３ｐの電圧変動を検出する回路としても良い。
また、電力供給路３５の電圧変動時には、電力供給路３５を流れる電流も変動する。そして、電流変動を抑制すれば、電圧変動が抑制されるのであるから、フィルタ回路３２は、電力供給路３５の電流変動を検知して、当該電流変動が抑制されるように、自回路のインピーダンスを調整する回路であっても良い。フィルタ回路３２を、閾値を外部から設定可能な回路とした上で、サーボＤＣ給電システムを、フィルタ回路に設定する閾値を調整しながら運用されるシステムに変形しておいても良い。
《付記１》
直流に出力する電源部（３１）と、
前記電源部からの出力される直流の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき
、前記直流の電圧変動又は電流変動が抑制されるように、自回路のインピーダンスを調整するフィルタ回路（３２）と、
を備える直流電源装置（１０）。
１０ モータ制御装置
１１ インバータ回路
１２ 制御部
１８ 平滑コンデンサ
２１ 振動電圧検出回路
２２ 駆動回路
２３ コンデンサ
２４ トランジスタ
２５ インダクタ
２８ 電流センサ
３０ 直流電源装置
３１ 電源部
３２ フィルタ回路
３３ｐ プラス側の電力線
３３ｍ マイナス側の電力線
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 (4)

  1. 直流を出力する電源部と、
    前記電源部からの出力される直流の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記直流の電圧変動又は電流変動が抑制されるように、自回路のインピーダンスを調整するフィルタ回路と、
    を備え、
    前記フィルタ回路は、
    前記電源部からのプラス側の電力線とマイナス側の電力線との間に配置された、コンデンサと可変抵抗の直列接続体と、
    前記可変抵抗の抵抗値を、前記プラス側の電力線又は前記マイナス側の電力線の電圧変動の検知結果に基づき、前記直流の電圧変動が抑制されるように制御する制御部と、
    を備える、
    る直流電源装置。
  2. 前記電源部が、交流を直流に変換する回路である、
    請求項１に記載の直流電源装置。
  3. 前記可変抵抗が、前記制御部により能動領域で動作するよう制御されるトランジスタである、
    請求項１又は２に記載の直流電源装置。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の直流電源装置と、
    １つ以上のモータ制御装置と、
    前記直流電源装置からの電力を前記１つ以上のモータ制御装置に供給する電力供給路と、
    を含むサーボＤＣ給電システム。
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