JP7406379B2 - 電力変換システムおよびそれによるモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換システムおよびそれによるモータ制御方法に関し、例えばエネルギーを蓄積（貯蔵）することが可能な蓄積装置を備えた電力変換システムおよびそれによるモータ制御方法に関する。

蓄積装置を備えた電源装置および電源システムが、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１には、装置に貯蔵されたエネルギーに基づき蓄積装置の制御指令値を可変に設定することが記載されている。

特開２０１１－２０００４８号公報

特許文献１には、低コスト、低損失かつ高密度な電源装置を提供するために、モータおよびモータ負荷等の慣性負荷に貯蔵された回転エネルギー、またはばねエネルギーに基づいて、蓄積装置の制御指令値を可変に設定して制御することが示されている。

一般的には、制御指令値によって蓄積装置の出力を抑制するとモータの特性が最大限発揮できない場合がある。ところが、用途によっては、抑制しているときにおいても、モータの特性を改善するために蓄積装置の出力を増加させることが求められる場合がある。本発明は、このような求めに鑑みてなされたものである。

本願は課題を解決する手段を複数含んでいるが、一実施の形態に係わる電力変換システムを例にして述べると、次のとおりである。

すなわち、電力変換システムは、モータに電力を供給する電力変換装置と、電力変換装置に電力を供給する電源装置とを備えている。ここで、電力変換装置は、電力を変換する電力変換部と、電力変換部を制御する制御部と、電力変換部を流れる電流を検出する電流検出部とを備えている。また、電源装置は、電圧に応じて電力を蓄積する蓄積装置と、電圧指令に基づいて蓄積装置の電圧を変更する昇降圧電源回路と、蓄積装置に蓄積するエネルギーを演算して電圧指令として昇降圧電源回路へ出力する演算回路とを備えている。制御部は、モータが備えるエンコーダからの情報と電流検出部で検出した電流値とを用いて、モータの力行エネルギーを算出し、演算回路は、制御部で算出された力行エネルギーに基づいて蓄積装置に蓄積するエネルギーを演算し、電流検出部と、エンコーダからの情報と、蓄積装置に蓄積するエネルギーの演算により、モータの特性が抑制されたときに、電圧指令を一時的に変更して、モータの特性を改善する。

一実施の形態によれば、モータの特性が抑制された状態であっても、モータの特性を一時的に改善することが可能な電力変換システムを提供することが可能となる。

実施の形態１に係る電力変換システムの全体構成を模式的に示すブロック図である。 慣性負荷に蓄えられる回転または運動エネルギーを説明するための図である。 空圧式ダイクッション付プレス機の構造を模式的に説明するための図である。 空圧式ダイクッション装置に蓄えられたエネルギーを説明するための図である。 昇降装置に蓄えられたエネルギーを説明するための図である。 クランクプレス機のクランク軸角速度とスライド速度の関係を説明するための図である。 モータが加速動作、一定速度動作、減速動作を行った際の角速度検出信号、トルク検出信号、総蓄積エネルギーおよび適正電圧の波形を示す図である。 モータ動作に従って変化するモータ特性を説明するための図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、実施の形態１に係るモータ特性とモータ加速動作を説明するための図である。 実施の形態１に係る電力変換システムの具体的な一例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る電源装置の順変換器、昇降圧電源回路および蓄積装置の一例を示す図である。 実施の形態１に係る電源装置の順変換器、昇降圧電源回路および蓄積装置の変形例を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置内の逆変換器および位置速度電流制御回路の構成を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換システムを説明するための波形図である。 実施の形態１に係る電力変換システムを説明するための波形図である。 実施の形態１に係る電力変換システムで行われる処理を示すフローチャート図である。 実施の形態１に係る電圧アシスト量演算ブロックの構成を示すブロック図である。 実施の形態２に係る電力変換システムを説明するための図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまでも一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、数、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。

また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

（実施の形態１）
＜電力変換システムの全体構成および原理＞
図１は、実施の形態１に係る電力変換システムの全体構成を模式的に示すブロック図である。同図を参照して、実施の形態１に係る電力変換システムの基本的な原理を説明する。

図１において、２００は、電力変換システムを示している。電力変換システム２００は、種々の装置を備えているが、図１には、これらの装置のうち、説明に必要な電源装置１と電力変換装置（モータ電力変換装置）２のみが示されている。この実施の形態に係る電力変換システム２００は、電源１１、モータ３および上位装置１３に接続されている。電力変換システム２００は、電源１１からの電力を変換して、モータ３に供給することで、モータ３の動作を制御する。

電源装置１は、電源１１から交流電圧で供給される電力を直流電圧ＶＰＮに変換する順変換器４と、順変換器４で直流電圧に変換された電力の電圧ＶＰＮを制御する昇降圧電源回路５と、昇降圧電源回路５の動作を制御して電圧ＶＰＮを制御する電圧指令演算回路１５と、昇降圧電源回路５によって電圧制御された電力を蓄積しつつ、電力を電力変換装置２に供給する蓄積装置６とを備えている。この蓄積装置６は、例えば電解コンデンサ、蓄電池等を備えており、昇降圧電源回路５からの電力だけでなく、モータ３の回生動作によって生成され、電力変換装置２を介して供給される電力も蓄積する。

電力変換装置２は、逆変換器（インバータ、電力変換部）７と、制御回路８とを備えている。逆変換器７は、昇降圧電源回路５から蓄積装置６を介して供給される電力を変換して、モータ３に供給することでモータ３の動作を制御するとともに、モータ３の回生動作により生成された電力を蓄積装置６に供給する。

制御回路８は、逆変換器７の動作を制御するとともに、モータ３に関する情報に基づいてモータ３およびモータ３により駆動されるモータ負荷１２に貯蔵されたエネルギーである貯蔵エネルギーを算出する。実施の形態では、モータ３として、交流モータ９とエンコーダ１０とにより構成される回転駆動式のモータが用いられている。モータ３に関する情報としては、交流モータ９の角速度と、モータ３に設けられた電流検出器（図示せず）で検出された電流値に基づいて演算される交流モータ９のトルクと、予め設定された交流モータ９に関するモーメントである。特に制限されないが、交流モータ９の角速度は、エンコーダ１０から制御回路８に供給され、電流検出器からの電流値は、逆変換器７から制御回路８に供給される。また、交流モータ９のモーメントは、予め制御回路８に設定されている。これらの情報に基づいて、制御回路８は、モータ３に貯蔵されたエネルギーとモータ３に結合されたモータ負荷１２に貯蔵されたエネルギーの和である貯蔵エネルギーを算出し、電圧指令演算回路１５へ出力する。

電圧指令演算回路１５は、制御回路８で算出された貯蔵エネルギーと、蓄積装置６に対して蓄積が許容される電力量の最大値として予め定められた最大電力量とに基づいて昇降圧電源回路５を制御し、電源１１から蓄積装置６に蓄積される電力量を制御する。なお、昇降圧電源回路５と電圧指令演算回路１５とによって、貯蔵エネルギーと最大電力量とに基づいて電源１１から蓄積装置６に蓄積される電力量を制御する蓄電装置制御回路が構成されていると見なすことができる。

モータ負荷１２は、弾性負荷または／および重力負荷によって構成される。モータ３が、前記したように回転駆動式の交流モータ９の場合、交流モータ９が回転することにより、交流モータ９の出力軸が回転し、その回転エネルギーが出力軸を含む負荷側（モータ負荷１２）に蓄えられることになる。また、モータ３が、回転駆動式の交流モータ９の代わりに、リニアモータ等を備えている場合には、負荷を積載した可動部が直線上を移動し、運動エネルギーが負荷側および可動部（モータ負荷１２）に蓄えられることになる。

例えば、交流モータ９の回転角が、例えば１０°以下のような微小角度しか動かない特殊な負荷、あるいは直線上を例えば１０ｍｍ以下のような微小距離しか移動しない特殊な負荷を除くと、電子部品組立機械や半導体・液晶製造装置、金属工作機械や金属加工機械、搬送機械や産業用ロボット等の一般産業機械においては、負荷側の物体が動くとその物体に回転または運動エネルギーが蓄積されることになる。

交流モータ９が回転することにより、蓄積される蓄積エネルギーを、次に説明する。

回転する物体の慣性モーメントをＪ、交流モータ９の出力軸の回転の角速度をω（ｒａｄ／ｓ）とすると、加減速トルクＴαは（式１）で表される。

また、交流モータ９の出力軸にクランク軸を結合し、出力軸の回転運動を往復運動に変え、ばね特性を持つ負荷に押し付けて戻す動作を繰り返す場合（弾性負荷の場合）を考えると、加減速中を含めたモータ負荷トルクをＴｑ（Ｎ・ｍ）とすると、ばね特性に対する弾性負荷トルクＴｄは（式２）で表される。なお、この時の摩擦負荷やころがり摩擦、その他の負荷は無視できる程度に微小であるとしている。

また、（式１）における加減速トルクを発生中の慣性負荷動力Ｐαは、回転速度をＮ（ｍｉｎ＾（－１））として（式３）で表される。

次に、一定角速度運転中の弾性負荷動力Ｐｄは（式４）で表される。

ここで、（式３）で与えられる動力Ｐαで運転した時、慣性負荷に蓄積される慣性負荷蓄積エネルギーＥαは（式３）を時間積分することによって（式５）で表される。

同様に、（式４）で与えられる動力Ｐｄで運転した時、弾性負荷に蓄積される弾性負荷蓄積エネルギーＥｄは（式４）を時間積分することによって（式６）で表される。

従って、慣性負荷蓄積エネルギーＥαと弾性負荷蓄積エネルギーＥｄを加算した総負荷蓄積エネルギーＥは（式７）で表される。

この状態から交流モータ９を減速停止させると、慣性負荷や弾性負荷（または重力負荷）に蓄えられた慣性負荷蓄積エネルギーＥαや弾性負荷蓄積エネルギーＥｄは、回生エネルギーとしてモータ負荷１２からモータ３および逆変換器７を介して、蓄積装置６に戻る。このとき、蓄積装置６が過充電状態とならないよう、交流モータ９の運転開始時から慣性負荷と負荷側に蓄えられるエネルギーの量を刻々演算し、蓄積装置６に蓄えられているエネルギーの量からその分を差し引き、回生によって生成されたエネルギーが蓄積装置６に蓄積される場合にも規定のエネルギーの量となるように、制御回路８で電圧指令演算回路１５を制御して蓄積装置６の電力の蓄積量を可変制御する。

なお、慣性負荷と負荷側に蓄えられたエネルギーの量は、物理的な動力から演算するのではなく、モータ３やそれを駆動する構成に設けられたセンサ等から検出される制御信号を用いる。これは、慣性モーメントや弾性負荷特性（または重力負荷特性）が交流モータ９の電流や電圧、出力軸の位置、速度や角速度、動力やエネルギーから正確に得られるからである。例えば、弾性負荷の場合、圧縮空気の復元力を用いたばね特性等は耐用寿命があり、寿命までには特性劣化がある。しかしながら、この場合においても、経年変化に合わせた負荷特性をモータ３とそれを駆動する構成のセンサで忠実に拾うことができる。逆に、ばね特性を初期の定数のまま運転して物理的な動力から演算しようとすると、実際の特性と解離した状態を演算することになり、モータ３の運転における制御精度等の悪化や誤差が生じる恐れがある。

エネルギー保存の法則から、蓄積装置６に蓄えられる適正エネルギー量Ｅｒｅｆは、蓄積装置６が満充電時に蓄えられるエネルギーをＥｍａｘ（Ｊ）とすると（式８）で表される。

例えば、蓄積装置６として容量Ｃ（Ｆ）の電解コンデンサを使用した場合、電解コンデンサの適正電圧をＶｒｅｆ（Ｖ）とすると、電解コンデンサに蓄えられる適正なエネルギーは（式９）で表される。

（式９）に（式８）を代入して整理すると、弾性負荷時の蓄積装置６の電解コンデンサの適正電圧Ｖｒｅｆは（式１０）で表される。

ここで、（式１０）における定数ｋは（式１１）で表される。

次に、重力負荷について説明する。ここでも、前記した弾性負荷と同様にトルク、動力、蓄積エネルギーを考える。なお、重力負荷時の加減速トルクは前記（式１）の通りである。重力負荷としては、例えば、モータ３の出力軸に巻き上げ機を連結し、巻き上げ機のロープの先にかご、または荷物を吊るしこれを昇降運転する場合が考えられる。

加減速中を含めたモータトルクをＴｑ（Ｎ・ｍ）とすると、重力負荷トルクＴｗは（式１２）で表される。なお、この時の摩擦負荷やころがり摩擦、その他の負荷は無視できる程度に微小であるとしている。

次に、一定角速度運転中の重力負荷動力Ｐｗは、（式１３）で表される。

（式１３）で与えられる重力負荷動力Ｐｗで運転した時、重力負荷に蓄積される重力負荷蓄積エネルギーは（式１３）を時間積分することによって（式１４）で表される。

従って、慣性負荷蓄積エネルギーＥαと重力負荷蓄積エネルギーＥｗを加算した総負荷蓄積エネルギーＥは（式１５）で表される。

次に、重力負荷の場合、蓄積装置６に蓄えられる適正エネルギー量Ｅｒｅｆは、蓄積装置６が満充電時に蓄えられるエネルギーをＥｍａｘ（Ｊ）とすると、（式１６）で表される。

また、蓄積装置６として、例えば、容量Ｃ（Ｆ）の電解コンデンサを使用した場合には、電解コンデンサに蓄えられる適正なエネルギーＥｒｅｆは前記（式９）で表されるので、前記（式９）を（式１６）に代入して整理することにより、重力負荷時の蓄積装置６の電解コンデンサの適正電圧Ｖｒｅｆは（式１７）で表される。なお、定数ｋは前記（式１１）で表される。

ここで、慣性負荷蓄積エネルギーＥα、弾性負荷蓄積エネルギーＥｄおよび重力負荷蓄積エネルギーＥｗが、回生時、負荷側からモータ３および逆変換器７を介して蓄積装置６に回生エネルギーとして戻る場合、回生効率は１００％ではないために一部が損失として消費される。そこで、回生時の演算では、慣性負荷蓄積エネルギーＥα、弾性負荷蓄積エネルギーＥｄおよび重力負荷蓄積エネルギーＥｗにそれぞれ補正係数Ｘ１（＜１）を乗じることで回生効率を反映し、また、力行時の演算では、補正係数Ｘ１＝１とすることにより、回生時のみ補正係数Ｘ１（＜１）が設定されるので、より精度の高い制御を実現することができる。

例えば、モータ負荷１２として、圧縮空気の復元力を利用した弾性負荷を考える場合には、圧縮空気をスライドが下降して負荷にエネルギーを蓄え、次にスライドが上昇に転じるとき、上昇速度によって回生エネルギーの量が異なる。これは圧縮空気を包んでいる材料にも復元時間が生じるので、先にスライドが離れるとモータは弾性負荷からの反力がなくなるため回生状態にならない。実際には圧縮空気を包んでいる材料からスライドが離れることはないので回生エネルギーは生じる。しかし、スライドが下降時の動力エネルギーの量とスライドが上昇時の回生エネルギーの量は均等にならず回生側のエネルギーの量が少ない状態になる。この場合、モータを運転開始時に負荷側に蓄えられるエネルギーの量を刻々演算し、蓄積装置に蓄えられるエネルギーの量からその分を差し引き、回生された時に規定のエネルギーの量に戻らない状態が発生する。そこで、この場合には回生時のエネルギー量に合わせて力行時のエネルギーに補正係数（重み係数）Ｘ２（≠１）を乗じる。例えば、運転開始時には、（負荷側に蓄えられるエネルギーの量）×（補正係数Ｘ２）を行って蓄積装置６に蓄えられているエネルギーの量を補正してその分を差し引き、回生時は、（回生されるエネルギーの量）×（補正係数Ｘ２）（ただし、Ｘ２＝１）を行ってそのままのエネルギー量として戻せば、差し引かれた分は元の値に戻るようになる。

回生時の補正係数Ｘ１（ただし、回生時：Ｘ１＜１、力行時：Ｘ１＝１）および力行時の補正係数Ｘ２（ただし、力行時：Ｘ２≠１、回生時：Ｘ２＝１）を補正係数Ｘとしてまとめると（式１８）で表される。

ここで、前記（式１０）で示した弾性負荷時の蓄積装置６（電解コンデンサ）の適正電圧Ｖｒｅｆ、および、前記（式１７）で示した重力負荷時の蓄積装置６（電解コンデンサ）の適正電圧Ｖｒｅｆは、（式１８）の補正係数Ｘを用いて、それぞれ、（式１９）および（式２０）で表される。

なお、前記（式１８）では、補正係数Ｘ２として、力行時にＸ２≠１、回生時にＸ２＝１となるものを設定したが、回生時に補正係数Ｘ２≠１、力行時に補正係数Ｘ２＝１となるように設定しても良い。

以上のように、弾性負荷、重力負荷の場合、慣性負荷は両方の負荷で共通に発生する。そのため、蓄積装置６の適正電圧Ｖｒｅｆは、前記（式１９）および前記（式２０）により、予めモータを運転開始時から慣性負荷と負荷側（弾性負荷または重力負荷）に蓄えられるエネルギーの量を刻々演算し、蓄積装置６に蓄えられているエネルギーの量からその分を差し引き、回生された時に規定のエネルギーの量に戻るよう蓄積装置６の直流電圧を可変制御すればよい。

＜＜慣性負荷、弾性負荷、重力負荷の例＞＞
次に、慣性負荷、弾性負荷、重力負荷等について具体例を挙げて詳細に説明する。

図２は、慣性負荷に蓄えられる回転または運動エネルギーを説明するための図である。

図２に示すように、モータ等により電気エネルギーを慣性体にｔａ時間だけ与える場合、慣性体には角速度ωで回る回転エネルギーが与えられる。ここで、電路やころがり摩擦、風損等の損失を無視すると、電気エネルギーの供給をやめても慣性体は永久にまわり続ける。ただし、実際には損失は無視できないため、慣性体の回転を維持するためには損失分のエネルギーを電気エネルギーとして与え続けなければならない。次に、慣性体に回生ブレーキをｔｄ時間掛けて回転エネルギーを取り去ると、慣性体は停止して回転エネルギーは回生されて電気エネルギーとして電源に戻る。すなわち、慣性負荷を回すということは電源から供給された電気エネルギーを回転エネルギーに変換することであり、また、慣性負荷を回生ブレーキによって止めるということは回転エネルギーを再び電気エネルギーという形に変えることであり、これらは、エネルギーの保存場所を移し替える行為であると言える。

図２では、回転運動の一例としてクランクプレス機のクランク軸の回転運動を示しており、スライド質量を点Ａに集約して示し、バランス調整によるバランス質量を等価的に示した質点を点Ｂで示したフライホイルの回転運動として模式的に示している。このような慣性体に蓄えられるエネルギーＥは、クランク軸の角速度をω（ｒａｄ／ｓ）とし、慣性体の慣性モーメントをＪ（ｋｇ・ｍ＾２）とすると、（式２１）で表され、慣性モーメントＪに比例し、角速度ωの二乗に比例することがわかる。

また、図２の下側に示すように、直線運動の場合は運動エネルギーとして蓄えられるエネルギーＥは、慣性体の質量をｍ（ｋｇ）、移動速度をＶｌとすると、（式２２）で表され、質量ｍに比例し移動速度Ｖｌ（ｍ／ｓ）の二乗に比例することがわかる。

図３は、空圧式ダイクッション付プレス機の構造を模式的に説明するための図である。

図３において、プレス機には昇降運動するスライド２５と固定されたボルスタ２７がある。スライド２５はスライドモータ２０の回転をスライド駆動手段２１およびクランク機構（クランク軸２２、クランク偏心部２３）を通してスライドギブ２６にガイドされながら昇降運動する。ボルスタ２７はベッド２８の上に固定されプレス機のフレームを通してスライド機構に連結され、上からの加圧力を受ける構造となっている。スライド駆動手段２１の一例として、もっとも多く使用されているクランクプレスの場合、スライドモータ２０の回転をクランク軸２２からクランク偏心部２３に伝え、コネクションロッド２４を介してスライド２５を昇降させる。このプレス機に金型を取り付けてプレス加工が行われる。上金型２９はスライド２５の下面に、下金型３０はボルスタ２７の上面にセットされ上下一対で一つの金型を構成する。金型は鉄板等をせん断、曲げ、絞る等の加工ができ、鉄板に塑性変形を与え目的の形状を作ることができる。この金型の品質、性能がプレス加工の生産性、品質にかかわる重要な役割を担っている。空圧式ダイクッション装置３１は絞り加工において、例えばカップ状絞りでは加工の進行につれて成形品のフランジ部に円周方向の圧縮応力が生じ、放置すればしわが発生する。このしわが発生しないよう下側から必要なしわ押え圧力を発生する装置が空圧式ダイクッション装置３１である。空圧式ダイクッション装置３１はベッド２８に内蔵されており、下金型３０とダイクッションパッド（図示せず）及びダイクッションピン（図示せず）が連動して作動する。なお、空圧式ダイクッション装置３１には、空圧式や油圧式等のタイプの他にサーボモータを使用したサーボダイクッションがある。

図４は、空圧式ダイクッションに蓄えられたエネルギーを説明するための図である。

図４に示すように、ダイクッションとは絞り加工のしわ押え用反力、成形品の突き上げ力を発生させる圧力保持装置である。空圧式ダイクッションは空気ばねに等価的に置き換えられる。ばねが変形するとき、弾性エネルギーという形でエネルギーがばねに蓄えられる。蓄えられたエネルギーを放出させれば、ばねに機械的な仕事をさせることができる。空気の復元力を生み出す材料である空気ばねもその一種であり、空圧式ダイクッションで利用される。

空圧式ダイクッション装置３１にエネルギーを蓄える場合には、スライド２５が下降方向に動くことで空圧式ダイクッション内の空気を圧縮し、この部分に弾性エネルギーが蓄えられ、同時にスライド方向への反力が発生する。スライド２５で下に押さえれば押さえるほど反力３１Ｅは大きくなるため、ばね定数ｋ（Ｎ／ｍ）のばねに置き換えて考えることができ、スライド２５で押された場合の変位をｘ（ｍ）とすると蓄えられる弾性エネルギーＥは（式２３）で与えられる。

図５は、昇降装置に蓄えられたエネルギーを説明するための図である。

図５に示すように、昇降装置８２では、モータ出力軸に巻き上げ機７６を連結し、ロープ７８の先に荷物（又は、荷物等を収容するかご）７７を吊るして昇降運転を行う。図５において、質量ｍ（ｋｇ）の荷物７７が地上にある場合には、エネルギーは開放状態にある。この状態から荷物７７を高さｈ（ｍ）まで巻き上げると、位置エネルギーｍｇｈ（Ｊ）が蓄えられる。荷物７７の上昇時には、荷物７７に働く重力の方向とは逆方向へ移動するためモータは力行状態で運転し、荷物７７に位置エネルギーが蓄えられる。また、荷物７７の下降時には、荷物７７の重力による落下を抑えながら下降させるのでモータは回生状態で運転し、荷物７７に蓄えられた位置エネルギーは開放される。

図６は、クランクプレス機のクランク軸角速度とスライド速度の関係を説明するための図である。

図６においては、クランク軸を回転方向に上死点から下死点を介して上死点まで３６０°（１回転）回転させた場合を示しており、横軸に時間ｔ（ｓ）を、縦軸にクランク軸角速度ω（ｒａｄ／ｓ）、スライド位置θｓ（ｍｍ）、及びスライド速度Ｖｓ（ｍ／ｓ）をそれぞれ示している。スライド速度Ｖｓは、スライド位置が中間点の時に零速度となり、スライド速度の正側が上昇速度で負側が下降速度を示す。図６において、スライド位置は余弦曲線となるが、スライド速度はクランク軸のコネクティングロッドの接続点が回転するため１８０°位相遅れの正弦曲線となる。

＜＜モータ特性ＮＴ＞＞
次に、蓄積装置６の出力変化と、それによるモータ特性の変化について、図７、図８を用いて説明する。図７は、モータ３が加速動作、一定速度動作、減速動作を行った際の角速度検出信号ω、トルク検出信号Ｔｑ、総負荷蓄積エネルギー（総蓄積エネルギー）Ｅおよび適正電圧Ｖｒｅｆの波形を示す図である。角速度検出信号ωおよびトルク検出信号Ｔｑは、後で説明するが、角速度検出信号ωは、モータ３の角速度を表す検出信号であり、トルク検出信号Ｔｑは、モータ３のトルクを表す検出信号である。

角速度検出信号ωは、加速時間Ｔａでモータ３を加速するため、上昇し、目標角速度ωｒｅｆに到達する。定速時間Ｔｂでは、モータ３は目標角速度になるため、角速度検出信号ωは、目標角速度ωｒｅｆで一定となり、モータ３は一定速回転動作を行う。減速時間Ｔｃでは、モータ３は減速し、角速度検出信号ωは下降する。

トルク検出信号Ｔｑは、加速時間Ｔａではモータを加速するために加速トルクＴｑ＿ｐが印加されていることを示している。モータの加速動作が終了した定速時間Ｔｂでは、モータにかかる摩擦トルクなどに対して、定速トルクＴｑ＿ｃを印加して一定速度で駆動している。減速時間Ｔｃでは、モータが減速するための減速トルクＴｑ＿ｍを印加している。

次に、総蓄積エネルギーＥについて説明するが、ここでの総蓄積エネルギーＥは、前記（式１９）の定数ｋ、補正係数Ｘをそれぞれ１、負荷エネルギーは慣性負荷蓄積エネルギーＥαのみとし、弾性負荷蓄積エネルギーＥｄはゼロとしている。

総蓄積エネルギーＥは、前記（式３）および（式５）より加速時間Ｔａでモータ加速時の慣性負荷エネルギーにより増大し、定速時間Ｔｂでモータに対する摩擦エネルギー分だけ総蓄積エネルギーＥが蓄積される。減速時間Ｔｃではモータを減速時の回生動作により蓄積した慣性負荷蓄積エネルギーＥαが戻ってくるため、総蓄積エネルギーＥが低下する。

適正電圧Ｖｒｅｆは、前記（式１９）と総蓄積エネルギーＥの関係から、総蓄積エネルギーＥの増大に従って低下し、総蓄積エネルギーＥの低下に従って上昇する。すなわち、適正電圧Ｖｒｅｆは、加速時間Ｔａの間、前記（式１９）と総蓄積エネルギーＥの関係により低下する。定速時間Ｔｂの間は総蓄積エネルギーＥに変化がないため、適正電圧Ｖｒｅｆも変化しない。減速時間Ｔｃの間は、モータの減速に伴い、総蓄積エネルギーＥも減少するので、前記（式１９）より、適正電圧Ｖｒｅｆは増加する。

ここで、モータ加速時は加速トルクＴｑ＿ｐにより、慣性負荷蓄積エネルギーＥαが増大し、モータ減速時は加速トルクＴｑ＿ｍにより、慣性負荷蓄積エネルギーＥαが減少することで、適正電圧Ｖｒｅｆが前記（式１９）に従って変化しているが、同様に弾性負荷蓄積エネルギーＥｄや重力負荷蓄積エネルギーＥｗの増加、減少により、適正電圧Ｖｒｅｆは慣性負荷蓄積エネルギーＥαと同様に低下、または上昇する。

図８は、図７に示したモータ動作に従って変化するモータ特性を説明するための図である。図８において、縦軸はモータのトルクＴ、横軸はモータの角速度ωを示している。また、図８では、モータに印加するトルクの最大値が最大トルクＴｍａｘとして示され、モータの速度の最大値が最大角速度Ｎｍａｘとして示されている。

図８において、太い実線で示した特性ＮＴｃおよび破線ＮＴａは、モータ３のモータ特性ＮＴを示しており、モータ特性は、モータ３に供給される電力量に応じて特性が変化する。

同図において、モータ特性ＮＴｃは、昇降圧電源回路５（図１）を制御する適正電圧Ｖｅｆを抑制していない場合の特性を示している。すなわち、モータ３に印加するトルクを上昇させ、最大トルクＴｍａｘに到達した後、モータ３の速度を、最大角速度Ｎｍａｘに向けて上昇させた場合の特性を示している。この場合、モータ特性ＮＴｃは、モータ３がＴｐ０→Ｔｐ１→Ｔｐ３→Ｔｐ４→Ｔｐ６→Ｔｐ０で囲まれた領域でモータ特性を出力することができることを表している。これに対して、モータ特性Ｎｔａは、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制した場合の特性を表している。図７で示したように、加速時間Ｔａにおいて、適正電圧Ｖｒｅｆは抑制されている。適正電圧Ｖｒｅｆが抑制されることにより、モータ３に供給可能な電力量が抑制され、モータ３の特性は、矢印Ｔａで示す方向に、モータ特性ＮＴｃから抑制後のモータ特性Ｎｔａに向かって低下する。

モータ特性がモータ特性ＮＴｃまで低下した場合、モータ３が出力できる特性の領域は、範囲Ｔｐ０→Ｔｐ１→Ｔｐ２→Ｔｐ５→Ｔｐ６→Ｔｐ０の領域となる。モータ特性ＮＴｃの状態では、トルクＴが最大トルクＴｍａｘのとき、角速度ωは低下時速度Ｎｌｍａｘが最大角速度となる。また、角速度ωが無抑制時の最大角速度であるＮｍａｘのとき、トルクＴは低下時トルクＴ１Ｍａｘが最大トルクとなる。すなわち、抑制した場合、モータ３のトルクＴを最大トルクＴｍａｘにした後、角速度ωを上昇させても、到達可能な最大角速度は、低下時速度Ｎｌｍａｘとなり、最大角速度Ｎｍａｘには到達することが困難である。一方、抑制した状態で、角速度ωを最大角速度Ｎｍａｘにした場合、到達可能な最大トルクは、低下時トルクＴｌｍａｘが最大トルクとなり、最大トルクＴｍａｘには到達することが困難となる。

また、図７で示したように、減速期間Ｔｃにおいては、適正電圧Ｖｒｅｆの抑制が小さくなる。抑制が小さくなることにより、モータ３の特性は、矢印ＴＣで示す方向に移動し、モータ特性ＮＴｃに向かって、特性を回復するように移動する。

すなわち、図８に示したモータ特性ＮＴは、適正電圧Ｖｒｅｆに従って、蓄積装置６からモータ３に供給される電力量を抑制すると、モータ特性が低下することを表している。例えば、大型の装置において、適正電圧Ｖｒｅｆを低下させると、モータ３を最大トルクＴｍａｘに到達させた後、速度を上昇させても、最大角速度Ｎｍａｘまで上昇させることが困難になる。

次に、モータ特性とモータ加速動作について図面を用いて説明する。図９は、実施の形態１に係るモータ特性とモータ加速動作を説明するための図である。ここで、図９（Ａ）は、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制しない場合のモータ特性とモータ速度を示し、図９（Ｂ）は、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制した場合のモータ特性とモータ速度を示している。モータ３の特性は、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制されていない場合、図８で説明したようにモータ特性ＮＴｃの領域内となる。これに対して、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制されている場合、モータ３の特性は、図８で説明したようにモータ特性ＮＴａの領域内である。

先ず、図９（Ａ）を参照して、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制しないで、モータ３が目標速度Ｎｒｅｆに到達するまでのモータ加速時のトルクと角速度ωの変化を説明する。加速トルク印加区間Ｔａ１に、モータ３に対してモータ電流を流して、モータ３を駆動し、加速トルクを発生させる。速度増加区間Ｔａ２では、加速トルク印加区間Ｔａ１で発生した加速トルクにより、前記（式１）に従ってモータ３に角加速度が発生する。発生した角加速度に従って、モータ３の角速度ωが増加し、目標速度Ｎｒｅｆに到達する。角速度ωが目標速度に到達した後、加速トルク低減区間Ｔａ３において、加速トルクを減少させ、モータ３の加速動作を終了する。

適正電圧Ｖｒｅｆを抑制していない場合には、モータ３の特性は、モータ特性ＮＴｃの範囲内で変化する。所望のトルクのときの目標速度Ｎｒｅｆは、図９（Ａ）に示すように、モータ特性ＮＴｃの範囲内にあるため、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制していない場合、モータ３は目標速度Ｎｒｅｆに到達することができる。

次に、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制した場合について、図９（Ｂ）を参照して説明する。図９（Ｂ）において、ＮＴｃは、図８および図９（Ａ）で説明した抑制がない場合のモータ特性を示し、ＮＴａは、図８で説明した抑制した場合のモータ特性を示している。加速トルク印加区間Ｔａ４は加速トルク印加区間Ｔａ１と同様であり、速度増加区間Ｔａ５は速度増加区間Ｔａ２と同様である。この速度増加区間Ｔａ５では、速度増加区間Ｔａ２と同様に、前記（式１）に従って角速度ωが増加するが、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制されているため、モータ３の特性は、抑制されたモータ特性ＮＴａの範囲内となり、モータ３の速度は、目標速度Ｎｒｅｆには到達せずに、速度限界値Ｎｌｉｍまでの角速度までしか到達しない。すなわち、目標速度Ｎｒｅｆは、モータ特性ＮＴａの範囲を超えているため、モータ３の角速度ωは、目標速度Ｎｒｅｆには到達せずに、モータ特性ＮＴａの線上にある速度限界値Ｎｌｉｍまでしか到達しない。なお、図９（Ｂ）には、加速トルク低減区間Ｔａ３に相当する区間は省略されている。

図７～図９（Ｂ）で示したように、適正電圧Ｖｒｅｆの抑制に起因して、モータ３の特性が、モータ特性ＮＴａまで低下すると、モータの角速度ωは、目標速度Ｎｒｅｆまで到達しないという状況が発生する。

実施の形態１においては、一時的にモータ特性を回復する動作が行われる。すなわち、実施の形態１においては、モータ３の速度を目標速度まで駆動する際に、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制されていた場合、適正電圧Ｖｒｅｆを一時的に増加（上昇）させ、一時的にモータ特性を回復させる動作が行われる。抑制により、モータ特性がモータ特性ＮＴａとなっているときに、一時的にモータ特性がモータ特性ＮＴｃの方向へ移動するようにするため、モータ３が目標速度Ｎｒｅｆに到達することが可能となる。

適正電圧Ｖｒｅｆを一時的に増加させるために、実施の形態１においては、適正電圧Ｖｒｅｆに対して、一時的に、電圧アシスト量Ｖａｓｔが加算される。

電圧アシスト量Ｖａｓｔを加算したときの、適正電圧Ｖｒｅｆは、（式２４）および（式２５）で表される。ここで、（式２４）は、前記（式１９）に電圧アシスト量を加算した式であり、（式２５）は、前記（式２０）に電圧アシスト量を加算した式である。電圧アシスト量Ｖａｓｔは、モータ３の駆動状態によらず、任意のタイミングで適正電圧の指示により変更することができる。

図９（Ｃ）は、適正電圧Ｖｒｅｆの抑制により、モータが目標速度Ｎｒｅｆに到達しない場合に、電圧アシスト量Ｖａｓｔを加えたときのモータ動作を説明するための図である。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）と類似している。相異点は、速度増加区間Ｔａ５において、電圧アシスト量Ｖａｓｔが、適正電圧Ｖｒｅｆに追加され、適正電圧が増加していることである。

すなわち、速度限界値Ｎｌｉｍでは、角速度ωが目標速度Ｎｒｅｆに到達しないので、電圧アシスト量Ｖａｓｔが速度増加区間Ｔａ５において増加し、適正電圧Ｖｒｅｆが増加している。適正電圧Ｖｒｅｆが増加することにより、モータ３の特性は、矢印Ｔａｓの方向に移動し、モータ特性ＮＴａから回復モータ特性ＮＴａｓｔまで移動して、モータ特性の回復が行われる。これにより、モータ３の角速度ωは、目標速度Ｎｒｅｆまで到達することが可能となる。

特許文献１には、モータおよびモータ負荷に貯蔵された回転エネルギーまたはばねエネルギー等の慣性負荷や反力を発生する弾性負荷に基づいて、蓄積装置の制御指令値を可変に設定することにより低コスト、低損失かつ高密度な電源装置が記載されている。特許文献１に記載されている技術は、慣性負荷に蓄えられたエネルギーを対象とする蓄積装置の電圧を可変制御する電源装置には、特に有効である。

しかしながら、蓄積装置への制御指令値を抑えることで、モータへ供給する電力量が小さくなり、モータ特性を十分に発揮できない場合が発生するという課題があった。これに対して、実施の形態１によれば、モータ駆動により蓄積装置への制御指令値（適正電圧Ｖｒｅｆ）を抑制した状態であっても、モータが大きな電力量を必要とする場合には、蓄積装置への制御指令値（適正電圧Ｖｒｅｆ）を一時的に増加させることでモータ特性を損なうことなく動作させることが可能である。

すなわち、モータ３の負荷が慣性負荷、弾性負荷、重力負荷の場合、モータ３の運転と同時に負荷側にはエネルギーが蓄えられる。実施の形態１においては、モータ３の運転と共にモータ３の速度と電流が検出手段（エンコーダおよび電流検出器）により検出され、負荷側に蓄えられたエネルギーの量Ｅが算出される。また、蓄積装置６に蓄えられるエネルギーの適正量をＥｒｅｆとし、満充電時の蓄積装置６のエネルギーをＥｍａｘとした場合、蓄積装置６に蓄えられる適正エネルギーをＥｒｅｆ＝（Ｅｍａｘ－Ｅ）として算出して、蓄積装置６に蓄積されるエネルギーを最適化することができる。さらに、モータ負荷によって、一時的にエネルギーが必要な場合には、蓄積装置６に対しエネルギーを供給するよう制御することでモータ特性を十分に活かし、且つ、電力変換システムの小型化、高効率化、低コスト化を実現することが可能となる。

＜電力変換システムおよびモータ制御方法の具体例＞
次に、実施の形態１に係る電力変換システムおよびそれによるモータ制御方法の具体的な一例を、図面を用いて説明する。

図１０は、実施の形態１に係る電力変換システムの具体的な一例を示すブロック図である。電力変換システム２００は、空圧式ダイクッション付プレス機（以下、単にプレス機とも称する）を負荷としてモータで駆動する場合に用いられる。すなわち、モータ負荷１２が、プレス機によって構成されている。プレス機については、既に図３および図４を用いて説明しているので、ここでは説明を省略する。なお、図１０においては、モータ負荷１２として、プレス機が備えるスライド２５と空圧式ダイクッション３１のみが描かれている。

図１０は、図１に類似している。図１０に示しているモータ３、順変換器４、昇降圧電源回路５、蓄積装置６、逆変換器７、交流モータ９、エンコーダ１０、電源１１および上位装置１３については、図１で既に説明しているので、必要が無い限り説明を省略する。図１との主な相異点は、図１０では、電源装置１内の電圧指令演算回路１５の構成と電力変換装置（モータ電力変換装置）２内の制御回路８の構成がより詳しく示されていることである。

図１で説明したように、電源装置１は、順変換器４と、昇降圧電源回路５と、蓄積装置６と、昇降圧電源回路５の動作を制御して直流電圧ＶＰＮを制御する電圧指令演算回路１５とを備えている。また、電力変換装置２は、逆変換器７と制御回路８とを備えており、電源装置１に供給される電力を変換してモータ３に供給することでモータ３の動作を制御するとともに、モータ３の回生動作により生成された電力を電源装置１の蓄積装置６に供給する。

制御回路８は、逆変換器７の動作を制御するとともに、モータ３に設けられたエンコーダ１０を介して得られるモータ３の角速度と、後で説明するが、逆変換器７に設けられた電流検出器５９および６０で検出される電流値に基づいて演算されるモータ３のトルクと、予め設定されたモータ３に関する慣性モーメントとに基づいて、モータ３およびモータ３により駆動されるモータ負荷（プレス機）１２に貯蔵されたエネルギーである蓄積エネルギーを算出する。

より具体的に述べると、制御回路８は、電流検出器５９、６０やエンコーダ１０などからの検出結果に基づいてゲート信号を生成し、このゲート信号で逆変換器７を制御してモータ３の駆動を制御するとともに、モータ３の角速度やトルク等を演算する位置速度電流制御回路１６と、位置速度電流制御回路１６の演算結果に基づいてモータ負荷１２であるプレス機の蓄積エネルギーを算出する蓄積エネルギー演算回路（演算回路）１４とを備えている。

前記した電圧指令演算回路１５は、制御回路８によって算出された蓄積エネルギーと、蓄積装置６への蓄積が許容される電力量の最大値として予め定められた最大電力量とに基づいて昇降圧電源回路５を制御し、電源１１から蓄積装置６に蓄積される電力量を制御する。

モータ負荷（プレス機）１２のスライド２５を駆動するモータ３は、交流モータ９と交流モータ９に設けられたエンコーダ１０とで構成されている。交流モータ９の速度、位置および磁極位置がエンコーダ１０で検出され、モータ３の情報として、電力変換装置２の制御回路８の位置速度電流制御回路１６にフィードバックされる。

また、位置速度電流制御回路１６には、上位装置１３からモータ駆動指令が供給される。位置速度電流制御回路１６は、エンコーダ１０からフィードバックされた情報（速度、位置、磁極位置）と、上位装置１３からのモータ駆動指令とを比較演算し、モータ３によって駆動されるプレス機のスライド２５がモータ駆動指令どおりに追従するように、ＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号を逆変換器７に出力する。

逆変換器７は、電源装置１から供給されるＤＣ電圧（ＰＮ間電圧）を入力して、交流の可変電圧、可変電流に変換し、変換された可変電圧、可変電流で交流モータ９を駆動し、モータの位置、速度および電流を制御する。なお、交流モータ９の電流は、逆変換器７内に設けられた電流検出器５９および６０（後述）によって検出され、位置速度電流制御回路１６へフィードバックされてトルク等の演算に用いられる。

電源装置１は、電源１１から交流電力を入力し、順変換器４でＡＣからＤＣ電圧に変換し、昇降圧電源回路５へＤＣ電圧を入力する。昇降圧電源回路５は、ＤＣ電圧を昇圧、降圧、又は、昇降圧の両方を行うことで逆変換器７に可変のＤＣ電圧を与える。昇降圧電源回路５は電圧指令演算回路１５によって制御されている。

電圧指令演算回路１５は、電力変換装置２の制御回路８における演算で形成された総蓄積エネルギーＥを入力し、蓄積装置６のＤＣ電圧ＶＰＮが最適な電圧になるように昇降圧電源回路５を可変電圧制御する。また、蓄積装置６は、昇降圧電源回路５と逆変換器７の間に設置されており、電源１１から供給される電気エネルギーや、プレス機からモータ３、逆変換器７などを介して供給される回生エネルギーを蓄積する。

＜＜電力変換システムにおける制御の概要＞＞
電力変換システム２００全体の制御の概略を説明する。

まず、モータ負荷１２であるプレス機の慣性負荷に蓄えられるエネルギーについて説明する。上位装置１３からモータ駆動指令が与えられると、電力変換装置２は、モータ駆動指令に従ってモータ３の動作を開始し、指令に従ったスライド２５の昇降動作を開始させる。スライド２５が昇降動作を開始する場合は、電力変換装置２は、モータ３やその負荷に連なる機構部を含む慣性モーメントに蓄えられた慣性負荷の蓄積エネルギーの量をリアルタイムで演算する。また、スライド２５と空圧式ダイクッション装置３１が共に昇降動作を開始する場合、電力変換装置２は、空圧式ダイクッション装置３１まで含む慣性モーメントに蓄えられた慣性負荷の蓄積エネルギーの量をリアルタイムで演算する。

次に回生停止するときに、その回生エネルギーが戻ってきても蓄積装置６の蓄積容量がオーバフローしないようにしなければならない。このため、動き始めと同時に予め蓄積装置６に蓄積されているエネルギーの容量を下げておくように制御する。このように制御された状態で、上位装置１３からモータ駆動指令として回生停止指令が発行されると、実際に回生エネルギーが戻ってきても運転開始前の元のエネルギー状態のレベルに戻るので、蓄積装置６が過充電の状態になることはない。

上述の蓄積エネルギーの演算は、電力変換装置２の制御回路８内の蓄積エネルギー演算回路１４が行い、蓄積装置６のエネルギー容量の最適値の制御は、蓄積装置６の電圧に置き直したＰＮ間電圧指令（適正電圧）Ｖｒｅｆによって、電源装置１の電圧指令演算回路１５で行なわれる。

＜＜＜蓄積エネルギー演算回路および電圧指令演算回路＞＞＞
次に、電力変換装置２内の蓄積エネルギー演算回路１４と、電源装置１内の電圧指令演算回路１５の動作について説明する。

位置速度電流制御回路１６から、蓄積エネルギー演算回路１４に入力される信号は、エンコーダ１０で検出された角速度検出信号ωとトルク検出信号Ｔｑと、慣性モーメントＪと、積分クリア信号ＣＬＲ１，ＣＬＲ２信号である。

始めに慣性負荷に蓄えられるエネルギーについて説明する。モータ３の角速度検出信号ωと慣性モーメントＪとが加減速トルク演算回路４２に入力され、これらに基づいて加減速トルク演算回路４２が加減速トルクＴαを算出する。加減速トルク演算回路４２の出力Ｔαと角速度検出信号ωが、加減速動力演算回路４３で演算され、加減速動力演算回路４３から加減速動力Ｐαが出力される。加減速動力Ｐαは、慣性負荷蓄積エネルギー演算回路４４で時間積分演算が行われ、慣性負荷蓄積エネルギーＥαとして出力される。なお、加減速動力演算回路４３と慣性負荷蓄積エネルギー演算回路４４とによって、慣性負荷蓄積エネルギー演算ブロック４０が構成されていると見なすことができる。

次に、弾性負荷に蓄えられるエネルギーについて説明する。トルク検出信号Ｔｑと加減速トルク演算回路４２の出力Ｔαが、加減算演算器５１＿１で演算され、加減算演算器５１＿１から弾性負荷トルクＴｄとして出力される。この弾性負荷トルクＴｄと角速度検出信号ωが、弾性負荷動力演算回路４５で演算され、弾性負荷動力Ｐｄとして出力される。弾性負荷動力Ｐｄは、弾性負荷蓄積エネルギー演算回路４６で時間積分演算が行われ、弾性負荷蓄積エネルギーＥｄとして出力される。なお、弾性負荷動力演算回路４５と弾性負荷蓄積エネルギー演算回路４６とによって、弾性負荷蓄積エネルギー演算ブロック４１が構成されていると見なすことができる。

なお、慣性負荷蓄積エネルギー演算回路４４と弾性負荷蓄積エネルギー演算回路４６には、位置速度電流制御回路１６から積分クリア信号ＣＬＲ１、ＣＬＲ２も供給されている。この積分クリア信号ＣＬＲ１、ＣＬＲ２信号は積分演算回路、すなわち、慣性負荷蓄積エネルギー演算回路４４、弾性負荷蓄積エネルギー演算回路４６の出力をクリアする信号である。なお、位置速度電流制御回路１６から加減速トルク演算回路４２へ出力される慣性モーメントＪは、交流モータ９の回転子慣性モーメントとモータ軸換算されたモータ３の負荷側の慣性モーメントの合計値である。

慣性負荷蓄積エネルギー演算ブロック４０の出力Ｅαと弾性負荷蓄積エネルギー演算ブロック４１の出力Ｅｄは、加算演算器５０＿１で加算演算が行われ、電源装置１の電圧指令演算回路１５へ総蓄積エネルギーＥとして出力される。

電圧指令演算回路１５では、満充電時エネルギー設定ブロック４７に蓄積装置６の満充電時のエネルギーとして値Ｅｍａｘが設定されている。この値Ｅｍａｘと総蓄積エネルギーＥとが加減算演算器５１＿２で演算される。これにより、電力変換装置２の蓄積エネルギー演算回路１４から出力された総蓄積エネルギーＥと値Ｅｍａｘとの差、すなわち蓄積装置６に蓄えられる適正エネルギーＥｒｅｆが算出される。

ここで、例えば、蓄積装置６として容量（電解コンデンサ）Ｃを使用する場合には、加減算演算器５１＿２の出力である適正エネルギーＥｒｅｆに、比例係数ブロック４８でｋ＝２／Ｃを掛算後、平方根演算回路４９で平方根演算を行うことにより、蓄積装置６に対しての適正電圧（電圧指令）Ｖｒｅｆが得られる。

電圧アシスト量演算ブロック８０には、平方根演算回路４９から適正電圧Ｖｒｅｆが供給され、さらに位置速度電流制御回路１６から速度指令ωｃｏｍと、目標角速度ωｒｅｆと、角速度検出信号ωと、トルク検出信号Ｔｑと、速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇと、低下適正電圧Ｖａｄｊが供給されている。電圧アシスト量演算ブロック８０は、供給されているこれらに基づいて、電圧アシスト量Ｖａｓｔを出力する。電圧アシスト量Ｖａｓｔを出力する電圧アシスト量演算ブロック８０については、後で図１５、図１６等を用いて説明するので、ここでは省略する。適正電圧Ｖｒｅｆと電圧アシスト量Ｖａｓｔは、加算演算器５０＿２で加算され、加算演算器５０＿２は適正電圧Ｖｒｅｆａとして出力する。

また、蓄積装置６の両端電圧ＶＰＮ（ＰＴ－ＮＴ間電圧）は、後で説明するが、直列接続された抵抗値Ｒ１の抵抗器５６および抵抗値Ｒ２の抵抗器５７により分圧され、検出値（フィードバック電圧）Ｖｆとして、昇降圧電源回路５から出力される。このフィードバック電圧Ｖｆは、絶縁増幅器１８で電気絶縁を行った後で、フィードバックされる。その後、蓄積装置６の適正電圧Ｖｒｅｆａとフィードバック電圧Ｖｆは、加減算演算器５１＿３でＶｒｅｆａ－Ｖｆの差演算が行われる。加減算演算器５１＿３で求められた差電圧は、ＰＩ調節器１７で比例積分演算される。ＰＩ調節器１７の出力は駆動回路１９を経由して昇降圧電源回路５に供給され、昇降圧電源回路５はＰＩ調節器１７によって制御される。すなわち、ＰＩ調節器１７によって、昇降圧電源回路５の両端電圧ＶＰＮ、すなわち蓄積装置６の出力電圧が、適正電圧Ｖｒｅｆａの値に従ってフィードバック制御されることになる。適正電圧Ｖｒｅｆａに従って、昇降圧電源回路５の両端電圧、すなわち蓄積装置６の電圧が指示されるため、適正電圧Ｖｒｅｆａは、蓄積装置６の電圧値を指示する電圧指令と見なすことができる。

図１１は、実施の形態１に係る電源装置の順変換器、昇降圧電源回路および蓄積装置の一例を示す図である。図１１では、昇降圧電源回路５として、昇圧動作を行う回路が例示されている。すなわち、図１１の昇降圧電源回路５は、昇圧電源回路である。

順変換器４は、電源１１から供給される三相の交流電圧を全波整流器５５により整流して、受電電圧で決まる概略一定の直流電圧に変換する。変換された直流電圧は、平滑コンデンサ５２によって平滑される。平滑された直流電圧は、昇圧電源回路である昇降圧電源回路５において、昇圧リアクトル５８を経由してＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチング素子５３に供給される。スイッチング素子５３がＯＮすると昇圧リアクトル５８に流れる電流が増大し、次にスイッチング素子がＯＦＦした時、昇圧リアクトル５８からスイッチング素子５３に流れていた電流はダイオード５４側に切り替わる。これにより、出力電圧ＶＰＮには直流電圧（ＰＴ－ＮＴ間電圧）に昇圧リアクトル５８の両端に発生する電圧ｅ＝－Ｌ・（ｄＩ／ｄｔ）が加算され、出力電圧ＶＰＮは昇圧される。スイッチング素子５３は、図１０に示した駆動回路１９によってＯＮ／ＯＦＦが繰り返され、そのＯＮ／ＯＦＦ導通比を変えることで昇圧電圧の可変制御が可能な昇降圧電源回路５が構成されている。

昇降圧電源回路５の出力には蓄積装置６として平滑コンデンサ５２が接続され、交流電源１１側から充電される電気エネルギーや負荷側から回生される回生エネルギーが蓄えられる。なお、図１１には、蓄積装置６に平滑コンデンサ５２を使用した例が示されているが、これに限定されるものではない。例えば、蓄積装置６の大容量化を図るために、大容量電解コンデンサを並列接続し、大容量化したものを蓄積装置６として使用しても良いし、２次電池、電気二重層コンデンサ等を蓄積装置６として使用しても良い。

また、図１１において、５６および５７は、前記した抵抗を示しており、両端電圧（出力電圧）ＶＰＮは、端子ＰＴとＮＴとの間に直列接続された抵抗器５６と５７の抵抗値Ｒ１、Ｒ２の比で定まる分圧比に従って分圧され、フィードバック電圧Ｖｆとして出力される。

＜＜＜＜変形例＞＞＞＞
図１２は、実施の形態１に係る電源装置の順変換器、昇降圧電源回路および蓄積装置の変形例を示す図である。図１２には、昇降圧電源回路として、降圧動作を行う回路を用いた場合が示されている。すなわち、図１２における昇降圧電源回路５Ａは、降圧電源回路である。

順変換器４は、交流電源１１から供給される三相の交流電圧を全波整流器５５により整流して、受電電圧で決まる概略一定の直流電圧に変換する。変換された直流電圧は、平滑コンデンサ５２により平滑される。変形例においては、駆動回路１９によってＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチング素子５３が、昇降圧電源回路５Ａの入口に設けられている。スイッチング素子５３がＯＮすると、降圧リアクトル５８Ａと負荷が直列に接続されるため、平滑コンデンサ５２で平滑された直流電圧は分圧され、昇降圧電源回路５Ａから出力される。スイッチング素子５３のＯＮ／ＯＦＦ導通比を変えることで、変形例に係る昇降圧電源回路５Ａは、降圧電圧の値を可変制御することが可能である。昇降圧電源回路５Ａの出力には、蓄積装置６として機能する平滑コンデンサ５２が接続され、交流電源１１側から充電される電気エネルギーや負荷側から回生される回生エネルギーが蓄えられる。蓄積装置６は、図１１と同様に、種々の構成を採用することができる。蓄積装置６の大容量化についても、図１１と同様である。

＜＜＜逆変換器および位置速度電流制御回路＞＞＞
次に、逆変換器７および位置速度電流制御回路１６について、図面を用いて説明する。図１３は、実施の形態１に係る電力変換装置内の逆変換器および位置速度電流制御回路の構成を示す図である。電力変換装置２としては、ＡＣサーボアンプ、ベクトル制御インバータやインバータおよびＤＣＢＬ（ＤＣブラシレス）コントローラが用いられ、これらをまとめて電力変換装置２と称する。図１３には、特に制限されないが、インバータに含まれる逆変換器７とコントローラに含まれる位置速度電流制御回路１６が例示されている。

逆変換器７は、３相インバータ７＿１と電流検出器５９、６０を備えている。３相インバータ７＿１は、並列接続された３つのアームを備えている。それぞれのアームにおいては、スイッチング素子５３とダイオード５４とが逆並列に接続された逆並列回路が、２組設けられ、２組の逆並列回路が端子ＰＴ－ＰＮ間に直列接続されている。なお、図１３には、３相インバータ７＿１を用いる場合が例示されているが、他の多相インバータを用いるようにしても良い。各アームにおいて、２組の逆並列回路を接続する中間端子は、モータ３内の交流モータ９のモータ端子に接続されている。

３組のモータ端子（Ｕ相、Ｗ相、Ｖ相に相当）のうち２相（Ｕ相、Ｗ相）に、Ｕ相電流検出器とＷ相電流検出器がそれぞれ接続されている。Ｕ相電流検出器が電流検出器５９に該当し、Ｗ相電流検出器が電流検出器６０に該当する。これらの電流検出器５９、６０で検出された電流は、電流フィードバック信号Ｉｕｆ、Ｉｗｆとして、位置速度電流制御回路１６に供給される。なお、Ｕ相電流検出器とＷ相電流検出器とを合わせて、単に、電流検出器と称する場合がある。

交流モータ９には、永久磁石式モータや誘導型モータ、ＤＣブラシレスモータ（ＤＣＢＬモータ）などが使用される。なお、交流モータ９は、円筒状の中心に出力軸があり、この出力軸が回転する永久磁石式モータや誘導型モータのみに限定されるものではない。例えば、交流モータ９の円周上の固定子側の一か所を切り開いて直線にして回転部分を直線的な往復運動としたリニアモータでもよい。リニアモータを駆動するＡＣサーボアンプやベクトル制御インバータやインバータ、ＤＣＢＬコントローラとしては、交流モータ９のものをそのまま流用可能である。リニアモータの場合のセンサは、エンコーダ１０の代わりに固定部にリニアセンサスケール、移動部にリニアセンサヘッドを移動経路上に相対して設置し、位置および速度を検出する。また、マグネットの磁極位置検出信号が必要な場合は、磁極位置検出センサを取り付けることで対応できる。なお、ＡＣサーボアンプで駆動されるリニアモータは、リニアサーボモータとも呼ばれる。以降の説明において、交流モータ９は、特段の記載がない場合にはリニアモータを含むものとする。

交流モータ９の出力軸に取り付けられたエンコーダ１０の出力は、位置速度電流制御回路１６内の位置速度磁極位置演算回路６２に入力される。位置速度磁極位置演算回路６２は、エンコーダ１０の出力を基にして演算を行い、演算結果の一つである回転速度Ｎは、フィードバックへ出力され、演算結果の他の一つである磁極位置信号θは３相／ｄｑ変換回路６８およびｄｑ／３相変換回路６６へ出力される。

位置速度磁極位置演算回路６２から出力された回転速度Ｎは、演算器７０に供給される。演算器７０においては、回転速度Ｎを基にして、角速度検出信号ωを算出し、出力する。また、回転速度Ｎは、フィードバックとして、加減算演算器５１＿４に供給される。

加減算演算器５１＿４に、モード切替スイッチ（Ｍｏｄ２）７４を介して、上位装置１３から出力されるモータ駆動指令に含まれている速度指令Ｎｓが供給されると、加減算演算器５１＿４は、回転速度Ｎと速度指令Ｎｓとの間の偏差ε＝Ｎｓ－Ｎを算出する。算出された偏差εは、速度制御回路（ＡＳＲ）６３で増幅され、モード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３を通り、トルク電流指令Ｉｑとして出力される。

前記モード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３は、ＯＮのとき、トルク指令Ｔｓをトルク電流指令Ｉｑに切り替え、ＯＦＦのとき、位置指令または速度指令をトルク電流指令Ｉｑに切り替える。図１３には、前記モード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３が、ＯＦＦのときの状態が示されている。また、前記モード切替スイッチ（Ｍｏｄ２）７４は、ＯＮのとき、ＡＰＲ７１から出力される位置指令θｓを加減算演算器５１＿４に供給し、ＯＦＦのとき、速度指令Ｎｓを加減算演算器５１＿４に供給する。図１３には、前記モード切替スイッチ（Ｍｏｄ２）７４が、ＯＦＦのときの状態が示されている。

モード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３から出力される指令は、モータ駆動指令と見なすことができる。このモータ駆動指令をどのモードに切り替えるかは、上位装置１３から位置速度電流制御回路１６内のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）７２に指令され、ＣＰＵ７２が指令されたモードに応じて、モード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３とモード切替スイッチ（Ｍｏｄ２）７４をＯＮ／ＯＦＦさせる。図１３に示されているモード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３とモード切替スイッチ（Ｍｏｄ２）７４の状態は、速度指令に係わるモードが指令された状態を示しており、トルク電流指令Ｉ１がモータ駆動指令として、モード切替スイッチ（Ｍｏｄ１）７３から出力されている。

ＣＰＵ７２は、特に制限されないが、前記した積分クリア信号ＣＬＲ１、ＣＬＲ２を出力するとともに、速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇおよび低下適正電圧Ｖａｄｊを出力する。すなわち、ＣＰＵ７２は、上位装置１３からのモータ駆動指令に基づいて、位置速度電流制御回路１６全体の動作の制御を行う。

３相／ｄｑ変換回路６８は、入力されている電流フィードバック信号ＩｕｆおよびＩｗｆを、ｄｑ軸が直交する２つのベクトル信号であるｄ軸電流負フィードバック信号Ｉｄｆおよびトルク電流フィードバック信号Ｉｑｆに変換する。トルク電流フィードバック信号Ｉｑｆとトルク電流指令Ｉｑは、加減算演算器５１＿５に入力され、加減算演算器５１＿５は、トルク電流指令Ｉｑとトルク電流フィードバック信号Ｉｑｆとの差を演算する。この演算により求められた差である偏差は、ｑ軸電流制御回路（ＡＣＲ）６５で増幅される。ｄ軸電流指令Ｉｄは、弱め界磁制御を行う場合の電流指令であり、このｄ軸電流指令Ｉｄとｄ軸電流負フィードバック信号Ｉｄｆとが、加減算演算器５１＿５に入力され、加減算演算器５１＿５は、ｄ軸電流指令Ｉｄとｄ軸電流負フィードバック信号Ｉｄｆとの差を演算する。演算により求めた差である偏差は、ｄ軸電流制御回路（ＡＣＲ）６４で増幅される。

ｄ軸電流制御回路（ＡＣＲ）６４の出力であるｄ軸電流指令Ｖｄおよびｑ軸電流制御回路（ＡＣＲ）６５の出力であるｑ軸電圧指令Ｖｑは、ｄｑ／３相変換回路６６に入力される。ｄｑ／３相変換回路６６は、ｄ軸電流指令Ｖｄおよびｑ軸電圧指令Ｖｑを、３相電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換し、ＰＷＭ回路６７へ出力する。ＰＷＭ回路６７の出力は、駆動回路６１を経由して逆変換器７の６個のスイッチング素子５３を駆動するゲート信号として出力されることで、モータ３がモータ駆動指令に追従して制御されることになる。

交流モータ９の慣性モーメントＪｍとモータ軸換算されたモータ３の負荷側の慣性モーメントＪｌの合計値Ｊ＝Ｊｍ＋Ｊｌは、実施の形態１では、試運転時に電力変換装置２のパラメータエリア７５に、計算値の慣性モーメントＪとして入力される。この場合、パラメータエリア７５に格納された慣性モーメントＪは、電力変換装置２の試運転機能による慣性モーメントＪのオートチューニング機能でチューニングしてもよい。また、電力変換装置２に、運転中にリアルタイムで慣性モーメントＪをチューニングする機能（リアルタイムオートチューニングの機能）があれば、その機能で、パラメータエリア７５における慣性モーメントＪが変化し、リアルタイムでチューニングされた値に更新される。

位置速度電流制御回路１６のＣＰＵ７２は、チューニング等によってパラメータエリア７５に記憶され、更新された慣性モーメントＪを蓄積エネルギー演算回路１４の加減速トルク演算回路４２に出力して、加減速トルク演算回路４２で用いる慣性モーメントＪをリアルタイムで更新することができる。なお、これらのパラメータは、電源オフ時にその時点の値がＲＡＭメモリから、不揮発性メモリに書き込まれ、次の電源投入時に不揮発性メモリからＲＡＭメモリに読み出しされて更新された慣性モーメントＪが引き継がれる。

図１３において、６９は、トルク演算器を示している。トルク演算器６９は、ｄ軸電流負フィードバック信号Ｉｄｆとトルク電流フィードバック信号Ｉｑｆとに基づいて、トルク検出信号Ｔｑを算出する。なお、位置速度電流制御回路１６内の１８００は、メモリ（記憶装置）を示している。このメモリ１８００は、実施の形態２において説明するので、ここでは説明しない。

位置速度電流制御回路１６は、上位装置１３から、モータ駆動指令として、位置指令θｓ、トルク指令Ｔｓおよび速度指令Ｎｓを受け、蓄積エネルギー演算回路１４に対して、角速度検出信号ω、トルク検出信号Ｔｑ、慣性モーメントＪおよび積分クリア信号ＣＬＲ１、ＣＬＲ２を出力する。また、位置速度電流制御回路１６は、電圧アシスト量演算ブロック８０に対して、低下適正電圧Ｖａｄｊ、速度指令ωｃｏｍ、目標角速度ωｒｅｆ、角速度検出信号ωおよび速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇを出力する。図１３に示した位置速度電流制御回路１６では、モード切替スイッチ（Ｍｏｄ２）７４の出力が、速度指令ωｃｏｍおよび目標角速度ωｒｅｆとして出力する。

図１４は、実施の形態１に係る電力変換システムを説明するための波形図である。

図１４には、プレス機で絞り加工を行ったときの角速度検出信号、トルク検出信号、総蓄積エネルギーおよび適正電圧の波形の一例が示されている。

実施の形態１において、図１３に示したように、スライドモータ（モータ３）の角速度検出信号ωとトルク検出信号Ｔｑは、位置速度電流制御回路１６から出力される。絞り加工では、スライド２５（図１３）側の上金型と空圧式ダイクッション装置３１（図１３）側の下金型の間にブランク材を挟み込み、上からのスライドトルクと空圧式ダイクッション装置３１による下からの押し上げ反力により、上下両方からブランク材に圧縮力が加えられる。

図１４に示すように、絞り加工の初めは、スライド２５は上死点から高速で下降を開始し、空圧式ダイクッション装置３１に接触する直前に中速まで減速する。中速になった後、絞り加工に入り下死点を通過後、スライド２５は上昇に転じ空圧式ダイクッション装置３１から離れた後、角速度検出信号ωは再び高速に加速し上死点で停止する。ここでスライドモータの回転方向は一方方向運転であるが、スライド２５の運転方向は下降、上昇と切り替わる。なお、図１４では、中速時に絞り加工期間中として、矢印の範囲で絞り加工のタイミングを示している。

図１４に示すように、絞り加工をしていないときのスライドトルク（トルク検出信号Ｔｑ）は、加速時に加速トルクが正側に、減速時に減速トルクが負側に発生する。すなわち、角速度の変化時にのみ加減速トルクが発生する。絞り加工期間中に入ると、スライド２５は下降しながら空圧式ダイクッション装置３１の圧縮空気を徐々に押すため、弾性エネルギーが蓄えられ、スライドモータのスライドトルクは正方向に徐々に増大する。下死点では、押し当てトルクが零になるが空圧式ダイクッション装置３１からの反力を受けた状態となる。下死点を通過して上昇に転ずると、空圧式ダイクッション装置３１の増大した反力によりスライドトルク（トルク検出信号Ｔｑ）は中速を維持するため、回生ブレーキトルクに切り替わり負方向となる。スライド２５が空圧式ダイクッション装置３１から離れると、蓄えられた弾性エネルギーが開放されて回生トルクは急速に減少して零になる。なお、図１４においては、絞り加工期間中として矢印の範囲で示す部分において、ダイクッショントルクが発生している。

図１４には、プレス機で絞り加工を行った場合の蓄積エネルギー演算回路１４（図１０）の加算演算器５０＿１の出力波形が、総蓄積エネルギーＥの一例として示されている。この総蓄積エネルギーＥの波形は、慣性負荷蓄積エネルギーＥαと弾性負荷蓄積エネルギーＥｄとが加算された波形そのものである。

また、図１４には、プレス機で絞り加工を行った場合の電圧指令演算回路１５（図１０）における適正電圧Ｖｒｅｆの波形の一例が示されている。図１４の区間Ｔａｄｄでは、スライドモータの角速度検出信号ωが、目標角速度ωｒｅｆに到達するまで、トルク検出信号Ｔｑが印加される。トルク検出信号Ｔｑの印加に伴い角速度検出信号ωは増加し、適正電圧Ｖｒｅｆは総蓄積エネルギーＥの増加に従って抑制される。適正電圧Ｖｒｅｆを抑制すると、図９（Ｂ）で示した通りモータ特性ＮＴの特性が低下するため、角速度検出信号ωで示される角速度は目標角速度ωｒｅｆまで到達しない場合がある。

区間Ｔｄｄについて、図面を用いてさらに詳しく説明する。図１５は、実施の形態１に係る電力変換システムを説明するための波形図である。図１５には、図１４に示した区間Ｔｄｄにおけるトルク検出信号Ｔｑ、角速度検出信号ωおよび適正電圧（電圧指令）Ｖｒｅｆａの波形と、速度偏差に関する波形が示されている。図１４では、適正電圧として、図１０に示した加算演算器５０＿２に入力される適正電圧Ｖｒｅｆが示されていたが、図１５では、適正電圧として、加算演算器５０＿２から加減算演算器５１＿３に出力される電圧指令Ｖｒｅｆａが示されている。

図１５を用いて、区間Ｔａｄｄの間、角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達しない場合、適正電圧Ｖｒｅｆを増加させることが必要と判断する手段とその効果を説明する。

図１５において、時間Ｔａｄｄ１のとき、スライドモータの角速度検出信号ωが目標角速度ωｒｅｆに到達するまで、トルク検出信号Ｔｑが印加される。トルク検出信号Ｔｑの印加に伴い角速度検出信号ωは、速度指令ωｃｏｍに従って増加するが、時間Ｔａｄｄ２の時点では、角速度検出信号ωがモータ特性ＮＴの低下により速度指令ωｃｏｍに到達しない。すなわち、角速度が、目標角速度ωｒｅｆに到達しない。

図１５に示している速度偏差ωｅｒｒは、速度指令ωｃｏｍと角速度検出信号ωの差分値である。速度偏差ωｅｒｒは、時間Ｔａｄｄ２まで速度指令ωｃｏｍに従って、角速度検出信号ωが増加しているため、速度偏差ωｅｒｒは一定であるが、時間Ｔａｄｄ２に到達すると、速度指令ωｃｏｍは目標角速度ωｒｅｆまで増加し続けるが、角速度検出信号ωは一定速度になるため、速度偏差ωｅｒｒが更に増加する。

図１５において、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂは、前回測定した速度偏差の値（速度偏差前回値）と今回の速度偏差との差分を示している。（式２６）を用いて、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂを説明する。

速度偏差前回値ωｅｒｒｏｌｄは、速度偏差ωｅｒｒの前回値である。速度偏差ωｅｒｒと速度偏差前回値ωｅｒｒｏｌｄとの差分が、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂとなる。

時間Ｔａｄｄ２と時間Ｔａｄｄ３の間、速度指令ωｃｏｍは増加するが、角速度検出信号ωは一定速度であるため速度偏差ωｅｒｒが徐々に増加し、（式２６）より、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂが発生する。図１５では、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂが速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇ以上である場合、角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達していない指標となる。この場合、トルク検出信号Ｔｑは、角速度検出信号ωが目標角速度ωｒｅｆに到達していないため、一定トルクを出力し続けることとなる。

実施の形態１においては、トルク検出信号Ｔｑが一定トルク以上出力し続け、且つ適正電圧Ｖｒｅｆを抑制している状態で、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂが一定期間で一定値を保持し続けた場合、モータ特性ＮＴの低下によって角速度検出信号ωにより表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達しないと判断し、時間Ｔａｓｔで電圧アシスト量Ｖａｓｔを徐々に増加させる。

電圧アシスト量Ｖａｓｔの増加に伴い、適正電圧Ｖｒｅｆａは、アシスト後適正電圧（Ｖａｄｊ＋Ｖａｓｔ）に向かって増加するため、図９（Ｃ）に示したようにモータ特性ＮＴが回復し、角速度検出信号ωによって表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに向かって増加する。角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達すると、モータ特性ＮＴを一時的に増加する必要がなくなるため、時間Ｔａｄｄ４で電圧アシスト量Ｖａｓｔを減少させ、適正電圧Ｖｒｅｆａを低下適正電圧Ｖａｄｊまで低下させる。ここで、適正電圧Ｖｒｅｆａを低下させただけでは、実際のＰＴ－ＮＴ間電圧ＶＰＮは適正電圧Ｖｒｅｆａに従って減少しないが、実際のＰＴ－ＮＴ間電圧ＶＰＮはモータの定速運転により消費される電力が発生するため、電圧ＶＰＮは適正電圧Ｖｒｅｆａに従うことになる。

＜＜電圧アシストの判定処理＞＞
次に、電圧アシストを実施するか否かを判定する判定処理を、図面を用いて説明する。図１６は、実施の形態１に係る電力変換システムで行われる処理を示すフローチャート図である。図１６には、電圧アシストを行う際の判定処理の一例が示されている。

電圧アシスト判定処理は、処理１２００で電圧アシスト判定を開始し、トルク判定処理１２０１に遷移する。トルク判定処理１２０１では、トルク検出信号Ｔｑによって示されるトルク検出値が、規定値以上であるかの判定が行われる。トルク検出値が、規定値以上であれば、一定のトルクが出力されているため、モータ特性が低下している可能性があると判定し、トルク判定設定処理１２０６に遷移する。このトルク判定設定処理１２０６では、トルク判定フラグが、ＯＮに設定される。トルク判定設定処理１２０６の後、または、トルク判定処理１２０１でトルク検出値が、規定値より小さいと判定した場合、次の判定を行うため適正電圧判定処理１２０２に遷移する。なお、トルク判定処理１２０１で用いられる規定値としては、例えば図８で説明したＴｌｍａｘ、すなわち、モータ特性低減後に最大角速度で出力可能な低下時トルクＴｌｍａｘ等が一例として挙げられる。

適正電圧判定処理１２０２では、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制状態であるか否かが判定される。なお、抑制状態の判定条件は適正電圧Ｖｒｅｆが一定量だけ低下した場合などが挙げられる。図１５を例にして述べると、適正電圧Ｖｒｅｆが低下適正電圧Ｖａｄｊに到達した場合、抑制状態と判定する。

適正電圧Ｖｒｅｆが抑制状態である場合、モータ特性が低下している可能性があると判定し、電圧判定設定処理１２０７に遷移し、電圧判定フラグをＯＮに設定する。

電圧判定設定処理１２０７後、または、適正電圧判定処理１２０２で、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制状態でないと判断した場合、次の判定を行うため速度偏差判定処理１２０３に遷移する。速度偏差判定処理１２０３では、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂが一定期間、一定値以上を出力し続けたか否かを判定する。速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂは、図１５で示したとおり、角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達しない場合、速度指令ωｃｏｍが増加中に、一定値以上の値となる。図１５を例にして述べると、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂが、時間Ｔａｄｄ２と時間Ｔａｄｄ３の間、速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇ以上であった場合、角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達していないと判定し、速度判定設定処理１２０８に遷移する。この速度判定設定処理１２０８で、速度判定フラグがＯＮに設定される。

速度判定設定処理１２０８後、または、速度偏差判定処理１２０３で、角速度検出信号ωが速度指令ωｃｏｍに到達中、またはこの判定処理の途中の場合、次の判定を行うためフラグ判定処理１２０４に遷移する。

フラグ判定処理１２０４では、トルク判定フラグ＝ＯＮ、電圧判定フラグ＝ＯＮ、速度判定フラグ＝ＯＮである場合、適正電圧Ｖｒｅｆを抑制したためモータ特性ＮＴが低下し、角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達しないと判定し、速度到達判定処理１２０５へ遷移する。なお、トルク判定フラグ、電圧判定フラグ、速度判定フラグのいずれかがＯＦＦの場合、電圧アシスト量Ｖａｓｔは不要と判断して、処理１２１２に遷移し、電圧アシスト判定を終了する。

速度到達判定処理１２０５では、角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度（指令速度）ωｒｅｆに到達したか否かを判定する。判定方法としては、角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに一致した場合などが挙げられる。

角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達しない場合、電圧アシスト処理１２０９へ遷移し電圧アシスト処理を行う。電圧アシスト処理１２０９で行う電圧アシスト処理は、図１５で示したように電圧アシスト量Ｖａｓｔを徐々に増加すればよい。

速度到達判定処理１２０５で、角速度検出信号ωで表される角速度が目標角速度ωｒｅｆに到達したと判定した場合、電圧アシスト終了処理１２１０に遷移し、電圧アシスト終了処理を行う。電圧アシスト終了処理とは、電圧アシスト量Ｖａｓｔを徐々に減少するなどの処理が挙げられる。電圧アシスト終了処理１２１０後、判定フラグクリア処理１２１１で、トルク判定フラグ＝ＯＦＦ、電圧判定フラグ＝ＯＦＦ、速度判定フラグ＝ＯＦＦを設定し、電圧アシスト処理を終了し、新たに電圧アシスト判定を行えるよう設定する。すなわち、電圧アシスト終了処理１２１１後、終了処理１２１２に遷移し、電圧アシスト判定を終了する。

トルク検出信号Ｔｑおよび角速度検出信号ωは、図１３からも理解されるように、エンコーダ１０からの情報と電流検出器５９、６０からの検出電流に基づいて算出される。また、適正電圧Ｖｒｅｆは、蓄積装置６に蓄積されるエネルギーに基づいて算出される。そのため、モータ３の特性が抑制されているか否かは、エンコーダ１０からの情報と、電流検出器５９、６０からの検出電流と、蓄積装置６に蓄積されるエネルギーとの演算によって判定されているとも見なすことができる。

＜＜電圧アシスト量演算ブロックの構成＞＞
図１７は、実施の形態１に係る電圧アシスト量演算ブロックの構成を示すブロック図である。図１７は、図１６で説明した電圧アシストの判定処理を実行する構成を示していると見なすことができる。

電圧アシスト量演算ブロック８０には、図１３で説明した位置速度電流制御回路１６からトルク検出信号Ｔｑ、角速度検出信号ω、速度指令ωｃｏｍ、速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇおよび低下適正電圧Ｖａｄｊが供給されている。また、電圧アシスト量演算ブロック８０には、図８で説明した低下時トルクＴｌｍａｘおよび適正電圧Ｖｒｅｆが供給され、これらの信号等を基にして、電圧アシスト量演算ブロック８０は、電圧アシスト量Ｖｓａｔを出力する。

実施の形態１においては、電圧アシスト量演算ブロック８０は、電圧検出判定処理部１７０１、速度偏差判定処理部１７０２、電圧低下判定処理部１７０３、電圧アシスト量出力処理部１７０４、減算処理部１７０５、１７０７および前回値保存処理部１７０６を備えている。

トルク検出判定処理部１７０１には、トルク検出信号Ｔｑと低下時トルクＴｌｍａｘが入力される。トルク検出判定処理部１７０１は、低下時トルクＴｌｍａｘを規定値として、トルク検出信号Ｔｑの値が、低下時トルクＴｌｍａｘを超えているが否かを判定し、判定結果に従ってＯＮまたはＯＦＦのトルク判定フラグを出力する。

角速度検出信号ωと目標角速度ωｒｅｆは、減算処理部１７０１に入力される。減算処理部１７０１は、目標角速度ωｒｅｆと角速度検出信号ωとの間の速度偏差ωｅｒｒを算出する。算出された速度偏差ωｅｒｒは、前回値保存処理部１７０６に保存される。この前回値保存処理部１７０６に保存された速度偏差と、次の測定時に測定された角速度検出信号ωと目標角速度ωｒｅｆとの間の速度偏差が、減算処理部１７０７により減算され、この減算により求められた速度偏差間の差分が、減算処理部１７０７から、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂとして出力される。

速度偏差判定処理部１７０２には、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂと速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇとが入力される。速度偏差判定処理部１７０２は、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂと速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇとを比較することにより、速度偏差差分値ωｅｒｒｓｕｂが、一定期間の間、速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇを超えているか否かを判定する。判定の結果に従って、速度偏差判定処理部１７０２は、ＯＮまたはＯＦＦの速度判定フラグを出力する。

電圧低下判定処理部１７０３には、適正電圧Ｖｒｅｆと低下適正電圧Ｖａｄｊとが入力される。電圧低下判定処理部１７０３は、適正電圧Ｖｒｅｆと低下適正電圧Ｖａｄｊとを比較し、適正電圧Ｖｒｅｆが低下状態か否かを判定し、判定の結果に従ったＯＮまたはＯＦＦの電圧判定フラグを出力する。

電圧アシスト量出力処理部１７０４は、前記した各処理部からのトルク判定フラグ、電圧判定フラグおよび速度判定フラグを入力し、電圧アシスト量出力処理を実行する。この電圧アシスト量出力処理は、図１６に示したステップ１２０４、１２０５、１２０９～１２１１に相当する処理である。すなわち、電圧アシスト量出力処理部１７０４は、図１６に示したステップ１２０４、１２０５、１２０９～１２１１に相当する処理を実行する。これにより、電圧アシスト量出力処理部１７０４は、判定に応じた値の電圧アシスト量Ｖａｓｔを出力する。図１０に示した電力変換システム２００においては、電圧アシスト量演算ブロック８０から出力された電圧アシスト量Ｖａｓｔは、加算演算器５０＿２によって、適正電圧Ｖｒｅｆに加算される。これにより、電圧アシストが必要となったとき、加減算演算器５１＿３を介してＰＩ調節器１７に供給される適正電圧Ｖｒｅｆａを上昇させるように変更することが可能となる。すなわち、モータ特性を上昇させるとき、昇降圧電源回路５に対する電圧指令を増加（上昇）させ、蓄積装置６に対する制御量を増加させることが可能となる。

（実施の形態２）
実施の形態２においては、予めモータ特性が測定され、求めたモータ特性からモータ特性増加判定領域が設定される。このモータ特性増加判定領域は、特に制限されないが、実施の形態２においては、図１３に示したメモリ１８００に格納される。この実施の形態２においては、モータ３が動作しているときに、モータ特性がモータ特性増加判定領域に到達すると、電圧アシストによって、蓄積装置６に対する制御量が増加させられる。

図１８は、実施の形態２に係る電力変換システムを説明するための図である。図１８は、図９に類似している。

図１８において、ＮＴｓｅｔは、設定されたモータ特性増加判定領域を示している。図１８において、加速トルク印加区間Ｔａｓｔ１では、モータ電流を流すことで、モータ３を駆動するための加速トルクを発生させている。速度増加区間Ｔａｓｔ２では、加速トルク印加区間Ｔａｓｔ１で発生した加速トルクにより角速度が増加する。図１３に示したＣＰＵ７２は、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制された状態か否かを判定し、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制された状態の場合、モータ特性がモータ特性増加判定領域ＮＴｓｅｔに到達したか否かを判定する。例えば、ＣＰＵ７２は、エンコーダ１０からの情報と、電流検出器５９、６０によって検出したモータ電流とに基づいて、モータ特性を求め、求めたモータ特性がモータ特性増加判定領域ＮＴｓｅｔに到達したか否かを判定する。

モータ特性がモータ特性増加判定領域ＮＴｓｅｔに到達したと判定すると、ＣＰＵ７２は、電圧アシスト量Ｖａｓｔを増加させ、適正電圧Ｖｒｅｆａを増加させる。例えば、ＣＰＵ７２は、前記したように適正電圧Ｖｒｅｆに加えられる電圧アシスト量Ｖａｓｔを増加させるように、電圧指令演算回路１５を動作させる。これにより、適正電圧Ｖｒｅｆａが上昇し、モータ３の角速度は、低下時モータ特性ＮＴｌｉｍの領域で停止することなく目標角速度ωｒｅｆに到達することが可能である。すなわち、適正電圧Ｖｒｅｆが抑制されているときでも、昇降圧電源回路５に対して電圧値を指令する適正電圧（電圧指令）Ｖｒｅｆａを一時的に上昇させて、一時的に蓄積装置６の制御量を増加させ、モータ特性を改善することが可能である。

実施の形態１または実施の形態２において実施される判定、例えば電圧アシスト量の加算判定や加算処理等は、装置に組み込まれたＣＰＵの他に、上位装置１３や外部装置からの入力で指示してもよいし、上位装置１３や外部装置で、これらの判定等の処理を行うようにしてもよい。

また、図１３に示した低下適正電圧Ｖａｄｊまたは／および速度偏差差分判定値ωｅｒｒｊｄｇは、位置速度電流制御回路１６からではなく、上位装置１３等から入力されるようにしてもよい。さらに、図１５では、電圧アシスト量Ｖｓａｔが時間Ｔａｓｔから直線的に立ち上げる例が示されているが、電圧アシスト量Ｖｓａｔの立ち上げ方は任意である。

図１０に示した電力変換システム２００においては、モータ３を回転させ始めると、制御回路８により、逐次、総蓄積エネルギーＥが算出される。このとき、モータ３の出力軸は正回転するため、総蓄積エネルギーＥとして、カ行時のエネルギーが算出されることになる。また、電力変換システム２００においては、モータ負荷１２によってモータ３の出力軸が逆回転している期間においても、制御回路８は、総蓄積エネルギーＥを算出する。このときの総蓄積エネルギーＥは、回生時のエネルギーである。図１０に示した電圧指令演算回路１５は、モータ３の出力軸が正回転している期間と逆回転している期間の両方の期間において、制御回路８から出力されている総蓄積エネルギーＥに基づいて、加減算演算器５１＿３へ供給する適正電圧Ｖｒｅｆａを算出している。

実施の形態において、モータ特性を一時的に改善するのは、モータ３の出力軸が正回転（カ行時）しているときであるため、正回転している期間においてのみ、総蓄積エネルギーＥの算出とそれに基づいた適正電圧Ｖｒｅｆａの制御を行えばよい。しかしながら、正回転のときと、逆回転のときとでは、総蓄積エネルギーＥおよび適正電圧Ｖｒｅｆａが異なるため、蓄積装置６を適切に充電するためには、実施の形態のようにカ行時と回生時の両方で、総蓄積エネルギーＥの算出と適正電圧Ｖｒｅｆａの算出を行うことが望ましい。

なお、図１６および図１７で述べたフラグ（トルク判定フラグ、電圧判定フラグ、速度判定フラグ）は、特に制限されないが、図１３に示したＣＰＵ７２に設けられている。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

１ 電源装置
２ 電力変換装置
３ モータ
４ 順変換器
５ 昇降圧電源回路
６ 蓄積装置
７ 逆変換器
８ 制御回路
９ 交流モータ
１０ エンコーダ
１１ 電源
１２ モータ負荷
１３ 上位装置
１４ 蓄積エネルギー演算回路
１５ 電圧指令演算回路
１６ 位置速度電流制御回路
１７ ＰＩ調節器
１８ 絶縁増幅器
１９ 駆動回路
８０ 電圧アシスト量演算ブロック
Ｅ 総蓄積エネルギー
Ｊ 慣性モーメント
Ｔｑ トルク検出信号
Ｖａｄｊ 低下適正電圧
Ｖａｓｔ 電圧アシスト量
Ｖｒｅｆ、Ｖｒｅｆａ 適正電圧
ω 角速度検出信号
ωｃｏｍ 速度指令
ωｅｒｒｊｄｇ 速度偏差差分判定値
ωｒｅｆ 目標角速度

Claims (7)

1. モータに電力を供給する電力変換装置と、前記電力変換装置に電力を供給する電源装置とを備える電力変換システムであって、
   前記電力変換装置は、
   電力を変換する電力変換部と、
   前記電力変換部を制御する制御部と、
   前記電力変換部を流れる電流を検出する電流検出部と、
   を備え、
   前記電源装置は、
   電圧に応じた電力と、前記モータの回生動作により生成された電力とを蓄積する蓄積装置と、
   電圧指令に基づいて前記蓄積装置の電圧を変更する昇降圧電源回路と、
   前記蓄積装置に蓄積するエネルギーを演算して前記電圧指令として前記昇降圧電源回路へ出力する演算回路と、
   を備え、
   前記制御部は、前記モータが備えるエンコーダからの情報と前記電流検出部で検出した電流値とを用いて、前記モータにより駆動されるモータ負荷に貯蔵される蓄積エネルギーを、力行エネルギーとして算出する蓄積エネルギー演算回路を備え、
   前記演算回路は、前記制御部で算出された前記力行エネルギーと、前記蓄積装置の満充電時のエネルギーとに基づいて前記蓄積装置に蓄積するエネルギーを演算し、
   前記電流検出部で検出した電流値と前記エンコーダからの情報と前記演算回路による演算によって求められた前記蓄積装置に蓄積するエネルギーに基づいた適正電圧との演算によって前記モータの特性が抑制されていると判定されたとき、前記演算回路は、前記電圧指令を一時的に変更して、前記モータの特性を増加させる、電力変換システム。
2. 請求項１に記載の電力変換システムにおいて、
   前記制御部は、前記エンコーダからの情報と前記電流検出部で検出した電流値とを用いて前記モータの角速度およびトルクを算出し、前記角速度とトルクと予め設定された慣性モーメント値とを用いて前記モータの力行エネルギーを算出し、前記モータの特性を判定する、電力変換システム。
3. 請求項２に記載の電力変換システムにおいて、
   前記電圧指令を一時的に変更することで、前記蓄積装置への制御指令量を増加させ、前記モータの特性を回復させる、電力変換システム。
4. モータに電力を供給する電力変換装置と、前記電力変換装置に電力を供給する電源装置とを備える電力変換システムであって、
   前記電力変換装置は、
   電力を変換する電力変換部と、
   前記モータにより駆動されるモータ負荷に貯蔵される蓄積エネルギーを算出する蓄積エネルギー演算回路を備え、前記電力変換部を制御する制御部と、
   前記電力変換部を流れる電流を検出する電流検出部と、
   を備え、
   前記電源装置は、
   電圧に応じた電力と、前記モータの回生動作により生成された電力とを蓄積する蓄積装置と、
   電圧指令に基づいて前記蓄積装置の電圧を変更する昇降圧電源回路と、
   前記蓄積エネルギー演算回路によって算出された蓄積エネルギーと、前記蓄積装置の満充電時のエネルギーとに基づいて、前記蓄積装置に蓄積するエネルギーに基づいた適正電圧を算出し、前記電圧指令を前記昇降圧電源回路へ出力する演算回路と、
   を備え、
   前記制御部は、前記モータのモータ特性を予め記憶した記憶装置を備え、前記演算回路において算出された前記適正電圧が抑制されているとき、前記モータが備えるエンコーダからの情報と前記電流検出部で検出した電流値とを用いて、前記モータ特性が、前記記憶装置に記憶されたモータ特性にあると判断したとき、前記演算回路により、前記蓄積装置への制御指令量を増加させ、前記モータ特性を一時的に増加させる、電力変換システム。
5. モータに電力を供給する電力変換装置と前記電力変換装置に電力を供給する電源装置とを備える電力変換システムによるモータ制御方法であって、
   前記電力変換装置は、電力を変換する電力変換部と、前記電力変換部を流れる電流を検出する電流検出部と、前記モータからの情報と前記電流検出部からの電流値とを用いて、前記モータにより駆動されるモータ負荷に貯蔵される蓄積エネルギーを、力行エネルギーとして算出する蓄積エネルギー演算回路を備えた制御部とを備え、
   前記電源装置は、前記電力変換部に結合され、電圧に応じた電力と、前記モータの回生動作により生成された電力とを蓄積する蓄積装置と、電圧指令に基づいて前記蓄積装置の電圧を変更する昇降圧電源回路と、前記蓄積エネルギー演算回路で算出された前記カ行エネルギーと、前記蓄積装置の満充電時のエネルギーとに基づいて、前記蓄積装置に蓄積するエネルギーに基づいた適正電圧を算出し、前記電圧指令を前記昇降圧電源回路へ出力する演算回路とを備え、
   前記モータのトルクが、所定の値以上か否かを判定するトルク判定工程と、
   前記適正電圧が、低下状態か否かを判定する電圧判定工程と、
   前記モータの速度偏差差分が、所定の期間において、所定の値以上となっているか否かを判定する速度偏差判定工程と、
   前記モータの角速度が、指令速度に到達しているか否かを判定する速度指令判定工程と、
   前記トルク判定工程において、前記トルクが前記所定の値を超えていると判定され、前記電圧判定工程において、前記適正電圧が低下状態であると判定され、前記速度偏差判定工程において、速度偏差が前記所定の期間において前記所定の値以上となっていると判定され、前記速度指令判定工程において、前記角速度が前記指令速度に到達していないと判定されたとき、前記電圧指令を上昇させる電圧アシスト工程と、
   を備える、モータ制御方法。
6. 請求項５に記載のモータ制御方法において、
   前記電圧アシスト工程の後の前記速度指令判定工程において、前記モータの前記角速度が前記指令速度に到達していると判定されたとき、前記電圧指令を低下させる電圧アシスト終了工程を備える、モータ制御方法。
7. 請求項６に記載のモータ制御方法において、
   前記電力変換システムは、
   前記トルク判定工程の判定結果に従って設定されるトルク判定フラグと、
   前記電圧判定工程の判定結果に従って設定される電圧判定フラグと、
   前記速度偏差判定工程の判定結果に従って設定される速度判定フラグと、
   を備え、
   前記電圧アシスト終了工程の後で実行される工程であって、前記トルク判定フラグ、前記電圧判定フラグおよび前記速度判定フラグをクリアするフラグクリア工程と、
   を備える、モータ制御方法。
   
   

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