JP7439440B2

JP7439440B2 - コネクタ及びサーボｄｃ給電システム

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Publication number: JP7439440B2
Application number: JP2019187338A
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: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2024-02-28
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: JP2021065001A

Description

本発明は、コネクタとサーボ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コネクタは、一対の入力端子と、前記一対の入力端子とそれぞれ電気的に接続された一対の出力端子と、前記一対の入力端子と前記一対の出力端子との間に挿入されたフィルタ回路であって、前記一対の入力端子と前記一対の出力端子との間を流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。上記コネクタを用いて電力供給路を構成しておけば、電源側のインピーダンスのピーク値を小さくすることが可能となるため、電力供給路の電圧の発振を抑制することができる。

コネクタ内のフィルタ回路の回路構成は、特に限定されない。例えば、フィルタ回路は、前記一対の入力端子と前記一対の出力端子とを接続するプラス側の配線とマイナス側の配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、前記プラス側の配線又は前記マイナス側の配線の電圧変動又は電流変動の検知結果に基づき、前記直流の電圧変動又は電流変動が抑制されるように制御する制御部と、を備えていても良い。また、フィルタ回路は、前記一対の入力端子と前記一対の出力端子とを接
続するプラス側の配線及びマイナス側の配線の一方の配線に挿入された可変抵抗と、前記可変抵抗の抵抗値を、前記一方の配線の電圧変動又は電流変動の検知結果に基づき、前記電圧変動又は前記電流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。これらの構成を採用する場合、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給電システムの電力給電路に用いられているコネクタ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に示した等価回路が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（例えば、電源回生コンバータ）であっても良い。さらに、直流電源３０は、二次電池であっても良い。

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、コネクタ２０、５５を介して接続した給電路である。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。

電力供給路３５の構成要素として使用されているコネクタ５５は、通常の（既存の）コネクタである。

コネクタ２０は、本サーボＤＣ給電システム用に開発されたコネクタである。このコネクタ２０は、図３に示した構成を有している。

すなわち、コネクタ２０は、上流側（直流電源３０側）の電力ケーブルを接続するための一対の入力端子２１ｐ、２１ｍを備える。なお、入力端子２１ｐが、プラス側の入力端子であり、入力端子２１ｍがマイナス側の入力端子である。

コネクタ２０は、下流側の電力ケーブルを接続するための一対の出力端子２２ｐ、２２ｍも備える。図示してあるように、出力端子２２ｐ、２２ｍは、それぞれ、配線２７ｐ、２７ｍにより、入力端子２１ｐ、２１ｍと接続されている。

コネクタ２０の配線２７ｐ、２７ｍ間には、コンデンサ２３とトランジスタ２４の直列接続体が配置されている。また、コネクタ２０内には、振動電圧検出回路２５と駆動回路２６とが設けられている。以下、コネクタ２０内の、コンデンサ２３、トランジスタ２４、振動電圧検出回路２５及び駆動回路２６からなる回路のことを、フィルタ回路とも表記する。

フィルタ回路内の駆動回路２６は、振動電圧検出回路２５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。

フィルタ回路内の振動電圧検出回路２５は、配線２７ｐ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２６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２５は、上位装置からの指示に従って、駆動回路２６への制御信号のレベルを変更する機能、及び、配線２７ｐ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２６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給電システムの電力供給路３５には、上記構成を有するコネクタ２０が用いられている。従って、サーボＤＣ給電システムでは、電力供給路３５の電圧の発振が抑制されることになる。

具体的には、コネクタ２０が用いられていない電力供給路３５を備えたサーボＤＣ給電システム（図１参照）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。この図４において、Ｌ_１は、電力供給路３５（コネクタ２０が用いられていないもの）のインダクタンス、ｒ_Ｌは、Ｌ_１の直列抵抗である。また、Ｃ_１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、ｒ_Ｃは、Ｃ_１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Ｚ_{ｏ－ｐｅａｋ}は、以下の式により表される。

そして、図５に模式的に示してあるように、“Ｚ_{ｏ－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、Ｚ_{ｏ－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。

コネクタ２０（図３）内に設けられている、コンデンサ２３とトランジスタ２４の直列接続体は、インピーダンスが可変な回路である。そして、コネクタ２０内には、トランジスタ２４の抵抗を電力供給路３５の電圧が不安定とならない抵抗に制御する回路（振動電圧検出回路２５及び駆動回路２６）も設けられている。従って、電力供給路３５にコネクタ２０が用いられている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、コネクタ２０が用いられていないシステムよりも、Ｚ_{ｏ－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、コネクタ２０は、各種の変形が可能なものである。例えば、図１に示したサーボＤＣ給電システムの電力供給路３５は、１つのコネクタ２０が使用されたものであるが、電力供給路３５に複数のコネクタ２０を使用しても良い。また、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（接続形態）のものであっても良い。

また、コネクタ２０（図３）内のフィルタ回路として、上記したものとは異なる構成の回路を使用しても良い。例えば、フィルタ回路（コンデンサ２３、トランジスタ２４、振動電圧検出回路２５及び駆動回路２６からなる回路）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配線２７ｍ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。

コネクタ２０に、図７に示した構成のフィルタ回路、すなわち、プラス側の配線２７ｐ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２５及び駆動回路２６とで構成されたフィルタ回路を搭載しても良い。図７に示した構成のフィルタ回路を、マイナス側の配線２７ｍにトランジスタ２４が挿入されている回路に変形しても良い。振動電圧検出回路２５を、配線２７ｐ又は配線２７ｍの電流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、コネクタ２０内のフィルタ回路は、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。コネクタ２０内のフィルタ回路を、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、コネクタ２０内の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》
一対の入力端子（２１ｐ、２１ｍ）と、
前記一対の入力端子（２１ｐ、２１ｍ）とそれぞれ電気的に接続された一対の出力端子（２２ｐ、２２ｍ）と、
前記一対の入力端子（２１ｐ、２１ｍ）と前記一対の出力端子（２２ｐ、２２ｍ）との間に挿入されたフィルタ回路（２２，２３，２４，２５）であって、前記一対の入力端子（２１ｐ、２１ｍ）と前記一対の出力端子（２２ｐ、２２ｍ）との間を流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（２２，２３，２４，２５）と、
を備えるコネクタ（２０）。

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
２０コネクタ
２１入力端子
２２出力端子
２３コンデンサ
２４トランジスタ
２５振動電圧検出回路
２６駆動回路
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、
複数のモータ制御装置と、
前記直流電源からの電力を前記複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路と、
を備えるサーボＤＣ給電システムであって、
前記電力供給路は、
コネクタと、
前記コネクタにて接続された複数の電力ケーブルと、
を含み、
前記コネクタは、
一対の入力端子と、
前記一対の入力端子とそれぞれ電気的に接続された一対の出力端子と、
前記一対の入力端子と前記一対の出力端子との間に挿入されたフィルタ回路であって、前記一対の入力端子と前記一対の出力端子との間を流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と、
を備える、サーボＤＣ給電システム。
前記フィルタ回路は、
前記一対の入力端子と前記一対の出力端子とを接続するプラス側の配線とマイナス側の配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、前記プラス側の配線又は前記マイナス側の配線の電圧変動又は電流変動の検知結果に基づき、前記直流の電圧変動又は電流変動が抑制されるように制御する制御部と、
を備える、
請求項１に記載のサーボＤＣ給電システム。
前記フィルタ回路は、
前記一対の入力端子と前記一対の出力端子とを接続するプラス側の配線及びマイナス側の配線の一方の配線に挿入された可変抵抗と、
前記可変抵抗の抵抗値を、前記一方の配線の電圧変動又は電流変動の検知結果に基づき、前記電圧変動又は前記電流変動が抑制されるように制御する制御部と、
を備える、
請求項１に記載のサーボＤＣ給電システム。
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２又は３に記載のサーボＤＣ給電システム。
前記一対の入力端子は、前記直流電源側の電力ケーブルに接続される、
請求項１から請求項４の何れか１項に記載のサーボＤＣ給電システム。
前記フィルタ回路は、前記検知結果に基づき、前記電力供給路を含む前記直流電源側のインピーダンスが、前記複数のモータ制御装置側のインピーダンスより低くなるように、自フィルタ回路のインピーダンスを調整する、
請求項１から請求項５の何れか１項に記載のサーボＤＣ給電システム。
前記フィルタ回路は、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動が閾値以上である場合に前記可変抵抗の抵抗値を上昇させることで、前記電力供給路を含む前記直流電源側のインピーダンスを、前記複数のモータ制御装置側のインピーダンスより低くするとともに、前記抵抗値を上昇させた後に前記電力供給路の電圧変動又は電流変動が閾値未満になると前記抵抗値を下降させる、
請求項２に記載のサーボＤＣ給電システム。