JP7472462B2 - サーボｄｃ給電システム及びモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、サーボＤＣ給電システムとモータ制御装置とに関する。

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、サーボモータ・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バスにて複数のインバータ回路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回路とインバータ回路側とが干渉して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、直流電源と、サーボモータを制御する複数のモータ制御装置と、直流電源からの電力を複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路とを含むサーボＤＣ給電システムにおけ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サーボＤＣ給電システムは、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含む。そして、サーボＤＣ給電システムの各モータ制御装置は、供給される直流を、サーボモータを駆動するための交流に変換するためのインバータ回路と、前記電力供給路により供給される直流を安定化して前記インバータ回路に供給するフィルタ回路であって、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路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。

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。従って、上記構成を有するサーボＤＣ供給システムによれば、電力供給路の電圧の発振を抑制することができる。

また、本発明の一観点に係る、サーボモータを制御するモータ制御装置は、供給される直流を、前記サーボモータを駆動するための交流に変換するためのインバータ回路と、電力供給路により供給される直流を安定化して前記インバータ回路に供給するフィルタ回路
であって、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路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。

このモータ制御装置を用いておけば、電力供給路の電圧の発振が抑制された（電力供給路の電圧が発振しにくい）サーボＤＣ供給システムを構築することが出来る。

モータ制御装置のフィルタ回路の構成は特に限定されない。例えば、フィルタ回路は、前記モータ制御装置内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、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動の検知結果に基づき制御する制御部と、を備えても良い。また、フィルタ回路は、一対の入力端子と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、直流電源と、複数のモータ制御装置と、直流電源からの電力を複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路とを含むサーボＤＣ給電システムにおける電力供給路の電圧の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３Ａは、サーボＤＣ給電システムの等価回路の説明図である。 図３Ｂは、サーボＤＣ給電システムの等価回路の説明図である。 図４は、図３Ｂ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５は、フィルタ回路の機能を説明するための図である。 図６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す。
図示してあるように、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。このモータ制御装置１０の詳細については後述する。

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制御装置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２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モータ制御装置１０の構成を示す。図示してあるように、モータ制御装置１０は、インバータ回路１１と制御部１２とフィルタ回路１３とを備える。

インバータ回路１１は、フィルタ回路１３及び電力供給路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１５ｐとマイナス側の電力線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。

フィルタ回路１３は、自フィルタ回路１３に入力される直流を安定化してインバータ回路への供給する回路である。図示してあるように、フィルタ回路１３は、プラス側の電力線１５ｐとマイナス側の電力線１５ｍとの間に配置された、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とを備えている。

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１５ｐ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１５ｐ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３Ｂに示した等価回路で表すことが出来る。

なお、この図３Ｂにおいて、Ｌ_１は、電力供給路３５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３Ｂ）における直流電源３０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４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。

上記したように、サーボＤＣ給電システムの各モータ制御装置１０（図２）のインバータ回路１１の前段には、フィルタ回路１３が設けられている。

そして、フィルタ回路１３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５に模式的に示してあるように、フィルタ回路１３が設けられていないサーボ制御装置が用いられたシステムよりも、Ｚ_{ｏ－ｐｅａｋ}値（フィルタ回路１３を含む電源３０側の出力インピーダンスの最大値）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）を抑止することが出来る。

《変形形態》
上記した実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、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、フィルタ回路１３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１３（図２）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１５ｍ間に挿入するセレクタとを設けても良い。また、図６に示した構成の回路、すなわち、プラス側の電力線１５ｐ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、電力線１５ｐ、１５ｍ間に配置されたコンデンサ２３とにより構成された回路を、フィルタ回路１３として採用しても良い。図６に示した構成のフィルタ回路１３を、マイナス側の電力線１５ｐ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。また、振動電圧検出回路２１を、電力線１５ｐ又は電力線１５ｍ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、フィルタ回路１３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可能な回路であっても良い。各モータ制御装置１０内のフィルタ回路１３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、各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》
直流電源（３０）と、複数のモータ制御装置（１０）と、前記直流電源（３０）からの電力を前記複数のモータ制御装置（１０）に分配供給する電力供給路（３５）とを含むサーボＤＣ給電システムにおいて、
前記複数のモータ制御装置（１０）は、それぞれ、
供給される直流を、サーボモータ（４０）を駆動するための交流に変換するためのインバータ回路（１１）と、
前記電力供給路（３５）により供給される直流を安定化して前記インバータ回路（１１）に供給するフィルタ回路（１３）であって、前記電力供給路（３５）の電圧変動又は電流変動の検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路（３５）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（１３）のインピーダンスを調整するフィルタ回路（１３）と、
を備える、
サーボＤＣ給電システム。

《付記２》
サーボモータ（４０）を制御するモータ制御装置（１０）であって、
供給される直流を、前記サーボモータ（４０）を駆動するための交流に変換するためのインバータ回路（１１）と、
電力供給路（３５）により供給される直流を安定化して前記インバータ回路（１１）に供給するフィルタ回路（１３）であって、前記電力供給路（３５）の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路（３５）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（１３）のインピーダンスを調整するフィルタ回路（１３）と、
を備えるモータ制御装置（１０）。

１０ モータ制御装置
１１ インバータ回路
１２ 制御部
１５ｐ プラス側の電力線
１５ｍ マイナス側の電力線
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
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 (5)

1. 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含むサーボＤＣ給電システムにおいて、
   前記複数のモータ制御装置は、それぞれ、
   供給される直流を、サーボモータを駆動するための交流に変換するためのインバータ回路と、
   前記電力供給路により供給される直流を安定化して前記インバータ回路に供給するフィルタ回路であって、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路の電圧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、
   前記フィルタ回路は、
   前記モータ制御装置内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、
   前記電力供給路の電圧変動又は電流変動が第１の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、前記電力供給路の電圧変動が無いとみなす第２の閾値未満の状態が規定時間継続すると前記抵抗値を下降させる制御部と、を含む、
   サーボＤＣ給電システム。
2. 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含むサーボＤＣ給電システムにおいて、
   前記複数のモータ制御装置は、それぞれ、
   供給される直流を、サーボモータを駆動するための交流に変換するためのインバータ回路と、
   前記電力供給路により供給される直流を安定化して前記インバータ回路に供給するフィルタ回路であって、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路の電圧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、
   前記フィルタ回路は、
   一対の入力端子と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、
   前記一方の配線の電圧変動又は電流変動が第１の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とともに、前記抵抗値を上昇させた後に前記一方の配線の電圧変動又は電流変動が、前記電力供給路の電圧変動が無いとみなす第２の閾値未満の状態が規定時間継続すると前記抵抗値を下降させる制御部と、を含む、
   サーボＤＣ給電システム。
3. サーボモータを制御するモータ制御装置であって、
   供給される直流を、前記サーボモータを駆動するための交流に変換するためのインバータ回路と、
   電力供給路により供給される直流を安定化して前記インバータ回路に供給するフィルタ回路であって、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路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、
   前記フィルタ回路は、
   前記モータ制御装置内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、
   前記電力供給路の電圧変動又は電流変動が第１の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、前記電力供給路の電圧変動が無いとみなす第２の閾値未満の状態が規定時間継続すると前記抵抗値を下降させる制御部と、を含む、
   モータ制御装置。
4. サーボモータを制御するモータ制御装置であって、
   供給される直流を、前記サーボモータを駆動するための交流に変換するためのインバータ回路と、
   電力供給路により供給される直流を安定化して前記インバータ回路に供給するフィルタ回路であって、前記電力供給路の電圧変動又は電流変動を検知し、検知結果に基づき、前記電力供給路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、
   前記フィルタ回路は、
   一対の入力端子と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、
   前記一方の配線の電圧変動又は電流変動が第１の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とともに、前記抵抗値を上昇させた後に前記一方の配線の電圧変動又は電流変動が、前記電力供給路の電圧変動が無いとみなす第２の閾値未満の状態が規定時間継続すると前記抵抗値を下降させる制御部と、を含む、
   モータ制御装置。
5. 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３または４に記載のモータ制御装置。
   

Images