JP2011151918A

JP2011151918A - 電源回生機能を有するモータ駆動装置

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Publication number: JP2011151918A
Application number: JP2010010151A
Authority: JP
Inventors: Heisuke Iwashita; 平輔岩下; Hajime Okita; 肇置田; Shoichi Niwa; 正一丹羽
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2011-08-04
Also published as: US20110175557A1; CN102130625A; DE102010055224A1

Abstract

【課題】逆変換器からの電力供給が持続しているときには整流器の回生動作を確実に継続し、逆変換器からの電力供給が終了したときには整流器の回生動作を確実に停止することができるモータ駆動装置を提供する。
【解決手段】整流器と逆変換器とを備え電源回生を行うモータ駆動装置が、三相交流入力電源の入力電圧及び入力電流を検出する検出部と、検出される入力電圧及び入力電流に基づいて、整流器から逆変換器に供給される瞬時有効電力を演算する瞬時有効電力演算部と、その瞬時有効電力演算部によって演算される電力値に基づいて、整流器から逆変換器に供給される有効電力の直流成分を演算する直流成分演算部と、演算される直流成分の値と所定の閾値とを比較し、直流成分の値が閾値よりも大であれば、逆変換器から供給される回生電力を三相交流入力電源に戻す電源回生動作を停止する判定を行なう回生動作停止判定部と、を備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、モータの減速時に発生する回生電力を電源に返す電源回生機能を備えたモータ駆動装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業用ロボット、産業機械等に利用されるモータ駆動装置において、商用電力を直流電力に変換し、その直流電力を、モータ制御用電力変換器たる逆変換器（インバータ）に供給する整流器（順変換器又はＡＣ−ＤＣコンバータともいう）が使用されている。昨今の省エネルギー化の流れから、モータ減速時に発生する電力を電源に返す電源回生機能を有する整流器、その中でも比較的安価に電源回生機能を実現することができる１２０度通電形の整流器の適用が広がっている（例えば、下記特許文献１参照）。

かかる１２０度通電形の整流器には、力行動作及び回生動作という二つの動作が存在する。力行動作は、ダイオード等の整流素子群により構成される三相ブリッジ整流回路を通して逆変換器に電力を供給する動作である。一方、回生動作は、三相ブリッジ整流回路における複数のダイオードに対しそれぞれ逆並列接続された複数のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor：絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ）等の自己消弧可能な半導体素子群を電源位相に応じてオン／オフし、逆変換器から供給される回生電力を入力電源に戻す動作である。１２０度通電形の整流器では、整流器を通る電力の極性に応じてこれらの動作を切り換える必要がある。

一般に、回生動作から力行動作へ切り換えるための判定は、整流器を通過する有効電力の瞬時値の極性に基づいて行なわれている。そのため、逆変換器からの回生電力供給が持続しているにもかかわらず、整流器の回生動作が停止する場合がある。その場合には、整流器の直流電圧出力に電位変動が生じて、モータ制御に悪影響を及ぼす。一方、逆変換器からの回生電力供給が終了したにもかかわらず、整流器の回生動作が停止されない場合がある。その場合には、商用電源と駆動装置の平滑コンデンサとの間にリップル電流が流れ、平滑コンデンサに悪影響を及ぼす。

上記の問題に対する対策として、下記特許文献２には、回生動作停止のための回生電流サンプリング位相を補正する補正手段を備えた電源回生コンバータが開示されている。下記特許文献２は、この補正手段により電源電圧に高調波歪みが発生している場合でも安定して回生動作とその停止とを行なうことができるとしている（下記特許文献２の段落００１３及び００１４）。しかし、この提案では、補正された回生電流サンプリング位相における電流値が所定値以下になることにより判定を行っているが、この判定によっては確実に回生動作の停止がなされる保証はない。確実な回生動作停止判定には有効電力の監視が不可欠である。

特開平６−６２５８４号公報特開２００４−１８０４２７号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、逆変換器からの回生電力供給が持続しているときには整流器の回生動作を確実に継続し、逆変換器からの回生電力供給が終了したときには整流器の回生動作を確実に停止することができるモータ駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、三相交流入力電源を直流電源に変換する整流器と、該直流電源を所望の周波数の交流電源に変換する逆変換器と、を備え、該整流器を制御して電源回生を行うモータ駆動装置であって、該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を検出する検出部と、該検出部によって検出される入力電圧及び入力電流に基づいて、該整流器から該逆変換器に供給される瞬時有効電力を演算する瞬時有効電力演算部と、該瞬時有効電力演算部によって演算される電力値に基づいて、該整流器から該逆変換器に供給される有効電力の直流成分を演算する直流成分演算部と、該直流成分演算部によって演算される直流成分の値と所定の閾値とを比較し、該直流成分の値が該閾値よりも大であれば、該逆変換器から供給される回生電力を該三相交流入力電源に戻す電源回生動作を停止する判定を行なう回生動作停止判定部と、を具備するモータ駆動装置が提供される。

一つの好適な態様では、該直流成分演算部は、移動平均フィルタ又は一次の低域通過フィルタを使用して該直流成分を演算する。

一つの好適な態様では、該瞬時有効電力演算部は、該検出部によって検出される該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果として出力する。

あるいは、該瞬時有効電力演算部は、該検出部によって検出される該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を、三相交流座標上の該入力電圧及び該入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、該二相交流電圧及び該二相交流電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果として出力する。

あるいは、該瞬時有効電力演算部は、該検出部によって検出される該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を、三相交流座標上の該入力電圧及び該入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、該静止座標（α-β座標）上の該二相交流電圧及び該二相交流電流を、該静止座標上の該二相交流電圧及び該二相交流電流と等価な回転座標（ｄ-ｑ座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（ｄ-ｑ変換）し、該回転座標（ｄ-ｑ座標）上の該二相交流電圧及び該二相交流電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果として出力する。

本発明によるモータ駆動装置においては、整流器を通る瞬時有効電力に基づいて脈動成分（リップル成分）を除去した有効電力直流成分（平均電力）が抽出され、その直流成分に基づいて回生動作から力行動作への切換えが判断される。そのため、逆変換器からの回生電力供給が持続しているときには整流器の回生動作が確実に継続し、逆変換器からの回生電力供給が終了したときには整流器の回生動作が確実に停止する。

１２０度通電形の整流器を用いたモータ駆動装置の一構成例を示すブロック図である。図１に示されるモータ駆動装置における整流器の力行動作を説明するための図である。図１に示されるモータ駆動装置における整流器の回生動作を説明するための図である。回生動作時の半導体スイッチのオン／オフパターンを示すタイムチャートである。従来技術の問題点を説明するための図である。本発明によるモータ駆動装置の一実施形態を示すブロック図である。

本発明の理解を容易にするため、最初に、図１〜図５を用いて、モータ駆動装置における整流器の回生動作と従来技術の問題点とについて説明する。図１は、１２０度通電形の整流器を用いたモータ駆動装置の一構成例を示すブロック図である。図１において、符号１０２はモータ、符号１０４は商用三相入力電源、符号１０６は逆変換器（インバータ）、符号１０８は整流器（その主回路部のみ図示されている）、をそれぞれ示す。また、符号１１２は三相入力電圧検出回路、符号１１４は三相入力電流検出回路、符号１１６は直流電圧検出回路、符号１２０は整流器制御部、をそれぞれ示す。

整流器１０８は、三相ブリッジ整流回路と平滑コンデンサとを含む。三相ブリッジ整流回路の各ダイオードには、自己消弧可能な半導体スイッチであるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar mode Transistor：絶縁ゲートバイポーラモードトランジスタ）が逆並列接続されている。すなわち、ダイオードのカソードとトランジスタのコレクタとが接続されるとともに、ダイオードのアノードとトランジスタのエミッタとが接続されている。整流器１０８は、力行動作と回生動作とを行なう。

逆変換器１０６は、例えば、三相電圧形ＰＷＭインバータであり、整流器１０８によって生成された直流電力をモータ制御に適した交流電力に変換する。図１は逆変換器が一台の場合を示しているが、直流電圧出力端子に複数台の逆変換器が並列接続されていてもよい。

整流器制御部１２０は、各検出回路１１２、１１４、及び１１６から、三相入力電源から整流器１０８に入力される各相の電圧及び電流、並びに整流器１０８の直流電圧出力を取り込む。そして、整流器制御部１２０は、力行動作から回生動作へ、及び回生動作から力行動作へ、と切り換えるための判定を行なうとともに、整流器１０８内の半導体スイッチ素子をオン／オフする制御信号を出力する。

図２及び図３は、図１に示されるモータ駆動装置における整流器の、それぞれ、力行動作及び回生動作を説明するための図である。整流器の力行動作、すなわち、逆変換器に電力を供給する場合の動作では、図２に示されるように、整流器制御部１２０の制御によって全ての半導体スイッチがオフ状態とされ、三相ブリッジ整流回路のダイオードを通して逆変換器に電力が供給される。一方、整流器の回生動作、すなわち、逆変換器から電力を受け取る場合の動作では、図３に示されるように、電源位相に応じた半導体スイッチ（トランジスタ）のオン／オフ制御が整流器制御部１２０によって実行されることで、逆変換器からの回生電力が電源に戻される。

図４は、回生動作時の半導体スイッチのオン／オフパターンを示すタイムチャートである。回生動作時、整流器制御部１２０は、三相電源電圧すなわちＲ相電圧、Ｓ相電圧、及びＴ相電圧のうち、電位が最大である相と繋がっている半導体スイッチと、電位が最小である相と繋がっている半導体スイッチとをオンし、その他の半導体スイッチをオフする。

電位が最大である相と電位が最小である相とは、電源位相に応じて図４の上段のタイムチャートに示されるように変化する。そのため、整流器制御部１２０は、電源位相に応じて図４の下段のタイムチャートに示されるように各半導体スイッチのオン／オフを制御する。各半導体スイッチがそれぞれ１２０度の間、オンすることになるため、１２０度通電形と呼ばれている。上述の特許文献１及び２に開示される技術も、１２０度通電形に関する制御を改良したものである。

次に、整流器制御部１２０において、力行動作と回生動作との間の動作の切換えの判定がどのように行なわれるかについて説明する。まず、力行動作から回生動作へと移行するための条件の判定、すなわち回生動作開始判定から説明する。整流器１０８側で力行動作が行なわれている状態、すなわち半導体スイッチが全てオフの状態で、逆変換器１０６から回生電力が供給されると、平滑コンデンサに電荷が蓄積されて、整流器１０８の直流電圧出力の電位が上昇する。回生動作開始判定では、直流電圧出力が検出され、
(ｉ) 直流電圧出力の電位が所定値を超えた場合、又は
(ii) 直流電圧出力と三相入力電源の相間電圧振幅との電位差が所定値を超えた場合、
に回生動作開始条件が成立したと判定される。

次に、回生動作から力行動作へと移行するための条件の判定、すなわち回生動作停止判定について説明する。逆変換器１０６からの回生電力の供給が完了すると、整流器１０８を通る有効電力の符号が“非負”となる。ただし、逆変換器１０６に電力が供給される方向に対して極性を“正”とし、その逆に対して極性を“負”とする。回生動作停止判定では、有効電力の瞬時値すなわち瞬時有効電力が検出され、
(ｉ) 瞬時有効電力の瞬時値が所定値を上回った場合、
に回生動作停止条件が成立したと判定される。

図５は、上記従来技術の問題点を説明するための図であって、逆変換器１０６により駆動されるモータ１０２が加減速をした場合に整流器１０８を通る電力の波形の例を示す図である。１２０度通電形の整流器には高調波成分を含む電流が流れる。そのため、整流器１０８を通る瞬時有効電力は、脈動成分（リップル成分）を含んだ、図５に示されるような波形となる。

モータ１０２が減速を開始し、整流器１０８が回生動作に移行した後にあっては、
(ｉ) モータ減速中（逆変換器から回生電力が供給される）には、整流器の回生動作が継続する、かつ、
(ii) モータ停止（逆変換器からの回生電力の供給が完了する）とともに、整流器の回生動作も停止する、
という動作になることが望ましい。

整流器を通る瞬時有効電力の値により回生停止を判定すると、例えば、領域Ａのように「瞬時有効電力の直流成分に比してリップル成分が大きいため、直流成分の極性は負、すなわち平均的に逆変換器から回生電力が供給されている状態にあるにもかかわらず、瞬時有効電力の極性が正となる」領域において、回生動作停止条件が成立したと判定される場合がある。

このような場合、実際にはモータは減速を完了しておらず、逆変換器からの回生電力供給が継続しているため、平滑コンデンサに電荷が蓄積され、直流電圧出力が上昇する。直流電圧出力が上昇すると、回生動作開始条件が成立するため、再度、回生が開始され、直流電圧出力は低下する。その後、瞬時有効電力の極性が正になったところで、また、回生動作停止条件が成立する。このような動作の繰り返しになるため、直流電圧出力が大きく変動し、逆変換器の電流制御に悪影響を及ぼす。

また、モータ停止直後には、領域Ｂのように「瞬時有効電力の直流成分に比してリップル成分が大きいため、直流成分の極性は正、すなわち三相入力電源から逆変換器に電力を供給している状態にあるにもかかわらず、瞬時有効電力の極性が負となる」領域がある。そのため、回生動作停止判定を行なう周期と電力リップル成分の周期とが同期している場合には、モータ停止後も回生動作停止条件が成立しないこととなる。このような場合には、入力電源と平滑コンデンサとの間に高周波電流が流れ続けることになるため、平滑コンデンサに悪影響を及ぼす。

そこで、本発明は、整流器を通る瞬時有効電力値から脈動成分（リップル成分）を除去することで直流成分（平均電力）を抽出し、その極性により回生動作から力行動作への切換えを判断することで、
(ｉ) 逆変換器からの回生電力供給持続中における回生動作の継続、及び
(ii) 逆変換器からの回生電力供給終了時における回生動作の停止、
を確実に行うことを実現する。

図６は、本発明によるモータ駆動装置の一実施形態を示すブロック図である。図６におけるモータ１０２、商用三相入力電源１０４、逆変換器（インバータ）１０６、整流器１０８、三相入力電圧検出回路１１２、三相入力電流検出回路１１４、及び直流電圧検出回路１１６は、図１に示されるものと同一である。

一方、本実施形態における整流器制御部６２０は、電源位相演算部６２２、電圧振幅演算部６２４、瞬時有効電力演算部６２６、直流成分演算部６２８、回生動作開始判定部６３０、回生動作停止判定部６３２、及びスイッチングパターン演算部６３４を備える。

電源位相演算部６２２は、三相入力電圧検出回路１１２によって検出される各相（Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相）の電圧の変化に基づいて、三相入力電源１０４が現在どの位相（電気角）にあるかを演算する。また、電圧振幅演算部６２４は、三相入力電圧検出回路１１２によって検出される各相電圧に基づいて、三相入力電源１０４の相間電圧振幅を演算する。

そして、回生動作開始判定部６３０は、直流電圧検出回路１１６によって検出される直流電圧出力と、電圧振幅演算部６２４によって演算される三相入力電源の相間電圧振幅と、に基づいて、直流電圧出力と相間電圧振幅との電位差が所定値を超えた場合に回生動作開始条件が成立したと判定する処理を行う。

次に、本実施形態における回生動作停止判定について説明する。瞬時有効電力演算部６２６は、三相入力電圧検出回路１１２によって検出される各相電圧と、三相入力電流検出回路１１４によって検出される各相電流と、に基づいて、三相入力電源１０４から整流器１０８へ、そして整流器１０８から逆変換器１０６へと供給される瞬時有効電力を演算する。瞬時有効電力演算部６２６は、その演算方法として、次の三つの演算方法のいずれかを採用する。

第一の瞬時有効電力演算方法は、三相交流入力電源から供給される入力電圧ｖ_a 、ｖ_b 、及びｖ_c 、並びに入力電流ｉ_a 、ｉ_b 、及びｉ_c の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果とするものである。すなわち、整流器１０８の三相交流入力電圧ベクトルｖ_abc 、及び三相交流入力電流ベクトルｉ_abc を、それぞれ、

とおいた場合に、瞬時有効電力演算部６２６は、瞬時有効電力Ｐを次のように計算する。
Ｐ＝ｖ_a・ｉ_a ＋ｖ_b・ｉ_b ＋ｖ_c・ｉ_c

第二の瞬時有効電力演算方法は、三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を、三相交流座標上の該入力電圧及び該入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（いわゆるα-β変換）し、該二相交流電圧及び該二相交流電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果とするものである。すなわち、整流器１０８の三相交流入力電圧ベクトルｖ_abc 及び三相交流入力電流ベクトルｉ_abc に対し、瞬時有効電力演算部６２６は、次の座標変換（α-β変換）を施し、静止座標上の二相交流電圧ベクトルｖ_αβ 及び二相交流電流ベクトルｉ_αβ に変換する。

そして、瞬時有効電力演算部６２６は、瞬時有効電力Ｐを次のように計算する。
Ｐ＝ｖ_α・ｉ_α ＋ｖ_β・ｉ_β

第三の瞬時有効電力演算方法は、更に、静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流を、静止座標上の二相交流電圧及び二相交流電流と等価な回転座標（ｄ-ｑ座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（いわゆるｄ-ｑ変換）し、回転座標（ｄ-ｑ座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果とするものである。すなわち、瞬時有効電力演算部６２６は、静止座標上の二相交流電圧ベクトルｖ_αβ 及び二相交流電流ベクトルｉ_αβ に対し、更に、次の座標変換（ｄ-ｑ変換）を施すことにより、回転座標上の二相交流電圧ベクトルｖ_dq 及び二相交流電流ベクトルｉ_dq に変換する。

ただし、θは電圧ベクトルｖ_αβ の位相
そして、瞬時有効電力演算部６２６は、瞬時有効電力Ｐを次のように計算する。
Ｐ＝ｖ_d・ｉ_d ＋ｖ_q・ｉ_q

なお、入力電源電圧が、相電圧実効値Ｅの三相対称波形の場合には、三相交流入力電圧ベクトルｖ_abc 、静止座標上の二相交流電圧ベクトルｖ_αβ 、及び回転座標上の二相交流電圧ベクトルｖ_dq は、それぞれ、

と表すことができる。これにより、瞬時有効電力Ｐは、
Ｐ = √３・Ｅ・ｉ_d ∝ ｉ_d
となり、ｄ相電流（有効電流）に比例することになる。したがって、瞬時有効電力演算部６２６の演算結果をｄ相電流（有効電流）として回生動作停止判定を行なってもよい。

次に、直流成分演算部６２８が、瞬時有効電力演算部６２６によって演算される電力値に基づいて、整流器１０８から該逆変換器１０６に供給される有効電力の直流成分を演算する。具体的には、直流成分演算部６２８は、移動平均フィルタや一次の低域通過フィルタを用いて、瞬時有効電力の脈動成分を除去することにより、図５に示されるような直流成分を取り出す。

そして、回生動作停止判定部６３２は、直流成分演算部６２８によって演算される直流成分の値と所定の閾値とを比較し、直流成分の値が閾値よりも大であれば、回生動作停止条件が成立したと判定する処理を行う。

そして、スイッチングパターン演算部６３４は、回生動作開始判定部６３０によって回生動作開始条件が成立したと判定される時点から、回生動作停止判定部６３２によって回生動作停止条件が成立したと判定される時点まで、回生動作を行なうよう整流器１０８を制御する。すなわち、スイッチングパターン演算部６３４は、電源位相演算部６２２から電源位相情報を取込みながら、図４に示されるような、電源位相に応じた半導体スイッチ素子オン／オフ信号を出力する。

上記の実施形態によれば、整流器を通る有効電力から脈動成分を取り除いた直流成分（平均電力）を用いて回生動作の停止を判断するため、逆変換器からの電力供給持続中における整流器の回生動作継続、及び逆変換器からの電力供給終了時における整流器の回生動作停止が確実に行われる。

１０２モータ
１０４商用三相入力電源
１０６逆変換器（インバータ）
１０８整流器
１１２三相入力電圧検出回路
１１４三相入力電流検出回路
１１６直流電圧検出回路
１２０整流器制御部
６２０整流器制御部
６２２電源位相演算部
６２４電圧振幅演算部
６２６瞬時有効電力演算部
６２８直流成分演算部
６３０回生動作開始判定部
６３２回生動作停止判定部
６３４スイッチングパターン演算部

Claims

三相交流入力電源を直流電源に変換する整流器と、該直流電源を所望の周波数の交流電源に変換する逆変換器と、を備え、該整流器を制御して電源回生を行うモータ駆動装置であって、
該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を検出する検出部と、
該検出部によって検出される入力電圧及び入力電流に基づいて、該整流器から該逆変換器に供給される瞬時有効電力を演算する瞬時有効電力演算部と、
該瞬時有効電力演算部によって演算される電力値に基づいて、該整流器から該逆変換器に供給される有効電力の直流成分を演算する直流成分演算部と、
該直流成分演算部によって演算される直流成分の値と所定の閾値とを比較し、該直流成分の値が該閾値よりも大であれば、該逆変換器から供給される回生電力を該三相交流入力電源に戻す電源回生動作を停止する判定を行なう回生動作停止判定部と、
を具備するモータ駆動装置。
該直流成分演算部は、移動平均フィルタ又は一次の低域通過フィルタを使用して該直流成分を演算する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
該瞬時有効電力演算部は、該検出部によって検出される該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果として出力する、請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動装置。
該瞬時有効電力演算部は、該検出部によって検出される該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を、三相交流座標上の該入力電圧及び該入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、該二相交流電圧及び該二相交流電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果として出力する、請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動装置。
該瞬時有効電力演算部は、該検出部によって検出される該三相交流入力電源から供給される入力電圧及び入力電流を、三相交流座標上の該入力電圧及び該入力電流と等価な静止座標（α-β座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（α-β変換）し、該静止座標（α-β座標）上の該二相交流電圧及び該二相交流電流を、該静止座標上の該二相交流電圧及び該二相交流電流と等価な回転座標（ｄ-ｑ座標）上の二相交流電圧及び二相交流電流に座標変換（ｄ-ｑ変換）し、該回転座標（ｄ-ｑ座標）上の該二相交流電圧及び該二相交流電流の同相成分同士を乗じて得られる各相毎の値を合算したものを演算結果として出力する、請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動装置。