JP4339916B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、コンデンサに蓄えられた電気エネルギを力行時に供給することで、電源からの供給電流を低減させるモータ駆動装置に関する。

交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、直流電圧を再度交流電圧に変換するインバータと、前記コンバータと前記インバータとの間のＤＣリンク部に並列接続した充放電制御回路とコンデンサとを有するモータ駆動装置の技術が特許文献１に開示されている。

前記モータ駆動装置の技術について、モータの速度やＤＣリンク部の電流、電力の関係について、図１０を参照して説明する。
モータが図１０に示されるように、加速と減速を時間経過とともに行うことを考える。この時、ＤＣリンク部には、図示されるような関係が成り立つ電流が流れる。インバータの入力電流が閾値Ｉを超えると放電回路のスイッチがオンし、コンデンサに蓄えられていた電気エネルギが急激に放電開始する。それに伴って、コンバータからの出力電流は急激に減少することになる。

一方、モータが減速を開始すると、コンデンサには回生電気エネルギが流れ込み、コンデンサの容量を超えた回生電気エネルギは、電源回生もしくは抵抗放電がなされる。

次に電力の関係から説明すると、インバータに供給される電力は出力Ｐまでは電源から供給され、出力Ｐを超え放電回路のスイッチをオンしてから以降の電力はコンデンサから供給される。放電回路のスイッチをオンすると、コンデンサの電気エネルギは急速に放電されてしまう。
一方、モータが減速を開始すると、コンデンサには回生電気エネルギが流れ込み、コンデンサの容量を超えた回生電気エネルギは、電源回生もしくは抵抗放電がなされる。

特開２０００−１４１４４０号公報

背景技術で説明したモータ駆動装置の技術は、モータの力行時に放電回路のスイッチをオンした時点から、コンデンサに蓄えられた電気エネルギを、制御することなく、あるいは、一定の電流値を超えないことのみの制御であったことから、コンデンサに蓄えられた電気エネルギは急速に放電してしまい、コンデンサからインバータへ十分な時間の長さで電気エネルギを供給することが困難であった。

そのため、電源からの供給電流を所望の値に低減させるためには、大容量のコンデンサを用いて多くの電気エネルギを蓄える必要があった。また、コンデンサから電気エネルギをインバータに供給するのに応じて、電源電流は遮断あるいは低下するために、電源電流を所望の値に抑えるのが困難であった。

そこで、本発明は、コンデンサに蓄えられた電気エネルギの供給量を制御することで、電源からの入力電流を任意の値に制限するとともに、コンデンサに蓄えられた電気エネルギを有効に活用することで、コンデンサの容量を低減することが可能なモータ駆動装置を提供することを目的とする。

本願の請求項１に係る発明は、電源からの交流電圧を受け交流直流電力変換を行うコンバータと、直流電力を受電し直流交流電力変換を行うインバータと、前記コンバータと前記インバータの間のリンク部に並列に接続したコンデンサと、前記コンデンサへの充電および前記コンデンサからの放電を制御する充放電制御回路を備えたモータ駆動装置であって、
前記コンバータの入出力電流、あるいはコンバータの入出力電力が所定値となるように、
１）インバータの入力電流、あるいは入力電力、
２）インバータの出力電力、
３）モータ出力電力、
４）コンバータの入力電流、あるいは入力電力、
５）コンバータの出力電流、あるいは出力電力、
上記の１）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値に基づき、前記充放電制御回路の放電電流を制御する電流制御手段を有するモータ駆動装置である。
ここで、電流の検出は、電流センサによって検出する。電力の検出は、電流センサによって検出される電流とその電流が流れる回路の電圧を検出した値の積となる。また、２）インバータの出力電力、あるいは３）モータ出力電力は、モータを制御する制御ソフトウエア内で計算し求められた値を利用することも可能である。

請求項２に係る発明は、前記電流制御手段は、前記１）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値が、前記コンバータの入出力電流、あるいはコンバータの入出力電力の前記所定値を超える場合にのみ、前記充放電制御回路の放電電流を制御する請求項１に記載のモータ駆動装置である。

請求項３に係る発明は、前記１）から３）のいずれか１つ、あるいは複数の値と、前記所定値の差を指令値として算出する指令値算出手段と、前記電流制御手段は、前記充放電制御回路の放電電流値を前記指令値算出手段で算出された指令値と一致させるように制御する請求項１に記載のモータ駆動装置である。

請求項４に係る発明は、前記電流制御手段は、前記指令値と充放電回路に流れる電流値とを入力するヒステリシスを有したコンパレータを有し、前記コンパレータからの出力信号に基づいて、前記充放電制御回路の放電電流を制御する請求項３に記載のモータ駆動装置である。

請求項５に係る発明は、前記電流制御手段は、前記充放電制御回路に流す電流値を前記指令値に一致させるため、前記指令値と前記充放電制御回路に流す電流値に基づいて電流制御を行った結果であるＰＷＭ指令によって、前記充放電制御回路の放電電流を制御する請求項３に記載のモータ駆動装置である。

請求項６に係る発明は、前記指令値に重畳する高周波の成分の影響を低減するためのローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載のモータ駆動装置である。

請求項７に係る発明は、前記ローパスフィルタは、前記指令値の所定期間内の最大値を指令値として採用することを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置である。

請求項８に係る発明は、前記電流制御手段は、前記４）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値が、所定の値になった場合に、前記充放電制御回路から放電電流を流し、その動作によって、前記４）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値が、所定の値に低下した場合に、前記充放電制御回路からの放電電流を停止するように、放電電流を制御する請求項１に記載のモータ駆動装置である。

本発明により、コンデンサからの電気エネルギの供給量を制御し最適化することができ、コンデンサ容量の低減が可能となる。
また、本発明により、モータ駆動装置へ流れ込む電源電流を所望の値に制御することができるため、モータ駆動装置が設置される電源設備が持つ電源電流の制限値に合わせて、モータ駆動装置に流れ込む電源電流を設定することが可能となる。

以下、本発明であるモータ駆動装置の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態であるモータ駆動装置１の概略構成図である。図示する通り、モータ駆動装置１は電源（三相電源）から電圧を供給される。コンバータ２は供給された交流電圧を直流電圧に変換する。そして、インバータ３は、この直流電圧を可変の電圧及び周波数の交流電力に変換しモータ４に供給する。平滑コンデンサ６はコンバータ２とインバータ３との間に接続されることにより、コンバータ２によって変換された直流電圧を平滑化してインバータ３に入力するためのＤＣリンクである。

コンバータ２は、パワー素子（例えば、トランジスタ等）及びこれらのパワー素子に逆並列に接続されたダイオードからなるブリッジ回路から構成されている。コンバータ２は、力行時には６つのダイオードによって３相交流電源を全波整流して直流電圧に変換する一方、電力回生時には６つのパワー素子を駆動し、回生電力を電源側に電源回生動作させる。

また、インバータ３は、パワー素子（例えば、トランジスタ等）及びこれらのパワー素子に逆並列に接続されたダイオードからなるブリッジ回路から構成されている。そして、これらのパワー素子をインバータ制御回路５からＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、所望の電圧及び周波数の交流電圧をモータ４に供給する。
第１の電流センサであるＣＴ１（符号９）は、インバータ３へ流入する電流値を測定する。

平滑コンデンサ６に並列に、充放電制御回路８を介してコンデンサ７が接続されている。コンデンサ７は、充放電制御回路８の制御により、インバータ３への電気エネルギの供給及び回生エネルギを充電する。充放電制御回路８については図２を用いてより詳細に説明する。

図２は、本発明の一実施形態であるモータ駆動装置が有する一つの例である充放電制御回路８の概略構成図である。図１で説明したとおり、充放電制御回路８は、ＤＣリンク部である平滑コンデンサ６に並列にモータ駆動装置１に接続されている。充放電制御回路８は、第２の電流センサであるＣＴ２（符号２０）、ＤＣリアクトル２１、放電制御用スイッチ２２、充電制御用スイッチ２３、昇圧用スイッチ２４、ダイオード２６ａ，２６ｂ，２６ｃを有する。各スイッチは例えばＩＧＢＴ等を用いることができる。

ここで、充放電制御回路８の動作について説明する。コンデンサ７に電気エネルギを蓄える時は、充電制御用スイッチ２３をオン、放電制御用スイッチ２２をオフ、昇圧用スイッチ２４をオフに制御する。これにより、コンデンサ７にはＤＣリンク部からの電気エネルギが充電制御用スイッチ２３、ＤＣリアクトル２１、ダイオード２６ｃを経由して充電される。

一方、コンデンサ７に蓄電された電気エネルギを、充放電制御回路８を経由して放電する時は、放電制御用スイッチ２２をオン、充電制御用スイッチ２３をオフ、昇圧用スイッチ２４のオンとオフを高速に切り替え制御する。昇圧用スイッチ２４がオンした時にＤＣリアクトル２１に蓄電した電気エネルギ（磁気エネルギとして蓄電）は、昇圧用スイッチ２４がオフした時にダイオード２６ａを経由してＤＣリンク部に流れ込みインバータ３に供給される。
あるいは、電流制御手段によって放電制御用スイッチ２２のオンとオフとを制御することにより、コンデンサ７に蓄電された電気エネルギをインバータ３に供給することができる。放電制御用スイッチ２２のオンとオフの制御は、第１の電流センサ９（ＣＴ１）や第２の電流センサ２０（ＣＴ２）の電流検出値に基づいて行う。

次に、充放電制御回路８を制御して、コンデンサ７への充電と放電とをどのようなタイミングで行うかについて、モータ４（図１参照）が、図３に示される加速と減速動作を行っている場合を例にとって説明する。
図３に示されるように、モータ４の力行時において、インバータ３に流入するインバータ入力電流１１が増大するに従ってモータ４が加速する。ここでは、第１の電流センサ９で検出されるインバータ入力電流１１が電源の電源電流の制限値である閾値Ｉを超えると、コンデンサ７に蓄電されている電気エネルギを放電開始するように充放電制御回路８を制御する。なお、閾値Ｉの設定は、電源の電源電流の制限値とするか、もしくは、制限電流より低い適宜の値を設定してもよい。

図４に示されるように、閾値Ｉを超えた時、インバータ３への入力電流であるインバータ入力電流１１を検出する第１の電流センサ９からの電流値と放電制御回路８から流出する放電電流を検出する第２の電流センサ２０からの電流値との差が、コンバータ２からの入出力電流の所定値となるように制御することもできる。

コンバータ２の出力電流１０が所定値を超えた時のみ、コンデンサ７からの放電電流をインバータ３に供給するように充放電制御回路８を制御するようにしてもよい。このように制御することにより、コンデンサ７に蓄電された電気エネルギを有効に使用することが可能である。

なお、コンデンサ７への回生電力の充電は、モータの減速期間に行うようにする。コンデンサ７への充電が完了した後の余剰の回生電力は、電源回生や抵抗放電によって処理するようにしてもよい。

以上は、第１の電流センサ９（ＣＴ１）で検出されるインバータ３に入力するインバータ入力電流１１を用いて、コンデンサ７に蓄電された電気エネルギを放電制御した。次に、モータ４を制御するインバータ制御回路５に対する制御指令である指令値を用いて、コンデンサ７に蓄電された電気エネルギを放電制御する実施形態について説明する。

第１の電流センサ９（ＣＴ１）で検出される電流値は、インバータ入力電流１１である。この電流は、モータ４を指令に基づき制御するために、インバータ制御回路５によりインバータ３のトランジスタをスイッチングすることにより決まる値である。

図６は、任意の指令値に基づきコンデンサ７の放電を制御するために、第２の電流センサ２０（ＣＴ２）からの電流値を任意の指令値に一致させるために、両者をヒシテリシスコンパレータを用いて比較する。その出力に基づき、充放電制御回路８の放電制御用スイッチ２２をオン／オフ制御する。ヒシテリシスコンパレータの出力は、図７に示されるように、指令値+α＜第２の電流センサの電流検出値である時、オンからオフに、指令値―β＞第２の電流センサの電流検出値である時、オフからオンにすることで、充放電制御回路８を流れる電流は任意の指令値に追従することができる。

図８は、ＰＷＭ制御信号を生成する回路を示す図である。放電制御用スイッチ２２のオン／オフ制御をＰＷＭ制御することで、電流センサ２０（ＣＴ２）で検出される電流値は、任意の指令値に追従することができる。

なお、任意の指令値は、図４に示されるように、コンバータ２からのコンバータ出力電流１０の電流値が所定の値となるように、インバータ３へのインバータ入力電流１１の電流値とコンバータ２からのコンバータ出力電流１０の電流制限値との差である。

次に、指令値に重畳する高周波成分を除去する手段について説明する。高周波成分を除去する手段として、所定期間内の最大値を採用するローパスフィルタについて説明する。
入力信号Ｓに重畳した（１／Ｘ）Ｈｚ以上の周波数成分を低減することを考える。
Ｎ個のレジスタＲ［ｉ］を用意する。（Ｎ：正数、ｉ：０〜Ｎ−１）
入力信号Ｓを、Ｘ／（Ｎ―１）周期でサンプリングし、Ｒ［０］から順に値を格納する。新しい値が格納されるたびに（Ｘ／（Ｎ−１）周期）、格納されているものの中の最大値をフィルタの出力とする。

Ｒ［Ｎ−１］まで値を格納すると、（この時点で、Ｒ［Ｎ−１］の値が最新）
次のサンプリングで得た値は、またＲ［０］から順に格納する。

Ｒ［０］ ：−Ｘ［ｓ］前の値
・・・・・
Ｒ［Ｎ―３］ ：−２Ｘ／（Ｎ−１）［ｓ］前の値
Ｒ［Ｎ−２］ ：−Ｘ／（Ｎ−１）［ｓ］前の値
Ｒ［Ｎ−１］ ：最新の値
上記ローパスフィルタにより、高周波成分を除去しつつ、入力信号の急峻な立ち上がり
に対しても、出力の立ち上がりを同じ程度とすることができる。

次に、所定期間内の最大値を採用するローパスフィルタの一実施例について説明する。
図１に示されるモータ駆動装置１において、モータ４の加速時のコンバータ２からの出力信号をＩｒｅｆ（ｔ）以下に制御するために、充放電制御回路８への具体的な指令値を与えてみる。

コンバータ２とインバータ３のリンク部に流れる電流は、
インバータ入力電流＝コンバータ出力電流＋充放電制御回路の放電電流
の式が成り立つ。

ここで、コンバータ２からの出力電流をＩｒｅｆ（ｔ）に制御しようとすると、充放電制御回路８の充電電流の指令値は、
指令値：充放電制御回路の放電電流＝第１の電流センサ（ＣＴ１）の検出値（インバータ入力電流）−Ｉｒｅｆ（ｔ）
となる。

この場合、第１の電流センサ（ＣＴ１）（インバータ入力電流）には、三相交流電源による電源リップル成分が重畳しているので、電源リップル成分を除去する必要がある。除去しないと、指令値に電源リップル成分が重畳してしまう。

電源リップル成分（例えば、５０Ｈｚ→３００Ｈｚ）を除去するために、第１の電流センサＣＴ１の出力に時定数３〜４ｍｓ程度のＲＣフィルタを用いたとすると、時定数により指令値が遅れてしまい、急峻な負荷（第１の電流センサＣＴ１の出力）の立ち上がりに対して、応答性が悪くなる。

そこで、第１の電流センサＣＴ１の出力に対して、３〜４ｍｓ間の最大値を採用するローパスフィルタを使用することで、急峻な負荷の立ち上がりに対して応答性を損なうことなく、電源リップル成分の影響を低減することができる。

請求項８に係る発明は、電流制御手段は、請求項１の４）〜５）の値が、所定の値になった場合に、放電制御回路から放電電流を流し、その動作によって、前記４）〜５）の値が、所定の値に低下した場合に、前記放電制御回路からの放電電流を停止するように、放電電流を制御する請求項１に記載のモータ駆動装置である。
図１１において、ＣＴ３は、コンバータ出力電流１０を検出する電流センサである。
図１３は、ＣＴ３で検出されたコンバータ出力電流１０と所定の電流値を比較するヒステリシスコンパレータで、コンバータ出力電流１０が、所定の値以上になった時、図１２に示す充放電制御回路のＳＷ１をオンする。
図１１のインバータ入力電流１１は、モータの出力に応じた電流値となっているのでＳＷ１がオンし流れるコンデンサ充放電電流１２には依存しない。したがって、コンデンサ充放電電流１２が流れると、コンバータ出力電流１０は、図１４に示す通り減少する。補足すると、上記の動作は、以下の（数式１）が成り立っているためである。
コンバータ出力電流１０＋コンデンサ充放電電流１２＝インバータ入力電流１１
・・・（数式１）
コンバータの出力電流が、ヒステリシスコンパレータ内の所定の値以下になった場合に、ＳＷ１をオフする。以上の動作を繰り返す事で、コンバータの出力電流を所定の値になるように制御される。

本発明の一実施形態であるモータ駆動装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態であるモータ駆動装置が有する一つの例である充放電制御回路８の概略構成図である。 モータ４が加速と減速の動作を行った時のモータ速度の一例を示す図である。 ＤＣリンク部の電流を示す図である。 モータ４に供給される電力を示す図である。 ヒステリシスコンパレータを説明する図である。 ヒステリシス制御を実行した場合の、指令値、電流センサ（ＣＴ２）との関係を示す図である。 ＰＷＭ制御信号を生成する回路を示す図である。 ＰＷＭ制御を説明する図である。 従来のモータ駆動を説明する図である。 本発明の請求項８に係る発明の実施形態の説明図である（その１）。 本発明の請求項８に係る発明の実施形態の説明図である（その２）。 本発明の請求項８に係る発明の実施形態の説明図である（その３）。 本発明の請求項８に係る発明の実施形態の説明図である（その４）。

符号の説明

１ モータ駆動装置
２ コンバータ
３ インバータ
４ モータ
５ インバータ制御回路
６ 平滑コンデンサ
７ コンデンサ
８ 充放電制御回路
９ 第１の電流センサ
１０ コンバータ出力電流
１１ インバータ入力電流
１２ コンデンサ充放電電流
１３ 第３の電流センサ
２０ 第２の電流センサ
２１ ＤＣリアクトル
２２ 放電制御用スイッチ
２３ 充電制御用スイッチ
２４ 昇圧用スイッチ
２６ａ〜２６ｃ ダイオード
２７ ダイオード

Claims (8)

1. 電源からの交流電圧を受け交流直流電力変換を行うコンバータと、直流電力を受電し直流交流電力変換を行うインバータと、前記コンバータと前記インバータの間のリンク部に並列に接続したコンデンサと、前記コンデンサへの充電および前記コンデンサからの放電を制御する充放電制御回路を備えたモータ駆動装置であって、
   前記コンバータの入出力電流、あるいはコンバータの入出力電力が所定値となるように、
   １）インバータの入力電流、あるいは入力電力、
   ２）インバータの出力電力、
   ３）モータ出力電力、
   ４）コンバータの入力電流、あるいは入力電力、
   ５）コンバータの出力電流、あるいは出力電力、
   上記の１）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値に基づき、前記充放電制御回路の放電電流を制御する電流制御手段を有するモータ駆動装置。
2. 前記電流制御手段は、前記１）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値が、前記コンバータの入出力電流、あるいはコンバータの入出力電力の前記所定値を超える場合にのみ、前記充放電制御回路の放電電流を制御する請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記１）から３）のいずれか１つ、あるいは複数の値と、前記所定値の差を指令値として算出する指令値算出手段と、前記電流制御手段は、前記充放電制御回路の放電電流値を前記指令値算出手段で算出された指令値と一致させるように制御する請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記電流制御手段は、前記指令値と充放電回路に流れる電流値とを入力するヒステリシスを有したコンパレータを有し、前記コンパレータからの出力信号に基づいて、前記充放電制御回路の放電電流を制御する請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記電流制御手段は、前記充放電制御回路に流す電流値を前記指令値に一致させるため、前記指令値と前記充放電制御回路に流す電流値に基づいて電流制御を行った結果であるＰＷＭ指令によって、前記充放電制御回路の放電電流を制御する請求項３に記載のモータ駆動装置。
6. 前記指令値に重畳する高周波の成分の影響を低減するためのローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載のモータ駆動装置。
7. 前記ローパスフィルタは、前記指令値の所定期間内の最大値を指令値として採用することを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。
8. 前記電流制御手段は、前記４）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値が、所定の値になった場合に、前記充放電制御回路から放電電流を流し、その動作によって、前記４）から５）のいずれか１つ、あるいは複数の値が、所定の値に低下した場合に、前記充放電制御回路からの放電電流を停止するように、放電電流を制御する請求項１に記載のモータ駆動装置。

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