JP4512145B2 - モータ制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、モータ制御装置に関し、モータの減速時にコンデンサに電気エネルギーを蓄え、また、モータの加速時にコンデンサに蓄えられた電気エネルギーを供給するモータ制御装置に関する。
入力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を有するモータ制御装置、および、コンバータとインバータとの間のＤＣリンク部（以下、「ＤＣリンク部」という）に並列接続した充放電制御回路とコンデンサを備え、前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを、前記充放電制御回路によって充放電を行う駆動装置が知られている。
特許文献１に開示されるこのような装置では、コンデンサの電圧がＤＣリンク部のＤＣリンク電圧以上の場合、コンデンサからＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給する。図２５は、従来技術であるモータ制御装置におけるモータ速度、ＤＣリンク部の電圧、および、コンデンサの電圧の関係を示している。
背景技術で説明した従来技術であるモータ制御装置は、コンデンサの電圧がＤＣリンク部のＤＣリンク電圧以上の場合、コンデンサからＤＣリンク部に電気エネルギーを供給する。コンデンサから供給される電気エネルギーは、コンデンサの電圧がＤＣリンク電圧未満の場合、コンデンサからＤＣリンク部に電気エネルギーを供給することができない。
図２５に示されるように、従来技術のモータ制御装置では、コンデンサはＤＣリンク部の電圧までしか放電できない。そのため、コンデンサから放電可能なエネルギーは少ない。また、コンデンサの電圧とＤＣリンク部の電圧の差が小さくなった場合に、負荷変動に対して供給電流の応答性が悪化する。
そこで本発明は、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを有効に活用しコンデンサの容量を小さくすることを目的とする。
本願の請求項１に係る発明は、入力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、該コンバータと該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備え、該コンデンサから該充放電制御回路を通して該ＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給するモータ制御装置であって、前記充放電制御回路は、前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電する時に、コンデンサの電圧を降圧し放電する回路と昇圧し放電する回路を有し、前記コンデンサの電圧値と前記ＤＣリンク部の電圧値との比較に基づき、あるいは、前記コンデンサから放電される電流値に基づき、前記降圧と前記昇圧の動作を切り換えることを特徴とするモータ制御装置である。
請求項２に係る発明は、前記充放電制御回路は、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値より高い場合には降圧動作とし、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値より低い場合には昇圧動作となるように、動作を切り換える第１の切り換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項３に係る発明は、前記充放電制御回路は、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値に所定の電圧を加えた値より高い場合には降圧動作とし、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値に所定の電圧を加えた値より低い場合には昇圧動作となるように、動作を切り換える第２の切り換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項４に係る発明は、降圧動作中に流れる前記コンデンサからの放電電流が一定の値以下になった場合、昇圧動作となるように動作を切り換える第３の切り換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項５に係る発明は、前記充放電制御回路は、前記充放電制御回路に流す電流値を電流指令値と一致させるため、前記電流指令値と前記充放電制御回路に流す電流値を比較するヒステリシスを持ったコンパレータを有し、該コンパレータの出力によって前記充放電制御回路の電流を制御するためのスイッチング素子の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項６に係る発明は、昇圧動作時に前記充放電制御回路からインバータに供給される平均的な電流値が電流指令値と一致するように、前記コンデンサの電圧値と前記ＤＣリンク部の電圧値に応じて前記指令値を補正することを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置である。
請求項７に係る発明は、前記電流指令値の補正は、前記コンデンサの電圧値と前記ＤＣリンク部の電圧値との逆比とすることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置である。
請求項８に係る発明は、前記コンデンサの電圧が放電により所定の電圧以下に低下した時に放電を終了することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項９に係る発明は、前記コンデンサの電圧が放電により所定の電圧まで低下した場合には、所定の電圧まで低下したことを外部の装置に通知する通知手段を有する請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項１０に係る発明は、放電終了の所定電圧は前記ＤＣリンク部の電圧から一定の値を差し引いた電圧であることを特徴とする請求項８または９のいずれか一つに記載のモータ制御装置である。
請求項１１に係る発明は、放電終了の所定電圧は、前記コンバータが入力交流電圧を受け交流―直流電力変換を行って得られた前記ＤＣリンク部の電圧から一定の値を差し引いた電圧であることを特徴とする請求項８または９のいずれか一つに記載のモータ制御装置である。
請求項１２に係る発明は、前記コンデンサの電圧が前記ＤＣリンク部電圧より低い場合でかつインバータが回生状態にある場合には充電を行い、かつ、その充電電流を予め決められた所定の値以下となるように制限することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項１３に係る発明は、前記コンデンサの電圧値が、前記ＤＣリンク部の電圧値よりも低い場合でかつインバータが回生状態にあるとき、前記コンデンサへの充電電流の制限値をコンバータの入力電流の制限値にインバータからの回生による電流を加えた値にすることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置である。
請求項１４に係る発明は、前記充放電制御回路に流す充電電流値を制限するために、前記制限値と充放電回路に流れる電流値を比較するヒステリシスを持ったコンパレータを備え、該コンパレータの出力によって充放電制御回路の電流を制御するためのスイッチング素子の制御を行うことを特徴とする請求項１２または１３のいずれか一つに記載のモータ制御装置である。
請求項１５に係る発明は、前記充放電制御回路に流す充電電流値を所定の制限値と一致させるため、前記制限値と前記電流値とを基に演算を行った結果からＰＷＭ指令を作成しスイッチング素子の制限を行うことを特徴とする請求項１２または１３のいずれか一つに記載のモータ制御装置である。
本発明により、コンデンサの電圧が、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧未満の場合でも、コンデンサからＤＣリンク部に電気エネルギーを供給可能とすることで、コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを有効に利用しコンデンサの容量を小さくすることが可能である。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明のモータ制御装置の実施形態の要部ブロック図である。図１に示されるようにモータ制御装置１は電源（三相電源）から交流電圧を供給される。コンバータ２は
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。
図１は、本発明のモータ制御装置の実施形態の要部ブロック図である。図１に示されるようにモータ制御装置１は電源（三相電源）から交流電圧を供給される。コンバータ２は
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との間に並列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に入力するためのコンデンサである。コンバータ２とインバータ３との間を電気的に接続した接続部をＤＣリンク部という。
コンバータ２は、パワー素子（例えば、トランジスタ等）、および、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）、および、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からのＯＮ／ＯＦ制御することにより、コンバータ２で変換された直流電圧を交流電圧に変換し交流電力をモータ４に供給する。
第１の電流センサであるＣＴ１（９）は、インバータ３へ流入する電流値を測定する。ＤＣリンク部の平滑コンデンサ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への電気エネルギーの供給及びモータ４からの回生電気エネルギーを充電する。充放電制御回路８について図２を用いてより詳細に説明する。
図２は、本発明の実施形態が有する一つの例である充放電制御回路８の要部ブロック図である。図１に示されるモータ制御装置の実施形態について説明したように、充放電制御回路８は、モータ制御装置１のＤＣリンク部に並列に接続されている。充電制御回路８には、モータ４からの回生電気エネルギーを充電するためのコンデンサ７が接続されている。充放電制御回路８は、第２の電流センサであるＣＴ２（２０）、電圧センサ２５ａ、電圧センサ２５ｂ、ＤＣリアクトル２１、放電制御用スイッチであるＳＷ１（２２）、充電制御用スイッチであるＳＷ２（２３）、昇圧用スイッチであるＳＷ４（２４）、ダイオード２６ａ，２６ｂ，２６ｃ、ダイオード２７を有する。前記各スイッチＳＷ１（２２），ＳＷ２（２３），ＳＷ４（２４）は例えばＩＧＢＴ等を用いることができる。電圧センサ２５ａはＤＣリンク部の電圧であるＤＣリンク電圧Ｖｄｃを検出し、電圧センサ２５ｂはコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃを検出する。第２の電流センサであるＣＴ２（２０）は充放電回路８の充放電電流を検出する。
次に、図２に示される充放電制御回路８によってコンデンサ７から放電する動作について、図３及び図４を用いて「放電動作１」、「放電動作２」の場合に分けて説明する。「放電動作１」は図３を示す。「放電動作２」は図４に示す。
「放電動作１」は、コンデンサ７からＤＣリンク部へ電流が流れ込む場合であって、かつ、コンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより高い場合である。したがって、放電動作１は降圧動作である。
「放電動作２」は、コンデンサ７からＤＣリンク部へ電流が流れ込む場合であって、かつ、コンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより低い場合である。したがって、放電動作２は昇圧動作である。
「放電動作２」は、コンデンサ７からＤＣリンク部へ電流が流れ込む場合であって、かつ、コンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより低い場合である。したがって、放電動作２は昇圧動作である。
「放電動作１」（降圧動作）（図３参照）について説明する。
ＳＷ１（２２）をオンすると、経路Ｗ１で示される経路でコンデンサ７からＤＣリンク部へ電流が流れる。このとき放電電流は増加する。
ＳＷ１（２２）をオフすると、ＤＣリアクトル２１に磁気エネルギー（電気エネルギー）が蓄えられているため、ダイオード２７に電流が流れる。このとき放電電流は減少する。
ＳＷ１（２２）をオンするとコンデンサ７からの放電電流は増加し、ＳＷ１（２２）をオフすると前記電流は減少する。つまり、放電制御用スイッチＳＷ１（２２）のオンとオフとを制御することで、コンデンサ７からの放電電流を制御することができる。
なお、ＳＷ２（２３）、ＳＷ４（２４）はオフ状態である。
ＳＷ１（２２）をオンすると、経路Ｗ１で示される経路でコンデンサ７からＤＣリンク部へ電流が流れる。このとき放電電流は増加する。
ＳＷ１（２２）をオフすると、ＤＣリアクトル２１に磁気エネルギー（電気エネルギー）が蓄えられているため、ダイオード２７に電流が流れる。このとき放電電流は減少する。
ＳＷ１（２２）をオンするとコンデンサ７からの放電電流は増加し、ＳＷ１（２２）をオフすると前記電流は減少する。つまり、放電制御用スイッチＳＷ１（２２）のオンとオフとを制御することで、コンデンサ７からの放電電流を制御することができる。
なお、ＳＷ２（２３）、ＳＷ４（２４）はオフ状態である。
「放電動作２」（昇圧動作）（図４参照）について説明する。
ＳＷ１（２２）をオンし、かつ、ＳＷ４（２４）をオンすると、経路Ｗ２の経路でコンデンサ７からＤＣリアクトル２１へ電流が流れる。この時、放電電流は増加する。
ＳＷ１をオンしたままＳＷ４オフすると、ＤＣリアクトル２１に磁気エネルギー（電気エネルギー）が蓄えられているため、経路Ｗ３の経路でＤＣリンク部へ電流が流れる。この時、放電電流は減少する。
ＳＷ１（２２）をオンしたままＳＷ４（２４）をオンすると、コンデンサ７からの放電電流は増加し、ＳＷ４（２４）をオフすると前記放電電流は減少する。つまり、放電制御用スイッチＳＷ１（２２）をオンしたまま昇圧用スイッチＳＷ４（２４）のオンとオフとを制御することで、コンデンサ７からの放電電流を制御することができる。なお、ＳＷ２（２３）はオフ状態である。
ＳＷ１（２２）をオンし、かつ、ＳＷ４（２４）をオンすると、経路Ｗ２の経路でコンデンサ７からＤＣリアクトル２１へ電流が流れる。この時、放電電流は増加する。
ＳＷ１をオンしたままＳＷ４オフすると、ＤＣリアクトル２１に磁気エネルギー（電気エネルギー）が蓄えられているため、経路Ｗ３の経路でＤＣリンク部へ電流が流れる。この時、放電電流は減少する。
ＳＷ１（２２）をオンしたままＳＷ４（２４）をオンすると、コンデンサ７からの放電電流は増加し、ＳＷ４（２４）をオフすると前記放電電流は減少する。つまり、放電制御用スイッチＳＷ１（２２）をオンしたまま昇圧用スイッチＳＷ４（２４）のオンとオフとを制御することで、コンデンサ７からの放電電流を制御することができる。なお、ＳＷ２（２３）はオフ状態である。
次に、「充電動作」について説明する。
図５を用いて充放電制御回路８（図２参照）によってコンデンサ７へ充電する動作について説明する。ＤＣリンク部からの電流がコンデンサ７に流入する場合、換言すれば、コンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより低い場合の充電動作について説明する。
ＳＷ２（２３）をオンすると経路Ｗ４（図５参照）の経路でコンデンサ７への充電電流が流れる。このとき充電電流は増加する。
ＳＷ２（２３）をオフすると、ＤＣリアクトル２１に磁気エネルギー（電気エネルギー）が蓄えられているため、経路Ｗ５（図５参照）の経路でダイオード２６ｂに電流が流れる。このとき、充電電流は減少する。
充電制御用スイッチＳＷ２（２３）のオンとオフとを制御することで、コンデンサ７への充電電流を制御することができる。なお、このとき、ＳＷ１とＳＷ４はオフ状態である。
図５を用いて充放電制御回路８（図２参照）によってコンデンサ７へ充電する動作について説明する。ＤＣリンク部からの電流がコンデンサ７に流入する場合、換言すれば、コンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより低い場合の充電動作について説明する。
ＳＷ２（２３）をオンすると経路Ｗ４（図５参照）の経路でコンデンサ７への充電電流が流れる。このとき充電電流は増加する。
ＳＷ２（２３）をオフすると、ＤＣリアクトル２１に磁気エネルギー（電気エネルギー）が蓄えられているため、経路Ｗ５（図５参照）の経路でダイオード２６ｂに電流が流れる。このとき、充電電流は減少する。
充電制御用スイッチＳＷ２（２３）のオンとオフとを制御することで、コンデンサ７への充電電流を制御することができる。なお、このとき、ＳＷ１とＳＷ４はオフ状態である。
図６を用いて、図２に示される充放電制御回路８によりコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃが、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃ以上、および、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃ未満のいずれの場合でも、コンデンサ７からＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給可能とする動作について説明する。
図６は、モータ制御装置１におけるモータ速度、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃ、コンデンサ電圧Ｖｃと、降圧動作（放電動作１）と昇圧動作（放電動作２）の関係を示す図である。図６（１）はモータ制御装置１が駆動制御するモータが加減速を行う状態を示す図である。図６（２）はモータが図６（１）の加減速を行った時の、ＤＣリンク電圧Ｖｄｃとコンデンサ電圧Ｖｃの関係を示す図である。
コンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク部の電圧Ｖｄｃより高い場合には、降圧動作（放電動作１）によりコンデンサ７からＤＣリンク部へ放電する。
昇圧動作（放電動作２）によりコンデンサ７からＤＣリンク部への電気エネルギーの供給は、図６（２）に示されるように、コンデンサ７のコンデンサ電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃ以下になっても継続する。従って、この昇圧動作によるコンデンサ７からの電気エネルギーのＤＣリンク部への供給分だけ従来技術に比較してエネルギー供給が多くなる。
換言すれば、従来技術に比較して、同じ回生電気エネルギーを供給するためのコンデンサの容量を低減することができる。
図６において、Ｑ１およびＱ２は放電エネルギーを表すが、電圧と時間の関係のグラフであるので、直接的な電気エネルギーを指すわけではない。電気エネルギーの量は、電流と時間の関係のグラフから算出することができる。
昇圧動作（放電動作２）によりコンデンサ７からＤＣリンク部への電気エネルギーの供給は、図６（２）に示されるように、コンデンサ７のコンデンサ電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃ以下になっても継続する。従って、この昇圧動作によるコンデンサ７からの電気エネルギーのＤＣリンク部への供給分だけ従来技術に比較してエネルギー供給が多くなる。
換言すれば、従来技術に比較して、同じ回生電気エネルギーを供給するためのコンデンサの容量を低減することができる。
図６において、Ｑ１およびＱ２は放電エネルギーを表すが、電圧と時間の関係のグラフであるので、直接的な電気エネルギーを指すわけではない。電気エネルギーの量は、電流と時間の関係のグラフから算出することができる。
図７は、本発明の降圧動作（放電動作１）と昇圧動作（放電動作２）とを自動的に切り換える実施形態（第１の実施形態）を説明する図である。図１及び図２に示される本発明の実施形態であるモータ制御装置１と充放電制御回路８にＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃとコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃを測定する電圧測定手段である電圧センサ２５ａ，２５ｂを設け、コンデンサ７の電圧ＶｃとＤＣリンク部の電圧Ｖｄｃを測定し、コンデンサ７の電圧値ＶｃとＤＣリンク部のＤＣリンク電圧値Ｖｄｃとを比較し、コンデンサ７の電圧値ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより高い場合には降圧動作（図３参照）とし、コンデンサ７の電圧値がＤＣリンク部のＤＣリンク電圧値より低い場合には昇圧動作（図４参照）となるように自動的に切り換える。図７では、第１の降圧動作と昇圧動作の切り換え点Ｐで、降圧動作から昇圧動作に移行している。
図８は、本発明の降圧動作（放電動作１）と昇圧動作（放電動作２）とを自動的に切り換える実施形態（第２の実施形態）を説明する図である。充放電制御回路８につながるコンデンサ７の電圧値ＶｃとＤＣリンク部のＤＣリンク電圧値Ｖｄｃとを比較し、コンデンサ７の電圧値ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧値Ｖｄｃに所定の電圧を加えた値より高い場合には降圧動作（放電動作１）（図３参照）とし、コンデンサ７の電圧値ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧値Ｖｄｃに所定の電圧を加えた値より低い場合には、両電圧の差が小さくなった場合の降圧動作における放電電流の低下または電流制御の応答性の低下を回避するために、昇圧動作（図４参照）となるように自動的に切り換える。図８ではＰ２の時、つまり、降圧動作から昇圧動作への切り換えを、コンデンサ電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより高い時点で行なうことを示している。
図９は、本発明の降圧動作（放電動作１）と昇圧動作（放電動作２）とを自動的に切り換える実施形態（第３の実施形態）を説明する図である。降圧動作中にコンデンサ７から流れる放電電流が一定値以下となった場合、両電圧の差が小さくなった場合の降圧動作における放電電流の低下または電流制御の応答性の低下を回避するために、昇圧動作となるように自動的に切り換える。図９に示されるように、Ｐ３の時、つまり、降圧動作と昇圧動作の切り換えをコンデンサ７からの放電電流の過多で判断している。
図１０は、本発明のヒステリシスを持ったコンパレータを用いて図２の充放電制御回路８を制御する実施形態（第４の実施形態）を説明する図である。充放電制御回路８（図２参照）に流す電流値と電流指令値とを一致させるため、前記電流指令値と充放電制御回路８に流す電流値との間にヒステリシス特性を持ったコンパレータを用い、そのコンパレータの出力によって、充放電制御回路８の電流を制御するためのスイッチング素子の制御を行う。
まず、降圧動作（放電動作１）の時では、コンパレータの出力により放電制御用スイッチＳＷ１（２２）をオン・オフスイッチングし、コンデンサ７からＤＣリンク部へ放電する。なおこの時には、ＳＷ２（２３）及びＳＷ４（２４）はオフ状態である。そして、コンデンサ７からのＤＣリンク部への放電を昇圧動作（放電動作２）の時では、コンパレータの出力により昇圧用スイッチＳＷ４（２４）をオン・オフスイッチングし、コンデンサ７からＤＣリンク部へ放電する。なおこの時には、ＳＷ１はオン状態でＳＷ２（２３）はオフ状態である。ＳＷ１（２２）とＳＷ４（２４）は図１０（２）に示されるように、コンパレータのヒステリシス特性に応じたオン・オフ制御される。
ＳＷ４（２４）のスイッチングパターンは、充放電制御回路８（図２参照）の第２の電流センサ（ＣＴ２）が検出した電流値に基づいて作成されているため、スイッチングを行うたびにコンデンサ７の電圧が低下し、電流指令通りの電流を徐々に流すことができなくなる。
まず、降圧動作（放電動作１）の時では、コンパレータの出力により放電制御用スイッチＳＷ１（２２）をオン・オフスイッチングし、コンデンサ７からＤＣリンク部へ放電する。なおこの時には、ＳＷ２（２３）及びＳＷ４（２４）はオフ状態である。そして、コンデンサ７からのＤＣリンク部への放電を昇圧動作（放電動作２）の時では、コンパレータの出力により昇圧用スイッチＳＷ４（２４）をオン・オフスイッチングし、コンデンサ７からＤＣリンク部へ放電する。なおこの時には、ＳＷ１はオン状態でＳＷ２（２３）はオフ状態である。ＳＷ１（２２）とＳＷ４（２４）は図１０（２）に示されるように、コンパレータのヒステリシス特性に応じたオン・オフ制御される。
ＳＷ４（２４）のスイッチングパターンは、充放電制御回路８（図２参照）の第２の電流センサ（ＣＴ２）が検出した電流値に基づいて作成されているため、スイッチングを行うたびにコンデンサ７の電圧が低下し、電流指令通りの電流を徐々に流すことができなくなる。
図１１は、昇圧動作時（放電動作２）（図４参照）に充放電制御回路８からインバータ３に供給される「平均的な電流値」が電流指令値と一致するように制御する実施形態（第５の実施形態）を説明する図である。充放電制御回路８につながるコンデンサ７の電圧ＶｃとＤＣリンク部の電圧値Ｖｄｃに応じて電流指令値を補正する。電流指令値の補正については図１３を用いて後述する。
前記の「平均的な電流値」とは、前記コンデンサ７からの放電動作２において経路Ｗ３の電流で示される電流の平均電流を意味する（図１２（２）参照）。コンデンサ７からの放電電流の制御は、ＳＷ４（２４）のオンとオフとを繰り返すことで行われる。ＳＷ４（２４）がオンしている時は、経路Ｗ３の電流は零（ゼロ）になるため、経路Ｗ３の電流は図１２（２）に示される波形のような電流となる。換言すると、前記「平均的な電流値」とは、経路Ｗ３の電流を平均化した値を意味する。
図１３は、電流指令値の補正について説明する図である。なお、図１３の中では電流指令値を単に指令値として表記している。図１３（２）は図１３（１）に示される昇圧動作時の昇圧用スイッチＳＷ４（２４）のオン・オフ制御信号、第２の電流センサ（ＣＴ２）２０の電流検出値、及び、電流指令値の関係を示す図である。
図１３（２）では、元の指令値（元の電流指令値）を補正された指令値（補正された電流指令値）のように補正する。このように、ＤＣリンク部の電圧Ｖｄｃとコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃに応じて、電流指令値に補正を加えることで、本来コンデンサ７から出力したい電流を取り出すことが可能である。
電流指令値の補正は、充放電制御回路８に接続されたコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃと、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの逆比、あるいは、その近似式とし、放電に伴うコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃの低下とともに、電流指令値の補正値を増大させる（第６の実施形態）。前述の図１３（２）の電流指令値の補正のグラフには、元の電流指令値と補正された電流指令値との乖離が時間経過と共に補正量を増大させていることが示されている。
昇圧動作（放電動作２）時、すなわち、コンデンサ７のコンデンサ電圧ＶｃがＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃより小さい時（Ｖｃ＜Ｖｄｃ）、電流指令値Ｉがあった場合、図２に示される充放電制御回路８における第２の電流センサ（ＣＴ２）２０での電流値に基づいて指令値に追随しようとすると、実際にＤＣリンク部へ出力される電流Ｉｏｕｔは原理的にＩ＊（Ｖｃ／Ｖｄｃ）となるので、元の電流指令値Ｉに対して小さな値となってしまう（なぜなら、Ｖｃ／Ｖｄｃ＜１であるので）。そこで、Ｉｏｕｔに対して（Ｖｄｃ／Ｖｃ）、または、その近似値を掛けることで、ＩとＩｏｕｔが近い値となるように元の電流指令値に補正する制御を行う。
図１４は、本発明のコンデンサ電圧が放電により所定の電圧以下になった時に放電を終了する実施形態（第７の実施形態）を説明する図である。
図２に示す放電制御回路８の動作によってコンデンサ７の電圧Ｖｃが、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃよりも低い電圧になっても、コンデンサ７はＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給することができる。コンデンサ７の電圧Ｖｃが低下するにつれて、所望の電気エネルギーの供給ができなくなり、また、充放電制御回路８のＳＷ１（２２），ＳＷ２（２３），ＳＷ４（２４）のスイッチング素子のスイッチング周波数が高くなる。そうすると、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４での損失が大きくなり、過度な温度になる可能性があるため放電を停止させる。図１４では図に示される「コンデンサからの放電終了レベル」にコンデンサ７の電圧Ｖｃが低下すると、コンデンサ７からの放電を停止することが示されている。
図２に示す放電制御回路８の動作によってコンデンサ７の電圧Ｖｃが、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃよりも低い電圧になっても、コンデンサ７はＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給することができる。コンデンサ７の電圧Ｖｃが低下するにつれて、所望の電気エネルギーの供給ができなくなり、また、充放電制御回路８のＳＷ１（２２），ＳＷ２（２３），ＳＷ４（２４）のスイッチング素子のスイッチング周波数が高くなる。そうすると、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４での損失が大きくなり、過度な温度になる可能性があるため放電を停止させる。図１４では図に示される「コンデンサからの放電終了レベル」にコンデンサ７の電圧Ｖｃが低下すると、コンデンサ７からの放電を停止することが示されている。
コンデンサ７の電圧Ｖｃが放電により所定の電圧まで低下した場合には、その状態を外部の装置に通知するようにしてもよい（第８の実施形態）。コンデンサ７の電圧Ｖｃは前述のとおり電圧センサ２５ｂで検出することができ、電圧センサ２５ｂで検出した電圧信号を図示省略した表示装置に表示するようにしてもよい。これにより、コンデンサ７からのエネルギー供給が不足していることがわかり、電源の電圧降下を阻止するために機械の動作を停止、あるいは、出力を落とすなどの対応が取られる。また、コンデンサ７の容量を追加するというような対応が必要なことが容易に判断できる。
図１５は、本発明の放電終了の所定電圧をＤＣリンク部の電圧Ｖｄｃから一定の値を差し引いた電圧とする実施形態（第９の実施形態）を説明する図である。図１５では、コンデンサ７からの放電終了の所定電圧を、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃから一定の値（ΔＶ）を差し引いた電圧としている。
図１６は、本発明の放電終了の所定電圧をコンバータ２が入力交流電圧を受け交流−直流電力変換を行って得られたＤＣリンク部の電圧から一定の値を差し引いた電圧とする実施形態（第１０の実施形態）を説明する図である。
図１５や図１６に示されるようにコンデンサ７の放電終了の電圧Ｖｃを設定すると次のような利点がある。
昇圧動作における電流の供給量は、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃとコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃに依存する。放電終了の所定電圧を固定値にした場合、電源電圧の範囲によって電流の供給量が異なるため、適切な放電終了の電圧が設定できない。そこで、放電終了の所定電圧をＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃとコンデンサ７の電圧Ｖｃの値をもとに設定することにより、適正な放電終了時の所定電圧を得ることが可能となる。
昇圧動作における電流の供給量は、ＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃとコンデンサ７のコンデンサ電圧Ｖｃに依存する。放電終了の所定電圧を固定値にした場合、電源電圧の範囲によって電流の供給量が異なるため、適切な放電終了の電圧が設定できない。そこで、放電終了の所定電圧をＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃとコンデンサ７の電圧Ｖｃの値をもとに設定することにより、適正な放電終了時の所定電圧を得ることが可能となる。
コンデンサ７からの供給電流（平均値）は次の式で表すことができる。
供給電流（平均値）＝最大電流値＊（コンデンサ電圧Ｖｃ／インバータのＤＣリンク電圧Ｖｄｃ）
なお、最大電流値はコンデンサ７からＤＣリンク部へ供給される放電電流の最大値である。コンデンサ７のコンデンサ電圧ＶｃとＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの比率が、電流のオンとオフの比率となる（図１７参照）。
供給電流（平均値）＝最大電流値＊（コンデンサ電圧Ｖｃ／インバータのＤＣリンク電圧Ｖｄｃ）
なお、最大電流値はコンデンサ７からＤＣリンク部へ供給される放電電流の最大値である。コンデンサ７のコンデンサ電圧ＶｃとＤＣリンク部のＤＣリンク電圧Ｖｄｃの比率が、電流のオンとオフの比率となる（図１７参照）。
図１８は、本発明のコンデンサ７の電圧ＶｃがＤＣリンク電圧Ｖｄｃよりも低い場合には充電を行い、かつ、その充電電流を予め決められた所定の値以下となるように制限する実施形態（第１１の実施形態）を説明する図である。
図２に示す充放電制御回路８の動作によってコンデンサ７は、コンデンサ電圧ＶｃがＤＣリンク電圧Ｖｄｃよりも低い電圧になってもＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給することができる。
図２に示す充放電制御回路８の動作によってコンデンサ７は、コンデンサ電圧ＶｃがＤＣリンク電圧Ｖｄｃよりも低い電圧になってもＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給することができる。
モータ４の加速終了後、昇圧動作が停止するため、コンデンサ７に対して電源からの充電電流が流れる。このとき、電源電圧とコンデンサ７の電圧Ｖｄｃの電位差が大きいと、過大な電流がコンデンサ７に流れ込み、電源や充放電制御回路８に悪影響を及ぼす。
そのため、そのような過大な電流が流れないように充電電流を制御しながらコンデンサ７へ充電する。具体的な電流制御の手段としては、図２の充放電制御回路８の充電制御用スイッチＳＷ２（２３）をオンとオフすることで電流の制御を行うことができる。
そのため、そのような過大な電流が流れないように充電電流を制御しながらコンデンサ７へ充電する。具体的な電流制御の手段としては、図２の充放電制御回路８の充電制御用スイッチＳＷ２（２３）をオンとオフすることで電流の制御を行うことができる。
図１９は、モータ４の減速による回生エネルギー（電流）が発生していることを検知し、コンデンサ７の充電電流の制限値を大きくする実施形態（第１２の実施形態）を示す図である。
モータ４の加速終了時、コンデンサ７へ電源からの充電電流が流れる。この期間中にモータ４が減速し回生エネルギーが発生する場合がある。この場合にも、コンデンサ７へモータ４からの回生エネルギーを蓄えたいが、電源からの充電電流を制限するために、コンデンサ７へ流れる電流を制限している。そのため、モータ４からの回生エネルギーをコンデンサ７に蓄える量も制限される。
モータ４の加速終了時、コンデンサ７へ電源からの充電電流が流れる。この期間中にモータ４が減速し回生エネルギーが発生する場合がある。この場合にも、コンデンサ７へモータ４からの回生エネルギーを蓄えたいが、電源からの充電電流を制限するために、コンデンサ７へ流れる電流を制限している。そのため、モータ４からの回生エネルギーをコンデンサ７に蓄える量も制限される。
そこで、モータ４の減速による回生エネルギーを、第１の電流センサ（ＣＴ１）９でモータ４からの回生電流を検出し、回生エネルギーが発生しているときには、コンデンサ７への充電電流の制限値を大きくし、回生エネルギーをコンデンサ７に蓄えることができるようにする。
これにより、より省エネルギーの能力を向上させることができる。モータ４の減速により回生エネルギーが発生していることは、第１の電流センサ（ＣＴ１）９に流れる電流の流れる向きで検知することができる。
モータ４の減速時には図１９に示される方向に電流が流れる。コンデンサ７に流れる電流の制限値を、第１の電流センサ（ＣＴ１）９に流れる回生電流Ｉ２の大きさに応じて大きくする。例えば、コンデンサ７への充電電流の制限値は、電源からの入力電流の制限値にモータ４からの回生電流を加えた値とする。その結果、コンデンサ７に流入する電流Ｉ３は電源からの充電電流Ｉ１とモータ４からの回生電流Ｉ２とにより電気エネルギーが蓄えられる。
これにより、より省エネルギーの能力を向上させることができる。モータ４の減速により回生エネルギーが発生していることは、第１の電流センサ（ＣＴ１）９に流れる電流の流れる向きで検知することができる。
モータ４の減速時には図１９に示される方向に電流が流れる。コンデンサ７に流れる電流の制限値を、第１の電流センサ（ＣＴ１）９に流れる回生電流Ｉ２の大きさに応じて大きくする。例えば、コンデンサ７への充電電流の制限値は、電源からの入力電流の制限値にモータ４からの回生電流を加えた値とする。その結果、コンデンサ７に流入する電流Ｉ３は電源からの充電電流Ｉ１とモータ４からの回生電流Ｉ２とにより電気エネルギーが蓄えられる。
図２０は、充放電制御回路８に流す充電電流値を制限値に制限するため、制限値と充電回路に流れる電流値を比較するときにヒステリシスを持ったコンパレータを用い、コンパレータの出力によって充放電制御回路８の電流を制御するためのヒステリシス素子の制御を行う実施形態（第１３の実施形態）を説明する図である。
充放電制御回路８（図２参照）の第２の電流センサ（ＣＴ２）２０の電流検出値を充電電流の制限値に一致させるために、電流検出値と制限値とをヒステリシスコンパレータを用いて比較する（図２１参照）。そして、その比較結果の出力に基づき、ＳＷ２（２３）のオンとオフとを制御する。
図２２に示されるように、ヒステリシスコンパレータの出力は、指令値＋α＜電流センサ（ＣＴ２）の検出値の時、ＳＷ２（２３）をＨからＬへ変化（オンからオフへ変化）、指令値−β＞第２の電流センサ（ＣＴ２）の検出値の時、ＳＷ２（２３）をＬからＨへ変化（オフからオンへ変化）させることで、第２の電流センサ（ＣＴ２）の電流は任意の指令値に追従する。
図２２に示されるように、ヒステリシスコンパレータの出力は、指令値＋α＜電流センサ（ＣＴ２）の検出値の時、ＳＷ２（２３）をＨからＬへ変化（オンからオフへ変化）、指令値−β＞第２の電流センサ（ＣＴ２）の検出値の時、ＳＷ２（２３）をＬからＨへ変化（オフからオンへ変化）させることで、第２の電流センサ（ＣＴ２）の電流は任意の指令値に追従する。
図２３は、ＰＷＭ指令を作成しスイッチング素子の制御を行う実施形態（第１４の実施形態）を説明する図である。図２３に示されるように、充放電制御回路８（図２参照）における第２の電流センサ（ＣＴ２）２０が検出する電流検出値と指令値とを制御演算し電圧指令を求め、その電圧指令と搬送波とをコンパレータで比較し、ＰＷＭ指令を生成する。ＰＷＭ指令により、ＳＷ２（２３）をオンとオフさせる。図２４に示されるように、第２の電流センサ（ＣＴ２）２０の電流が低いと指令値が高くなり、ＰＷＭ指令は開く。逆に、第２の電流センサ（ＣＴ２）２０の電流が高いと指令値が低くなり、ＰＷＭ指令は狭くなる。その結果、第２の電流センサ（ＣＴ２）２０の電流が指令値に追従する。
１ モータ制御装置
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（ＣＴ１）
１０ コンバータ入出力電流
１１ インバータ入出力電流
１２ コンデンサ充放電電流
２０ 第２の電流センサ（ＣＴ２）
２１ ＤＣリアクトル
２２ ＳＷ１：放電制御用スイッチ（ＩＧＢＴ等）
２３ ＳＷ２：充電制御用スイッチ（ＩＧＢＴ等）
２４ ＳＷ４：昇圧用スイッチ（ＩＧＢＴ等）
２５，２５ｂ 電圧センサ
２６ａ〜２６ｃ ダイオード
２７ ダイオード
３０ ヒシテリシスコンパレータ
Ｉ１ 電源からの充電電流
Ｉ２ モータ４からの回生電流
Ｉ３ コンデンサ７への充電電流
Ｐ 降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｐ１ 第１の降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｐ２ 第２の降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｐ３ 第３降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｑ１ コンデンサ７からの第１の放電エネルギー（降圧動作時）
Ｑ２ コンデンサ７からの第２の放電エネルギー（昇圧動作時）
Ｓ コンデンサ７からの放電開始
Ｅ コンデンサ７からの放電終了
Ｖｃ コンデンサ電圧（コンデンサ７の電圧）
Ｖｄｃ ＤＣリンク電圧（ＤＣリンク部の電圧）
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（ＣＴ１）
１０ コンバータ入出力電流
１１ インバータ入出力電流
１２ コンデンサ充放電電流
２０ 第２の電流センサ（ＣＴ２）
２１ ＤＣリアクトル
２２ ＳＷ１：放電制御用スイッチ（ＩＧＢＴ等）
２３ ＳＷ２：充電制御用スイッチ（ＩＧＢＴ等）
２４ ＳＷ４：昇圧用スイッチ（ＩＧＢＴ等）
２５，２５ｂ 電圧センサ
２６ａ〜２６ｃ ダイオード
２７ ダイオード
３０ ヒシテリシスコンパレータ
Ｉ１ 電源からの充電電流
Ｉ２ モータ４からの回生電流
Ｉ３ コンデンサ７への充電電流
Ｐ 降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｐ１ 第１の降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｐ２ 第２の降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｐ３ 第３降圧動作と昇圧動作の切り換え点
Ｑ１ コンデンサ７からの第１の放電エネルギー（降圧動作時）
Ｑ２ コンデンサ７からの第２の放電エネルギー（昇圧動作時）
Ｓ コンデンサ７からの放電開始
Ｅ コンデンサ７からの放電終了
Ｖｃ コンデンサ電圧（コンデンサ７の電圧）
Ｖｄｃ ＤＣリンク電圧（ＤＣリンク部の電圧）
Claims (15)
- 入力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、該コンバータと該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備え、該コンデンサから該充放電制御回路を通して該ＤＣリンク部へ電気エネルギーを供給するモータ制御装置であって、
前記充放電制御回路は、前記コンデンサに蓄えられた電気エネルギーを放電する時に、コンデンサの電圧を降圧し放電する回路と昇圧し放電する回路を有し、
前記コンデンサの電圧値と前記ＤＣリンク部の電圧値との比較に基づき、あるいは、前記コンデンサから放電される電流値に基づき、
前記降圧と前記昇圧の動作を切り換えることを特徴とするモータ制御装置。 - 前記充放電制御回路は、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値より高い場合には降圧動作とし、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値より低い場合には昇圧動作となるように、動作を切り換える第１の切り換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 前記充放電制御回路は、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値に所定の電圧を加えた値より高い場合には降圧動作とし、前記コンデンサの電圧値が前記ＤＣリンク部の電圧値に所定の電圧を加えた値より低い場合には昇圧動作となるように、動作を切り換える第２の切り換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 降圧動作中に流れる前記コンデンサからの放電電流が一定の値以下になった場合、昇圧動作となるように動作を切り換える第３の切り換え手段を有することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 前記充放電制御回路は、前記充放電制御回路に流す電流値を電流指令値と一致させるため、前記電流指令値と前記充放電制御回路に流す電流値を比較するヒステリシスを持ったコンパレータを有し、該コンパレータの出力によって前記充放電制御回路の電流を制御するためのスイッチング素子の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 昇圧動作時に前記充放電制御回路からインバータに供給される平均的な電流値が電流指令値と一致するように、前記コンデンサの電圧値と前記ＤＣリンク部の電圧値に応じて前記指令値を補正することを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
- 前記電流指令値の補正は、前記コンデンサの電圧値と前記ＤＣリンク部の電圧値との逆比とすることを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
- 前記コンデンサの電圧が放電により所定の電圧以下に低下した時に放電を終了することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 前記コンデンサの電圧が放電により所定の電圧まで低下した場合には、所定の電圧まで低下したことを外部の装置に通知する通知手段を有する請求項１に記載のモータ制御装置。
- 放電終了の所定電圧は前記ＤＣリンク部の電圧から一定の値を差し引いた電圧であることを特徴とする請求項８または９のいずれか一つに記載のモータ制御装置。
- 放電終了の所定電圧は、前記コンバータが入力交流電圧を受け交流―直流電力変換を行って得られた前記ＤＣリンク部の電圧から一定の値を差し引いた電圧であることを特徴とする請求項８または９のいずれか一つに記載のモータ制御装置。
- 前記コンデンサの電圧が前記ＤＣリンク部電圧より低い場合でかつインバータが回生状態にある場合には充電を行い、かつ、その充電電流を予め決められた所定の値以下となるように制限することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 前記コンデンサの電圧値が、前記ＤＣリンク部の電圧値よりも低い場合でかつインバータが回生状態にあるとき、前記コンデンサへの充電電流の制限値をコンバータの入力電流の制限値にインバータからの回生による電流を加えた値にすることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
- 前記充放電制御回路に流す充電電流値を制限するために、前記制限値と充放電回路に流れる電流値を比較するヒステリシスを持ったコンパレータを備え、該コンパレータの出力によって充放電制御回路の電流を制御するためのスイッチング素子の制御を行うことを特徴とする請求項１２または１３のいずれか一つに記載のモータ制御装置。
- 前記充放電制御回路に流す充電電流値を所定の制限値と一致させるため、前記制限値と前記電流値とを基に演算を行った結果からＰＷＭ指令を作成しスイッチング素子の制限を行うことを特徴とする請求項１２または１３のいずれか一つに記載のモータ制御装置。
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