JP6008474B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

モータを利用した装置では、エネルギーの損失を抑えて、いかに効率よくモータを駆動するかについての技術の検討が多く行われている。このような技術においては、モータにおいて生じる起電力をいかに効率よく蓄電し、蓄電した電力をモータで消費するかが問題となる。
例えば、特許文献１に記載の技術では、モータと回生エネルギー蓄積手段との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設け、当該ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、モータにおいて生じた電力を回生エネルギー蓄積手段に蓄電している。

特開２００３−１９９２０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、回生エネルギー蓄積手段に蓄積した電力をモータに供給する際、電力を蓄電した際と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータを再度制御する必要があり、電力を蓄積する場合と、蓄積した電力を放出する場合とにおいてＤＣ／ＤＣコンバータの制御を切り替えるなどの複雑な制御が必要であるという問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、モータで生じた電力の蓄積、及び、蓄積した電力の放出における制御を簡素化できるモータ制御装置を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、供給される交流電力を用いてモータを駆動するモータ制御装置であって、前記交流電力を直流電力に変換する整流部と、前記整流部が出力する直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータ部と、前記整流部と前記インバータ部とを接続する高電位側の配線に、一端が接続されたスイッチング素子と、一端が前記スイッチング素子の他端に接続され、他端が前記整流部と前記インバータ部とを接続する低電位側の配線に接続されている蓄電部と、アノードが前記蓄電部の一端に接続されているダイオードと、前記ダイオードのカソードと前記高電位側の配線との間に前記ダイオードと直列に接続され、前記蓄電部の端子間の電圧に応じて、前記ダイオードのカソードの電圧を降圧して前記高電位側の配線へ供給する電圧降圧部と、前記高電位側の配線と前記低電位側の配線との電位差に応じて、前記スイッチング素子を通電状態にするか、非通電状態にするかを選択する回生制御部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置である。

この発明によれば、整流部とインバータ部とを接続する、高電位側の配線と低電位側の配線の電位差に応じて、スイッチング素子を通電状態にするか、非通電状態にするかを選択するという単純な制御を用いて、モータにおいて生じた回生電力を蓄電することができる。

第１実施形態におけるモータ装置１の構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態における電圧降圧部１５２の構成例を示す回路図である。 同実施形態におけるモータ制御部１０の動作を示すグラフである。 第２実施形態におけるモータ装置２の構成を示す概略ブロック図である。 同実施形態における電圧昇降圧部２６の構成例を示す回路図である。 同実施形態におけるモータ制御部２０の動作を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態におけるモータ制御装置を説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態におけるモータ装置１の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、モータ装置１は、モータ制御部１０と、交流電源部１１と、モータ１４とを具備している。モータ制御部１０は、整流部１２と、インバータ部１３と、回生部１５と、平滑用のコンデンサＣ１とを備えている。
交流電源部１１は、交流電力を供給する。整流部１２は、交流電源部１１が供給する交流電力を整流して直流電力に変換して出力する。本実施形態では、整流部１２が全波整流する場合について説明する。

インバータ部１３は、モータ１４の駆動に応じて、整流部１２が出力する直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ１４に出力してモータ１４を駆動する。本実施形態においては、モータ１４が三相モータの場合を示している。
平滑用のコンデンサＣ１は、電解コンデンサであり、陽極端が整流部１２とインバータ部１３とを接続する高電位側の配線Ｌ_Ｈに接続され、陰極端が整流部１２とインバータ部１３とを接続する低電位側の配線Ｌ_Ｌに接続されている。

回生部１５は、モータ１４の回転速度を減速させた場合などにおいてモータ１４に生じる電力を、インバータ部１３を介して入力して蓄積する。また、回生部１５は、蓄積した電力をインバータ部１３に出力する。
また、回生部１５は、ダイオードＤ１、Ｄ２と、抵抗Ｒ１と、スイッチング素子Ｑ１と、電解コンデンサＣ２と、回生制御部１５１と、電圧降圧部１５２とを備えている。
ダイオードＤ１は、アノードが整流部１２とインバータ部１３とを接続する高電位側の配線Ｌ_Ｈに接続され、カソードが抵抗Ｒ１の一端に接続されている。抵抗Ｒ１は、スイッチング素子Ｑ１を介して、他端が電解コンデンサＣ２の陽極端とダイオードＤ２のアノードとに接続されている。

スイッチング素子Ｑ１は、上述のように、電解コンデンサＣ２の陽極端、及びダイオードＤ２のアノードと、抵抗Ｒ１の他端とに接続されており、回生制御部１５１の制御に応じて、抵抗Ｒ１と、電解コンデンサＣ２及びダイオードＤ２との間を通電状態にするか、非通電状態にするかを切り替える。例えば、スイッチング素子Ｑ１は、電界効果トランジスタを用いて構成される。
本実施形態では、スイッチング素子Ｑ１にＮ型の電界効果トランジスタを用いた場合について説明する。この場合、Ｎ型の電界効果トランジスタは、ドレインが抵抗Ｒ１の他端に接続され、ソースが電解コンデンサＣ２の陽極端とダイオードＤ２のアノードに接続され、ゲートが回生制御部１５１に接続される。

電解コンデンサＣ２は、負極端が整流部１２とインバータ部１３とを接続する低電位側の配線Ｌ_Ｌに接続されている。ダイオードＤ２は、カソードが電圧降圧部１５２に接続されている。
回生制御部１５１は、整流部１２とインバータ部１３とを接続する、低電位側の配線Ｌ_Ｌ及び高電位側の配線Ｌ_Ｈの電位差を検出する。回生制御部１５１は、検出した電位差が予め定められた電位差閾値以上の場合、スイッチング素子Ｑ１をオンにして、抵抗Ｒ１と電解コンデンサＣ２との間を通電状態にして電解コンデンサＣ２に電力を蓄積させる。すなわち、モータ１４において電力が発生し、配線Ｌ_Ｈと配線Ｌ_Ｌとの間の電位差が上昇したことを回生制御部１５１が検出すると、回生制御部１５１がスイッチング素子Ｑ１をオンにして電力回生を行う。一方、回生制御部１５１は、検出した電位差が電位差閾値未満の場合、スイッチング素子Ｑ１をオフにして、抵抗Ｒ１と電解コンデンサＣ２との間を非通電状態にする。ここで、電位差閾値は、モータ１４において生じる電力の最大値に応じて、予め定められる。

電圧降圧部１５２は、電解コンデンサＣ２から電解コンデンサＣ１へ供給する電力量を制御して、低電位側の配線Ｌ_Ｌに対する高電位側の配線Ｌ_Ｈの電位を一定に保つ。
図２は、本実施形態における電圧降圧部１５２の構成例を示す回路図である。同図に示すように、電圧降圧部１５２は、スイッチング素子Ｑ５１と、ダイオードＤ５１と、コイルＬ５１と、電圧制御部１５３とを有している。ここでは、スイッチング素子Ｑ５１に絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いた場合について説明する。

スイッチング素子Ｑ５１は、電圧制御部１５３の制御に応じて、ダイオードＤ２（図１）のカソードと、コイルＬ５１の一端とを通電状態にするか、非通電状態にするかを切り替える。スイッチング素子Ｑ５１を構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、コレクタがダイオードＤ２のカソードに接続され、エミッタがコイルＬ５１の一端に接続され、ゲートが電圧制御部１５３に接続されている。コイルＬ５１は、他端が高電位側の配線Ｌ_Ｈに接続されている。ダイオードＤ５１は、アノードが低電位側配線ＬＬに接続され、カソードがスイッチング素子Ｑ５１を構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタのエミッタ及びコイルＬ５１の一端に接続されている。
電圧制御部１５３は、電解コンデンサＣ２の端子間の電圧に応じて、スイッチング素子Ｑ５１の通電状態と非通電状態とを切り替えて、コイルＬ５１の他端の電位を予め定められた電位以下にする。

電圧降圧部１５２は、上述のようにチョッパ方式の降圧回路であり、電解コンデンサＣ２に蓄えられた電力が増加した場合においても、ダイオードＤ２を介して電解コンデンサＣ２から供給される電力を制限して、高電位側の配線Ｌ_Ｈと低電位側の配線Ｌ_Ｌとの電位差を予め定められた電圧以下に保つ制御をする。

回生部１５は、上記の構成により、モータ１４において電力が生じた場合、インバータ部１３を介して、その電力を入力して蓄積する。また、回生部１５は、整流部１２から出力される脈流の電位が低いときに蓄積した電力を出力する。
具体的には、回生部１５において、配線Ｌ_Ｌと配線Ｌ_Ｈとの間の電位差が大きくなり、当該電位差が電位差閾値以上になると、回生制御部１５１がスイッチング素子Ｑ１をオンにして、モータ１４において生じた電力を電解コンデンサＣ２に蓄積させる。電解コンデンサＣ２に蓄積された電力は、配線Ｌ_Ｈと配線Ｌ_Ｌとの間の電位差が、予め定められた電位差より低くなると、ダイオードＤ２及び電圧降圧部１５２を介してインバータ部１３に供給される。

図３は、本実施形態におけるモータ制御部１０の動作を示すグラフである。ここでは、電解コンデンサＣ２に電力が十分に蓄電されている場合について説明する。また、同図において、ハッチングされている部分は、電解コンデンサＣ２から供給される電力により上昇している電圧を示している。

図３（ａ）は、モータ１４を定速で回転させている場合における、配線Ｌ_Ｌに対する点Ａの電位を示す図である。同図に示すように、整流部１２から出力される直流は脈流であり、整流部１２から出力される直流の電位が下がると、電解コンデンサＣ２に蓄積された電力が出力される。電解コンデンサＣ２から電力が供給されるので、インバータ部１３に入力される直流の電圧の変化を抑制することができ、モータ１４の駆動を安定させることができる。

図３（ｂ）は、モータ１４の回転を加速させる場合、すなわちモータ１４の電力消費量が増加する場合における、配線Ｌ_Ｌに対する点Ａの電位を示す図である。同図に示すように、モータ１４の回転速度を上昇させる場合、モータ１４に流れる電流が増加して、整流部１２が出力する直流の電圧が一時的に下がることがある。このようなとき、電解コンデンサＣ２に蓄積された電力がインバータ部１３に出力されるので、インバータ部１３に入力される直流の電圧変化を抑制することができ、モータ１４の駆動を安定させることができる。

このように、回生部１５は、モータ１４の駆動状態によらず、整流部１２から出力される直流の電圧変化を抑制するように、蓄積した電力を出力して、モータ１４の駆動を安定させることができる。換言すると、回生部１５は、電解コンデンサＣ２に蓄積した電力を用いて、整流部１２から出力される脈流の電圧変化を抑制することができる。その結果、モータ装置１における電力の利用効率を向上させることができる。

以上のように、本実施形態における回生部１５は、整流部１２とインバータ部１３との間を接続する、配線Ｌ_Ｈと配線Ｌ_Ｌとの間の電位差が、電位差閾値以上であるか否かに応じて、スイッチング素子Ｑ１のオンとオフとを切り替えて、通電状態と非通電状態とのいずれかを選択するという単純な制御を用いて、モータ１４において生じた電力を電解コンデンサＣ２に蓄積することができる。また、回生部１５は、蓄積した電力をインバータ部１３に供給（放出）際に制御を必要としないため、制御をより簡素化することができる。
また、モータ１４において生じた電力を有効に利用することができ、電力の利用効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態におけるモータ装置２の構成を示す概略ブロック図である。同図に示すように、モータ装置２は、モータ制御部１０に替えてモータ制御部２０を具備している。モータ制御部２０は、整流部１２と、インバータ部１３と、回生部２５と、電圧昇降圧部２６と、電解コンデンサＣ１と、コンデンサＣ３とを備えている。モータ装置２において、第１実施形態のモータ装置１（図１）と同じ部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。

回生部２５は、モータ１４の回転速度を減速させた場合などにおいてモータ１４に生じる電力を、インバータ部１３を介して入力して蓄積する。また、回生部２５は、蓄積した電力を電圧昇降圧部２６に出力する。回生部２５は、電圧降圧部１５２を有していない点が第１実施形態の回生部１５と異なり、ダイオードＤ２のカソードが高電位側の配線Ｌ_Ｈ１に接続されている。

電圧昇降圧部２６は、整流部１２とインバータ部１３との間に設けられ、高電位側の配線Ｌ_Ｈ１、及び低電位側の配線Ｌ_Ｌ１とを介して整流部１２と接続され、整流部１２から直流電力が入力される。また、電圧昇降圧部２６は、高電位側の配線Ｌ_Ｈ２、及び低電位側の配線Ｌ_Ｌ２を介してインバータ部１３と接続され、整流部１２から入力された直流電力の電圧を予め定められた電圧を最大値とする直流電力に変換してインバータ部１３に出力する。コンデンサＣ３は、一端が配線Ｌ_Ｈ１に接続され、他端が配線Ｌ_Ｌ１に接続されている。

本実施形態において、電解コンデンサＣ２は陰極端が配線Ｌ_Ｌ１に接続されている。また、ダイオードＤ２はカソードが配線Ｌ_Ｈ１に接続されている。電解コンデンサＣ１は陽極端が配線Ｌ_Ｈ２に接続され、陰極端が配線Ｌ_Ｌ２に接続されている。回生部１５が備える回生制御部１５１は、配線Ｌ_Ｈ２と配線Ｌ_Ｌ２との間の電位差に応じて、スイッチング素子Ｑ１を制御する。ダイオードＤ１は、アノードが配線Ｌ_Ｈ２に接続されている。モータ装置２における、回生制御部１５１の動作は、第１実施形態と同じである。

図５は、本実施形態における電圧昇降圧部２６の構成例を示す回路図である。同図に示すように、電圧昇降圧部２６は、スイッチング素子Ｑ６１、Ｑ６２と、ダイオードＤ６１、Ｄ６２と、コイルＬ６１と、電圧制御部２６１とを備えている。ここでは、スイッチング素子Ｑ６１、Ｑ６２に絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いた場合について説明する。
スイッチング素子Ｑ６１は、電圧制御部２６１の制御に応じて、配線Ｌ_Ｈ１とコイルＬ６１の一端との間を通電状態にするか、非通電状態にするかを切り替える。スイッチング素子Ｑ６１を構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、コレクタが配線Ｌ_Ｈ１に接続され、エミッタがコイルＬ６１の一端に接続され、ゲートが電圧制御部２６１に接続されている。コイルＬ６１は、他端がダイオードＤ６１のアノードに接続されている。ダイオードＤ６１は、カソードが配線Ｌ_Ｈ２に接続されている。

ダイオードＤ６２は、アノードが配線Ｌ_Ｌ１と配線Ｌ_Ｌ２とを接続している低電位側の配線に接続されている。スイッチング素子Ｑ６２は、配線Ｌ_Ｌ１と配線Ｌ_Ｌ２とを接続している低電位側の配線と、ダイオードＤ６１のアノードとの間を通電状態にするか、非通電状態にするかを、電圧制御部２６１の制御に応じて切り替える。スイッチング素子Ｑ６２を構成する絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、コレクタがダイオードＤ６１のアノードに接続され、エミッタが配線Ｌ_Ｌ１と配線Ｌ_Ｌ２とを接続している低電位側の配線に接続され、ゲートが電圧制御部２６１に接続されている。
電圧制御部２６１は、整流部１２が出力する直流の電圧と、電圧昇降圧部２６がインバータ部１３に出力する電圧との差に応じて、スイッチング素子Ｑ６１及びスイッチング素子６２の通電状態と非通電状態とを予め定められたタイミングで切り替える。

図６は、本実施形態におけるモータ制御部２０の動作を示すグラフである。ここでは、電解コンデンサＣ２に電力が十分に蓄電されている場合について説明する。また、同図において、ハッチングされている部分は、電解コンデンサＣ２から供給される電力により上昇している電圧を示している。

図６（ａ）は、配線Ｌ_Ｌ１に対する点Ｂの電位を示す図である。同図に示すように、電解コンデンサＣ２に蓄積されている電力は、整流部１２から出力される直流の電圧に応じて出力され、電圧昇降圧部２６に入力される直流の電圧の変化を抑制する。
図６（ｂ）は、配線Ｌ_Ｌ２に対する点Ｃの電位を示す図である。同図に示すように、電解コンデンサＣ２から供給された電力は、電圧昇降圧部２６から出力される直流における電圧の変化を抑制することになる。これにより、インバータ部１３に入力される直流の電圧変化を抑制することができ、モータ１４の駆動を安定させることができる。

このように、回生部１５は、整流部１２とインバータ部１３との間に電圧昇降圧部２６が備えられた場合においても、第１実施形態と同様に、単純な制御により、モータ１４で生じた電力を蓄積し、蓄積した電力を電圧昇降圧部２６に出力することができる。これにより、単純な制御を用いて、モータ１４において生じた電力を有効に利用することができ、電力の利用効率を向上させることができる。なお、電圧昇降圧部２６と整流部１２との間にコンデンサＣ３が設けられているが、コンデンサＣ３は容量の小さい場合が多く、整流部１２から出力される脈流を抑制できるほど大きいものでない。そのため、電解コンデンサＣ２から電力を供給して、脈流における電圧の変化量を減少させることにより、モータ１４の駆動を安定させることができる。
また、モータ制御装置２０は、電圧昇降圧部２６を備えているので、モータ１４の回生時に1次側である高電位側の配線Ｌ_Ｈ１の電圧が上昇したとしても、インバータ部１３に接続されている高電位側の配線Ｌ_Ｈ２の電圧を一定に保つことができ、モータ１４の駆動を安定させることができる。

また、上記の第１及び第２実施形態では、平滑用の電解コンデンサＣ１と、電力回生に用いる電解コンデンサＣ２とを設けるようにしているので、電解コンデンサＣ１、Ｃ２の容量をモータ１４が発生させる電力に対して小さくすることができる。その結果、モータ制御部１０、２０を小型化することができる。また、電解コンデンサＣ１、Ｃ２の容量は、モータ１４が発生させる電力（起電力）の最大値に応じて予め定められる。

なお、上記の第１及び第２実施形態では、整流部１２が全波整流をする構成について説明したが、これに限ることなく、整流部１２が半波整流をするようにしてもよい。
また、上記の第１及び第２実施形態では、モータ１４が発生させる電力を電解コンデンサＣ２に蓄積させる構成に着いて説明したが、これに限ることなく、直流電力を蓄えることができる素子を用いるようにしてもよい。

また、上記の第１及び第２実施形態では、スイッチング素子Ｑ１として電界効果トランジスタを用いた場合を示したが、これに限ることなく、スイッチング可能な他の半導体素子を用いるようにしてもよい。また、スイッチング素子Ｑ５１、Ｑ６１、Ｑ６２として絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いた場合を示したが、これに限ることなく、スイッチング可能な他の半導体素子を用いるようにしてもよい。
また、本発明に記載の電圧変換部は、上記の第１及び第２実施形態に記載の電圧昇降圧部２６に対応する。また、本発明に記載の蓄電部は、上記の第１及び第２実施形態に記載の電解コンデンサＣ２に対応する。

１０，２０…モータ制御部、１１…交流電源部、１２…整流部、１３…インバータ部、１４…モータ、２６…電圧昇降圧部、１５１…回生制御部、Ｑ１…スイッチング素子、Ｃ２…電解コンデンサ（蓄電部）、Ｄ２…ダイオード

Claims (2)

1. 供給される交流電力を用いてモータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記交流電力を直流電力に変換する整流部と、
   前記整流部が出力する直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータ部と、
   前記整流部と前記インバータ部とを接続する高電位側の配線に、一端が接続されたスイッチング素子と、
   一端が前記スイッチング素子の他端に接続され、他端が前記整流部と前記インバータ部とを接続する低電位側の配線に接続されている蓄電部と、
   アノードが前記蓄電部の一端に接続されているダイオードと、
   前記ダイオードのカソードと前記高電位側の配線との間に前記ダイオードと直列に接続され、前記蓄電部の端子間の電圧に応じて、前記ダイオードのカソードの電圧を降圧して前記高電位側の配線へ供給する電圧降圧部と、
   前記高電位側の配線と前記低電位側の配線との電位差に応じて、前記スイッチング素子を通電状態にするか、非通電状態にするかを選択する回生制御部と、
   を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記回生制御部は、前記高電位側の配線と、前記低電位側の配線との電位差が予め定められた電位差閾値以上の場合に前記スイッチング素子を通電状態にし、前記電位差が前記電位差閾値未満の場合に前記スイッチング素子を非通電状態にする
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。

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