JP6383028B2

JP6383028B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP6383028B2
Application number: JP2017023014A
Authority: JP
Inventors: 友和吉田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: CN108418498A; JP2018129976A; US10148201B2; CN108418498B; US20180234035A1; DE102018000827B4; DE102018000827A1

Description

本発明は、ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流低減機能を有するモータ駆動装置に関する。

工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。図３は、このようなモータ駆動装置の一例を示す図である。図３に示すモータ駆動装置１Ｘは、交流電源２からの三相交流電力を直流電力に変換する順変換器１１と、順変換器１１からの直流電力を三相交流電力に変換する逆変換器１２とを備え、三相交流電力をモータ３に供給する。順変換器１１と逆変換器１２との間のＤＣリンク部には、ＤＣリンクコンデンサ１３が設けられている。

特開２０１４−２４１７１１号公報特開２０１１−７２１７５号公報特開平２−２４６７９４号公報特開平７−２９７８１号公報

モータ駆動装置のＤＣリンクコンデンサとして、アルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサが使用されることがある。電解コンデンサは、長時間にわたって通電が行われないと（例えば、アルミ電解コンデンサでは約２年以上）、漏れ電流が増加してしまう。

この点に関し、特許文献４には、タンタルコンデンサの漏れ電流が大きくなった時、漏れ電流を小さくすることができるタンタルコンデンサの自己修復回路が開示されている。この回路は、タンタルコンデンサの電圧を監視し、タンタルコンデンサの電圧が所定電圧以下のとき、タンタルコンデンサに一定の直流電圧（タンタルコンデンサの内部の酸化皮膜が修復される閾値電圧、例えば５Ｖ〜１０Ｖ）を印加する。これにより、タンタルコンデンサの内部の酸化皮膜が修復され、タンタルコンデンサの漏れ電流の不具合が修復される。

本発明は、ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流を低減することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述のモータ駆動装置１）は、電源（例えば、後述の交流電源２）からの交流電力を入力し、モータ（例えば、後述のモータ３）を駆動するモータ駆動装置であって、前記電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器（例えば、後述の順変換器１１）と、前記順変換器からの前記直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する逆変換器（例えば、後述の逆変換器１２）と、前記順変換器と前記逆変換器との間のＤＣリンク部に設けられたＤＣリンクコンデンサ（例えば、後述のＤＣリンクコンデンサ１３）と、前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部（例えば、後述の電圧検出部１４）と、前記ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流が増加する前記ＤＣリンクコンデンサの非通電期間の閾値と、前記ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流を減少させるための前記ＤＣリンクコンデンサの印加電圧の閾値とを予め記憶する第１記憶部（例えば、後述の第１記憶部１５）と、前記ＤＣリンクコンデンサの前回の通電時期を記録する第２記憶部（例えば、後述の第２記憶部１６）と、前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を制御する制御部（例えば、後述の制御部１７）とを備え、前記制御部は、前記モータ駆動装置の起動時に、前記第２記憶部に記録された前記前回の通電時期に基づいて前記ＤＣリンクコンデンサの非通電期間を求め、求めた非通電期間が前記第１記憶部に記憶された前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータを加速させた後に前記モータから前記電源への回生動作を停止させ、前記モータの減速エネルギーにより、前記電圧検出部で検出された電圧に基づいて前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を前記第１記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値まで上昇させる。

（２）（１）に記載のモータ駆動装置において、前記制御部は、前記電圧検出部で検出された前記ＤＣリンクコンデンサの電圧が前記第１記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値に達したときに、前記モータから前記電源への回生動作を開始させてもよい。

（３）（１）又は（２）に記載のモータ駆動装置において、前記制御部は、前記順変換器の動作を停止させることにより、前記モータから前記電源への回生動作を停止させてもよい。

（４）（１）から（３）のいずれかに記載のモータ駆動装置において、前記制御部は、前記モータ駆動装置の起動時に、求めた非通電期間が前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータを加速させた後に前記モータから前記電源への回生動作を停止させてもよい。

（５）（１）から（４）のいずれかに記載のモータ駆動装置において、前記第１記憶部は、外部から前記非通電期間の閾値及び前記印加電圧の閾値を書き換え可能であってもよい。

本発明によれば、ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流を低減することができるモータ駆動装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。本発明の実施形態に係るモータ駆動装置によるＤＣリンクコンデンサの漏れ電流の低減動作中のＤＣリンクコンデンサの電圧の時間変化を示す図である。従来のモータ駆動装置の回路構成を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。図１に示すモータ駆動装置１は、商用の三相交流電源２からの三相交流電力を入力し、モータ３を駆動する。なお、交流電源２は、三相交流に限定されず、例えば、単相交流であってもよい。

モータ駆動装置１は、順変換器１１と、逆変換器１２と、ＤＣリンクコンデンサ１３と、電圧検出部１４と、第１記憶部１５と、第２記憶部１６と、制御部１７とを備える。

順変換器１１は、交流電源２からの交流電力を直流電力に変換する。順変換器１１は、例えば、パワー半導体素子及びパワー半導体素子に逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路を有するダイオード整流コンバータ又はＰＷＭコンバータで構成される。

逆変換器１２は、順変換器１１からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータ３に供給する。逆変換器１２は、例えば、パワー半導体素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードを有するブリッジ回路から構成される。逆変換器１２は、これらのパワー半導体素子を制御部（図示せず）からの指令によりオンオフ制御（例えばＰＷＭ制御）することにより、直流電圧を所望の波形及び周波数の交流電圧に変換する。

また、逆変換器１２は、モータ３から回生される交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を逆変換器１２と順変換器１１との間のＤＣリンク部に供給する。

ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１と逆変換器１２との間のＤＣリンク部に設けられている。ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１からの直流電力、及び、逆変換器１２からの直流電力（回生電力）を蓄える。また、ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１又は逆変換器１２によって変換された直流電圧を平滑化する。ＤＣリンクコンデンサ１３は、アルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサである。

電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１３と並列に設けられ、ＤＣリンクコンデンサ１３の両端電圧を検出する。電圧検出部１４としては、例えば、既存の電圧検出回路を用いることができる。

第１記憶部１５は、ＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流が増加するＤＣリンクコンデンサ１３の非通電期間の閾値（例えば、アルミ電解コンデンサの非通電期間の閾値は約２年）を予め記憶する。また、第１記憶部１５は、ＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流を減少させるためのＤＣリンクコンデンサ１３の印加電圧の閾値を予め記憶する。具体的には、印加電圧の閾値は、ＤＣリンクコンデンサ１３の定格電圧値である。

第２記憶部１６は、前回のモータ駆動装置１の停止時に、ＤＣリンクコンデンサ１３の前回の通電時期を記録する。

第１記憶部１５及び第２記憶部１６は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。これにより、第１記憶部１５は、例えばコンピュータ等の外部機器によって非通電期間の閾値及び印加電圧の閾値を書き換え可能である。また、第１記憶部１５又は第２記憶部１６は、制御部１７の各種機能を実現するための所定のソフトウェア（プログラム）を格納する。

制御部１７は、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧を制御する。制御部１７は、モータ駆動装置１の起動時、例えば外部から取得した時刻に関する情報に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の今回の通電時期を認識し、認識した今回の通電時期と、第２記憶部１６に記録された前回の通電時期（時刻）とに基づいて、ＤＣリンクコンデンサ１３の非通電期間を求める。そして、制御部１７は、求めた非通電期間が第１記憶部１５に記憶された非通電期間の閾値よりも長い場合に、モータ３を加速させた後にモータ３から交流電源２への回生動作を停止させる。具体的には、制御部１７は、順変換器１１の動作を停止させる。

これにより、制御部１７は、モータ３からの減速エネルギーにより、電圧検出部１４で検出された電圧に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の電圧を第１記憶部１５に記憶された印加電圧の閾値まで上昇させる。

また、制御部１７は、電圧検出部１４で検出されたＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が、第１記憶部１５に記憶された印加電圧の閾値に達したとき、モータ３から交流電源２への回生動作を開始させる。具体的には、制御部１７は、順変換器１１の動作を開始させる。

これにより、モータ３からの減速エネルギーが交流電源２へ回生され、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が印加電圧の閾値、すなわちＤＣリンクコンデンサ１３の定格電圧値以上に上昇することを防止する。

また、制御部１７は、モータ駆動装置１の停止時に、例えば外部から取得した時刻に関する情報に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の通電終了時期を認識し、第２記憶部１６に記録したＤＣリンクコンデンサ１３の前回の通電時期を更新する。

制御部１７は、例えば、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。制御部１７の機能は、第１記憶部１５又は第２記憶部１６に格納された所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。制御部１７の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

ここで、ＤＣリンクコンデンサ１３に使用されるアルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサは、長時間にわたって通電が行われないと（例えば、アルミ電解コンデンサでは約２年以上）、漏れ電流が増加してしまう。しかし、電解コンデンサは、定格電圧を印加することにより、電解液の修復作用によって漏れ電流を減少させることができる。

ところで、ＤＣリンクコンデンサ１３は、交流電源２から入力する電圧の波高値よりも高い定格電圧を有するように設計される。例えば電源電圧の実効値が２００Ｖｒｍｓの場合、電源電圧の波高値は２００Ｖ×√（２）＝２８３Ｖｄｃである。この場合、ＤＣリンクコンデンサ１３として、定格電圧が４５０Ｖｄｃであるコンデンサが用いられる。そのため、モータ駆動装置１を起動してＤＣリンクコンデンサ１３に電源電圧（波高値）を印加しただけでは、ＤＣリンクコンデンサ１３に定格電圧を印加することができず、漏れ電流を減少させることができない。

そこで、本実施形態では、モータ３の減速エネルギー（回生エネルギー）を利用してＤＣリンクコンデンサ１３の電圧を定格電圧値又はその付近まで上昇させて、ＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流を減少させる。

以下、図２を参照して、モータ駆動装置１によるＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流の低減動作を説明する。図２は、モータ駆動装置１によるＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流の低減動作中のＤＣリンクコンデンサ１３の電圧の時間変化を示す図である。

モータ駆動装置１の起動時、制御部１７は、ＤＣリンクコンデンサ１３の今回の通電時期を認識し、認識した今回の通電時期と、第２記憶部１６に記録された前回の通電時期（時点）とに基づいて、ＤＣリンクコンデンサ１３の非通電期間を求める。

次に、制御部１７は、求めた非通電期間が第１記憶部１５に記憶された非通電期間の閾値よりも長い場合に、モータ３を一旦加速させた後にモータ３を減速させる。このとき、制御部１７は、モータ３を加速させた後にモータ３から交流電源２への回生動作を停止させる。具体的には、制御部１７は、順変換器１１のスイッチング素子への制御電圧の供給を停止させて、順変換器１１の動作を停止させる。

これにより、制御部１７は、モータ３からの減速エネルギーにより、電圧検出部１４で検出された電圧に基づいて、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧を、電源電圧（波高値）Ｖｉｎから、第１記憶部１５に記憶された印加電圧の閾値、すなわち定格電圧値Ｖｒまで上昇させる（図２の区間Ｔ１）。

このように、ＤＣリンクコンデンサ１３、すなわちアルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサに定格電圧を印加することにより、電解液の修復作用によって漏れ電流が減少する。

次に、制御部１７は、電圧検出部１４で検出されたＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が、第１記憶部１５に記憶された印加電圧の閾値、すなわち定格電圧値Ｖｒに達したとき、モータ３から交流電源２への回生動作を開始させる。具体的には、制御部１７は、順変換器１１のスイッチング素子への制御電圧の供給を開始させて、順変換器１１の動作を開始させる（図２の区間Ｔ２）。

ここで、アルミ電解コンデンサ等の電解液を用いた電解コンデンサにおいて、定格電圧を超える電圧印加は、急激な漏れ電流の増加を招く。そこで、本実施形態では、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が定格電圧値に達してもなお減速エネルギーがある場合、モータ３からの減速エネルギーを交流電源２へ回生させ、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が定格電圧値以上に上昇することを防止する。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、モータ駆動装置１の起動時に、前回の通電時期に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の非通電期間を求め、求めた非通電期間が閾値（ＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流が増加するＤＣリンクコンデンサ１３の非通電期間の閾値）よりも長い場合に、モータ３を加速させた後にモータ３から交流電源２への回生動作を停止させ、モータ３の減速エネルギーにより、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧を閾値（ＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流を減少させるためのＤＣリンクコンデンサ１３の印加電圧の閾値、すなわちＤＣリンクコンデンサ１３の定格電圧値又はその近傍）まで上昇させる。これにより、ＤＣリンクコンデンサ１３の漏れ電流を減少させることができる。

また、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が閾値（ＤＣリンクコンデンサ１３の印加電圧の閾値、すなわちＤＣリンクコンデンサ１３の定格電圧値又はその近傍）に達したときに、モータ３から交流電源２への回生動作を開始させる。これにより、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧が定格電圧値以上に上昇することを防止することができ、ＤＣリンクコンデンサ１３に定格電圧値を超える電圧が印加することにより急激に漏れ電流が増加することを防止することができる。

ところで、ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流が増加した状態でモータ駆動装置が動作すると、ＤＣリンクコンデンサ内部での発熱が増加することにより、また、ＤＣリンクコンデンサの容量が低下することにより、モータ駆動装置の信頼性の低下を招く。そのため、従来、長時間にわたって通電が行われていないモータ駆動装置において、ＤＣリンクコンデンサをモータ駆動装置から一度取り外し、ＤＣリンクコンデンサに定格電圧を印加して漏れ電流を減少させた後、ＤＣリンクコンデンサを再度モータ駆動装置に組み込んでいた。そのため、手間がかかるという問題があった。

しかし、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、ＤＣリンクコンデンサ１３をモータ駆動装置１から一度取り外し、ＤＣリンクコンデンサ１３に定格電圧を印加し、ＤＣリンクコンデンサ１３を再度モータ駆動装置１に取り付ける手間を省くことができ、これらの工数を削減できる。

また、本実施形態のモータ駆動装置１において、非通電期間の閾値及び印加電圧の閾値は、外部機器によって書き換え可能であるため、モータ駆動装置１は、一旦、値を設定した後であっても、これらの閾値を適切な値に変更することができる。例えば、本実施形態では、電源電圧が２００Ｖｒｍｓの場合にＤＣリンクコンデンサ１３の定格電圧を４５０Ｖｄｃに設計する一例を示した。しかし、電源電圧が４００Ｖｒｍｓの場合があり、この場合には例えばＤＣリンクコンデンサ１３の定格電圧は９００Ｖｄｃに設計される。このような場合でも、本実施形態によれば、印加電圧の閾値を、設定された４５０Ｖｄｃから９００Ｖｄｃに容易に変更することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

また、上述した実施形態では、ＤＣリンクコンデンサ１３に印加電圧の閾値、すなわち定格電圧値を１回だけ印加したが、複数回印加してもよい。図２に示すように、ＤＣリンクコンデンサ１３に定格電圧値Ｖｒを印加できるのは短時間であるため、ＤＣリンクコンデンサ１３への定格電圧値Ｖｒの印加回数を増やせば、漏れ電流の減少効果を高めることができる。

また、上述した実施形態では、今回の通電時期及び前回の通電時期を認識するために、時刻に関する情報を外部から取得したが、例えば時計等の時刻に関する情報を生成する手段を自装置に備えていてもよい。或いは、前回の通電時期から今回の通電時期までの経過時間に関する情報を生成するタイマー等の手段を自装置に備えていてもよい。

また、上述した実施形態では、前回の通電時期を前回のモータ駆動装置１の停止時としたが、モータ駆動装置１の連続動作時間が短い場合には、前回の通電時期をモータ駆動装置１の起動時としてもよい。この場合、モータ駆動装置１の起動時に認識した今回の通電時期を用いて第２記憶部１６の前回の通電時期を更新してもよい。

１，１Ｘモータ駆動装置
２交流電源
３モータ
１１順変換器
１２逆変換器
１３ＤＣリンクコンデンサ
１４電圧検出部
１５第１記憶部
１６第２記憶部
１７制御部

Claims

電源からの交流電力を入力し、モータを駆動するモータ駆動装置であって、
前記電源からの交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
前記順変換器からの前記直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する逆変換器と、
前記順変換器と前記逆変換器との間のＤＣリンク部に設けられたＤＣリンクコンデンサと、
前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
前記ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流が増加する前記ＤＣリンクコンデンサの非通電期間の閾値と、前記ＤＣリンクコンデンサの漏れ電流を減少させるための前記ＤＣリンクコンデンサの印加電圧の閾値とを予め記憶する第１記憶部と、
前記ＤＣリンクコンデンサの前回の通電時期を記録する第２記憶部と、
前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記モータ駆動装置の起動時に、前記第２記憶部に記録された前記前回の通電時期に基づいて前記ＤＣリンクコンデンサの非通電期間を求め、
求めた非通電期間が前記第１記憶部に記憶された前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータから前記電源への回生動作を停止させ、前記モータの減速エネルギーにより、前記電圧検出部で検出された電圧に基づいて前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を前記第１記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値まで上昇させる、
モータ駆動装置。
前記制御部は、前記電圧検出部で検出された前記ＤＣリンクコンデンサの電圧が前記第１記憶部に記憶された前記印加電圧の閾値に達したときに、前記モータから前記電源への回生動作を開始させる、請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記制御部は、前記順変換器の動作を停止させることにより、前記モータから前記電源への回生動作を停止させる、請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
前記制御部は、前記モータ駆動装置の起動時に、求めた非通電期間が前記非通電期間の閾値よりも長い場合に、前記モータを加速させた後に前記モータから前記電源への回生動作を停止させる、請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
前記第１記憶部は、外部から前記非通電期間の閾値及び前記印加電圧の閾値を書き換え可能である、請求項１〜４の何れか１項に記載のモータ駆動装置。