(57)【要約】【課題】各軸のモータの漏れ電流の変動パターンを測定するなどの手間を要することなく、高周波洩れ電流を確実に抑制することが可能な実用性の高い多軸駆動多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置および方法を提供する。【解決手段】機構要素を駆動する複数のモータをそれらのモータに対応して設けられたインバータ式駆動手段によって個別に駆動する多軸駆動システムに適用される。各インバータ式駆動手段（21,22）を第１の組と第２の組とに分け、第１の組のインバータ式駆動手段（21）に対し第１のＰＷＭキャリア信号を供給し、第２の組のインバータ式駆動手段（22）に対し、第１のＰＷＭキャリア信号と同期しかつ該第１のＰＷＭキャリア信号と位相が１８０°ずれた第２のＰＷＭキャリア信号を供給する。【選択図】  図１
2007336634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機構要素を駆動する複数のモータをそれらのモータに対応して設けられたインバータ式駆動手段によって個別に駆動する多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置であって、
前記各インバータ式駆動手段を第１の組と第２の組とに分け、
前記第１の組のインバータ式駆動手段に対し第１のＰＷＭキャリア信号を供給し、前記第２の組のインバータ式駆動手段に対し、前記第１のＰＷＭキャリア信号と同期しかつ該第１のＰＷＭキャリア信号と位相が１８０°ずれた第２のＰＷＭキャリア信号を供給するキャリア信号発生手段を備えることを特徴とする多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置。
【請求項２】
前記第１の組のインバータ式駆動手段の数と前記第２の組のインバータ式駆動手段の数とが同一であることを特徴とする請求項１に記載の多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置。
【請求項３】
前記モータが三相モータであることを特徴とする請求項１に記載の多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置。
【請求項４】
前記インバータ式駆動手段がサーボ制御系の駆動手段として設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置。
【請求項５】
機構要素を駆動する複数のモータをそれらのモータに対応して設けられたインバータ式駆動手段によって個別に駆動する多軸駆動システムの洩れ電流抑制方法であって、
前記各インバータ式駆動手段を第１の組と第２の組とに分けるステップと、
前記第１の組のインバータ式駆動手段に対し第１のＰＷＭキャリア信号を供給し、前記第２の組のインバータ式駆動手段に対し、前記第１のＰＷＭキャリア信号と同期しかつ該第１のＰＷＭキャリア信号と位相が１８０°ずれた第２のＰＷＭキャリア信号を供給するステップと、
を含むことを特徴とする多軸駆動システムの洩れ電流抑制方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機構要素を駆動する複数のモータをそれらのモータに対応して設けられたインバータ式駆動手段によって個別に駆動する多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＰＷＭ（パルス幅変調）用のキャリア信号に基づいてスイッチング動作するインバータ式駆動手段によってモータを駆動した場合、上記スイッチング動作に伴う急激な電圧変化により、モータ巻線の浮遊容量を通して高周波漏れ電流が接地線（モータのケース）に流れるという現象が発生する。この高周波漏れ電流は、電磁波障害等の発生源になるので、各種安全規格によってその限度値が定められている。
【０００３】
機構要素等を駆動する複数のモータを個別のインバータ式駆動手段によって駆動する多軸駆動装置においても、上記高周波漏れ電流が流れるので、それを低減するための対策が必要となる。
この多軸駆動装置における高周波漏れ電流の低減方法は、例えば、特許文献１によって提案されている。この従来の漏れ電流低減方法は、予め各軸のモータにおいて生ずる漏れ電流の変動パターンを測定するとともに、測定された複数の漏れ電流変動パターンの中から相殺し合うことが可能な漏れ電流変動パターンの組合せを選び出し、この組合せに係る漏れ電流のパターン相互が相殺されるように、それらのパターンを発生させるインバータ式駆動手段のスイッチングタイミングを調整するものである。（例えば、特許文献１参照）
【０００４】
【特許文献１】特許第３９８８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の漏れ電流低減方法は、以下のような問題点を有する。
（１）予め各軸についての漏れ電流の変動パターンを測定しなければならないという手間を要する。また、相殺し合うことが可能な漏れ電流の変動パターンの組み合わせを決定し、その組み合わせに係る変動パターンを発生させるインバータ式駆動手段のスイッチングタイミングを、それらの変動パーン相互が相殺されるように調整しなければならないという不便がある。
（２）予め測定した各モータの漏れ電流の変動パターンを利用して漏れ電流を低減するという原理に基づくものであるので、各モータを駆動する個々のインバータ式駆動手段のスイッチングタイミングが固定されている場合にしか使用できない。なぜなら、スイッチングタイミングが変化すると、漏れ電流の変動パターンも変化するからである。
従って、たとえば各インバータ式駆動手段が電流制御ループ、速度制御ループ、位置制御ループ等を持つサーボ制御系に組み込まれる場合には、制御対象の偏差に基づいて上記スイッチングタイミングが変動することになるので、有効に適用することができない。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、各軸のモータの漏れ電流の変動パターンを測定するなどの手間を要することなく、高周波洩れ電流を確実に抑制することが可能な実用性の高い多軸駆動多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、機構要素を駆動する複数のモータをそれらのモータに対応して設けられたインバータ式駆動手段によって個別に駆動する多軸駆動システムの洩れ電流抑制装置であって、前記各インバータ式駆動手段を第１の組と第２の組とに分け、前記第１の組のインバータ式駆動手段に対し第１のＰＷＭキャリア信号を供給し、前記第２の組のインバータ式駆動手段に対し、前記第１のＰＷＭキャリア信号と同期しかつ該第１のＰＷＭキャリア信号と位相が１８０°ずれた第２のＰＷＭキャリア信号を供給するキャリア信号発生手段を備えることによって上記目的を達成している。
【０００８】
モータの漏れ電流の抑制効果を高めるには、前記第１の組のインバータ式駆動手段の数と前記第２の組のインバータ式駆動手段の数とを同じにすることが望ましい。前記モータとしては、例えば、三相モータを適用することができる。
前記インバータ式駆動手段は、サーボ制御系の駆動手段として設けられても良い。
【０００９】
本発明は、機構要素を駆動する複数のモータをそれらのモータに対応して設けられたインバータ式駆動手段によって個別に駆動する多軸駆動システムの洩れ電流抑制方法であって、前記各インバータ式駆動手段を第１の組と第２の組とに分けるステップと、前記第１の組のインバータ式駆動手段に対し第１のＰＷＭキャリア信号を供給し、前記第２の組のインバータ式駆動手段に対し、前記第１のＰＷＭキャリア信号と同期しかつ該第１のＰＷＭキャリア信号と位相が１８０°ずれた第２のＰＷＭキャリア信号を供給するステップと、を含むことによって上記目的を達成している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、各軸のモータの漏れ電流の変動パターンを測定するなどの手間を要することなく、高周波洩れ電流を確実に抑制することができる。しかも、各軸のインバータ式駆動手段のスイッチンングタイミングが固定されないので、該インバータ式駆動手段が電流制御ループ、速度制御ループあるいは位置制御ループを持ったサーボ制御系に組み込まれる場合であっても有効に使用することができる。
また、各軸のモータの導通媒体となる金属フレームでの電圧変動およびその変動時間幅が著しく低減されるので、安定した漏れ電流の抑制効果が得られると共に、漏れ電流抑制用のフィルタを併用する場合でも、小型小容量のもので良いという利点が得られる。なお、フィルタを用いる技術は、例えば，特許第３４６６１１８号によって提案されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る洩れ電流抑制装置および方法が適用された多軸駆動システムを示すブロック図である。この多軸駆動システムは、２個の三相モータＭ１１、Ｍ１２（本実施形態では、スター結線構成のものを使用している）と、これらのモータＭ１１、Ｍ１２を個別に駆動するインバータ式駆動部２１、２２と、三角波発生部３０とを備えている。モータＭ１１、Ｍ１２は、機構要素、例えば射出成形機のスクリュ移動機構や金型の移動機構、ロボットの駆動機構等のアクチュエータとして設けられたものである。
【００１２】
インバータ式駆動部２１は、Ｕ相電圧指令、Ｖ相電圧指令およびＷ相電圧指令がそれぞれ一方の入力に加えられる比較器２１１，２１２および２１３と、これらの比較器２１１，２１２および２１３の出力に接続されたインバータ２１４とによって構成されている。他方のインバータ式駆動部２２は、インバータ式駆動部２１の各要素２１１〜２１４に対応する要素２２１〜２２４を備えている。なお、インバータ２１４，２２４の構成は公知であるので、その説明を省略する。
【００１３】
三角波発生部３０は、第１三角波および第２三角波を発生し、第１三角波をインバータ式駆動部２１の比較器２１１〜２１３の他方の入力にＰＷＭキャリア信号として入力し、第２三角波をインバータ式駆動部２２の比較器２２１〜２２３の他方の入力にＰＷＭキャリア信号として入力する。上記第１三角波と第２三角波は、互いに同期しかつ互いの位相が１８０°ずれている。
【００１４】
上記Ｕ相電圧指令、Ｖ相電圧指令およびＷ相電圧指令をそれぞれＵｃｏｍ，ＶｃｏｍおよびＷｃｏｍとすると、これらの間には通常以下の関係がある。
Ｕｃｏｍ＝Ｋ・ｓｉｎθ
Ｖｃｏｍ＝Ｋ・ｓｉｎ（θ＋１／３π）      （１）
Ｗｃｏｍ＝Ｋ・ｓｉｎ（θ＋２／３π）
【００１５】
次に、本実施形態に係る電流抑制装置の作用を説明する。
ＰＷＭ制御インバータの高周波漏れ電流に関する理論解析は、例えば、電気学会論文「電圧形インバータが発生する高周波漏れ電流のモデリングと理論解析」電学論Ｄ、１１５巻１号、平成７年に記載されている。
この論文によれば、三相モータの中性点電圧Ｖｃは以下の式で表される。
Ｖｃ＝（ＶＵ＋ＶＶ＋ＶＷ）／３      （２）
ここで、ＶＵ、ＶＶおよびＶＷは、それぞれモータのＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線に印加される電圧である。
多軸使用する三相モータが金属フレームを通じて互いに電気的に導通している場合、該金属フレームの電圧Ｖｃｔは以下の式で表すことができる。
Ｖｃｔ＝（Ｖｃ１＋Ｖｃ２＋Ｖｃ３＋・・・・Ｖｃｎ）／ｎ      （３）
ここで、ｎは軸数、Ｖｃ１〜Ｖｃｎはｎ台の三相モータの各中性点電圧である。
【００１６】
各モータからの高周波の漏れ電流は、この金属フレームの電圧（コモンモード電圧）の変動を抑えることにより抑制される。換言すれば、上記漏れ電流は、各モータの中性点電圧の和を低減することにより抑制されることになる。
したがって、軸数ｎが２である図１の実施形態では、式（３）における中性点電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２の和を低減することによって金属フレームの電圧Ｖｃｔを抑制すること、つまり、各モータＭ１１、Ｍ１２からの高周波漏れ電流を抑制することができる。
【００１７】
図２（ａ）は、１軸目のモータＭ１１に係るＵ相電圧指令Ｕｃｏｍ１、Ｖ相電圧指令Ｖｃｏｍ１およびＷ相電圧指令Ｗｃｏｍ１と前記第１三角波との関係を例示している。なお、上記電圧指令Ｕｃｏｍ１、Ｖｃｏｍ１およびＷｃｏｍ１は、式（１）から明らかなように直流電圧信号ではない。しかし、これらの電圧指令は、上記第１、第２三角波の周波数（例えば、２０ＫＨｚ）に対してその周波数が極めて低い（例えば、１０Ｈｚ程度）ことから、図示のように直線近似される。
前記比較器２１１，２１２および２１３は、図２（ａ）の関係に基づいて前記インバータ２１４の図示していないスイッチング素子を開閉制御する。これにより、モータＭ１１の図示していないＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線には、ＰＷＭ処理された図２（ｂ）に示すような電圧ＶＵ１、ＶＶおよびＶＷ１がそれぞれ印加され、その結果、モータＭ１１の中性点には図２（ｃ）に示す電圧が現れる。
【００１８】
図２（ｄ）は、２軸目のモータＭ１２に係るＵ相電圧指令Ｕｃｏｍ１、Ｖ相電圧指令Ｖｃｏｍ１およびＷ相電圧指令Ｗｃｏｍ１と前記第２三角波との関係を例示している。この場合、前記比較器２１１，２１２および２１３の出力に基づくインバータ２２４のスイッチング動作により、モータＭ１２の図示していないＵ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線に図２（ｅ）に示す電圧ＶＵ２、ＶＶ２およびＶＷ２がそれぞれ印加されるので、該モータＭ１２の中性点に図２（ｆ）に示す電圧が現れる。
【００１９】
図２（ｃ）、（ｆ）の対比から明らかなように、本実施形態においては、モータＭ１１の中性点電圧（最大値Ｖ）が増減するときに、モータＭ１２の中性点電圧が逆に減増することになる。上記各中性点電圧のこの相反する形態の変化は、前記式（３）の右辺に示す中性点電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２の和を低減すること、つまり、上記金属フレームの電圧Ｖｃｔの変動量を抑制することになり、その結果、モータＭ１１、Ｍ１２からの高周波漏れ電流が抑制される。
【００２０】
上述したように、本実施形態おいては、互いに同期しかつ相互の位相が１８０°ずらされた第１、第２の三角波をそれぞれインバータ式駆動部２１、２２のＰＷＭキャリア信号として使用しているので、各軸についての漏れ電流パターンを予め測定する操作や、漏れ電流の相殺のために各軸のインバータ式駆動部２１、２２のスイッチングタイミングを調整する操作等を行うことなくモータＭ１１、１２からの高周波漏れ電流を確実に抑制することができる。
【００２１】
また、インバータ式駆動部２１、２２のスイッチングタイミングが固定されないので、このインバータ式駆動部２１、２２が電流制御ループ、速度制御ループ、位置制御ループ等を持ったサーボ制御系に組み込まれる場合であっても有効に使用することができる。さらに、漏れ電流抑制用のフィルタを併用する場合でも、小型小容量のものですむ。
なお、上記サーボ制御系が電流制御ループを持つ場合には、上記Ｕ相電圧指令Ｕｃｏｍ、Ｖ相電圧指令ＶｃｏｍおよびＷ相電圧指令Ｗｃｏｍが電流偏差に基づいて形成され、また、同制御系が速度制御ループを持つ場合には、上記各電圧指令が速度偏差に基づいて形成される。同様に、同制御系が位置制御ループを持つ場合には、上記各電圧指令が位置偏差に基づいて形成される。
【００２２】
ところで、多軸駆動システムを構成する場合には、通常、ＰＷＭキャリア信号発生器およびインバータ式駆動部を内蔵するモータ制御ユニットが軸数に対応する数だけ配設される。個々の制御ユニットに設けられたキャリア信号発生器は、同一周波数のＰＷＭキャリア信号を発生するように調整されているものの、実際には、精度の関係でそれらが発生するキャリア信号の周波数が微妙に相違している。しかも、各キャリア信号は同期していないので、時間の経過に伴って相互の位相関係が変化する。この結果、各軸についてキャリア信号の位相が周期的に一致することになり、その一致時において高周波漏れ電流が大きくなる。
【００２３】
すなわち、図１の駆動システムと同一構成の駆動システムにおいて、ＰＷＭキャリア信号である前記第１、第２三角波の位相が一致した場合には、図２の動作波形が図３のように変化することになる。図３（ｃ）、（ｆ）の対比から明らかなように、この場合、モータＭ１１の中性点電圧が増減するときに、モータＭ１２の中性点電圧も同様に増減することになるので、前記式（３）の右辺に示す各中性点電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２の和に対する低減作用が得られない。したがって、図３（ｇ）に示すように、上記金属フレームの電圧Ｖｃｔが大きく変動して、最大の高周波漏れ電流が流れることになる。
上記第１、第２三角波の位相が一致する周期は、軸数が多いほど長くなるので、軸数が多い場合には、高周波漏れ電流の発生を見逃すおそれがある。しかし、上記した本発明の実施形態によれば、軸数によらず高周波漏れ電流を確実に抑制することができるので、上記した問題を生じない。  
【００２４】
本発明は、上記実施形態に係る２軸構成の駆動システムよりも多い軸数の駆動システム、例えば、図４に示す４軸構成の駆動システムにも適用可能である。
図４の駆動システムでは、モータＭ１１、Ｍ１２を駆動するインバータ式駆動部２１、２２の他に、モータＭ１３、Ｍ１４を駆動するインバータ式駆動部２３、２４が設けられている。インバータ式駆動部２３および２４は、インバータ式駆動部２１の各要素２１１〜２１４に対応する要素２３１〜２３４および２４１〜２４４をそれぞれ有している。
【００２５】
この４軸構成の駆動システムに適用した実施形態では、前記三角波発生器３０から出力される第１三角波がインバータ式駆動部２１の各比較器２１１〜２１３およびインバータ式駆動部２２の各比較器２２１〜２２３にＰＷＭキャリア信号として入力され、また、該三角波発生器３０から出力される第２三角波がインバータ式駆動部２３の各比較器２３１〜２３３およびインバータ式駆動部２４の各比較器２４１〜２４３にＰＷＭキャリア信号として入力される。なお、比較器２３１、２３２および２３３には、Ｕ相電圧指令Ｕｃｏｍ３、Ｖ相電圧指令Ｖｃｏｍ３およびＷ相電圧指令Ｗｃｏｍ３がそれぞれ入力され、また、比較器２４１、２４２および２４３には、Ｕ相電圧指令Ｕｃｏｍ４、Ｖ相電圧指令Ｖｃｏｍ４およびＷ相電圧指令Ｗｃｏｍ４がそれぞれ入力される。
【００２６】
この実施形態においては、モータＭ１１、Ｍ１２の中性点電圧が増減するときに、モータＭ１３、Ｍ１４の中性点電圧が減増することになる。これにより、軸数ｎを４としたときの前記式（３）における中性電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３およびＶｃ４の和が低減されて、モータＭ１１〜Ｍ１４の共通の導電路である金属フレームの電圧Ｖｃｔが抑制されるので、モータＭ１１〜Ｍ１４からの高周波漏れ電流が低減される。
【００２７】
本発明は、多軸駆動システムの軸数が奇数である場合にも適用可能である。いま、軸数が５であるとすると、この場合には、図示していない５つのモータを個別に駆動する５個のインバータ式駆動部が設けられ、例えば、これらのインバータ式駆動部のうちの２つのインバータ式駆動部に第１三角波を入力し、残る３つのインバータ式駆動部に第２三角波を入力する。
【００２８】
要するに、本発明は、複数の軸数に対応して設けられた各インバータ式駆動部を第１の組と第２の組に分け、第１の組のインバータ式駆動部に第１三角波を入力し、第２の組のインバータ式駆動部に第２三角波を入力することによって実施することができる。
上記第１の組と第２の組には、１以上のインバータ式駆動部を含ませることになるが、軸数が偶数の場合には、上記高周波漏れ電流の低減作用を高める上で、上記第１の組と第２の組に同数のインバータ式駆動部を含ませることが望ましい。また、軸数が奇数の場合には、同様の理由で、第１の組のインバータ式駆動部の数と第２の組のインバータ式駆動部の数との差が１となるように各組のインバータ式駆動部の数を調整することが望ましい。
【００２９】
なお、上記実施形態におけるモータＭ１１〜Ｍ１４は、スター結線された巻線を有する三相モータである。しかし、本発明は、モータの相数が２相あるいは４相以上の場合にも適用可能であり、また、モータの巻線の結線形態もスター結線に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る洩れ電流抑制装置の一実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の電流抑制装置の動作を示す波形図である。
【図３】第１、第２三角波が同相である場合の図２に対応する動作波形図である。
【図４】本発明に係る洩れ電流抑制装置の他の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｍ１１〜Ｍ１４  モータ
２１〜２４  インバータ式駆動部
３０  三角波発生部
【図１】
2007336634.tif 000003
【図２】
2007336634.tif 000004
【図３】
2007336634.tif 000005
【図４】
2007336634.tif 000006