(57)【要約】【課題】負荷が急変動しても直流電圧が変動せずモータ性能を損なわない単相整流コンバータ電源のモータ制御装置を提供する。【解決手段】コンバータ（１）と、平滑コンデンサ（２）と、インバータ（３）と、昇降圧チョッパ（５）と、蓄電部（９）と、を備えたモータ制御装置において、昇降圧チョッパは、蓄電部電圧を昇圧して直流電圧を充電する昇圧部（７）と、直流電圧を降圧して蓄電部を充電する降圧部（６）と、交流電圧を検出し交流ピーク電圧信号を生成する交流電圧検出部（１０）と、直流電圧の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電圧検出部（１１）と、蓄電部の電圧を検出し蓄電部電圧信号を生成する蓄電部電圧検出部（１２）と、直流電圧信号と平滑コンデンサ容量と蓄電部電圧信号に基づいてチョッパ電流指令を生成するチョッパ電流指令生成部（１５）と、チョッパ電流指令に基づいてチョッパ電流を制御するチョッパ電流制御部（１７）と、を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、前記直流電圧と並列に接続した昇降圧チョッパと、前記昇降圧チョッパの電源である蓄電部と、を備えたモータ制御装置において、
前記昇降圧チョッパは、
前記蓄電部電圧を昇圧して前記直流電圧を充電する昇圧部と、
前記直流電圧を降圧して前記蓄電部を充電する降圧部と、
交流電圧を検出し交流ピーク電圧信号を生成する交流電圧検出部と、
前記直流電圧の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電圧検出部と、
前記蓄電部の電圧を検出し蓄電部電圧信号を生成する蓄電部電圧検出部と、
前記直流電圧信号と前記平滑コンデンサ容量と前記蓄電部電圧信号に基づいてチョッパ電流指令を生成するチョッパ電流指令生成部と、
前記チョッパ電流指令に基づいてチョッパ電流を制御するチョッパ電流制御部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記昇降圧チョッパは、前記直流電圧信号が第１閾値電圧を越えたときは前記直流電圧を降圧して前記蓄電部に充電して略第１閾値電圧に維持し、前記直流電圧信号が第２閾値電圧よりも下がったときは前記蓄電部電圧を昇圧して前記平滑コンデンサに放電し、前記直流電圧を略第２閾値に維持することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記昇降圧チョッパは、逆並列に接続された第１ＩＧＢＴと第１ダイオードとからなる第１アームと、逆並列に接続された第２ＩＧＢＴと第２ダイオードとからなる第２アームと、前記第１アームと前記第２アームを直列に接続する第１接続点と、前記第１接続点と前記蓄電部の正極との間に接続されたインダクタと、を備え、
前記第１ＩＧＢＴのコレクタを前記直流電圧の正極に接続し、前記第２ＩＧＢＴのエミッタを前記蓄電部の負極に接続し、前記蓄電部の負極と前記直流電圧の負極とを接続したことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記第１閾値電圧は、交流電圧のピーク値に設定可能な所定値を加算して生成されることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記第２閾値電圧は、交流電圧のピーク値に設定可能は所定値を減算して生成されることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記直流電圧が前記第２閾値電圧以下になったとき、前記直流電圧と前記直流電圧の減少率から駆動電力をもとめ、前記駆動電力を前記蓄電部電圧信号で除してチョッパ電流指令とすることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記直流電圧信号が前記第１閾値電圧を越えたとき、前記直流電圧と前記直流電圧の上昇率から回生電力をもとめ、前記回生電力を前記蓄電部電圧信号で除してチョッパ電流指令とすることを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記直流電圧信号が第１閾値電圧を越えたとき、前記第１ＩＧＢＴをオンにし、チョッパ電流がチョッパ電流指令を越えたとき設定可能な所定時間後に前記第１ＩＧＢＴをオフにし、設定可能な所定時間後に前記直流電圧信号が前記第１閾値電圧を越えていれば前記第１ＩＧＢＴを再びオンにする一連の動作を繰り返すこと特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記直流電圧信号が第２閾値電圧以下になったとき前記第２ＩＧＢＴをオンにしチョッパ電流がチョッパ電流指令を超えたとき設定可能は所定時間後に前記第２ＩＧＢＴをオフにし、設定可能な所定時間後に前記直流電圧信号が前記第２閾値電圧以下のとき再びオンにする一連の動作を繰り返すことを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョッパを備えたモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７は特許文献１に開示された従来の昇降圧チョッパ装置を示す図であり、検出した出力電圧を用いて電圧制御器によって昇降圧制御している。
【０００３】
図８は特許文献２に開示された従来の昇圧チョッパ装置を示す図であり、電圧制御ゲインだけで制御する場合の欠点を解決するため、瞬時電圧と平均電圧による電圧制御器の後に電流制御器を加えている。この手法では、負荷変動による出力電圧がした場合、電圧制御器の電圧ゲインと電流制御器の電流ゲインとの相乗効果によって昇圧チョッパ素子にパルス信号が出力されるため電圧ゲインだけを大きくする必要がなく、無負荷時の安定性を確保しつつ負荷変動に対する反応を向上することができる。
【特許文献１】特開２０００-３５０４４１号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開平６-２３３５３０号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
モータ制御装置が３相全波整流コンバータ電源の場合は、急激な負荷変動が発生しても直流電圧はほとんど変動しない。しかし、単相全波整流や単相倍電圧整流コンバータ電源の場合は、直流電圧が変動してしまう。そこで、昇降圧チョッパ装置を用いて二次電池やキャパシタなどの蓄電装置に急激な負荷変動にともなう直流電圧の変動を補うことが考えられる。
特許文献１および特許文献２の昇降圧チョッパ装置では、負荷変動後、直流回路の電圧がある一定値に達した後、直流回路の初期電圧と変動後の電圧差から制御パラメータを算出し昇降圧チョッパ動作している。そのため、急激な負荷変動が短時間で発生するような工作機械に接続されたインバータの直流電圧は、電圧変動が発生しても昇降圧動作が間に合わないという欠点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、負荷が急変動しても直流電圧が変動せずモータ性能を損なわない単相整流コンバータ電源のモータ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するインバータと、前記直流電圧と並列に接続した昇降圧チョッパと、前記昇降圧チョッパの電源である蓄電部と、を備えたモータ制御装置において、前記昇降圧チョッパは、前記蓄電部電圧を昇圧して前記直流電圧を充電する昇圧部と、前記直流電圧を降圧して前記蓄電部を充電する降圧部と、  交流電圧を検出し交流ピーク電圧信号を生成する交流電圧検出部と、  前記直流電圧の電圧を検出し直流電圧信号を生成する直流電圧検出部と、前記蓄電部の電圧を検出し蓄電部電圧信号を生成する蓄電部電圧検出部と、前記直流電圧信号と前記平滑コンデンサ容量と前記蓄電部電圧信号に基づいてチョッパ電流指令を生成するチョッパ電流指令生成部と、前記チョッパ電流指令に基づいてチョッパ電流を制御するチョッパ電流制御部と、を備えることを特徴とするものである。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記昇降圧チョッパは、前記直流電圧信号が第１閾値電圧を越えたときは前記直流電圧を降圧して前記蓄電部に充電して略第１閾値電圧に維持し、前記直流電圧信号が第２閾値電圧よりも下がったときは前記蓄電部電圧を昇圧して前記平滑コンデンサに放電し、前記直流電圧を略第２閾値に維持することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１記載のモータ制御装置において、前記昇降圧チョッパは、逆並列に接続された第１ＩＧＢＴと第１ダイオードとからなる第１アームと、逆並列に接続された第２ＩＧＢＴと第２ダイオードとからなる第２アームと、前記第１アームと前記第２アームを直列に接続する第１接続点と、前記第１接続点と前記蓄電部の正極との間に接続されたインダクタと、を備え、前記第１ＩＧＢＴのコレクタを前記直流電圧の正極に接続し、前記第２ＩＧＢＴのエミッタを前記蓄電部の負極に接続し、、前記蓄電部の負極と前記直流電圧の負極とを接続したことを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項２記載のモータ制御装置において、前記第１閾値電圧は、交流電圧のピーク値に設定可能な所定値を加算して生成されることを特徴とするものである。
【０００７】
請求項５記載の発明は、請求項２記載のモータ制御装置において、前記第２閾値電圧は、交流電圧のピーク値に設定可能は所定値を減算して生成されることを特徴とするものである。
請求項６記載の発明は、請求項２記載のモータ制御装置において、前記直流電圧が前記第２閾値電圧以下になったとき、前記直流電圧と前記直流電圧の減少率から駆動電力をもとめ、前記駆動電力を前記蓄電部電圧信号で除してチョッパ電流指令とすることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項２記載のモータ制御装置において、前記直流電圧信号が前記第１閾値電圧を越えたとき、前記直流電圧と前記直流電圧の上昇率から回生電力をもとめ、前記回生電力を前記蓄電部電圧信号で除してチョッパ電流指令とすることを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、請求項３記載のモータ制御装置において、前記直流電圧信号が第１閾値電圧を越えたとき、前記第１ＩＧＢＴをオンにし、チョッパ電流がチョッパ電流指令を越えたとき設定可能な所定時間後に前記第１ＩＧＢＴをオフにし、設定可能な所定時間後に前記直流電圧信号が前記第１閾値電圧を越えていれば前記第１ＩＧＢＴを再びオンにする一連の動作を繰り返すこと特徴とするものである。
【０００８】
請求項９記載の発明は、請求項３記載のモータ制御装置において、前記直流電圧信号が第２閾値電圧以下になったとき前記第２ＩＧＢＴをオンにしチョッパ電流がチョッパ電流指令を超えたとき設定可能は所定時間後に前記第２ＩＧＢＴをオフにし、設定可能な所定時間後に前記直流電圧信号が前記第２閾値電圧以下のとき再びオンにする一連の動作を繰り返すことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、負荷が急変動しても直流電圧が変動せずモータ性能を損なわない単相整流コンバータ電源のモータ制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図において、１はコンバータ、２は平滑コンデンサ、３はインバータ、４はモータ制御部、５は昇降圧チョッパ、６は降圧部、７は昇圧部、８はチョッパ制御部、９は充電部である。また、１０は交流電圧検出部、１１は直流電圧検出部、１２は蓄電部電圧検出部、１３は蓄電部電流検出部、である。２３は交流電源、３１はモータ、３２は位置検出器、３３は負荷である。
図２は昇降圧チョッパの構成を示すブロック図である。図において、１８は第１アーム、１９は第２アーム、２０はインダクタ、１５はチョッパ電流指令生成部、１６は減算器、１７はチョッパ電流制御部である。ここで、第１アーム１８は第１ＩＧＢＴと第１ダイオードの逆並列接続で構成され、第２アームは第２ＩＧＢＴと第２ダイオードの逆並列接続で構成される。第１アームは降圧動作、第２アームは昇圧動作を担当する。
【００１２】
次に動作について説明する。
まず、モータ制御の動作について説明する。モータ制御部４は、上位システムから移動指令どおりにモータ３１を制御する。移動指令が速度指令の場合は、速度指令と速度信号に基づいて電流指令を生成し、電流指令と電流信号に基づいて電圧指令を生成し、電圧指令をＰＷＭ信号に変換してインバータ３を駆動する。移動指令が位置指令の場合は、位置指令と位置検出器３２が生成する位置信号に基づいて速度指令を生成する。モータ３１は上位システムの指令どおりに加速、減速を繰り返す。
次にコンバータ１、インバータ３などの電力変換部について説明する。コンバータ１は交流電圧を直流電圧に変換し、平滑コンデンサ２は直流電圧を平滑し、インバータ３は直流電圧をモータ速度に対応した周波数の交流電圧に変換する。力行モードはモータ加速時のモードでモータ制御装置からモータ３１に電力が供給され、回生モードはモータ減速時のモードでモータ３１からモータ制御装置に電力が回生される。
【００１３】
次に直流電圧変動について説明する。図３、図４はモータを加減速したときのシミュレーションである。シミュレーションの条件は、平滑コンデンサ容量Ｃ＝１０００μF、モータの誘起電圧定数Ｋｅ＝０．４Ｖｓ／ｒａｄ、モータ抵抗Ｒ＝０．１Ω、モータインダクタンスＬ＝５ｍＨ、慣性モーメントＪ＝０．００５ｋｇｍ２、加速時間Ｔａｃ＝８０ｍｓ、減速時間Ｔｄｃ＝８０ｍｓ、モータ回転速度ωｍ＝１００ｒ／ｓである。制御パラメータは位置制御ゲインＫｐ＝２００ｓ−１、速度制御比例ゲインＫｖ＝５Ｎｍｓ／ｒａｄ、速度制御積分時定数Ｔｖｉ＝１０ｍｓである。インバータはキャリア周波数ｆｃ＝５ｋＨｚでコンバータは図３が単相全波整流、図４が単相半波整流である。コンバータ２が全波整流の場合は、交流電圧がピーク値付近を除くほとんどの区間で平滑コンデンサから電力が供給されるので直流電圧は低下し、リプルが増大する。コンバータが倍電圧整流の場合は、単相半波整流になるので、図４のようにさらにリプルが増大する。本シミュレーションの条件では、モータ動作に支障は出ていないがさらにモータ回転速度を上げると電圧不足や電圧リプルによる振動が問題になる。
【００１４】
次に本発明の特徴部分を説明する。本発明は、電圧減少や電圧上昇を昇降圧チョッパを使用して抑制しようとするもので、チョッパ電流指令生成部１５は、サンプル時間ごとに直流電圧検出部１１の生成する直流電圧信号と交流電圧検出部１０が検出した交流電圧ピーク値を読取る。次に、交流電圧ピーク値に設定可能な第１所定値を加算して第１閾値電圧を生成、設定可能な第２所定値を減算して第２閾値電圧を生成する。さらに直流電圧信号のサンプル時間毎の差分値をとり電圧が減少しているときは電圧減少率を、上昇しているときは電圧上昇率を求め、平滑コンデンサとモータとの間の電力の授受を（１）式を使用して求める。
Ｐ＝Ｖｃ・Ｃ・（ｄＶｃ／ｄｔ）              （１）
ここで、Ｃは平滑コンデンサの容量、Ｖｃは平滑コンデンサの電圧＝直流電圧である。電圧変化率（ｄＶｃ／ｄｔ）が負のとき、つまり減少しているときは平滑コンデンサからモータへ、正のとき、つまり上昇しているときはモータから平滑コンデンサに向かって電力が供給されている。さらに（２）式を使用して昇降圧チョッパの電流指令を求める。
Ｉｒｅｆ＝Ｐ／Ｖｂ                            （２）
ここでＶｂは蓄電部の電圧である。チョッパ電流制御部１７は、交流電圧が負または正のピーク直後の直流電圧が減少しているときは力行モードと判断して、昇降圧チョッパの昇圧部を動作させ、直流電圧が増加しているときは回生モードと判断して降圧部を動作させる。力行モードのときは電流指令Ｉｒｅｆと蓄電部電流Ｉｂとの電流偏差をＰＩＤ制御処理をしてチョッパ電圧指令を生成し、さらにチョッパ電圧指令をＰＷＭ変換して昇圧部の第２ＩＧＢＴを動作させる。回生モードのときは、降圧部の第１ＩＧＢＴを動作させる。
【実施例２】
【００１５】
次に力行モードの他の実施例について説明する。交流電圧信号の交流サイクルごとのピーク値から設定可能な所定値を減算した値を第２閾値電圧とする。直流電圧信号が第２閾値電圧以下になったとき第２ＩＧＢＴをオンにし、チョッパ電流がチョッパ電流指令を越えたとき設定可能な所定時間後に第２ＩＧＢＴをオフにし、オフ後設定可能な所定時間後に直流電圧信号が第２閾値電圧以下なら再び第２ＩＧＢＴをオンにするという動作を繰り返す。
【実施例３】
【００１６】
次に回生モードの他の実施例について説明する。交流電圧信号の交流サイクルごとのピーク値から設定可能な所定値を加算した値を第１閾値電圧とする。直流電圧信号が第１閾値電圧を越えたら第１ＩＧＢＴをオンにする。次にチョッパ電流がチョッパ電流指令を越えたら設定可能な所定時間後に第１ＩＧＢＴをオフにし、オフ後設定可能な所定時間後に直流電圧信号が第１閾値電圧を越えていたら再び第１ＩＧＢＴをオンにするという動作を繰り返す。
【実施例４】
【００１７】
次に回生モードの他の実施例について説明する。交流電圧信号の交流サイクルごとのピーク値から設定可能な所定値を加算した値を第１閾値電圧とし、第１閾値電圧よりわずかに低い電圧（例えば１０Ｖ程度）を第３閾値電圧とする。直流電圧信号が第１閾値電圧を越えたら第１ＩＧＢＴをオンにする。次に直流電圧が第３閾値電圧以下になったらオフにする。次にさらに直流電圧が第１閾値電圧を越えたら再びオンにするという動作を繰り返す。
【００１８】
図５、６は実施例４の効果を示すシミュレーション結果である。図４は、実施例４を施さないとき、図６は実施例４を施したときのシミュレーション結果である。シミュレーションの条件は、平滑コンデンサ容量Ｃ＝１０００μF、モータの誘起電圧定数Ｋｅ＝０．４Ｖｓ／ｒａｄ、モータ抵抗Ｒ＝０．１Ω、モータインダクタンスＬ＝５ｍＨ、慣性モーメントＪ＝０．００５ｋｇｍ２、加速時間Ｔａｃ＝８０ｍｓ、減速時間Ｔｄｃ＝８０ｍｓ、モータ回転速度ωｍ＝１００ｒ／ｓである。制御パラメータは位置制御ゲインＫｐ＝２００ｓ−１、速度制御比例ゲインＫｖ＝５Ｎｍｓ／ｒａｄ、速度制御積分時定数Ｔｖｉ＝１０ｍｓである。インバータはキャリア周波数ｆｃ＝５ｋＨｚでコンバータは単相全波整流である。また、第１閾値電圧は３９０Ｖ、第３閾値電圧は３８０Ｖである。本案が実施されていないときは直流電圧が４５０Ｖを越えるのに対して本案が実施されているときは第１閾値電圧にクランプすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、急激な負荷の変動を伴う工作機械を用途とするインバータの直流回路に取り付け、電圧の変動の低減と、蓄電装置を用いた回生エネルギーの貯蔵、力行エネルギーの補償ができるので、発電量が安定しない風力発電や水力発電など自然エネルギーを用いた発電システムなどにも適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明のモータ制御装置の昇降圧チョッパの構成を示すブロック図
【図３】モータを加減速したときのシミュレーション結果
【図４】モータを加減速したときのシミュレーション結果
【図５】本発明を使用しないとき直流電圧が過電圧になるシミュレーション結果
【図６】本発明を使用したとき直流電圧がクランプされるシミュレーション結果
【図７】従来の昇降圧チョッパ装置の構成を示すブロック図
【図８】従来の昇降圧チョッパ装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００２１】
１  コンバータ
２  平滑コンデンサ
３  インバータ
４  モータ制御部
５  昇降圧チョッパ
６  降圧部
７  昇圧部
８  チョッパ制御部
９  蓄電部
１０  交流電圧検出部
１１  直流電圧検出部
１２  蓄電部電圧検出部
１３  蓄電部電流検出部
１５  チョッパ電流指令生成部
１６  減算器
１７  チョッパ電流制御部
１８  第１アーム
１９  第２アーム
２０  インダクタ
２３  交流電源
３１  モータ
３２  位置検出器
３３  負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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