特開 2024-51813 電源回生機能付きモータ制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024051813

(43)【公開日】2024-04-11

(54)【発明の名称】電源回生機能付きモータ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 27/06 20060101AFI20240404BHJP

【ＦＩ】

H02P27/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022158152

(22)【出願日】2022-09-30

(71)【出願人】

【識別番号】000180025

【氏名又は名称】山洋電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001416

【氏名又は名称】弁理士法人信栄事務所

(72)【発明者】

【氏名】井出 勇治

(72)【発明者】

【氏名】北原 通生

(72)【発明者】

【氏名】宮嵜 俊一

(72)【発明者】

【氏名】平出 敏雄

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505BB06

5H505CC05

5H505DD03

5H505EE49

5H505GG02

5H505GG04

5H505HA01

5H505HA10

5H505HB01

5H505JJ24

5H505JJ26

5H505JJ28

5H505LL07

5H505LL22

5H505LL24

5H505LL37

5H505LL39

5H505LL41

5H505LL44

5H505LL55

5H505MM02

5H505MM04

5H505MM06

5H505MM12

(57)【要約】

【課題】過大な回生電力に対して保護機能を有するモータ制御装置において、できる限りモータの加減速時間が延びる事もなく、できる限り通常の運転を継続することができ、機械のタクトタイムの増大をできるだけ抑止するモータ制御装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置１は、電源回生機能を備えたコンバータ回路３と、インバータ回路４と、交流電源１００に回生される回生電流を検出可能な電流検出器５３と、インバータ回路４からの回生電流の一部を通電させる回生抵抗器５０と、回生電流の回生抵抗器５０への通電を制御する回生抵抗制御器５７と、モータＭを駆動制御する制御部４７と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、インバータ回路からの回生直流電力を回生交流電力に変換して前記交流電源に回生する、電源回生機能を備えたコンバータ回路と、
前記直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換し、モータからの回生交流電力を前記回生直流電力に変換する、前記インバータ回路と、
前記交流電源に回生される回生電流を検出可能な電流検出器と、
前記インバータ回路からの回生電流の一部を通電させる回生抵抗器と、
前記回生電流の前記回生抵抗器への通電を制御する回生抵抗制御器と、
前記モータを駆動制御する制御部と、
を備え、
前記電流検出器が、前記回生電流が所定の電流値を超えたことを検知した場合、前記回生抵抗制御器は、前記回生電流を前記回生抵抗器に通電させて、
前記回生抵抗器の温度または消費電力の少なくとも一方が閾値を超えた場合、前記制御部は、前記モータの回生方向のトルク、または、前記モータの回生方向の速度指令の変化率を制限することを特徴とする、モータ制御装置。

【請求項2】

前記回生抵抗器の温度または消費電力の少なくとも一方が閾値を超えない場合、前記制御部は、前記モータの回生方向のトルクまたは前記モータの回生方向の速度指令の変化率を制限しない、請求項１に記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記モータ制御装置は、前記直流電力を蓄電する蓄電部をさらに備え、
前記回生抵抗器の抵抗値をＲ、前記蓄電部の電圧をＶＰＮ、前記モータが回生する瞬時回生電力の最大値をＰＭ、前記コンバータ回路が回生する回生電力の最大定格をＰＳと定義すると、前記回生抵抗器の抵抗値は、
Ｒ≦ＶＰＮ^２／（ＰＭ－ＰＳ）
を満たす、請求項１または２に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、モータ制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

モータが発電する交流電力を電源に回生する電源回生機能付きモータ制御装置において、回生電流が過電流となった場合に、回生電流の過電流によるモータ制御装置内の回路素子の破壊を防止する技術が知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、回生電流の過電流を検出し、過電流の電流値に応じてモータのトルク基準を低減させることで、回生電流の過電流による回路素子の破壊を防止する電源回生機能付きモータ制御装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６０－５７９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示されている機能が搭載されたモータ制御装置を用いる機械で、特に１つのコンバータに多くのインバータを接続して使う多軸構成のモータ制御装置においては、各軸の運転パターンによっては、過大な回生電力が一瞬しか戻ってこない使い方もある。しかし、特許文献１の手法では、この一瞬の過大な回生電力でもトルクが制限されてしまうため、減速時間が長くなり、機械のタクトタイムが延びてしまうという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、過大な回生電力に対して保護機能を有するモータ制御装置において、できる限りモータの加減速時間が延びる事もなく、できる限り通常の運転を継続することができ、機械のタクトタイムの増大をできるだけ抑止するモータ制御装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面に係るモータ制御装置は、
交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、インバータ回路からの回生直流電力を回生交流電力に変換して前記交流電源に回生する、電源回生機能を備えたコンバータ回路と、
前記直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換し、モータからの回生交流電力を前記回生直流電力に変換する、前記インバータ回路と、
前記交流電源に回生される回生電流を検出可能な電流検出器と、
前記インバータ回路からの回生電流の一部を通電させる回生抵抗器と、
前記回生電流の前記回生抵抗器への通電を制御する回生抵抗制御器と、
モータを駆動制御する制御部と、
を備え、
前記電流検出器が、前記回生電流が所定の電流値を超えたことを検知した場合、前記回生抵抗制御器は、前記回生電流を前記回生抵抗器に通電させて、
前記回生抵抗器の温度または消費電力の少なくとも一方が閾値を超えた場合、前記制御部は、前記モータの回生方向のトルク、または、前記モータの回生方向の速度指令の変化率を制限する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電源回生の最大定格を超える瞬時回生電力がモータから回生された時にも、できる限り減速時間を延ばす事なく、できる限り通常の運転を継続する事ができ、機械のタクトタイムの増大をできるだけ抑止することが可能なモータ制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第一実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の第二実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された構成と同一の参照番号を有する構成については、説明の便宜上、その説明は省略する。
［第一実施形態］

【0011】

図１は、本発明の第一実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、モータ制御装置１は、１つのコンバータに多くのインバータを接続して使う多軸構成であって、交流リアクトル２と、電源回生機能を有するコンバータ回路３と、平滑コンデンサ６と、回生抵抗回路５と、インバータ回路４と、を備える。また、モータ制御装置１は、位相検出回路３０と、コンバータ制御器３１と、最大電流検出器５６と、回生抵抗制御器５７と、回生抵抗過熱検出器５４と、回生抵抗過負荷検出器５５と、速度算出器４４と、制御部４７と、を備える。

【0012】

コンバータ回路３は、三相（ｒ相、ｓ相、ｔ相）のフルブリッジ回路であり、６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６から構成される。半導体スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６の各々は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）と、逆並列された還流ダイオードとから構成される。

【0013】

インバータ回路４は、三相（ｕ相、ｖ相、ｗ相）のフルブリッジ回路であり、６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ７～Ｔｒ１２から構成される。半導体スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６の各々は、例えば、ＩＧＢＴと、逆並列された還流ダイオードとから構成される。

【0014】

回生抵抗回路５は、回生抵抗器５０と、回生トランジスタ５１と、温度センサ５２と、電流センサ５３を有する。制御部４７は、トルク制限制御器４１と、速度制御器４０と、トルク制限器４２と、トルク制御器４３を有する。

【0015】

図１に示すエンコーダＥは、モータＭに搭載されていて、モータＭのロータの位置θＦＢを検出する。検出されたロータの位置θＦＢは、速度算出器４４に入力される。速度算出器４４は、検出されたロータの位置θＦＢを微分処理してモータ速度ＶＦＢを算出する。
（力行動作）

【0016】

本発明の主動作である回生動作について説明するために、回生動作の前提となる力行動作について簡潔に説明する。

【0017】

モータＭが力行動作を行う場合、モータ制御装置１は、三相交流電源１００から入力される三相交流を電力変換し、モータＭへ電力供給する。

【0018】

三相交流電源１００から入力される三相交流は、交流リアクトル２を介して、コンバータ回路３に入力される。

【0019】

コンバータ回路３は、コンバータ制御器３１が６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６のゲートをオフに制御することで、全波整流回路（ダイオードブリッジ回路）として機能し、三相交流電源１００から入力される三相交流を直流に変換する。

【0020】

平滑コンデンサ６は、例えば電解コンデンサであり、コンバータ回路３が出力する直流を平滑化し、蓄電する。

【0021】

インバータ回路４は、トルク制御器４３が６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ７～Ｔｒ１２を駆動することで、平滑コンデンサ６からの直流またはコンバータ回路３が出力する直流をモータ駆動用の三相交流に変換し、モータＭへ供給する。

【0022】

速度制御器４０は、速度指令Ｖｃｍｄとモータ速度ＶＦＢが入力され、速度をＰＩ制御し、トルク指令Ｔｃｍｄを出力する。
トルク制限器４２は、速度制御器４０からトルク指令Ｔｃｍｄが入力される。さらに、トルク制限制御器４１からトルク制限指令が入力された場合、トルク制限器４２は、トルク指令Ｔｃｍｄをトルク制限指令で制限し、トルク指令Ｔ’ｃｍｄを算出し、出力する。トルク制限制御器４１からトルク制限指令が入力されない場合、トルク制限器４２は、トルク指令Ｔｃｍｄをそのままトルク指令Ｔ’ｃｍｄとして出力する。
トルク制御器４３は、トルク制限器４２から入力されるトルク指令Ｔ’ｃｍｄ通りのトルクがモータから出力されるように電流制御やＰＷＭ制御を行い、インバータ回路４の６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ７～Ｔｒ１２を駆動する。
（回生動作）

【0023】

モータＭから電源が回生される場合、モータ制御装置１は、モータＭから入力される電力を電力変換し、三相交流電源１００へ回生電力を出力する。

【0024】

平滑コンデンサ６は、インバータ回路４が出力する直流を平滑化し、蓄電する。

【0025】

位相検出回路３０は、三相交流電源１００の位相を検出する。平滑コンデンサ６の電圧ＶＰＮが所定値以上になると、コンバータ制御器３１は、位相検出回路３０によって検出された三相交流の位相に基づいて、６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６のゲートを順次オンに制御する（１２０°通電方式）。
これにより、コンバータ回路３は、平滑コンデンサ６の電力を回生用の三相交流に変換し、三相交流電源１００の各相に電流を流して三相交流電源１００に電力を出力する。

【0026】

最大電流検出器５６は、三相交流電源１００と交流リアクトル２の間に流れる三相交流の電流の最大値を検出する。電流の最大値が所定値以上となった場合、回生抵抗制御器５７は回生抵抗回路５の回生トランジスタ５１のゲートをオンに制御し、回生電流の一部を回生抵抗器５０に通電させる。回生トランジスタ５１は、例えば、ＩＧＢＴから構成される。

【0027】

ここで、回生抵抗器５０の抵抗値をＲ、モータＭが回生する瞬時回生電力の最大値をＰＭ、コンバータ回路３が回生する回生電力の最大定格をＰＳと定義すると、回生抵抗器５０は、下記の式１を満たす。
（式１）

これにより、モータＭが回生する瞬時回生電力がコンバータ回路が回生する回生電力の最大定格ＰＳを超えた場合でも、超えた分の電力を回生抵抗器５０によって吸収することができる。したがって、回生電流の過電流によるモータ制御装置１内の回路素子（例えば、コンバータ回路３の半導体スイッチング素子Ｔｒ１～Ｔｒ６）の破壊を防止し、モータＭのトルク制限をかけずにモータＭを駆動することができる。

【0028】

温度センサ５２は回生抵抗器５０の温度を検出する。回生抵抗過熱検出器５４は、温度センサ５２で検出された回生抵抗器５０の温度が、規定の閾値を超えているかを判定する。回生抵抗器５０の温度が規定の閾値を超えている場合、回生抵抗過熱検出器５４はトルク制限制御器４１に回生抵抗過熱を通知する。この規定の閾値は、回生抵抗過熱異常の検出値より少し低い値に設定する。
また、電流センサ５３は回生抵抗器５０に流れる電流値を検出する。回生抵抗過負荷検出器５５は、電流センサ５３で検出された回生抵抗器５０に流れる電流値から、回生抵抗器５０の消費電力を算出し、回生抵抗過負荷の規定の閾値を超えているかを判定する。回生抵抗器５０の消費電力が回生抵抗器の過負荷の規定の閾値を超えている場合、回生抵抗過負荷検出器５５はトルク制限制御器４１に回生抵抗過負荷を通知する。この規定の閾値は、回生抵抗過負荷異常の検出値より少し低い値に設定する。なお、電圧センサを用いて回生抵抗器のオン、オフ状態を検出して回生抵抗器５０の消費電力を算出してもよい。

【0029】

トルク制限制御器４１は、回生抵抗過熱または回生抵抗過負荷の少なくとも一方が通知された場合、速度算出器４４で算出したモータ速度ＶＦＢに基づきモータＭの回転方向を検出し、モータＭの回生方向のトルクを制限するトルク制限指令を算出し、出力する。

【0030】

具体的には、例えば、モータＭの回転方向がＣＷ（Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ）方向の場合、回生方向であるＣＣＷ（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｃｌｏｃｋ Ｗｉｓｅ）方向のトルクを制限する。同様に、モータＭがＣＣＷ方向に回転している場合、回生方向であるＣＷ方向のトルクを制限する。トルクの制限値は、回生方向のトルクを制限してモータを動作させた場合に、回生抵抗の温度や過負荷が増加しない制限値にする。

【0031】

トルク制限器４２は、速度制御器４０から入力されるトルク指令Ｔｃｍｄに、トルク制限制御器４１から入力されるトルク制限指令に基づく制限をかけることで、トルク指令Ｔ’ｃｍｄを算出し、出力する。トルク制御器４３は、トルク制限器４２からトルク指令Ｔ’ｃｍｄが入力され、トルク指令Ｔ’ｃｍｄに基づいて電流制御やＰＷＭ制御を行い、インバータ回路４の６個の半導体スイッチング素子Ｔｒ７～Ｔｒ１２を駆動する。

【0032】

以上より、モータＭが回生する瞬時回生電力がコンバータ回路が回生する回生電力の最大定格ＰＳを超えた場合に、超えた分の電力を回生抵抗器５０によって吸収することができる。また、回生抵抗器５０の回生抵抗過熱または回生抵抗過負荷が通知されたら、回生方向のトルクを制限して、回生抵抗の過熱異常や過負荷異常を防止することができる。
これにより、電源回生の最大定格を超える瞬時回生電力がモータから回生された時にも、回生抵抗器５０の回生抵抗過熱または回生抵抗過負荷が通知されるまでは減速時間を延ばす事なく、通常の運転を継続する事ができる。また、回生抵抗器５０の回生抵抗過熱または回生抵抗過負荷が通知された後も力行方向は通常の運転ができ、回生方向はトルク制限がかかるため動作が遅くなるが、回生抵抗器が異常を検出して停止するのを防止できる。これにより、できる限りモータの加減速時間が延びる事もなく、できるだけ通常の運転を継続することができ、モータＭのトルク制限による機械のタクトタイムの増大を抑止することができる。
［第二実施形態］

【0033】

図２は、本発明の第二実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図２に示すように、モータ制御装置１’は、１つのコンバータに多くのインバータを接続して使う多軸構成であって、交流リアクトル２と、電源回生機能を有するコンバータ回路３と、平滑コンデンサ６と、回生抵抗回路５と、インバータ回路４と、を備える。また、モータ制御装置１は、位相検出回路３０と、コンバータ制御器３１と、最大電流検出器５６と、回生抵抗制御器５７と、回生抵抗過熱検出器５４と、回生抵抗過負荷検出器５５と、制御部４７と、速度算出器４４と、を備える。回生抵抗回路５は、回生抵抗器５０と、回生トランジスタ５１と、温度センサ５２と、電流センサ５３を有する。制御部４７は、変化率制限制御器４６と、変化率制限器４５と、速度制御器４０と、トルク制御器４３を有する。

【0034】

なお、変化率制限制御器４６と、変化率制限器４５と、速度算出器４４と、速度制御器４０以外の構成は、第一実施形態と同一の構成であるため、繰り返し説明は行わない。また、第二実施形態では回生動作についてのみ説明し、力行動作については第一実施形態と同様であるため、繰り返し説明は行わない。
（回生動作）

【0035】

変化率制限制御器４６は、回生抵抗過熱検出器５４から回生抵抗過熱が通知された場合、または、回生抵抗過負荷検出器５５から過負荷が通知された場合、速度算出器４４で算出したモータ速度ＶＦＢに基づきモータＭの回転方向を検出し、モータＭの回生方向の速度指令Ｖｃｍｄの変化率を制限する変化率制限指令を算出し、出力する。速度指令Ｖｃｍｄの変化率の制限値は、速度指令Ｖｃｍｄの変化率を制限して回生した場合に、回生抵抗の温度や過負荷が増加しない制限値にする。

【0036】

変化率制限器４５は、入力される速度指令Ｖｃｍｄに、変化率制限制御器４６から入力される変化率制限指令に基づく制限をかけることで、速度指令Ｖ’ｃｍｄを算出し、出力する。なお、変化率制限制御器４６から変化率制限指令が入力されない場合、変化率制限器４５は、入力される速度指令Ｖｃｍｄをそのまま速度指令Ｖ’ｃｍｄとして出力する。

【0037】

速度制御器４０は、入力される速度指令Ｖ’ｃｍｄとモータ速度ＶＦＢに基づいて、トルク指令Ｔｃｍｄを算出し、出力する。

【0038】

以上より、モータＭが回生する瞬時回生電力がコンバータ回路が回生する回生電力の最大定格ＰＳを超えた場合に、回生抵抗過熱または回生抵抗過負荷が通知されるまでは、超えた分の電力を回生抵抗器５０によって吸収することができる。また、回生抵抗器５０の回生抵抗過熱または回生抵抗過負荷が通知されたら、回生方向の速度指令Ｖｃｍｄの変化率を制限して、回生抵抗の過熱や過負荷を防止することができる。
これにより、回生電流の過電流によるモータ制御装置１’内の回路素子の破壊を防止しつつ、モータＭの速度指令の変化率制限による機械のタクトタイムの増大をできるだけ抑止することができる。

【0039】

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

【0040】

例えば、第一実施形態および第二実施形態において、多軸のうち主軸等の最も大きな出力の軸のみで回生方向のトルク指令や速度指令の変化率を制限する構成を示したが、他の軸の回生方向のトルク指令や速度指令の変化率も制限してもよい。また、コンバータ回路３は、１２０°通電方式ではなく、ＰＷＭ制御方式でもよい。また、図１に示す三相交流電源１００は、単相交流電源でもよい。また、回生抵抗器５０の温度を検出するのではなく、回生抵抗器５０の温度を推定してもよい。

【符号の説明】

【0041】

１、１’：モータ制御装置
２：交流リアクトル
３：コンバータ回路
４：インバータ回路
５：回生抵抗回路
６：平滑コンデンサ
３０：位相検出回路
３１：コンバータ制御器
４０：速度制御器
４１：トルク制限制御器
４２：トルク制限器
４３：トルク制御器
４４：速度算出器
４５：変化率制限器
４６：変化率制限制御器
４７：制御部
５０：回生抵抗器
５１：回生トランジスタ
５２：温度センサ
５３：電流センサ
５４：回生抵抗過熱検出器
５５：回生抵抗過負荷検出器
５６：最大電流検出器
５７：回生抵抗制御器
１００：三相交流電源
Ｍ：モータ
Ｅ：エンコーダ
Ｔｒ１～Ｔｒ１２：半導体スイッチング素子

【図1】

【図2】