特許 7156131 サーボＤＣ給電システム及びモータ制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-11

(45)【発行日】2022-10-19

(54)【発明の名称】サーボＤＣ給電システム及びモータ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/40 20160101AFI20221012BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20221012BHJP

【ＦＩ】

H02P29/40

H02P27/06

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019060608

(22)【出願日】2019-03-27

(65)【公開番号】P2020162339

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2020-12-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002860

【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】桐淵 岳

(72)【発明者】

【氏名】財津 俊行

(72)【発明者】

【氏名】蘆田 岳史

(72)【発明者】

【氏名】土井 昌志

【審査官】柏崎 翔

(56)【参考文献】

【文献】特開平１１－２２０９００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５３０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３００６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第６４６８３４２（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２００８－２９６８７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／４０

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源と、
それぞれ、サーボモータを制御する複数のモータ制御装置と、
前記直流電源からの電力を前記複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路と、
を含み、
前記複数のモータ制御装置は、それぞれ、
前記電力供給路の電圧が発振し得る周波数に応じた中心周波数を有するノッチフィルタ及び前記ノッチフィルタの前段に配置され電流を制御する電流制御器を含む電流制御ループにより前記サーボモータに流れる電流を制御する電流制御ループ部
を備え、
前記電力供給路の電圧が発振し得る周波数は、前記電流制御ループが前記ノッチフィルタを含まない場合に、前記電力供給路側の伝達関数とそれぞれの前記モータ制御装置側の伝達関数との相関において該電力供給路側の伝達関数に対応するゲインが該モータ制御装置側の伝達関数に対応するゲインを上回る周波数範囲に応じた周波数である、
サーボＤＣ給電システム。

【請求項2】

前記複数のモータ制御装置のそれぞれが備える前記電流制御ループ部は、
それぞれ、前記電力供給路の電圧が発振し得る複数の周波数に応じた中心周波数を有する複数のノッチフィルタを含む電流制御ループにより前記サーボモータに流れる電流を制御する、
請求項１に記載のサーボＤＣ給電システム。

【請求項3】

直流電源と、それぞれ、サーボモータを制御する複数のモータ制御装置と、前記直流電源からの電力を前記複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路と、を含むサーボＤＣ給電システムにおける前記複数のモータ制御装置のうちの１つのモータ制御装置であって、
前記電力供給路の電圧が発振し得る周波数に応じた中心周波数を有する１つ又は複数のノッチフィルタ及び前記ノッチフィルタの前段に配置され電流を制御する電流制御器を含む電流制御ループにより前記サーボモータに流れる電流を制御する電流制御ループ部を備え、
前記電力供給路の電圧が発振し得る周波数は、前記電流制御ループが前記ノッチフィル
タを含まない場合に、前記電力供給路側の伝達関数とそれぞれの前記モータ制御装置側の伝達関数との相関において該電力供給路側の伝達関数に対応するゲインが該モータ制御装置側の伝達関数に対応するゲインを上回る周波数範囲に応じた周波数である、
モータ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、サーボＤＣ給電システムとモータ制御装置とに関する。

【背景技術】

【0002】

工場等では、複数の電動機が、離れた場所に配置された複数のサーボドライバにてＰＷＭ駆動されるシステム（ロボットとその制御装置とで構成されたシステム等）が使用されている。そのようなシステムには、電動機・サーボドライバ間の長いケーブルからの放射ノイズを低減するために、スイッチングスピードを速くできない、電動機・サーボドライバ間の接続に多数のケーブルが必要とされる、といった問題がある。

【0003】

各電動機の近傍に、サーボドライバからコンバータを除去した装置（以下、モータ制御装置）を配置し、１つの直流電源からＤＣバスにて複数のモータ制御装置に電力を供給する構成を採用しておけば、上記問題が発生しないようにすることが出来る。ただし、この構成を採用したシステムでは、ＤＣバス側のＬＣ回路とモータ制御装置内のインバータ回路側とが干渉してＤＣバスの電圧が発振する場合がある（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】横尾 真志, 近藤 圭一郎,「直流電気鉄道車両におけるベクトル制御された誘導電動機駆動システムのダンピング制御系設計法」、電気学会論文誌Ｄ，Vol.135 No.6 pp.622-631（2015）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、直流電源と、サーボモータを制御する複数のモータ制御装置と、直流電源からの電力を複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路とを含むサーボＤＣ給電システムにおける電力供給路の電圧の発振を抑制できる技術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】

【0006】

本発明の一観点に係るサーボＤＣ給電システムは、直流電源と、それぞれ、サーボモータを制御する複数のモータ制御装置と、前記直流電源からの電力を前記複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路とを含む。そして、サーボＤＣ給電システムの各モータ制御装置は、前記電力供給路の電圧が発振し得る周波数に応じた中心周波数を有するノッチフィルタを含む電流制御ループにより前記サーボモータに流れる電流を制御する電流制御ループ部を備える。

【0007】

上記構成を有するサーボＤＣ給電システムによれば、既存のシステムでは、システム全体の伝達関数が不安定となり発振してしまう運転状態でも、伝達関数を安定化させることが可能となるため、電力供給路の電圧の発振を抑制することが出来る。

【0008】

各モータ制御装置のそれぞれが備える前記電流制御ループ部は、それぞれ、前記電力供給路の電圧が発振し得る複数の周波数に応じた中心周波数を有する複数のノッチフィルタを含む電流制御ループにより前記サーボモータに流れる電流を制御しても良い。

【0009】

また、本発明の一観点に係る、サーボモータを制御するモータ制御装置は、中心周波数が可変な１つ又は複数のノッチフィルタを含む電流制御ループにより前記サーボモータに
流れる電流を制御する電流制御ループ部を備える。従って、このモータ制御装置を用いれば、電力供給路の電圧が発振しにくいサーボＤＣ給電システムを構築できる。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、直流電源と、サーボモータを制御する複数のモータ制御装置と、直流電源からの電力を複数のモータ制御装置に分配供給する電力供給路とを含むサーボＤＣ給電システムにおける電力供給路の電圧の発振を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの構成の説明図である。

【図2】図２は、サーボＤＣ給電システム内のモータ制御装置の構成の説明図である。

【図3】図３は、モータ制御装置の機能ブロック図である。

【図4A】図４Ａは、比較対象システムの電源側及びモータ側のボード線図である。

【図4B】図４Ｂは、サーボＤＣ給電システムの電源側及びモータ側のボード線図である。

【図5】図５は、サーボＤＣ給電システムと比較対象システムの電力供給路の電圧変化パターンの違いを説明するための図である。

【図6A】図６Ａは、電流制御ループ部の変形例の説明図である。

【図6B】図６Ｂは、電流制御ループ部の変形例の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

【0013】

まず、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの概要を説明する。なお、図１は、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムの構成の説明図であり、図２は、サーボＤＣ給電システムの構成要素であるモータ制御装置１０の構成の説明図である。

【0014】

図１に示してあるように、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、直流電源３０と複数のモータ制御装置１０との間を、電力供給路３５にて接続したシステムである。

【0015】

直流電源３０は、所定の直流電圧を出力する電源である。図１には、直流電源３０として、三相交流電源５０からの三相交流を直流電圧に変換する装置を示してあるが、直流電源３０は、単相交流を直流電圧に変換する装置であっても良い。また、直流電源３０は、ダイオードを組み合わせた整流回路（例えば、全波整流回路）であっても、スイッチング素子が用いられたＡＣ－ＤＣコンバータ（例えば、電源回生コンバータ）であっても良い。

【0016】

モータ制御装置１０は、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller）等の上位装置からの指令（位置指令、速度指令等）に従って、サーボモータ４０（以下、単に、モータ４０とも表記する）を制御する装置（詳細は後述）である。電力供給路３５は、直流電源３０からの電力（電流）を、サーボＤＣ給電システム内の各モータ制御装置に分配供給できるように複数の電力ケーブルを組み合わせた給電路である。この電力供給路３５の各モータ制御装置１０との接続部分（各モータ制御装置１０の電源端子間）には、通常、平滑コンデンサ１５が設けられる。

【0017】

図２に示してあるように、モータ制御装置１０は、インバータ回路１１と制御部１２とを備える。インバータ回路１１は、モータ制御装置１０に電力供給路３５から入力される
直流電圧を三相交流に変換するための回路である。インバータ回路１１は、正負の母線間に、Ｕ相用のレグ、Ｖ相用のレグ及びＷ相用のレグを並列接続した構成を有しており、モータ制御装置１０には、インバータ回路１１の各レグの出力電流を測定するための電流センサ２８が設けられている。

【0018】

制御部１２は、上位装置（ＰＣＬ等）からの指令に従って、インバータ回路１１をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するユニットである。制御部１２は、プロセッサ（マイクロコントローラ、ＣＰＵ等）とその周辺回路とから構成されており、制御部１２は、各電流センサ２８からの信号、モータ４０に取り付けられたエンコーダ４１（アブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダ）からの信号等が入力されている。

【0019】

以下、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムについてさらに具体的に説明する。
本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、電力供給路３５の電圧の発振を抑制可能とするために、各モータ制御装置１０を、ノッチフィルタを含む電流制御ループによりモータ４０に流れる電流を制御するように構成したシステムである。

【0020】

以下、上位装置から入力される指令が位置指令である場合を例に、モータ制御装置１０の構成及び動作を説明する。

【0021】

モータ制御装置１０は、位置指令に従ってモータ４０を制御する場合、図３に示した構成の装置、すなわち、減算器２１及び２３、位置制御器２２、速度制御器２４、ノッチフィルタ（ＮＦ）２６を含む電流制御ループ部２０、速度検出器２９等を備えた装置として動作する。

【0022】

このモータ制御装置１０内の減算器２１は、位置指令から、エンコーダ４１により検出された位置（以下、検出位置）を減算することで位置偏差を算出するユニットである。位置制御器２２は、位置偏差に所定の位置比例ゲインを乗ずることにより速度指令を算出するユニットである。速度検出器２９は、検出位置を微分することで、速度（以下、検出速度）を算出するユニットである。減算器２３は、速度指令から検出速度を減算することにより速度偏差を算出するユニットである。速度制御器２４は、速度偏差に基づくＰＩ（比例積分）演算により電流指令を算出するユニットである。

【0023】

電流制御ループ部２０は、電流指令通りの電流がモータ４０に流れるように、モータ４０に流れる電流をフィードバック制御するユニットである。図示してあるように、電流制御ループ部２０は、減算器２５と、ノッチフィルタ２６と、電流制御器２７と、電流センサ２８とにより構成されている。

【0024】

減算器２５は、電流指令から電流センサ２８により検出された電流を減算することで電流偏差を算出するユニットである。電流制御器２７は、インバータ回路１１と制御部１２の一部とで実現されるユニットである。この電流制御器２７の構成要素としての制御部１２は、ノッチフィルタ２６通過後の電流偏差に基づき、モータ４０に電流指令通りの電流が流れるようにインバータ回路１１を制御する。

【0025】

電流制御ループ部２０内のノッチフィルタ２６は、中心周波数（ノッチ周波数とも称される）が可変なデジタルフィルタである。そして、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、各モータ制御装置１０内のノッチフィルタ２６の中心周波数を、電力供給路３５の電圧が発振し得る周波数にほぼ一致させたシステムとなっている。

【0026】

本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、以上、説明した構成を有している。従って、サーボＤＣ給電システムによれば、電力供給路３５の電圧の発振を抑制することが出
来る。

【0027】

具体的には、各モータ制御装置１０として、ノッチフィルタ２６を含まない電流制御ループによりモータ４０に流れる電流を制御する装置が用いられたサーボＤＣ給電システムを考える。そのようなサーボＤＣ給電システム（以下、比較対象システムと表記する）にて電力供給路３５の電圧が発振するのは、電力供給路３５側の伝達関数とモータ制御装置１０側の伝達関数とを統合した伝達関数が不安定となる場合、つまり、図４Ａに模式的に示したように、電力供給路３５側（“電源側”）のゲインがモータ制御装置１０側（“モータ側”）のゲインを上回る周波数範囲がある場合である。

【0028】

一方、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムのように、各モータ制御装置１０が、電力供給路３５の電圧が発振し得る周波数に応じた中心周波数を有するノッチフィルタ２６を含む電流制御ループによりモータ４０に流れる電流を制御すれば、図４Ｂに模式的に示したように、電力供給路３５側（“電源側”）のゲインが、いずれの周波数においても、モータ制御装置１０側（“モータ側”）のゲインを上回らないようにすることが可能となる。

【0029】

従って、本実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、比較対象システムでは図５に示したような電圧の発振（“ＮＦ無し”）が発生してしまう条件で運転しても、電圧が発振しない（“ＮＦあり”）ようにすることが出来る。

【0030】

《変形形態》
上記した実施形態に係るサーボＤＣ給電システムは、各種の変形が可能なものである。例えば、電力供給路３５は、直流電源３０からの電力（電流）を、サーボＤＣ給電システム内の全モータ制御装置に供給できるものであれば、図１に示したものとは異なる構成のものであっても良い。また、各モータ制御装置１０内の電流制御ループ部２０（図３）を、例えば、図６Ａに示したように、電流制御器２７の後段にノッチフィルタ２６を備えたものや、検出電流のリターン経路上にノッチフィルタ２６を備えたものに変形しても良い。

【0031】

また、電流制御ループ部２０を、図６Ｂに示したように、電力供給路３５の電圧が発振し得る複数の周波数に応じた中心周波数を有する複数のノッチフィルタ２６（図６Ｂでは、中心周波数ω１のＮＦ２６と中心周波数ω２のＮＦ２６）を含むものに変形しても良い。

【0032】

《付記１》
直流電源（３０）と、
それぞれ、サーボモータ（４０）を制御する複数のモータ制御装置（１０）と、
前記直流電源（３０）からの電力を前記複数のモータ制御装置（１０）に分配供給する電力供給路（３５）と、
を含み、
前記複数のモータ制御装置（１０）は、それぞれ、
前記電力供給路（３５）の電圧が発振し得る周波数に応じた中心周波数を有するノッチフィルタ（２６）を含む電流制御ループにより前記サーボモータ（４０）に流れる電流を制御する電流制御ループ部（２０）
を備える、
サーボＤＣ給電システム。

【符号の説明】

【0033】

１０ モータ制御装置
１１ インバータ回路
１２ 制御部
１５ 平滑コンデンサ
２０ 電流制御ループ部
２１，２３，２５ 減算器
２２ 位置制御器
２４ 速度制御器
２６ ノッチフィルタ
２７ 電流制御部
２８ 電流センサ
２９ 速度検出器
３０ 直流電源
３５ 電力供給路
４０ サーボモータ
４１ エンコーダ
５０ 三相交流電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6A】

【図6B】