JP2000217367A - 電流制御回路、インバ―タ制御装置、インバ―タ装置、および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＡＣサーボモートルなどの電流制御系を内蔵し
た制御装置において、使用環境が粉塵、綿ボコリが多
く、湿度の高くても、プリント基板の導体パターンやＩ
Ｃのリード端子間のショートで制御装置が破損する等の
復帰できない故障をなくし、高信頼性製品を作り上げる
事にある。 【解決手段】本発明では、電流検出器から加算点までの
フィードバックの後向きのループ、および電流制御の加
算点から、スイッチング素子のゲート端子まで、前向き
のループの導電部分を、外部の雰囲気に触れることなく
パワーモジールの中に実装して密封する。電流ループ
と、それ以外の位置制御、速度制御、インターフェイス
処理を２個所に分けて分散処理を行う。このため電流フ
ィードバックを含む電流制御ループを、別の副マイクロ
プロセッサで構成して、共にエポキシ樹脂などの樹脂で
モールドして作られるパワーモジールの中に実装する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電動機を駆動する電
動機駆動装置に係り、特に、モートル電流を検出してフ
ィードバック制御を構成した電流制御ループを内部に備
え、位置、速度、電流、トルク等を制御するのに好適な
電動機駆動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロプロセッサーの発達により、一
般産業機械に使用されるモートル制御装置も、従来のア
ナログ制御からマイクロコントローラを使ったデジタル
制御へと移り変わってきた。プリント基板に使用される
部品もトランジスタから集積回路ＩＣ（Integrated Cir
cuit）へ、更に中規模集積回路ＭＳＩ、大規模集積回路
ＬＳＩ、超大規模集積回路ＶＬＳＩと移り変わり、ＡＳ
ＩＣ（Application SpecificＩＣ）や顧客仕様による
専用のカスタム用ＬＳＩ、ゲートアレイ等が使われるよ
うになり、制御装置の小型化が進んでいる。これらのデ
ジタルＩＣのパッケージはプリント基板へ表面実装する
ことにより、より一層の小型化が進んでいる。また、こ
れらＩＣの高密度集積化が進み、ＩＣのリード端子数
（ピン数）も１００ピンを越えるものになっており、そ
れに伴いリード端子のピッチも、従来の２．５４ｍｍか
ら、ハーフピッチと呼ばれる１．２７ｍｍ、さらに１．
００ｍｍ、０．８ｍｍ、０．７５ｍｍピッチのものが使
用されている。さらに最近では、０．５ｍｍピッチのリ
ードパッケージが使われるようになってきた。これに合
わせて、プリント基板の導体パターン間隔も２．５４ｍ
ｍのリードピッチ間に、導体パターンを１本通すピン間
１本から、最近はピン間３本または３本以上通すような
設計が進められ、プリント基板としての高実装化が進ん
でいる。

【０００３】一方、一般産業機械の可変速運転を行う動
力源として、交流モートルである誘導電動機をインバー
タで駆動する速度センサーレスベクトル制御、速度セン
サー付きベクトル制御が使われ、また、工作機、金属加
工機械、組立機械、繊維機械、織機、ロボット等の位
置、速度センサを内蔵したＡＣサーボモートルが、自動
化、省力化の要求により、加工組立て現場などで盛んに
使われる様になってきた。これらの基本制御は位置、速
度、電流、トルク制御であり、最近のライン速度の高速
化、タクトタイムの高速化の要求により、誘導電動機の
ベクトル制御では、モートルの電流をトルクに比例する
トルク分電流と、このトルク分電流に直交する磁束分電
流に分離して、高速電流制御が行われている。またＡＣ
サーボモートルの場合は、回転子に永久磁石を用いた回
転界磁形同期電動機を、磁極位置検出器で永久磁石の位
置を検出して高速の電流制御を行なっており、いづれの
場合も電流の瞬時値を制御している。

【０００４】これらの交流モートル制御装置の設置場所
は、組立て現場や加工現場のモートルの近くに設置され
た制御盤内であり、この周囲の環境は切削した金属の
屑、切削油、タイヤ加工工場であればタイヤを加工した
炭素を含んだ粉塵が浮遊し、繊維工場、織機工場であれ
ば綿ボコリが浮遊している。これらの粉塵、綿ボコリは
制御装置内のプリント基板上に少しづつ付着する。また
織機工場で、縦糸と横糸を編む自動織機の横糸をウォー
タで飛ばすウォータジェット方式では水を扱っているた
め周囲の湿度が高くなり、気温の上昇下降と共にモート
ル制御回路のプリント基板上が結露する。プリント基板
上には集積回路が実装されており、上述のリードピッチ
の狭い部品が搭載されている。このため、プリント基板
上に長期間かけて付着した炭素を含む粉塵、綿ボコリが
集積回路のリードを覆う事になる。

【０００５】交流モートルを毎日朝、運転開始し、運転
と共に制御盤内の気温が上昇し、夜、運転停止して制御
盤内の気温は下降し、外気温も下降する。このため、昼
暖められた制御盤内の空気は湿度が上昇し、夜、臨界温
度以下でプリント基板上に付着した炭素を含む粉塵、綿
ボコリと共に結露する。つぎの日、朝運転開始時、粉
塵、綿ボコリと共に結露した状態で通電すると、集積回
路のリード間が電気ショートを起こす事がある。これは
湿度の高い梅雨時期に多く発生するが、水を使用するウ
ォータージェットタイプの織機の場合は、時期に限らず
発生する。このためモートル制御回路が誤動作し、場合
によってはインバータ主回路の半導体素子が破損する事
がある。

【０００６】つぎに、位置、速度、電流、トルクを制御
するＡＣサーボモートル制御回路のプリント基板上に実
装されている集積回路のリード端子が、粉塵、綿ボコリ
が付着し結露することによって、隣接するリードどうし
が、ショートした場合についての影響を述べる。図１４
に従来の一実施形態であるＡＣサーボモートルの制御ブ
ロック図を示す。１はＡＣサーボモートル、２はエンコ
ーダでＡＣサーボモートルのロータの磁極位置を検出す
る磁極位置センサー２-１と、ＡＣサーボモートルの回
転位置を検出する回転位置センサー２-２を、複合的に
合わせ持ち、ＡＣサーボモートルに内蔵されている。３
は位置制御、５は速度制御、７は電流制御、８はＰＷＭ
（Pulse Width Modulation）制御演算部で、前向きのル
ープを構成している。４は位置カウンタ回路、６は速度
演算回路、１０は電流検出回路で、それぞれ位置、速
度、電流フィードバックループの後向きループを構成し
ている。９はＡＣサーボモートル１のロータの磁極位置
センサー２-１と回転位置センサー２-２を入力して磁極
位置を演算する磁極位置演算回路である。１３はスイッ
チング素子を駆動するドライバとその制御電源回路を含
むインバータ主回路である。このうちインバータ主回路
はエポキシ樹脂などの樹脂でモールドされたパワーモジ
ュールの中に実装されている。１１は電流検出器で、Ａ
Ｃサーボモートルに流れる電流を検出して電流検出回路
１０にフィードバックしている。なお、１２−１〜１２
−３は指令信号とフィードバック信号を加算する加算点
であり、符号をつけて＋は加算、−は減算となる。図で
は指令信号は＋、フィードバックは−としているため負
帰還フィードバック回路を構成している。

【０００７】ＡＣサーボモートルの制御回路は、ロジッ
クプリント基板１９に実装され、マイクロプロセッサＣ
ＰＵ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random A
ccess Memory）、Ａ／Ｄコンバータ（アナログ／デジタ
ル変換器）、各種のＬＳＩ、インターフェイス用部品等
の電子部品で構成され、図１４の枠１９で囲んだ範囲で
示される。これらに採用される部品のリード端子のピッ
チは、０．５〜０．８ｍｍ前後の高密度パッケージとな
っている。

【０００８】ここで、位置、速度、電流（またはトル
ク）の３種類のフィードバックループが構成されてお
り、一般に各フィードバックループの応答性は、内側に
構成されれているループ程、応答性を早くして、オーバ
ーシュート、アンダーシュートの少ない安定な制御系を
構成する。その応答は速度制御の場合は、位置制御の応
答の４〜６倍高く設定し、電流制御の応答は速度制御応
答の４〜６倍高く設定する。このため、マイクロプロセ
ッサＣＰＵでソフトウェア処理する場合、ソフトウェア
の演算周期は電流フィードバックループが最も速く、つ
ぎに速度フィードバックループとなり、位置フィードバ
ックは最も遅い処理となるのが一般的である。

【０００９】図１５は一般的な外部保護形態の一実施形
態で、ＡＣサーボモートル１、エンコーダ２と、ＡＣサ
ーボモートル制御装置２０の外部に設けた外部保護装置
１８である。ＡＣサーボモートルが誤動作を起こした場
合、作業者の安全を図るための装置で、機械に合わせた
保護システムが設置される。これらのセンサーには機械
側に設置された加速度センサー１４、オーバー速度セン
サー１５、稼動範囲の両端に取り付けた、右、左側エッ
ジセンサー１６で、規定の加速度を越えた場合や、規定
速度を越えた場合、また、規定の機械の稼動範囲を越え
た場合に、これらのセンサーからの信号で暴走防止のた
めの保護処理回路１７に入力し、ＡＣサーボモートルを
停止させる。また、この外部保護装置１８により主回路
電源をオフさせたり、さらに機械ブレーキを動作させる
等の、安全処置を行っている。一般にＡＣサーボモート
ル１とエンコーダ２とＡＣサーボモートル制御装置２０
は汎用品として電機メーカが製作し、セットメーカはこ
れらの電機品を購入して機械設計を行い、電気、機械を
含めた全体システムに対しての外部保護システムを設置
する。

【００１０】図１６に、従来のＡＣサーボモートル制御
装置に使われているパワーモジュールの一実施形態の内
部回路図を示す。交流電源はＲ、Ｓ、Ｔ端子に接続され
ダイオード整流器４３で交流から直流に変換される。端
子Ｐ−Ｐ１にはパワーモジュールの外部に図示しない限
流抵抗が接続され、またＰ１−Ｎ端子間には図示しない
平滑コンデンサが接続され、交流電源投入時の平滑コン
デンサに流れる突入電流を限流抵抗で制限する。平滑コ
ンデンサで平滑された直流電圧は、スイッチング素子Ｓ
u,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓy,Ｓz（パワートランジスタなど）と
ダイオードＤu,Ｄv,Ｄw,Ｄx,Ｄy,Ｄzの逆並列回路が６
組で構成されたインバータ回路４５に印加され、この各
スイッチング素子のベースまたはゲートをオン・オフ制
御することにより交流を出力し、出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに
接続された図示しないＡＣサーボモートルを駆動する。
また、ＡＣサーボモートルから回生されるエネルギー
は、Ｐ１−Ｎ間に接続された平滑コンデンサに蓄えら
れ、直流電圧が上昇した時に図示しないＰ１−ＢＲ端子
間に接続された放電抵抗と共に、回生制動回路４４のス
イッチング素子がオンし、放電抵抗で回生エネルギーを
消費する。回生制動回路とインバータ回路の７個のスイ
ッチング素子のゲート入力は、パワーモジュールの外部
のドライバー回路から供給される。このゲート端子Ｇ
Ｕ、ＥＵ、ＧＶ、ＥＶ、ＧＷ、ＥＷとＧＸ、ＧＹ、Ｇ
Ｚ、ＧＢ、Ｅは、後述する図１７のパワーモジール２２
に示すように、細いリード端子であり、狭いピッチで並
んでいる。これに対し、主回路端子は太いリード端子で
あり、並んだ間隔は広く開けられており、粉塵は通り抜
ける。主回路プリント基板はパワーモジュール２２の端
子位置に合わせて、このリード端子が貫通し、半田付け
により電気的に接続される様になっており、主回路プリ
ント基板のゲート端子のリードピッチは、同様に狭くな
り、集積回路のリードピッチと全く同様に、粉塵、綿ボ
コリと共に結露した状態で通電すると、パワーモジュー
ルのゲート端子のリード間がショートを起こす事があ
る。

【００１１】図１７は従来のＡＣサーボモートル制御装
置の一実施形態の分解構造図である。２２は図１６で説
明したパワーモジュールで、冷却フィン２１に取り付け
られている。１９はロジックプリント基板で、２３は主
回路プリント基板である。２４はパワーモジュール２２
と２枚のプリント基板１９、２３を覆っているカバーで
ある。カバーは通風孔３９があけられており、装置内で
暖められた空気を自然空冷で外部に排出できる様になっ
ている。また正面に主回路プリント基板２３に取り付け
られた主回路コネクタ２６とロジックプリント基板１９
に取り付けられた入出力コネクタ３７とエンコーダコネ
クタ３８を外部に出すための貫通孔４０、４１、４２が
あけられている。

【００１２】ロジックプリント基板１９は、図１４の１
９で囲まれた枠内の構成部品を搭載したものを示してお
り、位置、速度、電流（トルク）等を制御演算する１個
のマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）３１、ＡＣサーボモー
トルの電流をアナログからデジタルに変換するＡ／Ｄコ
ンバータ３２、ゲートアレイ３３、ＲＯＭ（Read Only
Memory）３４、インターフェイスＩＣ３５、ＲＡＭ（Ra
ndom Access Memory）３６等の集積回路部品で構成され
ている。

【００１３】主回路プリント基板２３は、交流を直流に
変換するダイオード整流器４３の出力のＰ−Ｐ１端子間
の限流抵抗、Ｐ１−Ｎ端子間に接続された平滑コンデン
サ２５や、ＡＣサーボモートル１の電流を検出する２個
の電流検出器１１等の主回路部品が実装され、また、制
御電源回路を構成するスイッチングトランス２７、およ
びスイッチング電源用ＩＣ２９と、ＰＷＭ制御演算から
出力された信号を２８のドライバＩＣで駆動するドライ
ブ回路、主回路とのインターフェイスをやり取りするイ
ンターフェイスＩＣ３０等が実装されている。このよう
に図１７のロジックプリント基板１９、主回路プリント
基板２３には、各種の集積回路部品が実装されており、
これらＩＣ、ＬＳＩ、ＶＬＳＩ、ゲートアレイ、ＡＳＩ
Ｃのリードピッチは、０．５〜０．８ｍｍ前後の高密度
パッケージが採用されている。

【００１４】つぎに、プリント基板上に実装されている
集積回路のリード端子が、粉塵、綿ボコリが付着し結露
することによって、隣接するリード端子どうしが、ショ
ートした場合についての動作を述べる。隣接するリード
端子どうしがショートする場合は、隣のリード端子がロ
ジック電源５Ｖ（ハイレベルのＨ電位に固定）であった
り、コモンの０Ｖ（ローレベルのＬ電位に固定）であっ
たり、別の信号ライン（Ｈ電位、Ｌ電位混在）であった
りするが、簡易的にロジック電源５Ｖ（Ｈ電位に固定）
と、コモンの０Ｖ（Ｌ電位に固定）ついて述べる。

【００１５】一般に、フィードバックを持った自動制御
ループの信号がコモンとなる０Ｖラインにショートした
場合についてその動作を検討する。図１４で、加算点１
２−１〜１２−３の−側のフィードバック信号である後
ろ向きの信号の位置フィードバック信号θｆ、速度フィ
ードバック信号Ｎｆ、電流フィードバック信号Ｉｆがコ
モン電位の０Ｖラインにショートした場合は、指令信号
θref、Ｎref、Ｉrefに対して実際の位置、速度、電流
(トルク)が、指令値どおりに追従するようフィードバッ
ク制御が働く。

【００１６】まず、位置制御ループの位置フィードバッ
ク信号θｆが０Ｖラインにショートした場合では、実際
はその位置に達しているのに指令位置まで達していない
と判断して、加速する。しかし位置フィードバック信号
は０Ｖラインにショートしているため正規の位置はフィ
ードバックされず加速を続け暴走する。しかし、電流制
御ループが正常に動作していれば、ＡＣサーボモートル
の電流は最大値以下に制限されており、外部保護装置１
８が動作してくれるので、ＡＣサーボモートル１、エン
コーダ２やＡＣサーボモートル制御装置２０が破損する
事はない。

【００１７】次に、速度制御ループの速度フィードバッ
ク信号Ｎｆが０Ｖラインにショートした場合では、実際
はその速度に達しているのに、指令速度まで達していな
いと判断して増速する。しかし速度フィードバック信号
は０Ｖラインにショートしているため正規の速度はフィ
ードバックされず増速を続け暴走となる。この場合も、
電流制御ループが正常に動作していれば、ＡＣサーボモ
ートルの電流は最大値以下に制限され、ＡＣサーボモー
トル１、エンコーダ２やＡＣサーボモートル制御装置２
０が破損する事はない。

【００１８】次に、電流制御ループの電流フィードバッ
ク信号Ｉｆが０Ｖラインにショートした場合では、実際
はその電流に達しているのに指令電流まで達していない
と判断して瞬時に増加する。しかし電流フィードバック
信号は０Ｖラインにショートしているため正規の電流は
フィードバックされず増加を続け瞬時に、最大電流を越
え、過電流となり、ＡＣサーボモートルが加速する時間
もなく、過電流検出回路の保護動作を行い、インバータ
主回路のスイッチング素子はベース遮断し、ＡＣサーボ
モートル制御装置２０はトリップする。この時、パワー
モジュール２２のスイッチング素子に流れる電流は、ス
イッチング素子の電流増幅率で決まる飽和電流まで大き
な電流が流れ、過電流検出回路が動作して遮断する。こ
の時、スイッチング素子の内部の温度は上昇しており、
内部温度が下がっていない状態で繰り返すと、熱疲労で
スイッチング素子が破損する。

【００１９】位置制御ループ、速度制御ループでの応答
時間は、実際の機械が移動するための加減速時間であ
り、この加減速時間はＡＣサーボモートルの慣性モーメ
ントとモートル軸に換算した機械の慣性モーメントの和
に比例し、モートルトルクと負荷トルクの差に反比例す
る。したがって、機械の慣性モーメントが関係し、応答
性は遅い。また、前述のようにオーバーシュート、アン
ダーシュートの少ない安定な制御系を構成するために、
応答性は速い順に電流ループ、速度ループ、位置ループ
となる。したがって、位置ループ、速度ループの応答時
間は電流ループの応答時間より遅く設計している。この
ため、機械に加速度センサー、オーバー速度センサー、
稼動範囲を逸脱しないように稼動範囲の両端に取り付け
た右左のエッジセンサーで、時間的に遅れることなく検
出し保護する事ができた。例えばセットメーカは電気、
機械を含めた全体システムに対しての外部保護装置１８
を製作し、機械側に設置された加速度センサー１４、オ
ーバー速度センサー１５、稼動範囲の両端に取り付け
た、右側エッジセンサーと左側エッジセンサー１６で、
暴走防止を行い人命の安全を確保し、機械の保護を行う
ので、ＡＣサーボモートルの保護を行う事ができた。

【００２０】また、フィードバック系でそのループ内の
信号がＨレベルとなる５Ｖラインにショートした場合に
ついてその動作を検討する。

【００２１】加算点１２−１〜１２−３の−で加算され
る位置フィードバック信号θｆ、速度フィードバック信
号Ｎｆ、電流フィードバック信号Ｉｆが、Ｈレベルの５
Ｖラインすなわち、正方向の最大値にショートした場合
は、指令信号θref、Ｎref、Ｉrefに対して実際の位
置、速度、電流（トルク）が、指令値どおりに追従する
ようフィードバック制御が働く。

【００２２】まず、位置制御ループでは、実際はその指
定位置に達しているのに正の最大位置がフィードバック
されるため、行き過ぎたと判断して、逆転方向に加速す
る。しかし、位置フィードバック信号はＨレベルの５Ｖ
にショートしているため正規の位置はフィードバックさ
れず逆転方向に加速を続け暴走する。

【００２３】次に、速度制御ループでは、実際はその指
令速度に達しているのに指令速度を越え、最大速度まで
達したと判断して減速し、さらに逆転方向に加速する。
しかし速度フィードバック信号は５Ｖラインにショート
しているため正規の速度はフィードバックされず、逆転
加速を続け暴走状態となる。しかし、フィードバック信
号が０Ｖラインにショートした場合と同様に、電流制御
ループが正常に動作していれば、ＡＣサーボモートルの
電流は最大値以下に制限されており、 ＡＣサーボモー
トル１、エンコーダ２やＡＣサーボモートル制御装置２
０が破損する事はない。さらに、全体システムに対して
の外部保護装置１８を製作し、機械側に設置された加速
度センサー１４、オーバー速度センサー１５、稼動範囲
の両端に取り付けた、右側エッジセンサーと左側エッジ
センサー１６で、暴走防止を行い人命の安全を確保し、
機械の保護を行うので、ＡＣサーボモートルの保護を行
う事ができる。

【００２４】次に、電流制御ループでは、実際は指令電
流に達しているのに、最大電流まで達していると判断し
て瞬時に減少し、逆極性側の負の最大電流を越えてなお
も増加する。しかし電流フィードバック信号は５Ｖライ
ンにショートしているため正規の電流はフィードバック
されず負側に増加を続け瞬時に過電流となる。これが繰
り返せば、熱疲労でスイッチング素子が瞬時に破損す
る。

【００２５】なお、エンコーダ２の磁極位置センサー２
−１および、回転位置センサー２−２とＡＣサーボモー
トル制御装置２０への出力線の断線検出は、実開昭６２
−４４２６２号公報に示されており、基準パルスと、こ
の基準パルスを反転した反転パルスの、両方出力したパ
ルスエンコーダを使用し、 ＡＣサーボモートル制御装
置の受信側で、両者のパルスの排他的論理和で断線検出
する事が行われていた。これにより、エンコーダ２とＡ
Ｃサーボモートル制御装置２０とのエンコーダ出力線の
断線は、断線すると共に瞬時に検出するので、機械が暴
走する事はありえない。

【００２６】つぎに、図１４の加算点１２−１〜１２−
３から前向きのループ側で、Ｌレベル、Ｈレベルにショ
ートした場合について述べる。

【００２７】位置制御演算部３、速度制御演算部５の出
力がＬレベルにショートした場合、速度指令Ｎref、電
流指令Ｉrefがゼロとなる。位置制御演算部３の出力が
ショートした場合では、ＡＣサーボモートルの速度は減
速し停止する。また、速度制御演算部５の出力がショー
トした場合では、ＡＣサーボモートルはフリーランとな
り、破損する事はない。

【００２８】次に、Ｈレベルにショートした場合、速度
指令Ｎref、電流指令ＩrefがＨレベルとなる。位置制御
演算部３の出力がショートした場合には最高速度で運転
し、速度制御演算部５の出力がショートした場合では最
大電流が流れＡＣサーボモートルは加速するが外部保護
装置１８が働き保護できる。

【００２９】次に、電流制御部７の出力がＬレベル、Ｈ
レベルにショートした場合を考える。電流制御部７の出
力がＬレベルにショートであればフリーランとなるが、
Ｈレベルにショートした場合では電圧指令が最大とな
り、電流は最大電流を越え、過電流となりトリップす
る。この時、スイッチング素子の内部の温度は上昇して
おり、内部温度が下がっていない状態で繰り返すと、熱
疲労でスイッチング素子が破損する。

【００３０】また、ＰＷＭ制御演算部８の出力において
ピン間短絡した場合には、通常ＰＷＭ信号は上アームス
イッチング素子と、下アームスイッチング素子が交互に
オン、オフを繰り返しており、短絡するとインバータ回
路の平滑コンデンサ間を短絡するアーム短絡となり、こ
の場合も繰り返すと熱疲労でスイッチング素子が破損す
る。

【００３１】以上より位置制御ループ、速度制御ループ
がプリント基板上で集積回路のリード端子が、粉塵、綿
ボコリが付着し、結露した結果、ショートしてもＡＣサ
ーボモートルは最大電流以下に制御されており、パワー
モジュールは破損する事はない。プリント基板が乾燥す
れば再び正常に動作する事もある。しかし、電流制御ル
ープで、集積回路のリードが、粉塵、綿ボコリが付着
し、結露した結果、瞬時に最大電流を越えるので、これ
を繰り返せばパワーモジュールは熱疲労により破損す
る。このため、電流制御ループだけがパワーモジュール
破損に対して最も敏感であり、環境の悪い場所に設置さ
れて結露した場合には破損の危険性が十分にあり得る。

【００３２】なお、特開平６−１６９５７８号公報によ
れば、パワーモジュールの上にプリント基板が搭載され
ており、またエポキシ等で固められていないため、ＩＣ
等のリード端子間に粉塵、綿ボコリが付着して結露する
可能性がある。このため、リードピッチの狭い部分はシ
ョートする事に対して保護が十分でなかった。また、特
開平９−２２９９７２号公報によればマイクロプロセッ
サＣＰＵで位置制御、速度制御、電流制御を処理してお
り、電流フィードバックデータが他のループのデータバ
スの中を走るため、粉塵、綿ボコリがマイクロプロセッ
サＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータあるいはプリント基板上に
付着して結露した場合には、リード端子のピッチ、ある
いはプリント基板上の導体パターン間の間隔が狭い部品
であるためショートしてしまう。このことに対して何ら
考慮されていなかった。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】一般産業機械の場合、
製作現場や加工現場の近くに、ＡＣサーボモートル制御
装置が収納された制御盤が設置される。制御盤の中に粉
塵、綿ボコリが中に入らないように防塵構造にしても、
定期点検や定期検査で制御盤のドアを開けることにな
り、長期間の運転に入れば制御盤内のＡＣサーボモート
ル制御装置のロジック基板や、主回路基板には粉塵、綿
ボコリが付着してくる。また湿度の高くなる梅雨時期で
はプリント基板は結露することがあるので、このような
場合でもＡＣサーボモートル制御装置が破損する等の復
帰できない故障をなくし、高信頼性製品を作り上げる事
にある。

【００３４】この場合、破損しない事が目的であり、破
損しなければ、仮に機械の動作に異常が発生しても、外
部保護回路で安全性は確保される。結露が乾燥すれば、
また正常に動作するので、外部保護動作が働いた場合に
は、粉塵、綿ボコリの付着をとって、清掃してもらえば
また元のように正常に動作する事ができる。

【００３５】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
手段として 電流検出器から加算点までのフィードバックの後向
きのループの導電部分を、外部の雰囲気に触れることな
く密封する。その一つの方法として、エポキシ樹脂など
の樹脂でモールドして作られるパワーモジールの中に実
装し、粉塵、綿ボコリの付着する外部に露出しないよう
に密封する。このため、電流検出器をパワーモジュール
の内部で検出するようにする。

【００３６】 電流制御の加算点から、スイッチング
素子のゲート端子まで、前向きのループの導電部分を、
外部の雰囲気に触れることなく密封する。その一つの方
法として、エポキシ樹脂などの樹脂でモールドして作ら
れるパワーモジールの中に電流制御の加算点から、スイ
ッチング素子のゲート端子まで、前向きのループの導電
部分を実装し、粉塵、綿ボコリの付着する外部に露出し
ないように密封する。このように密封することにより、
ゲート端子ＧＵ、ＥＵ、ＧＶ、ＥＶ、ＧＷ、ＥＷとＧ
Ｘ、ＧＹ、ＧＺ、ＧＢ、Ｅの端子は、パワーモジュール
内部の信号として扱えるので、これらの端子をパワーモ
ジュールから出てくる端子として設けなくてもよくな
る。したがって従来狭いピッチで立っていたゲート端子
及びこれに対応するプリント基板に狭いピッチでリード
端子を設ける必要が無くなり、粉塵、綿ボコリによりシ
ョートする問題がなくなる。

【００３７】 従来の、位置制御、速度制御、電流制
御、インターフェイス処理を１個のマイクロプロセッサ
に集中する集中制御では、電流ループの分離は不可能で
ある。そこで本発明では、電流ループと、それ以外の位
置制御、速度制御、インターフェイス処理を２個所に分
けて分散処理を行う。このため電流フィードバックを含
む電流制御ループを、別の副マイクロプロセッサで構成
して、共にエポキシ樹脂などの樹脂でモールドして作ら
れるパワーモジールの中に実装する。

【００３８】 主、副マイクロプロセッサのシステム
クロック信号は共通化せず、分散化のためそれぞれ個別
に所有する。

【００３９】 また、本発明の実施形態として好適な
ものとして、パワーモジュールの制御信号用入出力端子
を少なくするために、主マイクロプロセッサとパワーモ
ジュール内の副マイクロプロセッサ間で、シリアル通信
による信号の授受を行い、入出力端子が最小となるよう
にする。そして、その入出力はリード端子間がショート
しても、パワーモジュールが破損しない信号の所、すな
わち、電流指令(Iref)で分離するようにしたものがあげ
られる。なお、電流指令には電流指令リミッタを設け、
過大電圧が入力しても最大電流値以下になるようにす
る。

【００４０】 更に、本発明の実施形態として好適な
ものとして、磁極位置データは、エンコーダから出力さ
れた信号を主マイクロプロセッサで受信し、シリアル通
信でパワーモジュールに転送するものがあげられる。電
流制御ループの副マイクロプロセッサの制御演算周期
は、位置、速度、インターフェイス処理の周期より早く
演算するので、磁極位置データは、副マイクロプロセッ
サで、主マイクロプロセッサの周期より速い演算周期の
補間を行い、電流制御を行うようにする。

【００４１】

【発明の実施の形態】本発明は、電動機駆動装置の制御
回路に電流制御ループを有するものに広く適用できる
が、以下簡単のために、まずＡＣサーボモートル制御装
置の一実施形態を例にとって詳しく説明する。

【００４２】ＡＣサーボモートル制御装置の全体構成図
を図１に、パワーモジュール１２２の内部構成図を図２
に示す。１はＡＣサーボモートル、２はＡＣサーボモー
トルに内蔵されたエンコーダで、エンコーダ２は磁極位
置センサー２−１と回転位置センサー２−２を持ってい
る。

【００４３】３１-２は主マイクロプロセッサ（ＣＰ
Ｕ）で、ＡＣサーボモートル１の位置制御、速度制御や
外部インターフェイスとのやり取りを行う。外部インタ
ーフェイス回路６８にはアナログ入出力インターフェイ
ス（ＡＩＯ）６９および、デジタル入出力インターフェ
イス（ＤＩＯ）７０と、シリアル通信インターフェイス
（ＳＩＯ）６７、エンコーダ２から、磁極位置センサー
２−１と回転位置センサー２−２の信号を入力するエン
コーダインターフェイス回路６６が有る。また主マイク
ロプロセッサ３１−２の周辺にはＲＯＭ（ Read Only M
emory）３４、 ＲＡＭ（Random Access Memory）３６、
不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）５８等がある。スイッ
チング電源回路６５は外部から制御電源を入力し、主マ
イクロプロセッサ３１−２等のロジック電源やアナログ
回路の制御電源、エンコーダに供給するエンコーダ電源
と、パワーモジュール１２２のロジック回路に供給する
パワーモジュールロジック電源１５Ｖを供給する。な
お、デジタル入出力インターフェイス７０、シリアル通
信インターフェイス６７はノイズ対策のため、主マイク
ロプロセッサ３１−２のロジック回路と絶縁されてい
る。また、パワーモジュールロジック電源１５Ｖ、０Ｖ
はインバータ回路からのＮ電位と同一のコモンとなって
おり、他の電源とは電気的に絶縁されている。主マイク
ロプロセッサ３１−２とパワーモジュール１２２との信
号の授受はシリアル通信で行い、シリアル通信同期クロ
ックＳＣＫ、第一のシリアルデータＲＸＤを主マイクロ
プロセッサ３１−２からインバータゲート５９を通し
て、パワーモジュール１２２へ送信し、パワーモジュー
ル１２２から主マイクロプロセッサ３１−２には、第２
のシリアルデータＴＸＤがシリアル通信同期クロックＳ
ＣＫに同期して、インバータゲート５９を通って受信さ
れる。これらのシリアルデータはパワーモジュール内
で、フォトカプラ６３で電気的に絶縁されて信号が伝送
される。

【００４４】パワーモジュール１２２のＰ、Ｎ１、Ｎ、
ＢＲ端子に接続されている平滑コンデンサ２５、限流抵
抗４８、放電抵抗４９はパワーモジュール外部で主回路
の一部を構成している。

【００４５】パワーモジュール１２２の詳細構成を図２
で説明する。

【００４６】三相交流電源はＲ、Ｓ、Ｔ端子に接続さ
れ、ダイオード整流器４３で交流から直流に変換され
る。

【００４７】端子Ｎ１−Ｎには限流抵抗４８が接続さ
れ、またＰ−Ｎ端子間には平滑コンデンサ２５が接続さ
れ、交流電源投入時の平滑コンデンサ２５に流れる突入
電流を限流抵抗４８で制限する。平滑コンデンサ２５に
充電された後、限流抵抗４８を短絡するためにサイリス
タ５０を点弧し、導通状態にする。平滑コンデンサ２５
で平滑された直流電圧は、スイッチング素子Ｓu,Ｓv,Ｓ
w,Ｓx,Ｓy,ＳzとダイオードＤu,Ｄv,Ｄw,Ｄx,Ｄy,Ｄzの
逆並列回路を６個用いてインバータ回路４５を構成し、
出力端子Ｕ、Ｖ、Ｗに接続されるＡＣサーボモートル１
を駆動する。

【００４８】また、ＡＣサーボモートルから回生された
エネルギーは、一旦、Ｐ−Ｎ間に接続された平滑コンデ
ンサ２５に蓄えられ、直流電圧がある一定の電圧まで上
昇した時に、回生制動回路４４のスイッチング素子がオ
ンされて、Ｐ−ＢＲ端子間に接続された放電抵抗４９に
より消費される。

【００４９】回生制動回路４４はＰ−Ｎ間電圧を抵抗Ｒ
１、Ｒ２で分圧して検出し、Ｖ／Ｆコンバータ５４で電
圧／周波数変換し、副マイクロプロセッサ３１−１に入
力し、その周波数の周期を測定して周波数を求め、 Ｖ
／Ｆコンバータ５４の電圧／周波数関係と抵抗Ｒ１、Ｒ
２の分圧比の関係より直流電圧を知る。副マイクロプロ
セッサ３１−１は、直流電圧がある一定の電圧まで上昇
した時、回生制動用ドライブ回路６０にオン信号を送り
回生制動回路４４のスイッチング素子を導通させる。回
生エネルギーが放電抵抗４９で消費し、Ｐ−Ｎ間電圧が
下がれば、副マイクロプロセッサ３１−１は回生制動用
ドライブ回路６０にオフ信号を出力する。

【００５０】ＡＣサーボモートル１の電流は、インバー
タ回路４５のＮ側の電流検出用シャント抵抗ＳＨ１、Ｓ
Ｈ３のそれぞれの両端電圧で検出する。この電圧は増幅
器５２−１、５２−２で増幅されて、２個のサンプルホ
ールド付きＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）コンバータ３
２−１、３２−２で、同時タイミングでデジタル信号に
変換される。このデジタルデータは、交互に、Ｄ形フリ
ップフロップ５７を通して副マイクロプロセッサ３１−
１にシリアル転送し入力する。これらのＡ／Ｄ変換タイ
ミング、データセレクト、シリアル同期クロック信号の
出力は、副マイクロプロセッサ３１−１が行う。 副マイクロプロセサ３１−１は主マイクロプロセッサ３
１−２から送られた電流指令データＩrefと２個のＡ／
Ｄコンバータ３２−１、３２−２で検出した値から演算
して、電流フィードバックＩfとの差（Ｉref−Ｉf）を
演算し、電流制御演算、ＰＷＭ制御演算を行い、ドライ
バーＩＣ２８へ６個分のＰＷＭ信号を出力する。ドライ
バーＩＣ２８では、インバータ回路の６個のスイッチン
グ素子のゲート信号のレベル変換を行い、インバータ回
路４５のスイッチング素子を駆動する。

【００５１】インバータ主回路部の保護回路５３は、イ
ンバータ直流電圧Ｐ−Ｎ間の過電圧検出ＯＶ、Ｐ−Ｎ間
の不足電圧検出ＵＶ、インバータの電流検出用シャント
抵抗ＳＨ１、ＳＨ２、ＳＨ３による上下アーム間の過電
流ＯＣ、スイッチング素子付近の温度上昇検出によるス
イッチング素子過熱ＯＨを検出して副マイクロプロセッ
サ３１−１へ出力する。副マイクロプロセッサ３１−１
はこれらの検出に対し、ドライバーＩＣ２８に対しＰＷ
Ｍ信号を緊急遮断してフリーランさせ、その後、主マイ
クロプロセッサ３１−２へアラーム内容を報告する。不
揮発性メモリ５８は、ＡＣサーボモートル１の巻線抵
抗、インダクタンス、誘起電圧定数、出力、定格および
最大回転数、最大トルク、極数およびエンコーダ分解能
や電流制御の比例、積分定数等を、電源をオフした時に
おいても記憶しておくために用いられ、つぎの電源オン
時、これらのデータを読み込んで通常制御に使用する。

【００５２】主マイクロプロセッサ３１−２との通信
は、シリアル通信同期クロックＳＣＫと第一のシリアル
データＲＸＤを、フォトカプラ６３で電気絶縁して受信
する。またアラームデータ、ステータスモニタ等の第２
のシリアルデータＴＸＤを、シリアル通信同期クロック
ＳＣＫに同期してインバータゲート５９、フォトカプラ
６３を通して送信する。

【００５３】クロック同期信号異常検出回路４７は、シ
リアル通信同期クロックＳＣＫが“Ｌ”レベルに固定し
た場合、その時間を測定して異常を検出し、インバータ
回路の出力を遮断する。また、制御電源異常検出回路７
２は、パワーモジュール内制御電源１５Ｖ、５Ｖ、０Ｖ
に異常が生じた場合、副マイクロプロセッサ３１−１が
リセットされインバータ回路４５、回生制動回路４４の
７個のスイッチング素子を遮断状態にする。

【００５４】図３は本発明による一実施形態であるＡＣ
サーボモートル制御装置の制御ブロック図を示す。

【００５５】従来の一実施形態である図１４の制御ブロ
ック図に対して異なるところは、パワーモジュール１２
２に含まれる電流制御系と、１１９の枠内に含まれる速
度、位置制御系の2つに分散処理している事である。主
マイクロプロセッサ３１−２では１１９の枠内の位置制
御３、速度制御５の演算、位置カウンタ４、速度演算回路
６、磁極位置演算回路９の処理を行い、電流指令Ｉre
f、磁極位置信号データを等をシリアル通信でパワーモ
ジュール１２２ヘ転送する。

【００５６】パワーモジュール１２２の中の副マイクロ
プロセッサ３１−１では、電流制御７、ＰＷＭ制御８、
電流検出回路１０、電流指令リミッタ７１で、ＡＣサー
ボモートル１の電流制御ループの制御を分担する。そし
て、インバータ主回路１３のスイッチング素子を駆動す
る。また、アラーム・ステータスモニタ回路４６などの
モニタデータを主マイクロプロセッサ３１−２に送信す
る。

【００５７】つぎに図４に、本発明による電流検出タイ
ムチャートを説明する。

【００５８】図４のａ）は、図２におけるインバータ回
路４５の出力のＵ相モートル電流を示したものである
（電流の正方向は図１のIuの矢印を参照）。モートル電
流検出用シャント抵抗ＳＨ１は下アームスイッチング素
子とＮ端子の間に挿入されている。Ｕ相モートル電流の
正の半サイクルの下アームのスイッチング素子がオンす
るタイミングでは、下アームのスイッチング素子には電
流は流れず、これと並列に接続されたダイオードに電流
が流れ、この時電流検出用シャント抵抗ＳＨ１にはＮ側
から上向きに電流が流れる。また、Ｕ相モートル電流の
負の半サイクルの下アームのスイッチング素子がオンし
たタイミングでは、下アームのスイッチング素子に電流
が流れ、この時電流検出用シャント抵抗ＳＨ１にはＮ側
へ下向きに電流が流れる。この電流検出用シャント抵抗
ＳＨ１の両端電圧を図４のｂ）に示す。この両端電圧
は、増幅器５２−１で増幅されてＡ／Ｄコンバータ３２
−１に入力される。Ａ／Ｄコンバータはサンプルホール
ド回路が内蔵されており、図４のｃ）はそのＡ／Ｄコン
バータ３２−１の内部のサンプルホールド回路出力波形
を示したものである。なお、上記はＵ相について述べた
が、Ｗ相についても同様である。図４から分かるよう
に、モートル電流は下アームの電流検出用シャント抵抗
でサンプルホールドする事で検出する事ができる。

【００５９】つぎに図５に本発明によるＡ／Ｄコンバー
タ電流検出タイムチャートについて、図２のパワーモジ
ュール内部構成図より説明する。

【００６０】図５のａ）は副マイクロプロセッサ３１−
１からＡ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２に、Ａ／Ｄ
変換開始信号ＣＯＮＶを出力した波形を示したものであ
る。ＣＯＮＶ信号は、ＰＷＭ信号を作るキャリア周波数
に同期して出力され、立ち上がり信号でＡ／Ｄコンバー
タ３２−１、３２−２は増幅器５２−１、５２−２の信
号を同時にサンプルホールドする。そして、サンプルホ
ールド完了と共にＡ／Ｄ変換を開始する。Ａ／Ｄ変換中
の場合には図５のｂ）に示すように、Ａ／Ｄコンバータ
３２−１、３２−２よりＢＵＳＹ信号が出力され、両者
の信号をＯＲゲート５６で論理和を取り、副マイクロプ
ロセッサ３１−１に変換中である事を送信する。変換が
完了するとＢＵＳＹ信号はＬレベルとなり、副マイクロ
プロセッサ３１−１は各Ａ／Ｄコンバータよりデータを
受け取るために、セレクト信号ＳＥＬ１（Ａ／Ｄコンバ
ータ３２−１を選択信号）、ＳＥＬ２（Ａ／Ｄコンバー
タ３２−２を選択信号）を交互に図５のｃ）、ｄ）に示
すように与える。つぎに、副マイクロプロセッサ３１−
１は同期クロック信号ＳＣＬＫを出力し、前述のセレク
ト信号とＡＮＤゲート５５で論理積を取り、各Ａ／Ｄコ
ンバータに送る。Ａ／Ｄコンバータ３２−１、３２−２
は同期クロック信号ＳＣＬＫに同期して、図５のｆ）、
ｇ）に示すように、デジタルに変換された電流データ
を、シリアル信号でＤ形フリップフロップ５７に送り、
タイミングを合わせて副マイクロプロセッサ３１−１の
ＳＤＡＴＡ端子に出力する。デジタルに変換された電流
データは、セレクト信号ＳＥＬ１、ＳＥＬ２で選択さ
れ、Ｕ相電流データ、Ｗ相電流データの順に図５のｈ）
のように入力されデータ転送が完了する。

【００６１】図６は本発明による主、副マイクロプロセ
ッサ間のシリアル通信タイムチャートを、図１より説明
する。主マイクロプロセッサ３１−２での速度制御演算
周期をtasr、副マイクロプロセッサ３１−１の電流制御
演算周期をtacrとすると、電流制御演算tacrの方が早い
処理をしている。これについては、前に述べた。また、
主マイクロプロセッサ３１−２と副マイクロプロセッサ
３１−１のシステムクロックは分散処理を行うため、別
々の水晶発振器で動作させており、それぞれの処理は非
同期方式である。主マイクロプロセッサ３１−２から副
マイクロプロセッサ３１−１へシリアル通信同期クロッ
クＳＣＫは図６のａ）のように出力される。データ伝送
していない時は、Ｈレベルで待機状態であり、発振状態
の時にシリアル通信同期クロックＳＣＫに同期して、図
６のｂ）の第一のシリアルデータＲＸＤが送られる。

【００６２】一方、副マイクロプロセッサ３１−１で
は、前述した電流検出用Ａ／Ｄコンバータ３２−１、３
２−２に、図６のｃ）のようにＡ／Ｄ変換開始信号ＣＯ
ＮＶをキャリア周波数に同期して出力している。主マイ
クロプロセッサ３１−２から送られた電流指令Irefや、
ＡＣサーボモートルの磁極位置データは、データ転送す
るために転送時間がかかり、図６では遅れ時間tdで示し
ている。したがって、副マイクロプロセッサ３１−１で
反映されるデータ更新は、遅れ時間td後となる。電流指
令データIrefでは図６のｄ）に示すようにtd時間遅れ、
副マイクロプロセッサ３１−１の電流制御演算周期tacr
は、データ更新されるまで同じデータが使用される。

【００６３】つぎに、磁極位置検出データは主マイクロ
プロッセッサ３１−２よりtasr間隔で更新されているの
で、副マイクロプロセッサ３１−１の電流制御演算周期
tacrに計算し直す必要がある。図６のｅ）では、磁極位
置データは、主マイクロプロッセッサ３１−２よりデー
タ更新されるまで、同じデータで使用されるのでなく、
図中、の直線で補間して求める。具体的には時間t1-0
においてデータ更新された時、前回のt0-0と今回のt1-0
のデータを結んだ直線を延長し、各時間t1-1,t1-2,t1-3
の黒丸で図示されているようにデータを補間して制御す
る。同様に時間t2-0においてデータ更新された時、前回
のt1-0と今回のt2-0のデータを結んだ直線を延長し、各
時間t2-1・・・・・で図示されているように補間して制御す
る。

【００６４】このように、磁極位置データは、モートル
は常に回転しているので、加速、減速している時にも、
前回と同じ傾斜で加減速しているとして、きめ細かに制
御すれば、より滑らかに運転することができる。

【００６５】また、エンコーダの磁極位置信号、回転位
置信号のフィードバックはパワーモジュールで側ではな
く、速度、位置制御側にフィードバックしており、パワ
ーモジュールとシリアル通信で最小限のＩ／Ｏ端子数で
構成しているので、粉塵、綿ボコリの付着や、腐食に対
しても、信頼性が大きく向上している。

【００６６】なお、tsは磁極位置データを副マイクロプ
ロセッサ３１−１の演算周期に変換するための演算時間
遅れを表した値である。

【００６７】図７に本発明による一実施形態であるＡＣ
サーボモートル制御装置の分解構造図を示す。

【００６８】１２２はパワーモジュールで電流制御フィ
ードバックループの後向きのループ、前向きのループ、
電流指令リミッタ等、副マイクロプロセッサ３１−１や
ドライバーＩＣ２８、電流検出用Ａ／Ｄコンバータ３２
−１、３２−２が内蔵されている。その内部構成は図２
に示すとおりである。このパワーモジュールは冷却フィ
ン２１に取り付けられており、発生した熱を冷却フィン
により、自然空冷で外部へ放熱できる様になっている。
プリント基板１１９は主マイクロプロセッサ３１−２、
ＲＯＭ３４、ＲＡＭ３６、シリアル通信インターフェイ
ス６７不揮発性メモリ５８、アナログ入出力インターフ
ェイス６９等のＩＣ、ＬＳＩや平滑コンデンサ２５、ス
イッチングトランス２７、交流電源およびモートル出力
接続用主回路コネクタ２６、入出力用コネクタ３７、エ
ンコーダコネクタ３８等実装されている。これらの部品
は図２に示すパワーモジュール１２２を除いた部分で、
位置、速度制御演算を行っている。１２４はパワーモジ
ュール１２２とロジックプリント基板１１９を覆ってい
るカバーである。カバーは通風孔１３９があけられてお
り、装置内で暖められた空気を自然空冷で外部に排出で
きる様になっている。また正面にロジックプリント基板
１１９に取り付けられた主回路コネクタ２６と入出力コ
ネクタ３７、エンコーダコネクタ３８を外部に出すため
の貫通孔１４０、１４１、１４２があけられている。こ
のように、パワーモジュール１２２にはリードピッチの
狭いＩＣ、ＬＳＩ、ゲートアレイ等を含む電流制御ルー
プが内蔵され、外部の雰囲気に触れることのないよう
に、密封されている。

【００６９】図８に、本発明による一実施形態であるＡ
Ｃサーボモートル制御装置のパワーモジュールの構造を
示す。パワーモジュール１２２は放熱を兼ねた金属ベー
ス７５を用い、その上に図示していない絶縁層を形成し
てから、その上にスイッチング素子とダイオードからな
るインバータ主回路４５および電流検出用シャント抵抗
ＳＨ１〜ＳＨ３、回生制動回路４４、ダイオード整流器
４３、サイリスタ５０、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２などを実装
し、さらにパワーモジュールロジックプリント基板７３
を中に実装している。図８には、部品の配置を破線で示
している。さらに、これらをモールド樹脂または相当品
で絶縁封止を行ったものである。このパワーモジュール
ロジックプリント基板７３には、図２のパワーモジュー
ル６４の枠内に示す部品が実装されている。また、モー
ルド樹脂上に出ている端子には、図２の１２２の枠にあ
る端子に付されている符号と同じ符号が付してある。そ
して、このモジュール１２２は取付穴７４により、イン
バータ装置の冷却フィン２１に取り付けられて使用され
る。

【００７０】図９は本発明による別の一実施形態である
ＡＣサーボモートル制御装置の制御ブロック図を示した
ものである。パワーモジュール１２２の電流制御ループ
は図３と同一であるが、ロジックプリント基板１１９が
位置制御、速度制御でなく、トルク制御構成となってい
る。

【００７１】巻取機の張力を制御する場合、ＡＣサーボ
モートルのトルク制御が必要になる。図９はＡＣサーボ
モートルのトルク指令Ｔrefを、主マイクロプロセッサ
３１−２から副マイクロプロセッサ３１−１にシリアル
通信で転送し、パワーモジュール１２２で電流制御を行
なっている。

【００７２】１はＡＣサーボモートル、２はエンコーダ
でＡＣサーボモートルのロータの磁極位置を検出する磁
極位置センサー２-１と、ＡＣサーボモートルの回転位
置を検出する回転位置センサー２-２を、複合的に合わ
せ持ち、ＡＣサーボモートルに内蔵されている。７は電
流制御、８はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御
演算部で、それぞれ前向きのループを構成している。１
１はＡＣサーボモートル１の電流を検出する電流検出器
でインバータ主回路の下アームから電流を検出してい
る。この信号は１０の電流検出回路に送られ、１２−３
の加算点で負帰還フィードバックされ、後ろ向きループ
の電流フィードバックを構成している。この詳細は図４
〜６と同様であり、説明を省略する。６は速度演算回路
でＡＣサーボモートル１の速度を監視している。９はＡ
Ｃサーボモートル１のロータの磁極位置センサー２-１
と回転位置センサー２-２を入力して磁極位置を演算す
る磁極位置演算回路である。７９は暴走防止回路で、比
較回路８０、リミッタ回路８１で構成される。リミッタ
回路８１の特性は図１０で示すトルク−速度特性で、ト
ルク制御範囲である回転数Ｎ１からＮ２区間であれば出
力Ｔbはゼロであり、トルク指令Ｔrefとの加算点１２−
４には何ら影響を与えない。

【００７３】トルク指令Ｔrefに対し、負荷トルクが小
さく、例えば巻取機の張力制御中、材料切れして巻取機
が暴走状態のときに、回転数Ｎ１からＮ２の範囲外とな
った時、比較回路８０が動作し、比例制御の速度制御に
切り替わり、速度リミッタとして動作し、暴走防止を行
なう。

【００７４】次に、図１１は本発明による別の一実施形
態である速度センサーレスべクトルインバータの制御ブ
ロック図である。８４は誘導電動機であり速度センサー
は不付きである。パワーモジュール１２２には電流制御
ループが２ループあり、トルクに寄与する電流のトルク
電流制御と、これに直交する磁束電流制御で７−１、７
−２で演算される。８−１はトルク電流制御と磁束電流
制御の出力をベクトル合成してＰＷＭ制御を行なうベク
トル合成ＰＷＭ制御回路で、１３のドライバ、制御電源
回路とインバータ主回路に送られる。電流検出は図９と
同様であるが、電流フィードバックはトルク電流成分It
fと磁束電流成分Imfの直交成分の直流量に変換される。
それぞれの直流フィードバック電流は、加算点１２−
３、１２−５で電流指令リミッタ７１からの出力の２つ
の電流指令、即ちトルク電流指令Itと磁束電流指令Imと
比較されて負帰還制御を構成される。これらの制御は副
マイクロプロセッサ３１−１で行なわれ、ロジックプリ
ント基板１１９からの主マイクロプロセッサ３１−２の
指令で動作する。磁束制御回路８３の入力の一次角周波
数ω１はパワーモジュール１２２のトルク電流制御７−
１の出力より検出し、シリアル通信で転送される。ω１
は磁束制御回路８３で磁束電流指令Imを演算して、再び
パワーモジュール１２２へシリアル通信で転送する。一
方すべり角周波数演算回路８２ではパワーモジュール１
２２で、電流検出回路１０−１より出力されたトルク電
流フィードバックItfをシリアル通信で転送し、トルク
電流フィードバックItfに比例したすべり角周波数ωsを
出力し、一次角周波数ω1との差をとり、速度フィード
バックωr＝ω１−ωsを演算する。加算点１２−６で速
度指令ωrefと速度フィードバックωｒの差演算を行な
い、５−１で速度制御演算が行なわれる。この出力はト
ルク電流指令Itとして、シリアル通信でパワーモジュー
ル１２２に転送され、速度センサーレスベクトル制御が
構成される。

【００７５】図１２は本発明の別の一実施形態である電
源側コンバータ制御装置のパワーモジュール内部構成図
を示したものである。電源投入時、電源からの電流は交
流電源Ｒ，Ｓ，Ｔより限流抵抗ＲＳ、高調波吸収リアク
トルＡＣＬ０、電源協調リアクトルＡＣＬ１を通って、
電源側コンバータ主回路１５１のダイオードより整流さ
れ平滑コンデンサ２５を充電する。平滑コンデンサ２５
に充電完了後、電磁接触器Ｍｇがオンして、以後電磁接
触器Ｍｇを通してパワーを供給する。

【００７６】次に電源側コンバータ主回路１５１のスイ
ッチング素子Ｓu,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓy,Ｓzが、ゲート端子
ＧＵ、ＧＶ、ＧＷ、ＧＸ、ＧＹ、ＧＺからオン・オフ信
号を受けてＰＷＭスイッチングを開始し、Ｐ−Ｎ間出力
電圧が一定電圧になるよう昇圧制御を行ない、電力を電
源側Ｒ、Ｓ、Ｔから負荷側Ｐ、Ｎに供給する。また、逆
に負荷側Ｐ、Ｎから電源側コンバータ主回路１５１を通
してＲ、Ｓ、Ｔ側へ電力が回生された場合でも、Ｐ−Ｎ
間電圧が一定電圧になるよう、回生された電力を電源に
戻す、すなわち回生動作を行うものである。

【００７７】このとき、従来は電源側の端子Ｒ-1、Ｓ-
1、Ｔ-1の交流側電流を変流器ＣＴで検出し、電流フィ
ードバックを行なっていたが、本実施例では図２と同
様、電源側コンバータ主回路１５１のＮ側の電流検出用
シャント抵抗ＳＨ１、ＳＨ３のそれぞれの両端電圧で検
出する。電流検出については図４のタイムチャート、図
５のＡ/Ｄコンバータ電流検出タイムチャートと同様で
あり、パワーモジュール１５０に電流フィードバック回
路が内蔵されている。なお、ＡＣサーボモートルではエ
ンコーダより磁極位置検出を主マイクロプロセッサ３１
−２で行なっていたが、それに替わるものとして電源電
圧位相を主マイクロプロセッサ３１−２で行い、副マイ
クロプロセッサ３１−１で補間して求めることは同様で
ある。

【００７８】図１３は本発明による一実施形態である電
源側コンバータ制御装置の全体構成図を示したものであ
る。負荷としてはＡＣサーボモートル制御装置１５５、
ＡＣサーボモートル１が接続され、Ｐ−Ｎ間直流電圧が
一定電圧に制御されている。図１３で、既に説明したＡ
Ｃサーボモートルの場合は、エンコーダフィードバック
により、速度、位置をフィードバックしていたが、電源
側コンバータ制御装置では、電源側コンバータ主回路１
５１の出力である平滑コンデンサ２５の両端電圧をフィ
ードバックしている。

【００７９】以上の実施例ではパワーモジュールの入出
力を三相交流とするＡＣサーボモートル制御装置で説明
したが、単相交流あるいは、単相、三相混在であって
も、三相を越える多相交流であっても同様の制御装置で
有れば、本発明を同様に適用できる。またＡＣサーボモ
ートル制御装置でなくても電流制御と他の速度制御など
が混在している制御系を有するインバータ装置に同様に
適用できる（ＡＣサーボモートル制御装置も一種のイン
バータ装置である）。またダイオード整流器４３が不要
の直流受電であっても本発明を同様に適用できる。ま
た、インバータ回路４５をチョッパ回路に置き換えた直
流出力で直流電動機を駆動するであっても本発明を同様
に適用できる。

【００８０】また、図１〜図１３の本発明の実施例は、
実施例を示すものであって、これに限定されることはな
く発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能なことは言う
までもない。

【００８１】また本発明は、粉塵、綿ボコリが多く、湿
度の高い環境でその大きな効果を発揮するが、このよう
な厳しい環境でなくても長期間の使用によって導体間の
絶縁は劣化してくるものを本発明によって防止すること
ができ、したがって一般の環境に広く本発明を適用する
ことが出きる。

【００８２】以上は粉塵、綿ボコリなどの影響で電流制
御系が誤動作を起こしたとき、重大な事故などにつなが
るので、この部分の信頼性を向上することが重要である
ことを説明してきたが、以上の実施例によれば次の効果
も奏する。即ち位置又は速度のフィードバック制御ルー
プは、ユーザなどの要求を入れた制御方法に変更したり
制御の制御方法（例えばベクトル制御におけるオートチ
ューニングの方法など）などに変更が生じると、図１に
示した記憶手段であるＲＯＭ３４やＥＥＰＲＯＭ５８の
記憶内容やその他の制御回路構成を変える必要が生じ
る。これに対し電流制御制御系や主回路はこのような変
更が発生することがほとんどない。したがって電流制御
系のみで一体化、あるいは電流制御系と主回路を一体化
してひとまとまりにしてモジュール化しておけば、電流
制御系の上位で変更が生じても、電流制御系は共通に使
用でき、従って量産化に適するようになるという効果が
ある。

【００８３】また、以上の実施例によれば、低速タスク
であるが全体を管理、使い勝手などの機能を重視するソ
フトウェアを受け持つ上位専用ＣＰＵと、電流制御の高
速応答を実現する高速タスクのソフトウェアを受け持つ
電流制御専用ＣＰＵとを設けて、しかも上位専用ＣＰＵ
部分とは別にして電流制御専用ＣＰＵが受け持つ電流制
御ループ内の処理をモジュール化し、上記上位専用ＣＰ
Ｕと電流制御専用ＣＰＵとの間をシリアルデータ伝送し
ている。このシリアルデータ伝送部分は、従来の三相交
流モータ用の各相データ（３相データ）から、ベクトル
制御の内部信号として得られるＤＣデータ（一般には励
磁分（ｄ軸）とトルク分（ｑ軸）であるｄ−ｑ軸２相、
但し永久磁石形同期モータの場合は励磁分を制御しない
のでId＝０でありｑ軸１相分のみにできる）としてデー
タ数を少なくし、しかも電動機の磁極位置検出側で検出
して上記ＤＣデータと共にシリアル伝送することができ
る。従って上記実施例によれば電流制御系が纏められた
モジュールと上位専用ＣＰＵとのデータ伝送のインター
フェースが非常に単純化され、データ伝送の信号本数が
少なくなる効果があり、また、これら上位専用ＣＰＵが
ある上位部分と、電流制御専用ＣＰＵがあるモジュール
部分との電気絶縁が容易に行えるという効果もある。こ
れは、例えば制御装置１２２の一部分を一体化してモジ
ュール化する場合に、他の部分（例えば位置制御系と速
度制御系の間）でインターフェースを形成するのに比
べ、より有利になる。

【００８４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、電流
フィードバックループの前向きループ、後ろ向きループ
の、信号導電部分が外気に触れる事がないので、隣のリ
ード端子とショートすることがない。また電流指令に電
流リミッタが設けられているので、指令入力端子に過大
入力やショートが生じても電流指令は最大値以下に制限
され、インバータ回路のスイッチング素子が破損するこ
とがない。このため、製品信頼性は大きく向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施形態であるＡＣサーボモー
トル制御装置の全体構成図。

【図２】本発明による一実施形態であるＡＣサーボモー
トル制御装置のパワーモジュール内部構成図。

【図３】本発明による一実施形態であるＡＣサーボモー
トル制御装置の制御ブロック図。

【図４】本発明による電流検出タイムチャート。

【図５】本発明によるＡ／Ｄコンバータ電流検出タイム
チャート。

【図６】本発明による主、副マイクロプロセッサ間のシ
リアル通信タイムチャート。

【図７】本発明による一実施形態であるＡＣサーボモー
トル制御装置の分解構造図。

【図８】本発明による一実施形態であるＡＣサーボモー
トル制御装置のパワーモジュールの構造。

【図９】本発明による一実施形態であるＡＣサーボモー
トル制御装置の制御ブロック図

【図１０】本発明による一実施形態を説明するための速
度トルク特性図

【図１１】本発明による一実施形態である速度センサー
レスべクトルインバータの制御ブロック図

【図１２】本発明による一実施形態である電源側コンバ
ータ制御装置のパワーモジュール内部構成図

【図１３】本発明による一実施形態である電源側コンバ
ータ制御装置の全体構成図

【図１４】従来の一実施形態であるＡＣサーボモートル
の制御ブロック図。

【図１５】一般的な外部保護形態の一実施形態。

【図１６】従来の一実施形態であるＡＣサーボモートル
制御装置のパワーモジュール内部回路図。

【図１７】従来の一実施形態であるＡＣサーボモートル
制御装置の分解構造図。

【符号の説明】

１…ＡＣサーボモートル、２…エンコーダ、２−１…磁
極位置センサー、２−２…回転位置センサー、３…位置
制御演算部、４…位置カウンタ回路、５…速度制御演算
部、５−１…速度制御演算部、６…速度演算回路、７…
電流制御演算部、７−１…トルク電流制御演算部、７−
２…磁束電流制御演算部、８…ＰＷＭ制御演算部、８−
１…ベクトル合成PWM制御演算部、９…磁極位置演算回
路、１０…電流検出回路、１０−１…電流検出回路、１
１…電流検出器、１２−１，１２−２，１２−３，１２
−４，１２−５，１２−６，１２−７…加算部、１３…
ドライバ、制御電源回路及びインバータ主回路、１４…
加速度センサー、１５…オーバー速度センサー、１６…
右、左側エッジセンサー、１７…保護処理回路、１８…
外部保護装置、１９…ロジックプリント基板、２０…Ａ
Ｃサーボモートル制御装置、２１…冷却フィン、２２…
パワーモジュール、２３…主回路プリント基板、２４、
１２４…カバー、２５…平滑コンデンサ、２６…主回路
コネクタ、２７…スイッチングトランス、２８…ドライ
バＩＣ、２９…スイッチング電源ＩＣ、３０…主回路イ
ンターフェイスＩＣ、３１…マイクロプロセッサ、３１
−１…副マイクロプロセッサ、３１−２…主マイクロプ
ロセッサ、３２…Ａ／Ｄコンバータ、３２−１…Ｕ相Ａ
／Ｄコンバータ、３２−２…Ｗ相Ａ／Ｄコンバータ、３
３…ゲートアレイ、３４…ＲＯＭ、３５…インターフェ
イスＩＣ、３６…ＲＡＭ、３７…入出力コネクタ、３８
…エンコーダコネクタ、３９…通風孔、４０…主回路コ
ネクタ貫通孔、４１…入出力コネクタ貫通孔、４２…エ
ンコーダコネクタ貫通孔、４３…ダイオード整流器、４
４…回生制動回路、４５…インバータ回路、４６…アラ
ーム・ステータスモニタ回路、４７…クロック同期信号
異常検出回路、４８…限流抵抗、４９…放電抵抗、５０
…サイリスタ、５１…温度検出器、５２−１…増幅器
１、５２−２…増幅器２、５３…保護回路、５４…Ｖ／
Ｆコンバータ、５５…ＡＮＤゲート、５６…ＯＲゲー
ト、５７…Ｄ形フリップフロップ、５８…不揮発性メモ
リ、５９…インバータゲート、６０…回生制動用ドライ
ブ回路、６１…サイリスタドライブ回路、６２…ロジッ
ク電源回路、６３…フォトカプラ、６４…パワーモジュ
ール内部制御回路、６５…スイッチング電源回路、６６
…エンコーダインターフェイス回路、６７…シリアル通
信インターフェイス回路、６８…外部インターフェイス
回路、６９…アナログ入出力インターフェイス回路、７
０…デジタル入出力インターフェイス回路、７１…電流
指令リミッタ、７２…制御電源異常検出回路、７３…パ
ワーモジュールロジックプリント基板、７４…取付穴、
７５…金属ベース、７９…暴走防止回路、８０…比較回
路、８１…リミッタ回路、８２…すべり角周波数演算回
路、８３…磁束制御回路、８４…誘導電動機、１１９…
ロジックプリント基板、１２０…ＡＣサーボモートル制
御装置、１２２…パワーモジュール、１３９…通風孔、
１４０…主回路コネクタ貫通孔、１４１…入出力コネク
タ貫通孔、１４２…エンコーダコネクタ貫通孔、１５０
…パワーモジュール、１５１…電源側コンバータ主回
路、１５２…パワーモジュール内部制御回路、１５３…
電源側コンバータ制御回路、１５５…ＡＣサーボモート
ル制御装置、Ｒ１〜Ｒ３…抵抗、ＳＨ１〜ＳＨ３…電流
検出用シャント抵抗、Ｍｇ…電磁接触器、Ｒｓ…限流抵
抗、ＡＣＬ０…高調波吸収リアクトル、ＡＣＬ１…電源
協調リアクトル、Ｃ０…高調波吸収コンデンサ、Ｄu,Ｄ
v,Ｄw,Ｄx,Ｄy,Ｄz…ダイオード、Ｓu,Ｓv,Ｓw,Ｓx,Ｓ
y,Ｓz…スイッチング素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高瀬 真人 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立製作所産業機器事業部内 (72)発明者 二宮 壽一 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所産業機器営業本部内 Ｆターム(参考） 5H007 AA04 AA06 BB06 CA01 CA03 CB05 DA05 DB02 DB12 DC02 DC07 EA02 HA03 HA04 HA07 5H576 AA17 BB06 BB09 CC05 DD02 DD07 EE01 EE09 EE11 GG01 GG02 GG04 HA04 HB02 JJ03 JJ05 JJ08 JJ10 JJ12 JJ15 JJ16 JJ17 JJ19 JJ28 LL07 LL12 LL22 LL30 LL33 LL41 LL55 MM01 MM02 MM03 MM06 MM10 MM20 PP02 PP03

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流指令に基づいて電動機の電流を制御す
   る電流フィードバック制御ループを構成してインバータ
   主回路に備わるスイッチング素子のゲートまたはベース
   に駆動信号を供給する制御回路において、前記電動機の
   電流検出点から該検出電流のフィードバック信号を電流
   指令に加算する加算点までの後ろ向きループの信号導電
   部分と、前記加算点から前記ゲートまたは前記ベース駆
   動信号までの前向きループの信号導電部分とを、共に外
   部の雰囲気に触れることなく密封したことを特長とする
   電流制御回路。
2. 【請求項２】前記電流フィードバック制御ループを構成
   する電流制御系には前記電流指令の大きさを制限する電
   流リミッタ回路が設けられ、該電流リミッタ回路を外部
   の雰囲気に触れることなく前記後ろ向きループの信号導
   電部分および前記前向きループの信号導電部分と共に密
   封したことを特長とする請求項１記載の電流制御回路。
3. 【請求項３】電流フィードバック制御ループを構成しス
   イッチング素子を駆動する信号を供給する電流制御回路
   において、電流フィードバック信号を電流指令に加算す
   る加算点までの信号部分と、前記加算点から前記スイッ
   チング素子の駆動信号部分までの信号部分とを、外部の
   雰囲気に触れることなく密封したことを特長とする電流
   制御回路。
4. 【請求項４】少なくとも位置または速度のフィードバッ
   ク制御ループを構成し、前記フィードバック制御ループ
   の内側に前記位置または速度のフィードバック制御ルー
   プから得られる電流指令に基づいて電動機の電流を制御
   する電流フィードバック制御ループを構成してインバー
   タ主回路に備わるスイッチング素子のゲートまたはベー
   スに駆動信号を供給するように構成されたインバータ制
   御装置において、前記電動機の電流検出点から該検出電
   流のフィードバック信号を電流指令に加算する加算点ま
   での後ろ向きループの信号導電部分と、前記加算点から
   前記ゲートまたは前記ベース駆動信号までの前向きルー
   プの信号導電部分とを、共に外部の雰囲気に触れること
   なく密封し、前記位置、または速度フィードバック制御
   ループを構成する部位に第１のマイクロプロセッサと、
   前記電流フィードバック制御ループを構成する部位に第
   ２のマイクロプロセッサと、前記第１、第２のそれぞれ
   のマイクロプロセッサに独立して供給するシステムクロ
   ック信号を持ち、前記電動機の磁極位置検出器からの磁
   極位置データおよび回転位置検出器からの回転位置デー
   タを前記第１のマイクロプロセッサにフィードバックす
   るように構成し、前記第１のマイクロプロセッサから前
   記第２のマイクロプロセッサへシリアル通信により前記
   電流指令および前記磁極位置データを伝送または転送
   し、前記第２のマイクロプロセッサでの前記磁極位置デ
   ータは、前記第１のマイクロプロセッサからの前回の磁
   極位置データと、今回の磁極位置データの間を補間で求
   めて磁極位置を演算することを特長とするインバータ制
   御装置。
5. 【請求項５】少なくとも位置、または速度フィードバッ
   ク制御ループを構成し、前記フィードバック制御ループ
   の内側に前記位置または速度フィードバック制御ループ
   で得られる電流指令を受け該電流指令に基づいてインバ
   ータ主回路スイッチング素子を駆動し電動機の電流を制
   御する電流フィードバック制御ループを構成しているイ
   ンバータ装置において、電動機電流の検出点から、該検
   出電流のフィードバック信号を極性反転して電流指令信
   号に加算する加算点までの後ろ向きループと、前記加算
   点から前記インバータ主回路スイッチング素子のゲート
   またはベース駆動信号までの前向きループと、少なくと
   も前記スイッチング素子とダイオードを逆方向に並列接
   続した逆並列回路を２回路直列に接続した１相アーム
   を、多相アーム並列接続したインバータ主回路と、前記
   電流指令を制限する電流リミッタ回路と、前記電流指令
   の入力部分で電気的に絶縁して信号を伝送する絶縁素子
   とを、共にパワーモジュールに内蔵して密封したことを
   特長とするインバータ装置。
6. 【請求項６】少なくとも位置、または速度フィードバッ
   ク制御ループを構成する部位に第１のマイクロプロセッ
   サと、電流フィードバック制御ループを構成する部位に
   第２のマイクロプロセッサと、前記第１、第２のそれぞ
   れのマイクロプロセッサに独立して供給するシステムク
   ロック信号を持ち、電動機の磁極位置検出器からの磁極
   位置データおよび回転位置検出器からの回転位置データ
   を第１のマイクロプロセッサにフィードバックするよう
   に構成され、第１のマイクロプロセッサから第２のマイ
   クロプロセッサへシリアル通信により電流指令および前
   記磁極位置データを転送するように構成したことを特長
   とする請求項５記載のインバータ装置。
7. 【請求項７】電流指令に一致するように電動機の電流を
   制御する電流制御系を有し、該電流制御系の信号に基づ
   いてスイッチング素子を駆動するように構成されたイン
   バータ装置において、前記インバータの出力に接続され
   た電動機の電流検出点から、該検出電流のフィードバッ
   ク信号を極性反転して加算する加算点までの後ろ向きル
   ープと、前記加算点からインバータ主回路スイッチング
   素子のゲートまたはベース駆動信号までの前向きループ
   と、少なくともスイッチング素子とダイオードを逆方向
   に並列接続した逆並列回路を２回路直列に接続した１相
   アームを、多相アーム並列接続したインバータ主回路
   と、電流指令を制限する電流リミッタ回路と、前記電流
   指令の入力部分で電気的に絶縁して信号を伝送する絶縁
   素子とを、共にパワーモジュールに内蔵して密封したこ
   とを特長とするインバータ装置。
8. 【請求項８】直流又は交流を受電しスイッチング素子を
   駆動制御することにより任意の電圧の直流又は任意の電
   圧と周波数を有する交流に変換する主回路と、電流指令
   に基づいて前記主回路に流れる電流を制御する電流フィ
   ードバック制御ループとを備えた電力変換装置におい
   て、電流フィードバック信号を前記電流指令に加算する
   加算点までの後ろ向きループと、前記加算点から前記ス
   イッチング素子の駆動信号部分までの前向きループと、
   前記主回路とを、共に樹脂でモールドして密封したこと
   を特長とする電力変換装置。