JP3676629B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期モータ、誘導モータ等のモータ駆動制御を、ＰＷＭ方式により駆動されるトランジスタインバータから構成されているパワー変換器を用いて行なう形式のモータ制御装置に関するものである。
【０００２】
さらに詳しくは、複数台のモータをこのようなパワー変換器を用いて駆動する場合に発生する高周波モータリーク電流を低減して、周辺機器に対する電磁障害等の弊害を防止可能なモータ制御装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
同期モータ、誘導モータ等のＡＣサーボモータの制御装置としては、その各相駆動コイルに対する通電制御を、ＰＷＭ方式により駆動されるトランジスタインバータから構成されるパワー変換器を用いて行う形式のものが知られている。かかる制御形式のモータにおいては、ＰＷＭインバータのスイッチング周波数の高周波数化に伴い、当該インバータのスイッチングにより発生する高周波振動電流が問題となってきている。
【０００４】
このような高周波数振動電流はインバータとモータ間の電力線を流れると共に、モータリーク電流としてモータ接地線に流れ、インバータの電流制御に悪影響を及ぼしたり、放射雑音を発生して周辺機器等に悪影響を及ぼすおそれがある。
【０００５】
図９を参照して高周波振動モータリーク電流について説明する。ＰＷＭインバータを用いた三相同期モータの駆動制御ユニットは、良く知られているように、位置制御部、速度制御部、電流制御部、およびパワー変換部を備えている。図においてはインバータを備えたパワー変換部およびモータコイルのみを示してある。駆動制御ユニット２００では、三相交流電源２０１からの交流を、コンバータ２０２によって直流に変換して、平滑コンデンサ２０３を介して、電圧形インバータ２０４に供給する。
【０００６】
インバータ２０４は、各相毎に上下一対のスイッチングトランジスタＵＡとＤＡ、ＵＢとＤＢ、およびＵＣとＤＣを備えており、これらのトランジスタのオン・オフは、電流制御部（図示せず）から出力される電圧指令に基づき動作するＰＷＭ制御部２０５によって生成されるゲート信号（ベースドライブ信号）によって制御される。ＰＷＭ制御部２０５では、三角波形の搬送波（キャリア）２０６に基づきパルス幅変調を行って、各ゲート信号を生成している。
【０００７】
ここで、スイッチングトランジスタの上下のアーム間における短絡を防止するために、オンディレイ回路２０７が設けられている。オンディレイ時間は、トランジスタのオフ時間よりも長くなるように設定されている。この結果、入出力特性は不感帯を持つことになる。
【０００８】
すなわち、図１０に示すように、各トランジスタＵＡないしＤＣが同一時点でオンオフにそれぞれ切り換わる。かかるオンオフの切り換わりに起因して、モータコイルＬｕ、ＬｖおよびＬｗには高周波数振動電流Ｉｍが流れる。この高周波振動電流は、途中に介在させたフィルタコンデンサのみでは吸収できず、モータ接地線を介して、高周波振動リーク電流ＩｓとしてＡＣ電源２０１に戻ってしまう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、単一のモータ制御装置においては、このようなリーク電流による弊害はそれほど大きいものではない。しかしながら、複数のモータを同時に制御するモータ制御装置においては、各モータからほぼ同一位相のリーク電流が発生し、これらが加算されて高レベルのリーク電流となるので、それに起因する弊害を無視することができない。
【００１０】
例えば、図１１に示すように、６台のＡＣモータＭ１ないしＭ６の駆動制御を行うための制御装置３００は、そのパワー変換部として、交流電源２０１と、交流電流を直流電流に変換するコンバータ２０２と、コンバータ２０２から直流電流が供給される各モータに付設したインバータ２０４（１）ないし２０４（６）を備えた構成とされる。この場合、共通の搬送波発生部２１０から三角波形の搬送波２０６が、各モータのＰＷＭ制御部２０５（１）ないし２０５（６）に供給される。
【００１１】
この結果、各モータＭ１ないしＭ６では、共通搬送波の零クロス点に同期してオンオフするゲート信号によってインバータ２０４（１）ないし２０４（６）のトランジスタがオンオフ制御される。従って、図１２（ａ）に示すように、各モータＭ１ないしＭ６で発生するリーク電流Ｉ１ないしＩ６の位相がほぼ一致したものとなり、モータ接地線を介してＡＣ電源側に戻る合成リーク電流Ｉｓは振幅の大きな電流となってしまう。このような大きなリーク電流Ｉｓが発生すると、周辺機器等に誤動作を引き起こす等の弊害が発生する。
【００１２】
本発明の課題は、この点に鑑みて、複数のＡＣモータの駆動を制御するモータの制御装置において、簡単な構成により、モータリーク電流を大幅に低減可能にすることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、複数のモータのそれぞれを駆動制御する駆動制御ユニットと、各駆動制御ユニットで用いるＰＷＭ用の三角波形の搬送波を発生する搬送波発生部とを有し、各駆動制御ユニットは、各モータに駆動電力を供給するトランジスタインバータと、電圧指令および前記搬送波に基づき、前記トランジスタインバータをＰＷＭ方式で駆動するＰＷＭ制御部と、各モータの電流フィードバック量およびトルク指令に基づき前記電圧指令を生成して前記ＰＷＭ制御部に供給する電流制御部とを有するモータ制御装置において、少なくとも１つの前記駆動制御ユニットは、前記トルク指令の符号を反転して前記電流制御部に供給するトルク指令符号反転部と、前記電流フィードバック量の符号を反転して前記電流制御部に供給する電流フィードバック量符号反転部とを有していることを特徴としている。
【００１７】
本発明のモータ制御装置において、トルク指令符号反転部および電流フィードバック量符号反転部を備えた駆動制御ユニットでは、トランジスタインバータの各トランジスタの駆動制御は、その他の駆動制御ユニットにおけるインバータの各トランジスタの駆動制御とは逆位相で行われる。この結果、当該モータのリーク電流の位相も、他のモータのリーク電流とはほぼ逆となるので、全体としてのリーク電流を低減できる。
【００１８】
ここで、モータの台数をｎ個（ｎは正の偶数）とし、換言すると、前記駆動制御ユニットをｎ個とし、ｎ個（ｎは正の偶数）の前記駆動制御ユニットを有し、これらのうちの半数の駆動制御ユニットのそれぞれを、前記トルク指令の符号を反転して前記電流制御部に供給するトルク指令符号反転部と、前記電流フィードバック量の符号を反転して前記電流制御部に供給する電流フィードバック量符号反転部とを備えたものとすれば、リーク電流を大幅に低減することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したモータ制御装置の実施例を説明する。
【００２０】
図１は、６台の三相同期モータを駆動制御する場合のモータ制御装置のシステム構成図であり、本発明を適用したモータ制御装置の実施例を説明するための参考例である。本例では、各モータのリーク電流を低減するために、各駆動制御ユニットに供給する搬送波の一部の極性を反転制御する。この図に示すように、本例のモータ制御装置１は、三相交流電源２と、ここから供給される交流電流を直流電流に変換するコンバータ３と、コンバータ３から供給される直流によって駆動する６つの駆動制御ユニット４（１）ないし４（６）と、各駆動制御ユニット４（１）ないし４（６）によって駆動制御される同期モータＭ１ないしＭ６とを有している。
【００２１】
各駆動制御ユニット４（１）ないし４（６）は同一構成であり、それぞれ、後述するように、インバータと、当該インバータを駆動制御するためのＰＷＭ制御部とを備えている。各駆動制御ユニット４（１）ないし４（６）には、パルス幅変調のために用いる三角波形の搬送波５Ｓ（１）ないし５Ｓ（６）が供給される。これらの搬送波は、搬送波発生部５および符号反転部６を介して得られるものである。
【００２２】
図２は駆動制御ユニット４（１）の主要構成を示す概略ブロック図である。その他の駆動制御ユニット４（２）ないし４（６）も当該駆動制御ユニット４（１）と同一構成であるので、それらの説明は省略する。
【００２３】
駆動制御ユニット４（１）では、上位装置（図示せず）からの位置指令Ｐｃｏｍと、モータＭ１のロータ位置フィードバック情報との偏差を比較部３１において求める。位置制御部１２では当該位置偏差量に基づき速度指令を発生する。当該速度指令と、速度フィードフォーワード部１１を介して得られる制御変数と、ロータ位置フィードバック情報に基づき速度検出部１３で検出された速度フィードバック情報とが比較部３２において比較されて、速度制御用偏差が求められる。
【００２４】
速度制御部１４では、当該速度制御用偏差に基づき、トルク指令Ｔｃｏｍを生成して、電流制御部１６に出力する。電流制御部１６には、磁極位置検出部１７を介して、ロータ磁極位置情報がフィードバックされていると共に、電流センサ２２ａおよび２２ｂで検出されたモータのＵ相駆動コイルおよびＶ相駆動コイルの駆動電流が、電流フィードバック量として供給されている。電流制御部１６では、これらのフィードバック量と、トルク指令Ｔｃｏｍとを比較して、３相の電圧指令を生成する。
【００２５】
電圧指令はＰＷＭ制御部１８に供給される。ＰＷＭ制御部１８では、当該電圧指令に基づき、搬送波発生部５から符号反転部６を介して供給される搬送波５Ｓ（１）を用いて、各相一対ずつの矩形波状のゲート信号を生成する。これらのゲート信号は電圧形インバータ１９に供給され、当該インバータ１９を構成している各相上下一対のパワートランジスタをオンオフ制御する。この結果、コンバータ３を介して当該インバータ１９に供給されている直流電圧から、３相の駆動電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗが生成され、これらが同期モータＭ１の各相の駆動コイルに供給される。
【００２６】
同期モータＭ１のロータ回転位置はロータリーエンコーダ２１によって検出され、エンコーダ出力に基づき、磁極位置検出部１７においてロータ磁極位置が検出され、また、位置検出部１５においてロータ位置が検出される。
【００２７】
図３は上記の電流制御部１６の概略ブロック図であり、この図に示すように、電流制御部１６では、トルク指令Ｔｃｏｍと、正弦波用参照テーブル３３から供給されるＵ相およびＶ相の電流分配信号とを、それぞれ、乗算器２５ａ、２５ｂで乗算し、乗算値を比較部３３ａ、３３ｂにおいて比較し、比較結果を電流増幅器からなる電流制御回路２４ａ、２４ｂに供給して、Ｕ相およびＶ相の電流指令を生成する。また、各比較部３３ａ、３３ｂの比較結果を比較部３３ｃにおいて比較し、当該比較部３３ｃの出力を電流増幅器からなる電流制御回路２４ｃに供給してＷ相の電流指令を生成する。
【００２８】
図４は上記のＰＷＭ制御部１８の概略ブロック図であり、この図に示すように、ＰＷＭ制御部１８では、各比較回路２６ａ、２６ｂ、２６ｃにそれぞれ、各相の電圧指令が供給されると共に、符号反転部６を介して、搬送波発生回路５から搬送波５Ｓ（１）が供給される。各比較回路２６ａ、２６ｂ、２６ｃからは電圧指令に基づくデューティ比の矩形波信号１００ａ、１００ｂ、１００ｃが生成し、これらは、それぞれオンディレイ回路（アーム短絡防止時間作成部）２７ａ、２７ｂ、２７ｃに供給されて、それぞれ位相が反転した一対のゲート信号（ベースドライブ信号）１０１ａと１０２ａ、１０１ｂと１０２ｂと、１０１ｃと１０２ｃが生成される。
【００２９】
図５には、Ｕ相用の出力信号１００ａ、一対のゲート信号１０１ａ、１０２ａを示してある。このタイミングチャートから分かるように、オンディレイ回路２７ａによって、各ゲート信号の立ち上がり時点がＴｄだけ遅延された状態となっている。
【００３０】
ここにおいて、本例のモータ制御装置１の符号反転部６から駆動制御ユニット４（１）、４（３）および４（５）に供給される搬送波５Ｓ（１）、５Ｓ（３）および５Ｓ（５）は、搬送波発生部５から発生した搬送波５Ｓと同一のものである。これに対して、残り半分の駆動制御ユニット４（２）、４（４）および４（６）に供給される搬送波５Ｓ（２）、５Ｓ（４）および５Ｓ（６）は、搬送波発生部５から発生した搬送波５Ｓの正負の符号を符号反転部６において反転させて、逆位相の三角波形の搬送波とされている。
【００３１】
この結果、駆動制御ユニット４（１）、４（３）、４（５）におけるインバータに対して、駆動制御ユニット４（２）、４（４）および４（６）のインバータの駆動制御は逆位相となる。よって、本例において各同期モータＭ１ないしＭ６におけるインバータのオンオフ切り換え制御に起因して発生する高周波振動リーク電流は、図１１（ｂ）に示すように、同期モータＭ１、Ｍ３およびＭ５のリーク電流Ｉ１、Ｉ３およびＩ５の位相がほぼ一致する。同様に、同期モータＭ２、Ｍ４およびＭ６のリーク電流Ｉ２、Ｉ４およびＩ６の位相も一致する。しかしながら、これらリーク電流Ｉ１、Ｉ３、Ｉ５の位相と、リーク電流Ｉ２，Ｉ４，Ｉ６の位相はほぼ逆の状態になる。この結果、これらのリーク電流の合計は、相互に相殺されて、きわめて小さな電流Ｉｓになり、周辺機器等への悪影響を抑制あるいは回避することができる。
【００３２】
なお、本例においては、共通の搬送波発生部５を設けてあるが、各駆動制御ユニット４（１）ないし４（６）のそれぞれに搬送波発生部５を付設し、それぞれの搬送波が同位相となるように同期をとり、それぞれの駆動制御ユニットにおいて搬送波の符号を反転制御するようにしてもよい。
【００３３】
（実施例）
次に、本発明の実施例を説明する。本例では、各モータＭ１ないしＭ６のリーク電流を低減するために、各駆動制御ユニットに供給する搬送波の一部の極性を反転制御する代わりに、駆動制御ユニットとして図６に示す構成のものを採用する。
【００３４】
図６に示す駆動制御ユニット４Ａにおいて、上記の駆動制御ユニット４（１）の各部分に対応する部分には同一符号を付し、それらの説明は省略するものとする。本例の駆動制御ユニット４Ａでは、速度制御部１４と電流制御部１６の間にトルク指令符号反転部２３ｂを配置し、トルク指令の符号を反転して電流制御部１６に供給している。また、電流センサ２２ａ、２２ｂから得られる電流フィードバック量を電流フィードバック量符号反転部２３ｆ、２３ｇを介して正負を反転させて電流制御部１６に供給している。さらに、ＰＷＭ制御部１８から出力される各相のゲート信号１０１ａと１０２ａ、１０１ｂと１０２ｂ、および１０１ｃと１０２ｃを、それぞれ、インバータ１９における上下逆の各相のパワートランジスタのベースに供給するようにしている。
【００３５】
図７には、この構成の駆動制御ユニットを含む６台の同期モータを駆動制御するためのモータ制御装置の例を示してある。このモータ制御装置１Ａにおいては、モータＭ１、Ｍ３およびＭ５の駆動制御ユニットとして上記の駆動制御ユニット４Ａを採用し、それ以外のモータＭ２、Ｍ４およびＭ６の駆動制御ユニットとして前述した駆動制御ユニット４（１）を採用している。各駆動制御ユニットには共通の搬送波が供給されるようになっている。
【００３６】
この構成のモータ制御装置１Ａにおいても、モータＭ１、Ｍ３およびＭ５の駆動制御ユニットにおけるインバータの駆動制御は、符号反転部２３ｂ、２３ｆ、２３ｇを設けることにより、残りのモータＭ２、Ｍ４およびＭ６の駆動制御ユニットにおけるインバータの駆動制御とは逆位相で行われる。よって、発生する各モータのリーク電流は、上記のモータ制御ユニット１の場合と同様に、モータＭ１、３、５とモータＭ２、４、６とではほぼ逆位相となり、２組のリーク電流が相互に相殺しあって、全体としてのリーク電流が大幅に低減される。
【００３７】
（その他の実施の形態）
上記の各例では、半数ずつインバータの駆動制御の位相を逆となるようにしているが、半数に限らず、１台分、あるいは２台分、または４台分あるいは５台分の駆動制御ユニットを逆位相となるように駆動してもよい。さらに、本発明のモータ制御装置による制御対象のモータ台数は６台に限定されるものではなく、５台以下でもよいし、あるいは７台以上であってもよい。
【００３８】
また、電流制御部は図２のような構成の制御部１６に限定されるものではなく、磁極位置、電流フィードバック量、トルク指令を用いて電圧指令を生成する機能を有していればよいことは勿論である。例えば、図８に示すような座標変換部を備えた電流制御部を用いることができることは勿論である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、各モータをＰＷＭ方式により駆動するインバータを備えた駆動制御ユニットを有するモータ制御装置において、少なくとも１台のモータの駆動制御ユニットにおけるインバータの駆動制御を、他の駆動制御ユニットにおけるインバータの駆動制御とは逆位相となるようにしている。従って、本発明によれば、逆位相で制御されるインバータを備えたモータのリーク電流の位相も逆位相となる。よって、全体としてのモータリーク電流を逆位相のリーク電流によって低減できる。このように、本発明によれば、簡単な回路構成を付加するのみで、モータリーク電流の発生を実用上弊害の無いレベルまで低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例のモータ制御装置の概略ブロック図である。
【図２】 図１の駆動制御ユニットの概略ブロック図である。
【図３】 図２の電流制御部の概略ブロック図である。
【図４】 図２のＰＷＭ制御部の概略ブロック図である。
【図５】 ゲート信号のタイミングチャートである。
【図６】 実施例のモータ制御装置の駆動制御ユニットを示す概略ブロック図である。
【図７】 図６の駆動制御ユニットを備えたモータ制御装置の概略ブロック図である。
【図８】 図３に示す電流制御部の別の回路例を示す概略ブロック図である。
【図９】 従来のモータ制御装置の概略ブロック図である。
【図１０】 図９の装置における搬送波、ゲート信号およびリーク電流のタイミングチャートである。
【図１１】 複数台のモータを制御するための制御装置の従来例を示す概略ブロック図である。
【図１２】 （ａ）は従来におけるモータ制御装置から発生するモータリーク電流を示すタイミングチャートであり、（ｂ）は本発明によるモータ制御装置において発生するモータリーク電流を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ モータ制御装置
２ 交流電源
３ コンバータ
４，４Ａ，４（１）ないし４（６） 駆動制御ユニット
５ 搬送波発生部
５Ｓ（１）ないし５Ｓ（６） 搬送波
６ 搬送波符号反転部
１６ 電流制御部
１８ ＰＷＭ制御部
１９ 電圧形インバータ
Ｍ１ないしＭ６ モータ
２３ｂ トルク指令符号反転部
２３ｆ、２３ｇ 電流フィードバック量符号反転部
Ｉ１ないしＩ６ 各モータからのリーク電流
Ｉｓ 合成リーク電流

Claims (2)

1. 複数のモータのそれぞれを駆動制御する駆動制御ユニットと、各駆動制御ユニットで用いるＰＷＭ用の三角波形の搬送波を発生する搬送波発生部とを有し、各駆動制御ユニットは、各モータに駆動電力を供給するトランジスタインバータと、電圧指令および前記搬送波に基づき、前記トランジスタインバータをＰＷＭ方式で駆動するＰＷＭ制御部と、各モータの電流フィードバック量およびトルク指令に基づき前記電圧指令を生成して前記ＰＷＭ制御部に供給する電流制御部とを有するモータ制御装置において、
   少なくとも１つの前記駆動制御ユニットは、前記トルク指令の符号を反転して前記電流制御部に供給するトルク指令符号反転部と、前記電流フィードバック量の符号を反転して前記電流制御部に供給する電流フィードバック量符号反転部とを有していることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１において、
   ｎ個（ｎは正の偶数）の前記駆動制御ユニットを有し、これらのうち半数の駆動制御ユニットのそれぞれは、前記トルク指令の符号を反転して前記電流制御部に供給するトルク指令符号反転部と、前記電流フィードバック量の符号を反転して前記電流制御部に供給する電流フィードバック量符号反転部とを有していることを特徴とするモータ制御装置。

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