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JP6426775B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電用コンデンサを用いて、モータ加速時に電源からの入力電力のピークを低減するモータ駆動装置に関する。
工作機械、産業機械、又は、ロボットなどに用いられるモータを駆動するモータ駆動装置が知られている。このようなモータ駆動装置では、モータ負荷が変動してモータが加速するとき、過渡的に大きな電力をモータに供給する必要があるため、電源からの入力電力のピークが増大する。このように、電源からモータ駆動装置に供給される電力のピークが増大すると、電源電圧が変動し、その結果、電源に接続されている他の機器に不具合が生じることがある。
そこで、モータ駆動装置において、モータ加速時、蓄電用コンデンサに蓄えられたエネルギーを利用することにより、電源からの入力電力を抑制し、これにより、電源からの入力電力のピークを低減することが知られている。このようなモータ駆動装置として、インバータに並列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを使用する方式（以下、「並列接続ＤＣ／ＤＣコンバータ方式」という。）（例えば、特許文献１及び２）と、ＰＷＭコンバータを使用する方式（以下、「ＰＷＭコンバータ方式」という。）（例えば、特許文献３）とがある。
図７は、特許文献１及び２に記載の並列接続ＤＣ／ＤＣコンバータ方式のモータ駆動装置の回路構成を示す概略図である。このモータ駆動装置１Ｘは、電源２からの三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０Ｘと、コンバータ１０Ｘからの直流電力を三相交流電力に変換するインバータ２０Ｘとを備え、三相交流電力をモータ３に供給する。このモータ駆動装置１Ｘでは、インバータ２０Ｘに対して並列に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０Ｘを介して蓄電用コンデンサ３０が設けられている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４０Ｘは、コンバータ１０Ｘからインバータ２０Ｘに供給される電力の一部を蓄電用コンデンサ３０に充電しておき、モータ加速時、コンバータ１０Ｘの入出力電流（すなわち、電源からの入力電力）が所定値を超えるときのみ、蓄電用コンデンサ３０に蓄えられたエネルギーをインバータ２０Ｘに供給する。これにより、コンバータ１０Ｘの入出力電流が所定値を超えるときに、電源２からの入力電力を抑制でき、電源２からの入力電力のピークを低減できる。また、コンバータ１０Ｘの入出力電流が所定値を超えるときのみ、蓄電用コンデンサ３０に蓄えられたエネルギーをインバータ２０Ｘに供給するので、蓄電用コンデンサ３０に蓄えられたエネルギーを有効に活用でき、蓄電用コンデンサ３０の容量を小さくできる。
図８は、特許文献３に記載のＰＷＭコンバータ方式のモータ駆動装置の回路構成を示す概略図である。このモータ駆動装置１Ｙは、電源２からの三相交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０Ｙと、コンバータ１０Ｙからの直流電力を三相交流電力に変換するインバータ２０Ｙとを備え、三相交流電力をモータ３に供給する。コンバータ１０Ｙとインバータ２０Ｙとの間のＤＣリンク部には、蓄電用コンデンサ３０が設けられている。
ここで、電源２からの入力電力のピークをより低減するために、蓄電用コンデンサ３０から供給される電力を大きくすることが好ましい。蓄電用コンデンサ３０が供給できるエネルギーＥは、蓄電用コンデンサ３０の容量値をＣとし、蓄電用コンデンサ３０の放電前の電圧値及び放電後の電圧値（すなわち、コンバータ１０Ｙの出力電圧の上限値及び下限値）をＶ１、Ｖ２とすると、下式（１）で表される。
Ｅ＝１／２×Ｃ×（Ｖ１２−Ｖ２２） ・・・（１）
これより、蓄電用コンデンサ３０が供給できる電力を大きくするためには、蓄電用コンデンサ３０の容量値Ｃを大きくするか、あるいはコンバータ１０Ｙの出力電圧の上限値と下限値との電位差（Ｖ１−Ｖ２）を大きくする必要がある。
図８では、コンバータ１０Ｙの出力電圧の電位差（Ｖ１−Ｖ２）を大きくするため、コンバータ１０Ｙとして、リアクトル１１と協働して昇圧動作を行うＰＷＭ方式の昇圧型コンバータを用いる。このコンバータ１０Ｙは、昇圧動作で出力電圧の上限値Ｖ１を上げることにより、出力電圧の電位差（Ｖ１−Ｖ２）を大きくし、蓄電用コンデンサ３０から供給される電力を大きくする。これにより、電源２からの入力電力をより抑制でき、電源２からの入力電力のピークをより低減できる。
特開２００９−２０７３０５号公報 特開２００９−２３２５３７号公報 特開２０１６−１４４３７４号公報
図７に示す並列接続ＤＣ／ＤＣコンバータ方式のモータ駆動装置では、蓄電用コンデンサ３０から供給される電力はＤＣ／ＤＣコンバータ４０Ｘを介して供給されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０Ｘにおけるパワー半導体素子の能力で制限されてしまう。そのため、過渡応答特性が制限されてしまう可能性がある。
図８に示すＰＷＭコンバータ方式のモータ駆動装置では、蓄電用コンデンサ３０から供給される電力をより大きくするために、すなわちコンバータ１０Ｙの出力電圧の電位差（Ｖ１−Ｖ２）をより大きくするために、蓄電用コンデンサ３０の電圧の下限値を下げることが考えられる。しかし、蓄電用コンデンサ３０の電圧の下限値はコンバータ１０Ｙの入力電圧（すなわち、電源電圧）に依存するので、蓄電用コンデンサ３０の電圧の下限値を下げることが困難であった。
より詳細には、ＰＷＭコンバータのＰＷＭスイッチング動作による入力電流（すなわち、電源２からの入力電力）の抑制は、ＤＣリンク電圧（すなわち、蓄電用コンデンサ３０の電圧）が、入力電圧波高値よりも高い場合に可能である。ＤＣリンク電圧が入力電圧波高値に等しい場合は、モータ加速時に要求される電力は、ＰＷＭコンバータ内のパワー半導体素子のダイオード部に電流が流れる為、ＰＷＭスイッチング動作による入力電力の制限ができない。所謂、ダイオード整流型のコンバータと同じである。
そこで、本発明は、モータ加速時に、電源電圧に依存することなく、蓄電用コンデンサからの供給電力を大きくすることができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。また、本発明は、モータ加速時に、蓄電用コンデンサからの供給電力が制限されることを抑制するモータ駆動装置を提供することを目的とする。
（１） 本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述のモータ駆動装置１）は、電源（例えば、後述の電源２）からの交流電力を入力し、モータ（例えば、後述のモータ３）を駆動するモータ駆動装置であって、前記電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ（例えば、後述のコンバータ１０）と、前記コンバータからの直流電力を昇圧、降圧又は昇降圧した直流電力を生成するＤＣ／ＤＣコンバータ（例えば、後述のＤＣ／ＤＣコンバータ４０）と、ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータ（例えば、後述のインバータ２０）と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータとの間に設けられた蓄電用コンデンサ（例えば、後述の蓄電用コンデンサ３０）とを備える。
（２） （１）に記載のモータ駆動装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限してもよく、回生電流を所定の最大回生電流値以下に制限してもよい。
（３） （１）又は（２）に記載のモータ駆動装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の下限値は、前記モータを駆動可能な最小電圧値に基づいて設定されてもよく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、前記インバータの耐圧又は前記モータの耐圧に基づいて設定されてもよい。
（４） （１）又は（２）に記載のモータ駆動装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の下限値は、前記モータを駆動可能な最小電圧値に基づいて設定されてもよい。
（５） （１）又は（２）に記載のモータ駆動装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよく、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、前記インバータの耐圧又は前記モータの耐圧に基づいて設定されてもよい。
（６） （３）に記載のモータ駆動装置において、前記蓄電用コンデンサの容量値Ｃは、前記蓄電用コンデンサが供給すべき最大エネルギーＥと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値Ｖ１及び下限値Ｖ２とに基づく下式（１）に基づいて設定されてもよい。
Ｅ＝１／２×Ｃ×（Ｖ１２−Ｖ２２） ・・・（１）
（７） （１）から（６）のいずれかに記載のモータ駆動装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記コンバータ及び／又は前記インバータと同一筐体内に実装されてもよい。
（８） （２）に記載のモータ駆動装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電用コンデンサの予備充電を行う際に、出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限してもよい。
本発明によれば、モータ加速時に、電源電圧に依存することなく、蓄電用コンデンサからの供給電力を大きくすることができるモータ駆動装置を提供することができる。また、本発明は、モータ加速時に、蓄電用コンデンサからの供給電力が制限されることを抑制するモータ駆動装置を提供することができる。
本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。 図１におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ駆動装置における各部電気信号のタイミングチャートである。 モータ力行時におけるＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作を示す図である。 モータ力行時におけるＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作を示す図である。 モータ回生時におけるＤＣ／ＤＣコンバータの回生動作を示す図である。 従来の並列接続ＤＣ／ＤＣコンバータ方式のモータ駆動装置の回路構成を示す概略図である。 従来のＰＷＭコンバータ方式のモータ駆動装置の回路構成を示す概略図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。図１に示すモータ駆動装置１は、商用の三相交流電源２からの三相交流電力を入力し、モータ３を駆動する。なお、電源２は、三相交流に限定されず、例えば、単相交流であってもよい。
モータ駆動装置１は、コンバータ１０と、インバータ２０と、蓄電用コンデンサ３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、第１電流センサ５１とを備える。
コンバータ１０は、モータ３の力行時、電源２からの交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータである。コンバータ１０は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いたブリッジ回路で構成される。ＩＧＢＴは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に逆並列に接続されたダイオードとを有する。これより、コンバータ１０は、６つのダイオードのブリッジ回路からなるダイオード整流コンバータを構成すると共に、６つのパワー半導体素子のブリッジ回路からなるＰＷＭコンバータを構成する。
コンバータ１０は、モータ３の力行時、ダイオード整流コンバータにより、交流電力を全波整流して直流電力に変換する。一方、モータ３の回生時には、コンバータ１０は、ＰＷＭコンバータを制御部でＰＷＭ制御することにより、回生電力を電源２側に回生させる。
なお、コンバータ１０は、モータ３の力行時、ＰＷＭコンバータを制御部でＰＷＭ制御することにより、交流電力を直流電力に変換してもよい。これにより、力率を改善することができる。
ＤＣ/ＤＣコンバータ４０は、モータ３の力行時、コンバータ１０からの直流電力を昇降圧した直流電力を生成する。また、モータ３の回生時、ＤＣ/ＤＣコンバータ４０は、インバータ２０からの回生電力をコンバータ１０に供給する。ＤＣ/ＤＣコンバータ４０の詳細は後述する。
インバータ２０は、モータ３の力行時、ＤＣ/ＤＣコンバータ４０からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータ３に供給する。インバータ２０は、例えばＩＧＢＴを用いたブリッジ回路で構成される。これより、インバータ２０は、パワー半導体素子及びパワー半導体素子に逆並列に接続されたダイオードからなるブリッジ回路を構成する。インバータ２０は、これらのパワー半導体素子を制御部からの指令によりオンオフ制御（例えばＰＷＭ制御）することにより、直流電圧を所望の波形及び周波数の交流電圧に変換する。
また、インバータ２０は、モータ３の回生時、モータ３から回生される交流電力を直流電力に変換して、この直流電力をインバータ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ４０との間のＤＣリンク部に供給する。
蓄電用コンデンサ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０とインバータ２０との間のＤＣリンク部に設けられている。蓄電用コンデンサ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０からの直流電力、及び、インバータ２０からの直流電力（回生電力）を蓄える。また、蓄電用コンデンサ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０又はインバータ２０によって変換された直流電圧を平滑化する。
第１電流センサ（ＣＴ１）５１は、蓄電用コンデンサ３０とインバータ２０との間に設けられている。第１電流センサ５１は、モータ３の力行時にはインバータ２０の入力電流値を測定し、モータ３の回生時にはインバータ２０の回生電流値を測定する。
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０について詳細に説明する。図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回路構成の一例を示す図である。
図２に示すＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、主に、インダクタ、スイッチ素子、ダイオードで構成される周知のチョッパ型の昇降圧型ＤＣ/ＤＣコンバータで構成される。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、力行用スイッチ素子４１と、力行用ダイオード４２と、リアクトル４３と、昇圧用スイッチ素子４４と、降圧用ダイオード４５と、回生用スイッチ素子４６と、回生用ダイオード４７と、ダイオード４８と、制御部４９と、第２電流センサ（ＣＴ２）５２と、第１電圧センサ（ＶＴ１）６１と、第２電圧センサ（ＶＴ２）６２とを備える。力行用スイッチ素子４１と回生用ダイオード４７、回生用スイッチ素子４６と力行用ダイオード４２、昇圧用スイッチ素子４４とダイオード４８はそれぞれＩＧＢＴで構成される。
第２電流センサ５２は、モータ３の力行時にはＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流値を測定し、モータ３の回生時にはＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流値を測定する。第１電圧センサ６１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の入力電圧値を測定する。第２電圧センサ６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧値を測定する。
制御部４９は、第１電圧センサ６１で検出された入力電圧値と第２電圧センサ６２で検出された出力電圧値とに基づいて、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の昇降圧動作を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の目標値（昇圧の上限値）は、インバータ２０の耐圧及びモータ３の耐圧の何れか小さい方の耐圧に基づいて設定される（例えば、インバータ２０の耐圧の９５％程度）。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の下限値（降圧の下限値）は、モータ３を駆動可能な最小電圧値に基づいて設定される（例えば、モータ３を駆動可能な最小電圧値の１０５％程度）。
また、制御部４９は、第１電流センサ５１で検出されたインバータ２０の入力電流値又は第２電流センサ５２で検出されたＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流値に基づいて、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限する。また、制御部４９は、検出されたインバータ２０の入力電流値又はＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流を所定の最大回生電流値以下に制限する。
本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、コンバータ１０及び／又はインバータ２０と同一筐体内に実装されていてもよい。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０とコンバータ１０とを接続する配線、及び／又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０とインバータ２０とを接続する配線を短くすることができ、過渡応答特性を高めることができる。
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、コンバータ１０と、インバータ２０とは、別々の筐体に実装されてもよい。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、コンバータ１０、及び、インバータ２０のそれぞれの設計のバリエーションを得ることができる。
また、蓄電用コンデンサ３０の容量値Ｃは、蓄電用コンデンサ３０が供給すべき最大エネルギーＥと、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の上限値Ｖ１及び下限値Ｖ２とに基づく下式（１）に基づいて設定される。
Ｅ＝１／２×Ｃ×（Ｖ１２−Ｖ２２） ・・・（１）
ここで、蓄電用コンデンサ３０が供給すべき最大エネルギーＥは、モータ３の駆動条件（例えば、モータ３の加速動作に必要なエネルギー、及び／又は、モータ３の減速動作で回生されるエネルギー）に基づいて算出されればよい。これにより、モータ３の加速時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧が上限値Ｖ１から下限値Ｖ２に低下するまでＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流を制限しても、不足分を蓄電用コンデンサ３０から供給することができる。
以下、図３〜図６を参照して、モータ駆動装置１におけるＤＣ／ＤＣコンバータ４０の動作を説明する。図３は、モータ駆動装置１における各部電気信号のタイミングチャートである。図４は、モータ３の力行時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ４０の昇圧動作を示す図である。図５は、モータ３の力行時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ４０の降圧動作を示す図である。図６は、モータ３の回生時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生動作を示す図である。
（モータ３の停止時又は低速動作時）
まず、モータ３の停止時又は低速動作時（図３の時刻ｔ０〜時刻ｔ１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の制御部４９は、第１電圧センサ６１で検出された入力電圧値と第２電圧センサ６２で検出された出力電圧値とに基づいて、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧を目標値Ｖ１に昇圧制御する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の目標値Ｖ１は、インバータ２０の耐圧及びモータ３の耐圧の何れか小さい方の耐圧Ｖ３の９５％程度である。
具体的には、図４に示すように、制御部４９は、力行用スイッチ素子４１をオン状態とし、回生用スイッチ素子４６をオフ状態とし、昇圧用スイッチ素子４４をＰＷＭスイッチング制御する。昇圧用スイッチ素子４４がオン状態のとき、力行用スイッチ素子４１、リアクトル４３、昇圧用スイッチ素子４４の順で電流が流れることにより、リアクトル４３にエネルギーが蓄積される。そして、昇圧用スイッチ素子４４がオフ状態になると、力行用スイッチ素子４１、リアクトル４３、力行用ダイオード４２の順で電流が流れることにより、リアクトル４３に蓄積されたエネルギー分だけ昇圧された電圧が出力される。
（モータ３の加速時）
次に、モータ３の加速時（図３の時刻ｔ１〜時刻ｔ２）、インバータ２０の入力電流の増加に伴い、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流が増加する。そして、第１電流センサ５１で検出されたインバータ２０の入力電流値に基づいて、インバータ２０の入力電流値が所定の最大出力電流値Ｉ１に達したとき（図３の時刻ｔ２）、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流を所定の最大出力電流値Ｉ１に制限する。このとき、制御部４９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧を次第に低下させる（図３の時刻ｔ２〜時刻ｔ３）。
その後、制御部４９は、第１電圧センサ６１で検出された入力電圧値と第２電圧センサ６２で検出された出力電圧値とに基づいて、昇圧動作（図４）から降圧動作（図５）に切り換える。降圧動作では、制御部４９は、検出された入力電圧値と出力電圧値とに基づいて、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧を下限値Ｖ２まで次第に低下させるように降圧制御する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の下限値Ｖ２は、モータ３を駆動可能な最小電圧値Ｖ４の１０５％程度である。
具体的には、図５に示すように、制御部４９は、回生用スイッチ素子４６及び昇圧用スイッチ素子４４をオフ状態とし、力行用スイッチ素子４１をスイッチング制御する。力行用スイッチ素子４１がオン状態のとき、力行用スイッチ素子４１、リアクトル４３、力行用ダイオード４２の順で電流が流れることにより、リアクトル４３にエネルギーが蓄積されると共に、リアクトル４３に蓄積されたエネルギー分だけ降圧された電圧が出力される。そして、力行用スイッチ素子４１がオフ状態になると、降圧用ダイオード４５、リアクトル４３、力行用ダイオード４２の順で電流が流れることにより、リアクトル４３に蓄積されたエネルギーが出力される。
このように、インバータ２０の入力電流が最大出力電流値Ｉ１を超えて増大しても、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流を最大出力電流値Ｉ１以下に制限することにより、電源２からの入力電流のピーク、すなわち電源２からの入力電力のピークを低減することができる。
このとき、インバータ２０の入力電流からＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流（図３のＡ）を差し引いた不足分（図３のＢ）は、蓄電用コンデンサ３０から供給される。蓄電用コンデンサ３０は、上述した並列接続ＤＣ／ＤＣコンバータ方式のようにＤＣ／ＤＣコンバータを介さずにインバータ２０に直接接続されるため、蓄電用コンデンサ３０からインバータ２０への供給電力がＤＣ／ＤＣコンバータのパワー半導体素子の能力に制限されることを抑制することができる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、チョッパ型の昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであるので、入力電圧（すなわち、電源２の電源電圧）に依存することなく、出力電圧の下限値を下げることができる。これにより、上述したＰＷＭコンバータ方式のように電源電圧に依存することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の上限値Ｖ１と下限値Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち蓄電用コンデンサ３０の電位差を大きくとることができ、蓄電用コンデンサ３０からインバータ２０に供給される電力を大きくすることができる（上式（１）参照）。
（モータ３の定速動作時（高速））
次に、モータ３の定速動作時（図３の時刻ｔ３〜ｔ４）、制御部４９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧を下限値Ｖ２に降圧する制御を継続する。
（モータ３の減速時（回生時））
次に、モータ３の減速時（図３の時刻ｔ４〜時刻ｔ５）、モータ３から大きな回生電流が回生されることに伴い、インバータ２０から大きな回生電流が回生される。このとき、第１電流センサ５１で検出されたインバータ２０の回生電流値に基づいて、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流を所定の最大回生電流値Ｉ２に制限する。
具体的には、図６に示すように、制御部４９は、力行用スイッチ素子４１及び昇圧用スイッチ素子４４をオフ状態とし、回生用スイッチ素子４６をスイッチング制御する。回生用スイッチ素子４６がオン状態のとき、回生用スイッチ素子４６、リアクトル４３、回生用ダイオード４７の順で電流が流れることにより、リアクトル４３にエネルギーが蓄積されると共に、リアクトル４３に蓄積されたエネルギー分だけ降圧された電圧が回生される。そして、回生用スイッチ素子４６がオフ状態なると、ダイオード４８、リアクトル４３、回生用ダイオード４７の順で電流が流れることにより、リアクトル４３に蓄積されたエネルギーが回生される。
このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を介して電源２に回生されない余剰分は、蓄電用コンデンサ３０に蓄電される。これにより、蓄電用コンデンサ３０の電圧（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧）が上昇する。
その後、インバータ２０の回生電流値が最大回生電流値Ｉ２まで低下したとき（図３の時刻ｔ５）、力行用スイッチ素子４１、昇圧用スイッチ素子４４及び回生用スイッチ素子４６を制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流の制限を終了する。
その後（図３の時刻ｔ５〜時刻ｔ６）、インバータ２０の回生電流は電源２に回生され、蓄電用コンデンサ３０の電圧（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧）は上限値Ｖ１に保持される。
このように、インバータ２０からの回生電流が最大回生電流値Ｉ２を超えて増大しても、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流を最大回生電流値Ｉ２以下に制限することにより、電源２に回生される電流のピーク、すなわち電源２に回生される電力のピークを低減することができる。このとき、インバータ２０の回生電流からＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流（図３のＣ）を差し引いた余剰分（図３のＤ）は、蓄電用コンデンサ３０に蓄電される。
また、上述したように、電源電圧に依存することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の上限値Ｖ１と下限値Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち蓄電用コンデンサ３０の電位差を大きくとることができるので、インバータ２０から回生されて蓄電用コンデンサ３０に蓄電される電力を大きくすることができる（上式（１）参照）。
以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１では、コンバータ１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、蓄電用コンデンサ３０と、インバータ２０とが順に直列に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、チョッパ型の昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであるので、入力電圧（すなわち、電源２の電源電圧）に依存することなく、出力電圧の下限値を下げることができる。これにより、モータ３の加速時に、上述したＰＷＭコンバータ方式のように電源電圧に依存することなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の上限値Ｖ１と下限値Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち蓄電用コンデンサ３０の電位差を大きくとることができる。そのため、蓄電用コンデンサ３０からインバータ２０に供給される電力を大きくすることができる。また、モータ３の減速時に、インバータ２０から回生されて蓄電用コンデンサ３０に蓄電される電力を大きくすることができる。
また、本実施形態のモータ駆動装置１では、蓄電用コンデンサ３０は、上述した並列接続ＤＣ／ＤＣコンバータ方式のようにＤＣ／ＤＣコンバータを介さずにインバータ２０に直接接続される。そのため、モータ３の加速時に、蓄電用コンデンサ３０からインバータ２０への供給電力がＤＣ／ＤＣコンバータのパワー半導体素子の能力に制限されることを抑制することができる。
また、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、蓄電用コンデンサ３０の電位差を大きくとることができるため、蓄電用コンデンサ３０の容量を小さくすることができる。
また、本実施形態のモータ駆動装置１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０により、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流を所定の最大出力電流値Ｉ１以下に制限する。これにより、モータ３の加速時、インバータ２０の入力電流がＤＣ／ＤＣコンバータ４０の最大出力電流値Ｉ１を超えて増大しても、電源２からの入力電流のピーク、すなわち電源２からの入力電力のピークを低減することができる。このとき、インバータ２０の入力電流の不足分は、蓄電用コンデンサ３０から供給される。
また、本実施形態のモータ駆動装置１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０により、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の回生電流を所定の最大回生電流値Ｉ２以下に制限する。これにより、モータ３の減速時、インバータ２０からの回生電流が最大回生電流値Ｉ２を超えて増大しても、電源２に回生される電流のピーク、すなわち電源２に回生される電力のピークを低減することができる。このとき、インバータ２０の回生電流の余剰分は、蓄電用コンデンサ３０に蓄電される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、上述した実施形態では、ＤＣ/ＤＣコンバータ４０として、インダクタ、スイッチ素子、ダイオードなどで構成される周知のチョッパ型の昇降圧型ＤＣ/ＤＣコンバータを例示した。しかし、ＤＣ/ＤＣコンバータ４０はこれに限定されず、インダクタ、スイッチ素子、ダイオードなどで構成される周知のチョッパ型の降圧型ＤＣ/ＤＣコンバータであってもよい。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の下限値は、モータ３を駆動可能な最小電圧値に基づいて設定されてもよい。この形態でも、入力電圧（すなわち、電源２の電源電圧）に依存することなく、出力電圧の下限値を下げることができるので、モータ３の加速時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の上限値Ｖ１と下限値Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち蓄電用コンデンサ３０の電位差を大きくとることができ、蓄電用コンデンサ３０からインバータ２０に供給される電力を大きくすることができる。また、モータ３の減速時に、インバータ２０から回生されて蓄電用コンデンサ３０に蓄電される電力を大きくすることができる。
また、ＤＣ/ＤＣコンバータ４０は、インダクタ、スイッチ素子、ダイオードなどで構成される周知のチョッパ型の昇圧型ＤＣ/ＤＣコンバータであってもよい。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、インバータ２０の耐圧又はモータ３の耐圧に基づいて設定されてもよい。この形態でも、出力電圧の上限値を上げることができるので、モータ３の加速時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電圧の上限値Ｖ１と下限値Ｖ２との電位差（Ｖ１−Ｖ２）、すなわち蓄電用コンデンサ３０の電位差を大きくとることができ、蓄電用コンデンサ３０からインバータ２０に供給される電力を大きくすることができる。また、モータ３の減速時に、インバータ２０から回生されて蓄電用コンデンサ３０に蓄電される電力を大きくすることができる。
ところで、一般に、蓄電コンデンサを用いるモータ駆動装置では、蓄電用コンデンサの予備充電（電荷が蓄積されていない状態から充電）の際に充電電流を制限する予備充電回路を備える。予備充電回路は、予備充電の際に、過大な突入電流により回路素子が破損することを防ぐための回路であり、例えば予備充電抵抗を用いて充電電流を制限する。
この点に関し、上述した実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の制御部４９は、蓄電用コンデンサ３０の予備充電を行う際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限してもよい。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０により電流を制限して蓄電用コンデンサ３０の予備充電を行うことができるため、予備充電回路を削減することができる。
１，１Ｘ，１Ｙ モータ駆動装置
２ 電源
３ モータ
１０，１０Ｘ，１０Ｙ コンバータ
２０，２０Ｘ，２０Ｙ インバータ
３０ 蓄電用コンデンサ
４０，４０Ｘ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４１ 力行用スイッチ素子
４２ 力行用ダイオード
４３ リアクトル
４４ 昇圧用スイッチ素子
４５ 降圧用ダイオード
４６ 回生用スイッチ素子
４７ 回生用ダイオード
４８ ダイオード
４９ 制御部
５１ 第１電流センサ
５２ 第２電流センサ
６１ 第１電圧センサ
６２ 第２電圧センサ

Claims (8)

  1. 電源からの交流電力を入力し、モータを駆動するモータ駆動装置であって、
    前記電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
    前記コンバータからの直流電力を昇圧、降圧又は昇降圧した直流電力を生成するＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記インバータとの間に設けられた蓄電用コンデンサと、
    を備え、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限する、または、回生電流を所定の最大回生電流値以下に制限する、
    モータ駆動装置。
  2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限し、回生電流を所定の最大回生電流値以下に制限する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の下限値は、前記モータを駆動可能な最小電圧値に基づいて設定され、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、前記インバータの耐圧又は前記モータの耐圧に基づいて設定される、
    請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の下限値は、前記モータを駆動可能な最小電圧値に基づいて設定される、
    請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、前記インバータの耐圧又は前記モータの耐圧に基づいて設定される、請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
  6. 前記蓄電用コンデンサの容量値Ｃは、前記蓄電用コンデンサが供給すべき最大エネルギーＥと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値Ｖ１及び下限値Ｖ２とに基づく下式（１）に基づいて設定される、
    Ｅ＝１／２×Ｃ×（Ｖ１２−Ｖ２２） ・・・（１）
    請求項３に記載のモータ駆動装置。
  7. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記コンバータ及び／又は前記インバータと同一筐体内に実装される、請求項１〜６の何れか１項に記載のモータ駆動装置。
  8. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電用コンデンサの予備充電を行う際に、出力電流を所定の最大出力電流値以下に制限する、
    請求項２に記載のモータ駆動装置。
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