JP5737604B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、例えばインバータやサーボシステム等の電動機を駆動する電力変換装置において、光学式パルスエンコーダ(以下、単にエンコーダともいう)の異常や配線系統の異常を検出して運転を停止する等の安全対策機能を備えた電力変換装置に関するものである。 The present invention, for example, in a power conversion device that drives an electric motor such as an inverter or a servo system, detects an abnormality in an optical pulse encoder (hereinafter also simply referred to as an encoder) or an abnormality in a wiring system and stops the operation. The present invention relates to a power conversion device having a countermeasure function.
電動機の出力軸に取り付けたエンコーダの出力信号から電動機速度や回転子位置を演算し、この演算値をフィードバックして電動機を可変速駆動するインバータやサーボシステムが普及している。これらの装置において、エンコーダの出力信号に異常があると正常な運転が困難になるため、従来より、エンコーダの異常や配線系統の異常を検出してインバータ等の運転を停止する方法が種々提案されている。 Inverters and servo systems that calculate the motor speed and rotor position from the output signal of an encoder attached to the output shaft of the motor and feed back the calculated values to drive the motor at a variable speed have become widespread. In these devices, if the output signal of the encoder is abnormal, it is difficult to operate normally. Therefore, various methods for stopping the operation of the inverter or the like by detecting the encoder abnormality or wiring system abnormality have been proposed. ing.
例えば、図4は、特許文献1に記載された異常監視装置の主要部を示す構成図である。
図4において、10は位相が90度異なる二相(A相,B相)のアナログ信号を出力する光学式パルスエンコーダ、20は電源線、信号線、接地線からなるケーブル、30はエンコーダ10の出力信号を処理してエンコーダ10の異常やケーブル20を含む配線系統の異常を検出し、電動機駆動用のインバータ等の運転を停止させるための制御装置である。
For example, FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a main part of the abnormality monitoring device described in
In FIG. 4, 10 is an optical pulse encoder that outputs two-phase (A phase, B phase) analog signals that are 90 degrees out of phase, 20 is a cable made up of a power line, signal line, and ground line, and 30 is an
エンコーダ10は、電動機出力軸の回転により、位相が90度異なるA相入力信号及びB相入力信号を発生するための発光素子、スリット、受光素子等からなる光学センサ(図示せず)を備えている。A相,B相入力信号はトランジスタTr1,Tr2のベースにそれぞれ入力され、トランジスタTr1,Tr2同士の接続点は制限抵抗R1を介して各相の信号端子A,Bにそれぞれ接続される。ここで、エンコーダ10には、制御装置30からケーブル20を介して電源電圧Vcが供給されている。
The
制御装置30において、電源端子Vc、A相信号端子A、グランド端子Mの相互間、及び、電源端子Vc、B相信号端子B、グランド端子Mの相互間には、分圧抵抗Rx,Ryがそれぞれ接続されている。
A相のアナログ信号SigAanaとB相のアナログ信号SigBanaとは、マイコン33内のアナログ入力部331A,331Bにそれぞれ入力され、アナログ入力部331A,331Bの出力信号はAD変換部332A,332Bによりディジタル信号に変換される。これらのディジタル信号が入力される後続のレベル異常検出部333A,333Bにおいて、アナログ電圧としてアナログハイレベルまたはアナログローレベルが検出されるか否かを判断することにより、電動機停止時の異常(エンコーダ10の出力電気回路の故障、ケーブル20の断線や信号線と電源との短絡、地絡等)が検出される。
In the
The A-phase analog signal SigAana and the B-phase analog signal SigBana are respectively input to the
一方、ディジタル信号処理手段31A,31Bはコンパレータ等によりアナログ信号を閾値と比較して、マイコン33に入力するA相,B相のディジタル信号SigA,SigBを作成する。また、信号合成手段32は、ディジタル信号SigA,SigBの排他的論理和を演算し、これを合成信号SigABとしてマイコン33に入力する。
ディジタル信号SigA,SigB及び合成信号SigABは、マイコン33内のディジタル入力部334A,334B,337にそれぞれ入力される。
On the other hand, the digital signal processing means 31A, 31B compares the analog signal with a threshold value using a comparator or the like, and creates the A-phase and B-phase digital signals SigA, SigB to be input to the
The digital signals SigA and SigB and the combined signal SigAB are input to
ディジタル入力部334A,334Bの出力信号はカウンタ335A,335Bを介してパルス数比較異常検出部336に入力され、ディジタル信号SigA,SigBのパルス数を比較することにより、電動機回転時の異常(エンコーダ10の出力電気回路の故障、ケーブル20の断線や信号線と電源との短絡、地絡等)が検出される。また、ディジタル入力部337の出力信号は、タイマ338を介してパルス幅比較異常検出部339に入力され、合成信号SigABの「H」レベルのパルス幅(または周期)に基づいて、同様に電動機回転時の各種の異常が検出されるものである。
The output signals of the
特許文献1に係る従来技術によれば、電動機の停止時及び回転時において、エンコーダの出力回路や配線系統の異常を検出することができ、特に、マイコン等の演算処理装置が有する諸機能を利用することで電力変換装置の低コスト化、小型化を可能にしている。
According to the prior art related to
さて、光学式のパルスエンコーダでは、エンコーダ内部に設けられた発光素子やスリット、受光素子等の光学センサ部品に故障が発生すると、出力信号が固定値となる。これは、発光素子からの出射光をスリットを介し受光素子により受光して電気信号に変換する場合、そもそも発光素子が発光していないか、あるいはスリットの故障により受光素子が受光できない場合は、発光素子から正常に出射された光がスリットによって遮られている場合と区別がつかずに出力信号が固定されてしまうためである。 In the optical pulse encoder, when a failure occurs in an optical sensor component such as a light emitting element, a slit, or a light receiving element provided in the encoder, the output signal becomes a fixed value. This is because when the light emitted from the light emitting element is received by the light receiving element through the slit and converted into an electrical signal, the light emitting element emits light if the light emitting element is not emitting light in the first place or if the light receiving element cannot receive light due to a slit failure. This is because the output signal is fixed without distinction from the case where the light normally emitted from the element is blocked by the slit.
特許文献1に記載された従来技術では、電動機が停止しているときのエンコーダの出力電気回路の故障、ケーブルの断線や信号線と電源との短絡、地絡等を検出可能であるが、上述したようなエンコーダ内部の光学センサの故障時には、エンコーダの出力信号が、電動機が停止しているときの出力信号と区別できないため、異常を検出することができない。
また、電動機が回転していても、エンコーダの出力信号が変化しないので、監視装置側では電動機が停止していると判断してしまい、この場合にも異常を検出できない。
In the prior art described in
Further, since the output signal of the encoder does not change even when the motor is rotating, the monitoring device determines that the motor is stopped, and in this case, no abnormality can be detected.
そこで、本発明の解決課題は、電動機の運転開始前に、エンコーダ内部の光学センサの異常を検出可能とした、信頼性の高い電力変換装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly reliable power conversion device that can detect an abnormality of an optical sensor inside an encoder before the operation of an electric motor is started.
上記課題を解決するため、請求項1に係る電力変換装置は、半導体スイッチのオンオフにより電動機を可変速駆動する電力変換装置であって、前記半導体スイッチの駆動信号を生成する制御装置を有し、前記電動機に取り付けられた光学式パルスエンコーダの少なくとも二相の出力信号から演算した回転速度を前記制御装置にフィードバックして前記駆動信号を生成するようにした電力変換装置において、
前記エンコーダの出力信号に基づいて少なくともエンコーダの出力電気回路や配線系統の異常を検出したときに、前記電動機を保護するための安全対策信号を前記制御装置に送出する安全機能装置を備え、
前記制御装置は、
前記電動機の運転開始前に前記安全機能装置からテスト開始指令が入力されたときに、前記電動機の固定子巻線の線間に短期間だけ直流電圧を印加して前記電動機の回転子にトルクを発生させる手段を有し、
前記安全機能装置は、前記直流電圧の印加期間内に前記エンコーダの出力信号に変化がない場合に、前記エンコーダ内部の光学センサの異常と判断して前記安全対策信号を出力するものである。
In order to solve the above problem, a power conversion device according to
A safety function device that sends a safety measure signal for protecting the electric motor to the control device when detecting an abnormality in at least an output electric circuit or a wiring system of the encoder based on the output signal of the encoder;
The controller is
When a test start command is input from the safety function device before the start of operation of the motor, a DC voltage is applied between the stator windings of the motor for a short period of time to apply torque to the rotor of the motor. Having means for generating,
The safety function device determines that an optical sensor in the encoder is abnormal and outputs the safety countermeasure signal when there is no change in the output signal of the encoder within the application period of the DC voltage.
また、請求項2に係る電力変換装置は、請求項1において、前記制御装置は、前記安全機能装置から出力電圧の所定の位相角指令値が入力されたときに前記直流電圧を印加し、前記位相角指令値が変化したときに前記出力電圧の振幅を変化させて前記電動機の回転子にトルクを発生させるように動作するものである。
The power conversion device according to
更に、請求項3に係る電力変換装置は、請求項1または2において、前記安全対策信号は、全ての前記半導体スイッチをオフして前記電動機の運転を停止させるための安全遮断信号であることを特徴とする。
Furthermore, the power conversion device according to claim 3 is the power conversion device according to
本発明によれば、電動機の運転開始前、すなわち電動機の停止時に、エンコーダ内部の発光素子やスリット、受光素子等の、光学センサを構成する部品の異常を検出することができ、安全性、信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。 According to the present invention, before starting the operation of the motor, that is, at the time of stopping the motor, it is possible to detect abnormality of the components constituting the optical sensor such as the light emitting element, the slit, and the light receiving element in the encoder. A highly efficient power conversion device can be provided.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は、本発明の実施形態を示す構成図である。図1において、100は本実施形態に係る電力変換装置、200は電力変換装置100によって駆動される三相誘導電動機等の電動機である。電動機200の出力軸には、位相が90度異なる二つの位置検出信号(A相入力信号及びB相入力信号)を出力する光学式パルスエンコーダ10が取り付けられており、エンコーダ10の出力信号は、ケーブル20を介して電力変換装置100内の安全機能装置40に入力されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1,
ここで、安全機能装置40は、例えば図4に示した制御装置30を内部に備えており、エンコーダ10の出力信号に基づいて、前述したようにアナログ入力信号のレベル異常検出、ディジタル入力信号のパルス数比較異常検出、パルス幅比較異常検出を行い、異常検出信号を発生する。そして、この異常検出信号に基づき、後述する制御装置50内のロジック回路52に対して安全遮断信号を出力するように構成されている。
なお、上記安全遮断信号は、請求項における安全対策信号の一具体例である。
Here, the
The safety shut-off signal is a specific example of the safety measure signal in the claims.
また、安全機能装置40には安全停止指令及び安全減速指令が入力されるようになっている。安全停止指令の入力時には、電動機200の運転を直ちに停止させるための安全遮断信号がロジック回路52に出力される。一方、安全減速指令が入力された場合は、例えば特開2010−244266号公報に記載されている方法により、電動機200を所定時間(減速時間)内に減速させるための傾きを安全機能装置40が演算し、この傾きに従って速度指令値を徐々に低下させて電動機200を減速し、上記減速時間内に停止させるための安全遮断信号をロジック回路52に向けて出力する。
なお、エンコーダ10の出力信号に基づいて安全遮断信号を生成するための回路は、図4(前記特開2010−203903号公報)や特開2010−244266号公報に記載された構成に何ら限定されるものではない。
In addition, a safety stop command and a safety deceleration command are input to the
Note that the circuit for generating the safety cutoff signal based on the output signal of the
安全機能装置40からは、上述した安全遮断信号以外に、後述する位相角指令値、電流指令値及びテスト開始指令が出力され、これらの各指令値は制御装置50に入力されている。ここで、テスト開始指令は、電動機200の運転開始前(すなわち停止時)にエンコーダ10の光学センサの異常を検出するテストを行うためのものであり、上記テストの具体的な動作については後述する。
The
制御装置50は、運転指令、停止指令、速度及びトルクの各指令値、位相角指令値並びに電流指令値に基づいて電圧指令値を演算し、この電圧指令値をキャリアと比較してPWM信号を演算する制御演算器51と、PWM信号に基づいて三相(U,V,W相)の半導体スイッチに対する駆動信号を生成するロジック回路52と、を備えている。
ロジック回路52から出力される駆動信号はドライブ回路60に送られており、インバータ部70の半導体スイッチをオンオフさせて電動機200に三相交流電圧を供給する。
制御演算器51においてPWM信号を生成する方式は種々存在するため、上述したキャリア比較方式に何ら限定されるものではない。
The control device 50 calculates a voltage command value based on the operation command, stop command, speed and torque command values, phase angle command value, and current command value, and compares the voltage command value with the carrier to generate a PWM signal. A control
The drive signal output from the logic circuit 52 is sent to the
Since there are various methods for generating a PWM signal in the control
次に、図2に基づいて制御演算器51の構成を説明する。
速度/トルク調節手段511は、速度指令またはトルク指令に応じて電動機200の電流指令値を演算し、この電流指令値は切替手段512に入力される。切替手段512には、電動機200の定格電流値未満(例えば、定格電流の20%〜50%程度)であって大きさが一定、つまり直流の安全電流指令値が入力されている。ここで、安全電流指令値は、図1の安全機能装置40から出力される電流指令値の一種である。
電動機200の運転開始前において、エンコーダ10の内部故障を検出するテストを行う場合には、操作員の入力操作により、安全機能装置40からテスト開始指令を出力する。このテスト開始指令が図2の切替手段512に入力されると、切替手段512は、電流指令値を安全電流指令値に切り替えて出力する。
Next, the configuration of the
The speed /
When a test for detecting an internal failure of the
電流調節手段513は、切替手段512の出力(通常運転時には速度/トルク調節手段511から出力される電流指令値、テスト開始指令の入力時には安全電流指令値)と電流検出値とを比較し、両者が等しくなるように調節演算を行って電圧指令値を出力する。なお、図1では、上記電流検出値を得るための電流検出器は図示を省略してある。この動作により、安全機能装置40からテスト開始指令が入力された時には、インバータ部70や電動機200に流れる直流電流は定格電流値未満になるので、過熱による装置の故障を防止することができる。
The
座標変換手段514は、安全機能装置40からの安全位相角指令値(θ=0度、120度、240度)に基づき、電流調節手段513から出力される電圧指令値を座標変換し、数式1に従ってU相、V相、W相の電圧指令値をそれぞれ演算する。なお、安全位相角指令値は、図1における位相角指令値の一種である。
[数式1]
Vu=V*cosθ
Vv=V*cos(θ−2π/3)
Vw=V*cos(θ−4π/3)
ただし、V*:電流調節手段513から出力される電圧指令値
The coordinate
[Formula 1]
V u = V * cos θ
V v = V * cos (θ-2π / 3)
V w = V * cos (θ-4π / 3)
V * : voltage command value output from the current adjusting means 513
安全位相角指令値θとして0度、120度、240度という3つのパターンを用いて座標変換することで、電動機200に供給される直流電圧の位相を変化させ、電動機200に負荷が接続されていても回転子を瞬間的に移動させることができる。これは、例えば電動機200が誘導電動機である場合、印加電圧の位相角に応じて磁束が発生し、位相角を変化させた瞬間に二次回路に電流が流れて微小なトルクが発生することに基づいている。
The phase of the DC voltage supplied to the
上記の作用を、図3に基づいて説明する。図3は、誘導電動機の一相分のT形等価回路を示しており、Vは端子電圧、i1は一次電流、i2は二次電流、R1は一次抵抗、R2は二次抵抗、L1は一次インダクタンス、L2は二次インダクタンス、Lmは励磁インダクタンスである。 The above operation will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows a T-type equivalent circuit for one phase of the induction motor, where V is a terminal voltage, i 1 is a primary current, i 2 is a secondary current, R 1 is a primary resistance, and R 2 is a secondary resistance. , L 1 is a primary inductance, L 2 is a secondary inductance, and L m is an excitation inductance.
安全位相角指令値θが0度の場合、前述の数式1から、U相電圧Vuが最大値(=V*)になる。V*はほぼ一定であるから、位相角指令値θに変化がない場合は、U−V相間の線間電圧Vuv(図3の端子電圧Vに相当)は直流電圧となり、直流の一次電流i1が流れる。次に、安全位相角指令値を120度(=2π/3[rad])に変化させると、数式1から、V相電圧Vvが最大値(=V*)になるため、線間電圧Vuvの振幅が変化する。これに伴って誘導電動機の一次電流に過渡的変化が生じるので、二次側に電圧が誘導され、二次電流i2が流れる。
When the safe phase angle command value θ is 0 degree, the U-phase voltage V u becomes the maximum value (= V * ) from the above-described
誘導電動機はその一次側のみに電流が流れてもトルクは発生しないが、瞬間的に二次側に電流が流れることでトルクが発生し、回転力が生じる。しかし、直ちに定常状態に復帰すれば二次電流はゼロとなり、トルクが発生しなくなる。このように端子電圧の位相角を変化させてトルクを瞬間的に発生させ、回転力を生じさせれば、エンコーダ10の出力信号が変化する状況を作ることができる。
An induction motor does not generate torque even when current flows only on the primary side of the induction motor, but torque is generated when current flows instantaneously on the secondary side, and rotational force is generated. However, if the steady state is immediately restored, the secondary current becomes zero and no torque is generated. Thus, if the torque is instantaneously generated by changing the phase angle of the terminal voltage and the rotational force is generated, a situation in which the output signal of the
このとき、エンコーダ10内部の光学センサにおいて、発光素子の故障によって光が出力されなかったり、スリットの故障に起因して受光素子が受光できないような故障が生じていた場合には、上述した方法によって電動機200にトルクを瞬時、発生させ、回転子を僅かに回転させても、回転前後においてエンコーダ10の出力信号が全く変化しない。
安全機能装置40は、テスト開始指令を制御演算器51に出力し、電動機200にトルクを瞬間的に発生させたときのエンコーダ10の出力信号を監視しているので、この出力信号が全く変化しないことをもって、エンコーダ10内部の光学センサの故障とみなすことができる。
従って、安全遮断信号によりインバータ部70の半導体スイッチを全てオフ状態で固定する等の安全措置を講じれば、故障中のエンコーダ10の出力信号に基づく電動機200の制御を未然に防止することができる。
なお、このテスト期間には、回転子が僅かに回転するだけであるため負荷が大きく移動することはなく、本実施形態によって安全機能が損なわれることはない。
At this time, in the optical sensor inside the
Since the
Therefore, by taking safety measures such as fixing all the semiconductor switches of the
Note that during this test period, since the rotor only rotates slightly, the load does not move greatly, and the safety function is not impaired by this embodiment.
上記実施形態では安全機能装置40が単一である場合を説明したが、コストの増加を許容できるのであれば、安全機能の信頼性を高めるために安全機能装置を多重化し、それぞれの異常判断結果が相違する場合は安全機能装置自体の異常と判断するようにしても良い。
In the above embodiment, the case where the
10:エンコーダ
20:ケーブル
40:安全機能装置
50:制御装置
51:制御演算器
52:ロジック回路
60:ドライブ回路
70:インバータ部
100:電力変換装置
200:電動機
511:速度/トルク調節手段
512:切替手段
513:電流調節手段
514:座標変換手段
515:PWM発生手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10: Encoder 20: Cable 40: Safety function apparatus 50: Control apparatus 51: Control computing unit 52: Logic circuit 60: Drive circuit 70: Inverter part 100: Power converter 200: Electric motor 511: Speed / torque adjustment means 512: Switching Means 513: Current adjustment means 514: Coordinate conversion means 515: PWM generation means
Claims (3)
前記エンコーダの出力信号に基づいて少なくともエンコーダの出力電気回路や配線系統の異常を検出したときに、前記電動機を保護するための安全対策信号を前記制御装置に送出する安全機能装置を備え、
前記制御装置は、
前記電動機の運転開始前に前記安全機能装置からテスト開始指令が入力されたときに、前記電動機の固定子巻線の線間に短期間だけ直流電圧を印加して前記電動機の回転子にトルクを発生させる手段を有し、
前記安全機能装置は、前記直流電圧の印加期間内に前記エンコーダの出力信号に変化がない場合に、前記エンコーダ内部の光学センサの異常と判断して前記安全対策信号を出力することを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device for driving a motor at a variable speed by turning on and off a semiconductor switch, the control device generating a drive signal for the semiconductor switch, and an output signal of at least two phases of an optical pulse encoder attached to the motor In the power converter that generates the drive signal by feeding back the rotation speed calculated from the control device,
A safety function device that sends a safety measure signal for protecting the electric motor to the control device when detecting an abnormality in at least an output electric circuit or a wiring system of the encoder based on the output signal of the encoder;
The controller is
When a test start command is input from the safety function device before the start of operation of the motor, a DC voltage is applied between the stator windings of the motor for a short period of time to apply torque to the rotor of the motor. Having means for generating,
The safety function device determines that the optical sensor in the encoder is abnormal and outputs the safety countermeasure signal when there is no change in the output signal of the encoder within the application period of the DC voltage. Power conversion device.
前記制御装置は、
前記安全機能装置から出力電圧の所定の位相角指令値が入力されたときに前記直流電圧を印加し、前記位相角指令値が変化したときに前記出力電圧の振幅を変化させて前記電動機の回転子にトルクを発生させるように動作することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1,
The controller is
When the predetermined phase angle command value of the output voltage is input from the safety function device, the DC voltage is applied, and when the phase angle command value changes, the amplitude of the output voltage is changed to rotate the motor. An electric power converter that operates to generate torque in a child.
前記安全対策信号は、全ての前記半導体スイッチをオフして前記電動機の運転を停止させるための安全遮断信号であることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1 or 2,
The power conversion apparatus according to claim 1, wherein the safety measure signal is a safety cutoff signal for turning off all the semiconductor switches and stopping the operation of the electric motor.
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