JP2007049801A - モータ駆動用インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ側の結線状態を調べる機能を備えた安価で安全なモータ駆動用インバータ装置を提供する。
【解決手段】インバータ装置１０は、モータ側の断線によって流れる電流が変化することに着目し、この変化を計算して、モータ３の断線を判定する。装置は、インバータ回路１と制御回路とを有し、制御回路に、モータ側の結線状態を調べる断線検出部５を設ける。この断線検出部５は、モータ３の保持ブレーキないし固定手段を作動させてその回転を固定した上で、電流指令Ｉｄ、Ｉｑとして任意の固定値を制御回路へ入力し、制御回路のｄ−ｑ逆変換部７における所定の電気角θ’でモータへ流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの比を算出して、これらの比からモータ側の断線を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気モータを駆動するためのインバータ装置に係り、特に、モータ側の結線状態を調べる機能を備えたインバータ装置に関する。

モータをインバータ回路で作動させるシステムが産業分野で用いられている。このような産業分野の用途では、作業開始前にモータ側の結線状態を確認して異常運転を未然に防ぐことが作業安全ならびに効率上から望ましい。
そのため、電動機を駆動するインバータ装置において、始動前に負荷側に対してテストパルスを出力してその導通状態を検出可能にする装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１３７３４５号公報

しかし、上述のような検出可能の装置は、インバータ装置内に断線検出回路や電流検出手段を別途設ける必要がある。そのため、汎用のインバータをそのまま採用することができず、特殊な構成を必要としてコストアップとなる。

本発明は、上記問題に鑑みて、内部に断線検出機能を持たない従来のインバータ装置であっても、装置構造の変更を要せずに、モータの断線を検知することのできるモータ駆動用インバータ装置の提供を目的とする。

本発明は、モータ側の断線によって流れる電流が変化することに着目し、この変化をソフトウェアで計算して、モータの断線を判定するものである。
本発明によるモータ駆動用インバータ装置は、インバータ回路と制御回路とを含み、制御回路が入力された電流指令に応じてインバータ回路を制御し、３相交流を変換させてモータを駆動する。この装置は、モータ側の結線状態を調べる断線検出部を設け、該断線検出部は、断線検出時に、モータの保持ブレーキないし固定手段を作動させてその回転を固定した上で、電流指令として任意の固定値を制御回路へ入力し、制御回路のｄ−ｑ逆変換部における所定の電気角でモータへ流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相電流の比を算出して、これらの比からモータ側の断線を判定することを特徴とする。

上記断線検知部は、所定の電気角を０°および１８０°のグループＡ、６０°および２４０°のグループＢ、そして１２０°および３００°のグループＣとし、グループＡではＶ相およびＷ相電流の比を、グループＢではＵ相およびＷ相電流の比を、またグループＣではＷ相およびＵ相電流の比をそれぞれ算出し、これらグループのうちから２グループ以上の電気角を選択し設定して断線検知を行うことが好適である。
また、断線検出は、算出した電流比の絶対値が０または∞であるか否かで判定することが好適である。

本発明のインバータ装置は、負荷側のモータに備わった保持ブレーキや固定手段を利用してその回転を固定し、この種の従来装置が有する電流検出手段を用いてモータ電流値を検出し、また、電流の比率を計算によって求めることができる。これは、既存の構造に、電流の測定、比計算や、判定のためのソフトウェアを組み込むことによって実施可能である。したがって、この断線検出は、断線検出機構を持たないインバータであっても、装置構造の変更を伴わずに、安価に行うことができる。
なお、この検知には、実電流の比率のみを用いるため、一次電源電圧や、モータの抵抗などにより、実電流の大きさが環境によって変わる場合でも、モータの断線を調べることができる。
また、モータは保持ブレーキないし固定手段により回転固定されるため、異常回転を伴うことなくモータの断線を安全に検出可能である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、この実施の形態によるモータ駆動用インバータ装置１０を示しており、インバータ装置１０はインバータ回路１を含んでいる。
インバータ回路１は、コンバータ部、平滑回路部およびインバータ部を有し、入力側を３相交流電源２に、出力側をモータ３に接続している。モータ３は、保持ブレーキないしモータ固定手段を設けたものである。

インバータ装置１０はさらに、電流検出手段４、断線検出部５、電流制御部６、ｄ−ｑ逆変換部７、ｄ−ｑ変換部８および電圧変換部９から成る制御回路を有する。
これら電流検出手段４、電流制御部６、ｄ−ｑ逆変換部７、ｄ−ｑ変換部８および電圧変換部９は、インバータ回路１を制御するために、図１に示すような接続関係にある。また、断線検出部５は、モータ３側の断線状態を検出するために、電流検出手段４、電流制御部６、ｄ−ｑ変換部８およびモータ３の保持ブレーキないしモータ固定手段に接続している。

このような構成のインバータ装置１０では、断線検出部５へ入力される電流指令Ｉｄ、Ｉｑに基づいて、電圧変換部９がＰＷＭ周波数を出力し、インバータ回路１が、このＰＷＭ周波数に基づいて電源２の電圧によりモータ３を駆動する。
この時、電流検出手段４が、モータ３に流れるＵ相およびＶ相電流を検出し、ｄ−ｑ変換部８が、検出されたＵ相およびＶ相電流Ｉｕ、Ｉｖをｄ−ｑ軸電流へ変換する。その変換値Ｉｄｃ、Ｉｑｃは、断線検出部５を介して電流制御部６へフィードバックされる。

電流制御部６は、ｄ軸の実電流Ｉｄｃ’がd軸の電流指令Ｉｄ’へ追従するように、またｑ軸の実電流Ｉｑｃ’がｑ軸の電流指令Ｉｑ’へ追従するようＰＩ制御される。次いで、ｄ−ｑ逆変換部７は、電流制御部６が計算したｄ−ｑ軸の電圧指令Ｖｄ、ＶｑをＵ相、Ｖ相およびＷ相の電圧指令Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗに変換し、電圧変換部９へ出力する。電圧変換部９は、この入力に従ってインバータ回路１を制御し、モータ３に流れる電流を補正する。
このようなインバータ装置１０の構成と作動は従来のものと同様で良く、本文ではこれ以上の説明を省略する。

一方、断線検出部５は、断線検出モードと通常モードに切り換えるように構成している。断線検出部５は、Ｉｄ’、Ｉｑ’、Ｉｄｃ’、Ｉｑｃ’、θ’およびモータ３の保持ブレーキないしモータ固定手段を制御し、また、電流検出手段４が検出したモータ３に流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相電流の割合を計算し、モータが断線しているか否かを検知する。

断線検出部５は、通常モード時に、モータ３の保持ブレーキないしモータ固定手段を解除し、Ｉｄ’＝Ｉｄ、Ｉｑ’＝Ｉｑ、Ｉｄｃ’＝Ｉｄｃ、Ｉｑｃ’＝Ｉｑｃおよびθ’＝θとして、通常のモータ動作を行う。
断線検出部５は、断線検出モードでは、保持ブレーキないしモータ固定手段を働かせてモータを回転しないよう固定し、さらに、Ｉｄ’＝０、Ｉｑ’＝一定値、Ｉｄｃ’＝０、Ｉｑｃ’＝０およびθ’＝仮想電気角（断線検出モード時の設定）として制御される。この場合の一定の電流指令Ｉｑ’は任意の固定値で良いが、例えば、モータの定格電流に一定の係数をかけて算出する。

続いて、断線検出モードにおける断線検出方法を説明する。
前述の通り、電流制御部６はＩｄ’、Ｉｑ’、Ｉｄｃ’、Ｉｑｃ’を入力としたＰＩ制御で制御されており、上記断線検出モード時の設定を入力とした場合、定常状態においては、Ｖｄ＝０、Ｖｑ＝一定値となる。
また、ｄ−ｑ逆変換部７における処理は、次の式のように表される。

モータ３が断線していない場合、実電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗは、モータが保持ブレーキないし固定手段により固定されているため、誘起電圧の影響を受けず、電圧指令Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗに比例し、図２に示すようになる。
一方、モータ２のＵ相が断線している場合、実電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗは、図３のようになる。Ｖ相断線の場合には、実電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗは、図４のようになる。また、Ｗ相が断線している場合、実電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗは、図５のようになる。

図２と図３を比較すると、モータに断線が無い場合、仮想電気角６０°および２４０°におけるＵ相電流とＶ相電流の絶対値の比率｜Ｉｕ｜／｜Ｉｖ｜は１であるが、Ｕ相断線の場合、Ｕ相電流とＶ相電流の絶対値の比率｜Ｉｕ｜／｜Ｉｖ｜は0である。
また、モータが断線していない場合、仮想電気角１２０°および３００°におけるＷ相電流とＵ相電流の絶対値の比率｜Ｉｗ｜／｜Ｉｕ｜は１であるが、Ｕ相が断線している場合、Ｗ相電流とＵ相電流の絶対値の比率｜Ｉｗ｜／｜Ｉｕ｜は∞である。

図２と図４を比較すると、モータが断線していない場合、仮想電気角０°および１８０°におけるＶ相電流とＷ相電流の絶対値の比率｜Ｉｖ｜／｜Ｉｗ｜は１であるが、Ｖ相断線の場合、Ｖ相電流とＷ相電流の絶対値の比率｜Ｉｖ｜／｜Ｉｗ｜は0である。
また、モータが断線していない場合、仮想電気角６０°および２４０°におけるＵ相電流とＶ相電流の絶対値の比率｜Ｉｕ｜／｜Ｉｖ｜は１であるが、Ｕ相が断線している場合、Ｕ相電流とＶ相電流の絶対値の比率｜Ｉｕ｜／｜Ｉｖ｜は∞である。

さらに、図２と図５を比較すると、モータに断線がない場合、仮想電気角０°および１８０°におけるＶ相電流とＷ相電流の絶対値の比率｜Ｉｖ｜／｜Ｉｗ｜は１であるが、Ｗ相が断線している場合、Ｖ相電流とＷ相電流の絶対値の比率｜Ｉｖ｜／｜Ｉｗ｜は∞である。
また、モータが断線していない場合、仮想電気角１２０°および３００°における、Ｗ相電流とＵ相電流の絶対値の比率｜Ｉｗ｜／｜Ｉｕ｜は１であるが、Ｕ相が断線している場合、Ｗ相電流とＵ相電流の絶対値の比率｜Ｉｗ｜／｜Ｉｕ｜は0である。

これらを纏めると、次の表のようになる。

実際にモータの断線を調べるには、仮想的な電気角は、０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°および３００°のうち、０°および１８０°のグループＡと６０°および２４０°のグループＢと１２０°および３００°のグループの中から、最低２グループの電気角を選択すれば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のいずれが断線している場合でも検知可能である。

本実施の形態によるインバータ装置１０は、上記アルゴリズムに従ってモータ断線を検出すべく、断線検出モードに入ると、まず、断線検出部５が、一定時間に渡って仮想的な電気角を０°に設定し、この時のＵ相、Ｖ相およびＷ相の実電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを読み込む。
これら電流のうちＵ相とＶ相については、電流検出手段４が実際の値を検出する。Ｗ相に対しては、式Ｉｗ＝−（Ｉｕ＋Ｉｖ）によって、Ｉｗを計算で求める。
そして、これら実電流の絶対値の比率を求め、次の関係が成立するかどうかを調べる。

次に、さらに一定時間、仮想的な電気角を６０°に設定し、この時の実電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗを読み込む。そして、次の関係を調べる。

続いて、さらに一定時間、仮想的な電気角を１２０°に設定し、この時の実電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗを読み込む。そして、次の関係を調べる。

このように、インバータ装置１０は、上記３つの関係が成立するか否かを順次調べる。１つでも上記関係が成り立つ場合には、モータ結線の異常と見なして、モータ３の駆動を禁止する。
上記異常検知閾値は、断線していない場合の電流値の割合１と、断線している場合の異常な電流値の割合０または∞との違いを判別できれば良く、本実施の形態では、０と１中間値を取って０．５を採用する。

なお、上述した断線検出は、インバータ装置１０のメモリにプログラムを格納しておき、断線検出モード時に、内蔵の演算ユニット（ＣＰＵ）がこのプログラムを実行することで行う。これらメモリや演算ユニットも従来のもので良く、本文ではこれ以上説明しない。

本発明のモータ駆動用インバータ制御装置は、種々の産業分野に採用可能である。
例えば、産業用ロボットにおいて、その手首や関節部の駆動に用いることができる。この場合、インバータ装置には、ロボットによる操業が始まる前にその導通状態を調べて、異常がある場合にはロボットを動作禁止にするように構成する。このため、インバータ装置には、異常検知の場合にロボットを動作禁止にする手段を設けることができる。

本発明の実施形態によるモータ駆動用インバータ装置の構成を示すブロック線図である。 図１の装置において断線がない状態のモータに流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相実電流を示す線図である。 図１の装置においてＵ相断線時にモータに流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相実電流を示す線図である。 図１の装置においてＶ相断線時にモータに流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相実電流を示す線図である。 図１の装置においてＷ相断線時にモータに流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相実電流を示す線図である。

符号の説明

１ インバータ回路
２ ３相交流電源
３ モータ
４ 電流検出手段
５ 断線検出部
６ 電流制御部
７ ｄ−ｑ逆変換部
８ ｄ−ｑ変換部
９ 電圧変換部
１０ インバータ装置
θ 電気角
θ’ 仮想電気角
Ｉｄ，Ｉｄ’，Ｉｑ，Ｉｑ’ 電流指令
Ｉｕ Ｕ相電流
Ｉｖ Ｖ相電流
Ｉｗ Ｗ相電流

Claims (3)

1. インバータ回路と制御回路とを含み、制御回路が入力された電流指令に応じてインバータ回路を制御し、３相交流を変換させてモータを駆動するインバータ装置において、
   モータ側の結線状態を調べる断線検出部を設け、該断線検出部は、断線検出時に、モータの保持ブレーキないし固定手段を作動させてその回転を固定した上で、電流指令として任意の固定値を制御回路へ入力し、制御回路のｄ−ｑ逆変換部における所定の電気角でモータへ流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相電流の比を算出して、これらの比からモータ側の断線を判定することを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記断線検出部は、前記所定の電気角を０°および１８０°のグループＡ、６０°および２４０°のグループＢ、そして１２０°および３００°のグループＣとし、グループＡではＶ相およびＷ相電流の比を、グループＢではＵ相およびＷ相電流の比を、またグループＣではＷ相およびＵ相電流の比をそれぞれ算出し、これらグループのうちから２グループ以上の電気角を選択し設定して断線検出を行う、インバータ装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、前記断線検出部は、算出した電流比の絶対値が０または∞であるか否かで断線を判定する、インバータ装置。