JP2007215352A - 負荷保護装置および負荷保護方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 パワーアンプ基板3には、電源1a、1b、モータ2および制御基板6が接続されている。パワーアンプ基板3は、制御基板6からの電流指令信号に基づいて駆動信号を出力するフォトカプラPC1〜PC3と、駆動信号に基づいて電源1aからの電流をモータ2に供給するモータ駆動回路39と、モータ2への駆動電流に異常が発生したときは、アラーム信号を出力するアラーム回路35と、アラーム回路35からのアラーム信号をラッチするラッチ回路36と、ラッチ回路36でラッチしたアラーム信号に基づいて、電源1aと整流器38の電源ラインを非導通状態に切り換えるリレー40と、リレー40と並列に接続された突入電流防止抵抗41とを備える。
【選択図】 図1
Description
図6は、従来のモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
信号処理部310は、スイッチングレギュレータ33と、スイッチングレギュレータ33から電力の供給を受けてスイッチング動作を行うフォトカプラPC1〜PC3と、アラーム回路350とを有して構成されている。フォトカプラPC1〜PC3は、制御基板600からの電流指令信号がローレベルであるときは、モータ2に電流を供給すべき駆動信号を出力し、制御基板600からの電流指令信号がハイレベルであるときは、モータ2への電流供給を遮断すべき駆動信号を出力する。
アラーム回路350は、モータ2への駆動電流を検出し、検出した駆動電流がモータ2のあらかじめ設定された限界値以上となったときは、モータ2の駆動を停止すべきアラーム信号を出力する。
電流指令出力回路61は、CPU62からの制御信号に基づいて電流指令信号を出力する。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、障害等の発生時に負荷への電流供給を防止するのに好適な負荷保護装置および負荷保護方法を提供することを目的としている。
このような構成であれば、負荷稼動装置では、電源からの電流が負荷に供給され、負荷が稼動する。
ここで、稼動とは、動力の発生を伴って負荷を動作させること、動力の発生を伴わずに負荷を動作させることをいう。前者の負荷には、例えば、モータ、アクチュエータが含まれる。後者の負荷には、例えば、電子回路、半導体装置が含まれる。以下、請求項2記載の負荷保護装置、および請求項4記載の負荷保護方法において同じである。
電力供給基板では、電流指令信号が入力されると、稼動信号出力手段により、入力された電流指令信号に基づいて稼動信号が出力され、負荷稼動手段により、稼動信号に基づいて電源からの電流が負荷に供給される。負荷に電流が供給されると、負荷が稼動する。
ここで、過電流保護手段は、電力供給基板から制御基板に電力を伝達する電流経路に設けられていればよく、電力供給基板、制御基板その他の任意の箇所に設けることができる。
また、過電流保護手段としては、例えば、ヒューズ、ブレーカ、電磁開閉器および電磁接触器が含まれる。
このような構成であれば、制御基板に操作装置が接続され、操作装置の操作により操作信号が入力されると、制御手段により、入力された操作信号に基づいて電流指令信号出力手段が制御される。
次に、操作装置に障害等が発生し、電力供給基板から制御基板に電力を伝達する電流経路に過電流が発生すると、過電流保護手段により、制御基板への電力供給が遮断される。
さらに、本発明に係る請求項2記載の負荷保護装置によれば、電力供給基板から制御基板に電力を伝達する電流経路に過電流が発生し、負荷に供給される電流に異常が発生した場合は、アラーム信号出力手段が動作し、負荷への電流供給が遮断されるので、障害等の発生時に制御基板が動作不能となっても負荷への電流供給を防止することができるという効果が得られる。
一方、本発明に係る請求項4記載の負荷保護方法によれば、請求項1記載の負荷保護装置と同等の効果が得られる。
本実施の形態は、本発明に係る負荷保護装置および負荷保護方法を、図1に示すように、モータ2を制御する場合について適用したものである。
まず、本発明を適用するモータ制御装置の構成を説明する。
モータ制御装置は、図1に示すように、交流電源からなる電源1a、1bと、ダイレクトドライブモータからなるモータ2と、モータ2を駆動するパワーアンプ基板(PA)3と、モータ2を制御する制御基板(CB)6と、制御基板6を操作する操作用端末7とを有して構成されている。なお、ダイレクトドライブモータとしては、例えば、特開2003-153510号公報に開示されているものを利用することができる。
パワーアンプ基板3には、U相の電流の指令値を示す電流指令信号を入力する入力端子T11と、V相の電流の指令値を示す電流指令信号を入力する入力端子T12と、W相の電流の指令値を示す電流指令信号を入力する入力端子T13と、制御基板6が起動中であることを示すPWMON信号を入力する入力端子T14と、制御基板6に電力を供給する電力供給端子T15と、グランド端子T16と、アラーム信号を出力する出力端子T17とが設けられている。制御基板6には、U相の電流指令信号を出力する出力端子T21と、V相の電流指令信号を出力する出力端子T22と、W相の電流指令信号を出力する出力端子T23と、PWMON信号を出力する出力端子T24と、電力入力端子T25と、制御基板6のグランドに接続されたグランド端子T26と、アラーム信号を入力する入力端子T27とが設けられている。そして、入力端子T11と出力端子T21は信号線で接続されている。同様に、入力端子T12と出力端子T22、入力端子T13と出力端子T23、入力端子T14と出力端子T24、電力供給端子T15と電力入力端子T25、グランド端子T16とグランド端子T26、および出力端子T17と入力端子T27もそれぞれ信号線で接続されている。
パワーアンプ基板3は、制御基板6からの信号を処理する信号処理部31と、モータ2に電力を供給する電力供給部32とを有して構成されている。
フォトカプラPC4は、OR回路37の出力信号に基づいて、電力供給部32への電力供給の有無を切り換える切換信号を出力する機能を有する。フォトカプラPC4の一端は、スイッチングレギュレータ33の電源ラインに接続され、その他端は、抵抗R4を介してOR回路37に接続されている。フォトカプラPC4は、OR回路37の出力信号がローレベルであるときは、電力供給部32に電力を供給すべき切換信号を出力し、OR回路37の出力信号がハイレベルであるときは、電力供給部32への電力供給を遮断すべき切換信号を出力する。
スイッチングレギュレータ33の電源ラインであって電源ラインL1との接点よりも前段(スイッチングレギュレータ33側)には、所定の電流が流れたときに溶断するヒューズ34が設けられている。この箇所は、フォトカプラPC1〜PC3への電源ラインおよび制御基板6への電源ラインが共用する電源ラインであるので、ヒューズ34の溶断により、制御基板6への電力供給およびフォトカプラPC1〜PC3への電力供給を一括で遮断することができる。
電力供給部32は、電源1aの交流電力を直流に整流する整流器38と、整流器38の出力を平滑化する平滑コンデンサCと、平滑コンデンサCで平滑化した電流をモータ2に供給するモータ駆動回路39と、電源1aと整流器38の電源ラインに設けられたリレー40と、リレー40と並列に接続された突入電流防止抵抗41とを有して構成されている。
インバータ回路39aは、2つの電界効果トランジスタFET1およびFET2が直列に接続された第1直列回路と、第1直列回路と並列に接続された同様に2つの電界効果トランジスタFET3およびFET4の第2直列回路と、第1直列回路と並列に接続された同様に2つの電界効果トランジスタFET5およびFET6の第3直列回路とからなる3相交流インバータ回路である。そして、FETゲート駆動回路39bから供給されるゲート駆動信号によりスイッチング動作し、平滑コンデンサCに接続するPL線とNL線の間の直流電圧を3相交流電力に変換し、モータ2のUL線、VL線およびWL線の間に3相交流電圧を出力する。
リレー40は、電力供給部32に電力を供給すべき切換信号をフォトカプラPC4から入力したときは、接点を閉じて電源1aと整流器38の電源ラインを導通状態とし、電力供給部32への電力供給を遮断すべき切換信号をフォトカプラPC4から入力したときは、接点を開いて電源1aと整流器38の電源ラインに突入電流防止抵抗41を接続する。
制御基板6は、パワーアンプ基板3から電力の供給を受けて動作する電流指令出力回路61およびCPU62と、パワーアンプ基板3から電力の供給を受けてスイッチング動作を行うフォトカプラPC5とを有して構成されている。
電流指令出力回路61、CPU62および電力供給端子T28は、電源ラインL2により電力入力端子T25と接続されている。
電流指令出力回路61は、CPU62からの制御信号に基づいて電流指令信号を出力する。例えば、速度指令信号を入力したときは、モータ2の回転速度が速度指令値と一致するように電流指令値を各相ごとに算出し、算出した電流指令値を示す電流指令信号を出力する。
図2は、アラーム回路35の回路構成を示すブロック図である。
アラーム回路35は、図2に示すように、モータ2の各相に対応して構成されている。
U相の系は、モータ2のUL線の電流を電圧値に変換する電流センサ70aと、電流センサ70aの出力信号からノイズを除去するフィルタ回路71aと、フィルタ回路71aの出力電圧を積分する積分回路72aと、比較器73a、74aとで構成されている。
比較器73aのプラス入力には、積分回路72aが接続され、比較器73aのマイナス入力には、最大駆動電流値および所定時間Tの積分値に対応する基準電圧VT1の電源ラインが接続されている。比較器73aは、積分回路72aの出力電圧が基準電圧VT1よりも低いときは、ローレベルの信号を出力し、積分回路72aの出力電圧が基準電圧VT1よりも高いときは、ハイレベルの信号を出力する。すなわち、UL線の電流が最大駆動電流値以上となった状態が所定時間T継続したときにハイレベルの信号を出力する。
W相の系は、電流センサ70c、フィルタ回路71c、積分回路72cおよび比較器73c、74cで構成されている。これらは、U相の系における各部70a〜74aと同一の機能を有する。異なるのは、モータ2のWL線の電流を対象にしている点である。
OR回路75aは、比較器73a〜73cの出力信号のうちいずれかがハイレベルであるときは、ハイレベルの信号を出力する。すなわち、UL線、VL線およびWL線のいずれかの電流が、最大駆動電流値以上となった状態が所定時間T継続したときにハイレベルの信号を出力する。
OR回路75bは、比較器74a〜74cの出力信号のうちいずれかがハイレベルであるときは、ハイレベルの信号を出力する。すなわち、UL線、VL線およびWL線のいずれかの電流が限界電流値以上となったときにハイレベルの信号を出力する。
図3は、モータ2への駆動電流の経時変化を示すタイムチャートである。
モータ2に対しては、図3に示すように、定格電流値IT1、最大駆動電流値IT2および限界電流値IT3が規定されている。定格電流値IT1が最も小さく、限界電流値IT3が最も大きい。図3のグラフは、例えば、CPU62がモータ2の駆動を停止すると判断した時点を原点として、その時点からの経時変化を示すものである。
まず、図4に示すように、ステップS10に移行して、モータ2への駆動電流を検出し、ステップS12に移行して、検出した駆動電流が限界電流値IT3以上であるか否かを判定し、限界電流値IT3以上であると判定したとき(Yes)は、ステップS14に移行して、アラーム信号を出力する。
一方、ステップS16で、駆動電流の値がアラーム領域に属さないと判定したとき(No)は、ステップS10に移行する。
パワーアンプ基板3に電源1a、1bが接続されると、パワーアンプ基板3を介して制御基板6に電力が供給される。このとき、突入電流が発生すると、突入電流の一部がブリーダ抵抗RBBを流れるので、フォトカプラPC1〜PC4への過電流の流入が抑制されるとともにスイッチングレギュレータ33が安定化する。
パワーアンプ基板3では、電流指令信号が入力されると、フォトカプラPC1〜PC3により、入力された電流指令信号に基づいて駆動信号が出力され、モータ駆動回路39により、駆動信号に基づいて電源1aからの電流がモータ2に供給される。モータ2に電流が供給されると、モータ2が駆動する。
また、ヒューズ34が溶断したときは、スイッチングレギュレータ33からの電流がブリーダ抵抗RBBを流れるので、スイッチングレギュレータ33が安定化する。
一方、ヒューズ34が溶断したにもかかわらず、モータ駆動回路39に障害等が発生し、モータ2に最大駆動電流が供給され、その状態が所定時間T継続すると、図5に示すように、アラーム回路35によりアラーム信号が出力され、ラッチ回路36によりアラーム信号がラッチされる。このとき、制御基板6には電力の供給が遮断されているので、CPU62が動作不能であるが、ラッチ回路36がアラーム信号をラッチしているので、フォトカプラPC4により、電力供給部32への電力供給を遮断すべき切換信号が出力される。そして、リレー40により、電源1aと整流器38の電源ラインに突入電流防止抵抗41が接続される。突入電流防止抵抗41に過電流が流れると、内部の温度ヒューズが溶断する。これにより、モータ2への電流供給が遮断されるので、モータ2の駆動が停止する。
このようにして、本実施の形態では、モータ2への駆動電流に異常が発生したときは、アラーム信号を出力するアラーム回路35と、アラーム回路35からのアラーム信号に基づいて、電源1aと整流器38の電源ラインを非導通状態に切り換えるリレー40と、リレー40と並列に接続された突入電流防止抵抗41とを備える。
さらに、本実施の形態では、アラーム回路35からのアラーム信号をラッチするラッチ回路36を備える。
これにより、モータ2への駆動電流に異常が発生した場合は、アラーム回路35が動作し、アラーム信号が保持されるので、障害等の発生時にモータ2への電流供給をさらに確実に防止することができる。
これにより、障害等の発生により、モータ2への駆動電流が限界電流値以下であっても、最大駆動電流値以上となった状態が所定時間T継続した場合は、アラーム回路35が動作するので、障害等の発生時にモータ2への電流供給を防止することができる。
さらに、本実施の形態では、アラーム回路35は、モータ2への駆動電流が限界電流値以上となったときは、アラーム信号を出力する。
これにより、障害等の発生により、モータ2への駆動電流が限界電流値以上となった場合は、アラーム回路35が動作するので、障害等の発生時にモータ2への電流供給を防止することができる。
これにより、障害への耐性が高くなり、障害等の発生時にモータ2への電流供給をさらに確実に防止することができる。
さらに、本実施の形態では、スイッチングレギュレータ33からフォトカプラPC1〜PC3への電源ラインおよび制御基板6への電源ラインが共用する電源ラインにヒューズ34を設けた。
これにより、電源ラインL2に過電流が発生した場合は、制御基板6への電力供給およびフォトカプラPC1〜PC3への電力供給が一括で遮断され、電流を供給すべき駆動信号の出力が抑制されるので、過電流から制御基板6を保護することができるとともにモータ2への電流供給を防止することができる。
これにより、ヒューズ34が溶断したときに、スイッチングレギュレータ33の端子電圧の上昇を抑制し、スイッチングレギュレータ33を安定化させることができる。また、突入電流が発生したときに、突入電流からフォトカプラPC1〜PC4を保護するとともにスイッチングレギュレータ33を安定化させることができる。
これにより、操作用端末7で障害等が発生して過電流が発生した場合に、過電流から制御基板6を保護することができるとともにモータ2への電流供給を防止することができる。
なお、上記実施の形態においては、アラーム回路35は、UL線、VL線およびWL線の電流を検出するように構成したが、これに限らず、次の2つの構成を提案することができる。
第2の構成は、電流指令出力回路61からの電流指令信号を検出し、モータ2への駆動電流が最大駆動電流値以上となる電流指令信号の出力が所定時間T継続したときは、アラーム信号を出力する。
第3の構成は、電流指令出力回路61からの電流指令信号を検出し、検出した各電流指令信号がいずれもローレベルであるときは、アラーム信号を出力する。
VR型のダイレクトドライブモータは、3相が独立の巻線で構成されたユニポール型であり、位相が異なる3組のパルス波の電流を供給して駆動する。各相の駆動電流は、位相がそれぞれ120°ずれており、1相または2相がハイレベルの状態を取り得る。
また、上記実施の形態において、リレー40は、モータ2への駆動電流に異常が発生したときに接点を開閉するように動作させたが、これに限らず、電源1aを整流器38に接続する前に接点を開いておき、電源1aを接続してから所定時間経過後(例えば、ローレベルのPWMON信号を入力したとき)に接点を閉じるように動作させることもできる。
また、上記実施の形態において、アラーム信号は、モータ2への電流供給を遮断する用途に用いたが、これに限らず、モータ2の駆動を停止させるための用途であればあらゆる用途に用いることができる。
この場合、さらに、NチャネルMOSFETおよびPチャネルMOSFETは、例えば、VHCT(Very High Speed CMOS, TTL Compatible Inputs)型のCMOS(Complementary Mental-Oxide Semiconductor)として構成することができる。
これにより、高速応答が可能であり、特に、制御基板6への電力供給が遮断されたときにモータ2への電流供給を速やかに遮断することができる。
また、上記実施の形態においては、3相のモータ2を用いて構成したが、これに限らず、2相のモータまたは4相以上のモータを用いて構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、本発明に係る負荷保護装置および負荷保護方法を、モータ2を制御する場合について適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。
2 モータ
3、300 パワーアンプ基板
6、600 制御基板
31、310 信号処理部
32、320 電力供給部
34 ヒューズ
35 アラーム回路
36 ラッチ回路
70a〜70c 電流センサ
71a〜71c フィルタ回路
72a〜72c 積分回路
73a〜73c、74a〜74c 比較器
37、75a、75b、76 OR回路
39 モータ駆動回路
40 リレー
61 電流指令出力回路
62 CPU
L1、L2 電源ライン
PC1〜PC5 フォトカプラ
Claims (4)
- 電源からの電流を負荷に供給して前記負荷を稼動する負荷稼動装置に適用される負荷保護装置であって、
前記負荷に供給される電流に異常が発生したときは、前記負荷の稼動を停止すべきアラーム信号を出力するアラーム信号出力手段と、前記アラーム信号出力手段からのアラーム信号に基づいて、前記電源から前記負荷に電流を供給する電流経路を非導通状態に切り換える切換手段と、前記切換手段と並列に接続されたヒューズ付き抵抗素子とを備えることを特徴とする負荷保護装置。 - 電源からの電流を負荷に供給して前記負荷を稼動する電力供給基板と、前記電力供給基板から電力の供給を受けて動作しかつ前記負荷を制御する制御基板と、前記電力供給基板から前記制御基板に電力を伝達する電流経路に設けられた過電流保護手段とを備え、前記制御基板は、前記負荷に供給すべき電流の指令値を示す電流指令信号を出力する電流指令信号出力手段を備え、前記電力供給基板は、前記制御基板からの電流指令信号に基づいて稼動信号を出力する稼動信号出力手段と、前記稼動信号出力手段からの稼動信号に基づいて前記電源からの電流を前記負荷に供給する負荷稼動手段とを備える負荷保護装置であって、
前記電力供給基板は、前記負荷に供給される電流に異常が発生したときは、前記負荷の稼動を停止すべきアラーム信号を出力するアラーム信号出力手段と、前記アラーム信号出力手段からのアラーム信号に基づいて、前記電源から前記負荷に電流を供給する電流経路を非導通状態に切り換える切換手段と、前記切換手段と並列に接続されたヒューズ付き抵抗素子とを備えることを特徴とする負荷保護装置。 - 請求項1および2のいずれか1項において、
前記制御基板は、前記過電流保護手段を介して前記電流経路に接続されかつ操作装置に電力を供給する電力供給端子と、前記操作装置からの操作信号を入力する操作信号入力端子と、前記操作信号入力端子から入力した操作信号に基づいて前記電流指令信号出力手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする負荷保護装置。 - 電源からの電流を負荷に供給して前記負荷を稼動する負荷稼動装置に適用される負荷保護方法であって、
前記負荷に供給される電流に異常が発生したときは、前記負荷の稼動を停止すべきアラーム信号を出力するアラーム信号出力ステップと、前記アラーム信号出力ステップで出力したアラーム信号に基づいて、前記電源から前記負荷に電流を供給する電流経路を非導通状態に切り換える切換ステップと、前記切換ステップで非導通状態に切り換えた後に前記電流経路にヒューズ付き抵抗素子を接続する抵抗素子接続ステップとを含むことを特徴とする負荷保護方法。
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