JP2007288891A

JP2007288891A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2007288891A
Application number: JP2006112224A
Authority: JP
Inventors: Masaki Hisatsune; 正希久恒; Mitsujiro Sawamura; 光次郎沢村; Masayoshi Takahashi; 正悦高橋
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】モータ通電時にｄ軸電流指令を与え、ｄ軸電圧指令が飽和しないかを監視することで、電流検出部の異常を検出することができることを目的とする。
【解決手段】モータ７に電力を供給する電力変換部６と、前記電力変換部６を制御して外部からの電流指令通りにモータ電流を供給させる電流制御部５と、前記電力変換部６から供給されるモータ電流値を検出する電流検出部４とを備えた電力変換装置において、前記モータへの通電時にｄ軸電流指令を与える前記電力制御部５と、前記ｄ軸電圧指令について異常検出を行う電圧指令異常検出部３を備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータを駆動する電力変換装置の保護方法に関する。

従来の電力変換装置では、モータトルクに寄与しないｄ軸電流をモータに供給し、エンコーダ情報から異常な動作がないかを、また、電流検出部が検出するモータ電流から異常な電流がないかを監視し、モータ駆動装置の異常検出を行っている（例えば、特許文献１参照）。
また、一般的な電力変換装置について図を用いて説明する。図２に示すように、モータ７に電流を供給する電力変換部６と、電力変換部６を制御して外部からの電流指令通りにモータ電流を供給させる電流制御部５と、電力変換部６から供給されるモータ電流値を検出する電流検出部４と、モータ電流検出値の異常を判定するモータ電流異常検出部３と、モータエンコーダで検出した位置情報の異常を判定するエンコーダ異常検出部２を備えている。
電力変換部６には、３相電圧形ＰＷＭインバータなどが用いられる。３相電圧形ＰＷＭインバータでは電流制御部５より電圧幅が指令され、モータ７端子間に電圧を供給し、モータ電流を流す。電流制御部５では、外部から与えられた電流指令通りにモータ電流を流すように、電流指令と電流検出部４で検出したモータ電流値を用いたＰＩ制御などを行う。電流検出部４ではモータ電流値を検出し、電流制御部５にデータを渡している。電流検出部は、モータ性能向上のためには必要なものである。サーボにおいては前述したように電流制御のフィードバックとして用いられるし、インバータにおいてもベクトル制御の電流フィードバックや、Ｖ／Ｆ運転でのモータ乱調防止に使用されている。この電流検出値の異常を判断するためにモータ電流異常検出部３を備えている。また、モータの挙動から異常を判断するためにエンコーダ異常検出部があり、エンコーダ情報から得られる位置や速度の情報から異常を判断することができる。
このようなモータを駆動する電力変換装置は、ロボットや工作機械に用いられるので、モータや電力変換装置の異常を確実に検出し、モータの誤動作からマシンや人を保護することが求められる。異常検出の方法としては、モータに搭載しているエンコーダの情報から異常な動作を検出する方法や、電流検出部が検出するモータ電流を監視する方法などがある。
特開平１１−３４１８９７公報

しかしながら、従来の電力変換装置は、エンコーダや電流検出部が正常に動作していることが前提の基では有効であるが、エンコーダや電流検出部に異常があると、モータや電力変換装置の異常を正確に検出できないという問題が生じていた。このため、最近のエンコーダは、シリアル通信方式のもので自己診断機能を有するものが主流となり、エンコーダ自体の異常も確実に検出できるようになってきた。
しかし、電流検出部の異常はあまり考慮されておらず、例えば、電流検出部が故障または断線して電流値が「０」としか認識されなかった場合、電流制御部は電圧指令を最大にして電流を流そうとするので、過剰な電流が流れ、電力変換部のパワー素子が破壊したり、モータが焼損したりする問題が生じていた。また、エンコーダが正常であればｄ軸電流しか流れないので、モータが動作することはない。このため、モータ動作の異常を監視していても異常を検出することはできない等の問題が生じていた。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、最初のモータ通電時にｄ軸電流指令を与え、ｄ軸電圧指令が飽和しないかを監視することで、電流検出部の異常を検出することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、モータに電力を供給する電力変換部と、前記電力変換部を制御して外部からの電流指令通りにモータ電流を供給させる電流制御部と、前記電力変換部から供給されるモータ電流値を検出する電流検出部とを備えた電力変換装置において、
前記モータへの通電時にｄ軸電流指令を与える前記電力制御部と、前記ｄ軸電圧指令について異常検出を行う電圧指令異常検出部とを備えたものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記電流検出部で検出するｄ軸電流が、前記ｄ軸電流指令に追従しているかを判別することで異常検出処理を行うものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記モータに取り付けられたエンコーダのエンコーダ信号から算出されたモータ位相が変化しないかを判別することで異常検出処理を行うものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記モータに取り付けられたエンコーダのエンコーダ信号から算出されたモータ位相に基づいて計算される速度が、一定速度以上になるかを判別することで異常検出処理を行うものである。

請求項１に記載の発明によると、電流検出部の異常を検出することができるので、電力変換部のパワー素子の破壊やモータの焼損を防ぐことができる。
また、請求項２に記載の発明によると、複数の異常検出手段により異常検出を行うので、電流検出部の異常がより確実に検出できる。
また、請求項３および請求項４に記載の発明によると、電流検出部の異常検出と同時にエンコーダの異常を検出できるので、モータや電力変換装置の異常をより確実に検出できる。

以下、本発明の方法の具体的実施例について、図１に基づいて説明する。

図１は、本発明の方法を実施するモータ駆動装置の構成を示すブロック図である。図において、１は電圧指令を監視し、ｄ軸電流指令を与えた時にｄ軸電圧指令が飽和に近いレベルまで大きくなった場合に異常を検出する電圧指令異常検出部、２はエンコーダが管理しているモータの位相情報を監視したり、エンコーダの自己診断機能で発生する異常を監視したりすることで、モータやエンコーダの異常を検出するエンコーダ異常検出部、３は電流検出部で検出したモータ電流値が異常であるかを判別するモータ電流異常検出部、４はモータ電流値を検出する電流検出部となっている。電流検出部４は一般的には電力変換装置内に組み込まれているが、場合によっては、電流制御部と電力変換部が分離され、電流検出部は電力変換部に置かれ、電流検出値データは二つの装置間に渡されたケーブルで伝送するような構成も存在する。この場合、ケーブルコネクタの勘合の不備などにより、電流検出が正確にできない不具合も発生しやすくなる。また、５は電力変換部を制御して外部からの電流指令通りにモータ電流を供給させる電流制御部、６は３相ＰＷＭインバータなどで構成される電力変換部、７はモータ、８はモータ位相を検出するエンコーダとなっている。最近のエンコーダは、シリアル通信方式のもので自己診断機能を有するものが主流となり、エンコーダ自体の異常も検出できるようになっているものも多い。
本発明が特許文献１と異なる点は、電圧指令異常検出部を設けることにより、電流検出部の異常を検出できるようになっていることである。

モータ７を回転させるために一般的にはＵ，Ｖ，Ｗの３相の電流を用いるが、電流制御部５での計算を簡単にするため、トルクを発生させるｑ軸電流とトルクに寄与しないｄ軸電流の２相電流に変換し、電流制御を行う。
外部よりトルクを発生させるｑ軸電流の指令が電流制御部５に与えられると、ｑ軸とｄ軸それぞれについてＰＩ制御を行い、ｑ軸電圧指令，ｄ軸電圧指令を作成する。その後、ｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令をエンコーダ８の位相情報に基づいてＵ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令に変換し、電力変換部６に転送する。電力変換部６は、Ｕ相電圧指令，Ｖ相電圧指令，Ｗ相電圧指令に基づいた電圧をモータ端子間に供給することで、モータ７に電流を流し、トルクを発生させている。また、モータ７に流れる電流値は、電流検出部４で検出され、Ｕ相電流，Ｖ相電流，Ｗ相電流をｑ軸電流，ｄ軸電流に変換し、ＰＩ制御にフィードバックしている。

本発明は、トルクに寄与しないｄ軸電流を流してもモータは回転しないことを電流検出部の異常検出に利用している。具体的な方法を以下に示す。
電源投入後、最初のモータ通電（サーボオン）の信号が与えられた時、外部から与えられる電流指令がどのようなものであろうと、まず、一定のｄ軸電流指令を与えるようにする。ｄ軸電流はモータトルクに寄与しないので、モータ７が回転することはない。回転した場合は、その時点でエンコーダ異常検出部２がアラームを出力するので、システムを停止させることができる。
ｄ軸に電流を流したとき、電流検出部４の断線などが起こっている場合を考える。この場合、実際のモータ電流は流れているにも関わらず、モータ電流検出値は「０」のまま変化しない。モータ７が停止している時、電流制御にモータ７の誘起電圧外乱は発生しないので、この状態でＰＩ制御を行うと、電流制御部５はもっと電流を多く流そうとしてｄ軸電圧指令を大きくする。そのため、実際のモータ７には過大な電流が流れることになる。モータ７に過大な電流が流れても、ここではｄ軸に電流を流しているので、モータ７は回転することはない。そのため、モータ７の動きをエンコーダ８で監視していてもこの異常は検出できないのである。
また、モータ電流検出値が「０」のままなので、過大な電流を検出し、アラームを出力するモータ電流検出部３もこの異常は検出できない。
この状態を検出するため、ｄ軸電圧指令に着目し、ｄ軸電圧指令が電圧飽和に近いレベルまで大きくなったら、電流検出部の故障、または、断線として異常検出を行う電圧指令異常検出部１を追加する。この異常検出を行うことで、電力変換部のパワー素子の破壊やモータの焼損を防ぐことができる。

また、上記異常検出と同時に、モータ電流検出値を監視し、ｄ軸電流指令に応じたｄ軸電流が流れているかを判断することによって、電流検出部のより多くの故障モードを検出することができると同時に、電力変換装置やモータの異常も検出することができるので、システムとしての異常検出精度を向上することもできる。
また、上記異常検出と同時に、エンコーダ情報を監視し、モータの異常な動作を検出することで、異常検出の精度を向上することもできる。
また、上記異常検出と同時に、エンコーダのエンコーダ信号から算出されるモータ位相に基づいて計算される速度を監視することで、異常検出の精度を向上することもできる。

このように、ｄ軸電流指令を与えてｄ軸電圧指令を監視することで、電流検出部の異常検出ができるのである。

本発明の電力変換装置のブロック図従来の電力変換装置のブロック図

符号の説明

１電圧指令異常検出部
２エンコーダ異常検出部
３モータ電流異常検出部
４電流検出部
５電流制御部
６電力変換部
７モータ
８エンコーダ

Claims

モータに電力を供給する電力変換部と、前記電力変換部を制御して外部からの電流指令通りにモータ電流を供給させる電流制御部と、前記電力変換部から供給されるモータ電流値を検出する電流検出部とを備えた電力変換装置において、
前記モータへの通電時にｄ軸電流指令を与える前記電力制御部と、前記ｄ軸電圧指令について異常検出を行う電圧指令異常検出部とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記電流検出部で検出するｄ軸電流が、前記ｄ軸電流指令に追従しているかを判別することで異常検出処理を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記モータに取り付けられたエンコーダのエンコーダ信号から算出されたモータ位相が変化しないかを判別することで異常検出処理を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記モータに取り付けられたエンコーダのエンコーダ信号から算出されたモータ位相に基づいて計算される速度が、一定速度以上になるかを判別することで異常検出処理を行うことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。