JP2009165267A

JP2009165267A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2009165267A
Application number: JP2008000439A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sugiura; 正樹杉浦; Takanori Ohashi; 敬典大橋; Masato Takase; 真人高瀬; Tomohisa Watabe; 與久渡部; Yasuhiko Tanaka; 泰彦田中; Kazuhiro Kuboe; 和広久保江; Koichi Kawabuchi; 弘一川渕
Original assignee: Aida Engineering Ltd; Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd; Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2028-01-07
Also published as: JP5081633B2

Abstract

【課題】複数組の駆動巻線を持つモータの大形機械への接続状態を配線変更することなく切換え、異常検出の運転パタンより配線異常を検出し、モータの暴走を防止することのできる制御装置を提供する。
【解決手段】モータ制御装置に電流レベル設定回路と励磁位相設定回路を有する誤配線検出装置を設け、誤配線検出モードに切換えて、誤配線検出用の所定の運転指令パタンでモータを電流制御運転することにより、モータの現在位置の変化や駆動巻線に流れる電流レベルから駆動巻線の配線状態を確認する。
【選択図】図１

Description

モータの駆動に磁極位置信号を使用した交流モータの配線異常を検出する、特に複数組の駆動巻線を有するモータの制御装置に関する。

大形のプレス機械などに使用する大容量のモータを低回転、高トルクでサーボ制御する場合、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）からなる固定側の駆動巻線をモータ回転軸（図示せず）に沿って複数組並べて制御している。具体的には、図２に示すように、モータ制御装置２０の速度制御回路部２１で算出されたトルク指令（電流指令）Ｉｒｅｆを複数の電流制御回路２２〜２５に分配し、モータ２６の各組の巻線２７〜３０を制御している。モータ２６の回転軸にはエンコーダ３１が取り付けられており、位相検出回路３２で電気角信号θｆｂを算出する。モータ回転軸に沿って配置されている複数組の巻線を同一のトルク指令と電気角で同時に制御して高トルクを出すために、各組巻線２７〜３０の位相は一致させて接続する必要がある。

各組巻線２７〜３０は３相の３線からなり、モータ制御装置２０への配線作業は大形プレス機械などの設置現場でなされ、またメンテナンス時には使用現場で再配線がなされ、更に各組巻線毎に確認するために、入出力指令や配線を確認して１線毎、見直す必要があり、多大な作業工数がかかっていた。

また、大形の産業機械のこの種のモータが誤配線接続された場合には、指令方向と実際に接続された相方向が異なり同期制御できなかったり、複数組の巻線間で接続した相方向が異なる場合には正常駆動ができなくなり、機械を破損する恐れがある。

サーボ制御システムの誤配線を自動検出する方法として、加減速時の電流値と電圧値より、検出する方法が提案されている（特許文献１）。

特開平９−１６２３３号公報

特許文献１には、電源投入後の最初の加減速時に電流波形パタンと検出電流を比較し、モータ出力端子の誤結線を検出する方法が記載されている。しかしながら、複数巻線を持つ大容量モータでは、誤配線状態のまま通常の動作モードで運転することは、動作が不安定で接続状態によっては暴走する恐れもある。また、異常接続の巻線を特定する際に、複数組巻線を１組毎に確認する場合は、順々に１組の動作毎に接続見直しや接続変えに多大な時間を要する。

本発明の目的は、これらの課題に対して、複数組の巻線を持つモータの接続状態を配線変更することなく、制御装置内部でテストモードに切換えて、一定のテスト運転指令パタンで動作させることにより、モータの暴走を防止し、配線異常を検出することのできる装置を提供することにある。

本発明は、電流指令を出力する速度制御回路と、電流指令により駆動される複数の電流制御回路と、各電流制御回路に対応して接続された複数組の駆動巻線を有するモータと、このモータの回転軸位置を電気角信号として検出する位相検出回路を備え、前記電流指令と電気角信号に基いて前記各電流制御回路により前記複数組の駆動巻線を動作させるモータ制御装置において、前記速度制御回路と電流制御回路の間に、誤配線検出装置と駆動巻線選択部を設け、誤配線検出モードにおいて前記誤配線検出装置の指示に基づき、前記駆動巻線選択部は選択された組の駆動巻線に対応する電流制御回路に、誤配線検出用の駆動電流指令を供給することを特徴とする。

また、前記誤配線検出装置は電流レベル設定回路と励磁位相設定回路を有し、前記電流レベル設定回路は誤配線検出用の駆動電流指令を出力し、前記励磁位相設定回路は励磁位相パタンを出力してモータを励磁し、磁極を回転させて駆動巻線の任意の組を駆動する。

また、前記誤配線検出装置は、前記電流レベル設定回路の電流レベル一定で、前記励磁位相設定回路の励磁周波数一定の電流指令基いてモータを正転または逆転方向に回転させたとき、電気角１周期毎に前記位相検出回路から位置データを取り込み、取込まれた位置データの変化から配線の相順方向を判定する。

また、前記誤配線検出装置は、前記電流レベル設定回路の電流レベル一定で、前記励磁位相設定回路の励磁周波数一定の電流指令基いてモータを正転または逆転方向に回転させたとき、電気角１周期毎に各巻線の電流検出データを順次取り込んで電流レベルを確認し、電流検出レベルの許容値比較により断線状況を判定する。

また、前記誤配線検出装置は、前記電流レベル設定回路の電流レベル一定で、モータを正転または逆転方向に回転させたとき、前記励磁位相設定回路の電気角指令を順次変更してＵＶＷ各相一定方向の電流位相に各相巻線を直流励磁させたとき、電気角データの位相許容範囲を確認し、各相の誤配線を判定する。

本発明によれば、複数組の巻線の配線を接続したままで、誤配線検出モードで誤配線を検出して、短時間で異常判定することができる。

本発明の実施例について図を用いて説明する。

図１は、図２のモータ制御装置において、速度制御回路と電流制御回路の間に、誤配線検出装置１４と駆動巻線選択部１９を設けたモータ制御装置１のブロック図である。

前記誤配線検出装置１４には、電流レベル設定回路１５と、励磁位相設定回路１６と、指令選択部１７、１８が備えられえており、指令選択部１７、１８はそれぞれ、接点ａ、ｂを有する切換スイッチからなる。この指令選択部１７、１８は、接点１７ａと１８ｂを選択のとき通常運転モードにあり、１７ｂと１８ａを選択のとき誤配線検出モードにある。

通常運転モードの動作制御は、図２と同様にモータ制御装置１の速度制御回路２で演算された電流指令Ｉｒｅｆにより、電流制御回路３〜６を駆動する。モータ７のモータ軸（図示せず）には、位置検出用のエンコーダ１２が取り付けられており、位置検出回路１３で電気角信号θｆｂを算出する。電流制御回路３〜６は、前記電流指令Ｉｒｅｆと、各組の駆動巻線（１）〜（４）へ流れる駆動電流の検出値Ｉｆｂ１〜Ｉｆｂ４と、電気角信号θｆｂとから電圧指令を演算し、駆動回路（図示せず）を通してモータ７の複数組の駆動巻線（１）〜（４）を駆動する。各組の駆動巻線はＵ、Ｖ、Ｗの３相の巻線からなる。

誤配線検出モードの動作は、誤配線検出装置１４で、駆動巻線選択、相方向判定、断線判定、位相判定などの何れかの誤配線の機能が外部から選択され、また検出対象の駆動巻線が選択される。この選択された機能に基づき、電流レベル設定回路１５から所定の電流指令パタンＩａｄｊを出力し、また、励磁位相設定回路１６から所定の電気角の励磁位相パタンθａｄｊを出力する。そして、電流指令パタンＩａｄｊが前記指令選択部１７から電流指令値Ｉｓｅｔとして、また、励磁位相パタンθａｄｊが前記指令選択部１８から電気角指令θｓｅｔとして、それぞれ駆動巻線選択部１９に出力される。

駆動巻線選択部１９は、例えば誤配線検出装置１４の選択機能の駆動コイル選択が選ばれ、４組の駆動巻線（１）〜（４）の全てが選択されている場合、４組全てが駆動許可巻線として、電流指令値Ｉｓｅｔをそのまま電流指令値Ｉｒｅｆ１、Ｉｒｅｆ２、Ｉｒｅｆ３、Ｉｒｅｆ４として分配出力し、電気角指令θｓｅｔも同様にθｆｂ１、θｆｂ２、θｆｂ３、θｆｂ４として分配出力する。

また、１番目の組の巻線（１）のみが選択されない（駆動禁止に指定）場合には、駆動巻線選択部１９は巻線（１）に接続された電流制御回路３には電流指令Ｉｒｅｆ１＝０を運転停止指令として送り、残りの駆動巻線（２）、（３）、（４）に接続された電流制御回路４〜６に対しては、電流指令値Ｉａｄｊを電流指令Ｉｒｅｆ２、Ｉｒｅｆ３、Ｉｒｅｆ４として送り、巻線（２）、（３）、（４）が駆動される。

図３に駆動巻線選択状態と、選択された各巻線に出力される指令値の波形を示す。電流指令値Ｉａｄｊは一定電流レベルで出力しており、駆動巻線の選択はこの電流指令値Ｉａｄｊがゼロ（モータが停止中）のタイミングで設定される。

Ａのタイミングで全巻線が選択された場合には、次の駆動タイミングで電流指令値Ｉａｄｊが全巻線（１）〜（４）に対応してそれぞれ、電流指令値Ｉｒｅｆ１、Ｉｒｅｆ２、Ｉｒｅｆ３、Ｉｒｅｆ４が一定レベルで出力される。

Ｂのタイミングで巻線（１）のみを選択した場合には、次の駆動タイミングで電流指令Ｉａｄｊが巻線（１）のみに電流指令Ｉｒｅｆ１が一定レベルで出力され、巻線（２）、（３）、（４）は停止状態となる。

Ｃのタイミングで巻線（３）、（４）を選択した場合には、次の駆動タイミングで巻線（１）,（２）に対応する電流指令Ｉｒｅｆ１、Ｉｒｅｆ２がゼロで停止指令とし、巻線（３）,（４）に対応する電流指令Ｉｒｅｆ３、Ｉｒｅｆ４が一定レベルで駆動指令として出力される。

また、Ｄのタイミングで全組の駆動巻線が選択されない場合には、次の駆動タイミングで電流指令値Ｉａｄｊが入力されても、各巻線は電流指令Ｉｒｅｆ１、Ｉｒｅｆ２、Ｉｒｅｆ３、Ｉｒｅｆ４がゼロのままで、停止状態となる。

図４は、誤配線検出機能の中のＵ、Ｖ、Ｗの相方向判定の機能選択した場合の各部の信号波形を示す。電流レベル設定回路１５の電流指令値Ｉａｄｊにより、一定電流指令値Ｉｒｅｆが設定され、各巻線に電流が出力される。そして機能選択で正転指令を受けると、励磁位相設定回路１６から一定の電気角で増加方向の電気角指令θａｄｊ（約１Ｈｚ）が出力される。モータはゆっくり回転し、モータの巻線の結線が正常な場合には、エンコーダ１２から検出された現在位置は電気角１周期毎に、ｐｏｓ１、ｐｏｓ２、ｐｏｓ３の順に増加方向に検出される。正転指令で現在位置が増加する場合には次のタイミングで誤配線接続装置１４から相方向判定が正常である旨の信号が出力される。

また、図４の右半分に示すように、機能選択で逆転指令を受けた場合には、電気角指令θａｄｊは減少方向に出力され、エンコーダ１２から検出された現在位置ｐｏｓ１、ｐｏｓ２、ｐｏｓ３は順に電気角１周期毎に減少方向に検出され、逆転指令で現在位置が減少する場合にも誤配線接続装置１４から正常判定の旨が出力される。

図５は、誤配線検出機能のなかで巻線のＵ、Ｖ、Ｗの相順が逆接続された状態で、誤配線検出機能のなかの相方向判定を行なった場合の各部の信号波形を示す。電流指令Ｉａｄｊおよび電気角指令θａｄｊは、図４の場合と同様に出力されるが、巻線が逆相に接続されているため、実際のモータ回転方向は指令と逆方向となり、エンコーダ１２から検出される現在位置ｐｏｓ１、ｐｏｓ２、ｐｏｓ３の増減は正常時と逆方向となる。

このため、図５の左半分に示すように正転指令で現在位置が減少する場合、および図５の右半分で示すように逆転指令で現在位置が増加する場合には誤配線接続装置１４から相方向の異常判定の旨が出力される。なお、電流指令は電流レベル設定回路１５、励磁位相設定回路１６から出力されている一定パタンの電流指令値によってゆっくり動くため、逆相に接続された場合でもモータの暴走は防ぐことができる。

図６は、誤配線検出機能のなかで断線機能選択をした場合の各部の信号波形を示す。正転、逆転指令とともに、電流指令値Ｉａｄｊおよび電気角指令θａｄｊが前記相方向判定時と同様に駆動巻線（１）および巻線（２）に出力される。一定周期毎に、巻線（１）の電流検出値Ｉｆｂ１、巻線（２）の電流検出値Ｉｆｂ２を誤配線接続装置１４内で交互に確認し、電流指令値との誤差が許容範囲内であれば正常判定、許容範囲外であれば異常判定とされる。

この例では、巻線（１）は、電流検出値Ｉｆｂ１が電流指令Ｉａｄｊに対応して所定レベルで出力されているので、正常接続と判定されている。巻線（２）は、電流検出値Ｉｆｂ２が電流指令Ｉａｄｊに対応して所定レベルで出力されていないので（電流検出値Ｉｆｂ２がゼロ）、断線状態と判定されている。従って、誤配線接続装置１４から巻線（１）の正常判定と、巻線（２）の異常判定が交互に出力される。

以上述べた図４、図５の相方向判定については、エンコーダ１２からの位置情報の変化、また、図６の断線判定については各巻線の電流検出情報が検出できればよいため、同期モータに限らず、誘導モータを使用した制御装置にも適用することができる。

図７に、同期モータと組み合わせて誤配線検出機能のなかの位相判定を選択したときの、各部の信号波形を示す。正転開始させるべく、電流指令値Ｉａｄｊは電流レベル設定回路１５から同様に一定レベルが出力される。励磁位相設定回路１６からは、電気角６０°毎に移動と停止を繰り返す電気角指令θａｄｊが出力される。一定位置に停止したときに、エンコーダ１２からの実際の電気角信号θｆｂを取り込み、励磁位相設定回路１６より出力されたθａｄｊとの誤差を誤配線接続装置１４内で確認し、この誤差が一定の許容範囲内（破線で挟まれる範囲内）の場合には正常判定を出力し、上記許容範囲外の場合には異常判定を出力する。運転停止指令が送られるまで、６０°毎にこの位相判定を繰り返す。図７では、全ての位相判定が正常の場合を示している。

図８に同期モータと組み合わせたときの電流位相角と巻線の位相関係を示す。電流をｑ軸方向で、位相をｄ軸方向で見ている。電流制御演算にｄ−ｑ軸変換を用いるとき、Ｕ相立ち上がり方向に励磁する場合には、位相角指令値は電気角２７０°の方向に励磁され、位相判定の許容範囲は２７０°を中心として正負方向に許容値分を見た範囲から判定される。つぎに電気角２７０°の方向から徐々に励磁方向を切替え、電気角３３０°の方向に励磁したときのエンコーダの位相情報と比較し、Ｗ相立ち下がり方向の位相判定を実施する。

図７の実施例は、ｄ軸電流を０とし、ｑ軸電流指令により制御する同期モータの場合について示したが、電流制御演算部に与えるｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令を個別に制御することにより、同期モータのみに限らず、ｄ軸電流を使用した埋込磁石形同期モータ、さらに誘導モータを使用した場合にも同様の回路構成により誤配線検出、軸選択機能を使用することができる。なお、図７と図８で、（１）〜（６）は角度位置を示しており、駆動巻線を示すものではない。

また、記載した実施例は、図１のように１台に複数巻線を有するモータに対して、誤配線検出機能と巻線選択機能を使用して配線状態を確認したものであるが、単巻線のモータとの組合せ、さらに複数台のモータを連結した駆動装置に使用した場合にも応用することができるのは明らかである。

本発明の実施例の制御回路ブロック図である。従来の制御回路ブロック図である。駆動巻線選択を使用した場合の説明図である。相方向判定する場合の説明図である。巻線の相順が逆接続された場合の説明図である。断線判定する場合の説明図である。位相判定する場合の説明図である。位相判定値と電気位相角の関係図である。

符号の説明

１…モータ制御装置、２…速度制御回路、３、４、５、６…電流制御回路、７…モータ、（１）、（２）、（３）、（４）…巻線、１２…エンコーダ、１３…位相検出回路、１４…誤配線検出装置、１５…電流レベル設定回路、１６…励磁位相設定回路、１７、１８…指令選択部、１９…駆動巻線（軸）選択部。

Claims

電流指令を出力する速度制御回路と、電流指令により駆動される複数の電流制御回路と、各電流制御回路に対応して接続された複数組の駆動巻線を有するモータと、このモータの回転軸位置を電気角信号として検出する位相検出回路を備え、前記電流指令と電気角信号に基いて前記各電流制御回路により前記複数組の駆動巻線を動作させるモータ制御装置において、
前記速度制御回路と電流制御回路の間に、誤配線検出装置と駆動巻線選択部を設け、誤配線検出モードにおいて前記誤配線検出装置の指示に基づき、前記駆動巻線選択部は選択された組の駆動巻線に対応する電流制御回路に、誤配線検出用の駆動電流指令を供給することを特徴とするモータ制御装置。
前記誤配線検出装置は電流レベル設定回路と励磁位相設定回路を有し、前記電流レベル設定回路は誤配線検出用の駆動電流指令を出力し、前記励磁位相設定回路は励磁位相パタンを出力してモータを励磁し、磁極を回転させ駆動巻線の任意の組を駆動することができることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
前記誤配線検出装置は、前記電流レベル設定回路の電流レベル一定で、前記励磁位相設定回路の励磁周波数一定の電流指令に基いてモータを正転または逆転方向に回転させたとき、電気角１周期毎に前記位相検出回路から位置データを取り込み、取込まれた位置データの変化から配線の相順方向を判定することを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。
前記誤配線検出装置は、前記電流レベル設定回路の電流レベル一定で、前記励磁位相設定回路の励磁周波数一定の電流指令に基いてモータを正転または逆転方向に回転させたとき、電気角１周期毎に各巻線の電流検出データを順次取り込んで電流レベルを確認し、電流検出レベルの許容値比較により断線状況を判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のモータ制御装置。
前記誤配線検出装置は、前記電流レベル設定回路の電流レベル一定で、モータを正転または逆転方向に回転させたとき、前記励磁位相設定回路の電気角指令を順次変更してＵＶＷ各相一定方向の電流位相に各相巻線を直流励磁させたとき、電気角データの位相許容範囲を確認し、各相の誤配線を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のモータ制御装置。