JP2009303427A - Motor driving unit - Google Patents

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Shiro Igasaki
史朗 伊賀崎
Nobuo Oba
信男 大庭
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Mitutoyo Corp
Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a motor driving circuit which has a simple circuit configuration to suppress a cost increase and facilitates identifying a failure spot. <P>SOLUTION: An A/D converter 41 converts the value of a current flowing through a motor 10 into a feedback signal Sb. A control unit 42 calculates a difference between the feedback signal Sb and a current command signal Sa to output a voltage command signal Sc indicative of the size of a voltage. A D/A converter 43 converts the voltage command signal Sc by D/A conversion to output a voltage. A determining unit 44 determines whether the motor 10 fails based on the voltage command signal Sc and feedback signal Sb. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、モータを駆動すると共に、その内部機構の故障を診断する機能を有するモータ駆動装置に関する。     The present invention relates to a motor drive device that has a function of driving a motor and diagnosing a failure of its internal mechanism.

モータ駆動装置においては、その故障を迅速に診断するため、故障診断装置が設けられることがある。従来の故障診断装置では、例えばモータ駆動電圧等を検知するための電圧検出回路等を別途設けることにより故障診断を行っていた（例えば、特許文献１参照）。   In the motor drive device, a failure diagnosis device may be provided in order to quickly diagnose the failure. In a conventional failure diagnosis device, for example, a failure diagnosis is performed by separately providing a voltage detection circuit or the like for detecting a motor drive voltage or the like (see, for example, Patent Document 1).

しかしながら、故障診断のために、それ専用の回路を別途設けることは、回路の大規模化とコストアップの原因となっていた。
特開２００１−２１８４９６号公報 However, separately providing a dedicated circuit for failure diagnosis has caused an increase in circuit scale and cost.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-218896

本発明は、回路構成が単純であってコストアップを抑制することができ、しかも故障箇所の特定が容易なモータ駆動回路を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a motor drive circuit that has a simple circuit configuration, can suppress an increase in cost, and can easily identify a failure location.

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るモータ駆動回路は、モータに流れる電流の値をディジタル検出信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、前記ディジタル検出信号と電流指令信号との間の差分を演算して電圧の大きさを示す電圧指令信号を出力する電圧制御部と、前記電圧指令信号をＤ／Ａ変換して前記電圧を出力するＤ／Ａコンバータと、前記電圧指令信号と前記ディジタル検出信号とに基づいて故障判定を行う判定部とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a motor drive circuit according to an aspect of the present invention includes an A / D converter that converts a value of a current flowing through a motor into a digital detection signal, and a signal between the digital detection signal and the current command signal. A voltage control unit that calculates a difference and outputs a voltage command signal indicating the magnitude of the voltage, a D / A converter that D / A converts the voltage command signal and outputs the voltage, the voltage command signal, And a determination unit that determines a failure based on the digital detection signal.

この発明によれば、回路構成が単純であってコストアップを抑制することができ、しかも故障箇所の特定が容易なモータ駆動回路を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a motor drive circuit that has a simple circuit configuration, can suppress an increase in cost, and can easily identify a failure location.

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の全体構成を示すブロック図である。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the motor drive device according to the first embodiment of the present invention.

本発明の第１の実施の形態において、モータ１０の動作を制御するためのモータ駆動回路は、電流検出器２０、パワートランジスタ回路３０、及びディジタル制御部４０を備えている。   In the first embodiment of the present invention, the motor drive circuit for controlling the operation of the motor 10 includes a current detector 20, a power transistor circuit 30, and a digital control unit 40.

電流検出器２０（電流検出部）は、例えばモータ１０の主線または動力線の一部に設けられ、モータ１０に流れる電流の大きさを検出する。パワートランジスタ回路３０は、ディジタル制御部４０から出力される直流電圧に対し増幅動作・インバータ動作を施して出力する回路である。ディジタル制御部４０は、モータ１０の動作をモニタして所望の動作が得られるように制御を行う。   The current detector 20 (current detection unit) is provided, for example, on a part of the main line or power line of the motor 10 and detects the magnitude of the current flowing through the motor 10. The power transistor circuit 30 is a circuit that amplifies and inverts the DC voltage output from the digital control unit 40 and outputs it. The digital control unit 40 monitors the operation of the motor 10 and performs control so as to obtain a desired operation.

ディジタル制御部４０は、Ａ／Ｄコンバータ４１、制御部４２、Ｄ／Ａコンバータ４３、及び判定部４４を有する。   The digital control unit 40 includes an A / D converter 41, a control unit 42, a D / A converter 43, and a determination unit 44.

Ａ／Ｄコンバータ４１は、電流検出器２０が検出したアナログ値の電流値をディジタル信号であるフィードバック信号Ｓｂ（ディジタル検出信号）に変換する。   The A / D converter 41 converts the analog current value detected by the current detector 20 into a feedback signal Sb (digital detection signal) which is a digital signal.

制御部４２は、図示しないコンピュータとプログラムとにより、コンピュータ上にソフトウエア的に実現され、ＰＩＤ制御によりモータ１０を制御する。制御部４２は、このフィードバック信号Ｓｂと電流指令信号Ｓａとの間の差分を演算して、その差分に応じた比較信号Ｓｃ´を出力する。この比較信号Ｓｃ´は積分ゲインＫｉ、積分補償器１／Ｓにおいて積分動作される。   The control unit 42 is realized as software on a computer by a computer and a program (not shown), and controls the motor 10 by PID control. The control unit 42 calculates a difference between the feedback signal Sb and the current command signal Sa, and outputs a comparison signal Sc ′ corresponding to the difference. The comparison signal Sc ′ is integrated in the integral gain Ki and the integral compensator 1 / S.

また、比較信号Ｓｃ´は、これと並行して比例ゲインＫｐにも入力される。この比例ゲインＫｐからの出力信号と、積分補償器１／Ｓからの出力信号が加算されて電圧指令信号Ｓｃとされ、この電圧指令信号ＳｃがＤ／Ａコンバータ４３にてアナログ信号である電圧値に変換され出力される。すなわち、制御部４２は、ディジタル検出信号であるフィードバック信号Ｓｂと電流指令信号Ｓａとの間の差分を演算して電圧の大きさを示す電圧指令信号Ｓｃを出力する電圧制御部として機能する。   The comparison signal Sc ′ is also input to the proportional gain Kp in parallel with this. The output signal from the proportional gain Kp and the output signal from the integral compensator 1 / S are added to form a voltage command signal Sc. The voltage command signal Sc is a voltage value that is an analog signal in the D / A converter 43. Converted to output. That is, the control unit 42 functions as a voltage control unit that calculates a difference between the feedback signal Sb that is a digital detection signal and the current command signal Sa and outputs a voltage command signal Sc that indicates the magnitude of the voltage.

このディジタル制御部４０は更に、この電圧指令信号Ｓｃとフィードバック信号Ｓｂとをそれぞれ所定値と比較して、モータ１０に異常が発生しているか否か判定するため、判定器４４を備えている。この判定器４４も、図示しないコンピュータ及びプログラムによりソフトウエア的に実現可能である。   The digital control unit 40 further includes a determination unit 44 for comparing the voltage command signal Sc and the feedback signal Sb with predetermined values to determine whether or not an abnormality has occurred in the motor 10. The determination unit 44 can also be realized in software by a computer and a program (not shown).

次に、この実施の形態のモータ駆動装置の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。電流指令信号Ｓａとフィードバック信号Ｓｂとの差分Ｓｃ´を比例積分動作して得られた指令信号Ｓｃと、電流検出器２０で検出された電流値に相当するフィードバック信号Ｓｂとが判定器４４において所定値と比較され、この比較の結果が判定器４４から出力される。電流指令信号Ｓａを与えたにも拘わらず、断線その他の理由によりモータ１０に所望の電流が流れない場合には、フィードバック信号Ｓｂも小さくなる。このため、積分補償器１／Ｓが出力する電圧指令信号Ｓｃは大きくなる。   Next, the operation of the motor drive device of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. A command signal Sc obtained by performing a proportional integration operation on the difference Sc ′ between the current command signal Sa and the feedback signal Sb and a feedback signal Sb corresponding to the current value detected by the current detector 20 are predetermined in the determiner 44. The comparison result is output from the determination unit 44. When a desired current does not flow through the motor 10 due to disconnection or other reasons despite the application of the current command signal Sa, the feedback signal Sb also becomes small. For this reason, the voltage command signal Sc output from the integral compensator 1 / S increases.

この状態が続くと積分補償器１／Ｓは飽和し、電圧指令信号ＳｃがＤ／Ａコンバータ４３の入力信号の最大値を超えてしまう。そこで、この実施の形態では、電圧指令信号ＳｃがＤ／Ａコンバータ４３の入力信号の最大値を超えたか否かを判定し（ステップＳ１）、超えている場合にはステップＳ２に移行する。   When this state continues, the integral compensator 1 / S is saturated, and the voltage command signal Sc exceeds the maximum value of the input signal of the D / A converter 43. Therefore, in this embodiment, it is determined whether or not the voltage command signal Sc exceeds the maximum value of the input signal of the D / A converter 43 (step S1), and if it exceeds, the process proceeds to step S2.

ステップＳ２では、判定器４４において、フィードバック信号Ｓｂに基づいて、モータ１０に電流が流れているか否かを判定する（ステップＳ２）。所定値以上の電流が流れていないと判定される場合にはステップＳ３に移行する。   In step S2, the determiner 44 determines whether or not current is flowing in the motor 10 based on the feedback signal Sb (step S2). If it is determined that no current exceeding the predetermined value is flowing, the process proceeds to step S3.

ステップＳ３では、モータ１０に流れる電流の大きさをモニタしつつ、所定遅れ時間（例えば、モータ１０の巻線抵抗とインダクタンスで求まる電気的時定数の５倍程度の時間）が経過したか否かを判定する。この所定遅れ時間が経過した後においても、まだフィードバック信号Ｓｂが小さい状態が継続していると判定器４４が判断する場合には、モータ１０、パワートランジスタ回路３０、もしくは、電流検出器２０に異常が発生したものとして、異常報知信号を外部に出力する（ステップＳ４）。この異常報知信号は、図示しない表示器において異常報知に用いられたり、又は図示しない緊急停止装置等を動作させてモータ１０を緊急停止させたりするのに用いることができる。   In step S3, whether or not a predetermined delay time (for example, a time about 5 times the electrical time constant determined by the winding resistance and inductance of the motor 10) has elapsed while monitoring the magnitude of the current flowing through the motor 10. Determine. If the determination unit 44 determines that the feedback signal Sb is still small even after the predetermined delay time has elapsed, the motor 10, the power transistor circuit 30, or the current detector 20 is abnormal. As a result, an abnormality notification signal is output to the outside (step S4). This abnormality notification signal can be used for abnormality notification on a display (not shown), or can be used for emergency stop of the motor 10 by operating an emergency stop device (not shown).

このように、この実施の形態によれば、コンピュータとプログラムにより実現可能なディジタル制御器により、モータの異常を判定することができ、異常の判定のために特別な回路を用意する必要がない。従って、回路構成が単純であってコストアップを抑制することができ、しかも故障箇所の特定が容易なモータ駆動回路を提供することができる。また、電圧指令信号Ｓｃとフィードバック信号Ｓｂとを用いて故障検出を行うため、モータ駆動電圧の低下のみならず、モータ主線の断線、Ｄ／Ａコンバータ又はＡ／Ｄコンバータの故障、電流検出器の故障など、モータ駆動回路の周辺の様々な故障も同時に検出することが可能になる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to determine a motor abnormality by a digital controller that can be realized by a computer and a program, and it is not necessary to prepare a special circuit for the abnormality determination. Therefore, it is possible to provide a motor drive circuit that has a simple circuit configuration, can suppress an increase in cost, and can easily identify a failure location. Moreover, since failure detection is performed using the voltage command signal Sc and the feedback signal Sb, not only the motor drive voltage is lowered, but the motor main line is broken, the D / A converter or A / D converter is broken, the current detector Various faults around the motor drive circuit such as faults can be detected at the same time.

［第２の実施の形態］
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置の構成を説明する。図３において、第１の実施の形態と同一の構成要素に対しては同一の構成要素を付し、以下ではその詳細な説明は省略する。
この実施の形態は、ディジタル制御器４０の制御部４２において、積分補償器１／Ｓによる動作が省略され、比例ゲインＫｐによる比例動作のみで動作している点で第１の実施の形態と異なる。 [Second Embodiment]
Next, with reference to FIG. 3, the configuration of the motor drive device according to the second embodiment of the present invention will be described. In FIG. 3, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same components, and detailed description thereof will be omitted below.
This embodiment is different from the first embodiment in that the operation by the integral compensator 1 / S is omitted in the control unit 42 of the digital controller 40 and the operation is performed only by the proportional operation by the proportional gain Kp. .

次に、この実施の形態のモータ駆動装置の動作を図４のフローチャートを参照して説明する。電流指令信号Ｓａとフィードバック信号Ｓｂとの差分Ｓｃ´を比例動作して得られた電圧指令信号Ｓｃと、電流検出器２０で検出された電流値に相当するフィードバック信号Ｓｂとが判定器４４においてそれぞれ所定値と比較され、この比較の結果が判定器４４から出力される。第１の実施の形態の場合と同様に、電流指令信号Ｓａを与えたにも拘わらず、フィードバック信号Ｓｂが所定値よりも小さくなる場合がある。この実施の形態では、電圧指令信号Ｓｃが所定の閾値を超えたか否かを判定し（ステップＳ１１）、超えている場合にはステップＳ１２に移行する。このときの閾値は、モータ１０の最高回転数、走行トルク、無負荷電流、逆起電圧定数等に基づいて決定することができる。この点に関しては後述する。   Next, the operation of the motor drive device of this embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. A voltage command signal Sc obtained by proportionally operating the difference Sc ′ between the current command signal Sa and the feedback signal Sb and a feedback signal Sb corresponding to the current value detected by the current detector 20 are respectively determined in the determiner 44. The result of the comparison is output from the determination unit 44. As in the case of the first embodiment, the feedback signal Sb may be smaller than a predetermined value in spite of giving the current command signal Sa. In this embodiment, it is determined whether or not the voltage command signal Sc exceeds a predetermined threshold (step S11), and if it exceeds, the process proceeds to step S12. The threshold value at this time can be determined based on the maximum number of revolutions of the motor 10, running torque, no-load current, counter electromotive voltage constant, and the like. This point will be described later.

ステップＳ１２では、判定器４４において、フィードバック信号Ｓｂに基づいて、モータ１０に所定値以上の電流が流れているか否かを判定する（ステップＳ１２）。所定値以上の電流が流れていないと判定される場合にはステップＳ１３に移行する。   In step S12, the determiner 44 determines whether or not a current of a predetermined value or more is flowing through the motor 10 based on the feedback signal Sb (step S12). When it is determined that no current exceeding the predetermined value is flowing, the process proceeds to step S13.

ステップＳ１３では、モータ１０に流れる電流の大きさをモニタしつつ、所定遅れ時間が経過したか否かを判定する。この所定遅れ時間が経過した後においても、まだフィードバック信号Ｓｂが小さい状態が継続していると判定器４４が判断する場合には、モータ１０、パワートランジスタ回路３０、もしくは、電流検出器２０に異常が発生したものとして、異常報知信号を外部に出力する（ステップＳ１４）。この異常報知信号は、第１の実施の形態と同様に、図示しない表示器において異常報知に用いられたり、又は図示しない緊急停止装置等を動作させてモータ１０を緊急停止させたりするのに用いることができる。   In step S13, it is determined whether a predetermined delay time has elapsed while monitoring the magnitude of the current flowing through the motor 10. If the determination unit 44 determines that the feedback signal Sb is still small even after the predetermined delay time has elapsed, the motor 10, the power transistor circuit 30, or the current detector 20 is abnormal. As a result, an abnormality notification signal is output to the outside (step S14). Similar to the first embodiment, this abnormality notification signal is used for abnormality notification on a display (not shown), or used to operate the emergency stop device (not shown) or the like to stop the motor 10 urgently. be able to.

上述のステップＳ１１における閾値の決定の具体的な手法の一例を説明する。ここでは、無負荷運転時を基準として閾値を決定する手順を説明する。   An example of a specific method for determining the threshold value in step S11 will be described. Here, a procedure for determining the threshold value based on the no-load operation will be described.

無負荷運転時の電圧Ｖｎは、最高回転数Ｎｍａｘ、誘起電圧係数ｋ、巻線抵抗Ｒｗ、無負荷電流Ｉｎにより、Ｖｎ＝ｋ・Ｎｍａｘ＋Ｒｗ・Ｉｎと表現できる。   The voltage Vn at the time of no-load operation can be expressed as Vn = k · Nmax + Rw · In by the maximum rotation speed Nmax, the induced voltage coefficient k, the winding resistance Rw, and the no-load current In.

従って、例えばＮｍａｘ＝２０００［ｒｐｍ］、ｋ＝８．８［ｍＶ／ｒｐｍ］、Ｒｗ＝０．５[Ω]、Ｉｎ＝０．５[Ａ]である場合、無負荷運転時の電圧Ｖｎは、
Ｖｎ＝２０００×８．８×１０−３＋０．５×０．５＝１７．８５[Ｖ]
となる。この場合には、電圧指令信号Ｓｃが１７．８５［Ｖ］を超えたときに、フィードバック信号Ｓｂを観測して所定値より小さいか否かを判定する。
なお、ステップＳ１２で電流が流れていないか否かを判定するための閾値は、電流フィードバック回路に混入するノイズやＡＤ変換のオフセット電圧等の影響を軽減するため、無負荷電流Ｉｎを基準として決定するのが望ましい。 Therefore, for example, when Nmax = 2000 [rpm], k = 8.8 [mV / rpm], Rw = 0.5 [Ω], In = 0.5 [A], the voltage Vn during no-load operation is ,
Vn = 2000 × 8.8 × 10 −3 + 0.5 × 0.5 = 17.85 [V]
It becomes. In this case, when the voltage command signal Sc exceeds 17.85 [V], the feedback signal Sb is observed to determine whether or not it is smaller than a predetermined value.
Note that the threshold value for determining whether or not current is flowing in step S12 is determined based on the no-load current In in order to reduce the influence of noise mixed in the current feedback circuit, AD conversion offset voltage, and the like. It is desirable to do.

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。   Although the embodiments of the invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and additions can be made without departing from the spirit of the invention.

本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a motor drive device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施の形態に係るモータ駆動装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the motor drive device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the motor drive device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施の形態に係るモータ駆動装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the motor drive device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０・・・モータ、 ２０・・・電流検出器、 ３０・・・パワートランジスタ回路、 ４０・・・ディジタル制御部、 ４１・・・Ａ／Ｄコンバータ、 ４２・・・制御部、 ４３・・・Ｄ／Ａコンバータ、 ４４・・・判定部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Motor, 20 ... Current detector, 30 ... Power transistor circuit, 40 ... Digital control part, 41 ... A / D converter, 42 ... Control part, 43 ... D / A converter 44...

Claims (5)

モータに流れる電流の値をディジタル検出信号に変換するＡ／Ｄコンバータと、
前記ディジタル検出信号と電流指令信号との間の差分を演算して電圧の大きさを示す電圧指令信号を出力する電圧制御部と、
前記電圧指令信号をＤ／Ａ変換して前記電圧を出力するＤ／Ａコンバータと、
前記電圧指令信号と前記ディジタル検出信号とに基づいて故障判定を行う判定部と
を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。 An A / D converter that converts the value of the current flowing through the motor into a digital detection signal;
A voltage control unit that calculates a difference between the digital detection signal and the current command signal and outputs a voltage command signal indicating a voltage magnitude; and
A D / A converter for D / A converting the voltage command signal and outputting the voltage;
A motor drive device comprising: a determination unit that performs a failure determination based on the voltage command signal and the digital detection signal. 前記電流を検出する電流検出部を更に備えたことを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。   The motor driving apparatus according to claim 1, further comprising a current detection unit that detects the current. 前記判定部は、前記電圧指令信号が前記Ｄ／Ａコンバータの入力信号の最大値と比べて大きく、前記電流が所定値よりも小さく、且つ前記電圧指令信号の出力から所定時間が経過した場合において故障と判定する請求項１記載のモータ駆動装置。   In the case where the voltage command signal is larger than the maximum value of the input signal of the D / A converter, the current is smaller than a predetermined value, and a predetermined time has elapsed from the output of the voltage command signal. The motor driving device according to claim 1, wherein the motor driving device is determined to be a failure. 前記所定値は、前記モータの無負荷運転時のパラメータから決定されることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動装置。   The motor driving apparatus according to claim 1, wherein the predetermined value is determined from a parameter during no-load operation of the motor. 前記判定部は、前記電圧指令信号が所定の閾値に比べて大きく、前記電流が所定値よりも小さく、且つ前記電圧指令信号の出力から所定時間が経過した場合において故障と判定する請求項１記載のモータ駆動装置。   The determination unit determines that a failure has occurred when the voltage command signal is larger than a predetermined threshold, the current is smaller than a predetermined value, and a predetermined time has elapsed from the output of the voltage command signal. Motor drive device.
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