JP2010213557A5 - - Google Patents

Description

誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置

本発明は、動力線の誤配線を検出できる機能を備えた三相同期電動機の制御装置に関するものである。

特許第２７９７８８２号公報（特許文献１）に示された誤配線検出機能では、電動機を駆動する電力変換器のパワートランジスタの任意の二つを順次オンさせる手段を発生するオン・オフパターンから想定される電流フィードバック信号とサーボモータの制御装置の三相または多相出力の出力電流とを比較する手段によりサーボモータとサーボモータの制御装置とが接続しているかどうかを判断する。また従来の三相同期電動機の動力線誤配線時の保護方法としては、電流指令を与えてｑ軸電流フィードバックと速度の振動を見て誤配線を検出する方式がある。また、直流励磁を行い、モータが停止する位置が正しい位置でない場合には、誤配線として検出するものもある。さらに、ダイナミックブレーキ動作時の相電流を検出し、その相電流の順番が違うと誤配線として検出するものなどがある。

特許第２７９７８８２号公報

図５〜図７は、一般的な同期電動機制御装置にて三相同期電動機の動力線を正常に配線したとき、二相誤配線にしたとき及び三相誤配線にしたときの各指令の波形である。図５〜図７から、二相が誤配線した場合はしばらくの間、ｑ軸電流フィードバックに振動を生ずるが、三相が誤配線した場合はｑ軸電流フィードバックに振動はないことがわかる。このことから、ｑ軸電流フィードバックと速度の振動を見て誤配線を検出する方法で、誤配線の状況によっては、誤配線を検出できないことがわかる。また、直流励磁を用いる方法では、特別に誤配線検出モードを設けて、直流励磁を行って誤配線を検出する必要があり、モータは直流励磁により動いてしまう。機械によっては、移動距離をあまり取れない機械もあり、余分な動きを生じないことが要求される。また、ダイナミックブレーキを用いる方法では、モータを回転させてからダイナミックブレーキを動作させる必要があり、誤配線でモータがうまく動かないのに、モータの回転を前提とするのは難しい。また、三相のダイナミックブレーキが必要であり、単相のダイナミックブレーキを用いる装置の場合には、適用できないという問題がある。このように、従来の誤配線検出技術では、三相誤配線を正しく検出できなかったり、専用の検出モードを設けないと検出できない場合や、回路条件により適用できない場合など、いくつかの問題があった。またモータの動力線に誤配線があると、モータが指令と逆方向に回転したり、振動したりして、本来の指令通りに正しく動いてくれないため、早急に配線を直す必要がある。しかし、従来の誤配線検出技術では、正しく検出できなかったりしたため、原因の特定が遅れ、システムの立ち上げに時間がかかるといった問題があった。

本発明の目的は、三相誤配線を誤配線として検出し、また、直流励磁のような特別な動作や、三相のダイナミックブレーキのような特別な回路を用いることなく、三相同期電動機の誤配線を正しく検出できる誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置を提供することにある。

本発明の誤配線検出機能を備えた三相同期電動機は、位置検出部と、フィードバック速度信号発生部と、トルク指令発生部と、電流指令発生部と、電流検出器と、直交二軸変換部と、電機子電流供給装置と、誤配線検出部とを備えている。

位置検出部は、三相同期電動機の固定子に対する回転子の回転子位置θｍを検出して回転子位置を示す回転子位置検出信号を出力する。フィードバック速度信号発生部は、三相同期電動機の速度を示すフィードバック速度信号を発生する。トルク指令発生部は、速度指令とフィードバック速度信号とに基づいてトルク指令を発生する。電流指令発生部は、トルク指令に基づいてｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令を出力する。電流検出器は、電機子巻線を流れる少なくとも二相分の電流を検出して該二相分の電流を示す電流信号を出力する。直交二軸変換部は、電流検出器から出力される電流信号および回転子位置信号に基づいて、直交二軸変換によりｄ軸電流フィードバック信号及びｑ軸電流フィードバック信号を演算して出力する。電機子電流供給装置は、ｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令とｄ軸電流フィードバック信号及びｑ軸電流フィードバック信号とに基づいて、電機子巻線に電機子電流を供給する。また電機子電流供給装置は、位置検出部が検出する回転子位置θｍに基づいて、電機子電流の位相を決定するように構成されている。

誤配線検出部は、ｑ軸電流フィードバック信号、フィードバック速度信号及びｑ軸電流指令に基づいて、三相動力線の誤配線があると、ｑ軸電流指令が飽和状態になること、ｑ軸電流フィードバック信号が所定の値以上になること、ｑ軸電流フィードバック信号及びフィードバック速度信号が逆極性になる状況が発生することを利用して、電機子電流供給装置と三相同期電動機との間の三相動力線の誤配線を検出すると、アラーム信号を出力する。すなわち誤配線検出部は、二相誤配線及び三相誤配線が発生したときに、ｑ軸電流フィードバック信号、フィードバック速度信号及びｑ軸電流指令に特有の現象が現れることに着目して、これらの現象に基づいて三相動力線の誤配線を検出する。その結果、本発明によれば、従来のように、直流励磁のような特別な動作や、三相のダイナミックブレーキのような特別な回路を用いることなく、三相同期電動機の誤配線を正しく検出できる。

より具体的には、誤配線検出部を、飽和状態判定部と、ｑ軸電流フィードバック信号判定部と、積算部と、判定部とから構成することができる。飽和状態判定部は、ｑ軸電流指令が飽和している状態にあるか否かを判定する。ｑ軸電流フィードバック信号判定部は、ｑ軸電流フィードバック信号の大きさが所定の値以上あるか否かを判定する。積算部は、フィードバック速度信号の極性とｑ軸電流フィードバック信号の極性とが逆の状態にある時間を積算して積算値を出力する。判定部は、積算値が予め定めた累積時間以上になると誤配線と判定してアラーム信号を出力する。ｑ軸電流指令は、二相誤配線及び三相誤配線のいずれの場合でも飽和状態になる。しかし飽和状態だけでは、誤配線が原因で飽和状態になっているのか否かを断定できない。またｑ軸電流フィードバック信号は、二相誤配線及び三相誤配線のいずれの場合でも所定値より小さくなることがない。すなわちｑ軸電流フィードバック信号は、極性が変動するような大きな変動を示すことがない。二相誤配線が発生すると、フィードバック速度信号は、一方の極性から他方の極性へと変化する。また三相誤配線が発生すると、フィードバック速度信号の極性は、一方の極性と他方の極性とを交互に繰り返す。フィードバック速度信号の極性が変化することを一つの条件として誤配線を判定すると、ノイズの発生等を考えると、誤った判断をする。そこで積算部は、フィードバック速度信号の極性とｑ軸電流フィードバック信号の極性とが逆の状態にある時間を積算して積算値を出力する。ここで「時間を積算する」とは、ある期間ｔ１、ｔ２、ｔ３・・・の間逆極性の関係が成立しているとした場合には、ｔ１＋ｔ２＋ｔ３・・のように各期間を加算することを意味する。常に極性が逆の状態にある場合には、積算を開始してからの経過時間が、そのまま積算値となる。このようにすると極性が変化しないフィードバック速度信号を判断基準として、ｑ軸電流フィードバック信号の極性の変化を見るため、確実に極性が変化している区間を判定することができる。

そして判定部は、積算値が予め定めた累積時間以上になると誤配線と判定してアラーム信号を出力するので、予め定めた累積時間を適宜の長さに定めることにより、ノイズの影響を受けることなく、確実に誤配線を判定できる。

前述のｑ軸電流フィードバック信号の「所定の値」は、定格電流の１０％以上の値が好ましい。この値以上あれば、誤検出を防止できる。

三相誤配線の場合と二相誤配線の場合とでは、三相誤配線の方が二相誤配線の場合よりも、積算動作が早くから行われ且つ積算値の増加率が一定で早く積算値が予め定めた累積時間に達するというという傾向がある。そこで前述の予め定めた累積時間は、二相誤配線の場合における積算値の変化状況を考慮して定めるのが好ましい。ちなみに、予め定めた累積時間を、３０msecとすれば、二相誤配線及び三相誤配線の両方を検出できる。

本発明の誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。 誤配線検出部の具体例の一例を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、三相誤配線が発生した場合の状態及び図２の誤配線検出部の動作を説明するために用いる波形図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、二相誤配線が発生した場合の状態及び図２の誤配線検出部の動作を説明するために用いる波形図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、正常配線時の状態を説明するために用いる波形図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、二相誤配線が発生した場合の状態を説明するために用いる波形図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、三相誤配線が発生した場合の状態を説明するために用いる波形図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。この誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置は、トルク指令発生部１と、電流指令発生部２と、電機子電流供給装置３と、電流検出器４と、直交二軸変換部５と、位置検出部６と、フィードバック速度信号発生部７と、誤配線検出部８とを備えている。

トルク指令発生部１は、速度指令Ｖc とフィードバック速度信号ＶcFとに基づいてトルク指令TCMDを発生する。電流指令発生部２は、トルク指令TCMDに基づいてｄ軸電流指令ＩdC及びｑ軸電流指令ＩqCを出力する。電機子電流供給装置３は、ｄ軸電流指令ＩdC及びｑ軸電流指令ＩqCと後述するｄ軸電流フィードバック信号ＩdF及びｑ軸電流フィードバック信号ＩqFとに基づいて、三相同期電動機Ｍの電機子巻線に電機子電流を供給する。電機子電流供給装置３は、２つの電流制御器３１及び３２と、座標変換器３３と、PWM制御器３４と、電力変換器３５とを備えている。２つの電流制御器３１及び３２は、ｄ軸電流指令ＩdC及びｑ軸電流指令ＩqCとｄ軸電流フィードバック信号ＩdF及びｑ軸電流フィードバック信号ＩqFとの電流偏差をｄ軸電圧指令VdC及びｑ軸電圧指令VｑCに変換する。座標変換器３３は、位置検出器６を構成するエンコーダの回転子位置（θｍ）に応じたsin信号及びcos信号を発生する信号発生手段OSCからの信号に基づいて、ｄ軸電圧指令VdC及びｑ軸電圧指令VｑCを直交座標変換及び二相三相変換して、三相電圧指令VUC,VVC及びVWCを出力する。ＰＷＭ制御器３４は、ＰＷＭ制御指令VUC,VVC及びVWCに基づいて、三相インバータ回路を含む電力変換器３５をＰＷＭ制御する。電力変換器３５は、直流電力を三相交流電力に変換し、三相電機子電流を三相同期電動機Ｍに供給する。なお電機子電流供給装置３は、位置検出部６を構成するエンコーダが検出する回転子位置信号θmに基づいて、電機子電流の位相を決定する。

電流検出器４は、三相同期電動機Ｍの電機子巻線を流れる少なくとも二相分の電流を検出して該二相分の電流を示す電流信号IU及びIVを出力する。座標変換部からなる直交二軸変換部５は、電流検出器４から出力される電流信号IU及びIVを、回転子位置信号θmに基づいて信号発生手段OSCが発生したsin信号及びcos信号に基づいて座標変換して、ｄ軸電流フィードバック信号ＩdF及びｑ軸電流フィードバック信号ＩqFを出力する。

エンコーダからなる位置検出部６は、固定子に対する回転子の回転子位置θｍを検出して回転子位置を示す回転子位置検出信号θmを出力する。フィードバック速度信号発生部７は、回転子位置検出信号θmに基づいて、三相同期電動機Ｍの移動子の速度を示すフィードバック速度信号ＶcFを発生する。

誤配線検出部８は、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqF、フィードバック速度信号ＶcF及びｑ軸電流指令ＩqCに基づいて、電力変換器３５と三相同期電動機Ｍとの間を電気的に接続する三相動力線の誤配線を検出する。誤配線検出部８は、二相誤配線または三相誤配線があると、（１）ｑ軸電流指令ＩqCが飽和状態になること、（２）ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFが所定の値以上になること、（３）ｑ軸電流フィードバック信号ＩqF及びフィードバック速度信号ＶcFが逆極性になる状況が発生することを利用して、電機子電流供給装置３と三相同期電動機Ｍとの間の三相動力線の誤配線を検出して、アラーム信号ＡＳを出力する。アラーム信号ＡＳをどのように活用するかは任意である。例えば、アラーム信号ＡＳで警報を発生してもよいし、電力変換器の動作を遮断してモータへの電力の供給を停止するようにしてもよい。

図２には、誤配線検出部８の具体的な構成の一例を示してある。また図３（Ａ）乃至（Ｄ）には、三相誤配線（ＵＶＷ→ＷＵＶ）が発生しているときの、速度指令Ｖcと速度（フィードバック速度信号ＶcF）との関係；ｑ軸電流指令ＩqCと、ｄ軸電流指令ＩdCと、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFと、ｄ軸電流フィードバック信号ＩdFとの関係；積算部８３が積算する積算値ＩＶ；及びアラーム信号ＡＳを示してある。また図４（Ａ）乃至（Ｄ）には、二相誤配線（ＵＶＷ→ＵＷＶ）が発生しているときの、速度指令Ｖcと速度（フィードバック速度信号ＶcF）との関係；ｑ軸電流指令ＩqCと、ｄ軸電流指令ＩdCと、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFと、ｄ軸電流フィードバック信号ＩdFとの関係；積算部８３が積算する積算値ＩＶ；及びアラーム信号ＡＳを示してある。

図２の誤配線検出部８は、飽和状態判定部８１と、ｑ軸電流フィードバック信号判定部８２と、積算部８３と、判定部８４とから構成される。飽和状態判定部８１は、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示されるように、ｑ軸電流指令ＩqCが飽和している状態にあるか否かを判定する。誤配線が無い状態（図５参照）では、ｑ軸電流指令ＩqCが飽和することはないからである。またｑ軸電流フィードバック信号判定部８２は、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの大きさが所定の値以上あるか否かを判定する。これはｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの極性を正しく判断するためである。そのため、判定誤動作を防止する目的で、このような条件を付加している。なお好ましくは、ｑ軸電流フィードバック信号の大きさが定格電流の１０％以上であれば、判定誤差を防止することができる。

積算部８３は、フィードバック速度信号ＶcFの極性とｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの極性とが逆の状態にある時間を積算して積算値ＩＶを出力する。積算部８３は、時間の積算のために、内部時計またはタイマを備えている。三相誤配線の場合には、図３（Ｂ）に示すように、フィードバック速度信号ＶcFは、当初よりマイナスの極性を示しており、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの極性は常時プラスの極性を示している。したがってｑ軸電流フィードバック信号判定部８２が、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの大きさが所定の値以上あることを判定した後から、積算部８は逆極性になっている時間を積算して積算値を出力する。この場合には、逆極性の関係が連続して続くため、積算値はｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの大きさが所定の値以上あることを判定した後からの経過時間と一致する。二相誤配線の場合には、図４（Ｂ）に示すように、フィードバック速度信号ＶcFは、ゼロ値を中心にして振動するため、マイナスの極性とプラスの極性を繰り返している。これに対して、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの極性はプラスの極性を常時示している。したがってｑ軸電流フィードバック信号判定部８２が、ｑ軸電流フィードバック信号ＩqFの大きさが所定の値以上あることを判定した後から、積算部８はフィードバック速度信号ＶcFがマイナスの極性にある期間の時間を積算する。

判定部は、積算値が予め定めた累積時間ＲＴ以上になると誤配線と判定してアラーム信号を出力する。ｑ軸電流指令は、二相誤配線及び三相誤配線のいずれの場合でも飽和状態になる。予め定めた累積時間を適宜の長さに定めることにより、ノイズの影響を受けることなく、確実に誤配線を判定できる。なお三相誤配線の場合と二相誤配線の場合とでは、三相誤配線の方が二相誤配線の場合よりも、積算動作が早くから行われ且つ積算値の増加率が一定で早く積算値が予め定めた累積時間ＲＴに達するというという傾向がある。そこで前述の予め定めた累積時間ＲＴは、二相誤配線の場合における積算値の変化状況を考慮して定めるのが好ましい。ちなみに、予め定めた累積時間ＲＴを、３０msecとすれば、二相誤配線及び三相誤配線の両方を検出できる。

本発明によれば、本発明によれば、従来のように、直流励磁のような特別な動作や、三相のダイナミックブレーキのような特別な回路を用いることなく、三相同期電動機の誤配線を正しく検出できる。

１ トルク指令発生部
２ 電流指令発生部
３ 電機子電流供給装置
４ 電流検出器
５ 直交二軸変換部
６ 位置検出部
７ フィードバック速度信号発生部
８ 誤配線検出部

Claims (3)

1. 三相同期電動機の固定子に対する回転子の回転子位置θｍを検出して回転子位置検出信号を出力する位置検出部と、
   前記三相同期電動機の速度を示すフィードバック速度信号を発生するフィードバック速度信号発生部と、
   速度指令と前記フィードバック速度信号とに基づいてトルク指令を発生するトルク指令発生部と、
   前記トルク指令に基づいてｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令を出力する電流指令発生部と、
   前記三相同期電動機の電機子巻線を流れる少なくとも二相分の電流を検出して該二相分の電流を示す電流信号を出力する電流検出器と、
   前記電流検出器から出力される前記電流信号および前記回転子位置信号に基づいて、直交二軸変換によりｄ軸電流フィードバック信号及びｑ軸電流フィードバック信号を演算して出力する直交二軸変換部と、
   前記ｄ軸電流指令及びｑ軸電流指令と前記ｄ軸電流フィードバック信号及びｑ軸電流フィードバック信号とに基づいて、前記電機子巻線に電機子電流を供給する電機子電流供給装置とを具備し、
   前記電機子電流供給装置が、前記位置検出部が検出する前記回転子位置θｍに基づいて、前記電機子電流の位相を決定するように構成されている三相同期電動機の制御装置において、
   前記ｑ軸電流フィードバック信号、前記フィードバック速度信号及び前記ｑ軸電流指令に基づいて、三相動力線の誤配線があると、前記ｑ軸電流指令が飽和状態になること、前記ｑ軸電流フィードバック信号が所定の値以上になること、前記ｑ軸電流フィードバック信号及びフィードバック速度信号が逆極性になる状況が発生することを利用して前記電機子電流供給装置と前記三相同期電動機との間の三相動力線の誤配線を検出すると、アラーム信号を出力する誤配線検出部を更に備えている誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置。
2. 前記誤配線検出部は、
   前記ｑ軸電流指令が飽和している状態にあるか否かを判定する飽和状態判定部と、
   前記ｑ軸電流フィードバック信号の大きさが所定の値以上あるか否かを判定するｑ軸電流フィードバック信号判定部と、
   前記フィードバック速度信号の極性と前記ｑ軸電流フィードバック信号の極性とが逆の状態にある時間を積算して積算値を出力する積算部と、前記積算値が予め定めた累積時間以上になると誤配線と判定して前記アラーム信号を出力する判定部とを備えている請求項１に記載の誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置。
3. 前記所定の値が、定格電流の１０％以上の値である請求項２に記載の誤配線検出機能を備えた三相同期電動機の制御装置。