JP2011010440A - インバータ装置及びインバータ装置のティーチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械式ブレーキを備えるモータ駆動システムについてブレーキ閉遅れ時間を得るためのティーチング動作を行う場合に、より精度が高い結果を得る。
【解決手段】モータの回転周波数を予め定めたクリープ周波数まで低下させると（ステップＳ１〜Ｓ３）、クリープ保持時間Ｔｈだけクリープ周波数を維持させ、その間にモータの出力トルクを検出して平均値を求める（ステップＳ４〜Ｓ６）。求めた平均値に対して定格トルクの１０％を加えたものを判定トルク値として設定し、ブレーキ閉指令を出力するとブレーキ閉遅れ時間Ｔｃの計測を開始し（ステップＳ７）、モータの出力トルクが判定トルク値以上になるまでの時間をブレーキ閉遅れ時間Ｔｃとして計測すると（ステップＳ８：ＹＥＳ）当該時間Ｔｃを記録する（ステップＳ９）。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ回路によりモータを可変速制御するインバータ装置と、前記モータの回転を停止させる機械式ブレーキとを備えるモータ駆動システムに使用される前記インバータ装置，及びインバータ装置のティーチング方法に関する。

モータの回転を停止させるための機械式ブレーキを備えてなるモータ駆動システムは、例えば電気ホイストやクレーンなど様々な用途に適用されている。斯様なモータ駆動システムでは、従来よりブレーキの作動タイミングをどのように決定するかが問題となっている。インバータ回路を介してモータを駆動する場合、通常、インバータ装置が有する速度や電流を検出する機能を利用して、インバータ装置の出力周波数が例えば２〜３Ｈｚ程度に上昇し、且つインバータ装置の出力電流が所定電流以上となった場合にブレーキを開にする。また、ブレーキを閉にする場合は、インバータ装置に低速度指令が与えられ、出力周波数が十分に低下するまで減速した時点でブレーキを閉にすることが行われている。

この時、モータの出力トルクが負荷トルクに抗し得る低い出力周波数を維持している状態でブレーキを作用させる必要があるが、機械式ブレーキは、開閉用の制御指令が与えられた時点から実際にブレーキが作用するまでに数十ｍ〜百ｍｓ程度の遅れ時間が存在する。そのため、ブレーキ閉時には、遅れ時間内にインバータ装置の出力が停止するとモータにブレーキが作用しない期間が発生することになる。従って、制御シーケンスの調整を、機械式ブレーキの遅れ時間も考慮した上で行う必要がある。加えて、使用するモータの種類や負荷の種類等により駆動システムの前提条件は相違するため、これらの調整は個別に行わなければならない。

そこで、特許文献１では、ブレーキ開時の遅れ時間やブレーキ閉時の遅れ時間を実際のシステム毎にティーチングするためのシーケンスを実行し、その結果得られたデータを以降のブレーキ制御に利用する技術が開示されている。特許文献１におけるブレーキ閉遅れ時間のティーチングシーケンスは、図７に示す手順で行われる。
図７（ｅ）に示すように、運転停止指令が与えられると（時刻ｔ１）モータの減速が開始される（（ａ）参照）。そして、モータの出力周波数が予め設定されたクリープ周波数（保持周波数）に到達すると（時刻ｔ２）、機械式ブレーキに閉信号を出力すると共に（（ｃ）参照）、ブレーキ閉遅れ時間の計測を開始する。機械式ブレーキは、実際には、時刻ｔ２から遅れ時間Ｔｍｃが経過した時刻ｔ３に閉状態となる（（ｄ）参照）。

ブレーキが閉じると、モータの実速度が略ゼロとなり、クリープ周波数との差分に応じたフィードバック制御の結果として、モータの出力トルクが上昇を開始する（（ｂ）参照）。そして、出力トルクが閾値以上になると「ブレーキ閉」と判断し（時刻ｔ４）、時刻ｔ２〜ｔ４の間隔をブレーキ閉遅れ時間Ｔｃとして記録する。したがって、時刻ｔ３〜ｔ４は、ティーチングで得られた遅れ時間Ｔｃと、実際の遅れ時間Ｔｍｃとの誤差になる。

特開２００６−３４５６０２号公報

しかしながら、上記のようなティーチングにより得られた遅れ時間Ｔｃには、以下のような問題があった。
（１）クレーン等が荷重を伴っている状態でティーチングを行うと、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃが、実際の遅れ時間Ｔｍｃに対して短い値となる傾向がある。
（２）クレーン等が無負荷，或いは軽負荷の状態でティーチングを行うと、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃが、実際の遅れ時間Ｔｍｃに対して長い値となる傾向がある。

以下、これらについてより具体的に説明する。図８は、モータの定格に対して６０％の負荷が加わっている場合のティーチング例を示す。「ブレーキ閉」を判断するための閾値は定格の５０％に設定されており、実際の遅れ時間Ｔｍｃは１００ｍｓであるとする。ブレーキ閉信号が与えられてから実際にブレーキが動作するまでの間、モータはクリープ周波数で回転するが、その期間の出力トルクは、ほぼ負荷トルクに一致している。したがって、このケースでは定格６０％のトルクが必要となる。

すると、モータが減速されてクリープ周波数に達し、等速運転に移行すると、モータの出力トルクは減速トルクから負荷トルクに変化する。したがって、等速運転に移行すると出力トルクが閾値（定格５０％）を超えることになり、直ちにティーチング動作が終了する。その結果、図８に示す例では遅れ時間Ｔｃが１０ｍｓとなっている。このティーチングにより得られた遅れ時間Ｔｃ＝１０ｍｓを用いて制御を行うことを想定すると（Ｔｃ≪Ｔｍｃ）であるから、実際にブレーキが閉じる前にモータが停止するため「荷ずれ」が発生するおそれがある。

また、図９は、無負荷の場合のティーチング例であり、「ブレーキ閉」を判断する閾値，及び実際の遅れ時間Ｔｍｃは図８と同様である。この場合、実際にブレーキが動作すると、モータの出力トルクは、無負荷に応じたゼロレベルから上昇を開始する。したがって、閾値を超えるまでの時間が長くなり、この例では、遅れ時間Ｔｃ＝２４０ｍｓとなっている。このように（Ｔｃ≫Ｔｍｃ）となるケースは、安全という観点では問題ないが、誤差が大きくなり過ぎると、例えば以下のように短い間隔でインチング動作を行う際に過電流保護が作用して作業に支障を来すことが想定される。

図１０では、実際の遅れ時間Ｔｍｃ＝１００ｍｓに対し、ティーチングで得られた遅れ時間Ｔｃ＝５００ｍｓであったとする。ブレーキ閉信号が与えられた後、１００ｍｓ経過した時刻ｔ１でブレーキが閉じるが、インバータ側では遅れ時間は５００ｍｓと認識しているため未だブレーキは閉じていないと判断し、クリープ周波数での運転を継続する。その運転継続中の時刻ｔ２に加速運転信号が与えられると、インバータ側ではモータを加速させるが、既にブレーキが閉じているため通電電流が増加し、過電流制限閾値付近まで上昇する。
以降にインチング動作を短い周期で繰り返すと、ブレーキが閉じたまま通電電流が閾値付近で変動することになり、過電流保護動作に至る可能性がある。このような動作状態に陥ることを回避するには、ティーチングの精度をより向上させる必要がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、機械式ブレーキを備えるモータ駆動システムについてブレーキ閉遅れ時間を得るためのティーチング動作を行う場合に、より精度が高い結果を得ることができるインバータ装置，及びインバータ装置のティーチング方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載のインバータ装置は、インバータ回路によりモータを可変速制御するインバータ装置と、前記モータの回転を停止させる機械式ブレーキとを備えるモータ駆動システムに使用される前記装置において、
前記モータを可変速制御すると共に、前記ブレーキの開閉を制御する制御部と、
この制御部が前記モータの停止に伴って実行する前記ブレーキの閉制御を、前記モータの可変速制御と連携して行なう際に、前記制御部の内部情報に基づいて、前記ブレーキの閉制御に使用されるブレーキ制御データを設定する設定手段とを備え、
前記設定手段は、前記ブレーキ制御データの設定を行う場合は、前記モータが回転している状態から、
前記モータの回転周波数を予め定めた保持周波数まで低下させるよう前記制御部に指令を与え、
前記モータの回転周波数が前記保持周波数に到達すると、所定の保持時間だけ保持周波数を維持させ、その間に前記モータの出力トルクを検出し、
前記検出した出力トルクに対して所定の増加分を加えたものを判定トルク値として設定し、
前記ブレーキに閉指令を出力すると、ブレーキ閉遅れ時間の計測を開始し、
前記モータの出力トルクが前記判定トルク値以上になるまでの時間を、前記ブレーキ閉遅れ時間として計測し、当該時間を記録することを特徴とする。

上述したように、モータを保持周波数で等速回転させている場合の出力トルクは、ほぼ負荷トルクに等しくなっている。従って、上記等速回転期間に検出した出力トルクに所定の増加分を加えた判定トルク値を用いてブレーキが閉状態となったことを判定すれば、従来よりもブレーキ閉遅れ時間をより高精度に計測することができる。

請求項１記載のインバータ装置によれば、ティーチングにおいて、より真値に近いブレーキ閉遅れ時間を計測できるので、そのブレーキ閉遅れ時間を利用してモータの回転を停止させる場合のブレーキ閉制御を行うようにすれば、制御を短時間で完了することができる。加えて、出力電流を徒に増加させて過電流保護機能を作用させてしまうことを回避できる。

電気ホイストに適用した場合の一実施例であり、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃについてのティーチング処理を示すフローチャート 図１のティーチング処理に対応するタイミングチャート 図１のティーチング処理において観測される各信号波形の一例（無負荷の場合）を示す図 定格負荷６０％の場合の図３相当図 ホイスト本体に内蔵されるインバータ装置の構成を中心として示す機能ブロック図 （ａ）は電気ホイストの概略構造を説明する正面図、（ｂ）は同側面図 従来技術を示す図２相当図 図４相当図 図３相当図 ティーチングで得られたブレーキ閉遅れ時間の誤差が大きい場合に、短い周期でインチング動作を繰り返した場合のタイミングチャート

以下、電気ホイストに適用した場合の一実施例について図１乃至図６を参照して説明する。図６（ａ）は、電気ホイストの概略構造を説明する正面図、（ｂ）は側面図である。電気ホイスト１は、２台の走行用モータ２，３により走行レール４を挟む駆動輪５，６が駆動されると走行レール４に沿って走行する。そして、ユーザが図示しない昇降用スイッチを操作すると巻上用モータ７が駆動され、ワイヤロープ８の巻込み又は繰出しが行われてフック９に吊り下げた荷物（図示せず）を昇降させるようになっている。

図５は、ホイスト本体１０に内蔵されるインバータ装置１１の構成を中心として示す機能ブロック図である。インバータ装置１１には交流電源１２が供給されており、当該インバータ装置１１に内蔵されるインバータ制御部１３は、３相誘導モータで構成される巻上用モータ７を、インバータ回路１４を介してベクトル制御して駆動するように構成されている。
インバータ制御部１３は、マイクロコンピュータにより構成され、ベクトル制御部１５，ブレーキ制御部１６，自動設定機能部（設定手段）１７などを備えている。尚、これらのブロックは主にソフトウエアによって実現されるものである。インバータ装置１１に対しては、外部より運転指令や周波数指令，ティーチング指令などが与えられるようになっており、インバータ制御部１３は、これらの指令に基づきベクトル制御部１５によりベクトル制御演算を行い、ＰＷＭ信号を生成してインバータ回路１４に出力する。

また、インバータ制御部１３は、巻上げ用モータ（以下、単にモータと称す）７を始動又は停止させる場合に、モータ７のシャフトを拘束するための機械式ブレーキ（ＢＲ）１８の開閉を、ブレーキ制御部１６によりブレーキ励磁部１９を介して制御する。ブレーキ制御部１６は、ブレーキ１８の開閉制御を行う際には、ブレーキ制御データ２０に基づいて行うようになっている。このブレーキ制御データ２０は、後述するように外部よりティーチング指令を与えて自動設定機能部１７を機能させるとその作用により自動設定される。また、自動設定機能部１７を機能させない場合には、予めメモリ（記憶手段）２１に記憶されている設定データが読み出されて使用されるようになっている。

ベクトル制御部１５は、インバータ回路１４を介して少なくとも２相（例えばｕ，ｗ）の電流を検出し、それらの検出電流に基づいてベクトル制御演算を行なう（センサレスベクトル制御）。尚、検出する電流が２相だけの場合、残りの１相（ｖ）については演算により求める。そして、モータ７の回転角周波数ω，回転位相角θ，励磁電流Ｉｄ，トルク電流Ｉｑなどを演算する。自動設定機能部１７は、ブレーキ制御データ２０の自動設定を行う場合には、ベクトル制御部１５より回転角周波数ω及びトルク電流Ｉｑを得るようになっている。

次に、本実施例の作用について図１乃至図４も参照して説明する。尚、ブレーキ開遅れ時間のティーチングについては特許文献１と同様であり、本実施例では、その後にモータを回転させている状態からブレーキ閉制御を行う際に、ブレーキ閉遅れ時間を計測するティーチングの手順について説明する。図１は、外部よりティーチング指令が与えられた場合に、インバータ制御部１３の自動設定機能部１７がブレーキ閉遅れ時間Ｔｃについてティーチングを行う場合の処理を示すフローチャートである。また、図２は、図１の処理に対応した図７相当図である。

モータ７が通常運転を行っている状態から、運転停止が指令されると（ステップＳ１：ＹＥＳ，図２：ｔ１）、自動設定機能部１７は、ベクトル制御部１５に与える周波数指令ｆｃを、例えば定格すべり周波数（例えば、２Ｈｚ〜３Ｈｚ程度）に相当するクリープ周波数（保持周波数）にセットする（ステップＳ２）。そして、モータ７の回転周波数がクリープ周波数以下になったことを確認すると（ステップＳ３：ＹＥＳ，図２：ｔ２）、モータ７の回転をそのままクリープ周波数で保持するためのクリープ保持時間Ｔｈの計測を開始する（ステップＳ４）。

次のステップＳ５において、クリープ保持時間Ｔｈが予め定めた設定値（例えば２００ｍｓ）以上となるまでの間は（ＮＯ，図２：ｔ２〜ｔ３）ステップＳ４に戻り、モータ７の出力トルクを所定間隔で計測し、その平均値を求める。ここでの出力トルクとしては、自動設定機能部１７が、ベクトル制御部１５よりモータ７のトルク電流Ｉｑ（推定トルク）を計測する。例えば、トルク電流Ｉｑの計測に一次遅れ時間２ｍｓ（サンプリング周期に相当）を付与し、最新の計測値と、１周期前の計測値とを加算して１／２を乗じることで順次平均を求め、クリープ保持時間Ｔｈが経過した時点の値を最終的な平均値Ｔorqとする。

クリープ保持時間Ｔｈが経過すると（ステップＳ５：ＹＥＳ）、上記出力トルクの平均値Ｔorqをメモリ２１に書き込むなどして記録する（ステップＳ６）。それから、ブレーキ制御部１６にブレーキ閉指令を出力し（図２：ｔ３）、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃの計測を開始する（ステップＳ７）。すると、ブレーキ１８の機構は開状態から閉状態への移行を開始する。

続いて、自動設定機能部１７は、上記と同様にモータ７のトルク電流Ｉｑを取得し、モータ７の出力トルクが判定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ８）。ここでの判定値（判定トルク値）には、ステップＳ６で記録した出力トルクの平均値Ｔorqに、例えばモータ７の定格トルクの１０％（所定の増加分）を加えたものを用いる。出力トルクが判定値以上にならない間は（ＮＯ）、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃの計測を継続し（ステップＳ１２）、計測中の時間Ｔｃが予め設定した上限値以上となるか否かを監視する（ステップＳ１３）。上限値以上とならなければ（ＮＯ）ステップＳ８に戻り、上限値以上になると（ＹＥＳ）異常と判定してユーザに報知するなどの処理を行う（ステップＳ１４）。

図２に示す時刻ｔ４において、ブレーキ閉遅れ時間の真値Ｔｍｃが経過するとブレーキ１８が実際に閉じてモータ７に作用し、出力トルクは上昇を開始する。そして、ステップＳ８において、出力トルクが判定値以上になると（ＹＥＳ，図２：ｔ５）、自動設定機能部１７は、その時点のブレーキ閉遅れ時間Ｔｃを記録して（ステップＳ９）ティーチング動作を終了すると共に（ステップＳ１０）、ベクトル制御部１５及びインバータ回路１４によるモータ７の駆動も終了させる（ステップＳ１１）。

図３は、無負荷の状態でティーチングを行った場合の動作例であり、クリープ保持時間Ｔｈ＝２００ｍｓ，ブレーキ閉遅れ時間の真値Ｔｍｃ＝１００ｍｓの場合に、計測されたブレーキ閉遅れ時間Ｔｃ＝１１０ｍｓであり、誤差は１０％となっている。また、図４は、定格負荷６０％の状態でティーチングを行った場合の動作例であり、その他は図３と同じ条件で計測されたブレーキ閉遅れ時間Ｔｃ＝１２０ｍｓであり、誤差は２０％となっている。

以上のように本実施例によれば、インバータ回路１４によりモータ７を可変速制御すると共に、ブレーキ１８の開閉を制御するインバータ制御部１３と、インバータ制御部１３がモータ７の始動又は停止に伴って実行する１８ブレーキの開閉制御を、モータ７の可変速制御と連携して行なうために使用されるブレーキ制御データを、インバータ制御部１３のトルク電流Ｉｑ，回転角速度ω等の内部情報に基づいて自動的に設定する自動設定機能部１７とを備えてインバータ装置１１を構成する。

そして、モータ７の回転周波数を予め定めたクリープ周波数まで低下させると、クリープ保持時間Ｔｈだけクリープ周波数を維持させ、その間にモータ７の出力トルクを検出して平均値Ｔorqを求め、その平均値Ｔorqに対して定格トルクの１０％を加えたものを判定トルク値として設定し、ブレーキ閉指令を出力すると、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃの計測を開始し、モータ７の出力トルクが判定トルク値以上になるまでの時間を、ブレーキ閉遅れ時間Ｔｃとして計測すると、当該時間Ｔｃを記録する。
従って、従来よりもブレーキ閉遅れ時間Ｔｃをより高精度に計測することができ、そのブレーキ閉遅れ時間Ｔｃを利用してモータ７の回転を停止させる場合のブレーキ閉制御を行うようにすれば、制御を短時間で完了することができる。加えて、出力電流を徒に増加させて過電流保護機能を作用させてしまうことを回避できる。

本発明は上記し且つ図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
出力トルクの平均値を求める場合には、１次遅れ時間を設定して順次平均を取るものに限らず、クリープ保持時間Ｔｈの間に得られた出力トルクを順次記憶して、クリープ保持時間Ｔｈが経過した段階で一括して平均値を求めても良い。
また、出力トルクが殆ど変動しない場合には、必ずしも平均値を求める必要は無い。
判定値の決定は、定格トルクの１０％を加えるものに限らず、それ例外の所定の増加分を加えても良い。
異常対応処理は、必要に応じて行えば良い。
電気ホイストに限ることなく、クレーンや昇降機などのように機械式ブレーキを使用し、インバータ出力を利用してブレーキの開閉を制御するシステムに広く適用できる。
モータは誘導モータに限ることなく、ブラシレスＤＣモータなどの永久磁石型モータであっても良い。

図面中、７は誘導モータ、１１はインバータ装置、１３はインバータ制御部、１４はインバータ回路、１７は自動設定機能部（設定手段）、１８は機械式ブレーキ、２１はメモリ（記憶手段）を示す。

Claims (2)

1. インバータ回路によりモータを可変速制御するインバータ装置と、前記モータの回転を停止させる機械式ブレーキとを備えるモータ駆動システムに使用される前記インバータ装置において、
   前記モータを可変速制御すると共に、前記ブレーキの開閉を制御する制御部と、
   この制御部が前記モータの停止に伴って実行する前記ブレーキの閉制御を、前記モータの可変速制御と連携して行なう際に、前記制御部の内部情報に基づいて、前記ブレーキの閉制御に使用されるブレーキ制御データを設定する設定手段とを備え、
   前記設定手段は、前記ブレーキ制御データの設定を行う場合は、前記モータが回転している状態から、
   前記モータの回転周波数を予め定めた保持周波数まで低下させるよう前記制御部に指令を与え、
   前記モータの回転周波数が前記保持周波数に到達すると、所定の保持時間だけ保持周波数を維持させ、その間に前記モータの出力トルクを検出し、
   前記検出した出力トルクに対して所定の増加分を加えたものを判定トルク値として設定し、
   前記ブレーキに閉指令を出力すると、ブレーキ閉遅れ時間の計測を開始し、
   前記モータの出力トルクが前記判定トルク値以上になるまでの時間を、前記ブレーキ閉遅れ時間として計測し、当該時間を記録することを特徴とするインバータ装置。
2. インバータ回路によりモータを可変速制御するインバータ装置と、前記モータの回転を停止させる機械式ブレーキとを備えるモータ駆動システムについて、前記モータを停止させることに伴い前記ブレーキの閉制御を行なう場合、前記ブレーキに閉指令を出力してから、前記ブレーキが実際に閉状態となったことが検知されるまでのブレーキ閉遅れ時間を計測するティーチング方法であって、
   前記モータが回転している状態から、
   前記モータの回転周波数を予め定めた保持周波数まで低下させ、
   前記モータの回転周波数が前記保持周波数に到達すると、所定の保持時間だけ保持周波数を維持させ、その間に前記モータの出力トルクを検出し、
   前記検出した出力トルクに対して所定の増加分を加えたものを判定トルク値として設定し、
   前記ブレーキに閉指令を出力すると、ブレーキ閉遅れ時間の計測を開始し、
   前記モータの出力トルクが前記判定トルク値以上になるまでの時間を、前記ブレーキ閉遅れ時間として計測することを特徴とするインバータ装置のティーチング方法。

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