JP2012233826A - モータ制御装置及びモータの絶縁劣化検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブートストラップ回路を半導体スイッチのドライブ回路に適用できる絶縁抵抗検出機能を備えたモータ制御装置を提供することにある。
【解決手段】電圧分圧回路７が、負極直流出力部４Ｂの一方とグランドとの間にリレー接点からなる常開スイッチ回路ＳＷを介して配置されている。検出動作制御部８は、遮断器２が開状態になっているときに、常開スイッチ回路ＳＷを閉状態にする。そして検出動作制御部８は、インバータ回路５中の一つのアーム回路５１〜５３の一対のトランジスタＴＲ１及びＴＲ５の一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返す検出動作を行う。そして絶縁抵抗検出部９が、電圧分圧回路７から出力された分圧電圧とインバータ回路５に入力される直流電圧とに基づいて絶縁抵抗を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータの絶縁劣化（絶縁抵抗の異常な低下）を検出する絶縁劣化検出装置を備えたモータ制御装置及びモータの絶縁劣化を検出する方法に関するものである。

サーボモータは、ＰＷＭ制御されるインバータ回路を備えたモータ制御装置により駆動される。工作機械の中でも、切削液を用いて加工を行う工作機械では、切削液がモータに付着することがある。そして切削液の性質によっては、モータ内部に切削液が入り込み、モータの電気的な絶縁を劣化させるという問題がある。モータの電気的な絶縁劣化は徐々に進行し、最終的には地絡に至る。モータが地絡すると、漏電ブレーカをトリップさせたり、モータ制御装置を破損させたりして、モータを利用するシステムをダウンするに至る。システムのダウンは、工場の製造ラインに多大な影響を及ぼす。そのため、予防保全の観点から、モータの絶縁劣化を検出できる装置が必要とされている。

このような、モータの絶縁の劣化を検出する従来の方法としては、
（１）電気絶縁抵抗計を用いる方法
（２）ＰＷＭ制御されるインバータ回路の一対の直流入力部すなわちプラス極及びマイナス極の両方又はいずれか一方の極と対地（グランド）間に、コンデンサと抵抗の直列回路を挿入し、この直列回路の抵抗の両端の電位差を検出する回路を設けてモータの駆動を停止することなく、モータの絶縁劣化を検出する方法（特許文献１）
（３）ＰＷＭ制御されるインバータ回路の直流入力部をアースし（グランドに接続し）、インバータ回路に含まれる半導体素子を利用してインバータ装置に印加される直流電圧をモータに印加し、その時のインバータ装置の直流電圧及び直流電流を測定してモータの電気絶縁抵抗を求める方法（特許文献２）
（４）遮断器を通して電源に接続されたＰＷＭインバータのマイナス極とグランドとの間に抵抗とスイッチを挿入し、前記遮断器が開状態になっている時に、スイッチを閉にし、ＰＷＭインバータのプラス極の半導体スイッチを導通状態にして、前記抵抗の電圧降下から求める方法（特許文献３）
などがある。

特開２００５−２０１６６９号公報 特開平６−９４７６２号公報 特開２００９−２０４６００号公報

上記（１）の絶縁抵抗計を用いる方法は、モータとモータ制御装置の間の配線をはずして、モータの巻線と対地（グランド）間に絶縁抵抗計を接続して電気絶縁抵抗を計測し、電気絶縁抵抗の値により絶縁の劣化を検出するものである。しかし、この方法では、モータの配線をはずさなければならず、多くの作業工数を必要とするという問題があった。

上記（２）の方法では、電源を通して流れる漏れ電流により、検出回路に流れる電流が影響を受け、絶縁劣化の検出に誤差を生ずるという問題があった。

上記（３）の方法では、インバータ回路の直流側をアースし（グランドに接続し）、インバータ回路中の半導体素子を利用してインバータ装置の直流電圧をモータに印加する。そしてそのときのインバータ回路の直流入力電圧及び直流入力電流を測定してモータの電気絶縁抵抗を求めるものである。しかし、この方法では、モータの電気絶縁が劣化して地絡が発生していた場合、インバータ回路の直流電圧をインバータ回路中の半導体素子の導通によりショートさせることになる。その結果、半導体素子が破損してしまうという問題があった。また、直流電流を測定する検出器には、絶縁劣化検出時には微小電流が流れ、通常のモータ制御時には大きな電流が流れる。このため、大電流を流すことができて、しかも微小電流を精度よく検出できる電流検出器が必要になる。しかしながら一般的な電流検出器では、このような精度を得ることができず、検出精度を高めることに問題があった。

（４）の方法では、ノイズ対策としてＰＷＭインバータの直流部とアース間にコンデンサを設けている場合、このコンデンサにより絶縁抵抗検出用抵抗の電圧が安定するまでに時間がかかる。インバータ回路のプラス極のスイッチの電源が、半導体スイッチを常時オンにしたままにできるインバータ回路では問題にならない。しかしインバータ回路のプラス極の半導体スイッチの電源を図５のようにインバータ回路の上段にコンデンサとダイオードを付けてブートストラップ回路を用いた場合、プラス極の電源はＰＷＭ動作の短い時間しかオン状態にできないため、絶縁抵抗を検出する前にプラス極の半導体スイッチがオフしてしまい、使用できないという問題があった。なお図５の回路は、自励式のインバータ回路であり、半導体スイッチを構成するトランジスタＴＲ１乃至ＴＲ６の駆動信号（ゲート信号）は、トランジスタ信号ＴＲ１乃至ＴＲ６に対してそれぞれ設けられた駆動回路ＤＣ１〜ＤＳ６から与えられる。

本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その目的は、モータの配線をはずしたりする必要がなく、モータが地絡していてもインバータ回路の半導体スイッチの破損がなく、また、ブートストラップ回路を半導体スイッチのドライブ回路に適用でき、しかも電源からの漏れ電流の影響のない絶縁抵抗検出機能を備えたモータ制御装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、インバータ回路のスイッチングによる漏れ電流の影響を受けることがなく、モータが地絡していても、インバータ回路中の半導体スイッチを破損させずに、精度よくモータの絶縁劣化を検出することができるモータの絶縁劣化検出方法を提供することにある。

本発明のモータ制御装置は、整流回路と、インバータ回路と、絶縁劣化検出装置とを備えている。整流回路は、交流電源に遮断器を介して接続され且つ正極直流出力部と負極直流出力部との間に平滑用コンデンサを備えている。また１台以上のインバータ回路は、一対の半導体スイッチが直列接続されて構成され且つ一対の半導体スイッチの接続点が交流出力部となる複数のアーム回路が、並列接続されて構成され、複数のアーム回路中の上段の半導体スイッチのドライブ回路がブートストラップ回路により構成され、１台以上のモータの複数相の励磁巻線に電圧を印加する。そして絶縁劣化検出装置は、インバータ回路により駆動されるモータの絶縁抵抗を検出して絶縁抵抗の劣化を検出する。

本発明では、電圧分圧回路と、検出動作制御部と、絶縁抵抗検出部とを備えた絶縁劣化検出装置を用いる。電圧分圧回路は、正極直流出力部及び負極直流出力部の一方とグランドとの間に常開スイッチ回路を介して配置されている。検出動作制御部は、遮断器が開状態になっているときに、常開スイッチ回路を閉状態にする。その上で、検出動作制御部は、複数のアーム回路中の少なくとも一つのアーム回路中の一対の半導体スイッチの一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比で繰り返して、少なくとも１相の励磁巻線に平滑用コンデンサから正電圧及び負電圧を交互に印加するとともに、上段の半導体スイッチのブートストラップ回路を下段の半導体スイッチがオンしているときにチャージ動作状態にする検出動作を行う。そして絶縁抵抗検出部は、検出動作中において、電圧分圧回路から出力された分圧電圧とインバータ回路に入力される直流電圧とに基づいて絶縁抵抗を検出する。ここで「駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返す検出動作」とは、パルス幅を一定にしたＰＷＭ信号を用いて、対象となる少なくとも一つのアーム回路中の一対の半導体スイッチ（上段の半導体スイッチと下段の半導体スイッチ）の一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を繰り返し行うことを意味する。

本発明によれば、このような検出動作を行うことにより、モータを回転させることなく、インバータ回路の上段に使用する半導体スイッチ及び下段の半導体スイッチを駆動して、励磁巻線に電圧を印加するため、絶縁抵抗を確実に検出することができる。また下段の半導体スイッチがオン状態になっているときに、上段の半導体スイッチのブートストラップ回路をチャージ動作状態にするので、ブートストラップ回路を上段の半導体スイッチのドライブ回路に使用することが可能になる。

なお絶縁抵抗が低下したモータを検知した場合、いずれかの励磁巻線が原因となって絶縁抵抗が低下しているのかを判定する場合には、複数のアーム回路を順番に選択して各アーム回路に含まれる一対の半導体スイッチに検出動作をさせる。このようにすると、いずれの相の励磁巻線が原因となって絶縁抵抗が小さくなっているのかを特定できる。

本発明によれば、モータの通常運転を停止し、遮断器をＯＦＦにして交流電源を遮断してモータの絶縁抵抗を検出する。このため、絶縁抵抗の検出に電源ラインを通して流れる漏れ電流や電源のノイズの影響を受けることがない。また、絶縁抵抗検出時のみ通電する電圧分圧回路から出力される分圧電圧を用いて絶縁抵抗を検出するため、電圧分圧回路を構成する絶縁抵抗検出用の抵抗は、専用の抵抗値とすることができる。さらに絶縁劣化検出時において、電圧分圧回路はモータ及び平滑用コンデンサに対して抵抗負荷となるため、モータ側で地絡が発生していたとしても、平滑用コンデンサから短時間のうちに過電流が導通した半導体スイッチを通して流れることがない。そのためモータで地絡が発生した場合でも、インバータ回路中の半導体スイッチが破損するのを防ぐことができる。なお絶縁劣化検出装置を動作させる際に必要な制御電源は、遮断器が接続される電源とは別に用意してもよいし、遮断器を介さずに電源に接続された電源回路を利用してもよい。また絶縁抵抗を検出するために、モータの配線をはずす必要はなく、特別な作業工数も必要ない。

特に本発明によれば、電圧分圧回路は、負極直流出力部に一端が電気的に接続された第１の抵抗器の他端と、アース部に電気的に一端が接続された第２の抵抗器の他端とが電気的に接続されて構成されたものを用いることができる。この場合には、第１の抵抗器の両端電圧が分圧電圧Ｖ_R1として絶縁抵抗検出部に入力され、第２の抵抗器はモータが地絡状態にあるときに過電流が流れるのを防止する保護抵抗とするのが好ましい。このようにするとモータが地絡状態にあるときに過電流が発生することを確実に防止できる。また第１の抵抗器の他端と第２の抵抗器の他端との間に常開スイッチ回路を配置するのが好ましい。また常開スイッチ回路を第２の抵抗器とグランドとの間に設けるようにしてもよい。

絶縁抵抗検出部は、分圧電圧Ｖ_R1と平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ_DCとを入力として、デューティ比をＤ％、第１の抵抗体の抵抗値をＲ₁、第２の抵抗体の抵抗値をＲ₂としたときに、絶縁抵抗Ｒ_Mを、
Ｒ_M＝Ｖ_DC×（Ｄ／１００）×（Ｒ₁／Ｖ_R1）−（Ｒ₁＋Ｒ₂）
の演算式により求めるように構成することができる。この演算式を用いると、モータを装置から取り外すことなく、絶縁抵抗を求めることができる。

インバータ回路が、２台以上のモータに対してそれぞれ設けられた２台以上のインバータ回路である場合には、検出動作制御部を次のように構成することができる。すなわち、複数のインバータ回路から検出対象とする１台のインバータ回路を選択し、且つ選択した１台のインバータ回路において、検出動作を行うように検出動作制御部を構成することができる。このようにすると２台以上のモータの絶縁抵抗を１つの電圧分圧回路及び１つの絶縁抵抗検出部を用いて検出できる。

またインバータ回路が３台以上のモータに対してそれぞれ設けられた３台以上のインバータ回路である場合には、検出動作制御部を次の動作を行うように構成することができる。すなわち３台以上のインバータ回路から２台のインバータ回路の組み合わせを複数決定し、決定した複数の組み合わせにそれぞれ対応する２台のインバータ回路を選択し、且つ選択した２台のインバータ回路について、同時に検出動作を行う。その際に絶縁抵抗検出部が検出する並列絶縁抵抗に基づいて、絶縁抵抗が低下しているモータを駆動するインバータ回路を含む２台のインバータ回路を特定する。そして特定した２台のインバータ回路のそれぞれにおいて、検出動作を行う。検出動作制御部が上記の動作を行った後、絶縁抵抗検出部が、検出した絶縁抵抗に基づいて絶縁抵抗が低下しているモータを特定するようにしてもよい。

本発明のモータの絶縁劣化検出方法では、遮断器を開状態にする。その後、正極直流出力部及び負極直流出力部の一方とグランドとの間に電圧分圧回路を電気的に接続する。複数のアーム回路中の少なくとも一つのアーム回路中の一対の半導体スイッチの一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返し、少なくとも１相の励磁巻線に平滑用コンデンサから正電圧及び負電圧を交互に印加するとともに上段の半導体スイッチのブートストラップ回路を下段の半導体スイッチがオンしているときにチャージ動作状態にする検出動作を行う。そして電圧分圧回路から出力された分圧電圧とインバータ回路に入力される直流電圧とに基づいてモータの絶縁抵抗を検出する。

インバータ回路が２台以上のモータに対してそれぞれ設けられた２台以上のインバータ回路である場合には、２台以上のインバータ回路から検出対象とする１台のインバータ回路を選択する。そして選択した１台のインバータ回路において、検出動作を行えば、２台以上のモータの絶縁抵抗の劣化を検出できる。

インバータ回路が３台以上のモータに対してそれぞれ設けられた３台以上のインバータ回路である場合には、３台以上のインバータ回路から２台のインバータ回路の組み合わせを複数決定する。次に決定した複数の組み合わせにそれぞれ対応する２台のインバータ回路を選択し、且つ選択した２台のインバータ回路において、それぞれ同時に検出動作を行い、並列絶縁抵抗を検出する。そして、並列絶縁抵抗が低下しているモータを駆動するインバータ回路を含む２台のインバータ回路を特定する。その後、特定した２台のインバータ回路のそれぞれにおいて、検出動作を行い、検出した絶縁抵抗に基づいて絶縁抵抗が低下したモータを特定する。

（Ａ）は１つのインバータ回路により１台のモータを駆動する本発明のモータ制御装置の実施の形態の一例の構成を示す回路図であり、（Ｂ）は使用するブートストラップ回路の一例を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、デューティ比が１００％より小さく且つパルス幅を一定にしたＰＷＭ信号の例を示す図である。 ２台のインバータ回路により２台のモータを駆動する本発明のモータ制御装置の第２の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。 ３台のインバータ回路により３台のモータを駆動する本発明のモータ制御装置の第３の実施の形態の一例の構成を示す回路図である。 インバータ回路の上段に使用する半導体スイッチを駆動するためのドライブ回路にブートストラップ回路を用いた例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明のモータ制御装置及びモータの絶縁劣化検出方法を実施する実施の形態を詳細に説明する。図１（Ａ）は１つのインバータ回路５により１台の三相交流電動機（モータ）Ｍを駆動するモータ制御装置１の構成の一例を示す図であり、（Ｂ）は後述する上段の半導体スイッチを構成するトランジスタＴｒ１乃至ＴＲ３に対して用いるブートストラップ回路の例を示す図である。モータ制御装置１は、遮断器２としての電磁接触器を通して三相交流電源ＡＣに接続されている。このモータ制御装置１では、三相交流電源ＡＣから出力された三相交流を６個のダイオードＤ１〜Ｄ６がブリッジ接続されて構成された全波整流回路３により全波整流して直流電圧を得ている。そしてこの直流電圧を電解コンデンサからなる平滑用コンデンサＣにより平滑化する。本実施の形態では、全波整流回路３と平滑用コンデンサＣとにより整流回路が構成されている。そして平滑用コンデンサＣの両端が、正極直流出力部４Ａと負極直流出力部４Ｂとを構成している。

またインバータ回路５は、３つのアーム回路５１〜５３が、並列接続されて構成されたブリッジ回路により構成されている。３つのアーム回路５１〜５３は、それぞれトランジスタからなる一対の半導体スイッチ（ＴＲ１及びＴＲ４，ＴＲ２及びＴＲ５及びＴＲ３及びＴＲ６）が直列接続されて構成されている。そして一対の半導体スイッチ（ＴＲ１及びＴＲ４，ＴＲ２及びＴＲ５及びＴＲ３及びＴＲ６）の接続点ＣＰ１〜ＣＰ３が、交流出力部となっている。接続点ＣＰ１〜ＣＰ３には、モータＭのスター結線された三相励磁巻線Ｗ１〜Ｗ２が接続されている。図１には、スター結線された三相励磁巻線Ｗ１〜Ｗ２の中性点と対地（グランド）との間にモータの電気的な絶縁劣化により徐々に小さくなる電気的な絶縁抵抗Ｒ_Mを図示してある。インバータ回路５で使用する６個のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ６には、ダイオードＤがそれぞれ逆並列接続されている。本実施例では、このインバータ回路５は、図示しないインバータ制御回路に含まれるＰＷＭ制御回路１０から出力されるＰＷＭ制御信号に基づいてＰＷＭ制御されて、直流電力を交流電力に変換して出力する。そしてＰＷＭ制御回路１０は、モータＭの出力軸に固定された図示しないエンコーダなどの位置検出器からの出力に基づいてモータＭの回転子の位置が検出され、その検出情報を基にモータＭの回転子の位置や速度制御を行う。また上段のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３には、代表的に図１（Ｂ）に一例を示すような、抵抗Ｒ₀，コンデンサＣ₀，ダイオードＤ₀及び直流電源ＤＰＳからなるブートストラップ回路ＢＳＣがそれぞれ設けられている。なおトランジスタＴＲ１及びＴＲ４のベースには、ＰＷＭ信号をトランジスタに与える駆動回路ＤＣ１及びＤＣ４が配置されている。トランジスタＴＲ２及びＴＲ５並びにトランジスタＴＲ３及びＴＲ６にも、図１（Ｂ）の構成と同様のブートストラップ回路及び駆動回路が配置されている。このブートストラップ回路ＢＳＣは、下段のトランジスタＴＲ４が導通している期間直流電源ＤＰＳ→抵抗Ｒ₀→ダイオードＤ₀→コンデンサＣ₀→トランジスタＴＲ４の回路を流れる電流により、コンデンサＣ₀が充電される。その結果、コンデンサＣ₀の電荷により、トランジスタＴＲ１のベースエミッタ間電圧を上昇させることができる。したがって後述するように、遮断器２が開いた後でも、上段のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３のベースに、駆動回路ＤＣ１を介して加わるＰＷＭ駆動信号により、上段のトランジスタＴＲ１〜ＴＲ３の導通状態を確保できる。

モータ制御装置１には、インバータ回路５により駆動されるモータＭの電気的な絶縁劣化（絶縁抵抗Ｒ_Mの低下）を検出する絶縁劣化検出装置６が内蔵されている。絶縁劣化検出装置６は、電圧分圧回路７と、検出動作制御部８と、絶縁抵抗検出部９とを備えている。電圧分圧回路７は、負極直流出力部４Ｂの一方とグランドとの間にリレー接点からなる常開スイッチ回路ＳＷを介して配置されている。具体的には、電圧分圧回路７は、負極直流出力部４Ｂに一端が電気的に接続された絶縁劣化検出用抵抗としての第１の抵抗器Ｒ１の他端と、グランドに電気的に一端が接続された第２の抵抗器Ｒ２の他端との間に、常時は開状態にあるが指令が入力されると閉状態となる常開スイッチ回路ＳＷが配置された構成を有している。第１の抵抗器Ｒ１の両端電圧が分圧電圧として、電圧比較部９内のＡＤコンバータに入力される。第２の抵抗器Ｒ２は、モータＭが地絡状態にあるときに過電流が流れるのを防止する抵抗値を有する保護抵抗を構成している。このように電圧分圧回路７を構成すると、モータＭが地絡状態にあるときに過電流が発生することを確実に防止できる。

検出動作制御部８は、電磁接触器からなる遮断器２が開状態になっているときに、常開スイッチ回路ＳＷを閉状態にする。検出動作制御部８は、以下の検出動作を行う。まず３つのアーム回路５１〜５３中の少なくとも一つのアーム回路（以下代表的にアーム回路５１を例として説明する）中の一対の半導体スイッチ（以下代表的にトランジスタＴＲ１及びＴＲ４を例として説明する）の一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返す。例えば、トランジスタＴＲ１をオンさせている期間トランジスタＴＲ４をオフさせ、トランジスタＴＲ４をオンさせている期間トランジスタＴＲ１をオフさせるオン・オフ動作を行う。このオン・オフ動作により、１相の励磁巻線Ｗ１に平滑用コンデンサＣから正電圧及び負電圧が交互に印加される。そして前述のように上段のトランジスタＴＲ１に対するブートストラップ回路ＢＳＣを下段のトランジスタＴＲ４がオンしているときにコンデンサＣ₀をチャージするチャージ動作を行う。

「駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返す」とは、図２（Ａ）乃至（Ｃ）に例示するように、ＰＷＭ制御を行う場合において使用するＰＷＭ信号のデューティ比が１００％より小さいデューティ比（例えば５０％）で、且つパルス幅を一定にした同じＰＷＭ信号を用いて対象となる一対のトランジスタＴＲ１及びＴＲ４の一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比を持ったＰＷＭ信号を用いて繰り返すことを意味する。図２の右図に示すように、このようなＰＷＭ信号を用いることにより励磁巻線に印加される電圧の平均をデューティに応じた電圧値とすることができる。デューティ比が例えば６０％であるとすると、トランジスタＴＲ１が６０％のデューティ期間オン状態（この期間トランジスタＴＲ４はオフ状態）となり、トランジスタＴＲ４が残りの４０％のデューティ期間オン状態（この期間トランジスタＴＲ１はオフ状態）となる。デューティ比は、下段のトランジスタによりブートストラップ回路をチャージ動作状態にできて、しかも絶縁抵抗の検出に必要な電圧を励磁巻線に印加できるものであればよい。すなわちデューティ比の上限値は、インバータ回路５の上側のトランジスタＴＲ１乃至ＴＲ３のゲート電源を例えば図２（Ｂ）に示すようなブートストラップ回路により充電できる値にするのが好ましい。そしてデューティ比の下限値は、モータに印加される平均電圧が低下しても、絶縁抵抗の検出精度が低下することを阻止できる値にするのが好ましい。

そして絶縁抵抗検出部９は、検出動作中において、電圧分圧回路から出力された分圧電圧とインバータ回路に入力される直流電圧とに基づいて絶縁抵抗を検出する。絶縁抵抗検出部９は、アナログ−デジタルコンバータＡＤと中央演算装置ＣＰＵとから構成される。アナログ−デジタルコンバータＡＤは、電圧分圧回路７から出力された分圧電圧Ｖ_R1とインバータ回路５に入力される直流電圧（平滑用コンデンサの端子間電圧）Ｖ_DCとをデジタルデータに変換する。そして中央演算装置ＣＰＵは、後に説明する演算式に従って絶縁抵抗Ｒ_Mを演算する。

使用する演算式は以下のようにして決定した。まずモータＭの絶縁抵抗をＲ_Mとし、平滑用コンデンサの端子間電圧をＶ_DCとし、第１の抵抗体Ｒ１の両端の電圧をＶ_R1とし、デューティ比をＤ％、第１の抵抗体の抵抗値をＲ₁、第２の抵抗体の抵抗値をＲ₂としたときに、第１の抵抗体Ｒ１の両端の電圧Ｖ_R1は以下の式で表すことができる。

Ｖ_R1＝Ｖ_DC×（Ｄ／１００）／（Ｒ_M＋Ｒ₁＋Ｒ₂）×Ｒ₁
なお、ここでは、Ｖ_DCと比較してインバータ素子の電圧降下は小さいものとして無視している。絶縁抵抗Ｒ_Mは、
Ｒ_M＝Ｖ_DC×（Ｄ／１００）×（Ｒ₁／Ｖ_R1）−（Ｒ₁＋Ｒ₂）
の演算式で算出できる。

上記の演算式による演算は、中央演算装置ＣＰＵで実行される。なお本実施の形態では、中央演算装置ＣＰＵは、検出した絶縁抵抗をモニタリングし、絶縁抵抗が予め定めた値以上になると、モータ制御装置を使用するユーザにアラームを発生する。アラームが発生した場合、ユーザは絶縁抵抗が低い場合はモータを交換し、モータが地絡してシステムダウンするのを防止する。なお、本実施の形態では、アーム回路５１〜５３中の少なくとも一つのアーム回路中の一対のトランジスタＴＲ１及びＴＲ４等をＰＷＭ駆動して交互にオン・オフさせる。具体的には、各励磁巻線に電圧を印加する一対のトランジスタＴＲ１及びＴＲ４等の一方のトランジスタを５０％のデューティのＰＷＭ信号でオン状態にし、他方のトランジスタをオフ状態にし、その後他方のトランジスタを５０％のデューティのＰＷＭ信号でオン状態にし、他方のトランジスタをオフ状態にする駆動を繰り返す。５０％のデューティのＰＷＭ信号を用いると、励磁巻線に印加される正電圧及び負電圧の絶対値は等しくなり、絶縁抵抗の検出とブートストラップ回路のチャージ動作の両方をバランスよく実行することができる。

なお本実施の形態では、励磁巻線Ｗ１にトランジスタＴＲ１を介して正電圧を印加して絶縁抵抗を検出した後、励磁巻線Ｗ１にトランジスタＴＲ４を介して負電圧を印加している期間トランジスタＴＲ１のブートストラップ回路のチャージ動作を行う。次に励磁巻線Ｗ２にトランジスタＴＲ３を介して正電圧を印加して絶縁抵抗を検出した後、励磁巻線Ｗ２にトランジスタＴＲ６を介して負電圧を印加している期間トランジスタＴＲ３のブートストラップ回路のチャージ動作を行う。その後励磁巻線Ｗ３にトランジスタＴＲ２を介して正電圧を印加して絶縁抵抗を検出した後、励磁巻線Ｗ３にトランジスタＴＲ５を介して負電圧を印加している期間トランジスタＴＲ２のブートストラップ回路のチャージ動作を行う。

なお検出動作制御部８が指定する、励磁巻線に電圧を印加する順番は、本実施の形態に限定されるものではない。また検出動作制御部８は、複数の励磁巻線に対して、前述と同様の検出動作を同時に実行して、各励磁巻線に電圧を印加し、同時に絶縁抵抗を検出するようにしてもよい。

なお検出動作において、ＰＷＭ制御回路１０は、検出動作制御部８から検出動作のためのＰＷＭ信号発生指令を受け取ると、指定されたアーム中の一対のトランジスタの一方のトランジスタの駆動回路に所定のデューティのＰＷＭ信号を与え、他方のトランジスタの駆動回路に反転した所定のデューティのＰＷＭ信号を与える。

上記実施の形態では、上記演算式を用いて絶縁抵抗を演算により求めたが、絶縁抵抗を検出する場合に、上記演算式を用いることに限定されるものではなく、比較器を用いて絶縁抵抗を相対的に検出するようにしてもよい。例えば、絶縁抵抗Ｒ_Mが高い場合は分圧電圧Ｖ_R1は低く、絶縁抵抗Ｒ_Mが低い場合は分圧電圧Ｖ_R1は高くなる。したがって絶縁抵抗Ｒ_Mがある程度劣化した場合の分圧電圧Ｖ_R1に相当する電圧を電圧基準電圧Ｖrefとして、分圧電圧Ｖ_R1と電圧基準電圧Ｖrefとを比較することにより、絶縁抵抗Ｒ_Mを相対的に検出することができる。

また、整流回路３は、ＰＷＭコンバータなどのように三相交流電源ＡＣに電力を回生できる回路でもよい。その場合は、絶縁劣化を検出する際に、ＰＷＭコンバータを停止させて、絶縁劣化の検出を行う。

なお絶縁劣化検出装置６を動作させる際に必要な制御電源及び前述の直流電源ＤＰＳは、遮断器２が接続される三相交流電源ＡＣとは別に用意されている。また制御電源を、遮断器２を介さずに三相交流電源ＡＣに接続して構成するようにしてもよい。

図３は、本発明のモータ制御装置の第２の実施の形態の回路構成を示している。図３に示した回路構成には、図１に示した回路構成を構成する部材と同様の部材に、図１に示した部材に付した符号の数に１００の数または２００の数を加えた数の符号を付して、詳細な説明を省略する。図３の実施の形態では、全波整流回路１０３に対して２台のインバータ回路１０５及び２０５が接続されている。そして２台のインバータ回路１０５及び２０５には２台のモータＭ１及びＭ２がそれぞれ接続されている。本実施の形態では、２台のモータをそれぞれ１つの絶縁劣化検出装置１０６を利用してその絶縁抵抗を検出することができる。そこでこの実施の形態では、絶縁劣化検出装置１０６の検出動作制御部１０８を、遮断器１０２が開状態になっているときに、常開スイッチ回路ＳＷを閉状態にし、２台のインバータ回路１０５及び２０５から順番に検出対象とする１台のインバータ回路を選択し、且つ選択したインバータ回路中の複数相の励磁巻線に対して前述の検出動作を行うように構成する。

具体的には、例えば検出動作制御部１０８は、最初にインバータ回路１０５のアーム１５１〜１５３に含まれる一対のトランジスタ（ＴＲ１及びＴＲ４，ＴＲ２及びＴＲ５，ＴＲ３及びＴＲ６）の上段のトランジスタを５０％のデューティ比でオン状態にしている期間モータＭ１の絶縁抵抗Ｒ_M１を検出し、その後下段のトランジスタを５０％のデューティ比でオン状態にしている期間上段のトランジスタのブートストラップ回路のチャージ動作を行う。次に検出動作制御部１０８は、インバータ回路１０５中のトランジスタにＰＷＭ信号を与えることを停止して、インバータ回路２０５のアーム２５１〜２５３に含まれる一対のトランジスタ（ＴＲ１及びＴＲ４，ＴＲ２及びＴＲ５，ＴＲ３及びＴＲ６）の上段のトランジスタを５０％のデューティ比でオン状態にしている期間モータＭ２の絶縁抵抗Ｒ_M２を検出し、その後下段のトランジスタを５０％のデューティ比でオン状態にしている期間上段のトランジスタのブートストラップ回路のチャージ動作を行う。

このように１台のモータの絶縁抵抗の検出により絶縁劣化の判定が終わった後に、残りの１台のモータに対応するインバータ回路においても同様の検出動作を実行すれば、複数台のモータについて順番に絶縁抵抗の検出を行うことができ、コストを下げて、複数台のモータの絶縁抵抗の検出の絶縁劣化の判定をすることが可能になる。

図４は、本発明のモータ制御装置の第３の実施の形態の回路構成を示している。図４に示した回路構成には、図１に示した回路（インバータ回路を除く）を構成する部材と同様の部材に、図１に示した部材に付した符号の数に２００の数を加えた数の符号を付して、詳細な説明を省略する。図４の実施の形態では、全波整流回路２０３に対して４台のインバータ回路１０５，２０５，３０５及び４０５が接続されている。そして４台のインバータ回路１０５〜４０５には４台のモータＭ１〜Ｍ４がそれぞれ接続されている。本実施の形態では、４台のモータを、図３の実施の形態と同様に、それぞれ１つの絶縁劣化検出装置２０６を利用してその絶縁抵抗を検出することができる。モータの絶縁劣化を１台ずつ検出する場合には、絶縁劣化検出装置２０６の検出動作制御部２０８を、遮断器２０２が開状態になっているときに、常開スイッチ回路ＳＷを閉状態にし、４台のインバータ回路１０５〜４０５から順番に検出対象とする１台のインバータ回路を選択し、選択した１台のインバータ回路において、図１の実施の形態と同様に検出動作を行う。

具体的には、最初にインバータ回路１０５によって駆動されるモータＭ１の絶縁抵抗を検出し、次にインバータ回路２０５によって駆動されるモータＭ２の絶縁抵抗を検出し、次にインバータ回路３０５によって駆動されるモータＭ３の絶縁抵抗を検出し、最後のインバータ回路４０５によって駆動されるモータＭ４の絶縁抵抗を検出すればよい。

このように１台ずつインバータ回路を選択するのではなく、同時に複数台のインバータ回路を選択して、同時に複数台のモータの絶縁抵抗を検出するように、検出動作制御部２０８を構成することも可能である。例えば４台のインバータ回路１０５〜４０５から２台のインバータ回路１０５及び２０５を第１の組み合わせとして選択する。そして選択した２台のインバータ回路１０５及び２０５（第１の組み合わせ）によって駆動されるモータＭ１及びＭ２の絶縁抵抗を検出する。次に残りの２台のインバータ回路３０５及び４０５（第２の組み合わせ）を選択する。そして残りの２台のインバータ回路３０５及び４０５（第２の組み合わせ）によって駆動されるモータＭ３及びＭ４の絶縁抵抗を検出する。本実施の形態によれば、選択した２台のインバータ回路を１つの組み合わせとして、順次モータの絶縁劣化を検出することができる。１回に選択するインバータ回路の台数を同じ台数にすれば、検出動作制御部２０８の構成は簡単になる。なお同時に複数台のインバータ回路を１つの組み合わせとして検出動作を行う場合には、どの１つの組み合わせの内のいずれかのモータで絶縁劣化が発生していることは判る。しかし具体的に、どのモータで絶縁劣化が発生しているのかは直ちには判らないので、絶縁抵抗が劣化しているモータを駆動する２台のインバータ回路について、個別に最初の実施の形態と同様にして絶縁抵抗を検出して、絶縁劣化が発生しているモータを特定すればよい。

なおインバータ回路が５台のように、同じ台数の組み合わせに分けることができない場合には、選択するインバータ回路の台数を固定のものとせずに、変動するものとすればよい。すなわち最初に、３台のインバータ回路からなる第１の組み合わせについて検出動作を行い、次に２台のインバータ回路からなる第２の組み合わせについて検出動作を行うようにしてもよい。

４台のモータＭ１乃至Ｍ４のうち絶縁抵抗が低下しているモータを特定するためには、図４に破線で示すように、中央演算装置ＣＰＵで演算結果を検出動作制御部２０８に戻す構成を採用する。そして検出動作制御部２０８は、複数台のインバータ回路から適宜の２台のインバータ回路を選択し、それらインバータ回路で同時に検出動作を行う。

すなわち２台のインバータ回路のそれぞれについて、一つのアーム回路中の一対のトランジスタに前述の所定のデューティのＰＷＭ信号を与える。このようにすると２台のインバータ回路で駆動する２台のモータの絶縁抵抗が並列接続された状態で、絶縁抵抗検出部２０９が絶縁抵抗（並列絶縁抵抗）を検出する。中央演算装置ＣＰＵ が、並列絶縁抵抗を演算し、並列絶縁抵抗が予め定めた基準値より大きい２台のインバータ回路を特定する情報を検出動作制御部２０８に戻す。この情報を得た検出動作制御部２０８は、特定の２台のインバータ回路について前述と同様に個々に検出動作を行う。そして中央演算装置ＣＰＵで２台のモータの絶縁抵抗をそれぞれ演算して、絶縁抵抗の劣化を判定するようにする。具体的に説明すると、まずインバータ回路１０５及び２０５について同時に検出動作を行い、モータＭ１とＭ２の並列絶縁抵抗の検出を行った後、インバータ回路１０５及び２０５での検出動作を停止する。次に、インバータ回路３０５及び４０５で前述の検出動作を行い、モータＭ３，Ｍ４の並列絶縁抵抗の検出を行った後、インバータ回路３０５，４０５での検出動作を停止する。次に、モータＭ１，Ｍ２の並列絶縁抵抗が低い場合は、インバータ回路１０５について検出動作を行ってモータＭ１の絶縁抵抗の検出を行った後、インバータ回路１０５での検出動作を停止する。次にインバータ回路２０５について検出動作を行ってモータＭ２の絶縁抵抗の検出を行った後、インバータ回路２０５での検出動作を停止する。モータＭ３もしくはＭ４が故障している場合は、インバータ回路３０５について検出動作を行い、モータＭ３の絶縁抵抗検出を行った後、インバータ回路３０５での検出動作を停止する。次にインバータ回路４０５について検出動作を行って、モータＭ４の絶縁抵抗の検出を行った後、インバータ回路４０５での検出動作を停止する。これにより、１つの絶縁抵抗検出部２０９で効率的に４台のモータの絶縁劣化の検出を行うことができる。

上記各実施の形態では、モータの通常運転を停止し、電磁接触器をＯＦＦにして三相交流電源を遮断してモータの絶縁抵抗を検出する。このため、電源ラインを通して流れる漏れ電流や電源のノイズの影響を受けることがない。また、絶縁抵抗検出時のみ通電する検出抵抗を用いて絶縁抵抗を検出するため、絶縁抵抗検出用抵抗体は、専用の抵抗値を持った抵抗体とすることができる。またモータが地絡していても、保護抵抗があるため、過大な電流が流れることがない。さらに各実施の形態によれば、モータの配線をはずす必要はなく、特別な作業工数も必要ない。さらに、モータを複数台駆動するモータ制御装置においては、複数台のモータに対し１つの絶縁抵抗検出部を構成すればよく、低コスト化が図れる。また、１つの絶縁抵抗検出部で各々のモータの絶縁抵抗を検出できる。また、組合せを工夫することで、モータが何台もある場合も、早く故障しているモータを発見できる。また、モータのどの相に絶縁劣化を生じているのかも見極めることができる。

上記３つの実施の形態では、絶縁抵抗の検出の際に、負極直流出力部４Ｂ，１０４Ｂに分圧抵抗回路７，１０７を接続しているが、正極直流出力部４Ａ，１０４Ａに分圧抵抗回路７，１０７を接続してもよい。

上記実施の形態では、モータがスター結線された三相励磁巻線を有するものであるが、デルタ結線された三相励磁巻線を有するモータの絶縁抵抗を検出する場合にも本発明を適用できるのは勿論である。

本発明によれば、モータを回転させることなく、インバータ回路の上段に使用する半導体スイッチ及び下段の半導体スイッチを交互に駆動して励磁巻線に電圧を印加するため、絶縁抵抗を確実に検出することができる。また下段の半導体スイッチがオン状態になっているときに、上段の半導体スイッチのブートストラップ回路をチャージ動作状態にするので、ブートストラップ回路を上段の半導体スイッチのドライブ回路に使用することが可能になる。

１ モータ制御装置
２，１０２，２０２ 遮断器
３，１０３，２０３ 全波整流回路
４Ａ，１０４Ａ，２０４Ａ 正極直流出力部
４Ｂ，１０４Ｂ，２０４Ｂ 負極直流出力部
５，１０５，２０５，３０５，４０５ インバータ回路
６，１０６，２０６ 絶縁劣化検出装置
７，１０７，２０７ 電圧分圧回路
８，１０８，２０８ 検出動作制御部
９，１０９，２０９ 絶縁抵抗検出部
１０，１１０，２１０ ＰＷＭ制御回路
ＴＲ１〜ＴＲ６ トランジスタ（半導体スイッチ）
Ｄ ダイオード
Ｃ 平滑用コンデンサ
Ｒ１ 第１の抵抗器
Ｒ２ 第２の抵抗器
ＳＷ 常開スイッチ回路

Claims (9)

1. 交流電源に遮断器を介して接続され且つ正極直流出力部と負極直流出力部との間に平滑用コンデンサを備えた整流回路と、
   一対の半導体スイッチが直列接続されて構成され且つ前記一対の半導体スイッチの接続点が交流出力部となる複数のアーム回路が、並列接続されて構成され、前記複数のアーム回路中の上段の前記半導体スイッチのドライブ回路がブートストラップ回路により構成され、１台以上のモータの複数相の励磁巻線に電圧を印加する１台以上のインバータ回路と、
   前記モータの絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出装置とを備え、
   前記絶縁劣化検出装置は、
   前記正極直流出力部及び負極直流出力部の一方とグランドとの間に常開スイッチ回路を介して配置された電圧分圧回路と、
   前記遮断器が開状態になっているときに、前記常開スイッチ回路を閉状態にして、前記複数のアーム回路の少なくとも一つの前記アーム回路中の前記一対の半導体スイッチの一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返し、少なくとも１相の前記励磁巻線に前記平滑用コンデンサから正電圧及び負電圧を交互に印加するとともに、上段の前記半導体スイッチの前記ブートストラップ回路を下段の前記半導体スイッチがオンしているときにチャージ動作状態にする検出動作を行う検出動作制御部と、
   前記検出動作中に、前記電圧分圧回路から出力された分圧電圧と前記インバータ回路に入力される直流電圧とに基づいて絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出部とを備えていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記１台以上のインバータ回路は２台以上のモータに対してそれぞれ設けられた２台以上のインバータ回路であり、
   前記検出動作制御部は、前記複数のインバータ回路から検出対象とする１台の前記インバータ回路を選択し、選択した前記１台のインバータ回路において、前記検出動作を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記１台以上のインバータ回路は３台以上のモータに対してそれぞれ設けられた３台以上のインバータ回路であり、
   前記検出動作制御部は、前記３台以上のインバータ回路から２台の前記インバータ回路の組み合わせを複数決定し、決定した複数の組み合わせにそれぞれ対応する２台の前記インバータ回路を選択し、且つ選択した前記２台のインバータ回路について、同時に前記検出動作を行い、その際に前記絶縁抵抗検出部が検出する並列絶縁抵抗に基づいて、絶縁抵抗が低下している前記モータを駆動する前記インバータ回路を含む前記２台のインバータ回路を特定し、さらに特定した前記２台のインバータ回路のそれぞれにおいて前記検出動作を行うように構成され、
   前記絶縁抵抗検出部が、検出した複数の前記絶縁抵抗に基づいて絶縁抵抗が低下している前記モータを特定する請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記電圧分圧回路は、前記負極直流出力部に一端が電気的に接続された第１の抵抗器の他端と、前記グランドに電気的に一端が接続された第２の抵抗器の他端とが電気的に接続されて構成され、
   前記第１の抵抗器の両端電圧が前記分圧電圧Ｖ_Ｒ１として前記絶縁抵抗検出部に入力され、前記第２の抵抗器は前記モータが地絡状態にあるときに過電流が流れるのを防止する保護抵抗である請求項１、２または３に記載のモータ制御装置。
5. 前記絶縁抵抗検出部は、前記分圧電圧Ｖ_R1と前記平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ_DCとを入力として、前記デューティ比をＤ％、第１の抵抗体の抵抗値をＲ₁、第２の抵抗体の抵抗値をＲ₂としたときに、絶縁抵抗Ｒ_Mを、
   Ｒ_M＝Ｖ_DC×（Ｄ／１００）×（Ｒ₁／Ｖ_R1）−（Ｒ₁＋Ｒ₂）
   の演算式により求める請求項４に記載のモータの制御装置。
6. 交流電源に遮断器を介して接続され且つ正極直流出力部と負極直流出力部との間に平滑用コンデンサを備えた整流回路と、
   一対の半導体スイッチが直列接続されて構成され且つ前記一対の半導体スイッチの接続点が交流出力部となる複数のアーム回路が、並列接続されて構成され、前記複数のアーム回路中の上段の前記半導体スイッチのドライブ回路がブートストラップ回路により構成され、１台以上（ｎは１以上の整数）のモータの複数相の励磁巻線に電圧を印加する１台以上のインバータ回路とを具備するモータ制御装置により駆動される１台以上のモータの電気絶縁抵抗の劣化を検出する絶縁劣化検出方法であって、
   前記遮断器を開状態にし、
   その後、前記正極直流出力部及び負極直流出力部の一方とグランドとの間に電圧分圧回路を電気的に接続し、前記複数のアーム回路中の少なくとも一つの前記アーム回路中の前記一対の半導体スイッチの一方をオン状態にして他方をオフ状態にし、その後一方をオフ状態にして他方をオン状態にする駆動を同じデューティ比のＰＷＭ信号を用いて繰り返し、少なくとも１相の前記励磁巻線に前記平滑用コンデンサから正電圧及び負電圧を交互に印加するとともに、上段の前記半導体スイッチの前記ブートストラップ回路を下段の前記半導体スイッチがオンしているときにチャージ動作状態にする検出動作を行い、
   前記検出動作中に、前記電圧分圧回路から出力された分圧電圧と前記インバータ回路に入力される直流電圧とに基づいて前記絶縁抵抗を検出し、
   前記絶縁抵抗に基づいて、前記モータの前記絶縁抵抗の劣化を検出することを特徴とするモータの絶縁劣化検出方法。
7. 前記１台以上のインバータ回路は２台以上のモータに対してそれぞれ設けられた２台以上のインバータ回路であり、
   前記複数のインバータ回路から検出対象とする１台の前記インバータ回路を選択し、選択した前記１台のインバータ回路において、前記検出動作を行うことにより、前記２台以上のモータの前記絶縁抵抗の劣化を検出することを特徴とする請求項６に記載のモータの絶縁劣化検出方法。
8. 前記１台以上のインバータ回路は３台以上のモータに対してそれぞれ設けられた３台以上のインバータ回路であり、
   前記３台以上のインバータ回路から２台の前記インバータ回路の組み合わせを複数決定し、決定した複数の組み合わせにそれぞれ対応する２台の前記インバータ回路を選択し、且つ選択した前記２台のインバータ回路について、それぞれ前記検出動作を行って、並列絶縁抵抗を検出し、並列絶縁抵抗が低下している前記モータを駆動する前記インバータ回路を含む前記２台のインバータ回路を特定し、
   特定した前記２台のインバータ回路のそれぞれにおいて前記検出動作を行い、
   検出した前記絶縁抵抗に基づいて絶縁抵抗が低下している前記モータを特定する請求項６に記載のモータの絶縁劣化検出方法。
9. 前記電圧分圧回路は、前記負極直流出力部に一端が電気的に接続された第１の抵抗器の他端と、前記グランドに電気的に一端が接続された第２の抵抗器の他端とが電気的に接続されて構成され、
   前記第１の抵抗器の両端電圧を前記分圧電圧Ｖ_R1とし、前記分圧電圧Ｖ_R1と前記平滑用コンデンサの端子間電圧Ｖ_DCとし、前記デューティ比をＤ％とし、第１の抵抗体の抵抗値をＲ₁とし、第２の抵抗体の抵抗値をＲ₂としたときに、絶縁抵抗Ｒ_Mを、
   Ｒ_M＝Ｖ_DC×（Ｄ／１００）×（Ｒ₁／Ｖ_R1）−（Ｒ₁＋Ｒ₂）
   の演算式により求める請求項６に記載のモータの絶縁劣化検出方法。

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