JP2014021023A - 絶縁劣化検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】モータ駆動電流の高調波が絶縁劣化検出に与える影響を除去し、電気絶縁部の劣化を高精度に検出する。
【解決手段】マイクロプロセッサ２０は、回転角センサ１５のモータ回転速度情報からモータ駆動電流の基本周波数を計算し、その周波数とは異なる周波数を有する入力電気信号ＩＳを生成するように入力電気信号生成部９を制御する。帯域通過フィルタ部１２，１３には、入力電気信号に対する応答電気信号ＲＳが入力されている。さらに、マイクロプロセッサ２０は、入力電気信号が有する周波数を通過することのできる帯域通過フィルタ部１２，１３のいずれかを選択し、選択した帯域通過フィルタ部から出力される出力電気信号ＲＳ１またはＲＳ２に基づいて、高電圧機器２における電気絶縁部の絶縁劣化を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高電圧機器における感電防止技術に関し、特に、モータ駆動装置を有する高電圧機器における電気絶縁部の劣化検出に有効な技術に関する。

モータなどを動力源とする電気駆動車両においては、該モータに電源を供給するバッテリ、およびバッテリから供給される直流電圧を交流電圧に変換してモータに供給する電力変換部などの高電圧機器が搭載されている。

高電圧機器を搭載した電気駆動車両では、例えば、高電圧機器内の高電圧回路を金属筺体と電気的に絶縁することによって該高電圧機器からの感電を防止する技術が知られている。

高電圧回路の絶縁方法は、例えば、高電圧回路と他の導体が接触しないようにスペースを設けるか、あるいは絶縁体などをはさみ込むものなどがある。以降、この高電圧回路と他の導体が接触しないように設けられたスペ−スまたは絶縁体を電気絶縁部と呼ぶ。

また、電気駆動車両には、高電圧機器の操作者が感電することを防ぐ安全装置の１つとして絶縁劣化検出装置を有するものがある。この絶縁劣化検出装置は、電気絶縁部の絶縁抵抗値を監視し、該絶縁抵抗値が規定の値以下になった場合に、操作者に警告するなどして操作者の感電事故を防ぐものである。

この種の絶縁劣化検出の検出技術としては、例えば、高電圧機器の高電圧回路と機器筺体間に電気信号を入力した応答電気信号から高電圧機器から発生する検出精度を下げる恐れがある電磁ノイズなどをバンドパスフィルタを用いて除去し、その応答電気信号の変化から電気絶縁部の劣化を検出するもの(例えば、特許文献１参照)や、高電圧機器の操作中に電磁ノイズが大きくなることに着目し、高電圧機器の操作停止中にのみ電気絶縁部の劣化検出を実施するもの(例えば、特許文献２参照)などが知られている。

特許第３７８１２８９号明細書 特開２０１１−５８８３９号公報

ところが、上記のような絶縁劣化検出技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。

本発明者が、モータ駆動装置を有する高電圧機器から発生する電磁ノイズを分析したところ、モータを駆動する電流の高調波成分が、劣化検出を妨げるノイズ源であることを解明した。

電気信号を高電圧回路に注入し、その応答電圧波形から電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出装置において、注入する電気信号の周波数と前述した電磁ノイズの周波数とが近づいた場合、応答電圧波形が歪み、検出の妨げとなる。

なお、モータ駆動電流の周波数は、モータの回転速度に比例するため、モータの加速、または減速時に電磁ノイズの周波数が変動し、高電圧回路に注入する電気信号の周波数と近づきやすい。

特に、ハイブリッドショベルなどの電動建設機械は、ハイブリッド自動車や電気自動車などと比べて、ショベルの急停止・急旋回を繰り返すことが多く、さらに検出が妨げられやすくなる恐れがある。

これは、モータの加減速に伴い、モータ駆動電流の周波数が変動するために、停止や旋回などのたびにモータ駆動電流の周波数が注入電気信号の周波数に近づいて、応答電圧波形が歪むからである。

本発明の目的は、モータ駆動電流の高調波が、絶縁劣化検出に与える影響を除去し、電気絶縁部の劣化を高精度に検出することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、高電圧機器に入力電気信号を注入し、該入力電気信号に対する応答電気信号に基づいて、高電圧機器の電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出システムからなる。

絶縁劣化検出システムは、高圧機器が有するモータの回転速度から、モータの駆動電流の周波数を算出するモータ回転速度検出部と、該モータ回転速度検出部が算出したモータの駆動電流の周波数とは異なる周波数を決定し、その周波数を有する入力電気信号を生成する制御信号を出力する入力電気信号周波数決定部とを有する。

また、絶縁劣化検出システムは、入力電気信号周波数決定部から出力される制御信号に基づいて入力電気信号を生成する入力電気信号生成部と、応答電気信号を解析し、高電圧機器における電気絶縁部の劣化を検出する応答電気信号解析部とを有する。

さらに、本発明は、高電圧機器に入力電気信号を注入し、入力電気信号に対する応答電気信号に基づいて、高電圧機器の電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出システムである。

絶縁劣化検出システムは、第５の周波数、および該第５の周波数よりも大きい周波数の第６の周波数を有する入力電気信号をそれぞれ生成する入力電気信号生成部と、第３の通過周波数特性を有する第３のフィルタと、該第３のフィルタとは異なる第４の通過周波数特性を有する第４のフィルタとを有する。

また、絶縁劣化検出システムは、第３のフィルタを介して出力される応答電気信号の１周期当たりの二乗平均平方根、および第４のフィルタを介して出力される応答電気信号の１周期当たりの二乗平均平方根をそれぞれ算出する算出部と、該算出部が算出した第３のフィルタを介して出力される応答電気信号の１周期当たりの二乗平均平方根、および第４のフィルタを介して出力される応答電気信号の１周期当たりの二乗平均平方根に基づいて、絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出部とを有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

（１）耐電磁ノイズ耐性を向上させることができる。

（２）電気絶縁部の劣化検出の精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１によるモータ駆動システムの一例を示す説明図である。 図１の絶縁劣化検出装置の一例を示す説明図である。 図２の絶縁劣化検出装置に設けられた帯域通過フィルタ部から出力される出力信号の一例を示した説明図である。 図２の絶縁劣化検出装置が電気絶縁部の劣化を検出するまでの検出処理の一例を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態２による絶縁劣化検出装置の一例を示す説明図である。 図５の入力電気信号生成部が生成する入力電気信号の一例を示す説明図である。 図５の帯域通過フィルタ部から出力される出力電気信号の二乗平均平方根特性曲線の一例を示す説明図である。 図５の絶縁劣化検出装置が電気絶縁部の劣化を検出処理の一例を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

(実施の形態１)
〈発明の概要〉
本発明の概要は、高電圧機器（高電圧機器２）に入力電気信号（入力電気信号ＩＳ）を注入し、該入力電気信号に対する応答電気信号（応答電気信号ＲＳ）に基づいて、高電圧機器の電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出システム（絶縁劣化検出装置３）からなる。

この絶縁劣化検出システムは、モータ回転速度検出部（モータ回転速度検出部７）と、入力電気信号周波数決定部（入力電気信号周波数決定部８）と、入力電気信号生成部（入力電気信号生成部９）と、応答電気信号解析部（応答電気信号解析部１１）とを有する。

モータ回転速度検出部は、高圧機器が有するモータの回転速度から、該モータの駆動電流の周波数を算出する。入力電気信号周波数決定部は、モータ回転速度検出部が算出したモータの駆動電流の周波数とは異なる周波数を決定し、その周波数を有する入力電気信号を生成する制御信号を出力する。

入力電気信号生成部は、入力電気信号周波数決定部から出力される制御信号に基づいて入力電気信号を生成する。応答電気信号解析部は、応答電気信号を解析し、高電圧機器における電気絶縁部の劣化を検出する。

以下、上記した概要に基づいて、実施の形態を詳細に説明する。

〈モータ駆動システムの構成例〉
図１は、本実施の形態１によるモータ駆動システム１の一例を示す説明図である。

本実施の形態において、モータ駆動システム１は、例えば、ハイブリッドショベル、ハイブリッド自動車、あるいは電気自動車などの電気駆動車両に搭載される。モータ駆動システム１は、図１に示すように、高電圧機器２、および絶縁劣化検出装置３を有する。

高電圧機器２は、モータ電源部４、電力変換部５、モータ６、および図示しないマイクロコンピュータなどを有している。モータ電源部４は、例えば、キャパシタなどの蓄電器、あるいはリチウムイオンバッテリなどの二次電池などからなる。

電力変換部５は、ＤＣ／ＡＣ（Direct Current/Alternating Current）変換器などからなり、モータ電源部４から出力される直流電圧を交流電圧に変換してモータ６に供給する。モータ６は、電力変換部５から交流電圧が供給されて回転する。マイクロコンピュータは、モータ６を制御する。

絶縁劣化検出装置３は、高電圧機器２における電気絶縁部の劣化を検出する。ここで、電気絶縁部とは、前述したように高電圧機器２と他の導体が接触しないように設けられたスペ−スまたは絶縁体である。

この絶縁劣化検出装置３は、モータ回転速度検出部７、入力電気信号周波数決定部８、入力電気信号生成部９、入力信号送受信部、および応答電気信号解析部１１を有している。また、応答電気信号解析部１１は、帯域通過フィルタ部１２，１３、および絶縁抵抗劣化検出部１４からなる。

応答電気信号解析部１１は、入力信号送受信部１０を介して電力変換部５などの高電圧機器２に注入した入力電気信号ＩＳに対する応答電気信号ＲＳに基づいて高電圧機器２における電気絶縁部の劣化を検出する。応答電気信号ＲＳは、入力信号送受信部１０から出力される。

モータ回転速度検出部７は、モータ６に組み込まれているモータの回転角度を検出する回転角センサ１５(図２)が検出した回転角度に基づいてモータ６の回転速度を検出し、検出したモータ回転速度に比例するモータ駆動電流の周波数情報を算出する。

入力電気信号周波数決定部８は、モータ回転速度検出部７が算出したモータ駆動電流の周波数情報に基づいて、入力電気信号ＩＳの周波数を決定し、制御信号ＣＳとして入力電気信号生成部９、および絶縁抵抗劣化検出部１４にそれぞれ出力する。

この場合、入力電気信号周波数決定部８は、例えば、２種類の周波数から、入力電気信号ＩＳの周波数を決定し、その周波数は、帯域通過フィルタ部１２，１３のいずれか一方を通過できるものとする。入力電気信号周波数決定部８は、入力電気信号ＩＳの周波数がモータ駆動電流の周波数とは異なる周波数となるように決定する。

入力電気信号生成部９は、入力電気信号周波数決定部８から出力された制御信号ＣＳに基づいて、モータ駆動電流の周波数とは異なる周波数をもつ入力電気信号ＩＳを生成する。入力電気信号生成部９が生成した入力電気信号ＩＳは、入力信号送受信部１０を介して高電圧機器２に注入される。

入力信号送受信部１０は、高電圧機器２の直流電流が絶縁劣化検出装置３に流れ、該絶縁劣化検出装置３が破壊することを防ぐための部位である。帯域通過フィルタ部１２，１３は、互いに異なる通過周波数特性を有するフィルタである。

入力電気信号ＩＳに対する応答電気信号ＲＳは、帯域通過フィルタ部１２，１３を介して絶縁抵抗劣化検出部１４に入力される。絶縁抵抗劣化検出部１４は、入力電気信号周波数決定部８が算出した入力電気信号ＩＳの周波数を通過できる帯域通過フィルタ部１２から出力される出力電気信号ＲＳ１、もしくは帯域通過フィルタ部１３から出力される出力電気信号ＲＳ２に基づいて、高電圧機器２の電気絶縁部の劣化を検出する。

この絶縁劣化検出装置３は、モータ駆動電流の周波数とは異なる周波数帯の入力電気信号ＩＳを用いて電気絶縁部の劣化を検出し、モータ駆動電流の周波数成分を応答電気信号ＲＳから帯域通過フィルタ部１２、または帯域通過フィルタ部１３によって除去する。

〈絶縁劣化検出装置の構成例〉
図２は、図１の絶縁劣化検出装置３の一例を示す説明図である。

絶縁劣化検出装置３は、図示するように、入力電気信号生成部９、入力信号送受信部１０、帯域通過フィルタ部１２，１３、およびマイクロプロセッサ２０から構成されている。マイクロプロセッサ２０は、モータ回転速度検出部７、入力電気信号周波数決定部８、および応答電気信号解析部１１として機能する。

また、入力電気信号生成部９は、抵抗２１，２２、トランジスタ２３、電源２４、およびドライバ２５から構成されている。入力信号送受信部１０は、注入コンデンサ２６、および抵抗２７から構成されている。

モータ６に組み込まれた回転角センサ１５は、マイクロプロセッサ２０（モータ回転速度検出部７）に接続されており、該回転角センサ１５が検出した回転角度は、マイクロプロセッサ２０に入力される。また、マイクロプロセッサ２０（応答電気信号解析部１１）には、帯域通過フィルタ部１２，１３から出力される出力電気信号ＲＳ１，ＲＳ２がそれぞれ入力されるように接続されている。

入力電気信号生成部９において、ドライバ２５の入力部には、マイクロプロセッサ２０（入力電気信号周波数決定部８）から出力される制御信号ＣＳが入力されるように接続されている。このドライバ２５の出力部には、抵抗２２の一方の接続部が接続されており、該抵抗２２の他方の接続部には、トランジスタ２３のゲートが接続されている。

トランジスタ２３は、例えば、ＮチャネルＭＯＳからなる。このトランジスタのソース／ドレインの一端には、抵抗２１の一方の接続部、および入力信号送受信部１０の抵抗２７の他方の接続部がそれぞれ接続されている。

抵抗２１の他方の接続部には、電源２４の正極が接続されている。トランジスタのソース／ドレインの他端、および電源２４の負極は、それぞれグランドＧＮＤに接続されている。ここで、グランドＧＮＤは、高電圧機器２(図１)における金属筺体に相当する。

トランジスタ２３は、マイクロプロセッサ２０（入力電気信号周波数決定部８）から出力される制御信号ＣＳにほぼ同期して動作（オン／オフ）し、ハイレベル／ローレベル電圧を出力することにより方形波電圧Ｖｐｕｌｓｅ（入力電気信号ＩＳ）を生成する。この方形波電圧Ｖｐｕｌｓｅは、マイクロプロセッサ２０（入力電気信号周波数決定部８）から出力される制御信号ＣＳによって周波数が制御される。

入力電気信号生成部９が生成した方形波電圧Ｖｐｕｌｓｅは、入力信号送受信部１０の注入コンデンサ２６、および抵抗２７を介して入力電気信号ＩＳとして、例えば、モータ電源部４、または電力変換部５などのマイナス（−）端子に注入される。また、入力電気信号ＩＳは、モータ電源部４、または電力変換部５などのプラス（＋側端子に注入するようにしてもよい。

入力信号送受信部１０は、前述したように、絶縁劣化検出装置３が破壊することを防ぐための部位であり、コンデンサ２６によって直流電流が絶縁劣化検出装置３に流れ込むことを防止する。

帯域通過フィルタ部１２，１３は、例えば、バンドパスフィルタからなり、帯域通過フィルタ部１２と帯域通過フィルタ部１３との通過周波数帯域は、それぞれ異なる。帯域通過フィルタ部１２，１３の入力部には、注入コンデンサ２６と抵抗２７との接続部がそれぞれ接続されており、これら帯域通過フィルタ部１２，１３に入力される電気信号が応答電気信号ＲＳとなる。

帯域通過フィルタ部１２と帯域通過フィルタ部１３との関係は、例えば、帯域通過フィルタ部１２の通過周波数帯域を、周波数ｆｌ１［Ｈｚ］以上からｆｈ１［Ｈｚ］以下とし、帯域通過フィルタ部１３の通過周波数帯域を、周波数ｆｌ２［Ｈｚ］以上から周波数ｆｈ２［Ｈｚ］以下として、次式を満たす。

ｆｌ１＜ｆｈ１≦ｆｌ２＜ｆｈ２ (式１)
ここで、ｆｌ１、ｆｈ１は、帯域通過フィルタ部１２における特性を表すパラメータであり、ｆｌ２、ｆｈ２は、帯域通過フィルタ部１３の特性を表すパラメータである。これらパラメータは、いずれも設計値である。

前述したように、マイクロプロセッサ２０は、絶縁抵抗劣化検出部１４として機能し、帯域通過フィルタ部１２の出力電気信号ＲＳ１、または帯域通過フィルタ部１３の出力電気信号ＲＳ２に基づいて、電気絶縁部の劣化を検出する。

マイクロプロセッサ２０は、電気絶縁部の劣化を検出した際、高電圧機器２が有するマイクロコンピュータなどに電気絶縁部の劣化を検出したことを知らせる検出信号を出力する。マイクロコンピュータは、マイクロプロセッサ２０から出力された検出信号を受け取ると、、例えば、高電圧機器２の動作を停止させるなどの制御を行う。

〈帯域通過フィルタ部から出力される出力電気信号の一例〉
図３は、帯域通過フィルタ部１２（または帯域通過フィルタ部１３）から出力される出力電気信号ＲＳ１（または出力電気信号ＲＳ２）の一例を示した説明図である。

図３において、実線は、電気絶縁部の劣化が認められない場合(正常時)における波形を示しており、点線は、電気絶縁部に劣化が認めらる場合(劣化時)の波形を示している。図示するように、電気絶縁部が劣化して絶縁抵抗値が減ると、帯域通過フィルタ部１２（または帯域通過フィルタ部１３）から出力される出力電気信号ＲＳ１（または出力電気信号ＲＳ２）の振幅は、電気絶縁部が劣化が認められない場合に比べて小さくなる。この振幅値の減少から、電気絶縁部の絶縁抵抗値を読み取ることできる。

〈絶縁劣化検出装置による電気絶縁部の劣化検出例〉
次に、本実施の形態による絶縁劣化検出装置３の動作について、図２、ならびに図４を用いて説明する。

図４は、図２の絶縁劣化検出装置３が電気絶縁部の劣化を検出するまでの検出処理の一例を示したフローチャートである。

地絡（絶縁劣化）検出を妨げる電磁ノイズは、主にモータ駆動電流の高調波成分であるため、モータ回転数に比例して周波数が変動する。このとき、電磁ノイズの基本周波数ｆｍ１［Ｈｚ］は、モータ回転速度ｗ［ｒｐｍ］の関数として、次式で表される。

ｆｍ１（ｗ）＝ｗ／６０×ｎ／２［Ｈｚ］ (式２)
ここで、ｎはモータの極数である。

まず、回転角センサ１５の検出結果に基づき、マイクロプロセッサ２０は、モータ回転速度情報を取得する（ステップＳ１０１）。取得したモータ回転速度をｗ［ｒｐｍ］とし、以下の処理によって、注入パルスである入力電気信号ＩＳの周波数の決定、および絶縁劣化検出に使用する帯域通過フィルタ部１２，１３のいずれかを選択する。

マイクロプロセッサ２０は、モータ回転速度ｗからモータ駆動電流の基本周波数ｆｍ１（ｗ）を計算する（ステップＳ１０２）。そして、マイクロプロセッサ２０は、モータ駆動電流の基本周波数を、帯域通過フィルタ部１２，１３の通過周波数帯域と比較する（ステップＳ１０３）。

このステップＳ１０３の処理では、モータ回転速度ｗに対し、モータ駆動電流の基本周波数ｆｍ１（ｗ）が、周波数ｆｈ２［Ｈｚ］より大きいか、およびモータ回転速度ｗに対し、モータ駆動電流の基本周波数ｆｍ１（ｗ）が周波数ｆｈ２より小さく、周波数（ｆｌ２＋ｆｈ１）／２［Ｈｚ］以上であるかを判定する。

このステップＳ１０３の処理において、モータ回転速度ｗに対し、モータ駆動電流の基本周波数ｆｍ１（ｗ）が周波数ｆｈ２［Ｈｚ］より小さく、周波数（ｆｌ２＋ｆｈ１）／２［Ｈｚ］以上であれば、入力電気信号ＩＳの周波数が、帯域通過フィルタ部１３が有する通過周波数特性範囲内の周波数、例えば、（ｆｌ１＋ｆｈ１）／２［Ｈｚ］となるように制御信号ＣＳを生成する（ステップＳ１０４）。

これにより、入力電気信号ＩＳは、電磁ノイズとなる基本周波数ｆｍ１［Ｈｚ］とは異なる周波数に設定されることになり、電気絶縁部劣化の検出精度を向上させることができる。

さらには、応答電気信号ＲＳは、帯域通過フィルタ部１２を通過できる周波数となるので、マイクロプロセッサ２０には、検出精度を下げる恐れがある電磁ノイズなどを帯域通過フィルタ部１２によって除去した出力電気信号ＲＳ１が入力されことになり、耐ノイズ性能を向上させることができる。

続いて、マイクロプロセッサ２０は、帯域通過フィルタ部１２から出力される出力電気信号ＲＳ１を選択し、その出力電気信号ＲＳ１に基づいて、該出力電気信号ＲＳ１の振幅値（Ｖ１）を算出し（ステップＳ１０５）、算出した振幅値（Ｖ１）と予め設定されている振幅しきい値（Ｔｈ１）とを比較する（ステップＳ１０６）。

算出した振幅値（Ｖ１）が振幅しきい値（Ｔｈ１）よりも低い場合、マイクロプロセッサ２０は、図３に示したように電気絶縁部が劣化していると判定し（ステップＳ１０７）、高電圧機器２が有するマイクロプロセッサ２０に検出信号を出力する。

また、ステップＳ１０３の処理において、モータ回転速度ｗに対し、モータ駆動電流の基本周波数ｆｍ１（ｗ）が、周波数ｆｈ２より大きい場合、マイクロプロセッサ２０は、入力電気信号ＩＳの周波数が帯域通過フィルタ部１２が有する通過周波数特性範囲内、例えば、周波数（ｆｈ２＋ｆｌ２）／２［Ｈｚ］程度となるように制御信号ＣＳを生成する（ステップＳ１０８）。

この場合においても、入力電気信号ＩＳは、電磁ノイズとなる基本周波数ｆｍ１［Ｈｚ］とは異なる周波数に設定され、電気絶縁部における劣化検出の精度を向上させることができる。

さらに、応答電気信号ＲＳは、帯域通過フィルタ部１３を通過できる周波数であるので、マイクロプロセッサ２０には、検出精度を下げる恐れがある電磁ノイズなどを帯域通過フィルタ部１３によって除去した出力電気信号ＲＳ２が入力されことになり、耐ノイズ性能を向上させることができる。

そして、マイクロプロセッサ２０は、帯域通過フィルタ部１３から出力される出力電気信号ＲＳ２を選択し、その出力電気信号ＲＳ２に基づいて、該出力電気信号ＲＳ２の振幅値（Ｖ２）を算出し（ステップＳ１０９）、算出した振幅値（Ｖ２）と予め設定されている振幅しきい値（Ｔｈ２）とを比較する（ステップＳ１１０）。

算出した振幅値（Ｖ２）が振幅しきい値（Ｔｈ２）よりも低い場合、マイクロプロセッサ２０は、電気絶縁部が劣化していると判定し（ステップＳ１０７）、高電圧機器２が有するマイクロプロセッサ２０に検出信号を出力する。

なお、振幅しきい値（Ｔｈ１，Ｔｈ２）は、例えば、マイクロプロセッサ２０が有するメモリなどに格納してもよいし、マイクロプロセッサ２０とは別にメモリを有し、該メモリに格納するようにしてもよい。

このように、絶縁劣化検出装置３が図４に示した検出処理を実行することで、電磁ノイズの周波数と異なる入力電気信号ＩＳと、電気絶縁部の劣化検出に用いるバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ部１２，１３）の出力電気信号ＲＳ１，ＲＳ２との組み合わせを、モータ回転速度に基づき選択することができる。マイクロプロセッサ２０は、電磁ノイズの周波数成分を除去した出力電気信号ＲＳ１、または出力電気信号ＲＳ２に基づいて、電気絶縁部の劣化を検出することができる。

それにより、本実施の形態１によれば、電磁ノイズなどが電気絶縁部の劣化検出に与える影響を抑えることができ、高精度な劣化検出を行うことができる。

また、入力電気信号ＩＳの周波数が、電磁ノイズとは異なる周波数に設定されるので、電磁ノイズの耐性を高めることができ、絶縁劣化検出装置３の信頼性を向上させることができる。

なお、本実施の形態１では、ノイズ源となりうるモータを１基搭載した場合について記載したが、例えば、搭載するモータ数が２基以上の複数である場合、帯域通過フィルタ部の通過特性と対応する入力電気信号数の組み合わせを増やし、各モータが同時に取りうる回転速度に対応したモータ駆動電流の高調波成分を除去する帯域通過フィルタ部と、該帯域通過フィルタ部に対応する入力電気信号の周波数を選択すればよい。

(実施の形態２)
〈発明の概要〉
本発明の概要は、高電圧機器（高電圧機器２）に入力電気信号（入力電気信号ＩＳ）を注入し、該入力電気信号に対する応答電気信号（応答電気信号ＲＳ）に基づいて、高電圧機器の電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出システム（絶縁劣化検出装置３）である。

この絶縁劣化検出システムは、入力電気信号生成部（入力電気信号生成部９）と、第３のフィルタ（帯域通過フィルタ部１２ａ）と、第４のフィルタ（帯域通過フィルタ部１３ａ）と、算出部（マイクロプロセッサ２０）と、絶縁劣化検出部（マイクロプロセッサ２０）とを有する。

入力電気信号生成部は、第５の周波数（周波数ｆ１）、および該第５の周波数よりも大きい周波数の第６の周波数（周波数ｆ２）を有する入力電気信号をそれぞれ生成する。また、第３のフィルタは、第３の通過周波数特性を有し、第４のフィルタは、第３のフィルタとは異なる第４の通過周波数特性を有する。

算出部は、第３のフィルタを介して出力される応答電気信号の振幅に合わせて増加する正の相関を有する第１の相関数値（二乗平均平方根Ｓ１）、および 第４のフィルタを介して出力される応答電気信号の振幅に合わせて増加する正の相関を有する第２の相関数値（二乗平均平方根Ｓ１）をそれぞれ算出する。絶縁劣化検出部は、算出部が算出した第１の相関数値、および第２の相関数値に基づいて、絶縁劣化を検出する。

以下、上記した概要に基づいて、実施の形態を詳細に説明する。

本実施の形態２では、複数の周波数成分を含む入力電気信号を生成する入力電気信号生成部９により、電気絶縁部の劣化を検出する例について説明する。

〈絶縁劣化検出装置の構成例〉
図５は、本実施の形態２による絶縁劣化検出装置３の一例を示す説明図である。

絶縁劣化検出装置３は、前記実施の形態１の図２と同様に、入力電気信号生成部９、入力信号送受信部１０、帯域通過フィルタ部１２ａ，１３ａ、およびマイクロプロセッサ２０から構成されている。

また、入力信号送受信部１０は、注入コンデンサ２６と抵抗２７とからなり、これも図２と同様の構成となっている。図５の絶縁劣化検出装置３が図２と異なるところは、入力電気信号生成部９の回路構成であり、その他の接続構成については、図２と同様であるので、説明は省略する。

入力電気信号生成部９は、抵抗２２ａ〜２２ｄ、トランジスタ２３ａ〜２３ｄ、電源２４ａ，２４ｂ、ドライバ２５ａ〜２５ｄ、およびダイオード２８，２９から構成されている。ドライバ２５ａ〜２５ｄの入力部には、マイクロプロセッサ２０（入力電気信号周波数決定部８）から出力される制御信号ＣＳ１〜ＣＳ４が入力されるように接続されている。

ドライバ２５ａ〜２５ｄの出力部には、抵抗２２ａ〜２２ｄの一方の接続部がそれぞれ接続されており、これら抵抗２２ａ〜２２ｄの他方の接続部には、トランジスタ２３ａ〜２３ｄのゲートがそれぞれ接続されている。トランジスタ２３ａ〜２３ｄは、例えば、ＮチャネルＭＯＳからなる。

トランジスタ２３ａのソース／ドレインの一端には、電源２４ａの正極が接続されおり、該トランジスタ２３ａのソース／ドレインの他端には、トランジスタ２３ｂのソース／ドレインの一端、およびダイオード２８のカソードがそれぞれ接続されている。

トランジスタ２３ｂのソース／ドレインの他端には、トランジスタ２３ｃのソース／ドレインの一端、および抵抗２７の他方の接続部がそれぞれ接続されている。トランジスタ２３ｃのソース／ドレインの他端には、トランジスタ２３ｄのソース／ドレインの一端、およびダイオード２９のアノードがそれぞれ接続されている。

ダイオード２９のカソードには、ダイオード２８のアノード、電源２４ａの負極、および電源２４ｂの正極がそれぞれ接続されている。電源２４ｂの負極、およびトランジスタ２３ｄのソース／ドレインの他端には、グランドＧＮＤが接続されている。グランドＧＮＤは、高電圧機器２(図１)における金属筺体に相当する。

〈入力電気信号生成部が生成する入力電気信号の一例〉
図６は、図５の入力電気信号生成部９が生成する入力電気信号ＩＳの一例を示す説明図である。

入力電気信号生成部９は、図示すように、周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］との２つの周波数を含むパルス信号を入力電気信号ＩＳとして生成する。なお、周波数ｆ１［Ｈｚ］と周波数ｆ２［Ｈｚ］とは次式を満たす。

ｆ１＜ｆ２ (式３)
図６における電圧Ｈｉｇｈから電圧Ｍｉｄｄｌｅの振幅を有するパルス信号を生成する場合、マイクロプロセッサ２０からは、トランジスタ２３ａ，２３ｂをそれぞれオン、トランジスタ２３ｃ，２３ｄをそれぞれオフさせる制御信号ＣＳ１〜ＣＳ４、およびトランジスタ２３ｂ、２３ｃをオン、トランジスタ２３ａ，２３ｄをそれぞれオフさせる制御信号ＣＳ１〜ＣＳ４が繰り返し出力される。

また、図６における電圧Ｌｏｗから電圧Ｍｉｄｄｌｅの振幅を有するパルス信号を生成する場合、マイクロプロセッサ２０からは、トランジスタ２３ａ，２３ｂをそれぞれオフ、トランジスタ２３ｃ，２３ｄをそれぞれオンさせる制御信号ＣＳ１〜ＣＳ４、およびトランジスタ２３ｂ、２３ｃをオン、トランジスタ２３ａ，２３ｄをそれぞれオフさせる制御信号ＣＳ１〜ＣＳ４が繰り返し出力される。

帯域通過フィルタ部１２ａは、例えば、ローパスフィルタからなり、周波数ｆ１［Ｈｚ］を越えるカットオフ周波数をもつ。帯域通過フィルタ部１３ａは、例えば、バンドパスフィルタからなり、周波数ｆ１［Ｈｚ］を通過させず、周波数ｆ２［Ｈｚ］を通過させる通過帯域をもつ。

マイクロプロセッサ２０は、帯域通過フィルタ部１２ａの出力電気信号ＲＳ１、ならびに帯域通過フィルタ部１３ａの出力電気信号ＲＳ２における一周期あたりの二乗平均平方根をそれぞれ計算する。

ここでは、マイクロプロセッサ２０が、帯域通過フィルタ部１２ａ，１３ａの出力電気信号ＲＳ１，ＲＳ２における一周期あたりの二乗平均平方根をそれぞれ計算しているが、該マイクロプロセッサ２０の計算は、帯域通過フィルタ部１２ａ，１３ａから出力される応答電気信号の振幅に合わせて増加する正の相関を有する相関数値であればよい。

図３に示したように、電気絶縁部の劣化が進むに連れ、出力電気信号ＲＳ１（，ＲＳ２）の振幅が小さくなるため、二乗平均平方根も合わせて小さくなる。そこで、マイクロプロセッサ２０は、帯域通過フィルタ部１２ａの出力電気信号ＲＳ１、または帯域通過フィルタ部１３ａの出力電気信号ＲＳ２の二乗平均平方根のいずれかが、予め設定されたそれぞれのフィルタに対応するしきい値以下になったときに電気絶縁部が劣化したことを検出する。一般に、電磁ノイズが出力電気信号ＲＳに重畳した場合、二乗平均平方根は重畳前の信号に比べて大きくなる。

〈出力電気信号の二乗平均平方根特性曲線の一例〉
図７は、図５の帯域通過フィルタ部１２ａ(または帯域通過フィルタ部１３ａ)から出力される出力電気信号ＲＳ１（または出力電気信号ＲＳ２）の二乗平均平方根特性曲線の一例を示す説明図である。

図７において、点線は、モータ駆動電流の周波数が入力電気信号ＩＳの周波数の近いときの特性を示しており、実線は、モータ駆動電流の周波数と入力電気信号ＩＳの周波数と遠いときの特性を示している。

図７から、モータ駆動電流の周波数が入力電気信号ＩＳの周波数の近い場合には、モータ駆動電流の周波数が入力電気信号ＩＳの周波数と遠い場合に比べて、出力電気信号ＲＳ１（または出力電気信号ＲＳ２）の二乗平均平方根が大きくなっていることがわかる。

すなわち、モータ回転速度によって決まる（式２）の周波数成分を除去できない帯域通過フィルタ部において、出力電気信号の二乗平均平方根は大きくなる。

高電圧機器２が有するモータが１基であると、常にモータ回転速度は一意に定まるため、一方のフィルタ（例えば、帯域通過フィルタ部１２ａ）によってモータ駆動電流の高調波成分を除去できない場合であると、異なる通過特性をもつ他方のフィルタ（例えば、帯域通過フィルタ部１３ａ）によってモータ駆動電流の高調波成分を除去することができる。

そこで、電気絶縁部が劣化した際に、少なくとももいずれかのフィルタ（帯域通過フィルタ部１２ａまたは帯域通過フィルタ部１３ａ）の出力電気信号ＩＳの二乗平均平方根は、ノイズが重畳していない場合と等しく減少しており、マイクロプロセッサ２０によって電気絶縁部の劣化を検出することができる。

〈絶縁劣化検出装置による電気絶縁部の劣化検出例〉
図８は、図５の絶縁劣化検出装置３が電気絶縁部の劣化を検出処理の一例を示したフローチャートである。

まず、マイクロプロセッサ２０は、帯域通過フィルタ部１２ａから出力される出力電気信号ＲＳ１の一周期あたりの二乗平均平方根（Ｓ１）を計算する（ステップＳ２０１）。続いて、マイクロプロセッサ２０は、帯域通過フィルタ部１３ａから出力される出力電気信号ＲＳ２の一周期あたりの二乗平均平方根（Ｓ２）を計算する（ステップＳ２０２）。

そして、マイクロプロセッサ２０は、ステップＳ２０１の処理において算出した二乗平均平方根（Ｓ１）が予め設定されている電圧しきい値（Ｔｈ１）以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０３）。

算出した二乗平均平方根（Ｓ１）が電圧しきい値（Ｔｈ１）以下の場合には、電気絶縁部が劣化していると判定し（ステップＳ２０４）、高電圧機器２が有するマイクロコンピュータなどに電気絶縁部の劣化を検出したことを知らせる検出信号を出力する。

また、ステップＳ２０３処理において、算出した二乗平均平方根（Ｓ１）が電圧しきい値（ＴｈＶ１）よりも大きい場合には、ステップＳ２０２の処理において算出した二乗平均平方根（Ｓ２）が予め設定されている電圧しきい値（ＴｈＶ２）以下であるか否かを判断する（ステップＳ２０５）。

算出した二乗平均平方根（Ｓ２）が電圧しきい値（ＴｈＶ２）以下の場合には、電気絶縁部が劣化していると判定し（ステップＳ２０４）、高電圧機器２が有するマイクロコンピュータなどに電気絶縁部の劣化を検出したことを知らせる検出信号を出力する。

また、算出した二乗平均平方根（Ｓ２）が電圧しきい値（ＴｈＶ２）よりも大きい場合には、ステップＳ２０１の処理から再び、処理を実行する。なお、電圧しきい値（ＴｈＶ１，ＴｈＶ２）は、例えば、マイクロプロセッサ２０が有するメモリなどに格納してもよいし、マイクロプロセッサ２０とは別にメモリを有し、該メモリに格納するようにしてもよい。

それにより、本実施の形態２においても、絶縁劣化検出装置３は、モータ駆動電流の周波数とは異なる周波数帯の入力電気信号ＩＳ１、または入力電気信号ＩＳ２を用いて電気絶縁部の劣化を検出することが可能となり、モータ駆動電流の周波数成分を応答電気信号から帯域通過フィルタ部１２ａ，１３ａによって除去することができる。

なお、本実施の形態２において、搭載するモータ数が２基以上に増えた場合には、同時に動作しているモータの駆動電流周波数とは異なる注入パルスの周波数を、同時に動作しているモータの駆動電流周波数をすべて除去する通過帯域を有するフィルタ部（帯域通過フィルタ部）が最低限一つ必要となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、走査電子顕微鏡による画像処理、および特徴量算出技術に適している。

１ モータ駆動システム
２ 高電圧機器
３ 絶縁劣化検出装置
４ モータ電源部
５ 電力変換部
６ モータ
７ モータ回転速度検出部
８ 入力電気信号周波数決定部
９ 入力電気信号生成部
１０ 入力信号送受信部
１１ 応答電気信号解析部
１２ 帯域通過フィルタ部
１２ａ 帯域通過フィルタ部
１３ 帯域通過フィルタ部
１３ａ 帯域通過フィルタ部
１４ 絶縁抵抗劣化検出部
１５ 回転角センサ
２０ マイクロプロセッサ
２１ 抵抗
２２ 抵抗
２２ａ 抵抗
２２ｂ 抵抗
２２ｃ 抵抗
２２ｄ 抵抗
２３ トランジスタ
２３ａ トランジスタ
２３ｂ トランジスタ
２３ｃ トランジスタ
２３ｄ トランジスタ
２４ 電源
２４ａ 電源
２４ｂ 電源
２５ ドライバ
２５ａ ドライバ
２５ｂ ドライバ
２５ｃ ドライバ
２５ｄ ドライバ
２６ 注入コンデンサ
２７ 抵抗
２８ ダイオード
２９ ダイオード

Claims (8)

1. 高電圧機器に入力電気信号を注入し、前記入力電気信号に対する応答電気信号に基づいて、高電圧機器の電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出システムであって、
   前記高電圧機器が有するモータの回転速度から、前記モータの駆動電流の周波数を算出するモータ回転速度検出部と、
   前記モータ回転速度検出部が算出したモータの駆動電流の周波数とは異なる周波数を決定し、前記周波数を有する前記入力電気信号を生成する制御信号を出力する入力電気信号周波数決定部と、
   前記入力電気信号周波数決定部から出力される制御信号に基づいて、前記入力電気信号を生成する入力電気信号生成部と、
   前記応答電気信号を解析し、前記高電圧機器における電気絶縁部の劣化を検出する応答電気信号解析部とを有することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
2. 請求項１記載の絶縁劣化検出システムにおいて、
   前記応答電気信号解析部は、
   第１の通過周波数特性を有する第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタとは異なる第２の通過周波数特性を有する第２のフィルタと、
   前記第１のフィルタ、または前記第２のフィルタを介して出力される前記応答電気信号に基づいて前記高電圧機器における電気絶縁部の劣化を検出する絶縁抵抗劣化検出部とを有し、
   前記絶縁抵抗劣化検出部は、
   前記入力電気信号周波数決定部の制御信号に基づいて、前記入力電気信号周波数決定部が決定した周波数が通過できる前記第１、または前記第２のフィルタのいずれから出力される応答電気信号を選択し、選択した前記応答電気信号に基づいて、前記高電圧機器における電気絶縁部の劣化を検出することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
3. 請求項２記載の絶縁劣化検出システムにおいて、
   前記第１のフィルタは、
   第１の周波数から、前記第１の周波数よりも大きい周波数である第２の周波数まで周波数を通過させる通過周波数特性を有し、
   前記第２のフィルタは、
   前記第２の周波数よりも大きい周波数である第３の周波数から、前記第３の周波数よりも大きい周波数である第４の周波数までの周波数を通過させる通過周波数特性を有し、
   前記入力電気信号周波数決定部は、
   前記モータの駆動電流の周波数が、前記第４の周波数よりも小さく、前記第３の周波数と前記第２の周波数との中間程度の周波数以上の場合、前記第１の通過周波数特性を有する前記入力電気信号が生成され、
   前記モータの駆動電流の周波数が、前記第４の周波数よりも大きい場合、前記第１の通過周波数特性を有する前記入力電気信号が生成されるように制御信号を出力することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
4. 請求項３記載の絶縁劣化検出システムにおいて、
   前記入力電気信号周波数決定部は、
   前記モータの駆動電流の周波数が、前記第４の周波数よりも小さく、前記第３の周波数と前記第２の周波数との中間程度の周波数以上の場合、前記第１の周波数と前記第２の周波数との中間程度の周波数の前記入力電気信号が生成され
   前記モータの駆動電流の周波数が、前記第４の周波数よりも大きい場合、前記第３の周波数と前記第４の周波数との中間程度の周波数の前記入力電気信号が生成されるように制御信号を出力することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
5. 高電圧機器に入力電気信号を注入し、前記入力電気信号に対する応答電気信号に基づいて、高電圧機器の電気絶縁部の劣化を検出する絶縁劣化検出システムであって、
   第５の周波数、および前記第５の周波数よりも大きい周波数の第６の周波数を有する前記入力電気信号をそれぞれ生成する入力電気信号生成部と、
   第３の通過周波数特性を有する第３のフィルタと、
   前記第３のフィルタとは異なる第４の通過周波数特性を有する第４のフィルタと、
   前記第３のフィルタを介して出力される前記応答電気信号の振幅に合わせて増加する正の相関を有する第１の相関数値、および前記第４のフィルタを介して出力される前記応答電気信号の振幅に合わせて増加する正の相関を有する第２の相関数値をそれぞれ算出する算出部と、
   前記算出部が算出した前記第１の相関数値、および前記第２の相関数値に基づいて、絶縁劣化を検出する絶縁劣化検出部とを有することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
6. 請求項５記載の絶縁劣化検出システムにおいて、
   前記算出部は、
   前記第１の相関数値として前記第３のフィルタを介して出力される前記応答電気信号の１周期当たりの二乗平均平方根を算出し、前記第２の相関数値として、前記第４のフィルタを介して出力される前記応答電気信号の１周期当たりの二乗平均平方根を算出することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
7. 請求項６記載の絶縁劣化検出システムにおいて、
   前記絶縁劣化検出部は、
   前記算出部が算出した前記第３のフィルタを介して出力される前記応答電気信号の二乗平均平方根の算出結果である第１の二乗平均平方根が第１のしきい値よりも小さいか、および前記算出部が算出した前記第４のフィルタを介して出力される前記応答電気信号の二乗平均平方根の算出結果である第２の二乗平均平方根が第２のしきい値よりも小さいかをそれぞれ判定し、前記第１の二乗平均平方根が前記第１のしきい値よりも小さい場合、または前記第１の二乗平均平方根が第２のしきい値よりも小さい場合に絶縁劣化と判定することを特徴とする絶縁劣化検出システム。
8. 請求項５記載の絶縁劣化検出システムにおいて、
   前記第３のフィルタは、
   ローパスフィルタからなり、
   前記第４のフィルタは、
   前記第３のフィルタが通過できる周波数帯域の信号が通過できない通過周波数特性を有することを特徴とする絶縁劣化検出システム。

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