JP2014121144A - モータ制御装置、及び欠相検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モータにおける異常を検出する精度を向上させる。
【解決手段】モータ制御装置は、コイルにおける異常を検出する際に用いるｄ軸電流値及びｑ軸電流値を出力する欠相判定用指令出力部と、モータの電気角を検出し、検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度である場合、検出した電気角を所定の補正角で補正した電気角を選択し、通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度でない場合、検出した電気角を選択する欠相検出角補正部と、欠相判定用指令出力部が出力するｄ軸電流値及びｑ軸電流値、並びに欠相検出角補正部が選択する電気角に基づいてモータの各コイルに通電をする通電部と、通電部がモータに通電した際に各コイルに流れる電流に基づいて、モータが備えるコイルのいずれかに異常が生じているか否かを判定する欠相判定部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ制御装置、及び欠相検出方法に関する。

モータの制御において、モータを駆動する前にモータのコイルに異常が生じていることを事前に検出することが行われている。例えば、モータを駆動する前にモータに断線が生じているか否かを判定し、断線が生じていないことを確認した上でモータに電力を供給することにより、電力の浪費やモータの破損などを防ぐことが可能となる。
モータの異常の検出において、モータに通電可能か否かの判定だけでなく、モータにおける欠相異常を検出することが行われている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１−０５１６９５号公報

特許文献１に記載されている技術では、所定の電流をモータに供給した際における各相のコイルの電圧に基づいて、モータの欠相を検出している。しかし、モータの固定子と回転子（又は移動子）との位置関係によっては、モータの欠相等の異常を検出することができないという問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、モータの異常を検出する精度を向上させることができるモータ制御装置、及び欠相検出方法を提供することにある。

上記問題を解決するために、本発明は、前記コイルにおける異常を検出する際に用いるｄ軸電流値及びｑ軸電流値を出力する欠相判定用指令出力部と、前記モータの電気角を検出し、検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度である場合、前記検出した電気角を所定の補正角で補正した電気角を選択し、前記検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度でない場合、前記検出した電気角を選択する欠相検出角補正部と、前記欠相判定用指令出力部が出力するｄ軸電流値及びｑ軸電流値、並びに前記欠相検出角補正部が選択する電気角に基づいて前記モータの各コイルに通電をする通電部と、前記通電部が前記モータに通電した際に各コイルに流れる電流に基づいて、前記モータが備えるコイルのいずれかに異常が生じているか否かを判定する欠相判定部と、を備えていることを特徴とするモータ制御装置である。

また、上記問題を解決するために、本発明は、複数のコイルを備えるモータを制御するモータ制御装置が行う欠相検出方法であって、前記モータの電気角を検出し、検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度である場合、前記検出した電気角を所定の補正角で補正した電気角を選択し、前記検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度でない場合、前記検出した電気角を選択する欠相検出角補正ステップと、前記コイルにおける異常を検出する際に用いるｄ軸電流値及びｑ軸電流値、並びに前記欠相検出角補正ステップにおいて選択された電気角に基づいて前記モータの各コイルに通電をする通電ステップと、前記通電ステップにおいて前記モータの各コイルに流れた電流に基づいて、前記モータが備えるコイルのいずれかに異常が生じているか否かを判定する欠相判定ステップと、を有することを特徴とする欠相検出方法である。

この発明によれば、モータの駆動を抑えて各相のコイルに電流が流れるようにしているので、モータの電気角にかかわらずモータの異常を検出することができ、モータの異常を検出する精度を向上させることができる。

本発明に係る実施形態におけるモータシステム１の構成を示す概略ブロック図である。 モータ３０における電気角を示す概略図である。 同実施形態におけるモータ制御装置１０が行う欠相検出処理を示すフローチャートである。 欠相が生じている場合におけるｄ軸電流値及びｑ軸電流値の一例を示すグラフである。 欠相が生じており非検出角に回転子が位置している場合におけるｄ軸電流値及びｑ軸電流値の一例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る一実施形態におけるモータ制御装置、及び欠相検出方法を説明する。本実施形態では、モータ制御装置が三相交流モータを制御する場合について説明する。

図１は、本実施形態におけるモータシステム１の構成を示す概略ブロック図である。モータシステム１は、同図に示すように、モータ制御装置１０と、モータ３０と、エンコーダ３１とを具備している。モータ３０は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相それぞれのコイルを有する。モータ３０は、モータ制御装置１０から各コイルに供給される電力により駆動する。

モータ制御装置１０は、上位の制御装置などから入力される位置指令値と、エンコーダ３１が検出するモータ３０の電気角とに基づいて、モータ３０を駆動させる制御をする。また、モータ制御装置１０は、上位の制御装置などから欠相検出指令が入力されると、モータ３０が有している各コイルのいずれかに異常が生じているか否かを判定する。モータ制御装置１０は判定結果を出力する。具体的には、モータ制御装置１０は、モータ３０の電気角に基づいてトルクを発生させない通電を行い、モータ３０の各相のコイルに流れた電流値により各コイルにおける異常の検出を行う。これにより、モータ３０をほとんど駆動させることなく各コイルにおける異常の検出ができる。なお、コイルにおける異常とは、例えば、コイル自体の断線や、モータ３０におけるコイルの接続不良、モータ制御装置１０とモータ３０との間の接続不良などの通電における異常である。また、欠相とは、モータ３０が有する各相のコイルのうちいずれか一つのコイルにおいて上記の異常が生じることである。

モータ制御装置１０は、位置速度制御部１１と、制御指令切替器１２と、ｄ軸電流制御器１３と、ｑ軸電流制御器１４と、通電部１５と、３相２相変換器・ベクトル回転器１８と、欠相判定用指令出力部２１と、欠相判定部２２と、欠相検出角補正部２３とを備えている。通電部１５は、２相３相変換器・ベクトル回転器１６と、インバータ１７とを有している。

位置速度制御部１１は、入力される位置指令値とエンコーダ３１から入力される電気角とに基づいて、ＰＩＤ制御などによりｑ軸電流指令値を算出する。位置速度制御部１１は、例えば位置指令値がモータ３０の機械角で与えられる場合、入力される電気角からモータ３０の機械角を算出する。位置速度制御部１１は、算出した機械角と位置指令値との偏差から速度指令値を算出する。位置速度制御部１１は、電気角の変化量から算出されるモータ３０の回転速度と位置指令値との偏差からｑ軸電流指令値を算出する。位置速度制御部１１は、算出したｑ軸電流指令値と、予め定められたｄ軸電流指令値とを制御指令切替器１２に出力する。なお、位置速度制御部１１が出力するｄ軸電流指令値は０又は０に近い値である。

欠相判定用指令出力部２１は、モータ３０の欠相検出の際に用いられるｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とを予め記憶しており、記憶しているｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値とを制御指令切替器１２に出力する。なお、欠相判定用指令出力部２１が記憶しているｑ軸電流指令値は０又は０に近い値であり、ｄ軸電流指令値は予め定められた値である。

制御指令切替器１２は、欠相判定部２２の制御に応じて、位置速度制御部１１が出力するｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値と、欠相判定用指令出力部２１が出力するｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値とのいずれか一方を選択する。制御指令切替器１２は、選択したｄ軸電流指令値をｄ軸電流制御器１３に出力し、選択したｑ軸電流指令値をｑ軸電流制御器１４に出力する。

ｄ軸電流制御器１３は、制御指令切替器１２が出力するｄ軸電流指令値と、３相２相変換器・ベクトル回転器１８から入力されるｄ軸電流値との偏差に基づいて、当該偏差を０（零）にするｄ軸電圧指令値を算出する。ｄ軸電流制御器１３は、算出したｄ軸電圧指令値を２相３相変換器・ベクトル回転器１６に出力する。

ｑ軸電流制御器１４は、制御指令切替器１２が出力するｑ軸電流指令値と、３相２相変換器・ベクトル回転器１８から入力されるｑ軸電流値との偏差に基づいて、当該偏差を０（零）にするｑ軸電圧指令値を算出する。ｑ軸電流制御器１４は、算出したｑ軸電圧指令値を２相３相変換器・ベクトル回転器１６に出力する。

２相３相変換器・ベクトル回転器１６は、ｄ軸電流制御器１３が出力するｄ軸電圧指令値と、ｑ軸電流制御器１４が出力するｑ軸電圧指令値と、欠相検出角補正部２３から入力される電気角とに基づいて、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相それぞれに対する電圧指令値を算出する。２相３相変換器・ベクトル回転器１６は、算出したＵ相、Ｖ相、及びＷ相の電圧指令値をインバータ１７に出力する。

インバータ１７は、２相３相変換器・ベクトル回転器１６が出力するＵ相、Ｖ相、及びＷ相の電圧指令値で示される電圧をモータ３０が有するＵ相、Ｖ相、及びＷ相のコイルに印加する。例えば、インバータ１７は、外部から供給される外部電圧に対して、各相の電圧指令値に基づいたＰＷＭ制御を行い、外部電圧を電圧指令値で示される電圧に変換し、変換して得られた電圧をモータ３０の各相のコイルに印加する。

２相３相変換器・ベクトル回転器１６とインバータ１７とを有する通電部１５は、上述のように、入力されるｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値と、入力される電気角とに基づいて、モータ３０の各相のコイルに通電する。

３相２相変換器・ベクトル回転器１８は、不図示の変流器が検出するモータ３０の各コイルに流れる電流値と、欠相検出角補正部２３が出力する電気角とに基づいて、ｄ軸電流値及びｑ軸電流値を算出する。３相２相変換器・ベクトル回転器１８は、算出したｄ軸電流値をｄ軸電流制御器１３と欠相判定部２２とに出力する。３相２相変換器・ベクトル回転器１８は算出したｑ軸電流値をｑ軸電流制御器１４と欠相判定部２２とに出力する。

欠相判定部２２は、外部から入力される欠相検出指令に基づいて、制御指令切替器１２と欠相検出角補正部２３とを制御する。具体的には、欠相判定部２２は、欠相検出指令が入力されるとき、欠相判定用指令出力部２１から入力されるｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を制御指令切替器１２に選択させる制御を行う。一方、欠相判定部２２は、欠相検出指令が入力されないとき、位置速度制御部１１から入力されるｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を制御指令切替器１２に選択させる制御を行う。

また、欠相判定部２２は、欠相検出指令が入力されるとき、欠相検出角補正部２３に電気角の補正処理を行わせる制御をする。一方、欠相判定部２２は、欠相検出指令が入力されないとき、エンコーダ３１から入力される電気角を２相３相変換器・ベクトル回転器１６に出力させる制御を欠相検出角補正部２３に対して行う。

また、欠相判定部２２は、欠相検出指令が入力されるとき、３相２相変換器・ベクトル回転器１８から入力されるｄ軸電流値及びｑ軸電流値に基づいて、モータ３０が有する各相のコイルのいずれかに異常が生じているか否かの判定を行う。欠相判定部２２は、判定結果を外部に出力する。

欠相検出角補正部２３は、欠相判定部２２の制御に応じて、エンコーダ３１が出力する電気角に対して補正処理を行うか否かを切り替える。具体的には、欠相を検出する際には、欠相検出角補正部２３は、エンコーダ３１が出力する電気角に応じて補正処理を行った上で電気角を２相３相変換器・ベクトル回転器１６と３相２相変換器・ベクトル回転器１８とに出力する。欠相を検出しない際には、すなわちモータ３０を駆動する際には、欠相検出角補正部２３は、エンコーダ３１が出力する電気角を２相３相変換器・ベクトル回転器１６と３相２相変換器・ベクトル回転器１８とに出力する。

ここで、欠相検出角補正部２３が行う補正処理についてについて説明する。図２は、モータ３０における電気角を示す概略図である。ここは、モータ３０が一極対の３相交流モータである場合について示している。回転子のＳ極がＵ相のコイル（Ｕ）に対向し、回転子のＮ極がＵ相のコイル（￣Ｕ）に対向しているときの電気角を０度とする。また、同図に示す構成では、モータ３０には、コイルが時計回りに、コイル（Ｕ）、コイル（￣Ｖ）、コイル（Ｗ）、コイル（￣Ｕ）、コイル（Ｖ）の順に配置されている。なお、図２において、Ｕ、Ｖ及びＷの上に「￣（オーバーライン）」が付された文字を本明細書では￣Ｕ、￣Ｖ、及び￣Ｗと記載している。

図２に示す構成を有するモータ３０において、電気角が３０度及び２１０度の位置に回転子が位置する場合、回転トルクを発生させない通電、すなわちｑ軸電流値を０とする通電をしてもＶ相のコイルに電流が流れない。そのため、回転子が電気角３０度又は電気角２１０度の位置にある場合、回転トルクを発生させない通電によりＶ相の異常を検出できないことになる。そこで、欠相検出角補正部２３は、電気角が３０度又は２１０度の位置に回転子がある場合、電気角に所定の補正角を加えて（又は減じて）電気角をずらす補正処理を行う。補正処理で得られた電気角に基づいた通電を行うことによりＶ相のコイルにも電流が流れるので、Ｖ相における異常の検出を行うことができるようになる。補正角は、例えば３度程度でよい。なお、補正角を３度とした場合であっても、モータ３０が実際に回転してしまう角度は（補正角／極対数）である。例えば、４極対のモータであれば、通電により回転する機械角は０．７５度以下となる。

また、電気角が９０度及び２７０度の位置に回転子が位置する場合には、Ｕ相のにおける異常が検出できない。欠相検出角補正部２３は、電気角９０度又は２７０度の位置に回転子がある場合、同様に、電気角をすらす補正処理を行う。また、電気角が１５０度及び３３０度の位置に回転子が位置する場合には、Ｗ相における異常が検出できない。欠相検出角補正部２３は、電気角１５０度又は３３０度の位置に回転子がある場合、同様に、電気角をずらす補正処理を行う。
すなわち、欠相検出角補正部２３は、回転トルクを発生させない通電をする際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する電気角である場合には、電気角をずらす補正処理を行う。

図３は、本実施形態におけるモータ制御装置１０が行う欠相検出処理を示すフローチャートである。例えば、モータ３０に対する駆動の制御を行う前に、欠相検出指令が入力されると欠相検出処理が開始される。

モータ制御装置１０において、欠相検出処理が開始されると、欠相判定部２２は、制御指令切替器１２を制御して、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値とを切り替えさせる（ステップＳ１１）。
欠相検出角補正部２３は、エンコーダ３１が検出した電気角θを取得する（ステップＳ１２）。

欠相検出角補正部２３は、取得した電気角θがいずれかのコイルの異常を検出できない非検出角であるか否かを判定し（ステップＳ１３）、電気角θが非検出角でない場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、処理をステップＳ１５に進める。
一方、電気角θが非検出角である場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、欠相検出角補正部２３は電気角θを所定の角度ずらす補正処理を行い（ステップＳ１４）、処理をステップＳ１５に進める。

ここで、非検出角は、図２で示した構成を有するモータ３０における電気角３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、及び３３０度である。非検出角は、モータ３０における相及び極の数に応じて定められる。

２相３相変換器・ベクトル回転器１６は、欠相検出角補正部２３から入力される電気角と、ｄ軸電流制御器１３及びｑ軸電流制御器１４から入力されるｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値とに基づいて、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電圧指令値を算出する。インバータ１７は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電圧指令値に基づいてモータ３０に通電する（ステップＳ１５）。

３相２相変換器・ベクトル回転器１８は、ステップＳ１５における通電によりＵ相、Ｖ相、及びＷ相のコイルに流れる電流値と、欠相検出角補正部２３が出力する電気角とから通電電流値（ｄ軸電流値及びｑ軸電流値）を取得する（ステップＳ１６）。
欠相判定部２２は、３相２相変換器・ベクトル回転器１８が取得したｄ軸電流値及びｑ軸電流値が所定の基準を満たすか否かを判定する（ステップＳ１７）。

ｄ軸電流値とｑ軸電流値とに対する基準には、例えば、ｄ軸電流値と欠相判定用指令出力部２１が出力するｄ軸電流指令値との差分がｄ軸電流指令値の１０％未満であるか、及び、ｑ軸電流値と欠相判定用指令出力部２１が出力するｑ軸電流指令値との差分がｑ軸電流指令値の１０％未満であるかが用いられる。すなわち、２つの差分がともに１０％未満であればいずれのコイルにも異常が生じていないと判定する。一方、２つの差分のいずれかが１０％以上であればいずれかのコイルに異常が生じていると判定する。

通電電流値（ｄ軸電流値及びｑ軸電流値）が基準を満たしている場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、欠相判定部２２は、異常が検出されなかったことを示す検出結果を出力し（ステップＳ１８）、欠相検出処理を終了する。
一方、通電電流値（ｄ軸電流値及びｑ軸電流値）が基準を満たしていない場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、欠相判定部２２は、異常が検出されたことを示す検出結果を出力し（ステップＳ１９）、欠相検出処理を終了する。

モータ制御装置１０は、モータ３０において回転トルクが発生しない指令値、すなわちｄ軸電流指令値を０としｑ軸電流指令値を所定値としてモータ３０に異常検出通電を行う。各相のコイルに流れる電流値から算出したｄ軸電流値及びｑ軸電流値と、ｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値との間に大きな差分が生じている場合にコイルに異常が生じていると判定する。このとき、上記のｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値で欠相が検出できない電気角に回転子が位置している場合には、電気角をずらした通電を行うことにより全ての電気角において欠相の検出を可能としている。このように、回転子の位置（すなわち、電気角）にかかわらず欠相の検出ができ、欠相を検出する精度を向上させることができる。

図４は、欠相が生じている場合におけるｄ軸電流値及びｑ軸電流値の一例を示すグラフである。同図において、横軸は時間であり縦軸は電流である。実線で示されているグラフは、欠相が生じているときのｄ軸電流値（Ｉ_ｄ）とｑ軸電流値（Ｉ_ｑ）との変化を示している。破線で示されているグラフは、欠相が生じていないときのｄ軸電流値（Ｉ_ｄ）とｑ軸電流値（Ｉ_ｑ）との変化を示している。同図に示されているように、欠相が生じている場合にはｄ軸電流値及びｑ軸電流値に差が生じる。

図５は、欠相が生じており非検出角に回転子が位置している場合におけるｄ軸電流値及びｑ軸電流値の一例を示すグラフである。同図において、横軸は時間であり縦軸は電流である。図４と同様に、実線で示されているグラフは欠相が生じているときを示しており、破線で示されているグラフは欠相が生じていないときを示している。非検出角に回転子が位置している場合には電気角を補正して通電することにより、ｑ軸電流値に変化を生じさせることができ、欠相を検出することができることがわかる。

なお、上述の実施形態では、モータ３０が三相交流モータである場合について説明した。しかし、モータ３０が複数の相のコイルを有するモータであってもよい。

また、上述の実施形態では、モータ制御装置１０が各機能部を有する構成について説明した。しかし、モータ制御装置１０が内部にコンピュータシステムを有していてもよい。その場合、上述した欠相検出処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われることになる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

１０…モータ制御装置、１５…通電部、２１…欠相判定用指令出力部、２２…欠相判定部、２３…欠相検出角補正部、３０…モータ

Claims (3)

1. 複数のコイルを備えるモータを制御するモータ制御装置であって、
   前記コイルにおける異常を検出する際に用いるｄ軸電流値及びｑ軸電流値を出力する欠相判定用指令出力部と、
   前記モータの電気角を検出し、検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度である場合、前記検出した電気角を所定の補正角で補正した電気角を選択し、前記検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度でない場合、前記検出した電気角を選択する欠相検出角補正部と、
   前記欠相判定用指令出力部が出力するｄ軸電流値及びｑ軸電流値、並びに前記欠相検出角補正部が選択する電気角に基づいて前記モータの各コイルに通電をする通電部と、
   前記通電部が前記モータに通電した際に各コイルに流れる電流に基づいて、前記モータが備えるコイルのいずれかに異常が生じているか否かを判定する欠相判定部と、
   を備えていることを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記モータの各コイルに流れる電流値からｄ軸電流値及びｑ軸電流値を算出する変換器を更に備え、
   前記欠相判定部は、
   前記変換器が算出したｄ軸電流値と前記欠相判定用指令出力部が出力したｄ軸電流値との差分が予め定めたしきい値以上である場合、又は、前記変換器が算出したｑ軸電流値と前記欠相判定用指令出力部が出力したｑ軸電流値との差分が前記しきい値以上である場合に、前記モータが備えるコイルのいずれかに異常が生じていると判定する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
3. 複数のコイルを備えるモータを制御するモータ制御装置が行う欠相検出方法であって、
   前記モータの電気角を検出し、検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度である場合、前記検出した電気角を所定の補正角で補正した電気角を選択し、前記検出した電気角においてｑ軸電流値を０とした通電を行う際に通電されるべき電流値が０となる相のコイルが存在する角度でない場合、前記検出した電気角を選択する欠相検出角補正ステップと、
   前記コイルにおける異常を検出する際に用いるｄ軸電流値及びｑ軸電流値、並びに前記欠相検出角補正ステップにおいて選択された電気角に基づいて前記モータの各コイルに通電をする通電ステップと、
   前記通電ステップにおいて前記モータの各コイルに流れた電流に基づいて、前記モータが備えるコイルのいずれかに異常が生じているか否かを判定する欠相判定ステップと、
   を有することを特徴とする欠相検出方法。

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