JP2016208773A

JP2016208773A - 平滑コンデンサの寿命予測手段を有するモータ制御装置

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Publication number: JP2016208773A
Application number: JP2015090832A
Authority: JP
Inventors: 健太山本; Kenta Yamamoto; 肇置田; Hajime Okita
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-04-27
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Abstract

【課題】順変換器と逆変換器との間の直流リンクにおける平滑コンデンサの寿命を的確に予測できるモータ制御装置を実現する。【解決手段】交流電源３側から供給された交流電力を直流電力に変換する順変換器１１と、順変換器１１の直流側である直流リンクに設けられる平滑コンデンサ１３と、直流リンクにおける直流電力をモータ２の駆動電力である交流電力に変換する逆変換器１２と、平滑コンデンサ１３の容量を測定するコンデンサ容量測定手段１４と、平滑コンデンサ１３の容量の測定値と当該測定が行われた日付または日付および時刻の両方とからなるデータを複数記録するデータ記録手段１５と、記録された複数のデータに基づいて経過時間に対する平滑コンデンサ１３の容量の変化を示す劣化特性線を算出する劣化特性算出手段１６と、劣化特性線に基づいて平滑コンデンサ１３の寿命が到来する時期を予測する寿命予測手段１７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、三相交流入力側から供給された交流電力を直流電力に変換して直流リンクへ出力したのちさらにモータの駆動のための交流電力に変換してモータへ供給するモータ制御装置に関し、特に、直流リンクに設けられた平滑コンデンサの寿命を予測する寿命予測手段を有するモータ制御装置に関する。

工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ制御装置においては、交流電源側から入力された交流電力を順変換器により直流電力に一旦変換したのち、さらにこの直流電力を逆変換器により交流電力に変換し、この交流電力をモータの駆動電力として用いている。

図４は、一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。モータ制御装置１００は、商用三相交流電源（以下、単に「交流電源」と称する。）１０３からの交流電力を直流電力に変換する順変換器１０１と、順変換器１０１から出力された直流電力をモータ１０４の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換しまたはモータ１０４から回生される交流電力を直流電力に変換する逆変換器１０２と、を備え、当該逆変換器１０２の交流側に接続されたモータ１０４の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御する。順変換器１０１と逆変換器１０２とは直流リンク（ＤＣリンク）を介して接続される。直流リンクには、順変換器１０１の直流出力を平滑化するために平滑コンデンサ（ＤＣリンクコンデンサ）１０５が設けられる。一般に、駆動軸（送り軸および主軸）が複数ある場合は、各駆動軸を駆動するためにモータも複数設けられる。逆変換器は、複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給してモータを駆動制御するために、モータの個数と同数個、並列接続される。一方、順変換器については、モータ制御装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数の逆変換器に対して１個が設けられることが多い。なお、図４では、図面を簡明なものとするために、モータ１０４の個数を１個としており、したがって逆変換器１０２は１個である。

順変換器と逆変換器との間の直流リンクに設けられる平滑コンデンサは、充放電の繰り返しによりその静電容量（以下、単に「容量」と称する。）が減少する有限寿命の部品であることが一般的に知られている。充放電の繰り返しにより平滑コンデンサが劣化して容量が低下すると、直流リンクに流れるリプル電流が増加し、直流電圧の変動が大きくなるという問題が生じる。

また、モータ制御装置の種類によっては、平滑コンデンサに蓄積されたエネルギーをモータの加速時に使用することで、交流電源からの供給電力を減らし、電源設備容量の低減を行うものもある。このような場合、充放電の繰り返しにより平滑コンデンサが劣化して容量が低下すると、蓄積できるエネルギーが低下し、モータ加速時に十分なエネルギーを供給できず、例えば工作機械の場合は加工工程に何らかの障害が生じてしまう可能性もある。

したがって、寿命が到来した平滑コンデンサを最適な時期に交換するためには、平滑コンデンサの容量を的確に把握し、いつ寿命が到来するかを予測することが重要である。

例えば、インバータ（逆変換器）の電源遮断時の直流リンクに設けられた電解コンデンサの電圧低下の状況から、電解コンデンサの寿命を判定する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

また例えば、直流リンクに設けられた電解コンデンサの漏れ電流の増加状況から、電解コンデンサの寿命を予測する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開平８−８００５５号公報特開２００７−３１８８７２号公報

上述のように、モータ制御装置内の順変換器と逆変換器との間の直流リンクに設けられた平滑コンデンサが充放電の繰り返しにより劣化して容量が減少すると、直流リンクに流れるリプル電流が増加し、直流電圧の変動が大きくなるという問題がある。また、モータ制御装置の種類によっては、平滑コンデンサに蓄積されたエネルギーをモータの加速時に使用することで、交流電源からの供給電力を減らし、電源設備容量の低減を行うものがあるが、平滑コンデンサの容量が低下すると、蓄積できるエネルギーが低下し、モータ加速時に十分なエネルギーを供給できない問題がある。平滑コンデンサの容量を的確に予測できなければ、平滑コンデンサの交換のタイミングを逸して直流リンクに大きなリプル電流や直流電圧変動を発生させてしまうことになりかねない。またあるいは、まだ寿命のある平滑コンデンサを不必要に早く交換してしまう事態にもなりかねず、不経済である。このように、平滑コンデンサの容量を把握して寿命が到来したか否かを的確に予測することは重要である。

例えば、特許文献１（特開平８−８００５５号公報）に記載された発明によれば、インバータ（逆変換器）の電源遮断時の直流リンクに設けられた電解コンデンサの電圧低下を検出した時点での電解コンデンサの寿命判定はできるが、将来的にいつ頃寿命が到来するのかということは予測することはできない。そのため、電解コンデンサの寿命予測に基づいてモータ制御装置の運転条件を見直すといった柔軟な対応をとることができない。また、将来的に到来する電解コンデンサの寿命に備えた電解コンデンサの効率的な交換計画を立てることができない。また、特許文献１に記載された発明では、電解コンデンサの容量を放電時に測定するので、このための放電手段が別途必要となる。

また、特許文献２（特開２００７−３１８８７２号公報）に記載された発明は、漏れ電流が増加傾向に転じて３、４日で寿命に達するという実験結果に基づき電解コンデンサの寿命を予測するものである。つまり、電解コンデンサが完全に故障する直前になったときに初めて寿命到来を予測することはできるが、中長期先（例えば数か月先や数年先）に到来する寿命については予測することはできない。中長期先に到来する寿命を把握することができれば、寿命が到来するまでの間はモータ制御装置の運転条件を電解コンデンサが極力劣化しないようなものに変更するといった対応を余裕を持ってとることができ、その劣化抑止の効果も高い。しかしながら、３、４日後先といったような短期間先の寿命予測では、モータ制御装置の運転条件を電解コンデンサが極力劣化しないようなものに変更したとしてもその劣化抑止の効果は小さい。また、特許文献２に記載された発明では、電解コンデンサの漏れ電流を測定するので、このための漏れ電流測定手段が別途必要となる。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、順変換器と逆変換器との間の直流リンクにおける平滑コンデンサの寿命を的確に予測することができるモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明によるモータ制御装置は、交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換する順変換器と、順変換器の直流側である直流リンクに設けられる平滑コンデンサと、直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、平滑コンデンサの容量を測定するコンデンサ容量測定手段と、コンデンサ容量測定手段により測定された平滑コンデンサの容量の測定値と当該測定が行われたときの日付または日付および時刻の両方とからなるデータを複数記録するデータ記録手段と、データ記録手段に記録された複数のデータに基づいて、経過時間に対する平滑コンデンサの容量の変化を示す劣化特性線を算出する劣化特性算出手段と、劣化特性算出手段により算出された劣化特性線に基づいて、平滑コンデンサの寿命が到来する時期を予測する寿命予測手段と、を備える。

ここで、寿命予測手段は、劣化特性線が所定の劣化判定レベル以下になるときの日付または日付および時刻の両方を算出し、当該日付または日付および時刻の両方を平滑コンデンサの寿命が到来する時期として確定するようにしてもよい。

また、劣化特性算出手段は、データ記録手段に記録された複数のデータに基づいて、劣化特性線を、ｎを自然数としたときのｎ次関数式として算出するようにしてもよい。

また、劣化特性算出手段は、データ記録手段に記録された複数のデータに基づき最小二乗法により劣化特性線を算出するようにしてもよい。

また、コンデンサ容量測定手段は、平滑コンデンサに印加される直流電圧と、順変換器に入力される電流もしくは順変換器から出力される電流と、に基づいて、平滑コンデンサの容量を測定するようにしてもよい。

本発明によれば、順変換器と逆変換器との間の直流リンクにおける平滑コンデンサの寿命を正確に予測することができるモータ制御装置を実現することができる。本発明によれば、現状の使用状態が継続された場合の平滑コンデンサの寿命到来の時期を、その直前になってからではなく中長期間前から予測することができるので、平滑コンデンサの寿命予測に基づいてモータ制御装置の運転条件を見直すといった柔軟な対応が取り易くなり、また、将来的に到来する平滑コンデンサの寿命に備えた平滑コンデンサの効率的な交換計画を立て易くなる。また、本発明は、モータ制御装置がモータの駆動制御に本来的に必要な電流検出手段および電圧検出手段により検出された電流および電圧を用いて、平滑コンデンサの寿命到来の時期を予測することができるので、寿命予測のための新たな検出手段を設ける必要がない。したがって、既存のモータ制御装置にも後付けで適用することも容易である。また、特許文献１に記載された発明におけるような放電手段や特許文献２に記載された発明におけるような漏れ電流測定手段を別途設ける必要もない。

本発明の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。劣化特性線の一例を示す図である。本発明の実施例によるモータ制御装置における平滑コンデンサの寿命予測処理の動作フローを示すフローチャートである。一般的なモータ制御装置の構成を示す図である。

図１は、本発明の実施例によるモータ制御装置の原理ブロック図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。なお、以下で説明する実施例では、モータ制御装置１の三相交流入力側には交流電源３が接続され、モータ制御装置１の交流モータ側には三相のモータ２が接続される。なお、ここでは１個のモータ２を駆動制御するモータ制御装置１について説明するが、モータ制御装置１により駆動制御するモータ２の個数は、本発明を特に限定するものではなく、複数個のモータ２を駆動制御するモータ制御装置にも適用可能である。また、モータ制御装置によって駆動されるモータ２の種類についても本発明を特に限定するものではなく、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。

本発明の実施例によるモータ制御装置１は、順変換器１１と、平滑コンデンサ１３と、逆変換器１２と、コンデンサ容量測定手段１４と、データ記録手段１５と、劣化特性算出手段１６と、寿命予測手段１７とを備える。また、モータ制御装置１は、平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧を検出するための直流電圧検出手段３１と、順変換器１１の直流出力側から出力される直流電流を検出するための直流電流検出手段３２もしくは順変換器１１の三相交流入力側から供給される交流電流を検出するための交流電流検出手段３３と、交流電源３の交流電圧を検出するための交流電圧検出手段３４とを備えるが、これら直流電圧検出手段３１、直流電流検出手段３２もしくは交流電流検出手段３３、および交流電圧検出手段３４は、モータ２を駆動制御するために必要な電流および電圧を検出するためにモータ制御装置に一般的に備えられるものである。なお、本発明の実施例では、直流電流検出手段３２および交流電流検出手段３３についてはいずれか一方を備えればよいが、図１においては電流検出手段３２および交流電流検出手段３３の両方を図示している。

順変換器１１は、商用の交流電源３のある三相交流入力側から供給された交流電力を整流し、順変換器１１の直流出力側である直流リンク（ＤＣリンク）に直流電力を出力する。本発明では、用いられる順変換器１１の実施形態は特に限定されず、例えばダイオード整流回路、あるいは内部にスイッチング素子を備えるＰＷＭ制御方式の整流回路などがある。順変換器１１の三相交流入力側には交流リアクトル２１が接続される。

順変換器１１と逆変換器１２とは、直流リンクを介して接続される。逆変換器１２は、直流リンクにおける直流電力とモータ２の駆動電力もしくは回生電力である交流電力との間で双方向に電力変換することができるものである。逆変換器１２は、例えばＰＷＭインバータなどのような、内部にスイッチング素子を有する変換回路として構成される。逆変換器１２は、直流リンク側から供給される直流電力を、上位制御装置（図示せず）から受信したモータ駆動指令に基づき内部のスイッチング素子をスイッチング動作させ、モータ２を駆動するための所望の電圧および所望の周波数の三相交流電力に変換する。モータ２は、供給された電圧可変および周波数可変の三相交流電力に基づいて動作することになる。また、モータ２の制動時には回生電力が発生するが、上位制御装置から受信したモータ駆動指令に基づき、モータ２で発生した回生電力である交流電力を、直流電力へ変換して直流リンクへ戻す。なお、モータ制御装置１で複数のモータ２を駆動制御する場合には、各モータ２に個別に駆動電力を供給してモータ２を駆動制御するために、逆変換器１２は、モータ２の個数と同数個、並列接続される。

平滑コンデンサ１３は、順変換器１１の直流側と逆変換器１２の直流側とを接続する直流リンクに設けられる。平滑コンデンサ１３は、順変換器１１もしくは逆変換器１２の直流出力の脈動分を抑える機能とともに、順変換器１１もしくは逆変換器１２から出力される直流電力を一時的に蓄積する機能も有する。平滑コンデンサ１３は、モータ制御装置１の電源投入後から実際にモータ２を駆動する制御を開始する前までの間に、初期充電手段（図示せず）によって、順変換器１１から出力された直流電力で初期充電される。なお、図１では逆変換器１２を１個設けた例を示したが、例えば逆変換器１２が複数個並列接続される場合は、各逆変換器１２の直流入力側に平滑コンデンサ１３がそれぞれ設けられ、したがって、平滑コンデンサ１３についても互いに並列接続された関係を有することになる。

コンデンサ容量測定手段１４は、本実施例では、平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧と、順変換器１１に入力される電流もしくは順変換器１１から出力される電流と、に基づいて、平滑コンデンサ１３の容量を測定する。ここでは、コンデンサ容量測定手段１４による平滑コンデンサ１３の容量の測定方法として、２つの具体例について説明する。

第１の具体例は、初期充電時に平滑コンデンサ１３に流入する電荷量に基づいて平滑コンデンサ１３の容量Ｃの測定するものである。

上述したようにモータ制御装置１の電源投入後から実際にモータ２を駆動する制御を開始する前までの間に、平滑コンデンサ１３は、初期充電手段（図示せず）によって、順変換器１１から出力された直流電力で初期充電される。平滑コンデンサ１３の容量をＣ、初期充電手段による初期充電動作開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧をＶ₀としたとき、初期充電動作開始前に平滑コンデンサ１３に蓄積されていた残存電荷量Ｑ₀は、式１のように表すことができる。

初期充電手段による初期充電動作終了後の時点における平滑コンデンサ１３に蓄積されている電荷量Ｑ₁は、初期充電動作終了後の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧をＶ₁としたとき、式２のように表すことができる。

初期充電手段による初期充電動作により平滑コンデンサ１３に蓄積される電荷量は、式３に示すようにΔＱだけ増加する。

式３で示される電荷量の増加分ΔＱは、直流電流検出手段３２により検出された初期充電期間中に順変換器１１から出力される電流Ｉが平滑コンデンサ１３に流入することにより発生することから、式４が成り立つ。

式１および式２を式４に代入すると、式５が得られる。

よってコンデンサ容量測定手段１４は、初期充電動作開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₀と、初期充電動作終了後の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₁と、直流電流検出手段３２により検出された初期充電期間中に順変換器１１から出力される電流Ｉと、を用いて式５に基づいて平滑コンデンサ１３の容量を測定する。なお、この代替例として、式４および式５で用いられる電流Ｉを、交流電流検出手段３３によって検出される順変換器１１の三相交流入力側から供給される交流電流としてもよい。ただしこの場合、平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃは順変換器１１の損失分に起因する誤差を含んだものとなるので、詳細については後述するが、「劣化判定レベル」については、平滑コンデンサ１３を一番最初に使用開始する時点の平滑コンデンサ１３の容量に対する割合として設定するのが好ましい。

第２の具体例は、順変換器１１がＰＷＭ制御方式の整流回路である場合において、平滑コンデンサの初期充電後に実行される初期昇圧動作の前後の平滑コンデンサ１３の蓄積エネルギーの変化量に基づいて平滑コンデンサ１３の容量Ｃの測定するものである。

一般に、順変換器１１が内部にスイッチング素子を備えるＰＷＭ制御方式の整流回路である場合、原理的に交流電源３の交流電圧の波高値以上の値の直流電圧を出力させる必要がある。そのため、平滑コンデンサ１３に対する初期充電動作完了後は、順変換器１１内のスイッチング素子のスイッチング動作を行い、平滑コンデンサ１３の両端の直流電圧を交流電源３側の交流電圧の波高値よりも大きい電圧まで昇圧する「初期昇圧動作」を行う。初期充電動作および初期昇圧動作の完了後、逆変換器１２は電力変換動作を開始してモータ２に駆動電力を供給する通常動作モードに移行し、逆変換器１２から出力された交流の駆動電力に基づきモータ２は駆動することになる。順変換器１１から出力される電力エネルギーをＰとし、平滑コンデンサ１３の初期充電完了後であって初期昇圧開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧をＶ₁とし、平滑コンデンサ１３の初期昇圧完了後であってモータ２の駆動開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧をＶ₂としたとき、平滑コンデンサの初期充電後に実行される初期昇圧動作の前後の平滑コンデンサ１３の蓄積エネルギーの変化として式６の関係式が成り立つ。なお、電力エネルギーＰは、直流電圧検出手段３１により検出される平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧と、直流電流検出手段３２により検出される順変換器１１の直流出力側から出力される直流電流との積として求めればよい。

式６を変形して式７が得られる。

よってコンデンサ容量測定手段１４は、初期充電完了後であって初期昇圧開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₁と、初期昇圧完了後であってモータ２の駆動開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₂と、順変換器１１から出力される電力エネルギーＰと、を用いて式７に基づいて平滑コンデンサ１３の容量Ｃを測定する。なお、この代替例として、式６および式７で用いられる電力エネルギーＰを、交流電流検出手段３３によって検出される順変換器１１の三相交流入力側から供給される交流電流と、交流電圧検出手段３４によって検出される交流電圧と、の積としてもよい。ただしこの場合、平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃは順変換器１１の損失分に起因する誤差を含んだものとなるので、詳細については後述するが、「劣化判定レベル」については、平滑コンデンサ１３を一番最初に使用開始する時点の平滑コンデンサ１３の容量に対する割合として設定するのが好ましい。

上述のコンデンサ容量測定手段１４による平滑コンデンサ１３の容量の測定は、月日を改めて複数回行うものとするが、定期的に行われても不定期に行われてもよい。例えば、モータ制御装置１の電源投入ごとに毎回必ず行うようにしてもよく、あるいは何回かごとの電源投入の際に行うようにしてもよく、あるいは作業者が操作盤やパソコン等のユーザインタフェースを介して入力した測定指令をモータ制御装置１が受信したときに行うようにしてもよい。

データ記録手段１５は、コンデンサ容量測定手段１４により測定された平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃと、当該測定が行われたときの「日付」または「日付および時刻の両方」と、からなるデータを複数記録する。「日付」は年月日を意味し、「日付および時刻の両方」は、年月日および時刻を含む意味であるが、以下、本明細書では、説明を簡明なものとするために、「日付のみ」の場合と「日付および時刻の両方」の場合とを含む概念として、単に「日時」との用語を用いる。

劣化特性算出手段１６は、データ記録手段１５に記録された複数のデータに基づいて、経過時間に対する平滑コンデンサ１３の容量の変化を示す劣化特性線を算出する。劣化特性線は、日時を独立変数としたときのｎ次関数式（ただし、ｎは自然数）で平滑コンデンサの容量を表すものであり、一方の軸（例えばＸ軸）が日時を示しもう一方の軸（例えばＹ軸）が平滑コンデンサ１３の容量を表すような平面座標系上に表される。平滑コンデンサ１３は充放電の繰り返しにより劣化してその容量が減少することから、劣化特性線は、日数の経過につれて平滑コンデンサ１３の容量が減少する傾向を示すものとなる。

例えば、ｎ次関数式の次数については作業者が予め設定しておき、ｎ次関数式の係数については劣化特性算出手段１６により、データ記録手段１５に記録された複数のデータに基づいて最小二乗法にて算出する。図２は、劣化特性線の一例を示す図である。図示の例では、データ記録手段１５により記録された平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃと当該測定が行われたときの日時とからなるデータ（図示の例では８個）を黒丸で表しており、劣化特性線（図中、実線で示す）は一例として１次関数式としている。

またあるいは、劣化特性算出手段１６による劣化特性線の算出処理をより単純化して、２つの時点の平滑コンデンサ１３の容量の測定結果に基づいて、１次関数式からなる劣化特性線を算出してもよい。例えば、平滑コンデンサ１３を一番最初に使用開始する時点の平滑コンデンサ１３の容量の測定値とそのときの日時とからなるデータと、当該一番最初に使用開始した時点からある程度の日数、月数もしくは年数が経過した時点の平滑コンデンサ１３の容量の測定値とそのときの日時とからなるデータとを用いて直線近似し、１次関数式からなる劣化特性線を算出してもよい。

寿命予測手段１７は、劣化特性算出手段１６により算出された劣化特性線に基づいて、平滑コンデンサの寿命が到来する時期を予測する。具体的には、寿命予測手段１７は、一方の軸（例えばＸ軸）が日時を示しもう一方の軸（例えばＹ軸）が平滑コンデンサ１３の容量を表す平面座標系上において、ｎ次関数式で表される劣化特性線と予め設定された劣化判定レベルとの交点をｎ次方程式を解くことで算出し、当該交点のうちの日時を表す座標を、平滑コンデンサの寿命が到来する時期として確定する。なお、図２に示す例では、劣化判定レベルを一点鎖線で表している。寿命予測手段１７により予測された寿命到来時期は、例えばモータ制御装置１に設けられた操作盤のディスプレイあるいは携帯端末やパソコンのディスプレイに、文字や絵絵柄にて表示させることで、作業者に知らせる。またあるいは、予測された寿命到来時期を、スピーカを通じて音声にて作業者に知らせるようにしてもよい。またあるいは、予測された寿命到来時期を記録装置に保存しておき、後日ディスプレイに表示させたりスピーカから音声出力できるようにしてもよい。

なお、寿命予測手段１７による寿命予測に用いる「劣化判定レベル」は次のように設定すればよい。すなわち、充放電の繰り返しにより平滑コンデンサ１３の容量が減少するにつれて、モータ制御装置１内の直流リンクの直流電圧の変動が大きくなり、また蓄積できるエネルギー量が減少していき、モータ制御装置１として正常に動作することができなくなる領域に近づく。そこで、モータ制御装置１の正常動作を保証する平滑コンデンサ１３の容量もしくは当該容量よりも大きい値を、「劣化判定レベル」として設定する。なお、劣化判定レベルは、容量の大きさ（単位はファラッド）として設定してもよく、あるいは平滑コンデンサ１３を一番最初に使用開始する時点の平滑コンデンサ１３の容量に対する割合として設定してもよい。劣化判定レベルを平滑コンデンサ１３を一番最初に使用開始する時点の平滑コンデンサ１３の容量に対する割合として設定する場合は、劣化特性算出手段１６により算出される劣化特性線は、一番最初に測定された平滑コンデンサの容量の測定値Ｃで規格化したものとすべきである。特に交流電流検出手段３３によって検出される順変換器１１の三相交流入力側から供給される交流電流を用いて平滑コンデンサ１３の容量を測定した場合には、劣化判定レベルは、平滑コンデンサ１３を一番最初に使用開始する時点の平滑コンデンサ１３の容量に対する割合として設定するのが好ましい。

また、上述したコンデンサ容量測定手段１４、データ記録手段１５、劣化特性算出手段１６、および寿命予測手段１７は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段および回路をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内にある演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで上述の各部の機能が実現される。また、モータ制御装置がモータの駆動制御のために本来的に備える直流電流検出手段３１および直流電圧検出手段３２により検出された直流電流および直流電圧を用いて、平滑コンデンサの寿命到来の時期を予測するので、寿命予測のための新たな検出手段を設ける必要がないことから、既存のモータ制御装置にも後付けで適用することも可能である。この場合、上述したコンデンサ容量測定手段１４、データ記録手段１５、劣化特性算出手段１６、および寿命予測手段１７に係るソフトウェアプログラムを当該既存のモータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすればよい。

このように、本発明によれば、現状の使用状態が継続された場合の平滑コンデンサ１３の寿命到来の時期を、その直前になってからではなく中長期間前に予測することができる。したがって、平滑コンデンサの寿命予測に基づいてモータ制御装置の運転条件を見直すといった柔軟な対応が取り易くなり、また、将来的に到来する平滑コンデンサの寿命に備えた平滑コンデンサの効率的な交換計画を立て易くなる。

図３は、本発明の実施例によるモータ制御装置における平滑コンデンサの寿命予測処理の動作フローを示すフローチャートである。平滑コンデンサの寿命予測処理は、モータ制御装置１の電源を投入して実際にモータ２を駆動する制御を開始する前までに実行される。

上述したように、コンデンサ容量測定手段１４による平滑コンデンサ１３の容量の測定は、月日を改めて複数回行うものであり、定期的に行われても不定期に行われてもよい。例えば、モータ制御装置１の電源投入ごとに毎回必ず行われてもよく、あるいは何回かごとの電源投入の際に行われてもよく、あるいは作業者が操作盤やパソコン等のユーザインタフェースを介して入力した測定指令をモータ制御装置１が受信したときに行われてもよい。一例として、ここでは、作業者が入力した測定指令をモータ制御装置１が受信することで（ステップＳ１０１）、コンデンサ容量測定手段１４による平滑コンデンサ１３の容量の測定が開始される場合について示す。

ステップＳ１０１においてモータ制御装置１が測定指令を受信すると、ステップＳ１０２において、コンデンサ容量測定手段１４は平滑コンデンサ１３の容量Ｃを測定する。初期充電時に平滑コンデンサ１３に流入する電荷量に基づいて平滑コンデンサ１３の容量Ｃの測定をする場合は、コンデンサ容量測定手段１４は、初期充電動作開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₀と、初期充電動作終了後の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₁と、直流電流検出手段３２により検出された初期充電期間中に順変換器１１から出力される電流Ｉと、を用いて式５に基づいて平滑コンデンサ１３の容量を測定する。またあるいは、平滑コンデンサの初期充電後に実行される初期昇圧動作の前後の平滑コンデンサ１３の蓄積エネルギーの変化量に基づいて平滑コンデンサ１３の容量Ｃの測定する場合は、コンデンサ容量測定手段１４は、初期充電完了後であって初期昇圧開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₁と、初期昇圧完了後であってモータ２の駆動開始前の時点における直流電圧検出手段３１により検出された平滑コンデンサ１３に印加される直流電圧Ｖ₂と、順変換器１１から出力される電力エネルギーＰと、を用いて式７に基づいて平滑コンデンサ１３の容量を測定する。

次いでステップＳ１０３において、データ記録手段１５は、コンデンサ容量測定手段１４により測定された平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃと当該測定が行われたときの日時とからなるデータを記録する。

次にステップＳ１０４において、モータ制御装置１は、予測開始指令を受信したが否かを判別する。予測開始指令は、作業者が操作盤やパソコン等のユーザインタフェースを介して入力される。

ステップＳ１０４において予測開始指令を受信しなかったと判定された場合は処理を終了するが、この場合は、コンデンサ容量測定手段１４は平滑コンデンサ１３の容量の測定処理およびデータ記録手段１５による平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃと当該測定が行われたときの日時とからなるデータの記録処理のみが実行されたことになり、データの蓄積のみに留まる。ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理を複数回繰り返せば、平滑コンデンサ１３の容量の測定値Ｃと当該測定が行われたときの日時とからなるデータを複数得ることができる。

ステップＳ１０４において予測開始指令を受信したと判定された場合はステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５では、劣化特性算出手段１６は、データ記録手段１５に記録された複数のデータに基づいて、経過時間に対する平滑コンデンサ１３の容量の変化を示す劣化特性線を算出する。

次いでステップＳ１０６において、寿命予測手段１７は、劣化特性算出手段１７により算出された劣化特性線に基づいて、平滑コンデンサの寿命が到来する時期を予測する。予測された寿命到来時期は、例えばモータ制御装置１に設けられた操作盤のディスプレイあるいは携帯端末やパソコンのディスプレイに、文字や絵絵柄にて表示させ、作業者に知らせる。またあるいは、予測された寿命到来時期を、スピーカを通じて音声にて作業者に知らせる。

１モータ制御装置
２モータ
３商用三相交流電源
１１順変換器
１２逆変換器
１３平滑コンデンサ
１４コンデンサ容量測定手段
１５データ記録手段
１６劣化特性算出手段
１７寿命予測手段
３１直流電圧検出手段
３２直流電流検出手段
３３交流電流検出手段
３４交流電圧検出手段

寿命予測手段１７は、劣化特性算出手段１６により算出された劣化特性線に基づいて、平滑コンデンサの寿命が到来する時期を予測する。具体的には、寿命予測手段１７は、一方の軸（例えばＸ軸）が日時を示しもう一方の軸（例えばＹ軸）が平滑コンデンサ１３の容量を表す平面座標系上において、ｎ次関数式で表される劣化特性線と予め設定された劣化判定レベルとの交点をｎ次方程式を解くことで算出し、当該交点のうちの日時を表す座標を、平滑コンデンサの寿命が到来する時期として確定する。なお、図２に示す例では、劣化判定レベルを一点鎖線で表している。寿命予測手段１７により予測された寿命到来時期は、例えばモータ制御装置１に設けられた操作盤のディスプレイあるいは携帯端末やパソコンのディスプレイに、文字や絵柄にて表示させることで、作業者に知らせる。またあるいは、予測された寿命到来時期を、スピーカを通じて音声にて作業者に知らせるようにしてもよい。またあるいは、予測された寿命到来時期を記録装置に保存しておき、後日ディスプレイに表示させたりスピーカから音声出力できるようにしてもよい。

また、上述したコンデンサ容量測定手段１４、データ記録手段１５、劣化特性算出手段１６、および寿命予測手段１７は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらの手段および回路をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内にある演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで上述の各部の機能が実現される。また、モータ制御装置がモータの駆動制御のために本来的に備える直流電圧検出手段３１および直流電流検出手段３２により検出された直流電流および直流電圧を用いて、平滑コンデンサの寿命到来の時期を予測するので、寿命予測のための新たな検出手段を設ける必要がないことから、既存のモータ制御装置にも後付けで適用することも可能である。この場合、上述したコンデンサ容量測定手段１４、データ記録手段１５、劣化特性算出手段１６、および寿命予測手段１７に係るソフトウェアプログラムを当該既存のモータ制御装置内の演算処理装置に追加的にインストールすればよい。

次にステップＳ１０４において、モータ制御装置１は、予測開始指令を受信したか否かを判別する。予測開始指令は、作業者が操作盤やパソコン等のユーザインタフェースを介して入力される。

次いでステップＳ１０６において、寿命予測手段１７は、劣化特性算出手段１６により算出された劣化特性線に基づいて、平滑コンデンサの寿命が到来する時期を予測する。予測された寿命到来時期は、例えばモータ制御装置１に設けられた操作盤のディスプレイあるいは携帯端末やパソコンのディスプレイに、文字や絵柄にて表示させ、作業者に知らせる。またあるいは、予測された寿命到来時期を、スピーカを通じて音声にて作業者に知らせる。

Claims

交流電源側から供給された交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
前記順変換器の直流側である直流リンクに設けられる平滑コンデンサと、
前記直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力とを相互電力変換する逆変換器と、
前記平滑コンデンサの容量を測定するコンデンサ容量測定手段と、
前記コンデンサ容量測定手段により測定された前記平滑コンデンサの容量の測定値と、当該測定が行われたときの日付または日付および時刻の両方と、からなるデータを複数記録するデータ記録手段と、
前記データ記録手段に記録された複数のデータに基づいて、経過時間に対する前記平滑コンデンサの容量の変化を示す劣化特性線を算出する劣化特性算出手段と、
前記劣化特性算出手段により算出された劣化特性線に基づいて、前記平滑コンデンサの寿命が到来する時期を予測する寿命予測手段と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
前記寿命予測手段は、前記劣化特性線が所定の劣化判定レベル以下になるときの日付または日付および時刻の両方を算出し、当該日付または日付および時刻の両方を前記平滑コンデンサの寿命が到来する時期として確定する請求項１に記載のモータ制御装置。
前記劣化特性算出手段は、前記データ記録手段に記録された複数のデータに基づいて、前記劣化特性線を、ｎを自然数としたときのｎ次関数式として算出する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
前記劣化特性算出手段は、前記データ記録手段に記録された複数のデータに基づき最小二乗法により前記劣化特性線を算出する請求項３に記載のモータ制御装置。
前記コンデンサ容量測定手段は、前記平滑コンデンサに印加される直流電圧と、前記順変換器に入力される電流もしくは前記順変換器から出力される電流と、に基づいて、前記平滑コンデンサの容量を測定する請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。