JP2017022940A - ダイナミックブレーキ回路を有するモータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイナミックブレーキ回路用リレーの寿命を正確に予測できる小型で低コストのモータ駆動装置を実現する。
【解決手段】モータ駆動装置１は、モータ回転数とモータ２及びＤＢ回路２１の固有パラメータとに基づいてＤＢ回路２１のＤＢ電流を計算するＤＢ電流計算部１１と、ＤＢ電流計算部１１が算出したＤＢ電流に基づいてＤＢ期間中のＤＢ電流によるジュール熱を計算するジュール熱計算部１２と、ＤＢ開始時のＤＢ電流とＤＢ開始時のＤＢ電流に応じてリレー３２に発生するアークによるジュール熱との関係が規定されたテーブルを記憶する記憶部１３と、ＤＢを実行するごとに、当該ＤＢ開始時にＤＢ電流計算部１１が算出したＤＢ電流に対応するものとして取得されたアークによるジュール熱、当該ＤＢ期間中のＤＢ電流によるジュール熱、又はこれらの合算値、を積算する積算部１４と、この積算値と所定の基準値との比較結果を出力する比較部１５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイナミックブレーキ回路を有するモータ駆動装置に関する。

モータ駆動装置では、非常停止時やアラーム発生時などの異常時には、モータの入力端子間を短絡させて発電制動をかけるダイナミックブレーキ（Ｄｙｎａｍｉｃ ｂｒａｋｅ）が広く用いられている。

一般に、ダイナミックブレーキ回路は、モータの入力端子間に設けられるダイナミックブレーキ回路用リレー（以下、単に「リレー」と称する。）と、これに接続されたダイナミックブレーキ用抵抗とからなる。ダイナミックブレーキをかける際には、モータへの駆動電力の供給を遮断した上で、リレーを閉成してモータの入力端子間（換言すれば、モータ巻線の相間）を短絡する。モータは電源から電気的に切り離されても界磁磁束が存在し、惰性により回転しているモータは発電機として働くため、これにより発生した電流は閉成されたリレーを介してダイナミックブレーキ用抵抗に流れ込み、モータに減速トルクが発生する。このように、ダイナミックブレーキ回路によれば、モータの回転エネルギーをダイナミックブレーキ用抵抗（およびモータの巻線抵抗）で速やかにジュール熱に変換され、その結果発電制動をかけることができる。

一般的に、ダイナミックブレーキ回路内のリレーは、接点開閉時の接点間の印加電圧によって接点の開閉寿命が大きく左右される。リレーが開放から閉成に転じる際は、リレーを構成する２つの接点の表面が接触と開離とを小刻みに繰り返すチャタリング（あるいはバウンス）と呼ばれる現象が一定時間発生した後、最終的に接点同士が安定的に接触して閉成状態に落ち着く。しかしながら、リレーの接点間に高電圧が印加されたままの状態で接点間を閉成しようとすると、チャタリングの最中に接点間にアーク放電によるスパークが発生する。このようなスパークは、リレーの接点同士を溶着させたり、磨耗させたりするので、リレーの寿命を低下させる要因となる。適切なタイミングでリレーを交換するためにも、リレーの寿命を正確に予測することは重要である。

例えば、リレーの寿命を予測する技術として、リレーに印加される電圧、電流に基づいて寿命予測計算を行った結果とリレー動作回数の係数結果とを比較して寿命を表示するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また例えば、ダイナミックブレーキ動作中にダイナミックブレーキ回路に流れる電流の位相とその位相における大きさを検出し、ダイナミックブレーキ動作期間あたりのダイナミックブレーキ回路の容量を演算し、ダイナミックブレーキ電流の大きさが最大電流を超えるかまたはダイナミックブレーキ回路の容量が最大容量を超えたときにダイナミックブレーキ回路が異常であると判定する技術がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開平５−２６６２９０号公報 特開平８−３３１９５号公報

上述のように、従来技術におけるリレーの寿命予測によれば、リレーに流れる電流を検出する電流検出部が必要であり、その分コストがかかり、小型化が難しいという問題がある。特にモータ駆動装置においては、モータ駆動のための電流検出部以外に、ダイナミックブレーキ回路内にリレーの寿命予測のための電流検出部を別途設けなければならず、その分コストが増大し、モータ駆動装置の大型化も免れない。

また、上述のようにリレーの接点間におけるチャタリングに起因するアークが発生するたびにリレーの寿命が低下することから、アークによるダメージを考慮しない寿命予測は正確とはいえない。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、ダイナミックブレーキ回路内のリレーの寿命を正確に予測することができる、小型で低コストのモータ駆動装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、モータの入力端子間に設けられるリレーを閉成してモータの入力端子間を抵抗短絡することでモータに減速トルクを発生させるダイナミックブレーキ回路を有するモータ駆動装置は、モータ回転数と、モータおよびダイナミックブレーキ回路について予め規定されたパラメータと、に基づいて、ダイナミックブレーキ回路に流れるダイナミックブレーキ電流の値を計算するダイナミックブレーキ電流計算部と、ダイナミックブレーキ電流計算部により得られたダイナミックブレーキ電流の値に基づいて、ダイナミックブレーキ期間中にリレーの接点に印加されるダイナミックブレーキ電流によるジュール熱を計算するジュール熱計算部と、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値とダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値に応じてリレーの接点近傍に発生するアークによるジュール熱との関係が規定されたテーブルが予め記憶された記憶部と、ダイナミックブレーキを実行するごとに、当該ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応するものとしてテーブルから取得されたアークによるジュール熱、当該ダイナミックブレーキ期間中にジュール熱計算部により得られたダイナミックブレーキ電流によるジュール熱、または、これらアークによるジュール熱とダイナミックブレーキ電流によるジュール熱との合算値、を積算する積算部と、積算部により得られた積算値と予め設定された基準値とを比較し、比較結果を出力する比較部と、を備える。

また、モータ駆動装置は、積算値が基準値を超えたことを比較結果が示す場合に警報を発する警報部をさらに備えてもよい。

また、モータ駆動装置は、比較結果を表示する表示部をさらに備えてもよい。

また、テーブルには、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値記アークによるジュール熱との関係に加えて、ダイナミックブレーキ開始時の、モータの入力端子間の電圧、モータ近傍の湿度、モータ近傍の気圧、およびモータ近傍の温度のうちの少なくとも１つの情報とアークによるジュール熱との関係がさらに規定され、アークによるジュール熱は、ダイナミックブレーキを実行するごとに、テーブルに規定された当該ダイナミックブレーキ開始時におけるダイナミックブレーキ電流の値および上記情報に基づいて、取得されるようにしてもよい。

本発明によれば、ダイナミックブレーキ回路内のリレーの寿命を正確に予測することができる、小型で低コストのモータ駆動装置を実現することができる。

一般に、ダイナミックブレーキ回路のリレーが閉成されるたびに接点間に生じるチャタリングに起因するアークによりリレーの寿命は徐々に低下することが知られているが、本発明によれば、アークによるリレーに対するダメージを考慮したリレーの寿命予測をするので、より正確である。また、リレーの寿命予測に用いられるダイナミックブレーキ回路に流れるダイナミックブレーキ電流の値は、電流検出部による検出により取得されるものではなく、ダイナミックブレーキ電流計算部による計算により取得されるものであるので、ダイナミックブレーキ回路内のリレーの寿命予測のための電流検出部を設ける必要が無く、低コストであり、モータ駆動装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施例によるモータ駆動装置の原理ブロック図である。 ダイナミックブレーキ期間中におけるダイナミックブレーキ回路およびモータの１相分の等価回路を示す回路図である。 本発明の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。

図１は、本発明の実施例によるモータ駆動装置の原理ブロック図である。ここでは１個の三相交流モータ２を駆動制御するモータ駆動装置１について説明するが、モータ駆動装置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、複数個であってもよい。モータ２が複数個である場合は、モータ２に応じてダイナミックブレーキ回路２１も複数個設けられ、後述する寿命予測回路２０もダイナミックブレーキ回路２１ごとに設けられる。

モータ駆動装置１は、逆変換器４１と、ダイナミックブレーキ回路２１と、ダイナミックブレーキ指令部２２と、寿命予測部２０と、を備える。

逆変換器４１は、直流入力側（図示せず）から供給された直流電流をモータ２の駆動のための交流電流に変換する。逆変換器４１から出力された交流電流は、モータ２の入力端子を介してモータ２に供給され、これによりモータ２は回転駆動される。一般に逆変換器４１の直流入力側には、商用の交流電源から供給された交流電流を直流電流に変換して出力する順変換器（図示せず）が設けられる。なお、図１では、説明を簡明にするために、モータ２を駆動するための交流電流を逆変換器４１が出力するようにするための制御系については図示を省略している。

ダイナミックブレーキ回路２１は、モータ２の入力端子間（換言すれば、モータ巻線の相間）に設けられるダイナミックブレーキ回路用リレー（以下、単に「リレー」と称する。）３１と、これに接続されたダイナミックブレーキ用抵抗３２とからなる。ダイナミックブレーキ指令部２２は、ダイナミックブレーキをかける際には、ダイナミックブレーキ指令として、逆変換器４１に対してモータ２への駆動電力の供給するように指令し、ダイナミックブレーキ回路２１に対してリレー３１を閉成するよう指令する。ダイナミックブレーキ指令に従い、逆変換器４１はモータへの駆動電力の供給を遮断し、ダイナミックブレーキ回路２１はリレー３１を閉成してモータ２の入力端子間を短絡する。モータ２は電源から電気的に切り離されても界磁磁束が存在し、惰性により回転しているモータ２は発電機として働くため、これにより発生した電流は閉成されたリレー３１を介してダイナミックブレーキ用抵抗３２に流れ込み、モータ２に減速トルクが発生する。

寿命予測部２０は、ダイナミックブレーキ指令部２２からのダイナミックブレーキ指令を受けて、本発明よる寿命予測処理を実行する。寿命予測部２０は、ダイナミックブレーキ電流計算部１１と、ジュール熱計算部１２と、テーブルが記憶された記憶部１３と、積算部１４と、比較部１５とを備える。また、寿命予測部２０は、警報部１６および表示部１７を備えるが、表示部１７については省略してもよい。

ダイナミックブレーキ電流計算部１１は、回転センサ４２によって検出されるモータ回転数と、モータ２およびダイナミックブレーキ回路２１について予め規定されたパラメータと、に基づいて、ダイナミックブレーキ期間中にダイナミックブレーキ回路２１に流れるダイナミックブレーキ電流の値を計算する。ダイナミックブレーキ電流計算部１１によるダイナミックブレーキ電流の値は、ダイナミックブレーキ期間中にわたって、取得周期Δｔごとに計算され、したがって、回転センサ４２は取得周期Δｔごとにモータ回転数を検出する。

ここで、ダイナミックブレーキ電流計算部１１による計算処理について図２および表１を参照して説明する。図２は、ダイナミックブレーキ期間中におけるダイナミックブレーキ回路およびモータの１相分の等価回路を示す回路図である。表１に、ダイナミックブレーキ電流計算部１１による計算処理に用いるパラメータを示す。

ダイナミックブレーキ期間中、回転センサ４２はモータ回転数を取得周期Δｔごとに取得するが、ｎ回目の取得時（ただし、ｎは自然数）におけるダイナミックブレーキ回路２１およびモータ２からなる１相分の回路網は、リレー３１の接点抵抗をＲ_RLY、ダイナミックブレーキ用抵抗をＲ_DB、モータ２の巻線抵抗をＲ_M、モータ２の巻線インダクタンスをＬ_M、ｎ回目の取得時におけるモータ２に発生する逆起電力をＥ_Mnとしたとき、図２に示すような直列回路として表される。

このとき、モータ２の極数をＰ_M、取得周期をΔｔ、回目の取得時におけるモータ２の電気角位相をθ_iとしたとき、ｎ回目の取得時におけるモータ２の電気角位相θ_nは式１のように表される。

よって、ｎ回目の取得時におけるモータ２に発生する逆起電力Ｅ_Mnは、モータ逆起電力定数をＫ_v、ｎ回目の取得時におけるモータ２の回転角周波数をω_nとしたとき、式１を用いて式２のように表される。

図２に示される等価回路の回路方程式は、式３および式４のように表される。

式３におけるｎ回目の取得時におけるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnの一般解は、係数をＡ、ＢおよびＣとしたとき、式５のように表すことができる。

ｎ回目の取得時におけるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnは周期関数であるので、式５においてＣ＝０である。式１〜式４を式５に代入して係数ＡおよびＢを解き、整理すると、式６および式７が得られる。

式７で表されるθ_αnは、ｎ回目の取得時における位相のずれを表しており、すなわち波形がずれるだけであるので、θ_αnは無視できる。

よって、ｎ回目の取得時におけるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnは、そのピーク値（振幅）をＩ_pn、回転センサ４２によって検出されるｎ回目の取得時におけるモータ回転数Ｎ_nとしたとき、式８のように表される。

以上説明したように、ダイナミックブレーキ電流計算部１１は、ダイナミックブレーキ期間中にわたり、取得周期Δｔごとに、ダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBn（１相分）を、回転センサ４２によって検出されるモータ回転数Ｎ_nとモータ２およびダイナミックブレーキ回路２１について予め規定された上記各パラメータ（すなわち、リレー３１の接点抵抗Ｒ_RLY、ダイナミックブレーキ用抵抗Ｒ_DB、モータ２の巻線抵抗Ｒ_M、モータ２の巻線インダクタンスＬ_M、モータ逆起電力定数Ｋ_v）とに基づいて、ダイナミックブレーキ回路２１に流れるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnを計算する。

図１に説明を戻すと、ジュール熱計算部１２は、ダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値に基づいて、ダイナミックブレーキ期間中にリレー３１の接点に印加されるダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iを計算する。ダイナミックブレーキ期間中はダイナミックブレーキ電流が流れ続けるが、このダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iは式９から求められる。なお、ダイナミックブレーキ回路２１によるダイナミックブレーキ開始後、ダイナミックブレーキが終了するのは、モータ回転数Ｎ_nが０になった時であることから、モータ回転数Ｎ_nが０になった時点のダイナミックブレーキ電流の取得回数をｎ_endとする。

よって、ジュール熱計算部１２は、ダイナミックブレーキ電流計算部１１により式８によって算出されたダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnに基づいて、ダイナミックブレーキ期間中にリレー３１の接点に印加されるダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iを式９に従って計算する。

記憶部１３には、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値と、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値に応じてリレー３１の接点近傍に発生するアークによるジュール熱Ｊ_Aと、の関係が規定されたテーブルが記憶される。記憶部１３に記憶されるテーブルは、ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応する熱量を取得するために参照されるものである。このテーブルは、モータ駆動装置１を実際に動かす前の実験に基づいて作成される。すなわち、モータ駆動装置１を実際に動かす前に、様々な大きさ電流をリレー３１に流した状態でリレー３１を開閉し、それぞれの時にリレー３１の接点近傍に発生する熱量を熱量計によって測定するといった実験を行い、実験により得られた電流と熱量との関係をデータベース化し、これをテーブルとして記憶部１３に記憶する。実験においてリレー３１に流した状態でリレー３１を開閉してその時の熱量を測定し、この時の電流と熱量との関係を、「ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値とダイナミックブレーキ開始時にリレー３１の接点近傍に発生するアークによるジュール熱との関係」として採用するのは、ダイナミックブレーキ２１においてアークによるジュール熱Ｊ_Aが発生するタイミングは、リレー３１の閉成時であるからである。得られたテーブルは、モータ駆動装置１を実際に動かす前までに、記憶部１３に予め記憶しておく。表２に、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DB0とアークによるジュール熱Ｊ_Aとの関係を示すテーブルの一例を示す。

ダイナミックブレーキ開始時のリレー３１を閉成する際に発生するアークによるジュール熱Ｊ_Aは、ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応する熱量を、記憶部１３に記憶されたテーブルから読み出すことで、取得される。

図１に説明を戻すと、積算部１４は、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキを実行するごとに、当該ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応するものとして記憶部１３に記憶されたテーブルから取得されたアークによるジュール熱Ｊ_Aと当該ダイナミックブレーキ期間中にジュール熱計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値を、積算する。合算値Ｊ_sumは式１０のように表される。

よって、積算部１４による積算処理により得られる積算値Ｊ_intは、式１１のように表される。

積算部１４による積算処理は、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキを実行するごとに実行される。なお、ここでは、積算部１４は、アークによるジュール熱Ｊ_Aとダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値であるＪ_sumを積算することで積算値Ｊ_intを得たが、この変形例として、積算値Ｊ_intをアークによるジュール熱Ｊ_Aのみを積算することで得てもよく、またあるいは、ダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iのみを積算することで得てもよい。

図１に説明を戻すと、比較部１５は、積算部１４により得られた積算値Ｊ_intと予め設定された基準値Ｊ_refとを比較し、比較結果を出力する。基準値Ｊ_refは、リレー３１が本来有する性能を発揮することができる積算熱量の上限値を設定するのが好ましく、例えばリレー３１の寿命を示すものとして当該リレーの規格表等に規定されている耐用熱量を参考に設定すればよい。

比較手段１５が出力する比較結果は、警報部１６および表示部１７に通知される。

警報部１６は、比較部１５による比較処理により、積算部１４により得られた積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えたことを比較結果が示す場合に、リレー３１の寿命が到来したことを示す警報を発する。警報部１６の例としては、例えば、スピーカ、ブザー、あるいはチャイムなどのような音を発する機器、ライトなどのような光を発する機器、文字や絵柄を表示するディスプレイ画面などがある。

表示部１７は、比較部１５による比較結果を表示する。表示部１７による比較結果の表示は、積算部１４により得られた積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えたときのみに限定されず、積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えていないときにも行われてもよい。表示部１７の例としては、例えばモータ駆動装置１に設けられた操作盤のディスプレイ画面あるいは携帯端末やパソコンのディスプレイ画面などがある。なお、表示部１７については省略し、警報部１６のみを設けて、積算部１４により得られた積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えたことを比較結果が示す場合に警報を発するようにしてもよい。

続いて、本発明の実施例によるモータ駆動装置の動作について説明する。図３は、本発明の実施例によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。

モータ駆動装置１によりモータ２を駆動制御している場合において、ステップＳ１０１において、寿命予測部２０は、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキ動作を開始したか否かを判別する。ダイナミックブレーキをかける際には、ダイナミックブレーキ指令部２２は、ダイナミックブレーキ指令として、逆変換器４１に対してモータ２への駆動電力の供給するように指令し、ダイナミックブレーキ回路２１に対してリレー３１を閉成するよう指令するので、寿命予測部２０はこのダイナミックブレーキ指令を受信することでダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキ動作を開始したことを知ることができる。ステップＳ１０１において、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキ動作を開始したと判定された場合はステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、回転センサ４２は、モータ２の回転数を検出する。

次いで、ステップＳ１０３において、ダイナミックブレーキ電流計算部１１は、回転センサ４２によって検出されたモータ回転数Ｎ_nと、モータ２およびダイナミックブレーキ回路２１について予め規定されたパラメータ（すなわち、リレー３１の接点抵抗Ｒ_RLY、ダイナミックブレーキ用抵抗Ｒ_DB、モータ２の巻線抵抗Ｒ_M、モータ２の巻線インダクタンスＬ_M、モータ逆起電力定数Ｋ_v）と、に基づいて、ダイナミックブレーキ回路２１に流れるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnを、式８に従って計算する。取得されたダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnはメモリ（図示せず）に記憶される。

次いで、ステップＳ１０４において、寿命予測部２０は、回転センサ４２によって検出されたモータ回転数Ｎ_nが０であるか否かを判別する。モータ回転数Ｎ_nが０ではない場合は、ステップＳ１０２へ戻る。モータ回転数Ｎ_nが０になるまで、ステップＳ１０２における回転センサ４２によるモータ回転数Ｎ_nの検出処理、ステップＳ１０３におけるダイナミックブレーキ電流計算部１１によるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnの算出処理、および、ステップＳ１０４における寿命予測部２０によるモータ回転数Ｎｎの判別処理が繰り返し実行され、「ｎ回目の取得時におけるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBn」がメモリに記憶されていく。これにより、ダイナミックブレーキ開始時からダイナミックブレーキ終了時（すなわちモータ回転数Ｎ_nが０になる時）までの「ダイナミックブレーキ期間中」にわたって、ダイナミックブレーキ回路２１に流れるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnの値が離散的データとして取得される。

モータ回転数Ｎ_nが０になると、ステップＳ１０５において、ジュール熱計算部１２は、ダイナミックブレーキ電流計算部１１により式８によって算出されたダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnに基づいて、ダイナミックブレーキ期間中にリレー３１の接点に印加されるダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iを式９に従って計算する。

次いで、ステップＳ１０６において、積算部１４は、ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値（すなわち、１回目に取得されるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DB1）に対応する熱量を、記憶部１３に記憶されたテーブルから読み出し、これを「ダイナミックブレーキ開始時のリレー３１を閉成する際に発生するアークによるジュール熱Ｊ_A」として取得する。

次いで、ステップＳ１０７において、積算部１４は、記憶部１３に記憶されたテーブルから取得されたアークによるジュール熱Ｊ_Aとジュール熱計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値Ｊ_sumを、既に得られた積算値にさらに積算する。後述するステップＳ１１０において積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えるまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１１０の処理が繰り返し実行されるので、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキを実行するごとに得られるアークによるジュール熱Ｊ_Aとダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値Ｊ_sumが、逐次積算されていく。

次いで、ステップＳ１０８において、比較部１５は、ステップＳ１０７において積算部１４により得られた積算値Ｊ_intと予め設定された基準値Ｊ_refとを比較し、比較結果を出力する。得られた比較結果は、次のステップＳ１０９において、表示部１７により表示される。なお、表示部１７を設けない場合には、ステップＳ１０９の処理は省かれる。

ステップＳ１０８における比較部１５の比較処理の結果、積算部１４により得られた積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えていない場合には（ステップＳ１１０のＮｏ）、ステップＳ１０１に戻り、次のダイナミックブレーキに備える。積算部１４により得られた積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えるまで、ダイナミックブレーキ動作が実行されるたびに、ステップＳ１０１〜Ｓ１１０が繰り返し実行され、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキを実行するごとに得られるアークによるジュール熱Ｊ_Aとダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値Ｊ_sumが、逐次積算されていく。積算部１４により得られた積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えたことを比較結果が示したとき（ステップＳ１１０のＹｅｓ）、ステップＳ１１１において、警報部１６は、リレー３１の寿命が到来したことを示す警報を発する。これにより、作業者は、ダイナミックブレーキ回路２１内のリレー３１の寿命が到来したことを知ることができる。

上述のようにダイナミックブレーキ回路２１のリレー３１が閉成されると、接点間にチャタリングに起因するアークが発生し、リレー３１の寿命が徐々に低下することになるが、本発明によれば、上述のステップＳ１０１〜Ｓ１１１の処理が実行されてアークによるリレー３１に対するダメージを考慮した警報が発生されるので、ダイナミックブレーキ回路２１内のリレー３１の寿命を正確に予測することができる。また、ダイナミックブレーキ回路２１に流れるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnは電流検出部による検出により取得されるものではなく、ダイナミックブレーキ電流計算部１１による計算により取得されるものであるので、ダイナミックブレーキ回路２１内のリレー３１の寿命予測のための電流検出部を設ける必要が無く、低コストであり、モータ駆動装置１の小型化を図ることができる。

なお、上述した実施例では、記憶部１３に記憶されるテーブルとして、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値とダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値に応じてリレー３１の接点近傍に発生するアークによるジュール熱Ｊ_Aとの関係が規定されたテーブルを用いた。この変形例として、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値とアークによるジュール熱Ｊ_Aとの関係に加えて、ダイナミックブレーキ開始時の、モータ２の入力端子間（換言すれば、モータ巻線の相間）の電圧、モータ２の近傍の湿度、モータ２の近傍の気圧、およびモータ２の近傍の温度のうちの少なくとも１つの情報と、アークによるジュール熱Ｊ_Aとの関係がさらに規定されたテーブルを用いてもよい。このテーブルは、モータ駆動装置１を実際に動かす前の実験に基づいて作成される。すなわち、モータ駆動装置１を実際に動かす前に、モータ２の入力端子間の電圧、モータ２の近傍の湿度、気圧、および温度などの条件を種々変えた上で様々な大きさ電流をリレー３１に流した状態でリレー３１を開閉し、それぞれの時にリレー３１の接点近傍に発生する熱量を熱量計によって測定するといった実験を行い、実験により得られた各情報と熱量との関係をデータベース化し、これをテーブルとして、モータ駆動装置１を実際に動かす前までに、記憶部１３に予め記憶しておく。表３に、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DB0を含む各情報とアークによるジュール熱Ｊ_Aとの関係を示すテーブルの一例を示す。表３では、モータ２の入力端子間の電圧、モータ２の近傍の湿度、気圧、および温度が示されているが、必ずしもこれらすべてをテーブルに規定する必要はなく、モータ駆動装置１の駆動環境に応じてこれら情報を適宜取捨選択して規定すればよく、またあるいはさらに別の情報を追加して規定してもよい。

この場合、積算部１４における積算処理に用いられるダイナミックブレーキ開始時のリレー３１を閉成する際に発生するアークによるジュール熱Ｊ_Aは、ダイナミックブレーキを実行するごとに、当該ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値および上記各情報に対応する熱量を、記憶部１３に記憶されたテーブルから読み出すことで、取得される。このようなテーブルを用いれば、高温、低温、高湿、低湿、高圧あるいは低圧といった特殊な環境下でモータ駆動装置１を動作させる場合においても、ダイナミックブレーキ回路２１内のリレー３１の寿命をより正確に予測することができる。

なお、上述した実施例ではモータ２を三相交流モータとしたが、ダイナミックブレーキ回路２１内のリレー３１の寿命予測の処理に用いられる各数式は、図２を参照して説明した１相分の等価回路に基づいており、３相分を考慮する必要はない。その理由は次の通りである。すなわち、図２に示す１相分の等価回路に流れる電流は、１つのリレー３１の接点に流れる電流そのものであり、またさらに、ダイナミックブレーキ回路２１においては３相のうちの１相にはリレーが存在しないので当該１相についてはリレーの接点抵抗が存在せず、残りの２相についてのリレー３１の接点電流は位相差こそあるものの振幅は同じであるとみなせるので、１相分の等価回路に基づいた上記各数式に基づいて寿命予測処理を実行しても、ダイナミックブレーキ回路２１内の２つのリレー３１の寿命予測を正確に行うことができるからである。

１ モータ駆動装置
２ モータ
１１ ダイナミックブレーキ電流計算部
１２ ジュール熱計算部
１３ 記憶部
１４ 積算部
１５ 比較部
１６ 警報部
１７ 表示部
２０ 寿命予測部
２１ ダイナミックブレーキ回路
２２ ダイナミックブレーキ指令部
３１ ダイナミックブレーキ回路用リレー
３２ ダイナミックブレーキ回路用抵抗
４１ 逆変換器

例えば、リレーの寿命を予測する技術として、リレーに印加される電圧、電流に基づいて寿命予測計算を行った結果とリレー動作回数の計数結果とを比較して寿命を表示するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図１は、本発明の実施例によるモータ駆動装置の原理ブロック図である。ここでは１個の三相交流モータ２を駆動制御するモータ駆動装置１について説明するが、モータ駆動装置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、複数個であってもよい。モータ２が複数個である場合は、モータ２に応じてダイナミックブレーキ回路２１も複数個設けられ、後述する寿命予測部２０もダイナミックブレーキ回路２１ごとに設けられる。

ダイナミックブレーキ回路２１は、モータ２の入力端子間（換言すれば、モータ巻線の相間）に設けられるダイナミックブレーキ回路用リレー（以下、単に「リレー」と称する。）３１と、これに接続されたダイナミックブレーキ用抵抗３２とからなる。ダイナミックブレーキ指令部２２は、ダイナミックブレーキをかける際には、ダイナミックブレーキ指令として、逆変換器４１に対してモータ２への駆動電力の供給を停止するように指令し、ダイナミックブレーキ回路２１に対してリレー３１を閉成するよう指令する。ダイナミックブレーキ指令に従い、逆変換器４１はモータ２への駆動電力の供給を遮断し、ダイナミックブレーキ回路２１はリレー３１を閉成してモータ２の入力端子間を短絡する。モータ２は電源から電気的に切り離されても界磁磁束が存在し、惰性により回転しているモータ２は発電機として働くため、これにより発生した電流は閉成されたリレー３１を介してダイナミックブレーキ用抵抗３２に流れ込み、モータ２に減速トルクが発生する。

このとき、モータ２の極数をＰ_M、取得周期をΔｔ、ｉ回目の取得時におけるモータ２の電気角位相をθ_iとしたとき、ｎ回目の取得時におけるモータ２の電気角位相θ_nは式１のように表される。

記憶部１３には、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値と、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値に応じてリレー３１の接点近傍に発生するアークによるジュール熱Ｊ_Aと、の関係が規定されたテーブルが記憶される。記憶部１３に記憶されるテーブルは、ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応する熱量を取得するために参照されるものである。このテーブルは、モータ駆動装置１を実際に動かす前の実験に基づいて作成される。すなわち、モータ駆動装置１を実際に動かす前に、様々な大きさ電流をリレー３１に流した状態でリレー３１を開閉し、それぞれの時にリレー３１の接点近傍に発生する熱量を熱量計によって測定するといった実験を行い、実験により得られた電流と熱量との関係をデータベース化し、これをテーブルとして記憶部１３に記憶する。実験においてリレー３１に流した状態でリレー３１を開閉してその時の熱量を測定し、この時の電流と熱量との関係を、「ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値とダイナミックブレーキ開始時にリレー３１の接点近傍に発生するアークによるジュール熱との関係」として採用するのは、ダイナミックブレーキ回路２１においてアークによるジュール熱Ｊ_Aが発生するタイミングは、リレー３１の閉成時であるからである。得られたテーブルは、モータ駆動装置１を実際に動かす前までに、記憶部１３に予め記憶しておく。表２に、ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DB0とアークによるジュール熱Ｊ_Aとの関係を示すテーブルの一例を示す。

図１に説明を戻すと、積算部１４は、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキを実行するごとに、当該ダイナミックブレーキ開始時にダイナミックブレーキ電流計算部１１により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応するものとして記憶部１３に記憶されたテーブルから取得されたアークによるジュール熱Ｊ_Aと当該ダイナミックブレーキ期間中にジュール熱計算部１２により得られたダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値を、積算する。合算値Ｊ_sumは式１０のように表される。

比較部１５が出力する比較結果は、警報部１６および表示部１７に通知される。

モータ駆動装置１によりモータ２を駆動制御している場合において、ステップＳ１０１において、寿命予測部２０は、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキ動作を開始したか否かを判別する。ダイナミックブレーキをかける際には、ダイナミックブレーキ指令部２２は、ダイナミックブレーキ指令として、逆変換器４１に対してモータ２への駆動電力の供給を停止するように指令し、ダイナミックブレーキ回路２１に対してリレー３１を閉成するよう指令するので、寿命予測部２０はこのダイナミックブレーキ指令を受信することでダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキ動作を開始したことを知ることができる。ステップＳ１０１において、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキ動作を開始したと判定された場合はステップＳ１０２へ進む。

次いで、ステップＳ１０４において、寿命予測部２０は、回転センサ４２によって検出されたモータ回転数Ｎ_nが０であるか否かを判別する。モータ回転数Ｎ_nが０ではない場合は、ステップＳ１０２へ戻る。モータ回転数Ｎ_nが０になるまで、ステップＳ１０２における回転センサ４２によるモータ回転数Ｎ_nの検出処理、ステップＳ１０３におけるダイナミックブレーキ電流計算部１１によるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnの算出処理、および、ステップＳ１０４における寿命予測部２０によるモータ回転数Ｎ _n の判別処理が繰り返し実行され、「ｎ回目の取得時におけるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBn」がメモリに記憶されていく。これにより、ダイナミックブレーキ開始時からダイナミックブレーキ終了時（すなわちモータ回転数Ｎ_nが０になる時）までの「ダイナミックブレーキ期間中」にわたって、ダイナミックブレーキ回路２１に流れるダイナミックブレーキ電流の値Ｉ_DBnの値が離散的データとして取得される。

次いで、ステップＳ１０７において、積算部１４は、記憶部１３に記憶されたテーブルから取得されたアークによるジュール熱Ｊ_Aとジュール熱計算部１２により得られたダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値Ｊ_sumを、既に得られた積算値にさらに積算する。後述するステップＳ１１０において積算値Ｊ_intが基準値Ｊ_refを超えるまで、ステップＳ１０１〜Ｓ１１０の処理が繰り返し実行されるので、ダイナミックブレーキ回路２１がダイナミックブレーキを実行するごとに得られるアークによるジュール熱Ｊ_Aとダイナミックブレーキ電流によるジュール熱Ｊ_Iとの合算値Ｊ_sumが、逐次積算されていく。

Claims (4)

1. モータの入力端子間に設けられるリレーを閉成して前記入力端子間を抵抗短絡することでモータに減速トルクを発生させるダイナミックブレーキ回路を有するモータ駆動装置であって、
   モータ回転数と、モータおよび前記ダイナミックブレーキ回路について予め規定されたパラメータと、に基づいて、前記ダイナミックブレーキ回路に流れるダイナミックブレーキ電流の値を計算するダイナミックブレーキ電流計算部と、
   前記ダイナミックブレーキ電流計算部により得られたダイナミックブレーキ電流の値に基づいて、ダイナミックブレーキ期間中に前記リレーの接点に印加されるダイナミックブレーキ電流によるジュール熱を計算するジュール熱計算部と、
   ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値と前記ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値に応じて前記リレーの接点近傍に発生するアークによるジュール熱との関係が規定されたテーブルが予め記憶された記憶部と、
   ダイナミックブレーキを実行するごとに、当該ダイナミックブレーキ開始時に前記ダイナミックブレーキ電流計算部により得られたダイナミックブレーキ電流の値に対応するものとして前記テーブルから取得されたアークによるジュール熱、当該ダイナミックブレーキ期間中に前記ジュール熱計算部により得られたダイナミックブレーキ電流によるジュール熱、または、これらアークによるジュール熱とダイナミックブレーキ電流によるジュール熱との合算値、を積算する積算部と、
   前記積算部により得られた積算値と予め設定された基準値とを比較し、比較結果を出力する比較部と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記積算値が前記基準値を超えたことを前記比較結果が示す場合に警報を発する警報部をさらに備える請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記比較結果を表示する表示部をさらに備える請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記テーブルには、前記ダイナミックブレーキ開始時のダイナミックブレーキ電流の値と前記アークによるジュール熱との関係に加えて、前記ダイナミックブレーキ開始時の、前記入力端子間の電圧、モータ近傍の湿度、モータ近傍の気圧、およびモータ近傍の温度のうちの少なくとも１つの情報と前記アークによるジュール熱との関係がさらに規定され、
   前記アークによるジュール熱は、ダイナミックブレーキを実行するごとに、前記テーブルに規定された当該ダイナミックブレーキ開始時におけるダイナミックブレーキ電流の値および上記情報に基づいて、取得される請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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