JP3857264B2 - 電動機の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、２回路巻線電動機を２系統の電力変換器で駆動する電動機の駆動システムに関する。

図１は、２重化システムで構成された従来の電動機の駆動システムを示す構成図である。従来の電動機の駆動システムは、図１に示すように、駆動制御装置（自系）２１−１と駆動制御装置（他系）２１−２の２つの駆動系を備える。通常時は自系の駆動制御装置２１−１が電動機２２を駆動し、自系の駆動制御装置２１−１に障害が発生した際は、切換器２３により自系から他系に切り換えて、他系の駆動制御装置２１−２が自系の駆動制御装置２１−１をバックアップする。

上述した従来の電動機の駆動システムは、２つの駆動系とも分離独立して運転可能な能力が必要であり、そのため２台の駆動制御装置を必要とするため、駆動システムが大きくなる上にコスト高となり、また、自系の駆動制御装置から他系の駆動制御装置への切り換えは、障害発生を検知した後に行われるため、予防的な対応ができないという問題がある。

さらに、電動機本体に関しては、２重化システムが構築されていないため、電動機に障害が発生した際のバックアップは行われず、負荷・機械側に関しては、システムとして考慮されていないため、負荷・機械側の障害については対応できないという問題がある。

本発明の目的は、システムを小さくでき、コストを低減でき、さらに障害を検知したときに予防的な対応ができるとともに、電動機および負荷・機械側の障害についても対応できる電動機の駆動システムを提供することにある。

本発明は、２回路巻線電動機と、２回路巻線電動機の２巻線にそれぞれ接続された自系および他系の電力変換器と、２回路巻線電動機の位置検出信号および速度検出信号と自系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する主制御回路と、他系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する監視用制御回路とを備え、主制御回路と監視用制御回路とが、各検出信号を互いに高速通信し、監視用制御回路が、負荷／機械を含むシステム全体のモデリングを行い、主制御回路が、主制御回路に入力される検出信号と、監視用制御回路から高速通信で転送される検出信号とを比較し、自系および他系の電力変換器に制御信号を出力して２回路巻線電動機の制御を行う電動機の駆動システムであって、監視用制御回路が、主制御回路の制御状態と常に比較を行い、制御状態の相違を検知した際は、アラーム表示もしくは電動機の停止動作を行うことを特徴とする。

また、本発明は、２回路巻線電動機と、２回路巻線電動機の２巻線にそれぞれ接続された自系および他系の電力変換器と、２回路巻線電動機の位置検出信号および速度検出信号と自系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する主制御回路と、他系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する監視用制御回路とを備え、主制御回路と監視用制御回路とが、各検出信号を互いに高速通信し、監視用制御回路が、自系および他系の電力変換器に制御信号を出力する機能を有するとともに、負荷／機械を含むシステム全体のモデリングを行い、主制御回路が、主制御回路に入力される検出信号と、監視用制御回路から高速通信で転送される検出信号とを比較し、自系および他系の電力変換器に制御信号を出力して２回路巻線電動機の制御を行う電動機の駆動システムであって、監視用制御回路が、主制御回路の制御状態を常に監視し、主制御回路の障害を検知した際は、自系および他系の電力変換器に出力される制御信号を、監視用制御回路から出力される制御信号に切り換えることを特徴とする。

主制御回路は、主制御回路に入力される各検出信号と、前記監視用制御回路から高速通信で転送される各検出信号とをそれぞれ比較し、比較した結果、各検出信号間に相違があれば検出信号に障害があると判断し、障害がある検出信号を不使用として、正常な検出信号のみで制御を行うことが望ましい。

また、主制御回路は、２回路巻線電動機の２巻線のいずれかの巻線に障害を検知した際は、障害を検知しない巻線に対応する電力変換器のみに制御信号を出力することが望ましい。

また、主制御回路は、自系の電力変換器または他系の電力変換器のいずれかの電力変換器に障害を検知した際は、正常な電力変換器のみに制御信号を出力することが望ましい。

本発明は、自系の電力変換器と他系の電力変換器を１つの駆動装置内に備えるので、システムを小さくでき、またコストを低減できる。

また、本発明は、各検出信号に障害を検出した際、正常な検出信号のみで電動機の制御を行ってアラーム表示等を行い、さらに監視用制御回路において、主制御回路と常に比較を行い、制御状態の相違を検知した際にアラーム表示等を行うので、予防的な対応ができる。

さらに、本発明は、電動機および負荷に位置・速度検出器を備えるので、電動機および負荷・機械側の障害についても対応できる。

次に、本発明の最良の形態について図面を参照して説明する。

図２は、本発明に係る電動機の駆動システムの最良の形態を示すシステム構成図である。本発明に係る電動機の駆動システムは、駆動制御装置１と、２回路巻線電動機５の回転子の位置と速度を検出する位置・速度検出器８と、２回路巻線電動機５の回転軸に連結された負荷１１の位置と速度を検出する位置・速度検出器９により構成され、駆動制御装置１は、主制御回路３と、監視用制御回路４と、ゲート信号切換器６と、自系のゲート信号開閉器７−１と、他系のゲート信号開閉器７−２と、自系の電力変換器２−１と、他系の電力変換器２−２により構成されている。

また、電力変換器２−１は、コンバータ、平滑コンデンサ、インバータを有し、さらに電力変換器の障害検出回路１２−１を備えている。電力変換器２−２は、コンバータ、平滑コンデンサ、インバータを有し、さらに電力変換器の障害検出回路１２−２を備えている。

本発明では、電動機に２回路巻線電動機を使用する。電動機の２巻線１５−１，１５−２は、１つのフレーム内に納められており、それぞれ互いに独立して回転子を駆動することができる。２巻線に駆動電力を供給するために、巻線１５−１には自系の電力変換器２−１が接続され、巻線１５−２には他系の電力変換器２−２が接続されている。電力変換器２−１および電力変換器２−２は、両方の同時動作および片方ずつの動作が可能である。

２回路巻線電動機５の位置と速度を検出する位置・速度検出器８からの位置検出信号と速度検出信号は、主制御回路３へ出力される。負荷１１は、減速機１０を介して電動機の回転軸に連結され、負荷１１の位置と速度を検出する位置・速度検出器９からの位置検出信号と速度検出信号は、監視用制御回路４へ出力される。

電力変換器２−１の出力側に備える電流検出器により検出された３相の内の２相の出力電流検出信号は、主制御回路３へ出力され、電力変換器２−２の出力側に備える電流検出器により検出された３相の内の２相の出力電流検出信号は、監視用制御回路４へ出力される。

また、電力変換器２−１により検出された出力電圧検出信号は、主制御回路３へ出力され、電力変換器２−２により検出された出力電圧検出信号は、監視用制御回路４へ出力される。

また、電力変換器２−１内部の障害検出回路１２−１からの電力変換器障害検出信号は、主制御回路３へ出力され、電力変換器２−２内部の障害検出回路１２−２からの電力変換器障害検出信号は、監視用制御回路４へ出力される。

上述のように、制御回路へのフィードバック信号である位置検出信号、速度検出信号、出力電流検出信号、出力電圧検出信号は２重化されている。

また、主制御回路３と監視用制御回路４とは、各検出信号を互いに高速通信にて転送している。主制御回路３は、フィードバックされた信号から得られる位置情報、速度情報、電流情報、電圧情報と、監視用制御回路４から高速通信で転送される位置情報、速度情報、電流情報、電圧情報とを比較し、電力変換器２−１，２−２にゲート信号を出力して２回路巻線電動機５の制御を行う。

監視用制御回路４は、主制御回路３と同様の機能を備えるとともに、主制御回路３から高速通信で転送される位置情報、速度情報、電流情報、電圧情報の電動機情報から、負荷／機械を含む駆動システム全体をモデリング（同定）し、駆動制御装置および負荷／機械の制御状態を監視する。

ゲート信号切換器６は、主制御回路３からのゲート信号と監視用制御回路からのゲート信号を切り換える。主制御回路３から出力されたゲート信号は、ゲート信号切換器６の一方の端子に送られ、監視用制御回路４３から出力されたゲート信号は、ゲート信号切換器６の他方の端子に送られる。ゲート信号切換器６からのゲート信号は、ゲート信号開閉器７−１を介して電力変換器２−１に送られ、ゲート信号開閉器７−２を介して電力変換器２−２に送られる。

通常時には、２回路巻線電動機５の制御は主制御回路３で行い、主制御回路３から出力されるゲート信号によって、自系の電力変換器２−１と他系の電力変換器２−２が動作する。

ゲート信号開閉器７−１は、主制御回路３から出力されたゲート信号停止信号により、電力変換器２−１に入力するゲート信号を遮断する。ゲート信号開閉器７−２は、監視用制御回路４から出力されたゲート信号停止信号により、電力変換器２−２に入力するゲート信号を遮断する。

障害検出回路１２−１は、電力変換器２−１自体の障害を検出すると、電力変換器障害検出信号を主制御回路３へ出力する。主制御回路３は、この信号を受けるとゲート信号開閉器７−１にゲート信号停止信号を出力して、電力変換器２−１に入力するゲート信号を遮断する。

障害検出回路１２−２は、電力変換器２−２自体の障害を検出すると、電力変換器障害検出信号を監視用制御回路４へ出力する。監視用制御回路４は、この信号を受けるとゲート信号開閉器７−２にゲート信号停止信号を出力して、電力変換器２−２に入力するゲート信号を遮断する。

本発明の電動機の駆動システムは、次のようなシステム動作を行う。

主制御回路３は、２重化された位置検出信号、速度検出信号、出力電流検出信号、出力電圧検出信号同士を比較し、比較した結果、各検出信号間に相違があれば検出信号に障害があると判断し、障害がある検出信号を不使用として、正常な検出信号のみで電動機の制御を行う。また、検出信号に障害があると判断した際は、障害検出のアラーム表示もしくは電動機の停止動作を行う。停止動作過程においては、電動機の無制御状態は無く、制御的に電動機を停止させる。

監視制御回路４は、負荷／機械を含む駆動システム全体のモデリング（同定）を行い、主制御回路３の制御状態と常に比較を行い、制御状態の相違を検知した際は、アラーム表示もしくは電動機の停止動作を行う。停止動作過程においては、電動機の無制御状態は無く、電動機を制御的に停止させる。

また、主制御回路３は、２回路巻線電動機５の巻線１５−１または巻線１５−２の障害を検知した際は、障害を検知しない巻線に対応する電力変換器のみにゲート信号を出力する。この時、電動機出力を１巻線で出力可能な範囲として電動機の駆動を継続し、もしくは片側電力変換器の短時間負荷出力での電動機駆動もしくは電動機停止の動作を行う。停止動作過程においては、電動機の無制御状態は無く、電動機を制御的に停止させる。

また、主制御回路３は、自系の電力変換器２−１または他系の電力変換器２−２の障害を検知した際は、正常な電力変換器のみにゲート信号を出力する。この時、電動機出力を１巻線で出力可能な範囲として電動機の駆動を継続し、もしくは片側電力変換器の短時間負荷出力での電動機駆動もしくは電動機の停止の動作を行う。停止動作過程においては、電動機の無制御状態は無く、電動機を制御的に停止させる。

また、監視用制御回路４は、主制御回路の制御状態を常に監視し、主制御回路３の障害を検知した際は、電力変換器２−１，２−２に送られるゲート信号を、監視用制御回路４から出力されるゲート信号に切り換えて電動機を制御して停止する。

図３および図４は、主制御回路系の動作を説明するブロック線図であり、図５は、監視用制御回路系の動作を説明するブロック線図であり、図６は、異常検出処理を示すフローチャートである。

ここで、レギュレータ１、電力変換器１、電動機巻線１は、自系のレギュレータ、電力変換器、電動機巻線を表し、レギュレータ２、電力変換器２、電動機巻線２は、他系のレギュレータ、電力変換器、電動機巻線を表すものとする。

図３において、まず、レギュレータ１が正常か否かを判断する（ステップ１）。レギュレータ１が正常でない場合は、レギュレータ２による異常処理を行う。

レギュレータ１が正常である場合は、レギュレータ２が正常か否かを判断する（ステップ２）。レギュレータ２が正常でない場合は、レギュレータ１による異常処理を行う。

レギュレータ２が正常である場合は、図４に示す電力変換器１の出力電圧Ｖ₁ と、電力変換器２の出力電圧Ｖ₂ とを比較する（ステップ３）。Ｖ₁ ＝Ｖ₂ でない場合は、電力変換器１または電力変換器２のいずれかが異常である。この場合は、電力変換器１の出力電圧Ｖ₁ と、図５に示すモデル電力変換器Ｖ_MDL とを比較し（ステップ４）、Ｖ₁ ＝Ｖ_MDL でない場合は、電力変換器１の異常であるから、主制御回路３からゲート信号開閉器７−１へゲート信号停止信号を出力して電力変換器１へのゲート信号を遮断する。Ｖ₁ ＝Ｖ_MDL である場合は、電力変換器２の異常であるから、監視用制御回路４からゲート信号開閉器７−２へゲート信号停止信号を出力して電力変換器２へのゲート信号を遮断する。

ステップ３において、Ｖ₁ ＝Ｖ₂ である場合は、図４に示す電動機巻線１の電流ｉ₁ と電動機巻線２の電流ｉ₂ とを比較する（ステップ５）。ｉ₁ ＝ｉ₂ でない場合は、自系側または他系側のいずれかの電動機巻線、電流検出器が異常である。この場合は、電動機巻線１の電流ｉ₁ と、図５に示すモデル電動機巻線の電流ｉ_MDL とを比較し（ステップ６）、ｉ₁ ＝ｉ_MDL ／２でない場合は、自系側の電動機巻線１または電流検出器１の異常であるから、主制御回路３からゲート信号開閉器７−１へゲート信号停止信号を出力して電力変換器１へのゲート信号を遮断する。ｉ₁ ＝ｉ_MDL ／２である場合は、他系側の電動機巻線２または電流検出器２の異常であるから、監視用制御回路４からゲート信号開閉器７−２へゲート信号停止信号を出力して電力変換器２へのゲート信号を遮断する。

ステップ５において、ｉ₁ ＝ｉ₂ である場合は、トルクＴ^* とトルクＴ^* _MDLとを比較する（ステップ７）。このとき電動機速度ωとモデル速度ω_MDLとを比較しても良い。Ｔ^* ＝Ｔ^* _MDLでない場合は、電動機速度検出器か負荷のいずれかが異常である。この場合は、負荷速度ω_L と電動機速度ωとを比較し（ステップ８）、ω_L ＝ωでない場合は、電動機速度検出器に異常があり、ω_L ＝ωである場合は、負荷に異常があることになる。

ステップ７において、Ｔ^* ＝Ｔ^* _MDLである場合は、すべて正常である。

なお、上述した実施の形態では、負荷１１に位置・速度検出器９を設けるようにしているが、負荷１１に位置・速度検出器９を設けないようにしてもよい。電動機に設けられる位置・速度検出器８からの位置検出信号、速度検出信号だけでも、制御精度は幾分落ちるが、主制御回路および監視用制御回路による制御は可能である。

また、上述した実施の形態では、フィードバック信号は、位置検出信号、速度検出信号、出力電流検出信号、出力電圧検出信号であったが、位置検出信号、速度検出信号、出力電流検出信号だけでもよい。出力電圧検出信号は含まず、位置検出信号、速度検出信号、出力電流検出信号だけでも、主制御回路および監視用制御回路による制御は可能である。

従来の電動機の駆動システムを示す構成図である。 本発明に係る電動機の駆動システムの最良の形態を示すシステム構成図である。 主制御回路系の動作を説明するブロック線図である。 主制御回路系の動作を説明するブロック線図である。 監視用制御回路系の動作を説明するブロック線図である。 異常検出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１，２１−１，２１−２ 駆動制御装置
２−１，２−２ 電力変換器
３ 主制御回路
４ 監視用制御回路
５ ２回路巻線電動機
６ ゲート信号切換器
７−１，７−２ ゲート信号開閉器
８，９ 位置・速度検出器
１０ 減速機
１１ 負荷
１２−１，１２−２ 障害検出回路
１５−１，１５−２ 巻線
２２ 電動機
２３ 切換器

Claims (8)

1. ２回路巻線電動機と、前記２回路巻線電動機の２巻線にそれぞれ接続された自系および他系の電力変換器と、前記２回路巻線電動機の位置検出信号および速度検出信号と前記自系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する主制御回路と、前記他系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する監視用制御回路とを備え、
   前記主制御回路と前記監視用制御回路とは、前記各検出信号を互いに高速通信し、前記監視用制御回路は、負荷／機械を含むシステム全体のモデリングを行い、前記主制御回路は、主制御回路に入力される検出信号と、前記監視用制御回路から高速通信で転送される検出信号とを比較し、前記自系および他系の電力変換器に制御信号を出力して前記２回路巻線電動機の制御を行う電動機の駆動システムであって、
   前記監視用制御回路は、前記主制御回路の制御状態と常に比較を行い、制御状態の相違を検知した際は、アラーム表示もしくは電動機の停止動作を行うことを特徴とする電動機の駆動システム。
2. ２回路巻線電動機と、前記２回路巻線電動機の２巻線にそれぞれ接続された自系および他系の電力変換器と、前記２回路巻線電動機の位置検出信号および速度検出信号と前記自系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する主制御回路と、前記他系の電力変換器の出力電流検出信号を入力する監視用制御回路とを備え、
   前記主制御回路と前記監視用制御回路とは、前記各検出信号を互いに高速通信し、前記監視用制御回路は、前記自系および他系の電力変換器に制御信号を出力する機能を有するとともに、負荷／機械を含むシステム全体のモデリングを行い、前記主制御回路は、主制御回路に入力される検出信号と、前記監視用制御回路から高速通信で転送される検出信号とを比較し、前記自系および他系の電力変換器に制御信号を出力して前記２回路巻線電動機の制御を行う電動機の駆動システムであって、
   前記監視用制御回路は、前記主制御回路の制御状態を常に監視し、前記主制御回路の障害を検知した際は、前記自系および他系の電力変換器に出力される制御信号を、監視用制御回路から出力される制御信号に切り換えることを特徴とする電動機の駆動システム。
3. 前記主制御回路は、主制御回路に入力される各検出信号と、前記監視用制御回路から高速通信で転送される各検出信号とをそれぞれ比較し、比較した結果、各検出信号間に相違があれば検出信号に障害があると判断し、障害がある検出信号を不使用として、正常な検出信号のみで制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の電動機の駆動システム。
4. 前記主制御回路は、前記２回路巻線電動機の２巻線のいずれかの巻線に障害を検知した際は、障害を検知しない巻線に対応する前記電力変換器のみに制御信号を出力することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機の駆動システム。
5. 前記主制御回路は、前記自系の電力変換器または他系の電力変換器のいずれかの電力変換器に障害を検知した際は、正常な電力変換器のみに制御信号を出力することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動機の駆動システム。
6. 前記監視用制御回路に入力される検出信号に、前記２回路巻線電動機に連結された負荷の位置検出信号および速度検出信号を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機の駆動システム。
7. 前記主制御回路に入力される検出信号に、前記自系の電力変換器の出力電圧検出信号を含み、前記監視用制御回路に入力される検出信号に、前記他系の電力変換器の出力電圧検出信号を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機の駆動システム。
8. 前記主制御回路に入力される検出信号に、前記自系の電力変換器の出力電圧検出信号を含み、前記監視用制御回路に入力される検出信号に、前記他系の電力変換器の出力電圧検出信号および前記２回路巻線電動機に連結された負荷の位置検出信号および速度検出信号を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電動機の駆動システム。

Images