JP4361116B2 - ダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明はダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置に関し、特に、ダイナミックブレーキ回路の故障（接点の溶着あるいは接点の動作不良、抵抗の断線、接続ケーブルの未接続）を検出する事が可能なモータ駆動装置に関する。

図７は従来技術によるモータ駆動装置のブロック構成図である。
図７に全体に示すモータ駆動装置１０１において、直流電源１０２は不図示の交流電源から供給された交流を直流に変換する。直流電源１０２から出力された直流電力はパワートランジスタＡ〜Ｆからなるパワートランジスタユニット１０３を介して同期モータ１０４（以下、モータと記す）に供給される。ダイナミックブレーキ回路１０５はモータ１０４の回転中にモータ１０４への動力が切断されたとき、ダイナミックブレーキ回路１０５内の抵抗器Ｒu、Ｒv、Ｒw で電力を消耗するようリレーの接点であるスイッチＳ１、Ｓ２を切替える。

パワートランジスタユニット１０３内のパワートランジスタＡ〜Ｆはモータ駆動制御回路１１０から出力されるダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１を受けた故障検出回路１１１から供給されるモータ１０４の駆動、停止を制御するパワートランジスタ制御信号ＳＩＧ２、すなわちパワートランジスタＡ〜Ｆをオン／オフする信号を受ける。電流検出部１０６はパワートランジスタユニット１０３からモータ１０４に流れる電流を検出する。

故障検出回路１１１はモータ駆動制御回路１１０から出力されるダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１とダイナミックブレーキ回路１０５から出力される接点状態信号ＳＩＧ７０、すなわちスイッチＳ１、Ｓ２のオン／オフ状態からモータ１０４の駆動、停止状態を示すオン／オフ信号を受け、これらの信号からダイナミックブレーキ回路１０５の故障（接点の溶着あるいは接点の動作不良、抵抗の断線、接続ケーブルの未接続）を検出する。モータ１０４の制御時に、ダイナミックブレーキ回路１０５の動作を確認するためには、ダイナミックブレーキ回路１０５内のハードウェアであるスイッチＳ１、Ｓ２の接点の状態を示す接点状態信号ＳＩＧ７０を用いる方法が一般的である。

また、接点状態信号を用いない方法には、例えば特許文献１に開示されているように、モータ動作開始時に直流電圧を下げて、ダイナミックブレーキ回路の動作・非動作をチェックする方法がある。

特許第３３８３９６５号公報（特許請求の範囲の［請求項１］、明細書の段落番号［０００３］〜［０００６］、図１、図２参照）

しかしながら、ハードウェア的な接点信号を追加するには、装置のコストが増加するという問題がある。一方、接点信号を用いない特許文献１に示す方法でも、故障検出に必要な低電圧の電源電圧を得るための制御を行うには、制御回路の追加が必要で、これにより装置のコストが増加するという問題がある。

それゆえ本発明は、上記２つのハードウェアの追加、すなわち接点信号および制御回路の追加によりコストが増加するという問題を解決するためになされたものであり、上記２つのハードウェアの追加無しにダイナミックブレーキ回路の故障を検出するダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置を提供することを目的とする。
また、本発明はモータ停止中に短時間でダイナミックブレーキの動作を確認可能にすることを他の目的とする。

上記目的を達成する請求項１に記載のダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置は、同期モータの励磁を遮断した際に、モータの発電制動によって減速トルクを発生させるためのダイナミックブレーキ回路を有するモータ駆動装置において、入力交流電源を整流して得られる直流電源と、直流電源に繋がるパワートランジスタのスイッチングにより前記同期モータの巻線とダイナミックブレーキ回路に電圧を所定時間印加する電圧印加手段と、パワートランジスタから流れ出す電流値を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流値と予め設定されている閾値からダイナミックブレーキ回路の故障の有無を判定する故障判定手段と、を有し、前記電流検出手段としてモータ駆動制御回路内蔵の過電流検出回路を使用し、ダイナミックブレーキ回路の故障チェック中には、過電流検出レベルとして通常時の過電流検出レベルの第１の閾値から前記故障チェック用の第２の閾値に前記閾値を設定変更する事を特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記直流電源から電圧を印加する前記所定時間は、パワートランジスタをＯＮしてからモータ巻線に流れる過渡電流が、ダイナミックブレーキ用抵抗に流れる電流を超えない範囲の時間とする事を特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記直流電源から電圧を印加する前記所定時間は、前記電流検出手段が電流を検出する際に生じる電流検出遅れ時間よりも長い時間とすることを特徴とする。

上記モータ駆動装置において、前記閾値は、ダイナミックブレーキ回路の抵抗値、もしくは前記同期モータのインダクタンスに応じて変更するようにしたことを特徴とする。

請求項１乃至４の各請求項に記載の発明によれば、ダイナミックブレーキ回路内の接点信号の追加およびダイナミックブレーキ回路の故障検出のために用いる制御回路の追加なしで故障検出ができるので安価なダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置を提供できる。

請求項１乃至４の各請求項に記載の発明によれば、モータ停止中に短時間でダイナミックブレーキの動作を確認できる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。
図１に全体に示すモータ駆動装置１において、直流電源２は不図示の交流電源から供給された交流を整流して直流に変換する。直流電源２から直流電力が出力された電力はパワートランジスタＡ〜Ｆからなるパワートランジスタユニット３を介して同期モータ（以下、モータと記す）４に供給される。ダイナミックブレーキ回路５はモータ４の回転中にモータ４への動力が切断されたとき、ダイナミックブレーキ回路５内の抵抗器Ｒu、Ｒv、Ｒw で電力を消耗するようリレーの接点であるスイッチＳ１、Ｓ２を切替える。

パワートランジスタユニット３内のパワートランジスタＡ〜Ｆはモータ駆動制御回路１０から出力されるダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１を受けた故障検出回路１１から供給されるモータ４の駆動、停止を制御するパワートランジスタ制御信号ＳＩＧ２を受ける。電流検出部６はパワートランジスタユニット３からモータ４に流れる電流を検出し、この電流値をアナログ／デジタル変換した電流信号ＳＩＧ１０を故障検出回路１１に入力する。

故障検出回路１１はモータ駆動制御回路１０から出力されるダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１と電流検出部６から出力される電流信号ＳＩＧ１０を受け、これらの信号からダイナミックブレーキ回路５の故障（接点の溶着あるいは接点の動作不良、抵抗の断線、接続ケーブルの未接続）を検出する。

図２は図１に示すモータ駆動装置１におけるダイナミックブレーキ回路の故障検出処理を示すフローチャートである。この処理は一般的なコンピュータ、すなわちＣＰＵ、入出力インターフェース、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ディスク等を備えた故障検出回路１１により実行される。
ステップ２０１でチェック用のパワートランジスタ制御信号ＳＩＧ２を所定時間ΔｔだけパワートランジスタＡ〜Ｆに入力する。直流電源２からダイナミックブレーキ回路５に電圧を印加する所定時間Δｔは、パワートランジスタをＯＮしてからモータ巻線に流れる過渡電流が、ダイナミックブレーキ用抵抗に流れる電流を超えない範囲の時間に設定される。

ステップ２０２でパワートランジスタＡ〜Ｆから出力される電流を電流検出部６で検出しアナログ／デジタル変換した電流信号ＳＩＧ１０（電流値Ｉ）を受信する。

ステップ２０３でダイナミックブレーキ回路５はモータ駆動制御回路１０から出力されたダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１が接続指令中か否かを判別し、判別結果がＹＥＳのときはステップ２１４に進み、判別結果がＮＯのときはステップ２０４に進む。

ステップ２０４でステップ２０２の実行により受信した電流値Ｉと閾値ＴＨとを比較し、Ｉ＜ＴＨのときはステップ２０５に進み、Ｉ≧ＴＨのときは本ルーチンを終了する。ここで閾値ＴＨは、ダイナミックブレーキ回路５の抵抗値Ｒu、Ｒv、Ｒw、もしくはモータのインダクタンスＬu、Ｌv、Ｌw、に応じて変更してもよい。また、電流検出部６としてモータ駆動制御回路１０内蔵の不図示の過電流検出回路を使用し、ダイナミックブレーキユニット５の故障チェック中には、過電流検出レベルとして閾値を設定してもよい。

ステップ２０５でダイナミックブレーキ回路５は故障と判定し、図１に不図示のディスプレイまたはプリンタで「非接続指令中にダイナミックブレーキ回路は故障している」と表示する。

ステップ２１４でステップ２０２の実行により受信した電流値Ｉと閾値ＴＨとを比較し、Ｉ＞ＴＨのときはステップ２１５に進み、Ｉ≦ＴＨのときは本ルーチンを終了する。

ステップ２１５でダイナミックブレーキ回路５は故障と判定し、図１に不図示のディスプレイまたはプリンタで「接続指令中にダイナミックブレーキ回路は故障している」と表示する。

図３は図１に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路制御信号のパターンと流れる電流の第１具体例（電流検出遅れがない場合）を示すタイムチャートであり、（Ａ）は故障検出回路から出力されるパワートランジスタのＯＮ／ＯＦＦ信号を示し、（Ｂ）はダイナミックブレーキ回路非接触時の電流波形を示し、（Ｃ）はダイナミックブレーキ回路接触時の電流波形示すタイムチャートである。図３の（Ａ）〜（Ｃ）において横軸は時間を示し、（Ａ）の縦軸はＯＮ／ＯＦＦを示し、（Ｂ）および(Ｃ)の縦軸は電流波形を示す。

通常、モータ４回転中にモータ４への動力が切断された際にはダイナミックブレーキ回路５がモータ動力線に接続され、モータ４のエネルギーをダイナミックブレーキ回路５内の抵抗器Ｒu、Ｒv、Ｒwにより消費して、モータの制動距離短縮を図っている。

一方、モータ４駆動時には、ダイナミックブレーキ回路５がモータ駆動回路であるパワートランジスタユニット３から切断され、モータ４のみがモータ駆動用のパワートランジスタユニット３に接続される。

モータ４駆動時にダイナミックブレーキ回路５をモータ動力線に接続するための接点が溶着している故障となっていてダイナミックブレーキ回路５がモータ動力線から切断されない場合、モータ４駆動用電流Ｉu、Ｉv、Ｉwがダイナミックブレーキ回路５に流れ込むため、所望の電流制御が出来なくなったり、ダイナミックブレーキ回路５の抵抗が過熱したり、過電流アラームが発生したりする不具合となる。

本発明ではモータ４を駆動する前にダイナミックブレーキ動作チェック用の制御信号ＳＩＧ２をパワートランジスタＡ〜Ｆへ入力し、ダイナミックブレーキ回路５が正常に切断される事、または正常に接続されることを確認する機能を備えたモータ駆動装置１を提供する。

具体的には、入力交流電源を整流してモータ４駆動のための直流電源２を得て、モータ４の各相Ｕ、Ｖ、Ｗに適切な時間、直流電源２からの電圧をパワートランジスタＡ〜Ｆによりモータ巻線Ｌu、Ｌv、Ｌwに印加し、電流検出部６によりパワートランジスタＡ〜Ｆからモータ４の巻線抵抗ｒu、ｒv、ｒwに流れる電流Ｉu、Ｉv、Ｉwを検出することによりダイナミックブレーキ回路５の故障チェックを行う。

直流電源２から、パワートランジスタＡ〜Ｆ、ダイナミックブレーキ回路５、及びモータ４に電圧Vdcを印加した場合、印加からt時間後にパワートランジスタＡ〜Ｆを通して流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）は、次式で表わされる。

Ｉ＝Ｖｄｃ／ｒ｛１−ｅｘｐ（−ｒ／Ｌ＊ｔ）｝＋Ｖｄｃ／Ｒ （式１）
ここで、
ｒ：モータ巻き線抵抗
Ｌ：モータインダクタンス
Ｒ：ダイナミックブレーキ回路抵抗
である。

なお、スイッチング直後の過渡状態に限れば、ｒ／Ｌ＊ｔ＜＜１とみなせ、（式１）は下記の（式２）と近似できる。

Ｉ≒Ｖｄｃ／Ｌ＊ｔ＋Ｖｄｃ／Ｒ （式２）

このうち、第1項Ｖｄｃ／Ｌ＊ｔはモータ４の巻き線Ｌu、Ｌv、Ｌwに流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）を、第２項Ｖｄｃ／Ｒはダイナミックブレーキ回路５に流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）をそれぞれ表す。ダイナミックブレーキ回路５が切断された場合と、接続された場合とでは、流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）はVdc/Rだけ異なる、という第１の特性がある。

図４は図１に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路制御信号のパターンと流れる電流の第２具体例（電流検出遅れがある場合）を示すタイムチャートであり、（Ａ）は故障検出回路から出力されるパワートランジスタのＯＮ／ＯＦＦを示し、（Ｂ）はダイナミックブレーキ回路非接触時の電流波形を示し、（Ｃ）はダイナミックブレーキ回路接触時の電流波形示すタイムチャートである。図４の（Ａ）〜（Ｃ）において横軸は時間を示し、（Ａ）の縦軸はＯＮ／ＯＦＦを示し、（Ｂ）および(Ｃ)の縦軸は電流波形を示す。

また、モータ４の巻き線Ｌu、Ｌv、Ｌwに流れる電流（第１項）Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）は大きなインダクタンス成分を持つため、パワートランジスタＡ〜ＦをＯＮした後の立ち上がりに時間がかかる、という第２の特性がある。

直流電源２から電圧を印加する所定時間Δｔは、電流検出部６が電流を検出する際に生じる電流検出の遅れ時間δよりも長い時間に設定する。

第１及び第２の特性より、パワートランジスタＡ〜Ｆをスイッチングした直後（Δt秒後）にパワートランジスタＡ〜Ｆから流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）を検出し、Vdc/Rより小さくてVdc/L*Δtより大きい電流を閾値として、ダイナミックブレーキ回路５をモータ４の巻線Ｌu、Ｌv、Ｌwに接続する指令を出しているにもかかわらず、パワートランジスタＡ〜Ｆに流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）が閾値より小さい場合は、ダイナミックブレーキ回路５を接続するリレーの接点であるスイッチＳ１、Ｓ２の接点の動作不良、ダイナミックブレーキ回路５内の抵抗の断線、モータ動力線への接続ケーブルの未接続等の故障と判断する。

また、ダイナミックブレーキ回路５をモータ４の巻線Ｌu、Ｌv、Ｌwから切り離す指令を出しているにもかかわらず、パワートランジスタＡ〜Ｆに流れる電流Ｉ（Ｉu、Ｉv、Ｉw）が閾値より大きい場合は、ダイナミックブレーキ回路５を接続する接点が溶着しているような故障と判断する。

なお、電流値の判定方法としては、元々モータ駆動制御回路６０に備え付けられている不図示の過電流検出回路を使用しても良い。

以下に説明する図５に示す過電流検出回路７を使用する場合、ダイナミックブレーキ回路５のチェック用の閾値（過電流検出レベル）と、通常時（モータ駆動時）の過電流検出レベルを切り替えて適用することも可能である。

図５は本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。
図５に全体に示すモータ駆動装置５１において、直流電源５２から出力された直流電力はパワートランジスタＡ〜Ｆからなるパワートランジスタユニット５３を介してモータ５４に供給される。ダイナミックブレーキ回路５５は同期モータ（以下、モータと記す）５４の回転中にモータ５４への動力が切断されたとき、ダイナミックブレーキ回路５５内の抵抗器Ｒu、Ｒv、Ｒw で電力を消耗するようスイッチＳ１、Ｓ２を切替える。

パワートランジスタユニット５３内のパワートランジスタＡ〜Ｆはモータ駆動制御回路６０から出力されるダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１を受けた故障検出回路１１から供給されるモータ５４の駆動、停止を制御するパワートランジスタ制御信号ＳＩＧ２を受ける。電流検出部５６はパワートランジスタユニット５３からモータ５４に流れる電流を検出する。過電流検出回路５７は電流検出部５６で検出しアナログ／デジタル変換した電流値と故障検出回路６１から過電流検出回路５７に入力される過電流閾値とを比較し、過電流状態信号ＳＩＧ５０を故障検出回路６１に入力する。

故障検出回路６１はモータ駆動制御回路６０から出力されるダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１と過電流検出回路５７から出力される過電流状態信号ＳＩＧ５０を受け、これらの信号からダイナミックブレーキ回路５５の故障（接点の溶着あるいは接点の動作不良、抵抗の断線、接続ケーブルの未接続）を検出する。

図６は図５に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路の故障検出処理を示すフローチャートである。この処理は一般的なコンピュータ、すなわちＣＰＵ、入出力インターフェース、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ディスク等を備えた故障検出回路６１により実行される。

ステップ６０１で過電流検出閾値を通常制御用の閾値ＴＨＮＭからダイナミックブレーキ故障検出用の閾値ＴＨＴＭに変更する。

ステップ６０２でチェック用のパワートランジスタ制御信号ＳＩＧ２を所定時間ΔｔだけパワートランジスタＡ〜Ｆに入力する。ここで所定時間Δｔは電流検出の遅れ時間δより十分に長い（Δｔ＞＞δ）時間に設定される。

ステップ６０３でパワートランジスタＡ〜Ｆから出力される電流を電流検出部６で検出しアナログ／デジタル変換した電流値Ｉを受けた過電流検出回路５７から出力される過電流状態信号ＳＩＧ１０を受信する。過電流状態信号ＳＩＧ１０は電流値Ｉとテストモードの閾値ＴＨＴＭとを比較し、Ｉ＜ＴＨＴＭのときは非過電流状態と判定しレベル０をＩ≧ＴＨＴＭのときは過電流状態と判定しレベル１を出力する。

ステップ６０４でダイナミックブレーキ回路５５はモータ駆動制御回路６０から出力されたダイナミックブレーキ回路制御信号ＳＩＧ１が接続指令中か否かを判別し、判別結果がＹＥＳのときはステップ６１５に進み、判別結果がＮＯのときはステップ６０５に進む。

ステップ６０５でステップ６０３の実行により受信した過電流状態信号ＳＩＧ１０がレベル０のときはステップ６０７に進み、レベル１のときはステップ６０６に進む。

ステップ６０６でダイナミックブレーキ回路５５は故障と判定し、図５に不図示のディスプレイまたはプリンタで「非接続指令中にダイナミックブレーキ回路は故障している」と表示する。

ステップ６０７で過電流検出閾値をダイナミックブレーキ故障検出用の閾値ＴＨＴＭから通常制御用の閾値ＴＨＮＭに変更し、本ルーチンを終了する。

ステップ６１５でステップ６０３の実行により受信した過電流状態信号ＳＩＧ１０がレベル０のときはステップ６１６に進み、レベル１のときはステップ６０７に進む。

ステップ６１６でダイナミックブレーキ回路５５は故障と判定し、図１に不図示のディスプレイまたはプリンタで「接続指令中にダイナミックブレーキ回路は故障している」と表示する。

本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。 図１に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路の故障検出処理を示すフローチャートである。 図１に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路制御信号のパターンと流れる電流の第１具体例（電流検出遅れがない場合）を示すタイムチャートであり、（Ａ）は故障検出回路から出力されるパワートランジスタのＯＮ／ＯＦＦ信号を示し、（Ｂ）はダイナミックブレーキ回路非接触時の電流波形を示し、（Ｃ）はダイナミックブレーキ回路接触時の電流波形示すタイムチャートである。 図１に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路制御信号のパターンと流れる電流の第２具体例（電流検出遅れがある場合）を示すタイムチャートであり、（Ａ）は故障検出回路から出力されるパワートランジスタのＯＮ／ＯＦＦを示し、（Ｂ）はダイナミックブレーキ回路非接触時の電流波形を示し、（Ｃ）はダイナミックブレーキ回路接触時の電流波形示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置の概略構成図である。 図５に示すモータ駆動装置におけるダイナミックブレーキ回路の故障検出処理を示すフローチャートである。 従来技術によるモータ駆動装置のブロック構成図である。

符号の説明

１、５１、１０１ モータ駆動装置
２、５２、１０２ 直流電源
３、５３、１０３ パワートランジスタユニット
４、５４、１０４ 同期モータ
５、５５、１０５ ダイナミックブレーキ回路
６、５６、１０６ 電流検出部
１０、６０、１１０ モータ駆動制御回路
１１、６１、１１１ 故障検出回路
５７ 過電流検出回路
ＳＩＧ１ ダイナミックブレーキ回路制御信号
ＳＩＧ２ パワートランジスタ制御信号
ＳＩＧ１０ 電流信号
ＳＩＧ５０ 過電流状態信号

Claims (4)

1. 同期モータの励磁を遮断した際に、モータの発電制動によって減速トルクを発生させるためのダイナミックブレーキ回路を有するモータ駆動装置において、
   入力交流電源を整流して得られる直流電源と、
   直流電源に繋がるパワートランジスタのスイッチングにより前記同期モータの巻線とダイナミックブレーキ回路に電圧を所定時間印加する電圧印加手段と、
   パワートランジスタから流れ出す電流値を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流値と予め設定されている閾値からダイナミックブレーキ回路の故障の有無を判定する故障判定手段と、を有し、
   前記電流検出手段としてモータ駆動制御回路内蔵の過電流検出回路を使用し、ダイナミックブレーキ回路の故障チェック中には、過電流検出レベルとして通常時の過電流検出レベルの第１の閾値から前記故障チェック用の第２の閾値に前記閾値を設定変更する事を特徴とするダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置。
2. 前記直流電源から電圧を印加する前記所定時間は、パワートランジスタをＯＮしてからモータ巻線に流れる過渡電流が、ダイナミックブレーキ用抵抗に流れる電流を超えない範囲の時間とする事を特徴とする、請求項１に記載のダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置。
3. 前記直流電源から電圧を印加する前記所定時間は、前記電流検出手段が電流を検出する際に生じる電流検出遅れ時間よりも長い時間とすることを特徴とする請求項１または２に記載のダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置。
4. 前記閾値は、ダイナミックブレーキ回路の抵抗値、もしくは前記同期モータのインダクタンスに応じて変更するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のダイナミックブレーキ回路故障検出機能を備えたモータ駆動装置。

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