JP5270952B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械等におけるモータ制御装置に関する。

従来から、工作機械の主軸や送り軸等で使用される誘導電動機やブラシレスＤＣモータ等の各種モータは、長期間での使用が要求される。このため、モータの品質を維持するために、長期間の使用によるモータの検査方法が重要となり、その検査方法に関しては各種の試みがなされている。

特許文献１には、安価にモータの絶縁劣化を予知できるモータ制御装置が開示されている。図６に従来のモータ制御装置のブロック図を示し、図７に図６における過電流検出部２０を示す。

交流電源１からの交流電力は入力電力検出部２に入力され、交流電源１からの交流電力はコンバータ部３とコンデンサ４により直流に整流される。整流された直流電力は上位制御装置１３の指令に基づきインバータ部８により交流電力に変換され、モータ１１を駆動する。なお、上位制御装置１３からの指令は、速度制御部１４，電流制御部１５等を経由してインバータ部８へ伝達され、過電流等の情報は、過電流検出部２０によって検出されて上位制御装置１３へ伝達される。

モータ１１の回転位置情報は、位置検出器１２で検出され、位置検出器１２で検出した位置検出値Ｐｄを微分器１６が微分し、モータ１１の速度検出値Ｖｄを速度制御部１４に出力する。速度制御部１４は、速度指令Ｖｃと前記速度検出値Ｖｄよりトルク指令Ｔｑｃを電流制御部１５へ出力する。

電流制御部１５は、前記トルク指令Ｔｑｃより三相電流指令を算出し、ｕ相電流検出器９より検出されるｕ相電流検出値Ｉｕｄとｖ相電流検出器１０より検出されるｖ相電流検出値Ｉｖｄと直流電源電圧検出部５より検出される直流電源電圧値Ｖｄｃより、ｕ相電圧指令／ｖ相電圧指令／ｗ相電圧指令からなる三相電圧指令Ｖｃ３をインバータ部８へ出力する。インバータ部８は、該三相電圧指令に基づいて３相のｕ、ｖ、ｗ相電流をモータ１１へ出力する。

過電流検出部２０は前記ｕ相電流検出値Ｉｕｄと、前記ｖ相電流検出値Ｉｖｄとにより、その状態Ｗ４を上位制御装置１３へ出力する。上位制御装置１３は、該状態Ｗ４よりモータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態を表示器に表示する。

図７には過電流検出部２０の具体的な構成が示されている。過電流検出部２０は、比較器２０３，２０４と、ＯＲ回路２０５と、状態表示器２０６と、を有している。過電流検出部２０は、前記ｕ相電流検出値Ｉｕｄの大きさが予め設定された閾値ｒｅｆ５を超えた場合、または、前記ｖ相電流検出値Ｉｖｄの大きさが予め設定された閾値ｒｅｆ６を超えた場合、のいずれかの場合に、モータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態Ｗ４を上位制御装置１３に出力する。このように、絶縁劣化等が原因による地絡が発生した場合には、モータ１１に過電流が流れ、前記過電流検出部２０がモータ１１の状態が異常であることを検出できるため、長期間の使用が原因による絶縁劣化等に対し、モータ１１の状態が異常であることを検出できる。

特開２００５−１６９５８号公報

上述した従来技術において、モータの状態が異常であることは検出できる。しかし、長期間の使用が原因による絶縁劣化等に対し、モータが完全に故障する前、すなわち故障初期段階でのモータの異常を検出できないという課題がある。

そこで、本発明では、長期間の使用が原因による絶縁劣化等に対し、モータが完全に故障する前、すなわち故障初期段階でのモータの異常を検出できるモータ制御装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係るモータ制御装置は、直流電源から変換された三相交流により駆動されるモータ制御装置であって、前記直流電源の直流電源電圧値を検出する手段とトルク指令より電流指令値を算出する手段と、モータの電流値を検出し電流検出値を出力する手段と、前記直流電源電圧値と前記電流指令値と前記電流検出値より電圧指令を出力する手段と、前記電圧指令から前記モータの電流を制御する手段と、前記直流電源からの入力電力を算出する手段と、前記電圧指令と前記電流検出値より実入力電力を算出する手段と、比例倍された前記入力電力と前記実入力電力との差が、絶縁劣化が故障初期段階で検出可能なように予め設定された閾値を超えた場合に、絶縁劣化が生じていると判断するモータ異常検出部と、を備えるように構成する。前記直流電源からの入力電力は、前記直流電源の直流電源電流値検出する手段を備え、前記直流電源電圧値と前記直流電源電流値より算出してもよい。

また、交流電源を整流した直流電源から変換された三相交流電流により駆動されるモータ制御装置では、前記直流電源からの入力電力を、交流電源からの入力電力より算出してもよい。

モータ異常検出部は、前記直流電源からの入力電力の比例倍と前記実入力電力の差が、絶縁劣化が故障初期段階で検出可能なように予め設定された閾値を超えた場合、かつトルク指令が、絶縁劣化が故障初期段階で検出可能なように予め設定された閾値を超えた場合に、絶縁劣化が生じていると判断し、その状態を表示するように構成してもよい。

本発明によるモータ制御装置によれば、長期間の使用が原因による絶縁劣化等に対し、モータが完全に故障する前、すなわち故障初期段階でのモータの異常を検出できるようになるため、故障予防保全が可能となるという効果がある。

本発明の実施例について説明する。本発明の制御ブロック図を図１，２に示す。なお、従来例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。交流電源１からの交流電力は入力電力検出部２に入力され、交流電源１からの交流電力はコンバータ部３とコンデンサ４により直流に整流される。ここで、直流電源電圧検出部５で検出された直流電源電圧Ｖｄｃと、直流電源電流検出器６で検出された直流電源電流Ｉｄｃとに基づき、乗算器７が直流電源からの入力電力Ｐｉｎを絶縁劣化検出部１８に出力する。

図２の絶縁劣化検出部１８は、実入力電力演算部１９と、係数器１８６と、比較器１８９，１９１と、ＯＲ回路１９２と、状態表示器１９３と、を有している。絶縁劣化検出部１８において、前記ｕ相電流検出値Ｉｕｄと前記ｖ相電流検出値Ｉｖｄと前記三相電圧指令値Ｖｃ３より、実入力電力演算部１９が実入力電力Ｐｅを減算器１８７に出力する。前記直流電源からの入力電力Ｐｉｎの比例倍と前記実入力電力Ｐｅの偏差を減算器１８７により求め、電力偏差ΔＰとして比較器１８９に出力する。該電力偏差ΔＰの大きさが予め設定された閾値ｒｅｆ１を超えた場合、または、前記の場合、かつ、図１の前記速度制御部１４が出力するトルク指令Ｔｑｃが予め設定された閾値ｒｅｆ２を超えた場合にモータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態Ｗ１を上位制御装置に出力する。該状態Ｗ１より上位制御装置がモータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態を表示することにより故障初期段階でのモータ１１の異常を検出することができる。

具体的には、ｕ相電流検出値をＩｕｄ、ｖ相電流検出値をＩｖｄ、ｕ相電圧指令値をＶｕｃ、ｖ相電圧指令値をＶｖｃ、ｗ相電圧指令値をＶｗｃとすると、実入力電力Ｐｅは（式１）で表される。
Ｐｅ＝Ｉｕｄ×Ｖｕｃ＋Ｉｖｄ×Ｖｖｃ＋（−Ｉｕｄ−Ｉｖｄ）×Ｖｗｃ・・・（式１）

ここで、インバータ部８の効率をＫとすると、前記電力偏差は（式２）で表される。
ΔＰ＝Ｐｉｎ×Ｋ−Ｐｅ ・・・（式２）

モータの絶縁が良好な場合には、ｕ相電流値をＩｕ、ｖ相電流値をＩｖ、ｗ相電流値をＩｗとした場合、その総和は０となるため、ｗ相電流検出値をＩｗｄは（式３）で表される。
Ｉｗｄ＝−Ｉｕｄ−Ｉｖｄ＝−Ｉｕ−Ｉｄ ・・・（式３）

よって、（式１）で得られた実入力電力Ｐｅに基づき（式２）で計算される電力偏差ΔＰは０となる。しかし、長期間の使用でモータの絶縁が低くなった場合は、（式３）は成立しない。その場合、（式１）の第３項のｗ相電流検出値（−Ｉｕｄ−Ｉｖｄ）は実際に流れているｗ相電流値Ｉｗとずれるため、電力偏差ΔＰが発生する。よって、絶縁劣化検出部１８によりモータ１１が異常であることが検出できる。

また、電流値が小さい場合は、検出誤差等が発生しやすい場合がある。その場合は、図１の前記速度制御部１４が出力するトルク指令Ｔｑｃが予め設定された閾値ｒｅｆ２を越えた場合にのみ、モータ１１が異常であることを検出する。

本発明の他の実施例について説明する。本発明の他の制御ブロック図を図３に示す。なお、前記実施例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。図３の入力電力検出部２より直流電源からの入力電力Ｐｉｎを絶縁劣化検出部１８に出力する。図２の絶縁劣化検出部１８において、前記直流電源からの入力電力Ｐｉｎと前記実入力電力Ｐｅの比例倍の偏差を減算器１８７により求め、電力偏差ΔＰとして比較器１８９に出力する。該電力偏差ΔＰの大きさが予め設定された閾値ｒｅｆ１を超えた場合、または、前記の場合、かつ、図３の速度制御部１４が出力するトルク指令Ｔｑｃが予め設定された閾値ｒｅｆ２を超えた場合にモータ１１の状態が異常であることを検出し、図３の制御ブロック図に示す状態Ｗ２を出力する。該状態Ｗ２より上位制御装置がモータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態を表示することにより故障初期段階でのモータ１１の異常を検出することができる。具体的には、（式２）中のＫをコンバータ部３の効率とインバータ部８の効率の積とする。

本発明の他の実施例について説明する。本発明の他の制御ブロック図を図４，５に示す。なお、前記実施例と同一要素には同一符号を付しており説明は省略する。本実施例で特徴的な事項は、前記ｕ相電流検出値Ｉｕｄと前記ｖ相電流検出値Ｉｖｄと前記位置検出値Ｐｄより、二相三相変換部１７が二相電流検出値Ｉｄｄ、Ｉｑｄを絶縁劣化検出部１８に出力することである。

図４のインバータ部８を制御する電流制御部１５は、前記トルク指令Ｔｑｃより二相電流指令を算出し、前記二相電流検出値と前記直流電源電圧値Ｖｄｃより、ｄ軸電圧指令／ｑ軸電圧指令からなる二相電圧指令Ｖｃ２をインバータ部８に出力する。該二相電圧指令よりインバータ部８が３相のｕ、ｖ、ｗ相電流をモータ１１に出力する。

図４に示す前記直流電源電圧Ｖｄｃと、前記直流電源電流Ｉｄｃとに基づき、乗算器７が直流電源からの入力電力Ｐｉｎを絶縁劣化検出部１８に出力する。二相三相変換部１７が検出した前記二相電流検出値Ｉｄｄ、Ｉｑｄと前記二相電圧指令値Ｖｃ２より、図５に示す実入力電力演算部１９が実入力電力Ｐｅを減算器１８７に出力する。前記直流電源からの入力電力Ｐｉｎの比例倍と前記実入力電力Ｐｅの偏差を減算器１８７により求め、電力偏差ΔＰとして比較器１８９に出力する。該電力偏差ΔＰの大きさが予め設定された閾値ｒｅｆ１を超えた場合、または、前記の場合、かつ、前記速度制御部から入力されるトルク指令Ｔｑｃが予め設定された閾値ｒｅｆ２を超えた場合にモータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態Ｗ３を出力する。該状態Ｗ３より上位制御装置がモータ１１の状態が異常であることを検出し、その状態を表示することにより故障初期段階でのモータ１１の異常を検出することができる。

以上説明した様に、本発明によるモータ制御装置によれば、長期間の使用が原因による絶縁劣化等に対し、モータが完全に故障する前、すなわち故障初期段階でのモータの異常を検出できるようになるため、故障予防保全が可能となる。

本発明の実施例を示すブロック図である。 本発明の絶縁劣化検出部の実施例を示すブロック図である。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。 本発明の他の実施例を示すブロック図である。 本発明の絶縁劣化検出部の他の実施例を示すブロック図である。 従来技術を示すブロック図である。 従来技術の過電流検出器示すブロック図である。

符号の説明

１ 交流電源、２ 入力電力検出部、３ コンバータ部、４ コンデンサ、５ 直流電源電圧検出部、６ 直流電源電流検出器、７ 乗算器、８ インバータ部、９ ｕ相電流検出器、１０ ｖ相電流検出器、１１ モータ、１２ 位置検出器、１３ 上位制御装置、１４ 速度制御部、１５ 電流制御部、１６ 微分器、１７ 二相三相変換部、１８ 絶縁劣化検出部、１９ 実入力電力演算部、２０ 過電流検出部、１８６ 係数器、１８７ 減算器、１８９，１９１，２０３，２０４ 比較器、１９２，２０５ ＯＲ回路、１９３，２０６ 状態表示器。

Claims (4)

1. 交流電源を整流した直流電源から変換された三相交流により駆動されるモータ制御装置であって、
   前記直流電源の直流電源電圧値を検出する手段と、
   入力されたトルク指令より電流指令値を算出する手段と、
   モータの電流値を検出し電流検出値を出力する手段と、
   前記直流電源電圧値と前記電流指令値と前記電流検出値とにより電圧指令を出力する手段と、
   前記電圧指令から前記モータの電流を制御する手段と、
   前記直流電源からの入力電力を算出する手段と、
   前記電圧指令と前記電流検出値とに基づき実入力電力を算出する手段と、
   を備え、
   比例倍された前記入力電力と前記実入力電力との差が、絶縁劣化が故障初期段階で検出可能なように予め設定された閾値を超えた場合に、絶縁劣化が生じていると判断するモータ異常検出部を備えた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において、
   前記直流電源の直流電源電流値を検出する手段を更に備え、
   直流電源からの入力電力を、前記直流電源電圧値と前記直流電源電流値とに基づいて算出することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   直流電源からの入力電力を、交流電源からの入力電力に基づいて算出することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１に記載のモータ制御装置において、
   前記モータ異常検出部は、
   比例倍された前記入力電力と前記実入力電力との差が、絶縁劣化が故障初期段階で検出可能なように予め設定された閾値を超え、かつ、トルク指令が、絶縁劣化が故障初期段階で検出可能なように予め設定された閾値を超えた場合に、絶縁劣化が生じていると判断することを特徴とするモータ制御装置。

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