JP5758226B2 - 電子サーマル保護装置と電子サーマル保護装置の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、負荷駆動電流に重畳されたスイッチングリップル電流の異常を検知する電子サーマル保護装置と電子サーマル保護装置の動作方法とに関する。

交流電流又は直流電流を供給して駆動する交流又は直流のモータは、過剰電流供給等に起因する温度上昇により、絶縁耐力が低下して絶縁破壊等による焼損が生じる危険性がある。

モータ等の負荷装置の温度を測定できない場合には、モータ駆動電流を検出し、消費電力の所定時間毎の累算値を求める。この累算値は、所定時間内の消費電力量を示すことになり、その消費電力量に比例して温度が上昇すると考えられる。

このため、累算値を予め設定した閾値と比較し、算出累算値が閾値を超えた場合には、モータ駆動電流の制限又は遮断を行って、モータ駆動装置の異常な温度上昇を低減する電子サーマル装置が知られている。

従来は、モータ等の負荷装置と、モータ駆動装置の種類に対応したモータ駆動電流を供給するインバータ又はコンバータの構成を有する電源装置と、マイクロプロセッサ等からなる電子サーマル装置と、電流センサと、電流検出回路と、Ａ／Ｄコンバータと、２乗演算部と、累算演算部と、比較部等とを備えて装置構成されている。

電源装置は、電池等の直流電源を入力電源とするが、交流電源を入力電源とする構成としてもよい。また、モータ駆動装置の構成に対応して、直流又は交流の出力電圧／電流を供給する構成を有してもよい。

電源装置からモータ駆動装置に供給する電流を電流センサと電流検出回路とにより検出し、検出した電流値を電子サーマル装置に入力する。電子サーマル装置は、検出したアナログの電流値をＡ／Ｄコンバータによりサンプリング周期毎に、ディジタル信号に変換し、２乗演算部により２乗演算する。

２乗演算値は、モータ駆動装置の抵抗成分を一定の値とすると、モータ駆動装置に於ける消費電力に相当する。また、累算演算部により、リセット周期毎の累算処理を遂行する。この累算値は、検出電流値の２乗を、リセット周期にわたって時間積分したものとなるから、リセット周期内の消費電力量に相当する値を表すものとなる。

累算値とアラーム設定値とを比較部に於いて比較し、アラーム設定値を超えると、モータ駆動装置の消費電力量が増加して、その温度が上昇しているものと推定できる。この場合、アラーム信号を電源装置に入力することにより、モータ駆動装置に供給する電流の制限又は遮断を行い、モータ駆動装置の異常温度上昇を防止する。

また、２乗演算部により求めた値を所定数について保持する容量を有するメモリを備える構成とし、Ａ／Ｄコンバータの変換周期を検出周期ｔとする場合、メモリのｎ個の領域によって、検出周期（ｔ）×メモリの個数（ｎ）＝Ｔの時間にわたる２乗演算出力値がメモリ保持される構成とできる。

そして、時間的に最も古い２乗演算出力値を保持している領域に、最も新しい２乗演算出力値を順次上書きする。累算演算部は、メモリのｎ個の領域に保持されている２乗演算出力値を累算して、検出周期（ｔ）×メモリの個数（ｎ）＝Ｔの時間にわたる時間積分値を求める。

また、時間積分値を、比較部に於いてアラーム設定値と比較し、アラーム設定値を超えると、モータ駆動装置の消費電力量が増加してその温度が上昇していると推定する。

そして、アラーム信号を電源装置に入力する。これにより、電源装置はモータ駆動装置に供給する電流の制限又は遮断を行い、モータ駆動装置の過剰な温度上昇を低減する。このようなモータ駆動装置は、例えば下記特許文献１に示されている。

特開２００８−１１３４７７号公報

従来、電子サーマル装置は、モータの故障や過負荷による過剰な発熱を回避対象として構成されている。このため、例えばＤ級アンプを用いたモータ駆動装置において、Ｄ級アンプ側の回路に障害が生じた場合には、これを検知できず、従来の電子サーマルの保護機能が遂行されるより早く瞬時に大電流がモータに流れる等により、モータが焼損する懸念があった。

本発明は、上述した問題点に鑑み為された発明であって、Ｄ級アンプ等のスイッチング方式の電源回路を備えるモータ駆動装置において、アンプ回路側の障害発生に対しても迅速に対応してモータを保護することが可能な電子サーマル保護回路を実現することを目的とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、スイッチング電源回路により駆動されるモータの駆動電流を検出する電子サーマル保護装置であって、スイッチング電源回路のスイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値より大きいか否かにより異常有無判断をすることを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、好ましくはスイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）に複数のサンプリングデータを取得することを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくは所定の期間ごとに、所定の期間内で取得した複数のサンプリングデータの最大値と最小値との差からスイッチングリップル電流の振幅を算出することを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくは所定の期間はスイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）であることを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくはスイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値より大きい場合に、アラーム出力することを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくはサンプリングデータに基づいて、スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）以上の周期ごとに、モータの駆動電流を算出し、算出したモータの駆動電流を累算し、該累算した結果でモータの異常判断を遂行することを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくは累算したモータの駆動電流が所定のモータ駆動電流閾値より大きい場合にアラーム出力することを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくはサンプリングデータの取得周期（Ｔｓａｍ）は、スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）より小さいことを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくはサンプリングデータの取得周期（Ｔｓａｍ）は、スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）の１／５〜１／１０であることを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置は、さらに好ましくはスイッチング電源回路が、Ｄ級アンプを含むことを特徴とする。

本発明の電子サーマル保護装置の動作方法は、モータの駆動電流に重畳されたスイッチングリップル電流の振幅を検出する工程と、スイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値より大きいか否かを判断する工程と、スイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値より大きい場合にアラームを出力する工程と、を有することを特徴とする。

負荷駆動電流に重畳されたスイッチングリップル電流の異常を検知する電子サーマル保護装置と電子サーマル保護装置の動作方法とを実現できる。

また、アンプ回路側の障害発生に対しても迅速に対応してモータ等を保護することが可能な電子サーマル保護回路を実現できる。

本発明の第一の実施形態の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置の構成概念を説明するブロック図である。 電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置の動作概要を説明するフロー図である。 本発明の第二の実施形態の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置の構成概念説明図である。 本発明の第三の実施形態の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置の構成概念説明図である。 電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置が検出するモータ駆動電流と、モータ駆動電流に重畳されているスイッチングリップル電流とについて説明する図である。 スイッチングリップル電流のサンプリング状態を拡大して説明する図である。 従来の電子サーマル保護装置のサンプリング周期について説明する図である。

本実施形態において説明する電子サーマル保護装置は、従来のように負荷モータの過負荷保護を遂行するとともに、Ｄ級アンプ出力電流に重畳されるスイッチングリップルの振幅を監視することによりＤ級アンプの異常も検出する。

このため、スイッチングリップル電流の振幅を検知できる程度にまでサンプリング周期を短くして、従来よりも多数のサンプリングデータの取り込みを遂行する。従来の電子サーマル保護装置においては、ＣＲ素子等により意図的に高周波成分を低減させることで、モータ駆動電流に重畳されたスイッチングリップル電流成分は検知していない。また、従来の電子サーマル装置においては、サンプリング周期が、スイッチングリップル電流の周波数に比較して相当長かったので、スイッチングリップル電流の振幅を検知できなかった。

本実施形態においては、スイッチング周期より短いサンプリング周期としてスイッチングリップル電流の振幅を検出するとともに、短いサンプリング周期で取得した多数のデータを演算処理してデータ量を低減し、累算処理するメモリへの負荷を減らすことにより、モータの過負荷とともにＤ級アンプの異常も同時に検出できる電子サーマル装置を提案する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００の構成概念を説明するブロック図である。図１に示すように、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、直流電源１００の電力を基に電流アンプ回路２００がモータ駆動電流ｉを生成し、モータ３００に供給する。

図１に示す電流アンプ回路２００は、スイッチング方式の回路として例えばＤ級アンプを含むことができる。また、電流アンプ回路２００は、ＰＷＭ制御回路４００からの入力信号に対応したスイッチング動作によりモータ駆動電流ｉを生成する。

電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、電子サーマル保護装置７００を備える。また、電子サーマル保護装置７００は、中央演算部（ＣＰＵ）７１０と、サンプリングデータや累算データを一時記憶するデータメモリ７２０と、制御プログラム等が格納されるプログラムメモリ７３０とを備える。

また、中央演算部（ＣＰＵ）７１０は、検出されたアナログ値のモータ駆動電流ｉをサンプリング周期（Ｔｓａｍ）毎にディジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ７１１と、Ａ／Ｄコンバータ７１１でディジタル値に変換された直近のサンプリングデータを累算周期（Ｔｉｎｔ）で所定回数だけ順次累算処理するサンプリングデータ累算部７１３とを備える。

また、中央演算部（ＣＰＵ）７１０は、サンプリングデータ累算部７１３が累算処理した値と所定のモータ駆動電流閾値とを比較して累算値がモータ駆動電流閾値より大きければアラーム回路７１６にアラーム信号を出力させる比較部７１５を備える。

また、中央演算部（ＣＰＵ）７１０は、Ａ／Ｄコンバータ７１１でディジタル値に変換されたサンプリングデータからスイッチングリップル電流の振幅を算出するリップル振幅演算部７１２と、リップル振幅演算部７１２が算出したスイッチングリップル電流の振幅と所定のリップル閾値とを比較し、スイッチングリップル電流の振幅がリップル閾値より大きければアラーム回路７１６にアラーム信号を出力させる比較部７１４とを備える。

ここで、リップル振幅演算部７１２は、スイッチング周期（Ｔｓｗ）１周期間内に取得したサンプリングデータの中で最大値（Ｍａｘ値）と最小値（Ｍｉｎ値）との差を演算し、スイッチング周期（Ｔｓｗ）の各期間毎にスイッチングリップルの振幅を算出し、算出したスイッチングリップルの振幅を各期間毎に比較部７１４に出力する。

図１においてアラーム回路７１６は、比較部７１４，７１５からの信号入力に応答して、スイッチング動作の停止やモータ駆動電流の出力制限等、モータ３００等を保護する動作を指示するアラーム信号をＰＷＭ制御回路４００に出力する。

また、発振器５００は、所定のスイッチング周期（Ｔｓｗ）を有するクロックを生成し、ＰＷＭ制御回路４００と、電子サーマル保護装置７００のリップル振幅演算部７１２とに当該クロックを供給する。また、電流検出部６００は、モータ駆動電流ｉを検出し、検出電流値をＰＷＭ制御回路４００にフィードバックするとともに、検出電流値をＡ／Ｄコンバータ７１１に出力する。

また、図１に示す電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００おいては、サンプリング周期（Ｔｓａｍ）≪スイッチング周期（Ｔｓｗ）≪累算周期（Ｔｉｎｔ）であるものとする。すなわち、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、スイッチングリップル電流の一周期期間（Ｔｓｗ）内に、スイッチングリップル電流が重畳されたモータ駆動電流ｉを複数回サンプリングして取得し、スイッチングリップル電流の一周期期間（Ｔｓｗ）毎にリップル振幅が所定の範囲内か否かを監視する。一方、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、一以上のリップル周期（Ｔｓｗ）に対応する累算周期（Ｔｉｎｔ）ごとに、取得したモータ駆動電流ｉを所定回数だけ累算し、累算されたモータ駆動電流ｉが所定の範囲内であるか否かを監視する。

図２は、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００の動作概要を説明するフロー図である。図２に示す各ステップに基づいて、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００の動作概要について、順次以下に説明する。

（ステップＳ２１０）
電子サーマル保護装置７００は、サンプリング周期（Ｔｓａｍ）毎に電流検出部６００からの出力電流をサンプリングする。すなわち、Ａ／Ｄコンバータ７１１は、電流検出部６００が検出するモータ駆動電流ｉの検出電流のアナログ値を、サンプリング周期（Ｔｓａｍ）毎にディジタル値に変換してリップル振幅演算部７１２とサンプリングデータ累算部７１３とに出力する。

（ステップＳ２２０）
リップル振幅演算部７１２は、スイッチング周期（Ｔｓｗ）ごとに、Ａ／Ｄコンバータ７１１から入力されたサンプリングデータの一周期期間（Ｔｓｗ）内での最大値と最小値とを抽出する。

（ステップＳ２３０）
リップル振幅演算部７１２は、ステップＳ２２０で抽出した最大値と最小値との差からスイッチングリップル電流の振幅（Ａ）を算出し、比較部７１４へと出力する。

（ステップＳ２４０）
比較部７１４は、リップル振幅演算部７１２から入力されたスイッチングリップル電流の振幅（Ａ）と所定のリップル閾値とを比較する。比較部７１４が、スイッチングリップル電流の振幅（Ａ）が所定のリップル閾値より大きいと判断すれば、ステップＳ２５０へと進む。比較部７１４が、スイッチングリップル電流の振幅（Ａ）が所定のリップル閾値より大きくないと判断すれば、ステップＳ２１０へと戻る。

（ステップＳ２５０）
アラーム回路７１６は、比較部７１４，７１５からの通知に応答してアラーム信号を出力する。また、ＰＷＭ制御回路４００等は、アラーム信号に応答して、モータ駆動電流を停止または低減したり電流アンプ回路２００のスイッチング動作を停止させる等により、モータ３００の保護動作とともに電流アンプ回路２００の保護動作も遂行する。また、アラーム回路７１６は、アラーム信号に応答して、音声やモニター画面を介してオペレータに通知する等のアラーム処理をしてもよい。

（ステップＳ２６０）
ここでは、従来の電子サーマル保護機能と同等の処理を遂行する。すなわち、電子サーマル保護装置７００は、モータ駆動電流ｉを監視する。このステップＳ２６０で監視するモータ駆動電流ｉは、モータ駆動電流ｉそれ自体であるので、スイッチングリップル電流が重畳されていてもよいし重畳されていなくてもよい。

また、このステップＳ２６０による処理は、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００内においてステップＳ２２０〜ステップＳ２５０と同時並行で遂行される。サンプリングデータ累算部７１３は、累算周期（Ｔｉｎｔ）を一周期間として、累算周期（Ｔｉｎｔ）毎のサンプリングデータを順次所定回数だけ累算し、累算結果を比較部７１５に出力する。サンプリングデータ累算部７１３の累算回数は例えば５回程度とすることができ、５回分のサンプリングデータの中で最古のデータに最新のサンプリングデータが順次上書きされる。サンプリングデータ累算部７１３の累算回数は、例えば１秒から１０秒程度の期間に相当する累算回数とすることで、１秒から１０秒程度の比較的長期に亘る過剰なモータ駆動電流の有無を監視できることとなる。

（ステップＳ２７０）
比較部７１５は、サンプリングデータ累算部７１３から取得した累算値と所定のモータ駆動電流閾値とを比較する。比較部７１５が、サンプリングデータ累算部７１３から取得した累算値が所定のモータ駆動電流閾値より大きいと判断すればステップＳ２５０へと進み、比較部７１５が、サンプリングデータ累算部７１３から取得した累算値が所定のモータ駆動電流閾値より大きくないと判断すればステップＳ２１０へと戻る。

上述の処理遂行により、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、モータ３００の保護を行うと同時に、Ｄ級アンプの異常も検出し、異常に対して迅速に装置保護動作を遂行することが可能となる。

ここで、図５は、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００が検出するモータ駆動電流と、モータ駆動電流に重畳されているスイッチングリップル電流とについて説明する図である。

図５から理解できるように、スイッチングリップル電流は、電流アンプ回路２００内のスイッチング動作に起因して生じる高周波成分であって、モータ駆動電流の周期に比べて短い周期（Ｔｓｗ）を有する。高周波であるが故に従来の電子サーマル保護装置においては、監視対象とされることなく意図的に検知対象から除外されて、モータ駆動電流それ自体のみが検出・監視対象とされていた。

電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、一つのスイッチング周期（Ｔｓｗ）内で、好ましくは５〜１０回程度のサンプリングが可能な短いサンプリング周期でサンプリングを遂行する。これにより、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、スイッチングリップル電流の振幅を検出することが可能となり、電流アンプ回路２００のスイッチング動作の異常等を迅速に検知し、これに対応することが可能となる。

また、図６は、図５に示したスイッチングリップル電流のサンプリング状態を拡大して説明する図である。図６から理解できるように、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、スイッチング周期（Ｔｓｗ）より小さなサンプリング周期（Ｔｓａｍ）でスイッチングリップル電流が重畳されたモータ駆動電流のサンプリングを遂行する。また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、一スイッチング周期（Ｔｓｗ）ごとに最大値と最小値との差からスイッチングリップル電流の振幅を算出して、当該振幅が所定の範囲内であるか否かを監視する。

また、モータ駆動電流が１００Ｈｚ未満であって、スイッチングリップル電流が１０〜２０ｋＨｚ程度である場合には、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、例えば１００ｋＨｚ程度のサンプリング取得とすることができる。

また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、リップル閾値を例えば０．５アンペア〜１アンペア程度とすることができ、検出したスイッチングリップル電流の振幅がこの値を超える振幅となれば、アラーム処理を遂行してもよい。

また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、定常時のスイッチングリップル電流の振幅に対して例えば１０倍の振幅が検出された場合に、アラーム処理を遂行してもよい。また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、モータ３００の駆動特性に対応して、当該モータ３００が故障する直前のリップル振幅が検出された場合に、アラーム処理を遂行してもよい。

また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、モータ駆動電流の累算において、期間（Ｔｓｗ）ごとに最大値と最小値との平均値を算出し、この平均値を累算用のデータとしてもよい。このような処理により、データメモリ７２０の使用領域容量を１／５〜１／１０に低減することも可能であり、メモリへの負荷を低減できる。

図７は、従来の電子サーマル保護装置のサンプリング周期について説明する図である。図７から理解できるように、従来はサンプリング周期がリップル電流を検出可能な程度に小さくなく、またＣＲ素子等により意図的に高周波成分を除去したモータ駆動電流を検出する場合もあった。

電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、Ｄ級アンプやモータ３００の故障や発振等により、予期せぬリップル電流の突発的増大が生じた場合においても、このような状態を速やかに検出し、適切な対応をすることが可能となる。電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、例えば、モータ駆動電流指示値が０アンペアであるにも拘わらず、大きなスイッチングリップル電流が重畳された結果、モータ３００にリップル電流が入力されて障害が生じるような事態を回避することができる。

また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、サンプリングデータの２乗計算や累算や閾値との比較等の処理について、マイコンで処理することとしてもよい。また、既存の従来の電子サーマル保護装置に対して、プログラムメモリ７３０に格納されている処理プログラムの変更・更新のみで、上述した電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００の各機能を追加的に処理させてもよい。

また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００は、モータ３００の過渡熱特性を検出して過熱が検知された場合に、保護機能を稼働させる従来公知の保護方法に比べて、極めて迅速かつ的確な検知及び応答を遂行し、装置を保護することが可能である。

（第二の実施形態）
図３は、本発明の第二の実施形態の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置３０００の構成概念説明図である。第二の実施形態においては、サンプリング周期が短くてサンプリングデータが膨大であっても、データメモリの容量を増大させることなく処理が可能な電子サーマル保護装置について説明する。

図３において、３７００は電子サーマル保護装置、３７１０は中央演算部（ＣＰＵ）、３７２０は中央演算部３７１０の演算結果の保持等を行うリード、ライト可能なデータメモリ（ＲＡＭ）、３７３０はプログラム等を格納したリード専用のプログラムメモリ（ＲＯＭ）、３６００は電流検出部、３４００はＰＷＭ制御回路、３３００は負荷としてのモータ（Ｍ）、３１００は直流電源を示す。

図３に示す電子サーマル保護装置３７００は、１チップマイクロコンピュータの構成としてもよく、メモリ３７２０，３７３０は中央演算部３７１０と共に１チップ上に形成してもよい。

負荷であるモータ３３００に対する給電線は単線としてもよいし、単相交流電動機の場合には２線による給電線としてもよく、多相交流電動機の場合には相数に応じた数の線による給電線としてもよい。また、直流電動機を負荷とする場合は、２線の給電線とできる。

また図示していないが、モータ３３００が単相であるか又は多相であるかに対応して、直流電圧を単相又は多相の交流電圧に変換するインバータを適宜設けてもよい。

また、モータ３３００の回転数を制御する為に、交流電圧の周波数を変更可能な構成としてもよい。また、電源３１００は交流電源の３相としてもよく、交流電源から供給された交流電圧をコンバータにより直流電圧に変換し、コンデンサにより平滑化やノイズ成分除去した直流電圧をコンバータに供給する構成としてもよい。

また、図３に示すように負荷として直流電動機を用いる場合は、インバータを用いずにコンバータの出力直流電圧を供給する構成としてもよい。なお、電流アンプ回路３２００は、例えばＤ級アンプ等のスイッチング回路を含む。

また、図３においては電子サーマル保護装置３７００が、中央演算部３７１０と、メモリ３７２０，３７３０とを含む構成を有する場合を示している。また、モータ３３００の駆動電流は、電流検出部３６００により検出されて、電子サーマル保護装置３７００のＡ／Ｄコンバータ３７１１に入力される。

また、Ａ／Ｄコンバータ３７１１は、検出電流を検出周期（Ｔｓａｍ）毎にサンプリングしてディジタル信号値に変換する。中央演算部３７１０は、第一サンプリングデータ累算３７１３部（１）と、第二サンプリングデータ累算部３７１３（２）と、比較部３７１５と、を少なくとも含む。

第一サンプリングデータ累算３７１３（１）は、検出電流を２乗して第１の期間（Ｔｉｎｔ１）について累算し、その累算値をデータメモリ３７２０に保持させる。

また、第二サンプリングデータ累算３７１３（２）は、第１の期間の２乗値の累算値を順次第２の期間にわたってデータメモリ３７２０に保持させ、第２の期間（Ｔｉｎｔ２）内の累算値を求めて、比較部３７１５がアラーム設定閾値Ｘと比較し、アラーム設定閾値Ｘを超えた場合に、モータ３３００が過負荷状態にあると判断して、中央演算部３７１０内のアラーム回路３７１６がアラーム出力をする。

また、中央演算部３７１０は不図示のインバータの動作の停止、出力周波数の低下、出力電圧又は電流の低下等の制御により、モータ３３００の過負荷状態からの種々の周知な保護を行うことができる。

また、電流検出周期（Ａ／Ｄコンバータ３７１１に於けるディジタル信号に変換する為のサンプリング周期）をＴｓａｍとし、この周期（Ｔｓａｍ）に於ける検出電流のディジタル値Ｄの２乗を求めて、この２乗値Ｄ^２を第１の期間（Ｔｉｎｔ１）にわたって２５６回累算した累算値ΣＤ^２を、データメモリ３７２０に第２の期間（Ｔｉｎｔ２）にわたって、順次最古の累算値を最新の累算値に更新することにより保持する。

すなわち、最新の第１の期間（Ｔｉｎｔ１）の累算値を含めて、第２の期間（Ｔｉｎｔ２）にわたって保持することになる。そして、第２の期間（Ｔｉｎｔ２）にわたって保持した第１の期間（Ｔｉｎｔ１）の累算値ΣＤ^２を２５６回累算する（Σ（ΣＤ^２））。

この累算値Σ（ΣＤ^２）とアラーム設定閾値Ｘとを比較し、アラーム設定値を超えた場合、前述のように、モータ３３００の消費電力量の増加により温度が上昇していると推定して、モータ３３００の保護制御を行ってもよい。

データメモリ３７２０は、１チップマイクロプロセッサの場合には、例えば２５６バイト構成としてもよく、６４バイトを演算処理等に使用することができる。このため例えば、電流検出値を８ビット精度でディジタル信号に変換し、メモリの６４バイトの中の９バイトを演算処理用とすると、５５バイトの領域により８ビット構成の電流検出ディジタル値を、５５回分保持できることになる。

一方本実施形態では、２乗値Ｄ^２は１６ビット構成となり、これを第１の期間（Ｔｉｎｔ１であるが、典型的にはＴｓｗである）にわたって２５６回累算した累算値ΣＤ^２を例えば２４ビット構成とし、メモリの６４バイトの領域の中の１０バイトの領域を演算用とし、残りの５４バイトの領域を２４ビット構成の累算値ΣＤ^２の保持用とすれば、この累算値ΣＤ^２を１８回分保持することができる。

この場合、電流検出値Ｄを、２５６×１８回＝４６０８回分保持して、第２の期間（Ｔｉｎｔ２）にわたる累算値を求めることができることとなるので、単位時間あたりのサンプリング回数が増大したとしてもメモリ容量を増大させる必要がない。また、電流のサンプリング周期を同一とした場合には、累積期間を約８０倍程度長くすることができるので、モータ駆動装置の監視の信頼性を向上することが可能となる。

図３に示すように、モータ３３００の構成に対応した電源装置としてのインバータ又はコンバータ等を含む電流アンプ回路３２００から供給する電流ｉを、電流検出部３６００により検出し、検出した電流ｉを電子サーマル保護装置３７００に入力する。

電子サーマル保護装置３７００は、電流検出部３６００で検出した電流が入力されるＡ／Ｄコンバータ３７１１と、データメモリ３７２０と、プログラムメモリ３７３０と、中央演算部（ＣＰＵ）３７１０と、第一及び第二サンプリングデータ累算３７１３（１），３７１３（２）と、比較部３７１５と、リップル振幅演算部３７１２と、リップル振幅演算部３７１２の結果が入力される比較部３７１４と、アラーム回路３７１６とを含む。

リップル振幅演算部３７１２は、上述したような演算処理により、例えば期間（Ｔｓｗ）ごとに検出されたサンプリング電流値の最大値（Ｍａｘ）と最小値（Ｍｉｎ）との差異から、スイッチングリップル電流の振幅を算出する。また、比較部３７１４は、スイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値を超えた場合には、アラーム回路３７１６に対して、アラームを出力させる。なお、スイッチング周期（Ｔｓｗ）は、発振器３５００により生成されて必要とされる各部に入力される。

また、Ａ／Ｄコンバータ３７１１におけるサンプリング周期（Ｔｓａｍ）をスイッチングリップルが重畳されたモータ駆動電流ｉの検出周期とし、電流検出部３６００による電流ｉをディジタル値Ｄに変換し、第一サンプリングデータ累算部３７１３（１）が２乗して消費電力値に相当する値とするとともにその２乗値Ｄ^２を第１の周期（Ｔｉｎｔ１）、すなわち、累算値をリセットするリセット周期（Ｔｉｎｔ１であり典型的にはＴｓｗ）にわたって累算し、この累算値ΣＤ^２をデータメモリ３７２０に順次保持させる。

また、累算値ΣＤ^２を、第１の期間（Ｔｉｎｔ１）のｎ倍の第２の期間（Ｔｉｎｔ２）にわたってそれぞれデータメモリ３７２０に保持するものであり、データメモリ３７２０内のΣＤ^２１〜ΣＤ^２ｎとして保持する。ここで、ｎは１以上の任意の数とすることができる。

また、次の第２の周期（Ｔｉｎｔ２）の最初の累算値により、前の周期（Ｔｉｎｔ２）の最初の累算値を順次上書きして書き換えるようにして、データメモリ３７２０により第２の周期（Ｔｉｎｔ２）にわたる累算値を更新しながら保持する。

第二サンプリングデータ演算部３７１３（２）は、データメモリ３７２０に保持された第２の周期（Ｔｉｎｔ２）にわたる累算値ΣＤ^２を累算する。この累算値Σ（ΣＤ^２）を比較部３７１５に於いてアラーム設定閾値Ｘと比較し、このアラーム設定閾値Ｘを超えた場合、アラーム回路３７１６がアラーム信号をインバータ又はコンバータに入力する。

累算値Σ（ΣＤ^２）がアラーム設定閾値Ｘを超えた場合には、電子サーマル保護装置３７００はモータ３３００が温度上昇していると推測し、モータ駆動電流ｉを遮断又は低減させてオペレータに通知する等により、モータ３３００を過負荷状態から保護することができる。なお、上述した図３の説明において、好ましくはＴｓａｍ≪Ｔｓｗ＝Ｔｉｎｔ１≪Ｔｉｎｔ２であるものとする。

（第三の実施形態）
図４は、本発明の第三の実施形態の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置４０００の構成概念説明図である。図４においては、図１等と対応する部位については対応する符号を付すこととし、説明の重複を避けるためにここではその説明を省略する。

図４から理解できるように、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置４０００は、発振器４５００で生成されたスイッチング周期（Ｔｓｗ）が、ＰＷＭ制御回路４４００のみに入力されてリップル振幅演算部４７１２には入力されない。

このため、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置４０００は、電流検出部４６００が検出したスイッチングリップル電流が重畳されているモータ駆動電流から、スイッチング周期（Ｔｓｗ）を検出するスイッチング周波数検出回路４７４０を備える。スイッチング周波数検出回路４７４０は、検出したスイッチング周期（Ｔｓｗ）をリップル振幅演算部４７１２に付与入力する。

電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置４０００は、電子サーマル保護装置４７００内にスイッチング周波数検出回路４７４０を備えることにより、電子サーマル保護装置４７００をＤ級アンプ回路と分離し易くなる。この場合に、電子サーマル保護装置４７００を外付けオプションにすることも可能である。図４に示す電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置４０００において、Ｔｓａｍ≪Ｔｓｗ≪Ｔｉｎｔであるものとする。

上述したように、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００，３０００，４０００は、モータに流れるモータ駆動電流を検出してモータの発熱を推測し、一定以上の電流が流れ続けると電流を制限したり停止したりする等のアラーム処理によりモータの焼損を防ぐとともに、電流アンプ回路の発振等のスイッチング動作の異常などをリップル電流の振幅から検知し、アラーム処理を遂行できる。なお、Ｄ級アンプの出力電流に重畳されるスイッチングリップルの振幅は、出力電流値に拘わらず大凡一定となるので、振幅を監視することで、スイッチング動作等の異常等を監視できる。

また、電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置１０００，３０００，４０００は、各実施形態での説明に限定されるものではなく、適宜互いに組み合わせ適用してもよく、本実施形態で説明する技術思想の範囲内かつ自明な範囲内で、適宜その構成や動作及び駆動方法等を変更することができる。

本発明の電子サーマル保護機能付きモータ駆動装置は、モータ等の各種負荷を駆動するドライバ、駆動装置、負荷装置等に広く適用できる。

１００・・直流電源、２００・・電流アンプ回路、３００・・モータ、４００・・ＰＷＭ制御回路、５００・・発振器、６００・・電流検出部、７００・・電子サーマル保護装置、７１０・・中央演算部、７２０・・データメモリ、７３０・・プログラムメモリ、７１１・・Ａ／Ｄコンバータ、７１２・・リップル振幅演算部、７１３・・サンプリングデータ累算部、７１４・・比較部、７１５・・比較部、７１６・・アラーム回路。

Claims (10)

1. スイッチング電源回路により駆動されるモータの駆動電流を検出する電子サーマル保護装置において、
   前記スイッチング電源回路のスイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値より大きいか否かにより異常有無判断をし、
   前記スイッチング電源回路は、Ｄ級アンプを含み、
   モータ駆動電流を所定のサンプリング周期で累算処理した値と所定のモータ駆動電流閾値とを比較して累算値が前記モータ駆動電流閾値より大きければアラーム信号を出力させることにより前記モータの過負荷保護を遂行するとともに、前記スイッチング電源回路の前記スイッチングリップル電流の振幅が前記所定のリップル閾値より大きいか否かにより異常有無判断ができるように前記Ｄ級アンプ出力電流に重畳されるスイッチングリップルの振幅を監視する
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
2. 請求項１に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）に複数のサンプリングデータを取得する
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
3. 請求項２に記載の電子サーマル保護装置において、
   所定の期間ごとに、前記所定の期間内で取得した前記複数のサンプリングデータの最大値と最小値との差から前記スイッチングリップル電流の振幅を算出する
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
4. 請求項３に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記所定の期間は前記スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）である
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記スイッチングリップル電流の振幅が前記所定のリップル閾値より大きい場合に、アラーム出力する
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記サンプリングデータに基づいて、前記スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）以上の周期ごとに、前記モータの駆動電流を算出し、算出した前記モータの駆動電流を累算し、該累算した結果で前記モータの異常判断を遂行する
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
7. 請求項６に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記累算した前記モータの駆動電流が所定のモータ駆動電流閾値より大きい場合にアラーム出力する
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
8. 請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記サンプリングデータの取得周期（Ｔｓａｍ）は、前記スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）より小さい
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
9. 請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の電子サーマル保護装置において、
   前記サンプリングデータの取得周期（Ｔｓａｍ）は、前記スイッチングリップル電流の周期（Ｔｓｗ）の１／５〜１／１０である
   ことを特徴とする電子サーマル保護装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の電子サーマル保護装置の動作方法において、
    前記モータの駆動電流に重畳されたスイッチングリップル電流の振幅を検出する工程と、
    前記スイッチングリップル電流の振幅が所定のリップル閾値より大きいか否かを判断する工程と、
    前記スイッチングリップル電流の振幅が前記所定のリップル閾値より大きい場合にアラームを出力する工程と、を有する
    ことを特徴とする電子サーマル保護装置の動作方法。

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