JP6052323B2 - 電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーエンコーダなどの回転子位置検出器を使用して電動機の回転子位置・速度情報を取得し、電動機を制御する電力変換装置における、回転子位置検出器異常判定装置に関する。

電動機に取り付けられた回転子位置検出器（位置・速度センサ）の検出情報に基づいて電動機を制御する装置として、例えば図４に示す位置・速度センサ付ベクトル制御方式の電動機制御装置が採用される。

図４において、１は三相のモータであり、モータ１には回転子位置（回転角度）を検出する回転子位置検出器２が取り付けられている。３は回転子位置検出器２の検出信号からモータの回転速度を演算する速度演算部である。４は、速度演算部３で演算された回転速度が、速度指令部５の速度指令値になるように制御し、電流指令値を出力する速度制御部である。

６は、モータ１に流れる三相（ｕ，ｖ，ｗ）電流を変流器（電流センサ）７で検出した三相検出電流を、回転子位置検出器２で得られた回転子の位置情報、すなわち位相情報を基準にして三相−二相変換、回転座標変換するｄｑ変換部である。

８は、ｄｑ変換部６で変換されたｄ−ｑ軸電流が速度制御部４から出力される電流指令値となるように制御しｄ−ｑ軸電圧指令値を出力する電流制御部である。

９は、電流制御部８から出力されたｄ−ｑ軸電圧指令値を、回転子位置検出器２で得られた回転子の位置情報、すなわち位相情報を基準にして二相−三相変換し、三相各相の電圧指令を出力する三相変換部である。

１０は、例えば三相ブリッジ接続された半導体スイッチング素子を有し、三相変換部９の電圧指令に基づいてモータ１に三相交流電力を供給する電力変換器（インバータ）であり、図示省略のＰＷＭ変調部で前記三相変換部９の電圧指令をＰＷＭ変調して生成された制御信号（半導体スイッチング素子のゲート信号）によって制御される。

上記のように、位置・速度センサ（回転子位置検出器２）付きのベクトル制御を行う場合には、センサの位置・速度情報を使用して速度制御及び電流制御を行っている。

三相−二相変換および回転座標変換がなされるベクトル制御における、ＵＶＷ三相座標系、αβ固定座標系、ｄｑ回転座標系は、図５のように定義される。すなわち、三相電流ＵＶＷの各軸は三相−二相変換によってαβ軸に変換され、回転座標変換によってｄ−ｑ軸に変換される。ｄ−ｑ軸は各々直流量となる。

定常速度ではｄ−ｑ軸は各々一定値となるが、速度指令を変更すると、その速度指令値でのｄ−ｑ軸値のような値に移行する。この移行する間は、ｄ−ｑ軸値は過渡的状態で振動成分を持つ。

ｄｑ変換部６において、ｕｖｗ→ｄｑ変換をした後ｄ−ｑ座標軸は任意に定義することができるが、一般的にはモータのトルクを制御しやすくするためにｄ軸をモータの磁束と一致するように制御する。制御する為の座標を回転座標系で定義したときには、例えばロータリーエンコーダ（回転子位置検出器２）から得られた回転子の位置情報、すなわち位相情報を基準に座標変換を行う。ｄ−ｑ軸は、同期電動機の場合には回転周波数に同期し、誘導電動機（ＩＭ）の場合には一次巻線側の周波数に同期して回転する。ｄ−ｑ軸上の座標変換した電流値は直流量となる。

前記回転子位置検出器２は、例えば図６に示すロータリーエンコーダ（アブソリュート・エンコーダ）が用いられる。図６において、６０は、回転軸６１によって回転自在に設けられた回転円板であり、この回転円板６０には複数トラックのディスクトラックＤ₁〜Ｄ_n（図示では２トラック分のみ表示している）が形成されている。

回転円板６０の上方位置にはレンズ６２を介して光源６３が設けられ、下方位置には複数の固定スリットを有する固定スリット板６４を介して受光素子６５が配設されている。

光源６３の光は、レンズ６２、ディスクトラックＤ₁〜Ｄ_nおよび固定スリット板６４を介して受光素子６５で受光され、各受光素子６５の出力信号により所定ビット構成のアブソリュート位置信号を得ている。

尚、本発明に関連する電機機器の異常及び劣化診断装置は、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。

特開２００３−１５６５４７号公報

図４のように、回転子位置検出器２の検出情報（位置・速度情報）を使用して速度制御及び電流制御を行う装置においては、回転子位置検出器２の検出情報が誤っている場合には速度制御および電流制御も適切に行うことができない。このため、急な速度変動もしくは負荷変動が起きた場合には過電流故障や過速度故障が発生してしまい装置が壊れてしまう可能性がある。

さらに、回転子位置検出器２の位置・速度情報が振動してしまっている場合には出力電流に高調波成分が含まれ損失が増加する。永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）の場合には増加した損失が熱となり回転子磁石の温度が上昇し減磁する恐れがある。

例えば、回転子位置検出器２として図６のロータリーエンコーダが採用されている図４の制御装置において、ロータリーエンコーダが取り付け不具合を起こし、モータ２のカップリング異常となった場合、ロータリーエンコーダの出力信号が振動する場合がある。

図６に示すように、回転軸６１に取り付けられている回転円板６０は可動部であり、その他の構成部品は固定されているため、ロータリーエンコーダ自体に機械的振動を受けると、本来あるべき固定された光源６３、レンズ６２、固定スリット板６４、受光素子６５の位置関係にブレが生じるので、ロータリーエンコーダの出力に位相のブレが生じる。このため、ｄｑ変換部６に入力される位相信号にもブレが生じる。このため、座標変換に使用する位相情報が振動する為、ｄ−ｑ軸上の電流も振動する。この振動成分は高調波成分となり、モータの損失が増加する。

永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）の場合、損失が増加すると回転子磁石の温度が上昇し減磁する恐れがある。誘導電動機（ＩＭ）の場合にも、絶縁物の劣化による短絡や、何らかの物質の焼損の恐れがある。また、制御性能も劣化する為、急な速度変動もしくは負荷変動が起きた場合には過電流故障や過速度故障が発生してしまい、装置が壊れてしまう可能性がある。現状では、これらを防止するため、ロータリーエンコーダの種類を問わずにエンコーダ情報により故障などの異常がないかどうかの判定を行う機能がない。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、機械的振動、例えば電動機への取り付け不具合により発生した振動によって回転子位置検出器の情報が異常となっていることを確実に判定することができる電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置は、電動機に取り付けられた回転子位置検出器の検出情報に基づいて電動機を制御する電動機制御装置において、
電動機の三相検出電流をｄ−ｑ軸に変換して得られたｄ軸電流から、ｄ軸電流の振動成分を抽出する振動成分抽出部と、
前記振動成分抽出部によって抽出されたｄ軸電流の振動成分が機械的要因で起こる振動であるか否かを判定し、機械的要因で起こる振動である場合に、その振動成分が設定時間以上継続したときに、回転子位置検出器の検出情報が異常であると判定する回転子位置検出器情報異常判定部と、を備え、
前記回転子位置検出器情報異常判定部は、
前記ｄ軸電流の振動成分の実効値を演算する実効値演算部と、
機械的要因で起こる振動以外のノイズに相当する電流値に設定した第１の判定値と前記演算された実効値とを比較する第１の比較部と、
第１の比較部の比較結果が、第１の判定値よりも実効値の方が大であるときの時間をカウントするカウンタと、
交流成分発生の許容時間に設定された第２の判定値と前記カウンタのカウント時間とを比較する第２の比較部とを備え、
第２の比較部の比較結果が、第２の判定値よりもカウンタのカウント時間の方が大であるときに、回転子位置検出器の検出情報が異常であると判定する。

上記構成によれば、電動機の検出電流をｄ−ｑ軸に変換して得たｄ軸電流の振動成分に基づいて異常判定を行っているので、機械的振動、例えば電動機への取り付け不具合により発生した振動によって回転子位置検出器の情報が異常となっていることを確実に判定することができる。
また、第１の比較部を設けたので、機械的要因で起こる振動以外のノイズによって誤判定してしまうことを防ぐことができる。
また第２の比較部を設けたので、交流成分発生の許容時間内に発生した交流成分、例えば電動機で過渡的な速度変動が生じたときに発生する高周波電流成分によって誤判定してしまうことを防ぐことができる。

また、請求項２に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置は、請求項１において、前記電動機制御装置は、
回転子位置検出器の検出情報によって速度を制御する速度制御系と、
回転子位置検出器の検出情報を基準として電動機の三相検出電流をｄ−ｑ軸に変換する座標変換部の出力によって電流を制御する電流制御系と、を備えている。

上記構成によれば、回転子位置検出器が出力する異常な検出情報によって速度制御および電流制御がなされて、過速度故障や過電流故障が発生することを防ぐことができる。

また、請求項３に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置は、請求項１又は２において、前記振動成分抽出部は、ハイパスフィルタを備えている。

また、請求項４に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置は、請求項１又は２において、前記振動成分抽出部は、機械的振動に相当する周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを備えている。

（１）請求項１〜４に記載の発明によれば、電動機の検出電流をｄ−ｑ軸に変換して得たｄ軸電流の振動成分に基づいて異常判定を行っているので、機械的振動、例えば電動機への取り付け不具合により発生した振動によって回転子位置検出器の情報が異常となっていることを確実に判定することができる。
また、機械的要因で起こる振動以外のノイズ、および交流成分発生の許容時間内に発生した交流成分による誤判定を防ぎ、判定精度を向上させることができる。
（２）請求項２に記載の発明によれば、回転子位置検出器が出力する異常な検出情報によって速度制御および電流制御がなされて、過速度故障や過電流故障が発生することを防ぐことができる。

本発明の実施形態例の構成を示すブロック図。 本発明の実施例１における要部詳細を示すブロック図。 本発明の実施例２における要部詳細を示すブロック図。 本発明が適用される電動機制御装置の一例を示すブロック図。 ベクトル制御における制御座標軸の定義を示す説明図。 本発明が適用されるアブソリュート・エンコーダの構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１は本実施形態例の構成を示し、図４と同一部分は同一符号をもって示している。

図１において図４と異なる点は、ｄｑ変換部６によって変換されたｄ−ｑ軸電流のうちｄ軸電流から、ｄ軸電流の振動成分（交流成分）、すなわち高調波を抽出する高調波検出部１１（振動成分抽出部）と、前記高調波検出部１１によって抽出されたｄ軸電流の振動成分が機械的要因で起こる振動であるか否かを判定し、機械的要因で起こる振動である場合に、その振動成分が設定時間以上継続したときに、回転子位置検出器２の検出情報が異常であると判定するエンコーダ情報異常判定部１２（回転子位置検出器情報異常判定部）と、を設けた点にあり、その他の部分は図１と同一に構成されている。

尚、回転子位置検出器２には、例えば図６に示すロータリーエンコーダが用いられ、以下の説明では、回転子位置検出器を単にエンコーダと称することもある。

モータ１に流れる電流を変流器７（電流センサ）によって検出して得られた電流を、ｄｑ変換部６によって三相−二相変換、回転座標変換した後の電流情報には、ｄ軸電流検出値（Ｉｄ）とｑ軸電流検出値の２成分がある。本実施形態例では、図１のようにｄ軸電流検出値の情報よりエンコーダ情報の正誤判定を行うように構成した。

ｄｑ変換部６によって回転座標変換した後のｄ軸電流検出値（Ｉｄ）は直流量となり、通常は振動することはない。このため高調波検出部１１によってｄ軸電流の振動成分（Ｉｄ＿ｈ）を抽出し、その振動成分が機械的要因で起こる振動であるか否かをエンコーダ情報異常判定部１２によって判定することで、エンコーダ情報の正誤判定を行い、誤りである場合に、異常であると判定する。

前記高調波検出部１１およびエンコーダ情報異常判定部１２は、以下の実施例１、実施例２で詳細に説明する。

図２は、図１における高調波検出部１１およびエンコーダ情報異常判定部１２の詳細な構成を示している。１１ａは、ｄ軸電流検出値Ｉｄに対して高帯域通過処理を行ってｄ軸電流の振動成分Ｉｄ＿ｈを抽出するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を備えた高調波検出部である。

高調波検出部１１ａの出力であるｄ軸電流の振動成分Ｉｄ＿ｈは、交流成分の波形となり、エンコーダ情報異常判定部１２の実効値演算（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ；ＲＭＳ）部２１に入力される。実効値演算部２１は、振動成分Ｉｄ＿ｈの実効値演算を行い、実効値成分を取り出す。

２２は、実効値演算部２１から出力される実効値成分とノイズによる誤判定を防止するための第１の判定値（判定値１）とを比較し、実効値の方が大きいときに「１」を出力する第１の比較部である。尚、第１の比較部２２は、第１の判定値の方が大きいときは「０」を出力する。

前記第１の判定値は、定格電流値に対して例えば５％ぐらいの振幅の値を設定する。すなわち、ｄ軸電流の高調波成分は、基本的に速度センサ（エンコーダ；回転子位置検出器２）と電流センサ（変流器７）の振動成分によるもの以外は発生しない。

そこで、機械的要因で起こる振動成分以外のノイズによる誤検出、誤判定を防止するため、第１の判定値を定格電流値の５％程度に設定すればよい。これによって判定精度が向上する。

第１の比較部２２の出力はアップカウンタ２３（カウンタ）に入力され、アップカウンタ２３では、第１の比較部２２が「１」を出力した（高調波が発生した）場合にその状態が継続する時間を演算（カウント）する。

２４は、アップカウンタ２３から出力されるカウント時間と、許容時間内に発生した交流成分による誤判定を防止するための第２の判定値（判定値２）とを比較し、カウント時間の方が大である（高調波発生継続時間が許容時間を超えた）場合に「１」を出力し、エンコーダ情報が異常であると判定する第２の比較部である。尚、第２の比較部２４は第２の判定値の方が大のときは「０」を出力する。

前記第２の判定値は、分単位の値を設定する。すなわち、例えばモータ１で過渡的な速度変動が生じた際には高周波の電流成分が発生するが、モータの電気時定数は分単位と長いことはない。したがって、第２の判定値を分単位に設定することにより、前記モータの過渡的な速度変動によって誤判定することはなく、エンコーダ（回転子位置検出器２）の機械的な取り付け異常による振動であることを判断することができる。これによって判定精度が向上する。

前記エンコーダ情報の異常が判定された場合は、例えばモータ１を停止させるなどの処置を行うことができる。

本実施例１によれば、回転子位置検出器２が出力する異常な検出情報によって速度制御および電流制御がなされて、過速度故障や過電流故障が発生することを防ぐことができる。

高調波検出部１１の出力であるｄ軸電流の振動成分Ｉｄ＿ｈは、ノイズのような交流成分ではなくモータの出力周波数成分に近い帯域の周波数となる。すなわち、機械的な要因で起こる振動はノイズのような高周波の成分となることはない。

そこで本実施例２では、実施例１（図２）の高調波検出部１１ａに代えて、図３に示すように、低周波の領域に関してはｄ軸電流の振動成分を取り出し、高周波の領域に関してはノイズのような帯域をカットする通過帯域を持つバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を備えた高調波検出部１１ｂを採用した。図３において、エンコーダ情報異常判定部１２は図２と同一に構成されている。

図３の構成においても、前記図２と同様の動作となり、モータ１の三相検出電流をｄ−ｑ軸に変換して得られたｄ軸電流（Ｉｄ）から、ｄ軸電流の振動成分（Ｉｄ＿ｈ）が抽出され、前記振動成分が機械的要因で起こる振動であるか否かが判定され、機械的要因で起こる振動である場合の振動成分継続時間が許容時間を超えた場合に、エンコーダ（回転子位置検出器２）の検出情報が異常であると判定することができる。

以上のように本実施形態例によれば、エンコーダ取り付け異常を監視し、異常判定結果に基づいてモータ制御を適切に行うことができる。

また、エンコーダの取り付け異常が発生すると、モータの損失が増加する。永久磁石同期電動機（ＰＭ）の場合、損失が増加すると回転子磁石の温度が上昇し減磁する恐れがあり、誘導電動機（ＩＭ）の場合にも絶縁物の劣化による短絡や、何らかの物質の焼損の恐れがあるが、本実施形態例によればそれらから電動機を保護することができる。

尚、本発明は図１に示す電動機制御装置に限らず、他の構成の電動機制御装置に適用することも可能であり、その場合も前記と同様の作用、効果を奏する。

１…モータ
２…回転子位置検出器
３…速度演算部
４…速度制御部
５…速度指令部
６…ｄｑ変換部
７…変流器
８…電流制御部
９…三相変換部
１０…電力変換器
１１，１１ａ，１１ｂ…高調波検出部
１２…エンコーダ情報異常判定部
２１…実効値演算部
２２…第１の比較部
２３…アップカウンタ
２４…第２の比較部
６０…回転円板
６１…回転軸
６２…レンズ
６３…光源
６４…固定スリット板
６５…受光素子
Ｄ₁〜Ｄ_n…ディスクトラック

Claims (4)

1. 電動機に取り付けられた回転子位置検出器の検出情報に基づいて電動機を制御する電動機制御装置において、
   電動機の三相検出電流をｄ−ｑ軸に変換して得られたｄ軸電流から、ｄ軸電流の振動成分を抽出する振動成分抽出部と、
   前記振動成分抽出部によって抽出されたｄ軸電流の振動成分が機械的要因で起こる振動であるか否かを判定し、機械的要因で起こる振動である場合に、その振動成分が設定時間以上継続したときに、回転子位置検出器の検出情報が異常であると判定する回転子位置検出器情報異常判定部と、を備え、
   前記回転子位置検出器情報異常判定部は、
   前記ｄ軸電流の振動成分の実効値を演算する実効値演算部と、
   機械的要因で起こる振動以外のノイズに相当する電流値に設定した第１の判定値と前記演算された実効値とを比較する第１の比較部と、
   第１の比較部の比較結果が、第１の判定値よりも実効値の方が大であるときの時間をカウントするカウンタと、
   交流成分発生の許容時間に設定された第２の判定値と前記カウンタのカウント時間とを比較する第２の比較部とを備え、
   第２の比較部の比較結果が、第２の判定値よりもカウンタのカウント時間の方が大であるときに、回転子位置検出器の検出情報が異常であると判定する電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置。
2. 前記電動機制御装置は、
   回転子位置検出器の検出情報によって速度を制御する速度制御系と、
   回転子位置検出器の検出情報を基準として電動機の三相検出電流をｄ−ｑ軸に変換する座標変換部の出力によって電流を制御する電流制御系と、
   を備えている請求項１に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置。
3. 前記振動成分抽出部は、ハイパスフィルタを備えている請求項１又は２に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置。
4. 前記振動成分抽出部は、機械的振動に相当する周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを備えている請求項１又は２に記載の電動機制御装置の回転子位置検出器異常判定装置。

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