JP6313463B2 - 電力変換装置、電力変換方法および電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、モータ等を駆動制御するための電力変換装置、電力変換方法および電力変換システムに関するものである。

従来、モータの速度を制御する電力変換装置と、緊急停止などの安全機能を実行する安全モジュールとを一体にした電力変換システムが提案されている（例えば特許文献１）。

特開２０１１−２２９３５９号公報

特許文献１に記載のシステムでは、安全機能を実行するためには、必ず安全モジュールが必要である。しかし、安全モジュールは、安全機能を実現するために部品コストや開発コストが大きく、製品価格が高くなってしまうという問題がある。

特に、機能安全規格ＩＥＣ６１５０８の認証を取得するためには、装置を構成する部品として長寿命の部品を採用したり、部品を冗長化して装置の故障率を低減することが必要となる。更に、ソフトウェアを用いて安全機能を実現する場合は、ソフトウェアのバグの入り込みを防ぐために、開発計画から仕様策定、実装、テスト、運用に至る開発プロセスを徹底的に管理して行う。そのため、開発コストが増大してしまう。インバータやサーボなどのモータ制御装置を対象とした機能安全規格ＩＥＣ６１８００−５−２には、モータへのトルクを遮断する機能（ＳＴＯ：Ｓａｆｅ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆｆ）や、モータを減速停止させてからＳＴＯを実行する機能（ＳＳ１：Ｓａｆｅ ｓｔｏｐ １）など様々な安全機能が規定されている。一般的に、ＳＴＯはハードウェアのみでの実現が可能であるが、ＳＳ１を実現するためにはソフトウェア制御が必要になる。その結果、開発コストが増大してしまう。

そこで、本発明では、電力変換装置本体でも安全機能を実行でき、さらに安全モジュールを電力変換装置本体に取り付けることで安全機能を拡張できる電力変換装置を提供することを目的とする。

直流を交流に変換するインバータ部を有し、モータを可変速制御する電力変換装置であって、前記インバータ部を駆動するゲート駆動部と、前記ゲート駆動部を制御する制御部と、安全機能を実行する安全機能部と、を備え、前記制御部と前記安全機能部とを分離独立に構成することにより実現する。

本発明によれば、電力変換装置本体でも安全機能を実行でき、さらに安全モジュールを電力変換装置本体に取り付けることで安全機能が拡張できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

実施例１に係る電力変換装置で動作させる場合の機能的構成の例を示すブロック図である。 実施例１に係る安全機能部と接続して動作させる場合の機能的構成を示すブロック図の例である。 実施例１に係る電力変換装置の構成およびデータの流れを示す図の例である。 実施例１に係る電力変換装置が緊急停止をする際のデータの流れを示す図の例である。 実施例１に係る電力変換装置に含まれる駆動部の構成を示す図の例である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の構成および接続時のデータの流れを示す図の例である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の構成および緊急停止信号受信時のデータの流れを示す図の例である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の構成およびモータ減速時のデータの流れを示す図の例である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の構成およびモータを停止させる時のデータの流れを示す図の例である。 実施例１に係る安全機能実行部の構成を示す図の例である。 実施例１に係る処理のフローチャートの例である。 実施例１に係るＳＴＯ判定処理のフローチャートの例である。 実施例１に係るＳＳ１動作を説明する図である。 実施例１に係るＳＬＳ動作を説明する図である。 実施例１に係るＳＳＭ動作を説明する図である。 実施例１に係る電力変換装置に搭載された操作部、表示部の表示例を示した図である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の接続処理を説明するフローチャートの例である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の電源を入れてからモータの運転を開始するまでのフローチャートの例である。 実施例１に係る電力変換装置がモータ運転中に安全機能部が接続又は接続解除された場合のフローチャートの例である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部を接続しない状態の回路図である。 実施例１に係る電力変換装置と安全機能部が接続された状態の回路図である。 実施例１に係るオプション接続部と本体接続部が接続されていない状態の回路図である。

図１（ａ）は、実施例１に係る電力変換装置で動作させる場合の機能的構成の例を示すブロック図である。

なお、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。また、以下に説明する各実施例は図示例に限定されるものではない。

図１（ａ）は、電力変換装置１０と緊急停止部３０とモータ４０と負荷機械５０から構成される。

モータ４０は、電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換する機器であり、例えば、３相交流モータなどである。

負荷機械５０は、例えばエレベータや工作機械等の産業機械の構成要素で、モータ４０に接続されて駆動される。

緊急停止部３０は、負荷機械５０を安全な状態にするための緊急停止信号を出力するものである。例えば、負荷機械５０に携わる作業員などによって押下されて緊急停止信号を出力する緊急停止スイッチや、あるいは負荷機械５０に人が近づいたり進入禁止のドアが開いたりしたことを検知して緊急停止信号を出力するライトカーテンやセーフティドアロックなどである。また、これら複数の装置と接続されて使用され、装置から緊急事態の通知を受けたら、緊急停止信号を出力するセーフティリレーやセーフティＰＬＣなどでも良い。緊急停止信号は国際規格ＩＥＣ６１８００−５−２で定められている安全機能の実行を要求する安全要求信号の一つである。

電力変換装置１０は、モータ４０を駆動制御するものである。その詳細な構成については後述する。電力変換装置１０は、緊急停止部３０から緊急停止信号を受信した場合、モータ４０を停止する。

図１（ｂ）は、実施例１に係る安全機能部と接続して動作させる場合の機能的構成を示すブロック図の例である。

安全機能部２０は、電力変換装置１０と接続されて動作し、モータ４０の緊急停止だけでなく、モータ４０を減速して停止したり一定速度に保ったりする安全機能を実行するように電力変換装置１０に制御信号を出す。その詳細な構成については後述する。

このように、電力変換装置１０はそれ単体でもモータ４０の制御及び安全機能を実行でき、更に安全機能部２０を接続すれば、より高度な安全機能が実行できるようになる。

図２は、実施例１に係る電力変換装置の構成およびデータの流れを示す図の例である。図２では、運転管理１０１が持つ動作パターンによりモータ４０を駆動する通常状態における、信号の流れを矢印で示す。

電力変換装置１０は、運転管理部１０１、本体制御部１０２、駆動部１０３、電流検出器１０４、ＳＴＯ信号受信部１０５および１０６、ＳＴＯ自己診断１０７、オプション接続部１０８、１０９、通信部１１０、表示部１１１等から構成される。

運転管理部１０１は、本体制御部１０２に速度指示を出してモータの駆動制御をする。例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とＣＰＵ上で動作するプログラムで構成される。また、表示部１１１に電力変換装置１０の状態を通知するように指示を出したり、外部機器と通信をする際に通信部１１０に対して通信の指示を出したりする。

本体制御部１０２は、駆動部１０３にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を出力する。例えば、ＣＰＵ上で動作するプログラムである。

駆動部１０３は、モータ４０にトルクを与えるための電力を供給するものであり、その詳細な構成は図４を用いて説明する。

電流検出器１０４は、駆動部１０３からモータ４０に供給される電流を測定するものであり、例えばホール素子で構成される。

ＳＴＯ信号受信部１０５は、緊急停止信号を受信するための端子であり、緊急停止部から出力される緊急停止信号を駆動部１０３に送信する。ＳＴＯ信号受信部１０６も同様に構成される。

ＳＴＯ自己診断部１０７は、ＳＴＯ信号受信部１０５から駆動部１０３までの間を信号が伝達されるかどうかを診断する。所定の時間間隔でテストパルスを送信し、駆動部１０３に信号が到達したかどうかを検出する。もし信号が届かなかった場合はエラー発生を運転管理部１０１に通知する。

オプション接続部１０８は、安全機能部２０と接続するための端子である。安全機能部２０と接続された際に、接続完了信号を出力し、安全機能部２０と分離された際に、接続解除信号を出力する。例えば、具体的には、接続完了信号を出力するとは、オプション接続部１０８の端子の電圧が高くなった状態（例えば２４Ｖ等になった状態）になるということであり、接続解除信号を出力するとは、端子の電圧が低くなった状態（例えば０Ｖ等になった状態）になるということである。電力変換装置１０の電源が入った状態において、運転管理部１０１はオプション接続部１０８の端子電圧を取得することで、安全機能部２０と接続されているかどうかを判断できる。

オプション接続部１０９もオプション接続部１０８と同様である。

モータ４０を通常運転する際は、まず運転管理部１０１が目標速度を本体制御部１０２に送信し、本体制御部１０２が目標速度に合わせてＰＷＭ制御信号を駆動部１０３に出力する。そして、駆動部１０３は、モータ４０にトルクを発生させるためのＰＷＭ制御された電圧を供給し、モータ４０が駆動される。この状態において、モータ４０に供給される電流を電流検出器１０４が測定し、本体制御部１０２に出力する。本体制御部１０２は電流検出器１０４から取得した電流を用いてＰＷＭ制御を行う。

図３は、実施例１に係る電力変換装置が緊急停止をする際のデータの流れを示す図の例である。図３を用いて、処理の流れを説明する。

まず、緊急停止部３０が緊急停止信号をＳＴＯ信号受信部に出力する。次に、緊急停止信号を受けたＳＴＯ信号受信部は駆動部１０３に緊急停止信号を出力する。そして、緊急停止信号を受けた駆動部１０３は、図４に示すゲート駆動部１０３５によってＰＷＭ制御信号を遮断する。

これにより、モータ４０への給電を遮断することができる。

図４は実施例１に係る電力変換装置に含まれる駆動部の構成を示す図の例である。図４を用いて、モータ４０の駆動と緊急停止の仕組みを説明する。

駆動部１０３は、ゲート駆動部１０３５、整流回路部１０３２、直流平滑回路部１０３３、インバータ部１０３４から構成される。

整流回路部１０３２は、例えばダイオードブリッジで構成され、外部の交流電源６０から供給される交流電圧を直流電圧に変換する。

直流平滑回路部１０３３は、例えばコンデンサで構成され、整流回路部１０３２で変換された直流電圧を平滑化する。

インバータ部１０３４は、例えば６つのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成され、直流平滑回路部１０３３で平滑化された直流電圧を交流電圧に変換する。

ゲート駆動部１０３５は、例えばゲートドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）で構成され、インバータ部１０３４のＩＧＢＴを駆動する。

本体制御部１０２は、ＰＷＭ制御信号をゲート駆動部１０３５に出力し、ゲート駆動部１０３５は受信したＰＷＭ制御信号をインバータ部１０３４に出力する。インバータ部１０３４は、受信したＰＷＭ制御信号を用いてＰＷＭ制御された交流電圧を生成し、モータ４０に供給する。これにより、モータ４０の駆動制御が可能となる。

また、ゲート駆動部１０３５はＳＴＯ信号受信部１０５、１０６から緊急停止信号を受信する。緊急停止信号を受信したゲート駆動部１０３５は、インバータ部１０３４に供給するＰＷＭ制御信号を遮断する。これにより、インバータ部１０３４がモータ４０に供給する電圧のＰＷＭ制御も遮断され、モータ４０のトルクが発生しなくなる。

このようにして、駆動部１０３はモータ４０へのトルク供給を止め、モータ４０を停止させる。

図５は実施例１に係る電力変換装置と安全機能部の構成および接続時のデータの流れを示す図の例である。

安全機能部２０は、通信部２１０、制御部２１１、２２１、安全機能実行部２１２、２２２、ＭＣＵ自己診断部２１３、２２３、減速指示部２１４、２２４、本体接続部２０８、２０９、ＳＴＯ自己診断部２０７から構成される。

通信部２１０は、安全機能部２０が他の情報処理装置とデータのやり取りを行う。電力変換装置１０と情報のやり取りを行う場合にも利用する。また、安全機能部２０がインターネットや他の情報処理装置などにアクセスするための通信処理等も行う。また、通信部２１０は１つのみを使用する場合に限らず、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、無線ＬＡＮ、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：登録商標）等の複数の通信方式を利用可能にするために複数備えても良い。また、通信部２１０および通信部１１０は、二重化しても良い。二重化することにより、どちらか一方の通信部が故障したとしても、もう一方の通信部を使用して通信が行われるため、装置の安全性が向上する。

制御部２１１は、例えばＣＰＵで構成され、データの管理や計算、送受信などの処理を行う。制御部２２１も同様である。

安全機能実行部２１２は、モータ４０の速度を監視したり緊急停止部からの停止信号を受け付けてＳＴＯ実行信号を出力したりする。詳細な構成は図９を用いて説明する。安全機能部２２２も同様である。

ＭＣＵ自己診断部２１３は、制御部２１１が正常に動作しているか否かを診断する。例えば、ウォッチドッグタイマーを用いて制御部２１１上で実行されるプログラムがハングアップしていないかどうかを定期的に確認する。ＭＣＵ自己診断部２２３も同様である。

減速指示部２１４は、安全機能実行部２１２から緊急停止信号を受信したら、電力変換装置１０に対して減速指示信号を出力する。減速指示部２２４も同様である。

本体接続部２０８は、電力変換装置１０と接続するための端子である。本体接続部２０９も同様である。

ＳＴＯ自己診断部２０７は、安全機能実行部２１２から駆動部１０３までの間を信号が伝達されるかどうかを診断する。所定の時間間隔でテストパルスを送信し、駆動部１０３に信号が到達したかどうかを検出する。もし信号が届かなかった場合はエラー発生を運転管理部１０１に通知する。

図５は、電力変換装置１０と安全機能部２０を接続した際の信号の流れを矢印で示しており、この図を用いて接続処理時のデータの流れを説明する。

まず、電力変換装置１０のオプション接続部１０８と、安全機能部２０の本体接続部２０８が接続されると、オプション接続部１０８と本体接続部２０８はそれぞれ接続完了信号を出力する。また、オプション接続部１０９と本体接続部２０９も同様にそれぞれ接続完了信号を出力する。オプション接続部１０８および１０９から出力された接続完了信号は、運転管理部１０１に送信される。さらに、通信部１１０、通信部２１０を経由して、制御部２１１に接続完了信号が送信される。また、本体接続部２０８および２０９から出力された接続完了信号は、制御部２１１に送信される。さらに、通信部２１０、通信部１１０を経由して、運転管理部１０１に送信される。このようにして、電力変換装置１０と安全機能部２０から出力された接続完了信号がお互いに交換され、合計４つの接続完了信号が出力されることになる。

これらの接続完了信号は、運転管理部１０１および制御部２１１で受信される。全ての接続完了信号を受信できた場合は正常に接続が完了したと判断して、表示部１１１に安全機能部が正常に接続されたことを示すメッセージを表示する。もし、全ての接続完了信号が受信できなかった場合は接続エラーと判断し、接続エラーを示す表示をする。

図１９を用いて、オプション接続部と本体接続部の詳細について説明する。

図１９（ａ）は、電力変換装置１０と安全機能部２０を接続しない状態の回路図を示している。オプション接続部１０８、１０９は安全機能部２０と接続されていない。この状態で電力変換装置１０の電源を入れても、オプション接続部１０８、１０９の端子の電圧は低い状態（例えば、０Ｖ）である。すなわち、オプション接続部１０８、１０９から接続解除信号が出力され、運転管理部１０１がそれを受信する。

図１９（ｂ）は、電力変換装置１０と安全機能部２０が接続された状態の回路図を示している。端子１３０は電力変換装置１０から安全機能部２０に電圧を供給するための端子である。端子１３０は安全機能部２０の端子２３０に接続される。安全機能部２０の内部において、端子２３０と本体接続部２０８、２０９は電気的につながっている。そのため、オプション接続部１０８、１０９と本体接続部２０８、２０９が接続された状態で、電力変換装置１０の電源を入れると、オプション接続部１０８、１０９および本体接続部２０８、２０９の電圧が高くなる（例えば、２４Ｖになる）。すなわち、接続完了信号が出力される。

なお、端子１３０とオプション接続部１０８の端子、オプション接続部１０９の端子は、まとめて一つのコネクタとして構成しても良い。

図１９（ｃ）は、電力変換装置１０と安全機能部２０が接続された状態だが、オプション接続部１０８と本体接続部２０８は、接触不良などにより接続されていない状態の回路図を示している。この状態では、電力変換装置１０の電源を入れると、オプション接続部１０９と本体接続部２０９の電圧は高くなる（例えば、２４Ｖになる）が、オプション接続部１０８と本体接続部２０８の電圧は低い状態（例えば、０Ｖ）である。すなわち、オプション接続部１０９と本体接続部２０９からは接続完了信号が出力され、オプション接続部１０８と本体接続部２０８からは接続解除信号が出力される。

このように、オプション接続部および本体接続部の電圧を取得することで接続状態が分かるため、接続状態の変化をすぐに知ることができる。それにより、故障と判断した場合はすぐにモータを停止させ、安全を確保することができる。

なお、電力変換装置１０に接続用スイッチボタンを備えつけても良い。接続用スイッチボタンは、安全機能部２０が接続されているかどうかを示すボタンである。例えば、安全機能部２０を接続させた場合に、ユーザがこの接続用スイッチボタンを押して接続中であることを明示的に電力変換装置１０に通知する。これにより、電力変換装置１０は確実に接続状態を知ることができ、安全を担保できる。

また、電力変換装置１０は、接続状態を運転管理部１０１などに記憶させておいても良い。これにより、運転管理部１０は接続状態を確認する際に、オプション接続部１０８、１０９から出力される接続完了信号または接続解除信号の他にも、運転管理部１０１が記憶している接続情報を用いて接続状態を確認できるため、より安全が担保できる。

図１６を用いて、電力変換装置１０と安全機能部２０の接続判定処理フローの詳細を説明する。

まず、オプション接続部と本体接続部が接続されている場合は（ステップＳ３０１；Ｙｅｓ）、オプション接続部１０８、１０９が接続完了信号を出力し（ステップＳ３０２）、本体接続部２０８、２０９も接続完了信号を出力する（ステップＳ３０３）。ここで、オプション接続部もしくは本体接続部が正常に動作すれば４つの接続完了信号が出力されるが、いずれかが故障している場合は接続完了信号が４つは出力されない。また、オプション接続部と本体接続部が接続されていない場合は（ステップＳ３０１；Ｎｏ）、オプション接続部１０８、１０９が接続解除信号を出力し（ステップＳ３０４）、本体接続部２０８、２０９も接続解除信号を出力する（ステップＳ３０５）。

そして、オプション接続部および本体接続部から出力された接続完了信号または接続解除信号を、運転管理部１０１が受信する（ステップＳ３０６）。

次に、タイマーが起動済みかどうかを確認し（ステップＳ３０７）、タイマーが起動していない場合は（ステップＳ３０７；Ｎｏ）、タイマーを起動する（ステップＳ３０８）。このタイマーは、運転管理部が所定の時間内に全ての接続完了信号を受信できない場合は接続エラーであると判断する際に、時間を計測するために利用する。

そして、運転管理部１０１が接続完了信号または接続解除信号のうちどちらの信号を受信したかを確認し（ステップＳ３０９）、接続完了信号を受信した場合は（ステップＳ３０９；接続完了信号）、接続中状態に遷移する（ステップＳ３１１）。ここで、接続中状態とは、運転管理部１０１が保持する状態の１つであり、接続完了信号が出力されてくるのを待つ状態である。例えば、実行プログラム中に定義された変数（例えば、ｓｔａｔｅ）として状態を保持し、変数ｓｔａｔｅの値が１の場合は接続中状態を示す。接続解除信号を受信した場合は（ステップＳ３０９；接続解除信号）、未接続状態へ遷移する（ステップＳ３１０）。未接続状態とは、電力変換装置１０に安全機能部２０が接続されていないことを示す状態である。接続エラー状態とは異なり、未接続状態でも電力変換装置１０はモータの運転を開始できる。

次に、全ての接続完了信号を受信したかどうかを確認する（ステップＳ３１２）。全ての接続完了信号を受信できた場合は（ステップＳ３１２；Ｙｅｓ）、接続が正常に行われたと判断して、接続完了状態に遷移する（ステップＳ３１７）。もし、まだ全ての接続完了信号を受信できていなかった場合は（ステップＳ３１２；Ｎｏ）、タイマーが満了したかどうかを確認し（ステップＳ３１３）、まだタイマーが満了していなかったら（ステップＳ３１３；Ｎｏ）、ステップＳ３０６に戻って信号を受信する処理を実行する。

全ての接続完了信号を受信できないままタイマーが満了した場合（ステップＳ３１３；Ｙｅｓ）、接続中状態かどうかを確認する（ステップＳ３１４）。もし接続中状態であった場合（ステップＳ３１４；Ｙｅｓ）は、接続エラーと判断して接続エラー状態に遷移する（ステップＳ３１５）。また、もし接続中状態でなかった場合（ステップＳ３１４；Ｎｏ）は、未接続状態を維持する（ステップＳ３１６）。

そして、表示部１１１に接続状態に従った内容を表示する（ステップＳ３１８）。例えば、接続完了状態であれば「正常に接続が完了しました」や、接続エラー状態であれば「接続エラーです」などと表示する。また、ＬＥＤなどを用いて、接続状態を表示してもよい。正常に接続された際に点灯されるＬＥＤと、接続エラーの際に点灯されるＬＥＤを分けても良いし、１つのＬＥＤで接続状態によって点灯する色を変えてユーザに通知するようにしても良い。これにより、ユーザはそのＬＥＤを見れば接続状態が一目で確認でき、より安全性が向上する。

なお、図１６に図示していないが、接続完了信号は制御部２１１でも受信し、運転管理部１０１と同様の処理を実行することによって、接続が正常に行われたかエラーが発生したかを知ることができる。

なお、電力変換装置１０において、オプション接続部１０８、１０９の機能を、ＳＴＯ信号受信部１０５、１０６に持たせても良い。これにより部品の点数が削減でき、コスト削減が可能である。

なお、電力変換装置１０と安全機能部２０の接続は、両者の電源がＯＦＦの状態で行う。そして、接続が完了した後に電源をＯＮにして、その後にユーザが運転スタートボタンを押下することで、モータの運転が開始される。その際に、接続が正常に完了していればモータの運転を開始させても良いが、もし接続エラーが発生している場合は、モータを運転させないことが望ましい。

図１７を用いて、電力変換装置１０と安全機能部２０の電源を入れてから、モータの運転を開始するまでの処理のフローについて説明する。

まず、ユーザによって電力変換装置１０と安全機能部２０の電源がＯＮにされると（ステップＳ４０１）、図１６に記載した接続処理を実行する（ステップＳ４０２）。これにより、前記接続状態が接続完了状態、接続エラー状態、接続中状態、未接続状態のいずれかに遷移する。そして、ユーザによってスタートボタンが押下される（ステップＳ４０３）。次に、運転管理部１０１が接続状態を確認する（ステップＳ４０４）。接続状態が接続完了状態または未接続状態であれば（ステップＳ４０４；「接続完了状態または未接続状態」）、モータの運転開始処理を行う（ステップＳ４０６）。また、接続状態が接続中状態であれば（ステップＳ４０４；「接続中状態」）、接続中である旨を表示部１１１に表示して（ステップＳ４０５）、再びスタートボタン押下の待ち受け状態に戻る。また、接続状態が接続エラー状態であれば（ステップＳ４０４；「接続エラー状態」）、接続エラーである旨を表示部１１１に表示して（ステップＳ４０７）、再びスタートボタン押下の待ち受け状態に戻る。

また、安全機能部２０を接続した状態でモータを運転している際に、何らかの原因で接続が外れた場合は、すぐにモータの運転を停止させることが望ましい。逆に、安全機能部２０を接続しないで電力変換装置１０単体でモータを運転している際に、安全機能部２０が接続された場合は、意図しない接続と判断して、すぐにモータの運転を停止させることが望ましい。

図１８を用いて、モータの運転中に接続解除または接続された場合の電力変換装置１０の処理のフローを説明する。

まず、運転管理部１０１が本体制御部１０２に速度指示を出してモータの駆動制御をする（ステップＳ５００）。

次に、オプション接続部１０８、１０９から、接続が解除されたことを示す接続解除信号または接続されたことを示す接続完了信号が出力されたか否かを確認する（ステップＳ５０１）。もし、信号が出力されなかった場合は（ステップＳ５０１；Ｎｏ）、再びモータ駆動制御を行う（ステップＳ５００）。もし、信号が出力された場合は（ステップＳ５０１；Ｙｅｓ）、接続状態を取得して確認する（ステップＳ５０２）。そして、信号の種類と接続状態との組合せにより、実行する処理内容を決める（ステップＳ５０３）。

例えば、接続完了状態で接続解除信号が出力された場合は、安全機能部２０が取外されたか接続不良が発生したか誤動作と判断し、モータを安全な状態にしなくてはならない。そのため、モータを安全に停止する旨を表示し、運転管理部が本体制御部へモータを停止するよう指示するＳＴＯを実行する。

また、未接続状態で接続完了信号が出力された場合は、安全機能部２０が取り付けられたと判断し、運転中に安全機能部２０を取り付けてもモータの運転に影響はないが安全機能や安全度は向上しないことをユーザに通知する表示を行う。この場合、ＳＴＯは実行しなくても良い。

また、接続完了状態であるのに接続完了信号が出力された場合、もしくは、未接続状態であるのに接続解除信号が出力された場合は、機器が正常に動作していれば起こり得ない組合せなので、オプション接続部１０８、１０９が故障している可能性があると判断して、故障の可能性をユーザに通知する表示を行い、ＳＴＯを実行する。

このように、オプション接続部１０８、１０９が出力した信号の種類と、接続状態との組合せにより表示部１１１に表示する内容と、ＳＴＯを実行するか否か等を決定する。

そして、ユーザに通知すべき内容があれば表示部１１１にその内容を表示する（ステップＳ５０４）。

その後、ＳＴＯを実行する必要があれば（ステップＳ５０５；Ｙｅｓ）、ＳＴＯを実行し（ステップＳ５０６）、接続エラー状態に遷移する（ステップＳ５０７）。ＳＴＯ実行の必要がなければ（ステップＳ５０５；Ｎｏ）、再びモータ駆動制御を行う（ステップＳ５００）。

次に、図６、図７、図８を用いて緊急停止部から緊急停止信号が出力されてから、駆動部１０３にセーフトルクオフ信号が入力されるまでの動作を説明する。

まず、図６を用いて、緊急停止部から緊急停止信号が出力され電力変換装置に通知する際の処理の流れの概要を説明する。

まず、緊急停止部３０から緊急停止信号が出力されると、当該信号が安全機能実行部２１２、２２２に入り、後述する動作パラメータを付加して減速指示部２１４、２２４に出力される。そして、通信部２１０、１１０を介して運転管理１０１に送信される。

次に、図７を用いて、モータ４０を減速させて安全機能実行部がモータ４０の速度を監視する処理の流れを説明する。

運転管理１０１は減速の指示を受けると、本体制御部１０２に減速度などのパラメータと共に減速の指示を出す。これを受けて本体制御部１０２は、駆動部１０３にＰＷＭ制御信号を出力し、モータ４０を減速する。

そして、本体制御部１０２は電流検出器１０４から出力されるモータ速度を推測するための電流値を取得する。更に、安全機能実行部２１２、２２２も電流検出器１０４から電流値を取得する。この値を用いて、安全機能実行部２１２、２２２はモータ４０の速度監視を開始する。その後、モータ４０の速度が所定の閾値を超過すると、安全機能実行部２１２、２２２は１０５、１０６を経由してセーフトルクオフ信号を駆動部１０３に対して出力する。

図８に示すように、セーフトルクオフ信号は、ＳＴＯ信号受信部１０５、１０６を介して駆動部１０３に入力される。そして、駆動部１０３はモータ４０に発生するトルクをオフにする。

このようにして、緊急停止部から緊急停止信号が出力された際にモータ４０の速度を減速して停止することができ、安全機能が拡張できる。

ここで、図９を用いて、安全機能実行部２１２の詳細な構成について説明する。安全機能実行部２２２も同様の構成である。

安全機能実行部２１２は、ＳＴＯ実行部２１２１、動作パラメータ記憶部２１２２、動作監視部２１２３、モータ速度推測部２１２５、時間監視部２１２６から構成される。

ＳＴＯ実行部２１２１は、電力変換装置のＳＴＯ信号受信部１０５と接続するための端子であり、セーフトルクオフ信号を出力する。

動作パラメータ記憶部２１２２は、減速度や速度の閾値などといった動作パラメータを記憶する。例えば、ＲＡＭなどで構成される。

モータ速度推測部２１２５は、電流検出器１０４が出力する電流値などを基にして、モータ４０の速度を推測する。モータ４０に給電される電流の大きさや周波数からモータ４０に発生するトルクを計算し、モータ４０の回転速度に変換する。なお、モータに付加してモータの回転数を出力するエンコーダを使っても良い。これにより、より正確なモータの速度が分かり、安全機能が向上する。

時間監視部２１２６は、緊急停止信号を受信してからの経過時間を計測する。所定の時間間隔で経過時間を動作監視部２１２３に出力する。

動作監視部２１２３は、モータ４０の速度および経過時間を取得して、所定の閾値に達したか否かを監視する。もし、所定の閾値に達した場合は、セーフトルクオフ信号を出力する。

図１０を用いて、動作監視部２１２３の処理の流れを説明する。

まず、緊急停止部から緊急停止信号が出力され、当該信号を安全機能実行部２１２の動作監視部２１２３が受信すると、動作パラメータ記憶部２１２２から動作パラメータを取得する（ステップＳ１００）。次に、動作監視部２１２３は、取得した動作パラメータを減速指示部２１４に出力する。その後、減速指示部２１４は運転管理１０１から減速開始信号を受信したかどうかを判定する。もし減速開始信号を受信していなかった場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、減速指示信号を再度出力する（ステップＳ１０４）。そして、緊急停止信号を受信してから所定の時間が経過していない場合（ステップＳ１０５；Ｎｏ）、処理は再びステップＳ１０２に戻る。もし、所定の時間が経過していた場合（ステップＳ１０５；Ｙｅｓ）は電力変換装置１０に何かしらのエラーが発生したと判断して、ＳＴＯ信号を出力する（ステップＳ１０６）。

減速指示を出力した後に減速開始信号が受信できた場合は（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、ＳＴＯ判定処理を実行する（ステップＳ１０３）。そして、ＳＴＯ判定処理が終了すると、動作監視部２１２３がＳＴＯ信号を出力する（ステップＳ１０６）。

ここで、図１１を用いて、ＳＴＯ判定処理の詳細な流れを説明する。

ＳＴＯ判定処理は、まず、動作監視部２１２３が動作パラメータ記憶部２１２２から動作パラメータを取得する（ステップＳ２０１）。ここで、動作パラメータとは減速度やセーフトルクオフ信号を出力する閾値となる速度などであり、その詳細については図１２を用いて後述する。

次に、モータの初速度が取得済か否かを確認し（ステップＳ２０２）、取得済みでなかった場合（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、モータの速度を取得して（ステップＳ２０３）、取得した速度をモータの初速度として動作パラメータ記憶部２１２２に記憶する（ステップＳ２０４）。モータの初速度が取得済であった場合（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、そのままモータの速度と時刻を取得し（ステップＳ２０５）、モータ速度の閾値を計算する（ステップＳ２０６）。そして、モータ速度が閾値を超えているか否かを判断し（ステップＳ２０７）、もし閾値を超えていた場合（ステップＳ２０７；Ｙｅｓ）、ＳＴＯ判定処理を終了して、ＳＴＯ信号出力（図１０のステップＳ１０６）を行う。もし閾値を超えていなかった場合（ステップＳ２０７；Ｎｏ）、ステップＳ２０５に戻って処理を実行する。

図１２を用いて、モータを減速して停止させる動作について説明する。なお、この減速停止動作は、機能安全規格ＩＥＣ６１８００−５−２に規定されているＳＳ１（Ｓａｆｅｔｙ Ｓｔｏｐ １）に対応する。

図１２のグラフは縦軸がモータ速度、横軸が時刻を示している。まず、モータが速度Ｖ０で動作中に、時刻Ｔ１に緊急停止信号を受信したら、モータの減速を開始する。そして、速度Ｖ１まで減速したら（時刻Ｔ３）トルクをオフにする。その後、モータは無制御状態となり停止する。

また、減速度に上限と下限を設定してもよい。例えば、点線６０３を上限、点線６０４を下限とする範囲内を許容範囲として、モータの速度がこの範囲内に入っていればそのまま減速を続ける。もし、この範囲をモータの速度が超えた場合は、異常発生と見なしてすぐにトルクをオフにする。線６０２は、モータ４０がなかなか減速しない場合の速度の時間変化を示している。線６０２は、時刻Ｔ２に上限を示す点線６０３と交わる。ここで、異常発生と見なしてトルクをオフにする。

このように、モータの減速をより細かく制御でき、安全性が向上する。

なお、動作パラメータ記憶部２１２２に記憶する動作パラメータの一例としては、モータの初速度Ｖ０、トルクオフを実行する速度Ｖ１、緊急停止信号を受信してからトルクオフを実行するまでの最低経過時間ｄＴ２と標準経過時間ｄＴ３および最大経過時間ｄＴ４、モータの初速度Ｖ０からの速度の上昇分ｄＶ２と下降分ｄＶ１、緊急停止信号を受信してから減速が開始されるまでの最大時間ｄＴ１などである。モータの初速度Ｖ０以外の動作パラメータは、予め外部機器から設定しておく。

図１５は、実施例１に係る電力変換装置に搭載された操作部、表示部の表示例を示した図である。操作部、表示部は、必ずしも電力変換装置に装着されたものに限定される必要はなく、ケーブルなどで電力変換装置から着脱可能な構成のものでもよい。

電力変換装置１０には、運転開始ボタン７０１、運転停止ボタン７０２、表示部７０３、ＯＫボタン７０４、上ボタン７０５、下ボタン７０６などのインタフェースを備えている。

エラー発生時には、表示部７０３にエラーである旨を通知する表示がされる。例えば、エラーの番号“Ｎｏ．００１”や、エラーの内容“Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ”などという内容が表示される。

このように、エラーの内容を表示することで、ユーザはなぜモータ４０が停止したのか、などの理由が分かり、使い勝手が向上する。

国際規格ＩＥＣ６１８００−５−２には、モータ速度が所定の値を超過しないようにする機能（ＳＬＳ：Ｓａｆｅｌｙ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｓｐｅｅｄ）や、モータの速度が所定の値以下であるかどうかを示す安全出力信号を出力する機能（ＳＳＭ：Ｓａｆｅ ｓｐｅｅｄ ｍｏｎｉｔｏｒ）などの安全機能が規定されている。

安全機能の実行を要求する安全要求信号が入力された際に、上記の安全機能が実行できれば、モータをより安全に制御できるようになる。

これらの安全機能を実現するためには、安全機能実行部２１２の動作パラメータ記憶部２１２２に、安全要求信号が入力された際に実行する安全機能の種類を示すパラメータを保持しておく。具体的には、プログラム上の変数を用意しておき、例えば、当該変数の値が１であればＳＳ１を実行し、２であればＳＬＳを実行する、といった制御を安全機能実行部２１２が行う。更に、各安全機能に関する動作パラメータを動作パラメータ記憶部２１２２に保持しておく。

図１３を用いて、ＳＬＳを実行する際の動作を説明する。

図１３のグラフは縦軸がモータ速度、横軸が時刻を示している。速度Ｖ０は、動作中のモータの速度である。また、速度Ｖ１は、モータがこの速度を超過しないようにする制限速度である。

まず、モータが速度Ｖ０で動作中に、時刻Ｔ１にＳＬＳ開始信号を受信すると、モータの減速を開始する。そして、速度Ｖ１まで減速したら、その後は速度Ｖ１を超えないようにモータの速度を監視する。速度Ｖ０から速度Ｖ１に減速する際も、所定の減速度で減速が行われているかどうかを監視する。点線８０３がその許容範囲を示している。モータの速度が、点線８０３より遅ければ正常であると判断する。

線８０１は、モータ４０の速度変化を示している。速度制御が正常に行われ、制限速度Ｖ１を超えないようにモータの速度が制御されている。

線８０２は、モータ４０の速度制御に異常が発生し、制限速度Ｖ１を超えてしまう場合の速度の時間変化を示している。線８０２は、時刻Ｔ４に制限速度Ｖ１を示す点線８０３と交わる。ここで、異常発生と見なして、安全機能実行部２１２はトルクをオフにする信号を電力変換装置１０に送信し、モータを停止させる。

なお、動作パラメータ記憶部２１２２に記憶する動作パラメータとしては、モータの初速度Ｖ０、モータの初速度Ｖ０からの速度の上昇分ｄＶ、ＳＬＳ信号を受信してから減速が開始されるまでの最大時間ｄＴ１、ＳＬＳ信号を受信してから制限速度Ｖ１までモータを減速するまでの最長時間ｄＴ２などである。モータの初速度Ｖ０以外の動作パラメータは、予め外部機器から設定しておく。

図１４を用いて、ＳＳＭを実行する際の動作を説明する。

図１４のグラフは縦軸がモータ速度、横軸が時刻を示している。速度Ｖ０は、動作中のモータの速度である。また、速度Ｖ１は、モータ速度がこの速度以下であれば安全速度信号を出力する閾値である。

ＳＳＭ開始信号を受信すると、安全機能実行部２１２は、モータ４０の速度を受信する。

そして、図１４中の時刻Ｔ１において、モータ４０の速度が速度Ｖ１以下になった場合、安全機能実行部２１２は安全速度信号を出力する。安全速度信号は、通信部２１０および通信部１１０を経由して運転管理部１０１に送信される。安全速度信号を受信した運転管理部１０１は、表示部１１１に安全速度でモータが動作中であることを通知する旨を表示する。例えば、「安全速度の範囲内で動作しています」などと表示する。

また、図１４中の時刻Ｔ２において、モータ４０の速度が速度Ｖ１を超過した場合、安全機能実行部２１２は安全速度超過信号を出力する。安全速度超過信号は、通信部２１０および通信部１１０を経由して運転管理部１０１に送信される。安全速度超過信号を受信した運転管理部１０１は、表示部１１１に、モータの速度が安全速度を超過したことを通知する旨を表示する。例えば、「安全速度を超過しました」などと表示する。

再び、時刻Ｔ３において、モータ４０の速度が速度Ｖ１以下になると、安全速度信号が出力され、表示部１１１に安全速度で動作中の旨が表示される。

このようにして、様々な安全機能が実行できるようになり、モータをより安全に制御できるようになる。

また、電力変換装置１０および安全機能部２０を起動した後に、動作パラメータが未設定の状態だった場合は、動作パラメータが未設定であることをユーザに通知し、デフォルト設定（例えばＳＴＯ）を設定する。

そのためには、安全機能部２０は起動した後に、動作パラメータ記憶部２１２２に記憶されている、実行する安全機能の種類を示す変数の値をチェックする。この変数の値が、未設定であることを示す値、例えば９９であれば、未設定であると判断し、電力変換装置１０の表示部１１１にパラメータ未設定である旨を伝える信号を出力する。この信号を受信した表示部１１１は、「動作パラメータが未設定です」などの表示を行って、ユーザに通知する。

なお、動作パラメータが未設定の状態だった場合は、安全のためにモータ４０を起動しないように制御しても良い。このようにすることで、ユーザの意図しない動作をモータがする危険性がなくなり、より安全性が向上する。

10 電力変換装置、20 安全機能部、30 緊急停止部、40 モータ、50 負荷機械、101 運転管理部、102 本体制御部、103 駆動部、104電流検出器、105,106 信号受信部、107 ＳＴＯ自己診断、108,109 オプション接続部、110,210 通信部、111 表示部、207 ＳＴＯ自己診断部、208,209本体接続部、211,221 制御部、212, 222 安全機能実行部、213,223ＭＣＵ自己診断部、214,224減速指示部、1032 整流回路部、1033 直流平滑回路部、1034 インバータ部、1035ゲート駆動部

Claims (11)

1. 直流を交流に変換しモータへ電力を供給するインバータと前記インバータを制御するゲート駆動部とを備える駆動部と、
   安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受信するオプション接続部とを備え、
   前記オプション接続部からの信号が入力されていないとき、前記ゲート駆動部は緊急停止部により送信されたセーフトルクオフ信号を受信すると、前記インバータへ前記モータを駆動する電圧を供給しないよう制御し、
   前記オプション接続部からの信号が入力されていないとき、前記ゲート駆動部は緊急停止部により前記セーフトルクオフ信号を受信しないと、前記インバータへ前記モータを駆動する電圧を供給するように制御可能であることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記ゲート駆動部へインバータを制御する信号を送信する本体制御部と、
   前記駆動部を制御する信号を安全機能部から受信する第一の通信部とを備え、
   前記オプション接続部からの信号が入力されているとき、第一の通信部が安全機能部からモータの速度を指示する速度制御信号を受信し、本体制御部へ前記速度制御信号を送信し、本体制御部は前記速度制御信号に基づいてゲート駆動部へモータを減速する電圧を供給する信号を出力するようインバータへ指示することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インバータに流れる電流を検出する電流検出器を備え、
   前記オプション接続部からの信号が入力されているとき、電流検出器が検出したインバータに流れる電流の値を安全機能部へ送信し、
   送信した電流の値を基に安全機能部が出力したセーフトルクオフ信号を前記ゲート駆動部が受信し、インバータへモータを駆動する電圧を供給しないように制御することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記本体制御部からモータが稼働中かどうかを示す情報と、前記オプション接続部から安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受け取り、モータが稼働中に安全機能部が接続されていることを示す信号が途絶えたとき、表示部へ安全機能部との接続が途絶えたことを示す情報を出力し、本体制御部へモータを停止するよう指示する運転管理部を備えることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記本体制御部からモータが稼働中かどうかを示す情報と、前記オプション接続部から安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受け取り、モータが稼働中に安全機能部が接続されたことを示す信号を受け取ったとき、表示部へモータ稼働中に安全機能部が接続されたことを示す情報を出力することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 電力変換装置と安全機能部を備える電力変換システムであって、
   前記電力変換装置は、
   直流を交流に変換しモータへ電力を供給するインバータと前記インバータを制御するゲート駆動部とを備える駆動部と、
   安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受信し、前記電力変換装置が接続されているかどうかを示す信号を送信するオプション接続部と
   前記インバータに流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記駆動部を制御する信号を安全機能部から受信する第一の通信部とを備え、
   前記安全機能部は、
   安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を送信し、前記電力変換装置が接続されているかどうかを示す信号を受信する本体接続部と、
   前記電流検出器からインバータの電流の値を受け取り、受け取った電流値に基づいてモータを制御する情報を生成する安全機能実行部と、
   安全機能実行部が生成したモータを制御する情報を電力変換装置へ送信する第二の通信部とを備えることを特徴とする電力変換システム。
7. ゲート駆動部がインバータを制御し、インバータが直流を交流に変換しモータへ電力を供給し、
   オプション接続部が安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受信し、
   前記オプション接続部からの信号が入力されていないとき、前記ゲート駆動部は緊急停止部により送信されたセーフトルクオフ信号を受信すると、前記インバータへ前記モータを駆動する電圧を供給しないよう制御し、
   前記オプション接続部からの信号が入力されていないとき、前記ゲート駆動部は緊急停止部により前記セーフトルクオフ信号を受信しないと、前記インバータへ前記モータを駆動する電圧を供給するように制御可能であることを特徴とする電力変換方法。
8. 前記オプション接続部からの信号が入力されているとき、第一の通信部が安全機能部からモータの速度を指示する速度制御信号を受信し、
   本体制御部へ前記速度制御信号を送信し、
   本体制御部は前記速度制御信号に基づいてゲート駆動部へモータを減速する電圧を供給する信号を出力するようインバータへ指示することを特徴とする請求項７に記載の電力変換方法。
9. 前記オプション接続部からの信号が入力されているとき、電流検出器が検出したインバータに流れる電流の値を安全機能部へ送信し、
   送信された電流の値を基に安全機能部が出力したセーフトルクオフ信号を前記ゲート駆動部が受信し、
   ゲート駆動部がインバータへモータを駆動する電圧を供給しないように制御することを特徴とする請求項８に記載の電力変換方法。
10. 運転管理部が前記本体制御部からモータが稼働中かどうかを示す情報と、前記オプション接続部から安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受け取り、
    モータが稼働中に安全機能部が接続されていることを示す信号が途絶えたとき、表示部へ安全機能部との接続が途絶えたことを示す情報を出力し、本体制御部へモータを停止するよう指示することを特徴とする請求項９に記載の電力変換方法。
11. 安全管理部が前記本体制御部からモータが稼働中かどうかを示す情報と、前記オプション接続部から安全機能部が接続されているかどうかを示す信号を受け取り、
    モータが稼働中に安全機能部が接続されたことを示す信号を受け取ったとき、表示部へモータ稼働中に安全機能部が接続されたことを示す情報を出力することを特徴とする請求項９に記載の電力変換方法。

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