JP6331655B2 - インバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部からの運転指令に応じてインバータ内の電力変換器を運転するためのインバータ制御装置であって、用途別のアプリケーションプログラムによってインバータを制御するインバータ制御装置に関するものである。

電動機を可変速駆動するインバータ制御装置を機械装置等に組み込んで使用する場合、インバータ制御装置の上位装置として、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）を使用することが多い。このＰＬＣは、必要な動作を実現するためにインバータの運転状態を監視しながら、インバータ制御装置に運転指令を与える機能を備えている。

ここで、特許文献１には、上述したようなＰＬＣ機能により作成したアプリケーションプログラムにより電動機駆動用のインバータを制御するようにしたＰＬＣ機能内蔵型ドライブ制御装置が開示されている。
図４は、このＰＬＣ機能内蔵型ドライブ制御装置の全体的な構成図であり、その概要を以下に説明する。

図４において、１０はＣＰＵ、２０はシステムプログラム及びデータが格納されたＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ、３０は制御スキャン部、４０はＰＬＣ部、５０は通信インターフェース、６０はインバータ制御装置に相当するドライブ制御部、７０は図示されていない電動機に接続されるドライブ主回路（インバータ主回路）である。
ここで、ＰＬＣ部４０及びドライブ制御部６０は、ＣＰＵ１０が実行するソフトウェアにより構成されている。ＰＬＣ部４０は、ラダー演算部４１、算術演算部４２、入出力制御部４３、及び通信制御部４４と、ドライブ制御部６０内の制御パラメータ６１の読み出し／書き込みを行うドライブ制御演算部４５と、を備えている。なお、インバータ制御パラメータ６１は、制御に用いられるゲインやリミット値等である。

上記構成において、ドライブ制御演算部４５は、ＰＬＣ部４０が実行するアプリケーションプログラムによってドライブ制御部６０の制御パラメータ６１を直接取り扱うことにより、運転状況に応じたゲイン調整等のドライブ制御を可能にしている。

特開２００７−６８２９２号公報（段落［０００９］〜［００１２］、図１等）

図４の従来技術では、ＰＬＣ部４０が実行するアプリケーションプログラムとドライブ制御部６０が実行するアプリケーションプログラムとが互いに独立している。従って、ＰＬＣ部４０における演算結果をドライブ制御部６０に反映させるために、制御スキャン同期部３０によって両者の制御動作を同期させる必要がある。
このため、制御スキャン同期部３０を制御するＣＰＵ１０の処理が複雑になり、高性能なＣＰＵ１０が必要になるという問題がある。

また、インバータ制御装置により交流電動機を高精度かつ安定的に可変速駆動する場合には、インバータ制御装置の演算周期を短くして演算処理を高速化する必要がある。しかし、インバータ制御装置の演算周期内にＰＬＣにおけるアプリケーションプログラムが終了しない場合には、アプリケーションプログラムの出力である運転指令が正しくなくなり、電動機の正常な運転が困難になるおそれがある。

通常、ＰＬＣにおいてアプリケーションプログラムを定周期処理する場合には、タイマによってアプリケーションプログラムの処理時間を計測し、その最小処理時間、最大処理時間を計測している。ＰＬＣでは、アプリケーションプログラムの処理時間が設定時間（最大処理時間）を超えた場合でも演算を継続し、アプリケーションプログラムの処理が終了した時に出力が更新される。このため、入力に対して出力が遅れることになるが、動作を継続できるという特徴がある。

ただし、このやり方をインバータ制御装置に適用した場合には、インバータに固有のプログラムであるドライブ制御部の処理を定周期内に完了することができず、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号等の出力が更新されなくなって電動機を適切に制御できなくなる。
例えば、ＰＬＣがアプリケーションプログラムにより電動機の運転周波数指令を出力し、ドライブ制御部では電動機の運転周波数の位相に合わせたＰＷＭ信号を出力する場合を考えてみる。この場合、運転周波数指令が更新されずに前回値のままであっても、動作の継続は可能であるが、ＰＷＭ信号は、電動機の運転周波数に応じて定周期で進むだけの位相に応じて出力されることが望ましい。仮に、運転周波数指令が更新されないことに起因してＰＷＭ信号が出力されない状態が発生すると、電動機の運転を継続できなくなる。

前述した特許文献１に記載された従来技術によると、ＰＬＣ部４０によるアプリケーションプログラムの処理時間が設定時間を経過した場合に、ドライブ制御部６０から適正なＰＷＭ信号が出力されず、ドライブ主回路７０による電動機の安定した運転が困難になるおそれがあった。
そこで、本発明の解決課題は、高性能なＣＰＵを用いることなく、高速かつ一定周期内でアプリケーションプログラムの実行部分とドライブ制御部分とを連携させ、しかも、アプリケーションプログラムの処理が設定時間内に終了しなかった場合でも、ドライブ制御部により演算されるＰＷＭ信号等の制御信号を欠落させずに支障のない範囲で負荷を継続的に運転可能としたインバータ制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、インバータを構成する電力変換器を運転して負荷に交流電力を供給するためのインバータ制御装置であって、外部からの運転指令に応じて前記電力変換器の半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置において、
前記インバータ制御装置の固有プログラムにより、処理の起動、時間管理及びデータ管理を行うシステム部と、
前記固有プログラムにより、前記運転指令に応じて前記電力変換器からの情報の入力、前記電力変換器に対する制御信号の出力、及び、外部への運転情報の出力を行う入出力Ｉ／Ｆ部と、
前記固有プログラムにより、前記制御信号を定周期で演算するドライブ制御部と、
前記負荷に応じて外部から供給される用途別のアプリケーションプログラムが格納され、前記システム部からの起動指令により前記アプリケーションプログラムを実行するアプリケーション部と、
前記アプリケーションプログラムを実行するために、前記アプリケーション部との間でデータの読み書きを行うためのメモリＩ／Ｆ部と、
を備え、
前記アプリケーション部が前記システム部により定周期処理にて起動され、前記アプリケーションプログラムによる出力データを前記メモリＩ／Ｆ部を介して前記ドライブ制御部の入力データとして用いる場合に、
前記システム部は、
前記アプリケーション部を起動してから設定時間内に前記アプリケーション部の処理が終了した時には、今回の定周期処理による前記アプリケーション部の出力データを前記メモリＩ／Ｆ部に複製し、前記設定時間内に前記アプリケーション部の処理が終了しなかった時には前記アプリケーション部の処理を終了させ、前回の定周期処理により設定時間内に前記アプリケーション部の処理が終了して前記メモリＩ／Ｆ部に複製したデータを、今回の定周期処理における前記アプリケーション部の出力データとして前記ドライブ制御部に使用させ、前記制御信号を演算させることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載したインバータ制御装置において、前記アプリケーション部の処理時間が設定時間を超過した回数を記録する手段と、前記回数が所定値以上になった時にアラームを出力する手段と、を備えたものである。

本発明によれば、システム部によりアプリケーション部を起動させ、メモリＩ／Ｆ部が、アプリケーション部との間でデータの読み書きを実行することにより、従来技術におけるＰＬＣ部とドライブ制御部のように両者の制御動作を同期させるための特別な仕組みが不要になる。
また、アプリケーション部の処理時間が設定時間を超過した場合には前回の定周期処理によるアプリケーション部の出力データを使用することにより、安定的に運転を継続すると共に、設定時間を超過した回数が所定値を超えた場合にはアラームを出力して必要な保護動作を行うことで、システムの信頼性を高めることができる。

本発明の実施形態を示すインバータ制御装置の構成図である。 本発明の実施形態における、通常時の処理の流れを示すシーケンス図である。 本発明の実施形態における、設定時間超過時の処理の流れを示すシーケンス図である。 特許文献１に記載された従来技術の全体的な構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るインバータ制御装置１Ａの構成を示している。このインバータ制御装置１Ａは、電力変換器１Ｂと共にインバータ１を構成し、電力変換器１Ｂは、電源（交流電源）２に接続されて負荷としての交流電動機３を可変速駆動する。ここで、電力変換器１Ｂは、電源２の交流電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧をＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子の動作により所定の大きさ、周波数の交流電圧に変換して交流電動機３に供給するものである。

インバータ制御装置１Ａは、ＣＰＵ及びこのＣＰＵが実行するプログラムを備えており、外部から入力される運転指令に基づいてプログラムを起動し、電力変換器１Ｂから得た情報を用いて所定の演算処理を行うことにより、電力変換器１Ｂのスイッチング素子に対する制御信号（オン・オフ信号）を生成する。
このインバータ制御装置１Ａは、固有のプログラムとしてシステム部１０１、入出力Ｉ／Ｆ（インターフェース）部１０２、ドライブ制御部１０３及びメモリＩ／Ｆ部１０４を備えると共に、インバータ１の外部のＰＣ４から通信機能等により供給されるアプリケーションプログラムを格納して実行するアプリケーション部１０５を備えている。

システム部１０１は、インバータ制御装置１Ａの起動処理を行うと共に、アプリケーション部１０５におけるプログラムの処理時間等の時間管理及びデータ管理を行う。入出力Ｉ／Ｆ部１０２は、外部からの運転指令や電力変換器１Ｂからの電圧・電流等の情報の入力、及び、電力変換器１Ｂへの制御信号の出力、インバータ１の運転状態の外部への出力等を行う。

ドライブ制御部１０３は、定周期にてＰＷＭ信号等の演算やインバータ１としての運転情報の演算を行う。
メモリＩ／Ｆ部１０４は、インバータ制御装置１Ａ内のプログラムとアプリケーション部１０５との間の入出力データ、及び、アプリケーション部１０５の内部記憶データの読み書きを行う。なお、実際にデータが記憶されるメモリについては図示を省略してある。

アプリケーション部１０５は、前述したごとくＰＣ４から、例えば紡績機用や印刷機用といった用途別の電動機駆動方法を演算するためのアプリケーションプログラムを受信し、このプログラムを、システム部１０１からの定周期の起動指令を受けて実行する。この時、システム部１０１は、アプリケーション部１０５におけるプログラムの処理時間を計測し、この処理時間が設定値を超えているか否かを判断する。アプリケーション部１０５は、出力データをメモリＩ／Ｆ部１０４に書き込むことにより、処理を終了する。

次に、図２，図３を参照しつつ、インバータ制御装置１Ａの動作を説明する。
図２は、アプリケーション部１０５による処理時間が設定時間未満である時（通常時）の処理の流れを示すシーケンス図である。
まず、システム部１０１が、入出力Ｉ／Ｆ部１０２を起動してディジタル入力（ＤＩ）信号、アナログ入力（ＡＩ）信号を電力変換器１Ｂから読み込む（処理Ｓ１）。次に、読み込んだディジタル入力信号、アナログ入力信号に基づき、アプリケーション部１０５が必要とするデータをメモリＩ／Ｆ部１０４に書き込む（処理Ｓ２）。

次に、システム部１０１がアプリケーション部１０５を起動する（処理Ｓ３）。ここで、本実施形態では、システム部１０１の時間管理機能を用いてアプリケーション部１０５の処理時間を計測する（処理Ｓ４）。起動したアプリケーション部１０５は、メモリＩ／Ｆ部１０４からデータを読み込み、格納されているアプリケーションプログラムを実行する（処理Ｓ５）。
そして、アプリケーション部１０５からドライブ制御部１０３に実行結果を渡すために、メモリＩ／Ｆ部１０４にデータを書き込むことにより（処理Ｓ６）、アプリケーション部１０５の処理は終了する。この時、システム部１０１がアプリケーション部１０５の起動と同時に開始した処理時間の計測値が設定時間未満であれば、アプリケーション部１０５が今回使用したデータを出力データとしてメモリＩ／Ｆ部１０４に複製する（処理Ｓ７）。

次に、システム部１０１はドライブ制御部１０３を起動する（処理Ｓ８）。ドライブ制御部１０３は、入出力Ｉ／Ｆ部１０２からディジタル入力信号やアナログ入力信号を読み込み、メモリＩ／Ｆ部１０４から、前述した処理Ｓ７によって複製したデータを読み込む（処理Ｓ９，Ｓ１０）。
そして、ドライブ制御部１０３は、電力変換器１ＢへのＰＷＭ信号やインバータ１の運転情報を演算し、ディジタル出力（ＤＯ）信号やアナログ出力（ＡＯ）信号を生成して入出力Ｉ／Ｆ部１０２に書き込み、システム部１０１に通知する（処理Ｓ１１）。

最後に、システム部１０１は、ディジタル出力信号及びアナログ出力信号を入出力Ｉ／Ｆ部１０２から読み出し、電力変換器１Ｂの制御に用いると共に運転情報として外部に出力する。
上記の一連の処理を定周期で繰り返すことにより、インバータ１は交流電動機３を運転指令に従って駆動することができる。

次いで、アプリケーション部１０５の処理時間が設定時間を超えた時の動作を、図３に基づいて説明する。
図３において、図２に示した通常時の動作との違いは以下のとおりである。
すなわち、システム部１０１が計測したアプリケーション部１０５の処理時間が設定時間以上となった場合には、システム部１０１からアプリケーション部１０５に指令を送り、アプリケーション部１０５の処理を強制的に終了させる（処理Ｓ１３）。更に、前回の定周期処理によってメモリＩ／Ｆ部１０４に複製しておいたデータを、アプリケーション部１０５の出力データとして書き戻す処理を行う（処理Ｓ１４）。

上記の処理Ｓ１３，Ｓ１４を行うことにより、ドライブ制御部１０３は、定周期内でアプリケーション部１０５のデータをメモリＩ／Ｆ部１０４から読み込んで演算を行い、電力変換器１Ｂに対するＰＷＭ信号を出力することが可能となる。これにより、アプリケーション部１０５の処理時間が設定時間を超えた場合でも、電力変換器１Ｂにより交流電動機３を安定的かつ継続して駆動することができる。
なお、図３において、図２における処理Ｓ６（アプリケーション部１０５からメモリＩ／Ｆ部１０４にデータを書き込む処理）が欠落しているのは、アプリケーション部１０５の処理が途中で終了したことによるものである。

この実施形態において、システム部１０１は、アプリケーション部１０５の処理時間が設定時間を超えた回数を計測する機能を備えることが望ましい。これにより、処理時間の超過が例えばノイズ等による一過性のものであって、超過回数が所定値未満である場合にはインバータ１の運転を継続し、超過回数が所定値以上になった場合（処理時間の超過が繰り返し発生する場合）には、アプリケーションプログラムの異常としてアラームをインバータ制御装置１Ａの外部に出力し、インバータ１の運転を停止する。
このような保護機能を備えることにより、インバータ１や交流電動機３が運転指令通りに動作しないことによる各機器の損傷を防ぐことが可能となる。

本発明は、交流電動機以外の交流負荷を駆動する各種用途のインバータ制御装置として利用することができる。

１：インバータ
１Ａ：インバータ制御装置
１Ｂ：電力変換器
１０１： システム部
１０２：入出力Ｉ／Ｆ部
１０３：ドライブ制御部
１０４：メモリＩ／Ｆ部
１０５：アプリケーション部
２：電源
３：交流電動機
４：ＰＣ

Claims (2)

1. インバータを構成する電力変換器を運転して負荷に交流電力を供給するためのインバータ制御装置であって、外部からの運転指令に応じて前記電力変換器の半導体スイッチング素子を制御するインバータ制御装置において、
   前記インバータ制御装置の固有プログラムにより、処理の起動、時間管理及びデータ管理を行うシステム部と、
   前記固有プログラムにより、前記運転指令に応じて前記電力変換器からの情報の入力、前記電力変換器に対する制御信号の出力、及び、外部への運転情報の出力を行う入出力Ｉ／Ｆ部と、
   前記固有プログラムにより、前記制御信号を定周期で演算するドライブ制御部と、
   前記負荷に応じて外部から供給される用途別のアプリケーションプログラムが格納され、前記システム部からの起動指令により前記アプリケーションプログラムを実行するアプリケーション部と、
   前記アプリケーションプログラムを実行するために、前記アプリケーション部との間でデータの読み書きを行うためのメモリＩ／Ｆ部と、
   を備え、
   前記アプリケーション部が前記システム部により定周期処理にて起動され、前記アプリケーションプログラムによる出力データを前記メモリＩ／Ｆ部を介して前記ドライブ制御部の入力データとして用いる場合に、
   前記システム部は、
   前記アプリケーション部を起動してから設定時間内に前記アプリケーション部の処理が終了した時には、今回の定周期処理による前記アプリケーション部の出力データを前記メモリＩ／Ｆ部に複製し、前記設定時間内に前記アプリケーション部の処理が終了しなかった時には前記アプリケーション部の処理を終了させ、前回の定周期処理により設定時間内に前記アプリケーション部の処理が終了して前記メモリＩ／Ｆ部に複製したデータを、今回の定周期処理における前記アプリケーション部の出力データとして前記ドライブ制御部に使用させ、前記制御信号を演算させることを特徴とするインバータ制御装置。
2. 請求項１に記載したインバータ制御装置において、
   前記アプリケーション部の処理時間が設定時間を超過した回数を記録する手段と、
   前記回数が所定値以上になった時にアラームを出力する手段と、
   を備えたことを特徴とするインバータ制御装置。

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