JP6359957B2

JP6359957B2 - 二次破損防止機能を有するモータ駆動装置

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Publication number: JP6359957B2
Application number: JP2014235824A
Authority: JP
Inventors: 友和吉田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2034-11-20
Also published as: CN105634381A; US10312851B2; CN105634381B; US20160149531A1; DE102015014798A1; DE102015014798B4; JP2016100977A

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に異常が発生しダメージを受けたモータ駆動装置に対して、再度電源を印加して被害が拡大することを防止する機能を備えたモータ駆動装置に関する。

従来技術として、モータ駆動装置の内部のパワー素子に過電流状態が発生した場合に、アラーム発生の有無を記憶し次回以降の電源投入を禁止して、モータ駆動装置の二次被害を防止するモータ駆動装置が知られている。

例えば、モータ駆動装置の主回路の過電流検出手段を備え、主回路に過電流が流れた場合に過電流アラームを発生させ、かつ、その発生を記憶し、次回以降の電源投入を禁止してモータ駆動装置の主回路の二次破損防止回路を有するモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１）。

図１に従来のモータ駆動装置の構成図を示す。図１に示した従来のモータ駆動装置において、コンバータ主回路１００２の過電流保護を行うための回路は、過電流検出回路１００４、アラームラッチ回路１００５、アラームリセット回路１００６、アラーム判定回路１００７、ＭＣＣ駆動回路１００８、ＭＣＣ駆動用コイル１００９、およびヒューズ溶断回路１０１０を含んでいる。

制御回路（主回路ＭＣＣ）１００１は、入力電源１０２０からコンバータ主回路１００２への交流電力の供給を制御する。コンバータ主回路１００２に供給された交流電力は直流電力に変換されて、ＤＣリンクコンデンサ１０１２で平滑化されたのち、モータ（図示せず）を駆動するインバータ主回路１００３に入力される。過電流検出回路１００４は、制御回路１００１に流れる過電流を検出する第１の検出レベルと第１の検出レベル以下の第２の検出レベルを備えている。第１の記憶手段（ヒューズ溶断回路）１０１０は第１の検出レベルによる検出値を記憶する。第２の記憶手段（アラームラッチ回路）１００５は、第２の検出レベルによる検出値をリセット可能に記憶する。コンバータ主回路１００２の二次破壊防止回路は、第１の記憶手段１０１０および第２の記憶手段１００５の記憶内容に基づいて制御回路１００１の制御を行うことによって、アラームリセットによる制御回路１００１の再投入を防止するというものである。

この従来のモータ駆動装置では、二次破壊防止回路内のコンバータ主回路１００２の保護のみを目的としており、主回路ＭＣＣ１００１に代表される二次破壊防止回路の外部に設置される部品の保護は行なっていないという問題があった。また、この従来のモータ駆動装置では、モータ駆動装置の二次破損を引き起こす要因として過電流のみに着目してアラームを発生させており、その他の異常が発生した場合の保護は行なっていないという問題があった。また、この従来のモータ駆動装置では、図２に示すように、１度でも過電流検出回路１００４にて異常が検出された場合には、ヒューズ溶断回路１０１０にてヒューズ１０１１を溶断して次回以降の電源１０２０の投入を禁止する為、異常の発生に対して敏感に反応しすぎるという問題があった。

特開平９−４６８９１号公報

従来のモータ駆動装置では、コンバータ主回路内部のパワー素子のみを保護対象としており、その他の部品は保護対象としていないという問題があった。また過電流状態のみに対する保護であり、その他の異常については保護していないという問題があった。また１回のアラーム発生で次回以降の電源投入が禁止される為、異常状態を誤検出した場合であっても敏感に反応するという問題があった。

本発明の一実施例に係るモータ駆動装置は、モータ駆動装置の状態を示すデータを検出することにより、モータ駆動装置の状態を監視する状態検出回路部と、検出されたデータが、モータ駆動装置が異常であることを示すか否かを判断する判定回路部と、モータ駆動装置に異常が発生した場合に、モータ駆動装置に印加されたピーク電圧値またはモータ駆動装置に流れたピーク電流値、異常の累積発生回数、及びピーク電圧値、ピーク電流値の時間変化のうちの少なくとも１つを含む検出値を記憶する記憶部と、モータ駆動装置に許容されるピーク電圧値、ピーク電流値、異常の累積発生回数、及びピーク電圧値、ピーク電流値の時間変化を含む設定値を予め設定する設定部と、記憶部に記憶された検出値が予め設定された設定値に達しているか否かをモータ駆動装置の電源投入時毎に判定し、設定値に達していた場合はモータ駆動装置の二次破損を防止するためにモータ駆動装置の電源投入を禁止することを特徴とする。

本発明の一実施例に係るモータ駆動装置によれば、コンバータ主回路内部のパワー素子以外の部品の保護が可能になる。また過電流によりアラームが生じるような異常以外の異常についてもモータ駆動装置の保護が可能になる。また各アラームの許容発生回数を規定できるため、アラーム誤動作しにくくなるという効果が得られる。

従来のモータ駆動装置の構成図である。従来のモータ駆動装置において、ヒューズが断線する場合の電流の経路を示すモータ駆動装置の構成図である。本発明の実施例に係るモータ駆動装置の構成図である。パワー素子が短絡した状態で主回路ブレーカと主回路ＭＣＣをＯＮさせた場合の電流の経路を説明するための図である。本発明の実施例に係るモータ駆動装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例に係るモータ駆動装置の動作手順において、主回路ＭＣＣを再度ＯＮさせるための条件を詳細に説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係るモータ駆動装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図３に本発明の実施例に係るモータ駆動装置の構成図を示す。本発明の実施例に係るモータ駆動装置１０１は、モータ駆動装置１０１の状態を示すデータを検出することにより、モータ駆動装置１０１の状態を監視する状態検出回路部５と、検出されたデータが、モータ駆動装置１０１が異常であることを示すか否かを判断する判定回路部６と、モータ駆動装置１０１に異常が発生した場合に、モータ駆動装置１０１に印加されたピーク電圧値またはモータ駆動装置１０１に流れたピーク電流値、異常の累積発生回数、及びピーク電圧値、ピーク電流値の時間変化のうちの少なくとも１つを含む検出値を記憶する記憶部８と、モータ駆動装置１０１に許容されるピーク電圧値、ピーク電流値、異常の累積発生回数、及びピーク電圧値、ピーク電流値の時間変化を含む設定値を予め設定する設定部７と、を備え、記憶部８に記憶された検出値が予め設定された設定値に達しているか否かをモータ駆動装置１０１の電源投入時毎に判定し、設定値に達していた場合はモータ駆動装置１０１の二次破損を防止するためにモータ駆動装置の電源２０の投入を禁止する、ことを特徴とする。

入力電源２０からの交流電力は、主ブレーカ１及び主回路ＭＣＣ（電磁接触器）２を介してコンバータ主回路３に供給され直流電力に変換される。コンバータ主回路３にはＩＧＢＴ等のパワー素子３１が用いられている。変換された直流電力はＤＣリンクコンデンサ４により平滑化され、モータを駆動するためのインバータ（図示せず）に供給され、モータを駆動するための交流電力に変換される。

状態検出回路部５は、入力電源２０からコンバータ主回路３に印加される電圧、及び入力電源２０からコンバータ主回路３に流れる電流を検出することにより、モータ駆動装置１０１の状態を検出する。

判定回路部６は、状態検出回路部５で検出された電圧、電流等のデータに基づいて、入力電源２０からコンバータ主回路３に印加される電圧が所定の閾値電圧（第１の閾値電圧Ｖ_TH1）より高い電圧となっているか否か、または入力電源２０からコンバータ主回路３に流れる電流が所定の閾値電流（第１の閾値電流Ｉ_TH1）より大きい電流となっているか否かを判断することにより、モータ駆動装置１０１が異常な状態となっているか否かを判定する。

モータ駆動装置１０１に異常が生じていると判定した場合には、判定回路部６は、異常発生時に入力電源２０からコンバータ主回路３に印加される電圧の最大値であるピーク電圧値、及び入力電源２０からコンバータ主回路３に流れる電流の最大値であるピーク電流値を記憶部８へ送信する。

また、判定回路部６は、異常が発生した回数をカウントし、過去に異常が発生した回数である異常の累積発生回数も記憶部に送信する。さらに、判定回路部６は、状態検出回路部５が検出したピーク電圧値やピーク電流値の時間変化を計算し、計算結果を記憶部８へ送信する。

記憶部８は、判定回路部６から送信された、コンバータ主回路３に印加されたピーク電圧値またはコンバータ主回路３に流れたピーク電流値、異常の累積発生回数、及びピーク電圧値、ピーク電流値の時間変化のうちの少なくとも１つを含む検出値を記憶する。

設定部７は、状態検出回路部５で検出された電圧、電流等のデータが許容範囲内であるか否かを判断するための基準値である設定値（例えば、第２の閾値電圧Ｖ_TH2、第２の閾値電流Ｉ_TH2）を設定する。具体的には、設定部７は、コンバータ主回路３が許容可能なピーク電圧値やピーク電流値、許容可能な異常の累積発生回数、及び許容可能なピーク電圧値やピーク電流値の時間変化を予め設定する。

モータ駆動装置１０１を起動させ、ＭＣＣ駆動回路９からの制御信号に基づいてＭＣＣ駆動用コイル１０を制御することにより、主回路ＭＣＣ２をＯＮさせる前に、判定回路部６が、記憶部８に記憶された検出値（データ）と設定部７に設定された設定値の比較を行なう。比較の結果、記憶部８に記憶された検出値が設定部に設定された設定値以上であれば、前回の異常発生時に装置がダメージを受けたと判断して主回路ＭＣＣ２を再度起動すること（以下、単に「再ＯＮ」という）を禁止する。これにより、コンバータ主回路３、及び主回路ブレーカ１や主回路ＭＣＣ２等の周辺機器の二次破損を防止することができる。

コンバータ主回路３を構成するパワー素子３１に許容限度以上のピーク電流が流れると、図４（ａ）に示すように、短絡破壊が生じる恐れがある。一般的に装置のパワー素子が短絡破壊した状態で主回路ＭＣＣ２を再ＯＮしてしまうと、図４（ｂ）に示すように、壊れていなかった主回路ブレーカ１や主回路ＭＣＣ２等の周辺機器、更にはケーブル等も電源側からの突入電流で破損させる可能性が高くなる。

二次破損防止機能を制御する信号は、装置の異常を検出する為に設けられた過電流、過電圧、低電圧、過負荷等のアラーム信号の他に、図３に示すように、状態検出回路部５の外部から入力された信号（外部信号入力）をトリガーとしてもよく、例えば汎用の停電検出器等の信号をトリガーとしてもよい。

二次破損を防止する保護対象は、モータ駆動装置１０１内のスイッチング素子に代表されるパワー素子３１だけではなく、例えばモータ駆動装置１０１外に設備される主回路ブレーカ１、主回路ＭＣＣ２、ＤＣリンクコンデンサ４を保護対象としてもよい。

装置外部に設備される機器としては主回路ブレーカ１や主回路ＭＣＣ２以外にも、遮断器のようなものでもよい。

電圧、電流のピーク値と許容発生回数の閾値の設定は双方の組み合わせで複数のパターンが設定できる。例えば、ピーク電流値が２００［Ａ］の場合には、許容発生回数は１回とし、ピーク電流値が１５０［Ａ］の場合には、許容発生回数は３回とし、ピーク電流値が１００［Ａ］の場合には、許容発生回数は５回とする等の様に設定してもよい。

さらに、各閾値の設定は保護対象の絶対最大定格値や動作保障値の他に信頼性試験データ等を加味して設定してもよい。

以上説明したように、本発明の実施例に係るモータ駆動装置においては、ピーク電圧及びピーク電流に着目した場合には、閾値を２種類設定し、モータ駆動装置の異常を検出するための基準となる第１の閾値（第１の閾値電圧Ｖ_TH1、第１の閾値電流Ｉ_TH1）が、再起動を許容するか否かを決定するための基準となる第２の閾値（第２の閾値電圧Ｖ_TH2、第２の閾値電流Ｉ_TH2）より低い点（Ｖ_TH1＜Ｖ_TH2、Ｉ_TH1＜Ｉ_TH2）を特徴としている。例えば、検出値（Ｖ，Ｉ）が第１の閾値を超えている（Ｖ＞Ｖ_TH1またはＩ＞Ｉ_TH1）として異常を検出した際の検出値が第２の閾値をも超えていれば（Ｖ＞Ｖ_TH2またはＩ＞Ｉ_TH2）、損傷が大きいと判断してモータ駆動装置の再起動を許容しない。一方、異常を検出した際のピーク電流が第１の閾値を超えてはいるものの、第２の閾値は超えていない場合（Ｖ_TH2＞Ｖ＞Ｖ_TH1またはＩ_TH2＞Ｉ＞Ｉ_TH1）には損傷は小さいものと判断し、モータ駆動装置の再起動を許容する。

次に、本発明の実施例に係るモータ駆動装置の動作手順について、図５に示したフローチャートを用いて説明する。まず、モータ駆動装置１０１（図３参照）を動作させ、ステップＳ１０１において、モータ駆動装置１０１に異常が検出されるか否かを判断する。異常の有無の判断は、上述したように、状態検出回路部５が、入力電源２０からコンバータ主回路３に印加される電圧、及び入力電源２０からコンバータ主回路３に流れる電流を検出し、検出したデータを判定回路部６に送信する。次に、判定回路部６が、状態検出回路部５で検出された電圧、電流等のデータに基づいて、入力電源２０からコンバータ主回路３に印加される電圧が所定の閾値電圧（第１の閾値電圧Ｖ_TH1）より高い電圧となっているか否か、または入力電源２０からコンバータ主回路３に流れる電流が所定の閾値電流（第１の閾値電流Ｉ_TH1）より大きい電流となっているか否かを判断することにより、モータ駆動装置１０１が異常な状態となっているか否かを判定する。

異常が検出されなかった場合は、ステップＳ１０１に戻って、異常の検出を継続して行う。一方、異常が検出された場合には、ステップＳ１０２において、異常発生時にコンバータ主回路３に印加されたピーク電圧値、コンバータ主回路３に流れたピーク電流値、発生した異常の回数、ピーク電圧値やピーク電流値の時間変化を含むデータを記憶部８へ記憶させる。

次に、ステップＳ１０３において、設定部７から許容されるピーク電圧値やピーク電流値、許容される異常の回数、許容されるピーク電圧値やピーク電流値の時間変化を含む設定値を読み出す。

次にステップＳ１０４において、記憶部８のデータが設定値以上となっているか否かを判断する。即ち、記憶部８に記憶されている、異常発生時にコンバータ主回路３に印加されたピーク電圧値、コンバータ主回路３に流れたピーク電流値が、許容されるピーク電圧値やピーク電流値以上となっているか否かを判断する。または、これまでに発生した異常の回数である累積異常発生回数が、許容される異常発生回数以上となっているか否かを判断する。あるいは、異常発生時にコンバータ主回路３に印加されたピーク電圧値の時間変化、または、コンバータ主回路３に流れたピーク電流値の時間変化が、許容されるピーク電圧値やピーク電流値の時間変化以上となっているか否かを判断する。

記憶部８に記憶されたデータが設定値以上となっている場合は、ステップＳ１０５において、前回の異常発生時に装置がダメージを受けたものと判断して主回路ＭＣＣ２の再ＯＮを禁止する。一方、記憶部のデータが設定値未満となっている場合は、ステップＳ１０６において、前回の異常発生時に装置がダメージを受けていないと判断して主回路ＭＣＣ２の再ＯＮを実行する。

以上説明したように、本発明の実施例に係るモータ駆動装置においては、異常を検出した後に再起動を実行するか否かを判断する場合に、異常検出時のコンバータ主回路３におけるピーク電圧及びピーク電流、累積異常発生回数、並びにピーク電圧及びピーク電流の時間変化に基づいて判断を行っている。次に、この判断のプロセスについて詳細に説明する。

図６は、異常を検出した後に再起動を実行するか否かを判断する手順（図５のステップＳ１０４〜Ｓ１０６に対応）のみを説明するためのフローチャートである。まず、ステップＳ２０１において、異常検出時のピーク電圧・電流値が設定値以上であるか否かを判断する。異常検出時のピーク電圧・電流値が設定値以上である場合には、ステップＳ２０４において、前回の異常発生時に装置がダメージを受けたと判断して主回路ＭＣＣ２の再ＯＮを禁止する。

一方、異常検出時のピーク電圧・電流値が設定値未満である場合には、ステップＳ２０２において、累積異常発生回数が設定値以上であるか否かを判断する。累積異常発生回数が設定値以上である場合には、ステップＳ２０４において、前回の異常発生時に装置がダメージを受けたと判断して主回路ＭＣＣ２の再ＯＮを禁止する。

一方、累積異常発生回数が設定値未満である場合には、ステップＳ２０３において、ピーク電圧・電流の時間変化が設定値以上であるか否かを判断する。ピーク電圧・電流の時間変化が設定値以上である場合には、ステップＳ２０４において、前回の異常発生時に装置がダメージを受けたと判断して主回路ＭＣＣ２の再ＯＮを禁止する。

一方、ピーク電圧・電流の時間変化が設定値未満である場合には、前回の異常発生時に装置がダメージを受けていないと判断して主回路ＭＣＣ２の再ＯＮを実行する。

以上のように、本発明に係るモータ駆動装置の実施例においては、（１）異常検出時のコンバータ主回路３におけるピーク電圧及びピーク電流、（２）累積異常発生回数、並びに、（３）ピーク電圧及びピーク電流の時間変化に基づいて判断を行う例を示したが、これには限られない。即ち、図６に示したフローチャートにおいては、再起動を許容するか否かの判断において、まず（１）に基づいて判断を行い、次に（２）に基づいて判断を行い、最後に（３）について判断を行う例を示したが、（１）〜（３）の順序を入れ替えてもよい。さらに、（１）〜（３）の条件は一例であってこれには限られず、他の条件に基づいてモータ駆動装置の再起動を行うか否かの判断を行うようにしてもよい。

１主回路ブレーカ
２主回路ＭＣＣ
３コンバータ主回路
４ＤＣリンクコンデンサ
５状態検出回路部
６判定回路部
７設定部
８記憶部
９ＭＣＣ駆動回路
１０ＭＣＣ駆動用コイル
２０入力電源
３１パワー素子

Claims

入力電源の状態を示すデータを検出することにより、モータ駆動装置の状態を監視する状態検出回路部と、
検出されたデータが、第１の閾値を基準として前記モータ駆動装置が異常であることを示すか否かを判断する判定回路部と、
前記モータ駆動装置に異常が発生した場合に、前記入力電源から前記モータ駆動装置に印加された電圧値または前記モータ駆動装置に流れた電流値のピーク値、異常の累積発生回数、及び検出したピーク電圧値やピーク電流値の単位時間当たりの変化量の検出データのうち、少なくとも１つ以上の検出データを記憶する記憶部と、
前記ピーク電圧値、ピーク電流値、異常の累積発生回数、及びピーク電圧値やピーク電流値の単位時間当たりの変化量の検出データにおけるモータ駆動装置の第２の閾値である許容値を予め設定する設定部と、を備え、
モータ駆動装置の前回起動時に前記記憶部に記憶された前記検出データが予め設定された前記許容値に達しているか否かを前記モータ駆動装置の電源投入時毎に判定し、前記許容値に達していた場合は前記モータ駆動装置の二次破損を防止するために前記モータ駆動装置の電源投入を禁止し、
モータ駆動装置の異常を検出するための基準となる前記第１の閾値が、再起動を許容するか否かを決定するための基準となる前記第２の閾値より低い、
ことを特徴とするモータ駆動装置。
前記許容値は、前記モータ駆動装置の外部から書き換え可能である、請求項１に記載のモータ駆動装置。