JP6765320B2 - 交流電動機の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、三相交流電動機の駆動装置、ならびにそれを用いた工作機械、ポンプ、ファン、コンベア、昇降機、電動車両などに適用する電動機駆動技術に関し、特にそれらの異常動作の検知技術に関する。
交流電動機は、家電、産業、自動車、鉄道など、様々な分野で用いられている。近年では、電動機の回転速度、回転位置角度をセンサで直接検出せずに、回転数制御やトルク制御が可能なセンサレス制御も広く導入されている。センサレス制御の普及は、センサの故障リスクを回避できるため、信頼性を大きく向上させることができる。
しかし、センサがないことにより、交流電動機の脱調などの異常動作や、過大負荷による装置異常などの検出が難しくなっている。また、それらの異常の兆候を予め検出し、異常動作による被害を未然に防止したいという要望も高まっている。
特許文献１では、モータ定数を逆算することで、モータの動作温度を推定し、温度異常検知を行う技術が提案されている。
さらに、電動機の異常状態としての「脱調現象」の検出方法として、特許文献２〜５ですでに提案されている。
特許文献２は、電動機を流れる電流の実効値、ならびに力率を演算して、脱調の有無を判別するものである。脱調時において、電動機電流の実効値が増加する点、ならびに力率が低下する点を利用し、電流実効値に基準値を設け、その時の力率が所定値以下の場合に脱調と判断する。
特許文献３は、電動機電流を検出し、それを回転座標軸に座標変換し、励磁分電流の大きさから、脱調の有無を判別するものである。脱調時において、励磁電流成分が増加する性質を利用したものである。
特許文献４では、センサレス制御時における軸誤差演算値を利用するもの、あるいは、無効電力や有効電力を利用して、脱調を検知するものが提案されている。前者は、脱調時には軸ずれが大きくなる現象を利用し、後者は脱調時において無効電力が増加する現象を利用している。
特開2007-6613 特開平9-294390 特開2001-25282 特開2003-79200
特許文献１では、モータ定数値を演算しているが脱調などの異常動作の検出ができるものではない。また、負荷変動などの通常動作範囲の過渡時においても、定数の演算値は変動してしまい、温度推定値に誤差が生じる恐れがある。さらに、部分的な減磁などが発生した場合にはそれを検知することは困難である。
特許文献２〜４記載の脱調検出は、電流値や位相、力率、無効電力などによって脱調を検出するものであるため、電動機の動作状態として、力率の低下する条件において誤検知が発生し易いという問題がある。特に、回転子に永久磁石を取り付けた永久磁石モータの「弱め界磁域」では、無負荷時の力率は零に近く、また、電流値も大きくなる傾向にある。その状態で、例えば電源電圧が低下したような場合、力率はさらに低下し、電流値も大きくなることから、「脱調」と判断されることが多い。
また、センサレス制御での起動時には、無効電流を意図的に流して、オープン駆動で起動する場合がほとんどであり、その場合も脱調を検知することは困難である。
さらに、速度応答やトルク応答を高応答化したい場合には、結果的に過渡電流が増加して、条件によっては著しく力率が低下したり、軸ずれが発生する場合もある。そのような動作も、従来方式では「脱調」と誤検知される恐れがあり問題である。
三相交流電動機をインバータによって駆動する際、制御器内部において電動機の電流、電圧、回転数の少なくとも一つを用いて、電動機の定数を演算し、その定数値の変動を分析して、電動機の異常動作、あるいは電動機に接続された負荷装置の異常動作を検知する。定数の分析には、異常と判断すべき変動量を予め設定しておくか、あるいは過去の定数変化の蓄積値との比較によって異常値を算出する。あるいは、制御器内で算出した定数の変動分のみを抽出して異常検知を行う。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。
本発明によれば、脱調や減磁などの異常動作、ならびにそれらの異常の兆候を高精度に検知が可能になる。特に、力率が低く、電流値が増加する弱め界磁域や、起動時のオープン駆動時の異常検知精度が向上して、電動機システムの信頼性が向上する。また、故障による装置の破壊などの被害を未然に防ぐことが可能になる。
第１の実施の形態に係る交流電動機の制御装置の構成を表す図である。 第１の実施の形態に係るモータ定数演算器の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る分析器の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る異常検知器の構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る各部の動作波形を説明する波形図である。 第２の実施の形態に係る交流電動機の制御装置の構成を表す図である。 第２の実施の形態に係るモータ定数演算器の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る分析器の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る異常検知器の構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る各部の動作波形を説明する波形図である。 第４の実施の形態に係る分析器の構成を示す図である。 第４の実施の形態に係る異常検知器の構成を示す図である。 第４の実施の形態に係る各部の動作波形を説明する波形図である。 第５の実施の形態に係る分析器の構成を示す図である。 第６の実施の形態に係る交流電動機の制御装置の構成を表す図である。 第６の実施の形態に係るモータ定数演算器の構成を示す図である。 第６の実施の形態に係る分析器の構成を示す図である。 第７の実施の形態に係る交流電動機の制御装置の構成を表す図である。 第７の実施の形態に係る分析器、異常検知器、データ・サーバ＆分析器の構成を示す図である。 第８の実施の形態に係る工作機械への応用例を示す構成図である。 第８の実施の形態に係る液体ポンプシステムへの応用例を示す構成図である。 第８の実施の形態に係る鉄道車両への応用例を示す構成図である。
以下本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１〜５を用いて、本発明の第１の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。
この装置は、三相の永久磁石同期電動機4（以下PMモータ4と略）の駆動を目的とするものであり、大別すると、PMモータ4を制御する制御器1、電源21、インバータ主回路22、インバータ主回路を駆動するゲートドライバ23からなるインバータ2、PMモータ4の相電流を検出する電流検出器3、駆動対象であるPMモータ４を含んで構成される。
尚、駆動対象としては、本実施形態ではＰＭモータを例に挙げるが、他の種類の交流電動機であっても応用は可能である。
制御器1は、PMモータ４をベクトル制御する制御器であり、本発明の特徴部分であるモータ定数演算器5、モータ定数の演算値を分析する分析器6、分析結果に基づき装置の異常を判定する異常検知器7を含んでいる。制御器１におけるそれ以外の部品は、一般的な交流電動機駆動のベクトル制御を構成しており、交流電流Iu、IwをPMモータ４の回転子座標軸であるｄｑ座標軸の値Id、Iqに変換するｄｑ変換器8、励磁電流成分Idとトルク電流成分Iqを制御するベクトル制御器9、PMモータ４の回転速度・回転位置角を演算する速度・位置演算器10、Id、Iqに対して指令値であるId*、Iq*を与えるId*発生器11、ならびにIq*発生器12、ベクトル制御器9からの出力であるdq座標上の電圧指令Vd、Vqを、三相交流電圧指令Vu、Vv、Vwに変換するｄｑ逆変換器13、Vu、Vv、Vwに基づいて、インバータ2を駆動するゲートパルス信号を作成するパルス幅変調(PWM)器14、PMモータ4を駆動中に異常が発生した際、インバータ2のゲートパルス信号を遮断して保護するゲート遮断器15、からなる。
尚、Id*発生器11は、PMモータ4の励磁電流指令を生成する制御ブロックであり、トルクや回転数に応じて指令値を変化させる。Iq＊発生器12は、PMモータ４のトルク電流指令Iq*を生成する制御ブロックであり、ベクトル制御器9の上位の制御器に相当する。たとえば、PMモータ４の回転速度を制御する速度制御器であったり、ポンプなどの負荷装置の状態から必要なトルク電流指令を演算してベクトル制御器9へ与えるブロックとして機能する。
制御器1における部品番号8〜14は、PMモータ4のトルクや回転数の制御を実現する部分であり、ベクトル制御系を構成している。本実施形態では、PMモータ4の回転子位置や回転速度を直接検出しないセンサレスベクトル制御を構成している。センサの代わりに、速度・位相演算器10が、PMモータ4の回転子位置θdや、回転速度ωrの推定演算を行い、推定結果である回転子位置推定値θdcや、回転速度推定値ωrcを出力する。速度・位相演算器10に関しては、様々な手法が提案されているので、ここでは説明を割愛する。
次に、本発明の特徴部であるモータ定数演算器5、分析器6、異常検知器7について説明する。
PMモータ4をベクトル制御する場合、制御器1に示すように、PMモータ4の電流をdq座標軸上で制御するのが一般的である。その場合、dq座標軸上でのPMモータ4の電圧方程式は、式(1)、(2)になる。
Figure 0006765320
Figure 0006765320
上式において、R1、Ld、Lq、Keはモータ定数であり、R1は巻線抵抗値、Keは発電定数、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンスである。またω1は、PMモータ4に印加する交流の一次角周波数（電気角周波数）である。
これらモータ定数の中で、モータや負荷装置の速度異常が生じた場合に最も大きな影響を受けるのは、(式2)における誘起電圧の項（つまり、ω1・Ke)である。一次角周波数ω1は、速度・位置演算器10において推定された速度推定値ωrcに対して、
Figure 0006765320
の関係があるため、速度変動が生じた場合に誘起電圧ω1・Keが最初に影響を受けることになる。しかし、センサレス制御の場合、実際の回転速度ωrを直接観測することができないため、条件によっては速度変化を検知できない場合がある。この原因は、センサレス制御の性能が悪いために生じるが、現状のセンサレス技術では速度の推定応答時間は有限であるため、速度が急変した場合など、速度異常を検知できない場合がある。その結果、PMモータ4が脱調して完全に停止しても、それに気付かずにモータに電力を供給し続けてしまう恐れがある。モータには過大電流が流れてしまい、熱による絶縁劣化や、脱調による機械振動を引き起こしてしまい問題である。
従来技術の「脱調検知」としてすでに提案されている方式は、脱調時において、（式2）の誘起電圧項（ω1・Ke）が零になることを利用している。回転速度が脱調によって零になることで、誘起電圧項が零となり、結果的に、モータの巻線にのみ交流電圧が印加される。その結果、大振幅で低力率の電流が流れることになる。この現象を利用し、電流の振幅値と力率角、あるいは励磁電流の大きさ、あるいは無効電力などを観測して、脱調を検知するのが従来方式である。
しかし、これらの手法には大きな問題がある。PMモータ4を高速駆動する場合、「弱め界磁」制御を行うことがある。「弱め界磁」とは、高速駆動に伴って発生する誘起電圧（ω1・Ke）が、インバータの出力可能な範囲を超えてしまう際に、意図的に励磁電流を負に流して（これを弱め界磁電流という）、この誘起電圧を打ち消す技術である。弱め界磁電流は、PMモータ4の磁石磁束を打ち消す方向の電流となるため、エネルギーを消費せずに、無効電流として作用する。結果的に、力率は低下することになる。
また、インバータの直流電圧が、電源電圧変動等で変化すると、それに伴って弱め界磁電流も変化させる必要があり、無効電流成分も同時に変動することになる。
従来方式では、このような弱め界磁制御を行った場合に、「脱調」とみなされる恐れがある。また、弱め界磁電流を考慮して、脱調検知レベルを高く設定すると、今度は本当の脱調を検知できない恐れがあり、脱調検知レベルの調整が難しくなる。
また、通常のセンサレス制御では、起動時はオープン駆動を導入する場合が多く、その場合には無効電流を多量に流してモータを安定化させる必要がある。この条件でも、やはり力率が低くなり、脱調検知レベルの調整が難しくなる。
本発明では、これらの問題を解決するため、モータ定数を実時間で演算し、その値を監視することでモータや負荷装置の異常を検知する。
(式２)から、発電定数Keを逆算すると、
Figure 0006765320
という関係が得られる。尚、（式2）における微分項は無視した。
（式4）右辺の分母にあるω1は、速度推定値ωrcより求めたものであり、ωrcと実際の速度ωrとの差異が生じた場合、発電定数の演算値Kesが、本来の定数Keと大きくずれて演算されることになる。発電定数Keは、永久磁石磁束そのものであり、温度によって数％〜10数%程度変動するものの、50%以上の変動は通常ではありえない。よって、Kesを観測していれば、回転速度に異常が生じたことが検出できる。（式４）では、実際にPMモータ4に印加しているq軸電圧Vq、検出電流Id、Iqと、モータ定数Ld、ならびにR1を用いて演算するが、LdやR1が大きく変動することはほとんどないため、実速度と推定速度のずれ分は、（式４）によってKeの変化として、検知することが可能である。
図2に、モータ定数演算器5のブロック構成を示す。モータ定数演算器5は、巻線抵抗R1設定器51、ｄ軸インダクタンスLd設定器52、モータ極対数設定器53、乗算器54、加算器55、除算器56からなる。モータ定数演算器5では、q軸電圧指令Vq、d軸電流検出値Id、q軸電流検出値Iq、速度推定値ωrcに基づいて、（式３）、ならびに（式４）を用いて、発電定数Kesの演算を行う。
図3は、モータ定数演算器5で演算したKesを、異常判別できる値に修正する分析器6のブロック構成図である。分析器6は、フィルタ61、発電定数Keの基準値Ke0を与えるKe0設定器62、加算器55、除算器56、ゲイン63から構成される。モータ定数演算器5で得られたKesに対して、ノイズや過渡変動をカットするためのフィルタ61を介して、余分な成分を除去し、その後、基準値であるKe0に対する変動分を百分率で求めている（式5）。
Figure 0006765320
図4は、異常検知器7のブロック構成図である。異常検知器7は、2つの入力の大小を比較する比較器71、定数変動の異常値上限であるKeHを設定する異常判定上限設定器72、同じく下限値を設定する異常判定下限設定器73、入力信号のORを計算するOR回路74からなる。異常検知器7では、(式5)で得られた異常信号Dに対して、上限値KeHと、下限値KeLを設定し、それぞれの値と異常信号Dの値とを比較器71で比較する。比較器71では、入力の「+」の信号が「-」に入力された信号よりも大きい場合に「1」、逆の場合は「0」を出力する。上限値、下限値のいずれかに達したところで、OR回路74によってゲートオフ信号Eが生成され、インバータ2へのゲートパルスをカットし、装置を保護する。
これらの動作を、図5を用いて説明する。
PMモータ4が一定回転数ωrで回転していた時、負荷急変などの異常動作によって、モータの回転数が一気に低下した場合を想定する。その場合、速度推定値ωrcは、速度の急変に追従できず、モータが実際には停止しているにも拘わらず、停止前の回転数である「ωrc」の値を保っている。
モータ電流は、図5(b)のように上昇するが、速度変化が急峻な場合には過大電流が流れずに、脱調を検知できない。本発明によると、制御器1の内部にて、発電定数を逆算し、これをKesとして出力する（同図(c)）。このKesの値に基づき、分析器6にて異常信号Dを計算し、さらに異常検知器7にて異常を検知し、脱調状態であることを判定し、インバータ2を停止するゲートオフ信号E（同図(e））を出力する。
以上のように、本発明によれば、PMモータ4が弱め界磁などの、低力率状態であっても、モータ定数の異常からモータの脱調状態、あるいは負荷の急変を確実に検知して、インバータを停止することが可能になる。
尚、説明上、PMモータを例に解説したが、誘導電動機の場合にも応用することが可能である。誘導機の場合、発電定数Keに相当するのは、二次磁束Φ2d（=M・Id)であるので、この値をIdで割ることで、定数Mを得ることができる。このMの値の変動を観測すれば、PMモータと同様の脱調検知が可能である。
（第２の実施の形態）
次に、図6、7を用いて、本発明の第２の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。
図6に、第2の実施形態のブロック構成図を示す。図6は、図1の第1の実施形態の構成図に対して、インバータ2の中に新たに電源電圧検出器24を加え、さらに電源電圧検出器24で検出した値を、モータ定数演算器5Bに読み込む構成となっている。図6における部品で、部品番号が図1と同じものは、図1のものと同一のものである。第2の実施形態では、モータ定数演算器5Bの動作が、第1の実施形態と異なるだけであり、その他の動作は実施形態1と同じである。
図7に、モータ定数演算器5Bのブロック構成を示す。図7は、図2のモータ定数演算器5とほとんど同じ構成であるが、インバータの電源電圧検出値EDCを入力し、Vqの値を修正している点が図2と異なっている。図7では、Vqに対して、直流電圧設定値ゲイン57を介した後に、直流電圧値EDCを乗算することで、Vqの値を修正している。すなわち、（式4）に用いるKesの演算式におけるVqに対し、
Figure 0006765320
の補正を行っている。ここで、EDC0は、電源電圧EDCに対する設定値（固定値）である。
（式４）におけるKes演算に用いるVqは、PMモータ4に実際に印加されるq軸電圧である必要がある。しかし、インバータ2の電源電圧EDCが変動した場合、制御器1内部で生成されるVqが、必ずしも実際のモータに印加されるq軸電圧に一致するとは限らないため、補正を行う必要がある。
（式6）に従ってVqの補正を行えば、電源電圧が変動した場合でも、精度のよい異常検知が可能となる。
（第３の実施の形態）
次に、図8〜10を用いて、本発明の第3の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。
これまで説明した第1、第2の実施形態では、モータ定数を演算することで、PMモータ4の回転速度異常を正確に検知できることを示した。しかし、PMモータ4を用いたシステムでは、回転速度異常以外にも、様々な要因による異常が発生する。例えば、モータの周囲温度が上昇して、PMモータの回転子温度が上昇し、不可逆減磁が生じた場合などは、回転脈動やそれに伴う騒音が発生する。
第1、第2の実施形態では、脱調による停止など、明らかな異常の検知は可能であるが、装置の振動や、回転子に取り付けられた永久磁石の不可逆減磁の兆候など検出するのは困難である。
本発明の第3の実施形態では、これらの問題を解決する異常検知を搭載した電動機駆動システムを提供する。
図8、図9は、本発明による第3の実施形態の分析器6C、ならびに異常検知器7Cのブロック構成図である。これらの分析器6C、ならびに異常検知器7Cを、図１（あるいは図６）における分析器6、異常検知器7の代わりに用いることで、第3の実施形態が構成できる。
分析器6Cは、モータ定数演算器5で演算されたKesの振動成分を抽出するブロックである。例えば、モータの負荷に振動などの異常が生じた場合、あるいは、回転子の永久磁石の一部分に減磁が発生した場合など、Kesの演算結果にその振動成分が含まれることになる。本実施形態では、その振動成分を抽出することで、異常状態を検出するものである。
分析器6Cは、時定数Taの一次遅れフィルタ61a、入力の絶対値を演算する絶対値演算器64、時定数Tbの一次遅れフィルタ61b、発電定数Keの基準値Ke0を与えるKe0設定器62、加算器55、除算器56、ゲイン63から構成されている。
モータ定数演算器5にて計算されたKesが、負荷の異常や部分減磁の影響で脈動成分が含まれていたものとする。その振動成分を時定数Taの一次遅れフィルタで除去した値（すなわち、Kesの平均値に相当する値）を、Kesから差し引くことで、脈動成分であるΔKes0が得られる。この様子を、図10の波形(a)、（ｂ）に示す。その後、絶対値演算器63にて、ΔKes0の絶対値演算が行われ、結果としてΔKes1が得られる（図10(c)）。ΔKes1は、半波整流のような波形となっているが、これに時定数Tbの一次遅れフィルタ61bを介することで、なめらかな波形ΔKes2が得られる。ΔKes2は、Kesに含まれる変動成分の振幅が大きくなるほど大きな値になる。その後、第1の実施形態と同様に、Ke0で除算することで、変動量を百分率で異常信号Dとして出力する。
異常検知器7Cでは、異常信号Dの値に対する基準値ΔKeHを、異常判定設定器75に予め設定しておき、比較器71にて値を比較することで、ゲートオフ信号Eを発生する。ゲートオフ信号によって、インバータのゲート信号が遮断され、装置を保護することが可能である。あるいは、遮断する前に、異常の兆候があることを、警報として装置の使用者へ伝えることも可能である。
以上のように、本発明の第3の実施形態によれば、モータ駆動装置の異常振動や、あるいは回転子に取り付けられた永久磁石の部分減磁を検出可能となり、震動が続くことによる大きな損害や、減磁による脱調停止などを未然に防ぐことが可能になる。尚、本発明による第3の実施形態と、第1、あるいは第2の実施形態とは、併用することが可能であり、その場合は、負荷急変による脱調を含めて、より確実な異常検知が可能になる。
（第４の実施の形態）
次に、図11〜13を用いて、本発明の第4の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。
本発明による第1〜3の実施形態は、Kesを常に演算して、その値を監視して異常を検知するものである。しかし、PMモータ4を激しく加減速駆動する場合など、印加電圧Vd、Vqを大きく変化させて電流を素早く変化させる必要があるため、Kesの値も、同時に大きく変動する可能性がある。それを防止するには、例えばKesに介するフィルタ（例えば、図3のフィルタ61)の時定数を長くして、多少の変動の影響を受けないようにする必要がある。しかし、フィルタ時定数を長くし過ぎると、今度は異常検知に時間を要してしまい、大きな事故へつながってしまう可能性も出てくる。
この問題を解決するのが、本発明の第4の実施形態である。
本発明による第4の実施形態では、図11に示す分析器6D、ならびに図12に示す異常検知器7Dを、これまでの第１、第2の実施形態における分析器6、異常検知器7の代わりに用いることで実現できる。
図11において、部品番号55、56、62、63は、これまでの実施形態のものと同じものである。Kesに介するフィルタ61Dは、図3のフィルタ61の時定数Tよりも大幅に短い時定数に設定することができる。さらに、時間データを生成するためのタイマー68と、速度指令や電流指令などを格納する指令データ発生器65、異常信号Dと、その時のタイマー68からの時間データ、ならびに指令データ発生器65の指令信号を保存するデータ保存器66、データ保存器66に保存されたデータから、異常信号の基準値D*を発生させる基準データ発生器67により構成される。
図12に示す異常検知器7Dは、図4における異常検知器7と同じ構成であり、異常判定上限設定器72D、ならびに異常判定下限設定器73Dは、それぞれの設定値のみが異なる。
次に、図11〜13を用いて、本発明による第４の実施形態の動作について説明する。
PMモータ4を、高応答で加減速動作させると、印加電圧やモータ電流が大きく変動するため、モータ定数演算器5で演算されるKesの値も、その影響を受けて大きく変動する。これを「異常」とみなさないためには、図11におけるフィルタ61の時定数を長くすればよいが、それでは異常検知が遅れてしまうという問題がある。
そこで、モータの加減速時におけるKesの演算結果を、予めデータベースとしてデータ保存器66に保存しておく。PMモータ4の指令パターンは、条件によってある程度限定されており、時系列データとして保存することができる。その時のKesの演算結果も、同時に保存しておき、それによって基準となる信号D*を生成する。このD*は、異常でない状態におけるDの値に一致する。
図13に、第4の実施形態の動作波形の例を示す。PMモータ4に対して、回転速度ωr図13(a)のようなパターンで与えるものとする。その際、起動時（図13の「A点」）や、加速終了時の過渡現象（図13「B点」）によって、異常信号Dが、過渡的ではあるが、異常判定の上限値（KeH）や下限値（KeL)に到達してしまい、「異常」と誤検知してしまう可能性がある。これを防止するため、正常状態での異常信号Dの変化を予めデータ保存器に保存しておき、基準値D*として基準データ発生器67から発生させる。この基準値D*と、異常信号Dとの差分を取り、新たな異常信号D'とする。その結果、過渡的なDの変動はキャンセルされる。実際に脱調現象が生じた場合に（図13における「C点」）、異常信号D'が判定値に到達して、「異常」と判定することができるようになる。
データ保存器66には、予め通常動作時のデータを学習して保存しておいても問題ないし、実動作を重ねて、データを蓄積しても問題ない。また、基準値発生器67でも、過去のデータの平均値を利用するが簡単であるが、機械学習を導入して、基準値D*を生成することも可能である。
以上のように、本発明の第4の実施形態によれば、モータ駆動装置を高応答駆動した場合であっても、より正確に、誤動作なく異常検知を実現することが可能になる。
（第５の実施の形態）
次に、図14を用いて、本発明の第5の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。
第4の実施形態では、指令データや時系列データの保存値を用いて、異常検知を確実に行うものであるが、膨大なデータが必要となり、安価な電動機駆動システムに用いるに装置の大型化が問題になる可能性がある。
本発明の第5の実施形態では、指令データや時間データとは異なる「有効・無効電力」をデータとして用いることで、保存するデータ量を低減するものである。
図14に示す分析器6Eを、第4の実施形態における分析器6Dの代わりに用いることで第5の実施形態が実現できる。図14において、部品番号55、56、61D、62、63は、これまでの実施形態における同じ番号のものと同一のものである。これらに加え、あらたに有効・無効電力演算器69、データ保存器66E、基準値発生器67Eを備えている。
過去に提案された脱調検出方法にあるように、脱調時には、無効電流成分が増加することが知られており、脱調の異常と、電力変動には強い相関関係がある。そこで、有効電力、ならびに無効電力を瞬時瞬時に計算し、それとモータ定数の演算値であるKesを同時にデータとして保存することで、正常時のKesの値の範囲をデータ保存器66Eの中でデータベース化しておく。
有効電力P、無効電力Qの演算は、（式７）、（式8)により演算可能である。
Figure 0006765320
Figure 0006765320
有効・無効電力演算器69では、(式7)、(式8)の演算を行い、それと異常信号Dをデータとして、データ保存器66Eに保存する。この場合、第4の実施形態のような指令パターンや、時間データは不要であるため、データ数は大幅に削減できる。
基準値発生器67Eでは、有効電力P、無効電力Qの値から基準となる異常信号D*を決定して、それと異常信号Dとの差分をもって、新たな異常信号D'を生成する。あとは、異常判定レベルを適切に設定することで、異常検知が可能になる。
尚、有効電力と無効電力の双方をデータとして保存する例を示したが、条件によっては有効電力か、あるいは無効電力のいずれかのみを用いても異常検知は可能である。
以上のように、本発明の第5の実施形態によれば、モータ駆動装置を高応答駆動した場合であっても、少ないデータ数を用いて、誤動作のない異常検知を実現することが可能になる。
（第６の実施の形態）
次に、図15〜17を用いて、本発明の第6の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。
これまでの実施形態では、モータ定数として発電定数Keを逆算することで異常を検知する方法を述べたが、モータの発電定数自体が変動する可能性がある。もっとも懸念されるのが、周囲温度が変化した場合に、発電定数も温度に依存して変化してしまうため、装置の異常なのか、温度による変動なのかの分離が困難になる点である。
この異常の種類の分離を実現するため、本発明の第６の実施形態では、モータ定数として巻線抵抗値R1の逆算も同時に実施する。巻線抵抗R1も、周囲温度によって変動する値であるため、R1の値とKeの値は相間を持つ。よって、両者を同時に分析し、データ化することによって、装置の異常なのか、温度変動による異常なのかの切り分けが可能である。
図15は、本発明による第6の実施形態のブロック構成図である。図1、あるいは図6における構成とほとんど同じであるが、すでに説明したモータ定数演算器、分析器が、モータ定数演算器5F、分析器6Fに置き換えられている点が異なっている。
図6に、モータ定数演算器5Fのブロック構成図を示す。図2の構成に比べて、巻線抵抗R1を演算する部分が新たに追加されている。巻線抵抗R1は、（式１）を変形して、（式9）により求めることができる。
Figure 0006765320
ただし、（式1）における微分項は省略している。図16の下の部分が、（式９）を実現するブロックとなっており、q軸インダクタンスLq設定器58などが追加されてる。
図17に分析器6Fの構成図を示す。図17では、図11の分析器6Dに付加する形で、R1sから演算した異常信号が新たな信号として加わっている。図17において、フィルタ601は、巻線抵抗の演算値R1sに対するフィルタ要素であり、また巻線抵抗R1の基準値R10を与えるR10設定器602が新たに加わっている。ここでは発電定数の変動値と同様に、巻線抵抗値R1sの変動分を百分率で算出している。
さらに、データ保存器66Fでは、発電定数の演算値から得られた異常信号Dと同時に、巻線抵抗の演算値から得た異常信号D_R1sも保存する。これによって、巻線抵抗の変動と発電定数の変動を関連付けが実現できる。
基準値発生器67Fでは、これらの保存データに基づき、基準値であるD*を算出して出力する。
温度上昇に伴う発電定数の変動であれば、巻線抵抗値の異常信号D_R1sも同時に変化しているはずであり、両者の関連付けが可能となる。
また、温度異常のみを監視するのであれば、巻線抵抗の演算値R1sを用いて、時系列データ化することで、判定することも可能である。
また、本発明の第3の実施形態に示したように、Kesの変動分を抽出するのと同様に、R1sの変動分を抽出しても、モータ駆動装置の異常を検知することが可能である。特に、極低速域において、モータの誘起電圧（ω1・Ke)が小さくなる条件では、R1sの変化を観測した方が、異常検知の感度が高くなり有効である。
以上のように、本発明の第6の実施形態によれば、温度による定数変動と、異常時における定数変動とを切り分けることが可能となり、誤検出の少ない異常検知を実現することが可能になる。
（第７の実施の形態）
次に、図18、19を用いて、本発明の第7の実施の形態に関わる交流電動機の制御装置について説明する。図18において、部品番号2〜5、ならびに8〜15は、これまでの実施形態の同じ番号の部品と同一のものである。これまでの実施形態との違いは、分析器6G、ならびに異常検知器7G、通信機能16、データサーバ＆分析器17が新たに付加されている点である。
これまでに説明した第4〜6の実施形態では、通常動作時のデータを保存しておくデータ保存器と、基準データ発生器を制御器内部に設置していた。しかし、モータ駆動装置の動作範囲が広く、駆動条件が増えるに従って、保存すべきデータが膨大になり、また、その分析も難しくなっていく。
本発明による第7の実施形態では、通信機能16を利用して、データの保存とその分析を外部で行うことを特徴としている。
図19に、図18に記載した分析器6G、異常検知器7G、通信機能16、データサーバ＆分析器17の詳細図を示す。図において、部品番号55、56、61D、62、63、65、68、71、74は、これまでに説明した番号の部品と同じものである。分析器6Gの動作は、本発明第4の実施形態とほぼ同様であるが、得られたデータは、通信機能16を介して、外部のデータ・サーバ＆分析器17のデータ保存器66Gへと保管される。
データ・サーバ＆分析器17でのデータ保存量は、第4〜6におけるデータ数よりもはるかに多くのデータ保存が可能である。また、データの分析も、データ・サーバ＆分析器17におけるデータ分析器170において、高速・高精度な分析アルゴリズムを使って大量のデータの処理を実行する。その分析結果を、分析器6Gの基準値生成器67Gへと反映する。
基準値生成器67Gでは、異常信号の基準となる基準値D*を、タイマー68と指令データ65の値を入力としたマップや関数によって生成される。これらのマップや関数の修正は、データ・サーバ＆分析器17におけるデータ分析器170にて分析された結果によって、通信機能16を介して実施される。
また、異常検知器7Gでは、異常信号D'と、異常判定の上限値KeHG、ならびに下限値KeLGとの比較が行われる。その際、データ・サーバ＆分析器17における分析結果により、これらの異常判定の上下限値の値を修正することも可能である。すなわち、外部に設置したデータ・サーバ＆分析器17を利用することで、より高度で高精度な異常検知が実現可能になる。
尚、データ・サーバ＆分析器の活用は、例えば、本発明の第5、第6の実施形態において適用することも可能である。また、通信機能としては、有線、あるいは無線ネットワークや、シリアル通信機能を用いて実現することが可能である。
以上のように、本発明の第7の実施形態によれば、モータ駆動装置の異常判定をより高度に、誤検知なく実現することが可能になる。外部による分析を、例えば機械学習機能を用いることで、より大量のデータを活用して、様々な異常の検知が実現できるようになる。
（第8の実施の形態）
図20〜22に、本発明による交流電動機の駆動装置を応用した実施形態を示す。
図20は、本発明による交流電動機の駆動装置（図における制御器1、インバータ2、電流検出器3を一体のケースに収めている）を、工作機械18に応用した例である。図20では、工作機械の例として、材料の切削加工機を示している。PMモータ4によって、切削加工を行う際、例えば、ドリルの歯が材料に食い込んで停止してしまったような場合に、異常検知として速やかにモータを停止する必要がある。そのような異常検知機能を本発明による交流電動機駆動装置では提供することが可能である。
また、図21は液体のポンプシステムに本発明による交流電動機の駆動装置を応用した例である。図21は、バルブ83を開放することで、液体タンク82に貯められている液体を、PMモータ４によって駆動されるポンプ4を用いて組み上げるシステムである。ポンプの中に何か遺物が混入し、モータが停止するなどの異常が発生した場合、本発明による交流電動機の駆動装置を用いることで、異常の検知がスムーズに行われる。
また、液体として例えばオイルを用いる油圧システムにおけるポンプの場合には、油の粘性が温度によって変化するため、条件によっては過大負荷がモータに加わり、脱調してしまう場合がある。そのような場合でも、速やかに脱調検知が実現できる。
図22は、本発明による交流電動機の駆動装置を、鉄道車両84に応用した例である。鉄道車両では、複数台のモータを駆動する必要があり、それらに個別のセンサを取り付けて異常検知を実施するのは困難である。本発明によれば、制御器内部に異常検知機能を内蔵できるため、モータの動作状態の監視が容易である。また、車両機器のメンテナンスとしても、モータ定数の監視による応用が可能である。
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。
既述の通り、本発明は交流電動機の制御装置およびそれを用いたドライブシステムを構築するための技術である。このモータの適用範囲は、工作機械、スピンドルモータ、ファン、ポンプ（油圧ポンプ、水ポンプ）、圧縮機、冷暖房機器などの回転速度制御を初め、コンベア、昇降機、押し出し機、電気自動車、鉄道車両用モータとしても利用可能である。
1…制御器、2…インバータ、21…直流電源、22…インバータ主回路、23…ゲートドライバ、3…電流検出器、4…PMモータ、5…モータ定数演算器、6…分析器６、7…異常検知器、
8…ｄｑ変換器、9…ベクトル制御部、10…速度・位置演算器、11…Id*発生器、
12…q*発生器、13…ｄｑ逆変換器、14…パルス幅変調(PWM)器、15…ゲート遮断器

Claims (11)

  1. 三相交流電動機と、前記電動機を駆動するインバータと、前記インバータにパルス信号を与えて、前記電動機を制御する制御器からなる交流電動機駆動装置において、
    前記制御器内部で演算された前記電動機の電流、電圧、回転数の少なくとも一つを用いて、前記電動機の定数を演算する手段と、
    前記定数を分析し、前記電動機の異常動作、あるいは前記電動機に接続された負荷装置の異常動作を検知する検知手段と、
    前記定数として、前記電動機の誘起電圧定数を演算する手段と、を備え
    前記検知手段は、前記電動機の異常動作、あるいは前記電動機に接続された負荷装置の異常動作を検知する、交流電動機の制御装置。
  2. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    前記インバータの電源電圧を検出する手段を備え、
    前記インバータの電源電圧値の変動分を補正することを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  3. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    前記電動機の定数として、前記交流電動機の誘起電圧定数を演算する手段を備え、
    前記誘起電圧定数の脈動成分に基づいて、前記電動機の異常動作、あるいは前記電動機に接続された負荷装置の異常動作を検知する前記検知手段を備えることを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  4. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    前記電動機の定数として、前記交流電動機の誘起電圧定数を演算する手段を備え、
    前記誘起電圧定数そのもの、あるいは前記誘起電圧定数の変動成分の少なくとも一方を時系列データとして保存し、その保存したデータを分析することで、前記電動機の異常動作、あるいは前記負荷装置の異常動作を検知する前記検知手段を備えることを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  5. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    前記制御器内部で有効電力あるいは無効電力の少なくとも一方を演算する手段を備え、
    前記算出された電動機定数と、前記有効電力あるいは無効電力の少なくとも一方とに基づき、前記電動機の異常動作、あるいは負荷装置の異常動作を検知する前記検知手段を備えることを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  6. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    前記電動機の定数として、前記交流電動機の抵抗値を演算する手段を備え、
    前記抵抗値そのもの、あるいは前記抵抗値の変動成分の少なくとも一方を時系列データとして保存し、その保存したデータを分析することで、前記電動機の異常動作、あるいは前記負荷装置の異常動作を検知する前記検知手段を備えることを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  7. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    前記電動機の定数として、前記交流電動機の抵抗値と発電定数値を演算する手段を備え、
    前記抵抗値、ならびに発電定数値そのもの、あるいはそれらの変動成分の少なくとも一方を時系列データとして保存し、その保存したデータを分析することで、前記電動機の異常動作、あるいは前記負荷装置の異常動作を検知する前記検知手段を備えることを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  8. 請求項１における交流電動機の制御装置において、
    演算された前記電動機定数、あるいは電動機定数の変動分の少なくとも一方を、前記制御に通信手段で接続されたデータ蓄積装置に時系列データとして保存し、その保存データを分析して、前記電動機の異常動作、あるいは前記負荷装置の異常動作を検知する前記検知手段を備えることを特徴とした、交流電動機の制御装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれかにおける交流電動機の制御装置と、前記交流電動機により駆動される工作機械と、を備えた工作機械システム。
  10. 請求項１乃至８のいずれかにおける交流電動機の制御装置と、前記交流電動機により駆動される液体用ポンプと、を備えたポンプシステム。
  11. 請求項１乃至８のいずれかにおける交流電動機の制御装置と、前記交流電動機により駆動される移動体システム。
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