JP7381756B2 - モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、あるいは各種ロボット内のモータの駆動を制御するモータ駆動装置においては、交流電源から入力される交流電力をコンバータ部（整流回路）にて直流電力に変換してＤＣリンクへ出力し、さらにインバータ部にてＤＣリンクにおける直流電圧を交流電力に変換し、この交流電力をモータの駆動電力として供給している。「ＤＣリンク」とは、コンバータ部の直流出力側とインバータ部の直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「ＤＣリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」または「直流中間回路」などとも別称されることもある。

何らかの原因によりモータの絶縁劣化によるモータ故障が発生することがある。モータの絶縁劣化の検出は、モータの巻線と大地との間の抵抗値である絶縁抵抗値を測定することにより行われる。

例えば、第１のスイッチを介して交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路によって整流された直流電圧をコンデンサで平滑化する電源部と、前記電源部によって平滑化された直流電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作により交流電圧に変換してモータを駆動するインバータ部と、前記モータのコイルに一端を接続し、前記コンデンサの一方の端子に他端を接続した抵抗器に流れる電流値を測定する電流検出部と、前記コンデンサの両端の電圧値を測定する電圧検出部と、前記コンデンサの他方の端子を接地する第２のスイッチと、モータの運転を停止し、前記第１のスイッチをオフし、かつ、前記第２のスイッチをオフした状態とオンした状態の２つの状態において測定された２組の前記電流値及び前記電圧値を用いて、モータのコイルと大地との間の抵抗であるモータの絶縁抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部と、を有することを特徴とするモータ駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、運転中の交流電動機における界磁巻線の絶縁劣化の発生を検出する絶縁劣化検出装置であって、交流電動機の各相の界磁巻線での部分放電発生の際の電磁波を個別に検出する複数の検出素子と、その複数の検出素子からの出力信号を一括して接地する接地線と、上記接地線から部分放電信号を取り出す検出手段と、該検出手段の出力信号に基づき部分放電が許容以上か否かを判定する判定手段と、判定手段が許容以上の部分放電と判定すると警報を出力する警報手段とを備えることを特徴とする電動機の絶縁劣化検出装置。が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１５－１２９７０４号公報 特開２００２－３１１０８０号公報

従来、モータの絶縁抵抗値を測定する際は、当該モータを駆動するモータ駆動装置と交流電源との間を遮断して行う必要があった。しかしながら、モータの絶縁抵抗値の測定のたびにモータ駆動装置と交流電源との遮断作業及び接続作業を行うことは手間及び時間がかかり、効率が悪い。また、モータ駆動装置と交流電源との間に遮断器を設置することも考えられるが、コストが増加するという欠点がある。したがって、モータ駆動装置を交流電源から切り離すことなくモータの絶縁抵抗値を低コストで測定できるようにする技術が望まれている。

本開示の一態様によれば、モータ駆動装置は、交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力するコンバータ部と、ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、ＤＣリンクにおける直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換して出力するインバータ部と、ＤＣリンクを構成する正電位線と負電位線との間に設けられる互いに直列接続された２つの分圧抵抗であって分圧抵抗どうしの接続点とモータの巻線とが接続される分圧抵抗と、分圧抵抗どうしの接続点とＤＣリンクの正電位線または負電位線との間に接続される測定用抵抗と、測定用抵抗の両端の電位差である抵抗電圧を測定する抵抗電圧測定部と、抵抗電圧測定部により測定された抵抗電圧から直流成分を抽出する直流成分抽出部と、抵抗電圧測定部により測定された抵抗電圧から交流成分を抽出する交流成分抽出部と、ＤＣリンクの正電位線における正電位及び負電位線における負電位を測定するＤＣリンク電位測定部と、直流成分抽出部により抽出された直流成分と交流成分抽出部により抽出された交流成分とＤＣリンク電位測定部により測定された正電位及び負電位とに基づいて、モータの絶縁抵抗値を計算する絶縁抵抗値計算部とを備える。

本開示の一態様によれば、モータ駆動装置を交流電源から切り離すことなくモータの絶縁抵抗値を低コストで測定できる。

本開示の一実施形態によるモータ駆動装置（第１の形態）を示す図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置（第１の形態）の変形例を示す図である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その１）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その２）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その３）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その４）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その５）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その６）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その７）である。 第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図（その８）である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置（第２の形態）を示す図である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その１）である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その２）である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その３）である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その４）である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その５）である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その６）である。 第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図（その７）である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。 デルタ結線により交流電源と本開示の一実施形態によるモータ駆動装置とが結線される場合におけるＤＣリンクの正電位及び負電位のシミュレーション結果を説明する図である。

以下図面を参照して、モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された形態に限定されるものではない。

図１は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置（第１の形態）を示す図である。なお、詳細については後述するが、測定用抵抗１４の一端はＤＣリンクの負電位線または正電位線に接続される。測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される形態を第１の形態と称し、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの正電位線に接続される形態を第２の形態と称する。第１の形態と第２の形態とは、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続されるか正電位線に接続されるかの点でのみ相違する。

一例として、交流電源２に接続されたモータ駆動装置１により、モータ３を制御する場合について示す。本実施形態においては、モータ３の種類は特に限定されず、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、交流電源２及びモータ３の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。図示の例では、交流電源２及びモータ３をそれぞれ三相としている。交流電源２の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源、単相交流１００Ｖ電源などがある。モータ３が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、各種電化製品、電車、自動車、航空機などが含まれる。

図１に示すように、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置１は、コンバータ部１１と、ＤＣリンクコンデンサ４と、インバータ部１２と、２つの分圧抵抗１３－１及び１３－２と、測定用抵抗１４と、抵抗電圧測定部１５と、直流成分抽出部１６と、交流成分抽出部１７と、ＤＣリンク電位測定部１８と、絶縁抵抗値計算部１９とを備える。

コンバータ部１１は、交流電源２から入力された交流電力を直流電力に変換して直流出力側であるＤＣリンクへ出力する。コンバータ部１１は、交流電源２から三相交流電力が供給される場合は三相ブリッジ回路で構成され、交流電源２から単相交流電力が供給される場合は単相ブリッジ回路で構成される。図示の例では、交流電源２を三相交流電源としたので、コンバータ部１１は三相ブリッジ回路で構成される。コンバータ部１１の例としては、ダイオード整流器、１２０度通電方式整流器、及びＰＷＭスイッチング制御方式整流器などがある。例えば、コンバータ部１１が１２０度通電方式整流器及びＰＷＭスイッチング制御方式整流器である場合は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなり、上位制御装置（図示せず）から受信した駆動指令に応じて各スイッチング素子がオンオフ制御されて交直双方向に電力変換を行う。この場合、スイッチング素子の例としては、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスタ、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ－ＯＦＦ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、トランジスタなどがあるが、その他の半導体素子であってもよい。

インバータ部１２は、ＤＣリンクにおける直流電力をモータ３の駆動のための交流電力に変換して出力する。インバータ部１２は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。インバータ部１２は、モータ３が三相交流モータである場合は三相ブリッジ回路で構成され、モータ３が単相交流モータである場合は単相ブリッジ回路で構成される。図示の例では、モータ３を三相交流モータとしたので、インバータ部１２は三相ブリッジ回路で構成される。インバータ部１２は、例えばＰＷＭスイッチング制御方式によりその電力変換動作が制御される。すなわち、インバータ部１２は、上位制御装置（図示せず）からのＰＷＭスイッチング指令を受けてＤＣリンクにおける直流電力をモータ３を駆動するための交流電力に変換してモータ３へ出力するとともにモータ回生時にはモータ３で回生された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンク側へ戻す。

一般的なモータ駆動装置と同様、インバータ部１２は、上位制御装置（図示せず）により、電力変換動作が制御される。すなわち、上位制御装置は、モータ３の速度（速度フィードバック）、モータ３の巻線に流れる電流（電流フィードバック）、所定のトルク指令、及びモータ３の動作プログラムなどに基づいて、モータ３の速度、トルク、もしくは回転子の位置を制御するためのスイッチング指令を生成する。上位制御装置によって作成されたＰＷＭスイッチング指令に基づいて、インバータ部１２による電力変換動作が制御される。

コンバータ部１１の直流出力側とインバータ部１２の直流入力側とを接続するＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサ４が設けられる。ＤＣリンクコンデンサ４は、コンバータ部１１の直流出力の脈動分を抑える機能及びインバータ部１２が交流電力を生成するために用いられる直流電力を蓄積する機能を有する。ＤＣリンクコンデンサ４の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。

ＤＣリンクを構成する正電位線と負電位線との間には、互いに直列接続された２つの分圧抵抗１３－１及び１３－２が設けられる。ＤＣリンクの正電位線における正電位と負電位線における負電位との電位差であるＤＣリンク電圧を、分圧抵抗１３－１と分圧抵抗１３－２とで分圧する。分圧抵抗１３－１と分圧抵抗１３－２との接続点は、モータ３の巻線（の入力端子）に接続される。図１に示す例では、分圧抵抗１３－１及び１３－２の各々は、ＤＣリンクの正電位線と負電位線との間に接続される互いに直列接続された２つのＤＣリンク抵抗の各々にて構成される。ＤＣリンク抵抗は一般的な抵抗にて構成される。分圧抵抗１３－１の抵抗値と分圧抵抗１３－２の抵抗値とは、略等しいことが好ましく、図１に示す例では抵抗値をＲとしている。ただし、分圧抵抗１３－１の抵抗値と分圧抵抗１３－２の抵抗値とは、異なった値を有していてもよい。分圧抵抗１３－１及び１３－２の各抵抗値Ｒは、予め測定しておくか、あるいは分圧抵抗１３－１及び１３－２についての規格表に規定された値を用いればよい。

測定用抵抗１４は、分圧抵抗１３－１と分圧抵抗１３－２との接続点と、ＤＣリンクの正電位線または負電位線との間に接続される。図１では、分圧抵抗１３－１と分圧抵抗１３－２との接続点と、ＤＣリンクの負電位線との間に測定用抵抗１４が接続される第１の形態を示している。測定用抵抗１４は一般的な抵抗にて構成される。測定用抵抗１４の抵抗値をＲ_inとする。測定用抵抗１４の抵抗値Ｒ_inは、予め測定しておくか、あるいは測定用抵抗１４についての規格表に規定された値を用いればよい。

抵抗電圧測定部１５は、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態（すなわちインバータ部１２内の全てのスイッチング素子をオフさせた状態）において、測定用抵抗１４の両端の電位差である抵抗電圧を測定する。抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧に関する信号は、直流成分抽出部１６及び交流成分抽出部１７へ送られる。

直流成分抽出部１６は、抵抗電圧測定部１５により測定された抵抗電圧から直流成分を抽出する。直流成分抽出部１６は、例えば抵抗電圧測定部１５から出力される信号から交流成分を除去して直流成分を出力するローパスフィルタにて構成される。直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分に関する信号は、絶縁抵抗値計算部１９へ送られる。

交流成分抽出部１７は、抵抗電圧測定部１５により測定された抵抗電圧から交流成分を抽出する。交流成分抽出部１７は、例えば抵抗電圧測定部１５から出力される信号から直流成分を除去して交流成分を出力するハイパスフィルタにて構成される。交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分に関する信号は、絶縁抵抗値計算部１９へ送られる。

ＤＣリンク電位測定部１８は、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態（すなわちインバータ部１２内の全てのスイッチング素子をオフさせた状態）において、ＤＣリンクの正電位線における正電位及び負電位線における負電位を測定する。ＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位及び負電位に関する信号は、絶縁抵抗値計算部１９へ送られる。

絶縁抵抗値計算部１９は、直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分と、交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分と、ＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位及び負電位とに基づいて、モータ３の巻線と大地との間の絶縁抵抗２０の抵抗値である絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。絶縁抵抗値計算部１９による計算処理の詳細については後述する。

図１を参照して説明した実施形態では、分圧抵抗１３－１及び１３－２の各々は、ＤＣリンクの正電位線と負電位線との間に接続される互いに直列接続された２つのＤＣリンク抵抗の各々にて構成される。この変形例として、インバータ部１２内のブリッジ回路におけるスイッチング素子のオフ抵抗を、分圧抵抗１３－１及び１３－２として流用してもよい。図２は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置（第１の形態）の変形例を示す図である。インバータ部１２内のブリッジ回路を構成する同一相中の上アーム及び下アームのそれぞれに設けられるスイッチング素子をオフすると、所定の抵抗値を有するオフ抵抗が発生する。同一相中の上アーム及び下アームのスイッチング素子についてのオフ抵抗は、ＤＣリンク電圧を分圧する機能を有するので、同一相中の上アーム及び下アームのスイッチング素子のオフ抵抗を、分圧抵抗１３－１及び１３－２として用いることができる。本変形例では、スイッチング素子のオフ抵抗の抵抗値をＲとする。スイッチング素子のオフ抵抗の抵抗値Ｒは、スイッチング素子のオフ時の電圧の測定結果に基づいて計算すればよい。

続いて、絶縁抵抗値計算部１９における計算処理について、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される第１の形態と、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの正電位線に接続される第２の形態とに分けて説明する。

まず、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される第１の形態による絶縁抵抗値計算部１９における計算処理について説明する。

上述したように、図１及び図２は測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される第１の形態を示しており、すなわち、測定用抵抗１４は、分圧抵抗１３－１と分圧抵抗１３－２との接続点とＤＣリンクの負電位線との間に接続される。

図１及び図２に示す第１の形態では、絶縁抵抗値計算部１９は、式１に従って、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。式１において、測定用抵抗１４の抵抗値をＲ_in、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位の値をＶ_p、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの負電位の値をＶ_nとする。また、直流成分抽出部１６（ローパスフィルタ）により抽出されたインバータ部１２による電力変換動作の停止時における抵抗電圧の直流成分の値をＶ_inL、交流成分抽出部１７（ハイパスフィルタ）により抽出されたインバータ部１２による電力変換動作の停止時における抵抗電圧の交流成分の値をＶ_inHとする。また、値Ｖ_comを（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２、値Ｖ_difを（Ｖ_p－Ｖ_n）／２とする。

ここで、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される第１の形態による絶縁抵抗値計算部１９における計算処理において用いられる式１の導出過程について説明する。図３～図１０は、第１の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１の導出に用いられる等価回路を示す図である。

絶縁抵抗値計算部１９による絶縁抵抗値Ｒ_mの算出には、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態において抵抗電圧測定部１５及びＤＣリンク電位測定部１８により測定されたデータが用いられる。インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態では、図３～図１０にはインバータ部１２に関する回路は現れない。

図１及び図２に示すＤＣリンクの正電位線における正電位Ｖ_pを、図３では等価電源３１で表す。同様に、図１及び図２に示すＤＣリンクの負電位線における負電位Ｖ_nを、図３では等価電源３２で表す。このとき、図１及び図２に示す分圧抵抗１３－１及び１３－２、測定用抵抗１４、並びにモータ３の絶縁抵抗２０は、等価電源３１及び３２に対して図３に示すように接続される。分圧抵抗１３－１及び１３－２の抵抗値をそれぞれＲとし、測定用抵抗１４の抵抗値をＲ_inとし、モータ３の絶縁抵抗２０の抵抗値をＲ_mとする。抵抗電圧測定部１５により測定される測定用抵抗１４の抵抗電圧の値をＶ_inとする。

図３に示す等価回路において、等価電源３２は分圧抵抗１３－２の一端及び測定用抵抗１４の一端に接続されているので、等価電源３２は、図４に示すように同一の電圧値Ｖ_nを有する２つの等価電源３２及び３３に分解することができる。すなわち、図４に示すように、分圧抵抗１３－２の一端に等価電源３２が接続され、測定用抵抗１４の一端に等価電源３３が接続される。

図４に示す等価回路において、回路部分Ｔ１にテブナンの定理を適用すると、図５に示すような等価回路が得られる。図５において、等価電源３４の電圧値Ｖ₁は式２で表され、等価抵抗２１の抵抗値はＲ／２となる。

図５に示す等価回路において、回路部分Ｔ２にテブナンの定理を適用すると、図６に示すような等価回路が得られる。図６において、等価電源３５の電圧値Ｖ₂は式３で表され、等価抵抗２２の抵抗値Ｒ₁は式４で表される。

図６に示す等価回路において、等価電源３３と等価電源３５とは、等価抵抗２２及び測定用抵抗１４を介して直列に接続されているので、等価電源３３と等価電源３５とを１つにまとめると、図７に示すような等価電源３６が得られる。図７において、等価電源３６の電圧値Ｖ₃は式５で表される。

図７に示す等価回路において、等価電源３６の電圧値Ｖ₃を差動成分と同相成分とに分けると、図８に示すような等価電源３７及び３８が得られる。図８において、等価電源３７の電圧値Ｖ₄は差動成分であり、式６で表される。等価電源３８の電圧値Ｖ₅は同相成分であり、式７で表される。

図８に示す等価回路は、図９に示す直流成分の等価回路と図１０に示す交流成分の等価回路とに分けることができる。

図９に示すように直流成分の等価回路では、差動成分Ｖ₄を有する等価電源３７に等価抵抗２２及び測定用抵抗１４が接続される。オームの法則を用いて測定用抵抗１４に印加される電圧成分Ｖ_inLを求めると、式８のように表される。式８において、直流成分を含まない信号成分である（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２をＶ_com、直流成分を含む信号成分（Ｖ_p－Ｖ_n）／２をＶ_difに置き換えている。電圧成分Ｖ_inLは、抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から直流成分抽出部１６（ローパスフィルタ）により交流成分を除去することで得られる直流成分に対応する。

図１０に示すように交流成分の等価回路では、同相成分Ｖ₅を有する等価電源３８に等価抵抗２２及び測定用抵抗１４が接続される。オームの法則を用いて測定用抵抗１４に印加される電圧成分Ｖ_inHを求めると、式９のように表される。式９において、直流成分を含まない信号成分である（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２をＶ_com、直流成分を含む信号成分（Ｖ_p－Ｖ_n）／２をＶ_difに置き換えている。電圧成分Ｖ_inHは、抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から交流成分抽出部１７（ハイパスフィルタ）により直流成分を除去することで得られる交流成分に対応する。

式８及び式９についての連立方程式を絶縁抵抗値Ｒ_mについて解くことで、絶縁抵抗値Ｒ_mを求めるための式１が得られる。測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される第１の形態では、絶縁抵抗値計算部１９は、式１に従って、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。式１において、値Ｖ_comは（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２によって表され、値Ｖ_difは（Ｖ_p－Ｖ_n）／２によって表される。Ｖ_pは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されるＤＣリンクの正電位線における正電位である。Ｖ_nは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されるＤＣリンクの負電位線における負電位である。直流成分Ｖ_inLは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時に抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から直流成分抽出部１６（ローパスフィルタ）により交流成分を除去することで得られる。交流成分Ｖ_inHは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時に抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から交流成分抽出部１７（ハイパスフィルタ）により直流成分を除去することで得られる。測定用抵抗１４の抵抗値Ｒ_inについては、予め測定しておくか、あるいは、規格表に規定された値を用いればよい。また、分圧抵抗１３－１及び１３－２の各抵抗値Ｒは、式８及び式９の連立方程式を解くことによって求めることができる。つまり、「式１に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する」とは、「直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分Ｖ_inLと、交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHと、ＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位Ｖ_p及び負電位Ｖ_nとに基づいて、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する」ことを意味する。

なお、第１の形態において、値Ｖ_com及び交流成分Ｖ_inH並びに値Ｖ_dif及び直流成分Ｖ_inLについては、整流回路を通して直流に変換してから測定してもよい。この場合、例えば交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHを整流したうえで絶対値をとり、この値に基づいて式１０に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。あるいは、例えば交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHを整流したうえで絶対値をとるとともに直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分Ｖ_inLを整流したうえで絶対値をとり、これらの値に基づいて式１０に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。なお、式９の交流成分Ｖ_inH及び式８の直流成分Ｖ_inLの絶対値をとっているので、式１０は、式１とは符号が一部異なったものとなる。

続いて、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの正電位線に接続される第２の形態による絶縁抵抗値計算部１９における計算処理について説明する。

図１１は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置（第２の形態）を示す図である。第２の形態では、測定用抵抗１４は、分圧抵抗１３－１と分圧抵抗１３－２との接続点とＤＣリンクの正電位線との間に接続される。なお、これ以外の回路構成要素については図１に示す回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。また、第１の形態と同様に、第２の形態においても、インバータ部１２内のブリッジ回路におけるスイッチング素子のオフ抵抗を、分圧抵抗１３－１及び１３－２として流用してもよい。

図１１に示す第２の形態では、絶縁抵抗値計算部１９は、式１１に従って、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。式１１において、測定用抵抗１４の抵抗値をＲ_in、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位の値をＶ_p、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの負電位の値をＶ_nとする。また、直流成分抽出部１６（ローパスフィルタ）により抽出されたインバータ部１２による電力変換動作の停止時における抵抗電圧の直流成分の値をＶ_inL、交流成分抽出部１７（ハイパスフィルタ）により抽出されたインバータ部１２による電力変換動作の停止時における抵抗電圧の交流成分の値をＶ_inHとする。また、値Ｖ_comを（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２、値Ｖ_difを（Ｖ_p－Ｖ_n）／２とする。

ここで、測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの正電位線に接続される第２の形態による絶縁抵抗値計算部１９における計算処理において用いられる式１１の導出過程について説明する。図１２～図１８は、第２の形態による絶縁抵抗値計算部の計算処理における式１１の導出に用いられる等価回路を示す図である。

絶縁抵抗値計算部１９による絶縁抵抗値Ｒ_mの算出には、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態において抵抗電圧測定部１５及びＤＣリンク電位測定部１８により測定されたデータが用いられる。インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態では、図１２～図１８にはインバータ部１２に関する回路は現れない。

図１１に示すＤＣリンクの正電位線における正電位Ｖ_pを、図１２では等価電源５１で表す。同様に、図３に示すＤＣリンクの負電位線における負電位Ｖ_nを、図１２では等価電源５２で表す。このとき、図１１に示す分圧抵抗１３－１及び１３－２、測定用抵抗１４、並びにモータ３の絶縁抵抗２０は、等価電源５１及び５２に対して図１２に示すように接続される。分圧抵抗１３－１及び１３－２の抵抗値をそれぞれＲとし、測定用抵抗１４の抵抗値をＲ_inとし、モータ３の絶縁抵抗２０の抵抗値をＲ_mとする。抵抗電圧測定部１５により測定される測定用抵抗１４の抵抗電圧の値をＶ_inとする。

図１２に示す等価回路において、等価電源５１及び５２並びに分圧抵抗１３－１及び１３－２にテブナンの定理を適用すると、図１３に示すような等価回路が得られる。図５において、等価電源５４の電圧値Ｖ₆は式１２で表され、等価抵抗４１の抵抗値はＲ／２となる。

図１３に示す等価回路において、回路部分Ｔ３にテブナンの定理を適用すると、図１４に示すような等価回路が得られる。図１４において、等価電源５５の電圧値Ｖ₇は式１３で表され、等価抵抗４２の抵抗値Ｒ₂は式１４で表される。

図１４に示す等価回路において、等価電源５３と等価電源５５とは、等価抵抗４２及び測定用抵抗１４を介して直列に接続されているので、等価電源５３と等価電源５５とを１つにまとめると、図１５に示すような等価電源５６が得られる。図１５において、等価電源５６の電圧値Ｖ₈は式１５で表される。

図１５に示す等価回路において、等価電源５６の電圧値Ｖ₈を差動成分と同相成分とに分けると、図１６に示すような等価電源５７及び５８が得られる。図１６において、等価電源５７の電圧値Ｖ₉は差動成分であり、式１６で表される。等価電源５８の電圧値Ｖ₁₀は同相成分であり、式１７で表される。

図１６に示す等価回路は、図１７に示す直流成分の等価回路と図１８に示す交流成分の等価回路とに分けることができる。

図１７に示すように直流成分の等価回路では、差動成分Ｖ₉を有する等価電源５７に等価抵抗４２及び測定用抵抗１４が接続される。オームの法則を用いて測定用抵抗１４に印加される電圧成分Ｖ_inLを求めると、式１８のように表される。式１８において、直流成分を含まない信号成分である（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２をＶ_com、直流成分を含む信号成分（Ｖ_p－Ｖ_n）／２をＶ_difに置き換えている。電圧成分Ｖ_inLは、抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から直流成分抽出部１６（ローパスフィルタ）により交流成分を除去することで得られる直流成分に対応する。

図１８に示すように交流成分の等価回路では、同相成分Ｖ₁₀を有する等価電源５８に等価抵抗４２及び測定用抵抗１４が接続される。オームの法則を用いて測定用抵抗１４に印加される電圧成分Ｖ_inHを求めると、式１９のように表される。式１９において、直流成分を含まない信号成分である（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２をＶ_com、直流成分を含む信号成分（Ｖ_p－Ｖ_n）／２をＶ_difに置き換えている。電圧成分Ｖ_inHは、抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から交流成分抽出部１７（ハイパスフィルタ）により直流成分を除去することで得られる交流成分に対応する。

式１８及び式１９についての連立方程式を絶縁抵抗値Ｒ_mについて解くことで、絶縁抵抗値Ｒ_mを求めるための式１１が得られる。測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの正電位線に接続される第２の形態では、絶縁抵抗値計算部１９は、式１１に従って、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。式１１において、値Ｖ_comは（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２によって表され、値Ｖ_difは（Ｖ_p－Ｖ_n）／２によって表される。Ｖ_pは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されるＤＣリンクの正電位線における正電位である。Ｖ_nは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時にＤＣリンク電位測定部１８により測定されるＤＣリンクの負電位線における負電位である。直流成分Ｖ_inLは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時に抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から直流成分抽出部１６（ローパスフィルタ）により交流成分を除去することで得られる。交流成分Ｖ_inHは、インバータ部１２による電力変換動作の停止時に抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧から交流成分抽出部１７（ハイパスフィルタ）により直流成分を除去することで得られる。測定用抵抗１４の抵抗値Ｒ_inについては、予め測定しておくか、あるいは、規格表に規定された値を用いればよい。また、分圧抵抗１３－１及び１３－２の各抵抗値Ｒは、式１８及び式１９の連立方程式を解くことによって求めることができる。つまり、「式１１に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する」とは、「直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分Ｖ_inLと、交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHと、ＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位Ｖ_p及び負電位Ｖ_nとに基づいて、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する」ことを意味する。

なお、第２の形態において、値Ｖ_com及び交流成分Ｖ_inH並びに値Ｖ_dif及び直流成分Ｖ_inLについては、整流回路を通して直流に変換してから測定してもよい。この場合、例えば交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHを整流したうえで絶対値をとり、この値に基づいて式２０により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHを整流したうえで絶対値をとるとともに直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分Ｖ_inLを整流したうえで絶対値をとり、これらの値に基づいて式２０に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。なお、式１９の交流成分Ｖ_inH及び式１８の直流成分Ｖ_inLの絶対値をとっているので、式２０は、式１１とは符号が一部異なったものとなる。

上述のように、第１の形態及び第２の形態のいずれにおいても、抵抗電圧測定部１５による測定処理及びＤＣリンク電位測定部１８による測定処理は、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態（すなわちインバータ部１２内の全てのスイッチング素子をオフさせた状態）で実行され、このとき測定されたデータに基づいて絶縁抵抗値計算部１９は絶縁抵抗値Ｒ_mを算出している。すなわち、本開示の一実施形態によれば、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態で、抵抗電圧測定部１５、直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、ＤＣリンク電位測定部１８、及び絶縁抵抗値計算部１９を動作させることで、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを測定することができる。よって、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mの測定に際して、従来のようにモータ駆動装置１を交流電源２から切り離す必要はない。また、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mの測定のためにモータ駆動装置１と交流電源２との間に遮断器を設置する必要はないので、低コストである。モータ駆動装置１と交流電源２との間に遮断器が設置されない状況においても、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを測定することができる。

絶縁抵抗値計算部１９により算出された絶縁抵抗値Ｒ_mを、例えば表示部（図示せず）に表示させてもよい。これにより、作業者は、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを迅速かつ容易に把握することができる。

また、絶縁抵抗値計算部１９により算出された絶縁抵抗値Ｒ_mを絶縁劣化の判断基準となる閾値と比較してモータ３の絶縁劣化判定を行う判定部（図示せず）を設け、判定部により絶縁抵抗値Ｒ_mが閾値を超えたと判定した場合に、「モータ３に絶縁劣化が発生したこと」を表示部に表示させてもよい。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、モータ駆動装置１に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。またあるいは、表示部とともにあるいは表示部に代えて、例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて、「モータ３に絶縁劣化が発生したこと」を作業者に通知するようにしてもよい。これにより、作業者は、モータ３に絶縁劣化が発生したことを迅速かつ容易に把握することができる。よって、作業者は、例えばモータ３の交換または修理といった対応をとること容易となる。

直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、絶縁抵抗値計算部１９、及び上位制御装置は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。例えば、直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、絶縁抵抗値計算部１９、及び上位制御装置をソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、絶縁抵抗値計算部１９、及び上位制御装置の各機能を実現することができる。またあるいは、直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、絶縁抵抗値計算部１９、及び上位制御装置を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。またあるいは、直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、絶縁抵抗値計算部１９、及び上位制御装置を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ記録媒体として実現してもよい。また、直流成分抽出部１６、交流成分抽出部１７、絶縁抵抗値計算部１９、及び上位制御装置は、例えば工作機械の数値制御装置内に設けられてもよく、ロボットを制御するロボットコントローラ内に設けられてもよい。

抵抗電圧測定部１５及びＤＣリンク電位測定部１８は、アナログ回路と演算処理装置との組み合わせで構成されてもよく、あるいは演算処理装置のみで構成されてもよく、あるいはアナログ回路のみで構成されてもよい。抵抗電圧測定部１５及びＤＣリンク電位測定部１８については、モータ駆動装置１に一般的に設けられるものを流用してもよい。ただし、絶縁抵抗値計算部１９による絶縁抵抗値Ｒ_mの算出には、インバータ部１２による電力変換動作を停止させた状態において抵抗電圧測定部１５及びＤＣリンク電位測定部１８により測定されたデータが用いられる。

図１９は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置の動作フローを示すフローチャートである。図１９に示すフローチャートは、第１の形態及び第２の形態のいずれのモータ駆動装置１についても適用可能である。

モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを測定するに際し、まず、ステップＳ１０１において、上位制御装置（図示せず）は、インバータ部１２内の全てのスイッチング素子をオフさせてインバータ部１２による電力変換動作を停止させる。

ステップＳ１０２において、抵抗電圧測定部１５は、測定用抵抗１４の両端の電位差である抵抗電圧Ｖ_inを測定する。抵抗電圧測定部１５により測定された測定用抵抗１４の抵抗電圧Ｖ_inに関する信号は、直流成分抽出部１６及び交流成分抽出部１７へ送られる。

ステップＳ１０３において、直流成分抽出部１６は、抵抗電圧測定部１５により測定された抵抗電圧Ｖ_inから直流成分Ｖ_inLを抽出する。直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分Ｖ_inLに関する信号は、絶縁抵抗値計算部１９へ送られる。

ステップＳ１０４において、交流成分抽出部１７は、抵抗電圧測定部１５により測定された抵抗電圧Ｖ_inから交流成分Ｖ_inHを抽出する。交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHに関する信号は、絶縁抵抗値計算部１９へ送られる。

なお、ステップＳ１０３の処理とステップＳ１０４の処理とは順序を入れ替えて実行してもよい。

ステップＳ１０５において、ＤＣリンク電位測定部１８は、ＤＣリンクの正電位線における正電位Ｖ_p及び負電位線における負電位Ｖ_nを測定する。ＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位Ｖ_p及び負電位Ｖ_nに関する信号は、絶縁抵抗値計算部１９へ送られる。

なお、ステップＳ１０２～Ｓ１０４の処理とステップＳ１０５の処理とは順序を入れ替えて実行してもよい。

ステップＳ１０６において、絶縁抵抗値計算部１９は、直流成分抽出部１６により抽出された抵抗電圧の直流成分Ｖ_inLと、交流成分抽出部１７により抽出された抵抗電圧の交流成分Ｖ_inHと、ＤＣリンク電位測定部１８により測定されたＤＣリンクの正電位Ｖ_p及び負電位Ｖ_nとに基づいて、モータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの負電位線に接続される第１の形態では、絶縁抵抗値計算部１９は、式１に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。測定用抵抗１４の一端がＤＣリンクの正電位線に接続される第２の形態では、絶縁抵抗値計算部１９は、式１１に従ってモータ３の絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する。

ステップＳ１０６の後、例えば、絶縁抵抗値計算部１９により算出された絶縁抵抗値Ｒ_mを、表示部（図示せず）に表示させてもよい。また例えば、絶縁抵抗値計算部１９により算出された絶縁抵抗値Ｒ_mを絶縁劣化の判断基準となる閾値と比較してモータ３の絶縁劣化判定を行う判定部（図示せず）を設け、判定部により絶縁抵抗値Ｒ_mが閾値を超えたと判定した場合に、「モータ３に絶縁劣化が発生したこと」を表示部に表示させてもよい。また例えば、表示部とともにあるいは表示部に代えて、例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発する音響機器にて、「モータ３に絶縁劣化が発生したこと」を作業者に通知するようにしてもよい。

図２０は、デルタ結線により交流電源と本開示の一実施形態によるモータ駆動装置とが結線される場合におけるＤＣリンクの正電位及び負電位のシミュレーション結果を説明する図である。式１及び式１１に示したように、絶縁抵抗値Ｒ_mの計算にあたっては（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２で表される値Ｖ_comと（Ｖ_p－Ｖ_n）／２で表されるＶ_difを用いている。図２０に示すように、正電位Ｖ_pと負電位Ｖ_nの差「Ｖ_p－Ｖ_n」が一定であることから直流成分として機能しており、正電位Ｖ_pと負電位Ｖ_nの和「Ｖ_p＋Ｖ_n」が一定であることから交流成分として機能していることが分かる。

１ モータ駆動装置
２ 交流電源
３ モータ
４ ＤＣリンクコンデンサ
１１ コンバータ部
１２ インバータ部
１３－１、１３－２ 分圧抵抗
１４ 測定用抵抗
１５ 抵抗電圧測定部
１６ 直流成分抽出部
１７ 交流成分抽出部
１８ ＤＣリンク電位測定部
１９ 絶縁抵抗値計算部
２０ モータの絶縁抵抗
２１、２２ 等価抵抗
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 等価電源
４１、４２ 等価抵抗
５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８ 等価電源

Claims (5)

1. 交流電源から入力された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力するコンバータ部と、
   前記ＤＣリンクに設けられるＤＣリンクコンデンサと、
   前記ＤＣリンクにおける直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換して出力するインバータ部と、
   前記ＤＣリンクを構成する正電位線と負電位線との間に設けられる互いに直列接続された２つの分圧抵抗であって、前記分圧抵抗どうしの接続点と前記モータの巻線とが接続される分圧抵抗と、
   前記分圧抵抗どうしの前記接続点と前記ＤＣリンクの前記正電位線または前記負電位線との間に接続される測定用抵抗と、
   前記測定用抵抗の両端の電位差である抵抗電圧を測定する抵抗電圧測定部と、
   前記抵抗電圧測定部により測定された前記抵抗電圧から直流成分を抽出する直流成分抽出部と、
   前記抵抗電圧測定部により測定された前記抵抗電圧から交流成分を抽出する交流成分抽出部と、
   前記ＤＣリンクの前記正電位線における前記正電位及び前記負電位線における負電位を測定するＤＣリンク電位測定部と、
   前記直流成分抽出部により抽出された前記直流成分と、前記交流成分抽出部により抽出された前記交流成分と、前記ＤＣリンク電位測定部により測定された前記正電位及び前記負電位と、に基づいて、前記モータの絶縁抵抗値を計算する絶縁抵抗値計算部と、
   を備える、モータ駆動装置。
2. 前記測定用抵抗は、前記分圧抵抗どうしの前記接続点と前記ＤＣリンクの前記負電位線との間に接続され、
   前記絶縁抵抗値計算部は、前記測定用抵抗の抵抗値をＲ_in、前記ＤＣリンク電位測定部により測定された前記正電位の値をＶ_p、前記ＤＣリンク電位測定部により測定された前記負電位の値をＶ_n、前記直流成分抽出部により抽出された前記直流成分の値をＶ_inL、前記交流成分抽出部により抽出された前記交流成分の値をＶ_inH、値Ｖ_comを（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２、値Ｖ_difを（Ｖ_p－Ｖ_n）／２としたとき、
   

   

   に従って、前記モータの絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記測定用抵抗は、前記分圧抵抗どうしの前記接続点と前記ＤＣリンクの前記正電位線との間に接続され、
   前記絶縁抵抗値計算部は、前記測定用抵抗の抵抗値をＲ_in、前記ＤＣリンク電位測定部により測定された前記正電位の値をＶ_p、前記ＤＣリンク電位測定部により測定された前記負電位の値をＶ_n、前記直流成分抽出部により抽出された前記直流成分の値をＶ_inL、前記交流成分抽出部により抽出された前記交流成分の値をＶ_inH、値Ｖ_comを（Ｖ_p＋Ｖ_n）／２、値Ｖ_difを（Ｖ_p－Ｖ_n）／２としたとき、
   

   

   に従って、前記モータの絶縁抵抗値Ｒ_mを計算する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 前記分圧抵抗の各々は、前記ＤＣリンクの前記正電位線と前記負電位線との間に接続される互いに直列接続された２つのＤＣリンク抵抗の各々にて構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
5. 前記分圧抵抗の各々は、前記インバータ部内のブリッジ回路を構成する上アーム及び下アームのそれぞれに設けられるスイッチング素子のオフ時に発生するオフ抵抗の各々にて構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。

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