JPH08501200A - 電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する方法及び装置において、有効電力を制御する公知の方法に加えて速度の制御を行う。これにより、負荷が作用している電動駆動装置の作動状態を、目標回転数以下の場合も監視することができる。これにより、直流電流作動している電動駆動装置において過負荷を監視できるばかりでなく、パルス作動している電動駆動装置またはステッピングモータにおいても過負荷監視が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する方法及び装置 本発明は、電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する方法であって、実際に消 費される（ aufgenommen ）電動駆動装置の有効電力を測定し、実際の有効電力 消費量を、過負荷状態を表す電力閾値と比較し、電力閾値を越えているときに切 り換え信号及び（または）警告信号を発生させるようにした前記方法及びこの方 法を実施するための回路装置に関するものである。 電動駆動装置は非常に広範囲に使用され、例えば電動工具、家庭用器具、事務 器、ポンプ、搬送装置、位置決め装置、電気鉄道等に使用される。直流電動機、 交流電動機、三相交流電動機及びステッピングモータは区別され、連続電流作動 またはパルス電流作動のいずれかで使用される。 すべての使用目的に共通していることは、電動駆動装置が対象物を移動させね ばならないことである。対象物は使用例に応じては重いことがある（例えば電気 駆動されるコンベア装置における搬送物とコンベアベルト、ポータル測定機の走 行可能なポータル）。対象物を移動させるためには、電動駆動装置が電力を消費 しなければな らない（いわゆる有効電力）。移動されるべき対象物が重ければ重いほど電動機 の負荷は大きく、よって電動機の有効電力は大きい。負荷が作用した時点では有 効電力に著しい変化が生じる。即ち電動駆動装置が移動されるべき対象物と機械 的に結合されたときに（例えば電動駆動装置と対象物との連結により）有効電力 に著しい変化が生じる。同様に、例えば電気的に駆動されるフライスが加工され るべき工作物に接触したときにも負荷が作用する。 電動駆動装置を通電した後、その回転数は、その都度の適用例にたいして設定 されている目標回転数に達するまで不断に上昇する。負荷が作用していないとき の目標回転数は無負荷回転数と呼ばれる。負荷が作用すると、目標回転数は無負 荷回転数の値から、負荷に比例して低下する。電動駆動装置が通電されたときか ら目標回転数に達するまでの時間は始動段階と呼ばれ、以下では連続作動と記す 。 連続作動では、電動駆動装置の負荷能力はその加熱によって制限される。連続 作動における実際の有効電力は目標電力と呼ばれ、最大許容目標電力は定格電力 と呼ばれる。電動駆動装置は、短時間であれば定格電力以上で負荷してもよい。 始動段階における有効電力は、即ち電動駆動装置を通 電した後の有効電力は、ゼロから急激に、定格電力よりもはるかに大きいピーク 値へ向けて上昇し、目標回転数に達したときに初めて目標電力の値へ低下する。 有効電力にピーク値が生じるのは、電動駆動装置がまず固有の機械的慣性を克服 しなければならず、しかも始動段階における有効電力消費量を制限するものは電 動駆動装置のコイル抵抗とコイルインダクタンスにすぎないからである。負荷が 作用している電動駆動装置のピーク値は、負荷を受けていない電動駆動装置のピ ーク値よりも大きい。 冒頭で述べた種類の方法は、電動駆動装置そのものの過熱を防止するために知 られており、或いは電動機で駆動される工作機械の工具の摩耗または破損を検出 するためにも知られている。またこの方法は、連続電流作動時の電動駆動装置（ 直流電流、交流電流、三相交流電流）の過負荷を監視するために適している。こ の場合の電動駆動装置には、例えば工作機械のように目標回転数に達した後に初 めて負荷が作用する。その際、有効電力曲線の時間的変化は目標回転数に達して からは一定であり、負荷が作用した後に、負荷に比例するレベルまで上昇するこ とが活用される。過負荷が発生すると、実際の有効電力は飛躍的に上昇する。従 って、実際の有効電力と、過負荷状態を表す電力警告閾値（時間的に変化する負 荷にたいしては時間に依存している）とを比較すれば、危 険な状態に達したことがわかる。この場合、電力警告閾値を越えていれば、切り 換え信号（及び）または警告信号が発せられる。 監視のために電流消費量が測定され、これから実際の有効電力が検出される。 電流測定は、直流電流で作動する電動駆動装置の場合ホールセンサによって行わ れ、交流電流で作動する電動駆動装置の場合には変流器によって行われる。電流 測定は継続的に行うことができる。 しかしながら、公知の方法の場合、閾値比較による本来の監視は、電動駆動装 置の始動段階が終了した後に初めて開始される。有効電力曲線の通常の時間的変 化は既知であるので、監視の開始は、電動駆動装置を通電した後の、予め選定さ れた時点で行われる。一方開始時点は、有効電力が一定値に達したことから決定 することもできる。 このように公知の方法は電動駆動装置のすべての作動状態をカバーするもので はない。これは、どの電動駆動装置の場合も、始動段階においては電力消費量が 過負荷状態のための電力警告閾値よりもはるかに大きいピーク値へ急速に上昇し 、その後目標回転数に達した後に初めて、ピーク値よりもはるかに小さい一定値 へ低下するからである。実際には、電動駆動装置の給電装置の増幅回路の過変調 のために上記ピーク値に達することはなく、 ピーク値に達する前に、有効電力の時間的変化の中で、電力警告閾値よりもはる かに大きなプラトー（平坦域）が生じる。このプラトーの高さは、電流増幅器制 限部によって決定されている。従って、電流増幅器制限部の範囲では、過負荷に よって生じる負荷的なピーク値をもはや検知できない。従って公知の方法は、電 動駆動装置の始動段階の間に過負荷を監視するには適していない。 それゆえ公知の方法は、パルス駆動される電動駆動装置またはステッピングモ ータの過負荷監視にも使用することができない。なぜなら、パルス駆動される電 動駆動装置またはステッピングモータは、例えば行程距離が短い場合、または行 程速度が遅い場合には、目標回転数よりも低い回転数で作動し、よって前記の意 味での始動段階から出ないからである。 ところで、すべての作動状態における過負荷監視は、負荷が継続的に作用する ような電動駆動装置にたいして特に望ましい。なぜならこの種の電動駆動装置は 、定格回転数に達する前に（例えば機械的に動かなくなることによって）既に過 負荷状態に達することがあるからである。 本発明の課題は、目標回転数以下でも電動駆動装置の作動状態を監視すること ができ、よって連続電流作動している電動駆動装置ばかりでなく、パルス作動ま たはい わゆるステッピングモータで作動している電動駆動装置においても過負荷監視が 可能であるようにこの種の方法及び回路装置を構成することである。 この課題は、冒頭で述べた種類の方法においては、電動駆動装置の実際速度を も測定し、電動駆動装置の実際速度を、電動駆動装置の通電時間に依存し過負荷 状態を表す速度閾値と比較し、速度閾値を下回っているときに、第１の切り換え 信号及び（または）警告信号とは独立で、“過負荷”なる識別をもった付加的な 切り換え信号及び（または）警告信号を発生させることによって解決される。こ の方法を実施するための回路装置は、電動駆動装置の実際の速度を測定する速度 測定装置と、速度閾値メモリと、他の比較器とを有し、前記他の比較器の第１の 入力部に速度測定装置の出力信号が入力され、第２の入力部に、速度閾値メモリ によって試問され通電時間に依存する速度閾値が入力され、前記他の比較器の出 力部に、実際の速度が速度閾値を越えたときに、前記第１の切り換え信号及び（ または）警告信号とは独立で“過負荷”なる識別をもった切り換え信号及び（ま たは）警告信号を発生させる信号が送られることを特徴としている。本発明によ る方法及び回路装置の有利な構成はそれぞれの従属項から明らかである。 本発明によって提供される、電動駆動装置の過負荷を 電子的に監視する方法及び装置は、負荷を作用可能な電動駆動装置にも、また継 続的に負荷が作用している電動駆動装置にも使用できる。本発明によれば、電動 駆動装置が始動段階にあるときも、即ち定格回転数に達する前も過負荷状態を確 実に検出できるという利点がある。従って連続電流作動している電動機において も、またステッピングモータまたはパルス駆動される電動機おいても過負荷監視 を行うことができる。 本発明の技術思想は、始動段階にある電動駆動装置の作動状態を、電動駆動装 置の期待される運動に比例する測定量を観察することにより監視するという点に ある。このような測定量は例えば電動駆動装置の速度である。また電動機の回転 速度、線形調整駆動装置における前進速度も監視に使用することができる。 定格回転数到達後の、電力閾値比較を伴う有効電力測定に加えて、実際の速度 が測定され、その測定値は、電動駆動装置の通電時間に依存する速度閾値（過負 荷状態に対応している）と比較される。過負荷が発生すると、実際の速度は低下 する。実際の速度が速度閾値を下回ると、“過負荷”なる識別をもった独立の切 り換え信号及び（または）警告信号が発せられる。 次に、本発明による方法及び装置の実施例を添付の図面を用いて説明する。 図１は 本発明による回路装置の実施例と、監視されるべき電動駆動装置と を示す図、 図２は 目標回転数に達した後に一定の負荷を作用可能な電動駆動装置の有 効電力と回転速度の典型的な時間変化を示すグラフ、 図３は 継続的に一定の負荷が作用している電動駆動装置の有効電力と回転 速度の典型的な時間変化を示すグラフ、 である。 監視される電動駆動装置２は回転角検出器を備え、有効電力測定装置１と速度 測定装置５が接続されている。電動駆動装置２は、図示していない給電装置によ り給電される。電動駆動装置２の目標回転数に達したとき、または達した後、電 動駆動装置２及び有効電力測定装置１に接続されている電子制御装置８により、 本来の有効電力監視過程が実施される。この有効電力監視過程は、電動駆動装置 ２をオンにして予め適当に選定された時間が経過した後に行われる。なぜなら有 効電力曲線の通常の時間的変化は既知であり、または実際の回転数に依存してい るからである。この時点から有効電力測定装置１の出力信号は第１の比較器３の 第１の入力部に送られる。第１の比較器３の第２の入力部には、過負荷状態を表 す電力閾値が送られる。この電力閾値は電力閾値メモリ４ によって試問される。 有効電力は負荷に比例する量であるので、電力閾値は、正規の負荷によって生 じる有効電力よりも一定量だけ大きな値に予め選定される。従って負荷が時間的 に一定であれば、電力閾値も時間的に一定である。負荷が時間に依存して変化す れば、例えば工作機械の作動中に変化すれば、電力閾値メモリ４には、時間に依 存した電力閾値を記憶させることができる。この場合第１の比較器３には、有効 電力測定の各時点に付属する電力閾値が送られる。 実測有効電力が電力閾値を越えると、第１の比較器３はその出力部から信号を 発し、この信号は“過負荷”を意味する切換え及び（または）警告信号を発生さ せる。これにより例えば電動駆動装置をオフにすることができる。 速度測定装置５は電子制御装置８により制御されない。速度測定装置５は常時 測定を行い、即ち目標回転数に達する前の始動段階においても測定を行い、電動 駆動装置２の速度を測定している。このため、一定時間間隔ごとに直線運動を測 定することにより前進速度を測定することができ、或いは一定時間間隔ごとに回 転角を測定することにより回転速度を測定することができる。本実施例では、電 動駆動装置２に、図示していない回転角検知器 が設けられている。 速度測定装置５の出力信号は、第２の比較器６の第１の入力部に送られる。第 ２の比較器６の第２の入力部には、時間に依存する、過負荷状態を表す速度閾値 が送られる。この速度閾値は、速度閾値メモリ７によって試問される。速度閾値 は、通常の作動条件のもとで期待される電動駆動装置の運動からの許容されるず れを表している。期待される運動は、電動駆動装置２のオン時点に依存しており 、即ち電動駆動装置２が連続電流またはパルス電流により駆動される時点に依存 している。実測速度が速度閾値を下回ると、これは過負荷状態を示している。こ のとき第２の比較器６はその出力部から信号を発し、有効電力とは独立の、“過 負荷”を意味する切換え及び（または）警告信号を発生させる。 図２は、連続電流作動における電動駆動装置の有効電力と速度との典型的な時 間変化を示したものである。電動駆動装置の負荷は、目標回転数に達した後に作 用する。図３は同じ測定量を、連続負荷を伴う連続電流で作動している電動駆動 装置にたいして示したものである。時点ｔ_Sで目標回転数に達する。図２のｔ_Lは 負荷作用時点であるが、図３では負荷が継続的に作用するので図示して 点である。 図２と図３からわかるように、速度は目標回転数に達するまで増大する。その 後速度は負荷に依存しており、即ち負荷が増大すると速度は低下する。図からわ かるように、負荷が一定であれば速度は一定である。 有効電力はゼロから増大して、負荷に依存するピーク値に達する。従って図３ のピーク値は、即ち連続負荷が作用している場合には、図２の場合よりも大きい 。ピーク値に達した後有効電力は、目標回転数に達したときにアイドリングレベ ルに低下する。負荷が作用すると、有効電力は負荷に比例するレベルに増大する 。この負荷に比例する有効電力値の上に電力閾値が選定される。これに対応して 速度にたいしては、図示した速度の下に閾値が設定される。 負荷が発生すると、有効電力は飛躍的に増大する。これにたいして速度は過負荷 の場合有効電力の上昇よりも比較的緩慢に低下する。定格回転数に達して負荷が 作用した後も、閾値比較による速度制御によって過負荷を監視することが可能で あることがわかる。閾値比較による有効電力制御装によって過負荷を監視するこ とは、いわば“敏捷な”方法である。なぜならこの場合閾値に短時間で達するか らである。これにたいして閾値比較による速度制御によって過負荷を監視するこ とは、“緩慢な”方 法といえる。なぜなら速度制御は過負荷発生時に緩慢に応答するからである。こ の点は適用例に応じて活用することができる。例えば、小さな短時間の過負荷が すぐにはシステムをオフにしないことは望ましいことであるが、この場合には“ 緩慢な”方法が有利である。その際有効電力による過負荷監視は抑止する必要が ある。多くのシステムにたいしては上記二つの監視が組み合わせられ、即ち始動 段階においては速度が制御され、連続作動においては目標回転数に達した時点か ら有効電力が監視される。 目標回転数に達する前の作動状態にたいしては、上述したピーク値の変化が電 力閾値のはるか上であるので、閾値比較による有効電力制御は適当でない。その かわりこの領域では、閾値比較による速度制御装置によって過負荷を監視する方 法が非常に精度よく行われる。なぜなら始動段階においては速度は常時増大する からである。 本発明にしたがって、電動駆動装置の有効電力制御と速度制御とを相互に補完 させることにより、連続負荷を受けている電動駆動装置が目標回転数以下で、例 えばパルス作動で小さな行程を実施するような場合にも過負荷の監視を実現する ことができる。従って本発明は、特に行程が非常に小さな位置決め駆動に適用す るのに適しており、例えばスキャナーにおいては種々の目的に必要で ある（例えば表面検査における試料走査）。他の適用範囲としては、顕微鏡にお ける電動機能、例えばフォーカシングするための試料テーブルの高さ調整が挙げ られる。この高さ調整のためには非常に小さな行程が要求され、電動駆動装置を パルス作動させることによってしか得られない。この場合過負荷監視によって、 観察される対象物の破損及び対象物と対物レンズとの衝突による対物レンズの破 損が回避される。 図３は、連続電流作動における電動駆動装置の前記曲線変化を示したものであ る。パルス作動における電動駆動装置にたいしては、電動駆動装置は個々の電流 パルスによりそれぞれわずかな速度増大を蒙り、この速度の増大により全体的に 速度が連続的に増大し、一定数のパルスに達した後は、負荷に比例する一定の平 均速度に達する（例えばドイツ特許公開第４０２８２４１号公報を参照）。従っ て速度は、図３に図示した速度変化を中心にして上と下にわずかにずれていわば 振動するように時間的に変化する。このようにここでも、電動駆動装置の通電時 間に依存する典型的な曲線が得られ、この曲線から速度閾値を導出させることが できる。導出された速度閾値により、パルス作動されている電動駆動装置のすべ ての作動状態において過負荷の監視を行うことができる。 これにたいしてパルス作動においては、有効電力制御 による過負荷監視は基本的には無意味である。なぜなら電動駆動装置は各電流パ ルスにより新たに励起され、このことはその都度始動段階を意味するからである 。さらにパルス作動においては、平均時間で有効電力だけが定格電力以下であれ ば、短時間パルスにより電動駆動装置を定格電力以上に負荷しても支障がないこ とが活用されるが、このことは有効電力の監視の場合、過負荷の報知につながる ものである。一方電力閾値の引き上げは、過負荷状態が発生した場合これを検出 できないことを意味する。従って、パルス電流で作動する電動駆動装置及びステ ッピングモータの場合には、速度制御によってしか過負荷監視を達成できない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年８月２５日 【補正内容】 請求の範囲 １．電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する方法であって、 −実際に消費される電動駆動装置の有効電力を測定し、 −実際の有効電力消費量を、過負荷状態を表す電力閾値と比較し、 −電力閾値を越えているときに切り換え信号及び（または）警告信号を発生さ せるようにした前記方法において、 ａ）電動駆動装置の実際速度をも常時測定し、 ｂ）電動駆動装置の実際速度を、電動駆動装置の通電時間に依存し過負荷状態 を表す速度閾値と比較し、 ｃ）速度閾値を下回っているときに、前記第１の切り換え信号及び（または） 警告信号とは独立で、“過負荷”なる識別をもった付加的な切り換え信号及び（ または）警告信号を発生させること、 を特徴とする方法。 ３．電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する回路装置であって、 −始動段階後に電動駆動装置によって実際に消費された有効電力を測定するた めの有効電力測定装置（１）と、 −比較器（３）と、 を有し、比較器（３）の第１の入力部に有効電力測定装置（１）の出力信号が入 力され、比較器（３）の第２の入力部に、電力閾値メモリ（４）によって試問さ れ過負荷状態を表す閾値が入力され、測定された有効電力が電力閾値を越えたと きに、“過負荷”なる識別をもった切り換え信号及び（または）警告信号を発生 させる信号を、比較器（３）の出力部に送るようにした前記回路装置において、 ａ）電動駆動装置（２）の実際の速度を測定する速度測定装置（５）と、 ｂ）時間に依存する、過負荷状態を表す速度閾値を記憶する速度閾値メモリ （７）と、 ｃ）他の比較器（６）と、 を有し、前記他の比較器（６）の第１の入力部に速度測定装置（５）の出力信号 が入力され、第２の入力部に、速度閾値メモリ （７）によって試問され通電時 間に依存する速度閾値が入力され、前記他の比 較器（６）の出力部に、実際の速度が速度閾値を越えたときに、前記第１の切り 換え信号及び（または）警告信号とは独立で“過負荷”なる識別をもった切り換 え信号及び（または）警告信号を発生させる信号が送られることを特徴とする回 路装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する方法であって、 −実際に消費される電動駆動装置の有効電力を測定し、 −実際の有効電力消費量を、過負荷状態を表す電力閾値と比較し、 −電力閾値を越えているときに切り換え信号及び（または）警告信号を発生さ せるようにした前記方法において、 ａ）電動駆動装置の実際速度をも測定し、 ｂ）電動駆動装置の実際速度を、電動駆動装置の通電時間に依存し過負荷状態 を表す速度閾値と比較し、 ｃ）速度閾値を下回っているときに、前記第１の切り換え信号及び（または） 警告信号とは独立で、“過負荷”なる識別をもった付加的な切り換え信号及び（ または）警告信号を発生させること、 を特徴とする方法。 ２．電動駆動装置が目標回転数に達するまでの時間内に、速度に依存した過負荷 監視を行い、その後に、有効電力に依存した過負荷監視を行うことを特徴とする 、 請求項１に記載の方法。 ３．電動駆動装置の過負荷を電子的に監視する回路装置であって、 −始動段階後に電動駆動装置によって実際に消費された有効電力を測定するた めの有効電力測定装置（１）と、 −比較器（３）と、 を有し、比較器（３）の第１の入力部に有効電力測定装置（１）の出力信号が入 力され、比較器（３）の第２の入力部に、電力閾値メモリ（４）によって試問さ れ過負荷状態を表す閾値が入力され、測定された有効電力が電力閾値を越えたと きに、“過負荷”なる識別をもった切り換え信号及び（または）警告信号を発生 させる信号を、比較器（３）の出力部に送るようにした前記回路装置において、 ａ）電動駆動装置（２）の実際の速度を測定する速度測定装置（５）と、 ｂ）速度閾値メモリ（７）と、 ｃ）他の比較器（６）と、 を有し、前記他の比較器（６）の第１の入力部に速度測定装置（５）の出力信号 が入力され、第２の入力部に、速度閾値メモリ（７）によって試問され通電時間 に依存する速度閾値が入力され、前記他の比 較器（６）の出力部に、実際の速度が速度閾値を越えたときに、前記第１の切り 換え信号及び（または）警告信号とは独立で“過負荷”なる識別をもった切り換 え信号及び（または）警告信号を発生させる信号が送られることを特徴とする回 路装置。 ４．電動駆動装置としてステッピングモータまたはパルス電流で駆動される電動 機が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の回路装置。 ５．電動駆動装置（２）に、該電動駆動装置（２）の実際の速度を検出するため の回転角検出器が配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の回路装置 。