JPH10322893A - 電動機、特に極めて活動的なサーボ駆動装置の監視方法及び特に当該の方法で使用するための負荷継電器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電動機、特に極めて活動的なサーボ駆動装置の
監視、例えば停止ないしは調整回転数監視のための方法
において、故障を極めて迅速に検出して遮断することが
できる方法を提供することを課題とする。 【解決手段】そのために駆動装置の相電流ないしは電圧
の分析ないしは比較によって監視を行うことが提案され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電動機、特に極めて
活動的なサーボ駆動装置の監視ための方法に関する。ま
た本発明は電動機、特に極めて活動的なサーボ駆動装置
の監視ないしは電動機の確実な遮断のための方法に適用
される負荷継電器に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】電動機
即ち駆動装置の停止と危険を招く運動とを区別し又は駆
動装置の回転が所期の調整によるものか、不当な運動例
えば駆動装置の始動であるかを検査するために、運動を
例えば増分検出装置により機械的検出に基づいて監視す
ることは先行技術により知られている。純機械的運動か
ら導き出された誘導信号の運動から、不当な運動である
との結論に達するならば、やはり機械的に即ち継電器に
よって遮断が行われる。これに原因する時間的遅延は不
利であり、場合によっては危険である。

【０００３】本発明の根底にあるのは、電動機特に極め
て活動的な駆動装置の故障を極めて迅速に検出し、次い
で駆動装置を迅速に遮断する課題である。その場合電動
機の軸に生じた負荷が位置制御によるものか、あるいは
不当な運動例えば始動が行われているか、を確実に区別
することができなければならない。また軸の運動が軸に
よって駆動される工具の調整から引き起こされたか、あ
るいは不当な運動が生じたか、を区別することができな
ければならない。更に駆動装置の特に無過誤の監視のた
めに、極めて迅速に反応し、誤機能があっても危険を招
く運動を許さない負荷継電器を提供しなければならな
い。

【０００４】

【課題を解決するための手段及び発明の効果】この課題
は請求項に見られる処置によって解決される。特に駆動
装置の電動機電流ないしは電圧の解析ないしは比較によ
って監視を行うことを提案する。その場合相又は相間電
圧の解析、その高調波分の解析、逐次電圧評価及び信号
縁解析又は位相関係の評価による相又は相間電流の解析
によって動的停止監視を行うことができ、その際連続的
信号サンプリング又は電流順序の評価が行われる。特に
逐次電流評価による相又は相間電流の解析によって調整
回転数の監視を行うことができる。

【０００５】同じく本発明に基づく提案により、負荷継
電器を被監視半導体部品として構成することにした。

【０００６】夫々独立にないしは組合せとして保護を受
ける改良及び実施形態が以下の説明及び請求項とその特
徴で明らかである。

【０００７】本発明の学説によって極めて活動的な駆動
装置のための停止監視の実現の道が示される。電子部品
を使用することにより、在来の停止監視装置に比してよ
り短い検出時間とより短い遮断時間が実現される。

【０００８】検出に関しては、電動機の誤った駆動をな
るべく早期に認識するために、電動機導線の電圧又は電
流信号の発生と駆動系統の慣性により遅れた電動機始動
との間の期間が利用される。在来のシステムは電動機軸
の時間的に遅れた機械的運動を検出するので、迅速な遮
断を考えると貴重な時間が無駄になるが、本発明に基づ
く下記の処置によって決定的な時間的利益が得られる。
電圧又は電流信号特性の評価によって系の状態が連続的
に監視され、極めて活動的な停止監視を実際に実現する
ことが可能になる。本発明に基づく電子信号評価によっ
て下記の機能、即ち −位置制御運転からの不当な加速の検出 −位置制御運転からの不当な加速と位置制御運転時の外
部負荷変動との区別 −自由選択可能な調整回転数の監視 が実現される。

【０００９】先行技術によれば機械的継電器ユニットの
使用により遮断領域でも貴重な時間が無駄になる。高速
継電器の復旧時間は半導体のそれを何倍も超える。そこ
で本発明に基づき適当な半導体部品又は真空管を停止監
視の負荷回路に使用することが提案される。電子負荷継
電器の開発によって、極めて短い遮断時間に関する要求
が実現される。半導体部品の総合的監視は確実な実用を
保証する。

【００１０】駆動用半導体を用いて開発した電子負荷継
電器の基本的機能と構成の概要を以下で明らかにする。
使用される駆動用半導体及び電動機に給電する制御装置
出力の機能監視を説明する。

【００１１】遮断のために能動部品としてＩＧＢＴトラ
ンジスタを使用した。最近の半導体世代のこの部品は在
来の電力スイッチと比較して −低い駆動電力 −低い飽和電圧 −極めて短いスイッチ時間 が長所である。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は電子負荷継電器の使用の原
理的構成図を示す。図２は電動機の監視のためのトラン
ジスタと光学カプラーの回路図である。

【００１３】図１及び図２において、磁気的に独立した
３個の変圧器１０、１２、１４から交流電圧が得られ
る。この交流電圧は整流器１６、１８、２０により整流
され、安定化される。直流電圧は前置抵抗器を経て電子
負荷継電器を構成する夫々のＩＧＢＴトランジスタ２
２、２４、２６へ直接送られる。こうして直流電圧はゲ
ートとエミッタの間に印加される。この区間と並列に光
学カプラー３４、３６、３８の出力のスイッチトランジ
スタ２８、３０、３２がある。光学カプラー３４、３
６、３８はやはり前置抵抗器で保護される。

【００１４】光学カプラー３４、３６、３８に外部遮断
信号が印加されると、光学カプラー３４、３６、３８の
出力トランジスタ２８、３０、３２がゲート・エミッタ
区間を短絡し、ＩＧＢＴトランジスタ２２、２４、２６
が遮断する。

【００１５】ＩＧＢＴトランジスタ２２、２４、２６が
導通であれば、正半波電流がＩＧＢＴトランジスタ２
２、２４、２６を介して、又、負電流が逆並列接続のダ
イオード４２、４４、４６を介して流れる。

【００１６】すべてのＩＧＢＴトランジスタ２２、２
４、２６が遮断されているときは、ダイオード４２、４
４、４６を通る電流の流れをもたらす正電位がない。

【００１７】あるＩＧＢＴトランジスタ２２、２４、２
６が遮断するはずなのに導通であれば、電流の流れが認
識される。

【００１８】ＩＧＢＴトランジスタ２２、２４、２６に
より構成された電子負荷継電器は、あらゆる時点での完
全な性能を保証するために連続的に監視される。運転時
に半導体チャネルの遮断又は短絡が起こると、この故障
が電子監視装置により解析され認識される。故障状態信
号が発生され、これを駆動装置、すなわち電動機Ｍの即
時遮断のために利用することができる。

【００１９】この目的のために第２の電子負荷継電器の
形の第２の安全段が組み込まれ、直列に接続される。こ
の入念な遮断機能は、危険が発生する前に電動機のエネ
ルギー供給の遮断を実現する。

【００２０】電流監視の原理を図３に基づいて詳述す
る。

【００２１】Ｓ１、Ｓ２で表示した部品は、夫々の部品
を通る流れ方向を検出するセンサである。センサＳ０は
相Ｕ又はＶ又はＷの全電流を測定する。回転磁界が１回
転するときに、電動機導線の各相の電流が一度は正、一
度は負でなければならない（正弦振動）。このことは本
例で変圧器Ｓ３の出力で測定される相電圧にも当てはま
る。回転数監視装置によって回転磁界の回転が検出され
る。

【００２２】そのとき発生するビットパターン即ち −電圧回転のビットパターン及び −電流回転のビットパターン が記憶される。次に電流及び電圧のビットパターンが比
較される。

【００２３】電子負荷継電器例えばＩＧＢＴトランジス
タ２２，２４，２６は、電子管に置き換えることもでき
るが、この手前の負荷電流回路にある部品が、高オーム
になったため不調であれば、電流は当該の部品を流れる
ことができない。しかし電圧はこの部品に印加され、電
流と電圧の間にビットパターンの差が発生することにな
る。

【００２４】この差が評価論理回路で評価され、場合に
よっては故障信号を発生する。この信号によって例えば
駆動装置、すなわち電動機Ｍが電源から切断される。

【００２５】センサＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３によって単
数個（又は複数個）の電子部品の故障（短絡の形の）が
検出される。この故障は電子継電器２２、２４、２６な
いしは逆並列ダイオード４２、４４、４６に現れる可能
性がある。

【００２６】導通状態のトランジスタ２２、２４、２６
又はダイオード４２、４４、４６が故障して短絡すると
き、ダイオードになお電圧降下が認められるので、この
トランジスタに逆方向電流が流れるであろう。この電流
はトランジスタが故障のときだけ流れる。

【００２７】また、差電流が故障部品を流れるから、セ
ンサＳ２の瞬時電流はセンサＳ０の瞬時電流と一致しな
いであろう。評価論理回路によって種々のセンサ電圧が
評価される。

【００２８】電流及び電圧に対するビットパターンが基
準値として記憶される。

【００２９】電子遮断装置が無傷であって、これらの値
の偏差が検出されるならば、サーボモータの出力増幅器
の故障と解釈することができる。こうしてサーボ制御装
置の出力段の監視も可能である。

【００３０】電気的導通の分離を実現するために、用途
によっては継電器又は接触器とＩＧＢＴトランジスタ２
２、２４、２６を接点４７、４８、５０で直列に接続す
ることができる。その結果、光学カプラー３４、３６、
３８に送られる遮断信号がＩＧＢＴトランジスタ２２、
２４、２６の形の電子継電器を光学カプラー３４、３
６、３８によって遮断するか又はセンサＳ０ないしＳ３
又はその評価回路が発生する信号、すなわち電子継電器
２２、２４、２６ないしは並列接続のダイオード４２、
４４、４６に故障があるときに発生される信号により継
電器又は接触器が駆動されるならば、相Ｕ又はＶ又はＷ
が本例では継電器又は接触器又はその接点４７、４８、
５０により遮断される。もちろん継電器又は接触器を前
述の種類の電子継電器に置き換えることができる。

【００３１】図３に１００で示す回路は、図１による駆
動装置、すなわち電動機Ｍのための監視回路に組み込ま
れる。

【００３２】本発明の特に強調すべき提案によれば、電
動機の例えば相又は相間電圧ないしは電流の解析により
駆動装置の動的停止監視を行うことができる。便宜上以
下では−本発明を制限するものではないが−相電圧又は
電流についてだけ述べる。

【００３３】逐次電圧評価を行うことができる。この電
圧評価の利点は、電動機導線を開路しないでよいことで
ある。電動機導線から直接に電圧を取り出すことができ
るのである。

【００３４】一例として図４に基づき回転数Ｎ＝３００
０回／分の場合の電動機の電圧曲線を示す。

【００３５】星形結線の３個の変圧器が電圧を電動機給
電線から電気的に分離する。そこで図５は３個の星形結
線の変圧器を示す。

【００３６】電圧は能動帯域フィルタによって正弦電圧
に変換される。この電圧の周波数は周波数変調電源電圧
の基本振動に相当する。図６により１２０度変位した３
つの電圧が発生する。

【００３７】図７で明らかなように、これらの電圧は夫
々比較器で方形信号に変換される。

【００３８】電動機が回転磁界を発生するには、電圧を
所定の順序で電動機端子に印加しなければならない。こ
の経過がデジタルで評価され、解析される。位置制御で
は回転磁界が存在しない。回転磁界は始動時にだけ発生
される。デジタルパルス解析がこれを認識する。

【００３９】位相解析のもうひとつの方法は相電圧の電
圧方向の順序の監視である。前述のように、同じく電圧
信号が取り出されて濾波され、増幅される。この信号は
比較器入力へ送られ、第１の切換しきい値を超えると正
の電圧レベル、第２の切換しきい値を下回ると負の電圧
レベルを出力から送出する。切換しきい値の通過の間の
時間に、比較器出力はゼロ電圧レベルにある。このこと
を図８により原理について説明する。

【００４０】３つの区別される状態が発生し、２ビット
データ語でコード化されることも図８で明らかである。
この場合１ないし８の数字で表示される個々の期間の間
にこのような３つの２ビットデータ語の組合せが成立す
る。即ち各期間に３個のすべての「位相比較器」の接続
状態が１つの６ビットデータ語にまとめられる。この６
ビットデータ語が三相電圧系の時間的経過に現れる順序
は常に同じであり、ひとたび分かれば、２進データ列と
してＥＰＲＯＭ（消去可能なプログラム可能読取り専用
記憶装置）に記憶することができる。信号監視の過程で
電動機導線の１つに電圧信号の上昇が検出されるとき
は、この時点で存在するデータ語が論理回路群によって
識別される。その後の時間的過程で現れるデータ語の順
序がＥＰＲＯＭにファイルされた順序と比較される。こ
うして電動機の始動時に回転子の位置を決定することが
できる。この方法は相電流の評価にも同様に適している
（図９）。

【００４１】電圧に関するサーボモータの始動挙動が図
１０で明らかである。

【００４２】電圧は電流より９０度先行しているので、
回転磁界の電圧評価による遮断は電流評価による遮断よ
りも迅速である。

【００４３】また電圧の順序が監視される。このことを
電動機の種々の位相の電圧曲線を示す図１１に基づいて
説明する。

【００４４】切換しきい値を超え又は下回るときは、必
ず状態の観察が行われる。状態１の観察で、それは次の
ことを意味する。

【００４５】位相Ｕは比較器しきい値をちょうど超えて
いるが、位相Ｖは上のしきい値にも下のしきい値にも達
していない。

【００４６】位相Ｗの値は依然として下側の切換しきい
値より上にある。次の状態が現れると、必ず比較器の出
力値だけが変化する。

【００４７】ある位相の比較器出力値が変化したときに
すべての位相の状態を照会すれば、電動機軸が機械的運
動を遂行する前に遮断することが理論的に可能である。
なぜなら電流と電圧の間の移相は理想的な場合に９０度
であり、電流が磁界形成の原因だからである。

【００４８】図１２に示すように、正しい順序で状態１
（当該のビットパターンによって識別される）に状態２
が続き、同様に状態２に状態３が続くならば、回転磁界
が形成される。正しい時間的経過で順次続かねばならな
い状態の数は、自由に選択することができる。図１２が
明らかにするように、その他の比較器しきい値を挿入す
ることによって分解能を高めることができる。

【００４９】図１３及び１４はモータの始動時のビット
パターンの形成と相の経過の関係を改めて示し、かつブ
ロック構成図を示す。

【００５０】相電圧の解析による駆動装置の監視のほか
に、前述のように相電流の分析による監視も行うことが
できる。

【００５１】電動機給電線の相電流の信号特性が電流セ
ンサによって取り出される。

【００５２】周知のように定格回転数では相電圧のパル
ス幅変調信号特性にかかわらず正弦形の電流曲線が生じ
る。電動機巻線のインダクタンスによって電流曲線が積
分される。それはパルス幅変調信号から基本振動を濾波
して取り出す低域フィルタの挙動に似ている。正弦形信
号特性にパルス幅変調のサンプリング信号の周波数の比
較的小さなのこぎり波振動が重畳される。相電流の振幅
は電動機回転数及び負荷トルクに比例する。即ち電動機
回転数又は負荷が低下すれば電流の振幅が減少する。回
転数が小さければ、信号特性のひずみがますます現れ
る。このことが図１５及び１６の例で明らかである。図
には電動機回転数Ｎ＝３０００回／分（図１５）又はＮ
＝１５回／分（図１６）で相電流の信号特性が示されて
いる。

【００５３】しかし本発明は特に駆動装置の調整回転数
の監視に適している。

【００５４】調整回転数の監視のために相電流の電流順
序を監視すればよい。その場合電流信号が取り出され、
濾波されて増幅される。この信号は比較器入力へ送ら
れ、第１の切換しきい値を超えると正の電圧レベルを、
又、第２の切換しきい値を下回ると負の電圧レベルを出
力から送出する。切換しきい値の通過の間の時間に比較
器出力はゼロ電圧レベルにある。図１７はこの原理を説
明するためのものである。

【００５５】図１７が明らかにしているように、３つの
区別される状態が発生し、これらの状態が２ビットデー
タ語でコード化される。この場合１ないし８の数字で表
示される個々の期間の間に、３つのこのような２ビット
データ語の特定の組合せが成立する。即ち各期間に３個
のすべての「位相比較器」の接続状態が１つの６ビット
データ語にまとめられる。この６ビットデータ語が三相
電流系の時間的経過に現れる順序は常に同じであり、ひ
とたび分かれば、２進データ列としてＥＰＲＯＭに記憶
することができる。信号監視の過程で電動機電線の１つ
に電流信号の上昇が検出されると、この時点で存在する
データ語が論理回路群によって識別される。その後の時
間的経過で現れるデータ語の順序が、ＥＰＲＯＭにファ
イルされた順序と比較される。順序が電子的に評価され
る。

【００５６】ビットパターンのこのデジタル評価は、遮
断が作動されずに電動機が１回転した後に１個のパルス
を送出する。

【００５７】方形波発生器がこのパルスで始動される。
方形波発生器のパルスがカウントされ、予め設定された
値と比較器で比較される。

【００５８】電動機の次の回転でビットパターンの評価
論理回路がもう１つのパルスを発生し、それがカウンタ
を停止し、比較器を作動させる。

【００５９】カウンタに示された値が予め設定された値
より大きければ、電動機の実際回転数は回路の受容範囲
内にあり、遮断されない。

【００６０】回転数の評価は必ず回転磁界の１回転の後
に行われる。

【００６１】監視範囲は取扱者が指定することができ
る。

【００６２】電流による検出は電圧に比して、小さな回
転数（電動機の負荷時）で回転磁界の１回転の後に遮断
することもできる（調整回転数Ｎ＝０に相当する）とい
う利点がある。

【００６３】図１８及び１９は調整回転数監視の原理的
構成をそれぞれ示す図である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく電子負荷継電器の原理的構成図
である。

【図２】電動機の監視のためのトランジスタと光学カプ
ラーの回路図である。

【図３】電流監視の原理図である。

【図４】回転数がＮ＝３０００回／分の場合の電動機の
電圧曲線の図である。

【図５】３個の星形結線の変圧器の図である。

【図６】図５における変圧器の正弦波電圧曲線の図であ
る。

【図７】比較器によって図６において変換された電圧の
方形信号の図である。

【図８】電圧レベルによる相分析の原理的構成図であ
る。

【図９】図９（ａ）は電動機の定格運転時の電流曲線の
図であり、図９（ｂ）は位置制御での負荷変動時の電流
曲線の図である。

【図１０】サーボモータの電圧による始動挙動を示す図
である。

【図１１】電動機の種々の位相の電圧曲線の図である。

【図１２】図１１に対応して示す状態の図である。

【図１３】ビットパターン形成のためのブロック構成図
である。

【図１４】電動機の定格運転時の各相の曲線とビットパ
ターンの発生の関係を示す図である。

【図１５】電動機回転数Ｎ＝３０００回／分での相電流
の信号特性の図である。

【図１６】電動機回転数Ｎ＝１５回／分での相電流の信
号特性の図である。

【図１７】電動機の調整回転数の監視のための電流を示
す図である。

【図１８】調整回転数監視の原理的構成を示す図であ
る。

【図１９】調整回転数監視の原理的構成のブロック図で
ある。

【符号の説明】

１０、１２、１４ 変圧器 １６、１８、２０ 整流器 ３４、３６、３８ 光学カプラー ２２、２４、２６ ＩＧＢＴトランジスタ ４２、４４、４６ ダイオード

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電動機の電流ないしは電圧の解析ないしは
   比較による電動機、特に極めて活動的なサーボ駆動装置
   の停止の監視又は停止する電動機の調整回転数の監視の
   ための方法。
2. 【請求項２】電動機の相電圧又は相間電圧としきい値と
   の関係を電圧パターンに分解し、相電圧又は相間電圧の
   １つがしきい値の１つに達したならば、すべての相電圧
   又は相間電圧のこの時点で存在する電圧パターンを検出
   し、こうして検出した電圧パターンを所定のパターンと
   比較するか又は電動機の相電流としきい値との関係を電
   流パターンに分解し、相電流の１つがしきい値の１つに
   達したならば、すべての相電流のこの時点で存在する電
   流パターンを検出し、こうして検出した電流パターンを
   所定のパターンと比較することを特徴とする請求項１に
   記載の方法。
3. 【請求項３】検出された電圧ないしは電流パターンを所
   定のパターン又は先に又は後に測定された電圧ないしは
   電流パターンと比較することを特徴とする請求項２に記
   載の方法。
4. 【請求項４】電動機の調整回転数の監視のために、電流
   又は電圧信号を取り出し、同じパターンの当該の信号の
   時間間隔を決定することを特徴とする請求項１に記載の
   方法。
5. 【請求項５】特に極めて活動的なサーボ駆動装置の、例
   えば停止ないしは調整回転数の監視の方法ないしは該駆
   動装置の確実な遮断のための方法で特に使用される負荷
   継電器において、該負荷継電器が被監視半導体部品（２
   ２、２４、２６）として構成されていることを特徴とす
   る負荷継電器。
6. 【請求項６】駆動装置の主回路、特に該駆動装置とこれ
   に前置した制御装置の出力との間に駆動用半導体部品特
   にＩＧＢＴトランジスタ（２２、２４、２６）及び並列
   に接続されたダイオード（４２、４４、４６）が配設さ
   れ、該駆動用半導体部品が電気的に分離されて駆動さ
   れ、駆動用半導体部品又はダイオードを流れる電流、そ
   の総量及び駆動用半導体部品に印加される電圧がセンサ
   （Ｓ１、Ｓ２）により決定されることを特徴とする請求
   項５に記載の負荷継電器。
7. 【請求項７】駆動用半導体部品又はダイオードを流れる
   電流の方向を決定する第１及び第２のセンサ（Ｓ１、Ｓ
   ２）が駆動用半導体部品、例えばＩＧＢＴトランジスタ
   （２２、２４、２６）及びダイオード（４２、４４、４
   ６）に配属され、該駆動用半導体部品及びダイオードを
   流れる全電流を検出することができる別の第３のセンサ
   （Ｓ０）が駆動用半導体部品及びダイオードに配属さ
   れ、該駆動用半導体部品に印加される電圧が第４のセン
   サ（Ｓ３）例えば変圧器によって決定されることを特徴
   とする少なくとも請求項６に記載の負荷継電器。