JP2012016280A

JP2012016280A - 電動機駆動システム

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Publication number: JP2012016280A
Application number: JP2011228473A
Authority: JP
Inventors: Akio Toba; 章夫鳥羽; Koetsu Fujita; 光悦藤田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2025-08-23
Also published as: JP5339164B2; JP2012016281A; JP5338880B2

Abstract

【課題】スイッチング素子、電動機内部またはインバータと電動機とを接続するケーブル等における故障を速やかに検出し、システムを安全に停止させる。
【解決手段】還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続したアーム部を、直流電圧部に直接またはダイオードを介してｎ（ｎ≧２）個並列に接続し、かつ、アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続したシステムにおいて、電動機の回転中にインバータを構成する１個のスイッチング素子にオン信号を与えた後、所定期間にわたり電流通流が開始しなければ、当該スイッチング素子またはその駆動回路等の関連装置、電動機、もしくは電動機とインバータとの間のケーブルの故障と判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インバータにより界磁付き電動機を駆動する電動機駆動システムに関し、詳しくは、インバータまたは電動機等の故障を速やかに検出してシステムを安全に停止するための技術に関するものである。ここで、界磁付き電動機とは、回転子に界磁極（永久磁石によるもの、界磁コイルによるものを含む）を有し、空転状態で無負荷誘起電圧が発生する電動機をいう。

図１０は、この種の電動機駆動システムの第１の従来技術を示しており、三相電圧形インバータ１０によって三相の界磁付き電動機Ｍを駆動するシステムである。
インバータ１０は、電解コンデンサ等からなる直流電圧部１１に、還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）を２個直列接続してなるアーム部を三相分並列に接続して構成されている。図において、Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚはスイッチング素子、Ｄ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚは還流ダイオードである。

各アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点は交流出力端子となり、これらの出力端子に界磁付き電動機Ｍ、具体的には永久磁石同期電動機等が接続されている。
このような電動機駆動システムは例えば特許文献１等に記載されており、その構成及び制御方法は公知であって広く実用化されているため、これらの説明は省略する。
図１０の構成では、電動機駆動システムの停止状態において、インバータ１０の全スイッチング素子に対してこれらをオフにするための信号（オフ信号）が制御装置（図示せず）から与えられている。

次に、図１１は第２の従来技術を示している。この従来技術では、インバータ１０Ａ内の直流電圧部１１とスイッチング素子との間に、図示の極性で接続されたダイオード１２を備えている。
界磁付き電動機Ｍを発電機として用いる場合、図示するように直流電圧部１１の電圧を阻止する極性でダイオード１２を挿入することにより、スイッチング素子群に短絡故障が生じても上記ダイオード１２の作用によって直流電圧部１１の電圧が維持されるという特徴がある。なお、この構成は、本件出願時において未だ出願公開されていない特願２００４−１５８５４８に開示されている。

特開平１１−７５３９４号公報（図１，図２等）

界磁付き電動機Ｍの停止状態において、スイッチング素子のうちの１個が故障して短絡または低抵抗の状態（以下では、これらを総称して短絡故障という）になると、電動機Ｍが外力によって回転している場合には電流が流れる。短絡故障したスイッチング素子が１個であっても、各スイッチング素子には還流ダイオードが逆並列接続されているため、ダイオードに順方向の電圧が印加されれば電流が通流する。これは、空転状態において誘起電圧が発生する界磁付き電動機Ｍに特有の問題である。

上記のようにスイッチング素子が短絡故障していて電動機Ｍの空転時に電流が流れている状態は、電動機Ｍのコイルが短絡されている状態であり、この場合には比較的大きな電流が流れることが知られている。この大電流は、電動機Ｍやインバータの過熱や焼損を招き、近隣の装置にも熱が及んで悪影響を及ぼすといった問題の原因ともなる。
特に、この状態ではスイッチング素子が短絡故障しているため制御不能であり、電動機Ｍが外力によって回されている限り大電流は流れ続けてしまう。

一方、インバータのスイッチング素子は正常でも、電動機内部またはインバータと電動機とを接続するケーブルにおいて短絡等が生じた場合にも、大きな電流が流れて電動機等が過熱状態になるという問題が生じる。
そこで本発明の解決課題は、スイッチング素子、電動機内部またはインバータと電動機とを接続するケーブル等における故障を速やかに検出すると共に、故障検出時にはシステムを安全に停止させるようにした電動機駆動システムを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システムであって、
還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続してなるアーム部を、直流電圧部に直接またはダイオードを介してｎ個並列に接続し、かつ、前記アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続してなる電動機駆動システムにおいて、
電動機の回転中にインバータを構成する１個のスイッチング素子にオン信号を与えた後、所定期間にわたり電流通流が開始しなければ、当該スイッチング素子またはその駆動回路等の関連装置、電動機、もしくは電動機とインバータとの間のケーブルの故障と判定するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
断線検出のためのスイッチング素子の操作を、電動機の回転子位置を検出するためのスイッチング素子の操作と兼用させるものである。

請求項３に記載した発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システムであって、
還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続してなるアーム部を、直流電圧部に直接またはダイオードを介してｎ個並列に接続し、かつ、前記アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続してなる電動機駆動システムにおいて、
電動機の回転中にインバータを構成する１個のスイッチング素子にオン信号を与えた後、電動機の電流の通流開始を検出したら当該スイッチング素子をオフし、
電動機駆動システムが正常な状態において、前記電動機の電流が流れた相の情報に基づいて特定可能なスイッチング素子であって、オン信号を与えても直ちに電流が通流しないはずのスイッチング素子にオン信号を与えた際に、
電動機に電流が直ちに通流する場合には、電動機、または電動機とインバータとの間のケーブルの地絡と判定するものである。

請求項４に記載した発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機と、
この電動機の回転速度に同期したｎ相電圧を前記電動機に印加する電源装置と、
この電源から出力される前記ｎ相電圧の指令値を生成する制御装置と、を備えた電動機駆動システムにおいて、
前記電動機の各相電流波形の相違またはこれに起因する前記制御装置の内部変数の持続的な変動のうち少なくとも一方に基づいて、前記電動機の異常を判定するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項４に記載した電動機駆動システムにおいて、
各相電流波形の特徴量の差または前記内部変数の変動量が所定値を超えた時に、前記電動機を異常と判定するものである。

請求項６に記載した発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機と、
この電動機の回転速度に同期したｎ相電圧を前記電動機に印加する電源装置と、
この電源から出力される前記ｎ相電圧の指令値を生成する制御装置と、を備えた電動機駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記電動機の複数相の電流検出値から前記電動機の回転速度に同期した２軸電流検出値を生成する手段と、
２軸電流指令値と前記２軸電流検出値との偏差に基づいて２軸電圧指令値を生成する調節手段と、
前記２軸電圧指令値に基づいて前記電源に与える前記ｎ相電圧の指令値を生成する手段と、を備え、
前記調節手段に設けられた積分要素または低域通過フィルタの出力、もしくはこれらの出力を含む前記調節手段の出力が所定値を超えた時に前記電動機の異常と判定するものである。

請求項１〜３に記載した発明によれば、インバータを構成するスイッチング素子、電動機内部、または、インバータと電動機との間のケーブルの断線や地絡等を含めた各種の故障を迅速に検出することができ、故障検出時にはシステムを安全に停止させて被害の拡大を防止することが可能になる。
更に、請求項４〜６に記載した発明によれば、電動機内部のコイルの短絡や減磁等の異常を一層確実に検出することができる。

本発明の参考形態を示す構成図である。本発明の第１実施形態を説明するための構成図である。本発明の第１実施形態を説明するための波形図である。本発明の第４実施形態を示す構成図である。第４実施形態の第１の具体例を示す構成図である。図５における誘起電圧正常時及び異常時の動作波形図である。第４実施形態の第２の具体例を示す構成図である。図７における誘起電圧正常時及び異常時の動作波形図である。本発明の第５実施形態を説明するための主要部の構成図である。第１の従来技術を示す構成図である。第２の従来技術を示す構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の参考形態を示す構成図である。図１において、インバータ３１を構成する三相各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のうちＵ相、Ｗ相の交流出力線３０_ｕ，３０_ｗには、電流検出器ＣＴ_ｕ，ＣＴ_ｗがそれぞれ接続されており、これらの電流検出器ＣＴ_ｕ，ＣＴ_ｗの出力はスイッチング素子Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚをオンオフ制御するための制御装置２０に入力されている。
なお、インバータ３１の他の構成は図１０と同一であるが、図１１に示したように直流電圧部１１の電圧を阻止する極性でダイオード（以下、直流部ダイオードという）を挿入しても良い。
界磁付き電動機Ｍは、例えば永久磁石同期電動機である。

図１の構成において、例えばＵ相下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘが短絡故障している場合、全スイッチング素子に対してオフ信号を与えても、上記スイッチング素子Ｑ_ｘ及び還流ダイオードＤ_ｙ，Ｄ_ｚによって短絡ループが形成されるため、界磁付き電動機Ｍの回転子が外力によって回転し誘起電圧が発生している場合には、電動機Ｍに電流が流れる。この状態が継続すると、電動機Ｍのコイルやインバータ３１内の通流状態のスイッチング素子が過熱する。

しかし、別の見方をすれば、上記の現象から、全スイッチング素子にオフ信号を与えている状態で電動機Ｍに電流が流れているならば、スイッチング素子のうちの少なくとも１個が短絡故障しているという判定を行うことが可能である。
ただし、電動機Ｍの回転速度が高く、従って誘起電圧が高い場合、誘起電圧の線間ピーク値が直流電圧部１１の電圧よりも高ければ、上アームの還流ダイオードも順バイアスされることになり、全スイッチング素子が正常であっても電流が流れる。しかし、その場合の電流は上記短絡電流よりも格段に小さいこと、また、図示していない回転子の位置情報または速度センサの速度情報、あるいは流れる電流の周波数情報から、無負荷誘起電圧が直流電圧部１１の電圧よりも高くなるほど回転子の回転速度が高いか否かを判断できることから、スイッチング素子の故障によって電流が流れている場合と、電動機Ｍの回転速度が高いことに起因して電流が流れている場合とは明確に区別可能である。

以上のことから、インバータの全スイッチング素子にオフ信号を与えている状態において、回転子の高速回転時に電流が通流する場合を除いて電流が流れた場合には、スイッチング素子のうち少なくとも１個が短絡故障していると判定することができる。なお、短絡による電流の判定に当たっては、判定基準となる規定値を、ゼロとしたり、高速回転時に流れ得る電流値以上の値としたり、あるいは連続して通流しても温度上昇が制約値以下となる値とする等の方法が考えられる。

次に、請求項１に相当する本発明の第１実施形態を説明する。
電動機Ｍやケーブルの故障としては、図１を用いて説明した短絡故障以外に断線がある。界磁付き電動機Ｍの断線は、電動機Ｍが回転している場合には、インバータの複数のスイッチング素子のうち１個にオン信号を与え、所定期間を経過しても電流通流が開始しないことをもって検出可能である。
このことを、図２、図３を用いて説明する。図２は三相界磁付き電動機Ｍのインバータによる駆動システムの主回路構成を示している。また、図３は、上記電動機Ｍが一定速度で回転している場合の三相誘起電圧波形を示している。

回転中の電動機Ｍは誘起電圧を発生しているため、例えば図２のようにインバータのＵ相下アームのスイッチング素子Ｑ_ｘをオンすれば、Ｕ相の誘起電圧ｅ_ｕが他の相の誘起電圧ｅ_ｖ，ｅ_ｗよりも大きい場合、すなわち図３において電気角が０゜〜３０゜、または１５０゜〜３６０゜の範囲にあれば、電動機Ｍに電流が通流する。一方、電気角が３０゜〜１５０゜の場合には、Ｕ相の誘起電圧ｅ_ｕが全相の中で最低になるため、Ｖ相及びＷ相の下アームの還流ダイオードの作用により、電流は通流しない。同様のことは、他相の下アームのスイッチング素子についても、あるいは上アームの全スイッチング素子についても成り立つ。

すなわち、システムが正常であり、しかも電動機Ｍが回転している場合には、一相のスイッチング素子をオンさせて、そのオン状態を電気角が少なくとも１２０゜変化する期間にわたって保持すれば、必ず電流の通流が開始する。
このことは逆に、電気角が１２０゜変化する期間を超えてスイッチング素子のオン信号を与えても電流通流が開始しなければ、当該相において断線が生じているか、あるいは当該スイッチング素子がオンしていないと判定できることを示している。

よって、電動機Ｍの回転速度の下限が予め判っている場合、その回転速度で電気角が１２０゜変化する期間Ｔonを予め計算しておき、１個のスイッチング素子のオン状態を期間Ｔon以上継続しても電流が通流しない場合には、電動機Ｍ内部やインバータと電動機Ｍとの間のケーブルの断線、または当該スイッチング素子もしくはその駆動回路等の関連装置の故障と判定することができる。
また、このような断線判定動作を起動時に複数相について実施することにより、運転開始前に確実に断線を検出することも可能である。

次いで、請求項２に相当する本発明の第２実施形態を説明する。
上述した断線検出のためのスイッチング素子の操作は、先願である特願２００４−３０６８９０「交流電動機用電力変換装置」に記載されたフリーラン起動技術と多くの共通性がある。

すなわち、特願２００４−３０６８９０では、上記の説明と同様に、１個のスイッチング素子をオン状態とした場合に電流通流するか否かが誘起電圧の位相角、すなわち電動機の回転子位置に依存していることを利用して、空転状態にある電動機の回転子位置を検出できること、及び、得られた回転子位置情報に基づいて、空転状態にある電動機に駆動用インバータから適切な電圧を与えることによりシステムを起動する方法（フリーラン起動方法）が示されている。

これらの内容を略述すると、次の通りである。
システムが正常であり、電動機の回転速度が一定と見なせる場合、例えばＵ相の下アームのスイッチング素子をオンすることにより電流無通流の状態から電流通流開始を検出した時には、電流通流がＵ相及びＶ相（すなわちＷ相電流はゼロのまま）である場合には、誘起電圧の大小関係が次のようになったことが分かる。
・誘起電圧の大小関係：Ｖ相＜Ｕ相＜Ｗ相
電流通流前はＵ相の誘起電圧ｅ_ｕが最低だったのであるから、図３から次のことが分かる。
・誘起電圧の電気角は１５０゜を通過し、誘起電圧の相順はＵ−Ｖ−Ｗである。
一方、電流通流開始を検出した時に電流通流がＵ相及びＷ相（すなわちＶ相電流はゼロのまま）である場合には、同じように誘起電圧の電気角が通過した角度（＝２１０°）と、相順がＵ−Ｗ−Ｖであることが分かる。
誘起電圧の相順は回転方向と一対一に対応するため、これによって回転方向を判別することができ、前者（相順がＵ−Ｖ−Ｗ）の場合は正転、後者（相順がＵ−Ｗ−Ｖ）の場合は逆転であることが判明する。

ひとたび相順を判別できたならば、その相順通りに上記のスイッチング素子の操作を繰り返せば、連続的に電流無通流の状態から通流開始する現象を検出することができる。
例えば、前述のように相順がＵ−Ｖ−Ｗと判明したならば、通流開始検出後にＵ相下アームのスイッチング素子をオフしてＶ相下アームのスイッチング素子をオンしても、図３より、電気角が１５０゜〜２７０°の期間はＶ相誘起電圧ｅ_ｖが最小であるため、電流は直ちには通流しない。この状態で、やがて電気角が２７０゜を超えて通流開始を検出したら、同様にＶ相下アームのスイッチング素子をオフし、Ｗ相下アームのスイッチング素子をオンする、という操作を繰り返すことができる。

各々の通流開始の時間間隔は、誘起電圧ｅ_ｕ，ｅ_ｖ，ｅ_ｗの位相差、すなわち電気角で１２０゜に対応しているため、通流開始の時間間隔と角度１２０゜を利用して回転速度を計算することができる。このとき、各相のスイッチング素子をオンしてから電流通流が開始するまでの時間はほぼ一定となる。

なお、スイッチング素子の操作の共通性から、上記特願２００４−３０６８９０に示されるフリーラン起動の動作の中で、断線検出を行うことも可能である。すなわち、もし電動機内部やケーブルにおける断線、あるいはスイッチング素子がオン不能の状態にあれば、当該相のスイッチング素子にオン信号を与えても電流通流が開始しないため、その状態を容易に検出することができる。

次いで、請求項３に相当する本発明の第３実施形態を説明する。
上述したようなスイッチング素子の操作により、電動機Ｍやケーブルの地絡を検出することもできる。
すなわち、図３を引用して説明したように、システムが正常な状態において、ある相（例えばＵ相）の下アームのスイッチング素子をオンし、電流無通流状態から電流通流開始を検出した場合には、次にオン信号を与えても電流が直ちに通流しないスイッチング素子（例えばＶ相下アームのスイッチング素子）を特定できることを説明した。
一方、電動機Ｍやケーブルが地絡している場合には、システムが正常であれば直ちに電流通流しないはずのスイッチング素子（上記の例ではＶ相下アームのスイッチング素子）をオンすると地絡電流が通流する。従って、この現象を利用すれば、電動機Ｍの内部、またはインバータと電動機Ｍとの間のケーブルの地絡と判定することが可能である。

次に、請求項４，５に相当する本発明の第４実施形態について説明する。
図４はこの実施形態の全体構成を示すもので、三相の界磁付き電動機Ｍは電源装置３００に接続されている。この電源装置３００は、電動機Ｍの回転子位置及び速度に応じて適切な振幅及び周波数の電圧を電動機Ｍに印加するように構成されており、電動機Ｍに印加するべき電圧は制御装置２００によって指令される。
ここで、例えば、電源装置３００は図１におけるインバータ３１の主回路を含み、また、制御装置２００は図１における制御装置２０と同等のものである。

なお、制御装置２００には様々な構成があり、回転子位置及び電流の双方を検出し、電流が回転子位置に同期した波形となるようにフィードバック制御してもよいし、あるいは、回転子位置を検出せずに電流のみを検出し、電動機Ｍに印加する電圧と検出した電流から回転子位置を推定してもよい。更には、回転子位置及び電流のいずれも検出せず、電圧をフィードフォワード的に印加することも可能である。

いま、電動機Ｍの運転中に電動機Ｍの内部でコイルが短絡した場合、この短絡が電動機端子に比較的近い部位で生じれば、低インピーダンスで電源装置３００の線間電圧が電動機Ｍに印加されることになるので、過電流または脱調という明確な挙動が発生して電動機Ｍの異常を検出することができる。
しかし、コイルの短絡が電動機端子から遠い部分で発生した場合には、電源装置３００の線間から見たインピーダンスは比較的大きくなるため、過電流や脱調が生じずにそのまま電動機Ｍの運転が継続される可能性がある。この場合、コイルの短絡が生じているため、界磁付き電動機Ｍの誘起電圧によって過大な電流が電動機内部の短絡ループに還流し、コイルが加熱、焼損する危険性がある。

しかるに、上述した問題は、コイルが電動機内部で短絡した場合に無負荷誘起電圧が短絡相において低下することに着目し、その異常を検出することで解決可能である。
通常、三相の誘起電圧波形は電気角で１２０°ずつ位相差のある同一の波形となる。しかし、電動機内部のコイルの任意箇所にて短絡が生じるとこの関係が崩れ、三相の誘起電圧波形が同一にならなくなる。一方、電動機に電圧を印加する電源装置は、電動機の三相の誘起電圧波形が１２０°位相差の同一波形であるという前提で動作するため、各相毎に誘起電圧波形が異なる場合には、各相の電流波形に相違が発生する。

図５は、界磁付き電動機Ｍの一般的な制御系の構成を表しており、例えば図４の第１の具体例を示している。
図５において、電動機Ｍの電流は電流検出器ＣＴ_ｗ，ＣＴ_ｕによって検出される。なお、全相の電流の合計がゼロとなることを利用して二相分の電流のみを検出する構成を示してあるが、本質的には全相の電流値が検出される。この点は、図１においても同様である。

電流検出値は、制御装置２００内の電流座標変換器２０１によって回転子位置に同期した直交座標（ｄ−ｑ座標）上の成分に変換される。最も一般的なのは、磁極方向であるｄ軸成分と、これに直交するｑ軸成分とに分解するものである。こうして得られたｄ軸，ｑ軸電流検出値が、ｄ軸，ｑ軸電流指令値と共に電流調節器２０２に入力される。
電流調節器２０２は、各軸の電流検出値が電流指令値にそれぞれ一致するようにｄ軸，ｑ軸電圧指令値を出力し、これらのｄ軸，ｑ軸電圧指令値は、電圧座標変換器２０３によって三相電圧指令値に変換される。電源装置３００は、上記三相電圧指令値に従って電動機Ｍに印加する三相電圧を出力する。なお、電源装置３００としては、例えば三相ＰＷＭインバータが用いられる。また、電流座標変換器２０１及び電圧座標変換器２０３における座標変換のために、回転子位置検出器ＭＳによる位置検出値が用いられる。

図６は、図５の制御系において、電動機Ｍの誘起電圧が正常の場合、及びＶ相とＷ相の誘起電圧が正常時の９０％となった場合の動作波形を示している。これは、Ｖ相とＷ相のコイルが電動機端子から比較的遠い部位で短絡した状況に相当する。ここでは、電源装置３００として三相ＰＷＭインバータを用いているため、電動機電流はスイッチングによるリプル成分を含んでいる。なお、波形の見易さを考慮して、ｄ軸，ｑ軸電流については、低域通過フィルタを通してリプル成分を除去した波形を表示してある。

誘起電圧が正常の場合には、三相電流は１２０°位相の異なった同一の波形となっており、ｄ軸，ｑ軸電流はほぼ直流成分となることが分かる。一方、誘起電圧に異常が発生すると、直ちに各相電流波形が異なるようになり、これによってｄ軸，ｑ軸電流に振動成分が重畳することが分かる。
従って、この各相電流波形の相違、あるいはこれに起因する制御装置の内部変数の継続的な変動（この場合にはｄ軸，ｑ軸電流の振動）について、例えば各相電流波形の特徴量としての振幅の差や内部変数の変動量について予め異常判定レベルを設けておき、前記振幅の差や変動量がそれぞれの異常判定レベルを超過することをもって電動機の異常を検出することができる。ここで、異常判定には、各相電流波形の相違、あるいはこれに起因する制御装置の内部変数の継続的な変動の両方を用いてもよいが、少なくとも一方を用いれば足りる。
なお、ｄ軸，ｑ軸電流の振動は、誘起電圧の周波数すなわち回転子の回転速度に同期しているため、この特徴を利用して更に精度良く電動機の異常を判定することも可能である。

同様な手法は、図５に示したような回転子位置検出器ＭＳを用いずに、電圧と電流の値から回転子位置を推定するいわゆるセンサレス駆動の場合にも適用可能である。
図７は、センサレス駆動方式の一例を示しており、図４，図５における回転子位置検出器ＭＳを除去した具体例に相当する。

図７の制御装置２１０においては、回転子位置検出器ＭＳを用いる代わりに、まず位置ずれ推定器２０４により、ｄ軸，ｑ軸電圧指令値及びｄ軸，ｑ軸電流検出値から、回転子位置の推定値と実際値とのずれの推定値（位置ずれ推定値）を計算する。この計算方法については、例えば、H.Watanabe, T.Isii, T.Fujii, "DC-Brushless Servo System without Rotor Position and Speed Sensor", Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Electronics, control and Instrumentation (IECON) '87, vol.1, pp. 228-234, 1987 等に記載されている。

基本的には、上記の位置ずれ推定値を常にゼロに維持することによって回転子位置が適正値となる。これを実現するために、位置ずれ推定値の符号を反転器２０５により反転し、その反転値がＰＩ調節器２０６（あるいは積分器）に入力されてその出力が速度推定値となる。つまり、例えば位置ずれ推定値が負になった場合には、ＰＩ調節器２０６には正の偏差が入力され、速度推定値が上昇することによって位置ずれが補正される。速度推定値を積分器２０７により積分した値が回転子の位置推定値であり、これが電流座標変換器２０１及び電圧座標変換器２０３に入力されることになる。

図８は、図７の制御系において、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧が正常の状態から正常時の９０％に低下した場合の挙動を示している。回転子位置検出器を用いた場合と同様に、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧の異常により、各相電流波形に相違が現れており、同時に、ｄ軸，ｑ軸電流に振動が発生していると共に、位置ずれ推定値にも振動が発生している。このように、各相電流波形の相違のみならず、これに起因する制御系の内部変数の変動をもって、電動機の異常を検出することができる。
なお、位置ずれ推定値には振動は発生するものの直流成分が重畳していないため、位置ずれが拡大して脱調に至らない可能性があること、及び、誘起電圧の変化による過電流が発生していないことから、脱調や過電流のみに着目していては異常を検出することができず、運転が継続されてしまうおそれがある。言い換えれば、本実施形態のように各相電流波形の相違や制御系の内部変数の変動に基づいて異常判定を行う着想の有効性が明らかである。

上述した電動機の異常を検出するための電動機の内部変数、すなわちｄ軸，ｑ軸電流や位置ずれ推定値はあくまで例示的なものであり、これら以外にも、各相電流波形の相違に起因して変動する内部変数を異常判定に用いることができる。また、各相電流波形の相違は直接的に評価し難いが、元来、定常状態において直流成分であるｄ軸，ｑ軸電流や位置ずれ推定値の変動は評価しやすく、簡便に電動機の異常を検出する用途に適している。

次いで、請求項６に相当する本発明の第５実施形態について説明する。
図５または図７に示した制御系において、回転子位置が正しく検出または推定され、かつ電源装置３００が指令値通りの電圧を出力する場合、制御系は電流調節器２０２の出力であるｄ軸，ｑ軸電圧指令値が電動機Ｍの２軸モデルに直結されるモデルにより考察することができる。図９はこれを表したものである。

図９において、電動機２軸モデルＭＭは一般的なものであり、図中、Ｌ_ｄ，Ｌ_ｑはそれぞれｄ軸，ｑ軸のインダクタンス、Ｒは抵抗、１／ｓは積分器、ωは電気角周波数、ωΨは誘起電圧を示している。
また、電流調節器２０２としては代表的な構成例を示してあり、この電流調節器２０２は、ｄ軸，ｑ軸電流検出値の各指令値に対する偏差をＰＩ調節器に入力するフィードバック制御を行う。ただし、これに加えて誘起電圧成分ωΨ’、及び、ｄ軸，ｑ軸間の相互作用である電機子反作用項ωＬＩを補償するフィードフォワードが設けられている。なお、フィードフォワードとしては、これ以外にもコイルの抵抗による電圧降下を補償するＲＩ項を追加することもある。ただし、その影響が小さい場合にはこれを設けない場合も多い。このようなフィードフォワードが設けられている場合、定常状態における電動機Ｍの２軸電圧はほぼフィードフォワードによって決定され、ＰＩ調節器は様々な誤差要因に起因する成分を補正的に出力するのみとなる。誤差のない理想状態では、ＰＩ調節器の出力は定常状態においてゼロとなる。

ここで、電動機Ｍにおいてコイルの短絡や磁石の減磁が生じ、誘起電圧が三相とも同様に低下した場合を考える。この場合には、先に説明したような誘起電圧のアンバランスは無いため、各相電流波形の相違は発生しない。従って、第４実施形態のような方法で電動機の異常を検出することはできない。

このように三相とも同様に誘起電圧が低下した場合には、電動機ＭのωΨ項が低下する一方、電流調節器２０２のフィードフォワード項ωΨ’は通常通りであることから、この誤差を補償するための直流成分がＰＩ調節器の出力に現れることを利用して異常を検出することができる。より詳細に述べれば、電流調節器２０２のフィードフォワードと電動機２軸モデルＭＭにおける適切な電圧成分との間に誤差がある場合、電流の定常偏差をゼロにするためにＰＩ調節器の積分要素がその誤差分を保持するようになる。従って、正常時に想定される出力電圧の最大定常誤差を予め見積もっておき、電流調節器２０２におけるＰＩ調節器の積分要素がこの最大定常誤差を超える場合、あるいはそのような状態が所定の時間継続する場合には、電動機Ｍの異常と判定することができる。

本実施形態において、図９に示したＰＩ調節器の代わりにＰＩＤ調節器を用いてもよいし、あるいはこれらの調節器における積分要素の代わりにゲイン付きの低域通過フィルタを用いてもよい。要は、調節器に定常偏差をゼロまたは小さい値にするための蓄積要素があれば、上述したような電動機Ｍの異常検出が可能となる。

なお、本発明は、界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数であり、ｎ＝２の場合を単相とする）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システム全般に適用することができる。

Ｑ_ｕ，Ｑ_ｖ，Ｑ_ｗ，Ｑ_ｘ，Ｑ_ｙ，Ｑ_ｚ：ＩＧＢＴ
Ｄ_ｕ，Ｄ_ｖ，Ｄ_ｗ，Ｄ_ｘ，Ｄ_ｙ，Ｄ_ｚ：還流ダイオード
Ｍ：界磁付き電動機
ＭＭ：電動機２軸モデル
ＭＳ：回転子位置検出器
ＣＴ_ｕ，ＣＴ_ｗ：電流検出器
１１：直流電圧部
２０：制御装置
３０_ｕ，３０_ｗ：交流出力線
３１：インバータ
２００，２１０：制御装置
２０１：電流座標変換器
２０２：電流調節器
２０３：電圧座標変換器
２０４：位置ずれ推定器
２０５：反転器
２０６：ＰＩ調節器
２０７：積分器
３００：電源装置

Claims

界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システムであって、
還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続してなるアーム部を、直流電圧部に直接またはダイオードを介してｎ個並列に接続し、かつ、前記アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続してなる電動機駆動システムにおいて、
電動機の回転中にインバータを構成する１個のスイッチング素子にオン信号を与えた後、所定期間にわたり電流通流が開始しなければ、当該スイッチング素子またはその駆動回路等の関連装置、電動機、もしくは電動機とインバータとの間のケーブルの故障と判定することを特徴とする電動機駆動システム。
請求項１に記載した電動機駆動システムにおいて、
断線検出のためのスイッチング素子の操作を、電動機の回転子位置を検出するためのスイッチング素子の操作と兼用させることを特徴とする電動機駆動システム。
界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機をｎ相インバータにより駆動する電動機駆動システムであって、
還流ダイオードが逆並列接続された自己消弧形スイッチング素子を少なくとも２個直列接続してなるアーム部を、直流電圧部に直接またはダイオードを介してｎ個並列に接続し、かつ、前記アーム部におけるスイッチング素子同士の接続点を出力端子として電動機に接続してなる電動機駆動システムにおいて、
電動機の回転中にインバータを構成する１個のスイッチング素子にオン信号を与えた後、電動機の電流の通流開始を検出したら当該スイッチング素子をオフし、
電動機駆動システムが正常な状態において、前記電動機の電流が流れた相の情報に基づいて特定可能なスイッチング素子であって、オン信号を与えても直ちに電流が通流しないはずのスイッチング素子にオン信号を与えた際に、
電動機に電流が直ちに通流する場合には、電動機、または電動機とインバータとの間のケーブルの地絡と判定することを特徴とする電動機駆動システム。
界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機と、
この電動機の回転速度に同期したｎ相電圧を前記電動機に印加する電源装置と、
この電源から出力される前記ｎ相電圧の指令値を生成する制御装置と、
を備えた電動機駆動システムにおいて、
前記電動機の各相電流波形の相違またはこれに起因する前記制御装置の内部変数の持続的な変動のうち少なくとも一方に基づいて、前記電動機の異常を判定することを特徴とする電動機駆動システム。
請求項４に記載した電動機駆動システムにおいて、
各相電流波形の特徴量の差または前記内部変数の変動量が所定値を超えた時に、前記電動機を異常と判定することを特徴とする電動機駆動システム。
界磁付きｎ相（ｎは２以上の整数）電動機と、
この電動機の回転速度に同期したｎ相電圧を前記電動機に印加する電源装置と、
この電源から出力される前記ｎ相電圧の指令値を生成する制御装置と、
を備えた電動機駆動システムにおいて、
前記制御装置は、
前記電動機の複数相の電流検出値から前記電動機の回転速度に同期した２軸電流検出値を生成する手段と、
２軸電流指令値と前記２軸電流検出値との偏差に基づいて２軸電圧指令値を生成する調節手段と、
前記２軸電圧指令値に基づいて前記電源に与える前記ｎ相電圧の指令値を生成する手段と、
を備え、
前記調節手段に設けられた積分要素または低域通過フィルタの出力、もしくはこれらの出力を含む前記調節手段の出力が所定値を超えた時に前記電動機の異常と判定することを特徴とする電動機駆動システム。