JP5282064B2 - 突入電流抑制回路の故障検出機能を持つモータ駆動回路、モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ駆動中に突入電流抑制回路の故障を検出する機能を持つモータ駆動回路と、このモータ駆動回路を備えたモータ制御装置に関する。

ＡＣサーボモータを駆動制御するサーボアンプ（モータ制御装置）のモータ駆動回路８００は、その起動時に突入電流と呼ばれる瞬間的な大電流が流れることを抑制するため、一般的に突入電流抑制回路を含んでいる。図１を参照して、モータ駆動回路８００に含まれる従来的な突入電流抑制回路９３０の構成と作用を説明する。

突入電流抑制回路９３０が用いられているモータ駆動回路８００は例えば位置制御用サーボ機構を実現するための回路である。モータ駆動回路８００は、三相交流電源８５０からの交流を直流に変換するコンバータ部８６０と、コンバータ部８６０からの直流に含まれる脈流を除去する平滑回路８７０と、コンバータ部８６０と平滑回路８７０との間のラインの一方（この例ではコンバータ部８６０の負電源ＰＧ側のライン（接地ラインともいう））に接続された第１抵抗器９３１とこの第１抵抗器９３１と並列接続されたリレー９３２とを含む突入電流抑制回路９３０と、平滑された直流をＡＣサーボモータ８９０の駆動に用いられるモータ駆動交流に変換するインバータ部８８０と、ＡＣサーボモータ８９０をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御するためにインバータ部８８０に含まれる半導体スイッチングデバイス８８１ａ，８８１ｂ，８８１ｃ，８８１ｄ，８８１ｅ，８８１ｆのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うインバータ制御部８２０と、ＡＣサーボモータ８９０の位置を検出する位置検出器８３０（例えばアブソリュートエンコーダである）からの信号や後述する第１電流測定回路９１０が測定した電圧値や後述する第２電流測定回路９２０が測定した電圧値などに基づいてインバータ制御部８２０の制御を所定の制御アルゴリズムに従って行う制御回路８１０を含む。

モータ駆動回路８００は、インバータ部８８０に流れる電流を電圧値として測定する第１電流測定回路９１０を備えている（このような構成の例として特許文献１参照）。第１電流測定回路９１０は、平滑回路８７０とインバータ部８８０との間の接地ライン（ＰＧ）に接続された第２抵抗器９１２と、第２抵抗器９１２の両端間の電圧を測定し出力する第１電圧測定器９１９を含む。第１電圧測定器９１９の出力はインバータ部８８０へ流れる電流を示す電圧値として制御回路８１０に入力される。

また、モータ駆動回路８００は、ＡＣサーボモータ８９０への電流を電圧値として測定する第２電流測定回路９２０を備えている。第２電流測定回路９２０は、インバータ部８８０とＡＣサーボモータ８９０との間のＵ相ラインに接続された第３抵抗器９２１とＷ相ラインに接続された第４抵抗器９２２と、第３抵抗器９２１の両端間の電圧および第４抵抗器９２２の両端間の電圧を測定し出力する第２電圧測定器９２９を含む。第２電圧測定器９２９の出力は制御回路８１０に入力され、ＡＣサーボモータ８９０へ流れる電流が求められる。

このようなモータ駆動回路８００では、平滑回路８７０が一般的に大容量の平滑コンデンサ８７１とされ、サーボアンプの起動時には平滑コンデンサ８７１が充電されていないことから突入電流が流れることがある。そこで、サーボアンプの起動時にはリレー９３２の接点はＯＦＦ状態とされ、コンバータ部８６０からの突入電流は第１抵抗器９３１で制限され、突入電流によるコンバータ部８６０などへの悪影響を防止することができる。他方、平滑コンデンサ８７１充電完了後の通常動作時にはリレー９３２の接点はＯＮ状態とされている。この状態では、コンバータ部８６０からの直流は第１抵抗器９３１ではなくリレー９３２を流れるため、第１抵抗器９３１による無用な電力消費を抑えることができる。

サーボアンプの起動時に突入電流が流れることを抑制する観点から、サーボアンプが非通電状態であるときにリレー９３２の接点がＯＦＦ状態であることが好ましい。このため、リレー９３２として一般的に、接点の切替動作を行うコイル９３３が無励磁状態のときにリレー接点がＯＦＦとなる、例えばａ接点と呼ばれる種類のリレーが選定される。

第１抵抗器９３１の抵抗値は、平滑コンデンサ８７１の容量値との積によって定まる時定数を考慮して設定され、一般的に数Ω〜数十Ωと比較的大きい。このため、第１抵抗器９３１を短絡するリレー９３２が故障した場合、インバータ部８８０に流れる電流により第１抵抗器９３１が発熱し破損する可能性がある。そこで、突入電流抑制回路９３０の故障を検出する必要がある。例えば特許文献２に開示される技術はホール素子を利用して第１抵抗器９３１に流れる電流を検出することにより、突入電流抑制回路９３０の故障を検出している。

特開２０１０−１１６４２号公報 特開２００８−２０６３６４号公報

特許文献２に開示される技術によると、突入電流抑制回路９３０の故障を検出するために、ホール素子など新たな回路を追加する必要があり、その分だけコストが増大する構成である。

そこで本発明は、従来と比較して追加部品が不要でありながら、モータ駆動中に突入電流抑制回路の故障を検出する機能を持つモータ駆動回路と、このモータ駆動回路を備えたモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のモータ駆動回路は、交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部からの直流に含まれる脈流を除去する平滑回路と、平滑された直流をモータの駆動に用いられるモータ駆動交流に変換するインバータ部とを含み、さらに、（１）コンバータ部と平滑回路との間のラインの一方に接続された第１抵抗器とこの第１抵抗器と並列接続されたリレーとを含む突入電流抑制回路と、平滑回路とインバータ部との間のラインにて、第１抵抗器の一端に一端が接続された第２抵抗器とを含み、第１抵抗器の他端と第２抵抗器の他端との間の電圧を測定し出力する第１電流測定回路と、（２）モータに流れる電流を電圧値として出力する第２電流測定回路と、（３）第１電流測定回路が出力した電圧値と、第２電流測定回路が出力した電圧値から推定される第１電流測定回路の電圧値との比較により突入電流抑制回路が故障したと判定する制御回路とを含む。

あるいは本発明のモータ駆動回路は、交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、コンバータ部からの直流に含まれる脈流を除去する平滑回路と、平滑された直流をモータの駆動に用いられるモータ駆動交流に変換するインバータ部とを含み、さらに、（１）コンバータ部と平滑回路との間のラインの一方に接続された第１抵抗器とこの第１抵抗器と並列接続されたリレーとを含む突入電流抑制回路と、平滑回路とインバータ部との間のラインにて、第１抵抗器の一端に一端が接続された第２抵抗器とを含み、第１抵抗器の他端と第２抵抗器の他端との間の電圧を測定し出力する第１電流測定回路と、（２）第１電流測定回路が出力した電圧値の変化が所定の倍率を超えている場合に突入電流抑制回路が故障したと判定する制御回路とを含む。

また、本発明のモータ制御装置は、モータと本発明のモータ駆動回路とを含む。

本発明によれば、第１電流測定回路による電圧測定部分を第１抵抗器と第２抵抗器の両端間（第１抵抗器の他端と第２抵抗器の他端との間）とすることにより、従来と比較して追加部品が不要でありながら、モータ駆動中に突入電流抑制回路の故障を検出することができる。

突入電流抑制回路を含む従来的なモータ駆動回路を示す図。 本発明の実施形態並びにその変形例に係わるモータ駆動回路およびモータ制御装置を示す図。

本発明の実施形態の一例であるモータ駆動回路１００およびモータ制御装置２００を図２に示す。説明の便宜のため、モータ駆動回路１００が例えば位置制御用サーボ機構を実現するためのサーボアンプに含まれる場合を例にとって説明する。

モータ駆動回路１００は、三相交流電源８５０からの交流を直流に三相全波整流するコンバータ部８６０（６個の整流ダイオード８６０１が２個一組として三組に別れ、各組の整流ダイオード８６０１同士の接続部が三相交流電源８５０のＲ，Ｓ，Ｔのいずれかの相線に接続されている）と、コンバータ部８６０からの直流に含まれる脈流を除去する平滑回路８７０（この実施形態では大容量の平滑コンデンサ８７１）と、コンバータ部８６０と平滑回路８７０との間のラインの一方（この例では接地ライン（ＰＧ））に接続された第１抵抗器９３１とこの第１抵抗器９３１と並列接続されたリレー９３２とを含む突入電流抑制回路９３０と、平滑された直流をＡＣサーボモータ８９０の駆動に用いられるモータ駆動交流に変換するインバータ部８８０と、ＡＣサーボモータ８９０への電流を電圧値として測定する第２電流測定回路９２０（インバータ部８８０とＡＣサーボモータ８９０との間のＵ相ラインに接続された第３抵抗器９２１とＷ相ラインに接続された第４抵抗器９２２と、第３抵抗器９２１の両端間の電圧および第４抵抗器９２２の両端間の電圧を測定する第２電圧測定器９２９を含む）、ＡＣサーボモータ８９０をＰＷＭ制御するためにインバータ部８８０に含まれる半導体スイッチングデバイス８８１ａ，８８１ｂ，８８１ｃ，８８１ｄ，８８１ｅ，８８１ｆのＯＮ／ＯＦＦ制御を行うインバータ制御部８２０と、ＡＣサーボモータ８９０の位置を検出する位置検出器８３０（例えばアブソリュートエンコーダである）からの信号や第２電流測定回路９２０が測定した電圧値や後述する第１電流測定回路１５０が測定した電圧値などに基づいてインバータ制御部８２０の制御を所定の制御アルゴリズムに従って行う制御回路８１０を含む。なお、第１抵抗器９３１、第２抵抗器９１２は正電源側に接続しても良く、第３抵抗器９２１と第４抵抗器９２２はＵ相、Ｗ相である必要はなくＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうちの２相のラインに接続されていれば良い。

モータ駆動回路１００は、さらに、第１電流測定回路１５０を備えている。第１電流測定回路１５０は、突入電流抑制回路９３０と、平滑回路８７０とインバータ部８８０との間にて第１抵抗器９３１の一端に一端が接続された第２抵抗器９１２と、第１抵抗器９３１と第２抵抗器９１２の両端間９１４−９１５（つまり、第１抵抗器９３１の他端９１４と第２抵抗器９１２の他端９１５との間）の電圧を測定し出力する第１電圧測定器９１８を含む。このように、接地ライン（ＰＧ）にて、第１抵抗器９３１の一端が平滑回路８７０の一端に接続され、第１抵抗器９３１の他端９１４がコンバータ部８６０に接続され、第２抵抗器９１２の一端が平滑回路８７０と第１抵抗器９３１との接続部位に接続され、第２抵抗器９１２の他端９１５がインバータ部８８０に接続されている。第１電圧測定器９１８が測定した第１抵抗器９３１と第２抵抗器９１２の両端間９１４−９１５の電圧値は制御回路８１０に入力される。

なお、本発明の実施形態の一例であるモータ制御装置２００は、上述のモータ駆動回路１００とＡＣサーボモータ８９０とを含む構成を有する。

モータ駆動回路１００では、サーボアンプの起動時にはリレー９３２の接点はＯＦＦ状態とされ、コンバータ部８６０からの直流（突入電流）が第１抵抗器９３１及び平滑回路８７０を流れる。このため、突入電流は第１抵抗器９３１で制限され、突入電流によるコンバータ部８６０などへの悪影響を防止することができる。他方、モータ駆動回路１００の通常動作時にはリレー９３２の接点はＯＮ状態とされている。この状態では、コンバータ部８６０からの直流は第１抵抗器９３１ではなくリレー９３２及び平滑回路８７０を流れるため、第１抵抗器９３１による無用な電力消費を抑えることができる。

起動時から通常動作時への遷移におけるリレー９３２の動作制御は、例えば次のようになされる。図示しない電圧測定器が測定した平滑回路８７０に含まれる平滑コンデンサ８７１の両端間電圧値が制御回路８１０に入力され、制御回路８１０は前記両端間電圧値が所定値を超えたときにリレー制御信号を出力する。コイル９３３はリレー制御信号により無励磁状態から励磁状態に変化し、リレー９３２の接点がＯＮ状態にされる。

通常動作時では、第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が測定する電圧値は、リレー９３２の接点抵抗値と第２抵抗器９１２の抵抗値との合算値に対応する値である。もし、突入電流抑制回路９３０に含まれるリレー９３２において接点の部分溶着などの不具合が生じてリレー９３２の接点抵抗値が増大すると、ＰＷＭ制御の下でＡＣサーボモータ８９０に流れる電流が一定であると、第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が測定する電圧値は増加していくことになる。従って、第２電流測定回路９２０（具体的には第２電圧測定器９２９）が測定する電圧値から推定される「第１電流測定回路１５０が出力するであろう電圧値」と、「実際に第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が測定する電圧値」との間に差が生じることになる。このことを具体的に説明するため、第１抵抗器９３１の抵抗値をＲ１、第２抵抗器９１２の抵抗値をＲ２、リレー９３２の接点が正常の場合の接点抵抗値を０Ω、接点が異常の場合の接点抵抗値をＲ３とし、Ｒ１とＲ３の合成抵抗をＲ４（＝Ｒ１Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ３））とする。リレー９３２の接点が異常となっても流れる電流は変わらないので、リレー９３２の接点が異常の場合は接点が正常である場合に比べて第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が実際に測定する電圧値が（Ｒ４＋Ｒ２）／Ｒ２倍となる。Ｒ３がＲ２と同程度であれば、通常Ｒ１≫Ｒ２でありＲ２≒Ｒ３であることから第１抵抗器９３１とリレー９３２の合成抵抗Ｒ４はＲ２とほぼ等しくなる。したがってこの場合、実際に測定される電圧値は推定される電圧値の約２倍となる。制御回路８１０は、この差に基づき突入電流抑制回路９３０の故障を検出する。例えば、制御回路８１０による故障判定がＣＰＵを用いたディジタル処理によるものである場合、所定の閾値と前記差との大小比較を行い、前記差が所定の閾値を越えたときに突入電流抑制回路９３０が故障したと判定する。制御回路８１０は、突入電流抑制回路９３０の故障を検出すると、上位コントローラに当該故障を通知し、インバータ制御部８２０を制御してサーボアンプを安全に停止する。

[実施形態の変形例]
上記実施形態の変形例を、図２を参照して説明する。この変形例は上記実施形態と比較して突入電流抑制回路９３０の故障検出の判定に違いがある。よって、上記実施形態と同じ構成要素に同一符号を割り当て、それらの機能・作用について上記実施形態と異なる部分について説明を行う。

なお、この変形例において後述のように突入電流抑制回路９３０の故障を検出する場合、突入電流抑制回路９３０の故障検出という観点からはモータ駆動回路１００にとって第２電流測定回路９２０は必須の構成要素ではない。この変形例に関して図２を参照する際には、この点に留意されたい。ただし、制御回路８１０が第２電流測定回路９２０が出力する電圧値をインバータ部８８０に対する制御などに用いることがあるから、モータ駆動回路１００が第２電流測定回路９２０を含んではならないという趣旨ではない。

突入電流抑制回路９３０に含まれるリレー９３２の接点が故障によりＯＦＦ状態となると、第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が測定する電圧値は、第１抵抗器９３１の抵抗値と第２抵抗器９１２の抵抗値との合算値に対応する電圧値になる。第１抵抗器９３１の抵抗値はリレー９３２の接点抵抗値と比較して十分に大きく、また第２抵抗器９１２と比較しても大きいことが一般的であるから、このような故障形態であれば、通常動作時にて測定される電圧値の範囲を大きく逸脱した電圧値が第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）によって測定されることになる。このことを具体的に説明するため、第１抵抗器９３１の抵抗値をＲ１、第２抵抗器９１２の抵抗値をＲ２、リレー９３２の接点が正常の場合の接点抵抗値を０Ω、接点がＯＦＦ状態の場合の接点抵抗値を∞Ωとする。リレー９３２の接点が異常となっても流れる電流は変わらないので、リレー９３２の接点が異常の場合は接点が正常の場合に比べて第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が測定する電圧値が（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２倍となる。通常Ｒ１≫Ｒ２であるので、この電圧値は大きく変化する。そのため、制御回路８１０は、第１電流測定回路１５０（具体的には第１電圧測定器９１８）が出力する電圧値のこのような異常変化に基づき突入電流抑制回路９３０の故障を検出できる。例えば、制御回路８１０による故障判定がＣＰＵを用いたディジタル処理によるものである場合、電圧値の変化の前後の比率が所定の倍率を超えた場合に突入電流抑制回路９３０が故障したと判定する。制御回路８１０は、突入電流抑制回路９３０の故障を検出すると、上位コントローラに当該故障を通知し、インバータ制御部８２０を制御してサーボアンプを安全に停止する。

なお、電流測定の具体的手段と方法、電流の推定値と実測値との差に基づく故障判定の具体的手段と方法は、いずれも周知のアナログ処理やディジタル処理によって実現可能であり、詳細な説明を略する。また、故障判定アルゴリズムも上述の実施形態に限定されない。以上の実施形態の他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

Claims (3)

1. 交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、
   上記コンバータ部からの直流に含まれる脈流を除去する平滑回路と、
   平滑された直流をモータの駆動に用いられるモータ駆動交流に変換するインバータ部とを含むモータ駆動回路であって、
   さらに、
   上記コンバータ部と上記平滑回路との間のラインの一方に接続された第１抵抗器とこの第１抵抗器と並列接続されたリレーとを含む突入電流抑制回路と、上記平滑回路と上記インバータ部との間のラインにて、上記インバータ部に流れる電流を測定するための、当該第１抵抗器の一端に一端が接続された第２抵抗器とを含み、当該第１抵抗器の他端と当該第２抵抗器の他端との間の電圧を測定し出力する第１電流測定回路と、
   上記モータに流れる電流を電圧値として出力する第２電流測定回路と、
   上記第１電流測定回路が出力した電圧値と、上記第２電流測定回路が出力した電圧値から推定される上記第１電流測定回路の電圧値との比較により上記突入電流抑制回路が故障したと判定する制御回路と
   を含むことを特徴とするモータ駆動回路。
2. 交流電源からの交流を直流に変換するコンバータ部と、
   上記コンバータ部からの直流に含まれる脈流を除去する平滑回路と、
   平滑された直流をモータの駆動に用いられるモータ駆動交流に変換するインバータ部とを含むモータ駆動回路であって、
   さらに、
   上記コンバータ部と上記平滑回路との間のラインの一方に接続された第１抵抗器とこの第１抵抗器と並列接続されたリレーとを含む突入電流抑制回路と、上記平滑回路と上記インバータ部との間のラインにて、上記インバータ部に流れる電流を測定するための、当該第１抵抗器の一端に一端が接続された第２抵抗器とを含み、当該第１抵抗器の他端と当該第２抵抗器の他端との間の電圧を測定し出力する第１電流測定回路と、
   上記第１電流測定回路が出力した電圧値の変化が所定の倍率を超えている場合に上記突入電流抑制回路が故障したと判定する制御回路と
   を含むことを特徴とするモータ駆動回路。
3. 請求項１または請求項２に記載のモータ駆動回路、及びモータを有するモータ制御装置。

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