JP5300349B2 - モータ制御装置およびモータ地絡検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御対象であるモータの地絡検出を可能とするモータ制御装置およびモータ地絡検出方法に関するものである。

モータを長年使用し続けると、その使用環境に応じてモータの絶縁が劣化し、アースであるモータフレームとモータ動力の供給源であるＵ，Ｖ，Ｗ相のいずれかが電気的な短絡状態に陥り（以下「地絡」という）、該モータを使用した装置全体を停止させてしまうことになるので、モータの交換が必要となる。

この種の地絡を検出する従来技術として、駆動しているモータを停止し、かつ、交流電源と交流直流変換部とを繋ぐ電磁接触器をオフに制御するとともに、交流直流変換部、インバータ部の外部に設けられた地絡検出部にて、平滑コンデンサの蓄積エネルギーを利用し、かつ、昇圧することにより得られた昇圧電圧をモータコイル−アース間に印加し、そのときに流れる電流に基づいてモータの地絡検出を行うようにしたモータ駆動装置がある（例えば、特許文献１）。

特開２００７−１５９２８９号公報

しかしながら、上記特許文献１のモータ駆動装置にて開示された地絡検出手段では、交流電源と交流直流変換部とを繋ぐ電磁接触器をオフに制御する必要があり、システムを停止させ、モータ停止時のみ地絡検出が可能であった。そのため、モータ駆動時の地絡検出が一切行えないという問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、モータの停止時、駆動時に関わらない地絡検出を可能とするモータ制御装置およびモータ地絡検出方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるモータ制御装置は、交流電源から供給される電力に基づいて交流駆動されるモータを制御するモータ制御装置において、前記モータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記モータの可動子の位置または速度に関する情報を検出する検出部と、ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換する第１の変換部、およびｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する第２の変換部を有し、前記電流検出部が検出したＵＶＷ三相座標系による検出値、および前記検出部が検出した可動子位置・速度情報に基づいて前記モータの駆動に必要な電流を制御する電流制御部と、前記第１の変換部と前記第２の変換部との間の電流フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいて前記モータの地絡の有無を検出する地絡検出部と、を備えたことを特徴とする。

本発明にかかるモータ制御装置によれば、ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換する第１の変換部と、ｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する第２の変換部との間の電流フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいてモータの地絡の有無を検出するようにしているので、モータの停止時、駆動時に関わらず地絡検出を行うことができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、本発明に好適なモータ制御装置およびモータ地絡検出方法にかかる実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。より詳細には、実施の形態１にかかる地絡検出手段を電流制御のみを行うモータ制御装置に適用した場合の適用例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１にかかるモータ制御装置は、交流直流変換部２、インバータ部３、電流検出部４、電流制御部５、および地絡検出部１４を備えている。モータ制御装置の入力端には、三相交流電源１が接続され、出力端には、制御対象であるモータ６が接続されている。また、モータ６には、モータ６の可動子に関する位置・速度情報（モータの位置情報もしくは速度情報、またはモータを構成する磁極の位置情報もしくは速度情報など：以下「可動子位置・速度情報」という）を検出する検出部７が接続されており、検出部７が検出した可動子位置・速度情報の少なくとも一つは、モータ制御に必要な情報として、モータ制御装置に入力される構成となっている。

交流直流変換部２は、交流電圧端子１７，１８，１９、直流電圧端子２３，２４、整流用ダイオードＤ１〜Ｄ６、および平滑コンデンサ２０を備えている。交流電圧端子１７，１８，１９は、三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電源を発生する三相交流電源１の各電源端子と接続され、直流電圧端子２３，２４は、直流電圧母線２１，２２上の出力端側に設けられる。直流電圧母線２１，２２間には、直列接続した整流用ダイオードＤ１，Ｄ２、整流用ダイオードＤ３，Ｄ４、整流用ダイオードＤ５，Ｄ６の３組が各並列に接続される。すなわち、直流電圧母線２１には、整流用ダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５のカソード端子が接続され、直流電圧母線２２には、Ｄ２，Ｄ４，Ｄ６のアノード端子が接続される。そして、Ｄ１のアノード端子と、Ｄ２のカソード端子とは、共通の交流電圧端子１７に接続され、Ｄ３のアノード端子と、Ｄ４のカソード端子とは、共通の交流電圧端子１８に接続され、Ｄ５のアノード端子と、Ｄ６のカソード端子とは、共通の交流電圧端子１９に接続される。また、平滑コンデンサ２０は直流電圧母線２１，２２間に接続される。

インバータ部３は、直流電圧端子２５，２６、交流電圧端子２７，２８，２９、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、および還流ダイオードＤ７〜Ｄ１２を備えている。直流電圧端子２５，２６は、直流電圧母線２１，２２上の入力端側に設けられており、直流電圧端子２５は交流直流変換部２の直流電圧端子２３と接続され、直流電圧端子２６は交流直流変換部２の直流電圧端子２４と接続される。直流電圧母線２１には、上アームを構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５のコレクタ端子が接続され、直流電圧母線２２には、下アームを構成するスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６のエミッタ端子が接続される。スイッチング素子Ｓ１のエミッタ端子とスイッチング素子Ｓ２のコレクタ端子とは、共通の交流電圧端子２７に接続され、スイッチング素子Ｓ３のエミッタ端子とスイッチング素子Ｓ４のコレクタ端子とは、共通の交流電圧端子２８に接続され、スイッチング素子Ｓ５のエミッタ端子とスイッチング素子Ｓ６のコレクタ端子とは、共通の交流電圧端子２９に接続される。なお、これらのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、還流ダイオードＤ７〜Ｄ１２の各カソード端子が各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の各コレクタ端子に接続される向きに並列に接続される。そして、交流電圧端子２７，２８，２９は、電流検出部４を介してモータ６に接続されており、交流電圧端子２７は電流検出器４ａに接続され、交流電圧端子２８は電流検出器４ｂに接続され、交流電圧端子２９は電流検出器４ｃに接続されている。

検出部７は、前述のようにモータ６の可動子位置・速度情報を検出するように構成されている。モータ６が、例えば永久磁石を回転子とするモータの場合には、回転子上の磁極位置情報、磁極速度情報などを検出する。モータ６が、例えば回転子巻線形のモータやリニアモータである場合には、回転子巻線や可動導体である可動子の位置情報、速度情報を検出する。これらの検出情報は、モータ制御装置側にフィードバックされ、モータ制御に必要なフィードバックデータとして使用する。

つぎに、電流制御部５について説明する。図１において、電流制御部５は、ｑ軸（トルク軸）の電流制御器である電流制御器８、ｄ軸（励磁電流軸）の電流制御器である電流制御器９、第１の座標変換部であるＵ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２、第２の座標変換部であるｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０、ＰＷＭ波形生成部１１、および減算器１３ａ，１３ｂによって構成される。なお、Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２は、ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換し、ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０は、ｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する。図１の構成の場合、Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２は、電流検出部４によって検出された三相交流電流フィードバックｉｕｆｂ，ｉｖｆｂ，ｉｗｆｂをｄ軸電流フィードバックｉｄｆｂおよびｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂに変換して出力する。

減算器１３ａは、入力されたｑ軸電流指令ｉｑｃｍｄおよびｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂに基づき、ｑ軸電流指令ｉｑｃｍｄとｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂとの差分であるｑ軸電流偏差ｉｑｄを算出して出力する。減算器１３ｂは、入力されたｄ軸電流指令ｉｄｃｍｄおよびｄ軸電流フィードバックｉｄｆｂに基づき、ｄ軸電流指令ｉｄｃｍｄとｄ軸電流フィードバックｉｄｆｂとの差分であるｄ軸電流偏差ｉｄｄを算出して出力する。

電流制御器８は、入力されたｑ軸電流偏差ｉｑｄに基づき、ｑ軸電圧指令ｉｑＶを生成して出力し、電流制御器９は、入力されたｄ軸電流偏差ｉｄｄに基づき、ｄ軸電圧指令ｉｄＶを生成して出力する。ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０は、入力されたｑ軸電圧指令Ｖｑおよびｄ軸電圧指令Ｖｄに基づき、三相交流電圧指令（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を生成してＰＷＭ波形生成部１１に出力する。ＰＷＭ波形生成部１１は、入力された三相交流電圧指令（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に基づき、インバータ部３に具備されるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を駆動するためのゲート信号を生成して出力する。ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０およびＵ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２には、検出部７から出力される磁極位置θｒｅが入力され、それぞれの変換を行う際の位置情報として用いられる。

つぎに、Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２について説明する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２が生成するｄ軸電流フィードバックｉｄｆｂおよびｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂを表す変換式は、次式で与えられる。

なお、Ｕ相、Ｖ相に電流検出部を備え、Ｗ相に電流検出部を持たない場合でも、Ｕ相、Ｖ相の電流フィードバック情報である三相交流電流フィードバックｉｕｆｂ，ｉｖｆｂの情報を用いてｄ軸電流フィードバックｉｄｆｂおよびｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂを生成することが可能である。なお、そのときの変換式は次式で与えられる。

なお、上記（２）式は、Ｗ相に電流検出部を持たない場合であるが、Ｕ相あるいはＶ相に電流検出部を持たない場合でも同様に考えることができる。

つぎに、ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０について説明する。ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０が生成する三相交流電圧指令（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）を表す変換式は、次式で与えられる。

つぎに、ＰＷＭ波形生成部１１について説明する。ＰＷＭ波形生成部１１は、前述したように、三相交流電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに基づき、インバータ部３内のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がオン／オフの動作を行うためのパルス信号を生成する。ＰＷＭ波形生成部１１の出力端子は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に対応する端子に接続されており、スイッチング素子のオン／オフ動作により、モータ６に所要の電圧が印加され、モータ６が駆動される。

つぎに、本実施の形態にかかる地絡検出機能について説明する。なお、本地絡検出機能は、特に、モータ駆動時の地絡検出を可能とするものであり、上述した地絡検出部１４を構成することで実現することができる。

三相交流電源では、通常一つの相（図１に示す例ではＳ相）が接地されている。ここで、例えばモータ６のＷ相が地絡した場合を考える。この場合、図１に示されるような仮想的な地絡抵抗１６を介してアース１５とモータ６のＷ相とが電気的に接続される。この電気的接続により、三相交流電源１から地絡抵抗１６、モータ６、インバータ部３を介して平滑コンデンサ２０に電流が流れる。

本願発明者らは、このときに流れる電流の周波数成分に着目した。まず、モータ６のＷ相が地絡した場合、前述のように、三相交流電源１の電源周波数成分の電流がモータ６に印加されるため、モータ６のＵ相、Ｖ相にも同様の電源周波数成分の電流が印加されることになる。したがって、モータ６が駆動していない場合については、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に流れる電流の周波数成分は電源周波数に一致するはずである。このため、Ｕ相、Ｖ相の電流フィードバックを検出し、その周波数成分を検出することで地絡検出を行う手法を検討した。

まず、本願発明者らは、モータ６が駆動していない場合、Ｕ相電流フィードバック、Ｖ相電流フィードバックに流れる電流の周波数成分は電源周波数と一致することを確認した（詳細は後述）。このため、モータ６の停止時においては、Ｕ相電流フィードバックまたはＶ相電流フィードバックに電源周波数成分が含まれていれば、地絡の可能性ありと診断すればよいことになる。

しかしながら、モータ６に負荷が印加されている場合、電源周波数成分以外の周波数成分が含まれている可能性があり、本願発明者らは、引き続き検討を行った。

例えば、モータ６が８極のモータである場合、モータの１回転あたり４周期の周波数成分を含む電流が流れるので、負荷が大きければ、その分大きな電流が流れることになる。その結果、地絡時に発生する電流には、電源周波数成分以外の周波数成分が含まれてくるので、Ｕ相電流フィードバックまたはＶ相電流フィードバックに基づいて地絡検出を行うことが困難となる可能性がある。

つぎに、本願発明者らは、ｑ軸電流フィードバックの周波数成分を検出することで地絡検出を行うことを検討した。ｑ軸電流フィードバックの場合、モータ６に負荷が印加されてもｑ軸電流フィードバックに外乱成分がオフセットとしてのるだけなので、周波数成分への影響はないと考えられる。そこで、モータ６のＷ相が地絡した場合のｄ軸電流フィードバックおよびｑ軸電流フィードバックの挙動についてシミュレーションを行った。

図６は、無負荷時のｑ軸電流フィードバックをシミュレーションした波形図である。なお、モータおよびその動作に関する詳細なパラメータは、つぎのとおりである。
・モータ極数：８
・電源周波数：５０Ｈｚ
・モータ回転数：２００ｒ／ｍｉｎ
・地絡相：Ｗ相
・負荷なし

また、図７は、図６に示すｑ軸電流フィードバックをフーリエ変換したスペクトルデータを示す図である。図７に示されるように、ｑ軸電流フィードバックには、２つの周波数成分が発生している。

つぎに、負荷が印加されている場合についてシミュレーションを行った。図８は、負荷印加時のｑ軸電流フィードバックをシミュレーションした波形図であり、図９は、図８に示すｑ軸電流フィードバックをフーリエ変換したスペクトルデータを示す図である。なお、モータおよびその動作に関する詳細なパラメータは、つぎのとおりである。
・モータ極数：８
・電源周波数：５０Ｈｚ
・モータ回転数：２００ｒ／ｍｉｎ
・地絡相：Ｗ相
・負荷あり

図７と図９と比較から明らかなように、負荷が印加されているときのｑ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分は、負荷が印加されていない場合の周波数成分と同様であることが分かる。この事実により、地絡発生時において、ｑ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分は、負荷印加の有無に関わらず変化しないことが理解できる。

上述したように、ｑ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分を検出することにより、モータの停止中、駆動中などの動作状態に関わらず、モータの絶縁劣化などに起因する地絡検出を行うことが明らかとなった。つぎに、ｑ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分を検出する具体的な構成について、図２〜図４の図面を参照して説明する。ここで、図２は、図１に示した地絡検出部１４の一構成例を示すブロック図であり、図３は、図２に示した周波数抽出部３６の一構成例を示すブロック図であり、図４は、図２に示した地絡診断部３７の一構成例を示すブロック図である。

まず、地絡検出部１４について説明する。図２において、地絡検出部１４は、周波数抽出部３６および地絡診断部３７を備えており、ｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂが周波数抽出部３６の入力信号とされ、周波数抽出部３６の出力が地絡診断部３７の入力信号となるように構成されている。その結果、地絡診断部３７の出力が、地絡検出部１４の出力となる。

つぎに、周波数抽出部３６について説明する。図３において、周波数抽出部３６は、第１のフィルタ回路であるフィルタ部３８、第２のフィルタ回路であるフィルタ部３９、および折点周波数算出部４０を備えている。折点周波数算出部４０には電源周波数、モータ極数、モータ回転数に関する情報が入力され、また、折点周波数算出部４０の出力と、ｑ軸電流フィードバックｉｑｆｂとがフィルタ部３８，３９の各入力信号となるように構成されている。その結果、フィルタ部３８，３９の各出力が、周波数抽出部３６の出力となる。

つぎに、フィルタ部３８，３９について説明する。フィルタ部３８，３９は、ＦＦＴアナライザ機能を有するシステムで実現する他に、ローパスフィルタやバンドパスフィルタなど様々なフィルタでその機能を実現できるが、ここでは、バンドパスフィルタを２段使用する場合について説明する。

まず、バンドパスフィルタについて説明する。ｆｂをフィルタ折点周波数、ｓをラプラス演算子、Ｑをフィルタ特性におけるＱｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒとすると、バンドパスフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、一般的に次式のように表される。

また、図５は、バンドパスフィルタＧ（ｓ）の典型的な特性を示すボード線図である。図５に示すフィルタ特性では、周波数ｆｂの前後において、急激に減衰している。したがって、上記（４）式に示されるような伝達関数を有するフィルタを使用することにより、所望の周波数成分の抽出が可能となる。なお、図５に示すフィルタ特性は、バンドパスフィルタ１段の特性であり、このフィルタを２段にすれば、ｆｂ以外の周波数成分をより減衰させることができる。

つぎに、折点周波数算出部４０について説明する。折点周波数算出部４０は、三相交流電源１の電源周波数、モータ６の回転数（モータ回転数）、モータ６の極数（モータ極数）などに基づいて決定される地絡時発生周波数成分を算出する。この算出した周波数は、フィルタ部３８，３９の折点周波数として使用される。なお、折点周波数の算出については、後述する。

なお、折点周波数算出部４０で使用するモータ回転数を磁極位置から算出する場合、磁極位置の情報に地絡時周波数成分が含まれている。そこで、磁極位置からモータ回転数を算出する場合、算出されたモータ回転数の平均値をとり、当該平均値を折点周波数算出部４０にて使用することで対応可能である。なお、モータ極数は使用するモータから既知であるため、そのときの情報を用いればよい。また、電源周波数は、ＦＦＴアナライザ機能等の周波数解析機能によって算出してもよいし、地域により決まっている周波数の情報を使用してもよい。

つぎに、地絡診断部３７について説明する。図４に示すように、地絡診断部３７は、周波数算出部４１，４２、比較器４３，４４ａ，４４ｂ，４５，４６ａ，４６ｂ、および論理積回路４７〜５１を備えている。

ここで、比較器４４ａの非反転端子および比較器４４ｂの反転端子に入力される信号に含まれる周波数成分ｆｎ１は、次式で表される。

上式において、各記号の意味は、つぎのとおりである。
ｆｅｖ：電源周波数［Ｈｚ］
Ｖ：モータ回転数（ｒ／ｍｉｎ）
ｐ：モータ極数
ｆｎ１：第１の地絡時周波数成分

また、比較器４６ａの非反転端子および比較器４６ｂの反転端子に入力される信号に含まれる周波数成分ｆｎ２は、周波数成分ｆｎ１と同様に次式で表される。

上式において、各記号の意味は、つぎのとおりである。
ｆｅｖ：電源周波数［Ｈｚ］
Ｖ：モータ回転数（ｒ／ｍｉｎ）
ｐ：モータ極数
ｆｎ２：第２の地絡時周波数成分

また、上記（５）式および（６）式を一つの式に纏めると、次式のように表される。

上式において、各記号の意味は、つぎのとおりである。
ｆｅｖ：電源周波数［Ｈｚ］
Ｖ：モータ回転数（ｒ／ｍｉｎ）
ｐ：モータ極数
ｆｎ：第１，第２の地絡時周波数成分

上記（７）式を用いることにより、モータ回転数、モータ極数、電源周波数の３つの数値からモータ６のＷ相が地絡した場合の、ｑ軸電流フィードバックに発生する２つの周波数成分の算出が可能となる。なお、（７）式は、Ｕ相やＶ相が地絡した場合、あるいは同時に１つ以上の相が地絡した場合にも適用可能である。なお、第１，第２の地絡時周波数成分の意味については後述する。

図４に戻り、周波数算出部４１は、様々なフィルタやＦＦＴアナライザ機能を有する構成部であり、ここでは周波数抽出部３６から出力された信号に含まれる周波数成分を算出する。周波数算出部４１の出力は、比較器４４ａ，４４ｂに入力される。比較器４４ａは、（１＋α）×ｆｎ１（αは正の実数）と周波数算出部４１の出力との比較を行い、周波数算出部４１の出力が、（１＋α）×ｆｎ１以下であれば「論理Ｈ」が出力されるように構成されている。一方、比較器４４ｂは、（１−α）×ｆｎ１と周波数算出部４１の出力との比較を行い、周波数算出部４１の出力が（１−α）×ｆｎ１以上であれば「論理Ｈ」が出力されるように構成されている。比較器４４ａ，４４ｂの各出力は、論理積回路４７に入力され、比較器４４ａ，４４ｂの各出力の何れも「論理Ｈ」である場合、論理積回路４７は「論理Ｈ」を出力する。つまり、比較器４４ａ，４４ｂ、論理積回路４７では、（１−α）×ｆｎ１≦周波数算出部４１の出力≦（１＋α）×ｆｎ１の関係が成立する場合、「論理Ｈ」が出力されるように構成されている。なお、αの値を変更することで、周波数成分の許容値を変更することが可能である。このように、周波数算出部４１、比較器４４ａ，４４ｂ、および論理積回路４７の構成により、地絡時発生周波数とは異なった周波数成分が検出された場合の地絡誤検出を防ぐことができる。

また、周波数抽出部３６から出力された信号は、比較器４３にも入力される。比較器４３は、基準値であるｒｅｆとの比較を行い、比較結果を論理積回路４９に出力する。ここで、周波数抽出部３６の出力が基準値ｒｅｆより大きい場合、比較器４３は「論理Ｈ」を出力する。論理積回路４９は、論理積回路４７および比較器４３の各出力が入力され、両者の出力の何れも「論理Ｈ」である場合に「論理Ｈ」を出力する。

なお、周波数算出部４２、比較器４５，４６ａ，４６ｂ、および論理積回路４８，５０からなる論理回路の機能については、周波数算出部４２から出力される周波数成分が異なる点を除き、上記した周波数算出部４１、比較器４３，４４ａ，４４ｂ、および論理積回路４７，４９からなる論理回路の機能と同等である。つまり、比較器４６ａ，４６ｂ、論理積回路４８では、（１−α）×ｆｎ２≦周波数算出部４２の出力≦（１＋α）×ｆｎ２の関係が成立する場合、論理積回路４８から「論理Ｈ」が出力され、さらに比較器４５の出力が「論理Ｈ」の場合、論理積回路５０は、「論理Ｈ」を出力する。比較器４５の出力は、周波数抽出部３６の出力が基準値ｒｅｆより大きい場合に「論理Ｈ」となる。

論理積回路４９および論理積回路５０の各出力は、論理積回路５１に入力される。論理積回路５１は、論理積回路４９と論理積回路５０の各出力の何れも「論理Ｈ」である場合に「論理Ｈ」を出力する。すなわち、図４に示す地絡診断部３７の構成によれば、２つの地絡時周波数成分を監視することができ、正確な地絡診断を行うことが可能となる。なお、基準値ｒｅｆを変更するようにすれば、モータの絶縁劣化状況の程度に応じた劣化診断を行うことも可能となる。

なお、図４に示す構成では、２つの周波数成分ｆｎ１およびｆｎ２を検出するようにしているが、何れか一方の周波数成分を検出することでも充分であり、周波数抽出部３６および地絡診断部３７の構成を簡素化することができる。

つぎに、モータ回転数、モータ極数、および電源周波数をパラメータとした各種のシミュレーション結果を図１０〜図１５に示す。ここで、図１０は、モータ極数６および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図であり、図１０は、モータ極数６および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図であり、図１１は、モータ極数６および電源周波数６０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図であり、図１２は、モータ極数８および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図であり、図１３は、モータ極数８および電源周波数６０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図であり、図１４は、モータ極数１０および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図であり、図１５は、モータ極数１０および電源周波数６０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。なお、何れのシミュレーションにおいても、モータ回転数を０〜１０００ｒ／ｍｉｎの間で５０ｒ／ｍｉｎ刻みで変化させ、シミュレーション時に発生した各回転数毎の周波数成分をグラフにプロットしている。

図１０〜図１５を参照すると、つぎの事項が明らかとなる。
（１）地絡時にモータが停止している場合は、三相交流電源の電源周波数成分が発生する。
（２）地絡時にモータが回転している場合は、２つの周波数成分が発生する。
（３）上記２つの周波数成分のうち、１つはモータ回転数が上昇するにつれて周波数が増加する成分（地絡時周波数成分１）である。
（４）もう１つの周波数成分は、モータ回転数が上昇するにつれて周波数が減少する成分（地絡時周波数成分２）である。
（５）地絡時周波数成分２は、周波数が減少した後、０Ｈｚを境に周波数が増加しているが、マイナスの値にはなれない周波数成分が０Ｈｚの線を境に、上部に折り返されて生じたのである。
（６）なお、図７に示したシミュレーション波形は、図１２のモータ回転数２００ｒ／ｍｉｎのときの値に対応している。

このように、実施の形態１にかかるモータ制御装置によれば、図１に示すようにｑ軸電流フィードバック成分を入力とする地絡検出部１４を構成しているので、ｑ軸電流フィードバックに発生する第１，第２の地絡時周波数成分を検出することができ、モータ停止時、駆動時に関わらず、地絡検出が可能となる。なお、上記シミュレーションは、モータ６のＷ相が地絡した場合について示したが、Ｕ相やＶ相が地絡した場合、あるいは同時に２つ以上の相が地絡した場合にも適用可能であることは無論である。

なお、上記の実施の形態では、ｑ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分を検出するようにしているが、この構成に限定されるものではなく、ｑ軸電流フィードバックが流れるフィードバックループ内の箇所に設けることも可能である。したがって、地絡検出部１４への入力信号として、減算器１３ａの出力、あるいは電流制御器８の出力を用いることも可能である。

また、上記の実施の形態では、ｑ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分を検出するようにしているが、ｄ軸電流フィードバックに含まれる周波数成分を検出するようにしてもよい。この場合、地絡検出部１４への入力信号として、Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２の出力（ｄ軸電流フィードバック）、減算器１３ｂの出力、あるいは電流制御器９の出力を用いるようにすればよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部１２と、ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部１０との間の電流フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいてモータの地絡の有無を検出するようにしているので、モータの停止時、駆動時に関わらず地絡検出を行うことが可能となる。

＜実施の形態２＞
つぎに、実施の形態２にかかるモータ制御装置について説明する。図１６は、本発明の実施の形態２にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態１のモータ制御装置が電流制御のみを行う構成であったのに対し、本実施の形態のモータ制御装置は、電流制御に加えて速度制御を行う制御部が付加されている。なお、図１と同一または同等の部分については、同一符号を付して示し、重複する内容は適宜省略した説明とする。

図１６に示すように、実施の形態２にかかるモータ制御装置は、交流直流変換部２、インバータ部３、電流検出部４、電流制御部５、減算器３１、速度制御器３０、および地絡検出部３２を備えている。速度指令ｖｃｍｄと検出部７より出力される速度フィードバックｖｆｂは、減算器３１に入力される。減算器３１は、速度指令ｖｃｍｄおよび速度フィードバックｖｆｂに基づき、速度指令ｖｃｍｄと速度フィードバックｖｆｂとの差分である速度偏差ｖｅｒｒを算出して出力する。つぎに、速度制御器３０は、入力された速度偏差ｖｅｒｒに基づき、ｑ軸電流指令ｉｑｃｍｄを生成して電流制御部５に出力している。一方、地絡検出部３２は、速度フィードバックｖｆｂを検出するように構成されている。

ここで、前述したような地絡が発生した場合、ｑ軸電流フィードバックに地絡時発生周波数が発生するが、速度制御器３０、速度指令ｖｃｍｄ、速度フィードバックｖｆｂで構成される速度ループよりも内側に電流制御部５が構成されているため、ｑ軸電流フィードバックに発生する地絡時周波数成分は検出部７を通じて、速度フィードバックｖｆｂにも発生する。

そこで、速度フィードバックｖｆｂに含まれる周波数成分を検出することで、実施の形態１と同様な地絡検出を行うことが可能となる。この場合、速度フィードバックｖｆｂが流れる速度フィードバック内の箇所に地絡検出部３２を配置するようにすればよい。なお、図１６の構成であれば、地絡検出部３２への入力信号として、減算器３１の出力、あるいは速度制御器３０の出力を用いるようにすればよい。

また、実施の形態２の地絡検出部３２の周波数抽出部における折点周波数算出機能について、若干の補足説明を行う。実施の形態２では、速度フィードバックｖｆｂの情報を用いて地絡検出を行う構成であるため、この速度フィードバックｖｆｂの情報を利用して折点周波数算出に使用するモータ回転数を算出することも可能である（図３の構成を参照）。一方、モータ回転数の算出に速度フィードバックｖｆｂの情報を利用する場合、速度フィードバックｖｆｂには地絡時周波数成分が含まれているため、正確な折点周波数算出が困難になることも考えられる。そこで、実施の形態２では、速度制御器３０を有している点に着目し、速度指令ｖｃｍｄからモータ回転数を算出し、折点周波数算出に使用する手法を好ましい実施の形態とする。なお、速度指令ｖｃｍｄには地絡時周波数成分は含まれていないので、正確な折点周波数の算出が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、検出部７と、電流制御部５との間の速度フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいてモータの地絡の有無を検出するようにしているので、モータの停止時、駆動時に関わらず地絡検出を行うことが可能となる。

＜実施の形態３＞
つぎに、実施の形態３にかかるモータ制御装置について説明する。図１７は、本発明の実施の形態３にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態２のモータ制御装置が、電流制御および速度制御を行う構成であったのに対し、本実施の形態のモータ制御装置は、さらに位置制御を行う制御部が付加されている。なお、図１または図１６と同一または同等の部分については、同一符号を付して示し、重複する内容は適宜省略した説明とする。

図１７に示すように、実施の形態３にかかるモータ制御装置は、交流直流変換部２、インバータ部３、電流検出部４、電流制御部５、減算器３１，３４、速度制御器３０、位置制御器３３および地絡検出部３５を備えている。位置指令ｐｃｍｄと検出部７より出力される位置フィードバックｐｆｂは、減算器３４に入力される。減算器３４は、位置指令ｐｃｍｄおよび位置フィードバックｐｆｂに基づき、位置指令ｐｃｍｄと位置フィードバックｐｆｂとの差分である位置偏差ｐｅｒｒを算出して出力する。つぎに、位置制御器３３は、入力された位置偏差ｐｅｒｒに基づき、速度指令ｖｃｍｄを生成して速度制御器３０に出力している。一方、地絡検出部３５は、位置フィードバックｐｆｂを検出するように構成されている。

ここで、前述したような地絡が発生した場合、ｑ軸電流フィードバックに地絡時発生周波数が発生するが、位置制御器３３、位置指令ｐｃｍｄ、位置フィードバックｐｆｂで構成される位置ループよりも内側に電流制御部５が構成されているため、ｑ軸電流フィードバックに発生する地絡時周波数成分は検出部７を通じて、位置フィードバックｐｆｂにも発生する。

そこで、位置フィードバックｐｆｂに含まれる周波数成分を検出することで、実施の形態１，２と同様な地絡検出を行うことが可能となる。この場合、位置フィードバックｐｆｂが流れる位置フィードバック内の箇所に地絡検出部３５を配置するようにすればよい。なお、図１７の構成であれば、地絡検出部３５への入力信号として、減算器３４の出力、あるいは位置制御器３３の出力を用いるようにすればよい。

また、実施の形態３のモータ制御装置では、実施の形態２のときと同様に、速度フィードバックｖｆｂが流れる速度フィードバック内の箇所に地絡検出部３５を配置することも可能である。図１７の構成であれば、地絡検出部３５への入力信号として、検出部７から減算器３１に向かう出力（速度フィードバックｖｆｂ）、減算器３１の出力、あるいは速度制御器３０の出力を用いることも可能である。

また、実施の形態３の地絡検出部３５の周波数抽出部における折点周波数算出機能について、若干の補足説明を行う。実施の形態３では、位置フィードバックｐｆｂの情報を用いて地絡検出を行う構成であるため、この位置フィードバックｐｆｂの情報を利用して折点周波数算出に使用するモータ回転数を算出することも可能である（図３の構成を参照）。一方、モータ回転数の算出に位置フィードバックｐｆｂの情報を利用する場合、位置フィードバックｐｆｂには地絡時周波数成分が含まれているため、正確な折点周波数算出が困難になることも考えられる。そこで、実施の形態３では、位置制御器３３を有している点に着目し、位置指令ｐｃｍｄからモータ回転数を算出し、折点周波数算出に使用する手法を好ましい実施の形態とする。なお、位置指令ｐｃｍｄには地絡時周波数成分は含まれていないので、正確な折点周波数の算出が可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、検出部７と、速度制御器３０との間の位置フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいてモータの地絡の有無を検出するようにしているので、モータの停止時、駆動時に関わらず地絡検出を行うことが可能となる。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置およびモータ地絡検出方法は、モータの停止時、駆動時に関わらない地絡検出を可能とする発明として有用である。

本発明の実施の形態１にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示した地絡検出部の一構成例を示すブロック図である。 図２に示した周波数抽出部の一構成例を示すブロック図である。 図２に示した地絡診断部の一構成例を示すブロック図である。 バンドパスフィルタの典型的な特性を示すボード線図である。 無負荷時のｑ軸電流フィードバックをシミュレーションした波形図である。 図６に示すｑ軸電流フィードバックをフーリエ変換したスペクトルデータを示す図である。 負荷印加時のｑ軸電流フィードバックをシミュレーションした波形図である。 図８に示すｑ軸電流フィードバックをフーリエ変換したスペクトルデータを示す図である。 モータ極数６および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。 モータ極数６および電源周波数６０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。 モータ極数８および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。 モータ極数８および電源周波数６０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。 モータ極数１０および電源周波数５０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。 モータ極数１０および電源周波数６０Ｈｚのときの地絡時シミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施の形態２にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 三相交流電源
２ 交流直流変換部
３ インバータ部
４ 電流検出部
４ａ，４ｂ，４ｃ 電流検出器
５ 電流制御部
６ モータ
７ 検出部
８ 電流制御器
９ 電流制御器
１０ ｄ，ｑ軸→Ｕ，Ｖ，Ｗ相変換部
１１ ＰＷＭ波形生成部
１２ Ｕ，Ｖ，Ｗ相→ｄ，ｑ軸変換部
１３ａ，１３ｂ，３１，３４ 減算器
１４ 地絡検出部
１５ アース
１６ 地絡抵抗
１７，１８，１９，２７，２８，２９ 交流電圧端子
２０ 平滑コンデンサ
２１，２２ 直流電圧母線
２３，２４，２５，２６ 直流電圧端子
３５ 地絡検出部
３６ 周波数抽出部
３７ 地絡診断部
３８，３９ フィルタ部
４０ 折点周波数算出部
４１，４２ 周波数算出部
４３，４４ａ，４４ｂ，４５，４６ａ，４６ｂ 比較器
４７，４８，４９，５０，５１ 論理積回路
Ｄ１〜Ｄ６ 整流用ダイオード
Ｄ７ 還流ダイオード
Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング素子

Claims (8)

1. 交流電源から供給される電力に基づいて交流駆動されるモータを制御するモータ制御装置において、
   前記モータに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記モータの可動子の位置または速度に関する情報を検出する検出部と、
   ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換する第１の変換部、およびｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する第２の変換部を有し、前記電流検出部が検出したＵＶＷ三相座標系による検出値、および前記検出部が検出した可動子位置・速度情報に基づいて前記モータの駆動に必要な電流を制御する電流制御部と、
   前記第１の変換部と前記第２の変換部との間の電流フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいて前記モータの地絡の有無を検出する地絡検出部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記地絡検出部への入力信号として、前記電流フィードバックループ内のｑ軸電流フィードバック成分、ｑ軸電流偏差成分、ｄ軸電流フィードバック成分、ｄ軸電流偏差成分のうちの少なくとも一つを用いることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記可動子位置・速度情報は、前記モータの位置情報もしくは速度情報、または前記モータを構成する磁極の位置情報もしくは速度情報であることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記地絡検出部は、次式に基づく少なくとも一つの周波数成分を抽出可能な周波数抽出部を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ制御装置。
   

   

   ｆ：地絡時に発生する周波数［Ｈｚ］
   ｆｅｖ：交流電源の電源周波数［Ｈｚ］
   Ｖ：モータの回転数（ｒ／ｍｉｎ）
   ｐ：モータの極数
5. 前記地絡検出部は、前記周波数抽出部が抽出した１または複数の信号を監視し、その監視結果に基づいて前記モータの地絡の有無を診断する地絡診断部を備えることを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 交流電源から供給される電力に基づいて交流駆動されるモータを制御するモータ制御装置において、
   前記モータに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記モータの可動子の位置または速度に関する情報を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した可動子速度情報に基づいて前記可動子の速度を制御する速度制御部と、
   ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換する第１の変換部、およびｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する第２の変換部を有し、前記電流検出部が検出したＵＶＷ三相座標系による検出値、前記検出部が検出した可動子位置・速度情報、および前記速度制御部が生成した電流指令に基づいて前記モータの駆動に必要な電流を制御する電流制御部と、
   前記検出部と前記電流制御部との間の速度フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいて前記モータの地絡の有無を検出する地絡検出部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
7. 交流電源から供給される電力に基づいて交流駆動されるモータを制御するモータ制御装置において、
   前記モータに流れる電流を検出する電流検出部と、
   前記モータの可動子の位置または速度に関する情報を検出する検出部と、
   前記検出部が検出した可動子位置情報に基づいて前記可動子の位置を制御する位置制御部と、
   前記検出部が検出した可動子速度情報に基づいて前記可動子の速度を制御する速度制御部と、
   ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換する第１の変換部、およびｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する第２の変換部を有し、前記電流検出部が検出したＵＶＷ三相座標系による検出値、前記検出部が検出した可動子位置・速度情報、前記速度制御部が生成した電流指令、および前記位置制御部が生成した位置指令に基づいて前記モータの駆動に必要な電流を制御する電流制御部と、
   前記検出部と前記位置制御部との間の位置フィードバックループに流れる信号の周波数成分、または前記検出部と前記速度制御部との間の速度フィードバックループに流れる信号の周波数成分に基づいて前記モータの地絡の有無を検出する地絡検出部と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
8. 交流電源から供給される電力に基づいて交流駆動されるモータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記モータの可動子の位置または速度に関する情報を検出する検出部と、ＵＶＷ三相座標系の出力値をｄｑ２軸座標系の出力値に変換する第１の変換部、およびｄｑ２軸座標系の出力値をＵＶＷ三相座標系の出力値に変換する第２の変換部を有し、前記電流検出部が検出したＵＶＷ三相座標系による検出値、および前記検出部が検出した可動子位置・速度情報に基づいて前記モータの駆動に必要な電流を制御する電流制御部と、を備えたモータ制御装置に適用され、前記モータに生起する可能性のある地絡を検出するモータ地絡検出方法であって、
   前記第１の変換部と前記第２の変換部との間の電流フィードバックループに流れる信号の周波数成分を抽出する周波数抽出ステップと、
   前記周波数抽出ステップによって抽出された周波数成分に特定の周波数成分が含まれているか否かを診断することにより前記モータの地絡の有無を検出する地絡検出ステップと、
   を含むことを特徴とするモータ地絡検出方法。

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