JP5464452B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータの絶縁抵抗の劣化を検出可能なモータ駆動装置に関する。

特許文献１には、モータの絶縁抵抗の劣化を検出可能なモータ駆動装置が記載されている。このモータ駆動装置では、ＤＣリンク部のマイナス側ラインと大地との間に第１の接点を設け、ＤＣリンク部のプラス側ラインとモータのコイル接続線のうちの一相の線との間に第２の接点と電流検出器を直列に設けている。絶縁抵抗の劣化を検出する際には、第１及び第２の接点を閉じることで、平滑コンデンサ、第２の接点、電流検出器、モータのコイル、大地、第１の接点、及び平滑コンデンサの閉回路を形成する。この閉回路には平滑コンデンサの充電電圧が印加されるため、閉回路に流れる電流を検出することで、モータの絶縁抵抗の劣化を検出する。

特開２００６−２２６９９３号公報

上記従来技術では、モータの絶縁抵抗劣化の検出に平滑コンデンサを用いることに起因し、次のような課題が生じる。

すなわち、形成した閉回路に平滑コンデンサの充電電圧を印加する必要があるため、一旦平滑コンデンサへの充電が必要であり、充電が完了するまでの間、モータの絶縁抵抗劣化の検出を開始することができない。また、平滑コンデンサから閉回路に対し、モータの交流電圧整流後の直流母線電圧に近似した高電圧が印加されることになるため、仮にモータの絶縁抵抗が劣化していた場合には、閉回路に大電流が流れることになり、閉回路上の他の部品の破損等の二次被害を招くおそれがある。さらに、平滑コンデンサの放電による電圧低下に伴って閉回路を流れる電流も変化することになるため、電流検出値と所定の閾値との比較によって絶縁抵抗劣化の有無を判断する場合には、モータの絶縁抵抗劣化の検出精度が低下してしまう。また、多軸モータ駆動装置への適用を考えた場合、閉回路をモータ駆動軸ごとに構成する必要があり、装置の大型化、価格の増大、メンテ部品増加に伴う信頼性の低下等を招く。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、平滑コンデンサを使用することなくモータの絶縁抵抗の劣化を検出することができるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１発明は、直流電力源における正側直流母線および負側直流母線に対して平滑コンデンサと並列に接続したインバータ部を有し、直流電力を前記インバータ部で交流電力に変換して交流モータを駆動するモータ駆動ユニットと、前記正側直流母線又は前記負側直流母線のいずれか一方と大地との間に設けられた低電圧源と、前記平滑コンデンサが無充電状態で前記低電圧源、前記交流モータ、及び前記インバータ部の一部を含む閉回路に流れる閉回路電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部が検出した前記閉回路電流の値と所定の閾値との比較に基づいて前記交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定する絶縁抵抗劣化判定部と、を備えたことを特徴とする。

本願第１発明のモータ駆動装置は、モータ駆動ユニットを備えている。このモータ駆動ユニットは、正側直流母線及び負側直流母線を介して供給される直流電力をインバータ部で交流電力に変換して交流モータを駆動する。

このとき、本願第１発明のモータ駆動装置は、正側直流母線又は負側直流母線と大地との間に設けられた低電圧源と、低電圧源、交流モータ、及びインバータ部の一部を含む閉回路に流れる閉回路電流を検出する電流検出部を備え、インバータ部内の所定のスイッチを導通させることで、インバータ部、正側直流母線又は負側直流母線、電流検出部、低電圧源、大地、交流モータ、及びインバータ部を経由する閉回路を形成できる。その結果、低電圧源の印加電圧により当該閉回路に流れる閉回路電流を電流検出部で検出し、絶縁抵抗劣化判定部が当該閉回路電流の値と所定の閾値とを比較することで、交流モータの絶縁抵抗の劣化を検出できる。

このように、本願第１発明によれば、正側直流母線及び負側直流母線に直流電力を供給する直流電源を経由せずに上記閉回路を形成できる。この直流電源は、例えばＡＣ−ＤＣコンバータなどで構成されている場合、その出力側の２つの直流母線を渡すように平滑コンデンサが接続されている。しかし、本願第１発明の構成では、形成される閉回路で平滑コンデンサを経由することがなく、かつ平滑コンデンサが無充電状態となった際に電流検出部が閉回路電流を検出するため、例えばダイナミックブレーキを備えた構成などの場合であっても、当該平滑コンデンサの充電電力の影響を受けずに交流モータの絶縁抵抗の劣化を検出できるモータ駆動装置を実現することができる。その結果、例えば交流モータの絶縁抵抗劣化の検出に平滑コンデンサの充電電力を利用する場合のように平滑コンデンサの充電を待つことなく、交流モータの絶縁抵抗劣化の検出を開始することができる。また、低電圧源から閉回路に対して印加される電圧は低電圧であるため、平滑コンデンサの充電電力を利用する場合のように閉回路に大電流が流れることはなく、閉回路上の他の部品の破損等の二次被害を防止できる。さらに、低電圧源から閉回路に対して一定の電圧の印加を維持できるため、平滑コンデンサの充電電力を利用する場合のように電圧低下に伴って閉回路を流れる電流が変化するようなことがなく、交流モータの絶縁抵抗劣化の検出精度の低下を防止できる。

第２発明は、上記第１発明において、前記モータ駆動ユニットは、複数相の交流モータを駆動するものであって、前記インバータ部は、前記正側直流母線又は前記負側直流母線のうち前記低電圧源に接続する方と、前記交流モータとの間の接続と遮断を切り換えるアームスイッチング素子を各相に対応して複数有し、各相のアームスイッチング素子のうち任意のものを選択して導通させることで、前記閉回路を当該アームスイッチング素子を経由して形成させる相選択部を備えたことを特徴とする。

本願第２発明においては、このように、インバータ部が交流モータの各相に対応する複数のアームスイッチング素子を有し、相選択部がこれら複数のアームスイッチング素子のいずれか任意のものを選択して導通させることで、上記閉回路を交流モータ内における特定の相を経由させて形成できる。これにより、交流モータの絶縁抵抗劣化を各相別又は相の組み合わせで選択的に検出でき、交流モータの絶縁抵抗の状態をより詳細に検出できる。

第３発明は、上記第１又は第２発明において、前記正側直流母線及び前記負側直流母線に対し、複数の前記モータ駆動ユニットが並列して設けられ、当該複数のモータ駆動ユニットがそれぞれ備える前記インバータ部は、前記正側直流母線又は前記負側直流母線のうち前記低電圧源に接続する方と、前記交流モータとの間の接続と遮断を切り換えるアームスイッチング素子を有し、前記複数のモータ駆動ユニットのうち任意のものの前記アームスイッチング素子を選択して導通させることで、前記閉回路を当該アームスイッチング素子を経由して形成させる軸選択部を備えたことを特徴とする。

本願第３発明においては、このように、複数のモータ駆動ユニットのそれぞれのインバータ部がアームスイッチング素子を有し、軸選択部がこれら複数のアームスイッチング素子のいずれか任意のものを選択して導通させることで、上記閉回路を特定の交流モータを経由させて形成できる。これにより、複数の交流モータのうちいずれかの絶縁抵抗劣化を選択的に検出できる。また、このように多軸モータ駆動装置に適用した場合、各軸用の既存のインバータ部並びに共通の直流母線、電流検出部及び低電圧源を用いて閉回路を構成することが可能であり、電流検出部及び低電圧源を交流モータごとに構成する必要がない。したがって、装置の大型化、価格の増大、メンテ部品増加に伴う信頼性の低下等を招くことなく、多軸モータ駆動装置への適用が可能である。

第４発明は、上記第３発明において、電流検出部は、前記アームスイッチング素子を全て遮断した状態で、前記閉回路のオフセット電流を検出し、前記相選択部又は軸選択部がいずれかの前記アームスイッチング素子を選択して導通させた状態で前記電流検出部が検出した閉回路電流の値と、前記オフセット電流の値との間の差分値を求めるオフセット除去部を備え、前記絶縁抵抗劣化判定部は、前記閉回路電流の値に基づく前記差分値と所定の閾値との比較により前記交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定する判定部と、を備えたことを特徴とする。

多軸モータ駆動装置においては、インバータ部２１におけるスイッチング素子を含む回路構成が軸数に比例累積して大きくなるため、アームスイッチング素子を全て遮断した状態でもある程度大きなオフセット電流が流れてしまう。これに対して、本願第３発明においては、電流検出部がオフセット電流を検出し、オフセット除去部が閉回路電流の値からオフセット電流の値を除外することで、相選択部又は軸選択部が選択導通させたアームスイッチング素子を経由する閉回路だけに流れる閉回路電流を、高い精度で検出できる。これにより、絶縁抵抗劣化判定部は、閉回路電流の値とオフセット電流の値との間の差分値に基づいて、当該交流モータが近いうちに漏電が生じる程度に絶縁抵抗が劣化しているか否かを明確に判定し報知できる。

第５発明は、上記第１から第４の発明のいずれかにおいて、電流検出部が、閉回路を継続的に形成した際に定常的に流れる閉回路電流を検出し、絶縁抵抗劣化判定部が、定常的な閉回路電流と所定の閾値との比較により、交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定することを特徴とする。

交流モータ自体の浮遊容量、及びインバータ部と交流モータとの間のケーブルの浮遊容量が十分小さく、これら浮遊容量に起因する絶縁劣化検出に与える影響を無視できる場合には、閉回路を継続的に形成して定常的に流した閉回路電流によっても交流モータの絶縁抵抗劣化を十分正確に判定できる。したがってこの場合に本第５発明を適用することで、最も簡易かつ短時間で絶縁抵抗劣化を判定できる。

第６発明は、上記第１から第４の発明のいずれかにおいて、電流検出部が、閉回路を断続的に形成した際に過渡的に流れる閉回路電流を検出し、絶縁抵抗劣化判定部が、過渡的な閉回路電流を所定の回数サンプリングした平均値と所定の閾値との比較により、交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定することを特徴とする。

交流モータ自体の浮遊容量、及びインバータ部と交流モータとの間のケーブルの浮遊容量が大きい場合には、交流モータが絶縁劣化したとしても閉回路電流は過渡的な短い時間に上記浮遊容量に充電されるだけで閉回路上に定常的な電流として流れなくなり、このため絶縁劣化を正確に判定できない可能性がある。そこで本第６発明のように、閉回路を断続的に形成させた際には、上記浮遊容量に対して充電、放電を繰り返させ、これにより上記浮遊容量が大きい場合であっても上記閉回路に閉回路電流を過渡的に流すことができる。そして絶縁抵抗劣化判定部が、この過渡的な閉回路電流のサンプリング平均値と所定の閾値と比較して絶縁抵抗が劣化したか否かを判定することができる。

本発明によれば、平滑コンデンサを使用することなくモータの絶縁抵抗の劣化を検出することができる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の構成を模式的に示したブロック図である。 絶縁劣化検出ユニットの一部、モータ駆動ユニット、及び３相交流モータの回路構成を示す図である。 検出制御部のＣＰＵで行われる制御処理の内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の一実施形態によるモータ駆動装置の構成を模式的に示したブロック図である。

この図１において、モータ駆動装置１００は、３相交流モータ４を駆動するものであり、コンバータ部１と、モータ駆動ユニット２と、絶縁劣化検出ユニット３とを備えている。

コンバータ部１は、例えば、整流器１１と平滑コンデンサ１２を備えており、この例の交流電源１３から供給された交流電力を整流器１１で整流し、その出力電力を平滑コンデンサ１２で平滑して直流バスＰ，Ｎに直流電力を出力する。なお、図示する２本の直流バスＰ，Ｎのうち、上方の直流バスＰが正側直流母線、下方の直流バスＮが負側直流母線であり、平滑コンデンサ１２はこれら２本の直流バスＰ，Ｎに渡って接続されている。

モータ駆動ユニット２は、この例では半導体で構成する６つのスイッチング素子（図１中では１つに略記）をブリッジ接続したインバータ部２１と、このインバータ部２１中の各スイッチング素子の切り替え制御を行う駆動制御部２２とを備えている。インバータ部２１は上記２本の直流バスＰ，Ｎに接続して直流電力が供給されており、駆動制御部２２がインバータ部２１の６つのスイッチング素子をそれぞれ適宜の順序で導通と遮断を繰り返すことで、所定の周波数の３相交流電力が出力される。本実施形態では、２本の直流バスＰ，Ｎに対して３つのモータ駆動ユニット２を並列に接続しており、各インバータ部２１がそれぞれ個別の３相交流モータ４に３相交流電力を出力して駆動する３軸駆動の構成である。各駆動制御部２２によるインバータ部２１の駆動制御は、特に図示しない上位制御装置からの指令に基づいて行われる。また、この駆動制御部２２は、３相交流モータ４の絶縁抵抗劣化を検出する際において、後述する検出制御部からの指令に基づく所定のスイッチング素子の導通と遮断の切り替え制御も行う。なお、インバータ部２１及び３相交流モータ４の詳細な回路構成については後述の図２で説明する。

絶縁劣化検出ユニット３は、検出抵抗３１と、検出スイッチ３２と、低電圧源３３と、Ａ／Ｄ変換器３４と、検出制御部３５とを備えている。検出抵抗３１は、既知の抵抗値を有する抵抗器である。検出スイッチ３２は、検出制御部３５からの制御信号によって２端子間の導通と遮断を切り替え可能な素子である。低電圧源３３は、上記交流電源１３と比較して出力電圧が十分低い直流電源であり、例えば低電圧バッテリで構成したり、当該絶縁劣化検出ユニット３自体の駆動電源（特に図示せず）から降圧した直流電圧を供給してもよい。この例では、検出抵抗３１、検出スイッチ３２、及び低電圧源３３の順で直列に接続し、この直列回路全体が上記負側の直流バスＮとアースＧとの間を渡すように接続している。低電圧源３３の極性は、アースＧ側に正極を接続するよう配置されている。なお、図示する例では、負側の直流バスＮから検出抵抗３１、検出スイッチ３２、及び低電圧源３３の順で接続しているが、直列接続であれば他の順序でもよい。

Ａ／Ｄ変換器３４は、上記検出抵抗３１に並列に接続してその両端間電圧をアナログ値で計測し、デジタル信号に変換して検出制御部３５に出力する。なお、上述したように検出抵抗３１の抵抗値は既知であるため、当該検出抵抗３１の両端間電圧を検出することは電流を検出することと同等である。

検出制御部３５は、特に図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭなどで構成される。この検出制御部３５は、特に図示しない上位制御装置からの指令に基づいて、いずれか所定のモータ駆動ユニット２の駆動制御部２２に対し、対応するインバータ部２１内の所定のスイッチング素子の導通と遮断を切り替えるよう指令する。またその際には、検出スイッチ３２の導通と遮断の切替も制御し、上記Ａ／Ｄ変換器３４から入力される両端間電圧の情報に基づいて、上記所定のモータ駆動ユニット２に対応する３相交流モータ４の絶縁抵抗の劣化を判定する。

なお、上記アースＧが各請求項記載の大地に相当し、上記検出抵抗３１及び上記Ａ／Ｄ変換器３４が各請求項記載の電流検出部に相当する。

図２は、絶縁劣化検出ユニット３の一部、モータ駆動ユニット２、及び３相交流モータ４の回路構成を示す図である。

この図２において、モータ駆動ユニット２のインバータ部２１は、上述したように半導体（図示する例ではＩＧＢＴ）で構成する６つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６を備えており、そのうち直列に接続した２つのスイッチング素子を３組並列に２本の直流バスＰ，Ｎに渡すようブリッジ接続している。２本の直流バスＰ，Ｎに直流電力を供給し、駆動制御部２２が６つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６をそれぞれ適宜の順序により導通と遮断を繰り返すことで、各組における直列接続の２つのスイッチング素子の間から３相交流電力Ｕ，Ｖ，Ｗがインバータ出力として出力される。なお、図示する例において、正側の直流バスＰに接続する３つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５を特に上アームスイッチング素子といい、負側の直流バスＮに接続する３つのスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を特に下アームスイッチング素子という。なお、この例の３つの下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６が、各請求項記載のアームスイッチング素子に相当する。

また、駆動制御部２２は、上述したように、インバータ部２１から３相交流電力Ｕ，Ｖ，Ｗを出力させる通常の駆動制御時には、図示しない上位制御装置からの指令に従ってスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の切り替え制御を行う。また、駆動制御部２２は、３相交流モータ４の絶縁抵抗劣化を検出する際には、絶縁劣化検出ユニット３の検出制御部３５からの指令に従ってスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６の切り替え制御を行う。

３相交流モータ４は、上記インバータ部２１から出力された３相交流電力により駆動されるモータであり、図中には電機子として界磁制御を行う巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗのみ示している。本実施形態において用いる３相交流モータ４は、同じ巻数である３つの電機子巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗを３相交流の各相Ｕ，Ｖ，Ｗに対応させてＹ結線し、それら３つの電機子巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗの外周側端子にインバータ部２１の各相Ｕ，Ｖ，Ｗの出力端子を接続している。また、当該３相交流モータ４は、上記３つの電機子巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗで構成する固定子の他に、永久磁石を備えた回転子と、これら固定子及び回転子を収容するケーシングとを備えている（固定子とケーシングについては不図示）。ケーシングは、上記絶縁劣化検出ユニット３と共通のアースＧに接地されている。なお、この３相交流モータ４が各請求項記載の複数相の交流モータに相当する。

ここで、上記３つの電機子巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗはそれぞれモールドされていることで、ケーシングとの間に電気的な絶縁性が構造的に付与されているが、長期の使用や経年変化又は使用環境によってこの絶縁抵抗が劣化してしまう。このように３相交流モータ４の絶縁抵抗が劣化した場合には、各電機子巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗに流れる電流がケーシングを介してアースＧに漏電してしまい、その結果、定格性能を損なうばかりでなく、当該３相交流モータ４を損傷させる原因となる。

そこで、本実施形態では、インバータ部２１から３相交流電力Ｕ，Ｖ，Ｗを出力させる通常の駆動制御前もしくは通常の駆動制御間において、上記の絶縁劣化検出ユニット３により当該３相交流モータ４の絶縁抵抗を検出し、その劣化を判定する。具体的には、上記コンバータ部１からの給電を停止し、平滑コンデンサが無充電状態となった状態で、検出制御部３５が、いずれかのモータ駆動ユニット２の駆動制御部２２に指令して対応するインバータ部２１の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のいずれかを導通（図中ではＳＷ６を「ＯＮ」と記載）させ、その後に絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を導通させる。これにより、絶縁劣化検出ユニット３の低電圧源３３を起電部として、図示する例の順で、アースＧ、３相交流モータ４、インバータ部２１の導通された下アームスイッチング素子ＳＷ６、負側の直流バスＮ、検出抵抗３１、及び検出スイッチ３２の経路で電流が流れる閉回路が形成される。このとき、閉回路に流れる電流を閉回路電流Ｉｃという。

そして、この閉回路電流Ｉｃが流れている検出抵抗３１の両端間電圧をＡ／Ｄ変換器３４が検出し、検出制御部３５がこの両端間電圧の情報に基づいて当該インバータ部２１に接続する３相交流モータ４の絶縁抵抗を検出する。３相交流モータ４の絶縁抵抗が大きい場合には閉回路電流Ｉｃは小さく、絶縁抵抗の劣化が進行するにつれて閉回路電流Ｉｃは増大する。検出制御部３５は、この閉回路電流Ｉｃに比例する上記両端間電圧が所定の閾値を超えた場合に、絶縁抵抗が劣化したものと判定して報知する。なお、この所定の閾値は、３相交流モータ４の設計時、もしくは３相交流モータ４単体の試験時に既知となる絶縁抵抗値に基づいて、予め決定されるものである。すなわち、絶縁抵抗の劣化が十分に進行した場合で閉回路電流Ｉｃが流れた際に、検出抵抗３１の両端間電圧が取り得る値に設定されている。

なお、図２に示す例では、インバータ部２１のＷ相に対応する下アームスイッチング素子ＳＷ６だけを導通させているため、上記閉回路電流Ｉｃは、３相交流モータ４内において主にＷ相の電機子巻線４１Ｗとケーシングとの間における仮想的な絶縁抵抗Ｒｗを介して流れる。元々、３相交流モータ４内における絶縁抵抗はケーシング全体に対する構造的な抵抗ではあるが、上記のような仮想的な絶縁抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗが各相Ｕ，Ｖ，Ｗごとに関連して生じる傾向があり、それぞれの劣化の進行は相違しやすい。特に、漏電を生じる直前の状態では各相の間で劣化の差が大きくなる。これに対して、検出制御部３５は、同一のインバータ部２１における３つの下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のいずれか任意のものを選択して導通させることで、同一の３相交流モータ４内で対応する相に関連する絶縁抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗを選択的に検出できる。また、同一のインバータ部２１における３つの下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のうちの１つだけに限らず、３つ全てを導通させた場合や、いずれか２つを組み合わせて導通させた場合の閉回路電流Ｉｃも検出できる。このように、下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６の選択を多様に行えることにより、１つの３相交流モータ４における絶縁抵抗の劣化の状態を多面的かつ詳細に検出できる。
但し、３相交流モータ４内における絶縁劣化した相の特定をも考慮すれば、１相毎に順に、３つの下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のいずれか任意のものを選択して導通させることが望ましい。

また、例えば、上記閉回路の経路上に少なくとも、インバータ部２１におけるスイッチング素子を含む回路構成を用いた場合には、それらの閉回路上において微弱な電流が流通する。つまり、インバータ部２１の全ての下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を遮断している状態でも、絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を導通させた際には、上記閉回路の経路上において、ある電圧がかかればたとえ絶縁されていても、例えば漏れ電流に相当する微弱な電流が流れ得る。この電流は、上記閉回路におけるオフセット電流に相当し、これが絶縁抵抗を検出する際の電流検出誤差となるため、影響を無視できない。また、モータ駆動ユニット２及び３相交流モータ４を１組だけ備える構成においては微弱であっても、多数組を備える多軸駆動の構成では大きく累積するため、絶縁抵抗を検出する際の更なる影響を無視できない。本実施形態では、図示しない上位制御装置の指令によって、この微弱な電流（以下、オフセット電流という）だけを検出するモードを備えており、これにより多軸駆動構成の回路全体において流れ得るオフセット電流を検出できる。そして、各３相交流モータ４の絶縁抵抗を個別に検出する際には、それぞれ上記オフセット電流の影響を除外して検出する。

また、各３相交流モータ４の絶縁抵抗や上記オフセット電流の検出を行う際には、上述したようにコンバータ部１からの給電を停止した状態で行うことが前提である。また、このときにコンバータ部１の平滑コンデンサ１２において電荷が充電されていても、各インバータ部２１の全ての上アームスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５が遮断されていれば、絶縁抵抗やオフセット電流の検出には直接影響を与えない。しかし、実際の駆動回路では、特に図示しないダイナミックブレーキなどを介した影響が生じるため、絶縁抵抗やオフセット電流の検出は平滑コンデンサ１２が十分に放電されて無充電となった状態で行う必要がある。

以上のような機能を実現するために、検出制御部３５のＣＰＵで行われる制御処理の内容を、図３により順を追って説明する。

図３において、このフローに示す処理は、例えば上位制御装置から絶縁劣化の検出処理を実行する指令を受信した場合に開始される。なお、このフローの処理を開始させる際には、上述したように、例えば前回のコンバータ部１の給電停止から十分に時間を経過させるなどによって平滑コンデンサ１２が無充電状態となっている必要がある。

まずステップＳ５で、フラグＦの値を０に初期化する。

そして、ステップＳ１０に移り、全てのモータ駆動ユニット２の駆動制御部２２に対して、それぞれのインバータ部２１における上アーム及び下アームも含めた全てのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ６（図中では上下アームと略記）を遮断するよう指令する。

そして、ステップＳ１５に移り、オフセット電流の検出指令が上位制御装置から受信しているか否かを判定する。上位制御装置から検出指令を受信している場合には、判定が満たされ、ステップＳ２０へ移る。

ステップＳ２０では、絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を導通させ、上記閉回路を形成して当該閉回路を経由したオフセット電流が検出抵抗３１に流れる。

そして、ステップＳ２５に移り、検出抵抗３１にオフセット電流が流れている状態での両端間電圧をＡ／Ｄ変換器３４で検出し、この検出電圧をＥ０として保存する。ここで、上述したように検出抵抗３１の抵抗値は既知であるため、当該検出抵抗３１の両端間電圧Ｅ０を検出することはオフセット電流を検出することと同等である。

そして、ステップＳ３０に移り、絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を遮断する。

そして、ステップＳ３５に移り、フラグＦの値を１にした後、ステップＳ４０へ移る。

一方、上記ステップＳ１５での判定において、上位制御装置からオフセット電流の検出指令を受信していない場合には、判定は満たされず、そのままステップＳ４０へ移る。

ステップＳ４０では、上位制御装置からの指令に基づいて、絶縁抵抗を検出すべき３相交流モータ４（図中では検出軸と略記）及びその検出すべき相（図中では検出相と略記）を設定する。なお、このとき設定する検出軸は１つであるが、検出相については上述したように１つでも複数でもよい。

そして、ステップＳ４５に移り、絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を導通させる。

そして、ステップＳ５０に移り、上記ステップＳ４０で設定した検出軸に対応するモータ駆動ユニット２の駆動制御部２２に対し、同じく設定した検出相に対応するいずれかの下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を導通させるよう指令する。これにより、設定した検出軸の検出相に対応した閉回路が形成され、当該閉回路を経由した閉回路電流Ｉｃが検出抵抗３１に流れる。

そして、ステップＳ５５に移り、検出抵抗３１に上記閉回路電流Ｉｃが流れている状態での両端間電圧Ｅ１をＡ／Ｄ変換器３４で検出する。この場合においても、当該検出抵抗３１の両端間電圧Ｅ１を検出することは閉回路電流Ｉｃを検出することと同等である。

そして、ステップＳ６０に移り、フラグＦの値が１であるか否かを判定する。言い換えると、上位制御装置からの指令によってオフセット電流及びそれに伴う両端間電圧Ｅ０を検出済みであるか否かを判定する。フラグＦの値が１である場合、判定が満たされ、ステップＳ６５へ移る。

ステップＳ６５では、上記ステップＳ５５で検出した両端間電圧Ｅ１から、上記ステップＳ２５で検出した両端間電圧Ｅ０を差し引く。つまり、閉回路電流Ｉｃに潜在するオフセット電流を除去するようオフセットを差し引く処理を行う。これにより、その時点で閉回路を形成している検出軸及び検出相を経由する閉回路電流Ｉｃのみを検出し、上記閉回路に流れるオフセット電流からの影響を除去できる。そして、ステップＳ７０へ移る。なお、このステップＳ６５で算出した新たな両端間電圧Ｅ１が、各請求項記載の差分値に相当する。

一方、上記ステップＳ６０の判定において、フラグＦの値が１でない場合、判定は満たされず、そのままステップＳ７０へ移る。

ステップＳ７０では、両端間電圧Ｅ１が所定の閾値より小さいか否かを判定する。この閾値は、絶縁抵抗の劣化が十分に進行した場合で閉回路電流Ｉｃが流れた際に検出抵抗３１の両端間電圧が取り得る値に設定されている。両端間電圧Ｅ１が所定の閾値以上である場合、判定は満たされず、すなわちその時点で閉回路を形成している当該３相交流モータ４の当該相において絶縁抵抗が十分に劣化しているものとみなされ、ステップＳ７５へ移る。

ステップＳ７５では、上記ステップＳ４０で設定した検出軸に対応するモータ駆動ユニット２の駆動制御部２２に対し、同じく設定した検出相に対応する下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を遮断するよう指令する。

そして、ステップＳ８０に移り、絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を遮断する。

そして、ステップＳ８５に移り、別途設けた表示部での表示や発音部での発音によって絶縁抵抗の劣化を報知したり、または上位制御装置にその旨の情報を送信する劣化報知処理を行う。そして、このフローを終了する。

一方、上記ステップＳ７０の判定において、両端間電圧Ｅ１が所定の閾値より小さい場合、判定が満たされ、すなわちその時点で閉回路を形成している当該３相交流モータ４の当該相において絶縁抵抗がまだ劣化していないものとみなされ、ステップＳ９０へ移る。

ステップＳ９０では、上記ステップＳ４０で設定した検出軸に対応するモータ駆動ユニット２の駆動制御部２２に対し、同じく設定した検出相に対応する下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を遮断するよう指令する。

そして、ステップＳ９５に移り、絶縁劣化検出ユニット３の検出スイッチ３２を遮断する。

そして、ステップＳ１００に移り、上位制御装置から、他の検出軸又は他の検出相で絶縁抵抗を再検出すべきとの指令を受信しているか否かを判定する。上位制御装置から再検出の指令を受信している場合には、判定が満たされ、上記ステップＳ４０に戻って同様の手順を繰り返す。一方、上位制御装置から再検出の指令を受信していない場合には、判定は満たされず、このフローを終了する。

以上において、上記図３のフローにおけるステップＳ４０とステップＳ５０の手順が、各請求項記載の相選択部及び軸選択部に相当し、ステップＳ６５の手順がオフセット除去部に相当し、ステップＳ７０の手順が絶縁抵抗劣化判定部に相当する。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１００によれば、検出スイッチ３２を導通させた際に形成される閉回路に平滑コンデンサ１２が含まれておらず、かつ当該平滑コンデンサ１２が無充電状態となった際に検出抵抗３１及び上記Ａ／Ｄ変換器３４が閉回路電流Ｉｃを検出するため、例えばダイナミックブレーキを備えた構成などの場合であっても、当該平滑コンデンサ１２の充電電力の影響を受けずに３相交流モータ４の絶縁抵抗の劣化を検出できるモータ駆動装置１００を実現することができる。その結果、３相交流モータ４の絶縁抵抗劣化の検出に平滑コンデンサ１２の充電電力を利用する場合のように平滑コンデンサ１２の充電を待つことなく、３相交流モータ４の絶縁抵抗劣化の検出を開始することができる。また、低電圧源３３から閉回路に対して印加される電圧は低電圧であるため、平滑コンデンサ１２の充電電力を利用する場合のように閉回路に大電流が流れることはなく、閉回路上の他の部品の破損等の二次被害を防止できる。さらに、低電圧源３３から閉回路に対して一定の電圧の印加を維持できるため、平滑コンデンサ１２の充電電力を利用する場合のように電圧低下に伴って閉回路を流れる電流が変化するようなことがなく、３相交流モータ４の絶縁抵抗劣化の検出精度の低下を防止できる。

また、この実施形態では特に、インバータ部２１が３相交流モータ４の各相に対応する複数の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を有し、上記図３のフローにおけるステップＳ４０とステップＳ５０の手順がこれら複数の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のいずれか任意のものを選択して導通させることで、上記閉回路を３相交流モータ４内における特定の相を経由させて形成できる。これにより、３相交流モータ４の絶縁抵抗劣化を各相別又は相の組み合わせで選択的に検出でき、３相交流モータ４の絶縁抵抗の状態をより詳細に検出できる。

また、この実施形態では特に、複数のモータ駆動ユニット２のそれぞれのインバータ部２１が下アームスイッチング素子を有し、ステップＳ４０とステップＳ５０の手順がこれら複数の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のいずれか任意のものを選択して導通させることで、上記閉回路を特定の３相交流モータ４を経由させて形成できる。これにより、複数の３相交流モータ４のうちいずれかの絶縁抵抗劣化を選択的に検出できる。また、このように多軸モータ駆動装置に適用した場合、各軸用の既存のインバータ部２１並びに共通の直流母線、検出抵抗３１、Ａ／Ｄ変換器３４及び低電圧源３３を用いて閉回路を構成することが可能であり、検出抵抗３１、Ａ／Ｄ変換器３４及び低電圧源３３を３相交流モータ４ごとに構成する必要がない。したがって、装置の大型化、価格の増大、メンテ部品増加に伴う信頼性の低下等を招くことなく、多軸モータ駆動装置への適用が可能である。

また、この実施形態では特に、多軸モータ駆動装置においては、インバータ部２１におけるスイッチング素子を含む回路構成が軸数に比例累積して大きくなるため、下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を全て遮断した状態でもある程度大きなオフセット電流が流れてしまう。これに対して、ステップＳ２５の手順で検出抵抗３１及び上記Ａ／Ｄ変換器３４がオフセット電流を検出し、ステップＳ６５の手順が閉回路電流Ｉｃの値（初期の両端間電圧Ｅ１に対応）からオフセット電流の値（両端間電圧Ｅ０に対応）を除外することで、ステップＳ４０とステップＳ５０の手順が選択導通させた下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を経由する閉回路だけに流れる閉回路電流Ｉｃ（差し引き後の両端間電圧Ｅ１に対応）を、高い精度で検出できる。また、ステップＳ７０の手順は、閉回路電流Ｉｃの値とオフセット電流の値との間の差分値（差し引き後の両端間電圧Ｅ１に対応）に基づいて、当該３相交流モータ４が近いうちに漏電が生じる程度に絶縁抵抗が劣化しているか否かを明確に判定し報知できる。または、インバータ部２１から３相交流電力Ｕ，Ｖ，Ｗを出力させる通常の駆動制御前もしくは通常の駆動制御間に、上記図３のフローによる絶縁抵抗劣化検出処理を逐次行って絶縁抵抗を検出、記録することで、劣化を予測することもできる。

また、３相交流モータ４毎または相毎に、前回以前の絶縁劣化検出における閉回路電流Ｉｃを適宜記憶しておき、今回の絶縁劣化検出における閉回路電流Ｉｃとの差分を取り、次回以後の絶縁劣化検出の際に絶縁劣化が予想される場合は、この予想時点で絶縁劣化を検出したとしても良い。
＜閉回路電流の検出精度を向上させる手法について＞
ここで、上述した閉回路電流Ｉｃの検出精度を向上させるために適用可能な２つの手法を、以下に詳述する。

まず第１の手法として、３相交流モータ４自体の浮遊容量、又はインバータ部２１と３相交流モータ４との間のケーブルの浮遊容量が大きい場合、これら浮遊容量に起因する絶縁劣化検出に与える影響を低減するための手法について説明する。

上記実施形態（絶縁劣化検出１）では、インバータ部２１の所定の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６と検出スイッチ３２の両方の導通を維持した状態で、上記閉回路に定常的に流れる閉回路電流Ｉｃに基づいて絶縁劣化検出を行なった。しかしながら、３相交流モータ４自体の浮遊容量、又はインバータ部２１と３相交流モータ４との間のケーブルの浮遊容量が大きい場合、３相交流モータ４が絶縁劣化したとしても閉回路電流Ｉｃは過渡的な短い時間に上記浮遊容量に充電されるだけで上記閉回路上に定常的な電流として流れなくなる。このため、上記実施形態の検出方法のままでは絶縁劣化を正確に検出できない可能性がある。

そこで、本第１の手法（絶縁劣化検出２）では、インバータ部２１の所定の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６と、検出スイッチ３２のいずれか一方を常に導通させたまま、他方を所定の回数で導通と遮断を繰り返させ、上記閉回路を断続的に形成させる。そして、その際の過渡的に流れる電流を数回サンプリングし、それらを平均化して平均値を検出する。すなわち、上記浮遊容量はコンデンサの静電容量と同等にみなせるため、検出スイッチ３２又はインバータ部２１の所定の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のいずれか一方で接続、遮断を繰り返すことは、上記浮遊容量に対して充電、放電を繰り返させることに相当する。これにより、上記浮遊容量が大きい場合であっても上記閉回路に閉回路電流Ｉｃを過渡的に流すことができ、この過渡的な閉回路電流Ｉｃの平均値と所定の閾値と比較して絶縁抵抗が劣化したか否かを判定することができる。

次に第２の手法として、電流検出系の誤差調整に関する手法について説明する。

本第２の手法においては、検出抵抗３１、検出スイッチ３２、及び低電圧源３３の直列体に対して、既知の抵抗値を有する調整用抵抗器と調整用スイッチとの直列体を並列接続する構成を設ける（特に図示せず）。本第２の手法では、上記実施形態（絶縁劣化検出１もしくは絶縁劣化検出２）による絶縁劣化検出の前に、インバータ部２１の下アームスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６を全て遮断した状態で、検出スイッチ３２と上記調整用スイッチの両方を導通させることで、検出抵抗３１、検出スイッチ３２、低電圧源３３、調整用抵抗器、及び調整用スイッチを経由する調整用閉回路を形成し、この調整用閉回路に流れる調整用閉回路電流を検出抵抗３１で検出する。この調整用閉回路電流は、実際には、調整用抵抗器と低電圧源３３の電圧値で決定される既知の電流値で流れる。なお、調整用抵抗器の抵抗値は、非劣化状態の３相交流モータ４の絶縁抵抗値と同程度に大きく設定されており、これと比較して検出抵抗３１の抵抗値は非常に小さいため、調整用閉回路電流の決定に対して当該検出抵抗３１の抵抗値は十分無視できる。

このように、調整用抵抗器と低電圧源３３の電圧値で決定される、実際に調整用閉回路上に流れる既知の大きさの調整用閉回路電流の実電流値と、検出抵抗３１で検出した調整用閉回路電流の検出電流値との間の差が、電流検出系の検出誤差に相当する。本第２の手法において、低電圧源３３の起動前（調整用閉回路電流はゼロ）と、起動後（調整用閉回路電流は上記実電流値）に調整すれば、電流検出系のオフセット検出誤差（起動前）と、電流検出系のゲイン検出誤差とを調整することができる。
上記オフセット検出誤差があれば、上記実施形態（絶縁劣化検出１）もしくは第１の手法（絶縁劣化検出２）による絶縁劣化検出の前に、絶縁劣化検出値から上記オフセット検出誤差を予め差し引いておけば、より精度が高い検出を行なうことができる。また、上記ゲイン検出誤差があれば、上記実施形態（絶縁劣化検出１もしくは絶縁劣化検出２）による絶縁劣化検出の後に、絶縁劣化検出値に対してゲイン補正すれば、より精度が高い検出を行なうことができる。

以上説明した２つの手法により、閉回路電流Ｉｃの検出精度を向上させることができる。すなわち、上記実施形態でのオフセット電流の検出と、上記第２の手法による電流検出系の検出誤差の検出をあらかじめ実施しておき、上記実施形態（絶縁劣化検出１）での閉回路電流Ｉｃ（定常的な電流）からオフセット電流と上記オフセット検出誤差を差し引いた後、所定の閾値と比較して絶縁抵抗の劣化を判定すればよい（上記ゲイン検出誤差があれば、上記実施形態（絶縁劣化検出１）による絶縁劣化検出の後に、絶縁劣化検出値に対してゲイン補正すればよい）。または、３相交流モータ４自体の浮遊容量、又はインバータ部２１と３相交流モータ４との間のケーブルの浮遊容量が大きい場合、上記第１の手法（絶縁劣化検出２）で検出した閉回路電流Ｉｃ（過渡的な電流）の平均値からオフセット電流と検出誤差を差し引いた後、所定の閾値と比較して絶縁抵抗の劣化を判定すればよい（上記ゲイン検出誤差があれば、上記実施形態（絶縁劣化検出１）による絶縁劣化検出の後に、絶縁劣化検出値に対してゲイン補正すればよい）。

なお、上記実施形態に用いる３相交流モータ４は、上述したＹ結線のものに限られず、他にもデルタ結線のものを適用してもよい。また、３相交流モータ４は、誘導型または同期型、あるいは回転型または直動型のいずれにも適用可能であり、特に図示しないが、３つの電機子巻線はそれら種別の違いに応じて適切に構成・配置すればよい。また、３相以外の複数相の交流モータへの適用も可能であり、この場合にはインバータ部２１のスイッチング素子の配置も相数の違いに応じて適切に構成・配置すればよい。

また、上記実施形態では、絶縁劣化検出ユニット３を負側の直流バスＮとアースＧとの間に渡すように接続したが、本発明はこれに限られない。他にも、絶縁劣化検出ユニット３を正側の直流バスＰとアースＧとの間に渡すように接続してもよく、この場合には上アームスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５の極性に合わせて、低電圧源３３の負極をアースＧ側に接続するよう配置すればよい。この場合、３つの上アームスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５が、各請求項記載のアームスイッチング素子に相当する。

また、絶縁劣化検出ユニット３において、上記実施形態のように検出抵抗３１で閉回路電流Ｉｃを検出する構成に限らず、他にも、電流検出用トランス（いわゆるカレントトランス）を用いて閉回路電流Ｉｃを検出する構成としてもよい。

また、ＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するコンバータ部１を設けずに、外部の直流電力源の出力部に２本の直流バスＰ，Ｎを接続して直流電力を供給する構成としてもよい。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ コンバータ部
２ モータ駆動ユニット
３ 絶縁劣化検出ユニット
４ ３相交流モータ（複数相の交流モータ）
１１ 整流器
１２ 平滑コンデンサ
１３ 交流電源
２１ インバータ部
２２ 駆動制御部
３１ 検出抵抗（電流検出部）
３２ 検出スイッチ
３３ 低電圧源
３４ Ａ／Ｄ変換器（電流検出部）
３５ 検出制御部
４１Ｕ，４１Ｖ， 電機子巻線
４１Ｗ
１００ モータ駆動装置
Ｐ 正側直流バス（直流母線）
Ｎ 負側直流バス（直流母線）
Ｇ アース（大地）
ＳＷ１，ＳＷ３， 上アームスイッチング素子
ＳＷ５
ＳＷ２，ＳＷ４， 下アームスイッチング素子（アームスイッチング素子）
ＳＷ６
Ｉｃ 閉回路電流

Claims (6)

1. 直流電力源における正側直流母線および負側直流母線に対して平滑コンデンサと並列に接続したインバータ部を有し、直流電力を前記インバータ部で交流電力に変換して交流モータを駆動するモータ駆動ユニットと、
   前記正側直流母線又は前記負側直流母線のいずれか一方と大地との間に設けられた低電圧源と、
   前記平滑コンデンサが無充電状態で、前記低電圧源、前記交流モータ、及び前記インバータ部の一部を含む閉回路に流れる閉回路電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部が検出した前記閉回路電流の値と所定の閾値との比較に基づいて前記交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定する絶縁抵抗劣化判定部と、を備えた
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記モータ駆動ユニットは、
   複数相の交流モータを駆動するものであって、
   前記インバータ部は、
   前記正側直流母線又は前記負側直流母線のうち前記低電圧源に接続する方と、前記交流モータとの間の接続と遮断を切り換えるアームスイッチング素子を各相に対応して複数有し、
   各相のアームスイッチング素子のうち任意のものを選択して接続することで、前記閉回路を当該アームスイッチング素子を経由して形成させる相選択部を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記正側直流母線及び前記負側直流母線に対し、複数の前記モータ駆動ユニットが並列して設けられ、
   当該複数のモータ駆動ユニットがそれぞれ備える前記インバータ部は、
   前記正側直流母線又は前記負側直流母線のうち前記低電圧源に接続する方と、前記交流モータとの間の接続と遮断を切り換えるアームスイッチング素子有し、
   前記複数のモータ駆動ユニットのうち任意のものの前記アームスイッチング素子を選択して接続することで、前記閉回路を当該アームスイッチング素子を経由して形成させる軸選択部を備えた
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記電流検出部は、
   前記アームスイッチング素子を全て遮断した状態で、前記閉回路のオフセット電流を検出し、
   前記相選択部又は前記軸選択部がいずれかの前記アームスイッチング素子を選択して接続した状態で前記電流検出部が検出した閉回路電流の値と、前記オフセット電流の値との間の差分値を求めるオフセット除去部を備え、
   前記絶縁抵抗劣化判定部は、前記閉回路電流の値に基づく前記差分値と所定の閾値との比較により前記交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記電流検出部は、前記閉回路を継続的に形成した際に定常的に流れる閉回路電流を検出し、
   前記絶縁抵抗劣化判定部は、前記定常的な閉回路電流と所定の閾値との比較により、前記交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記電流検出部は、前記閉回路を断続的に形成した際に過渡的に流れる閉回路電流を検出し、
   前記絶縁抵抗劣化判定部は、前記過渡的な閉回路電流を所定の回数サンプリングした平均値と所定の閾値との比較により、前記交流モータの絶縁抵抗の劣化を判定する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモータ駆動装置。

Images