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JP2016059184A - 電磁接触器の溶着検出機能を有するモータ駆動装置 - Google Patents

電磁接触器の溶着検出機能を有するモータ駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】従来技術の場合、補助接点付きの電磁接触器が必要となり、かつ、補助接点をモニターするために、追加回路が必要となりコストアップにつながるという問題がある。【解決手段】本発明のモータ駆動装置は、複数のパワー素子のスイッチングにより、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、複数のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御する制御回路と、交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への入力電流を検出する電流検出回路と、交流電源からの電力の供給及び遮断を切り替える電磁接触器と、直流電圧の平滑用コンデンサを含むＤＣリンク部と、を有し、ＤＣリンク部が充電された状態で、交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への電力の供給を遮断するために電磁接触器をオフした後、スイッチング指令により複数のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御したときに入力電流が検出された場合に、電磁接触器が溶着していると制御回路が判定する、ことを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、交流の入力電圧を直流の電圧に変換するためのＡＣ／ＤＣ変換部を用いて、電源との接続及び遮断を行う電磁接触器が溶着しているか否かを検出する機能を有するモータ駆動装置に関する。
工作機械や産業機械、ロボット等を駆動するモータ制御装置において、入力電源ラインに電磁接触器を設置し、非常停止やアラーム発生時に、電磁接触器をオフしてモータ制御装置を電源から切り離し、電源からのエネルギーの供給を停止することで、モータが動作しないようにする方法が知られている（例えば、特許文献１）。
この従来の方法によると、電磁接触器に過大な電流が流れた場合、接点が溶着し、電源とモータ制御装置との接続を遮断できなくなる恐れがある。このため、機械が停止しエネルギーを消費していない状態で、電磁接触器をオフ／オンし、このときの電磁接触器の補助接点をモニターすることで、電磁接触器の溶着の有無をチェックする方法が一般的にとられる（例えば、特許文献２）。
図１に従来のモータ駆動装置のブロック図を示す。従来のモータ駆動装置１０００は、交流電源２０からリアクトル１０８を介して供給される三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部１０１と、直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサ１０５と、直流電圧をモータ３０の駆動用の交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣ変換部１１０と、を備えている。交流電源２０とＡＣ／ＤＣ変換部１０１との間には電磁接触器１０４が設けられている。電磁接触器１０４は、非常停止やアラーム発生時に、オフ状態とすることにより、モータ制御装置１０００を交流電源２０から切り離し、交流電源２０からモータ制御装置１０００へのエネルギーの供給を停止する。
ＡＣ／ＤＣ変換部１０１は、複数のパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６と、これらに逆並列に接続された複数のダイオードＤ１〜Ｄ６を備えている。複数のパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は制御回路１０２からのスイッチング指令によりＰＷＭスイッチング制御される。電磁接触器１０４には補助接点２０１が設けられており、電磁接触器１０４の溶着の有無を検出回路２０２によって検出する。検出回路２０２による溶着の有無の検出結果は溶着検出判定回路２０３に送信され、電磁接触器１０４が溶着しているか否かを示す電磁接触器溶着判定結果が溶着検出判定回路２０３から出力される。
また、リレーとインバータとの間に設けられた昇圧回路と、インバータに並列接続されたコンデンサと、コンデンサの端子電圧を検出する手段と、を備え、リレーを解裂した状態で昇圧回路の出力を設定最大電圧まで昇圧させたとき、コンデンサの端子電圧が昇圧前より高い場合には、リレーの溶着と判断する装置が知られている（例えば、特許文献３）。しかしながら、昇圧する前にＤＣリンク電圧の値を保持する必要があり、かつ、設定上限の電圧まで昇圧しなければならないという問題がある。
以上のように、従来技術の場合、補助接点付きの電磁接触器が必要となり、かつ、モータ駆動装置、もしくは、外部にて補助接点をモニターするために、検出回路や溶着検出判定回路等の追加回路が必要となりコストアップにつながるという問題がある。
特許第３５０６５９０号公報 特開２００７-１８１８８５号公報 特許第４１２１９７２号公報
本発明の目的は、電磁接触器の補助接点や追加の回路を必要とせず、モータ制御装置に元から備わる機能である入力電流検出回路、パワー素子にスイッチング指令を出力する制御回路、及び、スイッチング指令によりＰＷＭスイッチング可能なパワー素子を持つＡＣ／ＤＣ変換回路を利用することで、コストアップを伴わない溶着チェックを実現することが可能なモータ駆動装置を提供することにある。
本発明の一実施例に係るモータ駆動装置は、複数のパワー素子を備え、該複数のパワー素子のスイッチングにより、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、スイッチング指令により複数のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御する制御回路と、交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への入力電流を検出する電流検出回路と、交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への電力の供給及び遮断を切り替える電磁接触器と、ＡＣ／ＤＣ変換部から出力される直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサを含むＤＣリンク部と、を有し、ＤＣリンク部が充電された状態で、交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への電力の供給を遮断するために電磁接触器をオフした後、制御回路からのスイッチング指令により複数のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御したときに入力電流が検出された場合に、電磁接触器が溶着していると制御回路が判定する、ことを特徴とする。
本発明の一実施例に係るモータ駆動装置によれば、補助接点付きの電磁接触器が不要となり、かつ、追加の検出回路も不要であるため、コストアップを伴わずに電磁接触器の溶着チェックが可能となる。
従来のモータ駆動装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係るモータ駆動装置のブロック図である。 本発明の実施例１に係るモータ駆動装置において、電磁接触器の溶着が無い場合におけるＤＣリンク部の電圧及び交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部へ流れる入力電流の時間的変化を示すグラフである。 本発明の実施例１に係るモータ駆動装置において、電磁接触器の溶着が有る場合におけるＤＣリンク部の電圧及び交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部へ流れる入力電流の時間的変化を示すグラフである。 本発明の実施例１に係るモータ駆動装置により電磁接触器における溶着の有無を検出する手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例２に係るモータ駆動装置のブロック図である。 本発明の実施例３に係るモータ駆動装置のブロック図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るモータ駆動装置について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係るモータ駆動装置について図面を用いて説明する。図２に本発明の実施例１に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例１に係るモータ駆動装置１０１は、複数のパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を備え、該複数のパワー素子のスイッチングにより、交流電源２０から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部１と、スイッチング指令により複数のパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をＰＷＭスイッチング制御する制御回路２と、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への入力電流を検出する電流検出回路３と、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への電力の供給及び遮断を切り替える電磁接触器４と、ＡＣ／ＤＣ変換部１から出力される直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサ５１を含むＤＣリンク部５と、を有し、ＤＣリンク部５が充電された状態で、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への電力の供給を遮断するために電磁接触器４をオフした後、制御回路２からのスイッチング指令により複数のパワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をＰＷＭスイッチング制御したときに入力電流が検出された場合に、電磁接触器４が溶着していると制御回路２が判定することを特徴とする。
電磁接触器４は、交流電源２０とＡＣ／ＤＣ変換部１との間に設けられ、ＡＣ／ＤＣ変換部１と交流電源２０との接続、または接続を遮断するためのスイッチングを行う。電磁接触器４は、通常の状態ではバネの力で接触子が切断状態となっている。一方、電磁接触器４のコイルに電力を供給すると電磁石によりバネの力より強い吸引力が発生し、接触子が接続状態となる。電磁接触器４のコイルへの電力の供給を遮断することにより、バネの力で接触子が切断状態となる。この電磁接触器４の接続または遮断のためのスイッチング動作は制御回路２からの指令（制御信号）に基づいて行われる。なお、電磁接触器４とＡＣ／ＤＣ変換部１との間にはＡＣリアクトル８が設けられている。
ＡＣ／ＤＣ変換部１は交流電圧を直流電圧に変換するコンバータであり、複数のパワー素子として、例えば６つの半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を備え、これらの複数のパワー素子のそれぞれに逆並列に６つのダイオードＤ１〜Ｄ６を備えている。半導体スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のスイッチングは制御回路２からのスイッチング指令に基づいて行われる。
ＡＣ／ＤＣ変換部１から出力された直流電圧はＤＣリンク部５に設けられた平滑用コンデンサ５１で平滑化される。
ＤＣリンク部５で平滑化された直流電圧は、ＤＣ／ＡＣ変換部１０においてモータ３０を駆動するための交流電圧に変換される。ＤＣ／ＡＣ変換部１０としてインバータを用いることができる。
電圧検出回路９はＤＣリンク部５の両端子間の電圧を測定し、測定結果を制御回路２に送信する。
本実施例に係るモータ駆動装置においては、ＡＣ／ＤＣ変換部１でＤＣリンク部５が充電された状態で、電磁接触器４をオフし、制御回路２からのスイッチング指令にて、パワー素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をＰＷＭスイッチングすることにより、ＤＣリンク部５の電圧上昇を試みる。この動作において、電磁接触器４が溶着していなければ、ＤＣリンク部５の電圧を昇圧するためにＡＣ／ＤＣ変換部１に流れ込む入力電流がなく、ＤＣリンク部５の電圧が低下する。これに対して、電磁接触器４が溶着している場合、ＰＷＭスイッチングによりＤＣリンク部５の電圧を昇圧するための入力電流が交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１に流れる。このように、入力電流の大きさを比較することによって、電磁接触器４の溶着の有無を判断することができる。あるいは、電磁接触器が溶着しているときに流れる入力電流とあらかじめ設定した基準値とを比較し、入力電流が基準値以上の場合に電磁接触器４が溶着していると判定するようにしてもよい。
次に、本実施例において、電磁接触器４における溶着の有無を判定する方法について詳細に説明する。まず、電磁接触器４に溶着が無い場合におけるＤＣリンク部５の電圧と、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への入力電流の時間的変化について説明する。図３（ａ）は、本発明の実施例１に係るモータ駆動装置において、電磁接触器に溶着が無い場合におけるＤＣリンク電圧の時間的変化を示し、図３（ｂ）は、同様に電磁接触器に溶着が無い場合における交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への入力電流の時間的変化を示す。
図３（ａ）において、ＤＣリンク部５の充電が行われた後、時刻ｔ1において、制御回路２から電磁接触器４をオフする制御信号を送信し、時刻ｔ2において制御回路２からスイッチング指令を送信しＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子のＰＷＭスイッチングを開始したものとする。このとき、電磁接触器４に溶着が無い場合には、ＤＣリンク部５の平滑用コンデンサ５１では自然放電が行われ、ＤＣリンク部５の電圧は、時刻ｔ1におけるＶ1から時間と共に低下し、時刻ｔ2においてはＶ2まで低下する。一方、図３（ｂ）に示すように、時刻ｔ2においてＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子のＰＷＭスイッチングを開始しても入力電流は流れない。その結果、電磁接触器４によって、交流電源２０とＡＣ／ＤＣ変換部１とは遮断されていることがわかり、電磁接触器４は溶着していないと判断することができる。
次に、電磁接触器４に溶着が有る場合におけるＤＣリンク部５の電圧と、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への入力電流の時間的変化について説明する。図４（ａ）は、本発明の実施例１に係るモータ駆動装置において、電磁接触器に溶着が有る場合におけるＤＣリンク電圧の時間的変化を示し、図４（ｂ）は、同様に電磁接触器に溶着が有る場合における交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への入力電流の時間的変化を示す。
図４（ａ）において、電磁接触器４に溶着が有る場合には、電磁接触器４をオフした時刻ｔ1後においても、ＤＣリンク部５の平滑用コンデンサ５１には交流電源２０から継続して充電が行われ、自然放電によるＤＣリンク電圧の低下を補うため、時刻ｔ1におけるＤＣリンク部５の電圧Ｖ1は、ＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子のＰＷＭスイッチングを開始する時刻ｔ2においてもほとんど低下しない。さらに、時刻ｔ2以降は、ＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子のＰＷＭスイッチングにより、ＤＣリンク部５の電圧は時間と共に増加する。一方、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ2においてＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子のＰＷＭスイッチングを開始すると、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への入力電流が検出される。
このように、時刻ｔ2においてＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子のＰＷＭスイッチングを開始すると、電流検出回路３（図２参照）が交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への入力電流を検出し、検出結果を制御回路２に送信する。制御回路２は電流検出回路３の検出結果に基づいて、電磁接触器４は溶着していると判断することができる。
なお、図３（ｂ）及び図４（ｂ）には、１相分の入力電流の時間的変化を示しているが、これは、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相のいずれの電流であってもよい。また、入力電流を検出するのは１相分の電流には限られず、２相分の電流を検出してもよいし、３相分の電流を検出するようにしてもよい。
また、図２において、電流検出回路３がＲ相及びＳ相に流れる入力電流を検出する例を示しているが、これには限られず、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相のいずれか１相を検出するようにしてもよいし、Ｒ相及びＳ相以外の２相を検出するようにしてもよいし、３相の入力電流を検出するようにしてもよい。
次に、本発明の実施例１に係るモータ駆動回路の動作手順について図５のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、制御回路２から電磁接触器４をオンする制御信号を送信して交流電源２０とＡＣ／ＤＣ変換部１とを接続することにより、ＤＣリンク部５を充電する。具体的には、ＤＣリンク部５に設けられた平滑用コンデンサ５１を充電する。
次に、ステップ１０２において、制御回路２が電磁接触器４をオフする指令を送信することにより、交流電源２０とＡＣ／ＤＣ変換部１との接続を遮断する動作を行う。このとき、電磁接触器４が正常に動作している場合、即ち、電磁接触器４が溶着していない場合には、電磁接触器４の遮断が実行され、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への交流電力の供給が停止する。一方、電磁接触器４が溶着している場合には、電磁接触器４の遮断は実行されず、交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への交流電力の供給が継続される。
次に、ステップＳ１０３において、制御回路２がスイッチング指令を送信することにより、ＡＣ／ＤＣ変換部１のパワー素子をＰＷＭスイッチングし、ＤＣリンク部５の電圧（ＤＣリンク電圧）を昇圧させる。
次に、ステップＳ１０４において、電流検出回路３が交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１への入力電流を検出し、検出結果を制御回路２に送信することによって、制御回路２は交流電源２０からＡＣ／ＤＣ変換部１へ入力電流が流れるか否かを判断する。
ステップＳ１０４において、制御回路２が入力電流は流れていないと判断した場合には、ステップＳ１０５において、制御回路２は、電磁接触器４は正常な状態、即ち、電磁接触器４には溶着が生じていない状態であると判定する。
一方、ステップＳ１０４において、制御回路２が入力電流は流れていると判断した場合には、ステップＳ１０６において、制御回路２は、電磁接触器２には溶着が生じているものと判定する。
以上のように、本発明の実施例１に係るモータ駆動装置によれば、電磁接触器をオンさせてＤＣリンク部を充電した後、電磁接触器をオフする指令を送信し、さらにＡＣ／ＤＣ変換部のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御した場合に、交流電源からＡＣ／ＤＣ変換部への入力電流が流れるか否かを調べることにより電磁接触器の溶着の有無を判定することができる。
［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るモータ駆動装置について図面を用いて説明する。図６に本発明の実施例２に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例２に係るモータ駆動装置１０２は、実施例１に係るモータ駆動装置１０１に加えて、電磁接触器４が溶着しているか否かを表す溶着判定結果を表示するためのモニター６を有する点を特徴としている。実施例２に係るモータ駆動装置１０２のその他の構成は、実施例１に係るモータ駆動装置１０１の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。
制御回路２が判定した電磁接触器４が溶着しているか否かの判定結果をモニター６に表示することにより、電磁接触器４の溶着の有無を迅速にユーザーに知らせることができる。モニター６には、液晶表示装置や、有機ＥＬ表示装置等を用いることができるが、これらには限られず、他の表示方法を用いた表示装置を用いることもできる。
［実施例３］
次に、本発明の実施例３に係るモータ駆動装置について図面を用いて説明する。図７に本発明の実施例３に係るモータ駆動装置のブロック図を示す。本発明の実施例３に係るモータ駆動装置１０３は、実施例１に係るモータ駆動装置１０１に加えて、電磁接触器４が溶着していると判定された場合に、アラームを発生するためのアラーム発生部７を有し、制御回路２は、アラームが発生した場合に、モータ３０の動作を停止する点を特徴としている。実施例３に係るモータ駆動装置１０３のその他の構成は、実施例１に係るモータ駆動装置１０１の構成と同様であるので詳細な説明は省略する。
制御回路２が、電磁接触器４が溶着していると判定した場合に、アラーム発生部７によりアラームを発生することにより電磁接触器４の溶着に対して迅速に対処することが可能となる。アラームの発生手段としては、例えば、音声によるものやランプの発光によるものが挙げられるが、これらには限られず、他の手段を用いてアラームを発生するようにしてもよい。
さらに、制御回路２が、アラームが発生した場合に、モータ３０の動作を停止させるようにすることにより、電磁接触器４の溶着を検出してからモータ３０の停止までの時間を短縮することができ、電磁接触器４の溶着によるモータ３０への影響を最小化することができる。
１ ＡＣ／ＤＣ変換部
２ 制御回路
３ 電流検出回路
４ 電磁接触器
５ ＤＣリンク部
５１ 平滑用コンデンサ
６ モニター
７ アラーム発生部
８ ＡＣリアクトル
９ 電圧検出回路
１０ ＤＣ／ＡＣ変換部
２０ 交流電源
３０ モータ

Claims (3)

  1. 複数のパワー素子を備え、該複数のパワー素子のスイッチングにより、交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、
    スイッチング指令により前記複数のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御する制御回路と、
    交流電源から前記ＡＣ／ＤＣ変換部への入力電流を検出する電流検出回路と、
    交流電源から前記ＡＣ／ＤＣ変換部への電力の供給及び遮断を切り替える電磁接触器と、
    前記ＡＣ／ＤＣ変換部から出力される直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサを含むＤＣリンク部と、を有し、
    前記ＤＣリンク部が充電された状態で、交流電源から前記ＡＣ／ＤＣ変換部への電力の供給を遮断するために前記電磁接触器をオフした後、前記制御回路からのスイッチング指令により前記複数のパワー素子をＰＷＭスイッチング制御したときに前記入力電流が検出された場合に、前記電磁接触器が溶着していると前記制御回路が判定する、
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
  2. 前記電磁接触器が溶着しているか否かを表す溶着判定結果を表示するためのモニターをさらに有する、請求項１に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記電磁接触器が溶着していると判定された場合に、アラームを発生するためのアラーム発生部をさらに有し、
    前記制御回路は、アラームが発生した場合に、モータの動作を停止する、請求項１または２に記載のモータ駆動装置。
JP2014184605A 2014-09-10 2014-09-10 電磁接触器の溶着検出機能を有するモータ駆動装置 Active JP6133827B2 (ja)

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