JP6420381B2

JP6420381B2 - モータ駆動装置

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Publication number: JP6420381B2
Application number: JP2017010271A
Authority: JP
Inventors: 友和吉田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2037-01-24
Also published as: DE102018200907A1; CN108347213A; JP2018121408A; US11128252B2; US20180212549A1; CN108347213B

Description

本発明は、電源入力部の異常検出機能を有するモータ駆動装置に関する。

工作機械、産業機械、鍛圧機械、射出成形機、あるいは各種ロボット内のモータを駆動するモータ駆動装置が知られている。図２は、このようなモータ駆動装置の一例を示す図である。図２に示すモータ駆動装置１Ｘは、交流電源２からの三相交流電力を直流電力に変換する順変換器１１と、順変換器１１からの直流電力を三相交流電力に変換する逆変換器１２とを備え、三相交流電力をモータ３に供給する。順変換器１１と逆変換器１２との間のＤＣリンクには、ＤＣリンクコンデンサ１３が設けられている。

特許文献１〜３は、このようなモータ駆動装置において、自装置の異常を検出する技術を開示している。特許文献１には、ＤＣリンク部とインバータ部（図２の逆変換器１２に相当）を接続するショートバーの断線を検出する技術が記載されている。

また、特許文献２には、印加された電圧値又は流れた電流値に基づいて、自装置の異常を検出する技術が記載されている。さらに、特許文献２には、異常の累積発生回数と、自装置に印加されたピーク電圧値又は自装置に流れたピーク電流値と、これらのピーク電圧値又はピーク電流値の時間変化とのうちの少なくとも１つに基づいて自装置の電源投入を禁止することにより、自装置の周辺機器の二次破損も防止することが記載されている。

また、特許文献３には、整流ダイオード（図２の順変換器１１に相当）の短絡故障を検出する技術が記載されている。さらに、特許文献３には、整流ダイオードの短絡故障と区別して、三相交流電源の１相のみの欠相を検出することが記載されている。

特開２０１５−１５４５６６号公報特開２０１６−１００９７７号公報特開２０１５−０４６９６２号公報

ところで、図２に示すように、モータ駆動装置１Ｘの前段の電源入力部（すなわち、モータ駆動装置１Ｘと交流電源２との間の電源入力部）４には、ブレーカ５Ａ及び／又は電磁接触器５Ｂ等の機器５が設けられることがある。

このような場合、機器５の故障に起因して、交流電源２からの交流電力がモータ駆動装置１Ｘに供給されなくなることがある。この場合、モータ駆動装置１Ｘは、機器５の故障を自装置の故障として検出してしまう。例えば、モータ駆動装置１Ｘは、モータ加速時に、機器５の故障を、自装置のＤＣリンクコンデンサ１３の電圧低下として検出してしまう。また、モータ駆動装置１Ｘは、モータ減速時に、機器５の故障を、自装置のＤＣリンクコンデンサ１３の電圧上昇として検出してしまう。

このように、従来のモータ駆動装置１Ｘでは、モータ駆動装置１Ｘと交流電源２との間の電源入力部４に設けられた機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を検出することができなかった。なお、特許文献１〜３に記載のモータ駆動装置も、モータ駆動装置と交流電源との間の電源入力部に設けられた機器の故障を検出するものではない。

そこで、本発明は、電源入力部の異常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。

（１）本発明に係るモータ駆動装置（例えば、後述のモータ駆動装置１）は、自装置と電源（例えば、後述の交流電源２）との間の電源入力部（例えば、後述の電源入力部４）の異常検出機能を有するモータ駆動装置であって、前記電源からの交流電力を前記電源入力部を介して入力し、前記交流電力を直流電力に変換する順変換器（例えば、後述の順変換器１１）と、前記順変換器からの前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器（例えば、後述の逆変換器１２）と、前記順変換器と前記逆変換器との間のＤＣリンクに設けられたＤＣリンクコンデンサ（例えば、後述のＤＣリンクコンデンサ１３）と、前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部（例えば、後述の電圧検出部１４）と、前記電圧検出部で検出した電圧値に基づいて、前記ＤＣリンクコンデンサの所定時間における電圧変化量を求め、求めた前記電圧変化量に基づいて前記電源入力部の異常検出を行う異常検出部（例えば、後述の異常検出部１６）とを備える。

（２）（１）に記載のモータ駆動装置において、前記電圧変化量は、単位時間当たりの電圧変化量であってもよい。

（３）（１）又は（２）に記載のモータ駆動装置は、前記電源入力部の異常を検出するための閾値を予め記憶する記憶部（例えば、後述の記憶部１５）をさらに備えてもよく、前記異常検出部は、前記電圧変化量が前記閾値よりも大きい場合に、前記電源入力部が異常であることを検出してもよい。

（４）（３）に記載のモータ駆動装置において、前記記憶部は、外部から前記閾値を書き換え可能であってもよい。

本発明によれば、電源入力部の異常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ができる。

本発明の実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。従来のモータ駆動装置の回路構成を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るモータ駆動装置の回路構成を示す図である。図１に示すモータ駆動装置１は、商用の三相交流電源２からの三相交流電力を入力し、モータ３を駆動する。なお、交流電源２は、三相交流に限定されず、例えば、単相交流であってもよい。

モータ駆動装置１と交流電源２との間の電源入力部４には、ブレーカ５Ａ及び電磁接触器５Ｂ等の機器５が設けられている。

モータ駆動装置１は、順変換器１１と、逆変換器１２と、ＤＣリンクコンデンサ１３と、電圧検出部１４と、記憶部１５と、異常検出部１６とを備える。

順変換器１１は、交流電源２からの交流電力を直流電力に変換する。順変換器１１は、例えば、パワー半導体素子及びパワー半導体素子に逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路を有するダイオード整流コンバータ又はＰＷＭコンバータで構成される。

逆変換器１２は、順変換器１１からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力をモータ３に供給する。逆変換器１２は、例えば、パワー半導体素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードを有するブリッジ回路から構成される。逆変換器１２は、これらのパワー半導体素子を制御部（図示せず）からの指令によりオンオフ制御（例えばＰＷＭ制御）することにより、直流電圧を所望の波形及び周波数の交流電圧に変換する。

また、逆変換器１２は、モータ３から回生される交流電力を直流電力に変換して、この直流電力を逆変換器１２と順変換器１１との間のＤＣリンクに供給する。

ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１と逆変換器１２との間のＤＣリンクに設けられている。ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１からの直流電力、及び、逆変換器１２からの直流電力（回生電力）を蓄える。また、ＤＣリンクコンデンサ１３は、順変換器１１又は逆変換器１２によって変換された直流電圧を平滑化する。

電圧検出部１４は、ＤＣリンクコンデンサ１３と並列に設けられ、ＤＣリンクコンデンサ１３の両端電圧を検出する。電圧検出部１４としては、例えば、既存の電圧検出回路を用いることができる。

記憶部１５は、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を検出するための閾値を予め記憶する。より具体的には、記憶部１５は、機器５の故障に起因するＤＣリンクコンデンサ１３の急峻な電圧変化を検出するための閾値を予め記憶する。

閾値は、例えば、ＤＣリンクコンデンサ１３に蓄えられているエネルギーと、モータ３の加減速動作に必要なエネルギーとに基づく単位時間あたりの電圧変化量に基づいて設定される。より具体的には、まずＤＣリンクコンデンサ１３のみからモータ３に加速エネルギーが供給される場合、又は、モータ３からＤＣリンクコンデンサ１３のみに減速エネルギーが吸収される場合におけるＤＣリンクコンデンサ１３の電圧変化量を求め、閾値の目安として設定する。

記憶部１５は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。これにより、記憶部１５は、例えばコンピュータ等の外部機器によって閾値を書き換え可能である。また、記憶部１５は、異常検出部１６の各種機能を実現するための所定のソフトウェア（プログラム）を格納する。

異常検出部１６は、電圧検出部１４で検出された電圧値に基づいて、ＤＣリンクコンデンサ１３の単位時間当たりの電圧変化量を求める。異常検出部１６は、求めた電圧変化量に基づいて、機器５の故障検出（すなわち、電源入力部４の異常検出）を行う。より具体的には、異常検出部１６は、求めた電圧変化量が記憶部１５の閾値よりも大きい場合に、機器５が故障したこと（すなわち、電源入力部４が異常であること）を検出する。

異常検出部１６は、例えば、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。異常検出部１６の機能は、記憶部１５に格納された所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。異常検出部１６の機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

次に、モータ駆動装置１による機器５の故障検出動作（すなわち、電源入力部４の異常検出動作）を説明する。

まず、機器５が正常である場合、モータ３の加速時に必要な加速エネルギーの大部分は交流電源２から供給される。また、モータ３の減速時に生じる減速エネルギーの大部分は交流電源２に回生される。

次に、機器５の故障に起因して交流電源２からの交流電力がモータ駆動装置１Ｘに供給されなくなる場合に、モータ３の加速が行われると、モータ３の加速エネルギーはＤＣリンクコンデンサ１３のみから供給されることになる。しかし、一般にＤＣリンクコンデンサ１３の容量は電源容量と比較して小さいため、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧は一瞬で低下する。

異常検出部１６は、このときの急峻な電圧変化量（電圧低下量）に基づいて、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を検出する。具体的には、異常検出部１６は、電圧検出部１４で検出された電圧値に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の単位時間当たりの電圧変化量（電圧低下量）を求め、求めた電圧変化量が記憶部１５の閾値よりも大きいときに、機器５が故障したこと（すなわち、電源入力部４が異常であること）を検出する。

一方、機器５の故障に起因して交流電源２からの交流電力がモータ駆動装置１Ｘに供給されなくなる場合に、モータ３の減速（回生）が行われると、モータ３の減速エネルギーはＤＣリンクコンデンサ１３のみに蓄えられることになる。しかし、上述したように、ＤＣリンクコンデンサ１３の容量は電源容量と比較して小さいため、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧は一瞬で上昇する。

異常検出部１６は、このときの急峻な電圧変化量（電圧上昇量）に基づいて、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を検出する。具体的には、異常検出部１６は、電圧検出部１４で検出された電圧値に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の単位時間当たりの電圧変化量（電圧上昇量）を求め、求めた電圧変化量が記憶部１５の閾値よりも大きいときに、機器５が故障したこと（すなわち、電源入力部４が異常であること）を検出する。

以上説明したように、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、モータ３の加速時のＤＣリンクコンデンサ１３の急峻な単位時間当たりの電圧変化量（電圧低下量）、又は、モータ３の減速時のＤＣリンクコンデンサ１３の急峻な単位時間当たりの電圧変化量（電圧上昇量）に基づいて、交流電源２からの交流電力がモータ駆動装置１に供給されなくなった状態、すなわち機器５の故障（すなわち、モータ駆動装置１と交流電源２との間の電源入力部４の異常）を検出することができる。

ところで、図２に示す従来のモータ駆動装置１Ｘのように、機器５の故障が自装置の故障として検出されると、メンテナンス業者は、モータ駆動装置１Ｘが正常であるにも関わらず、モータ駆動装置１Ｘが故障したと誤認識してしまう。その結果、メンテナンス業者は、故障の原因調査をモータ駆動装置１Ｘから開始することとなり、故障の真原因の特定に時間がかかってしまう。また、その間、モータ駆動装置１Ｘで駆動される機械の稼動が停止されるので、機械の稼働率が低下してしまう。

さらには、故障の原因を解明できない場合には、メンテナンス業者は、モータ駆動装置１Ｘ自体を交換することがある。しかし、モータ駆動装置は正常であるので、このようなメンテナンスの工数は無駄である。

これに対して、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、メンテナンス業者は、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を速やかに認識、解明することができ、故障の真原因の特定に時間を要さない。その結果、モータ駆動装置１で駆動される機械の稼働率の低下を抑制することができる。

さらには、本実施形態のモータ駆動装置１によれば、正常なモータ駆動装置が交換されることがなく、メンテナンスの工数を削減することができる。

また、本実施形態のモータ駆動装置１において、閾値は、外部機器によって書き換え可能であるため、モータ駆動装置１は、一旦、値を設定した後であっても、閾値を適切な値に変更することができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、ＤＣリンクコンデンサ１３の単位時間当たりの電圧変化量に基づいて、モータ３の加速時又は減速時に機器５の故障（電源入力部４の異常）を検出した。第２実施形態では、ＤＣリンクコンデンサ１３の所定時間における電圧変化量に基づいて、モータ３の加速時又は減速時に加えてモータ３の定速動作時にも機器５の故障（電源入力部４の異常）を検出する。

第２実施形態に係るモータ駆動装置１の構成は、図１に示す第１実施形態のモータ駆動装置１の構成と同一である。なお、第２実施形態に係るモータ駆動装置１では、異常検出部１６の機能及び動作、及び、記憶部１５に記憶する閾値が第１実施形態のモータ駆動装置１と異なる。

記憶部１５は、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）に起因するＤＣリンクコンデンサ１３の所定時間における電圧変化を検出するための閾値を予め記憶する。閾値は、例えば、ＤＣリンクコンデンサ１３に蓄えられているエネルギーと、モータ３の定速動作に必要なエネルギーとに基づく単位時間あたりの電圧変化量に基づいて設定される。より具体的には、ＤＣリンクコンデンサ１３のみから、所定時間においてモータ３に定速動作に必要なエネルギーが供給される場合におけるＤＣリンクコンデンサ１３の電圧変化量を求め、閾値の目安として設定する。

異常検出部１６は、電圧検出部１４で検出された電圧値に基づいて、ＤＣリンクコンデンサ１３の所定時間における電圧変化量を求める。異常検出部１６は、求めた電圧変化量に基づいて、機器５の故障検出（すなわち、電源入力部４の異常検出）を行う。より具体的には、異常検出部１６は、求めた電圧変化量が記憶部１５の閾値よりも大きい場合に、機器５が故障したこと（すなわち、電源入力部４が異常であること）を検出する。

機器５の故障に起因して交流電源２からの交流電力がモータ駆動装置１Ｘに供給されなくなる場合、モータ３の定速動作時にも、モータ３の定速動作に必要なエネルギーがＤＣリンクコンデンサ１３のみから供給されることになる。このとき、ＤＣリンクコンデンサ１３の電圧は、モータ負荷に応じて低下する。

異常検出部１６は、このときの所定時間における電圧変化量（電圧低下量）に基づいて、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を検出する。具体的には、異常検出部１６は、電圧検出部１４で検出された電圧値に基づいてＤＣリンクコンデンサ１３の所定時間における電圧変化量（電圧低下量）を求め、求めた電圧変化量が記憶部１５の閾値よりも大きいときに、機器５が故障したこと（すなわち、電源入力部４が異常であること）を検出する。

なお、モータ３の加速時及び減速時には、より急峻な電圧変化が生じるため、機器５が故障したこと（すなわち、電源入力部４が異常であること）を検出可能である。その動作については、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

この第２実施形態のモータ駆動装置１でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第２実施形態のモータ駆動装置１によれば、モータ３の加速時及び減速時のみならず、モータ３の定速動作時にも機器５の故障（すなわち、モータ駆動装置１と交流電源２との間の電源入力部４の異常）を検出することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、異常検出部１６は、求めた電圧変化量と予め記憶した閾値とを比較することにより、機器５の故障（すなわち、モータ駆動装置１と交流電源２との間の電源入力部４の異常）を検出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、異常検出部１６は、電圧値が変化（低下又は上昇）したときに、機器５の故障（すなわち、電源入力部４の異常）を検出してもよい。

また、上述した実施形態では、モータ駆動装置１と交流電源２との間の電源入力部４の異常検出として、電源入力部４に設けられるブレーカ５Ａ及び電磁接触器５Ｂ等の機器５の故障検出を例示した。しかし、本発明はこれに限定されず、電源入力部４に設けられる電源トランス等の機器の故障検出、又は、ケーブル等の部材の断線検出にも適用可能である。

１，１Ｘモータ駆動装置
２交流電源
３モータ
４電源入力部
５機器
５Ａブレーカ
５Ｂ電磁接触器
１１順変換器
１２逆変換器
１３ＤＣリンクコンデンサ
１４電圧検出部
１５記憶部
１６異常検出部

Claims

自装置と電源との間の電源入力部の異常検出機能を有するモータ駆動装置であって、
前記電源からの交流電力を前記電源入力部を介して入力し、前記交流電力を直流電力に変換する順変換器と、
前記順変換器からの前記直流電力を交流電力に変換する逆変換器と、
前記順変換器と前記逆変換器との間のＤＣリンクに設けられたＤＣリンクコンデンサと、
前記ＤＣリンクコンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した電圧値に基づいて、前記ＤＣリンクコンデンサの単位時間当たりの電圧変化量を求め、求めた前記電圧変化量に基づいて前記電源入力部の異常検出を行う異常検出部と、
を備えるモータ駆動装置。
前記電源入力部の異常を検出するための閾値を予め記憶する記憶部をさらに備え、
前記異常検出部は、前記電圧変化量が前記閾値よりも大きい場合に、前記電源入力部が異常であることを検出する、
請求項１に記載のモータ駆動装置。
前記記憶部は、外部から前記閾値を書き換え可能である、
請求項２に記載のモータ駆動装置。