JP6480316B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

サーボモータは、インバータで構成されるモータ制御装置により駆動され、工作機械などに用いられる。工作機械などのように切削液を用いて加工を行う機械は、切削液がモータに付着し、切削液によってはモータ内部に入り込み、モータの絶縁を劣化させるという課題がある。モータの絶縁劣化は徐々に進行し、最終的には地絡に至る。モータが地絡すると、漏電ブレーカをトリップさせたり、モータ制御装置を破損させたりして、システムダウンに至る。システムダウンは、工場の製造ラインに多大な影響を及ぼす。そのため、予防保全の観点から、モータの絶縁抵抗を検出できる装置が望まれている。

下記特許文献１は、モータの絶縁抵抗を検出するための技術について記載している。同文献は、『高温においても、半導体スイッチング素子の漏れ電流の影響を受けずに正確なモータの絶縁抵抗値の測定を可能とするモータ駆動装置を提供する』ことを課題として、『本発明のモータ駆動装置は、コンバータ部と、電源部と、コンデンサとモータコイルとの間に接続された上アームスイッチング素子及びコンデンサとモータコイルとの間に接続された下アームスイッチング素子により直流を交流に変換して複数のモータを駆動する複数のインバータ部と、コンデンサを大地に接続する第２スイッチと、コンデンサと大地との間に流れる電流を測定する電流検出部と、コンデンサの電圧を測定する電圧検出部と、測定対象のモータコイルが接続されたスイッチング素子をオンし、測定対象以外のモータコイルが接続されたスイッチング素子をオンした状態において測定された電流値と電圧値を用いて複数のモータの絶縁抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部と、を有する。』という技術を開示している（要約参照）。

特開２０１５−１６９４７９号公報

特許文献１は、複数のモータの中から特定のモータの絶縁抵抗を測定する場合について記載している。この場合、測定対象以外のモータが接続されている半導体スイッチング素子を経由して流れる漏れ電流の影響を受けずに正確にモータの絶縁抵抗値を測定する必要がある。そこで同文献においては、測定対象以外のモータが接続されたインバータの下アームの半導体スイッチング素子をオン状態にして、測定された電流値と電圧値に基づいて、測定対象のモータの絶縁抵抗を検出している。

特許文献１における電流検出部は、分圧抵抗と電流検出抵抗の直列接続によって構成されており、この分圧抵抗は、モータが地絡していた場合に過大な電流が流れるのを防止するため、大きな抵抗値が選定される。これら抵抗を用いて電流を検出する際に、この電流検出抵抗と分圧抵抗による電圧降下を生じるので、大地とコンデンサの負極側端子との間に電位差が生ずる。測定対象以外のモータが接続されたインバータの下アームの半導体スイッチング素子がオン状態である場合、測定対象以外のモータの絶縁抵抗が低下していると、測定対象のモータの絶縁抵抗を通して流れた電流が、測定対象以外の絶縁抵抗が低下したモータの絶縁抵抗を通してコンデンサの負極側端子に流れることになるので、電流検出抵抗に流れる電流が少なくなる。したがって、測定対象以外のモータに電流が流れた分だけ、測定対象のモータの絶縁抵抗が本来よりも高く検出されてしまう可能性がある。

本発明は、上記課題を解消するためになされたものであり、その目的は、複数のモータの中から特定のモータの絶縁抵抗を測定する場合においても、測定対象以外のモータの絶縁抵抗の低下の影響を受けずに、正確に測定対象のモータの絶縁抵抗値を測定できるモータ制御装置を提供することにある。

本発明に係るモータ制御装置は、絶縁抵抗を検出しないモータに対してアースと同電位の電圧が印加されるように、インバータに対する電圧指令を出力する。

本発明に係るモータ制御装置によれば、測定対象以外のモータの絶縁抵抗が低下していることによる影響を抑制し、正確に測定対象のモータの絶縁抵抗値を測定することができる。

モータ制御装置１００の回路図である。

＜モータ制御装置の回路構成＞
図１は、本発明に係るモータ制御装置１００の回路図である。モータ制御装置１００は複数のモータ（図１においては第１モータ４１０と第２モータ４２０）を駆動制御する装置であり、整流回路１１０、平滑コンデンサ１２０、絶縁抵抗検出部１３０、第１インバータ１４０、第２インバータ１５０を備える。

整流回路１１０は、電磁接触器３００を介して接続された三相交流電源２００から供給される三相交流電圧を全波整流して直流電圧を出力する。平滑コンデンサ１２０は、整流回路１１０の出力を平滑化する。第１インバータ１４０の正側母線と第２インバータ１５０の正側母線はそれぞれ平滑コンデンサ１２０の正極端子に接続され、第１インバータ１４０の負側母線と第２インバータ１５０の負側母線はそれぞれ平滑コンデンサ１２０の負極端子に接続されている。

絶縁抵抗検出部１３０は、各モータが備える絶縁抵抗を検出する機能部である。絶縁抵抗検出部１３０は、電圧検出部１３１、電流検出抵抗１３２、保護抵抗１３３（抵抗値Ｒ２）、電流検出抵抗１３２と保護抵抗１３３との間を接続するリレー、検出制御部１３４を備える。電流検出抵抗１３２は電流を検出するための抵抗であり、抵抗値はＲ１である。保護抵抗１３３は、いずれかのモータが地絡している場合に過大な電流が流れるのを防止するための抵抗であり、抵抗値はＲ２である。電圧検出部１３１は、平滑コンデンサ１２０の両端電圧Ｖ_ＰＮを検出し、検出制御部１３４に対して通知する。検出制御部１３４の動作については後述する。

第１インバータ１４０は、平滑コンデンサ１２０から直流電圧を受け取り、これを所望周波数の交流電圧に変換して第１モータ４１０に対して出力することにより、第１モータ４１０を駆動制御する。第１インバータ１４０は、第１モータ４１０の相毎に設けられたスイッチング素子１４２を、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御回路１４１から出力するＯＮ／ＯＦＦ指令によって制御することにより、所望の電圧を出力する。第２インバータ１５０も同様にＰＷＭ制御回路１５１とスイッチング素子１５２を備え、これらを用いて第２モータ４２０を駆動制御する。

モータ制御装置１００は、通常動作時においては、電磁接触器３００をオンにし、第１インバータ１４０によって第１モータ４１０の回転位置や速度を制御するとともに、第２インバータ１５０によって第２モータ４２０の回転位置や速度を制御する。

モータ制御装置１００は、絶縁抵抗を検出する際には、全てのモータに対する制御動作をいったん停止し、電磁接触器３００を遮断する。検出制御部１３４は、絶縁抵抗検出部１３０のリレーをオンにし、電流検出抵抗１３２と保護抵抗１３３を介して平滑コンデンサ１２０のＮ極を接地する。以下、いずれのモータの絶縁抵抗を検出するかによって場合分けして、絶縁抵抗検出部１３０の動作を説明する。

＜絶縁抵抗を検出する動作：合成抵抗＞
絶縁抵抗検出部１３０は、各モータの絶縁抵抗を個別に検出することもできるが、ユーザとしては作業効率の観点から、まず絶縁抵抗の異常が発生しているか否かを把握し、その後に各モータの絶縁抵抗を検出することにより異常個所を特定する場合もあると考えられる。そこで以下ではまず、第１モータ４１０の絶縁抵抗と第２モータ４２０の絶縁抵抗の合成抵抗を検出する手順を説明する。その後に各モータの絶縁抵抗を検出する手順を説明する。

検出制御部１３４は、ＰＷＭ制御回路１４１と１５１に対してそれぞれ第１電圧指令と第２電圧指令を与えることにより、各インバータを一定のデューティでＰＷＭ駆動する。各相の電圧指令は同じとなるようにする。各ＰＷＭ制御回路は、３相とも同じ電圧指令と三角波を比較し、比較結果に基づき各インバータのスイッチング素子を駆動する。この結果、モータ巻線にはＰＷＭのデューティに応じた平滑コンデンサ１２０の両端電圧が印加される。３相とも同じ電圧が印加されるので、モータは回転しない。

いずれかのモータの絶縁抵抗が劣化している場合は、その劣化した絶縁抵抗、保護抵抗１３３、電流検出抵抗１３２によって閉回路が形成され、これらを通じて電流が流れる。検出制御部１３４は、下記式１により各モータの絶縁抵抗の合成抵抗Ｒ_Ｍを求める。Ｖ_Ｒ１は電流検出抵抗１３２の両端電圧である。ＤＵＴＹは各ＰＷＭ制御回路のデューティである。スイッチング素子における電圧降下が無視できない程度に大きい場合は、その分を式１のＶ_ＰＮから差し引けばよい。
Ｒ_Ｍ＝Ｖ_ＰＮ×ＤＵＴＹ／Ｖ_Ｒ１×Ｒ１−Ｒ１−Ｒ２ （１）

絶縁抵抗検出部１３０は、求めた絶縁抵抗値を例えばユーザが所持する装置に対して送信する。ユーザは、合成絶縁抵抗の値が低い場合は、いずれかのモータの絶縁抵抗が劣化していると想定し、絶縁抵抗検出部１３０に対して各モータの絶縁抵抗値を検出するよう要求する。

＜絶縁抵抗を検出する動作：第１モータ４１０の絶縁抵抗＞
検出制御部１３４は、第１モータ４１０の絶縁抵抗を検出する場合は、ＰＷＭ制御回路１４１に対して一定の電圧指令を与えることにより、第１インバータ１４０を一定のデューティでＰＷＭ駆動する。第１モータ４１０の絶縁が劣化している場合は、劣化した絶縁抵抗、保護抵抗１３３、電流検出抵抗１３２によって閉回路が形成され、これらを通じて電流が流れる。

検出制御部１３４は、下記式２にしたがって、アースＥと平滑コンデンサ１２０の負極端子との間の電圧Ｖ_ＥＮを算出し、ＰＷＭ制御回路１５１（すなわち絶縁抵抗を検出しない第２モータ４２０を駆動する第２インバータ１５０）に対してＶ_ＥＮを電圧指令として与える。これにより、第２モータ４２０のモータ巻線に対して、３相ともアースと同電位の電圧が印加され、第２モータ４２０の絶縁抵抗には電流が流れなくなる。
Ｖ_ＥＮ＝（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１×Ｖ_Ｒ１ （２）

検出制御部１３４は、平滑コンデンサ１２０の直流電圧Ｖ_ＰＮと電流検出抵抗１３２の両端電圧Ｖ_Ｒ１から、下記式３にしたがって第１モータ４１０の絶縁抵抗Ｒ_Ｍ１を求める。
Ｒ_Ｍ１＝Ｖ_ＰＮ×ＤＵＴＹ／Ｖ_Ｒ１×Ｒ１−Ｒ１−Ｒ２ （３）

絶縁抵抗検出部１３０は、求めた絶縁抵抗値を例えばユーザが所持する装置に対して送信する。ユーザは、第１モータ４１０の絶縁抵抗が低い場合は、例えば第１モータ４１０を交換することにより、地絡故障を起因とするシステムダウンを防止する。

＜絶縁抵抗を検出する動作：第２モータ４２０の絶縁抵抗＞
検出制御部１３４は、第２モータ４２０の絶縁抵抗を検出する場合は、ＰＷＭ制御回路１５１に対して一定の電圧指令を与えることにより、第２インバータ１５０を一定のデューティでＰＷＭ駆動する。第２モータ４２０の絶縁が劣化している場合は、劣化した絶縁抵抗、保護抵抗１３３、電流検出抵抗１３２によって閉回路が形成され、これらを通じて電流が流れる。

検出制御部１３４は、式２にしたがって電圧Ｖ_ＥＮを算出し、ＰＷＭ制御回路１４１（すなわち絶縁抵抗を検出しない第１モータ４１０を駆動する第１インバータ１４０）に対してＶ_ＥＮを電圧指令として与える。これにより、第１モータ４１０のモータ巻線に対して、３相ともアースと同電位の電圧が印加され、第１モータ４１０の絶縁抵抗には電流が流れなくなる。

検出制御部１３４は、平滑コンデンサ１２０の直流電圧Ｖ_ＰＮと電流検出抵抗１３２の両端電圧Ｖ_Ｒ１から、下記式４にしたがって第２モータ４２０の絶縁抵抗Ｒ_Ｍ２を求める。
Ｒ_Ｍ２＝Ｖ_ＰＮ×ＤＵＴＹ／Ｖ_Ｒ１×Ｒ１−Ｒ１−Ｒ２ （４）

絶縁抵抗検出部１３０は、求めた絶縁抵抗値を例えばユーザが所持する装置に対して送信する。ユーザは、第２モータ４２０の絶縁抵抗が低い場合は、例えば第２モータ４２０を交換することにより、地絡故障を起因とするシステムダウンを防止する。

＜本発明のまとめ＞
以上説明したように、本発明に係るモータ制御装置１００は、複数のモータの中から特定のモータの絶縁抵抗を測定する場合において、モータが地絡していても過大な電流が流れることを防止できる。また、モータ巻線には３相とも同じ電圧が印加されるので、モータが回転してモータの誘起電圧により絶縁抵抗の検出結果が影響を受けることがなく、絶縁抵抗を正確に検出することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

以上の説明においては、モータが２つである場合について説明したが、モータが３つ以上である場合についても同様に本発明の構成を適用することができる。すなわち、絶縁抵抗を検出しないモータを駆動するインバータに対してモータのアース端子と同電位の電圧指令を与えることにより、上記と同様の動作を実現することができる。

以上の説明において三相交流電源２００を用いたが、単相交流電源を用いてもよい。電磁接触器３００に代えて他の交流スイッチを用いてもよい。整流回路１１０は、ＰＷＭコンバータなどのような電源に対して回生できる回路を用いてもよい。その場合は、ＰＷＭコンバータも停止させて計測する。また、交流電源の代わりにバッテリなどの直流電源を用いてもよい。その場合は、電磁接触器３００をオフにする必要はなくなる。

以上の説明において、絶縁抵抗を検出しないモータを駆動するインバータについて、３相のうち１相もしくは２相をＰＷＭ駆動するようにしてもよい。

以上の説明において、３相インバータによって３相モータを駆動する例を説明したが、単相インバータによって単相モータを駆動する場合においても同様に本発明の構成を適用することができる。

絶縁抵抗検出部１３０は、電流検出抵抗１３２の代わりにホールセンサなどの電流を検出する機器を用いてもよい。その場合は、保護抵抗１３３の電圧を用いてＶ_ＥＮを算出することができる。

検出制御部１３４は、その機能を実現する回路デバイスなどのハードウェアを用いて実装することもできるし、同等の機能を実装したソフトウェアをプロセッサが実行することにより実装することもできる。

絶縁抵抗検出部１３０が求めた絶縁抵抗値は、例えばその値を画面表示することによってユーザへ通知することもできるし、データとして適当な通信路を介して送信することもできる。あるいは絶縁抵抗値を表す電気信号などの形態で適当な出力端子を介して出力することもできる。モータ制御装置１００は、絶縁抵抗値の出力形態に応じて適切な出力部を備えることができる。

１００：モータ制御装置、１１０：整流回路、１２０：平滑コンデンサ、１３０：絶縁抵抗検出部、１４０：第１インバータ、１５０：第２インバータ、２００：三相交流電源、３００：電磁接触器、４１０：第１モータ、４２０：第２モータ。

Claims (8)

1. 第１および第２モータを駆動制御するモータ制御装置であって、
   前記第１および第２モータに対して交流電力を供給するインバータ、
   前記第１および第２モータの絶縁抵抗を検出する絶縁抵抗検出部、
   を備え、
   前記絶縁抵抗検出部は、前記第２モータの絶縁抵抗を検出するときは、前記インバータが前記第１モータを駆動する際の前記インバータに対する第１電圧指令として前記第１モータのアース端子の電位を出力した上で前記第２モータの絶縁抵抗を検出し、
   前記絶縁抵抗検出部は、前記第１モータの絶縁抵抗を検出するときは、前記インバータが前記第２モータを駆動する際の前記インバータに対する第２電圧指令として前記第２モータのアース端子の電位を出力した上で前記第１モータの絶縁抵抗を検出する
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記モータ制御装置はさらに、交流電力を直流電力に変換して前記インバータに対して供給する平滑回路を備え、
   前記平滑回路と前記インバータはそれぞれ共通の母線に対して接続されており、
   前記絶縁抵抗検出部は、前記第１モータの絶縁抵抗を検出するときは、前記平滑回路の負母線電位とグラウンド電位との間の差分を前記第２電圧指令として出力した上で前記第１モータの絶縁抵抗を検出し、
   前記絶縁抵抗検出部は、前記第２モータの絶縁抵抗を検出するときは、前記平滑回路の負母線電位とグラウンド電位との間の差分を前記第１電圧指令として出力した上で前記第２モータの絶縁抵抗を検出する
   ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記絶縁抵抗検出部は、第１および第２抵抗を備え、
   前記第１抵抗の一端は、前記平滑回路と前記インバータの負母線に対して接続されており、
   前記第２抵抗の一端は前記第１抵抗の他端に対して接続されるとともに、前記第２抵抗の他端は接地されており、
   前記絶縁抵抗検出部は、前記第１モータの絶縁抵抗を検出するときは、前記第１モータを駆動させることにより前記第１抵抗の両端に生じる両端電圧を計測し、その両端電圧を用いて前記平滑回路の負母線電位とグラウンド電位との間の差分を算出し、
   前記絶縁抵抗検出部は、前記第２モータの絶縁抵抗を検出するときは、前記第２モータを駆動させることにより前記第１抵抗の両端に生じる両端電圧を計測し、その両端電圧を用いて前記平滑回路の負母線電位とグラウンド電位との間の差分を算出する
   ことを特徴とする請求項２記載のモータ制御装置。
4. 前記絶縁抵抗検出部は、前記第１抵抗の両端電圧、および前記第１抵抗の抵抗値と前記第２抵抗の抵抗値の比に基づき、前記平滑回路の負母線電位とグラウンド電位との間の差分を算出し、その算出結果を前記第１または第２電圧指令として出力する
   ことを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
5. 前記絶縁抵抗検出部は、前記平滑回路の両端電圧、前記第１抵抗の両端電圧、前記第１抵抗の抵抗値、および前記第２抵抗の抵抗値に基づき、前記第１または第２モータの絶縁抵抗を算出する
   ことを特徴とする請求項４記載のモータ制御装置。
6. 前記第１および第２モータは、３相交流モータとして構成されており、
   前記モータ制御装置は、前記インバータに対して電圧指令を出力する制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記絶縁抵抗検出部が前記第１または第２モータのいずれか一方の絶縁抵抗を検出する間は、前記第１または第２モータの他方の３相全てについて同じ電圧指令値を出力する
   ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
7. 前記制御回路は、前記絶縁抵抗検出部が前記第１モータの絶縁抵抗と前記第２モータの絶縁抵抗の合成抵抗を検出する間は、前記第１モータの３相全てについて同じ電圧指令値を出力するとともに、前記第２モータの３相全てについて同じ電圧指令値を出力する
   ことを特徴とする請求項６記載のモータ制御装置。
8. 前記モータ制御装置は、前記絶縁抵抗検出部が検出した絶縁抵抗値を出力する出力部を備える
   ことを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。

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