CN108574449B - 具有功率元件的异常检查功能的电动机驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有功率元件的异常检查功能的电动机驱动装置，具有：整流器，其将来自交流电源的交流电变换为直流电并输出给DC链路；逆变换器，其根据栅极电压对设置于上臂和下臂的各功率元件进行接通断开控制，由此将DC链路的直流电变换为电动机驱动用的交流电并进行输出；电容器，其设置于DC链路；切断电路，其对交流电源与整流器之间的电路进行开闭；恒定电流控制部，其控制成在逆变换器内的功率元件之中的检查对象功率元件中流过恒定电流，该恒定电流以蓄积了直流电的电容器为供给源；异常***，其根据在恒定电流流过检查对象功率元件的期间中检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态，来检查检查对象功率元件的异常。

Description

具有功率元件的异常检查功能的电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及具有功率元件的异常检查功能的电动机驱动装置。
背景技术
在驱动机床、锻造机械、注射成形机、工业机械、或者各种机器人内的电动机的电动机驱动装置中，通过整流器将从交流电源供给的交流电暂时变换为直流电之后再通过逆变换器变换为交流电，将该交流电用作配置给每一驱动轴的电动机的驱动电力。逆变换器由功率元件(半导体开关元件)和具有二极管的开关部的桥接电路构成，通过对功率元件进行接通断开驱动将直流电变换为交流电并对其进行输出，该二极管与功率元件逆并联连接。
当功率元件导通时发热，而过度的发热会带来功率元件的损坏这样的异常。为了检查发热造成的功率元件的异常而需要温度传感器，但是难以将温度传感器直接设置于功率元件的半导体芯片上。
作为不另外设置温度传感器就能检测功率元件温度的装置，例如已知有片上(onchip)温度检测装置，如日本特开2002-289856号公报所记载那样，其特征在于，具有：电流控制型半导体元件，其具有基极端子、集电极端子、发射极端子，在所述基极端子与发射极端子之间具有pn结的二极管；第一单元，当施加于所述基极端子的控制信号为断开时，使比所述电流控制型元件为通常的接通状态的基极电流小的恒定的基极电流流过所述基极端子；以及第二单元，其根据比所述通常的接通状态的基极电流小的恒定的基极电流流过的状态下的所述电流控制型元件的基极与发射极间顺方向电压，检测所述电流控制型元件的温度，使用电流控制型元件为断开状态时的所述pn结的二极管的顺方向电压的温度依存性来进行温度检测。
发明内容
在电动机驱动装置的一个结构要素即逆变换器内设置有多个功率元件。此外，在机床、锻造机械、注射成形机、工业机械、或各种机器人内等中设置多个电动机驱动装置，因此，存在非常多的功率元件。但是，对多个功率元件的每一个半导体芯片设置温度传感器会存在电动机驱动装置的成本增大以及大型化这样的问题。此外，还难以将温度传感器直接设置于功率元件的半导体芯片上，假设即使将温度传感器设置于离开功率元件的半导体芯片的位置(例如收纳功率元件的壳体上等)，也无法准确地测定功率元件的温度。如果无法准确地检查电动机驱动装置内的逆变换器内的功率元件的发热，则错过更换功率元件的时机而导致作业效率降低或发生严重的事故。反之，也可能导致不必要地过早更换还没有热损坏的功率元件这样的情况。因此，希望低成本的实现以下技术：在电动机驱动装置中，能准确地检查功率元件的发热导致的异常。
本公开的一个方式提供一种电动机驱动装置，具有：整流器，其将来自交流电源的交流电变换为直流电并输出给DC链路；逆变换器，其根据施加的栅极电压对设置于上臂和下臂的各功率元件进行接通断开控制，由此将DC链路的直流电变换为用于驱动电动机的交流电并进行输出；电容器，其设置于DC链路中；切断电路，其对交流电源与整流器之间的电路进行开闭；恒定电流控制部，其控制成在逆变换器内的功率元件之中的检查对象功率元件中流过恒定电流，该恒定电流以蓄积了直流电的电容器为供给源；以及异常***，其根据在恒定电流流过检查对象功率元件的期间中检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压变化状态，来检查检查对象功率元件的异常。
附图说明
通过参照以下附图可以进一步明确本发明。
图1是表示一实施方式涉及的电动机驱动装置的图。
图2A和图2B是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的恒定电流控制部的动作例的电路图。
图3是例示功率元件的栅极电压、集电极与发射极之间的电压、集电极电流的关系的图。
图4是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常***内的电压检测部的动作的图。
图5是例示恒定电流流过检查对象功率元件时的检查对象功率元件内部的温度与集电极与发射极之间的电压的关系的图。
图6A是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常检测部进行的异常检测处理的图，例示流过检测对象功率元件的电流。
图6B是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常检测部进行的异常检测处理的图，例示检测对象功率元件内部的温度。
图6C是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常检测部进行的异常检测处理的图，例示检测对象功率元件内部的集电极与发射极之间的电压。
图7是表示一实施方式涉及的电动机驱动装置的动作流程的流程图。
具体实施方式
以下参照附图，对具有功率元件的异常检查功能的电动机驱动装置进行说明。在各附图中，对同样的部件标注同样的参照符号。此外，在不同的附图中标注了相同的参照符号的部件是具有相同功能的结构要素。此外，为了容易理解，这些附图可以适当变更比例尺。
图1是表示一实施方式涉及的电动机驱动装置的图。这里，作为一例，对将交流电源3设为三相，通过电动机驱动装置1来控制三相交流的电动机2的情况进行说明。其中，相数并不特别限定本实施方式，例如也可以是单相。此外，电动机2的种类也并不特别限定本实施方式，例如可以是感应电动机，还可以是同步电动机。
在对一实施方式涉及的伺服电动机驱动装置1进行说明之前，对电动机控制部17进行说明，该电动机控制部17执行针对电动机2的驱动控制。电动机驱动装置1与一般的伺服电动机驱动装置一样，具有电动机控制部17和速度检测部18，对在DC链路的直流电与电动机2的驱动电力或者再生电力即交流电子之间进行电力变换的逆变换器12进行控制。电动机控制部17根据由速度检测部18检测出的电动机2的(转子的)速度(速度反馈)、流过电动机2的线圈的电流(电流反馈)、规定的转矩指令、以及电动机2的动作程序等，生成用于控制电动机2的速度、转矩、或者转子的位置的开关指令。根据由电动机控制部17制作出的开关指令，控制逆变换器12进行的电流变换动作。
如图1所示，一实施方式涉及的电动机驱动装置1具有：整流器11、逆变换器12、电容器13、切断电路14、恒定电流控制部15、异常***16。
整流器11将来自交流电源3的交流电变换为直流电并输出到DC链路。在图1所示的示例中，由于将交流电源3设为三相，因此整流器11构成为三相的整流电路。作为整流器11的示例，存在二极管整流电路、120度通电型整流电路、或者在内部具有功率元件(半导体开关元件)的PWM开关控制方式的整流电路等。
在连接整流器11的直流输出侧和逆变换器12的直流输入侧的DC链路中设置有电容器13。电容器13一般情况下被称为DC链路电容器或平滑电容器，具有在DC链路中蓄积直流电的功能和抑制整流器11的直流输出的脉动量的功能。
逆变换器12根据施加的栅极电压对设置于上臂和下臂的各功率元件进行接通断开控制，由此将DC链路的直流电变换为用于驱动电动机2的交流电并将其输出。逆变换器12由功率元件和与该功率元件逆并联连接的二极管的桥接电路构成。功率元件例如被施加根据PWM开关控制方式制作出的栅极电压而被接通断开控制。另外，在图1所示的示例中，由于将电动机2设为三相交流电动机因此逆变换器12构成为三相逆变器，而在是单相交流电动机的情况下逆变换器12构成为单相逆变器。
在逆变换器12内构成桥接电路的功率元件是根据施加的栅极电压的大小来改变能够导通的电流量的半导体开关元件，作为该示例，存在FET等单晶体管、双晶体管、IGBT、晶闸管、GTO等。FET等单晶体管作为其端子而具有栅极、漏极和源极，双晶体管作为其端子而具有基极、集电极和发射极，IGBT作为其端子而具有栅极、发射极和集电极，晶闸管和GTO作为其端子而具有栅极、阳极和阴极。另外，作为根据施加的“栅极电压”来改变能够导通的电流量的功率元件，在使用双晶体管时，“栅极电压”更换为“基极电压”，来应用本公开涉及的方式。与之同样地，根据使用的功率元件，“漏极”和“源极”或者“阳极”和“阴极”更换为“发射极”和“集电极”，来应用本公开涉及的方式。
在针对电动机2的通常运转模式中，逆变换器12根据从电动机控制部17接收到的开关指令来使内部的功率元件进行开关动作，将经由DC链路而从整流器11供给的直流电变换为用于驱动电动机2的所希望的电压和所希望的频率的交流电(逆变动作)。由此，电动机2根据供给的电压可变和频率可变的交流电进行动作。在相同的通常运转模式中，当在电动机2减速时产生再生电力时，根据从电动机控制部17接收到的开关指令而使内部的功率元件进行开关动作，将通过电动机2产生的交流的再生电力变换为直流电而使其返回到DC链路(顺变动作)。此外，详细情况在后面进行叙述，但是在不是通常运转模式，而是用于检查功率元件的异常的模式(以下称为“诊断模式”)下，逆变换器12通过恒定电流控制部15控制成使微小的恒定电流流过检测对象功率元件。另外，在图1中示出了经由电动机控制部17而进行诊断模式中的恒定电流控制部15进行的恒定电流控制，但也可以对逆变换器12直接进行控制。
切断电路14根据从后述的切断指令部21接收到的指令，对交流电源3与整流器11之间的电路进行开闭。作为切断电路14的示例，存在电磁接触器或继电器等。在针对电动机2的通常运转模式中，与一般的伺服电动机驱动装置一样，当在交流电源3与整流器11之间的电路中产生了过电流时，根据从切断指令部21接收到的指令，使交流电源3与整流器11之间的电路为开路，切断从交流电源3向整流器11供给的交流电。关于诊断模式时的切断电路14的动作将在后面进行叙述。
在执行检查对象功率元件的异常检查处理时，从通常运转模式切换为诊断模式。恒定电流控制部15和异常***16主要在诊断模式中进行动作。另外，例如通过针对与电动机驱动装置1相连接的数值控制装置的操作终端的特定的按键操作、或设置于电动机驱动装置1的操作按钮的按压操作等，来进行从运转模式向诊断模式的切换。
在该诊断模式中，恒定电流控制部15使恒定电流流过检查对象功率元件，异常***16判定检查对象功率元件是否产生异常。从存在于逆变换器12内的多个功率元件中选择检查对象功率元件，对选择出的每一个检查对象功率元件执行恒定电流控制部15和异常***16进行的处理。例如，在诊断模式中，可以从多个功率元件中依次选择检查对象功率元件，对所有的检查对象功率元件依次执行恒定电流控制部15和异常***16进行的处理。该情况下，例如按照软件程序自动执行从多个功率元件中选择检查对象功率元件的处理和恒定电流控制部15与异常***16进行的一连串的处理。此外，例如还可以通过精确定位而从多个功率元件中选择检查对象功率元件来执行恒定电流控制部15与异常***16进行的处理。该情况下，通过针对与电动机驱动装置1相连接的数值控制装置的操作终端的特定的按键操作、或设置于电动机驱动装置1的操作按钮的按压操作等，来进行将多个功率元件中的哪一个选择为检查对象功率元件即可。
恒定电流控制部15控制成使以蓄积了直流电的电容器13为供给源的恒定电流流过逆变换器12内的功率元件中的检查对象功率元件。详细情况在后面进行叙述，而在诊断模式中，异常***16根据流过恒定电流的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态，来对检查对象功率元件的异常进行检查，恒定电流控制部15是用于生成和控制该恒定电流的控制部。在诊断模式时流过检查对象功率元件的恒定电流可以比通常运转模式时流过功率元件的电流略小。
更详细来说，恒定电流控制部15具有：切断指令部21、电流检测部22、栅极电压调整部23。
切断指令部21指令切断电路14进行使交流电源3与整流器11之间的电路为开路或者闭合。在检查功率元件异常的诊断模式中，切断指令部21为了切断从交流电源3向整流器11供给的交流电，而指令切断电路14进行使交流电源3与整流器11之间的电路为开路。另外，如上所述，在针对电动机2的通常运转模式中，与一般的伺服电动机驱动装置一样，当在交流电源3与整流器11之间的电路中产生了过电流时，切断指令部21指令切断电路14进行使交流电源3与整流器11之间的电路为开路。
电流检测部22检测从逆变换器12流向电动机2的电流。另外，电流检测部22也可以兼用作如下电流检测部：检测电动机控制部17控制逆变换器12时所使用的从逆变换器12流向电动机2的电流。
在切断电路14根据切断指令部21的指令切断从交流电源3向整流器11供给的交流电的期间中(即诊断模式中)，栅极电压调整部23根据电流检测部22检测出的电流，对施加于功率元件(以下称为“栅极电压调整对象功率元件”)的栅极电压进行调整，使得恒定电流以蓄积了直流电的电容器13作为供给源而流过检查对象功率元件，其中，该功率元件设置于与设置有检查对象功率元件的相和臂不同的相和臂中。此外，在诊断模式中，检查对象功率元件需要流过电流(即，以蓄积了直流电的电容器13为供给源的恒定电流)，因此，栅极电压调整部23对检查对象功率元件施加能够导通的栅极电压。
关于具有切断指令部21、电流检测部22、以及栅极电压调整部23的恒定电流控制部15进行的恒定电流控制处理的详细情况，将在后面进行叙述。
异常***16根据在恒定电流流过检查对象功率元件期间中(即诊断模式中)的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态，来检查检查对象功率元件的异常。
更详细来说，异常***16具有：电压检测部31、存储部32、判定部33。
电压检测部31检测各功率元件的集电极与发射极之间的电压，特别是，电压检测部31检测出的多个功率元件中的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压被存储于存储部32中，用于判定部33的判定处理。
存储部32对在恒定电流流过检查对象功率元件的期间中(即诊断模式中)由电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态进行存储。如后述那样，由于检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压与功率元件内部的温度成正比，因此在诊断模式中，随着时间经过功率元件内部的温度缓缓降低时电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压也缓缓降低。存储部32随着时间而继续存储该检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态(即电压减少趋势的推移)。存储部32例如由EEPROM(注册商标)等能够电删除和存储的非易失性存储器、或者例如DRAM、SRAM等那样可以高速读写的随机存取存储器构成。或者，存储部32也可以设置于电动机驱动装置1在通常运转模式中驱动电动机2时使用的存储装置的一部分区域中。
在存储于存储部32的、电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态与比检测出该电压的变化状态的期间早的流过恒定电流的期间中(即，比检测出该电压的变化状态的诊断模式早的诊断模式)电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态之间的差异量超过规定阈值时，判定部33判定为在检查对象功率元件中产生了异常。这里，优选的是，上述“比检测出该电压的变化状态的诊断模式早的诊断模式”是逆变换器12接近新品(即功率元件也是新品)的状态时执行的诊断模式。即，新品状态下的逆变换器12对各功率元件执行异常***16进行的处理，关于各功率元件将电压检测部31检测出的集电极与发射极之间的电压的变化状态作为初始信息而预先存储于存储部32。并且，在之后的诊断模式中，异常判定部33将存储于存储部32的电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态与作为初始信息而存储的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态进行比较，当比较结果而得的差异量超过规定阈值时，判定为在检查对象功率元件中产生异常。
另外，判定部33的判定结果被报知给电动机驱动装置1的用户。作为针对用户的报知单元的示例，存在个人电脑、便携终端、触摸面板等显示器或设置于电动机驱动装置1内的数值控制装置(未图示)附属的显示器等，例如通过文字或图案将“在功率元件产生了异常”或者“功率元件正常”这样的判定结果显示于显示器。此外，例如也可以通过语音、扬声器、蜂鸣器、铃等发出声音的音响设备来实现报知单元。或者，也可以采取使用打印机在纸面等打印出来显示的方式。在或者，可以将它们适当组合来实现。
接下来，参照图2A、图2B和图3来对具有切断指令部21、电流检测部22以及栅极电压调整部23的恒定电流控制部15进行的恒定电流控制处理的详细情况进行说明。
图2A和图2B是对一实施方式涉及的电动机驱动装置中的恒定电流控制部的动作例进行说明的电路图。在图2A和图2B中，对于电动机驱动装置1的逆变换器12和电容器13以外的结构要素来说省略附图。此外，图3是例示功率元件的栅极电压、集电极与发射极之间的电压、集电极电流的关系的图。
图2A和图2B所示的逆变换器12构成为三相全桥逆变器。通过SWRU来表示R相上臂的功率元件，通过SWRL来表示R相下臂的功率元件，通过SWSU来表示S相上臂的功率元件，通过SWSL来表示S相下臂的功率元件，通过SWTU来表示T相上臂的功率元件，通过SWTL来表示T相下臂的功率元件。二极管逆并联地与各功率元件相连接。在将多个功率元件中的检查对象功率元件设为R相上臂的功率元件SWRU时，以如下方式来进行恒定电流控制处理。
根据施加的栅极电压的大小来改变能够导通的电流量的半导体开关元件即功率元件具有图3所示那样的电压和电流特性。另外，图3所示的数值终究是一个示例，实际上各功率元件拥有固有值。此外，在图3中，作为一例以5V、10V、15V、20V、25V这样的方式离散地示出了栅极电压VG，当然栅极电压VG并非只局限于这些离散数值，除此之外的值例如5V～10V之间的值也是可以作为栅极电压VG的值。如图3所示，例如在对功率元件施加了5V的栅极电压VG时，集电极与发射极之间的电压VCE为0V～大约2V之间，随着集电极与发射极之间的电压VCE增加，集电极电流IC增加，而当集电极与发射极之间的电压VCE超过大约2V时，集电极电流IC饱和，成为大约25A的恒定电流。例如，在对功率元件施加了10V的栅极电压VG时，集电极与发射极之间的电压VCE为0V～大约4V之间，随着集电极与发射极之间的电压VCE增加，集电极电流IC增加，而当集电极与发射极之间的电压VCE超过大约4V时，集电极电流IC饱和，成为大约90A的恒定电流。此外，例如在对功率元件施加了15V的栅极电压VG时，即使集电极与发射极之间的电压VCE为0V～大约5V之间，集电极电流IC也处于增加趋势。这样，功率元件具有如下特性：根据施加的栅极电压VG的大小和集电极与发射极之间的电压VCE改变集电极电流IC的电流量。因此，在本公开的一方式中，栅极电压调整部23利用该功率元件的特性，调整成恒定电流流过检查对象功率元件。
以蓄积了直流电的电容器13为供给源(产生源)的恒定电流以如下方式生成。
在针对电动机2的通常运转模式中，逆变换器12将经由DC链路从整流器11供给的直流电变换为用于驱动电动机2的所希望的电压和所希望的频率的交流电，而此时在设置于DC链路的电容器13中蓄积有直流电。在从通常运转模式切换为诊断模式时，切断指令部21指令切断电路14使交流电流3与整流器11之间的电路为开路，切断从交流电源3向整流器11供给的交流电。由此，成为在电容器13中蓄积了直流电的状态。并且，通过利用栅极电压调整部23来调整施加给栅极电压调整对象功率元件的栅极电压，由此构成由栅极电压调整对象功率元件、检查对象功率元件、电动机2以及电容器13形成的电流路径，该栅极电压调整对象功率元件设置于与设置有检查对象功率元件的S相上臂不同的相和臂中。恒定电流以蓄积了直流电的电容器13为供给源流动该电流路径。
图2A示出了：作为与设置有检查对象功率元件SWRU的S相不同的相而设置于T相、且作为与设置有检查对象功率元件SWRU的上臂不同的臂而设置于下臂的工件元件SWTL，将该工件元件SWTL作为栅极电压调整对象功率元件的示例。此外，如图2B所示，作为与设置有检查对象功率元件SWRU的S相不同的相而设置于S相，且作为与设置有检查对象功率元件SWRU的上臂不同的臂而设置于下臂的工件元件SWSL也可以成为栅极电压调整对象功率元件。这样，对于一个检查对象功率元件来说，存在两个栅极电压调整对象功率元件。栅极电压调整对象功率元件是这两个中的至少一个即可。
通过栅极电压调整部23进行的如下处理来控制恒定电流的大小。
如图2A所示，栅极电压调整部23在对检查对象功率元件SWRU施加能够导通那样的栅极电压且对功率元件SWTL调整栅极电压时，构成图中粗线虚线所示那样的、由电容器13、检查对象功率元件SWRU、电动机2的R相端子、电动机2的T相端子、以及栅极电压调整对象功率元件SWTL形成的电流路径。结果，以蓄积了直流电的电容器13为供给源(产生源)的电流流过检查对象功率元件SWRU和栅极电压调整对象功率元件SWTL。通过电流检测部22检测流过检查对象功率元件SWRU和栅极电压调整对象功率元件SWTL的电流。因此，栅极电压调整部23调整栅极电压使得由电流检测部22检测的电流为恒定电流。
例如，考虑了在构成图2A所示那样的电流路径的诊断模式中，功率元件SWTL的电压和电流特性如图3所示的情况。作为检查对象功率元件SWRU的集电极电流IC要流过例如25A的恒定电流时，当检查对象功率元件SWRU的集电极与发射极之间的电压VCE为3V时，对栅极电压调整对象功率元件SWTL施加5V的栅极电压VG即可。但是，由于在诊断模式中通过切断电路14切断了来自整流器11供给的直流电，因此随着时间经过电容器13放电，蓄积于电容器13的直流电(换言之电荷)缓缓减少而使电容器13的两端电压缓缓降低，由此，检查对象功率元件SWRU的集电极与发射极之间的电压VCE也缓缓降低。例如，当检查对象功率元件SWRU的集电极与发射极之间的电压降低至1.4V时，施加于栅极电压调整对象功率元件SWTL的栅极电压VG为5V，无法将检查对象功率元件SWRU的集电极电流IC维持为25A的恒定电流。因此，栅极电压调整部23进行将施加于栅极电压调整对象功率元件SWTL的栅极电压VG提升至10V的调整。在检查对象功率元件SWRU的集电极电流IC处于饱和状态期间，栅极电压调整部23维持当时的栅极电压调整对象功率元件SWTL的栅极电压，但是当检查对象功率元件SWRU的集电极电流IC脱离饱和状态时，栅极电压调整部23进行提升栅极电压调整对象功率元件SWTL的栅极电压的调整。这里，说明了使调整图2A所示那样的栅极电压的功率元件为SWTL的示例，但是也可以如图2B所示，在使栅极电压被调整的功率元件为SWSL的情况下也进行同样的调整。即，针对检查对象功率元件SWRU，栅极电压调整对象功率元件即使是SWTL和SWSL某一个的情况下，在栅极电压调整部23进行的调整处理内容中也没有差异。
如上所述，在诊断模式中，随着时间的经过，伴随电容器13的两端电压的降低使得检查对象功率元件SWRU的集电极与发射极之间的电压VCE降低，因此，为了维持流过检查对象功率元件SWRU的集电极电流IC，栅极电压调整部23监视由电流检测部22检测的电流，进行“维持”或“提升”栅极电压调整对象功率元件SWTL的栅极电压这样的调整，使得该电流为恒定电流。另外，如上所述，栅极电压调整对象功率元件是这两个中的至少一个即可，但是作为其变形例，栅极电压调整部23也可以在两个功率元件中定期切换栅极电压调整对象功率元件，该两个功率元件设置于与设置有检查对象功率元件的相和臂不同的相和臂中。该情况下，存在可以抑制诊断模式中的栅极电压调整对象功率元件自身的发热这样的优点。
接下来，参照图4～图6C对具有电压检测部31、存储部32和判定部33的异常***16进行的异常检查处理的详细情况进行说明。
图4是对一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常***内的电压检测部的动作进行说明的图。电压检测部31在诊断模式中对恒定电流流动的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压进行检测。
图5是例示恒定电流流过检查对象功率元件时的检查对象功率元件内部的温度与集电极与发射极之间的电压的关系的图。在诊断模式中，恒定电流流动的检查对象功率元件的温度随着时间的经过而降低，与之相伴地，检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压也持续降低。
一般情况下，功率元件内部的温度与集电极与发射极之间的电压处于以“K因子”(K factor)为比例系数的比例关系。将这些表示为数学式1。
功率元件内部的温度[℃]＝K因子[℃/V]×功率元件的集电极与发射极之间的电压[V]···(1)
若将数学式1变形则获得数学式2。
功率元件的集电极与发射极之间的电压[V]＝功率元件内部的温度[℃]/K因子[℃/V]···(2)
从数学式2可知，功率元件的集电极与发射极之间的电压以K因子的倒数为比例系数，与功率元件内部的温度成正比。也就是说，随着时间的经过功率元件内部的温度缓缓降低时，功率元件的集电极与发射极之间的电压也持续缓缓减少。如果在检查对象功率元件没有异常(即如果没有热损坏)，则认为：即使在不同时期执行的振动模式下，诊断模式中的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的减少趋势也大致相同。但是，当在检查对象功率元件有异常时，在不同时期执行的诊断模式期间，检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的减少趋势产生差异。因此，在本公开的一方式中，异常***16通过对恒定电流流过检查对象功率元件时的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态(电压减少趋势的推移)进行观察，将观察到的电压的变化状态与过去电压的变化状态进行比较，由此对检查对象功率元件的异常进行检查。具体示例如下。
图6A是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常***进行的异常检查处理的图，例示流过检查对象功率元件的电流。图6B是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常***进行的异常检查处理的图，例示检查对象功率元件内部的温度。图6C是说明一实施方式涉及的电动机驱动装置中的异常***进行的异常检查处理的图，是例示检查对象功率元件内部的集电极与发射极之间的电压的图。在图6A、图6B和图6C中作为一例，将从时刻0到时刻t1设为通常运转模式，将从时刻t1到时刻t2设为诊断模式。在通常运转模式中，电流流过功率元件(检查对象功率元件)使其温度上升(图6B)，与该温度成比例的功率元件(检查对象功率元件)的集电极与发射极之间的电压也上升(图6C)。当在时刻t1切换为诊断模式时，通过恒定电流控制部15的控制，切断来自整流器11的直流电的供给，且恒定电流流过检查对象功率元件，该恒定电流以蓄积了直流电的电容器13为供给源。在诊断模式中，由于流过检查对象功率元件的恒定电流比通常运转模式中的电流微小，因此诊断模式中检查对象功率元件内部的温度降低(图6B)，与该温度成比例的功率元件(检查对象功率元件)的集电极与发射极之间的电压也以温度的相同趋势而降低(图6C)。如果在检查对象功率元件没有异常，则认为：即使在不同时期执行的诊断模式下，诊断模式中的检查对象功率元件的集电极额发射极之间的电压的减少趋势也大致相同。但是，当在检查对象功率元件有异常时，在不同时期执行的诊断模式期间，检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的减少趋势产生差异。在图6B中，通过虚线来表示由检查对象功率元件的异常引起的温度的变化状态的、在不同时期执行的诊断模式中产生的差异部分，在图6C中，通过虚线来表示由检查对象功率元件的异常引起的电压的变化状态的、在不同时期执行的诊断模式中产生的差异部分。在本公开的一方式中，异常***16根据该差异量来检查检查对象功率元件的异常。
如上所述，在异常***16中，随着时间对某个诊断模式中恒定电流流过检查对象功率元件时的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态(电压减少趋势的推移)进行观察，将这些存储于存储部32。并且，异常***16内的判定部33将存储于存储部32的、在诊断模式中由电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态与比检测出该电压的变化状态的期间早的流过恒定电流的期间中(即，比检测出该电压的变化状态的诊断模式早的诊断模式)电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态进行比较，计算其差异量。判定部33在通过计算而获得的差异量超过规定阈值时，判定为在检查对象功率元件产生了异常。
另外，例如使用将诊断模式期间中的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压进行时间积分而获得的值来进行判定部33进行的基于检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态的差异量的异常判定处理即可。即，求出将存储于存储部32的在诊断模式中由电压***31检查出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压进行时间积分而得的值与将比该诊断模式早的诊断模式(优选的是检查对象功率元件是新品时的诊断模式)中由电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压进行时间积分而得的值之差，将该差的绝对值用作差异量。当该差异量超过规定的阈值时，判定部33判定为在检查对象功率元件产生了异常。再或者，作为差异量，例如也可以使用功率元件的半导体芯片的冷却时的温度时间常数。
另外，例如通过实验或者通过实际的运用而使电动机驱动装置1动作，对同一规格品的功率元件的使用环境或热损坏的产生频率等数据进行累积，根据该累积数据来适当设定判定部33的判定处理所使用的阈值即可。此时，可以对将实际产生了热损坏时的由电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压进行时间积分而得的值、与将该检查对象功率元件为新品状态时由电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压进行时间积分而得的值之差的绝对值进行计算，将比该绝对值小的值设定为阈值即可。如果使用该阈值来进行判定部33进行的判定处理，则可以在功率元件实际热损坏之前(即产生异常之前)报知用户近期功率元件有可能产生异常。另外，在设定阈值时，可以进一步考虑利用电动机驱动装置1的用户的经验法则和要求。
根据以上说明的本公开的一方式涉及的电动机驱动装置1，可以准确地检查功率元件的发热造成的异常。此外，由于没有使用温度传感器因此成本低。此外，电动机驱动装置1的用户可以根据异常***16的检查结果而在功率元件实际产生异常之前知晓“近期功率元件可能产生异常”。结果，可以在功率元件不能运转之前更换功率元件，不会错过更换功率元件的时机，可以事先防范功率元件的故障和产生严重事故。这样可以在适当的时期更换功率元件，可以削减不必要的设计费用，并且可以减少功率元件的库存。
以上说明的恒定电流控制部15、异常***16和电动机控制部17例如可以以软件程序形式构筑，或者也可以通过各种电子电路与软件程序的组合来构筑。例如在以软件程序形式来构筑恒定电流控制部15、异常***16和电动机控制部17时，设置用于按照该软件程序进行动作的计算机，或使该软件程序在与电动机驱动装置1相连接的数值控制装置内的运算处理装置中动作，由此，可以实现上述各部的功能。再或者，可以将恒定电流控制部15、异常***16和电动机控制部17实现为写入了用于实现各部分功能的软件程序的半导体集成电路。
此外，例如可以是，设置多个电动机驱动装置1，在各电动机驱动装置1的控制***经由通信网络而连接时，在云服务器上共享各电动机驱动装置1中的异常***16的判定结果。
此外，例如可以是，包含具有电动机驱动装置1的机床在内的多个制造单元经由通信网络而连接时，在处于制造元件的上位的单元控制器、或者处于该单元控制器的更上位的生产管理装置共享各电动机驱动装置1中的异常***16的判定结果。
制造单元是灵活组合了用于制造产品的多个机床的集合。制造单元例如由多个或者多种机床构筑，但是制造单元中的机床的个数没有限定。例如，制造单元可以是通过多个机床依次处理某个工件而使其成为最终产品的制造生产线。此外，例如制造单元还可以是在制造工序的中途通过其他机床将由两个以上的机床分别进行了处理的两个以上的工作物(部件)进行组合来完成最终的工作物(部件)的制造生产线。此外，例如还可以是通过将由两个以上的制造单元进行了处理的两个以上的工作物组合来完成最终的工作物(部件)。制造单元与单元控制器例如经由互联网等那样的通信网络能够通信地相互连接。制造单元配置于制造产品的工厂。与之相对地，单元控制器可以配置于配置有制造单元的工厂，或者还可以配置于与工厂不同的建筑内。例如，单元控制器可以配置于配置有制造单元的工厂所在地的其他建筑内。
此外，在单元控制器的上位设置生产管理装置。生产管理装置与单元控制器能够相互通信地连接，将生产计划指示给单元控制器。生产管理装置例如也可以配置于远离工厂的事务所内。该情况下，单元控制器与生成管理装置例如经由互联网的通信网络能够通信地相互连接。
在这样的生产***中，可以使设置于单元控制器或者生产管理装置的显示装置来显示判定为产生了异常的功率元件的识别信息、设置有该功率元件的逆变换器的识别信息、包含该逆变换器的电动机驱动装置1的识别信息、包含该电动机驱动装置1的制造单元的识别信息等。再或者，可以代替显示器装置或者与显示器装置一起通过音响设备产生警报音或蜂鸣来将功率元件的异常检查报知给用户。由此，在工厂活动的作业员或管理员可以容易地在功率元件实际热损坏之前(即产生异常之前)知晓近期功率元件可能产生异常。结果，可以在功率元件不能运转之前更换功率元件，不会错过更换功率元件的时机，可以事先防范功率元件的故障或发生严重事故。
图7是表示一实施方式涉及的电动机驱动装置的动作流程的流程图。
在步骤S101中，对新品状态的逆变换器12的各功率元件执行异常***16进行的处理，对于各功率元件，将电压检测部31检测出的集电极与发射极之间的电压的变化状态作为初始信息而存储于存储部32中。
在步骤S102中，停止电动机驱动装置1进行的电动机2的通常驱动，从运转模式切换为诊断模式。步骤S102以后，电动机驱动装置1处于诊断模式。例如，通过针对与电动机驱动装置1相连接的数值控制装置的操作终端的特定的按键操作、或设置于电动机驱动装置1的操作按钮的按压操作等来进行从运转模式向诊断模式的切换。
在步骤S103中，切断指令部21指令切断电路14使交流电源3与整流器11之间的电路为开路。由此，切断从交流电源3向整流器11供给交流电。
接下来，在步骤S104中，栅极电压调整部23对检查对象功率元件施加能够导通的栅极电压。由此，检查对象功率元件接通。
在步骤S105中，栅极电压调整部23根据电流检测部22检测出的电流，对施加于栅极电压调整对象功率元件的栅极电压进行调整，该栅极电压调整对象功率元件设置于与设置有检查对象功率元件的相和臂不同的相和臂中。由此，恒定电流以蓄积了直流电的电容器13为供给源流过检查对象功率元件。
接下来，在步骤S106中，电压检测部31检测检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压。将检测出的值输送给存储部32。
在步骤S107中，存储部32存储电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态。
接着在步骤S108中，判定部33将存储于存储部32的电压检测部31检测出的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态与存储为初始信息的检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态进行比较，判定比较结果获得的差异量是否超过阈值。
在步骤S108中，当判定为差异量超过阈值时，判定部33判定为在检查对象功率元件产生了异常(步骤S109)。
在步骤S108中，当没有判定为差异量超过阈值时，判定部33判定为检查对象功率元件正常(步骤S110)。
将在步骤S109和步骤S110获得的判定结果报知给电动机驱动装置1的用户。
根据本公开的一方式，可以准确地检查功率元件的发热产生的异常。可以实现低成本的电动机驱动装置。此外，电动机驱动装置的用户可以根据异常***的检查结果，在功率元件实际发生异常之前知晓近期可能在功率元件产生异常。结果，可以在功率元件不能运转之前更换功率元件，不会错过更换功率元件的时机，可以事先防范功率元件的故障或产生严重事故。这样，可以在适当时期更换功率元件，由此可以削减不必要的设计费用，并且可以减少功率元件的库存。

Claims (4)

1.一种电动机驱动装置，其特征在于，具有：
整流器，其将来自交流电源的交流电变换为直流电并输出给DC链路；
逆变换器，其根据施加的栅极电压对设置于上臂和下臂的各功率元件进行接通断开控制，由此将所述DC链路的直流电变换为用于驱动电动机的交流电并进行输出，其中，所述功率元件是根据施加的栅极电压的大小而改变能够导通的电流量的半导体开关元件；
电容器，其设置于所述DC链路中；
切断电路，其对交流电源与所述整流器之间的电路进行开闭；
恒定电流控制部，其控制成在所述逆变换器内的所述功率元件之中的检查对象功率元件中流过恒定电流，该恒定电流以蓄积了直流电的所述电容器为供给源，所述检查对象功率元件被施加了能够导通的栅极电压；以及
异常***，其根据在恒定电流流过所述检查对象功率元件的期间中所述检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压变化状态，来检查所述检查对象功率元件的异常。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述恒定电流控制部具有：
切断指令部，其指令所述切断电路切断从交流电源向所述整流器的交流电供给；
电流检测部，其检测从所述逆变换器流向电动机的电流；以及
栅极电压调整部，其在所述切断电路根据所述切断指令部的指令切断从交流电源向所述整流器的交流电供给的期间中，根据所述电流检测部检测出的电流，调整设置于与设置有所述检查对象功率元件的相和臂不同的相和臂中的功率元件的栅极电压，使得所述恒定电流以蓄积了直流电的所述电容器为供给源而流过所述检查对象功率元件。
3.根据权利要求2所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述栅极电压调整部在设置于与设置有所述检查对象功率元件的相和臂不同的相和臂中的功率元件中定期切换栅极电压被调整的功率元件。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电动机驱动装置，其特征在于，
所述异常***具有：
电压检测部，其检测所述功率元件的集电极与发射极之间的电压；
存储部，其存储在所述恒定电流流过所述检查对象功率元件的期间中所述电压检测部检测出的所述检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态；以及
判定部，在存储于所述存储部的、所述电压检测部检测出的所述检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态与比检测出该电压的变化状态的期间早的流过所述恒定电流的期间中所述电压检测部检测出的所述检查对象功率元件的集电极与发射极之间的电压的变化状态之间的差异量超过规定阈值时，判定为所述检查对象功率元件产生异常。
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