JP2002345147A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用環境に応じて高精度で遅れのないモータ
の過負荷検出ができるようにしたモータ制御装置を提供
すること。 【解決手段】 過負荷検出対象となるモータについて、
内部損失による発熱量Ｑｍと、他の要因による発熱量Ｑ
ｓ、モータの捲線などが持つ熱容量Ｃｍ、モータの内部
からモータの表面までの熱伝達経路における熱抵抗Ｒ
ｍ、モータの表面から外気に至る熱伝達経路における熱
抵抗周囲温度Ｔａからなるモータの熱モデルを用い、こ
の熱モデルからモータの内部温度Ｔｉと表面温度Ｔｓを
計算し、これらが所定の上限値Ｔｉmax、Ｔｓmax を越
えたとき、過負荷状態と判定するようにしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、過負荷保護機能を
備えたモータの制御装置に係り、特に過負荷検出を制御
装置側で行なう方式のモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年は、過負荷保護機能を備えたモータ
が多くなっているが、このとき、サーボモータなど、制
御装置によって制御されるモータの場合は、その過負荷
検出を制御装置側で行うようにした、いわゆる電子サー
マル方式が一般に用いられている。

【０００３】この場合、従来技術としては、モータの出
力トルク、或いはモータに供給されている電流を積分
し、積分値が一定レベルを越えたとき、過負荷として検
出する方法が知られている。

【０００４】一方、特開平０９−０８４２５３号公報で
は、モータの電流と電圧からモータの温度に依存して変
化する巻線の抵抗値を求め、補正した抵抗値を用いて発
熱量を修正し、過負荷検出の時間を速くする方法につい
て開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、過負
荷検出精度について配慮がされているとは言えず、的確
な保護機能の付与に問題があった。例えば、従来技術て
ば、出力トルクや電流だけからモータ負荷状態を検出し
ているため、周囲温度の状況やモータの放熱状態による
影響が加味されない。

【０００６】このため、まだ温度的に余裕があるにもか
かわらず過負荷であると検出してしまい、本来の性能が
十分に発揮できなくなってしまったり、反対に、周囲の
環境条件が厳しい場合には、モータの温度が上り過ぎ、
モータに焼損の虞れが生じてしまうという問題があっ
た。

【０００７】また、モータの捲線抵抗から温度を検出す
る方式の従来技術の場合、モータの電流や電圧の正確な
検出を要するため、実際には検出精度の面で問題があっ
た。本発明は、十分にモータの性能が引き出せ、かつ焼
損などの虞れのない過負荷検出が得られるようにしたも
ので、その目的は、使用環境に応じて高精度で遅れのな
いモータの過負荷検出ができるようにしたモータ制御装
置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、モータの過
負荷状態を、当該モータに想定した熱モデルから検出す
る方式のモータ制御装置において、前記モータの巻線抵
抗と巻線電流により決定されるモータ内部の発熱量を第
１の電圧源、前記モータの内部の熱容量を容量分、前記
モータ内部の熱抵抗を第１の抵抗分、前記モータから周
囲空間への熱抵抗を第２の抵抗分、それに周囲温度を第
２の電圧源とし、前記容量分は前記第１の電圧源に並列
接続し、前記第１の電圧源と前記第２の電圧源の間に前
記第１と第２の抵抗分を直列に接続した等価回路で前記
熱モデルを想定し、前記第１の電圧源と前記第１の抵抗
分の接続点に現れる電圧を前記モータの内部温度とし、
前記第１と第２の抵抗分の間の接続点に現れる電圧を前
記モータの表面温度として前記モータの過負荷検出を行
うようにして達成される。

【０００９】このとき、前記モータの巻線抵抗と、前記
モータの内部の熱容量、前記モータ内部の熱抵抗、前記
モータから周囲空間への熱抵抗、それに周囲温度がパラ
メータとして設定できる入力手段が設けられているよう
にしてもよい。

【００１０】上記熱モデルをサーボモータ制御装置のマ
イクロプロセッサ等を用いてシミュレーションすること
により、本発明によれば、使用環境条件まで取り込んだ
形でモータの温度を推定することができ、より精度の高
いモータの過負荷検出が可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるモータ制御装
置について、図示の実施形態により詳細に説明する。図
１は、本発明をサーボモータの制御に適用した場合の一
実施形態を示すシステム構成図で、ここで、１はサーボ
制御装置で、２はサーボモータであり、サーボモータ２
は、サーボ制御装置１によって制御されるようになって
いる。次に、３はエンコーダで、サーボモータ２の位置
(回転角位相)や回転速度を検出する働きをする。

【００１２】サーボ制御装置１内には、交流電源を整流
するダイオードモジュール４と、平滑用のコンデンサ５
があり、ここで作られた直流電力がインバータモジュー
ル６に供給される。そこで、このインバータモジュール
６をＰＷＭ制御することにより、直流電力が所定の周波
数と所定の電圧の３相交流電力に変換され、これをサー
ボモータ２に供給することにより、サーボモータ２の動
作が得られることになる。

【００１３】ここで、インバータモジュール６にはトラ
ンジスタやＩＧＢＴなどのパワー半導体スイッチング素
子が用いられていて、これらを制御するためにマイクロ
プロセッサ７が設けられている。そして、このマイクロ
プロセッサ７は、ドライバ回路８を介してインバータモ
ジュール６の各スイッチング素子を制御するようになっ
ている。

【００１４】一方、サーボモータの制御に必要なフィー
ドバック情報の内、位置、速度の情報はモータに取り付
けられているエンコーダ３から、出力電流の情報は電流
検出器９、１０の信号を変換器１１でディジタル情報に
変換してから、それぞれマイクロプロセッサ７に取り込
まれるようになっている。

【００１５】更に、マイクロプロセッサ７には、操作用
の入出力機器となるオペレータ１２が接続されていて、
これもマイクロプロセッサ７により管理されるようにな
っている。そして、このオペレータ１２には表示部と入
力部が設けてあり、これらがマイクロプロセッサ７と情
報の授受を行ない、この結果、表示部によりサーボ制御
装置１の状態が表示され、入力部により各種の制御パラ
メータを設定したり、運転操作が行えるようになってい
る。

【００１６】従って、以上の構成により、サーボ制御装
置１によるサーボモータ２の制御が得られることになる
が、この制御については、一般的なサーボモータの制御
と同じなので、ここでは説明を割愛する。ここで、この
実施形態では、電子サーマル方式によるサーボモータ２
の過負荷検出がマイクロプロセッサ７により実行される
ように構成されており、これがこの実施形態の特徴にな
っている。

【００１７】そこで、以下、このマイクロプロセッサ７
によるサーボモータ２の過負荷検出処理について説明す
る。このマイクロプロセッサ７による過負荷検出処理
は、電気的な等価回路で表現したサーボモータ２の熱モ
デルを想定して実行されるが、このときの熱モデルが図
２であるり、これがこの実施形態の特徴である。

【００１８】そこで、この図２の熱モデルについて説明
すると、まず、Ｑｍは、サーボモータ２の損失による発
熱量で、これは主としてサーボモータ２の捲線抵抗Ｒと
巻線電流Ｉによって決まり、次の式で表すことができ
る。Ｑｍ＝ｆ(Ｉ)＝Ｒ・Ｉ²従って、マイクロプロセッ
サ７は、電流検出器９、１０から変換器１１を介して電
流Ｉを取込むことにより発熱量Ｑｍを計算することがで
きる。

【００１９】一方、このような計算による代りに、予め
サーボモータ２の発熱特性を、電流Ｉと発熱量Ｑｍから
テーブル化しておき、テーブル検索により、電流Ｉから
発熱量Ｑｍを求めるようにしても良い。なお、この他に
も、例えばサーボモータ２の回転速度に依存する発熱要
因があれば、それも加えた発熱の式を利用することもで
きる。

【００２０】次に、Ｑｂは、その他の要因によるサーボ
モータ２内部の発熱量で、例えばサーボモータに内蔵ブ
レーキが有ったときなどがこれに相当する。そして、ブ
レーキ付きモータの場合、このＱｂは一定の発熱量とし
て存在し、ブレーキなどがないモータではＱｂ＝０とな
る。

【００２１】次に、Ｃｍは、サーボモータ２の捲線など
が持つ熱容量で、Ｒｍはサーボモータ２の内部からモー
タの表面までの熱伝達経路における熱抵抗であり、従っ
て、これらは個々のサーボモータに特有の値として予め
決まっていて、モータ毎に予め定数として与えられるも
のである。

【００２２】次に、Ｒａは、サーボモータ２の表面から
外気に至る熱伝達経路における熱抵抗で、これは、サー
ボモータ２の取付け状態に依存し、例えばサーボモータ
２の取付部材に対する接触面積や取付部材の大きさや材
質によって決まる他、サーボモータ２が取付けられてい
る空間が密閉されているか否か、気流の有無といったこ
とに依存する。最後に、Ｔａは、サーボモータ２が使用
される環境での周囲温度であり、これは、使用時に実際
の気温から与えられる定数である。

【００２３】従って、この図２の熱モデルは、サーボモ
ータ２内部の発熱量Ｑｍを第１の電圧源、モータの内部
の熱容量Ｃｍを容量分、モータ内部の熱抵抗Ｒｍを第１
の抵抗分、モータから周囲空間への熱抵抗Ｒａを第２の
抵抗分、それに周囲温度Ｔａを第２の電圧源とし、前記
容量分は前記第１の電圧源に並列接続され、前記第１の
電圧源と前記第２の電圧源の間に前記第１と第２の抵抗
分を直列に接続した等価回路で熱モデルが想定されてい
ることになる。

【００２４】そして、前記第１の電圧源と前記第１の抵
抗分の接続点に現れる電圧がサーボモータ２の内部温度
Ｔｉとし、前記第１と第２の抵抗分の間の接続点に現れ
る電圧がモータの表面温度Ｔｓとして算定されるように
なっている。

【００２５】そこで、この実施形態では、これらサーボ
モータ７及びその使用環境により決まる捲線抵抗Ｒと発
熱量Ｑｂ、熱容量Ｃｍ、熱抵抗Ｒｍ、Ｒａ、それに周囲
温度Ｔａなどの定数値については、オペレータ１２を用
い、装置使用時、予めそれらをパラメータとしてマイク
ロプロセッサ７に入力しておく。

【００２６】そして、マイクロプロセッサ７は、これら
のパラメータにより、上記の熱モデルをシミュレーショ
ンし、その結果からサーボモータ２の内部の温度Ｔｉと
モータの表面温度Ｔｓを求め、これらの温度Ｔｉ、Ｔｓ
の少なくとも一方が、予め設定してある所定の上限値Ｔ
ｉmax、Ｔｓmax を越えたとき、マイクロプロセッサ７
は、サーボモータ２が過負荷になったと判定し、所定の
保護動作処理を実行する。

【００２７】このときの上限値Ｔｉmax については、通
常、サーボモータ２の絶縁種別や界磁に使用されている
永久磁石の温度仕様により規制され、上限値Ｔｓmax
は、エンコーダ３などのモータ周辺機器の温度仕様など
で規制されている。そこで、これらの規制を勘案して、
予め所定の上限値Ｔｉmax、Ｔｓmax を決定し、これら
もオペレータ１２によりマイクロプロセッサ７に入力し
ておく。

【００２８】従って、この実施形態によれば、使用環境
に応じて常に的確なパラメータが容易に設定でき、この
パラメータにより熱モデルのシミュレーションが実行さ
れるので、常に正確な過負荷検出が得られ、本来の性能
を充分に保持させた状態で確実な過負荷保護を得ること
ができる。

【００２９】次に、このときのマイクロプロセッサ７に
よる熱モデルのシミュレーションについて説明する。ま
ず、熱モデルは次式で表わせる。 Ｑｍ＋Ｑｂ＝Ｃｍ・ｄＴｉ／ｄｔ＋（Ｔｉ−Ｔａ）・
（Ｒｍ＋Ｒａ） Ｔｓ＝（Ｒｍ・Ｔａ＋Ｒａ・Ｔｉ）／（Ｒｍ＋Ｒａ） 上の式の中で、発熱量Ｑｍと内部温度Ｔｉ、表面温度Ｔ
ｓは時間によって変化する値であり、その他は定数であ
る。

【００３０】そこで、この式をマイクロプロセッサ７内
でシミュレーションするため、一定のサンプリング時間
ｔで逐次計算していき、内部温度Ｔｉと表面温度Ｔｓが
それぞれの上限値Ｔｉmax、Ｔｓmax を越えた場合、過
負荷にする処理内容は、図３に示すようになる。ここ
で、時間変化する値については、現サンプリング時間に
おける値をサフィックス(i)を付けて、前回のサンプリ
ング時間における値をサフィックス(i-1)を付けて表し
ている。

【００３１】この図３に示す処理は、マイクロプロセッ
サ７により、サンプリング時間ｔ毎に実行されるもの
で、処理が実行されると、まずステップＳ１で、このと
きの電流値Ｉから発熱量Ｑｍ(i)を求める。このとき、
計算処理によってもテーブル検索によっても良いこと
は、上記した通りである。次に、ステップＳ２では、上
記した各種の定数をパラメータとして図示の計算を行
い、このときの内部温度Ｔｉ(i)と表面温度Ｔｓ(i)を計
算する。

【００３２】そして、この後、ステップＳ３で内部温度
Ｔｉ(i)と上限値Ｔｉmax の比較を行い、ステップＳ４
では表面温度Ｔｓ(i)と上限値Ｔｓmax を比較し、何れ
か一方でも上限値を越えたらステップＳ５の処理に進
み、このときは過負荷検出処理を実行するのである。

【００３３】従って、この実施形態によれば、上記した
ように、常に正確な過負荷検出が得られ、本来の性能を
充分に保持させた状態で確実な過負荷保護を得ることが
できる。なお、以上は、本発明をサーボモータの制御装
置に適用した場合の一実施形態について説明したが、本
発明はモータの形式を問わず実施可能なことは、いうま
だもない。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれは、使用環境に応じて高精
度でモータの過負荷検出ができるようになるため、十分
にモータの性能が引き出せ、かつ焼損などの事故が起こ
りにくくなるという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるモータ制御御装置の一実施形態を
示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施形態で用いられている熱モデル
の説明図である。

【図３】本発明の一実施形態におけるマイクロプロセッ
サの内処理内容を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ サーボモータ制御装置 ２ サーボモータ ３ エンコーダ ４ ダイオードモジュール ５ 平滑用のコンデンサ ６ インバータモジュール ７ マイクロプロセッサ ８ ドライバ回路 ９、１０ 電流検出器 １１ 信号変換器 １２ オペレータ(操作用の入出力機器) Ｑｍ モータの内部損失による発熱量 Ｑｓ 他の要因によるモータの発熱量 Ｃｍ モータの捲線などが持つ熱容量 Ｒｍ モータの内部からモータの表面までの熱伝達経路
における熱抵抗 Ｒａ モータの表面から外気に至る熱伝達経路における
熱抵抗 Ｔａ 周囲温度 Ｔｉ モータの内部温度 Ｔｓ モータの表面温度

フロントページの続き (72)発明者 小林 澄男 千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号 株式会社日立ケーイーシステムズ内 Ｆターム(参考） 5G044 AA01 AA07 AC01 AD01 AE01 CA01 CB01 CC01 5H570 AA23 BB09 CC06 DD01 EE01 FF01 FF05 FF10 HA07 HA09 HB16 JJ02 LL02 LL17 MM04 MM10

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータの過負荷状態を、当該モータに想
   定した熱モデルから検出する方式のモータ制御装置にお
   いて、 前記モータの巻線抵抗と巻線電流により決定されるモー
   タ内部の発熱量を第１の電圧源、前記モータの内部の熱
   容量を容量分、前記モータ内部の熱抵抗を第１の抵抗
   分、前記モータから周囲空間への熱抵抗を第２の抵抗
   分、それに周囲温度を第２の電圧源とし、前記容量分は
   前記第１の電圧源に並列接続し、前記第１の電圧源と前
   記第２の電圧源の間に前記第１と第２の抵抗分を直列に
   接続した等価回路で前記熱モデルを想定し、 前記第１の電圧源と前記第１の抵抗分の接続点に現れる
   電圧を前記モータの内部温度とし、前記第１と第２の抵
   抗分の間の接続点に現れる電圧を前記モータの表面温度
   として前記モータの過負荷検出を行うように構成したこ
   とを特徴とするモータ制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の発明において、 前記モータの巻線抵抗と、前記モータの内部の熱容量、
   前記モータ内部の熱抵抗、前記モータから周囲空間への
   熱抵抗、それに周囲温度がパラメータとして設定できる
   入力手段が設けられていることを特徴とするモータ制御
   装置。