JP2016073029A

JP2016073029A - Ｌｃｌフィルタ保護機能を有するモータ制御装置

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Publication number: JP2016073029A
Application number: JP2014197587A
Authority: JP
Inventors: 健太山本; Kenta Yamamoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-05-09
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: DE102015012231B4; CN105471237B; US20160094179A1; JP5946880B2; US9595906B2; DE102015012231A1; CN105471237A

Abstract

【課題】従来、ＬＣＬフィルタが異常な温度になった要因によらずＰＷＭ整流器を即時停止させるためモータ制御装置を使用した加工に障害が発生する可能性が高くなっていた。
【解決手段】本発明のモータ制御装置は、交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器１と、三相交流電源とＰＷＭ整流器との間に備えられるＬＣＬフィルタ２と、ＬＣＬフィルタを冷却するための冷却ファン３と、ＬＣＬフィルタの温度を検出する温度検出部４と、温度検出値が規定値以上の場合にアラーム状態を検出するアラーム検出部５と、ＰＷＭ整流器の通常動作開始からの経過時間を計測する時間計測部６と、アラーム状態が通知された場合に経過時間に応じてアラーム状態がＬＣＬフィルタの動力線の逆接続によって発生したか、あるいは前記アラーム状態が前記冷却ファンの停止によって生じたかのアラーム発生要因を判別し、該アラーム発生要因に応じた保護動作を行う保護部７と、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特に、ＬＣＬフィルタの保護機能を有するモータ制御装置に関する。

工作機械、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、ロボット等のモータを駆動するモータ制御装置では、三相交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流器、及び整流器の出力した直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換する逆変換器が用いられる。

近年、電源高調波及び無効電力低減への要求からパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いた整流器（ＰＷＭ整流器）の適用が広がっている。

上記のようなＰＷＭ整流器は、ＰＷＭによるスイッチング制御を行うため、三相交流電源との間の経路に、数ｋＨｚ以上の高周波を含む矩形波の交流電圧を出力する。矩形波のうち電源周波数成分のみを通過させるため、一般的に、ＰＷＭ整流器と三相交流電源との間にローパスフィルタが備えられる。

図１に従来のモータ制御装置の構成図を示す。従来のモータ制御装置１０００は、三相交流入力電源２０からの交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器１１０と、直流電力を、モータ３０を駆動するための交流電力に変換する逆変換器１８０と、を備えている。さらに、三相交流電源２０とＰＷＭ整流器１１０との間に、ローパスフィルタとして、ダンピング抵抗１２３及びコンデンサ１２４を直列接続し、ダンピング抵抗１２３の一端にインダクタンスＡ部１２１及びインダクタンスＢ部１２２を備えたＬＣＬフィルタ１２０が設けられている。また、ＬＣＬフィルタ１２０の各素子を冷却するための冷却ファン１３０が備えられることも多い。

このＬＣＬフィルタ１２０は、ＰＷＭ整流器１１０の側から流入する高周波電流のリップルを抑制しながら、ＬＣＬフィルタ１２０の体積やコストを低減するため、一般的にＰＷＭ整流器１１０側のインダクタンスＢ部１２２のインダクタンスが大きく、三相交流電源側のインダクタンスＡ部１２１のインダクタンスが小さい、非対称な構成をとることが多い。

ＬＣＬフィルタ１２０の三相交流電源２０側とＰＷＭ整流器１１０側の電圧及び電流の波形を図２（ａ）〜（ｄ）に示す。図２（ａ）は、三相交流電源側の電圧の時間的変化を示すグラフであり、図２（ｂ）は、三相交流電源側の電流の時間的変化を示すグラフであり、図２（ｃ）は、ＰＷＭ整流器側の電圧の時間的変化を示すグラフであり、図２（ｄ）は、ＰＷＭ整流器側の電流の時間的変化を示すグラフである。

非対称な構成のＬＣＬフィルタ１２０の動力線を図１とは逆に接続してしまった場合、即ち、ＰＷＭ整流器１１０の側にインダクタンスが小さなインダクタンスＡ部１２１を接続し、三相交流電源２０の側にインダクタンスが大きなインダクタンスＢ部１２２を接続した場合、ＰＷＭ整流器１１０の側から流入される高周波電流のリップルを十分に抑制することができないため、ＬＣＬフィルタ１２０の発熱が大きくなってしまう。

上記のようなモータ制御装置において、ＬＣＬフィルタ１２０の動力線を正常に接続した場合の電流波形を図３（ａ）に示し、逆に接続してしまった場合の電流波形を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）に示す通り、ＬＣＬフィルタの動力線を逆に接続してしまった場合、リップルの抑制できていない電流が流れることが分かる。このような電流が流れ続けた場合、元々リップルが含まれない電流が流れることを想定して設計したインダクタンスＡ部１２１のコア部からの異音や、異常発熱が生じると共に、リップルの流れ込むダンピング抵抗１２３やコンデンサ１２４にもダメージや異常発熱が生じる可能性がある。

この場合の温度上昇は急激であるため、できるだけ早くＰＷＭ整流器の動作を停止させる必要がある。そこで従来は、ＬＣＬフィルタ内の素子の温度を検出する温度検出部を設けて、ＬＣＬフィルタの異常を検出していた（例えば、特許文献１）。図４は従来のモータ制御装置の他の例であるモータ制御装置２０００の構成図である。図４に示すように、ＬＣＬフィルタ１２０は、ダンピング抵抗１２３とコンデンサ１２４を直列接続し、ダンピング抵抗１２３の一端にインダクタンスＡ部１２１及びインダクタンスＢ部１２２を備えている。温度センサ１２５は、例えば、ダンピング抵抗１２３の近傍に設置され、検出した温度に関する情報を温度検出部１４０に出力する。温度検出部１４０が検出した温度検出結果は判定部１５０に送信され、判定部１５０は温度検出結果に基づいてＰＷＭ整流器１１０を制御する。例えば、温度検出部１４０にて検出された温度が規定値（もしくは、記憶しておいた正常時の温度）を超えた場合、ＰＷＭ整流器１１０の動作を停止させ、ＬＣＬフィルタ１２０の保護を行う。

このように、従来はＬＣＬフィルタの温度情報を取得し、温度が規定値以上の場合に異常を検出して、ＰＷＭ整流器の動作を停止させていた。

また、図４に示すように、ＬＣＬフィルタ１２０には冷却用ファン１３０が備えられていることも多い。ＬＣＬフィルタの動力線の逆接続時だけではなく、冷却用ファン１３０の停止によってもＬＣＬフィルタ１２０の温度は上昇し、異常な温度になってしまう可能性がある。

冷却ファン１３０の停止による温度上昇は、冷却ファン１３０が高性能であるほど大きい。また、ＬＣＬフィルタ１２０の動力線の逆接続による温度上昇は、インダクタンスＡ部１２１とインダクタンスＢ部１２２のインダクタンスの大きさの比が大きい程大きくなる。

ＬＣＬフィルタ１２０の体積やコスト低減を考えた場合、冷却ファン１３０は必要最小限の性能を備えるのに対し、インダクタンスＡ部１２１とインダクタンスＢ部１２２のインダクタンスの大きさはなるべく大きくなるように設計されることが多い。その結果、ＬＣＬフィルタ１２０の動力線の逆接続時の損失は、冷却ファン１３０の停止時の損失よりも大きくなり、ＬＣＬフィルタ１２０の動力線の逆接続による温度上昇は、冷却ファン１３０の停止による温度上昇に比べて大きくなる。

そのため、温度検出部１４０が検出したＬＣＬフィルタ１２０内の素子の温度が規定値を超えた状態（アラーム状態）を検出してからＬＣＬフィルタ１２０内の素子が破損してしまう温度に到達するまでの時間は、ＬＣＬフィルタ１２０の動力線の逆接続時の方が、冷却ファン１３０の停止時よりも短くなる。ＬＣＬフィルタ１２０の動力線の逆接続時にＰＷＭ整流器１１０の動作を継続していると、ＬＣＬフィルタ１２０内の素子が破損してしまう可能性が高い。

上記の通り、ＬＣＬフィルタ１２０の動力線の逆接続時にはＰＷＭ整流器１１０を即時停止させる必要があるのに対し、冷却ファン１３０の停止時には必ずしも即時停止させる必要はない。即ち、冷却ファン１３０が停止したことによってＬＣＬフィルタ１２０内の素子が異常な温度になったとしても、その場合の温度上昇は急激ではないため、モータ３０の制御停止を行う程度の短い時間であれば、ＰＷＭ整流器１１０の動作を即時停止させる必要はない。また、ＰＷＭ整流器１１０を即時停止させると、モータ制御装置を使用した加工に何らかの障害（ワークやツールの破損等）が発生する可能性が高いため、ＰＷＭ整流器の即時停止は極力避けることが望ましい。

特願２０１３−２４６６８３号

しかしながら、従来のモータ制御装置では、ＬＣＬフィルタが異常な温度になった要因がどのような要因であるかに関わらず、ＰＷＭ整流器を即時停止させるため、モータ制御装置を使用した加工に何らかの障害が発生する可能性が高くなってしまうという問題があった。

本発明の一実施例に係るモータ制御装置は、三相交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器と、三相交流電源とＰＷＭ整流器との間に備えられるＬＣＬフィルタと、ＬＣＬフィルタを冷却するための冷却ファンと、ＬＣＬフィルタの温度を検出する温度検出部と、温度検出部の温度検出値が規定値以上の場合にアラーム状態を検出するアラーム検出部と、ＰＷＭ整流器の通常動作開始からの経過時間を計測する時間計測部と、アラーム検出部からアラーム状態が通知された場合に、時間計測部が計測した経過時間に応じて、アラーム状態がＬＣＬフィルタの動力線の逆接続によって発生したか、あるいは、アラーム状態が冷却ファンの停止によって生じたかのアラーム発生要因を判別し、該アラーム発生要因に応じた保護動作を行う保護部と、を有することを特徴とする。

本発明の実施例に係るモータ制御装置によれば、ＰＷＭ整流器の即時停止に伴う、モータ制御装置を使用した加工の障害を最小限に抑えつつ、ＬＣＬフィルタの保護を行うことが可能になる。

従来のモータ制御装置の構成図である。ＬＣＬフィルタの三相交流電源側とＰＷＭ整流器側の電圧及び電流の波形を示す図である。ＬＣＬフィルタの動力線を正常に接続した場合と、逆に接続してしまった場合の電流波形を示す図である。従来のモータ制御装置の他の例に係る構成図である。本発明の実施例に係るモータ制御装置の構成図である。本発明の実施例に係るモータ制御装置における異常要因判定手順を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例に係るモータ制御装置における保護動作手順を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係るモータ制御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。

まず、本発明の実施例に係るモータ制御装置について図面を用いて説明する。図５は、本発明の実施例に係るモータ制御装置の構成図である。本発明の実施例に係るモータ制御装置１０１は、三相交流電源２０から供給された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器１と、三相交流電源２０とＰＷＭ整流器１との間に備えられるＬＣＬフィルタ２と、ＬＣＬフィルタ２を冷却するための冷却ファン３と、ＬＣＬフィルタ２の温度を検出する温度検出部４と、温度検出部４の温度検出値が規定値以上の場合にアラーム状態を検出するアラーム検出部５と、ＰＷＭ整流器１の通常動作開始からの経過時間を計測する時間計測部６と、アラーム検出部５からアラーム状態が通知された場合に、時間計測部６が計測した経過時間に応じて、アラーム状態がＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続によって発生したか、あるいは、アラーム状態が冷却ファン３の停止によって生じたかのアラーム発生要因を判別し、該アラーム発生要因に応じた保護動作を行う保護部７と、を有する。

本発明の実施例に係るモータ制御装置１０１は、ＰＷＭ整流器１の直流側である直流リンクに接続され、直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力を相互電力変換する逆変換器８と、三相交流電源２０とＬＣＬフィルタ２との間に備えられる動力遮断部９と、をさらに備え、保護部７は、アラーム検出部５からアラーム状態が通知され、かつ、時間計測部６が計測した経過時間が規定時間未満の場合にＬＣＬフィルタ２の動力線が逆接続と判定し、ＰＷＭ整流器１にＰＷＭ停止指令を通知し、かつ、動力遮断部９に供給遮断指令を通知し、アラーム検出部５からアラーム状態が通知され、かつ、時間計測部６が計測した経過時間が規定時間以上の場合に冷却ファン３の停止と判定し、逆変換器８にモータ停止指令を通知し、その後、モータ３０が停止したら、ＰＷＭ整流器１にＰＷＭ停止指令を通知し、かつ、動力遮断部９に供給遮断指令を通知する。

温度検出部４は、温度センサ２５を用いてＬＣＬフィルタ２の素子の温度を検出する。具体的には、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続時に温度上昇の大きい、インダクタンスＡ部２１、インダクタンスＢ部２２、ダンピング抵抗２３、コンデンサ２４のいずれか、もしくはその近傍の温度を検出する。図５においては、温度センサ２５をダンピング抵抗２３の近傍に設けた例を示したが、これには限られない。

温度検出部４が検出した温度検出値が規定値以上になった場合、アラーム検出部５は保護部７に対してアラーム状態を通知する。ここで、規定値は、ＬＣＬフィルタ２の素子の耐量に応じた値を設定する。

時間計測部６は、ＰＷＭ整流器１が通常動作を開始してからの経過時間を計測する。

ＬＣＬフィルタ２にＰＷＭによる高周波電流が流れるのは、ＰＷＭ整流器１が通常動作を開始した後であるため、保護部７はアラーム検出部５からアラーム状態が通知された場合に、経過時間に応じてＬＣＬフィルタ２が異常になった要因を切り分ける。

前述の通り、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続による温度上昇は、冷却ファン３の停止による温度上昇に比べて大きくなるため、以下のようにＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常となった要因を判定する。
アラーム検出部５がアラーム状態を通知し、かつ、経過時間が規定時間未満の場合：ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続
アラーム検出部５がアラーム状態を通知し、かつ、経過時間が規定時間以上の場合：冷却ファン３の停止

ここで、規定時間は、ＬＣＬフィルタ２を構成するインダクタンスＡ部２１のインダクタンスの大きさに対するインダクタンスＢ部２２のインダクタンスの大きさの比、及び、冷却ファン３の性能に応じて設定する。

上記のようにして、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常となった要因の判定時に、保護部７は以下の保護動作を行う。

ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常となった要因がＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続の場合、保護部７はＰＷＭ整流器１にＰＷＭ停止指令を通知すると共に、動力遮断部９に供給遮断指令を通知して、ＰＷＭ整流器１の即時停止を行う。

一方、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常となった要因が冷却ファン３の停止の場合、保護部７は逆変換器８にモータ停止指令を通知する。その後、逆変換器８からモータ停止状態が通知されたら、ＰＷＭ整流器１にＰＷＭ停止指令を通知すると共に、動力遮断部９に供給遮断指令を通知して、ＰＷＭ整流器１の停止を行う。

本発明のモータ制御装置を用いて保護動作を行うことにより、ＰＷＭ整流器１の即時停止の必要のない冷却ファンの停止時には、モータを制御停止させることが可能になり、その場合はモータ制御装置を使用した加工に障害が生じる可能性がなくなる。

次に、本発明の実施例に係るモータ制御装置を用いたＬＣＬフィルタの異常要因を判定する手順について、図６に示したフローチャート用いて説明する。まず、ステップＳ１０１において、ＰＷＭ整流器１が通常動作を行ってモータ３０を動作させる。

次に、ステップＳ１０２において、時間計測部６が、ＰＷＭ整流器１が通常動作を開始してからの経過時間を計測する。時間計測部６が計測した経過時間は保護部７に通知される。

次に、ステップＳ１０３において、アラーム検出部５から保護部７にアラーム状態が通知されたか否かを判断する。アラーム検出部５から保護部７にアラーム状態が通知されていない場合は、温度検出部４からのＬＣＬフィルタ２に設置した温度センサ２５の温度検出結果が、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度とはなっていないことを示していると判断できる。この場合は、ステップＳ１０３に戻って、アラーム検出部５から保護部７へのアラーム状態の通知の有無を判断することにより、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度の監視を継続して行う。

一方、アラーム検出部５から保護部７にアラーム状態が通知された場合は、温度検出部４からのＬＣＬフィルタ２に設置した温度センサ２５の温度検出結果が、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となっていることを示していると判断できる。この場合は、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因が、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続によるものであるのか、冷却ファン３の停止によるものであるのかを切り分ける。

そこで、ステップＳ１０４において、ＰＷＭ整流器１が通常動作を開始してからの経過時間が規定時間未満であるか否かを判断する。ＰＷＭ整流器１が通常動作を開始してからの経過時間が規定時間未満である場合は、ステップＳ１０５において、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因は、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続によるものと判定する。

一方、ＰＷＭ整流器１が通常動作を開始してからの経過時間が規定時間以上である場合は、ステップＳ１０６において、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因は、冷却ファン３の停止によるものと判定する。

以上のようにして、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因を判定した後、この判定結果に基づいて、保護部７がＬＣＬフィルタ２の保護動作を行う。

次に、本発明の実施例に係るモータ制御装置を用いた、ＬＣＬフィルタの保護動作の手順について、図７に示したフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ２０１において、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因が、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続によるものであるか否かを判定する。判定手順は上述の通りである。

ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因が、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続によるものである場合は、ステップＳ２０２において、保護部７はＰＷＭ整流器１にＰＷＭ停止指令を通知すると共に、動力遮断部９に供給遮断指令を通知して、ＰＷＭ整流器１の即時停止を行う。

一方、ＬＣＬフィルタ２内の素子の温度が異常な温度となった要因が、ＬＣＬフィルタ２の動力線の逆接続によるものではない場合、即ち、冷却ファン３の停止によるものである場合は、ステップＳ２０３において、保護部７は逆変換器８にモータ停止指令を通知する。

次に、ステップＳ２０４において、保護部７が逆変換器８からモータ停止状態が通知されたか否かを判断する。保護部７が逆変換器８からモータ停止状態が通知されていない場合は、保護部７は逆変換器８からモータ停止状態が通知されるのを待つ。

一方、保護部７が逆変換器８からモータ停止状態が通知された場合は、保護部７は、ＰＷＭ整流器１にＰＷＭ停止指令を通知すると共に、動力遮断部９に供給遮断指令を通知して、ＰＷＭ整流器１の停止を行う。

以上のように、本発明の実施例に係るモータ制御装置によれば、ＰＷＭ整流器の通常動作開始からの経過時間に応じて、ＬＣＬフィルタが異常な温度になった要因を判定し、ＰＷＭ整流器の動作を即時停止させる必要のない冷却ファン停止時には、モータを制御停止してからＰＷＭ動作の停止や動力遮断を行っている。そのため、モータ制御装置を使用した加工の障害を最小限に抑えつつ、ＬＣＬフィルタの保護も行うことができる。

１ＰＷＭ整流器
２ＬＣＬフィルタ
３冷却ファン
４温度検出部
５アラーム検出部
６時間計測部
７保護部
８逆変換器
９動力遮断部
２１インダクタンスＡ部
２２インダクタンスＢ部
２３ダンピング抵抗
２４コンデンサ
２５温度センサ
３０モータ

Claims

三相交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ整流器と、
三相交流電源と前記ＰＷＭ整流器との間に備えられるＬＣＬフィルタと、
前記ＬＣＬフィルタを冷却するための冷却ファンと、
前記ＬＣＬフィルタの温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の温度検出値が規定値以上の場合にアラーム状態を検出するアラーム検出部と、
前記ＰＷＭ整流器の通常動作開始からの経過時間を計測する時間計測部と、
前記アラーム検出部からアラーム状態が通知された場合に、時間計測部が計測した経過時間に応じて、前記アラーム状態が前記ＬＣＬフィルタの動力線の逆接続によって発生したか、あるいは、前記アラーム状態が前記冷却ファンの停止によって生じたかのアラーム発生要因を判別し、該アラーム発生要因に応じた保護動作を行う保護部と、
を有することを特徴とするモータ制御装置。
前記ＰＷＭ整流器の直流側である直流リンクに接続され、前記直流リンクにおける直流電力とモータの駆動電力もしくは回生電力である交流電力を相互電力変換する逆変換器と、
三相交流電源と前記ＬＣＬフィルタとの間に備えられる動力遮断部と、をさらに備え、
前記保護部は、
前記アラーム検出部からアラーム状態が通知され、かつ、前記時間計測部が計測した経過時間が規定時間未満の場合に前記ＬＣＬフィルタの動力線が逆接続と判定し、
前記ＰＷＭ整流器にＰＷＭ停止指令を通知し、かつ、前記動力遮断部に供給遮断指令を通知し、
前記アラーム検出部からアラーム状態が通知され、かつ、前記時間計測部が計測した経過時間が規定時間以上の場合に前記冷却ファンの停止と判定し、
前記逆変換器にモータ停止指令を通知し、その後、モータが停止したら、前記ＰＷＭ整流器にＰＷＭ停止指令を通知し、かつ、前記動力遮断部に供給遮断指令を通知する、請求項１に記載のモータ制御装置。