JP5172042B2 - 電動機制御装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、運転中のトルク異常検出機能を搭載した電動機制御装置に関するものである。

従来より、電動機制御装置では、電動機の故障防止の目的で運転中のトルクを検出し、トルク値が異常の場合には、アラームを出力するなどの技術が開示されている。

例えば、特許文献１には、電動機を一定の動作パターンで動作させた時のトルクを初期値として取り込み、データ記憶部に保存する。そして、実動作におけるトルクとデータ記憶部に記憶されているトルク限界値を常に比較し、負荷状態を常に監視する。その結果、電動機トルク値がトルク限界値を超えた場合、アラーム出力をする方法が示されている。

また、特許文献２には、あらかじめドア開閉動作に応じた経過時間に対する電流指令と、速度指令から求められるトルク指令パターンから、トルク異常検出パターンを生成して、実稼動時にトルク指令の値がトルク異常検出パターンを超えたときにドア異常であることを検出する方式が示されている。

特開２００７−２８８６５号公報（第４頁、第５頁、図３） 特開２００５−２１２９６３号公報（第１０頁、第１１頁、図１０）

しかしながら上述の特許文献１の技術では、動作パターン中の最大トルクを基準にして異常を検出するため、トルク限界値よりも十分小さいところでトルク異常が生じてもアラーム出力しないという問題がある。その結果、アラーム出力が動作しない程度のトルク異常が継続して発生することで機械を破損してしまうことが考えられる。例えば、低減トルク負荷では負荷トルクが速度の二乗に応じて変化するため、低速域では負荷トルクが小さい。このような低速域でトルク異常が発生しても、アラーム出力しない、という課題があった。

また、上述の特許文献２の技術では、トルク指令値に対して一定の値を超えた場合に異常を検出するため、負荷にトルクがかかるはずにも関わらず、機械の物理的破損により、トルクが十分にかからない場合や、過負荷の反動で、一瞬トルクが小さくなる場合のような、トルク指令値より小さい方向に出た異常に対しては、アラーム出力しない、という課題があった。

本発明は、上述の問題を鑑みてなされたものであり、試験稼動ステップで電動機制御装置の各速度におけるトルク値を求め、電動機速度とトルク値のテーブルを作成する。その後稼動ステップ、トルク補正ステップ及びトルク異常判定ステップで、上記試験稼動ステップで作成したテーブルと上記稼動ステップで検出されたトルク値とを比較することにより、電動機または電動機の負荷に相当する機械の異常を検出し、電動機または機械を保護するのに有効な電動機制御装置及びその制御方法を提供するものである。

電動機に流れる電流値及び電動機速度値を検出する電流・速度検出部と、上記検出された電流値を用いてトルク値を算出するトルク算出部と、上記電流・速度検出部から転送された電動機速度値と上記トルク算出部から出力されたトルク値とをもとにテーブルを作成するテーブル作成部と、上記電流・速度検出部により検出された電動機速度値とそのときのトルク値を、上記テーブルに保存されている電動機速度値のうち、上記検出された電動機速度値に近似な電動機速度値におけるトルク値に補正するトルク補正部と、上記補正されたトルク値と上記算出されたトルク値とを比較し、上記算出されたトルク値が異常値になっているか否かを判定するトルク異常判定部とからなることを特徴とする。

以上のように本発明に記載の電力変換装置によれば、低速域を含む電動機のあらゆる速度範囲において、電動機の異常を迅速かつ正確に検出し、電動機または電動機の負荷に相当する機械を保護するのに有効である。

この発明の実施の形態１による電動機制御装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１における電動機または電動機の負荷に相当する機械の異常を検出する、電動機制御装置の一連の動作についてのフロー図である。 この発明の実施の形態１における試験稼動ステップでの電動機制御装置の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１におけるデータ処理ステップにおける電動機制御装置の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１におけるデータ処理ステップでのテーブル作成方法を示す図である。 この発明の実施の形態１における稼動ステップにおける電動機制御装置の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１におけるトルク補正ステップにおける電動機制御装置の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１におけるトルク異常判定ステップでの電動機制御装置の動作を示すフロー図である。 この発明の実施の形態１における電動機制御装置が検出したトルク・速度曲線と、エラー停止用のトルク許容範囲の上限値および下限値、並びにアラーム出力用のトルク許容範囲の上限値および下限値の関係を表す曲線の一例を示す図である。

実施の形態１.
図１は、この実施の形態１の電動機制御装置を示す構成図である。なお、この実施の形態１によりこの発明が限定されるものではない。この図において、電動機制御装置１内の電流・速度検出部５は、あらかじめ定めたサンプリング周期毎に、電動機制御装置１から電動機１５に流れる電流及び電動機１５の速度を検出する。次に、トルク算出部６で、試験稼動ステップにおいては、上記検出された電流から第一のトルク値を、または稼動ステップにおいては、上記検出された電流から第二のトルク値をそれぞれ求める。さらに、トルク算出部６は、テーブル作成部７に、電動機１５の速度及び第一のトルク値を出力する。ここで、試験稼動ステップとは、電動機制御装置１により電動機１５のトルク許容範囲を定めるための電動機速度及びトルクを検出するステップを示し、稼動ステップとは、電動機制御装置１が予め設定されたパラメータに従い電動機１５を稼働させるステップを示す。

テーブル作成部７は、上記トルク算出部６から出力された上記電動機１５の速度及び上記第一のトルク値をもとに、電動機１５の速度と第一のトルク値のテーブルを作成し、内部メモリ８内のテーブル記憶部９に出力する。ここで、内部メモリ８は、上記電動機１５の速度と第一のトルク値のテーブルを記憶するテーブル記憶部９、並びに加減速時間、モータ定数などの電動機制御装置１の駆動に必要なパラメータ及び異常検出条件のパラメータを記憶するパラメータ記憶部１０とからなる。

トルク補正部１１は、トルク補正ステップにおいて、上記稼動ステップにおいて求められた電動機１５の速度値に最も近い速度値およびその次に近い速度値における第一のトルク値を、上記テーブル記憶部９のテーブル値から選択して上記テーブル記憶部９から取得する。そして、上記取得した２個の第一のトルク値から線形近似補正により、上記検出された電動機１５の速度値におけるトルク異常判定値のもととなる第三のトルク値を求め、トルク異常判定部４へ出力する。トルク異常判定部４は、当該電動機速度におけるトルクの許容値の上限値および下限値を求め、トルク異常判定ステップにおいて、電動機１５が稼働中に電流・速度検出部５が検出した電動機速度及び第二のトルク値と、前記トルクの許容値の上限値および下限値とを、パラメータ記憶部１０に記憶された異常検出パラメータにもとづいて比較する。その結果、上記稼動ステップにおいて検出された第二のトルク値が第二のトルク値が上記許容値の上限値を超え、又は下限値を下回った場合には、トルク異常判定部４は、上記検出された第二のトルク値が上記トルク許容値から超えた程度に応じて以下の処理を行う。すなわち、上記トルクの上限値又は下限値と、上記検出された第二のトルク値の差が小さい場合は、アラーム表示を出力する指令を表示部１１及び端子１２に出力する。そして、上記トルクの上限値又は下限値と、上記検出された第二のトルク値の差が大きく、電動機１５や電動機制御装置１が故障することが懸念されると判断した場合は、電動機１５を停止させる指令を速度制御部２に出力し、エラー表示を出力する指令を表示部１１及び端子１２に出力する。ここで、上記異常検出パラメータとしては、例えばアラーム出力用上限値、アラーム出力用下限値、エラー停止用上限値、エラー停止用下限値などがある。

以下、この実施の形態１における、試験稼動ステップで電動機制御装置の各速度におけるトルクを求め、電動機速度とトルク値のテーブルを作成し、その後稼動ステップ、トルク補正ステップ及びトルク異常判定ステップで、上記試験稼動ステップで作成したテーブルと上記稼動ステップで検出されたトルク値とを比較することにより、電動機または電動機の負荷に相当する機械の異常を検出する、電動機制御装置１の一連の動作について、図２のフロー図をもとに説明する。

まず、電動機制御装置１に予めインストールされた制御プログラムにより、図２のステップ２Ａで、試験稼動ステップ（２Ｂ）へ移行するか、稼動ステップ（２Ｄ）へ移行するか自動的に切替えられる。該処理については、あるいは、ユーザーがパラメータでソフトウェア的に切替えるように実現させてもよいし、あるいは、電動機制御装置１に切替スイッチを設けてハードウェア的に切替えるように実現させてもよい。

上記で、試験稼動ステップ（２Ｂ）へ移行した場合の処理フローを図３に示す。まずステップ３Ａで、ユーザーは、この試験稼動ステップにおける、以下に示す試験稼動条件を設定する。すなわち、ユーザーは、電動機の加減速時間や運転周波数などの稼動パターンを設定し、次に上記稼動パターンでの試験期間、並びにトルク及び電動機速度を検出する周期すなわちサンプリング周期の設定を行う。ここで、当該試験期間として試験稼動回数を指定するか、試験稼働時間を指定するかはユーザーが切替えることが可能である。また、上記試験稼動回数や試験稼働時間は、予め指定された設定可能範囲内の値に任意に設定することができる。

ステップ３Ａでの設定終了後、ステップ３Ｂでユーザーが起動信号をＯＮさせるなど、試験稼動を起動させるための信号が入力されることにより、電動機制御装置１は、ステップ３Ａで設定された指定期間の間、同じくステップ３Ａで設定された電動機の試験稼動条件に従って電動機を試験稼動させる。そして、ステップ３Ｃであらかじめ定めたサンプリング周期に従い電流・速度検出部５により電動機に流れる電流値と電動機速度値を検出する。次に、ステップ３Ｄで前記検出された電動機に流れる電流値から第一のトルク値を算出する。なお、上記学習期間の途中でもユーザーの操作により、上記学習を停止、一時停止及び再開することが可能であり（ステップ３Ｅ、ステップ３Ｆ）、またユーザーが上記学習を停止又は一時停止させても、それまでに検出した電動機速度値及び第一のトルク値のデータは保持される。また、ステップ３Ａで設定された試験期間が経過すると、試験稼動ステップを終了する（ステップ３Ｇ）。

なお、この試験稼動ステップにおいて検出した電動機速度値と第一のトルク値のデータを、リアルタイムで電動機制御装置１に設けた端子１３から出力することができ、上記データをメモリハイコーダなどの計測器で確認することができる。

図２において、試験稼動ステップ（２Ｂ）が終了すると、次にデータ処理ステップ（２Ｃ）に移行する。図４にデータ処理ステップの詳細な処理フロー図を示す。まず、ステップ４Ａにて、テーブル作成部７は、電動機速度値及び第一のトルク値を、電動機１５が加速状態のデータ、定速状態のデータ、減速状態のデータに分解する。次にステップ４Ｂにて、テーブル作成部７は、電流・速度検出部５から出力された電動機速度値及び第一のトルク値をもとに、図５（ａ）に示すような、加速状態、定速状態及び減速状態のそれぞれの状態における、時刻毎の電動機速度値と第一のトルク値のテーブルを作成する。次に、ステップ４Ｃにおいて、テーブル作成部６は、上記テーブルから時刻のデータを削除して、図５（ｂ）に示すような、前記検出された電動機速度値と第一のトルク値という、一組のデータ形式にする。その後、ステップ４Ｄにおいて、テーブル作成部６は、図５（ｃ）に示すように、前記一組のデータを電動機速度が小さい順に再配列する。そしてステップ４Ｅにおいて、前記再配列した電動機速度値と第一のトルク値のデータをテーブル記憶部９に出力する。その結果、テーブル記憶部９に上記再配列されたデータが加速状態、定速状態及び減速状態のそれぞれのテーブルに分類されて保存される。前記処理の完了によりデータ処理ステップ（２Ｃ）は終了する。そして、データ処理ステップ（２Ｃ）が終了すると、図２におけるステップ２Ａに戻る。

次に、図２のステップ２Ａで稼動ステップ（２Ｄ）へ移行した場合の処理について説明する。稼動ステップへ移行すると、電動機制御装置１は、予め設定されパラメータ記憶部１０に記憶された、電動機制御装置１が電動機１５を駆動するために必要なパラメータに基づいて、電動機１５を駆動する。

ここで、稼動ステップ（２Ｄ）での電動機制御装置１による処理について、図６を用いて説明する。まず、ステップ６Ａであらかじめ定められたサンプリング周期に従い電流・速度検出部５により電動機に流れる電流値と電動機速度値を検出する。次に、ステップ６Ｂで前記検出された電動機に流れる電流値から、トルク算出部６で第二のトルク値を算出し、ステップ６Ｃで上記第二のトルク値をトルク異常判定部４へ出力して、稼動ステップ（２Ｄ）を終了する。

なお、この稼動ステップにおいて検出した電動機速度値と第二のトルク値のデータを、リアルタイムで電動機制御装置１に設けた端子１３から出力することができ、上記データをメモリハイコーダなどの計測器で確認することができる。

図２において、稼動ステップ（２Ｄ）が終了すると、トルク補正ステップ（２Ｅ）へ移行する。ここで、トルク補正ステップ（２Ｅ）での電動機制御装置１による処理について、図７を用いて説明する。まず、ステップ７Ａで電動機１５が加速状態、定速状態あるいは減速状態のいずれの状態にあるかを識別する。

次に、ステップ７Ｂで上記稼動ステップ（２Ｄ）にて検出された、電動機速度値に最も近い速度値およびその速度値における第一のトルク値を、上記データ処理ステップ（２Ｃ）においてテーブル記憶部９に保存したテーブルから抽出する。また、ステップ７Ｃで、上記稼動ステップ（２Ｄ）にて検出された、電動機速度値に二番目に近い速度値およびその速度値における第一のトルク値を、上記データ処理ステップ（２Ｃ）においてテーブル記憶部９に保存したテーブルから抽出する。

次に、ステップ７Ｄで上記抽出したそれぞれの第一のトルク値を線形近似することにより、上記稼動ステップにおいて検出された電動機速度値における、第三のトルク値を算出する。そして、ステップ７Ｅで上記第三のトルク値をトルク異常判定部４へ出力し、トルク補正ステップ（２Ｅ）を終了する。

図２において、トルク補正ステップ（２Ｅ）が終了すると、トルク異常判定ステップ（２Ｆ）へ移行する。ここで、トルク異常判定ステップ（２Ｆ）での電動機制御装置１による処理について、図８を用いて説明する。

ユーザーは、あらかじめ、上記異常検出パラメータとして上記第三のトルク値をもとにしたトルク許容値を設定する。このトルク許容値としては、電動機１５が故障するのを防ぐために、電動機１５を停止させるためのエラー停止用のトルク許容値と、電動機１５を停止させる必要がない程度の軽度なトルク異常が発生したとして、ユーザーに対してアラームを出力する、アラーム出力用のトルク許容値とを設ける。また、アラーム出力用のトルク許容値の方が、エラー停止用のトルク許容値よりも、上記トルク補正ステップ（２Ｅ）において算出された、第三のトルク値に近い値となるように設定する。

ユーザーは、上記トルク許容値として、上記第三のトルク値に一定の倍率を乗じて求めた値を使用するか、上記第三のトルク値に一定の値を加減して求めた値を使用するかを選択することができる。また、上記トルク許容値として、上記第三のトルク値に対して上限値と下限値を設定することにより、電動機制御装置１が電動機１５に対して出力したトルク指令値に対して、実際のトルクが許容値よりも大きくなる異常および、実際のトルク値が許容値よりも小さくなる異常の両方を検出することが可能となる。なお、上記トルクが小さくなる異常の要因としては、本来は、電動機１５にトルクがかかるはずであるのに対して、機械の物理的破損によりトルクが十分にかからない場合や、過負荷の反動で一瞬トルクが小さくなる場合などが想定される。

さらにユーザーは、上記第三のトルク値に乗じる倍率又は第三のトルク値に加減する一定の値については、電動機１５のトルク許容値の絶対最大定格などをもとにして、予め定めた範囲内であれば、上記異常検出パラメータとして任意の値に設定することができる。

さらにユーザーは、電動機１５の加速時、定速時または減速時のそれぞれに対応して、独立したトルク許容値を設定することができる。すなわち、例えば電動機１５の加速時と減速時にはトルク許容値として上記第三のトルク値に一定の倍率を乗じて求めた値を用い、電動機１５が定速時にはトルク許容値として上記第三のトルク値に一定の値を加減して求めた値を用いるというように、トルク許容値の定め方を電動機１５の稼動状態に対応して変えることにより、稼動条件に応じた好適なトルク許容値を設定することができる。

次に、ステップ８Ａで、あらかじめ定めたサンプリング周期に従い、上記稼動ステップ（２Ｄ）で算出された第二のトルク値と、上記トルク補正ステップ（２Ｅ）で算出された第三のトルク値をもとにして求めたトルク許容値の上限値及び下限値とを比較することによって、ステップ８Ｂで稼働中の電動機１５のトルクが上記の設定したトルク許容値範囲内であるかを判定する。

次にステップ８Ｃにおいて、電動機制御装置１は、電動機１５をエラー停止させるか、電動機制御装置１の外部にアラーム出力する処理を行う。具体的には、稼働中の電動機１５の第二のトルク値が、上記エラー停止用のトルク許容値の範囲外となった場合、ただちに電動機制御装置１は、電動機１５に対してフリーラン停止または減速停止を行う制御を行う。なお、このとき電動機１５をフリーラン停止させるか、減速停止させるかは、ユーザーがあらかじめ上記異常検出パラメータで設定することができる。このとき、上記制御と同時に、表示部１２に電動機１５がエラー停止している旨の表示並びに、電動機１５がエラー停止したときの周波数およびトルク値の表示を行う。この場合、電動機制御装置１をリセットしない限り、電動機１５を再度稼動させることができないようにすることにより、フェールセーフな電動機制御装置とすることができる。

一方、稼動中の電動機１５の上記第二トルク値が、上記アラーム出力用のトルク許容値の範囲を超えたが、上記エラー停止用のトルク許容値の範囲内である場合、電動機制御装置１は表示部１２に電動機１５のトルクがアラーム出力用のトルク許容値の範囲を越えた旨のアラーム表示並びに、このときの電動機１５の周波数およびトルク値の表示を行う。

なお、電動機制御装置１は、電動機１５の上記第二のトルク値が上記アラーム出力用のトルク許容値の範囲を超えた場合や、上記エラー停止用のトルク許容値の範囲を超えた場合に、端子１３の出力信号レベルを変化させることにより、ユーザーはメモリハイコーダーなどの測定器を用いて前記電動機１５の状態を確認することができる。以上の処理が完了すると、トルク異常判定ステップは終了する。

ここで、電動機制御装置１が検出したトルク・速度曲線と、エラー停止用のトルク許容範囲の上限値および下限値、並びにアラーム出力用のトルク許容範囲の上限値および下限値の関係を表す曲線の一例を図９に示す。図９に示すとおり、この実施の形態１においては、各速度に対してエラー停止用のトルク許容範囲の上限値および下限値、並びにアラーム出力用のトルク許容範囲の上限値および下限値が、上記試験稼動ステップ（２Ｂ）及びデータ処理ステップ（２Ｃ）で検出され設定されているので、電動機の異常を迅速かつ正確に検出し、機械を保護するのに有効である。

以上のようにこの実施の形態１に記載の電力変換装置によれば、上記トルク異常判定ステップにおいて、稼働中の電動機からあらかじめ定めたサンプリング周期に従い検出された電動機速度値及びトルク値と、上記試験稼動ステップ及びデータ処理ステップにおいて検出され設定された、エラー停止用のトルク許容範囲の上限値および下限値、並びにアラーム出力用のトルク許容範囲の上限値および下限値がとを比較する。その結果、上記検出されたトルク値が、エラー停止用のトルク許容範囲の上限値を超えた場合又は下限値を下回った場合には、電動機を停止させるため、低速域を含むあらゆる速度範囲において、電動機のトルク異常を迅速かつ正確に検出し、機械を保護するのに有効である。

１ 電動機制御装置
２ 速度制御部
４ トルク異常判定部
５ 電流・速度検出部
７ テーブル作成部
９ テーブル記憶部
１１ トルク補正部

Claims (1)

1. 電動機を試験稼動して、上記電動機に流れる電流値及び電動機速度値を検出し、上記電流値を用いて第一のトルク値を算出する試験稼動ステップと、
   上記試験稼動ステップにおいて検出された電動機速度値及び算出された第一のトルク値をデータ処理するデータ処理ステップと、
   電動機を稼動して、上記電動機に流れる電流値及び電動機速度値を検出し、上記電流値を用いて第二のトルク値を算出する稼動ステップと、
   上記試験稼動ステップにおいて検出された電動機速度値及び上記第一のトルク値をもとに、上記稼動ステップにおいて検出された電動機速度値における第三のトルク値に補正するトルク補正ステップと、
   電動機が稼働中に検出された電動機速度値及び、トルク算出部により算出された第二のトルク値と、上記第三のトルク値をもとにして算出されたトルク許容値とを比較し、上記第二のトルク値が上記トルク許容値の上限値又は下限値を超えたか否かを判定するトルク異常判定ステップと、
   を備え、
   上記データ処理ステップは、
   上記電動機速度値及び第一のトルク値を加速状態のデータ、定速状態のデータ、減速状態のデータに分解するステップと、
   上記電動機速度値が小さい順に、電動機速度値と第一のトルク値を並べ替えるステップと、
   上記各データをもとにテーブルを作成するステップと、
   上記テーブルに格納された第一のトルク値をもとに、トルク許容値を算出するステップと、
   を含む
   ことを特徴とする電動機制御装置の制御方法。

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