(57)【要約】  交流電動機に流れる電流を直流量として扱うことで、データ量を大幅に削減する。また、簡単なアルゴリズムによって、交流から直流へ変換することで、異常と判断するためのエッジ処理を監視装置内で実行する。  駆動電源によって駆動される交流電動機を監視する、交流電動機の監視装置において、前記監視装置は、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づき、特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
2019049188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電源によって駆動される交流電動機を監視する、交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づき、特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機の少なくとも一相の前記電流検出値を用いて、交流周波数を演算し、前記交流周波数に基づき、前記電流検出値を前記直流量に変換することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項３】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機の少なくとも二相の前記電流検出値を用いて、前記電流検出値の座標変換を行い、座標変換された前記電流検出値の位相に基づき、前記電流検出値を前記直流量に変換することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項４】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
一つの前記駆動電源により複数の前記交流電動機が駆動されている場合において、
前記監視装置は、複数の前記交流電動機のそれぞれに備えられた前記電流検出手段によって検出された前記電流検出値の少なくとも一つを用いて、複数の前記交流電動機の前記電流検出値を前記直流量にそれぞれ変換することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項５】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機の回転軸測定手段によって検出された前記交流電動機の回転軸の位置、または速度に基づき、前記電流検出値を前記直流量に変換することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項６】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機に印加される電圧を検出する電圧検知手段によって検出された電圧に基づき、前記電流検出値を前記直流量に変換することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項７】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記駆動電源の位相情報に基づき、前記電流検出値を前記直流量に変換することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項８】
請求項１乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量に含まれる振動成分を算出し、前記振動成分に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項９】
請求項１乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記電流検出値を前記直流量に変換する際に用いた周波数を用いて、前記電流検出値に含まれる脈動成分に対して、整数次数または分数次数で周波数分析し、前記周波数分析の結果に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１０】
請求項１乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量が所定値の範囲を超えて変化した場合に、前記直流量の変動量、または前記電流検出値を前記直流量に変換する際に用いた周波数の変動量の少なくとも一つを分析し、前記分析の結果に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１１】
請求項１乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記電流検出値を前記直流量に変換する際に用いた周波数が所定の範囲を超えて変化した場合に、前記周波数の変動量、または前記直流量の変動量の少なくとも一つを分析し、前記分析の結果に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１２】
請求項１乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
電動機駆動システムには振動、圧力、騒音、温度または湿度の外部センサが少なくとも一種類取り付けられており、
前記監視装置は、前記外部センサの少なくとも一種類のセンサ情報と、前記直流量との相間関係を分析し、前記分析の結果に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１３】
請求項６乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量に基づき、瞬時有効電力または瞬時無効電力の少なくとも一方を算出し、前記算出の結果に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１４】
請求項６乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、電動機駆動システムの数式モデルに基づいて前記交流電動機のトルクを演算し、前記直流量と前記トルクの演算値とを用いて、前記電動機駆動システムの状態量を算出し、前記状態量に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１５】
請求項６乃至７に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量と、逆算したインバータのスイッチング素子の動作状態とに基づいて、
前記スイッチング素子の前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１６】
請求項４に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、複数の前記交流電動機に流れる電流の位相、または振幅の少なくとも一方に基づき、複数の前記交流電動機のそれぞれの動作状態を個別に算出し、前記動作状況に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は制御器と前記特徴量を出力する特徴抽出器とを備え、前記制御器と前記特徴抽出器とは別の信号処理装置上で動作し、
前記制御器は、前記駆動電源によって出力された交流電圧と同期した回転座標軸上の制御内部状態量を出力し、
前記特徴抽出器は、前記制御内部状態量を前記直流量として、前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は制御器と前記特徴量を出力する特徴抽出器とを備え、前記制御器と前記特徴抽出器とは一体となった信号処理装置上で動作し、
前記制御器で用いる回転座標軸上の電流値または回転座標軸上の電圧値の少なくともいずれかを前記直流量として利用し、
前記特徴抽出器は、いずれかの前記直流量または前記制御器で使用される回転数の少なくとも一つに基づき、前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項１９】
請求項１７乃至１８に記載の交流電動機の監視装置において、
前記制御器は、前記交流電動機の回転子位相角と、前記交流電動機の実際の位相角の差である軸誤差を求める手段を備え、
前記特徴抽出器は、前記軸誤差に基づき前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項２０】
請求項１７乃至１８に記載の交流電動機の監視装置において、
前記制御器は、前記交流電動機の駆動速度の推定量、または前記交流電動機のすべり周波数の推定量、または前記交流電動機内部に発生する磁束の推定量の少なくとも一つの状態量を求める手段を備えるものとし、
前記特徴抽出器は、前記状態量に基づき、前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項２１】
請求項１７乃至１８に記載の交流電動機の監視装置において、
前記制御器は、前記交流電動機の回転座標軸上の電流指令値と実際の電流検出値とが一致するように動作し、前記指令値と前記検出値との偏差である電流偏差、前記電流偏差に比例した状態量、前記電流偏差を積分した状態量または前記電流偏差を微分した状態量の少なくとも一つを分析し、
前記特徴抽出器は、前記電流偏差または前記状態量の少なくとも一方に基づき、前記特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項２２】
請求項１乃至２１に記載の交流電動機の監視装置において、
前記特徴量は、前記交流電動機の経時変化または異常動作を示すことを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項２３】
請求項１乃至２２に記載の交流電動機の監視装置において、
前記特徴量は、前記交流電動機、前記交流電動機に接続されている駆動電源または前記交流電動機に接続されている機械装置の少なくとも一つに関係する特徴量であることを特徴とした交流電動機の監視装置。
【請求項２４】
請求項１乃至２３に記載の交流電動機の監視装置と、
通信手段と、分析診断装置とを備え、
前記通信手段は、前記特徴量を前記分析診断装置に送信し、
前記分析診断装置は、前記特徴量に基づき、前記交流電動機または前記交流電動機に接続されている機器の状態を分析することを特徴とした分析システム。
【請求項２５】
請求項１乃至２４に記載の交流電動機の監視装置を含むことを特徴とした産業機器システム。
【請求項２６】
請求項１乃至２４に記載の交流電動機の監視装置を含むことを特徴とした自動車。
【請求項２７】
請求項１乃至２４に記載の交流電動機の監視装置を含むことを特徴とした電気鉄道車両。
【請求項２８】
請求項１乃至２４に記載の交流電動機の監視装置を含むことを特徴とした家庭電化装置。
【請求項２９】
駆動電源によって駆動される交流電動機の監視方法であって、
監視装置は、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づき特徴量を出力することを特徴とした交流電動機の監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機の監視装置および監視方法、ならびに電動機駆動システムの監視装置および監視方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
産業、家電、輸送などの分野では、製品に用いる制御用マイクロプロセッサーが高速化・高性能化し、同時にネットワークによる情報通信も急速に発達している。これらの結果、モノをネットワークに接続して、膨大な情報を役立てる取り組みであるＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）が注目を集めている。産業分野であれば、工作機械などにセンサーを多数配置し、その情報を分析することで、製造プロセスの生産性を向上させたり、工作機械の異常を逸早く検知してメンテナンス作業に役立てようとしている。機器のメンテナンス作業は、従来の動作時間に基づく監視作業から、センサ信号を拠り所とした状態監視に基づく作業へと移行しつつある。【０００３】
電動機を用いた機器の監視を行うには、電流センサを新たに取り付けたり、あるいは電動機に温度や振動などのセンサを取り付けて、それらを一定周期でサンプルして、得られたデータを分析して状態監視を行う傾向にある。【０００４】
特許文献１では、空調システムを対象に、消費電力の最小化に関する監視・最適化技術が示されている。その際、多数のセンサから環境情報を収集して分析を行っている。【０００５】
特許文献２及び特許文献３では、誘導電動機の相電流、あるいは端子電圧をパワースペクトル分析して、その側帯波の発生量から異常を検知する技術が開示されている。【０００６】
これらの公知例に示されるように、交流電動機は様々な用途の動力源に用いられており、これらの交流電動機の挙動を観測することで、システム全体の監視を行うことは、今後益々重要になるものと予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１３４６
【特許文献２】特開２０１６−１９５５２４
【特許文献３】特開２０１６−１９７０４０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示されるように、環境センサを多数配置することで多くの情報を得ることができるが、センサ数が増えることでデータ数も増大化し、結果的にデータ取得後の分析に莫大な時間を要する傾向にある。【０００９】
また、交流電動機を用いる以上、電流検出値は交流量となるため、データ収集におけるサンプリング周期は、原理上、交流電流の周期よりも十分短くする必要がある。そのためにデータ量は増加し、さらに分析する時のデータ処理も時間を要することになる。【００１０】
特許文献２、３は、誘導電動機の電流のパワースペクトルを用いて状態監視を行っている。この手法では、定常的（持続的）に発生する異常であれば検知可能であるが、負荷変動時など過渡時にしか現れない異常の兆候を検知するのは難しい。また、産業機器などでは、交流電動機をインバータによって可変速駆動する用途も多く、可変速動作を繰り返すような用途では、パワースペクトルから異常を検知するのは困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。【００１２】
駆動電源によって駆動される交流電動機を監視する、交流電動機の監視装置において、前記監視装置は、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づき、特徴量を出力する。
【発明の効果】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。【００１４】
本発明によれば、交流電動機に流れる電流を直流量として扱うことで、データ量を大幅に削減できる。また、簡単なアルゴリズムによって、交流から直流へ変換することで、異常と判断するためのエッジ処理を監視装置内で実行できる。上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図２】第１の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図３】第２の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図４】第２の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図５】第３の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図６】第３の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図７】第４の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図８】第４の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図９】第５の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図１０】第５の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図１１】第６の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図１２】第６の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図１３】第７の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図１４】第８の実施の形態に係る特徴抽出器の構成を表す図。
【図１５】第８の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図１６】第９の実施の形態に係る特徴抽出器の構成を表す図。
【図１７】第１０の実施の形態に係る特徴抽出器の構成を表す図。
【図１８】第１０の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図１９】第１０の実施の形態に係るもう一つの特徴抽出器の構成を表す図。
【図２０】第１１の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図２１】第１１の実施の形態に係る特徴抽出器の構成を表す図。
【図２２】第１１の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図２３】第１２の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図２４】第１２の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図２５】第１３の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図２６】第１３の実施の形態に係る電動機・機械装置の物理モデルを示す図。
【図２７】第１３の実施の形態に係る状態オブザーバを示す図。
【図２８】第１４の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図２９】第１４の実施の形態に係る通流率変換器の構成を示す図。
【図３０】第１４の実施の形態に係る電流割当器の構成を示す図。
【図３１】第１４の実施の形態に係るスイッチング素子の動作を示す図。
【図３２】第１４の実施の形態に係る特徴抽出器の構成を示す図。
【図３３】第１４の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図３４】第１５の実施の形態に係る特徴抽出器の構成を示す図。
【図３５】第１５の実施の形態に係る動作波形を示す図。
【図３６】第１６の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図３７】第１７の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図３８】第１８の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図３９】第１９の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図４０】第２０の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図４１】第２０の実施の形態に係る電流制御器の構成を示す図。
【図４２】第２０の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図４３】第２０の実施の形態に係る電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置の構成を表す図。
【図４４】第２１の実施の形態に係る工作機械装置ならびに監視装置の構成を示す図。
【図４５】第２２の実施の形態に係る電気自動車ならびに監視装置の構成を示す図。
【図４６】第２３の実施の形態に係る電気鉄道車両ならびに監視装置の構成を示す図。
【図４７】第２４の実施の形態に係るエアコン室外機ならびに監視装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る一実施形態について図面を用いて説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１、２を用いて、本発明の第１の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００１８】
図１に示す電動機駆動システムは、三相交流電動機１（以下単に電動機１と略）を動力源として動作するものであり、電動機１の駆動電源２、電動機１を動力とした機械装置３からなる。駆動電源２は、インバータなどの電力変換器で構成される。機械装置３は、ファン、ポンプ、圧縮機、工作機械などの産業機器、自動車、鉄道車両、家電など、電動機を用いる機器を対象としている。
【００１９】
このシステムやシステムに含まれる交流電動機の動作を監視して、経時変化や異常動作、あるいは異常動作の兆候を検知するのが監視装置１００である。本実施形態では、既設の電動機駆動システムに、後付けとして監視装置１００を設置することを想定している。電流センサ４ａによって検知された電動機１の相電流を監視機器５で処理した上で、通信手段７を介して、分析／診断装置８へデータを送る。電流センサ４ａは電流検出手段の役割を果たし、電動機１の相電流を検出する。電流検出手段によって検出された相電流を、電流検出値とする。通信手段７は、有線や無線通信ネットワークで構成される。また、常に通信手段７を介して分析/診断装置へデータを送らずとも、フラッシュメモリーに一旦データを保存しておき、ある程度のデータが蓄積されたあとにまとめて分析することも可能である。また、データ数が大幅に削減でき、外部での処理が不要となれば、分析/診断装置８を設けずに、分析/診断処理を監視装置１００の内部で実行することも可能である。
【００２０】
次に、本実施形態の監視装置１００について説明する。
【００２１】
電流検出手段である電流センサ４ａによって検出された相電流（図１ではＵ相の電流だが、どの相でもよい）を、監視装置１００に備わっている監視機器５に読み込み、直流量へと変換する。尚、監視機器５は、マイコンやＦＰＧＡで実現するものとし、実際にはＡＤコンバータを介して読み込まれる（図１ではＡＤコンバータは省略）。
【００２２】
交流電流波形は、正弦波状に時々刻々と変化するため、単純にサンプリングしただけでは、電動機の挙動（例えば、負荷変動や、機械装置の変化による影響）を素早く検知するのが難しいそのためには、サンプル周期を短くした上で、データのクレンジングが必要となる。
【００２３】
本発明では、乗算器５５、およびローパスフィルタ（ＬＰＦ）５６を用いて交流量を直流量に変換する。検出された相電流Ｉｕは、乗算器５５にて二乗され、その後、ローパスフィルタ５６によって直流成分Ｉ１のみが抽出される。図２に、各信号の波形を示す。
【００２４】
このＩ１を用いて、電動機駆動システムや、電動機駆動システムに含まれる交流電動機の挙動を監視する。特徴抽出器６では、Ｉ１の大きさや、Ｉ１に含まれる脈動成分、過渡変動分を抽出することで、特徴量を出力する。特徴量は、例えば経時変化、異常動作を示す値や変化のことである。また、例えば交流電動機、駆動電源、又は機械装置の少なくとも一つの特徴量を出力する。そして、通信手段７を介して、その特徴量を分析／診断装置８へ送る。尚、特徴抽出器６の詳細は、実施形態７〜１１にて詳しく述べる。
【００２５】
以上のように、本発明によれば、電動機駆動システムの交流電流を、電流の振幅に変換して監視を行うことが可能である。
【００２６】
（第２の実施の形態）
図３、４を用いて、本発明の第２の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００２７】
図３に、第２の実施形態のブロック構成図を示す。図３は、図１における監視機器５の代わりに、監視機器５Ａを導入したものである。尚、図３における部品で、部品番号が図１と同じものは、図１のものと同一のものである。
【００２８】
監視機器５Ａでは、零クロス計測器５１を用いて、電流検出値である相電流Ｉｕの半周期間を計測し、交流電流の交流周波数を求める。図４に示すように、相電流の零クロス期間を、マイコンのタイマーを利用して計測し、その値をＴｚとする。この計測時間Ｔｚを用いて、周波数演算器５２にて交流周波数（角周波数）ω１を演算する。尚、Ｔｚが交流波形の半周期間であるから、ω１＝π／Ｔｚとして計算可能である。
【００２９】
このω１を用いて、ＳＩＮ波発生器５３、ＣＯＳ波発生器５４にて、ｓｉｎ（ω１・ｔ）およびｃｏｓ（ω１・ｔ）を演算し、それらと相電流波形Ｉｕとを乗算器５５を用いて掛け算する。これらの乗算結果の平均値は、Ｉｕに含まれるｓｉｎ成分、およびｃｏｓ成分に相当する値になるため、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５６を介することで、ｓｉｎ成分（ｘ）と、ｃｏｓ成分（ｙ）が抽出できる。
【００３０】
ｘ、ｙは、それぞれＩｕに含まれるｓｉｎ成分、ｃｏｓ成分の振幅に一致するため、交流絶対値演算器５７にて相電流Ｉｕの大きさ（振幅）Ｉ１を計算する。
【００３１】
このようにして、交流電流Ｉｕの大きさＩ１、および角周波数ω１が、交流電流の半周期毎に得られる。特許文献に記載のパワースペクトルを用いるよりも、高速に電流情報が変換できる。
【００３２】
これらのＩ１やω１を用いて、電動機駆動システムの挙動を監視する。特徴抽出器６では、Ｉ１やω１に含まれる脈動成分や、過渡変動分を抽出することで、特徴量を出力する。そして、第１の実施形態と同様に、通信手段７を介して、その特徴量を分析／診断装置８へ送る。
【００３３】
以上のように、本発明によれば、電動機駆動システムの交流電流を、電流の振幅と交流周波数に変換して監視を行うことが可能である。さらにその観測周期は、従来のパワースペクトルによる監視よりも短くすることが可能であり、過渡現象を含めた状態監視が可能となる。
【００３４】
（第３の実施の形態）
図５、６を用いて、本発明の第３の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００３５】
図５に、第３の実施形態のブロック構成図を示す。図５は、図３の第２の実施形態の構成図に対して、電流検出手段であるＷ相の電流センサ４ｂを追加し、さらに監視機器５Ａの代わりに監視機器５Ｂを導入したものである。尚、図５における部品で、部品番号が図３と同じものは、図３のものと同一のものである。
【００３６】
第２の実施形態では、一つの相の電流センサのみで、電流検出値である交流量を直流量に変換した。一方、監視機器５Ｂは、三相のモータ電流のうちの二相を検出して、電流検出値である交流電流を直流量に変換する。これにより、電流波形の平均値の計算や、零クロス信号を待たずに、瞬時瞬時の値から交流電流を直流に変換することが可能になり、交流電流の周期よりも短い変動成分の検出も可能になる。
【００３７】
図５において、監視機器５Ｂは、三相交流電流を、直交する二相の交流電流に変換するαβ変換器９、αβ変換器９によって算出された二相の交流電流Ｉα、Ｉβに基づいて、その交流電流位相角θｉ＊を計算するアークタンジェント演算器１０、θｉ＊に対して、座標変換位相θｉを算出する位相演算器１１、位相演算器１１の出力θｉに基づき、Ｉα、Ｉβを二軸の直流量であるＩｒ、Ｉｉに座標変換する回転座標変換器１２、直流量に変換されたＩｒ、Ｉｉ、および位相演算器１１の内部量である角周波数ωｒｓを入力して、状態監視に用いる特徴量を計算する特徴抽出器６Ｂから構成される。
【００３８】
尚、位相演算器１１は、交流電流位相角θｉ＊と、位相演算器１１の出力である座標変換位相θｉの偏差を計算する加算器１１１（ここでは減算を行っている）と、この偏差に対してＰＩ制御（比例積分制御）を行い、角周波数ωｒｓを出力するＰＬＬ制御器１１２と、ＰＬＬ制御器１１２の出力であるωｒｓを積分して座標変換位相θｉを計算する積分器１１３からなる。
【００３９】
次に、監視機器５Ｂの動作について説明する。
【００４０】
二つの相電流センサ４ａ、４ｂで検出されたＩｕ、およびＩｗに基づき、αβ変換器９によって直交する二相の交流電流Ｉα、Ｉβに変換する。αβ変換は、
Ｉα＝（２／３）｛Ｉｕ−Ｉｖ／２−Ｉｗ／２｝．．．（数１）
Ｉβ＝（１／√（３））｛Ｉｖ−Ｉｗ｝．．．（数２）
で計算される（相対変換）。尚、Ｖ相電流Ｉｖは、Ｉｖ＝−（Ｉｕ＋Ｉｗ）として求めている。
【００４１】
αβ軸は、直交する座標であり、その座標上の値から電流位相θｉ＊が瞬時に計算できる。
【００４２】
2019049188.tif 000003
得られたθｉ＊は電流位相の瞬時値であり、この値を用いて回転座標変換を行うことも可能であるが、本実施形態では位相演算器１１を介して座標変換位相θｉを計算している。その理由は以下に記す通りである。
【００４３】
相電流には、電流リプルやノイズが含まれているため、このまま回転座標変換に適用すると変換された直流量にも多量のリプルやノイズが含まれる恐れがある。そこで、ノイズを低減する目的と、交流電流の周波数を算出する目的を兼ねて、位相演算器１１を導入する。
【００４４】
さらに、位相演算器１１では、ＰＬＬ制御に基づく制御ループを構成することで、ノイズの除去と、交流電流の周波数演算を同時に行っている。積分器１１３の出力である座標変換位相θｉと、電流位相θｉ＊が一致するように、ＰＬＬ制御器１１２が角周波数ωｒｓを出力する。θｉとθｉ＊が一致すれば、ＰＬＬ制御器１１２の出力ωｒｓも、交流電流の角周波数に一致していることになり、周波数情報も得ることができる。また、ＰＬＬ制御器１１２のゲインを設定することで、適度なフィルタリングが施され、ノイズの除去も可能である。
【００４５】
ＰＬＬ制御器では、ＰＩ制御（比例積分制御）を行うものとし、以下の計算を行っている。
【００４６】
2019049188.tif 000004
尚、上式において、ＫｐＰＬＬは比例ゲイン、ＫｉＰＬＬは積分ゲインを意味する。尚、電動機駆動システムによっては、電動機１の急加減速を頻繁に行う用途もあり、その場合には、単純なＰＩ制御ではなく、積分の二乗の項を追加するなどの改良を行えばよい。
【００４７】
位相演算器１１にて得られた座標変換位相θｉに基づき、回転座標変換器１２においてＩα、Ｉβを直流量に変換する。
【００４８】
Ｉｒ  ＝  Ｉα・ｃｏｓ（θｉ）＋  Ｉβ・ｓｉｎ（θｉ）．．．（数５）
Ｉｉ  ＝  −Ｉα・ｓｉｎ（θｉ）  ＋  Ｉβ・ｃｏｓ（θｉ）．．．（数６）
上記のＩｒ、Ｉｉは、監視機器５Ｂの演算処理周期毎に計算可能であり、電流の急変等をその瞬間に捉えることができる。
【００４９】
図６に、本監視装置の動作波形例を示す。図６（ａ）に示すように、電動機１の相電流波形が徐々に変化している場合、この変化を交流量のままで検知するのは困難である。特に電流のサンプルが粗い場合には、データ取得後の処理に膨大な時間がかかることになる。あるいは、振幅の変化に周期性がある場合などは、元々変化し続けている交流波形から変化分だけを抽出するのは極めて困難となる。
【００５０】
監視機器５Ｂでは、三相交流を二相の交流電流Ｉα、Ｉβに変換し（同図（ｂ））、位相演算器１１によって、座標変換位相θｉを算出する（同図（ｃ））。θｉには、交流電流の微小な位相変動（周波数変動）も検知可能であり、それは同図（ｅ）に示す角周波数ωｒｓの変化として検出できる。また、電流振幅の変化も、同図（ｄ）に示すように直流値の変化として捉えることが可能である。これらの変化は、監視機器５Ｂの処理周期で決定されるが、近年のデジタル処理を導入すれば、数１０μｓ程度の周期での処理が可能であり、過渡現象を含めての状態監視が可能である。
【００５１】
これら、直流量に変換した後の電流値（振幅値）の変化や、周波数の変化を特徴量として、特徴抽出器６Ｂで捉え、データ量を大幅に削減した上で、通信手段７を介して分析／診断装置８へデータを転送する。データの削減によって、通信負荷は大幅に削減される。
【００５２】
分析／診断装置８では、これらの特徴量を時系列データとして保存し、電動機駆動システムの経時変化を診断する。監視機器５Ｂにおいて、予め分析し易い状態量へと変換されているため、診断アルゴリズムの適用も容易である。
【００５３】
以上のように、本発明によれば、電動機駆動システムの交流電流の監視を、瞬時の電流検出値から振幅と周波数への変換が可能であり、過渡現象を含めた状態監視が実現できる。
【００５４】
（第４の実施の形態）
図７、８を用いて、本発明の第４の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００５５】
図７に、第４の実施形態のブロック構成図を示す。
【００５６】
本実施形態では、電動機駆動システムの構成が特徴的であり、一台の駆動電源２に、複数台（ｎ台）の電動機１ａ〜ｎと、複数台の機械装置３ａ〜ｎが並列接続されている。電動機として誘導電動機を用いる場合には、このような構成が可能であり、鉄鋼産業における圧延ラインの搬送用ローラの駆動や、鉄道車両システムの駆動モータなどで用いられている構成である。
【００５７】
駆動電源２では、複数台の電動機を一台の電動機とみなして電力を供給している。しかし、機械装置の負荷がそれぞれで異なると、電動機への負荷もそれぞれで異なり、ある特定の電動機や機械装置に負荷が集中して、その機械だけが著しく摩耗するなどの不具合が生じる恐れがある。
【００５８】
どの電動機、どの機械装置に大きな負担がかかっているのか、あるいは振動などの異常が起きていないかを監視するには、個々の電動機を監視する必要がある。しかし、交流量のままで電流を監視すると、前述のように特徴量の抽出が難しいため、一旦直流量に変換して監視するのが望ましい。
【００５９】
本実施形態では、複数台の電動機が一つの駆動電源に接続されたシステムの状態監視方法を提供するものである。
【００６０】
図７は、ｎ台の電動機に対して、それぞれｎ台分の二つの電流センサを追加し、監視機器５Ｃにて各電動機の交流電流を直流量に変換して監視するものである。つまり、一つの駆動電源により複数の交流電動機が駆動され、その各交流電動機のそれぞれに電流検出手段である電流センサが備わっている。尚、図７における部品で、部品番号が図３、あるいは図５と同じものは、それらと同一のものである。
【００６１】
次に、本実施形態の監視機器５Ｃの動作について説明する。
【００６２】
駆動電源２の出力電流（全電動機分の電流）を、電流センサ４ａ、４ｂで検出し、この電流値に基づき、αβ変換、位相演算を実施する。この動作は、実施形態２における監視機器５Ｂの動作と全く同じである。尚、全電動機分の電流値は、ゲイン１３ａ、１３ｂにて１／ｎされ、台数分の平均値としてＩｒ、Ｉｉを算出している。
【００６３】
ｎ台の電動機には、Ｕ相、およびＷ相の電流センサ４ａａ〜ｎ、４ｂａ〜ｎが接続され、それぞれに対してαβ変換器９ａ〜ｎにてαβ変換され、さらに回転座標変換器１２ａ〜ｎにおいてそれぞれが直流量Ｉｒａ〜ｎ、Ｉｉａ〜ｎに変換される。
【００６４】
座標変換位相θｉ、角周波数ωｒｓは、駆動電源２が供給する全電流の値から算出しており、各電動機の電流の回転座標変換は、共通の位相θｉにて算出する。つまり、直流量に含まれる振幅、位相、又は周波数の少なくとも一つに基づいて特徴量を出力することで、個々の電動機の動作状態の差が明確に検知できるようになる。
【００６５】
図８に、本実施形態の動作波形を示す。平均電流であるＩｒ、Ｉｉに対して、各電動機の電流値のばらつきが直流量として捉えることができる。例えば、図８（ｂ）の電流から、電動機１ａの電流Ｉｉａがマイナスに発生していることがわかる。このことから、電動機１ａのみが、平均値よりも遅れ位相の電流で駆動されていることがわかる。同様に、電動機１ｂ、電動機１ｎは進み位相であることがわかる。この波形より、電動機１ａのみが、他と異なる動作条件で駆動されており、何かしらの異常が生じている可能性があることがわかる。
【００６６】
このような分析を、交流電流波形の検出値のみで行うことは困難であるが、監視機器５Ｃの導入によって、異常を検知するための特徴抽出が容易となり、監視に必要なデータ量も大幅に削減できる。
【００６７】
尚、実施形態として、電流センサを各電動機に２個ずつ配置する例を示したが、定常的な動作の監視のみであれば、第１の実施形態で示したような１個の電流センサを用いる方式も適用可能である。さらに、駆動電源２の全電流を検出する電流センサ４ａ、４ｂは削除し、変わりに個々の電動機の電流センサから得られた値を加算して、全電流の情報とすることも可能である。
【００６８】
（第５の実施の形態）
図９、１０を用いて、本発明の第５の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００６９】
図９に、第５の実施形態のブロック構成図を示す。
【００７０】
図９は、図５に示した第３の実施形態の構成図に対して、電動機１の回転軸に回転軸センサ１４が取り付けられているのが特徴である。この回転軸センサが検出した信号に基づいて、駆動電源２Ｄにて電動機制御が行われているものである。また、監視装置として、図５の監視機器５Ｂの代わりに監視機器５Ｄを導入している。尚、図９における部品で、部品番号が図３〜７と同じものは、それらと同一のものである。本実施形態では、回転軸測定手段として回転軸センサを用いるが、これに限られない。
【００７１】
これまでに説明した実施形態では、既設の電動機駆動システムに対して、電流センサを追加して、その電流検出値のみを用いて電動機駆動システムの監視を行うものであった。ただし、システムによっては、図９のように電動機１の回転軸センサが接続されているものもあり、さらに条件によっては、その信号を取り出すことが可能な場合もある。そのような電動機駆動システムを対象に、既設の回転軸センサを利用して、検出電流を直流量に変換するのが、本実施形態の構成である。
【００７２】
図９において、回転軸センサ１４は、電動機１の回転軸に接続されており、電動機１の回転に応じてＡ相、Ｂ相、ｚ相のパルス信号を出力するパルスエンコーダである。パルスエンコーダは、ＡＣサーボシステムなどで一般的に用いられている速度センサである。出力されるパルス列を積分することで位置（角度）信号を生成することが可能である。機械角の原点合わせ行うために、一回転で１パルス発生するｚ相も出力するものとする。
【００７３】
このパルス信号を、監視機器５Ｄで流用して、検出した交流電流の座標変換に利用するのが、本実施形態の特徴部分である。
【００７４】
監視機器５Ｄでは、速度・位置検出器１５にて、Ａ、Ｂ相のパルス数をカウントすることで、電動機１の回転数を算出し、さらにパルス列を積分することで回転軸の位相θｄを計算している。このθｄは、電動機１の交流電流位相とリンクしているので、θｄに基づいて回転座標変換を行えば、αβ軸上の電流を直流量に変換することができる。さらにｚ相の信号にて、位相角のリセットを行えば、電動機１のｄｑ軸の座標が得られることになり、駆動電源２Ｄの内部の位相情報を得ることができる。
【００７５】
回転座標変換器１２Ｄでは、位相θｄに基づいて、（数５）、（数６）と同様に計算を行い、電流を直流量に変換する。この変換の結果、交流電動機のベクトル制御に用いるｄ軸電流、ｑ軸電流が演算できる。電動機１の発生トルクは、ｑ軸電流に比例するため、Ｉｑを監視することで、電動機１の発生トルクが監視できることになる。
【００７６】
また、図５の実施形態と異なり、ＩαおよびＩβから位相演算を行う必要がないため、ＰＬＬ制御器による遅れの影響も排除でき、より高精度な状態監視が可能になる。
【００７７】
図１０に、本実施形態を用いた場合の観測波形を示す。電流の変化や、回転速度の変化を、図４の波形例と同様に観測することが可能である。ただし、第１〜４の実施形態では、電流自体の位相に基づいて直流量に変換していたのに対し、本実施形態では、回転軸センサの情報に基づいての変換となるため、より正確な電流の動きを捉えることができる。また、ωｒｓは、実際の回転軸センサから得られる信号であるため、回転速度そのものを検出していることになる。よって、より精度の高い監視が実現できるようになる。
【００７８】
尚、回転軸センサとしては、パルスエンコーダ以外のもの、例えば、レゾルバやホール素子などのセンサを用いても、同様に実現することが可能である。
【００７９】
（第６の実施の形態）
図１１、１２を用いて、本発明の第６の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００８０】
図１１に、第６の実施形態のブロック構成図を示す。
【００８１】
図１１は、図５に示した第３の実施形態の構成図に対して、電動機１の線間電圧を検出する電圧センサ１６ａ、１６ｂが取り付けられているのが特徴である。この電圧センサによって、線間電圧ＶｕｖおよびＶｖｗを検出して、電動機駆動システムの監視に役立てるものである。また、監視装置として、図５の監視機器５Ｂの代わりに監視機器５Ｅを導入している。尚、図１１における部品で、部品番号が図１〜９と同じものは、それらと同一のものである。本実施形態では、電圧検知手段として電圧センサを用いるが、これに限られない。
【００８２】
図１１における監視機器５Ｅでは、線間電圧Ｖｕｖ、およびＶｖｗを入力して、αβ変換器９Ｅにて、三相電圧を二相のＶα、Ｖβに変換する。線間電圧から相電圧への変換は、
Ｖｕ  ＝  （２／３）｛  Ｖｕｖ  ＋  Ｖｖｗ／２  ｝．．．（数７）
Ｖｗ  ＝  −（２／３）｛  Ｖｖｗ  ＋  Ｖｕｖ／２  ｝．．．（数８）
Ｖｖ＝  −（Ｖｕ  ＋  Ｖｗ）．．．（数９）
として計算でき、さらに前述の（数１）、（数２）にて、Ｖα、Ｖβを計算する。アークタンジェント演算器１０Ｅでは、（数３）に示した数式（Ｉαの代わりにＶα、Ｉβの代わりにＶβを使用）に基づき、電圧位相θｖ＊を計算する。位相演算器１１では、電圧位相θｖ＊に追従するように、座標変換位相θｖを制御するように動作する。回転座標変換器１２Ｅでは、Ｉα、Ｉβをθｖの位相によって直流量に変換する。
【００８３】
θｖは、駆動電源２の出力電圧の位相であるため、この座標上で観測した電流は、交流電圧と同相の有効電流、交流電圧に直交する無効電流として算出される。これらの座標変換は、回転座標変換器１２Ｅで、（数１０）、（数１１）に従って算出され、有効電流成分Ｉａ、無効電流成分Ｉｚを求めることができる。
【００８４】
Ｉａ  ＝  Ｉα・ｃｏｓ（θｖ）＋  Ｉβ・ｓｉｎ（θｖ）．．．（数１０）
Ｉｚ  ＝  −Ｉα・ｓｉｎ（θｖ）  ＋  Ｉβ・ｃｏｓ（θｖ）．．．（数１１）
有効電流Iaを監視していれば、負荷トルク、あるいは消費電力が変化したことがわかり、電動機1や機械装置2の状態監視がより、精度よく実施できる。
【００８５】
図１２に、電動機１の電流・電圧波形と、監視機器５Ｅで得られた有効電流Ｉａ、無効電流Ｉｚの波形例を示す。交流電流波形の位相が、図の途中から変化しているが、電流の絶対値自体は変化がなく、また、周波数も過渡時以外は変化がない。本実施形態では、有効電流、無効電流として観測することで、明らかに電流位相が変化し、有効電流の増加、すなわち、消費電力も増加していることが監視機器５Ｅにて捉えることができる。
【００８６】
（第７の実施の形態）
図１３を用いて、本発明の第７の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【００８７】
図１３は、図９に示した第５の実施形態の構成図に対して、電動機１の回転軸センサを用いずに、代わりに駆動電源２Ｆの内部で用いている位相情報θｄを外部に引き出して、その位相情報θｄに基づいて、監視機器５Ｆにて交流電流を直流に変換して、電動機駆動システムの状態監視を行うものである。
【００８８】
まず初めに、図１３に示す実施形態の駆動電源２Ｆの内部構成を詳しく説明する。駆動電源２Ｆは、電動機１を制御するインバータであり、その内部は、インバータ主回路部へ電力を供給する主回路電源器２１と、電動機１に任意の交流電圧を印加するインバータの主回路２２と、主回路２２の交流出力電流を検出する電流センサ２３と、電流センサ２３で得られた電流検出値に基づいて、インバータ主回路部２２の制御を行う制御器２４から構成されている。制御器２４では、電動機１をベクトル制御するための内部位相である位相情報θｄを演算している。図１３では、電動機１の回転軸センサを取り付けておらず、制御器２４の内部で回転軸位置（角度）の推定演算を行い、θｄを算出している。
【００８９】
監視機器５Ｆでは、駆動電源２Ｆの内部値である位相情報θｄを受け取り、その位相情報に基づいて、図９と同様に交流電流を座標変換してｄ軸、ｑ軸の電流を演算する。尚、駆動電源２Ｆと監視機器５Ｆとのθｄの受け渡しは、シリアル通信やアナログ信号などを介して実施する。また、交流電流の周波数ωｒｓを算出するには、新たにＰＬＬ制御器を導入するか、あるいは、図１３に示すように、微分演算器２５を導入して、微分演算によって角周波数を算出すればよい。
【００９０】
以上のように、本実施形態によれば、第５の実施形態（図９）と同様の状態監視が、回転軸センサを用いることなく実現できる。
【００９１】
（第８の実施の形態）
図１４、１５を用いて、本発明の第８の実施の形態に関わる監視装置について説明する。
【００９２】
図１４に、これまで説明してきた監視機器５、５Ｂ〜５Ｆに使用可能な特徴抽出器６Ｇのブロック構成図を示す。この特徴抽出器６Ｇを、他の実施形態における特徴抽出器に用いることで、第８の実施形態を実現できる。
【００９３】
本実施形態の特徴抽出器６Ｇでは、直流量に変換された交流電流Ｉｒ、Ｉｉ、あるいは角周波数ωｒｓから、振動成分を抽出する機能を提供するものである。
【００９４】
図１４の特徴抽出器６Ｇは、直流に変換された電流Ｉｒ、Ｉｉに含まれる振動成分を抽出する振動成分抽出器６１ａ、ｂと、データをサンプリングするサンプルスイッチ６２、データを保存するメモリ６３から構成される。振動成分抽出器６１ａは、時定数Ｔｈの一次遅れフィルタ３１ａ、加算器１１１、絶対値演算器３２、時定数Ｔｊの一次遅れフィルタ３１ｂから構成される。
【００９５】
図１４に示す振動成分抽出器６１ａの動作を、図１５の波形例を用いて説明する。
【００９６】
波形の例として、直流量に変換された電流Ｉｒに、図１４（ａ）のような振動が含まれているものとする。このような振動は、例えば、電動機１の駆動周波数と、機械装置２の機械共振周波数とが一致したような場合に発生することが多い。よって、電動機１が加速しているとすると、機械共振周波数に駆動周波数が差し掛かったところで振動が発生し、その回転数の領域を超えると、再び振動が抑制されるような現象が生じる。これらの振動現象と、それが発生する交流周波数とを関連付けておけば、機械装置の異常や、経時変化を検知できるようになり、状態監視に役立てることができる。
【００９７】
振動成分抽出器６１ａでは、電流Ｉｒに含まれる振動成分のみを抽出するために、時定数Ｔｈの一次遅れフィルタを介した電流値（この電流値は、振動成分を打ち消した平均値が出力される）を、元のＩｒから減算する（図１４では加算器１１１を減算器として用いている）ことで、振動成分のみを抽出する（図１５（ｃ）に示す、「Ａ」の波形）。さらに、この信号「Ａ」の絶対値を絶対値演算器３２にて求め、図１５（ｄ）に示す「Ｂ」の波形が得られる。「Ｂ」は全波整流のような波形であるため、さらに時定数Ｔｊの一次遅れフィルタ３１ｂを介して、直流成分のみを出力する（同図（ｅ）の波形「Ｃ」）。すなわち、直流電流Ｉｒに振動が発生した場合、振動成分抽出器６１ａからは、直流量の値として振動成分が出力される。サンプルスイッチ６２では、所定間隔でこの波形をサンプルして、メモリ６３に保存する。直流量Ｉｉにも同じ処理を行って、振動成分を抽出することが可能である。いずれにしても、交流電流波形を交流量のまま分析するのに比べれば、直流量に変換したことで、簡単なアルゴリズムによって振動成分の抽出が可能になる。
【００９８】
また、サンプルスイッチ６２で、交流電流の角周波数ωｒｓも同時にサンプルして、メモリ６３に保存すれば、駆動周波数と振動成分の相関関係をデータとして保存できる。この相関関係を分析することで、機械装置の共振点の変動、すなわち、装置の摩耗や劣化を判別するための特徴量として利用することが可能になる。
【００９９】
尚、本実施形態では、電流に含まれる振動成分の抽出する例を示したが、角周波数ωｒｓの振動成分の抽出も同様に可能である。また、第３の実施形態（図７）の場合には、個々の電動機に対して、電動機毎の振動成分の抽出も可能である。
【０１００】
以上、本実施形態による特徴抽出器を用いることで、簡便なアルゴリズムで振動成分を抽出することが可能であり、電動機駆動システムの状態監視に役立てることができる。
【０１０１】
（第９の実施の形態）
図１６を用いて、本発明の第９の実施の形態に関わる監視装置について説明する。
【０１０２】
図１６に、これまで説明してきた監視機器５、５Ｂ〜５Ｆに使用可能な特徴抽出器６Ｈのブロック構成図を示す。この特徴抽出器６Ｈを、他の実施形態における特徴抽出器に用いることで、第９の実施形態を実現できる。
【０１０３】
本実施形態の特徴抽出器６Ｈは、直流量に変換された交流電流Ｉｒ、Ｉｉ、あるいは角周波数検出値に含まれる脈動成分を、周波数まで特定して抽出する機能を提供するものである。
【０１０４】
インバータを駆動電源として、電動機を駆動する場合、電流の脈動成分には、駆動周波数を１次成分として、その整数倍の次数、あるいは整数分の１倍の次数の振動が発生する場合が多い。さらに、その振動がどの電動機の駆動周波数付近で発生するかによって、振動の原因を特定できる可能性がある。よって、駆動周波数を基準とした周波数分析をリアルタイムで実施することは、状態監視をする上で極めて重要である。
【０１０５】
図１６において、特徴抽出器６Ｈは、直流量に変換されたＩｒ、Ｉｉに対して、周波数の次数に応じた成分分析を行う脈動成分分析器６４ａ、ｂと、その分析結果を保存するメモリ６３から構成される。さらに脈動成分分析器６４ａ、ｂは、周波数分析器６５ａ〜ｄと、定数設定器６６ａ〜ｄ、サンプルスイッチ６２から構成されている。
【０１０６】
周波数分析器６５ａ〜ｄの動作は、第１の実施形態における電流振幅Ｉ１の計算アルゴリズムと全く等しいものを用いている。ただし、ＳＩＮ波発生器５３、ＣＯＳ発生器５４に入力される角周波数ωは、定数設定器６６ａ〜ｄにて設定された定数（１、２、６、０．５）をそれぞれωｒｓに掛け算して与えている。
【０１０７】
定数設定器６６ａでは、定数として「１」が設定されているため、ω＝ωｒｓとなり、結果として、周波数分析器６５ａでは、ωｒｓの脈動成分（つまりωｒｓの１次成分）の抽出が行われる。その計算結果Ｉｒ１をサンプルスイッチ６２でサンプリングし、メモリ６３に保存する。
【０１０８】
同様に、周波数分析器６５ｂではωｒｓの２次成分、周波数分析器６５ｃでは６次成分、周波数分析器６５ｄでは１／２次成分の抽出ができる。
【０１０９】
本実施例では、駆動周波数に対して、１次、２次、６次、０．５次の脈動成分を抽出することが可能である。これらの脈動要因は以下のように考えることができる。
【０１１０】
駆動周波数の１次成分は、駆動電源（インバータ）のオフセット電流（直流成分）が生じた時に発生し易く、駆動電源の異常が推定される。また、２次成分は三相アンバランスが生じた時に発生し易く、例えば電動機が発熱により減磁した場合などにも発生する。６次脈動は、電動機の空間高調波、コギングトルク、あるいはインバータのひずみ等が要因となる場合がある。また、電動機の極数が４極の場合には、一回転毎の負荷変動は、１／２次の脈動成分として発生する。あるいは、回転軸が偏芯した場合にも、回転周波数の１次成分（４極機であれば、電気角周波数の１／２次の脈動成分）が発生する。このように、どの次数の脈動が発生しているかによって、その要因を推察することが可能である。また、監視装置において、このような特定の周波数を抽出しておけば、その後の分析／診断の作業は容易であり、状態監視に役立てることができる。
尚、本実施形態では、駆動周波数に対して、１次、２次、６次、０．５次の脈動成分を抽出する例を示したが、これらは任意の次数を設定することが可能である。
【０１１１】
（第１０の実施の形態）
図１７、１８を用いて、本発明の第１０の実施の形態に関わる監視装置について説明する。
【０１１２】
図１７に、これまで説明してきた監視機器５、５Ｂ〜５Ｆに使用可能な特徴抽出器６Ｊのブロック構成図を示す。この特徴抽出器６Ｊを、他の実施形態における特徴抽出器に用いることで、第１０の実施形態を実現できる。
【０１１３】
本実施形態の特徴抽出器６Ｊは、直流量に変換された交流電流Ｉｒ、Ｉｉが、予め設定した閾値（所定の範囲）を超えて変動した時の過渡現象を捉えて、その前後の時系列データを保存するものである。
【０１１４】
第１０の実施形態では、直流量に変換した電流Ｉｒ、あるいはＩｉの過渡現象を捉え、その前後の変動波形を保存し、状態監視に役立てるものである。
【０１１５】
図１７に示す特徴抽出器６Ｊは、直流量に変換された電流Ｉｒの変化量を観測して、予め設定した変化量であるＩＲ０を超えた場合、つまり所定の範囲を超えた場合にトリガー信号を発生させるトリガー信号発生器６７と、電流Ｉｒ、Ｉｉ、角周波数ωｒｓに対して、ｎサンプル前までの値を保管するサンプル値保管器６８ａ〜ｃと、メモリ６３から構成されている。
【０１１６】
トリガー信号発生器６７では、電流Ｉｒの変化量を、一次遅れフィルタ３１ｃと加算器１１１（この場合は減算器として動作）によって計算し、その変化量をコンパレータ３３において、予め設定した基準値であるＩＲ０と比較する。ＩＲ０は、定数設定器６６ｅにおいて設定されている。Ｉｒに変動が生じ、ＩＲ０を超えた場合に、コンパレータ３３の出力が「１」となる。このコンパレータ出力は、遅延回路３４を介して、遅延時間Ｔｘの遅れをもってトリガー信号が出力される。
【０１１７】
サンプル値保管器６８ａ〜ｃでは、１サンプルの遅れ要素６９（１／ｚ）によって、順次過去のサンプル値を保管しており、ｎサンプル過去までの内部値を保管している。サンプル値保管器へのトリガー信号の入力によって、サンプスイッチ６２が一斉にサンプリングを行い、ｎ個のデータがメモリ６３へ保管される。このメモリ６３には、Ｉｒの変動をトリガーとした挙動波形が保存される。
【０１１８】
図１８に、本実施形態の動作波形を示す。波形は、負荷変動等により、Ｉｒの電流波形が急変した時の例を示している。電流波形が予め設定した値ＩＲ０を超えた時点で、コンパレータ３３の出力は「１」となるが、そこから遅延時間Ｔｚを経て、サンプル値保管器６８ａ〜ｃにトリガーを与えている。結果として、図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すようなタイミングで、過渡現象を保管することが可能である。
【０１１９】
メモリ６３には、過渡時の過去データであるＩｒ、Ｉｉ、ωｒｓのｎ個分のデータが図１８（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）のように保存される。電動機の過渡現象は、制御応答に係わる重要な要因であり、例えば、電動機定数が温度などで変化した場合には、過渡現象の違いとして観測できる可能性が高い。よって、これらの電流、駆動周波数の過渡時の関係をデータとして保管し、分析に役立てることができる。分析に用いる変動量としては、直流量の変動量、又は電流検出値を直流量に変換する際に用いた周波数の変動量が挙げられる。
【０１２０】
同様にして、角周波数ωｒｓが閾値（所定の範囲）を超えて変動した時をトリガーとして、電流Ｉｒ、Ｉｉの変化を保管する構成を、図１９に示す。特徴抽出器６Ｋ、トリガー発生器６７Ｋは、図１７の実施形態とほぼ同じであるが、トリガーの発生要因をωｒｓとしている点が異なっている。また、速度変化分の基準値として、角周波数ωｒｓ０が、定数設定器６６ｆにて設定されている。本実施形態においても、図１８と同様に、角周波数ωｒｓをトリガーとして、そのトリガー発生前後の波形を観測することが可能である。この場合の分析に用いる変動量としては、周波数の変動量、又は直流量の変動量が挙げられる。
【０１２１】
以上、本実施形態によれば、電動機や機械装置の過渡現象によって生じる電流や角周波数の変化を捉え、その波形を保存することができ、状態監視やメンテナンスに役立てることが可能である。
【０１２２】
（第１１の実施の形態）
図２０〜２２を用いて、本発明の第１１の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１２３】
図２０に、第１１の実施形態のブロック構成図を示す。
【０１２４】
図２０は、図５に示した第３の実施形態の構成図に対して、電動機１に振動センサ３５が取り付けられているのが特徴であり、この振動センサによって検出された振動加速度ｆｘを監視機器５Ｌに読み込み、特徴抽出器６Ｌにて特徴量を抽出している。その他の部品は、第３の実施形態における図５のものと同じものである。
【０１２５】
図２１に、特徴抽出器６Ｌの構成を示す。この特徴抽出器６Ｌは、図１４に示した第７の実施形態の特徴抽出器６Ｇとほぼ同じ構成を示している。振動加速度ｆｘを入力とする振動成分抽出器６１ｃと、その出力用にサンプルスイッチ６２を追加したものである。この構成とすることで、電流Ｉｒ、Ｉｉの振動に加えて、ｆｘに含まれる振動成分の抽出も可能になる。
【０１２６】
ｆｘの振動成分を、Ｉｒ、Ｉｉの振動成分と同時に抽出することで、新たな効果が得られるので、その説明をする。図２２に、Ｉｒ、角周波数ωｒｓ、振動加速度ｆｘの波形を示す。加速中に、駆動周波数と機械共振周波数が一致すると、大きな振動が発生することは、図１５を用いてすでに説明した。このような機械共振による振動の場合、振動センサの出力ｆｘにも大きな振動が観測され、機械共振現象であることの裏付けが取れる。さらに、高速まで加速した場合、例えば、図２２の「振動２」のような振動現象が生じる場合がある。この場合は、振動センサには振動が発生していない。このことから、機械共振とは無関係の振動現象が、Ｉｒに発生していることがわかる。すなわち、機械系とは無関係な電気系の制御ループで発生している振動であることが、これらの波形から読み取ることができる。
【０１２７】
このように、外部センサの情報と、直流量との相関関係を分析し、特徴量を抽出することで、振動要因の分離が可能になり、状態監視に役立てることができる。
【０１２８】
尚、振動センサは、例えば機械装置の方に取り付けてもよいし、３次元の加速度センサを用いることも可能である。また、外部センサとしては、振動センサの代わりに、騒音センサ（マイクロホン）、温度センサ、湿度センサを用いてもよい。
【０１２９】
また、電動機の駆動状態との関連付けを行う意味では、振動センサ以外にも他のセンサ情報を読み込んでの組み合わせも考えられる。例えば、空調機などの圧縮機であれば、機械装置の圧力センサ情報を利用したり、あるいは温度センサ、湿度センサ等の情報も同時に取り込めば、電動機１の駆動状態との相関関係をデータとして保存可能であり、状態監視に役立てることができる。
【０１３０】
（第１２の実施の形態）
図２３、２４を用いて、本発明の第１１の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１３１】
図２３に、第１２の実施形態のブロック構成図を示す。
【０１３２】
図２３は、図１１に示した第６の実施形態の構成に対して、監視機器５Ｍを監視機器５Ｅの代わりに導入した構成になっている。監視機器５Ｍでは、新たに有効・無効電力演算器３６を追加して、有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを演算し、その演算値を特徴抽出器６Ｍに入力する構成となっている。
【０１３３】
第６の実施形態では、線間電圧情報に基づいて駆動電源２の電圧情報を利用し、電動機の交流電流を有効電流成分と無効電流成分に分離して監視するものであった。本実施形態では、さらに有効電力Ｐ、無効電力Ｑに変換して監視を行うものである。
【０１３４】
有効・無効電力演算器３６では、αβ軸上の電流、電圧を用いて、
Ｐ  ＝  （３／２）｛  Ｖα・Ｉα  ＋  Ｖβ・Ｉβ  ｝．．．（数１２）
Ｑ  ＝  （３／２）｛  Ｖα・Ｉβ  −  Ｖβ・Ｉα  ｝．．．（数１３）
の演算を行う。上式により算出された有効電力Ｐ、無効電力Ｑの少なくとも一方を用いて、特徴抽出器６Ｍによって経時変化や異常動作といった特徴量を抽出、出力する。そして、電動機駆動システムや交流電動機の状態監視を行う。
【０１３５】
有効電力Ｐは、システムの消費電力を瞬時に演算していることになるため、システムの電力消費量を監視することが可能となる。また、年数を重ねることで、消費電力量がどのように変化するかを監視できるため、機械装置の保守に役立てることができる。
【０１３６】
図２４に、有効電力Ｐ、無効電力Ｑの監視波形の例を示す。図では、無効電力のみが途中で急変しており、角周波数ωｒｓおよび有効電力Ｐは変化していない。このような現象が生じたとすると、機械装置３の必要とする消費電力に変化がなく、無効電力のみが増加（負の方向に増加）していることがわかる。その要因としては、例えば、駆動電源２の元の電源電圧が低下して、電動機１に印加可能な電圧の大きさが下がってしまい、電動機１が弱め界磁動作を行っていることが予想される。つまり、駆動電源２の異常までもが判別可能となる。
【０１３７】
このように、有効電力、無効電力の値を監視することで、電動機駆動システムの動作状態をより詳細に監視できるようになる。
【０１３８】
（第１３の実施の形態）
図２５〜２７を用いて、本発明の第１３の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１３９】
図２５に、第１３の実施形態のブロック構成図を示す。
【０１４０】
図２５は、図１１に示した第６の実施形態の構成に対して、監視機器５Ｎを監視機器５Ｅの代わりに導入した構成になっている。監視機器５Ｎでは、Ｖα、Ｖβを位相角θｖで座標変換する回転座標変換器１２Ｅが追加され、回転座標上の電圧ＶａとＶｚが演算され、さらに電動機１の内部状態量を観測する状態オブザーバ３７が追加されている。状態オブザーバ３７は、直接検出していないシステムの状態量を推定演算して観測し、監視に役立てる。本実施形態では、電動機１の数式モデルと、機械装置２の数式モデルに基づき、システムの状態量である電動機１の発生トルクＴｍおよび負荷トルクＴＬの推定演算を行っている。特徴抽出器６Ｎでは、状態オブザーバ３７の出力に加えて、Ｉａ、Ｉｚ、Ｖａ、Ｖｚ、ωｒｓなどを入力し、定常時や過渡時の状態監視を行っている。
【０１４１】
図２６に、モータトルクＴｍ、負荷トルクＴＬと、角周波数ωｒｓの関係を表わす物理モデルをブロック図で示す。図に示すように、電動機１の発生するトルクＴｍと、機械装置３の発生する負荷トルクＴＬの差分と、電動機を含めた機械系のイナーシャＪ、ならび減衰係数Ｄによって、機械角の回転数が得られることがわかる。さらに電動機１の極対数Ｐｏｌｅ／２を乗じることで、電動機１の電気角周波数ωｒｓが得られる。これらのブロック図を原理として、状態オブザーバ３７では、負荷トルクＴＬを逆算する。
【０１４２】
図２７に、状態オブザーバ３７のブロック構成を示す。図において、回転座標変換後の電圧Ｖａ、Ｖｚ、ならびに電流Ｉａ、Ｉｚを入力として、電動機１の数式モデルであるモータモデル３７１にて、電動機１の発生トルクＴｍを演算により求める。さらに、図２６に示した角周波数ωｒｓを求める物理モデルの逆モデルを、ゲイン３７２（極対数の逆数）、ならびに不完全微分器３７３（機械装置の逆モデル）で実現し、負荷トルクＴＬを算出する。尚、不完全微分器３７３における分母の時定数Ｔｏｂｓは、オブザーバゲインであり、この時定数によりＴＬに含まれる周波数成分の帯域を調整することができる。
【０１４３】
図２７に示す状態オブザーバを用いることで、直接検出することが難しい電動機１の発生トルクＴｍ、および負荷トルクＴＬを、数式モデルを用いて求めることが可能となる。例えば、機械装置のトルク振動なども、状態オブザーバ３７によって観測することが可能であり、状態監視に役立てることができる。尚、特徴抽出器６Ｎでは、これまで説明してきた振動成分抽出や出力などの処理を行えばよい。
【０１４４】
また、機械装置のモデルとしては、さらに詳細な数式モデルとして物理モデルを導入することで、様々な状態量を計算できるようになる。例えば、自動車の車体を模擬することで、車体の振動や、サスペンションなどの聞き具合や、あるいは路面状態の監視などにも利用可能である。
【０１４５】
以上のように、監視装置の内部に状態オブザーバを導入することで、発生トルクや負荷トルク等の新たな状態量を演算によって求めることができ、状態監視に役立てることができる。
【０１４６】
（第１４の実施の形態）
図２８〜３３を用いて、本発明の第１４の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１４７】
図２８に、第１４の実施形態のブロック構成図を示す。
【０１４８】
図２８は、図１１に示した第６の実施形態の構成に対して、駆動電源２の詳細を記載し、監視機器５Ｐを監視機器５Ｅの代わりに導入した構成になっている。
【０１４９】
これまでの実施形態は、主に電動機１および機械装置３の状態監視を目的にして構成されていたが、本実施形態では、インバータ主回路を構成するスイッチング素子（Ｔ１〜６、ならびにＤ１〜６）の動作状態の監視を目的としている。
【０１５０】
図２８において、駆動電源２Ｐは、電圧ＶＤＣの直流電圧源２１と、三相フルブリッジのインバータ主回路部２２１、スイッチング素子にゲート信号を与えるゲートドライバ２２２、電流センサ２３、制御器２４で構成されている。
【０１５１】
監視機器５Ｐは、図１１の実施形態と同様に、電圧センサに基づいて交流電流を有効電流と無効電流に分離する機能を備えており、さらにインバータ主回路部２２１の各々のスイッチング素子の動作状態を監視するものである。監視機器５Ｅから、新たに追加された機能は以下の通りである。
【０１５２】
Ｕ相とＷ相の電流からＶ相電流を計算する加算器１１１（ここでは減算器として動作）、線間電圧を通流率（デューティ）に変換する通流率変換器３８、相電流を、各々のスイッチング素子に割り当てる電流割当器３９ａ〜ｃ、これらの電流割当器の出力を特徴量に変換する特徴抽出器６Ｐによって構成される。
【０１５３】
監視機器５Ｐでは、電動機１に印加される電圧と流れる電流に基づいて、インバータ主回路部２２１のどのスイッチング素子にどれだけの電流が流れているかを演算して求め、パワーバランスの監視や、電流の集中が生じていないかを監視する。
【０１５４】
図２９に、通流率変換器３８の内部構成を示す。線間電圧ＶｕｖおよびＶｖｗはパルス電圧であるため、時定数Ｔｆｃの一次遅れフィルタによりパルス成分を除去し、その後、相電圧へと変換する。図２９では、ゲイン１１６、１１７、加算器１１１を用いて、（数７）〜（数９）の演算を行っている。
【０１５５】
得られた相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに対して、直流電源の１／２の値を加算して（定数設定器６６ｇにて設定）、ゲイン１１９（１／ＶＤＣに設定）を乗じることで、通流率Ｄｕ〜Ｄｗを演算している。この結果、Ｄｕ〜Ｄｗは、０．０〜１．０の範囲で変化する。尚、第７の実施形態（図１３）のように、制御器２４より通流率Ｄｕ〜Ｄｗを直接得ることができれば、通流率変換器３８は省略することも可能である。
【０１５６】
次に、図３０、３１を用いて、電流割当器３９ａ〜ｃの動作を説明する。
【０１５７】
各電流割当器３９ａ〜ｃは、インバータ主回路部２２１の各相のアームに相当しており、Ｕ相であれば、ＩＧＢＴのＴ１、Ｔ４、ならびに還流ダイオードのＤ１、Ｄ４の通電電流を演算するものである。
【０１５８】
図３０において、相電流Ｉｕの極性を、スイッチ７０で判別し、「正」ならスイッチをｐ側に、「負」であれば、ｎ側に切り替える。電流が「正」の場合、図３０（ａ）、（ｂ）に示すように、上側のＩＧＢＴであるＴ１がオンする場合と、下側のダイオードＤ４がオンする場合の２通りとなる。Ｔ１とＤ４の電流の割合は、Ｕ相のスイッチングのデューティＤｕで決定される。Ｔ１がオンする割合は、Ｄｕに比例するので、乗算器５５にてＩｕとＤｕを掛け算して、Ｔ１の電流値ＩＴ１として出力する。Ｄ４の電流は、Ｄｕの残りの割合であるため、１−Ｄｕを定数設定器１１８と加算器１１１（ここでは減算器として動作）で求め、乗算器５５でＩｕ×（１−Ｄｕ）を演算し、ＩＤ４として出力している。
【０１５９】
同様に、相電流Ｉｕが負の場合には、図３０（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ｄ１かＴ４のいずれかがオンすることになり、それぞれＤｕと（１−Ｄｕ）を乗算することで電流割合を計算している。尚、負側の電流でも、スイッチング素子に取っては「正」とみなせるため（一つの方向にしか電流は流せないため）、ゲイン１２０を用いて負側の電流の極性を反転させている。
【０１６０】
このようにして、相電流を各スイッチング素子の各素子に割り当てることができる。
【０１６１】
このようにして算出した各スイッチング素子の電流値ＩＴ１〜６、ＩＤ１〜６を、特徴抽出器６Ｐにて特徴量に変換する。図３２に、特徴抽出器６Ｐの構成を示す。
【０１６２】
特徴抽出器６Ｐは、デバイス状態監視器４０ａ〜Ｌが並んでおり、それぞれ１２個のスイッチング素子の温度相当の状態量Ｔ＿ＩＴ１〜６、Ｔ＿ＩＤ１〜６と、稼働履歴相当の状態量Ｓ＿ＩＴ１〜６、Ｓ＿ＩＤ１〜６を計算している。デバイス状態監視器４０の構成は、時定数Ｔｎの一次遅れフィルタ３１ｄと、積分器１１３、ならびにサンプルスイッチ６２で構成されている。一次遅れフィルタ３１ｄは、時定数を各スイッチング素子の温度時定数に合わせておく必要がある。この時定数を合わせることで、各デバイスの動作温度を推定演算することが可能である。また、別の見方をすれば、どのデバイスに片寄った電流が流れているかを監視することが可能である。
【０１６３】
一般的には、機械装置３の負荷特性は三相平衡になる場合が多いが、例えば、レシプロ型の圧縮機等を駆動した場合には、回転周期と同じ周期で負荷変動が発生するため、特定のスイッチング素子に、負荷電流が集中する可能性がある。そのような片寄り状態を、この特徴抽出器によって監視することが可能である。
【０１６４】
また、積分器１１３によって電流を積算することで、そのデバイスの履歴を保存することができる。履歴データを蓄積して分析することで、デバイスの寿命予測に役立てることも可能である。
【０１６５】
図３３に、デバイス状態監視器４０ａの出力Ｔ＿ＩＴ１と、Ｓ＿ＩＴ１の波形例を示す。電動機駆動システムが動作することで、Ｔ＿ＩＴ１が変動する様子がわかる。また、Ｓ＿ＩＴ１は動作電流を積算していくことで、履歴を残している様子が確認できる。
【０１６６】
（第１５の実施の形態）
図３４、３５を用いて、本発明の第１５の実施の形態に関わる監視装置について説明する。
【０１６７】
図３４に、第１５の実施形態のブロック構成図を示す。
【０１６８】
本実施形態は、図７に示した第４の実施形態の特徴抽出器６Ｃを、図３４に示す監視装置６Ｑに置き換えることで実現できる。
【０１６９】
第４の実施形態では、複数台（ｎ台）の電動機の駆動電流を、同じ位相で回転座標変換して、電動機個別の動作状態を監視するものであった。本実施形態では、ｎ台の電動機の動作状態の差異を明確に抽出するため、各電動機の電流を変換して特徴量を抽出する。
【０１７０】
図３４に示すように、特徴抽出器６Ｑは、回転座標変換（２軸の直交座標上に変換）された直流量の電流を、極座標に変換する極座標変換器７１ａ〜ｘ、ならびにメモリ６３Ｑからなる。
【０１７１】
極座標変換器７１ａ〜ｘは、これまでに説明した部品である、アークタンジェント演算器１０、交流絶対値演算器５７、加算器１１１、サンプルスイッチ６２によって構成されている。
【０１７２】
第３の実施形態で説明したように、各電動機の電流は、全電流に基づいて回転座標変換され、それぞれ、Ｉｒａ〜ｎ、Ｉｉａ〜ｎが得られている。
【０１７３】
極座標変換器７１ｘでは、平均電流であるＩｒと、Ｉｉに対して、アークタンジェント演算器１０にて両者のなす角度δ１の演算と、交流絶対値演算器５７にて大きさであるＩ１を計算し、その値をサンプルスイッチ６２でサンプルしてメモリ６３Ｑへ保存している。この平均電流で得られたδ１とＩ１を基準として、各電動機の電流の特徴量を求めるのが、本実施形態の特徴部分である。
【０１７４】
極座標変換器７１ｘで求めた平均のＩ１、δ１と、各電動機で同様に算出したＩａ〜ｎ、δａ〜ｎとの差分を計算し、それぞれをｄＩａ〜ｎ、ｄδａ〜ｎとして、メモリ６３Ｐへ保存する。ｄＩａ〜ｎ、ｄδａ〜ｎは、平均値からのずれ分であるため、電流振幅がどれだけずれているか、あるいは位相差がどれだけ生じているかを監視できる。つまり、交流電動機に流れる電流の位相、あるいは振幅の少なくとも一方に基づき、それぞれの交流電動機の動作状況を算出できる。
【０１７５】
図３５に、これらの特徴量の波形例を示す。
【０１７６】
図３５では、駆動周波数ωｒｓが増加して、電動機が加速している状態であり、平均電流振幅Ｉ１は、微増しているもの、大きな変化はない。しかし、ｄＩａは速度に比例して増加し、ｄＩｂは、速度に依存することなく、一定の偏差を持っていることがわかる。このことから、電動機１ａは、回転数に比例する誤差が発生していると判断できる。つまり、交流電動機の動作状況を個別に算出できる。回転数に比例する誤差とは、例えば、鉄道車用の電動機であれば、車輪径に差が生じており、電動機１ａのみが回転数と共に負荷が増えていると考えられる。また、負荷に依存せずにほぼ一定の誤差がある電動機１ｂは、定数に誤差が生じている可能性が考えられる。
【０１７７】
このように、本実施形態によれば、複数台の電動機を１台の駆動電源で駆動する電動機駆動システムにおいて、各電動機の動作状態の違いを分離し、特徴量を出力することができる。これにより、状態監視に役立たせることが可能である。
【０１７８】
（第１６の実施の形態）
図３６を用いて、本発明の第１６の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１７９】
本実施形態は、図１３に示した第７の実施形態の構成図に対して、制御器２４を図３６に示す制御器２４Ｒに置き換え、さらに制御器２４Ｒの内部の状態量であるＩｄ、Ｉｑを外部に引き出し、監視機器５Ｒにおいて特徴抽出を行うものである。監視機器５Ｒは、特徴抽出器６Ｒからなり、その後、通信手段７を介して診断／分析装置８にて状態監視を行っている。
【０１８０】
駆動電源２Ｒは、電動機１のベクトル制御を行っており、その動作の詳細を図３６の制御器２４Ｒに記す。
【０１８１】
制御器２４Ｒでは、電動機１の相電流を駆動電源２Ｒ内部に備えた電流センサ２３で検出し、その後、ｄｑ座標変換器８１にて、位相角θｄを用いて直流量に変換する。座標変換に使用するθｄは、速度・位相演算器８２において演算される。尚、図３６は、電動機１に回転軸センサを使用していない速度・位置センサレス制御の構成を示しているが、これらのセンサを用いても問題ない。
【０１８２】
ｄｑ座標変換器８１において、電動機１の相電流は、直流量であるｄ、ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換され、それぞれベクトル制御に使用される。ｄ軸電流Ｉｄは、Ｉｄ＊発生器８３から出力されるｄ軸電流指令Ｉｄ＊との差分を加算器１１１にて演算し、その偏差が零になるように、電流制御器（ＡＣＲ）８５ａにて制御を行う。同様に、ｑ軸電流Ｉｑは、Ｉｑ＊発生器８４から出力されるｑ軸電流指令Ｉｑ＊との差分を加算器１１１にて演算し、その偏差が零になるように、電流制御器（ＡＣＲ）８５ｂにて制御を行っている。さらに、モータモデル演算器８６では、電動機１の定数に基づく数式モデルによる電圧演算を行い、その出力を各ＡＣＲ８５ａ、ｂの出力と加算して、ｄ軸、ｑ軸の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を計算している。電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊は、ｄｑ逆変換器８７において三相交流電圧に変換され、その後、ＰＷＭ（パルス幅変調）発生器８８によってパルス列に変換され、主回路のインバータを駆動する。この電流制御器が、駆動電源が出力する交流電圧と同期した回転座標軸上で、偏差が零になるように制御を実行するものである。
【０１８３】
尚、Ｉｄ＊発生器８３、Ｉｑ＊発生器８４は、電流制御器の上位の指令発生器を意味している。例えば、電動機１の速度を制御する速度制御器（ＡＳＲ）などを含めたブロックである。
【０１８４】
以上のように、電動機駆動システムにおける駆動電源は、図３６のようにベクトル制御系を構成する場合が多い。その場合は、制御器の内部で、交流電流を一旦直流値に変換して制御を行っていることが多い。本実施形態では、制御器２４Ｒでの座標変換を流用して、その変換後の直流量を外部に取り出すことを特徴としている。その際、制御器２４Ｒから、シリアルやパラレルなどの通信、あるいはアナログ値に変換するなどして、監視機器５ＲにＩｄ、Ｉｑの値を送信する。外部の監視機器５Ｒでは、受け取ったＩｄ、Ｉｑに対して、特徴抽出器６Ｒにて特徴量の抽出を実行する。このように、制御装置２４Ｒの内部状態量を利用できれば、監視機器５Ｒの動作は極めてシンプルになり、特徴抽出器６Ｒの処理負荷率を大幅に低減でき、安価なマイコンを利用することが可能である。
【０１８５】
また、マイコンの演算負荷率が下がるということは、様々な特徴量の抽出が、同時に実行できるというメリットもある。例えば、これまでに説明した図１４、図１６、図１７、図１９などの特徴抽出器のアルゴリズムを、並列処理して監視を強化することも可能である。また、Ｉｄ、Ｉｑ以外の制御内部状態量、例えばωｒなどを外部に引き出しても何ら問題はない。
【０１８６】
以上、本実施形態によれば、電動機駆動システムの制御内部状態量を外部に引き出すことで、監視装置の負荷を低減でき、さらに様々な特徴量への変換による監視が実現できるようになる。
【０１８７】
（第１７の実施の形態）
図３７を用いて、本発明の第１７の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１８８】
本実施形態は、図３６に示した第１６の実施形態の構成図に対して、制御器２４Ｒを図３７に示す制御器２４Ｓに置き換え、監視機器５Ｒを排除し、代わりに特徴抽出器６Ｓを、制御器２４Ｓの内部に設置したものである。監視装置の役割を、駆動電源２Ｓの中に含めているのが本実施形態の特徴部分である。そのため、特徴抽出器６Ｓの出力は、駆動電源２Ｓから直接通信手段７を介して分析／診断装置８へ転送されている。
【０１８９】
駆動電源２Ｓの内部に監視機能を備えれば、つまり制御器と特徴抽出手段である特徴抽出器６Ｓとが一体となった信号処理装置上で動作することで、通信にかかる弊害は解消され、より多くの内部量を活用することが可能になる。
【０１９０】
例えば、図３７に示すように、電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊や、回転速度ωｒなどの状態量も活用できるため、図２３に示した有効・無効電力の演算、図２５に示したオブザーバの活用、図２８に示したスイッチング素子の監視などを、同時に搭載することも可能となる。
【０１９１】
その場合、制御器２４Ｓの演算負荷率は増えてしまうが、近年のマルチコアのマイコンの活用や、複数マイコンでバスを共有するなどの設計を行えば、このようなアルゴリズムの実装は容易である。もちろん、既設の装置に対しては、ソフト構造の大幅な見直しが必要となるが、予め監視機能を備えた駆動電源を開発する場合には極めて有効な手段である。
【０１９２】
以上、本実施形態によれば、電動機駆動システムの内部量を外部に引き出すことなく、様々な特徴量の抽出が可能となる。つまり、制御器で用いる回転座標軸上の電流値または回転座標軸上の電圧値の少なくともいずれかを直流量として利用し、特徴抽出器は、いずれかの直流量または制御器で使用される回転数の少なくとも一つに基づき、特徴量を出力する。これにより、電動機駆動システムの監視が実現できるようになる。
【０１９３】
（第１８の実施の形態）
図３８を用いて、本発明の第１８の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０１９４】
本実施形態は、図３７に示した第１７の実施形態の構成図に対して、制御器２４Ｓを図３７に示す制御器２４Ｔに置き換えたものであり、さらに、電動機１を永久磁石電動機１Ｔとして、回転軸センサを使用しない位置センサレス制御を構成するものである。
【０１９５】
ブロック構成図としては、永久磁石電動機の位置センサレス制御を行うために、図３７の速度・位置演算器８２の代わりに軸誤差演算器８２Ｔを導入し、さらに加算器１１１、ＰＬＬ制御器１１２、積分器１１３が追加されている。また、特徴抽出器６Ｓを特徴抽出器６Ｔに変更している。
【０１９６】
永久磁石電動機の位置センサレス制御には、様々な方式のものがあるが、電動機の実際の回転子位置θｄと、制御器２４Ｔの内部で推定している位相角との偏差（これを軸誤差Δθｄとする）を計算して、その値が零になるように制御する方式が用いられる場合が多い。
【０１９７】
図３８の制御器２４Ｔは、その例を示しており、軸誤差演算器８２Ｔにおいて、電動機と制御器の間に生じる軸誤差を計算し、その値が零になるように、加算器１１１とＰＬＬ制御器１１２を用いて、電動機の駆動周波数ωｒを計算している。このωｒを調整することで、制御内部の位相θｄを調整し、軸誤差Δθｄを零に制御する。
【０１９８】
この位置センサレス制御系において、「軸誤差Δθｄ」という内部量は極めて重要な値であり、この偏差の発生量が系の安定性を決定づけるものである。定常状態においては、Δθｄは零に制御されているが、例えば、過渡応答時や、定数誤差が発生した場合など、Δθｄに偏差が発生する場合がある。その大きな要因としては、負荷変動が生じた場合には、必ず制御応答に係わる応答遅れが生じるためであり（主に、ＰＬＬ制御器１１２の設定ゲインに係わる動作）、逆説的に捉えれば、この負荷変動時のΔθｄの動きから、どのような負荷変動が発生したかを推察できることになる。また、負荷自体には変化がないとしても、経年変化によってモータのパラメータや、機械系パラメータが変化した場合にも、Δθｄの動きに変化が生じることが考えられる。
【０１９９】
よって、Δθｄの監視は極めて重要であり、この軸誤差に基づいて特徴抽出器６Ｔにて特徴量に変換して監視を行えば、電動機や機械装置の変化、異常の兆候を逸早く検知できる。特徴抽出器６Ｔでは、これまでの実施形態で説明した各種のアルゴリズムを介して、軸誤差Δθｄの変動成分、周波数分析などを実施する。つまり、軸誤差に基づいて特徴量を出力する。これにより、より異常状態を素早く検知できる。また、分析／診断を行う要因として重要な変数が得られることになる。  
以上、本実施形態によれば、位置センサレスの永久磁石電動機を用いた電動機駆動システムにおいて、経年変化や異常動作、あるいは異常の兆候に対して、検知精度を高めることができる監視装置を実現できるようになる。
【０２００】
（第１９の実施の形態）
図３９を用いて、本発明の第１９の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０２０１】
本実施形態は、図３７に示した第１７の実施形態の構成図に対して、制御器２４Ｓを図３９に示す制御器２４Ｕに置き換えたものであり、電動機１を、誘導電動機１Ｕとして、回転軸センサを使用しない速度センサレス制御を構成するものである。
【０２０２】
ブロック構成図としては、誘導電動機の速度センサレス制御を行うために、図３７の速度・位置演算器８２の代わりに速度演算器８２Ｕを導入し、さらにすべり周波数演算器９１、磁束推定器９２が追加されている。また、特徴抽出器６Ｓを特徴抽出器６Ｕに変更している。
【０２０３】
誘導電動機の速度センサレス制御には、様々な方式のものがあるが、電動機の実際の回転速度ωｒを推定する速度演算器８２Ｕと、誘導電動機のすべり周波数ωｓを演算するすべり演算器９１が重要なブロックとなる。また、永久磁石電動機と異なり、磁束を励磁電流（Ｉｄ）によって制御する必要があり、そのｄ軸磁束であるφ２ｄを一定に制御し、また、ｑ軸磁束であるφ２ｑが零になるように制御を行っている。原理上、すべり周波数ωｓを電動機のトルクに調整することで、Φ２ｄを一定に、Φ２ｑを零に制御可能であり、トルクをΦ２ｄ×Ｉｑに比例させることができる。
【０２０４】
逆に言えば、Φ２ｄが変動し、さらにΦ２ｑが発生している場合には、すべり周波数ωｓの値が適切でないことになる。本実施形態では、磁束推定器９２を導入し、誘導電動機内部の磁束推定演算を行い、特徴抽出器６Ｕにて特徴量の抽出を行っている。このような状態量の監視を行うことで、例えばすべり周波数ωｓと磁束Φ２ｄ、Φ２ｑが相間関係をもって変動しているか、あるいは無関係かによって、変動の切り分けができるようになる。仮に相関関係をもって変動していれば、機械装置の負荷自体が変動している可能性が高く、逆に相関関係がないとすれば、誘導電動機の定数変動の可能性が考えられる。このように、誘導電動機の制御内部量を監視することで、異常動作が検知された場合の分離が行えるようになる。
【０２０５】
以上、本実施形態によれば、速度センサレスの誘導電動機を用いた電動機駆動システムにおいて、経年変化や異常動作、あるいは異常の兆候に対して、検知精度を高めることができる監視装置を実現できるようになる。
【０２０６】
（第２０の実施の形態）
図４０を用いて、本発明の第２０の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０２０７】
本実施形態は、図３７に示した第１７の実施形態の構成図に対して、制御器２４Ｓを図４０に示す制御器２４Ｖに置き換えたものである。制御器２４Ｖは、電流制御器８５Ｖａ、ｂ、ならびに特徴抽出器６Ｖが変更されている。
【０２０８】
電流制御器８５Ｖａ、ｂの構成を図４１に示す。一般的に、電流制御器はＰＩ制御（比例・積分制御）やＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）が行われるが、本実施例でも同様にＰＩＤ制御器を構成している。図４１において、電流制御器８５Ｖａは、比例ゲイン８５１、積分ゲイン８５２、積分器８５３、微分ゲイン８５４、時定数Ｔｐの不完全微分要素８５５、ならびに加算器１１１から構成されている。さらに、各補償器の出力であるＶｄｋｐ、Ｖｄｋｉ、Ｖｄｋｄ、をブロックの外へ引き出せるようになっている。ｑ軸電流制御器８５Ｖｂも同様の構成になっており、各補償器の出力Ｖｑｋｐ、Ｖｑｋｉ、Ｖｑｋｄをブロックの外へ引き出せるようにしている。これらの制御器の内部量と、さらに電流偏差であるΔＩｄ（＝Ｉｄ＊−Ｉｄ）、ならびにΔＩｑ（＝Ｉｑ＊−Ｉｑ）を特徴抽出器６Ｖに入力して、特徴量の抽出を行う。
【０２０９】
電流制御器は、一般的には偏差（ΔＩｄ、ΔＩｑ）を零にするように動作するため、定常状態でのΔＩｄやΔＩｑは零に収束する。しかし、指令変化や負荷変動時など、過渡状態では値が発生するが、その過渡時の動きが、電動機１や機械装置３、あるいは主回路電源２の状態によって変化する。すなわち、定常状態では検知できない「異常」や「異常の予兆」を、制御器の偏差の動きから監視することができる。
【０２１０】
さらに、電流制御器８５Ｖａ、ｂは、これら電流偏差に対して、比例、積分、微分を行うものであるから、ここにも偏差の影響が発生する。特に積分器の出力は定常的にも発生する関係にある。
【０２１１】
例えば、モータモデル演算器８６にて、定常状態で必要となる電圧をフィードフォワードとして演算しているが、この中のパラメータが実際の電動機とずれた場合、そのずれ分を定常的に補うのは、電流制御器の積分補償である。よって、ＶｄｋｉやＶｑｋｉには、定数変動の要因が定常的に発生する。また、電流制御の応答を決定づけているのは比例ゲインＫｐや微分ゲインＫｄであるため、過渡時の異常動作を検知するには、これらの補償器の出力を監視し、過渡的な特徴量を監視するのが望ましい。
【０２１２】
よって、これら電流制御器の内部量や、電流偏差から特徴量を抽出することは極めて有益であると言える。
【０２１３】
図４２、ならびに図４３に、本実施形態の応用例を示す。
【０２１４】
図４２は、電動機と機械装置を複数台（図４２では４台）を並列接続した例である。誘導電動機など、並列駆動が可能な交流電動機を、このように並列駆動する場合においても、本実施形態は異常検知に有効である。例えば、４台の中のいずれかの電動機のみが発熱している場合は、電動機の抵抗値が上昇するため、パラメータ値がわずかに変動する。その結果、電流制御器の積分補償の出力が変動するため、その値を監視することで、４台のうちのいずれかが異常であることが検知できる。
【０２１５】
また、図４３は、電動機と機械装置を２台接続した例であるが、ここでは、それぞれの電動機に電流センサを設け、制御にはそれらを加算した値を使用し、電流値の監視には個別の座標変換を用いている。第３の実施形態では、監視機器５Ｃを制御器とは別に設置する例であったが、このように制御器と一体とすることで、制御器の内部位相θｄを利用することができ、電動機毎にｄｑ軸上の電流を監視できる。この個別の電流の値の変化と、各電流制御器の内部量の変化から、どの電動機が異常であるかを推察することが可能である。尚、図４１では、例として電動機を２台の場合を図示しているが、３台以上の電動機でも同様に監視できる。
【０２１６】
以上、本実施形態によれば、電動機駆動システムにおいて、電流偏差や電流偏差に対して比例、積分、微分を行うことによって求めた状態量に基づいて特徴量を抽出することで、経年変化や異常動作、あるいは異常の兆候に対して、過渡、定常を含めて検知精度を高めることができるようになる。
【０２１７】
（第２１の実施の形態）
図４４を用いて、本発明の第２１の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０２１８】
本実施形態は、これまでに説明した実施形態の一部を、産業機器に応用した例を示すものである。
【０２１９】
図４４において、電動機駆動システムを工作機械１５０に応用した例であり、機械装置３Ｘとして、切削加工機が電動機１の回転軸に接続されている。材料１５１に対して加工を行う機械を示している。
【０２２０】
工作機械１５０に対して、電流センサ４ａ、ｂを設置し、その電流を監視機器５に入力して、これまでに説明した交流電流の変換を行って監視を行う。特徴量は通信手段７を介して分析／診断装置８にて分析される。
【０２２１】
このような構成とすることで、工作機械の消耗品の監視、加工物１５１の品質管理、及び歩留まりの改善に、特徴量を役立てることができる。尚、切削加工機に拘わらず、電動プレス機や、射出成型機など、他の加工機にも展開可能である。さらに、ファン、ポンプ、圧縮機と行った産業機器への応用も考えられる。
【０２２２】
尚、図４４には、実施形態の一例を示したが、これまでに説明した他の実施形態との組み合わせもなんら問題はない。
【０２２３】
（第２２の実施の形態）
図４５を用いて、本発明の第２２の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０２２４】
本実施形態は、これまでに説明した実施形態の一部を、電気自動車１５２に応用した例を示すものである。図４５において、機械装置３Ｙとして、電気自動車の駆動輪に接続されている。電流センサ４ａ、ｂを設置し、その電流を監視機器５に入力して、これまでに説明した交流電流の変換を行って監視を行う。特徴量は通信手段７を介して分析／診断装置８にて分析される。
【０２２５】
このような構成とすることで、駆動系の状態、軸受けの劣化、タイヤの摩耗、及び路面状態などの監視に、特徴量を役立てることができる。また、長期間のデータから、消費電力量の無駄を分析して、ドライバにアドバイスするなどのサービスの提供も可能である。
【０２２６】
図４５に示すように、自動車内に監視装置を設置するよりも、第１６〜１９に示した実施形態のように、駆動電源２に監視装置を一体化する方が設置場所を確保せずに監視を行うことができるメリットがある。
【０２２７】
尚、図４５には、実施形態の一例を示したが、これまでに説明した他の実施形態との組み合わせもなんら問題はない。
【０２２８】
（第２３の実施の形態）
図４６を用いて、本発明の第２３の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０２２９】
本実施形態は、第２０の実施形態（図４２）を、電気鉄道車両に応用した例を示すものである。図４６において、複数台の電動機１ａ〜ｄが電気鉄道車両の駆動系に接続されている。また、図４２の実施形態以外でも、例えば、図７、図３４、図４３などを用いて各電動機の監視を行うことは可能である。得られた特徴量は通信手段７を介して分析／診断装置８にて分析される。
【０２３０】
このような構成とすることで、駆動系の状態、軸受けの劣化、車輪の摩耗、及び線路の状態などの監視に、特徴量を役立てることができる。特に複数台ある電動機に対して、どの電動機に異常の恐れがあるかを判断することができるため、メンテナンス作業を省力化することが可能である。また、長期間のデータから機械系の経年変化を監視でき、電動機の電流波形の挙動から、周囲温度の変化も監視できる。さらに、消費電力量の変化を分析して、ドライバにアドバイスするなどのサービスの提供も可能である。
【０２３１】
鉄道車両に監視装置を設置する場合、監視装置を分離して設置するよりも、第１６〜１９に示した実施形態のように、駆動電源２に監視装置を一体化する方が設置スペースを無駄なく使用することができる。
【０２３２】
尚、図４６には、実施形態の一例を示したが、これまでに説明した他の実施形態との組み合わせもなんら問題はない。
【０２３３】
（第２４の実施の形態）
図４７を用いて、本発明の第２４の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【０２３４】
本実施形態は、これまでに説明した実施形態を、家庭電化製品に応用した例を示すものである。図４７において、エアコン１５３の圧縮機１５４を機械装置として監視を行っている。このような構成とすることで、圧縮機の駆動状態、軸受けの劣化、及び冷媒の漏れなどの監視に、特徴量を役立てることができる。
【０２３５】
長期間のデータから機械系の経年変化が監視でき、消費電力量の変化を分析して、メンテナンス時期をバイスするなどのサービスの提供も可能である。
【０２３６】
本実施形態においても、監視装置を分離して設置するより、第１７〜２０に示した実施形態のように、駆動電源２に監視装置を一体化する方が設置スペースを無駄なく使用することができる。
【０２３７】
尚、図４７には、実施形態の一例を示したが、これまでに説明した他の実施形態との組み合わせもなんら問題はない。
【０２３８】
また、既述の通り、本発明の交流電動機の監視装置は、交流電動機の挙動を監視するだけでなく、交流電動機に接続されている駆動電源や機械装置を含む電動機駆動システムの挙動を監視することができる。例えば、交流電動機に接続された機械装置の挙動は交流電動機の電流値にも表れることから、交流電動機の監視を行うことで、交流電動機に接続されている機械装置や電動機駆動システムの監視も、併せて行うことが可能である。
【０２３９】
以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。既述の通り、本発明は交流電動機を動力とする電動機駆動システムの径時変化、異常検知などの状態監視を、精度よく、かつ、最小限のデータ量で実現する技術である。この技術の適用範囲は、工作機械、スピンドルモータ、ファン、ポンプ（油圧ポンプ、水ポンプ）、圧縮機、冷暖房機器などの産業用途から、電気自動車、鉄道車両用モータなどに利用可能である。
【符号の説明】
【０２４０】
１  三相交流電動機、２  駆動電源、３  機械装置、４  電流センサ、５  監視機器、６  特徴抽出器、７  通信手段、８  分析／診断装置、５１  零クロス計測器、５２  周波数演算器、５３  ＳＩＮ波発生器、５４  ＣＯＳ波発生器、５５  乗算器、５６  ローパスフィルタ、５７  交流絶対値演算器、１００  監視装置
【図１】
2019049188.tif 000005
【図２】
2019049188.tif 000006
【図３】
2019049188.tif 000007
【図４】
2019049188.tif 000008
【図５】
2019049188.tif 000009
【図６】
2019049188.tif 000010
【図７】
2019049188.tif 000011
【図８】
2019049188.tif 000012
【図９】
2019049188.tif 000013
【図１０】
2019049188.tif 000014
【図１１】
2019049188.tif 000015
【図１２】
2019049188.tif 000016
【図１３】
2019049188.tif 000017
【図１４】
2019049188.tif 000018
【図１５】
2019049188.tif 000019
【図１６】
2019049188.tif 000020
【図１７】
2019049188.tif 000021
【図１８】
2019049188.tif 000022
【図１９】
2019049188.tif 000023
【図２０】
2019049188.tif 000024
【図２１】
2019049188.tif 000025
【図２２】
2019049188.tif 000026
【図２３】
2019049188.tif 000027
【図２４】
2019049188.tif 000028
【図２５】
2019049188.tif 000029
【図２６】
2019049188.tif 000030
【図２７】
2019049188.tif 000031
【図２８】
2019049188.tif 000032
【図２９】
2019049188.tif 000033
【図３０】
2019049188.tif 000034
【図３１】
2019049188.tif 000035
【図３２】
2019049188.tif 000036
【図３３】
2019049188.tif 000037
【図３４】
2019049188.tif 000038
【図３５】
2019049188.tif 000039
【図３６】
2019049188.tif 000040
【図３７】
2019049188.tif 000041
【図３８】
2019049188.tif 000042
【図３９】
2019049188.tif 000043
【図４０】
2019049188.tif 000044
【図４１】
2019049188.tif 000045
【図４２】
2019049188.tif 000046
【図４３】
2019049188.tif 000047
【図４４】
2019049188.tif 000048
【図４５】
2019049188.tif 000049
【図４６】
2019049188.tif 000050
【図４７】
2019049188.tif 000051
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月10日(2020.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動電源によって駆動される交流電動機を監視する、交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された当該交流電動機の少なくとも二相の電流検出値を用いて当該電流検出値の座標変換を行い、座標変換された前記電流検出値の位相に基づいて前記電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づいて特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項２】
駆動電源によって駆動される交流電動機を監視する、交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記交流電動機に印加される電圧を検出する電圧検知手段によって検出された電圧に基づき、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づいて特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項３】
駆動電源によって駆動される交流電動機を監視する、交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記駆動電源の位相情報に基づき、前記交流電動機の電流検出手段によって検出された前記電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づいて特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量に含まれる振動成分を算出し、前記振動成分に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記電流検出値を前記直流量に変換する際に用いた周波数を用いて、前記電流検出値に含まれる脈動成分に対して、整数次数または分数次数で周波数分析し、前記周波数分析の結果に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項６】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量が所定値の範囲を超えて変化した場合に、前記直流量の変動量、または前記電流検出値を前記直流量に変換する際に用いた周波数の変動量の少なくとも一つを分析し、前記分析の結果に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記電流検出値を前記直流量に変換する際に用いた周波数が所定の範囲を超えて変化した場合に、前記周波数の変動量、または前記直流量の変動量の少なくとも一つを分析し、前記分析の結果に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
電動機駆動システムには振動、圧力、騒音、温度または湿度の外部センサが少なくとも一種類取り付けられており、
前記監視装置は、前記外部センサの少なくとも一種類のセンサ情報と、前記直流量との相間関係を分析し、前記分析の結果に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項９】
請求項２または３に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量に基づき、瞬時有効電力または瞬時無効電力の少なくとも一方を算出し、前記算出の結果に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項１０】
請求項２または３に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、電動機駆動システムの数式モデルに基づいて前記交流電動機のトルクを演算し、前記直流量と前記トルクの演算値とを用いて前記電動機駆動システムの状態量を算出し、前記状態量に基づいて前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項１１】
請求項２または３に記載の交流電動機の監視装置において、
前記監視装置は、前記直流量と、逆算したインバータのスイッチング素子の動作状態とに基づいて、前記スイッチング素子の前記特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
前記特徴量は、前記交流電動機の経時変化または異常動作を示す
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置において、
前記特徴量は、前記交流電動機、前記交流電動機に接続されている駆動電源または前記交流電動機に接続されている機械装置の少なくとも一つに関係する特徴量である
ことを特徴とする交流電動機の監視装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置と、
通信手段と、分析診断装置とを備え、
前記通信手段は、前記特徴量を前記分析診断装置に送信し、
前記分析診断装置は、前記特徴量に基づいて前記交流電動機または前記交流電動機に接続されている機器の状態を分析する
ことを特徴とする分析システム。
【請求項１５】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置を含む産業機器システム。
【請求項１６】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置を含む自動車。
【請求項１７】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置を含む電気鉄道車両。
【請求項１８】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の交流電動機の監視装置を含む家庭電化装置。
【請求項１９】
駆動電源によって駆動される交流電動機の監視方法であって、
前記交流電動機の電流検出手段によって検出された前記交流電動機の少なくとも二相の電流検出値の座標変換を行い、当該座標変換された前記電流検出値の位相に基づいて前記電流検出値を直流量に変換し、前記直流量に基づいて特徴量を出力する
ことを特徴とする交流電動機の監視方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
Ｉａ ＝ Ｉα・ｃｏｓ（θｖ）＋ Ｉβ・ｓｉｎ（θｖ）.．．（数１０）
Ｉｚ ＝ −Ｉα・ｓｉｎ（θｖ） ＋ Ｉβ・ｃｏｓ（θｖ）.．．（数１１）
有効電流Ｉａを監視していれば、負荷トルク、あるいは消費電力が変化したことがわかり、電動機１や機械装置３の状態監視がより、精度よく実施できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
波形の例として、直流量に変換された電流Ｉｒに、図１４（ａ）のような振動が含まれているものとする。このような振動は、例えば、電動機１の駆動周波数と、機械装置３の機械共振周波数とが一致したような場合に発生することが多い。よって、電動機１が加速しているとすると、機械共振周波数に駆動周波数が差し掛かったところで振動が発生し、その回転数の領域を超えると、再び振動が抑制されるような現象が生じる。これらの振動現象と、それが発生する交流周波数とを関連付けておけば、機械装置の異常や、経時変化を検知できるようになり、状態監視に役立てることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３０】
（第１２の実施の形態）
図２３、２４を用いて、本発明の第１２の実施の形態に関わる電動機駆動システム、交流電動機およびそれらの監視装置について説明する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４８】
図２８は、図１１に示した第６の実施形態の構成に対して、駆動電源２Ｐの詳細を記載し、監視機器５Ｐを監視機器５Ｅの代わりに導入した構成になっている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５８】
図３０において、相電流Ｉｕの極性を、スイッチ７０で判別し、「正」ならスイッチをｐ側に、「負」であれば、ｎ側に切り替える。電流が「正」の場合、図３１（ａ）、（ｂ）に示すように、上側のＩＧＢＴであるＴ１がオンする場合と、下側のダイオードＤ４がオンする場合の２通りとなる。Ｔ１とＤ４の電流の割合は、Ｕ相のスイッチングのデューティＤｕで決定される。Ｔ１がオンする割合は、Ｄｕに比例するので、乗算器５５にてＩｕとＤｕを掛け算して、Ｔ１の電流値ＩＴ１として出力する。Ｄ４の電流は、Ｄｕの残りの割合であるため、１−Ｄｕを定数設定器１１８と加算器１１１（ここでは減算器として動作）で求め、乗算器５５でＩｕ×（１−Ｄｕ）を演算し、ＩＤ４として出力している。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５９】
同様に、相電流Ｉｕが負の場合には、図３１（ｃ）、（ｄ）に示すように、Ｄ１かＴ４のいずれかがオンすることになり、それぞれＤｕと（１−Ｄｕ）を乗算することで電流割合を計算している。尚、負側の電流でも、スイッチング素子に取っては「正」とみなせるため（一つの方向にしか電流は流せないため）、ゲイン１２０を用いて負側の電流の極性を反転させている。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６８】
本実施形態は、図７に示した第４の実施形態の特徴抽出器６Ｃを、図３４に示す特徴抽出器６Ｑに置き換えることで実現できる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７４】
極座標変換器７１ｘで求めた平均のＩ１、δ１と、各電動機で同様に算出したＩａ〜ｎ、δａ〜ｎとの差分を計算し、それぞれをｄＩａ〜ｎ、ｄδａ〜ｎとして、メモリ６３Ｑへ保存する。ｄＩａ〜ｎ、ｄδａ〜ｎは、平均値からのずれ分であるため、電流振幅がどれだけずれているか、あるいは位相差がどれだけ生じているかを監視できる。つまり、交流電動機に流れる電流の位相、あるいは振幅の少なくとも一方に基づき、それぞれの交流電動機の動作状況を算出できる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１９４】
本実施形態は、図３７に示した第１７の実施形態の構成図に対して、制御器２４Ｓを図３８に示す制御器２４Ｔに置き換えたものであり、さらに、電動機１を永久磁石電動機１Ｔとして、回転軸センサを使用しない位置センサレス制御を構成するものである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０８】
電流制御器８５Ｖａの構成を図４１に示す。一般的に、電流制御器はＰＩ制御（比例・積分制御）やＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）が行われるが、本実施例でも同様にＰＩＤ制御器を構成している。図４１において、電流制御器８５Ｖａは、比例ゲイン８５１、積分ゲイン８５２、積分器８５３、微分ゲイン８５４、時定数Ｔｐの不完全微分要素８５５、ならびに加算器１１１から構成されている。さらに、各補償器の出力であるＶｄｋｐ、Ｖｄｋｉ、Ｖｄｋｄ、をブロックの外へ引き出せるようになっている。ｑ軸電流制御器８５Ｖｂも同様の構成になっており、各補償器の出力Ｖｑｋｐ、Ｖｑｋｉ、Ｖｑｋｄをブロックの外へ引き出せるようにしている。これらの制御器の内部量と、さらに電流偏差であるΔＩｄ（＝Ｉｄ＊−Ｉｄ）、ならびにΔＩｑ（＝Ｉｑ＊−Ｉｑ）を特徴抽出器６Ｖに入力して、特徴量の抽出を行う。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２０９】
電流制御器は、一般的には偏差（ΔＩｄ、ΔＩｑ）を零にするように動作するため、定常状態でのΔＩｄやΔＩｑは零に収束する。しかし、指令変化や負荷変動時など、過渡状態では値が発生するが、その過渡時の動きが、電動機１や機械装置３、あるいは主回路電源２１の状態によって変化する。すなわち、定常状態では検知できない「異常」や「異常の予兆」を、制御器の偏差の動きから監視することができる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２３５】
長期間のデータから機械系の経年変化が監視でき、消費電力量の変化を分析して、メンテナンス時期をアドバイスするなどのサービスの提供も可能である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３１】
2019049188.tif 000052
【国際調査報告】
2019049188.tif 000053
2019049188.tif 000054
2019049188.tif 000055
2019049188.tif 000056