(57)【要約】【課題】  特別な温度検出を設けなくともパワー半導体素子を保護し，かつ動作パターンの制限の影響を最小限に抑えて運転継続できるサーボアンプを提供する。【解決手段】  モータの位置を検出する手段を備え，その値から演算によって速度を演算する手段と位置偏差を演算する回路を備え，前記位置偏差の変化量が所定のしきい値以下になり，かつ前記速度フィードバックの値が所定のしきい値以下になり，かつサーボアンプ自身のトルク指令が所定のしきい値以上になり，かつこの状態が一定時間以上継続した場合に前記サーボアンプのトルク制限値を下げることでサーボアンプが流す電流を低減させるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体素子からなるインバータ回路と、モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置から速度を生成する速度生成手段と、位置指令と前記位置を比較して位置偏差を生成する位置偏差生成手段と、前記位置偏差を処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と速度の偏差を処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令を処理してモータを駆動するモータ駆動手段とを備えたサーボアンプにおいて、
前記位置偏差の変化量が所定のしきい値以下で、かつ前記速度の絶対値が所定のしきい値以下で、かつ前記トルク指令がある所定値以上で、かつこの状態が一定時間以上継続した場合に前記サーボアンプ自身のトルク制限値を下げるトルク制限調整手段を設けたことを特徴とするサーボアンプ。
【請求項２】
複数のパワー半導体素子からなるインバータ回路と、モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置から速度を生成する速度生成手段と、位置指令と前記位置を比較して位置偏差を生成する位置偏差生成手段と、前記位置偏差を処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と速度の偏差を処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、前記トルク指令を処理してモータを駆動するモータ駆動手段とを備えたサーボアンプの保護方法において、
前記位置偏差の変化量と所定のしきい値を比較するステップと、
前記速度の絶対値と所定のしきい値を比較するステップと、
前記トルク指令の絶対値と所定のしきい値と比較するステップと、
前記位置偏差変化量が所定のしきい値よりも低く、かつ前記速度の絶対値が所定のしきい値よりも低く、かつ前記トルク指令の絶対値が所定のしきい値よりも大きい場合はタイマを動作させるステップと、
タイマと所定の時間を比較するステップと、
タイマが所定の時間よりも大きい場合はトルク制限値を下げるステップと、
警報を出すステップからなることを特徴とするサーボアンプの保護方法。
【請求項３】
前記位置偏差の変化量の所定のしきい値と、前記速度の所定のしきい値と、前記トルク指令の所定のしきい値と、前記タイマの所定の時間と、前記トルク制限値を任意に設定できるようにしたことを特徴とする請求項２記載のサーボアンプの保護方法。
【請求項４】
前記位置偏差の変化量、前記速度の絶対値、前記トルク指令の絶対値、前記タイマの時間の何れかが所定のしきい値を外れた場合に、前記トルク制限のレベルを初期状態に戻すことを特徴とする請求項２記載のサーボアンプの保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，サーボアンプにおいて，機械側が何らかの原因でロックした場合にサーボアンプのパワー半導体素子を保護する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボアンプで交流モータを駆動するとインバータ回路の各パワー半導体素子には交流電流が流れる。しかし，モータ停止時や超低回転時には特定の素子に超低周波数，つまりは直流に近い電流が流れ，その素子の温度が急激に上昇する。場合によっては，パワー半導体素子の破壊温度を超え，破壊に至ることもある。
パワー半導体素子の低周波数運転時の熱破壊を回避するために，サーボアンプにおいて低速過負荷保護を設ける場合がある。これは，インバータ回路の基本波運転周波数とトルクまたは電流の状態を監視し，ある周波数においてあるレベル以上の電流を流した場合に，一定時間後にサーボアンプを停止させてパワー半導体素子を保護する方法である。しかしながら，サーボアンプの低速過負荷保護が動作した場合に，即座に運転を停止すると危険な場合があり，電流またはトルクを下げてでも運転を継続したい場合もある。
従来の保護方法として，パワー半導体素子のケース温度を検出して保護する方法が提案されている（特許文献１）。図６に従来例のブロック図を示す。図６において１０１はバッテリ、１０２はスイッチ、１０３はコンデンサ、１０４、１０５、１０６はパワー半導体素子、１０７はインバータ主回路、１０８、１０９、１１０は温度検出器、１１１はモータ、１１２は位置検出器、１１３はモータコントローラである。インバータ主回路１０７の運転中に、インバータ主回路のＵＶＷ各相のパワーモジュール１０４、１０５、１０６のケース温度を監視し、検出されたケース温度Ｔｃの各相間の最大差がしきい値を超えたらモータがロックされていると判断し、インバータ主回路１０７の出力を低減する。例えば、検出されたＵＶＷ各相のケース温度の内の、最大のケース温度Ｔｃ１と最小のケース温度Ｔｃ２との差がしきい値Ｔ０以下になるようにインバータ主回路の出力を調節する。しきい値Ｔ０には、最大ケース温度を示すＩＧＢＴの接合温度Ｔｊが許容値に達する値を演算または実験的に求めて設定する。ＵＶＷ各相のパワーモジュール１０４、１０５、１０６のケース温度Ｔｃは、インバータ主回路のＵＶＷ各相のＩＧＢＴのケース温度と考えることができるので、各相のＩＧＢＴの最大ケース温度差がしきい値Ｔ０以下になるようにインバータ出力を調節することにより、ＩＧＢＴの接合温度が許容接合温度となる最大のインバータ出力に調節されることになり、モータロック時でも最大出力を維持しながらＩＧＢＴの過負荷を防止することができるというものである。
しかしながら，この方法は，三相インバータ回路を構成する６個のパワー半導体素子が，それぞれ別のケース（モジュール）であることが前提であり，６ｉｎ１モジュールや複合パワーモジュール，更にはインテリジェントパワーモジュールなどの１モジュールで三相インバータ回路を構成する場合には適用できない。加えて，６個のパワー半導体素子のケース温度を検出する手段と，計算処理する手段が必要になり，コスト的にも信頼性的にも不利であることは否めない。
図７は別な従来例の構成図である。図７において、２０１はＡＣサーボドライバで、動力計測システムにおいては、図示省略された計測制制御部よりスロットル開度指令などの位置指令信号が入力される。２０２はＡＣサーボモータで、サーボドライバからの制御信号に基づいて制御される。２０３はパルスエンコーダよりなる速度検出器で、サーボモータ２０２の速度を検出してＡＣサーボドライバ２０１にフィードバックされる。１１はサーボドライバに設けられた速度モニタ部で、速度検出器２０３を介してフィードバックされた信号をもとにサーボモータ２０２の速度をモニタする。２０４は過負荷制限部で、速度モニタ部２１１よりの信号を導入し所定のリミッタ信号としてＡＣサーボドライバ２０１に出力される。過負荷制限部２０４では、図８で示す特性信号が出力されるよう構成されているので、ＡＣサーボモータ２のロック状態で停止、又は振動していても回転数はゼロ近辺の正，逆転各１０％）の範囲内であり、この回転範囲内では１００％トルクにリミットされていて過負荷状態となることはなく、したがって、ＡＣサーボモータおよびサーボドライバを損傷することなく、また、異常信号を発生してシステムダウンをすることなく連続運転が可能となるというものである。（特許文献２）。
この方法は，サーボアンプの低速運転時にはトルク制限値を低い値に設定したままで運転するので，パワー素子を破壊せずにサーボアンプの運転継続が可能であるが，低速運転時のトルクは，ある決められた値以下である必要があり，サーボアンプの多くの用途で要求される起動時の大トルク（大電流）出力ができないため，サーボアンプの至上命題である任意の機械の任意の動作パターンにおける動作時間の短縮ができなくなるという欠点がある。
【特許文献１】特開平１０−１６４７０３号公報
【特許文献２】特開２００２−２１８７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、モータがロック等によって超低速運転に陥った場合に，特別な温度検出手段を設けなくともパワー半導体素子を保護し，かつ動作パターンの制限の影響を最小限に抑えて運転継続できるサーボアンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１記載の本発明は、複数のパワー半導体素子からなるインバータ回路と、モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置から速度を生成する速度生成手段と、位置指令と位置を比較して位置偏差を生成する位置偏差生成手段と、位置偏差を処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と速度の偏差を処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令を処理してモータを駆動するモータ駆動手段とを備えたサーボアンプにおいて，位置偏差の変化量が所定のしきい値以下で、かつ速度の絶対値が所定のしきい値以下で、かつトルク指令がある所定値以上で、かつこの状態が一定時間以上継続した場合にサーボアンプ自身のトルク制限値を下げるトルク制限調整手段を設けたのである。    
請求項２記載の本発明は、複数のパワー半導体素子からなるインバータ回路と、モータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置から速度を生成する速度生成手段と、位置指令と位置を比較して位置偏差を生成する位置偏差生成手段と、位置偏差を処理して速度指令を生成する位置制御手段と、速度指令と速度の偏差を処理してトルク指令を生成する速度制御手段と、トルク指令を処理してモータを駆動するモータ駆動手段とを備えたサーボアンプの保護方法において、位置偏差の変化量と所定のしきい値を比較するステップと、速度の絶対値と所定のしきい値を比較するステップと、トルク指令の絶対値と所定のしきい値を比較するステップと、位置偏差変化量が所定のしきい値よりも低く、かつ速度の絶対値が所定のしきい値よりも低く、かつトルク指令の絶対値が所定のしきい値よりも大きい場合はタイマを動作させるステップと、タイマと所定の時間を比較するステップと、タイマが所定の時間よりも大きい場合はトルク制限値を下げるステップと、警報を出すステップの手順にしたものである。
請求項３記載の本発明は，請求項２記載のサーボアンプの保護方法において、前記位置偏差の変化量の所定のしきい値と，速度の所定のしきい値と，トルク指令の所定のしきい値と，タイマの所定の時間と、トルク制限値を任意に設定できるようにしたものである。
請求項４記載の本発明は，請求項２記載のサーボアンプの保護方法において、前記位置偏差の変化量，前記速度の絶対値，前記トルク指令の絶対値，前記タイマの時間の何れかが所定のしきい値を外れた場合に，前記トルク制限のレベルを初期状態に戻すようにしたものである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によると、モータがロック等によって超低速運転に陥った場合に，特別な温度検出を設けなくともパワー半導体素子を保護し，かつ動作パターンの制限の影響を最小限に抑えて運転継続できるサーボアンプが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は請求項１に関するサーボアンプの構成図である。図中１はサーボアンプ，２はモータ，３は速度検出器，４は制御演算部，５はＰＷＭ制御部，６はパワー素子駆動回路部である。モータ２の位置を検出する位置検出器３によって生成された位置フィードバック信号をもとに，制御演算部４で位置偏差の変化量の計算，この計算値と位置偏差のしきい値の比較，速度フィードバックと速度しきい値の比較，トルク指令とトルクしきい値の比較，時間計算，トルク制限条件の判定およびトルク制限動作を行う。その結果を反映したＰＷＭ指令をＰＷＭ制御部５で生成し，パワー素子駆動回路６を介してサーボアンプ１のインバータ回路を駆動する。
本発明が特許文献１と異なる部分は，特別な温度検出手段を設けることなしに，パワー半導体素子の保護を行うところである。
本発明が特許文献２と異なる部分は，モータがロックした状態を認識して，トルク制限をかけるところであり，通常の低速運転では設定された最大トルクを出力できるので，動作時間に関して特許文献２の方法よりも短くすることができる。
【０００８】
図２は，図１における制御演算部４での演算のフローチャートである。図中、ΔＸは位置偏差の変化量、Ｘｔｈは位置偏差の変化量のしきい値、ＡＢＳ（Ｎｆｂ）は速度フィードバックの絶対値、Ｎｔｈは速度のしきい値、ＡＢＳ（Ｔｒｅｆ）はトルク指令の絶対値、Ｔｔｈはトルク指令のしきい値、Ｔｌｉｍはトルク制限値、ｔは状態を継続している時間、Δｔはサンプリング周期、ｔｍａｘは状態を継続できうる時間の上限値を示している。モータのロックなどによって前記位置偏差の変化量があるしきい値以下になり，かつ前記速度フィードバックの値があるしきい値以下になり，かつ前記サーボアンプ自身のトルク指令が所定のしきい値以上になり，かつこの状態が一定時間以上継続した場合に前記サーボアンプ自身のトルク制限値を下げることでサーボアンプの電流を低減させパワー半導体素子が低速熱集中破壊するのを回避する。
次にトルク制限値の下げ方について説明する。
トルク制限値は，モータがロック状態に陥った時に，サーボアンプが耐えうる最大の値とする。つまり，サーボアンプのパワー半導体素子が連続して流せるＤＣ電流の最大値に相当するトルク指令値である。この値は，サーボアンプの設計および実際の試験によってあらかじめトルクとパワー半導体素子の温度上昇の関係を把握した上で決定される値であり，パワー半導体素子が破壊に至らないようなトルク指令値である。トルク制限値をこのような値にすることで，モータがロックした時もアンプが許容する最大トルクを維持することができる。
【実施例２】
【０００９】
図３は請求項２を実現するための図１における制御演算部４での演算のフローチャートである。モータのロックなどによって，トルク制限を動作させる保護状態になった場合に，運転を継続しつつ，ワーニング信号を出力することでサーボアンプにとって過負荷に近い状態であることを上位コントローラなどに知らせるものである。
【実施例３】
【００１０】
図４は請求項３を実現するための図１における制御演算部４での演算のフローチャートである。位置偏差の変化量のしきい値，前記速度フィードバックのしきい値（速度のしきい値），前記サーボアンプ自身のトルク指令のしきい値，その状態が続く時間のしきい値およびトルク制限値のレベルをソフトウェア上で任意に設定できるようにするもので，それぞれ
・位置偏差の変化量のしきい値：Ｘｔｈ＝パラメータ（１）
・速度のしきい値：ＡＢＳ（Ｎｔｈ）＝パラメータ（２）
・トルク指令のしきい値：ＡＢＳ（Ｔｒｅｆ）＝パラメータ（３）
・状態が続く時間のしきい値：ｔｍａｘ＝パラメータ（４）
・トルク制限値（レベル）：Ｔｌｉｍ＝パラメータ（５）
として示している。
【実施例４】
【００１１】
図５は請求項４を実現するための図１における制御演算部４での演算のフローチャートである。位置偏差の変化量，前記速度フィードバック値，前記サーボアンプ自身のトルク指令値，その状態が続く時間値の何れかが保護の条件を外れた場合に，前記トルク制限値のレベルを初期の状態に戻すものである。
【００１２】
以上実施例を示したが，本発明を用い，それぞれのしきい値を調整することで，例えばほとんどゼロに近い運転周波数状態を継続するロック状態のみに本発明の保護方法を用い，この場合はトルク制限をかけることで運転継続し，通常運転の低速過負荷に関しては，従来方式の低速過負荷保護と用いるといったように，保護機能の併用でパワー半導体素子の保護を確実にすることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明は、モータがロックによって超低速運転に陥った場合に，サーボアンプのパワー半導体素子を保護し，かつ動作パターンの制限の影響を最小限に抑えつつ運転継続が可能であるので、特にギア付アクチュエータのギア噛みこみの保護に効果があり、工作機械、ロボットだけでなく一般産業用機械にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のサーボアンプの構成図
【図２】本発明の実施例１のフローチャート
【図３】本発明の実施例２のフローチャート
【図４】本発明の実施例３のフローチャート
【図５】本発明の実施例４のフローチャート
【図６】従来例の構成図
【図７】他の従来例の構成図
【図８】他の従来例の回転速度によるトルクリミッタ特性図
【符号の説明】
【００１５】
１  サーボアンプ
２  モータ
３  速度検出器
４  制御演算部
５  ＰＷＭ制御部
６  パワー素子駆動回路部
ΔＸ  位置偏差の変化量
Ｘｔｈ  位置偏差の変化量のしきい値
ＡＢＳ（Ｎｆｂ）  速度フィードバックの絶対値
Ｎｔｈ  速度のしきい値
ＡＢＳ（Ｔｒｅｆ）  トルク指令の絶対値
Ｔｔｈ  トルク指令のしきい値
Ｔｌｉｍ  トルク制限値
ｔ  状態を継続している時間
Δｔ  サンプリング周期
ｔｍａｘ  状態を継続できうる時間の上限値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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