(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチのオンオフにより電動機を可変速駆動する電力変換装置であって、前記半導体スイッチの駆動信号を生成する制御装置を有し、前記電動機に取り付けられた光学式パルスエンコーダの少なくとも二相の出力信号から演算した回転速度を前記制御装置にフィードバックして前記駆動信号を生成するようにした電力変換装置において、
前記エンコーダの出力信号に基づいて少なくともエンコーダの出力電気回路や配線系統の異常を検出したときに、前記電動機を保護するための安全対策信号を前記制御装置に送出する安全機能装置を備え、
前記制御装置は、
前記電動機の運転開始前に前記安全機能装置からテスト開始指令が入力されたときに、前記電動機の固定子巻線の線間に短期間だけ直流電圧を印加して前記電動機の回転子にトルクを発生させる手段を有し、
前記安全機能装置は、前記直流電圧の印加期間内に前記エンコーダの出力信号に変化がない場合に、前記エンコーダ内部の光学センサの異常と判断して前記安全対策信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記制御装置は、
前記安全機能装置から出力電圧の所定の位相角指令値が入力されたときに前記直流電圧を印加し、前記位相角指令値が変化したときに前記出力電圧の振幅を変化させて前記電動機の回転子にトルクを発生させるように動作することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した電力変換装置において、
前記安全対策信号は、全ての前記半導体スイッチをオフして前記電動機の運転を停止させるための安全遮断信号であることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばインバータやサーボシステム等の電動機を駆動する電力変換装置において、光学式パルスエンコーダ（以下、単にエンコーダともいう）の異常や配線系統の異常を検出して運転を停止する等の安全対策機能を備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動機の出力軸に取り付けたエンコーダの出力信号から電動機速度や回転子位置を演算し、この演算値をフィードバックして電動機を可変速駆動するインバータやサーボシステムが普及している。これらの装置において、エンコーダの出力信号に異常があると正常な運転が困難になるため、従来より、エンコーダの異常や配線系統の異常を検出してインバータ等の運転を停止する方法が種々提案されている。
【０００３】
例えば、図４は、特許文献１に記載された異常監視装置の主要部を示す構成図である。
図４において、１０は位相が９０度異なる二相（Ａ相，Ｂ相）のアナログ信号を出力する光学式パルスエンコーダ、２０は電源線、信号線、接地線からなるケーブル、３０はエンコーダ１０の出力信号を処理してエンコーダ１０の異常やケーブル２０を含む配線系統の異常を検出し、電動機駆動用のインバータ等の運転を停止させるための制御装置である。
【０００４】
エンコーダ１０は、電動機出力軸の回転により、位相が９０度異なるＡ相入力信号及びＢ相入力信号を発生するための発光素子、スリット、受光素子等からなる光学センサ（図示せず）を備えている。Ａ相，Ｂ相入力信号はトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにそれぞれ入力され、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２同士の接続点は制限抵抗Ｒ１を介して各相の信号端子Ａ，Ｂにそれぞれ接続される。ここで、エンコーダ１０には、制御装置３０からケーブル２０を介して電源電圧Ｖｃが供給されている。
【０００５】
制御装置３０において、電源端子Ｖｃ、Ａ相信号端子Ａ、グランド端子Ｍの相互間、及び、電源端子Ｖｃ、Ｂ相信号端子Ｂ、グランド端子Ｍの相互間には、分圧抵抗Ｒｘ，Ｒｙがそれぞれ接続されている。
Ａ相のアナログ信号ＳｉｇＡａｎａとＢ相のアナログ信号ＳｉｇＢａｎａとは、マイコン３３内のアナログ入力部３３１Ａ，３３１Ｂにそれぞれ入力され、アナログ入力部３３１Ａ，３３１Ｂの出力信号はＡＤ変換部３３２Ａ，３３２Ｂによりディジタル信号に変換される。これらのディジタル信号が入力される後続のレベル異常検出部３３３Ａ，３３３Ｂにおいて、アナログ電圧としてアナログハイレベルまたはアナログローレベルが検出されるか否かを判断することにより、電動機停止時の異常（エンコーダ１０の出力電気回路の故障、ケーブル２０の断線や信号線と電源との短絡、地絡等）が検出される。
【０００６】
一方、ディジタル信号処理手段３１Ａ，３１Ｂはコンパレータ等によりアナログ信号を閾値と比較して、マイコン３３に入力するＡ相，Ｂ相のディジタル信号ＳｉｇＡ，ＳｉｇＢを作成する。また、信号合成手段３２は、ディジタル信号ＳｉｇＡ，ＳｉｇＢの排他的論理和を演算し、これを合成信号ＳｉｇＡＢとしてマイコン３３に入力する。
ディジタル信号ＳｉｇＡ，ＳｉｇＢ及び合成信号ＳｉｇＡＢは、マイコン３３内のディジタル入力部３３４Ａ，３３４Ｂ，３３７にそれぞれ入力される。
【０００７】
ディジタル入力部３３４Ａ，３３４Ｂの出力信号はカウンタ３３５Ａ，３３５Ｂを介してパルス数比較異常検出部３３６に入力され、ディジタル信号ＳｉｇＡ，ＳｉｇＢのパルス数を比較することにより、電動機回転時の異常（エンコーダ１０の出力電気回路の故障、ケーブル２０の断線や信号線と電源との短絡、地絡等）が検出される。また、ディジタル入力部３３７の出力信号は、タイマ３３８を介してパルス幅比較異常検出部３３９に入力され、合成信号ＳｉｇＡＢの「Ｈ」レベルのパルス幅（または周期）に基づいて、同様に電動機回転時の各種の異常が検出されるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２０３９０３号公報（段落［００２９］〜［００６２］、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に係る従来技術によれば、電動機の停止時及び回転時において、エンコーダの出力回路や配線系統の異常を検出することができ、特に、マイコン等の演算処理装置が有する諸機能を利用することで電力変換装置の低コスト化、小型化を可能にしている。
【００１０】
さて、光学式のパルスエンコーダでは、エンコーダ内部に設けられた発光素子やスリット、受光素子等の光学センサ部品に故障が発生すると、出力信号が固定値となる。これは、発光素子からの出射光をスリットを介し受光素子により受光して電気信号に変換する場合、そもそも発光素子が発光していないか、あるいはスリットの故障により受光素子が受光できない場合は、発光素子から正常に出射された光がスリットによって遮られている場合と区別がつかずに出力信号が固定されてしまうためである。
【００１１】
特許文献１に記載された従来技術では、電動機が停止しているときのエンコーダの出力電気回路の故障、ケーブルの断線や信号線と電源との短絡、地絡等を検出可能であるが、上述したようなエンコーダ内部の光学センサの故障時には、エンコーダの出力信号が、電動機が停止しているときの出力信号と区別できないため、異常を検出することができない。
また、電動機が回転していても、エンコーダの出力信号が変化しないので、監視装置側では電動機が停止していると判断してしまい、この場合にも異常を検出できない。
【００１２】
そこで、本発明の解決課題は、電動機の運転開始前に、エンコーダ内部の光学センサの異常を検出可能とした、信頼性の高い電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に係る電力変換装置は、半導体スイッチのオンオフにより電動機を可変速駆動する電力変換装置であって、前記半導体スイッチの駆動信号を生成する制御装置を有し、前記電動機に取り付けられた光学式パルスエンコーダの少なくとも二相の出力信号から演算した回転速度を前記制御装置にフィードバックして前記駆動信号を生成するようにした電力変換装置において、
前記エンコーダの出力信号に基づいて少なくともエンコーダの出力電気回路や配線系統の異常を検出したときに、前記電動機を保護するための安全対策信号を前記制御装置に送出する安全機能装置を備え、
前記制御装置は、
前記電動機の運転開始前に前記安全機能装置からテスト開始指令が入力されたときに、前記電動機の固定子巻線の線間に短期間だけ直流電圧を印加して前記電動機の回転子にトルクを発生させる手段を有し、
前記安全機能装置は、前記直流電圧の印加期間内に前記エンコーダの出力信号に変化がない場合に、前記エンコーダ内部の光学センサの異常と判断して前記安全対策信号を出力するものである。
【００１４】
また、請求項２に係る電力変換装置は、請求項１において、前記制御装置は、前記安全機能装置から出力電圧の所定の位相角指令値が入力されたときに前記直流電圧を印加し、前記位相角指令値が変化したときに前記出力電圧の振幅を変化させて前記電動機の回転子にトルクを発生させるように動作するものである。
【００１５】
更に、請求項３に係る電力変換装置は、請求項１または２において、前記安全対策信号は、全ての前記半導体スイッチをオフして前記電動機の運転を停止させるための安全遮断信号であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電動機の運転開始前、すなわち電動機の停止時に、エンコーダ内部の発光素子やスリット、受光素子等の、光学センサを構成する部品の異常を検出することができ、安全性、信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】図１における制御装置の構成図である。
【図３】誘導電動機の一相分のＴ形等価回路図である。
【図４】特許文献１に記載された異常監視装置の主要部を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の実施形態を示す構成図である。図１において、１００は本実施形態に係る電力変換装置、２００は電力変換装置１００によって駆動される三相誘導電動機等の電動機である。電動機２００の出力軸には、位相が９０度異なる二つの位置検出信号（Ａ相入力信号及びＢ相入力信号）を出力する光学式パルスエンコーダ１０が取り付けられており、エンコーダ１０の出力信号は、ケーブル２０を介して電力変換装置１００内の安全機能装置４０に入力されている。
【００１９】
ここで、安全機能装置４０は、例えば図４に示した制御装置３０を内部に備えており、エンコーダ１０の出力信号に基づいて、前述したようにアナログ入力信号のレベル異常検出、ディジタル入力信号のパルス数比較異常検出、パルス幅比較異常検出を行い、異常検出信号を発生する。そして、この異常検出信号に基づき、後述する制御装置５０内のロジック回路５２に対して安全遮断信号を出力するように構成されている。
なお、上記安全遮断信号は、請求項における安全対策信号の一具体例である。
【００２０】
また、安全機能装置４０には安全停止指令及び安全減速指令が入力されるようになっている。安全停止指令の入力時には、電動機２００の運転を直ちに停止させるための安全遮断信号がロジック回路５２に出力される。一方、安全減速指令が入力された場合は、例えば特開２０１０−２４４２６６号公報に記載されている方法により、電動機２００を所定時間（減速時間）内に減速させるための傾きを安全機能装置４０が演算し、この傾きに従って速度指令値を徐々に低下させて電動機２００を減速し、上記減速時間内に停止させるための安全遮断信号をロジック回路５２に向けて出力する。
なお、エンコーダ１０の出力信号に基づいて安全遮断信号を生成するための回路は、図４（前記特開２０１０−２０３９０３号公報）や特開２０１０−２４４２６６号公報に記載された構成に何ら限定されるものではない。
【００２１】
安全機能装置４０からは、上述した安全遮断信号以外に、後述する位相角指令値、電流指令値及びテスト開始指令が出力され、これらの各指令値は制御装置５０に入力されている。ここで、テスト開始指令は、電動機２００の運転開始前（すなわち停止時）にエンコーダ１０の光学センサの異常を検出するテストを行うためのものであり、上記テストの具体的な動作については後述する。
【００２２】
制御装置５０は、運転指令、停止指令、速度及びトルクの各指令値、位相角指令値並びに電流指令値に基づいて電圧指令値を演算し、この電圧指令値をキャリアと比較してＰＷＭ信号を演算する制御演算器５１と、ＰＷＭ信号に基づいて三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の半導体スイッチに対する駆動信号を生成するロジック回路５２と、を備えている。
ロジック回路５２から出力される駆動信号はドライブ回路６０に送られており、インバータ部７０の半導体スイッチをオンオフさせて電動機２００に三相交流電圧を供給する。
制御演算器５１においてＰＷＭ信号を生成する方式は種々存在するため、上述したキャリア比較方式に何ら限定されるものではない。
【００２３】
次に、図２に基づいて制御演算器５１の構成を説明する。
速度／トルク調節手段５１１は、速度指令またはトルク指令に応じて電動機２００の電流指令値を演算し、この電流指令値は切替手段５１２に入力される。切替手段５１２には、電動機２００の定格電流値未満（例えば、定格電流の２０％〜５０％程度）であって大きさが一定、つまり直流の安全電流指令値が入力されている。ここで、安全電流指令値は、図１の安全機能装置４０から出力される電流指令値の一種である。
電動機２００の運転開始前において、エンコーダ１０の内部故障を検出するテストを行う場合には、操作員の入力操作により、安全機能装置４０からテスト開始指令を出力する。このテスト開始指令が図２の切替手段５１２に入力されると、切替手段５１２は、電流指令値を安全電流指令値に切り替えて出力する。
【００２４】
電流調節手段５１３は、切替手段５１２の出力（通常運転時には速度／トルク調節手段５１１から出力される電流指令値、テスト開始指令の入力時には安全電流指令値）と電流検出値とを比較し、両者が等しくなるように調節演算を行って電圧指令値を出力する。なお、図１では、上記電流検出値を得るための電流検出器は図示を省略してある。この動作により、安全機能装置４０からテスト開始指令が入力された時には、インバータ部７０や電動機２００に流れる直流電流は定格電流値未満になるので、過熱による装置の故障を防止することができる。
【００２５】
座標変換手段５１４は、安全機能装置４０からの安全位相角指令値（θ＝０度、１２０度、２４０度）に基づき、電流調節手段５１３から出力される電圧指令値を座標変換し、数式１に従ってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値をそれぞれ演算する。なお、安全位相角指令値は、図１における位相角指令値の一種である。
［数式１］
Ｖｕ＝Ｖ＊ｃｏｓθ
Ｖｖ＝Ｖ＊ｃｏｓ（θ−２π／３）
Ｖｗ＝Ｖ＊ｃｏｓ（θ−４π／３）
ただし、Ｖ＊：電流調節手段５１３から出力される電圧指令値
【００２６】
安全位相角指令値θとして０度、１２０度、２４０度という３つのパターンを用いて座標変換することで、電動機２００に供給される直流電圧の位相を変化させ、電動機２００に負荷が接続されていても回転子を瞬間的に移動させることができる。これは、例えば電動機２００が誘導電動機である場合、印加電圧の位相角に応じて磁束が発生し、位相角を変化させた瞬間に二次回路に電流が流れて微小なトルクが発生することに基づいている。
【００２７】
上記の作用を、図３に基づいて説明する。図３は、誘導電動機の一相分のＴ形等価回路を示しており、Ｖは端子電圧、ｉ１は一次電流、ｉ２は二次電流、Ｒ１は一次抵抗、Ｒ２は二次抵抗、Ｌ１は一次インダクタンス、Ｌ２は二次インダクタンス、Ｌｍは励磁インダクタンスである。
【００２８】
安全位相角指令値θが０度の場合、前述の数式１から、Ｕ相電圧Ｖｕが最大値（＝Ｖ＊）になる。Ｖ＊はほぼ一定であるから、位相角指令値θに変化がない場合は、Ｕ−Ｖ相間の線間電圧Ｖｕｖ（図３の端子電圧Ｖに相当）は直流電圧となり、直流の一次電流ｉ１が流れる。次に、安全位相角指令値を１２０度（＝２π／３[rad]）に変化させると、数式１から、Ｖ相電圧Ｖｖが最大値（＝Ｖ＊）になるため、線間電圧Ｖｕｖの振幅が変化する。これに伴って誘導電動機の一次電流に過渡的変化が生じるので、二次側に電圧が誘導され、二次電流ｉ２が流れる。
【００２９】
誘導電動機はその一次側のみに電流が流れてもトルクは発生しないが、瞬間的に二次側に電流が流れることでトルクが発生し、回転力が生じる。しかし、直ちに定常状態に復帰すれば二次電流はゼロとなり、トルクが発生しなくなる。このように端子電圧の位相角を変化させてトルクを瞬間的に発生させ、回転力を生じさせれば、エンコーダ１０の出力信号が変化する状況を作ることができる。
【００３０】
このとき、エンコーダ１０内部の光学センサにおいて、発光素子の故障によって光が出力されなかったり、スリットの故障に起因して受光素子が受光できないような故障が生じていた場合には、上述した方法によって電動機２００にトルクを瞬時、発生させ、回転子を僅かに回転させても、回転前後においてエンコーダ１０の出力信号が全く変化しない。
安全機能装置４０は、テスト開始指令を制御演算器５１に出力し、電動機２００にトルクを瞬間的に発生させたときのエンコーダ１０の出力信号を監視しているので、この出力信号が全く変化しないことをもって、エンコーダ１０内部の光学センサの故障とみなすことができる。
従って、安全遮断信号によりインバータ部７０の半導体スイッチを全てオフ状態で固定する等の安全措置を講じれば、故障中のエンコーダ１０の出力信号に基づく電動機２００の制御を未然に防止することができる。
なお、このテスト期間には、回転子が僅かに回転するだけであるため負荷が大きく移動することはなく、本実施形態によって安全機能が損なわれることはない。
【００３１】
上記実施形態では安全機能装置４０が単一である場合を説明したが、コストの増加を許容できるのであれば、安全機能の信頼性を高めるために安全機能装置を多重化し、それぞれの異常判断結果が相違する場合は安全機能装置自体の異常と判断するようにしても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１０：エンコーダ
２０：ケーブル
４０：安全機能装置
５０：制御装置
５１：制御演算器
５２：ロジック回路
６０：ドライブ回路
７０：インバータ部
１００：電力変換装置
２００：電動機
５１１：速度／トルク調節手段
５１２：切替手段
５１３：電流調節手段
５１４：座標変換手段
５１５：ＰＷＭ発生手段
【図１】
0005737604.tif 000002
【図２】
0005737604.tif 000003
【図３】
0005737604.tif 000004
【図４】
0005737604.tif 000005