(57)【要約】【課題】コストの増大を招くことなく、直流電源線間に接続されたスイッチング素子および放電用抵抗の直列回路における異常状態を検出できる電源装置を提供する。【解決手段】  直流電源線１２ａ，１２ｂ間の電圧が上限値３８０Ｖを超えて上昇しようとする場合、過電圧保護部６のＦＥＴ１７がスイッチング動作して放電用抵抗５に通電を行い、制御部７は、ＦＥＴ１７のスイッチング動作におけるオンデューティが予め設定されたしきい値３．７％を超えた状態が所定時間以上継続した場合に異常と判定する。【選択図】図１
2008136296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源より供給される電力を整流して直流化する直流電源回路と、その直流電力を負荷に供給する１対の直流電源線と、これら直流電源線間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記１対の直流電源線間に接続されるスイッチング素子および放電用抵抗の直列回路と、前記電圧検出手段による検出電圧が上限電圧以上となったときに前記スイッチング素子を導通させる放電制御手段とを備えた電源装置において、
前記スイッチング素子のオン／オフ状態を検出するオン／オフ検出手段と、
前記オン／オフ検出手段を介して検出される前記スイッチング素子のオンデューティが予め設定されたしきい値を超えると異常判定処理を行う異常判定手段とを備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記異常判定手段は、前記スイッチング素子のオンデューティが前記しきい値以上になった状態が、このオンデューティに応じて設定される時間以上継続した場合に異常と判定することを特徴とする請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記オン／オフ検出手段は、前記スイッチング素子のオン／オフ状態を一定周期毎に検出し、
前記異常判定手段は、前記一定周期毎に検出されるオン／オフ状態に応じてカウントアップまたはカウントダウンを行うカウント手段を備え、
前記カウント手段によるカウント値が予め設定された所定値になった場合に異常と判定することを特徴とする請求項２記載の電源装置。
【請求項４】
前記カウント手段は、前記オン状態でカウントアップ、前記オフ状態でカウントダウンを行い、アップカウントの加算値をダウンカウントの減算値の複数倍に設定することを特徴とする請求項３記載の電源装置。
【請求項５】
前記加算値の設定倍率を、前記オンデューティのしきい値に基づいて設定することを特徴とする請求項４記載の電源装置。
【請求項６】
交流電源より供給される電力を整流して直流化する直流電源回路と、その直流電力を負荷に供給する１対の直流電源線と、これら直流電源線間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記１対の直流電源線間に接続されるスイッチング素子および放電用抵抗の直列回路と、前記電圧検出手段による検出電圧が上限電圧以上となったときに前記スイッチング素子を導通させる放電制御手段とを備えた電源装置において、
前記スイッチング素子の機能を診断する診断手段を備え、
前記診断手段は、前記スイッチング素子の導通を制御可能に構成され、前記スイッチング素子を導通させた場合に、前記放電用抵抗の端子電圧が変化したか否かによって診断を行うことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を負荷に供給する１対の直流電源線間にスイッチング素子および放電用抵抗の直列回路が接続され、この１対の直流電源線間の電圧が上限電圧以上となったときにスイッチング素子を導通させる放電制御手段を備えた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電力を負荷に供給する電源装置において、電源電圧が上限値を超えて上昇した場合に過電圧保護を行うように構成されるものがある。例えばモータなどに電力を供給する電源装置においては、モータの減速時に発生する回生電力によって電源線間の電圧が上昇すると、電源線間に挿入されたスイッチング素子をオンし、このスイッチング素子と直列に接続された放電用抵抗により回生電力を消費させることで電源線間電圧を低下させるようにしている（例えば特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開平６−１５５９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１９３２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述のように電圧を低下させる際、放電用抵抗により消費した電力は熱エネルギとなり、抵抗自身およびその周辺の温度を上昇させる。例えば、スイッチング素子の短絡故障などによって放電用抵抗が常時通電された場合は、発生する熱が高温となり、周辺部品へ悪影響を与えたり、抵抗自身が溶断してしまう可能性がある。この問題を解決する方法として、サーマルスイッチを配置したり、放電用抵抗にヒューズ付きのものを用いることが考えられる。しかしながら、上記したような高温環境に対応した部品は比較的高価であるため、これら部品を追加することにより装置の製造コストが増加してしまうという問題がある。
【０００４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、コストの増大を招くことなく、直流電源線間に接続されたスイッチング素子および放電用抵抗の直列回路における異常状態を検出できる電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の電源装置によれば、放電制御手段は、検出電圧が上限値以上となったときにスイッチング素子をオンさせ、検出電圧が上限値より低下するとオフさせる。従って、直流電源線間の電圧が上限値を超えて上昇しようとする場合には、放電制御手段が上記動作を繰り返して放電用抵抗に通電するので、スイッチング素子のオンオフ動作はあるデューティ比を伴うものとなる。そして、異常判定手段は、このスイッチング素子のオン／オフ状態に基づいて検出されるオンデューティが予め設定されたしきい値を超えると異常判定処理を行う。このオンデューティが大きくなるほど、すなわち、放電用抵抗への通電時間が長くなるほど放電用抵抗の温度は上昇するので、スイッチング素子のオンデューティを監視すれば、放電用抵抗の異常な温度上昇を検出できる。
【０００６】
請求項２記載の電源装置によれば、スイッチング素子のオンデューティがしきい値以上になった状態がこのオンデューティに応じて設定される時間以上継続した場合に異常と判定する。放電用抵抗の温度は、スイッチング素子のオン期間で上昇し、オフ期間では略一定となるか若しくは下降する。従って、オンデューティに応じて異常を判定する時間を設定すれば、放電用抵抗の温度上昇度合に応じて異常を検出できる。
【０００７】
請求項３記載の電源装置によれば、スイッチング素子のオン／オフ状態を一定周期毎に検出し、このオン／オフ状態に応じてカウント手段がカウントアップまたはカウントダウンを行い、カウント値が所定値になると異常と判定する。上述のように、スイッチング素子のオン／オフ期間に応じて放電用抵抗の温度が変化するので、その温度変化に応じてカウント値を増減させて、異常検出レベルに相当する所定値に達すれば、カウント手段によって放電用抵抗の温度上昇を検出できる。
【０００８】
請求項４記載の電源装置によれば、スイッチング素子のオン状態でカウントアップ、オフ状態でカウントダウンを行い、アップカウントの加算値をダウンカウントの減算値の複数倍に設定するので、通電時の温度上昇度合に応じてカウントの積算値の増減を詳細に設定することができる。
【０００９】
請求項５記載の電源装置によれば、アップカウントの加算値の設定倍率をオンデューティのしきい値に応じて設定するので、オンデューティがしきい値に達した段階から１オンオフ期間のカウント値の合計が上昇するようになる。従って、スイッチング素子のオンデューティが僅かでもしきい値を超えた状態で通電が継続されればカウントの積算値が増加して行くので、放電用抵抗の温度上昇を検出できる。
【００１０】
請求項６記載の電源装置によれば、診断手段は、スイッチング素子を導通させた場合に放電用抵抗の端子電圧が変化するか否かにより、当該素子の機能診断を行う。すなわち、スイッチング素子が導通状態になれば放電用抵抗の端子間に電圧降下が生じるので、診断手段がスイッチング素子を導通させるように制御しても放電用抵抗の端子電圧が期待通りに変化しない場合には、スイッチング素子が故障していると判定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明をロボットのモータに電源供給を行う電源装置に適用した場合の一実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、電源装置の電気的構成を示している。電源装置１は、例えば三相２００Ｖの商用交流電源２より供給される電力を整流および平滑して、負荷たる産業用ロボット３に供給するための直流電源回路４と、この直流電源回路４の出力電圧が上限値以上になると、放電用抵抗５による放電を行いその出力電圧を低下させる過電圧保護部（放電制御手段に相当）６と、過電圧保護部６における異常状態を検出する制御部（オン／オフ検出手段、異常判定手段、カウント手段、診断手段に相当）７とから構成されている。なお、本実施例においては、直流電源回路４の出力電圧は、通常動作時においては約２８０Ｖであり、上記上限値を例えば３８０Ｖに設定している。
【００１２】
直流電源回路４は、全波整流回路８および平滑用コンデンサ９を有して構成されており、交流電源２のＲ，Ｓ，Ｔの各相出力は、開閉器１０および交流電源線１１ｒ、１１ｓ、１１ｔを介して全波整流回路８の入力側に接続されている。全波整流回路８より出力される直流電源は、直流電源線１２ａ，１２ｂを介してロボット３に供給されており、これら直流電源線１２ａ，１２ｂ間には平滑用コンデンサ９が接続されている。なお、全波整流回路８は、６個の整流素子を三相ブリッジ形に接続してなる周知構成のものである。
【００１３】
過電圧保護部６は、分圧抵抗１３，１４、コンパレータ１５、ＯＲゲート１６、放電用抵抗５、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下単にＦＥＴと称す）１７および分圧抵抗１８，１９を有している。分圧抵抗１３，１４は、直流電源線１２ａ，１２ｂ間に直列に接続されており、その共通接続点（分圧点）がコンパレータ１５の非反転入力端子に接続されている。また、コンパレータ１５の反転入力端子には基準電位Ｖｓが与えられており、出力端子は、ＯＲゲート１６の一方の入力端子に接続されている。ＯＲゲート１６の他方の入力端子には、制御部７からのゲート信号Ｓｇが与えられる。
【００１４】
なお、本実施例では、分圧抵抗１３，１４およびコンパレータ１５によって電圧検出手段２０が構成されている。また、分圧抵抗１３，１４の抵抗値は、直流電源線１２ａ，１２ｂ間の電圧が上限値（３８０Ｖ）以上になると分圧点電位が基準電位Ｖｓよりも大きくなるように設定されている。
【００１５】
また、直流電源線１２ａ，１２ｂ間には、放電用抵抗５とＦＥＴ１７の直列回路が接続されている。このＦＥＴ１７のゲートには、前述したＯＲゲート１６の出力端子が接続されている。ＦＥＴ１７のドレインと電源線１２ｂとの間には、分圧抵抗１８，１９の直列回路が接続されており、その共通接続点（分圧点）の電位は、電圧信号Ｖａとして制御部７に出力されている。なお、分圧抵抗１８，１９の抵抗値は、ＦＥＴ１７がオフ状態の場合に、電圧信号Ｖａがほぼ制御部７の電源電圧レベル（Ｈレベル）となるように設定されている。
【００１６】
制御部７は、ＣＰＵ７ａ、Ａ／Ｄ変換器７ｂなどを有するマイクロコンピュータを主体として構成されている。制御部７には過電圧保護部６から電圧信号Ｖａが入力されており、この電圧信号Ｖａは、Ａ／Ｄ変換器７ｂによりデジタル値に変換され、ＣＰＵ７ａは、この変換データを所定周期、本実施例では１ｍｓ毎にサンプリングしている。ＣＰＵ７ａは、このデータに基づいて、放電用抵抗５における異常温度の検出、およびＦＥＴ１７の機能診断を行うようになっている（後述の作用説明参照）。
【００１７】
制御部７は、通常時はゲート信号ＳｇをＬレベルにしており、上記ＦＥＴ１７の機能診断を行う場合にゲート信号ＳｇをＨレベルにする。すなわち、制御部７は、ＦＥＴ１７をオン状態に制御し、その機能診断を行うように構成されている。そして、制御部７は、上述した異常や故障を検出すると、ロボット３のモータを駆動制御するエンジンボード（図示せず）に対して、それぞれ異常温度検出信号Ｓａおよび故障検出信号Ｓｂを出力する。
【００１８】
次に、上記構成の作用について図２および図３も参照して説明する。
放電用抵抗５の温度は、ＦＥＴ１７がオンとなって通電される期間（オンデューティ）が長いほど上昇する。そして、本実施例では、ＦＥＴ１７がしきい値を超えるオンデューティでスイッチング動作する状態が継続すると、放電用抵抗５の温度が次第に上昇して最終的には異常レベルに到達するものと想定し、ＣＰＵ７ａは、その状態を検出することで温度異常が発生したと判断するようになっている。なお、本実施例では、上記オンデューティのしきい値を３．７％としている。
【００１９】
図２は、ＣＰＵ７ａの上記した制御の内容を示しており、放電用抵抗５における異常温度検出処理について、この図２のフローチャートに沿って説明する。ＣＰＵ７ａは、ステップＳ１にてカウント値（cnt）をリセットするなどの初期設定を行う。ステップＳ２では、サンプリング間隔である１ｍｓの経過待ちをして、１ｍｓ経過するとステップＳ３以降へと進む。
【００２０】
通常時、直流電源線１２ａ，１２ｂ間の電圧は約２８０Ｖであり、ＦＥＴ１７はオフされている。これにより、電圧信号ＶａはＨレベルとなっている（ステップＳ３で「ＮＯ」）ので、ステップＳ５へ進みカウント値をデクリメントさせる（cnt＝cnt−１）。ただし、cnt＝０の場合はその値を維持する。続くステップＳ６では、カウント値が異常温度検出値Ａ：「６２０００」以上であるか否かを確認する。そして、このときのカウント値は「０」であるので（「ＮＯ」）、ステップＳ２へ戻る。
【００２１】
その後、上記と同様にステップＳ２以降を実行するが、通常時にＦＥＴ１７はオフ状態であるために電圧信号Ｖａも常時Ｈレベルとなり、カウント値は全く増加しない。従って、カウント値は異常検出値「６２０００」以上にならず、ステップＳ６よりステップＳ７には進まないので、異常温度検出信号Ｓａが出力されることはない。
【００２２】
一方、ロボット３において図示しないモータの減速動作が行われると、そのモータが発生した回生電力によって直流電源線１２ａ，１２ｂ間の電圧が上昇する。この電圧が上限値３８０Ｖ以上になるとＦＥＴ１７がオンされ、放電用抵抗５により回生電力が消費される。そして、電圧が低下して３８０Ｖ未満になるとＦＥＴ１７はオフされ、再び電圧が上昇する。従って、減速動作が継続している間は、過電圧保護部６において上記動作が繰り返されることになり、ＦＥＴ１７のスイッチング動作はあるデューティ比を伴うものとなる。
【００２３】
この場合、ＦＥＴ１７のオン期間は電圧信号ＶａがＬレベルとなる（ステップＳ３で「ＹＥＳ」）ので、ステップＳ２〜Ｓ６を繰り返す間にカウント値が加算値Ｂ：「２６」ずつ増加する（cnt＝cnt＋２６）。一方、ＦＥＴ１７のオフ期間は電圧信号ＶａがＨレベルとなる（ステップＳ３で「ＮＯ」）ので、ステップＳ２〜Ｓ６を繰り返す間にカウント値は減算値Ｃ：「１」ずつ減少する（cnt＝cnt−１）。従って、カウント値が異常温度検出値Ａに到達するまでに要する時間Ｔは、サンプリング間隔が１ｍｓである場合には、オン期間Ｔon、オフ期間Ｔoff、加算値Ｂおよび減算値Ｃから下記式によって算出される。
Ｔ＝Ａ／（Ｔon×Ｂ−Ｔoff×Ｃ）  ［ｍｓ］
【００２４】
例えば、ＦＥＴ１７のオンデューティが６％の場合（オフデューティ＝９４％）には、カウント値は１００秒経過後に「６２０００」となる（ステップＳ６で「ＹＥＳ」）。すなわち、ＣＰＵ７ａは、オンデューティが６％の状態が１００秒間継続すると放電用抵抗５が異常温度に達したと判断して、エンジンボードに対して異常温度検出信号Ｓａを出力し（ステップＳ７）処理を終了する。すると、エンジンボードは、例えばインバータなどの駆動回路によるモータの駆動を停止させるとともに、異常を報知するＬＥＤを点灯させるなどの異常処理を行う。
【００２５】
また、例えばロボット３側において何らかの異常が発生したことにより、直流電源線１２ａ，１２ｂ間の電圧が急激に上昇し続けた場合、ＦＥＴ１７のオンデューティは極めて大きな値、例えば１００％になる。従って、放電用抵抗５が常時通電状態となり、放電用抵抗５の温度が急激に上昇する。このように、オンデューティが１００％となった場合（オフデューティ＝０％）には、その状態が約２．３秒間継続するとカウント値が「６２０００」以上となり（ステップＳ６で「ＹＥＳ」）、極めて短時間で放電用抵抗５が異常温度に達したと判断し、異常温度検出信号Ｓａを出力する（ステップＳ７）。
【００２６】
なお、本実施例では、異常温度検出値Ａ、加算値Ｂおよび減算値Ｃは、しきい値３．７％を超えたオンデューティに基づいて放電用抵抗５に通電が行われると、１オンオフ期間のカウント値の合計が上昇するように設定している。このため、回生電力の放電動作時におけるＦＥＴ１７のオンデューティが３．７％以下の場合、つまり、放電用抵抗５への通電期間が短く、放電用抵抗５の温度上昇が小さい場合には、カウント値が「６２０００」に到達しないため（ステップＳ６で「ＮＯ」）、前述した通常動作時の場合と同様にステップＳ７に進むことなく、異常温度検出信号Ｓａが出力されることはない。
【００２７】
続いて、ＦＥＴ１７の機能診断処理について、図３に示すＣＰＵ７ａの制御内容を示すフローチャートに沿って説明する。なお、この機能診断処理は、例えば電源装置１を通常に動作させる前に行うものとする。
ＣＰＵ７ａは、ステップＴ１にてＨレベルのゲート信号Ｓｇを出力し、ＦＥＴ１７をオン状態に制御する。そして、ステップＴ２において、電圧信号ＶａのレベルがＨレベルであるか否かを確認する。このとき、ＦＥＴ１７が正常に機能していれば、電圧信号ＶａはＬレベルとなる（「ＮＯ」）ので処理を終了する。一方、電圧信号ＶａがＨレベルである場合（「ＹＥＳ」）には、ＦＥＴ１７がオープン故障していると判断してステップＴ３へ進み、エンジンボードに故障検出信号Ｓｂを出力して処理を終了する。
【００２８】
以上説明した本実施例によれば、次のような効果が得られる。
電源装置１において、直流電源線１２ａ，１２ｂ間の電圧が上限値３８０Ｖを超えて上昇しようとする場合、過電圧保護部６のＦＥＴ１７がスイッチング動作して放電用抵抗５に通電を行い、制御部７は、ＦＥＴ１７のスイッチング動作におけるオンデューティが予め設定されたしきい値３．７％を超えた状態が所定時間以上継続した場合に異常と判定するようにした。
【００２９】
具体的には、ＣＰＵ７ａは、電圧信号Ｖａを１ｍｓ毎にサンプリングし、この電圧信号ＶａがＬレベルのときにカウントアップし、Ｈレベルのときにカウントダウンする。そして、ＣＰＵ７ａは、上記カウント動作の積算値に基づいて放電用抵抗５の温度異常を判定する。すなわち、ＦＥＴ１７のオン期間における放電用抵抗５の温度上昇分と、オフ期間における温度下降分（若しくは略一定）とに応じてアップ／ダウンカウントを行い、このカウント値が、異常温度検出値Ａ以上になると温度異常が発生したと判断するので、放電用抵抗５における温度異常の発生をその上昇度合に応じて検出できる。従って、ＦＥＴ１７の短絡故障や負荷であるロボット３側の異常などによって放電用抵抗５の温度が異常に上昇した場合、周辺部品に悪影響を及ぼすことや放電用抵抗５の溶断などを防止することができる。
【００３０】
また、カウントアップの加算値Ｂを「２６」、カウントダウンの減算値Ｃを「１」に設定した。この場合、例えばＦＥＴ１７が１０００ｍ秒の期間について、しきい値に相当する３．７％のオンデューティ（オフデューティ＝９６．３％）でスイッチング動作して放電用抵抗５に通電した場合には、上記期間あたりのカウント値の合計は、下記式のとおり「−１」となり、増加しない。
２６×３７−９６３＝−１
そして、ＦＥＴ１７がしきい値３．７％を超えるオンデューティ３．８％でスイッチング動作した場合には、上記期間のカウント値の合計が増加するようになり、放電用抵抗５の温度異常を検出することができる。
【００３１】
また、ＣＰＵ７ａは、通常動作を行う前に、ＦＥＴ１７をオン状態に制御し、放電用抵抗５の端子電圧に相当する電圧信号Ｖａに基づいてＦＥＴ１７の機能診断を行うようにしたので、ＦＥＴ１７の故障に起因する放電用抵抗５の過大な温度上昇を未然に防止することができる。
【００３２】
なお、本発明は上記し且つ図面に記載した実施例に限定されるものではなく、次のような変形又は拡張が可能である。
電圧信号Ｖａのサンプリング間隔、オンデューティのしきい値、異常温度検出値Ａ、加算値Ｂおよび減算値Ｃは、異常と判定する放電用抵抗５の温度に応じて適宜変更可能である。
ＦＥＴ１７のオン期間にカウント値を減少させ、オフ期間にカウント値を増加させる構成としてもよく、この場合、カウント値の初期値を検出値Ａに設定し、カウント値が「０」になった場合に異常温度を検出すればよい。
ＣＰＵ７ａは、ＦＥＴ１７のオンデューティがしきい値を超えたことを検出すると、直ちに異常と判断するような制御を行ってもよい。
電圧検出手段２０は、例えば制御部７のマイクロコンピュータのソフトウェアによってその機能を実現してもよい。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器７ｂに替えて、コンパレータを用いてＦＥＴ１７のスイッチング動作におけるオンデューティを検出したり、機能診断を行ってもよい。また、放電用抵抗５の両端に差動増幅器を接続して、その出力によって検出する構成としてもよい。
スイッチング素子としてＰチャネルＭＯＳＦＥＴを直流電源線１２ａ側（電源側）に接続する構成としてもよい。
単相２００Ｖ、もしくは１００Ｖの交流電源を使用するものに適用してもよい。
電源装置１は、産業用ロボットに対して電源を供給するものに限らず、その他の電気、電子機器に対して電源を供給するものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例を示す電源装置の電気的構成図
【図２】放電用抵抗の異常温度検出処理に係る制御内容を示すフローチャート
【図３】ＦＥＴの機能診断処理に係る制御内容を示すフローチャート
【符号の説明】
【００３５】
図面中、１は電源装置、２は交流電源、４は直流電源回路、５は放電用抵抗、６は過電圧保護部（放電制御手段）、７は制御部（オン／オフ検出手段、異常判定手段、カウント手段、診断手段）、１２ａ，１２ｂは直流電源線、１７はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）、２０は電圧検出手段を示す。
【図１】
2008136296.tif 000003
【図２】
2008136296.tif 000004
【図３】
2008136296.tif 000005