(57)【要約】【課題】電動機がゼロ速付近で駆動されている場合でも電動機に取りつけられたパルスエンコーダ等の速度検出器の断線を確実に検出する。【解決手段】電動機に取りつけられた速度検出手段と、電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して、電圧、あるいは電流のｄ、ｑ成分から速度検出手段の断線を判断する断線検出手段を備えた電動機制御装置において、速度検出手段の断線検出手段は、上記ｄ、ｑ成分の値が、正常な制御状態では起こり得ない状態になったときに速度検出手段の断線条件の１つが満足したと判断する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機に取りつけられた速度検出手段と、電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して、電圧、あるいは電流のｄ、ｑ成分から速度検出手段の断線を判断する断線検出手段を備えた電動機制御装置において、
速度検出手段の断線検出手段は、上記ｄ、ｑ成分の値が、正常な制御状態では起こり得ない状態になったときに速度検出手段の断線条件の１つが満足したと判断することを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
ｄ、ｑ成分の値として、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ＊、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑ＊を用い、θｖ＝ｔａｎ−１（Ｖｑ＊／Ｖｄ＊）を演算し、θｖが一定時間内に所定値以上変化したり、あるいはθｖが所定値から外れた値となったときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項３】
ｄ、ｑ成分の値として、誘起電圧Ｅのｑ、ｄ軸成分をＥｑ、Ｅｄとして演算し、θｅ＝ｔａｎ−１（Ｅｑ／Ｅｄ）を演算し、θｅが一定時間内に所定値以上変化したり、あるいはθｅが所定値から外れた値となったときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項４】
ｄ、ｑ成分の値として、トルク電流帰還値Ｉｑ、励磁電流帰還値Ｉｄを用い、θｉ＝ｔａｎ−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を演算し、θｉが一定時間内に所定値以上変化したり、あるいはθｉが所定値から外れた値となったときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【請求項５】
ｄ、ｑ成分の値として、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ＊、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑ＊を用い、Ｖｄ＊、Ｖｑ＊の符号が異なる状態のときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機に取りつけられたパルスエンコーダやレゾルバ等の速度検出手段の断線を検出する電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機に取りつけられたパルスエンコーダ等の速度検出器の断線を検出する電動機の制御装置として、パルスエンコーダに接続されたアップ／ダウンカウンタの変化が０である状態が一定時間継続した場合にパルスエンコーダの断線を検出するものがある。
また、ハードウェア検出としては、例えば実開平０２−７１２７３号のようにパルスエンコーダの断線検出のために特別な回路を設けたものが提案されている。ところが、上述の従来技術では、２つの信号線の両方が断線した場合にしか検出できなかったり、あるいは断線検出のために特別な回路を付加する必要があるという問題があった。そこで、特開２００１−２４９１５４号公報のようにパルスエンコーダの互いに位相が９０度異なる２つの信号を用いて、一方の信号の変化するタイミングにおける他方の信号の状態で、アップあるいはダウンさせるカウンタの単位時間あたりの変化が２未満である状態が一定時間連続したときに、パルスエンコーダの断線を検出するようにしたパルスエンコーダの断線を検出するものも提案されている。
また、制御情報を用いた検出を行なう電動機の制御装置として、例えば本出願人による特願２００２−２２１３３５号（２００２年７月３０日出願）のように、指令トルク分電流を
【０００３】
【数１】
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【０００４】
で定義し、速度検出器が断線していない場合は、両者の差を用いて誘導電動機パラメータの適応制御を実施し、速度検出器が断線した場合は、両者の差が実速度に比例して変化することを利用し、速度検出器の断線を検出する方法が提案されている。なお、
【０００５】
【数２】
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【０００６】
は、モータ定数を用いてモータ磁束を演算し、検出電流との外積により
【０００７】
【数３】
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【０００８】
を求めている。
【０００９】
【特許文献１】
実開平０２−７１２７３号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−２４９１５４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動機が速度零の近傍であるゼロ速付近で駆動されている場合には、速度検出値のみで速度検出器の断線を判断する方法では、電動機速度が０である状態が断線していない正常時にも生じるので誤検出する可能性があった。また、制御情報を用いた検出を行なう電動機の制御装置は、パラメータの適応制御の誤差信号を求める演算処理が複雑であり、ソフト処理時間に余裕のない制御装置の場合、演算処理が内蔵できず、簡単に適用できないという問題があった。
そこで、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、電動機がゼロ速付近で駆動されている場合でも電動機に取りつけられたパルスエンコーダ等の速度検出器の断線を確実に検出でき、電動機の制御量を用いた簡単な演算を行なうことで、高価なＣＰＵを用いない制御装置にも適用することができる電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、電動機に取りつけられた速度検出手段と、電動機の電圧、電流をｄ、ｑの２軸に座標変換して制御し、電圧、あるいは電流のｄ、ｑ成分から速度検出手段の断線を判断する断線検出手段を備えた電動機制御装置において、速度検出手段の断線検出手段は、上記ｄ、ｑ成分の値が、正常な制御状態では起こり得ない状態になったときに速度検出手段の断線条件の１つが満足したと判断することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、ｄ、ｑ成分の値として、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ＊、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑ＊を用い、θｖ＝ｔａｎ−１（Ｖｑ＊／Ｖｄ＊）を演算し、θｖが一定時間内に所定値以上変化したり、あるいはθｖが所定値から外れた値となったときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とし、
【００１４】
請求項３に記載の発明は、ｄ、ｑ成分の値として、誘起電圧Ｅのｑ、ｄ軸成分をＥｑ、Ｅｄとして演算し、θｅ＝ｔａｎ−１（Ｅｑ／Ｅｄ）を演算し、θｅが一定時間内に所定値以上変化したり、あるいはθｅが所定値から外れた値となったときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とし、
【００１５】
請求項４に記載の発明は、ｄ、ｑ成分の値として、トルク電流帰還値Ｉｑ、励磁電流帰還値Ｉｄを用い、θｉ＝ｔａｎ−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を演算し、θｉが一定時間内に所定値以上変化したり、あるいはθｉが所定値から外れた値となったときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とし、
【００１６】
請求項５に記載の発明は、ｄ、ｑ成分の値として、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ＊、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑ＊を用い、Ｖｄ＊、Ｖｑ＊の符号が異なる状態のときに、正常な制御状態では起こり得ない状態になったと判断することを特徴とするものである。
このようになっているため、電動機の電圧、あるいは電流のｄ、ｑ成分から速度検出手段の断線を判断することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
交流電動機を駆動する制御装置として、可変電圧可変周波数による速度制御が知られ、より高精度な制御するべく、交流電動機に供給される一次電流を励磁電流（磁束を発生させる電流）とトルク電流（トルクを発生させる電流）とに分けて制御し、二次磁束とトルク電流を常に直交するように制御することで、直流交流電動機と同等の応答性を得ることのできるベクトル制御方式が実用化されている。ベクトル制御方式は周知であるので、説明は省略する。
以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。図１は、本発明の電動機制御装置のブロック図である。図において、電圧形インバータ１は直流電源１６から加えられる直流電圧をＰＷＭ制御方式により任意の周波数と電圧の交流に変換する。電圧形インバータ１の各相Ｕ、Ｖ、Ｗの交流出力端に交流電動機２、更に速度検出手段としての速度検出器１７が接続されている。交流電動機２の各相に流れる電流は電流検出手段としての電流検出器４−１〜４−３により検出される。
【００１８】
ベクトル制御装置３には、交流電動機２の一次電流を検出して座標変換を行ないトルク電流帰還値Ｉｑおよび励磁電流帰還値Ｉｄを送出するｄ−ｑ変換器５が設けられている。さらに、指令発生器１４から入力された速度指令値ωｒ＊と速度検出器１７を入力とし速度を演算する速度演算器８からの速度検出値ωｒが一致するように設けられた速度制御器（ＡＳＲ）１１の出力値をトルク電流指令値Ｉｑ＊とし、このＩｑ＊とｄ−ｑ変換器５が出力するトルク電流帰還値Ｉｑとが一致するように制御するためのトルク電流制御器（ＡＣＲｑ）７−１、磁束指令発生器９出力値を入力とした係数器１０で演算された励磁電流指令値Ｉｄ＊とｄ−ｑ変換器５からの励磁電流帰還値Ｉｄとが一致するように制御するための励磁電流制御器（ＡＣＲｄ）７−２が設けられている。
【００１９】
交流電動機２で発生した誘起電圧Ｅ、一次抵抗ｒ１や漏れインダクタンスｌによる逆起電力の電圧を補償する回路は省略している。電圧指令演算器６では、トルク電流制御器７−１と、励磁電流制御器７−２の出力と、各逆起電力の電圧補償値との和を、積分器１２出力の位相θで座標変換し、Ｕ、Ｖ、Ｗ各相毎の電圧指令値を演算し、電圧指令ベクトルｖ１となる。
また、滑り周波数指令演算器１５は、磁束指令発生器９出力φ＊、トルク電流指令値Ｉｑ＊と設定された二次抵抗ｒ２（図示せず）から滑り周波数指令値ωｓ＊を求め、加算器１３で速度演算器８からの速度検出値ωｒと加算して、一次周波数指令値ω１＊を演算し、積分器１２を介して位相θを演算する。
【００２０】
速度検出器断線検出回路１８は、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑ＊、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ＊を成分にもつ電圧指令ｖ１（以下ｖ１と略しベクトルを表わすものとする）、トルク電流帰還値Ｉｑ、励磁電流帰還値Ｉｄを成分にもつ電流検出ベクトルｉ１（以下ｉ１と略しベクトルを表わすものとする）を入力値とし、速度検出器の断線を判断する。この検出方法については後述する。
ベクトル制御が成立しているとき、トルク電流方向電圧指令値Ｖｑ＊とトルク電流方向電圧の実際値Ｖｑ、励磁電流方向電圧指令値Ｖｄ＊と励磁電流方向電圧の実際値Ｖｄは一致しているので、第１式、第２式が成立する。
【００２１】
Ｖｑ＊＝Ｅ＋√３・ｒ１・Ｉｑ＋√３・ω１＊・ｌ・Ｉｄ  ＋  ＡＣＲｑ…（１）
Ｖｄ＊＝√３・ｒ１・Ｉｄ−√３・ω１＊・ｌ・Ｉｑ  ＋  ＡＣＲｄ    …（２）
なお、ＡＣＲｑ、ＡＣＲｄは、それぞれ、トルク電流制御器７−１と励磁電流制御器７−２出力値を示す。
【００２２】
ところが、速度検出器１７が断線状態になり、実速度はωｒであるにも速度演算器８出力が０になると、電動機内には回転磁界が発生しているにも関わらず、ほぼ固定値と見なせる位相θで電流を分解するため、Ｉｑ、Ｉｄを成分とする電流検出ベクトルｉ１は、ｄ−ｑ軸上を電動機の実速度で回転するように検出される。これは、電動機の励磁インダクタンスに蓄えられているエネルギーが放電されるまで減衰しながら継続する。
このＩｑ、Ｉｄ用いて電流制御を行なうため、電圧指令値にも上記の過渡現象が発生し、電圧指令ベクトルｖ１は、ｄ−ｑ軸上を電動機の実速度で回転する。
この現象を用いて、ベクトル制御が成立している限り、起こり得ない状態を捉えることで、速度検出器１７の断線状態を検出することができる。
図２（ａ）〜（ｃ）は、速度検出器断線検出回路１８で行なう速度検出器の断線検出ブロック図である。なお、θｖ＝ｔａｎ−１（Ｖｑ＊／Ｖｄ＊）とし、θｖは−１８０度から＋１８０度で演算されているものとしているが、  図２（ａ）、（ｂ）のθｖは、後述するθｅ＝ｔａｎ−１（Ｅｑ／Ｅｄ）あるいはθｉ＝ｔａｎ−１（Ｉｑ／Ｉｄ）とすることができる。
【００２３】
図２（ａ）は、θｖが一定時間内で所定値１以上変化したという条件を検出するものである。一定時間を制御周期として遅延回路２０を用いて、この制御周期での変化量の絶対値が所定値１を大きいがどうかで判別する。ここでは、一定時間を制御周期としたが制御周期と独立した値としてもよい。所定値１は、先に決めた一定時間で動くことができない移動量を、電動機等のイナーシャから求めて決める。なお、比較器は＋端子の入力値が−端子の入力値より大きいときに出力１を出し、このとき断線を検出するものとする。
【００２４】
図２（ｂ）は、θｖが所定値から外れた値となった条件を検出するものである。θｖが正常動作で取り得る値を±１１０度程度とすれば、所定値２を＋１１０度、所定値３を−１１０度と決める。
図２（ｃ）は、誘導電動機のように、滑りのある交流電動機の場合、過大スリップ状態でつり合い、電動機は暴走しない状態となる条件を捉えるものである。この条件は、速度制御器１１の出力値Ｉｑ＊が大きくなり、滑り周波数指令値ωｓ＊が実際値より大きくなるために生じる。式（１）、（２）でＩｑに大きな値を代入すると、Ｖｄ＊＜０、Ｖｑ＊＞０となるため、Ｖｄ＊、Ｖｑ＊の符号が異なる状態で検出するものである。
これまでθｖとしてｔａｎ−１（Ｖｑ＊／Ｖｄ＊）を用いて説明したが、式（３）、（４）により、誘起電圧Ｅのｑ、ｄ軸成分をＥｑ、Ｅｄとして、θｅ＝ｔａｎ−１（Ｅｑ／Ｅｄ）を演算し、θｖの替わりにθｅを用いることができる。
【００２５】
Ｅｑ＝Ｖｑ＊−（√３・ｒ１・Ｉｑ＋√３・ω１＊・ｌ・Ｉｄ）  …（３）
Ｅｄ＝Ｖｄ＊−（√３・ｒ１・Ｉｄ−√３・ω１＊・ｌ・Ｉｑ）    …（４）
【００２６】
これは、ベクトル制御が成立している場合は、θｅ＝ｔａｎ−１（Ｅｑ／Ｅｄ）はｄ軸に対し９０度となる値であるので、この演算値を用いることで、更に検出精度を上げることができる。
また、上述したように、速度検出器の断線時は、電流検出値Ｉｄ、Ｉｑはｄ−ｑ軸上を電動機の実速度で回転するので、θｉ＝ｔａｎ−１（Ｉｑ／Ｉｄ）を演算し、θｖの替わりにθｉを用いて、全く同様に断線検出できる。
なお、誤検出を極力避けるため、図２（ａ）〜（ｃ）の検出条件に速度検出値＝０をＡＮＤ条件で付加してもよいし、制御周期何回か継続して上記条件を満足したときに速度検出器の断線と判断させるようにしてもよい。なお＊は指令値であることを意味する。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の電動機制御装置によれば、電動機がゼロ速度付近で駆動されている場合でも、電動機の制御量を用いた簡単な演算により、速度検出器が断線しているのか否かを正確に判断でき、特にクレーンやエレベータのように垂直方向に動く機械の安全性を向上することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す電動機制御装置のブロック図
【図２】本発明の実施例を示す速度検出器断線検出回路１８で行なう速度検出器の断線検出ブロック図
【符号の説明】
１  電圧形ＰＷＭインバータ
２  交流電動機
３  ベクトル制御装置
４−１、４−２、４−３    電流検出器
５  ｄ−ｑ変換器
６  電圧指令演算器
７−１    トルク電流制御器
７−２    励磁電流制御器
８  速度演算器
９  磁束指令発生器
１０  係数器
１１  速度制御器
１２  積分器
１３  加算器
１４  指令発生器
１５  滑り周波数指令演算器
１６  直流電源
１７  速度検出器
１８  速度検出器断線検出回路
２０  遅延回路
２１  減算器
２２  絶対値回路
２３−１、２３−２、２３−３、２３−４  比較器
２４  ＯＲ回路
２５  乗算器
【図１】
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【図２】
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