(57)【要約】【課題】  モータに特別な速度センサを設けることなく、安全信号に基づくモータの速度制御を行う。【解決手段】  制御部１１は、速度指令信号または安全信号に基づいて制御信号を発生し、駆動回路１２を介して主回路１３に出力する。また、制御部１１は、電流センサ１４によって検出されるモータ４の駆動電流に基づいて、モータ４の速度推定値を算出する。制御部１１は、速度推定値に基づいて、安全信号に応じてモータ４の速度制御が正常に行われているか否かを判断し、安全信号に応じたモータ４の速度制御が正常に行われていないと判断した場合に停止信号を発生し、主回路１３からモータ４への駆動電流の供給を遮断し、モータ４を停止させる。【選択図】図１
2016208655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動する電力変換装置において、
前記モータを駆動する主回路と、
前記主回路から前記モータに供給される駆動電流を検出する電流センサと、
指令信号または安全信号に基づいて、前記主回路の制御を行う制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
前記電流センサにより検出される駆動電流の周波数を算出する電流周波数算出手段と、
前記電流周波数算出手段により算出される周波数に基づいて前記モータの速度推定値を算出する速度算出手段と、
前記安全信号に応じた前記モータの速度制御が行われていないことを前記速度推定値が示した場合に、前記主回路から前記モータへの駆動電流の供給を遮断する停止信号を出力する停止信号生成手段と
を具備することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
速度指令値に基づいて、前記主回路を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段を具備し、
前記制御信号生成手段に与える速度指令値を制御することにより、前記安全信号に応じた前記モータの速度制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記モータの減速を指示する安全信号に応じて、時間経過に伴って速度指令値を低下させる速度指令値パターンと、前記速度指令値パターンが示す速度指令値に許容限度量を加算した速度上限値を示す速度上限値パターンとを生成する減速パターン生成手段と、
前記モータの減速を指示する安全信号に応じて、前記速度指令値パターンが示す速度指令値を前記制御信号生成手段に供給するとともに、前記速度上限値パターンが示す速度上限値を前記速度推定値が上回った場合に、前記停止信号生成手段に前記停止信号を出力させる第１の速度比較手段と
を具備することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記減速パターン生成手段は、前記モータの減速を指示する安全信号に応じて、前記安全信号の受信時における前記モータの速度推定値を初期値とし、時間経過に伴って所定の時間勾配で低下する速度指令値を示す速度指令値パターンを生成することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記モータの速度を所定の制限速度以下に制限する旨の安全信号が受信された場合に、前記モータの速度推定値が前記制限速度を越えるのに応じて、前記モータの速度を低下させるための制御信号を前記制御信号生成手段に生成させ、前記モータの速度推定値が前記制限速度に許容限度量を加えた上限速度を越えるのに応じて、前記停止信号生成手段に前記停止信号を出力させる第２の速度比較手段を具備することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１の請求項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記停止信号生成手段は、前記モータの停止を指示する安全信号が受信された場合に、前記停止信号を出力することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、モータを駆動するインバータ等の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
市場の省エネ要求の高まりに伴い、工場やビル等の動力源として多く用いられるモータの駆動制御システムでは、モータの速度や出力を調整する機能を備えた電力変換装置が一般的に用いられている。この種のモータの駆動制御システムでは、電力変換装置の導入により高機能化が実現される一方、システムの複雑化が進んでいる。このため、電力変換装置自体もしくは付随する周辺装置の故障によって、モータの暴走や事故等が発生する可能性が増しており、これらの暴走や事故を防止することが強く求められている。そこで、国際標準規格であるＩＥＣ６１５０８やＩＳＯ１３８４９のような安全規格が定められており、これらの安全規格に準拠した安全機能が電力変換装置に設けられるようになってきている。例えばモータを駆動制御する電力変換装置のための安全機能に関しては、国際標準規格であるＩＥＣ６１８００−５−２において、安全トルクオフ、安全減速といった安全機能の仕様が規定されている。各電力変換装置メーカーは、この安全機能の仕様に基づいて、電力変換装置を開発している。
【０００３】
モータの駆動制御システムにおいて、安全減速機能を実現するためには、モータの速度を監視し、安全減速を指示する安全信号の発生時点からモータの速度を徐々に減速させる減速制御機能が電力変換装置に求められる。また、このような安全信号に応じた減速制御が正常になされない場合には、電力変換装置からモータへの出力を強制的に遮断する機能が必要になる。そして、この機能を実現するためには、モータに速度センサを取り付ける必要がある。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１に開示の電力変換装置では、外部の安全装置からの安全信号の受信時、速度センサからの信号に基づいて、国際標準規格に準拠した複数の動作パターンの中から最もモータの速度を低下させる安全度が高い動作パターンを選択し、この選択した動作パターンに従ってモータを減速させる。さらに特許文献１では、モータの速度がその動作パターンで規定された速度を超過した場合に、モータへの電力供給を遮断し、モータを停止させる。また、特許文献２では、速度センサにより得られたモータの速度を取得する安全装置が開示されており、電力変換装置ではなく外部の安全装置で速度監視が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８１７０８４号公報
【特許文献２】特許第５３６７６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電力変換装置の駆動対象となるモータとして、誘導電動機と同期電動機がある。前者の誘導電動機は、高性能な速度制御を行うために速度センサが備えられている場合がある。しかし、ファンやポンプ等の駆動に用いられる誘導電動機は、高精度な速度制御が不要であるため、速度センサが搭載されない場合が多い。従って、安全減速機能を実現するために誘導電動機の速度を検出する速度センサが必要な場合に、その速度センサが誘導電動機に備わっていないという事態が発生し得る。
【０００７】
後者の同期電動機は、磁極位置の検出のために位置センサが基本的に搭載されている。この位置センサが出力する位置情報の微分処理を行うことによりモータの速度を算出することが可能である。しかしながら、この位置センサは、通常、安全対応がなされていない。よって、位置センサをそのまま安全機能に使うためには、位置センサの故障解析を行う手段を電力変換装置に設け、さらに使用する位置センサを限定する必要がある。よって、限られた同期電動機でしか、位置センサを安全機能に使うことができなかった。速度センサを有する誘導電動機の場合も同様であり、その速度センサは、通常、安全対応がなされていない。よって、速度センサをそのまま安全機能に使うためには、速度センサの故障解析を行う手段を電力変換装置に設け、さらに使用する速度センサを限定する必要がある。よって、限られた誘導電動機でしか、速度センサを安全機能に使うことができなかった。
【０００８】
また、速度センサを備えていない誘導電動機について安全減速機能を実現するためには、速度センサを別途設ける必要があり、電力変換装置のコスト高を招く問題があった。
【０００９】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、速度センサを別途設けずに、多くの種類のモータについて安全機能を実現することができる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】
【００１０】
この発明は、モータを駆動する電力変換装置において、前記モータを駆動する主回路と、前記主回路から前記モータに供給される駆動電流を検出する電流センサと、指令信号または安全信号に基づいて、前記主回路の制御を行う制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記電流センサにより検出される駆動電流の周波数を算出する電流周波数算出手段と、前記電流周波数算出手段により算出される周波数に基づいて前記モータの速度推定値を算出する速度算出手段と、前記安全信号に応じた前記モータの速度制御が行われていないことを前記速度推定値が示した場合に、前記主回路から前記モータへの駆動電流の供給を遮断する停止信号を出力する停止信号生成手段とを具備することを特徴とする電力変換装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
通常、電力変換装置では、モータに流れる駆動電流のフィードバック制御を行って、モータを駆動する。従って、多くの電力変換装置は、モータに流れる駆動電流を検出する電流センサを備えている。この発明において、制御手段の電流周波数算出手段は、この電流センサにより検出される駆動電流の周波数を算出し、速度算出手段と、電流周波数算出手段により算出される周波数に基づいてモータの速度推定値を算出する。そして、制御手段の停止信号生成手段は、安全信号に応じたモータの速度制御が行われていないことを速度推定値が示した場合に、主回路からモータへの駆動電流の供給を遮断する停止信号を出力する。従って、この発明によれば、多くの種類のモータについて、速度センサを別途設けることなく、安全信号に応じたモータの速度制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態である電力変換装置１を含む駆動制御システムの構成を示すブロック図である。
【図２】同電力変換装置１の制御部１１の構成を示すブロック図である。
【図３】同電力変換装置１の具体的構成例を示す回路図である。
【図４】同制御部１１の演算装置１１１の機能構成を示すブロック図である。
【図５】同実施形態における駆動電流周波数算出方法を例示する図である。
【図６】同実施形態における減速パターン生成部１１１６が生成する速度指令値パターンと速度上限値パターンを例示する図である。
【図７】同演算装置１１１のＣＰＵが実行するプログラムの処理内容を示すフローチャートである。
【図８】同実施形態の動作例を示す波形図である。
【図９】同実施形態の他の動作例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、この発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態による電力変換装置１を含む駆動制御システムの構成を示すブロック図である。この駆動制御システムは、図１に示すように、電力変換装置１と、安全装置２と、交流電源３と、モータ４とを有する。安全装置２は、駆動制御システムの安全制御を行う装置であり、例えば安全ＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）や安全リレーにより構成されている。この安全装置２は、駆動制御システム内において、モータ４への作業者の接近等の危険の発生を検知した場合あるいは非常停止ボタンの押圧操作が行われた場合等に安全信号を発生して電力変換装置１に供給する。
【００１４】
電力変換装置１は、交流電源３から供給される交流電力により動作し、モータ４の駆動を行う装置である。この電力変換装置１は、端子１０、制御部１１、駆動回路１２、主回路１３、電流センサ１４、Ａ／Ｄコンバータ１５およびＡＣ／ＤＣコンバータ１６を有する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１６は、交流電源３が出力する交流電圧を直流電圧に変換して主回路１３に供給する。端子１０は、図示しない制御装置から入力される速度指令信号と安全装置２から入力される安全信号とを制御部１１に出力する。主回路１３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１６から供給される直流電圧をスイッチングすることによりモータ４を駆動するための駆動電圧を発生する。電流センサ１４は、主回路１３からモータ４に流れる駆動電流波形を示すアナログ信号を出力する。
【００１５】
ある好ましい態様において、電流センサ１４は、駆動電流によって発生する磁束を検知することにより駆動電流波形を示すアナログ信号を発生するクランプ型電流センサである。他の好ましい態様において、電流センサ１４は、駆動電流を微小な抵抗に流し、この抵抗の両端間の電位差をオペアンプで増幅することにより駆動電流波形を示すアナログ信号を発生するシャント抵抗型電流センサである。
【００１６】
Ａ／Ｄコンバータ１５は、電流センサ１４が出力するアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、モータ４に流れる駆動電流波形の時系列サンプル列である電流信号を制御部１１に出力する。制御部１１は、端子１０を介して供給される速度指令信号と、Ａ／Ｄコンバータ１５から供給される電流信号に基づいて、主回路１３のスイッチング動作を制御する制御信号を発生し、駆動回路１２を介して主回路１３に供給する。また、制御部１１は、端子１０を介して安全信号が供給された場合に、安全制御のための制御信号や停止信号を発生する。
【００１７】
図２は、制御部１１の構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御部１１は、信号絶縁部１１０と、演算装置１１１と、非常停止回路１１２とを有する。信号絶縁部１１０は、端子１０と演算装置１１１とを電気的に絶縁した状態で、端子１０に入力される速度指令信号と安全信号を演算装置１１１に伝達する。
【００１８】
演算装置１１１は、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラムを記憶したＲＯＭ等の不揮発性メモリと、ＣＰＵによってワークエリアとして使用されるＲＡＭ等の揮発性メモリにより構成されている。演算装置１１１のＣＰＵは、不揮発性メモリ内のプログラムを実行することにより、速度指令信号およびＡ／Ｄコンバータ１５からの電流信号に基づいて制御信号を発生するための演算処理を行うとともに、安全信号に基づいて安全動作をモータ４に行わせるための制御信号や停止信号を生成するための演算処理を行う。
【００１９】
演算装置１１１によって生成される制御信号は、図１の駆動回路１２を介して主回路１３に供給される。また、演算装置１１１によって生成される停止信号は非常停止回路１１２に供給される。非常停止回路１１２は、停止信号が入力されるのに応じて、図１の駆動回路１２から主回路１３への制御信号の供給を遮断する。また、演算装置１１１は、非常停止回路１１２を監視し、駆動回路１２から主回路１３への制御信号の供給が遮断されたか否かを示す停止結果信号を非常停止回路１１２から取得する。
【００２０】
図３は、本実施形態による電力変換装置１の具体的構成例を示す回路図である。図３において、主回路１３は、図１のＡＣ／ＤＣコンバータ１６が正電圧端子Ｐおよび負電圧端子Ｎ間に出力する直流電圧をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流電圧に変換し、Ｕ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、Ｗ相出力端子Ｗから図１のモータ４に出力する。
【００２１】
図３に示すように、主回路１３は、スイッチング素子１３０１〜１３０６を有する。各スイッチング素子１３０１〜１３０６は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐоｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔоｒ；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に逆並列接続されたフリーホイールダイオードとを有する。スイッチング素子１３０１〜１３０３の各ＩＧＢＴのコレクタは、正電圧端子Ｐに接続され、スイッチング素子１３０４〜１３０６の各ＩＧＢＴのエミッタは、負電圧端子Ｎに接続される。そして、スイッチング素子１３０１〜１３０３の各ＩＧＢＴのエミッタは、スイッチング素子１３０４〜１３０６の各ＩＧＢＴのコレクタに各々接続され、これらのエミッタとコレクタとが互いに接続されたノードＮ１〜Ｎ３がＵ相出力端子Ｕ、Ｖ相出力端子Ｖ、Ｗ相出力端子Ｗとなっている。
【００２２】
制御部１１および駆動回路１２は、この主回路１３のスイッチング素子１３０１〜１３０６のスイッチング動作を制御する手段を構成している。
【００２３】
制御部１１において、信号絶縁部１１０は、フォトカプラ１１０１および１１０２とフォトカプラ電源１１０３を有する。フォトカプラ１１０１および１１０２は、各々フォトダイオードとフォトトランジスタにより構成されている。ここで、フォトカプラ１１０１および１１０２の各フォトダイオードのカソードは接地されている。そして、フォトカプラ１１０１のフォトダイオードのアノードには、端子１０を介して速度指令信号ＣＭＤ１が入力される。また、フォトカプラ１１０２のフォトダイオードのアノードには、端子１０を介して安全信号ＣＭＤ２が入力される。一方、フォトカプラ１１０１および１１０２の各フォトトランジスタのコレクタはフォトカプラ電源１１０３に各々接続され、各フォトトランジスタのエミッタは演算装置１１１に接続される。演算装置１１１は、フォトカプラ１１０１のフォトトランジスタのエミッタ電圧に基づき、速度指令信号ＣＭＤ１に対応した速度指令信号ＣＭＤａを検知する。また、演算装置１１１は、フォトカプラ１１０２のフォトトランジスタのエミッタ電圧に基づき、安全信号ＣＭＤ２に対応した安全信号ＣＭＤｂを検知する。
【００２４】
演算装置１１１は、速度指令信号ＣＭＤａ、安全信号ＣＭＤｂ、Ａ／Ｄコンバータ１５（図１参照）からの電流信号に基づいて、制御信号Ｃ１〜Ｃ６、停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２を発生するための演算処理を実行する。ここで、制御信号Ｃ１〜Ｃ６は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；パルス幅変調）信号であり、駆動回路１２を介すことにより、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ６として主回路１３に供給される。演算装置１１１は、速度指令信号ＣＭＤａ、安全信号ＣＭＤｂ、電流信号に基づいて、モータ４に供給すべき駆動電圧の周波数、振幅を決定し、そのような駆動電圧が主回路１３を介してモータ４に供給されるように、駆動回路１２に供給する制御信号Ｃ１〜Ｃ６のパルス幅の制御を行う。なお、演算装置１１１が行う演算処理の詳細については後述する。
【００２５】
駆動回路１２は、フォトカプラ１２０１〜１２０６を有する。各フォトカプラ１２０１〜１２０６は、フォトダイオードとフォトトランジスタにより構成されている。フォトカプラ１２０１〜１２０３の各フォトダイオードのアノードは共通接続されており、この共通接続点には非常停止回路１１２を介してフォトカプラ電源１１３から電源電圧が供給される。また、フォトカプラ１２０４〜１２０６の各フォトダイオードのアノードも共通接続されており、この共通接続点にも非常停止回路１１２を介してフォトカプラ電源１１３から電源電圧が供給される。フォトカプラ１２０１〜１２０６の各フォトダイオードのカソードには、演算装置１１１から制御信号Ｃ１〜Ｃ６が各々供給される。従って、制御信号Ｃ１〜Ｃ６に応じて、フォトカプラ１２０１〜１２０６の各フォトダイオードに電流を流すか否かが切り換えられ、フォトカプラ１２０１〜１２０６の各フォトトランジスタのＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。駆動回路１２は、フォトカプラ１２０１〜１２０６の各フォトトランジスタのＯＮ／ＯＦＦに基づいて、主回路１３のスイッチング素子１３０１〜１３０６の各半導体スイッチング素子のゲートに供給するゲート信号Ｇ１〜Ｇ６のレベルを切り換える。
【００２６】
非常停止回路１１２は、第１および第２のスイッチング素子（図示略）を含む。フォトカプラ電源１１３の電源電圧は、非常停止回路１１２の第１のスイッチング素子を介してフォトカプラ１２０１〜１２０３の各フォトダイオードのアノードの共通接続点に供給される。また、フォトカプラ電源１１３の電源電圧は、非常停止回路１１２の第２のスイッチング素子を介してフォトカプラ１２０４〜１２０６の各フォトダイオードのアノードの共通接続点に供給される。非常停止回路１１２は、停止信号ＴＯＦ１が入力されるのに応じて、第１のスイッチング素子をＯＦＦとし、フォトカプラ１２０１〜１２０３の各フォトダイオードのアノードの共通接続点に対するフォトカプラ電源１１３の電源電圧の供給を遮断する。また、非常停止回路１１２は、停止信号ＴＯＦ２が入力されるのに応じて、第２のスイッチング素子をＯＦＦとし、フォトカプラ１２０４〜１２０６の各フォトダイオードのアノードの共通接続点に対するフォトカプラ電源１１３の電源電圧の供給を遮断する。
【００２７】
演算装置１１１は、フォトカプラ１２０１〜１２０３の各フォトダイオードのアノードの共通接続点の電圧を停止結果信号ＭＯＮ１として取得し、この停止結果信号ＭＯＮ１に基づいて、フォトカプラ１２０１〜１２０３の各フォトダイオードに対するフォトカプラ電源１１３の電源電圧の供給が遮断されたか否かを検知する。また、演算装置１１１は、フォトカプラ１２０４〜１２０６の各フォトダイオードのアノードの共通接続点の電圧を停止結果信号ＭＯＮ２として取得し、この停止結果信号ＭＯＮ２に基づいて、フォトカプラ１２０４〜１２０６の各フォトダイオードに対するフォトカプラ電源１１３の電源電圧の供給が遮断されたか否かを検知する。
以上が、電力変換装置１の構成である。
【００２８】
図４は、演算装置１１１の機能構成を示すブロック図である。演算装置１１１のＣＰＵが不揮発性メモリ内のプログラムを実行することにより実現される機能は、図４に示す電流周波数算出部１１１１と、速度算出部１１１２と、速度比較部１１１３と、制御信号生成部１１１４と、安全信号処理部１１１５と、減速パターン生成部１１１６と、停止信号生成部１１１７とを含む。
【００２９】
電流周波数算出部１１１１は、Ａ／Ｄコンバータ１５から電流信号を取得し、この電流信号が示すモータ４の駆動電流波形の周波数を算出する。図５は、電流周波数算出部１１１１によって行われる駆動電流周波数算出方法を例示する図である。図５において、横軸は時間であり、縦軸は駆動電流の電流値を示す。図５に示すように、モータ４に供給される駆動電流は交流電流であり、その電流値は周期的に変化する。図５に示す例において、電流周波数算出部１１１１は、モータ４の駆動電流値がゼロとなるゼロクロス時刻ｔｘと、次に駆動電流値がゼロとなるゼロクロス時刻間ｔｘ＋１との時間差Δｔを算出し、その時間差Δｔを２倍した値の逆数からモータ４の駆動電流波形の周波数を算出する。
【００３０】
速度算出部１１１２は、次式（１）に従い、電流周波数算出部１１１１が算出したモータ４の駆動電流波形の周波数ｆからモータ４の速度推定値Ｎを算出する。
Ｎ（ｒｐｍ）＝ｆ（Ｈｚ）×６０（ｓｅｃ）／Ｐ          ……（１）
上記式（１）において、Ｐはモータ４の極対数である。この極対数Ｐは、モータ４に固有のパラメータであり、演算装置１１１の不揮発性メモリに予め記憶されている。
【００３１】
安全信号処理部１１１５は、安全信号ＣＭＤｂに対応した処理を行う手段である。例えばＳＳ１（Ｓａｆｅ  Ｓｔｏｐ  １；安全停止カテゴリ１）やＳＳ２（Ｓａｆｅ  Ｓｔｏｐ  ２；安全停止カテゴリ２）等、モータ４の減速を指示する安全信号ＣＭＤｂが端子１０を介して受信された場合、安全信号処理部１１１５は、減速パターン生成部１１６に減速パターンの生成を指示するとともに、速度指令信号ＣＭＤａに代えて減速パターンを処理すべき旨を速度比較部１１１３に指示する。なお、減速パターンについては後述する。また、例えばＳＴＯ（Ｓａｆｅ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｏｆｆ；安全トルクオフ）等、モータ４の停止を指示する安全信号ＣＭＤｂが端子１０を介して受信された場合、安全信号処理部１１１５は、停止信号生成部１１１７に停止信号の出力を指示する。
【００３２】
減速パターン生成部１１１６は、安全信号処理部１１１５から減速パターンの生成を指示された場合に、その時点において速度算出部１１１２により算出された最新の速度推定値に基づいて、減速パターンを生成する手段である。この減速パターンは、速度指令値パターンと速度上限値パターンの２種類からなる。
【００３３】
図６はこの速度指令値パターンと速度上限値パターンとを例示する図である。この図６において、横軸は時間であり、縦軸は速度である。速度指令値パターンは、モータ４の速度指令値を時系列化したパターンである。この速度指令値パターンは、減速パターンの生成指示時刻（すなわち、安全信号の受信時刻）ｔ０におけるモータ４の速度推定値を速度指令値の初期値とし、減速パターンの生成指示時刻ｔ０以降の時間経過に伴って速度指定値を所定の時間勾配で減速させるパターンである。ここで、速度指令値の時間勾配は、モータ４やその負荷の特性に応じて決定されるパラメータであり、演算装置１１１の不揮発性メモリに予め記憶されている。速度上限値パターンは、速度指令値パターンが示す速度指令値に対して所定の許容限度量を加算した速度上限値を時系列化したパターンである。この許容限度量もモータ４やその負荷の特性に応じて決定されるパラメータであり、演算装置１１１の不揮発性メモリに予め記憶されている。
【００３４】
速度比較部１１１３は、速度算出部１１１２により算出されたモータ４の速度推定値を速度指令信号ＣＭＤａが示す速度または減速パターン生成部１１１６により生成された減速パターン（速度指令値パターンおよび速度上限値パターン）が示す速度と比較するともに、安全信号に応じたモータの速度制御が正常に行われているか否かを判断する手段である。
【００３５】
安全信号処理部１１１５から減速パターンの処理を指示されていない場合、速度比較部１１１３は、モータ４の速度推定値と、速度指令信号ＣＭＤａが示す速度とを比較し、両者の差分を示す差分データと速度指令信号ＣＭＤａが示す速度を制御信号生成部１１１４に供給する。
【００３６】
また、安全信号処理部１１１５から減速パターンの処理を指示された場合、速度比較部１１１３は、モータ４の速度推定値を、速度指令値パターンが示す速度指令値および速度上限値パターンが示す速度上限値の各々と比較する。そして、速度比較部１１１３は、モータ４の速度推定値と速度指令値パターンが示す速度指令値との差分を示す差分データと、速度指令値パターンが示す速度指令値とを制御信号生成部１１１４に供給する。また、速度比較部１１１３は、速度上限値パターンが示す速度上限値をモータ４の速度推定値が上回った場合、安全信号に応じたモータの速度制御が正常に行われていないと判断し、停止信号生成部１１１７に対して停止信号の出力を指示する。
【００３７】
制御信号生成部１１１４は、図３を参照して説明した制御信号Ｃ１〜Ｃ６を生成する手段である。この制御信号生成部１１１４は、速度比較部１１１３を介して供給される速度指令値に基づいて、例えばモータ４に供給する駆動電圧の周波数を決定するとともに、差分データに基づいて、例えばモータ４に供給する駆動電圧の振幅を決定し、そのような駆動電圧をモータ４に供給するための制御信号Ｃ１〜Ｃ６のパルス幅制御を行う。
【００３８】
停止信号生成部１１１７は、安全信号処理部１１１５または速度比較部１１１３からの指示に従って停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２を生成し、図３に示す非常停止回路１１２に供給する手段である。
【００３９】
図７は演算装置１１１のＣＰＵが実行するプログラムの処理内容を示すフローチャートである。演算装置１１１のＣＰＵは、電力変換装置１の電源投入等に伴って起動指示が与えられた場合に、このプログラムの実行を開始する。
【００４０】
まず、ステップＳ１に進むと、電流周波数算出部１１１１がＡ／Ｄコンバータ１５から電流信号を取得する。次にステップＳ２では、電流周波数算出部１１１１が現在までに取得した電流信号が示すモータ４の駆動電流波形を解析し、駆動電流波形の周波数を算出する。さらに詳述すると、電流周波数算出部１１１１は、新たな電流信号を取得した結果、それまでに取得した電流信号が示す駆動電流波形に新たなゼロクロス点が発生したか否かを判定し、新たなゼロクロス点が発生した場合には、そのゼロクロス点とその直前のゼロクロス点との時間差に基づいて、駆動電流波形の周波数を算出し、揮発性メモリ内に設定された駆動電流周波数記憶エリアに格納する。次にステップＳ３では、速度算出部１１１２が駆動電流周波数記憶エリアに記憶された駆動電流波形の周波数に基づいてモータ４の速度推定値を算出する。
【００４１】
次にステップＳ４において、安全信号処理部１１１５は、モータ４の減速を指示する安全信号ＣＭＤｂが受信されたか否かを判断する。この判断結果が「ＮＯ」である場合、処理はステップＳ６に進む。一方、ステップＳ４の判断結果が「ＹＥＳ」である場合、安全信号処理部１１１５は、減速パターン生成部１１１６に減速パターンを生成させる（ステップＳ５）。また、このとき安全信号処理部１１１５は、減速パターンの処理を速度比較部１１１３に指示する。
【００４２】
次にステップＳ４またはＳ５からステップＳ６に進むと、安全信号処理部１１１５は、現時点までにモータ４の減速を指示する安全信号ＣＭＤｂを受信し、減速パターン生成部１１１６に減速パターンの生成を行わせたか否かを判断する。この判断結果が「ＮＯ」の場合、処理はステップＳ１１に進み、この判断結果が「ＹＥＳ」の場合、処理はステップＳ２１に進む。
【００４３】
次にステップＳ１１に進むと、速度比較部１１１３は、速度比較の処理を行う。この場合、速度比較部１１１３は、安全信号処理部１１１５から減速パターンの処理を指示されていないので、速度算出部１１１２により算出されたモータ４の速度推定値を速度指令信号ＣＭＤａが示す速度と比較し、両者の差分を示す差分データと速度指令信号ＣＭＤａが示す速度を制御信号生成部１１１４に供給する。
【００４４】
次にステップＳ１２に進むと、安全信号処理部１１１５は、停止結果信号ＭＯＮ１およびＭＯＮ２を図３に示す非常停止回路１１２から取得する。次にステップＳ１３に進むと、安全信号処理部１１１５は、モータ４の停止を指示する安全信号が受信されたか否かを判断する。この判断結果が「ＮＯ」の場合、処理はステップＳ１４に進み、この判断結果が「ＹＥＳ」の場合、処理はステップＳ３０に進む。
【００４５】
次にステップＳ１４に進むと、制御信号生成部１１１４は、速度比較部１１１３から受け取った差分データと速度指令信号ＣＭＤａが示す速度とに基づいて、制御信号Ｃ１〜Ｃ６を生成する。すなわち、制御信号生成部１１１４は、速度指令信号ＣＭＤａが示す速度を実現するための駆動電圧波形の周波数および振幅を決定し、そのような駆動電圧が主回路１３からモータ４に供給されるように、駆動回路１２に供給する制御信号Ｃ１〜Ｃ６のパルス幅制御を行う。
【００４６】
このステップＳ１４が終了すると、演算装置１１１のＣＰＵの処理は、ステップＳ１に戻る。従って、モータ４の減速を指示する安全信号ＣＭＤｂが受信されず、かつ、モータ４の停止を指示する安全信号ＣＭＤｂも受信されない場合には、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４→Ｓ１の順に各ステップの処理が繰り返され、モータ４の駆動電流に基づくモータ４の速度推定値の算出と、この速度推定値および速度指令信号ＣＭＤａに基づくモータ４の駆動電圧の制御が行われる。
【００４７】
一方、モータ４の減速を指示する安全信号ＣＭＤｂが安全信号処理部１１１５によって受信されると、減速パターン生成部１１１６は、減速パターンを生成し、速度比較部１１１３はこの減速パターンを処理対象とする（ステップＳ５）。以後、演算装置１１１のＣＰＵの処理がステップＳ６に進むと、このステップＳ６の判断結果は「ＹＥＳ」となり、ＣＰＵの処理はステップＳ２１に進む。
【００４８】
次にステップＳ２１に進むと、速度比較部１１１３は、速度算出部１１１２により算出されたモータ４の速度推定値を減速パターンにおける速度指令値パターンが示す現在時刻に対応した速度指令値および速度上限値パターンが示す現在時刻に対応した速度上限値の各々と比較する。そして、速度比較部１１１３は、モータ４の速度推定値と速度指令値パターンの現在時刻に対応した速度指令値との差分を示す差分データと、速度指令値パターンが示す現在時刻に対応した速度指令値を制御信号生成部１１１４に供給する。また、速度比較部１１１３は、速度上限値パターンが示す現在時刻に対応した速度上限値をモータ４の速度推定値が上回ったか否かを判断する。この判断結果が「ＹＥＳ」の場合、処理はステップＳ３０に進み、この判断結果が「ＮＯ」の場合、処理はステップＳ２２に進む。
【００４９】
次にステップＳ２２に進むと、安全信号処理部１１１５は、停止結果信号ＭＯＮ１およびＭＯＮ２を図３に示す非常停止回路１１２から取得する。次にステップＳ２３に進むと、安全信号処理部１１１５は、ＳＴＯ等、モータ４の停止を指示する安全信号ＣＭＤｂ（すなわち、停止指令）が受信されたか否かを判断する。この判断結果が「ＮＯ」の場合、処理はステップＳ２４に進み、この判断結果が「ＹＥＳ」の場合、処理はステップＳ３０に進む。
【００５０】
次にステップＳ２４に進むと、制御信号生成部１１１４は、速度比較部１１１３から受け取った差分データと速度指令値パターンが示す現在時刻に対応した速度指令値とに基づいて、制御信号Ｃ１〜Ｃ６を生成する。すなわち、制御信号生成部１１１４は、速度指令値が示す速度を実現するための駆動電圧の周波数および振幅を決定し、そのような駆動電圧が主回路１３からモータ４に供給されるように、駆動回路１２に供給する制御信号Ｃ１〜Ｃ６のパルス幅の制御を行う。
【００５１】
このステップＳ２４が終了すると、演算装置１１１のＣＰＵの処理は、ステップＳ１に戻る。従って、速度上限値パターンが示す現在時刻に対応した速度上限値をモータ４の速度推定値が上回ることがなく、かつ、モータ４の停止を指示する安全信号ＣＭＤｂも受信されない場合には、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ１の順に各ステップの処理が繰り返され、モータ４の駆動電流に基づくモータ４の速度推定値の算出と、この速度推定値および減速パターンの速度指令値パターンに基づくモータ４の駆動電圧の制御が行われ、モータ４の速度が次第に低下してゆく。
【００５２】
このステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ１の順に各ステップの処理が繰り返されている間に、速度上限値パターンが示す現在時刻に対応した速度上限値をモータ４の速度推定値が上回るという事態（速度の逸脱）が起こり得る。このような速度の逸脱が起こると、ステップＳ２１の判断結果が「ＹＥＳ」となって処理はステップＳ３０に進む。
【００５３】
このステップＳ３０において、安全信号処理部１１１５は、停止信号生成部１１１７に停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２を出力させる。この停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２が出力されると、図３における非常停止回路１１２は、フォトカプラ電源１１３からフォトカプラ１２０１〜１２０６の各フォトダイオードへの電源電圧の供給を遮断する。この結果、主回路１３へのゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の供給が断たれ、主回路１３の全てのスイッチング素子１３０１〜１３０６がＯＦＦとなり、モータ４への駆動電流の供給が遮断される。これによりモータ４は、トルクが発生しないフリーラン状態となる。これにより演算装置１１１のＣＰＵの処理は終了する。
【００５４】
また、ステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ１１→Ｓ１２→Ｓ１３→Ｓ１４→Ｓ１の順に各ステップの処理が繰り返されている間、あるいはステップＳ１→Ｓ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ６→Ｓ２１→Ｓ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ１の順に各ステップの処理が繰り返されている間に、ＳＴＯ等のモータ４の停止を指示する安全信号ＣＭＤｂが受信される場合があり得る。この場合、ステップＳ１３またはＳ２３の判断結果が「ＹＥＳ」となって処理はステップＳ３０に進む。この場合も、停止信号生成部１１１７によって停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２が出力され、モータ４は、トルクが発生しないフリーラン状態となる。これにより演算装置１１１のＣＰＵの処理は終了する。なお、ステップＳ１２およびＳ２２において停止結果信号を取得するのは、非常停止回路１１２が駆動回路１２から主回路１３への制御信号Ｃ１〜Ｃ６の供給を既に遮断している状態において、ステップＳ３０における停止信号の出力が行われるのを回避するためである。
【００５５】
図８および図９は、本実施形態の動作例を示す図である。これらの図において、横軸は時間であり、縦軸は速度である。図８に示す例では、時刻ｔ０において、モータ４の減速を指示する安全信号ＣＭＤｂが安全信号処理部１１１５によって受信され、速度指令値パターン（図８では図示略）および速度上限値パターンからなる減速パターンが減速パターン生成部１１１６によって生成されている。以後、上述した速度指令値パターンに基づくモータ４の速度の減速制御が行われるが、この例では、時刻ｔ１において、速度上限値パターンが示す速度上限値をモータ４の速度推定値が上回っている。この結果、上述したステップＳ２１の判断結果が「ＹＥＳ」となり、停止信号生成部１１１７が停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２を非常停止回路１１２に出力する。この結果、主回路１３の全てのスイッチング素子１３０１〜１３０６に対するゲート信号Ｇ１〜Ｇ６の供給が断たれ、主回路１３からモータ４への駆動電流の供給が断たれる。これによりモータ４の速度は次第に低下してゆく。
【００５６】
図９に示す例においても、時刻ｔ０において速度指令値パターン（図９では図示略）および速度上限値パターンからなる減速パターンが生成された後、速度指令値パターンに基づくモータ４の速度の減速制御が行われる。そして、この例では、速度上限値パターンが示す速度上限値を越えることなく、モータ４の速度推定値が低下し、時刻ｔ２において、モータ４の速度推定値がゼロになっている。この例は、モータ４の速度の逸脱が発生することなく、安全信号ＣＭＤｂに応じたモータ４の減速制御が成功した例である。
【００５７】
本実施形態では、モータ４に流れる駆動電流の周波数に基づいてモータ４の速度推定値を算出している。この場合、モータ４の速度推定値とモータ４の実速度との関係がモータ４の種類により異なる場合がある。モータ４が誘導電動機である場合、モータ４の回転子は固定子が駆動電流に従って発生する回転磁界に追従して回転する。ここで、固定子が発生する回転磁界の回転と回転子の回転との間には滑りが生じる。従って、固定子に供給される駆動電流から算出した速度推定値と、モータ４の回転子の実速度とを比較すると、モータ４の回転子の実速度は、滑りの分だけ速度推定値よりも低くなる。一方、モータ４が同期電動機である場合、このモータ４の回転子は、固定子が駆動電流に基づいて発生する回転磁界に同期して回転する。従って、モータ４が同期電動機である場合、モータ４の駆動電流の周波数から算出された速度推定値はモータ４の実速度と一致する。
【００５８】
以上を総合すると、モータ４が誘導電動機であっても同期電動機であっても、モータ４の実測度は、駆動電流の周波数から算出された速度推定値以下になる。従って、本実施形態のように、駆動電流の周波数に基づいて算出された速度推定値が速度上限値を越えないようにモータ４の減速制御を行い、かつ、その速度推定値が速度上限値を越えた場合に停止信号ＴＯＦ１およびＴＯＦ２を出力させれば、安全信号に応じてモータ４を安全に停止させることができる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、モータ４の駆動制御に用いられる電流センサ１４を利用してモータ４の速度推定値を算出するため、安全信号に応じてモータ４の減速制御、停止制御を行うために、安全対策を施された速度センサを別途設ける必要がない。従って、コスト高を招くことなく、モータ４の安全制御を実現することができる。さらに、多くの種類の一般的なモータ４は、駆動制御のための電流センサ１４を有している。従って、本実施形態によれば、多くの種類のモータについて低コストな安全制御を実現することができる。
【００６０】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
【００６１】
（１）上記実施形態では、ステップＳ２の駆動電流の周波数算出において、駆動電流波形のゼロクロス時刻ｔｘと次のゼロクロス時刻ｔｘ＋１との時間差Δｔから駆動電流の周波数を算出した。しかし、そのようにする代わりに、駆動電流波形が例えば正のピークとなる時刻ｔｙと次に負のピークとなる時刻ｔｙ＋１との時間差Δｔ’から駆動電流の周波数を算出してもよい。この場合、時間差Δｔ’を２倍した値の逆数が駆動電流の周波数である。また、駆動電流波形のゼロクロス時刻ｔｘとその後に駆動電流波形がピークとなる時刻ｔｙとの時間差Δｔ’’から駆動電流の周波数を算出してもよい。この場合、時間差Δｔ’’を４倍した値の逆数が駆動電流の周波数である。また、モータに３相の駆動電流が供給される場合、それらのうちの任意の２相の駆動電流の比を求め、この比の例えばゼロクロス時刻間の時間差等から駆動電流の周波数を算出してもよい。さらに、電流信号が示す駆動電流波形をフーリエ変換することにより、駆動電流の周波数を算出してもよい。あるいは例えばゼロクロス時刻間の時間差Δｔ’から駆動電流の周波数を算出する方法とフーリエ変換により駆動電流の周波数を算出する方法等、複数種類の算出方法を併用し、各算出方法により得られた周波数を平均化することにより駆動電流の周波数を算出してもよい。あるいは３種類以上の算出方法により駆動電流の周波数を算出し、例えばそれらのうちの互いに近似した周波数値の平均値を駆動周波数の周波数として採用してもよい。
【００６２】
（２）モータの駆動制御システムでは、ＳＬＳ（Ｓａｆｅｔｙ−Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｓｐｅｅｄ）等、モータの速度を規定の制限速度以下に制限する旨の安全信号が発生する場合がある。この場合、上記実施形態の演算装置１１１に次のような処理を実行させてもよい。すなわち、この安全信号が受信された場合、速度比較部１１１３は、モータ４の速度推定値が規定の制限速度を越えるのに応じて、モータ４の速度を低下させるための制御信号を制御信号生成部１１１４に生成させ、モータ４の速度推定値が規定の制限速度に許容限度量を加えた上限速度を越えるのに応じて、停止信号生成部１１１７に停止信号を出力させるのである。この態様によれば、速度センサを別途設けることなく、電流センサを利用することにより、ＳＬＳ等、モータの速度を規定の制限速度以下に制限する旨の安全信号に応じた安全動作を実現することができる。
【００６３】
（３）上記実施形態では、上位の制御装置から供給される速度指令信号に基づいて、モータ４の駆動制御を行う電力変換装置１にこの発明を適用したが、この発明は、トルク指令信号等、他の指令信号に基づいてモータ４の駆動制御を行う電力変換装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１……電力変換装置、２……安全装置、３……交流電源、４……モータ、１０……端子、１１……制御部、１２……駆動回路、１３……主回路、１４……電流センサ、１５……Ａ／Ｄコンバータ、１６……ＡＣ／ＤＣコンバータ、１１０……信号絶縁部、１１１……演算装置、１１２……非常停止回路、１１０１，１１０２，１２０１〜１２０６……フォトカプラ、１１３，１１０３……フォトカプラ電源、１３０１〜１３０６……スイッチング素子、１１１１……電流周波数算出部、１１１２……速度算出部、１１１３……速度比較部、１１１４……制御信号生成部、１１１５……安全信号処理部、１１１６……減速パターン生成部、１１１７……停止信号生成部。
【図１】
2016208655.tif 000003
【図２】
2016208655.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2016208655.tif 000008
【図７】
2016208655.tif 000009
【図８】
2016208655.tif 000010
【図９】
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