(57)【要約】【課題】停止または回転稼働状態にある多相モータにかかる過負荷の防止を簡便に制御することができる多相モータの過負荷保護装置を提供すること。【解決手段】本発明は、複数のコイル２５を有する多相モータ１１にかかる負荷を制御する多相モータの過負荷保護装置１であって、各コイル２５の電流値に基づいて各コイル２５にかかる第１の負荷を算出する第１の負荷算出部２０と、各コイル２５の電流値に基づいて全てのコイル２５にかかる第２の負荷を算出する第２の負荷算出部２１と、第１の負荷と第１の閾値とを比較して過負荷を判断し、または、第２の負荷と第２の閾値とを比較して過負荷を判断する過負荷判断部２２と、多相モータ１１の出力を制御する制御部２と、を有し、制御部２は、第１の負荷が第１の閾値を超えた場合に多相モータ１１の出力を低下させ、第２の負荷が第２の閾値を超えた場合には多相モータ１１の出力を低下させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコイルを有する多相モータにかかる負荷を制御する多相モータの過負荷保護装置であって、
各前記コイルの電流値に基づいて各前記コイルにかかる第１の負荷を算出する第１の負荷算出部と、
各前記コイルの電流値に基づいて全ての前記コイルにかかる第２の負荷を算出する第２の負荷算出部と、
前記第１の負荷と第１の閾値とを比較して過負荷を判断し、または、前記第２の負荷と第２の閾値とを比較して過負荷を判断する過負荷判断部と、
前記多相モータの出力を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記第１の負荷が第１の閾値を超えた場合に前記多相モータの出力を低下させ、前記第２の負荷が第２の閾値を超えた場合には前記多相モータの出力を低下させる、過負荷保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は過負荷保護装置に関し、特に複数のコイルを有する多相モータにかかる負荷を制御する、多相モータの過負荷保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数のコイルに発生させた磁界により永久磁石を有するロータを回転させる多相モータがある。多相モータに負荷がかかった状態でロータが停止や回転している場合、電流が流れ続けて多相モータが損傷しないように過負荷を防止するための制御が必要である。多相モータにかかる負荷を制御する装置として、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されている多相モータの負荷制御装置によると、モータのロータの１回転中の停止位置に対応した複数個の基準値が予め設定され、モーターの停止を検出する信号とロータの停止位置を検出する信号を検出する検出部と、停止位置に対応するいずれか一つの基準値と所定のサンプリング時間毎に総和される過負荷量を比較する比較部と、を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０４−３７２５２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された多相モータの過負荷制御装置は、多相モータのロータが回転しているか、または停止しているかを別途判断している。そのため、特許文献１に記載された多相モータの過負荷制御装置は、過負荷防止のための処理が煩雑となる。また、多相モータのロータが回転していても負荷がかかっている状態があり、特許文献１に記載された多相モータの過負荷制御装置は多相モータの回転稼働中の過負荷の防止を制御することに課題がある。
本発明は、停止または回転稼働状態にある多相モータにかかる過負荷の防止を簡便に制御することができる多相モータの過負荷保護装置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】
【０００５】
本発明は、複数のコイルを有する多相モータにかかる負荷を制御する多相モータの過負荷保護装置であって、
各前記コイルの電流値に基づいて各前記コイルにかかる第１の負荷を算出する第１の負荷算出部と、
各前記コイルの電流値に基づいて全ての前記コイルにかかる第２の負荷を算出する第２の負荷算出部と、
前記第１の負荷と第１の閾値とを比較して過負荷を判断し、または、前記第２の負荷と第２の閾値とを比較して過負荷を判断する過負荷判断部と、
前記多相モータの出力を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記第１の負荷が第１の閾値を超えた場合に前記多相モータの出力を低下させ、前記第２の負荷が第２の閾値を超えた場合には前記多相モータの出力を低下させる。
【０００６】
本発明は、過負荷判断部が各相のコイルにかかる第１の負荷と第１の閾値とを比較して過負荷を判断するため、多相モータが停止した状態の過負荷を判断し、制御部で多相モータの出力を調整することができる。また、過負荷判断部が全相のコイルにかかる第２の負荷と第２の閾値とを比較して過負荷を判断するため、多相モータが回転稼働した状態の過負荷を判断し、制御部で多相モータの出力を調整することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明にかかる過負荷保護装置によると、停止または回転稼働状態にある多相モータにかかる過負荷の防止を簡便に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】過負荷防止装置の構成を示したブロック図である。
【図２】モータの各相に流れる電流を示したグラフである。
【図３】電流と時間との関係を示したグラフである。
【図４】過負荷防止装置の処理を示したフローチャートである。
【図５】過負荷防止装置の変形例の回路図の一部を示した図である。
【図６】過負荷防止装置の変形例の回路図の一部を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１０】
図１に示されるように、過負荷防止装置１は、モータ１１の過負荷を防止する装置である。過負荷防止装置１は、モータ１１を駆動する電流を制御するための電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを出力する制御部２を有している。制御部２は、モータ軸の回転角度であるモータ機械角θｍに基づいてモーターの出力を調整する制御を行う。制御部２は、制御部２内で生成される、もしくは上位から与えられるモータ機械角指令θｍｒｅｆに、モータ機械角θｍを追従させるよう制御する。
【００１１】
モータ機械角θｍは、制御部２に接続された角度検出部（エンコーダ）１２からの出力により、直接求められる。モータ機械角θｍは、回転子（不図示）のモータ電気角θｅに基づいて計算される。モータ電気角θｅは、モータ機械角θｍをモータ極ペア数で割って求められる。制御部２には、出力調整部２ａが設けられている。出力調整部２ａは、後述するように制御部２に接続された過負荷判断部２２の過負荷の判断結果に基づいて、電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆを調整し、モータ１１の出力を制御する。
【００１２】
制御部２の下流側には、電流制御部３が接続されている。電流制御部３は、後述する第２の座標変換部１０から入力されたｄ軸電流Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑの値を電流指令値Ｉｄｒｅｆ，Ｉｑｒｅｆに一致するようにｄ軸電圧指令値Ｖｄ、ｑ軸電圧指令値Ｖｑを出力する。電流制御部３の下流側には、第１の座標変換部４が接続されている。
【００１３】
第１の座標変換部（ｄｑ／αβ座標変換部）４は、回転子ｄｑ座標を固定子（コイル）αβ座標系に変換する。ｄｑ座標およびαβ座標はいずれも直交座標である。ｄｑ座標は、、電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑに基づいて、αβ座標系で表した値に変換される。座標変換の計算には、後述する角度検出部１２から出力された回転子（不図示）のモータ電気角θｅが用いられる。第１の座標変換部４の下流側には第１の相変換部（αβ／ＵＶＷ座標変換部）５が接続されている。
【００１４】
第１の相変換部５は、二相交流の座標からαβ／ＵＶＷ座標変換し、各相電流指令値Ｉｕｒｅｆ、Ｉｖｒｅｆ及びＩｗｒｅｆを算出する。第１の相変換部５の下流側にはＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）回路６が接続されている。ＰＷＭ回路６は、各相電流指令値Ｉｕｒｅｆ、Ｉｖｒｅｆ及びＩｗｒｅｆからモータ１１を制御する。
【００１５】
ＰＷＭ回路６では、各相電流指令値Ｉｕｒｅｆ、Ｉｖｒｅｆ及びＩｗｒｅｆに一致する電圧を供給するためのパルス幅変調されたゲート駆動信号が形成される。ＰＷＭ回路６の下流側には、インバータ回路７が接続されている。インバータ回路７は、ゲート駆動信号に基づいて直流電流を三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに変換する。インバータ回路７は、例えばスイッチング素子２６が三相ブリッジ接続されて構成されている（図５参照）。インバータ回路７には、直流電源回路（不図示）から直流電圧が供給される。ＰＷＭ回路６から入力されたゲート駆動信号は、インバータ回路７が有する各スイッチング素子２６（図５参照）のゲートに与えられる。
【００１６】
これにより、各相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに一致するＰＷＭ変調された三相交流電圧が生成される。インバータ回路７の下流側には、モータ１１が接続されている。モータ１１は例えば、三相モータである。インバータ回路７が出力した三相交流電圧は、モータ１１の各相のコイル２５（図５参照）に加えられる。即ち、モータ１１は、三相交流電圧で流れる三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗによって回転駆動される。
【００１７】
インバータ回路７の下流側には、また、Ａ／Ｄ変換部８が接続されている。Ａ／Ｄ変換部８は、インバータ回路７が出力した三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値を検出し、Ａ／Ｄ変換する。三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値は、電流センサ（不図示）によって直接計測される。一般的には、二相の電流値を計測し、残りの一相の電流値は式（１）の関係により演算される。
Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０  …式（１）
【００１８】
Ａ／Ｄ変換された三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値は、Ａ／Ｄ変換部８の下流側に接続された第２の相変換部（ＵＶＷ／αβ座標変換部）９によってＵＶＷ／αβ座標変換される。即ち、第２の相変換部９によってＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値は、二相電流値Ｉα、Ｉβに変換される。二相電流値Ｉα、Ｉβは、第２の相変換部９の下流側に接続された第２の座標変換部（αβ／ｄｑ座標変換部）１０によってｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑにそれぞれ変換される。この変換には後述する角度検出部１２から出力されたモータ電気角θｅが用いられる。ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑは、第２の座標変換部１０の下流側に接続された上述の電流制御部３に出力される。
【００１９】
モータ電気角θｅを検出するために、モータ１１には、角度検出部１２が接続されている。角度検出部１２は、モータの回転子（不図示）からモータ機械角θｍを検出する。モータ機械角θｍをモータ極ペア数で割ってモータ電気角θｅが求められる。角度検出部１２は、モータ機械角θｍを制御部２に出力する。角度検出部１２は、モータ電気角θｅを第１の座標変換部４、第２の座標変換部１０に出力する。
【００２０】
Ａ／Ｄ変換部８の下流側には、さらに各相積算部（第１の負荷算出部）２０が接続されている。各相積算部２０は、Ａ／Ｄ変換された三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値からモータ１１の各相の負荷を積算し各相積算値（第１の負荷）を出力する。
【００２１】
第２の座標変換部１０の下流側には、全相積算部（第２の負荷算出部）２１が接続されている。全相積算部２１は、第２の座標変換部１０が出力したｑ軸電流Ｉｑの値からモータ１１の全相電流値を積算し、全相積算値（第２の負荷）を出力する。
【００２２】
各相積算部２０および全相積算部２１の下流側には、過負荷判断部２２が接続されている。過負荷判断部２２は、各相積算値と各相の負荷の閾値（第１の閾値）とを比較して過負荷を判断し、または、全相積算値と全相の負荷の閾値（第２の閾値）とを比較して過負荷を判断する。過負荷判断部２２は、モータ１１が停止した状態の過負荷を判断する他、モータ１１が回転した状態の過負荷を判断する。過負荷判断部２２は、過負荷の判断結果を過負荷判断部２２の下流側に接続された制御部２に出力する。
【００２３】
過負荷判断部２２の過負荷の判断方法について説明する。モータ１１が回転している状態では、三相に電流が分散されるため、各コイル２５（図５参照）の温度上昇は遅くなる。モータ１１が停止した状態でかつ、トルクが発生した状態では、一相に電流が集中する可能性があり、コイル２５の温度上昇が早い。
【００２４】
図２に示されるように、各相に電流が流れてモータ１１が回転している状態では、各相の電流の実効値は２秒間で１／√２Ａである。従って、この電流値による発熱で各相のコイル２５の温度が上昇する。それに対し、Ｕ相の電流値が１ＡでＶ相およびＷ相の電流値が０．５Ａの状態でモータ１１が停止し、２秒間電流を流した場合、各相の電流の実効値はＵ相は１ＡでＶ相およびＷ相の実効値は０．５Ａとなり、Ｕ相の温度上昇が早くなり、Ｕ相が焼損しやすくなる。
【００２５】
そのため、モータ１１が回転した状態と停止した状態では、過負荷を判断するために、異なる閾値を用いる必要がある。上記の様にモータ１１が停止した状態では各相に流れる電流の実効値は異なる。過負荷判断部２２では、各相の電流の積算値（第１の負荷）と各相の負荷の閾値（第１の閾値）とを比較してモータ１１が停止した状態の過負荷を判断する。具体的には、は以下の方法により過負荷を判断する。
【００２６】
一相のコイル２５に電流を流した時に、コイル２５の耐熱温度を超えないようにするために、電流を流す時間に制限を設ける必要がある。一般的には電流と時間は式（２）に示されるように反比例の関係にある（図３参照）。
Ｉ×Ｔ＝Ｃ１ｘ  …式（２）
各相積算部２０は、モータ１１の制御周期Ｔｓごとに電流値を式（３）により積算して第１の負荷Ｌ１を算出する。
Ｌ１＝Ｉｘ（ｔ）×Ｔｓ  …式（３）
【００２７】
ここで、Ｉｘ（ｔ）：時々刻々の各相に流れる電流［Ａ］、制御周期Ｔｓ［ｓ］、Ｃ１ｘ：第１の閾値（Ｃ１ｕ＝Ｃ１ｖ＝Ｃ１ｗ）である。そして、過負荷判断部２２は、式（３）において積算値（第１の負荷）Ｌ１がＣ１（第１の閾値）を超えた場合に過負荷と判断する。この場合、一相のコイル２５に過剰に電流が流れている状態であると推定される。
【００２８】
過負荷判断部２２は、積算値Ｌ１が第１の閾値Ｃ１を超えて過負荷と判断した場合は、過負荷判断部２２の下流側に接続された制御部２に判断結果を出力する。その後、制御部２は、第１の負荷Ｌ１が第１の閾値Ｃ１を超えた場合に、全てのコイル２５の出力を低下させるように制御する。この場合は、いずれか一相で第１の閾値Ｃ１を超えているので、モータ１１が停止した状態で各相に電流が流れている（トルクを発生している）。
【００２９】
そのため、制御部２は、モータ１１の出力を低下させるために電流指令値Ｉｑｒｅｆを下げるよう制御する（Ｉｄｒｅｆは通常は０である）。過負荷判断部２２は、第１の負荷Ｌ１と第１の閾値Ｃ１とを比較し、第１の負荷Ｌ１が第１の閾値Ｃ１を下回った場合に過負荷でないと判断する。その後、制御部２は、モータ１１を通常制御する。制御部２は、モータ１１の出力を低下させるために、出力調整部２ａにより、モータ１１のトルク抑制、速度抑制および動作抑制などを行うよう制御する。
【００３０】
一方、上記の様にモータ１１が回転した状態では、各相の電流の実効値は等しい。過負荷判断部２２では、全相の電流の積算値（第２の負荷）と全相の負荷の閾値（第２の閾値）とを比較してモータ１１が回転した状態の過負荷を判断する。具体的には、以下の方法により過負荷を判断する。各相の第１の負荷が第１の閾値を超えていない状態で、モータ１１の全相の電流の積算値（第２の負荷）が第２の閾値を超えているかどうか判断する。全相積算部２１は、各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから相変換と座標変換とを経て求められたｑ軸電流Ｉｑを制御周期Ｔｓごとに積算して第２の負荷Ｌ２を算出する。
Ｌ２＝Ｉｑ（ｔ）×Ｔｓ…式（４）
【００３１】
過負荷判断部２２は、第２の負荷Ｌ２と第２の閾値Ｃ２とを比較し、第２の負荷Ｌ２が第２の閾値Ｃ２を超えた場合に過負荷と判断する。この場合は、モータ１１は回転しながらトルクを発生している。その後、制御部２は、モータ１１の出力を低下させるために速度指令およびトルク指令を落とすよう制御する。過負荷判断部２２は、第２の負荷Ｌ２と第２の閾値Ｃ２とを比較し、第２の負荷Ｌ２が第２の閾値Ｃ２を下回った場合に過負荷でないと判断する。その後、制御部２は、モータ１１を通常制御する。
【００３２】
次に、過負荷防止装置１がモータ１１の過負荷を防止する処理について説明する。
【００３３】
図４に示されるように、各相積算部２０は、各相のコイル２５にかかる第１の負荷Ｌ１を算出し、全相積算部２１は、全相のコイル２５にかかる第２の負荷Ｌ２を算出する（Ｓ１００）。過負荷判断部２２は、第１の負荷Ｌ１と第１の閾値Ｃ１とを比較し過負荷を判断し、または、第２の負荷Ｌ２と第２の閾値Ｃ２とを比較して過負荷を判断する（Ｓ１０１）。第１の負荷Ｌ１が第１の閾値Ｃ１を超えて過負荷と判断された場合、または、第２の負荷Ｌ２が第２の閾値Ｃ２を超えて過負荷と判断された場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、制御部２は、モータ１１の出力を低下させる（Ｓ１０２）。
【００３４】
第１の負荷Ｌ１が第１の閾値Ｃ１を超えず過負荷でないと判断された場合、または、第２の負荷Ｌ２が第２の閾値Ｃ２を超えず過負荷でないと判断された場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）、制御部２は、モータ１１を通常制御する（Ｓ１０３）。その後、制御部２は、モータ１１の制御が終了するかどうかを判断し（Ｓ１０４）、終了と判断した場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）モータ１１の制御を終了し、終了でないと判断した場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、ステップＳ１００に戻る。
【００３５】
上述したように、過負荷防止装置１によると、過負荷判断部２２が各相のコイル２５にかかる第１の負荷Ｌ１と第１の閾値Ｃ１とを比較して過負荷を判断するため、多相モータが停止した状態の過負荷を判断し、制御部で多相モータの出力を調整することができる。また、過負荷判断部２２が全相のコイルにかかる第２の負荷Ｌ２と第２の閾値Ｃ２とを比較して過負荷を判断するため、モータ１１が回転稼働した状態の過負荷を判断し、制御部２でモータ１１の出力を調整することができる。これにより、過負荷保護装置１は、停止または回転稼働状態にあるモータ１１にかかる過負荷の防止を簡便に制御することができる。
【００３６】
なお、本発明は上記の実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記の実施の形態では各相のＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値を計測するために電流センサが用いられているが、図５に示されるように、各相のＬｏｗｅｒ  Ａｒｍにシャント抵抗３０を挿入し、これにかかる電圧を計測してＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値を求めてもよい。あるいは、図６に示されるように、インバータ回路７のグランドラインＧにシャント抵抗３１を挿入し、これにかかる電圧を計測する。そして、１ＰＷＭの周期内で２回のサンプリングによる二相の電流値を測定し、式（１）の関係から残りの一相の電流値を算出してもよい。
【００３７】
その他、過負荷の判断において、各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値の代わりに、各相電流指令値Ｉｕｒｅｆ、Ｉｖｒｅｆ及びＩｗｒｅｆを用いてもよい。そして、全相の電流Ｉｑの代わりに、電流指令Ｉｑｒｅｆを用いてもよい。また、上記の実施形態では電流を単純に積算していたが、電流の実効値を用いてもよい。ここで、ｎサンプル時の実効電流Ｉｅ（ｎ）は、ｔｓをサンプリングタイムとすると、
Ｉｅ（ｎ）＝√（（Ｉ１２ｔｓ＋Ｉ２２ｔｓ＋…＋Ｉｎ２ｔｓ）／（ｔｓ＋ｔｓ＋…＋ｔｓ））
＝√（（Ｉ１２ｔｓ＋Ｉ２２ｔｓ＋…＋Ｉｎ２ｔｓ）／ｎｔｓ）
＝√（（Ｉ１２＋Ｉ２２＋…＋Ｉｎ２）／ｎ）  …式（５）
で求められる。平方根を取るために式（５）の両辺をそれぞれ自乗して式（６）を得る。
Ｉｅ（ｎ）２＝（Ｉ１２＋Ｉ２２＋…＋Ｉｎ２）／ｎ  …式（６）
式（６）より、ｎ＋１のサンプル時には、式（７）となる。
Ｉｅ（ｎ＋１）２＝（Ｉ１２＋Ｉ２２＋…＋Ｉｎ＋１２）／（ｎ＋１）  …式（７）
【００３８】
毎回の計算時に制御開始時からの電流値（Ｉ１、Ｉ２、…、Ｉｎ）を保存しておくことは計算が煩雑となるので、以下の式（８）を用いて簡略化する。
Ｉｅ（ｎ＋１）２−Ｉｅ（ｎ）２
＝Ｉ１２＋Ｉ２２＋…＋Ｉｎ＋１２）／（ｎ＋１）−（Ｉ１２＋Ｉ２２＋…＋Ｉｎ２）／ｎ
＝Ｉｎ＋１２／（ｎ＋１）−Ｉｅ（ｎ）２／（ｎ＋１）  …（８）
これより、式（９）を得る。
Ｉｅ（ｎ＋１）２＝Ｉｎ＋１２／（ｎ＋１）＋Ｉｅ（ｎ）２−Ｉｅ（ｎ）２／（ｎ＋１）
＝Ｉｎ＋１２／（ｎ＋１）＋ｎＩｅ（ｎ）２／（ｎ＋１）  …（９）
【００３９】
式（９）より、ｎ時点での実効値と、ｎ＋１時点での電流値と、制御開始時からの時間（サンプリング数）とがわかっていればよい。実効値の自乗について、図３のように電流と時間との関係のグラフと同様のグラフを予め温度測定などから作成しておき、過負荷の判断に用いてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１…過負荷保護装置  ２…制御部  ２ａ…出力調整部  ３…電流制御部  ４…座標変換部  ５…相変換部  ６…回路  ７…インバータ回路  ８…変換部  ９…相変換部  １０…座標変換部  １１…モータ  １２…角度検出部  ２０…各相積算部  ２１…全相積算部  ２２…過負荷判断部  ２５…コイル  ２６…スイッチング素子  ３０…シャント抵抗  ３１…シャント抵抗  Ｇ…グランドライン  
【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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