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JP7643124B2 - Motor abnormality diagnosis device, abnormality diagnosis method, and abnormality diagnosis program - Google Patents
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JP7643124B2 - Motor abnormality diagnosis device, abnormality diagnosis method, and abnormality diagnosis program - Google Patents

Motor abnormality diagnosis device, abnormality diagnosis method, and abnormality diagnosis program Download PDF

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Description

本発明は、電力変換装置により駆動されるモータの異常診断技術に関し、例えば、各種建築物や製造・加工機械、輸送機械、搬送・荷役装置等に使用されるクレーン、エレベータ、ベルトコンベア、圧縮機、ファン・ブロア、ロボット等の動力源であるモータの異常診断技術に関するものである。 The present invention relates to a technology for diagnosing abnormalities in motors driven by power conversion devices, such as motors that are the power sources of cranes, elevators, belt conveyors, compressors, fans/blowers, robots, etc., used in various buildings, manufacturing/processing machines, transport machines, and conveying/loading equipment.

前述した各種分野において、モータは、単独運転されるだけでなく、インバータ等の電力変換装置やPLC(Programmable Logic Controller)、モーションコントローラ、各種センサ等と組み合わせて使用されることが多い。
電力変換装置及びモータは、適用分野に応じて細分化が進んでおり、複数台の電力変換装置やモータを有するシステムでは故障診断や動作検証の内容も複雑化している。
In the various fields mentioned above, motors are not only operated independently, but are often used in combination with power conversion devices such as inverters, PLCs (Programmable Logic Controllers), motion controllers, various sensors, and the like.
Power conversion devices and motors are becoming increasingly specialized depending on the field of application, and in systems having a plurality of power conversion devices and motors, the contents of fault diagnosis and operation verification are becoming more complex.

現在、電力変換装置の動作検証を効率的に行うために、Power HILS(Hardware In The Loop SystemまたはHardware In The Loop Simulator)と呼ばれるテスト環境が用いられてきている。このPower HILSでは、リアルタイムのシミュレーションにより電力変換装置の主回路やモータの動作を模擬している。 Currently, a test environment called Power HILS (Hardware In The Loop System or Hardware In The Loop Simulator) is being used to efficiently verify the operation of power conversion devices. Power HILS uses real-time simulation to mimic the operation of the main circuit and motor of the power conversion device.

通常、電力変換装置の動作検証には、モータ負荷装置(MGセットまたはダイナモとも呼ばれる)が多く利用されてきた。この装置は、電力変換装置の容量ごとに用意する必要があるためコスト高になると共に装置が大型化するという問題がある。また、回転体である実際のモータを使用するため、安全性の観点から作業員による監視が必要である。 Typically, motor load devices (also called MG sets or dynamos) have been widely used to verify the operation of power conversion devices. This device has the problem of being expensive and large in size because it needs to be prepared for each capacity of the power conversion device. In addition, because it uses an actual motor, which is a rotating body, it needs to be monitored by an operator from a safety standpoint.

そこで、実際のモータ(以下、実機ともいう)を必要とせずに、実機の動作を電子的な装置によって置き換える動きが進んでいる。例えば、特許文献1に記載された「モータ模擬装置」は、実機を用いずに、様々な負荷条件を模擬負荷用インバータとソフトウェアによってリアルタイムかつ実電力で再現可能なモータエミュレータであり、実際の機械負荷と同等の条件でモータの負荷試験を電子的に行うことができる。 Therefore, there is a growing trend to replace the operation of actual machines with electronic devices without the need for an actual motor (hereinafter also referred to as the actual machine). For example, the "motor simulator" described in Patent Document 1 is a motor emulator that can reproduce various load conditions in real time and with actual power using a simulated load inverter and software without using an actual machine, and can perform load tests on motors electronically under conditions equivalent to actual mechanical loads.

モータエミュレータの制御方式としては、二つの方式が挙げられる。
第1の方式は“ItoV”方式であり、この方式では、電流を検出して電圧方程式からモータの誘起電圧を計算する。この方式は演算の構成がシンプルであることから、多くのモータシミュレータにより利用されている。しかし、使用可能な電力変換装置は、電流制御系を持つベクトル制御可能なインバータに限られるため、汎用性に乏しい。
There are two methods for controlling the motor emulator.
The first method is the "ItoV" method, in which the current is detected and the induced voltage of the motor is calculated from the voltage equation. This method is used by many motor simulators because the calculation configuration is simple. However, the power conversion device that can be used is limited to an inverter that has a current control system and is vector controllable, so it is not very versatile.

これに対し、第2の方式である“VtoI”方式は、電圧及び電流を検出して電流フィードバック制御を行う方式である。この方式では、微分方程式を含む複雑な演算やセンサ回路が必要になるものの、多くのモータ駆動システムに使用される電圧制御型のV/f制御インバータに適用可能であるという利点がある。 In contrast, the second method, the "VtoI" method, detects the voltage and current and performs current feedback control. Although this method requires complex calculations including differential equations and sensor circuits, it has the advantage that it can be applied to voltage-controlled V/f-controlled inverters used in many motor drive systems.

一方、予防保全の観点から、工場に設置されたモータ等の状態を常時診断して異常を予兆段階で検知し、その結果に応じてメンテナンスを随時、実行するCBM(Condition Based Maintenance)のニーズが高まってきている。
例えば、特許文献2に記載された「電動機の予防保全装置」では、モータの操作量とセンサにより取得した状態量との関係を示す評価用データを相関評価モデルと比較する。また、特許文献3に記載された「電動機の予防保全装置」では、モータの正常時における操作量と状態量との相関モデルを予め記憶しておき、実際の運転時の操作量に対応して相関モデルに基づいて算出した状態量を運転時に取得した状態量と比較する。これらの予防保全装置は、何れも、それぞれの比較結果に基づいてモータの異常を予兆段階で検知し、迅速なメンテナンスを促している。
On the other hand, from the perspective of preventive maintenance, there is an increasing need for Condition Based Maintenance (CBM), which constantly diagnoses the condition of motors and other equipment installed in factories to detect abnormalities at the early stage and perform maintenance as needed based on the results.
For example, in the "preventive maintenance device for electric motor" described in Patent Document 2, evaluation data showing the relationship between the operation amount of the motor and the state amount acquired by a sensor is compared with a correlation evaluation model. In the "preventive maintenance device for electric motor" described in Patent Document 3, a correlation model between the operation amount and state amount when the motor is normal is stored in advance, and the state amount calculated based on the correlation model in response to the operation amount during actual operation is compared with the state amount acquired during operation. Each of these preventive maintenance devices detects motor abnormalities at the pre-symptomatic stage based on the respective comparison results, and encourages prompt maintenance.

また、他の診断技術としては、特許文献4のように、モータを流れる電流のパワースペクトルを解析し、平均化されたパワースペクトルの側帯波が設定値以上になった時に異常を検出する「電動機の診断装置」が知られている。
更に、モータに振動センサを取り付け、センサ出力信号のスペクトル解析により特定周波数成分の変化を観測して異常診断を行う方法や、モータの消費電力の変化を過去のデータと比較して異常診断を行う方法等も知られている。
Another known diagnostic technique is an "electric motor diagnostic device" as disclosed in Patent Document 4, which analyzes the power spectrum of the current flowing through the motor and detects an abnormality when the sideband waves of the averaged power spectrum exceed a set value.
Further, methods of diagnosing abnormalities include attaching a vibration sensor to the motor and performing spectral analysis of the sensor output signal to observe changes in specific frequency components, and comparing changes in the motor's power consumption with past data to diagnose abnormalities.

特許第4998693号公報Patent No. 4998693 特開2012-137386号公報JP 2012-137386 A 特開2013-223284号公報JP 2013-223284 A 国際公開第2019/3389号International Publication No. 2019/3389

特許文献1に記載された「モータ模擬装置」は、インバータにより駆動されるモータの挙動を別のインバータによって模擬するため、回路構成が複雑化し易い。
特許文献2,3に記載された「電動機の予防保全装置」では、相関評価モデルや相関モデルが、過去のデータや実験的な故障データに基づく近似式等から構築されており、捉えることができる異常要因が限られるという問題がある。
また、特許文献4において、異常検出の基準となる設定値も、モータの過去の故障時のデータに基づいて決定されるため、故障事例が少ない場合には異常判定精度が低くなる。
その他の従来技術の中には、直入れモータのみを対象とするものもあり、PWM(Pulse Width Modulation)制御されるインバータ等の電力変換装置には適用できないという問題もあった。
The "motor simulator" described in Patent Document 1 simulates the behavior of a motor driven by an inverter using a separate inverter, and therefore the circuit configuration is likely to become complicated.
In the "electric motor preventive maintenance devices" described in Patent Documents 2 and 3, the correlation evaluation model and correlation model are constructed from approximation formulas based on past data and experimental failure data, and there is a problem in that the abnormality factors that can be detected are limited.
In addition, in Patent Document 4, the set value that is the standard for detecting an abnormality is also determined based on data from past motor failures, so if there are only a few failure cases, the accuracy of abnormality determination is low.
Among other conventional techniques, there are some that are only intended for direct-start motors, and have the problem that they cannot be applied to power conversion devices such as inverters that are controlled by PWM (Pulse Width Modulation).

そこで、本発明の目的は、各種制御方式の電力変換装置により駆動されるモータを診断対象として、数式や行列式からなるモータモデルにより演算した電圧や電流等のモータ状態量に関する第1の特徴量と、実機から得たモータ状態量に関する第2の特徴量との乖離度に基づいて、モータの正常・異常をリアルタイムで診断可能としたモータの異常診断装置、異常診断方法及び異常診断プログラムを提供することにある。 The object of the present invention is to provide a motor abnormality diagnosis device, an abnormality diagnosis method, and an abnormality diagnosis program that can diagnose whether a motor is normal or abnormal in real time based on the degree of deviation between a first characteristic quantity related to motor state quantities such as voltage and current calculated using a motor model consisting of a mathematical expression or a determinant, and a second characteristic quantity related to the motor state quantity obtained from an actual machine, for a motor driven by a power conversion device of various control methods.

上記目的を達成するため、本発明に係るモータの異常診断装置は、電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、モータに流れる電流相当値及びモータの速度相当値を少なくとも含む各値をモータ状態量として生成するモータ状態量生成部と、モータ状態量とモータ定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算するモータモデル演算部と、モータモデルを用いて推定演算した電流、電圧等のモータ状態量から第1の特徴量を抽出する第1の特徴量抽出部と、モータ状態量生成部が生成したモータ状態量がモータモデル演算部を介さずに入力され、入力されたモータ状態量のうち、第1の特徴量抽出部が推定演算したモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて第2の特徴量を抽出する第2の特徴量抽出部と、第1の特徴量に対する第2の特徴量の乖離度に基づいてモータの正常・異常を診断する比較診断部と、を備えている。 In order to achieve the above object, the motor abnormality diagnosis device of the present invention includes a motor state quantity generation unit that generates, as motor state quantities, values including at least an equivalent value of the voltage applied to a motor driven by a power conversion device, an equivalent value of the current flowing through the motor, and an equivalent value of the motor speed; a motor model calculation unit that calculates, as a motor model, an equation or a determinant including the motor state quantities and a motor constant; a first feature quantity extraction unit that extracts a first feature quantity from the motor state quantities such as current and voltage estimated and calculated using the motor model; a second feature quantity extraction unit that receives the motor state quantities generated by the motor state quantity generation unit without passing through the motor model calculation unit and extracts a second feature quantity based on the same type of motor state quantity as the motor state quantity estimated and calculated by the first feature quantity extraction unit from the input motor state quantities; and a comparison diagnosis unit that diagnoses whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation of the second feature quantity from the first feature quantity.

ここで、第1の特徴量抽出部は、モータモデルを用いて、モータ状態量のうち、例えばモータに印加される電圧の検出値、指令値、推定値等からモータに流れる電流を推定し、推定した電流の変化から第1の特徴量を抽出する。あるいは、第1の特徴量抽出部は、モータモデルを用いて、例えばモータに流れる電流の検出値、指令値、推定値等からモータへの印加電圧を推定し、推定した電圧の変化から第1の特徴量を抽出する。
また、第2の特徴量抽出部には、モータ状態量がモータモデル演算部を介さずに直接入力される。この第2の特徴量抽出部は、入力されたモータ状態量のうち、第1の特徴量抽出部が推定演算したモータ状態量と同種のモータ状態量(上記の例では、電流または電圧)に基づいて第2の特徴量を抽出する。
Here, the first feature extraction unit uses a motor model to estimate a current flowing through the motor from, for example, a detected value, command value, estimated value, etc. of a voltage applied to the motor among the motor state quantities, and extracts a first feature from a change in the estimated current. Alternatively, the first feature extraction unit uses a motor model to estimate a voltage applied to the motor from, for example, a detected value, command value, estimated value, etc. of a current flowing through the motor, and extracts a first feature from a change in the estimated voltage.
The motor state quantities are input directly to the second feature quantity extraction unit without going through the motor model calculation unit, and the second feature quantity extraction unit extracts a second feature quantity based on the same type of motor state quantity (current or voltage in the above example) as the motor state quantity estimated and calculated by the first feature quantity extraction unit from the input motor state quantities.

更に、本発明は、上述した異常診断装置の各部がそれぞれ実行する手順からなる異常診断方法と、異常診断装置の各部の機能を実現するためのプログラムも要旨としている。 The present invention also relates to an abnormality diagnosis method consisting of procedures executed by each part of the abnormality diagnosis device described above, and a program for implementing the functions of each part of the abnormality diagnosis device.

本発明においては、診断対象のモータの電圧、電流、速度等に関するモータモデルを用いて第1の特徴量を抽出すると共に、運転中のモータの電流、電圧等の検出値、指令値等から第2の特徴量を抽出し、これら第1,第2の特徴量の乖離度を判定基準としてモータの正常・異常をオンラインにて診断することができる。
そして、モータが異常と診断された場合には、電流、電圧等の値やその変化を詳細に分析して異常要因を突き止め、異常対象部位を速やかに修理、または除去する等の対策を行って被害を最小限にすることができる。
また、本発明に係る異常診断機能を、電力変換装置の内部や、外部のPLC、クラウドサーバ等に搭載することにより、複数のモータを備えた機械設備に対する異常診断にも適用することが可能である。
In the present invention, a first feature quantity is extracted using a motor model relating to the voltage, current, speed, etc. of the motor to be diagnosed, and a second feature quantity is extracted from the detection values and command values of the current, voltage, etc. of the motor during operation, and the deviation between these first and second feature quantities is used as a judgment criterion to diagnose whether the motor is normal or abnormal online.
If the motor is diagnosed as abnormal, the current, voltage, and other values and their changes can be analyzed in detail to identify the cause of the abnormality, and measures can be taken to quickly repair or remove the abnormal part, minimizing damage.
In addition, by installing the abnormality diagnosis function of the present invention inside the power conversion device, or in an external PLC, cloud server, etc., it can also be applied to abnormality diagnosis of mechanical equipment equipped with multiple motors.

本発明の実施形態に係る異常診断装置のブロック図である。1 is a block diagram of an abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention. 図1の実施形態をPMモータのセンサレスベクトル制御システムに適用した場合のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a case where the embodiment of FIG. 1 is applied to a sensorless vector control system for a PM motor. 図1の実施形態をモータエミュレータに適用した場合のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a case where the embodiment of FIG. 1 is applied to a motor emulator. モータの典型的な故障モードを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing typical failure modes of a motor. 図1の異常診断装置による異常診断動作を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an abnormality diagnosis operation by the abnormality diagnosis device of FIG. 1 . 図1の異常診断装置を内蔵した電力変換装置の一例を示す構成図である。2 is a configuration diagram showing an example of a power conversion device incorporating the abnormality diagnosis device of FIG. 1; 本発明の異常診断装置の応用例を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing an application example of an abnormality diagnosis device according to the present invention.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るモータの異常診断装置のブロック図である。この異常診断装置は、検出部10、モータモデル演算部20、第1の特徴量抽出部30、第2の特徴量抽出部40、比較診断部50、及び異常通知部60によって構成されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 is a block diagram of a motor abnormality diagnosis device according to an embodiment of the present invention, which is composed of a detection unit 10, a motor model calculation unit 20, a first feature amount extraction unit 30, a second feature amount extraction unit 40, a comparison diagnosis unit 50, and an abnormality notification unit 60.

上記構成において、検出部10以外の各部の機能は、例えば、診断対象としての三相のモータを駆動する電力変換装置内の演算処理装置に実装されたプログラムによって実現される。上記演算処理装置としては、例えばDSP(Digital Signal Processor)やFPGA(Field Programmable Gate Array)、または、高速演算が可能なマイコン(マイクロコンピュータ)等を用いることができる。
なお、電力変換装置の外部に診断装置を独立して設け、その診断装置に内蔵されたDSPやFPGAに上記プログラムを実装して検出部10以外の各部の機能を実現しても良い。
次に、図1における各部の機能を順に説明する。
In the above configuration, the functions of each unit other than the detection unit 10 are realized, for example, by a program implemented in a processing unit in a power conversion device that drives a three-phase motor as a diagnosis target. As the processing unit, for example, a DSP (Digital Signal Processor), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a microcomputer capable of high-speed calculations can be used.
In addition, a diagnostic device may be provided independently outside the power conversion device, and the above program may be implemented in a DSP or FPGA built into the diagnostic device to realize the functions of each unit other than the detection unit 10.
Next, the function of each part in FIG. 1 will be described in order.

(1)検出部10
検出部10は、実機である三相のモータを対象として、少なくとも電流、電圧、速度等のモータ状態量を検出する。なお、必要に応じて、モータの巻線抵抗を補正するために、モータ状態量として温度を検出しても良い。
上記検出部10は、モータ状態量生成部の一例としてモータ状態量を検出する機能を有しているが、本発明のモータ状態量生成部としては、モータ状態量の指令値を生成する機能、または、モータ状態量の推定値を生成する機能を備えていれば良い。
すなわち、上記検出部10がなく、例えば、モータへの印加電圧(電力変換装置の出力電圧)を検出できない場合には、電圧検出値に代えて、電力変換装置の制御回路から得た出力電圧指令値や推定値を用いても良い。更に、モータの速度を検出できない場合には、速度検出値に代えて、上記制御回路から得た速度指令値や推定値を用いても良い。
すなわち、本発明では、診断対象であるモータに関するモータ状態量として、電流、電圧、速度等の検出値、指令値、または推定値を、モータ状態量生成部から得られれば良い。なお、モータ状態量としては、電流、電圧、速度等の検出値、指令値、または推定値そのものに限らず、これらの定格運転時における値(100%)に対する割合を示す「ユニット値」を用いても良い。
なお、図1に示す実施形態では、検出部10によりモータの電流、電圧、速度等の検出値を得るものとして説明する。
(1) Detection Unit 10
The detection unit 10 detects at least motor state quantities such as current, voltage, speed, etc., for a three-phase motor that is an actual machine. If necessary, the temperature may be detected as a motor state quantity in order to correct the winding resistance of the motor.
The detection unit 10 has a function of detecting a motor state quantity as an example of a motor state quantity generating unit, but the motor state quantity generating unit of the present invention may be provided with a function of generating a command value of the motor state quantity or a function of generating an estimated value of the motor state quantity.
That is, in the case where the detection unit 10 is not provided and, for example, the voltage applied to the motor (output voltage of the power conversion device) cannot be detected, an output voltage command value or an estimated value obtained from the control circuit of the power conversion device may be used instead of the voltage detection value. Furthermore, in the case where the speed of the motor cannot be detected, a speed command value or an estimated value obtained from the control circuit may be used instead of the speed detection value.
That is, in the present invention, it is sufficient that the motor state quantity generating unit obtains the detected values, command values, or estimated values of the current, voltage, speed, etc. as the motor state quantities related to the motor to be diagnosed. Note that the motor state quantities are not limited to the detected values, command values, or estimated values of the current, voltage, speed, etc., but may also be "unit values" indicating the ratios to the values (100%) during rated operation.
In the embodiment shown in FIG. 1, the detection unit 10 is assumed to obtain detection values of the current, voltage, speed, etc. of the motor.

電力変換装置をPWM制御してモータを駆動する場合、モータに印加されるパルス状のPWM電圧を検出する。この検出電圧は線間電圧でも相電圧でも良いが、検出が容易な線間電圧が得られる場合には、検出された線間電圧を相電圧に変換することが望ましい。
パルス状のPWM電圧を得るには、例えばΔΣ変調器を用いてディジタル値に変換することや、制御系を考慮してローパスフィルタを用いても良い。電力変換装置が正弦波電圧を出力する場合には、検出した電圧をそのまま用いても良い。モータを流れる電流は、ホールセンサやシャント抵抗等を用いて検出し、A/D変換器を用いてディジタル値に変換する。
また、モータの速度は、A相,B相パルスを出力するエンコーダやレゾルバ等を用いて検出する。速度の検出方式は、光学式、磁気式の何れでも良い。
上述した検出部10による電流、電圧、速度等の検出値は、モータモデル演算部20及び第2の特徴量抽出部40に入力される。
When driving a motor by PWM control of a power conversion device, the pulse-shaped PWM voltage applied to the motor is detected. This detected voltage may be a line voltage or a phase voltage, but when a line voltage that is easy to detect is obtained, it is desirable to convert the detected line voltage to a phase voltage.
To obtain a pulsed PWM voltage, for example, a ΔΣ modulator may be used to convert the voltage into a digital value, or a low-pass filter may be used in consideration of the control system. If the power conversion device outputs a sine wave voltage, the detected voltage may be used as is. The current flowing through the motor is detected using a Hall sensor or shunt resistor, and converted into a digital value using an A/D converter.
The motor speed is detected by using an encoder that outputs A-phase and B-phase pulses, a resolver, etc. The speed detection method may be either an optical method or a magnetic method.
The detection values of current, voltage, speed, etc., obtained by the detection unit 10 described above are input to a motor model calculation unit 20 and a second feature extraction unit 40 .

(2)モータモデル演算部20
モータモデル演算部20は、検出部10から入力される各検出値とモータ定数とを用いた数式または行列式としてのモータモデルを演算する。ここで、モータ定数は、モータのインピーダンス(巻線抵抗及びインダクタンス)、鎖交磁束等である。これらのモータ定数は、既知の値を利用しても良いし、オフラインまたはオンラインチューニングによって得た値を使用しても良い。
(2) Motor model calculation unit 20
The motor model calculation unit 20 calculates a motor model as a mathematical expression or a determinant using each detection value input from the detection unit 10 and motor constants. Here, the motor constants are the motor impedance (winding resistance and inductance), flux linkage, etc. These motor constants may use known values, or may use values obtained by offline or online tuning.

検出部10による各検出値やモータ定数は、U,V,W相等の静止座標系の値として得られるが、回転座標系である周知のd,q軸座標系(d軸はモータの磁束方向の制御軸、q軸はd軸に直交する制御軸)に置き換えて使用されることが一般的である。このため、本実施形態では、数式や行列式における電流、電圧、インダクタンス等をd,q軸座標系の値として表現する。勿論、電流、電圧、インダクタンス等を静止座標系の値として表現しても差し支えない。 The detection values and motor constants by the detection unit 10 are obtained as values in a stationary coordinate system such as the U, V, and W phases, but are generally used by replacing them with the well-known d- and q-axis coordinate system (the d-axis is the control axis in the direction of the motor's magnetic flux, and the q-axis is the control axis perpendicular to the d-axis), which is a rotating coordinate system. For this reason, in this embodiment, the current, voltage, inductance, etc. in the formulas and determinants are expressed as values in the d- and q-axis coordinate system. Of course, there is no problem in expressing the current, voltage, inductance, etc. as values in the stationary coordinate system.

診断対象であるモータが、電力変換装置によりベクトル制御されるPMモータである場合、d,q軸座標系の電圧方程式は、例えば数式1によって表される。

Figure 0007643124000001
数式1において、Rはモータの巻線抵抗、L,Lはモータの巻線のd軸インダクタンス及びq軸インダクタンス、ωは角速度、φはモータの永久磁石が発生する鎖交磁束、i,iは巻線に流れるd軸電流及びq軸電流、v,vは巻線に発生するd軸電圧及びq軸電圧である。 When the motor to be diagnosed is a PM motor that is vector-controlled by a power conversion device, the voltage equation in the d, q axis coordinate system is expressed by, for example, Equation 1.
Figure 0007643124000001
In Equation 1, R is the motor winding resistance, Ld and Lq are the d-axis inductance and q-axis inductance of the motor winding, ω is the angular velocity, φ is the interlinkage magnetic flux generated by the motor's permanent magnet, id and iq are the d-axis and q-axis currents flowing in the winding, and vd and vq are the d-axis and q-axis voltages generated in the winding.

数式1の電圧方程式から電流を得る微分方程式として、入力信号を電圧の形に変形すると、例えば数式2が得られる。

Figure 0007643124000002
When the input signal is transformed into a voltage form as a differential equation for obtaining a current from the voltage equation of Equation 1, for example, Equation 2 is obtained.
Figure 0007643124000002

一方、永久磁石を用いないモータの代表例として、かご形誘導モータについて考えると、そのd,q軸座標系の電圧方程式は数式3となる。

Figure 0007643124000003
数式3において、Rはモータの一次巻線抵抗、Rは二次巻線抵抗、L,Lはモータの一次インダクタンス及び二次インダクタンス、ωφは二次鎖交磁束の角周波数、ωはすべり角周波数、Mは相互インダクタンス、v1d,v1qは一次電圧vのd軸成分及びq軸成分(二次側は短絡されているため、v2d,v2q=0)、i1d,i1qは一次電流iのd軸成分及びq軸成分、i2d,i2qは二次電流iのd軸成分及びq軸成分、pは微分演算子である。 On the other hand, when considering a squirrel-cage induction motor as a representative example of a motor that does not use permanent magnets, the voltage equation in the d, q axis coordinate system is expressed as Equation 3.
Figure 0007643124000003
In equation 3, R1 is the primary winding resistance of the motor, R2 is the secondary winding resistance, L1 and L2 are the primary inductance and secondary inductance of the motor, ωφ is the angular frequency of the secondary flux linkage, ωs is the slip angular frequency, M is the mutual inductance, v1d and v1q are the d-axis and q-axis components of the primary voltage v1 (since the secondary side is short-circuited, v2d and v2q = 0), i1d and i1q are the d-axis and q-axis components of the primary current i1 , i2d and i2q are the d-axis and q-axis components of the secondary current i2 , and p is the differential operator.

数式3の電圧方程式から一次電流i及び二次電流iのd軸,q軸成分を得る微分方程式は、数式4によって表される。

Figure 0007643124000004
A differential equation for obtaining the d-axis and q-axis components of the primary current i1 and the secondary current i2 from the voltage equation of Equation 3 is expressed by Equation 4.
Figure 0007643124000004

以上のように、検出部10により検出したモータの電圧や角速度等をモータ定数と共に数式2や数式4の微分方程式に与えて解くことにより、モータに流れる電流を算出することができる。なお、微分方程式は、電流ではなく磁束を用いたものでも良い。
微分方程式、つまり、f(x,y)=dy/dxまたはf(x,y)=dy/dxを解くためには、周知のオイラー法やルンゲクッタ法等を使用すればよい。
ちなみに、オイラー法は数式5のように表され、ルンゲクッタ法は数式6のように表される。

Figure 0007643124000005
Figure 0007643124000006
数式6において、hは刻み幅、k~kは勾配である。 As described above, the current flowing through the motor can be calculated by applying the motor voltage, angular velocity, etc. detected by the detection unit 10 together with the motor constants to the differential equations of Equation 2 and Equation 4 and solving them. Note that the differential equation may use magnetic flux instead of current.
To solve the differential equation, i.e., f(x,y)=dy/dx or f( xn , yn )= dyn / dxn , the well-known Euler method or Runge-Kutta method may be used.
Incidentally, the Euler method is expressed as in Equation 5, and the Runge-Kutta method is expressed as in Equation 6.
Figure 0007643124000005
Figure 0007643124000006
In Equation 6, h is the step size, and k 1 to k 4 are the gradients.

これらの方法によって微分方程式を高速に解けば、モータに流れる電流を推定することができる。リアルタイムでモータの電流を推定するためには、前述したDSPやFPGA、または、高速演算が可能なマイクロコンピュータ等を用いることが望ましい。
このようにして、モータモデル演算部20はモータモデルを用いてリアルタイムで電流推定値を求め、この電流推定値を含む演算結果を第1の特徴量抽出部30に出力する。
By solving the differential equation at high speed using these methods, it is possible to estimate the current flowing through the motor. In order to estimate the motor current in real time, it is desirable to use the above-mentioned DSP or FPGA, or a microcomputer capable of high-speed calculations.
In this way, the motor model calculation unit 20 obtains a current estimate value in real time using the motor model, and outputs the calculation result including this current estimate value to the first feature extraction unit 30.

なお、電力変換装置がベクトル制御等の電流制御を行う場合には、モータの種類に応じて、前述したPMモータの電圧方程式(数式1)や誘導モータの電圧方程式(数式3)をそのまま用いれば、モータに印加される電圧を推定することができ、この電圧推定値を含む演算結果を第1の特徴量抽出部30に出力する。 When the power conversion device performs current control such as vector control, the voltage applied to the motor can be estimated by directly using the above-mentioned PM motor voltage equation (Formula 1) or induction motor voltage equation (Formula 3) depending on the type of motor, and the calculation result including this voltage estimate is output to the first feature extraction unit 30.

ここで、図2は、本実施形態をPMモータのセンサレスベクトル制御システムに適用した場合のブロック図である。
この制御システムでは、速度調節器92及び電流調節器93を介して演算した電圧指令値に従って電力変換装置の主回路100を制御することにより実電圧を発生させ、その実電圧を実機のモータMに印加した時の実電流と、上記の実電圧に応じて電力変換装置の制御回路内のモータモデルMMにより演算した電流推定値との偏差を加減算手段94が求める。上記のモータモデルMMは、例えば下記の数式7によって表される。

Figure 0007643124000007
数式7において、Rはモータの巻線抵抗、Lは巻線のインダクタンス、ωは回転子角速度、ω は速度推定値、Δθは磁極位置誤差である。 FIG. 2 is a block diagram showing the case where this embodiment is applied to a sensorless vector control system for a PM motor.
In this control system, a real voltage is generated by controlling a main circuit 100 of the power conversion device according to a voltage command value calculated via a speed regulator 92 and a current regulator 93, and an adding/subtracting means 94 calculates the deviation between an actual current when the real voltage is applied to a motor M of a real machine and a current estimate value calculated by a motor model MM in a control circuit of the power conversion device according to the above-mentioned real voltage. The above-mentioned motor model MM is expressed, for example, by the following formula 7.
Figure 0007643124000007
In Equation 7, R is the motor winding resistance, L1 is the winding inductance, ωr is the rotor angular velocity, ωr is the speed estimate, and Δθ is the magnetic pole position error.

図2におけるモータモデルMMは、数式7により、電圧指令値(数式7におけるv,vに相当)、モータ定数、及び速度推定値ω 等を用いて電流i,iを推定する。
そして、加減算手段94により求めた電流偏差を位置・速度推定器95に入力して前記速度推定値ω を求め、この速度推定値ω を積分して回転子の磁極位置を推定する。更に、速度指令値と速度推定値ω との偏差を加減算手段91により求め、この偏差をなくすように速度調節器92が電流指令値を演算する。
The motor model MM in FIG. 2 estimates currents i d and i q according to Equation 7 using the voltage command value (corresponding to v d and v q in Equation 7), the motor constant, the estimated speed value ω r ∧, and the like.
The current deviation calculated by the addition/subtraction means 94 is input to a position/speed estimator 95 to calculate the speed estimate ωr∧ , and this speed estimate ωr∧ is integrated to estimate the magnetic pole position of the rotor. Furthermore, the deviation between the speed command value and the speed estimate ωr∧ is calculated by the addition / subtraction means 91, and a speed regulator 92 calculates a current command value so as to eliminate this deviation.

次に、モータによって駆動される機械負荷(負荷トルク)を得る方法について説明する。
例えば、PMモータのトルクは数式8によって表される。
[数8]
T=p{φi+(L-L)i}
ここで、Tはトルク、pは極対数、φは鎖交磁束である。
また、速度と電力との関係としては、数式9によって表される。
[数9]
P=2π・N・T
ここで、Pは電力、Nは回転速度(回転数)[r/min]、Tはトルク[N/m]である。
Next, a method for obtaining the mechanical load (load torque) driven by the motor will be described.
For example, the torque of a PM motor is expressed by Equation 8.
[Equation 8]
T=p o {φi q + (L d - L q ) i d i q }
Here, T is the torque, p o is the number of pole pairs, and φ is the flux linkage.
The relationship between speed and power is expressed by Equation 9.
[Equation 9]
P = 2π N T
Here, P is power, N is rotation speed (revolutions) [r/min], and T is torque [N/m].

更に、イナーシャと発生トルクと負荷トルクとを用いて求められる角速度は、数式10となる。
[数10]
ω=(1/J)∫(T-T
ここで、ωは角速度、Jはイナーシャ、Tは発生トルク、Tは負荷トルクである。
Furthermore, the angular velocity obtained using the inertia, the generated torque, and the load torque is given by Equation 10.
[Equation 10]
ω m = (1/J)∫(T M - T L )
Here, ωm is the angular velocity, J is the inertia, T M is the generated torque, and T L is the load torque.

以上を用いて負荷トルクオブザーバを設計すれば、モータの速度とモータに与える電力との推移から発生トルクTを算出して負荷トルクTを推定することができる。
また、速度センサが取り付けられているモータであれば、数式10の両辺を微分して数式11を求めると共に、この数式11を変形して数式12とし、速度センサにより検出した角速度ωを数式12に与えて負荷トルクTを算出しても良い。
[数11]
(d/dt)ω=(1/J)(T-T
[数12]
=T-J(d/dt)ω
If a load torque observer is designed using the above, it is possible to calculate the generated torque T M from the changes in the motor speed and the power supplied to the motor, and thereby estimate the load torque T L .
Furthermore, in the case of a motor equipped with a speed sensor, both sides of formula 10 may be differentiated to obtain formula 11, which may then be modified to obtain formula 12. The angular velocity ωm detected by the speed sensor may then be applied to formula 12 to calculate the load torque T L.
[Equation 11]
(d/dt)ω m = (1/J) (T M - T L )
[Equation 12]
T L = T M - J (d/dt) ω m

負荷トルクを推定する負荷トルクオブザーバは古くから提案されており、主にモータ制御を高精度化するために用いられている。この負荷トルクオブザーバを、例えば図3に示すモータエミュレータの制御回路210に組み込むことにより、トルク指令や現在の回転速度からイナーシャ及び負荷トルクを推定し、機械負荷(負荷トルク)を駆動するモータの挙動を再現することができる。 Load torque observers that estimate load torque have been proposed for a long time and are mainly used to improve the accuracy of motor control. By incorporating this load torque observer into the control circuit 210 of the motor emulator shown in Figure 3, for example, it is possible to estimate the inertia and load torque from the torque command and the current rotation speed, and reproduce the behavior of the motor that drives the mechanical load (load torque).

なお、図3に示したモータエミュレータは、被試験電力変換装置230に対して三相交流電源Gにより駆動されるモータを模擬負荷として与えるように、カップリングネットワーク220を介して接続された電力変換装置200及び被試験電力変換装置230を制御する。
すなわち、制御回路210には、電力変換装置200の動作によって模擬されるモータのモータ定数が設定されている。制御回路210は、電流検出器222による電流検出値及びモータ定数を用いて、電圧検出器221による電圧検出値が模擬対象のモータの電圧方程式から求めた電圧に等しくなるように、模擬的な速度・位置検出信号を演算して被試験電力変換装置230に与える。被試験電力変換装置230は、上記速度・位置検出信号を用いてフィードバック制御を行い、実際にモータを回転させた時と同様の状態を作り出す。
The motor emulator shown in FIG. 3 controls the power conversion device 200 and the power conversion device 230 under test, which are connected via a coupling network 220, so as to provide the power conversion device 230 with a motor driven by a three-phase AC power source G as a simulated load.
That is, the control circuit 210 is set with a motor constant of the motor to be simulated by the operation of the power conversion device 200. The control circuit 210 uses the current detection value by the current detector 222 and the motor constant to calculate simulated speed/position detection signals and provides them to the power conversion device under test 230 so that the voltage detection value by the voltage detector 221 becomes equal to the voltage calculated from the voltage equation of the motor to be simulated. The power conversion device under test 230 performs feedback control using the speed/position detection signals to create a state similar to that when the motor is actually rotated.

(3)第1の特徴量抽出部30及び第2の特徴量抽出部40
図1に戻って、第1の特徴量抽出部30は、モータモデル演算部20から入力された電流推定値そのもの、または、後述する様々な方法により求めた電流推定値の変化(推移)傾向、脈動の様子等を第1の特徴量として抽出する。また、第2の特徴量検出部40は、検出部10から入力された各検出値の中の電流検出値そのもの、または、電流検出値の変化傾向、脈動の様子等を第2の特徴量として抽出する。
第1,第2の特徴量は上述した電流情報に限らず、モータの電圧、速度または負荷トルクそのもの、あるいは、これらの値の変化(推移)傾向、脈動の様子等であっても良い。
(3) First feature extraction unit 30 and second feature extraction unit 40
1, the first feature extraction unit 30 extracts, as a first feature, the estimated current value itself input from the motor model calculation unit 20, or the change (transition) tendency of the estimated current value obtained by various methods described below, the state of pulsation, etc. The second feature detection unit 40 extracts, as a second feature, the current detection value itself from each detection value input from the detection unit 10, or the change tendency of the detected current value, the state of pulsation, etc.
The first and second feature amounts are not limited to the current information described above, but may be the motor voltage, speed or load torque itself, or the change (transition) tendency of these values, the state of pulsation, or the like.

特徴量の抽出方法としては、特徴量が例えば電流情報である場合には、時間軸に沿った変化量や変化率、平均値等を抽出し、あるいは、時間軸を除去して分析する方法等がある。
時間軸を除去する方法としては、リサジュー図形を用いる方法、レインフロー法やレンジペア法等の波形計数法、FFT(Fast Fourier Transform)による周波数スペクトル解析、移動平均や特定周波数の信号を抜き出すノッチフィルタを用いる方法、多変量解析等の何れでも良い。
When the feature is, for example, current information, the method of extracting the feature may involve extracting the amount of change, rate of change, average value, etc. along the time axis, or removing the time axis before performing the analysis.
Methods for removing the time axis may include any of the following: a method using a Lissajous figure, a waveform counting method such as the rainflow method or the range pair method, frequency spectrum analysis using FFT (Fast Fourier Transform), a method using a moving average or a notch filter that extracts signals of specific frequencies, multivariate analysis, etc.

ここで、具体例を挙げると、例えば第1,第2の特徴量が電流情報である場合、U,V,W相の三相電流を静止座標系に変換してi,i,iを求め、更に回転座標系であるd,q軸座標系のId,Iqに変換してリサジュー図形を作る。そして、そのリサジュー図形を点群とみなして多変量解析により、独立主成分分析によって点群の大きさや重心、点群の主成分の傾き成分を求め、その傾き成分の大きさ、傾き等を第1,第2の特徴量のそれぞれについて求めれば良い。
波形計数法を用いる場合には、第1,第2の特徴量のそれぞれについて、モータの速度ごとに波形計数法を用いて振幅のサイクル数を求め、度数分布を作成する。この度数分布の推移を第1,第2の特徴量のそれぞれについて求め、下記の比較診断部50における診断に用いても良い。
As a specific example, when the first and second feature quantities are current information, the three-phase currents of the U, V, and W phases are converted into a stationary coordinate system to obtain iu , iv , and iw , and then further converted into Id and Iq of the d- and q-axis coordinate system, which is a rotating coordinate system, to create a Lissajous figure. Then, the Lissajous figure is regarded as a point cloud, and the size and center of gravity of the point cloud and the slope component of the principal component of the point cloud are obtained by independent principal component analysis through multivariate analysis, and the size and slope of the slope component are obtained for each of the first and second feature quantities.
When the waveform counting method is used, the number of cycles of the amplitude is calculated for each of the first and second feature quantities for each motor speed using the waveform counting method, and a frequency distribution is created. The transition of this frequency distribution may be calculated for each of the first and second feature quantities, and used for diagnosis in the comparative diagnosis unit 50 described below.

(4)比較診断部50
比較診断部50は、第1,第2の特徴量を常時比較してモータの正常、異常を診断する。すなわち、第1,第2の特徴量が一致すれば(第1の特徴量に対する第2の特徴量の乖離度がゼロの場合)、モータは正常であると診断し、第1,第2の特徴量が一致しなければ(第1の特徴量に対する第2の特徴量の乖離度が所定の閾値以上である場合)、モータは異常であると診断する。
図4は、モータの異常要因としての、典型的な故障モードを示している。これらはあくまで例示的なものであり、他の故障モードも存在することは言うまでもない。
(4) Comparison and diagnosis unit 50
The comparative diagnosis unit 50 constantly compares the first and second feature amounts to diagnose whether the motor is normal or abnormal. That is, if the first and second feature amounts match (if the deviation of the second feature amount from the first feature amount is zero), the comparative diagnosis unit 50 diagnoses the motor as normal, and if the first and second feature amounts do not match (if the deviation of the second feature amount from the first feature amount is equal to or greater than a predetermined threshold), the comparative diagnosis unit 50 diagnoses the motor as abnormal.
4 shows typical failure modes as causes of motor abnormalities. These are merely examples, and it goes without saying that other failure modes also exist.

比較診断部50が異常と診断する基準としては、上述したように乖離度が閾値以上になった場合のほか、第1の特徴量と第2の特徴量との差の増加率が所定値以上になった場合等が考えられる。
また、教師データとして第1の特徴量を用いた学習済みのニューラルネットワークに第2の特徴量を入力し、その時の出力値の教師データに対する乖離度を評価して異常を判断しても良い。
Possible criteria for the comparative diagnosis unit 50 to diagnose an abnormality include when the deviation exceeds a threshold value as described above, as well as when the rate of increase in the difference between the first feature and the second feature exceeds a predetermined value.
In addition, the second feature may be input to a trained neural network that uses the first feature as training data, and the degree of deviation of the output value at that time from the training data may be evaluated to determine an abnormality.

図4に例示した典型的な故障モードの何れかが想定される場合には、一時的に故障モードを模擬してモータモデルを演算し、実機のモータと比較して同じ波形となるようにゲインや振動成分をフィードバックしながら調整し、異常か否かを判定する方法を採っても良い。
また、負荷トルクの変化や速度変化と電流変化との間には一定の関係性があり、通常は、負荷変化に応じて電流が増加する。従って、負荷トルクや電流、速度などの複数種類の信号・波形を組み合わせて第1,第2の特徴量を生成し、これら第1,第2の特徴量を比較してモータの正常・異常を診断しても良い。
更に、モータの種類や制御方式の違いにより、電流の変化パターンには法則性や条件がある。この法則性や条件に従っていない状況等が発生する場合には、何らかの異常やその兆候が生じているとみなすことができる。これらについても考慮に入れて、モータモデルによる第1の特徴量と実機に基づく第2の特徴量とをリアルタイムで比較すると良い。
When any of the typical failure modes illustrated in FIG. 4 is expected, a method may be adopted in which the failure mode is temporarily simulated to calculate a motor model, and the gain and vibration components are adjusted while being fed back so as to produce the same waveform as that of the actual motor, and whether or not there is an abnormality is determined.
In addition, there is a certain relationship between changes in load torque or speed and changes in current, and usually the current increases in response to changes in load. Therefore, the first and second feature quantities may be generated by combining a plurality of types of signals and waveforms such as load torque, current, and speed, and the normality or abnormality of the motor may be diagnosed by comparing these first and second feature quantities.
Furthermore, the current change pattern has rules and conditions depending on the type of motor and the control method. If a situation occurs that does not follow these rules and conditions, it can be assumed that some kind of abnormality or its symptoms have occurred. Taking these into consideration, it is advisable to compare the first feature value based on the motor model and the second feature value based on the actual machine in real time.

(5)異常通知部60
異常通知部60は、比較診断部50による診断結果によって認識した異常発生を通知する機能を有する。異常通知の具体的な方法としては、RS485やイーサネット等の通信規格を用いて異常発生信号を外部に伝送しても良いし、制御回路を備えた電力変換装置等のディスプレイ画面に表示出力しても良い。また、異常発生信号を装置のディジタル出力端子等から電圧信号または電流信号として出力しても良い。
(5) Abnormality notification section 60
The abnormality notification unit 60 has a function of notifying the occurrence of an abnormality recognized from the diagnosis result by the comparison and diagnosis unit 50. As a specific method of abnormality notification, an abnormality occurrence signal may be transmitted to the outside using a communication standard such as RS485 or Ethernet, or may be displayed on a display screen of a power conversion device or the like equipped with a control circuit. In addition, the abnormality occurrence signal may be output as a voltage signal or a current signal from a digital output terminal or the like of the device.

以上説明したように、この実施形態では、検出部10、モータモデル演算部20、第1の特徴量抽出部30、第2の特徴量抽出部40、比較診断部50、及び異常通知部60の機能により、モータの異常を検出して通知することができる。 As described above, in this embodiment, the functions of the detection unit 10, motor model calculation unit 20, first feature extraction unit 30, second feature extraction unit 40, comparison diagnosis unit 50, and abnormality notification unit 60 can detect and notify motor abnormalities.

次に、図5は、上記の各部による一連の異常診断処理を示すフローチャートである。
まず、異常診断装置を起動して診断を開始し(ステップS1)、図1の検出部10の各センサが電流、電圧、速度等を検出する(ステップS2)。次いで、モータモデル演算部20がモータの電圧方程式やその微分方程式からなるモータモデルを演算する(ステップS3)。
続いて、第1の特徴量抽出部30はモータモデルに基づいて第1の特徴量を抽出し、第2の特徴量抽出部40は、検出部10から入力された各検出値に基づいて第2の特徴量を抽出する(ステップS4)。そして、比較診断部50が第1,第2の特徴量を比較して両者の乖離度からモータの正常・異常を診断し(ステップS5)、その結果を異常通知部60が通知する。
更に、診断結果をメモリに保存して1サイクルを終了し(ステップS6)、以後は前記ステップS2以降の処理を繰り返す。これら一連の処理(ステップS2~S6)は、一定の周期で繰り返し実行される。
FIG. 5 is a flow chart showing a series of abnormality diagnosis processes performed by the above-mentioned components.
First, the abnormality diagnosis device is started to start diagnosis (step S1), and each sensor of the detection unit 10 in Fig. 1 detects current, voltage, speed, etc. (step S2). Next, the motor model calculation unit 20 calculates a motor model consisting of a voltage equation of the motor and its differential equation (step S3).
Next, the first feature extraction unit 30 extracts a first feature based on the motor model, and the second feature extraction unit 40 extracts a second feature based on each detection value input from the detection unit 10 (step S4).Then, the comparison diagnosis unit 50 compares the first and second feature and diagnoses whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation between the two (step S5), and the abnormality notification unit 60 notifies the result.
Furthermore, the diagnosis result is stored in memory to end one cycle (step S6), and thereafter, the processes from step S2 onwards are repeated. This series of processes (steps S2 to S6) is repeatedly executed at a fixed cycle.

次に、図6は、この実施形態の異常診断装置を備えた電力変換装置の一例を示す構成図である。
図6において、100は、整流回路及びインバータ部等からなる電力変換装置の主回路である。主回路100とモータMとの間には電圧センサ120及び電流センサ130が接続され、モータMには速度センサ140が取り付けられている。これらのセンサ120,130,140は、図1における検出部10を構成している。
Next, FIG. 6 is a configuration diagram showing an example of a power conversion device equipped with the abnormality diagnosis device of this embodiment.
In Fig. 6, reference numeral 100 denotes a main circuit of a power conversion device that includes a rectifier circuit, an inverter section, etc. A voltage sensor 120 and a current sensor 130 are connected between the main circuit 100 and a motor M, and a speed sensor 140 is attached to the motor M. These sensors 120, 130, and 140 constitute the detection section 10 in Fig. 1.

主回路100の直流中間回路の電圧は電圧センサ110により検出されて制御回路70に入力され、前記電圧センサ120、電流センサ130、及び速度センサ140による検出値も制御回路70に入力されている。制御回路70は、入力された各検出値を用いて主回路100のインバータ部のスイッチング素子に対するPWM指令を生成し、ゲート駆動回路80を介して各スイッチング素子に駆動信号を送る。 The voltage of the DC intermediate circuit of the main circuit 100 is detected by the voltage sensor 110 and input to the control circuit 70, and the detection values of the voltage sensor 120, the current sensor 130, and the speed sensor 140 are also input to the control circuit 70. The control circuit 70 uses each of the input detection values to generate PWM commands for the switching elements of the inverter section of the main circuit 100, and sends drive signals to each switching element via the gate drive circuit 80.

一方、制御回路70に接続された異常診断装置の構成は、実質的に図1と同一である。なお、図6では、特徴量抽出部を単一のブロック(30,40)によって示しているが、このブロックは、図1における第1の特徴量抽出部30の機能と第2の特徴量抽出部40の機能とを併せ持っている。 On the other hand, the configuration of the abnormality diagnosis device connected to the control circuit 70 is substantially the same as that shown in FIG. 1. Note that in FIG. 6, the feature extraction unit is shown as a single block (30, 40), but this block has both the functions of the first feature extraction unit 30 and the second feature extraction unit 40 in FIG. 1.

すなわち、第1の特徴量抽出部30は、モータモデル演算部20がモータモデルにより演算した電流推定値や電圧推定値等から第1の特徴量を抽出して比較診断部50に出力し、第2の特徴量抽出部40は、制御回路70を介して取り込んだ電流検出値、電圧検出値、速度検出値から第2の特徴量を抽出して比較診断部50に出力する。
比較診断部50は、前述したごとく、第1の特徴量と第2の特徴量との乖離度に基づいてモータMの正常・異常を診断し、その結果を異常通知部60に出力する。
そして、異常通知部60から制御回路70に異常発生信号が入力され、制御回路70では、外部に対する異常情報の伝送やディスプレイ画面への異常表示等が行われる。
That is, the first feature extraction unit 30 extracts first features from the current estimates, voltage estimates, etc. calculated by the motor model calculation unit 20 using the motor model, and outputs them to the comparative diagnosis unit 50, and the second feature extraction unit 40 extracts second features from the current detection values, voltage detection values, and speed detection values received via the control circuit 70, and outputs them to the comparative diagnosis unit 50.
As described above, the comparative diagnosis unit 50 diagnoses whether the motor M is normal or abnormal based on the degree of deviation between the first characteristic amount and the second characteristic amount, and outputs the result to the abnormality notification unit 60 .
An abnormality occurrence signal is input from the abnormality notification unit 60 to the control circuit 70, and the control circuit 70 transmits the abnormality information to the outside and displays the abnormality on a display screen.

なお、図7は、本発明の異常診断装置の応用例を示す構成図である。図7において、M,Mは診断対象であるモータ、240,250はモータM,Mをそれぞれ駆動する電力変換装置である。
電力変換装置240とモータMとの間には外部診断装置310が設けられ、電力変換装置250とモータMとの間には外部診断装置320が設けられている。また、外部診断装置310,320同士は産業用高速通信路330によって通信可能となっている。
なお、400はこのシステム全体を統括的に制御するコントローラである。
7 is a block diagram showing an application example of the abnormality diagnosis device of the present invention, in which M1 and M2 are motors to be diagnosed, and 240 and 250 are power conversion devices for driving the motors M1 and M2 , respectively.
An external diagnostic device 310 is provided between the power conversion device 240 and the motor M1 , and an external diagnostic device 320 is provided between the power conversion device 250 and the motor M2 . The external diagnostic devices 310 and 320 are capable of communicating with each other via an industrial high-speed communication path 330.
Incidentally, reference numeral 400 denotes a controller that comprehensively controls the entire system.

外部診断装置310,320は図1に示したような異常診断装置の機能を備え、モータM,Mの正常・異常をリアルタイムで診断している。これらの診断結果をコントローラ400が常時収集することにより、モータM,Mの状態を統括的に監視することができる。
この応用例によれば、電力変換装置及びモータからなるモータ駆動システムを複数備えた工場やプラントにおいて、複数のモータの状態をオンラインかつリアルタイムに把握することが可能である。
The external diagnostic devices 310, 320 have the function of an abnormality diagnostic device as shown in Fig. 1, and diagnose the normality/abnormality of the motors M1 , M2 in real time. The controller 400 constantly collects these diagnostic results, thereby enabling comprehensive monitoring of the conditions of the motors M1 , M2 .
According to this application example, in a factory or plant equipped with a plurality of motor drive systems each consisting of a power conversion device and a motor, it is possible to grasp the states of a plurality of motors online and in real time.

10:検出部
20:モータモデル演算部
30:第1の特徴量抽出部
40:第2の特徴量抽出部
50:比較診断部
60:異常通知部
70:制御回路
80:ゲート駆動回路
91,94:加減算手段
92:速度調節器
93:電流調節器
95:位置・速度推定器
100:主回路
110,120:電圧センサ
130:電流センサ
140:速度センサ
200:電力変換装置
210:制御回路
220:カップリングネットワーク
221:電圧センサ
222:電流センサ
230:被試験電力変換装置
240,250:電力変換装置
310,320:外部診断装置
330:産業用高速通信路
400:コントローラ
G:三相交流電源
M,M,M:モータ
MM:モータモデル
10: Detection unit 20: Motor model calculation unit 30: First feature extraction unit 40: Second feature extraction unit 50: Comparison diagnosis unit 60: Abnormality notification unit 70: Control circuit 80: Gate drive circuit 91, 94: Addition and subtraction means 92: Speed regulator 93: Current regulator 95: Position and speed estimator 100: Main circuit 110, 120: Voltage sensor 130: Current sensor 140: Speed sensor 200: Power conversion device 210: Control circuit 220: Coupling network 221: Voltage sensor 222: Current sensor 230: Power conversion device under test 240, 250: Power conversion device 310, 320: External diagnosis device 330: Industrial high-speed communication path 400: Controller G: Three-phase AC power supply M, M1 , M2 : Motor MM: Motor model

Claims (11)

電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、前記モータに流れる電流相当値、及び前記モータの速度相当値を少なくとも含む各値を、モータ状態量として生成するモータ状態量生成部と、
前記モータ状態量と前記モータの定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算するモータモデル演算部と、
前記モータモデル演算部が前記モータモデルを用いて推定演算したモータ状態量に基づいて第1の特徴量を抽出する第1の特徴量抽出部と、
前記モータ状態量生成部が生成したモータ状態量が前記モータモデル演算部を介さずに入力され、入力されたモータ状態量のうち、前記第1の特徴量抽出部が推定演算したモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて第2の特徴量を抽出する第2の特徴量抽出部と、
前記第1の特徴量に対する前記第2の特徴量の乖離度を求め、当該乖離度に基づいて前記モータの正常・異常を診断する比較診断部と、
を備え
前記第1の特徴量および前記第2の特徴量が電流情報である場合、
前記電流情報に基づいて作られるリサジュー図形の点群の主成分の傾き成分を多変量解析により求め、その傾き成分の大きさ又は傾きを、前記第1の特徴量および前記第2の特徴量のそれぞれについて求める、モータの異常診断装置。
a motor state quantity generating unit that generates, as motor state quantities, values including at least a value equivalent to a voltage applied to a motor driven by a power conversion device, a value equivalent to a current flowing through the motor, and a value equivalent to a speed of the motor;
a motor model calculation unit that calculates a mathematical expression or a determinant including the motor state quantity and a constant of the motor as a motor model;
a first feature extraction unit that extracts a first feature based on a motor state quantity estimated and calculated by the motor model calculation unit using the motor model;
a second feature quantity extraction unit which receives the motor state quantity generated by the motor state quantity generation unit without passing through the motor model calculation unit and extracts a second feature quantity from the input motor state quantities based on a motor state quantity of the same type as the motor state quantity estimated and calculated by the first feature quantity extraction unit;
a comparative diagnosis unit that calculates a degree of deviation of the second feature amount from the first feature amount and diagnoses whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation;
Equipped with
When the first feature amount and the second feature amount are current information,
A motor abnormality diagnosis device that uses multivariate analysis to determine the slope component of the principal component of the point group of a Lissajous figure created based on the current information, and determines the magnitude or slope of the slope component for each of the first feature amount and the second feature amount .
電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、前記モータに流れる電流相当値、及び前記モータの速度相当値を少なくとも含む各値を、モータ状態量として生成するモータ状態量生成部と、
前記モータ状態量と前記モータの定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算するモータモデル演算部と、
前記モータモデル演算部が前記モータモデルを用いて推定演算したモータ状態量に基づいて第1の特徴量を抽出する第1の特徴量抽出部と、
前記モータ状態量生成部が生成したモータ状態量が前記モータモデル演算部を介さずに入力され、入力されたモータ状態量のうち、前記第1の特徴量抽出部が推定演算したモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて第2の特徴量を抽出する第2の特徴量抽出部と、
前記第1の特徴量に対する前記第2の特徴量の乖離度を求め、当該乖離度に基づいて前記モータの正常・異常を診断する比較診断部と、
を備え
前記モータの速度ごとに波形計数法を用いて振幅のサイクル数の度数分布を作成し、この度数分布の推移を、前記第1の特徴量および前記第2の特徴量のそれぞれについて求める、モータの異常診断装置。
a motor state quantity generating unit that generates, as motor state quantities, values including at least a value equivalent to a voltage applied to a motor driven by a power conversion device, a value equivalent to a current flowing through the motor, and a value equivalent to a speed of the motor;
a motor model calculation unit that calculates a mathematical expression or a determinant including the motor state quantity and a constant of the motor as a motor model;
a first feature extraction unit that extracts a first feature based on a motor state quantity estimated and calculated by the motor model calculation unit using the motor model;
a second feature quantity extraction unit which receives the motor state quantity generated by the motor state quantity generation unit without passing through the motor model calculation unit and extracts a second feature quantity from the input motor state quantities based on a motor state quantity of the same type as the motor state quantity estimated and calculated by the first feature quantity extraction unit;
a comparative diagnosis unit that calculates a degree of deviation of the second feature amount from the first feature amount and diagnoses whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation;
Equipped with
a frequency distribution of the number of cycles of amplitude is created for each speed of the motor using a waveform counting method, and a transition of this frequency distribution is obtained for each of the first characteristic amount and the second characteristic amount .
請求項1または2に記載したモータの異常診断装置において、
前記モータモデルが、前記モータに流れる電流を求める微分方程式であることを特徴とするモータの異常診断装置。
In the motor abnormality diagnosis device according to claim 1 or 2 ,
2. A motor abnormality diagnosis device, wherein the motor model is a differential equation for determining a current flowing through the motor.
請求項1または2に記載したモータの異常診断装置において、
前記モータモデルが、前記モータに印加される電圧を求める電圧方程式であることを特徴とするモータの異常診断装置。
In the motor abnormality diagnosis device according to claim 1 or 2 ,
2. A motor abnormality diagnosis device, wherein the motor model is a voltage equation for determining a voltage applied to the motor.
請求項1から3のいずれか一項に記載したモータの異常診断装置において、
前記第1の特徴量抽出部は、前記モータモデルを用いて、前記モータ状態量生成部が生成した電圧相当値から前記モータに流れる電流を推定し、推定した電流に基づいて前記第1の特徴量を抽出することを特徴とするモータの異常診断装置。
The motor abnormality diagnosis device according to any one of claims 1 to 3 ,
the first feature extraction unit uses the motor model to estimate a current flowing through the motor from a voltage equivalent value generated by the motor state quantity generation unit, and extracts the first feature based on the estimated current.
請求項1、2、4のいずれか一項に記載したモータの異常診断装置において、
前記第1の特徴量抽出部は、前記モータモデルを用いて、前記モータ状態量生成部が生成した電流相当値から前記モータに印加される電圧を推定し、推定した電圧に基づいて前記第1の特徴量を抽出することを特徴とするモータの異常診断装置。
In the motor abnormality diagnosis device according to any one of claims 1 to 4 ,
the first feature extraction unit uses the motor model to estimate a voltage applied to the motor from a current equivalent value generated by the motor state quantity generation unit, and extracts the first feature based on the estimated voltage.
請求項1または2に記載したモータの異常診断装置において、
前記第1の特徴量抽出部は、前記モータモデルを用いて、前記モータ状態量生成部が生成した複数のモータ状態量の組み合わせに基づいて前記第1の特徴量を抽出し、
前記第2の特徴量抽出部は、前記複数のモータ状態量の組み合わせと同種の複数のモータ状態量の組み合わせに基づいて前記第2の特徴量を抽出することを特徴とするモータの異常診断装置。
In the motor abnormality diagnosis device according to claim 1 or 2 ,
the first feature quantity extraction unit extracts the first feature quantity based on a combination of a plurality of motor state quantities generated by the motor state quantity generation unit, using the motor model;
The motor abnormality diagnosis device according to claim 1, wherein the second feature extraction unit extracts the second feature based on a combination of a plurality of motor state quantities of the same type as the combination of the plurality of motor state quantities.
電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、前記モータに流れる電流相当値、及び前記モータの速度相当値を少なくとも含むモータ状態量を生成する手順と、
前記モータ状態量と前記モータの定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算する手順と、
前記モータモデルを用いて推定演算したモータ状態量に基づいて第1の特徴量を抽出する手順と、
前記第1の特徴量の抽出に用いたモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて、前記モータモデルを介さずに第2の特徴量を抽出する手順と、
前記第1の特徴量に対する前記第2の特徴量の乖離度を求め、当該乖離度に基づいて前記モータの正常・異常を診断する手順と、
を一定周期で繰り返し実行し、
前記第1の特徴量および前記第2の特徴量が電流情報である場合、
前記電流情報に基づいて作られるリサジュー図形の点群の主成分の傾き成分を多変量解析により求め、その傾き成分の大きさ又は傾きを、前記第1の特徴量および前記第2の特徴量のそれぞれについて求める、モータの異常診断方法。
A step of generating motor state quantities including at least a value equivalent to a voltage applied to a motor driven by a power conversion device, a value equivalent to a current flowing through the motor, and a value equivalent to a speed of the motor;
A step of calculating an equation or a determinant including the motor state quantity and a constant of the motor as a motor model;
extracting a first characteristic quantity based on a motor state quantity estimated and calculated using the motor model;
extracting a second feature quantity based on a motor state quantity of the same type as the motor state quantity used to extract the first feature quantity, without using the motor model;
a step of determining a degree of deviation of the second feature amount from the first feature amount, and diagnosing whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation;
is executed repeatedly at a fixed cycle ,
When the first feature amount and the second feature amount are current information,
A motor abnormality diagnosis method, comprising: determining, by multivariate analysis, a gradient component of a principal component of a group of points of a Lissajous figure created based on the current information; and determining the magnitude or gradient of the gradient component for each of the first feature amount and the second feature amount .
電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、前記モータに流れる電流相当値、及び前記モータの速度相当値を少なくとも含むモータ状態量を生成する手順と、
前記モータ状態量と前記モータの定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算する手順と、
前記モータモデルを用いて推定演算したモータ状態量に基づいて第1の特徴量を抽出する手順と、
前記第1の特徴量の抽出に用いたモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて、前記モータモデルを介さずに第2の特徴量を抽出する手順と、
前記第1の特徴量に対する前記第2の特徴量の乖離度を求め、当該乖離度に基づいて前記モータの正常・異常を診断する手順と、
を一定周期で繰り返し実行し、
前記モータの速度ごとに波形計数法を用いて振幅のサイクル数の度数分布を作成し、この度数分布の推移を、前記第1の特徴量および前記第2の特徴量のそれぞれについて求める、モータの異常診断方法。
A step of generating motor state quantities including at least a value equivalent to a voltage applied to a motor driven by a power conversion device, a value equivalent to a current flowing through the motor, and a value equivalent to a speed of the motor;
A step of calculating an equation or a determinant including the motor state quantity and a constant of the motor as a motor model;
extracting a first characteristic quantity based on a motor state quantity estimated and calculated using the motor model;
extracting a second feature quantity based on a motor state quantity of the same type as the motor state quantity used to extract the first feature quantity, without using the motor model;
a step of determining a degree of deviation of the second feature amount from the first feature amount, and diagnosing whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation;
is executed repeatedly at a fixed cycle ,
A motor abnormality diagnosis method comprising : creating a frequency distribution of the number of cycles of amplitude for each speed of the motor using a waveform counting method; and determining a transition of this frequency distribution for each of the first characteristic amount and the second characteristic amount .
電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、前記モータに流れる電流相当値、及び前記モータの速度相当値を少なくとも含むモータ状態量を生成する機能と、
前記モータ状態量と前記モータの定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算する機能と、
前記モータモデルを用いて推定演算したモータ状態量に基づいて第1の特徴量を抽出する機能と、
前記第1の特徴量の抽出に用いたモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて、前記モータモデルを介さずに第2の特徴量を抽出する機能と、
前記第1の特徴量に対する前記第2の特徴量の乖離度を求め、当該乖離度に基づいて前記モータの正常・異常を診断する機能と、
前記第1の特徴量および前記第2の特徴量が電流情報である場合、
前記電流情報に基づいて作られるリサジュー図形の点群の主成分の傾き成分を多変量解析により求め、その傾き成分の大きさ又は傾きを、前記第1の特徴量および前記第2の特徴量のそれぞれについて求める機能と、
を演算処理装置に一定周期で繰り返し実現させることを特徴とするモータの異常診断プログラム。
A function of generating motor state quantities including at least a value equivalent to a voltage applied to a motor driven by a power conversion device, a value equivalent to a current flowing through the motor, and a value equivalent to a speed of the motor;
A function of calculating an equation or a determinant including the motor state quantity and a constant of the motor as a motor model;
a function of extracting a first characteristic quantity based on a motor state quantity estimated and calculated using the motor model;
a function of extracting a second feature quantity based on a motor state quantity of the same type as the motor state quantity used to extract the first feature quantity, without using the motor model;
a function of determining a degree of deviation of the second characteristic amount from the first characteristic amount, and diagnosing whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation;
When the first feature amount and the second feature amount are current information,
A function of obtaining a gradient component of a principal component of a group of points of a Lissajous figure created based on the current information by multivariate analysis, and obtaining a magnitude or gradient of the gradient component for each of the first feature amount and the second feature amount;
A motor abnormality diagnosis program that causes a processor to repeatedly execute the above at a constant interval.
電力変換装置により駆動されるモータへの印加電圧相当値、前記モータに流れる電流相当値、及び前記モータの速度相当値を少なくとも含むモータ状態量を生成する機能と、
前記モータ状態量と前記モータの定数とを含む数式または行列式をモータモデルとして演算する機能と、
前記モータモデルを用いて推定演算したモータ状態量に基づいて第1の特徴量を抽出する機能と、
前記第1の特徴量の抽出に用いたモータ状態量と同種のモータ状態量に基づいて、前記モータモデルを介さずに第2の特徴量を抽出する機能と、
前記第1の特徴量に対する前記第2の特徴量の乖離度を求め、当該乖離度に基づいて前記モータの正常・異常を診断する機能と、
前記モータの速度ごとに波形計数法を用いて振幅のサイクル数の度数分布を作成し、この度数分布の推移を、前記第1の特徴量および前記第2の特徴量のそれぞれについて求める機能と、
を演算処理装置に一定周期で繰り返し実現させることを特徴とするモータの異常診断プログラム。
A function of generating motor state quantities including at least a value equivalent to a voltage applied to a motor driven by a power conversion device, a value equivalent to a current flowing through the motor, and a value equivalent to a speed of the motor;
A function of calculating an equation or a determinant including the motor state quantity and a constant of the motor as a motor model;
a function of extracting a first characteristic quantity based on a motor state quantity estimated and calculated using the motor model;
a function of extracting a second feature quantity based on a motor state quantity of the same type as the motor state quantity used to extract the first feature quantity, without using the motor model;
a function of determining a degree of deviation of the second characteristic amount from the first characteristic amount, and diagnosing whether the motor is normal or abnormal based on the degree of deviation;
a function of creating a frequency distribution of the number of cycles of amplitude for each speed of the motor using a waveform counting method, and determining a transition of this frequency distribution for each of the first feature amount and the second feature amount;
A motor abnormality diagnosis program that causes a processor to repeatedly execute the above at a constant interval.
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