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JP7674479B2 - モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置 - Google Patents
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モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置に関する。
工作機械などに設けられるサーボモータでは、経年的な油の侵入等により、モータコイル(巻線)の大地に対する絶縁抵抗の抵抗値(絶縁抵抗値)が低下する。モータコイルの絶縁抵抗値が低下すると、モータとモータ駆動装置と大地とからなる閉回路に漏洩電流が流れる。通常のモータ駆動電流に加えて漏洩電流がモータ駆動装置内に流れることで、サーボアンプが過電流検出動作を行ったり、入力段に設けられたブレーカが落ちたりする。その結果、当該モータが設けられた工作機械は緊急停止してしまう。このような緊急停止があると、原因究明のために長期間にわたって工作機械を停止させることもあり、効率が落ちる。このため、モータの絶縁抵抗値を測定する作業はモータ駆動装置の運用上欠かせない。
例えば、スイッチを介して交流電源から供給された電力を整流回路で整流し、かつコンデンサで平滑化する電源部と、該電源部からの直流電圧を交流に変換してモータを駆動するモータ駆動アンプを備えたモータ駆動装置によって駆動されるモータの絶縁抵抗劣化検出方法であって、前記スイッチをオフとし、モータの運転を停止した後、前記コンデンサの一端を大地に接続すると共に他端とモータコイル間を接続し、コンデンサ、モータコイルおよび大地で形成される閉回路に流れる電流を検出してモータの絶縁抵抗劣化を検出するようにしたことを特徴とするモータの絶縁抵抗劣化検出方法が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
例えば、スイッチを介して交流電源から供給された交流電圧を整流回路で直流電圧に整流し、整流された直流電圧をコンデンサで平滑化する電源部と、上アーム及び下アームスイッチング素子を用いて前記電源部からの直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するモータ駆動アンプ部と、前記電源部の電圧を測定する電源電圧測定部と、前記コンデンサの一端を大地に接続する接点部、及び前記コンデンサの他端とモータコイルとの間に設けられた電流検出部を備え、前記スイッチをオフ状態とし、前記接点部をオン状態として、前記電流検出部を用いて前記接点部、前記コンデンサ、前記モータコイル、及び大地で形成される閉回路から得られる検出信号に基づいてモータの絶縁抵抗の劣化の有無を検出する絶縁抵抗劣化検出部と、前記接点部をオン状態からオフ状態とし、前記モータ駆動アンプ部の上アームもしくは下アームのスイッチング素子を任意にスイッチングさせ、前記絶縁抵抗劣化検出部における前記検出信号と前記電源電圧測定部で測定された電圧値に基づいて、前記絶縁抵抗劣化検出部の故障の有無を検出する故障検出部と、を備えることを特徴とするモータの絶縁抵抗劣化検出部の故障検出機能を備えたモータ駆動装置が知られている(例えば、特許文献2参照。)。
例えば、交流電源を整流する整流回路を有するコンバータ部と、該整流回路の出力を平滑化する平滑コンデンサと、該コンバータ部からの直流を交流に変換して複数のモータをそれぞれ駆動する複数のインバータ部を具備するモータ駆動装置に接続されるモータの絶縁劣化を検出する装置であって、絶縁劣化検出時において、導通することによって前記平滑コンデンサの一端を接地する1つの第1のスイッチと、前記平滑コンデンサの両端の電圧を測定する1つの電圧検出部と、絶縁劣化検出時において、導通することによって前記平滑コンデンサの他端を前記複数のモータの巻線にそれぞれ接続する複数の第2のスイッチと、前記第1のスイッチおよび前記複数の第2のスイッチが導通することにより前記複数のモータの各々の絶縁抵抗を経て流れる前記平滑コンデンサの放電電流をそれぞれ検出する複数の電流検出部と、前記電圧検出部が検出する電圧と前記複数の電流検出部の各々が検出する電流とから、前記複数のモータの各々の絶縁抵抗を算出する複数の絶縁抵抗算出部とを具備するモータの絶縁劣化検出装置であって、前記1つの第1のスイッチおよび前記1つの電圧検出部は前記コンバータ部に設けられ、前記複数の第2のスイッチ、前記複数の電流検出部、および前記複数の絶縁抵抗算出部は前記複数のインバータ部にそれぞれ設けられ、前記1つの電圧検出部が検出した電圧値と、前記1つの第1のスイッチをオンするタイミングを通知する信号とを前記コンバータ部から、前記複数のインバータ部へ伝達する通信手段を具備し、前記複数のインバータ部のそれぞれにおいて同一のタイミングで一斉に、前記第2のスイッチによる接続、電流検出部による電流の検出、および絶縁抵抗算出部による絶縁抵抗の算出が行われることを特徴とした、モータの絶縁劣化検出装置が知られている(例えば、特許文献3参照。)。
例えば、第1のスイッチを介して交流電源から供給される交流電圧を直流電圧に整流する整流回路と、前記整流回路によって整流された直流電圧をコンデンサで平滑化する電源部と、前記電源部によって平滑化された直流電圧を半導体スイッチング素子のスイッチング動作により交流電圧に変換してモータを駆動するインバータ部と、前記モータのコイルに一端を接続し、前記コンデンサの一方の端子に他端を接続した抵抗器に流れる電流値を測定する電流検出部と、前記コンデンサの両端の電圧値を測定する電圧検出部と、前記コンデンサの他方の端子を接地する第2のスイッチと、モータの運転を停止し、前記第1のスイッチをオフし、かつ、前記第2のスイッチをオフした状態とオンした状態の2つの状態において測定された2組の前記電流値及び前記電圧値を用いて、モータのコイルと大地との間の抵抗であるモータの絶縁抵抗値を検出する絶縁抵抗検出部と、を有することを特徴とするモータ駆動装置が知られている(例えば、特許文献4参照。)。
例えば、第1電源部と、前記第1電源部からの電力供給をオフすることができる第1スイッチと、前記第1電源部からの電力を母線に出力する直流供給部と、前記母線に接続されたコンデンサと、前記母線に供給された直流を交流に変換してモータを駆動制御するスイッチング素子を備えたモータ制御装置であって、前記母線に一端を接続し、他端を第2スイッチを介して接地した第2電源部と、前記モータの巻線と前記第2電源部が接続された前記母線との間の電流値を検出する電流検出部と、前記第1スイッチ部により電力供給をオフし、前記第2スイッチの開時及び閉時において前記電流検出部によってそれぞれ検出された電流値と、前記コンデンサの電圧値及び前記第2電源部の電圧値とに基づいて、前記モータの絶縁抵抗値を算出する絶縁抵抗算出部と、を備えたモータ制御装置が知られている(例えば、特許文献5参照。)。
特許第4554501号公報 特許第5832578号公報 特許第4565036号公報 特許第5788538号公報 特開2021-018163号公報
絶縁抵抗値検出回路を構成する部品に起因する誤差要因を排除することは、絶縁抵抗値を正確に検出するうえで極めて重要である。また、絶縁抵抗値を検出するにあたっては、作業員の負担もより少ない方が好ましい。このように、モータ駆動装置においてはモータの絶縁抵抗値を高精度かつ容易に検出する技術が望まれている。
本開示の一態様によれば、交流電源からの電路を開閉する第1のスイッチと、閉状態にある第1のスイッチを介して交流電源から供給された交流電圧を整流回路で直流電圧に整流し、整流された直流電圧をコンデンサで平滑化して出力する電源部と、直流入力部を介して入力された電源部からの直流電圧を上アーム及び下アームのスイッチング素子を用いてモータ駆動用の交流電圧に変換して交流出力部を介してモータに供給するモータ駆動アンプ部と、電源部の電圧の測定値を取得する第1の電圧測定部と、閉状態のときにコンデンサの一端を大地に接続し開状態のときにコンデンサの一端を大地に接続しない第2のスイッチと、コンデンサの他端が接続された直流入力部内の一端子とモータのモータコイルが接続された交流出力部内の一端子との間に設けられる測定用抵抗と、測定用抵抗の端子間電圧の測定値を取得する第2の電圧測定部と、第2の電圧測定部により取得された測定用抵抗の端子間電圧の測定値を少なくとも用いてモータの絶縁抵抗値を計算する計算部と、を有する絶縁抵抗値検出部と、電源部とは異なる直流電源からの直流電圧を直流入力部内の一端子と交流出力部内の一端子との間に印加した状態で第1のスイッチ及び第2のスイッチを開状態としモータ駆動アンプ部のスイッチング素子をオフ状態とすることで、直流電源及び測定用抵抗を含む第2の閉回路を構成したときにおいて、直流電源からの直流電圧の値と測定用抵抗の抵抗値とに基づいて、測定用抵抗の端子間電圧の推定値を計算する電圧推定部と、第2の閉回路を構成したときにおいて第2の電圧測定部により取得された測定用抵抗の端子間電圧の測定値と電圧推定部により計算された測定用抵抗の端子間電圧の推定値と、を用いて、第2の電圧測定部の測定誤差を検出する誤差検出部と、を備え、計算部は、第1のスイッチを開状態としかつ第2のスイッチを閉状態とすることで第2のスイッチ、コンデンサ、測定用抵抗、モータコイル、及び大地を含む第1の閉回路を構成したときにおいて第1の電圧測定部により取得された電源部の電圧の測定値及び第2の電圧測定部により取得された測定用抵抗の端子間電圧の測定値と、測定誤差と、測定用抵抗の抵抗値と、に基づいて、モータの絶縁抵抗値を計算する。
本開示の一態様によれば、モータの絶縁抵抗値を高精度かつ容易に検出するモータ駆動装置を実現することができる。
本開示の一実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第2の電圧測定部についての測定誤差を検出する際に接続される直流電源を説明する図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第2の電圧測定部についての測定誤差を検出する際に構成される第2の閉回路を説明する図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第1の形態による測定誤差検出処理の動作フローを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第2の形態による測定誤差検出処理の動作フローを示すフローチャートである。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において絶縁抵抗値検出部による絶縁抵抗値検出処理を実行する際に構成される第1の閉回路を説明する図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置における絶縁抵抗値検出部による絶縁抵抗値検出処理の動作フローを示すフローチャートである。 閉状態にある第2のスイッチ31については図示を省略している。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプを例示する斜視図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプを例示する正面図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプを例示する分解斜視図である。 本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプ内の第1の基板及び第2の基板を例示する模式図である。
以下図面を参照して、モータの絶縁抵抗値を計算するモータ駆動装置について説明する。各図面において、同様の部材には同様の参照符号が付けられている。また、理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された形態に限定されるものではない。
図1は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置を示す図である。
一例として、交流電源2に接続されたモータ駆動装置1により、モータ3を制御する場合について示す。なお、本実施形態においては、モータ3の種類は特に限定されず、例えば誘導モータであっても同期モータであってもよい。また、交流電源2及びモータ3の相数は本実施形態を特に限定するものではなく、例えば三相であっても単相であってもよい。モータ3が設けられる機械には、例えば工作機械、ロボット、鍛圧機械、射出成形機、産業機械、各種電化製品、電車、自動車、航空機などが含まれる。また、交流電源2の一例を挙げると、三相交流400V電源、三相交流200V電源、三相交流600V電源、単相交流100V電源などがある。図示の例では、交流電源2及びモータ3をそれぞれ三相としている。
モータ3のモータコイル(巻線)と大地との間には、絶縁抵抗4が存在する。絶縁抵抗4の抵抗値である絶縁抵抗値Rm[Ω]は、劣化がない場合は無限大であり、劣化が進むにつれ、無限大から、数MΩ、数百kΩ、・・・といった具合に徐々に低下する。本開示の一実施形態によるモータ駆動装置1は、モータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]を検出する機能を有する。
図1に示すように、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置1は、第1のスイッチ11と、電源部12と、モータ駆動アンプ部13と、第1の電圧測定部14と、絶縁抵抗値検出部15と、電圧推定部16と、誤差検出部17と、記憶部18と、消去部19と、を備える。
第1のスイッチ11は、交流電源2と電源部12内の整流回路21との間の電路を開閉する。第1のスイッチ11による電路の開閉は、例えば、絶縁抵抗値検出部15内の制御部30によって制御されるが、これに代えて、絶縁抵抗値検出部15の外部に設けられた演算処理装置からなる任意の制御部(図示せず)によって制御されてもよい。第1のスイッチ11は、例えば電磁接触器にて構成される。交流電源2から電源部12内の整流回路21への電路の閉状態は、電磁接触器である第1のスイッチ11の接点が閉成することにより実現され、交流電源2から電源部12内の整流回路21への電路の開状態は、電磁接触器である第1のスイッチ11の接点が開離することにより実現される。なお、第1のスイッチ11については、交流電源2からの電路を開閉することができるものであれば、電磁接触器に代えて、例えばリレーや半導体スイッチング素子などであってもよい。
電源部12とモータ駆動アンプ部13とは、DCリンクを介して接続される。「DCリンク」とは、電源部12の直流出力側とモータ駆動アンプ部13の直流入力側とを電気的に接続する回路部分のことを指し、「DCリンク部」、「直流リンク」、「直流リンク部」または「直流中間回路」などとも称されることもある。
電源部12は、整流回路21及びコンデンサ22を有し、開状態にある第1のスイッチ11を介して交流電源2から供給された交流電圧を整流回路21で直流電圧に整流し、整流された直流電圧をコンデンサ22で平滑化して出力する。
電源部12内の整流回路21は、交流電圧を直流電圧に変換することができるものであればよく、例えば、ダイオード整流回路、120度通電型整流回路、あるいは内部にスイッチング素子を備えるPWMスイッチング制御方式の整流回路などがある。整流回路21は、交流電源2が三相交流電源である場合は三相のブリッジ回路として構成され、交流電源2が単相交流電源である場合は単相ブリッジ回路で構成される。整流回路21がPWMスイッチング制御方式の整流回路である場合は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードのブリッジ回路からなる。この場合、スイッチング素子の例としては、IGBT、サイリスタ、GTO(ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、スイッチング素子の種類自体は本実施形態を限定するものではなく、その他のスイッチング素子であってもよい。
電源部12内のコンデンサ22は、整流回路21が出力する直流電圧を平滑化する機能とともにDCリンクにおいて直流電力を蓄積する機能を有する。コンデンサ22は、平滑コンデンサまたはDCリンクコンデンサなどとも称されることもある。コンデンサ22の例としては、例えば電解コンデンサやフィルムコンデンサなどがある。
また、コンデンサ22の両極端子には第1の電圧測定部14が接続されている。第1の電圧測定部14は、コンデンサ22に印加される電圧である電源部12の(直流)電圧の測定値を取得する測定回路である。
モータ駆動アンプ部13は、スイッチング素子及びこれに逆並列に接続されたダイオードからなる組が上アーム及び下アームに設けられたブリッジ回路にて構成されるインバータを有する。図示の例では、モータ3を三相交流モータとしたので、モータ駆動アンプ部13内のインバータは三相ブリッジ回路で構成される。U相の上アームのスイッチング素子をSu1、U相の下アームのスイッチング素子をSu2、V相の上アームのスイッチング素子をSv1、V相の下アームのスイッチング素子をSv2、W相の上アームのスイッチング素子をSw1、W相の下アームのスイッチング素子をSw2とする。
また、モータ駆動アンプ部13は、DCリンク側に直流入力部41を有し、交流モータ側に交流出力部42を有する。直流入力部41の正側直流端子41Pには、DCリンクの正側電力線が接続され、直流入力部41の負側直流端子41Nには、DCリンクの負側電力線が接続される。交流出力部42のU相交流端子42Uには、U相モータ動力線が接続され、交流出力部42のV相交流端子42Vには、V相モータ動力線が接続され、交流出力部42のW相交流端子42Wには、W相モータ動力線が接続される。U相モータ動力線、V相モータ動力線、及びW相モータ動力線は、モータ3のU相モータコイル、V相モータコイル、及びW相モータコイルにそれぞれ接続される。
モータ駆動アンプ部13は、上位制御装置(図示せず)からのPWMスイッチング指令により上アーム及び下アームのスイッチング素子のオンオフ動作が制御されることで、電力変換動作を行う。すなわち、モータ駆動アンプ部13は、上アーム及び下アームのスイッチング素子がオンオフ動作されることで、直流入力部41を介して入力されたDCリンクにおける直流電圧をモータ駆動用の交流電圧に変換し、交流出力部42を介してモータ3へ供給する。また、本開示の一実施形態では、モータ駆動アンプ部13内の上アーム及び下アームのスイッチング素子のオンオフ動作は、絶縁抵抗値検出部15の制御部30によっても制御されるが、その詳細については後述する。
絶縁抵抗値検出部15は、モータ3のモータコイル(巻線)と大地との間の絶縁抵抗4の抵抗値である絶縁抵抗値Rm[Ω]を検出する。絶縁抵抗値検出部15は、制御部30と、第2のスイッチ31と、測定用抵抗32と、第2の電圧測定部33と、計算部34と、補正値生成部35と、補正部36と、を有する。絶縁抵抗値検出部15によるモータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]の検出は、第1のスイッチ11を開状態としかつ第2のスイッチ31を閉状態とし、モータ駆動アンプ部13内のスイッチング素子を全てオフにすることで得られる第1の閉回路に関して得られる各種データを用いて行われる。第1の閉回路は、第2のスイッチ31と、コンデンサ22と、測定用抵抗32と、モータ3のモータコイルと、大地とを含む絶縁抵抗値検出用閉回路である。
絶縁抵抗値検出部15内の第2のスイッチ31は、一方の端子に分圧抵抗38が接続されており、他方の端子に分圧抵抗39が接続されている。分圧抵抗38は、一方の端子が電源部12内の整流回路21とコンデンサ22とを結ぶ正側電力線に接続されている。分圧抵抗39は、一方の端子が大地に接続されている。第2のスイッチ31は、その開閉により接地が制御されるものであり、すなわち、閉状態のときにコンデンサ22の正側端子を大地に接続し、開状態のときに前記コンデンサの一端を大地に接続しない。第2のスイッチ31の開閉は、制御部30によって制御される。第2のスイッチ31は、例えば、リレー、半導体スイッチング素子、あるいは電磁接触器などにて構成される。
測定用抵抗32は、コンデンサ22の負側端子とモータ3のモータコイルとの間に設けられる。より詳しくは、測定用抵抗32の一方の端子は、モータ駆動アンプ部13の直流入力部41内の負側直流端子41Nを介してコンデンサ22の負側端子に接続される。測定用抵抗32の他方の端子は、分圧抵抗37を介して、モータ3のU相モータ動力線、V相モータ動力線またはW相モータ動力線うちのいずれか1つのモータ動力線に接続される。図示の例では、一例として、測定用抵抗32の他方の端子は、モータ駆動アンプ部13の交流出力部42内のU相交流端子42Uとモータ3のU相モータコイルとを結ぶU相モータ動力線に接続されている。第2の電圧測定部33は、測定用抵抗32の端子間電圧の測定値を取得する測定回路である。例えば、測定用抵抗32と第2の電圧測定部33とを絶縁アンプによって構成すればよい。分圧抵抗37は、当該絶縁アンプへの入力電圧を適切な範囲内に収めるよう調整するために設けられるものである。
補正値生成部35は、後述する誤差検出部17により検出された第2の電圧測定部33についての測定誤差に基づいて、補正値を生成する。補正部36は、第1の閉回路を構成したときに第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値を、補正値生成部35により生成された補正値を用いて補正することで、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値を生成する。第2の電圧測定部33の測定誤差に基づき補正部36により生成された測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値は、計算部34によるモータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]の計算に用いられる。
計算部34は、第2のスイッチ31、コンデンサ22、測定用抵抗32、モータ3のモータコイル、及び大地を含む第1の閉回路を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値を少なくとも用いて、モータ3の絶縁抵抗値を計算する。すなわち、計算部34は、第1の閉回路を構成したときにおいて、第1の電圧測定部14により取得された電源部12の電圧の測定値と補正部36により生成された測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値と測定用抵抗32の抵抗値とに基づいて、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。計算部34による絶縁抵抗値の計算処理の詳細については後述する。
第2の電圧測定部33の測定誤差の検出は、電源部12とは異なる直流電源からの直流電圧を直流入力部41内の一端子(図示の例では負側直流端子41N)と交流出力部42内の一端子(図示の例ではU相交流端子42U)との間に印加した状態で第1のスイッチ11及び第2のスイッチ31を開状態としかつモータ駆動アンプ部13の上アームまたは下アームの全てのスイッチング素子をオフ状態にすることで得られる第2の閉回路に関して得られる各種データを用いて行われる。第2の閉回路は、直流電源と測定用抵抗32とを含む誤差検出用閉回路である。
電圧推定部16は、電源部12とは異なる直流電源からの直流電圧を直流入力部41内の一端子(図示の例では負側直流端子41N)と交流出力部42内の一端子(図示の例ではU相交流端子42U)との間に印加した状態で第1のスイッチ11及び第2のスイッチ31を開状態としかつモータ駆動アンプ部13の上アームまたは下アームの全てのスイッチング素子をオフ状態にすることで得られる、直流電源及び測定用抵抗32を含む第2の閉回路についての回路方程式に従い、第1の電圧測定部14により取得された電源部12の電圧の測定値と測定用抵抗32の抵抗値とに基づいて、測定用抵抗32の端子間電圧の推定値を計算する。
誤差検出部17は、第2の閉回路を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値と、電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の推定値と、の誤差を検出する。誤差検出部17により検出された第2の電圧測定部33についての測定誤差は、補正値生成部35による補正値生成処理に用いられる。なお、誤差検出部17による誤差検出処理に用いられる「第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値」は、補正部36により補正されたものではない点に留意すべきである。
記憶部18は、誤差検出部17により検出された第2の電圧測定部33についての測定誤差を記憶する。記憶部18は、例えばEEPROM(登録商標)などのような電気的に消去・記録可能な不揮発性メモリ、または、例えばDRAM、SRAMなどのような高速で読み書きのできるランダムアクセスメモリなどで構成されてもよい。記憶部18に記憶されている測定誤差は、補正値生成部35による補正値の生成に用いられる。また、記憶部18に記憶されている測定誤差は、所定の場合に消去部19によって消去されてもよい。
モータ駆動装置1内には、演算処理装置(プロセッサ)が設けられる。演算処理装置としては、例えばIC、LSI、CPU、MPU、DSPなどがある。この演算処理装置は、第1の電圧測定部14と、制御部30と、第2の電圧測定部33と、計算部34と、補正値生成部35と、補正部36と、電圧推定部16と、誤差検出部17と、消去部19とを有する。演算処理装置が有するこれらの各部は、例えば、プロセッサ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば、第1の電圧測定部14、制御部30、第2の電圧測定部33、計算部34、補正値生成部35、補正部36、電圧推定部16、誤差検出部17、及び消去部19をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、各部の機能を実現することができる。第1の電圧測定部14、制御部30、第2の電圧測定部33、計算部34、補正値生成部35、補正部36、電圧推定部16、誤差検出部17、及び消去部19の各処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、第1の電圧測定部14、制御部30、第2の電圧測定部33、計算部34、補正値生成部35、補正部36、電圧推定部16、誤差検出部17、及び消去部19を、各部の機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。
絶縁抵抗値検出部15により検出されたモータ3の絶縁抵抗値は、表示部(図示せず)に送られ、表示部は、「モータ3の絶縁抵抗値」を作業者に通知する表示を行う。表示部の例としては、単体のディスプレイ装置、モータ駆動装置1に付属のディスプレイ装置、上位制御装置(図示せず)に付属のディスプレイ装置、並びに、パソコン及び携帯端末に付属のディスプレイ装置などがある。また例えば、絶縁抵抗値検出部15により検出されたモータ3の絶縁抵抗値は、アラーム出力部(図示せず)に送られ、アラーム出力部は、モータ3の絶縁抵抗値が所定の値を下回った場合は、アラームを出力するようにしてもよい。アラーム出力部から出力されたアラームは、例えばLEDやランプなどの発光機器(図示せず)に送られ、発光機器はアラーム受信時に発光することで、作業者に「モータ3の絶縁抵抗4の劣化」を通知する。また例えば、アラーム出力部から出力されたアラームは、例えば音響機器(図示せず)に送られ、音響機器はアラーム受信時に例えば音声、スピーカ、ブザー、チャイムなどのような音を発することで、作業者に「モータ3の絶縁抵抗4の劣化」を通知する。これにより、作業者は、モータ3の絶縁抵抗値やモータ3の絶縁抵抗4の劣化を確実かつ容易に把握することができ、モータ3を交換したり、モータ3を分解清掃するといった対応も容易にとることができる。
続いて、第2の電圧測定部33についての測定誤差の検出について、より詳細に説明する。
図2は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第2の電圧測定部についての測定誤差を検出する際に接続される直流電源を説明する図である。第2の電圧測定部33についての測定誤差を検出するために、図2に示すように、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内の一端子との間に、電源部12とは異なる直流電圧を印加するための直流電源200が接続される。図1及び2に示す例では、測定用抵抗32の他方の端子は、分圧抵抗37及びモータ駆動アンプ部13の交流出力部42内のU相交流端子42Uを介してU相モータ動力線に接続されるので、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に、直流電源200が接続される。なお、測定用抵抗32の他方の端子が、分圧抵抗37及びモータ駆動アンプ部13の交流出力部42内のV相交流端子42Vを介してV相モータ動力線に接続される場合は、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のV相交流端子42Vとの間に、直流電源200が接続される。測定用抵抗32の他方の端子が、分圧抵抗37及びモータ駆動アンプ部13の交流出力部42内のW相交流端子42Wを介してW相モータ動力線に接続される場合は、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のW相交流端子42Wとの間に、直流電源200が接続される。
直流電源200は、モータ駆動アンプ部13の直流入力部41内の一端子及び交流出力部42内の一端子と電気的に着脱可能に接続されるが、具体例を例示すると次の通りである。例えば、作業員が、直流電源200としての可搬式バッテリを手動でモータ駆動アンプ部13の直流入力部41内の一端子と交流出力部42内の一端子との間に接続してもよい。また例えば、直流電源200を有する出荷試験装置を予め用意しておき、モータ駆動装置1の出荷試験時に、モータ駆動アンプ部13の直流入力部41内の一端子と交流出力部42内の一端子とに出荷試験装置を接続させてもよい。また例えば、モータ駆動アンプ部13本体内またはモータ駆動アンプ部13に隣接するモジュール内に直流電源200を実装しておき、切替えスイッチの操作によりモータ駆動アンプ部13の直流入力部41内の一端子と交流出力部42内の一端子とを直流電源200との電気的接続の有無を切換できるように構成してもよい。
図3は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第2の電圧測定部についての測定誤差を検出する際に構成される第2の閉回路を説明する図である。図3において、制御部30、計算部34、補正値生成部35、補正部36、電圧推定部16、誤差検出部17、及び消去部19については図示を省略している。
第2の電圧測定部33についての測定誤差を検出するにあたっては、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に直流電源200を接続する。また、第1のスイッチ11及び第2のスイッチ31を開状態としかつモータ駆動アンプ部13の上アームまたは下アームの全てのスイッチング素子をオフ状態にする。これにより、図中太線の矢印で示される測定誤差検出用の第2の閉回路102が構成される。
第2の閉回路102が構成された状態において直流電源200の直流電圧の値を用いることで、測定用抵抗32の端子間電圧を推定することができる。測定用抵抗32の抵抗値をRb[Ω]、分圧抵抗37の抵抗値をRa[Ω]、直流電源200の直流電圧の値をVe[V]としたとき、第2の閉回路102が構成された状態における測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]は式1に基づいて求めることができる。
Figure 0007674479000001
電圧推定部16は、式1に基づいて、直流電源200の直流電圧の値Ve[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]とを用いて、第2の閉回路102を構成したときにおける測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]を計算する。測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]及び分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]は既知であり、例えばこれら部品の製造メーカの公称値を用いればよい。電圧推定部16を構成する演算処理装置内に測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]及び分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]を事前に入力しておき、電圧推定部16による測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]の計算に用いればよい。
一方、同じく第2の閉回路102を構成したときにおいては、第2の電圧測定部33により、測定用抵抗32の端子間電圧の測定値(実測値)Vin2[V]を取得することもできる。
第2の閉回路102を構成したときにおいて、測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]と測定用抵抗32の端子間電圧の測定値(実測値)Vin2[V]とは、理想的には等しい。しかし、実際には、絶縁アンプを構成する第2の電圧測定部33、測定用抵抗32及び分圧抵抗37の部品誤差や経年劣化などに起因する測定誤差が、両者の間に存在する。測定誤差には、オフセット誤差とゲイン誤差とがある。ここで、測定誤差検出処理の形態について、いくつか列記する。
まず、第1の形態による測定誤差検出処理について説明する。
第1の形態による測定誤差検出処理は、オフセット誤差のみを検出するものである。直流電源200の直流電圧の値Ve[V]を直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に印加した状態で第2の閉回路102を構成した場合において、測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]と測定用抵抗32の端子間電圧の測定値(実測値)Vin2[V]との間のオフセット誤差ΔV[V]は、式2のように表される。
Figure 0007674479000002
第1の形態による測定誤差検出処理では、誤差検出部17は、式2に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin2[V]と電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]とを用いて、測定誤差であるオフセット誤差ΔV[V]を検出する。誤差検出部17により検出された第2の電圧測定部33についての測定誤差であるオフセット誤差ΔV[V]は記憶部18に記憶される。
図4は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第1の形態による測定誤差検出処理の動作フローを示すフローチャートである。
第1の形態による測定誤差検出処理では、まずステップS101において、制御部30は、第1のスイッチ11を開状態かつ第2のスイッチ31を開状態に制御する。また、制御部30は、モータ駆動アンプ部13内のスイッチング素子を全てオフ状態に制御する。
ステップS102において、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に直流電源200を接続して直流電圧Ve[V]を印加する。これにより、直流電源200と測定用抵抗32とを含む誤差検出用の第2の閉回路102が構成される。
ステップS103において、電圧推定部16は、式1に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて直流電源200の直流電圧の値Ve[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]とを用いて、測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]を計算する。
ステップS104において、第2の電圧測定部33は、第2の閉回路102を構成したときにおいて測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin2[V]を取得する。なお、ステップS103とS104とは順序を入れ替えて実行してもよい。
ステップS105において、誤差検出部17は、式2に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin2[V]と、電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]とを用いて、オフセット誤差ΔV[V]を検出する。
ステップS106において、記憶部18は、誤差検出部17により検出されたオフセット誤差ΔV[V]を記憶する。その後、後述する絶縁抵抗検出処理S300を開始する。
続いて、第2の形態による測定誤差検出処理について説明する。
第2の形態による測定誤差検出処理は、オフセット誤差及びゲイン誤差の両方を検出するものである。第2の電圧測定部33についてのゲイン誤差をaとしオフセット誤差をb[V]としたとき、第2の閉回路102を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin2[V]と、電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]との間、式3の関係が成り立つ。
Figure 0007674479000003
第2の閉回路102を構成した場合において、直流電源200の直流電圧の値Ve[V]が異なると、電圧推定部16により推定される測定用抵抗32の推定値の値Vin1[V]も異なったものとなり、第2の電圧測定部33により取得される測定用抵抗32の測定値Vin2[V]も異なったものとなる。よって、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に直流電源200の直流電圧の値Veとして2種類の電圧を印加すれば、式3に基づく2種類の関係式が得られる。
直流電源200の第1の直流電圧の値をVe1[V]としたときの第2の閉回路102が構成された状態において推定される測定用抵抗32の端子間電圧の第1の推定値Vin11[V]とし、第2の閉回路102が構成された状態における測定用抵抗32の端子間電圧の第1の測定値をVin21[V]とする。このとき、式4及び式5が成り立つ。
Figure 0007674479000004
Figure 0007674479000005
直流電源200の第2の直流電圧の値をVe2[V]としたときの第2の閉回路102が構成された状態において推定される測定用抵抗32の端子間電圧の第2の推定値Vin12[V]とし、第2の閉回路102が構成された状態における測定用抵抗32の端子間電圧の第2の測定値をVin22[V]とする。ただし、直流電源200の第2の直流電圧の値Ve2[V]は第1の直流電圧の値Ve1[V]とは異なる値である。このとき、式6及び式7が成り立つ。
Figure 0007674479000006
Figure 0007674479000007
第2の形態による測定誤差検出処理では、電圧推定部16は、式4に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて、直流電源200からの第1の直流電圧の値Ve1[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]とを用いて、測定用抵抗の端子間電圧の第1の推定値Vin11[V]を計算する。電圧推定部16は、式6に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて、直流電源200からの第2の直流電圧の値Ve2[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]とを用いて、測定用抵抗の端子間電圧の第2の推定値Vin12[V]を計算する。
また、第2の形態による測定誤差検出処理では、第2の電圧測定部33は、第2の閉回路102を構成したときにおいて、直流電源200からの第1の直流電圧Ve1[V]が印加されたときの測定用抵抗32の端子間電圧の第1の測定値Vin21[V]を取得し、直流電源200からの第2の直流電圧Ve2[V]が印加されたときの測定用抵抗32の端子間電圧の第2の測定値Vin22[V]を取得する。
式5及び式7の2元1次方程式を解くと、式8に示すゲイン誤差a及び式9に示すオフセット誤差b[V]を得ることができる。
Figure 0007674479000008
Figure 0007674479000009
第2の形態による測定誤差検出処理では、誤差検出部17は、第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の第1の測定値Vin21[V]及び測定用抵抗32の端子間電圧の第2の測定値Vin22[V]と電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の第1の推定値Vin11[V]及び測定用抵抗32の端子間電圧の第2の推定値Vin12[V]とを用いて、式8に基づいて測定誤差であるゲイン誤差aを検出し、式9に基づいて測定誤差であるオフセット誤差b[V]を検出する。誤差検出部17により検出された第2の電圧測定部33についての測定誤差であるゲイン誤差a及びオフセット誤差b[V]は記憶部18に記憶される。
図5は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において第2の形態による測定誤差検出処理の動作フローを示すフローチャートである。
第2の形態による測定誤差検出処理では、まずステップS201において、制御部30は、第1のスイッチ11を開状態かつ第2のスイッチ31を開状態に制御する。また、制御部30は、モータ駆動アンプ部13内のスイッチング素子を全てオフ状態に制御する。
ステップS202において、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に直流電源200を接続して第1の直流電圧Ve1[V]を印加する。これにより、第1の直流電圧Ve1[V]を出力する直流電源200と測定用抵抗32とを含む誤差検出用の第2の閉回路102が構成される。
ステップS203において、電圧推定部16は、式4に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて直流電源200の第1の直流電圧の値Ve1[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]とを用いて、測定用抵抗32の端子間電圧の第1の推定値Vin11[V]を計算する。
ステップS204において、第2の電圧測定部33は、直流電源200が第1の直流電圧の値Ve1[V]を出力する第2の閉回路102を構成したときにおいて測定用抵抗32の端子間電圧の第1の測定値Vin21[V]を取得する。なお、ステップS203とS204とは順序を入れ替えて実行してもよい。
ステップS205において、直流入力部41内の負側直流端子41Nと交流出力部42内のU相交流端子42Uとの間に直流電源200を接続して第2の直流電圧Ve2[V]を印加する。これにより、第2の直流電圧Ve2[V]を出力する直流電源200と測定用抵抗32とを含む誤差検出用の第2の閉回路102が構成される。
ステップS206において、電圧推定部16は、式6に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて直流電源200の第2の直流電圧の値Ve2[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]とを用いて、測定用抵抗32の端子間電圧の第2の推定値Vin12[V]を計算する。
ステップS207において、第2の電圧測定部33は、直流電源200が第2の直流電圧の値Ve2[V]を出力する第2の閉回路102を構成したときにおいて測定用抵抗32の端子間電圧の第2の測定値Vin22[V]を取得する。なお、ステップS206とS207とは順序を入れ替えて実行してもよい。
ステップS208において、誤差検出部17は、第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の第1の測定値Vin21[V]及び測定用抵抗32の端子間電圧の第2の測定値Vin22[V]と電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の第1の推定値Vin11[V]及び測定用抵抗32の端子間電圧の第2の推定値Vin12[V]とを用いて、式8に基づいて測定誤差であるゲイン誤差aを検出し、式9に基づいて測定誤差であるオフセット誤差b[V]を検出する。
ステップS209において、記憶部18は、誤差検出部17により検出された第2の電圧測定部33についての測定誤差であるゲイン誤差a及びオフセット誤差b[V]を記憶する。その後、後述する絶縁抵抗検出処理S300を開始する。
続いて、絶縁抵抗値検出部15によるモータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]の検出について、より詳細に説明する。
図6は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置において絶縁抵抗値検出部による絶縁抵抗値検出処理を実行する際に構成される第1の閉回路を説明する図である。図6において、制御部30、計算部34、補正値生成部35、補正部36、電圧推定部16、誤差検出部17、及び消去部19については図示を省略している。
絶縁抵抗値検出部15による絶縁抵抗値検出処理を実行するにあたっては、まず、第1のスイッチ11を閉状態としかつ第2のスイッチ31を開状態としさらにモータ駆動アンプ部13内のスイッチング素子を全てオフ状態にして、交流電源2から整流回路21を介して流入する電力にてコンデンサ22を充電する。コンデンサ22の充電が完了したら、第1のスイッチ11を開状態とし第2のスイッチ31を閉状態とし、かつモータ駆動アンプ部13の上アーム及び下アームのスイッチング素子を全てオフ状態にすることで、図中太線の矢印で示される絶縁抵抗値検出用の第1の閉回路101を構成する。なお、モータ駆動装置1により既にモータ3を駆動していてその後にモータ3の駆動を停止させていた状態においては、コンデンサ22は既に十分に充電されているので、この場合は、「交流電源2から整流回路21を介して流入する電力にてコンデンサ22を充電する処理」は省略したうえで、第1のスイッチ11を開状態とし第2のスイッチ31を閉状態としかつモータ駆動アンプ部13の上アーム及び下アームのスイッチング素子を全てオフ状態にすることで第1の閉回路101を構成してもよい。図8は、第1の閉回路に関連する部分を示した回路図である。図8において、閉状態にある第2のスイッチ31については図示を省略している。図6及び図8に示すように、第1の閉回路101は、コンデンサ22と分圧抵抗38と閉状態の第2のスイッチ31と分圧抵抗39とモータ3のモータコイルの絶縁抵抗4と分圧抵抗37と測定用抵抗32とを含む。
第1の閉回路101が構成された状態において、第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値(実測値)Vin3[V]と測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]とから、式10に従って第1の閉回路101を流れる漏洩電流I1[A]を計算することができる。
Figure 0007674479000010
第1の閉回路101が構成された状態において、第1の電圧測定部14により取得された電源部12の電圧(コンデンサ22の電圧)の測定値Vdc[V]、第1の閉回路101を流れる漏洩電流I1[A]と、測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と、分圧抵抗37の抵抗値Ra[Ω]と、分圧抵抗38の抵抗値Rc[Ω]と、分圧抵抗39の抵抗値Rd[Ω]と、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]とから、式11で表されるような回路方程式が成り立つ。
Figure 0007674479000011
式11を式10に代入して変形すると式12が得られる。
Figure 0007674479000012
式12に従い、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算することができる。ただし、第2の電圧測定部33の出力には、絶縁アンプを構成する第2の電圧測定部33、測定用抵抗32及び分圧抵抗37の部品誤差や経年劣化などに起因する測定誤差が含まれる。そこで、計算部34は、第1の閉回路101を構成したときにおいて第1の電圧測定部14により取得された電源部12の電圧の測定値Vdc[V]及び第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]と、第2の電圧測定部33についての測定誤差と、測定用抵抗32の抵抗値Rb[Ω]と、に基づいて、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。当該計算に際し、第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]については、第2の電圧測定部33についての測定誤差を用いて補正しておく。以下、オフセット誤差ΔV[V]のみを検出する第1の測定誤差検出処理に対応する第1の形態による絶縁抵抗値検出処理、及び、ゲイン誤差aとオフセット誤差b[V]とを検出する第2の測定誤差検出処理に対応する第2の形態による絶縁抵抗値検出処理について列記する。
まず、第1の形態による絶縁抵抗値検出処理について説明する。
図3及び図4を参照して説明したように、第1の形態による測定誤差検出処理では、誤差検出部17は、式2に基づいて、第2の閉回路102を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin2[V]と電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の推定値Vin1[V]とを用いて、測定誤差であるオフセット誤差ΔV[V]を検出する。第1の形態による測定誤差検出処理により検出された測定誤差としてオフセット誤差ΔV[V]のみを考慮する場合、誤差ΔV[V]の極性を反転させた値「-ΔV[V]」を、第1の閉回路101を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得される測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を補正するための補正値Vamend1[V]として用いる。補正値Vamend1[V]は、オフセット誤差ΔV[V]を用いて、式13のように表される。
Figure 0007674479000013
補正値生成部35は、式13に基づいて、第1の形態による測定誤差検出処理により検出されたオフセット誤差ΔV[V]を用いて、補正値Vamend[V]を生成する。
第1の閉回路101を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得される測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]に、オフセット誤差ΔV[V]を打ち消すための補正値Vamend1[V]を加算(プラス)することで、式14に示すように測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin41[V]が得られる。
Figure 0007674479000014
補正部36は、式14に基づいて、第1の閉回路101を構成したときに第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を、補正値生成部35により生成された補正値Vamend1[V]を用いて補正することで、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin41[V]を生成する。
第1の形態による絶縁抵抗値検出処理では、計算部34は、式12の測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin41[V]に置き換えることで得られる式15に基づいて、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。
Figure 0007674479000015
ここで、絶縁アンプを構成する第2の電圧測定部33、測定用抵抗32及び分圧抵抗37の部品誤差や経年劣化などに起因するオフセット誤差ΔV[V]が、モータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]の検出精度に与える影響について、数値例を挙げて説明する。
例えば、分圧抵抗38の抵抗値Rcを1000kΩとし、分圧抵抗39の抵抗値Rdを5kΩとし、測定用抵抗32の抵抗値Rbを5kΩとし、分圧抵抗37の抵抗値Raを1000kΩとし、電源部12の電圧(コンデンサ22の電圧)Vdcを300Vとした数値例を考える。
モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rmが1MΩであった場合、第1の閉回路101に基づき式12を用いて測定用抵抗32の端子間電圧を計算すると498mVである。第2の電圧測定部33が取得した測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3である498mVにオフセット誤差ΔVとして10mVが含まれていたとすると、正しい測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3は488mVであるはずなので、Vin3=488mVを式12に代入してモータ3の絶縁抵抗値Rmを計算し直すと1.06MΩとなり、モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rm=1MΩからずれたものとなる。
モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rmが10MΩであった場合、第1の閉回路101に基づき式12を用いて測定用抵抗32の端子間電圧を計算すると125mVである。第2の電圧測定部33が取得した測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3である125mVにオフセット誤差ΔVとして10mVが含まれていたとすると、正しい測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3は115mVであるはずなので、Vin12=115mVを式12に代入してモータ3の絶縁抵抗値Rmを計算し直すと11.03MΩとなり、モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rm=10MΩからずれたものとなる。
モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rmが50MΩであった場合、第1の閉回路101に基づき式12を用いて測定用抵抗32の端子間電圧を計算すると29mVである。第2の電圧測定部33が取得した測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3である29mVにオフセット誤差ΔVとして10mVが含まれていたとすると、正しい測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3は19mVであるはずなので、Vin3=19mVを式12に代入してモータ3の絶縁抵抗値Rmを計算し直すと76.94MΩとなり、モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rm=50MΩからずれたものとなる。
上述の数値例が示す通り、モータ3の絶縁抵抗値の実際の値Rm[Ω]が大きいほど、第1の閉回路101を構成したときに第2の電圧測定部33が取得した測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3にオフセット誤差ΔVが含まれたままの状態で計算されたモータ3の絶縁抵抗値は、より大きな誤差を含んだものとなる。第1の形態による絶縁抵抗値検出処理によれば、オフセット誤差ΔV[V]の極性を反転させた値「-ΔV[V]」を補正値Vamend1[V]として第2の電圧測定部33により取得される測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を補正し、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin41[V]を用いて絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算するので、モータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]を正確に検出することができる。
続いて、第2の形態による絶縁抵抗値検出処理について説明する。
図3及び図5を参照して説明したように、第2の形態による測定誤差検出処理では、誤差検出部17は、第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の第1の測定値Vin21[V]及び測定用抵抗32の端子間電圧の第2の測定値Vin22[V]と電圧推定部16により計算された測定用抵抗32の端子間電圧の第1の推定値Vin11[V]及び測定用抵抗32の端子間電圧の第2の推定値Vin12[V]とを用いて、式8に基づいて測定誤差であるゲイン誤差aを検出し、式9に基づいて測定誤差であるオフセット誤差b[V]を検出する。第2の形態による測定誤差検出処理により検出された測定誤差としてゲイン誤差a及びオフセット誤差b[V]を考慮する場合、式16に示すような補正式を用いて、第1の閉回路101を構成したときにおいて第2の電圧測定部33により取得される測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を補正して、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin42[V]を生成する。
Figure 0007674479000016
補正値生成部35は、式16に基づいて、第2の形態による測定誤差検出処理により検出されたゲイン誤差a及びオフセット誤差b[V]を用いて、補正値(すなわち式16で示される補正式)を生成する。
補正部36は、第1の閉回路101を構成したときに第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を、補正値生成部35により生成された式16で示される補正式を用いて補正することで、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin42[V]を生成する。
第2の形態による絶縁抵抗値検出処理では、計算部34は、式12の測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin42[V]に置き換えることで得られる式17に基づいて、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。
Figure 0007674479000017
ここで、補正値生成部35により式16に基づいて算出されるゲイン誤差a及びオフセット誤差b[V]の数値例を例示する。
例えば、分圧抵抗38の抵抗値Rcを1000kΩとし、分圧抵抗39の抵抗値Rdを5kΩとし、測定用抵抗32の抵抗値Rbを5kΩとし、分圧抵抗37の抵抗値Raを1000kΩとし、直流電源200が第1の直流電圧100Vを出力するときの測定用抵抗32の第1の測定値V22を511mVとし、直流電源200の第2の直流電圧90Vを出力するときの測定用抵抗32の第2の測定値V22を460mVとしたときの数値例を考える。
直流電源200が第1の直流電圧の値100Vを出力するとき、式6より、測定用抵抗32の第1の推定値V12は498mVとなる。直流電源200が第2の直流電圧の値90Vを出力するとき、式6より、測定用抵抗32の第2の推定値V12は448mVとなる。これらの数値を式8及び式9に代入すると、ゲイン誤差aは1.02となり、オフセット誤差bは3mVとなる。
なお、第2の電圧測定部33についての測定誤差はゲイン誤差よりもオフセット誤差の方が支配的であるので、オフセット誤差のみを考慮する第1の形態による絶縁抵抗値検出処理でも高精度にモータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]を検出することができるが、ゲイン誤差及びオフセット誤差の両方を考慮する第2の形態による絶縁抵抗値検出処理によれば、より一層高精度にモータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]を検出することができる。
図7は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置における絶縁抵抗値検出部による絶縁抵抗値検出処理の動作フローを示すフローチャートである。図7に示したフローチャートは、第1の絶縁抵抗値検出処理及び第2の絶縁抵抗値検出処理の両方に適用可能である。ステップS300において絶縁抵抗値検出処理を開始するまでに、図4に示した第1の形態による測定誤差検出処理または図5に示した第2の形態による測定誤差検出処理を完了させることで測定誤差を記憶部18に記憶させておく。
ステップS301において、補正値生成部35は、記憶されていた測定誤差を記憶部18から読み出す。
ステップS302において、補正値生成部35は、測定誤差に基づいて、補正値を生成する。
ステップS303において、制御部30は、第1のスイッチ11を閉状態かつ第2のスイッチ31を開状態に制御する。また、制御部30は、モータ駆動アンプ部13内のスイッチング素子を全てオフ状態に制御する。これにより、ステップS304において、交流電源2から整流回路21を介して流入する電力にてコンデンサ22が充電される。コンデンサ22の充電状態は、制御部30によって第1の電圧測定部14を介して監視される。なお、モータ駆動装置1により既にモータ3を駆動していてその後にモータ3の駆動を停止させていた状態においては、コンデンサ22は十分に充電されているので、この場合はステップS304を省略してもよい。
コンデンサ22の充電が完了したら、ステップS305において、制御部30は、第1のスイッチ11を開状態に制御し第2のスイッチ31を閉状態に制御する。また、モータ駆動アンプ部13の上アーム及び下アームのスイッチング素子を全てオフ状態にする。この結果、絶縁抵抗値検出用の第1の閉回路101が構成される。
ステップS306において、第1の電圧測定部14は、電源部12の電圧(コンデンサ22の電圧)の測定値を取得する。
ステップS307において、第2の電圧測定部33は、第1の閉回路101を構成したときにおける測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を取得する。
ステップS308において、補正部36は、第1の閉回路101を構成したときに第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を、補正値生成部35により生成された補正値を用いて補正することで、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値を生成する。図4に示した第1の形態による測定誤差検出処理によりオフセット誤差ΔV[V]のみを検出した場合は、補正部36は、式14に基づいて、第1の閉回路101を構成したときに第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を、補正値生成部35により生成された補正値Vamend1[V]を用いて補正することで、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin41[V]を生成する。図5に示した第2の形態による測定誤差検出処理によりゲイン誤差a及びオフセット誤差b[V]の両方を検出した場合は、補正部36は、第1の閉回路101を構成したときに第2の電圧測定部33により取得された測定用抵抗32の端子間電圧の測定値Vin3[V]を、補正値生成部35により生成された式16で示される補正式を用いて補正することで、測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値Vin42[V]を生成する。
ステップS309において、計算部34は、第1の閉回路101を構成したときにおいて、第1の電圧測定部14により取得された電源部12の電圧の測定値と補正部36により生成された測定用抵抗32の端子間電圧の補正後の測定値と測定用抵抗32の抵抗値とに基づいて、モータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。より詳しくは、第1の形態による絶縁抵抗値検出処理では、計算部34は、式15に基づいてモータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。計算部34は、式17に基づいてモータ3の絶縁抵抗4についての絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算する。
続いて、モータ駆動アンプ部13の一具体例について説明する。モータ駆動アンプ部13の例としては、例えばサーボアンプがある。
図9は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプを例示する斜視図である。図10は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプを例示する正面図である。図11は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプを例示する分解斜視図である。図12は、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置内のモータ駆動アンプ部であるサーボアンプ内の第1の基板及び第2の基板を例示する模式図である。
モータ駆動アンプ部13であるサーボアンプの筐体には、直流入力部41及び交流出力部42が設けられている。直流入力部41は、正側直流端子41P及び負側直流端子41Nを有する。交流出力部42は、U相交流端子42U、V相交流端子42V、及びW相交流端子42Wを有する。このように、サーボアンプの筐体には、直流入力部41及び交流出力部42が設けられているので、外部から直流電源200を接続することが容易である。例えば、モータ駆動装置1の出荷試験時やメンテナンス時などにおいて、直流電源200を接続して測定誤差検出処理を実行することができる。また、モータ駆動アンプ部13であるサーボアンプ内にはEEPROM(登録商標)が設けられているので、これを記憶部18として利用すればよい。
また、モータ駆動アンプ部13であるサーボアンプ内には、様々な部品、演算処理装置、及び配線が実装される複数の基板が設けられている。従来より、モータ駆動アンプ部13内で何らかの故障が発生した場合、故障した基板のみを交換し、それ以外の基板については再使用している。本開示の一実施形態では、モータ駆動アンプ部13であるサーボアンプ内に設けられる複数の基板のうち、パワーPCBとしての第1の基板51には、インバータの主回路、絶縁抵抗値検出部15と消去部19とが構築される演算処理装置、及び記憶部18が設けられる。また、制御用PCBとしての第2の基板52には、誤差検出部17と電圧推定部16とを構築する演算処理装置が設けられる。第1の基板51上に設けられたコネクタ53Aと、第2の基板52上に設けられたコネクタ53Bとを介して、第1の基板と第2の基板とは電気的かつ機械的に着脱可能に接続される。
例えば故障対応等で第1の基板51以外の部品を交換する場合は、第1の基板に実装された絶縁抵抗値検出部15内の第2の電圧測定部33の誤差要因は変化しないが、測定誤差が記憶される記憶部18は第1の基板51上に実装されているので、記憶部18に記憶された測定誤差については絶縁抵抗値検出処理にそのまま使い続けることができる。よって、第2の電圧測定部33についての測定誤差の再測定は不要であるので作業員の負担が軽減され、高精度の絶縁抵抗値検出処理を短時間かつ容易に実現することができる。
一方、例えば故障対応等で第1の基板51の特に絶縁抵抗値検出部15に係る部品を交換する場合は、記憶部18に記憶された測定誤差は、交換後の絶縁抵抗値検出部15を用いた絶縁抵抗値検出処理には使えない。この場合は、例えば作業員が入力装置などを介して消去部19を作動させ、記憶部18に記憶されている測定誤差を消去する。そして、交換後の絶縁抵抗値検出部15に対して測定誤差検出処理を改めて実行し、当該交換後の絶縁抵抗値検出部15内の第2の電圧測定部33についての測定誤差を検出し、これを記憶部18に記憶させる。これにより、その後の高精度の絶縁抵抗値検出処理を再度実現可能である。
以上説明したように、本開示の一実施形態によるモータ駆動装置1によれば、第2の電圧測定部33、測定用抵抗32及び分圧抵抗37の部品誤差や経年劣化などに起因する測定誤差に基づいてモータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]を計算するので、モータ3の絶縁抵抗値Rm[Ω]を正確に検出することができる。また、直流電源200が出力する直流電圧の大きさは、第2の電圧測定部33についての測定誤差が測定できる程度の大きさであればよく、モータ動力線に大電圧が印加されないので、安全である。
1 モータ駆動装置
2 交流電源
3 モータ
4 絶縁抵抗
11 第1のスイッチ
12 電源部
13 モータ駆動アンプ部
14 第1の電圧測定部
15 絶縁抵抗値検出部
16 電圧推定部
17 誤差検出部
18 記憶部
19 消去部
21 整流回路
22 コンデンサ
30 制御部
31 第2のスイッチ
32 測定用抵抗
33 第2の電圧測定部
34 計算部
35 補正値生成部
36 補正部
37、38、39 分圧抵抗
41 直流入力部
41P 正側直流端子
41N 負側直流端子
42 交流出力部
42U U相交流端子
42V V相交流端子
42W W相交流端子
51 第1の基板
52 第2の基板
53A、53B コネクタ
101 第1の閉回路
102 第2の閉回路
200 直流電源

Claims (8)

  1. 交流電源からの電路を開閉する第1のスイッチと、
    閉状態にある前記第1のスイッチを介して前記交流電源から供給された交流電圧を整流回路で直流電圧に整流し、整流された直流電圧をコンデンサで平滑化して出力する電源部と、
    直流入力部を介して入力された前記電源部からの直流電圧を上アーム及び下アームのスイッチング素子を用いてモータ駆動用の交流電圧に変換して交流出力部を介してモータに供給するモータ駆動アンプ部と、
    前記電源部の電圧の測定値を取得する第1の電圧測定部と、
    閉状態のときに前記コンデンサの一端を大地に接続し開状態のときに前記コンデンサの一端を大地に接続しない第2のスイッチと、前記コンデンサの他端が接続された前記直流入力部内の一端子と前記モータのモータコイルが接続された前記交流出力部内の一端子との間に設けられる測定用抵抗と、前記測定用抵抗の端子間電圧の測定値を取得する第2の電圧測定部と、前記第2の電圧測定部により取得された前記測定用抵抗の端子間電圧の測定値を少なくとも用いて前記モータの絶縁抵抗値を計算する計算部と、を有する絶縁抵抗値検出部と、
    前記電源部とは異なる直流電源からの直流電圧を前記直流入力部内の前記一端子と前記交流出力部内の前記一端子との間に印加した状態で前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチを開状態とし前記モータ駆動アンプ部の前記スイッチング素子をオフ状態とすることで、前記直流電源及び前記測定用抵抗を含む第2の閉回路を構成したときにおいて、前記直流電源からの直流電圧の値と前記測定用抵抗の抵抗値とに基づいて、前記測定用抵抗の端子間電圧の推定値を計算する電圧推定部と、
    前記第2の閉回路を構成したときにおいて前記第2の電圧測定部により取得された前記測定用抵抗の端子間電圧の測定値と前記電圧推定部により計算された前記測定用抵抗の端子間電圧の推定値と、を用いて、前記第2の電圧測定部の測定誤差を検出する誤差検出部と、
    を備え、
    前記計算部は、前記第1のスイッチを開状態としかつ前記第2のスイッチを閉状態とすることで前記第2のスイッチ、前記コンデンサ、前記測定用抵抗、前記モータコイル、及び大地を含む第1の閉回路を構成したときにおいて前記第1の電圧測定部により取得された前記電源部の電圧の測定値及び前記第2の電圧測定部により取得された前記測定用抵抗の端子間電圧の測定値と、前記測定誤差と、前記測定用抵抗の抵抗値と、に基づいて、前記モータの前記絶縁抵抗値を計算する、モータ駆動装置。
  2. 前記絶縁抵抗値検出部は、
    前記測定誤差に基づいて、補正値を生成する補正値生成部と、
    前記第1の閉回路を構成したときにおいて前記第2の電圧測定部により取得された前記測定用抵抗の端子間電圧の測定値を前記補正値に基づいて補正することで、前記測定用抵抗の端子間電圧の補正後の測定値を出力する補正部と、
    を有し、
    前記計算部は、前記第1の閉回路を構成したときにおいて前記第1の電圧測定部により取得された前記電源部の電圧の測定値と、前記補正部から出力された前記測定用抵抗の端子間電圧の補正後の測定値と、前記測定用抵抗の抵抗値と、に基づいて、前記モータの前記絶縁抵抗値を計算する、請求項1に記載のモータ駆動装置。
  3. 前記誤差検出部は、前記第2の閉回路を構成したときにおいて前記第2の電圧測定部により取得された前記測定用抵抗の端子間電圧の測定値と前記電圧推定部により計算された前記測定用抵抗の端子間電圧の推定値とを用いて、前記測定誤差であるオフセット誤差を検出し、
    前記補正値生成部は、前記オフセット誤差に基づいて、前記補正値を生成する、請求項2に記載のモータ駆動装置。
  4. 前記電圧推定部は、前記第2の閉回路を構成したときにおいて、前記直流電源からの第1の直流電圧の値と前記測定用抵抗の抵抗値とに基づいて前記測定用抵抗の端子間電圧の第1の推定値を計算し、前記第1の直流電圧の値とは異なる前記直流電源からの第2の直流電圧の値と前記測定用抵抗の抵抗値とに基づいて前記測定用抵抗の端子間電圧の第2の推定値を計算し、
    前記第2の電圧測定部は、前記第2の閉回路を構成したときにおいて、前記直流電源からの前記第1の直流電圧が印加されたときの前記測定用抵抗の端子間電圧の第1の測定値を取得し、前記直流電源からの前記第2の直流電圧が印加されたときの前記測定用抵抗の端子間電圧の第2の測定値を取得し、
    前記誤差検出部は、前記第2の電圧測定部により取得された前記測定用抵抗の端子間電圧の第1の測定値及び前記測定用抵抗の端子間電圧の第2の測定値と前記電圧推定部により計算された前記測定用抵抗の端子間電圧の第1の推定値及び前記測定用抵抗の端子間電圧の第2の推定値とを用いて、前記測定誤差であるオフセット誤差及びゲイン誤差を検出し、
    前記補正値生成部は、前記オフセット誤差及び前記ゲイン誤差に基づいて、前記補正値を生成する、請求項2に記載のモータ駆動装置。
  5. 前記誤差検出部により検出された前記測定誤差を記憶する記憶部を備え、
    前記補正値生成部は、前記記憶部に記憶されている前記測定誤差に基づいて、前記補正値を生成する、請求項2に記載のモータ駆動装置。
  6. 少なくとも前記絶縁抵抗値検出部と前記記憶部とが設けられる第1の基板と、
    前記第1の基板と電気的かつ機械的に着脱可能に接続され、少なくとも前記誤差検出部が設けられる第2の基板と、
    を備える、請求項5に記載のモータ駆動装置。
  7. 前記記憶部に記憶されている前記測定誤差を消去する消去部を備える、請求項6に記載のモータ駆動装置。
  8. 前記直流電源は、前記直流入力部内の前記一端子及び前記交流出力部内の前記一端子と電気的に着脱可能に接続される、請求項1~7のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
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