電動機制御装置及び電動機制御方法
【課題】複数の電動機を制御する場合における異常の予測または検知を好適に実行すること。
【解決手段】複数の電動機を統括制御する電動機制御方法であって、複数の制御器によって複数の電動機を個別に制御し、複数の制御器夫々による電動機の制御の電気的状態を検知し、複数の電気状態検知部によって夫々検知された電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出し、予め記憶された複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、比較対象値と状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて電動機夫々の劣化を判断し、複数の電動機に共通する条件に基づいて比較対象値の算出または比較対象値と状態特性値に関する値との比較を行うことを特徴とする。
【解決手段】複数の電動機を統括制御する電動機制御方法であって、複数の制御器によって複数の電動機を個別に制御し、複数の制御器夫々による電動機の制御の電気的状態を検知し、複数の電気状態検知部によって夫々検知された電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出し、予め記憶された複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、比較対象値と状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて電動機夫々の劣化を判断し、複数の電動機に共通する条件に基づいて比較対象値の算出または比較対象値と状態特性値に関する値との比較を行うことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機制御装置及び機制御方法に関し、特に、複数の電動機が連結されることにより所定の拘束条件において駆動される電動機の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の複数の誘導電動機を制御する制御装置においては、各々の誘導電動機の速度センサ数値に基づいてトルクが演算された上でトルクのアンバランスが検知され、その検知結果に応じて車輪径のばらつきが許容量を超えているか否かが判定される方法がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された方法では、各誘導電動機のすべりに比例するようにトルクの推定を行っている。更に、特許文献１記載の制御装置は、この推定結果をもとに車両の車輪径を管理することができる構成となっている。
【０００３】
また、電動機制御システムにおいて、操業条件変化に起因するプロセス機器の異常運転を予防するため、操業条件の変化に合わせて電動機の制御パラメータを設定変更可能とする方法が既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２においては、上記制御パラメータとして、電動機制御系の比例ゲイン及び積分時定数の他、電動機の電流制限値及び電気定数等が用いられている。
【０００４】
また、電気車の車輪と軌道面との空転を検知して再粘着させるため、複数の電動機の回転速度から平均速度を演算し、平均速度と各電動機との回転数との比から各電動機軸に結合された車輪の車輪径差補正量を演算し、車輪径差補正量と平均速度から各電動機の制御における再粘着制御の基準となる基準速度を演算し、各電動機毎に平均速度と電動機の回転速度とに基づいて車輪の空転を検知し、電動機のトルクを絞る方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４０４３７号公報
【特許文献２】特開平０４−８５６０４号公報
【特許文献３】特開２００１−１４５２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
複数の電動機を制御する制御装置を搭載し、電動機それぞれが異なる駆動軸を駆動する構成の電機駆動システムにおいては、特定の電動機の機械異常や、モータの電気的な異常が発生したときに、電動機の動作が不安定になり、前述した特定の電動機以外の電動機や制御装置の異常を招く可能性がある。このような現象が発生する原因としては、駆動部やギアなどの伝達部といった機械的異常と、モータの電気的異常の２つが挙げられる。この特定の電動機やその駆動部の異常を検知し、切り分けるための異常検知方法が必要である。
【０００７】
ここで、異常検知においては、測定値に基づいて異常を検知する対象の値を算出し、その算出結果が正常であるか否かを判断することが一般的な処理であるが、夫々の算出結果が正常であるか否かを判断するためには何らかの基準値との比較が必要であり、正確な判断のためには好適な基準値の設定が不可欠である。
【０００８】
複数の電動機が同時に用いられる場合、その複数の電動機の動作には共通する条件（拘束条件）が作用する場合があり、上述したような異常を検知する対象の値を算出し、比較する場合も、そのような拘束条件を加味することが可能である。しかしながら、特許文献１乃至３において開示されている方法においては、いずれも夫々の電動機の状態判断を個別に行っており、拘束条件を加味した異常の判断は行っていない。
【０００９】
本発明は、上述したような課題に対応したものであり、複数の電動機を制御する場合における異常の予測または検知を好適に実行することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、複数の電動機を統括制御する電動機制御装置であって、前記複数の電動機を個別に制御する複数の制御器と、前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知する複数の電気状態検知部と、前記複数の電気状態検知部によって夫々検知された電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出する複数の状態特性値算出部と、前記複数の制御器を統括制御する統括制御部とを含み、前記統括制御部は、予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、算出した前記比較対象値と、前記状態特性値算出部が算出した状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断することを特徴とする。
【００１１】
複数の電動機を統括制御する電動機制御方法であって、複数の制御器によって前記複数の電動機を個別に制御し、前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知し、夫々検知された複数の電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出し、予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、前記比較対象値と前記状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を用いることで、複数の電動機を制御する場合における異常の予測または検知を好適に実行することをが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る連続負荷の態様を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る制御器の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る適用例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る適用例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、複数の電動機を制御する制御装置において、それぞれの電動機の電気定数及び機械定数を推定し、その推定したデータをもとに、特定の電動機の機械的異常と、電気的異常の発生を検知し通知すること、もしくは、電動機異常が発生する前段階の予兆を検知し通知すること、および異常発生時の異常な電動機と正常な電動機の制御切替をその要旨とする。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る電動機制御システムは、３つの電動機１、１１、２１を制御するために３系統の制御系を含み、それぞれの制御系は、配線２、１２、２２、制御器３、１３、２３、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部４、１４、２４、定数演算部５、１５、２５及びトルク演算部６、１６、２６を含む。更に、本実施形態に係る電動機制御システムは、それぞれの制御系を統括する統括コントローラ７及び記録部８を含む。
【００１６】
制御器３、１３、２３は、電動機１、１１、２１に対して配線２、１２、２２を介して電流を流すことにより電動機１、１１、２１をそれぞれ制御する。定数演算部５、１５、２５は、それぞれ電動機１、１１、２１の機械定数を確認するための値や、制御器３、１３、２３の電気定数を確認するための値を算出する。なお前述した電気定数は第1の配線２の寄生抵抗やインダクタンスを含んだ数値となる。
【００１７】
統括コントローラ７は、定数演算部５、１５、２５の演算結果を取得し、予め記録部８に登録されている機械定数や電気定数に基づいて算出された比較対象の値と比較する。そして、定数演算部５、１５、２５の演算結果と記録部８に登録されている値に基づいて算出された値との間に差異が生じた場合、その差異に基づいて制御系の故障の予兆を検知して警報をならしたり、非常モードなどといった、特有の動作モードに制御を変更することができる。
【００１８】
図１に示すように、電動機１、１１、２１それぞれを制御する複数の制御系を統括コントローラ７で制御する場合、複数の電動機に加わる負荷には相関がある場合がある。したがって、統括コントローラ７によって統括制御する場合、夫々の制御計における故障の予兆を判断するために統括コントローラ７が算出する値は、複数の制御系に共通する条件を加味して算出することが好ましく、値の比較についても同様である。このように、複数の制御系に共通する条件（拘束条件）を考慮して比較用の値の算出及び値の比較を行うことが本実施形態に係る要旨である。
【００１９】
次に本発明の第１の実施例を実現するのに好適な制御コントローラの機能構成について説明する。図２は複数の電動機を駆動する複数の制御装置と統括コントローラ７の構成例を示したものである。図１と同じ構成の部品には同じ番号を付してある。図２に示すように、ＰＷＭ制御部４、１４、２４は、それぞれ異常時運転制御パターン９、１９、２９を含む。また、統括コントローラ７は、異常検知用の比較値演算部３０ａ及び異常判定部３０ｂを含む。
【００２０】
比較値演算部３０ａは、定数演算部５、１５、２５それぞれが算出した機械定数、電気定数を確認するための値と、記録部８に登録されている値に基づいて算出した値とを比較する。この比較結果に基づき、異常判定部３０ｂが、特定の電動機１、１１、２１やその制御系の故障の予兆を検知し、異常判定出力を生成して出力する。これにより、それぞれの制御系においては、ＰＷＭ制御部４、１４、２４が、異常時運転制御パターン９、１９、２９による異常時運転に切り替えを行う。
【００２１】
このような演算、判定機能を統括コントローラ７の機能として付加することによって、発明の効果を実現することが可能である。本実施例では故障もしくは異常の予兆を算定し判定する演算機能が統括コントローラ７に内蔵している構成であったが、比較値算出部３０や異常判定部３０ｂが統括コントローラ７の外部に設けられている場合であっても、同様の効果を得ることが可能である。
【００２２】
次に、上述した電動機の制御システムを適用可能な複数台の電動機、制御器の構成の一例を図３に示す。図３に示す構成は、電動機１、１１、２１それぞれに変速機３１、４１、５１を介して回転体３２、４２、５２が接続されており、夫々の回転体３２、４２、５２は、連続負荷１０を介して連結されている。そして、図３の例においては、複数の電動機１、１１、２１を用いて連続負荷１０に必要な速度やトルクを加える。連続負荷１０に必要な速度やトルクを加える為に、電動機１、１１、２１を連動させて制御する必要がある。このとき必要な回転数やトルクを制御しながら、電動機１、１１、２１を協調させて駆動する必要がある。
【００２３】
図３の例においては、電動機１、１１、２１の機械異常及び制御系の電気異常並びにそれらの予兆を検知するため、予め電動機１、１１、２１の機械定数（イナーシャ）や、制御系の電気定数を記録部８に登録しておく。そして、定数演算部５、１５、２５が、運転中の動作状態に応じて上述した機械定数や電気定数を確認する値を算出し、統括コントローラ７において、記録部８に登録されている機械定数や電気定数に基づいて算出された値と比較される。
【００２４】
例えば、記録部８に登録されている各電動機または制御系の定数演算結果と、運転中に同定した各々の電動機、もしくは制御系の同定演算結果を比較することによって、それぞれの電動機、もしくは制御系の機械定数もしくは電気定数の変化量を算出することができる。なお、上述した同定とは、電動機の機械定数や制御系の電気定数そのものを演算する処理の他、上述したように、機械定数や電気定数を確認するための値を演算する処理を含む。この結果に基づいて、それぞれの電動機の故障もしくは故障の予兆を検知することができ、保護動作を行う為の制御パターンに運転変更ができる。また故障の予兆を検知したときにはメンテナンスを行うことが可能である。
【００２５】
例えば、電動機１が故障した場合を考える。電動機１機械定数や、それを駆動する制御装置３の電気定数の同定結果、即ち、動作状態に応じた演算結果と、記録部８に登録されている値とを比較することで、電動機１やそれを駆動する制御器３の異常もしくはその予兆を検知することができる。また、このときには異常時制御パターン９に制御を切り替えて、電動機１を停止し、連続負荷１０を介して変速機３１、４１、５１と機械的に接続されている電動機１１や電動機２１の異常動作を未然に防ぐことが可能である。
【００２６】
ただし、連続負荷１０を複数台の電動機で駆動する電動機駆動システムを構成する電動機や制御器にかかる負荷についてはそれぞれの電動機で大きく変動する可能性がある。例えば、比較値演算部３０ａを使って運転パターンにあわせてしきい値を変更することで、発明の効果を実現することが可能である。また、機械定数もしくは電気定数の異常判定に関しても運転パターンにあわせて異常判定部３０ｂにて判定演算をすることで、各々の電動機もしくは制御器の機械定数もしくは電気定数の異常の切り分けも同時に行うことができる。
【００２７】
統括コントローラ７の演算結果を使って、異常判定出力を行い、異常時制御器運転パターンに制御切替を行うことによってシステムの安全動作が可能であり、発明の効果を達成することができる。本実施例では３台の電動機を対象に実施例を説明したが、少なくとも電動機２台以上あれば複数のモータを協調制御しながら、異常判定のしきい値算定の演算が可能であり、２台以上の電動機の駆動する電動機駆動システムであれば、発明の効果を実現できることは明らかである。
【００２８】
次に、図３とは異なる態様の例について図４を用いて説明する。図４に示す構成は、電動機１、１１、２１夫々の状態を監視するセンサである測定器３３、４３、５３を含む。測定器３３、４３、５３は例えば速度センサであり、それによって計測した結果を用いてトルク演算部６、１６、２６で電圧や電流を算出することにより、定数演算部５、１５、２５による同定演算結果の精度向上を図ることができ、異常時もしくは、異常を発生する予兆の判定精度を向上させることができる。
【００２９】
上記記載した内容は測定器が速度センサだった場合であるが、測定器が電動機の端子電圧を測定可能な電圧センサの場合でも検出結果を用いることによって、各電動機の同定演算結果を評価するのに必要な情報を精度よく計測することが可能であり、上記発明の効果を実現することは明らかである。
【００３０】
次に本発明の予兆もしくは故障検知を実現する為の電動機１、１１、２１と制御器３、１３、２４の駆動制御系の形態例として、制御器３、１３、２３が２レベルの３相のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）インバータの場合を図５を用いて説明する。図５においては、電動機１、制御器３を含む一の制御系について説明するが、他の制御系についても同様である。図５に示すように、制御器３は、半導体素子６１〜６６を含む。また、制御器３による電動機１の制御のための構成として直流回路５４、出力電流検知部５５、電流／制御電圧解析部５６が設けられている。図５の例においては、電流／制御電圧解析部５６が定数演算部５として機能する。
【００３１】
図５の態様は、半導体素子６１〜６６を組み合わせて構成される、ＩＧＢＴをはじめとした２レベルインバータ回路を使って、交流電動機１の制御を行う構成例のひとつである。制御器３は統括コントローラ７のからの指令をうけて、交流電動機が必要なトルクや速度、電圧を実現する為に、ＰＷＭ制御信号をＰＷＭ制御部４で作成し、半導体素子６１〜６４の各スイッチング素子のゲートに信号を送信することによって、直流回路５４の電力を変換して電動機１に必要な交流電力をつくることができる。
【００３２】
このとき、電流／制御電圧解析部５６は、出力電流検出部５５から得られた信号に基づいて必要な回路インピーダンスや、イナーシャなどの機械定数を解析し、統括コントローラ７に情報を送信する。例えば、特定の運転モードにおいて電流／制御電圧解析部５６が、回路インピーダンス及びイナーシャの２つの解析結果を同定し、その結果を統括コントローラ７に送信する。そして、統括コントローラ７が、取得した同定結果を記録部８に登録されている値と比較することで、1組の電動機と、制御器の状態を監視することができる。
【００３３】
例えば、半導体素子６１〜６６の１つが破損するなど異常が生じた場合、電流／制御電圧解析部５６による解析結果と記録部８に登録されている値との間にずれが生じる。回路インピーダンスと、機械定数を解析することによって、このずれを検知して単体の異常や予兆を検知することが可能である。
【００３４】
ただし、図３に示した連続負荷１０のようなものでつながれた複数の駆動系を制御する場合、一定の拘束条件があった状態で、図５で示した構成の制御系の一部が故障した場合には他の制御系の制御に影響を及ぼすことがある。例えば、図３で示した複数動力の駆動システムで、連続負荷１０を図５で示した駆動系単体を複数備えた構成において、連続負荷１０にかかる張力を制御している間に、制御器の一部が破損した場合、他の電動機駆動系に影響を与えるだけでなく連続負荷１０の異常挙動につながる可能性がある。
【００３５】
ここで、電動機１制御器３を含む一の制御系における半導体素子の一部に異常が発生した場合を考える。このとき、その制御系を異常運転制御パターン９に切り替えるだけでなく、他の制御系においても、異常運転制御パターン１９、２９に切り替えることにより、連続不可１０の異常挙動を防ぎつつ安全に駆動システムを停止することができる。
【００３６】
なお、このような駆動システムで使用する複数の電動機は必ずしも同じ容量や定格電流、電圧の電動機とは限らないので、動作中における特定の駆動系の異常を判定する為には、複数の電動機の機械定数、電気定数をはかった上で、比較値演算部３０ａによる比較演算を行い、異常判定部３０ｂによる判定動作を経ることで、誤検知や、それに伴う複数の駆動システム全体の誤動作を防ぐことができる。
【００３７】
上述した内容は制御装置が２レベルのＩＧＢＴインバータ回路の場合であるが、回路方式がマルチレベルのインバータ回路など、回路方式が変わっても、電流／制御電圧解析部５６を用いることによって、各電動機単体の同定演算結果を評価するのに必要な情報を精度よく計測することが可能であり、上記発明の効果を実現できることは明らかである。
【００３８】
また制御装置の制御方法に関しても同様に、ＰＷＭ制御部４が、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御であったり、ＰＤＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御であった場合においても上記発明の効果を実現できることは明らかである。
【００３９】
次に、図３を更に具体化した態様の例として、２つの駆動系からなる、ベルトコンベアシステムを図６について説明する。図６に示す構成は、電動機１、１１によって夫々回転駆動される回転体３２、４２に加えて、駆動力を持たない回転体６９を含み、連続負荷であるベルト１０によって機械的に接続されている。これら二つの駆動系の制御について説明する。例えば図６で示す構成では、ベルトに必要な張力を保つように電動機１の制御系と電動機１１の制御系とを強調制御する。
【００４０】
制御器３内の半導体素子に異常が発生した場合に動作を停止するような保護設定だとすると、３２の張力制御ができなくなった状態でも、４２の駆動制御で連続負荷１０が異常な挙動を示さずに止める必要がある。上記状態に限らず、図６のような構成の場合、４２の駆動だけで、連続負荷１０がたるまないように制御しながら止める必要があることもあり得る。本発明によって、このときの４２の異常が機械的な異常か、電気的な異常か、異常状態切り分けて検知することができ、またそれに応じて必要な制御に切り替えることも可能である。
【００４１】
また図６に示すように回転体３２の方が回転体４２より高所に置かれた場合、回転体３２を駆動する電動機１が電動機１１より容量が大きいことがある。このようにモータの仕様が異なり、負荷が大きく変化する場合でも、特定の電動機または制御器の異常に関して、電気的異常か、機械的異常か切り分けて、統括コントローラ７で判断することができる。
【００４２】
次に、図３の具体化の他の例として、３つの駆動系からなる圧延システムを図７に示す。図７に示す構成は、駆動力を持たない回転体６７及び６８と、連続負荷である圧延材料１０の位置を調整するルーパ７０を含む。Ｒ１〜Ｒ３の回転体は、夫々の制御系によって制御され、これにより連続負荷である圧延材料１０の張力制御をしながら、圧延に必要な圧下量を制御していく。ルーパ７０は、板のたるみ量や、張力を制御しながら、システム全体で、板厚を制御しながら連続負荷である圧延材料１０を圧延する構成となっている。
【００４３】
例えば図７のような構成で、電動機１１と制御器１３に接続された回転体６８の機械異常が発生したとする。このときルーパ７０まで正常に連続負荷１０を送ることができなくなる可能性がある。そうすると必要な圧延ができなくなる可能性があり、システム全体に影響を及ぼす可能性がある。
【００４４】
本発明では、統括コントローラ７で、あらかじめ正常動作時の電気定数または機械定数を演算して記録部８に登録し、動作中の電気定数や機械定数の変動を監視するといった方法を用いることによって、特定の電動機の電気異常もしくは機械異常といった原因を簡便に評価することが可能となる。例えば、第二の回転体の機械異常を検知することによって注油を行ったり、部品を行うなどのメンテナンスを行う警報をつくることができる。
【００４５】
圧延システムでは、連続負荷である圧延材料１０の板厚や長さ等が変わる場合があるので材料によって負荷が変化することがある。また、圧延材料１０をロール状に収納する場合などに特定の駆動部分に大きな負荷がかかること起こることがある。このとき例えば図２に示した統括コントローラの構成を使うことによって、連続負荷からかかる負荷状態に関わらず、特定の駆動系の機械異常と電気異常を分離し判定することが可能である。
【００４６】
次に、図３の具体化の更に他の例として、複数の駆動系からなる、列車駆動システムを図８に示す。図８に示す構成は、車体７１、７２、車体同士を連結する連結部７３、電動機１、１１、２１によって夫々駆動される車輪８１、８２、８３を含む。
【００４７】
図８を用いて発明の効果を説明する。図８における連続負荷はレール１０である。列車駆動システムの場合、レールの路面状態や、勾配に従って、車輪が空転しないように各電動機のトルクと速度を制御している。また車輪が必ずしも連続負荷であるレール１０に接地していない場合もあり、列車のレールに対する垂直抗力が変化する可能性がある。このため、必要な速度で運転する為に駆動用の各車輪の負荷が大きく変動する。
【００４８】
このような状況で統括コントローラ７で、あらかじめ正常動作時の電気定数または機械定数を同定し、記録部８に保存しておき、動作中の電気定数や機械定数の変動を監視することによって、特定の電動機の電気異常もしくは機械異常といった原因を簡便に評価することが可能となる。
【００４９】
図８の例は２両の列車駆動システムの場合であるが、車両が複数でなくても、１両の車両に電動機や制御器が複数あり、複数の電動機または制御器を統括制御できる統括コントローラ７を用いて、出力電圧や電流等の解析を行うことによって、上記発明の効果を実現できることは明らかである。上述した本発明の実施の形態例は、鉄道への利用可能性があるが、これに限らず、車両の概念に含まれる自動車やゴーカート等のその他の移動体に適用することも可能である。
【００５０】
次に、統括コントローラ７による記録部８に登録された値と定数演算部５、１５、２５によって演算された値との比較の例について説明する。運転状態に応じた機械定数や電気定数を確認するための値の算出として、定数演算部５、１５、２５が、図５に示す出力電流検知部５５や測定器３３のようなセンサの出力結果に基づき、連続負荷１０が搬送される速度（ライン速度）や、電動機１、１１、２１のトルクを演算する。例えば、ライン速度を演算する場合、図６の例であれば、定数演算部５、１５、２５は、センサの出力結果としてインバータの周波数を取得し、電動機１の極対数及び回転体３２のロール半径を用いてライン速度を算出することができる。
【００５１】
即ち、この例においては、電動機の状態特性値である電気定数や機械定数に関する値として、電動機によって駆動される回転体によって搬送される連続負荷１０のライン速度が算出される。換言すると、演算部５、１５、２５が、電動機制御の電気的状態を検知する電気状態検知部として機能すると共に、状態特性値算出部として機能する。
【００５２】
他方、統括制御部である統括コントローラ７の比較値演算部３０ａにおいては、電動機１、１１、２１のトルク及び回転体３２のロール半径と、予め記録部８に登録されている電動機１の機械定数（イナーシャ）とを用いて、同じくライン速度を算出することができる。即ち、統括コントローラ７の比較値演算部３０ａが、上記状態特性値に関する値に対応する比較対照値として、初期特性である予め登録された機械定数に基づいてライン速度を算出する。そして、比較値演算部３０ａは、記録部８に登録されているパラメータから算出したライン速度と定数演算部５、１５、２５が算出したライン速度とを比較することにより、その差異に基づいて夫々の電動機１、１１、２１の機械定数の状態、即ち劣化を確認することができる。
【００５３】
なお、比較値演算部３０ａによる比較の結果に基づいて劣化の判断を行うのは、異常判定部３０ｂである。異常判定部３０ｂは、例えば、上述した２つの値の差異を算出し、その算出結果が予め設定された閾値を上回るか否かによって劣化を判断することができる。
【００５４】
また、電動機１、１１、２１のトルクは、上述したようなセンサの出力結果に応じて取得される電流値を、電気定数によって変換して求める他、電動機１、１１、２１にトルクを検知するトルクセンサが設けられている場合は、そのセンサの出力値を用いることも可能である。
【００５５】
ここで、連続負荷１０によって複数の電動機１、１１、２１が機械的に接続されている場合、夫々の電動機におけるライン速度は同一であるという拘束条件が得られる。従って、電動機１について求められたライン速度と、電動機１１、２１について求められたライン速度とを比較することが可能となる。
【００５６】
また、連続負荷１０によって複数の電動機１、１１、２１が機械的に接続されている場合、夫々の電動機について求められた連続負荷１０の張力は、少なくとも隣接する電動機間において同一であるという拘束条件が得られる。そして、張力は電動機のトルクと回転体のロール系及び電動機と回転体とのギア比によって求められるため、上述したように統括コントローラ７が、電動機１、１１、２１それぞれについてのライン速度を求める際のトルクの拘束条件として用いることができる。
【００５７】
他方、他の比較の例としては、トルクを比較する態様も考えられる。図６の例であれば、センサの出力結果としてインバータの周波数や電動機に入力される線電流の値を取得し、トルク演算部６、１６、２６の制御パラメータを用いてトルクを算出することができる。他方、統括コントローラ７の比較値演算部３０ａにおいては、上述したようなセンサの出力結果に応じて取得される電流値を変換して求められる電動機の角速度と、予め記録部８に登録されている電動機１の機械定数（イナーシャ）とを用いて、同じくトルクを算出することができる。このように算出されたトルクを比較することにより、上記の例と同様に機械定数の状態を確認することが可能であり、ライン速度やトルクの拘束条件も同様に用いることができる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る制御システムにおいては、複数の電動機を統括制御する電動機の制御システムにおいて、夫々の電動機の運転状態に応じて算出される状態量と、予め登録されている機械定数や電気定数に応じて算出される状態量とを比較する際に、連続負荷１０によって与えられる拘束条件を加味して比較を行うことにより、より夫々の電動機の異常状態の判定若しくは故障の予兆の検知をより好適に行うことができる。
【００５９】
また、上記の例では機械定数を例として説明しているが、電気定数の場合も同様である。即ち、運転状態に応じて定数演算部５、１５、２５が算出する値と、予め記録部８に登録されている電気定数を用いて統括コントローラ７において算出される値とを比較し、その際に連続負荷１０によって与えられる拘束条件を加味した比較を行うことにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
また、上記実施形態においては、拘束条件としてライン速度やトルクが同一である場合を例として説明したが、これは一例であり、電動機が用いられるシステムに応じて様々な拘束条件を設定することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１１、２１ 電動機
２、１２、２２ 配線
３、１３、２３ 制御器
４、１４、２４ ＰＷＭ制御部
５、１５、２５ 定数演算部
６、１６、２６ トルク演算部
７ 統括コントローラ
８ 記録部
９、１９、２９ 異常時運転制御パターン
１０ 連続負荷
３０ａ 比較値演算部
３０ｂ 異常判定部
３１、４１、５１ 変速器
３２、４２、５２、６９ 回転体
３３、４３、５３ 測定器
５４ 直流回路
５５ 出力電流検知部
５６ 電流／制御電圧解析部
６１、６２、６３、６４、６５、６６ 半導体素子
７０ ルーパ
７１、７２ 車両
８１、８２、８３ 車輪
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機制御装置及び機制御方法に関し、特に、複数の電動機が連結されることにより所定の拘束条件において駆動される電動機の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の複数の誘導電動機を制御する制御装置においては、各々の誘導電動機の速度センサ数値に基づいてトルクが演算された上でトルクのアンバランスが検知され、その検知結果に応じて車輪径のばらつきが許容量を超えているか否かが判定される方法がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された方法では、各誘導電動機のすべりに比例するようにトルクの推定を行っている。更に、特許文献１記載の制御装置は、この推定結果をもとに車両の車輪径を管理することができる構成となっている。
【０００３】
また、電動機制御システムにおいて、操業条件変化に起因するプロセス機器の異常運転を予防するため、操業条件の変化に合わせて電動機の制御パラメータを設定変更可能とする方法が既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２においては、上記制御パラメータとして、電動機制御系の比例ゲイン及び積分時定数の他、電動機の電流制限値及び電気定数等が用いられている。
【０００４】
また、電気車の車輪と軌道面との空転を検知して再粘着させるため、複数の電動機の回転速度から平均速度を演算し、平均速度と各電動機との回転数との比から各電動機軸に結合された車輪の車輪径差補正量を演算し、車輪径差補正量と平均速度から各電動機の制御における再粘着制御の基準となる基準速度を演算し、各電動機毎に平均速度と電動機の回転速度とに基づいて車輪の空転を検知し、電動機のトルクを絞る方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４０４３７号公報
【特許文献２】特開平０４−８５６０４号公報
【特許文献３】特開２００１−１４５２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
複数の電動機を制御する制御装置を搭載し、電動機それぞれが異なる駆動軸を駆動する構成の電機駆動システムにおいては、特定の電動機の機械異常や、モータの電気的な異常が発生したときに、電動機の動作が不安定になり、前述した特定の電動機以外の電動機や制御装置の異常を招く可能性がある。このような現象が発生する原因としては、駆動部やギアなどの伝達部といった機械的異常と、モータの電気的異常の２つが挙げられる。この特定の電動機やその駆動部の異常を検知し、切り分けるための異常検知方法が必要である。
【０００７】
ここで、異常検知においては、測定値に基づいて異常を検知する対象の値を算出し、その算出結果が正常であるか否かを判断することが一般的な処理であるが、夫々の算出結果が正常であるか否かを判断するためには何らかの基準値との比較が必要であり、正確な判断のためには好適な基準値の設定が不可欠である。
【０００８】
複数の電動機が同時に用いられる場合、その複数の電動機の動作には共通する条件（拘束条件）が作用する場合があり、上述したような異常を検知する対象の値を算出し、比較する場合も、そのような拘束条件を加味することが可能である。しかしながら、特許文献１乃至３において開示されている方法においては、いずれも夫々の電動機の状態判断を個別に行っており、拘束条件を加味した異常の判断は行っていない。
【０００９】
本発明は、上述したような課題に対応したものであり、複数の電動機を制御する場合における異常の予測または検知を好適に実行することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、複数の電動機を統括制御する電動機制御装置であって、前記複数の電動機を個別に制御する複数の制御器と、前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知する複数の電気状態検知部と、前記複数の電気状態検知部によって夫々検知された電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出する複数の状態特性値算出部と、前記複数の制御器を統括制御する統括制御部とを含み、前記統括制御部は、予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、算出した前記比較対象値と、前記状態特性値算出部が算出した状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断することを特徴とする。
【００１１】
複数の電動機を統括制御する電動機制御方法であって、複数の制御器によって前記複数の電動機を個別に制御し、前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知し、夫々検知された複数の電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出し、予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、前記比較対象値と前記状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明を用いることで、複数の電動機を制御する場合における異常の予測または検知を好適に実行することをが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る連続負荷の態様を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る制御システムの構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る制御器の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る適用例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る適用例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る適用例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、複数の電動機を制御する制御装置において、それぞれの電動機の電気定数及び機械定数を推定し、その推定したデータをもとに、特定の電動機の機械的異常と、電気的異常の発生を検知し通知すること、もしくは、電動機異常が発生する前段階の予兆を検知し通知すること、および異常発生時の異常な電動機と正常な電動機の制御切替をその要旨とする。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態に係る電動機制御システムは、３つの電動機１、１１、２１を制御するために３系統の制御系を含み、それぞれの制御系は、配線２、１２、２２、制御器３、１３、２３、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御部４、１４、２４、定数演算部５、１５、２５及びトルク演算部６、１６、２６を含む。更に、本実施形態に係る電動機制御システムは、それぞれの制御系を統括する統括コントローラ７及び記録部８を含む。
【００１６】
制御器３、１３、２３は、電動機１、１１、２１に対して配線２、１２、２２を介して電流を流すことにより電動機１、１１、２１をそれぞれ制御する。定数演算部５、１５、２５は、それぞれ電動機１、１１、２１の機械定数を確認するための値や、制御器３、１３、２３の電気定数を確認するための値を算出する。なお前述した電気定数は第1の配線２の寄生抵抗やインダクタンスを含んだ数値となる。
【００１７】
統括コントローラ７は、定数演算部５、１５、２５の演算結果を取得し、予め記録部８に登録されている機械定数や電気定数に基づいて算出された比較対象の値と比較する。そして、定数演算部５、１５、２５の演算結果と記録部８に登録されている値に基づいて算出された値との間に差異が生じた場合、その差異に基づいて制御系の故障の予兆を検知して警報をならしたり、非常モードなどといった、特有の動作モードに制御を変更することができる。
【００１８】
図１に示すように、電動機１、１１、２１それぞれを制御する複数の制御系を統括コントローラ７で制御する場合、複数の電動機に加わる負荷には相関がある場合がある。したがって、統括コントローラ７によって統括制御する場合、夫々の制御計における故障の予兆を判断するために統括コントローラ７が算出する値は、複数の制御系に共通する条件を加味して算出することが好ましく、値の比較についても同様である。このように、複数の制御系に共通する条件（拘束条件）を考慮して比較用の値の算出及び値の比較を行うことが本実施形態に係る要旨である。
【００１９】
次に本発明の第１の実施例を実現するのに好適な制御コントローラの機能構成について説明する。図２は複数の電動機を駆動する複数の制御装置と統括コントローラ７の構成例を示したものである。図１と同じ構成の部品には同じ番号を付してある。図２に示すように、ＰＷＭ制御部４、１４、２４は、それぞれ異常時運転制御パターン９、１９、２９を含む。また、統括コントローラ７は、異常検知用の比較値演算部３０ａ及び異常判定部３０ｂを含む。
【００２０】
比較値演算部３０ａは、定数演算部５、１５、２５それぞれが算出した機械定数、電気定数を確認するための値と、記録部８に登録されている値に基づいて算出した値とを比較する。この比較結果に基づき、異常判定部３０ｂが、特定の電動機１、１１、２１やその制御系の故障の予兆を検知し、異常判定出力を生成して出力する。これにより、それぞれの制御系においては、ＰＷＭ制御部４、１４、２４が、異常時運転制御パターン９、１９、２９による異常時運転に切り替えを行う。
【００２１】
このような演算、判定機能を統括コントローラ７の機能として付加することによって、発明の効果を実現することが可能である。本実施例では故障もしくは異常の予兆を算定し判定する演算機能が統括コントローラ７に内蔵している構成であったが、比較値算出部３０や異常判定部３０ｂが統括コントローラ７の外部に設けられている場合であっても、同様の効果を得ることが可能である。
【００２２】
次に、上述した電動機の制御システムを適用可能な複数台の電動機、制御器の構成の一例を図３に示す。図３に示す構成は、電動機１、１１、２１それぞれに変速機３１、４１、５１を介して回転体３２、４２、５２が接続されており、夫々の回転体３２、４２、５２は、連続負荷１０を介して連結されている。そして、図３の例においては、複数の電動機１、１１、２１を用いて連続負荷１０に必要な速度やトルクを加える。連続負荷１０に必要な速度やトルクを加える為に、電動機１、１１、２１を連動させて制御する必要がある。このとき必要な回転数やトルクを制御しながら、電動機１、１１、２１を協調させて駆動する必要がある。
【００２３】
図３の例においては、電動機１、１１、２１の機械異常及び制御系の電気異常並びにそれらの予兆を検知するため、予め電動機１、１１、２１の機械定数（イナーシャ）や、制御系の電気定数を記録部８に登録しておく。そして、定数演算部５、１５、２５が、運転中の動作状態に応じて上述した機械定数や電気定数を確認する値を算出し、統括コントローラ７において、記録部８に登録されている機械定数や電気定数に基づいて算出された値と比較される。
【００２４】
例えば、記録部８に登録されている各電動機または制御系の定数演算結果と、運転中に同定した各々の電動機、もしくは制御系の同定演算結果を比較することによって、それぞれの電動機、もしくは制御系の機械定数もしくは電気定数の変化量を算出することができる。なお、上述した同定とは、電動機の機械定数や制御系の電気定数そのものを演算する処理の他、上述したように、機械定数や電気定数を確認するための値を演算する処理を含む。この結果に基づいて、それぞれの電動機の故障もしくは故障の予兆を検知することができ、保護動作を行う為の制御パターンに運転変更ができる。また故障の予兆を検知したときにはメンテナンスを行うことが可能である。
【００２５】
例えば、電動機１が故障した場合を考える。電動機１機械定数や、それを駆動する制御装置３の電気定数の同定結果、即ち、動作状態に応じた演算結果と、記録部８に登録されている値とを比較することで、電動機１やそれを駆動する制御器３の異常もしくはその予兆を検知することができる。また、このときには異常時制御パターン９に制御を切り替えて、電動機１を停止し、連続負荷１０を介して変速機３１、４１、５１と機械的に接続されている電動機１１や電動機２１の異常動作を未然に防ぐことが可能である。
【００２６】
ただし、連続負荷１０を複数台の電動機で駆動する電動機駆動システムを構成する電動機や制御器にかかる負荷についてはそれぞれの電動機で大きく変動する可能性がある。例えば、比較値演算部３０ａを使って運転パターンにあわせてしきい値を変更することで、発明の効果を実現することが可能である。また、機械定数もしくは電気定数の異常判定に関しても運転パターンにあわせて異常判定部３０ｂにて判定演算をすることで、各々の電動機もしくは制御器の機械定数もしくは電気定数の異常の切り分けも同時に行うことができる。
【００２７】
統括コントローラ７の演算結果を使って、異常判定出力を行い、異常時制御器運転パターンに制御切替を行うことによってシステムの安全動作が可能であり、発明の効果を達成することができる。本実施例では３台の電動機を対象に実施例を説明したが、少なくとも電動機２台以上あれば複数のモータを協調制御しながら、異常判定のしきい値算定の演算が可能であり、２台以上の電動機の駆動する電動機駆動システムであれば、発明の効果を実現できることは明らかである。
【００２８】
次に、図３とは異なる態様の例について図４を用いて説明する。図４に示す構成は、電動機１、１１、２１夫々の状態を監視するセンサである測定器３３、４３、５３を含む。測定器３３、４３、５３は例えば速度センサであり、それによって計測した結果を用いてトルク演算部６、１６、２６で電圧や電流を算出することにより、定数演算部５、１５、２５による同定演算結果の精度向上を図ることができ、異常時もしくは、異常を発生する予兆の判定精度を向上させることができる。
【００２９】
上記記載した内容は測定器が速度センサだった場合であるが、測定器が電動機の端子電圧を測定可能な電圧センサの場合でも検出結果を用いることによって、各電動機の同定演算結果を評価するのに必要な情報を精度よく計測することが可能であり、上記発明の効果を実現することは明らかである。
【００３０】
次に本発明の予兆もしくは故障検知を実現する為の電動機１、１１、２１と制御器３、１３、２４の駆動制御系の形態例として、制御器３、１３、２３が２レベルの３相のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）インバータの場合を図５を用いて説明する。図５においては、電動機１、制御器３を含む一の制御系について説明するが、他の制御系についても同様である。図５に示すように、制御器３は、半導体素子６１〜６６を含む。また、制御器３による電動機１の制御のための構成として直流回路５４、出力電流検知部５５、電流／制御電圧解析部５６が設けられている。図５の例においては、電流／制御電圧解析部５６が定数演算部５として機能する。
【００３１】
図５の態様は、半導体素子６１〜６６を組み合わせて構成される、ＩＧＢＴをはじめとした２レベルインバータ回路を使って、交流電動機１の制御を行う構成例のひとつである。制御器３は統括コントローラ７のからの指令をうけて、交流電動機が必要なトルクや速度、電圧を実現する為に、ＰＷＭ制御信号をＰＷＭ制御部４で作成し、半導体素子６１〜６４の各スイッチング素子のゲートに信号を送信することによって、直流回路５４の電力を変換して電動機１に必要な交流電力をつくることができる。
【００３２】
このとき、電流／制御電圧解析部５６は、出力電流検出部５５から得られた信号に基づいて必要な回路インピーダンスや、イナーシャなどの機械定数を解析し、統括コントローラ７に情報を送信する。例えば、特定の運転モードにおいて電流／制御電圧解析部５６が、回路インピーダンス及びイナーシャの２つの解析結果を同定し、その結果を統括コントローラ７に送信する。そして、統括コントローラ７が、取得した同定結果を記録部８に登録されている値と比較することで、1組の電動機と、制御器の状態を監視することができる。
【００３３】
例えば、半導体素子６１〜６６の１つが破損するなど異常が生じた場合、電流／制御電圧解析部５６による解析結果と記録部８に登録されている値との間にずれが生じる。回路インピーダンスと、機械定数を解析することによって、このずれを検知して単体の異常や予兆を検知することが可能である。
【００３４】
ただし、図３に示した連続負荷１０のようなものでつながれた複数の駆動系を制御する場合、一定の拘束条件があった状態で、図５で示した構成の制御系の一部が故障した場合には他の制御系の制御に影響を及ぼすことがある。例えば、図３で示した複数動力の駆動システムで、連続負荷１０を図５で示した駆動系単体を複数備えた構成において、連続負荷１０にかかる張力を制御している間に、制御器の一部が破損した場合、他の電動機駆動系に影響を与えるだけでなく連続負荷１０の異常挙動につながる可能性がある。
【００３５】
ここで、電動機１制御器３を含む一の制御系における半導体素子の一部に異常が発生した場合を考える。このとき、その制御系を異常運転制御パターン９に切り替えるだけでなく、他の制御系においても、異常運転制御パターン１９、２９に切り替えることにより、連続不可１０の異常挙動を防ぎつつ安全に駆動システムを停止することができる。
【００３６】
なお、このような駆動システムで使用する複数の電動機は必ずしも同じ容量や定格電流、電圧の電動機とは限らないので、動作中における特定の駆動系の異常を判定する為には、複数の電動機の機械定数、電気定数をはかった上で、比較値演算部３０ａによる比較演算を行い、異常判定部３０ｂによる判定動作を経ることで、誤検知や、それに伴う複数の駆動システム全体の誤動作を防ぐことができる。
【００３７】
上述した内容は制御装置が２レベルのＩＧＢＴインバータ回路の場合であるが、回路方式がマルチレベルのインバータ回路など、回路方式が変わっても、電流／制御電圧解析部５６を用いることによって、各電動機単体の同定演算結果を評価するのに必要な情報を精度よく計測することが可能であり、上記発明の効果を実現できることは明らかである。
【００３８】
また制御装置の制御方法に関しても同様に、ＰＷＭ制御部４が、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御であったり、ＰＤＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御であった場合においても上記発明の効果を実現できることは明らかである。
【００３９】
次に、図３を更に具体化した態様の例として、２つの駆動系からなる、ベルトコンベアシステムを図６について説明する。図６に示す構成は、電動機１、１１によって夫々回転駆動される回転体３２、４２に加えて、駆動力を持たない回転体６９を含み、連続負荷であるベルト１０によって機械的に接続されている。これら二つの駆動系の制御について説明する。例えば図６で示す構成では、ベルトに必要な張力を保つように電動機１の制御系と電動機１１の制御系とを強調制御する。
【００４０】
制御器３内の半導体素子に異常が発生した場合に動作を停止するような保護設定だとすると、３２の張力制御ができなくなった状態でも、４２の駆動制御で連続負荷１０が異常な挙動を示さずに止める必要がある。上記状態に限らず、図６のような構成の場合、４２の駆動だけで、連続負荷１０がたるまないように制御しながら止める必要があることもあり得る。本発明によって、このときの４２の異常が機械的な異常か、電気的な異常か、異常状態切り分けて検知することができ、またそれに応じて必要な制御に切り替えることも可能である。
【００４１】
また図６に示すように回転体３２の方が回転体４２より高所に置かれた場合、回転体３２を駆動する電動機１が電動機１１より容量が大きいことがある。このようにモータの仕様が異なり、負荷が大きく変化する場合でも、特定の電動機または制御器の異常に関して、電気的異常か、機械的異常か切り分けて、統括コントローラ７で判断することができる。
【００４２】
次に、図３の具体化の他の例として、３つの駆動系からなる圧延システムを図７に示す。図７に示す構成は、駆動力を持たない回転体６７及び６８と、連続負荷である圧延材料１０の位置を調整するルーパ７０を含む。Ｒ１〜Ｒ３の回転体は、夫々の制御系によって制御され、これにより連続負荷である圧延材料１０の張力制御をしながら、圧延に必要な圧下量を制御していく。ルーパ７０は、板のたるみ量や、張力を制御しながら、システム全体で、板厚を制御しながら連続負荷である圧延材料１０を圧延する構成となっている。
【００４３】
例えば図７のような構成で、電動機１１と制御器１３に接続された回転体６８の機械異常が発生したとする。このときルーパ７０まで正常に連続負荷１０を送ることができなくなる可能性がある。そうすると必要な圧延ができなくなる可能性があり、システム全体に影響を及ぼす可能性がある。
【００４４】
本発明では、統括コントローラ７で、あらかじめ正常動作時の電気定数または機械定数を演算して記録部８に登録し、動作中の電気定数や機械定数の変動を監視するといった方法を用いることによって、特定の電動機の電気異常もしくは機械異常といった原因を簡便に評価することが可能となる。例えば、第二の回転体の機械異常を検知することによって注油を行ったり、部品を行うなどのメンテナンスを行う警報をつくることができる。
【００４５】
圧延システムでは、連続負荷である圧延材料１０の板厚や長さ等が変わる場合があるので材料によって負荷が変化することがある。また、圧延材料１０をロール状に収納する場合などに特定の駆動部分に大きな負荷がかかること起こることがある。このとき例えば図２に示した統括コントローラの構成を使うことによって、連続負荷からかかる負荷状態に関わらず、特定の駆動系の機械異常と電気異常を分離し判定することが可能である。
【００４６】
次に、図３の具体化の更に他の例として、複数の駆動系からなる、列車駆動システムを図８に示す。図８に示す構成は、車体７１、７２、車体同士を連結する連結部７３、電動機１、１１、２１によって夫々駆動される車輪８１、８２、８３を含む。
【００４７】
図８を用いて発明の効果を説明する。図８における連続負荷はレール１０である。列車駆動システムの場合、レールの路面状態や、勾配に従って、車輪が空転しないように各電動機のトルクと速度を制御している。また車輪が必ずしも連続負荷であるレール１０に接地していない場合もあり、列車のレールに対する垂直抗力が変化する可能性がある。このため、必要な速度で運転する為に駆動用の各車輪の負荷が大きく変動する。
【００４８】
このような状況で統括コントローラ７で、あらかじめ正常動作時の電気定数または機械定数を同定し、記録部８に保存しておき、動作中の電気定数や機械定数の変動を監視することによって、特定の電動機の電気異常もしくは機械異常といった原因を簡便に評価することが可能となる。
【００４９】
図８の例は２両の列車駆動システムの場合であるが、車両が複数でなくても、１両の車両に電動機や制御器が複数あり、複数の電動機または制御器を統括制御できる統括コントローラ７を用いて、出力電圧や電流等の解析を行うことによって、上記発明の効果を実現できることは明らかである。上述した本発明の実施の形態例は、鉄道への利用可能性があるが、これに限らず、車両の概念に含まれる自動車やゴーカート等のその他の移動体に適用することも可能である。
【００５０】
次に、統括コントローラ７による記録部８に登録された値と定数演算部５、１５、２５によって演算された値との比較の例について説明する。運転状態に応じた機械定数や電気定数を確認するための値の算出として、定数演算部５、１５、２５が、図５に示す出力電流検知部５５や測定器３３のようなセンサの出力結果に基づき、連続負荷１０が搬送される速度（ライン速度）や、電動機１、１１、２１のトルクを演算する。例えば、ライン速度を演算する場合、図６の例であれば、定数演算部５、１５、２５は、センサの出力結果としてインバータの周波数を取得し、電動機１の極対数及び回転体３２のロール半径を用いてライン速度を算出することができる。
【００５１】
即ち、この例においては、電動機の状態特性値である電気定数や機械定数に関する値として、電動機によって駆動される回転体によって搬送される連続負荷１０のライン速度が算出される。換言すると、演算部５、１５、２５が、電動機制御の電気的状態を検知する電気状態検知部として機能すると共に、状態特性値算出部として機能する。
【００５２】
他方、統括制御部である統括コントローラ７の比較値演算部３０ａにおいては、電動機１、１１、２１のトルク及び回転体３２のロール半径と、予め記録部８に登録されている電動機１の機械定数（イナーシャ）とを用いて、同じくライン速度を算出することができる。即ち、統括コントローラ７の比較値演算部３０ａが、上記状態特性値に関する値に対応する比較対照値として、初期特性である予め登録された機械定数に基づいてライン速度を算出する。そして、比較値演算部３０ａは、記録部８に登録されているパラメータから算出したライン速度と定数演算部５、１５、２５が算出したライン速度とを比較することにより、その差異に基づいて夫々の電動機１、１１、２１の機械定数の状態、即ち劣化を確認することができる。
【００５３】
なお、比較値演算部３０ａによる比較の結果に基づいて劣化の判断を行うのは、異常判定部３０ｂである。異常判定部３０ｂは、例えば、上述した２つの値の差異を算出し、その算出結果が予め設定された閾値を上回るか否かによって劣化を判断することができる。
【００５４】
また、電動機１、１１、２１のトルクは、上述したようなセンサの出力結果に応じて取得される電流値を、電気定数によって変換して求める他、電動機１、１１、２１にトルクを検知するトルクセンサが設けられている場合は、そのセンサの出力値を用いることも可能である。
【００５５】
ここで、連続負荷１０によって複数の電動機１、１１、２１が機械的に接続されている場合、夫々の電動機におけるライン速度は同一であるという拘束条件が得られる。従って、電動機１について求められたライン速度と、電動機１１、２１について求められたライン速度とを比較することが可能となる。
【００５６】
また、連続負荷１０によって複数の電動機１、１１、２１が機械的に接続されている場合、夫々の電動機について求められた連続負荷１０の張力は、少なくとも隣接する電動機間において同一であるという拘束条件が得られる。そして、張力は電動機のトルクと回転体のロール系及び電動機と回転体とのギア比によって求められるため、上述したように統括コントローラ７が、電動機１、１１、２１それぞれについてのライン速度を求める際のトルクの拘束条件として用いることができる。
【００５７】
他方、他の比較の例としては、トルクを比較する態様も考えられる。図６の例であれば、センサの出力結果としてインバータの周波数や電動機に入力される線電流の値を取得し、トルク演算部６、１６、２６の制御パラメータを用いてトルクを算出することができる。他方、統括コントローラ７の比較値演算部３０ａにおいては、上述したようなセンサの出力結果に応じて取得される電流値を変換して求められる電動機の角速度と、予め記録部８に登録されている電動機１の機械定数（イナーシャ）とを用いて、同じくトルクを算出することができる。このように算出されたトルクを比較することにより、上記の例と同様に機械定数の状態を確認することが可能であり、ライン速度やトルクの拘束条件も同様に用いることができる。
【００５８】
このように、本実施形態に係る制御システムにおいては、複数の電動機を統括制御する電動機の制御システムにおいて、夫々の電動機の運転状態に応じて算出される状態量と、予め登録されている機械定数や電気定数に応じて算出される状態量とを比較する際に、連続負荷１０によって与えられる拘束条件を加味して比較を行うことにより、より夫々の電動機の異常状態の判定若しくは故障の予兆の検知をより好適に行うことができる。
【００５９】
また、上記の例では機械定数を例として説明しているが、電気定数の場合も同様である。即ち、運転状態に応じて定数演算部５、１５、２５が算出する値と、予め記録部８に登録されている電気定数を用いて統括コントローラ７において算出される値とを比較し、その際に連続負荷１０によって与えられる拘束条件を加味した比較を行うことにより、上記と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
また、上記実施形態においては、拘束条件としてライン速度やトルクが同一である場合を例として説明したが、これは一例であり、電動機が用いられるシステムに応じて様々な拘束条件を設定することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１１、２１ 電動機
２、１２、２２ 配線
３、１３、２３ 制御器
４、１４、２４ ＰＷＭ制御部
５、１５、２５ 定数演算部
６、１６、２６ トルク演算部
７ 統括コントローラ
８ 記録部
９、１９、２９ 異常時運転制御パターン
１０ 連続負荷
３０ａ 比較値演算部
３０ｂ 異常判定部
３１、４１、５１ 変速器
３２、４２、５２、６９ 回転体
３３、４３、５３ 測定器
５４ 直流回路
５５ 出力電流検知部
５６ 電流／制御電圧解析部
６１、６２、６３、６４、６５、６６ 半導体素子
７０ ルーパ
７１、７２ 車両
８１、８２、８３ 車輪
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電動機を統括制御する電動機制御装置であって、
前記複数の電動機を個別に制御する複数の制御器と、
前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知する複数の電気状態検知部と、
前記複数の電気状態検知部によって夫々検知された電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出する複数の状態特性値算出部と、
前記複数の制御器を統括制御する統括制御部とを含み、
前記統括制御部は、
予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、
算出した前記比較対象値と、前記状態特性値算出部が算出した状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断し、
前記複数の電動機に共通する条件に基づいて前記比較対象値の算出または前記比較対象値と前記状態特性値に関する値との比較を行うことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記複数の電動機に共通する条件は、前記複数の電動機が夫々駆動する駆動対象が機械的に連結されることによって発生する条件であることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記複数の電動機が夫々駆動する駆動対象が圧延機において被圧延材を圧延する圧延ローラであり、
前記被圧延材の搬送速度が前記複数の電動機に共通する条件として用いられることを特徴とする請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記複数の電動機が夫々駆動する駆動対象が圧延機において被圧延材を圧延する圧延ローラであり、
前記被圧延材の圧延方向において隣接する圧延ロール間における前記被圧延材の張力が前記複数の電動機に共通する条件として用いられることを特徴とする請求項２または３に記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記状態特性値算出部は、前記検知された電気的状態に基づいて前記被圧延材の搬送速度を算出し、
前記比較対象値算出部は、前記初期特性値及び前記電動機のトルクに基づいて前記被圧延材の搬送速度を算出して前記状態特性値算出部が算出した値と比較し、前記電動機のトルクに基づいて求められる前記被圧延材の張力を前記複数の電動機に共通する条件として用いることを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記制御器は、異常状態であると判定された場合に前記電動機を制御するための異常時運転制御パターンの情報を記憶しており、
前記統括制御部は、前記電動機夫々の劣化の判断結果に応じて、前記制御器に前記異常時運転制御パターンによる制御を実行させることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項７】
前記統括制御部は、前記電動機夫々の劣化の判断結果において、劣化していると判断された電動機以外の電動機の制御器に対しても前記異常時運転制御パターンによる制御を実行させることを特徴とする請求項６に記載の電動機制御装置。
【請求項８】
複数の電動機を統括制御する電動機制御方法であって、
複数の制御器によって前記複数の電動機を個別に制御し、
前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知し、
夫々検知された複数の電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出し、
予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、
前記比較対象値と前記状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断し、
前記複数の電動機に共通する条件に基づいて前記比較対象値の算出または前記比較対象値と前記状態特性値に関する値との比較を行うことを特徴とする電動機制御方法。
【請求項１】
複数の電動機を統括制御する電動機制御装置であって、
前記複数の電動機を個別に制御する複数の制御器と、
前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知する複数の電気状態検知部と、
前記複数の電気状態検知部によって夫々検知された電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出する複数の状態特性値算出部と、
前記複数の制御器を統括制御する統括制御部とを含み、
前記統括制御部は、
予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、
算出した前記比較対象値と、前記状態特性値算出部が算出した状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断し、
前記複数の電動機に共通する条件に基づいて前記比較対象値の算出または前記比較対象値と前記状態特性値に関する値との比較を行うことを特徴とする電動機制御装置。
【請求項２】
前記複数の電動機に共通する条件は、前記複数の電動機が夫々駆動する駆動対象が機械的に連結されることによって発生する条件であることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
【請求項３】
前記複数の電動機が夫々駆動する駆動対象が圧延機において被圧延材を圧延する圧延ローラであり、
前記被圧延材の搬送速度が前記複数の電動機に共通する条件として用いられることを特徴とする請求項２に記載の電動機制御装置。
【請求項４】
前記複数の電動機が夫々駆動する駆動対象が圧延機において被圧延材を圧延する圧延ローラであり、
前記被圧延材の圧延方向において隣接する圧延ロール間における前記被圧延材の張力が前記複数の電動機に共通する条件として用いられることを特徴とする請求項２または３に記載の電動機制御装置。
【請求項５】
前記状態特性値算出部は、前記検知された電気的状態に基づいて前記被圧延材の搬送速度を算出し、
前記比較対象値算出部は、前記初期特性値及び前記電動機のトルクに基づいて前記被圧延材の搬送速度を算出して前記状態特性値算出部が算出した値と比較し、前記電動機のトルクに基づいて求められる前記被圧延材の張力を前記複数の電動機に共通する条件として用いることを特徴とする請求項４に記載の電動機制御装置。
【請求項６】
前記制御器は、異常状態であると判定された場合に前記電動機を制御するための異常時運転制御パターンの情報を記憶しており、
前記統括制御部は、前記電動機夫々の劣化の判断結果に応じて、前記制御器に前記異常時運転制御パターンによる制御を実行させることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の電動機制御装置。
【請求項７】
前記統括制御部は、前記電動機夫々の劣化の判断結果において、劣化していると判断された電動機以外の電動機の制御器に対しても前記異常時運転制御パターンによる制御を実行させることを特徴とする請求項６に記載の電動機制御装置。
【請求項８】
複数の電動機を統括制御する電動機制御方法であって、
複数の制御器によって前記複数の電動機を個別に制御し、
前記複数の制御器夫々による前記電動機の制御の電気的状態を検知し、
夫々検知された複数の電気的状態に基づいて前記複数の電動機夫々の特性を示す状態特性値に関する値を算出し、
予め記憶された前記複数の電動機夫々の特性の初期状態を示す初期特性値に基づいて前記算出された状態特性に関する値に対応する比較対象値を算出し、
前記比較対象値と前記状態特性値に関する値とを比較し、その比較結果に基づいて前記電動機夫々の劣化を判断し、
前記複数の電動機に共通する条件に基づいて前記比較対象値の算出または前記比較対象値と前記状態特性値に関する値との比較を行うことを特徴とする電動機制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−２１８７０（Ｐ２０１３−２１８７０Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４８６７（Ｐ２０１１−１５４８６７）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]