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Title:
AC MOTOR DRIVE SYSTEM AND METHOD FOR DETECTING FAILURE OF THE SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/087915
Kind Code:
A1
Abstract:
It is possible to easily detect a failure of each of AC motors electrically connected in parallel and driven by a single motor drive device. More specifically, by detecting a power cable disconnection or grounding, it is possible to protect the AC motor drive system. The AC motor drive system includes: an AC motor unit formed by a plurality of AC motors arranged into a module; and a motor drive device electrically connected in parallel to respective armature windings of the AC motors for driving the AC motor unit. The system further includes: at least one DC current detector in an arbitrary one of three phases; and a failure detection unit which connects in-phase cables of the two sets of AC motors with opposite current polarities of the in-phase cables of the two sets of the AC motors so that the magnetic field of the DC current detector is cancelled and the detection current of the current detector is zero, thereby judging whether the detection current is greater than a predetermined value.

Inventors:
MIHARA SHUICHI
Application Number:
PCT/JP2008/073600
Publication Date:
July 16, 2009
Filing Date:
December 25, 2008
Export Citation:
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Assignee:
YASKAWA DENKI SEISAKUSHO KK (JP)
MIHARA SHUICHI
International Classes:
H02P5/74
Foreign References:
JP2005176571A2005-06-30
JPH0654440A1994-02-25
JPS586096A1983-01-13
JP2000166294A2000-06-16
JP2004024877A2004-01-29
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Claims:
 モジュール化した複数の交流モータから構成される交流モータ部と、前記複数の交流モータの各電機子巻線と電気的に並列接続して1台で前記交流モータ部を駆動するモータ駆動装置とを備えた交流モータ駆動システムにおいて、
 3相のうちの任意の1相に少なくとも1つの直流電流検出器を備え、二組の交流モータの同相ケーブルを前記直流電流検出器の磁界が相殺されるように前記二組の交流モータの同相ケーブルの電流極性を逆方向にして電流検出器の検出電流が零となるように接続し、
 前記検出電流が予め設定した所定値よりも大きいか否かを判定する異常検出部を備えたことを特徴とする交流モータ駆動システム。
 前記直流電流検出器は保護回路を組めるように接点出力を備えたDCCTであることを特徴とする請求項1記載の交流モータ駆動システム。
 前記異常検出部を前記モータ駆動装置の筐体内に内蔵したことを特徴とする請求項1記載の交流モータ駆動システム。
 前記異常検出部の出力信号に基づいて前記交流モータシステムを非常停止する非常停止部を備えることを特徴とする請求項1記載の交流モータ駆動システム。
 異常検出部の異常判定出力信号又は接点出力回路からの出力信号である非常停止信号に基づき前記モータ駆動装置の主回路トランジスタのベースブロック又は前記モータ駆動装置の入力側か出力側に設けた電源遮断器により電源を遮断することを特徴とする請求項1記載の交流モータ駆動システム。
 前記交流モータは交流リニアモータであることを特徴とする請求項1記載の交流モータ駆動システム。
 前記交流モータ駆動システムを液晶露光ステージ駆動システム、レチクルステージ駆動システム、ウエハステージ駆動システムのいずれかに適用することを特徴とする請求項1記載の交流モータ駆動システム。
 モジュール化した複数の交流モータから構成される交流モータ部と、前記複数の交流モータの各電機子巻線と電気的に並列接続して1台で前記交流モータ部を駆動するモータ駆動装置とを備えた交流モータ駆動システムの異常検出方法において、
 3相のうちの任意の1相に少なくとも1つの直流電流検出器を備え、二組の交流モータの同相ケーブルを前記直流電流検出器の磁界が相殺されるように前記二組の交流モータの同相ケーブルの電流極性を逆方向にして電流検出器の検出電流が零となるように接続し、
 前記検出電流が予め設定した所定値よりも大きい場合に異常検出と判定することを特徴とする交流モータ駆動システムの異常検出方法。
Description:
交流モータ駆動システムとその 常検出方法

 本発明は、1台のサーボドライバで複数の リニアモータなどの交流モータを制御するシ ステムにおいてその交流モータの動力ケーブ ルの断線、地絡などの異常を検出するシステ ムとその異常検出方法に関する。

 1台のリニアモータ用コイルの正常運転中の 絶縁劣化診断をする技術に特公平7-28513があ (特許文献1)。
 また、特開2004-212201においては、モータ停 状態で動力ケーブルを経由してモータコイ に電流を流して地絡を検出しているものも る(特許文献2)。
 上記特許文献はいずれも、モータコイルの 絡を検出しているものであり、1台のサーボ ドライバで複数のリニアモータを制御するシ ステムにおいて動作中のモータ動力ケーブル が地絡せずに断線した場合に断線を検出する ことが出来ないため、断線しなかった正常な モータが故障してしまうことになる。

 可動子のストロークが異常に長いリニアモ- タを半導体製造装置に適用する場合に、イナ ーシャが小さくて高速動作に適し、制御性が 良く、小型化が可能なリニアモータを提供す る技術に本出願人による特開2003-244929(特許文 献3)がある。この技術は永久磁石を設けた可 子と、移動磁界を発生させるコイルを設け 固定子とより構成されるリニアモータであ 。固定子はその長手方向に向かって単位当 りの長さに分割された複数のモジュールを 結したもので構成される。モータの位置制 を行うためのサーボドライバ装置を介して 位コントローラから当該各々のモジュール 指令を送ることにより、この従来技術は可 子を連続して走行位置決めする。また、分 されたモジュールは、サーボドライバをも 体化したものである。つまり分割された複 のモジュールはリニアモータとそれを駆動 るサーボドライバ(モータ駆動装置)とで構 している。

特公平7-28513号公報(日本国)

特開2004-212201号公報(日本国)

特開2003-244929号公報(日本国)

 従来は、1台のサーボドライバで複数のリ ニアモータを制御するシステムにおいてモー タ動力ケーブルの断線を検出する方法が確立 されていなかった。そのため、複数のリニア モータの内1台でも動力ケーブルが断線、ま は、モータ故障により内部の巻線コイルが 線や、地絡した時に、正常なモータに過剰 電流が流れ込み、正常なモータまでも故障 ていた。

 特許文献1は、1台のリニアモータ用コイ の正常運転中の絶縁劣化診断技術である。 許文献2は、モータを実際に作動させない状 でモータ巻線の地絡を検出する技術である 特許文献1、2はいずれも地絡を検出する技 であり、1台のサーボドライバで複数のリニ モータを制御するシステムにおいて動作中 モータ動力ケーブルが地絡せずに断線した 合の断線を検出することができなかった。

 特許文献3はリニアモータを複数のモジュ ールにした点で本願発明のシステムと共通す る。特許文献3は各々のリニアモータのモジ ールを駆動する駆動装置であるサーボドラ バをリニアモータのモジュール毎に備えて る点で本願発明のシステム構成と相違する 本願発明システム構成は、モジュール化し 複数のリニアモータを備えるが、それらを 動制御する駆動装置は1台のみである。この め駆動装置自身では電気的に並列接続した 数のリニアモータの内のいずれかひとつの 線が断線、地絡などの異常を起こした場合 リニアモータを的確に過電流から保護がで なかった。

 本発明はこのような問題点に鑑みてなさ たものであり、複数の交流モータを1台のモ ータ駆動装置で駆動する場合、電気的に並列 接続した各交流モータの動力ケーブルが断線 や、地絡した場合に簡単にそれらの異常を検 出し、保護できる交流モータ駆動システムと その異常検出方法を提供することを目的とす る。

 上記問題点を解決するため本発明は、モジ ール化した複数の交流モータから構成され 交流モータ部と、前記複数の交流モータの 電機子巻線と電気的に並列接続して1台で前 記交流モータ部を駆動するモータ駆動装置と を備えた交流モータ駆動システムにおいて、
 3相のうちの任意の1相に少なくとも1つの直 電流検出器を備え、二組の交流モータの同 ケーブルを前記直流電流検出器の磁界が相 されるように前記二組の交流モータの同相 ーブルの電流極性を逆方向にして電流検出 の検出電流が零となるように接続し、前記 出電流が予め設定した所定値よりも大きい 否かを判定する異常検出部を備えたことを 徴とするものである。

 また請求項1において前記直流電流検出器は 保護回路を組めるように接点出力を備えたDCC Tであることを特徴とするものである。
 また請求項1において前記異常検出部を前記 モータ駆動装置の筐体内に内蔵したことを特 徴とするものである。
 また請求項1において前記異常検出部の出力 信号に基づいて前記交流モータシステムを非 常停止する非常停止部を備えることを特徴と するものである。
 また請求項1において異常検出部の異常判定 出力信号又は接点出力回路からの出力信号で ある非常停止信号に基づき前記モータ駆動装 置の主回路トランジスタのベースブロック又 は前記モータ駆動装置の入力側か出力側に設 けた電源遮断器により電源を遮断することを 特徴とするものである。
 また請求項1において前記交流モータは交流 リニアモータであることを特徴とするもので ある。
 また請求項1において前記交流モータ駆動シ ステムを液晶露光ステージ駆動システム、レ チクルステージ駆動システム、ウエハステー ジ駆動システムのいずれかに適用することを 特徴とするものである。

 また、モジュール化した複数の交流モー から構成される交流モータ部と、前記複数 交流モータの各電機子巻線と電気的に並列 続して1台で前記交流モータ部を駆動するモ ータ駆動装置とを備えた交流モータ駆動シス テムの異常検出方法において、3相のうちの 意の1相に少なくとも1つの直流電流検出器を 備え、二組の交流モータの同相ケーブルを前 記直流電流検出器の磁界が相殺されるように 前記二組の交流モータの同相ケーブルの電流 極性を逆方向にして電流検出器の検出電流が 零となるように接続し、前記検出電流が予め 設定した所定値よりも大きい場合に異常検出 と判定することを特徴とするものである。

 本発明によれば、複数の交流モータ(リニア モータ)を1台のモータ駆動装置(サーボドライ バ)で駆動する場合、電気的に並列接続した 交流モータ(リニアモータ)の動力ケーブルが 断線や、地絡した場合に簡単にそれらの異常 を検出し、各交流モータ(リニアモータ)を保 することができる。
 また本発明は交流モータを実運転する前に の動力ケーブルの断線や、地絡の異常を検 できる特徴がある。したがって、超高精度 置決めを求められる液晶露光ステージ駆動 ステム、レチクルステージ駆動系及びウエ ステージ駆動系の各リニアモータシステム 適用することができる。
 また本発明は連結する交流モータのモジュ ル数が2台、3台の場合に用いる異常検出用 DCCTの数を各々1台、2台と少なくすることが きる。
 また本発明は単に電流値を測定して保護す のではなく、電流のアンバランスを検知す ので電流検出器の電流定格容量を小さくで システムの誤作動を防止することができる

本発明の方法を適用する多連結リニア ータシステムの構成を示す図 本発明の方法を適用するリニアモータ 2台の場合の検出回路構成を示す図 本発明の方法を適用するリニアモータ 3台の場合の検出回路構成を示す図 本発明の方法を適用する検出回路のブ ック図 リニアモータが2台の場合の本発明の検 出回路構成を示す図である。 リニアモータが3台の場合の本発明の検 出回路構成を示す図である。

符号の説明

1 サーボドライバ(モータ駆動装置)
2 リニアモータ1(交流モータ)
3 リニアモータ2(交流モータ)
4 リニアモータ3(交流モータ)
5 マグネット
6 モータ動力ケーブル
7、7a、7b、7c、7d 電流検出器(DCCT)
8 異常検出回路
9 接点出力回路
10 非常停止回路
11 リニアスケール
12 ポールセンサ
13 シリアルコンバータ

 以下、本発明の方法の具体的実施例につ て、図に基づいて説明する。

 図1は、本発明の多連結リニアモータシステ ムの構成を示す図である。図において1はリ アサーボモータを駆動するためのモータ駆 装置であるサーボドライバである。2、3は各 々サーボドライバで駆動される交流モータで あるリニアモータ1(2)、同じくリニアモータ2( 3)である。5はリニアモータ用のマグネット、 6はリニアモータ動力ケーブルである。11は移 動子の位置を検出する位置センサであるリニ アスケール、12は移動子の磁極位置を検出す ポールセンサ、13はリニアスケールとホー センサからの信号をシリアルデータに変換 てサーボドライバ1へ出力するシリアルコン ータである。
 リニアモータ部はモジュール化した複数の ニアモータ1、リニアモータ2、・・・から 成される。サーボドライバ1は、複数のリニ モータ1、リニアモータ2、・・・の電機子 線と電気的に並列接続され、これら電機子 線へ電圧を印加し、リニアモータを駆動す 。リニアモータ用マグネット5は複数のリニ モータ1、リニアモータ2、・・・の各マグ ット部分(界磁極)をリニアモータの移動方向 と一直線上になるように連結し配置する(以 タンデムタイプという)。このように所定の 格トルク、定格電力を備えたモジュールを 結配置することで定格トルク、定格電力の きなリニアモータを構成する。図1ではリニ アモータ1、リニアモータ2・・・をリニアモ タの移動方向と沿うように一直線上に配置 ているが、ガントリータイプのように駆動 を異なる2軸を門形に連結(リニアモータの 動方向に対して平行にリニアモータ1、リニ モータ2を配置する)して駆動しても良い。 常はリニアモータの電機子巻線を固定子側 し、界磁用のマグネット5を移動子側とする リニアモータは移動範囲が限定されている め、通常とは逆にリニアモータの電機子巻 を移動子側とし、界磁用のマグネット5を固 定子側とすることもできる。

 図1に示す複数の小定格容量のリニアモー タのモジュール移動子を電気的に並列に接続 し(多連結リニアモータ移動子という)、給電 ることで容量の大きなモータ制御装置シス ムを構築できる。この多連結リニアモータ 動子の特徴は大きな容量までリニアモータ ラインナップを持たずに簡単に大容量リニ モータ駆動システム(例:射出成型、液晶露 ステージ、半導体露光装置)を構築できる点 ある。

 図2はリニアモータ2台がタンデムタイプ はガントリータイプで連結している例であ 。図2では2台のリニアモータの動力線がサー ボドライバ1から電気的に互いに並列に接続 れている様子を示している。7は電流検出器 ある。この電流検出器としては直流から数 キロ(Hz)までの高周波を測定できる直流電流 検出器(Direct Current Current Transformer以下DCCTと いう)を用いる。DCCTは測定する電線をトロイ ルコア(Troidal Core)中に通し、その電線が作 磁界の強さを検出して電流を測定するもの ある。ここでトロイダルコアとは磁性体の をドーナツ状に固めて、焼いて固めたもの す。このため電流を電気的に非接触で検出 きる特徴がある。サーボドライバ1の三相出 力(U、V、W)が各々リニアモータ1、リニアモー タ2の三相入力(U1、V1、W1)、(U2、V2、W2)へ各々 続される。その際3相のうちの任意の1相、 えばU相にDCCTを設置する。この場合DCCTの磁 が相殺されるようにU1とU2相の電流極性を逆 向にしてDCCTの検出電流が零となるようにす る。DCCT中の二つの矢印はU1とU2相の電流極性 逆方向であることを示している。

 交流モータであるリニアモータ1(2)と、リ ニアモータ2(3)の動力ケーブルの同相を互い いの向きに7のDCCTに通す事で、正常時は検出 電流がゼロとなっているが、ケーブル断線時 には片側ケーブルにだけ電流が流れる為7のDC CTで電流が検出される。電流が検出されたこ でケーブル断線または、地絡と判断し、図4 の断線検出ブロック図によって多連結リニア モータシステムのサーボドライバへの駆動電 源を遮断する非常停止回路を操作することで 正常なモータに過剰な電流が流れてモータが 故障してしまうことを保護することが可能と なる。

 ここで使用しているDCCT(7)は、直流成分の 検出が可能なものを選定する必要がある。リ ニアモータがネジのかみこみ等、何らかの外 部要因で動けなくなった時には、モータへは 直流成分の電流が流れつづける為、このよう なケースに於いても正常に検出回路を動作さ せる為には、DCCT(7)は、直流成分の検出が可 なものを選定する必要がある。また、リニ サーボモータへの適用のため、DCCT(7)は、検 電流が高周波数であっても破損しない物で る必要がある。

 図3は、リニアモータが3台の場合の構成例 ある。図3が図2と異なる部分は、4のリニア ータ3とV相に電流検出器(7b)を追加した部分 ある。2のリニアモータ1と、3のリニアモー 2をDCCT(7a)に通し、3のリニアモータ2と4のリ アモータ3をDCCT(7b)に通す事で、リニアモー が何台つながっても同じ考えで検出回路を 成することが出来る。DCCT(7b)への電線の取付 け方は上述の図2のDCCT(7)と同様にDCCT(7b)の磁 が相殺されるようにV1とV2相の電流極性を逆 向にしてDCCT(7b)の検出電流が零となるよう する。
 DCCTに通している動力ケーブルが2本とも同 に断線した場合には、サーボドライバ1から 力される1相が断線したことと等価になるた め、サーボドライバ1の方で図4に示す異常検 回路(8)が動作する。
 また、ACリニアモータの3相電源の内、1相だ けの電流を比較しておけば、電流検出器を設 けていない他の相が断線した場合でも、アン バランス電流が電流検出器を設けた相へ流れ るため上述した場合と同様に異常(断線、地 )を検出できる。

 図4は、本発明の異常検出回路の構成図で ある。図において、8は異常検出回路、9は接 出力回路、10は非常停止回路である。異常 出回路8は電流検出器7の出力信号を入力しそ の入力信号が事前に設定した所定値より大き い場合は異常と判定する。この所定値I0は理 的にはI0>0(A)を満たす場合であるが、実際 的には各移動子(可動子)への動力ケーブル配 長の違いや、その他の誤差分により、僅か アンバランス電流が生じる。この点を考慮 入れ所定値I0は(各移動子1個当たりの定格電 流/2)以下とし、正常時に誤動作しない範囲で できる限り小さな値に設定する。電流検出器 7は高速応答のものを用いる。各リニアモー の電機子巻線を過電流から保護するために DCCTはDCCTに保護回路を組めるように接点出力 を備えたDCCTを用いる。この場合DCCTの定格電 値内で、接点の動作電流範囲を設定できる のを選定する。

 接点出力回路(9)は異常検出回路(8)からの 常判定に基づいて非常停止回路(10)に非常停 止信号を与え、速やかにシステムを保護する 。非常停止方法としては異常検出回路(8)の異 常判定出力信号又は接点出力回路(9)の非常停 止信号に基づきサーボドライバ1の主回路ト ンジスタをベースブロック、あるいはサー ドライバ(1)の入力側か出力側に設けた電源 断器により電源を遮断する。また異常検出 路(8)である異常検出部をモータ駆動装置(サ ボドライバ)の筐体内に内蔵してもよい。所 定値I0はモータ駆動装置であるサーボドライ (1)の図示しない制御部の不揮発メモリまた サーボドライバ1の上位制御装置の不揮発メ モリへ記憶する。異常検出回路(8)は電流検出 器7のアナログ信号と所定値I0を使用してオペ アンプで両者を比較するハードウェア(アナ グ回路)で構成することができる。あるいは 信号をA/D変換してサーボドライバ1または上 位制御装置のCPUで比較処理することもできる 。

 図5は、リニアモータが2台の場合の本発 の検出回路構成(基本形)を示す図である。図 5が図2と異なる部分はDCCTを2台使用する点で る。DCCTを1台用いる図2はDCCT自身の異常に対 る保護ができない。これに対し、2相に各々 DCCTを用いる図5はDCCT自身の異常保護ができ、 図2よりもシステムの信頼性をより高めるこ ができる。

 図6は、リニアモータが3台の場合の本発 の検出回路構成を示す図である。リニアモ タが3台の場合の本発明の検出回路構成(基本 形)を示す図である。図6が図3と異なる部分は DCCTを4台使用する点である。DCCTを2台用いる 3はDCCT自身の異常に対する保護ができない。 これに対し、2相に各々DCCTを2台(合計DCCT4台使 用)用いる図6はDCCT自身の異常保護ができ、図 3よりもシステムの信頼性をより高めること できる。

 半導体デバイスの製造工程においては、 チクル上に形成された所定の回路パターン ウエハに露光転写するリソグラフィ工程が まれる。この露光転写には露光装置が使用 れる。露光装置においては、レチクルとウ ハをそれぞれレチクルステージ、ウエハス ージに固定し、これらレチクルステージ、 エハステージをリニアモータにより同期し 駆動しながら、露光転写を行うことが行わ ている。本発明は特に数十ナノミクロンオ ダーの超高精度位置決めを求められるレチ ルステージ駆動系及びウエハステージ駆動 や液晶露光ステージ駆動系の各リニアモー システムに適用することができる。