CN101651444A - 电动机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动机控制器，该电动机控制器设置为具有在电动机电源打开时防止轴掉落的功能。该电动机控制器包括：PI控制单元(1)，其控制电动机(4)的速度；制动器(8)，其根据制动信号防止轴掉落；以及存储单元(7)，其检测输入到该制动器(8)的制动信号，并根据检测到的制动信号的状态来存储由该PI控制单元(1)计算出的扭矩命令值(T^*)。当制动信号已经从关变为开时，该存储单元(7)存储该扭矩命令值(T^*)，而当制动信号已经从开变为关时，该存储单元(7)将存储的扭矩命令值(T^*)设定为PI控制单元(1)的积分分量。因此，能够防止在电力施加开始时轴掉落。

Description

电动机控制器

相关申请的引用

本申请要求于2008年8月12日递交的日本专利申请第2008-207980号的优先权，该申请通过引用全部并入到本申请中。

技术领域

本发明涉及一种电动机控制器，尤其涉及一种电动机控制器，其具有当电动机电源打开时防止轴掉落的功能。

背景技术

立式加工中心的Z轴或卧式加工中心的Y轴一般称为“重力轴”。当供应给用于驱动该重力轴的电动机的电源关闭时，该重力轴掉落。为了解决这一问题，例如设置机械制动器来防止重力轴的掉落。然而，为了防止重力轴的掉落，不仅需要设置例如机械制动器，而且需要控制电动机电力供应信号的开/关定时和制动信号的开/关定时。

图4示出了在启动和切断对驱动重力轴的电动机的电力供应时，制动信号的开/关定时和电动机电力供应信号的开/关定时。在图4的曲线图中，T41表示打开电力供应信号的定时，而T42表示当最初供电时电动机处于被夹紧状态时关闭制动信号的定时。此外，T43表示打开制动信号的定时，而T44表示当切断对电动机的电力供应时关闭电力供应信号的定时。从该曲线可以明显看出，当切断对电动机的电力供应时，首先输出打开重力轴的制动器的信号(T43)，且在制动器已激活电动机夹钳等之后，切断对电动机的电力供应(T44)，从而防止重力轴的掉落。

另一方面，当最初启动电动机时，首先接通对电动机的电力供应(T41)，然后输出关闭重力轴的制动器的信号(T42)，从而防止重力轴掉落。通常来说，因为激活制动器以使重力轴进入到夹紧状态需要一定量的时间，所以关闭电力供应信号的定时必须延迟一段等于T44-T43的时间长度。

而且，与用于驱动水平轴的电动机不同，用于驱动重力轴的电动机需要保持重力部件的扭矩。因此，当对电动机最初供电时，重力轴将掉落，直至电动机的输出扭矩等于或大于能够保持重力部件的最小扭矩(下文中称为保持扭矩)为止。相应地，有一种通过将保持扭矩分量加入到扭矩命令值中来补偿的方法。在此，图5是表示电动机控制器的一个实例的方框图，该电动机控制器采用了这种补偿保持扭矩分量的方法。根据由上部控制器(例如位置控制器)计算出的速度命令V*对电动机54进行驱动和控制，图中未示出上部控制器。下面说明该控制流程。

编码器55检测电动机54的转子的位置。转换单元56用编码器55检测到的位置的值计算速度反馈V。速度控制单元51执行算术运算，例如对速度反馈V和由上部控制器输入的速度命令V*的PI控制，并计算扭矩命令。运算单元将由保持扭矩补偿单元57输入的保持扭矩分量加入到扭矩命令以计算扭矩命令值T*。然后，电流控制单元52用扭矩命令值T*和供应给电动机54的电流的电流反馈I来计算反相驱动命令。基于反相驱动命令，电流在反相电路53中从直流变换为交流，且该电流被供应给电动机54以驱动和控制电动机54。

日本专利特许公开第2007-282435号(专利文件1)描述了一种通过扭矩命令值来控制电动机的控制器，当用于机械地保持电动机轴的制动器已经松开电动机轴时，将一个预置的扭矩补偿值加入到扭矩命令值中。使用这种控制器，当制动器从电动机轴松开时，扭矩补偿值可被加入到扭矩命令值中，以抑制工件不必要的下落和从设定位置突出的突出量。

在上述用于控制制动信号的开/关定时和电动机电力供应信号的开/关定时的传统方法中，当最初供电时，电动机的输出扭矩小于保持扭矩，因此重力轴开始掉落。当重力轴掉落时，电动机的输出扭矩发生改变。改变的量由图5中的速度控制单元51所指示的速度控制中使用的PI控制的算术运算中的积分分量所确定。因此，电动机的输出扭矩不会突然改变，而总是在一特定的时间常数改变。结果，到电动机的输出扭矩等于保持扭矩的时间时，重力轴已经掉落了相当大的量。然后突然产生扭矩以补偿该掉落的量，这不利地导致图6中所示的振荡扭矩。

而且，作为传统技术的补偿保持扭矩分量的方法是基于保持扭矩分量为常数的假设。首先，将该方法应用于标准重力轴是可以的。在此，图7示出了重力轴的构造的一个示例。在图7中，重力轴包括连接在重力方向上的滚珠丝杠73；可沿着滚珠丝杠73移动的主轴头74；用于驱动和控制主轴头74的电动机71；以及为防止掉落而设置的制动器72。当主轴头74垂直移动时，保持扭矩不会由于主轴头74的位置而改变。因此，通过补偿保持扭矩分量(常数值)的方法能够进行合适的补偿。

然而，在安装于机床的五轴加工机械的枢轴单元上的旋转台的旋转轴的情况下，保持扭矩会根据旋转轴的位置而变化。因此，在开始对电动机供电时对保持扭矩分量(其为常数值)进行补偿的传统方法中，补偿扭矩经常取决于旋转轴的位置而产生过补偿或欠补偿。在此，当补偿扭矩是欠补偿时，电动机输出扭矩的改变如图8所示。例如，在时间T81处，欠补偿的扭矩分量是ΔTo，导致轴掉落。另一方面，在过补偿的情况下，电动机输出扭矩大于保持扭矩，轴会上升片刻。也就是说，问题是：如果补偿扭矩设定的不合适，在对电动机开始施加电力时重力轴的动作是不稳定的。

而且，当工件安装在旋转台上时，保持扭矩的改变不仅取决于工件的位置而且取决于工件的重量、形状或安装位置。因此，在这种情形下还有一个问题：在最初对电动机供电时重力轴的动作不稳定。

发明内容

本发明提供一种电动机控制器，当对电动机供电时其能够稳定重力轴的动作并且防止重力轴掉落。

根据本发明，提供了一种电动机控制器，其驱动和控制电动机以驱动承受重力的轴，该电动机控制器包括PI控制单元，其控制电动机的速度；制动器，其根据制动信号防止轴掉落；及存储单元，其检测输入给制动器的制动信号，并根据已检测出的制动信号的状态来存储由PI控制单元计算出的扭矩命令值，其中，当制动信号已经从关变开时，该存储单元存储扭矩命令值，而当制动信号已经从开变为关时，该存储单元将存储的扭矩命令值设定为该PI控制单元的积分分量。

通过采用本发明的电动机控制器，在对电动机供电期间轴的动作是稳定的，甚至当保持扭矩取决于例如轴的位置而改变时，也可以防止在对电动机开始施加电力时轴的掉落。

附图说明

图1是表示根据本发明的具有防止轴掉落功能的电动机控制器中的控制部件的图；

图2是表示图1所示的电动机控制器中的PI控制单元周围的控制部件的图；

图3是表示采用根据本发明的电动机控制器的电动机在供电之前和之后的轴的位置和扭矩的动作的曲线图；

图4是表示当用于驱动重力轴的电动机的电源打开和之后切断时制动信号的开/关定时和电力供应信号的开/关定时的曲线图；

图5是表示采用补偿保持扭矩分量的传统方法的电动机控制器中的控制部件的方框图；

图6是表示在对电动机供电之前和之后重力轴的位置和扭矩动作之间的关系的实例的曲线图；

图7是表示重力轴的构造的一个实例的图；及

图8是表示当补偿保持扭矩分量时传统电动机控制器中的扭矩的动作的一个实例的曲线图。

具体实施方式

在下文中将参照附图对根据本发明的电动机控制器的实施例进行说明。图1是表示根据本发明的具有防止轴掉落功能的电动机控制器中的控制部件的图。在描述的用以说明本实施例的实例中，轴(未示出)机械地连接于电动机4上。

编码器5检测电动机4的转子的位置。转换单元6从编码器5检测到的位置的值计算速度反馈V。PI控制单元1执行算术运算，例如是对速度反馈V和从上部控制器(未示出)输入的速度命令V*的PI控制，并计算扭矩命令T*。电流控制单元2用扭矩命令值T*和供应给电动机4的电流的电流反馈I来计算反相驱动命令。基于反相驱动命令，电流在反相电路3中从直流变换为交流，且该电流被供应给电动机4以驱动和控制电动机4。

制动器8根据制动信号防止轴掉落。具体来说，当制动信号从关变为开时，制动器8夹住电动机4以防止轴掉落。另一方面，当制动信号从开变为关时，制动器8松开电动机4。正如在传统技术中所说明的，当切断对电动机4的电力施加时制动器8操作以夹住电动机4，而当开始电力供应时制动器8操作以松开电动机4。因此，输入到制动器8的制动信号的开/关定时和输入到电动机4的电力供应信号的开/关定时得以合理控制。

根据本发明的电动机控制器的特征在于具有存储单元7。存储单元7检测输入到制动器8的制动信号。而且，存储单元7将检测到的制动信号的状态输出给PI控制单元1。存储单元7还根据制动信号的状态存储由PI控制单元1计算出的扭矩命令值T*。具体来说，当输入给制动器8的制动信号从关变为开时，存储单元7存储由PI控制单元1计算出的扭矩命令值T*。而且，当输入给制动器8的制动信号从开到关时，存储单元7将所存储的扭矩命令值T*输出给PI控制单元1。

从图1可以看出，存储单元7执行包括PI控制单元1的相同的控制器上的处理。然而，存储单元7能够执行上部控制器上的处理。通常，上部控制器发出包括电力施加开始命令的命令。因此，上部控制器能够命令包括PI控制单元1的控制器将存储在存储单元7中的扭矩命令值T*输出给PI控制单元1。

下面的说明示出了：存储在存储单元7中的扭矩命令值T*等于与轴的保持扭矩分量相应的值。在该实例中，重力轴停止在有动力的状态中，下面说明该状态下的控制。因为重力轴处于有动力的状态，所以制动器8保持电动机4不被夹住。为了从这个状态激活制动器8，有必要将制动信号从关改变为开。当完成将制动信号从关改变为开时，电动机4的供电状态持续一段时间以防止重力轴掉落。也就是说，当制动信号已经从关变为开时，电动机4的供电状态仍在持续。因此，由于当制动信号从关变为开时存储单元7存储了扭矩命令值T*，该扭矩命令值T*等于与轴的保持扭矩部分相应的值。

接着，参照图2说明PI控制单元1。图2是表示根据本发明的具有防止轴掉落功能的电动机控制器中的PI控制单元1周围的控制部件的图。

PI控制单元具有比例分量运算单元21和积分分量运算单元22。比例分量运算单元21和积分分量运算单元22基于输入的速度误差ΔV执行算术运算，并将这些运算单元21、22计算出的值加起来以计算扭矩命令值T*。而当制动信号从关变为开时，存储单元23(与图1中所示的存储单元7一样)存储扭矩命令值T*，而当制动信号从开变为关时，存储单元23将所存储的扭矩命令值T*输出给积分分量运算单元22。然后，积分分量运算单元22将存储单元23输出的值用作电力施加开始时积分分量的初始值。应该注意到，尽管此处简单说明的处理的构造和内容与PI控制单元1有联系，但是还可执行例如对积分分量进行极限处理或减幅处理的PI控制。

接着，参照图3说明根据本发明的电动机控制器中，在开始施加电力时轴的位置和扭矩的动作。从图3所示的曲线图中显而易见，响应于开始施加电力的定时，能够输出与轴的保持扭矩相应的扭矩，因此轴的位置没有改变。也就是说，能够防止轴掉落。该曲线图示出了对电动机开始供电之前和之后的轴的特定位置和扭矩。在其他位置处，与保持扭矩分量相应的值也发生改变，但进行相似地动作而位置不会改变。

接着，当保持扭矩取决于轴的位置发生大的改变时，考虑对电动机控制的影响。在这种情况下，如果在供电之后轴移动了以及其位置改变了，则保持扭矩和存储的扭矩命令值之间出现差值。该差值由PI控制单元的输出来补偿，如果实质上没有速度误差的话，PI控制单元的输出为积分分量。该积分分量是保持轴所必须的，但是会影响电动机控制。也就是说，该积分分量对轴的位置是不适用的。然而，如果存储的扭矩命令值被设定为积分分量，则当轴的位置改变时积分分量也会改变。在这种情况下，积分分量具有在控制方面合适的值，提供了良好的响应特征，并能使电动机控制稳定。

Claims (1)

1.一种电动机控制器，其驱动和控制电动机以驱动承受重力的轴，所述电动机控制器包括：

PI控制单元，其控制所述电动机的速度；

制动器，其根据制动信号防止所述轴掉落；及

存储单元，其检测输入到所述制动器的所述制动信号，并基于检测到的制动信号的状态来存储由所述PI控制单元计算出的扭矩命令值，

其中，当所述制动信号已经从关变为开时，所述存储单元存储所述扭矩命令值，而当所述制动信号已经从开变为关时，所述存储单元将存储的扭矩命令值设定为PI控制单元的积分分量。

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