CN104901607B - 具有放热特性推定部的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有放热特性推定部的数值控制装置。使用在数值控制装置的结构要素中流过的电流、温度、周围温度推定各结构要素的放热特性，在数值上掌握放热特性的变化来发现异常征兆，在具备具有冷却用风扇电动机的电动机部和对电动机部进行驱动的数值控制装置的电动机驱动装置中，通过取得来自温度检测器的电动机部的结构要素的温度和周围温度、向结构要素输入的输入能量和来自结构要素的输出能量，根据结构要素的温度、周围温度、输入/输出能量的数据来推定结构要素的放热特性，将结构要素的放热特性的推定值与正常值进行比较，在放热特性低于正常值时，判定为冷却用风扇电动机异常，防止电动机部的结构要素的过热导致的故障。

Description

具有放热特性推定部的数值控制装置

技术领域

本发明涉及具有放热特性推定部的数值控制装置。特别地，本发明涉及在具有冷却装置，使用数值控制装置来驱动至少一个电动机的电动机驱动装置中，具备能够发现构成电动机驱动装置的电动机部的结构要素的冷却装置的异常的发热特性推定部的数值控制装置。

背景技术

在机床系统中，针对机床的每个驱动轴具有电动机，通过电动机驱动装置来驱动这些电动机。电动机驱动装置具备电动机部、对电动机部进行控制的数值控制装置。通过数值控制装置以数值对电动机部中的电动机进行控制。此外，电动机的动作由电动机驱动装置的数值控制装置进行监视。并且，在电动机驱动装置的电动机部中设置有用于使电动机进行动作的输入电源、变换器、逆变器。

另一方面，在通过变换器、逆变器来控制电动机的电动机驱动装置的电动机部中，由于变换器、逆变器的发热和电动机的发热，导致构成电动机部的变换器、逆变器、电动机的温度上升。并且，当变换器、逆变器、电动机的温度上升时，这些结构要素发生热损伤，电动机装置不能正常动作。因此，在变换器、逆变器、电动机中设置有用于防止温度上升的冷却装置。冷却装置一般是使用冷却风扇的空冷式冷却装置。在空冷式冷却装置中，利用风扇电动机来驱动冷却用风扇，利用产生的冷却风来进行变换器、逆变器、电动机内的冷却。并且，在这样的空冷式冷却装置中，以预防性维护为目的，使用风扇电动机中安装的速度传感器来监视风扇的旋转降低、旋转停止状态，防止了变换器、逆变器、电动机内的温度上升。

然而，在这样的防止温度上升的方法中，另外需要用于检测风扇电动机的旋转速度的速度传感器，并且，无法检测由于风扇电动机的旋转速度降低以外的原因引起的冷却效率降低从而导致变换器、逆变器、电动机内的温度上升。另一方面，日本特开2008-54440号公报中公开了在使用电动机的控制装置中防止电动机过热的过热保护装置。日本特开2008-54440号公报中记载的装置是电子式动力转向装置中的过热保护装置，根据基于多个部件(电动机、控制器)的热容量的差异的发热特性和放热特性来推定温度从而限制电动机中流过的电流，保护电动机和电动机周边装置防止其过热。此外，日本专利第3902710号公报中公开了在相同的数值控制装置的领域中，在电动机的发热量超过了容许的发热量的情况下，通过加减速时间常数的增大或进给速度的降低，将机床的进给轴电动机的过热防患于未然来谋求设备保护的技术。

然而，日本特开2008-54440号公报中公开的电动机控制装置，存在如下的课题，根据基于电动机电流的发热量与放热量的差来推定电动机的温度与电动机控制器的温度，由于没有温度检测器，因此无法高精度地估计放热量。此外，在日本专利第3902710号公报公开的数值控制装置中，在根据流向驱动单元的电流或基于转矩指令数据的动作而求出的总发热量，高于根据流向驱动单元的电流或转矩指令数据运算驱动单元的温度而决定的容许发热量时，抑制驱动单元的动作。然而，在日本专利第3902710号公报公开的数值控制机床中有如下课题，由于没有检测器，因此无法高精度地估计驱动单元的温度(放热特性)。

发明内容

一方面，本发明的目的在于提供一种数值控制装置，其在具备作为控制部的数值控制装置，驱动电动机部的电动机驱动装置中，能够根据基于电动机部中的结构要素中流过的电流、温度和周围温度而推定出的结构要素的放热特性变化，发现结构要素的冷却装置的异常。

根据本发明的一种方式，提供一种数值控制装置，其在驱动至少一个电动机的电动机驱动装置所具备数值控制装置中，具备：温度取得部，其从电动机驱动装置中设置的温度检测器取得电动机驱动装置的结构要素的温度；周围温度取得部，其从电动机驱动装置中设置的温度检测器取得电动机驱动装置的周围温度；输入能量取得部，其取得向结构要素的输入能量；输出能量取得部，其取得来自结构要素的输出能量；放热特性推定部，其根据结构要素的温度、周围温度、输入能量以及输出能量，推定结构要素的放热特性；放热特性输出部，其将推定出的结构要素的放热特性作为冷却装置的正常/异常判定信号进行输出。

根据本发明的一方式的数值控制装置，在具有数值控制装置的电动机驱动装置中，基于根据电动机驱动装置的电动机部中的结构要素的动作环境而推定出的结构要素的放热特性的变化，能够发现结构要素的冷却装置的异常，防止结构要素的性能降低、故障。

附图说明

通过参照以下附图，可以更明确地理解本发明。

图1是具备本发明第1实施例的数值控制装置的电动机驱动装置的框图。

图2是表示图1所示的数值控制装置的放热推定部的动作的一例的流程图。

图3是以电动机为例来说明图1所示的数值控制装置的放热特性推定部的放热特性的推定方法的输入输出关系图。

图4是具备本发明第2实施例的数值控制装置的电动机驱动装置的框图。

图5是表示图4所示的放热特性比较部和放热能力判定部的动作的一例的流程图。

图6是表示图4所示的放热特性显示部的显示画面中的风扇电动机的故障的显示例的图。

具体实施方式

参照以下附图，说明具备放热特性推定部的数值控制装置。然而，不希望理解为本发明被限定于附图或以下说明的实施方式。在附图中，对同一结构要素赋予同一符号。

图1表示具备本发明第1实施例的数值控制装置2的电动机驱动装置10的结构。电动机驱动装置10中具备电动机部1、对电动机部1进行控制的控制部即数值控制装置2。在图1所示的第1实施例的电动机部1中示出了2个电动机M1、M2。电动机M1、M2例如是伺服电动机、主轴电动机。

电动机部1中具有与3相交流电源连接的输入电源12，将3相交流输入到与输入电源12连接的变换器13而变换为直流。将变换器13的输出分别输入到驱动2个电动机M1、M2的逆变器14、15，变换为希望的交流来驱动控制2个电动机M1、M2。

电动机部1的各结构要素(电动机M1、M2，逆变器14、15以及变换器13)，在其动作中发热，内部温度上升。当各结构要素的内部温度过度上升时，这些结构要素发生热损伤，容易发生故障，因此，各结构要素的内部需要通过空冷型或液冷型冷却装置进行冷却以使温度不会过度上升。其理由是，当电动机超过预定温度时容易退磁，并且对构成电动机的每个部件设定了耐久温度，因此当包含电动机的各结构要素的内部超过预定温度时可能会发生故障。

特别地，放热的表面积小、线圈电阻值大、电流流动多的电动机，由于发热量大因此不会通过外部气体而自然冷却，需要通过使用风扇的强制空冷或使用液体的液冷主动地排出热量。逆变器、变换器的情况也是同样的，由于在逆变器、变换器的电路元件中流过电流时发热，因此逆变器、变换器也需要根据发热量而通过强制空冷或液冷来主动地排出热量。

在空冷型冷却装置中根据各结构要素的发热条件存在附带风扇的类型和不附带风扇的类型。在图1所示的实施例中，作为空冷型冷却装置设置有冷却用风扇电动机11。冷却用风扇电动机11通过来自输入电源12的电流而被驱动。另一方面，在液冷型冷却装置中，虽省略了图示，但具有水冷型和油冷型的冷却装置，由于能够直接冷却各结构要素，因此相比于空冷，冷却能力高，但设置成本高。

本发明以预防性维护(过热保护)为目的，提供一种能够事先预防由于电动机部1的各结构要素(电动机、逆变器、变换器)的过热而导致的故障的数值控制装置。即，在各结构要素的冷却装置是空冷型的情况下，防止由于冷却用风扇电动机的风扇速度降低导致的放热特性的降低，在液冷型的情况下，防止由于冷媒的循环停滞导致的放热特性的降低，作为数值而事先进行掌握，防止由于各结构要素的过热导致的故障。

这里，以图1所示的实施例的电动机部1中设置的冷却用风扇电动机11的风扇的速度降低为例，说明了将冷却装置的放热特性的降低作为数值而事先掌握，防止由于电动机部1的过热导致的故障的情况。在图1所示的实施例中，在对电动机部1进行控制的数值控制装置2中设置有温度取得部21、周围温度取得部22、输入能量取得部23、输出能量取得部24、放热特性推定部25、以及放热特性输出部26。此外，电动机驱动装置10中设置有检测各结构要素的温度的第一温度检测器3和检测电动机部1的周围温度的第二温度检测器4。

这里，将图2并用到图1中，按照动作顺序说明温度取得部21、周围温度取得部22、输入能量取得部23、输出能量取得部24、放热特性推定部25、以及放热特性输出部26的动作。温度取得部21从电动机驱动装置10中设置的第一温度检测器3取得电动机部1的结构要素(电动机M1、M2，逆变器14、15，以及变换器13)的温度(步骤201)。此外，周围温度取得部22从电动机驱动装置10中设置的第二温度检测器4取得电动机部1的周围温度(步骤202)。

输入能量取得部23取得输入到上述结构要素的能量(步骤203)。输入到变换器13的能量是从输入电源12输出并输入到变换器13的能量。因此，通过3条信号线向输入能量取得部23引入输入电源12的输出。输入到逆变器14、15的能量是从变换器13输出并输入到逆变器14、15的能量。因此，通过设置在逆变器14、15跟前或内部的未图示的信号线向输入能量取得部23引入变换器13的输出。输入到电动机M1、M2的能量是从逆变器14、15输出并输入到电动机M1、M2的能量。因此，通过设置在电动机M1、M2跟前的未图示的信号线向输入能量取得部23引入逆变器14、15的输出。

另一方面，输出能量取得部24取得从各结构要素输出的能量(步骤204)。关于从变换器13输出的能量，当除去在变换器13中的热损失时，被认为是输入到逆变器14、15的能量，因此向输出能量取得部24输入被输入到逆变器14、15的电力值。关于从逆变器14、15输出的能量，当除去在逆变器14、15中的热损失时，被认为是输入到电动机M1、M2的能量，因此向输出能量取得部24输入被输入到电动机M1、M2的电力值。

放热特性推定部根据从温度取得部21、周围温度取得部22、输入能量取得部23、输出能量取得部24输入的各结构要素的温度、周围温度、输入能量以及输出能量，来推定结构要素的放热特性(步骤205)。并且，对于放热特性推定部25中推定出的结构要素的放热特性，由放热特性输出部26作为冷却装置的正常/异常判定信号进行输出。

接着，以电动机M为例来说明图1所示的放热特性推定部25推定放热特性(放热系数K)的方法。如图3所示，在将输入到电动机M的输入能量设为E_in(t)时，设从电动机M输出的输出能量(旋转能量)为E_out(t)。于是，此时电动机M内部的损失能量E_loss(t)由式(1)表示。此外，以下所示式1～式11中所示的角标，在本说明书中以字母的半角文字或半角数字表示。

E_loss(t)＝E_in(t)-E_out(t) (式1)

另一方面，对于输入到电动机M的输入能量E_in(t)，如式2所示，根据对电动机M施加的输入电压V_in(t)和向电动机M供给的输入电流I_in(t)的乘积来计算。此外，对于从电动机M输出的输出能量E_out(t)，如式3所示，由每单位时间的旋转能量或功来表示，在变换器、逆变器等的情况下，如式3’所示，以输出电压V_out(t)与输出电流I_out(t)的乘积来表示。式3中的J是惯量，ω(t)是角速度，Trq(t)是转矩。

E_in(t)＝I_in(t)·V_in(t) (式2)

E'_out(t)＝I_out(t)·V_out(t) (式3’)

(J：惯量，ω(t)：角速度，Trq(t)：转矩)

损失能量E_loss(t)的一部分，对应于电动机温度T_M(t)和周围温度T₀(t)的差而释放到外部，剩余的能量作为热能蓄积在电动机M的内部。释放到外部的放热量E_r(t)由式4表示，一般地，通过将电动机温度T_M(t)与周围温度T₀(t)的差乘以放热系数K来计算。

E_r(t)＝K(T_M(t)-T₀(t)) (式4)

因此，电动机M的内部的热能E_h1(t)，如式5所示，能够通过从损失能量E_loss(t)中减去放热量E_r(t)来计算。

E_h1(t)＝E_loss(t)-E_r(t) (式5)

另一方面，时间从t0变化到t时的电动机M内部的热能E_h2(t)的累计值，如式6所示，通过将电动机M的温度的差分(T_M(t)－T_M(t0))乘以热容量C_M来计算。

并且，将式6进行微分，如式7所示，能够计算每单位时间的电动机M内部的热能E_h2(t)。

热能E_h1(t)是根据电动机M的内部能量的输入输出关系计算出的热能，热能E_h2(t)是根据电动机M的内部的温度势能计算出的热能。因此，考虑到热能E_h1(t)和E_h2(t)基本相等，因此，式8的关系式成立。

从E_h1(t)＝E_h2(t)、E_h1(t)＝E_loss(t)-E_r(t)、(式1)、(式4)，得到

因此，对于放热特性(放热系数K)，如式9所示，能够通过将式8对放热系数K求解来计算出。

因此，在本发明中，能够根据在输入能量取得部23中取得的每单位时间△t的输入能量E_in(△t·n)、在输出能量取得部24中取得的每单位时间△t的输出能量E_in(△t·n)、在温度取得部21中取得的电动机温度T_M(t)、通过周围温度取得部22检测出的周围温度T0(t)，计算成为监视对象的结构要素的放热系数K。放热系数K表示包含冷却用风扇电动机11的冷却装置的各结构要素的冷却能力，当由于冷却用风扇电动机11的故障导致冷却能力下降时放热系数K的值变小。另一方面，当冷却用风扇电动机11正常动作时，放热系数K的值基本上表示恒定值，因此，是在确认各结构要素的放热特性方面有效的指标。

这里，针对每单位时间△t计算了放热系数K，然而也能够以稍长的时间单位(长时间跨度)计算放热系数K，此外计算针对每单位时间△t计算出的放热系数K的平均值K_avg，来观察各结构要素的冷却能力。

这里，说明使用电阻值的损失能量的计算。对于向电动机M供给的每单位时间△t的能量E_in，通过将输入电压V和输入电流I相乘来计算。E_in的一部分被变换为电动机的旋转能量(输出能量)E_out，剩余的能量作为损失量E_loss而在电动机M内部消耗。损失量E_loss主要是在电动机M的线圈电阻R中每单位时间△t的消耗量，由式10表示，作为热能而被消耗。因此，能够将线圈电阻R消耗的能量作为损失能量E_loss用于放热系数K的计算。

此外，当通过在电动机M中流过电流来供给电能E1时，损失能量E_loss由电流I的函数E_loss(I(t))表示。因此，在设电流的平方值与发热的关系为比例关系的情况下，如式11所示，能够通过将各结构要素中的每个结构要素的发热系数H乘以电流I(t)²，来计算损失能量E_loss(I(t))。

E_loss＝R×I(t)² (式10)

E_loss＝H×I(t)² (式11)

接着，说明具备本发明第2实施例的数值控制装置2A的电动机驱动装置20，该数值控制装置2A在电动机部1的结构要素的放热特性下降时进行警报输出。图4表示本发明第2实施例的电动机驱动装置20，电动机部1的结构与图1中说明的第1实施例的电动机驱动装置10的电动机部1的结构相同。另一方面，第2实施例的数值控制装置2A与第1实施例的数值控制装置2同样地，具备：温度取得部21、周围温度取得部22、输入能量取得部23、输出能量取得部24、放热特性推定部25以及放热特性输出部26。这些的结构和动作与第1实施例的相同，因此对相同结构部件赋予相同符号，并省略其说明。

在第2实施例的数值控制装置2A中，在第1实施例的数值控制装置2的放热特性输出部26的后段，设置有正常值存储部31、放热特性比较部32、放热能力判定部33和放热特性显示部34。正常值存储部31将电动机部1的结构要素的冷却装置正常动作时的各结构要素的放热特性Kn与电动机部1的周围温度对应地存储。在正常值存储部31中，可以存储与预先设定的电动机部1的周围温度对应的放热特性K的上限值Km来代替电动机部1的结构要素的冷却装置正常动作时的各结构要素的放热特性的正常值Kn。放热特性比较部32与放热特性输出部26和正常值存储部31连接，且将放热特性比较部32的输出输入到放热能力判定部33。

图5是表示图4所示的放热特性比较部32和放热能力判定部33的动作的一例的流程图。向放热特性比较部32输入来自放热特性输出部26的放热特性K(推定值)和推定时间点的周围温度的数据，并且，输入来自正常值存储部31的与该周围温度的数据对应的放热特性的正常值Kn。放热特性比较部32将来自放热特性输出部26的放热特性K与来自正常值存储部31的放热特性的正常值Kn进行比较，并将比较结果输入到放热能力判定部33(步骤501)。

放热能力判定部33在来自放热特性输出部26的放热特性K为来自正常值存储部31的放热特性的正常值Kn以上的情况下(否)，不做任何动作而结束处理(步骤502)。另一方面，放热能力判定部33在来自放热特性输出部26的放热特性K小于来自正常值存储部31的放热特性的正常值Kn的情况下(是)，设冷却用风扇电动机11中存在异常而发生警报(步骤503)。在步骤502中，K<Kn的情况是冷却用风扇电动机11的冷却效率下降的情况。在正常值存储部31中存储的数据为电动机部1的结构要素的冷却装置正常动作时的上限值Km的情况下，当在步骤502中K<Km时，放热能力判定部33在步骤503中发生警报。

此外，在第2实施例的数值控制装置2A中设置有具有显示画面的放热特性显示部34，因此能够使用放热特性显示部34将从放热特性输出部26输出的放热特性K显示在画面中。图6表示了放热特性显示部34中显示的放热特性(放热系数)K的推移的一例。这样，通过设置放热特性显示部34，能够进行放热特性的监视(监控)。

通过监视放热特性(放热系数)K，能够事先预测由于冷却用风扇电动机11的故障等导致的放热量E_r(t)降低(冷却效率降低)。由此，能够将冷却用风扇电动机11的故障导致的结构要素的温度过度上升防患于未然。在图6所示的画面的显示例中，根据每月计算出的放热系数K的特性，可知直到2013年7月正常发挥功能的冷却用风扇电动机11在8月发生了故障。并且，能够确认在10月进行了修理，冷却用风扇电动机11的冷却能力恢复正常。这样，通过在每个预定期间监视放热特性K，能够早期发现冷却用风扇电动机11的故障，防止电动机部1的结构要素的过热导致的故障，因此不至于产生大的损害。

以上，关于电动机驱动装置的电动机部中的结构要素的冷却装置具备冷却用风扇电动机的空冷型的情况，对本发明进行了说明。然而，在冷却装置为液冷型的情况下，通过推定由于冷媒的循环停滞导致的放热特性的降低，能够防止由于电动机驱动装置的电动机部的结构要素的过热导致的故障。

以上，与优选实施方式相关联地说明了本发明，但是本领域技术人员能够理解，在不脱离权利要求范围的公开范围的情况下可以进行各种修正和变更。

Claims (6)

1.一种数值控制装置，其是电动机驱动装置具备的数值控制装置，该电动机驱动装置具备冷却功能，驱动至少一个电动机，

所述数值控制装置的特征在于，具备：

温度取得部，其从在所述电动机驱动装置中设置的第一温度检测器取得位于所述电动机驱动装置的电动机部中的结构要素的温度；

周围温度取得部，其从所述电动机驱动装置中设置的第二温度检测器取得所述电动机驱动装置的电动机部的周围温度；

输入能量取得部，其取得向所述结构要素的输入能量；

输出能量取得部，其取得来自所述结构要素的输出能量；

放热特性推定部，其根据所述结构要素的温度、所述周围温度、所述输入能量以及所述输出能量，推定所述结构要素的放热特性；

放热特性输出部，其将推定出的所述结构要素的放热特性作为所述冷却功能的正常/异常判定信号进行输出，

所述放热特性推定部通过从所述输入能量中减去所述输出能量计算出的所述结构要素的损失能量，减去根据所述结构要素的温度和热容量计算出的所述结构要素的热能量，由此计算所述结构要素的放热量，并将该放热量除以所述结构要素的温度与所述周围温度之间的温度差，由此来计算所述结构要素的放热特性。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

具备：

正常值存储部，其存储所述结构要素的放热特性的正常值；

放热特性比较部，其将从所述放热特性输出部输出的所述结构要素的放热特性的推定值，与所述正常值存储部中存储的正常值进行比较；

放热能力判定部，其在所述推定值低于所述正常值的情况下，判定为所述冷却功能为异常，并输出警报。

3.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，

从所述放热特性输出部输出的所述结构要素的放热特性的推定值包含推定时的周围温度数据；

在所述正常值存储部中与所述结构要素的周围温度对应地存储有所述正常值；

所述放热特性比较部将从所述放热特性输出部输出的所述结构要素的放热特性的推定值，与对应的周围温度的正常值进行比较。

4.根据权利要求2或3所述的数值控制装置，其特征在于，

在所述正常值存储部中，存储有所述结构要素的放热特性的上限值来代替所述结构要素的放热特性的正常值。

5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的数值控制装置，其特征在于，

具备放热特性显示部，其与所述放热特性输出部连接，显示所述结构要素的放热特性。

6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的数值控制装置，其特征在于，

所述冷却功能是空冷型，具备产生冷却风的冷却用风扇电动机。