CN106026799A - 电动机控制装置、电动机控制方法、缝纫机 - Google Patents

Abstract

本发明对无助于速度变化的修正的多余电流进行抑制、使电动机的有效电流降低。一种电动机控制装置，其对由于周期性的负载变动而产生速度变化的伺服电动机(3)进行驱动控制，该电动机控制装置具备：速度检测部(12)，其对伺服电动机的当前速度进行检测；速度偏差运算器(13)，其基于伺服电动机的当前速度生成指令电流；以及滤波器电路(14)，其将指令电流所包含的由负载变动引起的变动成分去除，该电动机控制装置通过将变动成分去除后的指令电流，对伺服电动机进行驱动控制。

Description

电动机控制装置、电动机控制方法、缝纫机

技术领域

本发明涉及对与缝纫机的主轴连结的电动机进行驱动控制的电动机控制装置、电动机控制方法、缝纫机。

背景技术

在负载装置中，由于在电动机的输出端连结有各种负载，因此由于电动机的旋转一周中的周期性的负载变动而产生速度变化。当前，已知对负载装置的电动机的速度变化进行检测，在电动机控制上实施校正而减小速度变化的方法(例如，参照专利文献1、2)。在专利文献1的电动机控制中，对由负载引起的速度变化进行监视，校正针对电动机的指令值，由此抑制电动机的速度变化。在专利文献2中记载的电动机控制中，与周期性的负载状态相匹配地校正针对电动机的输出电流而控制旋转速度，由此抑制负载装置侧的声音、振动。

专利文献1：日本特开2006－109544号公报

专利文献2：日本特开2007－295673号公报

在专利文献1、2中记载的电动机控制中，如果使用高性能的电动机，则能够抑制由负载变动引起的速度变化，但存在成本高的问题。另一方面，在性能低、价格便宜的电动机中响应性存在极限，即使增加电压、电流，也无法抑制速度变化。在该情况下，尽管无法得到所需的输出，但为了进行电动机控制，增加电压、电流而使额外的电流流过电动机。由此，存在下述问题，即，有效电流增加，电动机的功率因数降低，额外的电流对电动机的发热造成影响。

发明内容

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供一种能够对无助于速度变化的修正的多余电流进行抑制，使电动机的有效电流降低的电动机控制装置、电动机控制方法、缝纫机。

本发明的电动机控制装置，对由于周期性的负载变动而产生速度变化的电动机进行驱动控制，该电动机控制装置的特征在于，具备：速度检测部，其对所述电动机的当前速度进行检测；指令电流生成部，其基于所述电动机的当前速度生成指令电流；以及滤波器电路，其将所述指令电流所包含的由负载变动引起的变动成分去除，该电动机控制装置通过将所述变动成分去除后的指令电流，对所述电动机进行驱动控制。

本发明的电动机控制方法，其对由于周期性的负载变动而产生速度变化的电动机进行驱动控制，该电动机控制方法的特征在于，具备：对所述电动机的当前速度进行检测的步骤；基于所述电动机的当前速度生成指令电流的步骤；以及将所述指令电流所包含的由负载变动引起的变动成分去除的步骤，该电动机控制方法通过将所述变动成分去除后的指令电流，对所述电动机进行驱动控制。

根据这些结构，从与电动机的当前速度相对应的指令电流将由负载变动引起的变动成分去除。在使用响应性存在极限、价格便宜的电动机的情况下，如果应用这些结构，则抑制无助于对由负载变动引起的速度变化的修正的多余电流，电动机的有效电流减少。由此，能够减少被电动机多余地消耗的能量，改善电动机的功率因数。

在上述的电动机控制装置中，在所述电动机的旋转一周中负载变动发生n次的情况下，所述滤波器电路将滤波器的中心频率设定为表示所述电动机的每单位时间的转速的速度频率的n倍，从所述指令电流将由所述负载变动引起的变动成分去除。根据该结构，能够根据电动机的旋转一周中产生的负载变动的次数容易地求出变动成分，能够设定滤波器的中心频率以使得从指令电流将变动成分去除。

在上述的电动机控制装置中，所述速度频率是根据设定速度而求出的，该设定速度是基于针对所述电动机的位置指令的设定速度。根据该结构，能够根据与针对电动机的位置指令相对应的速度频率而求出由负载变动引起的变动成分。由于滤波器的中心频率与针对电动机的位置指令相应地可变，因此能够适当地将对应于设定速度发生变化的负载变动的变动成分去除。

在上述的电动机控制装置中，所述速度频率是根据由所述速度检测部检测出的所述电动机的当前速度而求出的。根据该结构，能够根据与电动机的当前速度相对应的速度频率求出由负载变动引起的变动成分。由于滤波器的中心频率对应于电动机的当前速度可变，因此能够适当地将对应于当前速度发生变化的负载变动的变动成分去除。

本发明的缝纫机的特征在于，具备上述的电动机控制装置；以及电动机，其被电动机控制装置驱动控制。根据该结构，能够减少在缝纫机中所使用的电动机的有效电流，改善电动机的功率因数。

另外，通过将使电动机控制装置执行上述的电动机控制方法的各步骤的程序安装于电动机控制装置，从而能够在电动机控制装置中追加下述功能，即，从指令电流将由负载变动引起的变动成分去除。

发明的效果

根据本发明，通过从与电动机的当前速度相对应的指令电流将由负载变动引起的变动成分去除，从而对无助于速度变化的修正的多余电流进行抑制、使电动机的有效电流降低。由此，能够改善电动机的功率因数。

附图说明

图1是电动机驱动装置的框图。

图2是一般的电动机控制的说明图。

图3是电动机控制装置的控制环图。

图4是无滤波器及有滤波器的电动机控制的说明图。

图5是表示无滤波器的有效电流波形及速度变动波形的图。

图6是表示有滤波器的有效电流波形及速度变动波形的图。

标号的说明

1 主电源

2 整流器

3 伺服电动机(电动机)

4 逆变器电桥电路

5 电动机控制装置

6 平滑电容器

7 主电源电路部

8 半电桥电路

9 电流传感器

10 编码器

11 位置偏差运算器

12 速度检测部

13 速度偏差运算器(指令电流生成部)

14 滤波器电路

15 微分器

16 频率运算器

17 电流偏差运算器

18 电流放大器

具体实施方式

下面，参照附图，对本实施方式所涉及的电动机驱动装置进行说明。图1是电动机驱动装置的框图。此外，本实施方式所涉及的电动机驱动装置并不限定于图1所示的结构，能够适当变更。下面，对缝纫机的电动机控制装置进行说明，但关于缝纫机的详细结构省略说明。

如图1所示，电动机驱动装置具备：整流器2，其将来自三相交流或单相交流的主电源1的交流变换为直流；逆变器电桥电路4，其将来自整流器2的直流变换为交流并输出至伺服电动机(电动机)3；以及电动机控制装置5，其对逆变器电桥电路4进行PWM控制。整流器2处并联连接有使整流器2的输出(直流电压)平滑的平滑电容器6。由整流器2、平滑电容器6构成主电源电路部7。逆变器电桥电路4具有相对于整流器2的输出端彼此并联连接的三相的半电桥电路8u－8w。

在U相的半电桥电路8u中，一对开关元件T1、T4串联连接，相对于开关元件T1、T4分别并联连接续流二极管D1、D4。同样地，在V相的半电桥电路8v中，一对开关元件T2、T5串联连接，相对于开关元件T2、T5分别并联连接续流二极管D2、D5。在W相的半电桥电路8w中，一对开关元件T3、T6串联连接，相对于开关元件T3、T6分别并联连接续流二极管D3、D6。

另外，U相的开关元件T1、T4的连接点、V相的开关元件T2、T5的连接点、W相的开关元件T3、T6的连接点，分别经由伺服电动机3的未图示的三相的励磁线圈、电阻而相互连接。从电动机控制装置5将PWM信号输入至三相的半电桥电路8u－8w。开关元件T1－T6的栅极处连接来自电动机控制装置5的输入线，通过从电动机控制装置5将PWM信号施加至开关元件T1－T6，从而能够对接通状态和断开状态进行切换。

通过开关元件T1－T6的接通断开，将直流变换为交流而对伺服电动机3所需的电力供给进行控制。在U相的开关元件T1、T4的连接点及W相的开关元件T3、T6的连接点和电动机3的各端子之间，设置有将各相电流反馈至电动机控制装置5的电流传感器9u、9w。在伺服电动机3处设置有对伺服电动机3的位置、速度进行检测的编码器10。将由编码器10检测出的位置、速度输出至电动机控制装置5，通过电动机控制装置5对伺服电动机3进行伺服控制。

此外，开关元件T1－T6是电流电压控制元件即可，并不限定于功率晶体管，也可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、双极晶体管。另外，续流二极管D1－D6是构成再生电流的路径的元件即可，也能够使用内置于功率晶体管的寄生二极管。而且，在这里对利用电流传感器9进行Iu、Iw的2相的电流检测的结构进行了例示，但也可以利用电流传感器9进行Iu、Iv、Iw的3相的电流检测。

此外，本实施方式所涉及的缝纫机关于缝纫机的各部的详细结构省略了说明，但例如作为传递机构具备主轴、针棒曲柄杆、天秤、天秤曲柄、大摆动轴曲柄杆、大摆动轴、下轴等通常的缝纫机的结构。

按照上述方式构成的电动机驱动装置被使用于伺服电动机3的控制，该伺服电动机3与作为负载装置的缝纫机(未图示)的主轴连结。在该情况下，缝纫机的主轴处连结有将伺服电动机3的旋转变换为各种动作并进行传递的传递机构，该传递机构成为对伺服电动机3的负载。如果由伺服电动机3使缝纫机的主轴转动，则在从伺服电动机3观察时与主轴连结的负载的惯量会发生变化。因此，由于伺服电动机3的旋转一周中的周期性的负载变动而使旋转速度发生变化。

在现有技术中，为了消除由负载变动引起的速度变化，优选对流过伺服电动机3的电流进行控制。但是，在性能低的伺服电动机3中电流控制的响应性存在极限，即使将增益(位置增益、速度增益)进行增减而控制电流，也无法充分地抑制速度变化。在由负载变动引起的一定量的速度变化不成为问题的情况下，尽管不会对作为缝纫机的功能造成影响，但试图消除速度变化的电流会流过伺服电动机3。因此，无助于速度变化的修正的多余的电流流过伺服电动机3而使有效电流增加。

在这里，参照图2，关于使用性能低的伺服电动机时的增益调整和当前速度的速度变化，简单地进行说明。图2是一般的电动机控制的说明图。此外，在图2中，由实线表示当前速度，由虚线表示指令速度，由单点划线表示指令电流。

如图2A所示，在性能低的伺服电动机3(参照图1)中，通过提高增益而能够抑制加速时的过冲，能够增加功率(缝纫机的贯通力)。但是，无论如何提高增益，伺服电动机3的响应性也存在极限，无法抑制由负载变动引起的当前速度的速度变化。伺服电动机3的速度变化没有被修正，指令电流的振幅变大，向伺服电动机3额外地流过电流，功率因数降低，对电动机的发热造成影响。因此，也能够想到在由负载变动引起的速度变化不成为问题的情况下，降低响应性而使伺服电动机3不追随速度变化。

在该情况下，如图2B所示，通过降低增益而降低响应性，从而能够抑制伺服电动机3对负载变动的追随。由此，指令电流的振幅变小，能够减少流过伺服电动机3的电流而改善功率因数。但是，如果降低增益，则存在无法抑制加速时的过冲，而且无法得到目标的功率(缝纫机的贯通力)的问题。这样，如果提高增益，则功率因数降低，如果降低增益，则产生过冲等的问题，因此无法仅通过增益调整而适当地控制伺服电动机3。

因此，在本实施方式中，通过滤波器将指令电流所包含的由负载变动引起的变动成分去除，减小指令电流的振幅。由此，能够抑制伺服电动机3对负载变动的追随，而不降低增益。由此，能够消除无助于由负载变动引起的速度变化的修正的多余电流，减小有效电流而改善伺服电动机3的功率因数。而且，即使提高增益，指令电流的振幅也小，因此能够抑制加速时的过冲，而且能够得到目标的功率。

下面，参照图3，对电动机控制装置的控制环进行说明。图3是电动机控制装置的控制环图。此外，电动机控制装置的控制环是利用滤波器电路从指令电流将由负载变动引起的变动成分去除的结构即可，并不限定于图3所示的结构。

如图3所示，在相减要素e1中，将从编码器10反馈的伺服电动机3的当前位置和目标的位置指令相减而计算位置偏差。位置偏差在位置偏差运算器11中与位置增益相乘而作为速度指令输出至相减要素e2。在相减要素e2中，将从编码器10反馈的伺服电动机3的当前速度和来自位置偏差运算器11的速度指令相减而计算速度偏差。伺服电动机3的当前速度，是在速度检测部12中将控制环中的伺服电动机3的当前位置和前1周期的位置之间的差值除以控制环的运算周期而检测出的(对当前速度进行检测的步骤)。

速度偏差在速度偏差运算器13中与速度增益相乘，作为指令电流(扭矩指令)而输出至滤波器电路14(生成指令电流的步骤)。即，速度偏差运算器13作为根据伺服电动机3的当前速度而生成指令电流的指令电流生成部起作用。在滤波器电路14中，利用滤波器将扭矩指令所包含的由负载变动引起的变动成分去除(将变动成分去除的步骤)。滤波器的中心频率是基于在微分器15中对位置指令进行微分后的设定速度而在频率运算器16中计算出的。在滤波器电路14中针对由频率运算器16计算出的中心频率而设定滤波器。

具体地说，首先，根据伺服电动机3的设定速度求出速度频率。在将速度频率设为f₀[Hz]、将设定速度设为N[rpm]时，按照式(1)所示能够求出速度频率f₀。由此，能够求出伺服电动机3的每单位时间的转速(频率)。

(1)

f₀＝N/60

然后，根据伺服电动机3的速度频率和在伺服电动机3的旋转一周中发生负载变动的次数，能够求出滤波器的中心频率。在将中心频率设为f₁[Hz]、将伺服电动机3的旋转一周中负载变动的次数设为n时，按照式(2)所示能够求出中心频率f₁。由此，能够求出伺服电动机3的每单位时间的负载变动数(频率)。

(2)

f₁＝n·f₀

这样，在伺服电动机3的旋转一周中负载变动发生n次的情况下，在滤波器电路14中，将伺服电动机的速度频率的n倍设定为滤波器的中心频率。由此，滤波器的中心频率与负载变动的变动频率相匹配，从指令电流将由负载变动引起的变动成分去除。此外，作为滤波器而使用去除频带窄的陷波滤波器，从指令电流中仅将由负载变动引起的变动成分的频带衰减至低电平。另外，滤波器的中心频率与针对伺服电动机3的位置指令相应地可变，因此能够适当地将对应于设定速度发生变化的变动成分去除。

从滤波器电路14滤波后的指令电流被输出至相减要素e3。在相减要素e3中，由电流传感器9检测出的电流和来自滤波器电路14的指令电流相减而计算电流偏差(扭矩偏差)。电流偏差在电流偏差运算器17中与电流增益相乘而输出至电流放大器18。然后，在电流放大器18中生成PWM信号，通过逆变器电桥电路4(参照图1)将电动机电流输出至伺服电动机3。通过重复进行上面的动作，从而实施对伺服电动机3的伺服控制。

此外，电动机控制装置5由执行各种处理的处理器、存储器等构成。存储器根据用途而由ROM(Read Only Memory)、RAM(RandomAccess Memory)等一个或多个存储介质而构成。在电动机控制装置5中存储有执行电动机控制的程序。

下面，参照图4至图6，对无滤波器的电动机控制装置及有滤波器的电动机控制装置的速度变动进行说明。图4是无滤波器及有滤波器的电动机控制的说明图。图5表示无滤波器的有效电流波形及速度变动波形。图6表示有滤波器的有效电流波形及速度变动波形。此外，在图4中，由实线表示当前速度，由虚线表示指令速度，由单点划线表示指令电流，由双点划线表示U相电流。另外，在图5及图6中，由实线表示速度变动波形，由单点划线表示U相电流，由双点划线表示W相电流，由虚线表示Z相信号(编码器信号)。此外，在图5及图6中，为了便于说明，省略了V相电流。

如图4A所示，在无滤波器的电动机控制中，指令电流发生变化以抑制负载变动的速度变化，因此指令电流的振幅变大。另一方面，如图4B所示，在有滤波器的电动机控制中，利用滤波器从指令电流将由负载变动引起的变动成分去除，因此指令电流的振幅变小。因此，能够减小指令电流的振幅而不进行增益调整，使伺服电动机3(参照图3)的有效电流减少。另外，由于无需变更增益，因此也不会产生过冲等问题。

接下来，对滤波器的设定例进行说明。如图5A所示，如果不设置滤波器而驱动伺服电动机3(参照图3)，则在Z相信号的高-低的1周期中速度变动产生2周期。这表示在伺服电动机3旋转1周的期间负载变动引起2次的情况。由此，在设定速度为2800[rpm]的情况下，根据上述的式(1)、(2)，能够求出93[Hz]作为负载变动的变动频率。在伺服电动机3中为了消除该负载变动而流过电流，但由于伺服电动机3的响应性存在极限，因此无法充分地抑制速度变动。

如图5B及图5C所示，在设定速度为2000[rpm]、1500[rpm]的情况下，根据上述的式(1)、(2)，能够分别求出67[Hz]、50[Hz]作为负载变动的变动频率。在伺服电动机3中为了消除该负载变动而流过电流，但由于伺服电动机3的响应性存在极限，因此无法充分地抑制速度变动。如上所述，在无滤波器的情况下向伺服电动机3流过由负载变动引起的额外的电流，与此相应地，U相电流及W相电流的振幅变大，伺服电动机3的有效电流增加。

如图6A所示，在设置有滤波器的伺服电动机3(参照图3)中，在设定速度为2800[rpm]的情况下，滤波器的中心频率与负载变动的变动频率即93[Hz]相匹配。由此，从指令电流将由负载变动引起的变动成分去除，因此防止为了消除负载变动而流过伺服电动机3的电流。同样地，如图6B及图6C所示，在设定速度为2000[rpm]、1500[rpm]的情况下，滤波器的中心频率分别与67[Hz]、50[Hz]相匹配，从指令电流将由负载变动引起的变动成分去除。

如上所述，在有滤波器的情况下，由负载变动引起的额外的电流不会流过伺服电动机3，因此U相电流及W相电流的振幅变小、有效电流降低。由此，在由负载变动引起的一定量的速度变化不成为问题的情况下，能够使用性能低的伺服电动机3而削减成本。

在这里，本案发明人等对无滤波器的电动机控制和有滤波器的电动机控制的有效电流[A]和速度脉动[rpm]进行了测定，得到了由表1所示的结果。

【表1】

如表1所示，即使在任意的设定速度下，在有滤波器的电动机控制中，能够确认到与无滤波器的电动机控制相比，速度脉动变小，有效电流降低。

如上所述，本实施方式所涉及的电动机控制装置，从与伺服电动机的当前速度相应的指令电流将由负载变动引起的变动成分去除。由此，不会为了消除由负载变动引起的速度变化而向伺服电动机流过额外的电流。在使用响应性存在极限、价格便宜的伺服电动机的情况下，抑制无助于速度变化的修正的多余电流，伺服电动机的有效电流减少。由此，能够减少被伺服电动机无用地消耗的能量，改善伺服电动机的功率因数。

此外，本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种变更并实施。在上述实施方式中，关于附图中图示出的大小、形状等，并不限定于此，能够在实现本发明的效果的范围内进行适当变更。除此之外，只要不脱离本发明的目的的范围，能够适当变更并实施。

例如，在本实施方式中，对在缝纫机中使用的电动机控制装置进行了例示并说明，但并不限定于该结构。电动机控制装置如果是在会产生周期性的负载变动的负载装置中被使用的结构，则也可以是贴片机、打印机等其他负载装置。

另外，在本实施方式中，设为滤波器电路14根据从速度偏差运算器13输出的指令电流(扭矩指令)将由负载变动引起的变动成分去除的结构，但并不限定于该结构。指令电流是包含电流偏差(扭矩偏差)在内的概念，滤波器电路14也可以是从电流偏差将由负载变动引起的变动成分去除的结构。因此，滤波器电路14例如在图3中，也可以设置在相减要素e3和电流偏差运算器17之间、电流偏差运算器17和电流放大器18之间。

另外，在本实施方式中，作为电动机对伺服电动机3进行了例示并说明，但并不限定于该结构。电动机只要是能够进行电流控制的电动机即可，例如也可以是步进电动机。

另外，在本实施方式中，控制环如图3所示，设为具有多个反馈环的结构，但并不限定于该结构。控制环如果是包含反馈环的结构，则无论如果构成均可。

另外，在本实施方式中，速度检测部12设为从编码器10取得伺服电动机3的当前位置和前1周期的位置而计算伺服电动机3的当前速度的结构，但并不限定于该结构。速度检测部12并不限定于通过计算处理对伺服电动机3的当前速度进行检测的结构，也可以是通过速度传感器等直接检测伺服电动机3的当前速度的结构。

另外，在本实施方式中，滤波器电路14设为利用单独的滤波器从指令电流将变动成分去除的结构，但也可以是利用多个滤波器从指令电流将变动成分去除的结构。

另外，在本实施方式中，设为能够根据伺服电动机3的设定速度求出速度频率的结构，但并不限定于该结构。也可以是能够根据由速度检测部12检测出的伺服电动机3的当前速度求出速度频率的结构。在该情况下，频率运算器16根据伺服电动机3的当前速度对滤波器的中心频率进行计算。

工业实用性

如以上说明所述，本发明具有能够抑制无助于速度变化的修正的多余电流、使电动机的有效电流降低的效果，特别是在对与缝纫机的主轴连结的电动机进行驱动控制的电动机控制装置、电动机控制方法中有效。

Claims (6)

1.一种电动机控制装置，其对由于周期性的负载变动而产生速度变化的电动机进行驱动控制，

该电动机控制装置的特征在于，具备：

速度检测部，其对所述电动机的当前速度进行检测；

指令电流生成部，其基于所述电动机的当前速度生成指令电流；以及

滤波器电路，其将所述指令电流所包含的由负载变动引起的变动成分去除，

该电动机控制装置通过将由所述负载变动引起的变动成分去除后的指令电流，对所述电动机进行驱动控制。

2.根据权利要求1所述的电动机控制装置，其特征在于，

在所述电动机的旋转一周中负载变动发生n次的情况下，所述滤波器电路将滤波器的中心频率设定为表示所述电动机的每单位时间的转速的速度频率的n倍，从所述指令电流将由所述负载变动引起的变动成分去除。

3.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述速度频率是根据设定速度而求出的，该设定速度是基于针对所述电动机的位置指令的设定速度。

4.根据权利要求2所述的电动机控制装置，其特征在于，

所述速度频率是根据由所述速度检测部检测出的所述电动机的当前速度而求出的。

5.一种缝纫机，其特征在于，具备：

权利要求1至4中任一项所述的电动机控制装置；以及

电动机，其被所述电动机控制装置驱动控制。

6.一种电动机控制方法，其对由于周期性的负载变动而产生速度变化的电动机进行驱动控制，

该电动机控制方法的特征在于，具备：

对所述电动机的当前速度进行检测的步骤；

基于所述电动机的当前速度生成指令电流的步骤；以及

将所述指令电流所包含的由负载变动引起的变动成分去除的步骤，

该电动机控制方法通过将由所述负载变动引起的变动成分去除后的指令电流，对所述电动机进行驱动控制。