CN1578108A - 主轴电动机驱动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主轴电动机驱动控制装置。通过把输入到生成赋予主轴电动机的逆变器部的电流控制器的PWM频率，相应于电流反馈值多级地切换，从而可以抑制电动机及驱动装置的发热。

Description

主轴电动机驱动控制装置

技术领域

本发明涉及机床的主轴电动机的驱动控制装置。特别是涉及由逆变器对主轴电动机的线圈施加脉冲幅度调制后的电压，而控制流入电动机的电流，以驱动控制电动机的PWM(脉冲幅度调制)方式的主轴电动机驱动控制装置。

背景技术

对于驱动机床主轴的电动机，由于有必要把主轴的速度控制为任意的速度，因此采用以下方式：将基于电流指令和电流反馈值计算出的电压指令值，通过PWM(脉冲幅度调制)的方式进行脉冲幅度调制，通过将该被调制过电压施加到电动机的线圈上，来驱动控制电动机。

将从电流控制器输出的电压指令和三角波进行比较，根据电压指令是否比三角波的电压大，对于逆变器的电源开关元件进行接通/断开控制而驱动电动机。把逆变器的电源开关元件进行接通/断开控制时，为了防止由该电源开关元件造成的直流电源的短路，在电源开关元件的切换时设有不灵敏区。由于有该不灵敏区，所以当PWM周期(三角波的周期)短时，不灵敏区的比例增大，转矩减少。因此，由特开2001-275394号公报等可知：在必须要求加工精度或动作精度等的控制精度的场合，使PWM周期缩短、而要求转矩的场合，使PWM周期变长，这样在程序中预先进行指令，切换PWM周期。

另外，对于驱动电动机的逆变器装置，在电动机速度慢且固定转矩的状态下噪音大，在电动机速度快且固定输出的区域内噪音小。为此，已公知一种逆变器装置，即通过在切换速度(规定速度)以下的固定转矩的区域时，提高PWM频率以降低电动机的噪音，而在切换速度以上且低输出区域内时，缓慢降低PWM频率，来减少噪音的逆变器装置。另外，通过特开平7-222478号公报已公知：由于在位置指令模式中噪音变大，所以用仅在位置指令模式时提高PWM频率的方式以降低电动机噪音的装置，和通过供给电动机的负荷越大就越减小PWM频率的方式来抑制噪音的同时，抑制电源开关元件的发热的装置等。

如上所述，所述特许文献的任一种都叙述了切换PWM周期(PWM频率)的装置。但是，特开2001-275394号公报中所述记载的装置是，由于由PWM控制的开关的切换中的不灵敏区会影响输出转矩，因而，为了减轻该不灵敏区的影响而改变PWM周期这样的装置。另外，特开平7-222478号公报公开的是，为了降低噪音而改变PWM周期这样的装置。

另一方面，把PWM周期缩短时(即，把PWM频率提高时)，随着脉冲幅度调制，流入电动机的电流中重叠的高频率成分变小，电动机的发热变小。但是，由于构成逆变器的电源开关元件的开关次数增加，驱动装置的发热会增大。

相反，把PWM周期加长时(即，把PWM频率减小时)，虽然电源开关元件的开关次数减少，从而驱动装置的发热减小，但是其问题在于，随着脉冲幅度调制，电流中重叠的高频率成分会增大，电动机的发热会增加。

发明内容

本发明是用脉冲幅度调制方式驱动机床的主轴电动机的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，通过由电流值的大小变更进行脉冲幅度调制的周期，来抑制电动机及驱动装置的发热。当电流值大时，通过增长脉冲幅度调制的周期，来降低驱动装置的发热，当电流值比阈值小时，通过缩短脉冲幅度调制的周期，来降低电动机的发热。

更具体说，激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更高的场合，将切换PWM频率的电流极限值取为一定值；激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更低的场合，依存于激磁频率而减小电流极限值。或者，在激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更高的场合，将变更脉冲幅度调制的频率的电流值的阈电平取为一定值；激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更低的场合，依存于激磁频率而减小阈电平。

在进行由电流值的大小进行的脉冲幅度调制的周期的变更(PWM频率的切换)时，为了防止发生振荡，在判断电流值的大小时，根据经由滤波器而得到的电流反馈信号的大小来进行判断。另外，把脉冲幅度调制的周期的变更形成为通过磁滞现象来切换变更。

按照本发明，考虑了伴随脉冲幅度调制发生的由与流入主轴电动机的电流重叠的高频率成分造成的主轴电动机的发热，以及因脉冲幅度调制产生的由电源开关元件的开关动作造成的主轴电动机驱动控制装置侧的发热，能够均衡地抑制两者的发热。

附图说明

从参照附图的以下实施例的说明可以阐明本发明的所述的及其它的目的及特征。这些图中：

图1是本发明的主轴驱动控制装置的一种实施方式的要部的框图。

图2是图1的主轴驱动控制装置中的阈电平的计算处理的说明图。

图3是图1的主轴驱动控制装置中的PWM频率的切换的说明图。

图4是PWM频率切换的框图。

图5是在图1的主轴驱动控制装置上执行电流控制的处理器在每规定周期内实施的PWM频率的切换控制处理的流程图。

具体实施方式

用图1的要部框图说明本发明的主轴驱动控制装置的一种实施方式。

减算器1从来自数字控制装置等的上一级控制装置的速度指令(或者来自位置环路控制部的速度指令)，减算来自检测电动机10的速度的速度检测器11的速度反馈信号，从而求出速度偏差。速度控制器2根据速度偏差进行比例积分控制等的速度环路处理，从而求出转矩电流指令。激磁频率计算处理部6根据转矩电流指令和速度反馈信号，求出激磁频率ωr。

这种直至求出转矩电流指令及激磁频率ωr的处理，都由现有的PWM方式的电动机驱动控制装置进行。进而，在该现有的电动机驱动控制装置中，减算器3从转矩电流指令，减算用电流检测器(未图示)检测出的电动机驱动电流的电流反馈信号，求出电流偏差。然后，电流控制器4由该电流偏差和根据激磁频率ωr及PWM频率(固定值)决定的电流不灵敏区的补正量，求出用于得到PWM指令的电压指令。

这里，考虑到电流不灵敏区的影响相应于PWM频率发生变化，本发明中，通过把输入到电流控制器4中的PWM频率(PWM周期)设置为可以变更，形成为相应于PWM频率来决定电流不灵敏区的补正量。

而且，为了可变更该PWM频率(PWM周期)，本发明的特征在于，在现有的电动机驱动控制装置中，附加阈电平计算处理部7、PWM频率设定处理部8和滤波器9。该阈电平计算处理部7根据激磁频率ωr和设定的参数，计算为了变更PWM频率的对于流入主轴电动机中的电流值的阈电平Lt。

用图2说明用该阈电平计算处理部7进行的阈电平Lt的计算处理。在该实施方式中，激磁频率ωr是“0”时(即电动机的速度是“0”时)，阈电平Lt设定为L0。另外，激磁频率ωr超过规定的激磁频率ω1时，阈电平Lt的值设定为一定值L1。激磁频率ωr从“0”直至规定的激磁频率ω1之间，阈电平Lt的值从L0直至L1呈直线变化。即，输入的激磁频率ωr和输出的阈电平Lt之间有以下关系成立：

ωr＜ω1时：Lt＝L0+(L1-L0)×(ωr/ω1)

ωr≥ω1时：Lt＝L1

而且，作为参数设定的规定激磁频率ω1由构成逆变器部5的电源开关元件的热时间常数来决定。激磁频率ωr变低、相对于电源开关元件的热时间常数，激磁频率ωr的周期一方长时，给电源开关元件施加与电压指令所对应的正弦波电流具有相同振幅的直流电流流动时同样的负荷。因此，在由热时间常数决定的规定激磁频率ω1以下的区域内，通过随着激磁频率ωr降低而降低阈电平Lt，就会如后所述那样降低电流值的极限值，从而进行电源开关元件的保护。

在PWM频率设定处理部8中，由按以上那样求出的阈电平Lt、用参数设定的磁滞Lh(后述)和电流反馈信号If来决定PWM频率。在本实施方式中，将PWM频率切换为6kHz和12kHz。另外，如图1所示，在本实施方式中，使电流反馈信号If在通过时间常数较大的滤波器9之后，输入到PWM频率设定处理部。这是为了防止PWM频率切换时发生振荡。

用图3说明使PWM频率(PWM周期)相应于经由滤波器9输入的电流反馈信号If切换成6kHz或12kHz。该切换依存于分别用参数设定的阈电平Lt和磁滞Lh。

在图3的例子中，电流反馈信号If小时，PWM频率保持为12kHz，但超过阈电平Lt时，PWM频率就被切换为6kHz。而且，电流反馈信号If处于比阈电平Lt大的状态时，PWM频率保持在6kHz。

另一方面，处于超过阈电平Lt状态的电流反馈信号If变小、成为从阈电平Lt中减去磁滞Lh的值(Lt-Lh)以下时，在该时刻，PWM频率从6kHz切换成12kHz。然后，电流反馈信号If处于(Lt-Lh)以下的状态时，PWM频率保持在12kHz。

如上所述，在PWM频率设定处理部8进行PWM频率的切换处理，将6kHz或者12kHz的PWM频率输出到电流控制器4及逆变器部5中。

用图4说明PWM频率(PWM周期)的切换。在图4中用虚线围起的部分是逆变器部5，由三角波发生电路51、比较器52及电源开关部53构成。

用PWM频率设定处理部8求出的PWM频率，在如上所述那样被输入到所述的电流控制器4中的同时，设定在逆变器部5的三角波发生电路51的频率设定寄存器中。三角波发生电路51输出该设定频率的三角波。逆变器部5的比较器52把来自电流控制器4的电压指令和来自三角波发生电路51的三角波进行比较，将PWM指令向电源开关部53输出。电源开关部53根据PWM指令，把电源开关元件进行接通/断开控制，使驱动电流流入主轴电动机10的线圈中，驱动主轴电动机10。

图5是实行电流控制的处理器在每规定周期内实行的所述PWM频率的切换控制处理的流程图。

首先，读入激磁频率ωr(步骤S1)、判断该激磁频率ωr是否比设定的参数值ω1小(步骤S2)，如果小，用下述(1)式求出阈电平Lt(步骤S3)。

Lt＝L0+(L1-L0)×(ωr/ω1)        (1)

另一方面，如果该激磁频率ωr在参数值ω1以上，将阈电平Lt取为设定参数值L1(步骤S4)。

然后，判断现在的PWM频率的设定值是否为12kHz(步骤S5)。另外，该电动机驱动控制装置接通电源时，通过初期设定把PWM频率设定为12kHz。现在的PWM频率的设定值是12kHz时，判断经由滤波器9得到的电流反馈值If是否在求出的阈电平Lt以下(步骤S6)，如果在以下，将PWM频率设置为12kHz(步骤S7)。另外，当在步骤6判断电流反馈值If超过阈电平Lt时，将PWM频率设置为6kHz(步骤S9)。这样，激磁频率ωr变小时，由所述(1)式，阈电平Lt变小，减小将PWM频率保持为12kHz的电流极限值。

即，减小在步骤S6中的将PWM频率从12kHz切换成6kHz的电流反馈值If，随着激磁频率ωr变小，在电流值小的状态下将PWM频率切换成6kHz，就可以保护电源开关元件。

另外，在步骤5中判断出现在的PWM频率不是12kHz(即，是6kHz)时，判断电流反馈值If是否在从阈电平Lt中减去设定的磁滞Lh的值(Lt-Lh)以上(步骤S8)，在(Lt-Lh)以上的场合，将PWM频率设置为6kHz(步骤S9)。另外，电流反馈值If超过(Lt-Lh)变小时，将PWM频率设置为12kHz(步骤S7)。

按照所述那样进行，可以切换PWM频率。藉此，在电动机速度的加减速过程中等情况下，当电动机驱动电流大时，可以将PWM频率切换成6kHz的低频率，因此，PWM周期变长，电源开关元件的开关次数减少，从而抑制了驱动装置的发热。另外，当电动机的驱动电流小、在驱动装置的发热可允许的电流的大小的范围内时，将PWM频率切换成12kHz，就可以缩短PWM周期，从而抑制电动机的发热。

Claims (9)

1.主轴电动机驱动控制装置，用脉冲幅度调制方式驱动机床的主轴电动机，其特征在于，通过由电流值的大小来变更进行脉冲幅度调制的周期，以抑制电动机及驱动装置的发热。

2.根据权利要求1所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，电流值大的场合，通过增长脉冲幅度调制的周期，以降低驱动装置的发热，电流值比阈值小的场合，通过缩短脉冲幅度调制的周期，以降低电动机的发热。

3.根据权利要求1所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更高的场合，将切换PWM频率的电流极限值取为一定值，另一方面，激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更低的场合，依存于激磁频率而减小电流极限值。

4.根据权利要求1所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更高的场合，将变更脉冲幅度调制的频率的电流值的阈电平取为一定值，激磁频率比用电源开关元件的热时间常数决定的频率更低的场合，依存于激磁频率而减小阈电平。

5.根据权利要求1所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，所述电流值的大小由经由滤波器得到的电流反馈信号的大小进行判断。

6.根据权利要求1所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，由电流值的大小进行的脉冲幅度调制的周期依存于磁滞现象而切换。

7.主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，由以下部分构成：

电流控制器，根据电流指令、电流反馈值、激磁频率和PWM频率生成电压指令

逆变器部，接收来自电流控制器的电压指令、生成PWM指令；

PWM频率设定单元，接收所述电流反馈值和阈电平，设定向所述电流控制器输出的PWM频率；

阈电平计算单元，接收所述激磁频率，计算向所述PWM频率设定单元输出的阈电平。

8.根据权利要求7所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，通过经由滤波器向所述PWM频率设定单元输入电流反馈值，以防止由PWM频率切换造成的振荡。

9.根据权利要求7所述的主轴电动机驱动控制装置，其特征在于，对所述PWM频率设定单元，除了供给电流反馈值及阈电平以外，还供给磁滞值，根据这些电流反馈值、阈电平及磁滞值，设定向所述电流控制器输出的PWM频率。

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