DE102018002392A1

DE102018002392A1 - Servomotorsteuervorrichtung zum Steuern eines Servomotors und diese umfassendes Servomotorsteuersystem

Info

Publication number: DE102018002392A1
Application number: DE102018002392.4A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ikai; Tomoyuki Aizawa
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2018-09-20
Also published as: JP6426782B2; US10564620B2; CN108574446B; CN108574446A; US20180267502A1; JP2018153041A

Abstract

Eine Servomotorsteuervorrichtung 1 zum Steuern eines Servomotors 5 umfasst eine Speichereinheit 11, die dazu eingerichtet ist, eine für den Servomotor 5 vordefinierte Drehmomentkonstante zu speichern, eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12, die dazu eingerichtet ist, die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante zu korrigieren, wenn in einer Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eintritt, und eine Leistungsberechnungseinheit 13, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante oder der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, einem einem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und einem einer Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert eine Leistung des Servomotors 5 zu berechnen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Servomotorsteuervorrichtung zum Steuern eines Servomotors und ein diese umfassendes Servomotorsteuersystem.
Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Bei einer Servomotorsteuervorrichtung zum Antreiben und Steuern eines Servomotors in einer Werkzeugmaschine oder Industriemaschine, wie etwa einer Formgebungsmaschine, einer Formmaschine oder einem Roboter, wird Wechselstromenergie einer Wechselstromversorgung zeitweise in Gleichstromenergie umgewandelt, die Gleichstromenergie neuerlich in Wechselstromenergie umgewandelt und die Wechselstromenergie als Antriebsenergie für den für jede Antriebsachse bereitgestellten Servomotor verwendet. Die Servomotorsteuervorrichtung umfasst einen Gleichrichter, der von der Wechselstromversorgung zugeführte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umwandelt und die Gleichstromenergie ausgibt, und einen Inverter, der mit einem Gleichstromzwischenkreis auf der Gleichstromseite des Gleichrichters verbunden ist und zwischen Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie des Motors eine Energieumwandlung durchführt, wobei die Servomotorsteuervorrichtung die Drehzahl, das Drehmoment oder die Rotorstellung des Servomotors steuert, der mit der Wechselstromausgangsseite des Inverters verbunden ist.
Da der Motor bei der Beschleunigung einen hohen Energieverbrauch hat, kann hohe Wechselstromenergie bevorzugt durch eine Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite ausgegeben werden. Daher ist die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite bevorzugt dazu fähig, einen für die Leistung erforderlichen Spitzenwert der Wechselstromenergie auszugeben. Aus diesem Grund wird, um eine Situation zu vermeiden, in der die Kapazität der Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite für den Energiespitzenwert unzureichend ist, der Motor bevorzugt gemäß einer unteren Betriebsbedingung betrieben, um den Energieverbrauch des Motors zu senken, oder die Stromversorgungseinrichtung bevorzugt mit einer Spanne für den Energiespitzenwert ausgeführt. Das Betreiben des Motors gemäß der unteren Betriebsbedingung ist jedoch ineffizient und nicht bevorzugt, da das Ausführen der Stromversorgungseinrichtung mit einer solchen Spanne zu höheren Kosten und größerem Bauraum führt.
Daher wurde, wie beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2017-017931 offenbart, eine Technik eingesetzt, bei der der Energiespitzenwert für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite durch Bereitstellen einer Stromspeichereinrichtung in einem einen Gleichrichter und einen Inverter verbindenden Gleichstromzwischenkreis verringert wird. Bei der Technik wird gemäß dem Energieverbrauch und der Energieregeneration des Servomotors über den Gleichstromzwischenkreis Energie durch die Stromspeichereinrichtung zugeführt oder gespeichert, um den Energiespitzenwert für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite zu verringern.
Beispielsweise ist der durchschnittliche Energieverbrauch einer durch einen Servomotor angetriebenen Pressmaschine niedriger als der einer Pressmaschine, die Hydraulikdruck als Antriebsquelle verwendet, auch wenn der beim Durchführen eines Pressvorgangs entstehende maximale Energieverbrauch erheblich ist und zu einem Problem führen kann, bei dem die Kapazität der Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite unzureichend ist. Bei der Servomotorsteuervorrichtung einer solchen Pressmaschine kann der Energiespitzenwert für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite durch Bereitstellen einer Stromspeichereinrichtung zur Zufuhr und Speicherung von Energie, Berechnen der beim Betrieb der Pressmaschine verbrauchten Energie und, als Ergebnis der Berechnung, Zuführen von Energie von der Stromspeichereinrichtung, wenn die Pressmaschine Energie verbraucht, oder Veranlassen der Stromspeichereinrichtung, Energie zu verbrauchen, wenn die Pressmaschine Energie regeneriert, verringert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Wenn ein Strom, der durch eine einen Servomotor bildende Wicklung fließt, höher ist, steigt der in der Wicklung erzeugte Magnetfluss. Die erzeugte maximale Dichte des Magnetflusses (maximale Magnetflussdichte) wird gemäß einem Material eines Kerns der Wicklung, einer Form der Wicklung und der Anzahl an Windungen bestimmt, und wenn die Dichte des Magnetflusses den Maximalwert übersteigt, tritt die Wicklung in einen magnetischen Sättigungszustand ein. Die Beziehung zwischen dem durch die Wicklung des Servomotors fließenden Strom und dem erzeugten Drehmoment ist in einem Zustand, in dem keine magnetische Sättigung eintritt, linear, wobei das Drehmoment linear zunimmt, wenn der durch die Wicklung des Servomotors fließende Strom steigt. Wenn jedoch der Strom weiter steigt und eine magnetische Sättigung eintritt, nimmt das erzeugte Drehmoment nicht linear zu und eine Drehmomentkonstante, die eine Drehmomentanstiegsrate ist, nimmt allmählich ab. Das Drehmoment wird basierend auf der Drehmomentkonstante und dem durch die Wicklung fließenden Strom bestimmt, wohingegen eine Leistung des Servomotors basierend auf der Drehzahl und dem Drehmoment des Servomotors bestimmt wird. Da das Drehmoment nicht linear ansteigt und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn sich die Wicklung in einem magnetischen Sättigungszustand befindet, ist die Ist-Leistung des Servomotors im Vergleich zu einem Fall, in dem die Leistung unter Nichtbeachtung einer Abnahme der Drehmomentkonstante berechnet wird (d.h. ohne die magnetische Sättigung zu berücksichtigen), kleiner. Mit anderen Worten, einer Berechnung der Leistung des Servomotors unter Nichtbeachtung einer auf eine magnetische Sättigung zurückzuführenden Abnahme der Drehmomentkonstante fehlt es an Genauigkeit.
Bei einer Servomotorsteuervorrichtung zum Steuern eines Antriebsachsen-Servomotors, der eine Achse einer Industriemaschine oder Werkzeugmaschine antreibt, kann eine Stromspeichereinrichtung zum Verringern eines Energiespitzenwerts für eine Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite beispielsweise mit einem Schwungrad und einem das Schwungrad antreibenden Schwungrad-Servomotor ausgeführt werden. Gemäß einem Energiezustand des Antriebsachsen-Servomotors wird elektrische Energie, die durch die Stromspeichereinrichtung zugeführt oder verbraucht (gespeichert) wird, durch die Leistung des Schwungrad-Servomotors in der Stromspeichereinrichtung bestimmt. Daher wird zum Steuern der Leistung des Schwungrad-Servomotors die Leistung des Schwungrad-Servomotors bevorzugt genau berechnet.
Wie vorstehend beschrieben, wird auf einem Gebiet, auf dem ein Servomotor verwendet wird, eine Leistung des Servomotors bevorzugt mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnet.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Servomotorsteuervorrichtung zum Steuern eines Servomotors, die eine Speichereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine für den Servomotor vordefinierte Drehmomentkonstante zu speichern, eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit, die dazu eingerichtet ist, die in der Speichereinheit gespeicherte Drehmomentkonstante zu korrigieren, wenn in einer Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eintritt, und eine Leistungsberechnungseinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der in der Speichereinheit gespeicherten Drehmomentkonstante oder der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, einem einem Strom des Servomotors zugeordneten Wert und einem einer Drehzahl des Servomotors zugeordneten Wert eine Leistung des Servomotors zu berechnen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung geht durch Bezugnahme auf die folgenden beigefügten Zeichnungen genauer hervor.

1 ist ein Blockdiagramm einer Servomotorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
2A ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Korrektur einer Drehmomentkonstante durch eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit und zeigt schematisch eine Beziehung zwischen einem durch eine Wicklung eines Servomotors fließenden Strom und einem im Servomotor erzeugten Drehmoment.
2B ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Korrektur einer Drehmomentkonstante durch eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit und zeigt schematisch eine Beziehung zwischen dem durch die Wicklung des Servomotors fließenden Strom und der Drehmomentkonstante des Servomotors.
3 ist ein Blockdiagramm einer Servomotorsteuervorrichtung einer ersten Form.
4 ist ein Blockdiagramm einer Servomotorsteuervorrichtung einer zweiten Form.
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf der Servomotorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Blockdiagramm eines Servomotorsteuersystems, das die Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form umfasst.
7 ist ein Blockdiagramm eines Servomotorsteuersystems, das die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form umfasst.
8 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf eines Servomotorsteuersystems zeigt, das die Servomotorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform umfasst.

Genaue Beschreibung
Eine Servomotorsteuervorrichtung zum Steuern eines Servomotors und ein diese umfassendes Servomotorsteuersystem sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In jeder Zeichnung sind ähnliche Elemente durch ähnliche Bezugszeichen bezeichnet. Die gleichen Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen bezeichnen Komponenten mit den gleichen Funktionen. Zur Erleichterung des Verständnisses verwenden diese Zeichnungen ggf. unterschiedliche Maßstäbe.
1 ist ein Blockdiagramm einer Servomotorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Als Beispiel wird hier ein Fall beschrieben, in dem ein Servomotor 5 durch eine Servomotorsteuervorrichtung 1 gesteuert wird. Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen hat eine Wechselstromversorgung 4 drei Phasen und der Servomotor 5 hat ebenfalls drei Phasen, auch wenn die Anzahl der Phasen die vorliegende Ausführungsform nicht speziell einschränkt und die Anzahl der Phasen eine einzelne Phase umfassen kann. Der Typ des durch die Servomotorsteuervorrichtung 1 gesteuerten Servomotors 5 schränkt die vorliegende Ausführungsform nicht speziell ein und kann beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor sein.
Vor der Beschreibung der Servomotorsteuervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform wird ein Hauptschaltungssystem zum Zuführen von Antriebsenergie an den Servomotor 5 wie folgt beschrieben. Wechselstromenergie zum Antreiben des Servomotors 5 wird durch einen Inverter 3 zugeführt. Der Inverter 3 ist auf der Gleichstromeingangsseite mit einem Gleichstromzwischenkreis verbunden und führt zwischen Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie des durch die Servomotorsteuervorrichtung 1 gesteuerten Servomotors 5 eine Energieumwandlung durch. Der Gleichstromzwischenkreis, der die Gleichstromausgangsseite eines Gleichrichters 2 und die Gleichstromeingangsseite des Inverters 3 miteinander verbindet, ist mit einem Gleichstromzwischenkreiskondensator 6 (auch als Glättungskondensator bezeichnet) ausgestattet. Der Gleichstromzwischenkreiskondensator 6 hat die Funktion, Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis zu speichern wie auch die Funktion, eine pulsierende Komponente eines Gleichstromausgangs des Gleichrichters 2 zu unterdrücken. Der Gleichrichter 2 wandelt Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 in Gleichstromenergie um und gibt die Gleichstromenergie an den Gleichstromzwischenkreis auf der Gleichstromausgangsseite aus.
Als Nächstes wird ein Steuersystem beschrieben, das die Servomotorsteuervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform umfasst.
Ähnlich wie bei einer gewöhnlichen Servomotorsteuervorrichtung umfasst die Servomotorsteuervorrichtung 1 eine Motorsteuereinheit 30, eine Stromerfassungseinheit 21 und eine Drehzahlerfassungseinheit 22 und steuert den Inverter 3, der die Energieumwandlung zwischen der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und der als Antriebsenergie dienenden Wechselstromenergie oder regenerativen Energie des Servomotors 5 durchführt. Die Motorsteuereinheit 30 umfasst eine Strombefehlserzeugungseinheit 31 und eine Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32. Die Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32 erzeugt einen Drehzahlbefehl für den Servomotor 5 basierend auf einer durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfassten (Rotor-) Drehzahl des Servomotors 5 (Drehzahlrückkopplung) und einem Betriebsprogramm des Servomotors 5 und dergleichen. Die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugt einen Strombefehl zum Steuern der Drehzahl, des Drehmoments oder der Rotorstellung des Servomotors 5 basierend auf dem durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Strom, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird (Stromrückkopplung), und einem von der Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32 eingegebenen Drehzahlbefehl. Die Energieumwandlung durch den Inverter 3 wird basierend auf dem durch die Motorsteuereinheit 30 erzeugten Strombefehl (mit anderen Worten, basierend auf einem in Antwort auf den Strombefehl erzeugten Schaltbefehl) gesteuert. Die hier beschriebene Konfiguration der Motorsteuereinheit 30 stellt lediglich ein Beispiel dar, wobei sich die Konfiguration der Motorsteuereinheit 30, einschließlich Bezeichnungen, wie etwa Stellungsbefehlserzeugungseinheit, Drehmomentbefehlserzeugungseinheit und Schaltbefehlserzeugungseinheit, definieren lässt.
Die Servomotorsteuervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Speichereinheit 11, eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12, eine Leistungsberechnungseinheit 13 und eine Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14.
In der Speichereinheit 11 wird eine für den Servomotor 5 vordefinierte Drehmomentkonstante gespeichert. Die Drehmomentkonstante wird üblicherweise als Spezifikation des Servomotors 5 angegeben und beispielsweise in einer Spezifikationstabelle oder einem Bedienerhandbuch des Servomotors 5 beschrieben. Ein Verfahren zum Schreiben der Drehmomentkonstante in die Speichereinheit 11 selbst schränkt die vorliegende Ausführungsform nicht ein, wobei das Verfahren zum Schreiben der Drehmomentkonstante in die Speichereinheit 11 beispielsweise durch eine Eingabetätigkeit eines Bedieners über eine mit der Servomotorsteuervorrichtung 1 verbundene numerische Steuervorrichtung (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt wird. Die Speichereinheit 11 kann unter Verwendung eines nichtflüchtigen Speichers, der elektrisch gelöscht und beschrieben werden kann, wie etwa ein EEPROM (eingetragene Marke), oder eines Direktzugriffsspeichers (RAM) ausgeführt werden, der mit hoher Geschwindigkeit gelesen und beschrieben werden kann, wie etwa ein DRAM oder SRAM. Die Speichereinheit 11 kann auch andere den Servomotor 5 betreffende motorspezifische Informationen als die Drehmomentkonstante speichern. Die den Servomotor 5 betreffenden motorspezifischen Informationen umfassen beispielsweise Informationen zum Spezifizieren des Servomotors 5, wie etwa einen Typ, Spezifikationen, eine Revisionsnummer, eine Chargennummer oder eine Seriennummer des Servomotors 5, eine Aufrufnummer für einen Motorsteuerparameter, eine gegenelektromotorische Kraftkonstante, eine Induktivität und einen Widerstand des Servomotors 5.
Die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, ob in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist. Genauer gesagt bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, wenn ein dem Strom des Servomotors 5 zugeordneter Wert einen vorgegebenen Stromschwellenwert übersteigt. Im Allgemeinen tritt eine magnetische Sättigung ein, wenn ein durch die Wicklung des Servomotors 5 fließender Strom einen Nennstrom übersteigt, daher wird bei einer Ausführungsform ein Stromschwellenwert zum Bestimmen der magnetischen Sättigung in der Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 auf einen Wert eingestellt, der dem Nennstrom des Servomotors 5 entspricht. Alternativ kann der Stromschwellenwert auf einen Wert eingestellt werden, der einem Wert nahe dem Nennstrom des Servomotors 5 entspricht. „Ein dem Strom des Servomotors 5 zugeordneter Wert“ ist entweder ein Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, oder ein durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugter Strombefehl. Daher wird „ein dem Nennstrom des Servomotors 5 entsprechender Wert“ entweder durch den Wert des Nennstroms des Servomotors 5 oder den dem Nennstrom entsprechenden Strombefehl angegeben.
Die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 korrigiert die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante, wenn in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eintritt, d.h. wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eingetreten ist. Wenn in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, wird die Drehmomentkonstante nach der Korrektur an die später beschriebene Leistungsberechnungseinheit 13 gesendet und zur Berechnung einer Leistung des Servomotors 5 verwendet. Wenn hingegen die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eingetreten ist, wird die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante nicht korrigiert und wie sie ist von der Leistungsberechnungseinheit 13 zur Berechnung der Leistung des Servomotors 5 verwendet. Wenn in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, korrigiert die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 bei einer Ausführungsform die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante derart, dass die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors zugeordnete Wert steigt. In diesem Fall wird die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur durch eine lineare Funktion ausgedrückt, bei der beispielsweise der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert eine unabhängige Variable ist und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors zugeordnete Wert steigt. Der vorstehend beschriebene Vorgang ist unter Bezugnahme auf die 2A und 2B genauer beschrieben.
2A ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Korrektur einer Drehmomentkonstante durch eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit und zeigt schematisch eine Beziehung zwischen einem durch eine Wicklung eines Servomotors fließenden Strom und einem im Servomotor erzeugten Drehmoment. 2B ist ein Diagramm zur Beschreibung einer Korrektur der Drehmomentkonstante durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit und zeigt schematisch eine Beziehung zwischen dem durch die Wicklung des Servomotors fließenden Strom und der Drehmomentkonstant des Servomotors. In 2A zeigt eine dicke durchgezogene Linie ein gemessenes Ist-Drehmoment an, während eine dicke gestrichelte Linie ein Drehmoment anzeigt, das durch eine Berechnung unter Festlegung der Drehmomentkonstante ohne Berücksichtigung der magnetischen Sättigung erhalten wird. In 2B zeigt eine dicke durchgezogene Linie eine Ist-Drehmomentkonstante an, während eine dicke gestrichelte Linie die Drehmomentkonstante ohne Berücksichtigung der magnetischen Sättigung anzeigt.
Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine Beziehung zwischen einem durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Strom und dem erzeugten Drehmoment in einem Experiment beobachtet, um festzustellen, dass in einem Bereich, in dem der durch die Wicklung des Servomotors 5 fließende Strom einen Nennstrom übersteigt, das Drehmoment durch eine quadratische Funktion angenähert werden kann, bei der der Strom eine unabhängige Variable ist. In einem Bereich ohne magnetische Sättigung nimmt der in der Wicklung erzeugte Magnetfluss zu und das Drehmoment steigt linear an, wenn der durch die Wicklung des Servomotors 5 fließende Strom höher ist, wie in 2A gezeigt. Wenn der durch die Wicklung des Servomotors 5 fließende Strom weiter steigt und einen Nennstrom I₁ übersteigt, tritt eine magnetische Sättigung ein. In einem Bereich mit magnetischer Sättigung weicht das erzeugte Drehmoment von einem linearen Anstieg ab und die Anstiegstendenz (eine Anstiegsrate) ist im Vergleich zu dem Drehmoment, das durch eine Berechnung unter Festlegung der Drehmomentkonstante ohne Berücksichtigung der magnetischen Sättigung erhalten wird, langsamer. Das Drehmoment wird basierend auf der Drehmomentkonstante und dem durch die Wicklung fließenden Strom berechnet und die langsame Anstiegstendenz des von einem linearen Anstieg abweichenden Drehmoments zeigt eine Abnahme der Drehmomentkonstante an. Mit anderen Worten, in einem Bereich ohne magnetische Sättigung, in dem der durch die Wicklung des Servomotors 5 fließende Strom zwischen null und dem Nennstrom I₁ beträgt, steigt das Drehmoment linear an, wobei das Drehmoment das Nenndrehmoment T₁ erreicht, wenn der durch den Servomotor 5 fließende Strom der Nennstrom I₁ ist. In einem Bereich mit magnetischer Sättigung, in dem der durch die Wicklung des Servomotors 5 fließende Strom den Nennstrom I₁ übersteigt, wird das erzeugte Drehmoment durch eine quadratische Funktion ausgedrückt, bei der der Strom eine unabhängige Variable ist. Wenn der durch die Wicklung des Servomotors 5 fließende Strom der maximale Strom I₂ ist, erreicht das Drehmoment das maximale Drehmoment T₂.
Um die Beschreibung knapp zu halten, wird angenommen, dass Fig. 2A, die die Beziehung zwischen dem Strom und dem Drehmoment darstellt, eine zweidimensionale x-y-Ebene ist, wobei der Strom und das Drehmoment x bzw. y sind und das Drehmoment y durch die Gleichung 1 ausgedrückt wird, in der der Nennstrom I₁ a, das Nenndrehmoment T₁ b, der maximale Strom I₂ c und das maximale Drehmoment T₂ d ist. $y = {\begin{array}{l} \frac{b}{a} x & (0 ≦ x ≦ a) \\ \frac{b}{a} x - \frac{bc - ad}{a {(c - a)}^{2}} {(x - a)}^{2} & (a < x ≦ c) \end{array}$
Wie in der Gleichung 1 gezeigt, wird in einem Bereich ohne magnetische Sättigung, in dem x wenigstens null und nicht mehr als a beträgt, das Drehmoment y durch eine lineare Funktion von x mit einer Steigung „b/a“ ausgedrückt, und in einem Bereich mit magnetischer Sättigung, in dem x mehr als a, aber nicht mehr als c beträgt, wird das Drehmoment y durch eine quadratische Funktion mit einer Steigung „b/a“ ausgedrückt, wobei die Steigung der Berührungslinie an einem Punkt (a, b) „b/a“ beträgt und einen Punkt (c, d) durchläuft.
Wenn die Gleichung 1 nach dem Strom x abgeleitet wird, wird eine Drehmomentkonstante y' erhalten, wie in Gleichung 2 gezeigt. $y' = {\begin{array}{l} \frac{b}{a} & (0 ≦ x ≦ a) \\ \frac{b}{a} - \frac{2 (bc - ad)}{a {(c - a)}^{2}} (x - a) & (a < x ≦ c) \end{array}$
Wie in der Gleichung 2 gezeigt, wird in einem Bereich ohne magnetische Sättigung, in dem x wenigstens null und nicht mehr als a beträgt, die Drehmomentkonstante y' durch eine Konstante „b/a“ ausgedrückt, und in einem Bereich mit magnetischer Sättigung, in dem x mehr als a, aber nicht mehr als c beträgt, die Konstante y' durch eine lineare Funktion von x ausgedrückt. Mit anderen Worten, es versteht sich, dass die Ist-Drehmomentkonstante in einem magnetischen Sättigungszustand im Vergleich zu der Drehmomentkonstante ohne Berücksichtigung der magnetischen Sättigung linear abnimmt.
Daher ist die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 bei einer Ausführungsform dazu eingerichtet ist, wenn in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eintritt, die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante gemäß einer linearen Funktion zu korrigieren, bei der der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert eine unabhängige Variable ist und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert steigt. Mit anderen Worten, wenn in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eintritt, nimmt die durch die Korrektur durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 erhaltene Drehmomentkonstante gemäß einer linearen Funktion ab, bei der der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert eine Variable ist.
Der Nennstrom I₁ (a in Fig. 2A und 2B), das Nenndrehmoment T₁ (b in Fig. 2A und 2B), der maximale Strom I₂ (c in Fig. 2A und 2B) und das maximale Drehmoment T₂ (d in Fig. 2A und 2B) werden üblicherweise als Spezifikationen des Servomotors 5 angegeben, wobei diese Parameter leicht zu erhalten sind, da sie beispielsweise in einer Spezifikationstabelle oder einem Bedienerhandbuch des Servomotors 5 angegeben sind. Durch Einsetzen dieser Parameter in die Gleichung 2 können beide Drehmomentkonstanten in einem Zustand ohne magnetische Sättigung und einem Zustand mit magnetischer Sättigung berechnet werden. Der Nennstrom I₁, das Nenndrehmoment T₁, der maximale Strom I₂ und das maximale Drehmoment T₂ des Servomotors 5 können zusammen mit der für den Servomotor 5 vordefinierten Drehmomentkonstante in der Speichereinheit 11 gespeichert werden, wobei die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 den Nennstrom I₁, das Nenndrehmoment T₁, den maximalen Strom I₂, das maximale Drehmoment T₂ und die Drehmomentkonstante des Servomotors 5 aus der Speichereinheit 11 ausliest und die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante gemäß einer Funktion korrigiert, bei der der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert eine unabhängige Variable ist und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert steigt. Ein Verfahren zum Schreiben des Nennstroms I₁, des Nenndrehmoments T₁, des maximalen Stroms I₂ und des maximalen Drehmoments T₂ des Servomotors 5 in die Speichereinheit 11 selbst schränkt die vorliegende Ausführungsform nicht ein, wobei das Verfahren zum Schreiben dieser Parameter in die Speichereinheit 11 beispielsweise durch eine Eingabetätigkeit eines Bedieners über eine mit der Servomotorsteuervorrichtung 1 verbundene numerische Steuervorrichtung (nicht gezeigt) zur Verfügung gestellt wird.
Bezug nehmend wieder auf 1, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante oder der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem dem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert. Genauer gesagt berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem dem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert, wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eingetreten ist. Wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 hingegen nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante, dem dem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert. „Der der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordnete Wert“ ist entweder eine durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfasste Rotordrehzahl des Servomotors 5 oder ein durch die Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32 erzeugter Drehzahlbefehl für den Servomotor 5.
Als Nächstes werden Formen der Leistungsberechnungseinheit 13 und der Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 gemäß der einen vorstehend beschriebenen Ausführungsform nacheinander beschrieben. Eine Servomotorsteuervorrichtung einer ersten Form verwendet gemessene Istwerte jeweils in Bezug auf den Strom und die Drehzahl, während eine Servomotorsteuervorrichtung einer zweiten Form Befehle jeweils in Bezug auf den Strom und die Drehzahl verwendet.
3 ist ein Blockdiagramm der Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form.
Wie in 3 gezeigt, bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der ersten Form basierend auf einem Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, ob in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist. Genauer gesagt bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, wenn der Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, einen Stromschwellenwert übersteigt, und bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors 5 keine magnetische Sättigung eingetreten ist, wenn der Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms den Stromschwellenwert nicht übersteigt. Der Stromschwellenwert wird auf den Wert des Nennstroms des Servomotors 5 eingestellt. Alternativ kann der Stromschwellenwert auf einen Wert nahe dem Nennstrom des Servomotors 5 eingestellt werden.
Wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der ersten Form die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, und der durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfassten Rotordrehzahl des Servomotors 5. Wenn hingegen die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der ersten Form die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante, dem Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, und der durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfassten Rotordrehzahl des Servomotors 5. Angenommen, dass der Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, i [A], die durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfasste Rotordrehzahl (Drehzahl) des Servomotors 5 ω [rad/min], die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante K_T [Nm/A] und die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur K_T' [Nm/A] ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der ersten Form die Leistung P₁ [W] des Servomotors 1 gemäß der Gleichung 3. $P_{1} = {\begin{array}{l} \frac{2 π \times K_{r} \times i \times w}{60} & (ohne magnetische Sättigung) \\ \frac{2 π \times K_{r} \times i \times w}{60} & (bei Eintreten von magnetischer Sättigung) \end{array}$
4 ist ein Blockdiagramm der Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form.
Wie in 4 gezeigt, bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der zweiten Form basierend auf dem durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugten Strombefehl, ob in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist. Genauer gesagt bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, wenn der durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugte Strombefehl einen Stromschwellenwert übersteigt, und bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors 5 keine magnetische Sättigung eingetreten ist, wenn der Strombefehl den Stromschwellenwert nicht übersteigt. Der Stromschwellenwert wird auf den dem Nennstrom des Servomotors 5 entsprechenden Strombefehl eingestellt. Alternativ kann der Stromschwellenwert auf einen Wert des dem Nennstrom des Servomotors 5 entsprechenden Strombefehls eingestellt werden. Da die Stromerfassungseinheit 21 den Wert des Stroms erfasst, der gemäß dem durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugten Strombefehl durch die Wicklung des Servomotors 5 fließt, geht der durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugte Strombefehl dem Wert des durch die Wicklung des Servomotors 5 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, zeitlich voraus; daher kann die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form das Eintreten einer magnetischen Sättigung in der Wicklung des Servomotors 5 schneller erfassen als die Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form.
Wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der zweiten Form die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugten Strombefehl und dem durch die Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32 erzeugten Drehzahlbefehl für den Servomotor 5. Wenn hingegen die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der zweiten Form die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante, dem durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugten Strombefehl und dem durch die Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32 erzeugten Drehzahlbefehl für den Servomotor 5. Angenommen, dass der durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugte Strombefehl i* [A], der durch die Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32 erzeugte Drehzahlbefehl für den Servomotor 5 ω* [rad/min], die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante K_T [Nm/A] und die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur K_T' [Nm/A] ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 der zweiten Form die Leistung P₂ [W] des Servomotors 1 gemäß der Gleichung 4. $P_{2} = {\begin{array}{l} \frac{2 π \times K_{r} \times i* \times w*}{60} & (ohne magnetische Sättigung) \\ \frac{2 π \times K_{r}' \times i* \times w*}{60} & (bei Eintreten von magnetischer Sättigung) \end{array}$
Die gemäß der Gleichung 4 erhaltene Leistung P₂ des Servomotors 5 zeigt in gewisser Weise eine Leistung, die in der nahen Zukunft und nicht in der Vergangenheit erwartet wird. Daher hat die Verwendung der gemäß der Gleichung 4 erhaltenen Leistung P₂ des Servomotors 5 bei einer beliebigen Steuerung dahingehend einen Vorteil, dass die Ansprechempfindlichkeit der Steuerung verbessert wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf der Servomotorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt. Das in 5 gezeigte Flussdiagramm lässt sich sowohl auf die Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form, die gemessene Istwerte jeweils in Bezug auf den Stroms und die Drehzahl verwendet, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, als auch auf die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form anwenden, die Befehle jeweils in Bezug auf den Strom und die Drehzahl verwendet, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
In einem Zustand, in dem die Servomotorsteuervorrichtung 1 den Antrieb des Servomotors 5 steuert, bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101, ob der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert den Stromschwellenwert übersteigt, um das Eintreten einer magnetischen Sättigung in der Wicklung des Servomotors 5 zu erfassen. Wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, dass der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert den Stromschwellenwert übersteigt, fährt das Verfahren mit Schritt S102 fort, ansonsten geht das Verfahren zu Schritt S103 über.
In Schritt S102 korrigiert die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante derart, dass die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert steigt. In diesem Fall wird die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur durch eine lineare Funktion ausgedrückt, bei der beispielsweise der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert eine unabhängige Variable ist und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors 5 zugeordnete Wert steigt. Die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur wird an die Leistungsberechnungseinheit 13 gesendet.
In Schritt S103 berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante oder der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem dem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert. Genauer gesagt, wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101 bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in Schritt S103 die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem dem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert. Wenn hingegen die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101 nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors 5 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Servomotors 5 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante, dem dem Strom des Servomotors 5 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors 5 zugeordneten Wert.
Die vorstehend beschriebene Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12, Leistungsberechnungseinheit 13, Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 und Motorsteuereinheit 30 (einschließlich der Strombefehlserzeugungseinheit 31 und der Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32) können beispielsweise in Form eines Softwareprogramms oder als Kombination einer Vielzahl elektronischer Schaltungen und eines Softwareprogramms ausgeführt werden. Wenn diese Einheiten beispielsweise in Form eines Softwareprogramms ausgeführt werden, werden Funktionen jeweiliger Einheiten durch Installieren des Softwareprogramms auf einem die Motorsteuereinheit 30 bildenden DSP und Betreiben eines Arithmetik-Prozessors im DSP (nicht gezeigt) gemäß dem Softwareprogramm implementiert. Alternativ können die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12, die Leistungsberechnungseinheit 13 und die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 als integrierte Halbleiterschaltung implementiert werden, in der ein Softwareprogramm zum Implementieren der Funktionen der jeweiligen Einheiten installiert ist; in diesem Fall werden die Funktionen der jeweiligen Einheiten durch Einbauen der integrierten Halbleiterschaltung in eine bestehende Motorsteuereinheit implementiert.
Die vorstehend beschriebene Servomotorsteuervorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise in einem Servomotorsteuersystem zum Steuern eines Antriebsachsen-Servomotors verwendet werden, der eine Achse einer Industriemaschine oder Werkzeugmaschine antreibt, um einen Schwungrad-Servomotor zum Antreiben eines Schwungrads zu steuern, das als Stromspeichereinrichtung zum Verringern eines Energiespitzenwerts für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite bereitgestellt wird. Das Servomotorsteuersystem ist nachstehend beschrieben.
6 ist ein Blockdiagramm eines Servomotorsteuersystems, das die Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form umfasst. Beispielsweise wird die Servomotorsteuervorrichtung 1 zum Steuern eines Schwungrad-Servomotors 5-1 als Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form ausgeführt, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist. Ein Beispiel, bei dem die Servomotorsteuervorrichtung 1 zum Steuern des Schwungrad-Servomotors 5-1 als Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form ausgeführt wird, die unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, ist in der später beschriebenen 7 dargestellt.
6 zeigt einen Fall, in dem eine einzelne Achse 8 durch einen Antriebsachsen-Servomotor 105 angetrieben wird, auch wenn die Anzahl der Achsen 8 die vorliegende Ausführungsform nicht einschränkt und mehr als eins betragen kann. Der Typ des die Achse 8 antreibenden Antriebsachsen-Servomotors 105 schränkt die vorliegende Ausführungsform nicht ein und kann beispielsweise ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor sein. Die Anzahl der Phasen des Antriebsachsen-Servomotors 105 schränkt die vorliegende Ausführungsform nicht spezifisch ein und kann beispielsweise eine einzelne Phase oder mehrere Phasen, abgesehen von drei Phasen, umfassen.
Das Servomotorsteuersystem 1000 zum Steuern des Antriebsachsen-Servomotors 105, der die Achse 8 einer Industriemaschine oder Werkzeugmaschine antreibt, umfasst einen Gleichrichter 2, einen Antriebsachsen-Inverter 103, der als erster Inverter dient, eine Stromspeichereinrichtung 200 und die Servomotorsteuervorrichtung 1. Die Stromspeichereinrichtung 200 umfasst ein Schwungrad 7, den Schwungrad-Servomotor 5-1 und einen Schwungrad-Inverter 3-1, der als zweiter Inverter dient. Die Zufuhr und Speicherung von Energie durch die Stromspeichereinrichtung 200 werden durch die Servomotorsteuervorrichtung 1 gesteuert, wobei die Servomotorsteuervorrichtung 1 und die Stromspeichereinrichtung 200 ein Schwungrad-Stromspeichersystem bilden.
Der Gleichrichter 2 wandelt Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 in Gleichstromenergie um und gibt die Gleichstromenergie an den Gleichstromzwischenkreis aus. Beispiele für den Gleichrichter 2 umfassen eine Diodengleichrichterschaltung, eine 120-Grad-Leitungstyp-Gleichrichterschaltung oder eine PWM-gesteuerte Gleichrichterschaltung, die Schaltelemente enthalten. Wenn der Gleichrichter 2 eine Diodengleichrichterschaltung ist, richtet der Gleichrichter 2 von der Wechselstromversorgung 4 zugeführten Wechselstrom gleich und gibt an den auf der Gleichstromseite befindlichen Gleichstromzwischenkreis Gleichstrom aus. Wenn der Gleichrichter 2 eine 120-Grad-Leitungstyp-Gleichrichterschaltung oder eine PWM-gesteuerte Gleichrichterschaltung ist, kann der Gleichrichter 2 als Stromrichter ausgeführt werden, der eine Umwandlung zwischen Wechselstromenergie und Gleichstromenergie in beide Richtungen durchführen kann und beispielsweise von der Wechselstromversorgung 4 zugeführten Wechselstrom in Gleichstromenergie umwandelt, um die Gleichstromenergie an die Gleichstromseite auszugeben, und die vom Gleichstromzwischenkreis zugeführte Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umwandelt, um die Wechselstromenergie an die Wechselstromversorgung 4 auszugeben.
Der Gleichstromzwischenkreis, der die Gleichstromausgangsseite des Gleichrichters 2 und die Gleichstromeingangsseite des Antriebsachsen-Inverters 103 miteinander verbindet, ist mit einem Gleichstromzwischenkreiskondensator 6 ausgestattet. Der Gleichstromzwischenkreiskondensator 6 hat die Funktion, Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis zu speichern wie auch die Funktion, eine pulsierende Komponente eines Gleichstromausgangs des Gleichrichters 2 zu unterdrücken.
Der Antriebsachsen-Inverter 103, der als erster Inverter dient, ist mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und führt zwischen der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie des Antriebsachsen-Servomotors 105 eine Energieumwandlung durch, wenn gemäß dem von einer Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 zugeführten Antriebsbefehl für jedes darin enthaltene Schaltelement eine Zweipunktregelung durchgeführt wird. Der Antriebsachsen-Inverter 103 wird durch eine Brückenschaltung umgesetzt, die aus Schaltelementen und Dioden besteht, die antiparallel zu den Schaltelementen geschaltet sind, wobei für jedes Schaltelement beispielsweise gemäß dem PWM-Steuerverfahren eine Zweipunktregelung durchgeführt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Antriebsachsen-Inverter 103, da der Antriebsachsen-Servomotor 105 dreiphasig ist, als dreiphasige Brückenschaltung ausgeführt. Beispiele für die Schaltelemente umfassen einen IGBT, einen Thyristor, einen GTO-Thyristor und einen Transistor, auch wenn der Typ der Schaltelemente selbst die vorliegende Ausführungsform nicht einschränkt und andere Typen von Schaltelementen umfassen kann. Der Antriebsachsen-Inverter 103 veranlasst die darin enthaltenen Schaltelemente, gemäß dem von der Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 empfangenen Antriebsbefehl einen Schaltvorgang durchführen, um die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis in Wechselstromenergie mit einer gewünschten Spannung und einer gewünschten Frequenz zum Antreiben des Antriebsachsen-Servomotors 105 umzuwandeln (Inversionsvorgang). Durch diesen Vorgang arbeitet der Antriebsachsen-Servomotor 105 gemäß der zugeführten Wechselstromenergie, die eine variable Spannung und eine variable Frequenz aufweist. Wenn beispielsweise während der Abbremsung des Antriebsachsen-Servomotors 105 regenerative Energie erzeugt wird, wird die durch den Antriebsachsen-Servomotor 105 erzeugte regenerative Energie von Wechselstrom gemäß dem von der Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 empfangenen Antriebsbefehl in Gleichstromenergie umgewandelt und an den Gleichstromzwischenkreis zurückgeführt (Umwandlungsvorgang). Um jedem für jede einer Mehrzahl Achsen 8 einzeln bereitgestellten Antriebsachsen-Servomotor 105 Antriebsenergie zuzuführen, entspricht die Anzahl der bereitgestellten Antriebsachsen-Inverter 103 beispielsweise einer der Anzahl der Antriebsachsen-Servomotoren 105 entsprechenden Anzahl, oder beträgt beispielsweise für die Mehrzahl Antriebsachsen-Servomotoren 105 eins, oder entspricht beispielsweise einer Anzahl Antriebsachsen-Inverter 103, die ein Mehrfaches der Anzahl Wicklungen des Antriebsachsen-Servomotors 105 beträgt, für einen Antriebsachsen-Servomotor 105. Bei dem dargestellten Beispiel beträgt die Anzahl der Antriebsachsen-Inverter 103 eins, da die Anzahl der Antriebsachsen-Servomotoren 105 eins beträgt, um die Zeichnung prägnant zu machen.
Die Stromspeichereinrichtung 200 umfasst das Schwungrad 7, den Schwungrad-Servomotor 5-1 und den Schwungrad-Inverter 3-1, der als zweiter Inverter dient.
Das Schwungrad 7 ist dazu fähig, Rotationsenergie zu speichern und ist mit einer Drehwelle des Schwungrad-Servomotors 5-1 verbunden.
Der Schwungrad-Servomotor 5-1 umfasst die Drehwelle, mit der das Schwungrad 7 verbunden ist, und ist ein Servomotor mit Rotationsträgheit zum Drehen des Schwungrads 7. Die Anzahl der Phasen des Schwungrad-Servomotors 5-1 schränkt die vorliegende Ausführungsform nicht spezifisch ein und kann beispielsweise eine einzelne Phase oder mehrere Phasen, abgesehen von drei Phasen, wie in 6 gezeigt, umfassen.
Wenn für jedes Schaltelement gemäß dem von der (Motorsteuereinheit 30 der) Servomotorsteuervorrichtung 1 zugeführten Strombefehl eine Zweipunktregelung durchgeführt wird, wandelt der Schwungrad-Inverter 3-1, der als zweiter Inverter dient, gemäß der Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 und der Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1, die durch die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 berechnet werden, durch den Schwungrad-Servomotor 5-1 regenerierte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie um oder wandelt Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis in Wechselstromenergie zum Antreiben des Schwungrad-Servomotors 5-1 um. Der Schwungrad-Inverter 3-1 wird durch eine Brückenschaltung umgesetzt, die aus Schaltelementen und Dioden besteht, die antiparallel zu den Schaltelementen geschaltet sind, wobei für jedes Schaltelement beispielsweise gemäß dem PWM-Steuerverfahren eine Zweipunktregelung durchgeführt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Schwungrad-Inverter 3-1, da der Schwungrad-Servomotor 5-1 dreiphasig ist, als dreiphasige Brückenschaltung ausgeführt. Beispiele für die Schaltelemente umfassen einen IGBT, einen Thyristor, einen GTO-Thyristor und einen Transistor, auch wenn der Typ der Schaltelemente selbst die vorliegende Ausführungsform nicht einschränkt und andere Typen von Schaltelementen umfassen kann.
Die Konfiguration der Servomotorsteuervorrichtung 1, die als Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form dient, entspricht der unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen. Die Zufuhr und Speicherung von Energie durch die Stromspeichereinrichtung 200 werden durch die Servomotorsteuervorrichtung 1 gesteuert. Mit anderen Worten, die Servomotorsteuervorrichtung 1 veranlasst die Stromspeichereinrichtung 200 durch Steuern des Schwungrad-Inverters 3-1, um durch den Schwungrad-Servomotor 5-1 regenerierte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umzuwandeln, dem Gleichstromzwischenkreis Energie zuzuführen und gewinnt durch Steuern des Schwungrad-Inverters 3-1, um die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis in Wechselstromenergie zum Antreiben des Schwungrad-Servomotors 5-1 umzuwandeln, einen Anteil der Energie im Gleichstromzwischenkreis zurück, um den Anteil in der Stromspeichereinrichtung 200 zu speichern.
Eine durch die Stromspeichereinrichtung 200 zuzuführende und zu speichernde Energiemenge wird basierend auf der Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105, der Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1, die durch die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 berechnet werden, die Kapazität der Stromversorgungseinrichtung der Wechselstromversorgung 4, der Energieumwandlungsleistung des Gleichrichters 2, der Energieumwandlungsleistung des Schwungrad-Inverters 3-1, der Energieumwandlungsleistung des Antriebsachsen-Inverters 103 und dergleichen bestimmt. Diese wird insbesondere wie folgt bestimmt.
Da der Antriebsachsen-Servomotor 105 bei der Beschleunigung des Antriebsachsen-Servomotors 105 einen hohen Energieverbrauch hat, wird die Ausgabe hoher Wechselstromenergie bevorzugt durch die Stromversorgungseinrichtung der Wechselstromversorgung 4 durchgeführt. In diesem Fall steuert die Motorsteuereinheit 30 der Servomotorsteuervorrichtung 1 die Energieumwandlung durch den Schwungrad-Inverter 3-1 derart, dass „Gleichstromenergie, die durch Umwandeln von durch den Schwungrad-Servomotor 5-1 regenerierter Wechselstromenergie durch den Schwungrad-Inverter 3-1 erhalten wird“ einen Anteil, der für die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis unzureichend ist, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den Antriebsachsen-Inverter 103 als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors 105 zugeführt wird, nur mit „Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird“ kompensiert. „Die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den Antriebsachsen-Inverter 103 als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors 105 zugeführt wird“, wird durch Informationen bestimmt, die die Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 betreffen und von der Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 empfangen werden. „Die Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird“, wird durch die Kapazität der Stromversorgungseinrichtung der Wechselstromversorgung 4 und die Energieumwandlungsleistung des Gleichrichters 2 bestimmt. Wenn eine Differenz der elektrischen Energie, die durch Subtrahieren „der Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird“ von „der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den Antriebsachsen-Inverter 103 als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors 105 zugeführt wird“ erhalten wird, positiv ist, zeigt dies, dass „die Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird“ alleine „die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den Antriebsachsen-Inverter 103 als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors 105 zugeführt wird“ nicht abdecken kann und unzureichend ist. In einem solchen Fall kompensiert die Gleichstromenergie, die durch Umwandeln von durch den Schwungrad-Servomotor 5-1 regenerierter Wechselstromenergie durch den Schwungrad-Inverter 3-1 erhalten wird, das Defizit. Durch diesen Vorgang wird während der Beschleunigung des Antriebsachsen-Servomotors 105 von der Stromspeichereinrichtung 200 dem Gleichstromzwischenkreis zugeführte Energie zusätzlich zur Energie von der Wechselstromversorgung 4 verwendet und es ist möglich, den Energiespitzenwert für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite zu reduzieren.
Die vorstehend beschriebene durch die Stromspeichereinrichtung 200 zugeführte und gespeicherte Energiemenge steht mit der Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 in direktem Zusammenhang, weshalb eine genaue Berechnung der Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 beim Steuern der durch die Stromspeichereinrichtung 200 zuzuführenden und zu speichernden Energie wichtig ist. Die Berechnung der Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 durch die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 wird wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben durchgeführt. Mit anderen Worten, wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 bestimmt, dass in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 basierend auf der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem Wert des durch die Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, und der durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfassten Rotordrehzahl des Schwungrad-Servomotors 5-1. Wenn hingegen die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante, dem Wert des durch die Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, und der durch die Drehzahlerfassungseinheit 22 erfassten Rotordrehzahl des Schwungrad-Servomotors 5-1. Somit wird die für den Schwungrad-Servomotor 5-1 vordefinierte Drehmomentkonstante korrigiert und die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 unter Verwendung der Drehmomentkonstante nach der Korrektur berechnet, wenn in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, während die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 unter Verwendung der für den Schwungrad-Servomotor 5-1 vordefinierten Drehmomentkonstante berechnet wird, wenn in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 keine magnetische Sättigung eingetreten ist; daher kann die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnet werden. Durch Verwenden des hochgenauen Berechnungsergebnisses bezüglich der Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 kann die durch die Stromspeichereinrichtung 200 zugeführte und gespeicherte Energiemenge mit einem hohen Genauigkeitsgrad gesteuert werden.
Die Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 kann basierend auf einem durch die Wicklung des Antriebsachsen-Servomotors 105 fließenden Strom und einer an den Eingangsanschluss des Antriebsachsen-Servomotors 105 angelegten Spannung als Energiemenge berechnet werden. Des Weiteren kann die Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 als Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form ausgeführt werden, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, und die Berechnung der Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 unter gleichzeitiger Steuerung des Antriebsachsen-Servomotors 105 durchgeführt werden. In diesem Fall bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 für die Antriebsachse, ob in der Wicklung des Antriebsachsen-Servomotors 105 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, korrigiert die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 für die Antriebsachse die für den Antriebsachsen-Servomotor 105 vordefinierte Drehmomentkonstante, wenn eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 für die Antriebsachse die Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 und steuert die Motorsteuereinheit 30 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 für die Antriebsachse die Energieumwandlung durch den Antriebsachsen-Inverter 103.
In Bezug auf das in 6 gezeigte Servomotorsteuersystem 1000 wird die Servomotorsteuervorrichtung 1 zum Steuern des Schwungrad-Servomotors 5-1 beispielsweise als Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form ausgeführt, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, die Servomotorsteuervorrichtung 1 kann jedoch stattdessen als Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form ausgeführt werden, die unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist. Dies ist nachstehend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
7 ist ein Blockdiagramm eines Servomotorsteuersystems, das die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form umfasst. Die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form verwendet Befehle jeweils in Bezug auf den Strom und die Drehzahl. Daher kann durch Ändern der Signale, die in die Leistungsberechnungseinheit 13 und die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 gemäß der unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Ausführungsform eingegeben werden, von den Signalen von der Stromerfassungseinheit 21 und der Drehzahlerfassungseinheit 22, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, in Signale von der Strombefehlserzeugungseinheit 31 und der Drehzahlbefehlserzeugungseinheit 32, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, das in 7 gezeigte Servomotorsteuersystem 1000 umgesetzt werden, das die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form umfasst. Andere Komponenten außer diesen sind mit den in 4 und 6 gezeigten Komponenten vergleichbar. Bei dem in 7 gezeigten Servomotorsteuersystem 1000 geht der durch die Strombefehlserzeugungseinheit 31 erzeugte Strombefehl dem Wert des durch die Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 fließenden Stroms, der durch die Stromerfassungseinheit 21 erfasst wird, zeitlich voraus; daher kann das in 7 gezeigte Servomotorsteuersystem 1000 das Eintreten einer magnetischen Sättigung in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 schneller erfassen. Mit anderen Worten, der Schwungrad-Servomotor 5-1 in dem in 7 gezeigten Servomotorsteuersystem 1000, das die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form umfasst, ist ansprechempfindlicher als derjenige in dem in 6 gezeigten Servomotorsteuersystem 1000, das die Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form umfasst.
8 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des Servomotorsteuersystems zeigt, das die Servomotorsteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform umfasst. Das in 8 gezeigte Flussdiagramm lässt sich sowohl auf das unter Bezugnahme auf 6 beschriebene Servomotorsteuersystem 1000, das die Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form umfasst, als auch auf das unter Bezugnahme auf 7 beschriebene Servomotorsteuersystem 1000 anwenden, das die Servomotorsteuervorrichtung der zweiten Form umfasst.
In einem Zustand, in dem die Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 den Antrieb des Antriebsachsen-Servomotors 105 steuert, bestimmt die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101, ob der dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordnete Wert den Stromschwellenwert übersteigt, um das Eintreten einer magnetischen Sättigung in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 zu erfassen. Wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101 bestimmt, dass der dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordnete Wert den Stromschwellenwert übersteigt, fährt das Verfahren mit Schritt S102 fort, ansonsten geht das Verfahren zu Schritt S103 über.
In Schritt S102 korrigiert die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 die in der Speichereinheit 11 gespeicherte Drehmomentkonstante derart, dass die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordnete Wert steigt. In diesem Fall wird die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur durch eine lineare Funktion ausgedrückt, bei der beispielsweise der dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordnete Wert eine unabhängige Variable ist und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordnete Wert steigt. Die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur wird an die Leistungsberechnungseinheit 13 gesendet.
In Schritt S103 berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante oder der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordneten Wert. Genauer gesagt, wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101 bestimmt, dass in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 in Schritt S103 die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 basierend auf der der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit 12 berechneten Drehmomentkonstante nach Korrektur, dem dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordneten Wert. Wenn hingegen die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung 14 in Schritt S101 nicht bestimmt, dass in der Wicklung des Schwungrad-Servomotors 5-1 eine magnetische Sättigung eingetreten ist, berechnet die Leistungsberechnungseinheit 13 die Leistung des Schwungrad-Servomotors 5-1 basierend auf der in der Speichereinheit 11 gespeicherten Drehmomentkonstante, dem dem Strom des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Schwungrad-Servomotors 5-1 zugeordneten Wert.
In Schritt S104 bestimmt die Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101, ob der Antriebsachsen-Servomotor 105 Energie verbraucht. Das Bestimmungsergebnis wird an die Motorsteuereinheit 30 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 gesendet, die den Schwungrad-Servomotor 5-1 steuert. Die Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 kann basierend auf dem durch die Wicklung des Antriebsachsen-Servomotors 105 fließenden Strom und der an den Eingangsanschluss des Antriebsachsen-Servomotors 105 angelegten Spannung als Energiemenge berechnet werden. Des Weiteren kann die Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 als Servomotorsteuervorrichtung der ersten Form ausgeführt werden, die unter Bezugnahme auf 3 beschrieben ist, und die Berechnung der Leistung des Antriebsachsen-Servomotors 105 durchgeführt werden. Wenn in Schritt S104 bestimmt wird, dass der Antriebsachsen-Servomotor 105 Energie verbraucht, fährt das Verfahren mit Schritt S105 fort, ansonsten geht das Verfahren zu Schritt S107 über.
Wenn in Schritt S104 bestimmt wird, dass der Antriebsachsen-Servomotor 105 keine Energie verbraucht, bremst der Antriebsachsen-Servomotor 105 ab und befindet sich in einem Zustand der Regeneration von Wechselstromenergie, wobei die Wechselstromenergie in Schritt S107 in der Stromspeichereinrichtung 200 gespeichert wird. Genauer gesagt steuert die Antriebsachsen-Servomotorsteuervorrichtung 101 den Antriebsachsen-Inverter 103, um die durch den Antriebsachsen-Servomotor 105 erzeugte regenerative Energie von Wechselstrom in Gleichstromenergie umzuwandeln und die Gleichstromenergie an den Gleichstromzwischenkreis zurückzuführen (Umwandlungsvorgang), während die Servomotorsteuervorrichtung 1 den Schwungrad-Inverter 3-1 steuert, um einen Inversionsvorgang durchzuführen, bei dem die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis in Wechselstromenergie umgewandelt wird; daher fließt die Energie im Gleichstromzwischenkreis in den Schwungrad-Servomotor 5-1, um es dem Schwungrad-Servomotor 5-1 zu ermöglichen, zu drehen. Durch diesen Vorgang wird die eingeflossene elektrische Energie in Form von Rotationsenergie des Schwungrads 7 gespeichert (Schritt S107).
Wenn in Schritt S104 bestimmt wird, dass der Antriebsachsen-Servomotor 105 Energie verbraucht, bestimmt die Motorsteuereinheit 30 in der Servomotorsteuervorrichtung 1 in Schritt S105, ob „die Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird“ alleine für „die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den Antriebsachsen-Inverter 103 als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors 105 zugeführt wird“ unzureichend ist. Genauer gesagt berechnet die Motorsteuereinheit 30 eine Differenz durch Subtrahieren „der Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird“ von „der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den Antriebsachsen-Inverter 103 als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors 105 zugeführt wird“ und wenn die Differenz der elektrischen Energie positiv ist, bestimmt die Motorsteuereinheit 30, dass die Gleichstromenergie, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung 4 durch den Gleichrichter 2 erhalten wird, alleine nicht ausreicht (unzureichend ist), um den Antriebsachsen-Servomotor 105 anzutreiben. Wenn bestimmt wird, dass die Energie zum Antreiben des Antriebsachsen-Servomotors 105 unzureichend ist, fährt das Verfahren mit Schritt S106 fort, ansonsten kehrt das Verfahren zu Schritt S101 zurück.
In Schritt S106 steuert die Servomotorsteuervorrichtung 1 den Schwungrad-Inverter 3-1, um einen Umwandlungsvorgang durchzuführen, bei dem die durch Verringern der Drehzahl des Schwungrad-Servomotors 5-1 regenerierte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie umgewandelt wird. Durch diesen Vorgang wird die im Schwungrad 7 gespeicherte Rotationsenergie über den Schwungrad-Servomotor 5-1 und den Schwungrad-Inverter 3-1 in elektrische Energie umgewandelt und dem Gleichstromzwischenkreis zugeführt (S106). Durch Einbeziehen einer solchen Konfiguration kann, wenn der Antriebsachsen-Servomotor 105 Energie verbraucht (während der Beschleunigung des Antriebsachsen-Servomotors 105), die von der Stromspeichereinrichtung 200 dem Gleichstromzwischenkreis zugeführte Energie zusätzlich zur Energie von der Wechselstromversorgung 4 verwendet werden und der Energiespitzenwert für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite verringert werden. Nach diesem Schritt kehrt das Verfahren zu Schritt S101 zurück und die Vorgänge der Schritte S101 bis S107 werden erneut ausgeführt.
Somit wird, wenn ein Schwungrad-Stromspeichersystem zum Verringern eines Energiespitzenwerts für die Stromversorgungseinrichtung auf der Wechselstromversorgungsseite in einem Servomotorsteuersystem zum Steuern eines Antriebsachsen-Servomotors bereitgestellt wird, der eine Achse einer Industriemaschine oder Werkzeugmaschine antreibt, ein hochgenaues Berechnungsergebnis bezüglich der Leistung des Schwungrad-Servomotors verwendet; daher kann die durch die Stromspeichereinrichtung zugeführte und gespeicherte Energiemenge mit einem hohen Genauigkeitsgrad gesteuert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird, wenn in einer Wicklung eines Servomotors eine magnetische Sättigung eintritt, eine für den Servomotor vordefinierte Drehmomentkonstante korrigiert und eine Leistung des Servomotors basierend auf der Drehmomentkonstante nach der Korrektur, einem einem Strom des Servomotors zugeordneten Wert und einem einer Drehzahl des Servomotors zugeordneten Wert berechnet; wenn hingegen in der Wicklung des Servomotors keine magnetische Sättigung eintritt, wird die Leistung des Servomotors basierend auf der für den Servomotor vordefinierten Drehmomentkonstante, dem dem Strom des Servomotors zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors zugeordneten Wert berechnet, wobei die Leistung des Servomotors mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnet werden kann.

Claims

Servomotorsteuervorrichtung (1) zum Steuern eines Servomotors (5), die umfasst: - eine Speichereinheit (11), die dazu eingerichtet ist, eine für den Servomotor (5) vordefinierte Drehmomentkonstante zu speichern, - eine Drehmomentkonstantenkorrektureinheit (12), die dazu eingerichtet ist, die in der Speichereinheit (11) gespeicherte Drehmomentkonstante zu korrigieren, wenn in einer Wicklung des Servomotors (5) eine magnetische Sättigung eintritt, und - eine Leistungsberechnungseinheit (13), die dazu eingerichtet ist, basierend auf der in der Speichereinheit (11) gespeicherten Drehmomentkonstante oder der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit (12) berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, einem einem Strom des Servomotors (5) zugeordneten Wert und einem einer Drehzahl des Servomotors (5) zugeordneten Wert eine Leistung des Servomotors (5) zu berechnen.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach Anspruch 1, die ferner umfasst: - eine Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung (14), die dazu eingerichtet ist, zu bestimmen, ob in der Wicklung des Servomotors (5) eine magnetische Sättigung eingetreten ist, - wobei, wenn die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung (14) bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors (5) eine magnetische Sättigung eingetreten ist, die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit (12) die in der Speichereinheit (11) gespeicherte Drehmomentkonstante korrigiert und die Leistungsberechnungseinheit (13) basierend auf der durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit (12) berechneten Drehmomentkonstante nach der Korrektur, dem dem Strom des Servomotors (5) zugeordneten Wert und dem der Drehzahl des Servomotors (5) zugeordneten Wert eine Leistung des Servomotors (5) berechnet.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei, wenn der dem Strom des Servomotors (5) zugeordnete Wert einen vorgegebenen Stromschwellenwert übersteigt, die Bestimmungseinheit der magnetischen Sättigung (14) bestimmt, dass in der Wicklung des Servomotors (5) eine magnetische Sättigung eingetreten ist.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei der Stromschwellenwert auf einen Wert, der einem Nennstrom des Servomotors (5) entspricht, oder einen Wert eingestellt wird, der einem Wert nahe dem Nennstrom entspricht.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn in der Wicklung des Servomotors (5) eine magnetische Sättigung eingetreten ist, die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit (12) die in der Speichereinheit (11) gespeicherte Drehmomentkonstante derart korrigiert, dass die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors (5) zugeordnete Wert steigt.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach Anspruch 5, wobei die durch die Drehmomentkonstantenkorrektureinheit (12) berechnete Drehmomentkonstante nach der Korrektur durch eine lineare Funktion ausgedrückt wird, bei der der dem Strom des Servomotors (5) zugeordnete Wert eine unabhängige Variable ist und die Drehmomentkonstante abnimmt, wenn der dem Strom des Servomotors (5) zugeordnete Wert steigt.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die umfasst: - eine Stromerfassungseinheit (21), die dazu eingerichtet ist, einen Wert des durch die Wicklung des Servomotors (5) fließenden Stroms zu erfassen, - wobei der dem Strom des Servomotors (5) zugeordnete Wert der Wert des durch die Wicklung des Servomotors (5) fließenden Stroms ist, der durch die Stromerfassungseinheit (21) erfasst wird.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die umfasst: - eine Strombefehlserzeugungseinheit (31), die dazu eingerichtet ist, einen Strombefehl für in der Wicklung des Servomotors (5) fließenden Strom zu erzeugen, - wobei der dem Strom des Servomotors (5) zugeordnete Wert der durch die Strombefehlserzeugungseinheit (31) erzeugte Strombefehl ist.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die umfasst: - eine Drehzahlerfassungseinheit (22), die dazu eingerichtet ist, eine Rotordrehzahl des Servomotors (5) zu erfassen, - wobei der der Drehzahl des Servomotors (5) zugeordnete Wert die durch die Drehzahlerfassungseinheit (22) erfasste Rotordrehzahl des Servomotors (5) ist.
Servomotorsteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die umfasst: - eine Drehzahlbefehlserzeugungseinheit (32), die dazu eingerichtet ist, einen Drehzahlbefehl für den Servomotor (5) zu erzeugen, - wobei der der Drehzahl des Servomotors (5) zugeordnete Wert ein Wert des durch die Drehzahlbefehlserzeugungseinheit (32) erzeugten Drehzahlbefehls für den Servomotor (5) ist.
Servomotorsteuersystem (1000) zum Steuern eines Antriebsachsen-Servomotors (105), der eine Achse (8) einer Industriemaschine oder Werkzeugmaschine antreibt, das umfasst: - einen Gleichrichter (2), der dazu eingerichtet ist, Wechselstromenergie einer Wechselstromversorgung (4) in Gleichstromenergie umzuwandeln und die Gleichstromenergie an einen Gleichstromzwischenkreis auszugeben, - einen ersten Inverter (103), der mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und dazu eingerichtet ist, zwischen der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie des Antriebsachsen-Servomotors (105) eine Energieumwandlung durchzuführen, - ein Schwungrad (7), - einen Schwungrad-Servomotor (5-1), der mit dem Schwungrad (7) verbunden und dazu eingerichtet ist, das Schwungrad (7) zu drehen, - einen zweiten Inverter (3-1), der mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und dazu eingerichtet ist, zwischen der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie des Schwungrad-Servomotors (5-1) eine Energieumwandlung durchzuführen, und - die Servomotorsteuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die dazu eingerichtet ist, den Schwungrad-Servomotor (5-1) zu steuern, - wobei die Energieumwandlung durch den zweiten Inverter (3-1) derart gesteuert wird, dass die durch den Schwungrad-Servomotor (5-1) regenerierte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie oder die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis in Wechselstromenergie zum Antreiben des Schwungrad-Servomotors (5-1) gemäß einer Leistung des Antriebsachsen-Servomotors (105) und einer Leistung des Schwungrad-Servomotors (5-1) umgewandelt wird, die durch die Leistungsberechnungseinheit (13) berechnet werden.
Servomotorsteuersystem (1000) zum Steuern eines Antriebsachsen-Servomotors (105), der eine Achse (8) einer Industriemaschine oder Werkzeugmaschine antreibt, das umfasst: - einen Gleichrichter (2), der dazu eingerichtet ist, Wechselstromenergie einer Wechselstromversorgung (4) in Gleichstromenergie umzuwandeln und die Gleichstromenergie an einen Gleichstromzwischenkreis auszugeben, - einen ersten Inverter (103), der mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und dazu eingerichtet ist, zwischen der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie eines Antriebsachsen-Servomotors (105) eine Energieumwandlung durchzuführen, - ein Schwungrad (7), - einen Schwungrad-Servomotor (5-1), der mit dem Schwungrad (7) verbunden und dazu eingerichtet ist, das Schwungrad (7) zu drehen, - einen zweiten Inverter (3-1), der mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und dazu eingerichtet ist, zwischen der Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis und als Antriebsenergie dienender Wechselstromenergie oder regenerativer Energie des Schwungrad-Servomotors (5-1) eine Energieumwandlung durchzuführen, und - wenigstens zwei der Servomotorsteuervorrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die dazu eingerichtet sind, jeweils den Antriebsachsen-Servomotor (105) und den Schwungrad-Servomotor (5-1) zu steuern, - wobei die Energieumwandlung durch den zweiten Inverter (3-1) derart gesteuert wird, dass die durch den Schwungrad-Servomotor (5-1) regenerierte Wechselstromenergie in Gleichstromenergie oder die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis in Wechselstromenergie zum Antreiben des Schwungrad-Servomotors (5-1) gemäß einer Leistung des Antriebsachsen-Servomotors (105) und einer Leistung des Schwungrad-Servomotors (5-1) umgewandelt wird, die durch die Leistungsberechnungseinheit (13) berechnet werden.
Servomotorsteuersystem (1000) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Energieumwandlung durch den zweiten Inverter (3-1) derart gesteuert wird, dass Gleichstromenergie, die durch Umwandeln von durch den Schwungrad-Servomotor (5-1) regenerierter Wechselstromenergie durch den zweiten Inverter (3-1) erhalten wird, einen Anteil, der für die Gleichstromenergie im Gleichstromzwischenkreis unzureichend ist, die zur Umwandlung in Wechselstromenergie benötigt wird, welche durch den ersten Inverter (103) als Antriebsenergie des Antriebsachsen-Servomotors (105) zugeführt wird, nur mit Gleichstromenergie kompensiert, die durch Umwandeln der Wechselstromenergie der Wechselstromversorgung (4) durch den Gleichrichter (2) erhalten wird.