DE102019130729A1

DE102019130729A1 - Motorsteuerungsvorrichtung mit boost-einheit

Info

Publication number: DE102019130729A1
Application number: DE102019130729.5A
Authority: DE
Inventors: Shoutarou Hashimoto
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2020-05-14
Also published as: JP6927947B2; US11063505B2; JP2020088874A; US20200153325A1; CN111193461A

Abstract

Eine Motorsteuerungsvorrichtung 1 umfasst: einen Wandler 11-1, 11-2, der konfiguriert ist, um eine Wechselspannungseingabe von der Seite der Wechselstromversorgung 2 in eine Gleichspannung umzuwandeln und dann die Gleichspannung an eine Gleichstromseite auszugeben; einen Wechselrichter 12, der konfiguriert ist, um eine Gleichspannungseingabe von der Gleichstromseite in eine Wechselspannung zum Antrieb eines Motors 3 umzuwandeln und dann die Wechselspannung auszugeben; und eine Boost-Einheit 13, die konfiguriert ist, um die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichstromseite gemäß einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und einer Drehzahlinformation, die von dem Motor 3 erhalten wird, zu erhöhen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Motorsteuerungsvorrichtung, die mit einer Boost-Einheit ausgestattet ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei einer Motorsteuerungsvorrichtung, die den Antrieb von Motoren in einer Werkzeugmaschine, Schmiedemaschine, einer Spritzgießmaschine, Industriemaschine oder verschiedenen Robotern steuert, wird die von einer Wechselspannungsversorgungsseite eingehende Wechselspannung durch einen Wandler (einen Gleichrichter) in eine Gleichspannung umgewandelt und dann an einen Gleichspannungszwischenkreis ausgegeben, die Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis wird weiter durch einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umgewandelt und dann diese Wechselspannung einem für jede Antriebsachse vorgesehenen Motor als Antriebsspannung zugeführt. Der „Gleichspannungszwischenkreis“ (DC link) bezieht sich auf einen Schaltungsteil, der eine Gleichstrom-Ausgangsseite eines Wandlers und eine Gleichstrom-Eingangsseite eines Wechselrichters elektrisch miteinander verbindet, und wird manchmal auch anders als „Gleichspannungszwischenkreisteil“ (DC link portion), „Gleichstromzwischenkreis“ (direct-current link), „Gleichstromzwischenkreisteil“ (direct-current link portion), „Gleichstromzwischenkreis“ (direct-current intermediate circuit) oder ähnliches bezeichnet.
Ein PWM-Wechselrichter, der einen Motor in einer Motorsteuerungsvorrichtung mit Antriebsleistung versorgt, enthält eine Brückenschaltung aus einem Halbleiterschaltelement und einer Diode, die antiparallel zum Halbleiterschaltelement geschaltet ist, und wandelt die Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung um und gibt dann die Wechselspannung aus. Nach einem PWM-Steuerverfahren wird ein Spannungsbefehl jeder Phase mit einer Trägerfrequenz von Dreieckwellen in einem Stromregler innerhalb der Motorsteuerungsvorrichtung verglichen, und jedes Halbleiterschaltelement innerhalb der Brückenschaltung, die den Wechselrichter bildet, wird in Abhängigkeit von einer Größenbeziehung zwischen dem Spannungsbefehl und der Trägerfrequenz ein- oder ausgeschaltet. Aufgrund des Prinzips eines solchen PWM-Steuerungsverfahrens wird die tatsächliche Wechselspannung, die von einem Wechselrichter ausgegeben wird, kleiner als die ursprünglich auf der Grundlage eines Spannungsbefehls geplante Wechselspannung. Je höher die PWM-Frequenz ist, desto größer ist die Differenz zwischen der tatsächlichen Wechselspannung, die von einem Wechselrichter ausgegeben wird, und der ursprünglich auf der Grundlage eines Spannungsbefehls geplanten Wechselspannung.
Außerdem nimmt, wenn die Wechselspannung eines Wandlers auf der Versorgungsseite abnimmt, die vom Wandler abgegebene Gleichspannung ab und die tatsächliche Wechselspannung eines Wechselrichters nimmt entsprechend ab. Mit anderen Worten, die tatsächliche Wechselspannungsausgabe des Wechselrichters kann aufgrund eines Spannungsabfalls auf der AC-Versorgungsseite kleiner werden als die ursprünglich auf der Grundlage eines Spannungsbefehls geplante AC-Spannung.
Auf diese Weise werden Leistung und Drehmoment eines Motors geringer als die ursprünglich auf einem Spannungsbefehl beruhende Spannung, tatsächliche Wechselspannungsausgabe des Wechselrichters aus irgendeinem Grund, z.B. aufgrund eines Prinzips der PWM-Steuerungsmethode oder einer AC-Versorgungsspannungsabnahme, kleiner als die gewünschten Werte wird. Wenn beispielsweise eine hohe Last an den Motor angelegt wird, sinkt die Drehzahl des Motors.
Wenn ein Motor beispielsweise ein Induktionsmotor ist, kann die Eingangsspannung V1 des Induktionsmotors wie in Gleichung 1 dargestellt werden, in der I₁ ein Strom ist, der in den Induktionsmotor fließt, R₁ ein Primärwiderstand ist, φ₁ ein primärer magnetischer Fluss und ω eine Primärfrequenz.
[Gleichung 1] $V_{1} = R_{1} I_{1} + \frac{d}{d t} φ_{1} + ω J φ_{1}$
In Gleichung 1 wird J wie in Gleichung 2 dargestellt.
[Gleichung 2] $J = (\begin{matrix} 0 & - 1 \\ 1 & 0 \end{matrix})$
In Gleichung 1 stellt „R₁I₁“ einen Betrag eines aus dem Primärwiderstand resultierenden Spannungsabfalls dar, „dφ₁/dt“ stellt eine mit magnetischem Fluss variierende elektromotorische Kraft dar und „ωJφ₁“ stellt eine elektromotorische Geschwindigkeitskraft dar.
Der Einfachheit halber wird, vorausgesetzt, dass sich der Antrieb des Induktionsmotors in einem stationären Zustand befindet (d.h. dφ₁/dt=0) und dass der Induktionsmotor mit einem bestimmten Grad an konstanter Geschwindigkeit rotiert, die elektromotorische Kraft der Geschwindigkeit als ausreichend größer als ein Spannungsabfall, der aus dem Primärwiderstand resultiert, angesehen, und daher kann Gleichung 1 nur durch die elektromotorische Kraft der Geschwindigkeit, wie in Gleichung 3 dargestellt, angenähert werden.
[Gleichung 3] $V_{1} = ω J φ_{1} = ω L_{1} (\begin{matrix} - σ i_{1 q} \\ i_{1 d} \end{matrix})$
Hierbei kann i₁ in Gleichung 3 wie in Gleichung 4 dargestellt werden.
[Gleichung 4] $i_{1} = (\begin{matrix} - i_{d} \\ i_{1 q} \end{matrix})$
Darüber hinaus ist σ in Gleichung 3 ein Streukoeffizient und kann wie in Gleichung 5 dargestellt werden, in der die Gegeninduktivität des Induktionsmotors M ist, die Primärinduktivität L₁ und die Sekundärinduktivität L₂.
[Gleichung 5] $σ = 1 - \frac{M^{2}}{L_{1} L_{2}}$
Aus Gleichung 3 geht hervor, dass die Primärfrequenz ω oder der Primärstrom i₁ abnimmt, wenn die Eingangsspannung V₁ des Induktionsmotors abnimmt. Die Abnahme der Primärfrequenz bewirkt eine Abnahme der Drehzahl des Induktionsmotors.
Wenn die Anzahl der Polpaare im Induktionsmotor Np ist, der primäre q-Phasen-Strom i_1q und ein sekundärer d-Phasen-Magnetfluss φ_2d beträgt, kann das Drehmoment des Induktionsmotors wie in Gleichung 6 dargestellt werden.
[Gleichung 6] $τ = 3 N_{p} \frac{M}{L_{2}} φ_{2 d} i_{1 q}$
Aus Gleichung 6 geht hervor, dass das Drehmoment τ abnimmt, wenn der Primärstrom i₁ abnimmt. Das Anlegen einer hohen Last an den Induktionsmotor, wenn das Drehmoment τ abnimmt, führt zu einer Verringerung der Drehzahl des Induktionsmotors.
Wenn der Induktionsmotor durch Vektorregelung angetrieben wird und in diesem Fall die von einem Wechselrichter ausgegebene Wechselspannung aufgrund des Prinzips der PWM-Steuerungsmethode kleiner als die durch einen Spannungsbefehl geplante Spannung wird, wird der im Induktionsmotor fließende Strom ebenfalls verringert.
Zum Beispiel, wie in der japanischen Unexamined Patent Publication No. 2007-151251 beschrieben, ist eine Motorsteuerungsvorrichtung bekannt, die Folgendes umfasst: eine Verstärkungsschaltung, die die Versorgungsspannung erhöht und dann die erhöhte Versorgungsspannung ausgibt; eine Treiberschaltung, die einen Motor auf der Grundlage der erhöhten Ausgangsspannung mit Antriebsleistung versorgt; und ein Steuerverfahren, das die Betätigung der Verstärkungsschaltung steuert, wobei die Betätigungssteuerung der Treiberschaltung auf der Grundlage einer Abweichung zwischen einem tatsächlichen, an den Motor geleiteten Stromwert und einem Strombefehlswert durchgeführt wird und das Steuerverfahren die Betätigung der Verstärkungsschaltung steuert, um die Ausgangsspannung allmählich zu verringern, wenn die Abweichung kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wenn beispielsweise ein Induktionsmotor durch Vektorregelung angetrieben wird und in diesem Fall die von einem Wechselrichter ausgegebene Wechselspannung aufgrund des Prinzips einer PWM-Steuerungsmethode kleiner wird als die ursprünglich durch einen Spannungsbefehl geplante Spannung, wird der vom Wechselrichter in den Induktionsmotor fließende Strom verringert. Darüber hinaus wird z.B. unabhängig davon, ob es sich bei einem von einer Motorsteuerungsvorrichtung gesteuerten Motor um einen Induktionsmotor oder einen Synchronmotor handelt, die tatsächliche Wechselspannungsausgabe vom Wechselrichter aufgrund einer leistungsversorgungsseitigen Spannungsabnahme in einem Wandler kleiner als die ursprünglich aufgrund eines Spannungsbefehls geplante Wechselspannung, und der tatsächliche Strom, der vom Wechselrichter in den Induktionsmotor fließt, wird verringert. In einem solchen Fall führt eine Stromsteuereinheit (current control unit) in der Motorsteuerungsvorrichtung die Steuerung der Ausgabe eines Spannungsbefehls mit einem größeren Wert aus, um zu bewirken, dass der tatsächliche Strom einem Strombefehl folgt. In der Stromsteuereinheit wird jedoch in der Regel ein oberer Grenzwert für einen Spannungsbefehl zum Schutz eines Motors oder eines Wechselrichters eingestellt. Wenn ein Spannungsbefehl in der Stromsteuereinheit einen oberen Grenzwert erreicht, kann es vorkommen, dass die Steuerung, die bewirkt, dass der Ist-Strom einem Strombefehl folgt, nicht ausgeführt wird. Dies führt zu einem Zustand, in dem die Wechselspannung und der Wechselstrom-Ausgang des Wechselrichters kleiner als die durch den Spannungsbefehl vorgesehenen Werte werden und der Strombefehl fortgesetzt wird, und die Motorleistung und das Drehmoment kleiner als die gewünschten Werte werden. In einem solchen Zustand führt das Anlegen einer hohen Last an den Motor zu einer Verringerung der Drehzahl des Motors. Daher wurde eine Motorsteuerungsvorrichtung gewünscht, das in der Lage ist, eine Verringerung der Drehzahl eines Motors zu vermeiden, die aus unerwarteten Abnahmen der Motorleistung und des Drehmoments resultiert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Motorsteuerungsvorrichtung einen Wandler, der so konfiguriert ist, dass er Wechselspannungseingabe von einer Wechselspannungsversorgungsseite in Gleichspannung umwandelt und dann die Gleichspannung an eine Gleichspannungsseite ausgibt; einen Wechselrichter, der so konfiguriert ist, dass er Gleichspannungseingabe von der Gleichspannungsseite in Wechselspannung zum Antrieb eines Motors umwandelt und dann die Wechselspannung ausgibt; und eine Boost-Einheit, die so konfiguriert ist, dass sie Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter von der Gleichspannungsseite gemäß einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor und von dem Motor gewonnener Drehzahlinformation erhöht.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf die folgenden begleitenden Zeichnungen besser verstanden:

1 ist ein Diagramm, das eine Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert;
2 ist ein Diagramm, das ein Modifikationsbeispiel der Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung illustriert;
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf der Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
4 ist ein Diagramm, das eine Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
5 ist ein Diagramm, das Details einer Wechselrichter-Steuereinheit (inverter control unit) illustriert, die in 4 dargestellt ist, und ein Beispiel, wenn ein sensorloser Induktionsmotor gesteuert wird;
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf der Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
7 ist ein Diagramm, das die Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel veranschaulicht, bei dem ein Näherungsschalter in der Nähe einer mit einem Induktionsmotor verbundenen Antriebsachse angeordnet ist;
9 ist ein Diagramm, das Details einer in 7 dargestellten Wechselrichter-Steuereinheit und ein Beispiel für die Steuerung eines sensorlosen Induktionsmotors veranschaulicht;
10 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf einer Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Drehzahlabweichung und einem Boost-Verhältnis durch einen Boost-Vorgang gemäß einem ersten Beispiel in der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
12 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Drehzahlabweichung und einem Boost-Verhältnis durch einen Boost-Vorgang gemäß einem zweiten Beispiel in der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
13 ist ein Diagramm, das ein erstes Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit in der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
14 ist ein Diagramm, das ein zweites Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit in der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
15 ist ein Schaltplan, der eine Step-up-Chopperschaltung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Motorsteuerungsvorrichtung, die mit einer Boost-Einheit ausgestattet ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Zum besseren Verständnis werden in den Zeichnungen verschiedene Maßstäbe verwendet. Ein in jeder Zeichnung dargestellter Modus ist ein Beispiel für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf illustrierte Ausführungsformen beschränkt.
Zunächst wird eine Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. In der ersten Ausführungsform wird die Gleichspannungseingabe in einen Wechselrichter entsprechend einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an einen Motor und einer tatsächlichen Drehgeschwindigkeit des Motors hochgefahren.
1 ist ein Diagramm, das die Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
Als Beispiel wird ein Fall dargestellt, in dem ein Wechselstrommotor (im Folgenden kurz „Motor“ genannt) 3 von einer Motorsteuerungsvorrichtung 1 gesteuert wird, die an eine Wechselstromversorgung 2 angeschlossen ist. Es ist zu beachten, dass in der ersten Ausführungsform eine Art von Motor 3 nicht besonders eingeschränkt ist und der Motor 3 entweder z.B. ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor sein kann. Darüber hinaus ist die Anzahl der Phasen der Wechselstromversorgung 2 und des Motors 3 in der Ausführungsform nicht besonders begrenzt und kann z.B. drei Phasen oder eine einzige Phase sein. Als ein Beispiel für die Wechselstromversorgung 2 wird eine dreiphasige AC 400 V-Stromversorgung, eine dreiphasige AC 200 V-Stromversorgung, eine dreiphasige AC 600 V-Stromversorgung, eine einphasige AC 100 V-Stromversorgung o. ä. genannt. Zu den mit dem Motor 3 ausgestatteten Maschinen gehören z. B. eine Werkzeugmaschine, ein Roboter, Schmiedemaschinen, eine Spritzgussmaschine, Industriemaschinen, verschiedene elektrische Geräte, ein Elektrozug, ein Automobil und ein Flugzeug.
Wie in 1 dargestellt, umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform einen PWM-Wandler 11-1, einen Wechselrichter 12 und eine Boost-Einheit 13. Ferner enthält die Motorsteuerungsvorrichtung 1 wie bei einer allgemeinen Motorsteuerungsvorrichtung eine Wechselrichter-Steuereinheit 10.
Der PWM-Wandler 11-1 wandelt die von einer Wechselstrom-Versorgungsseite eingegebene Wechselspannung durch einen Schaltvorgang eines internen Halbleiterschaltelements in die gewünschte Intensität der Gleichspannung um und gibt dann die Gleichspannung an eine Gleichstromseite aus. Der PWM-Wandler 11-1 enthält eine Brückenschaltung aus einem Halbleiterschaltelement und einer Diode, die antiparallel zum Halbleiterschaltelement geschaltet ist, und führt eine Spannungsumwandlung zwischen Wechselspannung auf der Wechselspannungsversorgungsseite 2 und der Gleichspannungsseite durch Ein/Aus-Steuerung jedes Halbleiterschaltelements gemäß einem empfangenen Spannungsbefehl auf der Grundlage der PWM-Steuerung durch. Darüber hinaus ist es von Vorteil, dass der PWM-Wandler 11-1 mit einem Leistungsfaktor von im Wesentlichen 1 die gleichstromseitige Gleichspannung auf eine beliebige Spannung erhöhen kann, die gleich oder höher als ein Wellenhöhenwert der von der Seite der Wechselstromversorgung 2 eingegebenen Wechselspannung ist. Mit anderen Worten, die Gleichspannung in einem Gleichspannungszwischenkreis kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, indem ein Anhebungsverhältnis (ein Spannungsanstiegsverhältnis, wenn man sich auf den normalen Gleichspannungsausgang des PWM-Wandlers 11-1 bezieht) in einem Spannungsumwandlungsvorgang des PWM-Wandlers 11-1 gesteuert wird. Der PWM-Wandler 11-1 ist als dreiphasige Brückenschaltung konfiguriert, wenn die Wechselstromversorgung 2 drei Phasen hat, und der PWM-Wandler 11-1 ist durch eine einphasige Brückenschaltung konfiguriert, wenn die Wechselstromversorgung 2 eine einzige Phase hat. Obwohl Beispiele für das im PWM-Wandler 11-1 vorgesehene Halbleiterschaltelement einen FET, einen IGBT, einen Thyristor, einen Gate-Abschaltthyristor (GTO), Siliziumkarbid (SiC), einen Transistor und ähnliches umfassen, schränkt ein Typ von Halbleiterschaltelement selbst die vorliegende Ausführungsform nicht ein, und das Halbleiterschaltelement kann ein weiteres Halbleiterschaltelement sein.
Eine DC-Ausgangsseite des PWM-Wandlers 11-1 und eine DC-Eingangsseite des Wechselrichters 12 sind über den Zwischenkreis („dc link“) miteinander verbunden. Der „Zwischenkreis“ wird manchmal auch als „Zwischenkreisteil“ („dc link portion“), „Gleichstromzwischenkreis“ („direct-current link portion“), „Gleichstromzwischenteil“, „Gleichstromzwischenkreis“ o.ä. bezeichnet. Obwohl ein Zwischenkreiskondensator im Zwischenkreis vorgesehen ist, wird die Darstellung des Zwischenkreiskondensators in 1 weggelassen. Der Zwischenkreiskondensator hat die Aufgabe, Energie (Gleichstromleistung) im Zwischenkreis zu speichern und eine pulsierende Ausgangskomponente auf der Gleichstromseite des PWM-Wandlers 11-1 zu unterdrücken. Der Zwischenkreiskondensator wird mit einer Ladung geladen, um Gleichstromleistung im Zwischenkreis zu speichern. Beispiele für den im Zwischenkreis vorhandenen Zwischenkreiskondensator sind z.B. ein Elektrolytkondensator, ein Folienkondensator und ähnliches.
Der Wechselrichter 12 wandelt die von der Gleichspannungsseite eingehende Gleichspannung (d.h. Gleichspannung im Zwischenkreis) in eine Wechselspannung zum Antrieb des Motors 3 um und gibt die Wechselspannung dann an den Motor 3 aus. Der Wechselrichter 12 muss nur eine Konfiguration haben, die in der Lage ist, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, und enthält z.B. einen PWM-Wechselrichter, der mit einem Halbleiterschaltelement ausgestattet ist, oder ähnliches. Der Wechselrichter 12 ist als dreiphasige Brückenschaltung konfiguriert, wenn der Motor 3 ein dreiphasiger Wechselstrommotor ist, und der Wechselrichter 12 ist als einphasige Brückenschaltung konfiguriert, wenn der Motor 3 ein einphasiger Motor ist. Wenn er einen Spannungsbefehl von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 empfängt, wandelt der Wechselrichter 12 die Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis in eine Wechselspannung zum Antrieb des Motors um und gibt dann die Wechselspannung an den Motor 3 aus. Zum Zeitpunkt der Motorregeneration wandelt der Wechselrichter 12 die im Motor 3 regenerierte Wechselspannung in eine Gleichspannung um und gibt die Gleichspannung dann an die Gleichspannungszwischenkreisseite zurück. Wenn der Wechselrichter 12 durch einen PWM-Wechselrichter konfiguriert wird, besteht der Wechselrichter 12 aus einer Brückenschaltung aus einem Halbleiterschaltelement und einer Diode, die antiparallel zum Halbleiterschaltelement geschaltet ist. In diesem Fall sind zwar Beispiele für das Halbleiterschaltelement ein FET, ein IGBT, ein Thyristor, ein Gate-Abschaltthyristor (GTO), Siliziumkarbid (SiC), ein Transistor und ähnliches, aber ein Typ von Halbleiterschaltelement selbst begrenzt die vorliegende Ausführungsform nicht, und das Halbleiterschaltelement kann ein weiteres Halbleiterschaltelement sein.
Wie bei einer allgemeinen Motorsteuerungsvorrichtung steuert die Wechselrichter-Steuereinheit 10 den Wechselrichter 12, der die Leistungsumwandlung zwischen der Gleichspannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis und der Wechselspannung als Antriebsspannung oder Rückspeisespannung des Motors 3 durchführt. Mit anderen Worten, die Wechselrichter-Steuereinheit 10 erzeugt in Übereinstimmung mit einem PWM-Steuerverfahren einen Spannungsbefehl zur Steuerung einer Drehzahl und eines Drehmoments des Motors 3 oder einer Position eines Rotors auf der Grundlage einer von einem Drehzahlsensor 31 erfassten Ist-Drehzahl (Drehzahlrückführung) des Motors 3, eines in einer Wicklung des Motors 3 fließenden Stroms (Stromrückführung), eines vorbestimmten Drehmomentbefehls, eines Betriebsprogramms des Motors 3 und ähnlichem. Ein Spannungsumwandlungsvorgang durch den Wechselrichter 12 wird auf der Grundlage eines von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 erzeugten Spannungsbefehls gesteuert.
Die Wechselrichter-Steuereinheit 10 kann z.B. in Form eines Softwareprogramms gebaut werden, oder sie kann durch eine Kombination verschiedener elektronischer Schaltungen und eines Softwareprogramms gebaut werden. Wenn diese Komponenten z.B. jeweils in Form eines Software-Programms aufgebaut sind, kann eine Funktion jeder der oben beschriebenen Einheiten implementiert werden, indem eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung wie ein DSP oder ein FPGA, die in der Motorsteuerungsvorrichtung 1 vorhanden sind, in Übereinstimmung mit dem Software-Programm betrieben wird. Alternativ kann die Wechselrichter-Steuereinheit 10 als integrierte Halbleiterschaltung implementiert werden, auf die ein Softwareprogramm geschrieben wird, das eine Funktion jeder Einheit implementiert. Außerdem kann die Wechselrichter-Steuereinheit 10 z.B. in einem numerischen Steuergerät einer Werkzeugmaschine eingebaut sein.
Die Boost-Einheit 13 verstärkt die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 aus dem gleichstromseitigen Zwischenkreis entsprechend einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation. Wie oben beschrieben, kann es vorkommen, dass die gewünschte Motorleistung und das gewünschte Drehmoment nicht erfasst werden, wenn die vom Wechselrichter 12 ausgegebene tatsächliche Wechselspannung kleiner wird als die ursprünglich aufgrund eines Spannungsbefehls geplante Wechselspannung. In diesem Fall führt das Anlegen einer hohen Last an den Motor 3 zu einer Verringerung der Drehzahl des Motors. Daher erhöht die Boost-Einheit 13 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite des Gleichspannungszwischenkreises, wenn eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation größer als ein vorgeschriebener erster Schwellenwert ist. Dadurch wird ein Drehzahlabfall des Motors 3 bei hoher Belastung des Motors 3 vermieden.
Wenn ein von der Boost-Einheit 13 empfangener Drehzahlbefehl weder ein Beschleunigungs- noch ein Verzögerungsbefehl ist (d.h. ein Drehzahlbefehl ist ein Konstantdrehzahlbefehl), aber eine Abnahme der Ist-Drehzahl des Motors 3 andauert, wird davon ausgegangen, dass eine hohe Last auf den Motor 3 ausgeübt wird. Beispielsweise vergrößert sich eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl für Motor 3 und einer Ist-Drehzahl des Motors 3, wenn eine Ist-Drehzahl des Motors 3 abnimmt, und daher gibt eine Stromregeleinheit (nicht abgebildet) innerhalb der Wechselrichter-Steuereinheit 10 einen Spannungsbefehl mit einem größeren Wert aus, um zu bewirken, dass die Ist-Drehzahl dem Drehzahlbefehl folgt. In der Stromregeleinheit wird in der Regel ein oberer Grenzwert für einen Spannungsbefehl zum Schutz des Motors 3 oder des Wechselrichters 12 festgelegt, und wenn ein Spannungsbefehl den oberen Grenzwert in der Stromregeleinheit erreicht, kann es vorkommen, dass die Regelung, die bewirkt, dass der Strom-Istwert einem Strombefehl folgt, nicht durchgeführt wird. Als Ergebnis wird ein Zustand erreicht, in dem die Wechselspannung und der Wechselstrom am Ausgang des Wechselrichters 12 kleiner werden als die ursprünglich durch den Spannungsbefehl vorgesehenen Werte und der Strombefehl fortgesetzt wird. Das Anlegen einer hohen Last an den Motor 3 führt in diesem Zustand zu einer Verringerung der Drehzahl des Motors. Daher führt die Boost-Einheit 13 den oben beschriebenen Boost-Vorgang aus, wenn eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation größer als ein erster Schwellenwert ist.
Es ist zu beachten, dass selbst in einem solchen Übergangszustand, in dem ein Drehzahlbefehl an den Motor 3 entweder ein Beschleunigungs- oder ein Verzögerungsbefehl ist, eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und einer Ist-Drehzahl des Motors 3 groß werden kann. Eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl und einer Ist-Drehzahl in diesem Übergangszustand in Bezug auf die Motorbeschleunigung und -verzögerung ist unabhängig von einer Drehzahlabnahme des Motors, die aus unerwarteten Abnahmen der Motorleistung und des Drehmoments resultiert. Wenn ein Drehzahlbefehl an den Motor 3 weder ein Beschleunigungs- noch ein Verzögerungsbefehl ist (d.h. wenn der Motor nicht beschleunigt oder verzögert wird), führt die Boost-Einheit 13 vorzugsweise den oben beschriebenen Boost-Vorgang aus. Andererseits führt die Boost-Einheit 13 während eines Übergangszustandes, in dem ein Drehzahlbefehl an den Motor 3 entweder ein Beschleunigungs- oder ein Verzögerungsbefehl ist, nicht den oben beschriebenen Boost-Vorgang durch und hält die eingespeiste Gleichspannung im aktuellen Zustand für den Wechselrichter 12 aufrecht.
Um einen Zustand sicherer zu erkennen, in dem ein Drehzahlbefehl weder ein Beschleunigungs- noch ein Verzögerungsbefehl ist, kann die Boost-Einheit 13 von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 einen Drehzahlbefehl an den Motor 3 empfangen und als eine Bedingung für einen Boost-Vorgang durch die Boost-Einheit 13 die Tatsache definieren, dass der empfangene Drehzahlbefehl weder ein Beschleunigungs- noch ein Verzögerungsbefehl ist (d.h. ein Drehzahlbefehl ist ein Konstantdrehzahlbefehl). Mit anderen Worten, wenn eine Bedingung erfüllt ist, dass „eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation größer als der erste Schwellenwert ist“ und dass „ein empfangener Drehzahlbefehl weder ein Beschleunigungsbefehl noch ein Verzögerungsbefehl ist (d.h. ein Drehzahlbefehl ist ein Konstantdrehzahlbefehl)“, kann die Boost-Einheit 13 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von dem Gleichspannungszwischenkreis, der die Gleichstromseite ist, verstärken.
Einzelheiten über die Beziehung zwischen einer Abweichung zwischen einer Soll- und einer Ist-Drehzahl und einem Boost-Verhältnis während eines Boost-Vorgang sowie die Beziehung zwischen einer Abweichung und einem Schwellenwert werden später beschrieben.
In der ersten Ausführungsform ist die Drehzahlinformation des Motors 3 eine vom Drehzahlsensor 31 erfasste Ist-Drehzahl des Motors 3. Eine vom Drehzahlsensor 31 erfasste Ist-Drehzahl des Motors 3 wird in die Wechselrichter-Steuereinheit 10 eingegeben und in der Wechselrichter-Steuereinheit 10 für einen Spannungsbefehl zur Steuerung einer Drehzahl und eines Drehmoments des Motors 3 oder einer Position eines Rotors verwendet. Die Bereitstellung der Boost-Einheit 13 innerhalb der Wechselrichter-Steuereinheit 10, wie in 1 dargestellt, ist also z.B. aus Kosten- und Platzgründen vorteilhaft. Als Modifikationsbeispiel hierfür kann die Boost-Einheit 13 separat von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 vorgesehen werden, oder sie kann z.B. in einer numerischen Steuerung einer Werkzeugmaschine untergebracht werden, wie später beschrieben. In beiden Fällen kann die Boost-Einheit 13 z.B. in Form eines Software-Programms gebaut werden, oder sie kann durch eine Kombination verschiedener elektronischer Schaltungen und eines Software-Programms gebaut werden. Wenn diese Komponenten z.B. jeweils in Form eines Software-Programms aufgebaut sind, kann eine Funktion jeder der oben beschriebenen Einheiten implementiert werden, indem eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung wie ein DSP oder ein FPGA, die in der Motorsteuerungsvorrichtung 1 vorhanden sind, in Übereinstimmung mit dem Software-Programm betrieben wird. Alternativ kann die Boost-Einheit 13 als integrierte Halbleiterschaltung implementiert werden, auf die ein Softwareprogramm geschrieben wird, das eine Funktion jeder Einheit implementiert.
Da der PWM-Wandler 11-1, wie oben beschrieben, die gleichstromseitige Gleichspannung auf eine gewünschte Spannung aufstocken kann, die gleich oder höher als ein Wellenhöhenwert der von der Seite der Wechselstromversorgung 2 eingegebenen Wechselspannung ist, kann die Boost-Einheit 13 die von der Gleichstromseite des PWM-Wandlers 11-1 ausgegebene und dann in den Wechselrichter 12 eingespeiste Gleichspannung aufstocken, indem sie einen Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements innerhalb des PWM-Wandlers 11-1 steuert.
Zur Steuerung einer Boost-Operation des PWM-Wandlers 11-1 enthält die Boost-Einheit 13 eine Einheit zur Berechnung der Drehzahlabweichung 21, eine Einheit zur Bestimmung des Boost-Starts 22, eine Boost-Steuereinheit 23 und eine Einheit zur Bestimmung des Boost-Endes 24.
Die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnet eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation. Ein Drehzahlbefehl an den Motor 3 wird von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 erfasst. Außerdem ist in der ersten Ausführungsform die vom Motor 3 erfasste Drehzahlinformation eine vom Drehzahlsensor 31 erfasste Ist-Drehzahl des Motors 3.
Die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 bestimmt, ob eine von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung größer als der vorgeschriebene erste Schwellenwert ist oder nicht. Es ist zu beachten, dass, wenn eine von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist, die später beschriebene Boost-Steuereinheit 23 den PWM-Wandler 11-1 so steuert, dass ein Boost-Vorgang durchgeführt wird, und daher eine Wärmeerzeugung im PWM-Wandler 11-1, im Wechselrichter 12, im Motor 3, in dessen Peripheriegeräten und Ähnlichem erwartet wird. Eine erste Schwelle muss also nur unter Berücksichtigung z.B. eines Gleichgewichts zwischen zulässigen Leistungs- und Drehmomentabnahmen des Motors 3 und der zulässigen Wärmeentwicklung eingestellt werden. Wenn z.B. der Reduzierung der Wärmeerzeugung Vorrang eingeräumt wird, muss der erste Schwellenwert nur auf einen etwas geringeren Schwellenwert eingestellt werden, und wenn der Vermeidung von Leistungs- und Drehmomentabnahmen des Motors 3 (d.h. einer Drehzahlabnahme des Motors 3) Vorrang eingeräumt wird, muss der erste Schwellenwert nur auf einen etwas größeren Schwellenwert eingestellt werden. Außerdem muss ein zweiter Schwellenwert, der bei der Verarbeitung in der später beschriebenen Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24 verwendet wird, nur auf einen Wert eingestellt werden, der etwas kleiner als der erste Schwellenwert ist. Ferner kann durch die Bereitstellung einer Differenz (d.h. die Bereitstellung einer Hysterese) zwischen dem ersten und dem zweiten Schwellenwert verhindert werden, dass Beginn und Ende eines Boost-Vorgangs aufgrund der Schwingung (Fluktuation) einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und einer Ist-Drehzahl des Motors 3 zu häufig auftreten. Spezifische numerische Werte des ersten und des zweiten Schwellwertes müssen nur unter Berücksichtigung der tatsächlichen verschiedenen Parameter (Spannung, Strom und Drehzahlen) für jede Komponente (einschließlich des PWM-Wandlers 11-1 und des Wechselrichters 12) der Motorsteuerungsvorrichtung 1, des Motors 3 und anderer Peripheriegeräte in geeigneter Weise eingestellt werden.
Die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24 bestimmt, ob eine von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung unter dem vorgeschriebenen zweiten Schwellenwert liegt, der kleiner als der erste Schwellenwert ist, nachdem die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 bestimmt hat, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist. Wenn die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung größer ist als der erste Schwellenwert als Ergebnis der Bestimmung durch die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22, dann erhöht die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite auf eine Gleichspannung, die größer ist als diejenige, die zum Zeitpunkt zuvor von der Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als größer als der erste Schwellenwert bestimmt wurde. Wenn außerdem die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 für die berechnete Abweichung infolge der Bestimmung durch die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24 kleiner als der zweite Schwellwert ist, senkt die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichstromseite auf eine Gleichspannung ab, die größer als der erste Schwellwert zum Zeitpunkt vor der Bestimmung durch die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 ist. Da der PWM-Wandler 11-1 die gleichstromseitige Gleichspannung auf eine gewünschte Spannung aufstocken oder absenken kann, die gleich oder größer als ein Wellenhöhenwert der von der Seite der Wechselstromversorgung 2 eingegebenen Wechselspannung ist, kann die Boost-Einheit 13 die von der Gleichstromseite des PWM-Wandlers 11-1 ausgegebene und dann in den Wechselrichter 12 eingegebene Gleichspannung aufstocken oder absenken, indem sie einen Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements innerhalb des PWM-Wandlers 11-1 steuert.
Es ist zu beachten, dass die mit Bezug auf 1 beschriebene Boost-Einheit 13 innerhalb der Wechselrichter-Steuereinheit 10 vorgesehen ist, die Boost-Einheit 13 kann aber auch separat von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 vorgesehen werden. 2 ist ein Diagramm, das ein Modifikationsbeispiel für die Motorsteuerung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt. Wie in 2 dargestellt, kann die Boost-Einheit 13 in einem numerischen Steuergerät 100 einer Werkzeugmaschine und getrennt von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 vorgesehen werden.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf der Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
In einem Zustand, in dem die Ansteuerung des Motors 3 durch die Motorsteuerungsvorrichtung 1 gesteuert wird, erfasst der Drehzahlsensor 31 im Schritt S101 eine Ist-Drehzahl des Motors 3.
Im Schritt S102 berechnet die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Drehzahlsensor 31 erfassten Ist-Drehzahl des Motors 3.
Im Schritt S103 bestimmt die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist oder nicht. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S104 über, wenn in Schritt S103 festgestellt wird, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist, während der Betriebsablauf zu Schritt S101 zurückkehrt, wenn nicht festgestellt wird, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist.
In Schritt S104 erhöht die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite auf eine Gleichspannung, die größer ist als diejenige, die zum Zeitpunkt vor der Bestimmung durch die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als größer als der erste Schwellenwert bestimmt wurde.
In Schritt S105 bestimmt die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist oder nicht. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S106 über, wenn in Schritt S105 festgestellt wird, dass die Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist, während der Betriebsablauf zu Schritt S104 zurückkehrt, wenn nicht festgestellt wird, dass die Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist.
In Schritt S106 fährt die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite auf die Gleichspannung zu dem Zeitpunkt herunter, der von der Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als größer als der erste Schwellenwert bestimmt wurde. Daher kehrt die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 auf den Wert vor dem Boost zurück.
Nun wird eine Schaltungskonfiguration einer Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor kann eine Vektorregelung (sensorlose Vektorregelung) ohne Drehzahlsensor durchführen. Die zweite Ausführungsform kann auf einen Induktionsmotor (sensorloser Induktionsmotor) ohne einen solchen Drehzahlsensor oder auf einen Synchronmotor (sensorloser Synchronmotor) ohne Drehzahlsensor angewandt werden. In der zweiten Ausführungsform ist beispielsweise die Drehzahlinformation im Falle eines Induktionsmotors eine geschätzte Drehzahl des Induktionsmotors, die auf der Grundlage eines Wertes des in den Induktionsmotor fließenden Ist-Stroms oder eines Strombefehls an den Induktionsmotor und eines Primärfrequenzbefehls an den Induktionsmotor berechnet wird.
4 ist ein Diagramm, das die Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Ferner ist 5 ein Diagramm, das Details einer in 4 dargestellten Wechselrichter-Steuereinheit und ein Beispiel für die Steuerung eines sensorlosen Induktionsmotors illustriert.
Als ein Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein Motor 3 von einer Motorsteuerungsvorrichtung 1 gesteuert wird, die an eine Wechselstromversorgung 2 angeschlossen ist. Der Motor 3 kann entweder ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor sein. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Phasen der Wechselstromversorgung 2 und des Motors 3 die vorliegende Ausführungsform nicht besonders einschränkt und z.B. drei Phasen oder eine einzelne Phase sein kann. Als ein Beispiel für die Wechselstromversorgung 2 wird eine dreiphasige AC 400 V-Stromversorgung, eine dreiphasige AC 200 V-Stromversorgung, eine dreiphasige AC 600 V-Stromversorgung, eine einphasige AC 100 V-Stromversorgung o. ä. genannt. Zu den mit dem Motor 3 ausgestatteten Maschinen gehören z. B. eine Werkzeugmaschine, ein Roboter, eine Schmiedemaschine, eine Spritzgussmaschine, eine Industriemaschine, verschiedene elektrische Geräte, ein elektrischer Zug, ein Automobil und ein Flugzeug.
Wie in 4 dargestellt, umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen PWM-Wandler 11-1, einen Wechselrichter 12, eine Boost-Einheit 13 und eine Einheit zur Berechnung der geschätzten Drehzahl 32.
Wie in den und dargestellt, ist die Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 in einer Wechselrichter-Steuereinheit 10 enthalten. Die Berechnungseinheit für die geschätzte Drehzahl 32 kann z.B. in Form eines Software-Programms oder durch eine Kombination verschiedener elektronischer Schaltungen und eines Software-Programms aufgebaut werden. Wenn die Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 z.B. in Form eines Software-Programms aufgebaut ist, kann eine Funktion jeder der oben beschriebenen Einheiten implementiert werden, indem eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung wie ein DSP oder ein FPGA, die in der Wechselrichter-Steuereinheit 10 in der Motorsteuerungsvorrichtung 1 vorgesehen ist, in Übereinstimmung mit dem Software-Programm betrieben wird. Alternativ kann die Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 als integrierte Halbleiterschaltung implementiert werden, auf die ein Softwareprogramm geschrieben wird, das eine Funktion jeder Einheit implementiert.
Der PWM-Wandler 11-1 und der Wechselrichter 12 sind so, wie sie in 1 beschrieben wurden, und daher wird auf eine Beschreibung verzichtet. Es ist zu beachten, dass die Boost-Einheit 13 innerhalb der Wechselrichter-Steuereinheit 10 in und vorgesehen ist, aber getrennt von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 oder z.B. in einer numerischen Steuerung 100 einer Werkzeugmaschine vorgesehen sein kann.
Wie bei einer allgemeinen Motorsteuerungsvorrichtung umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung 1 die Wechselrichter-Steuereinheit 10. Wie oben beschrieben, kann die Wechselrichter-Steuereinheit 10 z.B. in Form eines Software-Programms gebaut werden oder durch eine Kombination verschiedener elektronischer Schaltungen und eines Software-Programms aufgebaut werden. Wie in 5 dargestellt, enthält die Wechselrichter-Steuereinheit 10 zur Durchführung der sensorlosen Vektorregelung des Motors 3, der ein Induktionsmotor ist, eine Einheit zur Berechnung der Drehzahlabweichung 21, eine Einheit zur Drehzahlregelung 41, eine Stromregeleinheit 42, eine Zwei-Phasen-Drei-Phasen-Umwandlungseinheit 43, eine Primärfrequenz-Steuereinheit 44 und eine Schlupffrequenz-Berechnungseinheit 45. Die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 in der sensorlosen Vektorregelung wird in der vorliegenden Ausführungsform auch als Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit innerhalb der Boost-Einheit 13 verwendet. Darüber hinaus wird die Schlupffrequenz-Berechnungseinheit 45 in der sensorlosen Vektorregelung auch als Teil einer Funktion der Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 innerhalb der Boost-Einheit 13 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet.
Bei der sensorlosen Vektorregelung eines Induktionsmotors vom Typ Schlupffrequenzregelung erzeugt die Primärfrequenz-Steuereinheit 44 einen Primärfrequenzbefehl, der auf einem Magnetflussbefehl und einem von der Drehzahl-Steuereinheit 41 erzeugten Strombefehl sowie einem Ist-Stromwert basiert. Die Schlupffrequenzberechnungseinheit 45 erzeugt ebenfalls einen Schlupffrequenz-Schätzwert, der auf einem Magnetflussbefehl und einem von der Drehzahl-Steuereinheit 41 erzeugten Strombefehl sowie einem Ist-Stromwert basiert. Eine Differenz zwischen dem Primärfrequenzbefehl und dem Schlupffrequenz-Schätzwert wird zu einer geschätzten Drehzahl. Die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnet eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl für den Motor 3 und der geschätzten Drehzahl des Motors 3, und die Drehzahl-Steuereinheit 41 erzeugt auf der Grundlage der Abweichung einen Magnetfluss-Befehl und einen StromBefehl. Die Zwei-Phasen-Drei-Phasen-Umwandlungseinheit 43 wandelt den Drei-Phasen-Ist-Strom des Wechselrichters 12 in einen Zwei-Phasen-Ist-Strom um. Auf der Grundlage des Magnetfluss-Befehls, des Strom-Befehls und des Zweiphasen-Ist-Stroms erzeugt die Stromregeleinheit 42 einen Zweiphasen-Spannungsbefehl. Die Zwei-Phasen-Drei-Phasen-Umwandlungseinheit 43 wandelt den Zwei-Phasen-Spannungsbefehl in einen Drei-Phasen-Spannungsbefehl um und gibt den Drei-Phasen-Spannungsbefehl an den Wechselrichter 12 aus. Der Wechselrichter 12 wandelt auf der Grundlage des empfangenen Dreiphasen-Spannungsbefehls die Gleichspannung (d.h. die Gleichspannung in einem Gleichspannungszwischenkreis), die von einer Gleichstromseite eingegeben wird, in eine Wechselspannung zum Antrieb des Motors 3, der ein Induktionsmotor ist, um und gibt dann die Wechselspannung aus.
In der zweiten Ausführungsform ist die Drehzahlinformation des Motors 3 im Falle eines Induktionsmotors eine geschätzte Drehzahl des Induktionsmotors, die auf der Grundlage eines Wertes des in den Induktionsmotor fließenden Ist-Stromes oder eines Strombefehls an den Induktionsmotor und eines Primärfrequenzbefehls an den Induktionsmotor berechnet wird. In dem in 5 dargestellten Beispiel erfasst die Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 des Induktionsmotors eine geschätzte Drehzahl des Motors 3, der ein Induktionsmotor ist, indem eine Differenz zwischen dem Primärfrequenzbefehl, der von der Primärfrequenz-Steuereinheit 44 auf der Grundlage des Strombefehls und des Ist-Stromwertes erzeugt wird, und dem Schlupffrequenz-Schätzwert, der von der Schlupffrequenz-Berechnungseinheit 45 auf der Grundlage des Strom-Befehls und des Ist-Stromwertes erzeugt wird, gebildet wird.
Während die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und einer geschätzten Drehzahl des Motors 3 berechnet, wird diese Abweichung sowohl für die sensorlose Vektorregelung eines Induktionsmotors mit Schlupffrequenzregelung durch die Wechselrichter-Steuereinheit 10 als auch für die Boost-Betriebsregelung durch die Boost-Einheit 13 verwendet. Die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22, die Boost-Steuereinheit 23 und die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24 im Inneren der Boost-Einheit 13 sind wie in 1 beschrieben, eine Beschreibung entfällt daher.
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf der Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
In einem Zustand, in dem der Antrieb des Motors 3 durch die Motorsteuerungsvorrichtung 1 gesteuert wird, berechnet die Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 im Schritt S201 eine geschätzte Drehzahl des Motors 3.
Im Schritt S202 berechnet die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der von der Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit 32 berechneten geschätzten Drehzahl des Motors 3.
In Schritt S203 bestimmt die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung größer als ein erster Schwellenwert ist oder nicht. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S204 über, wenn in Schritt S203 festgestellt wird, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist, während der Betriebsablauf zu Schritt S201 zurückkehrt, wenn nicht festgestellt wird, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist. Der erste Schwellenwert ist so, wie er in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
In Schritt S204 erhöht die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite auf eine Gleichspannung, die größer ist als diejenige, die zum Zeitpunkt der Ermittlung durch die Boost-Startbestimmungseinheit 22 über dem ersten Schwellenwert lag.
In Schritt S205 bestimmt die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung kleiner als der zweite Schwellwert ist oder nicht. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S206 über, wenn in Schritt S205 festgestellt wird, dass die Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist, während der Betriebsablauf zu Schritt S204 zurückkehrt, wenn nicht festgestellt wird, dass die Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist. Der zweite Schwellenwert ist wie in der ersten Ausführungsform beschrieben.
In Schritt S206 senkt die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichstromseite auf die Gleichspannung zu dem Zeitpunkt, der von der Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als höher als der erste Schwellenwert bestimmt wurde. Daher kehrt die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 auf den Wert vor dem Boost zurück. Nun wird eine Schaltungskonfiguration einer Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die dritte Ausführungsform ist ein Modifikationsbeispiel der zweiten Ausführungsform und kann auf einen Induktionsmotor (sensorloser Induktionsmotor) ohne Drehzahlsensor oder einen Synchronmotor (sensorloser Synchronmotor) ohne Drehzahlsensor angewendet werden. Insbesondere bei der sensorlosen Vektorregelung eines Induktionsmotors kann eine Abweichung zwischen einer geschätzten Drehzahl und einer Ist-Drehzahl vor allem beim Übergang oder bei hoher Last aufgrund eines konstanten Sollwertfehlers des Motorschaltkreises, einer Grenze der Regelungsleistung der sensorlosen Regelung und ähnlichem groß werden. Eine Drehzahlregelung regelt also so, dass eine geschätzte Drehzahl des Asynchronmotors mit einem Drehzahlbefehl übereinstimmt, es kann aber auch eine Situation entstehen, in der die Ist-Drehzahl vermindert bleibt. In der dritten Ausführungsform ist also ein Näherungsschalter in einem Motor oder in einer mit dem Motor über ein Getriebe, einen Riemen o.ä. verbundenen Antriebsachse vorgesehen, und es wird eine Ist-Drehzahl des Motors auf der Grundlage eines Pulssignals entsprechend der Drehung des Motorausgangs durch den Näherungsschalter oder die mit dem Motor verbundene Antriebsachse berechnet und als Drehzahlinformation verwendet.
7 ist ein Diagramm, das die Motorsteuerungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Darüber hinaus ist 8 ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem ein Näherungsschalter in der Nähe einer mit einem Induktionsmotor verbundenen Antriebsachse angeordnet ist. Ferner ist 9 ein Diagramm, das Details einer Wechselrichter-Steuereinheit illustriert, die in 7 dargestellt ist, sowie ein Beispiel, bei dem ein sensorloser Induktionsmotor gesteuert wird.
Als ein Beispiel wird ein Fall beschrieben, in dem ein Motor 3 von einer Motorsteuerungsvorrichtung 1 gesteuert wird, das an eine Wechselstromversorgung 2 angeschlossen ist. Der Motor 3 kann entweder ein Induktionsmotor oder ein Synchronmotor sein. Beachten Sie, dass die Anzahl der Phasen der Wechselstromversorgung 2 und des Motors 3 die vorliegende Ausführungsform nicht besonders einschränkt und z.B. drei Phasen oder eine einzelne Phase sein kann. Als ein Beispiel für die Wechselstromversorgung 2 wird eine dreiphasige AC 400 V Stromversorgung, eine dreiphasige AC 200 V Stromversorgung, eine dreiphasige AC 600 V Stromversorgung, eine einphasige AC 100 V Stromversorgung o. ä. genannt. Zu den mit dem Motor 3 ausgerüsteten Maschinen gehören z. B. eine Werkzeugmaschine, ein Roboter, Schmiedemaschinen, eine Spritzgussmaschine, Industriemaschinen, verschiedene elektrische Geräte, ein Elektrozug, ein Automobil und ein Flugzeug.
Wie in 7 dargestellt, umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung 1 nach der vorliegenden Ausführungsform einen PWM-Wandler 11-1, einen Wechselrichter 12, eine Boost-Einheit 13, einen Näherungsschalter 33 und eine Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34.
Wie in den und dargestellt ist, wird die Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 z.B. in einer Wechselrichter-Steuereinheit 10 bereitgestellt. Die Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 kann z.B. in Form eines Software-Programms oder durch eine Kombination aus verschiedenen elektronischen Schaltungen und einem Software-Programm aufgebaut werden. Wenn die Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 beispielsweise in Form eines Software-Programms aufgebaut ist, kann eine Funktion jeder der oben beschriebenen Einheiten implementiert werden, indem eine arithmetische Verarbeitungseinrichtung wie ein DSP oder ein FPGA, die in der Wechselrichter-Steuereinheit 10 in der Motorsteuerungsvorrichtung 1 vorgesehen ist, in Übereinstimmung mit dem Software-Programm betrieben wird. Alternativ kann die Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 als integrierte Halbleiterschaltung implementiert werden, auf die ein Softwareprogramm geschrieben wird, das eine Funktion jeder Einheit implementiert. Beachten Sie, dass die Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 separat von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 oder z.B. in einem numerischen Steuergerät 100 einer Werkzeugmaschine vorgesehen werden kann.
Der PWM-Wandler 11-1 und der Wechselrichter 12 sind hier wie in 1 beschrieben, und daher wird auf eine Beschreibung verzichtet. Es ist zu beachten, dass die Boost-Einheit 13 innerhalb der Wechselrichter-Steuereinheit 10 in und vorgesehen ist, aber auch separat von der Wechselrichter-Steuereinheit 10 oder z.B. in einer numerischen Steuerung 100 einer Werkzeugmaschine vorgesehen sein kann.
Wie bei einer allgemeinen Motorsteuerungsvorrichtung umfasst die Motorsteuerungsvorrichtung 1 die Wechselrichter-Steuereinheit 10. Wie oben beschrieben, kann die Wechselrichter-Steuereinheit 10 z.B. in Form eines Software-Programms gebaut werden oder durch eine Kombination verschiedener elektronischer Schaltungen und eines Software-Programms aufgebaut werden. Wie in 9 dargestellt, enthält die Wechselrichter-Steuereinheit 10, um eine sensorlose Vektorregelung des Motors 3, der ein Induktionsmotor ist, durchzuführen, eine Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21, eine Drehzahl-Steuereinheit 41, eine Stromregeleinheit 42, eine Zwei-Phasen-Drei-Phasen-Umwandlungseinheit 43, eine Primärfrequenz-Steuereinheit 44 und eine Schlupffrequenz-Berechnungseinheit 45. Die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 in der sensorlosen Vektorregelung wird in der vorliegenden Ausführungsform auch als Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit innerhalb der Boost-Einheit 13 verwendet. Darüber hinaus wird die Schlupffrequenzberechnungseinheit 45 in der sensorlosen Vektorregelung auch als Teil einer Funktion der SchätzDrehzahl-Berechnungseinheit 32 innerhalb der Boost-Einheit 13 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet. Die oben beschriebene Konfiguration der Wechselrichter-Steuereinheit 10 bei der sensorlosen Schlupffrequenz-Vektorregelung eines Induktionsmotors entspricht der in den in Bezug auf die und beschriebenen, und daher wird auf eine Beschreibung verzichtet.
Der Näherungsschalter 33 ist an einer Stelle angeordnet, an der die Drehung des Motors 3 erfasst werden kann, z.B. in der Nähe einer Drehwelle des Motors 3. Alternativ kann der Näherungsschalter 33, wie in 8 dargestellt, an einer Position angeordnet werden, an der die Drehung einer mit dem Motor 3 über ein Getriebe, einen Riemen o.ä. verbundenen Antriebsachse 35 erfasst werden kann, z.B. in der Nähe einer Drehwelle der Antriebsachse 35.
Der Näherungsschalter 33 gibt ein Pulssignal entsprechend der Drehung des Motors 3 oder der mit dem Motor 3 verbundenen Antriebsachse aus. Der Näherungsschalter 33 unterscheidet sich von einem Drehzahlsensor, wie z.B. einem Drehgeber. Der Drehzahlsensor kann ein A-Phasen-Ausgangssignal und ein B-Phasen-Ausgangssignal ausgeben und eine Drehrichtung, eine Drehposition (Drehwinkel) und eine Drehzahl eines Rotors wie (einer Drehwelle) eines Motors mit hoher Genauigkeit und hoher Drehzahl erfassen. Im Gegensatz dazu ist der Näherungsschalter 33 in der Nähe eines Rotors angeordnet und gibt pro Umdrehung des Rotors einen einmaligen Ein-/Aus- oder N-Puls (N ist jedoch eine ganze Zahl) von N Ein-/Aus-Pulsen aus, indem er einen zu erfassenden Abschnitt erfasst, der auf einem in Drehrichtung liegenden Oberflächenabschnitt des Rotors vorgesehen ist. Die Anzahl der Umdrehungen des Rotors kann durch die Überwachung eines vom Näherungsschalter 33 ausgegebenen Pulssignals erfasst werden. Darüber hinaus kann eine Drehzahl des Rotors durch Berechnung aus der Anzahl der Pulse in einer vorbestimmten Periode eines vom Näherungsschalter 33 ausgegebenen Pulssignals erfasst werden. Um jedoch eine Drehzahl aus einem vom Näherungsschalter 33 ausgegebenen Pulssignal zu erfassen, muss die Anzahl der Pulse zu geteilten Zeiten gezählt werden, die Mittelwertverarbeitung muss in den Zeitintervallen durchgeführt werden, und daher dauert es im Vergleich zum Drehzahlsensor einige Zeit, eine Drehzahl zu erfassen. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass eine Drehrichtung oder eine Drehposition (Drehwinkel) eines Rotors nicht vom Näherungsschalter 33 erkannt wird.
Auf diese Weise benötigt der Näherungsschalter 33 Zeit, um eine Drehgeschwindigkeit zu erfassen, ist aber in der Lage, eine Drehgeschwindigkeit als solche zu erfassen. Ein Näherungsschalter wird beispielsweise häufig an einer Antriebsachse einer Werkzeugmaschine angeordnet. So wird in der dritten Ausführungsform eine Ist-Drehzahl des Motors 3 von der Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 auf der Grundlage eines Pulssignals berechnet, das vom Näherungsschalter 33 in der Nähe des Motors 3 oder der mit dem Motor 3 verbundenen Antriebsachse ausgegeben und als Drehzahlinformation verwendet wird. Die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnet eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl für den Motor 3 und einer von der Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 berechneten Drehzahl des Motors 3. Die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22, die Boost-Steuereinheit 23 und die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24 innerhalb der Boost-Einheit 13 sind so, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wurden, und daher wird eine Beschreibung weggelassen.
10 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf einer Motorsteuerungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
In einem Zustand, in dem die Ansteuerung des Motors 3, der ein Induktionsmotor ist, durch die Motorsteuerungsvorrichtung 1 gesteuert wird, gibt der Näherungsschalter 33 im Schritt S301 ein Pulssignal entsprechend der Drehung des Motors 3 oder der mit dem Motor 3 verbundenen Antriebsachse aus.
Im Schritt S302 berechnet die Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit 34 auf der Grundlage eines vom Näherungsschalter 33 ausgegebenen Pulssignals eine Ist-Drehzahl des Motors 3 als Drehzahlinformation.
In Schritt S303 berechnet die Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der von der Schätz-Drehzahlberechnungseinheit 32 berechneten geschätzten Drehzahl des Motors 3.
In Schritt S304 bestimmt die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung größer als ein erster Schwellenwert ist oder nicht. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S305 über, wenn in Schritt S304 festgestellt wird, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist, während der Betriebsablauf zu Schritt S301 zurückkehrt, wenn nicht festgestellt wird, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist. Der erste Schwellenwert ist so, wie er in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
Im Schritt S305 erhöht die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von einer Gleichspannungsseite auf eine Gleichspannung, die größer ist als diejenige, die zum Zeitpunkt der Ermittlung des Boost-Starts durch die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als über dem ersten Schwellenwert liegt.
In Schritt S306 bestimmt die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung kleiner als der zweite Schwellwert ist oder nicht. Der Betriebsablauf geht zu Schritt S307 über, wenn in Schritt S306 festgestellt wird, dass die Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist, während der Betriebsablauf zu Schritt S305 zurückkehrt, wenn nicht festgestellt wird, dass die Abweichung kleiner als der zweite Schwellenwert ist. Der zweite Schwellenwert ist so, wie er in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde.
In Schritt S307 senkt die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite auf die Gleichspannung zu dem Zeitpunkt, der von der Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als mehr als der erste Schwellenwert bestimmt wurde. Daher kehrt die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 auf den Wert vor dem Boost zurück.
Nun wird eine Beziehung zwischen einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl und einer Ist-Drehzahl und einem Boost-Verhältnis während eines Boost-Betriebs in der Motorsteuerungsvorrichtung 1 gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform sowie eine Beziehung zwischen einer Abweichung und einem Schwellenwert näher beschrieben.
Wie oben beschrieben, erhöht die Boost-Einheit 13 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 vom Gleichspannungszwischenkreis, der die Gleichstromseite ist, entsprechend einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation. Die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 innerhalb der Boost-Einheit 13 bestimmt, ob die Abweichung zwischen dem Drehzahlbefehl an Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation größer als der vorgeschriebene erste Schwellenwert ist oder nicht. Wenn die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung als Ergebnis der Bestimmung durch die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 größer als der erste Schwellwert ist, erhöht die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite auf eine Gleichspannung, die größer als diejenige ist, die zu dem Zeitpunkt vorher von der Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 als größer als der erste Schwellwert bestimmt wurde. Es werden einige Beispiele für einen Boost-Betrieb durch die Boost-Steuereinheit 23 angeführt, wenn eine von der Einheit zur Berechnung der Drehzahlabweichung 21 berechnete Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist.
11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Drehzahlabweichung und einem Boost-Verhältnis durch einen Boost-Betrieb gemäß einem ersten Beispiel in der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Im ersten Beispiel der Boost-Operation durch die Boost-Steuereinheit 23 verstärkt die Boost-Steuereinheit 23 die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 von der Gleichspannungsseite im Verhältnis zu einer Abweichung, die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnet wird. Wenn eine Abweichung (Drehzahlabweichung) zwischen einem Drehzahlbefehl für den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation kleiner als der erste Schwellenwert ist, führt die Boost-Einheit 13 keinen Boost-Betrieb durch, und der PWM-Wandler 11-1 wandelt die von der Wechselstromversorgung 2 eingegebene Wechselspannung in eine vorgeschriebene Gleichspannung um und gibt dann die Gleichspannung aus. Ein mit der vom PWM-Wandler 11-1 ausgegebenen Gleichspannung verbundenes Boost-Verhältnis beträgt 100%, wenn die Boost-Einheit 13 keinen Boost-Vorgang durchführt. Während ein maximaler Wert der Gleichspannung, die ausgegeben werden kann, im Allgemeinen im PWM-Wandler 11-1 vorgeschrieben ist, wird ein Boost-Verhältnis, das mit einem maximalen Wert der vom PWM-Wandler 11-1 ausgegebenen Gleichspannung verbunden ist, als „Boost-Verhältnis Maximalwert“ bezeichnet. Wenn eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation größer als der erste Schwellenwert ist, wird das Boost-Verhältnis proportional zur Drehzahlabweichung angehoben. Aus der Sicht des Schutzes des PWM-Wandlers 11-1 wird jedoch eine mit dem Maximalwert des Boost-Verhältnisses verbundene Drehzahlabweichung als „oberer Grenzwert“ vorgeschrieben, und das Boost-Verhältnis wird auf dem Maximalwert des Boost-Verhältnisses gehalten, wenn eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation größer als der obere Grenzwert ist. Bei einem Boost-Betrieb gemäß dem ersten Beispiel informiert die Boost-Steuereinheit 23 den PWM-Wandler 11-1 über ein Boost-Verhältnis, das eine in 11 dargestellte Beziehung erfüllt, und der PWM-Wandler 11-1 führt daraufhin einen Boost-Betrieb auf der Grundlage eines Boost-Verhältnisses durch, das proportional zu einer Drehzahlabweichung ist, wenn eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation größer als der erste Schwellwert ist. Es ist zu beachten, dass ein Boost-Verhältnis, wenn eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl für den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation größer als der erste Schwellenwert ist, jedes Mal auf der Grundlage einer von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechneten Drehzahlabweichung berechnet werden kann. Alternativ kann ein Boost-Verhältnis, das mit einer von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechneten Drehzahlabweichung verbunden ist, aus einer Beziehung zwischen einer Drehzahlabweichung und einem in einer Speichereinheit vorgespeicherten Boost-Verhältnis ausgelesen werden (nicht abgebildet).
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Drehzahlabweichung und einem Boost-Verhältnis durch einen Boost-Vorgang gemäß einem zweiten Beispiel in der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Sowohl im zweiten als auch im ersten Beispiel beträgt ein Boost-Verhältnis in Verbindung mit der Gleichspannungsausgabe des PWM-Wandlers 11-1, wenn die Boost-Einheit 13 keinen Boost-Vorgang durchführt, 100%. Im zweiten Beispiel des Boostings durch die Boost-Steuereinheit 23, wenn die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 feststellt, dass eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erfassten Drehzahlinformation größer als die erste Schwelle ist, erhöht die Boost-Steuereinheit 23 schrittweise ein Boost-Verhältnis auf ein konstantes Boost-Verhältnis (im Folgenden als „vorgeschriebenes Boost-Verhältnis“ bezeichnet), das als Wert größer als 100% vorgeschrieben ist. Stellt die Boos-Ende-Bestimmungseinheit 24 fest, dass eine von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit 21 berechnete Abweichung kleiner als der vorgeschriebene zweite Schwellenwert ist, der kleiner als der erste Schwellenwert ist, nachdem die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 festgestellt hat, dass er größer als der erste Schwellenwert ist, verringert die Boost-Steuereinheit 23 schrittweise das Boost-Verhältnis von dem vorgeschriebenen Boost-Verhältnis auf 100%.
In der ersten bis dritten der oben beschriebenen Ausführungsformen verstärkt die Boost-Einheit 13 die Gleichspannung, die von der Gleichstromseite des PWM-Wandlers 11-1 ausgegeben und dann in den Wechselrichter 12 eingegeben wird, indem sie einen Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements innerhalb des PWM-Wandlers 11-1 steuert. Nun werden einige Modifikationsbeispiele für die Boost-Einheit 13 angeführt.
In einem ersten Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit 13 wird ein Transformator mit veränderlichem Spannungs-/Übersetzungsverhältnis zwischen einer Wechselstromversorgung und einem Wandler vorgesehen, und die vom Wandler in einen Wechselrichter eingespeiste Gleichspannung wird durch die Erhöhung der vom Transformator in den Wandler eingespeisten Wechselspannung erhöht. 13 ist ein Diagramm, das ein erstes Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Wie in 13 dargestellt, enthält die Boost-Einheit 13 außerdem einen Transformator 25 mit veränderlichem Spannungs- und Übersetzungsverhältnis, der zwischen der Wechselstromversorgung 2 und einem Wandler 11-2 angeordnet ist. Die Boost-Einheit 13 kann die in den Wandler 11-2 eingespeiste Wechselspannung erhöhen, indem sie das Spannungsumwandlungsverhältnis des Transformators 25 steuert. Mit anderen Worten: Wenn die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 feststellt, dass eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation größer als der erste Schwellenwert ist, informiert die Boost-Steuereinheit 23 innerhalb der Boost-Einheit 13 den Transformator 25 über ein Boost-Verhältnis für einen Boost-Vorgang, und der Transformator 25 ändert ein Spannungsumwandlungsverhältnis entsprechend dem mitgeteilten Boost-Verhältnis. Auf diese Weise wird die in den Wandler 11-2 eingespeiste Wechselspannung erhöht, und als Folge davon wird auch die vom Wandler 11-2 ausgegebene Gleichspannung erhöht. Mit anderen Worten, die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 wird ebenfalls erhöht. Wenn danach die Boost-Ende-Bestimmungseinheit 24 feststellt, dass die Abweichung zwischen dem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation kleiner als der zweite Schwellenwert ist, informiert die Boost-Steuereinheit 23 innerhalb der Boost-Einheit 13 den Transformator 25 über ein Boost-Verhältnis (d.h. 100% in den Beispielen der 11 und 12), wenn keine Boost-Operation durchgeführt wird, und der Transformator 25 ändert ein Spannungsumwandlungsverhältnis entsprechend dem mitgeteilten Boost-Verhältnis. Dadurch wird die Wechselspannungseingabe in den Wandler 11-2 heruntergefahren, und als Folge davon wird auch die Gleichspannungsausgabe aus dem Wandler 11-2 heruntergefahren. Mit anderen Worten, die in den Wechselrichter 12 eingegebene Gleichspannung kehrt auf einen Wert vor dem Boost zurück. Nach dem ersten Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit 13 wird die in den Wechselrichter 12 eingespeiste Gleichspannung durch die Steuerung eines Spannungstransformationsverhältnisses des Transformators 25 hoch- und heruntergeregelt, so dass der Wandler 11-2 kein Wandler der PWM-Steuerungsmethode sein muss und eine Diodengleichrichterschaltung sein kann.
In einem zweiten Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit 13 wird ein Gleichspannungswandler, der die Intensität der Gleichspannung ändern kann, zwischen einem Wandler und einem Wechselrichter vorgesehen, und die in einen Wechselrichter eingegebene Gleichspannung wird durch die Erhöhung der vom Wandler ausgegebenen Gleichspannung durch den Gleichspannungswandler erhöht. 14 ist ein Diagramm, das das zweite Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit gemäß der ersten bis dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. 15 ist ein Schaltplan, der eine Step-up-Chopperschaltung veranschaulicht. Wie in 14 dargestellt, enthält die Boost-Einheit 13 außerdem einen Gleichspannungswandler 26, der zwischen dem Wandler 11-2 und dem Wechselrichter 12 angeordnet ist. Der DC-DC-Wandler 26 wird z.B. durch eine Step-up-Chopperschaltung konfiguriert, wie in 15 dargestellt. Als alternatives Beispiel kann der Gleichspannungswandler 26 mit Hilfe eines Schaltreglers konfiguriert werden. Die Boost-Einheit 13 kann die vom Wandler 11-2 ausgegebene Gleichspannung durch Steuerung des Gleichspannungswandlers 26 erhöhen. Mit anderen Worten, wenn die Boost-Start-Bestimmungseinheit 22 feststellt, dass eine Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation größer als der erste Schwellenwert ist, informiert die Boost-Steuereinheit 23 innerhalb der Boost-Einheit 13 den Gleichspannungswandler 26 über ein Boost-Verhältnis für einen Boost-Vorgang, und der Gleichspannungswandler 26 verstärkt die vom Wandler 11-2 ausgegebene Gleichspannung entsprechend dem mitgeteilten Boost-Verhältnis. Als Ergebnis wird auch die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter 12 erhöht. Wenn danach die Einheit 24 zur Bestimmung des Boost-Endes feststellt, dass die Abweichung zwischen dem Drehzahlbefehl an den Motor 3 und der vom Motor 3 erhaltenen Drehzahlinformation kleiner als der zweite Schwellenwert ist, informiert die Boost-Steuereinheit 23 innerhalb der Boost-Einheit 13 den Gleichspannungswandler 26 über ein Boost-Verhältnis (d.h. 100% in den Beispielen der 11 und 12), wenn kein Boost-Vorgang durchgeführt wird, und der Gleichspannungswandler 26 gibt die vom Wandler 11-2 ausgegebene Gleichspannung aus, ohne die Gleichspannung zu erhöhen. Somit kehrt die in den Wechselrichter 12 eingegebene Gleichspannung auf einen Wert vor dem Boostvorgang zurück. Gemäß dem zweiten Modifikationsbeispiel der Boost-Einheit 13 wird die Eingangsgleichspannung des Wechselrichters 12 durch die Steuerung einer Spannungsumwandlung des Gleichspannungswandlers 26 erhöht und verringert, so dass der Wandler 11-2 kein Wandler der PWM-Steuerungsmethode sein muss und eine Diodengleichrichterschaltung sein kann.
Im Falle einer Rundschleifmaschine, die mit einer Motorsteuerungsvorrichtung ausgestattet ist, das einen sensorlosen Induktionsmotor steuert, wird beispielsweise eine Schleifscheibenspindel vor Beginn der Bearbeitung beschleunigt, und das Schleifen wird von einem Punkt aus durchgeführt, an dem eine konstante Anzahl von Umdrehungen erreicht wird. Wenn die Vorschubgeschwindigkeit der Schleifscheibenspindel erhöht wird, kann sich die Belastung des Induktionsmotors erhöhen und die Geschwindigkeit der Schleifscheibenspindel kann aufgrund eines fehlenden Drehmoments abnehmen. Gemäß der zweiten oder dritten Ausführungsform wird die Gleichspannungseingabe in einen Wechselrichter bei einer solchen Drehzahlabnahme des Induktionsmotors während der Verarbeitung erhöht, die Wechselspannungsausgabe des Wechselrichters wird entsprechend erhöht, das Drehmoment des Induktionsmotors verbessert sich, und daher kann eine Verringerung der Geschwindigkeit der Radspindel vermieden werden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Motorsteuerungsvorrichtung zu erreichen, die in der Lage ist, eine Verringerung der Drehzahl eines Motors zu vermeiden, die aus unerwarteten Abnahmen der Motorleistung und des Drehmoments resultiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007151251 [0016]

Claims

Motorsteuerungsvorrichtung (1), die Folgendes umfasst: einen Wandler (11-1, 11-2), der konfiguriert ist, um von einer Wechselstrom-Versorgungsseite (2) zugeführte Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln und dann die Gleichspannung an eine Gleichstromseite auszugeben; einen Wechselrichter (12), der konfiguriert ist, um von der Gleichstromseite zugeführte Gleichspannung in eine Wechselspannung zum Antrieb eines Motors (3) umzuwandeln und dann die Wechselspannung auszugeben; und eine Boost-Einheit (13), die konfiguriert ist, um Gleichspannung, die dem Wechselrichter (12) von der Gleichstromseite zugeführt wird, entsprechend einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor (3) und einer von dem Motor (3) erhaltenen Drehzahlinformation zu erhöhen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Boost-Einheit (13) Folgendes umfasst eine Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit (21), die konfiguriert ist, um die Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor (3) und der vom Motor (3) erhaltenen Drehzahlinformation zu berechnen, eine Boost-Start-Bestimmungseinheit (22), die konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit (21) berechnete Abweichung mehr als ein vorgeschriebener erster Schwellenwert ist oder nicht, und eine Boost-Steuereinheit (23), die konfiguriert ist, um die dem Wechselrichter (12) zugeführte Gleichspannung von der Gleichstromseite auf eine Gleichspannung zu erhöhen, die größer ist als diejenige zu einem Zeitpunkt, der zuvor von der Boost-Start-Bestimmungseinheit (22) als größer als der erste Schwellenwert bestimmt wurde, wenn die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit (21) berechnete Abweichung als Ergebnis der Bestimmung durch die Boost-Start-Bestimmungseinheit (22) größer als der erste Schwellenwert ist.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei die Boost-Einheit (13) weiterhin eine Boost-Ende-Bestimmungseinheit (24) enthält, die konfiguriert ist, um zu bestimmen, ob die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit (21) berechnete Abweichung kleiner als ein vorgeschriebener zweiter Schwellenwert ist, der kleiner als der erste Schwellenwert ist, nachdem die Boost-Start-Bestimmungseinheit (22) bestimmt hat, dass die Abweichung größer als der erste Schwellenwert ist, und wenn die von der Drehzahlabweichungs-Berechnungseinheit (21) berechnete Abweichung als Ergebnis der Bestimmung durch die Boost-Ende-Bestimmungseinheit (24) kleiner als der zweite Schwellenwert ist, die Boost-Steuereinheit (23) die dem Wechselrichter (12) von der Gleichstromseite zugeführte Gleichspannung auf Gleichspannung zu einem Zeitpunkt herunterfährt, bevor sie von der Boost-Start-Bestimmungseinheit (22) als größer als der erste Schwellenwert bestimmt wurde.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Drehzahlsensor (31) aufweist, der konfiguriert ist, um eine Ist-Drehzahl des Motors (3) als die Drehzahlinformation zu erfassen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Schätzdrehzahl-Berechnungseinheit (32) umfasst, die konfiguriert ist, um auf der Grundlage eines Wertes des in den Motor (3), der ein Induktionsmotor ist, fließenden Ist-Stroms oder eines Strombefehls an den Induktionsmotor und eines Primärfrequenzbefehls an den Induktionsmotor eine geschätzte Drehzahl des Induktionsmotors als Drehzahlinformation zu berechnen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend: einen Näherungsschalter (33), der konfiguriert ist, um ein Pulssignal entsprechend der Drehung des Motors (3) oder einer mit dem Motor (3) verbundenen Antriebsachse auszugeben; und eine Ist-Drehzahl-Berechnungseinheit (34), die konfiguriert ist, um basierend auf einem Pulssignal, das von dem Näherungsschalter (33) ausgegeben wird, eine Ist-Drehzahl des Motors (3) als die Drehzahlinformation zu berechnen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wandler ein PWM-Wandler (11-1) ist, der konfiguriert ist, um die von einer Wechselspannungsversorgungsseite (2) zugeführte Wechselspannung durch einen Schaltvorgang eines internen Halbleiterschaltelements in die gewünschte Intensität der Gleichspannung umzuwandeln und dann die Gleichspannung auf eine Gleichspannungsseite auszugeben, und die Boost-Einheit (13) die von der Gleichstromseite des PWM-Wandlers (11-1) ausgegebene und dann dem Wechselrichter (12) zugeführte Gleichspannung erhöht, indem sie einen Schaltvorgang des Halbleiterschaltelements innerhalb des PWM-Wandlers (11-1) steuert.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Boost-Einheit (13) ferner umfasst einen Spannungs-TransformationsVerhältnis-variablen Transformator (25), der zwischen der Wechselstrom-Stromversorgung (2) und dem Wandler (11-1, 11-2) vorgesehen ist, und die Boost-Einheit (13) die in den Wandler (11-1, 11-2) eingegebene Wechselspannung durch Steuerung eines Spannungstransformationsverhältnisses des Transformators (25) erhöht, um die von der Gleichstromseite des Wandlers (11-1, 11-2) ausgegebene und dann in den Wechselrichter (12) eingegebene Gleichspannung zu erhöhen.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Boost-Einheit (13) ferner umfasst einen DC-DC-Wandler (26), der zwischen dem Wandler (11-1, 11-2) und dem Wechselrichter (12) vorgesehen ist, und die Boost-Einheit (13) die Gleichspannungsausgabe von der Gleichspannungsseite des Wandlers (11-1, 11-2) durch Steuerung des DC-DC-Wandlers (26) erhöht, um die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter (12) zu boosten.
Motorsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei, wenn ein Drehzahlbefehl an den Motor (3) weder ein Beschleunigungsbefehl noch ein Verzögerungsbefehl ist, die Boost-Einheit (13) die Gleichspannungseingabe in den Wechselrichter (12) von der Gleichstromseite her entsprechend einer Abweichung zwischen einem Drehzahlbefehl an den Motor (3) und einer von dem Motor (3) erhaltenen Drehzahlinformation erhöht.