JP2002291274A

JP2002291274A - 多軸モータ制御装置

Info

Publication number: JP2002291274A
Application number: JP2001087644A
Authority: JP
Inventors: Akira Kumagai; 彰熊谷; Mitsujiro Sawamura; 光次郎沢村
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2002-10-04
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP4474784B2

Abstract

(57)【要約】【課題】各軸の必要電力の合計がコンバータの能力を
超える場合においても、生産性を落とすことのない簡素
で小型な多軸モータ制御装置を提供する。【解決手段】コンバータ３と、コンバータ３に接続さ
れて主軸モータ９の速度を制御する主軸制御器５と、複
数の送りモータ１０，１１の速度を制御する複数の送り
制御器７，８とを有し、主軸制御器５と複数の送り制御
器７，８に対する速度指令を一括して上位制御装置から
受け取り、その指令を解読して主軸制御器５と複数の送
り制御器７，８とに分配する軸制御ブロック４をコンバ
ータ３に備えるものであり、主軸制御器５と複数の送り
制御器７，８とに与えられる速度指令と、予め設定され
た各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸の
必要電力の合計がコンバータ３の能力を超える場合のみ
に主軸の速度指令の増減率を制限するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、工作機械その他
の多軸駆動系の駆動制御に用いられる多軸モータ制御装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の工作機械では、機械の効率向上や
生産性向上のために、送りモータおよび主軸モータの高
速化や高加減速化が図られている。また、省配線や省ス
ペースのために共通コンバータ等の共通電源を使用する
システムが増加している。しかしながら、共通コンバー
タを用いて高速化や高加減速を達成しようとすると、最
悪の場合を考えて各軸の瞬時最大電力を基に共通コンバ
ータの容量を決定しているため、大きなコンバータが必
要となり、低コストや低スペースが実現できなくなって
きている。この様な観点から、特開平８−１４０３８８
号公報に開示の技術「共通電源インバータ制御装置」が
提案されている。この共通電源インバータ制御装置は、
共通の電源に接続されて電動機負荷を運転する複数のイ
ンバータ装置と、このインバータ装置で運転される電動
機の回転速度を検出する速度検出器と、この速度検出器
より検出された前記回転速度からその回転速度に対応し
た負荷トルクを求める負荷トルク演算装置と、予め設定
された負荷の慣性モーメントと加減速レートより前記電
動機の加減速時に必要な加減速トルクを演算する加減速
トルク演算回路と、前記負荷トルクと前記加減速トルク
より前記電動機の出力トルクを演算する電動機トルク演
算回路と、前記電動機の回転速度と前記電動機の出力ト
ルクとから前記電動機の出力容量を演算する電動機出力
容量演算回路と、各々の出力容量を総計して全電動機の
総出力容量を演算する総出力容量演算回路と、前記総出
力容量と共通電源の許容出力容量とを比較して共通電源
の出力を制限するパワー制限回路と、このパワー制限回
路の出力と予め設定された各々の負荷の機械側制限値と
前記負荷慣性モーメントと前記インバータ装置のトルク
制限値から優先順位を加味して各々のインバータ装置の
加減速レートを演算する加減速レート演算回路とを具備
しているものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の制御装置では、電動機総出力容量が共通電源の許容
出力容量を超えた場合には、各電動機駆動系の負荷慣性
モーメントの大きい順に該当インバータ装置の加減速レ
ートを順次演算指示するものであるため、装置が複雑か
つ高価となるばかりか、駆動時間が長引き、負荷のワー
ク時間の長い制御装置となり生産性が落ちることが起き
た。そこで、この発明は、適切な共通コンバータを選択
でき、生産性を落とすことなく、簡素で小型な制御装置
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、請求項１記載の多軸モータ制御装置の発明は、交流
電源を直流電源に変換するコンバータと、このコンバー
タに接続されて主軸モータの速度を制御する主軸制御器
と、複数の送りモータの速度を制御する複数の送り制御
器とを有し、該主軸制御器と複数の該送り制御器に対す
る速度指令を一括して上位制御装置から受け取り、その
指令を解読して前記主軸制御器と複数の前記送り制御器
とに分配する軸制御ブロックを前記コンバータに備えた
多軸モータ制御装置において、前記主軸制御器と複数の
前記送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設定さ
れた各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、各軸
の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える場合
のみに主軸の速度指令の増減率を制限する速度指令増減
率制限手段を備えることを特徴とする。また、請求項２
記載の発明は、交流電源を直流電源に変換するコンバー
タと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を
制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御
する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の
該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置
から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複
数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記
コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、前記
主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる速度
指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必要電
力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバータ
の能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止す
るトルク制限値抑止手段を備えることを特徴とする。さ
らに、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の
多軸モータ制御装置において、交流電源を直流電源に変
換するコンバータを主軸制御器または送り制御器の何れ
かに内蔵したことを特徴とする。以上の構成により、適
切な共通コンバータを選択でき、負荷のワーク時間を徒
に延長させることのない生産性のよい、簡素で小型な制
御装置が得られる。

【０００５】

【発明の実施の形態】図１は、この発明による装置のブ
ロック構成図である。図において、上位の制御装置であ
るＮＣ制御装置１は、主軸モータ９、Ｘ軸モータ１０、
Ｙ軸モータ１１に対する指令作成および位置や速度等の
状態を監視して工作機械を制御する。コンバータ３は交
流電源に接続され、受電交流電力を直流に変換して共通
の直流電源となる。コンバータ３の出力は主軸制御器
５、および送り制御器としてのＸ軸送り制御器７とＹ軸
送り制御器８とに並列接続されて、各制御器に直流電力
を供給する。この直流電力により、主軸制御器５は主軸
モータ９を駆動制御し、Ｘ軸送り制御器７はＸ軸モータ
１０を駆動制御し、Ｙ軸送り制御器はＹ軸モータ１１を
駆動制御する。また、コンバータ３には軸制御ブロック
４が設けられている。軸制御ブロック４は、ＮＣ制御装
置１が作成した主軸モータ９、Ｘ軸モータ１０、Ｙ軸モ
ータ１１に対する指令を、伝送ケーブル２を介して受信
して、運転パターンを解析した加工信号を、伝送ライン
６を介して主軸制御器５、Ｘ軸送り制御器７、Ｙ軸送り
制御器８に送信する。軸制御ブロック４はまた、主軸、
Ｘ軸、Ｙ軸の慣性を予め設定する手段も備えている。か
くして、主軸制御器５は、コンバータ３内部の軸制御ブ
ロック４で作成された指令を伝送ライン６を介して受信
し、この信号に基づいて主軸モータ９の速度を制御す
る。

【０００６】図３は、主軸モータ９と、Ｘ軸モータ１０
と、Ｙ軸モータ１１の運転例を示している。図３（ａ）
は、主軸モータ９の経時的運転特性例を示すもので、主
軸速度Ｎ1、主軸トルクＴ1 、主軸電力Ｐ1 の経時変化
が示されている。ここで、主軸電力の最大値はＰ1maxと
なる。図３（ｂ）はＸ軸モータ１０の経時的運転特性例
が示されている。Ｘ軸速度Ｎ2 とＸ軸トルクＴ2 とに対
応するＸ軸電力Ｐ2 が示されいてる。この場合のＸ軸電
力の最大値はＰ2maxとなる。また、図３（ｃ）は、Ｙ軸
モータ１１の経時的運転特性例が示されている。図にお
いて、Ｙ軸速度Ｎ3 とＹ軸トルクＴ3 とに対応するＹ軸
電力Ｐ3 が示され、Ｙ軸電力の最大値はＰ3maxとなる。
これらの各軸電力の和は、図３（ｄ）の様になる。軸電
力の和の最大値はＰmax として示されている。これらの
一連の特性図から、軸送りモータの運転時間は比較的短
時間であることが分かり、かつ、軸送りが完結しない
と、主軸による加工動作も完結できないことから、軸電
力の和Ｐmax （＝Ｐ1max＋Ｐ2 max ＋Ｐ3max）がコンバ
ータ３の許容電力Ｐcompを超過する場合は、軸送りモー
タの駆動を優先させ、主軸モータを可変運転することが
合理的であると言える。

【０００７】次に、この思想に基づくこの発明による処
理フローを説明する。図４は、この発明による第一の処
理フロー例を示している。まず、ＮＣ制御装置１（図
１）から軸制御ブロック４を介して主軸制御器５に与え
られる指令が、図４（ｂ）に示される様に、サンプリン
グ毎にΔＮ1 〔ｒ／ｍｉｎ〕ずつ増減するパターンで与
えられる時、時刻ｔ1 における主軸制御器５の必要とす
る最大電力Ｐ1 max は、式（１）となる。Ｐ1max＝２π×Ｎ1 ×Ｔ1 ／６０・・・・・・（１）但し、Ｔ1 はトルク〔Ｎｅｗｔｏｎ／ｍ〕同様に、Ｘ軸送り制御器７に与えられる指令がサンプリ
ング毎にΔＮ2 ずつ増減し、Ｙ軸送り制御器８に与えら
れる指令がサンプリング毎にΔＮ3 ずつ増減するとする
と、各制御器７、８が必要とする最大電力Ｐ2maxとＰ3m
axとは、それぞれ式（２）および式（３）となる。Ｐ2max＝２π×Ｎ2 ×Ｔ2 ／６０・・・・・・・（２）Ｐ3max＝２π×Ｎ3 ×Ｔ3 ／６０・・・・・・・（３）従って、各軸の必要電力の合計Ｐmax は式（４）とな
る。Ｐmax ＝Ｐ1max＋Ｐ2max＋Ｐ3max ・・・・・・・（４）また、各軸のトルクＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 は、予め設定され
た主軸系の慣性Ｊ1 、Ｘ軸系の慣性Ｊ2 、Ｙ軸系の慣性
Ｊ3 をそれぞれ使って以下の式（５）〜（７）で算出で
きる。Ｔ1 ＝Ｊ1 ×ΔＮ1 ／Δｔ・・・・・・・（５）Ｔ2 ＝Ｊ2 ×ΔＮ2 ／Δｔ・・・・・・・（６）Ｔ3 ＝Ｊ3 ×ΔＮ3 ／Δｔ・・・・・・・（７）かくして、計算された各軸の必要電力Ｐ1max、Ｐ2max、
Ｐ3maxの合計Ｐmax が図４（ａ）のＡステージで計算さ
れる。この合計計算値Ｐmax は、コンバータ３の許容電
力ＰcompとＢステージで比較され、コンバータ３の許容
電力Ｐcompと等しいかそれより小さいときは、Ｙｅｓと
判断されて、ＮＣ制御器１から与えられる指令を各軸の
制御器５、７、８に転送して各軸運転Ｃステージを継続
する。すなわち、図４（ｂ）において、各サンプリング
毎にΔＮ1 〔ｒ／ｍｉｎ〕ずつの増加（２点鎖線）が継
続される。しかしながら、合計電力Ｐmax がコンバータ
３の許容電力Ｐcompを超える場合には、ＢステージでＮ
ｏと判断され、Ｄステージに移行し、コンバータ３の許
容電力Ｐcompから各送り軸の動作に必要な電力を差し引
いた残りの電力Ｐ1 ’maxを式（８）より得る。Ｐ1 ’max ＝Ｐcomp−Ｐ2max−Ｐ3max ・・・・・・・（８）次いで、この残余電力Ｐ1 ’max で許容できる速度増加
分ΔＮ1 ’／Δｔを式（９）より得る。 ΔＮ1 ’／Δｔ＝Ｐ1 ’max ／（Ｊ1 ×Ｎ1 ×６０×２π）・・・・・（９）この速度指令は、必要電力の合計がコンバータ３の能力
を超える場合のみに、主軸の速度指令の増減率を制限す
る手段が軸制御ブロック４に在る場合は、主軸制御器５
に送信して主軸のみを減速又は増速制御する。必要電力
の合計がコンバータ３の能力を超える場合のみに主軸の
速度指令の増減率を制限する手段が主軸制御器５に在る
場合は、送信すること無く、直に制御する。その後、Ｘ
軸又はＹ軸の一方又は両方の動作が終了するなどして、
必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcomp
よりも小さくなれば、増減速制限指令は解除されて、Ｎ
Ｃ制御装置１より与えられた指令に戻して制御される。
その結果、必要電力の合計がコンバータ３の能力を超え
る場合は、主軸制御器５の発する速度指令のサンプリン
グ時間当たりの増加率はΔＮ1 からΔＮ1 ’と小さくな
り、必要電力の合計はコンバータ３の許容電力内に納ま
り、コンバータ３の異常等を回避することができる。す
なわち、主軸モータ９の速度指令パターンの例を示す図
４（ｂ）において、運転中に、Ｘ軸モータかＹ軸モータ
の何れか又は双方が加速するなどして、時点ｔ1 に必要
電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompより
大きくなると、速度変化量をΔＮ1 からΔＮ1 ’に変更
して速度変化分を小さくして主軸系の必要電力を抑え
る。その後、時点ｔ2 に至って、必要電力の合計Ｐmax
がコンバータ３の許容電力Ｐcompより小さくなると、速
度変化量をΔＮ1 に戻して定常運転に戻る。

【０００８】以上は、コンバータを各軸の制御器と別置
きとした例を示したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、コンバータを各軸の何れかの軸の制御器に内
蔵させても同様の効果が得られる。図２はこの変形例を
示すもので、図２（ａ）は、コンバータ３を主軸制御器
５内に内蔵させ、このコンバータ３に設けた軸制御ブロ
ック４から伝送ライン６を介して主軸制御器５と、Ｘ軸
送り制御器７と、Ｙ軸送り制御器８とに信号を伝送する
構成として装置を小型化する例を示している。また、図
２（ｂ）は、Ｘ軸送り制御器７にコンバータ３を内蔵さ
せて装置を小型化した例を示している。この場合、コン
バータ３に設けた軸制御ブロック４は、ＮＣ制御装置１
からの指令に基づく加工信号を伝送ライン６を介してＸ
軸送り制御器７自身と左右に配置された主軸制御器５と
Ｙ軸送り制御器８とに供給する。このように構成するこ
とにより、別置きであったコンバータを制御器に内蔵さ
せることができ、したがって小型化が可能となる。

【０００９】図５は第二の処理フロー例を示す。この例
の場合、軸制御ブロック４は、速度指令と共にトルク制
限値を出力するものとすることができる。この場合も、
図５（ａ）で示すステージＡでは、各軸の必要電力Ｐ1m
ax、Ｐ2max、Ｐ3maxを算出し、更にこれらの必要電力の
合計Ｐmax を算出する。次いで、Ｂステージでは、必要
電力の合計Ｐmax とコンバータ３の許容電力Ｐcompとを
比較し、必要電力の合計Ｐmax がコンバータ３の許容電
力Ｐcompと等しいかそれより小さい場合、Ｙｅｓと判断
され、ステージＣに移行し、予め設定されたトルク制限
値で各軸が運転される。しかし、必要電力の合計Ｐmax
がコンバータ３の許容電力Ｐcompを超える場合、Ｎｏと
判断されてＥステージに移行する。ここでは、コンバー
タ３の許容電力Ｐcompから各送り軸（Ｘ軸、Ｙ軸）の動
作に必要な電力を差し引いた残りの電力Ｐ1 ’max を
（８）式から得る。次いで、残余電力Ｐ1 ’max で許容
できるトルク制限値Ｔ1 ’lim を式（１０）から得る。Ｔ1 ’lim ＝Ｐ1 ’max ×２π／（Ｎ1 ×６０）・・・・・・（１０）このトルク制限値は、各軸の必要電力の合計がコンバー
タ３の能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑
止する手段が軸制御ブロック４にある場合は、主軸制御
器５に送信され、主軸モータ９は逓減トルク運転に移行
する。また、各軸の必要電力の合計がコンバータ３の能
力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑止する手
段が主軸制御器５に在る場合は、直に逓減トルク運転を
指令する。図５（ｂ）はこの例のトルク制限パターンを
示している。ＮＣ制御装置１の指令によりトルク制限値
Ｔ1limで運転中に、Ｘ軸モータ又はＹ軸モータ或いは双
方のモータの加速等により、時点ｔ1 で、必要電力の合
計Ｐmax がコンバータ３の許容電力Ｐcompを超えると、
主軸制御器５に与えるトルク制限値をＴ1 ’lim に変更
して、逓減トルク運転に移行し、消費電力を逓減する。
その後、時点ｔ2 に至り、必要電力の合計Ｐmax がコン
バータ３の許容電力Ｐcompより小さくなるとトルク制限
値の抑止値Ｔ1 ’lim は解除され、通常のトルク制限値
Ｔ1limに戻される。その結果、主軸モータ９の速度は、
一点鎖線で示される様に、時点ｔ1 と時点ｔ2 の区間に
おいては速度の増加は緩やかになり、主軸制御器５に必
要な電力は軽減される。尚、上記の実施態様において
は、加速中の動作について説明したが、減速中のパター
ンについても、全軸の減速時に発生する回生電力がコン
バータ３の許容回生電力を超える場合は、主軸の減速率
を落とすか、又は主軸の減速側トルク制限を下げること
で、コンバータ３を保護することができる。また、上記
実施態様では、主軸１軸と送り軸が２軸のシステムで説
明したが、送り軸が３軸以上の多軸システムにおいても
同様な効果が得られる。更に、コンバータを各軸の制御
器と別置きとせずに、何れかの軸の制御器に内蔵させて
も同様の効果が得られる。

【００１０】

【発明の効果】この発明によれば、交流電源を直流電源
に変換するコンバータと、このコンバータに接続されて
主軸モータの速度を制御する主軸制御器と、複数の送り
モータの速度を制御する複数の送り制御器とを有し、主
軸制御器と複数の送り制御器に対する速度指令を一括し
て上位制御装置から受け取り、その指令を解読して主軸
制御器と複数の送り制御器とに分配する軸制御ブロック
を前記コンバータに備えるものであり、前記主軸制御器
と複数の送り制御器とに与えられる速度指令と、予め設
定された各軸の慣性とから各軸の必要電力を算定して、
各軸の必要電力の合計が前記コンバータの能力を超える
場合のみに主軸の速度指令の増減率を制限する手段、或
いは、主軸のトルク制限値を抑止する手段を備える多軸
モータ制御装置を構成するものであるので、負荷のワー
ク時間を徒に延長することが無く、生産性を落とすこと
が無く、コンバータの保護と容量逓減を図ることがで
き、簡素で小型な多軸モータ制御装置を提供できる効果
が得られる。すなわち、本願は送りドライブを優先さ
せ、一般的に加減速時間の長い主軸モータドライブの加
減速を一時的に制限することで、工作機械の生産性を損
なわずにコンバータの小型化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による多軸モータ制御装置のブロック
構成図である。

【図２】この発明による他の実施態様による多軸モータ
制御装置のブロック構成図であり、図２（ａ）は、主軸
制御器にコンバータを内蔵させた例、図２（ｂ）は、Ｘ
軸送り制御器にコンバータを内蔵させた例を示してい
る。

【図３】この発明による多軸モータ制御装置による各軸
の運転例を示す特性図である。

【図４】この発明による多軸モータ制御装置の第一の処
理フローを示すもので、図４（ａ）は、主軸の速度を加
減速制御する場合の処理フロー図、図４（ｂ）は、主軸
の速度制御パターン図である。

【図５】この発明による多軸モータ制御装置の第二の処
理フローを示すもので、図５（ａ）は、主軸のトルク制
限値を抑止制御する場合の処理フロー図、図５（ｂ）
は、主軸のトルク制限パターン図である。

【符号の説明】

１ＮＣ制御装置２伝送ケーブル３コンバータ４軸制御ブロック５主軸制御器６伝送ライン７Ｘ軸送り制御器８Ｙ軸送り制御器９主軸モータ１０Ｘ軸モータ１１Ｙ軸モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H269 AB01 BB01 CC01 CC17 DD01 EE01 5H572 AA14 BB02 BB03 CC05 DD02 FF01 GG02 HB07 HC07 JJ03 JJ28 KK04 KK08 LL01 LL21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源を直流電源に変換するコンバー
タと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を
制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御
する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の
該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置
から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複
数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記
コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる
速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必
要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバ
ータの能力を超える場合のみに主軸の速度指令の増減率
を制限する速度指令増減率制限手段を備えることを特徴
とする多軸モータ制御装置。
【請求項２】交流電源を直流電源に変換するコンバー
タと、このコンバータに接続されて主軸モータの速度を
制御する主軸制御器と、複数の送りモータの速度を制御
する複数の送り制御器とを有し、該主軸制御器と複数の
該送り制御器に対する速度指令を一括して上位制御装置
から受け取り、その指令を解読して前記主軸制御器と複
数の前記送り制御器とに分配する軸制御ブロックを前記
コンバータに備えた多軸モータ制御装置において、前記主軸制御器と複数の前記送り制御器とに与えられる
速度指令と、予め設定された各軸の慣性とから各軸の必
要電力を算定して、各軸の必要電力の合計が前記コンバ
ータの能力を超える場合のみに主軸のトルク制限値を抑
止するトルク制限値抑止手段を備えることを特徴とする
多軸モータ制御装置。
【請求項３】交流電源を直流電源に変換するコンバー
タを、主軸制御器または送り制御器の何れかに内蔵した
ことを特徴とする請求項１または２記載の多軸モータ制
御装置。