JP2004364408A - 主軸制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】工作機械の主軸に直接もしくは直結してリラクタンスモータやIPMモータを取付けたタイプの主軸制御装置においては、主軸の回転基準位置を示すマーカ通過前にモータに対して発生トルクを制御する適切な通電ができないため、主軸を滑らかに起動することができない。
【解決手段】モータに一定周波数で0から次第に大きくなっていく交流電流を通電し、モータの回転方向が指令方向と逆であった場合には、速やかに電流指令を小さくして停止させることによって着実に指令と同一方向で回転を開始する。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸を駆動制御する主軸制御装置に関するものであり、特に主軸に直接もしくは直結してリラクタンスモータや埋め込み磁石型モータ(以下IPMモータと略記する)等の交流同期モータを取付けたタイプの主軸制御装置の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、工作機械の主軸を駆動する電動機としては誘導電動機が一般的に使用されてきた。しかし、誘導電動機はロータに二次導体を持つという性格上、効率が低く、また主軸に二次導体の発熱が伝わるため、温度上昇によって主軸が熱膨張し、加工精度が悪化するなどの課題があった。このため、近年は主軸駆動用としてリラクタンスモータやIPMモータなどの同期電動機を使う傾向にある。
【0003】
これらのモータは同期電動機であるため、モータに通電する交流電流の位相をロータ位置に同期して制御する必要がある。しかしながら、一般的に主軸の回転位置すなわちロータ位置を検出する位置検出器は、一回転毎に一回出力されるマーカ信号と、所定の微小角度を回転する毎に周期的なパルス、もしくは正弦波をインクリメンタル信号として出力する方式のものが多く、マーカ信号出力後は前記インクリメンタル信号をカウントすることによってロータ位置が検出できるが、マーカ信号出力前は電源投入時のロータ位置を起点とするロータ位置変化のみが検出でき、ロータの絶対位置を検出することができない。このため、マーカ通過前においては、モータに対して適切な電流を通電することができないため発生トルクを制御することができず、指令した回転方向と無関係な方向に回転することがある。
【0004】
このため、例えば下記特許文献1に示されるような従来技術においては、マーカ通過前において仮想的な位相角度の低周波電流をモータに通電し、前記インクリメンタル信号によって検出された速度検出値が、指令と反対方向であれば同一方向に回転するまで、前記仮想的な位相角度を予め設定された所定角度だけ変化させる方法が提案されている。この従来技術例を図3に示し、その動作概要を説明する。まず、運転指令が入力されると磁極検出指令発生部1は角度指令切換部2と速度指令切換部3に対して切換信号を出力する。この切換信号を受けて速度制御部4は速度指令発生部5が発生する低周波の角速度信号を速度指令値として入力し、また電流指令発生部6は速度指令発生部5が発生する低周波の角度信号を交流電流指令の位相角度として入力する。そして速度制御部4は速度指令発生部5から入力された速度指令と速度検出部7によって検出したモータ速度との偏差に基づいて交流電流の振幅指令を発生する。この振幅指令を受けた電流指令発生部6は速度指令から入力された前記角度信号を位相角度とする交流電流指令を発生する。電流制御部8は交流電流指令に応じて電流検出器9によって検出したモータ電流のフィードバック制御を行なう。
【0005】
ここで、電流指令発生部6が発生した交流電流指令は速度指令発生部5が出力した角度信号を位相角度としており、モータ10のロータ位置とは無関係の位相である。このため、この交流電流指令によってモータ10は不定の方向に回転を開始する。そこで、角度補正部11は速度検出部7から得た速度検出値が外部から入力された速度指令と逆方向であった場合には、速度指令発生部5に対して位相角度をずらすよう予め設定された所定角度の補正信号を出力する。そして、この補正信号は正しい回転方向が検出されるまで繰り返されるので、その結果、外部から入力された速度指令と同方向にモータ10は回転する。
【0006】
この方法においては前記の予め設定された所定角度は、ちょうど速度フィードバック制御における速度誤差アンプゲインに相当する働きを持っているので、駆動するモータおよび主軸のイナーシャ等に応じてこの所定角度の設定値を調整する必要がある。
【0007】
また、マーカ通過前において、主軸に取付けた位置検出器からの位置検出値は使用せず、代わりにモータのステータに内蔵した磁極位置検出器(ポールセンサ)の出力信号をもとにモータに通電する電流の位相角を制御する方式も一般的に使用されている。
【0008】
さらにまた、主軸に取付ける位置検出器として絶対位置検出器を用いる方式も一般的とは言えないが使用されている。この場合は電源投入後、直ちに一回転中の回転位置が検出されるので、モータに通電する電流は正しい位相角で制御することが可能である。
【0009】
【特許文献1】
特開平11−4587号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術のうち、まず上記特許文献1に示される方法においては、以下2点の課題がある。その第1は、通電電流位相角に対する出力トルク特性(以下θ−τ特性と略記する)が図4に示すようなモータ、すなわち出力トルクが極大となる点が一回転中に一回のモータであれば、その極大点に合うように電流位相角が制御されて所望の機能を得ることができるが、θ−τ特性が図5に示すようなモータについては、本来は図中A点の電流位相で制御すべきところを制御回路が誤ってB点で制御してしまう可能性をもつ点である。このためモータの動きとしては、まず起動開始時にはB点の電流位相角で駆動されて回転を開始し、マーカ通過と同時に正しい電流位相角、すなわちA点の電流位相角に一気に飛んでしまうため、不連続で予期せぬ回転動作を起こしてしまう。このような予期せぬ動作は、特に主軸に刃物等をとりつける工作機械においては好ましくない。
【0011】
次に第2の課題としては、上記特許文献1の方法では指令と逆方向の回転を検知した時に、予め設定された所定角度だけ仮想的な電流位相角をずらすことを行なっているが、この所定角度をモータおよび主軸のイナーシャ等に応じて適切に調整する必要があるということである。すなわち、特に旋盤の主軸等においては、主軸に取り付ける加工対象のイナーシャは大きく変化するため、調整が不適切となる場合があり、不適切であれば主軸が振動現象を起こしてしまう。
【0012】
また、モータのステータにポールセンサを内蔵する方法においては、ポールセンサによるコストおよび、ポールセンサの出力信号を制御装置に接続するための電線、さらに制御装置上のポールセンサインターフェイスによるコストが課題である。さらにまた、主軸に絶対位置検出器を使用する方法も検出器自体が複雑であるため、コストが高いという課題もある。
【0013】
本発明は、以上の従来技術の課題を少なくとも1つ解決するものである。即ち、本発明の目的は、リラクタンスモータやIPMモータを利用する工作機械の主軸制御装置において、回転位置検出器としては安価なインクリメンタル信号とマーカ信号を用いるものを利用し、この他に特別な検出器を使用することなく、マーカ通過前のロータ位置が検出できない状況においても指令した回転方向通りに滑らかに起動できる主軸制御装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の主軸制御装置は、同期モータによって回転駆動される主軸に対し、回転制御を行う主軸制御装置において、主軸の一回転毎にマーカ信号を出力するとともに、主軸の所定角度の回転毎にインクリメンタル信号を出力する回転位置検出器と、インクリメンタル信号に基づいて主軸の回転速度を検出し、速度検出値を出力する速度検出部と、目標とする速度指令値と前記速度検出値との偏差に基づく制御により、同期モータに対する交流電流指令を生成する速度制御部と、主軸が起動時に追従可能な周波数の交流信号に対し、振幅を0から次第に増大させて、同期モータに対する起動交流電流指令を生成するスローアップ処理部と、同期モータに通電する電流指令として、起動時には前記起動交流電流指令を与え、マーカ信号を検知した後には前記交流電流指令を与える電流指令切換部と、を備え、スローアップ処理部は、前記速度検出値によって前記速度指令値と逆方向に回転したことを検出した場合には、起動交流電流指令の振幅を少なくとも回転検出前の値よりも小さな値に戻して振幅の増大を継続する。
【0015】
望ましくは、前記スローアップ処理部における起動交流電流指令の周波数、その増大の程度、及び、小さな値に戻す程度は、再度振幅が増大して主軸を再起動する前に、主軸が摩擦によって静止可能となる組み合わせに設定される。
【0016】
起動交流電流指令はロータ位置に関係なく一定周波数の交流とすることが可能であり、静止しているロータはθ−τ特性に従って正負に交互するトルクを発生する。そしてスローアップ処理部が起動交流電流指令を0から徐々に大きくすることによって、モータの発生するトルクは0から次第に大きくなっていく。このトルクが主軸の静止摩擦トルクを超えた瞬間に回転し始めるが、その回転方向が指令方向と逆であった場合には、スローアップ処理部が速やかに起動交流電流指令の振幅を小さくすることによって回転を静止する。そして起動電流指令は再び次第に大きくなりながら一定の周波数で位相角が進み、ちょうど反対位相の正方向トルクを出すタイミングにおいて静止摩擦トルクを超えて回転を開始する。
【0017】
なお、図5に示すようなθ−τ特性が2つの極大点を持つようなモータに対しても、起動電流指令を緩やかにスローアップすることによって、確実に大きいほうの極大点で回転を開始させることができる。このためには、θ−τ特性が2つの極大点をもつようなモータに対しては、大きな極大点が静止摩擦トルクを超える前に、小さな極大点が静止摩擦トルクを超えないように、振幅の増大の程度を定めればよい。いずれにせよ、上記特許文献1のように、イナーシャ等の条件が大きく変化した場合に制御上のパラメータを調整する複雑な手続きが不要であり、簡便で使いやすいシステムを実現することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を、図面を用いて説明する。
【0019】
図1に本発明の一実施形態である主軸制御装置のブロック図を示す。図中の速度制御部4、電流指令発生部6、電流制御部8、インバータ12は一般的な主軸制御装置に共通のものであるので、その機能を簡単に説明する。速度制御部4は外部から入力された速度指令と速度検出部7が検出した速度検出値に基づいてトルク指令値を演算する。次に電流指令発生部6は、このトルク指令値に応じてモータに通電する交流電流の振幅を演算し、交流電流の位相角度は角度信号検出部14から入力された位置検出値を用いることによってロータ位置に同期した電流指令を出力する。電流制御部8は前記電流指令と電流検出器9によって検出された電流検出値との偏差に基づいてインバータ12へ出力する電圧指令値を演算しており、モータ10に通電される電流を電流指令値どおりにフィードバック制御している。
【0020】
図1の主軸制御装置において、電源投入直後でエンコーダ13がまだマーカ信号を出力していない状態における起動制御について説明する。このとき、磁極原点検出部15がマーカ信号が出力されていないことを検出しており、マーカ未通過信号を電流指令切換部16に出力している。このとき電流指令切換部16は電流制御部8に入力する電流指令を、トルク指令に基づいて電流指令発生部6が演算したものに代えてスローアップ処理部17が出力したものに切り換えている。また、起動電流指令発生部18は予め設定された一定の周波数の交流信号を発生しており、その位相回転方向は極性判別部19の出力信号に基づいて速度指令と同一方向としている。そして、この交流信号を元にして後述するスローアップ処理部17が振幅を決定することによって電流指令が演算される。なお、起動電流指令発生部18の出力する交流信号の周波数は、安全性等を考慮して数10min−1程度の低周波に設定する。
【0021】
スローアップ処理部17は起動電流指令発生部18から受けた交流信号を元に、外部から入力された運転指令と起動方向判定部20から入力された逆方向信号に応じて電流振幅のスローアップ処理を行い、起動電流指令を算出する。その動作を図2のタイムチャートに基づいて説明する。まず運転指令が入力されると速度制御部4の出力するトルク指令が発生するが、このトルク指令を受けて電流指令発生部6が出力する電流指令は電流指令切換部16において電流制御部8とは切り離されている。そして、スローアップ処理部17は起動電流指令発生部18から入力された交流信号を元して振幅が0から次第に大きくなる起動電流指令を出力する。この電流指令は後段の電流制御部8に入力され、モータ10は0から次第に大きくなる交流トルクを発生し、この発生トルクが静摩擦トルクを超えると主軸は回転を開始する。ただし、この発生トルクは交流であるので所望する回転方向と一致しているとは限らない。従って図2に示すように指令方向と逆方向に回転し始める場合がある。この場合において、スローアップ処理部17は起動方向判定部20から入力された逆方向信号を受けて起動電流指令の振幅を小さくする。この結果、モータ10の発生トルクは静摩擦トルクよりも一時的に小さくなり、主軸は静止する。すると再びスローアップ処理部17は起動電流指令の大きさを次第に大きくし、交流信号の位相が約180°反転した際に再度、静摩擦トルクを超えるトルクが発生して主軸は回転を開始する。
【0022】
ここで、図1の起動方向判定部20の動作を簡単に説明する。起動方向判定部20は、外部から入力された速度指令と速度検出部7が出力した速度検出値に基づいて、
速度指令が正なら速度検出値が0または正の時に逆方向信号オフ
速度指令が正なら速度検出値が負の時に逆方向信号オン
速度指令が負なら速度検出値が0または負の時に逆方向信号オフ
速度指令が負なら速度検出値が正の時に逆方向信号オン
という論理判定を行ない、逆方向信号を出力する。
【0023】
再び図2のタイムチャートに従い、動作を説明する。起動電流指令によってモータが回転を始めた後は、暫らくするとエンコーダからマーカ信号が出力される。このとき、図1の磁極原点検出部15は電流指令切換部16に対して出力しているマーカ未通過信号をオフする。これを受けて電流指令切換部16は電流制御部8に入力する電流指令を、トルク指令に基づいて電流指令発生部6が出力した電流指令に切りかえる。電流指令発生部6が出力する電流指令はモータ10のロータ位置に対応して位相角を正しく制御された指令であり、モータ10の発生トルクを任意に精度良く制御できるものであるので、その後はモータ10の速度は速度制御部4の機能によって精密にフィードバック制御される。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、リラクタンスモータやIPMモータを利用する工作機械の主軸制御装置において、ロータ位置が検出できない状況においても指令した回転方向通りに滑らかに主軸を起動することができるので、回転位置検出器として安価なインクリメンタル信号とマーカ信号を用いるものを利用することができ、システムを安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態の主軸制御装置を示すブロック図である。
【図2】本実施の形態の動作を説明するタイムチャートである。
【図3】従来技術による主軸制御装置の一例を示すブロック図である。
【図4】制御対象とする同期モータのθ−τ特性の一例を示す図である。
【図5】制御対象とする同期モータのθ−τ特性の別の例を示す図である。
【符号の説明】
1 磁極検出指令発生部、2 角度指令切換部、3 速度指令切換部、4 速度制御部、5 速度指令発生部、6 電流指令発生部、7 速度検出部、8 電流制御部、9 電流検出器、10 モータ、11 角度補正部、12 インバータ、13 エンコーダ、14 角度信号検出部、15 磁極原点検出部、16 電流指令切換部、17 スローアップ処理部、18 起動電流指令発生部、19
極性判別部、20 起動方向判定部。

Claims (2)

  1. 同期モータによって回転駆動される主軸に対し、回転制御を行う主軸制御装置において、
    主軸の一回転毎にマーカ信号を出力するとともに、主軸の所定角度の回転毎にインクリメンタル信号を出力する回転位置検出器と、
    インクリメンタル信号に基づいて主軸の回転速度を検出し、速度検出値を出力する速度検出部と、
    目標とする速度指令値と前記速度検出値との偏差に基づく制御により、同期モータに対する交流電流指令を生成する速度制御部と、
    主軸が起動時に追従可能な周波数の交流信号に対し、振幅を0から次第に増大させて、同期モータに対する起動交流電流指令を生成するスローアップ処理部と、
    同期モータに通電する電流指令として、起動時には前記起動交流電流指令を与え、マーカ信号を検知した後には前記交流電流指令を与える電流指令切換部と、
    を備え、
    スローアップ処理部は、前記速度検出値によって前記速度指令値と逆方向に回転したことを検出した場合には、起動交流電流指令の振幅を少なくとも回転検出前の値よりも小さな値に戻して振幅の増大を継続する、
    ことを特徴とする主軸制御装置。
  2. 請求項1に記載の主軸制御装置であって、
    前記スローアップ処理部における起動交流電流指令の周波数、その増大の程度、及び、小さな値に戻す程度は、再度振幅が増大して主軸を再起動する前に、主軸が摩擦によって静止可能となる組み合わせに設定される、ことを特徴とする主軸制御装置。
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