JP2008035690A - Drive system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に複数モータによる同期駆動が必要なメカニズムの駆動システムに関する。 The present invention relates to a drive system of a mechanism that mainly requires synchronous drive by a plurality of motors.
近年、産業機器の駆動源に用いられるモータは、多機能を実現するため安価なインダクションモータから優れた制御性とモータ効率を重視した同期モータが多用され、同期駆動が必要なメカニズムに対して、複数の同期モータを複数の制御装置に接続して同期駆動する搬送システムが提案されている。 In recent years, motors used as drive sources for industrial equipment are often used from inexpensive induction motors to achieve multiple functions, and synchronous motors that emphasize superior controllability and motor efficiency are often used. A conveyance system has been proposed in which a plurality of synchronous motors are connected to a plurality of control devices and driven synchronously.
一方で、インバータによる同期モータの回転制御方法が提案されており、極歯の表面に複数の歯部を形成した固定子と、永久磁石を利用した回転子の表面にも回転軸方向に複数の歯部を形成した回転子とを備えた同期モータを、インバータで運転しても脱調現象が生じ難く、急な加減速時においても脱調現象が生じ難い同期モータ、回転制御方法、およびインバータを開示している(例えば、特許文献1参照)。
解決しようとする問題点は、上述した特許文献1の同期モータでは、回転子の構造が複雑なハイブリッド型であるため安価に得られない点である。 The problem to be solved is that the synchronous motor of Patent Document 1 described above cannot be obtained at low cost because it is a hybrid type with a complicated rotor structure.
さらに、インバータによる加減速時の脱調防止のための制御(出力電圧VにΔVを加える)に、周波数を入力とする関数発生器を用いてΔVを求め、電流検出値が所定値を越えるとこのΔVを出力電圧に加える構成で、ROMなどのメモリに関数テーブルとして記憶させている。 Further, for control for preventing step-out during acceleration / deceleration by the inverter (adding ΔV to the output voltage V), ΔV is obtained by using a function generator having the frequency as an input, and the detected current value exceeds a predetermined value. This ΔV is added to the output voltage and stored as a function table in a memory such as a ROM.
この場合ΔVが一定のため、加減速度が変化した場合、あるいは負荷イナーシャが当初の運転条件と異なった場合には対応できず、脱調する危険性がある。 In this case, since ΔV is constant, it cannot be handled when the acceleration / deceleration changes or when the load inertia is different from the initial operating condition, and there is a risk of stepping out.
一般的に同期モータでは同期引き込み後、安定した一定回転速度で運転されるが、過負荷によって脱調すると再度同期速度へ引き込むことが困難である。このため、再度同期速度に引き込むには専用の制御装置や特別な制御を必要とし、さらに脱調して停止状態となった同期モータを、再起動させるには何らかの操作を行うか何らかの付加装置が必要となり、その優れた特性を生かすために高価な回路を必要とする場合が多かった。また、過剰な電流増加により1次巻線が焼損する可能性があった。 In general, a synchronous motor is operated at a stable constant rotational speed after synchronous pull-in, but it is difficult to pull back to the synchronous speed again when stepping out due to overload. For this reason, a dedicated control device or special control is required to pull back to the synchronous speed again, and some operation or some additional device is required to restart the synchronous motor that has stepped out and stopped. In many cases, an expensive circuit is required to take advantage of the excellent characteristics. Further, there is a possibility that the primary winding may burn out due to an excessive increase in current.
また、一般的な同期モータを一定周波数の電源で起動をかけると無負荷においても著しい振動を生じ、さらに負荷状態では起動そのものが困難であった。 In addition, when a general synchronous motor is started up with a constant frequency power source, significant vibration occurs even when there is no load, and it is difficult to start up in a loaded state.
従来の搬送システムは、駆動モータの回転軸にプーリーを取り付け、ベルトを介して複数のローラ軸に回転力を伝達しており、メカが煩雑な上に埃などが付着しやすく問題があった。 The conventional transport system has a problem in that a pulley is attached to a rotation shaft of a drive motor and rotational force is transmitted to a plurality of roller shafts via belts, and the mechanism is complicated and dust and the like are easily attached.
一方、複数の同期モータを同期駆動する場合、複数の同期モータは複数の制御装置に接続され、上位コントローラなどから同期信号を受け取ることで同期運転が可能になるため、駆動システムが大規模となり高価なものになっていた。 On the other hand, when a plurality of synchronous motors are driven synchronously, the plurality of synchronous motors are connected to a plurality of control devices, and synchronous operation is possible by receiving a synchronization signal from a host controller or the like. It had become something.
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、脱調し難く安価に構成できる駆動システムおよび複数のモータを同期駆動できる駆動システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a drive system that is difficult to step out and can be configured at low cost, and a drive system that can drive a plurality of motors synchronously.
本発明の駆動システムは、マグネットロータのマグネットにスキューを施したモータと、前記モータを駆動するインバータとを備え、複数の前記モータを1台のインバータで同期駆動する。 The drive system of the present invention includes a motor in which a magnet of a magnet rotor is skewed and an inverter that drives the motor, and the plurality of motors are synchronously driven by a single inverter.
また、前記モータは、極歯に多相巻線を巻装した固定子と、その内側に回転可能に支承されたマグネットロータとを備え、前記マグネットロータは、円周方向に磁極(N極、S極)を交互に配置するとともにマグネットの両端面で軸方向にスキューを施したものである。 Further, the motor includes a stator having a multi-phase winding wound around pole teeth, and a magnet rotor rotatably supported inside thereof, and the magnet rotor has a magnetic pole (N pole, S poles) are alternately arranged and skewed in the axial direction on both end faces of the magnet.
また、前記モータは、極歯に多相巻線を巻装した固定子と、その内側に回転可能に支承されたマグネットロータとを備え、前記固定子の多相巻線はインピーダンスプロテクト機能を有する。 The motor includes a stator having a multi-phase winding wound around pole teeth, and a magnet rotor rotatably supported inside the stator, and the multi-phase winding of the stator has an impedance protection function. .
また、前記マグネットロータのスキュー量は、マグネット外周の両端面におけるラジアル方向のズレを機械角で表したとき、360°を固定子の極歯数とマグネット磁極数の最小公倍数で除した角度から固定子の1極歯ピッチ角度までの範囲に設定したものである。 Further, the skew amount of the magnet rotor is fixed from an angle obtained by dividing 360 ° by the least common multiple of the number of pole teeth of the stator and the number of magnet magnetic poles when the radial deviation at both end surfaces of the magnet outer periphery is represented by a mechanical angle. This is set to a range up to the single pole tooth pitch angle of the child.
また、前記モータを同期駆動する前記インバータは、出力周波数を変化させて加減速運転する際に、負荷のイナーシャ、加減速に応じてフィードフォワード的に演算をして自動的に出力電圧を制御する。 The inverter that synchronously drives the motor automatically controls the output voltage by performing a feedforward calculation according to the inertia and acceleration / deceleration of the load when the acceleration / deceleration operation is performed by changing the output frequency. .
さらに、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の駆動システムを用い、搬送ローラの回転軸にモータを直結した搬送装置である。 Furthermore, it is a conveying apparatus using the drive system according to any one of claims 1 to 6 and having a motor directly connected to a rotating shaft of a conveying roller.
本発明の駆動システムによれば、モータのマグネットにスキュー着磁を施したマグネットロータを用いるためCSセンサがなくてもインバータで起動、同期速度で運転することができ、安価な駆動システムとなる。また、複数のモータを1台のインバータに接続するだけで円滑な始動特性が得られ、モータを同期駆動することができる。 According to the drive system of the present invention, since a magnet rotor in which the magnet of the motor is skew-magnetized is used, even if there is no CS sensor, the inverter can be started and operated at a synchronous speed, and the drive system can be inexpensive. In addition, smooth start characteristics can be obtained simply by connecting a plurality of motors to one inverter, and the motors can be driven synchronously.
また、焼損防止のため多極巻線にインピーダンスプロテクト機能をもたせることで過負荷による電流増加を抑制できるため、脱出トルクに対する制御の許容度が大きくなり、脱調を防止できるメリットがある。 Moreover, since an increase in current due to overload can be suppressed by providing an impedance protection function for the multipolar winding to prevent burnout, there is an advantage that control tolerance for the escape torque is increased and step-out can be prevented.
また、マグネットロータのスキュー量は、マグネット外周の両端面におけるラジアル方向のズレを機械角で表したとき、360°を固定子の極歯数とマグネット磁極数の最小公倍数で除した角度から固定子の1極歯ピッチ角度までの範囲に設定することで、CSセンサーを用いなくてもインバータで確実に起動させることができる。また、スキューを施すことによって振動を抑制できる。 In addition, the amount of skew of the magnet rotor is calculated by dividing 360 ° by the least common multiple of the number of pole teeth of the stator and the number of magnet magnetic poles when the radial deviation at both end surfaces of the magnet outer periphery is represented by a mechanical angle. By setting to a range up to 1 pole tooth pitch angle, the inverter can be reliably started without using a CS sensor. Moreover, vibration can be suppressed by applying a skew.
また、インバータで出力周波数を変化させて加減速運転する際に、負荷のイナーシャ、加減速に応じてフィードフォワード的に演算をして自動的に出力電圧を制御するため脱調現象が発生しにくく、安定な同期駆動ができる。 Also, when accelerating / decelerating operation by changing the output frequency with the inverter, the output voltage is automatically controlled by the feedforward calculation according to the load inertia and acceleration / deceleration, so the step-out phenomenon is unlikely to occur. , Stable synchronous driving is possible.
また、起動時(加速時)にソフトスタートまたは停止時(減速時)にソフトストップす
ることで起動停止時の急激な電流変化を抑制して脱調を防止することができる。
Also, by performing a soft start at the start (acceleration) or a soft stop at the stop (deceleration), a sudden current change at the start / stop can be suppressed to prevent step-out.
さらに、搬送ローラの回転軸にモータを直結した搬送装置に上述の駆動システムを用いれば、従来のように搬送ローラの回転軸を駆動するための伝達手段(ベルトやチェーンなど)が不要になり、メカニズムの構成を簡素化できる。ベルトやチェーンを用いないため、油やほこりの付着がなくクリーンな駆動システムとなる。 Furthermore, if the drive system described above is used in a conveyance device in which a motor is directly connected to the rotation shaft of the conveyance roller, transmission means (such as a belt and a chain) for driving the rotation shaft of the conveyance roller as in the past becomes unnecessary. The structure of the mechanism can be simplified. Since no belt or chain is used, there is no adhesion of oil or dust, resulting in a clean drive system.
複数のモータによる同期駆動が必要なメカニズムの駆動システムにおいて、マグネットロータのマグネットにスキューを施したモータと、前記モータを駆動するインバータとを備え、複数の前記モータを1台のインバータで同期駆動する。前記モータは、極歯に多相巻線を巻装した固定子と、その内側に回転可能に支承されたマグネットロータとを備え、前記マグネットロータのスキュー量は、マグネット外周の両端面におけるラジアル方向のズレを機械角で表したとき、360°を固定子の極歯数とマグネット磁極数の最小公倍数で除した角度から固定子の1極歯ピッチ角度までの範囲とし、前記固定子の多相巻線はインピーダンスプロテクト機能を有し、前記インバータは、出力周波数を変化させて加減速運転する際に、運転速度、負荷のイナーシャ、加減速に応じてフィードフォワード的に演算をして自動的に出力電圧を制御する。また、起動時(加速時)にソフトスタート、停止時(減速時)にソフトストップする。以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。 In a drive system having a mechanism that requires synchronous drive by a plurality of motors, the system includes a motor having a magnet rotor skewed and an inverter that drives the motor, and the plurality of motors are synchronously driven by a single inverter. . The motor includes a stator having a multi-phase winding wound around pole teeth, and a magnet rotor rotatably supported inside thereof, and the skew amount of the magnet rotor is determined in a radial direction at both end surfaces of the magnet outer periphery. When the misalignment of the stator is represented by a mechanical angle, a range from 360 ° divided by the least common multiple of the number of pole teeth of the stator and the number of magnet poles to the one pole tooth pitch angle of the stator is used. The winding has an impedance protection function, and when the inverter performs acceleration / deceleration operation by changing the output frequency, it automatically calculates by feedforward calculation according to the operation speed, load inertia and acceleration / deceleration Control the output voltage. Also, soft start is performed at startup (acceleration) and soft stop is performed at stop (deceleration). Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施例1は本発明の全体的な特徴である複数モータによる同期駆動を可能にする駆動システムについて、駆動ローラにモータを直結した直線移送タイプの搬送装置について図を用いて説明する。 In the first embodiment, a driving system that enables synchronous driving by a plurality of motors, which is an overall feature of the present invention, will be described with reference to the drawings of a linear transfer type conveying device in which a motor is directly connected to a driving roller.
図1の駆動システム1において、複数の駆動ローラ2の回転軸には、それぞれモータ3が直結されている。例えば、モータ3を直結する駆動ローラ2は、移送するワーク5のL寸法内に少なくとも3つ配置すればよく、複数のモータ3を1台のインバータ4に接続して同期駆動する。インバータ4は、インダクションモータを正弦波電圧で駆動する一般的なものでよい。 In the drive system 1 of FIG. 1, motors 3 are directly connected to the rotation shafts of the plurality of drive rollers 2. For example, at least three drive rollers 2 that are directly connected to the motor 3 may be disposed within the L dimension of the workpiece 5 to be transferred, and the plurality of motors 3 are connected to one inverter 4 and driven synchronously. The inverter 4 may be a general one that drives an induction motor with a sinusoidal voltage.
複数のモータ3を1台のインバータ4で起動および同期駆動させるため、本発明のモータ3のロータマグネットにはスキュー着磁を施す必要がある。モータ3は、後述するようにこのスキュー量によりCSセンサーを必要とせずインバータ4による正弦波電圧で起動させることができる。 In order to start and synchronize the plurality of motors 3 with one inverter 4, it is necessary to apply skew magnetization to the rotor magnet of the motor 3 of the present invention. As will be described later, the motor 3 can be started up by a sine wave voltage by the inverter 4 without requiring a CS sensor due to this skew amount.
ここでスキュー着磁の量について図を用いて説明する。モータ3は、12個のスロットを有する極歯に順次3相巻線を集中巻回しY結線(図示せず)された固定子と、外周を交互に8極着磁したロータマグネットで構成されており、図2はこの関係を示す平面展開図である。固定子の1つの極歯ピッチは30度、ロータマグネットの1磁極あたりの着磁角度は、機械角で45度である。 Here, the amount of skew magnetization will be described with reference to the drawings. The motor 3 is composed of a stator in which three-phase windings are successively wound around pole teeth having 12 slots and Y-connected (not shown), and a rotor magnet whose outer periphery is alternately magnetized with eight poles. FIG. 2 is a developed plan view showing this relationship. One pole tooth pitch of the stator is 30 degrees, and the magnetization angle per magnetic pole of the rotor magnet is 45 degrees in mechanical angle.
ロータマグネットのスキュー量を、マグネット外周の両端面におけるラジアル方向のズレを機械角で表したとき、360°を固定子の極歯数(12)とマグネット磁極数(8)の最小公倍数(24)で除した角度(15度)に設定すれば、損失がなくコギングトルクを最小にできる。また、スキュー量を固定子の1極歯ピッチ角度(30度)までの範囲に設定してもよい。なお、1極歯ピッチ角度(30度)を超えるとモータ効率が急激に悪化するので好ましくない。 When the amount of skew of the rotor magnet is expressed in terms of mechanical angle as the radial deviation at both end faces of the magnet outer circumference, 360 ° is the least common multiple of the number of stator pole teeth (12) and the number of magnet poles (8) (24) If the angle is divided by (15 degrees), the cogging torque can be minimized with no loss. Further, the skew amount may be set in a range up to a single pole tooth pitch angle (30 degrees) of the stator. In addition, since motor efficiency will deteriorate rapidly when it exceeds 1 pole tooth pitch angle (30 degree | times), it is unpreferable.
このように、固定子が12スロット、ロータマグネットが8極着磁の場合、スキュー量は15度から30度の範囲に設定することで、ひとつのN極(またはS極)が発生する磁束が2以上の固定子極歯(巻線)と常に鎖交状態となるため、マグネットロータのひとつの磁極が1極1相のみではなく、他相の電磁力の影響も受けることにより正弦波電源への追従性が改善され、CSセンサーがなくても起動できるとともに同期引き込みが実現できる。 Thus, when the stator is 12 slots and the rotor magnet is 8-pole magnetized, by setting the skew amount in the range of 15 degrees to 30 degrees, the magnetic flux generated by one N pole (or S pole) is generated. Since it is always linked with two or more stator pole teeth (windings), one magnetic pole of the magnet rotor is affected not only by one pole and one phase, but also by the electromagnetic force of the other phase, so that the sine wave power supply Can be activated without a CS sensor, and synchronous pull-in can be realized.
仮に、一定周波数電源による駆動で過負荷停止が生じても、過負荷要因を取り除くだけでインバータやモータ本体になんら操作を加えることなく再起動と、同期引き込みが実現できる。 Even if an overload stop occurs due to driving with a constant frequency power supply, restarting and synchronous pull-in can be realized without removing any operation on the inverter and the motor body simply by removing the overload factor.
なお、過負荷停止による焼損を防止するため3相巻線は、インピーダンスプロテクト機能を有するように細いコイルを巻回して過負荷時の安全性を確保する。これにより過負荷時の電流増加が少なくなるため脱出トルクに対する制御の許容度が大きくなり、脱調を防止できるメリットがある。 In order to prevent burnout due to overload stop, the three-phase winding is wound with a thin coil so as to have an impedance protection function to ensure safety during overload. As a result, the increase in current during overload is reduced, so that the control tolerance for the escape torque is increased, and there is an advantage that step-out can be prevented.
このように、1台のインバータ4で確実に起動でき、複数のモータ3は、上位コントローラからの同期信号がなくても同期駆動させることができる。なお、モータ3が1台であってもインバータ4で確実に起動し、同期速度で運転することができる。 Thus, it can start reliably by the one inverter 4, and the several motor 3 can be driven synchronously even if there is no synchronizing signal from a high-order controller. Even if there is only one motor 3, it can be reliably started by the inverter 4 and operated at a synchronous speed.
実施例2の駆動システムは、モータの構成は実施例1と同じで、インバータの制御方法のみ異なる。図3はインバータのV/F出力特性の説明図である。 In the drive system of the second embodiment, the configuration of the motor is the same as that of the first embodiment, and only the control method of the inverter is different. FIG. 3 is an explanatory diagram of the V / F output characteristics of the inverter.
実施例1の駆動システムでモータを一定周波数で起動停止すると振動をともなう。このため、起動時(加速時)にソフトスタートまたは停止時(減速時)にソフトストップさせる。 When the motor is started and stopped at a constant frequency in the drive system of the first embodiment, vibration is caused. For this reason, the soft start is performed at the start (acceleration) or the soft stop is performed at the stop (deceleration).
このソフトスタート、ソフトストップはインバータによるモータ制御では一般的に実施されており、図3の加減速時において出力電圧の制御を通常のV/F一定制御を基本に起動励磁周波数fsから定常運転時の励磁周波数frに至るV/F特性は、ポイントa−b−cとなる。 This soft start and soft stop are generally performed in the motor control by the inverter, and the output voltage is controlled during normal operation from the starting excitation frequency fs based on the normal constant V / F control during acceleration / deceleration in FIG. The V / F characteristic up to the excitation frequency fr becomes point abc.
これに対して、起動時に出力電圧を予め高くするのは、インバータにおいて出力電圧のブーストとして通常実施されているものである。これにより、搬送装置上のワークを滑らかに移送することができる。 On the other hand, increasing the output voltage in advance at the time of startup is usually performed as a boost of the output voltage in the inverter. Thereby, the workpiece | work on a conveying apparatus can be transferred smoothly.
実施例2のインバータは、出力周波数を変化させて加減速運転する際に、負荷のイナーシャ、加減速に応じて出力電圧を制御する。 The inverter according to the second embodiment controls the output voltage according to the inertia and acceleration / deceleration of the load when the acceleration / deceleration operation is performed by changing the output frequency.
ここで、一定回転速度で駆動する際にモータに印加する電圧をV、加減速時の出力電圧をVsとすると、Vs=V+ΔVで表すことができる。このΔVの値は、励磁周波数、加速度、負荷イナーシャに応じてフィードフォワード的に演算する。 Here, when the voltage applied to the motor when driving at a constant rotational speed is V, and the output voltage during acceleration / deceleration is Vs, it can be expressed as Vs = V + ΔV. The value of ΔV is calculated in a feed-forward manner according to the excitation frequency, acceleration, and load inertia.
実施例2のインバータのV/F特性について、図3を用いて説明する。本発明のインバータは、起動励磁周波数fsから定常運転時の励磁周波数frに至るまで、ポイントa−b−d−e−cを通過するように出力電圧を制御する。 The V / F characteristic of the inverter of Example 2 will be described with reference to FIG. The inverter of the present invention controls the output voltage so as to pass through the points ab-d-e-c from the starting excitation frequency fs to the excitation frequency fr during steady operation.
a−d間で起動、d−eで加速、e−cは定常運転への移行を示しており、b−dが起動時のΔVに相当し、c−eが定常回転速度に至る直前のΔVに相当する。なお、加速に
より定常回転速度に到達すれば、本来の出力電圧であるポイントcへすみやかに移行させる。図3におけるΔVは、概念的に式1で表すことができる。
Starting between a and d, accelerating with d and e, ec shows a transition to steady operation, b and d correspond to ΔV at startup, and c and e just before reaching steady rotational speed It corresponds to ΔV. If the steady rotational speed is reached by acceleration, the point is quickly shifted to the point c which is the original output voltage. ΔV in FIG. 3 can be conceptually expressed by Equation 1.
式1におけるK1は、モータのインピーダンス補正係数であり、励磁周波数、即ち運転速度が高くなると大きくなる。K2は、加速度補正係数であり、加速度が大きくなると大きく設定する。K3は、負荷イナーシャ係数であり、負荷イナーシャに応じて変更する。 K1 in Expression 1 is an impedance correction coefficient of the motor, and increases as the excitation frequency, that is, the operation speed increases. K2 is an acceleration correction coefficient, and is set larger as the acceleration increases. K3 is a load inertia coefficient and is changed according to the load inertia.
以上により、上述した特許文献1では(ΔVが一定で加減速度が変化した場合には対応できず)脱調する危険性が高いのに対して、本発明の制御方法によれば、ΔVの値が加減速度に応じてリアルタイムで自動的に設定されるため、加減速度が変化しても対応できる効果がある。また、負荷イナーシャが異なる場合には、K3の値を変更することで対応できる。 As described above, in Patent Document 1 described above (the case where ΔV is constant and acceleration / deceleration changes), the risk of stepping out is high, whereas according to the control method of the present invention, the value of ΔV is high. Is automatically set in real time according to the acceleration / deceleration, so that it is possible to cope with changes in acceleration / deceleration. Further, when the load inertia is different, it can be dealt with by changing the value of K3.
このように、従来のインバータにソフトスタート、ソフトストップ機能および、加減速時のモータ印加電圧の自動設定機能を付加することで、より確実な同期駆動を実現することができる。 Thus, by adding the soft start and soft stop functions and the function for automatically setting the motor applied voltage during acceleration / deceleration to the conventional inverter, more reliable synchronous driving can be realized.
なお、実施例1の同期モータ1台を実施例2のインバータ1台で駆動できるのは言うまでもなく、同期駆動を必要としない用途においても脱調することなく運転できる。 In addition, it cannot be overemphasized that one synchronous motor of Example 1 can be driven with one inverter of Example 2, and it can drive | operate without a step out also in the use which does not require synchronous drive.
本発明の駆動システムは、インバータによる一定周波数による同期駆動に最適であり、加減速時に脱調が発生する恐れのある搬送装置などにも有用である。 The drive system of the present invention is most suitable for synchronous drive with a constant frequency by an inverter, and is also useful for a transport device or the like in which step-out may occur during acceleration / deceleration.
1 駆動システム(搬送装置)
2 駆動ローラ
3 モータ
4 インバータ
5 ワーク
6 インピーダンスプロテクタ
1 Drive system (conveyor)
2 Driving roller 3 Motor 4 Inverter 5 Work 6 Impedance protector
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