JP2010115063A - 産業機械の消費電力を計算する制御装置 - Google Patents

産業機械の消費電力を計算する制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】モータを介して駆動される機構部を有する産業機械における消費電力を計算する制御装置において、消費電力の計算精度を向上させる。
【解決手段】制御装置は、モータ電流検出手段により検出されたモータ電流検出値とモータ回転速度検出手段により検出されたモータ回転速度検出値とあらかじめ求められたモータトルク定数を乗算してモータ消費電力を算出し、モータ電流検出値の二乗にあらかじめ求められたモータ巻線抵抗値を乗算したモータ損失電力と、モータ電流検出値にあらかじめ求められたアンプ電力損失係数を乗算したアンプ損失電力と、あらかじめ求められたアンプ固定消費電力を加算し、モータおよびモータを駆動するアンプの損失電力を算出し、産業機械に設置されている一定の電力を消費する周辺機器の消費電力値を合計した固定消費電力を算出し、これらを所定の期間にわたって積算して産業機械全体の消費電力を求める。
【選択図】図2

Description

本発明は、モータを有する工作機械やロボットなどの産業機械における制御装置に関する。
電力によりモータを介して駆動される機構部を有する工作機械やロボットなどの産業機械では、種々の目的で、その消費電力の情報が必要とされる。消費電力の情報は、電源に取り付けた電力計によって得ることができる。
一方、特許文献1には、産業機械の制御装置において消費電力を演算によって求める構成が開示されている。同文献では、制御装置には、機構部に所望の動作をさせるようにモータの動作を制御するために、モータの電流がフィードバック信号として取り入れられており、その信号からモータの消費電力を求めている。また、産業機械におけるヒータなどの他の電力消費部は、動作中に実質的に一定の電力を消費するので、やはり制御装置内で得られる動作時間の情報を用いて、消費電力を求めている。このようにして、各電力消費部における電力消費の情報を獲得し、電力の有効利用などのための分析に利用可能としている。
特開2000−206150号公報
上述のように、産業機械の消費電力の情報を得るには、電力計を用いればよいが、産業機械の制御装置では、制御を行うために取り込まれる情報を、消費電力を求めるのに利用できる。したがって、制御装置において取り込まれる情報を利用して消費電力を求めるのが合理的であり、それによって、電力計のような特別な装置が必要なくなり、コストを低減することができる。また、制御装置において消費電力を求める構成によれば、特許文献1に記載された従来技術に見られるように、モータ毎の消費電力を求めるなどの電力消費の分析も可能となる。
本発明の目的は、モータを介して駆動される機構部を有する産業機械における制御装置において、精度良く消費電力を計算できるようにすることにある。
上述の目的を達成するため、本発明の制御装置は、モータを有する産業機械の消費電力を計算する制御装置において、モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、モータの回転速度を検出するモータ回転速度検出手段と、モータ電流検出手段により検出されたモータ電流検出値とモータ回転速度検出手段により検出されたモータ回転速度検出値とあらかじめ求められたモータトルク定数を乗算して得られるモータの出力をモータ消費電力として算出するモータ消費電力計算処理部と、モータ電流検出値の二乗にあらかじめ求められたモータ巻線抵抗値を乗算したモータ損失電力と、モータ電流検出値にあらかじめ求められたアンプ電力損失係数を乗算したアンプ損失電力と、あらかじめ求められたアンプ固定消費電力を加算し、モータおよびモータを駆動するアンプの損失電力を算出する損失電力計算処理部と、産業機械に設置されている一定の電力を消費する周辺機器の消費電力値を合計した固定消費電力を算出する固定消費電力計算処理部と、モータ消費電力計算処理部により計算されたモータ消費電力と、損失電力計算処理部により計算された損失電力と、固定消費電力設定部により計算された固定消費電力を所定の期間にわたって積算して当該期間中の産業機械全体の消費電力を求める全体消費電力計算処理部と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、制御装置において制御を行うために取り込まれる情報から産業機械全体の消費電力を計算することができる。この際、特に、モータおよびアンプの損失や、周辺機器の固定消費電力を考慮することによって、精度良く消費電力を計算することができる。
また、さらに、モータ消費電力計算処理部は、モータ電流検出値を、ロータ磁束に直交するq軸方向のQ相電流値と、ロータ磁束の向きと一致するd軸方向のD相電流値とに分解し、Q相電流値とモータ回転速度検出値とあらかじめ求められたモータトルク定数とを乗算してモータ消費電力を計算するのが好ましい。それによって、D相電流が生じている場合、それを考慮してモータの消費電力を算出することができ、計算精度を向上させることができる。
さらに、モータ消費電力計算処理部は、Q相電流値とモータ回転速度検出値とモータトルク定数とを乗算して求めた値に、Q相電流値とD相電流値と予め求められた定数を乗算して得られたにリラクタンストルクにモータ回転速度検出値を乗算した値をさらに加算してモータ消費電力を計算するのが好ましい。それによって、リラクタンストルクが発生するモータが用いられている場合、リラクタンストルクの発生の影響を考慮してモータの消費電力を算出することができ、計算精度を向上させることができる。
また、さらに、モータ消費電力計算処理部は、モータトルク定数としてモータ電流検出値に応じて可変の値を用いてモータ消費電力を計算するのが好ましい。モータトルク定数は、特に、モータ巻線電流が大きくなると小さくなる傾向があるので、大きなモータ巻線電流が用いられる場合、モータトルク定数として可変の値を用いることによって、計算精度を向上させることができる。
また、さらに、アンプが、パワー素子をスイッチングするPWM制御によりモータを駆動する場合、損失電力計算処理部は、アンプ電力損失係数としてパワー素子のスイッチング周波数に応じて可変の値を用いてアンプ損失電力を計算するのが好ましい。アンプ電力損失係数は、特に、スイッチング周波数が大きくなると大きくなる傾向があるので、大きなスイッチング周波数が用いられる場合、アンプ電力損失係数として可変の値を用いることによって、計算精度を向上させることができる。
本発明によれば、電力計などの特別な機器を使用することなく、制御装置において制御を行うために取り込まれる情報から精度良く消費電力を計算することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図1は、本実施形態の制御装置のブロック図である。
図1に示すように、本実施形態に係る産業機械は、同期電動機であるモータ5と、動作中、単位時間当たりに一定の電力を消費するその他の周辺機器9と、これらの動作を制御する制御装置10を有している。モータ5と周辺機器9は電力供給部2,3を介して電源1に接続されており、電力供給部2,3にはサーボ制御部12と周辺機器制御部13がそれぞれ接続されている。サーボ制御部12と周辺機器制御部13には、産業機械全体の動作を管理する統括制御部11が接続されている。
なお、便宜上、モータ5と周辺機器9は、1つのみを示しているが、これらは複数設けられていてよい。それに応じて、サーボ制御部12、周辺機器制御部13、および電力供給部2,3も複数設けられていてよい。電源1も、幾つかの電力供給部2,3に対して1つ設けられ、全体として複数設けられていてもよい。
また、制御装置10内の構成は、統括制御部11などの複数の機能部を有する形で示している。これらの機能部は、別個のハードウェアとして構成することもできるが、各機能部間の明確な区分を持たないハードウェアにおけるソフトウェアによって実現されるものであってよい。ソフトウェアによって実現される場合、各機能部は、別個のソフトウェア部分として構成することもできるが、各機能部間の明確な区分を持たないソフトウェアによって実現されるものであってもよい。
この産業機械では、モータ5によって駆動される機構や周辺機器9を製造工程などに応じて動作させるための指令が統括制御部11からサーボ制御部12と周辺機器制御部13に適宜出力される。サーボ制御部12と周辺機器制御部13は、統括制御部11からの指令に応じて、電力供給部2,3に信号を出力することによって、モータ5と周辺機器9に送られる電力を制御してこれらの動作を制御する。
モータ5に接続された電力供給部2はアンプ部であり、サーボ制御部12からの指令に応じて、モータ5への供給電力の周波数や電流を変化させる働きをする。サーボ制御部12は、モータ5の回転量や速度やトルクを必要に応じて適宜制御する機能を有することができ、そのための適切な速度やトルクが得られるように、電力供給部2の動作を制御する。そのような制御を行うために、サーボ制御部12は、モータ5に付属する回転速度検出装置(モータ回転速度検出手段)6や電流検出装置(モータ電流検出手段)7や回転角検出装置8に接続され、それらから受信する信号をフィードバック信号として用いる。
周辺機器9は、例えばヒータなどであり、周辺機器制御部13は、電力供給部3による電力供給のオン/オフの切り替えを行うものであってよい。あるいは、周辺機器制御部13は、電力供給部3から周辺機器9への供給電力を高・低などのように複数のレベル間で切り替える働きをするものであってもよい。また、周辺機器9は産業機械の主電源投入中は継続して動作するものであってもよく、その場合、電力供給部3や周辺機器制御部13は省略されていてよい。周辺機器9には、制御装置10自体なども含まれる。
本実施形態では、制御装置10は、特別な他の装置を必要とせずに、制御装置10内で得られる情報に基づいて産業機械の消費電力を計算する消費電力計算処理部15を有している。消費電力計算処理部15は、サーボ制御部12に接続されたモータ消費電力計算処理部16と損失電力計算処理部17、および、周辺機器制御部13に接続された固定消費電力計算処理部18を有している。サーボ制御部12における情報を利用して、モータ消費電力計算処理部16はモータ5の消費電力を計算し、損失電力計算処理部17はモータ5の動作に伴うモータ5および電力供給部2における損失電力を計算する働きをする。固定消費電力計算処理部17は、周辺機器制御部13における情報を利用して周辺機器9の消費電力を計算する働きをする。消費電力計算処理部15は、モータ消費電力計算処理部16、損失電力計算処理部17、および固定消費電力計算処理部17に接続され、産業機械の全体としての消費電力を計算する全体消費電力計算処理部19を有している。
次に、図2を参照して、電力消費計算処理部15における電力の計算方法について説明する。本実施形態では、電力消費計算処理部15は、所定の周期Δtで情報をサンプリングして消費電力を求め、それを所定の期間にわたって積算することによって、その期間における消費電力量を算出する。図2は、各サンプリング周期での消費電力の計算のフローチャートである。
まず、ステップS1、S2,S3でモータ速度S、励磁位相θ、およびモータ巻線電流Ir,Isをそれぞれ取得する。これらの情報は、モータ5に付属する回転速度検出器6、電流検出装置7、および回転角検出器8によって検出されサーボ制御部12に入力された信号に基づいて得られる。
次に、ステップS4において、ステップS2,S3で取得した励磁位相θおよびモータ巻線電流Ir,IsからDQ変換によりD相電流IdとQ相電流Iqを算出する。
ここで、DQ変換の原理について説明する。まず、モータ5のステータ上に固定された直交座標系α−β座標系と、ロータ上に固定された直交座標系d−q座標系を考える。したがって、α−β座標系は静止座標系、d−q座標系はロータの回転に応じて回転する座標系である。d軸の向きは、ロータ磁束の向きと一致するように設定する。
モータ5の巻線電流のうち、α軸方向の電流成分をIα、β軸方向の電流成分をIβとし、これらをd軸方向およびq軸方向に分解した成分を、それぞれId、Iqとする。このとき、α軸に対するロータの位相をφとすると、以下の関係式が成り立つ。
Id=cosφ×Iα+sinφ×Iβ
Iq=−sinφ×Iα+cosφ×Iβ
この原理を適用することによって、励磁位相θおよびモータ巻線電流Ir,IsからD相電流IdとQ相電流Iqを求めることができる。
次に、ステップS5において、モータトルク定数Kt’を算出する。すなわち、モータ出力Pは、ステップS1で取得したモータ速度Sと、ステップS4で算出した、磁束に直交する成分であるQ相電流Iqとを用いて以下のように計算することができる。
P(W)=Q相電流Iq(A)×モータトルク定数Kt’(Nm/A)×モータ速度S(rad/s)
この時のKt’を本明細書ではモータトルク定数と定義する。この際、Q相電流Iqの振幅が十分小さい領域では、モータ3の出力トルクTはQ相電流Iqに比例し、モータトルク定数Kt’は、モータ5の磁束の強さに応じて決まる一定の値Ktとして扱うことができる。すなわち、T=Kt×Iqの式が成り立つ。
しかし、実際のモータトルク定数Kt’は一定ではなく、図3(a)に示すように、Q相電流Iqの振幅が増加するにつれて小さくなる傾向がある。そこで、ステップS5では、ステップS4で算出したQ相電流Iqに応じてモータトルク定数Kt’を算出する。
モータトルク定数Kt’を算出するにあたっては、あらかじめ、モータ5のモータトルク定数の、図3に示すような電流に対する依存性を求めておく。この依存性は、試験によって求めてもよいし、モータ5の仕様から理論的に推定してもよい。そして、例えば、図3(a)に示すようなモータトルク定数の電流に対する依存性を、図3(b)に示すように2つの直線によって近似することによってモータトルク定数Kt’を算出することできる。すなわち、この場合、IqがI0以下の時には、Kt’=Ktとし、IqがI0より大きい時には、Kt’=Kt−(Iq−I0)×aとして、モータトルク定数Kt’を算出する。この算出を行うために、制御装置10の記憶部にI0やaの値を記憶しておく。
また、電流とモータトルク定数との関係をテーブルとして記憶しておいてもよい。この場合、Iqの値に応じて、テーブルに記憶されたデータに基づいて、補間などによってモータトルク定数Kt’を算出することができる。
次に、ステップS6において、リラクタンストルク定数Klを取得する。すなわち、ステップS4で算出したD相電流Idは、本来、モータ5のトルク発生には寄与しない無効電流であるが、1磁極当たりのモータ5のインダクタンスが一様でない場合には、D相電流Idが流れる事でトルクが発生する。このトルクは、リラクタンストルクと呼ばれ、モータ5のd方向とq方向のインダクタンスをLd,Lqとして、リラクタンストルク=(Ld−Lq)×Id×Iqとして求められる。この式から、1磁極当たりのインダクタンスの変動が大きいほどリラクタンストルクは大きくなり、また無効電流が大きいほど大きくなることが分かる。このため、リラクタンストルクは、モータ巻線の起電圧が高く、高速回転時に無効電流を流してモータの端子間電圧を下げているモータでは、無視できない大きさとなる。
そこで、このようなリラクタンストルクを求めるために、あらかじめ、リラクタンストルク定数Klを求めておく。すなわち、リラクタンストルク定数Klは、上述の理論式における(Ld−Lq)に相当し、これは、試験によって求めることができ、あるいは、モータ5の仕様から理論的に推定してもよい。いずれにしても、あらかじめ求めたリラクタンストルク定数Klは、制御装置10の記憶部に記憶しておき、ステップS6において、記憶された値を読み出して取得する。
次に、ステップS7において、ステップS1〜S6で取得したデータに基づいて、該当するサンプリング周期中のモータ出力ΔWを求める。すなわち、ΔW=S×Δt×(Iq×Kt’+Id×Iq×Kl)となる。このモータ出力ΔWは、モータ消費電力計算処理部16で求めることができ、モータ消費電力として扱われる。
次に、ステップS8で、モータ損失電力P1を算出する。すなわち、モータ5では、モータ巻線電流に応じて、P1=モータ巻線抵抗R×(Id2+Iq2)の損失が生じ、これが、産業機械の消費電力に寄与するので、これを算出しておく。
次に、ステップS9において、アンプ電力損失係数Ka1を算出する。すなわち、電力供給部2のアンプでは、それを構成するパワー素子であるIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)のスイッチングによるアンプ損失電力P2が発生する。アンプ損失電力P2は、モータ巻線電流に比例し、P2=Ka1×√(Id2+Iq2)によって与えられる。
この際、パワー素子のスイッチングによるPWM(パルス幅変調)制御では、パワー素子のスイッチング周波数、すなわちPWM周波数が大きくなるとアンプ電力損失係数Ka1は大きくなる傾向がある。この関係をあらかじめ調査し、関数で近似し、またはテーブルとして記憶しておく。そして、電力供給部2での実際のPWM周波数に応じて、アンプ電力損失係数を算出する。それによって、精度良くアンプ損失電力P2を算出することができる。
ステップS10では、上記のようにステップS9で算出したアンプ電力損失係数Ka1とステップS4で算出したモータ巻線電流からアンプ損失電力を算出する。
次に、ステップS11において、アンプ固定消費電力Ka2を取得する。すなわち、電力供給部2のアンプでは定常的に電力が消費される。そこで、この電力を、あらかじめ試験によって、または理論的に求めておき、制御装置10の記憶部に記憶しておく。ステップS11では、このようにして記憶されたアンプ固定消費電力Ka2を読み出して取得する。
次に、ステップS12において、モータ5に関わる消費電力Wを算出する。すなわち、ステップS7で算出したモータ出力ΔWを当該周期におけるモータ5での消費電力と見なして、消費電力Wに加算する。さらに、ステップS8,S10,S11でそれぞれ求めたモータ損失電力P1、アンプ損失電力P2、およびアンプ固定消費電力Ka2を消費電力Wに加算する。これらのモータ5およびそれを駆動するアンプの損失電力は、損失電力計算処理部17で求め加算しておくことができる。このようにして、各周期でのモータ出力ΔW、モータ損失電力P1、アンプ損失電力P2、およびアンプ固定消費電力Ka2を所定の期間にわたって積算することによって、当該期間でのモータ5に関わる消費電力Wが得られる。
次に、ステップS13において、周辺機器9の消費電力Kmを算出する。すなわち、各周辺機器9の動作状態に関する情報を周辺機器制御部13から獲得し、オン状態になっている周辺機器9の消費電力を積算して全体としての消費電力Kmを算出する。また、常時動作させられる周辺機器の消費電力分もKmに積算する。
各周辺機器9の消費電力としては、あらかじめ、試験によって、または理論的に求めておき、制御装置10の記憶部に記憶しておいた固定値を用いることができる。この際、制御装置10自体などの消費電力は、必ずしも一定ではないが、一般に、産業機械で消費される電力量は、モータ5の動作によるものが支配的で、制御装置10自体などによる消費電力の影響は小さい。したがって、制御装置10自体などの消費電力としては、平均的な値を用いればよく、それによって、産業機械全体としての消費電力を算出する上では、十分な精度が得られる。各周辺機器の消費電力は、固定消費電力計算処理部18で計算することができる。
次に、ステップS14において、ステップS12で積算したモータ5に関わる消費電力分に加えて、ステップS13で算出した周辺機器9の消費電力Kmを産業機械全体の消費電力Wmに加算する。このようにして、各周期での産業機械全体の消費電力を所定の期間にわたって積算することによって、当該期間での産業機械全体の消費電力Wmが得られる。産業機械全体の消費電力は、全体消費電力計算処理部19で計算することができる。
以上説明した本実施形態によれば、モータを介して駆動される機構部を有する産業機械において、電力計などの特別な機器を使用することなく、制御装置において制御を行うために元々取り込まれる情報から精度良く消費電力を計算することができる。特に、モータ5および電力供給部2のアンプにおける損失と、制御装置10などにおける消費電力を考慮することによって、電力計を用いて計測した場合と同等の高い計算精度を得ることができる。
なお、上記の実施形態は本発明を例示するものであり、特許請求の範囲に規定する本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、同期電動機の制御では、D相電流=0(Q相電流=モータ巻線電流)となるように制御する方式が一般的である。この場合、ステップS4におけるDQ変換を省略し、Q相電流の代わりにモータ巻線電流を用いてその後の計算を行ってもよい。また、この場合、リラクタンストルクはゼロになるので、計算を省略してもよい。また、D相電流が生じる場合でも、モータ5のd方向とq方向のインダクタンスの差が小さく、リラクタンストルクが無視できる場合にも、リラクタンストルクの計算を省略してもよい。
また、上述の実施形態では、モータトルク定数をモータ巻線電流に応じて変化するものとして扱っており、それによって、計算精度を高めることができ好ましい。しかし、モータトルク定数の変化は、特に、モータ巻線電流が大きい場合に現れるので、通常の運用で想定されるモータ巻線電流の範囲内でモータトルク定数の変化が十分に小さい場合には、モータトルク定数を一定の値として扱ってもよい。
また、同様に、アンプ電力損失係数についても、PWM周波数に応じて変化するものとして扱うことによって、計算精度を高めることができ好ましい。しかし、アンプ電力損失係数の変化は、PWM周波数が大きいときに現れるので、通常の運用時に想定されるPWM周波数の範囲内でアンプ電力損失係数の変化が十分に小さい場合には、アンプ電力損失係数を一定の値として扱ってもよい。
本発明の一実施形態に係る産業機械の構成を模式的に示すブロック図である。 図1の産業機械の制御装置における消費電力計算のフローチャートである。 (a)は、モータ巻線電流に対するモータトルク定数の変化の例を示すグラフであり、(b)は(a)のグラフを2つの直線で近似した例を示すグラフである。
符号の説明
5 モータ
6 回転速度検出装置
7 電流検出装置
9 周辺機器
10 制御装置
15 消費電力計算処理部

Claims (5)

  1. モータを有する産業機械の消費電力を計算する制御装置において、
    前記モータに流れる電流を検出するモータ電流検出手段と、
    前記モータの回転速度を検出するモータ回転速度検出手段と、
    前記モータ電流検出手段により検出されたモータ電流検出値と前記モータ回転速度検出手段により検出されたモータ回転速度検出値とあらかじめ求められたモータトルク定数を乗算して得られる前記モータの出力をモータ消費電力として算出するモータ消費電力計算処理部と、
    前記モータ電流検出値の二乗にあらかじめ求められたモータ巻線抵抗値を乗算したモータ損失電力と、前記モータ電流検出値にあらかじめ求められたアンプ電力損失係数を乗算したアンプ損失電力と、あらかじめ求められたアンプ固定消費電力を加算し、前記モータおよび前記モータを駆動するアンプの損失電力を算出する損失電力計算処理部と、
    前記産業機械に設置されている一定の電力を消費する周辺機器の消費電力値を合計した固定消費電力を算出する固定消費電力計算処理部と、
    前記モータ消費電力計算処理部により計算された前記モータ消費電力と、前記損失電力計算処理部により計算された前記損失電力と、前記固定消費電力設定部により計算された前記固定消費電力を所定の期間にわたって積算して当該期間中の前記産業機械全体の消費電力を求める全体消費電力計算処理部と、
    を有することを特徴とする制御装置。
  2. 前記モータ消費電力計算処理部は、前記モータ電流検出値を、ロータ磁束に直交するq軸方向のQ相電流値と、ロータ磁束の向きと一致するd軸方向のD相電流値とに分解し、前記Q相電流値と前記モータ回転速度検出値と前記モータトルク定数とを乗算して前記モータ消費電力を計算することを特徴とする請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記モータ消費電力計算処理部は、前記Q相電流値と前記モータ回転速度検出値と前記モータトルク定数とを乗算して求めた値に、前記Q相電流値と前記D相電流値と予め求められた定数を乗算して得られたにリラクタンストルクに前記モータ回転速度検出値を乗算した値をさらに加算して前記モータ消費電力を計算することを特徴とする請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記モータ消費電力計算処理部は、前記モータトルク定数として前記モータ電流検出値に応じて可変の値を用いて前記モータ消費電力を計算することを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の制御装置。
  5. 前記アンプは、パワー素子をスイッチングするPWM制御により前記モータを駆動し、前記損失電力計算処理部は、前記アンプ電力損失係数として前記パワー素子のスイッチング周波数に応じて可変の値を用いて前記アンプ損失電力を計算することを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の制御装置。
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