JP2015050840A - サーボシステムにおける過負荷保護方法およびサーボモータ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はサーボシステム過負荷保護において、サーボモータが定格トルクで高速領域にて連続的に動作しても、サーボアンプの許容容量を超えない過負荷保護方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明、サーボモータ過負荷保護方法において、サーボモータの回転数と出力トルクから出力ワット数を算出する、出力ワット数基準で過負荷保護レベルを決める新たな過負荷保護方法により、サーボモータは定格トルクで高速領域の動作についても過負荷検出が可能となり、サーボアンプを保護できる過負荷保護方法を実現できるものである。【選択図】図１

Description

本発明はサーボモータとサーボアンプを備えたサーボシステムにおいて、このサーボシステムの過負荷保護方法およびサーボモータ駆動方法に関する。

従来、サーボモータを駆動するサーボアンプは、過負荷によるサーボモータの焼損を防ぐために、定格電流を超える電流を瞬間的に流す場合、図４に示すような時限特性を設けて、モータトルク（電流）に応じて出力時間を制限する。所定過負荷レベル以上の電流をサーボモータに流すと、制限時間によりサーボモータを停止させ、動作を強制的に中断させる過負荷保護を行なっている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図４では、横軸は定格トルク比で、縦軸はモータ電流の出力時間である。定格トルク比は過負荷レベル１１５％以下の場合、サーボモータは連続的に電流が流れて動作することができる。１１５％以上になると、出力トルクに応じてサーボモータの時限特性によって、電流を流す時間を制限する。制限時間を超えると、過負荷保護機能が動作し、サーボモータの動作を中断させて焼損を防ぐことができる。

また、サーボシステムの上記の過負荷保護において、サーボモータ連続動作領域は図２に示すように、サーボアンプの出力は定格トルクで設定する場合、サーボモータの連続動作領域２１では、定格回転数まで連続的に動作することができる。定格回転数以上の連続動作領域２２では、出力ワット数一定となるようにトルクを制限している。サーボモータの瞬時動作領域２４は、上記の過負荷保護方法でサーボモータの時限特性により制限した時間内で動作しかできない。制限時間を超えると過負荷保護が発生し、サーボモータの動作を中断させる（例えば、特許文献３参照）。

特開平１１−２３５７４３号公報 特開昭６２−２６８３２０号公報 特開平１０−２３７７９号公報

前記のような従来のサーボシステム過負荷保護において、サーボモータの過負荷保護は出力トルクが過負荷レベル以上になると、サーボモータの時限特性により、電流が流れる時間を制限して、サーボモータの動作を中断して、過負荷保護を行えるが、出力トルクの過負荷レベル以下では、過負荷保護を動作しない課題がある。

例えば、図４に示すように、トルク１１５％以上になるとサーボモータの時限特性により、負荷トルクに応じてサーボモータに電流が流れる時間を制限して、サーボモータの動作を中断させ、過負荷保護を行える。しかしながら、図２の定格トルクかつ定格回転数以上の瞬時動作領域２３では、時限特性図４により、出力トルクは過負荷レベル１１５％を超えていないため、サーボモータが連続動作しても、過負荷保護が効かない。サーボモータは上記の定格トルクかつ定格回転数以上で連続動作すると、サーボアンプの出力能力は定格出力電力を超え、さらに最大出力を超える場合があり、図３のサーボシステム構成図に示すサーボアンプ３１の電源部品３２またはパワー部品３３の焼損に至る場合がある。これを考慮し、従来のサーボアンプではコストをかけて十分なスペックの電源部品・パワ
ー部品を搭載せざるをえない。従って、上記の従来の出力トルク基準による過負荷保護方法はサーボアンプの過負荷保護ができないので、新たな安全な過負荷保護方法が必要となる。

また、近年、製品低コスト推進のユーザニーズにより、小容量サーボアンプを利用して、巻数の多いサーボモータで少ない電流から大きいトルクを出せるサーボモータの利用するケースが増加している。このとき、巻数の多いサーボモータは進角・ｄ−ｑ軸制御を行なわなければ高速領域での動作が出来ない。ただし、進角・ｄ−ｑ軸制御を行なう場合、図２の瞬時動作領域２３を広げることになり、小容量サーボアンプを利用していると、図３のサーボシステム構成図に示すサーボアンプ３１の電源部品３２またはパワー部品３３の焼損に至るリスクが高くなる。

本発明は、サーボシステムの過負荷保護において、サーボモータは高速領域での動作が可能かつサーボアンプの電源部品・パワー部品の焼損を防ぐことができる新たな過負荷保護方法を提供することを目的とする。

前記のような従来の課題を解決するために、本発明のサーボシステム過負荷保護方法は、図１に示すようなモータトルク（電流）のみを基準としたものでなく、サーボモータの回転数もモニタして、出力ワット数による過負荷を判断する新たな過負荷保護方法である。前記の新たな過負荷保護方法を利用することで、サーボモータは定格トルクで高速領域での動作することが可能になる。

また、本発明のサーボシステム過負荷保護方法は、サーボアンプの電源部品・パワー部品のスペックから時限特性を算出し、出力ワット数と比較して過負荷を判断することにより、サーボアンプの電源部品・パワー部品の焼損を防ぐことができることとなる。

また、従来のモータトルク基準による過負荷保護方法と本発明の出力ワット数基準による過負荷保護方法の組み合わせで、低速領域から高速領域までカバーできる、より安全かつ高度なサーボモータ駆動を実現できるものとなる。

本発明のサーボシステム過負荷保護方法は、出力電力をモニタすることで、サーボアンプの電源部品とパワー部品の保護とサーボモータの定格トルク・高速領域での動作の両立が可能となる。

また、上記従来過負荷保護と本発明の過負荷保護方法の組み合わせで、より安全かつ高度なサーボモータ駆動を実現することが可能になる。

また、上記高度な駆動かつ安全なサーボシステムを利用することで、ユーザのモータ動作領域に合わせて現状より低容量のサーボアンプでサーボモータ駆動が可能で、コストの低減を実現することができる。

本発明の実施の形態１の回転数に応じた出力ワット数による時限特性図 サーボシステムのサーボモータの速度−トルク特性図 サーボシステムの構成概念図 従来のモータトルク基準によるサーボモータの時限特性図 進角・ｄ−ｑ軸制御後のサーボモータの速度−トルク特性図

第１の発明は、サーボシステム過負荷保護において、サーボモータの回転数とトルクをモニタし出力ワット数を算出して過負荷を判断することにより、定格トルクかつ定格回転数以上の動作領域で、サーボモータを動作しても、サーボアンプの電源部品・パワー部品の焼損を防ぐ、新たな過負荷保護方法を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のサーボシステム過負荷保護方法を利用することで、小容量サーボアンプでも、回転数でアクティブに変化するサーボモータの進角調整・ｄ−ｑ軸電流制御調整により定格トルクかつ高速領域で安全に動作できることとなり、低コストのサーボシステムを構築することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明のいずれか１つの発明と従来のサーボモータトルク基準によるサーボシステム過負荷保護方法の組み合わせで、複数の過負荷制約条件から、回転数毎に最適な制約条件を選択することにより、安全かつ高度なサーボシステムを構築することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるサーボシステム過負荷保護方法でサーボモータ出力ワット数基準にて過負荷を判断するサーボモータ時限特性図である。以下このサーボモータ時限特性の応用を説明する。

図１において、横軸はサーボシステムの出力ワット数比で、サーボモータ実際の出力ワットと定格出力ワットとの比率を％で表すものである。定格出力時、出力数比は１００％とし、過負荷レベルは１１５％で縦の虚線を示す。縦軸はサーボモータの動作可能な時間を示すものである。出力ワット数とサーボモータ回転数の関係は下記（式１）で計算することができる。

以上のサーボモータ時限特性図を利用した過負荷保護方法について、以下に動作・作用を説明する。

サーボシステム過負荷保護として、サーボアンプはサーボモータの回転数とトルクをモニタし、サーボアンプの出力ワット数を計算している。サーボアンプはこの出力ワット数を時限特性が定める過負荷レベルと比較を行い、過負荷を検出すると、過負荷保護が効くこととなる。

以上のように、本実施の形態１において、サーボモータの回転数に応じた出力ワット数による過負荷保護方法により、サーボモータは定格トルク以下・高速回転のような従来の過負荷保護方法ではカバーできない領域での動作についても、過負荷保護が効き、サーボアンプを保護して安全に使用することができる
また、本実施の形態ではワット数による時限特性を、サーボアンプの電源部品あるいは
パワー部品の仕様による時限特性に置き換える事で特定の部品の保護を重点したものにできる。

図３は、サーボシステムの構成図である。サーボモータ３４を駆動するサーボアンプ３１は重要な機能部品として電源部品３２、パワー部品３３がある。過負荷保護の制約条件をワット数でなく、電源部品３２、パワー部品３３のスペックから定めることで部品を確実に保護することができる。

また、本実施の形態ではワット数による時限特性を、ユーザが自身で自由に設定する時限特性と置き換えることで、ユーザ個別の使用環境制約条件を満足して安全に使用することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における小容量サーボアンプと巻き数の多いサーボモータを組み合わせて使用した場合の速度―トルク特性図である。以下、この速度―トルク特性図について説明する。

図５において、領域５１と領域５２からなる特性は進角・ｄ−ｑ軸制御を行わない場合のサーボモータの特性である。進角・ｄ−ｑ軸制御を行った場合は、サーボモータの特性は領域５１と領域５２と領域５３と領域５４と領域５５からなるものである。

進角・ｄ−ｑ軸制御を行うことでモータ特性を引き出しているが、従来の過負荷保護方法で保護できない領域５４が発生している。小容量サーボアンプを使用しているため、定格出力ワット数でもサーボアンプの部品定格に対し余裕がなく、領域５４での連続動作はサーボアンプの電源部品・パワー部品が焼損する場合がある。

本発明の第２の実施の形態は、小容量サーボアンプと巻き数の多いサーボモータの組み合わせ使用とサーボモータ出力ワット数基準にて過負荷を判断する過負荷保護方法から構成される。以下、本発明の第２の実施の形態の動作・作用を説明する。

小容量サーボアンプと巻き数の多いサーボモータの組み合わせ使用では、従来の過負荷保護方法では保護できない領域５４が発生し、サーボアンプ電源部品・パワー部品が焼損する場合がある。しかし、サーボモータ出力ワット数基準にて過負荷を判断する過負荷保護方法を用いた場合、出力トルクとモータ回転数の２つをモニタするため、領域５４で過負荷保護を行うことができる。

以上のように本実施の形態では、ユーザニーズのサーボモータ使用条件に合わせて小容量のサーボアンプを利用しても、サーボアンプの安全な過負荷保護が可能であり、設備投資のコスト低減につながる効果がある。

（実施の形態３）
前記の本発明の実施形態１と実施形態２による出力ワット数基準の過負荷保護方法と従来のトルク基準による過負荷保護方法との組み合わせでの過負荷保護サーボシステムを構築することができる。

まず低速回転領域では従来の過負荷保護方法により、サーボモータの焼損を防ぐ。高速回転・低トルクの領域では出力ワット数基準の過負荷保護方法により、サーボアンプの焼損を防ぐ。２つの過負荷保護方法によりサーボアンプとサーボモータの２つを保護することができる。

以上のように、本実施の形態ではトルク・回転数ごとに最適な過負荷保護方法を選択することで、より高度かつ安全なサーボシステムを構築することができる。

以上のように、本発明にかかるサーボシステム過負荷保護方法はサーボモータ回転数を考慮した出力ワット数基準にて過負荷保護レベルを判断し、定格トルクで高速領域にてサーボモータを動作しても過負荷保護が効き、小容量サーボアンプでのサーボモータ高速領域にて安全動作とサーボアンプの電源部品・パワー部品の保護の両立が可能となるので、より安全な産業機器の駆動方法として有用である。また、ユーザの産業設備投資において、低コスト化を図ることに有効である。

２１、２２ 連続動作領域
２３ 瞬時動作領域
２４ 瞬時動作領域
３１ サーボアンプ
３２ 電源部品
３３ パワー部品
３４ サーボモータ
５１ 連続動作領域
５２ 瞬時動作領域
５３ 進角・ｄ−ｑ軸制御後の連続動作領域
５４ 進角・ｄ−ｑ軸制御後の定格トルク以下の瞬時動作領域
５５ 進角・ｄ−ｑ軸制御後の瞬時動作領域

Claims (5)

1. サーボアンプとサーボモータを備えたサーボシステムの過負荷保護方法において、
   前記サーボアンプが前記サーボモータの回転数と出力トルクから算出した出力ワット数基準による過負荷レベル制約条件を決める過負荷保護方法。
2. サーボアンプとサーボモータを備えたサーボシステムの過負荷保護方法において、
   前記サーボアンプのスペックを考慮した出力ワット数基準による過負荷レベル制約条件である過負荷保護方法。
3. サーボアンプとサーボモータを備えたサーボシステムの過負荷保護方法において、
   前記サーボモータの使用環境によりユーザが自由に定義し設定する出力ワット数基準による過負荷レベル制約条件である過負荷保護方法。
4. 前記サーボシステムにおいて、前記サーボモータの進角・ｄ−ｑ軸を利用した回転数制御と請求項１〜３のいずれか１項に記載の過負荷保護方法を組み合わせたサーボモータ駆動方法。
5. 前記サーボシステムにおいて、前記サーボモータの定格トルク基準による過負荷保護方法と請求項１〜４のいずれか１項に記載の過負荷保護方法を組み合わせたサーボモータ駆動方法。

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