JP2017060306A - インバータにより駆動されるモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常時に確実に安全が確保でき、インバータにおけるスイッチング損失による電力損失や発熱が比較的小さくて済む、モータの制御方法を提供する。
【解決手段】インバータ（６）のＰＷＭ制御により駆動するようになっているモータ（２）を対象とし、これを緊急時に安全に停止するモータの制御方法として構成する。本発明のモータの制御方法は、モータ（２）が駆動する装置における圧力、速度等の物理量を監視する。そしてこの物理量が異常な範囲にあることが検出（１４）されたら、モータ（２）を停止させる停止処理（１１）と、ＰＷＭ制御のキャリア周波数であるＰＷＭ周波数を大きい周波数に切換えるＰＷＭ周波数切換処理（１５）とを実質的に同時に実施するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インバータのＰＷＭ制御により駆動されるモータの制御方法に関するものであり、限定するものではないが、電動射出成形機のサーボモータの制御方法に好適なモータの制御方法に関するものである。

多くの産業機械には各装置を駆動するためのモータが設けられている。例えば電動射出成形機は、一対の金型を型締する型締装置、樹脂を溶融して金型内に射出する射出装置等から構成され、射出装置は射出シリンダ、この射出シリンダ内で回転方向と軸方向とに駆動されるスクリュ、プランジャ等から構成されている。これらの装置はそれぞれサーボモータ等のモータによって駆動されるようになっており、インバータが生成する三相交流電圧で駆動される。インバータが生成する三相交流電圧は、その波形が滑らかな正弦波であれば精度良くモータを駆動することができる。しかしながら、インバータはＯＮ／ＯＦＦのパルス幅を可変に制御するいわゆるＰＷＭ制御によって三相交流電圧を生成しているので、三相交流電圧の波形は滑らかな正弦波にはならない。しかしながら、ＰＷＭ信号のキャリア周波数つまりＰＷＭ周波数を高くすれば、滑らかな正弦波の三相交流電圧を供給していることと実質的に同等になる。つまりモータを精度良く制御したい場合にはＰＷＭ周波数を大きくすることが好ましいと言える。しかしながらＰＷＭ周波数が大きいとインバータを構成しているＩＧＢＴ等のパワートランジスタのスイッチングの頻度が高くなる。そうするといわゆるスイッチング損失により電力を損失し発熱する。そうすると冷却するためのコストも大きくなるしパワートランジスタの寿命にも影響する。従って電力消費、発熱、パワートランジスタの寿命等を考慮するとＰＷＭ周波数は小さい方が好ましい。インバータを駆動するＰＷＭ周波数は、これらを勘案して決定されている。

特許第３４４２３４０号公報 特開２０１４−２０２６６号公報

従来のインバータにおいてはＰＷＭ周波数は固定にされているが、ＰＷＭ周波数を可変にして駆動する方法が特許文献１、２によって提案されている。特許文献１に記載のモータ制御方法は、モータに要求される性能に従って、ＰＷＭ周波数を可変にするように構成されている。すなわちこのモータの制御においては、ＰＷＭ制御方式で駆動するモータに対して、このモータを駆動するに当たって制御精度とトルクのいずれを重視すべきかをその都度判別するようにする。そして高い制御精度が要求される場合にはＰＷＭ周期を短くし、トルクが要求される場合にはＰＷＭ周期を長くするようにしている。すなわち高い制御精度が要求される場合にはＰＷＭ周波数を大きくし、トルクが要求される場合にはＰＷＭ周波数を小さくするようにしている。特許文献１に記載の制御方法は、工作機械、ロボット、射出成形機等のモータ制御装置を対象としているが、これらの装置においては、装置を制御するコントローラがこれから実施しようとしている予定の動作、あるいは予定の工程について熟知している。従ってコントローラは、次に実施する動作、あるいは工程について、制御精度が要求されるのかトルクが要求されるのかを適切に判断することができ、予めＰＷＭ周波数を大きくしたり小さくすることができ、それによって適切な条件でモータを駆動することができる。

特許文献２には、インバータの保護を目的として、インバータのＰＷＭ周波数を変化させるモータの制御方法が記載されている。特許文献２に記載されているインバータは、特殊な構造を備えた電動圧縮機に設けられている。電動圧縮機はインバータによって駆動される電動モータによって駆動され、電動圧縮機が駆動されると圧縮機構によって冷媒を吸入するようになっている。そしてこのインバータは吸入される冷媒によって冷却されるようにもなっている。この電動圧縮機において電動モータの駆動直後には冷媒の吸入が安定しないのでインバータの冷却が不十分になり、インバータの温度は上昇しやすい。一方電動モータの駆動開始から所定時間が経過すると冷媒の吸入が安定してインバータの温度が低下し、所定の温度に達した後は安定する。特許文献２に記載の方法では、電動モータの駆動直後におけるインバータの温度が上昇しやすい所定の期間において、インバータの温度を監視して、温度が高いときにはＰＷＭ周波数を小さくする。これによってインバータにおけるスイッチング損失を小さくし、インバータの発熱を抑制し、インバータを保護するようにする。

特許文献１、２のそれぞれに記載の制御方法では、所定の目的を達成するためにＰＷＭ周期を可変にするように構成されている。つまり特許文献１に記載の方法は、モータを好適な条件で駆動することができるように、モータに要求される性能に応じて、ＰＷＭ周波数を変化させているし、特許文献２に記載の方法においては、インバータの保護を目的として、インバータの温度が高温のときにＰＷＭ周波数を小さくして発熱を抑制するようになっている。つまり所定の目的を達成するための制御方法として、いずれも優れていると言える。しかしながら特許文献１、２のそれぞれに記載の制御方法においては解決すべき問題も見受けられる。具体的には、異常発生等の緊急時における安全の確保については考慮されていないように見受けられる。例えば電動射出成形機においては、射出工程において異常な射出圧力が検出されたり、型閉工程において金型が型閉じしていないにも拘わらず型締力が検出される場合には、何らかの異常が発生していると判断して速やかにスクリュを停止したり型締装置を停止する必要がある。装置を傷めたり金型を痛める虞があるからであり、オペレータの安全を確保する目的もある。このような緊急時における安全の確保は、モータによって駆動される他の工作機械においても同様に要求されるはずである。そして、このような緊急時に安全を確保するには、できるだけ早く装置を停止したり所定の状態に駆動する必要があるので、そのためにはモータを精度良く制御したい。一応特許文献１に記載の方法では、モータを精度良く制御することができるので、一見対応できそうにも見える。しかしながら、特許文献１に記載の方法においては、前もってモータに要求される優先度が高い制御精度であるのかトルクであるのかを判断するようになっているが、判断の基準に緊急時の対応は入っていない。そして特許文献１に記載の方法においては、予め、これから実施する動作あるいは工程に先立ってモータに要求される優先度が高い制御精度であるのかトルクであるのかを決定するようになっているので、実施内容を熟知している動作や工程に対しては前もって対応できるので有効であるが、異常発生時のような不測の事態において、直ちにモータを停止するようなケースは想定していない。従って特許文献１に記載の方法では緊急時に対する対応ができない。特許文献２に記載の方法も問題がある。インバータの温度が高温になってＰＷＭ周波数を小さくしているときに異常が発生したら、モータを精度良く制御することができなくなってしまうからである。

異常発生時の緊急時における安全を確保するために、ＰＷＭ周波数を大きくしてモータを常時精度良く制御する方法も考えられる。しかしながらＰＷＭ周波数を常時大きくすると、インバータのパワートランジスタのスイッチング損失の影響が大きくなる。電力損失と発熱が大きくなり、冷却に要するコストが大きくなって実質的に採用ができない。

本発明は、上記のような問題を解決することを目的としており、具体的には、モータに電力を供給するインバータにおいて、異常の発生時に確実に安全が確保できるようにモータを駆動することができ、スイッチング損失による電力損失や発熱が比較的小さくて済む、モータの制御方法を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するために、所定の装置に設けられているモータであって、インバータのＰＷＭ制御により駆動するようになっているモータを対象とし、これを緊急時に安全に停止するモータの制御方法として構成する。本発明のモータの制御方法は、モータが駆動する装置における圧力、速度等の物理量を監視する。そしてこの物理量が異常な範囲にあることが検出されたら、モータを停止させる停止処理と、ＰＷＭ制御のキャリア周波数であるＰＷＭ周波数を大きい周波数に切換えるＰＷＭ周波数切換処理とを実質的に同時に実施するようにする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、所定の装置に設けられているモータをインバータのＰＷＭ制御により駆動するとき、前記装置における圧力、速度等の物理量を監視し、該物理量が異常な範囲にあることが検出されたら、前記モータを停止させる停止処理と、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数であるＰＷＭ周波数を大きい周波数に切換えるＰＷＭ周波数切換処理とを実質的に同時に実施することを特徴とするモータの制御方法として構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の制御方法において、前記モータは、前記モータの回転速度の目標値である速度設定の入力を受け、前記モータのエンコーダによって検出される実測回転速度が前記速度設定になるようにフィードバック制御により制御するようになっており、前記停止処理は前記速度設定の入力を遮断して０とみなしてフィードバック制御することを特徴とするモータの制御方法として構成される。

本発明は、所定の装置に設けられているモータをインバータのＰＷＭ制御により駆動するとき、装置における圧力、速度等の物理量を監視し、該物理量が異常な範囲にあることが検出されたら、モータを停止させる停止処理と、ＰＷＭ制御のキャリア周波数であるＰＷＭ周波数を大きい周波数に切換えるＰＷＭ周波数切換処理とを実質的に同時に実施するように構成される。つまり装置において異常が検出されたら、停止処理とＰＷＭ周波数切換処理を実質的に同時に実施する。そうすると停止処理の実行中にＰＷＭ周波数は大きいので、停止処理は精度良く制御でき速やかにモータを停止できる。つまり装置を安全な状態にすることができる。そしてＰＷＭ周波数が大きくするのは異常時に限られるので、インバータのパワートランジスタにおけるスイッチング損失による電力損失と発熱の増大は短時間で済み、格別に高い冷却能力を備えた冷却装置を設ける必要がない。このように構成されているので、異常発生時でない通常の運転においてはＰＷＭ周波数は小さくしてモータを駆動できるので、スイッチング損失による電力損失と発熱は少なくて済む。他の発明によると、モータは、モータの回転速度の目標値である速度設定の入力を受け、モータのエンコーダによって検出される実測回転速度が速度設定になるようにフィードバック制御により制御するようになっており、停止処理は速度設定の入力を遮断して０とみなしてフィードバック制御する。つまり停止処理は、本来入力されている速度設定を強制的に遮断するので、速やかに実施でき、速やかにモータを停止できる効果が得られる。

本実施の形態に係るモータの駆動装置を示す図で、モータに電力を供給するインバータの回路と、該インバータを制御する機能ブロックとを示す図である。

以下、図１によって本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係るモータ制御装置１は、サーボモータ等のブラシレスモータを制御するようになっており、工作機械、産業機械等の色々な装置に設けることができる。以下では、電動射出成形機の射出装置に設けられているモータ２を実施例として説明する。射出装置は加熱シリンダとスクリュとからなり、スクリュは、これを回転させる回転駆動機構と、軸方向に駆動させる軸駆動機構とによって駆動されるようになっている。本実施の形態に係るモータ２は、軸駆動機構に設けられている。このモータ２を駆動するとスクリュを軸方向に駆動して加熱シリンダ内に計量されている溶融樹脂を射出できるようになっている。

本実施の形態に係るモータ２はサーボモータからなり、所定の電力供給装置から電力の供給を受けて駆動されるようになっている。電力供給装置は図１には示されていないが、ＰＷＭコンバータからなり、工場から供給される三相交流電圧を直流電圧に整流している。このような直流電圧は直流電圧線Ｐ、Ｎに供給されている。直流電圧線Ｐ、Ｎ間には平滑化コンデンサ４が設けられ、リップル電圧が平滑化されている。直流電圧線Ｐ、Ｎには、モータ２を駆動するサーボアンプ、すなわちインバータ６が設けられている。インバータ６は、後で説明する制御部７と共にモータ制御装置１を構成している。インバータ６は周知のように、６個のＩＧＢＴからなるパワートランジスタＴ１、Ｔ２、…と、６個のダイオードＤ１、Ｄ２、…とからなる。パワートランジスタＴ１、Ｔ２、…は２個ずつ直列に並べられ、これらが並列に３列設けられて、それぞれ直流電圧線Ｐ、Ｎに接続されている。これらのパワートランジスタＴ１、Ｔ２、…はそれぞれＯＮされると正の電圧線Ｐから負の電圧線Ｎに電流を流すように設けられている。これらのパワートランジスタＴ１、Ｔ２、…のそれぞれに対して、ダイオードＤ１、Ｄ２、…が電流が流れる向きが逆になるように並列に設けられている。そして並列に設けられている３列のそれぞれのパワートランジスタＴ１、Ｔ２、…の中点から、Ｒ線、Ｓ線、Ｔ線が引き出され、これらがモータ２に接続されている。周知のようにインバータ６はパルス幅を可変にして制御するいわゆるＰＷＭ制御によって駆動されるようになっているが、インバータ６においてパワートランジスタＴ１、Ｔ２、…を適切に駆動すると、直流電圧線Ｐ、Ｎから供給される直流電圧を所望の三相交流電圧に変換することができ、三相交流電圧をＲ、Ｓ、Ｔ線から供給してモータ２を駆動できるようになっている。なお、電動射出成形機には、複数のモータが設けられており、それぞれのモータもこの直流電圧線Ｐ、Ｎに接続されているインバータによって駆動されるようになっているが、図１には示されていない。

インバータ６をＰＷＭ制御する制御部７について説明する。制御部７は、所定のコントローラとコントローラを制御するソフトウエアからなるが、ソフトウエアは複数の機能ブロックから構成されている。まず、外部から与えられるモータ２の回転速度の目標値すなわち速度設定は、機能ブロックの速度制御器１１に入力されるようになっている。速度制御器１１はモータ２を駆動する電流指令を演算するようになっており、速度設定を目標値とし、モータ２のエンコーダ８から検出される実測回転速度との偏差がなくなるようにフィードバック制御により電流指令を演算している。正確にはここで演算される電流指令はｄｑ軸における電流指令になっている。速度制御器１１において演算された電流指令は、電流制御器１１に入力される。電流制御器１２は、ｄｑ軸における電流指令からＵ相、Ｖ相、Ｗ相における電流指令値を演算する機能ブロックであるが、このときモータ２に設けられている電流センサ９から検出されるＲ、Ｓ、Ｔ線の電流すなわちＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電流もｄｑ軸における電流として変換して入力している。そしてｄｑ軸における電流指令とｄｑ軸における電流の偏差がなくなるようにフィードバック制御により演算して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流指令値を得ている。電流制御器１２で演算されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流指令値は、ＰＷＭ信号生成器１３に入力される。ＰＷＭ信号生成器１３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電流指令値から、ＰＷＭ制御信号に変換し、このＰＷＭ制御信号によってインバータ６を駆動している。なおＰＷＭ制御信号は、前記したようにパルス幅が可変のＯＮ／ＯＦＦ信号であるが、パルス幅はキャリア周波数、すなわちＰＷＭ周波数によって決定され、ＰＷＭ周波数が大きいほど取り得る幅の自由度が高い。

本実施の形態に係るモータ制御装置１においては、射出圧力の異常を検出したらＰＷＭ周波数を切換えるようになっており、次のように構成されている。本実施の形態に係る電動射出成形機は、射出装置に溶融樹脂の圧力を検出するセンサが設けられている。このセンサにおいて検出される射出圧力が、制御部７の異常判定部１４に入力されるようになっている。異常判定部１４では、射出圧力が正常範囲にあるか否かがチェックするようになっている。制御部７にはＰＷＭ周波数を切換える機能ブロックであるＰＷＭ周波数切換部１５も設けられている。異常判定部１４は、異常が検出されたらこのＰＷＭ周波数切換部１５と速度制御器１１に指令を送るようになっている。

本実施の形態に係るモータ制御装置１の作用を説明する。まずセンサにおいて検出される射出圧力が正常範囲にあるときは、次のように動作する。速度制御器１１が速度設定になるように電流指令値を演算し、電流制御器１２がこれをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流指令値に変換する。そしてＰＷＭ信号生成器１３がＰＷＭ制御信号に変換してインバータ６を駆動する。このときＰＷＭ制御信号は正常時におけるＰＷＭ周波数、例えば４ｋＨｚで生成される。インバータ６は所定の三相交流電圧を生成し、これによってモータ２が回転する。

センサで検出される射出圧力が正常範囲を超えた場合、異常判定部１４が異常であると判断し、実質的に同時に次の２個の指令を出す。第１の指令は、速度制御器１１に対する指令であり、モータ２を停止するための指令である。詳しく説明すると、速度制御器１１に入力される速度設定を遮断して速度制御器１１が速度設定をゼロとして扱うようにする。速度制御器１１はモータ２の回転速度がゼロになるように制御する。第２の指令はＰＷＭ周波数切換部１５に対する指令であり、異常時の処理に切換える指令である。ＰＷＭ周波数切換部１５は指令を受けたら正常時のＰＷＭ周波数より大きいＰＷＭ周波数、例えば８ｋＨｚに切換える。そうするとＰＷＭ信号生成器１３が生成するＰＷＭ制御信号は、以後大きいＰＷＭ周波数によって生成されることになる。モータ２は制御部７によって停止するように制御され、このときＰＷＭ制御信号は大きなＰＷＭ周波数で生成されるので、高い制御精度で停止させることができる。これによって停止するまでの時間が短くて済む。モータ２が停止すると射出圧力は安定し、射出装置や金型を保護することができる。モータ２のエンコーダ８で検出される実測回転速度がゼロになったら、あるいは所定時間が経過したら、異常判定部１４はＰＷＭ周波数切換部１５に指令を出し、正常時のＰＷＭ周波数、例えば４ｋＨｚに戻す。ＰＷＭ周波数が大きいとパワートランジスタＴ１、Ｔ２、…における電力損失が大きくなり、そして発熱が大きくなって素子の寿命に影響するが、本実施の形態においてＰＷＭ周波数が大きくなるのは短時間で済むのでこのような問題は起らない。

本発明の実施の形態に係るモータの制御方法は色々な変形が可能である。例えば、異常判定部１４は射出圧力についてこれが正常範囲にあるか否かを判定するようになっているが、モータ２の駆動に関係する他の物理量であってもよい。例えばモータ２の駆動に関係する物理量としてスクリュ速度が考えられる。所定のセンサによってスクリュの軸方向の速度を検出し、速度が正常範囲にあるか否かを判定すれば、異常時には同様にＰＷＭ周波数を大きくしてモータ２を精度良く停止することができる。他の変形も可能である。本実施の形態においては、異常判定部１４が速度制御器１１に指令を出すときに、速度設定の入力を遮断するように説明したが、速度設定を強制的にゼロに書き換えるようにしてもよい。本実施の形態に係るモータの制御方法は、電動射出成形機以外の装置、例えば工作機械、産業機械においても利用が可能である。

１ モータ制御装置
２ モータ
４ 平滑化コンデンサ
６ インバータ
７ 制御部
８ エンコーダ
９ 電流センサ
１１ 速度制御器
１２ 電流制御器
１３ ＰＷＭ信号生成器
１４ 異常判定部
１５ ＰＷＭ周波数切換部

Claims (2)

1. 所定の装置に設けられているモータをインバータのＰＷＭ制御により駆動するとき、前記装置における圧力、速度等の物理量を監視し、該物理量が異常な範囲にあることが検出されたら、前記モータを停止させる停止処理と、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数であるＰＷＭ周波数を大きい周波数に切換えるＰＷＭ周波数切換処理とを実質的に同時に実施することを特徴とするモータの制御方法。
2. 請求項１に記載の制御方法において、前記モータは、前記モータの回転速度の目標値である速度設定の入力を受け、前記モータのエンコーダによって検出される実測回転速度が前記速度設定になるようにフィードバック制御により制御するようになっており、前記停止処理は前記速度設定の入力を遮断して０とみなしてフィードバック制御することを特徴とするモータの制御方法。

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