JP3679251B2 - モータ駆動用電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術によるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成について図１２を用いて説明する。図１２において、ＮＣシステムは、ＮＣ装置１０１と、サーボユニット１０２と、主軸ユニット１０３と、バスライン１０４と、サーボモータ１０５と、主軸モータ１０６と、モータ駆動用電力変換装置１０７と、交流電源１０８と、ＡＣリアクトル１０９とから構成されている。
【０００３】
上記ＮＣシステムにおいて、ＮＣ装置１０１は、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３へバスライン１０４によって位置指令を与えるものである。位置指令とは、サーボユニット１０２がサーボモータ１０５を、主軸ユニット１０３が主軸モータ１０６をそれぞれ駆動制御するための指令である。
【０００４】
サーボユニット１０２は、サーボモータ１０５を駆動制御するユニットであり、また、主軸ユニット１０３は、主軸モータ１０６を駆動制御するユニットである。また、バスライン１０４は、ＮＣ装置１０１の位置指令をサーボユニット１０２および主軸ユニット１０３に与えるためのものである。また、サーボモータ１０５は、サーボユニット１０２の制御により駆動され、直線運動または回転運動によって負荷に動力を与えるものである。また、主軸モータ１０６は、主軸ユニット１０３の制御により駆動されるものである。
【０００５】
モータ駆動用電力変換装置１０７は、交流電源１０８から交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の供給を受けて、交流／直流変換を行い、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３へ直流電圧ＶＰ、ＶＮを供給するものである。交流電源１０８は、交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をＡＣリアクトル１０９を介してモータ駆動用電力変換装置１０７へ供給するものである。また、ＡＣリアクトル１０９は、モータ駆動用電力変換装置１０７にリアクタンスを導入するためのものである。
【０００６】
さらに、モータ駆動用電力変換装置１０７は、スイッチング機器１１０と、平滑コンデンサ１１１と、ダイオード１１２とを備えている。スイッチング機器１１０は、サーボモータ１０５および主軸モータ１０６が回転する時はその電力を交流電源１０８に返すようにスイッチングするものである。また、平滑コンデンサ１１１は、整流された直流を平滑するものである。また、ダイオード１１２は、供給された交流を直流に整流するものである。
【０００７】
上記の構成において、交流電源１０８からの交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、ＡＣリアクトル１０９を介してモータ駆動用電力変換装置１０７に供給される。供給された交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、ダイオード１１２により直流に整流される。さらに整流された直流電流は平滑コンデンサ１１１により平滑される。
【０００８】
これにより、モータ駆動用電力変換装置１０７は、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３に直流電圧ＶＰ、ＶＮを供給することができる。また、スイッチング機器１１０は、サーボモータ１０５および主軸モータ１０６が回転する時はスイッチングによりその電力を交流電源１０８に返すようすることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術である上記ＮＣシステムにおけるモータ駆動用電力変換装置１０７は、サーボモータ１０５および主軸モータ１０６へ供給する直流電圧ＶＰ、ＶＮが入力される入力電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３により決定されるので、サーボモータ１０５、主軸モータ１０６を加減速する時等、サーボモータ１０５または主軸モータ１０６の運転状況によっては、必要とする直流電圧に対してサーボユニット１０２、主軸ユニット１０３への直流電圧ＶＰ、ＶＮの供給が不足してしまうといった問題点があった。
【００１０】
また、入力電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が低下するとそれに比例して直流電源電圧ＶＰ、ＶＮも低下することになるので、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３への直流電圧ＶＰ、ＶＮが供給不足となる場合がある。その結果、サーボモータ１０２または主軸モータ１０３がトルク飽和を発生させてしてしまうことから、安定かつ高精度なモータ制御ができないおそれがあるといった問題点があった。
【００１１】
この発明は、上述の如き問題点に着目してなされたものであり、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータおよび主軸モータを安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能なモータ駆動用電力変換装置を得ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明によるモータ駆動用電力変換装置は、交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボモータの駆動を制御するサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置において、前記指令装置からの指令を入力する指令入力手段と、前記指令入力手段により入力された指令に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を予測するモータトルク・速度予測手段と、前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出する算出手段と、を備えたものである。
【００１４】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボモータの駆動を制御するサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置において、前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を入力するトルク・速度入力手段と、前記指令装置からの指令を入力する指令入力手段と、前記指令入力手段により入力された指令に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を予測するモータトルク・速度予測手段と、前記トルク・速度入力手段により入力されたトルクおよび速度と前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度とに基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出する算出手段と、を備えたものである。
【００１５】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、前記算出手段が、前記サーボモータまたは前記主軸モータを一定速度で運転する場合は、前記トルク・速度入力手段により入力されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出し、前記サーボモータまたは前記主軸モータを加減速する場合は、前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出するものである。
【００１６】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、さらに、前記算出手段により算出された直流電圧を前記サーボユニットおよび前記主軸ユニットに伝達する直流電圧伝達手段を備えたものである。
【００１７】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、さらに、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出して前記直流電圧を一定にする外乱検出手段を備えるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照して、この発明にかかるモータ駆動用電力変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
実施の形態１．
まず、実施の形態１によるＮＣシステムの構成について説明する。図１は、この発明の実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成を示す説明図である。
【００２１】
図１において、ＮＣシステムは、ＮＣ装置１と、サーボユニット２と、主軸ユニット３と、バスライン４と、サーボモータ５と、主軸モータ６と、斜線で示すモータ駆動用電力変換装置７と、交流電源８と、ＡＣリアクトル９とから構成される。ＮＣ装置１、サーボユニット２、主軸ユニット３、バスライン４、サーボモータ５、主軸モータ６、交流電源８、ＡＣリアクトル９は、従来技術における図１２のＮＣ装置１０１、サーボユニット１０２、主軸ユニット１０３、バスライン１０４、サーボモータ１０５、主軸モータ１０６、交流電源１０８、ＡＣリアクトル１０９と同様の構成であるので、その説明は省略する。
【００２２】
つぎに、モータ駆動用電力変換装置７の構成について説明する。図２は、実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置７の構成を示す説明図である。図２において、モータ駆動用電力変換装置７は、スイッチング機器１０と、平滑コンデンサ１１と、変圧器１２と、位相検出器１３と、電圧検出器１４と、電流検出器１５と、３相／２相変換部１６と、電流制御部１７と、２相／３相変換部１８と、ＰＷＭ制御部１９と、ベース信号出力部２０と、直流電圧検出器２１と、電圧制御部２２と、直流電圧指令作成部３０とを含む構成となっている。
【００２３】
ここで、スイッチング機器１０は、交流電源８からＡＣリアクトル９を介して供給された交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を直流電圧ＶＰ、ＶＮに変換するものである。また、平滑コンデンサ１１は、スイッチング機器１０からの出力電流のリップル成分を吸収することにより当該出力電流を平滑するものである。また、変圧器１２は、交流電源８から供給された交流電圧Ｌ１１、Ｌ１２を変圧するものである。
【００２４】
また、位相検出器１３は、変圧器１２によって変圧された電圧から電源位相θおよび電源周波数ωを検出するものである。また、電圧検出器１４は、変圧器１２によって変圧された電圧から電源電圧ＶＡＣを検出するものである。また、電流検出器１５は、供給された交流電圧から入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを検出するものである。また、３相／２相変換部１６は、位相検出器１３により検出された電源位相θを利用して、電流検出器１５により検出された入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを２相変換して、ＩｐとＩｑを得るものである。
【００２５】
また、電流制御部１７は、後述する電流指令Ｉｐ＊と上記電流Ｉｐ、および同様に後述する電流指令Ｉｑ＊と上記電流Ｉｑとによって得られた偏差量を、位相検出器１３により得られた電源周波数ωおよび電圧検出器１４により得られた電源電圧ＶＡＣを利用して電流制御するものである。
【００２６】
また、２相／３相変換部１８は、電流制御部１７により電流制御された２相の電流を位相検出器１３により得られた電源位相θを利用して３相に変換するものである。また、ＰＷＭ制御部１９は、２相／３相変換部１８により３相に変換された電流をＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するものである。また、ベース信号出力部２０は、ＰＷＭ制御部１９によりＰＷＭ制御された電流を用いてスイッチング機器１０を制御するベース信号を生成し、そのベース信号を出力するものである。
【００２７】
また、直流電圧検出器２１は、スイッチング機器１０により変換された直流電圧ＶＰＮを検出するものである。また、電圧制御部２２は、後述する直流電圧指令作成部３０から出力される最適直流電圧ＶＰＮ＊と直流電圧検出器２１から出力される直流電圧ＶＰＮとから得られた偏差量を電圧制御し、電流指令Ｉｐ＊を出力するものである。また、直流電圧指令作成部３０は、直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊を作成し、出力するものである。直流電圧指令作成部３０の詳細な内容については後述する。
【００２８】
以上の構成において、交流電源８からＡＣリアクトル９を介して供給された交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、スイッチング機器１０により直流電圧ＶＰ、ＶＮに変換される。また、平滑コンデンサ１１によりスイッチング機器１０からの出力電流のリップル成分を吸収し、当該出力電流を平滑する。
【００２９】
また、交流電源８から供給された交流電圧Ｌ１１、Ｌ１２により、変圧器１２を経て位相検出器１３から電源位相θおよび電源周波数ωを得るとともに、電圧検出器１４からは電源電圧ＶＡＣを得る。また、電流検出器１５からは入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを得る。つぎに、上記電源位相θを用いて入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを２相変換することによりＩｐ、Ｉｑを得る。
【００３０】
つぎに、電圧制御部２２により出力される電流指令Ｉｐ＊およびＩｑ＊と上記電流Ｉｐおよび上記電流Ｉｑとの偏差をとり、位相検出器１３により得られた電源周波数ωおよび電圧検出器１４により得られた電源電圧ＶＡＣを利用してこれらの偏差量を電流制御する。さらに、電源位相θを用いて２相から３相への変換を行い、ＰＷＭ制御をした後、ベース信号を生成し、出力することにより、スイッチング機器１０を制御するものである。
【００３１】
また、上記電流指令Ｉｐ＊は、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊と直流電圧検出器２１から得られる直流電圧ＶＰＮとの偏差量を電圧制御部２２により電圧制御をして与えられる。以上の制御において、上記電流指令Ｉｑ＊を「Ｉｑ＊＝０」とすることにより、力率「１」の高効率変換がなされ、モータ駆動用電力変換装置７が供給する直流電圧は「ＶＰＮ＝ＶＰＮ＊」となる。
【００３２】
つぎに、直流電圧指令作成部３０の内容について説明する。図３は実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図３において、直流電圧指令作成部３０は、モータトルク・速度入力部３１と、最適直流電圧算出部３５とから構成される。
【００３３】
モータトルク・速度入力部３１は、サーボモータ５、主軸モータ６のトルクおよび速度を入力するものである。具体的には、バスライン４からサーボユニット２の持つサーボモータ５のトルクＴ１および速度ω１と、主軸ユニット３の持つ主軸モータ６のトルクＴ２および速度ω２とを入力する。
【００３４】
最適直流電圧算出部３５は、モータトルク・速度入力部３１により入力されたサーボモータ５のトルクＴ１および速度ω１と、主軸モータ６のトルクＴ２および速度ω２とに基づいて、直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。このように、最適直流電圧算出部３５により算出された算出結果が、直流電圧指令作成部３０により作成され、出力される直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊となる。
【００３５】
つぎに、最適直流電圧算出部３５における最適直流電圧ＶＰＮ＊の算出処理について説明する。図４は実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧制御によるモータトルク特性を示す説明図である。図４において、横軸にはサーボモータ５の速度をとり、縦軸にはサーボモータ５のトルクをとる。実線で示すＡは、直流電圧制御を行う前のサーボモータ５のトルク特性を示すモータトルク線図であり、点線で示すＢは、直流電圧制御を行った後のサーボモータ５のトルク特性を示すモータトルク線図である。
【００３６】
モータトルク線図Ａにおいて、サーボモータ５のトルクＴ１および速度ω１がモータトルク線図Ａのトルク特性の領域以外である場合、すなわちモータトルク線図Ａよりも外側にはみ出した曲線部分（速度ω１およびトルクＴ１がともに大きくなっている部分）がある場合は、トルク飽和を起こしてトルク不足となっていることを示している。この場合に、サーボモータ５の駆動を制御するのに最適なサーボモータ最適直流電圧ＶＰＮ＊１を増加するような直流電圧制御を行うことによりトルク特性をモータトルク線図Ａからモータトルク線図Ｂへ変更する。
【００３７】
これにより、上記曲線部分がモータトルク線図Ｂよりも外側にはみ出していない状態になったので、サーボモータ５がトルクＴ１を出力することができるようになる。また、サーボモータ５の速度ω１が一定の場合は、トルクを必要としないので、サーボモータ最適直流電圧ＶＰＮ＊１を減少させることができる。
【００３８】
以上の処理を主軸モータ６においても同様に行い、主軸モータ６の駆動を制御するのに最適な主軸モータ最適直流電圧ＶＰＮ＊２を得る。そこで最適直流電圧算出部３５は、サーボモータ最適直流電圧ＶＰＮ＊１と主軸モータ最適直流電圧ＶＰＮ＊２とを比較し、両者のうち大きい電圧を最適直流電圧ＶＰＮ＊として算出する。これにより、つねに大きい方が最適直流電圧ＶＰＮ＊となるので、サーボモータ５および主軸モータ６がトルク不足となることを回避することができる。
【００３９】
以上説明したように、実施の形態１のモータ駆動用電力変換装置７によれば、サーボモータ５や主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出するため、入力電圧に依存することなくサーボモータ５および主軸モータ６を安定かつ高精度で駆動制御するための最適な直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３へ供給することができる。
【００４０】
さらに、上述のように、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニット２および主軸ユニット３が動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することができる。
【００４１】
実施の形態２．
さて、上述した実施の形態１では、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出するようにしたが、以下に説明する実施の形態２のように、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出するようにしてもよい。
【００４２】
実施の形態２によるＮＣシステムの構成およびモータ駆動用電力変換装置７の構成については、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図１のＮＣシステムおよび図２のモータ駆動用電力変換装置７の構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００４３】
つぎに、直流電圧指令作成部３０について説明する。図５はこの発明の実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図５において、直流電圧指令作成部３０は、ＮＣ指令入力部３２と、モータトルク・速度予測部３３と、最適直流電圧算出部３５とから構成される。
【００４４】
ＮＣ指令入力部３２は、ＮＣ装置１からの位置指令を入力するものである。具体的には、バスライン４からサーボユニット２に対する位置指令をＦ１とし、バスライン４からの主軸ユニット３に対する位置指令をＦ２とし、これらのＦ１およびＦ２を入力するものである。
【００４５】
モータトルク・速度予測部３３は、ＮＣ指令入力部３２により入力された位置指令Ｆ１、Ｆ２に基づいてサーボモータ５および主軸モータ６のトルクおよび速度を予測するものである。具体的には、サーボモータ５の予測トルクＴ’１および予測速度ω’１、主軸モータ６の予測トルクＴ’２および予測ω’２を位置指令Ｆ１、Ｆ２から後述する所定の式を利用して算出することにより予測をする。
【００４６】
つぎに、モータトルク・速度予測部３３によるサーボモータ５または主軸モータ６の予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２の予測処理について説明する。図６は実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置７のＮＣ装置１からの位置指令Ｆ１とサーボモータ５のモータ速度ω１とサーボモータ５のトルクＴ１との関係を示す説明図である。図６において説明図（ａ）は、横軸には時間をとり、縦軸には位置指令Ｆ１をとる。また、説明図（ｂ）は、横軸には時間をとり、縦軸にはサーボモータ５の速度ω１をとる。また、説明図（ｃ）は、横軸には時間をとり、縦軸にはトルクＴ１をとるものである。
【００４７】
説明図（ａ）において、時間ｔ１において位置指令Ｆ１が出力されており、その位置指令Ｆ１に基づいて、説明図（ｂ）おいて、サーボモータ５の速度ω１が上昇し、時間ｔ２において、速度ω１が一定となり、時間ｔ３から速度ω１が下降し、時間ｔ４において、速度ω１が「０」となる（サーボモータ５が停止する）。
【００４８】
これに伴って、説明図（ｃ）において、サーボモータ５のトルクＴ１は、時間ｔ１から曲線を描いて上昇し、途中でピークとなった後は下降し、時間ｔ２においてトルクＴ１は「０」になり、速度ω１が一定となっている時間ｔ２〜ｔ３の間は、トルクＴ１は「０」のままである。時間ｔ３から速度ω１が下降するに伴って、時間ｔ１〜ｔ２までとは反対にマイナスのトルクが時間ｔ１〜ｔ２において描いた曲線と同様の曲線を描くように発生し、時間ｔ４において、再びトルクＴ１は「０」になる。
【００４９】
モータトルク・速度予測部３３は、図６の説明図に基づいて、サーボモータ５の予測トルクＴ’１および予測速度ω’１を下式を利用して算出する。なお、Ｊ１はサーボモータと負荷の総イナーシャである。
【００５０】
ω’１＝ｄＦ１／ｄｔ
Ｔ’１＝Ｊ１＊ｄω’１／ｄｔ
【００５１】
主軸モータ６の予測トルクＴ’２および予測速度ω’２についても同様の方法によって算出する。
【００５２】
最適直流電圧算出部３５は、モータトルク・速度予測部３３により予測されたサーボモータ５の予測トルクＴ’１および予測速度ω’１と、主軸モータ６の予測トルクＴ’２および予測速度ω’２とに基づいて直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出するものである。このように、最適直流電圧算出部３５により算出された算出結果が、直流電圧指令作成部３０により作成され、出力される直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊となる。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態２によれば、加減速時のように位置指令に対してサーボモータ５、主軸モータ６の応答が遅れる場合でも、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出するため、サーボモータ５または主軸モータ６の運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータ５および主軸モータ６を実施の形態１よりさらに安定かつ高精度で駆動制御するための最適な直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３へ供給することができる。
【００５４】
また、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニット２および主軸ユニット３が動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することができる。
【００５５】
実施の形態３．
さて、上述した実施の形態１または２では、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を供給するか、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を供給するかのいずれか一方のみであったが、以下に説明する実施の形態３のように、それらの両方を用いて最適な直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００５６】
実施の形態３によるＮＣシステムの構成およびモータ駆動用電力変換装置７の構成については、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図１のＮＣシステムおよび図２のモータ駆動用電力変換装置７の構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００５７】
つぎに、直流電圧指令作成部３０について説明する。図７はこの発明の実施の形態３によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図７において、直流電圧指令作成部３０は、モータトルク・速度入力部３１と、ＮＣ指令入力部３２と、モータトルク・速度予測部３３と、最適直流電圧算出部３５とから構成される。
【００５８】
ここで、モータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３の各構成部は、実施の形態１または実施の形態２のモータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３と同様であるので、その説明は省略する。
【００５９】
最適直流電圧算出部３５は、モータトルク・速度入力部３１により入力されたトルクＴ１、Ｔ２および速度ω１、ω２と、モータトルク・速度予測部３３により予測された予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２とに基づいてサーボモータ５または主軸モータ６の駆動を制御するのに最適な直流電圧である最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。
【００６０】
特に、サーボモータ５および主軸モータ６の回転が一定の場合、すなわちＮＣ装置１からの位置指令Ｆ１およびＦ２が一定速度である場合は、モータトルク・速度入力部３１により得られるトルクＴ１、Ｔ２および速度ω１、ω２から最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。一方、サーボモータ５または主軸モータ６の回転が加減速の場合、すなわちＮＣ装置１からの位置指令Ｆ１またはＦ２が加減速である場合は、モータトルク・速度予測部３３によってトルクおよび速度を予測し、予測された予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２から最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。
【００６１】
以上説明したように、実施の形態３によれば、サーボモータ５および主軸モータ６を一定速度で運転する場合はサーボモータ５および主軸モータ６のトルクＴ１、Ｔ２および速度ω１、ω２に基づいて最適直流電圧を算出し、サーボモータ５または主軸モータ６を加減速する場合はＮＣ装置１からの位置指令から予測される予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２に基づいて最適な直流電圧を算出することから、サーボモータ５または主軸モータ６の運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータ５および主軸モータ６を実施の形態２よりもさらに安定かつ高精度で駆動制御するための最適な直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３へ供給することができる。
【００６２】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニット２および主軸ユニット３が動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することができる。
【００６３】
実施の形態４．
さて、上述した実施の形態１〜３では、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令により、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出するか、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出するか、またはそれらの両方を用いて最適な直流電圧を算出するようにしたが、以下に説明する実施の形態４のように、さらに、最適直流電圧算出部３５により算出された直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達する直流電圧伝達部３４を備えるようにしてもよい。
【００６４】
実施の形態４によるＮＣシステムの構成およびモータ駆動用電力変換装置７の構成については、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図１のＮＣシステムおよび図２のモータ駆動用電力変換装置７の構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００６５】
つぎに、直流電圧指令作成部３０について説明する。図８はこの発明の実施の形態４によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図８において、直流電圧指令作成部３０は、モータトルク・速度入力部３１と、ＮＣ指令入力部３２と、モータトルク・速度予測部３３と、最適直流電圧算出部３５と、さらに、直流電圧伝達部３４とから構成される。
【００６６】
ここで、モータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３、最適直流電圧算出部３５の各構成部は、実施の形態１〜３のモータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３、最適直流電圧算出部３５の各構成部と同様であるので、その説明は省略する。
【００６７】
直流電圧伝達部３４は、最適直流電圧算出部３５により算出された直流電圧ＶＰＮ＊をサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達するものである。具体的には、直流電圧伝達部３４は最適直流電圧ＶＰＮ＊をバスライン４にてサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達する。また、直流電圧伝達部３４は最適直流電圧ＶＰＮ＊に応じた電流ループゲインをサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達する。
【００６８】
以上説明したように実施の形態４によれば、最適な直流電圧ＶＰＮ＊をサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達するため、サーボモータ５および主軸モータ６は入力電圧に依存することなく電流ループ帯域を一定に保つことができる。
【００６９】
実施の形態５．
さて、上述した実施の形態１〜４では、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令により、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出して供給するか、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出して供給するか、またはそれらの両方を用いて最適な直流電圧を算出して供給するようにしたが、以下に説明する実施の形態５のように、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出する外乱オブザーバ４０により直流電圧を一定に保つようにしてもよい。
【００７０】
実施の形態５によるＮＣシステムの構成については、実施の形態１の図１のＮＣシステムの構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００７１】
つぎに、モータ駆動用電力変換装置７の構成について説明する。図９はこの発明の実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置７の構成を示す説明図である。図９において、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図２のモータ駆動用電力変換装置７と同様の構成であるので、同様の構成部は同一の符号を付してその説明は省略する。さらに、図９に示すように、モータ駆動用電力変換装置７は、以下に説明する外乱オブザーバ４０を含む構成となっている。
【００７２】
外乱オブザーバ４０は、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出して直流電圧を一定にするものである。具体的には、外乱オブザーバ４０は直流電圧ＶＰＮと電圧制御部２２により出力される電流指令Ｉｐ＊とを入力し、直流電圧ＶＰＮと電流指令Ｉｐ＊を用いて外乱による変動を検出して、その変動に相当する外乱オブザーバ電流指令Ｉｑｏをフィードフォワードで与えることにより直流電圧を一定にするものである。
【００７３】
つぎに、外乱オブザーバ４０の構成について詳細に説明する。図１０は実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置７の外乱オブザーバ４０の構成を示す説明図である。図１０において、外乱オブザーバ４０は、電流算出部４１と、ローパスフィルタ４２と、オブザーバゲイン部４３とを含む構成となっている。
【００７４】
電流算出部４１は、入力された直流電圧ＶＰＮを微分して、さらに平滑コンデンサ１１の容量Ｃを乗じることにより直流電圧ＶＰＮに相当する電流であるＩｐＰＮを算出するものである。また、ローパスフィルタ４２は、電圧制御部２２により出力された電流指令Ｉｐ＊と、電流算出部４１により算出された電流ＩｐＰＮとの偏差量のうち、低周波部分だけを低減衰で通過させるフィルタである。また、オブザーバゲイン部４３は、ローパスフィルタ４２により通過した偏差量に対してオブザーバゲインを乗じて外乱を抑制するための外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏを出力するものである。
【００７５】
外乱オブザーバ４０は、まず、入力された直流電圧ＶＰＮを微分して平滑コンデンサ１１の容量Ｃを乗じることにより得られる直流電圧ＶＰＮに相当する電流ＩｐＰＮと、電圧制御部２２から入力された電流指令Ｉｐ＊との偏差をとる。ここで、外乱がない場合は偏差量が「０」となり、外乱は発生していないことがわかる。一方、外乱がある場合は偏差が発生するので、この偏差量をローパスフィルタ４２を経てオブザーバゲインを乗じて外乱を抑制するための外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏを出力する。
【００７６】
これにより、外乱が発生している場合のみ、外乱オブザーバ４０から外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏが出力される。出力された外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏは、３相／２相変換部１６により得られたＩｐとの偏差をとる。
【００７７】
以上説明したように、実施の形態５によれば、外乱オブザーバ４０から出力される電流指令Ｉｐｏにより直流電圧を一定に保つようにしたので、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が生じても、実施の形態３よりもさらに安定した直流電圧を供給することができる。
【００７８】
実施の形態６．
さて、上述した実施の形態１〜５では、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令により最適な直流電圧を算出して供給するか、または、外乱オブザーバ４０を用いて入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出することにより直流電圧を一定に保つようにするかのいずれか一方のみであったが、以下に説明する実施の形態６のように、それらの両方を用いて最適な直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００７９】
実施の形態６によるＮＣシステムの構成については、実施の形態１の図１のＮＣシステムの構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００８０】
つぎに、モータ駆動用電力変換装置７の構成について説明する。図１１はこの発明の実施の形態６によるモータ駆動用電力変換装置７の構成を示す説明図である。図１１において、実施の形態１の図２のモータ駆動用電力変換装置７または実施の形態５の図９のモータ駆動用電力変換装置７と同様の構成部は同一の符号を付してその説明は省略する。モータ駆動用電力変換装置７は、直流電圧指令作成部３０と、外乱オブザーバ４０の両方を備えている。
【００８１】
ここで、直流電圧指令作成部３０は、実施の形態１〜４における直流電圧指令作成部３０と同様の構成であるので、その説明は省略する。また、外乱オブザーバ４０に入力される電流指令Ｉｐ＊は、直流電圧指令作成部３０から出力されたＶＰＮ＊を電圧制御部２２により電圧制御することにより出力されたものである。この点を除き、外乱オブザーバ４０は、実施の形態５における外乱オブザーバ４０と同様の構成であるので、その説明は省略する。
【００８２】
直流電圧指令作成部３０からは直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊が出力され、外乱オブザーバ４０からは外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏが出力される。モータ駆動用電力変換装置７は、直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊と外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏの両方の指令に基づいた直流電圧ＶＰ、ＶＮをサーボユニット２および主軸ユニット３に供給するものである。具体的には、ＩｐとＩｐ＊とＩｐｏとの偏差をとり、その偏差量を電流制御部１７においてＩｑとＩｑ＊との偏差量とともに電流制御する。以降は実施の形態１で説明した手順と同様の手順でスイッチング機器１０を制御することにより、モータ駆動用電力変換装置７は直流電圧ＶＰ、ＶＮをサーボユニット２および主軸ユニット３に供給する。
【００８３】
以上説明したように、実施の形態６によれば、入力電圧に依存することなくサーボモータ５および主軸モータ６を安定かつ高精度で駆動することができるとともに、外乱オブザーバ４０を用いて入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出することにより直流電圧を一定に保つようにしたので、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が生じても、実施の形態５よりもさらに安定した直流電圧を供給することができる。
【００８６】
【発明の効果】
この発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、加減速時のように位置指令に対してサーボモータ、主軸モータの応答が遅れる場合でも、サーボモータ、主軸モータが応答する前に指令装置の位置指令からサーボモータおよび主軸モータの挙動を予測して最適な直流電圧を算出するため、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００８７】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【００８８】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、サーボモータ、主軸モータの現状の運転状況に応じた直流電圧の算出と、サーボモータ、主軸モータが応答する前に指令装置の指令からサーボモータ、主軸モータの挙動を予測して最適な直流電圧の算出とを行うことができるため、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００８９】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【００９０】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、サーボモータおよび主軸モータを一定速度で運転する場合はサーボモータおよび主軸モータのトルクおよび速度から得られる最適な直流電圧を算出し、サーボモータまたは主軸モータを加減速する場合は位置指令から予測される最適な直流電圧を算出することから、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなくサーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００９１】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【００９２】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットに伝達するため、サーボモータおよび主軸モータは入力電圧に依存することなく電流ループ帯域を一定に保つことが可能である。
【００９３】
さらに、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が発生しても、それらの外乱を検出して直流電圧を一定に保つため、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が生じても安定した直流電圧を供給することが可能である。
【００９４】
さらに、サーボモータ、主軸モータを一定速度で運転する場合はサーボモータおよび主軸モータのトルクおよび速度から得られる最適な直流電圧を算出し、サーボモータまたは主軸モータを加減速する場合は位置指令から予測される最適な直流電圧を算出することから、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなくサーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００９５】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であり、サーボユニットおよび主軸ユニットは伝達される直流電圧に応じてキャリアを下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスをより低減して、電力を節減ることが可能である。
【００９６】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が発生しても直流電圧を一定に保つため、入力電圧変動、負荷変動等の外乱に影響を受けることなく、安定した直流電圧を供給することが可能である。
【００９７】
さらに、サーボモータおよび主軸モータを一定速度で運転する場合はサーボモータおよび主軸モータのトルクおよび速度から得られる最適な直流電圧を算出して供給し、サーボモータまたは主軸モータを加減速する場合は位置指令から予測される最適な直流電圧を算出して供給することから、入力電圧に依存することなくサーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をすることが可能である。
【００９８】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成を示す説明図である。
【図２】 実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置の構成を示す説明図である。
【図３】 実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。
【図４】 実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧制御によるモータトルク特性を示す説明図である。
【図５】 この発明の実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部の構成を示す説明図である。
【図６】 実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置のＮＣ装置からの位置指令とサーボモータのモータ速度とサーボモータのトルクとの関係を示す説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態３によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部の構成を示す説明図である。
【図８】 この発明の実施の形態４によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部の構成を示す説明図である。
【図９】 この発明の実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置の構成を示す説明図である。
【図１０】 実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置の外乱オブザーバの構成を示す説明図である。
【図１１】 この発明の実施の形態６によるモータ駆動用電力変換装置の構成を示す説明図である。
【図１２】 従来におけるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ＮＣ装置、２ サーボユニット、３ 主軸ユニット、４ バスライン、５サーボモータ、６ 主軸モータ、７ モータ駆動用電力変換装置、８ 交流電源、９ ＡＣリアクトル、１０ スイッチング機器、１１ 平滑コンデンサ、１２ 変圧器、１３ 位相検出器、１４ 電圧検出器、１５ 電流検出器、１６ ３相／２相変換部、１７ 電流制御部、１８ ２相／３相変換部、１９ ＰＷＭ制御部、２０ ベース信号出力部、２１ 直流電圧検出器、２２ 電圧制御部、３０ 直流電圧指令作成部、３１ モータトルク・速度入力部、３２ ＮＣ指令入力部、３３ モータトルク・速度予測部、３４ 直流電圧伝達部、３５ 最適直流電圧算出部、４０ 外乱オブザーバ、４１ 電流算出部、４２ ローパスフィルタ、４３ オブザーバゲイン部。
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術によるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成について図１２を用いて説明する。図１２において、ＮＣシステムは、ＮＣ装置１０１と、サーボユニット１０２と、主軸ユニット１０３と、バスライン１０４と、サーボモータ１０５と、主軸モータ１０６と、モータ駆動用電力変換装置１０７と、交流電源１０８と、ＡＣリアクトル１０９とから構成されている。
【０００３】
上記ＮＣシステムにおいて、ＮＣ装置１０１は、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３へバスライン１０４によって位置指令を与えるものである。位置指令とは、サーボユニット１０２がサーボモータ１０５を、主軸ユニット１０３が主軸モータ１０６をそれぞれ駆動制御するための指令である。
【０００４】
サーボユニット１０２は、サーボモータ１０５を駆動制御するユニットであり、また、主軸ユニット１０３は、主軸モータ１０６を駆動制御するユニットである。また、バスライン１０４は、ＮＣ装置１０１の位置指令をサーボユニット１０２および主軸ユニット１０３に与えるためのものである。また、サーボモータ１０５は、サーボユニット１０２の制御により駆動され、直線運動または回転運動によって負荷に動力を与えるものである。また、主軸モータ１０６は、主軸ユニット１０３の制御により駆動されるものである。
【０００５】
モータ駆動用電力変換装置１０７は、交流電源１０８から交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の供給を受けて、交流／直流変換を行い、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３へ直流電圧ＶＰ、ＶＮを供給するものである。交流電源１０８は、交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３をＡＣリアクトル１０９を介してモータ駆動用電力変換装置１０７へ供給するものである。また、ＡＣリアクトル１０９は、モータ駆動用電力変換装置１０７にリアクタンスを導入するためのものである。
【０００６】
さらに、モータ駆動用電力変換装置１０７は、スイッチング機器１１０と、平滑コンデンサ１１１と、ダイオード１１２とを備えている。スイッチング機器１１０は、サーボモータ１０５および主軸モータ１０６が回転する時はその電力を交流電源１０８に返すようにスイッチングするものである。また、平滑コンデンサ１１１は、整流された直流を平滑するものである。また、ダイオード１１２は、供給された交流を直流に整流するものである。
【０００７】
上記の構成において、交流電源１０８からの交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、ＡＣリアクトル１０９を介してモータ駆動用電力変換装置１０７に供給される。供給された交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、ダイオード１１２により直流に整流される。さらに整流された直流電流は平滑コンデンサ１１１により平滑される。
【０００８】
これにより、モータ駆動用電力変換装置１０７は、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３に直流電圧ＶＰ、ＶＮを供給することができる。また、スイッチング機器１１０は、サーボモータ１０５および主軸モータ１０６が回転する時はスイッチングによりその電力を交流電源１０８に返すようすることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術である上記ＮＣシステムにおけるモータ駆動用電力変換装置１０７は、サーボモータ１０５および主軸モータ１０６へ供給する直流電圧ＶＰ、ＶＮが入力される入力電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３により決定されるので、サーボモータ１０５、主軸モータ１０６を加減速する時等、サーボモータ１０５または主軸モータ１０６の運転状況によっては、必要とする直流電圧に対してサーボユニット１０２、主軸ユニット１０３への直流電圧ＶＰ、ＶＮの供給が不足してしまうといった問題点があった。
【００１０】
また、入力電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が低下するとそれに比例して直流電源電圧ＶＰ、ＶＮも低下することになるので、サーボユニット１０２および主軸ユニット１０３への直流電圧ＶＰ、ＶＮが供給不足となる場合がある。その結果、サーボモータ１０２または主軸モータ１０３がトルク飽和を発生させてしてしまうことから、安定かつ高精度なモータ制御ができないおそれがあるといった問題点があった。
【００１１】
この発明は、上述の如き問題点に着目してなされたものであり、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータおよび主軸モータを安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能なモータ駆動用電力変換装置を得ることを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明によるモータ駆動用電力変換装置は、交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボモータの駆動を制御するサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置において、前記指令装置からの指令を入力する指令入力手段と、前記指令入力手段により入力された指令に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を予測するモータトルク・速度予測手段と、前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出する算出手段と、を備えたものである。
【００１４】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボモータの駆動を制御するサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置において、前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を入力するトルク・速度入力手段と、前記指令装置からの指令を入力する指令入力手段と、前記指令入力手段により入力された指令に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を予測するモータトルク・速度予測手段と、前記トルク・速度入力手段により入力されたトルクおよび速度と前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度とに基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出する算出手段と、を備えたものである。
【００１５】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、前記算出手段が、前記サーボモータまたは前記主軸モータを一定速度で運転する場合は、前記トルク・速度入力手段により入力されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出し、前記サーボモータまたは前記主軸モータを加減速する場合は、前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出するものである。
【００１６】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、さらに、前記算出手段により算出された直流電圧を前記サーボユニットおよび前記主軸ユニットに伝達する直流電圧伝達手段を備えたものである。
【００１７】
つぎの発明によるモータ駆動用電力変換装置は、さらに、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出して前記直流電圧を一定にする外乱検出手段を備えるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照して、この発明にかかるモータ駆動用電力変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
実施の形態１．
まず、実施の形態１によるＮＣシステムの構成について説明する。図１は、この発明の実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成を示す説明図である。
【００２１】
図１において、ＮＣシステムは、ＮＣ装置１と、サーボユニット２と、主軸ユニット３と、バスライン４と、サーボモータ５と、主軸モータ６と、斜線で示すモータ駆動用電力変換装置７と、交流電源８と、ＡＣリアクトル９とから構成される。ＮＣ装置１、サーボユニット２、主軸ユニット３、バスライン４、サーボモータ５、主軸モータ６、交流電源８、ＡＣリアクトル９は、従来技術における図１２のＮＣ装置１０１、サーボユニット１０２、主軸ユニット１０３、バスライン１０４、サーボモータ１０５、主軸モータ１０６、交流電源１０８、ＡＣリアクトル１０９と同様の構成であるので、その説明は省略する。
【００２２】
つぎに、モータ駆動用電力変換装置７の構成について説明する。図２は、実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置７の構成を示す説明図である。図２において、モータ駆動用電力変換装置７は、スイッチング機器１０と、平滑コンデンサ１１と、変圧器１２と、位相検出器１３と、電圧検出器１４と、電流検出器１５と、３相／２相変換部１６と、電流制御部１７と、２相／３相変換部１８と、ＰＷＭ制御部１９と、ベース信号出力部２０と、直流電圧検出器２１と、電圧制御部２２と、直流電圧指令作成部３０とを含む構成となっている。
【００２３】
ここで、スイッチング機器１０は、交流電源８からＡＣリアクトル９を介して供給された交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を直流電圧ＶＰ、ＶＮに変換するものである。また、平滑コンデンサ１１は、スイッチング機器１０からの出力電流のリップル成分を吸収することにより当該出力電流を平滑するものである。また、変圧器１２は、交流電源８から供給された交流電圧Ｌ１１、Ｌ１２を変圧するものである。
【００２４】
また、位相検出器１３は、変圧器１２によって変圧された電圧から電源位相θおよび電源周波数ωを検出するものである。また、電圧検出器１４は、変圧器１２によって変圧された電圧から電源電圧ＶＡＣを検出するものである。また、電流検出器１５は、供給された交流電圧から入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを検出するものである。また、３相／２相変換部１６は、位相検出器１３により検出された電源位相θを利用して、電流検出器１５により検出された入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを２相変換して、ＩｐとＩｑを得るものである。
【００２５】
また、電流制御部１７は、後述する電流指令Ｉｐ＊と上記電流Ｉｐ、および同様に後述する電流指令Ｉｑ＊と上記電流Ｉｑとによって得られた偏差量を、位相検出器１３により得られた電源周波数ωおよび電圧検出器１４により得られた電源電圧ＶＡＣを利用して電流制御するものである。
【００２６】
また、２相／３相変換部１８は、電流制御部１７により電流制御された２相の電流を位相検出器１３により得られた電源位相θを利用して３相に変換するものである。また、ＰＷＭ制御部１９は、２相／３相変換部１８により３相に変換された電流をＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御するものである。また、ベース信号出力部２０は、ＰＷＭ制御部１９によりＰＷＭ制御された電流を用いてスイッチング機器１０を制御するベース信号を生成し、そのベース信号を出力するものである。
【００２７】
また、直流電圧検出器２１は、スイッチング機器１０により変換された直流電圧ＶＰＮを検出するものである。また、電圧制御部２２は、後述する直流電圧指令作成部３０から出力される最適直流電圧ＶＰＮ＊と直流電圧検出器２１から出力される直流電圧ＶＰＮとから得られた偏差量を電圧制御し、電流指令Ｉｐ＊を出力するものである。また、直流電圧指令作成部３０は、直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊を作成し、出力するものである。直流電圧指令作成部３０の詳細な内容については後述する。
【００２８】
以上の構成において、交流電源８からＡＣリアクトル９を介して供給された交流電圧Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、スイッチング機器１０により直流電圧ＶＰ、ＶＮに変換される。また、平滑コンデンサ１１によりスイッチング機器１０からの出力電流のリップル成分を吸収し、当該出力電流を平滑する。
【００２９】
また、交流電源８から供給された交流電圧Ｌ１１、Ｌ１２により、変圧器１２を経て位相検出器１３から電源位相θおよび電源周波数ωを得るとともに、電圧検出器１４からは電源電圧ＶＡＣを得る。また、電流検出器１５からは入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを得る。つぎに、上記電源位相θを用いて入力電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴを２相変換することによりＩｐ、Ｉｑを得る。
【００３０】
つぎに、電圧制御部２２により出力される電流指令Ｉｐ＊およびＩｑ＊と上記電流Ｉｐおよび上記電流Ｉｑとの偏差をとり、位相検出器１３により得られた電源周波数ωおよび電圧検出器１４により得られた電源電圧ＶＡＣを利用してこれらの偏差量を電流制御する。さらに、電源位相θを用いて２相から３相への変換を行い、ＰＷＭ制御をした後、ベース信号を生成し、出力することにより、スイッチング機器１０を制御するものである。
【００３１】
また、上記電流指令Ｉｐ＊は、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊と直流電圧検出器２１から得られる直流電圧ＶＰＮとの偏差量を電圧制御部２２により電圧制御をして与えられる。以上の制御において、上記電流指令Ｉｑ＊を「Ｉｑ＊＝０」とすることにより、力率「１」の高効率変換がなされ、モータ駆動用電力変換装置７が供給する直流電圧は「ＶＰＮ＝ＶＰＮ＊」となる。
【００３２】
つぎに、直流電圧指令作成部３０の内容について説明する。図３は実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図３において、直流電圧指令作成部３０は、モータトルク・速度入力部３１と、最適直流電圧算出部３５とから構成される。
【００３３】
モータトルク・速度入力部３１は、サーボモータ５、主軸モータ６のトルクおよび速度を入力するものである。具体的には、バスライン４からサーボユニット２の持つサーボモータ５のトルクＴ１および速度ω１と、主軸ユニット３の持つ主軸モータ６のトルクＴ２および速度ω２とを入力する。
【００３４】
最適直流電圧算出部３５は、モータトルク・速度入力部３１により入力されたサーボモータ５のトルクＴ１および速度ω１と、主軸モータ６のトルクＴ２および速度ω２とに基づいて、直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。このように、最適直流電圧算出部３５により算出された算出結果が、直流電圧指令作成部３０により作成され、出力される直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊となる。
【００３５】
つぎに、最適直流電圧算出部３５における最適直流電圧ＶＰＮ＊の算出処理について説明する。図４は実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧制御によるモータトルク特性を示す説明図である。図４において、横軸にはサーボモータ５の速度をとり、縦軸にはサーボモータ５のトルクをとる。実線で示すＡは、直流電圧制御を行う前のサーボモータ５のトルク特性を示すモータトルク線図であり、点線で示すＢは、直流電圧制御を行った後のサーボモータ５のトルク特性を示すモータトルク線図である。
【００３６】
モータトルク線図Ａにおいて、サーボモータ５のトルクＴ１および速度ω１がモータトルク線図Ａのトルク特性の領域以外である場合、すなわちモータトルク線図Ａよりも外側にはみ出した曲線部分（速度ω１およびトルクＴ１がともに大きくなっている部分）がある場合は、トルク飽和を起こしてトルク不足となっていることを示している。この場合に、サーボモータ５の駆動を制御するのに最適なサーボモータ最適直流電圧ＶＰＮ＊１を増加するような直流電圧制御を行うことによりトルク特性をモータトルク線図Ａからモータトルク線図Ｂへ変更する。
【００３７】
これにより、上記曲線部分がモータトルク線図Ｂよりも外側にはみ出していない状態になったので、サーボモータ５がトルクＴ１を出力することができるようになる。また、サーボモータ５の速度ω１が一定の場合は、トルクを必要としないので、サーボモータ最適直流電圧ＶＰＮ＊１を減少させることができる。
【００３８】
以上の処理を主軸モータ６においても同様に行い、主軸モータ６の駆動を制御するのに最適な主軸モータ最適直流電圧ＶＰＮ＊２を得る。そこで最適直流電圧算出部３５は、サーボモータ最適直流電圧ＶＰＮ＊１と主軸モータ最適直流電圧ＶＰＮ＊２とを比較し、両者のうち大きい電圧を最適直流電圧ＶＰＮ＊として算出する。これにより、つねに大きい方が最適直流電圧ＶＰＮ＊となるので、サーボモータ５および主軸モータ６がトルク不足となることを回避することができる。
【００３９】
以上説明したように、実施の形態１のモータ駆動用電力変換装置７によれば、サーボモータ５や主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出するため、入力電圧に依存することなくサーボモータ５および主軸モータ６を安定かつ高精度で駆動制御するための最適な直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３へ供給することができる。
【００４０】
さらに、上述のように、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニット２および主軸ユニット３が動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することができる。
【００４１】
実施の形態２．
さて、上述した実施の形態１では、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出するようにしたが、以下に説明する実施の形態２のように、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出するようにしてもよい。
【００４２】
実施の形態２によるＮＣシステムの構成およびモータ駆動用電力変換装置７の構成については、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図１のＮＣシステムおよび図２のモータ駆動用電力変換装置７の構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００４３】
つぎに、直流電圧指令作成部３０について説明する。図５はこの発明の実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図５において、直流電圧指令作成部３０は、ＮＣ指令入力部３２と、モータトルク・速度予測部３３と、最適直流電圧算出部３５とから構成される。
【００４４】
ＮＣ指令入力部３２は、ＮＣ装置１からの位置指令を入力するものである。具体的には、バスライン４からサーボユニット２に対する位置指令をＦ１とし、バスライン４からの主軸ユニット３に対する位置指令をＦ２とし、これらのＦ１およびＦ２を入力するものである。
【００４５】
モータトルク・速度予測部３３は、ＮＣ指令入力部３２により入力された位置指令Ｆ１、Ｆ２に基づいてサーボモータ５および主軸モータ６のトルクおよび速度を予測するものである。具体的には、サーボモータ５の予測トルクＴ’１および予測速度ω’１、主軸モータ６の予測トルクＴ’２および予測ω’２を位置指令Ｆ１、Ｆ２から後述する所定の式を利用して算出することにより予測をする。
【００４６】
つぎに、モータトルク・速度予測部３３によるサーボモータ５または主軸モータ６の予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２の予測処理について説明する。図６は実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置７のＮＣ装置１からの位置指令Ｆ１とサーボモータ５のモータ速度ω１とサーボモータ５のトルクＴ１との関係を示す説明図である。図６において説明図（ａ）は、横軸には時間をとり、縦軸には位置指令Ｆ１をとる。また、説明図（ｂ）は、横軸には時間をとり、縦軸にはサーボモータ５の速度ω１をとる。また、説明図（ｃ）は、横軸には時間をとり、縦軸にはトルクＴ１をとるものである。
【００４７】
説明図（ａ）において、時間ｔ１において位置指令Ｆ１が出力されており、その位置指令Ｆ１に基づいて、説明図（ｂ）おいて、サーボモータ５の速度ω１が上昇し、時間ｔ２において、速度ω１が一定となり、時間ｔ３から速度ω１が下降し、時間ｔ４において、速度ω１が「０」となる（サーボモータ５が停止する）。
【００４８】
これに伴って、説明図（ｃ）において、サーボモータ５のトルクＴ１は、時間ｔ１から曲線を描いて上昇し、途中でピークとなった後は下降し、時間ｔ２においてトルクＴ１は「０」になり、速度ω１が一定となっている時間ｔ２〜ｔ３の間は、トルクＴ１は「０」のままである。時間ｔ３から速度ω１が下降するに伴って、時間ｔ１〜ｔ２までとは反対にマイナスのトルクが時間ｔ１〜ｔ２において描いた曲線と同様の曲線を描くように発生し、時間ｔ４において、再びトルクＴ１は「０」になる。
【００４９】
モータトルク・速度予測部３３は、図６の説明図に基づいて、サーボモータ５の予測トルクＴ’１および予測速度ω’１を下式を利用して算出する。なお、Ｊ１はサーボモータと負荷の総イナーシャである。
【００５０】
ω’１＝ｄＦ１／ｄｔ
Ｔ’１＝Ｊ１＊ｄω’１／ｄｔ
【００５１】
主軸モータ６の予測トルクＴ’２および予測速度ω’２についても同様の方法によって算出する。
【００５２】
最適直流電圧算出部３５は、モータトルク・速度予測部３３により予測されたサーボモータ５の予測トルクＴ’１および予測速度ω’１と、主軸モータ６の予測トルクＴ’２および予測速度ω’２とに基づいて直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出するものである。このように、最適直流電圧算出部３５により算出された算出結果が、直流電圧指令作成部３０により作成され、出力される直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊となる。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態２によれば、加減速時のように位置指令に対してサーボモータ５、主軸モータ６の応答が遅れる場合でも、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出するため、サーボモータ５または主軸モータ６の運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータ５および主軸モータ６を実施の形態１よりさらに安定かつ高精度で駆動制御するための最適な直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３へ供給することができる。
【００５４】
また、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニット２および主軸ユニット３が動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することができる。
【００５５】
実施の形態３．
さて、上述した実施の形態１または２では、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を供給するか、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を供給するかのいずれか一方のみであったが、以下に説明する実施の形態３のように、それらの両方を用いて最適な直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００５６】
実施の形態３によるＮＣシステムの構成およびモータ駆動用電力変換装置７の構成については、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図１のＮＣシステムおよび図２のモータ駆動用電力変換装置７の構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００５７】
つぎに、直流電圧指令作成部３０について説明する。図７はこの発明の実施の形態３によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図７において、直流電圧指令作成部３０は、モータトルク・速度入力部３１と、ＮＣ指令入力部３２と、モータトルク・速度予測部３３と、最適直流電圧算出部３５とから構成される。
【００５８】
ここで、モータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３の各構成部は、実施の形態１または実施の形態２のモータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３と同様であるので、その説明は省略する。
【００５９】
最適直流電圧算出部３５は、モータトルク・速度入力部３１により入力されたトルクＴ１、Ｔ２および速度ω１、ω２と、モータトルク・速度予測部３３により予測された予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２とに基づいてサーボモータ５または主軸モータ６の駆動を制御するのに最適な直流電圧である最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。
【００６０】
特に、サーボモータ５および主軸モータ６の回転が一定の場合、すなわちＮＣ装置１からの位置指令Ｆ１およびＦ２が一定速度である場合は、モータトルク・速度入力部３１により得られるトルクＴ１、Ｔ２および速度ω１、ω２から最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。一方、サーボモータ５または主軸モータ６の回転が加減速の場合、すなわちＮＣ装置１からの位置指令Ｆ１またはＦ２が加減速である場合は、モータトルク・速度予測部３３によってトルクおよび速度を予測し、予測された予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２から最適直流電圧ＶＰＮ＊を算出する。
【００６１】
以上説明したように、実施の形態３によれば、サーボモータ５および主軸モータ６を一定速度で運転する場合はサーボモータ５および主軸モータ６のトルクＴ１、Ｔ２および速度ω１、ω２に基づいて最適直流電圧を算出し、サーボモータ５または主軸モータ６を加減速する場合はＮＣ装置１からの位置指令から予測される予測トルクＴ’１、Ｔ’２および予測速度ω’１、ω’２に基づいて最適な直流電圧を算出することから、サーボモータ５または主軸モータ６の運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータ５および主軸モータ６を実施の形態２よりもさらに安定かつ高精度で駆動制御するための最適な直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３へ供給することができる。
【００６２】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニット２および主軸ユニット３が動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することができる。
【００６３】
実施の形態４．
さて、上述した実施の形態１〜３では、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令により、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出するか、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出するか、またはそれらの両方を用いて最適な直流電圧を算出するようにしたが、以下に説明する実施の形態４のように、さらに、最適直流電圧算出部３５により算出された直流電圧をサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達する直流電圧伝達部３４を備えるようにしてもよい。
【００６４】
実施の形態４によるＮＣシステムの構成およびモータ駆動用電力変換装置７の構成については、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図１のＮＣシステムおよび図２のモータ駆動用電力変換装置７の構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００６５】
つぎに、直流電圧指令作成部３０について説明する。図８はこの発明の実施の形態４によるモータ駆動用電力変換装置７の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。図８において、直流電圧指令作成部３０は、モータトルク・速度入力部３１と、ＮＣ指令入力部３２と、モータトルク・速度予測部３３と、最適直流電圧算出部３５と、さらに、直流電圧伝達部３４とから構成される。
【００６６】
ここで、モータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３、最適直流電圧算出部３５の各構成部は、実施の形態１〜３のモータトルク・速度入力部３１、ＮＣ指令入力部３２、モータトルク・速度予測部３３、最適直流電圧算出部３５の各構成部と同様であるので、その説明は省略する。
【００６７】
直流電圧伝達部３４は、最適直流電圧算出部３５により算出された直流電圧ＶＰＮ＊をサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達するものである。具体的には、直流電圧伝達部３４は最適直流電圧ＶＰＮ＊をバスライン４にてサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達する。また、直流電圧伝達部３４は最適直流電圧ＶＰＮ＊に応じた電流ループゲインをサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達する。
【００６８】
以上説明したように実施の形態４によれば、最適な直流電圧ＶＰＮ＊をサーボユニット２および主軸ユニット３に伝達するため、サーボモータ５および主軸モータ６は入力電圧に依存することなく電流ループ帯域を一定に保つことができる。
【００６９】
実施の形態５．
さて、上述した実施の形態１〜４では、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令により、サーボモータ５、主軸モータ６の現状の運転状況に応じた直流電圧を算出して供給するか、サーボモータ５、主軸モータ６が応答する前にＮＣ装置１の位置指令からサーボモータ５、主軸モータ６の挙動を予測して最適な直流電圧を算出して供給するか、またはそれらの両方を用いて最適な直流電圧を算出して供給するようにしたが、以下に説明する実施の形態５のように、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出する外乱オブザーバ４０により直流電圧を一定に保つようにしてもよい。
【００７０】
実施の形態５によるＮＣシステムの構成については、実施の形態１の図１のＮＣシステムの構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００７１】
つぎに、モータ駆動用電力変換装置７の構成について説明する。図９はこの発明の実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置７の構成を示す説明図である。図９において、直流電圧指令作成部３０を除き、実施の形態１の図２のモータ駆動用電力変換装置７と同様の構成であるので、同様の構成部は同一の符号を付してその説明は省略する。さらに、図９に示すように、モータ駆動用電力変換装置７は、以下に説明する外乱オブザーバ４０を含む構成となっている。
【００７２】
外乱オブザーバ４０は、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出して直流電圧を一定にするものである。具体的には、外乱オブザーバ４０は直流電圧ＶＰＮと電圧制御部２２により出力される電流指令Ｉｐ＊とを入力し、直流電圧ＶＰＮと電流指令Ｉｐ＊を用いて外乱による変動を検出して、その変動に相当する外乱オブザーバ電流指令Ｉｑｏをフィードフォワードで与えることにより直流電圧を一定にするものである。
【００７３】
つぎに、外乱オブザーバ４０の構成について詳細に説明する。図１０は実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置７の外乱オブザーバ４０の構成を示す説明図である。図１０において、外乱オブザーバ４０は、電流算出部４１と、ローパスフィルタ４２と、オブザーバゲイン部４３とを含む構成となっている。
【００７４】
電流算出部４１は、入力された直流電圧ＶＰＮを微分して、さらに平滑コンデンサ１１の容量Ｃを乗じることにより直流電圧ＶＰＮに相当する電流であるＩｐＰＮを算出するものである。また、ローパスフィルタ４２は、電圧制御部２２により出力された電流指令Ｉｐ＊と、電流算出部４１により算出された電流ＩｐＰＮとの偏差量のうち、低周波部分だけを低減衰で通過させるフィルタである。また、オブザーバゲイン部４３は、ローパスフィルタ４２により通過した偏差量に対してオブザーバゲインを乗じて外乱を抑制するための外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏを出力するものである。
【００７５】
外乱オブザーバ４０は、まず、入力された直流電圧ＶＰＮを微分して平滑コンデンサ１１の容量Ｃを乗じることにより得られる直流電圧ＶＰＮに相当する電流ＩｐＰＮと、電圧制御部２２から入力された電流指令Ｉｐ＊との偏差をとる。ここで、外乱がない場合は偏差量が「０」となり、外乱は発生していないことがわかる。一方、外乱がある場合は偏差が発生するので、この偏差量をローパスフィルタ４２を経てオブザーバゲインを乗じて外乱を抑制するための外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏを出力する。
【００７６】
これにより、外乱が発生している場合のみ、外乱オブザーバ４０から外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏが出力される。出力された外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏは、３相／２相変換部１６により得られたＩｐとの偏差をとる。
【００７７】
以上説明したように、実施の形態５によれば、外乱オブザーバ４０から出力される電流指令Ｉｐｏにより直流電圧を一定に保つようにしたので、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が生じても、実施の形態３よりもさらに安定した直流電圧を供給することができる。
【００７８】
実施の形態６．
さて、上述した実施の形態１〜５では、直流電圧指令作成部３０から出力される直流電圧指令により最適な直流電圧を算出して供給するか、または、外乱オブザーバ４０を用いて入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出することにより直流電圧を一定に保つようにするかのいずれか一方のみであったが、以下に説明する実施の形態６のように、それらの両方を用いて最適な直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００７９】
実施の形態６によるＮＣシステムの構成については、実施の形態１の図１のＮＣシステムの構成と同様であるので、その説明は省略する。
【００８０】
つぎに、モータ駆動用電力変換装置７の構成について説明する。図１１はこの発明の実施の形態６によるモータ駆動用電力変換装置７の構成を示す説明図である。図１１において、実施の形態１の図２のモータ駆動用電力変換装置７または実施の形態５の図９のモータ駆動用電力変換装置７と同様の構成部は同一の符号を付してその説明は省略する。モータ駆動用電力変換装置７は、直流電圧指令作成部３０と、外乱オブザーバ４０の両方を備えている。
【００８１】
ここで、直流電圧指令作成部３０は、実施の形態１〜４における直流電圧指令作成部３０と同様の構成であるので、その説明は省略する。また、外乱オブザーバ４０に入力される電流指令Ｉｐ＊は、直流電圧指令作成部３０から出力されたＶＰＮ＊を電圧制御部２２により電圧制御することにより出力されたものである。この点を除き、外乱オブザーバ４０は、実施の形態５における外乱オブザーバ４０と同様の構成であるので、その説明は省略する。
【００８２】
直流電圧指令作成部３０からは直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊が出力され、外乱オブザーバ４０からは外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏが出力される。モータ駆動用電力変換装置７は、直流電圧指令である最適直流電圧ＶＰＮ＊と外乱オブザーバ電流指令Ｉｐｏの両方の指令に基づいた直流電圧ＶＰ、ＶＮをサーボユニット２および主軸ユニット３に供給するものである。具体的には、ＩｐとＩｐ＊とＩｐｏとの偏差をとり、その偏差量を電流制御部１７においてＩｑとＩｑ＊との偏差量とともに電流制御する。以降は実施の形態１で説明した手順と同様の手順でスイッチング機器１０を制御することにより、モータ駆動用電力変換装置７は直流電圧ＶＰ、ＶＮをサーボユニット２および主軸ユニット３に供給する。
【００８３】
以上説明したように、実施の形態６によれば、入力電圧に依存することなくサーボモータ５および主軸モータ６を安定かつ高精度で駆動することができるとともに、外乱オブザーバ４０を用いて入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出することにより直流電圧を一定に保つようにしたので、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が生じても、実施の形態５よりもさらに安定した直流電圧を供給することができる。
【００８６】
【発明の効果】
この発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、加減速時のように位置指令に対してサーボモータ、主軸モータの応答が遅れる場合でも、サーボモータ、主軸モータが応答する前に指令装置の位置指令からサーボモータおよび主軸モータの挙動を予測して最適な直流電圧を算出するため、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００８７】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【００８８】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、サーボモータ、主軸モータの現状の運転状況に応じた直流電圧の算出と、サーボモータ、主軸モータが応答する前に指令装置の指令からサーボモータ、主軸モータの挙動を予測して最適な直流電圧の算出とを行うことができるため、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなく、サーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００８９】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【００９０】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、サーボモータおよび主軸モータを一定速度で運転する場合はサーボモータおよび主軸モータのトルクおよび速度から得られる最適な直流電圧を算出し、サーボモータまたは主軸モータを加減速する場合は位置指令から予測される最適な直流電圧を算出することから、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなくサーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００９１】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【００９２】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットに伝達するため、サーボモータおよび主軸モータは入力電圧に依存することなく電流ループ帯域を一定に保つことが可能である。
【００９３】
さらに、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が発生しても、それらの外乱を検出して直流電圧を一定に保つため、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が生じても安定した直流電圧を供給することが可能である。
【００９４】
さらに、サーボモータ、主軸モータを一定速度で運転する場合はサーボモータおよび主軸モータのトルクおよび速度から得られる最適な直流電圧を算出し、サーボモータまたは主軸モータを加減速する場合は位置指令から予測される最適な直流電圧を算出することから、サーボモータまたは主軸モータの運転状況あるいは入力電圧に依存することなくサーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をするための最適な直流電圧をサーボユニットおよび主軸ユニットへ供給することが可能である。
【００９５】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であり、サーボユニットおよび主軸ユニットは伝達される直流電圧に応じてキャリアを下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスをより低減して、電力を節減ることが可能である。
【００９６】
つぎの発明にかかるモータ駆動用電力変換装置によれば、入力電圧変動、負荷変動等の外乱が発生しても直流電圧を一定に保つため、入力電圧変動、負荷変動等の外乱に影響を受けることなく、安定した直流電圧を供給することが可能である。
【００９７】
さらに、サーボモータおよび主軸モータを一定速度で運転する場合はサーボモータおよび主軸モータのトルクおよび速度から得られる最適な直流電圧を算出して供給し、サーボモータまたは主軸モータを加減速する場合は位置指令から予測される最適な直流電圧を算出して供給することから、入力電圧に依存することなくサーボモータおよび主軸モータをより安定かつ高精度で駆動制御をすることが可能である。
【００９８】
さらに、一定速度でトルクを必要としない場合は直流電圧を下げることが可能であるため、サーボユニットおよび主軸ユニットが動作する際のスイッチングロスを低減して、電力を節減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成を示す説明図である。
【図２】 実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置の構成を示す説明図である。
【図３】 実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部３０の構成を示す説明図である。
【図４】 実施の形態１によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧制御によるモータトルク特性を示す説明図である。
【図５】 この発明の実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部の構成を示す説明図である。
【図６】 実施の形態２によるモータ駆動用電力変換装置のＮＣ装置からの位置指令とサーボモータのモータ速度とサーボモータのトルクとの関係を示す説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態３によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部の構成を示す説明図である。
【図８】 この発明の実施の形態４によるモータ駆動用電力変換装置の直流電圧指令作成部の構成を示す説明図である。
【図９】 この発明の実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置の構成を示す説明図である。
【図１０】 実施の形態５によるモータ駆動用電力変換装置の外乱オブザーバの構成を示す説明図である。
【図１１】 この発明の実施の形態６によるモータ駆動用電力変換装置の構成を示す説明図である。
【図１２】 従来におけるモータ駆動用電力変換装置を含むＮＣシステムの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ＮＣ装置、２ サーボユニット、３ 主軸ユニット、４ バスライン、５サーボモータ、６ 主軸モータ、７ モータ駆動用電力変換装置、８ 交流電源、９ ＡＣリアクトル、１０ スイッチング機器、１１ 平滑コンデンサ、１２ 変圧器、１３ 位相検出器、１４ 電圧検出器、１５ 電流検出器、１６ ３相／２相変換部、１７ 電流制御部、１８ ２相／３相変換部、１９ ＰＷＭ制御部、２０ ベース信号出力部、２１ 直流電圧検出器、２２ 電圧制御部、３０ 直流電圧指令作成部、３１ モータトルク・速度入力部、３２ ＮＣ指令入力部、３３ モータトルク・速度予測部、３４ 直流電圧伝達部、３５ 最適直流電圧算出部、４０ 外乱オブザーバ、４１ 電流算出部、４２ ローパスフィルタ、４３ オブザーバゲイン部。
Claims (5)
- 交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボモータの駆動を制御するサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置において、
前記指令装置からの指令を入力する指令入力手段と、
前記指令入力手段により入力された指令に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を予測するモータトルク・速度予測手段と、
前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とするモータ駆動用電力変換装置。 - 交流電源から電力供給を受けて、交流電力を直流電力に変換し、指令装置からの指令に基づいてサーボモータの駆動を制御するサーボユニットまたは主軸モータの駆動を制御する主軸ユニットへ直流電圧を供給するモータ駆動用電力変換装置において、
前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を入力するトルク・速度入力手段と、
前記指令装置からの指令を入力する指令入力手段と、
前記指令入力手段により入力された指令に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータのトルクおよび速度を予測するモータトルク・速度予測手段と、
前記トルク・速度入力手段により入力されたトルクおよび速度と前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度とに基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とするモータ駆動用電力変換装置。 - 前記算出手段は、前記サーボモータまたは前記主軸モータを一定速度で運転する場合は、前記トルク・速度入力手段により入力されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出し、前記サーボモータまたは前記主軸モータを加減速する場合は、前記モータトルク・速度予測手段により予測されたトルクおよび速度に基づいて前記サーボモータまたは前記主軸モータの駆動を制御するのに最適な直流電圧を算出することを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動用電力変換装置。
- さらに、前記算出手段により算出された直流電圧を前記サーボユニットおよび前記主軸ユニットに伝達する直流電圧伝達手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のモータ駆動用電力変換装置。
- さらに、入力電圧変動、負荷変動等の外乱による変動を検出して前記直流電圧を一定にする外乱検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載されたモータ駆動用電力変換装置。
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