JP3836271B2

JP3836271B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP3836271B2
Application number: JP09179299A
Authority: JP
Inventors: 雅哉南出; 光明足立
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000287474A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、直流電圧をＰＷＭ制御するインバータを用いた、モータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。このモータ制御装置は、交流電源１、コンバータ部２、インバータ部３、モータ４、位置検出器５、コンバータ制御部６、インバータ制御部７及び数値制御部８から構成されている。また、コンバータ部２の出力には、直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１１が接続されている。
コンバータ制御部６は、コンバータ部２の直流出力電圧Ｖｄｃを検出しており、検出値が目標値を下回った場合には、直流出力電圧Ｖｄｃを昇圧させる制御をする。インバータ制御部７は、数値制御部８から供給された位置指令値ＭＰに対し、加減速処理部９にてスムージング処理を行い、位置指令値ＭＰＡを作成する。次に位置・速度指令部１０は、位置指令値ＭＰＡと位置検出器５から得られた位置検出値ＭＳによりトルク指令値ＭＴを生成する。インバータ制御部７は、トルク指令値ＭＴによってインバータ部３の動作を制御することで、モータ４を駆動制御する。なお、位置検出器５は、モータ４の移動量を検出するものであり、ここで検出される位置検出値ＭＳを位置・速度制御部１０に供給することにより、モータ４がフィードバック制御されている。
【０００３】
図７は、コンバータ制御部６の具体例を示すブロック図である。コンバータ制御部６は、基準電源６２、減算器６３、増幅器６４、変換器６５、乗算器６６、減算器６７、増幅器６８及びＰＷＭ制御回路６９から構成されている。
基準電源６２は、直流出力電圧Ｖｄｃの目標電圧となる設定値であり、減算器６３において、この目標電圧から直流出力電圧Ｖｄｃの検出値が引き算され、電圧偏差信号が得られる。電圧偏差信号は、増幅器６４にて増幅され、直流電流指令が作成される。
また、変換器６５では、３相交流電圧の線間電圧波形が相電圧波形に変換され、３相交流電源電圧と同位相、同周波数の交流信号を作成する。この交流信号に上記直流電流指令を乗算器６６にて乗算し、交流電流指令が作成される。交流電流指令は、減算器６７にて、電流検出器１３で検出された電流検出値を引き算され、さらに増幅器６８にて増幅され、交流電圧指令とされる。交流電圧指令は、ＰＷＭ制御回路６９に入力され、ＰＷＭ制御回路６９はＰＷＭ制御によりコンバータ２を駆動制御する。
【０００４】
図８は、図６に示すモータ制御装置におけるモータの最大出力トルク曲線を表したものである。モータの出力トルクは、電源電圧とモータの誘起電圧の差が小さくなる高速領域では減少傾向を示す。その結果、モータの最大出力トルク曲線は、モータ回転数がＮａ［ｒｐｍ］を越えたところから減少する。また、図６に示すモータ制御装置において、モータ回転数指令を最高回転数Ｎｍａｘとする場合には、トルク指令値ＭＴをモータの最大出力トルク曲線以下となるように決定する必要がある。
【０００５】
図９は、図６に示すモータ制御装置において、モータ回転数指令を最高回転数Ｎｍａｘとして、等加速度となる加速処理を行った場合のモータ回転数波形である。ここで、加速時間Ｔ(Ｔｑ)とモータの出力トルクＴｑとの間には、下記数１の関係がある。
【数１】
Ｔｑ＝Ｊ×(２×π×Ｎｍａｘ/６０)/Ｔ(Ｔｑ)＋Ｄ
Ｔｑ：モータトルク［ｋｇ・ｃｍ］
Ｊ：総イナーシャ［ｋｇ・ｃｍ・ｓｅｃ²］
Ｎｍａｘ：モータ最高回転数［ｒｐｍ］
Ｄ：摩擦トルク［ｋｇ・ｃｍ］
また、数１を変形すると、下記数２になる。
【数２】
Ｔ(Ｔｑ)＝Ｊ×(２×π×Ｎｍａｘ/６０)/(Ｔｑ−Ｄ)
ここで、トルク指令ＭＴは、モータの最大トルク曲線以下となるように加速時間Ｔ(Ｔｑ)を決定する必要があるため、加速時間は下記数３となる。
【数３】
Ｔ(Ｔｑｍｉｎ)＝Ｊ×(２×π×Ｎｍａｘ/６０)/(Ｔｑｍｉｎ−Ｄ)
この時、モータの出力トルク曲線は、図８に示す太線のようになる。
【０００６】
下記数４は、図６に示すモータ制御装置における平滑コンデンサの寿命算出式である。平滑コンデンサ１１の寿命は、コンデンサに流れるリップル電流により発熱するコンデンサの中心部温度上昇値とコンデンサの使用電圧値により決定される。すなわち、平滑コンデンサ１１の寿命を長くする場合は、可能な限り使用電圧を低くすれば良い。
【数４】
Ｌｎ１＝Ｌｎ０×２＊＊｛(Ｔ０−Ｔ１)/１０｝×(Ｖ０/Ｖ１)＊＊ｎ
＊＊：指数（例えば、２＊＊２＝２²）
Ｌｎ１：コンデンサ寿命［ｈ］
Ｌｎ０：メーカ保証寿命［ｈ］
Ｔ１：コンデンサ中心部温度［℃］
Ｔ０：コンデンサ定格温度［℃］
Ｖ１：コンデンサ使用電圧［Ｖ］
Ｖ０：コンデンサ定格電圧［Ｖ］
ｎ：電圧係数（ｎ＞１）
【０００７】
下記数５は、図６に示すモータ制御装置におけるインバータ部３のスイッチング損失算出式である。スイッチング損失は、直流電圧とスイッチング周波数により、決定される。すなわち、スイッチング損失を小さくする場合は、可能な限り直流電圧を低くすれば良い。
【数５】
Ｐ１＝Ｖ１×Ｉ×Ｔ×Ｆ
Ｐ１：スイッチング損失［Ｗ］
Ｖ１：直流電圧［Ｖ］
Ｉ：直流電流［Ａ］
Ｔ：スイッチング時間［ｓｅｃ］
Ｆ：スイッチング周波数［Ｈｚ］
【０００８】
図１０は、図６に示すモータ制御装置のコンバータ部２の入力側に、三相昇圧トランス１２を新たに設置したモータ制御装置を示すブロック図であり、図６と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。三相昇圧トランス１２は、入力する交流電圧を常時昇圧し、コンバータ部２を介してインバータ部３に供給する。
【０００９】
図１１は、図１０に示すモータ制御装置におけるモータの最大出力トルク曲線を表したものである。図１１は、図８と比較して、モータの最大出力トルク曲線がモータの高速領域においても減少しないため、トルク指令値の上限をモータの最大出力トルク曲線のＴｑｍａｘまで増加できる。
【００１０】
図１２は、図１０に示すモータ制御装置において、モータ回転数指令を最高回転数Ｎｍａｘとして、等加速度となるように加減速処理を行った場合のモータ回転数波形である。この場合の加速時間は、下記数６になる。
【数６】
Ｔ(Ｔｑｍａｘ)＝Ｊ×(２×π×Ｎｍａｘ/６０)/(Ｔｑｍａｘ−Ｄ)
このとき、モータの出力トルク曲線は、図１１に示す太線のようになる。
また、図８、図１０より、数３、数６におけるモータトルクは下記数７の大小関係にある。
【数７】
Ｔｑｍｉｎ＜Ｔｑｍａｘ
したがって、これより算出される加速時間は、下記数８の大小関係となる。
【数８】
Ｔ(Ｔｑｍｉｎ)＞Ｔ(Ｔｑｍａｘ)
【００１１】
下記数９、数１０は、図１０に示すモータ制御装置における平滑コンデンサ１１の寿命とインバータ部３のスイッチング損失を表したものである。三相昇圧トランスにより交流電圧を昇圧した結果、直流電圧が上昇するため、平滑コンデンサの寿命Ｌｎ２は、図６に示すモータ制御装置のＬｎ１よりも短くなり、インバータ部のスイッチング損失Ｐ２は、図６に示すモータ制御装置におけるスイッチング損失Ｐ１よりも大きくなる。
【数９】
Ｌｎ１＞Ｌｎ２＝Ｌ０×２＊＊｛(Ｔ０−Ｔ１)/１０｝×(Ｖ０/Ｖ２)＊＊ｎ
但し、Ｖ２＞Ｖ１
【数１０】
Ｐ１＜Ｐ２＝Ｖ２×Ｉ×Ｔ×Ｆ
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のモータ制御装置は、モータの高速領域のトルク低下に合わせて加速カーブを決定するため、加速時間が長くなり、その結果、加工時間が長くなるという問題点があった。また、この問題を解決する手段として、コンバータ部の入力に三相昇圧トランスを設置して常時電圧を昇圧するという試みもなされている。しかし、この場合には、モータの高速領域のトルク低下は改善され、加速時間は短くなるものの、常時直流電圧が上昇しているため、インバータ部に設けられた複数のスイッチングトランジスタのスイッチング損失が大きくなり、平滑コンデンサの寿命が短くなるという問題があった。
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、モータの高速領域のトルク低下を改善し、且つインバータ部のスイッチング損失が小さく、平滑コンデンサの寿命が長いモータ制御装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力された交流電圧指令に応じて、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧の検出値が前記直流電圧の目標値を下回る場合に前記目標値まで前記直流電圧を昇圧させるコンバータ制御部とを備え、前記直流電圧をインバータに供給し、位置指令及び位置検出値から演算されたトルク指令に基づいて前記インバータの動作を制御することでモータを制御するモータ制御装置に関し、本発明の上記目的は、
前記モータの力行状態を検出して力行状態検出信号を出力する力行検出手段と、前記モータの回転数が予め設定された回転数を超えたことを検出して回転数超過検出信号を出力する回転数検出手段と、前記モータのトルクが予め設定されたトルクを超えたことを検出してトルク超過検出信号を出力するトルク検出手段と、前記力行検出手段からの前記力行状態検出信号、前記回転数検出手段からの前記回転数超過検出信号、前記トルク検出手段からのトルク超過検出信号が全て入力された場合に、前記コンバータ制御部に昇圧指令を送る昇圧指令手段とを備え、前記コンバータ制御部は、前記昇圧指令が入力された場合に、前記直流電圧を昇圧基準電源の電圧まで昇圧させることによって達成される。
このように、本発明では、前記力行検出手段、前記回転数検出手段及び前記トルク検出手段のそれぞれの検出信号に基づいて直流電圧を昇圧するので、インバータ部のスイッチング損失を大きくすることなく、また、平滑コンデンサの寿命を短くすることなく、加速時間を短くするモータ制御装置を容易に実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の一例を示すモータ制御装置のブロック図であり、図６から図１２に示す従来例と同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。本実施形態に係わるモータ制御装置では、インバータ制御部７Ａにおいて、モータ回転方向判別部７０、トルク極性判別部７１、絶対値処理部７２、回転数演算部７３、力行状態判定部７４、トルク比較器７５、回転数比較器７６、昇圧指令部７７が追加されている。
モータ回転方向判別部７０は、位置検出器５から得られる位置検出値ＭＳが増加又は減少することに基づいてモータの回転方向（ＣＷ又はＣＣＷ）を判別し、判別信号を力行状態判定部７４へ供給する。トルク極性判別部７１は、位置・速度制御部１０から得られたトルク指令値ＭＴがプラス（＋）であるかマイナス（−）であるかの極性判別を行い、判別信号を力行状態判定部７４に供給する。力行状態判定部７４は、モータ回転方向判別部７０から得られるモータ４の回転方向とトルク極性判別部７１から得られるトルク指令値ＭＴの極性に基づいてモータ４が力行状態にあるか回生状態にあるかを判定し、力行状態である場合は、力行状態検出信号を昇圧指令部７７に出力する。
例えば、モータ４の回転方向がＣＷでトルク指令値ＭＴがプラス（＋）の場合とモータ４の回転方向がＣＣＷでトルク指令値ＭＴがマイナス（−）の場合は力行状態と判定し、力行状態検出信号を昇圧指令部７７に出力する。逆に、モータ４の回転方向がＣＷでトルク指令値ＭＴがマイナス（−）の場合とモータ４の回転方向がＣＣＷでトルク指令値ＭＴがプラス（＋）の場合は回生状態と判定し、力行状態検出信号を昇圧指令部７７に出力しない。
絶対値処理部７２は、位置・速度制御部１０から得られたトルク指令値ＭＴを絶対値化し、トルク指令ＭＴの絶対値をトルク比較器７５へ供給する。トルク比較器７５は、絶対値処理部７２から得られたトルク指令値ＭＴの絶対値と数値制御部８から得られた設定値を比較し、モータトルクが設定値を超えていた場合には、検出信号を昇圧指令部７７に供給する。
回転数演算部７３は、位置検出器５から得られる位置検出値ＭＳによりモータ回転数を演算し、演算したモータ回転数を回転数比較器７６に供給する。回転数比較器７６は、回転数演算部７３から得られたモータ回転数と数値制御部８から得られた設定値を比較し、モータ回転数が設定値を超えた場合は、検出信号を昇圧指令部７７に供給する。
昇圧指令部７７は、上記３つの検出信号が全て入力された場合に、コンバータ制御部６に昇圧指令を送る。
図２は、他の実施形態の一例を示すモータ制御装置のブロック図である。本実施形態に係わるモータ制御装置では、インバータ制御部７Ｂにおいて、モータ回転方向判別部７０、トルク極性判別器７１、力行状態判定部７４、昇圧指令部７７が追加されている。本実施例では、モータトルクとモータ回転数に関係なく、モータが力行状態である場合には必ず直流電圧が昇圧される。
【００１５】
図３は、図１に示すモータ制御装置のコンバータ制御部６Ａの内部回路を示すブロック図である。ここで、図７に示すコンバータ制御部６における同一構成箇所は同符号を付して説明を省略する。本実施形態に係わるモータ制御装置では、コンバータ制御部６Ａにおいて、昇圧基準電源６０、切替スイッチ６１が追加されている。切替スイッチ６１は、昇圧基準電源６０が有効の時、基準電源６２が無効に、昇圧基準電源６０が無効の時、基準電源６２が有効となるように動作する。また、切替スイッチ６１は、コンバータ制御部に昇圧指令が入力された場合は、昇圧基準電源６０が有効となるように動作し、昇圧指令が無くなった場合には、基準電源６２が有効となるように動作する。
【００１６】
図４は、図１に示すモータ制御装置におけるモータの最大出力トルク曲線を表したものである。本実施形態のモータ制御装置では、モータ回転指令が発生し、モータが加速状態にある時に、モータトルクが設定トルクＴｑｓｅｔを越え、モータ回転数が設定回転数Ｎｓを越えた時、すなわち斜線部分において、直流電圧を昇圧するので、モータの最大出力トルクが高速領域でもＴｑｍａｘとなる。
図５は、図１に示すモータ制御装置において、モータ回転数指令を最高回転数Ｎｍａｘとして、等加速度となる加減速処理を行った場合のモータ回転数波形である。ここで、加速時間Ｔ(Ｔｑ)とモータ出力トルクＴｑとの間には、上記数６の関係がある。
【００１７】
下記数１１、数１２は、図１に示すモータ制御装置における平滑コンデンサの寿命とインバータ部のスイッチング損失をそれぞれ表したものである。図１に示すモータ制御装置では、昇圧する時間が加速時の限られた時間だけなので、平滑コンデンサの寿命Ｌｎ３、スイッチング損失Ｐ３共に、図６に示す従来のモータ制御装置における値とほぼ同等となる。
【数１１】

【数１２】
Ｐ３＝Ｖ３×Ｉ×Ｔ×Ｆ≒Ｐ１＜Ｐ２
なお、上述の実施形態では、コンバータ部及びコンバータ制御部の入力電圧として三相交流電圧を用いたが、本発明はこれに限定されものではなく、単相又は五相交流電圧その他の多相の交流電圧を入力電圧としてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係わるモータ制御装置によれば、直流電圧の昇圧時間を可能な限り短く抑えることができるので、インバータ部のスイッチング損失を大きくすることなく、かつ、平滑コンデンサの寿命を短くすることなく、モータの高速領域のトルク低下を改善する事ができる。これにより、本発明に係わるモータ制御装置は、モータ回転数の加速時間を、従来のモータ制御装置よりも短くすることができ、その結果、加工時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すモータ制御装置のブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示すモータ制御装置のブロック図である。
【図３】図１に示すモータ制御装置のコンバータ制御部の内部回路を示すブロック図である。
【図４】図１に示すモータ制御装置のモータ出力最大トルク曲線である。
【図５】図１に示すモータ制御装置のモータ回転数の変化を表したグラフである。
【図６】従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。
【図７】図６に示すモータ制御装置のコンバータ制御部の内部回路を示すブロック図である。
【図８】図６に示すモータ制御装置のモータ出力最大トルク曲線である。
【図９】図６に示すモータ制御装置のモータ回転数の変化を表したグラフである。
【図１０】従来のモータ制御装置の他の例を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示すモータ制御装置のモータ出力最大トルク曲線である。
【図１２】図１０に示すモータ制御装置のモータ回転数の変化を表したグラフである。
【符号の説明】
１交流電源
２コンバータ部
３インバータ部
４モータ
５位置検出器
６コンバータ制御部
６Ａコンバータ制御部
７インバータ制御部
７Ａインバータ制御部
８数値制御部
９加減速処理部
１０位置・速度指令部
１１平滑コンデンサ
１２三相昇圧トランス
１３電流検出器
６０昇圧基準電源
６１切替ＳＷ
６２基準電源
６３減算器
６４増幅器
６５変換器
６６乗算器
６７減算器
６８増幅器
６９ＰＷＭ制御回路
７０モータ回転方向判別部
７１トルク極性判別部
７２絶対値処理部
７３回転数演算部
７４力行状態判定部
７５トルク比較器
７６回転数比較器
７７昇圧指令部

Claims

交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧の検出値が前記直流電圧の目標値を下回る場合に前記目標値まで前記直流電圧を昇圧させるコンバータ制御部とを備え、前記直流電圧をインバータに供給し、位置指令及び位置検出値から演算されたトルク指令に基づいて前記インバータの動作を制御することでモータを制御するモータ制御装置において、
前記モータの力行状態を検出して力行状態検出信号を出力する力行検出手段と、
前記モータの回転数が予め設定された回転数を超えたことを検出して回転数超過検出信号を出力する回転数検出手段と、
前記モータのトルクが予め設定されたトルクを超えたことを検出してトルク超過検出信号を出力するトルク検出手段と、
前記力行検出手段からの前記力行状態検出信号、前記回転数検出手段からの前記回転数超過検出信号、前記トルク検出手段からのトルク超過検出信号が全て入力された場合に、前記コンバータ制御部に昇圧指令を送る昇圧指令手段とを備え、
前記コンバータ制御部は、前記昇圧指令が入力された場合に、前記直流電圧を昇圧基準電源の電圧まで昇圧させることを特徴とするモータ制御装置。