JP4464084B2 - 電動モータによる駆動システムを制御するための特性パラメータを決定する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は工作機械のための電動によるモータ駆動システムの慣性モーメントを決定するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
力学的な機械設計の評価をするためには、負荷慣性モーメント（例えば、クラッチ、クラッチの回転軸、伝導部品、モータにより運動可能なテーブルなどのようなモータ駆動のその他の構成部品に関連する）に対するモータ慣性モーメント（狭義での駆動モータに、言い換えるとモータのロータに関連し、かつ回転しているモータの場合ロータの慣性モーメントと同等である）の比率を決定する必要がある。モータ駆動を制御する場合、高い制御品質を達成するために、モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントは、ある一定の比率で互いに介在していなければならない。
【０００３】
モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントから成る比率は、電動モータによる駆動システムの制御性ならびに予想しうる制御品質を判断するための基準となる値である。その比率が制御品質をより高めることができるその範囲外である場合、これ以上の制御を最適化するための手段は、所望される結果にはそう度々はつながらない。
【０００４】
さらにまた、モータの最大電流を考慮に入れると、モータの最大の到達可能な加速度も、駆動システムの（総）慣性モーメントから、すなわちモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとの和から算出することができる。通常、モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとから成る比率を求めるために、１と２との間のある値を得ようとする。このことは工作機械を製造する際、通常製造業者によって同様に考慮されるが、しかしながら例えば機械の構成部材の追加変更のような、二義的な条件による追加の変更は、比率の変更をもたらすので、この比率は所望の範囲を超えた値をとることがある。これにより、工作機械の変更実施に従い、十分な制御品質で駆動部を制御可能にするために、別の駆動モータを使用することが必要となる場合がある。
【０００５】
その場合、狭義における駆動モータのモータ慣性モーメントの値を決定し、かつ一定の数値を示し（駆動モータそれ自体に変更を加えない限りにおいては）、電動モータによる駆動部の慣性モーメントが総和で決定することで十分である。このことから、モータ慣性モーメントを差し引く場合、結果として負荷慣性モーメントが維持され、そのことでモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントから成る比率の実際の値を算出することが可能になる。
【０００６】
ヨーロッパ特許第０８２７２６５号明細書には、制御定数を決定するための、工作機械の駆動用モータの制御定数決定システムが開示されており
、とりわけこのシステムに関して慣性モーメントを決定することができる。この場合、反復的な方法が適用され、この方法はモータの制御の場合、制御異常を含めた状態の補正モデルに基づいている。しかしながら反復的な方法には常に、精度が限られており、その上誤差が発生しやすいために全ての作動状態に関して必ずしも最適な結果が得られないという欠点を伴う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
それゆえ、本発明の根底をなす課題は、機械、特に工作機械のための電動モータによる駆動システムを制御するための特性パラメータを決定するための改善された新しい方法を意のままに用いることにある。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
この課題は、本発明に従い特許請求項１の特徴を有した方法によって解決される。
【０００９】
それに基づき、まず駆動システムの補償電流を決定し、この補償電流がモータ速度が一定の場合に生じる損失を補償し、しかもモータ速度が一定の場合にそれ以上の消費電流が補償電流に対して余分にはないという具合に補償する。引き続いて、加速電流を決定し、モータ速度が一定の場合に生じる損失を補償する際、この電流により一定のモータ加速度が発生する。この加速電流からついに慣性モーメントが算出される。
【００１０】
本発明による作用により、モータ速度（モータ回転数）が一定の場合に、生じる損失を補償する際に、電動モータによる駆動部の慣性モーメントを決定するための解析方法を自由に使い、この方法により一定のモータ回転数を発生させる加速電流から、慣性モーメントを決定する。言い換えれば、加速電流の場合モータの加速のみを生じさせる電流が重要である。モータ速度が一定の場合の損失、特に摩擦損失およびヒステリシス損を補償するために利用する電流のその割合は、加速電流とは別個に補償電流とみなされる。
【００１１】
従って、加速電流から慣性モーメントを算出するための前提条件は、補償電流を先行して決定することであり、この補償電流はモータ速度が一定な駆動部を作動させるのに必要である。少なくとも二つの異なるモータ速度である場合に駆動部を作動させることによって、慣性モーメントが算出され、これらの異なる速度は所定の時間その都度一定であり、かつ特に値は同じであるが、符号が逆である。このことから補償電流が決定でき、モータ速度を所定の値で一定に保持するためにこの補償電流を必要とし、すなわちこの補償電流はモータ速度が一定の駆動部を作動させる際に生じる損失を完全に補償するので、モータ速度の低減がこの損失に基づいて生じることはない。
【００１２】
本発明の優れた他の構成では、補償電流を決定するために駆動部を四つの異なるモータ速度で作動させており、それらについて、各々二つは値が同じであるが符号が逆になっている。
【００１３】
制御装置が電動モータによる駆動部に設けられている場合、制御装置により駆動モータの回転数が調節され、そのとき補償電流はパイロット制御電流に一致し、この電流により回転制御部はモータ速度が一定の駆動部を作動する場合に生じる損失を補償する。速度制御部を備えた電動モータによる駆動部の作動は公知である；これに関しては、例えば鉄道制御ｉＴＮＣ（Ｍａｉ２００２）に関するハイデンハイン社の小冊子を参照のこと。
【００１４】
すなわち調節された駆動システムの場合、慣性モーメントを決定するために、駆動部を調節するのにいずれにせよ必要なこの数値が必要である。ゆえに、特に慣性モーメントを算出するために決定しなければならない付加的数値は必要ではない。
【００１５】
加速電流を決定するために、駆動部を、とくに二つの異なるモータ加速度の場合に作動させ、これらの加速度が所定の時間その都度一定でありかつ逆の符号を有している。この場合加速電流は、モータ加速に対してだけに必要な電流であり、従ってモータ駆動部を作動させる際に必要な総電流（総トルク電流）と損失を補償するために必要な電流（補償電流あるいは制御電流）との差である。
【００１６】
加速電流から慣性モーメントを算出するために、モータ加速度は、一方では加速電流に、他方では慣性モーメントに依存して表され、従ってモータ加速度のこの二つの計算式は同一視される。そのとき前記の方程式は、慣性モーメントに従って解かれその結果、慣性モーメントの公式は先行して測定された加速電流に依存して得られる。
【００１７】
加速電流に依存しているモータ加速度を表すために、電動モータによる駆動部調節された場合、いわゆる加速度パイロット制御が考慮され、この制御が一定のパラメータとして加速電流とモータ加速度、特に角加速度との比率（割合）を決める。すなわち加速度パイロット制御は、決定されるべきモータ加速度を達成するために、どれほどの加速電流が必要であるかということに関する尺度である。従って前述のように、補償電流がすでに公知である場合、この値を決定することができ、従ってモーターの加速度が一定の場合の損失を補償するのに必要な総トルク電流の割当てを決定できる。
【００１８】
慣性モーメントに依存するモータ加速度を表すために、物理的法則を引き合いに出すが、それによれば加速度が駆動部の作用する駆動トルク（例えばトルク）と慣性モーメントとから成る比率に同等である。その際電気的駆動トルクは、逆に加速電流とモータ定数から成る積として表すことができ、このモータ定数は回転する駆動モータの場合、トルク定数と呼ばれている。このことから慣性モーメントに依存しているモータ加速度のグラフが判明する。
【００１９】
駆動システムの慣性モーメントをトータルで決定する場合、駆動システムの慣性モーメントから、（決定されるべき、一定の）モータ慣性モーメントを差し引くことにより、このことから負荷慣性モーメントを決定することができる。一方これによりモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントから成る比率の算出が可能となる。その時、この比率は出力装置、例えば（ディスプレー、プリンタ等の）視覚手段かあるいは聴覚手段を用いて示されるので、この比率が任意に使用でき、駆動システムを制御するための重要な特性パラメータとして、適切な既定の値の範囲に入っているかどうかを点検できる。
【００２０】
本発明による方法は、ロータの形式の回転子を作動させる機械のモータ駆動部のためにのみ適しているだけではなく、リニアモータおよびいわゆるダイレクトドライブを備えた駆動部にも適している。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のこれ以外の特徴と長所を、図を基にしてこのあと実施例を説明することによって明らかにする。
【００２２】
【実施例】
図１〜３を基にして本発明による方法の実施例を後で解説するが、工作機械用の電動モータによる駆動システムを出発点としており、このシステムは、駆動モータならびに例えば工作機械のクラッチ、クラッチの回転軸、伝導部材、および並進運動するテーブルのような駆動モータに接続された構成部品を含む。この駆動システムの結果として生じる慣性モーメントを決めることにより、モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとから成る比率を決定することができる。というのはモータ慣性モーメントは、各モータの型式用に既知となっていて、かつ通常モータ製造業者によって既定されている定数であるからである。駆動システムの慣性モーメントからモータ慣性モーメントを全て差し引くことにより、負荷慣性モーメントが判明する。これによりモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントから成る比率を決定することができる。
【００２３】
図１からフローチャートの最初の二つのステップ１，２によれば、駆動モータをまず第一の定速度ｖ_１に向けて加速して、この速度で所定の時間作動し、ならびに引き続いてブレーキをかけて、負の等速度−ｖ_１に向けて減速し、また同様にこの速度で所定の時間作動する。それにしたがって駆動部を低速度ｖ_２に向けて加速し、また同様にこの速度で所定の時間作動し、ならびにその後ブレーキをかけ、負の等速度−ｖ_２に向けて減速し、また同様にこの速度で所定の時間作動する。
【００２４】
速度ｖ_１と−ｖ_１は、ある所定の時間その都度その送り速度で作動するような相当する工作機械の典型的な加工送り速度である。その際互いに逆向きの速度ｖ_１と−ｖ_１は、送り速度は同じであるが、送るその向きは逆である。
【００２５】
図２では駆動部のモータ速度ｖを時間ｔで表わしている。特に、前に説明したモータ速度に相当する異なる一定速度ｖ_１，−ｖ_１，ｖ_２，ならびに−ｖ_２を備えた四つの領域の識別が可能である。引き続いて、図２では時間に依存する総トルク電流Ｉ_M を表しており、四つの異なる一定モータ速度ｖ_１，−ｖ_１，ｖ_２，ならびに−ｖ_２に達し、同時に所定の時間その都度一定のレベルで保持するためにこの電流が必要である。結果として生じるトルク電流Ｉ_M には、加速成分、すなわちモータ速度を変えるための加速度を生じさせる電流成分、さらに摩擦損失ならびに、例えばヒステリシス損のような他の、モータ回転数に依存した損失を補償するのに必要な損失成分が含まれる。図２によれば、このことは、一定のモータ速度ｖ_１，−ｖ_１，ｖ_２，ならびに−ｖ_２で駆動部を作動させる場合にも、駆動モータの結果として生じるトルク電流が、その都度まちまちでゼロではない点により明らかになる。ゆえに損失を補償することによりモータ速度を一定に維持し、従って工作機械を一定に送ることを維持するためには、ある種の電流（補償電流）が必要である。
【００２６】
一定速度で駆動モータが作動する際に生じる損失、ならびにこのような損失を補償するために必要な電流は、いわゆる積分電流を駆動モータかあるいは工作機械の一定運転相の間で、すなわち、工作機械のモータ速度かあるいは送りがその都度一定である間で評価するようにして、次の工程段階３で決定可能である。積分電流は、ノイズの比率例部分だけ減少した総トルク電流である。これによりパイロット制御電流の調節４が可能になり、この制御電流はモータ速度が一定の場合に生じる摩擦損失と他の回転数に依存する損失とを補償する。
【００２７】
これ以外の試運転の場合、本発明による方法の次に続く二つの段階５，６において、前に説明した四つの異なるモータ速度（ｖ_１，−ｖ_１，ｖ_２ならびに−ｖ_２）で工作機械を再び順順に作動する。図３にはこの二つの試運転のためにモータ速度ｖと結果として生じるトルク電流Ｉ_M ならびにさらに加えて加速電流Ｉ_Bを再度示す。速度ｖが一定の場合、加速電流Ｉ_B がその都度同時にゼロであることがわかる。そのため加速電流Ｉ_B は、駆動部の加速に対して必要なその電流部分のみを含む。駆動部の制御装置を用いて調節可能な速度パイロット制御により、損失を補償する。
【００２８】
二番目の試運転の場合、所定の制御装置を用いて、加速度はモータ速度が最初の値（例えばｖ_１）に調節する、かあるいは最初の値（ｖ_１）から二番目の値（−ｖ_１）に変える相において、その都度一定であるように、すなわち加速度が（加速の始めかあるいは最後の相をその都度除外した）一定の値ａあるいは−ａを有しているように、モータ駆動部を作動する。モータ加速度ａあるいは−ａが一定である相の間で、加速電流Ｉ_B を測定することによって、どれほどの加速電流Ｉ_B が一定の所定のモータ加速度ａあるいは−ａを維持するために必要であるかを算出可能である。
【００２９】
これにより、この後の工程段階７においてのみいわゆる加速度パイロット制御ＦＦを決めることができる。このことは、駆動モータの所定の角加速度αに達するために、どれほどの加速電流ＩB ・が加速相の間に流れる必要があるかを示すある一定のパラメータである。ＦＦ＝２Π×Ｉ_B ／αで表される。これは角加速度αに従えば、次のようになる：α＝２Π×Ｉ_B ／ＦＦ。
【００３０】
その一方で、回転運動に関する物理学的法則によれば、角加速度はα＝Ｍ／Ｊとして表すこともできる。この場合Ｍは駆動モータの電気的トルクであり、Ｍ＝ｋ_T×Ｉ_B とされている。但しｋ _T は駆動モータのトルク定数である。従って二番目の公式として、角加速度α＝ｋ _T ×Ｉ _B ／Ｊに従うものとする。
【００３１】
角加速度を求めるための前述の両方の公式を同等とみなすことにより、ｋ_T ／Ｊ＝２Π／ＦＦとなる。この方程式は慣性モーメントＪにより以下のように解くことができる。
【００３２】
Ｊ＝ｋ_T ×ＦＦ／２Π
慣性モーメントＪを駆動モータのトルク定数ｋ_T の関数として表すために、このトルク定数はモータの構造と材料の選択とによって決定され、ならびに加速度パイロット制御ＦＦの関数としてこの定数は前記の工程段階１〜６で決定される。
【００３３】
工作機械駆動システムの慣性モーメントＪの決定８によれば、モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとから成るその比率を、単純な方法で算出することができる。これに関しては、駆動システムの全慣性モーメントが、狭義での駆動モータの慣性モーメントＪ_M と負荷慣性モーメントＪ_L とから加算して成ることを利用する。ここではまた、負荷慣性モーメントＪ_L には、クラッチ、クラッチの回転軸、伝導部品、ならびに例えば工作機械の並進運動可能なテーブルに起因することがらが寄与する。それに従い、Ｊ_L ＝Ｊ−Ｊ_M となり、その際モータ慣性モーメントＪ_M は通常決まっている。場合によっては、前に説明した無負荷の駆動モータのための、すなわちモータのロータのための試運転を行なうことによって、駆動システム全体の慣性モーメントのように、このモータ慣性モーメントＪ_M ・を同様にして決定し、かつ前に説明したように同様な方法で評価することができる。
【００３４】
回転する駆動モータに関して、モータ慣性モーメントとロータの慣性モーメントは等しい。
【００３５】
予め算出された総慣性モーメントＪとモータ慣性モーメントＪ_M とから成る負荷慣性モーメントを決定すること９によれば、最終段階１０においてついに、モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントから求められるべき比率Ｊ_M ／Ｊ_Lが判明する。
【００３６】
同様に、いずれにせよ機械制御において数値として存在する最大電流Ｉ_maxからモータの最大加速度ａ_maxを決定する。その時操作者に対しては、駆動システムの慣性モーメントＪとモータの最大加速度ａ_maxとを合わせて、求められるべき比率をモニターに直接出力する。従って、操作者は費用のかかる（手作業による）個別のデータ計算をせずに、モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとから成る比率Ｊ_M ／Ｊ_Lを直接読み取ることができ、その際操作者によるデータ入力は全く必要なく、データ入力は駆動システムの制御を行なうにはいずれにせよ必要ないであろう。
【００３７】
さらに前述のように、加速電流あるいは加速度パイロット制御から結果として生じる慣性モーメントＪを算出するために、適合する駆動モータのトルク定数ｋ_Tが用いられた。これは駆動モータの停動トルクＭ_o と停動電流Ｉ_o から算出することができ、次式のようになる：ｋ_T＝Ｍ_o ／Ｉ_o。
【００３８】
もし停動トルクが既知でなければ、トルク定数は電気的モータ出力と機械的モータ出力とを同じに設定することにより算出することができる。星型等価回路図（Stern-Ersatzschaltbild）における三相（交流）モータの電気的モータ
出力は以下のようになる：Ｐ_el ＝３×Ｕ×Ｉ（但し、Ｕ＝ｎ×Ｕ_cとする）。
ここで、Ｕ_c は回転数に依存する電圧定数で、ｎは駆動モータの回転数である。
【００３９】
機械的モータ出力は以下のようになる：Ｐ_mech ・＝Ｍ×Ω（但し、Ｍ＝ｋ_T ×ＪおよびΩ＝２Π×ｎとする）。
【００４０】
従って、電気的なモータ出力と機械的モータ出力とを同じに設定することにより、３×ｎ×Ｕ_c ×Ｉ＝２Π×ｋ_T ×ｎ×Ｉであることがわかる。さらに、ｋ_T＝３×Ｕ_c ／２Π（ここで、Ｕ_c ＝Ｕ_o ／√３×ｎ_Pol ／Ｆ_nである ）。その際Ｕ_o （相間の実効周波数に応じた駆動モータのアイドリング電圧），ｎ_Pol （駆動モータの極対数），ならびにＦ_n （定格周波数）は、共に一定のパラメータである。
【００４１】
【発明の効果】
結局、本発明による方法により、工作機械の駆動システムのモータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとから、この比率を解析して直接決定することができる。
【００４２】
この比率は、（外部の）同様な機械について工作機械の駆動軸を加速する際に重要な補助手段である。さらにまた、この比率は駆動システムならびにパイロット制御の装置の規定のパラメータを適合するように自動調整するために役立っている。例えば駆動装置の場合、工作機械は、加速相間で決定された加速度を調節するために必要なトルク電流の変化が認められる場合、前に説明した方法によれば、加速度パイロット制御ならびに総慣性モーメントを新たに決定する。さらに制御ファクターも慣性モーメントの変化に従い同様に変わる。それによって、駆動システムの動力学的挙動は一定に保たれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フローチャートにて電動モータによる駆動システムの慣性モーメントを決定するための方法を概略説明した図。
【図２】工作機械の駆動モータを運転した場合に発生する電流を説明した図 。
【図３】モータ損失の補償に応じてモータを加速させる加速電流を追加した図２に従った説明図。

Claims (6)

1. 駆動モータと駆動モータの後方に設けられた他の駆動部材を有し、かつ制御装置が所属している、工作機械の電動モータによる駆動システムを制御するための特性パラメータを決定する方法において、
   ａ）モータ速度が一定の場合に生じる損失を補償する補償電流を決定し、これによりモータ速度（ｖ）を一定に保ち、その際、補償電流を決定するために、少なくとも二つの異なるモータ速度（ｖ _１ ，−ｖ _１ ；ｖ _２ ，−ｖ _２ ）の際に、モータ速度（ｖ）が一定の場合に駆動部を作動させるために必要な電流（Ｉ _Ｍ ）を検出し、
   ｂ）モータ速度（ｖ）が一定の場合に生じる損失が補償されている場合に、一定のモータ加速度（ａ）を発生させる加速電流（Ｉ_Ｂ）を決定し、
   ｃ）電気的モータ出力（Ｐ _ｅｌ ）と機械的モータ出力（Ｐ _ｍｅｃｋ ）を同等であると扱うことにより、駆動モータのトルク定数（ｋ_Ｔ）を算出し、
   ｄ）加速電流（Ｉ_Ｂ）と算出されたトルク定数（ｋ_Ｔ）から慣性モーメント（Ｊ）を算出し、
   ｅ）負荷慣性モーメントに対するモータ慣性モーメントの比率を算出し、そして
   ｆ）モータ慣性モーメントと負荷慣性モーメントとから成る比率を出力装置を用いて表示し、従ってこの比率を直接使用し、この比率が駆動系の制御性のための特性パラメータとして、既定の範囲内に入っているかどうかを点検することを特徴とするモータ駆動システムを制御するための特性パラメータを決定するための方法。
2. 少なくとも速度（ｖ_１，−ｖ_１；ｖ_２，−ｖ_２）が所定の時間一定であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 二つの速度（ｖ_１，−ｖ_１；ｖ_２，−ｖ_２）が、同じであるが符号が逆になっていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 駆動モータが補償電流を決定するために順次４つの異なる速度（ｖ_１，−ｖ_１；ｖ_２，−ｖ_２）で駆動され、これらの速度のうち各々二つが値は同じであるが極性が逆になっていることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 駆動モータのアイドリング電圧（Ｕ_０），極対数（ｎ_Ｐｏｌ）ならびに定格周波数（Ｆ_ｎ）に基づいてトルク定数（ｋ_Ｔ）を算出することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 駆動システムの負荷慣性モーメント（Ｊ_Ｌ）を駆動システムの総慣性モーメント（Ｊ）と駆動モータの慣性モーメント（Ｊ_Ｍ）との差から決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の方法。

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