JP5149410B2

JP5149410B2 - 交流電源の電源特性に応じてモータの出力を制限するモータ駆動制御装置

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Publication number: JP5149410B2
Application number: JP2011027690A
Authority: JP
Inventors: 淳一手塚; 和之杉山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2031-02-10
Also published as: DE102012100928A1; CN102638218A; DE102012100928B4; US20120206080A1; US8497649B2; CN102638218B; JP2012170197A

Description

本発明は、工作機械、鍛圧機械、産業機械等で用いられるモータの駆動を制御するモータ駆動制御装置に関する。

従来、モータ（例えば、サーボモータ）を駆動するモータ駆動部への指令値を決定することによってモータの出力を制御するモータ駆動制御装置において、モータ制御のための制御パラメータを、モータに電力を供給する交流電源（例えば、３相交流電源）の電圧に基づいて設定し、制御パラメータに基づいて指令値を決定するモータ駆動制御装置が提案されている（例えば、特許文献１〜４）。

このようなモータ駆動制御装置によれば、交流電源の電圧の変化に対応しながら制御パラメータを設定することができるので、モータの出力を、交流電源の電圧の変化に対応しながら適切に制御することができる。

特許第３２５２１１４号公報

特開２００４−１６６４７７号公報

特開２００８−２２５６５２号公報

特開２００８−４３０５７号公報

交流電源の電圧の低下量は、交流電源の設置環境によって異なる。例えば、単一の交流電源が複数のモータに電力を供給している場合の交流電源の電圧の低下量は、単一の交流電源が単一のモータに電力を供給している場合の交流電源の電圧の低下量より大きくなる。単一の交流電源が複数のモータに電力を供給している状態でモータが加速し又はモータの速度が最大速度になると、モータの出力が増大して交流電源の電圧が更に低下し、モータの停止のようなモータの駆動の悪影響が及ぼされる可能性が高くなる。

しかしながら、従来のモータ駆動制御装置では、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下した場合、モータの駆動に悪影響を及ぼす電圧に対応するモータの出力が生成されるので、交流電源の電圧が低下してモータの駆動に悪影響が及ぼされる事態を回避することができない。

本発明の目的は、モータに電力を供給する交流電源の電圧低下によるモータの駆動の悪影響が及ぼされないモータ駆動制御装置を提供することである。

本発明によるモータ駆動制御装置は、モータを駆動するモータ駆動部と、モータ駆動部がモータを駆動するための指令値をモータ駆動部に入力する駆動制御部と、モータに電力を供給する交流電源の電源特性を取得する電源特性取得部と、モータの駆動中に交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下するか否かを、交流電源の電圧特性に基づいて判断し、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下すると判断した場合、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧より下にならないように制限する制御パラメータを設定し、制御パラメータを、駆動制御部が指令値を決定するために前記駆動制御部に供給する制御パラメータ決定部と、を有する。

好適には、電源特性を、交流電源の電圧及び電力とし、制御パラメータ決定部は、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下すると判断した場合、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧より下にならないモータの出力の制限値を、交流電源の電圧及び電力を用いて演算し、制御パラメータをモータの出力の制限値に基づいて設定する。

本発明によれば、モータの駆動中に交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下するか否かを、交流電源の電圧特性に基づいて判断し、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下すると判断した場合、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧より下にならないように制限する制御パラメータを設定する。このような制御パラメータを設定することによって、交流電源の電圧がモータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下しなくなるので、モータに接続された交流電源の電圧低下によるモータの駆動の悪影響が及ぼされない。

本発明によるモータ駆動制御装置の実施の形態のブロック図である。本発明によるモータ駆動制御装置の実施の形態の動作のフローチャートである。交流電源の電圧と電力との関係を示す図である。早送り直線加減速時のモータの速度、トルク及び出力の関係を説明するための図である。

本発明によるモータ駆動制御装置の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるモータ駆動制御装置の実施の形態のブロック図である。図１に示すモータ駆動制御装置１は、工作機械、鍛圧機械、産業機械等において用いられ、交流電源２から電力が供給されるモータ３を駆動制御する。このために、モータ駆動制御装置１は、コンバータ４と、平滑用コンデンサ５と、インバータ６と、駆動制御部７と、電源特性取得部８と、制御パラメータ決定部９と、を有する。

交流電源２を、例えば、３相交流電源にすることができるが、交流電源２は３相交流電源に限定されるものではない。モータ３を、例えば、サーボモータにすることができるが、モータ３はサーボモータに限定されるものではない。

コンバータ４は、例えば、複数（例えば、３相交流の場合は６個）の整流ダイオード及びこれらの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタによって構成され、交流電源２から供給される交流電力を直流電力に変換する。平滑用コンデンサ５は、コンバータ４の整流ダイオードによって整流された電圧を平滑化するためにコンバータ４に並列に接続される。インバータ６は、平滑用コンデンサ５に並列に接続され、例えば、複数（例えば、３相交流の場合は６個）の整流ダイオード及びこれらの整流ダイオードのそれぞれに逆並列に接続されたトランジスタによって構成され、コンバータ４によって変換された直流電力を交流電力に変換する。本実施の形態では、コンバータ４、平滑用コンデンサ５及びインバータ６は、交流電源２から電力が供給されるモータ３を駆動するモータ駆動部として機能する。

駆動制御部７は、コンバータ４、平滑用コンデンサ５及びインバータ６からなるモータ駆動部がモータ３を駆動するための指令値Ｉ（例えば、ＰＷＭ信号）をインバータ６に入力する。

電源特性取得部８は、交流電源２の電源特性として交流電源２の電圧Ｖin、電流Ｉin、電力Ｐin及びインピーダンスＺinのうちの一つ以上を取得する。本実施の形態では、電源特性取得部８は、電流Ｉinを検出する交流電流検出器（図示せず）と、電圧Ｖinを検出する交流電圧検出器（図示せず）と、電流Ｉin及び電圧Ｖinから電力ＰinとインピーダンスＺinのうちの少なくとも一方を演算する演算器（図示せず）と、を有する。

制御パラメータ決定部９は、目標値Ｖlowがコンピュータのような外部装置（図示せず）から入力され、電圧Ｖin及び電力Ｐinが電源特性取得部８から供給される。なお、目標値Ｖlowは、モータ３の駆動中に電圧Ｖinがモータ３の駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下したか否かの目安として設定される。そして、制御パラメータ決定部９は、後に詳細に説明するように電圧Ｖin、電力Ｐin及び目標値Ｖlowを用いて制御パラメータＣpを演算し、制御パラメータＣpを駆動制御部７に供給する。駆動制御部７は、制御パラメータＣpを用いて指令値Ｉを決定する。

図２は、本発明によるモータ駆動制御装置の実施の形態の動作のフローチャートである。図２に示す処理フローは、図示しないメモリに格納された制御プログラムをモータ駆動制御装置１の各構成要素が実行することによって行われる。

先ず、ステップＳ１において、目標値Ｖlowを外部装置から制御パラメータ決定部９に入力する。次に、ステップＳ２において、モータ３の主軸の送り速度、モータ３の主軸の回転数等を運転条件として外部装置から制御パラメータ決定部９に入力することによって、モータ３の運転条件を設定する。

次に、ステップＳ３において、モータ駆動制御装置１は、モータ３の試験運転をモータ３の運転の１サイクル以上に亘って行い、電源特性取得部８は、電圧Ｖin及び電流Ｉinをモータ３の運転の１サイクル以上に亘って計測する。そして、電源特性取得部８は、計測した電圧Ｖin及び電流Ｉinを用いて電力Ｐin（＝Ｖin×Ｉin）及びインピーダンスＺn（＝Ｖin／Ｉin）を演算する。

次に、ステップＳ４において、電源特性取得部８は、電圧Ｖin及び電力Ｐinを制御パラメータ決定部９に供給し、制御パラメータ決定部９は、供給された電圧Ｖin及び電力Ｐinから電圧Ｖinと電力Ｐinとの関係を取得する。

定性的には、インピーダンスＺiが大きくなるに従ってモータ３の出力Ｐoutに応じた電源２の電圧の降下量が大きくなると推定されるので、モータ３の試験運転時における電力Ｐinの最大出力Ｐmaxのときの交流電源２の電圧がインピーダンスＺiに応じて異なると推定される。したがって、モータ３を試験運転して電圧Ｖin及び電流Ｉinを計測し、計測した電圧Ｖin及び電力Ｐinから電圧Ｖinと電力Ｐinとの関係を取得することによって、電圧Ｖinが目標値Ｖlowより下にならないように制限する制御パラメータＣpを設定することができる。

図３は、交流電源の電圧と電力との関係を示す図である。図３において、電圧Ｖinを縦軸にプロットし、電力Ｐinを横軸にプロットし、電力Ｐinが零のときの交流電源２の電圧をＶsrcとする。

電圧Ｖinは、電力Ｐinが増大するに従って減少する。点Ａと点Ｂとの間の実線からなる曲線ａでは、最大出力Ｐmaxにおける電圧Ｖinは、目標値Ｖlowより高いＶin1となる。点Ａと点Ｃとの間の実線及点Ｃと点Ｄとの間の破線からなる曲線ｂは、曲線ａの場合に比べてインピーダンスＺiが大きく、この場合、電力ＰinがＰlim1（＜Ｐmax)のときに電圧Ｖinが目標値Ｖlowとなり、電力Ｐinが最大出力Ｐmaxのときに、電圧Ｖinは、目標値Ｖlowより低いＶin2となる。点Ａと点Ｅとの間の実線及び点Ｅと点Ｆとの間の破線からなる曲線ｃは、曲線ｂの場合に比べてインピーダンスＺiが大きく、この場合、電力ＰinがＰlim2（＜Ｐlim1）のときに電圧Ｖinが目標値Ｖlowとなり、電力Ｐinが最大出力Ｐmaxのときに、電圧Ｖinは、Ｖin2より低いＶin3となる。

次に、ステップＳ５において、制御パラメータ決定部９は、最大出力ＰmaxのときのＶinが目標値Ｖlowより下であるか否か判断する。最大出力Ｐmax時のＶinが目標値Ｖlowより下である場合、例えば、曲線ｂ又は曲線ｃに示すような電圧Ｖinと電力Ｐinの関係を有する場合、ステップＳ６において、制御パラメータ決定部９は、目標値Ｖlowに対応する電力Ｐinをモータ３の出力Ｐoutの制限値Ｐlimとして演算する。例えば、曲線ｂに示すような電圧Ｖinと電力Ｐinの関係を有する場合、モータ３の出力の制限値ＰlimはＰlim1となり、曲線ｃに示すような電圧Ｖinと電力Ｐinの関係を有する場合、モータ３の出力の制限値ＰlimはＰlim2となる。

ステップＳ６の後、ステップＳ７において、制御パラメータ決定部９は、モータ３の出力の制限値Ｐlim（例えば、Ｐlim1又はＰlim2）に基づいて制御パラメータＣpを演算し、制御パラメータＣpを駆動制御部７に供給し、本ルーチンを終了する。

制御パラメータＣpを、モータ３の出力の制限値、モータ３のトルク制限値、モータ３の加減速時定数又はモータ３の送り速度オーバライドとすることができ、モータ３の主軸が速度制御されるときには、制御パラメータＣpとしてモータ３の出力の制限値又はモータ３のトルク制限値が用いられ、モータ３の主軸が位置制御されるときには、制御パラメータＣpとしてモータ３の加減速時定数又はモータ３の送り速度オーバライドが用いられる。

制御パラメータＣpをモータ３の出力の制限値とする場合、モータ３の主軸の出力一定制御が行われ、例えば、曲線ｂで示すような電圧Ｖin及び電力Ｐinの関係がある場合、制御パラメータＣpはＰlim1となり、曲線ｃで示すような電圧Ｖin及び電力Ｐinの関係がある場合、制御パラメータＣpはＰlim2となる。このようにモータ３の出力の制限値をＰlim（例えば、Ｐlim1又はＰlim2）に制限することによって、電圧Ｖinは、目標値Ｖlowより下に低下しなくなり、すなわち、モータ３の駆動中にモータ３の駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下しなくなる。

制御パラメータＣpをモータ３のトルク制限値とする場合、モータ３の出力Ｐout、モータ３のトルクＴ及びモータ３の速度Ｎとの間には、Ｐout＝Ｔ×Ｎの関係が有るので、モータ３の出力を制限値Ｐlimとし、モータ３の最高速度Ｎmaxとしたときのモータ３の最大トルクＴmaxは、Ｐlim／Ｎmaxとなる。すなわち、制御パラメータＣpは、Ｐlim／Ｎmaxとなる。

次に、制御パラメータＣpをモータ３の加減速時定数とする場合として、モータ３を早送り直線加減速するときについて説明する。図４は、早送り直線加減速時のモータの速度、トルク及び出力の関係を説明するための図である。図４において、実線ｎは、早送り直線加減速時のモータ３の速度Ｎの時間変化を示し、実線ｔは、早送り直線加減速時のモータ３のトルクＴの時間変化を示し、実線ｐは、早送り直線加減速時のモータ３の出力Ｐoutの時間変化を示す。図４に示すように、加速度一定すなわちトルク一定でモータ３を時間ｔ１と時間ｔ２の間で加速すると、モータ３の加速が完了して早送り速度に到達する直前であるｔ２でモータ３の出力Ｐoutが最大となる。

最大トルクＴmax（＝Ｐlim／Ｎmax）のときのモータ３の主軸の加速度をＡmaxとすると、モータ３の最高速度Ｎmaxに到達するまでの時間ｔ２は、Ｎmax／Ａmaxとなる。ｔ２よりも長い加速度時定数を制御パラメータＣpとして設定することによって、モータ３の出力を制限値Ｐlim以下に制限することができる。

次に、制御パラメータＣpをモータ３の送り速度オーバライドとする場合として、モータ３を切削機械で用いるときについて説明する。通常運転時（オーバライド１００％）の最大出力Ｐmaxが制限値Ｐlimのとき、送り速度オーバライドＯＶＲを、（Ｐlim×１００）／Ｐmaxにする。工具又はワークの回転速度を一定に保持すると、単位時間当たりの切削量（＝仕事量）は、送り速度オーバライドＯＶＲが低減するに従って減少し、同様に、最大出力Ｐmaxも、送り速度オーバライドＯＶＲが低減するに従って減少する。

なお、鍛圧機械のようにモータ３の送り軸の動きで仕事を行う機械についても、単位時間当たりの切削量（＝仕事量）は、送り速度オーバライドＯＶＲが低減するに従って減少し、同様に、最大出力Ｐmaxも、送り速度オーバライドＯＶＲが低減するに従って減少する。

一方、最大出力Ｐmax時のＶinが目標値Ｖlowより下でない場合、例えば、曲線ａに示すような電圧Ｖinと電力Ｐinの関係を有する場合、ステップＳ８において、制御パラメータ決定部９は、最大出力Ｐmaxに基づいて制御パラメータＣpを演算し、制御パラメータＣpを駆動制御部７に供給し、本ルーチンを終了する。

本実施の形態によれば、モータ３の駆動中に電圧Ｖinがモータ３の駆動に悪影響を及ぼす電圧すなわち目標値Ｖlowまで低下するか否かを、電圧Ｖin及び電力Ｐinに基づいて判断し、電圧Ｖinが目標値Ｖlowより下であると判断した場合、電圧Ｖinが目標値Ｖlowより下にならないように制限する制御パラメータＣpを設定する。このような制御パラメータＣpを設定することによって、電圧Ｖinがモータ３の駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下しなくなるので、モータ３に接続された交流電源２の電圧低下によるモータ３の駆動の悪影響が及ぼされない。

本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、モータ３の通常運転中に電圧Ｖin及び電流Ｉinを計測し、モータ３の運転の１サイクルごとに運転条件を見直すこともできる。

また、上記実施の形態では、駆動制御部７、電源特性取得部８及び制御パラメータ決定部９を個別の構成要素として示したが、駆動制御部７、電源特性取得部８の演算器及び制御パラメータ決定部９を、同一の数値制御装置（ＣＮＣ）内で実現することもできる。

１モータ駆動制御装置
２交流電源
３モータ
４コンバータ
５平滑用コンデンサ
６インバータ
７駆動制御部
８電源特性取得部
９制御パラメータ決定部

Claims

モータを駆動するモータ駆動部と、
前記モータ駆動部が前記モータを駆動するための指令値を前記モータ駆動部に入力する駆動制御部と、
前記モータに電力を供給する交流電源の電源特性である交流電流の電圧及び電力を取得する電源特性取得部と、
前記モータの駆動中に前記交流電源の電圧が前記モータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下するか否かを、前記交流電源の電圧及び電力に基づいて判断し、前記交流電源の電圧が前記モータの駆動に悪影響を及ぼす電圧まで低下すると判断した場合、前記交流電源の電圧が前記モータの駆動に悪影響を及ぼす電圧より下にならないように制限するモータの出力の制限値を、前記交流電源の電圧及び電力を用いて演算し、前記モータの出力の制限値、前記モータの出力を制限するためのモータのトルク制限値、前記モータの出力を制限するためのモータの加減速時定数又は前記モータの出力を制限するためのモータの送り速度オーバライドである制御パラメータを、前記駆動制御部が前記指令値を決定するために前記駆動制御部に供給する制御パラメータ決定部と、
を有するモータ駆動制御装置。