JP5369225B1 - アンプ保護機能を備えた同期電動機の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の同期電動機の制御装置においては、ダイナミックブレーキ動作を停止してフリーラン状態とするため、制動停止の距離が長くなるという問題があった。
【解決手段】本発明の同期電動機の制御装置は、異常発生時に同期電動機の入力端子を短絡するためのダイナミックブレーキ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得する許容エネルギー値取得部と、同期電動機からフィードバックされる速度値、及びアンプからフィードバックされ、且つ同期電動機に入力される電流値に基づいて被駆動体のイナーシャを推定するイナーシャ推定部と、イナーシャ及び許容エネルギー値から同期電動機の許容最大速度値を算出する許容最大速度算出部と、同期電動機を所定の指令速度で動作させるためにアンプを制御する速度制御部と、を有し、速度制御部は、許容最大速度算出部から許容最大速度値を取得し、指令速度を許容最大速度値以下に制限することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期電動機の制御装置及び制御方法に関し、特にアンプ保護機能を備えた同期電動機の制御装置及び制御方法に関する。

工作機械などの同期電動機を用いて駆動するシステムでは、同期電動機に異常が発生した場合には、安全のために同期電動機の駆動部を緊急停止させる必要がある。非常停止や停電などの異常発生時に、サーボアンプは同期電動機の入力端子をダイナミックブレーキ（以下、「ＤＢ」という。）抵抗で短絡して発電制動を行う。ＤＢは、抵抗器からなり、電動機から回収される電力をＤＢ回路により熱エネルギーに変換する。従って、同期電動機の動作条件によっては、同期電動機の回転エネルギーが、サーボアンプのＤＢ抵抗の許容エネルギーを超えて、発熱によりＤＢ抵抗が破損する恐れがある。

ＤＢ回路を用いて同期電動機を緊急停止する場合において、同期電動機の回転エネルギーが全てＤＢ抵抗で消費されると仮定すると、ＤＢ抵抗の保護のためには、以下の式（１）を満たす必要がある。
Ｅｍ＜Ｅａ （１）
ここで、Ｅｍ［Ｊ］は同期電動機の回転エネルギーであり、Ｅａ［Ｊ］はＤＢ抵抗の許容エネルギーである。

また、Ｅｍは次式で与えられる。
Ｅｍ＝０．５×Ｊ×ω² （２）
ここで、Ｊ［ｋｇｍ²］は同期電動機のイナーシャ及び被駆動体のイナーシャであり、ω［ｒａｄ／ｓ］は同期電動機の速度である。

工作機械などの同期電動機を用いて駆動するシステムにおいて、特に種々のワークを搭載する回転テーブル等を含む被駆動体においては、被駆動体のイナーシャがワークに応じて変化する。式（１）のように同期電動機の回転エネルギーは被駆動体のイナーシャによって決まるため、被駆動体のイナーシャを正確に知る必要がある。

そこで、イナーシャを推定する方法が報告されており（例えば、特許文献１）、イナーシャの推定結果を用いて、加減速の時定数や速度ゲインを最適化することができる。ところが、一般に被駆動体のイナーシャを正確に知ることは容易ではないため、上記の式（１）を満たすかどうかを判断することは難しい場合がある。

そこで、イナーシャを算出せずにＤＢ回路の保護を行う方法が報告されている（例えば、特許文献２）。この従来技術においては、ＤＢ回路の動作開始時の同期電動機の速度、及び同期電動機が所定の速度まで低下するまでの経過時間からＤＢ回路の消費エネルギーを計算することにより、ＤＢ回路の保護を行っている。

また、イナーシャを算出せずにＤＢ回路の保護を行う他の方法が知られている（例えば、特許文献３）。この従来技術は、同期電動機の速度、ＤＢ抵抗、及び同期電動機の誘起電圧定数から、ＤＢ回路の消費エネルギーを計算することにより、ＤＢ回路の保護を行うものである。

特開２０１０−１４８１７８号公報 特開２００２−３６９５６４号公報 特開２００７−１７４７２９号公報

特許文献２及び３に記載の方法においては、被駆動体のイナーシャを算出する必要はないが、ＤＢ回路の動作開始からサンプリング周期毎にＤＢ回路の消費エネルギーを逐次計算している。そして、ＤＢ回路の消費エネルギーが許容値を超えた場合に、ＤＢ回路の動作を停止してフリーラン状態とするため、制動停止までの距離が長くなる、あるいは制動停止までに要する時間が長くなるという問題がある。

本発明は、ＤＢ抵抗を含むサーボアンプのＤＢ回路を保護するために、同期電動機に接続された被駆動体のイナーシャを推定し、その推定結果を使って同期電動機の速度（最高回転数）を制限する機能を備えた同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施例に係る同期電動機の制御装置は、異常発生時に同期電動機の入力端子を短絡するためのダイナミックブレーキ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得する許容エネルギー値取得部と、同期電動機が被駆動体を駆動する際に同期電動機からフィードバックされる速度値、及びアンプからフィードバックされ、且つ同期電動機に入力される電流値に基づいて被駆動体のイナーシャを推定するイナーシャ推定部と、イナーシャ及び許容エネルギー値から同期電動機の許容最大速度値を算出する許容最大速度算出部と、同期電動機を所定の指令速度で動作させるためにアンプを制御する速度制御部と、を有し、速度制御部は、許容最大速度算出部から許容最大速度値を取得し、指令速度を許容最大速度値以下に制限することを特徴とする。

本発明の他の実施例に係る同期電動機の制御装置において、速度値及び許容最大速度値を取得し、同期電動機の速度が許容最大速度値を超えた場合に、警告を通知する警告通知部をさらに備えることが好ましい。

本発明のさらに他の実施例に係る同期電動機の制御装置において、同期電動機の速度が許容最大速度値を超えた場合に、警告通知部からの警告に基づいて、速度制御部に対して同期電動機を減速停止させるための停止指令を発信する減速停止部をさらに備えることが好ましい。

本発明の一実施例に係る同期電動機の制御方法は、異常発生時に同期電動機の入力端子を短絡するためのダイナミックブレーキ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得するステップと、同期電動機が被駆動体を駆動する際に同期電動機からフィードバックされる速度値、及びアンプからフィードバックされ、且つ同期電動機に入力される電流値に基づいて被駆動体のイナーシャを推定するステップと、イナーシャ及び許容エネルギー値から同期電動機の許容最大速度値を算出するステップと、同期電動機を所定の指令速度で動作させるためにアンプを制御するステップと、許容最大速度算出部から許容最大速度値を取得し、指令速度を許容最大速度値以下に制限するステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ワークを交換した場合に変動する被駆動体のイナーシャを推定し、その推定結果を使って、同期電動機の回転速度の最大値を決定し、通常動作時にも常に速度を最大値に制限することにより、異常発生時のＤＢ抵抗を保護することができる。

本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る同期電動機の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る同期電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２に係る同期電動機の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る同期電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例３に係る同期電動機の制御方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明に係るアンプ保護機能を備えた同期電動機の制御装置及び制御方法について説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１に本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置の構成を表すブロック図を示す。本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置（以下、単に「制御装置」という）１１は、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ：Computer Numerical Control)装置等の上位制御装置２０からの位置指令に基づいて、アンプ３０を制御することにより被駆動体５０を駆動する同期電動機４１を所定の指令速度で動作させる。

具体的に説明すると、まず、上位制御装置２０に設けられた指令計算部２１から送信される位置指令を制御装置１１に設けられた位置制御部１が受信する。位置制御部１は、受信した位置指令に基づいて、速度制御部２に速度指令を送信する。速度制御部２は、受信した速度指令に基づいて、電流制御部３に電流指令を送信する。電流制御部３は、同期電動機４１を駆動するためのアンプ３０を構成する電流増幅回路３１に電圧指令を送信する。同期電動機４１は、電流増幅回路３１から入力される電力により所定の指令速度で動作し、被駆動体５０を駆動する。

同期電動機４１には、同期電動機４１の速度及び位置を検出するためのセンサ４２が設けられている。センサ４２が検出した速度及び位置に関するデータは、制御装置１１内の位置制御部１、速度制御部２、及び後述するイナーシャ推定部６にそれぞれフィードバックされる。

アンプ３０には、異常発生時に同期電動機４１の入力端子をダイナミックブレーキ（ＤＢ）抵抗で短絡するためのＤＢ回路３２が設けられている。アンプ３０には、ＤＢ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を格納した記憶部（図示せず）が設けられている。本実施例では、許容エネルギー値がアンプ３０内に設けられた記憶部に格納される例を示したが、これには限られず、例えば、制御装置１１の外部から入力装置を用いて入力することにより設定するようにしてもよい。

本発明の実施例１に係る同期電動機の制御装置１１は、異常発生時に同期電動機４１の入力端子を短絡するためのＤＢ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得する許容エネルギー値取得部４と、同期電動機４１が被駆動体５０を駆動する際に同期電動機４１からフィードバックされる速度値、及びアンプ３０からフィードバックされ、且つ同期電動機４１に入力される電流値に基づいて被駆動体５０のイナーシャを推定するイナーシャ推定部６と、イナーシャ及び許容エネルギー値から同期電動機４１の許容最大速度値を算出する許容最大速度算出部５と、同期電動機４１を所定の指令速度で動作させるためにアンプ３０を制御する速度制御部２と、を有し、速度制御部２は、許容最大速度算出部５から許容最大速度値を取得し、指令速度を許容最大速度値以下に制限することを特徴とする。

次に、本発明の実施例１に係る同期電動機の制御方法について説明する。本発明の実施例１に係る同期電動機の制御方法は、異常発生時に同期電動機４１の入力端子を短絡するためのＤＢ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得するステップと、同期電動機４１が被駆動体５０を駆動する際に同期電動機４１からフィードバックされる速度値、及びアンプ３０からフィードバックされ、且つ同期電動機４１に入力される電流値に基づいて被駆動体５０のイナーシャを推定するステップと、イナーシャ及び許容エネルギー値から同期電動機４１の許容最大速度値を算出するステップと、同期電動機４１を所定の指令速度で動作させるためにアンプ３０を制御するステップと、許容最大速度算出部５から許容最大速度値を取得し、指令速度を許容最大速度値以下に制限するステップと、を有することを特徴とする。

図２に、本発明の実施例１に係る同期電動機の制御方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ステップＳ１０１において、許容エネルギー値取得部４が、ＤＢ抵抗が耐えうる許容エネルギー値Ｅａをアンプ３０から取得する。ここで、ＤＢ抵抗に過大なエネルギーが投入されると発熱によりＤＢ抵抗が破損する恐れがある。ＤＢ抵抗が破損しない最大のエネルギーを許容エネルギーとする。アンプ３０には記憶部（図示せず）が設けられており、ＤＢ抵抗の許容エネルギー値が格納されている。本実施例では、ＤＢ抵抗の許容エネルギー値をアンプ３０から取得する場合を例に挙げたが、これには限られず、制御装置１１の外部から入力装置を用いて許容エネルギー値取得部４にＤＢ抵抗の許容エネルギー値を入力することにより設定するようにしてもよい。

次に、ステップＳ１０２において、許容最大速度算出部５が、被駆動体５０に含まれるワークが交換されたか否かを判断する。即ち、許容最大速度算出部５は、ワークを交換することにより被駆動体５０のイナーシャが変動したか否かを判断する。後述するように、許容最大速度算出部５は、許容最大速度を被駆動体５０のイナーシャとＤＢ抵抗の許容エネルギー値から算出するが、イナーシャが変動していない場合には、過去に用いたイナーシャを用いて許容最大速度を算出することができる。なお、被駆動体５０が交換されたか否かは、被駆動体５０の近傍にセンサを設けることにより検知することができる。ただし、これには限られず、制御装置１１の外部から入力装置を用いて、ワークが交換されたことを表す情報を制御装置１１に入力するようにしてもよい。

ステップＳ１０２において、ワークが交換されていないと判断された場合には、ステップＳ１０３は省略し、ステップＳ１０４を実行する。一方、ステップＳ１０２において、ワークが交換されたと判断された場合には、ステップＳ１０３において、イナーシャ推定部６が、同期電動機４１が被駆動体５０を駆動する際に同期電動機４１からフィードバックされる速度値及びアンプ３０からフィードバックされ、同期電動機４１に入力される電流値に基づいて、被駆動体のイナーシャを推定する。

被駆動体のイナーシャＪ［ｋｇｍ²］は、電流値Ｉ［Ａ］、加速度値ａ［ｒａｄ／ｓ²］、速度値ω［ｒａｄ／ｓ］、同期電動機のトルク定数Ｋｔを用いて次式により算出することができる。
Ｊ＝Ｋｔ×Ｉ／ａ＝Ｋｔ×Ｉ／（ｄω／ｄｔ） （３）

式（３）における加速度ａ＝ｄω／ｄｔの算出方法について説明する。センサ４２からサンプリング周期Ｔで、ある時刻ｔにおける速度値ω（ｔ）がフィードバックされるとする。このときの加速度ａは、ある時刻ｔでフィードバックされた速度値ω（ｔ）と、その１サンプリング周期前の時刻（ｔ−Ｔ）においてフィードバックされた速度値ω（ｔ−Ｔ）との差分を用いて、ａ＝（ω（ｔ）−ω（ｔ−Ｔ））／Ｔとして算出することができる。

次に、ステップＳ１０４において、許容最大速度算出部５が、イナーシャＪ及び許容エネルギー値Ｅａから同期電動機４１の許容最大速度値を算出する。イナーシャＪはステップＳ１０３で式（３）を用いて算出されており、算出されたイナーシャＪを許容最大速度算出部５がイナーシャ推定部６から取得する。また、許容エネルギー値Ｅａは、ステップＳ１０１において許容エネルギー値取得部４が取得しており、許容最大速度算出部５が許容エネルギー値取得部４から取得する。

ＤＢ抵抗の許容エネルギーＥａ［Ｊ］、被駆動体のイナーシャＪ［ｋｇｍ²]、及び同期電動機４１の許容最大速度値ω_max[ｒａｄ／ｓ］との間には以下の関係式が成立する。
Ｅａ＝０．５×Ｊ×ω_max ² （４）

従って、同期電動機４１の許容最大速度値ω_max[ｒａｄ／ｓ］は次式で与えられる。
ω_max＝α×√（２×Ｅａ／Ｊ） （５）

ただし、αは１以下の安全率であって、次式により求められる。
α＝Ｒａ／（Ｒｍ＋Ｒａ） （６）
ここで、Ｒｍは同期電動機の巻き線抵抗であり、ＲａはＤＢ抵抗である。

次にステップＳ１０５において、制御装置１１が同期電動機４１を通常動作させる。具体的には、制御装置１１を構成する速度制御部２が、同期電動機４１を所定の指令速度で動作させるためにアンプ３０を制御する。また、同期電動機４１に異常が発生した場合には同期電動機４１の入力端子をＤＢ抵抗（図示せず）で短絡するためにＤＢ回路３２を制御する。

次にステップＳ１０６において、速度制御部２は、許容最大速度算出部５から許容最大速度値を取得し、指令速度を許容最大速度値以下に制限する。

以上のようにして、同期電動機４１の速度を許容最大速度値以下に制限して動作させることができるため、同期電動機４１に異常が発生した場合に同期電動機４１の入力端子をＤＢ抵抗で短絡してもＤＢ抵抗の破損を防止することができ、同期電動機を確実に停止させることができる。

次に、本発明の実施例２に係る同期電動機の制御装置について説明する。図３に本発明の実施例２に係る同期電動機の制御装置の構成を表すブロック図を示す。実施例２に係る同期電動機の制御装置１２が、実施例１に係る同期電動機の制御装置１１と異なっている点は、センサ４２からフィードバックされる同期電動機４１の速度値及び許容最大速度算出部５から送信される許容最大速度値を取得し、同期電動機４１の速度が許容最大速度値を超えた場合に、上位制御装置２０の警告表示部２２に警告を通知する警告通知部７をさらに備えている点である。その他の構成は実施例１に係る同期電動機の制御装置１１と同様であるので重複説明は省略する。

次に、本発明の実施例２に係る同期電動機の制御方法について説明する。図４に、本発明の実施例２に係る同期電動機の制御方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ステップＳ２０１〜２０６は、図２に示した実施例１に係る同期電動機の制御方法におけるステップＳ１０１〜１０６と同様であるので重複説明は省略する。

ステップＳ２０７において、警告通知部７が、同期電動機４１の速度値をセンサ４２からのフィードバックにより取得するとともに、許容最大速度値を許容最大速度算出部５から取得し、両者の大小関係を比較する。同期電動機４１の速度値が、許容最大速度値を超えていると判断された場合は、ステップＳ２０８において、上位制御装置２０の警告表示部２２に警告を通知する。本実施例では、警告を上位制御装置２０の警告表示部２２に対して通知する場合を例に挙げたが、これには限られず、制御装置１２からアラーム音を発生する等により警告を通知するようにしてもよい。

一方、同期電動機４１の速度値が、許容最大速度値を超えていないと判断された場合は、ステップＳ２０９において、同期電動機４１の動作が終了したか否かを判断し、動作が終了していない場合には、ステップＳ２０７に戻って速度値と許容最大速度値との大小関係の比較を継続する。一方、ステップＳ２０９において、同期電動機４１の動作が終了している場合には、制御装置１２の動作を終了する。

以上のように、実施例２に係る同期電動機の制御装置によれば、同期電動機４１の速度値が、許容最大速度値を超えた場合に警告を通知するようにしているので、ＤＢ抵抗の破損を回避するための対処を確実に行うことができる。

次に、本発明の実施例３に係る同期電動機の制御装置について説明する。図５に本発明の実施例３に係る同期電動機の制御装置の構成を表すブロック図を示す。実施例３に係る同期電動機の制御装置１３が、実施例２に係る同期電動機の制御装置１２と異なっている点は、同期電動機４１の速度が、許容最大速度値を超えた場合に、警告通知部７からの警告に基づいて、速度制御部２に対して同期電動機４１を減速停止させるための停止指令を発信する減速停止部８をさらに備えている点である。その他の構成は実施例２に係る同期電動機の制御装置１２と同様であるので重複説明は省略する。

次に、本発明の実施例３に係る同期電動機の制御方法について説明する。図６に、本発明の実施例３に係る同期電動機の制御方法の手順を説明するためのフローチャートを示す。ステップＳ３０１〜３０６は、図４に示した実施例２に係る同期電動機の制御方法におけるステップＳ２０１〜２０６と同様であるので重複説明は省略する。

ステップＳ３０７において、警告通知部７が、同期電動機４１の速度値をセンサ４２からのフィードバックにより取得するとともに、許容最大速度値を許容最大速度算出部５から取得し、両者の大小関係を比較する。同期電動機４１の速度値が、許容最大速度値を超えていると判断された場合は、ステップＳ３０８において、上位制御装置２０の警告表示部２２に警告を通知する。さらにステップＳ３０９において、同期電動機４１の速度が許容最大速度値を超えた場合に、減速停止部８が、警告通知部７からの警告に基づいて速度制御部２に対して同期電動機４１を減速停止させるための停止指令を発信する。

一方、同期電動機４１の速度値が、許容最大速度値を超えていないと判断された場合は、ステップＳ３１０において、同期電動機４１の動作が終了したか否かを判断し、動作が終了していない場合には、ステップＳ３０７に戻って速度値と許容最大速度値との大小関係の比較を継続する。一方、ステップＳ３１０において、同期電動機４１の動作が終了している場合には、制御装置１３の動作を終了する。

以上のように、実施例３に係る同期電動機の制御装置によれば、同期電動機４１の速度値が、許容最大速度値を超えた場合に、同期電動機４１を減速停止するようにしているので、ＤＢ抵抗の破損を回避するための処置を自動的に行うことができる。

１ 位置制御部
２ 速度制御部
３ 電流制御部
４ 許容エネルギー値取得部
５ 許容最大速度算出部
６ イナーシャ推定部
７ 警告通知部
８ 減速停止部
１１、１２、１３ 制御装置
２０ 上位制御装置
２１ 指令計算部
３０ アンプ
３１ 電流増幅回路
３２ ＤＢ回路
４１ 同期電動機
４２ センサ
５０ 被駆動体

Claims (4)

1. 異常発生時に同期電動機の入力端子を短絡するためのダイナミックブレーキ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得する許容エネルギー値取得部と、
   同期電動機が被駆動体を駆動する際に同期電動機からフィードバックされる速度値、及びアンプからフィードバックされ、且つ同期電動機に入力される電流値に基づいて被駆動体のイナーシャを推定するイナーシャ推定部と、
   前記イナーシャ及び前記許容エネルギー値から同期電動機の許容最大速度値を算出する許容最大速度算出部と、
   同期電動機を所定の指令速度で動作させるためにアンプを制御する速度制御部と、を有し、
   前記速度制御部は、前記許容最大速度算出部から前記許容最大速度値を取得し、前記指令速度を前記許容最大速度値以下に制限することを特徴とする同期電動機の制御装置。
2. 前記速度値及び前記許容最大速度値を取得し、同期電動機の速度が前記許容最大速度値を超えた場合に、警告を通知する警告通知部をさらに備えた、請求項１に記載の同期電動機の制御装置。
3. 同期電動機の速度が前記許容最大速度値を超えた場合に、前記警告通知部からの警告に基づいて、前記速度制御部に対して同期電動機を減速停止させるための停止指令を発信する減速停止部をさらに備えた、請求項２に記載の同期電動機の制御装置。
4. 異常発生時に同期電動機の入力端子を短絡するためのダイナミックブレーキ抵抗が耐えうる許容エネルギー値を取得するステップと、
   同期電動機が被駆動体を駆動する際に同期電動機からフィードバックされる速度値、及びアンプからフィードバックされ、且つ同期電動機に入力される電流値に基づいて被駆動体のイナーシャを推定するステップと、
   前記イナーシャ及び前記許容エネルギー値から同期電動機の許容最大速度値を算出するステップと、
   同期電動機を所定の指令速度で動作させるためにアンプを制御するステップと、
   前記許容最大速度算出部から前記許容最大速度値を取得し、前記指令速度を前記許容最大速度値以下に制限するステップと、
   を有することを特徴とする同期電動機の制御方法。

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