JP6356716B2 - トルク指令制限部を有するモータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、特に、電源の停電時にモータを緊急停止させるモータ制御装置に関する。

工作機械や産業機械内のモータを制御するモータ制御装置においては、交流電源側の交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力した後、アンプにてさらに交流電力に変換してこれをモータの駆動電力として供給している。

モータを駆動するための電力を供給する電源が停電した場合、工作機械の送り軸等を駆動するモータを緊急停止させる必要がある。

例えば、送り軸を駆動する送り軸モータと主軸を駆動する主軸モータとを有する工作機械において、交流電源側の停電発生時、送り軸モータは減速させ、主軸モータはＤＣリンク電圧の値に応じて加減速させることで、過電圧アラームもしくは低電圧アラームを回避する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また例えば、送り軸を駆動する送り軸モータと主軸を駆動する主軸モータとを有する工作機械において、交流電源側で停電が発生しても、送り軸モータの動作が所定の判定条件を満たすとき、上位制御手段により指令されていた励磁電流よりも大きい励磁電流が主軸モータへ出力されるよう指令することで、送り軸モータを確実に早期停止することができるとともに、通常運転時には主軸モータの発熱を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

また例えば、停電後の過電圧アラームを回避しながら、速やかに送り軸を駆動するモータを停止するモータ制御装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特許第５６１２０５８号公報 特許第５７４６２７６号公報 特開２０１６−２５８２８号公報

モータを減速させる方法として、モータに減速トルクを発生させる方法（以下、「制御による減速」と称する。）と、モータに抵抗を接続してこれに電流を流すことでエネルギーを消費させることでダイナミックブレーキをかける方法（以下「ハードウェアによる減速」と称する。）がある。停電が発生すると電源からモータへの電力供給が遮断されるので、「制御による減速」はＤＣリンクに蓄積された電力を用いて行われる。一般に、「制御による減速」の方が「ハードウェアによる減速」よりも、モータが停止するまでの距離（いわゆる制動距離）が短いことから、停電によりモータを緊急停止させるためには、限られた電力内で「制御による減速」の時間を長く確保することが好ましい。

通常は、モータの減速の際には、回生動作により、運動エネルギーが低下して電力（電気エネルギー）が増加するので、停電発生時のモータの緊急停止において、限られた電力内で「制御による減速」の時間を長く確保することができる。

しかしながら、モータの諸元によっては、「制御による減速」において減速トルクを大きくしすぎると、回生ではなく、電力を消費する力行となり、限られた電力を消費してしまう事態が発生する。図５は、モータの１相あたりの等価回路を示す回路図である。また、図６は、モータの巻線電流と電力との関係を示す図である。モータの巻線電流をｉ［Ａ］、モータの端子電圧をＶ［Ｖ］モータの角速度をω（ｔ）［ｒａｄ／ｓｅｃ］、１相当たりのモータの巻線抵抗をＲ［Ω］、１相当たりのインダクタンスをＬ［Ｈ］、モータの逆起電力係数をＫ_V［Ｖ×ｓｅｃ／ｒａｄ］としたとき、モータの電力Ｐ［Ｗ］は式１のように表される。

式１において、電流一定（ｄｉ／ｄｔ＝０）とし、モータの巻線電流ｉについて整理すると式２のようになる。

式２に示すように、モータの電力Ｐはモータの巻線電流ｉの２次関数で表され、これをグラフにすると図６のようになる。図６において、横軸はモータの巻線電流ｉを示し、縦軸はモータの電力Ｐを示す。図６から分かるように、モータの巻線電流ｉがＫ_Vω／Ｒ未満のときはモータの減速により電力の回生が行われるが、モータの巻線電流ｉがＫ_Vω／Ｒ以上のときはモータの減速により電力の消費が行われる。モータのトルクは、モータの巻線電流に比例するので、式２および図６から、モータの諸元によっては、「制御による減速」において減速トルクを大きくしすぎると、回生ではなく、電力を消費する力行動作が行われることが分かる。

停電発生時のモータの緊急停止において、「制御による減速」において減速トルクを大きくしすぎて電力の消費が行われ、ＤＣリンクにおける電力が低下すると、電源を供給する装置（共通電源）が電力を供給することができなくなり、アンプ（逆変換器）において低電圧アラームが発生する。低電圧アラームが発生すると、「制御による減速」から「ハードウェアによる減速」に切り換わる。この切り換わりが早く行われると、モータが停止するための距離（制動距離）が長くなってしまう。

本発明の目的は、電源停電後の低電圧アラームの発生を回避しながら、モータの停止距離を短くすることができるモータ制御装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、工作機械または産業機械におけるモータを制御するモータ制御装置は、モータを駆動するための電力を供給する電源の停電を検出する停電検出部と、モータを駆動するアンプに印加されるＤＣリンク電圧の値を検出するＤＣリンク電圧検出部と、モータの接続先を、アンプまたはダイナミックブレーキ用抵抗に切り替える切替部と、ＤＣリンク電圧の値と所定の閾値とを比較する電圧比較部と、電圧比較部の比較結果に応じて、モータを減速させるためのトルク制限値を設定するトルク制限値設定部と、停電検出時にモータがアンプに接続された場合、モータを駆動するためのトルク指令をトルク制限値に制限するトルク指令制限部と、モータの角速度を検出する速度検出部と、速度検出部により検出された角速度を用いて、当該角速度にて回転するモータがダイナミックブレーキ用抵抗に接続されるとした場合に発生すると予測されるモータの減速トルクを、トルク予測値として計算するトルク予測値計算部と、トルク制限値設定部で設定されたトルク制限値と、トルク予測値計算部で計算されたトルク予測値とを比較するトルク比較部と、を備え、切替部は、トルク比較部の比較結果に応じて、停電検出時におけるモータの接続先を、アンプまたはダイナミックブレーキ用抵抗に切り替える。

ここで、切替部は、トルク比較部の比較結果、トルク制限値がトルク予測値より大きい場合はモータの接続先をアンプに切り替え、トルク制限値がトルク予測値より小さい場合はモータの接続先をダイナミックブレーキ用抵抗に切り替えるようにしてもよい。

また、トルク予測値計算部は、速度検出部により検出された角速度をω、モータの逆起電力係数をＫ_V、トルク定数をＫ_T、モータ中の巻線のＹ結線をデルタ結線に変換したときの一相当たりのインピーダンスをＺ、ダイナミックブレーキ用抵抗の抵抗値をＲ_DB、トルク予測値をＴ_DBとしたとき、

に基づいてトルク予測値Ｔ_DBを計算するようにしてもよい。ここで、Ｒｅは複素数における実部（ｒｅａｌ ｐａｒｔ）を表す。

また、トルク制限値設定部は、電圧比較部の比較結果、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値未満の場合は第１のトルク制限値を設定し、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上の場合は第１のトルク制限値よりも大きい第２のトルク制限値を設定するようにしてもよい。

また、上記所定の閾値は、予め設定された固定値としてもよい。

また、モータ制御装置は、ＤＣリンク電圧検出部が所定の周期ごとに検出したＤＣリンク電圧の値を保持する保持部をさらに備え、上記所定の閾値は、電圧比較部の比較に用いられるＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されて保持部に保持されていたＤＣリンク電圧の値としてもよい。

また、トルク制限値設定部は、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値未満の場合の第１のトルク制限値として、速度検出部により検出された角速度に基づいて求められるＤＣリンク電圧の減少が抑制されるトルク制限値を設定してもよい。

また、トルク制限値設定部は、速度検出部により検出された角速度をω、モータの逆起電力係数をＫ_V、トルク定数をＫ_T、巻線抵抗をＲ、角速度をωとしたとき、

に基づいて算出される値Ｔ_upper以下の値となるように、第１のトルク制限値を設定するようにしてもよい。

また、トルク制限値設定部は、モータに許容される最大トルク以下の値となるように、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上の場合の第２のトルク制限値を設定するようにしてもよい。

本発明によれば、工作機械または産業機械におけるモータを制御するモータ制御装置において、電源停電後の低電圧アラームの発生を回避しながら、モータの停止距離を短くすることができる。本発明によれば、アンプ（逆変換器）に対するトルク指令を用いた「制御による減速」およびダイナミックブレーキ用抵抗を用いた「ハードウェアによる減速」のうち、モータにより大きな減速トルクが発生する減速方法を選択するので、低電圧アラームの発生を回避しながら、モータの停止距離を短くする（モータを短時間で停止する）ことができる。

本発明の実施形態によるモータ制御装置のブロック図である。 本発明の他の実施形態によるモータ制御装置のブロック図である。 トルク予測値の計算方法を説明する回路図であって、（Ａ）はダイナミックブレーキ用抵抗が接続されたときのモータのＹ結線を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示すＹ結線をデルタ結線に変換したときの配線を示しし、（Ｃ）は（Ｂ）に示すデルタ結線における１相分の配線を示す。 本発明の実施形態によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。 モータの１相あたりの等価回路を示す回路図である。 モータの巻線電流と電力との関係を示す図である。

図１は、本発明の実施形態によるモータ制御装置のブロック図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。なお、図１および後述する図２では、図面を簡明にするために、三相交流のモータ３に係る配線を、慣例に倣い、１本の配線「−」と３本の斜線「／／／」との組合せで表記している。

本発明の実施形態によるモータ制御装置１は、交流電源（以下、単に電源と称することがある）２から供給される交流電力をモータ３の駆動に適した電力に変換してモータ３へ供給する。モータ３は、三相交流モータであればよく、誘導モータや同期モータのいずれでもよい。モータ３は、例えば工作機械の送り軸や主軸、あるいは産業機械、産業用ロボットのアーム等の駆動源として用いられる。なお、図示の例では、交流電源２の相数を三相としたが、交流電源２の電源の相数は本発明を特に限定するものではなく、三相の他に、例えば単相やその他の多相の交流電源であってもよい。交流電源２の一例を挙げると、三相交流４００Ｖ電源、三相交流２００Ｖ電源、三相交流６００Ｖ電源、単相交流１００Ｖ電源などがある。

モータ制御装置１において、交流電源２側から入力された交流電力は整流器４により直流電力に変換されてＤＣリンクへ出力される。ＤＣリンクには、整流器４の直流出力の脈動分を抑えることと直流電力を蓄積することを目的としてＤＣリンクコンデンサ６が設けられる。ＤＣリンクにおける電圧（以下、「ＤＣリンク電圧」）は、モータ３を駆動するアンプ５に印加される。アンプ５は、半導体スイッチング素子のフルブリッジ回路からなる逆変換器（三相インバータ）で構成され、トルク指令に基づいて生成されたスイッチング指令に応じてスイッチング素子がオンオフ駆動されることでＤＣリンク電圧を交流電圧に変換し、モータ３に駆動電力を供給する。またアンプ５は、後述するようにモータ３で回生された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力することができる。なお、整流器４およびアンプ５の種類や構成は本発明を特に限定するものではない。

本実施形態によるモータ制御装置１は、停電検出部１１と、ＤＣリンク電圧検出部１２と、切替部１３と、電圧比較部１４と、トルク制限値設定部１５と、トルク指令制限部１６と、速度検出部１７と、トルク予測値計算部１８と、トルク比較部１９と、トルク指令生成部２０と、ダイナミックブレーキ用抵抗７とを備える。

停電検出部１１は、モータ３を駆動するための電力を供給する交流電源２の停電を検出する。停電検出の方法自体は、本発明を特に限定するものではないが、例えば、整流器４の交流電源２側の三相交流入力電圧をそれと等価な二相座標上の電圧ベクトルに座標変換し、そのベクトルの振幅を計算することによって、電源電圧の振幅値を算出し、その振幅値が所定の基準電圧値を下回る状態が所定の基準時間継続したことをもって停電を検出する方法などがある。停電検出部１１が交流電源２の停電を検出すると、停電を検出したことを示す停電検出信号がトルク指令制限部１６へ送られる。

ＤＣリンク電圧検出部１２は、モータ３を駆動するアンプ５に印加されるＤＣリンク電圧の値を検出する。ＤＣリンク電圧検出部１２が検出したＤＣリンク電圧の値は、電圧比較部１４へ送られる。

ダイナミックブレーキ用抵抗７は、後述する切替部１３を介してモータ３の入力端子間（換言すれば、モータ巻線の相間）に設けられる。切替部１３によってモータ３の接続先がアンプ５からダイナミックブレーキ用抵抗７に切り替えられると、モータ３の入力端子間（モータ巻線の相間）が短絡するが、この間もモータ３に界磁磁束が存在するので、惰性により回転しているモータ３は発電機として働き、これにより発生した電流は切替部１３を介してダイナミックブレーキ用抵抗７に流れ込んでジュール熱として消費され、モータ３に減速トルクが発生する。なお、図１および図２では、三相交流のモータ３に係る配線を１本の配線「−」と３本の斜線「／／／」との組合せで表記したので、ダイナミックブレーキ用抵抗７および切替部１３は１個にて表記している。

切替部１３は、モータ３の電気的な接続先を、アンプ５またはダイナミックブレーキ用抵抗７に切り替える。モータ制御装置１がモータ３の駆動を制御する正常状態においては、切替部１３は、モータ３とアンプ５とを電気的に接続しており、これにより、アンプ５は、ＤＣリンクにおける直流電力を交流電力に変換してモータ３に供給し、もしくはモータ３から回生された交流電力を直流電力に変換してＤＣリンクへ出力する。停電検出部１１が交流電源２の停電を検出すると、後述するトルク比較部１９の比較結果に応じて、モータ３の接続先を、アンプ５またはダイナミックブレーキ用抵抗７に切り替える。切替部１３の詳細については後述する。なお、切替部１３の種類や構成は本発明を特に限定するものではない。

電圧比較部１４は、ＤＣリンク電圧検出部１２が検出したＤＣリンク電圧の値と所定の閾値とを比較する。閾値の詳細については後述する。

トルク指令生成部２０は、モータ３を駆動するためのトルク指令を生成する。アンプ（逆変換器）５は、モータ３がトルク指令に応じたトルクで回転動作を行うことができるよう、交流電力をモータ３に対して出力するか（電力供給動作）もしくは交流電力がモータ３から入力される（電力回生動作）。例えばアンプ５がＰＷＭ制御方式のインバータである場合、トルク指令生成部２０で生成されたトルク指令は、アンプ（逆変換器）５内の各半導体スイッチング素子のスイッチング動作をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御信号に変換され、アンプ５内の各半導体スイッチング素子に送られる。

トルク制限値設定部１５は、電圧比較部１４の比較結果に応じて、トルク制限値を設定する。トルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値は、トルク指令制限部１６に送られる。

ここで、トルク制限値および閾値についてより詳細に説明する。

図５および図６を参照して説明したように、モータ３に減速トルクを発生させて減速する際（「制御による減速」）、減速トルクの大きさに応じてモータ３が電力を回生するか消費するかが切り換わる。図６から分かるように、モータ３の巻線電流ｉがＫ_Vω／Ｒ未満のときはモータ３に減速トルクを発生させると電力の回生が行われ、モータ３の巻線電流ｉがＫ_Vω／Ｒ以上のときはモータ３に減速トルクを発生させると電力の消費が行われる。これをトルクＴに言い換えると、トルク定数Ｋ_T［Ｎ／Ａｒｍｓ］としたときトルクＴは「Ｋ_Tｉ」で表されるので、「モータ３のトルクＴがＫ_VＫ_tω／Ｒ未満のときはモータ３に減速トルクを発生させると電力の回生が行われ、モータ３のトルクＴがＫ_VＫ_tω／Ｒ以上のときはモータ３に減速トルクを発生させると電力の消費が行われる」ということになる。整流器４の交流電源２側で停電が発生すると、整流器４からは直流電力は出力されなくなるので、この間にモータ３に減速トルクを発生させて減速する「制御による減速」は、ＤＣリンクに蓄積された電力を用いて行う必要がある。減速トルクが大きいほど、モータ３の停止距離（制動距離）が短くなる利点があるが、トルクＴがＫ_VＫ_tω／Ｒ以上になると、モータ３の減速にもかかわらずモータ３で電力が消費されることになるので、ＤＣリンク電圧が低下してアンプ５において低電圧アラームが発生する恐れがある。一方で、減速トルクが小さいほど、モータ３の停止距離（制動距離）が長くなる欠点があるが、トルクＴがＫ_VＫ_tω／Ｒ未満であれば、モータ３の減速によりモータ３から電力が回生されるので、ＤＣリンク電圧は低下せず、低電圧アラームは発生しない。そこで、トルク制限値設定部１５では、交流電源２が停電したとき、低電圧アラームの発生を回避しながらモータ３をできるだけ短時間で停止させるために、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値未満の場合は第１のトルク制限値Ｔ_lim1を設定し、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上の場合は第１のトルク制限値Ｔ_lim1よりも大きい第２のトルク制限値Ｔ_lim2を設定する。すなわち、「第１のトルク制限値Ｔ_lim1＜第２のトルク制限値Ｔ_lim2」の関係が成り立つ。このように、トルク制限値設定部１５では、ＤＣリンク電圧の値に応じて第１のトルク制限値Ｔ_lim1または第２のトルク制限値Ｔ_lim2のいずれかのトルク制限値を設定する。

ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値未満の場合の第１のトルク制限値Ｔ_lim1として、速度検出部１７により検出された角速度に基づいて求められるＤＣリンク電圧の減少が抑制されるトルク制限値を設定する。上述のようにトルクＴがＫ_VＫ_tω／Ｒ未満であればモータ３の減速によりモータ３から電力が回生されることから、Ｋ_VＫ_tω／Ｒ（＝Ｔ_upper）以下の値となるように第１のトルク制限値Ｔ_lim1を設定しておけば、トルク指令を第１のトルク制限値Ｔ_lim1に制限してもＤＣリンク電圧は減少することはない。換言すれば、第１のトルク制限値Ｔ_lim1の上限値Ｔ_upperはＫ_VＫ_tω／Ｒとなる。

一方、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上の場合の第２のトルク制限値Ｔ_lim2は、上述の第１のトルク制限値Ｔ_lim1より大きい値に設定すればよいが、その上限値はモータ３に許容される最大トルクである。ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上の場合である場合は、ＤＣリンクに蓄積された電力は比較的余裕がある状態にあるといえるので、モータ３に減速トルクを発生させて減速する「制御による減速」を、モータ３に許容される最大トルクを超えない範囲で実行すればよい。

ここで、上記所定の閾値を、予め設定された固定値として設定してもよい。

またあるいは、上記所定の閾値を、電圧比較部１４の比較に用いられるＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されたＤＣリンク電圧の値を設定してもよい。図２は、本発明の他の実施形態によるモータ制御装置のブロック図である。ＤＣリンク電圧検出部１２は所定の周期でＤＣリンク電圧の値を検出するが、ＤＣリンク電圧検出部１２が検出したＤＣリンク電圧の値を一旦保持する保持部２１を設けることで、電圧比較部１４において、ＤＣリンク電圧検出部１２が検出したＤＣリンク電圧の値と、当該ＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されたＤＣリンク電圧の値（すなわち閾値）とを比較することができるようになる。保持部２１を設けることで、電圧比較部１４においてＤＣリンク電圧が上昇傾向にあるのか下降傾向にあるかを判定することができるので、より確実に、低電圧アラームの発生を回避しながらモータ３をできるだけ短時間で停止させることができるようになる。例えば、ＤＣリンク電圧の値が、当該ＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されたＤＣリンク電圧の値（すなわち保持部２１に閾値として保持されていた値）未満の場合は、ＤＣリンク電圧が下降傾向にあるので、第１のトルク制限値Ｔ_lim1を設定し、ＤＣリンク電圧の値が、当該ＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されたＤＣリンク電圧の値（すなわち保持部２１に閾値として保持されていた値）以上の場合は、ＤＣリンク電圧が上昇傾向にあるので、第１のトルク制限値Ｔ_lim1よりも大きい第２のトルク制限値Ｔ_lim2を設定する。

以上のようにしてトルク制限値設定部１５は、電圧比較部１４による閾値を用いた比較処理の結果に基づいて、第１のトルク制限値Ｔ_lim1および第２のトルク制限値Ｔ_lim2のうちのいずれかを設定する。

図１に戻ると、トルク指令制限部１６は、停電検出部１１による停電検出時に、トルク指令生成部２０が生成するトルク指令を、トルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値に制限する。すなわち、停電検出時は、トルク指令生成部２０からトルク指令としてのトルク制限値が出力され、当該トルク制限値は、アンプ（逆変換器）５内の各半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御するためのスイッチング指令に変換され、アンプ５内の各半導体スイッチング素子に送られ、アンプ５はこれに基づいて電力変換動作を行うことになる。ただし、停電検出時においてトルク指令制限部１６によるトルク指令の制限の効果が有効になるのは、モータ３とアンプ５とが電気的に接続されているときである。

速度検出部１７は、駆動されるモータ３の角速度を検出する。速度検出部１７で検出された角速度は、トルク制限値設定部１５に送られる。

トルク予測値計算部１８は、速度検出部１７により検出された角速度を用いて、当該角速度にて回転するモータ３が切替部１３によりダイナミックブレーキ用抵抗７に電気的に接続されると仮定した場合に発生すると予測されるモータ３の減速トルクを、トルク予測値として計算する。トルク予測値計算部１８によるトルク予測値の計算処理は、切替部１３を介したモータ３の電気的接続先がアンプ５であるかダイナミックブレーキ用抵抗７であるかに関わらず周期的に実行されるものであり、「速度検出部１７により検出された角速度にてモータ３が回転し、かつ、モータ３とダイナミックブレーキ用抵抗７とが電気的に接続されてモータ３にダイナミックブレーキがかけられている」と仮定した場合に、モータ３に発生するであろう減速トルクを予測計算するものである。トルク予測値は所定の周期（例えば１ミリ秒）ごとに計算される。

ここで、トルク予測値の計算について図３を参照して説明する。図３は、トルク予測値の計算方法を説明する回路図であって、（Ａ）はダイナミックブレーキ用抵抗が接続されたときのモータのＹ結線を示し、（Ｂ）は（Ａ）に示すＹ結線をデルタ結線に変換したときの配線を示し、（Ｃ）は（Ｂ）に示すデルタ結線における１相分の配線を示す。三相のモータ３における三相巻線は、図３（Ａ）に示すようなＹ結線（スター結線とも称する。）にて配線される。Ｚ_a、Ｚ_b、Ｚ_cはａｂｃ各相のインピーダンスを示し、Ｒ_DBはａｂｃ各相の巻線について切替部１３を介して電気的に接続されるダイナミックブレーキ用抵抗７の抵抗値を示す。図３（Ａ）に示すＹ結線をＹ−デルタ（Δ）変換すると、図３（Ｂ）に示すようなデルタ結線になる。ここで、「Ｚ_a＋Ｒ_DB」をＺ_a’、「Ｚ_b＋Ｒ_DB」をＺ_b’、「Ｚ_c＋Ｒ_DB」をＺ_c’と置き換えると、式５が成り立つ。

式５について、式６に示すような置換を行うと、図３（Ｂ）に示すようなデルタ結線が得られる。

図３（Ｂ）に示すデルタ結線の１相分（ａｂ相）の配線を取り出すと、図３（Ｃ）のようになる。

モータ３の巻線電流（ａｂ相）をｉ、速度検出部１７により検出された角速度をω、モータ３の逆起電力係数をＫ_Vとすると、式７が成り立つ。

よって、トルク定数をＫ_Tとすると、トルク予測値Ｔ_DBは式８のように表される。式８において、Ｒｅは複素数における実部（ｒｅａｌ ｐａｒｔ）を表す。

以上のようにしてトルク予測値Ｔ_DBを計算する。

図１に戻ると、トルク比較部１９は、トルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値と、トルク予測値計算部１８で計算されたトルク予測値Ｔ_DBとを比較する。上述のようにトルク予測値Ｔ_DBはトルク予測値計算部１８によって所定の周期ごとに計算されるが、これに対応してトルク比較部１９は当該所定の周期ごとにトルク制限値とトルク予測値Ｔ_DBとを比較する。

切替部１３は、トルク比較部１９の比較結果、トルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値（第１のトルク制限値Ｔ_lim1もしくは第２のトルク制限値Ｔ_lim2）がトルク予測値計算部１８で計算されたトルク予測値Ｔ_DBより大きいと判定された場合は、ダイナミックブレーキ（ハードウェアによる減速）ではなく「制御による減速」の方がモータ３に発生する減速トルクが大きいことを意味するので、モータ３の電気的な接続先をアンプ５に切り替える。これにより、トルク指令制限部１６は、トルク指令をトルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値に制限し、アンプ５は、当該トルク制限値に基づいて作成されたスイッチング指令にて、アンプ５内の各半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御してモータ３に減速トルクが発生するような電力変換動作を行い、よってモータ３に減速トルクが発生し、モータ３は減速する。

また、切替部１３は、トルク比較部１９の比較結果、トルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値がトルク予測値計算部１８で計算されたトルク予測値Ｔ_DBより小さいと判定された場合は、「制御による減速」ではなくダイナミックブレーキ（ハードウェアによる減速）の方がモータ３に発生する減速トルクが大きいことを意味するので、モータ３の電気的な接続先をダイナミックブレーキ用抵抗７に切り替える。これにより、モータ３の入力端子間（モータ巻線の相間）がダイナミックブレーキ用抵抗７にて短絡され、惰性により回転しているモータ３は発電機として働き、これにより発生した電流がダイナミックブレーキ用抵抗７に流れ込んでジュール熱として消費され、よってモータ３に減速トルクが発生し、モータ３は減速する。

このように、本発明では、交流電源２が停電したとき、低電圧アラームの発生を回避しながらモータ３をできるだけ短時間で停止させるために、ＤＣリンク電圧の値に応じて設定されたトルク制限値とトルク予測値Ｔ_DBとの大小関係を判定し、「制御による減速」およびダイナミックブレーキ（ハードウェアによる減速）のうち、より大きな減速トルクが発生する減速方法を選択する。

図４は、本発明の実施形態によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。

モータ制御装置１によりモータ３を制御している場合において、まずステップＳ１０１において、停電検出部１１は、交流電源２の停電の発生の有無を検出する。停電検出部１１が交流電源２の停電を検出すると、停電を検出したことを示す停電検出信号がトルク指令制限部１６へ送られ、ステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２において、電圧比較部１４は、ＤＣリンク電圧検出部１２が検出したＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値以上である場合はステップＳ１０３へ進み、ＤＣリンク電圧の値が所定の閾値未満である場合はステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０３において、トルク制限値設定部１５は、第２のトルク制限値Ｔ_lim2を設定する。

ステップＳ１０４において、トルク制限値設定部１５は、第１のトルク制限値Ｔ_lim1を設定する。

ステップＳ１０５において、トルク予測値計算部１８は、切替部１３を介したモータ２の電気的接続先がアンプ５であるかダイナミックブレーキ用抵抗７であるかに関わらず、「速度検出部１７により検出された角速度にてモータ３が回転し、かつ、モータ３とダイナミックブレーキ用抵抗７とが電気的に接続されてモータ３にダイナミックブレーキがかけられている」と仮定した場合にモータ３に発生するであろう減速トルクを、トルク予測値Ｔ_DBとして計算する。

ステップＳ１０６において、トルク比較部１９は、トルク制限値設定部１５で設定されたトルク制限値と、トルク予測値計算部１８で計算されたトルク予測値Ｔ_DBとを比較する。トルク比較部１９による比較の結果、トルク制限値がトルク予測値Ｔ_DBより大きい場合はステップＳ１０７へ進み、トルク制限値がトルク予測値Ｔ_DBより小さい場合はステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０７では、切替部１３は、モータ３の電気的な接続先をアンプ５に切り替える。

ステップＳ１０７に続くステップＳ１０８において、トルク指令制限部１６は、トルク指令生成部２０が生成するトルク指令を、ステップＳ１０３において設定された第２のトルク制限値Ｔ_lim2もしくはステップＳ１０４において設定された第１のトルク制限値Ｔ_lim1へ制限する。これにより、アンプ（逆変換器）５は、設定されたトルク制限値に基づいて作成されたスイッチング指令にて、アンプ５内の各半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御し、モータ３に減速トルクが発生するような電力変換動作を行う。これにより、モータ３に減速トルクが発生して、モータ３は減速することになる（ステップＳ１１１）。

ステップＳ１０９では、切替部１３は、モータ３の電気的な接続先をダイナミックブレーキ用抵抗７に切り替える。

ステップＳ１０９に続くステップＳ１１０において、モータ３の入力端子間（モータ巻線の相間）がダイナミックブレーキ用抵抗７にて短絡され、惰性により回転しているモータ３は発電機として働き、これにより発生した電流がダイナミックブレーキ用抵抗７に流れ込んでジュール熱として消費されて、モータ３に減速トルクが発生し、モータ３は減速することになる（ステップＳ１１１）。

ステップＳ１１２では、モータ３が完全に停止したか否かを判定する。この判定は、例えば上位制御装置（図示せず）にて、速度検出部１７が検出する角速度に基づいて行えばよい。モータ３が完全に停止していない場合はステップＳ１０２に戻る。

ステップＳ１０１において交流電源２の停電が検出された後は、ステップＳ１１２においてモータ３が完全に停止したと判定されるまで、ステップＳ１０２〜Ｓ１１２の処理が繰り返し実行される。この繰り返し周期は、トルク予測値計算部１８によるトルク予測計算の周期と同一である。この間、ＤＣリンク電圧の値に応じて、第１のトルク制限値Ｔ_lim1もしくは第２のトルク制限値Ｔ_lim2が設定され、設定されたトルク制限値とトルク予測値Ｔ_DBとの大小関係に応じて、ステップＳ１０７およびＳ１０８からなるアンプ（逆変換器）５に対するトルク指令を用いた「制御による減速」かステップＳ１０９およびＳ１１０からなるダイナミックブレーキ用抵抗７を用いた「ハードウェアによる減速」が選択される。本発明によれば、アンプ（逆変換器）５に対するトルク指令を用いた「制御による減速」およびダイナミックブレーキ用抵抗７を用いた「ハードウェアによる減速」のうち、モータ３により大きな減速トルクが発生する減速方法を選択するので、低電圧アラームの発生を回避しながら、モータ３の停止距離（制動距離）を短くすることができる。

なお、上述した電圧比較部１４、トルク制限値設定部１５、トルク指令制限部１６、トルク予測値計算部１８、トルク比較部１９およびトルク指令生成部２０は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは各種電子回路とソフトウェアプログラムとの組み合わせで構築されてもよい。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１内にある演算処理装置をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。またあるいは、電圧比較部１４、トルク制限値設定部１５、トルク指令制限部１６、トルク予測値計算部１８、トルク比較部１９およびトルク指令生成部２０を、各部の機能を実現するソフトウェアプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。

１ モータ制御装置
２ 交流電源
３ モータ
４ 整流器
５ アンプ
６ ＤＣリンクコンデンサ
７ ダイナミックブレーキ用抵抗
１１ 停電検出部
１２ ＤＣリンク電圧検出部
１３ 切替部
１４ 電圧比較部
１５ トルク制限値設定部
１６ トルク指令制限部
１７ 速度検出部
１８ トルク予測値計算部
１９ トルク比較部
２０ トルク指令生成部
２１ 保持部

Claims (9)

1. 工作機械または産業機械におけるモータを制御するモータ制御装置であって、
   モータを駆動するための電力を供給する電源の停電を検出する停電検出部と、
   モータを駆動するアンプに印加されるＤＣリンク電圧の値を検出するＤＣリンク電圧検出部と、
   モータの接続先を、アンプまたはダイナミックブレーキ用抵抗に切り替える切替部と、
   前記ＤＣリンク電圧の値と所定の閾値とを比較する電圧比較部と、
   前記電圧比較部の比較結果に応じて、モータを減速させるためのトルク制限値を設定するトルク制限値設定部と、
   停電検出時にモータがアンプに接続された場合、モータを駆動するためのトルク指令を前記トルク制限値に制限するトルク指令制限部と、
   モータの角速度を検出する速度検出部と、
   前記速度検出部により検出された角速度を用いて、当該角速度にて回転するモータがダイナミックブレーキ用抵抗に接続されるとした場合に発生すると予測されるモータの減速トルクを、トルク予測値として計算するトルク予測値計算部と、
   前記トルク制限値設定部で設定された前記トルク制限値と、前記トルク予測値計算部で計算された前記トルク予測値とを比較するトルク比較部と、
   を備え、
   前記切替部は、前記トルク比較部の比較結果に応じて、停電検出時におけるモータの接続先を、アンプまたはダイナミックブレーキ用抵抗に切り替え、
   前記トルク予測値計算部は、前記速度検出部により検出された角速度をω、モータの逆起電力係数をＫ _V 、トルク定数をＫ _T 、モータ中の巻線のＹ結線をデルタ結線に変換したときの一相当たりのインピーダンスをＺ、ダイナミックブレーキ用抵抗の抵抗値をＲ _DB 、前記トルク予測値をＴ _DB としたとき、
   

   

   に基づいて前記トルク予測値Ｔ _DB を計算する、モータ制御装置。
2. 前記切替部は、前記トルク比較部の比較結果、前記トルク制限値が前記トルク予測値より大きい場合はモータの接続先をアンプに切り替え、前記トルク制限値が前記トルク予測値より小さい場合はモータの接続先をダイナミックブレーキ用抵抗に切り替える、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記トルク制限値設定部は、前記電圧比較部の比較結果、前記ＤＣリンク電圧の値が前記所定の閾値未満の場合は第１のトルク制限値を設定し、前記ＤＣリンク電圧の値が前記所定の閾値以上の場合は前記第１のトルク制限値よりも大きい第２のトルク制限値を設定する、請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記ＤＣリンク電圧検出部が所定の周期ごとに検出したＤＣリンク電圧の値を保持する保持部をさらに備え、
   前記所定の閾値は、前記電圧比較部の比較に用いられるＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されて前記保持部に保持されていたＤＣリンク電圧の値である、請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記トルク制限値設定部は、前記ＤＣリンク電圧の値が前記所定の閾値未満の場合の前記第１のトルク制限値として、前記速度検出部により検出された角速度に基づいて求められるＤＣリンク電圧の減少が抑制されるトルク制限値を設定する、請求項３に記載のモータ制御装置。
6. 前記トルク制限値設定部は、前記速度検出部により検出された角速度をω、モータの逆起電力係数をＫ_V、トルク定数をＫ_T、巻線抵抗をＲ、角速度をωとしたとき、
   

   

   に基づいて算出される値Ｔ_upper以下の値となるように、前記第１のトルク制限値を設定する、請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 工作機械または産業機械におけるモータを制御するモータ制御装置であって、
   モータを駆動するための電力を供給する電源の停電を検出する停電検出部と、
   モータを駆動するアンプに印加されるＤＣリンク電圧の値を検出するＤＣリンク電圧検出部と、
   モータの接続先を、アンプまたはダイナミックブレーキ用抵抗に切り替える切替部と、
   前記ＤＣリンク電圧の値と所定の閾値とを比較する電圧比較部と、
   前記電圧比較部の比較結果に応じて、モータを減速させるためのトルク制限値を設定するトルク制限値設定部と、
   停電検出時にモータがアンプに接続された場合、モータを駆動するためのトルク指令を前記トルク制限値に制限するトルク指令制限部と、
   モータの角速度を検出する速度検出部と、
   前記速度検出部により検出された角速度を用いて、当該角速度にて回転するモータがダイナミックブレーキ用抵抗に接続されるとした場合に発生すると予測されるモータの減速トルクを、トルク予測値として計算するトルク予測値計算部と、
   前記トルク制限値設定部で設定された前記トルク制限値と、前記トルク予測値計算部で計算された前記トルク予測値とを比較するトルク比較部と、
   を備え、
   前記切替部は、前記トルク比較部の比較結果に応じて、停電検出時におけるモータの接続先を、アンプまたはダイナミックブレーキ用抵抗に切り替え、
   前記トルク制限値設定部は、前記電圧比較部の比較結果、前記ＤＣリンク電圧の値が前記所定の閾値未満の場合はＤＣリンク電圧の減少が抑制される第１のトルク制限値を設定し、前記ＤＣリンク電圧の値が前記所定の閾値以上の場合は前記第１のトルク制限値よりも大きい第２のトルク制限値を設定し、
   前記トルク制限値設定部は、前記速度検出部により検出された角速度をω、モータの逆起電力係数をＫ _V 、トルク定数をＫ _T 、巻線抵抗をＲ、角速度をωとしたとき、
   

   

   に基づいて算出される値Ｔ _upper 以下の値となるように、前記第１のトルク制限値を設定する、モータ制御装置。
8. 前記切替部は、前記トルク比較部の比較結果、前記トルク制限値が前記トルク予測値より大きい場合はモータの接続先をアンプに切り替え、前記トルク制限値が前記トルク予測値より小さい場合はモータの接続先をダイナミックブレーキ用抵抗に切り替える、請求項７に記載のモータ制御装置。
9. 前記ＤＣリンク電圧検出部が所定の周期ごとに検出したＤＣリンク電圧の値を保持する保持部をさらに備え、
   前記所定の閾値は、前記電圧比較部の比較に用いられるＤＣリンク電圧が検出された時の周期よりも前の周期に検出されて前記保持部に保持されていたＤＣリンク電圧の値である、請求項７に記載のモータ制御装置。

Images