JP7257784B2 - 電力算出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、工作機械駆動部の消費電力を算出する電力算出装置に関する。
モータを駆動して対象物を加工する工作機械では、消費電力改善等の目的で、消費電力の情報が求められる。通常、モータの消費電力を得るためには、電力計等の測定器を使用する必要がある。しかし、工作機械には多数のモータ軸があるため、モータ軸数と同じ数の測定器を設けた場合に消費電力測定システムが高価となる。そこで、測定器の個数を減らしつつ消費電力の算出精度を維持するための様々な技術が提案されている。
特許文献1には、コンバータ出力のみを測定し、各モータ軸のアンプ損失及びモータ損失を算出して各モータ軸の出力計算値に加算することで、消費電力を得る方法が開示されている。この方法により、電力計等の機器にかかるコストを最小限に抑えつつ正確に各モータ軸の消費電力を算出することができるとされている。
特開2012-195985号公報
しかしながら、特許文献1で開示される算出方法では、モータ出力を算出する際に電力測定値を使用していないため、その算出した値が実際の出力値と乖離する可能性がある。また、この算出方法では、コンバータ部からの出力を測定して用いるため、コンバータ部が複数ある場合にはコンバータ部の個数と同じ数の測定器が必要となる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、簡単な装置構成及び演算方法によりモータ軸毎の消費電力を算出することが可能な電力算出装置を得ることを目的とする。
本発明における電力算出装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部にて変換された直流電力を交流電力に変換する複数のアンプと、前記アンプにて変換された交流電力によりそれぞれ駆動する複数のモータとを有し、前記アンプ及び前記モータがモータ軸毎に設けられる工作機械駆動部の消費電力を算出する電力算出装置であって、前記コンバータ部に入力される交流電力を測定することで測定電力を取得する電力測定手段と、前記モータに関するパラメータを用いてモータ軸の消費電力をそれぞれ推定することでモータ軸毎の推定電力を取得する消費電力推定手段と、前記電力測定手段での測定により得られた前記測定電力を、前記消費電力推定手段での推定により得られた前記推定電力に応じた比率で分配することで、モータ軸毎の消費電力を算出する消費電力算出手段と、を備え、前記消費電力算出手段は、各モータ軸の消費電力を、対応するモータの回転数、対応するモータのトルク指令値および対応するモータの予め記憶されている損失係数に基づいて、算出する。
本発明によれば、簡単な装置構成及び演算方法によりモータ軸毎の消費電力を算出することができる。
本発明の一実施形態における電力算出装置が組み込まれた工作機械システムの第1構成図である。 工作機械システムの別の構成図である。
本発明の実施形態における電力算出装置について、図1及び図2を用いて説明する。なお、図中の実線は電力供給経路を示すとともに、破線矢印は信号伝達経路を示す。
図1は、本発明の一実施形態における電力算出装置2が組み込まれた工作機械システムの構成図である。このシステムは、工作機械駆動部1と、工作機械駆動部1の消費電力を算出する電力算出装置2と、を含んで構成される。
工作機械駆動部1は、少なくとも1個のコンバータ部20と、コンバータ部20の出力側に並列接続されるN個(N≧2)のサーボアンプ(以下、単に、アンプ30-1~30-Nという)と、N個のモータ40-1~40-Nと、を含む。以下、参照符号30,40,50におけるハイフン(-)の直後の文字は、モータ軸の識別番号(以下、軸番号ともいう)に対応する。
コンバータ部20は、交流電源10から供給された交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をアンプ30-1~30-Nにそれぞれ供給する。
本図の例では、1個のコンバータ部20に対してN個のアンプ30が並列接続されているが、アンプ30及びモータ40がモータ軸毎に設けられる構成であれば、様々な接続形態を採用することができる。例えば、図2に示すように、工作機械駆動部1は、N個のコンバータ部20-1~20-Nを備えており、コンバータ部20とアンプ30が1対1で接続されてもよい。
モータ40-1~40-Nは、例えばACサーボモータで構成され、図示しない工作機械の主軸に接続される。モータ40-1~40-Nには、回転速度に相関する検出信号を出力する検出器41-1~41-Nがそれぞれ設けられている。
アンプ30-1~30-Nは、コンバータ部20からの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を用いてモータ40-1~40-Nの駆動制御を行う。具体的には、アンプ30-1~30-Nは、検出器41-1~41-Nからの検出信号に基づいてトルク指令値を生成し、このトルク指令値に応じたPWM(Pulse Width Modulation)制御を行う。
電力算出装置2は、N個の消費電力推定手段50-1~50-Nと、電力測定手段60と、消費電力算出手段70と、出力手段80と、を含む。なお、これらの構成要素は、工作機械駆動部1と別体の装置構成であってもよいし、工作機械駆動部1の機能を部分的に利用した装置構成であってもよい。
消費電力推定手段50-1~50-Nは、モータ40-1~40-Nに関するパラメータ(例えば、回転数、トルク、損失係数等)をアンプ30-1~30-Nから取得し、モータ軸毎の消費電力(以下、推定電力{Qi}という)を推定する。具体的には、消費電力推定手段50-i(i=1,2,・・・,N)は、次の式(1)を用いて、軸番号iにおける推定電力Qiを推定する。
Qi=Ti・(2πNi/60)・ηi ・・・(1)
ここで、Niは、モータ40-iの回転数(単位:rpm)であり、検出器41-iによる検出値が用いられる。また、Tiは、モータ40-iのトルク(単位:N・m)であり、アンプ30-iの指令値が用いられる。また、ηiは、モータ40-iの損失係数(単位:なし)であり、図示しないメモリに格納された固有値である。
電力測定手段60は、交流電源10とコンバータ部20の間における電力(以下、測定電力Pという)を測定する。この測定電力Pは、工作機械駆動部1におけるモータ駆動時に消費される有効電力(電圧、電流及び力率の積)に相当する。
消費電力算出手段70は、消費電力推定手段50-1~50-Nからの推定電力{Qi}及び電力測定手段60からの測定電力Pを用いて、モータ軸毎の消費電力{Pn}を算出する。具体的には、消費電力算出手段70は、次の式(2)を用いて、軸番号iにおける消費電力Piを算出する。
Pi=P・(Qi/ΣQj) ・・・(2)
ここで、ΣQjは、N個の推定電力Qj(j=1,・・・,N)の総和を示している。つまり、消費電力算出手段70は、測定電力Pを推定電力{Qi}に応じた比率で分配している。
出力手段80は、消費電力算出手段70により算出された消費電力{Pi}又は消費電力{Pi}に関連する情報を出力する。例えば、出力手段80は、ディスプレイ又はスピーカで構成されており、消費電力{Pi}の算出結果のみならず、工作機械駆動部1の動作状態に関する判定結果を出力してもよい。
以上のように、電力算出装置2は、コンバータ部20に入力される交流電力を測定することで測定電力Pを取得する電力測定手段60と、モータ40-1~40-Nに関するパラメータを用いてモータ軸の消費電力をそれぞれ推定することでモータ軸毎の推定電力{Qi}を取得する消費電力推定手段50-1~50-Nと、測定により得られた測定電力Pを、推定により得られたモータ軸毎の推定電力{Qi}に応じた比率で分配することで、モータ軸毎の消費電力{Pi}を算出する消費電力算出手段70と、を備える。
このように、測定電力Pを推定電力{Qi}に応じた比率で分配してモータ軸毎の消費電力{Pi}を算出することで、コンバータ部20に入力される交流電力の実測値(つまり、測定電力P)との整合性が常に保たれる。これにより、簡単な装置構成及び演算方法によりモータ軸毎の消費電力{Pi}を算出することができる。
特に、図2に示すように、1個の交流電源10に複数(ここでは、N個)のコンバータ部20-1~20-Nが並列接続されている場合、交流電源10と最上流のコンバータ部20-1の間にある箇所に1個の電力測定手段60を設ければよい。これにより、コンバータ部20-1~20-Nの出力側に1個ずつ電力測定手段60を設ける場合と比べて、きわめて簡単な装置構成で済む。
1 工作機械駆動部、2 電力算出装置、10 交流電源、20,20-1~20-N コンバータ部、30,30-1~30-N アンプ、40,40-1~40-N モータ、41-1~41-N 検出器、50-1~50-N 消費電力推定手段、60 電力測定手段、70 消費電力算出手段、80 出力手段。

Claims (2)

  1. 交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、前記コンバータ部にて変換された直流電力を交流電力に変換する複数のアンプと、前記アンプにて変換された交流電力によりそれぞれ駆動する複数のモータとを有し、前記アンプ及び前記モータがモータ軸毎に設けられる工作機械駆動部の消費電力を算出する電力算出装置であって、
    前記コンバータ部に入力される交流電力を測定することで測定電力を取得する電力測定手段と、
    前記モータに関するパラメータを用いてモータ軸の消費電力をそれぞれ推定することでモータ軸毎の推定電力を取得する消費電力推定手段と、
    前記電力測定手段での測定により得られた前記測定電力を、前記消費電力推定手段での推定により得られた前記推定電力に応じた比率で分配することで、モータ軸毎の消費電力を算出する消費電力算出手段と、
    を備え
    前記消費電力算出手段は、各モータ軸の消費電力を、対応するモータの回転数、対応するモータのトルク指令値および対応するモータの予め記憶されている損失係数に基づいて、算出することを特徴とする電力算出装置。
  2. 請求項1に記載の電力算出装置であって、
    前記消費電力算出手段は、i番目のモータ軸の消費電力を、
    Qi=Ti・(2πNi/60)・ηi
    に基づいて算出し、
    ここで、Niは対応するモータの回転数であり、Tiは対応するモータのトルクの指令値であり、ηiはモータ損失係数である、
    電力算出装置。
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