JP7469002B2 - サーボ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、サーボ制御装置に関する。
周知の通り、機械工作の分野では、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御：Computerized Numerical Control）技術を適用し、移動量や移動速度などをコンピュータで数値制御することにより、同一動作の繰り返しや、複雑な動作などを高度に自動化している。また、プレス機や、射出成形機、工作機械やロボットなどの産業用機械の軸などを駆動するためのサーボモータ（電動機）は、回転量、速度、トルク等が駆動制御されている。
一方、例えば、プレス機でのプレス時、射出成形機での型締め時、工作機械での切込み時など、サーボモータのトルクなどの負荷が急激に上昇する際には、サーボモータの消費電力が急激に跳ね上がり、ピーク電力が上がるほど、契約電気料金を高く設定する必要が生じる。
このため、従来、例えば、図４に示すように、それぞれドライブ用のサーボモータを制御する複数のサーボアンプに共通電源から電量供給を行うようにするとともに、ドライブ用のサーボモータの消費電量が急激に跳ね上がるタイミングでバッファ用のサーボモータから電力を供給（回生）することによって、ピーク電力を下げる（ピークをなくす）制御を行っている。
このとき、図５に示すように、バッファ用のサーボモータは、イナーシャが付加され、予め設定した同じベース速度（ベース速度１）で回転させて蓄電を行い、電力回生が必要になったときにバッファ用のサーボモータの駆動速度を下げてドライブ用のサーボモータに電力を供給する。また、複数のドライブ用のサーボアンプ間の通信によってどのサーボアンプに電力回生を行うかを決め、効率的且つ効果的にドライブ用のサーボモータの消費電力の低減を図るようにする。ピーク電力を下げた後は、バッファ用のサーボモータの駆動を加速し、電力を蓄積するとともにベース速度（ベース速度１）に戻す。
例えば、特許文献１には、「フライホイールと、前記フライホイールに結合された発電電動機と、交流側が前記発電電動機に接続され直流側が直流リンク部に接続されたインバータとを備え、前記インバータから前記発電電動機に可変周波数の交流を供給して前記フライホイールの回転数を制御することにより、前記直流リンク部と電気エネルギーの授受を行う蓄電装置であって、前記インバータは、前記直流リンク部の電圧を検出する電圧検出器と、前記電圧検出器からの検出電圧と前記フライホイールの回転数とに基づいて、前記直流リンク部の電圧指令値を第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とのいずれかに設定する電圧指令値設定部と、前記電圧検出器からの検出電圧と前記フライホイールの回転数とに基づいて、前記フライホイールの回転数の最大回転数を第１の最大回転数と第２の最大回転数とのいずれかに設定する最大回転数設定部とを備えることを特徴とする蓄電装置。」が開示されている。
特開２０１２－号１１４９９４公報
上記の通り、従来、バッファ用のサーボモータはドライブ用サーボモータの動作に依存せず、蓄電／給電動作を終えた後は、バッファ用のサーボモータをある一定のベース速度（ベース速度１）に復帰させる制御を行い、予め定められたエネルギー値を確保するようにしている。
しかしながら、このようにバッファ用のサーボモータを制御した場合には、図５に示すように、イナーシャが大きいバッファ用のサーボモータであるほど、回生制御後に、急激に加速してバッファ用のサーボモータによる電力の蓄積制御が必要になり、この蓄電制御に起因して、バッファ用のサーボモータの速度が過大になってエネルギー損失が生じ、結果、効率の低下を招くという不都合があった。
本開示のサーボ制御装置の一態様は、産業用機械の軸を駆動する電動機を制御するためのサーボ制御装置であって、前記軸を駆動するドライブ用の電動機と、前記ドライブ用の電動機の負荷又は消費電力量を検出する負荷検出部と、前記負荷検出部の検出結果に基づいて前記ドライブ用の電動機に電力を回生するバッファ用の電動機と、前記ドライブ用の電動機に電力を回生する前の前記バッファ用の電動機の予め設定された一定の第一のベース速度から減速して前記ドライブ用の電動機に電力を回生した後、前記第一のベース速度よりも低く設定された第二のベース速度に復帰させるためのベース速度設定部と、を備える構成とした。
本開示のサーボ制御装置の一態様によれば、ドライブ用の電動機の回生時にバッファ用の電動機の速度が上がり過ぎることを防止でき、バッファ用の電動機の最高速を低く抑えることが可能になる。これにより、例えば、フライホイールの摩擦に伴う消費電力を抑えることが可能になる。
また、バッファ用の電動機の最高速を低く抑えることができることによって、ベース速度上限設定（第一のベース速度）を従来よりも高く設定することができる。すなわち、バッファ用の電動機の略定格速度まで第一のベース速度を高めることができ、イナーシャあたりの供給電力の増大を図ることが可能になる。
さらに、バッファ用の電動機がドライブ用の電動機に供給する電力と、ドライブ用の電動機の回生電力を蓄電する電力との総和（バッファ用の電動機が供給／蓄電する電力の和）を低減することができ、結果、エネルギー損失の低減を図ることも可能になる。
よって、本開示の産業用機械のサーボ制御装置によれば、従来よりも電力効率に優れたシステムを構築することが可能になる。
一態様のサーボ制御装置を示す図である。 一態様のサーボ制御装置を示すブロック図である。 一態様のサーボ制御装置によるバッファ用のサーボモータの駆動制御方法を示す図である。 バッファ用のサーボモータからの回生でドライブ用のサーボモータの消費電力を低減する説明で用いた図である。 従来のバッファ用のサーボモータの駆動制御方法を示す図である。
以下、図１から図３を参照し、一実施形態に係るサーボ制御装置について説明する。
ここで、本実施形態のサーボ制御装置は、産業用機械の軸を駆動するためのドライブ用のサーボモータ（電動機）の高トルク時などの高負荷時の消費電力低減を可能にするサーボ制御装置である。
なお、産業用機械は、その駆動時に急激な負荷の上昇が生じる産業用機械であり、プレス機、圧入器、ダイカストマシン、射出成型機、切断機、工作機械、ロボットが代表例として挙げられるが、搬送機、計測器、試験装置、印刷機、食品機械、包装機、溶接機、洗浄機、塗装機、組立装置、実装機、木工機械、シーリング装置など、他の産業用機械であっても勿論構わない。
ちなにみ、例えばプレス機では、プレス加工時にドライブ用のサーボモータに急激に負荷がかかり、急激に消費電力が上昇する。
本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１は、図１及び図２に示すように、指令部のＣＮＣ（ＮＣ）２と、複数のドライブ用のサーボモータ（電動機）３と、ＣＮＣ２からの指令に基づいて、各ドライブ用のサーボモータ３の駆動を制御する複数のドライブ用のサーボアンプ４と、各ドライブ用のサーボモータ３の負荷又は消費電力量（消費電力及び回生電力）を検出する負荷検出部５と、負荷検出部５の検出結果に基づいてドライブ用のサーボモータ３に電力を回生するためのバッファ用のサーボモータ（電動機）６と、バッファ用のサーボモータ６の駆動を制御するバッファ用のサーボアンプ７と、複数のドライブ用のサーボモータ３及びバッファ用のサーボモータ６に電力を供給する共通電源（電源）８と、を備えている。
さらに、本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１は、ドライブ用のサーボモータ３の消費電力の許容範囲（消費側閾値及び回生側閾値）を設定する消費電力許容範囲設定部９と、ドライブ用のサーボモータ３の消費電力が前記許容範囲内か否かを判定する消費電力判定部１０と、バッファ用のサーボモータ６で発電した回生電力を分配するための回生電力分配部１１と、図３（図１、図２）に示すように、ドライブ用のサーボモータ３に電力を回生する前のバッファ用のサーボモータ６の予め設定された一定の第一のベース速度（図３（図５）中のベース速度１）から減速してドライブ用のサーボモータ３に電力を回生した後、第一のベース速度よりも低く設定した第二のベース速度（図２中のベース速度２）に復帰させるためのベース速度設定部１２と、を備えて構成されている。
ドライブ用のサーボモータ３及びバッファ用のサーボモータ６は、例えば回転電動機である。但し、ドライブ用のサーボモータ３は、リニアモータなど、他の電動機であってもよい。
ベース速度設定部１２は、ドライブ用のサーボモータ３の前回の給電、蓄電操作に対応して、復帰させる第二のベース速度を設定することが好ましい。また、第一のベース速度はドライブ用のサーボモータ３の定格速度よりもわずかに小さい速度（略定格速度）に設定されていることが好ましい。
上記のように構成した本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１においては、ＣＮＣ２から指令がドライブ用のサーボアンプ４、バッファ用のサーボアンプ７に送られ、各サーボアンプ４、７によってドライブ用のサーボモータ３、バッファ用のサーボモータ６が駆動制御される。また、ドライブ用のサーボアンプ４、バッファ用のサーボアンプ７、ドライブ用のサーボモータ３、バッファ用のサーボモータ６は共通電源８から電力が供給されて駆動する。
バッファ用のサーボモータ６は、イナーシャが付加されており、ドライブ用のサーボモータ３に作用する負荷が消費電力許容範囲設定部９で設定された許容範囲内である場合に、これを消費電力判定部１０が判定し、ベース速度設定部１２で設定された一定の第一のベース速度（ベース速度１）で回転駆動し、電力を蓄積する。
一方、図３に示すように、例えばプレス機でのプレス工程で、ドライブ用のサーボモータ３に作用する負荷が増大し、負荷検出部５による検出結果がドライブ用のサーボモータ３の消費電力の消費電力許容範囲設定部９で設定した消費側閾値に達すると、これを消費電力判定部１０が判定し、複数のドライブ用のサーボアンプ４を通信接続されたバッファ用のサーボアンプ７がこの結果を受け、バッファ用のサーボモータ６を減速制御し、蓄積した電力をドライブ用のサーボモータ３に給電する。
このとき、複数のドライブ用のサーボモータ３のうち、どのドライブ用のサーボモータ３に電力を回生するか、複数のドライブ用のサーボモータ３にそれぞれどの程度の電力量を回生するかが消費電力判定部１０で定められ、この判定結果に基づいて回生電力分配部１１が各ドライブ用のサーボモータ３に電力を分配して供給する。これにより、負荷が増大し、消費電力が消費側閾値に達したドライブ用のサーボモータ３にバッファ用のサーボモータ６で蓄積した電力が供給され、消費電力が消費側閾値を下回るように、すなわち、許容範囲内となるようにされ、ピーク電力を下げる（ピークをなくす）ことができる。
一方、プレス機のプレス工程の進行に伴い、ドライブ用のサーボモータ３の負荷が低減して消費電力が消費側閾値を下回ると（許容範囲内で安定すると）、バッファ用のサーボモータ６を加速し、電力の蓄積を再開する。
この電力蓄積再開操作時、本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１では、ベース速度設定部１２によって、ドライブ用のサーボモータ３に電力を回生する前（例えば、前回）のバッファ用のサーボモータ６の予め設定された第一のベース速度（ベース速度１）よりも低く設定した第二のベース速度（ベース速度２）に復帰させ、この低く設定した第二のベース速度でバッファ用のサーボモータ６を駆動し、電力の蓄積を行う。
そして、ドライブ用のサーボモータ３の負荷がさらに小さくなって消費電力が低下してゆき、回生側閾値に達すると、これを消費電力判定部１０が判定し、複数のドライブ用のサーボアンプ４を通信接続されたバッファ用のサーボアンプ７がこの結果を受け、バッファ用のサーボモータ６を加速制御する。また、回生側閾値を上回ると（許容範囲内で安定すると）、徐々にバッファ用のサーボモータ６を加速する。このような段階的な加速によってバッファ用のサーボモータ６の速度を第一のベース速度に復帰させる。これにより、従来のように第一のベース速度への復帰操作時に急激にバッファ用のサーボモータ６の速度が上昇することがなくなる。
したがって、本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１においては、ドライブ用のサーボモータ３の回生時にバッファ用のサーボモータ６の速度が上がり過ぎることを防止でき、バッファ用のサーボモータ６の最高速を低く抑えることが可能になる。これにより、例えば、フライホイールの摩擦に伴う消費電力を抑えることが可能になる。
また、本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１においては、バッファ用のサーボモータ６の最高速を低く抑えることができることによって、ベース速度上限設定（第一のベース速度）を従来よりも高く設定することができる。すなわち、バッファ用のサーボモータ６の略定格速度まで第一のベース速度を高めることができ、イナーシャあたりの供給電力の増大を図ることが可能になる。
さらに、本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１においては、バッファ用サーボモータ６がドライブ用のサーボモータ３に供給する電力と、ドライブ用のサーボモータ３の回生電力を蓄電する電力との総和（バッファ用のサーボモータ６が供給/蓄電する電力の和）を低減することができ、結果、エネルギー損失の低減を図ることも可能になる。
よって、本実施形態の産業用機械のサーボ制御装置１によれば、従来よりも電力効率に優れたシステムを構築することが可能になる。
以上、産業用機械のサーボ制御装置の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
１ 産業用機械のサーボ制御装置
２ ＣＮＣ（ＮＣ）
３ ドライブ用のサーボモータ（電動機）
４ ドライブ用のサーボアンプ
５ 負荷検出部
６ バッファ用のサーボモータ（電動機）
７ バッファ用のサーボアンプ
８ 共通電源（電源）
９ 消費電力許容範囲設定部
１０ 消費電力判定部
１１ 回生電力分配部
１２ ベース速度設定部

Claims (4)

  1. 産業用機械を駆動するドライブ用の電動機と、
    前記ドライブ用の電動機の負荷又は消費電力量を検出する負荷検出部と、
    前記負荷検出部の検出結果に基づいて前記ドライブ用の電動機に電力を回生するバッファ用の電動機と、
    前記ドライブ用の電動機に電力を回生する前の前記バッファ用の電動機の予め設定された一定の第一のベース速度から減速して前記ドライブ用の電動機に電力を回生した後、前記バッファ用の電動機の予め設定された前記第一のベース速度よりも低く設定された第二のベース速度に復帰させ、前記第二のベース速度で前記バッファ用の電動機を駆動した後、前記第二のベース速度から前記第一のベース速度まで回転速度を上げて前記バッファ用の電動機を前記第一のベース速度に復帰させるベース速度設定部と、
    を備える、サーボ制御装置。
  2. 前記ベース速度設定部は、前記ドライブ用の電動機の前回の給電、蓄電操作に対応して前記第二のベース速度を設定する、
    請求項１に記載のサーボ制御装置。
  3. 前記第一のベース速度が前記バッファ用の電動機の略定格速度に設定されている、
    請求項１または請求項２に記載のサーボ制御装置。
  4. 前記産業用機械がプレス機である、
    請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のサーボ制御装置。
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