JPH0340787A

JPH0340787A - 電動機の制御装置

Info

Publication number: JPH0340787A
Application number: JP1172737A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nashimoto; 梨本　政行; Motozumi Yura; 元澄由良
Original assignee: Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1989-07-04
Filing date: 1989-07-04
Publication date: 1991-02-21
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JP2662296B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、旋盤やマシニングセンタに代表されるような
工作機械の主軸や送り軸等の加減速動作が頻繁に行なわ
れるような電動機の制御装置に関する。

（従来の技術）従来技術による電動機の制御装置の一例を第５図に示し
て説明する。

電力変換器■はダイオードブリッジにより交流電源２か
らの交流電力を整流し、その出力である直流電力は平滑
コンデンサ３の作用により平滑化され、モータ５を駆動
する電力変換器４へ供給される。この電力変換器４の作
用は直流を例えば交流に変換するインバータであり、電
動機５に対して電力を供給すると共に、電動機５の減速
時には運動エネルギーを直流電力として回生ずる作用を
有するいわゆる可逆動作が可能な電力変換器である。

次に、電力変換器４に対する制御回路６の動作を説明す
る。この制御回路６には電動機５の速度指令７が入力さ
れており、制御回路６は速度指令７に基づいて電力変換
器４を制御することによって電動機５を任意の速度に制
御する。速度指令７として減速指令又は停止指令が入力
された場合は、上述のように電力変換器４の作用により
電動機５及びその負荷の持つ運動エネルギーが直流電力
として回生される。しかしながら、電力変換器ｌは不可
逆変換のみ、つまり交流−直流変換を行なうのみである
ため、上記運動エネルギーの回生電力によって平滑コン
デンサ３が充電され、直流電圧が上昇することになる。

この様に直流電圧が上昇することは、電力変換器４を構
成する半導体素子の耐電圧特性を高くしなければならな
いために好ましくない。そこで、このような場合には、
回生電力を抵抗器８で熱として消費するようにトランジ
スタ９を導通させ、許容値以上に直流電圧が上昇しない
ように制御している。

また、他の従来技術を第５図に対応さげて第６図に示し
て説明する。

ところで、第５図に示す例の場合は、ＴＬ電動機及びそ
の負荷の持つ運動エネルギーを抵抗器８で熱に変えて消
費してしまうというものであったが、この場合、抵抗器
８の許容発熱量によって消費できるエネルギーに制限が
ある。そこで、例えば工作機械の主軸等のように運動エ
ネルギーが非常に大きい場合には、第６図に示す例の様
にエネルギーを交流電源２まで回生ずることが必要とな
る。すなわち、電力変換器ｌＯは直流電力を交流に変換
し、その出力を電力変換器ｌを介して交流電源２に接続
することにより直流電力を交流電源２に供給、つまり電
源回生することができる回生コンバータとなっている。

ここで、制御回路６は第５図の例と同様に平滑コンデン
サ３の両端の直流電圧を検出しており、直流電圧が上昇
した場合は電力変換器ｌＯを制御することによって電力
の電源回生を行なうようになっている。

（発明が解決しようとする課題）近年、工作機械に求められる性能の１つに加工サイクル
時間の短縮化があり、この実現のためには主軸や送り軸
の加減速時間などの非切削時間の短縮が求められている
。また一方では、加工精度の確保、加工能力の向上とい
った目的から、比較的小型の機械にも大径で重量の大き
な主軸が搭載される場合も多い。かかる２つの相反する
要求を満たすために、最近は従来に比較して高出力化さ
れた主軸電動機を搭載し、加減速時間を短縮化するとい
う例が多い。

しかしながら、電動機を高出力化すると当然加速に必要
な電力は大きくなり、また減速時に処理しなければなら
ない電力も大きくなる。その結果、実使用状況で平均的
に必要な電力（平均電力〉はａＫＷ程度であるにもかか
わらず、主軸加速時のみ短時間ではあるが、数１０ＫＷ
にも及ぶ大電力が必要であるというような例が発生して
いる。このような機械は、電源インピーダンスの高い電
源に接続しに場合には電源電圧の変動を引き起す原因と
なり、他の設備装置の動作に悪影響を及ぼすなどの問題
が発生している。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本
発明の目的は、加速時や減速時に過渡的に大電力が電源
ラインに流れることによって発生する電源電圧の変動を
少なくする電動機の制御装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段）前述したような問題は、電動機に電力を供給する第１の
電力変換器（インバータ）と、交流電源から前記第１の
電力変換器に電力を供給する第２の電力変換器と、前記
電動機及びその負荷の回転エネルギー又は運動エネルギ
ーを前記電動機が減速するときに回生エネルギーとして
蓄えることのできる容量を持つエネルギー蓄積手段とを
設けることによって解決される。更に、前記エネルギー
蓄積手段に蓄えられた蓄積エネルギーを前記電動機及び
その負荷の回転速度又は運動速度に応じて制御し、前記
電ｆｆｔＪＪ機及びその負荷の持つ運動エネルギーと前
記エネルギー蓄積手段の蓄積エネルギーとの総和がほぼ
一定の値になるように制御することによって解決される
。

（作用）本発明では、電動機及びその負荷である主軸などが有す
る運動エネルギーを、装置内に設けたエネルギー蓄積手
段に蓄積して吸収するようにしている。また、加速時に
過渡的に必要となる電力はエネルギー蓄積手段に蓄積さ
れたエネルギーを使用し、電源からの電力供給を受けな
い様にする。

エネルギー蓄積手段に蓄えることのできるエネルギーは
、電動機が最高回転数に達した時に電動機及びその負荷
が有する運動エネルギーにほぼ等しいため、電動機を加
速する際、この蓄積エネルギーを使用しながら加速すれ
ば電源から電力の供給を受けることなく最高回転数まで
達することができる。

すなわち、前述した様な加速時に過渡的に大きな電力が
必要な場合でも電源からの電力を必要としないため、電
源に影響を与える事なく加速することができる。また、
減速時にも過渡的に大きな回生電力が発生するが、この
場合は回生エネルギーをエネルギー蓄積手段に全て吸収
して蓄積する。よって、大きな回生電力を電源回生する
ことによって発生する電源電圧の変動もなく、また回生
エネルギーを消費することなく全て蓄積しておき、この
蓄積エネルギーは次の動作で加速する際に有効な電力と
して使用できるため、省エネルギーの見地からも有効で
ある。電源容量の小さな環境に設置された場合でも十分
に大きな電力で加減速を行なうことができるため、加減
速時間を大幅に短縮でき、これにより加工サイクル時間
を短縮することができる。

（実施例）第１図に本発明の一実施例を示して説明する。

なお、図中で第５図及び第６図に共通の要素には同一符
号を付し、その動作の説明は省略する。

スイッチング素子等で成るＤＣ／ＤＣコンバータ１１は
電力変換器４に人力されている直流電圧とエネルギー蓄
積手段１２との間に接続されており、エネルギー蓄積手
段１２と直流電圧との間の電力の授受を制御するように
なっており、エネルギー蓄積手段１２の両端の電圧及び
直流電圧の電圧がいかなる値であっても、電流を任意の
方向に任意の量に制御できるものである。よって、ＤＣ
／ＤＣコンバータ１１は直流電圧とエネルギー蓄積手段
１２との間の電力の授受を任意に制御することができる
。なお、エネルギー蓄積手段１２としては十分に大きな
容量のコンデンサか、もしくは蓄電池等が用いられる。

また、電動機５には速度検出器１３が接続されており、
速度検出信号（回転速度）は制御回路６に入力されてい
る。

このような構成による電ａ機の制御装置の動作を、第２
図を参照して説明する。

制御回路６には、電動機５に接続された速度検出器１３
より電動機５の回転速度が入力されており、この回転速
度より電ｇＪＪＰａ５及びその負荷が有する回転運動エ
ネルギーを算出する。また、制御回路６はエネルギー蓄
積手段１２の両端の電圧を検出するよう接続されており
、この入力電圧よりエネルギー蓄積手段１２に蓄えられ
ている蓄積エネルギーが算出されている。そして、制御
回路６は、これらの電動機及びその負荷が有する回転運
動エネルギーと蓄積された蓄積エネルギーの総和が、第
２図（Ａ）のＥＪ如くほぼ一定になるようにＤＣ／ＤＣ
コンバータｌｌを制御する。

すなわち、先ず装置に電源が投入された後（時点ｔｌ）
、予め与えられている電動機の回転速度指今に基づいて
電動機及びその負荷の回転運動エネルギーを第２図（Ｂ
）の如く算出する。この場合、与えられている回転速度
指令をＷｃ、電動機の慣性モーメントを九、負荷の慣性
モーメントをＪＬとすると、回転速度Ｗｃにおける回転
運動エネルギーＥＪはＥＪ＝　−（ＪＭ＋　ＪＩＪ　Ｗｅ”　　　　　　　　
　・・・・・・・・・（１）である。制御回路６はＤＣ
／ＤＯコンバータ１１を制御し、エネルギー蓄積手段１
２にエネルギーの蓄積を第２図（Ｃ）の如く開始する（
時点ｔ２）。そして、次第に蓄積エネルギーが増加し、
回転運動エネルギーＥＪに等しくなった時（時点ｔ３）
に動作準備の完了状態となる。その後電動機、５が実際
に動作を開始するのは時点ｔ４であり、電動機５には電
力変換器４を通じて加速に必要な入力電力ＰＡが供給さ
れる。この入力電力ＰＡは大きな電力であり、従来の電
動機制御装置はこの人力電力ＰＡが装置全体の入力電力
として電源から供給されていたために前述の様な問題が
発生していた。

しかし、本発明の装置ではこの電力は電源からではなく
、エネルギー蓄積手段１２から供給されるため、第２図
（Ｄ）　に示すように装置全体の入力電力はＯである。

このとき電動機５が加速するに従って電動機５及びその
負荷が有する回転運動エネルギーは上昇し、また、エネ
ルギー蓄積手段１２に蓄積されたエネルギーは電動機５
に対して電力ＰＡを供給するために第２図（Ｃ）の如く
次第に減少する。しかし、この加速中、電動機５に対し
て慣性以外の負荷はほとんど無視できるとすれば、回転
運動エネルギーと蓄積されたエネルギーの総和は第２図
（＾）に示す様に一定となる。なお、電動機５に慣性以
外の負荷（第２図（Ｅ）にＰ、としてボす）が加えられ
ている場合は、蓄積エネルギーの減少を検出して蓄積エ
ネルギーを補充する様にＤＣ／ＤＣコンバータ１１の制
御を行ない、第２図（Ｅ）に斜線で示す様に電動機５に
加えられる負荷ＰＬは断続的であっても、装置全体の入
力電力Ｐ、は同図（Ｄ）の如く時間的に一定に制御する
ことが可能である。

次に、第３図に本発明の別の実施例を示す。この例では
エネルギー蓄積手段１２に電動機１４を使用しており、
この回転運動エネルギーを利用してエネルギーの蓄積を
行なっている。また、電動機１４に蓄積されるエネルギ
ーの制御手段としてインバータ１６を用いており、これ
は制御対象の電動機５を駆動している電力変換器（イン
バータ）４と同様のものである。この装置の制御原理は
極めて簡単であり、電動機５の回転速度が低い場合は電
動機１４を高速回転で駆動し、電動機５が高速回転して
いる場合は電動機１４を低速で回転する。

なお、電動機１４の回転数制御のため速度検出器１５に
より速度フィードバック制御を行なっている。また、こ
の例では電流検出器１７によって電力変換器４に供給さ
れている瞬時電流を検出し、さらに直流電圧の瞬時値か
ら電動機５に供給されている電力を算出し、この電力の
瞬時値から平均値を差し引いた値を電動機５の慣性負荷
による電力として検出し、この検出値と電動機１４の入
出力電力とが等しくなる様に制御しており、この結果前
述したように負荷が断続的な場合でも、装置全体の入力
電力を一定に制御することができる。

更に、第４図に本発明の別の実施例を示す。この実施例
は第１図に示す実施例にヌ４して直流電圧を可変する機
能をもったＤＣ／ＤＣコンバータ１８を付加したもので
ある。そして、この実施例はＤＣ／ＤＣコンバータ１１
が入力端子、出力電圧共に任意に可変できることから考
案されたものであって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８によ
って交流電源２から供給される直流電圧を可変し、また
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１によってエネルギー蓄積手段
１２から供給される直流電圧を可変するものである。そ
して、その制御は電動機５の回転速度に応じて行なわれ
ている。すなわち、電動機５の回転速度が低い場合には
電動機５の端子間に発生する誘起電圧が低いことから直
流電圧を低く制御し、また回転速度が高い場合には電動
機５の端子間に発生する誘起電圧が高いことから直流電
圧を高く制御するものである。このような制御を行なう
ことによって電力変換器４に入力される直流電圧は常に
電動機５の端子電圧に応じて最適に制御されるために以
下に示す様な種々のメリットが生じる。

第１に電力変換器４において発生する電力損失を電圧が
小さくなったことによって小さく抑えることができる。

第２に電力変換器４の出力電圧は通常、ＰＷＭ制御され
た矩形波電圧であり、そのピーク値は入力された電流電
圧に等しいことから、このピーク値が低く抑えられるこ
とによって電動機５に流れる電流のリップル電流を小さ
くすることができる。

第３に電力変換器４の人力である直流電圧と出力である
電動機５の端子電圧がほぼ近い状態で動作させることが
できることがら一５電力変換器４の出力電圧精度があま
り良くなくても十分な制御性能を得ることができる。

（発明の効果）以上説明した本発明によれば、電動機の加速時に必要な
大きな電力を装置内部に蓄積されたエネルギーによって
供給できるので、電源に負担をかけることなく大電力に
よる高い加減速能力を得ることができる。その結果、機
械サイズに見合った小容量の電源装置の環境に設置され
た機械でも、従来に比較してはるかに高い加減速動作を
実現でき、加工サイクル時間を大幅に短縮することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック構成図、第２
図はその動作を説明するためのタイムチャートご第３図
及び第４図はそれぞれ本発明の他の実施例を示すブロッ
ク構成図、第５図及び第６図はそれぞれ従来例を示すブ
ロック構成図である。１・・・電力変換機（交流−直疏交喚）、２・・・交流
電源、３・・・平滑コンデンサ、４・・・電力変換器、
５・・・電動機、６・・・制御回路、７・・・速度指令
、８・・・抵抗器、９・・・トランジスタ、ｌＯ・・・
回生コンバータ、ｉｉ、ｉａ・・・ＤＣ／ＤＣコンバー
タ、１２・・・エネルギー蓄積手段、１３・・・速度検出器、１４・・・電動機、１５・・・速度検出器、１６・・・インバータ、１７・・・電流検出器。

Claims

【特許請求の範囲】１、電動機に電力を供給する第１の電力変換器と、交流
電源から前記第１の電力変換器に電力を供給する第２の
電力変換器と、前記電動機及びその負荷の回転エネルギ
ー又は運動エネルギーを前記電動機が減速するときに回
生エネルギーとして蓄える容量を持つエネルギー蓄積手
段とを具備したことを特徴とする電動機の制御装置。２、前記エネルギー蓄積手段が蓄電池又は蓄電池相当品
である請求項１に記載の電動機の制御装置。３、前記エネルギー蓄積手段は回転機を利用したもので
あって、前記回生エネルギーを前記回転機の回転運動エ
ネルギーとして蓄えるようになっている請求項１に記載
の電動機の制御装置。４、前記エネルギー蓄積手段に蓄えられた蓄積エネルギ
ーを、前記電動機及びその負荷の回転速度又は運動速度
に応じて制御するようになっている請求項１、２又は３
に記載の電動機の制御装置。５、前記電動機及び負荷の回転運動エネルギーと前記エ
ネルギー蓄積手段の蓄積エネルギーとの総和がほぼ一定
の値になるように制御する請求項４に記載の電動機の制
御装置。６、前記電動機を駆動するインバータの入力電圧を前記
電動機の回転数に応じて制御するようになっている請求
項４又は５に記載の電動機の制御装置。