JPS5928147B2 - 誘導電動機の運転制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、誘導電動機の運転制御装置、特に工作機械の
主軸駆動用電動機のオリエンテーション時における低ト
ルク制御を円滑にかつ確実に行なうことができる運転制
御装置に関する。

工作機械の主軸に工具を取り付けるために通常オリエン
テーションと呼ばれる動作態様をとる。

すなわち、主軸に工具を正確に嵌合せしめるため、主軸
の把持部及び工具の双方に切欠き部を設け、この切欠き
部が互いに合致する位置まで主軸をゆつくりと回転させ
、互いの切欠き部が一致したところで主軸の回転を停止
させた後、主軸に工具を取り付ける。そのため、工作機
械が切削などの動作が終了すると、いつたん主軸駆動用
電動機を停止せしめた後、オリエンテーションモードに
切替えて主軸駆動用電動機をゆつくり回転せしめるとと
もに、主軸の一部からピンが突出し、主軸及び工具の切
欠き部が一致したところで該ピンが係止部に当たり駆動
用電動機と共に主軸は確実に停止することになる。した
がつて、主軸駆動用電動機は滑らかに回転しなければな
らず、駆動トルクは大きくともまた小さ過ぎても良くな
い。なぜならば、駆動トルクが大であれば、衝撃力のた
めに主軸及びその他の装置を損傷させるおそれが出て来
ることになり、また反対に駆動トルクが小さ過ぎると確
実な動作が保証されず、かつ作業能率が低下する原因と
なるからである。そこで駆動トルクは通常運転時の３分
の１乃至２分の１程度に選択される。主軸駆動用電動機
としては、交流用の誘導電動機又は直流電動機の使用が
考えられるが、制御性の面から見れば、低速、低トルク
匍脚の技術がすでに確立している直流電動機が有利であ
る。

しかし制御性が優れているものの、整流子及びブラシの
保守、点検が面倒であり、また構造上どうしても誘導電
動機に比較して大きく、また複雑であつて、そのため据
付け面積を多くとり、価格も高いという欠点がある。そ
こで、本発明は上述の如き従来の欠点を除去するため、
低速・低トルク運転を要求される工作機械の主軸駆動用
電動機に誘導電動機を用いることができる運転制御装置
を得ることを目的とする。

上述の如き本発明の目的を達成せしめるため、本発明は
、パルス幅変調型インバータにより駆動される誘導電動
機の速度制御系において、速度指令信号ＶＮと誘導電動
機の実速度信号Ｖｎを比較増幅する回路を設け、該比較
増幅回路の出力信号Ｖｓの一方が極性判別回路を介して
与えられるすべり周波数指令信号発生回路と、該すべり
周波数指令信号発生回路の出力信号ＶｓＯと上記誘導電
動機の実速度信号Ｖｎを加算する信号加算手段と、該信
号加算手段の出力信号ＶＦを電圧一周波数変換回路を介
して与えられる信号分配回路を設け、上記比較増幅回路
の他方の出力信号Ｖｓがリミツタ回路を介して与えられ
る上記信号加算手段の出力信号ＶＦとの積ＶＳ／ＶＦを
出力する乗算回路と、インバータ回路の交流側電圧を整
流する整流回路と、該整流回路からの出力信号を平均化
するローパスフイルタと、上記乗算回路の出力信号とロ
ーパスフイルタの出力信号とを比較増幅して、この比較
増幅信号と上記信号分配回路の出力信号を論理合成する
合成回路と、該合成回路の合成出力に基ずいてパルス幅
変調を行なうパルス幅変調回路を設け、該パルス幅変調
回路の出力で上記インバータ回路を通電制御することを
特徴とする誘導電動機の運転制御装置を提供する。次に
本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る運転制御装置の構成を示すプロツ
ク図である。

第１図において、１は工作機械の主軸を駆動する三相誘
導電動機、２は誘導電動機１を運転制御するパルス幅変
調型トランジスタインバータである。３は誘導電動機１
の回転軸に直結した速度計発電機、４は減算回路、５は
誤差増幅器であり、これら減算回路４と誤差増幅器５で
比較増幅回路を構成している。

６は入力信号の極性に応じた信号を出力する極性判別回
路、７はすべり周波数指令信号発生回路、８は加算回路
、９は絶対値回路である。

１０は電圧値で示される入力信号に応じた周波数信号を
出力する電圧−周波数変換回路（以下Ｖ−Ｆコンバータ
と略記する），１１はＶ−Ｆコンバータ１０から送出さ
れた周波数列を三相に分配するリングカウンタ、１２は
絶対値回路、１３は所定値までの入力信号は通過させ所
定値を越える入力信号はクランプするリミツタ回路、１
４は２入力を乗算した値を出力する乗算回路であり、１
５はリングカウンタ１１から出力された三相周波数成分
の波高値を後述の誤差増幅器２０から出力される信号で
変調し、その波高値をリングカウンタ１１から出力され
た三相周波数に比例して変化せしめる合成回路、１６は
合成回路１５からの出力信号の大きさに応じてパルス幅
が変調されたパルス信号を出力するパルス幅変調回路で
ある。

なお、上記のようなＶ−Ｆコンバータ１０、リングカウ
ンタ１１、合成回路１５、パルス幅変調回路１６からな
る駆動制御方式は周知のものであり、さらにこの方式に
おいては誘導電動機の回転方向制御回路を示していない
が、普通誤差増幅器５の出力信号を引き出して該信号の
極性を判別し、その極性の方向に従つてリングカウンタ
１１の相回転方向を制御するが、これも周知のものであ
り、詳細な説明は省略する。１７は誘導電動機１の印加
電圧を全波整流する整流回路であり、その出力はローパ
スフイルタ１８を介して減算回路１９に加えられる。

なお、これら整流回路１７とローパスフイルタ１８は、
誘導電動機１に印加する電圧を補正して常に該電圧を，
駆動周波数に比例せしめるためのものであり、インバー
タ回路の出力電圧が変動したり、インバータ回路を駆動
する位相制御回路の位相制御誤差などが生じても低速域
において正確な可変電圧可変周波数制御を行なうもので
ある。２０は誤差増幅器である。

ところで、一般の誘導電動機のトルク一速度特性は、第
２図に示すように、印加電圧の大小に応じてそのカーブ
が上下に移動する。

従つて、誘導電動機を定速制御するためには、負荷が増
加したならば、印加電圧を高くしてトルク曲線を上方に
持ち上げ、逆に負荷が減少したらトルク曲線を下方に下
げる必要がある。一方誘導電動機の運転時には常にある
値のすべり周波数を有して運転されているが、すべり周
波数は誘導電動機が安定に運転できる最大許容すベリ周
波数以下であつて、しかもなるべく大きい値の方が好ま
しい。特に低速運転時においては、滑らかな運転が可能
である。そこで本発明は誘導電動機のトルク制御を併用
して安定なしかも滑らかな運転を確保し、特に工具を主
軸に取り付ける際のオリエンテーシヨン動作時に適切な
トルクで低速運転を行なうものである。このことは、次
に述べる本発明の動作説明によつてより明らかになるで
あろう。次に本発明の装置の動作態様を第１図に従つて
説明する。

三相誘導電動機１は三相パルス幅変調型トランジスタイ
ンバータ２によりその出力パルスの幅が制御信号に応じ
て変化され、等価的に電圧制御されて運転される。

工作機械の主軸が通常運転すなわち切削動作などを行な
つている時には、速度指令信号ＶＮは作業速度に見合つ
た適正な目標値が与えられ、速度計発電機３から出力さ
れる実速度信号Ｖｎと減算回路４及び誤差増幅器５で比
較増幅される。増幅された誤差信号Ｖｓは極性判別回路
６でその極性が正、負のいずれであるかにより誘導電動
機が正転または逆転運転状態にあるかを判別し、次段の
すべり周波数指令信号発生回路６に正転時には正の所定
のすべり周波数指令信号を発生するように、また逆転時
には負の所定のすべり周波数を発生するように指令信号
を与える。すべり周波数指令信号発生回路ｒの出力信号
である一定のすべり周波数信号ＶｓＯは次段の加算回路
８において誘導電動機１の実速度信号Ｖｎと加算され、
インバータ回路２の動作周波数を規制する周波数指令信
号ＶＦとなる。該周波数指令信号ＶＦは絶対値回路９を
介して次段のＶ−Ｆコンバータ１０−に与えられ、ここ
でインバータ回路２の動作周波数Ｆに変換され、該動作
周波数Ｆは三相のリングカウンタ１１により三相のパル
ス周波数信号に分配される。他方、誤差増幅器５からの
誤差信号Ｖｓは絶対値回路１２を介して次段のリミツタ
回路１３に入力され、該リミツタ回路１３は誤差信号Ｖ
ｓの値が小のとき、即ち誘導電動機１の負荷トルクが小
さくて指令速度（同期速度）に近い速度で運転されてい
る時にはリニア特性の出力を送出し、逆に誤差信号Ｖｓ
が大のとき、すなわち誘導電動機１の負荷トルクが大で
あり、実速度と指令速度との間に大きな差を生じている
時は、誤差信号Ｖｓの値も大となり、誤差信号Ｖｓの一
定値以上でクランプされた出力を送出するようにしたも
のである。そして、リミツタ回路１３から出力された信
号は次段の乗算回路１４で絶対値回路９からのインバー
タ回路２の動作周波数を規制する信号ＶＦと乗算されそ
の出力にＶＥ＝ＶＳ／ＶＦを得る。したがつて、該出力
・信号ＶＥはインバータ回路２の出力電圧を規制する電
圧指令信号となる。この実施例では、電圧指令信号ＶＥ
（ＶＳ／ＶＦ）は更に誘導電動機１の３相電圧を整流回
路１ｒで全波整流され、ローパスフイルタ１８にて平滑
にされた信号と減算回路１９及び誤差増幅器２０で比較
増幅されて補正を受けるが、このマイナーループは前述
の如ぐ必ずしも必要なものではない。したがつて、乗算
回路１４からの電圧指令信号ＶＥは合成回路１５に加え
られ、この信号によりリングカウンタ１１からの信号を
振幅変調し、該電圧指令信号ＶＥにより波高値を制御さ
れた三相の信号が合成回路１５から出力され、次段のパ
ルス幅変調回路１６に印加される。このパルス幅変調回
路１６は動作周波数Ｆに対応した繰返し周波数のパルス
でかつそのパルス幅が電圧指令信号ＶＥの犬きさに応じ
たパルス幅を有する６個のパルスを端子Ｐ，〜Ｐ６から
順次発生し、夫々端子Ｐ１〜Ｐ６から発せられたパルス
は、三相パルス幅変調型トランジスタインバータ回路２
を構成するトランジスタＱ１〜Ｑ６のベースに印加さへ
各トランジスタは夫夫、通電順序及び通電時間が決定さ
れる。したがつて、該インバータ回路２の出力周波数は
動作周波数Ｆに対応し、また出力電圧は電圧指令信号Ｖ
Ｅの大きさに応じたものとなり、かかる周波数及び電圧
でもつて三相誘導電動機１は運転されている。そして該
誘導電動機１の負荷が大となり速度が低下すると、それ
に応じて誤差信号Ｖｓの値も大となり、また動作周波数
指令信号ＶＦは小となるので電圧指令信号ＶＥは大とな
つてインバータ回路２の出力電圧を大として誘導電動機
１の出力トルクを大きくして速度指令に対応した速度に
引き戻す。負荷が小となつた場合も逆の動作を同様に行
ない誘導電動機は定速運転制御される。しかしここで注
目しなければならないことは、どのような運転状況であ
つても誘導電動機１のすべり周波数は常に一定に保たれ
ていることである。したがつて、誘導電動機は安定した
円滑な運転が保持されることになる。ちなみに、動作周
波数指令信号Ｆと速度指令信号ＶＮの関係を示すと第３
図のようになり、動作電圧指令信号ＶＥと速度誤差信号
Ｖｓとの関係は第４図に示す通りである。第３図におい
て、Ｂは誘導電動機１の実速度に対応した周波数であり
、Ａはこの周波数Ｂに一定のすべり周波数Ｆｓを加算し
た周波数である。そして、本発明では、動作周波数指令
としてＢの周波数を用いる。第４図においてＣは速度指
令が大のときの動作電圧指令信号であり、Ｄは速度指令
が小のときの動作電圧指令信号を示す。上述の如く、通
常運転をしている工作機械の主軸駆動用誘導電動機を工
具交換のためオリエンテーシヨンモードに切替えるには
、いつたん該誘導電動機を停止させ、改めてオリエンテ
ーシヨンモードにし、速度指令信号を小さく設定する。

誘導電動機１は速度指令信号に従つてゆつくりと低速回
転し、速度誤差信号Ｖｓも小となり、リミツタ回路１３
もリニア特性の部分で動作し、動作電圧指令信号は比較
的小さい値で追従制御されている。オリエンテーシヨン
モードへの切替えと同時に主軸からピンが突出し、ピン
が係止部に係合して工具と主軸の切欠部が合致する位置
で主軸の回転は停止される。このとき、主軸１駆動用誘
導電動機１の回転速度Ｖｎは零となりため動作周波数指
令信号ＶＦはすべり周波数指令信号ＶｓＯそのものとな
る。一方、速度指令信号ＶＮと実速度信号Ｖｎの差は最
大となり誤差信号Ｖｓは大となるのでリミツタ回路１３
はその出力をクランプしたある値ＶＳＬとして動作電圧
指令信号の大きさを無限に大とならないように動作する
。従つてインバータ回路２の動作周波数指令信号ＶＦは
すべり周波数指令信号ＶｓＯとなり、動作電圧指令信号
ＶＥ＝ＶＳＬ／ＶＳＯの値をとることになる。このとき
のリミツタ回路１３のクランプ値は、主軸が停止ピンに
よりロツクされる時に衝撃力により損傷されないような
値に選定すべきであり、通常運転時の１００％トルクで
クランプするかまたは５０％トルクでクランプするかは
当業者の任意事項にすぎない。このようにして定位置で
停止した主軸に工具を確実に、しかも円滑な回転と適度
の回転速度をもつて取り付け作業を行なうことができる
。上述の実施例において、動作電圧指令信号ＶＥとして
動作周波数指令信号ＶＦを用いても良いし、また、動作
電圧指令信号ＶＦに誘導電動機１の抵抗分Ｒによる電圧
降下を補償するように補償成分を付加することも可能で
ある。

更にすべり周波数指令信号ＶｓＯを回転速度に応じて変
化させるようなものとすることもでき、これらは当該技
術分野における当業者の設計上の選択事項である。以上
詳細に説明したように、本発明はメンテナンスが容易で
かつ据え付け場所及び価格的に有利な三相誘導電動機を
用いて、すべり周波数一定制御と印加電圧の可変電圧制
御を併用して低速運転時に適度のトルクと円滑な安定し
た運転を可能とするものであり、工作機械の主軸に工具
を取り付けるためのオリエンテーシヨンモードに最適な
誘導電動機の運転制御装置を得ることができ、経済的、
技術的効果が大である。また、インバータ回路の出力電
圧を整流してローパスフイルタを通した信号を用いてイ
ンバータの制御を行なうので、インバータ回路の出力変
動や位相制御回路の位相誤差が生じても、低速域におい
て安定な可変電圧可変周波数制御を行なうことができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の運転制御装置の一実施例を示すプロ
ツク図、第２図は、誘導電動機のトルク一速度特性曲線
図、第３図は、動作周波数指令信号一速度指令信号の関
係を示す曲線図、第４図は、動作電圧指令信号一速度誤
差信号との関係を示す特性図である。 図中、１は三相誘導電動機、２は三相パルス幅変調型ト
ランジスタインバータ回路、３は速度計変電機、４は減
算回路、５は誤差増幅器、６は極性判別回路、ｒはすべ
り周波数指令信号発生回路、８は加算回路、９は絶対値
回路、１０はＶ−Ｆコンバータ、１１はリングカウンタ
、１２は絶対値回路、１３はリミツタ回路、１４は乗算
回路、１５は合成回路、１６はパルス幅変調回路、１ｒ
は整流回路、１８はローパスフイルタ、１９は減算回路
、２０は誤差増幅器である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パルス幅変調型インバータ回路により駆動される誘
   導電動機の速度制御系において、速度指令信号と誘導電
   動機の実速度信号を比較増幅する回路を設け、該比較増
   幅回路の出力信号が極性判別回路を介して与えられるす
   べり周波数指令信号発生回路と、該すべり周波数指令信
   号発生回路の出力信号と上記誘導電動機の実速度信号を
   加算する信号加算手段と、該信号加算手段の出力信号を
   電圧−周波数変換回路を介して与えられる信号分配回路
   を設け、上記比較増幅回路の出力信号がリミッタ回路を
   介して与えられ上記信号加算手段の出力信号との積を出
   力する乗算回路と、インバータ回路の交流側電圧を整流
   する整流回路と、該整流回路からの出力信号を平均化す
   るローパスフィルタと、上記乗算回路の出力信号とロー
   パスフィルタの出力信号とを比較増幅して、該比較増幅
   信号と上記信号分配回路の出力信号とを合成する合成回
   路と、該合成回路の矩形波出力に基ずいてパルス幅変調
   を行うパルス幅変調回路を設け、該パルス幅変調回路の
   出力信号で上記インバータ回路を通電制御することを特
   徴とする誘導電動機の運転制御装置。