JPS5930039B2 - 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、オリエーテーシヨンモー
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、主軸及びワ
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、王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５、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、低トルク制御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。

土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ＶＭと主軸駆動
用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Ｖ８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
、誘導電動機の通常運転時には不動作状態におかれ、誘
導電動機のトルクを制限する必要がある時には該すべり
周波数指令信号発生回路の出力信号をクランプするクラ
ンプ回路と、すべり周波数指令信号値を設定するすべり
周波数設定回路と、該クランプ回路の出力と上記誘導電
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Ｖ８がリミツタ回路を介して与えられ
上記信号加算手段の出力信号ＶＦとの積Ｖ８×ＶＦを出
力する乗算回路と、該乗算回路の出力信号と上記信号分
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とともに、トルクを制限する
必要がある時には誘導電動機のトルクを制限することを
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
出力する電圧一周波数変換回路（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、上述のような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るが、印加電圧
が変動するようなことがない場合には、該マイナールー
プを省略しても差支えなく、省略する場合には、乗算回
路１４の出力を直接、合成回路１５の一方の入力端子に
結合すれば良い。２０は誤差増幅器、２１はクランプ回
路で、すべり周波数指令信号発生回路７から出力される
すべり周波数信号Ｖ８Ｏを一定値まで減圧するが、その
減圧値は、すべり周波数設定回路２３により自由に設定
できる。

２２はすべり周波数信号値を切替える切替器である。

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べり周
波数以下であって、しかもなるべく大きい値の方が好ま
しい。一方、オリエンテーシヨンモードに切り替えられ
て、通常運転時のトルクより小さいトルクで運転させる
場合には、すべり周波数を小さい値に切り替えれば良い
。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モード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ＶＭ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８は極性判別回路６
でその極件が正、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ノ発生するように、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。

一方、通常運転時には、切替器２２はオフの状態であり
、したがつてクランプ回路２１は不動作状態におかれ、
クランプ動作は行なわない。したがつてすべり周波数指
令信号発生回路７の出力信号である一定のすべり周波数
信号Ｖ８Ｏ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Ｖ，となる。該周波数指
令信号Ｖ，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Ｖ８は絶対値回路１
２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Ｖ８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Ｖ８力伏のとき、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Ｖ８も大とな
り、誤差信号Ｖ８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＝Ｖ８ＸＶＦを得る
。したがつて、該出力信号。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（Ｖ８ＸＶＦ）は更に誘導電動機１の
３相電圧を整流回路１７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く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ＶＢ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。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
の大きさに応じたパルス幅を有する６個のパルスを端子
Ｐ１〜Ｐ６から順次発生し、夫々端子Ｐ，〜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
ースに印加され、各トランジスタは夫々、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ＶＥ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Ｖ８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ＶＦと速度指令信号ＶＭ
の関係を示すと第３図のようになり、動作電圧指令信号
Ｖ。と速度誤差信号Ｖ８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２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
ＶＭを小さく設定するとともに、切替器２２をオンにし
てクランプ回路２１を動作状態にする。

誘導電動機１は、速度指令信号に従つてゆつくりと低速
で回転し、速度誤差信号Ｖ８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、主軸駆動用
誘導電動機１の回転速度Ｖｎは零となるため動作周波数
指令信号ＶＦはすべり周波数指令信号だけとなる。とこ
ろで、本発明においては、オリエンテーシヨンモードへ
の切替えと同時にクランプ回路２１が動作し、すべり周
波数指令信号Ｖ８Ｏはすべり周波数設定回路２３により
設定された８１にクランプされる。この新しいすべり周
波数指令信号Ｖ８ｌは第５図から明らかなように、すべ
り周波数指令信号Ｖ８Ｏより小さい値である。一方、速
度指令信号ＶＭと実速度信号Ｖｎの差は最大となり誤差
信号Ｖ８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Ｖ８，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作動する。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ＶＳＩとなり、動作電圧指令信号ＶＥ二ＳＬ×
ＳＩの値をとることになる。このときクランプ回路２１
でクランプされるすべり周波数指令信号Ｖ８ｌとリミツ
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５０％トルクでクランプす
るかまた３０％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運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。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、
すべり周波数可変制御と印加電圧の可変電圧制御を併用
して低速運転時の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、工作機械の王軸に工具を取り付
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。

【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−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、第５図はすべり周波数指
令信号図である。 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は速度計発電機、４は減
算回路、５は誤差増幅器、６は極性判別回路、Ｔ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、１７
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、２１はクランプ回路、２２は切替
器、２３はすべり周波数設定回路である。

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、誘導電動機の通常運転
   時には不動作状態におかれ、誘導電動機のトルクを制限
   する必要がある時には該すべり周波数指令信号発生回路
   の出力信号をクランプするクランプ回路と、すべり周波
   数指令信号値を設定するすべり周波数設定回路と、該ク
   ランプ回路の出力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、該乗算回路の出力信号と上記信号分配回
   路の出力信号を合成する合成回路と、該合成回路の出力
   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で上記インバータ回路を通
   電制御するとともに、トルクを制限する必要がある時に
   は誘導電動機のトルクを制限することを特徴とする誘導
   電動機の運転制御装置。