JPS6148350B2 - - Google Patents

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JPS6148350B2
JPS6148350B2 JP54091993A JP9199379A JPS6148350B2 JP S6148350 B2 JPS6148350 B2 JP S6148350B2 JP 54091993 A JP54091993 A JP 54091993A JP 9199379 A JP9199379 A JP 9199379A JP S6148350 B2 JPS6148350 B2 JP S6148350B2
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induction motor
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Description

【発明の詳細な説明】 従来工作機械の主軸（以下諏ピンドルと称す）
は速度制御をするのが主であつた。そして駆動力
として誘導電動機を使う場合はギアの切換え、電
動機の極数切換え、周波数変換器による電動機の
電源周波数の切換え等の速度制御方法があつた。
しかしギア切換、極数切換え等の方法では無段
変速が出来ず又周波数切換えにすると装置の価格
が高くなるという欠点が生じ直流電動機に比して
利点である保守性の良好な点やコストの安い点を
充分活用できなかつた。
又一方スピンドルの回転位置決め動作を伴うオ
リエンテーシヨン機能等については従来は電動機
を制御するのではなく機械的な機構を付加するこ
とにより回転位置決め動作を行わしめているため
工作機械のスピンドル部の構造を複雑にしてい
た。
本発明においては以下に説明する誘導電動機の
トルク制御方式を基に制御装置を構成して速度制
御はもちろん誘導電動機そのものの回転位置決め
制御を行なうものである。これによりスピンドル
部の械的な機構を簡略化することが可能となり誘
導電動機としての前述したメリツトを活かすこと
を可能にするものである。
先ず誘導電動機のトルク制御の原理について説
明する。
説明を簡単にするため誘導電動機として２相誘
導電動機を例として用いるが以下の説明は三相又
は多相の誘導電動機に対しても該当させることが
可能である。
第１図はカゴ形２相誘導電動機の出力軸AXと
直角方向の断面図であつて、ステータSTA内の
１つの巻線１，１′の断面と、これらと直交する
他のステータ巻線２，２′の断面が示されてい
る。図で巻線２，２′を結ぶ直線方向を図示のよ
うにｄ軸方向、巻線１，１′を結ぶ直線方向を図
示のようにｑ軸方向と呼ぶ。そしてステータ巻線
１，１′に流れる電流をidsとしてその方向は図示
の通りとする。
ステータ電流ids，iqsの電磁誘導によりロータ
ROT内の巻線にロータ電流が流れるがこのロー
タ電流は第１図に示すようなｑ軸上に断面を有す
る１つのロータ巻線３，３′と、ｄ軸上に断面を
有する他のロータ巻線４，４′を仮想して上記ロ
ータ巻線３，３′に流れる電流idrと、ロータ巻線
４，４′に流れる電流iqrの直交座標成分で代表さ
れるものとする。
第１図の巻線１，１′と３，３′に流れる電流
idsidrによりロータROT内に形成される第２図に
示すようなｄ軸方向の磁束φdrと、巻線２，２′
と４，４′に流れる電流ids，iqrによりｑ軸方向
の磁束φqrとは次式で与えられる。
Ｍ：ステータ巻線とロータ巻線間の相互インダ
クタンス。
Lr：ロータ巻線自己インダクタンス 一方、今ロータROTが第１図の回転方向に関
してθ〓（rad／sec）の回転速さで回転していると
すればロータ巻線３，３′と４，４′が短絡されて
いることにより次式が成立する。
Rr：ロータ巻線抵抗 さて今磁束の大きさが一定値φｏでその方向が
磁束角度である第２図のような回転磁界φをロ
ータ巻線に鎖交するようにすればφdr，φqrは
次式で与えられる。
(1)，(2)，(3)式よりステータ電流ids，iqsは次式
で与えられる。（但し〓＝ｄφ／ｄｔ） 又逆に上記(1)，(2)，(4)式の条件から(3)式が成立
することも数式の誘導により可能なので(4)式で与
で与えられる電流ids，iqsをステータ巻線に流す
と(3)式で与えられる一定値φｏのｄ軸、ｑ軸成分
φdr，φqrが生ずることになる。
一方第１図の誘導機の発生トルクTeは次式で
与えられる。
Te＝KT・（φqr・idr−φdr・iqr） ―(5) （KT：一定定数） (2)，(3)，(5)式より Te＝ＫＴ・φｏ２／Ｒｒ（〓−θ〓 ―(6) (6)式を(4)式に代入して 又(6)式の両辺を積分して次式が成立する。
＝Ｒｒ／ＫＴ・φｏ２∫Tedt＋θ ―(8) 以上の数式より誘導電動機に対する希望指令ト
ルクTeが与えられたときこの希望指令トルクTe
を(7)，(8)式に代入しこれにより求められた(7)式の
ステータ電流ids，iqsをステータ巻線に流せば誘
導電動機の出力トルクは指令値通りの値Teとな
る。即ち(7)，(8)式の希望指令トルクTeを瞬時的
に変えればこれに完全に一致した出力トルクが誘
導電動機から瞬間的に発生する。この関係は誘導
電動機の回転数θがいかなる時でも成立ち、これ
により直流機と同じような応答の速い誘導電動機
のトルク制御が可能となる。
尚(7)，(8)式の指令トルクTeが負の値の時には
負の出力トルクが誘導電動機より得られる。三相
誘導電動機に前記原理を応用する場合は３相誘導
電動機のステータ巻線に流れる電流ｉ１ａ，ｉ１
ｂ，ｉ１ｃが次の(9)式と前記(8)式の関係を満足す
ればよい。
本発明は以上述べた誘導電動機のトルク制御方
式を工作機械のスピンドルに応用したものであり
その実施例を第３図により説明する。
同図において、１２は三相誘導電動機１１によ
つて回転駆動されるスピンドルに結合され同スピ
ンドルの回転に対し１対１で回転されるパルスエ
ンコーダである。同エンコーダ１２からはスピン
ドル１回転に対し3600個のパルスが発生されるよ
うになつており従つて１パルスはスピンドル回転
角度の0.1度に対応している、換言するとスピン
ドルが100度だけ回転すると1000パルス発生され
る。パルスエンコーダ１２からはＡ相，Ｂ相と称
される互いに90度位相のずれたパルスＡ，Ｂが可
逆カウンタ１６へ入力されている。同可逆カウン
タ１６は例えばＡパルスによりその計数内容を増
加し又Ｂパルスにより減少されるよう構成され
る。又可逆カウンタ１６は3600進に構成されてお
りその計数値はスピンドル１回転内の任意の角度
位置と対応しておりスピンドルの角度位置を示し
ている。
可逆カウンタ１６の内容は1/1000秒毎にサンプ
リングされる。サンプリング指令用のタイミング
信号T1はタイミング信号（Ti）発生部２１から
サンプリングゲート２０へ与えられる。ゲート２
０が開くと可逆カウンタ１６の内容はNEWPSN
レジスタ１４へ転送される。一方テープリーダ等
の入力装置１００によつて入力されたデータは１
サンプリングに指令される絶対値のデータとして
与えられる。
ラインｌ１には速度データＳ，ラインｌ２には
回転位置データＰが供給される。スイツチ１９は
ラインｌ１を有効ならしめるかｌ２を有効になら
しめるかの切換スイツチである。１７は加算器で
データＰに対しレジスタ１４の値θを減じて出力
として位置誤差データERRPSNを与える。加算
器１８では値ERRPSNから係数器５の出力を減
じるようになつておりＴはその出力でトルクに対
応する信号であつてからに係数器６を介して指令
トルクに対応する信号Teとなりθと共に演算部
７へ入力されている。
SPDレジスタ１３は今回サンプリングした回転
位置データNEWPSNと前回サンプリングしたデ
ータOLDPSNにより速度を計算しデータを保持
する。８，９，１０，は各ステータ巻線電流用増
幅器である。可逆カウンタ１６は０〜35ｇ９の値
しか取ることができないのでSPDレジスタ１３に
入れるデータは次のように計算して回転方向を考
慮する。
スピンドルの位置は１回転が3600分割されてい
るが１サンプリングに変化する量は1800までとい
う制限を設ける。すなわち制御できるスピンドル
の最高回転数は １８００／３６００×1000×60＝30000（rpm） となり一般の工作機械のスピンドル制御には充分
対応できる。次に速度の計算例について説明す
る。
Ｘを Ｘ＝NEWPSN−OLDPSN の如く定義する。
Ｘ≧1800の場合 SPD＝Ｘ−3600 Ｘ≦−1800の場合 SPD＝Ｘ＋3600 Ｘ＜｜±1800｜の場合 SPD＝Ｘ と定義する。
例えばOLDPSN＝100 NEWPSN＝2500 Ｘ＝2500−100＝2400（→Ｘ≧1800） 故にSPD＝2400−3600＝−1200 即ち負の方へ120度／msecの速度で回転したこと
になる。
又、OLDPSN＝2500 NEWPSN＝100 Ｘ＝100−2500＝−2400（→Ｘ≦−1800） 故にSPD＝−2400＋3600＝1200 即ち正の方向へ120度／msecの速度で回転したこ
とになる。
以上のように計算されたSPDレジスタ１３の値
はERRPSNと比較されトルクに対応した信号Ｔ
をつくる。
演算部７へはこの信号Ｔが係数器６を介してト
ルク指令値信号Teとなつて入力される。そして
同演算部７においてこのTeとNEWPSNレジスタ
１４の値θをもとに８，９式の演算を行なう。
この計算は論理回路を構成することによつても
実現できるが数値制御装置へ組込まれた場合は計
算機を利用しプログラムの手法を使用しても実現
できる。この詳細については特願昭53―3834号
「誘導電動機のトルク制御装置」の第３図に述べ
られているので省略する。そして本発明の第３図
には各種のタイミング信号Tiが演算部７にて用
いられるということを示すためタイミング信号発
生部２１を例示したにとどめる。
演算部７によつて算出されＤ／Ａ変換された各
ステータ巻線電流に対応するアナログ信号ｉ１
ａ，ｉ１ｂ，ｉ１ｃは電力増幅器８，９，１０を
介して対応するステータ巻線へ供給される。一連
の計算が終るとNEWPSNレジスタ１４の値は
OLDPSNレジスタ１５へ転送される。
上述の例ではこの時間が1msecなのである。
尚上述した電力増幅器８，９，１０は早い応答
性が要求されるので実施した装置においてはトラ
ンジスタを主電流制御の素子として使用したパル
ス幅変調方式（PWM）の電力増幅器を使つてい
る。
以上説明したように三相誘導電動の電流が制御
され電動機が回転しこれによつてスピンドルが回
転する。
位置決めの場合はスイツチ１９がＰの方に選択
されており入力装置１００より与えられた位置指
令値ＰとNEWPSNの値が一致すると電動機１１
は停止されてスピンドルの回転位置決め動作が完
了する。
速度制御の場合はスイツチ１９がＳの方に選択
されており上述した入力装置１００より与えられ
た速度指令値Ｓが加算器１８に連続して与えられ
る。そして指令値Ｓがなくなるまで電動機１１は
回転される。
スイツチ１９は無接点で外部からの指令によつ
ても切換えることが可能である。
尚第３図においてパルスエンコーダ１２→１６
→１４→１３→１７のフイードバツクループは位
置フイードバツクのループを形成しており又１２
→１６→１４・１５→１３→５→１８は速度フイ
ードバツクループ（駆動系の安定性）を形成して
おり後者のループには通常タコメータジエネレー
タを用いるのが常であつた。
以上説明した如く本発明によると誘導電動機の
各ステータ巻線への電流値を微小な時間ごとに計
算して与える演算部を備えると共に同演算部への
指令トルクTeをテープリーダ等の入力装置から
与えられる速度指令値又は回転位置指令値と、ス
ピンドルと直結したパルス発生器からのパルス列
を計数する可逆カウンタを用いて得られるデータ
にもとづいて算出（Teを）するようにしており
これによつて工作機械等の主軸（スピンドル）の
回転数の無段変速制御や主軸のオリエンテーシヨ
ンを電気的手段のみで実現したものであり従来の
直流電動機を安価で保守性のよい誘導電動機に置
換えさらに機械的な主軸オリエンテーシヨン機構
を不要にした。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理を説明するための２相誘
導電動機の断面図、第２図は第１図の電動機内部
に生ずる磁束を示す図、第３図は本発明の実施例
の構成を示すブロツク線図である。 １，１′……１つのステータ巻線、２，２′……
他のステータ巻線、３，３′……１つのロータ巻
線、４，４′……他のロータ巻線、５，６……係
数器、７……演算部、８，９，１０……電力増幅
器、１１……３相誘導電動機、１２……パルスエ
ンコーダ、１３，１４，１５……レジスタ、１６
……可逆カウンタ、１７，１８……加算器、１９
……スイツチ、２０……ゲート、２１……タイミ
ング信号発生部、１００……入力装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 主軸の回転駆動用に誘導電導機を備えた工作
    機械の主軸駆動装置において、前記主軸の回転に
    伴つて供給され且つ前記主軸の回転位置決め精度
    以上の角度分解能を有するパルス列を発生するパ
    ルス発生手段と、同パルス発生手段はらのパルス
    列に応答して計数動作を行う可逆カウンタと、前
    記誘導電動機を含む主軸駆動系の応答速度以上の
    微小時間間隔で前記可逆カウンタの内容をサンプ
    リングするゲート手段と、同ゲート手段を介して
    前記カウンタの内容がストアされる第１のレジス
    タと、前記第１のレジスタの内容が前記サンプリ
    ング時に移される第２のレジスタと、前記第１，
    第２のレジスタ内容の差を計算する第１の演算部
    と、前記主軸の速度指令値および回転位置指令値
    を与える入力部と、前記主軸の指令回転位置Ｐお
    よび前記第１のレジスタの出力によつて入力され
    位置誤差信号を形成する第１の加算器と、前記入
    力部からの速度指令値と前記位置誤差信号とを選
    択的に切換えるスイツチ手段と、前記スイツチ手
    段から与えられる信号と前記第１の演算部出力か
    ら形成される信号とを加算して前記誘導電動機の
    発生すべき指令トルク値（Te）を形成する第２
    の加算器と、前記第１のレジスタ出力（θ）と前
    記指令トルク値とにより入力されこれらθ，Te
    にもとづいてモータ内の回転磁界の磁束角度を求
    め、同磁束角度に対応する正弦波出力を形成し、
    同出力から前記誘動電動機の各ステータ巻線へ与
    える電流値を遂次計算して算出する第２の演算部
    を備えたことを特徴とする誘導電動機を用いた主
    軸駆動装置。
JP9199379A 1979-07-19 1979-07-19 Main shaft driving device using induction motor Granted JPS5619392A (en)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
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US06/168,769 US4321516A (en) 1979-07-19 1980-07-11 Apparatus for driving spindles of machine tools with induction motors
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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9199379A JPS5619392A (en) 1979-07-19 1979-07-19 Main shaft driving device using induction motor

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Publication Number Publication Date
JPS5619392A JPS5619392A (en) 1981-02-24
JPS6148350B2 true JPS6148350B2 (ja) 1986-10-23

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