JP3591476B2

JP3591476B2 - モータ制御システム

Info

Publication number: JP3591476B2
Application number: JP2001089361A
Authority: JP
Inventors: 茂男編笠屋; 浩司松村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2004-11-17
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002291268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、異常指令に基づいてモータを制動させた後、該制動中に正常復帰指令が発生することによりモータを円滑に制動から力行運転に切換え可能なモータ制御システムに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来のモータ制御システムを図５によって説明する。図５において、モータ制御システム１は、三相交流電源３に三相全波整流回路５の入力が接続され、三相全波整流回路５の出力がコンデンサ７，三相の可変電圧可変周波数を発生させるインバータ９に接続されており、インバータ９の出力が同期型のサーボモータ１１、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの一端に接続されると共に、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの他端どうしが常閉接点１３ａ〜１３ｃを介してスター結線されている。
【０００３】
上記のように構成されたモータ制御システムの動作を図５によって説明する。三相全波整流回路５により三相交流電源３を直流電源に変換してコンデンサ７によって脈流電圧が平滑化された直流電源を得ている。
いま、起動指令が入力されると、常閉接点１３ａ〜１３ｃを閉成から開放し、サーボモータ１１に接続されていた抵抗Ｒｕ〜Ｒｗを開放した後、インバータ９により直流電圧を交流電圧に変換してサーボモータ１１を駆動する。
【０００４】
ここで、サーボモータ１１が回転中に三相交流電源３の停電等の原因により異常指令が発生すると、異常指令に基づきインバータ９をオフした後、常閉接点１３ａ〜１３ｃが開放から閉成し、サーボモータ１１からの発生電圧を抵抗Ｒｕ〜Ｒｗに印加して電流を流すことによりサーボモータ１１から発生するエネルギーを抵抗Ｒｕ〜Ｒｗで消費させてサーボモータ１１を急速制動して停止させる。
なお、常閉接点１３ａ〜１３ｃが閉成している時は、インバータ９が電圧変換動作すると、抵抗Ｒｕ〜Ｒｗに大きな電流が流れるため、インバータ９の動作指令が入力されないように構成されている。
【０００５】
また、上記のようにサーボモータ１１が制動している時に、起動指令が入力されると、常閉接点１３ａ〜１３ｃを閉成から開放することにより電流を遮断して、インバータ９を動作させることによりサーボモータ１１を制動から速やかに力行運転に切換えている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、抵抗Ｒｕ〜Ｒｗに流れる電流を機械的な常閉接点１３ａ〜１３ｃによって投入・遮断しているので、常閉接点１３ａ〜１３ｃの寿命による交換等のメンテナンスをしなければならず煩雑であるという問題点があった。
かかるメンテナンスを無くすには、常閉接点１３ａ〜１３ｃを半導体スイッチに置き換えることが考えられる。
しかしながら、例えば単にトライアック等に置き換えたのみでは、停電時にトライアック等のゲート信号を発生させるゲート回路の電源電圧が消滅してゲート信号を連続して発生できなくなり、トライアック等を連続してオン動作できないので、サーボモータ１１を制動できないという問題点があった。
さらに、一旦、オン動作したトライアック等は、端子間電圧がゼロ又は逆方向電圧が印加されない限り、オフ動作できないので、起動指令が入力されても、最大でインバータ９における発生電圧周期の１／２の時間、トライアック等をオフ動作に移行できなくなる。したがって、サーボモータ１１の速やかな制動から力行への切換えが困難であるという問題点があった。
【０００７】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、異常時でも簡易にモータの制動ができると共に、該制動中に起動指令が生じてもモータを速やかに制動から力行運転に切換え可能なモータ制御システムを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段、発明の作用及び効果】
第１の発明に係るモータ制御システムは、第１のスイッチング部に接続された第２のスイッチング部から成ると共に、動作指令に基づいて直流電源を可変周波数可変電圧の交流電源に変換する逆変換手段と、該逆変換手段の出力に接続されたモータと、該モータに接続されると共に、交流電源を直流電源に変換する整流手段と、該整流手段の出力に抵抗を介して接続されると共に、ゲート信号に基づいてオンさせて電流を流すと共に、該電流が所定値以下にならなければオフしない制御整流手段と、異常指令に基づいて前記逆変換手段をオンからオフすると共に、前記異常指令の発生から所定時間遅れて前記ゲート信号を発生する信号発生手段と、前記異常指令の発生から所定時間内に発生した正常復帰指令に基づいて前記逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンした後、前記逆変換手段に前記動作指令を与える第１の制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。
かかるモータ制御システムによれば、信号発生手段が異常指令に基づいて逆変換手段をオンからオフすると共に、異常指令の発生から所定時間遅れてゲート信号を発生して制御整流手段をオンして、モータの発生エネルギーを抵抗によって消費してモータを制動する。したがって、制御整流手段はオンした後、電流が所定値以下にならなければオフしないので、ゲート信号を連続して発生し続けることがなく、停電時でも速やかにモータを制動できる。
しかも、制御手段が正常復帰信号に基づいて逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンして、整流手段の入力電圧をゼロとすることにより制御整流手段に流れる電流を即座にオフした後、逆変換手段に動作指令を与えてサーボモータを駆動する。
したがって、異常時でも簡易にモータの制動ができると共に、該制動中に起動指令が生じてもモータを速やかに制動から力行に切換えできるという効果がある。
【０００９】
第２の発明に係るモータ制御システムは、第１の発明においてモータの回転数を検出する回転数検出手段と、予め定められた前記モータの回転数値を記憶する記憶手段と、正常復帰指令に基づいて前記記憶手段に記憶された前記回転数値と前記回転数検出手段の検出された回転数値とを比較して検出された回転数値の方が低くなることにより出力信号を発生する比較手段と、第１の制御手段の代りに、出力信号に基づいて逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンした後、前記逆変換手段に動作指令を与える第２の制御手段とを備えたことを特徴とするものである。
かかるモータ制御システムによれば、第２の制御手段の動作指令に基づいて逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部をオンした際に流れる電流値がモータの回転数に関係することから該スイッチング部の定格電流を考慮した回転数値を記憶手段に記憶させておき、比較手段が回転数検出手段の検出された回転数値と、記憶手段の回転数値とを比較して検出された回転数値の方が低くなることにより出力信号を発生して第１又は第２のスイッチング部をオンする。
したがって、第１又は第２のスイッチング部の過電流保護ができるという効果がある。
【００１０】
第３の発明に係るモータ制御システムは、第１の発明においてモータの電流を検出する電流検出手段と、予め定められた電流値を記憶する記憶手段と、正常復帰指令に基づいて前記記憶手段に記憶された前記電流値と前記電流検出手段の検出された電流値とを比較して検出された電流値の方が低くなることにより出力信号を発生する比較手段と、第１の制御手段の代りに、前記出力信号に基づいて前記逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンした後、逆変換手段に動作指令を与える第２の制御手段とを備えたことを特徴とするものである。かかるモータ制御システムによれば、制御手段の動作指令に基づいて逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部の定格電流を考慮した電流値を記憶手段に記憶させておき、比較手段が電流検出手段の検出された電流値と、記憶手段の電流値とを比較して検出された電流値の方が低くなることにより出力信号を発生して第１又は第２のスイッチング部をオンする。
したがって、第１又は第２のスイッチング部の過電流保護ができるという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の一実施の形態を図１によって説明する。図１はこの発明の一実施形態によるモータ制御システムの全体構成図である。
図１において、モータ制御システム１００は、三相交流電源１０３に接続されると共に、直流電源Ｅｄを得る整流回路１０５と、整流回路１０５の出力に接続されたコンデンサ１０７，制御部２００からの動作指令（起動指令）に基づいて可変電圧可変周波数を発生させる逆変換手段としてのインバータ１０９と、インバータ１０９の出力に接続された整流手段としての三相全波整流回路１５０、同期型のサーボモータ１１１と、サーボモータ１１１に流れる電流を検出する電流センサ１３１ｕ，１３１ｖと、三相全波整流回路１５０の出力にブレーキ抵抗１５４と直列接続された制御整流手段としてのサイリスタ１５２と、サイリスタ１５２のゲートにパルス信号（ゲート信号）を与える信号発生手段の一部を成すゲート回路１５６とを備えている。
【００１２】
インバータ１０９には、第１のスイッチング部としての上側の各トランジスタＴｒ_１〜Ｔｒ_３，各ダイオードＤ_１〜Ｄ_３が並列接続されており、第１のスイッチング部に直列接続された第２のスイッチング部としての下側の各トランジスタＴｒ_４〜Ｔｒ_６，各ダイオードＤ_４〜Ｄ_６が並列接続されている。
【００１３】
ゲート回路１５６は、電源のプラス側に抵抗１６０を介してパルストランス１５８の一次側の一端に接続され、その他端がトランジスタ１６２を介してアースされ、トランジスタ１６２のベースには、平常時、プラスの信号電圧（ハイ電圧）が印加され、停電等で該信号電圧がハイからロー電圧になると、トランジスタ１６２がオフとなり、パルストランス１５８を介して、該オフから数ｍｓｅｃ遅れてパルス電圧をサイリスタ１５２のゲートに印加されるように構成されている。
【００１４】
サーボモータ１１１の軸には、サーボモータ１１１の回転角度Θを検出するエンコーダ１１３が固定されており、エンコーダ１１３の出力が制御部２００に入力され、制御部２００の出力がインバータ１０９の入力に与えるように形成されている。
【００１５】
制御部２００には、エンコーダ１１３の検出角度Θを取り込む入力Ｉ／Ｆ２０２、ＣＰＵ２０４、ＲＯＭ２０６、記憶手段としてのＲＡＭ２０８、出力Ｉ／Ｆ２１０を内蔵している。ＲＯＭ２０８はＣＰＵ２０４により実行されるべき制御プログラム、即ち、後述する図３のフローチャートに相当するプログラムが記憶されており、ＲＡＭ２０８はＣＰＵ２０４に作業領域も提供するように形成されている。
【００１６】
サーボモータ１１１が回転している時にインバータ１０９をオフすると、サーボモータ１１１の端子には下式の電圧が発生する。
Ｖｍ＝ｋ・ω（Ｖ）・・・・・・（１）
ここに、ｋ：誘起電圧定数（Ｖ・ｓ／ｒａｄ）、ω：角速度（ｒａｄ／ｓ）
また、サイリスタ１５２、ブレーキ抵抗１５４に流れる平均電流Ｉｓ（Ａ）は下式となる。
Ｉｓ＝１．３５・ｋ・ω／（Ｒ_ｍ＋Ｒ_ｂ＋ｊωＬ）・・・・・・（２）
ここに、Ｒ_ｍ：サーボモータ端子間の巻線抵抗値（Ω）
Ｒ_ｂ：ブレーキ抵抗の抵抗値（Ω）
Ｌ：サーボモータ端子間の電機子インダクタンス（Ｈ）
サイリスタ１５２がオンした後は、電流Ｉｓが保持電流Ｉｈ以下になることによってサイリスタ１５２がオフされる。
【００１７】
また、サーボモータ１１１が発電制動中、すなわち、サイリスタ１５２がオンしている時に、正常復帰信号によりインバータ１０９がオンすると、直流電源Ｅｄから三相全波整流回路１５０のブレーキ抵抗１５４に過大な電流が流れる。
このため、サーボモータ１１１の発電制動中に、制御部２００から正常復帰信号が入力されて、即、サーボモータ１１１を力行させようとすると、一旦、サイリスタ１５２をオンからオフした後、インバータ１０９を動作させなければならない。
【００１８】
したがって、下側のトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６をオンさせることにより三相全波整流回路１５０の入力電圧をほぼゼロとすることで、サイリスタ１５２に流れる電流をゼロとしてサイリスタ１５２をオフしてからインバータ１０９をオンするように構成されている。
なお、上側のトランジスタＴ_ｒ１〜Ｔ_ｒ３にオン指令を与えても、コンデンサ１０７が充電されてトランジスタＴ_ｒ１〜Ｔ_ｒ３のコレクタが電圧Ｅｄであるので、トランジスタＴ_ｒ１〜Ｔ_ｒ３をオンできない。これは、コンデンサ１０７を備えていなければ、該オンは可能である。
【００１９】
一方、下側のトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６、ダイオードＤ_４〜Ｄ_６に流れる最大ピーク電流Ｉ_ｔ _ｐ（Ａ）はトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６のオフからオン時の過渡現象も考慮して下式となる。
Ｉ_ｔ _ｐ＝２^１／２・２・Ｖｍ／｛（３）^１／２・（Ｒ_ｍ／２＋ｊωＬ／２）｝・・（３）
（３）式に上記（１）式を代入すると、下式が成立する。
Ｉ_ｔ _ｐ＝２^１／２・４ｋ・ω_ｎ／｛（３）^１／２・（Ｒ_ｍ＋ｊωＬ）｝・・・（４）
また、トランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６、ダイオードＤ_４〜Ｄ_６の定格電流をそれぞれＩ_ｔｎ，Ｉ_ｄｎ（Ａ）とすれば、トランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６をオンした時に下式を満足しなければならない。
Ｉ_ｔｎ，Ｉ_ｄｎ＞Ｉ_ｔ _ｐ・・・・・・（５）
【００２０】
しかし、インバータ１０９とサーボモータ１１１の組合せによっては、サーボモータ１１１の発電制動において上記（３）を満足しないことがある。したがって、サーボモータ１１１の回転数が低下して上記（３）式を満たすサーボモータ１１１の回転速度Ｎ_ｘを求め、この回転速度Ｎ_ｘよりも低下しない限り下側トランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６をオンしないように構成する。
一般に、トランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６の定格電流Ｉ_ｔｎよりもダイオードＤ_４〜Ｄ_６の定格電流Ｉ_ｄｎが小さいので下式が成立する。
Ｉ_ｄｎ＞２^１／２・４ｋ・ω_ｎ／｛（３）^１／２・（Ｒ_ｍ＋ｊωＬ）｝・（６）
（６）式を整理すると下式が成立する。
ω_ｘ＜Ｉ_ｄｎ・３^１／２・（Ｒ_ｍ＋ｊωＬ）／（２^１／２・４・ｋ）・・（７）
ω_ｘ＜Ｉ_ｄｎ・Ａ
ここに、Ａ＝３^１／２・（Ｒ_ｍ＋ｊωＬ）／（２^１／２・４・ｋ）
また、サーボモータ１１１の角速度ω_ｘ（ｒａｄ／ｓ）と回転速度Ｎ_ｘ（ｍｉｎ^−１）との関係は下式となる。
ω_ｘ＝２π・ｐ・Ｎ_ｘ／１２０・・・・・（８）
なお、ｐ：サーボモータ１１１の極対数
上記（７）式に（８）を代入して整理すると、下式となる。
２π・ｐ・Ｎ_ｘ／１２０＜Ｉ_ｄｎ・Ａ
Ｎ_ｘ＜１５・３^１／２・Ｉ_ｄｎ・（Ｒ_ｍ＋ｊωＬ）／（２^１／２・π・ｐ）・・・（９）
かかる回転速度値Ｎ_ｘを求めておいて、該回転速度値Ｎ_ｘよりも低い回転速度値Ｎ_ｎを予めキーボート（図示せず）から入力してＲＡＭ２０８に記憶させる。
【００２１】
上記のように構成されたモータ制御システムを図１乃至図３によって説明する。図２はインバータ１０９の下側のトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６をオンさせたときの回路図で、図３はサーボモータ１１１の制動時の動作を示すフローチャートである。
まず、ＣＰＵ２０４は、サーボモータ１１１が運転している時に異常指令としての非常停止指令を発生したか否かを判断し（ステップＳ３０１）、時間Ｔｓで、ＣＰＵ２０４が非常停止指令を発生すると、インバータ１０９のトランジスタＴ_ｒ１〜Ｔ_ｒ６をすべてオフし（ステップＳ３０３）、同時に、ゲート回路１５６におけるトランジスタ１６２がオフして流れていた電流を遮断することによりパルストランス１５８の一次側にパルス電圧を発生する。
非常停止指令の発生から数ｍｓｅｃ遅れて、すなわち時間ｔ１で、パルストランス１５８の二次側からパルス電圧Ｖｐを発生してサイリスタ１５２をオンさせ、サーボモータ１１１から発生した誘起電圧が三相全波整流回路１５０により整流されてサイリスタ１５２、ブレーキ抵抗１５４に電流を流してサーボモータ１１１が発電制動する。
ＣＰＵ２０４は、エンコーダ１１３の回転角度Θを入力Ｉ／Ｆ２０２を介して読み込み、サーボモータ１１１が回転しているか否かを判断する（ステップＳ３０５）。
【００２２】
ステップＳ３０５において、サーボモータ１１１が停止していなければ、ＣＰＵ２０４は、サーボモータ１１１が発電制動している時、すなわち、非常停止指令から所定時間内に正常復帰指令が入力Ｉ／Ｆ２０２に入力された否かを判断し（ステップＳ３０７）、時間Ｔ_２で、正常復帰指令が入力Ｉ／Ｆ２０２に入力されると、ＣＰＵ２０４は予め定められた回転速度値Ｎ_ｘと制御部２００に入力されたエンコーダ１１３の回転角度Θの時間変化分ΔΘ／Δｔを演算してサーボモータ１１１の回転速度値Ｎａを求め、Ｎａ＞Ｎ_ｘか否かを判断する（ステップＳ３０７）。なお、ｔは時間である。
Ｎａ＜Ｎ_ｘであれば、インバータ１０９における下側のトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６をすべてオンしてサーボモータ１１１から発生した誘起電圧がトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６、ダイオードＤ_４〜Ｄ_６を介して図２に示すように実線Ｉｕｓ、一点鎖線Ｉｖｓ、点線Ｉｗｓのように電流が流れることにより、三相全波整流回路１５０の入力電圧をほぼゼロとしてサイリスタ１５２に流れる電流がゼロとなり時間ｔ_３で、サイリスタ１５２をオフし（ステップＳ３０９）、時間ｔ_４で、インバータ１０９をオン動作させることによりサーボモータ１１１を力行駆動する（ステップＳ３１１）。
【００２３】
なお、上記実施の形態では、サーボモータ１１１の回転角度をエンコーダ１１３により検出して、ＣＰＵ２０４がトランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６、ダイオードＤ_４〜Ｄ_６に流れる電流を間接的に回転速度値Ｎａに基づいて演算により求めて予め定められた回転速度値Ｎ_ｘと比較したが、電流センサ１３１ｕ，１３１ｖの検出電流値Ｉａと、トランジスタＴ_ｒ４〜Ｔ_ｒ６、ダイオードＤ_４〜Ｄ_６の定格電流に基づく、予め定められた許容電流値Ｉｘと比較しても良い。
また、サーボモータ１１１に同期型で説明したが、誘導型でもサーボモータ１１１が回転している時に、インバータ１０９をオフしても電気エネルギーに基づく残留電圧が発生するので、上記実施の形態が適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態によるモータ制御システムの全体構成図である。
【図２】図１に示すモータ制御システムにおけるインバータの下側トランジスタをオンさせたときの回路図である。
【図３】図１によるモータ制御システムにおけるサーボモータの制動動作を示すフローチャートである。
【図４】図１によるモータ制御システムにおけるサーボモータの制動動作を示すタイムチャートである。
【図５】従来のモータ制御システムの全体構成図である。
【符号の説明】
１０９インバータ（逆変換手段）、１１１サーボモータ、１１３エンコーダ（回転数検出手段）、１３１ｕ，１３１ｖ電流センサ（電流検出手段）、１５０三相全波整流回路（整流手段）、１５２サイリスタ（制御整流手段）、２０８ＲＡＭ（記憶手段）。

Claims

第１のスイッチング部に接続された第２のスイッチング部から成ると共に、動作指令に基づいて直流電源を可変周波数可変電圧の交流電源に変換する逆変換手段と、
該逆変換手段の出力に接続されたモータと、
該モータに接続されると共に、交流電源を直流電源に変換する整流手段と、
該整流手段の出力に抵抗を介して接続されると共に、ゲート信号に基づいてオンさせて電流を流すと共に、該電流が所定値以下にならなければオフしない制御整流手段と、
異常指令に基づいて前記逆変換手段をオンからオフすると共に、前記異常指令の発生から所定時間遅れて前記ゲート信号を発生する信号発生手段と、
前記異常指令の発生から所定時間内に発生した正常復帰指令に基づいて前記逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンした後、前記逆変換手段に前記動作指令を与える第１の制御手段と、
を備えたことを特徴とするモータ制御システム。
前記モータの回転数を検出する回転数検出手段と、
予め定められた前記モータの回転数値を記憶する記憶手段と、
前記正常復帰指令に基づいて前記記憶手段に記憶された前記回転数値と前記回転数検出手段の検出された回転数値とを比較して検出された回転数値の方が低くなることにより出力信号を発生する比較手段と、
前記第１の制御手段の代りに、前記出力信号に基づいて前記逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンした後、前記逆変換手段に前記動作指令を与える第２の制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御システム。
前記モータの電流を検出する電流検出手段と
予め定められた電流値を記憶する記憶手段と、
前記正常復帰指令に基づいて前記記憶手段に記憶された前記電流値と前記電流検出手段の検出された電流値とを比較して検出された電流値の方が低くなることにより出力信号を発生する比較手段と、
前記第１の制御手段の代りに、前記出力信号に基づいて前記逆変換手段の第１又は第２のスイッチング部を所定時間オンした後、前記逆変換手段に前記動作指令を与える第２の制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御システム。