JP5097906B2

JP5097906B2 - 産業機械の制御装置

Info

Publication number: JP5097906B2
Application number: JP2007179169A
Authority: JP
Inventors: 長瀬　　博; 正樹杉浦; 敬典大橋; 泰彦田中; 健志鈴木; 和弘久保江
Original assignee: Aida Engineering Ltd; Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Aida Engineering Ltd; Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: JP2009017740A

Description

本発明はモータを駆動して機械を制御する産業機械の制御装置、特に、運転中に一時的に大きなトルクが必要となる産業機械の制御装置に関する。

運転中に一時的に大きなモータトルクが必要な産業機械としてプレス機械がある。このようなプレス機械において、プレス加工をサーボモータで行う方式が提案されている（特許文献１）。このサーボモータ駆動方式のプレス機械では、電気的なエネルギー蓄積装置を持ち、プレス加工時の所要エネルギーをエネルギー蓄積装置から放出して、一方、加工サイクル全体の中で充電許可信号によりエネルギー蓄積装置に電源からエネルギーを徐々に蓄積することにより、電源設備の設備容量を低減させている。

またこれとは別に、交流モータ（永久磁石同期モータ）を駆動するインバータの直流電源電圧に応じてモータの無効電流を制御する方法が提案され、電源電圧変動時も効率の良い運転を実施させている（特許文献２〜４）。
特開２００４−３４４９４６号公報特開２０００−２２８８９２号公報特開２００３−３３０９７号公報特開２００６−２０３９７号公報

従来例の特許文献１にはエネルギー蓄積装置を用いたプレス機械が記載されているが、エネルギー蓄積装置に蓄えられた電気的なエネルギーとの関係でモータをどのように制御するか記載されていない。また、特許文献２〜４には、直流電圧に応じて交流モータの無効電流を制御する方法が記載されている。本願で対象とする産業機械では、作業時のトルクは加減速運転時のトルクより大きく、このとき大電流を流す。また、エネルギー蓄積装置からモータの駆動エネルギーを供給するので、蓄積装置の出力電圧も低下する。上記文献は、電源電圧に応じて無効電流を制御するだけで、モータのトルクまたはその相当値をも考慮して、直流電圧や、回転速度に応じて総合的に無効電流制御をしていない。このため、インバータの制御可能な最大電圧や最大電流が考慮できず、また、最適な電流がモータに流れないために、損失が増加し、効率が低下する恐れがある。

本発明は前記課題に対してなされたもので、その目的とするところは、インバータの制御可能な最大電圧や最大電流を考慮し、また、高効率で運転でき、機械の作業能力をより高めることができるサーボモータ駆動方式の産業機械の制御装置を提供することにある。

請求項１の発明は、交流モータ（１）と、前記交流モータを駆動するインバータ（１４）と、前記交流モータが駆動する機械の作業時のエネルギーを確保する電気的エネルギー蓄積装置（１３）と、前記交流モータを制御するための制御装置を有し、前記インバータ直流側の直流電圧と、前記交流モータのトルク指令またはトルク指令相当信号と、前記交流モータの回転速度とを用いて、前記交流モータを駆動する無効電流を制御する産業機械の制御装置において、前記直流電圧と前記回転速度の比と、前記トルク指令またはトルク指令相当信号とを利用して、前記交流モータを駆動する無効電流を零または負に制御することを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１記載の産業機械の制御装置において、前記直流電圧に応じて、前記トルク指令またはトルク指令相当信号を制限することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の産業機械の制御装置において、前記トルク指令またはトルク指令相当信号は前記交流モータの有効電流またはそれに相当する信号とする。

請求項４の発明は、交流モータと、前記交流モータを駆動するインバータと、前記交流モータが駆動する機械の作業時のエネルギーを確保する電気的エネルギー蓄積装置と、前記交流モータを制御するための制御装置を有し、前記インバータ直流側の直流電圧と、前記交流モータのトルク指令またはトルク指令相当信号と、前記交流モータの回転速度とを用いて、前記交流モータを駆動する無効電流を制御する産業機械の制御装置において、前記交流モータの無効電流を指令する信号と、他の指標から前記交流モータの無効電流を指令する信号とを比較し、絶対値の大きい方の指令信号を実際の無効電流指令とすることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、損失の少ない運転ができ、この制御によって運転範囲が拡大できるので、モータ駆動する機械の能力を高めることが出来る。また、演算が簡略化できる。請求項２の発明によれば、請求項１の効果に加え、直流電圧の低下が抑制できるので、機械全体の運転が適正に行える。請求項３の発明によれば、請求項１ないし３の効果に加え、制御が容易に行える。請求項４の発明によれば、請求項１の効果に加えて、他の制御指標で設定する制御方式との混合する制御方式の選択が容易に行えるので、フレキシブルな運転ができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。

運転中に一時的に大きなモータトルクが必要な産業機械として交流モータで駆動されるプレス機械を例に説明する。

図１は本発明が適用される簡易表現したプレス機械を示す。ここでは、プレス機械としてクランクプレスに適用した例を示す。交流モータ１の軸１Ｓに接続されたギヤ２にメインギヤ３が噛み合わされ、メインギヤ３にはクランク機構（クランク軸４、コンロッド５）が接続されている。クランク機構によりスライド６が静止側のボルスタ７に対して昇降可能に形成されている。交流モータ１の正転、逆転、速度が後述の制御装置により自在に制御され、クランク軸４は自在に回転駆動されるので、スライドモーションを自在に設定することや、また自在に設定した各種スライドモーションを切替えて使用することが可能であり、様々なワークの加工を、それぞれの加工に適したスライドモーションで行うことができる。交流モータ１としては、同期モータや、誘導モータ、リラクタンスモータなどが利用できる。ここでは、交流モータは永久磁石同期モータとして説明する。

交流モータ１を制御してスライドを自在に駆動してプレス成型を行うので、
ａ）成型時のインパクト速度を抑えることで低騒音化を図ることができる、
ｂ）成型中、速度の制御で難加工材の加工が容易に出来る、
ｃ）非成型域の速度を上げられることで生産性が向上する、
などの効果をもたらす運転を自由に行うことができる。

図２は交流モータ１を駆動する制御装置を示す。交流電源１１からの交流電圧は整流器１２により、直流電圧に変換される。整流器１２としては、ダイオードブリッジとＤＣ／ＤＣコンバータの組み合わせや、直流電圧制御ができる整流器や、インバータと同じ構成の４象限コンバータを利用することができる。

整流器１２の出力直流電圧は、エネルギーを電気的に蓄える電気的エネルギー蓄積装置１３を介してドライバー回路であるインバータ１４に供給される。電気的エネルギー蓄積装置１３としては、大容量電解コンデンサや大容量電気二重層コンデンサ、または、２次電池が利用される。インバータ１４は可変電圧、可変周波数の交流を出力して交流モータ１を駆動する。交流モータ１の回転位置?θや回転速度ωはエンコーダ１５によって検出され、交流モータ１の電流は電流検出器１６、インバータ１４の直流電源電圧は電圧検出器１７で検出される。

このような構成により、プレス作業時に交流モータ１が必要とするエネルギーは、電気的エネルギー蓄積装置１３から大部分が供給され、一部分が整流器１２を介して交流電源１１から供給される。整流器１２はその出力電流、電圧が制御可能な装置で構成されているので、交流電源１１から電気的エネルギー蓄積装置１３へ送り出す電流値を適切な値に制御できる。したがって、交流電源１１の電流最大値や最大電力値を抑制でき、電源設備容量の有効利用が可能である。

速度制御部２１は、上位のプレス機械制御部（図示せず）からの位置指令または速度指令とエンコーダ１５からの回転位置θまたは回転速度ωに応じて動作し、トルクに比例する信号として有効電流Ｉｑ＊を出力する。無効電流指令演算部２２は、電圧検出器１７からの直流電圧Ｖｄｃ、エンコーダ１５からの回転速度ω、速度制御部２１からの有効電流指令Ｉｑ＊により、無効電流指令Ｉｄ＊を出力する。この動作は後述する。

無効電流指令演算部２２からの無効電流指令Ｉｄ＊は、電流制御部２３に入力される。一方、有効電流指令Ｉｑ＊も電流制御部２３に入力される。電流制御部２３は２つの電流指令成分によって、電流検出器１６で検出した電流成分が、エンコーダ１５の回転位置θを基準に制御される。電流制御部２３はインバータ１４を動作させるＰＷＭ信号として出力される。このようにインバータ１４はＰＷＭ制御される。この電流制御部２３の動作は永久磁石同期モータのベクトル制御として周知であり、ここでは詳細の動作は省略する。

次に本発明に関係する無効電流指令演算部２２の動作原理を説明する。永久磁石同期モータのトルクＴは、ｄ、ｑ軸座標を用いた諸量で表わすと次式で与えられる。
Ｔ＝Ｐ｛ΦＩｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）Ｉｄ・Ｉｑ｝（数１）
ここで、Ｉｄは電機子電流の無効分（ｄ軸電流成分）、Ｉｑは電機子電流の有効分（ｑ軸電流成分）、Ｐは極対数、Φは永久磁石の鎖交磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスである。
一方、端子電圧（相電圧）Ｅはモータの電気的回転角周波数をωとし、モータの抵抗分を無視すれば、
Ｅ＝ω√｛（Φ＋Ｌｄ・Ｉｄ）^２＋（Ｌｑ・Ｉｑ）^２｝（数２）
と表わすことができる。

相電圧はインバータ１４の入力直流電圧Ｖｄｃで決まる制御可能な電圧最大値を越えることが出来ないので、これ以下に抑える必要がある。これを無効電流Ｉｄ制御で実施する。インバータ１４が出力しえる相電圧最大値Ｅｍａｘは
Ｅｍａｘ＝ｋ・Ｖｄｃ（数３）
であるから、相電圧を最大値に保つＩｄは（数３）を（数２）に代入して、（数４）を得る。
Ｉｄ＝［√｛（ｋ・Ｖｄｃ／ω）^２−（Ｌｑ・Ｉｑ）^２｝−Φ］／Ｌｄ（数４）
ただし、Ｉｄ≦０の範囲
（数４）から、無効電流Ｉｄは、直流電圧Ｖｄｃだけでなく、回転速度ω、有効電流Ｉｑの関数になることが分る。

無効電流指令演算部２２は（数４）に基づいて、すなわち、直流電圧Ｖｄｃ、回転速度ω、有効電流Ｉｑの値から無効電流指令Ｉｄ＊を演算する。なお、この場合、電機子電流（無効分と有効分のベクトル和）の最大値制限があるので、これを越えないように無効電流指令を演算する。

これらの演算では、（数４）から分るように、３つのパラメータのうち、直流電圧Ｖｄｃと回転速度ωとは（Ｖｄｃ／ω）の形で与えられるから、これをパラメータとして扱い、直流電圧と回転速度の比（Ｖｄｃ／ω）と、有効電流Ｉｑから無効電流Ｉｄを求めることもできる。このようにすると、演算が簡略化できる。

図３はモータ相電圧を制御可能な最大値に保つための（数４）から計算した無効電流値の例である。Ｖｄｃが小さいほど、回転速度ωが大きいほど、また、有効分Ｉｑが大きいほど無効分Ｉｄはマイナスの値として大きく与える必要があることが分る。Ｖｄｃ／ωが大きい範囲はＩｄｃ＝０である。この図のように、真に必要なところだけに無効電流を与えるので、無駄に無効分を流すことがないので、損失の少ない運転ができる。また、電圧や電流は制御可能な範囲にすることができる。さらに、この制御を行わないときよりこの制御によって回転速度やトルク運転範囲が拡大でき、モータ駆動するプレス機械の能力を高めることが出来る。

また、無効電流指令演算部２２は（数４）の演算をするのではなく、３つのパラメータに対する無効電流指令パターンをあらかじめ演算、または実験的に求めておき、制御装置内のメモリにパターンとして登録して、それを読み出すように構成してもよい。

図４はこのようにして無効電流Ｉｄを与えたときのプレス運転特性の一例を示す。ここでは電気的エネルギー蓄積装置１３として大容量コンデンサを利用する。（ａ）は回転速度ω、（ｂ）はトルクＴ、すなわち、有効電流Ｉｑ、（ｃ）はインバータ１４の入力直流電圧Ｖｄｃ、すなわち、電気的エネルギー蓄積装置１３の直流電圧、（ｄ）は無効電流Ｉｄを示す。時刻ｔ１で減速を開始して、ｔ２で減速終了と共にプレス作業を開始する。このためにトルクが急増する。またこのとき、プレスに必要なエネルギーを電気的エネルギー蓄積装置１３から取り始めるので、蓄積しているエネルギーが減少し直流電圧Ｖｄｃが減少を始める。時刻ｔ３でインバータが出力制御可能な最大電圧に達したところで、無効電流Ｉｄが流れる。時刻ｔ４でプレス作業が終了し、モータは加速トルクだけが必要になる。直流電圧が低下しているので、無効電流は流れる。時刻ｔ５で加速完了し、トルクはほぼゼロになる。直流電圧は低下しているが、トルクを出す必要がないので、この例では無効電流供給は不要になり無効電流はゼロになる。無効電流の値は前記（数４）で定められるように決まる。

このように、直流電圧Ｖｄｃ、回転速度ω、有効電流Ｉｑの値により無効電流指令Ｉｄ＊を出力するので、真に必要なときだけに無効電流を流すことが出来る。インバータが制御可能な電圧や電流を考慮して電流を指令するので、効率が向上し、また、モータの制御できる回転速度やトルクの範囲が拡大するのでプレス加工能力を高めることができる。

なお、以上の説明から分かるように、無効電流の値は、直流電圧と回転速度とトルク指令またはトルク指令相当信号とにより定めるので、直流電圧自体の値や、回転速度、トルク自体の個々の大きさによって決まるのではないことは言うまでもない。

図５は本発明の変形例を示す。図５で、図２と部品番号が同一のものは図２と同一物を表わす。この変形例は図２のものと、無効電流の指令方法が異なる。速度制御部２１は、上位のプレス機械制御部（図示せず）からの位置指令または速度指令とエンコーダ１５からの回転位置θまたは速度ωに応じて動作し、トルク指令信号Ｔ＊を出力する。トルク指令信号Ｔ＊は電流指令演算部２４に入力され、トルク指令に応じた有効電流指令Ｉｑ＊と無効電流指令Ｉｄ＊を出力する。電流指令演算部２４では、例えば、トルク指令に対して効率が良くなるように電流成分を指令する方式、電機子電流が最小になるように電流成分を指令する方式、あるいは、モータの力率が１になるように指令する方式などが考えられ、使用目的やモータ仕様によって適宜選択される。一方、無効電流指令演算部２２からも無効電流指令Ｉｄ＊が指令される。電流指令選択部２５は電流指令演算部２４からの無効電流指令か、無効電流指令演算部２２からの無効電流指令のどちらか適切な方を選択する。

無効電流指令演算部２２から出力される無効電流指令と電流指令演算部２４から出力される無効電流指令ののうち、より適切な方を電流指令選択部２５において選択するやり方の例として、その大きさを比較してより絶対値の大きな値を選択する。すなわち、無効電流指令Ｉｄ＊はマイナスであるので、より小さな値を選択する。このようにすると、直流電圧変動に対応する制御と前記高効率な制御などの２つの制御が運転状況に応じて自動的に選択できる。簡易的には、無効電流指令演算部２２からの無効電流指令が零の場合は、電流指令演算部２４からの無効電流指令を選択し、零でない場合は無効電流指令演算部２２からの無効電流指令を選択するようにすることもできる。

このように、無効電流指令演算部２２からの指令絶対値が小さなうちは高効率な運転ができ、無効電流指令演算部２２からの指令絶対値が大きくなると直流電圧に対応して回転数とトルクを保つ運転が可能となる。この結果、いろいろな運転条件に応じて多目的で、より最適でフレキシブルな運転が可能となり、さらに高効率な運転ができ、プレス機械の作業能力をより高めることができる。

図６は本発明の他の実施例を示す。図６で、図２と部品番号が同一のものは図２と同一物を表わす。この実施例は、プレス機械制御部２６から無効電流指令Ｉｄ＊をパターンとして出すことに特徴がある。プレス機械制御部２６はプレス機械全体の制御を行うもので、サーボ系に対して位置または速度指令を速度制御部２１に出力するとともに、無効電流指令を電流制御部２３へ出力する。プレス機械ではスライド６の位置、速度が運転パターンとして与えられるので、交流モータ１の位置、速度が分かる。また、プレスすべき対象も分かっているので所要トルクも分かり、プレスに必要なエネルギーも知ることができる。この結果、エネルギー蓄積装置１３の能力から、プレス時の直流電圧変動も知ることができる。したがって、運転パターンが分かれば最適な無効電流をどう指令すべきか、予め解析的または実験的に求めることができる。プレス機械制御部２６ではこのように定めた無効電流を指令する。

この方法によると、運転パターンから無効電流指令を与えることができるので、動作遅れを生じることなく最適な指令を出力できる。なお、交流電源１１の電源電圧変動などのために電気的エネルギー蓄積装置１３の出力である直流電圧の変動が予測と異なる恐れが出る場合は、直流電圧を適宜検出してもよい。このようにしても高効率で運転でき、プレス機械の作業能力をより高めることができ、より最適な運転ができる。

前記の図２の実施例によると、プレス作業時は電気的エネルギー蓄積装置から短時間の間に大きなエネルギーをとるので、その端子電圧が徐々に低下する。低下するとこれに応じて無効電流を増加させながら、さらにエネルギーをとるため、ますますその端子電圧が低下する。このような電気的エネルギー蓄積装置の電圧低下を防止するためにエネルギー蓄積装置の端子電圧、すなわち、インバータ入力側の直流電源電圧に応じて有効電流を制限するようにすることができる。リミッタは電圧検出器１７の直流電圧検出値に応じて有効電流Ｉｑ＊を制限する。リミッタでの制限値は、直流電圧低下が小さくなるように設定する。例えば、次のようにしてもよい。交流電源１１から装置に入力される電力は電源設備や整流器１２の能力に応じて最大値が決められる。直流電圧が所定値以下に低下した際、モータの出力、あるいは、必要に応じて変換器とモータの損失を含めたモータ出力が前記交流電源からの最大電力値に等しくなるように、リミッタの制限値を設定する。モータの出力は、トルク指令と回転速度、あるいは、インバータ１４の入力側直流電圧と直流電流から求めることができる。このようにして、直流電圧の低下を抑制する。

このようにすると、エネルギー使用量が抑制されるので電圧低下が防止でき、機械全体の運転が適正に行える。

以上ではプレス機械を例に説明をしたが、運転中に一時的に大きなモータトルクが必要となる産業機械であれば本発明が適用できるのは言うまでもない。このような機械としてプレス機以外に、例えば、射出成形機、サーボモータ駆動の建設機械がある。

本発明が適用されるプレス機の一例を示す図である。本発明が適用される制御装置の構成図である。図２に示す無効電流指令の例を示す図である。図２に示す装置の動作を説明する図である。本発明の変形例する図である。本発明の他の実施例を示す制御装置の構成図である。

符号の説明

１交流モータ１２整流器１３電気的エネルギー蓄積装置１４インバータ１５エンコーダ１６電流検出器１７電圧検出器２１速度制御部２２無効電流指令演算部２３電流制御部２４電流指令演算部２５電流指令選択部２６プレス機械制御部

Claims

交流モータ（１）と、前記交流モータを駆動するインバータ（１４）と、前記交流モータが駆動する機械の作業時のエネルギーを確保する電気的エネルギー蓄積装置（１３）と、前記交流モータを制御するための制御装置を有し、前記インバータ直流側の直流電圧と、前記交流モータのトルク指令またはトルク指令相当信号と、前記交流モータの回転速度とを用いて、前記交流モータを駆動する無効電流を制御する産業機械の制御装置において、前記直流電圧と前記回転速度の比と、前記トルク指令またはトルク指令相当信号とを利用して、前記交流モータを駆動する無効電流を零または負に制御することを特徴とする産業機械の制御装置。
請求項１記載の産業機械の制御装置において、前記直流電圧に応じて、前記トルク指令またはトルク指令相当信号を制限することを特徴とする産業機械の制御装置。
請求項１記載の産業機械の制御装置において、前記トルク指令またはトルク指令相当信号は前記交流モータの有効電流またはそれに相当する信号であることを特徴とする産業機械の制御装置。
交流モータと、前記交流モータを駆動するインバータと、前記交流モータが駆動する機械の作業時のエネルギーを確保する電気的エネルギー蓄積装置と、前記交流モータを制御するための制御装置を有し、前記インバータ直流側の直流電圧と、前記交流モータのトルク指令またはトルク指令相当信号と、前記交流モータの回転速度とを用いて、前記交流モータを駆動する無効電流を制御する産業機械の制御装置において、前記交流モータの無効電流を指令する信号と、他の指標から前記交流モータの無効電流を指令する信号とを比較し、絶対値の大きい方の指令信号を実際の無効電流指令とすることを特徴とする産業機械の制御装置。