JPH04244798A - 交流電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可変電圧可変周波数で
駆動される交流電動機の制御装置に係り、特に、インバ
ータ駆動の誘導電動機の制御に好適な制御装置に関する
。

【０００２】

【従来の技術】誘導電動機の効率的な速度制御は、長い
間、懸案事項であったが、近年、インバータなどの可変
電圧可変周波数電力変換装置の実用化に伴い、これによ
り誘導電動機などの交流電動機を可変速駆動するように
した交流電動機制御装置が広く実用に供されており、近
年では、それについて開示した文献についても枚挙に暇
が無いくらいであるが、一例を示すと、特開昭６２−２
８８１号公報を挙げることができる。

【０００３】ところで、従来の装置では、交流電動機が
発生しているトルクの検出を要するときには、トルクセ
ンサの適用が一般的のものと考えらえていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、トル
クセンサによる交流電動機のトルク検出には多大のコス
トアップが伴なう点について配慮がされておらず、電動
機が発生しているトルクに応じた制御を必要とする場合
でも、コストダウンの見地からトルク検出は行わず、オ
ペレータの見込みによるトルクの推定結果による制御と
なる場合が多く、このため、制御がオペレータの熟練に
大きく依存せざるを得ず、常に的確な制御を確実に得る
のが困難であるという問題があった。

【０００５】本発明の目的は、交流電動機が発生してい
るトルクの実時間での検出が、トルクセンサを用いずに
、容易に、しかも正確にでき、これにより電動機のトル
クの検出結果に応じた制御が、ローコストで容易に適用
出来るようにした交流電動機制御装置を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明は、可変電圧可変周波数電力変換装置と上記交
流電動機との間で授受される電流の検出値から該交流電
動機の発生トルクに比例した電流成分を演算する手段と
、この電流成分を上記交流電動機のトルク信号として出
力する手段とを設けたものである。

【０００７】

【作用】上記電流成分を演算する手段は、電動機電流か
らトルクに比例した電流成分を検出するように動作する
。そこで、上記出力する手段は、この電流成分をトルク
信号として出力するように動作する。

【０００８】従って、トルクセンサを用いること無く、
確実にトルク信号を得ることが出来る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明による交流電動機制御装置につ
いて、図示の実施例により詳細に説明する。図１は、本
発明の一実施例で、図において、１は三相の交流電力を
直流電力に変換する順変換器、２は直流電圧を平滑化す
るためのコンデンサ、３は直流電力を三相交流電力に変
換する逆変換器、それに４は逆変換器３のスイッチング
素子を駆動するベースドライブ回路、５はマイクロコン
ピュータ（マイコン）などで構成されている制御回路で
、ベースドライブ回路４に制御信号を供給する働きをす
るものである。従って、これらの順変換器１と逆変換器
２、それにコンデンサ３はインバータの主回路を構成し
、ベースドライブ回路４を介して制御回路５による制御
のもとで周知の電圧形ＰＷＭインバータとして動作し、
全体としては、これも周知の可変電圧可変周波数（ＶＶ
ＶＦ）インバータ装置１００を構成していることになる
。

【００１０】６は三相誘導電動機で、可変電圧可変周波
数インバータ１００の逆変換器２から供給される可変電
圧可変周波数の三相交流電力により駆動され、図示して
ない所定の負荷を回転駆動するもの。７は誘導電動機６
に供給される相電流を検出する電流検出器、８は電流検
出器７の出力を処理して電流を検出する電流検出回路、
９は可変電圧可変周波数インバータ装置１００の出力周
波数を設定指令する周波数設定器、１０はディジタルオ
ペレータで、制御回路５に対するマンマシンインターフ
ェースに必要な制御指令の設定入力操作部と表示部とを
有するものであり、これらは、いずれも周知のインバー
タ装置と同じである。１１は後述するトルク確立信号の
発生レベルを設定する基準トルク設定器、１２はトルク
電流成分検出回路、１３はトルク確立信号発生回路であ
る。次に、この実施例の動作について説明する。なお、
電圧形ＰＷＭインバータによる可変電圧可変周波数イン
バータ装置１００については、上記したように、周知の
ものなので、その動作についての説明は省略し、以下、
トルク電流成分検出回路１２と、トルク確立信号発生回
路１３の動作について主に説明する。

【００１１】図２は誘導電動機６の等価回路で、図３は
そのベクトル図であり、以下、これらの図を用いて説明
すると、電流検出器７で検出したインバータ装置１００
の出力電流の二相分の電流検出値から、図３のｄ−ｑ軸
座標変換を行い、各々の電流成分Ｉ１ｄ（ｄ軸成分：励
磁電流相当）と、Ｉ１ｑ（ｑ軸成分：トルク電流相当）
を求める。このため、まず、誘導電動機６が三相機であ
るので、これを等価二相機モデルに置き換え、ｄ−ｑ軸
成分に変換すると、図４の（１）式が成立つ。この（１
）式はＳｉｎ　、Ｃｏｓ　の関数であるため、以下の処
理により簡略化する。まず、静止座標系（慣性系）であ
る　Ｕｄ−Ｕｑ　軸を基準に考えると、回転角周波数ω
１≡０であるから、これを上記（１）式に代入して図４
の（２）式を得る。ここで、各相を平衡三相とすると、
交流条件により、三相の瞬時値の和は常に零（Ｉｕ＋Ｉ
ｖ＋Ｉｗ　≡０）であるから、この条件を（２）式に代
入して、図４の（３）式を得る。

【００１２】一方、図３のベクトル図における、（２）
式により表現される静止座標系での諸量を、回転角周波
数ω１で回転するｄ−ｑ軸に変換すると、図４の（４）
式が得られる。この結果、以上の（３）式と（４）式か
ら、図４の（５）式に示す行列式として、二相の交流電
流瞬時値（Ｉｕ、Ｉｗ　）によるトルク電流成分Ｉ１ｑ
　が演算出来、他方、誘導電動機６が発生するトルクＴ
ｅ　は、図２の等価回路から、図４の（６）式で表わさ
れるので、トルク電流成分Ｉ１ｑ　に比例した量になる
ことがわかり、結局、このトルク電流成分Ｉ１ｑ　を演
算することにより、誘導電動機６が発生するトルクＴｅ
が求められることになる。

【００１３】そこで、図１のトルク電流成分検出回路１
２は、制御回路５内のマイコンによる処理の一部として
、上記（１）式から（５）式までの演算を逐次、実行す
ることにより、トルク電流成分Ｉ１ｑ　をリアルタイム
で算出し、それをトルク信号ａとして出力するのである
。なお、上記したトルク電流成分Ｉ１ｑ　に、誘導電動
機６の励磁回路系での鉄損電流Ｉ０ｗ　を考慮すること
により、この電動機の有効分に比例した電流Ｉ１ｅ　を
算出して、これをトルク信号ａとして発生するようにし
てもよい。

【００１４】ところで、一次電圧Ｖ１　と内部相差角δ
は、図３のベクトル図から、同じく図４の（７）式の演
算により求めることが出来る。

【００１５】このようにして、トルク電流成分検出回路
１２から逐次発生されるトルク信号ａは、そのまま制御
回路５の外部に出力され、図示してない表示装置に供給
されることにより、リアルタイムでトルク表示されたり
、後述するよに、関連する各種の装置の制御に利用され
ると共に、トルク確立信号発生回路１３にも供給される
。

【００１６】そこで、次に、このトルク確立信号発生回
路１３の動作について説明すると、これは一種の比較回
路で、基準トルク設定器１１で予め設定され、それから
入力されている、トルク確立信号の発生レベルを設定す
るための基準値ｓとトルク信号ａとを比較し、トルク信
号ａのレベルが基準値ｓのレベルを越えたときだけレベ
ル“１”となり、そうでないときにはレベル“０”を保
つトルク確立信号ｂを出力する働きをする。

【００１７】従って、このトルク確立信号ｂのレベルを
調べることにより、誘導電動機６の起動時などで、その
発生トルクが或る傾斜を持って上昇していったとき、或
いは発生トルクが変化したときなどでも、その発生トル
クが所望値に達しているか否かを容易に、しかも確実に
知ることが出来る。

【００１８】以上のように、この図１の実施例によれば
、図４の（１）式から（５）式までの演算により誘導電
動機６の発生トルクを求めるようにしているので、トル
クセンサを用いる必要がないのは勿論、上記した特開昭
６２−２８８１号公報の技術のように、電動機の回転速
度を検出するセンサを用いる必要もなく、リアルタイム
で容易に、しかも正確にトルクが検出出来るという効果
があり、この結果、誘導電動機６として、回転速度セン
サの取付けのために必要な、両軸形の高価な特殊仕様の
電動機を用いる必要が無いため、コストアップを充分に
抑えることができるという効果も得ることができる。

【００１９】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。まず、図５はクレーンの巻上機駆動用の電動機の制
御に本発明を適用した場合の一実施例で、誘導電動機６
が巻上機駆動用に用いられており、その他、図５におい
て、１４はインバータ装置で、図１における誘導電動機
６を除いた部分と同じである。１５はブレーキ開放信号
発生回路、１６は電磁開放型ブレーキ装置、１７はクレ
ーンの巻上ドラム、１８は吊りロープ、そして１９は荷
重（巻上荷物）である。

【００２０】ブレーキ開放信号発生回路１５は、トルク
確立信号ｂのレベルが“１”になったとき、電磁開放型
ブレーキ装置１６の電磁石を付勢してブレーキを開放す
るためのブレーキ開放信号ｃを発生する働きをする。電
磁開放型ブレーキ装置１６は誘導電動機６の回転軸に取
付けられた一般的な型式のもので、ブレーキ開放信号ｃ
が供給されていないときには、スプリングの力によりブ
レーキを閉じて誘導電動機６の回転軸が回転しないよう
に保持し、ブレーキ開放信号ｃが供給されると、そこに
あるブレーキ開放用の電磁石が付勢され、ブレーキが開
放されて誘導電動機６の回転軸の回転をフリーにする働
きをする。巻上ドラム１７は誘導電動機６により回転駆
動され、吊りロープ１８の巻取りと巻戻しを行い、荷重
１９を吊り上げたり、吊り下げたりする働きをする。

【００２１】次に、この実施例の動作について説明する
。周知のように、クレーンでは、荷物を吊り上げている
ときに電動機を停止させた場合には、荷物の重みによる
自由落下の虞れがあり、このため、電動機の運転と停止
に連動して動作し、運転時には緩め（開放）、停止時に
は閉じるブレーキが必要である。

【００２２】しかしながら、このとき、実際には、イン
バータ制御のクレーンでは、電動機の運転開始時での発
生トルクは、電動機へ通電を開始した時点から、そのシ
ステムに特有の時定数を持ってゼロから所望値にまで立
ち上がってゆく。このため、ブレーキの開放動作タイミ
ングを、電動機への通電開始タイミングと一致させたの
では、まだ誘導電動機６が発生しているトルクでは、荷
重１９の重みを支えるのに充分な値になっていないとき
にブレーキが緩むことになり、自由落下の虞れを生じて
しまう。このことは、図１の実施例のように、誘導電動
機６に速度検出器を設けない、ベクトル制御方式の場合
、発生トルクの応答に遅れが多くなるため、顕著に現れ
る。

【００２３】そこで、このような場合、従来技術では、
オペレータが、電動機の通電開始タイミングからブレー
キを開放させるタイミングをずらすことにより、荷重１
９の落下を生じないようにしていたが、この方法では、
オペレータの熟練に依存するところが多く、的確なタイ
ミングによる操作を充分に期待し得なかった。

【００２４】しかるに、この図５の実施例では、ブレー
キ開放信号発生回路１５が設けられ、これにより上記し
たトルク確立信号ｂの供給タイミングに合わせてブレー
キ開放信号ｃが発生され、これにより電磁開放型ブレー
キ装置１６が開放制御されるので、誘導電動機６の発生
トルクが所望値、すなわち、荷重１９の重さに見合った
トルク値になった時点で自動的に電磁開放型ブレーキ装
置１６を緩めることができ、タイミングの取り方を誤っ
て荷重１９の落下をもたらしたり、余裕を取りすぎてク
レーンの動作に遅れを生じさせたりすることなく、常に
的確なクレーンの制御を容易に得ることができる。

【００２５】なお、このときの、荷重１９の重さに見合
ったトルク値の設定は、図１の基準トルク設定器１１を
用いて任意に設定可能なことは、上記した通りである。

【００２６】次に、図６は本発明を射出成型機の制御に
適用した場合の一実施例で、誘導電動機６とインバータ
装置１４とは図５の実施例の場合と同じである。誘導電
動機６はスクリューコンベア２０の駆動用電動機を構成
し、その制御をインバータ装置１４により行うようにな
っている。さらに、１９はプラスチック原材料、２１は
バルブ機構、２２はモールド成型用の金型、２３は比較
器、２４はトルク指令設定器、２５は原材料ホッパーで
あり、スクリューコンベア２０は上記した通りである。 なお、このスクリューコンベア２０には、図示してない
が、電熱装置が設けてあり、プラスチック原材料１９の
軟化温度以上の温度に加熱されるようになっている。

【００２７】スクリューコンベア２０が誘導電動機６に
より回転駆動されると、原材料ホッパー２５から供給さ
れたプラスチック原材料１９が、加熱されながらスクリ
ューコンベア２０の中を図の左方向に搬送され始めるか
ら、所定のタイミングでバルブ機構２１を開いてやると
、スクリューコンベア２０内の加熱溶融状態にあるプラ
スチック原材料が金型２２の中に一気に押し込まれ、モ
ールド成型品が作りだされることになる。しかしながら
、このとき、スクリューコンベア２０内の加熱溶融状態
にあるプラスチック原材料の量と圧力の双方が所定値に
ないと、良好なモールド成型品は得られない。

【００２８】一方、このときのスクリューコンベア２０
内の加熱溶融状態にあるプラスチック原材料の量と圧力
に応じてスクリューコンベア２０の駆動に必要なトルク
が変化する。そこで、この実施例では、比較器２３にイ
ンバータ装置１４内のトルク電流成分検出回路１２（図
１）から供給されるトルク信号ａを取り込み、これをト
ルク指令設定器２４からの指令値と比較し、トルク信号
ａ≧指令値　　の条件が満足されたとき、制御信号Ｄを
発生させ、この信号によりバルブ機構２１が開かれるよ
うに構成したものであり、この結果、スクリューコンベ
ア２０内の加熱溶融状態にあるプラスチック原材料の量
と圧力が所望値に達した時点で確実に制御信号Ｄが発生
され、バルブ機構２１が開かれて金型２２内への射出成
型動作が開始されることになり、常に確実に良好なモー
ルド成型品だけを得ることが出来る。

【００２９】なお、このときのプラスチック原材料の量
と圧力の制御目標値は、トルク指令設定器２４により容
易に設定可能なことは、いうまでもない。

【００３０】ところで、この図６の実施例では、比較器
２３がインバータ装置１４からトルク信号ａの供給を受
け、この信号をトルク指令設定器２４からの指令値と比
較して制御信号Ｄを発生させるように構成したが、これ
に代えて、インバータ装置１４内のトルク確立信号発生
回路１３（図１）から供給されるトルク確立信号ｂを用
い、この信号ｂを、そのまま制御信号Ｄとして用いるよ
うにしてもよい。なお、このときには、基準トルク設定
器１１を用いてプラスチック原材料の量と圧力の制御目
標値の設定を行うようになるのは、説明を要しないとこ
ろである。

【００３１】さらに、図７は、本発明を工作機械の一種
であるタッピングマシンに適用した場合の一実施例で、
このタッピングマシンは、被加工物２７が載置された加
工台２８に上方向への送りを与えながらドリル２６によ
り孔開け加工を行わせたり、工具としてタップを用いた
雌ねじ加工や、リーマを用いたリーマ通し加工などを行
うものであるが、この実施例では、このマシンの孔開け
加工用工具であるドリル２６の回転駆動をインバータ装
置１４Ａにより制御される誘導電動機６Ａにより行い、
加工台２８の上下移動をインバータ装置１４Ｂにより制
御される誘導電動機６Ｂにより行うようにしたものであ
る。なお、図において、３１は加工台移動機構で、図示
してないギヤやベルト機構を備え、誘導電動機６Ｂによ
り加工台２８の上下移動を行うものである。

【００３２】このようなマシンにおいて、例えばドリル
２６により、被加工物２７に孔開け加工中、ドリル２６
に過大なトルクが掛ると、このドリル２６が折れてしま
い、比較的高価なドリルを破損させたり、被加工物を不
良品にしてしまったりする。そこで、誘導電動機６Ａの
トルク、すなわち、ドリル２６に掛るトルクをインバー
タ装置１４Ａで検出し、発生したトルク信号ａをインバ
ータ装置１４Ｂに取り込み、検出したトルクが設定値に
達したら送り駆動用の誘導電動機６Ｂを停止させたり、
その回転速度を低下させたりするのである。

【００３３】また、ドリル２６の代わりにタップを用い
た雌ねじ加工の場合には、検出したトルクが設定値に達
したら工具駆動用の誘導電動機６Ａを停止させたり、そ
の回転速度を低下させたりする。

【００３４】従って、この図７の実施例によれば、工具
に掛るトルクが所定値に達すると、自動的に被加工物の
送りが停止したり、送り速度が低下されたりするので、
過大なトルク発生が未然に抑えられ、工具破損や被加工
物の損傷などの虞れを充分に防止することができる。

【００３５】なお、以上の実施例では、電動機として誘
導電動機を使用した場合について説明したが、本発明は
誘導電動機に限らず、交流電動機なら、同期電動機など
、どのような電動機により実施してもよいことは、いう
までもない。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、高価なトルクセンサや
速度検出器を用いることなく、インバータ装置内に一般
的に備えられている電流検出器により、インバータ装置
の負荷である誘導電動機などの交流機が発生しているト
ルクが検出でき、それをインバータ装置の外部に取り出
すようにしたので、電動機のトルクを検出して制御に利
用することにより多大の効用が期待できる種々の装置を
ローコストで実現可能に出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による交流電動機制御装置の一実施例を
示すブロック構成図である。

【図２】本発明の動作原理を説明するための等価回路図
である。

【図３】本発明の動作原理を説明するためのベクトル図
である。

【図４】本発明の動作原理を説明するための数式説明図
である。

【図５】本発明をクレーンに適用した場合の一実施例を
示す構成図である。

【図６】本発明を射出成型機に適用した場合の一実施例
を示す構成図である。

【図７】本発明をタッピングマシンに適用した場合の一
実施例を示す構成図である。

【符号の説明】

１　　順変換器 ２　　コンデンサ ３　　逆変換器 ４　　ベースドライブ回路 ５　　制御回路 ６　　誘導電動機 ７　　電流検出器 ８　　電流検出回路 ９　　周波数設定器 １０　　ディジタルオペレータ １１　　基準トルク設定器 １２　　トルク電流成分検出回路 １３　　トルク確立信号発生回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　可変電圧可変周波数電力変換装置を用
   い、交流電動機を可変速制御する方式の交流電動機制御
   装置において、上記可変電圧可変周波数電力変換装置と
   上記交流電動機との間で授受される電流の検出値から該
   交流電動機の発生トルクに比例した電流成分を演算する
   トルク電流成分算定手段と、このトルク電力成分算定手
   段から得られる電流成分を上記交流電動機のトルク信号
   として出力するトルク信号発生手段とが設けられている
   ことを特徴とする交流電動機制御装置。
2. 【請求項２】　　請求項１の発明において、上記トルク
   信号発生手段がレベル比較回路を備え、上記電流成分の
   レベルが予め設定されている基準値を越えたことを条件
   として、上記交流電動機の発生トルクが所望レベルに達
   したことを表わすトルク確立信号を出力するように構成
   されていることを特徴とする交流電動機制御装置。
3. 【請求項３】　　請求項１の発明において、上記交流電
   動機の負荷トルクを制御する手段を設け、該負荷トルク
   を上記トルク信号に応じて制御するように構成したこと
   を特徴とする交流電動機制御装置。
4. 【請求項４】　　請求項２の発明において、上記交流電
   動機が停止ブレーキ装置を備え、該停止ブレーキ装置の
   開放制御を上記トルク確立信号により行うように構成し
   たことを特徴とする交流電動機制御装置。