JPH11356074A - 誘導電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 停電時に誘導電動機を確実に停止し、しかも
同期電動機をダイナミックブレーキ抵抗およびリレーな
しに確実に停止させることのできる、安価な制御装置を
提供すること。 【構成】 停電信号によって誘導モータ２８の制御方法
が、第一のスイッチにより励磁電流指令は直流制動に必
要な電流値に切り替わり、第二のスイッチによりトルク
電流指令はゼロ電流指令に切り替わり、第三のスイッチ
によりモータ電流角周波数を直流電圧と基準電圧との誤
差演算した値に切り替わるように構成され、各モータが
停止するまでの間、制御電源はダイオード２５を通して
モータの回転エネルギーが供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は工作機械の主軸モー
タおよび送り軸モータ駆動などに利用され、停電時に安
全に全てのモータを停止制御する誘導電動機の制御装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の工作機械に用いられる電動機の制
御装置のシステム構成の一例を図５に示す。工作機械に
おいては１つの主軸モータと複数の送り軸モータという
構成が一般的で、それぞれ主軸モータには誘導電動機２
８、送り軸モータには同期電動機２９a，２９bが用いら
れる。最近では、図５のように交流電源から直流に変換
するコンバータ部を共用し、複数のＰＷＭインバータを
接続する形態をとることで、安価な装置とすることが実
現されている。以下に各部の詳細な説明をする。交流電
源２０からコンバータ２１を通して直流に変換した主回
路直流電源に、平滑コンデンサ２２が接続される。この
直流電源から、複数のＰＷＭインバータ２６a，２６b，
２６cによって交流に変換し、主軸モータ２８および送
り軸モータ２９a，２９bを駆動する。一般的に主軸モー
タ２８は加減速運転が頻繁に行われ、また送り軸モータ
に比べてモータの容量も大きいことから、減速時に発生
するエネルギーを消費させることが困難である。このた
め、主軸モータ用コンバータには回転エネルギーを交流
電源に回生することのできる可逆変換可能なコンバータ
が採用される。また、ＰＷＭインバータ制御部の回路電
源には、交流電源２０から整流器２３によって直流に変
換したものが用いられ、平滑コンデンサ２４が接続され
る。なお、送り軸モータを駆動するＰＷＭインバータの
制御部については本発明と直接関係ないことから省略し
てある。次に主軸モータ２８である誘導電動機の制御部
１９内の制御方法について、図６を基に説明する。この
制御部の外部からの入力指令としては、トルク指令Ｔ*
および磁束密度指令φ*が入力される。前記磁束密度指
令φ*は一般的にはモータの設計上、予め設定された固
定値である場合がほとんどである。しかし高速の回転数
領域においてモータの端子電圧をある程度以下に抑えた
い場合や、あえてモータの磁束密度を低減して使用した
い場合などには適宜可変された指令値として磁束密度指
令φ*が入力される。変換器１は磁束密度指令φ*に応じ
て必要な励磁電流指令値ｉ1d*を発生する励磁電流指令
発生器である。磁束密度と励磁電流の関係は励磁インダ
クタンスＭを意味しており、この変換器１ではＭの逆数
を乗算することによって励磁電流指令値ｉ1d*が出力さ
れる。なお、図中においてｉ1d*はｉd*と略記されてい
る。除算器２はトルク指令Ｔ*を磁束密度指令φ*で除算
するものであり、誘導電動機の出力トルクは磁束密度と
トルク電流値との積に比例することから、除算器２の出
力がトルク電流指令値ｉ1q*として出力される。なお、
図中においてｉ1q*はｉq*と略記されている。

【０００３】この従来の制御方法による誘導電動機の制
御装置の動作を以下に簡単に説明する。電流制御部３３
内において、前記励磁電流指令値ｉ1d*およびトルク電
流指令値ｉ1q*からモータの１次電流指令値ｉu*、ｉv
*、ｉw*はモータ電流の角周波数ωを用いて次のように
表され、この演算処理は図中の２相３相変換器３によっ
て行われる

【数１】 ｉu*＝ｉ1d*・sinωｔ＋ｉ1q*・cosωｔ ・・・（１）

【数２】 ｉv*＝ｉ1d*・sin(ωｔ−120°)＋ｉ1q*・cos(ωｔ−120°) ＝(−ｉ1d*／２＋√３／２・ｉ1q*)sinωｔ ＋(−√３／２・ｉ1d*−ｉ1q*／２)cosωｔ ・・・（２）

【数３】 ｉw*＝ｉ1d*・sin(ωｔ＋120°)＋ｉ1q*・cos(ωｔ＋120°) ＝(−ｉ1d*／２−√３／２・ｉ1q*)sinωｔ ＋(√３／２・ｉ1d*−ｉ1q*／２)cosωｔ ・・・（３） 電流制御部３３において電流誤差アンプ４ａ、４ｂ、４
ｃ、減算器５ａ、５ｂ、５ｃおよび電流検出器６ａ、６
ｂ、６ｃの働きによってモータの電流がフィードバック
制御されることによってこの１次電流指令値ｉu*、ｉv
*、ｉw*に等しい１次電流がモータに通電される。この
ときモータの１次電流の合成ベクトルＩ1は、実際のモ
ータ内部の励磁電流ｉ1dおよびトルク電流ｉ1qの位相が
上記励磁電流指令値ｉ1d*およびトルク電流指令値ｉ1q*
の位相と等しいという仮定のもとではｉ1d、ｉ1qを用い
て次のように表される。なお^2は２乗を表しており、ま
たtan-1はtanの逆関数を表している。

【数４】 Ｉ1＝ｉ1d・sinωｔ＋ｉ1q・cosωｔ ・・・（４）

【数５】 Ｉ1＝√(ｉ1d^2＋ｉ1q^2)・sin(ωｔ＋θ2) ・・・（５）

【数６】θ2＝t^an-1(ｉ1q／ｉ1d) ・・・（６）

【０００４】このような１次電流Ｉ1がモータに流れる
ことによって、モータに発生する電圧について考える。
ここで一般的な誘導電動機の等価回路を図３に示す。１
次漏れインダクタンスLσおよび１次抵抗ｒ1の両端には
電圧降下が発生し、その結果、モータの端子電圧には次
のような電圧が発生する。なお、ｐは微分演算子d／dt
である。

【数７】Ｅ1＝Ｅm＋(ｐ・Lσ＋ｒ1)Ｉ1 ・・・（７） （７）式の第２項は第１項Ｅmに比較して小さいので無
視すると次式を得る。

【数８】Ｅ1＝Ｅm ・・・（８） このＥmは一般に速度誘起電圧と呼ばれるものであり、
モータ内部の励磁電流ｉ1dとの間に次のような関係があ
る。

【数９】Ｅm＝ω・Ｍ・ｉ1d・cosωｔ ・・・（９）

【０００５】また、図３の誘導電動機の等価回路から明
らかなようにＥmとトルク電流ｉ1qについて次のような
関係がある。

【数１０】 Ｅm＝ｒ2・ｉ1q／ｓ(ただしｓ＝ωs／ω) ・・・（１０） なお、ωsはすべり周波数と呼ばれ、モータの回転角周
波数をωmとして

【数１１】 ωs＝ω−ωm ・・・（１１） と表される。なお、モータの回転角周波数ωmは、モー
タに取付けられたエンコーダ３２から出力される位置検
出値を微分器３０によって微分することで得られる。こ
の結果から実際のモータ内部のトルク電流ｉ1qを所望の
値に制御するためには（１０）、（１１）式の関係をみ
たすすべり周波数ωsをモータに与える必要があること
がわかり、図６においては除算器７および変換器８によ
ってトルク電流指令ｉ1q*に応じたすべり周波数ωsが出
力されている。

【０００６】以上の従来の制御方式による誘導電動機の
制御装置の動作について簡単にまとめると、以下のよう
になる。すなわち、まず（１）、（２）、（３）式に基
づいてモータの１次電流がフィードバック制御され、
（４）式に表される１次電流Ｉ1が所望の値に制御され
る。このときに同時に（１０）式によって表されるすべ
りがモータに与えられることによってモータ内部の実際
のトルク電流ｉ1qが所望の値、すなわちｉ1q*に等しく
制御される。その結果（４）式に表されるように１次電
流Ｉ1とトルク電流ｉ1qとのベクトル差である励磁電流
ｉ1dを任意の値に制御することができる。このようにし
て、主軸モータの回転数および出力を制御することが可
能となっている。

【０００７】また誘導モータのトルクは、モータの回転
角周波数ωmとし、すべりｓを可変して電流角周波数ω
を変化させた場合、図４のようなトルク特性を示す。こ
こでモータ効率について考えるため、ｒ2／ｓを変形す
ると

【数１２】 ｒ2／ｓ＝ｒ2＋ｒ2（１−ｓ）／ｓ ・・・（１２） となり、これはｒ2が２次損失成分、ｒ2（１−ｓ）／ｓ
がモータの出力成分に相当することを意味する。モータ
の出力Ｐoは図３の誘導電動機の等価回路から明らかな
ように、モータの２次回路に投入された電力Ｐuと２次
抵抗ｒ2の損失Ｗcとの関係から次式によって表される。

【数１３】 Ｐu＝Ｗc＋Ｐo ＝ｒ2・ｉ1q^2−ｒ2・ｉ1q^2（１−ｓ）／ｓ＝ｒ2・ｉ1q^2／ｓ Ｐu：Ｗc：Ｐo＝１：（１−ｓ）：ｓ ・・・（１３） この関係から、すべりｓが大きすぎると損失が多くな
り、モータの出力Ｐoが低下する。つまりモータの効率
が悪くなることがわかる。

【０００８】次に、送り軸モータである同期電動機の制
御方法であるが、本発明において直接関係ないことから
省略する。

【発明が解決しようとする課題】このような従来の制御
方式で停電が発生した場合、電源は短絡状態となるた
め、コンバータ２１からの電源供給および電源回生は不
可能となる。また、制御電源も消失するので制御不能に
なる。このため、停電発生時には直ちにモータへの電流
は停止され、主軸モータはフリーラン状態となる。ま
た、送り軸モータに関しては、停電時に安全に停止する
ために、リレーと抵抗で構成される図５にあるようなダ
イナミックブレーキ回路３１を用いて、停電発生つまり
リレーの電源が消失するのに同期して、送り軸モータの
回転エネルギーを抵抗で消費するようにした回路が必要
となっていた。本発明は上記課題を解決するためになさ
れたものであり、停電時に全てのモータが安全に停止す
るまでの制御電源を確保し、かつ誘導モータを安全に停
止させ、さらに同期モータをダイナミックブレーキなし
に安全停止できる安価な制御装置を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明による誘導電動機の制御装置は、制御回路を用
いて直流電源を交流に変換して誘導モータを駆動するＰ
ＷＭインバータにおいて、磁束密度指令を変換した励磁
電流指令と予め設定された直流制動電流指令とを入力と
し、外部より入力された停電検出信号がオフである場合
は前記励磁電流指令を、またオンである場合には前記直
流制動電流指令を停止時の励磁電流指令として出力する
第一のスイッチと、トルク指令を変換したトルク電流指
令とゼロ電流指令とを入力とし、前記停電検出信号がオ
フである場合はトルク電流指令を、またオンである場合
にはゼロ電流指令を停止時のトルク電流指令として出力
する第二のスイッチと、前記直流電源の電圧を検出して
直流電圧検出値を出力する直流電圧検出手段と、前記直
流電圧検出値と予め設定された基準電圧との偏差に応じ
て直流制動電流角周波数指令を出力する誤差演算器と、
前記トルク電流指令および前記磁束密度指令に基づいて
演算されたモータ電流角周波数指令と前記直流制動電流
角周波数指令とを入力とし、前記停電検出信号がオフで
ある場合は前記モータ電流角周波数指令を、またオンで
ある場合には前記直流制動電流角周波数指令を停止時の
モータ電流角周波数指令として出力する第三のスイッチ
と、前記誘導モータに流れる電流を検出し、モータ電流
検出値を出力するモータ電流検出手段と、前記停止時の
励磁電流指令と前記停止時のトルク電流指令と前記停止
時のモータ電流角周波数指令と前記モータ電流検出値と
を入力とし、前記ＰＷＭインバータの出力電圧指令を出
力して前記誘導モータに流れる電流をフィードバック制
御するモータ電流制御手段とを備え、また前記制御回路
の電源は、前記直流電源からダイオードを通して接続さ
れ、さらに、前記直流電源に複数のＰＷＭインバータが
接続することによって達成される。

【００１０】

【作用】本発明による誘導電動機の制御装置において
は、外部より入力された停電信号によって誘導電動機の
制御方法が、第一のスイッチにより第二の励磁電流指令
は直流制動電流指令に切り替わり、第二のスイッチによ
り第二のトルク電流指令はゼロ電流指令になり、第三の
スイッチにより第二のモータ電流角周波数指令は直流電
源電圧と基準電圧との偏差をｐｉ演算した直流制動電流
角周波数指令に切り替わるように作用し、制御電源に必
要な微小の発電を行いながら減速して停止する。また、
各モータが減速するまでの間、制御電源はダイオードを
通してモータの回転エネルギーが供給され、ダイオード
は制御電源がモータに消費されないようにブロックする
よう作用する。さらに、直流電源に接続された他の同期
電動機の停止する間に発生する回転エネルギーは、誘導
電動機の第二のモータ電流角周波数指令が変化し、誘導
電動機で消費されるように作用する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る誘導電動機の
制御装置の一実施形態のブロック図である。図５に示す
従来の誘導電動機の制御装置と同じ構成要素は同一符号
で示してあり、その説明は重複するので省略する。交流
電源２０には、停電検出回路２７が接続されており、交
流電源２０を監視して停電が発生した場合直ちに停電信
号を制御部１８に出力する。また、制御回路電源には、
ダイオード２５a，２５bを通して主回路直流電源の平滑
コンデンサ２２と接続される。このダイオードを通し
て、各モータが減速時に発生するエネルギーを制御電源
用平滑コンデンサ２４に蓄積するが、主軸モータの制動
時にエネルギーが消費される場合には、ダイオード２５
a，２５bによって制御電源用平滑コンデンサ２４に蓄え
られたエネルギーが消費されるのを阻止する。つまり制
御電源用平滑コンデンサ２２に蓄積されたエネルギー
は、制御回路のみで消費される。

【００１２】以下制御方法について図２を用いて説明す
る。停電が発生した場合、交流電源２０を監視する停電
検出回路２７からの停電信号により、励磁電流指令ｉ1d
*はスイッチ１５によって予め設定されていた直流制動
に必要な励磁電流指令値である直流制動電流指令ｉdb*
に切り替わる。ここで停電時の直流制動電流指令値ｉdb
*は、モータに応じた電流値が設定される。また、スイ
ッチ１６により、トルク電流指令はゼロに切り替えら
れ、電流角周波数指令ωはスイッチ１７により、ｐｉ演
算器１２の出力である直流制動電流角周波数指令ωdbに
切り替えられる。減算器１１は、予め設定された基準電
圧Ｖdcrefと平滑コンデンサ２２の両端に発生する直流
電圧との偏差を出力し、この誤差量をｐｉ演算器１２に
よってｐｉ（比例・積分）演算する。このｐｉ演算器１
２は、直流電圧検出値がＶdcrefよりも上がった場合に
は、ゼロを出力する。また、ｐｉ演算器１２の出力は直
流制動電流角周波数指令ωdbとして発電量が制御電源の
消費電力、すなわち数１０ｗ程度に保たれるように極く
小さな角周波数を出力する。このことは、式１３および
図４からも明らかであり、すべりｓをｓ＝１に近い状
態、つまり電流角周波数ωをゼロ付近に制御すること
で、発電量を制御電源の消費電力程度にとどめ、不要な
回転エネルギーは損失となり、主軸モータ内で熱に変換
して停止する。

【００１３】同様にして、送り軸モータが回転中に停電
が発生した場合、送り軸の停止動作を行うが、この時発
生するモータの回転エネルギーによって直流電源の電圧
が上昇する。この場合はｐｉ演算器１２からの出力がゼ
ロとなり、主軸モータには電流周波数ゼロつまり直流電
流が通電される。これは式１３からも明らかなように、
主軸モータに流される電流は全て損失になる、つまり主
軸モータの発熱に変換される。この結果、送り軸モータ
の回転エネルギーは、主軸モータの発熱によって消費さ
れることで、ダイナミックブレーキなしに停止すること
ができる。このようにして、他の複数ＰＷＭインバータ
および複数の主軸モータまたは送り軸モータが接続され
た場合についても同様で、安全に停止するよう動作す
る。

【００１４】

【発明の効果】以上、説明したように本発明において、
停電時にも誘導電動機を確実に停止できるので安全であ
る。また、同期電動機のダイナミックブレーキ抵抗およ
びリレーが不要となり、安価な装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による電動機の制御装置の一実施形態
の構成図である。

【図２】 本発明による電動機の制御装置の一実施形態
のブロック図である。

【図３】 誘導電動機の等価回路である。

【図４】 誘導電動機のトルク特性グラフである。

【図５】 従来の誘導電動機の制御装置の構成図の一例
である。

【図６】 従来の誘導電動機の制御装置のブロック図の
一例である。

【符号の説明】

１ 変換器、２ 除算器、３ ２相３相変換器、４ 電
流誤差アンプ、５ 減算器、６ 電流検出器、７ 除算
器、８ 変換器、９ 加算器、１０ ２相正弦波発生
器、１１ 減算器、１２ ｐｉ演算器、１３ 基準電
圧、１４ 乗算器、１５ スイッチ１、１６ スイッチ
２、１７ スイッチ３、１８ 制御回路、１９ 制御回
路、２０ 交流電源、２１ コンバータ、２２ 平滑コ
ンデンサ、２３ 整流器、２４ 平滑コンデンサ、２５
ダイオード、２６ インバータ、２７ 停電検出回
路、２８ 誘導モータ、２９ 同期モータ、３０ 微分
器、３１ダイナミックブレーキ回路、３２ エンコー
ダ、３３ 電流制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御回路を用いて直流電源を交流に変換
   して誘導モータを駆動するＰＷＭインバータにおいて、 磁束密度指令を変換した励磁電流指令と予め設定された
   直流制動電流指令とを入力とし、外部より入力された停
   電検出信号がオフである場合は前記励磁電流指令を、ま
   たオンである場合には前記直流制動電流指令を停止時の
   励磁電流指令として出力する第一のスイッチと、 トルク指令を変換したトルク電流指令とゼロ電流指令と
   を入力とし、前記停電検出信号がオフである場合はトル
   ク電流指令を、またオンである場合にはゼロ電流指令を
   停止時のトルク電流指令として出力する第二のスイッチ
   と、 前記直流電源の電圧を検出して直流電圧検出値を出力す
   る直流電圧検出手段と、 前記直流電圧検出値と予め設定された基準電圧との偏差
   に応じて直流制動電流角周波数指令を出力する誤差演算
   器と、 前記トルク電流指令および前記磁束密度指令に基づいて
   演算されたモータ電流角周波数指令と前記直流制動電流
   角周波数指令とを入力とし、前記停電検出信号がオフで
   ある場合は前記モータ電流角周波数指令を、またオンで
   ある場合には前記直流制動電流角周波数指令を停止時の
   モータ電流角周波数指令として出力する第三のスイッチ
   と、 前記誘導モータに流れる電流を検出し、モータ電流検出
   値を出力するモータ電流検出手段と、 前記停止時の励磁電流指令と前記停止時のトルク電流指
   令と前記停止時のモータ電流角周波数指令と前記モータ
   電流検出値とを入力とし、前記ＰＷＭインバータの出力
   電圧指令を出力して前記誘導モータに流れる電流をフィ
   ードバック制御するモータ電流制御手段とを備え、 前記制御回路の電源は、前記直流電源からダイオードを
   通して接続されていることを特徴とする誘導電動機の制
   御装置。
2. 【請求項２】 前記直流電源に複数のＰＷＭインバータ
   が接続されることを特徴とする請求項１の制御装置。