JPS5928148B2 - 誘導電動機の運転制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、誘導電動機の運転制御装置、特に工作機械の
主軸駆動用電動機のオリエンテーション時における低ト
ルク制御を円滑にかつ確実に行なうことができる運転制
御装置に関する。

工作機械の主軸に工具を取り付けるために通常オリエン
テーションと呼ばれる動作態様をとる。

すなわち、主軸に工具を正確に嵌合せしめるため、主軸
の把持部及び工具の双方に切欠き部を設け、この切欠き
部が互いに合致する位置まで主軸をゆつくりと回転させ
、互いの切欠き部が一致したところで主軸の回転を停止
させた後、主軸に工具を取り付ける。そのため、工作機
械が切削などの動作が終了すると、いつたん主軸駆動用
電動機を停止せしめた後、オリエンテーションモードに
切替えて主軸駆動用電動機をゆつくり回転せしめるとと
もに、主軸の一部からピンが突出し、主軸及び工具の切
欠き部が一致したところで該ピンが係止部に当たり駆動
用電動機と共に主軸は確実に停止″ することになる。
したがつて、主軸駆動用電動機は滑らかに回転しなけれ
ばならず、駆動トルクは大きくともまた小さ過ぎても良
くなιゝなぜならば、駆動トルクが大であれば、衝撃力
のために主軸及びその他の装置を損傷させるおそれが出
て来、ることになり、また反対に駆動トルクが小さ過ぎ
ると確実な動作が保証されず、かつ作業能率が低下する
原因となるからである。そこで駆動トルクは通常運転時
の３分の１乃至２分の１程度に選択される。

主軸駆動用電動機としては、交流用の誘導電動機又は直
流電動機の使用が考えられるが、制御性の面から見れば
、低速、低トルク制御の技術がすでに確立している直流
電動機が有利である。

しかし制御性が優れているものの、整流子及びブラシの
保守、点検が面倒であり、また構造上どうしても誘導電
動機に比較して大きくまた複雑であつて、そのため据付
け面積を多くとり、価格も高いという欠点がある。そこ
で、本発明は上述の如き従来の欠点を除去するため、低
速・低トルク運転を要求される工作機械の主軸駆動用電
動機に誘導電動機を用いることができる運転制御装置を
得ることを目的とする。

上述の如き本発明の目的を達成せしめるため、本発明は
、パルス幅変調型インバータにより駆動される誘導電動
機の速度制御系において、速度指令信号ＶＮと主軸駆動
用誘導電動機の実速度信号Ｖｎを比較増幅する回路を設
け、該比較増幅回路の出力信号Ｖｓの一方が極性判別回
路を介して与えられるすべり周波数指令信号発生回路と
、該すべり周波数指令信号発生回路の出力信号ＶｓＯと
上記誘導電動機の実速度信号Ｖｎを加算する信号加算手
段と、該信号加算手段の出力信号ＶＦが電圧−周波数変
換回路を介して与えられる信号分配回路と、上記比較増
幅回路の信号が入力され、所定値までの入力信号は通過
させ所定値を越える入力信号はクランプするリミツタ回
路と、該クランプ値を設定するクランプ値設定手段とを
設け、上記リミツタ回路からの出力信号が与えられた上
記信号加算手段の出力信号ＶＦとの積ＶＳＸＶＦを出力
する乗算回路と、該乗算回路の出力信号と上記信号分配
回路の出力信号を論理合成する合成回路と、該合成回路
の矩形波出力に基づいてパルス幅変調を行なうパルス幅
変調回路を設け、該パルス幅変調回路の出力で上記イン
バータ回路を通電匍制御するとともに、オリエンテーシ
ヨンモード時前記リミツタ回路のクランプ電圧を低下さ
せて誘導電動機のトルクを制限することを特徴とする誘
導電動機の運転制御装置を提供する。次に本発明の実施
例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る運転制御装置の構成を示すプロツ
ク図である。

第１図において、１は工作機械の主軸を駆動する三相誘
導電動機、２は誘導電動機１を運転制御するパルス幅変
調型トランジスタインバータである。３は誘導電動機１
の回転軸に直結した速度計発電機、４は減算回路、５は
誤差増幅器であり、これら減算回路４と誤差増幅器５で
比較増幅回路を構成している。

６は入力信号の極性に応じた信号を出力する極性判別回
路、７はすべり周波数指令信号発生回路、８は加算回路
、９は絶対値回路である。

１０は電圧値で示される入力信号に応じた周波数信号を
出力する電圧一周波数変換回路（以下Ｖ−Ｆコンバータ
と略記する），１１はＶ−Ｆコンバータ１０から送出さ
れた周波数列を三相に分配するリングカウンタ、１２は
絶対値回路、１３は所定値までの入力信号は通過させ所
定値を越える入力信号はクランプするリミツタ回路、１
４は２入力を乗算した値を出力する乗算回路であり、１
５はリングカウンタ１１から出力された三相周波数成分
の波高値を後述の誤差増幅器２０から出力される信号で
変調し、その波高値をリングカウンタ１１から出力され
た三相周波数に比例して変化せしめる合成回路、１６は
合成回路１５からの出力信号の大きさに応じてパルス幅
が変調されたパルス信号を出力するパルス幅変調回路で
ある。

なお、上述のようなＶ一Ｆコンバータ１０、リングカウ
ンタ１１、合成回路１５、パルス幅変調回路１６からな
る１駆動制御方式は周知のものであり、さらにこの方式
においては誘導電動機の回転方向制御回路を示していな
いが、普通誤差増幅器５の出力信号を引き出して該信号
の極性を判別し、その極性の方向に従つてリングカウン
タ１１の相回転方向を制御するが、これも周知のもので
あり、詳細な説明は省略する。１７は誘導電動機１の印
加電圧を全波整流する整流回路であり、その出力はロー
パスフイルタ１８を介して減算回路１９に加えられる。

なお、これら整流回路１ｒとローパスフイルタ１８は、
誘導電動機１に印加する電圧を補正して常に該電圧を５
駆動周波数に比例せしめるためのものであるが、印加電
圧が変動するようなことがない場合には、該マイナール
ープを省略しても差支えなく、省略する場合には乗算回
路１４の出力を直接、合成回路１５の一方の入力端に結
合すれば良い。２０は誤差増幅器、２１はダイオードス
イツチからなる切替器、２２はリミツタ回路１３のクラ
ンプ電圧を設定するクランプ値設定回路である。

ところで、一般の誘導電動機のトルク一速度特性は、第
２図に示すように、印加電圧の大小に応じてそのカーブ
が上下に移動する。従つて、誘導電動機を定速匍脚する
ためには、負荷が増加したならば、印加電圧を高くして
トルク曲線を上方に持ち上げ、逆に負荷が減少したらト
ルク曲線を下方に下げる必要がある。一方オリエンテー
シヨンモードに切り替えられて、通常運転時のトルクよ
り小さいトルクで運転させる場合には、すべり周波数を
一定にとつたとすれば、印加電圧を低下させれば良いこ
とは第２図からあきらかである。そこで、本発明は誘導
電動機のトルク制御を併用して安定な運転を確保し、特
に工具を主軸に取り付ける際のオリエンテーシヨンモー
ド時に適切なトルクで低速運転を行なうものである。こ
のことは、次に述べる本発明の動作説明によつて明らか
になるであろう。

次に本発明の装置の動作態様を第１図に従つて説明する
。

三相誘導電動機１は三相パルス幅変調型トランジスタイ
ンバータ２によりその出力パルスの幅が制御信号に応じ
て変化され、等価的に電圧制御されて運転される。

工作機械の主軸が通常運転すなわち切削動作などを行な
つている時には、速度指令信号ＶＮは作業速度に見合つ
た適正な目標値が与えらへ速度計発電機３から出力され
る実速度信号Ｖｎと減算回路４及び誤差増幅器５で比較
増幅される。増幅された誤差信号Ｖｓは極性判別回路６
でその極性が正、負のいずれであるかにより誘導電動機
が正転または逆転運転状態にあるかを判別し、次段のす
べり周波数指令信号発生回路７に正転時には正の所定の
すべり周波数指令信号を発生するように、また逆転時に
は負の所定のすべり周波数を発生するように指令信号を
与える。すべり周波数指令信号発生回路ｒの出力信号で
ある一定のすべり周波数指令信号ＶｓＯは次段の加算回
路８において誘導電動機１の実速度信号Ｖｎと加算され
、インバータ回路２の動作周波数を規制する周波数指令
信号ＶＦとなる。該周波数指令信号ＶＦは絶対値回路９
を介して次段のＶ−Ｆコンバータ１０に与えられ、ここ
でインバータ回路２のノブ 動作周波数Ｆに変換され、該動作周波数Ｆは三相のリン
グカウンタ１１により三相のパルス周波数信号に分配さ
れる。

一方、通常運転時には、切替器２１はオフの状態にあり
、したがつて、リミツタ回路１３のクランプ値は第３図
に示すようにＶＳＨの高いレベルに設定されている。こ
こで、誤差増幅器５からの誤差信号Ｖｓは絶対値回路１
２を介して次段のリミツタ回路１３に入力され、該リミ
ツタ回路１３は誤差信号ＶＳの値が小のとき、即ち誘導
電動機１の負荷トルクが小さくて指令速度（同期速度）
に近い速度で運転されている時にはリニア特性の出力を
送出し、逆に誤差信号ＶＳが大のとき、すなわち誘導電
動機１の負荷トルクが大であり、実速度と指令速度との
間に大きな差を生じている時は、誤差信号ＶＳの値も大
となり、誤差信号ＶＳの一定値ＶＳＨ以上でクランプさ
れた出力を送出するようにしたものである。そして、リ
ミツタ回路１３から出力された信号は次段の乗算回路１
４で絶対値回路９からのインバータ回路２の動作周波数
を規制する信号ＶＦと乗算されその出力にＶＥ＝ＶＳＸ
ＶＦを得る。したがつて、該出力信号ＶＥはインバータ
回路２の出力電圧を規制する電圧指令信号となる。この
実施例では、電圧指令信号ＶＥ（ＶＳ＞＜ＶＦ）は更に
誘導電動機１の３相電圧を整流回路１７で全波整流され
、ローパスフイルタ１８にて平滑にされた信号と減算回
路１９及び誤差増幅器２０で比較増幅されて補正を受け
るが、このマイナーループは前述の如く必ずしも必要な
ものではない。したがつて、乗算回路１４からの電圧指
令信号ＶＥは合成回路１５に加えられ、この信号により
リングカウンタ１１からの信号を振幅変調し、該電圧指
令信号Ｅにより波高値を制御された三相の信号が合成回
路１５から出力され、次段のパルス幅変調回路１６に印
加される。このパルス幅変調回路１６は動作周波数Ｆに
対応した繰返し周波数のパルスでかつそのパルス幅が電
圧指令信号ＶＥの大きさに応じたパルス幅を有する６個
のパルスを端子Ｐ１〜Ｐ６から順次発生し、夫々端子Ｐ
１〜Ｐ６から発せられたパルスは、三相パルス幅変調型
トランジスタインバータ回路２を構成するトランジスタ
Ｑ１〜Ｑ６のベースに印加され、各トランジスタは夫々
、通電順序及び通電時間が決定される。したがつて、該
インバータ回路２の出力周波数は動作周波数Ｆに対応し
、また出力電圧は電圧指令信号ＶＥの大きさに応じたも
のとなり、かかる周波数及び電圧でもつて三相誘導電動
機１は運転されていんそしη咳誘導電動機１ノの負荷が
大となり速度が低下すると、それに応じて誤差信号Ｖｓ
の値も大となり、また動作周波数指令信号ＶＦは小とな
るので電圧指令信号ＶＥは大となつてインバータ回路２
の出力電圧を大として誘導電動機１の出力トルクを大き
くして速度指令に対応した速度に引き戻す。負荷が小と
なつた場合も逆の動作を同様に行ない誘導電動機は定速
運転制御される。しかしここで注目しなければならない
ことは、どのような運転状況であつても誘導電動機１の
すべり周波数は常に一定に保たれていることである。し
たがつて、誘導電動機は安定した円滑な運転が保持され
ることになる。ちなみに、動作周波数指令信号ＶＦと速
度指令信号ＶＮの関係を示すと第４図のようになり、動
作電圧指令信号ＶＥと速度誤差信号Ｖｓとの関係は第５
図に示す通りである。第４図において、Ｂは誘導電動機
１の実速度に対応した周波数であり、Ａはこの周波数Ｂ
に一定のすべり周波数Ｆｓを加算した周波数である。そ
して、本発明では、動作周波数指令としてＢの周波数を
用いる。第５図においてＣは速度指令が大のときの動作
電圧指令信号であり、Ｄは速度指令が小のときの動作電
圧指令信号を示す。上述の如く、通常運転をしている工
作機械の主軸．駆動用誘導電動機を工具交換のためオリ
エンテーシヨンモードに切替えるには、いつたん誘導電
動機を停止させ、改めてオリエンテーシヨンモードにし
、速度指令信号ＶＮを小さく設定するとともに、切替器
２１をオンにしてクランプ値設定回路２２にて設定した
クランプ値ＶＳＬをリミツタ回路１３に与える。

誘導電動機１は、速度指令信号に従つてゆつくりと低速
で回転し、速度誤差信号Ｖ８も小となり、リミツタ回路
１３もリニア特性の部分で動作し、動作電圧指令信号は
比較的小さい値で追従制御されている。オリエンテーシ
ヨンモードへの切替えと同時に主軸からピンが突出し、
ピンが係止部に係合して工具と主軸の切欠部が合致する
位置で主軸の回転は停止される。このとき、主軸駆動用
誘導電動機１の回転速度Ｖｎはは零となるため、動作周
波数指令信号ＶＦはすべり周波数指令信号ＶｓＯそのも
のとなる。一方、速度指令信号ＶＮと実速度信号ｎの差
は最大となり誤差信号Ｖｓは大となる。しかしながら、
リミツタ回路１３のクランプ値は、第３図に示すように
、低い値のＶＳＬに設定されているので、誤差信号Ｖｓ
はＶＳＬに抑えられる。従つてインバータ回路２の動作
周波数指令信号ＶＦはすべり周波数信号ＶｓＯとなり、
動作電圧指令信号ＶＥはＶＥ＝ＶＳＬ／ＶＳＯの値をと
ることになる。このときのリミツタ回路１３のクランプ
値は、主軸が停止ピンによりロツクされるときに衝撃力
により損傷されないような値に選定すべきであり、通常
運転時の５０％トルクでクランプするかまたは３０％ト
ルクでクランプするかは当業者の任意事項にすぎず、こ
の値はクランプ値設定回路２２により自由に設定できる
ものである。このようにして定位置で停止した主軸に工
具を確実に、しかも円滑な運転と適度の回転速度をもつ
て取り付け作業を行なうことができるものである。以上
詳細に説明したように、本発明はメンテナンスが容易で
かつ据え付け場所及び価格的に有利な三相誘導電動機を
用いて、すべり周波数一定制制と印加電圧の可変電圧制
御を併用して低速運転時の適度のトルクと円滑な安全運
転を可能とするものであり、工作機械の主軸に工具を取
り付けるためのオリエンテーシヨンモードに最適な誘導
電動機の運転制御装置を得ることができ、経済的、技術
的効果が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の運転制御装置の一実施例を示すプロ
ツタ図、第２図は、誘導電動機のトルク−速度特性曲線
図、第３図は、リミツタ回路のクランプ値の変化を示す
特性図、第４図は、動作周波数指令信号一速度指令信号
の関係を示す曲線図、第５図は、動作電圧指令信号一速
度誤差信号との関係を示す特性図である。 図中、１は三相誘導電動機、２は三相パルス幅変調型ト
ランジスタインバータ回路、３は速度計発電機、４は減
算回路、５は誤差増幅器、６は極性判別回路、７はすべ
り周波数指令信号発生回路、８は加算回路、９は絶対値
回路、１０はＶ−Ｆコンバータ、１１はリングカウンタ
、１２は絶対値回路、１３はリミツタ回路、１４は乗算
回路、１５は合成回路、１６はパルス幅変調回路、１７
は整流回路、１８はローパスフイルタ、１９は減算回路
、２０は誤差増幅器、 ２１は切替器、 はクランプ値設定回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パルス幅変調型インバータ回路により駆動される誘
   導電動機の速度制御系において、速度指令信号と誘導電
   動機の実速度信号を比較増幅する回路を設け、該比較増
   幅回路の出力信号が極性判別回路を介して与えられるす
   べり周波数指令信号発生回路と、該すべり周波数指令信
   号発生回路の出力信号と上記誘導電動機の実速度信号を
   加算する信号加算手段と、該信号加算手段の出力信号を
   電圧−周波数変換回路を介して与えられる信号分配回路
   と、上記比較増幅回路の信号が入力され、所定値までの
   入力信号は通過させ所定値を越える入力信号はクランプ
   するリミッタ回路と、該クランプ値を設定するクランプ
   値設定手段とを設け、上記リミッタ回路からの出力信号
   が与えられ上記信号加算手段の出力信号との積を出力す
   る乗算回路と、該乗算回路の出力信号と上記信号分配回
   路の出力信号を合成する合成回路と、該合成回路の矩形
   波出力に基づいてパルス幅変調を行うパルス幅変調回路
   を設け、該パルス幅変調回路の出力で上記インバータ回
   路を通電制御するとともに、トルクを制限する時前記リ
   ミッタ回路のクランプ電圧を低下させて誘導電動機のト
   ルクを制限することを特徴とする誘導電動機の運転制御
   装置。