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CN102315819A - 电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置 - Google Patents

电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置 Download PDF

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CN102315819A
CN102315819A CN2011101894883A CN201110189488A CN102315819A CN 102315819 A CN102315819 A CN 102315819A CN 2011101894883 A CN2011101894883 A CN 2011101894883A CN 201110189488 A CN201110189488 A CN 201110189488A CN 102315819 A CN102315819 A CN 102315819A
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Abstract

在电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置中，不使用大容量的电解电容器，而是通过半导体开关构成的桥接电路把通过全波整流电路整流后的电压波形作为交流电压施加给单相力矩电动机。此外，为了使在该力矩电动机中流过的电流值与指令值一致，生成调整了占空比的PWM信号，把该生成的PWM信号用于桥接电路的动作。

Description

电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置
技术领域
本发明涉及通过交流电源驱动力矩电动机的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置。
背景技术
力矩电动机是最适合在电火花线切割加工机中卷绕或送出线电极的电动机。在电火花线切割加工机中，一般使用在加工过程中或设定过程中线电极不会松弛的力矩电动机，对安装线电极线轴的轴，在线电极的送出方向或相反的方向上赋予适当的转矩。此外，如同在日本特开平7-60552号公报中记载的那样，作为电火花线切割加工机中的力矩电动机的用途，还已知不把已使用的线电极留在回收箱中，而是在线电极排出部设置有通过力矩电动机驱动的线电极回收线轴，一边控制力矩电动机使张力恒定一边能够有效地回收线电极的结构。
线电极的直径一般为0.02mm(最小线电极直径)～0.40mm(最大线电极直径)。在为粗的线电极时，因为线轴大而且重所以惯性大，需要大的转矩。另一方面，在为细的线电极时，线轴小而且轻，所以惯性小，当通过大的转矩拉拽线电极时线电极被切断，所以需要小的转矩。如此，需要根据使用的线电极的直径，把力矩电动机的输出力矩变更为恰当的力矩。
力矩电动机是感应电动机的一种，具有以下的特征：在以向输出轴上产生的转矩相反的方向拉拽的方式进行旋转时，与转速无关，电动机中流过的有效电流值与输出轴上产生的转矩大体处于比例关系。因此，为了得到希望的转矩，需要变更对电动机施加的交流电压值，以便成为与转矩对应的电流值。为了产生从所述最大线电极直径到最小线电极直径所需要的转矩，需要能够将有效电压值变更到电动机额定电压的大约5～100％。
作为变更力矩电动机的交流电压值的电路，以前采用使用了电阻分压方式的驱动电路，近年来采用使用了triac(双向可控硅)方式的驱动电路。
图6是电阻分压方式的力矩电动机驱动电路的概要图。电阻分压方式通过电阻51、52、53、54、55以及单相力矩电动机20对交流电源10的电源电压V1进行分压，并通过继电器61、62、63、64、65进行切换，把不需要的电压施加给电阻。电阻分压方式需要按照对单相力矩电动机20设定的电压，来准备电阻和继电器。因为通过电阻消耗电力，所以需要多个尺寸大的功率电阻，装置变大。此外，具有成本高，功率损失大，当交流电源10的电源电压V1变动时，单相力矩电动机20的输出转矩变动等缺点。
图7是双向可控硅方式的力矩电动机驱动电路的概要图。双向可控硅方式通过变更双向可控硅68的点弧角，来改变对单相力矩电动机20施加的有效电压值来得到希望的转矩。该双向可控硅方式具有以下的优点：功率损失少，能够通过对未图示的点弧角控制电路反馈检测到的电流值，来进行控制，即使在电源电压不同的区域也能够使对力矩电动机施加的电流值与指令值一致。但是，该方式仅能通过交流电源10的商用频率进行控制，特别是在需要小的转矩时点弧角变小，如图9所示，与对单相力矩电动机20施加的电压的接通时间相比，关断时间的比例变得非常大。结果，如图9(b)所示，在单相力矩电动机20中流过的电流的变动增大，一周旋转中的转矩变动增多。
因此，为了抑制双向可控硅方式的转矩变动，考虑为了变更电动机的转速而使用逆变器。逆变器一般用于交流电动机的转速控制，通过变换器把交流电源临时变换为直流，然后通过半导体开关构成的桥接电路把施加给电动机的电压再次变换为交流。决定数Hz～数百Hz的旋转频率，和数十kHz的开关频率，通过在开关频率内使接通/断开半导体开关的占空比变化，能够进行变更电动机的有效电压值的所谓PWM控制。
图8是基于逆变器方式的力矩电动机驱动电路的概要图。在基于逆变器的力矩电动机驱动电路中，通过由第一二极管11、第二二极管12、第三二极管13、第四二极管14构成的二极管桥的变换器对交流电源10的交流电压进行全波整流，并且通过电感线圈70以及大容量的电解电容器72进行平滑变换为直流电压。然后，通过由第一FET15、第二FET16、第三FET17、第四FET18构成的逆变器把直流电压再次变换为交流电压，施加给力矩电动机20。
通过PWM信号生成电路76使PWM信号的接通/断开的占空比变化，以使通过省略了图示的单元检测在电动机中流过的电流而得到的检测电流值与电流指令值一致，由此如图10所示，即使在电源变动时或者在电源电压完全不同的地域(例如200V、220V等)，电流值也能够成为指令值那样，得到希望的转矩。此外，与双向可控硅方式相比，因为能够使断开时间非常短，所以在单相力矩电动机20的绕线中流过的电流变得连续，转矩的变动减少。
但是，由于对单相力矩电动机20施加的电压是通过变换器变换后的直流电压，所以当固定PWM信号的开关频率和占空比时，电压的极性反转时的电压变动急剧，产生转矩变动。因此，PWM旋转频率信号合成电路78为了不产生转矩变动，具备占空比调整电路79，其根据旋转频率的相位调整开关的占空比，以便如图10所示那样电流波形成为正弦波。即是如下复杂的电路：缓缓地增大占空比，在旋转频率的相位为0度时成为最小，在相位为90度时成为最大，然后减小占空比在相位为180度时又成为最小。另一方面，通过在半导体开关中使用高速且接通电阻小的FET等，能够将电力损失抑制得较小。
如上所述，作为现有方式的电阻分压方式和双向可控硅方式具有转矩变动大的问题，考虑使用转矩变动小的逆变器，但是在该方式中也存在缺点。即，因为把交流变换为直流的变换部积蓄为了把全波整流后的直流电压提供给电动机所需要的电能，所以一般使用大容量的电解电容器72(参照图8)。
电解电容器72随时间变化电容量降低大，当电容量降低时，充放电导致的放热变大，有可能产生破裂或漏液，所以不得不尽可能使电容量具有余量。但是，大容量的电解电容器的尺寸大，成本高。因此，必须选择为了长期可靠性而大电容量化或者使尺寸和成本优先而减小电容量的余裕程度中的某一方。
此外，在为单相力矩电动机20时，一般电动机的电源频率为50Hz和60Hz这两个额定频率，可以将旋转频率固定为50Hz或60Hz，但是为了得到正弦波状的电流波形以便不产生转矩变动，需要像上述那样根据旋转频率的相位调整开关的占空比的电路，存在电路变得复杂成本变高的问题。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述现有技术的问题而提出的，本发明的目的在于提供一种能够稳定地输出低转矩，兼具长期可靠性，并且能够以低成本来制造，通过交流电源来驱动力矩电动机的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置。
本发明的一种通过交流电源驱动力矩电动机的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置，其特征在于，具备：全波整流电路，其与所述交流电源连接；桥接电路，其连接在所述全波整流电路的整流输出与所述力矩电动机之间；极性判别信号生成电路，其检测所述交流电源的电源电压的极性成为正极性的期间中的、该电源电压的绝对值超过了第一基准电压的期间，将其检测结果作为第一极性判别信号输出，此外，检测该电源电压的极性成为负的极性的期间中的、该电源电压的绝对值超过了第二基准电压的期间，将其检测结果作为第二极性判别信号输出；PWM信号生成电路，其生成根据与所述力矩电动机的力矩值对应的物理量调整了占空比的PWM信号；以及逻辑乘电路，其分别进行从所述PWM信号生成电路输出的PWM信号与从所述极性判别信号生成电路输出的所述第一以及第二极性判别信号的逻辑乘；所述桥接电路包括正极性开关组以及负极性开关组，该正极性开关组包括对所述力矩电动机施加正极性的电压的两个或两个以上的半导体开关，该负极性开关组包括对所述力矩电动机施加负极性的电压的两个或两个以上的半导体开关，所述电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置使构成所述正极性开关组的半导体开关中的至少一个根据所述第一极性判别信号或第二极性判别信号与所述PWM信号的逻辑乘的信号进行动作，另一方面使剩余的半导体开关根据所述第一极性判别信号或第二极性判别信号进行动作，此外，所述电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置使构成所述负极性开关组的半导体开关中的至少一个根据所述第二极性判别信号或第一极性判别信号与所述PWM信号的逻辑乘的信号进行动作，另一方面使剩余的半导体开关根据所述第二极性判别信号或第一极性判别信号进行动作。
与所述力矩电动机的力矩值对应的物理量是(1)流入到该力矩电动机的电流的电流波形的有效值，或对该电流波形进行全波整流得到的平均值、(2)施加到所述力矩电动机的电压波形的有效值，或对该电压波形进行全波整流得到的平均值、(3)所述力矩电动机的输出轴的轴力矩、(4)线电极的张力中的任意一个，所述电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置使所述PWM信号的占空比变化，以使该物理量与输入到所述力矩电动机驱动电路的指令值一致。
可以针对线电极的每种线径具有向所述力矩电动机的的指令值的数据表，从该数据表中取出与设定的线电极的线径信息对应的数据，作为指令值输入给所述力矩电动机的驱动电路。
在设定的电源频率信息与向力矩电动机的指令值的数据表的频率不同时，使预先决定了初始值后能够变更的系数乘以指令值的数据表的值，将该结果作为指令值输入给力矩电动机的驱动电路。
可以对于第一频率和与该第一频率不同的第二频率分别具有向所述力矩电动机的每种线径的指令值的数据表，根据设定的电源频率信息，选择所述第一频率用的数据表或所述第二频率用的数据表。
根据本发明，可以提供一种能够稳定地输出低转矩，兼具长期可靠性，并且能够以低成本制造的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置。
附图说明
图1表示进行控制以使检测在单相力矩电动机中流过的电流而得到的检测电流值与电流指令值一致的、本发明的单相力矩电动机驱动电路的一个实施方式。
图2表示从图1的交流电源供给的交流电压的电压波形的一例。
图3表示对图1的单相力矩电动机施加的电压的波形(a)和在该单相力矩电动机中流过的电流的波形(b)的各自的例子。
图4是从图1的交流电源供给的交流电压的电压波形(a)、通过图1的二极管桥接电路对该交流电压进行全波整流后的整流波形(b)、在检测出该交流电压的极性为正极性的期间输出的第一极性判别信号(c)、在检测出该交流电压的极性为负极性的期间输出的第二极性判别信号(d)、图1的PWM信号生成电路生成的PWM信号(e)、第一极性判别信号c和PWM信号e的逻辑乘的结果的信号(f)以及第二极性判别信号d与PWM信号e的逻辑乘的结果的信号(g)各自的例子。
图5说明图1的交流电源的电源电压在第一基准电压和第二基准电压之间的期间，第一极性判别信号c和第二极性判别信号d都成为LOW的状态，设置死时间。
图6是基于现有技术的电阻分压方式的力矩电动机驱动电路的概要图。
图7是基于现有技术的双向可控硅方式的力矩电动机驱动电路的概要图。
图8是是基于现有技术的逆变器方式的力矩电动机驱动电路的概要图。
图9是基于双向可控硅方式的力矩电动机的电压波形(a)以及电流波形(b)各自的例子。
图10是基于逆变器方式的力矩电动机的电压波形(a)以及电流波形(b)各自的例子。
具体实施方式
在本发明的力矩电动机驱动电路中，不适用大容量电解电容器，而是通过半导体开关构成的桥接电路把通过全波整流电路整流后的电压波形作为交流电压施加给力矩电动机。由此，不必使用在逆变器中使用的根据旋转频率的相位来调整开关的占空比的复杂的电路，可以容易地将近似于电源电压波形的正弦波状的电压波形施加给单相力矩电动机。此外，为了使在单相力矩电动机中流过的电流值与指令值一致生成调整了占空比的PWM信号，把该生成的PWM信号用于桥接电路的动作，由此即使在电源电压不同的地域中也可以调整对单相力矩电动机施加的电压值，能够与逆变器相同得到希望的转矩。
以下参照附图来说明本发明的实施方式。对于与现有技术相同或者相似的结构使用相同的符号。
图1表示本发明的单相力矩电动机驱动电路的一个实施方式，进行控制以使检测在单相力矩电动机20中流过的电流而得到的检测电流值与电流指令值一致。
图1的交流电源10是供给图2所示的电源电压波形的交流电压V1的电源。另外，图2的电源电压波形表示与后述的图4(a)的电源电压波形相同的电源电压波形。
主控制部42具备整体控制电火花线切割加工机的功能，具备运算处理单元(CPU)、输出输入单元、存储单元、显示单元等与目前公知的控制电火花线切割加工机的控制装置相同的结构(未图示)。第一二极管11、第二二极管12、第三二极管13以及第四二极管14构成了二极管桥接电路。从交流电源10供给的交流电压的电源电压V1通过所述二极管桥接电路进行全波整流。全波整流后的整流波形成为图4(b)所示那样。
把具有全波整流后的整流波形(图4(b))的电压经由第一FET15、第二FET16、第三FET17以及第四FET18构成的半导体的桥接电路，施加给单相力矩电动机20。
第一FET15以及第四FET18构成对单相力矩电动机20施加正极性的电压的正极性开关组。第二FET16以及第三FET17构成对力矩电动机20施加负极性的电压的负极性开关组。FET表示场效应晶体管的晶体管。
与单相力矩电动机20串联地插入电阻22，通过全波整流电路30对要施加给该电阻22的电压进行全波整流，并通过平滑电路使其平滑，检测平滑后得到的直流电压(检测电压值)。在电阻22中流过的电流的波形如图3(b)那样，电阻22的两端的电压波形也和图3(b)的波形相同。
因为电阻22的电阻值已知，为了根据检测电压值能够检测在单相力矩电动机20中流过的电流值(检测电流值)而设置放大电路34的电路常数。把该检测电流值作为单相力矩电动机20的平均电流值输入到PWM信号生成电路38。PWM信号生成电路38为了使检测电流值与电流指令值一致，生成使接通/断开的占空比变化的PWM信号e(参照图4(e))。
极性判别信号生成电路36将交流电源10的电源电压V1(参照图4(a))和第一基准电压进行比较，检测出正极性的期间生成第一极性判别信号c(参照图4(c))，同样，把所述电源电压V1和第二基准电压进行比较，检测到负极性的期间生成第二极性判别信号d(参照图4(d))。极性判别信号生成电路36例如能够使用未图示的比较器IC来进行各个的比较。另外，还可以使第一极性判别信号表示负极性期间，使第二极性判别信号表示正极性期间。
在交流电源10的电源电压V1在所述第一基准电压和第二基准电压这两个基准电压之间的期间，第一极性判别信号c和第二极性判别信号d都成为LOW状态，所以可以设定死时间(参照图5)。由此，能防止正极性开关组和负极性开关组双方同时动作而使整流电压短路的情形。
把从极性判别信号生成电路36输出的第一极性判别信号c输入到构成所述正极性开关组的第一FET15和逻辑乘电路40。同样，将从极性判别信号生成电路36输出的第二极性判别信号d输入给构成所述负极性开关组的第三FET17和逻辑乘电路40。逻辑乘电路40得到第一极性判别信号c和PWM信号e的逻辑乘以及第二极性判别信号d与PWM信号e的逻辑积。
根据逻辑乘电路40的第一极性判别信号c与PWM信号e的逻辑乘(参照图4(f))的结果，使正极性开关组的第四FET18动作。使正极性开关组的第一FET15通过第一极性判别信号c动作。根据逻辑乘电路40的第二极性判别信号d与PWM信号e的逻辑乘(参照图4(g))的结果，使负极性开关组的第二FET16动作。另外，使负极性开关组的第三FET17通过第二极性判别信号d动作。由此，对单相力矩电动机20施加图3(a)所示的电压，流过图3(b)所示的电流。通过检测在电阻22的两端施加的电压，能够求出在单相力矩电动机20中流过的电流。
另外，还可以调换所述第四FET18和第一FET15、第三FET17和第二FET16。此外，可以通过第一极性判别信号c与PWM信号e的逻辑乘，不使正极性开关组而是使负极性开关组的第三FET17动作，使第二FET16通过第一极性判别信号c动作，通过第二极性判别信号d与PWM信号e的逻辑乘，不使负极性开关组而是使正极性开关组的第四FET18动作，使第一FET15通过第二极性判别信号d动作。或者，可以仅通过各极性判别信号与PWM的逻辑乘使各极性开关组内的全部FET动作。此外，根据所使用的FET的额定电流小等理由，在第一FET15～第四FET 18各个由并联连接的多个FET构成时，可以通过相同信号使并联连接的全部的FET动作。
根据上述本发明的实施方式可知，不适用在逆变器中使用的大容量的平滑电容器或根据旋转频率的相位调整开关的占空比的电路，可以容易地向力矩电动机施加正弦波状的进行开关后的电压，能够实现如下的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动电路：即使是低转矩也可以稳定地输出，兼具长期可靠性，并且能够以低成本制造。
此外，通过设置检测单相力矩电动机20的电流值来调整PWM信号e的占空比的电路，即使在电源电压V1不同的区域，也能够得到与线电极的线径对应的希望的转矩。此外，与逆变器相同，通过在半导体开关中使用高速并且接通电阻小的FET等，可以把功率损失抑制得较小。
在上述的本发明的实施方式中，串联地将电阻22插入单相力矩电动机20中，测定该电阻22的两端之间的电压来求出向该单相力矩电动机20施加的电流波形的有效值或全波整流后的平均值，将其作为决定PWM信号e的占空比的物理量。
此外，具有测定力矩电动机驱动电路的输出电压的方法、测定固定了单相力矩电动机20的轴的轴转矩的方法、测定线电极的张力的方法。通过在单相力矩电动机20和固定轴之间插入转矩检测器，或者在单相力矩电动机20的输出轴上粘贴应变计，通过求出应变量来推定轴转矩。关于线电极的张力，除了在从线轴引出的线电极的行走路径上插入张力检测器之外，还具有根据牵引线电极的电动机的负载电流来推定线电极的张力的方法。
电火花线切割加工机的控制装置针对线电极的每种线径，具有向单相力矩电动机的指令值的数据表，从数据表取出与所设定的线电极的线径信息对应的数据，作为指令值输入到力矩电动机驱动电路。
向单相力矩电动机20的指令值的数据表是用于50Hz或60Hz，在设定的电源频率信息不同时，可以把在预先决定初始值后能够变更的系数与指令值的数据表的值相乘，把其结果作为指令值输入给力矩电动机驱动电路。
可以针对50Hz和60Hz分别具有向单相转矩电动机20的线电极的线径的指令值的数据表，根据设定的电源频率信息，选择某个数据表。
可以把上述数据表存储在主控制部42具备的未图示的存储单元中。

Claims (5)

1.一种通过交流电源驱动力矩电动机的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置，其特征在于，具备：
全波整流电路，其与所述交流电源连接；
桥接电路，其连接在所述全波整流电路的整流输出与所述力矩电动机之间；
极性判别信号生成电路，其检测所述交流电源的电源电压的极性成为正极性的期间中的、该电源电压的绝对值超过了第一基准电压的期间，将其检测结果作为第一极性判别信号输出，此外，检测该电源电压的极性成为负的极性的期间中的、该电源电压的绝对值超过了第二基准电压的期间，将其检测结果作为第二极性判别信号输出；
PWM信号生成电路，其生成根据与所述力矩电动机的力矩值对应的物理量调整了占空比的PWM信号；以及
逻辑乘电路，其分别进行从所述PWM信号生成电路输出的PWM信号与从所述极性判别信号生成电路输出的所述第一以及第二极性判别信号的逻辑乘；
所述桥接电路包括正极性开关组以及负极性开关组，该正极性开关组包括对所述力矩电动机施加正极性的电压的两个或两个以上的半导体开关，该负极性开关组包括对所述力矩电动机施加负极性的电压的两个或两个以上的半导体开关，
所述电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置使构成所述正极性开关组的半导体开关中的至少一个根据所述第一极性判别信号或第二极性判别信号与所述PWM信号的逻辑乘的信号进行动作，另一方面使剩余的半导体开关根据所述第一极性判别信号或第二极性判别信号进行动作，
此外，所述电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置使构成所述负极性开关组的半导体开关中的至少一个根据所述第二极性判别信号或第一极性判别信号与所述PWM信号的逻辑乘的信号进行动作，另一方面使剩余的半导体开关根据所述第二极性判别信号或第一极性判别信号进行动作。
2.根据权利要求1所述的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置，其特征在于，
与所述力矩电动机的力矩值对应的物理量是
(1)流入到该力矩电动机的电流的电流波形的有效值，或对该电流波形进行全波整流得到的平均值、
(2)施加到所述力矩电动机的电压波形的有效值，或对该电压波形进行全波整流得到的平均值、
(3)所述力矩电动机的输出轴的轴力矩、
(4)线电极的张力
中的任意一个，
所述电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置使所述PWM信号的占空比变化，以使该物理量与输入到所述力矩电动机驱动电路的指令值一致。
3.根据权利要求2所述的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置，其特征在于，
针对线电极的每种线径具有向所述力矩电动机的的指令值的数据表，从该数据表中取出与设定的线电极的线径信息对应的数据，作为指令值输入给所述力矩电动机的驱动电路。
4.根据权利要求3所述的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置，其特征在于，
在设定的电源频率信息与向力矩电动机的指令值的数据表的频率不同时，使预先决定了初始值后能够变更的系数乘以指令值的数据表的值，将该结果作为指令值输入给力矩电动机的驱动电路。
5.根据权利要求3所述的电火花线切割加工机用力矩电动机驱动装置，其特征在于，
对于第一频率和与该第一频率不同的第二频率分别具有向所述力矩电动机的每种线径的指令值的数据表，
根据设定的电源频率信息，选择所述第一频率用的数据表或所述第二频率用的数据表。
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