JP4024096B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電圧からパルス幅変調を行い、電動機等の負荷に電力を供給する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、特開昭６３−２９０１７０号公報（以下「従来技術」という。）記載の２相変調と３相変調とを切り替える電力変換装置のブロック図である。２相変調は、３相変調用に作成された各相への電圧指令値を、所定の計算処理によって変換し、２相変調用の電圧指令値として出力するものである。
【０００３】
図１６は、３相変調の相電圧指令値を２相変調用の相電圧指令値に変換する処理を示すフローチャートである。同図に示す変換処理では、電気角θが３０°≦θ＜１５０°のときには、Ｕ相の相電圧指令値を＋側の電圧飽和値に固定し、１５０°≦θ＜２７０°のときにはＶ相の相電圧指令値を＋側の電圧飽和値に固定し、０°≦θ＜３０°および２７０°≦θ＜３６０°のときには、Ｗ相の相電圧指令値を＋側の電圧飽和値に固定する。また、これらの電圧飽和値から、電圧飽和値に固定する相の元の電圧指令値を引いた値を、電圧補正値ΔＶとし、電圧飽和値に固定する相以外の夫々の相電圧指令値に前記電圧補正値ΔＶを加えることで、各相の２相変調後の電圧指令値としている。
【０００４】
図１７は、図１６の処理によって作成された電圧指令値の例であり、図１７（ａ）は２相変調前の３相変調用の電圧指令値を示す波形図であり、（ｂ）は２相変調後の電圧指令値を示す波形図である。なお、２相変調前の電圧指令値は振幅Ｅのｓｉｎ波で、電気角をθ［ｄｅｇ］とし、Ｕ相はＥｓｉｎ（θ）、Ｖ相はＥｓｉｎ（θ−１２０°）、Ｗ相はＥｓｉｎ（θ−２４０°）とする。
【０００５】
２相変調を行うことの主な効果は２つある。１つは、２相変調を行うことで、直流入力電圧に対する最大交流出力電圧の比（電圧利用率）が３相変調の場合より大きくなるという効果がある。例えば、ある相が３相変調の相電圧指令値によって電圧飽和値に達する場合でも、２相変調によって中性点をずらすことで飽和せずに出力することができる場合がある。もう１つの効果は、電圧飽和値に固定された相はスイッチングを行わないので、スイッチングロスによる発熱を抑えるという効果がある。
【０００６】
しかしながら、スイッチング回路の前段階には、一対のスイッチング素子の同時オンによる短絡破壊防止のため、スイッチング素子へのオン信号を遅らせる短絡防止回路が通常存在するが、この回路によって２相変調補正後の低電圧出力において出力電圧波形が歪むという問題があった。この問題を解決するため、従来技術では、図１５に示すように、３相変調の相電圧指令値を計算する手段と２相変調の相電圧指令値を計算する手段とにより、出力電圧の振幅値に基づいて３相変調と２相変調とを切り替える電力変換装置を開示している。これらの手段によると、出力電圧の振幅値が小さいときは３相変調を選択し、出力電圧の振幅値が大きい場合は２相変調を選択することで、出力電圧が小さい場合の２相変調による出力電圧波形歪みを防止し、出力電圧が大きい場合の電圧利用率の向上とスイッチング損失低減を図っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、出力電圧振幅値の大きい場合は２相変調を選択するが、出力電圧振幅が大きい場合でも、相電圧指令値が０をよぎる付近での波形が歪むことから、電流にリップルがのり、電流制御精度に影響を与える。工作機械の主軸モータにおいては、精度の必要な仕上げ加工時は高速で回転していることから周波数は高く、誘起電圧の影響を受けて高い電圧出力が必要となる。
【０００８】
従来技術では、出力電圧の振幅値や周波数が所定値以上の場合に２相変調を選択するので、電流にリップルがのることで回転ムラが生じ、加工精度が悪くなる。また、工作機械の送り軸サーボ制御においても、最近の高速高精度の要求から、高速回転時の高い出力電圧において高精度な電流制御が必要となる。また、その一方でドライブユニットの小型化の要求からスイッチングロスの低減が求められており、同じ出力電圧であっても、加工を行っていない場合の位置決め動作時には、制御精度はそれほど求められず、スイッチングロスの低減が求められる。このように、従来技術では、高精度な電流制御とスイッチングロスの低減の要求に最適化された２相変調および３相変調の選択がされているとは言えなかった。
【０００９】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、動作に適した２相変調／３相変調を選択することで、より効率的にスイッチングロスを抑えながら、高精度な電流制御が可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる電力変換装置は、電圧指令値と搬送波との比較出力から得られたパルス幅変調信号に基づき、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換装置において、３相変調用の電圧指令値を計算する３相変調電圧指令値計算手段と、２相変調用の電圧指令値を計算する２相変調電圧指令値計算手段と、電流制御の精度が重視される動作か、発熱を抑制することが重視される動作かを判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて前記３相変調用の電圧指令値または前記２相変調用の電圧指令値の何れかを選択して出力する２相／３相変調電圧指令値選択手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、２相／３相変調電圧指令値選択手段は、電流制御の精度が重視されるか、発熱を抑制することが重視されるかを判定する判定手段の判定結果に基づいて、２相変調用の電圧指令値を選択するか、３相変調用の電圧指令値を選択するかを選択指示することができる。
【００１２】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する動作識別処理手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、動作識別処理手段は、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００１４】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記動作識別処理手段は、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、動作識別処理手段は、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別することができる。
【００１６】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する電流値判定手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、電流値判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００１８】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記電流値判定手段は、前記電流指令値の絶対値を移動平均化することを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、電流値判定手段は、電流指令値の絶対値を移動平均化することができる。
【００２０】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する熱的負荷判定手段を備えることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、熱的負荷判定手段は、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００２２】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する電流値・熱的負荷複合判定手段を備えることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、電流値・熱的負荷複合判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００２４】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記電流値・熱的負荷複合判定手段は、前記電流指令値の絶対値を移動平均化することを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、電流値・熱的負荷複合判定手段は、電流指令値の絶対値を移動平均化することができる。
【００２６】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示する領域位置判定手段を備えることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、領域位置判定手段は、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電力変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である電力変換装置を示すブロック図である。この電力変換装置は、現在の動作が電流制御精度が重視される動作であるか発熱を抑えることが重視される動作であるかを判定し、２相変調を行うか否かを選択する手段を有している。
【００３０】
図１において、電力変換装置は、ドライブユニット１と上位コントローラ１１を備えている。また、ドライブユニット１は、電流検出器２、３相／２相変換手段３、電流制御器４、２相／３相変換手段５、搬送波６、コンパレータ７、短絡防止回路８、スイッチング回路９を備えている。電流検出器２は電流制御対象であるモータ２０に流れる電流をモニタし、Ｕ相／Ｖ相電流を３相／２相変換手段３に出力する。３相／２相変換手段３は、これらのＵ相／Ｖ相電流をｑ軸電流（トルク電流）およびｄ軸電流（励磁電流）に変換し、電流制御器４にフィードバックする。電流制御器４は、３相／２相変換手段３からフィードバックされたｑ軸／ｄ軸電流が、ｑ軸／ｄ軸電流指令に一致するように制御する。なお、この例では、同期電動機制御を考え、ｄ軸電流指令は０としている。電流制御器４からの制御信号は、２相／３相変換手段５（特許請求の範囲でいうところの３相変調電圧指令値計算手段）で３相変調用の電圧指令値に変換され、同時に２相変調電圧指令値計算手段１０で２相変調用の電圧指令値に変換される。上位コントローラ１１の動作識別処理手段１２は、加工プログラム１３を解読して、処理に応じて最適な電圧指令値（３相変調用または２相変調用）を選択する。選択された２相変調用または３相変調用の電圧指令値は、搬送波６を用いコンパレータ７でパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）に変換され、短絡防止回路８で各相を制御する一対のスイッチング素子が同時にオンにならないように修正される。スイッチング回路９は、これらの修正されたＰＷＭ信号で各相のスイッチング素子をスイッチンングし、モータ２０を制御する。
【００３１】
図１の２相変調電圧指令値計算手段１０が行う補正計算は、図１６のフローチャートに基づいて計算される。すなわち、電気角θに応じてある相の相電圧指令値を電圧飽和値とし、この電圧飽和値から、電圧飽和値に固定した相の元の電圧指令値を引いた値を電圧補正値ΔＶとし、電圧飽和値に固定した相以外の夫々の相の電圧指令値に電圧補正値ΔＶを足すことで、各相の２相変調補正後の電圧指令値としている。
【００３２】
動作識別処理手段１２は、各相の電圧指令値が電圧飽和値に達している場合には２相変調を選択するように制御し、電圧飽和による波形の歪みで電流制御が乱れることを防いでいるが、この制御とは別に、加工プログラム１３に記述されている内容を解読して、最適な電圧指令値を選択するように制御する。図２は、加工プログラム１３を解読したときの処理の一例を示すフローチャートである。図２のフローチャートにおいて、動作識別処理手段１２は、加工プログラム１３に記述してある命令から、切削動作か位置決め動作かを判別して、切削動作なら３相変調を選択し、位置決め動作なら２相変調を選択するように制御し、加工精度確保とスイッチングロス低減とのバランスを保っている。
【００３３】
工作機械を制御する数値制御装置においては、あらかじめ加工用のプログラムが用意され、所要の精度を必要とする切削制御とそうでない位置決め制御とがプログラムの記述により指定できる。図３は、加工プログラムの一例を示す図であり、図４は、図３の加工プログラムによる動作軌跡を示す図である。図３の加工プログラムにおいて、“Ｇ００”は位置決め動作命令であり、“Ｇ０１”、“Ｇ０２”は切削動作命令である。これを利用して、加工プログラムの命令から上位コントローラ内の動作識別処理手段１２にて、切削制御であれば精度が必要なので３相変調を選択し、位置決め制御であればスイッチングロス低減重視として２相変調を選択することができる。また、図５は、実施の形態１にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。一連の動作の中で、精度をあまり必要としない位置決め動作に２相変調が選択されている。
【００３４】
このように実施の形態１によれば、一連の動作の中で、切削加工のような精度が重視される動作か、位置決めのようなスイッチングロス低減が重視される動作かが、明白に分かる場合に、その情報を利用して選択的に２相変調を行うことで、精度重視と発熱低減の区別を確実にコントロールでき、使用動作に適した２相変調／３相変調選択を確実に行うことができる。
【００３５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２である電力変換装置を示すブロック図である。この電力変換装置は、２相／３相変換の２相側の電流値を参照して２相変調を行うか否かを選択するように動作する。この実施の形態２においては、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の電流値判定手段１４で実施する。この電流値判定手段１４は、ｑ軸電流指令の絶対値を、時間ｔｒの期間で平均し、その出力値が基準値Ｉａ以上であるときに２相変調を行うように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００３６】
同図において、ｑ軸電流の絶対値の平均値が、基準値Ｉａより小さいときは精度が重視される動作と判断し２相変調を選択せず、逆にＩａ以上であるときはスイッチングロスを抑えることが重視される動作と判断し２相変調を選択する。例えば、時間ｔｒは、５(msec)程度、基準値Ｉａは、スイッチング素子に流せる定格電流の５０％程度とすればよい。
【００３７】
例えば、工作機械のサーボモータを制御するような数値制御装置の電力変換装置の場合を考えると、電流が大きいときは、荒切削であったり、高速位置決めの加減速である場合が多く、その場合には、スイッチングによるロスを抑えることが要求される一方で精度はそれほど要求されない。また、電流が小さいときは仕上げ加工である場合が多く、スイッチングによるロスは元々小さいが、精度が要求される。このように、動作における電流値の大小によって、スイッチングによるロス低減が重視されるか、精度が重視されるかが判別でき、この電流値の大小を利用して、２相変調の選択を行うことが効果的である。
【００３８】
前述したように、２相変調の選択を電流で判断する場合には、上位コントローラが不要である。したがって、２相変調計算とともに判断機構もドライブユニット側で実装でき、上位コントローラや加工プログラムにも依存しない、２相／３相変調の切換制御を実現できる。また、精度がそれほど要求されない荒切削と精度が要求される仕上げ加工とを区別でき、発熱抑制の効率を上げることができる。
【００３９】
従来技術においては、電圧を基準に選択するものがあったが、モータが高速回転している場合は誘起電圧の影響を受けて、仕上げ加工のような小負荷の動作でも高い電圧を出力しているので、電圧の大小で判断してしまうと、仕上げ加工において間違って２相変調を選択してしまって精度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、より正確に判断するためには、電圧ではなく電流を参照して判断することが必要である。
【００４０】
ところで、相電流を参照して判断してしまうと、ｑ軸での出力が一定出力であっても、相電流はＳＩＮ波であるために、その瞬時値によって基準値を超えたと判断されたり基準値以下であると判断されたりする可能性があり、判断がばたつく可能性がある。動作がどのような動作であるかを判断するためには、トルク出力となるｑ軸電流を参照することが適している。切削のトルクは、仕上げ加工時はスイッチング素子に流せる定格電流の３０％程度、粗加工時は５０〜７０％程度であり、位置決め加減速時のトルクは２００％程度であるので、判断の境界基準値Ｉａは、スイッチング素子に流せる定格電流の５０％程度が好適である。
【００４１】
また、一つの纏まった動作として、位置決めの加減速は１００ｍｓｅｃ程度であったり、切削動作も５００ｍｓｅｃ程度以上の場合もあるので、ノイズを除去しつつ動作を判断するという意味でも、ｑ軸電流を５〜１０ｍｓｅｃ程度で移動平均化し、この移動平均値に基づき２相変調選択の判断を行ったほうが安定した判断となる。
【００４２】
図７は、実施の形態２にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。一連の動作の中で、電流の大きい荒切削において２相変調が選択されている。
【００４３】
このように実施の形態２によれば、一連の動作において、電流値を基準に２相変調を選択することで、精度がそれほど要求されない荒切削と精度が要求される仕上げ加工とを区別して２相変調を選択することによって、発熱抑制の効率を上げることができるとともに、上位コントローラを変更することなく、エンドユーザの加工プログラム記述に依存することもなく、ドライブユニット側の変更だけで２相変調選択の実装ができる。
【００４４】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３である電力変換装置を示すブロック図である。この電力変換装置は、電流値の２乗を一次遅れ系に通した出力値を基準に２相変調を行うか否かを選択するように動作する。この実施の形態３においては、実施の形態２と同様に、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の熱的負荷判定手段１５で実施する。この熱的負荷判定手段１５は、ｑ軸電流指令の２乗値を一次遅れ系を通して出力された値が基準値Ｉｓｑａより小さいときには２相変調を選択せず、Ｉｓｑａ以上であるときには２相変調を選択するように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００４５】
図９は、実施の形態３にかかるスイッチング回路の発熱および放熱をモデル化する説明図である。同図に示すように、スイッチングパワー素子における発熱は電流の２乗にほぼ比例し、発生した熱の放熱は一次遅れ系でほぼ近似できるので、熱的時定数を事前に測定して記憶し、熱モデルの一次遅れ系を実装し、電流の２乗を一次遅れ系熱モデルに通した値を計算することで、熱的な負荷を推定することができる。熱的負荷が大きく熱的に厳しいときは、スイッチングによる発熱を抑えたいので、計算した熱的負荷の推定値が基準値Ｉｓｑａ以上である場合には２相変調を行う。一方、熱的負荷が小さく熱的に厳しくないときは、２相変調を選択する必要はなく、２相変調による弊害を極力抑えたいので、熱的負荷の推定値が基準値Ｉｓｑａより小さい場合には２相変調を選択しない。熱的負荷はスイッチング素子に流せる定格電流の２乗までは耐えることができるので、定格電流の２乗の５０％以上のときは発熱を抑えたほうがよいと判断でき、５０％より小さいときは熱的にまだ余裕があると判断できる。よって、基準値Ｉｓｑａは、スイッチング素子に流せる定格電流の２乗の５０％程度とするのがよい。
【００４６】
図１０は、実施の形態３にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。位置決め動作の加減速が頻繁に行われる場合や、荒切削などによって大きな電流が連続して出力される場合には、熱的負荷の推定値が徐々に増えてゆく。このため、熱的負荷の推定値が基準値Ｉｓｑａ以上となると発熱低減のため２相変調を選択するようにする。一方、停止している場合や、軽切削の場合で出力電流が小さいとき、熱的負荷の推定値は徐々に小さくなって行き、熱的負荷推定値が基準値Ｉｓｑａより小さくなると、スイッチング素子の熱は厳しい状態でないと判断できるので、３相変調を選択するようにする。
【００４７】
このように、実施の形態３によれば、一連の動作の中で、熱的負荷の推定値を基準に２相変調を選択することで、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができ、発熱が厳しくない場合には２相変調を行わないことにより２相変調による弊害を極力抑えることができる。
【００４８】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４である電力変換装置を示すブロック図である。この実施の形態４では、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の電流値・熱的負荷複合判定手段１６で実施する。この電流値・熱的負荷複合判定手段１６は、電流の絶対値を時間ｔｒの期間で平均した出力値が基準値Ｉａ以上、かつ、ｑ軸電流指令の２乗を一次遅れ系に通した値が基準値Ｉｓｑａ以上であるときに、２相変調を選択するように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００４９】
電流の絶対値を時間ｔｒの期間で平均した出力値Ｉｒ１は、精度が必要な動作であるかの指標として利用できる。ｑ軸電流指令の２乗値を一次遅れ系を通して出力された値Ｉｒ２は、パワーデバイス等の熱的な負荷状態の指標として利用できる。時間ｔｒは現在の動作状況を判断するものなので比較的短く、一次遅れ系の時定数Ｔは放熱特性から決まる時定数なので比較的長くなる。このことから、動作の判断と熱的な判断を分けることで、より正確に２相変調を行うか否かを判断することができる。
【００５０】
図１２は、実施の形態４において、２相変調を選択する場合の条件を領域で示した図である。Ｉｒ１およびＩｒ２と夫々の基準値との大小関係をさらに分析すると、Ｉｒ２が基準値Ｉｓｑａより小さく（Ｉｒ２≦Ｉｓｑａ）、パワーデバイスの温度が低い（Ｉｒ１≦Ｉａ）場合には、スイッチングによる発熱低減の必要性は低いので、２相変調を選択しない。Ｉｒ２≧ＩｓｑａでＩｒ１≧Ｉａのときは、熱的に苦しく、制御精度はそれほど要求されないと判断できるので、２相変調を選択する。Ｉｒ２≧ＩｓｑａでＩｒ１＜Ｉａのときは、現在の電流が小さくて熱は下がって行く方向であり、制御精度が要求される動作と判断されるので、２相変調を選択しない。Ｉｒ２≦ＩｓｑａでＩｒ１≧Ｉａのときは、現在の電流は大きいが、熱的に余裕があるので、２相変調を選択しない。このような場合分けの結果、２相変調を選択する領域は図１２のようになる。
【００５１】
このように、実施の形態４によれば、一連の動作において、動作の判断と熱的な判断を併用することにより、より正確に２相変調が必要であるかが判断でき、より効率的にスイッチングロスによる発熱を抑え、精度が必要な動作においては高精度な電流制御を実施することができる。
【００５２】
実施の形態５．
図１３は、この発明の実施の形態５である電力変換装置を示すブロック図である。この実施の形態５においては、実施の形態２〜４と同様に、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の領域位置判定手段１７で実施する。領域位置判定手段１７は、位置検出器６０から位置情報を受領し、加工対象が指定位置範囲内にある場合には２相変調を選択せず、指定位置範囲外では２相変調を選択するように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００５３】
例えば、工作機械においては通常、加工が行われる領域位置は決まっており、加工はその領域の中で行われる。加工以外の動作では、ワークを運んだりツールを交換するために、加工が行われる領域位置から出て位置決めを行うことが多い。
【００５４】
図１４はそのようなワーク搬入、加工、ワーク搬出を行う様子を示したものであるが、図１４（ａ）はワークが搬入される位置を示した図であり、（ｂ）はワークが加工される位置を示した図であり、（ｃ）は加工されたワークが搬出される位置を示した図である。まず、図１４（ａ）のように、この例では右側から加工前のワークがロボットによって搬入されてテーブルにセットされる。テーブルへのワークの固定が完了すると、加工領域内にテーブルが移動する。つぎに、同図（ｂ）のように加工領域内にてワークが加工される。そして、同図（ｃ）のようにこの例では左側にテーブルが移動し、左側のロボットにより加工後のワークが取り出される。このようなワーク搬入・搬出を伴う加工機の場合、安全のため、ワーク搬入搬出領域と加工領域とは位置的に分離していることが多い。この場合、加工領域以外の搬入・搬出の位置決め領域では特に精度は要求されないので、２相変調を選択してスイッチングによる発熱を抑えておくのが有利である。このことから、加工が行われる領域位置をあらかじめ記憶しておき、その領域位置の外では２相変調を行うことで位置決め動作でのスイッチングロスによる発熱を抑えることができる。また、加工領域内においては、実施の形態４などの手段によって２相変調選択を選択すればよい。
【００５５】
このように、実施の形態５によれば、精度が必要な動作か否かを領域位置によって判断することができ、位置情報を利用することで、簡便かつ確実に２相変調を選択することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、電流制御の精度が重視されるか、発熱を抑制することが重視されるかによって、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示するようにしているので、一連の動作の中で、切削加工のような精度が重視される動作か、位置決めのようなスイッチングロス低減が重視される動作かが、明白に分かる場合に、その情報を利用して選択的に２相変調を行うことで、精度重視と発熱低減の区別を確実にコントロールでき、使用動作に適した２相変調／３相変調選択を確実に行うことができるという効果を奏する。
【００５７】
つぎの発明によれば、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができるという効果を奏する。
【００５８】
つぎの発明によれば、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別するようにしているので、加工制御の指示が異なる場合でも、発熱を抑える動作を任意に識別することができ、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができるという効果を奏する。
【００５９】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、精度がそれほど要求されない粗加工と精度が要求される仕上げ加工とを区別して２相変調を選択することで発熱抑制の効率を上げることができるとともに、上位コントローラを変更することなく、エンドユーザの加工プログラム記述に依存することもなく、ドライブユニット側の変更だけで２相変調選択の実装ができるという効果を奏する。
【００６０】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値を移動平均化するようにしているので、ノイズに左右されない安定した判定により、的確な２相変調を選択することができるという効果を奏する。
【００６１】
つぎの発明によれば、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができ、発熱が厳しくない場合には２相変調を行わないことにより２相変調による弊害を極力抑えることができる。
【００６２】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、動作の判断と熱的な判断とを同時に判断することにより、２相変調の必要性を正確に判断することができ、より効率的にスイッチングロスによる発熱を抑えることができるという効果を奏する。
【００６３】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値を移動平均化するようにしているので、ノイズに左右されない安定した判定により、的確な２相変調を選択することができるという効果を奏する。
【００６４】
つぎの発明によれば、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示するようにしているので、より簡便かつ正確に２相変調を選択することができ、スイッチングによる発熱を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である電力変換装置を示すブロック図である。
【図２】 加工プログラムを解読したときの処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】 加工プログラムの一例を示す図である。
【図４】 図３の加工プログラムによる動作軌跡を示す図である。
【図５】 実施の形態１にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態２である電力変換装置を示すブロック図である。
【図７】 実施の形態２にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態３である電力変換装置を示すブロック図である。
【図９】 実施の形態３にかかるスイッチング回路の発熱および放熱をモデル化する説明図である。
【図１０】 実施の形態３にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。
【図１１】 この発明の実施の形態４である電力変換装置を示すブロック図である。
【図１２】 実施の形態４において、２相変調を選択する場合の条件を領域で示した図である。
【図１３】 この発明の実施の形態５である電力変換装置を示すブロック図である。
【図１４】 （ａ）はワークが搬入される位置を示した図であり、（ｂ）はワークが加工される位置を示した図であり、（ｃ）は加工されたワークが搬出される位置を示した図である。
【図１５】 特開昭６３−２９０１７０号公報記載の２相変調と３相変調とを切り替える電力変換装置のブロック図である。
【図１６】 ３相変調の相電圧指令値を２相変調用の相電圧指令値に変換する処理を示すフローチャートである。
【図１７】 （ａ）は２相変調前の３相変調用の電圧指令値を示す波形図であり、（ｂ）は２相変調後の電圧指令値を示す波形図である。
【符号の説明】
１ ドライブユニット、２ 電流検出器、３ ３相／２相変換手段、４ 電流制御器、５ ２相／３相変換手段、６ 搬送波、７ コンパレータ、８ 短絡防止回路、９ スイッチング回路、１０ ２相変調電圧指令値計算手段、１１ 上位コントローラ、１２ 動作識別処理手段、１３ 加工プログラム、１４ 電流値判定手段、１５ 熱的負荷判定手段、１６ 電流値・熱的負荷複合判定手段、１７ 領域位置判定手段、２０ モータ、６０ 位置検出器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電圧からパルス幅変調を行い、電動機等の負荷に電力を供給する電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、特開昭６３−２９０１７０号公報（以下「従来技術」という。）記載の２相変調と３相変調とを切り替える電力変換装置のブロック図である。２相変調は、３相変調用に作成された各相への電圧指令値を、所定の計算処理によって変換し、２相変調用の電圧指令値として出力するものである。
【０００３】
図１６は、３相変調の相電圧指令値を２相変調用の相電圧指令値に変換する処理を示すフローチャートである。同図に示す変換処理では、電気角θが３０°≦θ＜１５０°のときには、Ｕ相の相電圧指令値を＋側の電圧飽和値に固定し、１５０°≦θ＜２７０°のときにはＶ相の相電圧指令値を＋側の電圧飽和値に固定し、０°≦θ＜３０°および２７０°≦θ＜３６０°のときには、Ｗ相の相電圧指令値を＋側の電圧飽和値に固定する。また、これらの電圧飽和値から、電圧飽和値に固定する相の元の電圧指令値を引いた値を、電圧補正値ΔＶとし、電圧飽和値に固定する相以外の夫々の相電圧指令値に前記電圧補正値ΔＶを加えることで、各相の２相変調後の電圧指令値としている。
【０００４】
図１７は、図１６の処理によって作成された電圧指令値の例であり、図１７（ａ）は２相変調前の３相変調用の電圧指令値を示す波形図であり、（ｂ）は２相変調後の電圧指令値を示す波形図である。なお、２相変調前の電圧指令値は振幅Ｅのｓｉｎ波で、電気角をθ［ｄｅｇ］とし、Ｕ相はＥｓｉｎ（θ）、Ｖ相はＥｓｉｎ（θ−１２０°）、Ｗ相はＥｓｉｎ（θ−２４０°）とする。
【０００５】
２相変調を行うことの主な効果は２つある。１つは、２相変調を行うことで、直流入力電圧に対する最大交流出力電圧の比（電圧利用率）が３相変調の場合より大きくなるという効果がある。例えば、ある相が３相変調の相電圧指令値によって電圧飽和値に達する場合でも、２相変調によって中性点をずらすことで飽和せずに出力することができる場合がある。もう１つの効果は、電圧飽和値に固定された相はスイッチングを行わないので、スイッチングロスによる発熱を抑えるという効果がある。
【０００６】
しかしながら、スイッチング回路の前段階には、一対のスイッチング素子の同時オンによる短絡破壊防止のため、スイッチング素子へのオン信号を遅らせる短絡防止回路が通常存在するが、この回路によって２相変調補正後の低電圧出力において出力電圧波形が歪むという問題があった。この問題を解決するため、従来技術では、図１５に示すように、３相変調の相電圧指令値を計算する手段と２相変調の相電圧指令値を計算する手段とにより、出力電圧の振幅値に基づいて３相変調と２相変調とを切り替える電力変換装置を開示している。これらの手段によると、出力電圧の振幅値が小さいときは３相変調を選択し、出力電圧の振幅値が大きい場合は２相変調を選択することで、出力電圧が小さい場合の２相変調による出力電圧波形歪みを防止し、出力電圧が大きい場合の電圧利用率の向上とスイッチング損失低減を図っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、出力電圧振幅値の大きい場合は２相変調を選択するが、出力電圧振幅が大きい場合でも、相電圧指令値が０をよぎる付近での波形が歪むことから、電流にリップルがのり、電流制御精度に影響を与える。工作機械の主軸モータにおいては、精度の必要な仕上げ加工時は高速で回転していることから周波数は高く、誘起電圧の影響を受けて高い電圧出力が必要となる。
【０００８】
従来技術では、出力電圧の振幅値や周波数が所定値以上の場合に２相変調を選択するので、電流にリップルがのることで回転ムラが生じ、加工精度が悪くなる。また、工作機械の送り軸サーボ制御においても、最近の高速高精度の要求から、高速回転時の高い出力電圧において高精度な電流制御が必要となる。また、その一方でドライブユニットの小型化の要求からスイッチングロスの低減が求められており、同じ出力電圧であっても、加工を行っていない場合の位置決め動作時には、制御精度はそれほど求められず、スイッチングロスの低減が求められる。このように、従来技術では、高精度な電流制御とスイッチングロスの低減の要求に最適化された２相変調および３相変調の選択がされているとは言えなかった。
【０００９】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、動作に適した２相変調／３相変調を選択することで、より効率的にスイッチングロスを抑えながら、高精度な電流制御が可能な電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる電力変換装置は、電圧指令値と搬送波との比較出力から得られたパルス幅変調信号に基づき、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換装置において、３相変調用の電圧指令値を計算する３相変調電圧指令値計算手段と、２相変調用の電圧指令値を計算する２相変調電圧指令値計算手段と、電流制御の精度が重視される動作か、発熱を抑制することが重視される動作かを判定する判定手段と、前記判定手段の判定結果に基づいて前記３相変調用の電圧指令値または前記２相変調用の電圧指令値の何れかを選択して出力する２相／３相変調電圧指令値選択手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、２相／３相変調電圧指令値選択手段は、電流制御の精度が重視されるか、発熱を抑制することが重視されるかを判定する判定手段の判定結果に基づいて、２相変調用の電圧指令値を選択するか、３相変調用の電圧指令値を選択するかを選択指示することができる。
【００１２】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する動作識別処理手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、動作識別処理手段は、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００１４】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記動作識別処理手段は、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別することを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、動作識別処理手段は、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別することができる。
【００１６】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する電流値判定手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、電流値判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００１８】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記電流値判定手段は、前記電流指令値の絶対値を移動平均化することを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、電流値判定手段は、電流指令値の絶対値を移動平均化することができる。
【００２０】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する熱的負荷判定手段を備えることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、熱的負荷判定手段は、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００２２】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する電流値・熱的負荷複合判定手段を備えることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、電流値・熱的負荷複合判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示することができる。
【００２４】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記電流値・熱的負荷複合判定手段は、前記電流指令値の絶対値を移動平均化することを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、電流値・熱的負荷複合判定手段は、電流指令値の絶対値を移動平均化することができる。
【００２６】
つぎの発明にかかる電力変換装置は、上記の発明において、前記判定手段は、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示する領域位置判定手段を備えることを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、領域位置判定手段は、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる電力変換装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である電力変換装置を示すブロック図である。この電力変換装置は、現在の動作が電流制御精度が重視される動作であるか発熱を抑えることが重視される動作であるかを判定し、２相変調を行うか否かを選択する手段を有している。
【００３０】
図１において、電力変換装置は、ドライブユニット１と上位コントローラ１１を備えている。また、ドライブユニット１は、電流検出器２、３相／２相変換手段３、電流制御器４、２相／３相変換手段５、搬送波６、コンパレータ７、短絡防止回路８、スイッチング回路９を備えている。電流検出器２は電流制御対象であるモータ２０に流れる電流をモニタし、Ｕ相／Ｖ相電流を３相／２相変換手段３に出力する。３相／２相変換手段３は、これらのＵ相／Ｖ相電流をｑ軸電流（トルク電流）およびｄ軸電流（励磁電流）に変換し、電流制御器４にフィードバックする。電流制御器４は、３相／２相変換手段３からフィードバックされたｑ軸／ｄ軸電流が、ｑ軸／ｄ軸電流指令に一致するように制御する。なお、この例では、同期電動機制御を考え、ｄ軸電流指令は０としている。電流制御器４からの制御信号は、２相／３相変換手段５（特許請求の範囲でいうところの３相変調電圧指令値計算手段）で３相変調用の電圧指令値に変換され、同時に２相変調電圧指令値計算手段１０で２相変調用の電圧指令値に変換される。上位コントローラ１１の動作識別処理手段１２は、加工プログラム１３を解読して、処理に応じて最適な電圧指令値（３相変調用または２相変調用）を選択する。選択された２相変調用または３相変調用の電圧指令値は、搬送波６を用いコンパレータ７でパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）に変換され、短絡防止回路８で各相を制御する一対のスイッチング素子が同時にオンにならないように修正される。スイッチング回路９は、これらの修正されたＰＷＭ信号で各相のスイッチング素子をスイッチンングし、モータ２０を制御する。
【００３１】
図１の２相変調電圧指令値計算手段１０が行う補正計算は、図１６のフローチャートに基づいて計算される。すなわち、電気角θに応じてある相の相電圧指令値を電圧飽和値とし、この電圧飽和値から、電圧飽和値に固定した相の元の電圧指令値を引いた値を電圧補正値ΔＶとし、電圧飽和値に固定した相以外の夫々の相の電圧指令値に電圧補正値ΔＶを足すことで、各相の２相変調補正後の電圧指令値としている。
【００３２】
動作識別処理手段１２は、各相の電圧指令値が電圧飽和値に達している場合には２相変調を選択するように制御し、電圧飽和による波形の歪みで電流制御が乱れることを防いでいるが、この制御とは別に、加工プログラム１３に記述されている内容を解読して、最適な電圧指令値を選択するように制御する。図２は、加工プログラム１３を解読したときの処理の一例を示すフローチャートである。図２のフローチャートにおいて、動作識別処理手段１２は、加工プログラム１３に記述してある命令から、切削動作か位置決め動作かを判別して、切削動作なら３相変調を選択し、位置決め動作なら２相変調を選択するように制御し、加工精度確保とスイッチングロス低減とのバランスを保っている。
【００３３】
工作機械を制御する数値制御装置においては、あらかじめ加工用のプログラムが用意され、所要の精度を必要とする切削制御とそうでない位置決め制御とがプログラムの記述により指定できる。図３は、加工プログラムの一例を示す図であり、図４は、図３の加工プログラムによる動作軌跡を示す図である。図３の加工プログラムにおいて、“Ｇ００”は位置決め動作命令であり、“Ｇ０１”、“Ｇ０２”は切削動作命令である。これを利用して、加工プログラムの命令から上位コントローラ内の動作識別処理手段１２にて、切削制御であれば精度が必要なので３相変調を選択し、位置決め制御であればスイッチングロス低減重視として２相変調を選択することができる。また、図５は、実施の形態１にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。一連の動作の中で、精度をあまり必要としない位置決め動作に２相変調が選択されている。
【００３４】
このように実施の形態１によれば、一連の動作の中で、切削加工のような精度が重視される動作か、位置決めのようなスイッチングロス低減が重視される動作かが、明白に分かる場合に、その情報を利用して選択的に２相変調を行うことで、精度重視と発熱低減の区別を確実にコントロールでき、使用動作に適した２相変調／３相変調選択を確実に行うことができる。
【００３５】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２である電力変換装置を示すブロック図である。この電力変換装置は、２相／３相変換の２相側の電流値を参照して２相変調を行うか否かを選択するように動作する。この実施の形態２においては、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の電流値判定手段１４で実施する。この電流値判定手段１４は、ｑ軸電流指令の絶対値を、時間ｔｒの期間で平均し、その出力値が基準値Ｉａ以上であるときに２相変調を行うように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００３６】
同図において、ｑ軸電流の絶対値の平均値が、基準値Ｉａより小さいときは精度が重視される動作と判断し２相変調を選択せず、逆にＩａ以上であるときはスイッチングロスを抑えることが重視される動作と判断し２相変調を選択する。例えば、時間ｔｒは、５(msec)程度、基準値Ｉａは、スイッチング素子に流せる定格電流の５０％程度とすればよい。
【００３７】
例えば、工作機械のサーボモータを制御するような数値制御装置の電力変換装置の場合を考えると、電流が大きいときは、荒切削であったり、高速位置決めの加減速である場合が多く、その場合には、スイッチングによるロスを抑えることが要求される一方で精度はそれほど要求されない。また、電流が小さいときは仕上げ加工である場合が多く、スイッチングによるロスは元々小さいが、精度が要求される。このように、動作における電流値の大小によって、スイッチングによるロス低減が重視されるか、精度が重視されるかが判別でき、この電流値の大小を利用して、２相変調の選択を行うことが効果的である。
【００３８】
前述したように、２相変調の選択を電流で判断する場合には、上位コントローラが不要である。したがって、２相変調計算とともに判断機構もドライブユニット側で実装でき、上位コントローラや加工プログラムにも依存しない、２相／３相変調の切換制御を実現できる。また、精度がそれほど要求されない荒切削と精度が要求される仕上げ加工とを区別でき、発熱抑制の効率を上げることができる。
【００３９】
従来技術においては、電圧を基準に選択するものがあったが、モータが高速回転している場合は誘起電圧の影響を受けて、仕上げ加工のような小負荷の動作でも高い電圧を出力しているので、電圧の大小で判断してしまうと、仕上げ加工において間違って２相変調を選択してしまって精度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、より正確に判断するためには、電圧ではなく電流を参照して判断することが必要である。
【００４０】
ところで、相電流を参照して判断してしまうと、ｑ軸での出力が一定出力であっても、相電流はＳＩＮ波であるために、その瞬時値によって基準値を超えたと判断されたり基準値以下であると判断されたりする可能性があり、判断がばたつく可能性がある。動作がどのような動作であるかを判断するためには、トルク出力となるｑ軸電流を参照することが適している。切削のトルクは、仕上げ加工時はスイッチング素子に流せる定格電流の３０％程度、粗加工時は５０〜７０％程度であり、位置決め加減速時のトルクは２００％程度であるので、判断の境界基準値Ｉａは、スイッチング素子に流せる定格電流の５０％程度が好適である。
【００４１】
また、一つの纏まった動作として、位置決めの加減速は１００ｍｓｅｃ程度であったり、切削動作も５００ｍｓｅｃ程度以上の場合もあるので、ノイズを除去しつつ動作を判断するという意味でも、ｑ軸電流を５〜１０ｍｓｅｃ程度で移動平均化し、この移動平均値に基づき２相変調選択の判断を行ったほうが安定した判断となる。
【００４２】
図７は、実施の形態２にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。一連の動作の中で、電流の大きい荒切削において２相変調が選択されている。
【００４３】
このように実施の形態２によれば、一連の動作において、電流値を基準に２相変調を選択することで、精度がそれほど要求されない荒切削と精度が要求される仕上げ加工とを区別して２相変調を選択することによって、発熱抑制の効率を上げることができるとともに、上位コントローラを変更することなく、エンドユーザの加工プログラム記述に依存することもなく、ドライブユニット側の変更だけで２相変調選択の実装ができる。
【００４４】
実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３である電力変換装置を示すブロック図である。この電力変換装置は、電流値の２乗を一次遅れ系に通した出力値を基準に２相変調を行うか否かを選択するように動作する。この実施の形態３においては、実施の形態２と同様に、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の熱的負荷判定手段１５で実施する。この熱的負荷判定手段１５は、ｑ軸電流指令の２乗値を一次遅れ系を通して出力された値が基準値Ｉｓｑａより小さいときには２相変調を選択せず、Ｉｓｑａ以上であるときには２相変調を選択するように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００４５】
図９は、実施の形態３にかかるスイッチング回路の発熱および放熱をモデル化する説明図である。同図に示すように、スイッチングパワー素子における発熱は電流の２乗にほぼ比例し、発生した熱の放熱は一次遅れ系でほぼ近似できるので、熱的時定数を事前に測定して記憶し、熱モデルの一次遅れ系を実装し、電流の２乗を一次遅れ系熱モデルに通した値を計算することで、熱的な負荷を推定することができる。熱的負荷が大きく熱的に厳しいときは、スイッチングによる発熱を抑えたいので、計算した熱的負荷の推定値が基準値Ｉｓｑａ以上である場合には２相変調を行う。一方、熱的負荷が小さく熱的に厳しくないときは、２相変調を選択する必要はなく、２相変調による弊害を極力抑えたいので、熱的負荷の推定値が基準値Ｉｓｑａより小さい場合には２相変調を選択しない。熱的負荷はスイッチング素子に流せる定格電流の２乗までは耐えることができるので、定格電流の２乗の５０％以上のときは発熱を抑えたほうがよいと判断でき、５０％より小さいときは熱的にまだ余裕があると判断できる。よって、基準値Ｉｓｑａは、スイッチング素子に流せる定格電流の２乗の５０％程度とするのがよい。
【００４６】
図１０は、実施の形態３にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。位置決め動作の加減速が頻繁に行われる場合や、荒切削などによって大きな電流が連続して出力される場合には、熱的負荷の推定値が徐々に増えてゆく。このため、熱的負荷の推定値が基準値Ｉｓｑａ以上となると発熱低減のため２相変調を選択するようにする。一方、停止している場合や、軽切削の場合で出力電流が小さいとき、熱的負荷の推定値は徐々に小さくなって行き、熱的負荷推定値が基準値Ｉｓｑａより小さくなると、スイッチング素子の熱は厳しい状態でないと判断できるので、３相変調を選択するようにする。
【００４７】
このように、実施の形態３によれば、一連の動作の中で、熱的負荷の推定値を基準に２相変調を選択することで、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができ、発熱が厳しくない場合には２相変調を行わないことにより２相変調による弊害を極力抑えることができる。
【００４８】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４である電力変換装置を示すブロック図である。この実施の形態４では、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の電流値・熱的負荷複合判定手段１６で実施する。この電流値・熱的負荷複合判定手段１６は、電流の絶対値を時間ｔｒの期間で平均した出力値が基準値Ｉａ以上、かつ、ｑ軸電流指令の２乗を一次遅れ系に通した値が基準値Ｉｓｑａ以上であるときに、２相変調を選択するように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００４９】
電流の絶対値を時間ｔｒの期間で平均した出力値Ｉｒ１は、精度が必要な動作であるかの指標として利用できる。ｑ軸電流指令の２乗値を一次遅れ系を通して出力された値Ｉｒ２は、パワーデバイス等の熱的な負荷状態の指標として利用できる。時間ｔｒは現在の動作状況を判断するものなので比較的短く、一次遅れ系の時定数Ｔは放熱特性から決まる時定数なので比較的長くなる。このことから、動作の判断と熱的な判断を分けることで、より正確に２相変調を行うか否かを判断することができる。
【００５０】
図１２は、実施の形態４において、２相変調を選択する場合の条件を領域で示した図である。Ｉｒ１およびＩｒ２と夫々の基準値との大小関係をさらに分析すると、Ｉｒ２が基準値Ｉｓｑａより小さく（Ｉｒ２≦Ｉｓｑａ）、パワーデバイスの温度が低い（Ｉｒ１≦Ｉａ）場合には、スイッチングによる発熱低減の必要性は低いので、２相変調を選択しない。Ｉｒ２≧ＩｓｑａでＩｒ１≧Ｉａのときは、熱的に苦しく、制御精度はそれほど要求されないと判断できるので、２相変調を選択する。Ｉｒ２≧ＩｓｑａでＩｒ１＜Ｉａのときは、現在の電流が小さくて熱は下がって行く方向であり、制御精度が要求される動作と判断されるので、２相変調を選択しない。Ｉｒ２≦ＩｓｑａでＩｒ１≧Ｉａのときは、現在の電流は大きいが、熱的に余裕があるので、２相変調を選択しない。このような場合分けの結果、２相変調を選択する領域は図１２のようになる。
【００５１】
このように、実施の形態４によれば、一連の動作において、動作の判断と熱的な判断を併用することにより、より正確に２相変調が必要であるかが判断でき、より効率的にスイッチングロスによる発熱を抑え、精度が必要な動作においては高精度な電流制御を実施することができる。
【００５２】
実施の形態５．
図１３は、この発明の実施の形態５である電力変換装置を示すブロック図である。この実施の形態５においては、実施の形態２〜４と同様に、２相変調を行うか否かの選択を上位コントローラではなく、ドライブユニット１の領域位置判定手段１７で実施する。領域位置判定手段１７は、位置検出器６０から位置情報を受領し、加工対象が指定位置範囲内にある場合には２相変調を選択せず、指定位置範囲外では２相変調を選択するように動作する。なお、その他の構成については、図１と同様であり、同一部分には同一符号を付している。
【００５３】
例えば、工作機械においては通常、加工が行われる領域位置は決まっており、加工はその領域の中で行われる。加工以外の動作では、ワークを運んだりツールを交換するために、加工が行われる領域位置から出て位置決めを行うことが多い。
【００５４】
図１４はそのようなワーク搬入、加工、ワーク搬出を行う様子を示したものであるが、図１４（ａ）はワークが搬入される位置を示した図であり、（ｂ）はワークが加工される位置を示した図であり、（ｃ）は加工されたワークが搬出される位置を示した図である。まず、図１４（ａ）のように、この例では右側から加工前のワークがロボットによって搬入されてテーブルにセットされる。テーブルへのワークの固定が完了すると、加工領域内にテーブルが移動する。つぎに、同図（ｂ）のように加工領域内にてワークが加工される。そして、同図（ｃ）のようにこの例では左側にテーブルが移動し、左側のロボットにより加工後のワークが取り出される。このようなワーク搬入・搬出を伴う加工機の場合、安全のため、ワーク搬入搬出領域と加工領域とは位置的に分離していることが多い。この場合、加工領域以外の搬入・搬出の位置決め領域では特に精度は要求されないので、２相変調を選択してスイッチングによる発熱を抑えておくのが有利である。このことから、加工が行われる領域位置をあらかじめ記憶しておき、その領域位置の外では２相変調を行うことで位置決め動作でのスイッチングロスによる発熱を抑えることができる。また、加工領域内においては、実施の形態４などの手段によって２相変調選択を選択すればよい。
【００５５】
このように、実施の形態５によれば、精度が必要な動作か否かを領域位置によって判断することができ、位置情報を利用することで、簡便かつ確実に２相変調を選択することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、電流制御の精度が重視されるか、発熱を抑制することが重視されるかによって、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示するようにしているので、一連の動作の中で、切削加工のような精度が重視される動作か、位置決めのようなスイッチングロス低減が重視される動作かが、明白に分かる場合に、その情報を利用して選択的に２相変調を行うことで、精度重視と発熱低減の区別を確実にコントロールでき、使用動作に適した２相変調／３相変調選択を確実に行うことができるという効果を奏する。
【００５７】
つぎの発明によれば、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができるという効果を奏する。
【００５８】
つぎの発明によれば、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別するようにしているので、加工制御の指示が異なる場合でも、発熱を抑える動作を任意に識別することができ、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができるという効果を奏する。
【００５９】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、精度がそれほど要求されない粗加工と精度が要求される仕上げ加工とを区別して２相変調を選択することで発熱抑制の効率を上げることができるとともに、上位コントローラを変更することなく、エンドユーザの加工プログラム記述に依存することもなく、ドライブユニット側の変更だけで２相変調選択の実装ができるという効果を奏する。
【００６０】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値を移動平均化するようにしているので、ノイズに左右されない安定した判定により、的確な２相変調を選択することができるという効果を奏する。
【００６１】
つぎの発明によれば、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、スイッチング発熱低減の必要性に応じたより最適な２相変調選択を行うことができ、発熱が厳しくない場合には２相変調を行わないことにより２相変調による弊害を極力抑えることができる。
【００６２】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示するようにしているので、動作の判断と熱的な判断とを同時に判断することにより、２相変調の必要性を正確に判断することができ、より効率的にスイッチングロスによる発熱を抑えることができるという効果を奏する。
【００６３】
つぎの発明によれば、電流指令値の絶対値を移動平均化するようにしているので、ノイズに左右されない安定した判定により、的確な２相変調を選択することができるという効果を奏する。
【００６４】
つぎの発明によれば、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示するようにしているので、より簡便かつ正確に２相変調を選択することができ、スイッチングによる発熱を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１である電力変換装置を示すブロック図である。
【図２】 加工プログラムを解読したときの処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】 加工プログラムの一例を示す図である。
【図４】 図３の加工プログラムによる動作軌跡を示す図である。
【図５】 実施の形態１にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。
【図６】 この発明の実施の形態２である電力変換装置を示すブロック図である。
【図７】 実施の形態２にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。
【図８】 この発明の実施の形態３である電力変換装置を示すブロック図である。
【図９】 実施の形態３にかかるスイッチング回路の発熱および放熱をモデル化する説明図である。
【図１０】 実施の形態３にかかる２相変調選択の動作例を示す図である。
【図１１】 この発明の実施の形態４である電力変換装置を示すブロック図である。
【図１２】 実施の形態４において、２相変調を選択する場合の条件を領域で示した図である。
【図１３】 この発明の実施の形態５である電力変換装置を示すブロック図である。
【図１４】 （ａ）はワークが搬入される位置を示した図であり、（ｂ）はワークが加工される位置を示した図であり、（ｃ）は加工されたワークが搬出される位置を示した図である。
【図１５】 特開昭６３−２９０１７０号公報記載の２相変調と３相変調とを切り替える電力変換装置のブロック図である。
【図１６】 ３相変調の相電圧指令値を２相変調用の相電圧指令値に変換する処理を示すフローチャートである。
【図１７】 （ａ）は２相変調前の３相変調用の電圧指令値を示す波形図であり、（ｂ）は２相変調後の電圧指令値を示す波形図である。
【符号の説明】
１ ドライブユニット、２ 電流検出器、３ ３相／２相変換手段、４ 電流制御器、５ ２相／３相変換手段、６ 搬送波、７ コンパレータ、８ 短絡防止回路、９ スイッチング回路、１０ ２相変調電圧指令値計算手段、１１ 上位コントローラ、１２ 動作識別処理手段、１３ 加工プログラム、１４ 電流値判定手段、１５ 熱的負荷判定手段、１６ 電流値・熱的負荷複合判定手段、１７ 領域位置判定手段、２０ モータ、６０ 位置検出器。
Claims (9)
- 電圧指令値と搬送波との比較出力から得られたパルス幅変調信号に基づき、入力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する電力変換装置において、
３相変調用の電圧指令値を計算する３相変調電圧指令値計算手段と、
２相変調用の電圧指令値を計算する２相変調電圧指令値計算手段と、
電流制御の精度が重視される動作か、発熱を抑制することが重視される動作かを判定する判定手段と、
前記判定手段の判定結果に基づいて前記３相変調用の電圧指令値または前記２相変調用の電圧指令値の何れかを選択して出力する２相／３相変調電圧指令値選択手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記判定手段は、発熱を抑制することが重視される動作の場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する動作識別処理手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記動作識別処理手段は、加工制御を指示するプログラムの内容から発熱を抑制することが重視される動作か否かを識別することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
- 前記判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する電流値判定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記電流値判定手段は、前記電流指令値の絶対値を移動平均化することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
- 前記判定手段は、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する熱的負荷判定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記判定手段は、電流指令値の絶対値が所定の基準値よりも大きく、かつ、電流指令値の２乗値の一次遅れ系出力が所定の基準値よりも大きい場合に、２相変調用の電圧指令値を選択指示する電流値・熱的負荷複合判定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
- 前記電流値・熱的負荷複合判定手段は、前記電流指令値の絶対値を移動平均化することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
- 前記判定手段は、精度が必要な動作を領域位置によって判定し、２相変調用の電圧指令値を選択するか否かを選択指示する領域位置判定手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
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