JP5977589B2 - 電動機の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、工作機械に利用される電動機の制御システムに係り、主軸などの駆動に利用される電動機で、特に、大容量が求められる電動機の制御システムに関するものである。

大型の工作機械の主軸等を駆動するために大容量の電動機が求められている。その一方で、こうした大容量の電動機に適用される大容量の制御装置や電源などを新規開発するには、費用がかかるが、需要が少ないことから、開発費用の償却が困難であった。そこで、従来から、代替手段として、小容量の制御装置を複数並列に接続して、所望の大容量の電動機を駆動する制御システムが採用されている。

複数制御装置を用いるシステムとしては、複数の制御装置が出力する電流の和を単一の巻線を具備する電動機に供給するシステムと、複数の制御装置が出力する各々の電流を複数巻線を具備する電動機の各々の巻線へ供給するシステムとがある。しかし、こうした方法は、複数の制御装置で電動機を駆動するため、制御装置のいずれかに故障が生じたり、人為的な過失により設定される電動機の制御定数に誤りがあるなどの異常が生じたりした場合、所望の出力が得られず、工作機械の場合、加工精度が得られない。また、巻線のいずれかにレイヤショートなどの異常が発生した場合、所望の出力が得られず、加工精度が得られないばかりか、場合により電動機が焼損することもあり得る。

この問題に対し、特許文献１では、複数の制御装置で単一の巻線を具備する電動機を駆動することを対象とし、各制御装置における実電流と、各制御装置の実電流の平均値とを比較することで、各制御装置の出力電流の不均衡を検出することを可能としている。

特開平９−１１４５０４号公報

しかし、この特許文献１の技術では、不均衡の検出は可能となるが、複数ある制御装置のうち、どの制御装置において異常が発生しているかの検出は行うことが出来ない。例えば、２つの制御装置で電動機を駆動する構成では、双方の制御装置における実電流と、各制御装置の実電流の平均値との差の絶対値は同一となり、どちらの制御装置で異常が発生しているかの判別が出来ない。

そこで、本発明は、前述した制御装置の故障、電動機制御定数の不一致、巻線の異常を検出し、さらに複数ある制御装置のうち、どの制御装置において異常が発生しているかの検出を可能とする、電動機の制御システムを提供することを目的とする。

本発明の電動機の制御システムは、主巻線および一以上の副巻線を備えた電動機の制御装置であって、前記主巻線に電流を印加するべく、前記主巻線に接続された主制御装置であって、ｄ軸電流値、ｑ軸電流値、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値のいずれか一つの値について、指令値と検出値との差を示す値を誤差値として算出する主制御装置と、前記副巻線に電流を印加するべく、前記副巻線に接続された一以上の副制御装置であって、ｄ軸電流値、ｑ軸電流値、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値のいずれか一つの値について、指令値と検出値との差を示す値を誤差値として算出する一以上の副制御装置と、前記主制御装置で算出された誤差値の絶対値と、前記副制御装置で算出された誤差値の絶対値との比を誤差比として算出し、前記誤差比が予め規定された範囲外の時に、異常発生と判断する異常検出部と、を備えることを特徴とする。

好適な態様では、前記異常検出部は、前記主制御装置と副制御装置のうち、前記誤差値の絶対値が大きい制御装置において異常が発生していると判断する。

本発明によれば、複数巻線を具備する電動機を、複数の駆動装置で並列駆動する場合に、駆動装置の故障や、設定される電動機の制御定数の不一致、巻線の異常を検出し、さらに複数ある制御装置のうち、どの制御装置において異常が発生しているかを検出することができる。

本発明による誘導電動機の制御システムの一実施形態を示すブロック図である。 本発明による同期電動機の制御システムの一実施形態を示すブロック図である。 本発明による、主制御装置と副制御装置間の通信形態を示す図である。 本発明における異常検出方法を示すフローチャートである。 本発明における異常検出方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本発明の一実施形態である誘導電動機の制御システムを示すブロック図である。主制御装置１において、ｄ−ｑ軸電流指令生成部３、位相速度生成部４は、図示されない上位制御装置から入力されるトルク指令ＳＴＣに基づき、ｑ軸電流指令ＳＩＱＣ、ｄ軸電流指令ＳＩＤＣ、位相速度ＳＯＭＣを演算する。

ＳＩＱＣ、ＳＩＤＣ、ＳＯＭＣは主制御装置１から副制御装置２へ伝送され、主制御装置１では、この伝送にかかる時間を補償するため、遅延器５，６で遅延処理を行い、主制御装置１、副制御装置２間の指令タイミングの同期をとる。

ＳＯＭＣは、３相／２相変換部１１ａ，１１ｂ、２相／３相変換部１０ａ，１０ｂへ接続される。Ｕ相電流検出センサ１３ａ，１３ｂで検出されるＵ相電流検出値ＳＩＤＵｍ，ＳＩＤＵｓ、Ｖ相電流検出センサ１４ａ，１４ｂで検出されるＶ相電流検出値ＳＩＤＶｍ，ＳＩＤＶｓは、３相／２相変換部１１ａ，１１ｂへ接続され、ｄ軸／ｑ軸電流検出値を演算する。電圧誤差検出部９ａ，９ｂは、減算器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂにおいて演算したｄ軸／ｑ軸電流指令とｄ軸／ｑ軸電流検出値の差から、ｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍ，ΔＶＤｓ、ｑ軸電圧誤差ΔＶＱｍ，ΔＶＱｓを演算する。

電力変換器１２ａ，１２ｂは、２相／３相変換部１０ａ，１０ｂにおいて電圧誤差を２相／３相変換した値を用いて３相交流に変換した電力により、電動機１６を駆動する。異常検出部１９は、主制御装置１、副制御装置２それぞれより、ｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍ，ΔＶＤｓを入力とし、図４にて後述する手順にて、異常発生の有無の判断、および、複数ある制御装置のうち、どの制御装置において異常が発生しているかを検出する。

なお、図１では、異常検出部１９へｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍ，ΔＶＤｓを入力しているが、ｑ軸電圧誤差ΔＶＱｍ，ΔＶＱｓ、ｄ軸電流誤差、ｑ軸電流誤差を入力としてもよい。また、図１では、副制御装置２が異常検出部１９を備えているが、主制御装置１が異常検出部１９を備えていても良い。

図２は、本発明の一実施形態である同期電動機の制御システムを示すブロック図である。なお、図２は図１に示す誘導電動機の制御システム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。

電動機１６には、これのロータの位置を検出する位置検出器１７が設けられている。図示されない上位制御装置から入力されるトルク指令ＳＴＣと、位置検出器１７が検出した位置検出値ＳＭＰＤと、Ｕ相電流センサ１３ａ，１３ｂが検出したＵ相電流検出値ＳＩＤＵｍ，ＳＩＤＵｓと、Ｖ相電流検出センサ１４ａ，１４ｂが検出したＶ相電流検出値ＳＩＤＶｍ，ＳＩＤＶｓとに基づいて電動機１６が制御される。

ＳＭＰＤは主制御装置１から副制御装置２へ伝送され、主制御装置１では、この伝送にかかる時間を補償するため、遅延器１８で遅延処理を行い、主制御装置１、副制御装置２間のＳＭＰＤタイミングの同期をとる。

ＳＭＰＤは、３相／２相変換部１１ａ，１１ｂ、２相／３相変換部１０ａ，１０ｂへ接続される。Ｕ相電流検出値ＳＩＤＵｍ，ＳＩＤＵｓ、Ｖ相電流検出値ＳＩＤＶｍ，ＳＩＤＶｓは、３相／２相変換部１１ａ，１１ｂへ接続され、ｄ軸／ｑ軸電流検出値が演算される。電圧誤差検出部９ａ，９ｂは、減算器７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂにおいて演算したｄ軸／ｑ軸電流指令値と、ｄ軸／ｑ軸電流検出値との差からｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍ，ΔＶＤｓ、ｑ軸電圧誤差ΔＶＱｍ，ΔＶＱｓを演算する。

電力変換器１２ａ，１２ｂは、２相／３相変換部１０ａ，１０ｂにおいて電圧誤差を２相／３相変換した値を用いて３相交流に変換した電力により、電動機１６を駆動する。異常検出部１９は、主制御装置１、副制御装置２それぞれにより、ｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍ，ΔＶＤｓを入力とし、図４を参照して後述する手順にて、異常発生の有無の判断、および、複数ある制御装置のうち、どの制御装置において異常が発生しているかを検出する。

なお、図２では、異常検出部１９へｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍ，ΔＶＤｓを入力しているが、ｑ軸電圧誤差ΔＶＱｍ，ΔＶＱｓ、ｑ軸電流誤差、ｄ軸電流誤差を入力としても良い。また、図２では、副制御装置２が異常検出部１９を備えているが、主制御装置１が異常検出部１９を備えていても良い。

図３（ａ）、図３（ｂ）は、主制御装置１と副制御装置２間の通信形態を示す図である。図３（ａ）において、２組の巻線を具備する電動機３１は主制御装置３４と副制御装置３６で駆動される。制御装置にはそれぞれ、電源装置３３，３５が接続される。

図３（ｂ）においては、３組の巻線を具備する電動機３２は主制御装置３４と副制御装置３６，３８で駆動される。制御装置にはそれぞれ、電源装置３３，３５，３７が接続される。制御装置間は、バス接続されるＬｉｎｋ１、もしくは、シリアル接続されるＬｉｎｋ２、もしくは、その双方において、主制御装置で演算される電流指令、回転子速度、通信周期毎の回転子位相角を副制御装置へ送信し、また、主制御装置と副制御装置各々で演算したｄ軸／ｑ軸電圧誤差、ｄ軸／ｑ軸電流誤差とを相互通信する。

次に、制御装置の故障、電動機制御定数の不一致、巻線の異常を検出する方法について説明する。図４、図５は、図１、図２に示すような主制御装置と１つの副制御装置とを具備するシステムにおける異常検出方法の一実施形態を示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。

上述の異常検出処理は、主制御装置１と副制御装置２のどちらが行っても良い。図４は副制御装置２が異常検出処理を行う場合を示す。

副制御装置２は、主制御装置１からｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍを受信する（ステップ４１）。受信したΔＶＤｍと、副制御装置自身のｄ軸電圧誤差ΔＶＤｓの絶対値の大小を比較する（ステップ４２）。

電圧誤差の絶対値が大きい方を、小さい方の値で除した値を電圧誤差比として算出する（ステップ４３，４４）。算出した電圧誤差比と、あらかじめ定めた電圧誤差閾値とを比較する（ステップ４５，４６）。この電圧誤差閾値は、正常運転時の電圧誤差の状態を観察しながら実験的に定める値である。

ステップ４５，４６で電圧誤差が電圧誤差閾値を超えた場合に、上位制御装置へ、ステップ４３，４４で算出した電圧誤差比と、電圧誤差の絶対値が大きいとステップ４２で判断された制御装置側にて異常が発生していることを知らせることができる。上位制御装置は、ステップ４７，４８で通知された電圧誤差比から、場合によっては電動機の駆動を停止する処理を行う。なお、図４では異常検出にｄ軸電圧誤差を用いているが、ｑ軸電圧誤差、ｄ軸電流誤差、ｑ軸電流誤差を用いてもよい。

図５は主制御装置１が異常検出処理を行う場合を示す。主制御装置１は、副制御装置２からｄ軸電圧誤差ΔＶＤｓを受信する（ステップ５１）。受信したΔＶＤｓと、主制御装置１自身のｄ軸電圧誤差ΔＶＤｍの絶対値の大小を比較する（ステップ５２）。

電圧誤差の絶対値が大きい方を、小さい方の値で除し、電圧誤差比を算出する（ステップ５３，５４）。算出した電圧誤差比と、あらかじめ定めた電圧誤差閾値とを比較する（ステップ５５，５６）。この電圧誤差閾値は、正常運転時の電圧誤差の状態を観察しながら実験的に定める値である。

ステップ５５，５６で電圧誤差が電圧誤差閾値を超えた場合に、上位制御装置へ、ステップ５３，５４で算出した電圧誤差比と、電圧誤差の絶対値が大きいとステップ５２で判断された制御装置側にて異常が発生していることを知らせることができる。上位制御装置は、ステップ５７，５８で通知された電圧誤差比から、場合によっては電動機の駆動を停止する処理を行う。なお、図５では異常検出にｄ軸電圧誤差を用いているが、ｑ軸電圧誤差、ｄ軸電流誤差、ｑ軸電流誤差を用いてもよい。

また、図３（ｂ）に示すような複数の副制御装置を具備するシステムの場合には、図４に示す異常検出処理を複数の副制御装置それぞれにおいて行う。各副制御装置は、図４のステップ４５，４６で電圧誤差が電圧誤差式位置を超えた場合には、ステップ４２で電圧誤差比の絶対値が大きいと判断された制御装置側にて異常が発生していること、および、ステップ４３また４４で算出した電圧誤差比、を上位制御装置へ知らせる。上位制御装置は、ステップ４７，４８で通知される情報から、主制御装置、もしくは、複数ある副制御装置のうち、異常を通知してきた副制御装置において、異常が発生していると判断する。さらに、上位制御装置は、ステップ４７，４８で通知された電圧誤差比から、場合によっては、電動機の駆動を停止する処理を行う。なお、前述したとおり、図４では異常検出にｄ軸電圧誤差を用いているが、ｑ軸電圧誤差、ｄ軸電流誤差、ｑ軸電流誤差を用いてもよい。

１，３４ 主制御装置、２，３６，３８ 副制御装置、３ ｄ−ｑ軸電流指令生成部、４ 位相速度生成部、５，６，１８ 遅延器、７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ 減算器、９ａ，９ｂ 電圧誤差検出部、１０ａ，１０ｂ ２相／３相変換部、１１ａ，１１ｂ ３相／２相変換部、１２ａ，１２ｂ 電力変換器、１３ａ，１３ｂ Ｕ相電流検出センサ、１４ａ，１４ｂ Ｖ相電流検出センサ、１５ ロータ速度演算部、１６ 電動機、１７ 位置検出器、１９ 異常検出部、３１ ２組の巻線を具備する電動機、３２ ３組の巻線を具備する電動機、３３，３５，３７ 電源装置。

Claims (2)

1. 主巻線および一以上の副巻線を備えた電動機の制御システムであって、
   前記主巻線に電流を印加するべく、前記主巻線に接続された主制御装置であって、ｄ軸電流値、ｑ軸電流値、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値のいずれか一つの値について、指令値と検出値との差を示す値を誤差値として算出する主制御装置と、
   前記副巻線に電流を印加するべく、前記副巻線に接続された一以上の副制御装置であって、ｄ軸電流値、ｑ軸電流値、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値のいずれか一つの値について、指令値と検出値との差を示す値を誤差値として算出する一以上の副制御装置と、
   前記主制御装置で算出された誤差値の絶対値と、前記副制御装置で算出された誤差値の絶対値との比を誤差比として算出し、前記誤差比が予め規定された範囲外の時に、異常発生と判断する異常検出部と、
   を備えることを特徴とする電動機の制御システム。
2. 請求項１に記載の電動機の制御システムであって、
   前記異常検出部は、前記主制御装置と副制御装置のうち、前記誤差値の絶対値が大きい制御装置において異常が発生していると判断する、ことを特徴とする電動機の制御システム。

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