专利名称：具有编码器的主轴的控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及感应电动机经由皮带或齿轮等减速机构与机床等的主轴连接，通过控制该感应电动机的旋转速度来控制主轴的控制装置，尤其涉及在该感应电动机上没有安装速度检测器，但在主轴上安装对该主轴的位置进行检测的编码器来对该主轴进行控制的主轴的控制装置。
背景技术：
为了削减电动机的成本，具有不设置速度检测器等传感器的感应电动机(即，无传感器的感应电动机)。在无传感器的感应电动机的控制中，基于在该感应电动机中流动的实际电流，在软件内部推定求出感应电动机的速度。然后，基于该推定速度计算转矩指令或决定在电动机的各卷线中流动的电流的相位。如日本特开2002-51594号公报中公开的那样，该控制被称为矢量控制，是经常使用的控制。图6是说明应用无传感器的感应电动机的主轴的概略图。图6的主轴例如适用于车床。不具有用于对电动机的速度进行检测的传感器的感应电动机2 (无传感器的感应电动机)经由包括皮带5或齿轮(未图示)的减速机构4将其驱动力传递至车床等的主轴 6。在主轴6上安装编码器8，该编码器8输出用于对主轴的旋转位置进行检测的反馈脉冲 Pfb。从安装在主轴6上的编码器8输出的反馈脉冲Pfb用于管理主轴的旋转位置，从而实现主轴固定位置停止功能等功能。在减法器10中，从上位控制装置(未图示)输出的速度指令《rcmd减去由速度推定器15推定出的无传感器的感应电动机2的速度推定值《rest，来求出速度偏差。速度控制部11对所述速度偏差进行PI控制(比例积分控制proportional plus integral control)等，来求出转矩电流指令。电流控制部12利用所述电流指令和电流检测器14检测出的在感应电动机2中流动的实际电流Ire，来求出电压指令，然后将该求出的电压指令输出至功率放大部13。速度推定器15根据电流检测器14检测出的在感应电动机2中流动的实际电流Ire推定感应电动机2的旋转速度，从而得到速度推定值corest。通过速度推定器15基于实际电流Ire计算电动机的旋转速度的方法是以往公知的方法，因此省略其详细的说明。图7是图6的电动机控制部的概略框图。电动机控制部进行对作为转矩指令的IQ 指令(IQcmd)和作为励磁指令的ID指令(IDcmd)单独进行控制的矢量控制。如使用图6说明的那样，感应电动机2经由减速机构4与主轴6连接，在主轴6安装用于检测主轴的旋转位置的编码器8。编码器8输出伴随主轴6的旋转的反馈脉冲Pfb。3相至2相转换器27 取得从功率放大部13提供给感应电动机2的驱动电流的3相电流反馈，将3相电流反馈向 2相电流反馈转换(DQ转换)，从而得到电流反馈IQ、ID。减法器20从未图示的上位控制装置输出的速度指令《cmd减去速度推定值 rest求出速度偏差。在速度补偿器21中，对求出的速度偏差进行PI (比例积分)控制等从而求出电流指令(转矩指令IQcmd)。在减法器22中，从转矩指令IQcmd减去Q相的电流反馈IQ，求出电流偏差，将求出的电流偏差向励磁频率指令计算部23输出。此外，《rest 的 “est” 是 estimation 的缩写。励磁频率指令计算部23基于电流偏差求出第一励磁频率指令ω f。基于电流偏差计算第一励磁频率指令ω Γ的方法是公知方法，从而省略计算方法的详细的说明。积分器M通过对第一励磁频率指令ω 1*积分而计算励磁相位θ。转差推定部观利用Q相和D相的电流反馈IQ、ID计算转差推定值ω sest然后向减法器30输出。在转差推定部观中能够通过ω sest = KX IQ/ID的计算公式推定转差值。其中，K为常数。减法器30从第一励磁频率指令ω f减去转差推定值ω sest来得到速度推定值《rest。然后，将得到的速度推定值《rest输出给减法器20以及一次励磁电流指令运算部四。一次励磁电流指令运算部四利用由减法器30计算出的速度推定值《rest计算作为励磁指令的ID指令(IDcmd)。减法器31从励磁指令(IDcmd)减去D相的电流反馈ID， 然后将相减之后的结果向电压指令计算部32输出。电压指令计算部32利用作为转矩指令的IQ指令(IQcmd)、作为励磁指令的ID指令(IDcmd)、D相的电流反馈ID、Q相的电流反馈 IQ以及第一励磁频率指令《广计算电压指令仰、￥0。这些电压指令VD、VQ的计算方法是以往公知的方法，从而省略其详细的说明。2相至3相转换部25使用相位θ，对于从电压指令计算部32输出的电压指令VD、 VQ进行2相电压指令向3相电压指令的转换(逆DQ转换)，然后对功率放大部输出3相电压指令(P丽)。关于无传感器的感应电动机的控制方法，提出了各种方法，但是，在该控制中，采用根据电流反馈推定电动机速度的方法。如在现有技术中说明的那样，速度控制是基于速度指令corcmd和速度推定值Corest来进行的。此时，当旋转变为高速时在电压饱和变得显著的感应电动机中，为了高速驱动，需要进行减弱励磁电流的控制，但是此时，转差推定值偏离真实值，速度推定值《rest、励磁频率指令ω Γ偏离真实值，感应电动机无法形成希望的输出。这样，在现有技术的电动机控制方法中，存在在电动机速度的推定误差变大时输出降低，无法进行希望的切削的问题。
发明内容
因此，鉴于上述现有技术的问题点，本发明的目的在于提供一种具有编码器的主轴的控制装置，其能够从设置在主轴上的编码器检测主轴速度，利用根据该检测出的主轴速度而推定出的电动机的电动机速度信息，求出感应电动机的励磁频率的钳位值，能够防止由于励磁频率的过大误差而引起的输出降低。本发明涉及一种控制装置，其通过控制感应电动机的旋转速度，控制与该感应电动机连接的主轴，在该主轴上安装检测主轴的位置的编码器。该控制装置具备主轴速度检测部，其根据所述编码器的一定时间内的反馈脉冲数，检测主轴的速度；电动机速度推定部，其根据所述主轴速度检测部检测出的主轴的速度以及所述主轴与所述感应电动机的减速比，求出所述感应电动机的推定速度；以及励磁频率指令决定部，其根据所述电动机速度推定部求出的推定速度，决定所述感应电动机的励磁频率指令。所述控制装置还具备励磁频率指令计算部，其根据向所述感应电动机的速度指令和在所述感应电动机中流过的电动机电流，计算第一励磁频率指令；存储部，其存储与所述电动机速度推定部求出的推定速度对应的最大转差频率数据；以及励磁频率指令极限值计算部，其根据所述推定速度和所述最大转差频率数据，计算所述励磁频率指令计算部计算的励磁频率指令的极限值。并且，所述励磁频率指令决定部根据所述励磁频率指令计算部计算出的第一励磁频率指令和所述励磁频率指令极限值计算部计算出的励磁频率指令极限值，决定所述感应电动机的励磁频率指令。通过本发明，能够提供一种具有编码器的主轴的控制装置，其能够从设置在主轴上的编码器检测主轴速度，利用得到的电动机的电动机速度信息，求出感应电动机的励磁频率的钳位值，来防止因励磁频率的过大误差而导致的输出降低。
通过参照附图对以下的实施例进行说明，本发明的上述以及其他的目的以及特征
变得明确。图1是说明应用了将来自编码器的反馈脉冲用于决定电流控制中的励磁频率指令的无传感器感应电动机的主轴的概要框图。图2是说明应用了还把来自编码器的反馈脉冲用于电流控制的无传感器感应电动机的主轴的概要框图，说明本发明的控制装置的控制块。图3是表示进行无传感器的感应电动机的无传感器控制的处理的算法的流程图。图4是说明通过使用本发明的控制装置，限制励磁频率指令来改善感应电动机的最大输出特性的图。图5是将本发明与现有技术的电动机最大输出进行比较的图标，表示在预定旋转速度以上的情况下，通过本发明的控制，与现有的控制相比改善了感应电动机的最大输出。图6是说明应用了无传感器的感应电动机的车床主轴的图。图7是说明现有的无传感器的控制块的图。
具体实施例方式图1是说明应用了将来自编码器的反馈脉冲用于决定电流控制中的励磁频率指令的无传感器感应电动机的主轴的概要框图。不具备检测电动机的速度的传感器的感应电动机2 (无传感器的感应电动机)经由包括皮带5或齿轮(未图示)的减速机构4，将其驱动力传递至车床等的主轴6。在主轴 6上安装有编码器8，该编码器8输出用于检测主轴的旋转位置的反馈脉冲Pfb。从安装在主轴6上的编码器8输出的反馈脉冲Pfb用于管理主轴的旋转位置，从而实现了主轴固定位置停止功能等功能。在减法器10中，从上位控制装置输出的速度指令ω rcmd减去由速度推定器15推定出的无传感器的感应电动机2的第一速度推定值《restl，来求出速度偏差。速度控制部 11对所述速度偏差进行PI (比例积分)控制等来求出电流指令。电流控制部12利用所述电流指令与电流检测器14检测出的在感应电动机2中流动的实际电流Ire来求出电压指令，把求出的电压指令输出给由逆变器构成的功率放大部13。速度推定器15利用电流检测器14检测出的在感应电动机2中流动的实际电流Ire来推定感应电动机2的旋转速度，从而计算第一速度推定值corestl。在速度推定器15 中，基于实际电流Ire计算电动机的旋转速度的方法为公知方法，从而省略详细的说明。图2是说明应用了还把来自编码器的反馈脉冲用于电流控制的无传感器感应电动机的主轴的概要框图，说明本发明的控制装置的控制块。该控制块表示对作为转矩指令的IQ指令(IQcmd)和作为励磁指令的ID指令(IDcmd)独立进行控制的矢量控制。在减法器20中，从速度指令《rcmd中减去第一速度推定值《restl来求出速度偏差。速度补偿器21对所述速度偏差进行PI (比例积分)控制等来求出转矩电流指令 IQcmd0然后，在减法器22中，从转矩电流指令IQcmd减去Q相的电流反馈IQ来得到电流偏差。然后，励磁频率指令计算部23基于所述电流偏差求出励磁频率指令ω广。励磁频率指令决定部44把励磁频率指令计算部23求出的励磁频率指令ω f与励磁频率指令的极限值《llim进行比较，将励磁频率指令ω *的最大值限制为励磁频率指令的极限值ω llim,由此取得励磁频率指令ω 1，把取得的所述励磁频率指令ω 1输出给减法器30和电压指令计算部32。此外，励磁频率指令的极限值ω Ilim通过励磁频率指令极限值计算部43计算。 积分器M对从励磁频率指令决定部44输出的励磁频率指令ω 1进行积分来计算励磁相位θ。把积分器M计算出的励磁相位θ向2相至3相转换器25以及3相至2相转换器27输出。在2相至3相转换器25中，从电压指令计算部32输入2相的电压指令VQ、VD，在该2相至3相转换器25中，将2相的电压指令VQ、VD转换为3相的电压指令，然后输出给功率放大部13。从该功率放大部13向感应电动机2输出3相的驱动电流。如图1所示，利用电流检测器元件(图1中的电流检测器14)检测从功率放大部13向感应电动机2提供的驱动电流，将检测数据向3相至2相转换器27输出。如使用图1说明的那样，感应电动机2经由减速机构4与主轴6连接，为了检测主轴的旋转位置，在主轴6上安装有编码器8。编码器8输出伴随主轴6的旋转的反馈脉冲 Pfb。把从编码器8输出的反馈脉冲Pfb输入给主轴速度检测部40。在主轴速度检测部40 中，基于每个控制周期的反馈脉冲Pfb的计数值计算编码器速度(主轴速度)。由于编码器 8安装在主轴6上，所以编码器8表示主轴的速度。把主轴速度检测部40得到的主轴速度输入给电动机速度推定部41。在电动机速度推定部41中，利用减速机构4具有的齿轮的齿轮比，通过以下的算式(1)，根据主轴速度检测部40计算出的主轴速度，计算作为感应电动机2的推定速度的第二速度推定值 corest2。此外，通常，主轴位置检测用的编码器8的分辨率低，因此在电动机速度推定部41 中可以使用对其反馈数据实施过滤后的值。 rest2 =编码器速度(主轴速度)X主轴与感应电动机之间的减速比……(1)在最大转差存储部42中存储表示第二速度推定值《rest2与理想的转差之间的关系的表。最大转差存储部42例如具有图4所示那样的表示理想地驱动感应电动机时得到的电动机的速度与转差量之间的关系的表，使用第二速度推定值《rest2，参照表，将该值规定为某个速度下的最大转差《slim。转差量例如能够根据电动机的常数和速度求出。从最大转差存储部42向励磁频率指令极限值计算部43输出与从电动机速度推定部41输入的第二速度推定值《rest2对应的作为理想的转差值的最大转差值ω slim。励磁频率指令极限值计算部43根据以下的算式O)，计算作为最大励磁频率指令的励磁频率指令的极限值ω llim，将计算出的值输出给励磁频率指令决定部44。ω llim = corest2+coslim......(2)3相至2相转换器27取得从功率放大部13向感应电动机2提供的驱动电流的3 相电流反馈，基于由积分器M求出的相位将3相电流反馈向2相电流反馈转换(DQ转换)， 取得电流反馈IQ、ID。转差推定都观基于来自3相至2相转换27的Q相的电流反馈IQ和D相的电流反馈ID计算转差推定值wsest。在转差推定部观中，通过cosest = KX IQ/ID的计算公式能够推定转差值。在此，K为常数。该转差推定都观将计算出的转差推定值Cosest向减法器30输出。该减法器30从来自励磁频率指令决定部44的励磁频率指令ω 1减去所述转差推定值《sest，得到第一速度推定值corestl。减法器30把计算出的第一速度推定值corestl输出给减法器20和一次励磁电流指令运算部四。一次励磁电流指令运算部四基于来自减法器30的第一速度推定值ω rest 1计算作为励磁指令的ID指令(IDcmd)。减法器31从ID指令(IDcmd)减去电流反馈ID，将相减得到的结果(偏差)输出给电压指令计算部32。电压指令计算部32利用作为转矩指令的IQ指令(IQcmd)、作为励磁指令的ID指令(IDcmd)、Q相的电流反馈IQ以及励磁频率指令ω 1，计算电压指令VD、VQ。电压指令VD、 VQ的计算方法是公知的方法，从而省略其详细的说明。2相至3相转换部25使用相位θ，对电压指令VD、VQ进行2相电压指令向3相电压指令的转换(逆DQ转换)，对放大器输出3相电压指令(PWM)。图3是表示进行无传感器的感应电动机的无传感器控制的处理的算法的流程图。 以下，按照各步骤进行说明。[步骤SA100]取得3相电流反馈。[步骤SA101]将3相电流反馈向2相电流反馈IQ、ID进行转换(DQ转换)。[步骤SA102]取得安装在主轴上的编码器的检测值(编码器速度=主轴速度)。[步骤SA103]通过以下的算式，根据在步骤SA102取得的编码器速度，计算感应电动机的第二速度推定值《rest2。 rest2 =编码器速度X (主轴与感应电动机之间的减速比)[步骤SA104]利用在步骤SA103中计算出的第二速度推定值《rest2，从最大转差存储部的表读取作为理想的转差值的最大转差值ω slim。[步骤SA105]通过以下的算式，根据在步骤SA104读取的最大转差值ωslim和在步骤SA103计算出的感应电动机的第二速度推定值《rest2，计算励磁频率指令的极限值 ωllim。ω llim = corest2+co slim[步骤SA106]对IQ指令(IQcmd)与Q相的电流反馈IQ的偏差(IQcmd-Q相的电流反馈IQ)进行电流补偿(例如，PI控制)，计算励磁频率指令ω f。[步骤SA107]把在步骤SA106计算出的励磁频率指令ω1*与在步骤SA105计算出的励磁频率指令的极限值《llim进行比较，将励磁频率指令ω *的最大值限制为励磁频率指令的极限值ω llim,由此取得励磁频率指令ω 1。
[步骤SA108]使用IQ指令(IQcmd)、ID指令(IDcmd)、(IDcmd-D相的电流反馈 ID)以及在步骤SA107取得的励磁频率指令《1，计算电压指令仰、￥0。[步骤SA109]对在步骤SA107取得的励磁频率指令ω1进行积分来求出励磁相位θ。[步骤SAl10]使用在步骤SA107求出的励磁相位θ，对电压指令VD、VQ进行2 相电压指令至3相电压指令的转换(逆DQ转换)。[步骤SAl11]向功率放大部输出在步骤SAllO求出的3相电压指令(PWM)，然后
结束处理。图4说明在本发明中，通过限制励磁频率指令来改善感应电动机的最大输出特性。在感应电动机2的速度推定值《rest2上加上最大转差值ω slim，以励磁频率指令的极限值ω Ilim进行励磁，由此改善感应电动机2的最大输出特性。图5是将本发明与现有技术的电动机最大输出进行比较的图表。在图5中示出了在预定旋转速度以上，通过本发明的控制，与现有的控制相比改善了感应电动机的最大输出。一般在车床等的主轴上安装编码器，使用该编码器来管理该主轴的位置。因为该编码器安装在主轴上，所以主轴与感应电动机之间的结合不紧密(存在空转或打滑)，并且反馈信号的分辨率低等，因此有时难以直接用于感应电动机的速度控制。但是，根据本发明，使用根据驱动感应电动机的电流的反馈值得到的感应电动机的速度，求出励磁频率指令ω 1的钳位值，由此能够防止因励磁频率的过大误差引起的输出降低。
权利要求
1.一种控制装置，其通过控制感应电动机的旋转速度，控制与该感应电动机连接的主轴，在该主轴上安装检测主轴的位置的编码器，该控制装置的特征在于，具备主轴速度检测部，其根据所述编码器的一定时间内的反馈脉冲数，检测主轴的速度；电动机速度推定部，其根据所述主轴速度检测部检测出的主轴的速度以及所述主轴与所述感应电动机的减速比，求出所述感应电动机的推定速度；以及励磁频率指令决定部，其根据所述电动机速度推定部求出的推定速度，决定所述感应电动机的励磁频率指令。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，还具备励磁频率指令计算部，其根据向所述感应电动机的速度指令和在所述感应电动机中流过的电动机电流，计算第一励磁频率指令；存储部，其存储与所述电动机速度推定部求出的推定速度对应的最大转差频率数据；以及励磁频率指令极限值计算部，其根据所述推定速度和所述最大转差频率数据，计算所述励磁频率指令计算部计算的励磁频率指令的极限值，所述励磁频率指令决定部根据所述励磁频率指令计算部计算出的第一励磁频率指令和所述励磁频率指令极限值计算部计算出的励磁频率指令极限值，决定所述感应电动机的励磁频率指令。
全文摘要
本发明提供一种具有编码器的主轴的控制装置。通过控制感应电动机的旋转速度来控制与该感应电动机连接的主轴。在该主轴上安装对主轴的位置进行检测的编码器，但是在感应电动机中没有安装速度检测器。根据从该编码器得到的主轴速度推定感应电动机的速度，根据该推定速度，决定所述感应电动机的励磁频率指令。
文档编号B23Q5/10GK102205507SQ20111004947
公开日2011年10月5日 申请日期2011年2月28日 优先权日2010年3月29日
发明者岩下平辅, 李耕, 秋山隆洋, 置田肇 申请人:发那科株式会社