电动机控制装置的制作方法

本发明涉及一种电动机控制装置，特别涉及一种在电源停电时限制电动机的转矩来使电动机减速的电动机控制装置。

背景技术：

在对机床、产业机械内的电动机进行控制的电动机控制装置中，将交流电源侧的交流电力变换为直流电力后输出到直流环节，之后通过放大器再变换为交流电力，供给该交流电力来作为电动机的驱动电力。

在供给用于驱动电动机的电力的电源停电的情况下，需要使对机床的进给轴等进行驱动的电动机紧急停止。

例如，如日本专利第5612058号公报所记载的那样，已知以下方法：在具有驱动进给轴的进给轴电动机以及驱动主轴的主轴电动机的机床中，在交流电源侧发生停电时，根据直流环节电压的值使主轴电动机加减速，由此避免过电压警报或低电压警报。

另外，例如，如日本专利第5746276号公报所记载的那样，已知以下方法：在具有驱动进给轴的进给轴电动机以及驱动主轴的主轴电动机的机床中，即使在交流电源侧发生停电，也在进给轴电动机的动作满足规定的判定条件时进行指示使得向主轴电动机输出比上级控制单元原本指示的励磁电流大的励磁电流，由此能够可靠地尽快停止进给轴电动机，并且在通常运转时抑制主轴电动机的发热。

另外，例如，根据日本特开2016-25828号公报，已知一种避免停电后的过电压警报并迅速停止驱动进给轴的电动机的电动机控制装置。

作为使电动机减速的方法，存在以下方法：使电动机产生减速转矩(以下称为“通过控制进行的减速”。)；以及对电动机连接电阻，通过使电流流过该电阻来消耗能量，由此实施动力制动(以下称为“通过硬件进行的减速”。)。当发生停电时从电源向电动机的电力供给被切断，因此使用直流环节中蓄积的电力来进行“通过控制进行的减速”。一般来说，与“通过硬件进行的减速”相比，“通过控制进行的减速”的到电动机停止为止的距离(所谓的制动距离)更短，因此优选的是在有限的电力内确保长的“通过控制进行的减速”的时间，以使电动机因停电而紧急停止。

通常，在电动机减速时，因再生动作导致动能降低而电力(电能)增加，因此在发生停电时的电动机的紧急停止中，能够在有限的电力内确保长的“通过控制进行的减速”的时间。

然而，根据电动机的规格，出现以下状况：当在“通过控制进行的减速”中使减速转矩过大时，不进行再生而成为消耗电力的动力运行，从而消耗了有限的电力。图5是表示电动机的每相的等效电路的电路图。另外，图6是表示电动机的绕组电流与电力之间的关系的图。在将电动机的绕组电流设为i[a]、将电动机的端子电压设为v[v]、将电动机的角速度设为ω(t)[rad/sec]、将每相的电动机的绕组电阻设为r[ω]、将每相的电感设为l[h]、将电动机的反电动势系数设为kv[v×sec/rad]时，电动机的电力p[w]如式1所示。

在式1中，当设电流固定(di/dt＝0)、对电动机的绕组电流i进行整理时变为式2。

如式2所示，电动机的电力p表示为电动机的绕组电流i的2次函数，若使其为图表则为图6那样。在图6中，横轴表示电动机的绕组电流i，纵轴表示电动机的电力p。根据图6可知，在电动机的绕组电流i小于kvω/r时，由于电动机减速而再生电力，但是电动机的绕组电流i为kvω/r以上时，由于电动机的减速而消耗电力。电动机的转矩与电动机的绕组电流成正比，因此根据式2和图6可知，根据电动机的规格，当在“通过控制进行的减速”中使减速转矩过大时，不进行再生而进行消耗电力的动力运行动作。

在发生停电时的电动机的紧急停止中，当在“通过控制进行的减速”中使减速转矩过大而消耗电力、直流环节中的电力降低时，提供电源的装置(共同电源)无法再供给电力，在放大器(逆变换器)中产生低电压警报。当产生低电压警报时，从“通过控制进行的减速”切换为“通过硬件进行的减速(动力制动)”。当该切换进行得早时，用于电动机停止的距离(制动距离)会变长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够在避免在电源停电后产生低电压警报的同时缩短电动机的停止距离的电动机控制装置。

为了实现上述目的，对机床或产业机械中的电动机进行控制的电动机控制装置具备：停电检测部，其检测电源的停电，该电源供给用于驱动电动机的电力；直流环节电压检测部，其检测施加于放大器的直流环节电压的值，该放大器驱动电动机；比较部，其将直流环节电压的值与规定的阈值进行比较；转矩指令生成部，其生成用于驱动电动机的转矩指令；转矩限制值设定部，其根据比较部的比较结果来设定转矩限制值；以及转矩指令限制部，其在停电检测部检测出停电时将转矩指令限制为转矩限制值。

在此，在比较部的比较结果是直流环节电压的值小于规定的阈值的情况下，转矩限制值设定部设定第一转矩限制值，在比较部的比较结果是直流环节电压的值为规定的阈值以上的情况下，转矩限制值设定部设定比第一转矩限制值大的第二转矩限制值。

另外，上述规定的阈值也可以是预先设定的固定值。

另外，电动机控制装置也可以还具备保持部，该保持部保持直流环节电压检测部按规定的周期检测出的直流环节电压的值，上述规定的阈值是在检测出比较部的比较中使用的直流环节电压时的周期之前的周期检测出的、保持在保持部中的直流环节电压的值。

电动机控制装置也可以还具备速度检测部，该速度检测部检测被驱动的电动机的角速度，转矩限制值设定部设定基于由速度检测部检测出的角速度求出的能够抑制直流环节电压的减少的转矩限制值，来作为直流环节电压的值小于规定的阈值的情况下的第一转矩限制值。

另外，在将被驱动的电动机的反电动势系数设为kv、将转矩常数设为kt、将绕组电阻设为r、将角速度设为ω时，转矩限制值设定部也可以将第一转矩限制值设定为基于

计算出的值tupper以下。

另外，转矩限制值设定部也可以将直流环节电压的值为规定的阈值以上的情况下的第二转矩限制值设定为被驱动的电动机所容许的最大转矩以下的值。

附图说明

通过参照以下的附图会更明确地理解本发明。

图1是基于实施方式的电动机控制装置的框图。

图2是基于其它实施方式的电动机控制装置的框图。

图3是表示基于实施方式的电动机控制装置的动作流程的流程图。

图4是说明电动机的角速度与电动机的电力再生或电力消耗之间的关系的图。

图5是表示电动机的每相的等效电路的电路图。

图6是表示电动机的绕组电流与电力之间的关系的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明具有转矩指令限制部的电动机控制装置。然而，需要理解的是，本发明并不限定于附图或下面所说明的实施方式。

图1是基于实施方式的电动机控制装置的框图。以后，设在不同的附图中标注有相同参照标记的结构要素是指具有相同功能的结构要素。

基于实施方式的电动机控制装置1将从交流电源(下面有时仅称为电源)2供给的交流电力变换为适于驱动电动机3的电力后供给到电动机3。电动机3例如被用作机床的进给轴、主轴或者产业机械、产业用机器人的臂等的驱动源。此外，由电动机控制装置1驱动的电动机3的种类在本发明中没有限定，既可以是感应电动机、同步电动机这样的交流电动机，或者也可以是直流电动机。在本实施方式中，作为一例，说明电动机3是交流电动机的情况。另外，在图示的例子中，将交流电源2的相数设为三相，但是相数也在本发明中没有特别限定，除了三相以外，例如也可以是单相、其它多相的交流电源。若列举交流电源2的一例，则有三相交流400v电源、三相交流200v电源、三相交流600v电源、单相交流100v电源等。

在电动机控制装置1中，从交流电源2侧输入的交流电力被整流器4变换为直流电力后被输出到直流环节。在直流环节中设置有直流环节电容器6，以达到抑制整流器4的直流输出的脉动成分以及蓄积直流电力的目的。直流环节中的电压(下面，“直流环节电压”)被施加于驱动电动机3的放大器5。放大器5由包括半导体开关元件的全桥电路的逆变换器(逆变器)构成，根据基于转矩指令生成的开关指令对该放大器5的开关元件进行导通截止驱动，由此该放大器5将直流环节电压变换为交流电压，对电动机3供给驱动电力。另外，放大器5能够如后所述那样将由电动机3再生的交流电力变换为直流电力后输出到直流环节。此外，整流器4和放大器5的种类、结构在本发明中没有特别限定。

基于本实施方式的电动机控制装置1具备停电检测部11、直流环节电压检测部12、将直流环节电压与规定的阈值进行比较的比较部13、转矩指令生成部14、转矩限制值设定部15、转矩指令限制部16以及速度检测部17。

停电检测部11检测交流电源2的停电，该交流电源2供给用于驱动电动机3的电力。停电检测的方法本身在本发明中没有特别限定，例如有以下方法等：将整流器4的交流电源2侧的三相交流输入电压坐标变换为与其等效的二相坐标上的电压矢量，计算该矢量的振幅，由此计算电源电压的振幅值，根据该振幅值低于规定的基准电压值的状态持续了规定的基准时间这一情况来检测停电。当停电检测部11检测出交流电源2的停电时，表示检测出停电的停电检测信号被发送到转矩指令限制部16。

直流环节电压检测部12检测施加于放大器5的直流环节电压的值，该放大器5驱动电动机3。直流环节电压检测部12检测出的直流环节电压的值被发送到比较部13。

比较部13将直流环节电压检测部12检测出的直流环节电压的值与规定的阈值进行比较。阈值的详情在后面叙述。

转矩指令生成部14生成用于驱动电动机3的转矩指令。放大器(逆变换器)5对电动机3输出交流电力(电力供给动作)或者从电动机3被输入交流电力(电力再生动作)，使得电动机3能够以与转矩指令相应的转矩进行旋转动作。例如在放大器5是pwm控制方式的逆变器的情况下，由转矩指令生成部14生成的转矩指令被变换为用于对放大器5内的各半导体开关元件的开关动作进行pwm控制的pwm控制信号后，被发送到放大器5内的各半导体开关元件。

转矩限制值设定部15根据比较部13的比较结果来设定转矩限制值。转矩限制值的详情在后面叙述。由转矩限制值设定部15设定的转矩限制值被发送到转矩指令限制部16。

转矩指令限制部16在停电检测部11检测出停电时，将转矩指令生成部14生成的转矩指令限制为转矩限制值。即，在检测出停电时，从转矩指令生成部14输出作为转矩指令的转矩限制值，该转矩限制值被变换为用于对放大器5内的各半导体开关元件的开关动作进行控制的开关指令后被发送到放大器5内的各半导体开关元件，放大器5基于该开关指令来进行电力变换动作。

速度检测部17检测被驱动的电动机3的角速度。由速度检测部17检测出的角速度被发送到转矩限制值设定部15。

接着，说明基于本实施方式的电动机控制装置1的动作原理。

如参照图5和图6所说明的那样，在使电动机3产生减速转矩来减速时(“通过控制进行的减速”)，根据减速转矩的大小，电动机3在再生电力和消耗电力之间进行切换。根据图6可知，在电动机3的绕组电流i小于kvω/r时，若使电动机3产生减速转矩则再生电力，在电动机3的绕组电流i为kvω/r以上时，若使电动机3产生减速转矩则消耗电力。另外，在设转矩常数为kt[n/arms]时，在电动机3的绕组电流i与转矩t之间，式4所示的关系式成立。

t＝kti…(4)

因而，在电动机3的转矩t小于kvktω/r时，若使电动机3产生减速转矩则再生电力，在电动机3的转矩t为kvktω/r以上时，若使电动机3产生减速转矩则消耗电力。当在整流器4的交流电源2侧发生停电时，不再从整流器4输出直流电力，因此在此期间，需要使用直流环节中蓄积的电力来进行使电动机3产生减速转矩来减速的“通过控制进行的减速”。减速转矩越大，则电动机3的停止距离(制动距离)越短，虽然有这种优点，但是当转矩t变为kvktω/r以上时，尽管电动机3进行减速，电动机3也会消耗电力，因此存在以下担忧：直流环节电压降低，在放大器5中产生低电压警报。另一方面，减速转矩越小，则电动机3的停止距离(制动距离)越长，虽然有这种缺点，但是如果转矩t小于kvktω/r，则通过电动机3的减速而从电动机3再生电力，因此直流环节电压不降低，不产生低电压警报。因此，在交流电源2停电时，为了在避免产生低电压警报的同时使电动机3在尽可能短的时间内停止，在直流环节电压的值小于规定的阈值的情况下设定第一转矩限制值tlim1，在直流环节电压的值为规定的阈值以上的情况下设定比第一转矩限制值tlim1大的第二转矩限制值tlim2。即，“第一转矩限制值tlim1<第二转矩限制值tlim2”的关系成立。在交流电源2停电时，根据直流环节电压的值来设定第一转矩限制值tlim1和第二转矩限制值tlim2中的某一个转矩限制值，利用该转矩限制值对转矩指令进行限制，由此使得在避免产生低电压警报的同时尽可能缩短电动机3的停止距离(制动距离)(即，电动机3能够在尽可能短的时间内停止)。在转矩限制值设定部15中进行是设为第一转矩限制值tlim1还是设为第二转矩限制值tlim2的设定。另外，由转矩指令限制部16来进行将由转矩指令生成部14生成的转矩指令限制为转矩限制值的处理。

作为直流环节电压的值小于规定的阈值的情况下的第一转矩限制值tlim1，设定基于由速度检测部17检测出的角速度求出的能够抑制直流环节电压的减少的转矩限制值。如上所述，如果转矩t小于kvktω/r，则通过电动机3的减速而从电动机3再生电力，因此只要将第一转矩限制值tlim1设定为kvktω/r(＝tupper)以下的值，那么即使将转矩指令限制为第一转矩限制值tlim1，直流环节电压也不会减少。换言之，第一转矩限制值tlim1的上限值tupper为kvktω/r。

另一方面，直流环节电压的值为规定的阈值以上的情况下的第二转矩限制值tlim2只要设定为比上述的第一转矩限制值tlim1大的值即可，其上限值是电动机3所容许的最大转矩。在直流环节电压的值为规定的阈值以上的情况下，可以说处于直流环节中蓄积的电力比较充裕的状态，因此只要在不超过电动机3所容许的最大转矩的范围内执行使电动机3产生减速转矩来减速的“通过控制进行的减速”即可。

这样，在交流电源2停电时，根据直流环节电压的值来切换转矩限制值的值，以在避免产生低电压警报的同时使电动机3在尽可能短的时间内停止。

在此，也可以将上述规定的阈值设定为预先设定的固定值。

或者，作为上述规定的阈值，也可以设定在检测出比较部13的比较中使用的直流环节电压时的周期之前的周期检测出的直流环节电压的值。图2是基于其它实施方式的电动机控制装置的框图。直流环节电压检测部12以规定的周期检测直流环节电压的值，通过设置暂时保持直流环节电压检测部12检测出的直流环节电压的值的保持部18，能够在比较部13中将直流环节电压检测部12检测出的直流环节电压的值与在检测出该直流环节电压时的周期之前的周期检测出的直流环节电压的值(即，以其为阈值)进行比较。通过设置保持部18，能够在比较部13中判定直流环节电压处于上升趋势还是处于下降趋势，因此能够更可靠地在避免产生低电压警报的同时使电动机3在尽可能短的时间内停止。例如，在直流环节电压的值小于在检测出该直流环节电压时的周期之前的周期检测出的直流环节电压的值(即，作为阈值而保持在保持部18中的值)的情况下，直流环节电压处于下降趋势，因此设定第一转矩限制值tlim1，在直流环节电压的值为在检测出该直流环节电压时的周期之前的周期检测出的直流环节电压的值(即，作为阈值而保持在保持部18中的值)以上的情况下，直流环节电压处于上升趋势，因此设定比第一转矩限制值tlim1大的第二转矩限制值tlim2。

图3是表示基于实施方式的电动机控制装置的动作流程的流程图。

在通过电动机控制装置1对电动机3进行控制的情况下，首先在步骤s101中，停电检测部11检测是否发生交流电源2的停电。当停电检测部11检测出交流电源2的停电时，表示检测出停电的停电检测信号被发送到转矩指令限制部16，进入步骤s102。

在步骤s102中，比较部13判定直流环节电压检测部12检测出的直流环节电压的值是否为规定的阈值以上。在直流环节电压的值为规定的阈值以上的情况下进入步骤s103，在直流环节电压的值小于规定的阈值的情况下进入步骤s104。

在步骤s103中，转矩限制值设定部15设定第二转矩限制值tlim2。

在步骤s104中，转矩限制值设定部15设定第一转矩限制值tlim1。

在步骤s105中，转矩指令限制部16将转矩指令生成部14生成的转矩指令限制为在步骤s103中设定的第二转矩限制值tlim2或者在步骤s104中设定的第一转矩限制值tlim1。

放大器(逆变换器)5根据基于所设定的转矩限制值而制作出的开关指令，对放大器5内的各半导体开关元件的开关动作进行控制，进行使电动机3产生减速转矩的电力变换动作。由此，电动机3产生减速转矩而减速(步骤s106)。

在步骤s107中，判定电动机3是否已完全停止。只要例如通过转矩指令限制部16或者上级控制装置(未图示)基于速度检测部17检测的角速度来进行该判定即可。在电动机3未完全停止的情况下返回到步骤s102。

在步骤s101中检测出交流电源2的停电之后、且在步骤s107中判定为电动机3完全停止之前，重复执行步骤s102～s107的处理。在此期间，根据直流环节电压的值来切换为第一转矩限制值tlim1或第二转矩限制值tlim2，电动机3产生与被限制为所设定的转矩限制值的转矩指令相应的减速转矩。根据本实施方式，在直流环节中蓄积的电力比较充裕的情况下，以大的第二转矩限制值tlim2一下子减速，在直流环节中蓄积的电力不充裕的情况下，以小的第一转矩限制值tlim1进行使直流环节电压的减少被抑制的程度的减速，能够进行这样的灵活的减速，因此能够在避免产生放大器5中的低电压警报的同时缩短电动机3的停止距离(制动距离)。

图4是说明电动机的角速度与电动机的电力再生或电力消耗之间的关系的图。在图4中，横轴表示电动机3的绕组电流i，纵轴表示电动机3的电力p。如参照图5和图6所说明的那样，在使电动机3产生减速转矩来减速时(“通过控制进行的减速”)，根据减速转矩的大小，电动机3在再生电力和消耗电力之间进行切换。在电动机3的绕组电流i小于kvω/r时，若使电动机3产生减速转矩则再生电力，在电动机3的绕组电流i为kvω/r以上时，若使电动机3产生减速转矩则消耗电力。电动机3的角速度ω越低，则从电力消耗向电力再生切换的电动机3的绕组电流的值kvω/r越小。根据电动机3的规格，有时在发生交流电源2的停电后不久的期间(电动机3的角速度ω还比较高的期间)内只进行电力再生。然而，当电动机3的减速持续而电动机3的角速度ω低到某种程度时，从电力消耗向电力再生切换的电动机3的绕组电流的值kvω/r变小，因此会产生“尽管电动机3减速，但电动机3消耗电力”之类的状态。因而，无论电动机3的规格是什么样的参数，电动机控制装置1都能够在避免在电源停电后产生低电压警报的同时缩短电动机3的停止距离。

此外，上述的比较部13、转矩指令生成部14、转矩限制值设定部15以及转矩指令限制部16例如既可以构建为软件程序形式，或者也可以构建为各种电子电路与软件程序的组合。例如在将它们构建为软件程序形式的情况下，通过使处于电动机控制装置1内的运算处理装置按照该软件程序来进行动作，能够实现上述的各部的功能。或者，也可以将比较部13、转矩指令生成部14、转矩限制值设定部15以及转矩指令限制部16实现为写入有实现各部的功能的软件程序的半导体集成电路。

根据本发明，在对机床或产业机械中的电动机进行控制的电动机控制装置中，能够在避免在电源停电后产生低电压警报的同时缩短电动机的停止距离。根据本发明，在直流环节中蓄积的电力比较充裕的情况下，以大的转矩限制值使电动机减速，在直流环节中蓄积的电力不充裕的情况下，以小的转矩限制值使电动机进行使直流环节电压的减少被抑制的程度的减速，能够进行这样的灵活的减速动作，因此能够在避免产生低电压警报的同时缩短电动机的停止距离(在短时间内停止电动机)。