同步电动机控制装置以及控制方法
【专利摘要】本发明提供一种同步电动机控制装置以及控制方法。同步电动机的控制装置的特征为具有：允许能量值取得部（4），取得在发生异常时使同步电动机的输入端子短路的动态制动电阻所能承受的允许能量值；惯量推定部（6），根据根据同步电动机反馈的速度值以及从放大器反馈且被输入到同步电动机的电流值来推定被驱动体的惯量；允许最大速度计算部（5），根据惯量以及允许能量值来计算同步电动机的允许最大速度值；速度控制部（2），对放大器进行控制以使同步电动机以预定的指令速度进行动作，速度控制部（2）从允许最大速度计算部（5）取得允许最大速度值，并将指令速度限制为允许最大速度值以下。
【专利说明】同步电动机控制装置以及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种同步电动机的控制装置以及控制方法，特别涉及一种具备了放大器保护功能的同步电动机的控制装置以及控制方法。
【背景技术】
[0002]在机床等利用同步电动机进行驱动的系统中，当同步电动机发生了异常时，为了安全需要使同步电动机的驱动部紧急停止。当发生紧急停止和停电等异常时，伺服放大器用动态制动(以下称为“DB”。)电阻使同步电动机的输入端子短路来进行发电制动。DB由电阻器组成，通过DB电路将从电动机回收的电力转换为热能。因此，根据同步电动机的动作条件，担心同步电动机的旋转能量超过伺服放大器的DB电阻的允许能量，由于发热导致DB电阻损坏。
[0003]在使用DB电路来使同步电动机紧急停止时，如果假定同步电动机的旋转能量全部被DB电阻消耗，则为了保护DB电阻，需要满足以下的式(I)。
[0004]Em < Ea (I)
[0005]在此，Em[J]是同步电动机的旋转能量，Ea[J]是DB电阻的允许能量。
[0006]另外,通过下式赋予Em。
[0007]Em=0.5X JX ω2 (2)
[0008]这里J[kgm2]是同步电动机的惯量以及被驱动体的惯量，ω [rad/s]是同步电动机的速度。
[0009]在机床等使用同步电动机进行驱动的系统中，特别是在包含搭载各种工件的旋转台的被驱动体中，被驱动体的惯量根据工件而变化。如数式(I)那样同步电动机的旋转能量由被驱动体的惯量来决定，因此需要正确得知被驱动体的惯量。
[0010]因此，报告一种推定惯量的方法。例如，根据专利文献I所记载的方法，可以使用惯量的推定结果来使加减速度的时间常数、速度增益最优化。但是，一般不太容易正确地知道被驱动体的惯量。因此，有时候难以判断是否满足上述式(I)。
[0011]因此，报告一种不计算惯量，而是进行DB电路的保护的方法。在专利文献2所记载的现有技术中，根据DB电路的动作开始时的同步电动机的速度以及同步电动机下降到预定速度的经过时间来计算DB电路的消费能量，由此进行DB电路的保护。
[0012]另外，已知另一种不计算惯量，而是进行DB电路的保护的方法。在专利文献3记载的现有技术中，根据同步电动机的速度、DB电阻以及同步电动机的感应电压常数来计算DB电路的消费能量，从而对DB电路进行保护。
[0013]在专利文献2以及3所记载的方法中，虽然不需要计算被驱动体的惯量，但是从DB电路的动作开始按照每个抽样周期逐个计算DB电路的消费能量。并且，当DB电路的消费能量超过允许值时，停止DB电路的动作使其成为自由转动状态，因此产生直到制动停止的距离变长或者直到制动停止所需的时间变长等问题。
[0014][专利文献I]日本特开2010-148178号公报[0015][专利文献2]日本特开2002-369564号公报
[0016][专利文献3]日本特开2007-174729号公报
【发明内容】
[0017]本发明的目的在于提供一种具备以下功能的同步电动机的控制装置，即为了保护包含DB电阻的伺服放大器的DB电路，推定与同步电动机连接的被驱动体的惯量，使用其推定结果来限制同步电动机的速度(最高转速)。
[0018]本发明的一实施例的同步电动机的控制装置的特征为具有:允许能量值取得部，取得在发生异常时使同步电动机的输入端子短路的动态制动电阻所能承受的允许能量值；惯量推定部，根据同步电动机驱动被驱动体时从同步电动机反馈的速度值以及从放大器反馈且被输入到同步电动机的电流值来推定被驱动体的惯量；允许最大速度计算部，根据惯量以及允许能量值来计算同步电动机的允许最大速度值；以及速度控制部，控制放大器以使同步电动机以预定的指令速度进行动作，速度控制部从允许最大速度计算部取得允许最大速度值，将指令速度限制为允许最大速度值以下。
[0019]本发明其他实施例的同步电动机的控制装置中，优选进一步具备警告通知部，取得速度值以及允许最大速度值，当同步电动机的速度超过允许最大速度值时，通知警告。
[0020]在本发明的另外一实施例的同步电动机的控制装置中，最好进一步具备减速停止部，当同步电动机的速度超过允许最大速度值时，根据来自警告通知部的警告，对速度控制部发出使同步电动机减速停止的停止指令。
[0021]本发明的一实施例的同步电动机的控制方法，其特征为具有以下步骤:取得在发生异常时使同步电动机的输入端子短路的动态制动电阻所能承受的允许能量值的步骤；根据同步电动机驱动被驱动体时从同步电动机反馈的速度值以及从放大器反馈且被输入到同步电动机的电流值来推定被驱动体的惯量的步骤；根据惯量以及允许能量值来计算同步电动机的允许最大速度值的步骤；控制放大器以使同步电动机以预定的指令速度进行动作的步骤；以及从允许最大速度计算部取得允许最大速度值，将指令速度限制为允许最大速度值以下的步骤。
[0022]根据本发明，推定更换了工作时进行变动的被驱动体的惯量，使用其推定结果来决定同步电动机的旋转速度的最大值，在通常动作时也始终将速度限制为最大值，由此可以在发生异常时保护DB电阻。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是表示本发明实施例1的同步电动机的控制装置的结构的框图。
[0024]图2是表示本发明实施例1的同步电动机的控制方法的流程图。
[0025]图3是表示本发明实施例2的同步电动机的控制装置的结构的框图。
[0026]图4是表示本发明实施例2的同步电动机的控制方法的流程图。
[0027]图5是表示本发明实施例3的同步电动机的控制装置的结构的框图。
[0028]图6是表示本发明实施例3的同步电动机的控制方法的流程图。
【具体实施方式】[0029]以下参照附图对本发明具备放大器保护功能的同步电动机的控制装置以及控制方法进行说明。但是，本发明的技术范围不仅限于这些实施方式，需要注意权利要求所记载的发明和其均等物所涉及的点。
[0030](实施例1)
[0031]图1是表示本发明实施例1的同步电动机的控制装置的结构的框图。本发明实施例I的同步电动机的控制装置(以下简单称为“控制装置”)11根据计算机数值控制(CNC:Computer Numerical Control)装置等的上位控制装置20发出的位置指令,通过控制放大器30使得驱动被驱动体50的同步电动机41以预定的指令速度进行动作。
[0032]具体地说，首先设置在控制装置11中的位置控制部I接收设置在上位控制装置20中的指令计算部21发送的位置指令。位置控制部I根据接收到的位置指令向速度控制部2发送速度指令。速度控制部2根据接收到的速度指令向电流控制部3发送电流指令。电流控制部3向电流放大电路31发送电压指令，所述电流放大电路31构成用于驱动同步电动机41的放大器30。同步电动机41通过从电流放大电路31输入的电力以预定的指令速度进行动作，驱动被驱动体50。
[0033]在同步电动机41中设有用于检测同步电动机41的速度以及位置的传感器42。把与传感器42检测出的速度以及位置有关的数据分别反馈给控制装置11内的位置控制部1、速度控制部2以及后述的惯量推定部6。
[0034]放大器30中设有在发生异常时通过动态制动(DB)电阻使同步电动机41的输入端子短路的DB电路32。放大器30中设有存储了 DB电阻所能承受的允许能量值的存储部(未图示)。本实施例中，表示了在放大器30内设置的存储部中存储允许能量值的例子，但是不仅限于此，例如也可以使用输入装置从控制装置11的外部输入来进行设定。
[0035]本发明的实施例1的同步电动机的控制装置11的特征为具有:允许能量值取得部4，取得在发生异常时使同步电动机41的输入端子短路的DB电阻所能承受的允许能量值；惯量推定部6,根据同步电动机41驱动被驱动体50时从同步电动机41反馈的速度值以及从放大器30反馈且被输入到同步电动机41的电流值来推定被驱动体50的惯量；允许最大速度计算部5，根据惯量以及允许能量值来计算同步电动机41的允许最大速度值；速度控制部2，对放大器30进行控制以使同步电动机41以预定的指令速度进行动作，速度控制部2从允许最大速度计算部5取得允许最大速度值，并将指令速度限制为小于等于允许最大速度值。
[0036]接着，说明本发明的实施例1的同步电动机的控制方法。本发明的实施例1的同步电动机的控制方法，其特征为具有以下步骤:取得在发生异常时使同步电动机41的输入端子短路的DB电阻所能承受的允许能量值的步骤；根据同步电动机41驱动被驱动体50时从同步电动机41反馈的速度值以及从放大器30反馈且被输入到同步电动机的41电流值来推定被驱动体50的惯量的步骤；根据惯量以及允许能量值来计算同步电动机的41的允许最大速度值的步骤；控制放大器30以使同步电动机41以预定的指令速度进行动作的步骤；以及从允许最大速度计算部5取得允许最大速度值，将指令速度限制为允许最大速度值以下的步骤。
[0037]图2是表示用于说明本发明实施例1的同步电动机的控制方法的顺序的流程图。步骤SlOl中，允许能量值取得部4从放大器30取得DB电阻所能承受的允许能量值Ea。在此，担心当对DB电阻投入过大的能量时，由于发热使DB电阻损坏。将DB电阻不会损坏的最大的能量设为允许能量。在放大器30中设有存储部(未图示)，存储DB电阻的允许能量值。本实施例中列举了从放大器30取得DB电阻的允许能量值的情况，但是不仅限于此，也可以通过使用输入装置从控制装置11的外部向允许能量值取得部4输入DB电阻的允许能量值来进行设定。
[0038]接着，在步骤S102中，允许最大速度计算部5判断是否更换了被驱动体50中包含的工件。即，允许最大速度计算部5判断是否由于更换工件，被驱动体50的惯量进行了变动。如后所述，允许最大速度计算部5根据被驱动体50的惯量和DB电阻的允许能量值计算允许最大速度，但是在惯量没有变化时，可以利用过去使用过的惯量计算允许最大速度。另外，可以通过在被驱动体50的附近设置传感器来检测是否更换了被驱动体50。但是，不仅限于此，也可以使用输入装置从控制装置11的外部向控制装置11输入表示更换了工件的信息。
[0039]在步骤S102，当判断工件未被交换时，省略步骤S103而执行步骤S104。另一方面，在步骤S102，当判断工件被更换时，在步骤S103，惯量推定部6根据同步电动机41驱动被驱动体50时从同步电动机41反馈的速度值以及从放大器30反馈且被输入到同步电动机41的电流值来推定被驱动体的惯量。
[0040]被驱动体的惯量J [kgm2]可以使用电流值I [A]、加速度值a [rad/s2]、速度值ω [rad/s]、同步电动机的转矩常数Kt根据下式来计算。
[0041]J=KtX I/a=KtX I/ (dω/dt) (3)
[0042]说明数式(3)的加速度a=d?/dt的计算方法。从传感器42在抽样周期T反馈某个时刻t的速度值ω (t)。这时的加速度a可以使用在某个时刻t反馈的速度值ω (t)和在其I个抽样周期前的时刻(t - T)反馈的速度值ω (t — T)之间的差分来计算a= ( ω(t)— ω (t — T)) /T。
[0043]接着，在步骤S104，允许最大速度计算部5根据惯量J以及允许能量值Ea计算同步电动机41的允许最大速度值。惯量J在步骤S103中用式(3)计算出，允许最大速度计算部5从惯量推定部6取得计算出的惯量J。另外，允许能量值Ea在步骤SlOl被允许能量值取得部4取得，允许最大速度计算部5从允许能量值取得部4将其取得。
[0044]在DB电阻的允许能量Ea[J]、被驱动体的惯量J[kgm2]以及同步电动机41的允许最大速度值ωmax[rad/s]之间成立以下的关系式。
[0045]Ea=0.5X JX ωmax2 ⑷
[0046]因此，同步电动机41的允许最大速度值comax[rad/s]由下式赋予。
[0047]ωmax=α √ (2XEa/J) (5)
[0048]但是，α是1以下的安全率，通过下式来求出。
[0049]α =Ra/ (Rm+Ra) (6)
[0050]在此，Rm是同步电动机的卷线电阻，Ra是DB电阻。
[0051]接着在步骤S105，控制装置11通常使同步电动机14动作。具体地说，构成控制装置11的速度控制部2为了使同步电动机41以预定的指令速度进行动作而控制放大器30。另外，当在同步电动机41中发生了异常时为了用DB电阻(未图示)使同步电动机41的输入端子短路而控制DB电路32。[0052]接着在步骤S106，速度控制部2从允许最大速度计算部5取得允许最大速度值，将指令速度限制在允许最大速度值以下。
[0053]如上所述，由于可以将同步电动机41的速度限制为允许最大速度值以下来进行动作，所以当在同步电动机41中发生了异常时，使用DB电阻使同步电动机41的输入端子短路来防止DB电阻的损坏，可以确实地停止同步电动机。
[0054](实施例2)
[0055]接着说明本发明实施例2的同步电动机的控制装置。图3是表示本发明实施例2的同步电动机的控制装置的结构的框图。实施例2的同步电动机的控制装置12与实施例1的同步电动机的控制装置11的不同点在于，进一步具备警告通知部7，取得从传感器42反馈的同步电动机41的速度值以及从允许最大速度计算部5发送的允许最大速度值，当同步电动机41的速度超过允许最大速度值时，向上位控制装置20的警告显示部22通知警告。其他的结构与实施例1的同步电动机的控制装置11相同，因此省略重复说明。
[0056]接着说明本发明实施例2的同步电动机的控制方法。图4是表示本发明实施例2的同步电动机的控制方法的顺序的流程图。步骤S201?206和图2所示的实施例1的同步电动机的控制方法的步骤SlOl?106相同，因此省略重复说明。
[0057]在步骤S207中，警告通知部7通过来自传感器42的反馈取得同步电动机41的速度值，并且从允许最大速度计算部5取得允许最大速度值，比较两者的大小关系。当同步电动机41的速度值被判断为超过允许最大速度值时，在步骤S208在上位控制装置20的警告显示部22通知警告。本实施例中列举了将警告通知给上位控制装置20的警告显示部22的情况，但是不仅限于此，也可以通过从控制装置12发出警告声音等来通知警告。
[0058]另一方面，当同步电动机41的速度值被判断为没有超过允许最大速度值时，在步骤S209判断同步电动机41的动作是否结束了。当同步电动机41的动作没有结束时，返回步骤S207继续速度值和允许最大速度值之间的大小关系。另一方面，在步骤S209，当同步电动机41的动作结束时，结束控制装置12的动作。
[0059]以上根据实施例2的同步电动机的控制装置，当同步电动机41的速度值超过允许最大速度值时通知警告，因此可以切实进行用于回避DB电阻的破损的处理。
[0060](实施例3)
[0061]接着，说明本发明实施例3的同步电动机的控制装置。图5是表示本发明实施例3的同步电动机的控制装置的结构的框图。实施例3的同步电动机的控制装置13和实施例2的同步电动机的控制装置12的不同点在于，还具备减速停止部8，当同步电动机41的速度超过允许最大速度值时，根据来自警告通知部7的警告，对速度控制部2发送使同步电动机41减速停止的停止指令。其他的构成和实施例2的同步电动机的控制装置12相同，因此省略重复说明。
[0062]接着说明本发明实施例3的同步电动机的控制方法。图6是表示用于说明本发明实施例3的同步电动机的控制方法的顺序的流程图。步骤S301?306和图4所示的实施例2的同步电动机控制方法的步骤S201?206相同，因此省略重复说明。
[0063]步骤S307中，警告通知部7通过来自传感器42的反馈取得同步电动机41的速度值，同时从允许最大速度计算部5取得允许最大速度值，比较两者的大小关系。当判断为同步电动机41的速度值超过允许最大速度值时，在步骤S308，在上位控制装置20的警告显示部22中通知警告。并且在步骤S309，当同步电动机41的速度超过允许最大速度值时，减速停止部8根据来自警告通知部7的警告对速度控制部2发出使同步电动机41减速停止的停止指令。
[0064]另一方面，当判断为同步电动机41的速度值没有超过允许最大速度值时，在步骤S310判断同步电动机41的动作是否结束。当同步电动机41的动作没有结束时，返回步骤S307继续比较速度值和允许最大速度值之间的大小关系。另一方面，在步骤S310，当同步电动机41的动作结束时，结束控制装置13的动作。
[0065]以上根据实施例3的同步电动机的控制装置，当同步电动机41的速度值超过允许最大速度值时，减速停止同步电动机41，因此可以自动进行回避DB电阻的损坏的处置。
【权利要求】
1.一种同步电动机的控制装置，其特征在于，具有: 允许能量值取得部，取得在发生异常时使同步电动机的输入端子短路的动态制动电阻所能承受的允许能量值； 惯量推定部，根据同步电动机驱动被驱动体时从同步电动机反馈的速度值以及从放大器反馈且被输入到同步电动机的电流值来推定被驱动体的惯量； 允许最大速度计算部，根据所述惯量以及所述允许能量值来计算同步电动机的允许最大速度值；以及 速度控制部，控制放大器以使同步电动机以预定的指令速度进行动作， 所述速度控制部从所述允许最大速度计算部取得所述允许最大速度值，将所述指令速度限制为所述允许最大速度值以下。
2.根据权利要求1所述的同步电动机的控制装置，其特征在于， 还具备警告通知部，取得所述速度值以及所述允许最大速度值，当同步电动机的速度超过所述允许最大速度值时，通知警告。
3.根据权利要求2所述的同步电动机的控制装置，其特征在于， 还具备减速停止部，当同步电动机的速度超过所述允许最大速度值时，根据来自所述警告通知部的警告，对所述速度控制部发出使同步电动机减速停止的停止指令。
4.一种同步电动机的控制方法，其特征在于，具有以下步骤: 取得在发生异常时使同步电动机的输入端子短路的动态制动电阻所能承受的允许能量值的步骤； 根据同步电动机驱动被驱动体时从同步电动机反馈的速度值以及从放大器反馈且被输入到同步电动机的电流值来推定被驱动体的惯量的步骤； 根据所述惯量以及所述允许能量值来计算同步电动机的允许最大速度值的步骤； 控制放大器以使同步电动机以预定的指令速度进行动作的步骤；以及 从所述允许最大速度计算部取得所述允许最大速度值，将所述指令速度限制为所述允许最大速度值以下的步骤。
【文档编号】H02P6/06GK103516264SQ201310250815
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月21日 优先权日:2012年6月22日
【发明者】园田直人, 岩下平辅 申请人:发那科株式会社