專利名稱：主軸電動機驅(qū)動控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及機床的主軸電動機的驅(qū)動控制裝置。特別是涉及由逆變器對主軸電動機的線圈施加脈沖幅度調(diào)制后的電壓，而控制流入電動機的電流，以驅(qū)動控制電動機的PWM(脈沖幅度調(diào)制)方式的主軸電動機驅(qū)動控制裝置。
背景技術(shù)：
對于驅(qū)動機床主軸的電動機，由于有必要把主軸的速度控制為任意的速度，因此采用以下方式將基于電流指令和電流反饋值計算出的電壓指令值，通過PWM(脈沖幅度調(diào)制)的方式進行脈沖幅度調(diào)制，通過將該被調(diào)制過電壓施加到電動機的線圈上，來驅(qū)動控制電動機。
將從電流控制器輸出的電壓指令和三角波進行比較，根據(jù)電壓指令是否比三角波的電壓大，對于逆變器的電源開關(guān)元件進行接通/斷開控制而驅(qū)動電動機。把逆變器的電源開關(guān)元件進行接通/斷開控制時，為了防止由該電源開關(guān)元件造成的直流電源的短路，在電源開關(guān)元件的切換時設有不靈敏區(qū)。由于有該不靈敏區(qū)，所以當PWM周期(三角波的周期)短時，不靈敏區(qū)的比例增大，轉(zhuǎn)矩減少。因此，由特開2001-275394號公報等可知在必須要求加工精度或動作精度等的控制精度的場合，使PWM周期縮短、而要求轉(zhuǎn)矩的場合，使PWM周期變長，這樣在程序中預先進行指令，切換PWM周期。
另外，對于驅(qū)動電動機的逆變器裝置，在電動機速度慢且固定轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下噪音大，在電動機速度快且固定輸出的區(qū)域內(nèi)噪音小。為此，已公知一種逆變器裝置，即通過在切換速度(規(guī)定速度)以下的固定轉(zhuǎn)矩的區(qū)域時，提高PWM頻率以降低電動機的噪音，而在切換速度以上且低輸出區(qū)域內(nèi)時，緩慢降低PWM頻率，來減少噪音的逆變器裝置。另外，通過特開平7-222478號公報已公知由于在位置指令模式中噪音變大，所以用僅在位置指令模式時提高PWM頻率的方式以降低電動機噪音的裝置，和通過供給電動機的負荷越大就越減小PWM頻率的方式來抑制噪音的同時，抑制電源開關(guān)元件的發(fā)熱的裝置等。
如上所述，所述特許文獻的任一種都敘述了切換PWM周期(PWM頻率)的裝置。但是，特開2001-275394號公報中所述記載的裝置是，由于由PWM控制的開關(guān)的切換中的不靈敏區(qū)會影響輸出轉(zhuǎn)矩，因而，為了減輕該不靈敏區(qū)的影響而改變PWM周期這樣的裝置。另外，特開平7-222478號公報公開的是，為了降低噪音而改變PWM周期這樣的裝置。
另一方面，把PWM周期縮短時(即，把PWM頻率提高時)，隨著脈沖幅度調(diào)制，流入電動機的電流中重疊的高頻率成分變小，電動機的發(fā)熱變小。但是，由于構(gòu)成逆變器的電源開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)增加，驅(qū)動裝置的發(fā)熱會增大。
相反，把PWM周期加長時(即，把PWM頻率減小時)，雖然電源開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)減少，從而驅(qū)動裝置的發(fā)熱減小，但是其問題在于，隨著脈沖幅度調(diào)制，電流中重疊的高頻率成分會增大，電動機的發(fā)熱會增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是用脈沖幅度調(diào)制方式驅(qū)動機床的主軸電動機的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，通過由電流值的大小變更進行脈沖幅度調(diào)制的周期，來抑制電動機及驅(qū)動裝置的發(fā)熱。當電流值大時，通過增長脈沖幅度調(diào)制的周期，來降低驅(qū)動裝置的發(fā)熱，當電流值比閾值小時，通過縮短脈沖幅度調(diào)制的周期，來降低電動機的發(fā)熱。
更具體說，激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更高的場合，將切換PWM頻率的電流極限值取為一定值；激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更低的場合，依存于激磁頻率而減小電流極限值?；蛘?，在激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更高的場合，將變更脈沖幅度調(diào)制的頻率的電流值的閾電平取為一定值；激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更低的場合，依存于激磁頻率而減小閾電平。
在進行由電流值的大小進行的脈沖幅度調(diào)制的周期的變更(PWM頻率的切換)時，為了防止發(fā)生振蕩，在判斷電流值的大小時，根據(jù)經(jīng)由濾波器而得到的電流反饋信號的大小來進行判斷。另外，把脈沖幅度調(diào)制的周期的變更形成為通過磁滯現(xiàn)象來切換變更。
按照本發(fā)明，考慮了伴隨脈沖幅度調(diào)制發(fā)生的由與流入主軸電動機的電流重疊的高頻率成分造成的主軸電動機的發(fā)熱，以及因脈沖幅度調(diào)制產(chǎn)生的由電源開關(guān)元件的開關(guān)動作造成的主軸電動機驅(qū)動控制裝置側(cè)的發(fā)熱，能夠均衡地抑制兩者的發(fā)熱。


從參照附圖的以下實施例的說明可以闡明本發(fā)明的所述的及其它的目的及特征。這些圖中圖1是本發(fā)明的主軸驅(qū)動控制裝置的一種實施方式的要部的框圖。
圖2是圖1的主軸驅(qū)動控制裝置中的閾電平的計算處理的說明圖。
圖3是圖1的主軸驅(qū)動控制裝置中的PWM頻率的切換的說明圖。
圖4是PWM頻率切換的框圖。
圖5是在圖1的主軸驅(qū)動控制裝置上執(zhí)行電流控制的處理器在每規(guī)定周期內(nèi)實施的PWM頻率的切換控制處理的流程圖。
具體實施例方式
用圖1的要部框圖說明本發(fā)明的主軸驅(qū)動控制裝置的一種實施方式。
減算器1從來自數(shù)字控制裝置等的上一級控制裝置的速度指令(或者來自位置環(huán)路控制部的速度指令)，減算來自檢測電動機10的速度的速度檢測器11的速度反饋信號，從而求出速度偏差。速度控制器2根據(jù)速度偏差進行比例積分控制等的速度環(huán)路處理，從而求出轉(zhuǎn)矩電流指令。激磁頻率計算處理部6根據(jù)轉(zhuǎn)矩電流指令和速度反饋信號，求出激磁頻率ωr。
這種直至求出轉(zhuǎn)矩電流指令及激磁頻率ωr的處理，都由現(xiàn)有的PWM方式的電動機驅(qū)動控制裝置進行。進而，在該現(xiàn)有的電動機驅(qū)動控制裝置中，減算器3從轉(zhuǎn)矩電流指令，減算用電流檢測器(未圖示)檢測出的電動機驅(qū)動電流的電流反饋信號，求出電流偏差。然后，電流控制器4由該電流偏差和根據(jù)激磁頻率ωr及PWM頻率(固定值)決定的電流不靈敏區(qū)的補正量，求出用于得到PWM指令的電壓指令。
這里，考慮到電流不靈敏區(qū)的影響相應于PWM頻率發(fā)生變化，本發(fā)明中，通過把輸入到電流控制器4中的PWM頻率(PWM周期)設置為可以變更，形成為相應于PWM頻率來決定電流不靈敏區(qū)的補正量。
而且，為了可變更該PWM頻率(PWM周期)，本發(fā)明的特征在于，在現(xiàn)有的電動機驅(qū)動控制裝置中，附加閾電平計算處理部7、PWM頻率設定處理部8和濾波器9。該閾電平計算處理部7根據(jù)激磁頻率ωr和設定的參數(shù)，計算為了變更PWM頻率的對于流入主軸電動機中的電流值的閾電平Lt。
用圖2說明用該閾電平計算處理部7進行的閾電平Lt的計算處理。在該實施方式中，激磁頻率ωr是“0”時(即電動機的速度是“0”時)，閾電平Lt設定為L0。另外，激磁頻率ωr超過規(guī)定的激磁頻率ω1時，閾電平Lt的值設定為一定值L1。激磁頻率ωr從“0”直至規(guī)定的激磁頻率ω1之間，閾電平Lt的值從L0直至L1呈直線變化。即，輸入的激磁頻率ωr和輸出的閾電平Lt之間有以下關(guān)系成立ωr＜ω1時Lt＝L0+(L1-L0)×(ωr/ω1)ωr≥ω1時Lt＝L1而且，作為參數(shù)設定的規(guī)定激磁頻率ω1由構(gòu)成逆變器部5的電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)來決定。激磁頻率ωr變低、相對于電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)，激磁頻率ωr的周期一方長時，給電源開關(guān)元件施加與電壓指令所對應的正弦波電流具有相同振幅的直流電流流動時同樣的負荷。因此，在由熱時間常數(shù)決定的規(guī)定激磁頻率ω1以下的區(qū)域內(nèi)，通過隨著激磁頻率ωr降低而降低閾電平Lt，就會如后所述那樣降低電流值的極限值，從而進行電源開關(guān)元件的保護。
在PWM頻率設定處理部8中，由按以上那樣求出的閾電平Lt、用參數(shù)設定的磁滯Lh(后述)和電流反饋信號If來決定PWM頻率。在本實施方式中，將PWM頻率切換為6kHz和12kHz。另外，如圖1所示，在本實施方式中，使電流反饋信號If在通過時間常數(shù)較大的濾波器9之后，輸入到PWM頻率設定處理部。這是為了防止PWM頻率切換時發(fā)生振蕩。
用圖3說明使PWM頻率(PWM周期)相應于經(jīng)由濾波器9輸入的電流反饋信號If切換成6kHz或12kHz。該切換依存于分別用參數(shù)設定的閾電平Lt和磁滯Lh。
在圖3的例子中，電流反饋信號If小時，PWM頻率保持為12kHz，但超過閾電平Lt時，PWM頻率就被切換為6kHz。而且，電流反饋信號If處于比閾電平Lt大的狀態(tài)時，PWM頻率保持在6kHz。
另一方面，處于超過閾電平Lt狀態(tài)的電流反饋信號If變小、成為從閾電平Lt中減去磁滯Lh的值(Lt-Lh)以下時，在該時刻，PWM頻率從6kHz切換成12kHz。然后，電流反饋信號If處于(Lt-Lh)以下的狀態(tài)時，PWM頻率保持在12kHz。
如上所述，在PWM頻率設定處理部8進行PWM頻率的切換處理，將6kHz或者12kHz的PWM頻率輸出到電流控制器4及逆變器部5中。
用圖4說明PWM頻率(PWM周期)的切換。在圖4中用虛線圍起的部分是逆變器部5，由三角波發(fā)生電路51、比較器52及電源開關(guān)部53構(gòu)成。
用PWM頻率設定處理部8求出的PWM頻率，在如上所述那樣被輸入到所述的電流控制器4中的同時，設定在逆變器部5的三角波發(fā)生電路51的頻率設定寄存器中。三角波發(fā)生電路51輸出該設定頻率的三角波。逆變器部5的比較器52把來自電流控制器4的電壓指令和來自三角波發(fā)生電路51的三角波進行比較，將PWM指令向電源開關(guān)部53輸出。電源開關(guān)部53根據(jù)PWM指令，把電源開關(guān)元件進行接通/斷開控制，使驅(qū)動電流流入主軸電動機10的線圈中，驅(qū)動主軸電動機10。
圖5是實行電流控制的處理器在每規(guī)定周期內(nèi)實行的所述PWM頻率的切換控制處理的流程圖。
首先，讀入激磁頻率ωr(步驟S1)、判斷該激磁頻率ωr是否比設定的參數(shù)值ω1小(步驟S2)，如果小，用下述(1)式求出閾電平Lt(步驟S3)。
Lt＝L0+(L1-L0)×(ωr/ω1)(1)另一方面，如果該激磁頻率ωr在參數(shù)值ω1以上，將閾電平Lt取為設定參數(shù)值L1(步驟S4)。
然后，判斷現(xiàn)在的PWM頻率的設定值是否為12kHz(步驟S5)。另外，該電動機驅(qū)動控制裝置接通電源時，通過初期設定把PWM頻率設定為12kHz?，F(xiàn)在的PWM頻率的設定值是12kHz時，判斷經(jīng)由濾波器9得到的電流反饋值If是否在求出的閾電平Lt以下(步驟S6)，如果在以下，將PWM頻率設置為12kHz(步驟S7)。另外，當在步驟6判斷電流反饋值If超過閾電平Lt時，將PWM頻率設置為6kHz(步驟S9)。這樣，激磁頻率ωr變小時，由所述(1)式，閾電平Lt變小，減小將PWM頻率保持為12kHz的電流極限值。
即，減小在步驟S6中的將PWM頻率從12kHz切換成6kHz的電流反饋值If，隨著激磁頻率ωr變小，在電流值小的狀態(tài)下將PWM頻率切換成6kHz，就可以保護電源開關(guān)元件。
另外，在步驟5中判斷出現(xiàn)在的PWM頻率不是12kHz(即，是6kHz)時，判斷電流反饋值If是否在從閾電平Lt中減去設定的磁滯Lh的值(Lt-Lh)以上(步驟S8)，在(Lt-Lh)以上的場合，將PWM頻率設置為6kHz(步驟S9)。另外，電流反饋值If超過(Lt-Lh)變小時，將PWM頻率設置為12kHz(步驟S7)。
按照所述那樣進行，可以切換PWM頻率。藉此，在電動機速度的加減速過程中等情況下，當電動機驅(qū)動電流大時，可以將PWM頻率切換成6kHz的低頻率，因此，PWM周期變長，電源開關(guān)元件的開關(guān)次數(shù)減少，從而抑制了驅(qū)動裝置的發(fā)熱。另外，當電動機的驅(qū)動電流小、在驅(qū)動裝置的發(fā)熱可允許的電流的大小的范圍內(nèi)時，將PWM頻率切換成12kHz，就可以縮短PWM周期，從而抑制電動機的發(fā)熱。
權(quán)利要求
1.主軸電動機驅(qū)動控制裝置，用脈沖幅度調(diào)制方式驅(qū)動機床的主軸電動機，其特征在于，通過由電流值的大小來變更進行脈沖幅度調(diào)制的周期，以抑制電動機及驅(qū)動裝置的發(fā)熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，電流值大的場合，通過增長脈沖幅度調(diào)制的周期，以降低驅(qū)動裝置的發(fā)熱，電流值比閾值小的場合，通過縮短脈沖幅度調(diào)制的周期，以降低電動機的發(fā)熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更高的場合，將切換PWM頻率的電流極限值取為一定值，另一方面，激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更低的場合，依存于激磁頻率而減小電流極限值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更高的場合，將變更脈沖幅度調(diào)制的頻率的電流值的閾電平取為一定值，激磁頻率比用電源開關(guān)元件的熱時間常數(shù)決定的頻率更低的場合，依存于激磁頻率而減小閾電平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，所述電流值的大小由經(jīng)由濾波器得到的電流反饋信號的大小進行判斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，由電流值的大小進行的脈沖幅度調(diào)制的周期依存于磁滯現(xiàn)象而切換。
7.主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，由以下部分構(gòu)成電流控制器，根據(jù)電流指令、電流反饋值、激磁頻率和PWM頻率生成電壓指令逆變器部，接收來自電流控制器的電壓指令、生成PWM指令；PWM頻率設定單元，接收所述電流反饋值和閾電平，設定向所述電流控制器輸出的PWM頻率；閾電平計算單元，接收所述激磁頻率，計算向所述PWM頻率設定單元輸出的閾電平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，通過經(jīng)由濾波器向所述PWM頻率設定單元輸入電流反饋值，以防止由PWM頻率切換造成的振蕩。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的主軸電動機驅(qū)動控制裝置，其特征在于，對所述PWM頻率設定單元，除了供給電流反饋值及閾電平以外，還供給磁滯值，根據(jù)這些電流反饋值、閾電平及磁滯值，設定向所述電流控制器輸出的PWM頻率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種主軸電動機驅(qū)動控制裝置。通過把輸入到生成賦予主軸電動機的逆變器部的電流控制器的PWM頻率，相應于電流反饋值多級地切換，從而可以抑制電動機及驅(qū)動裝置的發(fā)熱。
文檔編號H02P6/00GK1578108SQ20041006973
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月11日
發(fā)明者巖下平輔, 秋山隆洋, 森田有紀 申請人:發(fā)那科株式會社