(57)【要約】【課題】  主軸モータと主軸モータ駆動制御装置の発熱を偏らずバランスよく抑制する。【解決手段】  励磁周波数ωｒがパワースイッチング素子の熱的な時定数によって決まる設定値より小さいときには、励磁周波数ωｒに応じてＰＷＭ周波数を切り替えるための電流値に対するスレショルドレベルＬｔを求める(Ｓ３)。励磁周波数ωｒが設定値より大きいときにはスレショルドレベルＬｔを一定値Ｌ１とする(Ｓ４)。ＰＷＭ周波数が１２ｋＨｚの状態で、モータ電流値がスレショルドレベルＬｔを越えると６ｋＨｚに切り替える(Ｓ６，Ｓ９)。ＰＷＭ周波数が６ｋＨｚの状態において、スレショルドレベルＬｔから設定ヒステリシスの量Ｌｈを減算した値を越えて小さくなると、ＰＷＭ周波数を１２ｋＨｚに切り替える(Ｓ８，Ｓ７)。電流値が大きいとＰＷＭ周波数を小さくし駆動装置の発熱を低減させ、電流値が小さいと該周波数を大きくしモータの発熱を低減する。【選択図】          図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸モータをパルス幅変調方式によって駆動する主軸モータ駆動制御装置であって、電流値の大きさによってパルス幅変調を行う周期を変更することによって、モータ及び駆動装置の発熱を抑制するようにしたことを特徴とする主軸モータ駆動制御装置。
【請求項２】
電流値が大きい場合にはパルス幅変調の周期を長くすることによって駆動装置の発熱を低減し、電流値がスレショルドより小さい場合にはパルス幅変調の周期を短くすることによりモータの発熱を低減することを特徴とする請求項１に記載の主軸モータ駆動制御装置。
【請求項３】
励磁周波数がパワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも高い場合にはＰＷＭ周波数を切り替える電流リミット値を一定値とし、励磁周波数がパワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも低い場合には励磁周波数に依存して電流リミットを小さくすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の主軸モータ駆動制御装置。
【請求項４】
パワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも励磁周波数が高い場合にはパルス幅変調の周波数を変更する電流値のスレショルドレベルを一定値とし、パワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも励磁周波数が低い場合には励磁周波数に依存してスレショルドレベルを小さくすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の主軸モータ駆動制御装置。
【請求項５】
前記電流値の大きさは、フィルタを介して得られた電流フィードバック信号の大きさによって判断する請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の主軸モータ駆動制御装置。
【請求項６】
電流値の大きさによって行うパルス幅変調の周期の変更は、ヒステリシスをもって切替変更するようにした請求項１乃至５の内いずれか１項に記載の主軸モータ駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸モータの駆動制御装置に関する。特に、インバータにより主軸モータの巻線にパルス幅変調された電圧を印加してモータに流れる電流を制御してモータを駆動制御するＰＷＭ方式の主軸モータ駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械の主軸を駆動するモータの制御には、主軸の速度を任意の速度に制御する必要があることから、電流指令と電流フィードバック値に基づいて計算した電圧指令値をＰＷＭ（パルス幅変調）方式によって、パルス幅変調し、この変調された電圧をモータの巻線に印加することによって、モータを駆動制御している。
【０００３】
電流制御器から出力された電圧指令と三角波と比較し、電圧指令が三角波の電圧より大きいか否かによって、インバータのパワースイッチング素子をオン／オフ制御してモータを駆動する。インバータのパワースイッチング素子をオン／オフ制御する際に、このパワースイッチング素子による直流電源の短絡を防止するために、パワースイッチング素子の切替時に不感帯を設けている。この不感帯があることから、ＰＷＭ周期（三角波の周期）が短いと不感帯の割合が増大し、トルクが減少する。このことから、加工精度や動作精度等の制御精度を必要とする場合には、ＰＷＭ周期を短くするように、又、トルクを必要な場合にはＰＷＭ周期を長くするように、プログラム中に指令しておき、ＰＷＭ周期を切り替えるようにした発明が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、モータを駆動するインバータ装置においては、モータ速度が低速で定トルクの状態では、騒音が大きく、モータ速度が速く定出力の領域では騒音が小さい。そのため、切替速度（規定速度）以下の定トルクの領域では、ＰＷＭ周波数を高くしモータ騒音を低減し、切替速度以上で低出力領域では、ＰＷＭ周波数を徐々に小さくし、騒音を少なくしたインバータ装置が知られている。また、位置指令モードでは、騒音が大きくなることから、位置指令モードのときのみＰＷＭ周波数を高くしモータ騒音を低減したもの、さらに、モータにかかる負荷が大きくなるほど、ＰＷＭ周波数を小さくすることによって、騒音を抑えると共に、パワースイッチング素子の発熱を抑えるようにしたものも知られている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２７５３９４号公報
【特許文献２】特許第３３０１１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＰＷＭ周期（ＰＷＭ周波数）を切り替えるものは上述したように、特許文献１，２に記載されている。しかし、特許文献１に記載されているものは、ＰＷＭ制御によるスイッチングの切り替わりにおける不感帯が出力トルクに影響することから、この不感帯の影響を軽減するためにＰＷＭ周期を変えるものである。また、特許文献２に記載されているものは、騒音を低減するためにＰＷＭ周期を変えるものである。
【０００７】
一方、ＰＷＭ周期を短くすると（ＰＷＭ周波数を高くすると）、パルス幅変調に伴ってモータに流れる電流に重畳される高周波成分が小さくなり、モータの発熱は小さくなる。しかし、インバータを構成するパワースイッチング素子のスイッチング回数が増加することから、駆動装置の発熱が増大する。
逆に、ＰＷＭ周期を長くすると（ＰＷＭ周波数を小さくすると）、パワースイッチング素子のスイッチング回数が減少し駆動装置の発熱が減少する代わりに、パルス幅変調に伴って電流に重畳される高周波成分が大きくなり、モータの発熱が増加する、という問題がある。
本発明の課題は、この問題を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、工作機械の主軸モータをパルス幅変調方式によって駆動する主軸モータ駆動制御装置であって、電流値の大きさによってパルス幅変調を行う周期を変更するによって、モータ及び駆動装置の発熱を抑制するようにしたことを特徴とする。電流値が大きい場合にはパルス幅変調の周期を長くすることによって駆動装置の発熱を低減し、電流値がスレショルドより小さい場合にはパルス幅変調の周期を短くすることによりモータの発熱を低減するようにしたものである。
【０００９】
より具体的には、励磁周波数がパワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも高い場合にはＰＷＭ周波数を切り替える電流リミット値を一定値とし、励磁周波数がパワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも低い場合には励磁周波数に依存して電流リミットを小さくするようにした。又は、パワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも励磁周波数が高い場合にはパルス変調の周波数を変更する電流値のスレショルドレベルを一定値とし、パワースイッチング素子の熱的時定数で決まる周波数よりも励磁周波数が低い場合には励磁周波数に依存してスレショルドレベルを小さくするようにした。
電流値の大きさによって行うパルス幅変調の周期の変更（ＰＷＭ周波数の切替）時にチャタリングが発生することを防止するために、電流値の大きさを判断するとき、フィルタを介して得られた電流フィードバック信号の大きさによって判断するようにした。また、パルス幅変調の周期の変更をヒステリシスをもって切替変更するようにした。
【発明の効果】
【００１０】
パルス幅変調にともなって発生する主軸モータに流れる電流に重畳される高周波成分による主軸モータの発熱と、パルス幅変調によるパワースイッチング素子のスイッチング動作による主軸モータ駆動制御装置側の発熱を考慮し、両者の発熱を偏らずバランスよく抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態の要部ブロック図である。
数値制御装置等の上位制御装置からの速度指令（若しくは位置ループ制御部からの速度指令）からモータ１０の速度を検出する速度検出器１１からの速度フィードバック信号を減算器１で減算し、速度偏差を求め、該速度偏差に基づいて速度制御器２が比例積分制御等の速度ループ処理を行いトルク電流指令を求める。該トルク電流指令と速度フィードバック信号に基づいて、励磁周波数計算処理部６で励磁周波数ωｒが求められる。
【００１２】
このトルク電流指令及び励磁周波数ωｒを求めるまでは従来のＰＷＭ方式によるモータ駆動制御装置と同一である。また、この従来のモータ駆動制御装置の電流制御器４では、トルク電流指令から図示しない電流検出器で検出されたモータ駆動電流の電流フィードバック信号を減算器３で減算して得られた電流偏差と励磁周波数ωｒ及び固定値であるＰＷＭ周波数（ＰＷＭ周期）に応じて計算した電流不感帯補正量からＰＷＭ指令を得るための電圧指令を求めていたが、電流不感帯の影響はＰＷＭ周波数に応じて変化することから、本発明では、ＰＷＭ周波数（ＰＷＭ周期）の変更を行うことにより、このＰＷＭ周波数を電流制御器に入力し、ＰＷＭ周波数に応じて電流不感帯補正量を計算するようにしている。
【００１３】
そして、本発明では、このＰＷＭ周波数（ＰＷＭ周期）を変更するための、スレショルドレベル計算処理部７，ＰＷＭ周波数設定処理部８，フィルタ９が加わっている点において従来と相違する。
すなわち、スレショルドレベル計算処理部７は、励磁周波数ωｒと設定されたパラメータに基づいて、ＰＷＭ周波数を変更するための主軸モータに流れる電流値に対するスレショルドレベルＬｔを求める。
【００１４】
図２は、このスレショルドレベル計算処理部７でのスレショルドレベルＬｔの計算処理の説明図である。この実施形態では、励磁周波数ωｒが「０」のとき（モータの速度が「０」のとき）のスレショルドレベルＬｔの値Ｌ０と、所定励磁周波数ω１、該所定励磁周波数ω１以上の励磁周波数領域におけるスレショルドレベルＬｔの値Ｌ１をパラメータとして設定し、この設定値と励磁周波数にωｒに基づいて、以下のようにスレショルドレベルＬｔを算出する。
ωｒ≧ω１のとき：Ｌｔ＝Ｌ１
ωｒ＜ω１のとき：Ｌｔ＝Ｌ０＋（Ｌ１−Ｌ０）×（ωｒ／ω１）
そして、パラメータとして設定される所定励磁周波数ω１は、インバータ部５を構成するパワースイッチング素子の熱的な時定数によって決定する。励磁周波数ωｒが低くなり、パワースイッチング素子の熱的な時定数に対して励磁周波数ωｒの周期の方が長くなるとパワースイッチング素子にとって、電圧指令に対応した正弦波電流振幅と同等の大きさを持つ直流電流が流れるのと同様の負荷がかかることになる。このため、熱的時定数で決まる所定励磁周波数ω１以下では、励磁周波数ωｒが下がるに応じて、後述するように電流値のリミットを下げるために、スレショルドレベルＬｔを下げて、パワースイッチング素子の保護を行うためである。
【００１５】
ＰＷＭ周波数設定処理部８では、こうして求められたスレショルドレベルＬｔと、電流フィードバック信号Ｉｆに基づいてＰＷＭ周波数を決定し切り替えるものであるが、本実施形態では、ＰＷＭ周波数切替のチャタリング発生を防止するために、電流フィードバック信号Ｉｆを時定数の大きなフィルタ９に通したものとし、さらに、ＰＷＭ周波数切替にパラメータで設定したヒステリシスＬｈを設けるようにしている。そして、本実施形態では、ＰＷＭ周波数を６ｋＨｚと１２ｋＨｚに切り替えるようにしている。
【００１６】
図３は、スレショルドレベルＬｔとヒステリシスＬｈによりフィルタ９を介して得られた電流フィードバック信号Ｉｆに基づいて、ＰＷＭ周波数（ＰＷＭ周期）の切替の説明図である。電流フィードバック信号Ｉｆが小さい状態では、ＰＷＭ周波数は１２ｋＨｚに保持される。電流フィードバック信号ＩｆがスレショルドレベルＬｔを越えると、ＰＷＭ周波数は６ｋＨｚに切り替えられる。電流フィードバック信号ＩｆがスレショルドレベルＬｔより大きい状態ではＰＷＭ周波数は６ｋＨｚに保持される。
【００１７】
一方、電流フィードバック信号Ｉｆが、スレショルドレベルＬｔを越えている状態から小さくなり、スレショルドレベルＬｔからパラメータで設定されているヒステリシスＬｈを差し引いた値（Ｌｔ−Ｌｈ）を越えて小さくなると、ＰＷＭ周波数は１２ｋＨｚに切替られ、該値に保持される。
以上のように、ＰＷＭ周波数設定処理部８では、ＰＷＭ周波数の切替処理を行って、ＰＷＭ周波数を電流制御器４及びインバータ部５に出力する。
【００１８】
図４は、ＰＷＭ周波数（ＰＷＭ周期）切替のブロック図である。図４で破線で囲った部分はインバータ５で構成される部分である。  
ＰＷＭ周波数設定処理部８で求められたＰＷＭ周波数は、前述したように電流制御器４に出力されると共に、インバータ部５の三角波発生回路５１の周波数設定レジスタに設定され、この設定された周波数の三角波が出力され、電流制御器４で求められた電圧指令とこの三角波が比較器５２で比較され、ＰＷＭ信号がパワースイッチング部に出力されパワースイッチング素子をオン／オフ制御して主軸モータ１０の巻線に駆動電流を流し、主軸モータ１０を駆動する。
【００１９】
図５は、電流制御を実行するプロセッサが所定周期毎実施する上述したＰＷＭ周波数の切替制御処理のフローチャートである。  
まず、励磁周波数ωｒを読み込み（ステップＳ１）、該励磁周波数ωｒが設定されているパラメータ値ω１より小さいか判断し（ステップＳ２）、小さければ、スレショルドレベルＬｔを、次の（１）式によって求める（ステップＳ３）。  
Ｌｔ＝Ｌ０＋（Ｌ１−Ｌ０）×（ωｒ／ω１）          …（１）
又、該励磁周波数ωｒがパラメータ値ω１以上であれば、スレショルドレベルＬｔを設定パラメータ値Ｌ１とする（ステップＳ４）。
【００２０】
そして、現在のＰＷＭ周波数の設定値が１２ｋＨｚか否か判断する（ステップＳ５）。なお、このモータ駆動制御装置に電源が投入されたときには、初期設定でＰＷＭ周波数は１２ｋＨｚに設定されている。現在のＰＷＭ周波数の設定値が１２ｋＨｚであると、フィルタ９を介して得られる電流フィードバック値Ｉｆが求めたスレショルドレベルＬｔ以下か判断し（ステップＳ６）、以下ならば、ＰＷＭ周波数を１２ｋＨｚにセットする（ステップＳ７）。又、ステップＳ６で電流フィードバック値ＩｆがスレショルドレベルＬｔを越えていると判断されたときには、ＰＷＭ周波数を６ｋＨｚにセットする（ステップＳ９）。このことは、励磁周波数ωｒが小さくなると上記（１）式によりスレショルドレベルＬｔは小さくなり、ＰＷＭ周波数を１２ｋＨｚに保持する電流リミット値を小さくする。すなわち、ステップＳ６でのＰＷＭ周波数を１２ｋＨｚから６ｋＨｚに切り替える電流フィードバック値Ｉｆを小さくして、励磁周波数ωｒが小さくなるにつれて電流値が小さい状態でＰＷＭ周波数を６ｋＨｚに切替て、パワースイッチング素子を保護する。
【００２１】
また、ステップＳ５で現在のＰＷＭ周波数が１２ｋＨｚではない。すなわち６ｋＨｚと判断されたときには、電流フィードバック値ＩｆがスレショルドレベルＬｔから設定ヒステリシスＬｈを減じた値（Ｌｔ−Ｌｈ）以上か否か判断し（ステップＳ８）、（Ｌｔ−Ｌｈ）以上の場合には、ＰＷＭ周波数を６ｋＨｚにセットする（ステップＳ９）。又、電流フィードバック値Ｉｆが（Ｌｔ−Ｌｈ）を越えて小さくなると、ＰＷＭ周波数を１２ｋＨｚにセットする（ステップＳ７）。
【００２２】
以上のようにして、ＰＷＭ周波数が切り替えられる。これにより、モータ速度の加減速中等で、モータの駆動電流が大きいときは、ＰＷＭ周波数は６ｋＨｚの低い周波数に切替られるので、ＰＷＭ周期は長くなり、パワースイッチング素子のスイッチング回数が減少し駆動装置の発熱は抑制される。又、モータの駆動電流が小さく、駆動装置の発熱が許容できる電流の大きさの範囲内では、ＰＷＭ周波数を１２ｋＨｚに切り替えて、ＰＷＭ周期を短くしモータの発熱を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態の要部ブロック図である。
【図２】同実施形態におけるスレショルドレベルの計算処理の説明図である。
【図３】同実施形態におけるＰＷＭ周波数の切替の説明図である。
【図４】ＰＷＭ周波数切替のブロック図である。
【図５】同実施形態における電流制御を実行するプロセッサが所定周期毎実施するＰＷＭ周波数の切替制御処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１、３  減算器
２  速度制御器
４  電流制御器
５  インバータ部
６  励磁周波数計算処理部
７  スレショルドレベル計算処理部
８  ＰＷＭ周波数設定処理部
９  フィルタ
１０  モータ
１１  速度検出器
５１  三角波発生回路
５２  比較器
５３  スイッチング部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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