(57)【要約】【課題】  。【解決手段】  母線の電圧を検出して母線電圧信号を発生する電圧検出器１１１と、入力された電動機３により定まる定数と、母線電圧信号とに基づいて速度検出信号ωmに対する電動機３の出力可能なトルクτmax(ω)を求めるトルク算出手段５１０と、入力信号として速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値器５０４と、ｑ軸電機子電流Ｉqを流す入力信号としてのｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づいて電動機３の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値器３と、絶対値速度検出信号に対する絶対値発生トルク、トルクτmax(ω)をＸ，Ｙ軸上に表示する表示信号を発生する波形作成手段５１２と、表示信号に基づいて画面に表示するＣＲＴ画面５２０とを備えたものである。【選択図】        図１
2005045958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母線を有すると共に、機械負荷を駆動する電動機から検出された速度検出信号ωｍを用いてｑ軸電機子電流Ｉq、ｄ軸電機子電流Ｉdを制御する制御装置からの入力された入力信号に基づいて前記電動機の特性を表示する電動機のモニター装置であって、
前記母線の電圧を検出して母線電圧信号を発生する電圧検出手段と、
入力された前記電動機により定まる定数と、前記母線電圧信号とに基づいて前記速度検出信号ωmに対する前記電動機の出力可能なトルクτmax(ω)を求める第１のトルク算出手段と、
前記入力信号として前記速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値手段と、
前記ｑ軸電機子電流Ｉqを流す前記入力信号としてのｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づいて前記電動機の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値手段と、
前記絶対値速度検出信号に対する前記絶対値発生トルク、前記トルクτmax(ω)をＸ，Ｙ軸上に表示する表示信号を発生する第１の波形作成手段と、
前記表示信号に基づいて画面に表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする電動機のモニター装置。
【請求項２】
母線を有すると共に、機械負荷を駆動する電動機から検出された速度検出信号ωｍを用いてｑ軸電機子電流Ｉq、ｄ軸電機子電流Ｉdを制御する制御装置からの入力された入力信号に基づいて前記電動機の特性を表示する電動機のモニター装置であって、
入力された前記電動機により定まる定数と、予め定められた前記母線の電圧とに基づいて前記速度検出信号ωｍに対する前記電動機の出力可能なトルクτmax(ω)を求める第２のトルク算出手段と、
前記入力信号として前記速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値手段と、
前記ｑ軸電機子電流Ｉqを流す前記入力信号としての前記ｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づく前記電動機の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値手段と、
前記絶対値速度検出信号に対する前記絶対値発生トルク、前記トルクτmax(ω)をＸ，Ｙ軸上に表示する表示信号を発生する第１の波形作成手段と、
前記表示信号に基づいて画面に表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする電動機のモニター装置。
【請求項３】
複数種類の前記電動機に対応した定数を記憶する記憶手段と、
前記電動機の位置を検出すると共に、位置検出信号を発生する位置検出器からの前記電動機の識別情報に基づいて前記記憶手段から読み出した対応する前記電動機の前記定数である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機のモニター装置。
【請求項４】
前記定数は、各相のインダクタンス、極数、電機子鎖交磁束の最大値である、ことを特徴とする請求項３に記載の電動機のモニター装置。
【請求項５】
機械負荷を駆動する電動機から検出された速度検出信号ωｍを用いてｑ軸電機子電流Ｉq、ｄ軸電機子電流Ｉdを制御する制御装置から入力された入力信号に基づいて前記電動機の特性を表示する電動機のモニター装置であって、
前記速度検出信号ωｍに対する前記電動機の出力可能なトルクτmax(ω)を記憶したテーブルと、
前記入力信号として前記速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値手段と、
前記ｑ軸電機子電流Ｉqを流す前記入力信号としてのｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づいて前記電動機の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値手段と、
前記絶対値速度検出信号に対する前記絶対値発生トルクと、前記テーブルから前記絶対値速度検出信号に対応して読み出した前記トルクτmax(ω)とを読み出してＸ，Ｙ軸に表示する表示信号を発生する第２の波形作成手段と、
前記表示信号に基づいて画面に表示する表示手段と、
を備えたことを特徴とする電動機のモニター装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械やロボットなどの産業用機械に用いられる電動機のモニター装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電動機のモニター装置では、特許文献１に記載のように、制御装置内で一定時間にサンプリングされた電動機の回転速度や出力トルクなどの制御信号または電動機状態信号をモニター装置で表示している。したがって、電動機の状態をモニターリングすることができるものである。
【特許文献１】特開平６−２７８１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記電動機のモニター装置は、電動機からの発生トルクが出力可能トルクの範囲を超えて使用したり、電動機の加速時にトルク不足になって僅かな時間振動したりしていても、かかる現象を即座に視認しにくいという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、機械負荷を駆動する電動機が、該電動機の出力可能トルクの範囲内で運転しているか否かを速やかに確認できるような電動機のモニター装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明に係る電動機のモニター装置は、母線を有すると共に、機械負荷を駆動する電動機から検出された速度検出信号ωｍを用いてｑ軸電機子電流Ｉq、ｄ軸電機子電流Ｉdを制御する制御装置からの入力された入力信号に基づいて前記電動機の特性を表示する電動機のモニター装置であって、前記母線の電圧を検出して母線電圧信号を発生する電圧検出手段と、入力された前記電動機により定まる定数と、前記母線電圧信号とに基づいて前記速度検出信号ωmに対する前記電動機の出力可能なトルクτmax(ω)を求める第１のトルク算出手段と、前記入力信号として前記速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値手段と、前記ｑ軸電機子電流Ｉqを流す前記入力信号としてのｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づいて前記電動機の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値手段と、前記絶対値速度検出信号に対する前記絶対値発生トルク、前記トルクτmax(ω)をＸ，Ｙ軸上に表示する表示信号を発生する第１の波形作成手段と、前記表示信号に基づいて画面に表示する表示手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
第２の発明に係る電動機のモニター装置は、母線を有すると共に、機械負荷を駆動する電動機から検出された速度検出信号ωｍを用いてｑ軸電機子電流Ｉq、ｄ軸電機子電流Ｉdを制御する制御装置からの入力された入力信号に基づいて前記電動機の特性を表示する電動機のモニター装置であって、入力された前記電動機により定まる定数と、予め定められた前記母線の電圧とに基づいて前記速度検出信号ωｍに対する前記電動機の出力可能なトルクτmax(ω)を求める第２のトルク算出手段と、前記入力信号として前記速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値手段と、前記ｑ軸電機子電流Ｉqを流す前記入力信号としての前記ｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づく前記電動機の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値手段と、前記絶対値速度検出信号に対する前記絶対値発生トルク、前記トルクτmax(ω)をＸ，Ｙ軸上に表示する表示信号を発生する第１の波形作成手段と、前記表示信号に基づいて画面に表示する表示手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
第３の発明に係る電動機のモニター装置は、複数種類の電動機に対応した定数を記憶する記憶手段と、前記電動機の位置を検出すると共に、位置検出信号を発生する位置検出器からの前記電動機の識別情報に基づいて前記記憶手段から読み出した対応する前記電動機の前記定数である、ことを特徴とするものである。
【０００８】
第４の発明に係る電動機のモニター装置における定数は、各相のインダクタンス、極数、電機子鎖交磁束の最大値である、ことを特徴とするものである。
【０００９】
第５の発明に係る電動機のモニター装置は、機械負荷を駆動する電動機から検出された速度検出信号ωｍを用いてｑ軸電機子電流Ｉq、ｄ軸電機子電流Ｉdを制御する制御装置から入力された入力信号に基づいて前記電動機の特性を表示する電動機のモニター装置であって、前記速度検出信号ωｍに対する前記電動機の出力可能なトルクτmax(ω)を記憶したテーブルと、前記入力信号として前記速度検出信号ωｍの絶対値となる絶対値速度検出信号を求める第１の絶対値手段と、前記ｑ軸電機子電流Ｉqを流す前記入力信号としてのｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrに基づいて前記電動機の発生トルクτaの絶対値となる絶対値発生トルクを求める第２の絶対値手段と、前記絶対値速度検出信号に対する前記絶対値発生トルクと、前記テーブルから前記絶対値速度検出信号に対応して読み出した前記トルクτmax(ω)とを読み出してＸ，Ｙ軸に表示する表示信号を発生する第２の波形作成手段と、前記表示信号に基づいて画面に表示する表示手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、第１の発明によれば、電動機の出力可能トルク以上の運転をしたり、母線電圧が低下した制御装置により電動機を駆動して該電動機の出力可能トルクが低下したりしても、出力可能なトルクτmax(ω)とｑ軸電機子電流に基づく発生トルクとが同時にＸ，Ｙ軸上に表示手段に表示するので、該表示を視認することによりトルクに基づく電動機の使用状態の是非を簡易に確認できるという効果がある。
【００１１】
第２の発明によれば、電動機の出力可能トルク以上の運転をしても、出力可能なトルクτmax(ω)とｑ軸電機子電流に基づく発生トルクとが同時にＸ，Ｙ軸上に表示手段に表示するので、該表示を視認することによりトルクに基づく電動機の使用状態の是非を簡易に確認できるという効果がある。
【００１２】
第３の発明によれば、複数種類の電動機のモニターを簡易な構成により実現できるという効果がある。
【００１３】
第４の発明によれば、数種類の電動機の定数により出力可能なトルクを求めることができるので、簡易な演算になるという効果がある。
【００１４】
第５の発明によれば、予め測定した速度検出信号に対する電動機の出力可能なトルクのテーブルを用いて、出力可能なトルクτmax(ω)とｑ軸電機子電流に基づく発生トルクとが同時にＸ，Ｙ軸上に表示手段に表示するので、該表示を視認することによりトルクに基づく電動機の使用状態の是非を簡易に確認できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１
本発明の一実施の形態を図１乃至図４によって説明する。図１は、一実施の形態を示すモニター装置を含む電動機の制御システムのブロック図、図２は図１に示す電動機のモニター装置に用いる電動機の定数テーブル図、図３は電動機の回転速度対する発生させることができる最大トルクに対応するｑ軸電機子電流(トルク分電流)Ｉｑの曲線を示す特性図、図４は図１に示すモニター装置のＣＲＴ画面を示す特性図である。
図１において、電動機の制御システム１は、電動機としての三相同期電動機３と、三相交流電源５から三相同期電動機３をｑ軸電機子電流Ｉｑ、ｄ軸電機子電流Ｉdに分けて制御すると共に、交流側及び直流側の母線を有する制御装置１００と、電動機３の回転位置を検出して位置検出信号を出力すると共に、三相同期電動機３の型名情報MIDを電源投入時に制御装置１００へ伝送できる送信手段を有する位置検出器２００と、三相同期電動機３により駆動される負荷としてのボールネジ３０１と該ボール３０１に螺合された可動台３０３とから成る機械負荷３００を有している。そして、制御装置１００から入力された入力信号に基づいて電動機３の特性を表示するモニター装置５００を有している。
【００１６】
制御装置１００は、メイン回路部と、制御回路部とから成っており、メイン回路部は、三相交流電源５を直流電圧に変換するコンバータ１０３と、コンバータ１０３の出力電圧を平滑して平滑した直流電圧を得るコンデンサ１０５と、該直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ１０７と、三相同期電動機３に流れる電流を検出して電流検出信号を発生する電流検出器１０９と、母線の直流電圧を検出し、任意の時定数でフィルタリングすると共に、母線電圧信号Ｖdcを発生する電圧検出器１１１とから成っている。
【００１７】
制御回路部は、位置指令信号と位置検出信号との差を求めて位置偏差信号を発生する減算器１５１と、位置偏差信号を入力して速度指令信号を発生する位置制御器１５３と、位置検出信号を微分して速度検出信号ωmを発生する微分器１５５と、速度指令信号と速度検出信号との差を求めて速度偏差信号を発生する減算器１５７と、速度偏差信号を入力して電流指令信号を発生する速度制御器１５９と、電流指令信号と電流検出信号との差となる電流偏差信号に基づいてインバータ１０７を制御すると共に、ｑ軸電機子電流指令信号Ｉqrを発生する電流制御器１６１と、電源投入時にａ側に投入されており、三相同期電動機３を駆動する際にはｂ側に投入されるスイッチ１７０と、ｑ軸電機子電流指令信号Ｉqr，速度検出信号ωm，型名情報MID，母線電圧信号Ｖdcを出力する出力インターフェイス１７２とから成っている。
【００１８】
モニター装置５００は、入力インターフェイス５０２と、速度検出信号ωｍの速度絶対値信号を求める第１の絶対値手段としての第１の絶対値器５０４と、前記ｑ軸電機子電流Ｉｑに基づく三相同期電動機３の発生トルクτaの絶対値発生トルク|τa|を求める第２の絶対値手段としての第２の絶対値器５０６と、三相同期電動機３により定まる定数と、母線電圧信号Ｖdcとに基づいて速度検出信号ωmに対する三相同期電動機３の出力可能なトルクτmax(ω)を求める第１のトルク算出手段５１０と、図２に示すように三相同期電動機３の型名に対応した定数を有するテーブル５１２と、第１の波形作成手段５１４と、表示手段としてのＣＲＴ画面５２０とを有している。
【００１９】
トルク算出手段５１０は、下記の演算を実行するように形成されている。まず、三相同期電動機３の端子電圧Ｖaは、電気学会技術報告第６１４号「制御用電磁アクチュエータの駆動システムに記載の第１６頁３．５式より」下式となる。
Ｖa＝{(ＲaＩd−ωＬqＩｑ)２＋(ＲaＩｑ＋ωφa＋ωＬdＩd)２}1/2
・・・(1)
ここに、Ｒa：電機子抵抗、ω：電気角速度
Ｌq，Ｌd：ｄ，ｑ軸インダクタンス
Φa：ｄｑ軸に変換された電機子鎖交磁束の最大値で(３／２) 1/2・Φf
φf：永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値
また、端子電圧Ｖaと母線電圧検出値(母線電圧検出信号)Ｖdcとの関係式は下記となる。
Ｖdc＝(２) 1/2・Ｖa                          ・・・(2)
ｄ軸電機子電流Ｉd＝０に制御して、ＲaＩｑ<<ωφaとしてｑ軸電機子電流Ｉｑを求めると下式となる。
Ｉｑ＝｛Ｖdc２／２−(ωφa)２｝1/2／ωＬ          ・・・(3)
ここで、電気角速度ωと回転角速度(速度検出信号)ωmとの関係の下記(4)式を(3)式に代入し、Ｌa＝Ｌb＝Ｌとして整理すると下記(5)式となる。
ω＝ｐ・ωm                                ・・・(4)
ここに、ｐ：極対数
Ｉｑ＝p｛Ｖdc２／２−(ｐ・ωm・φa)２｝1/2／ωmＬ            ・・・(5)
該(5)式はｑ軸電機子電流(トルク分電流)Ｉｑであるが、三相同期電動機３の発生するトルクτaに比例するので、三相同期電動機３の最大トルクτmaxをｑ軸電機子電流Ｉｑによりを示すことができる。そして、最大トルクτmaxを発生させるのに必要なｑ軸電機子電流Ｉｑは図３に示すように回転速度(速度検出信号)ωmに略反比例する特性であるが、低回転速度ω12以下では、インバータ１０７の最大電流の制限から最大トルクτmaxは一定の値にしている。
【００２０】
テーブル部５１２は、上記(5)式より三相同期電動機３の内部定数として、三相同期電動機３の種類毎に、すなわち、図２に示すように三相同期電動機３の型名毎Ａ，Ｂ，Ｃ・・に永久磁石による電機子鎖交磁束の最大値φf、各相インダクタンスＬ、極対数ｐの定数テーブルを有しており、位置検出器２００からの電動機型名情報MIDに基づいていずれかの定数テーブルが選択されるように形成されている。
【００２１】
波形作成手段５１４は、リアルタイムまたはバッファリングデータとして伝送されてきた信号を横軸に絶対値速度検出信号|ωｍ|、縦軸に絶対値発生トルク|τa|、出力可能なトルクτmaxに変換して波形としてＣＲＴ画面５２０に重ねて表示する表示信号を発生し、ＣＲＴ画面５２０に該表示信号を入力するように形成されている。
【００２２】
上記のように構成された電動機のモニター装置の動作を図によって説明する。まず、位置指令信号の発生により、三相交流電源５からコンバータ１０３を介して直流電圧を得てインバータ１０７により三相同期電動機３を駆動してボールネジ３０１、可動台３０３を駆動する。
制御装置１００は、位置指令信号と位置検出信号とにより位置偏差信号を減算器１５１により求め、位置制御器１５３が位置偏差信号に基づいて速度指令信号を発生し、微分器１５５が位置検出信号を微分して速度検出信号ωmを求める。減算器１５７が速度指令信号と速度検出信号ωmとの差となる速度偏差信号を求め速度制御器１５９に入力し、速度制御器１５９が電流指令信号を電流制御器１６１に入力する。一方、電圧検出器１１１が母線の電圧を検出して母線電圧信号Ｖdcを発生している。
【００２３】
電流制御器１６１は、上記直流母線電圧信号Ｖdc及び速度偏差信号に基づいてｑ軸電機子電流指令信号Ｉqr、ｄ軸電機子電流指令信号Ｉdr＝０を発生してインバータ１０７に与え、インバータ１０７にｑ軸電機子電流Ｉqが流れるように制御して三相同期電動機３を駆動する。速度検出信号ωm、ｑ軸電機子電流指令信号Ｉqr、母線電圧信号Ｖdcを、出力インターフェイス１７２を介してモニター装置５００の入力インターフェイス５０２に入力する。
第１の絶対値検出器５０４は、ｑ軸電機子電流Ｉｑの絶対値|Ｉq|を求め、第２の絶対値検出器５０６は、速度検出信号ωmの絶対値|ωm|を求めて波形作成手段５１４に入力する。
トルク算出手段５１０は、ｑ軸電機子電流Ｉｑと直流母線電圧Ｖdcと三相同期電動機３の内部定数としての極対数、電機子鎖交磁束の最大値φf、各相インダクタンスＬ、速度検出信号ωmとから上記式(5)によりｑ軸電機子電流(トルク分電流)Ｉｑを求めて波形作成手段５１２に入力する。波形作成手段５１４は、表示信号をＣＲＴ画面５２０のＸ軸に速度検出信号ωmを表示すると共に、Ｙ軸に発生トルクτa、最大トルクτmaxを図３に示すように表示する。
【００２４】
すなわち、出力可能トルク領域内に発生トルクτaの波形が入ることが望ましい運転状態である。ここで、三相同期電動機３の能力以上のトルク指令を与えている場合、例えば図４の力行側運転時(加速時)Ａ点のように最大トルクτmaxのラインを横切る点では、トルク不足となり三相同期電動機３の発生トルクτaが振動して残留振動が生じることがある。
また、回生側運転時(減速時)においては、減速時間よりも十分長い時定数にてフィルタリングした母線電圧値Ｖdcが上昇するためトルク指令にしたがうとした直流母線電圧に基づいて得られる最大トルクτmax以上の発生トルクτaを三相同期電動機３が発生する現象が生じるので、好ましいことではない。
【００２５】
上記のように、三相同期電動機３が機械負荷３００を駆動している時の、平均母線電圧に沿った速度検出信号(回転速度)ωmに対する出力可能トルクτmax(ω)に基づく曲線が描かれる。したがって、三相交流電源５等の電圧変動を考慮した出力可能トルクτmax(ω)に基づいて電動機の運転をチェックできる。なお、上記実施の形態では、母線電圧を直流母線電圧としたが、三相交流電源５側の母線電圧でも良い。
【００２６】
実施の形態２．
他の実施の形態を図５及び図６によって説明する。図５は、モニター装置を含む電動機の制御システムのブロック図、図６は図５に示すモニター装置の実測テーブル図である。図５中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し説明を省略する。
実施の形態１では、三相同期電動機３の可能な出力トルクτmax(ω)の曲線を三相同期電動機３の内部定数と母線電圧とから求めてＣＲＴ画面５２０のＸ，Ｙ軸上に表示するようにしたが、三相同期電動機３の出力可能なトルクτmax(ω)曲線を実測してテーブルを有していても良い。
【００２７】
図５において、モニター装置５００は、三相同期電動機３の型名毎Ａ，Ｂ，Ｃ・・に対応して図３に示す速度検出信号ω1，ω2・・ω5に対応する電動機３の出力可能なトルクτmax(ω)を作成して記憶された第２のテーブルとしての実測テーブル５２２と、上記絶対値発生トルクと、実測テーブル５２２から絶対値速度検出信号|ωm|に対応して読み出したトルクτmax(ω)とを読み出してＸ，Ｙ軸に重ねて表示する表示信号を発生する第２の波形作成手段５２４とを有している。
【００２８】
かかるモニター装置５００は、第２の波形作成手段５２４が絶対値速度検出信号|ωm|に対する絶対値発生トルク|τa|と、実測テーブル５２２から絶対値速度検出信号|ωm|に対応して読み出したトルクτmax(ω)とを読み出してＸ，Ｙ軸に重ねて表示する表示信号を発生してＣＲＴ画面５２０に入力して、表示信号に基づいてＣＲＴ画面５２０にトルクτmax(ω)、絶対値発生トルク|τa|を表示する
かかるモニター装置５００によれば、図１に示すトルク算出手段５１０が不要になるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
上記のように電動機と機械負荷が結合された電動機の可能出力トルクと実使用状態でのトルクとの比較をモニターする用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】一実施の形態を示すモニター装置を含む電動機の制御システムのブロック図である。
【図２】図１に示す電動機のモニター装置に用いる電動機の定数テーブル図である。
【図３】電動機の回転速度対ｑ軸電機子電流(トルク分電流)Ｉｑの特性を示す特性図である。
【図４】図１に示すモニター装置のＣＲＴ画面を示す特性図である。
【図５】他の実施の形態を示すモニター装置を含む電動機の制御システムのブロック図である。
【図６】図５に示すモニター装置の実測テーブル図である。
【符号の説明】
【００３１】
３  三相同期電動機、１１１  電圧検出回路、２００  位置検出器、３００  負荷機械、５０４  第１の絶対値器、５０６  第２の絶対値器、５１０  トルク算出手段、５１２，５２４  波形作成手段、５２０  ＣＲＴ表示画面。
【図１】
2005045958.tif 000003
【図２】
2005045958.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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