(57)【要約】【課題】主軸制御装置において、特別な装置を利用することなく、マーカ検出後も所望の回転方向に滑らかに動作できるようにすることである。【解決手段】主軸制御装置は、起動電流スローアップ処理部３と、定常制御電流演算部６と、起動電流・定常制御電流重畳演算部１６とを備える。起動電流・定常制御電流重畳演算部１６は、起動電流値を一定もしくは時間経過に応じて小さくし、定常制御電流値を時間経過に応じて大きくして加算されて重畳電流指令値とされる。電流指令切換部９の機能により、電流制御部１１には、マーカ信号が出るまでは起動電流値が出力され、マーカ信号が出て設定移行期間が経過するまでは重畳電流値が出力され、設定移行期間後は定常制御電流が出力される。【選択図】図１
2012010487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機によって回転駆動される主軸を制御する制御装置であって、
主軸の一回転毎にマーカ信号を出力するとともに、主軸の所定角度の回転毎にインクリメンタル信号を出力する回転位置検出器と、
インクリメンタル信号に基づいて主軸の回転速度を検出し速度検出値を出力する速度検出部と、
目標とする速度指令値と速度検出値との偏差に基づく制御により同期電動機に対する定常制御電流指令を生成する速度制御部と、
主軸が起動時に追従可能な一定周波数の交流信号に対し振幅を０から次第に増大させて同期電動機に対する起動電流指令を生成する起動電流スローアップ処理部と、
起動電流から定常制御電流への移行区間の電流指令を演算する重畳電流演算部と、
を備え、
重畳電流演算部は、マーカ信号検知後に起動電流指令を一定値または設定時間にて０へ減少させ、また定常制御電流指令を０から設定時間で増大させ、起動電流指令と定常制御電流指令を加算することで重畳電流指令を演算することを特徴とする主軸制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の主軸制御装置において、
マーカ信号検出時に、起動電流指令から重畳演算部が出力する電流指令へ速やかに切り換える電流指令切換部を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸を駆動制御する主軸制御装置に関するものであり、特に主軸に直接もしくは直結してリラクタンス型電動機や、ＩＰＭ電動機と略記される埋め込み磁石型電動機等の交流同期電動機を取付けたタイプの主軸制御装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、工作機械の主軸を駆動する電動機としては誘導電動機が一般的に使用されてきた。しかし、誘導電動機は回転子に二次導体を持つという構造的特徴および動作原理上、効率が低くなり、また主軸に二次導体の発熱が伝わるため、温度上昇によって主軸が熱膨張し、加工精度が悪化するなどの課題がある。このため、近年は主軸駆動用として誘導電動機の代わりにリラクタンス型電動機やＩＰＭ電動機などの同期電動機を使う傾向にある。
【０００３】
これら同期電動機の特徴として、電動機巻線に通電する交流電流の位相を回転子位置に同期して制御する必要がある。しかしながら、一般的に主軸の回転位置すなわち回転子位置を検出する位置検出器は、一回転毎に一回出力されるマーカ信号と、所定の微小角度を回転する毎に周期的なパルス、もしくは正弦波をインクリメンタル信号として出力する方式のものが多く、マーカ信号出力後のインクリメンタル信号をカウントすることによって回転子位置が検出できるが、マーカ信号出力前は電源投入時の回転子位置を起点とする回転子位置変化のみが検出でき、回転子の絶対位置を検出することができない。このため、マーカ通過前においては、電動機に対して適切な電流を通電することができないため発生トルクを制御することができず、指令した回転方向に対して逆方向に回転する場合がある。
【０００４】
従来技術として、特許文献１には、起動時の回転方向を正しく制御できる主軸制御装置の構成が開示されている。
【０００５】
例えば図４に示すような従来技術において、電動機１４によって回転駆動される主軸に対し、回転制御を行う主軸制御装置において、主軸の一回転毎にマーカ信号を出力するとともに、主軸の所定角度の回転毎にインクリメンタル信号を出力する回転位置検出器１５と、インクリメンタル信号に基づいて主軸の回転速度を検出し、速度検出値を出力する速度検出部７と、目標とする速度指令値と速度検出値との偏差に基づく制御により、同期電動機に対する定常制御電流指令を生成する速度制御部５と、主軸が起動時に追従可能な周波数の交流信号に対し、振幅を０から次第に増大させて、同期電動機に対する起動電流指令を生成する起動電流スローアップ処理部３と、電動機１４に通電する電流指令として、起動時には起動電流指令を与え、マーカ信号を検知した後には定常制御電流指令を与える電流指令切換部９と、を備え、起動電流スローアップ処理部３は、速度検出値によって速度指令値と逆方向に回転したことを検出した場合には、起動電流指令の振幅を少なくとも回転検出前の値より小さな値に戻して振幅の増大を継続する。ここで、マーカ検出後においては、電流指令切換部９は、起動電流指令から定常制御電流指令へ瞬時に切り替わる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３６４４０８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の従来技術に記載される方法、すなわち上記特許文献１に示される方法においては以下の課題がある。
【０００８】
図５に示すように電流指令切換部が起動電流指令から定常制御電流指令へ切り換わった直後のマーカ通過時刻：ｔ０に、定常制御電流指令は０から徐々に大きくなるため、静摩擦トルク以上の電流になるまでの間、実質、電動機は負荷に対するトルクを発生することができず、非制御状態となる。そのため、非制御状態の期間は主軸に取り付けられた負荷の状態、例えば、偏重量のワークピースが取り付けられた状態などによっては重力の影響を受け、所望する方向や速度以外の回転動作する可能性がある。
【０００９】
本発明は、以上の従来技術の課題を解決するものであり、本発明の主目的は、リラクタンス型電動機やＩＰＭ電動機を利用する工作機械の主軸制御装置において、回転位置検出器としては安価なインクリメンタル信号とマーカ信号を用いるものを利用し、この他に特別な装置を利用することなく、マーカ検出後も所望の回転方向に滑らかに動作できる主軸制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る主軸制御装置は、同期電動機によって回転駆動される主軸を制御する制御装置であって、主軸の一回転毎にマーカ信号を出力するとともに、主軸の所定角度の回転毎にインクリメンタル信号を出力する回転位置検出器と、インクリメンタル信号に基づいて主軸の回転速度を検出し速度検出値を出力する速度検出部と、目標とする速度指令値と速度検出値との偏差に基づく制御により同期電動機に対する定常制御電流指令を生成する速度制御部と、主軸が起動時に追従可能な一定周波数の交流信号に対し振幅を０から次第に増大させて同期電動機に対する起動電流指令を生成する起動電流スローアップ処理部と、起動電流から定常制御電流への移行区間の電流指令を演算する重畳電流演算部と、を備え、重畳電流演算部は、マーカ信号検知後に起動電流指令を一定値または設定時間にて０へ減少させ、また定常制御電流指令を０から設定時間で増大させ、起動電流指令と定常制御電流指令を加算することで重畳電流指令を演算することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る主軸制御装置において、マーカ信号検知時に、起動電流指令から重畳演算部が出力する電流指令へ速やかに切り換える電流指令切換部を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
上記の方法は、特別な外部装置を必要とせず、電流指令切換部の処理を変更し、起動電流と定常制御電流の処理方法を変更することで実現でき、簡便で使いやすいシステムを提供することができる。
【００１３】
本発明によれば、例えば、リラクタンス型電動機やＩＰＭ電動機を利用する工作機械の主軸制御装置において、回転子位置が検出できない状況においても、滑らかに主軸を起動することができるので、回転位置検出器として安価なインクリメンタル信号とマーカ信号を用いるものを利用することができ、システムを安価に構成することができる上、偏重量のワークピースが主軸に取り付けられた場合も、重力の影響を受け、所望する方向や速度以外の回転動作を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態の主軸制御装置を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態の起動電流・定常制御電流重畳演算部の処理を説明した図である。
【図３】本実施の形態の動作を説明するタイムチャートである。
【図４】従来技術による主軸制御装置の一例を示すブロック図である。
【図５】従来技術による動作を説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る実施形態を、図面を用いて説明する。以下では、主軸として、工作機械の主軸を説明するが、これは説明のための例示であって、工作機械以外の回転機械の主軸であってもよい。従来技術の説明で用いた図４、図５の番号、記号は特に断りがない限り同一機能・動作をするものである。
【００１６】
図１に本発明の一実施形態である主軸制御装置のブロック図を示す。図中の速度制御部５、定常制御電流演算部６、電流制御部１１、インバータ１２は一般的な主軸制御装置に共通のものであるので、その機能を簡単に説明する。速度制御部５は外部から入力された速度指令と速度検出部７が検出した速度検出値に基づいてトルク指令値を演算する。次に定常制御電流演算部６は、このトルク指令値に応じて電動機に通電する定常制御電流の振幅を演算し、定常制御電流の位相角度は角度信号検出部８から入力された位置検出値を用いることによって回転子位置に同期した電流指令を出力する。電流制御部１１は上記電流指令と電流検出部１３によって検出された電流検出値との偏差に基づいてインバータ１２へ出力する電圧指令値を演算しており、電動機１４に通電される電流を電流指令値どおりにフィードバック制御している。
【００１７】
図１の主軸制御装置において、電源投入直後でエンコーダである回転位置検出器１５がまだマーカ信号を出力していない状態における起動制御について説明する。このとき、磁極原点検出部１０はマーカ信号が出力されていないことを検出しており、マーカ未通過信号を電流指令切換部９と起動電流・定常制御電流重畳演算部１６に出力している。このとき電流指令切換部９は電流制御部１１に入力する電流指令を、トルク指令に基づいて定常制御電流演算部６が演算したものに代えて起動電流スローアップ処理部３が出力したものに切り換えている。また、起動電流指令発生部２は予め設定された一定の周波数の交流信号を発生しており、その位相回転方向は極性判別部１の出力信号に基づいて速度指令と同一方向としている。そして、この交流信号を元にして後述する起動電流スローアップ処理部３が振幅を決定することによって電流指令が演算される。なお、起動電流指令発生部２の出力する交流信号の周波数は、安全性等を考慮して数１０回転／分程度の低周波に設定する。
【００１８】
起動電流スローアップ処理部３は起動電流指令発生部２から受けた交流信号を元に、外部から入力された運転指令と起動方向判定部４から入力された逆方向信号に応じて電流振幅のスローアップ処理を行い、起動電流指令を算出する。
【００１９】
磁極原点検出部１０がマーカ信号を検出した後の動作について説明する。
磁極原点検出部１０は、マーカ通過信号を電流指令切換部９と重畳電流演算部である起動電流・定常制御電流重畳演算部１６に出力する。電流指令切換部９は、起動電流スローアップ処理部３が出力していた起動電流指令から、起動電流・定常制御電流重畳演算部１６が出力する重畳電流指令へ切り換える機能を持つ。
【００２０】
次に起動電流・定常制御電流重畳演算部１６の処理について図２を用いて説明する。図２（ａ）に起動電流・定常制御電流重畳演算部１６の内部構成を示すものであり、起動電流Ｉｓを処理する起動電流スローダウン処理部１６１と定常制御電流Ｉｎを処理する定常制御電流スローアップ処理部１６２で構成される。起動電流スローダウン処理部１６１は、起動電流に任意の定数Ｋｓを乗じる機能を持ち、定常制御電流スローアップ処理部１６２は、定常制御電流に任意の定数Ｋｎを乗じる機能を持つ。起動電流スローダウン処理部１６１の演算結果と、定常制御電流スローアップ処理部１６２の演算結果を加算器１６３にて加算することで、重畳電流指令Ｉｏとして出力する。
【００２１】
図２（ｂ）はマーカ位置通過後の起動電流スローダウン処理部１６１の処理を示すものであり、定数Ｋｓは任意設定時間ｔｓの間、一定値、もしくは０へ時間に応じて減少する。
【００２２】
また、図２（ｃ）は定常制御電流スローアップ処理部１６２の処理を示すものであり、定数Ｋｎは定常制御電流を任意の設定時間ｔｓの間、０から時間に応じて増大させる。任意の設定時間ｔｓは、起動電流スローダウン処理部１６１と定常制御電流スローアップ処理部１６２で基本的に同一とするが、用途に応じて異なる時間に設定しても良い。起動電流スローダウン処理部１６１によりスローダウン処理された起動電流と、定常制御電流スローアップ処理部１６２によりスローアップ処理された定常制御電流を加算器１６３にて重畳した電流指令Ｉｏを生成し、電流指令切換部９へ出力する。任意の設定時間ｔｓ経過後は、定常制御電流のみを電流指令切換部９へ出力する。
【００２３】
なお、起動電流の位相はオープンループで制御されており、制御される負荷角は不定である。しかし、回転子が回転している間は不定ながらも、ほぼ電流位相は所望の負荷角が保持されているものと見なすことができ、すなわち起動電流のみを通電している間も電動機はトルクを発生しておりトルク制御がされている。よって、オープンループ制御とは言えども所望の方向に回転するような位相の電流が通電されているため、フィードバック制御による定常制御電流と同方向のトルクを発生する電流指令である。よって、それぞれ重畳しても暴走したり、急に逆転するなどの問題は発生しない。また、万が一、電流位相が大幅にずれたとしても、起動電流振幅は、定常制御電流の振幅に比べて十分小さいため、暴走することはない。
【００２４】
起動開始からの動作例を図３のタイムチャートに基づいて説明する。まず運転指令が入力されると速度制御部５の出力するトルク指令が発生するが、このトルク指令を受けて定常制御電流演算部６が出力する電流指令は、起動電流・定常制御電流重畳演算部１６を通り、電流指令切換部９において電流制御部１１とは切り離されている。そして、起動電流スローアップ処理部３は起動電流指令発生部２から入力された交流信号を元にして振幅が０から次第に大きくなる起動電流指令を出力する。この電流指令は後段の電流指令切換部９に入力され、後段の電流制御部１１へ出力する。電流制御部１１に入力された後、電動機１４は０から次第に大きくなる交流トルクを発生し、この発生トルクが静摩擦トルクを超えると主軸は回転を開始する。
【００２５】
起動電流指令によって電動機が回転を始めた後は、暫らくするとエンコーダからマーカ信号が出力される。このとき、磁極原点検出部１０は電流指令切換部９に対して出力しているマーカ未通過信号をオフする。これを受けて電流指令切換部９は電流制御部１１に入力する電流指令を、起動電流スローアップ処理部３の出力から起動電流・定常制御電流重畳演算部１６の出力へ切り替える。同時に、起動電流・定常制御電流重畳演算部１６は、起動電流指令をスローダウン処理し、設定時間の間に、一定値または、時間に応じて０へ減少させていく。それと同時に、定常制御電流指令をスローアップ処理し、設定時間の間に、時間に応じて０から増加させ、上記スローダウン処理をした起動電流指令と上記スローアップ処理をした定常制御電流指令の和を電流指令として出力する。設定時間の経過後は、トルク指令に基づいて定常制御電流演算部６が出力した電流指令のみを出力する。定常制御電流演算部６が出力する電流指令は電動機１４の回転子位置に対応して位相角を正しく制御された指令であり、電動機１４の発生トルクを精度良く制御できるものであるため、その後は電動機１４の速度は速度制御部５の機能によって精密にフィードバック制御される。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る主軸制御装置は、リラクタンス型電動機、埋め込み磁石型電動機等の交流同期電動機を用いて駆動される回転機械の制御装置に利用できる。
【符号の説明】
【００２７】
１  極性判別部、２  起動電流指令発生部、３  起動電流スローアップ処理部、４  起動方向判定部、５  速度制御部、６  定常制御電流演算部、７  速度検出部、８  角度信号検出部、９  電流指令切換部、１０  磁極原点検出部、１１  電流制御部、１２  インバータ、１３  電流検出部、１４  電動機、１５  回転位置検出器、１６  起動電流・定常制御電流重畳演算部、１６１  起動電流スローダウン処理部、１６２  定常制御電流スローアップ処理部、１６３  加算器。
【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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