エネルギー蓄積部を有するモータ制御装置
【課題】交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、を備えるモータ制御装置において、小型で低コストのモータ制御装置を実現する。
【解決手段】モータ制御装置１は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１１と、コンバータ回路１１の直流側に接続され、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路１２と、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部１３と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部１４と、を備える。
【解決手段】モータ制御装置１は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１１と、コンバータ回路１１の直流側に接続され、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路１２と、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部１３と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部１４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換したのちさらに交流電力に変換してこれを駆動電力とするモータを制御するモータ制御装置に関し、特に、交流電源から供給される電力およびモータから回生された電力を蓄積し、蓄積した電力をモータに供給することができるエネルギー蓄積部を有するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械システムにおいては、工作機械の駆動軸ごとにサーボモータ（以下、単に「モータ」と称する。）を有し、これらモータをモータ制御装置により駆動制御する。モータ制御装置は、工作機械の駆動軸を駆動する制御軸数分のモータに対し、モータ回転の位置、速度もしくはトルクを指令し制御する。
【０００３】
モータ制御装置は、三相の商用交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器であるコンバータ回路と、このコンバータ回路の直流側に接続され、コンバータ回路から出力された直流電力をモータ部の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換する直流−交流変換器であるインバータ回路とを備え、当該インバータ回路の交流側に接続されたモータ部のモータ回転の位置、速度もしくはトルクを制御する。
【０００４】
インバータ回路は、工作機械における複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給するためにモータの個数と同数個設けられることが多い。一方、コンバータ回路は、モータ制御装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数のインバータ回路に対して１個が設けられることが多い。すなわち、モータ制御装置では、単一のコンバータ回路で複数のインバータ回路に直流電力を供給するようにすることで、コンバータ回路を複数設ける場合に比べてコストや占有スペースを低減減している。
【０００５】
上述のように構成されたモータ制御装置においては、複数のモータ部を安定かつ確実に駆動できるようにするために、これら複数のモータのそれぞれに対し十分な駆動電力を確実に供給する必要があるので、三相の商用交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路の最大出力がこれら複数のモータの最大出力の合計値よりも大きいものとなるようなコンバータ回路を選定する必要がある。場合によっては、交流電源の容量を大きくすることもある。
【０００６】
このようなことから、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量の低減を目的として、コンバータ回路の直流側とインバータ回路の直流側には、交流電源から供給される電力およびモータから回生された電力を蓄積し、蓄積した電力を再びモータに供給することができるエネルギー蓄積部が設けられることがある。なお、この場合、モータから回生された交流電力を、エネルギー蓄積部で蓄積できる直流電力へ変換する必要があるので、インバータ回路は、直流電力を交流電力に変換するのみではなく、交流電力を直流電力に変換することもできる、すなわち交直両方向に変換可能である半導体電力変換器として構成される。このようなエネルギー蓄積部を設けることで、交流電源の最大出力あるいはコンバータ回路の最大変換出力（以下、単に「ピーク値」と称する。）を下げることによって交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減している。
【０００７】
エネルギー蓄積部として、例えばキャパシタがある。
【０００８】
またあるいは、エネルギー蓄積部としてフライホイールを用いたものもある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された発明は、交流電源に接続されたコンバータ回路の直流側の電圧と、複数のモータへ電流を流す複数のインバータ回路の直流側の電圧と、コンバータ回路の直流側およびインバータ回路の直流側に接続されたフライホイール蓄積装置の電圧とを、一括して制御するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−０２３５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このようなエネルギー蓄積部を有するモータ制御装置においては、コンバータ回路からインバータ回路へ流れ込む交流電流を検出し、この交流電流の検出値を用いてモータで消費もしくはモータから回生される電力を計算し、この電力に応じてエネルギー蓄積部に電力を蓄積したりエネルギー蓄積部から電力を出力させたりする制御が行われる。この直流電流の検出値をエネルギー蓄積部の制御に用いるために、モータ制御装置内には、直流電流の検出値からノイズ成分を除去するためのフィルタが設けられる。しかしながら、このフィルタにより電流検出値は時間的に遅れを持ったものとなってしまう。また、制御系およびエネルギー蓄積部が本来的に有する特性から、直流電流が検出されてからエネルギー蓄積部が蓄電動作もしくは供給動作を開始するまで時間的に遅れがどうしても生じてしまう。エネルギー蓄積部は上述のように遅れをもった電流検出値を用いて動作させるので、指令値に対する応答遅れは必然的に大きなものとなる。このような遅れによって、交流電源やコンバータ回路のピーク値をあまり下げることができず、このため、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量をあまり低減することができなかった。
【００１１】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、を備えるモータ制御装置において、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量が低減される、小型で低コストのモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を実現するために、本発明においては、モータ制御装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路の直流側に接続され、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、コンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部と、を備える。
【００１３】
制御部は、モータで消費もしくはモータから回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する電力計算部と、上記予測値に直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部を制御するエネルギー制御部と、を有する。また、制御部は、モータ動作指令とモータの回転に関する検出値とを用いて、モータ動作指令に従ってモータが動作するために必要な交流電流をインバータ回路が出力するようにする指令値である、インバータ回路に対する電流指令値を作成する電流指令値作成部を有する。
【００１４】
電力計算部は、上記インバータ回路に対する電流指令値と、モータの回転に関する検出値としてモータについて検出された角速度と、モータのトルク定数と、を乗算して予測値を算出してもよい。あるいは、電力計算部は、モータ動作指令としての角速度指令値と、この角速度指令値を微分して得られる角加速度指令値と、モータの駆動軸が有するイナーシャと、を乗算して予測値を算出してもよい。
【００１５】
また、コンバータ回路が交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものとしたとき、エネルギー制御部は、コンバータ回路が交流電力と直流電力とを相互に変換することができるコンバータ回路が有する最大変換許容電力を超えることがない範囲で、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。またあるいは、コンバータ回路が交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものとしたとき、エネルギー制御部は、コンバータ回路に接続された交流電源がコンバータ回路に供給することができる最大供給電力を超えることがない範囲で、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。
【００１６】
エネルギー蓄積部は、コンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続されるキャパシタからなってもよく、この場合、エネルギー制御部は、電力計算部が算出した予測値に基づいて、キャパシタが蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する。すなわち、この場合、エネルギー蓄積部は、コンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続されるキャパシタと、電力計算部が算出した予測値に基づいたエネルギー制御部からの指令により、キャパシタが直流電力を蓄積もしくは出力するよう制御するキャパシタ制御部と、を有する。またあるいは、エネルギー蓄積部は、イナーシャ付きモータと、直流側がコンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続され、交流側がイナーシャ付きモータの入力端が接続されるイナーシャ付きモータ用インバータ回路と、イナーシャ付きモータの速度を検出するモータ速度検出部と、当該予測値とモータ速度検出部から受信したイナーシャ付きモータの速度の検出値とを用いて、当該予測値に直流電力量が追従するようにするためのイナーシャ付きモータ用インバータ回路に対する電流指令値を作成するイナーシャ付きモータ用制御部と、からなってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、制御部が、モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて計算したモータで消費もしくは回生される電力の予測値を用いて、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するよう制御をするので、フィルタの時間遅れやエネルギー蓄積部の動作遅れの影響を除去することができ、モータ制御装置に接続される交流電源やモータ制御装置内のコンバータ回路の電流のピーク値を抑制することができる。したがって、本発明によれば、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減することができることから、従来よりも小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例において、１つのモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例において、複数のモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法を説明するブロック図である。
【図５】本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法を説明するブロック図である。
【図６】本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第１の具体例を説明するブロック図である。
【図７】本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第２の具体例を説明するブロック図である。
【図８】本発明の実施例によるモータ制御装置を適用した場合の、交流電源から供給される交流電力のピーク値の抑制について説明する図であり、（ａ）はエネルギー蓄積部がない場合、（ｂ）エネルギー蓄積部がある従来技術、（ｃ）は本発明についての波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
例えば工作機械システムにおいては、工作機械の駆動軸ごとにモータ（サーボモータ）が設けられるが、この場合、モータ制御装置としては、各モータに個別に駆動電力を供給するためにモータの個数と同数個のインバータ回路が設けられ、複数のインバータ回路に対してモータ制御装置のコストや占有スペースを低減する目的で１個のコンバータ回路が設けられる。
【００２０】
以下で説明する本発明の実施例では、１個のモータ（サーボモータ）を駆動制御するモータ制御装置について説明するが、後述するように複数のモータを駆動制御する場合にも本発明は適用可能である。すなわち、駆動制御するモータの個数は、本発明を限定するものではなく、複数個であっても良い。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものおよび同じ参照符号に枝番号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。
【００２１】
図１は、本発明の実施例において、１つのモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。図１に示す例では、工作機械の制御軸数を１個としたので１個のモータ２が設けられ、モータ制御装置１はこのモータ２を駆動制御する。
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施例によるモータ制御装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１１と、コンバータ回路１１の直流側に接続され、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路１２と、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部１３と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部１４と、を備える。制御部１４は、処理判断可能なプロセッサからなる。モータ動作指令については後述する。
【００２３】
指令作成部２４は、モータ２の動作を指令するモータ動作指令を作成し、このモータ動作指令を制御部１４内の電流指令値作成部２１へ入力する。
【００２４】
モータ２には、回転するモータ２の速度を検出するための速度検出部３１が設けられる。なお、ここでは、速度検出部３１は、回転するモータ２の速度を検出するものとしたが、モータ２の回転軸が接続された工作機械の制御軸の回転の速度を検出するものであってもよい。また、ここではモータ２もしくは制御軸の回転の速度を検出する速度検出部３１を用いているが、モータ２の回転位置またはモータ２に接続された制御軸の位置を検出する位置検出部を用いてもよい。速度検出部であっても位置検出部であっても、モータの回転軸もしくはモータが接続された工作機械の制御軸に、例えばスケールやロータリーエンコーダを接続して位置もしくは速度を検出する。位置検出値を微分すれば速度検出値が得られ、速度検出値を積分すれば位置検出値が得られるといった関係がある。
【００２５】
制御部１４は、電流指令値作成部２１と、電力計算部２２と、エネルギー制御部２３と、を有する。電流指令値作成部２１は、指令作成部２４により作成されたモータ動作指令と速度検出部３１によって検出されたモータ２の回転に関する検出値とを用いて、モータ動作指令に従ってモータ２が動作するために必要な交流電流をインバータ回路１２が出力するようにする指令値である、インバータ回路１２に対する電流指令値を作成する。電力計算部２２は、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する。エネルギー制御部２３は、電力計算部２２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３を制御する。
【００２６】
図２は、本発明の実施例において、複数のモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。図２に示す例では、工作機械の制御軸数を２個としたので２個のモータ２−１および２−２が設けられ、モータ制御装置１はこれらモータ２−１および２−２を駆動制御する。
【００２７】
図２に示すように、本発明の実施例によるモータ制御装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１１と、コンバータ回路１１の直流側に接続され、それぞれが直流電力をモータ２−１および２−２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２−１および２−２から回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路１２−１および１２−２と、それぞれがコンバータ回路１１およびインバータ回路１２−１および１２−２の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部１３−１および１３−２と、それぞれがモータ２−１および２−２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部１３−１および１３−２が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部１４−１および１４−２と、を備える。
【００２８】
指令作成部２４−１および２４−２は、それぞれモータ２−１および２−２の動作を指令するモータ動作指令を作成し、このモータ動作指令を制御部１４−１および１４−２内の電流指令値作成部２１−１および２１−２へ入力する。モータ２−１および２−２には、それぞれ回転するモータ２−１および２−２の速度を検出するための速度検出部３１−１および３１−２が設けられる。
【００２９】
制御部１４−１は、電流指令値作成部２１−１と、電力計算部２２−１と、エネルギー制御部２３−１と、を有する。制御部１４−２は、電流指令値作成部２１−２と、電力計算部２２−２と、エネルギー制御部２３−２と、を有する。
【００３０】
電流指令値作成部２１−１および２１−２は、指令作成部２４−１および２４−２により作成されたモータ動作指令と速度検出部３１−１および３１−２によって検出されたモータ２−１および２−２の回転に関する検出値とを用いて、モータ動作指令に従ってモータ２−１および２−２が動作するために必要な交流電流をインバータ回路１２−１および１２−２が出力するようにする指令値である、インバータ回路１２−１および１２−２に対する電流指令値を作成する。電力計算部２２−１および２２−２は、モータ２−１および２−２で消費もしくはモータ２−１および２−２から回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する。エネルギー制御部２３−１および２３−２は、電力計算部２２−１および２２−２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３−１および１３−２が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３１３−１および１３−２を制御する。
【００３１】
以下、図１に示す１個のモータ２を駆動制御するモータ駆動装置１の各部についてより詳細に説明する。なお、上述したように、異なる図面において同じ参照符号が付されたものおよび同じ参照符号に枝番号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものであるので、モータ駆動装置の各部についての以下に説明は、一例として示した図２のような複数のモータを制御する場合にも適用される。
【００３２】
図３は、本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。
【００３３】
ステップＳ１０１において、制御部１４は指令作成部２４により作成されたモータ２の動作を指令するモータ動作指令を受信する。モータ動作指令には、モータ（サーボモータ）の回転位置を指令するものと、モータ（サーボモータ）の回転速度を指令するものとがある。なお、ここでは速度検出部３１を回転するモータ２の速度を検出するものとしているが、モータ２の回転軸が接続された工作機械の制御軸の回転の速度を検出するものである場合には、モータ動作指令は工作機械の制御軸の回転位置を指令するもの、あるいは工作機械の制御軸の回転速度を指令するものになる。ステップＳ１０２においては、速度検出部３１は、回転するモータ２の速度を検出する。なお、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２の処理の順番は本発明を限定するものではなく、これら処理の順番が逆であってもよく、あるいは同時に行われてもよい。
【００３４】
ステップＳ１０３において、制御部１４内の電力計算部２２は、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する。予測値の具体的な計算式については後述する。
【００３５】
制御部１４内のエネルギー制御部２３は、ステップＳ１０４において予測値に基づき電力指令値を作成し、ステップＳ１０５において電力指令値をエネルギー蓄積部１３へ送信する。すなわち、エネルギー制御部２３は、電力計算部２２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３を制御する。
【００３６】
一方、エネルギー蓄積部１３は、ステップＳ２０１において、制御部１４内のエネルギー制御部２３から送信された電力指令値を受信する。電力指令値を受信したエネルギー蓄積部１３は、電力指令値に対応する直流電力を、モータ２もしくは交流電源３側から取り込んで蓄電するか、あるいはモータ２で消費させもしくは交流電源３側へ回生させるために出力（供給）する。
【００３７】
ステップＳ１０６において、制御部１４内の電流指令値作成部２１は、指令作成部２４により作成されたモータ動作指令と速度検出部３１によって検出されたモータ２の回転に関する検出値とを用いて、インバータ回路１２に対する電流指令値を作成する。この電流指令値は、モータ動作指令に従ってモータ２が動作するために必要な交流電流をインバータ回路１２が出力するようにする指令値である。上述のように、モータ動作指令には、モータ（サーボモータ）の回転位置を指令するものと、モータ（サーボモータ）の回転速度を指令するものとがある。例えば指令作成部２４がモータ２の速度を指令する場合、電流指値令作成部２１は、指令作成部２４が作成した速度指令値と、速度検出部３１が検出した速度検出値とから、電流指令値を作成する。また例えば指令作成部２４がモータ２の位置を指令する場合、電流指値令作成部２１は、指令作成部２４が作成した位置指令値と、モータ２で駆動される軸についての位置検出値とから、速度指令値を求め、この速度指令値と、速度検出部３１が検出した速度検出値とから、電流指令値を作成する。なお、ステップＳ１０６の処理は、ステップＳ１０３からＳ１０５までの処理の前に実行されてもよい。
【００３８】
次に、電力計算部２２における、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値の計算について説明する。
【００３９】
図４は、本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法を説明するブロック図である。本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法によれば、制御部１４内の電力計算部２２は、電流指令値作成部２１で作成されたインバータ回路１２に対する電流指令値と、モータ２の回転に関する検出値として速度検出部３１によってモータ２について検出された角速度と、モータ２のトルク定数と、を乗算して予測値を算出する。第１の方法による電力の予測値の計算式を式１に示す。
【００４０】
【数１】
【００４１】
インバータ回路１２からモータ２へ駆動電流として流れ込む交流電流はモータの動作指令に従って大きく変化する可能性がある。従来ではコンバータ回路１１からインバータ回路１２へ流れ込む直流電流の検出値を用いて、モータで消費もしくはモータから回生される電力し、この電力に基づきエネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき電力量を制御していた。上述のように直流電流の検出値からノイズ成分を除去するためのフィルタが設けられるが、このフィルタにより電流検出値は時間的に遅れを持ったものとなってしまう。これに対し、本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法によれば、大きく変化する可能性のある直流電流の検出値は用いずに、したがって直流電流の検出値のフィルタ経過後の値は用いずに、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力を「予測値」の形式で算出するので、ノイズフィルタによる時間的遅れの影響を受けることはない。一方で、変化の小さい角速度については、速度検出部３１で検出された検出値を用いる。実速度は実電流と比べて変化が遅いため、モータ２の回転の実速度を反映した角速度の検出値を用いることで、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の「予測値」についての計算精度を向上させることができる。
【００４２】
図５は、本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法を説明するブロック図である。本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法によれば、制御部１４内の電力計算部２２は、指令作成部２４で作成されたモータ動作指令としての角速度指令値と、この角速度指令値を微分して得られる角加速度指令値と、モータ２の駆動軸が有するイナーシャと、を乗算して予測値を算出する。第２の方法による電力の予測値の計算式を式２に示す。
【００４３】
【数２】
【００４４】
一般にモータ２の動作を指令するモータ動作指令はプログラムとして予め規定されているものである。例えば、工作機械の場合、制御軸の動作について予めプログラム化されている。したがって、現時刻の指令値よりもさらに先の時刻すなわち「未来の時刻」の指令値を把握することは可能である。本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法によれば、制御系およびエネルギー蓄積部が有する指令値からの「応答遅れ」分だけ先の上記「未来の時刻」の指令値を用いて、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の「予測値」を計算する。これにより、制御系およびエネルギー蓄積部が有する指令値からの「応答遅れ」の影響を受けることはなく、電力計算部２２の次段にあるエネルギー制御部２３における電力指令値の作成を行うことができる。制御系およびエネルギー蓄積部が有する指令値からの「応答遅れ」が例えば数十ミリ秒である場合、電力計算部２３は、現時刻よりも数十ミリ秒先の指令値を指令作成部２４内のモータ動作指令プログラムから読み取って、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値を計算すればよい。
【００４５】
電力計算部２２の次段にあるエネルギー制御部２３は、上述のようにして電力計算部２２が上述のようにして算出した電力の予測値に基づき、電力指令値を作成し、この電力指令値をエネルギー蓄積部１３へ送信する。電力計算部２２が算出した電力の予測値はモータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の「予測値」であるので、エネルギー制御部２３は、この予測値がモータ２で消費する電力の予測値である場合には、エネルギー蓄積部１３に対し当該予測値に相当する分の直流電力量をモータ２へ向けて出力（供給）させるような電力指令値を作成し、この予測値がモータ２から回生される電力の予測値である場合には、エネルギー蓄積部１３に対し当該予測値に相当する分の直流電力量をモータ２から蓄電からするような電力指令値を作成する。
【００４６】
以上のようにしてエネルギー制御部２３は、電力計算部２２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３を制御する。ここで、コンバータ回路１１が交流電源３からの交流電力を直流電力に変換するだけではなく、直流電力を交流電力へ変換することもできるものとしたとき、すなわちコンバータ回路１１が交流電力と直流電力とを相互に変換するものとしたとき、エネルギー制御部２３は、コンバータ回路１１が交流電力と直流電力とを相互に変換することができるコンバータ回路１１が有する最大変換許容電力を超えることがない範囲（例えば最大供給電力の約７０〜８０パーセント）で、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。またあるいは、エネルギー制御部２３は、コンバータ回路１１に接続された交流電源３がコンバータ回路１１に供給することができる最大供給電力を超えることがない範囲（例えば最大供給電力の約７０〜８０パーセント）で、エネルギー蓄積部２３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。このようにすることで、例えばエネルギー蓄積部１３に蓄積されていた電力が枯渇したとき（枯渇しそうなとき）に場合は、交流電源３側からモータ２へ電力を供給するだけではなく、交流電源３側からエネルギー蓄積部へ充電のための電力も供給することになるが、このような場合であっても、コンバータ回路１１が有する最大変換許容電力や交流電源３がコンバータ回路１１に供給することができる最大供給電力を超えることがない。このように、本発明の実施例によれば、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減することができることから、従来よりも小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。
【００４７】
次に、エネルギー蓄積部１３について説明する。
【００４８】
図６は、本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第１の具体例を説明するブロック図である。この図において、インバータ回路１２に接続されるモータ、およびコンバータ回路１１に接続される交流電源については省略する。
【００４９】
第１の具体例によるエネルギー蓄積部１３は、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の直流側に接続されるキャパシタ１３と、電力計算部２２が算出した予測値に基づきエネルギー制御部２３が作成した電力指令値により、キャパシタ４１が直流電力を蓄積もしくは出力するよう制御するキャパシタ制御部４２と、を有する。この場合、制御部１４内のエネルギー制御部２３は、電力計算部２２が算出した予測値に基づいて、キャパシタ１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する。キャパシタ制御部４２は、処理判断可能なプロセッサからなる。
【００５０】
図７は、本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第２の具体例を説明するブロック図である。この図において、インバータ回路１２に接続されるモータ、およびコンバータ回路１１に接続される交流電源については省略する。
【００５１】
第２の具体例によるエネルギー蓄積部１３は、イナーシャ付きモータ５１と、直流側がコンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続され、交流側がイナーシャ付きモータの入力端が接続されるイナーシャ付きモータ用インバータ回路５２と、イナーシャ付きモータの速度を検出するモータ速度検出部５３と、イナーシャ付きモータ用制御部５４と、を有する。イナーシャ付きモータ用制御部５４は、電力計算部２２が算出した予測値に基づきエネルギー制御部２３が作成した電力指令値とモータ速度検出部５３から受信したイナーシャ付きモータ５１の速度の検出値とを用いて、当該予測値に直流電力量が追従するようにするためのイナーシャ付きモータ用インバータ回路５２に対する電流指令値を作成する。
【００５２】
図８は、本発明の実施例によるモータ制御装置を適用した場合の、交流電源から供給される交流電力のピーク値の抑制について説明する図であり、（ａ）はエネルギー蓄積部がない場合、（ｂ）エネルギー蓄積部がある従来技術、（ｃ）は本発明についての波形図である。エネルギー蓄積部を持たないモータ制御装置でモータを駆動制御した場合のモータ速度、モータのトルク、モータで消費されもしくはモータから回生される電力、交流電源から供給され交流電源へ回生される電力の各波形を図８（ａ）に示すものであると仮定する。本発明によれば、図８（ｃ）に示すように、モータで消費されもしくはモータから回生される電力の波形に対し、エネルギー蓄積部から供給されもしくは蓄電される電力の波形には遅れがないので、交流電源から供給され交流電源へ回生される電力の各波形のピーク値を抑制することができる。これに対し、エネルギー蓄積部がある従来技術によれば、図８（ｂ）に示すように、モータで消費されもしくはモータから回生される電力の波形に対し、上述のような理由によりエネルギー蓄積部から供給されもしくは蓄電される電力の波形には遅れがあるので、交流電源から供給され交流電源へ回生される電力の各波形のピーク値は、本発明ほどは抑制できていない。
【００５３】
このように、本発明によれば、モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて計算したモータで消費もしくは回生される電力の予測値を用いて、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するよう制御をするので、フィルタの時間遅れやエネルギー蓄積部の動作遅れの影響を除去することができ、モータ制御装置に接続される交流電源やモータ制御装置内のコンバータ回路の電流のピーク値を抑制することができる。したがって、本発明によれば、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減することができることから、従来よりも小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、工作機械の駆動軸ごとにモータ部を有する工作機械システムにおいて、これらモータ（サーボモータ）を、入力された交流を直流に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路から出力された直流を各モータの駆動電力としてそれぞれ供給される交流に変換するインバータ回路と、を有するモータ制御装置で駆動する場合に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ モータ制御装置
２ モータ
３ 交流電源
１１ コンバータ回路
１２ インバータ回路
１３ エネルギー蓄積部
１４ 制御部
２１ 電流指令値作成部
２２ 電力計算部
２３ エネルギー制御部
２４ 指令値作成部
３１ 速度検出部
４１ キャパシタ
４２ キャパシタ制御部
５１ イナーシャ付きモータ
５２ イナーシャ付きモータ用インバータ回路
５３ イナーシャ付きモータ速度検出部
５４ イナーシャ付きモータ用制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源からの交流電力を直流電力に変換したのちさらに交流電力に変換してこれを駆動電力とするモータを制御するモータ制御装置に関し、特に、交流電源から供給される電力およびモータから回生された電力を蓄積し、蓄積した電力をモータに供給することができるエネルギー蓄積部を有するモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械システムにおいては、工作機械の駆動軸ごとにサーボモータ（以下、単に「モータ」と称する。）を有し、これらモータをモータ制御装置により駆動制御する。モータ制御装置は、工作機械の駆動軸を駆動する制御軸数分のモータに対し、モータ回転の位置、速度もしくはトルクを指令し制御する。
【０００３】
モータ制御装置は、三相の商用交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換器であるコンバータ回路と、このコンバータ回路の直流側に接続され、コンバータ回路から出力された直流電力をモータ部の駆動電力として供給される所望の周波数の交流電力に変換する直流−交流変換器であるインバータ回路とを備え、当該インバータ回路の交流側に接続されたモータ部のモータ回転の位置、速度もしくはトルクを制御する。
【０００４】
インバータ回路は、工作機械における複数の駆動軸に対応してそれぞれ設けられる各モータに個別に駆動電力を供給するためにモータの個数と同数個設けられることが多い。一方、コンバータ回路は、モータ制御装置のコストや占有スペースを低減する目的で、複数のインバータ回路に対して１個が設けられることが多い。すなわち、モータ制御装置では、単一のコンバータ回路で複数のインバータ回路に直流電力を供給するようにすることで、コンバータ回路を複数設ける場合に比べてコストや占有スペースを低減減している。
【０００５】
上述のように構成されたモータ制御装置においては、複数のモータ部を安定かつ確実に駆動できるようにするために、これら複数のモータのそれぞれに対し十分な駆動電力を確実に供給する必要があるので、三相の商用交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路の最大出力がこれら複数のモータの最大出力の合計値よりも大きいものとなるようなコンバータ回路を選定する必要がある。場合によっては、交流電源の容量を大きくすることもある。
【０００６】
このようなことから、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量の低減を目的として、コンバータ回路の直流側とインバータ回路の直流側には、交流電源から供給される電力およびモータから回生された電力を蓄積し、蓄積した電力を再びモータに供給することができるエネルギー蓄積部が設けられることがある。なお、この場合、モータから回生された交流電力を、エネルギー蓄積部で蓄積できる直流電力へ変換する必要があるので、インバータ回路は、直流電力を交流電力に変換するのみではなく、交流電力を直流電力に変換することもできる、すなわち交直両方向に変換可能である半導体電力変換器として構成される。このようなエネルギー蓄積部を設けることで、交流電源の最大出力あるいはコンバータ回路の最大変換出力（以下、単に「ピーク値」と称する。）を下げることによって交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減している。
【０００７】
エネルギー蓄積部として、例えばキャパシタがある。
【０００８】
またあるいは、エネルギー蓄積部としてフライホイールを用いたものもある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載された発明は、交流電源に接続されたコンバータ回路の直流側の電圧と、複数のモータへ電流を流す複数のインバータ回路の直流側の電圧と、コンバータ回路の直流側およびインバータ回路の直流側に接続されたフライホイール蓄積装置の電圧とを、一括して制御するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−０２３５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このようなエネルギー蓄積部を有するモータ制御装置においては、コンバータ回路からインバータ回路へ流れ込む交流電流を検出し、この交流電流の検出値を用いてモータで消費もしくはモータから回生される電力を計算し、この電力に応じてエネルギー蓄積部に電力を蓄積したりエネルギー蓄積部から電力を出力させたりする制御が行われる。この直流電流の検出値をエネルギー蓄積部の制御に用いるために、モータ制御装置内には、直流電流の検出値からノイズ成分を除去するためのフィルタが設けられる。しかしながら、このフィルタにより電流検出値は時間的に遅れを持ったものとなってしまう。また、制御系およびエネルギー蓄積部が本来的に有する特性から、直流電流が検出されてからエネルギー蓄積部が蓄電動作もしくは供給動作を開始するまで時間的に遅れがどうしても生じてしまう。エネルギー蓄積部は上述のように遅れをもった電流検出値を用いて動作させるので、指令値に対する応答遅れは必然的に大きなものとなる。このような遅れによって、交流電源やコンバータ回路のピーク値をあまり下げることができず、このため、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量をあまり低減することができなかった。
【００１１】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、を備えるモータ制御装置において、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量が低減される、小型で低コストのモータ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を実現するために、本発明においては、モータ制御装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路の直流側に接続され、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、コンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部と、を備える。
【００１３】
制御部は、モータで消費もしくはモータから回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する電力計算部と、上記予測値に直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部を制御するエネルギー制御部と、を有する。また、制御部は、モータ動作指令とモータの回転に関する検出値とを用いて、モータ動作指令に従ってモータが動作するために必要な交流電流をインバータ回路が出力するようにする指令値である、インバータ回路に対する電流指令値を作成する電流指令値作成部を有する。
【００１４】
電力計算部は、上記インバータ回路に対する電流指令値と、モータの回転に関する検出値としてモータについて検出された角速度と、モータのトルク定数と、を乗算して予測値を算出してもよい。あるいは、電力計算部は、モータ動作指令としての角速度指令値と、この角速度指令値を微分して得られる角加速度指令値と、モータの駆動軸が有するイナーシャと、を乗算して予測値を算出してもよい。
【００１５】
また、コンバータ回路が交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものとしたとき、エネルギー制御部は、コンバータ回路が交流電力と直流電力とを相互に変換することができるコンバータ回路が有する最大変換許容電力を超えることがない範囲で、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。またあるいは、コンバータ回路が交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものとしたとき、エネルギー制御部は、コンバータ回路に接続された交流電源がコンバータ回路に供給することができる最大供給電力を超えることがない範囲で、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。
【００１６】
エネルギー蓄積部は、コンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続されるキャパシタからなってもよく、この場合、エネルギー制御部は、電力計算部が算出した予測値に基づいて、キャパシタが蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する。すなわち、この場合、エネルギー蓄積部は、コンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続されるキャパシタと、電力計算部が算出した予測値に基づいたエネルギー制御部からの指令により、キャパシタが直流電力を蓄積もしくは出力するよう制御するキャパシタ制御部と、を有する。またあるいは、エネルギー蓄積部は、イナーシャ付きモータと、直流側がコンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続され、交流側がイナーシャ付きモータの入力端が接続されるイナーシャ付きモータ用インバータ回路と、イナーシャ付きモータの速度を検出するモータ速度検出部と、当該予測値とモータ速度検出部から受信したイナーシャ付きモータの速度の検出値とを用いて、当該予測値に直流電力量が追従するようにするためのイナーシャ付きモータ用インバータ回路に対する電流指令値を作成するイナーシャ付きモータ用制御部と、からなってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、制御部が、モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて計算したモータで消費もしくは回生される電力の予測値を用いて、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するよう制御をするので、フィルタの時間遅れやエネルギー蓄積部の動作遅れの影響を除去することができ、モータ制御装置に接続される交流電源やモータ制御装置内のコンバータ回路の電流のピーク値を抑制することができる。したがって、本発明によれば、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減することができることから、従来よりも小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例において、１つのモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例において、複数のモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法を説明するブロック図である。
【図５】本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法を説明するブロック図である。
【図６】本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第１の具体例を説明するブロック図である。
【図７】本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第２の具体例を説明するブロック図である。
【図８】本発明の実施例によるモータ制御装置を適用した場合の、交流電源から供給される交流電力のピーク値の抑制について説明する図であり、（ａ）はエネルギー蓄積部がない場合、（ｂ）エネルギー蓄積部がある従来技術、（ｃ）は本発明についての波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
例えば工作機械システムにおいては、工作機械の駆動軸ごとにモータ（サーボモータ）が設けられるが、この場合、モータ制御装置としては、各モータに個別に駆動電力を供給するためにモータの個数と同数個のインバータ回路が設けられ、複数のインバータ回路に対してモータ制御装置のコストや占有スペースを低減する目的で１個のコンバータ回路が設けられる。
【００２０】
以下で説明する本発明の実施例では、１個のモータ（サーボモータ）を駆動制御するモータ制御装置について説明するが、後述するように複数のモータを駆動制御する場合にも本発明は適用可能である。すなわち、駆動制御するモータの個数は、本発明を限定するものではなく、複数個であっても良い。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものおよび同じ参照符号に枝番号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。
【００２１】
図１は、本発明の実施例において、１つのモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。図１に示す例では、工作機械の制御軸数を１個としたので１個のモータ２が設けられ、モータ制御装置１はこのモータ２を駆動制御する。
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施例によるモータ制御装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１１と、コンバータ回路１１の直流側に接続され、直流電力をモータ２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２から回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路１２と、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部１３と、モータ２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部１４と、を備える。制御部１４は、処理判断可能なプロセッサからなる。モータ動作指令については後述する。
【００２３】
指令作成部２４は、モータ２の動作を指令するモータ動作指令を作成し、このモータ動作指令を制御部１４内の電流指令値作成部２１へ入力する。
【００２４】
モータ２には、回転するモータ２の速度を検出するための速度検出部３１が設けられる。なお、ここでは、速度検出部３１は、回転するモータ２の速度を検出するものとしたが、モータ２の回転軸が接続された工作機械の制御軸の回転の速度を検出するものであってもよい。また、ここではモータ２もしくは制御軸の回転の速度を検出する速度検出部３１を用いているが、モータ２の回転位置またはモータ２に接続された制御軸の位置を検出する位置検出部を用いてもよい。速度検出部であっても位置検出部であっても、モータの回転軸もしくはモータが接続された工作機械の制御軸に、例えばスケールやロータリーエンコーダを接続して位置もしくは速度を検出する。位置検出値を微分すれば速度検出値が得られ、速度検出値を積分すれば位置検出値が得られるといった関係がある。
【００２５】
制御部１４は、電流指令値作成部２１と、電力計算部２２と、エネルギー制御部２３と、を有する。電流指令値作成部２１は、指令作成部２４により作成されたモータ動作指令と速度検出部３１によって検出されたモータ２の回転に関する検出値とを用いて、モータ動作指令に従ってモータ２が動作するために必要な交流電流をインバータ回路１２が出力するようにする指令値である、インバータ回路１２に対する電流指令値を作成する。電力計算部２２は、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する。エネルギー制御部２３は、電力計算部２２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３を制御する。
【００２６】
図２は、本発明の実施例において、複数のモータを駆動制御するモータ制御装置を示すブロック図である。図２に示す例では、工作機械の制御軸数を２個としたので２個のモータ２−１および２−２が設けられ、モータ制御装置１はこれらモータ２−１および２−２を駆動制御する。
【００２７】
図２に示すように、本発明の実施例によるモータ制御装置１は、交流電源３からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路１１と、コンバータ回路１１の直流側に接続され、それぞれが直流電力をモータ２−１および２−２の駆動のための交流電力に変換しまたはモータ２−１および２−２から回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路１２−１および１２−２と、それぞれがコンバータ回路１１およびインバータ回路１２−１および１２−２の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部１３−１および１３−２と、それぞれがモータ２−１および２−２の動作を指令するモータ動作指令に基づいて、エネルギー蓄積部１３−１および１３−２が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部１４−１および１４−２と、を備える。
【００２８】
指令作成部２４−１および２４−２は、それぞれモータ２−１および２−２の動作を指令するモータ動作指令を作成し、このモータ動作指令を制御部１４−１および１４−２内の電流指令値作成部２１−１および２１−２へ入力する。モータ２−１および２−２には、それぞれ回転するモータ２−１および２−２の速度を検出するための速度検出部３１−１および３１−２が設けられる。
【００２９】
制御部１４−１は、電流指令値作成部２１−１と、電力計算部２２−１と、エネルギー制御部２３−１と、を有する。制御部１４−２は、電流指令値作成部２１−２と、電力計算部２２−２と、エネルギー制御部２３−２と、を有する。
【００３０】
電流指令値作成部２１−１および２１−２は、指令作成部２４−１および２４−２により作成されたモータ動作指令と速度検出部３１−１および３１−２によって検出されたモータ２−１および２−２の回転に関する検出値とを用いて、モータ動作指令に従ってモータ２−１および２−２が動作するために必要な交流電流をインバータ回路１２−１および１２−２が出力するようにする指令値である、インバータ回路１２−１および１２−２に対する電流指令値を作成する。電力計算部２２−１および２２−２は、モータ２−１および２−２で消費もしくはモータ２−１および２−２から回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する。エネルギー制御部２３−１および２３−２は、電力計算部２２−１および２２−２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３−１および１３−２が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３１３−１および１３−２を制御する。
【００３１】
以下、図１に示す１個のモータ２を駆動制御するモータ駆動装置１の各部についてより詳細に説明する。なお、上述したように、異なる図面において同じ参照符号が付されたものおよび同じ参照符号に枝番号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものであるので、モータ駆動装置の各部についての以下に説明は、一例として示した図２のような複数のモータを制御する場合にも適用される。
【００３２】
図３は、本発明の実施例によるモータ制御装置の動作フローを示すフローチャートである。
【００３３】
ステップＳ１０１において、制御部１４は指令作成部２４により作成されたモータ２の動作を指令するモータ動作指令を受信する。モータ動作指令には、モータ（サーボモータ）の回転位置を指令するものと、モータ（サーボモータ）の回転速度を指令するものとがある。なお、ここでは速度検出部３１を回転するモータ２の速度を検出するものとしているが、モータ２の回転軸が接続された工作機械の制御軸の回転の速度を検出するものである場合には、モータ動作指令は工作機械の制御軸の回転位置を指令するもの、あるいは工作機械の制御軸の回転速度を指令するものになる。ステップＳ１０２においては、速度検出部３１は、回転するモータ２の速度を検出する。なお、ステップＳ１０１およびステップＳ１０２の処理の順番は本発明を限定するものではなく、これら処理の順番が逆であってもよく、あるいは同時に行われてもよい。
【００３４】
ステップＳ１０３において、制御部１４内の電力計算部２２は、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値をモータ動作指令に基づいて計算する。予測値の具体的な計算式については後述する。
【００３５】
制御部１４内のエネルギー制御部２３は、ステップＳ１０４において予測値に基づき電力指令値を作成し、ステップＳ１０５において電力指令値をエネルギー蓄積部１３へ送信する。すなわち、エネルギー制御部２３は、電力計算部２２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３を制御する。
【００３６】
一方、エネルギー蓄積部１３は、ステップＳ２０１において、制御部１４内のエネルギー制御部２３から送信された電力指令値を受信する。電力指令値を受信したエネルギー蓄積部１３は、電力指令値に対応する直流電力を、モータ２もしくは交流電源３側から取り込んで蓄電するか、あるいはモータ２で消費させもしくは交流電源３側へ回生させるために出力（供給）する。
【００３７】
ステップＳ１０６において、制御部１４内の電流指令値作成部２１は、指令作成部２４により作成されたモータ動作指令と速度検出部３１によって検出されたモータ２の回転に関する検出値とを用いて、インバータ回路１２に対する電流指令値を作成する。この電流指令値は、モータ動作指令に従ってモータ２が動作するために必要な交流電流をインバータ回路１２が出力するようにする指令値である。上述のように、モータ動作指令には、モータ（サーボモータ）の回転位置を指令するものと、モータ（サーボモータ）の回転速度を指令するものとがある。例えば指令作成部２４がモータ２の速度を指令する場合、電流指値令作成部２１は、指令作成部２４が作成した速度指令値と、速度検出部３１が検出した速度検出値とから、電流指令値を作成する。また例えば指令作成部２４がモータ２の位置を指令する場合、電流指値令作成部２１は、指令作成部２４が作成した位置指令値と、モータ２で駆動される軸についての位置検出値とから、速度指令値を求め、この速度指令値と、速度検出部３１が検出した速度検出値とから、電流指令値を作成する。なお、ステップＳ１０６の処理は、ステップＳ１０３からＳ１０５までの処理の前に実行されてもよい。
【００３８】
次に、電力計算部２２における、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値の計算について説明する。
【００３９】
図４は、本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法を説明するブロック図である。本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法によれば、制御部１４内の電力計算部２２は、電流指令値作成部２１で作成されたインバータ回路１２に対する電流指令値と、モータ２の回転に関する検出値として速度検出部３１によってモータ２について検出された角速度と、モータ２のトルク定数と、を乗算して予測値を算出する。第１の方法による電力の予測値の計算式を式１に示す。
【００４０】
【数１】
【００４１】
インバータ回路１２からモータ２へ駆動電流として流れ込む交流電流はモータの動作指令に従って大きく変化する可能性がある。従来ではコンバータ回路１１からインバータ回路１２へ流れ込む直流電流の検出値を用いて、モータで消費もしくはモータから回生される電力し、この電力に基づきエネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき電力量を制御していた。上述のように直流電流の検出値からノイズ成分を除去するためのフィルタが設けられるが、このフィルタにより電流検出値は時間的に遅れを持ったものとなってしまう。これに対し、本発明の実施例における電力の予測値の計算の第１の方法によれば、大きく変化する可能性のある直流電流の検出値は用いずに、したがって直流電流の検出値のフィルタ経過後の値は用いずに、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力を「予測値」の形式で算出するので、ノイズフィルタによる時間的遅れの影響を受けることはない。一方で、変化の小さい角速度については、速度検出部３１で検出された検出値を用いる。実速度は実電流と比べて変化が遅いため、モータ２の回転の実速度を反映した角速度の検出値を用いることで、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の「予測値」についての計算精度を向上させることができる。
【００４２】
図５は、本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法を説明するブロック図である。本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法によれば、制御部１４内の電力計算部２２は、指令作成部２４で作成されたモータ動作指令としての角速度指令値と、この角速度指令値を微分して得られる角加速度指令値と、モータ２の駆動軸が有するイナーシャと、を乗算して予測値を算出する。第２の方法による電力の予測値の計算式を式２に示す。
【００４３】
【数２】
【００４４】
一般にモータ２の動作を指令するモータ動作指令はプログラムとして予め規定されているものである。例えば、工作機械の場合、制御軸の動作について予めプログラム化されている。したがって、現時刻の指令値よりもさらに先の時刻すなわち「未来の時刻」の指令値を把握することは可能である。本発明の実施例における電力の予測値の計算の第２の方法によれば、制御系およびエネルギー蓄積部が有する指令値からの「応答遅れ」分だけ先の上記「未来の時刻」の指令値を用いて、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の「予測値」を計算する。これにより、制御系およびエネルギー蓄積部が有する指令値からの「応答遅れ」の影響を受けることはなく、電力計算部２２の次段にあるエネルギー制御部２３における電力指令値の作成を行うことができる。制御系およびエネルギー蓄積部が有する指令値からの「応答遅れ」が例えば数十ミリ秒である場合、電力計算部２３は、現時刻よりも数十ミリ秒先の指令値を指令作成部２４内のモータ動作指令プログラムから読み取って、モータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の予測値を計算すればよい。
【００４５】
電力計算部２２の次段にあるエネルギー制御部２３は、上述のようにして電力計算部２２が上述のようにして算出した電力の予測値に基づき、電力指令値を作成し、この電力指令値をエネルギー蓄積部１３へ送信する。電力計算部２２が算出した電力の予測値はモータ２で消費もしくはモータ２から回生される電力の「予測値」であるので、エネルギー制御部２３は、この予測値がモータ２で消費する電力の予測値である場合には、エネルギー蓄積部１３に対し当該予測値に相当する分の直流電力量をモータ２へ向けて出力（供給）させるような電力指令値を作成し、この予測値がモータ２から回生される電力の予測値である場合には、エネルギー蓄積部１３に対し当該予測値に相当する分の直流電力量をモータ２から蓄電からするような電力指令値を作成する。
【００４６】
以上のようにしてエネルギー制御部２３は、電力計算部２２により算出された予測値に、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するようエネルギー蓄積部１３を制御する。ここで、コンバータ回路１１が交流電源３からの交流電力を直流電力に変換するだけではなく、直流電力を交流電力へ変換することもできるものとしたとき、すなわちコンバータ回路１１が交流電力と直流電力とを相互に変換するものとしたとき、エネルギー制御部２３は、コンバータ回路１１が交流電力と直流電力とを相互に変換することができるコンバータ回路１１が有する最大変換許容電力を超えることがない範囲（例えば最大供給電力の約７０〜８０パーセント）で、エネルギー蓄積部１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。またあるいは、エネルギー制御部２３は、コンバータ回路１１に接続された交流電源３がコンバータ回路１１に供給することができる最大供給電力を超えることがない範囲（例えば最大供給電力の約７０〜８０パーセント）で、エネルギー蓄積部２３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御してもよい。このようにすることで、例えばエネルギー蓄積部１３に蓄積されていた電力が枯渇したとき（枯渇しそうなとき）に場合は、交流電源３側からモータ２へ電力を供給するだけではなく、交流電源３側からエネルギー蓄積部へ充電のための電力も供給することになるが、このような場合であっても、コンバータ回路１１が有する最大変換許容電力や交流電源３がコンバータ回路１１に供給することができる最大供給電力を超えることがない。このように、本発明の実施例によれば、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減することができることから、従来よりも小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。
【００４７】
次に、エネルギー蓄積部１３について説明する。
【００４８】
図６は、本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第１の具体例を説明するブロック図である。この図において、インバータ回路１２に接続されるモータ、およびコンバータ回路１１に接続される交流電源については省略する。
【００４９】
第１の具体例によるエネルギー蓄積部１３は、コンバータ回路１１およびインバータ回路１２の直流側に接続されるキャパシタ１３と、電力計算部２２が算出した予測値に基づきエネルギー制御部２３が作成した電力指令値により、キャパシタ４１が直流電力を蓄積もしくは出力するよう制御するキャパシタ制御部４２と、を有する。この場合、制御部１４内のエネルギー制御部２３は、電力計算部２２が算出した予測値に基づいて、キャパシタ１３が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する。キャパシタ制御部４２は、処理判断可能なプロセッサからなる。
【００５０】
図７は、本発明の実施例におけるエネルギー蓄積部の第２の具体例を説明するブロック図である。この図において、インバータ回路１２に接続されるモータ、およびコンバータ回路１１に接続される交流電源については省略する。
【００５１】
第２の具体例によるエネルギー蓄積部１３は、イナーシャ付きモータ５１と、直流側がコンバータ回路およびインバータ回路の直流側に接続され、交流側がイナーシャ付きモータの入力端が接続されるイナーシャ付きモータ用インバータ回路５２と、イナーシャ付きモータの速度を検出するモータ速度検出部５３と、イナーシャ付きモータ用制御部５４と、を有する。イナーシャ付きモータ用制御部５４は、電力計算部２２が算出した予測値に基づきエネルギー制御部２３が作成した電力指令値とモータ速度検出部５３から受信したイナーシャ付きモータ５１の速度の検出値とを用いて、当該予測値に直流電力量が追従するようにするためのイナーシャ付きモータ用インバータ回路５２に対する電流指令値を作成する。
【００５２】
図８は、本発明の実施例によるモータ制御装置を適用した場合の、交流電源から供給される交流電力のピーク値の抑制について説明する図であり、（ａ）はエネルギー蓄積部がない場合、（ｂ）エネルギー蓄積部がある従来技術、（ｃ）は本発明についての波形図である。エネルギー蓄積部を持たないモータ制御装置でモータを駆動制御した場合のモータ速度、モータのトルク、モータで消費されもしくはモータから回生される電力、交流電源から供給され交流電源へ回生される電力の各波形を図８（ａ）に示すものであると仮定する。本発明によれば、図８（ｃ）に示すように、モータで消費されもしくはモータから回生される電力の波形に対し、エネルギー蓄積部から供給されもしくは蓄電される電力の波形には遅れがないので、交流電源から供給され交流電源へ回生される電力の各波形のピーク値を抑制することができる。これに対し、エネルギー蓄積部がある従来技術によれば、図８（ｂ）に示すように、モータで消費されもしくはモータから回生される電力の波形に対し、上述のような理由によりエネルギー蓄積部から供給されもしくは蓄電される電力の波形には遅れがあるので、交流電源から供給され交流電源へ回生される電力の各波形のピーク値は、本発明ほどは抑制できていない。
【００５３】
このように、本発明によれば、モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて計算したモータで消費もしくは回生される電力の予測値を用いて、エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量が追従するよう制御をするので、フィルタの時間遅れやエネルギー蓄積部の動作遅れの影響を除去することができ、モータ制御装置に接続される交流電源やモータ制御装置内のコンバータ回路の電流のピーク値を抑制することができる。したがって、本発明によれば、交流電源の容量およびコンバータ回路の容量を低減することができることから、従来よりも小型で低コストのモータ制御装置を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、工作機械の駆動軸ごとにモータ部を有する工作機械システムにおいて、これらモータ（サーボモータ）を、入力された交流を直流に変換するコンバータ回路と、コンバータ回路から出力された直流を各モータの駆動電力としてそれぞれ供給される交流に変換するインバータ回路と、を有するモータ制御装置で駆動する場合に適用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ モータ制御装置
２ モータ
３ 交流電源
１１ コンバータ回路
１２ インバータ回路
１３ エネルギー蓄積部
１４ 制御部
２１ 電流指令値作成部
２２ 電力計算部
２３ エネルギー制御部
２４ 指令値作成部
３１ 速度検出部
４１ キャパシタ
４２ キャパシタ制御部
５１ イナーシャ付きモータ
５２ イナーシャ付きモータ用インバータ回路
５３ イナーシャ付きモータ速度検出部
５４ イナーシャ付きモータ用制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の直流側に接続され、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、
前記コンバータ回路および前記インバータ回路の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、
モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて、前記エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記モータ動作指令は、現時刻、または現時刻よりも未来の時刻における指令である請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、
モータで消費もしくはモータから回生される電力の予測値を前記モータ動作指令に基づいて計算する電力計算部と、
前記予測値に前記直流電力量が追従するよう前記エネルギー蓄積部を制御するエネルギー制御部と、
を有する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記モータ動作指令とモータの回転に関する検出値とを用いて、前記モータ動作指令に従ってモータが動作するために必要な交流電流を前記インバータ回路が出力するようにする指令値である、前記インバータ回路に対する電流指令値を作成する電流指令値作成部を有する請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記電力計算部は、前記電流指令値と、前記検出値としてモータについて検出された角速度と、モータのトルク定数と、を乗算して前記予測値を算出する請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記電力計算部は、前記モータ動作指令としての角速度指令値と、該角速度指令値を微分して得られる角加速度指令値と、モータの駆動軸が有するイナーシャと、を乗算して前記予測値を算出する請求項３または４に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記コンバータ回路は、交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものであり、
前記エネルギー制御部は、前記コンバータ回路が交流電力と直流電力とを相互に変換することができる前記コンバータ回路が有する最大変換許容電力を超えることがない範囲で、前記エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記コンバータ回路は、交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものであり、
前記エネルギー制御部は、前記コンバータ回路に接続された交流電源が前記コンバータ回路に供給することができる最大供給電力を超えることがない範囲で、前記エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記エネルギー蓄積部は、
前記コンバータ回路および前記インバータ回路の直流側に接続されるキャパシタと、
前記電力計算部が算出した前記予測値に基づいた前記エネルギー制御部からの指令により、前記キャパシタが直流電力を蓄積もしくは出力するよう制御するキャパシタ制御部と、を有する請求項３〜８のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
前記エネルギー蓄積部は、
イナーシャ付きモータと、
直流側が前記コンバータ回路および前記インバータ回路の直流側に接続され、交流側がイナーシャ付きモータの入力端が接続されるイナーシャ付きモータ用インバータ回路と、
前記イナーシャ付きモータの速度を検出するモータ速度検出部と、
前記予測値と前記モータ速度検出部から受信した前記イナーシャ付きモータの速度の検出値とを用いて、前記予測値に前記直流電力量が追従するようにするための前記イナーシャ付きモータ用インバータ回路に対する電流指令値を作成するイナーシャ付きモータ用制御部と、を有する請求項３〜８のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と、
前記コンバータ回路の直流側に接続され、直流電力をモータの駆動のための交流電力に変換しまたはモータから回生される交流電力を直流電力に変換するインバータ回路と、
前記コンバータ回路および前記インバータ回路の直流側に接続され、直流電力を蓄積もしくは出力するエネルギー蓄積部と、
モータへの角度、角速度もしくは角速度を指令するモータ動作指令に基づいて、前記エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記モータ動作指令は、現時刻、または現時刻よりも未来の時刻における指令である請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、
モータで消費もしくはモータから回生される電力の予測値を前記モータ動作指令に基づいて計算する電力計算部と、
前記予測値に前記直流電力量が追従するよう前記エネルギー蓄積部を制御するエネルギー制御部と、
を有する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記モータ動作指令とモータの回転に関する検出値とを用いて、前記モータ動作指令に従ってモータが動作するために必要な交流電流を前記インバータ回路が出力するようにする指令値である、前記インバータ回路に対する電流指令値を作成する電流指令値作成部を有する請求項３に記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記電力計算部は、前記電流指令値と、前記検出値としてモータについて検出された角速度と、モータのトルク定数と、を乗算して前記予測値を算出する請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
前記電力計算部は、前記モータ動作指令としての角速度指令値と、該角速度指令値を微分して得られる角加速度指令値と、モータの駆動軸が有するイナーシャと、を乗算して前記予測値を算出する請求項３または４に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
前記コンバータ回路は、交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものであり、
前記エネルギー制御部は、前記コンバータ回路が交流電力と直流電力とを相互に変換することができる前記コンバータ回路が有する最大変換許容電力を超えることがない範囲で、前記エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
前記コンバータ回路は、交流電源からの交流電力と直流電力とを相互に変換するものであり、
前記エネルギー制御部は、前記コンバータ回路に接続された交流電源が前記コンバータ回路に供給することができる最大供給電力を超えることがない範囲で、前記エネルギー蓄積部が蓄積もしくは出力すべき直流電力量を制御する請求項１〜６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項９】
前記エネルギー蓄積部は、
前記コンバータ回路および前記インバータ回路の直流側に接続されるキャパシタと、
前記電力計算部が算出した前記予測値に基づいた前記エネルギー制御部からの指令により、前記キャパシタが直流電力を蓄積もしくは出力するよう制御するキャパシタ制御部と、を有する請求項３〜８のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
前記エネルギー蓄積部は、
イナーシャ付きモータと、
直流側が前記コンバータ回路および前記インバータ回路の直流側に接続され、交流側がイナーシャ付きモータの入力端が接続されるイナーシャ付きモータ用インバータ回路と、
前記イナーシャ付きモータの速度を検出するモータ速度検出部と、
前記予測値と前記モータ速度検出部から受信した前記イナーシャ付きモータの速度の検出値とを用いて、前記予測値に前記直流電力量が追従するようにするための前記イナーシャ付きモータ用インバータ回路に対する電流指令値を作成するイナーシャ付きモータ用制御部と、を有する請求項３〜８のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１７３０５（Ｐ２０１３−１７３０５Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８３６５（Ｐ２０１１−１４８３６５）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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