定位控制装置技术领域
本发明涉及一种定位控制装置。
背景技术
以伺服电动机为代表的电动机使用在输送机械、半导体制造装
置、电子部件安装机、机器人等各种工业用机械的定位控制用驱动源
中。为了抑制工业用机械的运行成本,需要减小在电动机进行定位动
作时的消耗电量即累计电力。
为了削减消耗电量,考虑了下述方法,即,使用效率高的电动
机、电源再生转换器等设备,但存在这些设备价格高的问题。如果能
够通过对定位控制用的指令值进行改进而削减消耗电量,则能够低价
地实现削减消耗电量,而无需引入新的设备。
公开有下述技术,即,预先存储定位时间短但消耗电量大的定
位控制用指令值、和定位时间长但消耗电力小的定位控制用指令值,
使得使用者能够对它们进行选择(例如,参照专利文献1)。
专利文献1:日本特开平5-325446号公报
发明内容
作为定位动作,为了使机械负载从某个位置移动至其他位置,
而伴随着加速动作和减速动作。在进行加速动作时,电动机消耗电力,
相反地,在进行减速动作时,电动机变为发电状态,通常产生再生电
力。例如,如伺服放大器那样,大多在用于驱动电动机的电动机驱动
设备中设置再生电阻和再生晶体管。在这种结构的情况下,如果产生
再生电力,则一部分会被再生电阻消耗,但并非是所产生的全部再生
电力都被再生电阻消耗,一部分会残留在电动机驱动设备内,在下一
次定位动作中使用。如果考虑电动机驱动时的消耗电量,则该再生电
力是重要的要素,现有技术没有考虑该再生电力,因此存在消耗电量
的减小不充分的课题。
本发明就是鉴于上述课题而提出的,其目的在于得到减小定位
动作时的消耗电量的定位控制装置。
为了解决上述课题并实现目的,本发明是一种定位控制装置,
其具有放大器部和指令生成部,其中,该放大器部具有:转换器,其
对交流电源进行整流而向母线间输出;平滑电容器,其对所述转换器
的输出进行平滑化而生成母线电压;再生电阻及再生晶体管,它们连
接在所述母线间;以及逆变器,其供给对电动机进行驱动的驱动电流,
该指令生成部基于指令速度及指令加速度的模式信息即指令模式,生
成与所述电动机连接的机械负载的定位控制用的位置指令值,该定位
控制装置的特征在于,所述逆变器连接在所述母线间,基于所述位置
指令值而供给所述驱动电流,所述指令生成部求出在定位动作的开始
前根据所述指令模式而预测的再生电量预测值、和在所述平滑电容器
中可蓄积的能量值,基于两者的对比结果,决定在所述定位动作中是
否使用基于所述指令模式的所述位置指令值。
发明的效果
根据本发明所涉及的定位控制装置,具有下述效果,即,减小
使用电动机对机械负载进行定位控制时的消耗电量。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的指令生成部的处理流
程的流程图。
图3是表示由本发明的实施方式1所涉及的基准指令模式
(pattern)规定的指令速度和指令加速度的例子的图。
图4是表示由本发明的实施方式1所涉及的另一个基准指令模
式规定的指令速度和指令加速度的例子的图。
图5是表示由本发明的实施方式1所涉及的再一个基准指令模
式规定的指令速度和指令加速度的例子的图。
图6是表示本发明的实施方式1所涉及的、电动机的峰值速度
变为最小的指令速度和指令加速度的波形的图。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的进行了定位动作时的
电动机速度与放大器部的母线电压之间的关系的典型例子的图。
图8是表示本发明的实施方式2所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。
图9是表示本发明的实施方式2所涉及的指令生成部的处理流
程的流程图。
图10是表示在本发明的实施方式2中进行了没有恒定速度动作
的定位动作时的速度和母线电压之间的关系的图。
图11是表示在本发明的实施方式2中在机械负载的摩擦比较大
的情况下,进行了定位动作时的速度和母线电压之间的关系的图。
图12是表示本发明的实施方式3所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。
图13是表示本发明的实施方式3所涉及的指令生成部的处理流
程的流程图。
图14是表示本发明的实施方式3所涉及的多次间歇性进行了定
位动作时的电动机速度和母线电压之间的关系的图。
图15是表示本发明的实施方式4所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。
图16是表示本发明的实施方式4所涉及的指令生成部的处理流
程的流程图。
图17是表示本发明的实施方式4所涉及的在加速动作时加速度
逐渐减小,在减速开始时减速度逐渐增加的指令模式的例子的图。
图18是表示本发明的实施方式4所涉及的在加速开始时加速度
在预定的期间维持恒定加速度,然后加速度逐渐减小,在转变为减速
之后减速度逐渐增加,然后减速度在预定的期间维持恒定减速度的指
令模式的例子的图。
图19是表示本发明的实施方式4所涉及的在加速开始时加速度
逐渐减小,在减速开始时减速度逐渐增加的指令模式的图。
图20是表示本发明的实施方式4所涉及的在加速开始时加速度
逐渐增加,在减速开始时减速度逐渐减小的指令模式的图。
图21是表示本发明的实施方式4所涉及的加速度在加速动作中
及减速动作中恒定的指令模式的图。
具体实施方式
下面,基于附图详细说明本发明所涉及的定位控制装置的实施
方式。此外,本发明并不限定于本实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。图1中示出了电动机1、编码器2、滚珠丝杠3、定位
头4、联轴器5、放大器部7、指令生成部10及交流电源21。例如,
滚珠丝杠3、定位头4、联轴器5等是与电动机1连接的机械负载。
放大器部7从指令生成部10接收指令模式即定位控制指令值
11,并以追随指令值的方式,对电动机1供给电流14。放大器部7
具有伺服控制部12、转换器部22、平滑电容器23、再生电阻24、再
生晶体管25及逆变器部26。再生电阻24及再生晶体管25与平滑电
容器23并联地连接在母线间。再生晶体管25是为了使再生电阻24
通电而设置的。
电动机1由来自放大器部7的电流14进行驱动,成为定位控制
的驱动源。与电动机1连接的编码器2对电动机1的位置及速度进行
检测,并将检测信息13即电动机位置及速度信息输出。滚珠丝杠3
通过联轴器5与电动机1连接。电动机1的旋转运动通过滚珠丝杠3
而变换为平移运动,固定于滚珠丝杠3处的定位头4的运动受到控制。
在图1所示的例子中,由滚珠丝杠3、定位头4及联轴器5构成
机械负载。此外,在图1中,示出了利用滚珠丝杠3而对机械负载进
行定位控制的例子,但本发明并不限定于此,也可以采用同步带、齿
条齿轮等其他结构,还可以将多个这些机构组合而实现机械负载的定
位控制。
交流电源21对放大器部7供给交流电力。在放大器部7中,基
于所供给的交流电力,以下述方式对电动机1供给电流14。连接有
交流电源21的转换器部22,对从交流电源21供给的交流电力进行
整流,并向母线间输出。转换器部22例如利用二极管堆而实现。受
到了整流的交流电力成为利用平滑电容器23进行平滑化后的直流电
源,由此在母线间生成母线电压。
如果在电动机1动作过程中母线电压过度地上升,则再生晶体
管25导通(ON),使再生电阻24消耗再生电力,而使母线电压降
低。逆变器部26进行脉宽调制(PWM:pulsewidthmodulation),
基于后述的电压指令15,将用于以追随指令值的方式驱动电动机1
的电流14供给至电动机1。
伺服控制部12以使得电动机1的位置追随定位控制用的定位指
令值即位置指令信号11的方式,对电压指令15进行计算。电动机1
的位置作为由编码器2输出的电动机检测信息13而赋予至伺服控制
部12。作为对电压指令15进行计算的具体例,能够举出基于位置指
令11和电动机位置13而构成反馈控制的例子,但并不限定于此,也
可以并用前馈控制。放大器部7的具体例可以是伺服放大器、通用逆
变器等。
指令生成部10生成定位控制用的位置指令值11,并向放大器部
7输出,是本实施方式的起到中心作用的结构要素。指令生成部10
基于定位控制时的移动量D、从定位开始至结束为止的时间即移动时
间T、定位控制时所容许的最大的加速度即最大加速度Amax等定位
动作规格信息、可动部分惯量J、平滑电容器23的电容C、后述的
基准指令模式信息及对定位开始的定时进行规定的指令起动信号,生
成位置指令值。
这里,可动部分惯量J是指伴随电动机1的旋转而可动的部分
的惯量合计值。在图1中,成为将电动机1的转子部分惯量与定位头
4、滚珠丝杠3及联轴器5的惯量合计而得到的值。另外,作为指令
起动信号的具体例,能够举出由导通及截止(OFF)构成,并在从截
止切换为导通的瞬间开始位置指令值的生成的例子,管理机械的动作
顺序的可编程逻辑控制器等生成指令起动信号,将该指令起动信号赋
予至指令生成部10。
移动量D、移动时间T、最大加速度Amax的信息能够以作为点
表格而预先登记在指令生成部10内的这种形式进行存储,也能够以
从可编程逻辑控制器与定位起动信号同时地对这些信息进行接收的
形式给出。另外,假设可动部分惯量J及平滑电容器23的电容C的
信息预先存储在指令生成部10中。
图2是表示在本发明的实施方式1中起到中心作用的指令生成
部10的处理流程的流程图。以下说明图2的处理流程。
在步骤S101中,对是否是应当开始定位控制的定时进行监视。
具体而言,对定位起动信号从截止切换至接通的定时进行监视。在判
断为不是应当开始定位控制的定时的情况下(步骤S101:No),则
继续进行监视,在判断为应当开始定位的情况下(步骤S101:Yes),
进入步骤S102。
在步骤S102中,获取定位动作规格信息及基准指令模式信息。
这里,定位动作规格信息是指构成定位指令值所需的信息,具体例为
移动量D、移动时间T、最大加速度Amax。这里,移动时间表示机械
负载从停止状态起开始移动、结束移动并再次变为停止状态所需要的
时间,最大加速度表示机械负载、电动机1能够获得的加速度的绝对
值的上限值。
另外,基准指令模式信息是指用于进行定位动作所需的信息,
是对定位指令值的形状进行指定的信息。基准指令模式信息包含指令
速度及指令加速度的模式信息即指令模式。图3是表示由本发明的实
施方式1所涉及的基准指令模式规定的指令速度和指令加速度的例
子的图。作为基准指令模式信息的具体例,如果用于定位控制的指令
模式是例如如图3所示的指令速度的形状为对称三角的指令值,则指
令模式是对称三角这样的信息。根据速度为对称三角这样的信息、和
移动量D及移动时间T,能够唯一地对加速时间和减速时间T1=T/2、
峰值速度vp=2·D/T、加速度a=4·D/T2等定位控制指令值进行规
定。
此外,在图3中,图示出指令速度和指令加速度的波形,假设
速度模式即指令速度表示位置指令值的微分,加速度模式即指令加速
度是指对指令速度进行微分得到的信号。对指令速度进行1次积分得
到的信号是定位控制的指令值。
另外,图4是表示由本发明的实施方式1所涉及的另一个基准
指令模式规定的指令速度和指令加速度的例子的图。作为另一个基准
指令模式信息的例子,如果用于定位控制的指令值是例如如图4所示
的指令速度的形状为非对称三角的指令值,则指令模式是非对称三角
这样的信息和加速动作时的加速度a。根据这些信息,能够唯一地对
峰值速度vp=2·D/T、加速时间T1=vp/a=2·D/(a·T)、减速时
间T2=T-T1=T-2·D/(a·D)、减速时的减速度ad=vp/T和指
令值进行规定。这里,减速度表示减速动作时的加速度的绝对值。
另外,图5是表示由本发明的实施方式1所涉及的再一个基准
指令模式规定的指令速度和指令加速度的例子的图。作为再一个基准
指令模式信息的例子,可以包含与如图5所示的S形加减速相伴的
指令模式信息。基准指令模式信息并不限定于上述例子,只要是对用
于实现下述定位控制的指令值进行规定的信息,可以是任意的,该定
位控制是指从停止状态起进行加速动作、通过进行减速动作而再次达
到停止状态。
在步骤S103中,对在按照由基准指令模式信息给出的位置指令
值的模式,以由定位动作规格信息所指定的、预定的移动时间和预定
的移动量进行定位动作的情况下预计会产生的再生电量预测值E1进
行计算。具体的计算方法之一是,基于根据在步骤S102中获得的定
位规格信息及基准指令模式的信息而计算出的速度指令的峰值速度
vp和机械负载及电动机1的可动部分惯量J,计算为下式,
【算式1】
E1=1/2·J·vp2…(1)
在步骤S104中,计算出在平滑电容器23中可蓄积的能量E2。
作为具体的计算方法之一,举出利用平滑电容器23的电容C、使再
生晶体管25变为导通的母线电压值Von、和基准母线电压值V0,计
算为下式,
【算式2】
E2=1/2·C·Von2-1/2·C·V02…(2)
这里,基准母线电压值V0是指由转换器输出的稳态的电压值,
即,将交流电源与放大器部7连接,不对逆变器施加电压指令且不使
电动机动作时的母线电压值。在整流部是二极管堆的情况下,交流电
源的有效电压的倍即交流电源电压的波高值与基准母线电压值
相当。
例如,在交流电源为AC200伏时,交流电源的波高值即200×√2
=283伏大致为该基准母线电压V0。通过将该基准母线电压V0、平
滑电容器23的电容C、使再生晶体管25变为导通的母线电压值Von
也预先存储在指令生成部10中,从而能够进行步骤S104的计算。
在步骤S105中,对在步骤S103中计算出的再生电量预测值E1、
和在步骤S104中计算出的可蓄积于平滑电容器23中的能量E2进行
对比。如果再生电量预测值E1小于或等于在平滑电容器23中可蓄
积的能量E2(步骤S105:Yes),则进入步骤S106,否则(步骤S105:
No)进入步骤S107。
在步骤S106中,作为定位控制用的指令值,选择基准指令模式
作为定位控制的指令模式。
在步骤S107中,基于所赋予的定位动作规格的信息,对电动机
1的峰值速度最小的指令模式进行选择。图6是表示本发明的实施方
式1所涉及的、电动机1的峰值速度最小的指令速度和指令加速度的
波形的图。例如,如果作为定位动作规格,是移动量D、移动时间T,
并且加速度的绝对值的上限值为最大加速度Amax,则如图6所示,
对始终以绝对值为最大加速度Amax的加速度进行加速动作及减速动
作的速度模式及加速度模式进行选择。图6中的速度模式V(t),
在以时间t=0开始进行定位时以下述方式表示。
【算式3】
V ( t ) = v p T 1 t ( 0 ≤ t ≤ T 1 ) v p ( T 1 ≤ t ≤ T 1 + T 2 ) v p - v p T 1 ( t - T 1 - T 2 ) ( T 1 + T 2 ≤ t ≤ T ) ... ( 3 ) ]]>
这里,加速时间和减速时间为T1、恒定速度时间为T2、恒定速
度为vp,分别利用移动量D、移动时间T、最大加速度Amax以下述
方式表示。
【算式4】
T 1 = 1 2 ( T - T 2 - 4 D A max ) ]]>
T 2 = T 2 - 4 D A max ... ( 4 ) ]]>
vp=Amax·T1
如果步骤S106或者S107的处理结束,则进入步骤S108。在步
骤S108中,针对各段时间生成在步骤S106或者S107中选择出的定
位控制用指令值,使电动机动作并实际地开始进行定位动作。此外,
在进入步骤S108之前,不进行电动机的动作,在步骤S106或者S107
中选择定位控制用的指令值之后,在步骤S108中实际地开始进行定
位控制。
这样,如果按照图2的流程图所示的处理进行定位控制,则能
够减小定位动作时的消耗电量。此外,图2的流程图是对与1次定位
动作相关的处理进行了说明的流程图。此外,如果在间歇性多次进行
定位动作的情况下,则在完成了本次定位动作之后,再次返回至步骤
S101,针对下一次定位动作也重复相同的处理。
下面说明本实施方式的效果。图7是表示本发明的实施方式1
所涉及的进行了定位动作时的电动机速度和放大器部的母线电压之
间的关系的典型例子的图。此外,对于下面的讨论,如图7所示,是
以在加速动作中速度线性地增加,在减速动作中速度线性地减少的情
况为例而进行的,但即使加速动作、减速动作采用S形指令等除了
直线加减速以外的模式,也同样成立。另外,电动机速度由放大器部
7以追随指令速度即速度模式的方式受到控制,因此电动机速度视为
与指令速度即速度模式大致相同。
作为即将进行定位动作之前的母线电压,如果在从交流电源23
对放大器部7供给交流电压之后最初进行定位动作之前,或者与上一
次定位动作之间的时间充分大,则设为基准母线电压。如果进行定位
动作,则采取如下动作,即,电动机1从停止状态即速度0的状态起
进行加速动作,然后维持恒定速度,如果电动机1的位置接近至目标
距离,则进行减速动作并停止。
此时,母线电压与是处于电动机1做功的状态即动力运行,还
是处于电动机1被做功的状态即再生相应地进行变动。如果电动机1
进行加速动作,则消耗电力而对电动机1及机械负载提供动能。放大
器部7消耗用于对电动机1供给能量的电力,因此母线电压进行从基
准母线电压值起下降的动作。如果母线电压小于或等于基准母线电
压,则转换器部22以使得母线电压成为基准母线电压值的方式对电
力进行供给。在机械负载的摩擦较小的情况下,由于在电动机1取得
恒定速度的时间内,电动机1无需产生较大的扭矩,因此电动机1
所做的功基本上视为0。因此,几乎不消耗电力。因此,在电动机1
为恒定速度期间,从转换器部22供给电力,母线电压恢复至基准母
线电压附近的值。如果电动机进行减速动作,则电动机1及机械负载
的动能不断减小,产生再生电力。减小的动能变为再生电力,母线电
压从基准母线电压值起上升。
如前所述,如果母线电压上升并达到预定的电压值即再生晶体
管ON电压,则再生晶体管25导通,再生电力被再生电阻24消耗,
母线电压下降至小于再生晶体管ON电压。但是,如图7所示,在虽
然进行减速动作而变为再生状态,但母线电压未达到再生晶体管ON
电压的情况下,再生电力不会被再生电阻24消耗。在虽然进行减速
动作,但母线电压未达到再生晶体管ON电压的情况下,再生电力存
储于母线间的平滑电容器23中,随着在平滑电容器23中存储再生电
力,母线电压上升。在定位动作时产生的再生电量视为机械负载的动
能。在减速动作时,由于从峰值速度达到至速度0的状态即停止,因
此表示根据峰值速度计算的动能的(1)式,成为在定位动作时产生
的再生电量预测值E1。
如果该再生电量预测值E1全部蓄积在平滑电容器23中,则再
生电力不会被再生电阻24消耗。能够以何种程度在平滑电容器23
中蓄积能量,能够利用(2)式进行估计。其与母线电压值为再生晶
体管ON电压值时存储于平滑电容器23中的能量(=1/2·C·Von2)、
和母线电压值为基准母线电压值时存储于平滑电容器23中的能量
(=1/2·C·V02)之间的差相当。即,表示在母线电压从基准母线
电压起上升至再生晶体管ON电压为止的情况下,能够存储的能量的
值。
对利用(1)式计算的在本次定位动作时产生的再生电量预测值
E1、和利用(2)式计算的在平滑电容器23中可蓄积的能量值E2进
行比较,在E1小于E2的情况下,在定位动作时产生的再生电量,
在本次定位动作中不会被再生电阻24消耗,而是全部存储于平滑电
容器23中。存储于平滑电容器23中的再生电量能够在下一次定位动
作时进行再利用。定位动作所需的电量由电动机输出部分的电量和损
耗部分的电量构成。在使用了伺服电动机这样的高效率的电动机1
的情况下,在这2部分的电量中,电动机输出部分的电力是支配性的。
电动机输出部分的电力主要在加速动作中成为电动机1及机械负载
的动能。
在图2的步骤S105中,在判断为进入步骤S106的情况下(步
骤S105:Yes),即使利用基准指令模式进行定位动作,在加速动作
中由电动机1赋予至机械负载的动能也不会被浪费,因此,定位动作
时的消耗电量小。通过选择在基准指令模式中具有减小冲击、振动的
效果的S形指令等,从而还具有下述效果,即,能够在一定程度上
兼顾消耗电量的削减和减小振动冲击并进行定位控制。
另一方面,在图2的步骤S105中,在判定为在本次定位动作时
产生的再生电量预测值E1比可蓄积于平滑电容器23中的能量值E2
大的情况下(步骤S105:No),在进行了定位动作时,再生电力无
法完全存储于平滑电容器23中,其一部分被再生电阻24消耗。被再
生电阻24消耗的再生电力会变为热量,无法在下一次定位动作时进
行再利用。尽量减小被再生电阻24消耗而无法进行再利用的电量,
等同于对在定位动作时的消耗电量进行削减。再生电量是电动机1
及机械负载的动能,因此,使动能尽量小、即在给定了作为加速度的
上限值的最大加速度Amax的条件下峰值速度尽量小的指令模式,即
由(3)式表示的指令模式,能够尽量减小被再生电阻24消耗的再生
电量,使定位动作时的消耗电量变小。
关于由(3)式所表示的指令模式,为了在预定的移动时间T移
动预定的移动量D,始终以最大加速度Amax进行加速动作,在维持
了预定的恒定速度时间之后,始终以最大加速度﹣Amax进行减速动
作。假设如果不采用加速度的上限值,则在以移动时间T移动移动
量D的指令模式中,速度最小的指令模式是从时间0即起动时至时
间T为止以速度D/T进行移动的指令模式。该指令模式是加速时间
及减速时间均为0。然而,作为这样的指令模式,由于加速度会变得
无限大,因此在加速度具有上限值的情况下,不可能实现这样的指令
模式。
因此,为了一边使加速度的绝对值小于或等于Amax,一边以在
预定的移动时间T内移动预定的移动量D、峰值速度变为最小的方
式进行定位,需要以尽量短的时间进行加速动作,以尽量短的时间进
行减速动作,即以最大加速度Amax进行加速动作和减速动作。在该
指令模式是由(3)式表示的指令模式、加速度具有上限值的情况下,
成为使得峰值速度最小的指令模式。
此外,本实施方式中对下述例子进行了说明,即,在对平滑电
容器23中可蓄积的能量值E2进行计算的情况下,根据平滑电容器
23的电容C、使再生晶体管25变为导通的母线电压值Von、基准母
线电压V0的信息并利用(2)式的计算式进行了计算。因此,如果
在放大器部7中没有变更,则通过(2)式得到的计算值不变,因此,
可以将与放大器部7对应的、在平滑电容器23中可蓄积的能量值利
用(2)式而预先进行计算,并将该值存储于指令生成部10,获得该
值并进行处理。
实施方式2.
在实施方式1中,说明了为了计算出在平滑电容器23中可蓄积
的再生电量而利用(2)式进行计算的例子,但并不限定于此。在本
实施方式中,说明利用除了(2)式以外进行计算的例子。
图8是表示本发明的实施方式2所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。图8的框图与图1的框图类似,对于标注相同标号的部
位,作为基本上进行相同动作的结构而省略说明。与图1不同的部分
是指令生成部10。图1的指令生成部10将可动部分惯量J、平滑电
容器23的电容C的信息输入,或者预先进行存储,与其相对,在可
动部分惯量J、平滑电容器23的电容C的基础上,图8的指令生成
部10还输入比1大的校正系数G的信息,或者预先存储于指令生成
部10中。对该校正系数G的详情内容在后面进行叙述。
图9是表示本发明的实施方式2所涉及的指令生成部10的处理
流程的流程图。图9的流程图与图2的流程图类似。对于标注有相同
标号的部位,作为基本上进行相同处理的结构而省略说明。
图9的流程图与图2的流程图不同的部分在于将图2的步骤
S104在图9中置换为步骤S104b这一点。在步骤S104b中,利用平
滑电容器23的电容C、再生晶体管ON电压Von、基准母线电压V0
及校正系数G(>1)而计算出存储于平滑电容器23的能量值E2。
利用这些信息,如下面的(5)式所示,计算出在平滑电容器23中可
蓄积的能量值E2。
【算式5】
E2=(1/2·C·Von2-1/2·C·V02)·G…(5)
在步骤S104b的处理结束后,进入步骤S105及其以后的处理。
步骤S105及其以后的处理与实施方式1的图2相同,因此省略说明。
如果按照图9的处理进行定位控制,则能够使定位动作时的消耗电量
变小。
在本实施方式中,也在实际地进行定位动作之前,计算出利用
基准指令模式进行动作的情况下的再生电量预测值E1,通过该再生
电量预测值E1和存储于平滑电容器23的能量值E2的对比结果,而
对定位控制用的指令值进行选择。这一点与实施方式1相同,因此能
够得到使定位动作时的消耗电量变小的效果。
对在实施方式1中无法得到而在本实施方式中能够得到的效果
进行说明。实施方式2与实施方式1的不同点在于,取代(2)式而
利用(5)式进行在平滑电容器23中可蓄积的能量值的计算。这里,
由于(5)式和(2)式仅校正系数G倍不同、且G>1,因此与利用
(2)式计算出的值相比,在本实施方式中能够将存储于平滑电容器
23的能量计算得较大。利用图10及图11对其物理含义进行说明。
图10是表示按照没有恒定速度时间,即,在加速动作刚结束之
后进行减速动作的指令模式而进行了定位动作时的电动机1的速度
和母线电压之间的关系的图。如实施方式1中所述那样,如果电动机
1进行加速动作,则电动机1消耗电力,因此母线电压下降,相反地,
如果进行减速动作,则电动机1变为再生状态,因此母线电压上升。
如果如图10所示在加速动作刚结束之后开始进行减速动作,则
在加速动作中母线电压下降,因此减速动作开始时的母线电压成为比
基准母线电压V0小的值。从开始进行减速动作的时刻起产生再生电
力,母线电压开始上升。在平滑电容器23中能够蓄积的能量值依赖
于母线电压所取的电压的平方差。在(2)式中,作为再生晶体管ON
电压Von和基准母线电压V0的平方差而示出。如果该差较大,则能
够存储更大的能量,相反地,如果该差较小,则仅能够与其相对应地
存储能量。然而,在图10的情况下,减速动作开始时的母线电压为
比基准母线电压V0小的值,因此,能够将比由(2)式表示的值大
的能量蓄积在平滑电容器23中。
另外,图11是表示在机械负载的摩擦较大的情况下,以存在恒
定速度时间的指令模式进行了定位动作时的电动机速度和母线电压
之间的关系的图。如前所述,在进行加速动作时母线电压变小,在进
行减速动作时母线电压变大,这一点相同。在电动机1所消耗的电力
的一部分中包含电动机输出部分的消耗电力。电动机输出利用电动机
扭矩和电动机速度的积来表示。如果机械负载的摩擦较小,则在速度
恒定时电动机扭矩大致变为0,电动机1的输出也大致变为0。由此,
电动机1几乎不消耗电力。然而,如果机械负载的摩擦较大,则在速
度恒定的情况下,机械负载的摩擦成为要因,电动机扭矩也变大,电
动机输出不再为0。因此,电动机驱动装置消耗电力,在电动机1为
恒定速度的情况下、以及在即将开始减速动作之前,表示出母线电压
变得比基准母线电压V0小的动作。
如图10及图11中所示,在即将进行减速动作之前的母线电压
比基准母线电压V0小的情况下,在减速动作时能够存储比利用(2)
式计算的在平滑电容器23中可存储的能量值大的再生电量。因此,
通过如(5)式所示,对利用(2)式计算的能够存储于平滑电容器
23的能量值乘以校正系数G(>1),从而能够更准确地估计该状况
下的能够存储于平滑电容器23中的能量值。
这里,能够想到将校正系数G,例如作为预先对进行定位动作
时的即将开始减速动作之前的母线电压值进行测定、根据该母线电压
值而计算的在平滑电容器23中可蓄积的能量值,与利用(2)式计算
的在平滑电容器23中可蓄积的能量值之间的比值而进行决定。根据
母线电压值计算的在平滑电容器23中可蓄积的能量值,是指取代基
准母线电压而将即将开始减速动作之前的母线电压值代入并计算得
到的值。
在本实施方式中,在定位起动之前,对在本次定位动作时所产
生的再生电量、在平滑电容器23中可蓄积的能量进行计算,根据它
们的对比结果而区分使用定位指令模式这一点是相同的,因此具有与
实施方式1相同的效果。并且,根据本实施方式,与实施方式1相比,
能够更准确地对存储于平滑电容器23的能量进行估计,因此具有能
够选择对削减定位动作时的消耗电量有利的指令值的效果。
实施方式3.
在实施方式1及2中,说明了基于基准母线电压V0而计算出在
平滑电容器23中可蓄积的再生电量的例子,但即使不使用基准母线
电压V0,也能够计算出在平滑电容器23中可蓄积的能量E2,在本
实施方式中进行对这种情况的说明。
图12是表示本发明的实施方式3所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。图12的框图与在实施方式1中说明的图1的框图及在
实施方式2中说明的图8的框图类似,关于标注有相同标号的部位,
作为基本上进行相同动作的结构而省略说明。图12与图1及图8的
不同点在于,在图12中具有母线电压检测电路27,所检测出的母线
电压值28(Vdc)被输入至指令生成部。
图13是表示本发明的实施方式3所涉及的指令生成部10的处
理流程的流程图。图13的流程图与在实施方式1中说明的图2的流
程图及在实施方式2中说明的图9的流程图类似。针对标注有相同标
号的部位,作为基本上进行相同处理的结构而省略说明。
图13的流程图与图2的流程图不同的部分在于,在进行步骤
S103的处理之后,在步骤S110中,进行利用母线电压检测电路27
对母线电压值Vdc进行检测的处理这一点。然后,在步骤S104c中,
使用所检测出的母线电压值28(Vdc),对在平滑电容器23中可蓄
积的能量值E2进行计算。具体的计算是下面的(6)式。
【算式6】
E2=1/2·C·Von2-1/2·C·Vdc2…(6)
(6)式与(2)式的不同点在于,基准母线电压V0被置换成母
线电压Vdc。另外,如在实施方式2中说明所述,可以在对(6)式
进一步乘以校正系数G(>1),计算出在平滑电容器23中可蓄积的
能量值E2。即,可以作为下面的(7)式而计算E2。
【算式7】
E2=(1/2·C·Von2-1/2·C·Vdc2)·G…(7)
在步骤S104c的处理结束后,执行步骤S105及其以后的处理。
对于步骤S105及其以后的处理,进行在实施方式1中已说明的步骤
S105及其以后的处理。按照图13的处理,如果进行定位控制,则能
够使定位动作时的消耗电量变小。
在本实施方式中,也在实际进行定位动作之前,对利用基准指
令模式进行了动作的情况下的再生电量预测值E1进行计算,根据它
和存储于平滑电容器23中的能量值E2之间的对比结果,对定位控
制用的指令值进行选择。这一点与实施方式1相同,因此,得到使定
位动作时的消耗电量变小这样的效果。
针对在实施方式1及2中无法得到而在本实施方式中能够得到
的效果进行说明。图14是表示本发明的实施方式3所涉及的多次间
歇性地进行了定位动作时的电动机速度和母线电压之间的关系的图。
具体而言,在图14的例子中,表示出2次间歇性进行了定位动作时
的电动机速度和母线电压之间的关系。利用图14说明本实施方式的
效果。
如实施方式1及2中所述,如果进行定位动作,则在加速动作
时、恒速动作时电动机1会消耗电力,因此母线电压呈比基准母线电
压V0小的母线电压,这期间,放大器部7的转换器部22对逆变器
部26供给电力。另一方面,在减速动作时变为再生状态,从减速动
作开始时起,机械负载、电动机1的动能存储于平滑电容器23,其
结果,母线电压上升。定位控制从停止状态起达到一定速度,然后再
次变为停止状态,因此动能在加速动作开始时即定位开始时、及减速
动作结束时即定位结束时为0。然而,由于在加速动作中母线电压比
基准母线电压V0小的状态时,从转换器部22接受电力的供给,因
此定位动作结束时的母线电压通常比定位动作开始时的母线电压大。
在间歇性进行定位动作的情况下,进行某个定位动作即图14的定位
动作X,在暂时维持为停止状态之后,开始另一个定位动作即图14
的定位动作Y。在该停止状态中,为了维持停止状态,在电动机1
中需要流过较小的电流。如果在电动机1中流过电流,则在电动机1
的绕组电阻产生损耗,并消耗电力,因此,母线电压逐渐下降。如果
停止状态较长,则母线电压下降至基准母线电压V0,但如图14所示,
如果停止状态的期间较短,则在下降至基准母线电压V0之前,就开
始下一次定位动作。这样,开始进行定位动作Y时的母线电压变得
比基准母线电压V0大,与其相对应地,再生晶体管ON电压Von和
定位动作开始时的母线电压的差变小。由此,在进行定位动作Y时,
与母线电压从基准母线电压V0起开始进行定位动作时相比,存储于
平滑电容器23的能量变小。
在图13的流程图中,通过在步骤S110中获得定位动作即将起
动之前或者定位动作起动时的母线电压Vdc,在步骤S104c中利用
(6)式或(7)式计算出在平滑电容器23中可蓄积的能量值,从而
能够准确地计算出在如图14所示的情况下存储于平滑电容器23的能
量值E2。
例如在将如下状况考虑在内的情况下如(7)式所示乘以校正系
数G。即,是下述情况等,在定位动作起动时以前,需要决定是否利
用基准指令模式进行定位动作,作为母线电压的实测数据,仅能得到
定位动作起动时的母线电压Vdc,但实际上平滑电容器23所存储的
能量依赖于减速动作开始时的母线电压。因此,由于从定位动作起动
时至减速动作开始时为止的加速动作所导致的母线电压下降,平滑电
容器23所能存储的能量增大,因此考虑乘以校正系数G。
由此,能够更准确地判定在定位动作时产生的再生电量是否会
被再生电阻24消耗。因此,能够在给定的定位动作规格下,以有利
于削减消耗电量的方式,适当地选择是利用基准指令模式进行定位动
作,还是利用峰值速度最小的指令模式进行定位动作,得到下述效果,
即,能够选择对削减定位动作时的消耗电量有利的指令值。
实施方式4.
实施方式1、2及3中,将基准指令模式信息输入,求出在按照
基准指令模式生成了本次定位动作的指令值的情况下所预测的再生
电量预测值E1,基于再生电量预测值E1和在平滑电容器23中可蓄
积的能量值E2的对比结果而选择指令值,并且执行了定位控制。在
本实施方式中对下述结构进行说明,即,作为基准指令模式,使用某
个指令值,从而能够进一步削减定位控制时的消耗电量。
图15是表示本发明的实施方式4所涉及的定位控制装置的整体
结构的框图。图15存在与图1的框图共通的部分,对与图1相同的
部分省略说明。图15与图1的框图的不同点在于,向指令生成部10
不输入来自外部的基准指令模式信息,而是指令生成部10保存在下
面进行说明的预定的基准指令模式。
图16是表示本发明的实施方式4所涉及的指令生成部10的处
理流程的流程图。图16的流程图存在与图2的流程图共通的部分,
对与图2相同的部分省略说明。图16的流程图与图2的流程图不同
的处理在于将图2的步骤S102置换为步骤S102b及步骤S102c这一
点。
在步骤S102b中,作为定位动作规格信息,将移动量D、移动
时间T、最大加速度Amax输入。
然后,在步骤S102c中,将基准指令模式设为如下指令模式,
即,在加速开始时加速度逐渐减小,在减速开始时减速度逐渐增加的
指令模式,或者在加速开始时加速度在预定的期间维持恒定加速度即
最大加速度,之后加速度逐渐减小,在转变为减速之后减速度逐渐增
加,然后减速度在预定的期间维持恒定减速度即最大减速度的指令模
式。这里,最大减速度是负的最大加速度。
在加速开始时加速度逐渐减小,在减速开始时减速度逐渐增加
的指令模式的具体例是图17所示的指令模式,该加速度的算式表示
为下面的(8)式。
【算式8】
A ( t ) = - 2 A p T ( t - T 2 ) ( 0 ≤ t ≤ T ) ... ( 8 ) ]]>
这里,Ap是加速动作开始时的加速度、减速动作时的结束后的
减速度,使用移动量D和移动时间T,表示为下式,
【算式9】
A p = 6 D T 2 ... ( 9 ) ]]>
另外,关于按照指令模式能够由(8)式表示的加速度进行定位
时的峰值速度vp,能够作为将(8)式从时间0至时间T/2为止进行
积分所得到的值进行计算,因此为下式,
【算式10】
vp=Ap·T/4…(10)
这里,加速动作开始时加速度逐渐减小,减速开始时减速度增
加的指令模式并不限定于(8)式。在(8)式中加速动作开始时加速
度线性地逐渐减小,减速开始时减速度线性地增加,但无需限定于直
线,可以是余弦(cos)曲线等与时间t相关的三角函数、或由与时
间t相关的高阶多项式所表示的曲线等。
在加速开始时加速度在预定的期间维持恒定加速度即最大加速
度,然后加速度逐渐减小,在转变为减速之后减速度逐渐增加,然后
减速度在预定的期间维持恒定减速度即最大减速度,上述这样的指令
模式的具体例是图18所示的指令模式,其加速度由下面的(11)式
表示。
【算式11】
A ( t ) = + A max ( 0 ≤ t ≤ T 1 ) - 2 A m a x T - 2 T 1 ( t - T 1 ) + A m a x ( T 1 ≤ t ≤ T - T 1 ) - A m a x ( T - T 1 ≤ t ≤ T ) ... ( 11 ) ]]>
其中,
【算式12】
T 1 = T 2 - 3 ( T 2 - 4 D / A m a x ) 2 ... ( 12 ) . ]]>
另外,关于按照指令模式能够由(11)式表示的加速度进行定
位时的峰值速度vp,能够作为将(11)式从时间0至时间T/2为止
进行积分而得到的值进行计算,因此为下式,
【算式13】
v p = 1 2 · ( T 2 + T 1 ) · A max ... ( 13 ) ]]>
另外,在加速开始时加速度在预定的期间维持恒定加速度即最
大加速度,然后加速度逐渐减小,在转变为减速之后减速度逐渐增加,
然后减速度在预定的期间维持恒定减速度即最大减速度,上述这样的
指令模式并不限定于(11)式。在(11)式中,加速度线性地逐渐减
小,或者减速动作开始时加速度线性地逐渐减小,减速开始时减速度
线性地增加,但无需限定于直线,可以是余弦曲线等与时间t相关的
三角函数、或由与时间t相关的高阶多项式表示的曲线等。
步骤S103及其以后进行与实施方式1相同的处理。另外,与实
施方式2、3相同地,也可以取代步骤S104而执行步骤S104b或步
骤S104c的处理。
下面,说明本实施方式的效果。本实施方式也与实施方式1、2、
3相同,在定位起动之前对在本次定位动作时所产生的再生电量进行
预测,对该预测值E1和在平滑电容器23中可蓄积的能量值E2进行
对比,在再生电量预测值E1较大的情况下,选择在给定的定位条件
下峰值速度最小的指令模式,这一点是相同的。由此,得到下述效果,
即,使无法再利用的被再生电阻24消耗的再生电量最小化,减小定
位动作时的消耗电量。
作为基准指令模式,如以利用(8)式表示的图17、利用(11)
式表示的图18等为代表所示的那样,通过使用下述指令模式,能够
进一步减小定位控制时的消耗电量,即,在加速开始时加速度逐渐减
小,在减速开始时减速度逐渐增加的指令模式,或者在加速开始时加
速度在预定的期间维持恒定加速度即最大加速度,然后加速度逐渐减
小,在转变为减速之后减速度逐渐增加,然后,减速度在预定的期间
维持恒定减速度即最大减速度的指令模式。
即,根据本实施方式,与在实施方式1、2及3中说明的情况相
比,在图16的步骤S105中,在判断为在定位动作时产生的再生电
量预测值E1小于或等于在平滑电容器23中可蓄积的能量值E2时,
能够进一步减小定位控制时的消耗电量。下面说明其理由。
定位动作时所需的消耗电量由电动机1的输出部分的电量和损
耗部分的电量构成。在加速动作中,电动机1的输出变为电动机1
及机械负载的动能。并且,在减速动作中,该动能变为再生电量的情
况如实施方式1、2及3中所述。在定位动作时所产生的再生电量全
部蓄积在平滑电容器23中的情况下(步骤S105:Yes),从图16的
步骤S105进入步骤S106。如果定位动作时所产生的再生电量全部蓄
积于平滑电容器23中,则在下一次定位动作时,由于能够对该再生
电量进行再利用,因此进入步骤S106的情况下,能够认为电动机1
的输出部分的电量在定位动作时合计为0。
另一方面,在进行定位动作时伴随着加速动作及减速动作。为
了进行加速动作及减速动作,需要使电动机1产生扭矩,为了产生扭
矩需要在电动机1中流过电流。如果在电动机1中流过电流,则会产
生损耗,因此,通过在进入步骤S106的情况下以尽量减小损耗的方
式构成指令模式,从而能够进一步减小定位动作时的消耗电量。
损耗之中作为较大的要因的是,由于在电动机绕组电阻中流过
电流而产生的铜损。定位动作中在电动机绕组电阻中产生的铜损,使
用在定位动作中流过电动机1的电流I(t),由下式表示,
【算式14】
R ∫ 0 T I ( t ) 2 d t ... ( 14 ) ]]>
并且,在将a(t)作为电动机加速度的情况下,电动机1及机械
负载的运动方程式
【算式15】
J·a(t)=Kt·I(t)…(15)
(J:电动机及机械负载的可动部分的惯量、a(t):电动机加
速度、Kt:电动机扭矩常数)成立,因此电流与加速度成正比关系。
关于利用以预定的移动时间T移动预定的移动量D的指令模式使上
述的(14)式最小化的情形,由(8)式表示。该指令模式的特征是,
在加速开始时加速度逐渐减小,减速开始时的负的加速度即减速度逐
渐增加,利用该动作能够得到减小铜损的效果。
利用图19、图20及图21所示的3个指令模式,对该效果进行
说明。图19是下述指令模式,即,加速动作初期(0≤t≤T/4)的加
速度为α,加速动作末期(T/4<t≤T/2)加速度减小变为α/2,减速
动作初期(T/2<t≤3/4·T)的减速度为α/2,减速动作末期(3/4·T
<t≤T)减速度增大,减速度变为α。另外,这里,t是表示时间的
参数。在该指令模式下进行移动的量与由速度模式从移动时间0至移
动时间T所包围的量相等,因此,在根据该指令模式进行定位动作
时的移动量变为7/32·α·T2。为了移动希望的移动量D,加速度α
为α=32/7·D/T2。另外,此时定位时间T中的平均加速度绝对值变
为下式,
【算式16】
(α·T/4+(α/2)·T/4+(α/2)·T/4+α·T/4)/T=24/7·D/T2…(16)
另一方面,图20与图19的指令模式相反,是下述指令模式,
即,加速动作初期(0≤t≤T/4)的加速度为β/2,加速动作末期(T/4
<t≤T/2)加速度变大而变为β,减速动作初期(T/2<t≤3/4·T)的
减速度为β,减速动作末期(3/4·T<t≤T)减速度变小,减速度变
为β/2。按照该指令模式,在进行定位动作时为了使移动量为希望的
移动量D,加速度β为β=32/5·D/T2。另外,此时定位时间T中的
平均加速度绝对值变为24/5·D/T2。
另外,图21是在加速动作中及减速动作中分别以恒定的加速度
γ及减速度γ进行定位动作的指令模式。按照该指令模式,在进行定
位动作时,为了使移动量为希望的移动量D,加速度γ为γ=4·D/T2。
定位时间T中的平均加速度绝对值也为4·D/T2。
图19、20及21所示的指令模式均是用于在希望的移动时间T
以希望的移动量D进行定位动作的指令模式。对按照各自进行定位
动作时的指令模式执行了定位动作时的铜损进行对比。将按照图19、
20及21所示的指令模式分别进行了定位动作时的铜损分别由L1、
L2及L3表示。根据运动方程式,进行定位动作时的电流I(t)能够
表示为I(t)=J/Kt·A(t)。其中,J:机械负载及电动机的惯量、
Kt:电动机的扭矩常数即在单位电流流过电动机时所产生的扭矩、A
(t):指令模式的加速度。
此时,使用电动机1的绕组电阻R,通过下述算式对L1、L2及
L3进行计算。
【算式17】
【算式18】
【算式19】
L 3 = ∫ 0 T R · I ( t ) 2 d t = 16 · R · J 2 · D 2 K 1 2 · T 3 ... ( 19 ) ]]>
即,在以相同移动量D、相同移动时间T进行定位时,减小铜
损的效果较大的是下述指令模式,即,如图19所示,加速动作中加
速度随着时间的经过而减小,减速动作中减速度随着时间的经过而增
加。这不是仅在图19的指令模式中所能观察到的性质,而是在加速
动作时加速度逐渐减小、减速动作时减速度逐渐增加的模式中共通地
观察到的性质。在以同一移动时间T移动同一移动量D时,通过在
加速动作初期采用较大的加速度,从而能够在刚开始定位之后得到较
大的速度,通过在减速动作末期采用较大的减速动作,从而能够在速
度即将变为0的减速停止之前得到较大的速度。由此,为了以一定移
动时间对一定移动量进行定位,在定位时间中利用较小的速度即可。
加速度是速度的变化率即速度的微分,因此如果速度较小,则即使将
其变化率即加速度的绝对值在移动时间中平均地设定得较小,也能够
在预定的移动时间T内移动预定的移动量D。实际上,在图19、图
20、图21所示的指令模式的例子中,图19所示的指令模式的平均加
速度最小。由于电动机加速度与电动机电流为正比关系,因此通过采
用这样的指令模式,从而使定位时间中的电流也平均地变小,其结果,
具有减小定位控制中的铜损这样的效果。
这里,如果使用像(8)式所代表的这样,在加速开始时加速度
逐渐减小,在减速开始时减速度逐渐增加的指令模式,则在定位动作
中的加速度超过最大加速度Amax的情况下,设为下述指令模式,即,
如(11)式所示,在加速开始时加速度以一定时间维持最大加速度,
然后逐渐减小,在减速开始时减速度逐渐增加,然后减速度以一定时
间维持最大加速度。这样的指令模式在以同一移动时间T进行移动
时,通过在加速动作初期采用较大的加速度,从而能够在刚开始定位
之后得到较大的速度,通过在减速动作末期采用较大的减速动作,从
而能够在使加速度的最大值小于或等于最大加速度Amax的同时,实
现直至速度即将变为0的减速停止之前得到较大的速度。
在以上所说明的实施方式1~4中,以使用旋转型电动机作为电
动机1,利用滚珠丝杠3将旋转运动变换为平移运动而对机械负载进
行定位控制的情况为例进行了说明,但在使用线性电动机这种在直线
方向上产生动力的电动机而对机械负载进行定位控制的情况下,也同
样能够适用。
另外,在图1、图8、图12及图15中,以在定位控制装置中仅
设置1个平滑电容器23为例进行了说明,但也可以是在母线间并联
地设置多个平滑电容器的结构。在该情况下,只要将多个平滑电容器
的电容的合成值作为平滑电容器23的电容而进行计算即可。例如在
将电容为C1和C2的2个平滑电容器并联连接在母线间的情况下,
如果将平滑电容器23的电容计算为C=C1·C2/(C1+C2),则能
够同样地实施上述实施方式1~4。
并且,本发明并不限定于上述实施方式,在实施阶段,在不脱
离其主旨的范围内能够进行各种变形。另外,在上述实施方式中包含
各阶段的发明,通过适当地对公开的多个构成要素进行组合而能够提
取出各种发明。例如,在即使从实施方式所示的所有构成要素删除几
个构成要素,也能够解决发明内容一栏中所述的课题,能够得到发明
效果一栏所述效果的情况下,能够将删除了该构成要素而得到的结构
作为发明而提取出。并且,还可以适当地对不同的实施方式中的构成
要素进行组合。
工业实用性
如上所述,本发明所涉及的定位控制装置有助于减小在使用电
动机对机械负载进行定位控制时的消耗电量,特别是适用于具有设置
了平滑电容器的放大器部的定位控制装置。
标号的说明
1电动机、2编码器、3滚珠丝杠、4定位头、5联轴器、6电
动机控制装置、7放大器部、10指令生成部、13检测信息、14电
流、15电压指令、21交流电源、22转换器部、23平滑电容器、
24再生电阻、25再生晶体管、26逆变器部、27母线电压检测电
路、28检测出的母线电压值(Vdc)。