JP7092620B2 - Power conversion system and motor control method - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換システムおよびモータ制御方法に関する。 The present invention relates to a power conversion system and a motor control method.
従来技術として、例えば、特許文献1には、電源回路と電源制御回路と蓄電装置を備え、エネルギーを貯蔵する機能を備えた装置に電力を供給する、電源装置および電源システムにおいて、前記装置に貯蔵されたエネルギーに基づき蓄電装置の制御指令値を、可変に設定する電源装置および電源システムが開示されている。
As a prior art, for example, in
上記従来技術においては、モータおよびモータ負荷などの慣性負荷に貯蔵された回転エネルギまたはばねエネルギに基づき蓄積装置の制御指令値を、可変に設定して制御することにより低コスト、低損失かつ高密度な電源装置を提供することを目的としている。 In the above-mentioned prior art, low cost, low loss and high density are achieved by variably setting and controlling the control command value of the storage device based on the rotational energy or spring energy stored in the inertial load such as the motor and the motor load. The purpose is to provide a powerful power supply.
一般的には、モータや蓄積装置は経年劣化等により特性が変化する。こういった種々の要因による特性の変化に応じた高精度な制御が求められている。 Generally, the characteristics of motors and storage devices change due to deterioration over time. High-precision control is required in response to changes in characteristics due to these various factors.
本発明は上記の要求に鑑みてなされたものである。 The present invention has been made in view of the above requirements.
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、モータに電力を供給する電力変換装置と、前記電力変換装置に電力を供給する電源装置とを備える電力変換システムにおいて、前記電力変換装置は、電力を変換する電力変換部と、前記電力変換部を制御する制御部と、前記電力変換部内の電流を検出する電流検出部と、を有し、前記電源装置は、電圧に応じて電力を蓄積する蓄積装置と、電圧指令に基づいて前記蓄積装置の電圧を変更する昇降圧電源回路と、前記蓄積装置に蓄積するエネルギを演算して前記電圧指令として前記昇降圧電源回路へ出力する演算回路と、を有し、前記制御部は、前記モータが備えるエンコーダからの情報と前記電流検出部で検出した電流値とを用いて前記モータの力行エネルギ或いは回生エネルギを算出し、前記演算回路は、前記制御部で算出した前記モータの力行エネルギ或いは回生エネルギに基づいて前記蓄積装置に蓄積するエネルギを演算するものとする。 The present application includes a plurality of means for solving the above problems, and to give an example thereof, a power conversion system including a power conversion device for supplying power to a motor and a power supply device for supplying power to the power conversion device. The power conversion device includes a power conversion unit that converts power, a control unit that controls the power conversion unit, and a current detection unit that detects a current in the power conversion unit. , A storage device that stores power according to the voltage, a buck-boost power supply circuit that changes the voltage of the storage device based on a voltage command, and the buck-boost as the voltage command by calculating the energy stored in the storage device. It has an arithmetic circuit that outputs to a power supply circuit, and the control unit calculates the power running energy or regenerative energy of the motor using the information from the encoder included in the motor and the current value detected by the current detection unit. Then, the calculation circuit calculates the energy to be stored in the storage device based on the power running energy or the regenerative energy of the motor calculated by the control unit.
本発明によれば、モータ負荷の経年劣化などによる特性の変化に伴う制御のずれを抑制することができ、制御精度の悪化を抑制することができる。また、蓄積装置への電力の過度な蓄積を抑制することができ、電力損失の低減や、蓄積装置の小型化を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a deviation in control due to a change in characteristics due to deterioration of the motor load over time, and it is possible to suppress deterioration in control accuracy. Further, it is possible to suppress excessive storage of electric power in the storage device, reduce power loss, and realize miniaturization of the storage device.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
まず、本実施の形態に係る電力変換システムの基本原理について説明する。 First, the basic principle of the power conversion system according to the present embodiment will be described.
図1は、本実施の形態に係る電力変換システムの全体構成を模式的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a power conversion system according to the present embodiment.
本実施の形態の電力変換システムは、電源11からモータ3に供給される電力を変換することによって、モータ3の動作を制御するものであり、電源装置1とモータ電力変換装置2(電力変換装置)とから概略構成されている。電源装置1は、電源11から交流電圧で供給される電力を直流電圧VPNに変換する順変換器4と、順変換器4で直流電圧に変換された電力の電圧VPNを制御する昇降圧電源回路5と、昇降圧電源回路5で電圧制御された電力を蓄積しつつモータ電力変換装置2に供給するとともに、モータ3の回生動作によって生成されてモータ電力変換装置2を介して供給される電力を蓄積する蓄積装置6(例えば、コンデンサ、蓄電池、など)と、昇降圧電源回路5の動作を制御して電圧VPNを制御する電圧指令演算回路15とを備えている。また、モータ電力変換装置2は、電源装置1の昇降圧電源回路5から蓄積装置6を介して供給される電力を変換してモータ3に供給することでモータ3の動作を制御するとともに、モータ3の回生動作により生成された電力を電源装置1の蓄積装置6に供給する逆変換器(インバータ)7(電力変換部)と、逆変換器7の動作を制御するとともに、モータ3に設けられたエンコーダ10を介して得られるモータ3の角速度と、モータ3に設けられた電流検出器(電流検出部)で検出される電流値に基づいて演算されるモータ3のトルクと、予め設定されたモータ3に関するモーメントとに基づいて、モータ3及びモータ3により駆動されるモータ負荷120に貯蔵されたエネルギである貯蔵エネルギを算出する制御回路8(制御部)と、制御回路8により算出された貯蔵エネルギと、蓄積装置6への蓄積が許容される電力量の最大値として予め定められた最大電力量とに基づいて昇降圧電源回路5を制御し、電源11から蓄積装置6に蓄積される電力量を制御する電圧指令演算回路15とを備えている。ここで、昇降圧電源回路5と電圧指令演算回路15とは、貯蔵エネルギと最大電力量とに基づいて電源11から蓄積装置6に蓄積される電力量を制御する蓄電装置制御回路を構成している。
The power conversion system of the present embodiment controls the operation of the
このとき、交流モータ9とエンコーダ10とにより構成される回転駆動式のモータ3を考えると、モータ3の出力軸が回転し、その回転エネルギがモータ軸を含む負荷側(モータ負荷120)に蓄えられる。また、リニアモータなどのモータ3を考えると、負荷を積載した可動部が直線上を移動し、運動エネルギが負荷側及び可動部(モータ負荷120)に蓄えられる。
At this time, considering a rotary
仮に、モータ3の回転角が微小角度(例えば10°以下)しか動かない負荷や直線上を微小距離(10mm以下)しか移動しない特殊な負荷を除くと、電子部品組立機械や半導体・液晶製造装置、金属工作機械や金属加工機械、搬送機械や産業用ロボット等の一般産業機械は負荷側の物体が動くとその物体に回転または運動エネルギが蓄積される。
Except for loads where the rotation angle of the
回転する物体の慣性モーメントをJ、モータの出力軸の回転の角速度をω(rad/s)とすると、加減速トルクTαは下記(式1)で表される。 Assuming that the moment of inertia of the rotating object is J and the angular velocity of rotation of the output shaft of the motor is ω (rad / s), the acceleration / deceleration torque Tα is expressed by the following (Equation 1).
また、モータの出力軸にクランク軸を結合し回転運動を往復運動に変え、ばね特性を持つ負荷に押し付けて戻す動作を繰り返した時、加減速中を含めたモータ負荷トルクをTq(N・m)とすると、ばね特性に対する弾性負荷トルクTdは下記(式2)で表される。なお、この時の摩擦負荷やころがり摩擦、その他の負荷は無視できる程度に微小であるとしている。 In addition, when the crank shaft is connected to the output shaft of the motor, the rotational movement is changed to reciprocating movement, and the operation of pressing back against the load having spring characteristics is repeated, the motor load torque including during acceleration / deceleration is Tq (Nm). ), The elastic load torque Td with respect to the spring characteristics is expressed by the following (Equation 2). It is said that the friction load, rolling friction, and other loads at this time are so small that they can be ignored.
また、上記(式1)における加減速トルクを発生中の慣性負荷動力Pαは、回転速度をN(min^(-1))として下記(式3)で表される。 Further, the inertial load power Pα during the acceleration / deceleration torque in the above (Equation 1) is represented by the following (Equation 3) with the rotation speed as N (min ^ (-1)).
次に、一定角速度運転中の弾性負荷動力Pdは下記(式4)で表される。 Next, the elastic load power Pd during constant angular velocity operation is represented by the following (Equation 4).
ここで、上記(式3)で与えられる動力Pαで運転した時、慣性負荷に蓄積される慣性負荷蓄積エネルギは上記(式3)を時間積分することによって下記(式5)で表される。 Here, the inertial load storage energy stored in the inertial load when operated with the power Pα given by the above (Equation 3) is expressed by the following (Equation 5) by time-integrating the above (Equation 3).
同様に、上記(式4)で与えられる動力Pdで運転した時、弾性負荷に蓄積される弾性負荷蓄積エネルギは上記(式4)を時間積分することによって下記(式6)で表される。 Similarly, the elastic load storage energy stored in the elastic load when operated with the power Pd given by the above (Equation 4) is expressed by the following (Equation 6) by time-integrating the above (Equation 4).
したがって、慣性負荷蓄積エネルギEαと弾性負荷蓄積エネルギEdを加算した総負荷蓄積エネルギEは下記(式7)で表される。 Therefore, the total load storage energy E obtained by adding the inertial load storage energy Eα and the elastic load storage energy Ed is represented by the following (Equation 7).
この状態からモータ3を減速停止させると慣性負荷や弾性負荷(または重力負荷)に蓄えられたエネルギは、回生エネルギとしてモータ負荷120からモータ3および逆変換器7を介して、例えば、電解コンデンサや蓄電池などの蓄積装置6に戻る。このとき、蓄積装置6が過充電状態とならないよう、モータ3の運転開始時から慣性負荷または負荷側に蓄えられるエネルギの量を刻々演算し、蓄積装置6に蓄えられているエネルギの量からその分を差し引き、回生によって生成されたエネルギが蓄積装置6に蓄積される場合にも規定のエネルギの量となるように、制御回路8で電圧指令演算回路15を制御して蓄積装置6の電力の蓄積量を可変制御する。
When the
なお、慣性負荷または負荷側に蓄えられたエネルギの量は、物理的な動力から演算するのではなく、モータ3やそれを駆動する構成に設けられたセンサ等から検出される制御信号を用いる。これは、慣性モーメントや弾性負荷特性(または重力負荷特性)がモータ3の電流や電圧、位置、速度や角速度、動力やエネルギから正確に得られるからである。例えば、弾性負荷の場合、圧縮空気の復元力を用いたばね特性等は耐用寿命があり、寿命までには特性劣化がある。しかしながら、この場合においても、経年変化に合わせた負荷特性をモータ3とそれを駆動する構成のセンサで忠実に拾うことができる。逆に、ばね特性を初期の定数のまま運転して物理的な動力から演算しようとすると、実際の特性と解離した状態を演算することになり、モータ3の運転における制御精度等の悪化や誤差が生じる恐れがある。
The amount of energy stored in the inertial load or the load side is not calculated from the physical power, but a control signal detected from the
エネルギ保存の法則から、蓄積装置6に蓄えられる適正エネルギ量Erefは、蓄積装置6が満充電時に蓄えられるエネルギをEmax(J)とすると下記(式8)で表される。
From the law of conservation of energy, the appropriate amount of energy Eref stored in the
例えば、蓄積装置6として容量C(F)の電解コンデンサを使用した場合、電解コンデンサの適正電圧をVref(V)とすると、電解コンデンサに蓄えられる適正なエネルギは下記(式9)で表される。
For example, when an electrolytic capacitor having a capacity C (F) is used as the
上記(式9)を上記(式8)に代入して整理すると、弾性負荷時の蓄積装置6の電解コンデンサの適正電圧Vrefは下記(式10)で表される。
When the above (Equation 9) is substituted into the above (Equation 8) and arranged, the appropriate voltage Vref of the electrolytic capacitor of the
ここで、上記(式10)における定数kは下記(式11)で表される。 Here, the constant k in the above (Equation 10) is represented by the following (Equation 11).
次に、重力負荷について弾性負荷と同様にトルク、動力、蓄積エネルギを考える。なお、重力負荷時の加減速トルクは上記(式1)の通りである。重力負荷としては、例えば、モータ3の出力軸に巻き上げ機を連結し、ロープの先にかご、または荷物を吊るしこれを昇降運転する場合が考えられる。
Next, for the gravitational load, consider the torque, power, and stored energy in the same way as the elastic load. The acceleration / deceleration torque under a gravitational load is as described in (Equation 1) above. As the gravitational load, for example, a hoist may be connected to the output shaft of the
加減速中を含めたモータトルクをTq(N・m)とすると、重力負荷トルクTwは下記(式12)で表される。なお、この時の摩擦負荷やころがり摩擦、その他の負荷は無視できる程度に微小であるとしている。 Assuming that the motor torque including acceleration / deceleration is Tq (Nm), the gravity load torque Tw is expressed by the following (Equation 12). It is said that the friction load, rolling friction, and other loads at this time are so small that they can be ignored.
次に、一定角速度運転中の重力負荷動力Pwは、下記(式13)で表される。 Next, the gravity load power Pw during constant angular velocity operation is represented by the following (Equation 13).
上記(式13)で与えられる重力負荷動力Pwで運転した時、重力負荷に蓄積される重力負荷蓄積エネルギは上記(式13)を時間積分することによって下記(式14)で表される。 The gravitational load storage energy stored in the gravitational load when operated with the gravitational load power Pw given in the above (Equation 13) is expressed by the following (Equation 14) by time-integrating the above (Equation 13).
したがって、慣性負荷蓄積エネルギEαと重力負荷蓄積エネルギEwを加算した総負荷蓄積エネルギEは下記(式15)で表される。 Therefore, the total load storage energy E obtained by adding the inertial load storage energy Eα and the gravity load storage energy Ew is represented by the following (Equation 15).
次に、重力負荷の場合、蓄積装置6に蓄えられる適正エネルギ量Erefは、蓄積装置6が満充電時に蓄えられるエネルギをEmax(J)とすると下記(式16)で表される。
Next, in the case of a gravitational load, the appropriate amount of energy Eref stored in the
また、蓄積装置6として、例えば、容量C(F)の電解コンデンサを使用した場合には、電解コンデンサに蓄えられる適正なエネルギは上記(式9)で表されるので、上記(式9)を上記(式16)に代入して整理することにより、重力負荷時の蓄積装置6の電解コンデンサの適正電圧Vrefは下記(式17)で表される。なお、比例定数kは上記(式11)で表される。
Further, when an electrolytic capacitor having a capacitance C (F) is used as the
ここで、慣性負荷エネルギEα、弾性負荷エネルギEd、重力負荷エネルギEwが回生時、負荷側からモータ3および逆変換器7を介して蓄積装置6に回生エネルギが戻るとき、回生効率は100%ではないために一部が損失として消費される。そこで、回生時の演算では、慣性負荷エネルギEα、弾性負荷エネルギEd、重力負荷エネルギEwにそれぞれ回生効率X1(<1)を乗じることで回生効率を反映し、また、力行時の演算では、X1=1とすることにより、回生時のみ回生効率X1(<1)が設定されるので、より精度の高い制御を実現することができる。
Here, when the inertial load energy Eα, the elastic load energy Ed, and the gravity load energy Ew are regenerated, and the regenerative energy is returned from the load side to the
例えば、モータ負荷120として、圧縮空気の復元力を利用した弾性負荷を考える場合には、圧縮空気をスライドが下降して負荷にエネルギを蓄え、次にスライドが上昇に転じるとき、上昇速度によって回生エネルギの量が異なる。これは圧縮空気を包んでいる材料にも復元時間が生じるので、先にスライドが離れるとモータは弾性負荷からの反力がなくなるため回生状態にならない。実際には圧縮空気を包んでいる材料からスライドが離れることはないので回生エネルギは生じる。しかし、スライドが下降時の動力エネルギの量とスライドが上昇時の回生エネルギの量は均等にならず回生側のエネルギの量が少ない状態になる。この場合、モータを運転開始時負荷側に蓄えられるエネルギの量を刻々演算し、蓄積装置に蓄えられるエネルギの量からその分を差し引き、回生された時に規定のエネルギの量に戻らない状態が発生する。そこで、この場合には回生時のエネルギ量に合わせて力行時のエネルギに重み係数X2(≠1)を乗じる。例えば、運転開始時には、(負荷側に蓄えられるエネルギの量)×(重み係数X2)を行って蓄積装置6に蓄えられているエネルギの量を補正してその分を差し引き、回生時は、(回生されるエネルギの量)×(重み係数X2)(ただし、X2=1)を行ってそのままのエネルギ量として戻せば、差し引かれた分は元の値に戻るようになる。
For example, when considering an elastic load using the restoring force of compressed air as the
回生時の回生効率X1(ただし、回生時:X1<1、力行時:X1=1)および力行時の重み係数X2(ただし、力行時:X2≠1、回生時:X2=1)を係数Xとしてまとめると下記(式18)で表される。 The coefficient X is the regeneration efficiency X1 at the time of regeneration (however, at the time of regeneration: X1 <1, at the time of powering: X1 = 1) and the weight coefficient X2 at the time of powering (however, at the time of powering: X2 ≠ 1, at the time of powering: X2 = 1). It is expressed by the following (Equation 18).
ここで、上記(式10)で示した弾性負荷時の蓄積装置6(電解コンデンサ)の適正電圧Vref、および、上記(式17)で示した重力負荷時の蓄積装置6(電解コンデンサ)の適正電圧Vrefは、上記(式18)の係数Xを用いて、それぞれ、下記(式19)および下記(式20)で表される。 Here, the appropriate voltage Vref of the accumulator 6 (electrolytic capacitor) under the elastic load shown in the above (Equation 10) and the appropriate voltage Vref of the accumulator 6 (electrolytic capacitor) under the gravity load shown in the above (Equation 17). The voltage Vref is represented by the following (Equation 19) and the following (Equation 20), respectively, using the coefficient X of the above (Equation 18).
なお、上記(式18)では、重み係数X2として、力行時にX2≠1、回生時にX2=1となるものを設定したが、回生時に重み係数X2≠1、力行時に重み係数X2=1となるように設定しても良い。 In the above (Equation 18), the weighting coefficient X2 is set so that X2 ≠ 1 at the time of power running and X2 = 1 at the time of regeneration, but the weighting coefficient X2 ≠ 1 at the time of regeneration and the weighting coefficient X2 = 1 at the time of power running. It may be set as follows.
以上のように、弾性負荷、重力負荷の場合、慣性負荷は両方の負荷に共通に発生し、蓄積装置(電解コンデンサ)の適正電圧Vrefは上記(式19)及び(式20)により、予めモータを運転開始時から慣性負荷、または負荷側に蓄えられるエネルギの量を刻々演算し、蓄積装置に蓄えられているエネルギの量からその分を差し引き、回生された時に規定のエネルギの量に戻るよう蓄積装置の直流電圧を可変制御すればよい。 As described above, in the case of elastic load and gravity load, inertial load is generated in common for both loads, and the appropriate voltage Vref of the storage device (electrolytic capacitor) is determined in advance by the above (Equation 19) and (Equation 20). Is calculated every moment from the start of operation to the inertial load or the amount of energy stored on the load side, subtracts that amount from the amount of energy stored in the storage device, and returns to the specified amount of energy when regenerated. The DC voltage of the storage device may be variably controlled.
ここで、慣性負荷や弾性負荷、重力負荷などについて具体例を挙げて詳細に説明する。 Here, the inertial load, elastic load, gravity load, and the like will be described in detail with specific examples.
図2は、慣性負荷に蓄えられる回転または運動エネルギを説明する図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating rotational or kinetic energy stored in an inertial load.
図2に示すように、モータ等により電気エネルギを慣性体にta時間だけ与える場合、慣性体には角速度ωでまわる回転エネルギが与えられる。ここで、電路やころがり摩擦、風損等の損失を無視すると、電気エネルギの供給をやめても慣性体は永久にまわり続ける。ただし、実際には損失は無視できないため、慣性体の回転を維持するためには損失分のエネルギを電気エネルギとして与え続けなければならない。次に、慣性体に回生ブレーキをtd時間掛けて回転エネルギを取り去ると、慣性体は停止して回転エネルギは回生されて電気エネルギとして電源に戻る。すなわち、慣性負荷を回すということは電源から供給された電気エネルギを回転エネルギに変換することであり、また、慣性負荷を回生ブレーキによって止めるということは回転エネルギを再び電気エネルギという形に変えることであり、これらは、エネルギの保存場所を移し替える行為であるといえる。 As shown in FIG. 2, when electric energy is applied to the inertial body for ta time by a motor or the like, the inertial body is given rotational energy rotating at an angular velocity ω. Here, ignoring losses such as electric circuits, rolling friction, and wind damage, the inertial body continues to rotate forever even if the supply of electric energy is stopped. However, since the loss cannot be ignored in reality, the energy for the loss must be continuously applied as electrical energy in order to maintain the rotation of the inertial body. Next, when the regenerative brake is applied to the inertial body for dt time to remove the rotational energy, the inertial body is stopped and the rotational energy is regenerated and returned to the power source as electric energy. That is, turning the inertial load means converting the electric energy supplied from the power source into rotational energy, and stopping the inertial load by regenerative braking means changing the rotational energy into the form of electric energy again. Yes, these can be said to be the act of transferring the energy storage location.
図2では、回転運動の一例としてクランクプレス機のクランク軸の回転運動を示しており、スライド質量を点Aに集約して示し、バランス調整によるバランス質量を等価的に示した質点を点Bで示したフライホイルの回転運動として模式的に示している。このような慣性体に蓄えられるエネルギEは、クランク軸の角速度をω(rad/s)とし、慣性体の慣性モーメントをJ(kg・m^2)とすると、下記(式21)で表され、慣性モーメントJに比例し、角速度ωの二乗に比例することがわかる。 In FIG. 2, the rotary motion of the crank shaft of the crank press machine is shown as an example of the rotary motion, the slide mass is summarized at the point A, and the mass point that equivalently shows the balance mass due to the balance adjustment is shown at the point B. It is schematically shown as the rotational motion of the fly wheel shown. The energy E stored in such an inertial body is expressed by the following (Equation 21), where the angular velocity of the crank shaft is ω (rad / s) and the moment of inertia of the inertial body is J (kg · m ^ 2). , It can be seen that it is proportional to the moment of inertia J and proportional to the square of the angular velocity ω.
また、図2に示すように、直線運動の場合は運動エネルギとして蓄えられるエネルギEは、慣性体の質量をm(kg)、移動速度をVlとすると、下記(式22)で表され、質量mに比例し移動速度Vl(m/s)の二乗に比例することがわかる。 Further, as shown in FIG. 2, in the case of linear motion, the energy E stored as kinetic energy is represented by the following (Equation 22), where m (kg) is the mass of the inertial body and Vl is the moving speed. It can be seen that it is proportional to m and proportional to the square of the moving speed Vl (m / s).
図3は、空圧式ダイクッション付プレス機の構造を模式的に説明する図である。 FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the structure of a press machine with a pneumatic die cushion.
図3において、プレス機には昇降運動するスライド25と固定されたボルスタ27がある。スライド25はスライドモータ20の回転をスライド駆動手段21およびクランク機構(クランク軸22、クランク偏心部23)を通してスライドギブ26にガイドされながら昇降運動する。ボルスタ27はベッド28の上に固定されプレス機のフレームを通してスライド機構に連結され、上からの加圧力を受ける構造となっている。スライド駆動手段21の一例として、もっとも多く使用されているクランクプレスの場合、スライドモータ20の回転をクランク軸22からクランク偏心部23に伝え、コネクションロッド24を介してスライド25を昇降させる。このプレス機に金型を取り付けてプレス加工が行われる。上金型29はスライド25の下面に、下金型30はボルスタ27の上面にセットされ上下一対で一つの金型を構成する。金型は鉄板等をせん断、曲げ、絞る等の加工ができ、鉄板に塑性変形を与え目的の形状を作ることができる。この金型の品質、性能がプレス加工の生産性、品質にかかわる重要な役割を担っている。空圧式ダイクッション装置31は絞り加工において、例えばカップ状絞りでは加工の進行につれて成形品のフランジ部に円周方向の圧縮応力が生じ、放置すればしわが発生する。このしわが発生しないよう下側から必要なしわ押え圧力を発生する装置が空圧式ダイクッション装置31である。空圧式ダイクッション装置31はベッド28に内蔵されており、下金型30とダイクッションパッド(図示せず)及びダイクッションピン(図示せず)が連動して作動する。なお、空圧式ダイクッション装置31には、空圧式や油圧式等のタイプの他にサーボモータを使用したサーボダイクッションがある。
In FIG. 3, the press has a
図4は、空圧式ダイクッションに蓄えられたエネルギについて説明する図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating the energy stored in the pneumatic die cushion.
図4に示すように、ダイクッションとは絞り加工のしわ押え用反力、成形品の突き上げ力を発生させる圧力保持装置である。空圧式ダイクッションは空気ばねに等価的に置き換えられる。ばねが変形するとき、弾性エネルギという形でエネルギがばねに蓄えられる。蓄えられたエネルギを放出させれば、ばねに機械的な仕事をさせることができる。空気の復元力を生み出す材料である空気ばねもその一種であり、空圧式ダイクッションで利用される。 As shown in FIG. 4, the die cushion is a pressure holding device that generates a reaction force for pressing wrinkles in drawing and a pushing force of a molded product. Pneumatic die cushions are equivalently replaced by air springs. When a spring deforms, energy is stored in the spring in the form of elastic energy. By releasing the stored energy, the spring can be made to do mechanical work. Air springs, which are materials that generate the restoring force of air, are one of them, and are used in pneumatic die cushions.
空圧式ダイクッション装置31にエネルギを蓄える場合には、スライド25が下降方向に動くことで空圧式ダイクッション内の空気を圧縮しこの部分に弾性エネルギが蓄えられ、同時にスライド方向への反力が発生する。スライド25で下に押されれば押されるほど反力31Eは大きくなるため、ばね定数k(N/m)のばねに置き換えて考えることができ、スライド25で押された場合の変位をx(m)とすると蓄えられる弾性エネルギEは下記(式23)で与えられる。
When energy is stored in the pneumatic
図5は、昇降装置に蓄えられたエネルギについて説明する図である。 FIG. 5 is a diagram illustrating energy stored in the elevating device.
図5に示すように、昇降装置82(後述)では、モータ出力軸に巻き上げ機76を連結し、ロープ78の先に荷物(又は、荷物等を収容するかご)77を吊るして昇降運転を行う。図5において、質量m(kg)の荷物77が地上にある場合には、エネルギは開放状態にある。この状態から荷物77を高さh(m)まで巻き上げると、位置エネルギmgh(J)が蓄えられる。荷物77の上昇時には、荷物77に働く重力の方向とは逆方向へ移動するためモータは力行状態で運転し、荷物77に位置エネルギが蓄えられる。また、荷物77の下降時には、荷物77の重力による落下を抑えながら下降させるのでモータは回生状態で運転し、荷物77に蓄えられた位置エネルギは開放される。
As shown in FIG. 5, in the elevating device 82 (described later), the hoisting
図6は、クランクプレス機のクランク軸角速度とスライド速度の関係を説明する図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the crank shaft angular velocity and the slide speed of the crank press machine.
図6においては、クランク軸を回転方向に上死点から下死点を介して上死点まで360°(1回転)回転させた場合を示しており、横軸に時間t(s)を、縦軸にクランク軸角速度ω(rad/s)、スライド位置θs(mm)、及びスライド速度Vs(m/s)をそれぞれ示している。スライド速度Vsは、スライド位置が中間点の時に零速度となり、スライド速度の正側が上昇速度で負側が下降速度を示す。図6において、スライド位置は余弦曲線となるが、スライド速度はクランク軸のコネクティングロッドの接続点が回転するため180°位相遅れの正弦曲線となる。 FIG. 6 shows a case where the crank shaft is rotated 360 ° (1 rotation) from the top dead point to the top dead point via the bottom dead point in the rotation direction, and the time t (s) is shown on the horizontal axis. The vertical axis shows the crank axis angular velocity ω (rad / s), the slide position θs (mm), and the slide speed Vs (m / s), respectively. The slide speed Vs becomes zero speed when the slide position is the midpoint, and the positive side of the slide speed indicates the ascending speed and the negative side indicates the descending speed. In FIG. 6, the slide position is a cosine curve, but the slide speed is a sine curve with a phase delay of 180 ° because the connecting point of the connecting rod of the crank shaft rotates.
以上のように構成した本実施の形態における作用効果を説明する。 The action and effect in the present embodiment configured as described above will be described.
従来技術には、モータおよびモータ負荷に貯蔵された回転エネルギまたはばねエネルギに基づき蓄積装置の制御指令値を、可変に設定することにより低コスト、低損失かつ高密度な電源装置がある。この従来技術は、慣性負荷に蓄えられたエネルギを対象とする蓄積装置の電圧を可変制御する電源装置に有効である。しかしながら、慣性負荷以外に蓄えられたエネルギについては具体的に示されておらず、ばね等による弾性負荷に蓄えられたエネルギについては明確ではなかった。 The prior art includes a low cost, low loss and high density power supply device by variably setting the control command value of the storage device based on the rotational energy or spring energy stored in the motor and the motor load. This conventional technique is effective for a power supply device that variably controls the voltage of the storage device for the energy stored in the inertial load. However, the energy stored in other than the inertial load has not been specifically shown, and the energy stored in the elastic load by a spring or the like has not been clarified.
また、他の従来技術には、交流モータにより可変駆動されるスライドをもつサーボプレス装置において、プレス機械の運転パターンに基づいてエネルギ蓄積装置の充放電状態を制御する制御パターンを選択して、電源コンバータを小型化、高効率化するとともに、エネルギ蓄積装置の容量を最適化する技術がある。この従来技術は、プレス機械の運転パターンと、この運転パターンに基づくエネルギ蓄積装置の充放電状態を制御する制御パターンが予め登録され、運転パターンと制御パターンが同期して運転指令が与えられるシステムで有効である。しかしながら、独立した設定器、またはその都度設定される運転指令の場合の運転パターンと制御パターンの同期した運転指令への対応方法が明確になっていないという課題があった。 In another conventional technique, in a servo press device having a slide that is variably driven by an AC motor, a control pattern that controls the charge / discharge state of the energy storage device based on the operation pattern of the press machine is selected to supply power. There is a technique for optimizing the capacity of the energy storage device while reducing the size and efficiency of the converter. This conventional technique is a system in which an operation pattern of a press machine and a control pattern for controlling the charge / discharge state of an energy storage device based on this operation pattern are registered in advance, and an operation command is given in synchronization with the operation pattern and the control pattern. It is valid. However, there is a problem that the method of responding to the synchronized operation command of the operation pattern and the control pattern in the case of an independent setting device or an operation command set each time is not clarified.
さらに、他の従来技術には、交流電源を整流して直流の固定電圧に変換されたインバータにおいて、回生されたエネルギを回生制動回路の抵抗器で消費し回生制動状態の異常処理及び表示に関する技術がある。この従来技術は、交流電源を整流回路で直流の固定電圧とするインバータの回生制動状態の異常処理及び表示に有効である。しかしながら、回生されたエネルギを回生制動回路の抵抗器で消費するため地球温暖化に対する環境改善について課題があった。 Further, in another conventional technique, in an inverter in which an AC power source is rectified and converted into a DC fixed voltage, the regenerated energy is consumed by a resistor of a regenerative braking circuit, and a technique relating to abnormal processing and display of a regenerative braking state is performed. There is. This conventional technique is effective for error handling and display of the regenerative braking state of an inverter that uses an AC power supply as a rectifier circuit and has a fixed DC voltage. However, since the regenerated energy is consumed by the resistor of the regenerative braking circuit, there is a problem in improving the environment against global warming.
このような従来技術における課題に対して、本実施の形態によれば、運転中の負荷が慣性負荷か弾性負荷かを区別し、または慣性負荷か重力負荷かを区別し、慣性負荷の場合、反力を発生する弾性負荷の場合、昇降動作をする重力負荷の場合に対して、蓄積装置に蓄積される電力量を可変制御するように構成したので、蓄積装置への電力の過度な蓄積を抑制し、電力損失の低減や、蓄積装置の小型化を実現することができる。また、負荷であるプレス機械の運転パターンとこの運転パターンに基づくエネルギ蓄積装置の充放電状態を制御する制御パターンを予め登録することも、運転パターンと制御パターンを同期して運転指令を与えることも必要ない。また、回生されたエネルギを回生制動回路の抵抗器で消費する必要もない。 In response to such problems in the prior art, according to the present embodiment, it is possible to distinguish whether the load during operation is an inertial load or an elastic load, or whether it is an inertial load or a gravity load, and in the case of an inertial load. In the case of an elastic load that generates a reaction force, the amount of power stored in the storage device is variably controlled with respect to the case of a gravity load that moves up and down, so excessive storage of power in the storage device is possible. It can be suppressed, power loss can be reduced, and the storage device can be downsized. In addition, the operation pattern of the press machine, which is a load, and the control pattern that controls the charge / discharge state of the energy storage device based on this operation pattern can be registered in advance, or the operation pattern and the control pattern can be synchronized to give an operation command. unnecessary. Further, it is not necessary to consume the regenerated energy in the resistor of the regenerative braking circuit.
すなわち、本実施の形態においては、モータ3の負荷が慣性負荷、弾性負荷、重力負荷には運転と同時に負荷側にはエネルギが蓄えられ、逆変換器7の入力側に蓄積装置6をもつ電力変換システムにおいて、モータ3運転と共にモータ3の速度と電流を検出器で検出して負荷側に蓄えられたエネルギの量Eを演算し、蓄積装置6に蓄えられるエネルギ指令値をEref、満充電時の蓄積装置6のエネルギをEmaxとした場合に、蓄積装置6に蓄えられるエネルギ指令値Eref=(Emax-E)として演算することによって蓄積装置6に蓄積されるエネルギが最適化され、電力変換システムの小型化、高効率化、低コスト化を実現することができる。
That is, in the present embodiment, the load of the
本発明の第1の実施例を図7~図18を参照しつつ説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 18.
図7は、本実施例に係る電力変換システムの一例を模式的に示す図である。 FIG. 7 is a diagram schematically showing an example of the power conversion system according to the present embodiment.
本実施例では、空圧式ダイクッション付プレス機を負荷としてモータで駆動する場合を例示している。 In this embodiment, a case where a press machine with a pneumatic die cushion is used as a load and driven by a motor is illustrated.
図7において、電力変換システムは、電源11からモータ3に供給される電力を変換することによって、モータ3の動作を制御するものであり、電源装置1とモータ電力変換装置2とから概略構成されている。
In FIG. 7, the power conversion system controls the operation of the
電源装置1は、電源11から交流電圧で供給される電力を直流電圧VPNに変換する順変換器4と、順変換器4で直流電圧に変換された電力の電圧VPNを制御する昇降圧電源回路5と、昇降圧電源回路5で電圧制御された電力を蓄積しつつモータ電力変換装置2に供給するとともに、モータ3の回生動作によって生成されてモータ電力変換装置2を介して供給される電力を蓄積する蓄積装置6(例えば、コンデンサ、蓄電池、など)と、昇降圧電源回路5の動作を制御して電圧VPNを制御する電圧指令演算回路15とを備えている。ここで、昇降圧電源回路5と電圧指令演算回路15とは、貯蔵エネルギと最大電力量とに基づいて電源11から蓄積装置6に蓄積される電力量を制御する蓄電装置制御回路を構成している。
The
モータ電力変換装置2は、電源装置1の昇降圧電源回路5から蓄積装置6を介して供給される電力を変換してモータ3に供給することでモータ3の動作を制御するとともに、モータ3の回生動作により生成された電力を電源装置1の蓄積装置6に供給する逆変換器(インバータ)7と、逆変換器7の動作を制御するとともに、モータ3に設けられたエンコーダ10を介して得られるモータ3の角速度と、モータ3に設けられた電流検出器59,60(後述)で検出される電流値に基づいて演算されるモータ3のトルクと、予め設定されたモータ3に関する慣性モーメントとに基づいて、モータ3及びモータ3により駆動されるモータ負荷(ここでは、空圧式ダイクッション付プレス機12)に貯蔵されたエネルギである貯蔵エネルギを算出する制御回路8と、制御回路8により算出された貯蔵エネルギと、蓄積装置6への蓄積が許容される電力量の最大値として予め定められた最大電力量とに基づいて昇降圧電源回路5を制御し、電源11から蓄積装置6に蓄積される電力量を制御する電圧指令演算回路15とを備えている。制御回路8は、逆変換器7の電流検出器59,60やモータ3のエンコーダ10などからの検出結果に基づいてゲート信号を生成し、このゲート信号で逆変換器7を制御してモータ3の駆動を制御するとともに、モータ3の角速度やトルク等を演算する位置速度電流制御回路16と、位置速度電流制御回路16の演算結果に基づいてモータ負荷である空圧式ダイクッション付プレス機12の貯蔵エネルギを算出する蓄積エネルギ演算回路14(演算回路)とを有している。
The motor
空圧式ダイクッション付プレス機12(以降、単にプレス機12と称する場合がある)のスライド25を駆動するモータ3は、交流モータ9と交流モータ9に設けられたエンコーダ10とで構成される。交流モータ9の速度、位置、及び磁極位置がエンコーダ10で検出され、モータ電力変換装置2の制御回路8の位置速度電流制御回路16にフィードバックされる。位置速度電流制御回路16では、エンコーダ10からフィードバックされた信号(速度、位置、磁極位置)と、上位装置13からのモータ駆動指令とが比較演算され、モータ3によって駆動されるプレス機12のスライド25をモータ駆動指令どおりに追従するように、PWM信号が生成されて逆変換器7に出力される。逆変換器7は、電源装置1から供給されるDC電圧(PN間電圧)を入力して、交流の可変電圧、可変電流に変換することにより交流モータ9を駆動し、モータの位置、速度および電流を制御する。なお、交流モータ9の電流は、逆変換器7内の電流検出器59,60(後述)で検出され、位置速度電流制御回路16へフィードバックされてトルク等の演算に用いられる。
The
電源装置1は、電源11から交流電力を入力し、順変換器4でACからDC電圧に変換し、昇降圧電源回路5へDC電圧を入力する。昇降圧電源回路5は、DC電圧を昇圧、降圧、又は、昇降圧の両方を行うことで逆変換器7に可変するDC電圧を与える。昇降圧電源回路5は電圧指令演算回路15によって制御されている。電圧指令演算回路15は、モータ電力変換装置2の制御回路8で演算された信号Eを受信し、蓄積装置6のDC電圧VPNが最適な電圧になるように昇降圧電源回路5を可変電圧制御する。また、蓄積装置6は、昇降圧電源回路5と逆変換器7の間に設置されており、電源11から供給される電気エネルギや、プレス機12からモータ3、逆変換器7などを介して供給される回生エネルギを蓄積する。
The
次に、電力変換システム全体の制御の動作の概略を説明する。まず、プレス機12の慣性負荷に蓄えられるエネルギについて説明する。上位装置13からモータ駆動指令が与えられると、モータ3はその指令に従ってスライド25の昇降動作を開始する。スライド25が昇降動作を開始する場合は、モータ3やその負荷に連なる機構部を含む慣性モーメントに蓄えられた慣性負荷の蓄積エネルギの量をリアルタイムで演算する。また、スライド25と空圧式ダイクッション装置31が共に昇降動作を開始する場合は、空圧式ダイクッション装置31まで含む慣性モーメントに蓄えられた慣性負荷の蓄積エネルギの量をリアルタイムで演算する。次に回生停止するときにその回生エネルギが戻ってきても蓄積装置6の蓄積容量がオーバフローしないようにしなければならない。このため、動き始めと同時に予め蓄積装置6に溜まっているエネルギの容量を下げておくように制御する。このように制御された状態で、上位装置13からモータ駆動指令として回生停止指令が来て、実際に回生エネルギが戻ってきても運転開始前の元のエネルギ状態のレベルに戻るので、蓄積装置6が過充電の状態になることはない。
Next, the outline of the control operation of the entire power conversion system will be described. First, the energy stored in the inertial load of the
なお、上述の蓄積エネルギ演算はモータ電力変換装置2の制御回路8内の蓄積エネルギ演算回路14が行い、蓄積装置6のエネルギ容量の最適値の制御は、蓄積装置6の電圧に置き直したPN間電圧指令Vrefとして電源装置1の電圧指令演算回路15で行なわれる。
The stored energy calculation described above is performed by the stored
次に、モータ電力変換装置2の蓄積エネルギ演算回路14と、電源装置1の電圧指令演算回路15の詳細な動作について説明する。位置速度電流制御回路16から入力する信号はエンコーダ10で検出された角速度検出信号ωとトルク検出信号Tqと、慣性モーメントJである。始めに慣性負荷に蓄えられるエネルギについて説明する。モータ3の角速度信号ωを加減速トルク演算回路42で加減速トルクTαを上記(式1)の演算により算出する。加減速トルク演算回路42の出力Tαは角速度信号ωと加減速動力演算回路43で上記(式3)の積を演算し加減速動力Pαを出力する。加減速動力Pαは慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44で上記(式5)による時間積分演算を行い慣性負荷蓄積エネルギEαを出力する。なお、加減速動力演算回路43と慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44を慣性負荷蓄積エネルギ演算ブロック40とする。
Next, the detailed operation of the stored
次に、弾性負荷に蓄えられるエネルギについて説明する。トルク検出信号Tqと加減速トルク演算回路42の出力Tαは加減算演算器51で上記(式2)に示す差演算を行い弾性負荷トルクTdを出力する。この弾性負荷トルクTdと角速度信号ωを弾性負荷動力演算回路45で上記(式4)の積を演算し弾性負荷動力Pdを出力する。弾性負荷動力Pdは弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46で上記(式6)による時間積分演算を行い弾性負荷蓄積エネルギEdを出力する。なお、弾性負荷動力演算回路45と弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46を弾性負荷蓄積エネルギ演算ブロック41とする。
Next, the energy stored in the elastic load will be described. The torque detection signal Tq and the output Tα of the acceleration / deceleration
なお、慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44と弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46に入力される信号には、位置速度電流制御回路16から出力されるCLR1,CLR2がある。この積分クリア信号CLR1,CLR2信号は積分演算回路、すなわち、慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44、または、弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46の出力をクリアする信号である。また、位置速度電流制御回路16から交流モータ9の回転子慣性モーメントとモータ軸換算されたモータ3の負荷側の慣性モーメントの合計値Jが加減速トルク演算回路42へ出力される。
The signals input to the inertial load storage
慣性負荷蓄積エネルギ演算ブロック40の出力Eαと弾性負荷蓄積エネルギ演算ブロック41の出力Edは、加算演算器50で上記(式7)の加算演算が行われ、電源装置1の電圧指令演算回路15へ総負荷蓄積エネルギEとして出力される。電源装置1の電圧指令演算回路15では、満充電時エネルギ設定ブロック47に蓄積装置6の満充電時のエネルギとして値Emaxが設定されており、この値Emaxと加減算演算器51でモータ電力変換装置2の蓄積エネルギ演算回路14から出力された総負荷蓄積エネルギEとの差、すなわち蓄積装置6に蓄えられる適正エネルギErefが上記(式8)により導かれる。
The output Eα of the inertial load storage
ここで、例えば、蓄積装置6として電解コンデンサCを使用した場合には、加減算演算器51の出力であるErefに比例係数ブロックで上記(式11)で示されるk=2/Cを掛算後、平方根演算回路49で平方根演算を行うと、上記(式10)に示す蓄積装置6についての電圧指令Vrefが得られる。また、蓄積装置6の両端電圧VPN(PN間電圧)は、直列接続された抵抗値R1の抵抗器56(後述)および抵抗値R2の抵抗器57(後述)により分圧されて検出値(フィードバック電圧)Vfとして検出され、絶縁増幅器18で電気絶縁を行なった後にフィードバックされる。この後、蓄積装置6の電圧指令Vrefとフィードバック電圧Vfは加減算演算器51でVref-Vfの差演算を行う。この差電圧はPI調節器17で比例積分演算され、位置速度電流制御回路16の駆動回路61(後述)を経由して逆変換器7が制御されることにより、昇降圧電源回路5の出力電圧VPN、すなわち蓄積装置6の出力電圧が電圧指令Vrefの値に従ってフィードバック制御される。
Here, for example, when the electrolytic capacitor C is used as the
図8は、電源装置の順変換器、昇降圧電源回路、及び蓄積装置の詳細の一例を示す図であり、昇降圧電源回路として昇圧動作を行う回路を用いる場合を示している。 FIG. 8 is a diagram showing a detailed example of a forward converter, a buck-boost power supply circuit, and a storage device of the power supply device, and shows a case where a circuit that performs a boosting operation is used as the buck-boost power supply circuit.
すなわち、図8における昇降圧電源回路5は、昇圧動作を示す昇圧電源回路であると言える。
That is, it can be said that the step-up / down
順変換器4は、交流電源11から供給される交流電圧を全波整流器55により整流して、受電電圧で決まる概略一定の直流電圧に変換され平滑コンデンサ52により平滑する。平滑された直流電圧は昇圧電源回路である昇降圧電源回路5で昇圧リアクトル58を経由してON/OFFを繰り返すスイッチング素子53に接続される。スイッチング素子53がONすると昇圧リアクトル58に流れる電流が増大し、次にスイッチング素子がOFFした時、昇圧リアクトル58からスイッチング素子53に流れていた電流はダイオード54側に切り替わり、出力電圧VPNには直流電圧(P0-N間電圧)に昇圧リアクトル58の両端に発生する電圧e=-L・(dI/dt)が加算され昇圧される。スイッチング素子53はON/OFFが繰り返され、その導通比を変えることで昇圧電圧の可変制御が可能な昇降圧電源回路5が構成される。昇降圧電源回路5の出力には蓄積装置6として平滑コンデンサ52が接続され、交流電源11から充電される電気エネルギや負荷側から回生される回生エネルギが蓄えられる。なお、図8においては、蓄積装置6に平滑コンデンサ52を使用したが、大容量電解コンデンサを並列接続し、大容量化して使用されるが2次電池、電気二重層コンデンサ等も使用しても良い。
The
図9は、電源装置の順変換器、昇降圧電源回路、及び蓄積装置の詳細の他の例を示す図であり、昇降圧電源回路として降圧動作を行う回路を用いる場合を示している。 FIG. 9 is a diagram showing other examples of details of the forward converter of the power supply device, the buck-boost power supply circuit, and the storage device, and shows a case where a circuit that performs a step-down operation is used as the buck-boost power supply circuit.
すなわち、図9における昇降圧電源回路5Aは、降圧動作を示す降圧電源回路であると言える。
That is, it can be said that the step-down
順変換器4は、交流電源11から供給される交流電圧を全波整流器55により整流して、受電電圧で決まる概略一定の直流電圧に変換され平滑コンデンサ52により平滑する。次に、ON/OFFを繰り返すスイッチング素子53が入口にあり、スイッチング素子53がONすると降圧リアクトル58Aと負荷が直列に接続されるため分圧して与えられ、ON/OFF導通比を変えることで降圧電圧の可変制御が可能な降圧電源回路として動作する昇降圧電源回路5Aが構成される。出力には蓄積装置6に平滑コンデンサ52が接続され、交流電源11から充電される電気エネルギや負荷側から回生される回生エネルギが蓄えられる。平滑コンデンサ52の大容量化については図8と同様である。
The
図10は、モータ電力変換装置の逆変換器及び位置速度電流制御回路の詳細を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing details of an inverse converter of a motor power converter and a position / velocity current control circuit.
図10において、モータ電力変換装置2には、ACサーボアンプ、ベクトル制御インバータやインバータ及びDCBLコントローラが用いられ、これらをまとめてモータ電力変換装置2と称する。
In FIG. 10, an AC servo amplifier, a vector control inverter, an inverter, and a DCBL controller are used as the motor
逆変換器7には、スイッチング素子53とダイオード54の逆並列回路が2組直列接続された1アームあり、これが3アーム並列接続され3相インバータが構成される。なお、図10においては、3相インバータを構成する場合を例示したが、他の多相インバータを構成するようにしても良い。各アームの中間端子はモータ3のモータ端子に接続されており、そのうちの2相(U相、W相)にU相電流検出器59とW相電流検出器60がそれぞれ接続されている。なお、U相電流検出器59とW相電流検出器60とを合わせて、単に、電流検出器59,60と記載する場合がある。
The
交流モータ9には、永久磁石式モータや誘導型モータ、DCブラシレスモータ(DCBLモータ)などが使用される。なお、交流モータは円筒状の中心に軸があり、この軸が回転する永久磁石式モータや誘導型モータのみに捕われることはない。例えば、交流モータ9の円周上の固定子側の一か所を切り開いて直線にして回転部分を直線的な往復運動としたリニアモータでもよい。リニアモータを駆動するACサーボアンプやベクトル制御インバータやインバータ、DCBLコントローラとしては、交流モータ9のものをそのまま流用可能である。リニアモータの場合のセンサは、エンコーダ10の代わりに固定部にリニアセンサスケール、移動部にリニアセンサヘッドを移動経路上に相対して設置し、位置および速度を検出する。また、マグネットの磁極位置検出信号が必要な場合は、磁極位置検出センサを取り付けることで対応できる。なお、ACサーボアンプで駆動されるリニアモータは、リニアサーボモータとも呼ばれる。以降の説明において、交流モータ9は、特段の記載が無い場合にはリニアモータを含むものとする。
As the
交流モータ9の出力軸に取り付けられたエンコーダ10の出力は、位置速度磁極位置演算回路62に入力され、演算結果の一つである回転速度Nはフィードバックへ出力され、演算結果の他の一つである磁極位置信号θは3相/dq変換回路68及びdq/3相変換回路66へ出力される。
The output of the
回転速度Nは、上位装置13から出力されモータ駆動指令の中の速度指令Nsがモード切替スイッチ74(Mod2)を通り、加減算演算器51でその偏差ε=Ns-Nを演算する。偏差εは、速度制御回路(ASR)63で増幅されモード切替スイッチ(Mod1)を通り、トルク電流指令Iqとして出力される。なお、モード切替スイッチ73(Mod1)は、ONでモータ駆動指令をトルク指令Tsに切り替え、OFFで位置指令または速度指令に切り替える。また、モード切替スイッチ74(Mod2)は、ONでモータ駆動指令を位置指令θsに切り替え、OFFで速度指令Nsに切り替える。なお、モータ駆動指令をどのモードに切り替えるかは、上位装置13からモータ電力変換装置2の位置速度電流制御回路16のCPU72に指令され、CPU72がそのモードを切り替える。すなわち、CPU72は、積分クリア信号CLR1,CLR2の出力を制御するだけではなく、上位装置13からの指令に基づいて16全体の動作を制御する。
The rotation speed N is output from the
電流検出器59,60の検出結果は、交流モータ9の電流フィードバック信号Iuf,Iwfとして3相/dq変換回路68に入力され、dq軸が直交する2つのベクトル信号であるd軸電流負フィードバック信号Idf及びトルク電流フィードバック信号Iqfに変換される。トルク電流指令Iqは、トルク電流フィードバック信号Iqfとの差を演算する加減算演算器51に入力され、その偏差はq軸電流制御回路(ACR)65で増幅される。d軸電流指令Idは、弱め界磁制御を行う場合の電流指令であり、d軸電流負フィードバック信号Idfとの差を演算する加減算演算器51に入力され、その偏差はd軸電流制御回路(ACR)64で増幅される。d軸電流制御回路(ACR)64の出力であるd軸電流指令Vd及びq軸電流制御回路(ACR)65の出力であるq軸電圧指令Vqは、dq/3相変換回路66に入力され、3相電圧指令Vu,Vv,Vwに変換されてPWM回路67に出力され、PWM回路67から駆動回路61を経由して逆変換器7の6個のスイッチング素子53を駆動するゲート信号として出力されることで、モータ3がモータ駆動指令に追従して制御される。
The detection results of the
なお、交流モータ9の慣性モーメントJmとモータ軸換算されたモータ3の負荷側の慣性モーメントJlの合計値J=Jm+Jlは、試運転時にモータ電力変換装置2のパラメータに計算値の慣性モーメントJを入力するか、またはモータ電力変換装置2の試運転機能による慣性モーメントJのオートチューニング機能でチューニングすることができる。また、モータ電力変換装置2に、運転中にリアルタイムで慣性モーメントJをチューニングする機能(リアルタイムオートチューニングの機能)があれば、その機能で慣性モーメントJが変化する場合でもリアルタイムでチューニングした値を更新することができる。位置速度電流制御回路16のCPU72は、チューニング等によってパラメータエリア75に記憶され更新された慣性モーメントJを蓄積エネルギ演算回路14の加減速トルク演算回路42に出力して、加減速トルク演算回路42で用いる慣性モーメントJをリアルタイムで更新することができる。なお、これらのパラメータは、電源オフ時にその時点の値がRAMメモリから、不揮発性メモリに書き込まれ、次の電源投入時に不揮発性メモリからRAMメモリに読み出しされて更新された慣性モーメントJが引き継がれる。
For the total value J = Jm + Jl of the moment of inertia Jm of the
図11は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合のスライドモータの角速度検出信号の波形の一例を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing an example of the waveform of the angular velocity detection signal of the slide motor when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
本実施例において、スライドモータの角速度検出信号ωとトルク検出信号Tqは位置速度電流制御回路16から出力される。絞り加工では、スライド25側の上金型と空圧式ダイクッション装置31側の下金型の間にブランク材を挟み込み、上からのスライドトルクと空圧式ダイクッション装置31による下からの押し上げ反力により、上下両方からブランク材に圧縮力を加える。図11に示すように、絞り加工の初めは、スライド25は上死点から高速で下降を開始し、空圧式ダイクッション装置31に接触する直前に中速まで減速する。中速になった後、絞り加工に入り下死点を通過後、スライド25は上昇に転じ空圧式ダイクッション装置31から離れた後、角速度検出信号ωは再び高速に加速し上死点で停止する。ここでスライドモータ(モータ3)の回転方向は一方方向運転であるが、スライド25の運転方向は下降、上昇と切り替わる(図6参照)。なお、図11中には、中速時に絞り加工期間中として矢印の範囲で絞り加工のタイミングを示している。
In this embodiment, the angular velocity detection signal ω and the torque detection signal Tq of the slide motor are output from the position speed
図12は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合のスライドモータのトルク検出信号の波形の一例を示す図である。 FIG. 12 is a diagram showing an example of the waveform of the torque detection signal of the slide motor when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
図12に示すように、絞り加工をしていないときのスライドトルク(トルク検出信号)Tqは、加速時に加速トルクが正側に、減速時に減速トルクが負側に発生するものであり、すなわち、角速度の変化時にのみ加減速トルクが発生する。絞り加工期間中に入ると、スライド25は下降しながら空圧式ダイクッション装置31の圧縮空気を徐々に押すため、弾性エネルギが蓄えられ、スライドモータのトルク(トルク検出信号Tq)は正方向に徐々に増大する。下死点では、押し当てトルクが零になるが空圧式ダイクッション装置31からの反力を受けた状態となる。下死点を通過して上昇に転ずると、空圧式ダイクッション装置31の増大した反力によりスライドトルク(トルク検出信号)Tqは中速を維持するため、回生ブレーキトルクに切り替わり負方向となる。スライド25が空圧式ダイクッション装置31から離れると、蓄えられた弾性エネルギが開放されて回生トルクは急速に減少して零になる。なお、図12においては、絞り加工期間中として矢印の範囲で示す部分においてダイクッショントルクが発生している。
As shown in FIG. 12, the slide torque (torque detection signal) Tq when drawing is not performed is such that the acceleration torque is generated on the positive side during acceleration and the deceleration torque is generated on the negative side during deceleration, that is, Acceleration / deceleration torque is generated only when the angular velocity changes. During the drawing period, the
図13は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合の加減速トルク演算回路の出力波形の一例を示す図である。 FIG. 13 is a diagram showing an example of the output waveform of the acceleration / deceleration torque calculation circuit when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
加減速トルク演算回路42の出力波形は、スライドモータの角速度検出信号ωを微分し慣性モーメントJを乗算した波形である。したがって、図13に示すように、角速度検出信号ωが一定の時は出力は零になり、また、絞り加工期間中は角速度検出信号ωが一定のためにダイクッショントルクは現れることはない。このため、加減速トルク演算回路42の出力波形としては、スライドモータの加減速トルクのみを分離した波形が得られる。通常、モータ3の電流波形による検出では全負荷電流が含まれるため、加減速トルクのみ分離して検出することは不可能である。すなわち、演算により加減速トルクのみを分離することができることは本実施例の特徴の一つである。
The output waveform of the acceleration / deceleration
図14は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合の加減算演算器の出力波形の一例を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing an example of the output waveform of the addition / subtraction calculator when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
加減算演算器51の出力Tdは、トルク検出信号Tq-加減速トルクTαで表される。例えば、空圧式ダイクッション付プレス機12で絞り加工を行う場合において、スライドモータの主なトルクは負荷慣性モーメントを加減速する加減速トルクと、スライド25と空圧式ダイクッション装置31で絞り加工するダイクッショントルクのほぼ2つである。一般に、モータ3のトルク検出信号Tqには、モータ3に印加されるすべての負荷のトルク成分が現れるが、絞り加工時のダイクッショントルクは弾性負荷トルクTdに等しいので、図14に示すように、弾性負荷トルクTdはスライドモータトルク(トルク検出信号)Tq-加減速トルクTαで算出される。
The output Td of the addition /
以上の図13及び図14で示したように、本実施例には、スライドモータトルク(トルク検出信号)Tqは、慣性負荷に発生する加減速トルクTαと弾性負荷に発生する弾性負荷トルクTdの2つに分離して検出されるという特徴がある。 As shown in FIGS. 13 and 14, in this embodiment, the slide motor torque (torque detection signal) Tq is the acceleration / deceleration torque Tα generated in the inertial load and the elastic load torque Td generated in the elastic load. It has the characteristic that it is detected separately in two.
図15は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合の慣性負荷蓄積エネルギ演算回路の出力波形の一例を示す図である。 FIG. 15 is a diagram showing an example of the output waveform of the inertial load storage energy calculation circuit when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44の出力である慣性負荷蓄積エネルギEαは、加減速動力演算回路43でスライドモータの角速度検出信号ωと加減速トルクTαを乗算して加減速動力Pαを算出し、この加減速動力Pαを時間積分することにより算出される。図15に波形を示す慣性負荷蓄積エネルギEαは、スライドモータの角速度検出信号ω(図11参照)が変化している時のみエネルギが積算または減算されており、したがって、角速度検出信号ωが一定である絞り加工期間中、すなわち、ダイクッショントルク発生時は積算されない。
The inertial load stored energy Eα, which is the output of the inertial load stored
図16は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合の弾性負荷蓄積エネルギ演算回路の出力波形の一例を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing an example of the output waveform of the elastic load storage energy calculation circuit when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46の出力である弾性負荷蓄積エネルギEdは、弾性負荷動力演算回路45でスライドモータの角速度ωと弾性負荷トルクTdを乗算して弾性負荷動力Pdを算出し、この弾性負荷動力Pdを時間積分することにより算出される。図16に波形を示す弾性負荷蓄積エネルギEdは、絞り加工期間中はスライドモータの角速度検出信号ωが中速一定のため、弾性負荷トルクTdの波形(図14参照)を積分した形状になる。
The elastic load storage energy Ed, which is the output of the elastic load storage
以上の図15及び図16で示したように、本実施例には、スライドモータとその負荷に蓄えられた慣性負荷蓄積エネルギEαと空圧式ダイクッション装置31に蓄えられた弾性負荷蓄積エネルギEdとが個別に算出されるという特徴がある。
As shown in FIGS. 15 and 16 above, in this embodiment, the inertial load storage energy Eα stored in the slide motor and its load and the elastic load storage energy Ed stored in the pneumatic
図17は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合の蓄積エネルギ演算回路の加算演算器の出力波形の一例を示す図である。 FIG. 17 is a diagram showing an example of the output waveform of the addition calculator of the stored energy calculation circuit when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
図17に示すように、加算演算器50の出力である総負荷蓄積エネルギEは、慣性負荷蓄積エネルギEα(図13参照)と弾性負荷蓄積エネルギEd(図14参照)とが加算された波形そのものである。
As shown in FIG. 17, the total load storage energy E, which is the output of the
図18は、空圧式ダイクッション付プレス機で絞り加工を行った場合の電圧指令演算回路の出力波形の一例を示す図である。 FIG. 18 is a diagram showing an example of the output waveform of the voltage command calculation circuit when drawing is performed by a press machine with a pneumatic die cushion.
電圧指令演算回路15の出力は、昇降圧電源回路5を制御するための出力電圧指令Vrefである。電圧指令演算回路15では、まず、加減算演算器51において、制御回路8の蓄積エネルギ演算回路14の出力(すなわち、加算演算器50の出力)である総負荷蓄積エネルギEが蓄積装置6の満充電時のエネルギEmaxから減算される。蓄積装置6の満充電時のエネルギEmaxは満充電時の最大値であるが一定値であるので、加減算演算器51の出力は、比例係数k(=2/C)を掛け算する比例係数ブロック48と、平方根演算回路49とを経由してエネルギ(J)から電圧(V)の単位に置き直される。この結果、図18に示すように、出力電圧指令Vrefは、一定値から総蓄積エネルギE(図17参照)の波形を差し引いた波形として得られる。
The output of the voltage
図18に示すように、絞り加工においては、最初、スライドモータが下降する場合における角速度検出信号ωの加速→高速→中速の変化で蓄積装置6の電圧Vrefは、高速迄の加速時に慣性負荷に徐々に蓄えられるので、直ちに回生されても良いように蓄積装置6の電圧を徐々に下げ、角速度検出値ωが一定の時には電圧Vrefは維持し、中速までの減速時はエネルギが一部回生されるので、その分だけ電圧Vrefを戻して上昇させる。次の絞り加工中では、空圧式ダイクッション装置31で電源11から供給する弾性負荷エネルギは大きくなるので、蓄積装置6の電圧Vrefは大きく下げる。また、総エネルギEがピークを越えると、この弾性負荷エネルギは回生に転じるため、蓄積装置6の電圧Vrefは今度は上昇に戻す。そして、絞り加工が終了すると、再び慣性負荷蓄積エネルギの動作に移り、中速→高速→停止で最初の高速運転時と同様の動作が行われる。
As shown in FIG. 18, in the drawing process, the voltage Vref of the
以上の図11~図18で示したように、本実施例においては、慣性負荷に蓄積されるエネルギと弾性負荷に蓄積されるエネルギとに従って、蓄積装置6の電圧指令Vrefを可変制御する。
As shown in FIGS. 11 to 18 above, in this embodiment, the voltage command Vref of the
本発明の第2の実施例を図19を参照しつつ説明する。本実施例では、実施例1との相違点についてのみ説明するものとし、本実施例で用いる図面において第1の実施例と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, only the differences from the first embodiment will be described, and in the drawings used in the present embodiment, the same members as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施例は、電源装置をモータ電力変換装置に内蔵し、慣性負荷蓄積エネルギに基づいて蓄積装置の電圧を可変制御するものである。 In this embodiment, the power supply device is built in the motor power conversion device, and the voltage of the storage device is variably controlled based on the inertial load storage energy.
図19は、本実施例に係る電力変換システムの一例を模式的に示す図である。 FIG. 19 is a diagram schematically showing an example of the power conversion system according to the present embodiment.
本実施例では、第1の実施例の蓄積装置6に代えて蓄電素子6Aを用いており、負荷として射出成型機をモータで駆動している。
In this embodiment, the
図19において、本実施例の電力変換システムのモータ電力変換装置2Aは、順変換器4、昇降圧電源回路5、蓄電素子6A、逆変換器7、制御回路8、及び、電圧指令演算回路15を備えている。また、制御回路8は、蓄積エネルギ演算回路14A(演算回路)及び位置速度電流制御回路16Aを備えている。
In FIG. 19, the motor
本実施例の蓄積エネルギ演算回路14Aは、加減速トルク演算回路42の出力である加減速トルクTαと、弾性負荷トルクTd(加減算演算器51の出力)とを位置速度電流制御回路16Aに出力するように構成されている。一般に、モータのトルク検出信号には、モータに印加されるすべての負荷のトルク成分が現れる。これに対して、本実施例では、慣性負荷に発生する加減速トルクTαと弾性負荷に発生する弾性負荷トルクTdの2つを分離することが可能になったので、この加減速トルクTαと弾性負荷トルクTdとを位置速度電流制御回路16Aにフィードバックしている。位置速度電流制御回路16Aは、蓄積エネルギ演算回路14Aからの加減速トルクTαおよび弾性負荷トルクTdを取り込む機能、すなわち、分離されたモニタトルク機能を有している。
The stored
また、位置速度電流制御回路16Aは、取り込んだ加減速トルクTαおよび弾性負荷トルクTdを上位装置13に出力する。上位装置13では、省エネルギ化を図るために何の動力を低減するかの検討に、加減速トルクTαおよび弾性負荷トルクTdが用いられる。すなわち、慣性負荷動力を低下させるのか、弾性負荷動力を低下させるのか、または、タクトタイムを変えたり弾性負荷トルクを変えたりするのか等、種々の条件を変えて運転を行うことで、個別に測定ができる加減速トルクTαおよび弾性負荷トルクTdを参照して検討することができる。
Further, the position / velocity
なお、図19においては、一般産業機械用負荷として射出成型機35の射出軸34を例示している。モータ負荷としての射出軸34は、慣性負荷を除けば弾性負荷や重力負荷ではなくエネルギを蓄積しないため、弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46は積分クリア信号2のCLR2を常時ONとしてその出力を零として無効にする。ただし、慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44は有効にしてエネルギ蓄積演算を行う。積分クリア信号CLR1,CLR2はパラメータで外部から常時ON設定ができ、エネルギが蓄積できない負荷の時はONとするよう設定できる。またONの設定は、上位装置13からも設定することができる。
In FIG. 19, the
その他の構成は第1の実施例と同様である。 Other configurations are the same as those in the first embodiment.
本願発明においては、蓄電装置に回生エネルギが戻っても過充電されることはがないため、蓄電装置として蓄電素子6A(例えば、電解コンデンサ)を用いる場合に、蓄電素子6Aに予め設定される電圧範囲の上限マージンを削減して電圧範囲の上限を引き上げ、電解コンデンサの容量を増加させずに蓄積できるエネルギを上昇することができ、更に損失を低減することができる。したがって、本実施例のように、順変換器4、昇降圧電源回路5、及び、蓄電素子6A(電解コンデンサ)をモータ電力変換装置2Aに内蔵することができる。
In the present invention, even if the regenerative energy returns to the power storage device, it is not overcharged. Therefore, when the
また、図19に示す制御回路8内の蓄積エネルギ演算回路14及び電圧指令演算回路15の蓄電素子6A(電解コンデンサ)の適正電圧Vref出力までのブロックとPI調節器17はソフトウェア処理であり、位置速度電流制御回路16AのCPU72が処理しているので、新たなCPUを追加する必要がない。
Further, the block up to the appropriate voltage Vref output of the
本発明の第3の実施例を図20及び図21を参照しつつ説明する。本実施例では、第1の実施例との相違点についてのみ説明するものとし、本実施例で用いる図面において第1の実施例と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。 A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 20 and 21. In this embodiment, only the differences from the first embodiment will be described, and in the drawings used in this embodiment, the same members as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施例は、モータ負荷として、スライド25とサーボダイクッション装置32とを有し、スライド25とサーボダイクッション装置32との電源系統を別電源としたサーボダイクッション付プレス機12Aを用いるものである。
In this embodiment, a
図20は、本実施例に係る電力変換システムの一例を模式的に示す図である。 FIG. 20 is a diagram schematically showing an example of a power conversion system according to this embodiment.
図20においては、第1の実施例(図7)に対して空圧式ダイクッション装置31がサーボダイクッション装置32に置き換えられ、ダイクッション用のモータ103により下側から反力が与えられ、ダイクッション用のモータ103はダイクッション用モータ電力変換装置121(AC入力)で制御される構成になっている。
In FIG. 20, the pneumatic
ダイクッション用のモータ103は、交流モータ109にエンコーダ110が内蔵されている。また、ダイクッション用モータ電力変換装置121(AC入力)のモータ電力変換回路107には順変換器や逆変換器などの機能(図示せず)が内蔵されているので3相交流の交流電源11から電力が供給され、逆変換器の入力は一定の直流電圧が与えられる。すなわち、モータ電力変換回路107は、昇降圧電源回路のない標準的なモータ電力変換装置である。
The
なお、図20では、交流電源11からの電力供給用の配線を1本線で示し3本の斜線を付することで3相配線であることを示している。また、ダイクッション用モータ電力変換装置121の制御回路108は、第1の実施例で示した位置速度電流制御回路16(図10参照)と同様の構成を有しており、蓄積エネルギ演算回路14としての機能は有していない。なお、ダイクッション用モータ電力変換装置121(AC入力)の制御回路108には、上位装置13からモータ駆動指令が与えられ、ダイクッション用のモータ103の運転モードは、絞り加工期間中は上金型と下金型でブランク材を挟んでいるのでトルク制御で反力を与える。このトルク制御は、空圧式ダイクッション装置31を用いた場合の反力と同じトルクを与えている。なお、絞り加工期間中以外は位置制御または速度制御で運転される。
In addition, in FIG. 20, the wiring for power supply from the
図21は、本実施例に係るサーボダイクッション付プレス機の構造を模式的に説明する図である。 FIG. 21 is a diagram schematically illustrating the structure of the press machine with a servo die cushion according to the present embodiment.
図21において、サーボダイクッション付プレス機12Aは、第1の実施例で示した空圧式ダイクッション付プレス機12(図3参照)と比較して、空圧式ダイクッション装置31をサーボダイクッション装置32に変更し、また、サーボダイクッション装置32を駆動するダイクッション用のモータ103を有している。
In FIG. 21, in the
その他の構成は第1の実施例と同様である。 Other configurations are the same as those in the first embodiment.
本発明の第4の実施例を図22を参照しつつ説明する。本実施例では、第3の実施例との相違点についてのみ説明するものとし、本実施例で用いる図面において第3の実施例と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, only the differences from the third embodiment will be described, and in the drawings used in this embodiment, the same members as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施例は、第3の実施例のサーボダイクッション付プレス機12Aにおけるサーボダイクッション装置32の電源を昇降圧電源回路5の入力(言い換えると、順変換器4の出力)から供給するようにしたものである。
In this embodiment, the power supply of the servo die
図22は、本実施例に係る電力変換システムの一例を模式的に示す図である。 FIG. 22 is a diagram schematically showing an example of the power conversion system according to the present embodiment.
図22において、ダイクッション用モータ電力変換装置121A(DC入力)の入力電源は電源装置1の昇降圧電源回路5の入力側P0-N間に接続されている。つまり、ダイクッション用モータ電力変換装置121A(DC入力)は、順変換器4の出力に接続されているため直流電源入力であり、モータ電力変換回路107Aには順変換器としての機能は不要である。
In FIG. 22, the input power source of the die cushion motor
その他の構成は第3の実施例と同様である。 Other configurations are the same as those in the third embodiment.
モータ3(以降、スライドモータ3とも記載する)とダイクッション用のモータ103は、絞り加工切削中はお互いに押し合い方向にトルクを出すのでスライドモータ3が力行方向で運転するとダイクッション用のモータ103は回生運転となる。逆にスライドモータ3が回生方向で運転するとダイクッション用のモータ103は力行運転となる。例えばスライドモータ3が力行で運転するときは電源11側から電力を供給してほしい時であり、この時ダイクッション用のモータ103は回生であって電源から供給される電力が余剰である状態となる。ダイクッション用モータ電力変換装置121A(DC入力)は、昇降圧電源回路としての機能を有していないので、スライドモータ3と電圧レベルが同じとなるため、両者を電源装置1の順変換器4と接続することができる。この状態においては、ダイクッション用のモータ103の回生電力は昇降圧電源回路5で、例えば、昇圧されてスライドモータ3の力行電力として供給できるので、電源11側からの電力の供給を抑制または無くすことができ省エネルギを達成することができる。
Since the motor 3 (hereinafter, also referred to as the slide motor 3) and the
また、逆の場合として、スライドモータ3が回生であれば、蓄積装置6電圧が回生状態を予測してすでに電圧は低下状態にあるので、その電圧から回生が始まる。この時、ダイクッション用のモータ103は力行であるから電源11側から電力を供給することができ、両者双方から電源を供給することはない。
On the contrary, if the
以上のように、絞り加工切削中は力行と回生がバランス良く切り替わるため、電源装置1の直流電圧P0-N間は電圧どちらが回生状態になってもほぼ一定に保たれる。このため、弾性負荷蓄積エネルギ演算回路46を無効状態、すなわちクリア信号CLR2をONで運転しても問題ないという効果が得られる。なお、絞り加工切削の終了時はスライドモータ3は慣性負荷にエネルギ蓄積されるので、慣性負荷蓄積エネルギ演算回路44は有効(クリア信号CLR1はOFF)として運転する必要がある。
As described above, since power running and regeneration are switched in a well-balanced manner during drawing and cutting, the voltage between the DC voltage P0 and N of the
本発明の第5の実施例を図23を参照しつつ説明する。本実施例では、第1の実施例との相違点についてのみ説明するものとし、本実施例で用いる図面において第1の実施例と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。 A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, only the differences from the first embodiment will be described, and in the drawings used in this embodiment, the same members as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施例は、昇降装置を負荷としてモータで駆動する場合を例示するものである。 This embodiment exemplifies a case where a lifting device is used as a load and driven by a motor.
図23は、本実施例に係る電力変換システムの一例を模式的に示す図である。 FIG. 23 is a diagram schematically showing an example of the power conversion system according to the present embodiment.
本実施例では、
図23において、本実施例の昇降装置82は、巻き上げ機76(図5参照)を備えている。昇降装置82は、重力負荷として最も回生状態を説明し易い負荷である。本実施例の昇降負荷としては重力方向に高低差の大きい昇降機は想定しておらず、フロア内のかごや荷物の昇降装置、上下棚間の収納部品の昇降装置、装置内を上下に搬送する部品搬送を想定している。荷物77の上昇時は、重力とは逆方向の動作のためモータ3は力行状態で運転し、下降時は落下を抑えながら下降するのでモータ3は回生状態になる。
In this example,
In FIG. 23, the elevating
また、図23において、蓄積エネルギ演算回路14B(演算回路)では、第1の実施例の蓄積エネルギ演算回路14(図7参照)と比較して、弾性負荷蓄積エネルギ演算ブロック41が重力負荷蓄積エネルギ演算ブロック79に置き換えられている。また、重力負荷蓄積エネルギ演算ブロック79は、重力負荷動力演算回路80と重力負荷蓄積エネルギ演算回路81とを有している。ただし、重力負荷トルクTwは、上記(式12)のようにTq-Tαであり、重力負荷動力演算回路80で重力負荷動力Pwが演算され、重力負荷蓄積エネルギ演算回路81で重力負荷蓄積エネルギEwが演算される。
Further, in FIG. 23, in the stored
慣性負荷蓄積エネルギ演算ブロック40の出力Eαと重力負荷蓄積エネルギ演算ブロック79の出力Ewは、加算演算器50で加算され総負荷蓄積エネルギEが電源装置1の電圧指令演算回路15に出力される。
The output Eα of the inertial load storage
その他の構成は第1の実施例と同様である。 Other configurations are the same as those in the first embodiment.
以上のように構成した本実施例においても、第1の実施例と同様に上記(式17)に示す蓄積装置6の電圧指令Vrefが得られる。
Also in this embodiment configured as described above, the voltage command Vref of the
本発明の第6の実施例を図24を参照しつつ説明する。本実施例では、実施例1との相違点についてのみ説明するものとし、本実施例で用いる図面において実施例1と同様の部材には同じ符号を付し、説明を省略する。 A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 24. In this embodiment, only the differences from the first embodiment will be described, and in the drawings used in the present embodiment, the same members as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
本実施例は、モータをリニアモータおよびエンコーダで構成するものである。 In this embodiment, the motor is composed of a linear motor and an encoder.
図24は、本実施例に係る電力変換システムの一例を模式的に示す図である。 FIG. 24 is a diagram schematically showing an example of the power conversion system according to the present embodiment.
図24において、モータ3Cは、リニアモータ9Cと、リニアモータ9Cの位置を取得するための位置検出器(リニアエンコーダ、ホールセンサ)10Cとにより構成されている。
In FIG. 24, the
本実施例のリニアモータ9Cに係る物理量と、第1の実施例で示した交流モータ9に係る物理量とは次のように対応している。すなわち、リニアモータ9Cにおける速度v(m/s)、推力Fq(N)、質量M(kg)、及び、(1/2)Mv^2は、交流モータ9(すなわち、回転型サーボモータ)の角速度ω(rad/s)、トルクTq(N・m)、慣性モーメントJ(kg・m^2)、及び、慣性負荷エネルギ(1/2)Jω^2にそれぞれ対応している。
The physical quantity related to the
また、リニアモータ9Cにおける慣性負荷動力Pα、走行動力Pd、慣性負荷エネルギEα、及び、走行エネルギEd(交流モータ9の場合の上記(式3)~(式6)にそれぞれ対応する)は、下記(式24)~(式27)でそれぞれ表される。
Further, the inertial load power Pα, the traveling power Pd, the inertial load energy Eα, and the traveling energy Ed (corresponding to the above (formula 3) to (formula 6) in the case of the AC motor 9) in the
上記(式25)においては、走行速度v(m/s)=dl/dt、常時推力Fq(N)である。 In the above (Equation 25), the traveling speed v (m / s) = dl / dt and the constant thrust Fq (N).
すなわち、図24において、蓄積エネルギ演算回路14C(演算回路)では、第1の実施例の蓄積エネルギ演算回路14(図7参照)と比較して、慣性モーメントJに係る加減速トルク演算回路42が質量Mに係る加減速トルク演算回路142に置き換えられており、位置速度電流制御回路16Cでは、加減速トルク演算回路142に質量Mを出力するとともに、モータ負荷トルクTqに代えて推力Fqを出力するように構成されている。
That is, in FIG. 24, in the stored energy calculation circuit 14C (calculation circuit), the acceleration / deceleration
その他の構成は第1の実施例と同様である。 Other configurations are the same as those in the first embodiment.
以上のように、リニアモータを用いる場合においても第1の実施例と同様に制御することができる。 As described above, even when a linear motor is used, it can be controlled in the same manner as in the first embodiment.
<付記>
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内の様々な変形例や組み合わせが含まれる。また、本発明は、上記の実施の形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。また、上記の各構成、機能等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等により実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
<Additional Notes>
The present invention is not limited to the above embodiment, and includes various modifications and combinations within a range not deviating from the gist thereof. Further, the present invention is not limited to the one including all the configurations described in the above-described embodiment, and includes the one in which a part of the configurations is deleted. Further, each of the above configurations, functions and the like may be realized by designing a part or all of them by, for example, an integrated circuit. Further, each of the above configurations, functions, and the like may be realized by software by the processor interpreting and executing a program that realizes each function.
1…電源装置、2,2A…モータ電力変換装置(電力変換装置)、3…モータ、3C…リニアモータ、4…順変換器、5…昇降圧電源回路(昇圧電源回路、降圧電源回路)、6…蓄電装置、6A…蓄電素子、7…逆変換器(電力変換部)、8,108…制御回路(制御部)、9…交流モータ、9C…交流モータ(リニアモータ)、10…エンコーダ、10C…位置検出器(リニアエンコーダ、ホールセンサ)、11…交流電源、12…空圧式ダイクッション付プレス機、12A…サーボダイクッション付プレス機、13…上位装置、14,14A,14B,14C…蓄積エネルギ演算回路(演算回路)、15…電圧指令演算回路、16,16A…位置速度電流制御回路、17…調節器、18…絶縁増幅器、20…スライドモータ、21…スライド駆動手段、22…クランク軸、23…クランク偏心部、24…コネクションロッド、25…スライド、26…スライドギブ、27…ボルスタ、28…ベッド、29…上金型、30…下金型、31…空圧式ダイクッション装置、32…サーボダイクッション装置、34…射出軸、35…射出成型機、40…慣性負荷蓄積エネルギ演算ブロック、41…弾性負荷蓄積エネルギ演算ブロック、42,142…加減速トルク演算回路、43…加減速動力演算回路、44…慣性負荷蓄積エネルギ演算回路、45…弾性負荷動力演算回路、46…弾性負荷蓄積エネルギ演算回路、47…満充電時エネルギ設定ブロック、48…比例係数ブロック、49…平方根演算回路、50…加算演算器、51…加減算演算器、52…平滑コンデンサ、53…スイッチング素子、54…ダイオード、55…全波整流器、56…抵抗器、58…昇圧リアクトル、58A…降圧リアクトル、59…U相電流検出器(電流検出器)、60…W相電流検出器(電流検出器)、61…駆動回路、62…位置速度磁極位置演算回路、63…速度制御回路(ASR)、64…軸電流制御回路(ACR)、65…軸電流制御回路(ACR)、66…相変換回路、67…回路、68…変換回路、73,74…モード切替スイッチ、75…パラメータエリア、76…巻き上げ機、77…荷物(又は、荷物等を収容するかご)、78…ロープ、79…重力負荷蓄積エネルギ演算ブロック、80…重力負荷動力演算回路、81…重力負荷蓄積エネルギ演算回路、82…昇降装置、103…ダイクッション用モータ、107,107A…モータ電力変換回路、109…交流モータ、110…エンコーダ、120…モータ負荷、121,121A…ダイクッション用モータ電力変換装置 1 ... power supply device, 2, 2A ... motor power conversion device (power conversion device), 3 ... motor, 3C ... linear motor, 4 ... forward converter, 5 ... buck-boost power supply circuit (boost-boosting power supply circuit, step-down power supply circuit), 6 ... Power storage device, 6A ... Power storage element, 7 ... Reverse converter (power conversion unit), 8,108 ... Control circuit (control unit), 9 ... AC motor, 9C ... AC motor (linear motor), 10 ... Encoder, 10C ... Position detector (linear encoder, Hall sensor), 11 ... AC power supply, 12 ... Press machine with pneumatic die cushion, 12A ... Press machine with servo die cushion, 13 ... Upper device, 14, 14A, 14B, 14C ... Stored energy calculation circuit (calculation circuit), 15 ... voltage command calculation circuit, 16, 16A ... position / speed current control circuit, 17 ... controller, 18 ... insulation amplifier, 20 ... slide motor, 21 ... slide drive means, 22 ... crank Shaft, 23 ... Crank eccentric part, 24 ... Connection rod, 25 ... Slide, 26 ... Slide give, 27 ... Bolster, 28 ... Bed, 29 ... Upper mold, 30 ... Lower mold, 31 ... Pneumatic die cushion device, 32 ... Servo die cushion device, 34 ... Injection shaft, 35 ... Injection molding machine, 40 ... Inertial load storage energy calculation block, 41 ... Elastic load storage energy calculation block, 42, 142 ... Acceleration / deceleration torque calculation circuit, 43 ... Acceleration / deceleration Power calculation circuit, 44 ... Inertial load storage energy calculation circuit, 45 ... Elastic load power calculation circuit, 46 ... Elastic load storage energy calculation circuit, 47 ... Energy setting block when fully charged, 48 ... Proportional coefficient block, 49 ... Square root calculation circuit , 50 ... Addition calculator, 51 ... Addition / subtraction calculator, 52 ... Smoothing capacitor, 53 ... Switching element, 54 ... Diode, 55 ... Full-wave rectifier, 56 ... Resistor, 58 ... Boost reactor, 58A ... Step-down reactor, 59 ... U-phase current detector (current detector), 60 ... W-phase current detector (current detector), 61 ... drive circuit, 62 ... position speed pole position calculation circuit, 63 ... speed control circuit (ASR), 64 ... axis Current control circuit (ACR), 65 ... Shaft current control circuit (ACR), 66 ... Phase conversion circuit, 67 ... Circuit, 68 ... Conversion circuit, 73, 74 ... Mode selector switch, 75 ... Parameter area, 76 ... Winder, 77 ... Luggage (or a basket for accommodating luggage), 78 ... Rope, 79 ... Gravity load storage energy calculation block, 80 ... Gravity load power calculation circuit, 81 ... Gravity load storage energy calculation circuit, 82 ... Elevating device, 103 … Die cushion motor, 107, 107A… Motor power conversion circuit, 109 ... AC motor, 110 ... Encoder, 120 ... Motor load, 121, 121A ... Die cushion motor power conversion device
Claims (8)
前記電力変換装置に電力を供給する電源装置とを備える電力変換システムにおいて、
前記電力変換装置は、
前記電源装置から供給される電力を変換する電力変換部と、前記電力変換部を制御する制御部と、前記電力変換部内の電流を検出する電流検出部と、を有し、
前記電源装置は、
電圧に応じて電力を蓄積する蓄積装置と、電圧指令に基づいて前記蓄積装置の電圧を変更する昇降圧電源回路と、前記蓄積装置に蓄積するエネルギを演算して前記電圧指令として前記昇降圧電源回路へ出力する演算回路と、を有し、
前記制御部は、前記モータが備えるエンコーダからの情報と前記電流検出部で検出した電流値とを用いて前記モータの角速度及びトルクを算出し、算出した前記角速度及びトルクと予め設定された慣性モーメント値とを用いて前記モータの力行エネルギ或いは回生エネルギを算出し、
前記演算回路は、前記制御部で前記モータに供給される電流値を用いて算出した前記モータの力行エネルギ或いは回生エネルギに基づいて前記蓄積装置に蓄積される電力量が前記回生エネルギによって最大電力量となるように前記蓄積装置に蓄積するエネルギを演算するものである電力変換システム。 A power converter that supplies power to the motor and
In a power conversion system including a power supply device that supplies power to the power conversion device,
The power converter is
It has a power conversion unit that converts the power supplied from the power supply device, a control unit that controls the power conversion unit, and a current detection unit that detects the current in the power conversion unit.
The power supply device
A storage device that stores electric power according to the voltage, a buck-boost power supply circuit that changes the voltage of the storage device based on a voltage command, and a buck-boost power supply that calculates the energy stored in the storage device as the voltage command. It has an arithmetic circuit that outputs to the circuit,
The control unit calculates the angular velocity and torque of the motor using the information from the encoder included in the motor and the current value detected by the current detection unit, and the calculated angular velocity and torque and the preset moment of inertia. The power running energy or regenerative energy of the motor is calculated using the value and
In the arithmetic circuit, the amount of electric power stored in the storage device based on the power running energy or regenerative energy of the motor calculated by using the current value supplied to the motor by the control unit is the maximum electric energy by the regenerative energy. A power conversion system that calculates the energy stored in the storage device so as to be .
前記制御部は、前記モータに蓄えられた慣性エネルギ及び前記モータにより駆動されるモータ負荷に蓄えられた弾性エネルギに基づいて前記回生エネルギを算出するものである電力変換システム。 In the power conversion system according to claim 1,
The control unit is a power conversion system that calculates the regenerative energy based on the inertial energy stored in the motor and the elastic energy stored in the motor load driven by the motor.
前記制御部は、前記モータにより駆動されるモータ負荷に蓄えられた慣性エネルギ及び前記モータ負荷に蓄えられた重力エネルギに基づいて前記回生エネルギを算出するものである電力変換システム。 In the power conversion system according to claim 1,
The control unit is a power conversion system that calculates the regenerative energy based on the inertial energy stored in the motor load driven by the motor and the gravitational energy stored in the motor load.
前記慣性モーメント値は、前記モータの試運転時あるいはリアルタイムオートチューニング時に記憶されるものである電力変換システム。 In the power conversion system according to claim 1,
The moment of inertia value is stored in the power conversion system during the trial run of the motor or the real-time auto-tuning.
前記モータが備えるエンコーダからの情報と前記モータに供給される電流値とを用いて前記モータの角速度及びトルクを算出する手順と、
算出した前記角速度及びトルクと予め設定された慣性モーメント値とを用いて前記モータの力行エネルギ或いは回生エネルギを算出する手順と、
前記モータに供給される電流値を用いて算出した前記モータの力行エネルギ或いは回生エネルギに基づいて前記蓄積装置に蓄積される電力量が前記回生エネルギによって最大電力量となるように前記蓄積装置に蓄積するエネルギを演算する手順と、
前記蓄積装置に蓄積するエネルギの演算結果に基づいて前記蓄積装置に蓄積する電力を変更する手順と
を有することを特徴とするモータ制御方法。 The procedure for converting the electric power supplied through the storage device that stores electric power and supplying it to the motor,
A procedure for calculating the angular velocity and torque of the motor using the information from the encoder provided in the motor and the current value supplied to the motor, and
A procedure for calculating the power running energy or regenerative energy of the motor using the calculated angular velocity and torque and a preset moment of inertia value, and
The amount of electric power stored in the storage device based on the power running energy or the regenerative energy of the motor calculated by using the current value supplied to the motor is stored in the storage device so as to be the maximum electric energy by the regenerative energy. The procedure for calculating the energy to be used and
A motor control method comprising a procedure for changing the electric power stored in the storage device based on a calculation result of energy stored in the storage device.
前記モータに蓄えられた慣性エネルギ及び前記モータにより駆動されるモータ負荷に蓄えられた弾性エネルギに基づいて前記回生エネルギを算出することを特徴とするモータ制御方法。 In the motor control method according to claim 5 ,
A motor control method comprising calculating the regenerative energy based on the inertial energy stored in the motor and the elastic energy stored in the motor load driven by the motor.
前記モータにより駆動されるモータ負荷に蓄えられた慣性エネルギ及び前記モータ負荷に蓄えられた重力エネルギに基づいて前記回生エネルギを算出することを特徴とするモータ制御方法。 In the motor control method according to claim 5 ,
A motor control method comprising calculating the regenerative energy based on the inertial energy stored in the motor load driven by the motor and the gravitational energy stored in the motor load.
前記慣性モーメント値は、前記モータの試運転時あるいはリアルタイムオートチューニング時に記憶されることを特徴とするモータ制御方法。 In the motor control method according to claim 5 ,
A motor control method characterized in that the moment of inertia value is stored during a trial run of the motor or during real-time auto-tuning.
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