在电动机的驱动准备完成时变更数据通信速度的主机装置

摘要

本发明提供一种在电动机的驱动准备完成时变更数据通信速度的主机装置。第一通信速度设定部将在从启动主机装置到完成电动机的驱动准备为止的期间在主机装置和从机装置之间收发的数据的通信速度设定为第一通信速度。第二通信速度设定部将在电动机的驱动准备完成时在主机装置和从机装置之间收发的数据的通信速度设定为比第一通信速度低的第二通信速度。变更通知部向从机装置通知数据的通信速度从第一通信速度向第二通信速度的变更。

说明书

技术领域

本发明涉及一种为了控制经由逆变器与经由变换器连接到交流电源的DC 链路部连接的电动机而经由用于进行数据的收发的串行通信总线与从机装置 连接的主机装置。

背景技术

以前，例如在特开2008-242728号公报（JP2008-242728A）中提出了以下 主机装置，其为了在包含驱动机床的进给轴和主轴、工业用机器人的臂等的电 动机的系统中控制电动机而经由用于进行数据的收发的串行通信总线与从机 装置连接。

在这样的包含电动机的系统中，通过为了将从交流电源供给的交流电力变 换为直流电力而控制变换器的变换器控制装置、CNC（数值控制装置）那样的 上位控制装置等来实现主机装置，通过为了将由变换器变换所得的直流电力变 换为交流电力而控制逆变器的逆变器控制装置等来实现从机装置。例如，在主 机装置是变换器控制装置，从机装置是逆变器控制装置的情况下，经由串行通 信总线进行状态信息、警报信息等数据的收发，由此在变换器控制装置和逆变 器控制装置之间共享数据。另外，在主机装置是上位控制装置，从机装置是逆 变器控制装置的情况下，经由串行通信总线从上位控制装置向逆变器控制装置 发送电动机的位置或速度指令数据等数据，经由串行通信总线从逆变器控制装 置向上位控制装置发送电流值数据、电动机的位置或速度数据等数据，从而在 变换器控制装置和逆变器控制装置之间共享数据。

在多个装置之间进行的串行通信，能够用比在并行通信中使用的电线的条 数少的条数（例如在I²C通信的情况下是2条）收发比能够通过并行通信收发 的数据量多的数据量。

在串行通信中，在想要增大每单位时间收发的数据的量的情况下，需要提 高数据的通信速度、即加宽传送数据所需要的信号的带宽。在加宽传送数据所 需要的信号的带宽的情况下，为了除去在串行通信中受到的噪声，需要还加宽 设置在主机装置和从机装置中的至少一个中的滤波器的带宽。随着这样加宽滤 波器的带宽，在串行通信中受到的噪声的影响增大。

为了加宽传送数据所需要的信号的带宽，并且维持可靠性高的串行通信， 采取了针对在串行通信中受到的噪声的对策。作为针对在串行通信中受到的噪 声的对策，可以列举：为了降低在串行通信中使用的电缆的阻抗，随着数据的 通信速度提高而加粗在串行通信中使用的电缆；为了防止由于来自外部的影响 造成的电位的变动，随着数据的通信速度提高而加厚对在串行通信中使用的电 缆的屏蔽；为了降低在串行通信中使用的电缆的阻抗，随着数据的通信速度提 高而缩短在串行通信中使用的电缆的长度等。

因此，随着数据的通信速度变高，采取针对在串行通信中受到的噪声的对 策所需要的成本和在串行通信中使用的电缆的长度的制约增大。

在控制电动机的情况下，为了尽量缩短从启动主机装置到完成电动机的驱 动准备为止的时间（电动机的启动时间），理想的是尽量缩短在从启动主机装 置到电动机的驱动准备完成为止的期间通过串行通信总线在主机装置和多个 从机装置之间完成电动机的驱动所需要的数据的收发所需要的数据收发期间 （例如1毫秒）。另外，在从完成电动机的驱动准备到停止电动机为止的期间， 存在主机装置和从机装置中的至少一个所控制的设备（例如逆变器）所包含的 开关元件的开关动作的影响，但在从启动主机装置到完成电动机的驱动准备为 止的期间，没有这样的影响。因此，在从启动主机装置到完成电动机的驱动准 备为止的期间在串行通信中受到的噪声，与在从完成电动机的驱动准备到停止 电动机为止的期间在串行通信中受到的噪声相比显著地小。因此，为了尽量缩 短电动机的启动时间，可以使从启动主机装置到完成电动机的驱动准备为止的 期间的第一通信速度比从完成电动机的驱动准备到停止电动机为止的期间的 第二通信速度高。

另一方面，在从完成电动机的驱动准备到停止电动机为止的期间通过串行 通信总线在主机装置和从机装置之间定期地重复进行数据的收发所需要的数 据收发周期是固定的。另外，这样的数据收发周期可以比上述数据收发期间长 （例如1秒）。在存在从完成电动机的驱动准备到停止电动机为止的期间的开 关元件的开关动作的影响的恶劣噪声环境中，相对于迅速的数据的收发，优先 进行可靠的数据的收发。因此，理想的是上述第二通信速度比上述第一通信速 度低。

在现有的电动机控制中，设定为上述第一通信速度与上述第二通信速度相 等。即，启动主机装置然后在重复进行电动机的驱动和停止后直到停止主机装 置为止，经由串行通信总线在主机装置和从机装置之间收发的数据的通信速度 是固定的。但是，随着为了缩短电动机的启动时间而提高数据的通信速度，采 取针对串行通信中的噪声的对策所需要的成本和在串行通信中使用的电缆的 长度的制约增大。另一方面，随着为了降低采取针对串行通信中的噪声的对策 所需要的成本和在串行通信中使用的电缆的长度的制约而降低数据的通信速 度，电动机的启动时间延长。

因此，在现有的电动机控制中，难以缩短电动机的启动时间，并且降低采 取针对串行通信中的噪声的对策所需要的成本和在串行通信中使用的电缆的 长度的制约。

发明内容

作为一个形式，本发明提供一种主机装置，其为了控制电动机，能够缩短 电动机的启动时间，并且降低采取针对串行通信中的噪声的对策所需要的成本 和在串行通信中使用的电缆的长度的制约。

根据本发明的一个形式，主机装置为了控制经由逆变器与经由变换器连接 到交流电源的DC链路部连接的电动机，经由用于进行数据的收发的串行通信 总线与从机装置连接，该主机装置具备：第一通信速度设定部，其将在从启动 主机装置到完成电动机的驱动准备为止的期间在主机装置和从机装置之间收 发的数据的通信速度设定为第一通信速度；第二通信速度设定部，其将在电动 机的驱动准备完成时在主机装置和从机装置之间收发的数据的通信速度设定 为比第一通信速度低的第二通信速度；变更通知部，其向从机装置通知数据的 通信速度从第一通信速度向第二通信速度的变更。

适合的是，第二通信速度设定部将在从完成电动机的驱动准备到停止主机 装置为止的期间在主机装置和从机装置之间收发的数据的通信速度设定为第 二通信速度。

适合的是，第二通信速度设定部将在从完成电动机的驱动准备到停止电动 机为止的期间在主机装置和从机装置之间收发的数据的通信速度设定为第二 通信速度，第一通信速度设定部将在从停止电动机到完成电动机的驱动再开始 准备为止或停止主机装置为止的期间在主机装置和从机装置之间收发的数据 的通信速度设定为第一通信速度。

适合的是，本发明的主机装置还具备：带宽变更部，其随着数据的通信速 度从第一通信速度向第二通信速度的变更，将为了除去在串行通信中受到的噪 声而设置在主机装置和从机装置中的至少一个中的频带可变滤波器的带宽从 第一带宽变更为比第一带宽狭窄的第二带宽。

根据本发明的一个形式的主机装置，能够提供一种主机装置，其为了控制 电动机，能够缩短电动机的启动时间，并且降低采取针对串行通信中的噪声的 对策所需要的成本和在串行通信中使用的电缆的长度的制约。

附图说明

通过与附图关联的以下的实施方式的说明，来进一步明确本发明的目的、 特征和优点。

图1是为了控制电动机而应用了本发明的主机装置的系统的框图。

图2是图1的变换器控制装置的动作的流程图。

图3是为了控制电动机而应用了本发明的主机装置的其他系统的框图。

图4是为了控制电动机而应用了本发明的主机装置的其他系统的框图。

具体实施方式

一边参照附图，一边说明本发明的主机装置的实施方式。在附图中，对相 同的结构要素赋予相同的符号。

参照附图，图1是为了控制电动机而应用了本发明的主机装置的系统的框 图。图1所示的系统在机床中被使用，具备：作为交流电源的三相交流电源1、 变换器2、作为DC链路部的平滑用电容器3、k（k是1以上的整数）个逆变 器4-1、…、4-k、k个电动机5-1、…、5-k、k个被驱动体6-1、…、6-k、k 个旋转角度检测部7-1、…、7-k、作为从机装置的k个逆变器控制装置8-1、…、 8-k、作为主机装置的变换器控制装置9。

图1所示的系统为了控制电动机5-1、…、5-k，经由串行通信总线10（例 如I²C通信总线）进行变换器控制装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间 的电动机的状态信息、警报信息等数据的收发。

变换器2例如由多个（在三相交流的情况下为6个）整流二极管和分别与 这些整流二极管逆并联连接的晶体管构成，将从三相交流电源1供给的交流电 力变换为直流电力。平滑用电容器3为了对由变换器2的整流二极管整流后的 电压进行平滑化而与变换器2并联连接。逆变器4-1、…、4-k分别与平滑用 电容器3并联连接，例如由多个（在三相交流的情况下为6个）整流二极管和 分别与这些整流二极管逆并联连接的晶体管构成，通过根据后面说明的PWM 信号V_PWM1、…、V_PWMk进行晶体管的开关动作，而将由变换器2变换后的直 流电力变换为交流电力。

用积蓄在平滑用电容器3中的电力驱动电动机5-1、…、5-k。作为电动机 5-1、…、5-k，使用通过滚珠丝杠/螺母机构等进给丝杠机构在重力轴方向（Z 轴方向）驱动机床的主轴的重力轴用伺服电动机、驱动安装在机床的主轴上的 刀具的主轴电动机、通过滚珠丝杠/螺母机构等进给丝杠机构在水平轴方向（例 如X轴方向）驱动安装有工件的机床的工作台的水平轴用伺服电动机等。

通过电动机5-1、…、5-k分别驱动被驱动体6-1、…、6-k。例如，在k=3， 电动机5-1、…、5-k分别是重力轴用伺服电动机、主轴电动机以及水平轴用 伺服电动机的情况下，被驱动体6-1、…、6-k是机床的主轴、刀具以及机床 的工作台。

旋转角度检测部7-1、…、7-k分别由检测电动机5-1、…、5-k的旋转角 度θ₁、…、θ_k作为电动机的位置或速度的旋转编码器构成。

逆变器控制装置8-1、…、8-k分别为了控制逆变器4-1、…、4-k，分别采 样由设置在逆变器4-1、…、4-k的输出线上的电流检测器4u-1、4v-1、4w-1、…、 4u-k、4v-k、4w-k检测出的三相的U相电流I_U-1、…、I_U-k、V相电流I_V-1、…、 I_V-k、W相电流I_W-1、…、I_W-k各自的电流值，作为电动机5-1、…、5-k的电流 值数据，分别采样旋转角度θ₁、…、θ_n作为电动机的位置或速度数据。

另外，逆变器控制装置8-1、…、8-k分别根据采样所得的电流值数据和 电动机的位置或速度数据、来自为了清楚而未图示的上位控制装置的电动机的 位置或速度指令数据，生成用于驱动电动机5-1、…、5-k的PWM信号 V_PWM1、…、V_PWMk。

在此，电流检测器4u-1、4v-1、4w-1、…、4u-k、4v-k、4w-k例如分别由 霍尔元件构成，未图示的上位控制装置例如由CNC（数值控制装置）构成。

在图1所示的系统中，未图示的上位控制装置为了进行在三相交流电源1 侧再生在电动机5-1、…、5-k减速时产生的再生能量的交流电源再生，而向 变换器控制装置9输出交流电源再生指令信号。

在该情况下，为了由逆变器控制装置8-1、…、8-k向逆变器4-1、…、4-k 分别输出PWM信号V_PWM1、…、V_PWMk来对逆变器4-1、…、4-k的晶体管进 行开关控制，未图示的上位控制装置分别向逆变器控制装置8-1、…、8-k输 出与PWM信号V_PWM对应的电动机的位置或速度指令数据。

变换器控制装置9根据交流电源再生指令信号生成PWM信号V_PWM’，为 了进行交流电源再生而向变换器2输出PWM信号V_PWM’。另外，在图1所示 的系统中，为了进行交流电源再生，在三相交流电源1和变换器2之间配置电 抗器1u、1v、1w。

变换器控制装置9具备CPU9a、ROM9b、RAM9c、时钟信号生成部9d、 串行通信部9e。CPU9a为了进行各种动作而执行程序。ROM9b预先存储该程 序和与变换器控制装置9的性能等相关的各种数据。RAM9c暂时存储CPU9a 的计算结果的数据、经由串行通信总线10从逆变器控制装置8-1、…、8-k发 送的电动机的状态信息等数据、来自未图示的上位控制装置的数据。

时钟信号生成部9d生成与为了迅速的数据收发而设定的第一通信速度f1 （例如500kHz）对应的第一串行时钟信号、与为了相对于迅速的数据收发而 优先进行可靠的数据收发而设定的比第一通信速度f1低的第二通信速度f2（例 如250kHz）对应的第二串行时钟信号。另外，时钟信号生成部9d向CPU9a 和串行通信部9e输出所生成的第一串行时钟信号和第二串行时钟信号。为此， 时钟信号生成部9d由振荡元件、振荡电路、波特率设定寄存器、波特率产生 器等构成。

在图1所示的系统中，时钟信号生成部9d具备第一通信速度设定部9d-1、 第二通信速度设定部9d-2。第一通信速度设定部9d-1为了设定第一通信速度 f1而生成第一串行时钟信号，在从启动变换器控制装置9到完成电动机 5-1、…、5-k的驱动准备为止的期间向CPU9a和串行通信部9e输出第一串行 时钟信号。在此，例如通过由CPU9a判断经由串行通信总线10在变换器控制 装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间收发了电动机5-1、…、5-k的驱 动所需要的全部数据，来判断是否完成了电动机5-1、…、5-k的驱动准备。 第二通信速度设定部9d-2为了设定第二通信速度f2而生成第二串行时钟信 号，在电动机5-1、…、5-k的驱动准备完成时向CPU9a和串行通信部9e输出 第二串行时钟信号。因此，第二通信速度设定部9d-2在电动机5-1、…、5-k 的驱动准备完成时将数据的通信速度从第一通信速度变更为第二通信速度。

在图1所示的系统中，变换器控制装置9从未图示的电源被供给电力，与 从未图示的电源开始供给电力同时地成为启动状态，与停止从未图示电源供给 电力同时地停止。另外，图1所示的系统在完成电动机5-1、…、5-k的驱动 准备后驱动电动机5-1、…、5-k，根据来自未图示的上位控制装置的指令停止 电动机5-1、…、5-k。

串行通信部9e经由串行通信总线10进行变换器控制装置9和逆变器控制 装置8-1、…、8-k之间的串行通信。为此，串行通信部9e具备数据发送部9e-1、 数据接收部9e-2、频带可变滤波器9e-3、变更通知部9e-4。

数据发送部9e-1经由串行通信总线10向逆变器控制装置8-1、…、8-k发 送警报信息等数据。数据接收部9e-2经由串行通信总线10和频带可变滤波器 9e-3从逆变器控制装置8-1、…、8-k接收电动机的状态信息等数据。

频带可变滤波器9e-3对经由串行通信总线10从逆变器控制装置8-1、…、 8-k接收到的数据进行滤波处理。另外，频带可变滤波器9e-3响应来自变更通 知部9e-4的带宽变更指令，从第一带宽变更为比第一带宽狭窄的第二带宽。

变更通知部9e-4在从启动变换器控制装置9到完成电动机5-1、…、5-k 的驱动准备为止的期间，向逆变器控制装置8-1、…、8-k输出来自第一通信 速度设定部9d-1的第一串行时钟信号。另外，变更通知部9e-4将来自第二通 信速度设定部9d-2的第二串行时钟信号作为表示在电动机5-1、…、5-k的驱 动准备完成时将数据的通信速度从第一通信速度f1变更为第二通信速度f2的 通信速度变更通知数据，输出到逆变器控制装置8-1、…、8-k。

在图1所示的系统中，变更通知部9e-4具备与从第一通信速度f1向第二 通信速度f2的变更对应地向频带可变滤波器9e-2输出带宽变更指令的带宽变 更部9e’-4。

图2是图1的变换器控制装置的动作的流程图。在变换器控制装置9成为 启动状态后马上开始该流程。

首先，第一通信速度设定部9d-1为了设定第一通信速度f1而生成第一时 钟信号（步骤S1）。接着，CPU9a判断是否完成了电动机5-1、…、5-k的驱 动准备（步骤S2），在判断为完成了电动机5-1、…、5-k的驱动准备的情况 下，第二通信速度设定部9d-2为了设定第二通信速度f2而生成第二时钟信号 （步骤S3）。接着，带宽变更部9e’-4向频带可变滤波器9e-2输出带宽变更 指令（步骤S4）。接着，变更通知部9e-4向逆变器控制装置8-1、…、8-k输 出与通信速度变更通知数据对应的第二串行时钟信号（步骤S5），结束处理。

根据上述实施方式，将在电动机5-1、…、5-k的驱动准备完成时在变换 器控制装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间收发的数据的通信速度设 定为比在从启动变换器控制装置9到完成电动机5-1、…、5-k的驱动准备为 止的期间在变换器控制装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间收发的数 据的通信速度即第一通信速度低的第二通信速度。因此，为了控制电动机 5-1、…、5-k，能够缩短电动机5-1、…、5-k的启动时间，并且降低采取针对 在串行通信中受到的噪声的对策所需要的成本和在串行通信中使用的电缆的 长度的制约。

根据图2所示的流程图，第二通信速度设定部9d-2将在从完成电动机 5-1、…、5-k的驱动准备到停止变换器控制装置9为止的期间在变换器控制装 置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间收发的数据的通信速度设定为第二 通信速度。

但是，也可以由第二通信速度设定部9d-2将在从完成电动机5-1、…、5-k 的驱动准备到停止电动机5-1、…、5-k或变换器控制装置9为止的期间在变 换器控制装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间收发的数据的通信速度 设定为第二通信速度，并且由第一通信速度设定部9d-1将在从停止电动机 5-1、…、5-k到完成电动机5-1、…、5-k的驱动再开始准备或者使所述主机装 置停止为止的期间在变换器控制装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k之间 收发的数据的通信速度设定为第一通信速度。

在该情况下，能够缩短从停止电动机5-1、…、5-k到完成驱动再开始准 备为止的变换器控制装置9和逆变器控制装置8-1、…、8-k的无效（idling） 时间。

另外，在从停止电动机5-1、…、5-k的驱动到完成驱动再开始准备为止 的期间，没有变换器控制装置9所控制的变换器2和逆变器控制装置8-1、…、 8-k所控制的逆变器4-1、…、4-k所包含的开关元件的开关动作的影响。

图3是为了控制电动机而应用了本发明的主机装置的其他系统的框图。在 图3所示的系统中，使用上位控制装置9’作为主机装置来代替图1的变换器控 制装置8，在三相交流电源1和平滑用电容器3之间配置变换器2’来代替图1 的电抗器1u、1v、1w和变换器2。

上位控制装置9’具备图1的CPU9a、ROM9b、RAM9c、时钟信号生成部 9d、串行通信部9e。另外，上位控制装置9’经由串行通信总线10向逆变器控 制装置8-1、…、8-k发送电动机的位置或速度指令等数据，经由串行通信总 线10从逆变器控制装置8-1、…、8-k接收电流值数据、电动机的位置或速度 数据等数据。

图4是为了控制电动机而应用了本发明的主机装置的其他系统的框图。图 4所示的系统具备与图1和图3所示的逆变器控制装置8-1、…、8-k中的一个 对应的作为主机装置的逆变器控制装置9’’、存储在启动逆变器控制装置9’’ 之前取得的各种数据的作为从机装置的EEPROM11、与检测与图1和图3所 示的电动机5-1、…、5-k中的一个对应的电动机的温度的温度传感器12连接 的作为从机装置的A/D变换器13、在逆变器控制装置9’’和EEPROM11、A/D 变换器13之间进行数据的收发的串行通信总线10’。

逆变器控制装置9’’具备图1的CPU9a、ROM9b、RAM9c、时钟信号生成 部9d、串行通信部9e。另外，逆变器控制装置9’’经由串行通信总线10’向 EEPROM11发送存储在EEPROM11中的数据的读出指令、CPU11a的计算结 果等数据，经由串行通信总线10’从EEPROM11接收存储在EEPROM11中的 数据。进而，逆变器控制装置9’’经由串行通信总线10’向A/D变换器13发送 通过对由温度传感器13取得的温度的模拟数据进行A/D变换而得到的温度数 据的读出指令等数据，经由串行通信总线10’从A/D变换器13接收由A/D变 换器13取得的数据。

本发明并不限于上述实施方式，能够进行若干变更和变形。例如，可以在 机床以外的机械、工业用机器人等中使用本发明的主机装置。另外，可以在变 换器控制装置9、上位控制装置9’、逆变器控制装置9’’以外的装置中实现主 机装置，可以通过逆变器控制装置8-1、…、8-k、EEPROM11、A/D变换器 13以外的装置实现从机装置。另外，还可以使用RS422串行通信等作为串行 通信。

另外，在图1和图3所示的系统中，使用了三相交流电源1作为交流电源， 但也可以使用三相以外的多相交流电源作为交流电源。另外，可以由旋转编码 器以外的部件（例如霍尔元件或旋转变压器（resolver））构成旋转角度检测 部7-1、…、7-k。另外，也可以代替检测U相电流、V相电流、W相电流的 全部，而只检测U相电流、V相电流、W相电流中的2相电流（例如U相电 流和V相电流）。

进而，说明了在图1和图3所示的系统中在变换器控制装置9、上位控制 装置9’、逆变器控制装置9’’中设置频带可变滤波器9e-3的情况，但也可以在 逆变器控制装置8-1、…、8-k中使用频带可变滤波器9e-3。

以上，与其适合的实施方式关联地说明了本发明，但本技术领域的技术人 员可以理解能够不从后述的请求专利保护的范围的公开范围脱离地进行各种 修正和变更。