JPH04117198A - Ａｃサーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 ＡＣサーボモータを搭載したロボット、工作機械、自動
組立機等の制御装置に利用される。

〔発明の概要〕

本発明では、誤差を含む可能性を有する駆動電流位相角
度θαで回転する３相ＡＣサーボモータを駆動電流を０
にしてＡＣサーボモータを無励磁状態にし、電流３端子
のうちの任意の２端子から相間電流を測定することによ
り、真の位相角度θを算出し、それによって、先に電流
制御で用いていた位相誤差を含む位相角度θαを真の位
相角度θに修正することで、修正した以陣に力率を最大
にするようにしたＡＣサーボモータ制御装置を提供する
ものである。

〔従来の技術〕

永久磁石を回転子に利用した３相のＡＣサーボモータの
Ｕ、Ｖ、Ｗ各相には位相角度によって第１式のように一
意に定まる磁界が生しる。但し、３相の各相を便宜上Ｕ
、Ｖ、Ｗ相と呼ぶ。この時、各相に第２式で表される電
流を流すと第４弐で表されるトルクが発生する。これが
、ＡＣサーボモータにおけるトルク発生の原理である。

ＫＴＬｌ＝　Ｋｒｏ　・ｓｉｎθ ＫＴＶ＝　ＫＴＯ’　５ｔｎ（θ−２π／３）Ｋｒｗ＝
Ｋｔｏ−ｓｉｎ（θ＋２π／３）　　（第１式）Ｉｕ　
　”Ｉｏ　　−５ｉｎθａ Ｉｖ　　＝　Ｔ、　　−５ｉｎ（０１〜２π／３）Ｔ、
　＝　Ｉ、　　−５ｉｎ（θ１＋２π／３）（第２式）
Ｋ　ｔｕｓ　Ｋ　７９％　Ｋ　ｙｗはＵ、　　Ｖ、　Ｗ
各相に関して、単位駆動を流あたりの発生トルクを表し
、位相角度の関数になっている。Ｋ、。は比例定数であ
る。

Ｉｕ、■９．１ハＵ、　　Ｖ、　ｗ各相の駆動ｆｌ流で
あり、Ｉｏは電流値の振幅を表す。第２弐に相当する正
弦波状のｔ流値を電流制御回路等を用いて作為的に発生
させるものである。

但し、第１式と第２式との間には第３弐が成立ち、式中
のαは、真の位相角度θとｉｉｔ流制御のための駆動電
流位相角度θαとの誤差である。

この際、位相角度誤差は−π≦α≦πを満たす。

また、位相誤差を含む位相角度の微分値と真の位相角度
の微分堕は一致することは位相誤差の微分値が０になる
ことから明らかである。

θ　α＝　θ　＋α 一θα＝θ　　　　　　　　　　　　（第３式）％式％ 一１．５　・ＫＴＯ・Ｉ　ｏ　・ｃｏｓα　　　　　（
第４式）位相角度誤差をα−０に設定できれば、最大の
力率でＡＣモータを駆動できることが第４弐より証明さ
れる。

従来、ＡＣモータの電流制御に用いる位相角度θを知る
ための方法として絶対角度を出力するアブソリュートエ
ンコーダを搭載する方法、モータ１周の原点を表す信号
パルスを出力する機能を位置検出器に設ける方法が挙げ
られる。両者ともにモータを製造する際に位置検出器の
前記信号と磁界の位相角を一致させておく必要がある。

この際、前記信号を検出した時点で制御装置により電流
制御の位相角度を真の位相角度に修正する。

また、誘起電圧を測定して利用する方法が知られている
が、台形状の誘起電圧を発生するタイプのＡＣモータの
相間電圧の大小比較をすることにより、電流を矩形波状
に制御するものであった。

〔発明が解決しようとする課題〕

′ｇＬ流を回転角度に応して第２式のように正弦波型に
制御する方法を実現する場合に従来の方法を使用すると
、アブソリュートエンコーダを使用するか、またはＵＶ
Ｗの３相に同期した位相検出信号を有する位置検出器を
用いて矩形波型の電流制御をして原点位置を認識するま
で回転させ、検出した後に改めて位相角度を修正し、正
弦波型の電流制御に切り換える方法を取るしかない。

しかし、前者は位置検出器の体積がいくらか増大する場
合があり、設計時にモータ配置のために狭い空間しか許
されない今日のロボ−／　トや小型機器には無理が生し
る他、コストが増大する場合が生じる。後者の場合は配
線数が増大することで前者と同様に狭い配線用空間しか
許されない機器への組み込みに無理が生じていた。

また、前記のように誘起電圧を利用して矩形波型の電流
制御を行う制御装置ではトルクリップルを生じ、騒音や
振動の原因となる危険が存在している。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明にあっては、誤差を含む
可能性を有する位相角度θαの関数である駆動電流で、
ＡＣサーボモータを電流制御により回転させ、次に回転
中に駆動電流をＯに戻して無励磁状態にさせ、さらに回
転中の３端子のうちの任意の２端子から相間電圧を測定
することにより、真の位相角度θを算出し、それによっ
て、先に電流制御で用いていた位相誤差を含む位相角度
θαを真の位相角度θに修正し、以降からは修正した位
相角度を用いて電流制御を実現することにより、力率が
最大になるようにしたＡＣサーボモータ制御装置である
。

〔作用〕

ＡＣモータの駆動を行うことにより回転させ、回転中に
各端子を舞励磁状態にすると駆動トルクが０になるにも
係わらず、モータが回転しているため、２端子間には誘
起電圧のみが現れるため、端子間電圧を観測することは
誘起電圧を観測することと等価になる。

この端子間電圧の観測値より真の位相角度が求められ、
誤差を含む位相角度の駆動電流から真の位相角度をもつ
駆動を流でモータが回転される。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図に基づいて説明する。

本実施例ではＵ、　　Ｖ、　Ｗ相のうちＵ、　　Ｖ相の
２相をもとにした例について説明をするが、Ｖ、Ｗ相ま
たは、Ｕ相に置換することにより他の２相についても同
様に適用することができる。

誤差を含む可能性を有する位相角度θαの関数である第
２式を利用して、３相ＡＣサーボモータをＷ！制御する
ことにより回転させ、回転中に、駆動電流をＯにしてＡ
Ｃサーボモータを無励磁状態で回転させる。無励磁状態
で回転するモータの各相には第２図に示すように回転速
度に比例した誘起電圧が生しる。ＫＥは誘起電圧定数で
あり、物理的にはに、。と等価なものである。この時、
■相を基準としたＵ相の電圧は第５式で表される。

但し、この時発生する電圧は真の位相角度と速度の関数
になっている。

ＶＬＩ−Ｖ−シｕ−Ｖｖ＝ＫＥｓｉｎθ・θ−ＫＨｓｉ
ｎ（θ−２π／３）−θ−Ｋｔ　・１９　（ｓ１ｎθ−
５ｉｎ（θ−２π／３））＝ＫＥ’　　θ　（（１−ｃ
ｏｓ（２π／３）　ｓ　ｉｎθ＋５ｉｎ（２π／３）　
ｃｏｓθ）”Ｋｖ　’　／ｊ　（３／２　・ｓｉｎθ÷
３１′ｔ／２・Ｃｏｓθ−（３）　””　・Ｋｔ−ｅ　
−５ｉｎ（θ十に／６）　　（第５式）端子間の誘起電
圧は第５式を満足するため、第５式から位相角度θを求
めることができる。そして、この求められた真の位相角
度θを用いて、モータを回転させることになる。

以下１図をもとに具体的に説明する。

ＡＣサーボモータ１はｔＪＶＷ相の駆動ための３端子Ｕ
、Ｖ、Ｗを有し、また回転子の回転角度が分解能分だけ
変化する度にパルスを発生するロータリエンコーダより
成る位置検出器２を持っている。但し、位置検出器２は
位相角度情報を保持する機能を持っていないものとする
。

Ｕ、Ｖ、Ｗの各端子は制ｍ装置内のＰＷＭインバータと
呼ばれる電力増幅回路３に接続されている。ＰＷＭイン
バータには電流制御回路４の出力が入力され、を流制御
回路４には制御部６からのＵ相とＶ相のＢ？Ｘ指令信号
１ｕ、ＩｖとＵ相、・■相の各端子を流れる電流の検出
値に相当するフィードバック信号ＦＵ、Ｆｖが入力され
、ＰＷＭインバータの入力信号を作成して出力している
。

電流指令信号及びｔ流フィードバックｆｓ号が２相分し
かないのは残る３相目の電流が前記２相分の和を負にし
た電流値であるためであり、通常省略される。

前記位相検出器２の出力はカウンタ回路５に入力される
。カウンタ５では初期位相角度にあたる初期値が電源投
入時には不明なため、制御部６より位相角度指令値とし
て任ｔな位相角度値θαが与えられている。従って、任
意な位相角度値θαは、真の位相角度θに対して誤差を
含むことになり、真の位相角度θとカウンタの値θαに
は第３式で与えられる初ｊｉＪｌ誤差角度αが存在する
。

従ってこれより後、ＡＣサーボモータが回転すると、位
置検出器２より発生されるパルスによりカウンタ５内部
の位相角度値θαは更新され続けることになる。

制御部６では第２式に基づき、カウンタ５の位相角度θ
αを用いて電流指令信号１ｕ、Ｉｖを算出し電流制御部
４に出力する。電流制御部４は、端子Ｕを流れる電流が
ｔ流指令工８．に一致し、端子Ｖを流れるｔ流がｔ流指
令１ｖに一致するように電流を制御する。すると、結果
的にＡＣサーボモータからは第４弐で表されるトルクが
発生され、モータが回転を始めることになる。

なお、第４式のｃｏｓαが０に近く、摩擦等に妨げられ
てモータが回転しない場合には、カウンタ５に保持され
ている位相角度θαに対し、制御部６にて回転分解能の
数分の−に相当する適当な位相差の加算または減算によ
る修正をし、再度位相角度指令値θαとしてカウンタ回
路５に出力し、第２式に基づくｔ流制御を行うことでモ
ータを回転させる。

次に、制御部εで真の位相角度を求め、その位相角度で
モータの回転を制御する手順について、第４図、第５図
をもとに説明する。第５図は、第４図の５Ｔ−６での位
相角度修正アルゴリズムの詳細説明図である。制御部６
は、先ず第２式による任意の位相角度指令値θαをカウ
ンタ回路５に出力し、上記したようにｔ流制御を行うこ
とで、モータを回転させる（ＳＴ〜１） 次に、制御部６ではカウンタ回路５により位相角度デー
タθαを２回サンプルして差の符号により回転方向を算
出する。またカウンタ回路５から得る位相角度値θαの
微分速度データ迭θα−カｔ を算出する（第３式参照）、その符号を用いて回転方向
を決定しても良い（ＳＴ−２）。

次に、制御部６はＡＣサーボモータの回転中に、電流指
令値を０にして無励磁状態にさせてモータを回転させる
（βＴ−３）。

この無励磁状態での回転中に、Ｕ相、■相の２端子間電
圧ＶＵ−Ｖを差動増幅回路７．Ａ／Ｄ変換回路８を介し
て、制御部６に取り込み観測する。

即ち、制御部６に出力されている２端子間電圧を、無励
磁状態でのモータの回転周期に対し充分短いサンプリン
グタイム（例えば数ｍ５ｅｃ）で２回サンプリングし、
２端子間電圧を読み取る。この２つのデータより端子間
電圧の増減も知ることができる（ＳＴ−４）。

この２端子関電圧は、前記したように第５式を満たす。

Ｖ　ｕ−ｖ＝　（３）””　・ＫＥ　・　θ　・５ｉｎ
（θ十π／６）　　（５式）従って、θＵ−Ｖ−θ子π
／６としで、ＶＵ−９の端子間電圧と（ＳＴ−２）で求
められたθより第６弐を用いて位相角度（θ−π／６）
即ちθ、−９が求められる（ＳＴ−５）。

θＬｌ−Ｖ−θ＋π／６＝ｓｉｎ−’　（ＶＵ−ｖ／（
３””　・に、・θ）（６式） θ−θ、−１−π／６　　　　　　　　　　　（７式）
真の位相角度θは第７弐の如＜ｖｌｌ−９を知ることに
より求めることができる。

ところで、ＶＵ−Ｖの値と、ｉより第６弐で求めた位相
角度θ。−９は第３図に示すように、第１象限と第４象
限の−π／２〜π／２の値しか持たず、前記位相角度θ
Ｕ−ｖが本来は第２象限、第３象限の値であってもその
解が得られないので、次に回転方向と誘起電圧の符号と
誘起電圧の変化量に基づいて象限補正を行う　（ＳＴ〜
６）。

第５図、第６図、第７図を用いて、第４図での５Ｔ−６
における象限補正の方法について説明する。

第５図の５Ｔ−５１は、第４図５Ｔ−２で求めた回転角
度方向によって決まる分岐であり、正ならば５Ｔ−５２
に進む。５Ｔ−５２は第４図５Ｔ−４で２回サンプルし
た端子間電圧■。−１の変化の符号により定まる分岐で
あり、正ならば象限補正はしないまま次のステップに移
る。前記は第６図の■、■に相当する。また、第５図の
５Ｔ−５２で負の場合、５Ｔ−５４に進む、端子間電圧
■。−９の符号により分岐し、５Ｔ−５６または５７の
象限補正を行う。

第６図の■、■に相当する。

第５図５Ｔ−５１で負の場合、５Ｔ−５３に進む。

第４図５Ｔ−４の結果により負ならば象限補正なしに戻
る。第７図の■、■に相当する。正の場合５Ｔ−５５に
進む、観測電圧Ｖυ１の符号により分岐し、第５図５Ｔ
−５８，５９に進む、第７図■、■に相当する０以上が
第５図の説明であり、第４図５Ｔ−６に相当する。

このようにθゎ−１の象限補正を行うことにより、第５
図で示されるように■〜■のいずれかのθｕ−ｖの解が
得られることとなる。

ここで、再び第４図に戻って説明する。第４図の５Ｔ−
７では、５Ｔ−６で象限補正され求められたθｕ−ｖの
解により、第７式を用いて、真の位相角度θを算出する
。そして、制御部６はこの算出された真の位相角度θを
位相角指令値として出力し、新たにカウンタ回路５に書
き込む。

以上の手１１１Ｎにより位相角度誤差αは自動的に０に
なり、以降の電流制御は力率１００％で制御することに
なる。

〔発明の効果〕

上記したように本発明によ−れば、ＡＣサーボモータの
正弦波型電流制御をアブソリュートエンコーダや原点信
号を使用せずに行うことができるようになる。また、モ
ータ毎に異なるＮＭのアブソリュートエンコーダや異な
る種類の原点位置信号を有するモータを使用しても、検
出機能の可否が左右されない汎用のＡＣサーボモータ制
？１１装置として作用する。

前記の制御によりＡＣサーボモータは位相角度によらな
い駆動トルクを発生できるために、前記制御回路の外側
に適宜に速度制御、位置制御、力・コンプライアンス制
御ループを構成することが容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１閣は本発明の実施例であり、ＡＣサーボモータ及び
その制’ａ装置プロ、り図を表す、第２図はＡＣサーボ
モータに発生する誘起電圧を表す、第３図に正弦波信号
を表す、第４図に位相角度算出アルゴリズムを示す、第
５図に角度の補正方法を示す、図中、Δθは２回または
複数回のサンプル時の回転変化量を表し、ΔθＵ−Ｖは
同しくサンプル時の電圧変化量を表す、第６図、第７図
に２端子間に生しる正弦波電圧の位相角度を回転方向の
正負それぞれについて表す、第５図の■〜■と第６図、
第７図の■〜■の条件はそれぞれ対応するものである。 酩 ＡＣサーボモータ 位置検出器 電力増幅回路 電流制御回路 カウンタ回路 制御部 差動増幅回路 Ａ／Ｄ変換回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転子に永久磁石を使用した３組のＡＣサーボモータに
   関して、永久磁石により発生する磁界により回転時に各
   相に発生する誘起電圧を、３端子のうちの２端子間の電
   圧を検出することにより測定する手段と、この測定信号
   によりモータの磁極の位相角度を推定演算する手段と、
   前記位相角度を用いた電流制御を行う手段を有すること
   を特徴とするＡＣサーボモータ制御装置。