JPH1118498A - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速回転時、モータの誘起電圧が電源電圧
をこえ、所望の速度に到達しないことがあった。 【解決手段】 本サーボモータ制御装置は、誘起電圧と
等価であるトルク定数を任意に操作することができるよ
うに、電気角算出部からの出力であるモータ電気角に対
して任意の値を加減できる電気角設定部を有し、この電
気角設定部は、算出されたモータの電気角に対し、任意
のズレを生じさせることができるため、このズレによっ
てサーボモータには本来「０」であるはずの無効電流成
分が発生し、この無効電流はサーボモータの永久磁石に
よる界磁磁束に対して変動成分として働くことになり、
この変動を磁束を弱める方向に制御することによってサ
ーボモータの磁束に依存するトルク定数を小さく制御す
ることができ、また滑らかな速度特性を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーボモータ制御
装置に関し、特に、多相交流サーボモータを制御するサ
ーボモータ制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のサーボモータ制御装置と
して、図６のサーボモータシステムに適用されたものが
知られている。同図において、速度制御部１０２は速度
指令発生部１０１からモータ１０５の速度指令を入力
し、トルク電流指令Ｉｑｃを電流制御部１０３に出力す
るものであり、このとき、同モータ１０５の回転位置検
出器であるエンコーダ１０６が検出した回転位置に基づ
いて速度検出手段１１０が出力するモータ回転速度をフ
ィードバックし、速度偏差をなくすようにしている。こ
の場合、同速度検出手段１１０は、モータ１０５に取り
付けられたエンコーダ１０６から得られる位置情報を微
分することでモータ回転速度を算出している。

【０００３】電流制御部１０３は、モータ１０５の電流
値をフィードバックし、モータ１０５のトルク電流がＩ
ｑｃとなるとともに、トルク電流の直交成分が「０」に
なるように電圧指令を出力する。電気角算出部１０８
は、エンコーダ１０６の位置信号からモータ１０５の極
対数に応じた電気角を算出し、ｄｑ逆変換部１０４とｄ
ｑ変換部１０９に出力する。ｄｑ逆変換部１０４は、直
交座標系の電圧指令と電気角を入力し、電圧指令を直交
／三相変換して三相電圧指令をモータ１０５に出力す
る。

【０００４】電流検出部１０７は、モータのＵ相とＶ相
に流れる電流を検出しＡ／Ｄ変換してｄｑ変換部１０９
に出力する。ｄｑ変換部１０９はＵ相とＶ相の電流値と
電気角を入力し、三相／直交変換してトルク電流Ｉｑｆ
と無効電流Ｉｄｆとを出力する。このように、従来のサ
ーボモータ制御装置は、全体としてモータ１０５に流れ
る電流をトルク成分と無効成分に分けて制御し、速度指
令発生部１０１の指令どおりにモータを動かすよう制御
している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般にモータが定常回
転しているとき、誘起電圧定数Ｋｅとモータ回転速度ω
ｍとからＫｅ×ωｍで定まるモータの誘起電圧と、電圧
指令が等しくなった状態で回転している。さらにモータ
の加速時には、トルク電流に対応する電圧が発生する。
このとき、発生する電圧の最大値はサーボ制御装置に供
給されている電源電圧値である。一部の同期型モータに
おいては、高いトルクを得るために、誘起電圧定数Ｋｅ
と等価であるトルク定数Ｋｔが高い値となっているもの
があり、高速回転時、つまりωｍが大きいときにモータ
に加速トルクを発生させると、モータの誘起電圧が電源
電圧を超える場合がおこる。この場合、モータの電圧は
電源電圧値でクランプされ、所望の速度に到達しないこ
とがある。また、所望の電流値も発生しないため、速度
制御部および電流制御部内の積分器に誤差が蓄積され過
大な指令が発生し、結果として電流値が発振し、電流過
大の保護機能によってアラームとなるという課題があっ
た。

【０００６】本発明は、上記課題にかんがみてなされた
もので、ＮＣ工作機械やロボットなどに使われるサーボ
モータの制御装置であって、サーボモータの高速回転時
に誘起電圧が高く、電源電圧に対して飽和をおこす場合
に、電圧飽和を防止してサーボモータを滑らかに回転さ
せることが可能なサーボモータ制御装置の提供を目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる発明は、多相交流サーボモータに
対する駆動電力を出力する駆動電力出力手段と、上記多
相交流サーボモータの回転速度を検出する速度検出手段
と、この速度検出手段にて検出された回転速度が大きい
ときに上記駆動電力出力手段での無効電流成分を大きく
させる無効電流制御手段とを具備する構成としてある。

【０００８】上記のように構成した請求項１にかかる発
明においては、駆動電力出力手段が多相交流サーボモー
タに対する駆動電力を出力するにあたり、速度検出手段
が上記多相交流サーボモータの回転速度を検出するとと
もに、無効電流制御手段はこの速度検出手段にて検出さ
れた回転速度が大きいときに上記駆動電力出力手段での
無効電流成分を大きくさせる。駆動電力出力手段での無
効電流成分が大きくなるとトルク定数が低下するため、
高速回転時でも、誘起電圧が高くなって電源電圧を超え
ることが無くなる。

【０００９】上記駆動電力出力手段と上記無効電流制御
手段は各種の構成で実現可能であるが、その一例とし
て、請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のサーボ
モータ制御装置において、上記駆動電力出力手段は、上
記多相交流サーボモータの電気角を計測する電気角算出
手段と、上記電気角に基づいて直交座標系の電圧を多相
交流座標系の電圧に変換して上記多相交流サーボモータ
に出力する電圧指令出力手段と、上記電気角に基づいて
上記多相交流サーボモータに流れる多相交流座標系の電
流を直交座標系の電流に変換する電流フィードバック手
段と、速度指令に応じた電流を入力するとともに上記直
交座標系の電流に基づいてフィードバック制御すること
により無効電流成分が小さくなるように上記多相交流サ
ーボモータに対する上記直交座標系の電圧を出力する電
流制御手段とを有し、上記無効電流制御手段は、上記回
転速度が大きくなったときに上記電気角を変化させて無
効電流成分を生じさせる電気角設定手段を有する構成と
してある。

【００１０】上記のように構成した請求項２にかかる発
明においては、電気角算出手段が上記多相交流サーボモ
ータの電気角を計測しており、上記駆動電力出力手段の
電流制御手段が速度指令に応じた電流を入力して上記多
相交流サーボモータに対する上記直交座標系の電圧を出
力する。すると、電圧指令出力手段は上記電気角に基づ
いて直交座標系の電圧を多相交流座標系の電圧に変換し
て上記多相交流サーボモータに出力するし、電流フィー
ドバック手段は上記電気角に基づいて上記多相交流サー
ボモータに流れる多相交流座標系の電流を直交座標系の
電流に変換する。このように変換された直交座標系の電
流は上記電流制御手段に入力され、無効電流成分が小さ
くなるようにフィードバック制御されている。一方、本
来であれば、このようにして無効電流成分が無くなるよ
うにフィードバック制御されるのであるが、無効電流制
御手段の電気角設定手段は、上記回転速度が大きくなっ
たときに上記電気角を変化させるため、フィードバック
される電気角がずれ、フィードバック制御するにも関わ
らず所定量の無効電流成分が生じる。

【００１１】このような電気角設定手段の好適な一例と
して、請求項３にかかる発明は、請求項２に記載のサー
ボモータ制御装置において、上記電気角設定手段は、上
記電気角算出手段で算出した電気角に対して上記回転速
度に所定係数を乗算したずれ角を発生させた電気角を設
定する構成としてある。上記のように構成した請求項３
にかかる発明においては、電気角設定手段が電気角算出
手段で算出した電気角に対して上記回転速度に所定係数
を乗算したずれ角を発生させた電気角を設定する。

【００１２】すなわち、回転速度が大きいほど大きなず
れ角が発生され、かかるずれ角を伴う電気角を設定する
ことによって無効電流成分も大きくなる。この結果、ト
ルク定数も大きく低下して、高速回転時でも、誘起電圧
が高くなって電源電圧を超えることが無くなるさらに、
請求項４にかかる発明は、請求項３に記載のサーボモー
タ制御装置において、上記電気角設定手段は、上記多相
交流サーボモータの回転角度位置の変化量に基づいて上
記回転速度を算出する構成としてある。

【００１３】上記のように構成した請求項４にかかる発
明においては、電気角設定手段が多相交流サーボモータ
の回転角度位置を入力し、その変化量から回転速度を算
出する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面にもとづいて本発明の
実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態にか
かるサーボモータ制御装置を適用したサーボシステムを
ブロック図により示している。同図において、速度制御
部１２は速度指令発生部１１よりモータ１５の速度指令
を入力し、モータの回転位置検出器であるエンコーダ１
６からの回転位置を、速度検出手段２０よりモータ回転
速度としてフィードバックし、速度偏差をなくすように
トルク電流指令Ｉｑｃを電流制御部１３に出力する。こ
こで、速度検出手段２０は、モータに取り付けられたエ
ンコーダ１６から得られる位置情報を微分して算出して
いる。

【００１５】電流制御部１３は、モータ１５の電流値を
フィードバックして、同モータ１５のトルク電流がＩｑ
ｃとなるとともに、トルク電流の直交成分が「０」にな
るように電圧指令を出力する。電気角算出部１８は、エ
ンコーダ１６の位置信号からモータ１５の極対数に応じ
た電気角を算出し電気角設定部２１に出力する。電気角
設定部２１は、電気角算出部１８により算出された電気
角に対し任意の値を設定して、ｄｑ逆変換部１４とｄｑ
変換部１９に出力する。

【００１６】ｄｑ逆変換部１４は、直交座標系の電圧指
令と電気角を入力し、電圧指令を直交／三相変換して三
相電圧指令をモータ１５に出力する。電流検出部１７
は、モータのＵ相とＶ相に流れる電流を検出しＡ／Ｄ変
換してｄｑ変換部１９に出力する。ｄｑ変換部１９はＵ
相とＶ相の電流値と電気角を入力し、三相／直交変換し
てトルク電流Ｉｑｆと無効電流Ｉｄｆとを出力する。

【００１７】図２は、従来の同期型サーボモータの電流
制御のベクトル図を示している。同期型モータの磁束制
御においては、ｄ軸が界磁磁束の向きと一致するように
制御をおこなっている。従って、Ｉｄｃ＝０とし、ｄ軸
電流が０となるように制御すれば、ｄ軸に直交するｑ軸
の電流はすべてトルク成分として制御することができ
る。モータのトルク定数をＫｔ、ｑ軸の電流指令をＩｑ
ｃとすると、モータに発生するトルクＴは、 Ｔ＝Ｋｔ×Ｉｑｃ となる。

【００１８】図３は、図１に示すサーボモータ制御装置
によって電気角をずらして設定した場合の電流制御ベク
トル図を示している。同図で、θｒは制御で用いる電気
角と実際のモータ電気角とのずれ量を表している。また
ｄｑ変換部１９とｄｑ逆変換部１４で用いているｄｑ座
標をｄ’軸、ｑ’軸で表している。このとき、Ｉｄｃ’
＝０とし、モータにＩｑｃ’のトルク電流指令を与えた
場合、実際のモータへの電流指令は、 Ｉｄｃ＝−Ｉｑｃ’×ｓｉｎθｒ Ｉｑｃ＝ Ｉｑｃ’×ｃｏｓθｒ となる。

【００１９】ここで流れるｄ軸成分は、界磁磁束に対し
て一次の関係で近似できるので、ＩｄｃとＫｔの変換係
数をβとすると、トルクＴは、 Ｔ＝Ｋｔ（１＋β×Ｉｄｃ）×Ｉｑｃ ＝Ｋｔ（１＋β×Ｉｑｃ’×ｓｉｎθｒ）×Ｉｑｃ’×
ｃｏｓθｒ となる。従って、電気角をずらした場合のトルク定数Ｋ
ｔ’は、 Ｋｔ＝Ｔ／Ｉｐｃ’＝Ｋｔ（１＋β×Ｉｑｃ’×ｓｉｎ
θｒ）×ｃｏｓθｒ となる。ここでＫｔ’は、電気角をずらさない場合のＫ
ｔに対して、 Ｋｔ’／Ｋｔ＝（１＋β×Ｉｑｃ’×ｓｉｎθｒ）×ｃ
ｏｓθｒ である。

【００２０】上記式の結果から明らかなように、θｒを
０〜９０°の間で設定することにより、トルク定数を低
下させ、誘起電圧を下げることが可能となるために、電
圧飽和を防止することができる。また、θｒを係数αと
モータ速度ωｍを用いて θｒ＝α×ωｍ とすることにより、問題とならない低回転領域では従来
の制御に対する影響を少なくし、解決すべき課題である
高回転領域でのみ効果を発揮できるようにすることが可
能である。モータ速度ωｍは電気角の単位時間当たりの
変化量Δθに比例するので、上式は θｒ＝α’×Δθ と表すことができる。

【００２１】このときの電気角設定部２１の実施例を図
４に具体的に示す。モータ１５の電気角θを入力とし、
微分手段２２により微分し、乗算手段２３により定数
α’を乗じて電気角ずれ量θｒを算出する。このずれ量
を加算手段２４により電気角θに加えて出力θ’を算出
し、ｄｑ逆変換部およびｄｑ変換部に出力する。

【００２２】図５は、図４に示した電気角設定部を備え
た本発明の具体的効果を示す図である。ここでωｍはモ
ータ速度、ωｍａｘはモータの最高回転数、Ｔはモータ
の出力トルクを表す。グラフＡは従来制御時、Ｂは本発
明による場合の電圧飽和をおこすことなくモータが発生
しうる最大トルク値をそれぞれ表している。ここで、出
力トルクがモータ速度に依らず一定となっている範囲
は、モータの巻線に流しうる電流値が制限されているこ
とに起因している。

【００２３】図５を参照すると明らかなように、本発明
による場合Ｂにおいては、従来技術による場合Ａと比較
して、高速領域で電圧飽和をおこすことなくより大きな
トルクを発生することが可能であることがわかる。従っ
てＢにおいては、電流の発振をおこす限界トルクが大き
くなっているため、Ａと比較してより滑らかでかつ高速
のモータ速度制御が可能である。

【００２４】このように、本サーボモータ制御装置は、
誘起電圧と等価であるトルク定数を任意に操作すること
ができるように、電気角算出部からの出力であるモータ
電気角に対して任意の値を加減できる電気角設定部を有
し、この電気角設定部は、算出されたモータの電気角に
対し、任意のずれを生じさせることができるため、この
ずれによってサーボモータには本来「０」であるはずの
無効電流成分が発生し、この無効電流はサーボモータの
永久磁石による界磁磁束に対して変動成分として働くこ
とになり、この変動を磁束を弱める方向に制御すること
によってサーボモータの磁束に依存するトルク定数を小
さく制御することができ、また滑らかな速度特性を実現
できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、高速回転
時の誘起電圧定数を下げることにより電圧飽和を防止す
ることが可能なサーボモータ制御装置を提供することが
できる。また、請求項２にかかる発明によれば、電気角
に基づいて形成されるフィードバック制御系で電気角を
設定することにより所望の無効電流を発生させることが
可能となる。すなわち、サーボモータの電気角に任意の
値を設定して電流制御を行う手段を有することにより、
サーボモータの高速回転時の電圧飽和を防止し、滑らか
な速度制御を行うことができる。

【００２６】さらに、請求項３にかかる発明によれば、
回転速度が大きくなるにつれて無効電流成分の割合が大
きくなるようにしたため、回転速度が低い間は無効電流
成分が発生しても大きな影響を与えないようにすること
ができる。さらに、請求項４にかかる発明によれば、入
力されるのが回転角度位置であっても回転速度を算出可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るサーボモータの制御装置の実施例
を示すブロック構成図である。

【図２】従来のモータの電流制御のベクトル図である。

【図３】本発明に係るモータの電流制御のベクトル図で
ある。

【図４】電気角設定部の具体的構成例を示すブロック図
である。

【図５】本発明に係るサーボモータの制御装置の効果を
示す特性図である。

【図６】従来例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１１ 速度指令発生部 １２ 速度制御部 １３ 電流制御部 １４ ｄｑ逆変換部 １５ モータ １６ エンコーダ １７ 電流検出部 １８ 電気角算出部 １９ ｄｑ変換部 ２０ 速度検出手段 ２１ 電気角設定部 ２２ 微分手段 ２３ 乗算手段 ２４ 加算手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多相交流サーボモータに対する駆動電力
   を出力する駆動電力出力手段と、 上記多相交流サーボモータの回転速度を検出する速度検
   出手段と、 この速度検出手段にて検出された回転速度が大きいとき
   に上記駆動電力出力手段での無効電流成分を大きくさせ
   る無効電流制御手段とを具備することを特徴とするサー
   ボモータ制御装置。
2. 【請求項２】 上記請求項１に記載のサーボモータ制御
   装置において、 上記駆動電力出力手段は、 上記多相交流サーボモータの電気角を計測する電気角算
   出手段と、 上記電気角に基づいて直交座標系の電圧を多相交流座標
   系の電圧に変換して上記多相交流サーボモータに出力す
   る電圧指令出力手段と、 上記電気角に基づいて上記多相交流サーボモータに流れ
   る多相交流座標系の電流を直交座標系の電流に変換する
   電流フィードバック手段と、 速度指令に応じた電流を入力するとともに上記直交座標
   系の電流に基づいてフィードバック制御することにより
   無効電流成分が小さくなるように上記多相交流サーボモ
   ータに対する上記直交座標系の電圧を出力する電流制御
   手段とを有し、 上記無効電流制御手段は、 上記回転速度が大きくなったときに上記電気角を変化さ
   せて無効電流成分を生じさせる電気角設定手段を有する
   ことを特徴とするサーボモータ制御装置。
3. 【請求項３】 上記請求項２に記載のサーボモータ制御
   装置において、 上記電気角設定手段は、上記電気角算出手段で算出した
   電気角に対して上記回転速度に所定係数を乗算したずれ
   角を発生させた電気角を設定することを特徴とするサー
   ボモータ制御装置。
4. 【請求項４】 上記請求項３に記載のサーボモータ制御
   装置において、 上記電気角設定手段は、上記多相交流サーボモータの回
   転角度位置の変化量に基づいて上記回転速度を算出する
   ことを特徴とするサーボモータ制御装置。