JPS6232718B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は誘導電動機の可変周波数駆動におい
て、位置制御用サーボ装置に適した稼動応答性能
を得るようにした装置の改良に関するものであ
る。

従来より可変周波数電源により誘導電動機を周
波数制御することが知られている。又、その周波
数をゼロから変えることも知られている。しかし
ながら、本発明の目的とする位置サーボ装置の観
点から見た場合、従来の可変周波数電源における
周波数零なる意味は厳密さを欠き、最も多く使用
されている方形波インバータにおいては、実際上
数Hz以上でないと実用できなかつた。又、正弦波
近似した多重インバータやPWMインバータが知
られているが、その最も根本的な周波数制御手段
についてつきつめると、例えば第９図ｂに示すご
とき階段波パターンを基本としたもので、これら
は方形波を重畳したものに過ぎない。

そして更に、正弦波性を改善すべく各種の基準
波形発生器及びこれに合せるべく電圧制御するこ
とが提案されている。しかるに、これらはどこま
で行つてもトルク脈動を軽減することが目的で、
速度次元の円滑さを向上するものであつた。

他方、誘導電動機においては滑りがあることは
周知で、この滑りの存在によつて周波数がゼロで
あることと速度が“ゼロ”であることは同一でな
い。そして、むしろ前記のようなトルク脈動を軽
減するためには、この滑りを活用し、トルク脈動
周波数が低下して速度脈動を発生することを防止
すべく、周波数を所定値以上にしておくことが知
られている。この例が第１図である。この場合、
電流や電圧の制御によつてトルクが連続制御され
速度の円滑さを確保する上で前記正弦波状にする
よりも一層根本的な改良を行つている。何故な
ら、前記基準波形発生器はそれ自身の歪みを厳密
に回避することができず、速度やトルクは基準波
形自身の歪みに依存する。これに対して、所定値
以上の周波数にしておく方式は、基準波形発生器
自身の歪みを許容している。

以上は、従来の速度制御における技術思想であ
る。

次に本発明が対象とする位置サーボ装置におい
ては、良く知られているように、交流電圧を制御
して滑りを変え、もつて速度や位置を、制御する
方式がある。この方式は損失が大きい欠点があつ
た。

他方周波数制御した位置サーボは、周知なもの
がない。特に、回転角にして数度以下、位置にし
て１mm以下の微細位置制御サーボに関する周知の
技術は見当らない。

ここで、容易に考えられることは、位置検出手
段を設けて前述周知の周波数速度制御手段とによ
りフイードバツク制御することである。

しかるに、この組み合せが周知の技術としてい
まだに世に出ていないだけの根深い諸問題がそこ
に秘められている。

これらの問題は本発明の明細書において明らか
にされ、且つその解決等が与えられる。ここで前
もつて示唆を与えると、トルク発生遅れがある
事、トルク発生遅れを解消しようとすると誘導
電動機が“同期電動機”の如く挙動する事であ
る。二次導線（二次導体）に短絡した誘導電動機
は、この二次導線のために空隙磁束を過去の状態
に固持しようとする作用を持つ。この空隙磁束が
変化し得る時定数は数十ｍsec〜数百ｍsecであ
る。しかるに、位置サーボにおいては、全速度か
ら停止するまでの時間でも数十ｍsecが要求され
る。低速度から所定位置に停止する場合であれ
ば、数ｍsec以内である。また、刻々変速ししつ
つ且つ刻々連続位置制御する場合も、後者に相当
する。そしてかかる上記空隙磁速の変化時定数よ
り充分短い時間内の現象をとらえた場合、その磁
束の変化を無視できるので、誘導電動機の二次側
導体と磁心は、その磁束が変化しようとする二次
側導体に誘導電流を生じて同磁束を一定に保とう
とするので、定磁束源即ち同期電動機界磁として
作用する。そして、もし過去の空隙磁束が小さけ
ればその小さい値の磁束源でしかない。

このように、直流界磁を持つ直流電動機と異な
り、根本的問題を含み、これらが、位置サーボと
して適用し難い理由である。これらここで示唆し
たことは周知でない。以下、詳細に順を追つて説
明する。

第１図は、トルク脈動を改良する前述従来思想
を応用した誘導電動機速度制御（速度サーボ）装
置の一例を示す構成図である。同図において、６
は電源、２００は可変周波数交流給電装置、１０
０は誘導電動機である。４４０′は滑り周波数制
御のための周波数変調機で、一次巻線４０１′に
滑り周波数Ｓｓの交流を印加し、二次巻線４０
２′に回転速度周波数ｍと上記滑り周波数Ｓ
ｓとの和の周波数ｓ＝（ｍ＋Ｓｓ）を取り
出す多相低周波交流励磁巻線を持つ発電機（例え
ば一次、二次共に巻線形の誘導機、シンクロ、セ
ルシンなどと同様構造）である。４３０′は周波
数特に滑り成分である滑り周波数を設定制御する
ための周波数制御手段で、誘導電動機を最適力率
ひいては電流対トルク比例係数が最大条件、ある
いは最大トルクとなる滑り周波数、あるいは最大
効率となる滑り周波数等々、最適滑りに保つため
に、所定正滑り周波数soと所定負滑り周波数
soとの２値制御を行う。

他方、トルクや速度の制御は、給電電圧Ｖ又は
給電電流Ｉを制御し、そのための制御設定値（又
は制御信号）Vs又はIsを上記給電装置２００に
与える給電電流制御手段５０１を設け、これによ
り、トルクや速度を連続的に制御するものであ
る。ここにＶ、Ｉ、はその代表値を意味するもの
とする。速度帰還制御のためには、速度検出器６
２０の出力θ〓と速度指令θ〓Ｓとの比較制御を行う
ための速度比較手段３２０を設け、この比較出力
τに応動して上記給電電圧Ｖ又は給電電流Ｉを制
御するものである。そして、上記滑り周波数Ｓ
ｓは、上記τに応動して最適化すべく２値制御す
る。

上記従来装置は、速度サーボとして優れた応答
性能を有する。即ち、２００，１００，４４
０′，４３０′，５０１からなる構成は、「誘導機
を用いたブラシなし直流機、電気学会誌vol88−
10、No.961、PP1885〜1893」と同様の構成であつ
て、最大トルク加減速機能を有し、加速時間や減
速時間が短かく、加速度や減速度を大きくできる
特長を有する。

他方、位置制御用サーボ装置においては、常時
稼動中において、所望位置に達する毎にひんぱん
に停止状態になる。換言すれば、稼動中の停止状
態とは、引き続き指令位置の変化が起こり得る状
態で、回転駆動状態へ即座に入る待期状態（スタ
ンバイ状態）である。

しかるに、従来の直流電動機式閉ループ位置制
御サーボと同様に、給電電圧又は給電電流を周波
数とともに連続制御量とした、第１図従来例の場
合、上記のような停止状態を介在させつつ位置制
御する用途においては次の問題を生じる。位置制
御サーボ装置においては、負荷は定速負荷トルク
（摩擦トルクなど）よりも、応答速度を高くする
ために慣性負荷に吸収される過渡加減速トルクの
方が大きなウエイトを持つ。そして、上記稼動中
の停止状態においては、モータ発生所要トルクは
負荷反抗トルクであつて、この負荷反抗トルクは
通常機械負荷では皆無に近い。摩擦トルクが確率
的に上記反抗トルクと同時に停止状態トルクに加
わる確率が存在するが、慣性の影響と微小行き過
ぎ（許容誤差内）や、系の動特性や、微妙な外乱
などで不確定なものである。又、上記摩擦トルク
が反抗トルクとして負の値（通常電動トルクと逆
方向）になることもある。いづれにしても、摩擦
トルクは不確定なもので、停止状態トルクの確定
成分にならない。従つて、上記停止状態時のモー
タ発生トルクが僅少になる機会が多くある。更に
もし摩擦トルクが運よく加わつたとしても、モー
タ最大トルク（加速慣性トルクを含む）と対比す
れば、やはり停止状態時のモータ発生トルクは小
さい。

さて、前記第１図従来例において、上記停止状
態所要発生トルクが小さいと言うことは、上記少
なくとも給電電流Ｉ、ひいては、その設定制御量
IS自体も停止状態時には小さくなることを意味す
る。

即ち、給電電流や給電電圧を連続制御量として
いるので、上記停止状態では、上記給電電圧や給
電電流が小さい値であるような静止原点近傍の状
態に入る。

この他、定速運転状態においても慣性加速トル
ク成分がなくなるので軽負荷トルクとなり、モー
タ所要発生トルクが小さく、やはり給電電流が極
小さい値になる。

このように、慣性とその加減速トルクが主たる
モータ所要最大トルクを決定づける、位置サーボ
装置や、稼動中に停止状態に入ることを要する位
置サーボ装置においては、給電電流が小さい値と
なる状態を生じる。

ところが、誘導電動機、特にカゴ形誘導電動機
のように短絡二次巻線（二次導体を含む）を有
し、二次巻線へ能動的電源から別途給電する二次
給電電源を持たない、通常の誘導電動機において
は、次の問題がある。

今、上記一次給電電流Ｉが小さくなつた時、そ
の電流値が最大トルク時の電流Imaxと対比して
充分小さく、ほぼ零であるものと見なす。このよ
うな状態においては、第２図ａの如く、一次巻線
１０１や二次巻線（二次導体）１０２の電流はほ
ぼ零（非常に小さい）で、これに伴い空隙１０３
の磁束もほぼ零（非常に小さい）になる。

次に、停止状態（又は定速状態）からスタート
して加速（又は加減速）すべく電流を給電する
と、その給電初期においては、第２図ｂのような
電流分布となる。即ち、一次巻線１０１ａ〜１０
１ｆの電流を相殺する二次巻線（二次導体）１０
２ａ〜１０２ｆ電流を発生し、空隙１０３には即
座に空隙磁束を発生しない。あるいは、もし少々
の空隙磁束が初期値として存在していたとして
も、給電電流（又は給電電圧）に即応した大きい
空隙磁束を発生しない。

そして、第２図ｂの電流分布で明らかなよう
に、上記相殺電流分布ではトルクを発生しない。

そして、上記空隙磁束は長い時間遅れをもつて
漸増し、この空隙磁束の漸増にともなつてトルク
を発生し始める。かかる時間遅れ現象及び過渡電
流分布相殺の関係は、上記一次巻線給電電流分布
が回転している回転磁界の時でも同様である。即
ち、一次電流の回転に伴つて、上記相殺二次電流
も回転する。

以上の説明から明らかなように、第１図従来例
においては、停止状態（位置指令待期状態）から
スタートする場合や、定速運転中から加速又は減
速に移る場合のように、トルクを急増させる必要
の生じた時に、前記理由でトルク急増が困難で、
時間遅れを生じる。

トルクを減少させる時は、一次給電電流Ｉを減
少させるだけで発生トルクも減少する。即ち、ト
ルク減少過渡時には前記遅れを生じない。しか
し、トルクが小さい値の初期状態から、トルクの
大きい状態へ移るトルク増大過渡時には前記の遅
れを生じる。

かかる、トルク僅少値からのトルク増大過渡事
態は、前述の如く位置制御用サーボ装置において
常時稼動中に生じる。特に、指令待期中の停止状
態から回転を始める時に生じる。

このように、位置制御用サーボ装置においては
前述従来例では、トルク増大遅れを生じる欠点が
あつた。ひいては、位置制御の応答速度を低下さ
せる欠点があつた。

一般に、誘導電動機に限らず、時間遅れが存在
することが知られている。そして、一次電圧制御
を行い、滑りを大幅に変化させる従来のサーボ用
誘導電動機においては、二次抵抗や空隙を大きく
して、時定数を短縮する方法が知られている。こ
の発明に係る可変周波数給電式サーボ装置におい
ても、上記二次抵抗の増大や、空隙の増大や、一
次リーケージインダクタンスあるいは二次リーケ
ージインダクタンスの減少などが、上記時定数の
短縮に効果がある。しかし、前述のトルク僅少値
からトルク増大過渡時のトルク増大遅れ（減少時
は遅れない）現象に関しては、時定数が短縮され
るだけで、根本的解消にならない。そして、逆に
定常特性の悪化、例えば効率低下を伴う。

このような、過渡特性の問題のために、誘導電
動機（特にカゴ形、特に高抵抗カゴ形でない標準
的抵抗値のカゴ形）は、機械駆動用位置サーボ装
置として、充分なる操作速度を得難かつた。

また、電流制御形（電流形）インバータや、電
流制御形（電流形）サイクロコンバータで駆動す
る場合に、前述の如く電流制御系が働き、前記問
題を生じる。

他方、電圧制御形では電流が不確定となり、特
に停止状態でやはりその不確定性の故に同じ問題
を生じる。

この発明は、可変周波数給電方式の位置制御用
誘導電動機式サーボ装置において、トルク増大遅
れを解消することを目的とする。

特に、稼動中の停止状態（待期状態）から、ス
タートする場合の、僅少発生トルク初期値からト
ルク急増させて加速するためのトルク増大に関
し、このトルク増大遅れを解消することを目的と
する。

この発明の他の目的は、上記トルク増大遅れを
解消した、位置制御用誘導電動機式サーボ装置に
おいて、更に改良されたいくつかの制御構成方式
を提供することを目的とする。

この他、誘導電動機の一次電圧制御により位置
サーボ装置を構成した従来例はあるが、周波数制
御により精密微細制御用位置サーボ装置をつくら
れた例はない。その理由は、一般的には構成の基
本的技術思想自体がなかつたことによる。ここで
本発明が実施例として、提示するところの構成に
係り、その構成に想到するに至るための主要な問
題のブレークダウンをしておく。

第１の問題は、所期の制御精度（指令制御単
位、許容精度）を得るに要する、所要の制御量が
何であるか、所要の制御量の分解性能がいか程で
あるか、等々の相間関係性が不明であつた。従つ
て、基本構成要素自体に要求される問題自体が不
明であつた。

第２の問題は、上記第１の内の主要問題に関
し、速度を円滑に制御する方法は知られていた
が、位置を所定単位で制御し所定許容誤差に納め
るための、構成要件が不明であつた。

第３の問題はよりよい応答性を得るための制御
系の構成要件が不明であつた。

第４の問題はよりよい応答性を得るための給電
装置の構成要件が不明であつた。

その他、諸問題があつた。

本発明はそれら諸問題に具体的実施例をもつて
してその解消を図ることができる。

第３図は、この発明の一実施例を示す構成図
で、図において、５は機械負荷、２００は所定電
流以上の給電電流を常時与える可変周波給電装
置、検出手段６００は位置検出手段６１０およ
び、速度検出手段６２０を含む検出手段である。
比較手段３００は外部位置指令手段７から与えら
れる位置指令信号θｓと位置検出信号θとを比較
する位置比較手段および速度検出信号θを負帰還
するための速度帰還手段を有し、且つ上記検出手
段６００と上記給電装置２００と上記誘導電動機
１００とを含む閉ループを形成する。

上記比較手段３００の出力信号（単一または複
数の信号）Ｓは、少なくとも上記位置比較手段の
出力応動信号を含み、位置偏差θε又は速度指令
信号θ〓ｓ（例えばθ〓ｓはθεに比例又は飽和を含
む比例信号）又はトルク指令信号τ（例えばθε
に進み補償などを行なうなど適宜の制御要素を介
した量）などである。４００は上記比較器出力Ｓ
に応動して上記給電装置の給電周波数を決定づけ
る周波数制御手段で、上記電動機の滑り周波数を
決定づける滑り周波数制御手段などを含む。５０
０は給電電流Ｉを決定づける給電電流制御手段で
あつて、給電装置２００の内在デバイスと共有部
分を持ち、協動関係にある。ここでは特に、その
給電電流設定手段を外部電流制御手段の要素とし
て取り出して、この給電電流設定手段を給電電流
制御手段の代表として５００符号をつける。

又、周波数制御手段４００へは誘導電動機１０
０の回転速度応動量（機械回転角自体〓_Mや、回
転により変調された信号fin（θ〓）や、上記速度
検出器３１１と別系統の速度検出出力信号な
ど）、あるいは、上記速度検出器の出力信号θ〓な
どを入力する。

又、給電電流制御手段５００は、点線図示のよ
うに周波数制御手段の出力又は別途な内部出力が
入力される場合もある。

又、給電電圧Ｖを決定すべき給電電圧指令信号
Vsを比較手段出力に応動させる場合、周波数制
御手段４００に連動させる場合も多い。しかし、
最終的に給電電流Ｉを決定するために、その給電
電流制御のための給電電圧制御を行う場合、給電
電圧指令Vsは給電電流制御手段５００の出力に
応動させる。（一次応動ないし、２次応動、その
他高次応動関係の各種方式がある）。そして、そ
の応動関係は、電流制御ループ、電圧制御ループ
の二つのループのいづれかをメジアーループ（外
側ループ）にし、他方をマイナループ（内側ルー
プ）にしたり、並列ループにしたり、各種制御方
式がある。

尚、その他の構成手段も構成物の上では個有的
に区別せず、共用共有的にできることは言うまで
もない。

さて、第３図の本発明の一実施例を示すブロツ
ク図において、誘導電動機１００で駆動される位
置（誘導電動機回転角度を含む）を検出する位置
検出器６１０が設けてあり、その位置検出出力応
動量θと外部位置指令手段７の指令応動量θｓと
を比較し、この比較出力応動信号Ｓにより、可変
周波数給電装置２００から誘導電動機１００へ給
電する周波数を制御して速度制御ひいては位置
（回転角度を含む）を閉ループ制御するものであ
る。そして、上記位置指令θｓと駆動位置θとが
実用上一致している停止状態などの稼動中の停止
状態、あるいは定速駆動中の定常状態など、負荷
トルクひいては所要誘導電動機発生トルクが小さ
い時、更にひいては上記誘導電動機への給電電流
Ｉ、又はその対応量I′（電源６と電動機１００と
を結ぶ電力通電路の各種比例電流）の所要電流値
が小さい時、このような時にも上記給電装置２０
０から所定値以上の給電電流Ｉ（又はその対応量
I′）を給電する。そして、これに相応して上記所
要発生トルクが小さい時には周波数又は滑り周
波数Ｓｓを連続制御して小さくし、実質的にほ
ぼ零滑り周波数にする。ここに、上記所定電流は
上記誘導電動機の励磁電流に対応する電流値であ
る。停止零周波数においては、所定空隙磁束（例
えば定格回転数定格電圧定格負荷トルクにおける
空隙磁束又はその近傍の値の空隙磁束）を発生す
るに要する空隙起磁力を発生するための直流電流
を上記誘導電動機一次巻線に給電しておく。例え
ば、三相全波給電の誘導電動機においては、上記
所定電流値は、誘導電動機１００の励磁電流線電
流の波高値Ｉ_EPの0.8〜１倍である。勿論、所要
トルク増大応答性能によつて適宜上記値よりも増
減させることができる。上記所定電流値は、全波
駆動誘導電動機の各相入力線電流の内のいづれか
最大値で表現している。もし、給電装置が３相ブ
リツジ接続電流形インバータなどであれば、上記
電流値は直流入力端子入力電流（又はパルス変調
形インバータなどでは、直流入力電流パルスの波
高値に相当）に相当する。勿論、給電装置２００
の主回路接続形式や誘導電動機巻線形式や相数な
どにより、上記Ｉ_EPに対する係数や上記インバー
タ直流入力電流との関係や、サイクロコンバータ
入出力電流関係などは変化する。

又、上記所定電流Ｉ，I′以上を確保するに要す
る所定電圧Ｖ又はV′を給電装置２００から給電
してもよいことは言うまでもない。

以上のようにして、最小限の所定電流を常時確
保し、あるいは、少なくともサーボ装置稼動中の
停止状態又は位置変分指令の入力（位置の変更）
待期状態においても最小限の所定電流を給電して
おけば、誘導電動機１００の空隙磁束が僅小に減
少ないし消滅することなく、常に所定空隙磁束を
確保することができる。従つて、次に指令位置変
更を生じた時には、給電電流の増加及び磁界の回
転（勿論、周波数特に滑り周波数の増加を伴う）
によつて即座にトルクを発生し、トルク増大に関
する前述従来例の如き遅れを生じない。

即ち、初期状態（待期状態）で第４図ａの○†

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 誘導電動機の一次巻線に可変周波数交流を給
   電する給電装置、上記誘導電動機で制御される位
   置又は回転角に対応する量を検出する検出手段、
   上記位置または回転角の対応量と指令とを比較す
   る比較手段、上記誘導電動機の滑り周波数を所望
   滑り周波数とすべく上記給電装置の給電周波数を
   制御する滑り周波数制御手段、上記比較手段の出
   力に応じて上記滑り周波数を制御する閉ループ制
   御手段を備え、上記給電装置は上記誘導電動機へ
   の給電電流値を常時所定値以上確保し、指令の変
   更待機状態にも所定値以上の電流値を上記誘導電
   動機に給電することを特徴とする位置制御誘導電
   動機式サーボ装置。