JP2002247858A - サーボ制御システムの故障検出装置 - Google Patents

サーボ制御システムの故障検出装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流センサの故障を簡易に検出するサーボ制
御システムの故障検出装置を得ること。 【解決手段】 サーボモータ10に可変電圧、可変周波
数を印加するPWMインバータ25と、サーボモータ1
0の回転子の回転した角度を検出するエンコーダ12
と、エンコーダ12により検出された角度値に基づいて
サーボモータ10がトルクを発生しないように、PWM
インバータ25に有限の電圧指令を発生する指令手段
と、該指令手段からの電圧指令に基づくPWMインバー
タ25を動作してサーボモータ10に電圧V,V
を印加して各電流I,Iを検出する電流センサ
27v,27wと、I×Vと、I×Vとを求め
てI×VとI×Vとの差が所定値以内かを判断
すると共に、該所定値を越えると異常信号を発生する判
断手段とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、サーボ制御シス
テムにおいて、サーボモータに流れる電流を検出する電
流センサ等の故障検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】サーボ制御システムは、サーボモータに
流れる電流を電流センサにより検出して該検出電流値を
フィードバックして制御を実行している。ここで、例え
ば、電流センサが実際に流れている電流値よりも小さな
電流を検出すると、制御指令部は所望の電流値が流れて
いないと認識し、より大きな電流をサーボモータに流そ
うとするので、正確な制御が困難となる。
【0003】かかる不具合を防ぐために、従来から電流
センサ等が正常か否かを判定して、サーボ制御システム
の誤動作を防止することが特開平6−253585号公
報に記載されているように成されている。該公報には、
サーボモータに流れる3相電流U、V、W相を三つの電
流センサにより検出して、検出されたU、V、W相の電
流値のベクトル和がゼロか否かで電流センサの故障判定
を成すものが記載されている。かかる技術によれば、サ
ーボモータに流れる電流値を推定することなく、簡易に
電流センサの異常が検出できるものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】一方、サーボモータに
流れる二相の電流、例えばV、W相の電流Iv,Iwの
みを二つの電流センサにより検出し、三相の電流のベク
トル和がゼロという関係から検出していない残りのU相
の電流値Iuを推定する、二相電流検出タイプが簡易な
構成のために採用されている。しかしながら、U、V、
W相の電流値の合計がゼロによりU相の電流値Iuを推
定するので、電流センサの異常時でも前記電流値の合計
がゼロになる。したがって、電流センサの異常が検出で
きないという問題点があった。
【0005】この発明は、サーボモータに流れる2相の
電流検出を成す電流センサの故障を簡易に検出するサー
ボ制御システムの故障検出装置を提供することを目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段、発明の作用及び効果】第
1の発明に係るサーボ制御システムの故障検出装置は、
第1から第3相からなる三相のモータと、該モータに可
変電圧、可変周波数を印加する可変電圧印加手段と、上
記モータの回転子の回転した角度を検出する角度検出手
段と、該角度検出手段により検出された角度値に基づい
て上記モータがトルクを発生しないように、上記可変電
圧印加手段に対して有限の電圧の指令を発生する指令手
段と、該指令手段からの上記電圧指令に基づく上記可変
電圧印加手段を動作して上記モータの第1から第3相に
電圧を印加させることにより上記モータに流れる第1
相、第2相の各電流を検出する第1及び第2の電流検出
手段と、上記第1の電流検出手段により検出された第1
の電流値と第2相の印加電圧値との積である第1の乗算
値を求め、上記第2の電流検出手段により検出された第
2の電流値と第1相の印加電圧値との積である第2の乗
算値を求め、上記第1の乗算値と上記第2の乗算値との
差が所定値以内かを判断すると共に、該所定値を越える
と異常信号を発生する判断手段と、を備えたことを特徴
とするものである。
【0007】かかる故障検出装置によれば、角度検出手
段の角度検出値に基づいて指令手段からモータがトルク
を発生しない指令を与えることにより、可変電圧印加手
段は、有限の電圧を発生し、判断手段は、第1の電流検
出手段により検出された第1の電流値と第1相の印加電
圧値との積である第1の乗算値を求め、第2の電流値と
第2相の印加電圧値との積である第2の乗算値とを求
め、第1の乗算値と第2の乗算値との差が所定値以内か
を判断すると共に、該所定値を越えると異常信号を発生
する。したがって、三相のモータの二相に流れる電流を
検出する第1及び第2の電流検出手段の異常を簡易な構
成で検出できるという効果がある。
【0008】第2の発明に係るサーボ制御システムの故
障検出装置は、回転角度検出手段の角度値に基づいて磁
極位置θを演算する磁極位置演算手段を有しており、モ
ータがトルクを発生しない電圧は、Aを定数とすると、
第1相がAsin(θ+270°),第2相がAsin(θ+
150°),第3相がAsin(θ+30°)である、こ
とを特徴とするものである。かかる故障検出装置によれ
ば、可変電圧印加手段は第1相がAsin(θ+270
°)、第2相がAsin(θ+150°),第3相がAsin
(θ+30°)の電圧を印加するので、定数Aが一定の
場合には、第1及び第2の電流検出手段はモータに流れ
る直流電流を検出して、判断手段は該直流電流値などに
基づいて異常か否かを判断すれば良い。したがって、直
流電流のため定常状態において時間の概念がないので、
判断手段が簡易になるという効果がある。
【0009】第3の発明に係るサーボ制御システムの故
障検出装置は、第1及び第2の電流検出手段の第1、第
2の電流値が一定になったことを判断する一定値判断手
段を有しており、該一定値判断手段により一定と判断さ
れた後に判断手段を実行する、ことを特徴とするもので
ある。かかる故障検出装置によれば、一定値判断手段は
第1、第2の電流値が一定になったことを判断して一定
の場合に限り、判断手段を実行するので、第1、第2の
電流値の過渡現象を考慮することなく、第1及び第2の
電流検出手段の異常を簡易に検出できるという効果があ
る。
【0010】第4の発明に係るサーボ制御システムの故
障検出装置は、上記モータの第1の磁極位置θに基づ
く上記可変電圧印加手段から印加される最大電圧値を基
準として、上記モータの第2の上記磁極位置θに基づ
いて上記最大電圧値よりも、予め定められた所定値に低
下することを判断する磁極位置判断手段と、この磁極位
置判断手段により上記所定値よりも低下すると判断され
た場合には、上記所定値よりも高くなるよう上記モータ
を回転するモータ駆動手段と、を備えたことを特徴とす
るものである。かかる故障検出装置によれば、モータの
磁極位置に基づく可変電圧印加手段からの電圧値が低下
する場合には、これを磁極位置判断手段により判断して
モータ駆動手段により可変電圧印加手段の電圧値が所定
値よりも高くなるようモータを回転させる。したがっ
て、可変電圧印加手段の電圧値を所定値以上にしてモー
タに印加するので、第1及び第2の電流検出手段に流れ
る電流が所定値よりも低下することがなくなり、第1及
び第2の電流検出手段の故障を精度良く検出できるとい
う効果がある。
【0011】
【発明の実施の形態】実施の形態1.この発明の一実施
の形態を図1によって説明する。図1はこの発明の一実
施の形態によるサーボ制御システムの全体構成図であ
る。図1において、サーボ制御システムは、三相のサー
ボモータ10をサーボ制御装置20に駆動制御すること
によりサーボモータ10の回転子の回転した角度Θをエ
ンコーダ12によって検出してサーボ制御装置20にフ
ィードバックされるように形成されている。
【0012】サーボ制御装置20は、サーボモータ10
の位置情報および指令電流値をもとに電圧指令を生成す
る電流制御指令部21と、電流制御指令部21の制御電
圧指令値に基づいて直流母線電圧Edを所望の電圧に変
換するPWMインバータ25と、サーボモータ10のV
相、W相に流れる電流I,Iを検出する電流センサ
27v,27wと、サーボモータ10の回転した角度Θ
をエンコーダ12により検出してサーボモータ10の磁
極位置θを算出し、該磁極位置θに応じた電圧指令をP
WMインバータ25に与えてサーボモータ10に流れる
電流I,Iを検出する電流センサ27v,27wが
正常か否かを判定する電流センサ27v,27wの故障
検出手段30と、電流制御指令部21と故障検出手段3
0との切換えを成すスイッチSW1を有する指令スイッ
チ23と、電流センサ27v,27wからの電流を電流
制御指令回路21と故障検出手段30とに切換えると共
に、スイッチSW11〜SW13を有する入力スイッチ
29とを備えている。
【0013】故障検出手段30は、電流センサ27v,
27wの検出した電流値と、エンコーダ12からの回転
した角度Θとを取り込む入力I/F32、周知のCPU
34、ROM36、RAM38、出力I/F39を内蔵
している。ROM36はCPU34により実行されるべ
き制御プログラム、即ち、後述する図2のフローチャー
トに相当するプログラムが記憶されており、RAM38
はCPU34に作業領域を提供するように形成されてい
る。
【0014】故障検出手段30からPWMインバータ2
5への電圧指令は、サーボモータ10が停止中にサーボ
モータ10に電圧が印加されても、サーボモータ10が
回転しないよう下式の電圧が印加されるように形成され
ている。 Vu = Asin(θ+ 270°) Vv = Asin(θ+ 150°)・・・・(1) Vw = Asin(θ+30°) ここに、A:定数、θ:磁極の位置(界磁の角度) ここで、定数Aは、例えばサーボモータ10に定格電流
値を流すための印加電圧値が適当である。これは、電流
センサ27v,27wの検出精度の向上を図るためであ
る。
【0015】以下に、前記(1)式に示す電圧V,V
,Vがサーボモータ10に印加されても回転子が回
転しない、すなわち、トルクが発生しないことを証明す
る。まず、サーボモータ10の電圧V,V,V
表す電圧方程式を各相毎に示すと下式となる。 V=(R+pL+0.5pM)I+E=(R+pL+0.5pM)I+E・・・・・(2) V=(R+pL+0.5pM)I+E ここで、p:d/dtで時間に関する微分演算子 M:サーボモータ10のコイル間の相互インダクタンス
(H) E,E,E:速度起電力(V) L:サーボモータ10の自己インダクタンス(H) R:サーボモータ10の巻線抵抗(Ω) なお、前記(2)式における速度起電力E,E,E
については前記(1)で定数Aを一定とした直流電圧
をサーボモータ10に印加しても、サーボモータ10が
回転子しないためE、E、E=0となる。
【0016】前記(2)式の電圧印加の開始時間を0と
して、時間tにおけるU、V、W相の電流値Iu,Iv
wは下式となる。 Iu =Vu・(1−ε−t/τ )/R=A・Bsin(θ+270°)/R Iv =Vv・(1−ε−t/τ )/R=A・Bsin(θ+150°)/R・・・・(3) Iw =Vw・(1−ε−t/τ )/R=A・Bsin(θ+ 30°)/R ここで、τ:(L+0.5M)/R B:1−ε−t/τ
【0017】電圧V,V,Vを印加して電流値I
u,Iv,Iwがほぼ一定になる時間は、およそ3τとな
り、一般に数10ms〜数100ms程度である。した
がって、時間3τを経過後の電流値Iu,Iv,Iwは下
式とみなすことができる。 Iu =V/R=Asin(θ+270°)/R Iv =V/R=Asin(θ+150°)/R ・・・・・(4) Iw =V/R=Asin(θ+ 30°)/R
【0018】一方、サーボモータ10が発生するトルク
Tは、文献「ACサーボシステムの理論と設計の実際」
杉本英彦等著、総合電子出版社、1990年発行の第2
0頁(2.23)式によれば下式となる。 T=K・{−Iu sinθre−Ivsin(θre−120°)−Iwsin (θre+120°)} ・・(5) ここに K:トルク定数で、z・Φfa z:極対数、Φfa:電機子巻線鎖交磁束数 θre:磁極の位置(界磁の角度) この実施の形態による磁極の位置θと、前記文献(第1
3頁、図2.2記載のθ re)の磁極の位置θreとを
一致させるためにθre→θ+180°すると、下式と
なる。 T=K{−Iu sin(θ+180°)−Iv sin(θ+60°)−Iw sin(θ+300°)}・(6)
【0019】前記(3)式を前記(6)式に代入して計
算すると、C=(A・B)/Rとすれば、トルクTは下
式の通りゼロとなる。 T=K・C{−sin(θ+180°) sin(θ+270°)−sin(θ+60°)sin(θ+150°) −sin(θ+300°)Asin(θ+ 30°)}=0・・・・(7) すなわち、電流センサ27v,27wの故障検出を実行
している間にサーボモータ10は回転しないこと、即
ち、停止していることが証明されたのである。
【0020】前記のように構成されたサーボ制御システ
ムの故障検出装置の動作を図1及び図2よって説明す
る。図2は図1による故障検出装置の動作を示すフロー
チャートである。サーボモータ10の起動時において、
入力スイッチ23のSW1をb端子、出力スイッチ29
のSW11〜SW13をa側端子にそれぞれ投入して電
流センサ27v,27wの故障検出モードに移行する。
【0021】CPU34は、入力I/F32を介してエ
ンコーダ12からのサーボモータ10の回転した角度Θ
を読み込み、サーボモータ10の磁極位置θを角度Θ×
サーボモータ10の極対数によって演算し、磁極位置θ
をRAM38に記憶し(ステップS101)、サーボモ
ータ10の磁極位置θによっては、サーボモータ10の
印加電圧が低下して、電流検出器27v,27wの故障
検出精度が低下するので、前記(1)式における電圧V
,Vの最大値から±0.1倍以下なる磁極位置θか
否かを次のように判断する。即ち、24.3°≦θ≦3
5.7°,204.3°≦θ≦215.7,°144.
3°≦θ≦155.7°,324.3°≦θ≦335.
7°か否かを判定する(ステップS103)。サーボモ
ータ10の磁極位置θが前記角度範囲を満たさなけれ
ば、電圧V,Vの最大値から±0.1以上であるの
で、CPU34は、前記(1)式に磁極位置θを代入し
て電圧指令を求め、該電圧指令を出力I/F39から指
令スイッチ23を介してPWMインバータ25に与え、
PWMインバータ25が前記電圧指令により定まる電圧
をサーボモータ10に印加する(ステップS105)。
一方、サーボモータがステップS103における前記角
度範囲を満たさせば、CPU34は、現在の磁極位置か
ら前記角度範囲を満たさないように回転角度指令を生成
してPWMインバータ25を介してサーボモータ10を
前記回転角度指令の位置まで回転させて(ステップS1
04)、前記ステップS105を実行する。
【0022】したがって、サーボモータ10はトルクを
発生しないような直流電圧が印加されているので、前記
(3)式で定まる電流Iu,Iv,Iwが流れ、CPU3
4は、電圧を印加してから所定時間経過した後の電流セ
ンサ27v,27wからの電流をスイッチ29から入力
I/F32を介して電流値I,Iを所定の時間継続
して検出する(ステップS107)。ここで、電流値I
,Iの比は前記(4)式よりサーボモータ10に印
加する電圧V,Vに等しい。すなわち、I:I
=V:Vとなり下式が成立する。 I×V−I×V=0・・・・(8) この(8)式は、各電流センサ27v,27wなどにバ
ラツキがないという前提の式なので、バラツキの許容値
をδとしてCPU34は、J=|I×V−I ×V
|を演算し、すなわち、第1の電流値Iと第2相の
印加電圧値Vとの積となる第1の乗算値を求め、第2
の電流値Iと第1相の印加電圧値Vとの積となる第
2の乗算値を求めて、第1の乗算値と第2の乗算値の差
を求め、(ステップS111)、該差Jが予め定められ
た許容値δと比較、すなわち、J>δか否か判断する
(ステップS113)。
【0023】J≦δであれば、CPU34は、電流セン
サ27v,27w等に異常がないものと判断してスイッ
チ23のSW1をa側に投入し、スイッチ29のSW1
1〜SW13をb側に投入して通常動作モードに移行
し、電流制御指令部21は、PWMインバータ25を制
御してサーボモータ10を駆動する(ステップS11
5)。一方、CPU34は、J>δであれば、電流セン
サ27v,27wこれに関連する回路、配線などに異常
が生じたと判断してアラーム表示(図示せず)すること
により作業者に知らせる(ステップS117)。
【0024】かかる実施の形態による故障検出手段30
は、サーボモータ10の二相に流れる電流を電流センサ
27v,27wにより検出することにより、電流センサ
27v,27wなどの異常を検出できる。しかも、故障
検出手段30は、サーボモータ10の巻線抵抗、自己イ
ンダクタンス、コイル間の相互インダクタンスに基づい
てサーボモータ10に流れる電流を推定することなく、
電流センサ27v,27wなどの異常を検出できる。し
たがって、サーボモータ10における巻線抵抗の温度変
動、サーボモータ10とサーボ制御装置20との配線ケ
ーブルなどの自己インダクタンスの変動などによる影響
を受けることもなく、電流センサ27v,27wなどの
故障を検出できるものである。さらに、故障検出手段3
0はステップS109において、電流センサ27v,2
7wにより検出した電流値が一定になった後に、電流セ
ンサ27v,27wなどの異常を判断するので、検出電
流値の過渡現象を考慮することなく、電流センサ27
v,27wの故障の判定が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施形態によるサーボ制御システ
ムの故障検出装置の全体を示すブロック図である。
【図2】 図1に示す故障検出装置の動作を示すフロー
チャートである。
【符号の説明】
10 サーボモータ(三相のモータ)、12 エンコー
ダ(角度検出手段)、25 PWMインバータ(可変電
圧印加手段)、27v 電流センサ(第1の電流検出手
段)、27w 電流センサ(第2の電流検出手段)、3
0 故障検出手段。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1から第3相を有する三相のモータ
    と、該モータに可変電圧、可変周波数を印加する可変電
    圧印加手段と、 上記モータの回転子の回転した角度を検出する角度検出
    手段と、該角度検出手段により検出された角度値に基づ
    いて上記モータがトルクを発生しないように、上記可変
    電圧印加手段に対して有限の電圧指令を発生する指令手
    段と、該指令手段からの上記電圧指令に基づく上記可変
    電圧印加手段を動作して上記モータの第1から第3相に
    電圧を印加させることにより上記モータに流れる第1
    相、第2相の各電流を検出する第1及び第2の電流検出
    手段と、上記第1の電流検出手段により検出された第1
    の電流値と上記第2相の印加電圧値との積である第1の
    乗算値を求め、上記第2の電流検出手段により検出され
    た第2の電流値と上記第1相の印加電圧値との積である
    第2の乗算値とを求め、上記第1の乗算値と上記第2の
    乗算値との差が所定値以内かを判断すると共に、該所定
    値を越えると異常信号を発生する判断手段と、を備えた
    ことを特徴とするサーボ制御システムの故障検出装置。
  2. 【請求項2】 上記角度検出手段の角度値に基づいて磁
    極位置θを演算する磁極位置演算手段を有しており、上
    記モータがトルクを発生しない電圧は、Aを定数とする
    と、第1相がAsin(θ+270°),第2相がAsin
    (θ+150°),第3相がAsin(θ+30°)であ
    る、ことを特徴とする請求項1に記載のサーボ制御シス
    テムの故障検出装置。
  3. 【請求項3】 上記第1及び第2の電流検出手段の第
    1、第2の電流値が一定になったことを判断する一定値
    判断手段を有しており、該一定値判断手段により一定と
    判断された後に上記判断手段を実行する、ことを特徴と
    する請求項1又は3に記載のサーボ制御システムの故障
    検出装置。
  4. 【請求項4】 上記モータの第1の磁極位置θに基づ
    く上記可変電圧印加手段から印加される最大電圧値を基
    準として、上記モータの第2の上記磁極位置θに基づ
    いて上記最大電圧値よりも、予め定められた所定値に低
    下することを判断する磁極位置判断手段と、この磁極位
    置判断手段により上記所定値よりも低下すると判断され
    た場合には、上記所定値よりも高くなるように上記モー
    タを回転するモータ駆動手段と、を備えたことを特徴と
    する請求項2又は3に記載のサーボ制御システムの故障
    検出装置。
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Cited By (4)

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