JP2006288109A - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動発生を防止しつつ停止位置保持を行うことができるサーボモータ制御装置を提供する。
【解決手段】ｄｑ軸演算部１５は、ＤＤモータ１０の回転軸に回転トルクを発生させるｑ軸電流成分と、回転軸に保持トルクを発生させるｄ軸電流成分とを算出する。制御回路１４はｄｑ軸演算部１５により演算された結果を用い、制御信号を駆動回路１３に出力する。駆動回路１３は制御信号に基づきＤＤモータ１０に所定の３相励磁電流を供給する。ここで、ＤＤモータ１０の回転軸を所定の停止位置に保持する際には、ｄｑ軸演算部１５は、ｑ軸電流成分を「０」とし、ｄ軸電流成分のみで前記励磁電流が供給されるよう演算する。その結果、回転軸を停止位置に保持する場合には回転トルクは発生せず停止保持トルクのみが発生するため、停止時における振動発生を抑制することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、停止位置の保持を好適に行うサーボモータ制御装置に関するものである。

サーボモータの駆動により被駆動部材を目標位置まで移動させ、その被駆動部材が目標位置に到達した時点でモータの回転軸をその位置に停止保持する制御が従来から種々提案されている。例えば、被駆動部材が目標位置に到達した時点で、サーボモータを一定速度とし、かつ非常に短い一定間隔で正転／逆転を交互に切り換えることにより、停止位置に保持するようにしたサーボロックが提案されている（例えば特許文献１参照）。このような技術では、制御だけで対処し、停止位置保持のためのブレーキ機構を別途設ける必要がないため、コスト面で有利である。

しかしながら、上記のようなサーボロック制御は、実際にはサーボモータが停止しているわけではなく、正逆転を細かに切り換えて往復動を細かに行うことにより保持トルクを擬似的に得るようにしたものであるため、特に被駆動部材の剛性が低くなるに連れてサーボロックの際の微振動が大きくなるという問題がある。
特開２００４−１３８７１１号公報

本発明は、振動発生を防止しつつ停止位置保持を行うことができるサーボモータ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するのに有効な手段等につき、必要に応じて効果等を示しつつ説明する。なお以下では、理解を容易にするため、発明の実施の形態において対応する構成を括弧書き等で適宜示すが、この括弧書き等で示した具体的構成に限定されるものではない。

手段１． 制御信号に基づき所定の３相励磁電流を生成する駆動回路（駆動回路１３）を備え、その駆動回路からの励磁電流を供給することによりサーボモータ（ＤＤモータ１０）の出力部（回転軸２１ａ）を駆動させる制御装置であって、
ｄｑ軸電流成分のうちｑ軸電流成分をゼロとして所定の前記励磁電流が供給されるよう演算するｄｑ軸演算手段（ｄｑ軸演算部１５）と、
前記出力部を所定の停止位置に保持する際、前記ｄｑ軸演算手段によりｑ軸電流成分をゼロとし前記ｄ軸電流成分のみで得られた前記励磁電流により前記出力部が停止保持されるよう前記制御信号を出力する制御手段（制御回路１４）と
を備えたことを特徴とするサーボモータ制御装置。

手段１によれば、ｄｑ軸演算手段では、ｑ軸電流成分をゼロとしてｄ軸電流成分のみでの励磁電流を供給可能としている。そして、制御手段では、モータの出力部を所定の停止位置に保持する際、ｑ軸電流成分をゼロとしｄ軸電流成分のみで得られた前記励磁電流により出力部が停止保持されるよう制御信号を出力する。ここで、ｑ軸電流成分をゼロとすることで、モータの出力部には駆動トルクが作用せず、出力部が従来のように発振することがない。また、ｄ軸電流成分を励磁電流に反映させることで、出力部には停止保持トルクが作用し、これに伴って出力部側に外力が加わってもその外力が前記停止保持トルクの範囲内であれば出力部の停止位置を保持することができる。

手段２． 前記ｄｑ軸演算手段は、さらにｄ軸電流成分をゼロとして要求される駆動トルクに応じた前記励磁電流が供給されるよう演算するものであり、
前記制御手段は、前記出力部を駆動させる際、前記ｄｑ軸演算手段によりｄ軸電流成分をゼロとし前記ｑ軸電流成分のみで得られた前記励磁電流により前記出力部が駆動されるよう前記制御信号を出力することを特徴とする手段１記載のサーボモータ制御装置。

手段２によれば、制御手段は、モータの出力部を駆動する際、ｄ軸電流成分をゼロ、ｑ軸電流成分を要求駆動トルクに応じた値とする。つまり、モータ出力部を駆動する際においては、ｑ軸電流成分が要求駆動トルクに応じた値となることから、これに伴ってモータ出力部に駆動トルクが発生し、これに伴ってモータ出力部が駆動する。またこの場合、ｄ軸電流成分がゼロであるため、モータの出力部に停止保持トルクが発生せず、駆動中のトルクリップルが抑制される。しかも、このｄ軸電流成分はモータ出力部の駆動トルクに寄与せず単に巻線での損失となるだけであるので、駆動中のｄ軸電流成分をゼロとすることで、無用な消費電流を低減できる。

手段３．前記サーボモータは、その出力部が被駆動部材に直接連結されるダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ１０）であることを特徴とする手段１又は２に記載のサーボモータ制御装置。

手段３によれば、ダイレクトドライブモータは被駆動部材を直接駆動することから、停止位置に保持する際に出力部にて振動が発生すると、被駆動部材を発振させるおそれがある。特に被駆動部材の剛性が低くなると、発振現象が顕著になる。従って、このようなモータに対して上記のように停止位置保持時に振動が生じないという効果は大きい。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、被駆動部材（例えば作業機器をインデックス動作させるロータリテーブル）を、減速機を介することなくダイレクトに回転駆動するサーボモータとしてのダイレクトドライブモータ（ＤＤモータ）の制御装置に適用したものである。

図１に示すように、ＤＤモータ１０を制御する制御装置としてのドライバ１１には、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２、駆動回路１３及び制御回路１４が備えられている。このＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、制御回路１４の制御に基づいて、外部から供給される交流電源（例えばＡＣ２００Ｖ）を直流電源に変換し、その直流電源を駆動回路１３に供給する。駆動回路１３は、トランジスタなどのスイッチング素子を複数用いたブリッジ回路で構成されている。駆動回路１３は、制御回路１４の制御（この場合、ＰＷＭ制御）に基づいて各スイッチング素子をオンオフ制御し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流を生成すると共に、その励磁電流の電流値を調整する。

ＤＤモータ１０は、駆動回路１３にて生成される励磁電流の供給に基づいて図２に示す回転軸２１ａを回転駆動し、被駆動部材であるロータリテーブルを回転させる。また、ＤＤモータ１０には、回転軸２１ａの回転角を検出するためのレゾルバ１０ａが一体に備えられている。レゾルバ１０ａは、モータ１０の回転軸２１ａの回転角を検出した検出信号（レゾルバ信号）を制御回路１４に出力する。なお、図示しないが、レゾルバ１０ａと制御回路１４との間にはレゾルバ信号をデジタル信号に変換するコンバータが接続されている。

制御回路１４は各種の演算処理を行なうＣＰＵの他、制御プログラムを格納したＲＯＭや前記検出信号等のデータを一時的に格納するＲＡＭ等のメモリを備えている。制御回路１４は、レゾルバ１０ａからの検出信号に基づいてモータ１０の回転軸２１ａの回転角を検出している。また、制御回路１４は、メモリ内に格納されている制御プログラムに従った制御信号を駆動回路１３に出力し、駆動回路１３から制御信号に基づいた励磁電流をＤＤモータ１０に出力させる。制御回路１４は、ＤＤモータ１０の回転軸２１ａを制御プログラムに従って動作させ、ロータリテーブルにインデックス動作等の所定の動作を行わせる。

ここで、図２において、ＤＤモータ１０のステータ２０とロータ２１の構成を説明すると、ステータ２０は円環状をなしており、中心部に向かって延びるティース２０ａが周方向に等間隔に１８個設けられ、各ティース２０ａにはそれぞれ励磁巻線２０ｂが備えられている。つまり、ステータ２０は１８個の磁極を有している。一方、ロータ２１は、ステータ２０の内側に回転可能に支持されており、回転軸２１ａを有するロータコア２１ｂの外周面に２０個の磁石２１ｃが固着されている。つまり、ロータ２１は２０個の磁極を有している。そして、ステータ２０の各励磁巻線２０ｂはＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応するように設けられており、対応する相の巻線２０ｂに各相の励磁電流が供給されることで、ステータ２０に回転磁界が発生し、ロータ２１が回転するようになっている。

前記制御回路１４にはｄｑ軸演算部１５が備えられており、ｄｑ軸演算部１５は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流を生成するために、先ずｑ軸電流成分とｄ軸電流成分との２つの電流成分の大きさを演算する。図３（ａ）に示すように、ｑ軸電流成分は、ステータ２０にロータ２１の界磁界と交差する磁界を発生させる電流、すなわちＤＤモータ１０の回転トルクを発生させる電流成分である。一方、図３（ｂ）に示すように、ｄ軸電流成分は、ステータ２０にロータ２１の界磁界に沿った磁界を発生させる電流、すなわちＤＤモータ１０の保持トルクを発生させる電流成分である。

つまり、ＤＤモータ１０を回転させる時には、制御回路１４からの指令に基づいて、ｄｑ軸演算部１５は、ｄ軸電流成分を「０」とし、ｑ軸電流成分の大きさ（電流値）を演算し、そのｄｑ軸電流成分からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流を変換する。このｑ軸電流成分の大きさは、その時々に要求される回転トルクに応じた値となる。

これに対し、ＤＤモータ１０を停止位置保持させる時には、制御回路１４からの指令に基づいて、ｄｑ軸演算部１５は、上記回転時とは逆にｑ軸電流成分を「０」とし、ｄ軸電流成分の大きさ（電流値）を演算する。このｄ軸電流成分の大きさは、ＤＤモータ１０の回転軸２１ａに所定の保持トルクを発生させるように予め計測や演算から設定されるものである。また、ｄｑ軸演算部１５は、回転軸２１ａ（ロータ２１）を停止保持する位置に応じて、ｄ軸電流成分のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流への割り振りを演算して変換する。

こうして、ＤＤモータ１０の回転時にはｄｑ軸演算部１５はｄ軸電流成分を「０」としｑ軸電流成分のみで回転トルクを発生させ、ＤＤモータ１０の停止時にはｄｑ軸演算部１５はｑ軸電流成分を「０」としｄ軸電流成分のみとして停止保持トルクを発生させるように、ｄｑ軸電流成分の振分を実行する。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

本実施の形態では、ｄｑ軸演算部１５により、ＤＤモータ１０の回転軸２１ａに回転トルクを発生させるｑ軸電流成分と、回転軸２１ａに保持トルクを発生させるｄ軸電流成分とが算出され、ｑ軸電流成分及びｄ軸電流成分がＤＤモータ１０の駆動のための３相励磁電流に変換される。ＤＤモータ１０の回転軸２１ａを停止位置で保持する際、制御回路１４の指令に基づいて、ｄｑ軸演算部１５は、ｑ軸電流成分を「０」とし、ｄ軸電流成分を回転軸２１ａにて所定の保持トルクが発生するように増大させる。つまり、回転軸２１ａを停止位置で保持する際においては、ｑ軸電流成分が「０」であるため、回転軸２１ａに回転トルクが作用せず、回転軸２１ａに振動が発生しない。また、ｄ軸電流成分が増大することから、これに伴って回転軸２１ａに保持トルクが発生し、これに伴って回転軸２１ａを所定の停止位置に振動を伴うことなく保持させることができる。

本実施の形態では、ＤＤモータ１０の回転軸２１ａを駆動する際、制御回路１４の指令に基づいて、ｄｑ軸演算部１５は、ｄ軸電流成分を「０」とし、ｑ軸電流成分を要求回転トルクに応じた値とする。つまり、回転軸２１ａを駆動する際においては、ｑ軸電流成分が要求回転トルクに応じた値となることから、これに伴って回転軸２１ａに回転トルクが発生し、これに伴って回転軸２１ａが回転駆動する。またこの場合、ｄ軸電流成分が「０」であるため、回転軸２１ａに保持トルクが発生せず、回転駆動中のトルクリップルが抑制される。しかも、このｄ軸電流成分は回転軸２１ａの回転トルクに寄与せず単に巻線２０ｂでの損失となるだけであるので、回転駆動中のｄ軸電流成分を「０」とすることで、無用な消費電流を低減できる。

本実施の形態では、ｄｑ軸演算部１５は、回転軸２１ａの停止位置に対応してｄ軸電流成分の３相励磁電流への割り振りを演算している。つまり、ｄ軸電流成分の各相の励磁電流への割り振りに応じて、ステータ２０における各相の巻線２０ｂが備えられる各ティース２０ａの位置や、ロータ２１における磁石２１ｃの位置等に依存されることなく、回転軸２１ａを任意の位置で停止保持することができる。

本実施の形態では、ＤＤモータ１０は回転軸２１ａに被駆動部材（ロータリテーブル）が減速機を介することなく直接連結されることから、停止位置保持する際に回転軸２１ａにてねじれが発生すると、被駆動部材を発振させるおそれがある。特に回転軸２１ａの軸長さが長く設定されている場合には、発振現象が顕著になる。従って、このようなＤＤモータ１０に対して上記のように停止保持時に回転トルクを発生しないようにするとともに保持トルクを高めることによって振動を防止することができるという効果は大きい。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、回転軸２１ａを停止位置に保持する際、所定の保持トルクが発生するようにｄ軸電流成分を予め定めた所定の大きさとしたが、その時々の状況に応じてｄ軸電流成分の大きさを可変としても良い。この場合、その演算処理はｄｑ軸演算部１５において行うことができるようにメモリに必要な演算処理プログラムを格納させればよい。

上記実施の形態では、回転軸２１ａを停止位置に保持する際、その停止位置に応じてｄ軸電流成分のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流への割り振りを演算したが、１つの相の励磁電流にのみ反映させ、その他の相の励磁電流を「０」として、回転軸２１ａの停止位置保持を行っても良い。

上記実施の形態では、回転軸２１ａの駆動時にｄ軸電流成分を「０」としたが、必ずしも「０」としなくても良い。例えば、減速時等にｄ軸電流成分を増加させても良い。

上記実施の形態では、被駆動部材をダイレクトに回転駆動するサーボモータ（ＤＤモータ）に実施したが、被駆動部材との間に減速機構などを介在するサーボモータに実施しても良い。また、出力部（回転軸２１ａ）を回転駆動するサーボモータに実施したが、出力部を直線駆動するリニアサーボモータに実施しても良い。

一実施の形態におけるＤＤモータ及びモータ制御装置のブロック回路図。 ＤＤモータの概略構成図。 ｄｑ軸電流成分を説明するための概念図。

符号の説明

１０…ＤＤモータ（サーボモータ）、１３…駆動回路、１４…制御回路（制御手段）、１５…ｄｑ軸演算部（ｄｑ軸演算手段）、２１ａ…回転軸（出力部）。

Claims (3)

1. 制御信号に基づき所定の３相励磁電流を生成する駆動回路を備え、その駆動回路からの励磁電流を供給することによりサーボモータの出力部を駆動させる制御装置であって、
   ｄｑ軸電流成分のうちｑ軸電流成分をゼロとして所定の前記励磁電流が供給されるよう演算するｄｑ軸演算手段と、
   前記出力部を所定の停止位置に保持する際、前記ｄｑ軸演算手段によりｑ軸電流成分をゼロとし前記ｄ軸電流成分のみで得られた前記励磁電流により前記出力部が停止保持されるよう前記制御信号を出力する制御手段と
   を備えたことを特徴とするサーボモータ制御装置。
2. 前記ｄｑ軸演算手段は、さらにｄ軸電流成分をゼロとして要求される駆動トルクに応じた前記励磁電流が供給されるよう演算するものであり、
   前記制御手段は、前記出力部を駆動させる際、前記ｄｑ軸演算手段によりｄ軸電流成分をゼロとし前記ｑ軸電流成分のみで得られた前記励磁電流により前記出力部が駆動されるよう前記制御信号を出力することを特徴とする請求項１記載のサーボモータ制御装置。
3. 前記サーボモータは、その出力部が被駆動部材に直接連結されるダイレクトドライブモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載のサーボモータ制御装置。

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