JP2008072787A - サーボモータの制御装置及びサーボモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータの制御をさらに高性能に実施できるようにする。
【解決手段】制御装置１０は、サーボモータ１に通電する電流値を決定する電流指令部１１を有し、電流指令部１１には最大電流を制限する処理を実行する制限値設定部２５が設けられている。制限値設定部２５は、サーボモータ１のコイル６の温度やマグネット３の温度から最大電流制限値を定め、最大電流制限値より大きい電流がサーボモータに供給されないようにする。最大電流制限値に相当する電流を流すときは、一定の通電時間が過ぎたら電流値を下げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータの制御装置、サーボモータを制御する方法に関する。

サーボモータは、工作機械やロボットなどの駆動制御に広く用いられており、スイッチング素子を有するインバータ回路に制御装置（ドライバ）からパルス幅変調信号を供給することで通電制御が行われる。例えば、サーボモータの回転速度をパラメータとして制御をするときは、制御装置が回転速度の指令値（速度指令値）と実際の回転速度を比較し、その差に応じてサーボモータに通電する電流の指令値（電流指令値）を作成する。インバータ回路は、電流指令値に基づいて作成されたパルス幅変調信号に応じてスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせ、サーボモータに電流を通電する。
ここで、サーボモータを多軸ロボットの駆動機構に用いた場合には、多軸ロボットが移動している途中で障害物に付き当たるなどして、予定されている動作が実行できなくなるときがある。このようなとき、速度指令値と実際の回転速度の間に差が生じるので、その差を無くすようにドライバが電流指令値を増加させる。多軸ロボットと障害物の干渉が解消されていなければ、電流が増加しても多軸ロボットは移動できないので、制御装置がそのまま処理を続けると電流指令値が上がりすぎてしまう。そこで、このような場合にサーボモータやインバータ回路に過大な電流が流れることを防止するために、従来のサーボモータの制御方法では、最大電流制限値を設定しておき、最大電流制限値に相当する電流指令値が所定の通電時間以上続いたら、電流指令値を低減するように構成したものがある（例えば、特許文献１参照）。これによって、サーボモータやインバータ回路の熱破壊が防止される。
特開２００２−３３５６８５号公報

しかしながら、従来の最大電流制限値は、サーボモータが過酷な条件で使用されたときでも熱破壊が起きないように設定されているので、使用環境などによっては、サーボモータやインバータ回路に余裕がある状態でも通電が制限されることがあった。このため、例えば、サーボモータを多軸ロボットに使用した場合などに、頻繁に多軸ロボットの動作が制限されることがあった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、サーボモータの制御をさらに高性能に実施できるようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、サーボモータに通電する３相電流を磁界と同方向の電流成分であるｄ軸成分とこれに直交するｑ軸成分の２相電流に変換することで、前記サーボモータに通電する電流を制御するサーボモータの制御装置において、前記サーボモータに通電できる電流の制限値を前記サーボモータのコイルの温度から決定する制限値設定部と、この制限値より大きい電流が通電されないように前記サーボモータに通電する電流を制限する電流指令部とを有することを特徴とするサーボモータの制御装置とした。
このサーボモータの制御装置は、制限値設定部が電流の最大値をコイルの温度から決定する。コイルの温度が高いときには電流の最大値が小さくなり、コイルに流すことができる電流の最大値が減る。コイルの温度が低いときには電流の最大値が大きくなり、コイルに流すことができる電流の最大値を増やせる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のサーボモータの制御装置において、前記制限値設定部には、前記コイルの線材の温度計数及び抵抗値と、前記サーボモータの電気子の鎖交磁束の値と、前記ｄ軸成分及び前記ｑ軸成分におけるそれぞれのインダクタンスの値とが記憶されており、前記２相電流の値と、前記電気子の角速度を取得して前記サーボモータのコイルの温度を決定することを特徴とする。
このサーボモータの制御装置は、コイルの温度を直接測定するのではなく、サーボモータを回転した際にフィードバックされる情報と、予め定まっている定数とを用いてコイルの温度を推定する。

請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のサーボモータの制御装置において、前記制限値設定部は、前記サーボモータに通電する電流の制限値を前記電気子のマグネット温度から決定し、マグネット温度から定めた電流の制限値と、コイル温度から定めた電流の制限値とを比較し、小さい方の制限値を最大電流制限値として決定し、電流指令部は最大電流制限値より大きい電流が前記サーボモータに通電されないように電流を制限することを特徴とする。
このサーボモータの制御装置は、コイルの温度に加えてマグネットの温度も考慮する。両者から決定したそれぞれの制限値を比較し、より低い値を採用して電流の最大値を制御する。

請求項４に係る発明は、サーボモータに通電する３相電流を制御するにあたり、３相電流を磁界と同方向の電流成分であるｄ軸成分とこれに直交するｑ軸成分の２相電流に変換するステップと、前記サーボモータのコイルの温度から前記サーボモータに通電できる電流の制限値を決定するステップと、前記サーボモータの回転を指令する信号と、３相電流から演算した２相電流の値の偏差に基づいてサーボモータに通電する電流を決定する際に、前記制限値を越えない範囲で前記サーボモータに通電する電流を決定するステップと、を有することを特徴とするサーボモータの制御方法とした。
このサーボモータの制御方法では、コイルの温度からサーボモータに通電できる電流の最大値を推定する。サーボモータに通電する電流値を決定するときに、制限値より大きい電流が流れないようにする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載のサーボモータの制御方法において、前記サーボモータのコイルの温度は、前記コイルの線材の温度計数及び抵抗値と、前記サーボモータの電気子の鎖交磁束の値と、前記ｄ軸成分及び前記ｑ軸成分におけるそれぞれのインダクタンスの値と、前記２相電流の値と、前記電気子の角速度から決定されることを特徴とする。
このサーボモータの制御方法では、コイルの温度を直接測定せずにサーボモータを回転した際にフィードバックされる情報と、予め定まっている定数とを用いてデータ処理によってコイルの温度を推定する。

本発明によれば、サーボモータの通電制御をするときに、電流の最大値をコイルの温度で変化させたので、コイルの温度が低いときには大きい電流をコイルに流せるようになる。コイルに過大な負荷を与えることなく、使用状況に応じて大きいトルクを発生させたり、サーボモータを高速に回転させたりすることが可能になる。なお、マグネットの温度も考慮する場合には、コイルやマグネットに過大な負荷を与えることなく、使用状況に応じて大きいトルクを発生させたり、サーボモータを高速に回転させたりすることが可能になる。

（第１の実施の形態）
発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１にブラシレスサーボモータ及び制御装置を含むサーボモータシステムの概略構成を示す。ブラシレスサーボモータ（以下、サーボモータという）１は、機器２を駆動させるために設けられ、永久磁石３を有する電気子４と、固定子５とを有し、固定子５には３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のコイル６が周方向に順番に巻装されている。このサーボモータ１には、電気子４の回転速度を検出するセンサ７、例えばレゾルバやエンコーダが取り付けられている。
サーボモータ１の回転制御をする制御装置１０は、電流指令部１１と、ＰＷＭ制御部を含む座標変換器１２を有し、駆動回路であるインバータ回路１３を介してサーボモータ１に電気的に接続されている。さらに、制御装置１０は、電流検出回路１４と、角速度演算部１５と、電気角演算部１６を有している。

電流検出回路１４は、インバータ回路１３からサーボモータ１に接続される３相の通電線のうちの２つの相で測定した電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｗが入力される。なお、図１では、Ｕ相とＷ相の電流を電流測定器２１Ａ、２１Ｂで検出しており、２つの電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｗから残りの電流Ｉ_Ｖを演算しているが、他の２相（Ｕ相とＶ相、Ｖ相とＷ相）の電流を検出しても良く、３相全ての電流を検出しても良い。さらに、通電線の電圧を検出し、その電圧から電流を算出しても良い。
電流検出回路１４は、ｄｑ変換器２２を有し、３相電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗを等価な２相電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑに変換する。変換処理には、角速度演算部１５から入力される電気角θの値も用いられる。電流Ｉ_ｑは、ｑ軸成分の電流である。ｑ軸とは、電気子４の永久磁石３によって作られる磁界と同方向の座標軸であって、トルクに寄与する成分である。電流Ｉ_ｄは、ｄ軸成分の電流である。ｄ軸とは、ｑ軸に直交する座標軸である。電流検出回路１４から出力される電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑは、電流指令部１１に入力される。

電流指令部１１は、外部から入力される指令値Ｉ_０と電流Ｉ_ｄの偏差を演算すると共に、外部から入力される指令値Ｉ_Ｔと電流Ｉ_ｑの偏差を演算する。それぞれの偏差を比例積分してｄ軸成分の電圧指令値Ｖ_ｄと、ｑ軸成分の電圧指令値Ｖ_ｑとを演算する。これら電圧指令値Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑは、座標変換器１２に入力される。ここで、電流指令部１１は、後述する制限値設定部２５を有し、コイル温度及びマグネット温度に基づいてコイル６に流す電流の制限値を定めて、電圧指令値Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑの値を規制する。
座標変換器１２は、電気角演算部１６で演算された電気角θから次に通電する相Ｕ、Ｖ、Ｗを決定し、その相に対するパルス幅変調信号を２相の電圧指令値Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑから作成する。３相のパルス幅変調信号は、インバータ回路１３に入力される。

角速度演算部１５は、センサ７の出力を微分等して電気子４の角速度ωを演算する。角速度ωは、電流指令部１１と電気角演算部１６に入力される。
電気角演算部１６は、角速度ωを積分して電気角θを演算し、座標変換器１２と電流検出回路１４に出力する。

次に、この実施の形態の作用について説明する。
サーボモータ１が搭載された機器２が運転を開始すると、ユーザの指令等によって指令値Ｉ_０、Ｉ_Ｔが作成され、制御装置１０に入力される。通常の運転状態では、ｄ軸、ｑ軸の２相電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑとの偏差に基づいて電圧指令値Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑが生成される。さらに、電気角θに応じてパルス幅変調信号が作成され、インバータ回路１３からサーボモータ１の所定の相Ｕ，Ｖ，Ｗに通電される。サーボモータ１の電気子４が回転し、電気子４に連結された回転機構などが駆動して、機器２が有する機能が実現される。

ここで、制御装置１０の電流指令部１１は、一定時間毎に図２に示すような判定処理を行い、過電流が流れないように制御する。
最初に、コイル温度Ｔ_coil（＝２０＋ΔＴ）を算出する（ステップＳ１０１）。なお、コイル６の温度上昇ΔＴは、以下の式から得られる。

αは、銅の温度計数（Ω／℃）である。Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑは、それぞれｄ軸、ｑ軸のインダクタンスである。φａは、コイル６の鎖交磁束である。Ｒａ２０は、雰囲気温度２０℃でのコイル６の相抵抗である。これらの値は、予め制限値設定部２５に格納しておき、必要に応じて読み出して使用される。
さらに、ΔＴの式の導出手順を以下に説明する。まず、このサーボモータシステムにおける過渡項を含んだ電圧方程式は、

である。一方、コイル６の線材が銅である場合、コイル６の相抵抗は、Ｒａ＝Ｒａ２０（１＋α×ΔＴ）となるので、Ｖ_ｑにＲａを代入してΔＴについて解くと前記した式が得られる。
次に、算出したコイル温度Ｔ_coilにおける電流制限値Ｉ_{max_coil}を算出する（ステップＳ１０２）。制限値設定部２５は、図３に示すようなマップをコイル温度Ｔ_coilの値で検索し、その温度における電流制限値Ｉ_{max_coil}を取得する。マップは、コイル温度Ｔ_coilが増加すると、電流制限値Ｉ_{max_coil}が減少するようになっている。なお、マップにおけるコイル温度Ｔ_coilと電流制限値Ｉ_{max_coil}の関係と略同等の近似式を用い、この近似式にコイル温度Ｔ_coilを代入して電流制限値Ｉ_{max_coil}を算出しても良い。

さらに、コイル温度Ｔ_coilからマグネット温度Ｔ_magを算出する（ステップＳ１０３）。この処理では、制限値設定部２５に記憶されているコイル温度Ｔ_coilとマグネット温度Ｔ_magの関係を示す近似式を使用するが、マップを検索するようにしても良い。
そして、算出したマグネット温度Ｔ_magにおける電流制限値Ｉ_{max_mag}を算出する（ステップＳ１０４）。制限値設定部２５は、マグネット温度Ｔ_magと電流制限値Ｉ_{max_mag}の関係を示すマップを有し、そのマグネット温度Ｔ_magにおける電流制限値Ｉ_{max_mag}を取得する。マグネット６についてのマップは、マグネット温度Ｔ_magが増加すると、電流制限値Ｉ_{max_mag}が減少するようになっている。なお、マップ検索の代わりに、近似式にコイル温度Ｔ_coilを代入して電流制限値Ｉ_{max_mag}を算出しても良い。

制限値設定部２５は、２つの電流制限値を比較し、Ｉ_{max_coil}がＩ_{max_mag}より大きいとき（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、電流制限値Ｉ_{max_mag}を最大電流制限値I_maxに設定する（ステップＳ１０６）。その一方、Ｉ_{max_coil}がＩ_{max_mag}以下のとき（ステップＳ１０５でＮｏ）、電流制限値Ｉ_{max_coil}を最大電流制限値I_maxに設定する（ステップＳ１０７）。

そして、制限値設定部２５は、指令値Ｉ_０、Ｉ_Ｔと２相電流Ｉ_ｄ、Ｉ_ｑの偏差に相当する電流指令値が最大電流制限値I_maxを越えた場合には、電流指令値を最大電流制限値I_maxに制限する。このようにして決定された電流指令値に基づいて指令電圧Ｖ_ｄ，Ｖ_ｑが作成され座標変換器１２に出力される。
例えば、図４に示すように、電流指令値が徐々に増加して最大電流制限値I_max‐１に達したときには、電流指令値はこれ以上増加しない。そして、最大電流制限値I_max‐１が持続した場合は、予め定められた一定の通電時間Ｔｅが経過した後、電流指令値を減少させ、コイル６やマグネット３、インバータ回路１３の熱負荷を低減させる。なお、コイル６の温度やマグネット３の温度が低い場合には、最大電流制限値が最大電流制限値Ｉ_max‐１より高い最大電流制限値I_max‐２になる。このときには、より大きい電流をサーボモータ１に通電することができる。最大電流制限値I_max‐２が持続した場合も通電時間Ｔｅが経過したら電流指令値が下げられる。

この実施の形態によれば、過電流を防止するように電流指令値を設定する構成において、電流の最大値をサーボモータ１のコイル６やマグネット３の温度として推定される温度に基づいて決定するので、コイル６やマグネット３の温度が低いときには従来よりも大きい電流を流すことができる。その結果、コイル６やマグネット３、インバータ回路１３を保護しつつ、大きいトルクが得られたり、目的位置に早く移動したりすることができる。例えば、制御する機器２が、ロボットでサーボモータ１の関節に搭載されている場合、ロボットの関節の動きを早くしたり、大きなトルクを発生させたりすることができる。なお、動きを早くするときは、指令信号Ｉ_０、Ｉ_Ｔを作成するＣＰＵ（中央演算装置）に制御装置からコイル６やマグネット３の温度の情報を与え、コイル６やマグネット３の温度が低い場合にＣＰＵが早い動作（又は位置制御）の指令を出力するようにする。
また、コイル温度Ｔ_coilやマグネット温度Ｔ_magを直接測定するのではなく、サーボモータ１の通電パターンを切り替えて回転制御をするときに使用されるデータと、装置構成から既知の定数を使用してコイル温度Ｔ_coilやマグネット温度Ｔ_magを推定するようにしたので、装置構成を簡略化することができる。

なお、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２でコイル温度Ｔ_coilから電流制限値Ｉ_{max_coil}を算出し、この電流制限値Ｉ_{max_coil}をそのまま最大電流制限値I_maxに設定しても良い。コイル温度Ｔ_coilから求めた最大電流制限値I_maxに基づいて通電制御をすることで、コイル６や制御装置１０の保護が図れ、前記と同様の効果が得られる。

（第２の実施の形態）
この実施の形態は、第１の実施の形態と同じ装置構成で、通電温度を可変し、最大電流を一定にしてコイル温度やマグネット温度に応じて通電時間を変化させることを特徴とする。なお、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図５に示すように、コイル温度Ｔ_coil（＝２０＋ΔＴ）を算出したら（ステップＳ１０１）、このコイル温度Ｔ_coilにおける通電時間Ｔ_{max_coil}を算出する（ステップＳ１０２Ｂ）。制限値設定部２５は、図６に示すようなマップをコイル温度Ｔ_coilの値で検索し、その温度における通電時間Ｔ_{max_coil}を取得する。このマップでは、コイル温度Ｔ_coilが増加すると通電時間Ｔ_{max_coil}が減少する。なお、マップにおけるコイル温度Ｔ_coilと通電時間Ｔ_{max_coil}の関係と略同等の近似式を有し、この近似式にコイル温度Ｔ_coilを代入して通電時間Ｔ_{max_coil}を算出しても良い。

さらに、コイル温度Ｔ_coilからマグネット温度Ｔ_magを算出し（ステップＳ１０３）、このマグネット温度Ｔ_magにおける通電時間Ｔ_{max_mag}を算出する（ステップＳ１０４Ｂ）。制限値設定部２５は、予め用意されているマップをマグネット温度Ｔ_magの値で検索し、その温度における電流制限値Ｉ_{max_mag}を取得する。このとき使用されるマップは、マグネット温度Ｔ_magが増加すると通電時間Ｔ_{max_coil}が減少するようになっている。なお、マップにおけるマグネット温度Ｔ_magと通電時間Ｔ_{max_mag}の関係と略同等の近似式を有し、この近似式にコイル温度Ｔ_coilを代入して通電時間Ｔ_{max_mag}を算出しても良い。

制限値設定部２５は、２つの電流制限値を比較し、Ｔ_{max_coil}がＴ_{max_mag}より大きいとき（ステップＳ１０５ＢでＹｅｓ）、通電時間Ｔ_{max_mag}を最大通電時間Ｔｅ_maxに設定する（ステップＳ１０６Ｂ）。その一方、Ｔ_{max_coil}がＴ_{max_mag}以下のとき（ステップＳ１０５ＢでＮｏ）、通電時間Ｔ_{max_coil}を最大通電時間Ｔｅ_maxに設定する（ステップＳ１０７Ｂ）。

例えば、図７に示すように、電流指令値が最大電流制限値Ｉ_maxに達したとき、コイル６やマグネット３の温度から決定した最大通電時間（例えば、Ｔｅ_max‐１）だけ通電を継続し、その後電流指令値を下げる。コイル６やマグネット３の温度が低い場合には、Ｔｅ_max‐２のように最大通電時間が大きい値になるので、最大電流制限値Ｉ_maxを通電できる時間が長くなる。

この実施の形態によれば、過電流を防止するように電流指令値を設定する構成において、最大電流を通電する時間をサーボモータ２のコイル３やマグネット６の温度として推定される温度に基づいて決定するようにしたので、コイル３やマグネット６の温度が低いときには大電流を従来よりも長い時間流すことができる。その結果、大きいトルクが得られたり、目的位置に早く移動したりすることができる。

なお、ステップＳ１０１及びステップＳ１０２Ｂでコイル温度Ｔ_coilから通電時間Ｔ_{max_mag}を算出し、この通電時間Ｔ_{max_mag}をそのまま最大通電時間Ｔｅ_maxに設定しても良い。コイル温度Ｔ_coilから求めた最大通電時間Ｔｅ_maxに基づいて通電制御をすることで、コイル６や制御装置１０の保護が図れ、前記と同様の効果が得られる。

本発明は、前記の実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、コイル６の温度を測定するセンサを設け、センサの出力信号からコイル温度Ｔ_coilを算出しても良い。同様に、マグネット３の温度を測定するセンサを設け、センサの出力信号からマグネット温度Ｔ_magを算出しても良い。

本発明の実施の形態に係るサーボモータ及び制御装置並びにサーボモータで駆動させる機器を含むサーボモータシステムの概略構成を示すブロック図である。 制限値設定部の最大電流制限値を決定する処理を説明するフローチャートである。 制限値設定部が電流制限値を決定する際に使用するマップの一例を示す図である。 最大電流制限値が異なる場合の効果を説明する図である。 制限値設定部の最大通電時間を決定する処理を説明するフローチャートである。 制限値設定部が通電時間を決定する際に使用するマップの一例を示す図である。 最大通電時間が異なる場合の効果を説明する図である。

符号の説明

１ サーボモータ
３ マグネット
４ 電気子
６ コイル
１１ 電流指令部
２５ 制限値設定部
Ｌｄ、Ｌｑ インダクタンス
Ｉ_ｄ 電流値（ｄ軸成分の電流）
Ｉ_ｑ 電流値（ｑ軸成分の電流）
Ｔ_coil コイル温度
Ｔ_mag マグネット温度
Ｉ_{max_coil}、Ｉ_{max_mag} 制限値
I_max 最大電流制限値
α 温度計数
φａ 鎖交磁束
ω 角速度

Claims (5)

1. サーボモータに通電する３相電流を磁界と同方向の電流成分であるｄ軸成分とこれに直交するｑ軸成分の２相電流に変換することで、前記サーボモータに通電する電流を制御するサーボモータの制御装置において、
   前記サーボモータに通電できる電流の制限値を前記サーボモータのコイルの温度から決定する制限値設定部と、この制限値より大きい電流が通電されないように前記サーボモータに通電する電流を制限する電流指令部とを有することを特徴とするサーボモータの制御装置。
2. 前記制限値設定部には、前記コイルの線材の温度計数及び抵抗値と、前記サーボモータの電気子の鎖交磁束の値と、前記ｄ軸成分及び前記ｑ軸成分におけるそれぞれのインダクタンスの値とが記憶されており、前記２相電流の値と、前記電気子の角速度を取得して前記サーボモータのコイルの温度を決定することを特徴とする請求項１に記載のサーボモータの制御装置。
3. 前記制限値設定部は、前記サーボモータに通電する電流の制限値を前記電気子のマグネット温度から決定し、マグネット温度から定めた電流の制限値と、コイル温度から定めた電流の制限値とを比較し、小さい方の制限値を最大電流制限値として決定し、電流指令部は最大電流制限値より大きい電流が前記サーボモータに通電されないように電流を制限することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のサーボモータの制御装置。
4. サーボモータに通電する３相電流を制御するにあたり、
   ３相電流を磁界と同方向の電流成分であるｄ軸成分とこれに直交するｑ軸成分の２相電流に変換するステップと、
   前記サーボモータのコイルの温度から前記サーボモータに通電できる電流の制限値を決定するステップと、
   前記サーボモータの回転を指令する信号と、３相電流から演算した２相電流の値の偏差に基づいてサーボモータに通電する電流を決定する際に、前記制限値を越えない範囲で前記サーボモータに通電する電流を決定するステップと、
   を有することを特徴とするサーボモータの制御方法。
5. 前記サーボモータのコイルの温度は、前記コイルの線材の温度計数及び抵抗値と、前記サーボモータの電気子の鎖交磁束の値と、前記ｄ軸成分及び前記ｑ軸成分におけるそれぞれのインダクタンスの値と、前記２相電流の値と、前記電気子の角速度から決定されることを特徴とする請求項４に記載のサーボモータの制御方法。

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