JP2009077540A - モータの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により、転流角の脱調の危険を事前に検出することができるモータの駆動装置を実現する。
【解決手段】位置制御される負荷の位置指令値と位置フィードバック値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記速度指令値と前記負荷の速度フィードバック値との偏差を演算して前記負荷を駆動するモータに対して転流角に基づく推力指令値を出力する速度制御手段と、を具備するモータの駆動装置において、前記推力指令値と前記負荷に発生している負荷推力値とを比較し、その差に基づいて前記転流角の脱調を検出する脱調監視部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、転流制御される交流励磁電流により推力を発生するモータの駆動装置に関するものである。

面モータを搭載したスライダを、プラテン上でＸＹ方向に位置制御するＸＹステージについては特許文献１に詳細な技術開示がある。また、転流角制御される面モータを備える位置決め装置については特許文献２に技術開示がある。

図６は、特許文献２に記載されている位置決め装置の構成例を示す機能ブロック図である。上位装置１から与えられる負荷（スライダ４）の位置指令値Ｐｉを入力する位置制御部２は、位置指令値Ｐｉと位置フィードバック値Ｐｆとの偏差を演算して速度指令値Ｖｉを出力する位置制御手段と、速度指令値Ｖｉとスライダ４の速度フィードバック値Ｖｆとの偏差を演算して推力指令値Ｆａ出力する速度制御手段を備える。

推力指令Ｆａを入力するドライバ３は、スライダ４の３相の面モータに対してインバータ手段を介して転流制御される交流励磁電流を供給して推力を発生させている。スライダの現在位置は位置検出手段５で検出され、ドライバ３で転流角のタイミング信号が抽出されると共に、位制御部２で位置変換及び速度変換処理される。

特開２０００−６５９７０号公報 特開２００６−１０１５７０号公報

転流制御される交流励磁電流により推力を発生するモータでは、脱調により転流位相が反転した場合は、意図した方向と逆向きの推力が発生してしまい暴走する可能性があるが、従来技術では脱調を検出する有効な手法が提供されていないため、脱調に起因する暴走を未然に防ぐことができない、という問題があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成により、転流角の脱調の危険を事前に検出することができるモータの駆動装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）位置制御される負荷の位置指令値と位置フィードバック値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記速度指令値と前記負荷の速度フィードバック値との偏差を演算して前記負荷を駆動するモータに対して転流角に基づく推力指令値を出力する速度制御手段と、を具備するモータの駆動装置において、
前記推力指令値と前記負荷に発生している負荷推力値とを比較し、その差に基づいて前記転流角の脱調を検出する脱調監視部を備えることを特徴とするモータの駆動装置。

（２）前記脱調監視部は、前記負荷推力値が前記推力指令値に対して所定の割合以下に低下した時に脱調を示す信号を出力することを特徴とする（１）に記載のモータの駆動装置。

（３）前記負荷推力値及び前記推力指令値が夫々入力されるローパスフィルタ手段を備え、前記脱調監視部はこれらローパスフィルタ手段の出力を比較することを特徴とする（１）または（２）に記載のモータの駆動装置。

（４）前記脱調監視部は、前記ローパスフィルタ手段の出力で与えられる前記推力指令値が、最大推力値に対して所定の割合以上の条件を満たす場合に前記各ローパスフィルタ手段の出力を比較することを特徴とする（３）に記載のモータの駆動装置。

（５）前記速度指令値に対して、前記負荷に働く外乱並びに推力損失を補償するための補正信号を重畳させたことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のモータの駆動装置。

（６）前記脱調監視部は、脱調を検出した時に前記モータの励磁電流を遮断するインターロック機構を備えることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載のモータの駆動装置。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）推力指令値と負荷に発生している負荷推力値とを比較し、その差に基づいて転流角の脱調を検出することができる。その結果、スライダの暴走を未然に防ぐことができる。

（２）外乱や推力の損失が大きい場合でも、推力指令値として外乱や損失を考慮した値を用いることで高い精度で脱調を検出することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したモータの一実施形態を示す機能ブロック図である。本図は、速度フィードバック制御系を内在した位置フィードバック制御系を示しており、点線で示すブロック１００が本発明で追加された脱調警報部である。

位置制御手段１０は、位置指令値Ｐｉと位置フィードバック値Ｐｆの偏差を演算して速度指定値Ｖｉを出力する。速度制御手段２０は、速度指定値Ｖｉと速度フィードバック値Ｖｆの偏差を演算して推力指令値Ｆａを推力発生手段１２に出力し、スライダを移動制御する。

要素１３，１４、１５は、フィードバック制御系において見かけ上存在するものとして表記されている。除算器１３は、発生推力をスライダの質量Ｍで除算することで加速度Ａｃｃを出力する。積分器１４は加速度Ａｃｃを積分することで速度Ｖｆを出力する。積分器１５は速度Ｖｆを積分することで現在位置（位置フィードバック値）Ｐｆを出力する。

微分器１６は、位置指令値Ｐｉを２回微分演算した加速度値Ｐｉ″をフィードフォワード値として出力する。初期推力付与手段１７は、この加速度値に基づく初期推力Ｆａ´を推力指令Ｆａに加算する。

同様に、推力ｆｆ補正手段１８は、この加速度値に基づくフィードフォワード補正値Fcomp_ffを推力指令Ｆａに加算する。コギングリップル補償手段１９は、スライダの転流角制御に伴って発生するコギング信号を取得し、コギング補償値Fcomp_cogを推力指令Ｆａに加算する。

図１に示す脱調警報部１００は、外乱推力を考慮しない基本構成を示している。推力指令Ｆａは、ローパスフィルタ手段１０１を介して比較手段１０４の一方に入力される。除算器１３の出力で表される加速度Ａｃｃは、乗算器１０２で質量Ｍが乗算され、スライダに発生している負荷推力値Ｍ・Ａｃｃに変換され、ローパスフィルタ手段１０３を介して比較手段１０４の他方に入力される。

外乱推力がなく、推力指令Ｆａと実際に発生する負荷推力値Ｍ・Ａｃｃ間で乖離がない状態では、式（１）を満たす。

これに対して指令電気角と実際の電気角でずれが生じると、推力指令に対する実際の推力は小さくなり、式（２）の状態になる。

脱調した時も式（２）の状態になるので、式（３）の条件、即ち負荷推力値が前記推力指令値に対して所定の割合（ｎ％）以下に低下した時に脱調を検出することができる。

実際には、スライダ停止時や一定速度時は推力と加速度が共に小さいため、式（３）の評価結果が安定しない場合がある。また推力、加速度共にコギング等により高周波で変動するので、フィルタリングの必要がある。そこで、推力指令値と負荷推力値をそのまま脱調検出に用いるのではなく、ローパスフィルタ１０１，１０３を挿入する。この結果、推力指令値Ｆａ´及び負荷推力値Ｍ・Ａｃｃ´は式（４）のように表記される。

さらに式（５）のように、推力指令Ｆａ´が最大推力値Ｆｍａｘに対して一定の割合を満たす場合のみ式（６）で評価し脱調を検出することで、安定な脱調検出効果を得ることが可能である。

脱調が検出された場合は、検出信号Ｃが警報手段１０５に渡されてアラームＡＬを発生させ、必要に応じてインターロック機構１０６を起動し、面モータへの励磁電流を遮断して暴走を未然に防止する。

図２は、式（６）による脱調検出の信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で脱調検出が開始されると、ステップＳ２で推力指令値Ｆａ及び負荷推力値Ｍ・Ａｃｃにフィルタ処理をする。

ステップＳ３で、フィルタリング結果の推力指令値Ｆａ´と負荷推力値Ｍ・Ａｃｃ´の割合を算出し、ステップＳ４でその割合がｎ％以下であるかがチェックされ、ｎ％以下であればステップＳ５でインターロック機構を起動し、ステップＳ６で脱調検出を終了する。

図３は、本発明を適用したモータの他の実施形態を示す機能ブロック図であり、外乱や損失を考慮した構成を示している。推力指令Ｆａに推力フィードフォワード補正分Ｆcomp_ffを加算した値Ｆｂに対し、さらにコギングリップル補償推力Ｆcomp_cogを加算した推力指令Ｆｃを脱調警報部１００のローパスフィルタ手段１０１に入力する。

図１に示した基本構成では、推力指令の内の外乱推力や推力の損失に抗する分を考慮していないため、外乱推力が発生する実機では、式（６）の評価結果が不当に低い値となり、過敏に脱調を誤検出してしまう可能性がある。

そこで実機の特性を考慮し、推力指令値Ｆａをそのまま入力するのではなく、外乱分や損失分を考慮したＦｃを用いる。Ｆａのうち外乱推力や推力の損失に抗する主たる成分はコギングリップル補償推力Ｆcomp_cogと推力フィードフォワード補正分Ｆcomp_ffなので、Ｆｃは式（７）で定まる。

図１の基本構成と同様に、式（８）のようにフィルタ処理をし、式（９）を満たす時に式（１０）によって脱調を検出することができる。警報手段１０５とインターロック機構１０６の動作は基本構成と同一である。

図４は、式（１０）による脱調検出の信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で脱調検出が開始されると、ステップＳ２で推力指令値から外乱や損失分を考慮した推力指令Ｆｃを算出し、ステップＳ３でこの推力指令値Ｆｃ及び負荷推力値Ｍ・Ａｃｃにフィルタ処理をする。

ステップＳ４で、フィルタリング結果の推力指令値Ｆｃ´と負荷推力値Ｍ・Ａｃｃ´の割合を算出し、ステップＳ５でその割合がｎ％以下であるかがチェックされ、ｎ％以下であればステップＳ６でインターロック機構を起動し、ステップＳ７で脱調検出を終了する。

図５は、脱調監視部の動作を説明する波形図である。Ｍ・Ａｃｃ´、Ｆａ´、Ｆｃ´の推力値を左軸に、推力指令値に対する負荷推力値の比率を右軸に示す。脱調検出の閾値を５０％とすると、図１の基本構成の場合には検出ミスが発生する可能性があるが、外乱や損失を考慮した図３の実施形態では脱調を確実に検出することができる。

以上説明した実施形態では、本発明を転流角により推力制御されるモータに適用した場合を説明したが、特許文献１記載のＸＹステージ、特許文献２記載の位置決め装置や、リニアモータ、回転する丸モータ等にも有効に適用することができる。

本発明を適用したモータの一実施形態を示す機能ブロック図である。 図１の脱調監視部の信号処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用したモータの他の実施形態を示す機能ブロック図である。 図２の脱調監視部の信号処理手順を示すフローチャートである。 脱調監視部の動作を説明する波形図である。 転流角制御される面モータを備える位置決め装置の構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１０ 位置制御手段
１１ 速度制御手段
１２ 推力発生手段
１３ 除算手段
１４、１５ 積分手段
１６ 微分手段
１７ 初期推力付与手段
１８ 推力リップル補正手段
１９ コギングリップル補償手段
１００ 脱調監視部
１０１ 乗算手段
１０２、１０３ ローパスフィルタ手段
１０４ 比較手段
１０５ 警報手段
１０６ インターロック機構

Claims (6)

1. 位置制御される負荷の位置指令値と位置フィードバック値との偏差を演算して速度指令値を出力する位置制御手段と、前記速度指令値と前記負荷の速度フィードバック値との偏差を演算して前記負荷を駆動するモータに対して転流角に基づく推力指令値を出力する速度制御手段と、を具備するモータの駆動装置において、
   前記推力指令値と前記負荷に発生している負荷推力値とを比較し、その差に基づいて前記転流角の脱調を検出する脱調監視部を備えることを特徴とするモータの駆動装置。
2. 前記脱調監視部は、前記負荷推力値が前記推力指令値に対して所定の割合以下に低下した時に脱調を示す信号を出力することを特徴とする請求項１に記載のモータの駆動装置。
3. 前記負荷推力値及び前記推力指令値が夫々入力されるローパスフィルタ手段を備え、前記脱調監視部はこれらローパスフィルタ手段の出力を比較することを特徴とする請求項１または２に記載のモータの駆動装置。
4. 前記脱調監視部は、前記ローパスフィルタ手段の出力で与えられる前記推力指令値が、最大推力値に対して所定の割合以上の条件を満たす場合に前記各ローパスフィルタ手段の出力を比較することを特徴とする請求項３に記載のモータの駆動装置。
5. 前記速度指令値に対して、前記負荷に働く外乱並びに推力損失を補償するための補正信号を重畳させたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のモータの駆動装置。
6. 前記脱調監視部は、脱調を検出した時に前記モータの励磁電流を遮断するインターロック機構を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のモータの駆動装置。

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