JP2011211768A - エンコーダを有する主軸の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸に設けられているエンコーダから主軸速度を検出し、得られたモータのモータ速度情報を用い、誘導モータの励磁周波数のクランプ値を求め、励磁周波数の過大誤差による出力低下を防止することが可能なエンコーダを有する主軸の制御装置を提供すること。
【解決手段】エンコーダ８の一定時間内の帰還パルス数Ｐｆｂから主軸６の速度を検出する主軸速度検出部４０と、主軸速度検出部４０により検出した主軸の速度と前記主軸と前記誘導モータの減速比から誘導モータ２の第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２を求めるモータ速度推定部４１と、第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２に基づいて誘導モータ２の励磁周波数指令ω１を決める励磁周波数指令決定部４４と、を備えたことを特徴とする主軸位置を検出するエンコーダ８を備えた主軸６を、速度検出器を設けない誘導モータ２によって駆動するエンコーダ８を備えた主軸６の制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ベルトやギアなどの減速機構を介して連結された誘導モータの回転速度を制御することによって、工作機械等の主軸を制御する制御装置であって、特に、誘導モータの速度検出器などを設置することなく主軸の制御を行うことができるエンコーダを有する主軸の制御装置に関する。

モータのコストを削減するため、速度検出器などのセンサを設置しない誘導モータがある。センサを設置しないセンサレスの誘導モータの制御においては、誘導モータに流れる実電流に基づいてソフトウェア内部でモータの速度を推定計算している。そして、この推定速度に基づいてトルク指令の計算やモータの各巻線に流す電流の位相の決定を行っている。このような制御は特許文献１に開示されているように、ベクトル制御と呼ばれよく用いられる制御である。

図６は、センサレスの誘導モータを適用した主軸を説明する概略図である。図６の主軸は例えば旋盤に適用される。モータの速度を検出するセンサを備えないセンサレスの誘導モータ２は、ベルト５やギヤ（図示せず）を含む減速機構４を介してその駆動力を旋盤などの主軸６に伝える。主軸６には主軸の回転位置を検出するための帰還パルスＰｆｂを出力するエンコーダ８が取り付けられている。主軸６に取り付けられたエンコーダ８から出力された帰還パルスＰｆｂは、主軸の回転位置の管理に用いられ、主軸定位置停止機能などの機能を実現している。

減算器１０において、上位制御装置（図示せず）より出力される速度指令ωｒｃｍｄから、速度推定器１５で推定されたセンサレスの誘導モータ２の速度推定値ωｒｅｓｔを減じ、速度偏差を求める。速度制御部１１は、前記速度偏差に対してＰＩ制御（比例・積分）制御などを行ってトルク電流指令を求める。電流制御部１２は、前記電流指令と電流検出器１４が検出した誘導モータ２に流れる実電流Ｉｒｅを用いて電圧指令を求め、該電圧指令をパワー増幅部１３に出力する。速度推定器１５は、電流検出器１４が検出した誘導モータ２に流れる実電流Ｉｒｅを用いて、誘導モータ２の回転速度を推定し、速度推定値ωｒｅｓｔを求める。速度推定器１５において実電流Ｉｒｅを元にモータの回転速度を算出する手法は従来公知のものであるから詳細な説明は省略する。

図７は、図６のモータ制御部の概略ブロック図であり、モータ制御部は、トルク指令（ＩＱ指令ＩＱｃｍｄ）と、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）を独立に制御するベクトル制御を行っている。図６を用いて説明したように、誘導モータ２は減速機構４を介して主軸６に接続され、主軸６には主軸の回転位置を検出するためにエンコーダ８が取り付けられている。エンコーダ８は、主軸６の回転に伴う帰還パルスＰｆｂを出力する。３相→２相変換器２７は、アンプ２６から誘導モータ２に供給される駆動電流の３相電流フィードバックを取得し、３相電流フィードバックを２相電流フィードバックへ変換（ＤＱ変換）し、電流フィードバックＩＱ，ＩＤを得る。

減算器２０は、図示しない上位制御装置より出力される速度指令ωｒｃｍｄから速度推定値ωｒｅｓｔを減じ速度偏差を求める。求めた速度偏差は、速度補償器２１において、ＰＩ制御（比例・積分）制御などを行って電流指令（トルク指令ＩＱｃｍｄ）を求める。減算器２２において、トルク指令ＩＱｃｍｄからＱ相の電流フィードバックＩＱを減じ、電流偏差を求め、求めた電流偏差を励磁周波数指令算出部２３へ出力する。なお、ｗｒｅｓｔの「ｅｓｔ」はｅｓｔｉｍａｔｉｏｎの略である。

励磁周波数指令算出部２３は、電流偏差に基づいて第１の励磁周波数指令ω１^*を求める。電流偏差に基づいて第１の励磁周波数指令ω１^*の算出方法は公知の方法であるので、算出方法の詳細な説明は省略する。積分器２４は、第１の励磁周波数指令ω１^*を積分することにより励磁位相θを算出する。

すべり推定部２８は、Ｑ相とＤ相の電流フィードバックＩＱ，ＩＤを用いて計算し、すべり推定値ωｓｅｓｔを減算器３０へ出力する。すべり推定部２８では、ωｓｅｓｔ＝Ｋ（定数）＊ＩＱ／ＩＤの計算式によりすべり値を推定できる。減算器３０は、第１の励磁周波数指令ω１^*からすべり推定値ωｓｅｓｔを減じ、速度推定値ωｒｅｓｔを算出し、算出した速度推定値ωｒｅｓｔを減算器２０と一次励磁電流指令演算部２９へ出力する。

一次励磁電流指令演算部２９は、減算器３０で算出される速度推定値ωｒｅｓｔを用いて、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）を算出する。減算器３１はＩＤｃｍｄからＤ相の電流フィードバックＩＤを減じ、得られた結果を電圧指令計算部３２へ出力する。電圧指令計算部３２は、トルク指令（ＩＱ指令ＩＱｃｍｄ）、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）、Ｄ相の電流フィードバックＩＤ、Ｑ相の電流フィードバックＩＱ、および、第１の励磁周波数指令ω１^*を用いて、電圧指令ＶＤ、ＶＱを計算する。電圧指令ＶＤ、ＶＱの算出方法は従来公知の方法であるので、詳細な説明は省略する。

２相→３相変換部２５は、電圧指令計算部３２から出力される電圧指令ＶＤ、ＶＱに対して、位相θを使って、２相電圧指令→３相電圧指令への変換（逆ＤＱ変換）を実行し、アンプに対して３相電圧指令（ＰＷＭ）を出力する。

特開２００２−５１５９４号公報

センサレスの誘導モータの制御手法は各種方法が提案されているが、その制御では、電流フィードバックからモータ速度を推定する手法がとられている。従来技術で説明したように、速度制御は、速度指令ωｒｃｍｄと速度推定値ωｒｅｓｔに基づいて行われている。この場合、回転が高速になると電圧飽和が顕著になる誘導モータでは、高速駆動のために、励磁電流を弱める制御を行う必要があるが、その際には、すべり推定値が真値から乖離してしまい、速度推定値ωｒｅｓｔ、励磁周波数指令ω１^*が真値から乖離し、誘導モータが所望の出力が出せなくなる。このように、従来技術のモータ制御方法では、モータ速度の推定誤差が大きくなったときに出力が低下し、所望の切削ができない問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、主軸に設けられているエンコーダから主軸速度を検出し、得られたモータのモータ速度情報を用い、誘導モータの励磁周波数のクランプ値を求め、励磁周波数の過大誤差による出力低下を防止することが可能なエンコーダを有する主軸の制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、主軸位置を検出するエンコーダを備えた主軸を、速度検出器を設けない誘導モータによって駆動するエンコーダを備えた主軸の制御装置において、前記エンコーダの一定時間内の帰還パルス数から主軸の速度を検出する主軸速度検出部と、前記主軸速度検出部により検出した主軸の速度と前記主軸と前記誘導モータの減速比から前記誘導モータの推定速度を求めるモータ速度推定部と、前記モータ速度推定部によって求められた推定速度に基づいて前記誘導モータの励磁周波数指令を決める励磁周波数指令決定部と、を備えたことを特徴とするエンコーダを有する主軸の制御装置である。

請求項２に係る発明は、前記誘導モータの速度指令と前記誘導モータに流れるモータ電流に基づいて第１の励磁周波数指令を算出する励磁周波数指令算出部と、前記推定速度に対応した最大すべり周波数データを記憶した記憶部と、前記推定速度と前記最大すべり周波数データから前記励磁周波数指令のリミット値を算出する励磁周波数指令リミット値算出部と、を備え、前記励磁周波数指令決定部は、前記第１の励磁周波数指令と前記励磁周波数指令リミット値に基づき前記誘導モータの励磁周波数指令を決めることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダを有する主軸の制御装置である。

本発明により、主軸に設けられているエンコーダから主軸速度を検出し、得られたモータのモータ速度情報を用い、誘導モータの励磁周波数のクランプ値を求め、励磁周波数の過大誤差による出力低下を防止することが可能なエンコーダを有する主軸の制御装置を提供できる。

エンコーダからの帰還パルスを電流制御にも活用したセンサレス誘導モータを適用した主軸を説明する概略ブロック図である。 本発明に係る制御ブロックを説明する図である。 センサレス制御を行う処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 本発明により励磁周波数指令を制限することによって誘導モータの最大出力特性が改善されることを説明する図である。 本発明と従来技術のモータ最大出力を比較したグラフである。 センサレスの誘導モータを適用した旋盤主軸を説明する図である。 従来のセンサレスの制御ブロックを説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術と同一の要素については同じ符号を用いて説明する。
図１は、エンコーダからの帰還パルスを電流制御における励磁周波数指令の決定にも活用したセンサレス誘導モータを適用した主軸を説明する概略ブロック図である。モータの速度を検出するセンサを備えないセンサレスの誘導モータ２は、ベルト５やギヤ（図示せず）を含む減速機構４を介して、その駆動力を旋盤などの主軸６に伝える。主軸６には主軸の回転位置を検出するための帰還パルスＰｆｂを出力するエンコーダ８が取り付けられている。主軸６に取り付けられたエンコーダ８から出力された帰還パルスＰｆｂは、主軸の回転位置の管理に用いられ、主軸定位置停止機能などの機能を実現している。

減算器１０において、上位制御装置より出力される速度指令ωｃｍｄから、速度推定器１５で推定されたセンサレスの誘導モータ２の第１の速度推定値ωｒｅｓｔ１を減じ、速度偏差を求める。速度制御部１１は、前記速度偏差に対してＰＩ制御（比例・積分）制御などを行って電流指令を求める。電流制御部１２は、前記電流指令と電流検出器１４によって検出した誘導モータ２に流れる実電流Ｉｒｅを用いて電圧指令を求め、求めた電圧指令をインバータで構成されるパワー増幅部１３に出力する。

速度推定器１５は、電流検出器１４によって検出した誘導モータ２に流れる実電流Ｉｒｅを用いて、誘導モータ２の回転速度を推定し、第１の速度推定値ωｒｅｓｔ１を算出する。なお、速度推定器１５において、実電流Ｉｒｅに基づいてモータの回転速度を算出する手法は従来公知のものであるから、詳細な説明は省略する。

図２は、本発明に係る制御ブロックを説明する図であり、エンコーダからの帰還パルスを電流制御にも活用したセンサレス誘導モータを適用した主軸を説明する概略ブロック図である。図２に示される制御ブロックは、トルク指令（ＩＱ指令ＩＱｃｍｄ）と、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）を独立に制御するベクトル制御となっている。

減算器２０において、速度指令ωｒｃｍｄから第１の速度推定値ωｒｅｓｔ１を減算し速度偏差を求める。速度補償器２１は、前記速度偏差に対してＰＩ（比例・積分）制御等を行って、トルク電流指令ＩＱｃｍｄを求める。そして、減算器２２において、トルク電流指令ＩＱｃｍｄからＱ相の電流フィードバックＩＱを減算し、電流偏差を求める。そして、励磁周波数指令算出部２３は、前記電流偏差を元に励磁周波数指令ω１^*を求める。

励磁周波数指令決定部４４は、励磁周波数指令算出部２３で求められた励磁周波数指令ω１^*を励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍと比較し、最大値はω１ｌｉｍでリミットして励磁周波数指令ω１を出力する。励磁周波数指令決定部４４は、励磁周波数指令ω１を減算器３０と電圧指令計算部３２に出力する。なお、励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍは、励磁周波数指令リミット値算出部４３で算出される。

積分器２４は、励磁周波数指令決定部４４でリミットされた励磁周波数指令ω１を積分し、励磁位相θを算出する。積分器２４で算出された励磁位相θは、２相→３相変換器２５、および、３相→２相変換器２７へ出力される。

２相→３相変換器２５には、電圧指令計算部３２から２相のＶＱ，ＶＤの電圧指令が入力する。２相→３相変換器２５で３相の電圧指令に変換しアンプ２６に対して出力する。アンプ２６から誘導モータ２に対して３相の駆動電流が出力される。アンプ２６から誘導モータ２に供給される駆動電流を図１に示されるように電流検出素子（図示せず）を用いて検出し、検出データを３相→２相変換器２７へ出力する。

図１を用いて説明したように、誘導モータ２は減速機構４を介して主軸６に接続され、主軸６には主軸の回転位置を検出するためにエンコーダ８が取り付けられている。エンコーダ８は、主軸６の回転に伴う帰還パルスＰｆｂを出力する。エンコーダ８から出力される帰還パルスＰｆｂは、主軸速度検出部４０に入力する。主軸速度検出部４０では、制御周期毎の帰還パルスＰｆｂを計数し、制御周期で除算することにより、エンコーダ速度（主軸速度）を算出する。エンコーダ８は主軸６に取り付けられているので、エンコーダ８の速度は主軸速度と同じ値になる。

主軸速度検出部４０で得られた主軸速度はモータ速度推定部４１に入力する。モータ速度推定部４１では、減速機構４が有するギアのギア比を用いて数１式により、主軸速度検出部４０で算出した主軸速度から誘導モータ２の推定速度である第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２を算出する。なお、主軸位置検出用のエンコーダ８は、一般的には分解能が粗いため、モータ速度推定部４１ではそのフィードバックデータにフィルタを掛けた値を使用してもよい。
ωｒｅｓｔ２＝エンコーダ速度（主軸速度）＊主軸６と誘導モータ２の間の減速比 （数１式）
最大すべり記憶部４２には、第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２と理想的なすべりの関係を表すテーブルが記憶されている。最大すべり記憶部４２は、例えば、図４に示されるような、誘導モータが理想的に駆動された場合に得られるモータの速度とすべり量のテーブルを備えており、第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２を使用して、テーブルを引き、その値を、ある速度における最大すべりωｓｌｉｍと規定する。たとえば、すべり量はモータの定数と速度をもとにすることができる。

モータ速度推定部４１から入力した第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２に対応した理想的なすべりの値である最大すべり値ωｓｌｉｍが、最大すべり記憶部４２から励磁周波数指令リミット値算出部４３に出力される。励磁周波数指令リミット値算出部４３は、数２式により、最大励磁周波数指令である励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍを算出し、励磁周波数指令決定部４４に出力する。

ω１ｌｉｍ＝ωｒｅｓｔ２＋ωｓｌｉｍ （数２式）
３相→２相変換器２７は、アンプ２６から誘導モータ２に供給される駆動電流の３相電流フィードバックを取得し、積分器２４で求めた位相に基づいて３相電流フィードバックを２相電流フィードバックへ変換（ＤＱ変換）し、電流フィードバックＩＱ，ＩＤを得る。

すべり推定部２８は、３相→２相変換２７からのＱ相の電流フィードバックＩＱ，Ｄ相の電流フィードバックＩＤに基づいてすべり推定値ωｓｅｓｔを算出する。すべり推定部２８では、ωｓｅｓｔ＝Ｋ（定数）＊ＩＱ／ＩＤの計算式によりすべり値を推定できる。すべり推定部２８は、すべり推定値ωｓｅｓｔを減算器３０に出力する。減算器３０は、励磁周波数指令ω１からすべり推定値ωｓｅｓｔを減じ、第１の速度推定値ωｒｅｓｔ１を算出する。減算器３０は算出したすべり推定値ωｓｅｓｔを減算器２０と一次励磁電流指令演算部２９に出力する。
一次励磁電流指令演算部２９は、第１の速度推定値ωｒｅｓｔ１を基に、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）を算出する。減算器３１は、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）から電流フィードバックＩＤを減じ、得られた偏差を電圧指令計算部３２へ出力する。

電圧指令計算部３２は、トルク指令（ＩＱ指令ＩＱｃｍｄ）、励磁指令（ＩＤ指令ＩＤｃｍｄ）、Ｄ相の電流フィードバックＩＤ、Ｑ相の電流フィードバックＩＱ、励磁周波数指令ω１を用いて、電圧指令ＶＤ、ＶＱを計算する。電圧指令ＶＤ、ＶＱの算出方法は従来公知の方法であるので、詳細な説明は省略する。

２相→３相変換部２５は、電圧指令ＶＤ、ＶＱに対して、位相θを使って、２相電圧指令→３相電圧指令への変換（逆ＤＱ変換）を実行し、アンプに対して３相電圧指令（ＰＷＭ）を出力する。

図３は、センサレスの誘導モータのセンサレス制御を行う処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
●［ステップＳＡ１００］３相電流フィードバックを取得する。
●［ステップＳＡ１０１］３相電流フィードバックを２相電流フィードバックＩＱ，ＩＤへ変換（ＤＱ変換）を実行する。
●［ステップＳＡ１０２］主軸に付加されたエンコーダのエンコーダ速度（主軸速度）を取得する。
●［ステップＳＡ１０３］誘導モータの第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２を次の式により算出する。
ωｒｅｓｔ２＝エンコーダ速度＊（主軸と誘導モータ間の減速比）
●［ステップＳＡ１０４］第２の速度推定値ωｒｅｓｔ２を用い、最大すべり記憶部のテーブルから、理想的なすべりの値である最大すべり値ωｓｌｉｍを読み取る。
●［ステップＳＡ１０５］励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍを次の式により算出する。
ω１ｌｉｍ＝ωｒｅｓｔ２＋ωｓｌｉｍ
●［ステップＳＡ１０６］ＩＱ指令ＩＱｃｍｄ−Ｑ相の電流フィードバックＩＱに対して電流補償（例えば、ＰＩ制御）を行ない、励磁周波数指令ω１^*を算出する。
●［ステップＳＡ１０７］励磁周波数指令ω１^*と励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍの比較を行ない、励磁周波数指令ω１^*の最大値を、励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍでリミットし、励磁周波数指令ω１を算出する。
●［ステップＳＡ１０８］ＩＱｃｍｄ、ＩＤｃｍｄ、（ＩＤｃｍｄ−Ｄ相の電流フィードバックＩＱ）、および上で算出した励磁周波数指令ω１を使って、電圧指令ＶＤ、ＶＱを計算する。
●［ステップＳＡ１０９］励磁周波数指令ω１を積分して励磁位相θを計算する。
●［ステップＳＡ１１０］電圧指令ＶＤ、ＶＱに対して、位相θを用いて２相電圧指令→３相電圧指令への変換（逆ＤＱ変換）を実行する。
●［ステップＳＡ１１１］アンプに対して３相電圧指令（ＰＷＭ）を出力し、処理を終了する。

図４は、本発明において、励磁周波数指令を制限することによって誘導モータの最大出力特性が改善されることを説明する図である。誘導モータ２の速度推定値ωｒｅｓｔ２に最大すべり値ωｓｌｉｍを加算し、励磁周波数指令のリミット値ω１ｌｉｍで励磁することによって、誘導モータ２の最大出力特性が改善される。図５は、本発明と従来技術のモータ最大出力を比較したグラフである。図５では、所定回転数以上では、本発明の制御によって誘導モータの最大出力を従来の制御に比較して改善することが示されている。

旋盤などの主軸では、主軸の位置管理のために主軸にエンコーダを付加して使用することが通例である。このエンコーダは主軸に付加されており、主軸と誘導モータの間は密な結合でない（バックラッシやスリップが存在する）こと、フィードバック信号は分解能が粗いことなどから誘導モータの速度制御に直接使用することは困難な場合がある。本発明においては、誘導モータを駆動する電流のフィードバック値から得られる誘導モータの速度を利用し、励磁周波数指令ω１のクランプ値を求め、励磁周波数の過大誤差による出力低下を防止することができる。

２ 誘導モータ
４ 減速機構
５ ベルト
６ 主軸
８ エンコーダ
１０ 減算器
１１ 速度制御部
１２ 電流制御部
１３ パワー増幅部
１４ 電流検出器
１５ 速度推定器
２０ 減算器
２１ 速度補償器
２２ 減算器
２３ 励磁周波数指令算出部
２４ 積分器
２５ ２相→３相変換器
２６ アンプ
２７ ３相→２相変換器
２８ すべり推定部
２９ 一次励磁電流指令演算部
３０ 減算器
３１ 減算器
３２ 電圧指令計算部

４０ 主軸速度検出部
４１ モータ速度推定部
４２ 最大すべり記憶部
４３ 励磁周波数指令リミット値算出部
４４ 励磁周波数指令決定部

ωｒｃｍｄ 速度指令
ωｒｅｓｔ 速度推定値
ωｒｅｓｔ１ 第１の速度推定値
ωｒｅｓｔ２ 第２の速度推定値
ωｓｅｓｔ すべり推定値
ωｓｌｉｍ 最大すべり値
ω１ 励磁周波数指令
ω１ｌｉｍ 励磁周波数指令のリミット値
θ 励磁位相
ＩＱｃｍｄ ＩＱ指令
ＩＤｃｍｄ ＩＤ指令
Ｉｒｅ 実電流
Ｐｆｂ 帰還パルス

Claims (2)

1. 主軸位置を検出するエンコーダを備えた主軸を、速度検出器を設けない誘導モータによって駆動するエンコーダを備えた主軸の制御装置において、
   前記エンコーダの一定時間内の帰還パルス数から主軸の速度を検出する主軸速度検出部と、
   前記主軸速度検出部により検出した主軸の速度と前記主軸と前記誘導モータの減速比から前記誘導モータの推定速度を求めるモータ速度推定部と、
   前記モータ速度推定部によって求められた推定速度に基づいて前記誘導モータの励磁周波数指令を決める励磁周波数指令決定部と、
   を備えたことを特徴とするエンコーダを有する主軸の制御装置。
2. 前記誘導モータの速度指令と前記誘導モータに流れるモータ電流に基づいて第１の励磁周波数指令を算出する励磁周波数指令算出部と、
   前記推定速度に対応した最大すべり周波数データを記憶した記憶部と、
   前記推定速度と前記最大すべり周波数データから前記励磁周波数指令のリミット値を算出する励磁周波数指令リミット値算出部と、
   を備え、
   前記励磁周波数指令決定部は、前記第１の励磁周波数指令と前記励磁周波数指令リミット値に基づき前記誘導モータの励磁周波数指令を決めることを特徴とする請求項１に記載のエンコーダを有する主軸の制御装置。

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