JP2014200129A - モータの速度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンコーダの芯ブレ、主軸の芯ブレがある場合にも、安定した高速回転制御、中速域までの高応答な速度制御、広い定出力領域を同時に実現する。
【解決手段】速度比例ゲイン制限値演算器１２２は、モータ速度と負荷イナーシャ比とを用いて速度比例ゲイン制限値を演算する。速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器１２３は、速度比例ゲイン制限値を用いて、速度積分時定数制限値を演算するとともにカットオフ周波数制限値を演算する。速度制御器１２０は、速度指令を入力し速度比例ゲインと速度積分時定数とを用いてトルク指令を出力する。トルク指令ローパスフィルタ１３５は、カットオフ周波数よりも低い周波数のトルク指令を通過させトルク指令に含まれる高調波を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンコーダの芯ブレ、主軸の芯ブレがある場合にも、安定した高速回転制御、中速域までの高応答な速度制御、広い定出力領域を同時に実現できる、モータの速度制御装置に関する。

高精度タッピング加工を行う工作機械の主軸では、高速でのミーリング加工と中速域までの高精度タッピング、低速での重切削を同時に実現することが求められている。

このため、誘導機の弱め界磁による定出力制御を用いて低速での重切削と高速回転を実現し、基底速度を比較的高めに設定して弱め界磁による特性の劣化を少なくして高精度タッピング加工を実現していた。

図３は、従来のモータの速度制御装置のブロック図である。このモータの速度制御装置は次のように動作する。

まず、速度指令を速度演算器１５からのモータ回転速度ωｍと比較し、速度指令とモータ回転速度ωｍとの偏差から速度制御器２０がｑ軸電流指令ＩｑＣを求める。速度演算器１５が出力するモータ回転速度ωｍは、エンコーダ１０が検出する位置フィードバックを用いて演算する。

ｑ軸電流指令ＩｑＣを座標変換器２５からのｑ軸電流フィードバックＩｑＦと比較し、ｑ軸電流指令ＩｑＣとｑ軸電流フィードバックＩｑＦとの差をｑ軸電流積分制御器３０が積分する。ｑ軸電流指令ＩｑＣと、ｑ軸電流積分器出力との和を求めて、積分補償後のｑ軸電流指令ＩｑＣＢを求める。

一方、モータ回転速度ωｍを参照して、必要とする励磁電流をｄ軸電流指令Ｉｄｃとして与え、ｄ軸電流指令ＩｄＣを座標変換器２５からのｄ軸電流フィードバックＩｄＦと比較し、ｄ軸電流指令ＩｄＣとｄ軸電流フィードバックＩｄＦとの差をｄ軸電流積分制御器３５が積分する。ｄ軸電流指令ＩｄＣと、ｄ軸電流積分器出力との和を求めて、積分補償後のｄ軸電流指令ＩｄＣＢを求める。

ｑ軸電流指令ＩｑＣとｄ軸電流指令ＩｄＣとからすべり周波数演算器４０がすべり周波数指令ωｓを算出する。すべり周波数指令ωｓは速度演算器１５が出力するモータ回転速度ωｍと加算される。すべり周波数指令ωｓとモータ回転速度ωｍを加算して一次周波数指令ω１を求める。一次周波数指令ω１を積分器４５で積分しモータの極対数Ｐｍ倍して固定子位置指令θｍｃを求める。

座標変換器５０は固定子位置指令θｍｃを基に、積分補償後のｑ軸電流指令ＩｑＣＢと積分補償後のｄ軸電流指令ＩｄＣＢとを座標変換し、三相電流指令Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃを求める。

相電流制御器５５は、三相電流指令Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃとモータ電流Ｉｕ、Ｉｖに基づいて各相の電流を制御し三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃを算出する。三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、ＶｗｃはＰＷＭ制御器６０、電力変換器７０を介してモータ８０に供給され、三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃに応じてモータ８０が駆動される。

ｑ軸電流フィードバックＩｑＦとｄ軸電流フィードバックＩｄＦは、固定子位置指令θｍｃを基に、座標変換器２５がモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを座標変換することによって求める。

モータ回転速度ωｍを参照して求める励磁電流指令（ｄ軸電流指令Ｉｄｃ）は、図３に示すように、定トルク領域では一定にし、定出力領域ではモータ回転速度ωｍの上昇に反比例させて低減させる。つまり、弱め界磁制御を行っている。

励磁電流指令をモータ回転速度ωｍの上昇に反比例させて低減させる弱め界磁領域では、励磁電流指令の減少に伴ってモータの磁束が低減するため、トルク電流指令（ｑ軸電流指令ＩｑＣ）に対する実際のモータトルクが低下する。

速度制御系の応答は、速度制御器２０のゲインと、トルク電流指令（ｑ軸電流指令ＩｑＣ）に対する実際のモータトルクとの関係の乗算で決まってくるため、弱め界磁に伴い、速度制御系の応答が低下する。

高精度のミーリング加工では、主軸モータと送り軸モータとを同期制御するため、速度制御系の応答は速いことが望まれる。速度制御系の応答が遅いと、指令に対する応答遅れにより、タッピング加工における加工精度が低下してしまう。このため、モータの基底速度を高めに設定することにより、モータの中速域の速度制御応答の低下を防止している。

図４および図５は、弱め界磁制御時のモータ８０のトルク−回転速度特性を示す図である。図４は、従来のタッピング加工に用いられるトルク−回転速度特性を示す図であり、定出力領域が広い場合のトルク−回転速度特性を示す図５よりも基底速度を高く、定出力領域を広くしてある。図４のトルク−回転速度特性では、図５のトルク−回転速度特性と比較して、低速領域で出力できるトルクは小さい。このため、低速領域で大きな切削トルクを必要とする低速重切削能力が低いという問題がある。

近年は、低速重切削におけるさらなる高トルク化と高速切削における回転速度の向上を求められており、より定出力範囲を広くすることが求められている。

しかし、基底速度を低くとって定出力領域を広げると中速領域での励磁電流の低下が大きくなってしまう。このため、トルク指令に対する実際のモータトルクの低下が大きくなってしまい、中速領域での速度応答の低下が大きくなり、高精度なタッピング加工が実現できないという問題があった。

この問題を改善するために、速度ゲインを高くとり、さらに高速でのミーリング加工精度改善のために最高回転速度をより高くして定出力領域を広げると、モータ電流が回転速度変動の影響を受けやすくなる。

モータ８０には、モータ自身のベアリングによる芯ブレやエンコーダ１０の芯ブレがあり、モータ８０の回転速度の検出にはモータ８０の１回転変動が現れる。モータ８０の１回転の誤差が１回転に１回ある場合、速度演算器１５によるモータ回転速度ωｍの算出結果は、モータ位置の微分となるため、高速回転になるほど振幅が大きくなり、１回転毎に１回の速度変動を生じる。

速度指令が一定の場合、速度制御系はこの速度変動を抑制するようにトルク指令を出力する。トルクは速度の微分量であるため、トルク指令（ｑ軸電流Ｉｑｃ）には速度変動を抑制するための変動が含まれる。この変動には、１回転毎に１回のトルク指令（ｑ軸電流Ｉｑｃ）変動が生じ、その変動の振幅は、高速になるほど大きくなる。

また、一次周波数指令ω１を積分し、極対数倍したものが固定子位置指令θｍｃとなるために、固定子位置指令θｍｃは、すべりが小さい場合には、モータ１回転当たり極対数倍されたＳＩＮθ、ＣＯＳθ信号になる。そして、座標変換器５０により固定子位置指令θｍｃとｑ軸及びｄ軸電流指令Ｉｑｃ、Ｉｄｃとを乗算して各相のモータ電流指令Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃが算出されるため、ｑ軸電流指令Ｉｑｃにモータ１回転に１回の変動があるとモータ電流指令に高周波が現れてしまう。

たとえば、モータ８０が４極の場合、ＳＩＮθ、ＣＯＳθの周波数はモータ回転周波数の２倍になり、ｑ軸電流指令Ｉｑｃに１回転に１回の変動があると、各相のモータ電流指令Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃには３倍高周波が現れてしまう。速度制御器２０のゲインが高い場合、ｑ軸電流指令Ｉｑｃには比較的大きな変動が現れ、各相のモータ電流指令Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃの高周波も大きくなる。

図６は、速度制御器２０のゲインが高くｑ軸電流指令Ｉｑｃに１回転に１回の変動があるときのシミュレーション結果を示す図である。

図に示すように、ｑ軸電流指令Ｉｑｃにはモータ１回転に１回の変動が表れている。ＳＩＮθの周波数はその変動の２倍になっている。そして、Ｕ相電流指令Ｉｕｃにはモータ１回転に１回の変動の３倍の高調波変動が現れている。

このようなエンコーダの芯ブレを抑制した例として下記特許文献１がある。下記特許文献１には次のような技術が開示されている。

特許文献１の装置は、回転軸の回転位置を検出するために、位置検出器を回転軸に取り付け、位置検出器からの位置フィードバック信号に基づいて回転位置を制御する位置制御装置である。

位置検出器内における被検出体の偏心や取り付け誤差に起因する検出誤差データは位置検出器の出力信号の値に基づいて算出する。検出誤差データの算出は、モータを駆動制御する速度ループが追従しない、十分速い一定速度で回転軸を回転させた時に、位置検出器から出力される１回転信号の発生時点から、所定時間ごとに求められる位置検出器の出力信号の値に基づいて算出する。

算出した検出誤差は位置制御装置内に記憶し、回転軸を駆動するモータへの回転指令位置に対して検出誤差データを補正してモータへの回転指令位置とする。

特開平１１−２７９７３号公報

しかし、モータの１回転変動が安定している場合は良いが、モータ１回転変動にはモータ自身のベアリングによる芯ブレやエンコーダの芯ブレ、ギャップ偏心による芯ブレ、さらには、モータに接続される機械主軸の芯ブレなどのいくつかの要素が絡み合う。

このため、安定した芯ブレが得られない場合には、これらの芯ブレの影響が残るという問題がある。

上述したような、次第に増大する加工性能の要求に対し、従来のモータの速度制御装置では安定した高速回転制御、中速域までの高応答な速度制御、広い定出力領域を同時に実現することは困難であった。

本発明はこのような従来の問題点を解消するために成されたものであり、エンコーダの芯ブレ、主軸の芯ブレがある場合にも、安定した高速回転制御、中速域までの高応答な速度制御、広い定出力領域を同時に実現できる、モータの速度制御装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための、本発明にかかるモータの速度制御装置は、速度比例ゲイン制限値演算器、速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器及び速度制御器、トルク指令ローパスフィルタを有する。

速度比例ゲイン制限値演算器は、モータ速度と負荷イナーシャ比とを用いて速度比例ゲイン制限値を演算する。速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器は、速度比例ゲイン制限値を用いて、速度積分時定数制限値を演算するとともにカットオフ周波数制限値を演算する。速度制御器は、速度指令を入力し速度比例ゲインと速度積分時定数とを用いてトルク指令を出力する。トルク指令ローパスフィルタは、カットオフ周波数よりも低い周波数のトルク指令を通過させトルク指令に含まれる高調波を低減させる。

以上のように構成された本発明にかかるモータの速度制御装置によれば、モータ自身のベアリングによる芯ブレ、エンコーダの芯ブレ、さらには、モータに接続される機械主軸の芯ブレなど、様々な芯ブレがある場合にも安定して高速までモータを回転させることができる。また、弱め界磁を行っても、トルク指令に対する実際のモータのトルクの低下が少なく、中速域までの高い速度制御応答を実現でき、広い定出力領域により大きな低速トルクを同時に実現することができる。

本実施形態に係るモータの速度制御装置のブロック図である。 モータの回転速度に対する速度比例ゲイン制限値特性を示す図である。 従来のモータの速度制御装置のブロック図である。 従来のタッピング加工に用いられるトルク−回転速度特性を示す図である。 定出力領域が広い場合のトルク−回転速度特性を示す図である。 速度制御器のゲインが高くｑ軸電流指令に１回転に１回の変動があるときのシミュレーション結果を示す図である。

本発明にかかるモータの速度制御装置は、モータ回転速度と負荷イナーシャ比に基づいて、速度制御器とトルク指令ローパスフィルタに制限を設ける。最大一次電流指令とｄ軸電流指令とからトルク制限値を演算し、トルク制限後のトルク指令をローパスフィルタに通して、トルク指令に含まれるエンコーダや主軸の芯ブレに起因する変動分を抑制する。また、ｑ軸電流演算器により弱め界磁によるトルク指令−トルク特性の低下を防止する。このことにより、モータ自身のベアリングによる芯ブレ、エンコーダの芯ブレ、さらには、モータに接続される機械主軸の芯ブレなど、様々な芯ブレがある場合にも安定して高速までモータを回転させることができる。また、弱め界磁を行っても、トルク指令に対する実際のモータトルクの低下が少なく、中速域までの高い速度制御応答を実現でき、広い定出力領域により大きな低速トルクを同時に実現できる。

次に、図面を参照しながら、上記のような特性を発揮する、本発明に係るモータの速度制御装置の実施形態を説明する。

〔モータの速度制御装置１００の構成〕
図１は、本実施形態に係るモータの速度制御装置１００のブロック図である。

モータの速度制御装置１００は、ｑ軸電圧指令ＶｑＣを与える系として、速度制御器１２０、負荷イナーシャ比記憶部１２１、速度比例ゲイン制限値演算器１２２、速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器１２３、速度比例ゲイン設定値記憶部１２４、速度比例ゲイン演算器１２５、速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ設定値記憶部１２６、リミッタ１３０、最大一次電流指令部１３２、トルク制限値演算器１３４、トルク指令ローパスフィルタ１３５、ｑ軸電流演算器１４０及びｑ軸電流制御器１４５を有する。

速度制御器１２０は、速度指令をモータ速度ωｍと比較し、速度指令とモータ速度ωｍとの差分を入力する。速度制御器１２０はＰＩ制御器で構成する。モータ速度ωｍは、モータ１８０の回転を検出するエンコーダ１１０の位置信号を用いて速度演算器１１５が演算する。速度制御器１２０は、速度指令を入力し速度比例ゲインＫＶＰと速度積分時定数ｔとを用いてトルク指令を出力する。

負荷イナーシャ比記憶部１２１は、負荷イナーシャＪＬとモータイナーシャＪＭの比、ＪＬ／ＪＭを記憶する。負荷イナーシャ比の大きさに応じて速度比例ゲインの制限値を変化させるためである。速度比例ゲイン制限値演算器１２２は、モータ速度ωｍと負荷イナーシャ比ＪＬ／ＪＭに応じて速度比例ゲイン制限値を演算する。速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器１２３は、速度比例ゲイン制限値に基づき、速度積分時定数制限値及びトルク指令ローパスフィルタ制限値を演算する。

速度比例ゲイン設定値記憶部１２４は速度比例ゲイン設定値を記憶する。速度比例ゲイン演算器１２５は、速度比例ゲイン設定値を元に速度比例ゲイン制限値を用いて速度比例ゲインＫＶＰを演算する。速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ設定値記憶部１２６は速度積分時定数ｔとトルク指令ローパスフィルタｆｃを記憶する。速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ設定値演算部１２７は、速度積分時定数、トルク指令ローパスフィルタ設定値を元に、速度積分時定数制限値、トルク指令ローパスフィルタｆｃ制限値を用いて、速度積分時定数とトルク指令ローパスフィルタｆｃを演算する。速度制御器１２０は、入力した速度指令とモータ速度ωｍとの差分、速度比例ゲインＫＶＰ、速度積分時定数ＴＶＩを用いてトルク指令を出力する。

リミッタ１３０は、速度制御器１２０が出力したトルク指令の大きさを制限する。最大一次電流指令部１３２は電力変換器１７０が出力できる最大一次電流ＩＰＣを出力する。トルク制限値演算器１３４は、ｄ軸電流指令ＩｄＣ、最大一次電流ＩＰＣ、後述の磁束演算器２２５が出力する磁束φ２を用いてトルク制限値ＴＬＩＭを演算する。トルク制限値ＴＬＩＭはリミッタ１３０に設定される。

したがって、リミッタ１３０は入力されるトルク指令の大きさを±ＴＬＩＭに入るように制限する。トルク指令ローパスフィルタ１３５には、速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ設定値演算器１２７によって演算されたトルク指令ローパスフィルタ１３５のカットオフ周波数が設定される。したがって、トルク指令ローパスフィルタ１３５は、設定されたカットオフ周波数よりも低い周波数のトルク指令を通過させることになり、トルク指令に含まれるエンコーダや主軸の芯ブレに起因する高調波の変動分を抑制する。トルク指令ローパスフィルタ１３５は、２次ローパスフィルタで構成する。

ｑ軸電流演算器１４０は、トルク指令ローパスフィルタ１３５通過後のトルク指令からｑ軸電流指令ＩｑＣを演算する。ｑ軸電流制限器１４５は、ｑ軸電流演算器１４０が出力するｑ軸電流指令ＩｑＣと座標変換器１５５が出力するｑ軸電流フィードバックＩｑＦとの偏差を入力し、ｑ軸電圧指令ＶｑＣを出力する。なお、ｑ軸電流制限器１４５は比例積分制御器で構成する。

また、モータの速度制御装置１００は、ｄ軸電圧指令ＶｄＣを与える系として、弱め界磁部２２０、磁束演算器２２５、磁束制御器２４０、ｄ軸電流制御器２４５を有する。

弱め界磁部２２０は、図に示すように、モータ速度ωｍに対する磁束指令φ２Ｃの関係を記憶しており、モータ速度ωｍに基づいて磁束指令φ２Ｃを出力する。磁束演算器２２５は、磁束φ２を、座標変換器１５５が出力するｄ軸電流フィードバックＩｄＦを用いて演算する。

磁束制御器２４０は、弱め界磁部２２０が出力する磁束指令φ２Ｃと磁束演算器２２５が出力する磁束φ２との偏差を入力し、ｄ軸電流指令ＩｄＣを出力する。ｄ軸電流制御器２４５は、磁束制御器２４０が出力するｄ軸電流指令ＩｄＣと座標変換器１５５が出力するｄ軸電流フィードバックＩｄＦとの偏差を入力し、ｄ軸電圧指令ＶｄＣを出力する。磁束制御器２４０、ｄ軸電流制御器２４５は比例積分制御器で構成する。なお、ｑ軸電流フィードバックＩｑＦ及びｄ軸電流フィードバックＩｄＦは、後述する固定子位置指令θｍｃを基に、座標変換器１５５がモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを座標変換することによって求める。

さらに、モータの速度制御装置１００は、座標変換を行わせるための系として、すべり周波数演算器２３０、積分器２５５、座標変換器１５０、１５５を有する。

すべり周波数演算器２３０は、ｑ軸電流演算器１４０が出力するｑ軸電流指令ＩｑＣと磁束演算器２２５が出力する磁束指令φ２を入力し、すべり周波数指令ωｓを算出する。積分器２５５は、すべり周波数演算器２３０から出力されるすべり周波数指令ωｓと速度演算器１１５から出力されるモータ回転速度ωｍとを加算して得られる一次周波数指令ω１を入力し、一次周波数指令ω１を積分する。積分された一次周波数指令をモータの極対数Ｐｍ倍して固定子位置指令θｍｃを求める。固定子位置指令θｍｃは座標変換器１５０、１５５に出力される。

座標変換器１５０は、入力した固定子位置指令θｍｃを基に、ｑ軸電圧指令ＶｑＣ、ｄ軸電圧指令ＶｄＣを座標変換し、三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃを求める。

座標変換器１５５は、入力した固定子位置指令θｍｃを基に、モータ電流Ｉｕ、Ｉｖを座標変換し、ｑ軸電流フィードバックＩｑＦ、ｄ軸電流フィードバックＩｄＦを求める。

さらに、モータの速度制御装置１００は、モータ１８０を駆動させるための系として、ＰＷＭ制御器１６０、電力変換器１７０を有する。

ＰＷＭ制御器１６０は、座標変換器１５０から出力される三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃを入力し、入力した三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃに基づいて、電力変換器１７０をスイッチングさせるためのＰＷＭ信号を出力する。

電力変換器１７０は、ＰＷＭ制御器１６０から出力されるＰＷＭ信号を入力して内部に備えた半導体スイッチング素子をスイッチングし、モータ１８０を駆動する。

〔モータの速度制御装置１００の動作〕
まず、速度比例ゲイン制限値演算器１２２は、速度演算器１１５が出力するモータ速度ωｍと負荷イナーシャ比記憶部１２１が記憶する負荷イナーシャ比を用いて、下記式により、速度比例ゲイン制限値ＫＶＰＬＩＭを求める。

ＫＶＰＬＩＭ＝｛ＫＶＰＬＩＭ_２−Ｋ_２（|ωｍ|−ω_２）｝／（ＪＬ／ＪＭ）
ただし、（ω_２＜|ωｍ|）
ここで、ＫＶＰＬＩＭ_２：回転速度ω_２における速度比例制限値、ＪＬ；負荷イナーシャ、ＪＭ：モータイナーシャ、（ＪＬ／ＪＭ）：負荷イナーシャ比
速度比例ゲイン制限値は、回転速度がω_２以上では、上式に示すように、回転速度に比例して増加させ、負荷イナーシャ比（ＪＬ／ＪＭ）に反比例させて減少させる。

また、速度比例ゲイン制限値は、回転速度がω_１からω_２では回転速度が上昇するにつれて低減させる。速度反比例前の速度比例ゲイン制限値ＫＶＰＬＩＭＢを下記式により求める。

ＫＶＰＬＩＭＢ＝｛ＫＶＰＬＩＭ_２＋Ｋ₁（ω_２−|ωｍ|）｝
ただし、（ω₁＜|ωｍ|≦ω_２）
ここで、Ｋ₁：ω₁〜ω_２間で速度比例ゲイン制限値を低減させる係数
次に、下記式のように、回転速度に反比例させ、負荷イナーシャ比に反比例させる演算をし、速度比例ゲイン制限値ＫＶＰＬＩＭを求める。

ＫＶＰＬＩＭ＝ＫＶＰＬＩＭＢ×ω_２／|ωｍ|／（ＪＬ／ＪＭ）
ただし、（ω₁＜|ωｍ|≦ω_２）
速度比例ゲイン制限値は、回転速度ω₁以下の回転速度では、下記式のように、一定値とする。

ＫＶＰＬＩＭ＝ＫＶＰＬＩＭ₁
なお、ω₁は、基底速度の２倍程度の回転速度とし、速度０からω₁までは、速度比例ゲインが低下しないようにする。
そして、速度比例ゲインの上限がＫＶＰＬＩＭに制限される。

図２は、モータの回転速度に対する速度比例ゲイン制限値特性を示す図である。図に示すように、基底速度ω_０の２倍程度の中速域ω_１までは、一定の高い速度ゲインＫＶＰＬＩＭ₁に制限され、タッピングにおける精度を向上させる。中速域ω_１以上では、回転速度ωｍの上昇に伴い速度比例ゲインを低減し、モータ電流の高調波を抑制し、モータの発熱を低減する。また、負荷イナーシャ比（ＪＬ／ＪＭ）が大きい場合（たとえばＪＬ／ＪＭ＝２）には、芯ブレに起因した速度変動を抑制するためのトルク指令が大きくなるため、速度比例ゲイン制限値を低下させ（図のＪＬ／ＪＭ＝２のグラフ）、電流の高調波の発生を抑制する。

速度積分時定数制限値はＫＶＰＬＩＭを元に、下記式で算出する。

ＴＶＩＬＩＭ＝１／ＫＶＰＬＩＭ
速度積分時定数の下限がこの値に制限される。

トルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数制限値は、ＫＶＰＬＩＭを元に、下記式で算出する。

ＴＣＬＰＦＬＩＭ＝ＫＶＰＬＩＭ×ＫＴＣＬ
トルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数の上限がこの値に制限される。

この係数ＫＴＬＣは、速度制御系の周波数応答特性のゲインにハンプが生じない範囲で、できるだけ小さな値とする。本実施形態では５としている。これにより、速度制御系の応答を超える周波数において、できるだけ低い値にトルク指令ローパスフィルタを設定し、速度比例ゲインの制限と合わせて、トルク指令ローパスフィルタ後のトルク指令に現れる１回転に１回の変動分を抑制し、座標変換による高周波の発生を抑制し、モータの発熱を許容損失内に収める。

また、各速度ゲイン値に応じた適切な速度積分時定数制限値、トルク指令ローパスフィルタのカットオフ周波数制限値とすることにより、速度制御系の特性をオーバーシュートが生じない適切な特性にしている。なお、負荷イナーシャ比は既知の場合はその値を用いて速度ゲイン制限値を算出し、未知の場合は、逐次最小二乗法などを用いて、トルク指令とモータ速度から算出する。また、速度制御器１２０をＩＰ制御器などの類似の制御器で構成し、トルク指令ローパスフィルタ１３５を三次のローパスフィルタなどの類似のフィルタで構成しても良い。また、速度比例ゲイン制限値から演算するのではなく、トルク指令ローパスフィルタ１３５のカットオフ周波数制限値や速度積分時定数制限値から順番に演算しても良い。

次に、弱め界磁部２２０は、速度演算器１１５が出力するモータ速度ωｍに基づいて磁束指令φ２Ｃを下記式で算出し、基底速度ω_０以上の回転速度で弱め界磁を行う。

φ２Ｃ＝φ２ＣＢ （０≦|ωｍ|≦ω_０のとき）
φ２Ｃ＝φ２ＣＢ・ω_０／|ωｍ| （ω_０＜|ωｍ|）
上記のようにして演算した磁束指令φ２Ｃと磁束演算器２２５が出力する磁束φ２とを比較し、磁束制御器２４０は磁束指令φ２Ｃと磁束φ２との偏差からｄ軸電流指令ＩｄＣを出力する。

トルク制限値演算器１３４はｄ軸電流指令ＩｄＣとインバータが出力できる最大一次電流指令ＩＰＣとから下記式に基づいてトルク制限値ＴＬＩＭを演算する。演算したトルク制限値ＴＬＩＭはリミッタ１３０に設定され、リミッタ１３０は速度制御器１２０が出力するトルク指令を±ＴＬＩＭ以下に制限する。

ＴＬＩＭ＝Ｐｍ×Ｍ／Ｌ_２×φ２×（ＩｑＣ^２−ＩｄＣ^２）^１／２
ただし、 Ｌ_２：２次インダクタンス
Ｍ：相互インダクタンス
Ｐｍ：極対数
速度制御器１２０からのトルク指令をトルク制限値ＴＬＩＭに基づくリミッタ１３０に通し、さらに、トルク指令ローパスフィルタ１３５に通し、ローパスフィルタ通過後のトルク指令を求める。ローパスフィルタ通過後のトルク指令を入力したｑ軸電流演算器１４０によりｑ軸電流指令ＩｑＣを求める。そして、ｑ軸電流演算器１４５は下記式に基づいてｑ軸電流指令を算出する。

ＩｑＣ＝Ｌ_２／（Ｐｍ×Ｍ×φ２）×（ローパスフィルタ通過後のトルク指令）
このように、ｑ軸電流指令は磁束φ２で除算して算出するため、弱め界磁によって磁束が小さくなると、ｑ軸電流指令を大きくし、トルク指令に対するトルクの特性が弱め界磁により小さくならないようにしている。

ｑ軸電流指令をｑ軸電流フィードバックと比較し、ｑ軸電流制御器１４５を通してｑ軸電圧指令ＶｑＣを与える。ｄ軸電流指令をｄ軸電流フィードバックと比較し、ｄ軸電流制御器２４５を通してｄ軸電圧指令ＶｄＣを与える。

すべり周波数演算器２３０は、ｑ軸電流演算器１４０が出力するｑ軸電流指令ＩｑＣと磁束演算器２２５が出力する磁束φ２とから、すべり周波数演算器２３０が下記式に基づき、すべり周波数指令ωｓを算出する。

ωｓ＝Ｍ×Ｒ_２／Ｌ_２×（ＩｑＣ／φ２）
そして、算出したすべり周波数指令ωｓとモータ速度ωｍを加算して一次周波数指令ω１を求める。

一次周波数指令ω１を積分し、さらにモータの極対数Ｐｍ倍して固定値位置指令θｍｃを求める。

座標変換器１５０は固定子位置指令θｍｃを基にｑ軸電圧指令ＶｑＣ、ｄ軸電圧指令ＶｄＣを座標変換し、三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃを求める。三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、ＶｗｃはＰＷＭ制御器１６０、電力変換器１７０を介してモータ１８０に供給され、三相電圧指令Ｖｕｃ、Ｖｖｃ、Ｖｗｃに応じてモータ１８０が駆動される。

ｑ軸電流フィードバックＩｑＦとｄ軸電流フィードバックＩｄＦは、固定子位置指令θｍｃを基に、座標変換器１５５がモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを座標変換することによって求める。

磁束演算器２２５は、下記式により、ｄ軸電流フィードバックＩｄＦから磁束φ２を算出する。

φ２＝１／（１＋Ｌ_２／Ｒ_２×Ｓ）×Ｍ×ＩｄＦ
なお、ｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令に非干渉制御器を搭載し、ｄ軸およびｑ軸の干渉を制御しても良い。また、ｄ軸およびｑ軸の電流制御系の内部を三相電流制御系で構成しても良い。

以上に説明したように、従来のモータの速度制御装置では、安定した高速回転と中速域までの高応答な速度制御、広い定出力領域の確保を同時に実現することは困難であった。しかし、本発明に係るモータの速度制御装置では、モータ回転速度と負荷イナーシャ比に基づいて、速度制御器とトルク指令ローパスフィルタに制限を設け、最大一次電流指令とｄ軸電流指令とからトルク制限値を演算し、トルク制限後のトルク指令をローパスフィルタに通して、トルク指令に含まれるエンコーダや主軸の芯ブレに起因する変動分を抑制している。また、ｑ軸電流演算器により弱め界磁によるトルク指令−トルク特性の低下を防止している。

このことにより、モータ自身のベアリングによる芯ブレ、エンコーダの芯ブレ、さらには、モータに接続される機械主軸の芯ブレなど、様々な芯ブレがある場合にも安定して高速までモータを回転させることができる。また、弱め界磁を行っても、トルク指令に対する実際のモータトルクの低下が少なく、中速域までの高い速度制御応答を実現でき、広い定出力領域により大きな低速トルクを同時に実現できる。

１００ モータの速度制御装置、
１０、１１０ エンコーダ、
１５、１１５ 速度演算器、
２０、１２０ 速度制御器、
２５、５０、１５０、１５５ 座標変換器、
３０ ｑ軸電流積分制御器、
３５ ｄ軸電流積分制御器、
４５、２５５ 積分器、
５５ 相電流制御器、
６０、１６０ ＰＷＭ制御器、
７０、１７０ 電力変換器、
８０、１８０ モータ、
１２１ 負荷イナーシャ比記憶部、
１２２ 速度比例ゲイン制限値演算器、
１２３ 速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器、
１２４ 速度比例ゲイン設定値記憶部、
１２５ 速度比例ゲイン演算器、
１２６ 速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ設定値記憶部、
１２７ 速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ設定値演算器、
１３０ リミッタ、
１３２ 最大一次電流指令部、
１３４ トルク制限値演算器、
１３５ トルク指令ローパスフィルタ、
１４０ ｑ軸電流演算器、
１４５ ｑ軸電流制御器、
２２０ 弱め界磁部、
２２５ 磁束演算器、
２３０ すべり周波数演算器、
２４０ 磁束制御器、
２４５ ｄ軸電流制御器。

Claims (8)

1. モータ速度と負荷イナーシャ比とを用いて速度比例ゲイン制限値を演算する速度比例ゲイン制限値演算器と、
   前記速度比例ゲイン制限値を用いて、速度積分時定数制限値を演算するとともにカットオフ周波数制限値を演算する速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器と、
   速度指令を入力し速度比例ゲインと速度積分時定数とを用いてトルク指令を出力する速度制御器と、
   カットオフ周波数よりも低い周波数のトルク指令を通過させ前記トルク指令に含まれる高調波を低減させるトルク指令ローパスフィルタと、
   を有することを特徴とするモータの速度制御装置。
2. 前記速度比例ゲイン演算器は、
   速度比例ゲイン制限値を、ω_２以上のモータ速度では、モータ速度に比例させて減少させるとともに負荷イナーシャ比の大きさに反比例させて減少させ、前記ω_２よりも遅いω_１からω_２間のモータ速度では、モータ速度が速くなるにつれて減少させ、ω_１以下のモータ速度では、一定値に制限することを特徴とする請求項１に記載のモータの速度制御装置。
3. 前記負荷イナーシャ比は、負荷イナーシャ比記憶部に記憶され、
   前記負荷イナーシャ比は、負荷イナーシャＪＬとモータイナーシャＪＭとの比、ＪＬ／ＬＭであることを特徴とする請求項１または２に記載のモータの速度制御装置。
4. 前記速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器は、
   前記速度比例制限値の逆数を前記速度積分時定数制限値とすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータの速度制御装置。
5. 前記速度積分時定数トルク指令ローパスフィルタ制限値演算器は、
   前記速度比例制限値に一定の倍率を掛けた値をカットオフ周波数制限値とすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータの速度制御装置。
6. 前記一定の倍率は、速度制御の周波数応答特性のゲインにハンプが生じない範囲でできるだけ小さな値を選定することを特徴とする請求項５に記載のモータの速度制御装置。
7. さらに、
   前記トルク指令ローパスフィルタ通過後のトルク指令からｑ軸電流指令を演算するｑ軸電流演算器と、前記モータ速度に応じた磁束指令と磁束との偏差からｄ軸電流指令を出力する磁束制御器と、を有し、
   前記ｑ軸電流指令と前記ｄ軸電流指令とを用いてモータを駆動することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のモータの速度制御装置。
8. さらに、
   前記ｄ軸電流指令、前記磁束および最大一次電流を用いてトルク制限値を演算するトルク制限値演算器と、
   前記速度制御器から前記トルク指令ローパスフィルタに出力されるトルク指令の大きさを制限するリミッタと、を有し、
   前記リミッタには前記トルク制限値が設定されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のモータの速度制御装置。