JP2016213993A - センサレスで制御停止を行う機能を有するサーボ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、センサ異常時に電圧情報を使用する方法に切り換え、同時に制御停止のための減速指令を与えるサーボ制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るサーボ制御装置は、モータ速度を検出するセンサ部と、モータを駆動し電流をフィードバックするアンプと、磁極位置検出部と、位置指令及び検出位置から速度指令を出力する位置制御部と、速度指令及び検出速度から電流指令を出力する速度制御部と、電流指令及び検出電流から電圧指令を出力する電流制御部と、電圧指令から推定速度を算出する速度推定部と、推定速度から推定磁極位置を算出する磁極位置推定部と、センサ異常検出部と、停止位置指令作成部と、センサ異常検出部が異常を検知した場合に、位置指令を停止位置指令に切り換える第１切替器と、磁極位置を推定磁極位置に切り換える第２切替器と、検出速度を推定速度に切り換える第３切替器と、を具備する。【選択図】図２

Description

本発明は、サーボモータを使用した工作機械等の機械を制御するサーボ制御装置に関し、特に、モータ動作中にセンサ異常が発生した場合に、センサレスで安全に制御停止することを可能にしたサーボ制御装置に関するものである。

一般に、工作機械等の機械に用いられるサーボモータ（以下、単に「モータ」ともいう）の動作中において、センサに異常が起こるとアラーム状態となり、モータへの動力が遮断される。動力が遮断されるとダイナミックブレーキ（ＤＢ）抵抗によりモータは停止へ向かう。しかしながら、モータに付されたイナーシャが大きい場合やモータが高速駆動している場合には、その停止距離が長くなる。その結果、特に直線軸では衝突による機械損傷の可能性があり危険である。

一方、停止距離を短くするためには制御停止が有効である。ここで、「制御停止」とは、モータを制御させながら停止させることをいう。しかしながら、モータからのセンサ情報（位置、速度、磁極位置）が必要となるため、センサが異常の場合には従来手法での制御停止を行うことができない。そのため、センサレスで制御停止する手法の開発が望まれている。ここで、「センサレス制御」とは、推定されたセンサ情報に基づいてモータをフィードバック制御することをいう。

センサ異常には、センサ自体が異常を検出する場合と、センサ情報を受け取るサーボ制御装置が異常を検出する場合とがある。例えば、センサの内部回路でわかるパルスのカウントミス等は、センサ自体が異常を検出する。一方、センサ情報の送信後に起こるパルス抜け等はサーボ制御装置が異常を検出することとなる。

図１は、一般的なサーボ制御装置の構成図である。サーボ制御装置１０００は、位置制御部１００４と、速度制御部１００５と、電流制御部１００６と、第１座標変換部１０１５と、第２座標変換部１０１６と、アンプ１００２と、センサ部１００１と、磁極位置検出部１００３と、を有している。位置制御部１００４は、上位制御装置１０２０からの位置指令及び位置フィードバック（ＦＢ）に基づいて速度指令を出力する。位置ＦＢはモータ１０３０の近傍に設けられたセンサ部１００１が検出したモータ速度（速度ＦＢ）を積分器１０１４で積分して得られる。

速度制御部１００５は、位置制御部１００４からの速度指令及び速度ＦＢに基づいて電流指令を出力する。電流制御部１００６は、速度制御部１００５からの電流指令及び電流ＦＢに基づいて電圧指令を出力する。電流ＦＢは、アンプ１００２からフィードバックされる電流値及び磁極位置検出部１００３が検出した磁極位置に基づいて第２座標変換部１０１６から出力される。アンプ１００２は、第１座標変換部１０１５で変換された電圧指令に基づいてモータ１０３０を駆動する。

センサ部１００１が検出したモータ１０３０のセンサ情報は、位置フィードバック（ＦＢ）として位置制御部１００４へフィードバックされ、速度フィードバック（ＦＢ）として速度制御部１００５へフィードバックされ、さらに磁極位置として第２座標変換部１０１６を介して電流ＦＢとして電流制御部１００６へフィードバックされ使用される。別途スケールを用いる場合は、位置ＦＢ及び速度ＦＢはスケールからのセンサ情報が元となる。

センサレスでの永久磁石同期電動機の制御方法として、固定子電圧位相を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１、または非特許文献１）。固定子電圧をγδ座標上のδ軸用に安定に収斂（固定子電圧γ軸要素Ｖ_γ＝０）することで固定子電圧δ軸要素Ｖ_δより回転速度ωを推定しセンサレスで制御できることが提案されている。特許文献１ではさらに、力率改善のために電流指令による補正についても提案されているが、Ｖ_γ＝０とする制御方法は同じである。また、どちらもセンサ異常時における制御停止を目的としたものではない。

また、センサ異常が起こった場合の安全確保の手段として、センサ異常を検出し磁極位置推定器を用いてセンサレス制御に移行する手法が提案されている（例えば、特許文献２）。特許文献２に記載の発明は、エレベータや自動車等、人が乗るものを対象としており、故障時に急な停止を避け安全な位置までセンサレスで移動させ続けることを目的としている。しかしながら、工作機械等の機械では、衝突をさけるためにより早く停止させることが望まれている。

特開２０１１−０１５６０１号公報 特開２００１−１１２２８２号公報

山中健二・大西徳生：「永久磁石同期電動機の位相追従同期センサレス制御システム」、電気学会論文誌Ｄ分冊、第１２９巻、第４号、ｐｐ．４３２−４３７（２００９−４）

本発明は、上記の課題を解決するために、センサ異常時に電圧情報を使用する方法に切り換え、同時に制御停止のための停止位置指令または減速指令を与えるサーボ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施例に係るサーボ制御装置は、工作機械又は産業機械におけるサーボモータを制御するサーボ制御装置であって、サーボモータの速度を検出し速度フィードバックとして出力するセンサ部と、サーボモータを駆動するとともにサーボモータに流れる電流をフィードバックするアンプと、サーボモータの磁極位置を検出する磁極位置検出部と、サーボモータに対する位置指令及び検出された速度から算出されるサーボモータの位置に基づいて速度指令を出力する位置制御部と、速度指令及び検出された速度に基づいて電流指令を出力する速度制御部と、電流指令及び検出された電流に基づいて電圧指令を出力する電流制御部と、電圧指令に基づいて推定速度を算出する速度推定部と、推定速度から推定磁極位置を算出する磁極位置推定部と、センサ部の異常を検出するセンサ異常検出部と、サーボモータを停止させるための停止位置指令を作成する停止位置指令作成部と、センサ異常検出部がセンサ部の異常を検知した場合に、位置指令を停止位置指令に切り換える第１切替器と、センサ異常検出部がセンサ部の異常を検知した場合に、磁極位置を推定磁極位置に切り換える第２切替器と、センサ異常検出部がセンサ部の異常を検知した場合に、速度フィードバックを推定速度に切り換える第３切替器と、を具備することを特徴とする。

本発明の一実施例に係るサーボ制御装置によれば、センサ異常時であっても電圧情報からモータ速度を推定し、その値をセンサ情報（位置、速度、磁極位置）の代わりに使用することで、制御停止を行うことが可能なサーボ制御装置を提供することができる。停止位置指令または減速指令に追従する停止となるため、従来のＤＢ抵抗による停止よりも停止距離を短くすることが可能であり、センサ異常時の機械破損の防止、安全性の向上に繋げることができる。

従来のサーボ制御装置の構成図である。 本発明の実施例１に係るサーボ制御装置の構成図である。 本発明の実施例１に係るサーボ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例２に係るサーボ制御装置の構成図である。 本発明の実施例２に係るサーボ制御装置の動作手順を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施例３に係るサーボ制御装置の構成図である。 従来技術による場合及び本発明の実施例３に従って位相補正を行った場合における速度指令の時間的変化を表す図である。 従来技術による場合及び本発明の実施例３に従って位相補正を行った場合におけるモータ速度の時間的変化を表す図である。 従来技術による場合及び本発明の実施例３に従って位相補正を行った場合におけるモータ位相と推定位相の差の時間的変化を表す図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るサーボ制御装置について説明する。

［実施例１］
まず、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置について説明する。図２に本発明の実施例１に係るサーボ制御装置の構成図を示す。本発明の実施例１に係るサーボ制御装置１０１は、工作機械又は産業機械におけるサーボモータを制御するサーボ制御装置であって、センサ部１と、アンプ２と、磁極位置検出部３と、位置制御部４と、速度制御部５と、電流制御部６と、速度推定部７と、磁極位置推定部８と、センサ異常検出部９と、停止位置指令作成部１０と、第１切替器１１と、第２切替器１２と、第３切替器１３と、を有する。

センサ部１は、サーボモータ３０（以下、「モータ」ともいう）の近傍に設けられ、サーボモータ３０の速度を検出し速度フィードバックとして出力する。センサ部１には角度センサ（レゾルバ、光式、磁気式）を用いることができ、角度変化から回転数を算出することができる。

アンプ２は、サーボモータ３０を駆動するとともにサーボモータ３０に流れる電流をフィードバックする。磁極位置検出部３は、サーボモータ３０の磁極位置を検出する。

位置制御部４は、上位制御装置２０からのサーボモータ３０に対する位置指令及びセンサ部１が検出した速度から算出されるサーボモータの位置に基づいて速度指令を出力する。速度制御部５は、位置制御部４からの速度指令及びセンサ部１が検出した速度に基づいて電流指令を出力する。

電流制御部６は、速度制御部５からの電流指令及びアンプ２によりフィードバックされた電流に基づいて電圧指令を出力する。速度推定部７は、電流制御部６からの電圧指令に基づいて推定速度を算出する。磁極位置推定部８は、速度推定部７からの推定速度に基づいて推定磁極位置を算出する。

センサ異常検出部９は、センサ部１の異常を検出する。センサ部１の異常としては、センサ部１の配線が断線して検出信号を受信できなくなる場合等が考えられる。あるいは、センサ部自体に異常を検出する機能が備えられている場合には、センサ部１から直接、異常検出信号を受信することができる。

停止位置指令作成部１０は、サーボモータ３０を停止させるための停止位置指令を作成する。停止位置指令は停止位置指令作成部１０に設けた記憶部（図示せず）に予め記憶させておいてもよい。

本発明の実施例１に係るサーボ制御装置においては、センサ部の異常を検出した場合に、位置指令を停止位置指令に切り換える点を特徴としている。即ち、第１切替器１１は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、位置指令を停止位置指令に切り換える。第２切替器１２は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、磁極位置を推定磁極位置に切り換える。さらに、第３切替器１３は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、速度フィードバックを推定速度に切り換える。センサ異常検出部９はセンサ部１の異常を検出すると異常検出信号を出力する。第１切替器１１、第２切替器１２、及び第３切替器１３は、センサ異常検出部９が出力した異常検出信号を受信することにより、センサ部１の異常を検知することができる。

このように、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出すると、各切替器１１〜１３により以下の構成をとる。
（１）磁極位置推定部８が推定速度に基づいて推定磁極位置を算出し、第２切替器１２で切り替えることにより、センサ情報に含まれる検出した磁極位置の代わりに推定磁極位置を使用する。
（２）第３切替器１３において、センサ部１が検出したセンサ情報に含まれる速度の代わりに、推定速度を速度ＦＢとして使用し、その積分を位置ＦＢとして使用する。
（３）第１切替器１１が、上位制御装置２０からの位置指令の代わりに、停止位置指令作成部１０により作成される停止位置指令を使用する。
また、切換え時には、センサ情報からの位相θ₁と推定速度からの位相θ₂に差異が生じている可能性があるため、推定速度に切換えると同時に、位相θ₁の値を推定位相の初期値として使用することが好ましい。

次に、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置の動作手順について、図３に示したフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ１０１において、センサ異常検出部９（図２参照）が、センサ部１に異常が生じているか否かを判断する。センサ部１に異常が生じていない場合は、ステップＳ１０２〜Ｓ１１０において、通常のサーボ制御（通常制御）が行われる。一方、センサ部１に異常が生じている場合は、ステップＳ１１１〜Ｓ１１９において、センサレス制御が行われる。

まず、通常制御について説明する。ステップＳ１０２において、センサ部１がモータ３０の速度を検出する。検出された速度は第３切替器１３に入力される。ここで、通常制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出していないので、ステップＳ１０３において、第３切替器１３は、検出された速度を速度ＦＢとして速度制御部５に出力する。そして、ステップＳ１０９において速度制御部５によって速度制御が実行される。

また、ステップＳ１０７において、検出された速度は積分器１４に入力されて位置フィードバックとして出力される。さらに、ステップＳ１０６において、上位制御装置２０が位置指令を第１切替器１１に出力する。ここで、通常制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出していないので、第１切替器１１は上位制御装置２０からの位置指令を位置制御部４に出力する。そして、ステップＳ１０８において、位置制御部４により位置指令及び位置ＦＢに基づいて位置制御が実行される。

また、ステップＳ１０４において、センサ部１で検出された速度から磁極位置検出部３において磁極位置が検出される。検出された磁極位置は第２切替器１２に入力される。ここで、通常制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出していないので、第２切替器１２は検出された磁極位置を第２座標変換部１６に出力する。次に、ステップＳ１０５において第２座標変換部１６によって３相電流からｄｑ電流へ座標変換が行われる。そして、ステップＳ１１０において、座標変換後の電流は電流ＦＢとして電流制御部６に入力され、電流制御部６において電流制御が実行される。以上のようにして、通常制御が行われる。

次に、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置におけるセンサレス制御について説明する。まず、ステップＳ１１１において、速度推定部７が、電圧情報である電圧指令から速度を推定し、推定速度として出力する。出力された推定速度は第３切替器１３に入力される。ここで、センサレス制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出しているので、ステップＳ１１２において、第３切替器１３は、推定速度を速度ＦＢとして速度制御部５に出力する。

また、ステップＳ１１６において、推定速度は速度ＦＢとして積分器１４に入力されて位置ＦＢとして出力される。さらに、ステップＳ１１５において、停止位置指令作成部１０が停止位置指令を第１切替器１１に出力する。ここで、センサレス制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出しているので、第１切替器１１は停止位置指令作成部１０からの停止位置指令を位置制御部４に出力する。そして、ステップＳ１１７において、位置制御部４により停止位置指令及び位置ＦＢに基づいて位置制御が実行される。そして、ステップＳ１１８において速度制御部５によって推定速度を速度ＦＢとして速度制御が実行される。

また、ステップＳ１１３において、磁極位置推定部８が推定速度に基づいて推定磁極位置を算出する。算出された推定磁極位置は第２切替器１２に入力される。ここで、センサレス制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出しているので、第２切替器１２は推定磁極位置を第２座標変換部１６に出力する。次に、ステップＳ１１４において第２座標変換部１６によって３相電流からｄｑ電流へ座標変換が行われる。そして、ステップＳ１１９において、座標変換後の電流は電流ＦＢとして電流制御部６に入力され、電流制御が実行される。以上のようにして、センサレス制御が行われる。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るサーボ制御装置によれば、センサ異常時であっても電圧情報からモータ速度を推定し、その値をセンサ情報（位置、速度、磁極位置）の代わりに使用し、位置指令を停止位置指令に切り換えているので、センサレスで制御停止を行うことが可能なサーボ制御装置を提供することができる。

［実施例２］
次に、本発明の実施例２に係るサーボ制御装置について説明する。図４に本発明の実施例２に係るサーボ制御装置の構成図を示す。本発明の実施例２に係るサーボ制御装置１０２は、工作機械又は産業機械におけるサーボモータを制御するサーボ制御装置であって、サーボモータ３０の速度を検出し速度フィードバックとして出力するセンサ部１と、サーボモータ３０を駆動するとともにサーボモータ３０に流れる電流をフィードバックするアンプ２と、サーボモータ３０の磁極位置を検出する磁極位置検出部３と、サーボモータ３０に対する位置指令及び検出された速度から算出されるサーボモータ３０の位置に基づいて速度指令を出力する位置制御部４と、速度指令及び検出された速度に基づいて電流指令を出力する速度制御部５と、電流指令及び検出された電流に基づいて電圧指令を出力する電流制御部６と、電圧指令に基づいて推定速度を算出する速度推定部７と、推定速度から推定磁極位置を算出する磁極位置推定部８と、センサ部１の異常を検出するセンサ異常検出部９と、サーボモータ３０を減速させるための減速指令を作成する減速指令作成部１７と、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、速度指令を減速指令に切り換える第４切替器１８と、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、磁極位置を推定磁極位置に切り換える第２切替器１２と、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、速度フィードバックを推定速度に切り換える第３切替器１３と、を具備することを特徴とする。

実施例２に係るサーボ制御装置１０２が実施例１に係るサーボ制御装置１０１と異なっている点は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、位置指令を停止位置指令に切り換える第１切替器１１（図２参照）の代わりに、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、速度指令を減速指令に切り換える第４切替器１８（図４参照）を設けている点である。実施例２に係るサーボ制御装置１０２のその他の構成は、実施例１に係るサーボ制御装置１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

本発明の実施例２に係るサーボ制御装置においては、センサの異常を検出した場合に、速度指令を減速指令に切り換える点を特徴としている。即ち、第４切替器１８は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、速度指令を減速指令に切り換える。第２切替器１２は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、磁極位置を推定磁極位置に切り換える。さらに、第３切替器１３は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検知した場合に、速度フィードバックを推定速度に切り換える。

このように、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出すると、各切替器１１、１２、１８により以下の構成をとる。
（１）磁極位置推定部８が推定速度に基づいて推定磁極位置を算出し、第２切替器１２で切り替えることにより、センサ情報に含まれる検出した磁極位置の代わりに推定磁極位置を使用する。
（２）第３切替器１３において、センサ部１が検出したセンサ情報に含まれる速度の代わりに、推定速度を速度ＦＢとして使用し、その積分を位置ＦＢとして使用する。
（３）第４切替器１８が、位置制御部４からの速度指令の代わりに、減速指令作成部１７により作成される減速指令を使用する。
また、切換え時には、センサ情報からの位相θ₁と推定速度からの位相θ₂に差異が生じている可能性があるため、推定速度に切換えると同時に、位相θ₁の値を推定位相の初期値として使用することが好ましい。

次に、本発明の実施例２に係るサーボ制御装置の動作手順について、図５に示したフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ２０１において、センサ異常検出部９（図４参照）が、センサ部１に異常が生じているか否かを判断する。センサ部１に異常が生じていない場合は、ステップＳ２０２〜Ｓ２１０において、通常のサーボ制御（通常制御）が行われる。一方、センサ部１に異常が生じている場合は、ステップＳ２１１〜Ｓ２１９において、センサレス制御が行われる。

実施例２に係るサーボ制御装置において、ステップＳ２０２〜Ｓ２１０で実行される通常制御は、上述した実施例１に係るサーボ制御装置において、ステップＳ１０２〜Ｓ１１０（図３参照）で実行される通常制御と同様であるので詳細な説明は省略する。

次に、本発明の実施例２に係るサーボ制御装置におけるセンサレス制御について説明する。まず、ステップＳ２１１において、速度推定部７が、電圧情報である電圧指令から速度を推定し、推定速度として出力する。出力された推定速度は第３切替器１３に入力される。ここで、センサレス制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出しているので、ステップＳ２１２において、第３切替器１３は、推定速度を速度ＦＢとして速度制御部５に出力する。

また、ステップＳ２１６において、推定速度は速度ＦＢとして積分器１４に入力されて位置ＦＢとして出力される。そして、ステップＳ２１７において、位置制御部４により位置指令及び位置ＦＢに基づいて位置制御が実行される。さらに、ステップＳ２１５において、減速指令作成部１７が減速指令を第４切替器１８に出力する。ここで、センサレス制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出しているので、第４切替器１８は減速指令作成部１７からの減速指令を速度制御部５に出力する。そして、ステップＳ２１８において、速度制御部５により減速指令及び速度ＦＢに基づいて速度制御が実行される。

また、ステップＳ２１３において、磁極位置推定部８が推定速度に基づいて推定磁極位置を算出する。算出された推定磁極位置は第２切替器１２に入力される。ここで、センサレス制御の場合は、センサ異常検出部９がセンサ部１の異常を検出しているので、第２切替器１２は推定磁極位置を第２座標変換部１６に出力する。次に、ステップＳ２１４において第２座標変換部１６によって３相電流からｄｑ電流へ座標変換が行われる。そして、ステップＳ２１９において、座標変換後の電流は電流ＦＢとして電流制御部６に入力され、電流制御が実行される。以上のようにして、センサレス制御が行われる。

以上説明したように、本発明の実施例２に係るサーボ制御装置によれば、センサ異常時であっても電圧情報からモータ速度を推定し、その値をセンサ情報（位置、速度、磁極位置）の代わりに使用し、速度指令を減速指令に切り換えているので、センサレスで制御停止を行うことが可能なサーボ制御装置を提供することができる。

［実施例３］
次に、本発明の実施例３に係るサーボ制御装置について説明する。図６に本発明の実施例３に係るサーボ制御装置の構成図を示す。本発明の実施例３に係るサーボ制御装置１０３が実施例１に係るサーボ制御装置１０１と異なっている点は、力率を改善するために、推定速度、インダクタンス、及びＱ相電流に基づいて位相補正を行う位相補正部１９をさらに有する点である。実施例３に係るサーボ制御装置１０３のその他の構成は、実施例１に係るサーボ制御装置１０１における構成と同様であるので詳細な説明は省略する。

なお、図６において、電流指令Ｉ_γ及びＩ_δは、それぞれ第１電流制御部６１及び第２電流制御部６２に入力され、電圧指令Ｖ_γ、Ｖ_δを出力する。出力されたＶ_γ、Ｖ_δは、それぞれ、ｄｑ−３相（ｄｑ−３ｐ）変換を行う第１座標変換部１５にｄ相電圧Ｖ_d、ｑ相電圧Ｖ_qとして入力される。

第１座標変換部１５では、ｄ相電圧Ｖ_d、ｑ相電圧Ｖ_qは、センサ部１で検出された角度θを用いて、Ｕ相電圧Ｖ_u、Ｖ相電圧Ｖ_v、及びＷ相電圧Ｖ_wに変換される。Ｖ_u、Ｖ_v、及びＶ_wは、ＰＷＭ制御部２１に入力され、モータ３０を駆動するアンプ２に入力される。

アンプ２に流れるＵ相電流Ｉ_u、Ｖ相電流Ｉ_v、及びＷ相電流Ｉ_wは、３相−ｄｑ（３ｐ−ｄｑ）変換を行う第２座標変換部１６に入力されてＩ_d、Ｉ_qに変換される。変換されたＩ_d、Ｉ_qは、電流フィードバックとして第１加算器６３、第２加算器６４にそれぞれ入力される。さらにＩ_qは位相補正部１９に入力されて下記のように位相補正が行われる。

従来からある電圧情報を用いたセンサレス制御については、Ｖ_γ＝０、Ｉ_γ＝０として制御することが前提とされている。一方、定常状態の電圧方程式は、以下の式で表される。

ただし、Ｌ_dはｄ相のインダクタンス、Ｌ_qはｑ相のインダクタンス、Ｋ_φは係数、ωは速度である。また速度ωは、速度推定部７において、電圧指令Ｖ_δと係数Ｋ_Gからω＝Ｋ_GＶ_δとし算出される。

定常状態を考えると、Ｖ_dにはｑ相電流（Ｉ_q）に依存した以下の成分が本来残る。

Ｖ_d＝０とする制御においては、上記の成分が力率を低下させる要因になり得るため、本成分を補正できれば力率の改善に繋がるといえる。具体的には、図６に示すように推定速度の作成に使用するＶ_γに対し、−ωＬ_qｉ_qを加算し補正するために位相補正部１９をさらに設けている。位相補正部１９から出力された値（−ωＬ_qｉ_q）は、加算器２２に入力される。加算器２２の出力は、係数制御部２３に入力され、係数Ｋ_Gを制御する。

次に、本発明の実施例３に係るサーボ制御装置を用いた場合に得られる効果について説明する。従来技術に従ってセンサを用いた場合における、速度指令の時間的変化を図７（ａ）に示し、モータ速度の時間的変化を図８（ａ）に示し、モータ位相と推定位相の差の時間的変化を図９（ａ）に示す。また、本発明の実施例３に係るサーボ制御装置を用いて、−ωＬ_qｉ_qで補正したセンサレス制御における、速度指令の時間的変化を図７（ｂ）に示し、モータ速度の時間的変化を図８（ｂ）に示し、モータ位相と推定位相の差の時間的変化を図９（ｂ）に示す。なお、力率改善の効果確認のため、一定速での動作中においても推定速度による制御が行われているものとして比較している。

図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、時間１［ｓｅｃ］において、速度指令が１００［ｍ／ｍｉｎ］から０［ｍ／ｍｉｎ］へ変化した例を示している。その結果、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、モータ速度も時刻１［ｓｅｃ］以降において１００［ｍ／ｍｉｎ］から０［ｍ／ｍｉｎ］へ徐々に減少する。一方、図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較してわかるように、モータ位相と推定位相の差を比べると、位相補正を行った制御の方が、位相差が小さいことがわかる。

以上のように、本発明の実施例３に係るサーボ制御装置に従って、位相補正を行うことにより、力率を改善できることがわかる。

なお、インダクタンスＬ_qは、異常検出前の一定速動作時の速度、電流、及び電圧に基づいて推定されることが好ましい。上述のように位相補正により力率を改善できることを示したが、それにはモータ定数であるインダクタンスＬ_qの値が必要となる。制御対象の物理定数がわかるシステムばかりとは限らないため、一般にロバストなシステムを構成するにはモータ定数の変動に依存しないことが望まれる。

一方、インダクタンスＬ_qは上述の式（１）で表される。そのため、センサが正常な時に一定速動作である状態を捕らえて、その時の電圧値、電流値、速度を観測することで、事前にそのシステムのインダクタンスＬ_qを推定することが可能である。この推定したインダクタンスＬ_qを利用することで、上述した力率改善の手法も、物理定数を特定することなく使用することが可能となる。

さらに、電流制御部が出力した電圧情報が、設定した閾値よりも小さい場合には、センサ異常検出部がセンサ部１の異常を検知した場合であっても、制御停止は行なわず、ダイナミックブレーキ（ＤＢ）による停止に切り換えることが好ましい。

電圧情報によるセンサレス制御は、モータ回転中の起電圧を利用していることになる。しかしながら、低速になると起電圧が低下して、正しい磁極位置の推定が困難になることが予想される。このように十分に速度が低下した状態では、運動エネルキーも低下しているので、むしろＤＢによる停止が確実で安全な停止方法と考えられる。具体的には、推定速度がある閾値よりも低下したら、ＤＢ停止に切り替える手段を持たせることが好ましい。

１ センサ部
２ アンプ
３ 磁極位置検出部
４ 位置制御部
５ 速度制御部
６ 電流制御部
７ 速度推定部
８ 磁極位置推定部
９ センサ異常検出部
１０ 停止位置指令作成部
１１ 第１切替器
１２ 第２切替器
１３ 第３切替器
１４ 積分器
１５ 第１座標変換部
１６ 第２座標変換部
１７ 減速指令作成部
１８ 第４切替器
１９ 位相補正部
２０ 上位制御装置
２１ ＰＷＭ制御部
２２ 加算器
２３ 係数制御部
３０ サーボモータ
６１ 第１電流制御部
６２ 第２電流制御部
６３ 第１加算器
６４ 第２加算器

Claims (5)

1. 工作機械又は産業機械におけるサーボモータを制御するサーボ制御装置であって、
   サーボモータの速度を検出し速度フィードバックとして出力するセンサ部と、
   サーボモータを駆動するとともにサーボモータに流れる電流をフィードバックするアンプと、
   サーボモータの磁極位置を検出する磁極位置検出部と、
   サーボモータに対する位置指令及び検出された速度から算出されるサーボモータの位置に基づいて速度指令を出力する位置制御部と、
   前記速度指令及び検出された速度に基づいて電流指令を出力する速度制御部と、
   前記電流指令及び検出された電流に基づいて電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電圧指令に基づいて推定速度を算出する速度推定部と、
   前記推定速度から推定磁極位置を算出する磁極位置推定部と、
   前記センサ部の異常を検出するセンサ異常検出部と、
   サーボモータを停止させるための停止位置指令を作成する停止位置指令作成部と、
   前記センサ異常検出部が前記センサ部の異常を検知した場合に、前記位置指令を前記停止位置指令に切り換える第１切替器と、
   前記センサ異常検出部が前記センサ部の異常を検知した場合に、前記磁極位置を前記推定磁極位置に切り換える第２切替器と、
   前記センサ異常検出部が前記センサ部の異常を検知した場合に、前記速度フィードバックを推定速度に切り換える第３切替器と、
   を具備することを特徴とするサーボ制御装置。
2. 工作機械又は産業機械におけるサーボモータを制御するサーボ制御装置であって、
   サーボモータの速度を検出し速度フィードバックとして出力するセンサ部と、
   サーボモータを駆動するとともにサーボモータに流れる電流をフィードバックするアンプと、
   サーボモータの磁極位置を検出する磁極位置検出部と、
   サーボモータに対する位置指令及び検出された速度から算出されるサーボモータの位置に基づいて速度指令を出力する位置制御部と、
   前記速度指令及び検出された速度に基づいて電流指令を出力する速度制御部と、
   前記電流指令及び検出された電流に基づいて電圧指令を出力する電流制御部と、
   前記電圧指令に基づいて推定速度を算出する速度推定部と、
   前記推定速度から推定磁極位置を算出する磁極位置推定部と、
   前記センサ部の異常を検出するセンサ異常検出部と、
   サーボモータを減速させるための減速指令を作成する減速指令作成部と、
   前記センサ異常検出部が前記センサ部の異常を検知した場合に、前記速度指令を前記減速指令に切り換える第４切替器と、
   前記センサ異常検出部が前記センサ部の異常を検知した場合に、前記磁極位置を前記推定磁極位置に切り換える第２切替器と、
   前記センサ異常検出部が前記センサ部の異常を検知した場合に、前記速度フィードバックを推定速度に切り換える第３切替器と、
   を具備することを特徴とするサーボ制御装置。
3. 力率を改善するために、前記推定速度、インダクタンス、及びＱ相電流に基づいて位相補正を行う位相補正部をさらに有する、請求項１または２に記載のサーボ制御装置。
4. 前記インダクタンスは、異常検出前の一定速動作時の速度、電流、及び電圧に基づいて推定される、請求項３に記載のサーボ制御装置。
5. 前記電流制御部が出力した電圧情報が、設定した閾値よりも小さい場合には、前記センサ異常検出部が異常を検知した場合であっても、制御停止は行なわず、ダイナミックブレーキによる停止に切り換える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のサーボ制御装置。

Images