JP2539412B2 - サ−ボ制御装置 - Google Patents

サ−ボ制御装置

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JP2539412B2 JP62050097A JP5009787A JP2539412B2 JP 2539412 B2 JP2539412 B2 JP 2539412B2 JP 62050097 A JP62050097 A JP 62050097A JP 5009787 A JP5009787 A JP 5009787A JP 2539412 B2 JP2539412 B2 JP 2539412B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はサーボ制御装置に係り、特に平滑な出力トル
クを得るのに好適な制御装置に関する。
〔従来の技術〕
従来からサーボモータにより各種負荷装置を運転する
ことが行なわれている。この場合、負荷装置の速度制御
あるいはトルク制御が必要となれば、負荷装置に速度検
出手段あるいはトルク検出手段を設け、サーボモータを
フィードバック制御するのが一般的である。
さて、最近になって、押し出し装置あるいは、その他
の負荷装置において、これら各種負荷装置の微速度運転
時(運転速度0を含む)における、なめらかな速度制
御、あるいはトルク制御の必要が生じている。このよう
な微速度運転領域においては、各種負荷装置を駆動する
サーボモータの出力軸の1回転以内での速度制御あるい
はトルク制御の制御性あるいは安定性などが新たな技術
課題となる。そこで、このような技術課題に対して、従
来より採用されている速度検出手段、あるいはトルク検
出手段を利用するフィードバック制御を応用し、制御装
置を構成しようとすると、速度検出手段あるいはトルク
検出手段の分解能および各検出手段自身の安定度が問題
となる。なぜなら、このような速度検出手段あるいはト
ルク検出手段は、通常の高速運転領域から微速度運転領
域に渡って、正確な情報を得るため高い分解能を必要と
し、特に微速度運転領域においては、各検出手段の温度
ドリフト、経年変化、運転条件による検出のヒステリシ
スによる影響が大きくなるからである。したがって、こ
のような各種検出手段によりフィードバック制御を考え
ると、制御装置の構成に大きな裕度が必要なばかりでな
く、各種の補償回路も合わせて検討しなければならない
ことから、制御装置が大変複雑となってしまう。
なお、この種の装置として関連するものには、例えば
負荷装置の1回転以内での速度制御に関するものとし
て、特開昭57-36592号が挙げられる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来技術として説明した速度検出手段あるいは、トル
ク検出手段によるフィードバック制御においては、検出
手段の分解能および安定度が必要な水準に保たれれば、
極めて正確な制御を行なうことができる。しかし、現実
には、このように検出手段の各水準を高めることは、装
置が高価となるばかりでなく、各種補償回路を非常に複
雑にしてしまう難点が残る。
そこで本発明の目的は、構成が複雑になるフィードバ
ック制御を採用しなくとも、オープンループ制御によ
り、特に平滑な出力トルクを得ることのできる制御装置
を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的は、サーボモータを運転制御する運転制御手
段と、この運転制御手段の出力に応じて前記サーボモー
タに給電する電力を制御する電力制御手段とを備えるサ
ーボ制御装置において、サーボモータを順次異なった回
転角位置に停止させ、その回転角位置毎に前記運転制御
手段の出力値を取り込み、回転角位置毎のトルクデータ
として所定の記憶手段に格納する処理を実行させる運転
準備手段と、サーボモータの運転時、記憶手段に格納さ
れたトルクデータを読出し、電力制御手段に供給してト
ルクを補償する補償運転手段とを設け、サーボモータの
運転時以外のとき、運転準備手段による処理を実行させ
るようにして達成される。
〔作用〕
例えばサーボモータとして、永久磁石式同期電動機を
採用して、サーボモータ制御システムを構成する場合、
永久磁石式同期電動機は、運転制御手段の指令値に応じ
た正規の発生トルクの外に、永久磁石式同期電動機のロ
ータの回転位置に起因するトルクを発生する。これを第
6図から第10図によって簡単に説明すると、第6図は永
久磁石式同期電動機の内部構造を説明するための断面図
であり、永久磁石式同期電動機はロータ1と、このロー
タ1を取り囲むステータ3より構成され、ロータ1には
永久磁石2が埋め込まれ、また、ステータ3には必要数
のスロット4が設けられ、このスロット4内にはステー
タコイル5が納められている。したがって、ロータ1の
回転に従い、これの磁石2とスロット4の相対位置の変
化に伴い、パーミアンスが変動するため、第7図に示す
ようにスロット4のスロットピッチの周期でコキングト
ルクが発生する。また、ステータ3には第8図に示すよ
うにステータコイル5u,5v,5wが例えばY結線され、サー
ボ制御装置の電流制御系のオフセットなどによる不平衡
トルクが第9図に示すように極ピッチの周期で発生す
る。したがって、正規トルクの他に、コキングトルクと
不平衡トルクが重ね合わされた第10図に示すトルクが発
生し、このトルクにより正規トルクが乱されることにな
る。
さて、このような永久磁石式同期電動機において、ロ
ータ1の回転を止める位置制御を行なうと、サーボ制御
装置は第10図で説明した正規トルク以外のトルクを打消
すトルクを発生し、平衡を保つことになる。このとき、
平衡を保つのに必要なトルク(第10図で説明した正規ト
ルク以外のトルクに相当する逆方向のトルク)を発生す
るため、サーボ制御装置内では、これに相当する制御指
令値が発生していることになる。
そこで、本発明では、サーボモータを順次異なった回
転角位置に停止させ、その回転角位置毎に前記運転制御
手段の出力値を取り込み、回転角位置毎のトルクデータ
として所定の記憶手段に格納する処理を実行させる運転
準備手段を用い、これにより、実際のサーボモータの正
規トルク以外のトルクが記憶手段に格納されるようにし
た上で、サーボモータの運転時、この記憶手段に格納さ
れたトルクデータを読出し、電力制御手段に供給してト
ルクを補償するようにしたので、サーボモータの正規ト
ルク以外のトルクが確実に補償されることになり、この
結果、平滑なトルクが得られるのである。
〔実施例〕
以下、本発明の一つの実施例を第1図、その他により
詳しく説明する。本実施例は先に説明した永久磁石式同
期電動機(以下単にサーボモータ100と言う)により、
このサーボモータ100の速度制御および位置制御を行な
うものである。
すなわち、サーボモータ100には磁極位置検出器110、
およびエンコーダ120が連結され、このサーボモータ100
は運転制御手段200の出力値に応じて動作する電力制御
手段300より給電される三相交流電力により運転され
る。これらサーボモータ100、運転制御手段200、電力制
御手段300などの構成および動作はすでに公知のもので
あるので、概要だけを説明する。まず、電力制御手段30
0は交流電源10より供給される交流電力を整流平滑する
ためのコンバータ回路310と平滑コンデンサ311、直流に
変換した電力を再び交流電力に変換するインバータ回路
312、インバータ回路312の各相の出力電流を検出する電
流検出器313、インバータ回路312を構成する図示しない
例えばトランジスタブリッジ回路を制御するためのベー
ス駆動回路314を備えている。このベース駆動回路314に
は、運転制御手段200より与えられるトルク指令信号と
磁極位置検出器110の磁極位置信号を乗算器315で掛け合
わせて得られる、サーボモータ100のステータコイルに
供給する各相電流の電流基準信号、さらにはこの電流基
準信号と電流検出器313よりの電流帰還信号とを加算器3
16で合算した結果を入力とする電流制御回路317の制御
出力値が入力として与えられる。また、運転制御手段20
0は主にサーボモータ100の位置演算を行なう位置制御系
210と、この位置制御系210の演算結果に応じて、サーボ
モータ100の速度制御(トルク制御)を行なうための速
度制御系220より構成されており、位置制御系210は、例
えば上位のコントローラから受ける位置指令内容を記憶
する指令値レジスタ211、エンコーダ120よりのA,B相あ
るいはZ相信号により動作するカウンター212、カウン
ター212のカウント値より割り出したサーボモータ100の
現在位置を記憶する現在値レジスタ213、両レジスタ21
1,213の差を算出する加算器214、加算器214の算出値に
応じた速度指令信号を発する位置制御回路215より、ま
た、速度制御系220は、位置制御回路215の速度指令信号
とエンコーダ120の信号を受け速度検出回路221により算
出されるサーボモータ100の実際の現運転速度信号との
差信号を算出する加算器222、差信号を入力し、この差
信号に応じたトルク指令信号を出力する速度制御回路22
3、トルク指令信号の上・下限値を制限して先に説明し
た電力制御手段300に与えるトルクリミッター224などよ
りそれぞれ構成されている。このような構成によれば、
指令値レジスタ211と現在値レジスタ213の記憶値に差の
ある限り、サーボモータ100は両記憶値の差がなくなる
ように運転制御される。
さて、400は本実施例の特徴部分を構成するサーボ補
償手段であり、このサーボ補償手段400にはサンプリン
グ手段、記憶手段、補償手段、さらにはこれら各手段を
関連付けて制御する各種制御手段などが含まれている。
すなわち、402,403,404,500はそれぞれアドレスおよび
データバス401を介して連結された中央演算処理装置
(以下CPUと言う)、読み出し専用記憶装置(以下ROMと
言う)、入出力変換装置(以下i/Fと言う)、書き込み
および読み出し記憶装置(以下RAMと言う)である。ま
た、600は速度制御回路223とトルクリミッター224との
間に組み込んだ加算器であり、サーボ補償手段400によ
り演算した結果で速度制御回路223より電力制御手段300
に与えられるトルク指令信号を補償するためのものであ
る。
以下、第2図から第5図を加えてサーボ補償手段400
の構成および動作を詳しく説明する。すなわち、サーボ
補償手段400はCPU402を中核とし、ROM403にあらかじめ
格納した制御プログラムに従い動作するものであり、必
要に応じてデジタル→アナログあるいはアナログ→デジ
タル変換器を含むi/F404を介して図示しない上位コント
ローラおよび運転制御手段200の各構成要素に連結され
る。第2図はRAM500のメモリマップの一例を示すもので
あり、このRAM500上には各種のワークエリア510、およ
び後で詳しく説明するサーボモータ100の各回転位置O
と、この回転位置Oに停止した場合の運転制御手段20
0、すなわち速度制御回路223のトルク指令信号tとの関
連を記憶するテーブルエリア505が割り付けられる。ま
た、ワークエリア510として、上位のコントローラより
の位置指令P*の内容を記憶する指令値記憶エリア501、
現在値レジスタ213よりi/F404を介して読み込んだサー
ボモータ100の現在位置Pに関する内容を記憶する現在
値記憶エリア502、サーボモータ100の1回転以内の回転
角Oを記憶する記憶エリア503、後に詳しく説明するサ
ンプリング動作により得られたトルク指令信号の値を一
時的に記憶する記憶エリア504などが確保される。
次にこのように構成したサーボ制御装置の運転動作に
ついて説明する。まず、図示しない始動スイッチにより
サーボ制御装置が始動されると、サーボ補償手段400のR
OM403内にあらかじめ格納した図示しない始動プログラ
ムが実行され、必要なイニシャライズ処理を行なった後
に第3図に示すメインルーチンが実行される。すなわ
ち、第3図のメインルーチンが実行されると、ステップ
701で図示しないコンソールからの運動種類の判別が行
なわれ、従来通りの通常運転を行なうものと判断される
とメインルーチンは終了し、サーボ補償手段400は不動
作となり、以後、サーボ制御装置は従来通りの運転が行
なわれる。逆に、ステップ701で先の第10図で説明した
トルクを打消すように補償運転を行なうものと判断され
た場合は、次のステップ702で図示しないコンソールか
らの運転種類の判別が行なわれ、これが、サーボモータ
100の運転前の補償すべきトルク指令信号の取り込み
(運転準備)であると判断された場合は第4図で詳しく
説明するトルクデータサンプリングルーチン800に実行
が移る。また、ステップ702で、すでに記憶したトルク
データに基づくサーボモータ100の運転(補償運転)で
あると判断された場合は第5図に示すトルクデータ読み
出しルーチン900に実行が移る。
ステップ702においてトルクデータサンプリングルー
チン800が選択されると、第4図に示す通り、ステップ8
01でサーボモータ100のサンプリング動作の基点となる
べき、回転角0°が記憶エリア503に記憶され、同時に
この回転角0に対応するサーボモータ100の移動指令P*
を演算し、この結果を指令値記憶エリア501に記憶す
る。この時、サーボモータ100に連結した負荷装置によ
る影響が心配される場合は、あらかじめ負荷装置をサー
ボモータ100より切り離す必要がある。さらに、指令値
記憶エリア501に記憶した位置指令P*はi/F404を介して
指令値レジスタ211に記憶される。指令値レジスタ211に
位置指令P*をセットしたことにより、運転制御手段200
はサーボモータ100を所定の位置(回転角0°)まで運
転する。ステップ802でi/F404を介して現在値レジスタ2
13のサーボモータ100の現在位置Pの値が読み込まれ現
在値記憶エリア502に記憶される。また、i/F404を介し
て速度検出回路221より現在のサーボモータ100の現運転
速度信号を読み込む。ステップ803では前ステップ802で
読み込んだ位置指令P*と現在位置Pとの位置偏差が算
出され、この位置偏差0および現運転速度0の確認(サ
ーボモータ100が平衡し停止している状態)が行なわ
れ、これが確認されると次のステップ804が実行され
る。ステップ804ではi/F404を介して速度制御回路223の
出力値、すなわちトルク指令信号tの値が読み込まれ、
次のステップ805でこれが記憶エリア504に格納される。
ステップ806ではカウンターmが繰り上げられる。次の
ステップ807ではカウンターmの値とあらかじめ定めた
定数Mと比較される。これらステップ806,807はトルク
指令信号tの値を複数回(M回)読み込んで読み込み回
数毎に対応付けて記憶エリア504に格納するために利用
される。すなわち、ステップ802よりステップ806までの
トルク指令信号tのサンプリング処理は定数Mで定めた
回数だけ繰返される。ステップ808は複数回(M回)読
み込んで読み込んだトルク指令信号内に異状値があるか
どうか確認するものであり、異状値が発見された場合
は、次のステップ809で記憶エリア504内の全てのトルク
指令信号がクリアされる。同時にカウンターmもクリア
され、再びステップ802以下が実行される。これらのス
テップ808,809はトルク指令信号のサンプリング中に、
何らかの外力(外乱)が加わる恐れが考えられるため、
このような問題を除外するためのものである。ステップ
808で複数回サンプリングしたトルク指令信号t1,t2
…tmの値が十分収束していることが確認されると、次の
ステップ810で複数回サンプリングしたトルク指令信号
の値の平均値が算出され、テーブルエリア505にトルク
補償値Δtとして記憶される。すなわち、このステップ
810では記憶エリア503に記憶した現在のサーボモータ10
0の回転角を参照し、この回転角に対応付けて算出
したトルク指令信号t1,t2……tmの値の平均値をテーブ
ルエリア505に記憶する。ステップ811では記憶エリア50
3の現在の回転角にあらかじめ定めた回転角′が加
えられ、これが新たな回転角として記憶エリア503に
格納される。なお、このステップ811で更新される回転
角の更新幅(回転角′)は、先に第7図、第9図な
どで説明したトルク脈動の周期(極ピッチ、スロットピ
ッチなど)に相当するサーボモータ100の回転角に対
し、十分小さな値に設定している。ステップ812ではス
テップ809と同様、記憶エリア504内のトルク指令信号の
値、およびカウンターmがクリアされる。ステップ813
では先のステップ811で更新した回転角が記憶エリア5
03より読み出され、これがサーボモータ100の1回転
(機械角で360°)に相当する値に達しているかどうか
判断され、1回転に達している場合、このトルクデータ
サンプリングルーチン800より第3図に示したメインル
ーチンに制御が移り一連のサーボ補償手段400の動作は
終了する。逆に、このステップ813でサーボモータ100が
1回転に達していないと判断した場合、次のステップ81
4が実行され、先のステップ811で更新した回転角に対
応するサーボモータ100の位置指令P*を演算し、この結
果を指令値記憶エリア501に記憶し、さらにi/F404を介
して指令値レジスタ211にセットする。指令値レジスタ2
11に新たな位置指令P*がセットされることでサーボモ
ータ100は、ただちに運転制御手段200および電力制御手
段300により、新たな位置指令P*に相当する回転角が得
られるよう運転される。ステップ814の実行後は、すで
に説明したステップ802以下の制御が繰り返し実行され
る。すなわち、このトルクデータサンプリングルーチン
800の実行により、サーボモータ100の1回転に渡って、
あらかじめ定めた回転角′毎にサーボモータ100を停
止した場合の運転制御手段200内のトルク指令信号の値
よりトルク補償値Δtが算出されこの値が、サーボモー
タ100の回転角に対応付けられてデータエリア505に記
録される。
メインルーチンのステップ702において、第5図に示
すトルクデータ読み出しルーチン900が選択された場
合、サーボ制御装置は従来のサーボ制御動作を行なうと
共に、サーボ補償手段400によりステップ901からステッ
プ903の処理を合わせて行なうことになる。すなわち、
サーボ制御装置は基本動作として、上位のコントローラ
より指令値レジスタに位置指令P*を受けると、運転制
御手段200,電力制御手段300を介して指令値レジスタ211
と現在値レジスタ213の値が一致するように従来通りサ
ーボモータ100の運転を行なう。同時に、サーボ補償手
段400はステップ901からステップ903の処理を図示しな
いコンソールより本ルーチンの終了を指令されるまで繰
り返し続けることになる。すなわち、サーボ補償手段40
0はステップ901でi/F404を介して現在値レジスタ213
(あるいはカウンター212)の値を読み込み、この値よ
り現在のサーボモータ100の回転角を算出し、次のス
テップ902でテーブルエリア505より、この回転角との
対応関係によりあらかじめ記憶されているトルク補償値
Δtをi/F404を介して加算器600にトルク補償信号Δt
として送り出す。これら一連の動作により速度制御回路
223より出力されるトルク指令信号tはトルク補償信号
Δtにより補償(補正)されてトルクリミッター224を
介し、電力制御手段300に与えられる。したがって、サ
ーボモータ100からは、トルク補償信号Δtの働きによ
り先に第10図で説明した正規トルク以外のトルクが打消
され、正規トルクだけが出力されることになる。
このように実施例のサーボ制御装置によるサーボモー
タ100の運転においては、トルク検出手段などを設けフ
ィードバック制御を行なわなくとも、オープンループ制
御で正規トルク以外のトルクを含まない、極めて平滑な
トルク出力を得ることができる。また、サーボ制御装置
内の各系において、オフセット、温度ドリフト、経年変
化などが生じた場合、あるいは生じる恐があるような場
合は、第4図で説明したトルクデータサンプリングルー
チン800を定期的に、あるいは、必要な予備運転を行な
った後に再実行することにより、常に最新のトルク補償
データ(トルク補償信号Δt)を基にサーボモータ100
の運転を行なうことができる。さらに、従来のサーボ制
御装置においては、平滑な出力トルクを得るため、装置
内の各系を細かに調整する必要があったが、実施例にお
いては必要な補正値をあらかじめサンプリングすること
になるので各種調整の裕度が広がり、装置の調整作業が
簡単になる。
なお、実施例においてはサーボモータ100として永久
磁石式同期電動機の例を示したが、本発明においては、
この他の同期あるいは非同期の電動機を駆動するための
サーボ制御系に応用してゆくことができる。また、実施
例においては、サーボモータ100より負荷機械を切り離
し、サーボモータ100を含む制御系自身のアンバランス
量をサンプリングしたが、これはサーボモータ100の回
転と1対1に連結されるファン、プロペラ、その他の回
転体などによる機械系のアンバランス量も合わせてサン
プリグし、この値を基にサーボモータ100の運転を行な
うこともできる。また、実施例においては、スロットピ
ッチの周期で生じるトルク脈動を取り除くため、このス
ロットピッチに相当する回転角より十分小さな回転角毎
にサンプリングを行なったが、極ピッチによるトルク脈
動を取り除くだけで十分であれば、極ピッチに相当する
サーボモータ100のロータの回転角より小さな回転角度
にサンプリングを行なうことができる。
さらに、実施例においては運転制御手段200内に各種
レジスタ211,213あるいはカウンタ212を設け、また、加
減算処理その他の演算処理を加算器あるいは各種回路に
より各種信号の処理を行なったが、これらはCPU402,ROM
403,RAM500などを利用する各種データの演算処理として
必要な制御を行なうことができる。また、この場合は、
各種のレジスタとRAM500内のワークエリアを共用するこ
とも可能となり、上位コントローラより直接i/F404を介
して各種指令信号を受け取ることもできる。なお、実施
例においては、サンプリング処理により得られたテーブ
ルエリア505内のデータを不揮発性の記憶手段、例えば
バブルメモリ、EPROM、さらにはバックアップ電源を備
えたRAMなどに記憶することもできる。
また、上記実施例では、第3図に示すように、ステッ
プ701で補償運転を行なうか否かを判別する処理が設け
てあるので、サーボモータが高速回転速度で運転されて
いるときには、ステップ900による処理も含めて、ステ
ップ800による処理を行なわないで、通常運転を行なわ
せることができる。
そして、このようにしてやることにより、特にトルク
を平滑化する必要の無い高速運転時には、CPU402の補償
処理を不要にすることができ、この結果、ソフト処理が
簡単になる上、高速運転時での応答性を改善することが
できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、サーボモータの運転制
御をする運転制御手段と、この運転制御手段の出力に応
じてサーボモータに給電する電力を制御する電力制御手
段とを備えるサーボ制御装置において、サーボモータの
各回転位置と、該回転位置に停止した場合の運転制御手
段の出力値との対応関係を記憶する記憶手段と、サーボ
モータの運転時に、記憶手段よりサーボモータの各回転
位置に対応する記憶値を読み出し、電力制御手段に与え
る補償手段とを設けたことを特徴とするサーボ制御装置
を提供するものであり、本発明によればサーボモータの
微速度運転領域においても平滑な出力トルクを得ること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一つの実施例を示すシステムブロック
図、第2図は実施例の記憶装置の構成を説明するための
メモリマップ、第3図、第4図、第5図はそれぞれ実施
例のサーボ補償手段の動作を説明するためのフローチャ
ート、第6図は実施例に使用するサーボモータの構造を
説明するための断面図、第7図はスロットピッチに応じ
て発生するコキングトルクの例を示す図、第8図はサー
ボモータのステータコイルの結線例を示す図、第9図は
極ピッチに応じて発生するトルクの例を示す図、第10図
は正規トルク以外に発生するトルクの例を示す図であ
る。 100……サーボモータ、200……運転制御手段、300……
電力制御手段、400……補償手段、500……記憶手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横田 雅之 習志野市東習志野7丁目1番1号 株式 会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 中川 一幸 習志野市東習志野7丁目1番1号 日立 京葉エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−46790(JP,A) 特開 昭59−172989(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】サーボモータを運転制御する運転制御手段
    と、この運転制御手段の出力に応じて前記サーボモータ
    に給電する電力を制御する電力制御手段とを備えるサー
    ボ制御装置において、 前記サーボモータを順次異なった回転角位置に停止さ
    せ、その回転角位置毎に前記運転制御手段の出力値を取
    り込み、回転角位置毎のトルクデータとして所定の記憶
    手段に格納する処理を実行させる運転準備手段と、 前記サーボモータの運転時、前記記憶手段に格納された
    トルクデータを読出し、前記電力制御手段に供給してト
    ルクを補償する補償運転手段とを設け、 前記サーボモータの運転時以外のとき、前記運転準備手
    段による処理を実行させるように構成したことを特徴と
    するサーボ制御装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、 前記運転準備手段による前記運転制御手段の出力値の取
    り込みが前記回転角位置のそれぞれ毎に複数回実行さ
    れ、それらの平均値が前記トルクデータとして前記記憶
    手段に格納されるように構成されていることを特徴とす
    るサーボ制御装置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項において、 前記記憶手段が不揮発性の記憶手段で構成されているこ
    とを特徴とするサーボ制御装置。
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JPS6046790A (ja) * 1983-08-23 1985-03-13 Fanuc Ltd 誘導電動機の速度制御方式

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