JP3630103B2 - サーボ制御システムの故障検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、サーボ制御システムにおいて、サーボモータに流れる電流を検出する電流センサ等の故障検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サーボ制御システムは、サーボモータに流れる電流を電流センサにより検出して該検出電流値をフィードバックして制御を実行している。ここで、例えば、電流センサが実際に流れている電流値よりも小さな電流を検出すると、制御指令部は所望の電流値が流れていないと認識し、より大きな電流をサーボモータに流そうとするので、正確な制御が困難となる。
【０００３】
かかる不具合を防ぐために、従来から電流センサ等が正常か否かを判定して、サーボ制御システムの誤動作を防止することが特開平６−２５３５８５号公報に記載されているように成されている。
該公報には、サーボモータに流れる３相電流Ｕ、Ｖ、Ｗ相を三つの電流センサにより検出して、検出されたＵ、Ｖ、Ｗ相の電流値のベクトル和がゼロか否かで電流センサの故障判定を成すものが記載されている。
かかる技術によれば、サーボモータに流れる電流値を推定することなく、簡易に電流センサの異常が検出できるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、サーボモータに流れる二相の電流、例えばＶ、Ｗ相の電流Ｉｖ，Ｉｗのみを二つの電流センサにより検出し、三相の電流のベクトル和がゼロという関係から検出していない残りのＵ相の電流値Ｉｕを推定する、二相電流検出タイプが簡易な構成のために採用されている。
しかしながら、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の電流値の合計がゼロによりＵ相の電流値Ｉｕを推定するので、電流センサの異常時でも前記電流値の合計がゼロになる。したがって、電流センサの異常が検出できないという問題点があった。
【０００５】
この発明は、サーボモータに流れる２相の電流検出を成す電流センサの故障を簡易に検出するサーボ制御システムの故障検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段、発明の作用及び効果】
第１の発明に係るサーボ制御システムの故障検出装置は、第１から第３相からなる三相のモータと、該モータに可変電圧、可変周波数を印加する可変電圧印加手段と、上記モータの回転子の回転した角度を検出する角度検出手段と、該角度検出手段により検出された角度値に基づいて上記モータがトルクを発生しないように、上記可変電圧印加手段に対して有限の電圧の指令を開ループにより発生する指令手段と、該指令手段からの上記電圧指令に基づく上記可変電圧印加手段を動作して上記モータの第１から第３相に電圧を印加させることにより上記モータに流れる第１相、第２相の各電流を検出する第１及び第２の電流検出手段と、上記第１の電流検出手段により検出された第１の電流値と第２相の印加電圧値との積である第１の乗算値を求め、上記第２の電流検出手段により検出された第２の電流値と第１相の印加電圧値との積である第２の乗算値を求め、上記第１の乗算値と上記第２の乗算値との差が所定値以内かを判断すると共に、該所定値を越えると異常信号を発生する判断手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
かかる故障検出装置によれば、角度検出手段の角度検出値に基づいて指令手段からモータがトルクを発生しない開ループ指令を与えることにより、可変電圧印加手段は、有限の電圧を発生し、判断手段は、第１の電流検出手段により検出された第１の電流値と第１相の印加電圧値との積である第１の乗算値を求め、第２の電流値と第２相の印加電圧値との積である第２の乗算値とを求め、第１の乗算値と第２の乗算値との差が所定値以内かを判断すると共に、該所定値を越えると異常信号を発生する。したがって、三相のモータの二相に流れる電流を検出する第１及び第２の電流検出手段の異常を簡易な構成で検出できるという効果がある。
【０００８】
第２の発明に係るサーボ制御システムの故障検出装置は、回転角度検出手段の角度値に基づいて磁極位置θを演算する磁極位置演算手段を有しており、モータがトルクを発生しない電圧は、Ａを定数とすると、第１相がＡｓｉｎ（θ＋２７０°），第２相がＡｓｉｎ（θ＋１５０°），第３相がＡｓｉｎ（θ＋３０°）である、ことを特徴とするものである。
かかる故障検出装置によれば、可変電圧印加手段は第１相がＡｓｉｎ（θ＋２７０°）、第２相がＡｓｉｎ（θ＋１５０°），第３相がＡｓｉｎ（θ＋３０°）の電圧を印加するので、定数Ａが一定の場合には、第１及び第２の電流検出手段はモータに流れる直流電流を検出して、判断手段は該直流電流値などに基づいて異常か否かを判断すれば良い。したがって、直流電流のため定常状態において時間の概念がないので、判断手段が簡易になるという効果がある。
【０００９】
第３の発明に係るサーボ制御システムの故障検出装置は、第１及び第２の電流検出手段の第１、第２の電流値が一定になったことを判断する一定値判断手段を有しており、該一定値判断手段により一定と判断された後に判断手段を実行する、ことを特徴とするものである。
かかる故障検出装置によれば、一定値判断手段は第１、第２の電流値が一定になったことを判断して一定の場合に限り、判断手段を実行するので、第１、第２の電流値の過渡現象を考慮することなく、第１及び第２の電流検出手段の異常を簡易に検出できるという効果がある。
【００１０】
第４の発明に係るサーボ制御システムの故障検出装置は、上記モータの第１の磁極位置θ_１に基づく上記可変電圧印加手段から印加される最大電圧値を基準として、上記モータの第２の上記磁極位置θ_２に基づいて上記最大電圧値よりも、予め定められた所定値に低下することを判断する磁極位置判断手段と、この磁極位置判断手段により上記所定値よりも低下すると判断された場合には、上記所定値よりも高くなるよう上記モータを回転するモータ駆動手段と、を備えたことを特徴とするものである。
かかる故障検出装置によれば、モータの磁極位置に基づく可変電圧印加手段からの電圧値が低下する場合には、これを磁極位置判断手段により判断してモータ駆動手段により可変電圧印加手段の電圧値が所定値よりも高くなるようモータを回転させる。したがって、可変電圧印加手段の電圧値を所定値以上にしてモータに印加するので、第１及び第２の電流検出手段に流れる電流が所定値よりも低下することがなくなり、第１及び第２の電流検出手段の故障を精度良く検出できるという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
この発明の一実施の形態を図１によって説明する。図１はこの発明の一実施の形態によるサーボ制御システムの全体構成図である。
図１において、サーボ制御システムは、三相のサーボモータ１０をサーボ制御装置２０に駆動制御することによりサーボモータ１０の回転子の回転した角度Θをエンコーダ１２によって検出してサーボ制御装置２０にフィードバックされるように形成されている。
【００１２】
サーボ制御装置２０は、サーボモータ１０の位置情報および指令電流値をもとに電圧指令を生成する電流制御指令部２１と、電流制御指令部２１の制御電圧指令値に基づいて直流母線電圧Ｅｄを所望の電圧に変換するＰＷＭインバータ２５と、サーボモータ１０のＶ相、Ｗ相に流れる電流Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを検出する電流センサ２７ｖ，２７ｗと、サーボモータ１０の回転した角度Θをエンコーダ１２により検出してサーボモータ１０の磁極位置θを算出し、該磁極位置θに応じた電圧指令をＰＷＭインバータ２５に与えてサーボモータ１０に流れる電流Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを検出する電流センサ２７ｖ，２７ｗが正常か否かを判定する電流センサ２７ｖ，２７ｗの故障検出手段３０と、電流制御指令部２１と故障検出手段３０との切換えを成すスイッチＳＷ１を有する指令スイッチ２３と、電流センサ２７ｖ，２７ｗからの電流を電流制御指令回路２１と故障検出手段３０とに切換えると共に、スイッチＳＷ１１〜ＳＷ１３を有する入力スイッチ２９とを備えている。
【００１３】
故障検出手段３０は、電流センサ２７ｖ，２７ｗの検出した電流値と、エンコーダ１２からの回転した角度Θとを取り込む入力Ｉ／Ｆ３２、周知のＣＰＵ３４、ＲＯＭ３６、ＲＡＭ３８、出力Ｉ／Ｆ３９を内蔵している。ＲＯＭ３６はＣＰＵ３４により実行されるべき制御プログラム、即ち、後述する図２のフローチャートに相当するプログラムが記憶されており、ＲＡＭ３８はＣＰＵ３４に作業領域を提供するように形成されている。
【００１４】
故障検出手段３０からＰＷＭインバータ２５への電圧指令は、サーボモータ１０が停止中にサーボモータ１０に電圧が印加されても、サーボモータ１０が回転しないよう下式の電圧が印加されるように形成されている。
Ｖ_ｕ ＝ Ａｓｉｎ（θ＋ ２７０°）
Ｖ_ｖ ＝ Ａｓｉｎ（θ＋ １５０°）・・・・（１）
Ｖ_ｗ ＝ Ａｓｉｎ（θ＋３０°）
ここに、Ａ：定数、θ：磁極の位置（界磁の角度）
ここで、定数Ａは、例えばサーボモータ１０に定格電流値を流すための印加電圧値が適当である。これは、電流センサ２７ｖ，２７ｗの検出精度の向上を図るためである。
【００１５】
以下に、前記（１）式に示す電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗがサーボモータ１０に印加されても回転子が回転しない、すなわち、トルクが発生しないことを証明する。
まず、サーボモータ１０の電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを表す電圧方程式を各相毎に示すと下式となる。
Ｖ_ｕ＝（Ｒ＋ｐＬ＋０．５ｐＭ）Ｉ_ｕ＋Ｅ_ｕ
Ｖ_ｖ＝（Ｒ＋ｐＬ＋０．５ｐＭ）Ｉ_ｖ＋Ｅ_ｖ ・・・・・（２）
Ｖ_ｗ＝（Ｒ＋ｐＬ＋０．５ｐＭ）Ｉ_ｗ＋Ｅ_ｗ
ここで、ｐ：ｄ／ｄｔで時間に関する微分演算子
Ｍ：サーボモータ１０のコイル間の相互インダクタンス（Ｈ）
Ｅ_ｕ，Ｅ_ｖ，Ｅ_ｗ：速度起電力（Ｖ）
Ｌ：サーボモータ１０の自己インダクタンス（Ｈ）
Ｒ：サーボモータ１０の巻線抵抗（Ω）
なお、前記（２）式における速度起電力Ｅ_ｕ，Ｅ_ｖ，Ｅ_ｗについては前記（１）で定数Ａを一定とした直流電圧をサーボモータ１０に印加しても、サーボモータ１０が回転子しないためＥ_ｕ、Ｅ_ｖ、Ｅ_ｗ＝０となる。
【００１６】
前記（２）式の電圧印加の開始時間を０として、時間ｔにおけるＵ、Ｖ、Ｗ相の電流値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗは下式となる。
Ｉ_ｕ ＝Ｖ_ｕ・（１−ε^{− ｔ ／τ} ）／Ｒ＝Ａ・Ｂｓｉｎ（θ＋２７０°）／Ｒ
Ｉ_ｖ ＝Ｖ_ｖ・（１−ε^{− ｔ ／τ} ）／Ｒ＝Ａ・Ｂｓｉｎ（θ＋１５０°）／Ｒ・・・・（３）
Ｉ_ｗ ＝Ｖ_ｗ・（１−ε^{− ｔ ／τ} ）／Ｒ＝Ａ・Ｂｓｉｎ（θ＋ ３０°）／Ｒ
ここで、τ：（Ｌ＋０．５Ｍ）／Ｒ
Ｂ：１−ε^{− ｔ ／τ}
【００１７】
電圧Ｖ_ｕ，Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗを印加して電流値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗがほぼ一定になる時間は、およそ３τとなり、一般に数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ程度である。したがって、時間３τを経過後の電流値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗは下式とみなすことができる。
Ｉ_ｕ ＝Ｖ_ｕ／Ｒ＝Ａｓｉｎ（θ＋２７０°）／Ｒ
Ｉ_ｖ ＝Ｖ_ｖ／Ｒ＝Ａｓｉｎ（θ＋１５０°）／Ｒ ・・・・・（４）
Ｉ_ｗ ＝Ｖ_ｗ／Ｒ＝Ａｓｉｎ（θ＋ ３０°）／Ｒ
【００１８】
一方、サーボモータ１０が発生するトルクＴは、文献「ＡＣサーボシステムの理論と設計の実際」杉本英彦等著、総合電子出版社、１９９０年発行の第２０頁（２．２３）式によれば下式となる。
Ｔ＝Ｋ・｛−Ｉ_ｕ ｓｉｎθ_ｒｅ−Ｉ_ｖｓｉｎ（θ_ｒｅ−１２０°）−Ｉ_ｗｓｉｎ （θ_ｒｅ＋１２０°）｝・・（５）
ここに Ｋ：トルク定数で、ｚ・Φ_ｆａ
ｚ：極対数、Φ_ｆａ：電機子巻線鎖交磁束数
θ_ｒｅ：磁極の位置（界磁の角度）
この実施の形態による磁極の位置θと、前記文献（第１３頁、図２．２記載のθ_ｒｅ）の磁極の位置θ_ｒｅとを一致させるためにθ_ｒｅ→θ＋１８０°すると、下式となる。
Ｔ＝Ｋ｛−Ｉ_ｕ ｓｉｎ（θ＋１８０°）−Ｉ_ｖ ｓｉｎ（θ＋６０°）−Ｉ_ｗ ｓｉｎ（θ＋３００°）｝・（６）
【００１９】
前記（３）式を前記（６）式に代入して計算すると、Ｃ＝（Ａ・Ｂ）／Ｒとすれば、トルクＴは下式の通りゼロとなる。
Ｔ＝Ｋ・Ｃ｛−ｓｉｎ（θ＋１８０°） ｓｉｎ（θ＋２７０°）−ｓｉｎ（θ＋６０°）ｓｉｎ（θ＋１５０°）−ｓｉｎ（θ＋３００°）Ａｓｉｎ（θ＋ ３０°）｝＝０・・・・（７）
すなわち、電流センサ２７ｖ，２７ｗの故障検出を実行している間にサーボモータ１０は回転しないこと、即ち、停止していることが証明されたのである。
【００２０】
前記のように構成されたサーボ制御システムの故障検出装置の動作を図１及び図２よって説明する。図２は図１による故障検出装置の動作を示すフローチャートである。
サーボモータ１０の起動時において、入力スイッチ２３のＳＷ１をｂ端子、出力スイッチ２９のＳＷ１１〜ＳＷ１３をａ側端子にそれぞれ投入して電流センサ２７ｖ，２７ｗの故障検出モードに移行する。
【００２１】
ＣＰＵ３４は、入力Ｉ／Ｆ３２を介してエンコーダ１２からのサーボモータ１０の回転した角度Θを読み込み、サーボモータ１０の磁極位置θを角度Θ×サーボモータ１０の極対数によって演算し、磁極位置θをＲＡＭ３８に記憶し（ステップＳ１０１）、サーボモータ１０の磁極位置θによっては、サーボモータ１０の印加電圧が低下して、電流検出器２７ｖ，２７ｗの故障検出精度が低下するので、前記（１）式における電圧Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗの最大値から±０．１倍以下なる磁極位置θか否かを次のように判断する。即ち、２４．３°≦θ≦３５．７°，２０４．３°≦θ≦２１５．７，°１４４．３°≦θ≦１５５．７°，３２４．３°≦θ≦３３５．７°か否かを判定する（ステップＳ１０３）。サーボモータ１０の磁極位置θが前記角度範囲を満たさなければ、電圧Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗの最大値から±０．１以上であるので、ＣＰＵ３４は、前記（１）式に磁極位置θを代入して電圧指令を求め、該電圧指令を出力Ｉ／Ｆ３９から指令スイッチ２３を介してＰＷＭインバータ２５に与え、ＰＷＭインバータ２５が前記電圧指令により定まる電圧をサーボモータ１０に印加する（ステップＳ１０５）。
一方、サーボモータがステップＳ１０３における前記角度範囲を満たさせば、ＣＰＵ３４は、現在の磁極位置から前記角度範囲を満たさないように回転角度指令を生成してＰＷＭインバータ２５を介してサーボモータ１０を前記回転角度指令の位置まで回転させて（ステップＳ１０４）、前記ステップＳ１０５を実行する。
【００２２】
したがって、サーボモータ１０はトルクを発生しないような直流電圧が印加されているので、前記（３）式で定まる電流Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗが流れ、ＣＰＵ３４は、電圧を印加してから所定時間経過した後の電流センサ２７ｖ，２７ｗからの電流をスイッチ２９から入力Ｉ／Ｆ３２を介して電流値Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗを所定の時間継続して検出する（ステップＳ１０７）。
ここで、電流値Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗの比は前記（４）式よりサーボモータ１０に印加する電圧Ｖ_ｖ，Ｖ_ｗに等しい。すなわち、Ｉ_ｖ：Ｉ_ｗ＝Ｖ_ｖ：Ｖ_ｗとなり下式が成立する。
Ｉ_ｖ×Ｖ_ｗ−Ｉ_ｗ×Ｖ_ｖ＝０・・・・（８）
この（８）式は、各電流センサ２７ｖ，２７ｗなどにバラツキがないという前提の式なので、バラツキの許容値をδとしてＣＰＵ３４は、Ｊ＝｜Ｉ_ｖ×Ｖ_ｗ−Ｉ_ｗ×Ｖ_ｖ｜を演算し、すなわち、第１の電流値Ｉ_ｖと第２相の印加電圧値Ｖ_ｗとの積となる第１の乗算値を求め、第２の電流値Ｉ_ｗと第１相の印加電圧値Ｖ_ｖとの積となる第２の乗算値を求めて、第１の乗算値と第２の乗算値の差を求め、（ステップＳ１１１）、該差Ｊが予め定められた許容値δと比較、すなわち、Ｊ＞δか否か判断する（ステップＳ１１３）。
【００２３】
Ｊ≦δであれば、ＣＰＵ３４は、電流センサ２７ｖ，２７ｗ等に異常がないものと判断してスイッチ２３のＳＷ１をａ側に投入し、スイッチ２９のＳＷ１１〜ＳＷ１３をｂ側に投入して通常動作モードに移行し、電流制御指令部２１は、ＰＷＭインバータ２５を制御してサーボモータ１０を駆動する（ステップＳ１１５）。
一方、ＣＰＵ３４は、Ｊ＞δであれば、電流センサ２７ｖ，２７ｗこれに関連する回路、配線などに異常が生じたと判断してアラーム表示（図示せず）することにより作業者に知らせる（ステップＳ１１７）。
【００２４】
かかる実施の形態による故障検出手段３０は、サーボモータ１０の二相に流れる電流を電流センサ２７ｖ，２７ｗにより検出することにより、電流センサ２７ｖ，２７ｗなどの異常を検出できる。
しかも、故障検出手段３０は、サーボモータ１０の巻線抵抗、自己インダクタンス、コイル間の相互インダクタンスに基づいてサーボモータ１０に流れる電流を推定することなく、電流センサ２７ｖ，２７ｗなどの異常を検出できる。したがって、サーボモータ１０における巻線抵抗の温度変動、サーボモータ１０とサーボ制御装置２０との配線ケーブルなどの自己インダクタンスの変動などによる影響を受けることもなく、電流センサ２７ｖ，２７ｗなどの故障を検出できるものである。
さらに、故障検出手段３０はステップＳ１０９において、電流センサ２７ｖ，２７ｗにより検出した電流値が一定になった後に、電流センサ２７ｖ，２７ｗなどの異常を判断するので、検出電流値の過渡現象を考慮することなく、電流センサ２７ｖ，２７ｗの故障の判定が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態によるサーボ制御システムの故障検出装置の全体を示すブロック図である。
【図２】図１に示す故障検出装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ サーボモータ（三相のモータ）、１２ エンコーダ（角度検出手段）、２５ ＰＷＭインバータ（可変電圧印加手段）、２７ｖ 電流センサ（第１の電流検出手段）、２７ｗ 電流センサ（第２の電流検出手段）、３０ 故障検出手段。

Claims (4)

1. 第１から第３相を有する三相のモータと、
   該モータに可変電圧、可変周波数を印加する可変電圧印加手段と、
   上記モータの回転子の回転した角度を検出する角度検出手段と、
   該角度検出手段により検出された角度値に基づいて上記モータがトルクを発生しないように、上記可変電圧印加手段に対して有限の電圧指令を開ループにより発生する指令手段と、
   該指令手段からの上記電圧指令に基づく上記可変電圧印加手段を動作して上記モータの第１から第３相に電圧を印加させることにより上記モータに流れる第１相、第２相の各電流を検出する第１及び第２の電流検出手段と、
   上記第１の電流検出手段により検出された第１の電流値と上記第２相の印加電圧値との積である第１の乗算値を求め、上記第２の電流検出手段により検出された第２の電流値と上記第１相の印加電圧値との積である第２の乗算値とを求め、上記第１の乗算値と上記第２の乗算値との差が所定値以内かを判断すると共に、該所定値を越えると異常信号を発生する判断手段と、
   を備えたことを特徴とするサーボ制御システムの故障検出装置。
2. 上記角度検出手段の角度値に基づいて磁極位置θを演算する磁極位置演算手段を有しており、
   上記モータがトルクを発生しない電圧は、Ａを定数とすると、第１相がＡｓｉｎ（θ＋２７０°），第２相がＡｓｉｎ（θ＋１５０°），第３相がＡｓｉｎ（θ＋３０°）である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のサーボ制御システムの故障検出装置。
3. 上記第１及び第２の電流検出手段の第１、第２の電流値が一定になったことを判断する一定値判断手段を有しており、
   該一定値判断手段により一定と判断された後に上記判断手段を実行する、
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載のサーボ制御システムの故障検出装置。
4. 上記モータの第１の磁極位置θ_１に基づく上記可変電圧印加手段から印加される最大電圧値を基準として、上記モータの第２の上記磁極位置θ_２に基づいて上記最大電圧値よりも、予め定められた所定値に低下することを判断する磁極位置判断手段と、
   この磁極位置判断手段により上記所定値よりも低下すると判断された場合には、上記所定値よりも高くなるように上記モータを回転するモータ駆動手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載のサーボ制御システムの故障検出装置。

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