JP4045028B2 - サーボモータの減磁検査方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、サーボモータに用いられる永久磁石の減磁を容易且つ短時間に検査することが可能なサーボモータの減磁検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、サーボモータとして構成される電磁力モータには、固定子（ステータ）または回転子｛ロータ（回転型サーボモータの場合）｝、摺動子｛スライダ（リニアサーボモータの場合）｝、若しくは振動子｛バイブレータ（振動型サーボモータの場合）｝に永久磁石が広範に用いられている。
【０００３】
ところで、永久磁石には、温度、湿度、衝撃等の外的要因により磁力の低下（減磁）が生じる場合がある。例えば、回転型サーボモータにおいては、減磁が生じると該サーボモータのトルク定数が低下するため、任意のトルク電流に対する所望のトルクが得られなくなる。このような減磁を検査する従来例に係る方法として、以下に示す技術が用いられている。
【０００４】
すなわち、サーボモータに対して位置制御または速度制御を行う場合、減磁の影響が、位置指令または速度指令に対する追従異常という形で現れることを利用して減磁の検査を行う技術である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、位置指令または速度指令に対する追従異常に基づいて減磁の検査を行うため、サーボモータに対してトルク制御を行う場合にはこの技術を適用することができない。
【０００６】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、サーボモータに対する減磁の検査を容易且つ短時間に行うことを可能とするサーボモータの減磁検査方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、サーボモータの回転子に用いられる永久磁石の減磁を検査する方法であって、前記サーボモータに供給されるトルク電流値Ｉ、該サーボモータに発生する摩擦力μ及び該サーボモータの前記回転子の加速度αを求め、これらのトルク電流値Ｉ、摩擦力μ及び加速度α、並びに該サーボモータに固有の値として既定されているトルク定数Ｋ及びイナーシャｍ０に基づき該サーボモータの外乱値ＦをＦ＝Ｋ×Ｉ−ｍ０×α−μとして得る工程と、得られた外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかに基づいて、前記永久磁石に減磁が生じているかどうかの判定を行う工程とを経て、前記サーボモータの前記回転子に用いられる前記永久磁石の減磁を検査するようにしている。
【０００８】
この場合、前記トルク電流値、摩擦力及び加速度は、任意の速度計画またはトルク計画に基づいてサーボモータを駆動しながら計算によって求めることができるため、減磁の検査を容易且つ短時間に行うことが可能である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１０】
まず、この発明の一実施の形態が適用されたサーボモータ駆動システム１０について、図１を参照して説明する。
【００１１】
このサーボモータ駆動システム１０は、基本的には、サーボモータ２０と、このサーボモータ２０を駆動制御するとともに減磁検査装置として機能する制御装置４０とから構成されている。なお、このサーボモータ駆動システム１０では、サーボモータ２０としてＡＣサーボモータを用いている。
【００１２】
ここで、サーボモータ２０は、基本的には、回転軸２１を有する回転子２２と、この回転子２２を取り囲むように配された固定子３０とから構成されている。
【００１３】
回転子２２は、９０°間隔で配された４つの磁石２４ａ〜２４ｄを有する。具体的には、前記磁石２４ａ〜２４ｄは、その外側（固定子３０側）の端部が回転子２２の回転方向に対して互いに９０°ずつ離れるとともに、該外側の端部が交互にＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極となるように配されている。実際には、磁石２４ａ、２４ｃの外側の端部がＮ極となり、磁石２４ｂ、２４ｄの外側の端部がＳ極となる。回転子２２の回転軸２１には、該回転子２２の回転角度、言い換えれば、前記磁石２４ａ〜２４ｄの位置（磁極位置Ｐｍ）を検出する磁極位置検出器（エンコーダ、レゾルバ等）２６が取り付けられている。
【００１４】
サーボモータ２０の固定子３０は、１２０°間隔で配された３つのコイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗを有する。これらのコイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗは、ケーブル３４ｕ、３４ｖ、３４ｗを介して後述するインバータ４６と接続されており、該インバータ４６から前記コイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに対して、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流が供給される。また、ケーブル３４ｕ、３４ｖには、それぞれ、電流センサ３８ｕ、３８ｖが取り付けられており、これらの電流センサ３８ｕ、３８ｖによって、前記ケーブル３４ｕ、３４ｖを介して前記インバータ４６からコイル３２ｕ、３２ｖに供給されるＵ相及びＶ相の交流電流の電流値Ｉｕ及びＩｖが検出される。Ｗ相の交流電流の電流値Ｉｗは、前記電流値Ｉｕ及びＩｖから求められる。さらに、サーボモータ２０に発生するトルクを示すトルク電流値Ｉは、前記電流値Ｉｕ、Ｉｖ及びＩｗから求められる。
【００１５】
一方、制御装置４０は、前記磁極位置検出器２６からの磁極位置Ｐｍと、前記電流センサ３８ｕ、３８ｖからの電流値Ｉｕ及びＩｖとに基づいて、サーボモータ２０に発生させるトルクの大きさを決定する電流指令値Ｉ０を求めるコントローラ４２と、このコントローラ４２からの電流指令値Ｉ０と前記磁極位置検出器２６からの磁極位置Ｐｍとに基づいて、パルス列を有する交流電流信号Ｓｐを出力するＰＷＭ発生回路４４と、このＰＷＭ発生回路４４からの交流電流信号Ｓｐに基づく三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電流を前記コイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに供給するインバータ４６とを有する。
【００１６】
次に、サーボモータ駆動システム１０の動作について説明する。
【００１７】
コントローラ４２は、磁極位置検出器２６からの磁極位置Ｐｍと、電流センサ３８ｕ、３８ｖからの電流値Ｉｕ及びＩｖとに基づいて、電流指令値Ｉ０を求める。ＰＷＭ発生回路４４は、前記コントローラ４２からの電流指令値Ｉ０と前記磁極位置検出器２６からの磁極位置Ｐｍとに基づいて、パルス列を有する交流電流信号Ｓｐを出力する。インバータ４６は、前記ＰＷＭ発生回路４４からの交流電流信号Ｓｐに基づく三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電流をコイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに供給する。サーボモータ２０の回転子２２は、前記三相の交流電流の電流値に基づくトルクを発生して回転する。
【００１８】
次に、サーボモータ２０の減磁の検査方法について説明する。
【００１９】
本実施の形態では、サーボモータ２０を所定の速度計画またはトルク計画に基づいて駆動し、その際に該サーボモータ２０の外乱値を算出することによって減磁の検査が行われる。
【００２０】
まず、次の（１）式で表されるサーボモータ２０の運動方程式を求める。
【００２１】
Ｋ×Ｉ−ｍ０×α−μ（Ｖ）＝Ｆ …（１）
ここで、Ｆはサーボモータ２０に加わる外乱の大きさを表す外乱値である。Ｉはトルク電流値であり、電流センサ３８ｕ、３８ｖで検出される電流値Ｉｕ及びＩｖから求められる。μ（Ｖ）はフリクション（摩擦力）であり、回転速度Ｖの関数（例えば、一次関数）として近似される。この回転速度Ｖは、磁極位置検出器２６で検出される磁極位置Ｐｍを所定の微少時間により微分することによって求められる。αは回転子２２の加速度であり、前記回転速度Ｖをさらに所定の微少時間により微分することによって求められる。Ｋはトルク定数であり、ｍ０はイナーシャ（既定イナーシャ）であり、それぞれサーボモータ２０に固有の値として既定されている。
【００２２】
ここで、トルク電流値Ｉ、フリクションμ（Ｖ）、及び加速度αは上記のように計算によって求めることができ、トルク定数Ｋ及び既定イナーシャｍ０は既定値であるため、外乱値Ｆは、前記トルク電流値Ｉ、フリクションμ（Ｖ）、加速度α、トルク定数Ｋ及び既定イナーシャｍ０を前記（１）式に代入することによって得られる。
【００２３】
図２Ａは、サーボモータ２０の位置制御または速度制御が行われる場合における減磁検査用の速度計画の一例を示している。
【００２４】
この速度計画では、サーボモータ２０の回転子２２の回転速度（角速度）Ｖは、時点ｔ０からｔ１の期間では０から＋Ｖ１まで直線的に増加し、時点ｔ１からｔ２の期間では＋Ｖ１から０まで直線的に減少し、時点ｔ２からｔ３の期間では０から−Ｖ１まで直線的に減少し、時点ｔ３からｔ４の期間では−Ｖ１から０まで直線的に増加し、時点ｔ４からｔ５の期間では０から＋Ｖ１まで直線的に増加し、時点ｔ５からｔ６の期間では＋Ｖ１から０まで直線的に減少する、三角波状の速度計画としている。
【００２５】
この場合、回転子２２の加速度（角加速度）αは、図２Ｂに示すように、時点ｔ０からｔ１の期間では＋α１となり、時点ｔ１からｔ３の期間では−α１となり、時点ｔ３からｔ５の期間では＋α１となり、時点ｔ５からｔ６の期間では−α１となる。ただし、前記各期間の時間（ｔ１−ｔ０）、（ｔ２−ｔ１）、…、（ｔ６−ｔ５）は同じであるものとする。
【００２６】
このような速度計画に基づいてサーボモータ２０を駆動した場合、該サーボモータ２０の回転子２２は、時点ｔ０からｔ２の期間では一方向（正方向）に所定角度θ回転し、時点ｔ２からｔ４の期間では他方向（負方向）に所定角度θ回転して元の位置（時点ｔ０における位置）に戻る。そして、時点ｔ４からｔ６の期間では前記時点ｔ０からｔ２の期間と同様に正方向に所定角度θ回転して停止する。以上の時点ｔ０からｔ６の期間における動作を時点ｔ６以降も繰り返し行うことによって、回転子２２は所定角度θ毎に正逆転を繰り返しながら正方向に回転していく。
【００２７】
ところで、図２Ｂに示す加速度αを得ようとする場合、サーボモータ２０の回転子２２には、前記加速度αに比例するトルク電流値Ｉの交流電流が供給される。即ち、トルク電流値Ｉは、図２Ｃに示すように、時点ｔ０からｔ１の期間では略＋Ｉ１となり、時点ｔ１からｔ３の期間では略−Ｉ１となり、時点ｔ３からｔ５の期間では略＋Ｉ１となり、時点ｔ５からｔ６の期間では略−Ｉ１となる。
【００２８】
ここで、回転子２２の磁石２４ａ〜２４ｄの一部分に減磁が生じている場合、前記トルク電流値Ｉには、図２Ｃに示すように、該トルク電流値Ｉ（この場合、＋Ｉ１または−Ｉ１）の絶対値が大きくなる方向に、大きさＩｐ１のピークＰ１が生じる。このように、トルク電流値Ｉの絶対値が大きくなる方向にピークＰ１が生じるのは、磁石２４ａ〜２４ｄに減磁が生じている場合、所望の回転速度Ｖを得るために通常より多くのトルク電流値Ｉを要するためである。また、図２Ｃに示すように、ピークＰ１が離散的な磁極位置Ｐｍに生じるのは、各磁石２４ａ〜２４ｄに加わるトルクの大きさが、該磁石２４ａ〜２４ｄとコイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗとの位置関係、即ち、回転子２２の磁極位置Ｐｍに応じて変化するためである。
【００２９】
図２Ｃ中、トルク電流値ＩにピークＰ１が生じていない時間領域において、前記（１）式に基づいて求められる外乱値Ｆは略ゼロ値（Ｆ≒０）となる。
【００３０】
一方、ピークＰ１が生じている時間領域においては、トルク電流値Ｉが他の時間領域に対して大きな値となるため、外乱値Ｆもゼロ値以外の値（｜Ｆ｜＞０）となる。従って、各磁極位置Ｐｍにおいて外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかの監視を行うことによって減磁の検査を行うことができる。
【００３１】
実際には、図２Ａに示す速度計画に基づいてサーボモータ２０の回転子２２を回転させながら、各磁極位置Ｐｍ毎に外乱値Ｆを求める。この場合、時点ｔ０からｔ４の期間における動作を複数回繰り返しながら各磁極位置Ｐｍにおける外乱値Ｆを複数回算出し、これらを平均したものが略ゼロ値であるかどうかを監視するようにしてもよい。
【００３２】
続いて、各磁極位置Ｐｍ毎に外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかの監視を行い、減磁の影響が生じている磁極位置Ｐｍを特定する。この場合、外乱値Ｆを求め、この外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかの監視を行うことによって減磁の影響が生じている磁極位置Ｐｍを特定する一連の処理を複数回行い、各磁極位置Ｐｍにおいて減磁の影響が生じる（確認される）確率を求め、この確率に基づいて減磁の有無を判断するようにしてもよい。
【００３３】
一方、サーボモータ２０のトルク制御が行われる場合のトルク計画の一例を図３Ａに示す。この場合、このトルク計画は、実際にはトルク電流値Ｉで設定される。
【００３４】
このトルク計画では、サーボモータ２０のコイル３２ｕ、３２ｖ、３２ｗに供給されるトルク電流値Ｉは、時点ｔ１０からｔ１１の期間では＋Ｉ２であり、時点ｔ１１からｔ１２及び時点ｔ１２からｔ１３の期間では−Ｉ２であり、時点ｔ１３からｔ１４及び時点ｔ１４からｔ１５の期間では＋Ｉ２であり、時点ｔ１５からｔ１６の期間では−Ｉ２である。
【００３５】
この場合、サーボモータ２０の回転子２２の加速度αは前記トルク電流値Ｉに比例するため、図３Ｂに示すように、時点ｔ１０からｔ１１の期間では略＋α２となり、時点ｔ１１からｔ１３の期間では略−α２となり、時点ｔ１３からｔ１５の期間では略＋α２となり、時点ｔ１５からｔ１６の期間では略−α２となる。
【００３６】
ところで、回転子２２の磁石２４ａ〜２４ｄに減磁が生じている場合、前記加速度αには、図３Ｂに示すように、加速度α（この場合、＋α２または−α２）の絶対値が小さくなる方向に、大きさαｐ２のピークＰ２が生じる。このように、加速度αの絶対値が小さくなる方向にピークＰ２が生じるのは、磁石２４ａ〜２４ｄに減磁が生じている場合、前記トルク電流値Ｉに対して所望のトルクが得られないためである。
【００３７】
図３Ｂ中、加速度αにピークＰ２が生じていない時間領域において、前記（１）式に基づいて求められる外乱値Ｆは略ゼロ値（Ｆ≒０）となる。一方、ピークＰ２が生じている時間領域においては、加速度αが他の時間領域に対して小さな値となるため、外乱値Ｆは０以外の値（｜Ｆ｜＞０）となる。従って、各磁極位置Ｐｍにおいて外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかの監視を行うことによって減磁の検査を行うことができる。
【００３８】
次に、サーボモータ２０に対して位置制御を行いながら減磁の検査を行う際にコントローラ４２で行われる処理動作の一例を、図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３９】
ここで、以下のステップＳ１〜Ｓ７の処理動作は、図示しない入力装置に対して検査モードが選択されることによって開始されるものとする。
【００４０】
まず、コントローラ４２において、位置指令に基づいて速度計画がたてられ（図２Ａ参照）、この速度計画に基づいて求められたトルク電流値Ｉ（図２Ｃ参照）がサーボモータ２０に供給されることによって該サーボモータ２０の駆動が開始される（ステップＳ１）。
【００４１】
続いて、図２Ａ中、時点ｔ０からｔ４の期間における動作が複数回繰り返し行われ、回転子２２が所定角度θ（例えば、４５°）の間を複数回正逆転する。このとき、前記（１）式に基づいて各磁極位置Ｐｍ毎の外乱値Ｆが求められる（ステップＳ２）。各磁極位置Ｐｍ毎の外乱値Ｆが所定回数（例えば、１０回）ずつ求められると（ステップＳ３）、図２Ａ中、時点ｔ４からｔ６の期間における動作が行われ、回転子２２が所定角度θだけ正方向に回転して停止する（ステップＳ４）。これによって、外乱値Ｆを求める磁極位置Ｐｍが更新される。
【００４２】
そして、前記ステップＳ２〜Ｓ４の処理が順次行われ、回転子２２の全磁極位置Ｐｍにおける外乱値Ｆが得られると、サーボモータ２０の駆動が停止される（ステップＳ５）。
【００４３】
次に、各磁極位置Ｐｍ毎に外乱値Ｆの平均を求め（ステップＳ６）、これらが略ゼロ値であるかどうかを監視することによって、磁石２４ａ〜２４ｄに減磁が生じているかどうかの判定が行われる（ステップＳ７）。ここで、前記ステップＳ６において、全ての磁極位置Ｐｍにおける外乱値Ｆの総平均を求め、前記ステップＳ７において、これが略ゼロ値であるかどうかを監視するようにしてもよい。
【００４４】
このように、本実施の形態においては、電流センサ３８ｕ、３８ｖで検出される電流値Ｉｕ及びＩｖから求められるトルク電流値Ｉと、磁極位置検出器２６で検出される磁極位置Ｐｍを微分することによって求められる回転速度Ｖの関数として計算されるフリクションμ（Ｖ）と、前記回転速度Ｖを微分することによって求められる回転子２２の加速度αと、サーボモータ２０に固有の値として既定されているトルク定数Ｋと既定イナーシャｍ０とから前記回転子２２の外乱値Ｆを求め、この外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかを監視することによって減磁の検査が行われる。
【００４５】
この場合、前記トルク電流値Ｉ、フリクションμ（Ｖ）及び加速度αは、サーボモータ２０を任意の速度計画またはトルク計画に基づいて駆動しながら計算によって求めることができるため、磁石２４ａ〜２４ｄに減磁が生じているかどうかの検査を容易且つ短時間に行うことが可能である。
【００４６】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、サーボモータに用いられる永久磁石の減磁を容易且つ短時間に検査することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態が適用されたサーボモータ駆動システムの概略的構成を示すブロック図である。
【図２】図２Ａは、サーボモータの位置制御または速度制御が行われる場合における減磁検査用の速度計画を示すグラフであり、図２Ｂは、この速度計画に基づくサーボモータの加速度を示すグラフであり、図２Ｃは、この速度計画に基づくトルク電流値を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、サーボモータのトルク制御が行われる場合における減磁検査用のトルク計画を示すグラフであり、図３Ｂは、このトルク計画に基づくサーボモータの加速度を示すグラフである。
【図４】サーボモータに対して位置制御を行いながら減磁の検査を行う際にコントローラで行われる処理動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…サーボモータ駆動システム ２０…サーボモータ
２２…回転子 ２４ａ〜２４ｄ…磁石
２６…磁極位置検出器 ３０…固定子
３２ｕ、３２ｖ、３２ｗ…コイル ３４ｕ、３４ｖ、３４ｗ…ケーブル
３８ｕ、３８ｖ…電流センサ ４０…制御装置
４２…コントローラ ４４…ＰＷＭ発生回路
４６…インバータ

Claims (1)

1. サーボモータの回転子に用いられる永久磁石の減磁を検査する方法であって、
   前記サーボモータに供給されるトルク電流値Ｉ、該サーボモータに発生する摩擦力μ及び該サーボモータの前記回転子の加速度αを求め、これらのトルク電流値Ｉ、摩擦力μ及び加速度α、並びに該サーボモータに固有の値として既定されているトルク定数Ｋ及びイナーシャｍ０に基づき該サーボモータの外乱値Ｆを
   Ｆ＝Ｋ×Ｉ−ｍ０×α−μとして得る工程と、
   得られた外乱値Ｆが略ゼロ値であるかどうかに基づいて、前記永久磁石に減磁が生じているかどうかの判定を行う工程と、
   を含むことを特徴とするサーボモータの減磁検査方法。

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