JP4221022B2

JP4221022B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP4221022B2
Application number: JP2006313438A
Authority: JP
Inventors: 平輔岩下; 隆洋秋山; 正一丹羽; 耕李
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2006-11-20
Filing date: 2006-11-20
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2026-11-20
Also published as: US20080116833A1; EP1923169B1; JP2008131729A; CN101201259A; CN101201259B; US7719218B2; EP1923169A1

Description

本発明は、工作機械の主軸モータの稼動状態（負荷状態）を表す装置であるロードメータへの表示出力を算出し表示するモータ制御装置およびその表示出力を用いてモータを制御するモータ制御装置に関する。

工作機械等の主軸モータの稼動状況を監視するため、モータの負荷情報が算出又は検出される。従来、モータの負荷情報は、モータ制御装置（アンプとも称する）の出力パワーとモータの効率、モータのトルク指令（又は電流指令）などモータの出力を左右するファクタを使って算出されている。

また、工作機械の主軸に使われる主軸モータは、高速度、高出力が要求されるため、モータの非線形制御領域でも運転される場合がある。その時、トルク指令通りにトルクが出なくなり、そのトルク指令に基づいて算出したロードメータ値は正確な値からずれてしまう。一方、工具磨耗などの監視や工作機械の切削条件を決めるため、ロードメータ値の正確な表示がユーザからますます厳しく要求されている。

特許文献１にはモータの稼働状況をリアルタイムで即座に把握できるロードメータの視覚的表示方法が開示されている。従来技術のロードメータは、一般にモータの稼働状況を把握するため以下のようにロードメータ値を算出し表示している。

図１は従来技術によるモータ制御装置の第１具体例のブロック構成図である。図１〜図４において同一参照番号は同一のものを示す。図１においてモータ制御装置１０はモータ１を除く全てを含む。図１に示すようにモータ１の速度制御器１２は速度指令とモータ１の実速度Ｖとの偏差を算出する加算器１３からの出力を受けトルク指令Ｔ_C を出力する。

図１に示すように、従来技術のモータ制御装置１０内のロードメータ１１は、ロードメータ演算部１１１とロードメータ表示部１１２と記憶部１１３を有する。記憶部１１３には予め設定された一定値の効率ηが格納される。ロードメータ１１は駆動部１５からの出力を監視し、駆動部１５の出力パワーＷとモータ１の効率ηとからモータ１の出力パワーを算出してロードメータ値としてロードメータ表示部１１２の表示器に表示し、又は算出したモータ１の出力パワーとその回転数に対応する最大出力パワーの比をロードメータ値としてロードメータ表示部１１２の表示器に表示する。

図１のロードメータ演算部１１１に示すＬ_M=ｆｌ_(W,V,η) 中のＬ_M、Ｗ、Ｖおよびηは、それぞれ下記の通りである。
Ｌ_M:ロードメータ値、Ｗ:アンプの出力パワー、Ｖ:モータ実速度、η:モータ効率

図２は従来技術によるモータ制御装置の第２具体例のブロック構成図である。図２に示すロードメータ２１は、ロードメータ演算部２１１とロードメータ表示部２１２を有する。ロードメータ２１は、速度制御器１２の出力であるトルク指令(又はモータに供給する電流を制御する駆動部の出力である電流指令)Ｔ_C を監視し、そのときのモータの回転数（モータ速度Ｖ）に対応する最大トルク指令(電流指令)とトルク指令（電流指令）Ｔ_C との比（％表示）を（ロードメータ値として）表示するものである。

図２のロードメータ演算部２１１に示すＬ_M=ｆ２_(V,Tc) 中のＬ_M、ＶおよびＴ_C は、それぞれ下記の通りである。
Ｌ_M ：ロードメータ、Ｖ：モータ速度、Ｔ_C：トルクコマンド

特開平１０−９００１１号公報（特許請求の範囲の［請求項１］、明細書の段落番号［０００２］〜［０００４］および図２参照）。

しかしながら、図２に示すロードメータは、モータ制御に使われるトルク指令（電流指令）などモータの出力を左右するファクタがモータの負荷計算に利用された場合に、（モータの励磁電圧飽和、アンプの出力電圧飽和などの原因で）モータが非線形領域に入るとトルク指令などのファクタとモータ出力との比例関係がなくなる。それゆえ、これらのファクタから計算した負荷情報算出（ロードメータ）値が所望値から大きく外れ、大きな誤差が生じるという問題がある。

一方、図１に示すロードメータの算出方法は、ロードメータの算出値はアンプ出力パワーとモータの効率に依存するため、モータ速度と負荷状況によって変わるモータの効率が正確に分からないとロードメータを正確に算出することはできないという問題がある。

それゆえ、本発明は、上記問題を解決するため、モータの非線形制御領域を含めて全モータ速度範囲で、リアルタイムで正確にモータの負荷状態を表すようにロードメータを計算し、計算値を用いてモータを制御するモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明によるモータ制御装置は、モータ速度とモータの出力とモータの出力を左右するファクタの関係を実測した結果から関数（又はテーブル）を求め、上記関数（又はテーブル）を用いて任意のモータ速度で、出力を左右するファクタに対応する負荷情報を正確に算出することを特徴とする。

上記目的を達成する本発明による第１形態のモータ制御装置は、モータの負荷情報を演算又は出力するモータ制御装置において、予め前記負荷情報の演算に用いる変数とモータの非線形制御領域を含む全モータ速度領域におけるモータ出力又はモータトルクの実測値とから求めた関数又はテーブルを格納する記憶部と、その記憶部に格納した関数又はテーブルと負荷情報の演算に用いる変数とを用いてモータ出力又はモータトルクの実測値に合うロードメータ値を得る負荷情報の演算を行うロードメータ演算部と、前記ロードメータ演算部は、前記変数の補正計算を行い、正確な変数を算出し、算出した変数を前記ロードメータの算出用関数又はテーブルに代入して正確なロードメータ値を得る、ことを特徴とする。

上記本発明による第１形態のモータ制御装置において、前記負荷情報の演算に用いる変数は、モータの実測速度、トルク指令又は電流指令である。

上記目的を達成する本発明による第２形態のモータ制御装置は、モータの負荷情報を演算又は出力するモータ制御装置において、モータのトルク指令−トルクの関係から求めた実測トルクと実測速度とから、補正前の第１トルク指令と実測トルクが常に一致するように補正して第２トルク指令を算出する関数又はテーブルを予め求め、その関数又はテーブルを用いて前記第２トルク指令を駆動部に入力してモータを駆動制御する、ことを特徴とする。

上記本発明による第２形態のモータ制御装置において、モータの負荷情報を補正前の第１トルク指令から演算する。

本発明のモータ制御装置によれば、モータの非線形制御領域を含めて全モータ速度範囲で、リアルタイムで正確にモータの負荷状態を表すようにロードメータを計算し、計算値を用いてモータを制御するモータ制御装置を提供できる。

本発明のモータ制御装置におけるロードメータによれば、主軸のロードメータ値により実際の負荷状況を正確に表示することができ、工具磨耗監視の活用、切削条件を決める際などに対し非常に有効である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明は図１および図２に示す従来技術のロードメータ算出方法を想定し、速度毎のトルク指令（又は電流指令）とモータ出力の関係を実測した結果から、関数（又はテーブル）を求める。その関数（又はテーブル）を使って、モータの実出力（トルク）に等しいロードメータ値を算出する、又はロードメータ値の表示に等しいモータ出力（トルク）を算出する。

図３は本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置のブロック構成図である。図３においてモータ制御装置３０はモータ１を除く全てを含む。図３に示すようにモータ１の速度制御器１２は速度指令とモータ１の実速度Ｖとの偏差を算出する加算器１３からの出力を受けトルク指令(又はモータに供給する電流を制御する駆動部の出力である電流指令)Ｔ_C を出力する。図３に示すように、モータ制御装置３０内のロードメータ３１は、ロードメータ演算部３１１とロードメータ表示部３１２と記憶部３１３とを有する。記憶部３１３には予め求められた関数又はテーブルが格納される。

モータ制御装置３０に対し、全モータ速度領域のトルク指令とモータ出力の関係データを実測し、関数（又はテーブル）ＴＣ１＝ｆ３_(V,Tc) （Ｔ_C ：補正前トルク指令、Ｔ_C1：補正後トルク指令、Ｖ：モータ速度）を求め、ロードメータ演算部３１１でリアルタイムに使えるように記憶部３１３に保存する。

図３に示すように、ロードメータ演算部３１１でまずトルク指令の補正計算を行い、正確なトルク指令（Ｔ_c1）を算出する。その後算出したトルク指令Ｔ_c1をロードメータの算出用関数又はテーブル（Ｌ_M ＝ｆ２_(V,Tc1) ）に代入すると正確（実トルクに合う理想上）なロードメータ値を得ることができる。ロードメータ表示部は正確なロードメータ値を表示できる。

図４は本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置のブロック構成図である。図４に示すように、モータに補正後のトルク指令Ｔ_c1を入力すると正確な（ロードメータ表示に合う）トルク値を出すことができる。図４においてモータ制御装置４０はモータ１を除く全てを含む。図４に示すようにモータ１の速度制御器１２は速度指令とモータ１の実速度Ｖとの偏差を算出する加算器１３からの出力を受けトルク指令(又はモータに供給する電流を制御する駆動部の出力である電流指令)Ｔ_C を出力する。図４に示すロードメータ４１は、ロードメータ演算部４１１とロードメータ表示部４１２を有する。図４に示すトルク指令補正演算部４４は、トルク指令演算部４４１と記憶部４４２を有する。

図４に示すモータ制御装置４０に対し、全モータ速度領域のトルク指令とモータ出力の関係データを実測し、関数（又はテーブル）ＴＣ１＝ｆ３_(V,Tc) （Ｔ_C ：補正前トルク指令、Ｔ_C1：補正後トルク指令、Ｖ：モータ速度)を求め、トルク指令演算部４４１でリアルタイムに使えるように記憶部４４２内に保存する。上記関数又はテーブルは、モータの温度、電源電圧またはこれら両方に応じて変更できる。

図５はモータの回転数と最大トルク指令時の出力トルクとの関係を示す図である。図５は一般的なモータの最大トルク指令時の出力トルクカーブを示す。最大トルク指令時の出力トルクは基底回転数（基底速度）Ｖｂまで一定値であり、基底回転数Ｖｂを越えると減衰する。回転数Ｖａ（＞Ｖｂ）での最大トルク指令時の出力トルクは基底回転数Ｖｂでの最大トルク指令時の出力トルクの約（Ｖｂ／Ｖａ）×１００％である。

図６はモータへのトルク指令と実測トルクの関係を示す図であり、図７は本発明による補正前後のロードメータの表示例を示す図である。図６、７において、理想ラインを一点鎖線で示し、モータトルクの実測カーブを実線で示す。理想ラインはモータの定格トルクが出力されたものとして求めたものである。図６において横軸はモータへのトルク指令を示し、縦軸はモータに要求される出力トルクを示す。図７において横軸はモータへのトルク指令補正前後のロードメータの％表示を示し、縦軸はモータに要求される出力トルクを示す。

図６はモータの電圧が最大値に到達する基底速度Ｖb 以上の速度、例えば速度Ｖaにおけるトルク指令−トルクの特性を示す実測カーブと理想ラインの具体例を示す。所定の速度において図６に示すようなトルク指令−トルクの特性を仮定すると、その場合のトルク指令補正前後のロードメータの表示は図７に示すようになる。補正前はロードメータ−トルクの特性カーブが線形になっておらず、また実測最大トルクＴ_M3がロードメータ最大値（１１０％）と一致していないため、ロードメータの表示値（％単位）から正確な実出力トルクを把握することができない。

ロードメータの表示を正確にする(理想ラインに合わせる)ために、検出したトルク指令Ｔ_C に対応する実測カーブ上の点（Ｔ_C ，Ｔ_M1）を理想ライン上に乗せるように下式の補正計算を行う。

Ｔ_c1＝Ｔ_M1／Ｔ_M2＊Ｔ_CM
ここで、Ｔ_C ：補正前トルク指令、Ｔ_C1：補正後トルク指令、Ｔ_CM：最大トルク指令、
Ｔ_M1：実測トルク、Ｔ_M2：理想最大トルク、Ｔ_M3：実測最大トルクである。
図６から判るように上記実測カーブ上の点（Ｔ_C ，Ｔ_M1）を理想ライン上に乗せた点は（Ｔ_C1，Ｔ_M1）であるので、モータのトルク指令と出力トルクの関係は上式で表される。

図８は本発明によるトルク指令補正前の負荷表示値（Ｌ_M ）−回転速度（Ｖ）−正規化トルク（Ｔ_N ）特性を示し、図９はトルク指令補正後の同特性を示す図である。図８および図９は主軸モータへのトルク指令補正実施前（図８）および同実施後（図９）の全モータ速度領域のロードメータ−速度−正規化トルクの特性曲面状況を示す。

図８および９において、負荷表示値（Ｌ_M ）および正規化トルク（Ｔ_N ）は下式により算出する。
負荷表示値（Ｌ_M ）＝Ｔ_C ／Ｔ_CM×１００％
正規化トルク（Ｔ_N ）＝Ｔ_M1／T_D （理想正規化トルク（Ｔ_N ）＝１）
ここで、Ｔ_C：トルク指令、Ｔ_CM：最大トルク指令、Ｔ_M1：実測トルク、Ｔ_D ：Ｌ_M に対応するトルク値（図７の理想ラインの値）である。

図９においてトルク指令補正結果が完全に理想平面(理想正規化トルク＝１の平面)になっていない理由は計算精度が依存する補正用関数の次数（又はテーブルのサイズ）が低いことにある。補正関数の次数は高いほど計算精度がよくなる。関数の係数を無限に高くすれば、補正結果が平面になる。

従来技術によるモータ制御装置の第１具体例のブロック構成図である。従来技術によるモータ制御装置の第２具体例のブロック構成図である。本発明の第１実施形態に係るモータ制御装置のブロック構成図である。本発明の第２実施形態に係るモータ制御装置のブロック構成図である。モータの回転数と最大トルク指令時の出力トルクとの関係を示す図である。モータへのトルク指令と実測トルクの関係を示す図である。本発明による補正前後のロードメータの表示例を示す図である。本発明によるトルク指令補正前の負荷表示値（Ｌ_M ）−回転速度（Ｖ）−正規化トルク（Ｔ_N ）特性を示す図である。本発明によるトルク指令補正後の負荷表示値（Ｌ_M ）−回転速度（Ｖ）−正規化トルク（Ｔ_N ）特性を示す図である。

符号の説明

１モータ
１０、２０、３０、４０モータ制御装置
１１、２１、３１、４１ロードメータ
１２速度制御器
１３加算器
１５駆動部
１１１、２１１、３１１、４１１ロードメータ演算部
１１２ロードメータ表示部
１１３、３１３、４１３、４４２記憶部
４４トルク指令補正演算部
４４１トルク指令演算部

Claims

モータの負荷情報を演算又は出力するモータ制御装置において、
予め前記負荷情報の演算に用いる変数とモータの非線形制御領域を含む全モータ速度領域におけるモータ出力又はモータトルクの実測値とから求めた関数又はテーブルを格納する記憶部と、
その記憶部に格納した関数又はテーブルと負荷情報の演算に用いる変数とを用いてモータ出力又はモータトルクの実測値に合うロードメータ値を得る負荷情報の演算を行うロードメータ演算部と、
前記ロードメータ演算部は、前記変数の補正計算を行い、正確な変数を算出し、算出した変数を前記ロードメータの算出用関数又はテーブルに代入して正確なロードメータ値を得る、
ことを特徴とするモータ制御装置。
前記負荷情報の演算に用いる変数は、モータの実測速度、トルク指令又は電流指令である、
請求項１に記載のモータ制御装置。
モータの負荷情報を演算又は出力するモータ制御装置において、
モータのトルク指令−トルクの関係から求めた実測トルクと実測速度とから、補正前の第１トルク指令と実測トルクが常に一致するように補正して第２トルク指令を算出する関数又はテーブルを予め求め、その関数又はテーブルを用いて前記第２トルク指令を駆動部に入力してモータを駆動制御する、
ことを特徴とするモータ制御装置。
モータの負荷情報を補正前の第１トルク指令から演算する、請求項３に記載のモータ制御装置。