JP4704182B2

JP4704182B2 - 電流センサレス交流サーボ駆動装置

Info

Publication number: JP4704182B2
Application number: JP2005306410A
Authority: JP
Inventors: 清雄蔡
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: JP2007116836A

Description

本発明は、電流センサを伴わない（以下、「電流センサレス」と称する）交流（ＡＣ）サーボ駆動装置に係り、特に、閉ループ電流回路を用いた制御を利用し、フィードバック電流信号としてサーボモータのエンコーダから受信した電流指令を使用する電流センサレス交流サーボ駆動装置に関する。

図１は、サーボモータ２に接続された交流サーボ駆動装置１を含む従来の交流サーボモジュールを示す。サーボモータ２は、エンコーダ（図示せず）を含む。交流サーボ駆動装置１は、第１の比例積分（ＰＩ：ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）制御器１１、ｄ軸用の第２の比例積分制御器１２、およびｑ軸用の第３の比例積分制御器１３と、第１の座標変換器１４と、パルス幅変調器１５と、三相接続されている複数の電流センサ１６と、第２の座標変換器１７と、非干渉補償器１８と、計測器（カウンタ）１９と、速度推定器２０とを備える。なお、コイル変形関数（ｃｏｉｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、コイル変形関数（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）であたえられる。ここで、Ｌｓはコイルのインダクタンス値、Ｒはコイルの抵抗値を表している。

上述した交流サーボ駆動装置１において、非干渉処理（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）は、磁化電流Ｉｄと、トルク電流Ｉｑと、角速度ｗとにのみ関係を有する。非干渉補償器１８は、動作し続けており（ｋｅｅｐｓｉｎａｃｔｉｏｎ）、図２のように固定子システムは簡素化することができる。ｄ軸用の第２の比例積分制御器１２とｑ軸用の第３の比例積分制御器１３との関係は、サーボモータ２のコイル変換関数（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）で表される。サーボモータ２は、固定子電流、磁化電流Ｉｄ、トルク電流Ｉｑのフィードバックを得る。また、サーボモータ２は、ｄ軸の第２の比例積分制御器１２およびｑ軸用の第３の比例積分制御器１３のための入力電流指令信号として、非干渉処理された電流指示指令信号（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ）であるＩｄ^＊とＩｑ^＊とを使用する。

図３は、初期５回の負荷を駆動するために、図１の従来の交流サーボモジュールと、出力３ＫＷ，回転数２０００ｒｐｍのモータとを使用した場合の周波数レスポンスである。図３の上図において、曲線Ａは指令速度、曲線Ｂは実際の出力速度である。図３の下図において、曲線Ｃはトルク電流Ｉｑの指令であり、曲線Ｄはフィードバック電流である。電流センサがフィードバック電流を検出しているので、曲線Ｃと曲線Ｄは図３のように近似する。

上述した従来の交流サーボモジュールにおいては、サーボモータ２がエンコーダを通じて電流指令信号を受け、交流サーボ駆動装置１が回転子磁場に垂直な固定子電流を生成するようにサーボモータ２が回転子の初期角度を提供する。永久磁石サーボモータ２の入力電圧、入力電流、および回転速度は非線形であり、複数のセンサ１８はサーボモータ２の三相電流を検出し、非干渉処理して線形化を提供すべく、三相電流をフィードバックさせる。

以上のように、非干渉処理するためのフィードバック体系は、先端的な交流サーボを構築する上で重要である。しかしながら、従来の交流サーボモジュールにおいては、電流センサが用いられており、特に、従来の電流センサとして、一般的に、高出力の交流サーボ装置での固定子電流を検出するためにホール効果素子が導入される。しかしながら、ホール効果素子は、温度ドリフト特性を有する。すなわち、ホール効果素子は、温度が上昇するにつれて測定値も増加するといったドリフト特性を有する。さらに、複数の電流センサが、三相電流値を得るために必要である。フィードバック電流は、上述した第２の座標変換器１７を通して変換される。したがって、従来の交流サーボモジュールでは、製造時におけるコストダウンが難しく、その装置の保守も困難であった。

本発明は、以上の問題点を解決することを目的としており、温度ドリフトよって引き起こされたサーボモータ制御の劣化と、コストの問題を解決することができる電流センサレス交流サーボモジュール、およびこの交流サーボモジュールにおいて使用されており、非干渉処理機能を用いてサーボモータのベクトル制御を実行できる電流センサレスサーボ駆動装置を提供することである。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の電流センサレス交流サーボ駆動装置は、交流サーボモジュールで使用されて、非干渉機能を用いて、サーボモータをベクトル制御する電流センサレス交流サーボ駆動装置であって、エンコーダを内蔵したサーボモータと、前記交流サーボモジュールからの角速度の指令ｗと速度推定器からの角速度フィードバック信号との差分から、ｑ軸へのフィードバックのためのトルク電流信号Ｉｑ^＊を生成する比例積分制御器と、磁化電流指令信号Ｉｄ^＊として機能する、前記エンコーダからの信号を基に生成されるフィードバック信号を受け取り、出力指令信号Ｖｄを生成する第１指令制御器と、ｑ軸用の入力電流指令信号として前記比例積分制御器によって生成されるトルク電流信号Ｉｑ^＊を使用して、出力電圧指令信号Ｖｑを生成する第２指令制御器と、を含む指令制御器と、フィードバック電流として前記サーボモジュールによって生成される前記トルク電流信号Ｉｑ^＊および前記磁化電流指令信号Ｉｄ^＊を使用して非干渉処理して非干渉補償電圧を得て、非干渉補償電圧を前記出力電圧指令信号Ｖｄ，Ｖｑと結合して非干渉補償された制御信号を提供する非干渉補償器と、前記非干渉補償された制御信号についてｄｑ軸座標から三相電圧指令へと座標変換する座標変換器と、前記座標変換された信号を受けて、パルス幅変調信号を生成し、回転トルクを生成するために前記サーボモータへ前記パルス幅変調信号を送るパルス幅変調器と、前記エンコーダに接続されており、前記座標変換器と前記パルス幅変調器とのそれぞれのタイミング信号および前記速度推定器の入力信号として使われる角速度測定信号を出力する計測器と、前記計測器の前記角速度測定信号に基づいてサーボモータの回転速度を推定し、前記非干渉補償器に前記角速度フィードバック信号を出力するとともに、当該角速度フィードバック信号と前記サーボモジュールの角速度指令信号との差分により前記比例積分制御器のための前記指令信号を形成するための速度推定器と、を有し、さらに、前記比例積分制御器は、閉ループバンド幅ＢＷと、前記サーボモータのインダクタンスＬと、抵抗Ｒとにより、前記第１および第２指令制御器は、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／（ｓ＋２π^＊ＢＷ）と設定され、前記サーボモータのコイル変換関数は（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）であることを特徴とする。

上記のサーボモータの前記エンコーダは角度エンコーダであり、前記交流サーボ駆動装置における角速度検出信号を生成する。

上記の角度エンコーダはレゾルバ式センサまたは光学式センサである。

本発明は、閉ループ回路制御を使用するとともに、フィードバック電流信号としてサーボモータのエンコーダによって受ける電流指令を使用する、電流センサレス交流サーボ駆動装置を提供する。この交流サーボ駆動装置は、電流センサが取り外されても、非干渉効果をまだ有している。したがって、温度ドリフトよって引き起こされたサーボモータ制御性の劣化を防止するとともに、コストの問題を解決することができる。

図４は、本発明による電流センサレス交流サーボ駆動装置のブロック図を示す。本発明による交流サーボ駆動装置は、サーボモータ３と、サーボモータ３に接続された交流サーボ駆動装置（ＡＣサーボドライブ）４とを備えている。交流サーボ駆動装置４は、比例積分制御器４１と、複数の指令制御器（第１の指令制御器４２および第２の指令制御器４３）と、非干渉補償器（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）４４と、座標変換器４５と、パルス幅変調器４６と、計測器４８と、速度推定器４７とにより形成された閉ループ電流回路を備えている。フィードバック速度は、速度指令とサーボモータ３のエンコーダ（図示せず）によって、速度偏差（ｓｐｅｅｄｅｒｒｏｒ）を得るために発生させられる。電流回路が電流センサなし（電流センサレス）でも電流センサがある場合と同等の非干渉機能を有するように、直接的に非干渉処理のためのフィードバック電流を得るべく、電流指令信号が比例積分制御器４１によって生成される。この結果、温度ドリフトによるサーボモータ制御の劣化の問題およびコストの問題が解決される。

サーボモータ３に内蔵されたエンコーダは、角度エンコーダである。その角度エンコーダは、回転子の絶対位置または相対位置を測定するレゾルバ式センサおよび光学式センサのうちの一つであり、角度エンコーダは、計測器（カウンタ）４８によって駆動回路４への角速度測定信号を生成するために使用される。ここで、レゾルバ式センサとは、回転角変位を電気量に変換するものであり、たとえば、２相の交流モータと同じ構造をしているものであり、レゾルバ式センサの構造自体は、従来と同様であるので、詳しい説明を省略する。

比例積分制御器４１は、電流変換器であり、サーボモジュールの角速度指令信号ｗ（角速度信号）と速度推定器４７からの角速度フィードバック信号との差分により形成される指令信号を受ける。指令信号は比例積分制御器４１によって変換される。そして、比例積分制御器４１は、サーボモータ３のエンコーダのために、フィードバックされるトルク電流指令信号(トルク電流信号）Ｉｑ^＊を生成し、第２の指令制御器４３へ送る。

第１の指令制御器４２は、垂直ｄ軸の出力電圧指令信号Ｖｄを生成するために使用され、第２の指令制御器４３は、垂直ｑ軸の出力電圧指令信号Ｖｑを生成するために使用される。第１の指令制御器４２は、サーボモジュールからｄ軸用の磁化電流指令信号Ｉｄ^＊を受け取る。電流フィードバック信号が、サーボモータ３に内蔵のエンコーダによって生成される電流フィードバック信号が、入力する磁化電流指令信号Ｉｄ^＊として生成される。さらに、出力信号（出力電圧信号指令信号）Ｖｄ，Ｖｑも生成される。第２の指令制御器４３は、比例積分制御器４１からトルク電流指令信号Ｉｑ^＊を受ける。

非干渉補償器４４は、非干渉補償するために必要とされるフィードバック電流として、サーボモジュールの電流指令とサーボモータ３に内蔵されたエンコーダからの非干渉電流信号を使用する。すなわち、フィードバック電流は、磁化電流信号Ｉｄおよびトルク電流信号Ｉｑを含む。非干渉補償器４４の出力信号は、第１の指令制御器４２および第２指令制御器４３それぞれの出力電圧指令信号に結合されて、非干渉補償処理された制御信号を提供する。

座標変換４５は、ｄｑ軸座標を三相電圧指令に変換するために、非干渉補償器からの非干渉補償処理された制御信号を使用する。また、三相電圧指令はパルス幅変換器４６への出力である。パルス幅変調器４６は、回転トルクを生成するためにサーボモータ３へ出力する三相電圧指令を調整する。すなわち、パルス幅変調器４６は、上記の座標変換された信号を受けて、パルス幅変調信号を生成し、回転トルクを生成するためにサーボモータへパルス幅変調信号を送る。

計測器（カウンタ）４７は、出力角速度測定信号を出力するためにサーボモータ３のエンコーダに接続されている。出力角速度測定信号は、座標変換器４５とパルス幅変調器４６とのためにタイミング信号（ｔｒｉｇｇｉｎｇｔｉｍｉｎｇｓｉｇｎａｌ）、および速度推定器４７のための入力信号として使用される。

速度推定器４７は、計測器４８の角速度測定信号に基づいてサーボモータの角速度を推定する。そして、非干渉補償器４４に角速度フィードバック信号を出力するとともに、当該角速度フィードバック信号と前記サーボモジュールの角速度指令信号ｗとの差分により比例積分制御器４１のための指令信号を形成するために用いられる。

図５は、本発明による電流センサレス交流サーボ駆動装置のブロック図である。本発明による交流サーボ駆動装置はサーボモータ３とサーボモータ３に接続された交流サーボ駆動装置４とを備えている。交流サーボ駆動装置４は、第１の指令制御器４２および第２の指令制御器４３と、非干渉補償器４４と、座標変換器４５と、パルス幅変換器４６と、計測器４８と、速度推定器４７とにより形成された閉ループ電流回路を有する。また、サーボモジュールの電流指令信号は、サーボモータ３に内蔵されたエンコーダで非干渉補償電流信号（非干渉処理された電流信号）となるように処理される。非干渉補償電流信号は磁化電流信号Ｉｄとトルク電流信号Ｉｑとを備えている。磁化電流信号Ｉｄとトルク電流信号Ｉｑは、速度推定器４７の角速度フィードバック信号とともに、非干渉補償電流信号を供給するために処理される。非干渉補償電流信号と出力電圧指令信号Ｖｄ，Ｖｑは、非干渉補償のための非干渉補償された制御信号を供給し、この非干渉補償された制御信号は、座標変換器４５へ入力される。座標変換器４５は、前記非干渉補償された制御信号を、ｄｑ軸座標から三相電圧指令へと座標変換して、三相電圧信号を発生する。そしてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するためにパルス幅変調器４６に三相電圧信号を送る。
パルス幅変調信号がサーボモータ３に送られることによって、サーボモータの回転トルクが発生する。

図４と図５に示される交流サーボ駆動装置は、固定子電流信号をフィードバックするための電流センサを必要とせず、閉ループの構造によって直接的に制御される。サーボモータ３に内蔵されたエンコーダはフィードバック電流を生成する。図１に示す回路は、閉ループバンド幅ＢＷ（Ｈｚ）と、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／ｓとして設定されるｄ軸およびｑ軸用の第２の比例積分制御器１２および第３の比例積分制御器１３を必要とする。このように、図２に示されるブロック図は、図６に示されるブロック図に簡素化することができる。ここで、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／ｓとして設定されるｄ軸およびｑ軸用の第２の比例積分制御器１２と第３の比例積分制御器１３とが含まれており、コイル変換関数はコイル変換関数（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）である。さらに、電流センサを省いているために、サーボモータ３のインダクタンスＬおよび抵抗Ｒは、温度上昇に応じて劣化しない。ｄ軸，ｑ軸用の第２の比例積分制御器１２および第３の比例積分制御器１３は、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／（ｓ＋２π^＊ＢＷ）と同等にすることができる。図７に示されるように、ｄ軸，ｑ軸のための第２の比例積分制御器１２および第三の比例積分制御器１３は、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／（ｓ＋２π^＊ＢＷ）と同等にすることができる。そしてサーボモータ３のコイル変換関数は（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）である。ただし、フィードバック固定子電流は含まれていない。

図８は、本発明の交流サーボモジュールの周波数レスポンスを示す。初期５回の負荷駆動で使用するモータは出力３ＫＷ、回転数２０００ｒｐｍである。図８の下図において、曲線Ｇは、Ｉｑ指令に対する反応である。そして、曲線Ｈはフィードバック電流である。
したがって、Ｉｑ指令は、実際の出力電流との間に少しの差異を有する。図８の上図において、曲線Ｅは速度指令であり、曲線Ｆは実際の出力速度である。これらは、電流センサによって得られたフィードバック固定子電流を含む図３に示されるものと略同様の特性を示す。モータ固定子の抵抗値およびインダクタンス値が相違するものの速度回路を補償することができる。

以上のように、本発明の好ましい実施形態に関して説明したが、本発明はその実施形態に限られない。上記の説明においる示唆、および従来の技術によって、置換と変更が可能であり、全てのこのような置換と変更形態は、添付する請求の範囲に記載する本発明の範囲内に含まれるように解釈されるべきである。

したがって、本発明は、電流センサレス交流サーボ駆動装置を提供する。交流サーボ駆動装置は、交流サーボモジュールにおいて使用され、デカップリング機能を有するサーボモータのベクトル制御の実行の際に使用する。

従来技術の交流サーボモジュールを示す図である。図１の簡素化したブロック図である。図１に示される従来技術の交流サーボモジュールの周波数レスポンスを示す図である。本発明による電流センサレス速度モードでの交流サーボ駆動装置のブロック図である。本発明による電流センサレス電流モードでの交流サーボ駆動装置のブロック図である。閉ループ状態の簡素化したブロック図である。図６のブロック図をより簡素化したブロック図である。本発明の交流サーボモジュールの周波数レスポンスである。

符号の説明

３サーボモータ、
４交流サーボ駆動装置、
４２第１の指令制御器、
４３第２の指令制御器、
４４非干渉補償器、
４５座標変換器、
４６パルス幅変調器、
４７速度推定器、
４８測定器。

Claims

交流サーボモジュールで使用されて、非干渉機能を用いて、サーボモータをベクト
ル制御する電流センサレス交流サーボ駆動装置であって、
エンコーダを内蔵したサーボモータと、
前記交流サーボモジュールからの角速度の指令ｗと、速度推定器からの角速度フィードバック信号との差分から、ｑ軸へのフィードバックのためのトルク電流信号Ｉｑ^＊を生成する比例積分制御器と、
磁化電流指令信号Ｉｄ^＊として機能する、前記エンコーダからの信号を基に生成されるフィードバック信号を受け取り、出力指令信号Ｖｄを生成する第１指令制御器と、前記ｑ軸用の入力電流指令信号として前記比例積分制御器によって生成される前記トルク電流信号Ｉｑ^＊を使用して、出力電圧指令信号Ｖｑを生成する第２指令制御器と、を含む指令制御器と、
フィードバック電流として前記サーボモジュールによって生成される前記トルク電流信号Ｉｑ^＊および前記磁化電流指令信号Ｉｄ^＊を使用して非干渉処理して非干渉補償電圧を得て、非干渉補償電圧を前記出力電圧指令信号Ｖｄ，Ｖｑと結合して非干渉補償された制御信号を提供する非干渉補償器と、
前記非干渉補償された制御信号についてｄｑ軸座標から三相電圧指令へと座標変換する座標変換器と、
前記座標変換された信号を受けて、パルス幅変調信号を生成し、回転トルクを生成するために前記サーボモータへ前記パルス幅変調信号を送るパルス幅変調器と、
前記エンコーダに接続されており、前記座標変換器と前記パルス幅変調器とのそれぞれのタイミング信号および速度推定器の入力信号として使われる角速度測定信号を出力する計測器と、
前記計測器の前記角速度測定信号に基づいてサーボモータの回転速度を推定し、前記非干渉補償器に前記角速度フィードバック信号を出力するとともに、当該角速度フィードバック信号と前記サーボモジュールの角速度指令信号との差分により前記比例積分制御器のための前記指令信号を形成するための速度推定器と、を有し、
さらに、閉ループバンド幅ＢＷと、前記サーボモータのインダクタンスＬと、抵抗Ｒとにより、前記第１および第２指令制御器は、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／（ｓ＋２π^＊ＢＷ）と設定され、前記サーボモータのコイル変換関数は（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）であることを特徴とする電流センサレス交流サーボ駆動装置。
前記サーボモータの前記エンコーダは角度エンコーダであり、前記交流サーボ駆動装置における角速度検出信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の電流センサレス交流サーボ駆動装置。
前記角度エンコーダはレゾルバ式センサまたは光学式センサであることを特徴とする請求項２に記載の交流サーボ駆動装置。
交流サーボモジュールで使用されて、非干渉機能を用いて、サーボモータをベクトル制御する電流センサレス交流サーボ駆動装置であって、
エンコーダを内蔵したサーボモータと、
ｄ，ｑ軸用の入力電流指令信号として前記交流サーボモジュールによって生成される電流フィードバック信号Ｉｄ^＊およびＩｑ^＊を使用して、出力電圧指令信号Ｖｄ，Ｖｑを生成する複数の指令制御器と、
前記非干渉補償された制御信号についてｄｑ軸座標から三相電圧指令へと座標変換する座標変換器と、
前記座標変換された信号を受けて、パルス幅変調信号を生成し、回転トルクを生成するために前記サーボモータへ前記パルス幅変調信号を送るパルス幅変調器と、
前記エンコーダに接続されており、前記座標変換器と前記パルス幅変調器とのそれぞれのタイミング信号および前記速度推定器の入力信号として使われる角速度測定信号を出力する計測器と、
前記計測器の前記角速度測定信号に基づいてサーボモータの回転速度を推定し、前記非干渉補償器に角速度フィードバック信号を出力する速度推定器と、を有し、
前記速度推定器からの前記角速度フィードバック信号とともに、前記指令制御器に入力される電流フィードバック信号を使用することにより非干渉処理して非干渉補償電圧を得て、前記非干渉補償電圧を前記出力電圧指令信号Ｖｄ，Ｖｑと結合して非干渉補償された制御信号を提供する非干渉補償器と、
閉ループバンド幅ＢＷと、前記サーボモータのインダクタンスＬと、抵抗Ｒとにより、前記指令制御器は、２π^＊ＢＷ^＊（Ｌｓ＋Ｒ）／（ｓ＋２π^＊ＢＷ）と設定され、前記サーボモータのコイル変換関数は（ｓ）＝１／（Ｌｓ＋Ｒ）であることを特徴とする電流センサレス交流サーボ駆動装置。