JP5361507B2 - 保護機能を備えた電動機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、各種機械を駆動するモータを制御する電動機制御装置に関し、特に保護機能を備えた電動機制御装置に関するものである。

モータ制御装置としては、サーボアンプやインバータなど各種あるが、本明細書では、サーボアンプを例に挙げて説明する。サーボアンプは、上位コントローラから位置指令あるいは速度指令を受け取り、サーボモータからモータ位置あるいはモータ速度をフィードバック信号として取り込み、モータ位置あるいはモータ速度を指令に追従させるように位置制御あるいは速度制御を行ってサーボモータに電圧を印加することで、サーボモータのモータ位置あるいはモータ速度を制御するように構成される。

ところで、各種機械を駆動するサーボモータは、サーボアンプから供給される駆動電流による発熱などにより加熱される。負荷が大きい場合などにおいてサーボモータに過度な電流が流れた場合、サーボモータは、発熱による焼損や永久磁石の減磁などにより損傷してしまうという問題がある。一方、サーボアンプについても、過度の電流を流れた場合、サーボアンプ内のスイッチング素子が損傷してしまうという問題がある。

そこで、従来では、サーボモータやサーボアンプを損傷してしまわないように、過負荷になる可能性が高まった場合は、過負荷アラームとしてサーボアンプを非常停止することにより、過負荷を防止することが一般的に行われている。また、過負荷以外にも、過回生や過電圧・不足電圧などの非常時には、アラームを発生してサーボアンプを非常停止することが一般に行われている。

しかし、このようなサーボアンプを非常停止する措置を講じた場合、ユーザ側では、停止・起動の繰り返しに対応する余分な手間が発生し、停止後再起動するための余分な段取り時間が発生し、アラーム停止による余分な歩留まりが発生し、アラーム停止による機械破損の可能性が発生する、などの問題が起こる。

そのため、極力アラーム非常停止とならないように動作するサーボアンプをユーザに提供できることが望まれており、このような要請に応える種々の提案がなされている（例えば、特許文献１，２等）。

特許文献１では、過負荷になる可能性が高まったと判断した場合、過負荷とならないような速度パターンに修正し、その速度指令にて運転を行う技術が提案されている。具体的には、モータ温度が高くなった場合に、速度指令の加減速時定数を下げて駆動電流を減らすことで、過負荷を防止するという技術である。

また、特許文献２では、過負荷になる可能性が高まったと判断した場合、リミッタを利用し、速度変化もしくは電流リミットを下げて加速度・電流を下げた運転を行う技術が提案されている。

なお、特許文献３では、指令フィルタの構成例が開示されている。

特開平１１−１９４８０７号公報 特開平１１−１２２９６４号公報 特開平６−３０５７８号公報

ところが、本発明が対象とするサーボアンプは、一般産業機械用サーボアンプのように、指令パターンを生成する上位コントローラから指令をもらって動作するタイプのサーボアンプである。これに対して、特許文献１に記載の技術は、サーボアンプ内部に速度指令パターン生成部を有する場合の技術であるので、本発明が対象とするサーボアンプでは、利用が困難である。

すなわち、上位コントローラから指令をもらって動作するタイプのサーボアンプに、かりに、特許文献１に記載の技術を適用する場合は、上位コントローラに対し実効負荷率や電流などのデータをリアルタイムに送付し、上位コントローラにて過負荷に関する判断・対策を行う必要がある。

そうすると、上位コントローラでは過負荷判断・対策に遅れが発生し、上位コントローラとサーボアンプとの間のデータ通信量が増加し、上位コントローラのソフトウェア負荷の増大が発生するという問題が起こる。上位コントローラのソフトウェア負荷の増大は、機械ユーザのソフトウェア開発の増大にも繋がり好ましくない。また、特に上位コントローラからパルス列指令を受け取るパルス列タイプのサーボアンプの場合には、これらのデータ送信用に特別な配線を用意する必要があり、省配線の面で望ましくない。

この点、特許文献２に記載の技術では、電流リミットを下げると、駆動電流が減り、結果として過負荷が防止できる。本方式であれば、上位コントローラに依存せずサーボアンプ単体での過負荷回避動作も可能である。また、同様に速度リミットやトルクリミットを行えば過回生アラーム回避動作も可能である。

しかし、リミッタで制限する動作は非線形動作であるので、特許文献２に記載の技術のように、これらをリミッタで制限するという方式を用いた場合には、振動やショックを増大させる可能性がある。また、アウターループ（位置ループなど）を組んだ場合に非線形動作によりハンチングや不安定を引き起こす可能性がある。それらの不安定を防止するた方策としては、リミッタ時の飽和量を再帰計算などで計算しなおしたり、飽和量をフィードバックしたりするなどの手法も存在するが、プログラムが増大・複雑になり、開発に大きな負荷が掛かることや、演算負荷が大きく演算時間が長くなるなど、新たな問題が発生する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でアラーム停止を回避できる保護機能を備えた電動機制御装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、各種の機械を駆動するモータに供給する電流の制御を行うトルク制御部を含むマイナーループを有するモータ制御装置において、実効負荷率もしくは当該モータ制御装置と前記モータと前記機械との少なくともいずれか一つの温度に関する物理量を観測或いは推測し、過負荷になる可能性が高いと判断した場合に、前記実効負荷率を下げる方向に、前記トルク制御部の入力側経路に形成される制御系の制御応答性を変更する過負荷回避動作を行う構成を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、トルク制御部の入力側経路に形成される制御系の制御応答性を変更するという簡易な構成でアラーム停止を回避できるという効果を奏する。

図１は、この発明の実施の形態１による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す過負荷回避回路の構成例を示すブロック図である。 図３は、通常モード時と過負荷回避モード時とでの動作内容を比較して示す動作波形の一例を示す応答波形図である。 図４は、図１に示す過負荷回避回路の他の構成例（シーケンス構成例）を説明するフローチャートである。 図５は、この発明の実施の形態２による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 図６は、この発明の実施の形態３による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。 図７は、この発明の実施の形態４による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に、本発明にかかる保護機能を備えた電動機制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、本実施の形態１による保護機能を備えた電動機制御装置（サーボアンプ）５０ａは、位置偏差演算器１、位置制御部２、速度演算器３、速度偏差演算器４、速度制御部５、およびトルク制御部６を備え、図示しない上位コントローラからの位置指令ａと、サーボモータ７に取り付けられている位置検出器７ａからのフィードバック信号であるモータ位置ｂとに基づき、サーボモータ７を位置指令ａの通りに駆動制御するサーボアンプにおいて、実効負荷率ｈを入力とする過負荷回避回路８を追加し、図１に示す例では、過負荷回避回路８が実効負荷率ｈに応じて位置制御部２の制御ゲイン（位置制御ゲイン）、速度制御部５の制御ゲイン（速度制御ゲイン）を変更できるようにしたものである。

まず、前提となるサーボアンプの各部の構成と動作について説明する。位置偏差演算器１は、上位コントローラから得られる位置指令ａとサーボモータ７の位置検出器７ａからフィードバックされるモータ位置ｂとから位置偏差ｃを演算して出力する。位置制御部２は、位置偏差ｃに基づき位置制御を行い、演算した速度指令ｄを出力する。速度演算器３は、サーボモータ７のモータ位置ｂに擬似微分演算などを施し、モータ速度ｅを演算して出力する。

速度偏差演算器４は、位置制御出力である速度指令ｄとモータ速度ｅとから速度偏差ｆを演算して出力する。速度制御部５は、速度偏差ｆに基づき速度制御を行い、演算したトルク指令ｇを出力する。トルク制御部６は、入力されるトルク指令ｇの通りにサーボモータ７が動くように供給電流の制御を行い、サーボモータ７に必要な駆動電圧を印加する。

このように、上位コントローラからの位置指令ａとサーボモータ７からのフィードバック信号であるモータ位置ｂとに基づき、サーボモータ７を位置指令ａの通りに駆動制御するサーボアンプは、速度偏差演算器４〜速度制御部５〜トルク制御部６〜サーボモータ７〜速度演算器３〜速度偏差演算器４のループ経路（速度制御ループ）２２にて一定ゲインの速度制御を行いつつ、この速度制御ループ２２に位置偏差演算器１および位置制御部２を加えたアウターループにて一定ゲインの位置制御を行うように構成されている。

本実施の形態１では、トルク制御部６の入力側経路に形成される制御系として、速度制御ループ２２内においてトルク制御部６の前段に配置される速度制御部５と、速度制御ループ２２の外に配置される位置制御部２との両方を取り上げたものである。

さて、過負荷回避回路８に入力される実効負荷率ｈは、例えば、サーボアンプ５０ａ内の電流観測値を基に逐次計算される。過負荷回避回路８は、例えば、図２や図４に示す構成によって、この実効負荷率ｈに基づき、過負荷アラーム停止になるような過負荷になる可能性が高い場合に、制御ゲイン変更比率ｉを出力する過負荷回避動作を行う。制御ゲイン変更比率ｉは、図１では、トルク制御部６の入力側経路に形成される制御系である位置制御部２と速度制御部５との両方に入力される。

これによって、位置制御部２は、位置偏差ｃに乗算する位置制御ゲインを制御ゲイン変更比率ｉが指定する比例ゲインに変更して位置制御を行い、速度指令ｄを出力する。同様に、速度制御部５は、速度偏差ｆに乗算する速度制御ゲインを制御ゲイン変更比率ｉが指定する比例ゲインに変更して速度制御を行い、トルク指令ｇを出力する。

次に、図２は、図１に示す過負荷回避回路の構成例を示すブロック図である。過負荷回避回路８は、例えば図２に示すように、実効負荷率偏差演算部９と、スイッチ部１０と、実効負荷率制御部１１と、制限器１２とを備えている。

実効負荷率偏差演算部９は、実効負荷率基準値ｊと実効負荷率ｈとの偏差（実効負荷率偏差）ｋを演算して出力する。なお、実効負荷率基準値ｊとしては、過負荷非常停止となる負荷レベルよりも低い負荷値が用いられ、事前に設定されている。スイッチ部１０は、過負荷回避動作のオン（実行：過負荷回避モード）／オフ（非実行：通常モード）を決定する。実効負荷率制御部１１は、例えば、ＰＩ制御などを行って実効負荷率偏差ｋに応じて制御ゲインの変更比率ｍを決定する。制限器１２は、入力される制御ゲインの変更比率ｍに制限範囲を適用した制御ゲイン変更比率ｉを出力する。

次に、図３をも参照して、動作について説明する。なお、図３は、通常モード時と過負荷回避モード時とでの動作内容を比較して示す動作波形の一例を示す応答波形図である。図３では、（ａ）過負荷アラーム停止が起こらない運転状態である通常モード時での応答波形と、（ｂ）過負荷アラーム停止が起こる可能性が高い運転状態の場合に行われる過負荷回避モード時での応答波形とが示されている。

実効負荷率ｈに目立った上昇気配がなく実効負荷率基準値ｊ以下であり、過負荷アラーム停止が起こるような過負荷になる可能性の低い通常モード時では、過負荷回避回路８では、スイッチ部１０がオフしていて後段の実効負荷率制御部１１以降は動作しない。その結果、サーボアンプ５０ａは、通常状態でサーボ調整された位置制御ゲイン、速度制御ゲインで動作する。

図３（ａ）において、通常モード時では、速度指令１５に少し遅れて実速度１６が追従し、速度指令払出完了１８から若干時間の経過後に実速度１６がほぼ零１９に収束する。このように、通常モード時では、実速度１６は、十分な追従性をもって速度指令１５に追従している。

一方、図示しない上位コントローラから適切でない位置指令ａが入ってきた場合や、負荷が増大した場合、あるいは主回路電圧が低下した場合などにより、実効負荷率ｈが実効負荷率基準値ｊを超えて上昇し、過負荷アラーム停止が起こるような過負荷になる可能性が高まった場合は、過負荷回避回路８では、スイッチ部１０がオンとなって、後段の実効負荷率制御部１１が動作し、過負荷回避モードとなる。

過負荷回避モードでは、実効負荷率制御部１１にて、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを変更させる制御ゲインの変更比率ｍが決定され、制限器１６から上下限の制限処理された制御ゲイン変更比率ｉが位置制御部２と速度制御部５とに出力される。

具体的に説明する。図２において、過負荷アラーム停止が起こるような過負荷になる可能性が高まると、実効負荷率基準値ｊに対し実効負荷率ｈが大きな値となるため、実効負荷率偏差ｋは負の値となる。そこで、実効負荷率制御部１１は、実効負荷率ｈが下がるように、位置制御部２と速度制御部５とに与える制御ゲインの変更比率ｍを下げる方向に制御する。

そうすると、図３（ｂ）に示すように、制御ゲインが下がったために、通常モード時での実速度１６は、実速度１７のように、応答性の低い波形となる。応答性が低くなると、加減速時のトルク実効値が小さくなるため、実効負荷率ｈが下がる。また、図１では示してないが、上位コントローラがサーボアンプ５０ａの動作完了信号を受け取ってから次の動作を行うようにシーケンスが組まれている場合は、応答性が下がると、動作完了信号の払い出しが遅くなる。その結果、サイクルタイムが延びるので、実効負荷率ｈが下がるケースもある。また、粘性摩擦の大きな機械では、応答性を下げた結果、速度が下がると、粘性摩擦ロスが減ることによって実効負荷率ｈが下がる。

このように、制御ゲインを下げると、応答性が低下して実効負荷率ｈは下がる。その結果、実効負荷率ｈが実効負荷率基準値ｊを下回り、今度は、実効負荷率偏差ｋは正の値となる。そこで、実効負荷率制御部１１は、実効負荷率ｈが上がるように、位置制御部２と速度制御部５に与える制御ゲインの変更比率ｍを上げる方向に制御する。以上の動作が繰り返されて、実効負荷率ｈは、実効負荷率基準値ｊに近づくように、制御ゲインの変更比率ｍが増減制御される。これによって、過負荷アラーム停止となるような過負荷が起こる状況でも、過負荷アラーム停止が回避されることになる。

そして、動作中に制御ゲインを切り替えた場合は、ショックやオーバーシュートを発生させる場合もあるので、制御ゲインを変更するタイミングは、図３（ａ）の期間Ａに示すように、速度指令払出完了１８や動作完了後の速度が零１９または零１９近傍になった後、次サイクルの動作が始まる速度指令払出時２０までの期間内と定めてある。次サイクル以降において過負荷アラーム停止となるのを回避することができる。

ここで、本実施の形態１による制御方法によれば、指令の応答性が下がるだけでなく、フィードバック応答性も下がるので、それによって、リプル量が減って実効負荷率が減少する。つまり、過負荷アラーム停止を回避する動作が速やかに行われる。

次に、過負荷回避回路８の他の構成例について説明する。図２は、過負荷回避回路８が過負荷回避動作を線形制御的に行う場合の構成例であるが、例えば図４に示すように、過負荷回避回路８は、過負荷回避動作をシーケンス制御的に行う構成も可能である。なお、図４は、図１に示す過負荷回避回路の他の構成例（シーケンス構成例）を説明するフローチャートである。図４では、各処理ステップは、符号Ｓを付して表してある。

図４において、最初のＳ１では、事前に何らかの方法で設定されている過負荷回避モード突入レベル・回避レベルを入力する。そして、電流値等から演算された実効負荷率を観測し（Ｓ２）、現在の動作状態が過負荷回避モード中か否かを判断する（Ｓ３）。Ｓ３での判断結果、過負荷回避モード中でない場合（Ｓ３：Ｎｏ）は、実効負荷率が回避モード突入レベルよりも大きいか否かを判断する（Ｓ４）。

Ｓ４での判断結果、実効負荷率が回避モード突入レベルよりも小さい場合（Ｓ４：Ｎｏ）は、制御ゲインの変更を行わずに本手順を終了し、通常モードを継続する。一方、Ｓ４での判断結果、実効負荷率が回避モード突入レベルよりも大きい場合（Ｓ４：Ｙｅｓ）には、過負荷回避モードに突入し（Ｓ５）、制御ゲインを下げる変更処理を行い（Ｓ６）、本手順を終了する。ここで、Ｓ６での制御ゲインは、例えば、現行の運転パターンから下げるべき制御ゲインレベルを推測して設定したものを用いるとよい。

また、先のＳ３の判断において、過負荷回避モード中である場合は（Ｓ３：Ｙｅｓ）、実効負荷率が回避モード離脱レベルよりも大きいか否かを判断する（Ｓ７）。その結果、実効負荷率が依然として回避モード離脱レベルを超過している場合（Ｓ７：Ｙｅｓ）は、過負荷回避モードでの動作を継続し、制御ゲインの変更処理を行い、本手順を終了する。

その結果、Ｓ１〜Ｓ３を経由したＳ７において、実効負荷率が回避モード離脱レベルよりも小さくなった場合（Ｓ７：Ｎｏ）は、過負荷回避モードを離脱し（Ｓ８）、制御ゲインを元の値に戻し（Ｓ９）、本手順を終了する。このようなシーケンス制御を行えば、過負荷回避モードへの突入・離脱を繰り返すチャタリングを発生させることなしに、過負荷回避動作を行うことが可能となる。

以上は、位置制御モードでの説明であるが、位置制御ゲインのみを下げる、もしくは、位置制御ゲインと速度制御ゲインの両者を下げることのどちらによっても、同様の過負荷回避動作を行うことが可能となる。また、速度制御モードであれば、速度制御ゲインを下げることによっても、同様の過負荷回避動作が可能である。位置制御ゲインと速度制御ゲインの両者を下げる方式であれば、位置制御と速度制御との動作を切り替える場合に、モード切替に依存せず安定な過負荷回避動作が可能となる効果が得られる。なお、位置比例・速度比例積分制御の場合は、位置制御ゲインの代わりに速度積分ゲインを下げても同様の過負荷回避動作を得ることができる。

このように、本実施の形態１によれば、過負荷アラーム停止となるような過負荷の発生を予知した場合、トルク制御部の入力側経路に形成される制御系である位置制御部と速度制御部の一方または両方の制御ゲインを下げるように変更することで該制御系の制御応答性を下げるようしたので、実効負荷率を下げることができ、過負荷アラーム停止を回避することができる。

このとき、サーボアンプ単体で過負荷対策ができるので、コントローラは過負荷を意識する必要がない。したがって、コントローラの負荷削減、コントローラのユーザソフトウェア作成の簡易化、構成の単純化、コントローラとサーボアンプとの間のデータ通信量削減などを実現できる。

また、ゲインパラメータを変更するだけであるので、従来例に示すような速度制限やトルク制限等を用いた対策方法と違って線形動作を行うことになる。その結果、ショックや振動を発生させず、また、不安定・ハンチングも発生させない。これによって、構成が単純となり、演算量が少なくなり、ユーザに公開したパラメータの変更であるのでユーザに安心感を与える、などの効果もある。

また、通常は、トルク制御系の外側に速度制御ループなどのアウターループを組んでいるので、トルク制御系の応答を下げてしまうと、アウターループと干渉して制御性能の悪化や不安定を発生させてしまうが、本発明の方式では、トルク制御系の外側のループの応答性を下げるため、そのような悪影響を発生させる心配はない。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態２では、過負荷アラーム停止を回避する他の制御態様の一例を図１（実施の形態１）に示した構成を利用して説明する。そのため、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。

図５において、本実施の形態２による保護機能を備えた電動機制御装置（サーボアンプ）５０ｂは、位置偏差演算器１、位置制御部２、速度演算器３、速度偏差演算器４、速度制御部５、およびトルク制御部６を備え、図示しない上位コントローラからの位置指令ａとサーボモータ７に取り付けられている位置検出器７ａからのフィードバック信号であるモータ位置ｂとに基づき、サーボモータ７を位置指令ａに通りに駆動制御するサーボアンプにおいて、位置指令ａが位置偏差演算器１に入力する経路に、位置指令偏差演算器１３〜指令フィルタ１４〜積分器（修正位置指令演算器）１５〜位置指令偏差演算器１３の経路からなるフィルタループ２４が設けられる場合に、実施の形態１とは異なりトルク制御部６の入力側経路に形成される制御系として、速度制御ループ２２の外に形成される指令フィルタ１４を選択し、追加した過負荷回避回路２５にて、入力される実効負荷率ｈに応じて指令フィルタ１４の制御ゲイン（指令フィルタゲイン）を変更できるようにしたものである。

図５に示す位置偏差演算器１、位置制御部２、速度演算器３、速度偏差演算器４、速度制御部５、およびトルク制御部６を備え、位置指令ａとモータ位置ｂとに基づき、サーボモータ７を指令通りに駆動制御するサーボアンプについては、図１（実施の形態１）に示した構成において、過負荷回避回路８が存在しない場合として前述したので、その説明を割愛し、ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図５において、まず、本実施の形態２の前提となるサーボアンプの各部の構成と動作について説明する。すなわち、フィルタループ２４において、位置指令偏差演算器１３は、上位コントローラから得られる位置指令ａと積分器１５が出力するフィルタ後の位置指令ｐとから位置指令偏差ｑを出力する。指令フィルタ部１４は、位置指令偏差ｑに所定の時定数によるフィルタリング処理を施したフィルタ後の位置指令ｒを出力する。積分器１５は、指令フィルタ１４の出力を積算してフィルタ後の位置指令ｐを出力する。位置偏差演算器１以降は、積分器１５から出力されたフィルタ後の位置指令ｐを、図１に示した位置指令ａとし、実施の形態１にて説明した同一の内容で動作する。

さて、過負荷回避回路２５は、実施の形態１にて説明した内容の実効負荷率ｈを入力とし、図２や図４に示した構成によって、過負荷アラーム停止になるような過負荷になる可能性が高い場合に、トルク制御部６の入力側経路に形成される指令フィルタ１４に対して制御ゲイン変更比率ｉを出力する過負荷回避動作を行う。これによって、指令フィルタ１４は、位置偏差ｇに乗算する指令フィルタゲインを制御ゲイン変更比率ｉが指定する比例ゲインに変更してフィルタリング処理を行い、フィルタ後の位置指令ｒを出力する。

次に、動作について説明する。指令フィルタゲインを変更した場合も、実施の形態１にて説明したのと同様に、指令フィルタ１４の制御ゲインを下げると、応答性が低くなり加減速時のトルク実効値が小さくなる。その結果、実効負荷率が下がることで、過負荷アラーム停止になるような過負荷になるのを回避することが可能となる。また、実施の形態１にて説明したように、上位コントローラがサーボアンプ５０ｂの動作完了信号を受け取ってから次の動作を行うようにシーケンスが組まれている場合は、応答性が下がると、動作完了信号の払い出しが遅くなり、サイクルタイムが延びるので、実効負荷率ｈが下がる。また、粘性摩擦の大きな機械では、応答性を下げた結果、速度が下がると、粘性摩擦ロスが減ることによって実効負荷率ｈが下がる。

そして、動作中に切替ショックやオーバーシュートを発生させないように、制御応答性の変更を動作完了後に行うようにしてあるので、次サイクル以降において過負荷アラーム停止となるのを回避することができる。

なお、以上の説明は、指令フィルタ１４が一次遅れフィルタの形態ある場合の説明であるが、指令フィルタ１４のフィルタ形式はその限りではなく、高次フィルタであっても適用可能である。例えば、特許文献３における図２４、図２５に記載のようなフィードフォワード信号演算回路も指令フィルタの一種と考えられ、指令フィルタ１４に用いることができる。その場合は、フィードフォワード信号演算回路の係数器２２２や係数器２２４のいずれか、あるいは、両方の係数を変更するような形でも同様の効果を得ることが可能である。

また、指令フィルタ１４の応答性を変更する方法であれば、フィルタゲイン（フィルタ時定数）に依らず別の要素の変更に置き換えても構わない。例えば、移動平均フィルタなどのＦＩＲ型指令フィルタに対してもフィルタ段数を変更することにより、応答性を変更できることから、やはり同様の効果を得ることが可能である。

このように、本実施の形態２によれば、過負荷アラーム停止となるような過負荷の発生を予知した場合、トルク制御部の入力側経路に形成される制御系である指令フィルタの制御ゲインを下げるように変更して該制御系の制御応答性を下げるようしたので、実効負荷率を下げることができ、過負荷アラーム停止を回避することができる。

このとき、サーボアンプ単体で過負荷対策ができるので、コントローラは過負荷を意識する必要がない。したがって、コントローラの負荷削減、コントローラのユーザソフトウェア作成の簡易化、構成の単純化、コントローラとサーボアンプとの間のデータ通信量削減などを実現できる。

また、実施の形態１と同様に、ゲインパラメータを変更するだけであるので、従来例に示すような速度制限やトルク制限等を用いた対策方法と違って線形動作することになり、その結果、ショックや振動を発生させず、また、不安定・ハンチングも発生させない。構成が単純となり、演算量が少なくなり、ユーザに公開したパラメータの変更であるのでユーザに安心感を与える、などの効果もある。

また、２自由度制御にも適用可能であり、フィードバック制御応答特性とは独立に過負荷アラーム停止を回避する運転が可能となる。フィードバック制御系が非線形制御など特殊制御の場合でも利用可能である。

また、指令フィルタの応答性を操作するので、フィードバック制御の応答性を変更することなく過負荷回避動作が可能となる。フィードバック制御の応答性を変更すると、外乱抑圧性能が変わるので、本形態の形態２は、外乱抑圧性能を低減させたくない場合の過負荷アラーム停止の回避構成として好適である。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態３では、過回生アラーム停止を回避する制御態様の一例を図１（実施の形態１）に示した構成を利用して説明する。そのため、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。

図６において、本実施の形態３による保護機能を備えた電動機制御装置（サーボアンプ）５０ｃは、図１（実施の形態１）に示した構成において、実効負荷率ｈが入力される過負荷回避回路８に代えて、回生負荷率ｓが入力される過回生回避回路３０が設けられている。

過回生回避回路３０に入力される回生負荷率ｓは、例えば、回生コンバータの回生電流や回生トランジスタのオン／オフの回数・デューティーなどを基に逐次計算されるものである。過回生回避回路３０は、過負荷回避回路８と同様の考えで、過回生回避動作を行うものであり、図２や図４に示した構成と類似の構成を有している。

次に、動作について説明する。過回生回避回路３０は、入力される回生負荷率ｓに目立った上昇気配がなく基準値を下まわり、過回生アラーム停止となるような過回生になる可能性が低い場合には、位置御部２と速度制御部５の各制御ゲインの変更処理を行わない。その結果、サーボアンプ５０ｃは、通常状態でサーボ調整された位置制御ゲイン、速度制御ゲインにて動作する。

一方、過回生回避回路３０は、入力される回生負荷率ｓが基準値を超えて上昇し、過回生アラーム停止となるような過回生になる可能性が高くなった場合には、位置御部２と速度制御部５の各制御ゲインを下げる過回生回避動作を行う。その結果、サーボアンプ５０ｃは、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを下げた状態で動作する。

制御ゲインを下げると応答性が低くなり、運転パターンにおける減速度が下がる。その結果、単位時間当たりの回生エネルギーが小さくなることから母線電圧が上昇しにくくなり、回生トランジスタがオンする回数を減らすことが可能となる。あるいは、トップ速度が下がると、回生されるエネルギーが減少することから回生負荷率が下がる。また、図３では示してないが、上位コントローラがサーボアンプ５０ｃの動作完了信号を受け取ってから次の動作を行うようにシーケンスが組まれている場合は、応答性が下がると、動作完了信号の払い出しが遅くなり、その結果、サイクルタイムが延びることでも、回生負荷率ｓが下がるので、過回生を回避する動作を行うことのできるケースがある。

そして、動作中に切替ショックやオーバーシュートを発生させないように、制御応答性の変更を動作完了後に行うことができるので、次サイクル以降において過回生アラーム停止となるのを回避することができる。

このように、本実施の形態３によれば、過回生アラーム停止となるような過回生の発生を予知した場合、トルク制御部の入力側経路に形成される制御系である位置制御部と速度制御部の一方または両方の制御ゲインを下げるように変更して該制御系の制御応答性を下げるようしたので、回生負荷率を下げることができ、過回生アラーム停止を回避することができる。

このとき、サーボアンプ単体で過回生対策ができるので、コントローラは過回生を意識する必要が無い。したがって、コントローラの負荷削減、コントローラのユーザソフトウェア作成の簡易化、構成の単純化、コントローラとサーボアンプとの間のデータ通信量削減などを実現できる。

また、ゲインパラメータを変更するだけであるので、従来例に示すような速度制限やトルク制限等を用いた対策方法と違って線形動作することになり、その結果、ショックや振動を発生させず、また、不安定・ハンチングも発生させない。構成が単純となり、演算量が少なくなり、ユーザに公開したパラメータの変更であるのでユーザに安心感を与える、などの効果もある。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４による保護機能を備えた電動機制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態４では、過電圧と不足電圧の各電圧アラーム停止を回避する制御態様の一例を図１（実施の形態１）に示した構成を利用して説明する。そのため、図７では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは本実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。

図７において、本実施の形態４による保護機能を備えた電動機制御装置（サーボアンプ）５０ｄは、図１（実施の形態１）に示した構成において、実効負荷率ｈが入力される過負荷回避回路８に代えて、母線電圧などの主回路電圧ｕが入力される電圧アラーム回避回路４０が設けられている。

電圧アラーム回避回路４０は、過負荷回避回路８と同様の考えで、過電圧・不足電圧の回避動作を行うものであり、図２や図４に示した構成と類似の構成を有している。

次に、動作について説明する。電圧アラーム回避回路４０は、入力される主回路電圧ｕに目立った上昇変化・下降変化の気配がなく、過電圧・不足電圧になる可能性が低い場合には、位置制御部２と速度制御部５の各制御ゲインの変更処理を行わない。その結果、サーボアンプ５０ｄは、通常状態でサーボ調整された位置制御ゲイン、速度制御ゲインにて動作する。

（過電圧アラーム停止の回避動作）
電圧アラーム回避回路４０は、入力される主回路電圧ｕが基準値を超えて上昇し過電圧アラーム停止となるような過電圧になる可能性が高くなった場合には、位置制御部２と速度制御部５の各制御ゲインを下げる過電圧回避動作を行う。その結果、サーボアンプ５０ｄは、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを下げた状態で動作する。

制御ゲインを下げると応答性が低くなり、運転パターンにおける減速度が下がる。その結果、単位時間当たりの回生エネルギーが小さくなり、瞬時過電圧が発生しにくくなる。あるいは、トップ速度が下がると回生されるエネルギーが減少することから主回路電圧の上昇が少なくなるので、過電圧アラーム停止となるような過電圧になりにくくなる。以上のようにして、過電圧アラーム停止を回避する動作を行うことができる。

（不足電圧アラーム停止の回避動作）
電圧アラーム回避回路４０は、入力される主回路電圧ｕが瞬停などで基準値以下に下降し、不足電圧アラーム停止となるような不足電圧になる可能性が高くなった場合には、位置制御部２と速度制御部５の各制御ゲインを下げる不足電圧回避動作を行う。その結果、サーボアンプ５０ｄは、位置制御ゲイン、速度制御ゲインを下げた状態で動作することになる。

制御ゲインを下げると応答性が低くなり、運転パターンにおける加速度が下がる。その結果、加速トルクが減少することから、主回路電圧の低下が少なくなり、不足電圧アラーム停止を回避する動作を行うことができる。

ここで、図７では、電圧アラーム回避回路４０は、主回路電圧を監視する場合を示したが、電圧値自体を検出する手段を有しない場合などにおいては、主回路電圧が過電圧の閾値レベルを超過したことを判断するフラグや、不足電圧の閾値レベルを下回ったことを判断するフラグを監視するようにしてもよい。

このように、本実施の形態４によれば、過電圧アラーム停止となるような過電圧の発生を予知した場合は、トルク制御部の入力経路に形成される制御系である位置制御部と速度制御部の一方または両方の制御ゲインを下げるように変更して該制御系の制御応答性を下げて減速度を下げるようにしたので、主回路電圧の上昇を抑えることができ、次運転サイクルでの過電圧アラーム停止を回避することができる。

また、本実施の形態４によれば、不足電圧アラーム停止となるような不足電圧の発生を予知した場合には、トルク制御部の入力経路に形成される制御系である位置制御部と速度制御部の一方または両方の制御ゲインを下げるように変更して該制御系の制御応答性を下げて加速度を下げるようにしたので、主回路電圧の減少を少なくすることができ、次運転サイクルでの不足電圧アラーム停止を回避することができる。

このとき、ゲインパラメータを変更するだけであるので、リミッタを絞る従来例に示される対策方法と違って線形動作することになる。その結果、ショックや振動を発生させず、また、不安定・ハンチングも発生させない。構成が単純となり、演算量が少なくなり、ユーザに公開したパラメータの変更であるのでユーザに安心感を与える、などの効果もある。

ここで、本発明は、以上説明した実施の形態１〜４に限定されるものではなく、以下に示す各種の態様が可能である。

（１）実施の形態１〜４では、フィードバック信号が入力される位置・速度制御部の構成を、位置比例・速度比例の直列接続として説明しているが、それに限るものではなく、位置比例・速度比例積分制御や位置比例・積分・微分制御等でも、実施の形態１〜４にて説明した動作と同一の動作を行うことが可能である。

（２）実施の形態１〜４では、全て位置制御モードにて説明しているが、位置制御モードに限らず、速度制御モードの場合はもちろん、圧力制御モードなど、トルク制御部の入力側経路に形成される制御系（トルク制御系の外側または前段に形成される制御系）において同様に適用可能である。この場合は、指令フィルタゲインやモデル制御ゲイン、あるいは速度制御ゲインや圧力制御ゲインなどを変更する方法を採用できる。

（３）実施の形態１，２では、過負荷回避回路への入力は実効負荷率を用いているが、実効負荷率の２乗や推定した負荷率を用いても、同様の過負荷回避動作を行うことが可能である。また、サーボモータやエンコーダ、サーボアンプ、機械などの温度に関連する様々な観測値ないしは推定値を用いても、同様の過負荷回避動作を行うことが可能である。

（４）実施の形態１〜４では、サーボアンプを例に挙げて説明したが、インバータなどその他のモータ制御装置でも同様に適用可能であることはいうまでもない。

（５）実施の形態１〜４では、制御ゲイン変更比率をサーボアンプ内で決定しているが、上位コントローラにアラーム回避モードの要否を送信し、上位コントローラから制御ゲイン変更比率を指定してもらう手法も可能である。同期や補間などを行う機械では、他軸との連動が必要であることから上位コントローラで制御ゲイン変更比率を認知ないしは決定できることが望ましい。もちろん、制御ゲイン変更比率をサーボアンプ内にて決定し上位コントローラに送信するという方法も考えられる。

以上のように、本発明にかかる保護機能を備えた電動機制御装置は、簡易な構成でアラーム停止を回避できる保護機能を備えたモータ制御装置として有用である。

１ 位置偏差演算器
２ 位置制御部
３ 速度演算器
４ 速度偏差演算器
５ 速度制御部
６ トルク制御部
７ サーボモータ
７ａ 位置検出器
８，２５ 過負荷回避回路
９ 実効負荷率偏差演算部
１０ スイッチ部
１１ 実効負荷率制御部
１２ 制限器
１３ 位置指令偏差演算器
１４ 指令フィルタ
１５ 修正位置指令演算器
２２ 速度制御ループ
３０ 過回生回避回路
４０ 電圧アラーム回避回路
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ サーボアンプ（モータ制御装置）

Claims (5)

1. 各種の機械を駆動するモータに供給する電流の制御を行うトルク制御部を含むマイナーループを有するモータ制御装置において、
   実効負荷率もしくは当該モータ制御装置と前記モータと前記機械との少なくともいずれか一つの温度に関する物理量を観測或いは推測し、過負荷になる可能性が高いと判断した場合に、前記実効負荷率を下げる方向に、前記トルク制御部の入力側経路に形成される制御系の制御応答性を変更する過負荷回避動作を行う構成、
   を備え、前記制御応答性の変更は、目標値応答を調整する指令フィルタの指令フィルタゲインを変更することにより行われることを特徴とする保護機能を備えた電動機制御装置。
2. 各種の機械を駆動するモータに供給する電流の制御を行うトルク制御部を含むマイナーループを有するモータ制御装置において、
   回生負荷率もしくは回生コンバータと回生抵抗体との少なくともいずれか一方の温度に関する物理量を観測或いは推測し、過回生になる可能性が高いと判断した場合に、前記回生負荷率を下げる方向に、前記トルク制御部の入力側経路に形成される制御系の制御応答性を変更する過回生回避動作を行う構成、
   を備え、前記制御応答性の変更は、目標値応答を調整する指令フィルタの指令フィルタゲインを変更することにより行われることを特徴とする保護機能を備えた電動機制御装置。
3. 各種の機械を駆動するモータに供給する電流の制御を行うトルク制御部を含むマイナーループを有するモータ制御装置において、
   当該モータ制御装置の主回路電圧値もしくは前記主回路電圧が閾値を超えるのを知らせるフラグを観測し、過電圧になる可能性が高いと判断した場合に、前記主回路電圧の上昇を抑制する方向に、前記トルク制御部の入力側経路に形成される制御系の制御応答性を変更する過電圧回避動作を行う構成、
   を備え、前記制御応答性の変更は、目標値応答を調整する指令フィルタの指令フィルタゲインを変更することにより行われることを特徴とする保護機能を備えた電動機制御装置。
4. 各種の機械を駆動するモータに供給する電流の制御を行うトルク制御部を含むマイナーループを有するモータ制御装置において、
   当該モータ制御装置の主回路電圧値もしくは前記主回路電圧が閾値を超えるのを知らせるフラグを観測し、不足電圧になる可能性が高いと判断した場合に、前記主回路電圧の低下を抑制する方向に、前記トルク制御部の入力側経路に形成される制御系の制御応答性を変更する不足電圧回避動作を行う構成、
   を備え、前記制御応答性の変更は、目標値応答を調整する指令フィルタの指令フィルタゲインを変更することにより行われることを特徴とする保護機能を備えた電動機制御装置。
5. 前記制御応答性の変更は、動作完了後または次サイクルでの運転開始前に行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の保護機能を備えた電動機制御装置。

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