JP5581100B2

JP5581100B2 - モータの磁極位置補正方法

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Publication number: JP5581100B2
Application number: JP2010086919A
Authority: JP
Inventors: 達哉志津; 庸市川井
Original assignee: Okuma Corp
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-04-05
Also published as: JP2011120442A

Description

本発明は、工作機械の傾斜軸駆動などに利用されるダイレクトドライブモータとロータ回転角度を検出するエンコーダの取付け誤差に起因する出力トルク低下を改善するものである。

近年、加工工程の結合による効率化および設備機械台数削減を目的として、１台の機械で様々な加工を行うことができる５軸マシニングセンタが注目されている。そして、その傾斜軸駆動には、減速器のバックラッシュ等の影響を受けず高精度な位置決めが可能であるダイレクトドライブモータが用いられる。このダイレクトドライブモータには、ロータに永久磁石を有する同期電動機が採用されている。

図８は、５軸マシニングセンタの構造例を示した図である。５軸マシニングセンタ１０において、１３はワークを搭載する回転テーブル、１４はトラニオン、１５はトラニオン支持台、１６はベッド、１７はクロスレール、１８はサドル、１９は主軸頭、２０は主軸である。また、１１はトラニオン１４を駆動するダイレクトドライブモータ、１２はエンコーダ、３１はダイレクトドライブモータ１１のステータ、３２はダイレクトドライブモータ１１のロータ、３３はエンコーダ１２に含まれるセンサ、３４はこのセンサ３３の検出対象となる検出歯車、３６はステータ３１を固定するステータハウジングである。センサ３３はステータハウジング３６に、また、検出歯車３４はロータ３２に取り付けられ、センサ３３によって検出歯車３４の歯をセンシングすることによりロータ３２の回転角度を検出する。

加工ワークを搭載する回転テーブル１３は、Ｃ軸を旋回軸として、トラニオン１４に回転可能に支持されている。トラニオン１４は、トラニオン支持台１５に、Ａ軸を傾斜軸として旋回可能に支持されている。さらにトラニオン支持台１５は、ベッド１６上でＹ軸方向に移動可能に支持されている。一方、ベッド１６上に架設されたクロスレール１７には、サドル１８がＸ軸方向へ移動可能に設置されている。サドル１８には、主軸頭１９がＺ軸方向へ移動可能に設置されている。このような構成を有する５軸マシニングセンタ１０は、回転テーブル１３に加工ワークを搭載し、主軸頭１９に回転工具を取り付けて、上述したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｃ軸に関して加工ワークおよび回転工具を駆動することにより、５軸加工を行うことができる。

トラニオン１４の駆動方式は、従来、サーボモータと減速機を用いた方式であった。しかし、Ａ軸とＣ軸の旋回速度を上げることで加工速度を早くでき、また、減速機のバックラッシュ等が無く正確な位置決めができ、さらに、減速機のように繰返し動作によりギヤが磨耗することがないためメンテナンスが容易となるという理由から、近年、旋回軸に直接にダイレクトドライブモータを取付けて駆動するダイレクトドライブ方式を採用した５軸マシニングセンタが発表されている。

ここで、ダイレクトドライブ方式を採用する場合の注意点は、ダイレクトドライブモータと旋回軸を直結するため、モータの位置決め精度が直接、旋回軸の位置決め精度となってしまう点である。よって、ダイレクトドライブモータには高い位置決め精度が要求される。通常、ダイレクトモータを使用する場合には、高分解能なエンコーダを取り付けてロータの回転位置を検出している。

図９は、上記ダイレクトドライブモータ１１の制御装置の構成を示すブロック図である。ダイレクトドライブモータ１１の制御装置は、エンコーダ１２、比例増幅器２１、２２、電流分配部２３、積分増幅器２４、電流制御部２５、微分器２６、３相ＰＷＭインバータ２８、および、電流検出器２９を含む。この制御装置において、位置指令θ＊が入力されると、この位置指令値とエンコーダ１２による検出値、すなわちロータ３２の回転位置との差分が比例増幅器２１によって増幅されて、ダイレクトドライブモータ１１のロータ３２の回転速度指令Ｖ＊として出力される。そして、この回転速度指令Ｖ＊と、エンコーダ１２の検出値を積分器２６で積分して得られるロータ３２の回転速度との差分が、比例増幅器２２および積分増幅器２４によってＰＩ演算されてトルク指令Ｔ＊が生成される。このトルク指令Ｔ＊の入力を受けて電流分配部２３は、３相電流指令Ｉｕ＊，Ｉｖ＊，Ｉｗ＊のうち２相分の電流指令Ｉｕ＊、Ｉｖ＊を生成して電流制御部２５へ出力する。このとき、電流指令を生成する際に、エンコーダ１２による検出値が考慮される。

電流制御部２５は、電流分配部２３から入力された電流指令Ｉｕ＊およびＩｖ＊と、ｉｕ＊＋ｉｖ＊＋ｉｗ＊＝０の関係式から導出される電流指令Ｉｗ＊とに基づいて、３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊を生成して３相ＰＷＭインバータ２８へ出力する。ダイレクトドライブモータ１１は、直流電源２７から供給される直流電圧をインバータ２８が前記３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊に基づいて変換した３相交流電圧を印加して駆動される。実際にダイレクトドライブモータ１１に印加する電圧は、電流制御部２５において、電流検出器２９によって検出された電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとの偏差から求めた３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊である。

図１０は、ロータ位置を固定した状態で、電流位相をスライドさせた場合のダイレクトドライブモータ１１の出力トルク特性を示した図である。図１０から、ダイレクトドライブモータ１１の出力トルクは電流位相が９０°となるように制御したとき同一電流に対し最大トルクが得られることが分かる。ダイレクトドライブモータ１１のトルクを効率良く発生させるためには、モータ１１のステータコイルに通電する電流位相をロータの磁極位置に対して所定の位相差で制御する必要がある。このため、ロータ３２の回転位置とエンコーダ１２によって検出されるロータの回転位置検出値との相対的な位置関係は、制御回路内部で予め設定された所定の位置関係と同じである必要があるが、実際にはダイレクトドライブモータ１１およびエンコーダ１２の各取付け穴と雌ねじ穴とのがたや、機械的な加工誤差による取付け穴や雌ねじ穴の位置ずれ等の影響によって取付け誤差を生じる。取付け誤差が生じると、位相差θは９０°＋誤差(電気角)となり、出力トルクが低下してしまう。

また、ダイレクトドライブモータ１１は、モータの位置決め精度を向上するために、多極構造を採用している。これは、モータの回転角度に対するモータの制御角を大きくするためである。しかし、多極モータほど取付け誤差に対するトルク低下が大きくなるという問題がある。具体的に説明すると、ｎ極対のモータにおいて機械角θ'と電気角θ''はθ''＝nθ'の関係にある。例えば取付け誤差が機械角で＋１°となった場合、４極対モータにおいては電気角で＋４°の誤差であるが、３２極対モータにおいては電気角で＋３２°の誤差となってしまう。このとき出力トルクは、図７に示すように、前者では９９．８％になって０.２％のトルク低下となり、後者では８５％になって１５％のトルク低下となり、多極モータほど取付け誤差に対するトルク低下が大きくなることが分かる。このため、特に多極を採用しているダイレクトドライブモータの場合は、ダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２をより正確な位置に取り付ける必要がある。しかし、実際には、ダイレクトドライブモータ１１やエンコーダ１２の各取付け穴と雌ねじ穴とのがたは、加工精度および組立の関係上必要であり、無くすことが困難である。そのため、特開２０００−１６６２７８号公報（特許文献１）では、組立後に取付け誤差を電気的に補正する磁極位置補正方法が提案されている。

特開２０００−１６６２７８号公報

しかし、ダイレクトドライブモータやエンコーダの取付け誤差を電気的に補正する特許文献１の磁極位置補正方法は、モータの回転軸を一定で回転させながらｄ軸電流誤差増幅器の出力をもとに磁極位置補正値を演算するため、回転軸の可動角度が制限される上記傾斜軸Ａにおいては適用できない。

さらに、上記のような磁極位置補正を行う場合、ダイレクトドライブモータやエンコーダの取付け間違いや取付け誤差により、ダイレクトドライブモータとエンコーダの取付け位置関係が当初から最適な磁極位置補正値に対して電気角で±９０°以上ずれている可能性がある。ここで、取付け間違いとは、モータのロータやステータの取付け位置を正規の角度と異なる角度に取り付けてしまうことである。また、取付け誤差とは、取付け穴と雌ねじ穴とのがたや、機械的な加工誤差による取付け穴や雌ねじ穴の位置ずれ等により発生する取付け角度誤差のことである。ダイレクトドライブモータとエンコーダとの取付位置関係が電気角で±９０°以上ずれると、ダイレクトドライブモータが制御不能となり、モータの位置決めができず磁極位置補正が行えないばかりか、トラニオン１４の想定可動範囲を超えて回動することで隣接する機械構成部品と衝突して破損するといった課題があった。

本発明は、上記問題点を解決するもので、ダイレクトドライブモータを採用した傾斜軸において、ダイレクトドライブモータとエンコーダの取付け誤差を制御装置内で補正する方法を提供することを１つの目的とする。また、本発明は、ダイレクトドライブモータを採用した傾斜軸において、ダイレクトドライブモータとエンコーダの取付け誤差の補正を安全に行える方法を提供することをもう１つの目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るモータの磁極位置補正方法は、負荷を支持し可動回転角度が制限される傾斜軸を駆動するダイレクトドライブモータのロータの回転位置と、前記ダイレクトドライブモータに取り付けられたエンコーダによって検出されるロータの検出回転位置との相対的な位置関係を補正するモータの磁極位置補正方法であって、
前記ダイレクトドライブモータを駆動して前記傾斜軸を所定の傾斜角度に位置決めするステップと、
前記傾斜軸が所定角度に位置決めされた状態で、前記傾斜軸に支持された負荷にかかるモーメント荷重により出力される前記ダイレクトドライブモータのトルク指令値を測定するステップと、
磁極位置補正値を変更しながら前記検出されたトルク指令値と所定の閾値とを比較することにより磁極位置補正値を決定するステップと、
前記決定された磁極位置補正値をメモリに記憶するステップと、
前記メモリに記憶した磁極位置補正値により求めた電気角オフセット値をモータ制御に用いるステップと
を含むことを特徴とする。

本発明に係るモータの磁極位置補正方法において、前記磁極位置補正値を決定するステップは、トルク指令値を監視しながら磁極位置補正値を自動的に変更するステップと、トルク指令値が所定の閾値以下となる磁極位置補正値を探索するステップとを含んでもよい。

また、本発明に係るモータの磁極位置補正方法において、前記磁極位置補正値を決定するステップは、磁極位置補正値を変更するステップと、変更後と変更前のトルク指令値の差を求めるステップと、その差が負から正に逆転する磁極位置補正値を探索するステップとを含んでもよい。

また、本発明に係るモータの磁極位置補正方法において、前記傾斜軸が前記所定の傾斜角度を超えて回動しないように前記トルク指令値に上限値を設定してもよい。

また、本発明に係るモータの磁極位置補正方法において、前記傾斜軸が回動しないようにブレーキをかけた状態で前記ダイレクトドライブモータを位置制御し、そのときのダイレクトドライブモータのトルク指令値が予め設定された閾値を超えた場合にはダイレクトドライブモータが制御不能状態にあると判断するステップを、前記傾斜軸を所定の傾斜角度に位置決めするステップの前に追加してもよい。

さらに、本発明に係るモータの磁極位置補正方法において、前記ダイレクトドライブモータと前記センサとの取付け角度が最適な磁極位置補正値を中心とする±９０度の電気角範囲内となるように前記ダイレクトドライブモータおよび前記センサが位置決めされて取り付けられていてもよい。

本発明に係るモータの磁極位置補正方法によれば、回転軸の可動角度が制限される傾斜軸において、ロータの回転角度を検出するセンサの検出位置原点とモータとの相対的な位置関係が完全に一致していなくても、制御装置内で磁極位置とセンサの検出位置とのズレを補正し、正確な電流位相の制御が実現できるため、前記ズレに起因する出力トルク低下を無くすことが出来る。

また、前記傾斜軸が前記所定の傾斜角度を超えて回動しないように前記トルク指令値に上限値を設定すれば、ダイレクトドライブモータとセンサとの取付け角度ずれが大きくても、磁極位置補正時にダイレクトドライブモータが制御不能となることを防止できる。

本発明の実施形態であるモータの磁極位置補正方法が実行されるモータ制御装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態における磁極位置補正方法のフローチャートである。本発明における磁極位置補正値とトルク指令値の関係を説明する図である。本発明の第２の実施形態における磁極位置補正方法のフローチャートである。本発明の第３の実施形態における磁極位置補正方法のフローチャートである。本発明の第４の実施形態における磁極位置補正方法のフローチャートである。ダイレクトドライブモータとエンコーダとを特定の取付け関係に位置決めする位置決め手段を設けたダイレクトドライブモータおよびエンコーダの側面図である。５軸マシニングセンタの構造例を示した図である。図８に示す５軸マシニングセンタのモータ制御装置を示したブロック図である。図９に示すモータ制御装置における電流の位相差と出力トルクの関係を示した図である。

[第1の実施形態]
図１は、本発明の実施形態であるモータの磁極位置補正方法が実行されるモータ制御装置１の概略構成を示すブロック図である。モータ制御装置１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４２、メモリ４４および位置指令設定部４６を含む制御部４０を備える。中央演算処理装置４２は、メモリ４４から磁極位置補正プログラムを読み出して実行する機能を有する。メモリ４４は、磁極位置補正プログラムを予め記憶したＲＯＭや、検出データ等を書換え可能に記憶するＲＡＭなどから構成されている。位置指令設定部４６は、自動的に又はオペレータによる手動操作に応じて、ダイレクトドライブモータ１１のロータ３２の回転位置指令である位置指令θ＊を設定して比例増幅器２１へ入力する機能を有する。位置指令設定部４６は、手動操作用のためのスイッチ、キーボード、ダイヤルなどの入力手段を含んでもよい。モータ制御装置１の他の構成は、図９を参照して上述したものと同様であるため、同じ構成要素に同じ符合を付して説明を省略する。

図２は、本発明の第１の実施形態であるモータの磁極位置補正方法の処理手順を示すフローチャートである。この図２と、図３、図４および図５を参照して以下に本発明の実施形態を説明する。

まず、本発明の本実施形態による磁極位置補正値導出に用いるトルク指令値と磁極位置補正値との関係について説明する。図３は、ダイレクトドライブモータ１１が、一定のトルクを出力した状態での磁極位置補正値とトルク指令値Ｔ＊の関係を表した図である。磁極位置補正値が図示した最適補正値であればトルク指令値は最小となり、最適補正値から離れる程、同一電流で発生可能な出力トルクが低下するためにトルク指令は大きくなる。このことから、トルク指令値の大きさを検出することで磁極位置補正値のズレ量を判断することが出来る。

この関係を利用して磁極位置補正値のズレ量を求めるには、ダイレクトドライブモータ１１を一定トルク出力状態にする必要がある。このためには、可動回転角度に制限のない一般的な軸においては、ダイレクトドライブモータ１１を速度制御により一定回転させ、その際に出力されるトルク指令Ｔ＊を検出する方法が考えられる。しかし、トラニオン１４は可動回転角度が制限されているため、速度制御による一定回転は不可能である。そこで、本発明の実施形態ではダイレクトドライブモータ１１が一定のトルクを出力する状態にするために、ダイレクトドライブモータ１１の位置制御によりトラニオン１４を所定の角度に位置決めすると、ダイレクトドライブモータ１１にトラニオン１４のモーメント荷重がかかり、一定のトルクが出力されることを利用する。また、このとき出力されるトルクは、前記可動回転角度に制限がない回転軸を速度制御により一定回転させたときの出力トルクに対して十分大きく、これにより前記磁極位置補正値導出の際に、磁極位置補正値に対するトルク指令値Ｔ＊の感度が上がり、より正確に最適補正値を求めることが出来る。

次に、本発明の第１の実施形態による磁極位置補正方法の手順を説明する。この磁極位置補正方法は、制御部４０に含まれる中央演算処理装置４２によるソフトウェア制御によって実行されてもよいし、又は、その手順の一部がハードウェア要素によって実現されてもよい。

図２を参照すると、まず、ステップＳ１０において、位置指令設定部４６により自動または手動操作で設定された位置指令θ＊が比例増幅器２１に入力される。これにより、トラニオン１４に取付けられたダイレクトドライブモータ１１を駆動し、トラニオン１４を位置制御により所定の角度に位置決めさせる。

一方、制御部４０のメモリ４４には、エンコーダ１２の検出原点とロータの磁極位置の位相差を指定する電気角オフセット値と、前記電気角オフセット値を補正する磁極位置補正値とが予め記憶されている。前記磁極位置補正値は、手動もしくは自動で変更可能に設定されている。

次に、ステップＳ１２において、トラニオン１４が位置決めされている状態で発生しているトルク指令値を検出し、続くステップＳ１４においてトルク指令値と予め設定した閾値を比較する。この閾値として、位置指令θ＊に関連付けてメモリ４４に予め記憶されているものを用いることができる。トルク指令値が閾値以上であればステップＳ１６において磁極位置補正値を変化させ、再度、ステップＳ１２およびＳ１４でトルク指令値を検出し閾値との比較を行う。この動作をトルク指令値が閾値未満になるまで繰り返す。なお、ここでのステップＳ１２ないしＳ１６が、トルク指令値を監視しながら磁極位置補正値を自動的に変更するステップと、トルク指令値が所定の閾値未満となる磁極位置補正値を探索するステップに相当する。

そして、トルク指令値が閾値未満となる磁極位置補正値が見つかれば、ステップＳ１８において、その値をメモリ４４に記憶する。この補正値により補正した電気角オフセット値を制御部４０から電流分配部２３へ入力してモータ制御に用いる。

なお、最適補正値を求める方法としては、磁極位置補正値を手動で変更しながらトルク指令値Ｔ＊が所定の閾値より小さくなる磁極位置補正値を探索する方法と、磁極位置補正値を自動で変更してトルク指令値Ｔ＊と所定の閾値の大小を比較し、トルク指令値Ｔ＊が所定の閾値未満になる磁極位置補正値を自動で求める方法とがある。どちらの方法を採用しても本発明の効果を得ることができるが、自動で磁極位置補正値を求める方法を採用することにより、より高速に磁極位置補正値を導出することが出来る。

上述したように本実施形態によれば、特許文献１に示される磁極位置補正方法とは異なり、補正の際にダイレクトドライブモータ１１の軸を一定速度で又は１周以上回転させる必要が無い。よって、トラニオン１４のように可動回転角度が制限される用途に適用することが出来る。
[第２の実施形態]
図４は、本発明の第２の実施形態であるモータの磁極位置補正方法の処理手順を示すフローチャートである。第２の実施形態では、第１の実施形態に比べて、より精度よく磁極位置補正値の最適補正値を求めることができる。

第２の実施形態では、制御部４０のメモリ４４が磁極位置補正値及びトルク指令値を保存するためにＴ＊レジスタとして用いられ、まず、ステップＳ２０およびＳ２２において磁極位置補正値を初期化するとともにＴ＊レジスタを初期化する。このときＴ＊レジスタにはダイレクトドライブモータ１１に適用されるトルク指令値の最大値を保存する。

次に、ステップＳ２４において、位置指令設定部４６により自動または手動操作で設定された位置指令θ＊が比例増幅器２１に入力される。これにより、トラニオン１４に取り付けられたダイレクトドライブモータ１１を駆動し、トラニオン１４を位置制御により所定の角度に位置決めさせる。このとき、ステップＳ２６において、トラニオン１４の角度を保持するためにダイレクトドライブモータ１１に所定のトルクを出力するためのトルク指令値Ｔ＊を検出し、続くステップＳ２８において、検出したトルク指令値とＴ＊レジスタに保存されている値を比較する。次に、検出したトルク指令値Ｔ＊がＴ＊レジスタ以下であれば、ステップＳ３０においてＴ＊レジスタにトルク指令値Ｔ＊を保存し、続くステップＳ３２において磁極位置補正値を予め設定した値δだけ増加した値に設定し、再度ステップＳ２６およびＳ２８でトルク指令値Ｔ＊を検出し再度Ｔ＊レジスタとの比較を行う。この動作を、検出したトルク指令値Ｔ＊がＴ＊レジスタよりも大きくなるまで繰り返す。なお、ここでのステップＳ２６〜Ｓ３２が、磁極位置補正値を変更するステップと、変更後と変更前のトルク指令値の差を求めるステップと、その差が負から正に逆転する磁極位置補正値を探索するステップに相当する。

そして、トルク指令値がＴ＊レジスタよりも大きくなる磁極位置補正値が見つかれば、ステップＳ３４において、その値からδを引いた値を制御部４０のメモリ４４に記憶する。この補正値をエンコーダ１２の磁極位置補正値として用い、磁極位置補正が完了する。この磁極位置補正値により補正した電気角オフセット値が制御部４０から電流分配部２３へ入力されてモータ制御に用いられる。

本実施形態は、検出したトルク指令値から磁極位置補正値を得る手法は第１の実施形態と同じであるが、第１の実施形態では予め設定した閾値以下となる磁極位置補正値を設定値としたのに対し、本実施形態ではトルク指令値が最小となる磁極位置補正値を求めて設定値としている。本実施形態によって、より正確な磁極位置補正値が導出でき、ダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２の取付け誤差に起因する出力トルク低下を改善することが出来る。

上述したように本実施形態による構成では、特許文献１に示される磁極位置補正方法とは異なり、補正の際にダイレクトドライブモータ１１の回転軸を一定速度で又は１周以上回転させる必要が無い。よってトラニオン１４のように可動回転角度が制限される用途に適用することが出来る。
[第３の実施形態]
上記のような磁極位置補正を行う場合、ダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２との取付け位置のずれ量が補正可能範囲を超えて大きい場合、具体的には最適な磁極位置補正値に対して電気角で±９０°以上ずれていると、トラニオン１４を所定の傾斜角度に位置決めする際、ダイレクトドライブモータ１１が制御不能となり、トラニオン１４の想定可動範囲を超えて回動することで隣接する機械構成部品が衝突する可能性がある。そこで、第３の実施形態では、傾斜角度により徐々にトラニオン１４のモーメント荷重が変化しダイレクトドライブモータ１１にかかる負荷が変化するという傾斜軸独特の負荷のかかり方に着目し、ダイレクトドライブモータ１１のトルク指令値に対して、トラニオン１４が所定傾斜角度に位置決めされた際のトルク値をトルクリミット値（上限値）として設定することにより、モータが制御不能となっても、トラニオン１４が所定角度以上回動しないようにすることが可能となる。参考までに、直線軸の場合は、トルクリミット値を設定しても、モータにかかる負荷は、直線軸のストローク間では傾斜軸のように変化しないため、本実施形態のようにトルクリミットを設定しても、モータが制御不能となった場合に、動作範囲を限定することが出来ない。したがって、ダイレクトドライブモータについてのトルクリミット値の設定は、傾斜軸という特異な機械構成に適用してこそ有効なものと言える。

図５は、第３の実施形態であるモータの磁極位置補正方法の処理手順を示すフローチャートである。図５にしたがって、本実施形態による磁極位置補正方法の手順を説明する。

まず、ステップＳ５０において、トラニオン１４が所定の傾斜角度以上に傾かないようトルク指令値Ｔ＊の上限値としてトルクリミット値Ｔｌｉｍを設定する。この設定は、位置指令設定部４６の入力手段を通じてオペレータの手動操作により実行されてもよいし、あるいは、メモリに４４に予め記憶されている値を読み出して使用してもよい。

その後、ステップＳ５２において磁極位置補正を実行して最適磁極補正値を求め、続くステップＳ５４において、求めた最適磁極補正値をメモリ４４に記憶する。ここでの磁極位置補正の手順は、図２を参照して上述した第１の実施形態におけるステップＳ１０〜Ｓ１８と実質的に同じであるが、異なる点はステップＳ１２において検出されたトルク指令値Ｔ＊と上記トルクリミット値Ｔｌｉｍとの比較を行い、トルク指令値Ｔ＊が上記トルクリミット値Ｔｌｉｍを超えたときにはダイレクトドライブモータ１１の駆動を直ちに停止することである。これにより、ダイレクトドライブモータ１１が制御不能となってトラニオン１４が所定傾斜角度以上に回動するのを防止できる。

そして、メモリ４４に記憶した磁極位置補正値をエンコーダ１２の磁極位置補正値として用い、磁極位置補正が完了する。この磁極位置補正値により補正した電気角オフセット値が制御部４０から電流分配部２３へ入力されてモータ制御に用いられる。

上述したように本実施形態による構成では、ダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２の取付け角度が補正可能範囲以上に大きくずれている場合でも、ダイレクトドライブモータ１１が制御不能となり、トラニオン１４が想定可動範囲を超えて回動して隣接する機械構成部品に衝突することがない。
[第４の実施形態]
次に、図６を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。第４の実施形態では、トラニオン１４を回動しないように固定する機械式ブレーキ（図示せず）を設け、このブレーキを作動させた状態でダイレクトドライブモータ１１を位置制御し、そのときのダイレクトドライブモータ１１のトルク指令値Ｔ＊からダイレクトドライブモータ１１が制御不能かどうかを判断することを特徴とする。ダイレクトドライブモータ１１が制御不能となる磁極位置補正値である場合、微小な位置誤差に対しても過大なトルク指令Ｔ＊が発生する。このことを利用し、トルク指令値Ｔ＊の大きさに基づいてダイレクトドライブモータ１１が制御不能となる磁極位置補正値であるかどうかを判断する。

図６は、本発明の第４の実施形態であるモータの磁極位置補正方法の処理手順を示すフローチャートである。

図６を参照すると、まず、ステップＳ６０において、トルク指令値Ｔ＊の上限値として第１トルクリミット値Ｔｌｉｍ１を設定する。このとき第１トルクリミット値Ｔｌｉｍ１は、上記機械式ブレーキによるトラニオン１４に対するブレーキ力に比べて極めて小さい値に設定する。これにより、万一、磁極位置補正値のずれ量が所定量以上であってダイレクトドライブモータ１１が制御不能となった場合でも、トラニオン１４がブレーキで固定されていれば回動できない。

次に、ステップＳ６２において、上記機械式ブレーキを作動させてトラニオン１４をブレーキで固定し、ステップＳ６４においてダイレクトドライブモータ１１の位置制御を開始する。そして、ステップＳ６６において、トラニオン１４が固定されている状態で発生しているトルク指令値Ｔ＊を検出および確認し、続くステップＳ６８においてトルク指令値Ｔ＊と予め設定した制御不能防止磁極位置補正値算出用閾値Ｔ＊ｔｈｒ（過大なトルク指令値Ｔ＊を判断するための閾値であり、第１トルクリミット値Ｔｌｉｍ１と同じ値）の比較を行う。トルク指令値Ｔ＊がこの閾値Ｔ＊ｔｈｒ以上であればステップＳ７０において磁極位置補正値をδだけ増加させ、再度、ステップ６６およびＳ６８でトルク指令値Ｔ＊を検出して閾値Ｔ＊ｔｈｒとの比較を行う。この動作をトルク指令値Ｔ＊が閾値Ｔ＊ｔｈｒ未満になるまで繰り返す。

そして、トルク指令値Ｔ＊が閾値Ｔ＊ｔｈｒ未満となる磁極位置補正値が見つかれば、ステップ７２において、その値をメモリ４４に記憶する。

続いて、ステップＳ７４において、トルク指令値Ｔ＊に対する第２トルクリミット値Ｔｌｉｍ２を設定する。このとき第２トルクリミット値Ｔｌｉｍ２は、トラニオン１４を想定可動範囲以上に回動させることができない値に設定する。そして、ステップＳ７６において、トラニオン１４を固定しているブレーキを解除する。その後、ステップＳ７８において、最適磁極位置補正を実施し、求めた最適磁極位置補正値をメモリ４４に記憶し、この最適磁極位置補正値をエンコーダ１２の磁極位置補正値として用い、磁極位置補正が完了する。この磁極位置補正値により補正した電気角オフセット値が制御部４０から電流分配部２３へ入力されてモータ制御に用いられる。

上述した第４の実施形態におけるＳ６０〜Ｓ７２において制御不能とならない範囲の磁極位置補正値を求め、その後Ｓ７４〜Ｓ８０において第１の実施形態と同様に最適な磁極位置補正値を求めるものである。

次に、図７を参照して、ダイレクトドライブモータ１１に対してエンコーダ１２を特定の位置関係で取り付けられるよう位置決めする位置決め構造を設けた例について説明する。図７は、図８のステータハウジング３６の右側面を示す図である。ダイレクトドライブモータ１１は、３相巻線を有するステータ３１と、周囲に永久磁石がＮ極とＳ極とが交互になるよう配置されているロータ３２とを備える。エンコーダ１２は、センサ３３、および、センサ３３の検出対象となる検出歯車３４で構成される。ステータ３１はステータハウジング３６に取付けボルト６０によって固定され、検出歯車３４はロータ３２に取付けボルト６１によって固定される。

ダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２が制御不能とならない角度範囲内となるように取付ける位置決め構造について説明する。制御不能とならない角度範囲とは、図１０の出力トルクがプラスの場合であり、電気角で±９０°である。この角度以内とするには、ダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２とが特定の位置関係となるように組付け、このとき最適となる電気角オフセット値を制御装置１に設定すればよい。このためには、ステータ３１と、ロータ３２と、センサ３３と、検出歯車３４とが一定の位置関係を保つようにダイレクトドライブモータ１１を組付ける必要がある。例えば、図７のようにステータ３１のＵ相スロット中心、ロータ３２の永久磁石のＳ極、センサ３３の中心、検出歯車３４のＺ相３５を基準として夫々が一致するように組付ける。

しかし、取付けボルト６０、６１が均等ピッチに配置されていると、作業者の取付け間違いにより、ピッチがずれて取付けられる可能性があり、このとき、設定した電気角オフセットと、ダイレクトドライブモータ１１およびエンコーダ１２の位置関係とがモータ制御不能な角度となる可能性がある。

そこで、取付けボルト６０、６１を不等ピッチに配置し、所定のピッチでしか取付かない構造にすれば、どんな場合においてもダイレクトドライブモータ１１とエンコーダ１２とを特定の位置関係で組付けることができる。

図７に示す例では、ステータ３１がステータハウジング３６に８つの取付けボルト６０で取り付けられているが、このうち７つの取付けボルト６０は周方向に均等ピッチ（角度Ａ）で配置されているのに対し、残る１つの取付けボルト６０は不等ピッチ（Ａ´´＜Ａ＜Ａ´）で配置されている。また、検出歯車３４はロータ３２に８つ取付けボルト６１によって固定されているが、このうち７つの取付けボルト６１は周方向に均等ピッチ（角度Ｂ）で配置されているのに対し、残る１つの取付けボルト６０は不等ピッチ（Ｂ´´＜Ｂ＜Ｂ´）で配置されている。

ステータ３１と、ロータ３２と、センサ３３と、検出歯車３４とが一定の位置関係を保つようにダイレクトドライブモータ１１を組付けるための位置決め構造は、上記のような取付けボルトの配置に限定されるものではなく、種々の構造のもの、例えば互いに嵌合するキーとキー溝等の凹凸嵌合構造が用いられてもよい。

なお、本発明は、５軸マシニングセンタ１０のトラニオン１４に限定されるものではなく、例えば、主軸頭２０に旋回軸が付加されたタイプの５軸マシニングセンタ等の傾斜軸を駆動するダイレクトドライブモータの位置制御に適用すれば同様の効果を得ることが出来る。

１０５軸マシニングセンタ、１１ダイレクトドライブモータ、１２エンコーダ、１３回転テーブル、１４トラニオン、１５トラニオン支持台、１６ベッド、１７クロスレール、１８サドル、１９主軸頭、２０主軸、２１，２２比例増幅器、２３電流分配器、２４積分増幅器、２５電流制御部、２６微分器、２７直流電源、２８３相ＰＷＭインバータ、３１ステータ、３２ロータ、３３センサ、３４検出歯車、３５検出歯車のＺ相、３６ステータハウジング、４０制御部、４２中央演算処理装置、４４メモリ、４６位置指令設定部、６０，６１取付けボルト。

Claims

負荷を支持し可動回転角度が制限される傾斜軸を駆動するダイレクトドライブモータのロータの回転位置と、前記ダイレクトドライブモータに取り付けられたエンコーダによって検出されるロータの検出回転位置との相対的な位置関係を補正するモータの磁極位置補正方法であって、
前記ダイレクトドライブモータを駆動して前記傾斜軸を所定の傾斜角度に位置決めするステップと、
前記傾斜軸が所定角度に位置決めされた状態で、前記傾斜軸に支持された負荷にかかるモーメント荷重により出力される前記ダイレクトドライブモータのトルク指令値を検出するステップと、
磁極位置補正値を変更しながら前記検出されたトルク指令値と所定の閾値とを比較することにより磁極位置補正値を決定するステップと、
前記決定された磁極位置補正値をメモリに記憶するステップと、
前記メモリに記憶した磁極位置補正値により求めた電気角オフセット値をモータ制御に用いるステップと
を含むことを特徴とするモータの磁極位置補正方法。
前記磁極位置補正値を決定するステップは、トルク指令値を監視しながら磁極位置補正値を自動的に変更するステップと、トルク指令値が所定の閾値未満となる磁極位置補正値を探索するステップとを含むことを特徴とする請求項１記載のモータの磁極位置補正方法。
前記磁極位置補正値を決定するステップは、磁極位置補正値を変更するステップと、変更後と変更前のトルク指令値の差を求めるステップと、その差が負から正に逆転する磁極位置補正値を探索するステップとを含むことを特徴とする請求項１記載のモータの磁極位置補正方法。
前記傾斜軸が前記所定の傾斜角度を超えて回動しないように前記トルク指令値に上限値を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のモータの磁極位置補正方法。
前記傾斜軸が回動しないようにブレーキをかけた状態で前記ダイレクトドライブモータを位置制御し、そのときのダイレクトドライブモータのトルク指令値が予め設定された閾値を超えた場合にはダイレクトドライブモータが制御不能状態にあると判断するステップを、前記傾斜軸を所定の傾斜角度に位置決めするステップの前に追加したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のモータの磁極位置補正方法。
前記ダイレクトドライブモータと前記センサとの取付け角度が最適な磁極位置補正値を中心とする±９０度の電気角の範囲となるように前記ダイレクトドライブモータおよび前記センサが位置決めされて取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータの磁極位置補正方法。