JP6528138B2 - モータ制御装置、モータ制御方法およびモータ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ＰＷＭ制御する電圧をモータの巻線に印加し、複数軸を同期制御するモータ制御装置、モータ制御方法およびモータ制御システムに関し、特に、軸ごとにインバータのスイッチングのタイミングを制御する機能を有したモータ制御装置、モータ制御方法およびモータ制御システムに関する。

ＦＡ（ＦＡＣＴＯＲＹ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ）で用いられるサーボモータでは、上位装置（上位コントローラ）からの駆動指令（位置指令）に追従するようにモータの位置・速度・トルクが制御される。そして、その制御演算装置として、マイクロコンピュータを用いたディジタル制御が広く使われている。モータのトルクを制御するため一般的に用いられるＰＷＭ（ＰＵＬＳＥ ＷＩＤＴＨ ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）制御方式では、モータの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を流れる電流を疑似的に正弦波状に制御することで、モータから出力されるトルクを自在にコントロールすることができる。

ところが、ＰＷＭ制御方式では、モータに印加する電圧をインバータのスイッチングにより制御するため、スイッチングの瞬間にインバータの出力電圧の大きな電圧変動や、アンペア単位の漏れ電流が発生する。これらの影響により、電源に瞬間的に大電流が流れ、電源自身の電位が変動し伝導ノイズが発生する。このノイズ量はＣＩＳＰＲ（国際無線障害特別委員会）等で規制されており、低減が求められている。

また、スイッチングのタイミングで、電源ケーブルやモータケーブル、配線パターン等から高い周波数の放射ノイズを発生する現象も確認され、こちらも問題視されている。

このため、従来、駆動指令の信号に所定の波形の重畳信号を重畳することで、放射ノイズのスペクトラムを拡散し、ピーク強度を低減する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。図１０は、このような従来例の電力変換装置におけるＰＷＭ信号生成部の構成図である。この従来のＰＷＭ信号生成部は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれにおいて、指令信号生成部１００で生成した指令信号Ｓｄと、重畳信号生成部１０２で生成した交流の重畳信号Ｓｍとを重畳信号加算部１０４で加算している。そして、加算後の重畳後指令信号Ｓｄｍとキャリア信号生成部１０６で生成したキャリア信号Ｓｃとを比較部１０８で比較して、ＰＷＭのデューティ比を変調することより、ＰＷＭ制御信号Ｐｗを生成し、インバータ１１０をパルス駆動している。この従来のＰＷＭ信号生成部は、このような重畳信号Ｓｍを重畳させる構成によって、放射ノイズのスペクトラムを拡散し、騒音を抑制している。

しかしながら、上述のようなインバータでのスイッチングに起因するノイズは、特に、各相のスイッチングタイミングが重なりやすい無回転時（サーボロック時）や低速回転時、低トルク動作時に影響が大きい。そして、指令信号に交流の重畳信号を重畳する従来の手法では、サーボロック時や低速回転時、低トルク動作時にＵ〜Ｗ相のスイッチングタイミングが重なり、大ノイズが発生する現象の解決策にはならないという課題がある。

ここで、このような課題についての説明のために、まず、図１０の構成において、指令信号Ｓｄに重畳信号Ｓｍを重畳しない場合のＵ〜Ｗ相のサーボロック時のＰＷＭ制御信号について説明をする。サーボロック時は、指令信号Ｓｄを０とし、Ｕ〜Ｗ相の相間に電流を流さないように制御することでモータを停止させる。このような場合、指令信号ＳｄがＵ〜Ｗ相とも０、かつ、重畳信号Ｓｍも重畳しないため、重畳後指令信号Ｓｄｍも０となる。このような場合におけるＰＷＭ制御信号の生成の様子を図１１に示す。重畳後指令信号Ｓｄｍは、Ｕ〜Ｗ相全てサーボロック時は０であるため、図１１では、１つの重畳後指令信号Ｓｄｍにまとめて記載している。図１１に示すように、重畳後指令信号Ｓｄｍをキャリア信号Ｓｃと比較して生成したＰＷＭ制御信号ＰｗのＵ〜Ｗ相のそれぞれは、同じ信号（デューティ５０％の矩形波）となり、Ｕ〜Ｗ相のインバータ１１０のスイッチングタイミングが重なることが分かる。すなわち、パルス信号であるＰＷＭ制御信号ＰｗのＵ〜Ｗ相のそれぞれは、そのパルスの立上りのタイミング（図１１における例えば時刻ｔｒ）、および立下りのタイミング（例えば時刻ｔｆ）が揃った状態となる。そして、それらのタイミングにおいて伝導ノイズや放射ノイズのレベルを互いに強調しあうことになる。

続いて、指令信号Ｓｄに重畳信号Ｓｍを重畳した場合の、サーボロック時のＵ〜Ｗ相のＰＷＭ制御信号Ｐｗについて説明をする。指令信号Ｓｄは、Ｕ〜Ｗ相全て０、かつ、重畳信号Ｓｍは、Ｕ〜Ｗ相で共通の信号のため、重畳後指令信号Ｓｄｍは、いずれの相も重畳信号Ｓｍと同じ信号となる。このような場合におけるＰＷＭ制御信号の生成の様子を図１２に示す。図１１と同様、Ｕ〜Ｗ相の重畳後指令信号Ｓｄｍは、１つにまとめて記載している。重畳後指令信号Ｓｄｍとキャリア信号Ｓｃとを比較して生成する各ＰＷＭ制御信号Ｐｗは、デューティが変調されており、この効果でスペクトラムが分散し、放射ノイズのピーク強度を低減できる。しかし、図１２から明らかなように、Ｕ〜Ｗ相のスイッチングのタイミングは、例えば図１２での立上りのタイミングｔｒや立下りタイミングｔｆのように、図１１と同様に各相間で重なっており、その瞬間ごとに大きな伝導ノイズ、放射ノイズが発生してしまう。

本課題は、特に、複数軸を同期制御する場合にはさらに影響が大きくなる。一般的に、同期制御時は全軸のキャリア信号Ｓｃを同期させるため、全軸のＵ〜Ｗ相のＰＷＭ制御信号Ｐｗが同じ波形になり、全軸のＵ〜Ｗ相のインバータのスイッチングタイミングが重なり大ノイズを発生するためである。

特開２０１１−２１１７７７号公報

本発明に係るモータ制御装置は、上位装置からの動作指令に基づき１軸を制御するモータ制御ユニットを複数有し、２軸以上のモータを同期して制御する。モータ制御ユニットのそれぞれは、モータの動作制御を行う制御部と、制御部の動作制御に基づきモータの動作を指令するための指令信号を生成する指令信号生成部と、指令信号に基づきパルス幅変調されたＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、ＰＷＭ制御信号によりスイッチング素子をスイッチングすることで、モータを駆動する駆動信号を生成するインバータとを備える。ＰＷＭ信号生成部のそれぞれは、指令信号に重畳させる重畳信号を生成する重畳信号生成部と、三角波であるキャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、指令信号と重畳信号とを加算する加算部と、加算部から出力される重畳後指令信号とキャリア信号とを比較してＰＷＭ制御信号を生成する比較部とを備える。そして、重畳信号は、複数のモータ制御ユニットが制御する軸ごとに異なる信号とした構成である。また、制御部は、モータが低駆動の状態であるかどうかを判定し、その判定の結果を示す動作判定信号を重畳信号生成部に出力する。重畳信号生成部は、動作判定信号に基づき、モータが低駆動の状態であるときに、重畳信号を加算部に出力する。

また、本発明に係るモータ制御システムは、上記本発明のモータ制御装置と、モータ制御装置に動作指令を伝送する上位装置と、モータ制御装置によって制御される２軸以上のモータとを備えた構成である。

また、本発明に係るモータ制御方法は、上位装置からの動作指令に基づきモータの動作を指令するための指令信号を生成し、指令信号に基づきパルス幅変調されたＰＷＭ制御信号を生成し、ＰＷＭ制御信号によりインバータのスイッチング素子をスイッチングして生成した駆動電圧をモータに印加することで１軸を制御するモータ制御ユニットを複数有し、複数のモータ制御ユニットにより、２軸以上のモータを同期して制御するモータ制御装置のモータ制御方法である。本モータ制御方法は、モータが所定の駆動量よりも小さい低駆動の状態であるかどうかを判定するステップと、低駆動の状態であると判定したとき、指令信号にモータ制御ユニット間で異なった信号である重畳信号を重畳するステップと、指令信号に重畳信号を重畳させた信号である重畳後指令信号と、モータ制御ユニット間で同期させた三角波のキャリア信号とにより、ＰＷＭ制御信号を生成するステップとを備えている。

本発明によれば、複数軸のモータを同期制御する際、サーボロック時や低速回転時や低トルク動作時のＵ〜Ｗ相がほぼ同じタイミングでスイッチングする場合に、キャリア信号は同期したまま、ＰＷＭ制御信号のスイッチングのタイミングを軸ごとにずらすことができる。このため、複数軸のＵ〜Ｗ相が同時にスイッチングする際の伝導ノイズ、放射ノイズの増加を回避できる。また、交流信号を重畳すれば、デューティ変調による放射ノイズも低減できる。

図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置を含むモータ制御システムの構成図である。 図２は、同モータ制御装置において、軸ごとに周波数のみが異なる交流信号を重畳した場合の波形図である。 図３は、同モータ制御装置において、軸ごとに位相のみが異なる交流信号を重畳した場合の波形図である。 図４は、同モータ制御装置において、軸ごとに振幅のみが異なる交流信号を重畳した場合の波形図である。 図５は、同モータ制御装置において、軸ごとに直流電位のみが異なる交流信号を重畳した場合の波形図である。 図６は、同モータ制御装置において、軸ごとに異なる直流信号を重畳した場合の波形図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるモータ駆動方法の手順の一例を示すフローチャートである。 図８は、同モータ制御装置において、キャリア信号の山、谷で重畳信号を交差させない構成の説明図である。 図９は、同モータ制御装置において、キャリア信号の山、谷で重畳信号を交差させないときの重畳波形図である。 図１０は、従来例のＰＷＭ信号生成部の構成図である。 図１１は、従来例で重畳信号を重畳しない場合のＰＷＭ制御信号の波形図である。 図１２は、従来例で重畳信号を重畳した場合のＰＷＭ制御信号の波形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

また、以下最もノイズが厳しい状態としてサーボロック時を想定する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態におけるモータ制御装置を含むモータ制御システムの構成図である。図１では、そのようなシステムの一例として、複数のモータ２１を制御するモータ制御装置３０を含んだ多軸モータ制御のモータ制御システム５０の構成を示している。また、多軸として図１では、２軸としての２つのモータ２１を備えた一例を示している。そして、本モータ制御システム５０は、モータ制御装置３０に対して指令などにより制御するため、例えばパーソナルコンピュータなどを利用した上位装置４０をさらに含む。上位装置４０とモータ制御装置３０とは制御バスラインなどを介して通信接続されており、上位装置４０からの指令がモータ制御装置３０に伝送されるとともに、モータ制御装置３０からの情報が上位装置４０へと伝送される。

次に、モータ制御装置３０は、２軸分のモータ２１を制御するため、モータ２１のそれぞれに対してのモータ制御ユニット（以下、適宜、制御ユニットと呼ぶ）３１を備えた構成である。図１では、第１の制御ユニット３１である制御ユニット３１Ａが、第１のモータ２１であるモータ２１Ａを制御し、第２の制御ユニット３１である制御ユニット３１Ｂが、第２のモータ２１であるモータ２１Ｂを制御する構成例を示している。そして、制御ユニット３１それぞれには電源３２から共通に電源電圧Ｖｄｃが供給される。それぞれの制御ユニット３１は、この電源電圧を利用して、ユニット内の回路が動作するとともにインバータ２０を介してモータ２１を駆動している。また、本実施の形態では、制御ユニット３１においてディジタル処理を含むような構成としており、タイミング生成部３３が生成したタイミング信号Ｔｍも制御ユニット３１それぞれに供給している。このタイミング信号Ｔｍは、ディジタル処理のためのクロック信号やその他のタイミングを示すための信号である。

また、制御ユニット３１のそれぞれは、制御部１９、指令信号生成部１１、ＰＷＭ信号生成部１０、およびインバータ２０を備えている。なお、図１では、ＰＷＭ信号生成部１０として、制御ユニット３１ＡがＰＷＭ信号生成部１０Ａを備え、制御ユニット３１ＢがＰＷＭ信号生成部１０Ｂを備えた構成例を示している。

図１に示すように、制御ユニット３１において、制御部１９は、上位装置４０と通信接続されている。制御部１９には、上位装置４０から、位置、速度、トルクなどを指令する指令情報などが伝送される。また、制御部１９は、制御ユニット３１の情報などを上位装置４０へ伝送する。制御部１９は、このような通信機能とともに、指令信号生成部１１やＰＷＭ信号生成部１０など制御ユニット３１内の各部を制御し、モータが例えば速度や位置など所定の動きをするように動作制御を行う。

さらに、本実施の形態においては、制御部１９が、モータ２１の駆動状態を判定する機能を含んでいる。すなわち、制御部１９は、モータ２１がサーボロック状態であったり低速回転や低トルク動作状態であったりするような低駆動の状態であることを判定し、その判定結果を動作判定信号ＣｓとしてＰＷＭ信号生成部１０に通知する。

このような低駆動の状態の判定についてより詳細には、例えば、制御部１９に次のような機能も含めればよい。まず、制御部１９は、低駆動の状態を判定するために、あらかじめ定めた所定の駆動量を記憶している。そして、制御部１９は、指令駆動量が所定の駆動量よりも小さいかどうかを判定し、指令駆動量が、判定のための所定の駆動量よりも小さいときに、低駆動の状態であることを示す動作判定信号Ｃｓを出力する。また、このときの指令駆動量としては、次に説明する指令信号生成部１１への動作指令や、指令信号生成部１１が出力する指令信号Ｓｄの振幅を駆動量として利用すればよい。

次に、指令信号生成部１１は、制御部１９からの位置、速度、トルクなどを指令する動作指令に基づき、指令信号Ｓｄを生成し、ＰＷＭ信号生成部１０に供給する。この指令信号Ｓｄは、より具体的には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の３相分が生成され、モータ２１に要求される回転速度やトルク量に応じて各相で互いに１２０°ずれた正弦波の波形となる信号である。なお、前述のように、サーボロック時はモータ２１の回転を停止させるため、この時の指令信号Ｓｄの振幅は０となる。

次に、ＰＷＭ信号生成部１０は、重畳信号生成部１２と、重畳信号加算部１４と、キャリア信号生成部１６と、比較部１８とを備えている。なお、ＰＷＭ信号生成部１０は、図１０で示した構成と同様に、具体的には、重畳信号加算部１４と比較部１８とについては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの相に対応した構成要素を有している。図１では、各相が同じ構成であること、かつサーボロック時は指令値も０で同じ信号になるため、１相のみ（例えばＵ相）を代表して記載している。

ＰＷＭ信号生成部１０において、制御部１９から重畳信号生成部１２には、低駆動の状態であるかどうかを示す動作判定信号Ｃｓが通知されている。重畳信号生成部１２は、例えば交流の重畳信号Ｓｍを生成し、動作判定信号Ｃｓに応じてその重畳信号Ｓｍを重畳信号加算部１４に供給する。具体的には、動作判定信号Ｃｓが低駆動の状態を示すときのみ、重畳信号生成部１２は生成した重畳信号Ｓｍを供給し、それ以外のときは、０レベルとした重畳信号Ｓｍを供給する。

また、重畳信号加算部１４には、指令信号生成部１１からの指令信号Ｓｄが供給されている。重畳信号加算部１４は、供給された指令信号Ｓｄと重畳信号Ｓｍとを加算し、加算後の重畳後指令信号Ｓｄｍとして出力する。すなわち、サーボロック時など低駆動でモータ駆動している時には、重畳信号加算部１４によって指令信号Ｓｄに重畳信号Ｓｍが重畳されることになり、これにより、重畳後指令信号Ｓｄｍは、指令信号Ｓｄに重畳信号Ｓｍを重畳した信号となっている。このような重畳後指令信号Ｓｄｍが、比較部１８に供給される。

また、キャリア信号生成部１６は、パルス幅変調された信号を生成するための三角波のキャリア信号Ｓｃを生成する。なお、複数軸で同期をする際は、同期精度を確保するために、制御ユニット３１間での各キャリア信号Ｓｃも同期させておくのが一般的である。本実施の形態では、タイミング生成部３３から共通のタイミング信号Ｔｍを各制御ユニット３１に分配し、それぞれの制御ユニット３１のキャリア信号生成部１６が共通のタイミング信号Ｔｍでキャリア信号Ｓｃを生成するような構成としている。そして、このような構成によって、制御ユニット３１間での各キャリア信号Ｓｃの同期を図っている。また、その他、タイミング生成部３３がキャリア信号Ｓｃを生成し、このキャリア信号Ｓｃを各制御ユニット３１に分配するような構成としてもよい。すなわち、当然のことながら、同期に代えて、それぞれの制御ユニット３１に同じキャリア信号Ｓｃを供給するなどしてもよく、それぞれのキャリア信号Ｓｃの位相が合っていればよい。

このようなキャリア信号Ｓｃが、比較部１８に供給される。そして、比較部１８は、重畳後指令信号Ｓｄｍとキャリア信号Ｓｃとのレベルを比較することによって、ＰＷＭ制御信号Ｐｗを生成し、インバータ２０に出力する。ここで、このように生成されるＰＷＭ制御信号Ｐｗは、重畳後指令信号Ｓｄｍのレベルに応じてパルス幅が変調されたパルス列で構成されている。なお、図１では省略しているが、ＰＷＭ制御信号Ｐｗには、正相の信号に加えて、オンディレイを設けた逆相の反転信号も含まれ、正逆両相の２本の制御線をそれぞれインバータ２０の上アームと下アームに出力する。

ＰＷＭ信号生成部１０は、以上のような構成により、指令信号Ｓｄに基づきパルス幅変調されたＰＷＭ制御信号Ｐｗを生成している。

制御ユニット３１において、ＰＷＭ信号生成部１０でこのようにして生成されたＰＷＭ制御信号Ｐｗは、インバータ２０に供給される。インバータ２０は、ＰＷＭ信号生成部１０からのＰＷＭ制御信号Ｐｗを受け、スイッチング素子を用いて、ＰＷＭ制御信号Ｐｗに応じて電源３２から供給された電圧をスイッチングすることにより駆動電圧Ｖｄを生成する。そして、インバータ２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のモータ線を介してモータ２１にこの生成した駆動電圧Ｖｄを印加する。インバータ２０は、ＩＧＢＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＥＤ ＧＡＴＥ ＢＩＰＯＬＡＲ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）などのスイッチング素子とダイオードなどの電力素子で構成される。最近では、電力素子を駆動するためのプリドライブ回路を内蔵したＩＰＭ（ＩＮＴＥＬＬＩＧＥＮＴ ＰＯＷＥＲ ＭＯＤＵＬＥ）により、一体成型されたものがよく用いられる。なお、図１では１対のインバータのみ記載しているが、実際は３対のインバータを用い、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相でモータを駆動する。

以上説明したように、それぞれの制御ユニット３１は、上位装置４０からの指令に基づきモータ２１を駆動するための駆動電圧Ｖｄを生成し、生成した駆動電圧Ｖｄをモータ２１に印加してモータ２１を駆動している。

また、モータ２１は、効率や制御性の点からロータに磁石を配置した３相ブラシレスモータが広く利用されている。すなわち、モータ２１の具体的な構成例として、巻線をステータコアに巻回したステータと永久磁石を有したロータとを備えた３相のブラシレスモータとし、各相の巻線に駆動電圧Ｖｄを印加するような構成とすればよい。

次に、本実施の形態のさらに詳細な構成について説明する。特に、本実施の形態では、制御ユニット３１の重畳信号生成部１２が生成する重畳信号Ｓｍが、制御ユニット３１間においてそれぞれが互いに異なる信号としたことを特徴としている。

すなわち、図１に示すように、第１の制御ユニット３１Ａにおいては、重畳信号加算部１４が、重畳信号生成部１２Ａで生成した第１の波形の重畳信号ＳｍＡを、指令信号ＳｄＡに重畳し、重畳後指令信号ＳｄｍＡを比較部１８に供給する。一方、第２の制御ユニット３１Ｂにおいては、重畳信号加算部１４が、重畳信号生成部１２Ｂで生成した第２の波形の重畳信号ＳｍＢを、指令信号ＳｄＢに重畳し、重畳後指令信号ＳｄｍＢを比較部１８に供給している。このように、本実施の形態では、その効果を得るために、第１の制御ユニット３１Ａの重畳信号ＳｍＡと、第２の制御ユニット３１Ｂの重畳信号ＳｍＢとは異なる信号であることが必要である。

なお、異なる信号とは、周波数、位相、振幅、直流電位の少なくともどれか１つが異なっている信号のことである。また、制御の容易さや回路規模を考慮すると、周波数、位相、振幅、直流電位の内の１つをパラメータ化し、上位装置４０から制御部１９を介して制御する方法が望ましいが、各々を個別に制御できるようにしても構わない。また、重畳信号Ｓｍの周波数は、特に大きな制限はなく自由に設定して構わない。また、重畳信号Ｓｍの振幅や直流電位も、重畳後指令信号Ｓｄｍの振幅がキャリア信号Ｓｃの振幅を越えない範囲で自由に設定して構わない。また、サーボロック時は、指令信号Ｓｄが０レベルとなる一方で、制御部１９からの動作判定信号Ｃｓが低駆動の状態を示すため、重畳信号Ｓｍは、上述のような所定の周波数、位相、振幅、あるいは直流電位を有した０レベルではない信号となる。そして、指令信号Ｓｄのほうが０レベルとなるため、重畳信号Ｓｍと重畳後指令信号Ｓｄｍとは同じ信号となる。

近年では、ＰＷＭ信号生成部１０は、ＤＳＰ（ＤＩＧＩＴＡＬ ＳＩＧＮＡＬ ＰＲＯＣＥＳＳＯＲ）やマイクロコンピュータのソフトウェアあるいはＡＳＩＣ（ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＳＰＥＣＩＦＩＣ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ）やＦＰＧＡ（ＦＩＥＬＤ ＰＲＯＧＲＡＭＭＡＢＬＥ ＧＡＴＥ ＡＲＲＡＹ）のロジック回路で構成されることが多い。この場合、重畳信号Ｓｍのような処理する信号は、ディジタル処理のため、キャリア信号１７Ａ、１７Ｂが山（最大値）、谷（最小値）の時に値を更新することが一般的である。すなわち、各信号はディジタル処理されるため、キャリア信号Ｓｃもそのサンプリングクロックに基づき生成され、また、重畳後指令信号Ｓｄｍなどの処理する信号も、サンプリングクロックに合せてサンプリングされた時系列のデータで構成されている。その結果、キャリア信号Ｓｃが山（最大値）と谷（最小値）の時のタイミング以外で、処理する信号の値を更新した場合、ＰＷＭのスイッチングのタイミングと更新タイミングが重なり、ＰＷＭ制御信号Ｐｗがチャタリング現象を起こすことがある。このため、キャリア信号Ｓｃが山（最大値）、谷（最小値）の時に、処理する信号の値を更新するようにサンプリングのタイミングを設定すればよい。なお、キャリア信号Ｓｃの山、谷で値を更新する場合、重畳信号Ｓｍの周波数はサンプリング定理によりキャリア信号Ｓｃの周波数以下にしか設定できない。

次に、上記実施の形態の動作について、上述した異なる重畳信号の波形図を用い、重畳信号Ｓｍのいくつかの例を挙げて説明する。

まず、図２は、第１の制御ユニット３１Ａの重畳信号ＳｍＡと第２の制御ユニット３１Ｂの重畳信号ＳｍＢとを交流信号とし、さらに上述の異なる信号として、周波数のみが互いに異なるように構成した場合の各波形を示す波形図である。すなわち、図２では、サーボロック時での１軸目の重畳信号ＳｍＡと２軸目の重畳信号ＳｍＢとを周波数のみ異なる交流信号とした場合を示している。上述のように、サーボロック時は、指令信号Ｓｄを０とし、Ｕ〜Ｗ相の相間に電流を流さないように制御することでモータを停止させる。このため、重畳後指令信号Ｓｄｍは、いずれの相も重畳信号Ｓｍと同じ信号となる。つまり、第１の制御ユニット３１Ａの重畳後指令信号ＳｄｍＡと第２の制御ユニット３１Ｂの重畳後指令信号ＳｄｍＢとが周波数のみ異なる交流信号となっている。図２では、重畳後指令信号ＳｄｍＢは重畳後指令信号ＳｄｍＡの倍（すなわち、重畳信号ＳｍＢは重畳信号ＳｍＡの倍）の周波数の信号としている。

なお、本実施の形態はサーボロック時であり、以下、重畳信号ＳｍＡ、ＳｍＢはそれぞれ重畳後指令信号ＳｄｍＡ、ＳｄｍＢと同じ信号であるため、重畳信号ＳｍＡ、ＳｍＢではなく、図に記載のように、比較部１８の入力信号である重畳後指令信号ＳｄｍＡ、ＳｄｍＢとして説明する。さらに、図２に示すように、本実施の形態では、１軸目と２軸目とのキャリア信号Ｓｃは同期、すなわち位相が一致している。また、サーボロック時には、Ｕ〜Ｗ相はいずれも同じ波形であるため、図２では、制御ユニット３１Ａ、３１ＢにおけるＵ〜Ｗ相の重畳後指令信号ＳｄｍＡ、ＳｄｍＢおよびＰＷＭ制御信号ＰｗＡ、ＰｗＢは、１つの相で代表して示している。

本実施の形態では、図２に示すような重畳後指令信号ＳｄｍＡ、ＳｄｍＢとキャリア信号Ｓｃとを比較することによって、図２に示すようなパルス列で構成されるＰＷＭ制御信号ＰｗＡ、ＰｗＢが生成される。ここで、図２に示すように、重畳信号ＳｍＡと重畳信号ＳｍＢとは周波数が異なっているため、キャリア信号Ｓｃが同期していても、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡの立上りタイミングｔｒａとＰＷＭ制御信号ＰｗＢの立上りタイミングｔｒｂとは異なったタイミングとなっている。同様に、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡの立下りタイミングｔｆａとＰＷＭ制御信号ＰｗＢの立下りタイミングｔｆｂとも異なったタイミングとなっている。よって、本実施の形態によれば、複数軸を同期制御する構成でのサーボロック時において、複数軸間でのインバータのスイッチングタイミングは重ならない。このため、複数軸間で伝導ノイズや放射ノイズのレベルを互いに強調しあうことはなく、多軸のモータ制御装置における伝導ノイズや放射ノイズの増大を抑制することができる。

次に、図３は、上述の異なる信号として、第１の制御ユニット３１Ａの重畳信号ＳｍＡと第２の制御ユニット３１Ｂの重畳信号ＳｍＢとが位相のみ異なる交流信号であるとき、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡ、ＰｗＢの波形を含めた各波形を示す波形図である。図３では、重畳後指令信号ＳｄｍＢは、重畳後指令信号ＳｄｍＡを１８０°だけ位相をずらせて反転した信号としている。

次に、図４は、上述の異なる信号として、第１の制御ユニット３１Ａの重畳信号ＳｍＡと第２の制御ユニット３１Ｂの重畳信号ＳｍＢとが振幅のみ異なる交流信号であるとき、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡ、ＰｗＢの波形を含めた各波形を示す波形図である。図４では、重畳後指令信号ＳｄｍＢは、重畳後指令信号ＳｄｍＡの半分の振幅の信号としている。

次に、図５は、上述の異なる信号として、第１の制御ユニット３１Ａの重畳信号ＳｍＡと第２の制御ユニット３１Ｂの重畳信号ＳｍＢとが直流電位のみ異なる交流信号であるとき、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡ、ＰｗＢの波形を含めた各波形を示す波形図である。図５では、重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとは、正負逆方向の直流電位が交流信号に重畳した信号としている。

次に、図６は、上述の異なる信号として、第１の制御ユニット３１Ａの重畳信号ＳｍＡと第２の制御ユニット３１Ｂの重畳信号ＳｍＢとが異なる直流信号の場合のＰＷＭ制御信号ＰｗＡ、ＰｗＢの波形を含めた各波形を示す波形図である。図６では、重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとは、互いの電圧が異なる直流電位の信号としている。なお、この構成の場合、交流信号を重畳したときの放射ノイズのピーク強度の低減効果は得られないものの、この構成は容易に実現できる。すなわち、交流信号を重畳する複雑な構成を設ける必要はなく、単に直流電位を加算する構成を設け、軸ごとに異なる直流電位の情報を持たせるだけでよい。

以上、図３〜図６に示したように、重畳信号ＳｍＡと重畳信号ＳｍＢとにおいて、交流信号の位相、交流信号の振幅、交流信号の直流電位、および直流信号の電圧のいずれかが、互いに異なるように構成しても、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡの立上りタイミングｔｒａとＰＷＭ制御信号ＰｗＢの立上りタイミングｔｒｂとは異なったタイミングとなっている。同様に、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡの立下りタイミングｔｆａとＰＷＭ制御信号ＰｗＢの立下りタイミングｔｆｂとも異なったタイミングとなっている。

以上のように、図２〜図６のいずれの構成にしても、複数軸を同期制御する構成でのサーボロック時において、ＰＷＭ制御信号ＰｗＡとＰＷＭ制御信号ＰｗＢとのスイッチングのタイミングがずれており、複数軸が同時にスイッチングすることによるノイズの増加を防ぐ効果を得ることができる。

なお、以上の説明では、制御ユニット３１を上述のような各機能ブロックにより構成した例を挙げて説明したが、例えば、上述したようなＤＳＰやマイクロコンピュータのソフトウェアで実現することも可能である。すなわち、プログラムのような処理手順に基づく処理で行うような構成であってもよい。この場合、より具体的には、図１の制御部１９、指令信号生成部１１およびＰＷＭ信号生成部１０の機能をプログラムとしてメモリなどに記憶させ、制御部１９をＤＳＰやマイクロコンピュータで具現化してそのプログラムを実行するような構成とし、そのプログラムに基づくモータ駆動方法を実行する構成とすればよい。

図７は、本実施の形態におけるモータ駆動方法の手順の一例を示すフローチャートである。ここでは、制御部１９が、指令信号生成部１１およびＰＷＭ信号生成部１０の機能も実現するような例を挙げて説明する。

図７において、本モータ駆動方法の処理を開始すると、制御部１９は、モータが所定の駆動量よりも小さい低駆動の状態であるかどうかを判定する（ステップＳ７０）。

次に、制御部１９は、低駆動の状態であると判定（ＹＥＳ）すると、他の制御ユニット３１とは異なった信号である重畳信号Ｓｍを、指令信号Ｓｄに重畳する（ステップＳ７２）。すなわち、上述のように、例えば、制御ユニット３１Ａでは、制御ユニット３１Ｂで重畳される重畳信号ＳｍＢとは異なった重畳信号ＳｍＡを、指令信号Ｓｄに重畳する。

逆に、制御部１９は、低駆動の状態ではないと判定（ＮＯ）すると、ゼロの重畳信号Ｓｍを指令信号Ｓｄに重畳する（ステップＳ７４）。なお、当然のことながら、ゼロの重畳信号Ｓｍを重畳するのに変えて、重畳するステップを飛ばしてステップＳ７６に進むような手順などでもよい。

次に、制御部１９は、指令信号Ｓｄに重畳信号Ｓｍを重畳させた重畳後指令信号Ｓｄｍと、制御ユニット３１間で同期させた三角波のキャリア信号Ｓｃとを比較してＰＷＭ制御信号Ｐｗを生成する（ステップＳ７６）。この生成したＰＷＭ制御信号Ｐｗがインバータ２０に出力される。

次に、制御部１９は、処理を終了するかどうか判定し、処理を終了しない場合はステップＳ７０に戻り、処理を終了しない場合は処理を終了する（ステップＳ７８）。

制御ユニット３１が、以上のようなモータ駆動方法を実行するＤＳＰやマイクロコンピュータを備えた構成とすることによっても、複数軸を同期制御する構成でのサーボロック時において、複数軸間でのインバータのスイッチングタイミングは重ならない。このため、多軸のモータ制御装置における伝導ノイズや放射ノイズの増大を抑制することができる。なお、本モータ制御方法において、より詳細な構成については、図１に基づいて説明した構成などと同様であってよい。例えば、ステップＳ７２での重畳信号Ｓｍとしては、交流信号の周波数、交流信号の位相、交流信号の振幅、交流信号の直流電位、および直流信号の電圧のいずれかがモータ制御ユニット３１間で異なるような信号でよい。

また、図２〜図６では、周波数、位相、振幅、直流電位をそれぞれ１つのみ変更したが、同時に複数変化させても同様の効果が得られることは言うまでもない。

ところで、軸ごとに異なる重畳信号Ｓｍを設定する際、予め十分考慮してそれら信号を設定すれば、複数軸のスイッチングのタイミングを完全にずらすことが可能である。すなわち、重畳信号Ｓｍとして、複数軸のスイッチングタイミングが重ならないように、周波数や位相、振幅、直流電位を設定した交流信号、または直流信号とした信号とすればよい。

複数軸の重畳後指令信号Ｓｄｍがどのタイミングでも同じ値にならないように設定できれば、原理的に複数軸が同時にスイッチングすることはない。最も簡単な方法は、図５、図６で示したように、重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとの直流電位を大きくずらすことである。この手段によれば、重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとがどのタイミングでも交差しないようにできる。

また、重畳信号Ｓｍとして、複数軸のスイッチングタイミングが重ならないように、周波数や位相、振幅、直流電位を設定した交流信号、または直流信号とした信号としてもよい。

また、複数軸の重畳後指令信号Ｓｄｍがどのタイミングでも同じ値にならないように、周波数や位相、振幅、直流電位を定めた交流信号を設定する構成として、次のようにしてもよい。すなわち、キャリア信号Ｓｃと重畳後指令信号Ｓｄｍとを同期させる方法も考えられる。既に述べたように、マイクロコンピュータで重畳後指令信号Ｓｄｍを生成する場合、各信号をディジタル処理するため、値を連続的に変えるのではなく、キャリア信号Ｓｃの山、谷のタイミングで値を更新することが多い。

このことを利用し、キャリア信号Ｓｃの山、谷で複数軸の重畳後指令信号Ｓｄｍが交差しないようにする。その例を図８に示す。図２と同様、重畳後指令信号ＳｄｍＢは重畳後指令信号ＳｄｍＡの倍の周波数の信号としており、重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとが交差するタイミングと、キャリア信号Ｓｃの山、谷の位置とをずらしている。実際に、マイクロコンピュータで設定される重畳後指令信号ＳｄｍＡ、ＳｄｍＢの波形を図９に示す。重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとはどのタイミングでも同値にならないことが分かる。

また、重畳後指令信号ＳｄｍＡと重畳後指令信号ＳｄｍＢとを同値にしない他の手段として、上位装置４０で重畳する値を監視し、複数軸で重畳後指令信号Ｓｄｍが同値になる場合は値を少量ずらす、等の手段も考えられる。

なお、既に前述したように、上記実施の形態においては、サーボロック時を想定し説明したが、本発明をサーボロック時に限定するものではない。低速回転時や低トルク動作時にＵ〜Ｗ相がほぼ同じタイミングでスイッチングする際も適用できる。

また、上記実施の形態においては、重畳信号生成部１２で発生させる重畳信号Ｓｍ（重畳後指令信号Ｓｄｍ）の波形が正弦波である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、三角波や矩形波、鋸歯状波としてもよい。これによっても、軸ごとに異なる信号であれば、スイッチングのタイミングをずらす効果は発生させることができる。

また、上記実施の形態においては、２軸の同期制御について説明したが、３軸以上の同期制御でも同様の考え方を適用することができる。

また、上記実施の形態においては、ＰＷＭ信号生成部１０をモータ制御装置に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の任意のインバータをＰＷＭ制御し、複数軸を同期制御する装置に本発明を適用することも可能である。

本発明によれば、複数軸のスイッチングのタイミングを特にデメリットなくずらし、ノイズの増加を抑えることができ、かつ、デューティ変調による放射ノイズのピーク強度低減効果も同時に得られる。このため、複数のインバータを同期してＰＷＭ制御する装置、とりわけサーボロックというＵ〜Ｗ軸のスイッチングタイミングが完全に重なる状態が存在するモータ制御装置において、特に有用である。

１０，１０Ａ，１０Ｂ ＰＷＭ信号生成部
１１，１００ 指令信号生成部
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１０２ 重畳信号生成部
１４，１０４ 重畳信号加算部
１６，１０６ キャリア信号生成部
１８，１０８ 比較部
１９ 制御部
２０，１１０ インバータ
２１，２１Ａ，２１Ｂ モータ
３０ モータ制御装置
３１，３１Ａ，３１Ｂ モータ制御ユニット
３２ 電源
３３ タイミング生成部
４０ 上位装置
５０ モータ制御システム

Claims (7)

1. 上位装置からの動作指令に基づき１軸を制御するモータ制御ユニットを複数有し、前記複数のモータ制御ユニットにより、２軸以上のモータを同期して制御するモータ制御装置であって、
   前記モータ制御ユニットのそれぞれは、
   前記モータの動作制御を行う制御部と、
   前記制御部の動作制御に基づき前記モータの動作を指令するための指令信号を生成する指令信号生成部と、
   前記指令信号に基づきパルス幅変調されたＰＷＭ制御信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ制御信号によりスイッチング素子をスイッチングすることで、前記モータを駆動する駆動電圧を生成するインバータとを備え、
   前記ＰＷＭ信号生成部のそれぞれは、
   前記指令信号に重畳させる重畳信号を生成する重畳信号生成部と、
   三角波であるキャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
   前記指令信号と前記重畳信号とを加算する加算部と、
   前記加算部から出力される重畳後指令信号と前記キャリア信号とを比較して前記ＰＷＭ制御信号を生成する比較部とを備え、
   前記重畳信号は、前記複数のモータ制御ユニットが制御する軸ごとに異なる信号であり、前記制御部は、前記モータが低駆動の状態であるかどうかを判定し、その判定の結果を示す動作判定信号を前記重畳信号生成部に出力し、
   前記重畳信号生成部は、前記動作判定信号に基づき、前記モータが低駆動の状態であるときに、前記重畳信号を前記加算部に出力することを特徴とすることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記重畳信号は、
   前記軸ごとに周波数が異なる交流信号、前記軸ごとに位相が異なる交流信号、前記軸ごとに振幅が異なる交流信号、前記軸ごとに直流電位が異なる交流信号、および、前記軸ごとに異なる直流信号の少なくともいずれかの信号であることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記重畳信号は、複数軸のスイッチングのタイミングが重ならないように、周波数、位相、振幅、直流電位のうち少なくとも１つを設定した信号であることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記重畳信号は、前記キャリア信号の特定の位置で、複数軸のスイッチングのタイミングが重ならないように、周波数、位相、振幅、直流電位のうち少なくとも１つを設定した信号であることを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
5. 前記キャリア信号の特定の位置は、キャリア信号が最大値を取るタイミング、最小値を取るタイミング、および最大値を取るタイミングもしくは最小値を取るタイミングのいずれかのタイミングであることを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記モータ制御ユニットのそれぞれで生成されるキャリア信号は、それぞれ同期していることを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置に前記動作指令を伝送する前記上位装置と、
   前記モータ制御装置によって制御される２軸以上の前記モータとを備えたことを特徴とするモータ制御システム。

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