JPH0487593A - 三相巻線電動機の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電動機制御技法に関し、特に、回転式電動機駆
動型線形アクチュエータ（例えば、親ネジ、キャプスタ
ン、ラックピニオン型アクチュエータ）や線形電動機駆
動型キャリッジ、その他の装置を動かすための装置に関
する。当該装置は、所望の位置に関するユーザからの情
報に応答して、そこから、上記キャリッジその他の装置
を上記所望の位置に動かす駆動用電動機（以下では、通
常は三相無ブラシ直流電動機を指す）を制御するための
速度及び／又はトルク信号を生成するものである。

（従来の技術） はとんど全ての従来型三相無ブラシ直流電動機制御シス
テムは電動機制御器を含んでおり、この電動機制御器は
、工作機械や関連する応用機器内の、例えばキャリッジ
の所望の位置に関するユーザからの情報を受は取るシス
テム制御器から完全に分離されている。マイクロコンピ
ュータに送られる位置及び速度フィードバック信号に基
づいた上記情報は、アナログ電圧、又はディジタル数値
の形式で速度又はトルク（力）指令信号を生成する。そ
れから電動機制御器は、上記電動機の三相の各々に供給
されるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号により、当該速度で
電動機モータを動かしたり、トルク（力）を供給したり
する。このパルス幅変調信号は短い高圧パルスから構成
され、間欠的に、すなわち非連続的にキャリッジを所望
の位置に効果的に「ハマリング（ｈａｍｍｅｒｉｎｇ）
　Ｊされる。なお、本明細書にいわゆる「ハマリング」
とは、供給されるパルス信号に応じて、間欠的に、すな
わち非連続的に、電動機が槌打ち状態に順次動作する状
態を示す。パルスに関しては平均化の効果を狙っている
ものの、結果的には高周波応力波（ｈｉｇｈｆｒｅｑｕ
ｅｎｃｙ　５ｔｒｅｓｓ　ｗａｖｅ）が生じてしまい、
これは約１ミクロン以上精度を備えるシステムには不適
なものである。電動機の三相に対するパルス幅変調信号
の分布は、電動機制御器により及び磁石に対する巻線の
位置を電動機制御器に教えるホール効果センサからの信
号により制御される。結果的にパルス幅変調波形は電動
機コイルに対する方形波入力の様相を呈し、加えて、パ
ルス幅変調信号は高周波信号を方形波の頂部に負わすこ
とになる。そのために、パルス幅変調周波数での付加的
な振動と共に、供給トルクの５乃至１０％程度の高さの
トルク（力）リップルが生じてしまう。パルス幅変調周
波数を増加して平均化量を増加させることにより精度を
高めようとする場合には、電動機のコイルを介して供給
される高周波パルスにより電動機がＡＭ発信機として作
動し、その区域にある他の電子装置に電磁干渉を引き起
こし、それによりシステムの精度を制限するおそれがあ
る点に留意せねばならない。パルス幅変調信号の一つの
利点は、直流電流がエネルギーを熱として発散するのに
対して、パルス幅変調信号は電磁波として発散される点
にある。このように、パルス波が変調は、熱応力が低い
ので、電動機の構造には「好適」である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明によれば、所望の位置への電動機の非連続的順次
「ハマリング」を伴うパルス幅変調パルス制御は、滑ら
かな連続する周期的な波形を有する電動機の逆起電力に
整合する電動機の三相の全てに波形を生成する制御器の
新規な使用により、完全に不要となる。高速運転の間で
も、連続逆起電力の成形波形は、チョッパ増幅器を用い
てパルス化可能であり、これにより電力の伝送効率を最
大にし、精密機械内に伝導される熱を最小に抑えること
が可能である。これに対して、サブミクロン精度の細か
い位置決め移動が必要な場合には、電力はほとんど発散
されず、波形はチョップされることなく、滑らかな周期
的形状で供給される。このようにして、パルス幅変調に
より誘起される無線周波数ノイズは構成度運転の間に抑
えることが可能である。

従って、本発明の第一の目的は、上記のような、システ
ム制御器と一体化された改良型電動機を供給することに
あり、かくして、電動機制御器及びシステム制御器は同
一機器となり、パルス幅変調速度又はトルク制御信号に
固有の「ハマリング」運動を回避可能であり、ゼロに近
いトルク又はカリップルを備えた滑らかな連続的電動機
トルク又は力を供給可能であり、こうして、システムの
「調整可能度」を改良することが可能であり、保守及び
交換が簡便な上記装置を供給することにある。

本発明のさらに別の目的は以下に説明されるであろうし
、特に特許請求の範囲において明らかにされよう。

（課題を解決するための手段） 本発明の一つの観点からすれば、本発明は、回転式電動
機駆動型線形アクチュエータ（例えば、親ネジ、キャプ
スタン、ラックピニオン型アクチュエータ）や線形電動
機駆動型キャリッジ、又は同様に機械的に連結されたシ
ステムの三相巻線電動機制御の方法を含んでいる。当該
方法は、電動機の巻線の理想逆起電力に近い正弦波波形
を発生し；ユーザ所望位置及びキャリッジ位置及び速度
に応答する速度又はトルク指令信号を発生し；さらに、
電動機の三相巻線のうちの二つに対応し二つの巻線のそ
れぞれに対する上記指令信号に応答する逆起電力正弦波
形状の波形を供給して、電動機の逆起電力に整合する滑
らかで連続する周期的な波形を三相巻線の全てに供給し
、それにより、電動機パラメータの非線形性、キャリッ
ジの剛性及び減衰を補償しながらキャリッジを滑らかに
移動させる。

その場合に、所望により、高速で精度が低い運転の間は
低い熱電力分散のために前記信号は分断可能である。好
適な実施例については後述する。

（実施例） 第１図を見るに、例えば、位相１．２及び３を展開して
電動機キャリッジＣに連結された親ネジＬを駆動するＹ
型巻線を備えた典型的な従来型の三相無ブラシ電動機Ｍ
が示されている。

システム制御器は、親ネジＬの所望位置に関するユーザ
（ユーザインタフェース）からの情報を受け、当該情報
は、キャリッジの位置及び速度フィードバック信号Ｐ及
びＶと共に、マイクロコンピュータ実行ＰＩＤ　（比例
積分微分制御：　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅ
ｇｒａｌ　ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ）、
あるいは速度又はトルク指令信号（アナログ電圧又はデ
ィジタル数値）４を生成するための同様の公知のアルゴ
リズム演算を備えたマイクロコンピュータ２に供給され
、さらに、速度又はトルク指令信号４は、やはり公知の
パルス幅変調信号生成用の位相通信論理を備えたＤ級増
幅器のような電動機制御器回路６に供給される。

フィードバック信号Ｐ及び■は、やはり公知の、例えば
レーザ干渉計、ＬＶＤＴトランスジューサ、符号器、分
解器のような各種タイプのキャリッジ監視センサにより
生成される。−船釣には、電動機キャリッジＣに取り付
けられたホール効果センサは、電動機制御器６に、三相
巻線の各々に供給されるパルス幅変調信号Ｐ°に応答し
て電動機キャリッジＣを非連続的に動かすパルス幅変調
「ハマリング」高圧短時間パルス（右上方にＰ゛として
示す）用の修正極性情報を供給する。

前述の通り、本発明によれば、コイルに供給された方形
波の結果としての、上記「ハマリング」パルスの非連続
移動動作とトルク又は力のリップルを回避可能である。

所望の位置に電動機を「ハマリング」するようなパルス
幅変調（オン−オフ）信号Ｐを使用する代わりに、第２
図に示すような、本発明に基づく電動機制御器は、無ブ
ラシ電動機Ｍの三相巻線（位相１．２及び３）の全てに
供給される波形を生成する。

この波形は、第２図の右側に示したような、電動機の逆
起電力の滑らかで連続する周期的な波形（非線形性を補
償するべく正弦波もしくは正弦波に近い波形）Ｗに合致
し、これにより、前述の通り、高速の精度運転であって
も振動その他の干渉がない低速の精度運転であっても、
電動機パラメータの非線形性などを補償するべく、キャ
リッジＣの滑らかな運動が可能になる。第２図のマイク
ロコンピュータ又はディジタル信号処理（ＤＳＰ）ボー
ド内で、（例えば、前述の基礎ＰＩＤのような）サーボ
制御アルゴリスムが、所望位置（ユーザＩＯ）及びキャ
リッジフィードバック信号センサＳからの速度及び位置
フィードバック信号Ｖ及びＰに関するユーザの入力で動
作し、第１図に示すシステムのように、速度指令信号ル
ーチン（逆起電力）に速度指令信号４を送る。逆起電カ
ル−チンは、順次、三つの位相の内の二つ、すなわち位
相１に関するＶｌと位相３に関する■３に関する適当な
信号値を獲得する。三番目の位相（位相２）は最初の二
つの位相（すなわちｖ２及びＶｌ）に基づいて自動的に
決定される。６０度の位相シフト用に巻回された電動機
Ｍにおいては、暗示位相の電圧について適当な位相割当
が行われる。値Ｖｌ及びｖ２が速度（又はトルク）指令
信号４により基準化され、安定化増幅器Ａ及びＡ゛を介
して８及び８°で各位相巻線に送る。低い熱電力分散の
低い精度運転では、信号はチョッパ増幅器でチョップさ
れるか、又は好適な増幅器が電動機巻線に入力される前
に用いられる場合にはソフトウェア内で変調される。信
号は変調含む全ての情報を含んでいる。高い精度運転で
は、連続信号が電動機巻線に送られるべきである。

逆起電力形状の波形Ｗの生成は三つの段階で行われる。

第一に、逆起電力は、磁気的結節点で交差する、磁石（
磁石巻線）及び速度に対する電動機コイル（ロータ）位
置の関数であるので、起電力交差位置ＩＯを制御する磁
石周期の位置をマツプするためにホール効果センサＨが
用いられる。（「逆起電力」は位置Ｐ”の関数として記
憶される。）次に、１０の出力が送られる「理想」逆起
電力発生機１２が、逆起電力に近似するように好適に割
当てられた正弦波波形を生成する１２°。位置探索率は
速度に比例するので、速度は問題としなくてもよい。最
後に、正弦波がリップル補償「起電力学習器（ＥＭＦ　
１ｅａｒｎｅｒ）　Ｊルーチン１４により変調される。

リップル補償起電力学習器は、（位置信号の微分による
、又は加速度計の使用による）測定されたリップルを取
り込み、それを変調のために使用して、それを「逆起電
力」ルーチンに送り込み、安定化増幅器Ａ及び八゛を介
して、三つの電動機巻線の位相の全てに滑らかな連続波
形Ｗの適応８及び８′を可能にし、電動機パラメータの
非線形性、キャリッジの剛性及び減衰が補償され、この
ようにして、前述の通り、滑らかなキャリッジ移動が可
能になる。

好適な安定化増幅器Ａが第３図に示されている。そこで
は０ＰＡ５０１型の演算増幅器を用いて、逆起電力形状
の波形を電動機Ｍの℃側のＹ型巻線の上部左側端に供給
する。結果的に、理想波形のマツプが形成され、電動機
コイルの各々に送られる。マツプはロータ位置及び速度
範囲の関数である。このようにして、回転式電動機のト
ルク又は線形電動機の力がほぼゼロのリップルで生成さ
れる。

さらに、当業者であれば、特許請求の範囲に規定される
本発明の精神と観点の範囲内で、他の実施例に想到する
であろう。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、所望の位置への電動機
の非連続的順次「ハマリング」を伴うパルス幅変調パル
ス制御は、滑らかな連続する周期的な波形を有する電動
機の逆起電力に整合する電動機の三相の全てに波形を生
成する制御器の新規な使用により、完全に不要となる。

高速運転の間でも、連続逆起電力の成形波形は、チョッ
パ増幅器を用いてパルス化可能であり、これにより電力
の伝送効率を最大にし、精密機械内に伝導される熱を最
小に抑えることが可能である。これに対して、サブミク
ロン精度の細かい位置決め移動が必要な場合には、電力
はほとんど発散されず、波形はチョップされることなく
、滑らかな周期的形状で供給される。このようにして、
パルス幅変調により誘起される無線周波数ノイズは構成
度運転の間に抑えることが可能である。

このように、本発明によれば、電動機制御器及びシステ
ム制御器は同一機器となり、パルス幅変調速度又はトル
ク制御信号に固有の「ハマリング」運動を回避可能であ
り、ゼロに近いトルク又はカリップルを備えた滑らかな
連続的電動機トルク又は力を供給可能であり、こうして
、システムの「調整可能度」を改良することが可能であ
り、保守及び交換が簡便となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、典型的な従来のパルス幅変調三相直流無ブラ
シ電動機の制御技法のブロック図を示しており、 第２図は、滑らかな連続する周期的電圧波形を有する本
発明に基づく改良された技法の同様のブロック図であり
、 第３図は、第２図の回路で使用される好適な安定化増幅
器の回路図である。 ２・・・マイクロコンピュータ、 ４・・・速度又はトルク指令信号、 ６・・・電動機制御器、 Ｃ・・・電動機キャリッジ、 Ａ、　Ａ’　・・・増幅器、 Ｈ・・・ホール効果センサ、 Ｌ・・・親ネジ、 Ｍ・・・三相無ブラシ電動機、 Ｐ・・・位置フィードバック信号、 Ｓ・・・フィードバック信号センサ、 ■・・・速度フィードバック信号、 Ｗ・・・波形、 谷 部孝彦 谷　　　聡 谷美明

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　三相巻線を備え、線形作動キャリッジを駆動する回
   転式電動機の制御方法であって：前記電動機の前記巻線
   の理想逆起電力に近似する正弦波波形を発生し； ユーザ所望位置と前記キャリッジの位置及び速度に応答
   して速度又はトルク指令信号を発生し；さらに、 所望の電動機速度で電動機の逆起電力の形状に適合する
   滑らかで連続する周期的波形を三相巻線の全てに適応す
   ることにより、電動機パラメータの非線形性、剛性及び
   減衰を補償して前記キャリッジを滑らかに運動させるた
   めに、電動機の三相巻線の内の二つに対応する逆起電力
   形状の正弦波波形を、前記巻線の内の前記二つのそれぞ
   れに対する前記指令信号に応答して、供給する各ステッ
   プからなることを特徴とする方法。 ２　前記周期的波形が高速の低精度運動の間には低い熱
   電力分散を許容するべく前記電動機の巻線に入力する前
   にチョップされ、さらに、前記周期的波形が高周波機械
   振動や大量の電磁干渉がない高精度運動を許容するべく
   前記電動機巻線に直接送られることを特徴とする、請求
   項１に記載の方法。 ３　三相巻線を備え、線形作動キャリッジを駆動する電
   動機の制御方法であって： 連続的に前記キャリッジの位置及び速度並びに前記電動
   機の位置を感知し； ユーザ所望位置及び感知されたキャリッジの前記位置及
   び速度に応答して指令信号を発生し； 感知された電動機位置に応答して好適に周期と起電力と
   が設定された電動機の巻線の理想逆起電力波形に近似す
   るように正弦波波形を発生し； 特定の速度で測定された速度リップルで前記正弦波波形
   を修正し；さらに、 前記指令信号に応答した修正された逆起電力正弦波波形
   を供給して、電動機巻線の三相の内の二つのために逆起
   電力信号を発生し、それにより、リップルの無い力を生
   成するための前記位置及び速度の関数としての理想波形
   のマップを発生し；さらに、 電動機パラメータの非線形性及びキャリッジ剛性及び減
   衰を補償して前記キャリッジを滑らかに運動させるため
   に、電動機の前記二つの巻線に前記波形を送り、電動機
   の逆起電力に適合する滑らかで連続する周期的波形を三
   相巻線の全てに適応する各ステップからなることを特徴
   とする方法。 ４　前記周期的波形が、高速の低精度運動の間は低い熱
   電力分散を許容するべく前記電動機巻線に入力するに先
   だって、オン−オフ変調により変調され、 さらに、前記周期的波形が、高周波の機械振動や大量の
   電磁干渉を生成させずに、高精度運転を許容するべく前
   記電動機巻線に直接送られることを特徴とする、請求項
   ３に記載の方法。 ５　三相巻線を備え、線形作動キャリッジを駆動するた
   めの三相巻線電動機制御器であって：電動機と、キャリ
   ッジと、電動機とキャリッジの連結器と、電動機の巻線
   の理想逆起電力に近似する周期的波形を発生するための
   手段と； キャリッジの位置及び速度を連続的に感知するための手
   段と； ユーザ所望位置入力と感知されたキャリッジ位置と速度
   に応答して指令信号を発生するためのコンピュータ手段
   と； 電動機パラメータの非線形性、キャリッジ剛性及び減衰
   を補償して前記キャリッジを滑らかに動かすべく、前記
   指令信号に応答して、前記電動機の三相巻線の内の二つ
   に対応する前記逆起電力の周期的波形を前記二つの巻線
   の各々に適応して、三相巻線の全てに、電動機の逆起電
   力の形状に適合する滑らかで連続する周期的波形を送る
   ための手段とからなる装置。 ６　高速の低精度運動の間は低い熱電力分散を許容する
   べく前記電動機の巻線に入力するに先だって、前記周期
   的波形をチョッピングするための手段と、 高周波の機械振動又は大量の電磁干渉を生成させずに前
   記電動機に前記周期的波形を直接送るための手段とを備
   えていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。 ７　電動機位置を感知し、前記電動機位置に応答した好
   適な周期及び起電力を有する位置に生成された周期的波
   形を設定するための手段を備えていることを特徴とする
   、請求項５に記載の装置。 ８　測定された速度リップルに従って、生成された逆起
   電力形状の周期的波形を修正し、リップルの無い力を生
   成するために電動機巻線に適応されるべき前記位置及び
   速度の関数としての理想波形のマップを生成することを
   特徴とする、請求項５に記載の装置。 ９　三相巻線を備え、線形的にキャリッジを作動する線
   形電動機及び三相巻線型回転式無ブラシ電動機の内の一
   方のための電動機制御器であって、 電動機の逆起電力にそれぞれ適合する周期的波形を電動
   機の三相の全てに適応ための手段と、 電動機パラメータの非線形性、キャリッジ剛性及び減衰
   が補償された滑らかな運動が可能になるように、電動機
   のそれぞれの巻線に前記波形を送るための手段を備えて
   いることを特徴とする装置。 １０　高速で低精度の運動の間は前記巻線に適応する前
   に前記波形をチョツピングするための手段と、さらに、
   高精度運動の間は波形を直接する送るための手段とを備
   えていることを特徴とする、請求項９に記載の電動機制
   御器。