JPH0614592A - Ａｃサーボモータの加速度制御方式 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＡＣサーボモータを加速度制御する。 【構成】 ｄ−ｑ変換して（９）、界磁が作る磁束の方
向のｄ相電流Ｉｄが「０」になるように電流制御器５で
ｄ相指令電圧Ｖｄを求める。また、該ｄ軸とは直交する
ｑ相電流は加速度指令と加速度フィードバックより加速
度制御器１０で制御してｑ相指令電圧Ｖｑを求め。ｄ，
ｑ指令電圧Ｖｄ，ＶｑよりＵ，Ｖ，Ｗ相の指令電圧
（８）を求めＡＣサーボモータを駆動制御する。これに
より、モータの加速度が制御されることになるから、外
乱抑圧性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＮＣ装置で制御される
工作機械等の機械，装置やロボットの駆動源として使用
されるＡＣサーボモータの加速度制御方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は従来から行われているＡＣサーボ
モータの制御系のブロック線図である。位置指令からエ
ンコーダ等で検出される位置フィードバック値を減じて
位置偏差を求め、該位置偏差にポジションゲインを乗じ
て位置ループ制御（１）を行って速度指令を求め、この
速度指令から速度フィードバック値を減じて速度偏差を
求め、比例，積分制御等の速度ループ処理（２）を行い
トルク指令（電流指令）を求める。さらに、このトルク
指令から電流フィードバック値を減じて電流ループ処理
（３）を行い各相の電圧指令を求めてＰＷＭ制御等を行
いＡＣサーボモータＭを制御している。

【０００３】図２は上記電流ループ処理の詳細図であ
る。

【０００４】速度ループ処理で求められたトルク指令
（電流指令）に、エンコーダ等で検出されたサーボモー
タのロータ位相θよりＵ，Ｖ，Ｗ相に対するそれぞれ２
π／３（電気角）ずれた正弦波を乗じて各相の電流指令
を求め、該電流指令から電流検出器で検出される各相の
実電流Ｉu ，Ｉv ，Ｉw を減じて電流偏差を求め、各相
電流制御器で５u ，５v ，５w 比例積分制御等を行って
各相の指令電圧Ｅu ，Ｅv ，Ｅw を電力増幅器６に出力
する。電力増幅器６ではインバータ等でＰＷＭ制御を行
って各相の電流Ｉu ，Ｉv ，Ｉw をサーボモータＭに流
し駆動することになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、ＡＣサ
ーボモータにおいては、位置，速度ループの最も内側の
マイナーループに電流ループを持っており、この電流ル
ープはＡＣサーボモータの各相に流す電流をそれぞれ制
御するループである。一方、外乱抑圧性の観点から見る
と、電流と同じ次元の加速度を制御した方が、電流を制
御するよりも外乱抑圧性が向上する。図３はサーボモー
タの作用を示すブロック図で、モータに入力された電流
にトルク定数Ｋｔを乗じたものがモータのトルクとな
り、このトルクと外乱トルクを加算してモータのイナー
シャＪｍで除すことによってモータの加速度が求められ
る。この図３から分かるように、加速度には外乱トルク
を含んでいることから、モータ電流を制御するよりも加
速度を制御した方が、外乱抑圧性能が向上することが分
かる。

【０００６】このことから、従来は、ＤＣサーボモータ
の制御においては、加速度制御ループを位置・速度制御
ループのマイナーループとして備えるものがあった。し
かし、上述したようにＡＣサーボモータでは、最も内側
のマイナーループに、加速度と同次元の電流ループを有
し、しかもこの電流ループは各相毎に備えねばならない
ことから、ＡＣサーボモータの加速度制御はできなく、
ＤＣサーボモータのみに限定されていた。そこで、本発
明の目的は、ＡＣサーボモータの制御に加速度制御を導
入し、外乱抑圧性能を向上させるＡＣサーボモータの加
速度制御方式を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、モータ駆動電
流とロータ位相よりｄ−ｑ変換して、界磁の作る磁束の
方向であるｄ軸方向のｄ相電流を求め、該ｄ相電流が零
になるようにｄ相電圧指令を求め、指令速度と実速度と
の差の速度偏差から加速度指令を求め、該求められた加
速度指令とエンコーダから検出された実加速度との偏差
からｑ相電圧指令を求め、求められたｄ相，ｑ相の電圧
指令から三相各相の電圧指令を求めるようにすることに
よって、ＡＣサーボモータの加速度制御ができるように
した。

【０００８】

【作用】界磁の作る磁束の方向であるｄ軸方向のｄ相電
流を零となるように制御し、このｄ軸と直交するｑ軸方
向の電流を加速度制御によって制御する。モータが出力
するトルクは界磁の作る磁束方向と直交する電流成分に
よって決まるものであり、上記ｑ相電圧指令は界磁の作
る磁束方向と直交する電流成分に対する電圧指令である
から、モータの出力トルクは該ｑ相電圧指令によって決
まる。そして、このｑ相電圧指令は加速度制御によって
求められたものであるから、加速度が制御されてモータ
は駆動制御されることになる。

【０００９】

【実施例】図４は本発明のＡＣサーボモータの制御方式
のブロック図であり、従来の図１に示すブロック図と比
較して、最終ループが電流制御から加速度制御に変わっ
た点で相違している。すなわち、速度ループ２で出力さ
れる指令を加速度指令とし、この加速度指令値とモータ
から検出される実加速度との偏差をとり、加速度制御を
行いサーボモータを駆動することになる点で相違するも
のである。なお、速度ループ制御２で加速度指令を算出
する点は、従来のトルク指令（電流指令）を算出する場
合と同一であり、単にゲイン（比例ゲイン，積分ゲイ
ン）が異なるだけである。なぜならば、図３から分かる
ように電流指令（トルク指令）に（Ｋｔ／Ｊｍ）を乗じ
たものが加速度であることから、従来の電流ループの処
理によって出力されるトルク指令（電流指令）に（Ｋｔ
／Ｊｍ）を乗ずれば、加速度指令となるものであり、速
度ループのゲインを変えるだけで加速度指令を得ること
ができるものである。

【００１０】以下、三相同期電動機をサーボモータとし
て使用したＡＣサーボモータの加速度制御方式の一実施
例について詳細に説明する。まず、三相同期電動機の回
路方程式は次の１式で表される。

【００１１】

【数１】 上記１式の左辺はモータのＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧であり、
右辺第１項の左側の行列はインピーダンス行列であり、
Ｒは巻線抵抗、Ｌは巻線の自己インダクタンス、Ｍは相
互インダクタンスで、Ｐは微分演算子である。また、右
辺第１項右側のベクトルは各相電流Ｉu ，Ｉv ，Ｉw の
ベクトルであり、右辺第２項は各相の巻線が誘起する起
電力ｅu ，ｅv ，ｅw である。次に、３相交流座標系か
ら２相交流座標系に変換する２式で示す変換行列Ｃ１、
及びこの２相交流座標系を回転座標系に変換する３式で
示す変換行列Ｃ２を用いて上記１式を変換して、いわゆ
るｄ−ｑ変換を行うと４式が得られる。なお、ｄ−ｑ変
換におけるｄ軸は界磁の作る磁束の方向にとることが一
般的であり、図７に示すように、本実施例においては、
ロータの永久磁石の磁束の向きにｄ軸をとっている。

【００１２】

【数２】

【００１３】

【数３】

【００１４】

【数４】 なお、上記３式においてθはロータの電気角（ｕ相の巻
線を基準として時計回りにとった界磁の角度）であり、
４式におけるωはロータの角速度（電気角）、φは巻線
鎖交磁束数の最大値である。上記４式より、界磁の作る
磁束の方向のｄ相電流ｉd を「０」に制御し、ｑ相電流
ｉq のみその大きさを制御するようにすれば、ＤＣサー
ボモータと同じ制御ができることを意味する。

【００１５】図５はＡＣサーボモータの従来の制御をｄ
−ｑ変換して制御するときのブロック図である。ｄ相の
電流指令を「０」とし、ｑ相の電流指令を速度ループか
ら出力されるトルク指令とし、モータの各ｕ，ｖ，ｗ相
の実電流（いずれか２つの相を検出すればよい）、及び
ロータ位置検出器で検出されたロータの位相から、３相
電流から２相電流へ変換する手段９でｄ相，ｑ相の電流
Ｉｄ，Ｉｑを求めて上記各相指令値から減じて、電流制
御器５ｄ，５ｑで従来と同様に比例，積分制御してｄ相
指令電圧，ｑ相指令電圧Ｖｄ，Ｖｑを求め、この２相の
指令電圧Ｖｄ，Ｖｑから、２相電圧から３相電圧に変換
する手段８で、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖ
ｗを求め、電力増幅器６に出力してインバータ等でサー
ボモータの各相に流す電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを流してサ
ーボモータを制御する。

【００１６】上記２相電圧から３相電圧に変換する手段
８及び３相電流から２相電流へ変換する手段９の処理
は、上記変換行列Ｃ１，Ｃ２と３相の電圧，電流の合計
が「０」である関係、すなわち、Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ＝
０、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係より次の５式，６式の
演算を行って求めることができる。

【００１７】

【数５】

【００１８】

【数６】 上記図５に示す制御方式は、ＡＣサーボモータをＤＣサ
ーボモータと同様に制御することを可能にしたことを表
しており、この図５では、電流ループによる電流制御を
行っているが、この点を加速度制御に変えることによっ
て、ＡＣサーボモータの加速度制御が可能となる。図６
はＡＣサーボモータの加速度制御方式のブロック図であ
る。この図６と図５に示すＡＣサーボモータの電流制御
方式と相違する点は、ｑ相電圧を求める手段が、電流制
御器５ｑから加速度制御器１０に代わったことと、指令
がトルク指令（電流指令）から加速度指令に代わったこ
と、及び、３相電流から２相電流へ変換する手段９で求
められるｑ相電流の代わりにモータの加速度を検出した
加速度フィードバック信号に代わった点である。

【００１９】加速度指令は前述したように、従来の速度
制御ループで求めたトルク指令（電流指令）にトルク定
数ＫｔをモータイナーシャＪｍで割った値（Ｋｔ／Ｊ
ｍ）を乗じることによって求められるものであり、速度
ループのゲイン（比例ゲイン，積分ゲイン）を変えるだ
けで従来の電流ループの処理で求めることができる。ま
た、加速度フィードバック値は、モータの実速度を微分
することによって、若しくは、モータの位置を２回微分
することによって求めることができる。

【００２０】図６に示す本願発明の実施例であるＡＣサ
ーボモータの加速度制御方式の動作を説明すると、Ｕ
相，Ｖ相のモータ電流Ｉｕ，Ｉｖを電流検出器で検出す
ると共に、検出器で検出したロータ位相θにより、３相
電流から２相電流へ変換する手段９で、上記６式の演算
を行ってｄ相の電流Ｉｄを求め、かつｄ相の電流指令を
「０」として、電流制御器５で従来と同様に比例，積分
のフィードバック制御を行いｄ相電圧指令Ｖｄを求め
る。

【００２１】界磁の磁束の方向と直交する電流の向きの
ｑ相に対しては、前述したように速度ループで求められ
た加速度指令を指令値として、モータの位置を２回微分
して、若しくは速度を微分して加速度を求めこの求めら
れた加速度をフィードバック値とし指令加速度からこの
加速度フィードバック値を減じて加速度偏差を求め、こ
の加速度偏差に基づいて加速度制御器１０によって電流
制御器５と同様に、比例積分のフィードバック制御を行
ってｑ相の指令電圧Ｖｑを求める。そして、２相電圧か
ら３相電圧に変換する手段８で上記５式の演算を行っ
て、２相の指令電圧Ｖｄ，Ｖｑから３相のＵ，Ｖ，Ｗ相
の指令電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求め、電力変換器６でＰ
ＷＭ制御をおこなつてＡＣサーボモータＭのＵ，Ｖ，Ｗ
相の各巻線にそれぞれＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗの駆動電流を流
してサーボモータＭを制御する。この場合、界磁の磁束
の方向のｄ相電流は「０」に制御され、これと直交しト
ルクを発生されるｑ相電流Ｉｑは加速度フィードバック
制御によって制御されることになるから、ＡＣサーボモ
ータＭも加速度制御されることになり、外乱抑圧性能が
優れたＡＣサーボモータの制御方式を得ることができ
る。

【００２２】図８は、本発明を適用したサーボモータ制
御系のブロック図であり、構成は従来のデジタルサーボ
制御を行う装置と同一構成であるので、概略的に示して
いる。図８において、２０はコンピュータを内蔵した数
値制御装置（ＣＮＣ）、２１は共有ＲＡＭ、２２はプロ
セッサ（ＣＰＵ），ＲＯＭ，ＲＡＭ等を有するディジタ
ルサーボ回路、２３はトランジスタインバータ等の電力
増幅器、ＭはＡＣサーボモータ、２４はＡＣサーボモー
タＭの回転と共にパルスを発生するエンコーダ、２５は
ロータ位相を検出するためのロータ位置検出器である。

【００２３】図９は、上記ディジタルサーボ回路２２の
プロセッサが所定周期毎実施する加速度制御処理のフロ
ーチャートである。上記ディジタルサーボ回路２２のプ
ロセッサは、数値制御装置（ＣＮＣ）２０から指令され
た位置指令（若しくは速度指令）を共有ＲＡＭ２１を介
して読取り、位置ループ処理，速度ループ処理を行う。
ただし、本実施例においては速度ループの処理の比例ゲ
イン，積分ゲインが調整され、該速度ループ処理では加
速度指令が求められるようにされている。そして、加速
度ループ処理周期では、まず、エンコーダ２４によって
検出される位置のイードバック値を取り込み、この取り
込んだ位置フィードバック値からレジスタに記憶する前
周期の位置フィードバック値を減じて当該加速度周期で
除して速度を求め、さらに、この速度から、同様にして
前周期で求めてレジスタに記憶されている前周期の速度
を減じ、かつこの加速度処理周期で除して加速度フィー
ドバック値を求める（ステップＳ１，Ｓ２）。また、ス
テップＳ１で取り込んだ位置フィードバック値及び求め
た当該周期における速度は次周期で使用するためにレジ
スタに記憶する。

【００２４】次にロータ位置よりロータ位相を検出する
検出器２５よりロータ位相θを取り込むと共に（ステッ
プＳ３）、電流検出器で検出されるＵ相，Ｖ相の実電流
Ｉｕ，Ｉｖを取り込む（ステップＳ４）。そして、取り
込んだＵ相，Ｖ相の実電流Ｉｕ，Ｉｖとロータ位相θよ
り上記６式の演算を行ってｄ相電流Ｉｄを算出し（ステ
ップＳ５）、該ｄ相電流Ｉｄをフィードバック電流と
し、ｄ相電流指令を「０」として、通常の電流ループ処
理（比例積分制御）を行いｄ相指令電圧Ｖｄを求める
（ステップＳ６）。また、速度ループで求められた加速
度指令とステップＳ２で求められた加速度フィードバッ
ク値より加速度制御ループ処理を行い（電流ループ処理
と同様の処理であり、比例積分制御を行う）、ｑ相指令
電圧Ｖｑを求める（ステップＳ７）。

【００２５】次に、ステップＳ６，Ｓ７で求められたｄ
相，ｑ相指令電圧Ｖｄ，Ｖｑの合成ベクトルを求め、す
なわち（Ｖｄ² ＋Ｖｑ² ）^1/2 の値を求めこの値が設定
値以上のときはこの合成ベクトルをこの設定値にクラン
プして、各ｄ相，ｑ相指令電圧Ｖｄ，Ｖｑを求める（ス
テップＳ８）。そして、この求められたｄ相，ｑ相指令
電圧Ｖｄ，ＶｑとステップＳ３で求めたロータ位相θよ
り上記５式の演算を行ってＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令Ｖ
ｕ，Ｖｖ，Ｖｗを求め電力増幅器のＰＷＭ回路に出力し
（ステップＳ９）、当該加速度ループの処理を終了す
る。以下、この処理を加速度ループ処理周期毎実施し
て、ＡＣサーボモータの加速度制御を行う。

【００２６】

【発明の効果】本発明は、３相のＡＣサーボモータの制
御をｄ−ｑ変換して、界磁が作る磁束の方向と同一方向
のｄ軸と該ｄ軸と直交するｑ軸の２相に変換し、ｄ相電
流を「０」になるように制御すると共に、トルクを発生
させるｑ相電流を加速度指令値とモータの実加速度によ
り加速度制御することによってＡＣサーボモータを加速
度制御できるようにしたので、電流制御と比べ外乱抑制
性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＡＣサーボモータの制御系のブロック図
である。

【図２】同従来のＡＣサーボモータの制御系における電
流制御部のブロック図である。

【図３】電流，トルク，加速度の関係を示すサーボモー
タの作用を示すブロック図である。

【図４】本発明のＡＣサーボモータの制御系のブロック
図である。

【図５】ＡＣサーボモータの制御系における従来の電流
制御部をｄ−ｑ変換して構成したときのブロック図であ
る。

【図６】本発明の一実施例における加速度制御部のブロ
ック図である。

【図７】本発明の実施例におけるｄ−ｑ変換の座標系の
説明図である。

【図８】本発明の一実施例のデジタルサーボ系のブロッ
ク図である。

【図９】同ディジタルサーボ回路のプロセッサが実施す
る加速度制御処理のフローチャートである。

【符号の説明】

８ ２相電圧から３相電圧に変換する手段 ９ ３相電流から２相電流へ変換する手段 １０ 加速度制御器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡＣサーボモータの制御方式において、
   モータ駆動電流とロータ位相よりｄ−ｑ変換して、界磁
   の作る磁束の方向であるｄ軸方向のｄ相電流を求め、該
   ｄ相電流が零になるようにｄ相電圧指令を求め、指令速
   度と実速度との差の速度偏差から加速度指令を求め、該
   求められた加速度指令とエンコーダから検出された実加
   速度との偏差からｑ相電圧指令を求め、求められたｄ
   相，ｑ相の電圧指令から三相各相の電圧指令を求めるこ
   とを特徴とするＡＣサーボモータの加速度制御方式。