JPS6194581A - 位置決め制御方式 - 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〕 この発明は、主として工作機械主軸駆動システム用とし
て用いられる誘導電動機のベクトル制御方式に関するも
のであり、更に詳しくは、工作機械主軸に取付けられた
工具を、工作上の都合などにより、他の工具に交換する
場合などに必要となる工作機械主軸（ひいては電動機回
転軸）の所定回転位置における停止のための位置決め制
御方式％式％ なお付言すると、工作機械主軸駆動システムでは、主軸
が所定の回転位置に停止しないと、工具の自動交換が出
来ないような構成になっているので、上述のような位置
決め制御方式が必要とされるわけである。

〔従来技術〕

第７図は電流モデルによる磁束演算方式を採用した従来
公知の誘導電動機のベクトル制御方式を示すブロック図
である。

同図において、１は速度設定器、２は速度調節器、３は
電流モデルによる磁束演算回路、４は速度演算回路、５
は磁化電流演算回路、６は電動機の回転子位置検出回路
、７は電流指令値演算部、８はＰＷＭインバータ、ＩＭ
は誘導電動機、ＰＧは該電動機の回転軸に取付けられた
パルスジェネレータ、ＡＤＩは減算回路、ＤＶは割算回
路、である。

第７図を参照する。制御対象とする誘導電動機ＩＭに関
し、その一次電流ベクトルを磁束と同一方向成分である
磁化電流成分と直交方向成分であるトルク電流成分とに
分離して考え、与えられた磁化電流成分指令値ｉ、４＊
とトルク電流成分指令値ｉ、１１と当該時点における電
動機ＩＭの回転子位置ωｚｔ（但し、ω２は電動機回転
子の角速度、ｔは時間を示す）とから、電流指令値演算
部７において電流指令値　ｉｕ”　＋　’　Ｉ　ｖ”　
）　　１　ｗ”の大きさと位相を演算によって求め、こ
れらの値によってＰＷＭインバータ８を制御することに
より、電動機ＩＭに電流指令値に見合った電流を流し、
該電動機ＩＭの速度を、速度設定器１により設定された
速度に制御している。

なお、速度演算回路４において、パルスジェネレータＰ
Ｇの出力から電動機ＩＭの実際速度を求め、磁束演算回
路３ではこの実際速度から磁束を演算し、この磁束から
磁化電流演算回路５において磁化電流成分指令値ｉｒを
算出している。

他方、速度演算回路４からの実際速度は、減算回路ＡＤ
Ｉにおいて、速度設定器ＩＬこおける設定速度と比較さ
れ、その偏差が速度調節器２に入力される。調節器２か
らの調節出力を、割算器ＤＶにおいて、磁束演算回路３
からの出力（磁束）によって除算することにより、トル
ク電流成分指令値ｉげを得ている。

また上述の回転子位置ω２ｔは、回転子位置検出口路６
において、パルスジェネレータＰＧの出力から求めてい
る。

第８図は、第７図における電流指令値演算部７の詳細を
示すブロック図である。

同図において、９は演算部、ｌＯは積分器（実際はディ
ジタル積分器としてのカウンタ）、１１はｓｉｎθテー
ブル（ディジタル量でθを入力されるとき、ｓｉｎθの
値をディジタル量で出力するテーブル、普通ＲＯＭで構
成される）、１２．１３はそれぞれＤ／Ａ　（ディジタ
ル／アナログ）変換器、１４は電動機定数設定器、ＡＤ
２は加算器、ＡＤ３は減算器、である。

第８図を参照する。演算部９では、トルク電流成分指令
値ｉげと磁化電流成分指令値ｔ　、１１と設定器１４に
おいて設定された電動機定数とを与えられ、これらから
一次電流指令値の絶対値ｌｉ、”ｌと位相差β（ｉ、１
）とｓ　１４”Ｉとの間の位相差）と滑り角ω５２を算
出している。

積分器１０におけるω５アの積分値（ω５や・ｔ）とβ
とω２ｔとを加算器ＡＤ２において加算することにより
ω、１＝θ　（但し、ω１は一次電流の角速度）を得て
いる。

ｓｉｎθテーブル１１の出力とｌｉ、”ｌとからＵ相の
一次電流指令値を作成し、これをＤ／Ａ変換器１２にお
いてアナログ量に変換し、ｉｕ′として出力する。他方
、ｉｕ″より１２０６位相をずらすことによりｉｖ＊が
得られるわけであるからｓｉｎθテーブル１１の出力と
ｌｉ、”ｌを用いることにより、同様にＶ相の一次電流
指令値を作成し、これをＤ／Ａ変換器１３においてアナ
ログ量に変換し、ｉｕ′として出力する。

Ｗ相の一次電流指令値１８′は、減算器ＡＤ３において
、ｉｕ″″とｉｖ″から作成することが出来る。

電流指令値演算部７における演算は、マイクロコンピュ
ータによって処理されており、その際、演算処理時間の
最短化を図り、所要メモリ容量の低減を図ることを目的
として、データ長は通常１バイト（８ビツト）に選択さ
れている。

第９図は、かかるマイクロコンピュータによる一次電流
指令値の演算処理を示すフローチャートである。

同図において、ステップ■に続くステップ＠において、
オフセットとあるのは、ｓｉｎθテーブル１１としての
メモリの実際の番地の割付は、必ずしも０番地から始ま
って、１番地、２番地、・・・・・・となされていると
は限らず、例えば１０００番地から始まり、１００１番
地、１００２番地、・・・・・・となされている場合も
あるので、後者の場合には、オフセットとして１０００
なる値を入力アドレスに加えることにより、当該メモリ
の番地割付に適合した正しいアドレスを得ることができ
るわけで、このような意味合いのものである。

またステップＯにおいて、出力ポートとあるのはこの場
合、Ｄ／Ａ変換器１２を指す。

ステップ■において、「１２０°相当のオフセットを更
に加える」のは、前述のように１２０°位相をずらした
データを求めるためであり、ステップ■における出力ポ
ートとは、この場合、Ｄ／Ａ変換器Ｉ３を指している。

さて、このような演算動作を行う演算部７においては、
演算処理時間の最短化やメモリ容量の低減を図る都合上
、通常１バイト（８ｂｉｔ）のデータ長を用いて処理を
行っている。従って電気角３６０゜を２”＝２５６によ
って割ることにより得られるビット分解能は、３６０°
／　２５６　＃１．４　’　／ｂｉｔである。

一方、誘導電動機ＩＭのトルク制御の原理は第１０図に
示すように、該電動機に加わる一次電流ベクトルを磁束
と同一方向成分である磁化電流成分（ｉ、）と直交方向
成分であるトルク電流成分（ｉｔ　）とに分離し、相互
の干渉を除去してその各々を独立に制御することにより
トルクを制御しようとするものである。

第１０図を参照して具体的に説明する。同図において、
横軸には、磁化電流成分ｉ、（磁束φと同一方向成分）
をとり、縦軸にはトルク、電流成分ｉアをとっている。

また破線で示した曲線Ｓは、ｉＭｘ　ｉ７　＝一定なる
関係の設立する点を連ねた曲線である。すなわち、ｉｐ
ｒと１７のそれぞれの大きさによって決まる座標点がこ
の曲線Ｓ上にあるときは、電動機トルクは常に同じ（つ
まり一定）である。

この第１０図において、一次電流ベクトルｉ。

の位相がΔθだけ変化してｉ＋ｚとなった場合には、そ
れに対応する磁束の変化が生じるのに遅れがあるから、
過渡的に動作点がａ点からｂ点に移り、対応した磁束の
変化が生じると共に、動作点は再びａ点に戻ることにな
る。

ここで、動作点ａにおける電動機トルクをτ１とし、動
作点すにおけるそれをτ２とすると、τ２〉τ、の関係
にあり、一次電流ベクトルの位相がΔθだけ変化した場
合のトルクの変化量の最大値はこの場合、（τ２−τ１
）となる。

所で今、電動機速度が一定で、負荷トルクも一定の場合
を考えると、一次電流ベクトルの大きさは一定で位相だ
けが変化する。

一次電流ベクトルは、三相の瞬時電流ベクトルを合成し
たものであるから、一次電流ベクトルの位相変化は、電
流指令値の角度変化に対応する。

従って、前述のように電流指令値演算のデータ長を１バ
イトとすると、角度変化の最小単位は約１．４゜ｅｌと
なる。

一次電流ベクトルの位相が１．４°ｅｌ変化した場合、
実際の電動機内部では、磁束の変化に遅れがあるため、
発生トルクは一定とはならず、過渡的にトルクが変動し
、トルクあ変化量は定格トルクの数％にも及ぶ。この影
響は電動機回転軸の停止位置の位置決め制御時に顕著と
なり、特に負荷トルクが小さく、ＧＤ”　　（はずみ車
効果）が小さい場合には、停止位置近傍で振動を生じる
ことになる。

以上述べたように、従来のベクトル制御方式では、演算
処理時間の最短化やメモリ容量の低減を図るという観点
から、角度の分解能が１６４°／　ｂ　ｉ　ｔとなるよ
うなデータ長を用いていたが、このために角度が１　ｂ
ｉｔ相当分変化した時に過渡的に生じるトルク変化量が
大きく、位置決め制御時に電動機回転軸がその停止位置
近傍で振動を生じることがあり、位置決め制御が困難に
なるという欠点があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そこで本発明が解決しようとする問題点は、電動機のベ
クトル制御方式において、電動機回転軸の停止位置の位
置決め制御に際して、停止位置近傍で回転軸が振動する
その振動量を軽減し、位置決め制御を容易にする点にあ
ると云える。

従って本発明の目的は、電動機のベクトル制御方式にお
いて、電動機回転軸の停止位置の位置決め制御に際し、
停止位置近傍で回転軸がなるべく振動を生じないように
した位置決め制御方式を提供することにある。

Ｃ問題点を解決するための手段および作用〕この発明に
おいては、位置決め制御運転モードとそれ以外の通常運
転モードとを区別するモード判別器を従来のベクトル制
御方式に付加し、位置決め制御運転モードでは電流指令
値演算の過程に用いるデータのデータ長をより大きなデ
ータ長のものに切り換え、それによって電流指令値の角
度分解能を向上させ、角度の最小単位の変化によるトル
クの変化量を低減しようとするものである。

〔実施例〕

次に図を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例の要部を示すブロック図であ
る。同図において、第８図におけるのと同じ要素には同
じ符号を付しである。そのほか、１９は切換スイッチ、
１１Ａはｓｉｎθテーブル、２０はモード判別器、すな
わち電動機が位置決め制御運転モードにあるか否かを判
別するためのモード判別器、である。

要するに、第１図から分かるように、本発明の実施例に
おける電流指令値演算部７Ａは、従来のそれとは異なり
、ｓｉｎθテーブル１．１のほかに、ｓｉｎθテーブル
ＩＩＡをももち、通常運転モードでは、テーブル１１に
加算器ＡＤ２からのアドレスを入力するようにしている
が、モード判別器２０が、電動機は位置決め制御運転モ
ードにあると判別したときは、その判別出力によってス
イッチ１９を切り換え、別のｓｉｎθテーブル１１Ａに
加算器ＡＤ３からのアドレスを入力するようにしている
。

モード判別器２０では、位置決め指令信号が発せられ、
かつ電動機速度が位置決め制御にふされしい低速度に達
した時点で判別出力を発生するようになっている。

かかるモード判別器２０の具体例が第２図に示されてい
る。同図において、Ｐは接点、■はインバータ、Ａはア
ンド回路、Ｒは速度設定器、Ｋはコンパレータ、である
。

すなわち、第２図において、位置決め指令が発せられる
と、接点Ｐが閉じ、それにより接点入力がインバータ■
を介してアンド回路Ａの一方の入力側に加わる。他方、
電動機速度は設定器Ｒにおいて設定された速度とコンパ
レータＫにおいて比較され、設定速度を下まわる低速度
に達したとき、コンパレータＫから出力が発生し、アン
ド回路Ａの他方の入力側に加わる。

これにより、アンド回路Ａは、判別出力を発生する。

第１図に戻り、再び同図を参照する。演算部９は、トル
ク電流成分指令値１１′、磁化電流成分指令値ｉＭｔｈ
および設定器１４により設定された電動機定数を与えら
れ、これらから一次電流ベクトルの大きさｌｉ＋”ｌ、
トルク電流ベクトルと磁化電流ベクトルのなす角度β、
そしてすべり角周波数ωｓＩｌを演算することは従来と
変わりがない。

このすべり角周波数”ｓｉｔは積分器１０によって積分
され、ωｓ、２・ｔとなる。サンプリング周期か一定の
ディジタル制御システムでは、積分は定周期毎のデータ
の加算で処理され、従って、積分器１０はソフトカウン
タで構成される。

誘導電動機の定格すべり周波数は定格周波数の数％程度
であり、従ってこれを積分するために必要なカウンタの
ピント数はかなり大きなものとなる。例えば、カウンタ
のビ・ノド数を１６ビツトとすると、通常運転モードで
はカウンタの上位８ｂｉｔのデータがω５ア・ｔのデー
タとして加算器ＡＤ２に出力され、電流指令値演算用に
使用されいてるが、実際にはωＳ４・ｔのデータとして
の分解能は１６ビツト分あり、電流指令値を求めるため
に必要な回転角度の情報としてカウンタの下位８ｂｉｔ
のデータをも使用することができる。

一方、ｓｉｎθテーブルを考えると、テーブルデータの
データ長を１バイトとすると、電気角θに対応するテー
ブルデータは ［）Ｘ＝　１２７　Ｘ　ｓｉｎθ となる。ＤＸ＝１の条件から、θの分解能はθ＝　５ｉ
ｎ−’　Ｄｘ／１２７　＝　５ｉｎ−’　１／１２７　
＝°θ、４５　’程度あればよい。

従来は角度分解能は１．４６であるから、テーブルのデ
ータ長を変更しなくても、テーブル容量を増すだけで角
度分解能を向上させることができる。

カウンタの下位８ｂｉｔのデータのうちｂｉｔ　？　（
ＭＢＳ）は角度０．７°に、ｂｉｔ　６は０．３５°に
それぞれ対応する。従って、テーブルデータが１バイト
の場合にはカウンタの上位から１０ｂｉｔをω５ｊ２・
ｔデータとして使用するとよい。

第３図に、モード判別器２０の出力に応じて電流指令値
の角度分解能を増すためのソフトウェアの処理をフロー
チャートで示す。

第３図に示すフローチャートは、ステップ■乃至■より
成っている。

ステップ■は、第１図において、加算器ＡＤ２でなされ
る加算プロセスに相当する。加算結果であるω１ｔは１
バイト（８ビ・７ト）からなるデータである。

次にステラ７°■において、０口は４倍（つまり２ビツ
トだけ上位へシフト）されてω　ｔｌとなる。従って、
ω　１　／は１０ビツトから成るデータとなり、特にそ
の下位２ビツトは「００」である。

このステップ■に相当する処理も加算器ＡＤ２で行われ
ると考えてもよい。

ステップ■はモード判別器２０によってなされる処理で
ある。以下、■乃至■のステップは、先に第９図を参照
して行った従来技術による処理と変わる所がない。

ステップ■においてＹ（イエス）の場合には、ステップ
■に進む。第１図においては、スイッチ１９が切り換わ
り、加算器ＡＤ３の出力がｓｉｎθテーブルＩＩＡへ人
力されるようになる。

ステップ■においては、ωＳｊｌ・ｔカウンタ（すなわ
ち積分器１０）の下位バイトのデータ〔Ｂ７゜Ｂ６．　
Ｂ５．　Ｂ４．　Ｂ３．　Ｂ２．　Ｂｌ、　ＢＯ）につ
いて、そのビットＢ５〜ＢＯをマスクし、左へ２回シフ
トすることにより、（０，０，０，０゜０、Ｏ，Ｂ７．
Ｂ６）なるデータを得る。なお、ω５２・ｔカウンタの
当初のカウンタデータを示せば第４図の如くである。

次にステップ■に進み、ω　ｔＴに、ステップ■で得た
データ（第５図にそのフォーマットを示す）とオフセッ
トを加えてθとし、テーブル１１Ａよりｓｉｎθを求め
る。

ステップ■と■は、加算器ＡＤ３で主として行われると
考えればよい。

第６図は、第３図におけるステップ■において用いるｓ
ｉｎθテーブルの構成を示す説明図である。

同図において、通常モードで使用するｓｉｎθテーブル
データは、１．４°きざみの粗いデータであるのに対し
、位置決め制御モードで使用するそれは、Ｂ７．８６の
両ビットの一値に従って０．３５°きざみの細かいデー
タであることが認められるであろう。

なおテーブル容量は、この場合、２”＝　１０２４バイ
ト必要になるが、従来方式のそれは２５６バイトである
。

またｓｉｎθテーブルは、第１図に示すように、運転モ
ード別に２種類用意してもよいが、一つのテーブルを使
い分けるようにしてもよい。

〔発明の効果〕

この発明によれば、電動機のベクトル制御方式において
、運転モードの判別器を設け、位置決め制御時には、使
用データのデータ長を大きくして電流指令値の角度分解
能を向上せしめたので、停止位置近傍でも電動機回転軸
の振動が小さく、安定した位置決め制御動作が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部を示すブロック図、第
２図は第１図におけるモード判別器２０の具体例を示す
回路図、第３図は本発明により電流指令値の角度分解能
を増すためのソフトウェアの処理を示すフローチャート
、第４図は第１図における積分器（ω５．！・【カウン
タ）１０におけるカウンタデータのフォーマントを示す
説明図、第５図は第３図におけるステップ■において得
られたデータにω　ｔ　ｌを加えて形成されたデータの
フォーマットを示す説明図、第６図は本発明において用
いるｓｉｎθテーブルの構成を示す説明図、第７図は電
流モデルによる磁束演算方式を採用した従来公知の誘導
電動機のベクトル制御方式を示すブロック図、第８図は
第７図における電流指令値演算部７の詳細を示すブロッ
ク図、第９図はマイクロコンピュータにより一次電流指
令値の演算を行う場合の演算処理動作を示すフローチャ
ート、第１０図はベクトル制御における電動機トルク制
御の原理説明図、である。 符号説明 １・・・速度設定器、２・・・速度調節器、３・・・磁
束演算回路、４・・・速度演算回路、５・・・磁化電流
演算回路、６・・・回転子位置検出回路、７，７Ａ・・
・電流指令値演算部、８・・・ＰＷＭインバータ、９・
・・演算部、１０・・・積分器、１１．ＩＩＡ・・・ｓ
ｉｎθテーブル、１２．１３・・・Ｄ／Ａ変換器、１４
・・・電動機定数設定器、１９・・・切換スイッチ、２
０・・・モード判別器。 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 第　Ｉ　Ｑ ｔＪ　２　図 ＭＳ　３　図 ωｓ１４　とＬ２　イブ困 ωｚｔ 第　８１１１Ｉ ｔＪｊ 第９図 ＠ｊｏｌｔ！１ φ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）制御対象とする電動機に関し、その一次電流ベクト
   ルを磁束と同一方向成分である磁化電流成分と直交方向
   成分であるトルク電流成分とに分離して考え、与えられ
   た磁化電流成分指令値とトルク電流成分指令値と当該時
   点における電動機の回転子位置とからディジタル演算に
   よって電流指令値を求め、該指令値に従って電動機の一
   次電流を制御することにより、電動機速度を、前記磁化
   電流成分指令値とトルク電流成分指令値とに対応した設
   定速度に制御するようにした電動機のベクトル制御方式
   において、 該電動機がその電動機軸を所定の回転位置において停止
   させるための位置決め制御運転モードにあるか、或いは
   それ以外の通常運転モードにあるかを判別するモード判
   別手段を備え、位置決め制御運転モードにあるときは、
   電流指令値を求めるための前記ディジタル演算において
   データ長を構成するビット数を、通常運転モード時にお
   けるそれより大きいビット数に切替え、それによって電
   流指令値の電動機回転角度に対する分解能を向上させる
   ようにしをこことを特徴とする電動機回転軸の停止位置
   の位置決め制御方式。