JPWO2015019495A1 - モータ駆動システムおよびモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

実施形態に係るモータ制御装置は、トルク電流制御部、励磁電流制御部および推定部を備える。トルク電流制御部は、モータのトルクまたは加速度を検出するセンサの検出結果に基づくフィードバック信号とトルク電流指令との偏差に基づいてモータに対するトルク電流制御を行う。励磁電流制御部は、高周波電流指令を重畳した励磁電流指令に基づいてモータに対する励磁電流制御を行う。推定部は、フィードバック信号とトルク電流指令との偏差と高周波電流指令とに基づいてモータの位置または速度を推定する。

Description

開示の実施形態は、モータ駆動システムおよびモータ制御装置に関する。

従来、モータの駆動制御を行う場合、エンコーダなどの位置センサを用いてモータの位置や速度を検出する方法（例えば、特許文献１参照）や、モータの電圧や電流によってモータの位置や速度を求める方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２００９−０９５１５４号公報 特開２０１２−２２８１２８号公報

しかしながら、エンコーダなどの位置センサを用いる方法は、振動や衝撃といった耐環境性能を向上させることが難しい。また、モータの電圧や電流によってモータの位置や速度を求める方法は、耐環境性能を向上できるが、適用できるモータの種類や速度制御範囲に制約が多い。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システムおよびモータ制御装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るモータ駆動システムは、モータと、前記モータを制御するモータ制御装置と、前記モータのトルクまたは加速度を検出するセンサとを備える。前記モータ制御装置は、トルク電流制御部と、励磁電流制御部と、推定部とを備える。前記トルク電流制御部は、前記センサの検出結果に基づくフィードバック信号とトルク電流指令との偏差に基づいて前記モータに対するトルク電流制御を行う。前記励磁電流制御部は、高周波電流指令を重畳した励磁電流指令に基づいて前記モータに対する励磁電流制御を行う。前記推定部は、前記フィードバック信号と前記トルク電流指令との偏差と前記高周波電流指令とに基づいて前記モータの位置または速度を推定する。

実施形態の一態様によれば、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システムおよびモータ制御装置を提供することができる。

図１は、実施形態に係るモータ駆動システムが適用されたロボットの一例を示す図である。 図２は、実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。 図３は、トルクセンサの他の配置を示す図である。 図４は、図２に示す軸間型のトルクセンサをねじりばねとして近似した場合のセンサモデルを示す図である。 図５は、図２に示すモータ制御装置の制御部の構成例を示す図である。 図６Ａは、高周波電流指令、高周波成分および位相誤差の関係を示す図（その１）である。 図６Ｂは、高周波電流指令、高周波成分および位相誤差の関係を示す図（その２）である。 図７は、他の実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。 図８は、リニアモータを用いたモータ駆動システムの構成を示す図である。 図９は、図８に示すリニアモータの制御部の構成例を示す図である。 図１０は、リニアモータを用いた他のモータ駆動システムの構成を示す図である。 図１１は、リニアモータを用いた他のモータ駆動システムの構成を示す図である。 図１２は、リニアモータを用いた他のモータ駆動システムの構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本願の開示するモータ駆動システムおよびモータ制御装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係るモータ駆動システムが適用されたロボット１００の一例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係るロボット１００は、基台１１０と、胴部１１１と、第１アーム部１１２と、第２アーム部１１３と、リスト部１１４とを備える。

胴部１１１は、設置面Ｇに固設される基台１１０に対して旋回部１２０を介して水平方向に旋回自在に取付けられる。第１アーム部１１２は、基端部が胴部１１１に連結され、先端部が第２アーム部１１３に連結される。リスト部１１４は、第２アーム部１１３の先端に設けられ、リスト部１１４の先端には、用途に応じたエンドエフェクタ（不図示）が連結される。

第１アーム部１１２、第２アーム部１１３およびリスト部１１４は、それぞれ旋回部１２０、第１〜第４関節部１２１〜１２４を介して軸周りに回動自在に連結される。旋回部１２０および第１〜第４関節部１２１〜１２４は、可動部材となる第１アーム部１１２、第２アーム部１１３およびリスト部１１４をそれぞれ駆動するアクチュエータを内蔵する。

各アクチュエータには、３相交流モータ２（以下、モータ２と記載する）およびトルクセンサ３が含まれ、モータ２およびトルクセンサ３はモータ制御装置４に電気的に接続される。以下、モータ２、トルクセンサ３およびモータ制御装置４を含むモータ駆動システムの具体例について説明する。

図２は、実施形態に係るモータ駆動システムの構成例を示す図である。図２に示すように、実施形態に係るモータ駆動システム１は、モータ２、トルクセンサ３およびモータ制御装置４を備える。モータ２は、例えば、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータやＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータなどの永久磁石同期電動機である。かかるモータ２の出力軸８には機械負荷６がトルクセンサ３を介して連結される。

モータ２は、駆動機能を有するモータだけでなく、発電性能を有するモータジェネレータやジェネレータであってもよい。例えば、モータ２は、風車のロータなどに接続されたジェネレータであってもよい。また、機械負荷６は、例えば、図１に示す第１アーム部１１２などである。

トルクセンサ３は、モータ２の出力軸８と機械負荷６との間に設けられ、モータ２の出力軸８に加わるトルクを検出し、検出結果に応じたトルク検出信号Ｔ_fbを出力する。なお、トルクセンサ３は、減速機を介してモータ２に連結されていてもよく、また、モータ２や減速機に一体的に組み込まれていてもよい。

また、トルクセンサ３は、モータ２のトルクが検出可能であればよく、モータ２の出力軸８以外を測定部位としてもよい。例えば、図３に示すように、トルクセンサ３は、モータ２の回転子２２に対向するモータ２の固定子２１に伝わる反トルク等を測定するものでもよい。図３は、トルクセンサ３の他の配置を示す図であり、トルクセンサ３は、機械負荷６が固定される部材３０とモータ２のハウジング２０との間に接続される。固定子２１に伝わる反トルクは、固定子２１が固定されるハウジング２０を介してトルクセンサ３に伝わり、トルクセンサ３により固定子２１に伝わる反トルクが検出される。

また、トルクセンサ３の検出信号Ｔ_fbは、トルクセンサ３の機械的な特性を考慮した補償値を利用したものでもよい。例えば、トルクセンサ３をねじりばねとして近似して補償してもよく、これにより、トルクの検出精度を高めることができる。

図４は、図２に示す軸間型のトルクセンサ３をねじりばねとして近似した場合のセンサモデルを示す図であり、下記式（１）のように表すことができる。なお、図４および式（１）において、Ｔ_mはモータ２のトルク、Ｔ_extは機械負荷６のトルク、ω_Lは、機械負荷６の機械角速度、ω_mはモータ２の機械角速度、Ｔ_senserは、トルクセンサ３の検出トルクである。また、Ｊ_Lは機械負荷６のイナーシャ、Ｊ_mはモータ２のイナーシャ、Ｋ_fはトルクセンサ３のねじり剛性である。

そこで、下記式（２）に示すように、トルクセンサ３の伝達関数の逆モデルを算出し、補償後の検出トルクＴ_senser’を求めることで、トルクの検出精度を高めることができる。例えば、トルクセンサ３は、検出トルクＴ_senserに基づき下記式（２）を演算して補償後の検出トルクＴ_senser’を出力する補償部を有し、かかる補償部により上記補償を行って補償後の検出トルクＴ_senser’をトルク検出信号Ｔ_fbとして算出するようにしてもよい。なお、補償部は、検出トルクを出力する部位と別体で構成されていてもよい。

モータ制御装置４は、電力変換部１１と、電流検出部１２と、制御部１３とを備える。かかるモータ制御装置４は、直流電源５から供給される直流電力を公知のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって所望の周波数および電圧の３相交流電力へ変換し、モータ２へ出力する。かかるモータ制御装置４は、直流電源５を備えてもよい。

電力変換部１１は、直流電源５とモータ２との間に接続され、制御部１３から供給されるＰＷＭ信号に応じた電圧および電流をモータ２へ供給する。かかる電力変換部１１は、例えば、６個のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されて構成される３相インバータ回路である。

なお、直流電源５は、交流電力を直流電力に変換して出力する構成、例えば、ダイオードによる整流回路および平滑用コンデンサを組み合わせた構成でもよい。この場合、整流回路の入力側には交流電源が接続される。

電流検出部１２は、電力変換部１１からモータ２へ供給される電流（以下、出力電流と記載する）を検出する。具体的には、電流検出部１２は、電力変換部１１とモータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相との間にそれぞれ流れる電流の瞬時値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（以下、出力電流Ｉ_UVWと記載する）を検出する。なお、電流検出部１２は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。

制御部１３は、電力変換部１１を構成するスイッチング素子をオン／オフ制御するＰＷＭ信号を生成し、電力変換部１１へ出力する。かかる制御部１３は、トルクセンサ３から出力されるトルク検出信号Ｔ_fbに基づいて、モータ２の位置および速度を推定する推定部１５を有しており、推定部１５の推定結果に基づいて、電力変換部１１へ出力するＰＷＭ信号を生成する。

図５は、モータ制御装置４の制御部１３の構成例を示す図である。図５に示すように、制御部１３は、推定部１５と、位置制御部１６と、速度制御部１７と、高周波電流指令器１８と、電流制御部１９とを備える。

図５に示す制御部１３は、モータ２を位置制御する場合の構成例であり、モータ２を速度制御する場合には、位置制御部１６を省くことができる。また、高周波電流指令器１８は、モータ制御装置４とは別の外部装置として設けてもよい。

推定部１５は、トルクセンサ３から出力されるトルク検出信号Ｔ_fbに基づき、モータ２の位置および速度を推定する。推定部１５により推定されるモータ２の位置は、モータ２の電気角θ_eや機械角Ｐ_mである。また、推定部１５により推定されるモータ２の速度は、モータ２の電気角速度ω_eや機械角速度ω_mである。

推定部１５は、例えば、推定したモータ２の電気角θ_eの情報を推定電気角θ_e＾として出力し、また、推定したモータ２の機械角速度ω_mの情報を推定機械角速度ω_m＾として出力する。かかる推定部１５については、後で詳述する。

位置制御部１６は、減算器６２およびＡＰＲ（自動位置調整装置）６３を備え、位置指令Ｐ^*と推定機械角速度ω_m＾とに基づき、速度制御部１７へ速度指令ω^*を出力する。減算器６２は、位置指令Ｐ^*と推定機械角Ｐ_m＾とを比較して位置指令Ｐ^*と推定機械角Ｐ_m＾との偏差をＡＰＲ６３へ出力する。ＡＰＲ６３は、位置指令Ｐ^*と推定機械角Ｐ_m＾との偏差がゼロになるように速度指令ω^*を生成して出力する。

速度制御部１７は、減算器６５と、ＡＳＲ（自動速度調整装置）６６とを備え、速度指令ω^*と推定機械角速度ω_m＾とに基づき、電流制御部１９へｑ軸電流指令Ｉｑ^*（トルク電流指令）を出力する。減算器６５は、速度指令ω^*と推定機械角速度ω_m＾とを比較して速度指令ω^*と推定機械角速度ω_m＾との偏差をＡＳＲ６６へ出力する。ＡＳＲ６６は、速度指令ω^*と推定機械角速度ω_m＾との偏差がゼロになるようにｑ軸電流指令Ｉｑ^*を生成して出力する。

高周波電流指令器１８は、高周波電流指令Ｉｄ_hfiを生成して電流制御部１９へ出力する。高周波電流指令Ｉｄ_hfiの周波数は、モータ２を駆動する電圧の周波数や所望の速度制御帯域よりも高く設定され、かつ電流制御周波数と同等以下に設定される。

電流制御部１９は、三相/ｄｑ座標変換器７０と、加算器７１と、増幅器７２と、減算器７３、７４と、ＡＣＲｄ７５と、ＡＣＲｑ７６と、加算器７７，７８と、ｄｑ/三相座標変換器７９とを備える。

三相/ｄｑ座標変換器７０は、電流検出部１２によって検出された出力電流Ｉ_UVWを三相／二相変換し、さらに、推定電気角θ_e＾に応じて回転する直交座標のｄｑ軸成分へ変換する。これにより、出力電流Ｉ_UVWがｄｑ軸回転座標系のｑ軸成分であるｑ軸電流Ｉｑ_fbとｄ軸成分であるｄ軸電流Ｉｄ_fbへ変換される。ｑ軸電流Ｉｑ_fbは、モータ２に流れるトルク電流に対応し、ｄ軸電流Ｉｄ_fbは、モータ２に流れる励磁電流に対応する。

加算器７１は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*（励磁電流指令の一例）に高周波電流指令Ｉｄ_hfiを加算して生成したｄ軸電流指令Ｉｄ^**を減算器７３へ出力する。ｄ軸電流指令Ｉｄ^*は、例えば、モータ２を定トルク領域で駆動する場合にはゼロに設定され、定出力領域でモータ２を駆動する場合にはモータ２の機械角速度ω_mに応じた値に設定される。

減算器７３は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^**とｄ軸電流Ｉｄ_fbとの偏差Ｉｄ_errを求め、かかる偏差Ｉｄ_errをＡＣＲｄ７５へ出力する。ＡＣＲｄ７５は、モータ２に対する励磁電流制御を行う励磁電流制御部の一例である。ＡＣＲｄ７５は、例えば、ｄ軸電流指令Ｉｄ^**とｄ軸電流Ｉｄ_fbとの偏差Ｉｄ_errがゼロになるようにＰＩ（比例積分）制御を行ってｄ軸電圧指令Ｖｄ^*を生成して加算器７７へ出力する。

増幅器７２は、トルク検出信号Ｔ_fbを１／Ｋ_t倍にしてフィードバック信号ＦＢを生成し、かかるフィードバック信号ＦＢを減算器７４に出力する。トルク検出信号Ｔ_fbを１／Ｋ_t倍にすることで、トルク検出信号Ｔ_fbが電流換算した値に変換される。

減算器７４は、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*とフィードバック信号ＦＢとの偏差Ｉｑ_errを求め、かかる偏差Ｉｑ_errをＡＣＲｑ７６へ出力する。ＡＣＲｑ７６は、モータ２に対するトルク電流制御を行うトルク電流制御部の一例である。かかるＡＣＲｑ７６は、例えば、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*とｑ軸電流Ｉｑ_fbとの偏差Ｉｑ_errがゼロになるようにＰＩ（比例積分）制御を行ってｑ軸電圧指令Ｖｑ^*を生成して加算器７８へ出力する。

ｑ軸電流指令Ｉｑ^*とｑ軸電流Ｉｑ_fbとの偏差に基づいてトルク電流制御を行った場合、推定される電気角θ_eに誤差によりモータ２に高周波のトルク電流が流れ、モータ２の出力軸８に加わるトルクに振動が生じる。かかるトルクの振動は高周波電流指令Ｉｄ_hfiを大きくすると大きくなることから、高周波電流指令Ｉｄ_hfiの大きさに制約が生じる。そのため、電流検出部１２の検出感度や検出ノイズなどの影響を受けやすくなり、例えば、モータ２の位置や速度を推定するためのＰＬＬ（Phase Locked Loop）のゲインを高くできず、応答性を向上させることが難しい。

一方、実施形態に係るＡＣＲｑ７６は、トルク検出信号Ｔ_fbに基づくフィードバック信号ＦＢとｑ軸電流指令Ｉｑ^*との偏差Ｉｑ_errに基づき、トルク電流制御を行う。そのため、推定部１５によって推定される電気角θ_eに誤差があった場合でも、モータ２に高周波のトルク電流が流れることを抑制できる。そして、高周波のトルク電流を抑制することでモータ２の出力軸８に加わるトルクの振動を抑えることができ、モータ２の位置や速度の推定において応答性を向上させるができる。

さらに、ＡＣＲｑ７６におけるトルク電流制御のカットオフ周波数を高周波電流指令Ｉｄ_hfiの周波数と同等以上に設定することで、過渡時のトルク振動をより抑制することが可能となる。

加算器７７は、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^*にｄ軸補償電圧Ｖｄ_ffを加算してｄ軸電圧指令Ｖｄ^**を生成し、加算器７８は、ｑ軸電圧指令Ｖｑ^*にｑ軸補償電圧Ｖｑ_ffを加算してｑ軸電圧指令Ｖｑ^**を生成する。なお、ｄ軸補償電圧Ｖｄ_ffおよびｑ軸補償電圧Ｖｑ_ffは、ｄ軸とｑ軸間の干渉および誘起電圧を補償するものであり、例えば、ｄ軸電流Ｉｄ_fb、ｑ軸電流Ｉｑ_fbおよびモータパラメータなどを用いて、算出される。

ｄｑ/三相座標変換器７９は、推定電気角θ_e＾に基づいた座標変換により、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^**およびｑ軸電圧指令Ｖｑ^**を３相電圧指令Ｖ_UVW ^*へ変換する。３相電圧指令Ｖ_UVW ^*は図示しないＰＷＭ信号生成部へ入力され、ＰＷＭ信号生成部によって３相電圧指令Ｖ_UVW ^*に応じたＰＷＭ信号が生成されて電力変換部１１へ出力される。

次に、推定部１５の構成について具体的に説明する。図５に示すように、推定部１５は、増幅器８０と、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）８１と、乗算器８２と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）８３，８７と、減算器８４と、ＰＩ制御器８５と、積分器８６，８９と、機械角演算部８８とを備える。

増幅器８０は、偏差Ｉｑ_errを−Ｋ_t倍にして、偏差Ｉｑ_errをトルク換算した値Ｔ_errに変換する。ＢＰＦ８１は、−Ｋ_t倍にした偏差Ｉｑ_errを入力し、偏差Ｉｑ_errに含まれる高周波成分Ｔ_hfiを抽出する。ＢＰＦ８１では、高周波電流指令Ｉｄ_hfiの周波数がＢＰＦ８１の通過帯域に含まれるようにフィルタ特性が設定される。

上述したように、制御部１３では、フィードバック信号ＦＢとｑ軸電流指令Ｉｑ^*との偏差Ｉｑ_errに基づいてトルク電流制御が行われることから、高周波電流指令Ｉｄ_hfiによってモータ２の出力軸８に加わるトルクの振動が抑制される。そのため、トルク検出信号Ｔ_fbにおいて、高周波電流指令Ｉｄ_hfiによる振動成分は極めて小さなものとなる。

一方、高周波電流指令Ｉｄ_hfiによる振動成分は偏差Ｉｑ_errに現れる。そこで、推定部１５は、偏差Ｉｑ_errに含まれる高周波成分Ｔ_hfiを抽出する。かかる高周波成分Ｔ_hfiは、高周波電流指令Ｉｄ_hfiによって生じるｑ軸成分であり、推定部１５によって推定される電気角θ_eの誤差に応じた大きさである。

乗算器８２は、ＢＰＦ８１から出力される高周波成分Ｔ_hfiと、高周波電流指令器１８から入力される高周波電流指令Ｉｄ_hfiとを乗算する。ＬＰＦ８３は、乗算器８２の乗算結果に平均化処理を施すことにより、位相誤差Ｅ_rrを出力する。

ここで、位相誤差Ｅ_rrについて説明する。高周波電流指令Ｉｄ_hfiをｄ軸電流指令Ｉｄ^*に重畳した場合、推定電気角θ_e＾に誤差がなければ、高周波電流指令Ｉｄ_hfiによるｑ軸への影響はないため、高周波成分Ｔ_hfiはゼロである。しかし、電気角θ_eに対して推定電気角θ_e＾に誤差があると、高周波電流指令Ｉｄ_hfiがｑ軸に影響を及ぼして高周波成分Ｔ_hfiが発生する。

図６Ａおよび図６Ｂは、高周波電流指令Ｉｄ_hfi、高周波成分Ｔ_hfiおよび位相誤差Ｅ_rrの関係を示す図である。図６Ａに示すように、推定電気角θ_e＾が９０度遅れている場合、高周波電流指令Ｉｄ_hfiと高周波成分Ｔ_hfiは逆位相になり、位相誤差Ｅ_rrは負の値となる。また、図６Ｂに示すように、推定電気角θ_e＾が９０度進んでいる場合、高周波電流指令Ｉｄ_hfiと高周波成分Ｔ_hfiは同位相になり、位相誤差Ｅ_rrは正の値となる。

一方、推定電気角θ_e＾の誤差がなければ、高周波成分Ｔ_hfiはゼロであることから、位相誤差Ｅ_rrはゼロになる。そこで、図５に示すように、実施形態に係る推定部１５において、減算器８４は、ＬＰＦ８３から出力される位相誤差Ｅ_rrとゼロとを比較し、位相誤差Ｅ_rrとゼロとの偏差を求める。ＰＩ制御器８５は、位相誤差Ｅ_rrとゼロとの偏差がゼロになるように推定電気角速度ω_e＾を求めて出力する。推定電気角速度ω_e＾は、モータ２の電気角速度ω_eの推定値である。また、ＰＩ制御器８５は、ＰＬＬとして機能する。なお、ＰＬＬの構成はＰＩ制御だけではなく、Ｐ（比例）、Ｄ（微分）、Ｉ（積分）、Ｉ２（２回積分）などの制御を適宜組み合わせて構成可能である。

積分器８６は、推定電気角速度ω_e＾を積分し、推定電気角θ_e＾を求めて出力する。推定電気角θ_e＾は、モータ２の推定電気角θ_eの推定値である。

ＬＰＦ８７は、推定電気角速度ω_e＾からノイズを除去して、機械角演算部８８へ出力する。機械角演算部８８は、推定電気角速度ω_e＾をモータ２の極数で除算することで、推定機械角速度ω_m＾を求める。積分器８９は、機械角演算部８８からの推定機械角速度ω_m＾を積分して機械角Ｐ_mの推定値として推定機械角Ｐ_m＾を出力する。

このように、推定部１５は、トルク検出信号Ｔ_fbを用いてモータ２の位置や速度を推定する。そのため、耐環境性能に優れた新たなモータ駆動システム１およびモータ制御装置４を提供することができる。

また、モータ２の速度が低く誘起電圧が小さい場合、誘起電圧に基づいてモータ２の位置や速度を推定することは難しいが、実施形態に係るモータ制御装置４では、モータ２の誘起電圧が生じない場合であっても、モータ２の位置や速度を容易に推定できる。

また、トルク検出信号Ｔ_fbに基づくフィードバック信号ＦＢとｑ軸電流指令Ｉｑ^*との偏差Ｉｑ_errに基づき、トルク電流制御を行うことから、モータ２に高周波のトルク電流が流れることを抑制できる。そのため、高周波電流指令Ｉｄ_hfiを大きくして電流検出部１２の検出感度や検出ノイズなどの影響を抑制できる。これにより、モータ２の位置や速度を推定するためのＰＬＬゲインを高くして応答性を向上させることができることから、トルクリプルや速度リプルを抑制して動作性能の向上を図ることができる。

なお、上述の例では、モータ制御装置４において、モータ２の位置および速度を推定したが、モータ２の位置および速度のうち少なくとも一方を推定するようにしてもよい。

また、本実施形態のモータ制御装置４はトルクを直接フィードバックするため、トルク定数の歪みやコギングといったトルク外乱を抑圧する効果もある。そのため、モータ制御装置４は、高精度なトルク制御が可能となり、接続された機械負荷６を精度よく駆動することができる。

（他の実施形態）
ここで、モータ駆動システム１の他の実施形態について説明する。図７は、他の実施形態に係るモータ駆動システムを示す説明図である。なお、以下においては、モータ駆動システム１と異なる要素を主に記載し、モータ駆動システム１と同様の機能を有する構成要素については記載を省略し、または、同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すモータ駆動システム１Ａは、モータ駆動システム１の構成に加え、さらにモータ２の位置を検出するエンコーダ７を備える。また、モータ制御装置４Ａは、判定部１４を備える。

判定部１４は、エンコーダ７からの位置検出信号θ_fbと、推定部１５から出力される推定機械角Ｐ_m＾を入力し、位置検出信号θ_fbと推定機械角Ｐ_m＾との差が所定値以上である場合に、エンコーダ７が異常であると判定する。

制御部１３Ａは、エンコーダ７に異常がない場合は、エンコーダ７からの位置検出信号θ_fbを位置フィードバック信号としてモータ２を制御する。一方、エンコーダ７に異常があると判定した場合、制御部１３Ａは、推定部１５で推定した推定機械角Ｐ_m＾や推定機械角速度ω_m＾を用いてモータ２を制御する。

かかる構成により、モータ駆動システム１Ａでは、モータ制御に用いられていたエンコーダ７に不具合が生じても、トルクセンサ３に基づくモータ制御が可能となり、フェールセーフ機能を低コストで実現することができる。

また、本実施形態に係るモータ駆動システム１、１Ａは、上述したように、モータ２の永久磁石が埋設型であろうと表面設置型であろうと、特に種類を問わずに適用することができる。そのため、例えば、回転子の表面に永久磁石を張り合わせたパワー密度の高いＳＰＭモータの使用も可能となり、モータ２の小型化にも寄与する。

また、上述では、モータ駆動システム１、１Ａを、ロボット１００に適用した例をあげて説明したが、モータ２によって駆動される種々の装置やシステムに適用することができる。

また、上述した実施形態では、モータ２として永久磁石同期電動機などの回転型モータを一例に挙げて説明したが、モータ２は、回転型モータに限らず、リニアモータであってもよい。この場合、トルクセンサ３に代えて加速度センサを用いる。

図８は、リニアモータを用いたモータ駆動システムの構成を示す図である。図８に示すモータ駆動システム１Ｂは、モータ制御装置４Ｂと、リニアモータ９０と、加速度センサ９３とを備える。リニアモータ９０は、固定子９１と可動子９２を備える。固定子９１は、永久磁石が配列されて構成される。可動子９２は、電機子コイルが配列されて構成され、加速度センサ９３が取り付けられる。可動子９２は、固定子９１の延伸方向に沿って移動する。

モータ制御装置４Ｂは、電力変換部１１および制御部１３Ｂを有する。電力変換部１１は、制御部１３Ａから供給されるＰＷＭ信号に応じた電圧および電流をパワーライン９４経由でリニアモータ９０の可動子９２へ供給する。これにより、可動子９２の位置や速度が制御される。制御部１３Ｂは、加速度センサ９３から出力される加速度検出信号Ａ_fbを信号線９５介して取得し、かかる加速度検出信号Ａ_fbに基づき推定したリニアモータ９０の位置および速度に基づいて、電力変換部１１へ出力するＰＷＭ信号を生成する。

図９は、制御部１３Ｂの構成例を示す図である。図９に示すように、制御部１３Ｂは、図５に示す制御部１３の増幅器７２、８０、機械角演算部８８およびＢＰＦ８１に代えて、増幅器７２Ｂ、８０Ｂ、８８ＢおよびＢＰＦ８１Ｂを備える。増幅器７２Ｂは、加速度検出信号Ａ_fbをＭ／Ｋ_t’倍にしてフィードバック信号ＦＢを生成し、かかるフィードバック信号ＦＢを減算器７４に出力する。加速度検出信号Ａ_fbをＭ／Ｋ_t’倍にすることで、加速度検出信号Ａ_fbが電流換算した値に変換される。なお、Ｍは可動子９２の質量である。

増幅器８０Ｂは、偏差Ｉｑ_errを−Ｋ_t’倍にして、偏差Ｉｑ_errを加速度換算した値Ａ_errに変換する。ＢＰＦ８１Ｂは、−Ｋ_t’倍にした偏差Ｉｑ_errを入力し、偏差Ｉｑ_errに含まれる高周波成分Ａ_hfiを抽出する。ＢＰＦ８１Ｂでは、高周波電流指令Ｉｄ_hfiの周波数がＢＰＦ８１Ｂの通過帯域に含まれるようにフィルタ特性が設定される。

増幅器８８Ｂは、ノイズが除去された推定電気角速度ω_e＾をＫ１倍にして、推定速度ｖ＾に変換する。Ｋ１は、電気角速度ω_eと可動子９２の間の変換係数であり、例えば、磁極ピッチなどの機械構成に応じた値に設定される。なお、積分器８９は、推定速度ｖ＾を積分して位置Ｐの推定値として推定位置Ｐ＾を出力する。位置制御部１６は、推定位置Ｐ＾と位置指令Ｐ^*との偏差がゼロになるように速度指令ｖ^*を生成し、速度制御部１７は、速度指令ｖ^*と推定速度ｖ＾との偏差がゼロになるようにｑ軸電流指令Ｉｑ^*を生成する。

図８に示すリニアモータ９０では、可動子９２にコイルを設ける構成であるが、固定子にコイルを設けるようにしてもよい。図１０は、リニアモータを用いた他のモータ駆動システムの構成を示す図である。図１０に示すモータ駆動システム１Ｃでは、リニアモータ９０Ｃの固定子９１Ｃに電機子コイルが配列され、リニアモータ９０Ｃの可動子９２に永久磁石が配列される。そして、モータ制御装置４Ｂは、電力変換部１１からＰＷＭ信号に応じた電圧および電流をリニアモータ９０Ｃの固定子９１Ｃへ供給し、可動子９２Ｃの位置や速度を制御する。

図８および図１０に示す例では、リニアモータ９０、９０Ｃの可動子９２、９２Ｃに加速度センサ９３を取り付けるようにしたが、図１１に示すモータ駆動システム１Ｄのように、可動子に固定される振動系の負荷９６に加速度センサ９３を取り付けるようにしてもよい。図１１は、リニアモータを用いた他のモータ駆動システムの構成を示す図である。この場合、負荷９６の振動抑制に加速度センサ９３の加速度検出信号Ａ_fbを利用することもできる。

また、反作用が利用できる場合、図１２に示すモータ駆動システム１Ｅのように、固定子９１Ｃに加速度センサ９３を取り付けるようにしてもよい。図１２は、リニアモータを用いた他のモータ駆動システムの構成を示す図である。なお、図１１および図１２に示すモータ駆動システム１Ｄ、１Ｅでは、固定子９１Ｃに電機子コイルが配列された構成を一例として説明したが、可動子に電機子コイルが配列された図８に示す構成のモータ駆動システムにも適用できる。

なお、上述の例では、モータ制御装置４Ｂにおいて、リニアモータ９０の位置および速度を推定したが、リニアモータ９０の位置および速度のうち少なくとも一方を推定するようにしてもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１、１Ａ〜１Ｅ モータ駆動システム
２ モータ
３ トルクセンサ
４、４Ａ、４Ｂ モータ制御装置
６ 機械負荷
１３、１３Ａ、１３Ｂ 制御部
１５ 推定部
１６ 位置制御部
１７ 速度制御部
１８ 高周波電流指令器
１９ 電流制御部
１００ ロボット

Claims (8)

1. モータと、前記モータを制御するモータ制御装置と、前記モータのトルクまたは加速度を検出するセンサと、を備え、
   前記モータ制御装置は、
   前記センサの検出結果に基づくフィードバック信号とトルク電流指令との偏差に基づいて前記モータに対するトルク電流制御を行うトルク電流制御部と、
   高周波電流指令を重畳した励磁電流指令に基づいて前記モータに対する励磁電流制御を行う励磁電流制御部と、
   前記フィードバック信号と前記トルク電流指令との偏差と前記高周波電流指令とに基づいて前記モータの位置または速度を推定する推定部と、を備える
   ことを特徴とするモータ駆動システム。
2. 前記モータは、回転型モータであり、
   前記センサは、トルクセンサである
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
3. 前記トルクセンサは、前記回転型モータの出力軸と負荷との間、または、前記回転型モータと前記負荷を固定する部材との間に配置される
   ことを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動システム。
4. 前記モータは、リニアモータであり、
   前記センサは、加速度センサである
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動システム。
5. 前記加速度センサは、前記リニアモータの可動子または固定子に取り付けられる
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動システム。
6. 前記推定部は、
   前記偏差に含まれる高周波成分と前記高周波電流指令との乗算結果に基づき、前記モータの位置または速度を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
7. 前記トルク電流制御のカットオフ周波数は、前記高周波電流指令の周波数以上に設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のモータ駆動システム。
8. モータのトルクまたは加速度を検出するセンサの検出結果に基づくフィードバック信号とトルク電流指令との偏差に基づいて前記モータに対するトルク電流制御を行うトルク電流制御部と、
   高周波電流指令を重畳した励磁電流指令に基づいて前記モータに対する励磁電流制御を行う励磁電流制御部と、
   前記フィードバック信号と前記トルク電流指令との偏差と前記高周波電流指令とに基づいて前記モータの位置または速度を推定する推定部と、を備える
   ことを特徴とするモータ制御装置。

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