WO2007126024A1

WO2007126024A1 - サーボモータの制御装置及び方法

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Publication number: WO2007126024A1
Application number: PCT/JP2007/059115
Authority: WO
Inventors: Kazuo Shoda; Yuki Nomura; Yoshifumi Nagato
Original assignee: Thk Co., Ltd.
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2007-11-08
Also published as: TWI429186B; JPWO2007126024A1; TW200812217A; JP5097110B2

Abstract

　電流制御ループの応答性を向上させることができると共に、サーボモータが発振するのを防止できるサーボモータの制御装置を提供する。　本発明のサーボモータの制御装置は、電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値を検知する電流検知手段と、検知した出力電流値があらかじめ設定されたしきい値よりも小さいときは、電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した出力電流値があらかじめ設定されたしきい値よりも大きいときは、電流制御ループのゲインを小さくする電流ループゲイン切替え手段と、を備える。

Description

明細書

サーボモータの制御装置及び方法

技術分野

[0001] 本発明は、サーボモータの制御装置に関し、特にサーボモータに流れる電流をフィードバック制御する電流制御ループを有するサーボモータの制御装置に関する。背景技術

[0002] サーボモータの一種である永久磁石同期モータは、永久磁石で界磁磁束を作り、界磁磁束と合成ベクトルが直交するように三相電機子電流を流すことによりトルクを発生させる。永久磁石同期モータのシステム構成を図 8に示す。永久磁石同期モータ 41とそれに電力を供給する電圧型 PWMインバータ等の電力変換器 42、電力変 42が永久磁石同期モータ 41に供給する電圧、あるいは流す電流の位相を決定するための磁極位置検出器 43、及び電流制御を行うための電流制御器 44が基本構成になる。速度制御を行う場合はそのための速度制御器 45及び検出器 43、さらに位置制御を行う場合はそのための位置制御器 46及び検出器 43が付加される。磁極位置検出器、速度検出器及び位置検出器は共用されることが多い。

[0003] 速度制御器 45や位置制御器 46では、従来力制御ループのゲインを切替えることが行われている (例えば特許文献 1参照)。特許文献 1に記載の発明では、速度制御ループにより出力されるトルク指令の大きさが小さい場合には速度制御ループのゲインを大きくし、トルク指令の大きさが小さい場合には速度制御ループのゲインを小さくしている。これにより、トルク指令の大きさが小さい場合には、位置偏差及び速度偏差の収束が速くなり応答性が向上する。その一方、トルク指令が大きいときには、機械的振動が起きるのを防止して、る。

[0004] 特許文献 1 :特開平 5— 134750号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 制御系は位置制御ループ、速度制御ループ、電流制御ループの三つから構成される。位置制御ループカ^ィンループで、速度制御ループ、電流制御ループの順でよりマイナーなループになる。電流制御ループは最も内側にあるループだから、応答性のよい制御ループを組む必要がある。なぜならば、電流制御ループのゲインを上げて応答性を良くしなければ、その上位ループとなる速度制御ループ及び位置制御ループのゲインを上げても応答性が向上しないからである。つまり、マイナーループである電流制御ループの応答を外側のループの応答より十分高くなるように設定する（言い換えれば、マイナーループの交差角周波数をその外側のループの交差角周波数より高くする）ことで、外側のループの応答性や安定性の向上が図れる。

[0006] 電流制御系は、モータの電気系や電力変換器などで構成され、系の状態変化が小さい。したがって、速度制御器や位置制御器と異なり、電流制御器のゲインは一般に固定値に設定される。しかし、高応答で制御を行うため電流制御ループのゲインを大きくし、サーボモータに大きな電流を流すと、サーボモータのパラメータ（電機子卷線抵抗 R,電機子卷線抵抗自己インピーダンス L)によっては、サーボモータが発振してしまう。

[0007] そこで、本発明は電流制御ループの応答性を向上させることができると共に、サーボモータが発振するのを防止できるサーボモータの制御装置及び方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0008] 上記課題を解決するために、請求項 1に記載の発明は、サーボモータに流れる電流をフィードバック制御する電流制御ループを有するサーボモータの制御装置において、前記電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値を検知する電流検知手段と、検知した前記出力電流値があら力じめ設定されたしき、値よりも小さいときは、前記電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した前記出力電流値があら力じめ設定された前記しきい値よりも大きいときは、前記電流制御ループのゲインを小さくする電流ループゲイン切替え手段と、を備えることを特徴とする

[0009] 請求項 2に記載の発明は、請求項 1に記載のサーボモータの制御装置において、前記サーボモータの制御装置は、電流のフィードバック制御を d—q座標を用いた PI 制御により行い、そして、電流ループゲイン切替え手段は、検知した前記出力電流値があら力じめ設定された前記しきい値よりも小さいときは、あら力じめ設定された大小二つの交差角周波数のうち、大き、方の交差角周波数を用、て前記電流制御ループのゲインを算出して、前記電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した前記出力電流値があらかじめ設定された前記しきい値よりも大きいときは、小さい方の交差角周波数を用いて前記電流制御ループのゲインを算出して、前記電流制御ループのゲインを小さくすることを特徴とする。

[0010] 請求項 3に記載の発明は、請求項 1又は 2に記載のサーボモータの制御装置にお V、て、前記しき!ヽ値はサーボモータの定格電流値であることを特徴とする。

[0011] 請求項 4に記載の発明は、請求項 1ないし 3いずれかに記載のサーボモータの制御装置において、前記サーボモータの制御装置は、前記電流制御ループの外側にサーボモータの速度をフィードバック制御する速度制御ループを有し、且つ、前記速度制御ループの外側にサーボモータの位置をフィードバック制御する位置制御ループを有することを特徴とする。

[0012] 請求項 5に記載の発明は、サーボモータに流れる電流をフィードバック制御する電流制御ループを有するサーボモータの制御方法にお!、て、前記電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値を検知する電流検知工程と、検知した前記出力電流値があら力じめ設定されたしきい値よりも小さいときは、前記電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した前記出力電流値があら力じめ設定された前記しき、値よりも大き、ときは、前記電流制御ループのゲインを小さくする電流ループゲイン切替え工程と、を備えることを特徴とする。

発明の効果

[0013] 請求項 1に記載の発明によれば、電流制御ループの応答性を向上することができると共にサーボモータが発振するのを防止することができる。

[0014] 請求項 2に記載の発明によれば、大小二つの交差角周波数を用いてゲインを算出するので、電流制御ループのゲインを切替えるためのプログラムを容易にすることができる。

[0015] 請求項 3に記載の発明によれば、サーボモータに定格電流が流れるときまではゲインを大きくし、定格電流より大きい電流が流れるときはゲインを小さくすることができる。このため、電流制御ループの応答性を向上させた上でサーボモータの発振を確実に防止できる。

[0016] 請求項 4に記載の発明によれば、電流制御ループの応答性を向上できるので、上位ループとなる速度制御ループ及び位置制御ループの応答性も向上させることができる。

[0017] 請求項 5に記載の発明によれば、電流制御ループの応答性を向上することができると共にサーボモータが発振するのを防止することができる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]可動コイル型永久磁石同期リニアモータの斜視図

[図 2]d— q座標系を用いた永久磁石同期モータの制御の全体構成図

[図 3]電流制御器を付加した永久磁石同期モータのブロック線図

[図 4]オープンループ伝達関数力得られるボード線図

[図 5]クローズドループ伝達関数カゝら得られるボード線図

[図 6]電流制御プログラムのフローチャート

[図 7]ゲインの切替えを示す概念図

[図 8]永久磁石同期モータのシステム構成図

符号の説明

[0019] 1…固定子

2…永久磁石

3…可動子

4· · ·=ιイノレ

5· ··サーボモータ

6…電力変換器

7…検出器

8…速度制御器

9…速度検出器

10· ··位置制御器

11 · ··位置検出器 12· ··(1軸電流制御器

13· q軸電流制御器

14…ベクトル回転器 · 3相 2相変換器

15· ··電流検出器

16· ··位相検出器

17· ··ベクトル回転器 · 2相 3相変換器

発明を実施するための最良の形態

[0020] 以下添付図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、図 1に示されるように、サーボモータ 5として可動コイル型永久磁石同期リニアモータを使用する。この可動コイル型永久磁石同期リニアモータでは、固定子 1側に Ν極と S極の永久磁石 2が交互に配置され、可動子 3側に U, V, W相のコイル 4が巻かれる。コイル 4に三相電機子電流を流すことによって直線的に移動する移動界磁が発生し、可動子 3が固定子 1に対して直線的に移動する。

[0021] 界磁が直線的に移動する可動コイル型永久磁石同期リニアモータでも、界磁が回転する回転界磁型同期モータと同様に、回転座標の d—q座標系を用いて d, q軸電機子電流を制御する。モータの固定された部分と回転する部分をともに、回転する直交座標へ変換するのが d— q変換であり、その座標系が d— q座標系である。 q軸は d 軸に対して π Ζ2進んだ位相にある。永久磁石同期モータの場合、 d軸は界磁の作る磁束の方向に採るのが一般的である。

[0022] 図 2は、 d— q座標系を用いたサーボモータ 5の制御の全体構成を示す。サーボモータ 5とそれに電力を供給する電圧形 PWMインバータ等の電力変換器 6、電力変換器 6がサーボモータ 5に印加する電圧、あるいは流す電流の位相を決定するためのリニァスケール等の磁極位置検出器 7、及び電流制御を行うための電流制御器 12, 1 3が基本構成である。速度制御を行う場合はそのための速度制御器 8及び速度検出器 9、さらに位置制御を行う場合はそのための位置制御器 10及び位置検出器 11が付加される。速度検出器 9、位置検出器 11は磁極位置検出器 7と共用される。制御系は位置制御ループ、速度制御ループ、電流制御ループの三つ力構成される。位置制御ループ力メインループで、速度制御ループ、電流制御ループの順でよりマイナ一なノレープになる。

[0023] 位置制御器 10は、上位制御装置から出力される位置指令値 Θ * と位置検出器 11

rm

力の位置帰還値 Θ の偏差に基づ!、て速度指令 ω * を演算する。速度制御器 8

rm rm

は、速度指令値と速度検出器 9からの速度帰還値 ω の偏差に基づいて推力

rm rm

指令を演算し、さらに q軸電流指令 i*を演算する。 d軸電流制御器 12は、 d軸と同方向の電流成分である d軸電流指令 i*を演算する。永久磁石同期モータでは、磁石に

d

よる d軸磁束が確立されているので、 d軸電流指令 i*は通常 0にして制御する。モー

d

タカ率を良くしたり、皮相電力を小さくしたりする観点力 d軸電流を d軸と逆方向に流すことちある。

[0024] ベクトル回転器 · 3相 2相変換器 14は、電流検出器 15からの三相帰還電流値 iu, iv , iwを位相検出器 16からの電気角信号 Θ に基づいて、 d軸電流 iと q軸電流 iに変

re d q 換する。 d軸電流制御器 12は、 d軸電流指令 i*と d軸電流 iとの偏差を取り、 d軸電圧

d d

の指令値を演算する。 q軸電流制御器 13は、 q軸電流指令 i*と q軸電流 iとの偏

d Q Q 差を取り、 q軸電圧の指令値 V*を演算する。ベクトル回転器 · 2相 3相変換器 17は、これらの電圧指令 V* , V*及び電気角信号 Θ に基づいて、三相電圧指令 V* , V*

d q re u v

, v*を出力する。電力変換器 6はこれらの電圧指令に基づいて出力電圧を PWM制御し、最終的にはサーボモータ 5に流れる電流を制御する。以上のようにして、サーボモータ 5としての永久磁石同期モータに交流電流が供給されることにより、サーボモータ 5に推力が発生する。

[0025] サーボモータ 5ではトルクの高速応答制御が必要なので、電流のフィードバック制御が不可欠になる。図 3は電流制御器 12, 13を付加した永久磁石同期モータのプロック線図を示す。このブロック線図では、 d軸電流 i , q軸電流 iを理論的に制御し易

d q

い状態にする方法として非干渉制御法を用いている。永久磁石同期モータには d, q 軸間で干渉し合う速度起電力がある。それらは i , i〖こ影響するが直接制御できるも

d q

のではな!/、。その速度起電力を求めてぉ、てそれを打ち消す制御が非干渉制御法である。非干渉制御を行うと、 i , iは v' , v'で単純に制御できる。ここで、 , N は

a q d q d q d, q軸の電機子卷線インピーダンス印加電圧を表し、伝達関数 G (s) , G (s)で表し

id iq

た i , i電流制御器の出力として得られる。またこのブロック線図において、 i , iは d, q軸電機子電流， φ fは電機子卷線鎖交磁束数， Rは電機子卷線抵抗， Lは電機子卷線の自己インダクタンス， P ( = dZdt)は微分演算子， Tはモータの推力， Tはモ e しータの負荷推力， Jはモータの慣性モーメント， ω は

rm 同期モータの出力軸の回転角速度 (機械角）， ω は界磁の角速度 (電気角）である。同期モータの出力軸の回転 re

角速度 (機械角） ω は極対数を

rm ρとすると、 ω re Ζρである。

[0026] 電流制御としては比例積分 (PI)制御を用いる。この場合、 i， i電流制御器の出力 d q

V ， V は、

d q

[数式 1]

=K (1 + 1/T s) (i* i )

d id id d d

v' =K (1 + 1/T s) (i* i )

q iq iq Q Q

となる。

[0027] このとき、 i , i制御系のオープンループ伝達関数 G° (s) , G° (s)は、式を簡単に

d q ια iq するために T id =T iq =LZR (電気時定数）に選ぶと、

[数式 2]

G° (s) = l/ (Ls/K )

id id

G° (s) = l/ (Ls/K )

iq iq

となり、単なる積分要素になる。

ここで、 κ , K及び τ , Tは i , i制御器のゲイン及び積分時間であり、 κ =κ ,

id iq id iq d q id iq

T =Tである。

id iq

[0028] 図 4はこのオープンループ伝達関数から得られるボード線図で、交差角周波数 co _e は、

[数式 3]

ω =K/L (K =K =Κ )

c i i id iq

である。

[0029] 数式 2が満足されるとき i , i制御系のクローズドループ伝達関数 G^e (s) , G^c (s)は

[数式 4]

G^c (s) = l/ (Ls/K + 1) G^c (s) = l/ (Ls/K + 1)

iq iq

となる。

[0030] 図 5はクローズドループ伝達関数力得られるボード線図である。 s = 0のときのゲインは Κ , Kに関係なく OdBであり、定常偏差力^になることがわかる。

id iq

[0031] 電流制御を PI制御で行う場合、上述のように積分時間 Τ , Tは電気時定数 (LZR

id iq

)に合わせる。また [数式 3]に示される、交差角周波数 ω力求められるゲイン (Kid, Kiq)は反応性を上げるためにできるだけ高くするのがよい。マイナーループの交差角周波数をその外側のループの交差角周波数より高くすることで、外側のループの応答性や安定性の向上が図れる力もである。しかし、電流制御ループのゲインを高く設定してモータに大きな電流を流すと、モータが発振してしまうことがある。そこで本実施形態では、電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値にしき!/、値を設け、電流制御ループのゲインを切替えて、る。

[0032] 図 6はサーボモータの制御装置のプロセッサで実行される電流制御プログラムのフローチャートを示す。この電流制御プログラムにおいて、制御装置のプロセッサ（請求項 1に記載の電流ループゲイン切替え手段に相当）はまず、電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値があら力じめ設定されたしき、値以上か否かを判断する（Sl)。ここで、しきい値はサーボモータの定格電流値、すなわち定格推力を生じさせる電流値に設定される。しき、値データはあら力じめ制御装置のメモリに記憶されている。またサーボモータの出力電流値とは、図 2に示されるベクトル回転器 · 3相 2相変 14力もフィードバックされる q軸電流 iの値である。このため請求項 1に記載の電流検知手段は、ベクトル回転器 · 3相 2相変換器 14、電流検出器 1 5、位相検出器 16によって構成される。

[0033] 次に制御装置のプロセッサは、検知した出力電流値があら力じめ設定されたしきい値よりも小さいときは、あら力じめ設定された大小二つの交差角周波数 ω , ω のう

cl c2 ち、大きい方の交差角周波数 ω を用いて電流制御ループのゲインを算出して、電

cl

流制御ループのゲインを大きくする（S2)。その一方、検知した出力電流値があらかじめ設定されたしきい値よりも大きいときは、小さい方の交差角周波数 ω を用いて電

c2

流制御ループのゲインを算出し、電流制御ループのゲインを小さくする（S3)。 [0034] 大きい方の交差角周波数 ω (例えば 2000rad/s)は、サーボモータに定格電流を

cl

流したときにサーボモータが発振しな、範囲で最も大き、値になるように設定される。小さい方の交差角周波数 ω (例えば lOOOrad/s)は、サーボモータに定格電流を超

c2

えた最大電流を流したときにサーボモータが発振しない範囲で最も大きい値になるように設定される。制御装置のメモリには、大小二つの交差角周波数 ω , ω が記憶さ

cl c2 れる。これら大小二つの交差角周波数 ω , ω 力 [数式 3]を用いてゲイン Κを算出

cl c2 i する。

[0035] 次に制御装置のプロセッサは、ゲイン Κ , K、積分時間 Τ , T、 d軸電流指令 i* , q軸電流指令 i*、及びフィードバックされた d軸電流 i , q軸電流 iの偏差から、 [数式

1]を用いて v' ( = d軸電圧の指令値 V* )及び v' (q軸電圧の指令値 V* )を算出する

(S4)。

[0036] なお、制御装置のプロセッサは、電流制御ループの処理と共に速度制御ループ及び位置制御ループの処理を行う。速度制御系では、電流制御系と同様に偏差を 0にするために PI制御が用いられる。電流制御系の交差角周波数 ωを速度制御系の交差角周波数 ω よりも数倍以上高くすると、交差角周波数が ω の付近では、電流制御系のクローズドループ伝達関数を 1とみなすことができ、電流制御系の特性が速度制御系に及ぼす影響を無視することができる。位置制御系では位置のステップ応答がオーバシュートを生じるのを防止するために Ρ制御が用いられる。速度制御系の交差角周波数 ω を位置制御系の交差角周波数 ωよりも数倍以上高くすると、交差角周波数が ωの付近では、速度制御系のクローズドループ伝達関数を 1とみなすこと

Ρ

ができ、速度制御系の特性が位置制御系に及ぼす影響を無視することができる。

[0037] 以上に記載の電流制御法により、定格電流まではゲインを大きくし、定格電流を超えたときはゲインを小さくするゲインの切替えが可能になる。図 7はゲインの切替えを示す概念図である。この図 7において、サーボモータの出力電流値が時間の経過に比例して上昇する。図中点線は発振する電流値 (例えば定格電流値)を示す。サーボモータの出力電流値が発振する電流値 (例えば定格電流値)より小さいときは、サーボモータが発振するおそれもないので、ゲインを大きい方の交差角周波数 ω (例

cl えば 2000rad/s)を用いて算出して、電流制御ループの応答性を向上させる。一方、サーボモータの出力電流値が発振する電流値を超えたときにもゲインを大きく設定したままだと、サーボモータの電流の振幅が大きくなつてサーボモータが発振する。このため、小さい方の交差角周波数 ω (例えば lOOOrad/s)を用いてゲインを算出し c2

直し、ゲインを小さい値に切替えて、サーボモータの発振を防止する。以上により、電流制御ループの応答性を向上させることと、サーボモータの発振を防止することとを両立させることが可能になる。

[0038] なお、本発明は上記実施形態に限られることなぐ本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば上記実施形態では、サーボモータとして可動コイル型永久磁石同期リニアモータを用いた例について説明した力本発明のサーボモータの制御装置は、回転型の永久磁石同期モータや、誘導モータに適用することができる。

[0039] 本明糸田書 ίま、 2006年 4月 28日出願の特願 2006— 124954に基づく。この内容【ますべてここに含めておく。

Claims

請求の範囲

[1] サーボモータに流れる電流をフィードバック制御する電流制御ループを有するサーボモータの制御装置において、

前記電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値を検知する電流検知手段と、

検知した前記出力電流値があら力じめ設定されたしきい値よりも小さいときは、前記電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した前記出力電流値があら力じめ設定された前記しき、値よりも大き、ときは、前記電流制御ループのゲインを小さくする電流ループゲイン切替え手段と、を備えることを特徴とするサーボモータの制御装置。

[2] 前記サーボモータの制御装置は、電流のフィードバック制御を d—q座標を用いた PI 制御により行い、

そして、電流ループゲイン切替え手段は、検知した前記出力電流値があら力じめ設定された前記しき、値よりも小さ、ときは、あらかじめ設定された大小二つの交差角周波数のうち、大きい方の交差角周波数を用いて前記電流制御ループのゲインを算出して、前記電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した前記出力電流値力 Sあらかじめ設定された前記しきい値よりも大きいときは、小さい方の交差角周波数を用いて前記電流制御ループのゲインを算出して、前記電流制御ループのゲインを小さくすることを特徴とする請求項 1に記載のサーボモータの制御装置。

[3] 前記しきい値はサーボモータの定格電流値であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載のサーボモータの制御装置。

[4] 前記サーボモータの制御装置は、前記電流制御ループの外側にサーボモータの速度をフィードバック制御する速度制御ループを有し、且つ、前記速度制御ループの外側にサーボモータの位置をフィードバック制御する位置制御ループを有することを特徴とする請求項 1又は 2に記載のサーボモータの制御装置。

[5] サーボモータに流れる電流をフィードバック制御する電流制御ループを有するサーボモータの制御方法にお、て、

前記電流制御ループでフィードバックされるサーボモータの出力電流値を検知する電流検知工程と、

検知した前記出力電流値があら力じめ設定されたしきい値よりも小さいときは、前記電流制御ループのゲインを大きくする一方、検知した前記出力電流値があら力じめ設定された前記しき、値よりも大き、ときは、前記電流制御ループのゲインを小さくする電流ループゲイン切替え工程と、を備えることを特徴とするサーボモータの制御方法。