(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられたトルク指令の大きさを一定の範囲の大きさに制限するトルク指令制限部と、
前記トルク指令制限部によって大きさが制限されたトルク指令を用いて第１電流指令を出力する電流演算器と、
前記モータに流れる電流から得られる磁束と前記モータの回転速度に応じた大きさで出力される二次磁束指令とを用いて第２電流指令を出力する磁束制御器と、
前記電流演算器が出力する前記第１電流指令と前記磁束制御器から得る前記第２電流指令とを用いて、前記モータを駆動するモータ駆動部と、を有し、
前記トルク指令制限部は、
与えられた最大一次電流指令、前記第２電流指令及び前記モータに流れる電流から得られる磁束を用いてトルク制限値を演算するトルク制限値演算器と、
前記トルク制限値演算器によって演算されたトルク制限値を用いて、与えられたトルク指令の大きさを一定の範囲の大きさに制限するリミッタと、
を有することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記電流演算器は、前記モータに流れる電流から得られる磁束の大きさによって異なる
大きさの第１電流指令を出力することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項３】
前記モータの回転速度に応じた大きさで出力される二次磁束指令は、前記モータが一定の回転速度に達するまでは一定の大きさを維持し、前記モータが一定の回転速度を超えるとモータ回転速度が速くなるに連れてその大きさを小さくすることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
【請求項４】
前記モータに流れる電流から得られる磁束と前記第１電流指令とを用いて前記モータのすべり周波数を演算するすべり周波数演算器をさらに有し、
前記モータ駆動部は、前記周波数演算器で演算されたすべり周波数と、エンコーダから得られるモータの回転速度とをさらに用いて、前記モータを駆動することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のモータ制御装置。
【請求項５】
前記モータの回転速度に応じた大きさで出力される二次磁束指令の急激な変動を抑制する第１ローパスフィルタを前記磁束制御器の前段に設けたことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
さらに、前記磁束制御器から出力される電流指令の急激な変動を抑制する第２ローパスフィルタを、前記磁束制御器の後段に設けたことを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
【請求項７】
さらに、前記第１ローパスフィルタを通過した前記二次磁束指令を用いて前記第２ローパスフィルタを通過する電流指令の遅れを補償するフィードフォワード補償器を有することを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
【請求項８】
モータの回転速度から得たトルク指令の大きさを一定の範囲の大きさに制限するトルク指令制限部と、
前記トルク指令制限部によって大きさが制限されたトルク指令を用いて第１電流指令を出力する電流演算器と、
前記モータに流れる電流から得られる磁束と前記モータの回転速度に応じた大きさで出力される二次磁束指令とを用いて第２電流指令を出力する磁束制御器と、
前記電流演算器が出力する前記第１電流指令と前記磁束制御器から得る第２電流指令とを用いて、前記モータを駆動するモータ駆動部と、を有し、
前記トルク指令制限部は、
与えられた最大一次電流指令、前記第２電流指令及び前記モータに流れる電流から得られる磁束を用いてトルク制限値を演算するトルク制限値演算器と、
前記トルク制限値演算器によって演算されたトルク制限値を用いて前記速度制御器が出力するトルク指令の大きさを一定の範囲の大きさに制限するリミッタと、
を有することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項９】
前記モータは誘導電動機であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のモータ制御装置。
【請求項１０】
前記第１電流指令はｑ軸電流指令であり、前記第２電流指令はｄ軸電流指令であり、前記モータ駆動部は、ベクトル制御により前記誘導電動機を駆動することを特徴とする請求項９に記載のモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ベクトル制御によりモータを高速で加減速させることができるモータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッピング加工を行う工作機械の主軸には、加工精度の向上、加工時間の短縮化のため、慣性が小さく高速で回転できる主軸モータが求められる。
【０００３】
一般的に、主軸モータには同期機または誘導機が用いられる。特に、工作機械のコストを優先させる場合には、レアアースを使用しない誘導機を用いることが多い。
【０００４】
従来の誘導機は、慣性を大きくしてその慣性による動作安定性を重視している。誘導機を用いて高速な加減速が要求されるタッピング加工を行うためには、低慣性の誘導機を用いる必要があるため、動作安定性は制御系によって向上させる必要がある。
【０００５】
このため、従来の低慣性誘導機の高速な加減速制御は、弱め界磁制御を行わないモータ仕様にして動作安定性を確保している。しかし、弱め界磁制御を行わない場合、低速領域で出力できるトルクが小さくなってしまい、低速領域で負荷の大きな切削（低速重切削）をすることができないという問題がある。また、インバータ容量が大きくなり、モータ制御装置のコストが高くなるという問題がある。
【０００６】
低速領域で出力できるトルクを大きくし、モータ制御装置のコストも考慮して、制約のあるインバータ容量の中でモータを高速まで回転させる場合には、モータを定出力制御することになる。
【０００７】
定出力領域ではモータの回転速度の上昇に反比例させてモータの磁束を低減する弱め界磁制御を行い、モータの端子電圧がインバータの出力できる許容電圧以下になるように制御する。しかし、弱め界磁制御を行うと、弱め界磁による制御特性の劣化が生じやすくなるため、弱め界磁に伴う制御特性の劣化を防止する制御系が必要になる。
【０００８】
図４は、従来のベクトル制御を用いるモータ制御装置である。図４のモータ制御装置は次のように動作する。
【０００９】
まず、速度指令をエンコーダ１０からの速度フィードバックと比較し、速度制御器１２によってｑ軸（トルク）電流指令ＩｑＣを求める。ｑ軸電流指令ＩｑＣを座標変換器１４からのｑ軸電流フィードバックＩｑＦと比較し、ｑ軸電流制御器１６によってｑ軸電圧指令ＶｑＣを求める。
【００１０】
一方、必要とする磁束に対応する励磁電流指令をｄ軸電流指令ＩｄＣとして与える。ｄ軸電流指令ＩｄＣを座標変換器１４からのｄ軸電流フィードバックＩｄＦと比較し、ｄ軸電流制御器１８によってｄ軸電圧指令ＶｄＣを求める。
【００１１】
ｑ軸電流指令ＩｑＣとｄ軸電流指令ＩｄＣとを入力しすべり周波数演算器２０によってすべり周波数指令ωｓを求める。すべり周波数指令ωｓとエンコーダ１０からのモータ回転速度ωｍとが加算されて一次周波数指令ω１が求められる。
【００１２】
一次周波数指令ω１を積分して固定子位置指令θｍｃを求め、固定子位置指令θｍｃを座標変換器２２に入力する。ｑ軸電圧指令ＶｑＣ、ｄ軸電圧指令ＶｄＣ及び固定子位置指令θｍｃは座標変換器２２によって座標変換され、固定子位置指令θｍｃから三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣが求められる。三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣはＰＷＭ制御器２４、電力変換器２６を介してモータ３０に供給され、三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣに応じてモータ３０が駆動される。
【００１３】
ｑ軸電流フィードバックＩｑＦとｄ軸電流フィードバックＩｄＦは、固定子位置指令θｍｃを元に、モータ電流ＩＵ、ＩＶを座標変換することで求める。ｄ軸電流指令ＩｄＣは、図に示す通り、定出力領域ではモータ速度上昇に反比例して低減させ、弱め界磁制御をする。
【００１４】
図４のモータ制御装置では、弱め界磁により、トルク指令に対して実際に出力されるトルクが変わり、モータ３０が高速で回転するほど出力されるトルクが小さくなる。これは、トルク指令から実際のモータトルクまでのゲインが、高速域では低下することを意味している。このため、定トルク領域で高い速度制御ゲインを設定すると、高速域では応答の低いトルク制御系に対して高い速度ゲインを設定していることになり、制御系の動作が不安定になり、甚だしい場合には発振してしまう恐れがある。タッピング加工では、主軸モータと垂直軸モータとの制御を同期させる必要があり、高い制御ゲインが必要なため、弱め界磁領域まで高い応答特性が要求される。
【００１５】
また、ｄ軸電流制御器１８によって磁束を制御しているが、磁束とｄ軸電流には次式の関係があり、ｄ軸電流の変化に対して、磁束は遅れて追従する。
【００１６】
φ２ｄ＝１／（１＋Ｌ２／Ｒ２×ｓ）×Ｍ×Ｉ１ｄ
上式において、φ２ｄ：２次磁束、Ｌ２：２次インダクタンス、Ｒ２：２次抵抗、
Ｍ：相互インダクタンス、Ｉ１ｄ：１次側ｄ軸電流をそれぞれ示す。
【００１７】
このため、図４の制御系で低慣性のモータ３０を高速で加減速させると、モータ３０の速度の変化に対して磁束の変化が追従できず、モータ３０の電圧飽和が生じ、トルクの振動が生じる。
【００１８】
図４のモータ制御装置における磁束の応答遅れを改善するためには、図５に示すモータ制御装置のように、図４のモータ制御装置に磁束制御器３２と磁束演算器３４を追加することが考えられる。
【００１９】
図５に示すモータ制御装置では、必要とする磁束を磁束指令φ２Ｃとして与え、磁束指令φ２Ｃと、座標変換器１４からのｄ軸電流フィードバックＩｄＦを元に磁束演算器３４で求めた磁束φ２とを比較し、磁束制御器３２によってｄ軸電流指令ＩｄＣを制御している。
【００２０】
図５に示すモータ制御装置では、磁束制御器３２によって高速に磁束が制御されるため、モータ３０を高速で加減速させても磁束が遅れることなく追従でき、モータ３０の電圧飽和は生じず、トルクの振動は生じない。
【００２１】
しかし、磁束を高速応答させるため、ｄ軸電流が大きく変化し、ｄ軸電流とｑ軸電流の合計値がインバータの許容電流値を超えてしまい、過電流になることがあるという問題がある。
【００２２】
このようなインバータの許容電流値の制約を考慮して、ｄ軸及びｑ軸電流を制御する方法の１つに、下記特許文献１に示す技術がある。特許文献１では、磁束指令とその微分値を元にトルク電流指令を求め、励磁電流を元にトルク電流指令を制限している。そして、制限後のトルク電流指令と推定磁束によりすべり周波数を演算してモータのトルクを制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開平８−１６３９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、磁束指令を微分して励磁電流指令を演算しているため、磁束指令が変化した時に励磁電流が急変する。また、励磁電流を元にトルク電流を制限するため、励磁電流が急変するとモータのトルクが急変するという問題がある。タッピング加工においては、トルクが急変することは望ましくない。
【００２５】
また、特許文献１に開示されている方法では、励磁電流指令を用いて磁束を推定しているため、高速域でインバータ出力に電圧飽和を生じた場合、励磁電流が励磁電流指令通りに流れず、推定磁束の誤差が大きくなるという問題がある。この誤差の大きな推定磁束からトルク電流指令を算出するため、トルク電流指令が小さくなり、十分なトルクが出力できないという問題もある。高速域では、モータの誘起電圧が高くなるため、電源電圧が低下した場合などはインバータ出力に電圧飽和を生じやすくなる。
【００２６】
さらに、トルク指令からトルク電流指令を求める構成において、励磁電流指令に基づいてトルク電流指令を制限している。このため、励磁電流指令が変化してもトルク指令は制限を受けず、励磁電流が変化した時にトルク指令の制限値が判らないという問題がある。回転速度により磁束指令が変わり、それに伴い励磁電流指令も変わるため、各状態でのトルク指令の制限値を把握しながら制御を行わないとトルクの過不足を生じる恐れがある。
【００２７】
特にトルクを制限して使用したい場合には、各状態でのトルク指令の制限値までしかトルクを制限できない。また、モータが出力できる最大トルクはトルク指令制限値により決まり、この最大トルクにより、加減速時間が決まってくるため、トルク指令制限値の把握は重要である。
【００２８】
本発明は、上記のような従来のモータ制御装置の問題を解消するために成されたものであり、ベクトル制御によりモータを高速で加減速させることができるモータ制御装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
このように、従来のモータのベクトル制御では、弱め界磁による特性の劣化があり、低慣性誘導機の安定的な加減速制御を行うことができなかった。
【００３０】
本発明にかかるモータ制御装置は、インバータ容量の制約の中で、高速な磁束制御を実現し、しかも、弱め界磁に伴う励磁電流の急変を抑制して急激なトルク変動を抑制し、励磁電流が変化した時も、最大に出力できるトルク指令が把握でき、また、弱め界磁を行っても、トルク指令に対する実際のモータトルクの低下が少なく、高速領域まで速度制御系の応答の低下が少ないモータのベクトル制御を実現する。
【００３１】
上記のベクトル制御を実現する本発明にかかるモータ制御装置は、与えられたトルク指令の大きさを一定の範囲の大きさに制限するトルク指令制限部と、前記トルク指令制限部によって大きさが制限されたトルク指令を用いて第１電流指令を出力する電流演算器と、前記モータに流れる電流から得られる磁束と前記モータの回転速度に応じた大きさで出力される二次磁束指令とを用いて第２電流指令を出力する磁束制御器と、前記電流演算器が出力する前記第１電流指令と前記磁束制御器から得る第２電流指令とを用いて、前記モータを駆動するモータ駆動部と、を有し、前記トルク指令制限部は、与えられた最大一次電流指令、前記第２電流指令及び前記モータに流れる電流から得られる磁束を用いてトルク制限値を演算するトルク制限値演算器と、前記トルク制限値演算器によって演算されたトルク制限値を用いて、与えられたトルク指令の大きさを一定の範囲の大きさに制限するリミッタと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように構成された本発明に係るモータ制御装置によれば、弱め界磁による特性の劣化が改善され、定出力領域を設けたモータを用いての低速度重切削と高速タッピングを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態１に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図２】実施形態２に係るモータ制御装置のブロック図である。
【図３】図１及び図２のブロック図における主要部分の波形図である。
【図４】従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。
【図５】従来のモータ制御装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明に係るモータ制御装置は、低慣性の誘導機のベクトル制御において、インバータの出力電圧が飽和したとしても磁束推定誤差を小さく抑える。インバータ容量が制約されていたとしても、高速な磁束制御を実現する。弱め界磁に伴う励磁電流の急変を抑制して急激なトルク変動が生じないようにし、励磁電流が変化した時も出力が最大となるトルク指令を把握する。弱め界磁制御を行っても、トルク指令に対する実際のモータトルクの低下が少なく、高速領域まで速度制御系の応答の低下が少なく、高応答で急峻な加減速を実現する。
【００３５】
次に、図面を参照しながら、上記のような特性を発揮する、本実施形態に係るモータ制御装置を［実施形態１］と［実施形態２］に分けて説明する。
【００３６】
［実施形態１］
［モータ制御装置の構成］
図１は、実施形態１に係るモータ制御装置１００のブロック図である。
【００３７】
モータ制御装置１００は、ｑ軸電圧指令ＶｑＣを与える系として、リミッタ１１２、ｑ軸電流演算器１１４、トルク制限値演算器１１６、座標変換器１１８、エンコーダ１２０、ｑ軸制御器１２２、速度演算器１２５を有する。なお、リミッタ１１２とトルク制限値演算器１１６とでトルク指令制限部１１５を構成する。
【００３８】
リミッタ１１２は、トルク制限値演算器１１６によって演算されたトルク制限値ＴＬＩＭを用いて、与えられたトルク指令に制限を掛ける。
【００３９】
ｑ軸電流演算器１１４は、リミッタ１１２を介して出力されるトルク指令と、磁束演算器１４０から出力される磁束φ２とからｑ軸電流指令ＩｑＣを出力する。
【００４０】
トルク制限値演算器１１６は、ｄ軸電流指令ＩｄＣと磁束演算器１４０から出力される磁束φ２と、最大一次電流指令ＩＰＣから、リミッタ１１２に与えるトルク制限値ＴＬＩＭを演算する。
【００４１】
座標変換器１１８は、モータ１５０に供給するＵ相の電流ＩＵとＶ相の電流ＩＶとからｑ軸電流フィードバックＩｑＦとｄ軸電流フィードバックＩｄＦとを求める。
【００４２】
エンコーダ１２０は、モータ１５０の回転位置θｍを出力する。
【００４３】
ｑ軸制御器１２２は、ｑ軸電流演算器１１４からのｑ軸電流指令ＩｑＣを座標変換器１１８からのｑ軸電流フィードバックＩｑＦを用いて減算し、減算後のｑ軸電流指令からｑ軸電圧指令ＶｑＣを出力する。
【００４４】
速度演算器１２５は、エンコーダ１２０が検出するモータ１５０の回転位置θｍを用いてモータ速度（モータの回転速度）ωｍを演算する。
【００４５】
また、モータ制御装置１００は、ｄ軸電圧指令ＶｄＣを与える系として、ローパスフィルタ１３０、フィードフォワード補償器１３２、磁束制御器１３４、ローパスフィルタ１３６、すべり周波数演算器１３８、磁束演算器１４０、ｄ軸制御器１４２を有する。
【００４６】
ローパスフィルタ１３０は、二次磁束指令φ２ｃの高周波分（急激な変動）を除去する。
【００４７】
フィードフォワード補償器１３２は、ローパスフィルタ１３０を通過して高周波分が除去された二次磁束指令φ２ｃから電流指令を出力する。
【００４８】
磁束制御器１３４は、ローパスフィルタ１３０を通過して高周波分が除去された二次磁束指令φ２ｃから磁束演算器１４０によって演算された磁束φ２を減算し、減算後の磁束指令から出力する電流指令を制御する。
【００４９】
ローパスフィルタ１３６は、磁束制御器１３４から出力される電流指令の高周波分を除去する。
【００５０】
すべり周波数演算器１３８は、ｑ軸電流演算器１１４で求めたｑ軸電流指令ＩｑＣと磁束演算器１４０で演算された磁束φ２とを入力し、モータ１５０のすべり周波数ωｓを演算する。
【００５１】
磁束演算器１４０は、座標変換器１１８が出力するｄ軸電流フィードバックＩｄＦを用いて磁束φ２を演算する。
【００５２】
そして、モータ制御装置１００は、モータ１５０に電力を供給する系として、座標変換器１６０、ＰＷＭ制御器１６２、電力変換器１６４を有する。
【００５３】
座標変換器１６０は、ｑ軸制御器１２２が出力するｑ軸電圧指令ＶｑＣとｄ軸制御器１４２が出力するｄ軸電圧指令ＶｄＣとから、モータ１５０のＵ、Ｖ、Ｗ相に印加すべき三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣを出力する。
【００５４】
ＰＷＭ制御器１６２は、座標変換器１４０が出力する三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣに応じて電力変換器１６４のゲート信号を出力する。
【００５５】
電力変換器１６４は、ＰＷＭ制御器１６２が出力するゲート信号に応じて内部のパワー半導体をスイッチングして、所望の波形の三相電圧をモータ１５０に供給する。
【００５６】
なお、座標変換器１１８、ｑ軸制御器１２２、ｄ軸制御器１４２、座標変換器１６０、ＰＷＭ制御器１６２及び電力変換器１６４は、モータ駆動部１５５を構成する。
【００５７】
［モータ制御装置の動作］
図１に示すように、与えられた速度指令は速度演算器１２５から出力されるモータ速度ωｍと比較される。与えられたトルク指令は、リミッタ１１２に設定されているトルク制限値ＴＬＩＭによって±ＴＬＩＭを超えない範囲に制限される。
【００５８】
トルク制限値ＴＬＩＭはトルク制限値演算器１１６によって次のようにして求める。トルク制限値演算器１１６は、ｄ軸電流指令ＩｄＣと最大一次電流指令ＩＰＣから下記式に基づいて演算する。演算したトルク制限値ＴＬＩＭはリミッタ１１２に設定する。
【００５９】
ＴＬＩＭ＝Ｐｍ×Ｍ／Ｌ２×φ２×（ＩＰＣ２−ＩｄＣ２）１／２
上式において、φ２：２次磁束、Ｌ２：２次インダクタンス、
Ｍ：相互インダクタンス、Ｐｍ：極対数をそれぞれ示す。
【００６０】
リミッタ１１２を介して最大値が±ＴＬＩＭに制限された、トルク制限後のトルク指令はｑ軸電流演算器１１４に入力され、ｑ軸電流演算器１１４はトルク制限後のトルク指令に基づいてｑ軸電流指令ＩｑＣを求める。ｑ軸電流演算器１１４は、下記のような演算を行ってｑ軸電流指令ＩｑＣを求める。
【００６１】
ＩｑＣ＝Ｌ２／（Ｐｍ×Ｍ×φ２）×（トルク制限後のトルク指令）
次に、ｑ軸電流指令ＩｑＣは座標変換器１１８から出力されるｑ軸電流フィードバックＩｑＦと比較される。ｑ軸電流指令ＩｑＣからｑ軸電流フィードバックＩｑＦが減算された電流指令は、ｑ軸制御器１２２に入力され、ｑ軸制御器１２２からｑ軸電圧指令ＶｑＣが出力される。
【００６２】
図１の二次磁束指令φ２Ｃとモータ速度ωｍの関係を示すグラフに示すように、本実施形態では、二次磁束指令φ２Ｃは、定トルク領域ではモータ１５０の回転速度とは無関係に一定値とし、定出力領域ではモータ１５０の回転速度に反比例させて低減する。すなわち、弱め界磁制御を行う。
【００６３】
二次磁束指令φ２Ｃはローパスフィルタ１３０によって高周波分が取り除かれる。ローパスフィルタ処理後の磁束指令はフィードフォワード補償器１３２に入力され、フィードフォワード補償器１３２からは電流指令が出力される。フィードフォワード補償器１３２は、フィルタ処理後の磁束指令を１／Ｍ倍する構成を有する。
【００６４】
また、ローパスフィルタ処理後の磁束指令は、座標変換器１１８が出力するｄ軸電流フィードバックＩｄＦを用いて磁束演算器１４０が演算した磁束φ２と比較される。
【００６５】
磁束演算器１４０は比例積分制御を行う構成を有する。磁束演算器１４０は次のようにしてｄ軸電流フィードバックＩｄＦから磁束φ２を求める。
【００６６】
φ２＝１／（１＋Ｌ２／Ｒ２×ｓ）×Ｍ×ＩｄＦ
ローパスフィルタ処理後の磁束指令から磁束φ２が減算された磁束指令は磁束制御器１３４に入力される。磁束制御器１３４は入力した磁束指令から電流指令を求め、求めた電流指令はローパスフィルタ１３６を介して高周波分が取り除かれる。
【００６７】
フィードフォワード補償器１３２が出力する電流指令はローパスフィルタ１３６を介して出力される電流指令と加算されてｄ軸電流指令ＩｄＣが求められる。
【００６８】
次に、ｄ軸電流指令ＩｄＣは座標変換器１１８から出力されるｄ軸電流フィードバックＩｄＦと比較される。ｄ軸電流指令ＩｄＣからｄ軸電流フィードバックＩｄＦが減算された電流指令は、ｄ軸制御器１４２に入力され、ｄ軸制御器１４２からｄ軸電圧指令ＶｄＣが出力される。
【００６９】
一方、磁束演算器１４０が演算した磁束φ２はｑ軸電流指令ＩｑＣと共にすべり周波数演算器１３８に入力される。すべり周波数演算器１３８は次のようにしてすべり周波数指令ωｓを求める。
【００７０】
ωｓ＝Ｍ×Ｒ２／Ｌ２×（ＩｑＣ／φ２）
上式において、Ｒ２は２次抵抗を示す。
【００７１】
すべり周波数演算器１３８が求めたすべり周波数指令ωｓに速度演算器１２５から出力されるモータ速度ωｍが加算され、一次周波数指令ω１が求められる。一次周波数指令ω１を積分して固定子位置指令θｍｃを求め、求めた固定子位置指令θｍｃは座標変換器１１８、１６０に出力される。
【００７２】
座標変換器１１８は、ｑ軸電流フィードバックＩｑＦとｄ軸電流フィードバックＩｄＦを、固定子位置指令θｍｃを用いてモータ電流ＩＵ、ＩＶを座標変換することによって求める。
【００７３】
座標変換器１６０は、ｑ軸制御器１２２が出力するｑ軸電圧指令ＶｑＣとｄ軸制御器１４２が出力するｄ軸電圧指令ＶｄＣ、及び、固定子位置指令θｍｃを入力し、座標変換を行って、三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣを求める。
【００７４】
三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣは、ＰＷＭ制御器１６２、電力変換器１６４を介してモータ１５０に供給され、モータ１５０は、三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣに応じて駆動される。
【００７５】
以上のように、本実施形態に係るモータ制御装置１００では、磁束指令をローパスフィルタ１３０に通すことで磁束指令の急激な変動を抑制する。また、磁束制御器１３４から出力される磁束をローパスフィルタ１３６に通すことでｄ軸電流の急激な変動を抑制する。
【００７６】
一般的に、インバータの最大一次電流の制約の中でｑ軸及びｄ軸電流指令を制限すると、ｄ軸電流の急激な変動はｑ軸電流の急激な変動をもたらし、特にｄ軸電流が急激に大きくなった場合には、ｑ軸電流が急激に小さくなり、トルクが大きく変動してしまう。本実施形態に係るモータ制御装置１００では、磁束制御器１３４の出力にもローパスフィルタ１３６を挿入することによって、ｄ軸電流指令の急激な変動を抑制する。これにより、弱め界磁制御に伴うｄ軸電流指令の変動がｑ軸電流指令に及ぼす影響を低減している。
【００７７】
また、フィードフォワード補償器１３２により磁束制御器１３４による応答遅れを補償して、磁束応答が低下しないようにしている。そして、最大一次電流の制約の中で、ｄ軸電流指令に基づきトルク指令を制限し、制限されたトルク指令からｑ軸電流指令を求めることにより、インバータ容量の制約の中で、高速な磁束制御を実現している。
【００７８】
このように、ｄ軸電流指令に基づいてトルク指令を制限しているため、ｄ軸電流が変化した時も最大に出力できるトルク指令が把握できるようになる。また、トルク指令を磁束で除算してｑ軸電流指令を算出しているため、磁束に反比例してｑ軸電流指令が増加し、弱め界磁制御を行っても、トルク指令通りのトルクが出力される。
【００７９】
このため、速度制御系の応答も弱め界磁制御の影響を受けず、高速領域まで速度制御系の応答が低下しない。また、ｄ軸電流フィードバックから磁束を演算しているため、インバータの出力電圧が飽和した場合には、ｄ軸電流が小さくなり、磁束演算値がインバータの電圧飽和の影響を受けない。
【００８０】
なお、二次抵抗Ｒ２は、モータの巻線温度を検出、または推定して補償を行い、巻線温度変化時に特性が悪化するのを防止している。また、トルク指令ローパスフィルタやノッチフィルタをトルク指令に挿入し、機械系の高周波共振を抑制するようにしても良い。そして、ｑ軸及びｄ軸電流制御系の内部を三相電流制御系で構成しても良い。
【００８１】
［実施形態２］
［モータ制御装置の構成］
図２は、実施形態２に係るモータ制御装置２００のブロック図である。図２では、図１と同一の構成要素には図１と同一の符号を付している。
【００８２】
モータ制御装置２００は、実施形態１に係るモータ制御装置１００と比較して、ｑ軸電圧指令ＶｑＣを与える系として、速度制御器１１０を設けていることのみが異なる。
【００８３】
速度制御器１１０は、与えられた速度指令を速度演算器１２５からの速度フィードバックを用いて減算し、減算後の速度指令からトルク指令を出力する。
【００８４】
リミッタ１１２は、トルク制限値演算器１１６によって演算されたトルク制限値ＴＬＩＭを用いて、速度制御器１１０が出力するトルク指令に制限を掛ける。
【００８５】
ｑ軸電流演算器１１４、トルク制限値演算器１１６、座標変換器１１８、エンコーダ１２０、ｑ軸制御器１２２、速度演算器１２５の機能は、実施形態１に係るモータ制御装置と同一である。
【００８６】
ｄ軸電圧指令ＶｄＣを与える系として、ローパスフィルタ１３０、フィードフォワード補償器１３２、磁束制御器１３４、ローパスフィルタ１３６、すべり周波数演算器１３８、磁束演算器１４０、ｄ軸制御器１４２を有することも、実施形態１に係るモータ制御装置と同一である。また、これらの構成要素の機能も実施形態１に係るモータ制御装置と同一である。
【００８７】
［モータ制御装置の動作］
実施形態２に係るモータ制御装置２００の動作は、実施形態１に係るモータ制御装置１００と比較して、トルク指令が速度制御器１１０から出力されることのみが異なる。
【００８８】
すなわち、図２に示すように、与えられた速度指令は速度演算器１２５から出力されるモータ速度ωｍと比較される。与えられた速度指令からモータ速度ωｍが減算された速度指令は速度制御器１１０に入力され、速度制御器１１０からトルク指令が出力される。トルク指令は、リミッタ１１２に設定されているトルク制限値ＴＬＩＭによって±ＴＬＩＭを超えない範囲に制限される。
【００８９】
以降の動作は実施形態１に係るモータ制御装置１００と同一である。
【００９０】
［実施形態１、２に係るモータ制御装置の主要部分の波形］
図３は、図１及び図２のブロック図における主要部分の波形図であり、モータ１５０に低慣性誘導機を用いた場合の動作波形を示す。
【００９１】
図では、速度指令をステップ状に加速して減速する場合の各部の動作波形を示している。磁束指令は、図に示す通り、回転速度によって弱め界磁とされているが、磁束が磁束指令に追従していることがわかる。
【００９２】
また、図に示す通り、磁束の変化によってｄ軸電流指令が変化しているが、磁束指令に入れたローパスフィルタ１３０や磁束制御器１３４の出力側のローパスフィルタ１３６により、ｄ軸電流指令の急峻な動きは抑制されている。
【００９３】
また、ｄ軸電流指令や磁束の変化に基づきトルク制限値ＴＬＩＭが変化し、トルク指令が回転速度の上昇と共に低減しており、定出力特性が実現されていることが見て取れる。
【００９４】
また、図に示す通り、ｄ軸電流指令が変化した時のｑ軸電流指令も急峻には変化していないことがわかる。
【００９５】
また、図に示す通り、モータの相電流はｄ軸電流を大きく変化させているのにもかかわらず、過電流にはならずに最大一次電流以下に抑制されていることがわかる。
【００９６】
このように、実施形態１及び２に係るモータ制御装置１００、２００によれば、低慣性誘導機のベクトル制御において、インバータの出力電圧飽和時も磁束演算誤差が小さく、インバータ容量の制約の中で、高速な磁束制御が実現できる。しかも、弱め界磁に伴う励磁電流の急変を抑制して急激なトルク変動を抑制し、励磁電流が変化した時も最大に出力できるトルク指令が把握できる。また、弱め界磁を行っても、トルク指令に対する実際のモータトルクの低下が少なく、高速領域まで速度制御系の応答の低下が少ない特性が得られる。
【００９７】
したがって、実施形態１及び２に係るモータ制御装置１００、２００では、弱め界磁による制御特性の劣化が防止されており、磁束応答が高速で高回転速度まで速度応答の低下が少ないため、定出力領域を設けたモータを用いての低速度重切削と高速タッピングを両立できる。
【符号の説明】
【００９８】
１００、２００  モータ制御装置、
１１０  速度制御器、
１１２  リミッタ、
１１４  ｑ軸電流演算器、
１１５  トルク指令制限部、
１１６  トルク制限値演算器、
１１８  座標変換器、
１２０  エンコーダ、
１２２  ｑ軸制御器、
１３０  ローパスフィルタ、
１３２  フィードフォワード補償器、
１３４  磁束制御器、
１３６  ローパスフィルタ、
１３８  すべり周波数演算器、
１４０  磁束演算器、
１４２  ｄ軸制御器、
１５０  モータ、
１５５  モータ駆動部、
１６０  座標変換器、
１６２  ＰＷＭ制御器、
１６４  電力変換器。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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