(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転子位置を目標位置に追従させるための位置指令を出力する位置指令生成部と、前記モータの回転子位置と前記位置指令との両者が一致するよう制御を行ってモータ回転子速度指令を出力する位置制御部と、前記モータの許容トルクとなるトルクリミット値を出力するトルクリミット出力部とを備えたモータ制御装置であって、
前記トルクリミット出力部は、
前記モータの回転子速度に応じて、前記モータの駆動に要する消費電力が所定のモータ電力リミット値以内となり、かつ、前記モータの駆動に要する電圧振幅が所定のモータ電圧リミット値以内となる前記トルクリミット値を出力し、
前記位置指令生成部は、
モータの機械運動を模擬するモータモデルを持ち、前記モータモデルにおいて一定速度運転を行い、あるいは前記トルクリミット値以下のトルクでの加速運転及び減速運転を行ってモータモデル速度を求め、求められたモータモデル速度を積分してモータモデル位置を前記位置指令として生成する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
モータの回転子速度を目標速度に追従させるための速度指令を出力する速度指令生成部と、前記モータの回転子速度と前記速度指令との両者が一致するよう制御を行ってモータトルク指令を出力する速度制御部と、前記モータの許容トルクとなるトルクリミット値を出力するトルクリミット出力部とを備えたモータ制御装置であって、
前記トルクリミット出力部は、
前記モータの回転子速度に応じて、前記モータの消費電力が所定のモータ電力リミット値以内となり、かつ、前記モータの駆動に要する電圧振幅が所定のモータ電圧リミット値以内となる前記トルクリミット値を出力し、
前記速度指令生成部は、
モータの機械運動を模擬するモータモデルを持ち、前記モータモデルにおいて一定速度運転を行い、あるいは前記トルクリミット値以下のトルクでの加速運転及び減速運転を行ってモータモデル速度を前記速度指令として生成する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項３】
モータ電流を２軸直交回転座標上の成分である励磁電流成分およびトルク電流成分に振り分けて扱うモータ制御装置において、
前記モータの消費電力を計算する電力計算部と、前記電力計算部が計算したモータ消費電力を、前記モータ制御装置に電力供給を行う電源装置の電源容量に応じたモータの消費電力の上限値である電力リミット値以内に制限する電力制限部と、前記モータのトルク分電圧リミット値を計算するトルク分電圧リミット値計算部と、前記モータの駆動電圧を所定のモータ電圧リミット値以内に制限する電圧制限部とを備える電力・電圧制限部であって、
前記電力制限部は、前記電力リミット値に対する前記モータ消費電力の超過量に応じてモータトルク電流を補正し、
前記トルク分電圧リミット値計算部は、前記モータ電圧リミット値と前記モータの励磁分電圧とに基づき前記モータのトルク分電圧リミット値を計算し、
前記電圧制限部は、前記トルク分電圧リミット値計算部が計算したモータのトルク分電圧リミット値に対するモータトルク分電圧の超過量に応じてモータ励磁電流を補正する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
モータ電流を２軸直交回転座標上の成分である励磁電流成分およびトルク電流成分に振り分けて扱うモータの制御装置において、
モータモデル部とモデル電力・モデル電圧制限部とを備え前記モータの許容トルクとなるトルクリミット値をモータ回転子速度に応じて出力するトルクリミット出力部における前記モデル電力・モデル電圧制限部は、
モータモデル消費電力を計算するモータモデル電力計算部と、前記モータモデル電力計算部が計算したモータモデル消費電力を所定のモータ電力リミット値以内に制限するモータモデル電力制限部と、モータモデルのトルク分電圧リミット値を計算するモータモデルトルク分電圧リミット値計算部と、モータモデル駆動電圧を所定のモータ電圧リミット値以内に制限するモータモデル電圧制限部とを備え、
前記モータモデル電力制限部は、前記モータ電力リミット値に対する前記モータモデル消費電力の超過量に応じてモータモデルトルク電流を補正し、
前記モータモデルトルク分電圧リミット値計算部は、前記モータ電圧リミット値とモータモデルの励磁分電圧とに基づきモータモデルのトルク分電圧リミット値を計算し、
前記モータモデル電圧制限部は、前記モータモデルトルク分電圧リミット値に対する前記モータモデルトルク分電圧の超過量に応じてモータモデル励磁電流を補正する処理をモータ回転速度毎に実施し、前記補正処理によって得られたモータモデルのトルク電流とモータモデルの励磁電流とに基づきモータモデルのトルクを計算し、前記計算したモータモデルのトルクをトルクリミット値として出力し、
前記モータの制御装置は、モータのトルクを前記トルクリミット値以下に制限するように指令を生成する
ことを特徴とするモータ制御装置。
【請求項５】
トルクリミット出力部は、
モータ回転速度に応じたトルクリミット値を記憶するトルクテーブルを備え、モータの運転開始前に、または前記モータ電力リミット値が変更されたタイミングまたは前記電圧リミット値が変更されたタイミングにて、前記モータモデルと前記モデル電力・モデル電圧制限部とによる処理を実施し得られたトルクリミット値を前記トルクテーブルに記載し、モータ運転中において、前記トルクテーブルに記載されたトルクリミット値をモータ回転子速度に応じて出力する
ことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
【請求項６】
トルクリミット出力部のトルクテーブルは、加速開始時のトルク立ち上げまたは減速開始時のトルク立ち下げが所定の時定数で実施されるように設定されるトルクリミット値を記憶する
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】
前記モータ電力リミット値と前記モータ電圧リミット値とを適宜変更可能な制御パラメータとして保持するパラメータ記憶部
を備えてい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８】
前記モータ電力リミット値と前記モータ電圧リミット値とを上位制御装置との通信により取得する通信部
を備えてい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９】
目標位置あるいは目標速度までの到達推定時間を通信により上位制御装置へ通知する通信部
を備えてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータを介してモータを駆動制御するモータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータ制御装置は、インバータが備えるスイッチング素子をオン・オフ動作させる制御信号を生成する。インバータは、スイッチング素子がモータ制御装置からの制御信号に従ってオン・オフ動作することにより、直流電源の出力電力を交流電力へ変換し、モータに供給する。これによって、モータは、その位置や速度あるいはトルクが所望の値となるよう制御される。この種のモータには、誘導モータや永久磁石同期モータなどが用いられている。【０００３】
ところで、インバータの直流電源の例としては、３相交流電源からの電力を整流して出力するダイオードコンバータや、バッテリやキャパシタからの電力を電圧レベル変換して出力するＤＣ／ＤＣコンバータなどがある。【０００４】
この種の直流電源は、一般に出力可能な電力や電圧に上限が存在しその範囲内で使用する必要がある。例えばバッテリやキャパシタは、その寿命や蓄積エネルギー等により出力可能な電力の上限が決まる。ＤＣ／ＤＣコンバータやダイオードコンバータで言えば、自身が取り扱うことが可能な電圧値や電流値などの仕様がそれに相当する。さらに、ダイオードコンバータでは、他の制約要因として３相交流電源の電源設備容量がある。したがって、インバータが出力できる電力も制約を受ける。その制約には、インバータ自身の仕様による制約もあるが、出力する交流電力を前記直流電源の出力電力以下とすべきとの制約がある。【０００５】
また、インバータでは、直流電源の直流電圧を半導体スイッチング素子のオン・オフ動作を介してモータに供給するため、直流電源からの直流電圧を超える電圧をモータに供給することはできない。このため、前記した電力と同様に、インバータが出力できる電圧も制約を受ける。以上の理由からモータ制御装置では、直流電源やインバータ仕様で決まる電力や電圧の制約範囲内でモータを制御する必要がある。【０００６】
この課題に対し、例えば特許文献１では、予めモータの動作タイミングと電源の供給電力とを考慮して、モータの加速度（トルク）やモータ速度の制限を想定した位置指令を生成する技術が開示されている。この技術を用いると、モータの加減速に必要な電力を所定の範囲内で抑制することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２７２１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された技術では、モータが消費する電力を考慮する際にモータの損失が考慮されていない。このため、例えば損失の大きいモータに適用する場合に、直流電源が供給すべき電力が出力可能な電力の上限を超える可能性がある。【０００９】
また、特許文献１に開示された技術では、モータ駆動に要する電圧が考慮されていない。このため、例えばモータ高速運転時に誘起電圧が発生し、インバータ供給可能電圧を超え電圧飽和が発生する可能性がある。【００１０】
これらの電力・電圧不足が生じた場合、トルク不足が発生し、位置制御あるいは速度制御の精度低下や不安定化を招く恐れがある。また、電圧飽和の回避策として弱め電流を流す場合、弱め電流による銅損が増加するため、前述した電力と電圧の制約を同時に満たすことができなくなる場合が起こる。【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、モータの消費電力およびモータ駆動に要する電圧を所定の範囲内に抑制できるモータ制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、モータの回転子位置を目標位置に追従させるための位置指令を出力する位置指令生成部と、前記モータの回転子位置と前記位置指令との両者が一致するよう制御を行ってモータ回転子速度指令を出力する位置制御部と、前記モータの許容トルクとなるトルクリミット値を出力するトルクリミット出力部とを備えたモータ制御装置であって、前記トルクリミット出力部は、前記モータの回転子速度に応じて、前記モータの駆動に要する消費電力が所定のモータ電力リミット値以内となり、かつ、前記モータの駆動に要する電圧振幅が所定の電圧リミット以内となる前記トルクリミット値を出力し、前記位置指令生成部は、前記トルクリミット値に従って前記位置指令を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、モータの消費電力およびモータ駆動に要する電圧を所定の範囲内に抑制できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示すトルクリミット出力部の構成例を示すブロック図である。
【図３】図３は、図１に示すトルクリミット出力部の他の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４は、図１に示す位置指令生成部において、加減速設定部がモータモデルの加速・減速を判断する手順を説明するフローチャートである。
【図５】図５は、図３に示すトルクリミット出力部でのトルクテーブルの計算例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３として、図３に示すトルクリミット出力部でのトルクテーブルの計算例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態１によるモータ制御装置１ａは、モータ５の消費電力およびモータ５の駆動に要する電圧をそれぞれ所定値以下に抑制しつつ、モータ５の回転子位置を目標位置に制御する位置制御の構成を備えている。
【００１７】
図１において、インバータ３は、本実施の形態１によるモータ制御装置１ａからのスイッチング指令９に従ってスイッチング素子３ａがオン・オフ動作することで、直流電源２の出力電力を交流電力へ変換し、モータ５に供給する。モータ制御装置１ａには、インバータ３とモータ５との間の電源ケーブルに取り付けられた電流検出器４にて検出された検出モータ電流８がフィードバック信号として入力される。また、モータ制御装置１ａには、モータ５に取り付けられた位置検出器６にて検出された検出モータ位置７がフィードバック信号として入力される。
【００１８】
モータ５は、本実施の形態１では、埋め込み磁石型同期モータ（ＩＰＭ）である。ＩＰＭの駆動制御は、ＩＰＭ回転子の永久磁石による磁束ベクトルの方向と一致しているｄ軸と、それに直交するｑ軸とからなる２軸直交回転座標上において、そのモータ電流を、ｄ軸上の電流成分（励磁電流成分）とｑ軸上の電流成分（トルク電流成分）とに分けて取り扱う方式によって行われる。
【００１９】
ＩＰＭの駆動制御で用いるｄｑ軸座標上の回路方程式は、式（１）で表される。なお、式（１）において、Ｖｄはｄ軸電圧、Ｖｑはｑ軸電圧、Ｒは巻線抵抗、Ｌｄはｄ軸インダクタンス成分、Ｌｑはｑ軸インダクタンス成分、Φは誘起電圧定数、ωreは電気角周波数（モータ回転速度の極対数倍）、ｐは極対数、Ｉｄは励磁（弱め）電流、Ｉｑはトルク電流である。
【００２０】
【数１】
0005611473.tif 000002
【００２１】
また、図１では、上位制御装置１０が示されている。本実施の形態１によるモータ制御装置１ａは、上位制御装置１０とのインタフェースとして通信・パラメータ記憶部１１を備えている。上位制御装置１０と通信・パラメータ記憶部１１との間で、モータ５や直流電源２、インバータ３、電力リミット値２８、電圧リミット値２７及びその他の情報を送受信する。なお、電力リミット値２８は、モータ５の消費電力の上限値である。電圧リミット値２７は、モータ５の駆動に要する電圧の上限値である。上位制御装置１０は、直流電源２の電源容量や出力電圧に基づいて電力リミット値２８および電圧リミット値２７を決定し、モータ制御装置１ａに送信する。すなわち、モータ制御装置１ａに上位制御装置１０の指令に応じモータ消費電力やモータ駆動に要する電圧の上限を設定できる。また、周囲環境や運転条件に応じモータ消費電力やモータ駆動に要する電圧の上限を設定できる。
【００２２】
まず、上位制御装置１０および通信・パラメータ記憶部１１について説明する。上位制御装置１０は、単に直流電源２の電源容量や出力電圧だけでなく、モータ５、インバータ３、モータ制御装置１ａまでも含めたシステム全体の電力や運転時間などモータ５の周囲の環境を考慮した駆動条件を設定する。したがって、モータ制御装置１ａは、上位制御装置１０の設定に従ってモータ５を駆動する必要がある。そのため、モータ制御装置１ａに通信・パラメータ記憶部１１を設け、それを達成できるようにしている。
【００２３】
図１では、直流電源２に、１台のモータ５およびインバータ３が接続される形態であるが、その他に、直流電源２に複数台のモータおよびインバータが接続され、上位制御装置１０にてまとめて制御するシステムが知られている。このシステムでは、上位制御装置１０にて複数台のモータおよびインバータそれぞれの動作の優先度や連携動作（タイミング）を考慮し、それぞれに供給する電力と電圧を計算して動作させることになる。この直流電源に複数台のモータおよびインバータが接続されるシステムでは、モータ制御装置１ａにおいて通信・パラメータ記憶部１１は必須の要素となる。
【００２４】
ここで、直流電源に複数台のモータおよびインバータが接続される従来のシステムにおいては、モータやインバータ各々の仕様として定められた最大使用電力を単純に加算した値で選定されることが多かった。しかし、実際の運転では、そのような最大使用電力での動作は少ないので、直流電源の容量は実際の運転条件に対し、必要以上の選定となりコスト増加を招いていた。この問題に対し、本実施の形態１によれば、後述するように、直流電源２の選定を適切に実施できるためコスト削減ができる。
【００２５】
また、直流電源に複数台のモータおよびインバータが接続されるシステムの具体的な例として工作機械に用いるモータ制御システムを挙げることができる。このモータ制御システムの場合、加工対象物（ワーク）を送り用サーボモータ２台で動かし、主軸モータでワーク切削を行うというように複数台のモータおよびインバータを用いる。
【００２６】
その場合に、一般に主軸モータの消費電力が相対的に大きくなる場合が多いので、従来では、送り用サーボモータが位置決め動作をしている間に主軸モータが動作をすると、直流電源の出力電圧が大きく変動し、送り用サーボモータでは電圧不足によりトルクが出力できず動作が乱される場合がある。
【００２７】
この問題に対し、本実施の形態１によれば、後述するように、上位制御装置１０で予め直流電源２の出力電圧変動を見込んで送り用サーボモータのモータ制御装置に電圧リミット値を送信しておくことができるので、電圧不足を回避して送り用サーボモータを動作させることができる。逆に、送り用サーボモータが位置決め制御を実施中に主軸モータが動作開始する場合などでは、送り用サーボモータの電力を確保できるように、主軸モータの電力リミット値や電圧リミット値に制限をかけることができる。
【００２８】
次に、通信・パラメータ記憶部１１について説明する。この通信・パラメータ記憶部１１は、上位制御装置１０との情報の送受信やパラメータの保持などの動作を行う。通信・パラメータ記憶部１１は、電力・電圧制限部２９やトルクリミット出力部３０の動作に必要となる電力リミット値２８と電圧リミット値２７とが上位制御装置１０から送られてくると、モータ制御装置１ａの制御パラメータとして記憶し、電力・電圧制限部２９やトルクリミット出力部３０の必要に応じて出力する。また、通信・パラメータ記憶部１１は、位置指令生成部１３や到達時間推定シーケンス制御部３３の動作に必要な目標位置１２が上位制御装置１０から送られてくると、モータ制御装置１ａの制御パラメータとして記憶し、位置指令生成部１３や到達時間推定シーケンス制御部３３の必要に応じて出力する。また、通信・パラメータ記憶部１１は、位置指令生成部１３の動作に必要な位置制御時最高速度３５が上位制御装置１０から送られてくると、モータ制御装置１ａの制御パラメータとして記憶し、位置指令生成部１３の必要に応じて出力する。
【００２９】
通信・パラメータ記憶部１１においてモータ制御装置１ａの制御パラメータの記憶タイミングは、モータ制御装置１ａの出荷前や、モータ制御装置１ａの起動時、また上位制御装置１０から値の更新通知を受けた場合などである。通信・パラメータ記憶部１１において制御パラメータとして電力リミット値２８や電圧リミット値２７の変更・保持ができるので、その時々の運転条件に応じ適切な電力・電圧条件でモータ駆動が達成できる。例えば、直流電源２が設置される建屋の３相交流電源設備容量や当該装置に割り当てられた電源容量・電圧レベルに応じた電力リミット値２８や電圧リミット値２７の設定ができるので、電源設備容量の増強を行うことなく容易に当該装置の導入が実現できる。
【００３０】
さらに、通信・パラメータ記憶部１１では、電力・電圧制限部２９内のモータ消費電力計算部２９ａにて算出されたモータ５の消費電力２９ｂや、電圧振幅計算部３６にて算出されたモータ駆動に要する電圧３７、および到達時間推定シーケンス制御部３３が出力する推定到達時間３４を上位制御装置１０に送信する。
【００３１】
電圧振幅計算部３６は、モータ駆動に要する電圧３７を電流制御部２２が出力するｄｑ軸電圧指令２４を式（２）へ適用して求める。なお、式（２）において、Ｖｎはモータ駆動に要する電圧３７、Ｖｄ＊はｄ軸電圧指令、Ｖｑ＊はｑ軸電圧指令である。
【００３２】
【数２】
0005611473.tif 000003
【００３３】
上位制御装置１０では、これらの情報を基に学習を行い、より適切な運転条件を与える電力リミット値２８や電圧リミット値２７を設定することが可能となる。また、モータ５をゼロ速度から加速する場合、モータ低速度付近ではモータ５の消費電力や駆動に要する電圧は、電力リミット値２８や電圧リミット２７に対して余裕がある。消費電力２９ｂや駆動に要する電圧を上位制御装置１０が把握することで、この余裕を用いて直流電源２に接続した他のインバータおよびモータを動作させることができる。
【００３４】
次に、位置指令生成部１３にて後述するように生成される位置指令１４により、インバータ３のスイッチング素子３ａをオン・オフ制御するインバータ駆動系「位置・速度制御部１５〜電流指令換算部１７〜電流指令補正部２０〜電流制御部２２〜ＰＷＭ処理部２６」について説明する。
【００３５】
位置・速度制御部１５は、位置指令生成部１３からの位置指令１４と位置検出器６からの検出モータ位置７とに基づき、位置制御、速度制御をこの順に実施してトルク指令１６を生成し電流指令換算部１７に出力する。一般に、位置制御はＰ制御により、速度制御はＰＩ制御により、それぞれ制御偏差がゼロとなるように実施されるが、さらにモータ位置の理想的な動作モデルを用いたフィードフォワード制御（ＦＦ制御）も併用されることが多い。
【００３６】
電流指令換算部１７は、トルク指令１６をｄｑ軸電流指令１８に換算し、電流指令補正部２０に出力する。この電流指令換算部１７の構成は、モータ５の種類や応用先により様々な構成方法が検討されている。例えば、ｑ軸電流指令はトルク指令１６をトルク定数で除算して求め、ｄ軸電流指令は単純にゼロとする。また、磁束制御部を上位に設けその制御出力を割り当てる場合もある。あるいは、予め作成された運転条件を参照するマップによりｄ軸電流指令とｑ軸電流指令とをセットで求める場合もある。
【００３７】
電流指令補正部２０は、ｄｑ軸電流指令１８を電力・電圧制限部２９内の積分部２９ｄが出力するｄｑ軸電流補正信号１９に基づき補正し、それをｄｑ軸電流指令２１とし電流制御部２２に出力する。この電流指令補正部２０についての詳細は後述する。
【００３８】
電流制御部２２は、電流指令補正部２０にて補正されたｄｑ軸電流指令２１と、電流検出器４からの検出モータ電流８と、位置検出器６からの検出モータ位置７とに基づき電圧指令２３を生成する。ここで、電流制御部２２では、ｄｑ軸座標上において、ＰＩ制御とｄｑ軸間の電磁干渉を補償する非干渉制御とを実施し、ｄｑ軸電流各々の制御偏差がゼロとなるよう制御がなされる。その制御処理過程にて得られたｄｑ軸電圧指令２４を静止座標上の電圧指令２３へ変換する。座標変換処理に用いる電気角は検出モータ位置７から換算される。ｄｑ軸電圧指令２４は、電力・電圧制限部２９内のモータ消費電力計算部２９ａ、ｑ軸電圧リミット計算部２９ｅおよびｑ軸電圧取り出し部２９ｇと、電圧振幅計算部３６とに出力される。また、電流制御部２２では、検出モータ電流８を座標変換してｄｑ軸電流２５を求める。ｄｑ軸電流２５は、電力・電圧制限部２９内のモータ消費電力計算部２９ａに出力される。
【００３９】
電流制御部２２にて生成された電圧指令２３は、ＰＷＭ処理部２６においてキャリア比較によりスイッチング指令９に変換される。これによって、インバータ３のスイッチング素子３ａがオン・オフ制御され、モータ５へ交流電力が供給される。以上の処理を繰り返すことでモータ５の位置が制御される。
【００４０】
以上説明した位置指令生成部１３にて生成される位置指令１４によりインバータ３のスイッチング素子３ａをオン・オフ制御するインバータ駆動系の構成において、電流指令の補正を行う電流指令補正部２０を除いた構成は、一般的なものである。
【００４１】
次に電力・電圧制限部２９の構成と動作について詳細に説明する。この電力・電圧制限部２９の機能は、モータ５の駆動において、そのモータ消費電力を電力リミット値以下に制限し、かつ、駆動に要する電圧を電圧リミット値以下に制限することである。この機能は、モータ消費電力抑制処理とモータ駆動電圧抑制制御とによってｄｑ軸電流指令１８の補正に用いるｄｑ軸電流補正信号１９を生成することで実現する。
【００４２】
まず、モータ５の消費電力を電力リミット値以下に抑制するモータ消費電力抑制処理について説明する。モータ消費電力計算部２９ａは、ｄｑ軸電流２５とｄｑ軸電圧指令２４とを用いて式（３）の計算を行い、モータ消費電力２９ｂを導出する。なお、式（３）において、Ｐｏｗはモータ消費電力、Ｖｄ＊はｄ軸電圧指令、Ｖｑ＊はｑ軸電圧指令、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流である。また、式（３）にて求める消費電力Ｐｏｗは、モータ機械出力、機械摩擦などの機械損失、モータ銅損、モータ鉄損などを含む。インバータ３の損失が大きい場合や、直流電源２からインバータ３への配線やインバータ３からモータ５への配線が長くその損失が無視できない場合、それを式（３）式の計算結果に加算することで、直流電源２から出力する電力の電力リミット値への抑制が高精度化できる。但し、式（３）の計算を行わなくても、直流電源２からインバータ３への配線において、直流電流と直流電圧とを検出し、その積算値を用いてもよい。
【００４３】
【数３】
0005611473.tif 000004
【００４４】
減算器２９ｊでは、モータ消費電力計算部２９ａにて求められたモータ消費電力２９ｂと、通信・パラメータ記憶部１１から出力される電力リミット値２８との差分２９ｃを求め積分部２９ｄに出力する。
【００４５】
積分部２９ｄでは、差分２９ｃに対し積分ゲイン掛けと積分処理とを行い、電流指令補正部２０へ送信するｄｑ軸電流指令補正信号１９におけるｑ軸電流指令補正信号を演算する。電流指令補正部２０では、モータ５のトルクの絶対値が小さくなるよう、元々のｑ軸電流指令からｑ軸電流指令補正信号が減算される。
【００４６】
式（３）により求められるモータ５の消費電力は、モータ機械出力とモータ損失との加算値である。モータ機械出力は、モータ速度とモータトルクとの積であるので、モータトルクを抑制することでモータ消費電力も抑制される。モータ消費電力が電力リミット値２８を超えた場合にｑ軸電流指令補正信号は正値となる。その場合に、電流指令補正部２０では、モータ力行時はｑ軸電流指令に対して単純に減算処理されるが、モータ回生時はｑ軸電流指令の絶対値が小さくなるようｑ軸電流指令補正信号の極性を反転して減算処理がなされる。なお、本実施の形態１では、電流指令補正部２０は、ｑ軸電流指令の補正を行う構成としたが、ｑ軸電流の増減と同極性にてモータトルクも増減するため、トルク指令１６を補正する構成としても同様の効果が得られる。
【００４７】
次に、モータ駆動に要する電圧を電圧リミット値２７以下に抑制するモータ駆動電圧抑制処理について説明する。ｑ軸電圧リミット計算部２９ｅでは、電流制御部２２から出力されるｄｑ軸電圧指令２４と、通信・パラメータ記憶部１１から出力される電圧リミット値２７とを式（４）に適用してｑ軸電圧リミット値２９ｆを算出する。なお、式（４）において、ＶｑＬｉｍがｑ軸電圧リミット値２９ｆに相当する。ＶｎＬｉｍは電圧リミット値２７である。Ｖｄ＊はｄｑ軸電圧指令２４から得られるｄ軸電圧指令である。
【００４８】
【数４】
0005611473.tif 000005
【００４９】
ｑ軸電圧取り出し部２９ｇは、電流制御部２２から出力されるｄｑ軸電圧指令２４からｑ軸電圧分のみを選択し、それをｑ軸電圧指令２９ｈとして出力する。
【００５０】
減算器２９ｋでは、ｑ軸電圧取り出し部２９ｇにて求められたｑ軸電圧指令２９ｈと、ｑ軸電圧リミット計算部２９ｅにて求められたｑ軸電圧リミット値２９ｆとの差分２９ｉを求め積分部２９ｄに出力する。
【００５１】
積分部２９ｄでは、差分２９ｉに対し積分ゲイン掛けと積分処理とを行い、電流指令補正部２０へ送信されるｄｑ軸電流指令補正信号１９におけるｄ軸電流指令補正信号を演算する。電流指令補正部２０では、ｄ軸電流指令からｄ軸電流指令補正信号を減算する補正が行われる。
【００５２】
電圧指令の振幅には、ｄ軸（励磁）電流と、モータ５の回転子の永久磁石による磁束が回転することによって発生する誘起電圧とが含まれる。この誘起電圧成分は、主にｑ軸側に現れる。したがって、電流指令補正部２０では、ｑ軸電圧を基にｄ軸電流指令を補正することによりｑ軸電圧を抑制できるので、モータ駆動に要する電圧の抑制が実現できる。なお、以上に説明した誘起電圧の性質上、ｄ軸電流とモータ５の永久磁石による磁束、あるいは磁束制御部が存在する場合は磁束指令を補正する構成としてもよい。
【００５３】
積分部２９ｄは、前記のように積分処理を行うが、ｄｑ軸電流指令の補正が不要なときは動作を停止する。すなわち、内蔵する積分器に下限値を設けその下限値をゼロとする。このためｄｑ軸電流指令補正信号１９は負値とはならない。なお、積分器により積分処理を実施するのは、ｄ軸とｑ軸の各電流指令補正信号を保持すると共に、ｄ軸とｑ軸の各電流指令補正動作のオン・オフのチャタリングを防止し滑らかな電力・電圧抑制制御処理が行えるようにするためである。
【００５４】
電流指令補正部２０では、前記したように、ｄｑ軸電流指令１８からｄｑ軸電流指令補正信号が減算される。電流指令補正部２０は、その後、減算後のｄｑ軸電流指令から電流指令の振幅を式（５）を用いて算出する。なお、式（５）において、Ｉｄ＊は減算処理後のｄ軸電流指令であり、Ｉｑ＊がｑ軸電流指令であり、Ｉｎ＊は求める電流指令振幅である。
【００５５】
【数５】
0005611473.tif 000006
【００５６】
式（５）にて得られる電流指令振幅がモータ５やインバータ３の仕様で決まる最大電流振幅を超える場合には、ｄ軸電流指令とｑ軸電流指令との比率を維持したまま、両者を抑制して電流指令振幅を許容範囲内に留め、それを補正後のｄｑ軸電流指令２１として出力する。具体的には、モータ５やインバータ３の仕様で決まる最大電流振幅をＩｎｍａｘとすると、式（６）および式（７）に示す置き換えを実施する。
【００５７】
【数６】
0005611473.tif 000007
【００５８】
なお、式（６）および式（７）による電流振幅の制限を行う場合、電力・電圧制限部２９内の積分部２９ｄでは、積分器の過剰な積分値の蓄積を避けるため、積分器出力が増加する方向への積分器動作は停止する。
【００５９】
以上に説明したように、モータ消費電力を電力リミット値２８以下に抑制する場合、ｑ軸電流を補正するが、式（１）の回路方程式からも明らかなように、ｑ軸電流の変化によりｄ軸電圧が変化しモータ駆動に要する電圧も変化する。また、モータ駆動に要する電圧を電圧リミット値２７以下に抑制する場合、ｄ軸電流を補正するがそれに合わせてモータ巻線の銅損も増減しモータ消費電力も変化する。このようにモータ消費電力とモータ駆動に要する電圧という２つの物理量の間には干渉が存在する。このため、前記したモータ消費電力抑制処理とモータ駆動電圧抑制処理とを同時にかつ並行して動作させることで、両制御処理の精度を格段に高めることができる。この結果、インバータ３や直流電源２についてより小容量の機種が適用でき、コストを削減する効果がある。
【００６０】
次に、トルクリミット出力部３０について、構成例を示す図２と図３を参照して説明する。図２において、トルクリミット出力部３０は、例えば図２に示すように、収束計算部３０ａとトルク換算部３０ｑとの動作により、電圧リミット値２７、電力リミット値２８およびモータ回転子速度情報３２に基づきトルクリミット値３１の算出を行う。
【００６１】
収束計算部３０ａは、モータモデル３０ｄとモデル電力・電圧制限部３０ｂとを備えている。モータモデル３０ｄは、モデル電力・電圧制限部３０ｂの出力であるモデルｄｑ軸電流３０ｃと、モータ回転子速度情報３２とを用いてモデルｄｑ軸電圧３０ｅの計算を行う。モータモデル３０ｄは、具体的には式（１）の計算を実施する。
【００６２】
モデル電力・電圧制限部３０ｂは、モータ消費電力計算部３０ｆと、ｑ軸電圧リミット計算部３０ｌと、ｑ軸電圧取り出し部３０ｊと、減算器３０ｏ，３０ｐと、積分・電流振幅抑制部３０ｉと備えている。つまり、モデル電力・電圧制限部３０ｂは、電力・電圧制限部２９とほぼ同様の構成により、ほぼ同様の動作を行う。
【００６３】
モータ消費電力計算部３０ｆでは、モータモデル３０ｄから出力されるモデルｄｑ軸電圧３０ｅと、モデル電力・電圧制限部３０ｂの出力であるモデルｄｑ軸電流３０ｃとに基づき、モータモデル消費電力３０ｇを計算する。式（１）において考慮される損失はモータ銅損である。モータ鉄損や配線での導通損失、モータ機械損失がモデリングされる場合は、これらの値も含めて計算を行う。
【００６４】
減算器３０ｏは、モータモデル消費電力３０ｇと電力リミット値２８との差分３０ｈをとり、積分・電流振幅抑制部３０ｉに出力する。積分・電流振幅抑制部３０ｉでは、差分３０ｈに対し積分処理を実施しモデルｄｑ軸電流３０ｃにおけるモデルｄ軸電流を求める。
【００６５】
また、モデルｑ軸電圧リミット計算部３０ｌでは、式（４）同様にモデルｑ軸電圧リミット値３０ｍを計算する。ｑ軸電圧取り出し部３０ｊは、モータモデル３０ｄにて生成されたモデルｄｑ軸電圧３０ｅからｑ軸電圧分のみを選択し、それをモデルｑ軸電圧３０ｋとして出力する。
【００６６】
減算器３０ｐは、モデルｑ軸電圧リミット値３０ｍとモデルｑ軸電圧３０ｋとの差分３０ｎをとり積分・電流振幅抑制部３０ｉに出力する。積分・電流振幅抑制部３０ｉでは、差分３０ｎに対し積分処理を実施し、モデルｄｑ軸電流３０ｃにおけるモデルｑ軸電流を求める。積分・電流振幅抑制部３０ｉは、モデルｄ軸電流とモデルｑ軸電流とを合わせてモデルｄｑ軸電流３０ｃとする。トルク換算部３０ｑでは、モデルｄｑ軸電流３０ｃからトルクリミット値３１を変換生成する。
【００６７】
このように図２に示すトルクリミット出力部３０では、モータモデル３０ｄとモデル電力・電圧制限部３０ｂとトルク換算部３０ｑとの動作によりトルクリミット値３１の算出を行う。すなわち、モータモデル３０ｄの電圧と消費電力が、電力リミット値２８以内かつ電圧リミット値２７以内という条件を満たして最大トルクとなるｄｑ軸電流を収束計算によって求め、これからトルクリミット値３１を求めて出力する構成となっている。このためモデル電力・電圧制限部３０ｂの構成は、図１にて説明した電力・電圧制限部２９の構成とほぼ同じとなる。この方式を用いるとｄ軸電流による消費電力増加分も予め考慮してトルクリミット値を決定できる。
【００６８】
なお、図１の電力・電圧制限部２９での減算器２９ｉ，２９ｋでの差分と、図２のモデル電力・電圧制限部３０ｂでの減算器３０ｏ，３０ｐでの差分とで符号が異なるのは、電力・電圧制限部２９では、別途存在するｄｑ軸電流指令１８に対するｄｑ軸電流指令補正信号１９を生成するのに対し、モデル電力・電圧制限部３０ｂではｄｑ軸電流自体を生成するからである。
【００６９】
ここで、さらにｄ軸電流が負値のみとすると、積分・電流振幅抑制部３０ｉにおいてモデルｄ軸電流を出力する積分器には上限値０の設定を設ける。一方、最大トルクとなるｑ軸電流を得るため、積分・電流振幅抑制部３０ｉにおいてモデルｑ軸電流を出力する積分器には上限値または下限値は特に設けない。このときは、積分・電流振幅抑制部３０ｉにおける積分器が保持する値は収束計算によるｄｑ軸電流の初期値となる。
【００７０】
また、電流指令補正部２０にて説明したように、積分・電流振幅抑制部３０ｉでは電流振幅の抑制と共に、内蔵する積分器の値の過剰な蓄積を避ける措置を取る。そして、積分・電流振幅抑制部３０ｉの積分器においてｑ軸電流の収束計算の初期値にモータ５が許容する最大トルク電流値を設定する。ｄ軸電流の収束計算の初期値はゼロとする。
【００７１】
この収束計算は、モータ回転子速度情報３２が異なる度に実施される。この収束計算は、一般に、モータ制御装置１ａを構成するコンピュータ上のソフトウェアやＦＰＧＡなどの電子回路によって実現され、周期的かつ離散的に実行される。その回路動作はモータ５の回転子速度変化よりは十分に高速と考えられ、前回の収束計算実施時のモータ回転子速度に近い値となり収束計算によって得られるｄｑ軸電流も前回結果と近い値となる。このためモータ消費電力計算部３０ｌ内の積分器における初期値に前回の収束計算値で得られた値を用いると、収束計算回数の削減につながる。
【００７２】
トルク換算部３０ｑでは収束計算終了後、以上の収束計算により得られたモデルｄｑ軸電流３０ｃを式（８）に適用してトルクＴａを計算し、それをトルクリミット値３１として出力する。
【００７３】
【数７】
0005611473.tif 000008
【００７４】
以上のｄｑ軸電流を求める計算は例えばニュートン法などを用いてもよい。以上説明した収束計算によるトルクリミット値３１の計算方法は、電力リミット値２８や電圧リミット値２７など全ての計算条件に合致する解の存在を予め把握する必要がなく、そのような解がなくても比較的近い条件の解を出力できるというメリットがある。
【００７５】
また、トルクリミット出力部３０は、以上説明した収束計算を行う図２に示す構成に代えて、例えば、図３に示すように、トルクテーブル初期化制御部３０ｒと、モータ回転子速度に応じたトルクリミット値を記憶するトルクテーブル３０ｓと、図示しないトルクリミット値出力部とを用いて構成することができる。
【００７６】
トルクテーブル初期化部３０ｒでは、モータ５の運転開始前に、または、前記電力リミット値が変更されたタイミングまたは電圧リミット値が変更されたタイミングにおいて、予め図２にて説明した収束計算をモータ回転子速度毎に実施し、得られたトルクリミット値をトルクテーブル３０ｓに設定する。図示しないトルクリミット値出力部は、モータ運転中に、モータ回転子速度情報３２を基にトルクテーブル３０ｓを参照してトルクリミット値３１を出力する。このような構成とすると、モータ駆動時の消費電力と駆動電圧を所定範囲となるトルクを予め計算するので、図２に示す収束計算処理をモータの位置・速度・電流制御処理と並列に動作させる必要がなくなり、処理負荷が軽減される。
【００７７】
次に、位置指令生成部１３は、加減速設定部１３ａとモータモデル１３ｃとを備えている。モータモデル１３ｃは、式（９）および式（１０）で表される仮想的な機械方程式によりモデル速度１３ｄとモデル位置１３ｅとを計算する。そして、モータモデル１３ｃは、モデル速度１３ｄを加減速設定部１３ａに出力するとともに、トルクリミット出力部３０で用いるモータ回転子速度情報３２に割り当てる。また、モータモデル１３ｃは、モデル位置１３ｅを到達時間推定シーケンス制御部３３に出力するとともに、位置・速度制御部１５に与える位置指令１４に割り当てる。なお、式（９）および式（１０）において、Ｔｂは加減速設定部１３ａからのモデルトルク１３ｂであり、ωｒｍは加減速設定部１３ａへのモデル速度１３ｄであり、θｒｍは加減速設定部１３ａへのモデル位置１３ｅである。
【００７８】
【数８】
0005611473.tif 000009
【００７９】
トルクリミット出力部３０に用いるモータ回転子速度情報３２には、検出モータ位置７から計算されるモータ回転子速度や速度指令などを割り当ててもよいが、機械摩擦や負荷トルクなどモータのモデル化に伴う誤差や速度制御偏差や検出モータ位置７に含まれるノイズ等の外乱の影響を受けやすい。それに対し、モデル速度１３ｄを用いると、ノイズ等の外乱の影響を避け安定した位置指令生成が可能となる。
【００８０】
加減速設定部１３ａは、トルクリミット出力部３０からのトルクリミット値３１と、モータモデル１３ｃからのモデル速度１３ｄおよびモデル位置１３ｅと、通信・パラメータ記憶部１１からの目標位置１２および位置制御時最高速度３５とを入力とし、モータモデル１３ｃの機械方程式の計算に用いるモデルトルク１３ｂを生成しモータモデル１３ｃに対し出力する。
【００８１】
図４は、図１に示す位置指令生成部において、加減速設定部がモータモデルの加速・減速を判断する手順を説明するフローチャートである。図４において、加減速設定部１３ａは、目標位置１２が入力されると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、モデル速度１３ｂによりモータモデル１３ｃに通知して、加速モードへ移行し（ステップＳ２）、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。モータモデル１３ｃは、加速を開始する。
【００８２】
加減速設定部１３ａは、ステップＳ３において、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも大きい場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、モデル速度１３ｄがωｒｍｍａｘ（位置制御時最高速度３５）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。小さい場合は（ステップＳ４：Ｎｏ）ステップＳ２に進み、大きい場合は（ステップＳ４：Ｙｅｓ）ステップＳ５に進む。
【００８３】
すなわち、加減速設定部１３ａは、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも大きく（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、かつ、モデル速度１３ｄがωｒｍｍａｘよりも小さい状況（ステップＳ４：Ｎｏ）が連続している場合は加速モードを維持する（ステップＳ２）。
【００８４】
その後、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも大きいが（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、モデル速度１３ｄがωｒｍｍａｘよりも大きくなると（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、加減速設定部１３ａは、速度維持モードに移行する（ステップＳ５）。加減速設定部１３ａは、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも大きい間（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、速度維持モードに維持する（ステップＳ５）。
【００８５】
加減速設定部１３ａは、加速モード（ステップＳ２）を維持している場合に、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも小さくなったとき（ステップＳ３：Ｎｏ）、また、速度維持モード（ステップＳ５）を維持している場合に、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が減速距離よりも小さくなったとき（ステップＳ６：Ｎｏ）、減速モードへ移行する（ステップＳ７）。
【００８６】
その後、加減速設定部１３ａは、モデル速度１３ｄが値０よりも大きく（ステップＳ８：Ｙｅｓ）、かつ、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が値０よりも大きい（ステップＳ９：Ｙｅｓ）状況が連続している間、減速モードを維持する（ステップＳ７）。そして、減速モードを維持している過程で、モデル速度１３ｄが値０になった場合（ステップＳ８：Ｎｏ）、または、目標位置１２に対するモデル位置１３ｅの位置偏差が値０になった場合（ステップＳ９：Ｎｏ）は、動作を停止し（ステップＳ１０）、本手順を終了する。
【００８７】
なお、減速距離は、減速中に進む位置の変化量を示している。加速モード中は、モデル位置１３ｅを減速距離に割り当てる。速度維持モード中は、加速モードから速度維持モードに移行した瞬間のモデル位置１３ｅを保持した値に割り当てる。これは加速に要する距離（位置の変化量）は減速に要する距離と等しいという考え方に基づく。
【００８８】
以上のような加減速設定部１３ａとモータモデル１３ｃとの協働により生成されるモデル速度１３ｄは、モータ回転子速度情報３２としてトルクリミット出力部３０に入力される。また、同様の協働により生成されるモデル位置１３ｅは、位置指令１４として位置・速度制御部１５と到着時間推定シーケンス制御部３３とに入力される。
【００８９】
ここで、位置指令生成部１３では、加減速に用いるトルクは一定値でなくてもよい。すなわち、モータ回転子速度に対するトルクリミット値の形状は任意の波形でよいという特徴を有している。一方、従来のモータ位置制御処理においては、加速・減速に用いるトルクは一定とし、その速度パターンは時間に対し台形あるいは三角形となるように位置指令生成が行われることが一般的である。
【００９０】
図５を参照して説明する。なお、図５は、図３に示すトルクリミット出力部でのトルクテーブルの計算例を示す図である。図５において、太い実線で示す略台形状のトルクパターン４２は、図３に示すトルクリミット出力部での処理で得られるトルクリミット値である。そして、トルクリミット値４２内に、鎖線で囲って示す４角形のトルクパターン４３は、一定トルクによる従来の位置制御を行う場合の使用トルクパターンである。位置制御時に許容される最高速度４４は、ユーザが設定する。使用トルクパターン４３の上辺部にハッチングして示す領域４５は、一定トルクによる従来の位置制御では使用されないトルクである。本実施の形態１によれば、位置指令生成部１３では、加減速に用いるトルクは一定値でなくてもよいから、この領域４５でのトルクも使用することができる。よって、モータ５の回転子を目標位置まで制御するのに要する時間を短くすることができる。
【００９１】
勿論本実施の形態１においても、図５に示すようにトルクリミット値４２が決定されれば、位置制御時に許容される最高速度４４によって加減速トルクの値が定まるので、一定トルクによる従来の位置制御を行ってもよい。
【００９２】
次に、到達時間推定シーケンス制御部３３は、モータ５の動作開始前に、トルクリミット出力部３０および位置指令生成部１３をそれぞれ仮想的にシミュレート動作させ、モデル位置１３ｅが目標位置１２に到達するまでの時間を推定し、それを推定到達時間３４として通信・パラメータ記憶部１１を介して上位制御装置１０に送信する。上位制御装置１０は、受信した推定到達時間３４が、例えば想定よりも長い場合は、電力リミット値２８を上げてモータ制御装置１ａに送信するなど再度の調整を実施する。これによって、上位制御装置での適切な電力・電圧リミット設定が実現できる。
【００９３】
直流電源２に当該モータ５およびインバータ３の他に、複数台のモータおよびインバータが接続され、上位制御装置１０にてまとめて制御するシステムでは、この推定到達時間３４は、各モータの連携動作のスケジューリングには必須となる。従来の一定トルク加減速による三角速度パターンあるいは台形速度パターンによる位置指令生成を行う場合においては、目標位置までの到達時間はトルクやモータイナーシャなどの条件から解析的に算出可能である。しかし、トルクリミット値３１を最大限に利用する方法では、目標位置までの到達時間は解析的な導出が困難であり、推定到達時間３４を求めるシミュレート動作を用いる。
【００９４】
以上のように本実施の形態１によれば、目標位置に対する位置指令を生成する際に、モータ消費電力が所定のモータ電力リミット値以内となり、かつ、モータ駆動に要する電圧振幅が所定の電圧リミット以内となるトルクリミット値を参照し、それに従って位置指令を生成するので、モータの消費電力を電力リミット値以内に抑制し、かつモータの駆動に要する電圧を電圧リミット値以内に抑制しつつ、モータの回転子位置を目標位置に追従させる制御を安定かつ滑らかに実施することができる。
【００９５】
これによって、インバータ３や直流電源２に、より小容量の機種が適用できるので、コストを削減する効果がある。逆に予め必要な電力や電圧が把握できるので、直流電源２の選定作業が簡易化する効果も得られる。加えて、昼間は電力使用を抑制し、夜間に大電力を使用して位置決め時間を短縮するなどが行えるので、モータ制御装置が設置されている施設での計画的な電力消費に貢献できる。
【００９６】
なお、電力・電圧制限部２９を用いなくても、トルクリミット出力部３０が出力するトルクリミット値３１に従った位置指令１４の生成を行うことができるので、モータ消費電力の抑制とモータ駆動電圧の抑制とを同時に達成することができる。しかし、電力・電圧制限部２９を組み合わせると、ｄ軸電流の補正による誘起電圧の抑制によりモータ最高速度をより高めることができるので、目標位置までの位置制御すなわち位置決めに要する時間の短縮化が図れるという効果がある。
【００９７】
電力・電圧制限部２９を組み合わせると、トルクリミット出力部３０のモータモデル３０ｄとモータ５のモデル化誤差とによりモータ消費電力の増加や駆動電圧の増加があっても、電力・電圧制限部２９が、それらの増加をフィードバックによる電流指令補正により吸収し、モータ消費電力とモータ駆動に要する電圧のリミット値以内への抑制が高精度化できる。
【００９８】
一方、電力・電圧制限部２９のみとした場合でもモータの消費電力を電力リミット値２８以内に抑制し、かつモータの駆動に要する電圧を電圧リミット値２７以内に抑制することができる。しかし、この場合は、それぞれのリミット値に達した場合に、モータの出力トルクと、位置指令生成部にて想定したトルクとの差異が顕著になる場合がある。
【００９９】
位置制御系では積分器やフィルタなど時間依存部分が多いので、位置制御系にてこのトルク誤差に対する対策を行う場合、制御系が煩雑になる問題がある。この点本実施の形態１では、予めトルクリミット出力部３０が出力するトルクリミット値に従った位置指令生成を行うので、トルク誤差に対する対策を省略でき、かつ滑らかな位置制御が達成できる効果がある。
【０１００】
ここで、本実施の形態１では、トルクリミット出力部３０や位置指令生成部１３はモータ制御装置１ａが備える構成としたが、上位制御装置１０において電力リミット値や電圧リミット値の設定を含めて一連の処理を実施し得られた位置指令をモータ制御装置１ａに送信する構成としてもよい。これに限らず適用するハードウェアに応じて各処理を分担させればよいことは言うまでもなく、電力リミット値内や電圧リミット値内でモータを動作させる本発明の本質は変わらない。
【０１０１】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態２によるモータ制御装置１ｂは、モータ５の消費電力およびモータ５の駆動に要する電圧をそれぞれ所定値以下に抑制しつつ、モータ５の回転子速度を目標速度に制御する速度制御の構成を備えている。なお、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
【０１０２】
図６において、本実施の形態２によるモータ制御装置１ｂは、図１（実施の形態１）に示した構成において、位置指令生成部１３に代えて速度指令生成部３９が設けられ、位置・速度制御部１５に代えて速度制御部４１が設けられている。
【０１０３】
速度指令生成部３９は、加減速設定部３９ａとモータモデル３９ｃとを備え、通信・パラメータ記憶部１１から入力される上位制御装置１０が送信した目標速度３８と、トルクリミット出力部３０が出力するトルクリミット値３１とに基づき、速度制御部４１に与える速度指令４０と、トルクリミット出力部３０に与えるモータ回転子情報３２との生成を行う。
【０１０４】
速度指令生成部３９の動作について説明する。加減速設定部３９ａは、通信・パラメータ記憶部１１から入力される目標速度３８と、トルクリミット出力部３０が出力するトルクリミット値３１と、モータモデル３９ｃからのモデル速度３９ｄとに基づき、加速または速度維持の判断を行い、その判断結果を示すモデルトルク３９ｂを生成しモータモデル３９ｃに出力する。
【０１０５】
モータモデル３９ｃは、位置指令生成部１３でのモータモデル１３ｃと同じく、式（９）を計算してモデル速度３９ｄを求め、加減速設定部３９ａに出力する。加減速設定部３９ａは、単純に、目標速度３８とモデル速度３９ｄとを比較し、モデル速度３９ｄが目標速度３８未満の場合には、トルクリミット値３１をモデルトルク３９ｂとしてモータモデル３９ｃに出力し、モデル速度３９ｄが目標速度３８以上となった場合には、モータモデル３９ｃに出力するモデルトルク３９ｂをゼロとする。
【０１０６】
以上のような加減速設定部３９ａとモータモデル３９ｃとの協働により生成されるモデル速度３９ｄは、速度指令４０として速度制御部４１に入力され、また、モータ回転子速度情報３２としてトルクリミット出力部３０と到着時間推定シーケンス制御部３３とに入力される。
【０１０７】
速度制御部４１は、検出モータ位置７からモータ５の回転子速度を求め、求めた回転子速度と速度指令生成部３９が出力する速度指令４０とを比較し、両者が一致するように制御処理を行い、トルク指令１６を出力する。モータ回転子速度情報３２は、実施の形態１と同様に、にてトルクリミット値３１の計算に用いられる。
【０１０８】
到達時間推定シーケンス制御部３３は、実施の形態１と同様に、モータ運転開始前にトルクリミット出力部３０および速度指令生成部３９をそれぞれ仮想的にシミュレート動作させてモデル速度３９ｄが目標速度３８に到達するまでの時間を推定し、それを推定到達時間３４として通信・パラメータ記憶部１１を介して上位制御装置１０に送信する。
【０１０９】
以上のように本実施の形態２によれば、目標速度に対する速度指令を生成する際に、モータ消費電力が所定のモータ電力リミット値以内となり、かつ、モータ駆動に要する電圧振幅が所定の電圧リミット値以内となるトルクリミット値を参照し、それに従って速度指令を生成するので、モータの消費電力を電力リミット値以内に抑制し、かつモータの駆動に要する電圧を電圧リミット値以内に抑制しつつ、モータの回転子速度を目標速度に追従させる制御を安定かつ滑らかに実施することができる。
【０１１０】
これによって、インバータ３や直流電源２に、より小容量の機種が適用できるので、コストを削減できる効果がある。逆に、予め必要な電力や電圧が把握できるので、直流電源２の選定作業が簡易化する効果も得られる。加えて、昼間は電力使用を抑制し、夜間に大電力を使用して速度制御に要する時間を短縮するなどが行えるので、モータ制御装置が設置されている施設での計画的な電力消費に貢献できる。
【０１１１】
なお、電力・電圧制限部２９を用いなくても、トルクリミット出力部３０が出力するトルクリミット値３１に従った速度指令４０の生成を行うことができるので、モータ消費電力の抑制とモータ駆動電圧の抑制とを同時に達成することができる。しかし、電力・電圧制限部２９を組み合わせると、ｄ軸電流の補正による誘起電圧の抑制によりモータ最高速度をより高めることができるので、より高い目標速度まで対応して制御することが可能となる。
【０１１２】
一方、電力・電圧制限部２９のみとした場合でもモータの消費電力を電力リミット値２８以内に抑制し、かつモータの駆動に要する電圧を電圧リミット値２７以内に抑制することができる。この場合は、実施の形態１にて説明したように、速度指令生成に想定したトルクとモータトルクとの間に誤差が生じる。しかし、速度制御系のみの場合、位置制御系も持つ場合と比較し積分や時間依存する部分が少なくなるので、速度指令生成に想定したトルクとモータトルクとの間に生じる誤差への対策が容易であり問題とはならず、トルクリミット値３１に従った速度指令生成と組み合わせることによって滑らかな速度制御が実現できる。
【０１１３】
実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３として、図３に示すトルクリミット出力部でのトルクテーブルの補正例を示す図である。
【０１１４】
実施の形態１，２では、図１や図６に示したトルクリミット出力部３０を図３に示すように構成してもよいとした。図５に示したトルクリミット値４２は、図３に示すトルクリミット出力部での処理で得られるトルクリミット値（つまり、実施の形態１にて説明した収束計算によって得られたモータ回転速度に対するトルクリミット値）であるが、このトルクリミット値４２では、ゼロ速度近傍において最大トルクを示し、最高速度近傍において或る大きさのトルクを示しており、それぞれにおいて大きな電力消費が生じている。
【０１１５】
そこで、本実施の形態３では、過渡的なモータ電流の変化による電力消費の増大を抑制するため、図５に示したトルクリミット値４２において、トルク立ち上げやトルク立ち下げの変化率を抑制して設定する場合について説明する。なお、説明の便宜から、実施の形態１への適用例として説明する。
【０１１６】
加速開始時のトルク立ち上げや減速開始時のトルク立ち下げの変化率を抑制する具体的な方法として、図５に示したトルクリミット値４２において、ゼロ速度近傍と最高速度近傍のそれぞれにおいてトルクが最大トルクとならないように抑制する方法を考える。
【０１１７】
このようにゼロ速度近傍と最高速度近傍のそれぞれにおいてトルクが最大トルクとならないよう抑制したトルクテーブルに従うと、モータ５の加速開始時や加速終了時などで発生するトルクの立ち上げや立ち下げが緩やかに実施されるので、過渡的な消費電力を抑制することが可能となる。
【０１１８】
但し、ゼロ速度近傍やモータ最高速度近傍においてトルクがゼロであると、位置指令生成において仮想速度の始動ができなくなる。これを防止するため、両速度において、幾らかのトルクを残している。
【０１１９】
図７を参照して説明する。図７では、図５に示したトルクリミット値４２が長鎖線で示されている。このトルクリミット値４２の立ち上げ部分および立ち下げ部分は、短鎖線４７ａ，４７ｂで示すように、緩やかな変化率で変化するように補正されて、トルクリミット値４８となっている。この緩やかな変化率で変化する短鎖線４７ａ，４７ｂで示すトルクは、後述する式（２０）に従って制限されたトルクある。そして、このトルクリミット値４８のゼロ速度近傍と最高速度近傍とのそれぞれに、位置指令生成に用いるトルク４９ａ，４９ｂを残している。
【０１２０】
なお、このトルク変化率の制限や抑制は、実施の形態１にて説明したモデルトルク１３ｂに対しローパスフィルタ処理や変化率リミッタ処理を行うことでも実現ができる。しかし、これらの処理の場合、モータモデル１３ｃにおける加速時のモデルトルク１３ｂの時系列波形と減速時のモデルトルク１３ｂの時系列波形とが異なってしまい、位置制御時の減速距離に過不足が生ずる原因となる。
【０１２１】
この点、図５に示したトルクリミット値４２に対して補正を行う場合は、加速時と減速時とでのモデルトルク波形は、時間軸に対して対称となり、加速時と減速時との影響は受けない。
【０１２２】
次に、本実施の形態３によるトルク制限の設定方法について説明する。式（１）と式（３）とにより、過渡項を含めたモータ消費電力は式（１１）で表現される。過渡項による消費電力は、下線を付した「電流変化率と電流との積」で表される。
【０１２３】
【数９】
0005611473.tif 000010
【０１２４】
位置指令生成の際の速度は、大まかに、（１）加速開始→（２）加速→（３）加速停止→（４）一定速度→（５）減速開始→（６）減速→（７）減速停止の順に実施されるが、過渡的な消費電力は、（１）→（２）や（３）→（４）、（４）→（５）、（６）→（７）のような場合に特に顕著に現れる。
【０１２５】
このうち、（３）→（４）や（４）→（５）の変化については、変化直前の定常的な消費電力と変化中の過渡的な消費電力との極性が異なり、結果としてあまり大きな消費電力とはならない。例えば加速から一定速度へ移行する場合は、トルク電流が正値から減少していくため式（１１）の第４項に示すＩｑ過渡項による電力は負値となるが、変化直前の消費電力が正であるため、電流変化が特に顕著でない限りその和は制限を越えない。一方、（１）→（２）の変化や（６）→（７）の変化に際しては変化直前の消費電力と過渡項による電力の極性とが一致し、その和が制限を越える可能性がある。
【０１２６】
（１）→（２）の変化を例に挙げて説明する。ｑ軸電流を直線状に立ち上げ、トルクテーブル制限値に記載されたトルクに相当するｑ軸電流をＩｑ０に設定する。立ち上げの変化率をαとすると、トルク電流の時間式は式（１２）と表され、トルクは式（１３）と表される。ｄ軸電流をゼロとすると、電気角周波数は式（１４）、モータ消費電力は式（１５）と表される。ｑ軸電流を直線状に立ち上げ、トルクテーブル制限値に記載されたトルクに相当するｑ軸電流がＩｑ０に達するまでの時間Δｔは式（１６）と表される。
【０１２７】
【数１０】
0005611473.tif 000011
【０１２８】
式（１５）で表されるモータ消費電力は、時間が経過するほど増大するため０〜Δｔ［ｓｅｃ］の間では、時間Δｔでの消費電力が一番大きい。そこで、時間Δｔを式（１５）に代入すると、式（１７）が得られる。この式（１７）は、トルク電流立ち上げの変化率αの関数となっており、式（１７）を変化率αで微分して式（１８）を得る。変化率αを変化させて式（１７）の計算を実行すると、極性が変化する変化率αが式（１７）を最小とする変化率αとなる。このため、式（１８）をゼロと置くと、式（１９）が得られ過渡的な消費電力が最小となる変化率α、すなわち電流立ち上げの変化率が得られることなる。このとき、トルクとモータ速度（電気角周波数）の関係は（２０）式となる。
【０１２９】
【数１１】
0005611473.tif 000012
【０１３０】
図５に示したトルクテーブル４２の補正を式（２０）に従って実施すると、過渡的な消費電力の抑制が達成できる。変化に対する過渡的な消費電力は、以上に示した計算手順を用いてもｑ軸電流立ち下げの最適値は得ることができない。しかし、緩やかにしたほうが過渡時の消費電力の抑制となるため、式（２０）にて得られたゼロ速度近辺のトルク補正を反転させた波形にて補正を行う。
【０１３１】
本実施の形態３によれば、トルクテーブルのゼロ速度近傍および最高速度近傍において、トルク立ち上げやトルク立ち下げの変化率を抑制して設定する補正を行うので、トルクの立ち上げやたち下げを緩やかにして過渡的な消費電力を抑制することができ、過渡時においても所定の消費電力内の動作とすることができる。このように、モータ駆動時の過渡時の消費電力を考慮したトルクテーブルとすることができるので、消費電力抑制の高精度化が図れる。なお、式（２０）に厳密に従わなくても、図７に示す形状のように加速開始近傍時、減速終了近傍時のトルクテーブルが抑制されていれば、最適とまではいかないまでも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【０１３２】
ここで、図１および図６では、モータの電流を２軸直交回転座標上の成分である励磁電流成分およびトルク電流成分に振り分けて扱うモータ制御装置において、モータの消費電力を計算する電力計算部と、電力計算部が計算したモータ消費電力を所定のモータ電力リミット値以内に制限する電力制限部と、モータのトルク分電圧リミット値を計算するトルク分電圧リミット値計算部と、モータの駆動電圧を所定のモータ電圧リミット値以内に制限する電圧制限部とを備える電力・電圧制限部における、電力制限部は、モータ電力リミット値に対する前記モータ消費電力の超過量に応じてモータトルク電流を補正し、トルク分電圧リミット値計算部は、モータ電圧リミット値とモータの励磁分電圧とに基づきモータのトルク分電圧リミット値を計算し、電圧制限部は、トルク分電圧リミット値計算部が計算したモータのトルク分電圧リミット値に対するモータトルク分電圧の超過量に応じてモータ励磁電流を補正することを特徴とするモータ制御装置が示されている。
【０１３３】
この構成によれば、モータの消費電力をフィードバックして、消費電力が所定値以下となるようトルク電流が補正されるので、モータの出力トルクが抑制され、モータ駆動に際してモータ消費電力を所定値以下に抑制する制御が高精度に実施できる。また、モータトルク分電圧をフィードバックしてモータの励磁電流が補正されるので、モータの誘起電圧が抑制され、モータ駆動に際してモータ駆動に要する電圧を所定値以下に抑制する制御が高精度に実施できる。
【０１３４】
また、図２、図３および図５では、モータの電流を２軸直交回転座標上の成分である励磁電流成分およびトルク電流成分に振り分けて扱うモータの制御装置において、モータモデル部とモデル電力・モデル電圧制限部とを備え前記モータの許容トルクとなるトルクリミット値をモータ回転子速度に応じて出力するトルクリミット出力部におけるモデル電力・モデル電圧制限部は、モータモデル消費電力を計算するモータモデル電力計算部と、モータモデル電力計算部が計算したモータモデル消費電力を所定のモータ電力リミット値以内に制限するモータモデル電力制限部と、モータモデルのトルク分電圧リミット値を計算するモータモデルトルク分電圧リミット値計算部と、モータモデル駆動電圧を所定のモータ電圧リミット値以内に制限するモータモデル電圧制限部とを備え、前記モータモデル電力制限部は、モータ電力リミット値に対する前記モータモデル消費電力の超過量に応じてモータモデルトルク電流を補正し、モータモデルトルク電圧リミット値計算部は、モータ電圧リミット値とモータモデルの励磁分電圧とに基づきモータモデルのトルク分電圧リミット値を計算し、モータモデル電圧制限部は、モータモデルトルク分電圧リミット値に対する前記モータモデルトルク分電圧の超過量に応じてモータモデル励磁電流を補正する処理をモータ回転速度毎に実施し、該補正処理によって得られたモータモデルのトルク電流とモータモデルの励磁電流とに基づきモータモデルのトルクを計算し、該計算したモータモデルのトルクをトルクリミット値として出力することを特徴とするモータ制御装置が示されている。
【０１３５】
この構成によれば、モータモデルを用いて、モータの消費電力や駆動に要する電圧を予め織り込んだトルクリミット値をモータ回転速度毎に算出し、このトルクリミット値を超えないようにモータ制御を行うため、モータ消費電力とモータ駆動に要する電圧を所定値以下に制限してモータ駆動を行う際の処理負荷の軽減が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、モータの消費電力およびモータ駆動に要する電圧を所定の範囲内に抑制できるモータ制御装置として有用である。
【符号の説明】
【０１３７】
１ａ，１ｂ  モータ制御装置
２  直流電源
３  インバータ
４  電流検出器
５  モータ（埋め込み磁石型同期モータ：ＩＰＭ）
６  位置検出器
１０  上位制御装置
１１  通信・パラメータ記憶部
１３  位置指令生成部
１３ａ，３９ａ  加減速設定部
１３ｃ，３９ｃ  モータモデル（機械）
１５  位置・速度制御部
１７  電流指令換算部
２０  電流指令補正部
２２  電流制御部
２６  ＰＷＭ処理部
２９  電力・電圧制限部
２９ａ  モータ消費電力計算部
２９ｂ  モータ消費電力
２９ｄ  積分部
２９ｅ  ｑ軸電圧リミット計算部
２９ｇ  ｑ軸電圧取り出し部
２９ｊ、２９ｋ  減算器
３０  トルクリミット出力部
３０ａ  収束計算部
３０ｂ  モデル電力・電圧制限部
３０ｄ  モータモデル
３０ｆ  モータモデル消費電力計算部
３０ｇ  モータモデル消費電力
３０ｉ  積分・電流振幅抑制部
３０ｊ  モデルｑ軸電圧取り出し部
３０ｋ  モデルｑ軸電圧
３０ｌ  モデルｑ軸電圧リミット計算部
３０ｍ  モデルｑ軸電圧リミット値
３０ｏ，３０ｐ  減算器
３０ｑ  トルク換算部
３０ｒ  トルクテーブル初期化部
３０ｓ  トルクテーブル
３３  到達時間推定シーケンス制御部
３６  電圧振幅計算部
３７  モータ駆動に要する電圧
３９  速度指令生成部
４１  速度制御部
【図１】
0005611473.tif 000013
【図２】
0005611473.tif 000014
【図３】
0005611473.tif 000015
【図４】
0005611473.tif 000016
【図５】
0005611473.tif 000017
【図６】
0005611473.tif 000018
【図７】
0005611473.tif 000019