(57)【要約】【課題】本発明は、電流センサの検出値に含まれる誤差に起因する制御誤差を抑制することを目的とする。【解決手段】電流センサのオフセット誤差に起因するトルクリップルと位置誤差は、モータの電気角周波数に及ぶ。本発明が提供する装置は、３相交流モータ１０６が一定速度である時に、パワースペクトル演算部１１１が、位置検出部１０７で検出された位置から位置指令値を減算した値を高速フーリエ変換することによって、電気角周波数における位置誤差信号のパワースペクトルを算出する。次にオフセット補正演算部１１０が、上述のパワースペクトルを評価して、オフセット補正量を更新する。３相交流モータ１０６が一定速度駆動時にこれらの作業を繰り返し行うことで、オフセット誤差に起因するトルクリップルと位置誤差が低減される。【選択図】  図１
2019221105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに供給される電流を検出する電流センサと、
上記モータの回転位置と位置指令値とに基づいて、位置誤差についてのパワースペクトルを求めるパワースペクトル演算部と、
上記パワースペクトル演算部によって求められたパワースペクトルに基づいて、上記電流センサのオフセット補正量を算出するオフセット補正演算部と、を備え、
上記パワースペクトル演算部は、
上記モータの回転速度が一定速度である時に、位置誤差の電気角周波数のパワースペクトルを算出することを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ駆動装置であって、
上記オフセット補正演算部は、
上記パワースペクトル演算部によって求められたパワースペクトルを評価し、勾配法に基づいたアルゴリズムにより上記電流センサのオフセット補正量を更新し、上記パワースペクトル演算部によって求められたパワースペクトルの値を小さくするような上記電流センサのオフセット補正量を算出することを特徴とするモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動装置に関し、特に、モータの制御誤差を抑制する技術に関する。
【０００２】
本明細書では、本発明の実施形態としての３相交流モータの駆動装置（ＮＣ工作機械の軸制御で、主に送り軸制御に採用される３相交流モータの駆動装置）につき、電流センサのオフセット誤差に起因するトルクリップルを低減することが述べられている。
【背景技術】
【０００３】
ＮＣ工作機械の送り軸には、高トルクで制御が容易な３相交流モータを用いることが多い。３相交流モータを駆動する場合において、電流センサの検出値がオフセット誤差を持つと、ベクトル制御で３相交流電流を２相回転座標系（一般に、磁極方向をｄ軸、その電気的直交方向をｑ軸と呼ぶ）に変換したときに、ｄｑ軸電流にリップルが重畳する。３相交流モータは、ｄｑ軸電流に比例してトルクが発生することから、ｄｑ軸電流のリップルに比例してトルクリップルが生じる。
【０００４】
結果として、ｄｑ軸電流のオフセット誤差に起因して、３相交流モータのトルクリップルが生じることになる。ＮＣ工作機械の送り軸において、トルクリップル成分は、モータが備えるロータの回転位置の誤差である位置誤差を発生させ、切削面に筋目が現れる等、加工精度を悪化させる要因となる。
【０００５】
トルクリップルによる位置誤差の抑制のためには、閉ループ制御系の速度・位置のフィードバックゲインを上げることが有効な手段の一つとなるが、制御対象の特性に依存するため、一般的に実現は容易でない。従って、電流センサの検出値のオフセット誤差を精度よく補正し、トルクリップルを低減することで、位置誤差を抑制する方法が考えられる。
【０００６】
従来の駆動装置には、モータに電流を印加していない間の電流センサの検出値を取得し、この検出値をオフセット補正量とするものがある。すなわち、モータが駆動しない状態では電流センサの検出値は０になるはずであり、駆動装置は、この際に検知される値を用いて、オフセットを補正する。
【０００７】
しかしながら、ＮＣ工作機械のような位置誤差に対する許容水準が厳しい対象では、従来の方法による電流センサのオフセット誤差補正法は、検出された電流値にノイズや歪の影響があることが考えられ、トルクリップルおよび位置誤差を抑制するための補正値として利用するには十分とはいえない。
【０００８】
そこで、特許文献３では、モータ駆動装置内の温度、３相交流モータの温度、モータ駆動装置の各部電圧、指令位置とロータ実位置の誤差、および上記位置誤差を高速フーリエ変換して得られるフーリエ係数を入力とした機械学習によって、電流オフセットの補償器を学習する手法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５４４７８１０号
【特許文献２】特許第６０８０６８７号
【特許文献３】特開２０１７−７９５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、電流センサの検出値に含まれる誤差に起因する制御誤差を抑制することにある。上述したように、電流を印加していない間のモータの相電流の値を利用してオフセットの補正をする方法では、実際の位置誤差が評価されない。従って、トルクリップルによる位置誤差を低減するという目的を達成する方法の一つとして、位置誤差を何らかの形で評価し、その評価値を用いてオフセットを補正する方法が考えられる。
【００１１】
その一つとして、特許文献３のように機械学習を用いるものがある。機械学習では、複雑な行動決定を単純な入力から学習することができるが、一般的に学習が収束するまでに非常に多くの時間が要される。特に強化学習は教師データが存在しないため収束が遅い。
【００１２】
また、一種類の工作機械で得られた学習モデルは、他種の工作機械に一般化して用いることが困難である。よって、それぞれの工作機械において、モデルを学習することが求められる。さらに、学習時間が長いと、それぞれの工作機械でモデルを学習する作業に、多くの工数がかかってしまうことが予想される。
【００１３】
そこで、実際の位置誤差を評価しつつ、電流オフセットの補正を素速く行うために、電流オフセット補正問題固有の情報を選択して用いることと、収束の速い手法を用いることとが提案されてもよい。
【００１４】
また特許文献３では、学習におけるモータ速度に関して、具体的な実装方法が明記されていないが、一つ以上の一定速度条件下でモータを駆動させる方法が提案されてもよい。すなわち、オフセット誤差を補正するために様々な条件でモータを駆動させる必要がない方法が提案されてもよい。
【００１５】
本発明は、電流センサの検出値に含まれる誤差に起因する制御誤差を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、モータに供給される電流を検出する電流センサと、上記モータの回転位置と位置指令値とに基づいて、位置誤差についてのパワースペクトルを求めるパワースペクトル演算部と、上記パワースペクトル演算部によって求められたパワースペクトルに基づいて、上記電流センサのオフセット補正量を算出するオフセット補正演算部と、を備え、上記パワースペクトル演算部は、上記モータの回転速度が一定速度である時に、位置誤差の電気角周波数のパワースペクトルを算出することを特徴とする。
【００１７】
望ましくは、上記オフセット補正演算部は、上記パワースペクトル演算部によって求められたパワースペクトルを評価し、勾配法に基づいたアルゴリズムにより上記電流センサのオフセット補正量を更新し、上記パワースペクトル演算部によって求められたパワースペクトルの値を小さくするような上記電流センサのオフセット補正量を算出する。
【００１８】
また、本発明の実施例による３相交流モータ駆動装置は、３相交流モータに電流を供給するインバータと、上記インバータから３相交流モータに供給される電流を計測する電流センサと、上記インバータから３相交流モータへの電流の供給量を制御する制御部と、上記３相交流モータの回転位置としての角度を検出する検出器と、上記３相交流モータが一定速度であることを判断し、角度指令値から検出角度を減算することで位置誤差を計算し、上記位置誤差を高速フーリエ変換し、上記位置誤差の電気角周波数におけるパワースペクトルを求める演算装置と、上記パワースペクトルを評価し、勾配法に基づくアルゴリズムによって、電流センサのオフセット誤差を補正するオフセット補正演算部と、を備えていてもよい。本実施形態では、３相交流モータ駆動装置の電流センサのオフセット誤差に起因するトルクリップルおよびＮＣ工作機械の制御軸の位置誤差が低減される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、モータ駆動装置の電流センサの検出誤差に起因する制御誤差が低減される。さらに、後述する本発明の実施形態によれば、モータ駆動装置の電流センサの検出値に含まれる誤差に起因するモータのトルクリップルが低減され、ＮＣ工作機械の位置誤差が抑制され、装置の信頼性と加工精度の向上が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の３相交流モータ駆動装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本実施例における電流センサのオフセット補正量更新アルゴリズムのフローチャートである。
【図３】本発明の駆動装置の速度指令値および位置指令値の一例を示すグラフである。
【図４】本実施例のシミュレーションにおけるオフセット補正をする前後のモータ位置誤差の一例を示すグラフである。
【図５】本実施例のシミュレーションにおけるパワースペクトルの推移を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
電流センサのオフセット誤差に起因するトルクリップルとその評価方法について概説する。３相交流モータ（電動機）にはＳＰＭ(Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ)モータが用いられてもよい。
【００２２】
τをモータトルク［Ｎ・ｍ］、Ｋｅをトルク常数［Ｎ・ｍ／Ａ］、ｉｑをｑ軸電流［Ａ］とする。このときトルクの発生式は以下のようになる。
【００２３】
【数１】
2019221105.tif 000003
【００２４】
ＳＰＭモータにおいてはｄ軸に通電してもトルクは変化せず、ＳＰＭモータはｑ軸電流ｉｑとトルクが比例関係になる特徴を持つ。
【００２５】
Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電流をそれぞれ、ｉｕ、ｉｖおよびｉｗとおき、電気角をθｒｅとすると、ｑ軸の電流ｉｑに関して、以下の関係が成立する。
【００２６】
【数２】
2019221105.tif 000004
【００２７】
ここで、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち、Ｕ相とＷ相にのみ電流センサが取り付けられている場合を考える。Ｕ相およびＷ相の電流センサのオフセット誤差をそれぞれｄｕおよびｄｗとすれば、Ｕ相およびＷ相で検出される電流ｉｕｏおよびｉｗｏは、それぞれｉｕｏ＝ｉｕ−ｄｕおよびｉｗｏ＝ｉｗ−ｄｗとおける。
【００２８】
なお、Ｖ相に電流センサを取り付ける代わりに、Ｖ相電流ｉｖの推定値ｉｖｏを
【００２９】
【数３】
2019221105.tif 000005
【００３０】
によって求める。このときＶ相電流推定値のオフセット誤差ｄｖは
【００３１】
【数４】
2019221105.tif 000006
となる。
【００３２】
式（２）よりｑ軸電流ｉｑは、
【００３３】
【数５】
2019221105.tif 000007
【００３４】
となる。式(５)右辺第２項が電流センサのオフセットによる誤差成分を表している。
【００３５】
ここで、電流センサのオフセット誤差に起因するトルクのリップル成分をτｒｉｐとおくと、式（１）のｉｑに関する線形性より、
【００３６】
【数６】
2019221105.tif 000008
【００３７】
が得られる。
【００３８】
さらに、式(４)の関係を用いて式(６)を整理すると、
【００３９】
【数７】
2019221105.tif 000009
【００４０】
となり、τｒｉｐは電気角周波数で振動することが分かる。
【００４１】
従って、Ｕ相およびＷ相で検出される電流のオフセット補正量を、それぞれａおよびｂとおき、３相交流モータ一定速度駆動時における位置誤差信号の電気角周波数のパワースペクトルをＰ（θｒｅ）とおけば、Ｐ（θｒｅ）はオフセット誤差ｄｕおよびｄｗの減少にあわせて、単調減少することが予想される。すなわち一定速度駆動時のＰ（θｒｅ）を計測することで、電流センサのオフセット誤差に起因するトルクリップルを評価できる。
【００４２】
以上の考察から、オフセットを補正することによりトルクリップルを低減するという問題は、一定速度駆動時のパワースペクトルＰ（θｒｅ）をより小さくするようなオフセット補正量ａおよびｂを求める問題へと置き換えられる。
【００４３】
仮に３相交流モータの回転速度が一定速度でないとすると、オフセット誤差によるＰ（θｒｅ）の変化は時間に依存することになる。すなわち、τｒｉｐによる位置誤差が、複数の周波数成分において現れるため、正確に電流オフセット誤差にトルクリップルに起因する評価値を求めることは困難となる。
【００４４】
以下、本発明の実施例を説明する。図１には、本発明が適用される３相交流モータ駆動装置の電流制御に係るブロック構成図が示されている。
【００４５】
図１に示されている構成要素のうち、本実施形態による３相交流モータ駆動装置は電流制御器１０１、ｄｑ→３相変換部１０２、ＰＷＭ信号演算部１０３、インバータ１０４、電流センサ１０５、３相→ｄｑ変換部１０８、電気角変換部１０９、オフセット補正演算部１１０、およびパワースペクトル演算部１１１を含む。また、インバータ１０４には、３相交流モータ１０６に電力（３相交流電力）を供給するための３相交流電源１００が外部から接続されている。３相交流モータ駆動装置には、図示されていない制御装置から、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊および指令角度θｍ＊（位置指令値）が入力されている。
【００４６】
３相交流モータ駆動装置は位置検出部１０７と連結され、位置検出部１０７から電気信号を受信して３相交流モータの回転位置としての角度θｍを検出する。検出した角度θｍおよび角度θｍを時間微分して得られる角速度ωｍ（図示せず）に応じて制御電流を演算し、インバータ１０４を介して３相交流モータ１０６に制御電流を供給する。３相交流モータ１０６は、永久磁石を有するロータを備える同期電動機であってよい。ロータに対しては、２相回転（ｄ，ｑ軸）座標系が定義されている。
【００４７】
電流制御器１０１は、入力されたｄ軸電流指令値ｉｄ＊およびｑ軸電流指令値ｉｑ＊と、３相→ｄｑ変換部１０８で変換したｄ軸電流値ｉｄおよびｑ軸電流値ｉｑとの偏差に基づきＰＩ制御を用いて、ｄ軸電圧指令値ｖｄおよびｑ軸電圧指令値ｖｑを算出し、これらをｄｑ→３相変換部１０２へ出力する。
【００４８】
ｄｑ→３相変換部１０２は、入力されたｄ軸電圧指令値ｖｄおよびｑ軸電圧指令値ｖｑと位置検出部１０７で検出した３相交流モータ１０６の回転子の電気角θｒｅとに基づいて、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相それぞれの電圧指令値ｖｕ、ｖｖおよびｖｗを算出し、これらをＰＷＭ信号演算部１０３へ出力する。
【００４９】
ＰＷＭ信号演算部１０３は、入力されたＵ相電圧指令値ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ｖｖ、およびＷ相電圧指令値ｖｗに応じたデューティ比を演算し、演算したデューティ比のパルス信号をインバータ１０４に出力する。
【００５０】
インバータ１０４は、上記パルス信号によって、ブリッジ上側半導体と下側半導体のオン時間の割合を制御されることで、Ｕ相電圧指令値ｖｕ、Ｖ相電圧指令値ｖｖ、およびＷ相電圧指令値ｖｗに等しい交流電圧を３相交流モータ１０６の３相巻き線（図示せず）に印加する。
【００５１】
電流センサ１０５は３相交流モータ１０６のＵ相電流およびＷ相電流のそれぞれの検出値ｉｕｏおよびｉｗｏを出力する。なお、Ｖ相電流の推定値ｉｖｏは、ｉｖｏ＝−ｉｕｏ−ｉｗｏで算出する。電気角θｒｅは、電気角変換部１０９で、回転角θｍを極対数倍することで演算される。３相→ｄｑ変換部１０８は、電気角θｒｅと、Ｕ相電流ｉｕｏと、Ｗ相電流ｉｗｏから、座標変換により、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑを演算し出力する。
【００５２】
パワースペクトル演算部１１１は、電気角θｒｅと、指令角度θｍ＊（位置指令値）から角度θｍを減算して得られる位置誤差を入力として、高速フーリエ変換によって、電気角周波数における位置誤差信号のパワースペクトルＰ（θｒｅ）を演算し出力する。
【００５３】
補正タイミング演算部１１２は、モータ速度や、フーリエ変換に必要なサンプリング数などから、補正のタイミングを判断し、オフセット補正演算部１１０に通知する。
【００５４】
オフセット補正演算部１１０は、パワースペクトルＰ（θｒｅ）と相電流の検出値ｉｕｏおよびｉｗｏおよび推定値ｉｖｏを入力として、パワースペクトルＰ（θｒｅ）を評価して電流センサ１０５のオフセット補正量を出力する。以下でオフセット補正演算の実施例を述べる。
【００５５】
図２は、本発明の実施例におけるアルゴリズムを説明するフローチャートである。このアルゴリズムでは、オフセット補正量が演算される。初めに、カウンタｉを1に初期化し、オフセット補正量ａおよびｂの初期値をそれぞれ設定する。そして３相交流モータを一定速度で動作させる。このとき電気角周波数は高速フーリエ変換の解析区間に入るように設定される。なお、本明細書における「一定速度」の概念には、電流センサ１０５の検出値のオフセット誤差を補正するのに十分な程度に３相交流モータの回転速度が微小変動することが含まれる。すなわち、本明細書における一定速度には、３相交流モータの回転速度の変動が所定の許容範囲内である場合も含まれる。
【００５６】
次に、勾配法に類似したアルゴリズムによってパワースペクトルを小さくしていく。図２における記号ｔｍｐは、オフセット補正量を一時的に保持するための変数を示す。また、記号ｈは、数値勾配を求めるための差分を表し、記号κはオフセット補正量の更新に用いる学習係数である。
【００５７】
カウンタの値ｉ＝１，２，３に応じて、オフセット補正量ａおよびオフセット補正量ｂの数値勾配ｇｒａｄａおよびｇｒａｄｂを順次演算する。そして、勾配法の更新則ａ（ｎ＋１）＝ａ（ｎ）−κ・ｇｒａｄａ，ｂ（ｎ＋１）＝ｂ（ｎ）−κ・ｇｒａｄｂに基づいて、オフセット補正量ａおよびｂを更新する。ここで図示していない記号ｎはオフセット補正量ａおよびｂの更新回数を表す。カウンタｉはカウントが３に達したら１に初期化する。
【００５８】
図２に示されるフローチャートについて具体的に説明する。オフセット補正演算部１１０は、初期オフセット補正量ａおよびｂを設定し（Ｓ１）、カウンタの値をｉ＝１に設定する（Ｓ２）。交流モータ駆動装置およびこれを制御する制御装置は、３相交流モータ１０６を一定速度で回転させる（Ｓ３）。ただし、この回転速度は、電気角周波数が周波数領域（高速フーリエ変換後の領域）での所定の解析区間内に入るという条件下で設定されている。
【００５９】
オフセット補正演算部１１０は、カウンタの値ｉに応じた処理を実行する（Ｓ４、Ｓ２１、Ｓ３１）。すなわち、オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝１であるときはステップＳ５を実行し、ｉ＝２であるときはステップＳ２２を実行した後にステップＳ５を実行し、ｉ＝３であるときは、ステップＳ３２を実行した後にステップＳ５を実行する。
【００６０】
オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝１であるときは、オフセット補正量ａおよびｂが初期値であるという条件の下で、パワースペクトルＰ（θｒｅ）を求める（Ｓ５）。この処理は、位置誤差信号に対して高速フーリエ変換を施し、電気角周波数におけるスペクトルの値を求めることで行われる。
【００６１】
オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝２であるときは、オフセット補正量ａの値を変数ｔｍｐに保存した上で、差分ｈだけオフセット補正量ａを増加させる（Ｓ２２）。また、オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝３であるときは、オフセット補正量ｂの値を変数ｔｍｐに保存した上で、差分ｈだけオフセット補正量ｂを増加させる（Ｓ３２）。オフセット補正演算部１１０は、ステップＳ２２またはＳ３２で設定されたオフセット補正量ａおよびｂの下、パワースペクトルＰ（θｒｅ）を求める（Ｓ５）。
【００６２】
オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝１であるときは、オフセット補正量ａおよびｂが初期値であるという条件の下で求められたパワースペクトルＰ（θｒｅ）をＰ１とする（Ｓ６，Ｓ７）。オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝２であるときは、オフセット補正量ａの値を、ステップＳ２２において変数ｔｍｐに保存した値とする（Ｓ２３，Ｓ２４）。また、ｇｒａｄａ＝（Ｐ（θｒｅ）−Ｐ１）／ｈの式に従いオフセット補正量ａの数値勾配ｇｒａｄａを求める（Ｓ２４）。オフセット補正演算部１１０は、ｉ＝３であるときは、ｇｒａｄｂ＝（Ｐ（θｒｅ）−Ｐ１）／ｈの式に従いオフセット補正量ｂの数値勾配ｇｒａｄｂを求める（Ｓ３３，Ｓ３４）。また、ａ＝ａ−κ・ｇｒａｄａの式に従いオフセット補正量ａを更新する（Ｓ３４）。さらに、ｂ＝ｔｍｐ−κ・ｇｒａｄｂの式に従いオフセット補正量ｂを更新する（Ｓ３４）。
【００６３】
オフセット補正演算部１１０は、カウンタの値ｉが３以上であるか否かを判定し（Ｓ８）、カウンタの値ｉが３以上であるときはｉ＝１としてステップＳ１１の処理に進む（Ｓ９）。一方、カウンタの値ｉが１または２であるときは、オフセット補正演算部１１０は、カウンタの値ｉを１だけ増加させてステップＳ１１の処理に進む（Ｓ１０）。オフセット補正演算部１１０は、位置誤差が許容値以内であるか、すなわち、位置誤差の絶対値が許容値以下であるか否かを判定する（Ｓ１１）。オフセット補正演算部１１０は、位置誤差が許容値以内であるときは処理を終了し、位置誤差が許容値以外であるときはステップＳ３の処理に戻る。
【００６４】
図３、図４および図５は極対数４の３相交流モータに速度指令値として300rpmを与えた際のシミュレーション結果である。このとき電気角周波数は20Hzとなる。図３は、速度指令値と位置指令値である。図４は本実施例のアルゴリズムによる補正を行う前後の位置誤差のグラフである。図５は、本実施例のアルゴリズムを用いた際の電気角周波数におけるパワースペクトルＰ（θｒｅ）の推移を表している。ここでオフセット補正量の初期値はａおよびｂともに０とした。
【００６５】
図４に示されているように、補正の前後では位置誤差が減少しており、本実施例のアルゴリズムの効果が分かる。図５に示すように、本実施例のアルゴリズムにより、電気角周波数におけるパワースペクトルＰ（θｒｅ）が減少している。
【００６６】
また、図５で示すように、評価値であるパワースペクトルＰ（θｒｅ）は、オフセット補正量の４０回目の更新において殆ど収束しており、収束が速いことが数値実験によって実証された。
【００６７】
仮に、３相交流モータの回転速度が一定速度である時に、８ｍｓに一度更新するとした場合、一定速度区間が３２０ｍｓあれば、十分に収束することになり、本手法によれば、それぞれの工作機械で事前の調整や学習を伴わずに簡易に電流オフセットが補正される。
【００６８】
上記実施例では、勾配法の中でも最急降下法に似たアルゴリズムを用いたが、素速くパワースペクトルを小さくするという観点から、分割法や、他の勾配法が用いられてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１００  ３相交流電源、１０１  電流制御器、１０２  ｄｑ→３相変換部、１０３  ＰＷＭ信号演算部、１０４  インバータ、１０５  電流センサ、１０６  ３相交流モータ、１０７  位置検出部、１０８  ３相→ｄｑ変換部、１０９  電気角変換部、１１０  オフセット補正演算部、１１１  パワースペクトル演算部、１１２  補正タイミング演算部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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