(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令をｄ−ｑ軸電流指令に変換するトルク／電流変換手段と、前記ｄ−ｑ軸電流指令と電流位相に基づいて３相電流指令を出力する３相電流指令発生手段と、前記３相電流指令に基づいて駆動電流をモータに供給するＰＷＭ電流制御手段とを備えた、ｄ−ｑ軸ベクトル制御によりモータを制御するモータ制御装置において、
予め設定されたトルク指令切り替え値と前記トルク指令の絶対値とを比較して、前記トルク指令が高トルク領域あるいは低トルク領域のいずれであるかを判別し、前記高トルク領域の場合に０、前記低トルク領域の場合に＋１であるトルク判別結果を出力すると共に、前記トルク判別結果に応じたｑ軸電流指令を出力する前記トルク／電流変換手段と、
前記モータに取付けられた回転角検出手段が検出して出力するモータ位置に基づいてモータ速度を演算し、前記モータ速度の絶対値と予め設定されたモータ速度閾値とを比較して、前記モータ速度が高速領域あるいは低速領域のいずれであるかを判別し、前記高速領域の場合に−１、前記低速領域の場合に＋１である速度判別結果を出力する速度領域判別手段と、
前記トルク指令の絶対値に対するモータ電気角の関数テーブルを有し、前記トルク指令の絶対値と前記トルク判別結果との乗算結果および前記速度判別結果に基づいて前記モータ電気角の関数テーブルを参照すると共に、前記高トルク領域の場合に０となる前記モータ電気角を、前記低トルク領域の場合に前記モータ電気角の関数テーブルを参照した前記モータ電気角を出力するトルク制御角演算手段と、を備え、
前記モータ位置と、前記速度判別結果と、前記モータ電気角とに基づいて前記電流位相を算出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
前記トルク／電流変換手段が、前記高トルク領域の場合に前記トルク指令をトルク定数で除算した値を前記ｑ軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が正の場合に正の一定値を前記ｑ軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が負の場合に負の一定値を前記ｑ軸電流指令として出力することを特徴とする請求項１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、精密機構駆動用電磁アクチュエータのトルク、あるいは推力を広範囲で高精密に制御するモータ制御装置とその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のトルク、あるいは推力を広範囲で高精密に制御するモータ制御装置は、指令電流、あるいは出力電流の大きさに応じて電流ゲインを切り替えている。また、フィードバック制御する調節器の初段の偏差アンプをゲインＫｅとし、このＫｅ倍された偏差の上位桁をＡ／Ｄ変換してディジタル演算し、下位桁を更に増幅してアナログ演算をなし、最後にこの２つの演算処理のゲインを合成して操作量を作るアナログとディジタルのハイブリッド制御をしているものもある（例えば、特許文献１参照）。
このように、従来のモータ制御装置では、高精度な電流検出回路を含む高精度な制御演算回路、様々な補償回路など、回路設計に高精度の対応が必要とされていた。
【特許文献１】特開２００４−０６２７５４号公報（第３、４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のトルク、あるいは推力の制御方法では、電流検出回路や制御演算回路の高精度化、様々な補償回路の追加という手順をとっているので、制御回路が複雑かつ使用部品が高価格になるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、通常のサーボアンプの制御回路、部品を使用してコスト低減するとともに、更に１０倍以上の広範囲で高精密なトルク制御を行うことができる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】
【０００４】
上記問題を解決するために、本発明は次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、トルク指令をｄ−ｑ軸電流指令に変換するトルク／電流変換手段と、前記ｄ−ｑ軸電流指令と電流位相に基づいて３相電流指令を出力する３相電流指令発生手段と、前記３相電流指令に基づいて駆動電流をモータに供給するＰＷＭ電流制御手段とを備えた、ｄ−ｑ軸ベクトル制御によりモータを制御するモータ制御装置において、予め設定されたトルク指令切り替え値と前記トルク指令の絶対値とを比較して、前記トルク指令が高トルク領域あるいは低トルク領域のいずれであるかを判別し、前記高トルク領域の場合に０、前記低トルク領域の場合に＋１であるトルク判別結果を出力すると共に、前記トルク判別結果に応じたｑ軸電流指令を出力する前記トルク／電流変換手段と、前記モータに取付けられた回転角検出手段が検出して出力するモータ位置に基づいてモータ速度を演算し、前記モータ速度の絶対値と予め設定されたモータ速度閾値とを比較して、前記モータ速度が高速領域あるいは低速領域のいずれであるかを判別し、前記高速領域の場合に−１、前記低速領域の場合に＋１である速度判別結果を出力する速度領域判別手段と、前記トルク指令の絶対値に対するモータ電気角の関数テーブルを有し、前記トルク指令の絶対値と前記トルク判別結果との乗算結果および前記速度判別結果に基づいて前記モータ電気角の関数テーブルを参照すると共に、前記高トルク領域の場合に０となる前記モータ電気角を、前記低トルク領域の場合に前記モータ電気角の関数テーブルを参照した前記モータ電気角を出力するトルク制御角演算手段と、を備え、前記モータ位置と、前記速度判別結果と、前記モータ電気角とに基づいて前記電流位相を算出するものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記トルク／電流変換手段が、前記高トルク領域の場合に前記トルク指令をトルク定数で除算した値を前記ｑ軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が正の場合に正の一定値を前記ｑ軸電流指令として出力し、前記低トルク領域の場合かつ前記トルク指令が負の場合に負の一定値を前記ｑ軸電流指令として出力するものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１または２記載の発明によると、ハードウェアの高精度化や補償回路の追加等に依るコストアップを気にせずに、従来のハードウェアのまま電流制御分解能を向上させることができ、高精度なモータ制御をすることができる。また、ハードウェアに依るオフセット、ドリフト、選別、ＳＮ比等に関わらず電流制御分解能を向上させることができる。また、広出力範囲に渡りモータ制御をすることができ、高速性、高出力、高効率、高精度を図ることができる。また、複雑な計算をせずに電流制御分解能を向上させることができ、また、ＭＰＵの負担を軽減することができ、ハードウェアの低コスト化を図ることができる。
また、高トルク領域と低トルク領域のモータ制御を個別に対応することができ、高精度なモータ制御をすることができる。また、精度追求が必要ない場合は低トルク領域でのモータ制御を使用しないことが容易にでき、汎用性を高めることができる。
更に、モータ制御装置を適用するシステムに応じて切替え点を任意に簡単に設定することができ、また、切替えを必要としない場合においても対応することができ、適用の汎用性が高まる。また、広出力範囲に渡りモータ制御をすることができ、高速性、高出力、高効率、高精度を図ることができる。
また更に、モータの高速運転時でも界磁束が減磁されているので、誘起電圧が低く抑えられ、電機子電流の制御性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明のモータ制御装置の電流制御系を示すブロック図である。図において、１０はトルク／電流変換手段、２０は３相電流指令発生手段、３０はＰＷＭ電流制御手段、４０は回転角検出手段、５０は速度領域判別手段、６０はトルク制御角演算手段、７０は乗算器、８０は加算器、１００は同期電動機である。
トルク／電流変換手段１０は、入力されたトルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜と予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０に基づいて、入力されたトルク指令Ｔ＊が高トルク領域であるか、あるいは、低トルク領域であるかを判断し、判断結果に応じてトルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)を３相電流指令発生手段２０に出力すると同時に、判断結果をトルク制御角演算手段６０に出力する。３相電流指令発生手段２０は、トルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)と後述する検出位置Θと後述する主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θとに基づいて、電機子電流の回転ベクトルｉａを算出し、２相／３相変換２２により３相の電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊をＰＷＭ電流制御手段３０に出力する。
【０００８】
ＰＷＭ電流制御手段３０は、３相の電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊に応じた駆動電流を出力し、同期電動機１００を駆動する。なお、ＰＷＭ電流制御手段３０は、加算器３１、３２、３３とＰＩＤ電流調節器３４、３５、３６と電流検出器３８を有した電流フィードバックループを形成して、スイッチング指令でパルス幅変調器３７をスイッチング動作させ、パワー素子（図示しない）を駆動させる。
回転角検出手段４０は、例えばエンコーダに代表される位置検出器であり、同期電動機１００の回転位置を検出し、検出位置Θを出力する。速度領域判別手段５０は、検出位置Θに基づいて差分演算５１によりモータ速度ωを算出し、モータ速度ωの絶対値｜ω｜と予め設定された速度閾値ω０に基づいて、後述する符号関数（  ）５４を出力する。トルク制御角演算手段６０は、トルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜とトルク指令Ｔ＊が高トルク領域であるか、あるいは、低トルク領域であるかの判断結果に基づいて、後述する式（１）の主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θを求める関数テーブルより、電気角θを出力する。検出位置Θと求められた電気角θと符号関数ｓｇｎ（  ）を乗算器７０、加算器８０を介して、３相電流指令発生手段２０に入力する。なお、速度領域判別手段５０とトルク制御角演算手段６０は、トルク／電流変換手段１０において判断された入力されたトルク指令Ｔ＊が低トルク領域の場合のみ動作するものである。
【０００９】
本発明が特許文献１と異なる部分は、トルク／電流変換手段１０と３相電流指令発生手段２０の内部構成と、低トルク領域の場合のみ動作する速度領域判別手段５０とトルク制御角演算手段６０を備えた部分である。
なお、図１は本発明の主要部分である電流制御系のみの記述としたが、本来、速度制御部（図示しない）や位置制御部（図示しない）等が存在してモータ制御装置を構成している。図示していない構成は、周知の構成を用いることができるため、説明を省略している。
本発明の動作の要点は、同期電動機１００が高トルク領域で運転される場合と低トルク領域で運転される場合の２つのモードにより制御する点である。更に、低トルク領域では、モータの回転速度により、高速時と低速時に分けて制御する点もある。
【００１０】
以下、高トルク領域と低トルク領域の場合について、それぞれ説明する。
図３は、トルク／電流変換手段１０の入出力を示す図である。横軸が入力であるトルク指令Ｔ＊であり、縦軸がトルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)を示している。即ち、トルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜が、予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０より大きい場合は高トルク領域であり、入力されたトルク指令Ｔ＊相当のトルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)を出力する。一方、トルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜が、予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０より小さい場合は低トルク領域であり、予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０相当のトルク電流一定指令ｉｑ０を出力する。なお、トルク電流一定指令ｉｑ０は、０＜Ｔ＊≦Ｔ０の場合ｉｑ＊＝ｉｑ０であり、―Ｔ０≦Ｔ＊＜０の場合ｉｑ＊＝―ｉｑ０である。
【００１１】
まず、図１において、同期電動機１００が高トルク領域で運転される場合、従来の電流制御を行う。トルク／電流変換手段１０において、トルク指令Ｔ＊ をトルク定数Ｋｔで除算して、トルク電流指令ｉｑ＊ (ｑ軸電流指令)を演算し、３相電流指令発生手段２０に出力する。また、回転角検出手段４０において、同期電動機１００の検出位置Θを得る。３相電流指令発生手段２０において、電機子電流の回転ベクトルｉａを発生させるベクトル乗算器２３の片方の入力とし、ｅｘｐ（ j Θ＋θ ） の演算し、この演算結果とトルク電流指令ｉｑ＊ (ｑ軸電流指令)をベクトル乗算器２３で乗算し、ｄ-ｑ軸電流（この時、ｄ軸電流指令ｉｄ＊ ＝０）を算出する。算出したｄ-ｑ軸電流を２/３相変換して、同期電動機１００に給電する３相の電流指令ｉｕ＊ 、ｉｖ＊ 、ｉｗ＊ を求め、ＰＷＭ電流制御手段３０に出力する。ＰＷＭ電流制御手段３０において、電流検出器３８による電流フィードバックを用い、ＰＷＭ電流制御を行い、同期電動機１００を駆動する。
【００１２】
次に、図１において、同期電動機１００が低トルク領域で運転される場合、本発明の要点である電流制御を行う。トルク／電流変換手段１０において予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０ 相当のトルク電流一定指令ｉｑ０ を演算し、３相電流指令発生手段２０に出力する。なお、トルク電流一定指令ｉｑ０ は、０＜Ｔ＊ ≦Ｔ０ の場合ｉｑ＊ ＝ｉｑ０ であり、―Ｔ０ ≦Ｔ＊ ＜０の場合ｉｑ＊ ＝―ｉｑ０ である。トルク制御角演算手段６０において、式（１）の主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θを求める｜Ｔ＊ ｜-θ関数テーブル６２より、電気角θを求める。
｜Ｔ＊ ｜＝Ｋｔ×ｉｑ０ ×｛１＋Ｋｄ×ｃｏｓ（９０±θ）｝×ｓｉｎ（９０±θ） （１）
ここで、０＜θ＜９０°であり、Ｋｔはトルク定数、Ｋｄは電機子反作用による主磁束の増減磁係数、θは主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角（主磁束ベクトルの方向をｄ軸、ｄ軸より時計回りに９０度の方向を電機子電流ベクトルｑ軸とする。）なお、式（１）内の±符号は複合同順であるため、＋符号用と−符号用の２種類の｜Ｔ＊ ｜-θ関数テーブル６２が用意されている。この２つの関数テーブルの選択は、後述する速度領域判別手段５０の出力である符号関数ｓｇｎ（ ）の符号±１に基づくものである。
また、回転角検出手段４０において、同期電動機１００の検出位置であるΘを得て、速度領域判別手段５０において、検出位置Θの差分演算ｄΘ／ｄｔによりモータ速度ωを算出し、モータ速度の絶対値｜ω｜と予め設定された速度閾値ω０ を比較し、符号関数ｓｇｎ（|ω|―ω０ ）を求める。なお、符号関数ｓｇｎ（ ）は、（ ）＞０の場合＋１、（ ）＜０の場合―１である。
【００１３】
速度領域判別手段５０の出力である符号関数ｓｇｎ（  ）の符号±１に基づく｜Ｔ＊｜-θ関数テーブル６２の参照により求められた電気角θと、速度領域判別手段５０の出力である符号関数ｓｇｎ（  ）の符号±１とを乗算器７０で乗算し、その乗算値と検出位置Θとを加算器８０で加算し、３相電流指令発生手段２０の入力となるΘ±θを得る。
３相電流指令発生手段２０において、Θ±θと、トルク／電流変換手段１０の出力であるトルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)とを電機子電流の回転ベクトルｉａを作るベクトル乗算器２３で乗算し、その乗算値を２相／３相変換２２で２/３相変換して、同期電動機１００に給電する３相の電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊を算出し、ＰＷＭ電流制御手段３０に出力する。ＰＷＭ電流制御手段３０において、電流検出器３８による電流フィードバックを用い、ＰＷＭ電流制御を行い、同期電動機１００を駆動する。
このように、低トルク領域で運転される場合は、トルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)がトルク電流一定指令ｉｑ０の一定振幅値に固定して、式（１）より算出する電気角θを制御することにより、微小電流の制御をするのである。
なお、入力されたトルク指令Ｔ＊が高トルク領域であるか、あるいは、低トルク領域であるかは、トルク領域判断器１５において、入力されたトルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜と予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０との加算器１４での加算値に基づいてはんだんする。即ち、｜Ｔ＊｜―Ｔ０＞０の場合、高トルク領域と判断し、０（ゼロ）をトルク制御角演算手段６０に出力する。一方、｜Ｔ＊｜―Ｔ０＜０の場合、低トルク領域と判断し、＋１をトルク制御角演算手段６０に出力する。よって、｜Ｔ＊｜-θ関数テーブル６２は、高トルク領域の場合参照されず、低トルク領域の場合のみ参照されることになる。
【００１４】
図２は、本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
（ステップ１０）
トルク／電流変換手段１０にトルク指令Ｔ＊を入力する。また、回転角検出手段４０から速度領域判別手段５０に検出位置Θを入力する。ステップ１１に進む。
（ステップ１１）
速度領域判別手段５０において、検出位置の差分演算ｄΘ／ｄｔにより、モータ速度ωを算出して、ステップ１２に進む。
（ステップ１２）
トルク／電流変換手段１０において、トルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜と予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０とを比較する。トルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜が予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０よりも小さい場合、即ちトルク指令Ｔ＊が低トルク領域の場合は、ステップ１３に進む。一方、トルク指令Ｔ＊の絶対値｜Ｔ＊｜が予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０よりも大きい場合、即ちトルク指令Ｔ＊が高トルク領域の場合は、ステップ１７に進む。
（ステップ１３）
トルク制御角演算手段６０において、式（１）の主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θを求める関数テーブルより、電気角θを求め、ステップ１４に進む。
（ステップ１４）
速度領域判別手段５０において、モータ速度ωの絶対値｜ω｜と予め設定された速度閾値ω０とを比較する。モータ速度ωの絶対値が予め設定された速度閾値ω０よりも小さい場合、即ちモータ速度ωが低速時の場合は、ステップ１５に進む。一方、モータ速度ωの絶対値｜ω｜が予め設定された速度閾値ω０よりも大きい場合、即ちモータ速度ωが高速時の場合は、ステップ１６に進む。
【００１５】
（ステップ１５）
トルク制御角演算手段６０において、主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θをθ＝＋θとし、ステップ１８に進む。
（ステップ１６）
トルク制御角演算手段６０において、主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θをθ＝−θとし、ステップ１８に進む。
（ステップ１７）
トルク制御角演算手段６０において、主磁束ベクトルと電機子電流ベクトル間の電気角θをθ＝０、即ちｄ軸電流指令＝０とし、ステップ１９に進む。
（ステップ１８）
トルク／電流変換手段１０において、予め設定されたトルク指令切り替え値Ｔ０をトルク定数Ｋｔで除算して、トルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)＝トルク電流一定指令ｉｑ０を出力し、ステップ２０に進む。なお、トルク電流一定指令ｉｑ０は、０＜Ｔ＊≦Ｔ０の場合ｉｑ＊＝ｉｑ０であり、Ｔ０≦Ｔ＊＜０の場合ｉｑ＊＝―ｉｑ０である。
（ステップ１９）
トルク／電流変換手段１０において、トルク指令Ｔ＊をトルク定数Ｋｔで除算して、トルク電流指令ｉｑ＊(ｑ軸電流指令)を算出し、ステップ２０に進む。
（ステップ２０）
ｄ-ｑ軸で表した電機子電流ベクトルｉａのｉａ ＝ｉｑ＊×ｅｘｐ｛j(Θ＋θ)｝の演算をし、  電機子電流ベクトルｉａを、２/３相変換して３相の出力電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊を算出する。即ち、ｉａ＝ｉｑ＋ｊ（ｉｄ）として、式（２）、式（３）より算出し、ステップ２１に進む。
【００１６】
【数１】
0004730659.tif 000002
（２）
【００１７】
ｉｗ＊＝−(ｉｕ＊＋ｉｖ＊)          （３）
（ステップ２１）
算出した３相の出力電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊をＰＷＭ電流制御手段３０に出力してステップ１０に進み、ステップ１０からステップ２１の一連の処理によりモータを駆動する。
このように、低トルク領域において、トルク電流指令の振幅を一定にして、主磁束となす電気角を変化させるという手順をとるので、高精度の回路部品、高度な回路技術を不要とし、トルク、あるいは推力を広範囲で高精密に制御することができる。
なお、本発明の電流制御系は、トルク指令Ｔ＊と磁極位置を決めるための回転角あるいは位置検出器の検出位置Θをマイクロコンピュータに入力し、３相の出力電流指令ｉｕ＊、ｉｖ＊、ｉｗ＊までを全て演算して出力する。この３相の出力電流指令は、電流検出器によって検出される同期電動機のＵ相とＶ相の実電流ｉｕとｉｖ、演算増幅器によりｉｗ＝−（ｉｕ＋ｉｖ）として得られるＷ相の電流がフィードバックされ、ＰＷＭ電流制御がハードウェアによってなされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明のモータ制御装置の電流制御系を示すブロック図である。
【図２】本発明のモータ制御装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図３】トルク／電流変換手段の入出力を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１０  トルク／電流変換手段
１１  トルク定数除算
１２  トルク指令／電流指令変換
１３  絶対値演算
１４  加算器
１５  トルク領域判断器
２０  ３相電流指令発生手段
２１  位相角演算
２２  ２相／３相変換
２３  乗算器
３０  ＰＷＭ電流制御手段
３１、３２、３３  加算器
３４、３５、３６  ＰＩＤ電流調節器
３７  パルス幅変調器
３８  電流検出器
４０  回転角検出手段
５０  速度領域判別手段
５１  差分演算
５２  絶対値演算
５３  加算器
５４  符号関数
６０  トルク制御角演算手段
６１  乗算器
６２  ｜Ｔ＊｜-θ関数テーブル
７０  乗算器
８０  加算器
１００  同期電動機
【図１】
0004730659.tif 000003
【図２】
0004730659.tif 000004
【図３】
0004730659.tif 000005