(57)【要約】【課題】安価なＣＰＵを使用して、又、スイッチングのパターン等を複雑化することなく、高速・高加減速かつ高い位置決め特性を得る。【解決手段】インダクタンスの小さなモータ１０を駆動するモータ制御システムにおいて、制御ゲインを１よりも小さく設定した電流ループと、速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段（速度区間検出部４２Ｆ、位置指令演算部５０）と、電流指令補償分を設定する補償量設定手段（補償量演算部４２Ｇ、補償量記憶部４２Ｊ）と、速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段（スイッチ部４２Ｈ、可変ゲインアンプ４２Ｋ）を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インダクタンスの小さなモータを駆動するモータ制御システムにおいて、
制御ゲインを１よりも小さく設定した電流ループと、
速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段と、
電流指令補償分を設定する補償量設定手段と、
速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段と、
を備えたことを特徴とするモータ制御システム。
【請求項２】
前記電流指令補償手段が、速度の立ち下がり区間で、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分を減算することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用ミシン、電子部品搭載装置、工作機械等に用いられる、モータ制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業用ミシンやチップマウンタ、工作機械などを始めとする種々の産業用装置を駆動するために、モータが利用されている。特に近年、効率向上や生産性向上の為、装置に用いられるモータの軸数が増加の傾向にあり、モータの小型化が進んでいる。
【０００３】
モータが小型化することにより、最近ではコンマ数ｍＨとインダクタンスの小さなモータも多く出回るようになってきた。
【０００４】
一般的なサーボモータの制御システムを図１に示す。図において、４２Ａは、位置指令とエンコーダ１２からの位置フィードバック信号の差を求める減算器、４２Ｂは、該減算器４２Ａの出力に応じて速度指令を計算する位置偏差制御演算部、４２Ｃは、前記エンコーダ１２の出力から速度を演算する速度演算部、４２Ｄは、前記位置偏差制御演算部４２Ｂで算出された速度指令と速度演算部４２Ｃで演算された速度フィードバック信号の差を求める減算器、４２Ｅは、該減算器４２Ｄの出力によりパワー部２２に与える電流指令を演算する速度偏差制御演算部である。
【０００５】
モータ１０をパルス幅変調（ＰＷＭ）で駆動する場合、モータの駆動電流にリップルが生じるが、モータのインダクタンスが小さいと、発生するリップルも大きくなる。リップルが大きいと、モータの騒音が大きくなったり、発振を生じたりする為、制御ゲインを小さく抑えざるを得ない。制御ゲインを抑えることは、高速かつ高加減速での駆動を行なおうとする場合、目標の速度に達しなかったり、目標の加減速度が得られないという問題や、位置決め特性の悪化という問題につながるので、好ましくない。特に、低インダクタンスのモータは、巻線数の少ない高回転で小型のモータに多い為、その影響は顕著である。
【０００６】
低インダクタンスのモータのリップルを抑えるべく、モータに外付けでコイルを追加することが行なわれるが、これはコストが上昇し、サイズも大きくなってしまう為、小型のモータを使用する意味が無くなってしまう。
【０００７】
また、ＰＷＭではなくリニアアンプを用いたり、ＰＷＭの周波数を上げることなども効果があるが、リニアアンプは電力の消費が増えてしまうし、ＰＷＭの周波数を上げるには、制御演算周期もより高速にする必要がある為、安価なＣＰＵが使用できなくなる等の問題点がある。
【０００８】
これに対して、非特許文献１に記載の技術では、電流のゼロクロス付近でインバータの全スイッチをオフにするパターンを出力する運転モード（全オフモード）を対策として用いている。
【０００９】
【非特許文献１】田中  他「インダクタンスの小さいＰＭモータにおける無負荷駆動の一手法」  電学論Ｄ、１２５巻９号、２００５年、８８３〜８８４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術は、無負荷の時にのみ有効であり、有負荷時には効果が無い。又、スイッチングのパターンが複雑化するなどの問題点を有していた。
【００１１】
以上のように、安価なＣＰＵを使用して、又、スイッチングのパターン等を複雑化することなく、高速・高加減速かつ高い位置決め特性を得ることが理想であるが、従来の方式では、その実現は困難であった。
【００１２】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、安価なＣＰＵを使用して、又、スイッチングのパターンなどを複雑化することなく、高速・高加減速かつ高い位置決め特性を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、インダクタンスの小さなモータを駆動するモータ制御システムにおいて、制御ゲインを１よりも小さく設定した電流ループと、速度の立ち下がり以外の区間と立ち下がり区間を識別する速度区間識別手段と、電流指令補償分を設定する補償量設定手段と、速度の立ち下がり以外の区間では電流指令に電流指令補償分を加算し、速度の立ち下がり区間では電流指令に電流指令補償分を加算しない電流指令補償手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１４】
ここで、前記電流指令補償手段が、速度の立ち下がり区間で、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分を減算することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、低インダクタンスのモータのモータを駆動する際に、電流ループの制御ゲインを一倍よりも小さく設定したので、リップルの影響を防ぐことができる。
【００１６】
又、速度の立ち下がり以外の区間（例えば加速区間と定速区間）では電流指令に電流指令補償分を加算するので、立ち下がり区間以外の区間で実質上高い制御ゲインを保つことができ、指令通りの高速、高加減速での駆動と、高い位置決め特性を実現が可能となる。
【００１７】
一方、速度の立ち下がり区間（減速区間）では、電流指令の補償を実施しないか、又は、電流指令から、速度の立ち下がり以外の区間でたまったゲインの増加分に相当する電流指令補償分の減算を行う。
【００１８】
これにより、ＣＰＵの演算能力が高くない場合にも、低インダクタンスのモータの高速、高加減速での駆動と、高い位置決め特性が実現可能となり、高い制御性能と低コストを両立させることが可能となる。
【００１９】
又、モータ外部に外付けでコイルを追加接続することが不要なため、低コストと省スペースが実現できる。更に、リニアアンプの使用が不要のため、省電力が可能である。又、ＰＷＭの周波数を高くすることが不要なため、安価なＣＰＵの使用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態の全体構成を表わすブロック図である。
【００２２】
位置指令部（図示省略）から出力された位置指令信号に従って、モータ軸の位置決め制御が行なわれる。
【００２３】
具体的には、減算部４２Ａで、モータ端に取り付けたエンコーダ１２から出力される位置フィードバック値と位置指令値を比較して、位置偏差を演算する。この位置偏差を元に、位置偏差制御演算部４２Ｂにて速度指令値を演算する。更に、速度指令値と、エンコーダ１２の出力値から速度演算部４２Ｃにおいて演算した速度フィードバック値との偏差を減算器４２Ｄで計算し、この偏差を元に、速度偏差制御演算部４２Ｅにて電流指令値を演算する。演算した電流指令値は、パワー部（例えばサーボアンプ）２２に出力され、モータ１０にモータ電流を与えて、軸を駆動する。
【００２４】
上記速度指令値、電流指令値の演算の際に、制御ゲインを乗算する。制御ゲインを高く上げることが制御性能に影響してくるが、モータのインダクタンスがコンマ数ｍＨ等と小さな場合、大きな電流リップルが生じる為、制限を受ける。そこで、リップルによる影響を抑える為、電流ループの制御ゲインを１よりも小さく設定する。しかし、制御ゲインが低いと、高速、高加減速での駆動や、高精度での位置決め整定等を行なうことは難しい。
【００２５】
これを解決する為、以下の補償を実施することで、実質的に高いゲインを実現することが可能となる。    
【００２６】
モータが回転すると、逆起電圧Ｅｉが発生する。逆起電圧Ｅｉは、図３に示す通り、モータの回転速度ωrに比例し、次式で表わすことができる。
【００２７】
Ｅi ＝Ｋe ×ωr            …（１）
（Ｋe：逆起電圧定数）
【００２８】
これは、モータの回転数に比例して、モータへの印加電圧が逆起電圧の分だけ低くなってしまうことを意味する。即ち、電流指令に対して実電流が流れなくなってしまうわけであるから、制御ゲインから見た場合には、モータの速度が高くなるに連れて制御ゲインが目減りして低くなると見なすことができる。
【００２９】
こうした状態で、図４に例示する如く、制御対象を現在位置から目標位置へ移動するべく、ＰＴＰ駆動を行なうと、図４の加速区間Iと定速区間IIで、制御ゲインの目減りが大きくなる為、高速、高加減速を実現できず、位置決め特性も悪化してしまう。
【００３０】
そのため、加速区間Iと定速区間IIで制御ゲインを高くしてやる必要がある。そこで本実施形態では、加速区間Iと定速区間IIで、電流の指令値に、ゲインの目減り分に相当する指令を加算する補償を行なう。
【００３１】
具体的には、速度区間検出部４２Ｆにて速度を監視して、加速区間Iと定速区間IIを検出する。速度が増加している区間は加速区間I、速度が一定の区間は定速区間II、速度が減少している区間は減速区間IIIと判定する。
【００３２】
加速区間Iと定速区間IIを検出すると、スイッチ部４２Ｈがオンとなり、補償量演算部４２Ｇにて演算した電流指令補償分ΔＩcmdを、加算器４２Ｉで電流指令Ｉcmdに加算する。電流指令補償分ΔＩcmdは、モータ速度に比例し、
ΔＩcmd ＝Ｋcomp ×ωr        …（２）
（Ｋcomp：電流指令補償係数）
となる。
【００３３】
逆起電圧Ｅi は、（１）式で表わされる。
【００３４】
又、Ｖa −Ｅi ＝Ｌa（ｄｉa ／ｄｔ）＋Ｒa ×ｉa    …（３）
（Ｖa：モータ印加電圧、ｉa：モータ電流、Ｌa：モータインダクタンス、Ｒa：モータ抵抗）
であるから、逆起電圧Ｅiを補償する電流指令補償分ΔＩcmdは、（１）〜（３）式より、
ΔＩcmd ＝Ｋe ／（Ｌaｓ＋Ｒa ）×ωr            …（４）
とすることができる。
【００３５】
即ち、Ｋcomp ＝Ｋe ／（Ｌaｓ＋Ｒa ）として電流指令補償分を電流指令に加算してやれば、逆起電圧によるゲインの目減りを補償することが可能である。
【００３６】
高速度でのゲインの目減りが問題となるのは加速区間Iと定速区間IIである為、減速区間IIIではスイッチ部４２Ｈをオフとする。
【００３７】
上記の補償により、加速区間Iと定速区間IIで実質上高い制御ゲインを保つことができる為、低インダクタンスのモータでも、高速、高加減速での駆動と高い位置決め特性が実現できる。
【００３８】
なお、本実施形態ではモータの回転方向が正方向の場合を例として取り上げたが、モータの回転方向が逆方向の場合には、各信号の出力方向等が逆となるように読み替えて行なえば良い。
【００３９】
前記実施形態では、速度区間検出部４２Ｆを設けて、区間I、II、IIIを検出していたが、図５に示す第２実施形態のように、位置指令演算部５０より直接、区間I、II、IIIの切り替え信号を出力し、電流指令補償分のオン／オフ切り替えを行なうことも可能である。又、短距離の移動等では、定速区間IIが無くても良い。
【００４０】
又、前記実施形態では、減速区間IIIで電流指令補償分をオフとしたが、電流指令補償分ΔＩcmdを減算してやることも可能である。
【００４１】
又、前記実施形態では、電流指令補償係数としてＫcomp ＝Ｋe ／（Ｌaｓ＋Ｒa ）を用いたが、モータ毎に最適な調整を施した補償を行なう為、Ｋcompを任意の定数とすることも可能である。又、区間I、II、IIIで、それぞれ異なるＫcompを用いることも可能である。
【００４２】
又、前記実施形態では、電流指令補償分としてΔＩcmd ＝Ｋcomp ×ωrの式で表されるモータ速度に比例した１次関数を使用したが、図６に示す第３実施形態のように、事前に実測したデータを元にして決定した電流指令補償分を補償量記憶部４２Ｊに記憶したり設定しておき、より複雑な補正を行なうことも可能である。
【００４３】
又、前記実施形態では、スイッチ部４２Ｈを用いてオン／オフ切り替えを行なったが、図７に示す第４実施形態のように、スイッチ部の代わりに、ゲインを例えば０〜１倍に変えることができる可変ゲインアンプ４２Ｋを用いることも可能である。
【００４４】
又、前記実施形態に、図８に示す第５実施形態のように、外乱オブザーバ４２Ｌを設けることで、摩擦やパラメータ変動等の影響を受けないロバスト制御が可能となる。
【００４５】
又、各制御部での演算は、比例制御の他に、積分制御、微分制御等を適用することも可能である。
【００４６】
又、回転型モータだけではなく、リニアモータへの適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一般的なサーボモータの制御システムを示すブロック図
【図２】本発明の第１実施形態を示すブロック図
【図３】モータ速度と逆起電圧の関係の例を示す図
【図４】ＰＴＰ駆動におけるモータ速度の変化状態の例を示す図
【図５】本発明の第２実施形態を示すブロック図
【図６】同じく第３実施形態を示すブロック図
【図７】同じく第４実施形態を示すブロック図
【図８】同じく第５実施形態を示すブロック図
【符号の説明】
【００４８】
１０…モータ
１２…エンコーダ
２０…モータドライブ部
２２…パワー部
４０…多軸コントローラ
４２…ＣＰＵ
４２Ｂ…位置偏差制御演算部
４２Ｃ…速度演算部
４２Ｄ…速度偏差制御演算部
４２Ｆ…速度区間検出部
４２Ｇ…補償量演算部
４２Ｈ…スイッチ部
４２Ｊ…補償量記憶部
４２Ｋ…可変ゲインアンプ
５０…位置指令演算部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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