(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料からなる回転子表面の磁気抵抗およびインダクタンスが固定子側から見て回転方向に高低差を持つような回転子を持つ同期モータの制御装置であって、
前記回転子の回転子位置を検出する検出手段と、
前記同期モータに電流を流すために、前記回転子位置よりｑ軸電流指令と回転子速度に応じたｄ軸電流指令とをベクトル合成し、この合成ベクトルを用いて前記同期モータに対する電流指令値を算出する電流指令演算手段を具備する制御装置において、
ｑ軸電流指令とｄ軸電流指令に基づいて、電流動作点の振幅と位相をそれぞれ演算し、
前記位相を項とする関数を演算し第１の電流ゲイン係数とし、
前記振幅を項とする関数を演算し第２の電流ゲイン係数とし、
第１の電流ゲイン係数と第２の電流ゲイン係数を乗じて実効電流ゲイン係数とし、
電流ゲインと実効電流ゲイン係数を乗じて前記電流指令値を補正する補正処理手段を更に具備することを特徴とする同期モータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械等に利用される同期モータの制御方法に関するものであり、特に同期モータの電流制御における電流ゲインの算出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に、一般的な工作機械の送り軸制御や位置決め用途に使用されるモータの制御ブロック図を示す。
【０００３】
上位制御器から得られる速度指令値ＳＶＣをもとにモータを駆動する速度制御ループにおいて、モータ７に取り付けられたロータ速度検出手段（位置検出器８及び微分器１０）によって得られたモータ速度検出値ＳＶＤと、速度指令値ＳＶＣとを加算器１で演算した誤差ＳＶＤＦを、ＰＩ演算器２で増幅し、ｑ軸電流振幅指令ＳＩＱとする。
【０００４】
位置検出器８によって得られるロータ位置ＳＰＤから、電流位相演算部１２で位相ＳＰＨ１、ＳＰＨ２（ただし、ＳＰＨ１とＳＰＨ２はπ／２位相が異なる）が演算される。
【０００５】
ｑ軸電流振幅指令ＳＩＱに位相ＳＰＨ１を乗じた値であるｑ軸電流指令値ＳＩＱＣと、モータ速度検出値ＳＶＤを項とする関数をもつ演算器１１の出力であるｄ軸電流振幅指令値ＳＩＤに位相ＳＰＨ２とを乗じた値が、ｄ軸電流指令値ＳＩＤＣとなる。
【０００６】
加算器４により、ｑ軸電流指令値ＳＩＱＣとｄ軸電流指令値ＳＩＤＣがベクトル加算され、分配器５を介して三相電流指令値ＳＩＣとなり加算器１５に与えられる。
【０００７】
加算器１５には、電流検出手段９によって得られる電流検出値ＳＩＤＢがフィードバックされており、三相電流指令値ＳＩＣとの誤差ＳＩＤＦがＰＩ演算器１６にて増幅され、電流−電圧制御器１８を介して、インバータアンプ６より多相電流がモータ７に印加され、モータ７を駆動している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
同期モータ、特に工作機械等に利用されるサーボモータと呼ばれる種類のモータの電流制御において、モータのロータ構造が突極構造を持つ場合、概してステータ側から見た巻線の端子間のインダクタンス変化があることは、周知の事実である。
【０００９】
特に、ロータに鉄心を使う誘導モータやリラクタンスモータは、突極構造ゆえに回転方向に対するインダクタンス変化が大きく、電流の過渡現象を伴い、安定した電流制御を行おうとすると制御アルゴリズムが複雑化する。ＰＩ演算器（電流アンプ）を１つ持つタイプの電流制御装置は、制御も簡便で安価なため広くモータ制御に利用されているが、通常、電流アンプのゲインを一定にすることが多く、突極構造を持つ前記誘導モータやリラクタンスモータでは、電流の振幅や位相の変化に対してゲインが常に最適に制御できているとは言い難い。
【００１０】
例えば通常、ｑ軸電流とｄ軸電流をベクトル合成し、電流アンプを一つのゲインで制御しようとすると、モータのロータのｄ軸のインダクタンス値がｑ軸に比べて大きいため、ｄ軸のインダクタンスに合わせてゲイン調整をすればいいと思われる。しかし、その場合ｑ軸電流に対してゲインは大き過ぎる値となり、発振現象を起こすなどの不具合が発生する。
【００１１】
逆に、ｑ軸に合わせて電流ゲインを調整すると、ｄ軸にとっては低いゲインとなり、ベクトル演算後の合成電流が指令値に対して追従しないなどの不具合となり、トルクリップルなどの発生の原因になっている。
【００１２】
また、同期モータ、特にリラクタンス型の同期モータの場合、ロータ角度に対する電流位相の依存性が高く、ロータ角度によって効率や力率、さらには発生トルクが左右される。
【００１３】
よって、電流制御時、電流ゲインの不適合により電流位相や振幅に追従遅れが発生すると、安定した制御が行えず、サーボ用途に適用するのは難しいといえる。
【００１４】
本発明は上述した事情から成されたものであり、その目的は、ｑ軸電流、ｄ軸電流を参照し、ベクトル演算後の電流指令値の動作点の振幅、位相を推定し電流アンプのゲインを常に最適ゲインとなるように補正する係数を乗ずる電流制御器を実現することで、サーボ用途に適用できる安定した同期電動器の制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性材料からなる回転子表面の磁気抵抗およびインダクタンスが固定子側から見て回転方向に高低差を持つような回転子を持つ同期モータの制御装置であって、前記回転子の回転子位置を検出する検出手段と、前記同期モータに電流を流すために、前記回転子位置よりｑ軸電流指令と回転子速度に応じたｄ軸電流指令とをベクトル合成し、この合成ベクトルを用いて前記同期モータに対する電流指令値を算出する電流指令演算手段を具備する制御装置において、ｑ軸電流指令とｄ軸電流指令に基づいて、電流動作点の振幅と位相をそれぞれ演算し、前記位相を項とする関数を演算し第１の電流ゲイン係数とし、前記振幅を項とする関数を演算し第２の電流ゲイン係数とし、第１の電流ゲイン係数と第２の電流ゲイン係数を乗じて実効電流ゲイン係数とし、電流ゲインと実効電流ゲイン係数を乗じて前記電流指令値を補正する補正処理手段を更に具備することを特徴とする同期モータの制御装置である。
【００１６】
本発明では、ｑ軸電流、ｄ軸電流をそれぞれ参照し、ベクトル演算後の動作点の電流振幅と、動作点の位相とを、あらかじめ推定しておく。また、推定された振幅、位相を項とする関数により、電流アンプのゲインに対して乗じられる係数を演算する。そして、これらの係数を、電流アンプのゲインとともに電流指令と電流検出値から演算される電流誤差に乗じる。したがって本発明では、電流制御の際の動作点の変化に応じて電流ゲインが能動的に変化することとなり、ロータとステータ間のインダクタンス変化に応じた電流ゲインによるモータの制御を、安定的に行うことができる。
【００１７】
実際にモータに印加される電流は、ベクトル演算される。動作点とは、制御の上で便宜上、実際に流す電流を電機子電流成分であるｑ軸電流ベクトルと界磁成分であるｄ軸電流ベクトルに分解して考える際の、ベクトル合成後の振幅、基準位相角（この場合、ｄ軸）からの位相成分により決定される。動作点の座標を表す場合、原点０（ｄ軸、ｑ軸の交点）からｄ軸からの位相角α、そして振幅値Ｉｏが決定されれば、動作点は決定される。
【００１８】
また動作点は、それがベクトル合成により決定されるから、逆にｄ軸座標値、ｑ軸座標値から特定することができるが、この場合１アンプで制御するよりｄ軸、ｑ軸それぞれにアンプを設ける２電流アンプ方式の方がより適する。ただし、１アンプで実現する場合には、ｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令に応じたゲインを、前記動作点の振幅、位相を考慮してそれぞれ演算した後、両ゲインを乗算すれば実現できるが、先述のように２電流アンプ方式の方が適するものと考えられる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面をもとに本発明の実施形態を説明する。なお、特に断らない限り同記号、番号の要素・信号は同機能、性能を有するものである。
【００２０】
図１は本発明の実施形態を示す。従来例である図８の構成と異なるのは、電流ゲイン係数演算部１４とその係数を乗ずる乗算器１７が設けられることである。
【００２１】
制御ループを順に説明する。上位制御器から得られる速度指令値ＳＶＣをもとにモータ７を駆動する速度制御ループにおいて、モータ７に取り付けられたロータ速度検出手段（位置検出器８及び微分器１０）によって得られたモータ速度検出値ＳＶＤと、速度指令値ＳＶＣとを加算器１で演算し、得られた誤差ＳＶＤＦをＰＩ演算器２で増幅し、ｑ軸電流振幅指令ＳＩＱとする。
【００２２】
検出器８によって得られるロータ位置ＳＰＤから電流位相演算部１２で位相ＳＰＨ１、ＳＰＨ２（ただし、ＳＰＨ１とＳＰＨ２はπ／２位相が異なる）が演算される。
【００２３】
ｑ軸電流振幅指令ＳＩＱに位相ＳＰＨ１を乗じた値が、ｑ軸電流指令値ＳＩＱＣとして出力される。また、モータ速度検出値ＳＶＤを項とする関数をもつ演算器１１の出力であるｄ軸電流振幅指令値ＳＩＤに、位相ＳＰＨ２を乗じた値が、ｄ軸電流指令値ＳＩＤＣとして出力される。
【００２４】
これらｑ軸電流指令値ＳＩＱＣとｄ軸電流指令値ＳＩＤＣとは、加算器４によりベクトル加算され、分配器５を介して三相電流指令値ＳＩＣとなり加算器１５に与えられる。
【００２５】
加算器１５には電流検出器９によって得られる電流検出値ＳＩＤＤがフィードバックされており、三相電流指令値ＳＩＣとの誤差ＳＩＤＦがＰＩ演算器１６にて増幅され、乗算器１７に出力される。
【００２６】
電流ゲイン係数演算部１４には、ｑ軸電流振幅指令値ＳＩＱＣと、ｄ軸電流振幅指令値ＳＩＤＣとが入力され、ここで電流ゲイン係数ＳＫＩＧＯが算出される。この電流ゲイン係数ＳＫＩＧＯは、乗算器１７でＰＩ演算器１６（電流アンプ）の出力に乗算され、電流−電圧制御器１８に出力される。
【００２７】
電流−電圧制御器１８の出力はインバータアンプ６に入力され、インバータアンプ６より多相電流がモータ７に印加され、モータ７が駆動される。
【００２８】
図２は本発明の制御装置を適用するモータ７におけるロータのステータに対するインダクタンス変化を示したものである。
【００２９】
横軸が回転角であり、縦軸はインダクタンス値を示す。インダクタンス曲線は、モータのロータ突極、およびステータに形成される磁極数、巻線数により形状が変化するが、一般的に正弦波状の周期性を成している。同曲線における高い部分をｄ軸、低い部分をｑ軸とする。ｄ軸、ｑ軸のインダクタンスの高低差や大きさは、ロータの突極形状、巻線数により大きく左右され、リラクタンスモータの場合、この高低差が大きいほど発生するトルクが大きいとされている。
【００３０】
高いインダクタンスを持つ場合、電流ゲインは大きく取り、低いインダクタンスの場合、電流ゲインを低くする調整を行う。このことは、このインダクタンスの高低差があるほど、電流アンプのゲインの調整幅も大きくなるということを意味する。
【００３１】
図３は、本発明の電流制御方法を示した例であり、横軸に界磁電流成分であるｄ軸、縦軸に電機子電流成分であるｑ軸を配している。ｄ軸電流のベクトル軌跡はｄ軸上を通っており、ｑ軸電流はｄ軸に対して＋π／２、−π／２だけ位相が進み、または遅れている。
【００３２】
ｑ軸電流はトルク電流とも呼ばれ、ｑ軸電流の符号によりトルクが正負（＝モータの場合、回転方向が正逆）に発生する。合成電流はｄ軸電流ベクトルとｑ軸電流ベクトルのベクトル合成値（ベクトル和）であり、図の様にｄ軸に対して動作角α（または−α）の角を成す。
【００３３】
図４は本発明を適用するモータにおいて、印加電流に対する制御角αが一定の場合のｄ軸とｑ軸のインダクタンス比の例を示す。
【００３４】
図からわかるように、インダクタンス比は、電流の小さい領域では大きな値をとるが、電流が大きくなるにつれて徐々に小さくなる。
【００３５】
これは、電流が大きくなるにつれロータ内の磁束密度が上昇し、さらにはｑ軸電流が大きくなることで電機子反作用も生じるために、ｄ軸とｑ軸の磁気的にみたエネルギー差が小さくなること、すなわちインダクタンスの高低差が小さくなることによる現象と考えられる。
【００３６】
実際に電流を制御する際には、電流の大きさに応じてｄ軸とｑ軸のインダクタンス差がこのように変化するため、電流制御の際の最適な電流ゲインも変化する。
【００３７】
図５は、電流ゲイン係数演算部１４の構成例を示すブロック図である。図示のとおり、電流ゲイン係数演算部１４は、位相・振幅演算部５１と、関数演算部５２，５３と、乗算器５４とを含んで構成されている。
【００３８】
位相・振幅演算部５１は、ｑ軸電流振幅指令値ＳＩＱＣとｄ軸電流振幅指令値ＳＩＤＣとを参照して、制御角αと電流振幅指令値ＳＩＯを演算する。
【００３９】
関数演算部５２は、制御角αを項とする関数を演算し、第１電流ゲイン係数ＫＩＧ１を出力する。
【００４０】
関数演算部５３は、電流振幅指令値ＳＩＯを項とする関数を演算し、第２電流ゲイン係数ＫＩＧ２を出力する。
【００４１】
乗算器５４は、第１および第２電流ゲイン係数ＫＩＧ１とＫＩＧ２を乗じて電流ゲイン係数ＳＫＩＧＯを出力する。
【００４２】
位相・振幅演算部５１内では、制御角αおよび電流振幅指令値ＳＩＯは、例えば数１および数２によって算出される。
【００４３】
【数１】
α＝ｔａｎ−１（ＳＩＱＣ／ＳＩＤＣ）
【数２】
ＳＩＯ＝（ＳＩＱＣ２＋ＳＩＤＣ２）１／２
【００４４】
図６（ａ）および（ｂ）は、関数演算部５２，５３の内部関数を示したものである。図６（ａ）は動作角αに対する第１の電流ゲイン係数ＫＩＧ１の変化を示している。動作角αは、トルク指令値の正逆により正負の符号を取りうるので、絶対値で取り扱う。
【００４５】
この例では、動作角α＝０の場合、すなわち電流指令値中のｑ軸電流成分０％、ｄ軸成分１００％の時、係数ＫＩＧ１はインダクタンス比の最大値（Ｌｄ／Ｌｑ）ｍａｘをとり、動作角αの値が大きくなるにつれ徐々に減少し、動作角αがπ／２に近づくにつれて、係数ＫＩＧ１が１になるような変化をする。なお、動作角α＝π／２はｄ軸電流成分が０を意味し、トルクが発生しないため範囲には含まない。
【００４６】
図６（ｂ）は、電流振幅ＳＩＯに対する第２の電流ゲイン係数ＫＩＧ２の変化を示している。この関数変化は、図４に示すような電流の大きさに対するインダクタンス比の変化と同じ様な関数変化をさせる。
【００４７】
電流ゲイン係数ＫＩＧ２は、電流振幅ＳＩＯ＝０の時に１をとり、電流振幅ＳＩＯが大きくなるにつれ減少する。なお、図６（ａ），（ｂ）に示される関数は、共に係数が１を基準にして変化するように設定したが、モータの特性や調整方法によってはこの限りではない。
【００４８】
図７は、本発明による効果を示した図である。図７（ａ）は電流制御時のベクトル図で、同（ｂ）は横軸に時間軸を取った場合の電流指令波形、およびその応答波形である。図７（ａ）において電流制御ベクトル、すなわち動作点が、時刻ｔ１におけるＡ点から、時刻ｔ２にＢ点に移った場合の電流の変化を、図７（ｂ）に示している。なお、動作点Ａでの制御角はα１、また動作点Ｂでの制御角はα２であり、α１＜α２の関係になっている。
【００４９】
図７（ｂ）において、電流指令波形ＳＩＣが与えられた時、従来技術の場合の応答波形ＳＩＤＢでは応答の遅れΔｔが存在している。これは電流ゲインが一定であり不安定な制御になるのを抑えるために、ｑ軸に合わせてゲイン調整がしてあるためである。
【００５０】
それに対し、本発明による電流制御部を適用した場合の電流応答波形ＳＩＤＤは、電流指令の振幅、動作角の変化に追従しており安定した電流制御が得られていることがわかる。
【００５１】
なお、本発明の主旨が逸脱しない範囲で、以下の変形を行っても良い。
・関数パターンを式ではなく、ＲＯＭ等の記憶装置にマップとして持っていても良い。
・実施形態では回転機をモデルにしたが、リニアモータの制御装置に適用しても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回転方向にインダクタンスが変化するようなモータの電流制御を行うにあたり、ｄ軸振幅指令値とｑ軸電流指令値とからベクトル演算後の電流動作点の動作角、および電流振幅を演算し、電流ゲインに対して動作角、電流振幅に応じた係数を乗じて補償することにより、電流制御の際の動作点の変化に応じて電流ゲインが能動的に変化するため、電流追従遅れが発生しない制御性の良い同期モータの制御装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の同期モータの制御装置の実施形態を示すブロック図である。
【図２】  本発明を適用するモータの回転方向に対するインダクタンス変化の例を示すグラフである。
【図３】  電流制御時の電流を示すベクトル図である。
【図４】  電流の大きさに対するｄ軸、ｑ軸のインダクタンス比の変化を示すグラフである。
【図５】  電流−ゲイン係数演算部の構成例を示すブロック図である。
【図６】  （ａ）および（ｂ）は関数演算部の設定例を示すグラフである。
【図７】  （ａ）は電流動作点の変化を示すベクトル図、（ｂ）は本発明の同期モータの制御装置を適用した場合と、従来例とを比較するためのグラフである。
【図８】  従来のリラクタンス型同期モータの制御装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、４、１５  加算器
２  ＰＩ制御器（速度アンプ）
３、１３、１７、５４  乗算器
５  分配器
６  インバータアンプ
７  モータ
８  位置検出器
９  電流検出器
１０  微分器
１１  演算器
１２  電流位相演算部
１４  電流ゲイン係数演算部
１６  ＰＩ制御器（電流アンプ）
１８  電流−電圧制御器
ＳＶＣ  速度指令値
ＳＶＤＦ  速度誤差
ＳＩＱ  ｑ軸電流振幅指令
ＳＩＱＣ  ｑ軸電流指令（位相分配後）
ＳＩＤ  ｄ軸電流振幅指令
ＳＩＤＣ  ｄ軸電流指令（位相分配後）
ＳＩＤＤ  電流検出値（本発明）
ＳＩＤＢ  電流検出値（従来技術）
ＳＩＣ  電流指令（ベクトル演算後）
ＳＰＤ  検出位置
ＳＶＤ  検出速度
ＳＰＨ１、ＳＰＨ２  電流位相
ＳＫＩＧＯ  電流ゲイン係数
ＫＩＧ１  第１電流ゲイン係数
ＫＩＧ２  第２電流ゲイン係数
α  動作角（制御角）
ＳＩＯ  電流振幅
【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】
0003798645.tif 000008
【図８】
0003798645.tif 000009