JP2007506397A - 電動機の制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、制御ユニット（１）がパラメータ化の可能な速度コントローラ（２６）及びパラメータ化の可能な補助コントローラ（２８）を備え、可動機械部（７、８）の位置（２９）を検出し、前記可動機械部（７、８）の位置を変化させるための電動機（５）を備えた電動機（５）の制御方法に関する。速度コントローラ（２６）の少なくとも１つのパラメータ（３１）および／又は補助コントローラ（２８）の少なくとも１つのパラメータ（３３）を可動機械部（７、８）の位置（２９）に応じて変化させる。

Description

本発明は、電動機の制御方法及び制御装置に関する。電動機の制御には、制御ユニットが用いられる。制御ユニットは好ましいことにパラメータ化可能である。制御ユニットは例えば電流コントローラ、速度コントローラ、又は他の補助コントローラを備える。これらコントローラの少なくとも１つは、少なくとも１つのパラメータによりパラメータ化可能である。コントローラは例えば種々の制御部を備える。制御部は、例えばＰ制御部（比例増幅部）、Ｄ制御部（微分部）、Ｉ制御部（積分部）等である。かかる制御部は、例えば増幅係数Ｐ又は微分時定数Ｔ_D又は積分時定数Ｔ_I等のパラメータを持っている。この種の時間調整部、増幅係数および／又は時定数はパラメータの例である。

電動機は、例えば機械部の駆動のために設けられる。機械部とは、例えば工作機械、生産機械又は自動操作機器の一部である。ここで機械部は、例えば回転型電動機の回転子又はリニアモータの一次部や二次部と言った電動機自体の一部でもあり得る。リニアモータの場合、一次部と二次部の何れか一方がリニアに駆動される。多くの場合、永久磁石を持つ二次部が固定され、少なくとも１つの給電巻線を備えた一次部がリニアに動く。

電動機は回転型電動機でも、リニアモータでもよい。回転型電動機の場合、可動機械部は例えば電動機で直接駆動されるか、伝動装置又は例えば歯車／ベルト等の動力伝達手段を介して駆動される。

可動の機械部の位置に応じ、電動機の駆動（リニア又は回転）には異なる限界条件が存在する。１つの限界条件は、例えば機械部の位置に依存する摩擦係数である。しかし、リニアモータ、永久磁石式回転型同期電動機の何れにおいても、例えばリニアモータの二次部に永久磁石を設け、又は回転子に異なる励磁部を設けることもできる。即ち磁化は他の限界条件の例である。磁化の状態に応じ、異なる電磁力が生じる。リニアモータの場合、例えば二次部を保護するカバーから外れる二次部の一部の上を一次部が走行するので、異なる電磁力も生じる。

電動機の制御ユニットの制御パラメータは、従来技術によれば、それを電動機の全ての位置について平均し、最適制御を与えるように設定される。これは、電動機が可動機械部から僅かな距離の箇所にある時のみ、制御に関し最適にパラメータ化される結果となる。

本発明の課題は、電動機制御のパラメータ化を改善することにある。

この課題を解決すべく、請求項１に記載の特徴を持つ方法と、請求項７に記載の特徴を持つ装置とを提供する。従属請求項２〜６及び８は、本発明の好ましい実施態様を示す。

制御ユニットがパラメータ化の可能な速度コントローラ及びパラメータ化の可能な補助コントローラを備え、可動機械部の位置を検出し、該機械部の位置を変化させるべく電動機を設けた電動機の制御方法において、速度コントローラのパラメータおよび／又は補助コントローラの少なくとも１つのパラメータを可動機械部の位置に応じて変化させる。

可動機械部は、例えば工作機械（例えばフライスヘッド）や生産機械（例えば生産機械である樹脂用射出成形機の送りねじ）又は自動操作機器（例えば掴み舌片）の一部である。しかし可動機械部は、例えば回転型電動機の回転子やリニアモータの一次部でもある。

駆動プロセス、即ち機械部の駆動部への要求により条件付けられて機械部の位置を変えることが可能なら、電動機の速度コントローラ又は電動機の他のコントローラをプロセス位置に適合するパラメータに変更して駆動するとよい。即ちコントローラの少なくとも１つのパラメータは位置依存性を持つ。回転型電動機の場合、速度コントローラは回転速度コントローラである。少なくとも１つのパラメータの上述の好ましい変更は位置コントローラでも好ましいことに変わりはない。位置コントローラは可動機械部の位置の制御に用いる。可動機械部の位置に応じた少なくとも１つのパラメータを変化させることで、平均化されたパラメータセットを制御すべき区間の全ての要求に対する共通の妥協値として選択することを回避できる。

変位測定システムにより、例えば可動機械部のプロセス位置を測定する。測定したプロセス位置を、少なくとも１つの制御パラメータの追従制御のために用いる。制御パラメータは好ましくはプロセス駆動の所定位置に対する最適値である。この結果コントローラ又はその制御挙動への種々の要求を、全プロセス行程にわたり唯一のパラメータセットで満たす必要が無くなる。プロセス行程は、例えばリニアモータの一次部がリニアモータの二次部に関し元の位置に戻る行程である。プロセス行程に対する他の例は、回転型電動機の回転子の１回転３６０°である。

好適な実施態様では、補助コントローラは次のコントローラ形式、即ち位置コントローラ、変位コントローラ、モーメントコントローラおよび／又は予測コントローラの少なくとも１つである。その際、予測コントローラは閉ループ型、開ループ型の何れでもよい。

更に好適な実施態様では、電動機をリニアモータとする。該モータは一次部と二次部を備え、一次部、二次部の何れかがリニアモータの可動部となる。可動部の位置に応じ速度コントローラの少なくとも１つのパラメータおよび／又は補助コントローラの少なくとも１つのパラメータを変化させる。例えばリニアモータがカバーを有する二次部を備え、該カバーを二次部の全面にわたり設けていないなら、一次部の位置で二次部がカバーを備えているか否に応じ電磁力が変化する。この電磁力の変化は位置に依存し、そのため速度コントローラの少なくとも１つのパラメータ又はリニアモータの補助コントローラを、二次部がカバーを備えるか、又はカバーを備えない領域に一次部が位置するか否かに応じ制御できる。パラメータの一例は電磁力に対するパラメータである。

他の好ましい実施態様では、コントローラのパラメータを変化させるべく、関数又は表を用いる。関数は位置についての関数である。位置は、例えばリニアモータの一次部の位置か、回転型電動機の回転子の位置か、更には機械の可動機械部の位置に関し、機械は、例えば生産機械、工作機械又は自動操作機器である。機械部の位置は、例えば機械部が位置に応じて異なる摩擦係数を示し、そのため例えばコントローラの増幅パラメータがプロセス駆動の所定領域の高い摩擦を補償できる点で意義がある。コントローラ（例えば速度コントローラおよび／又は補助コントローラ）の１つ又は複数のパラメータの変化を表で行う場合は、表に位置とそれに対応するパラメータとの間の従属関係を設定する。

関数又は十分精細な表を用いることで、パラメータの切替により生ずる好ましくない挙動を回避できる。関数および／又は表を用いることで、パラメータの一様な変化が可能となる。これは、コントローラにおける出力信号の跳躍を防止するのに役立つ。

本発明の好ましい実施態様では、位置に応じたパラメータを検出すべく、電動機の基準走行を行う。基準時間内に実行可能な基準走行により、機械挙動を決定できる。基準走行中、例えば永久磁石によって生ずる磁界を測定する。基準走行中に測定した磁界の強さに応じ、基準走行の最中および／又は後に、可動機械部のどの位置で制御用の所定のパラメータ値を設定すべきかについての情報を整理した表および／又は関数が得られる。そのため、必要なパラメータ値は事前に計算しておく。

他の好ましい実施態様では、パラメータは物理的パラメータ、特に磁界パラメータであり、機械部の位置に依存する。物理的パラメータは機械部の位置に応じ測定する。１つ又は複数のコントローラのパラメータは機械部の位置に応じて得られる。このことは、例えば上述の如く関数又は表により実現できる。その際、依存関係は物理的パラメータの依存関係に関連し、そのため１つ又は複数のコントローラの１つ又は複数のパラメータが物理的パラメータの値に応じて変化する。物理的パラメータは、既述の如く、例えば永久磁石により発生する磁界に関したパラメータである。永久磁石は常に一様な強さに磁化されるとは限らず、そのため制御パラメータの変化が無くても多くの用途に対し好ましくない機械挙動が生じ得る。と言うのは、電動機は例えば同一大きさの電流及び同一周波数においても位置に応じて異なる反応を示すからである。しかし、異なる電磁力は、例えばリニアモータの二次部が所定の走行部分にはカバーを備えるが、例えばサービス用又は工作機械の工具交換用に用いる他の走行部分にはカバーを備えていないことからも生じる。カバーは磁気的に付着させる、即ち二次部に自動的に付着させるとよい。

本発明は電動機の制御方法と共に制御装置にも関する。コントローラはパラメータ化の可能な速度コントローラおよび／又はパラメータ化の可能な補助コントローラを備える。補助コントローラは、例えば位置コントローラ、変位コントローラ又はモーメントコントローラである。補助コントローラとして、更に予測コントローラも加え得る。電動機は可動機械部の位置を変化させるために用いる。可動機械部は、例えばリニアモータの一次部又は回転永久磁石で励磁される同期電動機の回転子等の電動機の一部である。機械部の他の例は、伝動装置を介して電動機で駆動される工作機械の工具である。機械部の位置は変位センサで検出し得る。速度コントローラおよび／又は補助コントローラの各々少なくとも１つのパラメータは、可動機械部の位置に応じ変化させ得る。この結果既述の利点が生じる。更にこの制御装置は、上述の電動機の制御方法の実施に使用できる。

電動機の制御装置は例えばＮＣ制御装置、ＣＮＣ制御装置、ＳＰＳ制御装置、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等である。電動機及び電力変換器を備えた駆動装置においては、コントローラを、例えば電力変換器のコントローラ内に組み込むこともできる。

添付図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は制御ユニット１を示す。制御ユニット１は、例えば生産機械や、工作機械、自動操作機器に組み込み得る。これら機械や自動操作器は図１には示さない。制御ユニット１により電力変換回路３を制御する。電力変換回路３は電動機、例えばリニアモータ５の電流制御を行う。リニアモータ５は周知の如く一次部７と二次部８を備える。一次部７は走行方向２３と２４に走行可能である。更にリニアスケール１１及び変位センサ１３も模式的に示している。リニアモータの動力伝達部の表面又は内部、即ち一次部７と二次部８の間のエアギャップ領域に、永久磁石９を有する二次部８の磁界を測定するためのセンサ１５を設けている。二次部８は更にカバー１０を備える。該カバー１０は、二次部８の全領域にわたっては延びていない。例えばこの種電動機やリニアモータに通常設ける速度検出用センサ等の他のセンサは、図１には図の煩雑さを避けるため示していない。しかし速度は、例えばセンサ１５の設置場所での磁界の時間的変化からも直接導出できる。それは、この種センサが電動機内又は主モータ内に既に存在しているなら、該センサを変位センサとして利用可能と言う利点を持つ。変位センサ１３と１５を、信号線１７を経て制御ユニット１に接続している。特に速度コントローラ、位置コントローラおよび／又は電流コントローラのためにも用いる制御ユニット１は、少なくともセンサ１５の検出値から上記コントローラの少なくとも１つのためのパラメータを形成する。リニアモータ５の制御のため、例えば電流信号も必要である。電流信号は変流器１９で検出する。変流器１９は、一次部７が電流変換回路３から電力線１４を介して供給される電流を測定すべく用いる。

制御ユニット１はメモリ２１を備える。該メモリ２１には特に電磁力に関するパラメータを記憶しておく。リニアモータ５の基準走行時、一次部７は両走行方向２３、２４の少なくとも一方に走行する。基準走行の際、センサ１５が測定データを収集する。このデータを少なくとも１つのパラメータのために処理する。このパラメータを記憶し、電動機、即ちリニアモータの制御のために用いる。

図２はコイルワインダ４４用のコントローラのブロック図を示す。ワインダ４４に帯状材料４０が巻き付けられる。コイルワインダ４４は電動機６で駆動される。電動機６の回転動作は変位センサ１３で検出する。電動機６の制御ユニットは、速度コントローラ２６と電流コントローラ２７を備える。電流コントローラ２７は電力変換回路３に電流信号を送出する。電力変換回路３は電動機６を駆動する電力部である。更に図２の制御ユニットは位置コントローラ２８を備える。位置コントローラ２８は位置実際値４１と位置目標値４２との差を入力信号として動作する。位置コントローラ２８も速度コントローラ２６も各々パラメータを持っている。位置コントローラ２８に、関数部３５を介してパラメータ３３を導入する。関数部３５には位置に関するパラメータ値を入力する。従って位置信号２９の導入に伴いパラメータ３３を選択する。速度コントローラ２６では、表３７を用いてパラメータ３１の選択を行う。入力された位置信号２９に基づき、それに対応するパラメータ値３１を表３７から選択する。選択したパラメータ値３１を速度コントローラ２６に送出する。速度コントローラ２６の入力信号として、変位検出器１３の検出信号と位置コントローラ２８の出力信号を共に使用する。

本発明の方法を実施する制御ユニットを備えたリニアモータの原理説明図。 速度コントローラの一例を示すブロック図。

符号の説明

１ 制御ユニット、３ 電力変換回路、５ リニアモータ、６ 電動機、７ 一次部、８ 二次部、９ 永久磁石、１０ カバー、１１ リニアスケール、１３ 変位センサ、１４ 電力線、１５ センサ、１７ 信号線、１９ 変流器、２１ メモリ、２３ 走行方向、２４ 走行方向、２６ 速度コントローラ、２７ 電流コントローラ、２８ 位置コントローラ、２９ 位置信号、３１、３３ パラメータ、３５ 関数部、３７ 表、４０ 帯状材料、４１ 位置実際値、４２ 位置目標値、４４ コイルワインダ

Claims (8)

1. 制御ユニット（１）がパラメータ化の可能な速度コントローラ（２６）および／又はパラメータ化の可能な補助コントローラ（２８）を備え、可動機械部（７、８）の位置（２９）を検出し、前記可動機械部（７、８）の位置を変化させるために電動機（５）を用いる電動機（５）の制御方法において、
   前記速度コントローラ（２６）の少なくとも１つのパラメータ（３１）および／又は前記補助コントローラ（２８）の少なくとも１つのパラメータ（３３）を前記可動機械部（７、８）の位置（２９）に応じて変化させることを特徴とする方法。
2. 前記補助コントローラ（２８）として、次のコントローラの少なくとも１つを用いることを特徴とする請求項１記載の方法。
   位置コントローラ、
   変位コントローラ、
   モーメントコントローラおよび
   予測コントローラ。
3. 前記電動機（５）として、一次部（７）及び二次部（８）を有するリニアモータ（５）を用い、前記一次部（７）又は二次部（８）が前記リニアモータ（５）の可動機械部であり、該可動機械部の位置に応じて前記速度コントローラ（２６）の少なくとも１つのパラメータ（３１）および／又は前記補助コントローラ（２８）の少なくとも１つのパラメータ（３３）を変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記パラメータ（３１、３３）を変化させるために関数（３５）又は表（３７）を用いることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の方法。
5. 前記可動機械部の位置に応じたパラメータ（３１、３３）を検出すべく、前記電動機（５）の基準走行を行うことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 物理的パラメータを前記可動機械部（７、８）の位置（９）に応じて測定し、コントローラのパラメータ（３１、３３）を前記可動機械部（７、８）の位置（９）及び前記物理的パラメータに応じて変化させることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. 制御部がパラメータ化の可能な速度コントローラ（２６）及びパラメータ化の可能な補助コントローラ（２８）を備え、機械部（７、８）の位置（２９）が測定可能であり、該機械部（７、８）の位置を変化させるために電動機（５）を備えた電動機（５）の制御装置において、
   前記速度コントローラ（２６）の少なくとも１つのパラメータ（３１）および／又は前記補助コントローラ（２８）の少なくとも１つのパラメータ（３３）が、前記機械部（７、８）の位置（２９）に応じて変化することを特徴とする制御装置。
8. 請求項１から６の１つに記載の方法を実施するために用いられることを特徴とする請求項７記載の装置。
   
   

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