JP2009273291A - サーボモータにおける電流制御方法、電流制御プログラム、記録媒体、サーボモータおよび射出成形機 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電圧飽和の発生を防止するためにd軸電流を流す電流制御方法であって、d軸電流Id=−|Idmax|・sinθと規定し、各電圧指令値と電圧指令値閾値Voとの比較を所定周期で継続的に行い、時間的に直前の所定回数No回分の比較結果を抽出し、各電圧指令値の少なくとも1つが電圧指令値閾値Voを超えていた回数Nが設定した整数Nb以下である場合、位相角θ=0°とし、回数Nが整数Nbを超えている場合、回数Nが大きいほど前記位相角θを大きくする。
【選択図】図4
Description
逆起電力E(=ω・Φ)は、ωに比例するので、高速回転時ほど大きくなる。同図9において、高速回転時に逆起電力ベクトルEが大きくなると、その先端がリンク電圧円の周縁に近づくため、大きなq軸電流Iqを流すことができなくなってしまう。なぜなら、q軸電流Iqを大きくすると、同図中R・Iqとして表示される+q軸方向(Eと同方向)の駆動電圧ベクトルが長くなり、E+R・Iqのベクトル和の先端がリンク電圧円の外部に出てしまい、電圧飽和が発生してしまうからである。
しかしながら、特許文献2では、所定期間内に電圧指令値が電圧指令値閾値Voを超えた場合、必ずd軸電流Idを流していた。電圧指令値が電圧指令値閾値Voを超えたからといって、必ずしも電圧飽和が発生するとはいえないため、特許文献2に記載のサーボモータでも、余分なd軸電流を流してしまうおそれがあった。
Iq=I・cosθ …(1)
Id=−|Idmax|・sinθ …(2)
(前記式(1)中、Iは、前記d軸電流を流さない場合の前記電機子へのq軸電流指令値を表す。前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。)
d軸電流規定過程では、d軸電流Idを、前記式(2)によって規定する。
前記式(2)において、θ=0°のときには、Id=0となってd軸電流Idが流されず、θ≠0°(0°<θ≦180°)のときには、Id<0となってd軸電流Idが流される。そして、θが大きくなれば、d軸電流Idは(負方向に)大きくなり、電圧飽和の発生を防止するための相殺電圧ベクトルが大きくなる。
具体的には、各相への各電圧指令値と電圧指令値閾値Voとの比較を周期的に行い、時間的に直前の所定回数No回分の比較結果に基づいて位相角θを制御する。
各回の比較結果は、「各電圧指令値の全てが電圧指令値閾値Voを超えていない」(電圧飽和が発生する可能性が低い)というものと、「各電圧指令値の少なくとも1つが電圧指令値閾値Voを超えている」(電圧飽和が発生する可能性が高い)というものとに2分される。
位相角決定過程では、この回数Nが、所定回数No未満に設定した整数Nb以下である場合、位相角θ=0°とし、回数Nが前記整数Nbを超えている場合、回数Nが大きいほど位相角θを大きくする。
つまり、回数Nが整数Nb以下であり、各電圧指令値が電圧指令値閾値Voを超える頻度が小さい場合には、電圧飽和が発生する可能性が低いので、θ=0°としてd軸電流Idを流さない。
反対に、回数Nが整数Nbを超え、各相への各電圧指令値が電圧指令値閾値Voを超える頻度が高い場合には、電圧飽和が発生する可能性があるので、d軸電流Idを流す。このとき、回数Nが大きいほど電圧飽和が発生しやすいので、回数Nに応じて位相角θを大きくする。
これに対し本発明では、電気子の総電流Iより大きい最大d軸電流Idmaxに基づいてd軸電流Idを規定するので、総電流Iが小さい場合であっても電圧飽和を防止することができる。
このような構成によれば、d軸電流を最大で許容最大電流値Imaxまで大きくすることができ、q軸電流Iqを大きくして高いトルクを得ることが可能となる。
このような構成によれば、回数Nが整数Nb以下のときは位相角θ=0とし、回数Nが整数Nbを超えるときは回数Nが大きいほど位相角θを大きくすることができる。
Iq=I・cosθ …(1)
Id=−|Idmax|・sinθ …(2)
(前記式(1)中、Iは、前記d軸電流を流さない場合の前記電機子へのq軸電流指令値を表す。前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。)
Iq=I・cosθ …(1)
Id=−|Idmax|・sinθ …(2)
(前記式(1)中、Iは、前記d軸電流を流さない場合の前記電機子へのq軸電流指令値を表す。前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。)
なお、制御部としては上述の電流制御プログラムを実施できるコンピュータが挙げられる。また、制御部は、コンピュータに限らず、上述の電流制御方法を実施できるものであればよく、例えば、サーボアンプやサーボコントローラ等であってもよい。
したがって、本発明の射出成形機は、低負荷時には消費電力を抑えることができ、高負荷時には電圧飽和を抑制して正常な成形をすることができる。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態にかかるサーボモータ1の等価回路図である。
サーボモータ1は、永久磁石によって構成される界磁11と、3相(u相,v相,w相)の電機子巻線を有する電機子12とを備える3相同期モータである。界磁11は、ロータとして回転可能に設けられている。ステータとしての電機子12の各相の電機子巻線に、互いに位相が120°ずつ異なる交流電圧(電機子電圧)を印加すると、この交流電圧と同一の周波数で回転する電機子磁束を発生することができる。界磁11は、この電機子磁束に対して自身の界磁束を平行にしようとする磁気的な力を受けて、当該電機子磁束に追従して回転する(回転角度ψ、回転角速度ω=dψ/dt。以下、特に断らない限りω≧0(時計回り)、と仮定する)。以上のようにして、サーボモータ1では回転動力が発生される。
なお、図1において、Vu,Vv,Vwは電機子12の各相の電機子電圧、Rは各相共通の抵抗、L´は各相共通の自己インダクタンス、M´は各相間の相互インダクタンスである。また、界磁11の回転角度ψは、界磁束の方向(界磁11のN極とS極とを結ぶ方向)が、電機子12のu相の形成方向に対してなす角度として定義される。
図2において、d軸は界磁束の方向と一致され、これと直交する方向にq軸が形成されている。図1における3相の電機子巻線は、図2において、d相,q相からなる2相の電機子巻線に変換されている。
図2において、Vd,Vqは各相の電機子電圧、Id,Iqは各相の電機子電流、Rは各相共通の抵抗、Lは各相共通の自己インダクタンス、Φは各相の電機子巻線に鎖交する総磁束である。これらの各量は、同期モータに関して知られている次の式(3)の回路方程式を満たす。
位置指令器21は、所定のパートプログラムに従ってサーボモータ1の回転角度(界磁11の回転角度ψ)の指令値ψ*を出力する。指令値ψ*は、位置比較器22において、位置センサ31にて測定された実際の回転角度ψと比較され、両者の角度偏差Δψ=ψ*−ψが位置制御器23に入力される。速度指令器としての位置制御器23は、角度偏差Δψに基づいて所定の演算を行い、サーボモータ1の回転角速度の指令値ω*を算出して出力する。指令値ω*は、速度比較器24において、速度センサ32によって測定された実際の回転角速度ωと比較され、両者の速度偏差Δω=ω*−ωが速度制御器25に入力される。総電流指令器としての速度制御器25は、速度偏差Δωに基づいて所定の演算を行い、サーボモータ1における電機子12の総電流(総電機子電流)の指令値I*を算出して演算器26に出力する。
この指令値I*は、d軸電流を流さない場合の電機子12へのq軸電流指令値である。
演算器26は、当該各値に基づいて、位相角決定過程およびd軸電流規定過程を実施する。
Iq*=I*・cosθ …(1)
Id*=−|Idmax|・sinθ …(2)
前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。Idmaxは、I<Idmax≦Imaxの関係を満たすことがより好ましく、Idmax=Imaxであることがさらに好ましい。
一方、比較の結果、各相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*の少なくとも1つが電圧指令値閾値Voを超えていた場合、比較結果が『1』であるとして、演算器26は、当該比較結果『1』を記録する。ここで、比較結果『1』は、各電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*の少なくとも1つが電圧指令値閾値Voを超えており、電圧飽和が発生する可能性が高いということを意味する。
以上のように、演算器26は、取り込んだ各相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に応じて、『0』または『1』の比較結果を記録する。ここで、演算器26は、各相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を所定周期(例えば、250μs)で取り込んでいるので、『0』または『1』の比較結果も当該所定周期で演算器26に記録されるようになっている。
演算器26は、電圧飽和が発生する可能性が高いということを意味する比較結果『1』の数を回数Nとし、回数Nが所定回数No未満に設定した整数Nb以下である場合、位相角θ=0°とし、回数Nが整数Nbを超えている場合、回数Nが大きいほど位相角θを大きくする。
具体的には、位相角θの最大値θmax(0°<θmax≦90°)を設定し、回数Nが整数Nbを超えている場合、θ={(N−Nb)/(No−Nb)}・θmaxとする。
すなわち、演算器26は、Nが16以下である場合、θ=0°とし(図4のA)、Nが16を超えている場合、θ={(N−Nb)/(No−Nb)}・θmax={(N−16)/(32−16)}・90°=(N/16)・90°−90°とする(図4のB)。
以上のように、本実施形態では、電機子における電圧飽和の発生と直接的に関係する各相の電機子巻線への各電圧指令値に基づいて、電圧飽和が発生しそうな場合に限って、必要最小限のd軸電流Idを流すことができるので、余分なd軸電流Idを流すことなく、的確に電圧飽和の発生を防止することができる。
特に、最大d軸電流Idmaxを許容最大電流値Imaxと等しくすれば、q軸電流Iqを最大限に大きくして高いトルクを得ることが可能になるとともに、良好なTN特性を得ることができる。
本実施形態は、上述のサーボモータ1を動力源として備えた射出成形機である。
本実施形態の射出成形機は、サーボモータ1とサーボモータ1を制御するコンピュータとを備え、このコンピュータには、本発明の電流制御方法を実施するための電流制御プログラムが読み込まれている。
電流制御プログラムの読み込み方法は特に限定されないが、例えば、電流制御プログラムが記録された記録媒体から読み込むことができる。
したがって、本発明の射出成形機は、低負荷時には消費電力を抑えることができ、高負荷時には電圧飽和を抑制して正常な成形をすることができる。
なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
上述の各実施形態において、電圧指令値閾値Voを最大電機子電圧Vmaxの90%とし、No=32,Nb=16,θmax=90°としたが、これらの数値に限定されず、任意に設定することができる。
例えば、θmaxは、以下のように、必要とされるd軸電流Idの大きさから逆算してもよい。
使いたいモータの最大性能(モータの回転数ωとそのときのトルクT)が決まれば、上記回路方程式と、T=Kt×Iqから、必要なq軸電流Iqが求められる。
このような合成電圧Vとq軸電流Iqに加え、モータ固有の抵抗R、自己インダクタンスL、電機子巻線に鎖交する総磁束Φ、トルク定数Kt、使いたい回転数ωを、前記式(3)の回路方程式に代入することにより、必要なd軸電流Idが求められる。
必要なd軸電流Idが決まれば、前記式(2)からθmaxを決定することができる。
このようなθmaxが設定されていれば、上記の最大性能でモータを動作させた場合にも電圧飽和を防止することができる。
以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されない。
上述の第2実施形態の射出成形機を用いてポリカーボネート製のバッテリーケースを成形した。射出速度は300mm/secである。
このときのd軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*および射出軸の速度を図5に示す。図5において、縦軸は電圧(V)、横軸は時間(sec)である。速度は、1Vあたり63.8mm/sec、d軸電流指令Id*およびq軸電流指令Iq*は、1Vあたり40.82Aである。
なお、本実施例および以下の実施例、比較例では、複数回の射出における各データの平均値をグラフ化している。
図5から、0.05sec付近からd軸電流指令Id*が負方向に変化し、d軸電流Idが流されていることがわかる。波形が乱れているのは、各電圧指令値が電圧指令値閾値Voを超える頻度(回数N)にもとづいてθを制御しているためである。
そして、図5中、q軸電流指令Iq*が±6Vの範囲にあり、電圧飽和を発生させることなくq軸電流Iqを制御できていることがわかる。
射出軸の速度も滑らかに推移しており、バリやヒケのない良好なバッテリーケースが得られた。
d軸電流Idを流さないこと以外は、実施例1と同様にしてバッテリーケースの成形を実施した。
図6に、d軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*および射出軸の速度を示す。単位等は図5と同様である。
d軸電流Idを流さないので、図6において、d軸電流指令Id*は0のままである。このため、0.1secから0.13secの間において、q軸電流指令Iq*が±6Vの範囲を超え、電圧飽和が発生している。
電圧飽和のため射出軸の速度を適切に制御することができず、0.1secから0.15secの間の速度に乱れが見られた。
成形したバッテリーケースにはバリやヒケが発生していた。
ポリプロピレンを第2実施形態の射出成形機のバレル内に充填し、これを射出して少量のポリプロピレンがバレル内に残るようにした。この少量のポリプロピレンを潤滑剤として、いわゆる空射ちを実施し、高速で低負荷の場合の電流制御を評価した。射出速度は325mm/secである。
このときのd軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*および射出軸の速度を図7に示す。単位等は図5と同様である。
図7から、実施例1の場合と同様に電圧飽和が適切に防止されていることがわかる。また、図5と図7のd軸電流指令Id*を比較すると、空射ちの実施例2では、不要なd軸電流指令Id*を小さくしていることがわかる。
速度に応じたd軸電流Idを流す特許文献1に記載の電流制御を実施した以外は、実施例2と同様にして空射ちを実施した。
このときのd軸電流指令Id*、q軸電流指令Iq*および射出軸の速度を図8に示す。単位等は図5と同様である。
図8から、電圧飽和が防止されていることがわかるが、図7と比較すると、d軸電流指令Id*が大きく、実施例2に比べて無駄なd軸電流Idを流していることがわかる。
図9から、d軸電流Idの小さい実施例2は、比較例2にくらべ消費電力が小さいことがわかる。
11…界磁
12…電機子
21…位置指令器
23…位置制御器
25…速度制御器
26…演算器
28…電流制御器
29…2相/3相変換器
30…電力変換器
31…位置センサ
32…速度センサ
33u,33v,33w…電流センサ
34…3相/2相変換器
Claims (8)
- 界磁と、多相の電機子巻線を有する電機子とを備えるサーボモータにおいて、
前記界磁によって発生される界磁束と、各相の前記電機子巻線に電機子電圧を印加することによって発生される電機子磁束との相互作用に基づいて、前記界磁および前記電機子の相対回転動力を発生する際に、前記電機子における電圧飽和の発生を防止するために、d軸方向を前記界磁束の方向とするdq変換を施した前記電機子にd軸電流を流す電流制御方法であって、
位相角θ(0°≦θ≦90°)を決定する位相角決定過程と、前記電機子に流す前記d軸電流の大きさを決定するd軸電流規定過程と、を備え、
前記位相角決定過程では、
前記電機子において電圧飽和を発生させることなく各相の前記電機子巻線に印加することが可能な最大電機子電圧Vmaxよりも小さい所定の電圧指令値閾値Voを設定し、
各相の前記電機子巻線に印加する電機子電圧の指令値である各電圧指令値と前記電圧指令値閾値Voとの比較を所定周期で継続的に行い、
前記所定周期で継続的に得られる比較結果のうち、時間的に直前の所定回数No回分の比較結果を抽出し、
当該所定回数No回分の比較結果のうち、前記各電圧指令値の少なくとも1つが前記電圧指令値閾値Voを超えていた回数Nが、前記所定回数No未満に設定した整数Nb以下である場合、前記位相角θ=0°とし、
前記回数Nが前記整数Nbを超えている場合、前記回数Nが大きいほど前記位相角θを大きくし、
前記d軸電流規定過程では、
前記位相角決定過程で決定された位相角θを用いて、q軸電流Iqを下記式(1)、d軸電流Idを下記式(2)によって規定する
Iq=I・cosθ …(1)
Id=−|Idmax|・sinθ …(2)
(前記式(1)中、Iは、前記d軸電流を流さない場合の前記電機子へのq軸電流指令値を表す。
前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。)
ことを特徴とする電流制御方法。 - 請求項1に記載の電流制御方法において、
前記最大d軸電流Idmaxは、前記電機子の許容最大電流値をImaxとしたとき、I<Idmax≦Imaxの関係を満たす
ことを特徴とする電流制御方法。 - 請求項2に記載の電流制御方法において、
前記最大d軸電流Idmaxは、前記許容最大電流値Imaxと等しい
ことを特徴とする電流制御方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の電流制御方法において、
前記位相角決定過程では、
前記位相角θの最大値θmax(0°<θmax≦90°)を設定し、
前記回数Nが前記整数Nbを超えている場合、θ={(N−Nb)/(No−Nb)}・θmaxとする
ことを特徴とする電流制御方法。 - 界磁と、多相の電機子巻線を有する電機子とを備えるサーボモータに組み込まれたコンピュータにおいて、
前記界磁によって発生される界磁束と、各相の前記電機子巻線に電機子電圧を印加することによって発生される電機子磁束との相互作用に基づいて、前記界磁および前記電機子の相対回転動力を発生する際に、前記電機子における電圧飽和の発生を防止するために、d軸方向を前記界磁束の方向とするdq変換を施した前記電機子にd軸電流を流す電流制御プログラムであって、
前記コンピュータに、位相角θ(0°≦θ≦90°)を決定する位相角決定過程と、前記電機子に流す前記d軸電流の大きさを決定するd軸電流規定過程と、を実施させ、
前記位相角決定過程では、
前記電機子において電圧飽和を発生させることなく各相の前記電機子巻線に印加することが可能な最大電機子電圧Vmaxよりも小さい所定の電圧指令値閾値Voを設定し、
各相の前記電機子巻線に印加する電機子電圧の指令値である各電圧指令値と前記電圧指令値閾値Voとの比較を所定周期で継続的に行い、
前記所定周期で継続的に得られる比較結果のうち、時間的に直前の所定回数No回分の比較結果を抽出し、
当該所定回数No回分の比較結果のうち、前記各電圧指令値の少なくとも1つが前記電圧指令値閾値Voを超えていた回数Nが、前記所定回数No未満に設定した整数Nb以下である場合、前記位相角θ=0°とし、
前記回数Nが前記整数Nbを超えている場合、前記回数Nが大きいほど前記位相角θを大きくし、
前記d軸電流規定過程では、
前記位相角決定過程で決定された位相角θを用いて、q軸電流Iqを下記式(1)、d軸電流Idを下記式(2)によって規定する
Iq=I・cosθ …(1)
Id=−|Idmax|・sinθ …(2)
(前記式(1)中、Iは、前記d軸電流を流さない場合の前記電機子へのq軸電流指令値を表す。
前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。)
ことを特徴とする電流制御プログラム。 - 請求項5に記載の電流制御プログラムが記録され、サーボモータに組み込まれたコンピュータによって読み取り可能である
ことを特徴とする記録媒体。 - 界磁と、多相の電機子巻線を有する電機子と、これらを制御する制御部とを備え、
前記界磁によって発生される界磁束と、各相の前記電機子巻線に電機子電圧を印加することによって発生される電機子磁束との相互作用に基づいて、前記界磁および前記電機子の相対回転動力を発生する際に、前記電機子における電圧飽和の発生を防止するために、d軸方向を前記界磁束の方向とするdq変換を施した前記電機子にd軸電流を流すサーボモータであって、
前記d軸電流の大きさを決定する演算器を備え、
前記演算器は、位相角θ(0°≦θ≦90°)を決定する位相角決定過程と、前記電機子に流す前記d軸電流の大きさを決定するd軸電流規定過程と、を実施し、
前記位相角決定過程では、
前記電機子において電圧飽和を発生させることなく各相の前記電機子巻線に印加することが可能な最大電機子電圧Vmaxよりも小さい所定の電圧指令値閾値Voを設定し、
各相の前記電機子巻線に印加する電機子電圧の指令値である各電圧指令値と前記電圧指令値閾値Voとの比較を所定周期で継続的に行い、
前記所定周期で継続的に得られる比較結果のうち、時間的に直前の所定回数No回分の比較結果を抽出し、
当該所定回数No回分の比較結果のうち、前記各電圧指令値の少なくとも1つが前記電圧指令値閾値Voを超えていた回数Nが、前記所定回数No未満に設定した整数Nb以下である場合、前記位相角θ=0°とし、
前記回数Nが前記整数Nbを超えている場合、前記回数Nが大きいほど前記位相角θを大きくし、
前記d軸電流規定過程では、
前記位相角決定過程で決定された位相角θを用いて、q軸電流Iqを下記式(1)、d軸電流Idを下記式(2)によって規定する
Iq=I・cosθ …(1)
Id=−|Idmax|・sinθ …(2)
(前記式(1)中、Iは、前記d軸電流を流さない場合の前記電機子へのq軸電流指令値を表す。
前記式(2)中、Idmaxは、任意に設定できる最大d軸電流を表す。)
ことを特徴とするサーボモータ。 - 請求項7に記載のサーボモータを備えている
ことを特徴とする射出成形機。
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