JP2612761B2 - 同期電動機の制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、工作機械の送り軸やロボットの各軸を制御
するサーボモータとして使用されている交流同期電動機
の制御方式に関する。

従来の技術 第３図は、サーボモータとして従来から使用されてい
る三相同期電動機のマイナーループとしての電流制御ル
ープを含む速度制御ループのブロック線図である。

第３図中、10は速度指令Vcと実速度Ｖとの差（Vc−
Ｖ）、即ち、速度偏差を入力しトルク指令Tcを出力する
伝達関数で、k1vは速度ループ積分ゲイン、k2vは速度ル
ープ比例ゲインである。12R,12S,12Tはトルク指令Tcに
各相の電流によってつくられる合成磁界が永久磁石のつ
くる磁界と同位相になるように、ロータの現在位置に対
する各相指令の位相を調整する伝達関数で、トルク指令
Tcにsinθ（θ:R相の位相）が乗じられてＲ相の電流指
令Ircが作られる。また、トルク指令Tcにsin（θ＋2/3
π）,sin（θ−2/3π）が乗じられてＳ相,T相の電流指
令Isc,Itcが作られる。16は電流ループの積分器として
の伝達関数で、k1は電流ループの積分ゲインである。Ｒ
相の電流指令IrcとＲ相の実電流Irの差が積分器16で積
分され、その値からＲ相の実電流Irに伝達関数20で示す
電流ループの比較ゲインk2を乗じた値が減じられ、PWM
指令（電圧指令）が作られ、モータのＲ相に出力され
る。なお、伝達関数18におけるＲはモータの巻線抵抗,L
は巻線インダクタンスである。

また、第３図においては、Ｒ相について電流フィード
バック部を詳細に記したが、第３図中、破線14Rで示す
部分は他のＳ相,T相においても同様なブロック線図であ
り、この部分14S,14Tは省略している。また、伝達関数2
2,24はモータ機械部の伝達関数であり、Ktはトルク定
数、Ｊはモータロータイナーシャである。さらに、Tdは
外乱トルクを示している。

上記構成において、速度制御ループでは、速度指令Vc
と実速度Ｖの差分（Vc−Ｖ）に応じ、伝達関数10で示す
処理を作ってトルク指令Tcを作り、速度制御ループのマ
イナーループである電流制御ループによって該トルク指
令のトルクを実現するようＲ相,S相,T相の各相巻線に与
えるPWM指令を算出している。

すなわち、トルク指令Tcにロータ位置に応じて各相の
電流によってつくられる合成磁界が永久磁石のつくる磁
界と同位相になるように各相の位相の正弦値sinθ,sin
（θ＋２π/3）,sin（θ−２π/3）を乗じて各相の電流
指令Irc,Isc,Itcに変換し、この電流指令Irc,Isc,Itcか
ら、夫々各相の実電流Ir,Is,Itを減じた値を夫々積分器
で積分し、その各積分値から各相の実速度に電流ループ
ゲインk2を乗じた値を減じて各相のPWM指令を計算し、
インバータへPWM指令を与え、モータを駆動している。

発明が解決しようとする課題 以上説明したような従来の構成，作用において、第３
図に示すように、外乱トルクTdが存在すると、その影響
はまず速度変動として現われ、これが速度フィードバッ
クによって速度制御ループの積分器及び比例器（伝達関
数10）を通じてトルク指令に反映され、外乱トルクTdを
抑圧するように作用する。

通常、速度ループの周波数帯域は低く、そのため、十
分低い周波数の外乱成分に対しては抑圧可能であるが、
ある程度以上の周波数外乱に対しては、積分器の位相の
遅れ等により、速度制御ループのみでは抑圧できず、位
相が90度以上おくれてしまうと、増幅してしまうことに
なる。

一方、電流制御ループは高い周波数帯域を持っている
けれども、外乱トルクTdによって直接電流は影響を受け
ず、速度制御ループを介して外乱によりトルク指令が変
化したとき、始めて、外乱の影響を打ち消すように電流
が変化するものにすぎず、高い周波数帯域を持つ電流制
御ループは外乱抑圧に直接的には何ら寄与していない。

その結果、従来の制御方式では、ある程度以上の高い
周波数外乱に対しては、外乱トルクを抑圧できないとい
う欠点があった。

そこで、本発明は、高い周波数帯域を持つ電流制御ル
ープによって外乱抑圧を行うことによって外乱抑圧特性
を向上させることを目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明は、速度制御ループで求めたトルク指令値とロ
ータ位置によって求められた各相の電流指令値から、モ
ータの実速度を微分して求めた実加速度を電流指令の次
元に変換しロータ位置に応じて求めた各相の値を夫々減
じた値を、夫々各相の電流制御ループの積分器へ入力す
るように構成することにより、または、速度制御ループ
で求めたトルク指令値から、モータの実速度を微分して
求めた実加速度を電流値に変換した値を減じて得られた
値と、ロータ位置によって各相の電流指令値を求め、こ
の各相の電流指令値を夫々各相の電流制御ループの積分
器へ入力するように構成することによって上記課題を解
決した。

作 用 速度の変化すなわち加速度は、モータ自身が出したト
ルクと外乱トルクを合わせた全トルクによって生じるも
のでから、実加速度を電流の単位に変換したものにおけ
るロータの位置に応じた各相の値を、従来の電流制御ル
ープにおける実電流のフィードバックの代りに用いれ
ば、外乱トルクの影響が加速度として生じ、その加速度
が電流制御ループでフィードバック制御されて外乱抑圧
として作用することとなる。その結果、高い周波数帯域
を持つ電流制御ループによって制御されることとなるか
ら、高い周波数外乱に対しても外乱抑圧が作用すること
となる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例の三相同期電動機の速度
制御及び電流制御のブロック線図であり、第３図に示す
従来例と同一のものは同一符号を付している。そして、
従来例と相違する点は、従来例において、各相の実電流
Ir,Is,Itがフィードバックされ、各相の電流指令Irc,Is
c,Itcと、このフィードバックされた実電流の差（Irc−
Ir），（Isc−Is），（Itc−It）が夫々電流制御ループ
の積分器（例えば、Ｒ相においては第３図に16で示す積
分器）に入力されるようになっていたが、本発明の実施
例においては、この電流制御ループの積分器に入力され
るフィードバック電流の代りにモータの実加速度を電流
の電位に変換したものを入力するようにした点である。

すなわち、モータ速度Ｖを微分し（伝達関数26）、加
速度αを求め、該加速度に電流の単位に変換する定数ka
を乗じて（伝達関数ka）、モータの実加速度αに対応す
る値ka・αを求め、該値ka・αに対し、ロータ位置に応
じた各相の位相の正弦値を乗じたものIrf,Isf,Itfを、
各相の実電流のフィードバック値に変えて電流制御ルー
プの積分器（16）に入力するようにしているが、本実施
例においては、速度制御ループで求められたトルク指令
Tcに、ロータ位置に応じた各相の位相よりわずか進めた
位相θ′，（θ′＋２π/3），（θ′−２π/3）の正弦
値を乗じ、実加速度αに対応する値ka・αには、ロータ
位置に応じた各相の位相のθ，（θ＋２π/3），（θ−
２π/3）の正弦値を乗じるようにしている（θ′＝θ−
Δθ）。他の構成は第３図に示した従来のブロック線図
と同一である。なお、第１図中、14′S,14′Ｔは14′Ｒ
と同一のＳ相、Ｔ相のブロック線図であり、第１図にお
いては省略している。

速度指令Vcからモータの実速度Ｖを減じた速度偏差を
比例・積分制御（伝達関数10）してトルク指令Tcを求
め、電流制御ループにおいて、トルク指令Tcにロータ位
置に対する各相位相より設定量Δθだけ進めた各相の正
弦値sinθ′,sin（θ′＋２π/3）,sin（θ′−２π/
3）を乗じて（伝達関数12R,12S,12T）、各相の電流指令
Irc,Isc,Itcを求め、一方、前述したように実速度Ｖを
微分し、定数kaを乗じたものに、現在ロータに対する各
相の位相の正弦値sinθ,sin（θ＋２π/3）,sin（θ−
２π/3）を乗じたものIrf,Isf,Itfを上記各相の電流指
令Irc,Isc,Itcより夫々減じて電流制御ループの積分器
（16）へ入力する。そして、積分器（16）の出力から各
相の実電流Ir（Is,It）を減じ、各Ｒ相,S相,T相の巻線
に与えるPWM指令PWMr（PWMs,PWMt）を作り、各巻線に電
流を流すことになる。

以上の動作において、外乱トルクTdが存在すると、該
外乱トルクTdによって、まず、モータの実速度Ｖが変化
する。即ち、加速度が生じる。そのため、電流制御ルー
プで実速度Ｖを微分し加速度αを求め、定数kaを乗じ、
さらに各相の位相に応じた正弦値を乗じて加速度αに対
応する値Irf,Isf,Itfを各相の電流指令Irc,Isc,Itcにフ
ィードバックすることになるから、周波数帯域の高い電
流制御ループで外乱トルクTdに対するフィードバック制
御が行われ、外乱トルクTdを抑圧することになるから、
速度制御ループで抑圧できないような、ある程度以上の
周波数外乱に対しても外乱抑圧ができることとなる。

第２図は、本発明の一実施例をデジタルシグナルプロ
セッサ等のプロセッサでサーボ制御（いわゆるデジタル
サーボ制御またはソフトウェアサーボ制御）における電
流制御ループ処理のフローチャートである。なお、該サ
ーボ制御を行うプロセッサ等のハードウェア構成はすで
に公知であるので、説明を省略する。

サーボ制御を行うプロセッサでは、数値制御装置等か
ら出力された移動指令とモータに取付けられた位置検出
器としてのパルスコーダからのフィードバックパルスに
より位置偏差を求め、該位置偏差より速度指令Vcを算出
し、次に、速度制御ループ処理としてこの速度指令Vcと
パルスコーダ等から求められるモータの実速度Ｖから速
度偏差を求め、第１図に示すように、比例・積分制御を
行ってトルク指令Tcを算出する。そして、速度制御ルー
プで求められたトルク指令Tcに基いて速度制御ループの
処理よりも処理周期が短い電流制御ループの処理を開始
する。位置制御ループ及び速度制御ループの処理は従来
と同様であり、トルク指令Tcがすでに求められているも
のとして、本発明の一実施例の電流制御ループの処理
を、第２図のフローチャートと共に説明する。

まず、モータの実速度Ｖ及びロータ位置（Ｒ相を基準
とし、Ｒ相におけるロータ位相）を読取り（ステップ10
1）、読み取ったモータの実速度Ｖから、レジスタＲ
（Ｖ）に記憶した電流制御ループ処理の前周期で求めた
実速度Ｖを減じて、加速度αを求め、読み取った実速度
ＶをレジスタＲ（Ｖ）に格納する（ステップ102,10
3）。次に、ステップ102で求めた加速度αを電流の単位
に変換する定数kaを乗じて、加速度αに対応する値α・
kaを求める（ステップ104）。次に、ステップ101で読込
んだロータ位置より各相の位相の正弦値sinθ,sin（θ
＋２π/3）,sin（θ−２π/3）、及びθよりわずかな量
Δθを進めた位相θ′（＝θ＋Δθ）に対する正弦値
θ′,sin（θ′＋２π/3）,sin（θ′−２π/3）を位相
に応じた正弦値を記憶したROMより読出す（ステップ10
5）。そして、速度制御ループ処理で求められているト
ルク指令値Tcに設定量Δθだけ位相を求めた各相の正弦
値を乗じてR,S,T各相の電流指令値Irc,Isc,Itcを求め
る。

Irc＝Tc・sinθ′ ……（１） Isc＝Tc・sin（θ′＋２π/3） ……（２） Itc＝Tc・sin（θ′−２π/3） ……（３） また、上記ステップ104で求めた加速度αに対応する
値α・kaにsinθ,sin（θ＋２π/3）,sin（θ−２π/
3）を乗じ、各相の加速度に対応する値Irf,Isf,Itfを求
める（ステップ106）。

Irf＝α・ka sinθ ……（４） Isf＝α・ka sin（θ＋２π/3） ……（５） Itf＝α・ka sin（θ−２π/3） ……（６） そして、上記求められた各相の電流指令値Irc,Isc,It
cから加速度に対応する各相の電流値Irf,Isf,Itfを夫々
減じ、電流制御ループの積分ゲインk1を乗じて積分器と
して機能する各相のレジスタRr（ｓ）,Rs（ｓ）,Rt
（ｓ）に加算する。即ち、第１図の伝達関数16に対応す
る積分処理を行う（ステップ107）。

Rr（ｓ）←Rr（ｓ）＋k1（Irc−Irf） ……（７） Rs（ｓ）←Rs（ｓ）＋k1（Isc−Isf） ……（８） Rt（ｓ）←Rt（ｓ）＋k1（Itc−Itf） ……（９） 次に、各相の実電流Ir,Is,Itを読込み（ステップ10
8）、制御ループの比例ゲインk2を乗じ（ステップ10
9）、この値を上記積分器としてのレジスタRr（ｓ）,Rs
（ｓ）,Rt（ｓ）から夫々減じて各相のPWM信号を算出す
る。

PWMr＝Rr（ｓ）−k2・Ir ……（10） PWMs＝Rs（ｓ）−k2・Is ……（11） PWMt＝Rt（ｓ）−k2・It ……（12） こうして、算出された各相のPWM信号PWMr,PWMs,PWMt
をインバータに出力し、インバータをスイッチングさせ
てモータを駆動する（ステップ110）。

以上のように、サーボ制御における電流制御ループの
プロセッサの処理は行われるが、本実施例においては、
トルク指令値Tcに乗じる正弦値をロータ位置における各
相の位相により設定量のΔθだけ進めた位相θ′（＝θ
＋Δθ）の正弦値を用いたが、両位相を同一としてもよ
く、この場合は、例えば、Ｒ相で述べると次の第（13）
式となる。

Irc−Irf＝Tc sinθ−ａ・ka sinθ ＝（Tc−α・）sinθ ……（13） その結果、速度制御ループ処理で算出されたトルク指
令値Tcから加速度αに定数kaを乗じた値を減じた値に対
してsinθ,sin（θ＋２π/3）,sin（θ−２π/3）を乗
じて各相の電流指令値として積分器（16）に入力すれば
よいこととなる。即ち、ステップ107の処理である第
（７）式〜第（９）式の処理は次のようになる。

Rr（ｓ）＝Rr（ｓ）＋k1・（Tc−α・ka） ・sinθ ……（14） Rs（ｓ）＝Rs（ｓ）＋k1・（Tc−α・ka） ・sin（θ＋２π／θ） ……（15） Rt（ｓ）＝Rt（ｓ）＋k1・（Tc−α・ka） ・sin（θ＋２π／θ） ……（16） なお、上記実施例においても、従来と同様、電流制御
ループの比例項（伝達関数20）は実電流Ir,Is,Itを用い
ており、これによって実電流を監視して、電流制御ルー
プの発振，暴走を防ぎ、パワーアンプ（インバータ）や
モータを保護している。

発明の効果 外乱の影響は、まず、速度の変化即ち加速度として現
れるので、本発明においてはこの加速度を利用して電流
制御ループ処理において外乱を抑圧するように制御した
から、周波数帯電の高い電流制御ループで外乱抑圧が行
われ、速度制御ループの制御では抑圧できない高い周波
数外乱に対しても外乱抑圧ができ、サーボ系の外乱抑圧
特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例における三相同期電動機の
速度制御ループ及び電流制御ループのブロック線図、第
２図は、同一実施例におけるサーボ制御のプロセッサに
よる電流制御ループ処理のフローチャート、第３図は、
従来の三相同期電動機の速度制御ループ，電流制御ルー
プのブロック線図である。 Vc……速度指令、Tc……トルク指令、Irc,Isc,Itc……
R,S,T相の電流指令、Irf,Isf,Itf……加速度に対応する
R,S,T相の電流値、Td……外乱トルク、Ｖ……モータの
実速度、α……モータの加速度、k1v……速度ループ積
分ゲイン、k2v……速度ループ比例ゲイン、k1……電流
ループ積分ゲイン、k2……電流ループ比例ゲイン、Ｒ…
…巻線抵抗、Ｌ……巻線インダクタンス、Kt……トルク
定数、Ｊ……モータロータイナーシャ、ka……加速度を
電流の単位に変換する定数。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】サーボモータとして使用される交流同期電
   動機制御における電流制御ループにおいて、速度制御ル
   ープで求めたトルク指令値とロータ位置によって求めら
   れた各相の電流指令値から、モータの実速度を微分して
   求めた実加速度を電流指令の次元に変換しロータ位置に
   応じて求めた各相の値を夫々減じた値を、夫々各相の電
   流制御ループの積分器への入力とすることを特徴とする
   同期電動機の制御方式。
2. 【請求項２】上記ロータ位置によって求められる各相の
   位相より設定量だけ進めた位相の正弦値を上記トルク指
   令値に乗じて求めた各相の電流指令値から、上記求めた
   各相の位相の正弦値を上記実加速度から求めた値に乗じ
   て得られる値を減じて夫々各相の電流制御ループの積分
   器への入力とした請求項１記載の同期電動機の制御方
   式。
3. 【請求項３】サーボモータとして使用される交流同期電
   動機制御における電流制御ループにおいて、速度制御ル
   ープで求めたトルク指令値から、モータの実速度を微分
   して求めた実加速度を電流値に変換した値を減じて得ら
   れた値と、ロータ位置によって各相の電流指令値を求
   め、この各相の電流指令値を夫々各相の電流制御ループ
   の積分器への入力としたことを特徴とする同期電動機の
   制御方式。