JP2811685B2 - サーボモータ制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、作動指令に従ってサーボモータをフィード
バック制御するサーボモータ制御装置に関する。

［従来の技術］ 各種のNC工作機械、ロボット、測定装置等においてサ
ーボモータが多用されている。

そして、このサーボモータの制御装置は、作動指令に
したがってサーボモータをフィードバック制御するよう
になっている。

すなわち、例えば目標回転位置、目標回転速度が作動
指令として入力されると、これらの目標値と現在のサー
ボモータの回転位置、回転速度とから、サーボモータに
通電すべき電流指令値を算出し、サーボモータに実際に
通電される電流と電流指令値との偏差に所定の係数（フ
ィードバックゲイン）をかけて、フィードバック制御す
る。

サーボモータは上記のように通電される電流によって
回転磁界を作り、この回転磁界に同期してロータが回転
する。

ところが、サーボモータの回転速度が上昇すると、電
流指令値に対して、実際に流れる電流が所定位相分だけ
遅れる。なお、電流指令値と電源電圧との位相は一致し
ている。

すなわち、電流指令値はサーボモータの回転位置に同
期して変化するが、実際に流れる電流ｉは、電源電圧を
Vm、周期をω、抵抗をｒ、サーボモータのインダクタン
スをＬとすると、下記式で表される。

したがって、実際に流れる電流ｉは、理論的には、サ
ーボモータの回転位置に応じた電流指令値に比べて、θ
だけ遅れることとなる。現実には、この遅れは各サーボ
モータによって、多少変動する。

第６図は、この関係を示したものであり、実線は電流
指令値、破線は実際に流れる電流ｉである。また、一点
鎖線は電流指令値と実際に流れる電流ｉとの偏差であ
る。

そして、第６図の斜線部は、通電した電流がサーボモ
ータの回転に寄与しない部分（無効部分）である。

従来のサーボモータ制御装置では、この無効部分が最
小となるように、フィードバックゲインを設定してい
る。しかし、上記式から明らかなように、位相の遅れθ
は、回転速度によって変化するために、全ての回転速度
にわたって、最適なフィードバックゲインを設定するこ
とはできず、最も頻繁に使用する回転速度等で最適とな
るようにしているにすぎない。

そのため、特に回転速度が高くなったときに、無効部
分が増大し、サーボモータの効率が悪くなる。

すなわち、通電した電流のトルクに寄与する割合が低
下し、発熱量が増大する。

また、上記のようにサーボモータが回転すると、サー
ボモータのコイルには、逆起電力（誘起電圧）が発生す
る。

この誘起電圧Emは、通電した電流を打ち消す方向に発
生し、コイルの巻数をＮ、磁束をΦとすると以下の式で
表される。なお、Φｍは磁束の最大値である。

したがって、誘起電圧Emは、磁束の変化率すなわちサ
ーボモータの回転速度に比例して大きくなる。

そのため、特に回転速度が高い場合に、サーボモータ
に印加される電圧が誘起電圧Emに打ち消されて低下し、
実際に流れる電流は電流指令値よりも小さな値となって
しまう。

その結果、サーボモータのトルクは作業指令によって
指示された値よりも、小さくなってしまう。

これに対処するため、コイルに実際に流れる電流を検
出し、サーボモータに所望の電流が流れるよう電流のフ
ィードバック制御を行っている。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、上記電流の位相のずれを補償し効率よくサ
ーボモータを制御すると共に、より簡単な構成で所望の
トルクを発生するサーボモータの制御装置を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のサーボモータ制御装置は、第１図に例示する
ごとく、 作動指令に従ってサーボモータM1が作動するように、
サーボモータM1に供給する電流の制御を行うサーボモー
タ制御装置であって、 上記サーボモータM1の回転位置および回転速度を検出
する状態検出手段M2と、 上記検出された回転位置，回転速度および上記作動指
令を用いて、上記サーボモータM1に供給する電流指令値
を算出する電流指令値算出手段M3と、 該算出された電流指令値に基づいて、サーボモータM1
に通電される電流を制御するサーボモータ駆動手段M4
と、 を備えると共に、 さらに サーボモータM1の回転速度と、該回転速度に応じて生
じる電流指令値に対する電流の位相ずれとの関係が予め
記憶された電流位相記憶手段（図示しない）と、 上記検出された回転速度に対する電流位相補償量を、
上記電流位相記憶手段に記憶された上記関係に基づいて
決定する電流補償量決定手段M5と、 サーボモータM1の回転速度と、該回転速度に応じて生
じる誘起電圧による電流の低下量との関係が予め記憶さ
れた電流低下量記憶手段（図示しない）と、 上記検出された回転速度に対する電圧補償量を、上記
電流低下量記憶手段に記憶された上記関係に基づいて決
定する電圧補償量決定手段M6と、 上記決定される電流位相補償量および電圧補償量によ
り、上記電流指令値を補正する電流指令値補正手段M7と を備えたことを特徴とする。

［作用］ 本サーボモータ制御装置では、状態検出手段M2によっ
て検出されるサーボモータM1の回転速度から、電流指令
値に対する実際に流れる電流の位相の遅れを電流補償量
決定手段M5にて推定する。この推定は、電流位相記憶手
段に予め記憶されている、サーボモータM1の回転速度
と、回転速度に応じて生じる電流指令値に対する電流の
位相ずれとの関係に基づいて行われる。そして、電流指
令値算出手段M3で算出された電流指令値の位相を、電流
指令値補正手段M7にてこの遅れに相当する分だけ予め進
めておく。

そのため、サーボモータ駆動手段M4にて、補正された
電流指令値によってサーボモータM1を制御する際に、特
に高回転速度の場合に、サーボモータM1の回転位置に対
する実際に流れる電流の位相の遅れがなくなり、効率良
くサーボモータを制御することができる。

また、サーボモータM1の回転速度から、誘起電圧によ
る電圧低下を電圧補償量決定手段M6にて推定する。この
推定は、電流低下量記憶手段に予め記憶されている、サ
ーボモータM1の回転速度と、この回転速度に応じて生じ
る誘起電圧による電流の低下量との関係に基づいて行わ
れる。そして、電流指令値算出手段M3で算出された電流
指令値を、電流指令値補正手段M7にてこの電圧低下に相
当する分だけ予め高めておく。

そのため、サーボモータM1を制御する際に、特に高回
転の場合に、誘起電圧の発生による実際に流れる電流の
低下が補償される。

すなわち、上記電流の位相補償及び誘起電圧の補償を
双方実行することで、従来必要であった電流のフィード
バック制御を行わなくとも、所望のトルクを発生するよ
うにサーボモータへの供給電流を制御することができ
る。しかも、サーボモータM1の回転速度と電流の位相ず
れの関係は、予め電流位相記憶手段に記憶されているの
で、装置構成が簡略であり、しかも回転速度が検出され
れば即、位相ずれを決定することができる。

更に、サーボモータM1の回転速度と電流の低下量の関
係も、電流低下量記憶手段に予め記憶されているので、
回転速度が検出されれば即、電流低下量を決定すること
ができる。

［実施例］ 本発明の一実施例を第２図〜第５図を用いて説明す
る。

第２図は、本実施例の構成図である。

コントローラ10は、構成の簡略化、汎用性を考慮して
図示するようにマイクロコンピュータを中心としたディ
ジタル回路により構成されている。

すなわち、論理演算を実行するCPU10a、該CPU10aの実
行する各種制御プログラムおよびプログラムで使用する
各データテーブルを不揮発的に記憶しているROM10b、情
報の一時的記憶を実行してCPU10aの演算を補助するRAM1
0c、これら論理回路と他の機器との情報の授受を受け持
つ入出力ポート10dを主要部としている。

コントローラ10のその他の機器としては、入出力ポー
ト10dより入力する制御信号に従ったPWM信号を出力する
PWM回路10e、そのPWM信号に基づきパワートランジスタ
により構成されたパワーアンプ10gを駆動するプリドラ
イバ10fが設けられている。

このパワーアンプ10gによってPWM制御された三相交流
が制御用モータ20の電機子電流として供給されるため、
制御用モータ20の駆動は入出力ポート10dから出力され
る制御信号により、すなわちCPU10aを中心とした論理回
路により制御されることになる。

またコントローラ10は、制御用モータ20をより高精度
に安定して制御するため、フィードバック制御方式を採
用している。

帰還される制御用モータ20の出力の情報は、制御用モ
ータ20の回転軸の回転位置を検出するエンコーダ26の検
出出力である。

エンコーダ26で検出される制御用モータ20の回転位置
とは、制御用モータを構成するステータとロータとの相
対位置であり、また、この回転位置は、微分されて回転
速度としても使用される。

制御用モータ20の回転軸は、ワークなどが載置される
テーブル30と螺合するボールネジ32に連結されている。

従って、制御用モータ20の回転軸が回転するとボール
ネジ32が回転し、螺合しているテーブル30を図面左右方
向に移動させることができる。

このとき、回転軸の回転量がテーブル30の移動量に、
回転軸の回転速度がテーブル30の移動速度に対応する。

また、コントローラ10のROM10bには、上述のように、
制御プログラム以外に、制御用モータ20の回転速度に対
して実際に流れる電流の位相の遅れ量が電流位相補償量
として、同じく回転速度に対して誘起電圧による実際の
電流の低下量が電圧補償量として記憶されている。

この電流位相補償量は、「従来の技術」で説明した理
論的な遅れ量θと制御用モータ20から実験によって求め
た遅れ量とによって決定され、電圧補償量は「従来の技
術」で説明した理論的な誘起電圧Emと制御用モータ20か
ら実験によって求めた電圧の低下量とによって決定され
ている。

この回転速度と電流位相補償量との関係の一例を第５
図（Ａ）に示し、回転速度と電圧補償量との関係を第５
図（Ｂ）に示す。

公知のように、CPU10aを中心とした論理回路は各種電
子部品の集合体のようなものであり、これらに所定のプ
ログラムを実行させることで、目的とする各種の電子回
路を構成することができる。

本実施例のコントローラ10は、ROM10bに記憶されるプ
ログラムにより、第３図のように動作する。

このプログラムは、コントローラ10を含むサーボシス
テムの起動がなされたときから繰り返し実行されるもの
であり、所定間隔で繰り返し実行される。

先ず制御が開始されると、制御指令および制御用モー
タ20の回転位置が入力される（ステップS100）。

この制御指令は、図示されないキーボード等から入力
されるものであり、制御用モータ20の回転速度、回転位
置等の目標情報からなり、また、制御用モータ20の回転
位置はエンコーダ26から入力される。

次いで、上記入力された制御用モータ20の回転位置を
微分することによって制御用モータ20の回転速度を算出
する（ステップS110）。

続いて、上記制御指令、制御モータ20の回転位置、回
転速度から、制御用モータ20に通電する電流指令値を算
出する（ステップS120）。

この電流指令値の算出については周知であるので、説
明を省略する。

ついで、上記算出された回転速度を用い、ROM10bから
予め記憶される電流位相補償量（第５図（Ａ）参照）を
算出し（ステップS130）、同じく上記算出された回転速
度を用い、ROM10bから予め記憶される電圧補償量（第５
図（Ｂ）参照）を算出する（ステップS140）。

そして、ステップS120にて算出された電流指令値を、
該算出された電流位相補償量，電圧補償量で補正する
（ステップS150）。

この電流位相補償量による補正は、上記電流指令値と
同じ波高値、周期であるが、位相が上記算出された電流
位相補償量だけ進んだサイン波を、電流指令値に重ね合
わせることによってなされる。また、電圧補償量による
補正は、誘起電圧によって低下する電流値に相当する値
を電流指令値に加えることによってなされる。

ついで、この様に補正された電流指令値をPWM信号に
変換して入出力ポート10dよりPWM回路10eに出力し（ス
テップS160）、処理を終了する。

以上のようなプログラムによりコントローラ10として
構成される疑似的な電子回路を、視覚的に示したブロッ
ク図が第４図である。

上記プログラムの実行により、CPU10aないし入出力ポ
ート10dにより構成される論理回路は、図示するように
２重のフィードバックループを有するサーボ回路を構成
している。なお、K1〜K3は各々の値を算出する際に、CP
U10a内で実行される論理演算の際の係数に相当する。

簡単に説明すると、このサーボ系に制御指令が与えら
れると、サーボモータ20は位置指令と速度指令との２段
階のフィードバックループにより、制御される。

位置指令は、制御指令をエンコーダ26の出力で補正さ
れ、ゲインK1をかけられて速度指令とされるものであ
り、速度指令は、エンコーダ26の出力を微分した値（回
転速度）によって補正され、ゲインK2をかけられて電流
指令とされるものである。電流指令は、上記回転速度か
ら求められた電流位相補償量だけ位相の進んだサイン波
によって補正され、さらに、同じく上記回転速度から求
められた電圧補償量によって補正され、ゲインK3をかけ
られてドライバ10e,10g,10fから所定電流が供給される
ものである。

ついで、速度フィードバックで、上記制御されるモー
タ20の回転速度が、位置指令から得られた速度指令と一
致するように、速度指令を補正する。

さらに、位置フィードバックでは、上記速度フィード
バックで制御されるモータ20の回転位置が指令位置から
得られた位置指令と一致するように、位置指令を補正す
る。

以上のように、制御することによって、回転速読が高
くなっても、制御用モータ20の回転位置に対する実際に
流れる電流の位相の遅れがなくなって無効な電流が流れ
なくなり、効率がよくなるとともに、誘起電圧による電
流の低下がなくなり、所望のトルクを得ることができ
る。

その結果、制御用モータ20の無効電流による発熱が無
くなる。

また、電流のフィードバックを行わなくともよいの
で、構成を簡単にすることができる。

さらに、本実施例では、電流位相補償量，電圧補償量
を算出する際に、論理的に算数した遅れθ，誘起電圧Em
だけでなく、実験的に求めたデータも使用しているの
で、位相の遅れに対する補償，誘起電圧による電流低下
に対する補償がより確実に行える。

［発明の効果］ 本発明のサーボモータ制御装置では、サーボモータの
回転速度に応じて、電流指令値の位相を回転速度による
遅れに相当する分だけ予め進めておくと共に、電流指令
値を誘起電圧による電流の低下に相当する分だけ高くし
ておく。

したがって、回転速度が高くなっても、サーボモータ
の回転位置に対する実際に流れる電流の位相の遅れがな
くなり、無効な電流が流れなくなり、効率がよくなる。
その結果、サーボモータの無効電流による発熱が無くな
る。

また、回転が高くなっても、誘起電圧による実際に流
れる電流の低下がなくなり、所望のトルクを得ることが
できるとともに、電流のフィードバック制御を行う必要
がなく、構成が簡単になる。すなわち、最も高速な制御
が要求される電流のフィードバック制御を省略すること
ができるため、装置の負担が軽減され、より安価で、簡
素な構成によりシステムを構築することができる。

さらに、回転速度に対する電流の位相の遅れを、電流
位相記憶手段に予め記憶しており、また回転速度に応じ
て発生する誘起電圧による電流の低下量を、電流低下量
記憶手段に予め記憶しているので、電流位相補償量及び
電圧補償量の推定に要する構成が簡略化されると共に、
これら何れもが短時間で推定され、これにより電流指令
値の補正も速やかに行われ、高速応答性が確保される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示する構成図、第２図
は本発明の一実施例の構成図、第３図はその動作を説明
する流れ図、第４図はそのブロック図、第５図（Ａ）は
それに使用する回転速度と電流位相補償量との関係を示
す線図、第５図（Ｂ）はそれに使用する回転速度と電圧
補償量との関係を示す線図、第６図は従来の問題点の説
明図である。 M1,20……サーボモータ（制御用モータ） M2,26……状態検出手段（エンコーダ） M3……電流指令値算出手段 M4……サーボモータ駆動手段 M5……電流補償量決定手段 M6……電圧補償量決定手段 M7……電流指令値補正手段 10……コントローラ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 21/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】作動指令に従ってサーボモータが作動する
   ように、サーボモータに供給する電流の制御を行うサー
   ボモータ制御装置であって、 上記サーボモータの回転位置および回転速度を検出する
   状態検出手段と、 上記検出された回転位置、回転速度および上記作動指令
   を用いて、上記サーボモータに供給する電流指令値を算
   出する電流指令値算出手段と、 該算出された電流指令値に基づいて、サーボモータに通
   電される電流を制御するサーボモータ駆動手段と、 を備えると共に、 さらに サーボモータの回転速度と、該回転速度に応じて生じる
   電流指令値に対する電流の位相ずれとの関係が予め記憶
   された電流位相記憶手段と、 上記検出された回転速度に対する電流位相補償量を、上
   記電流位相記憶手段に記憶された上記関係に基づいて決
   定する電流補償量決定手段と、 サーボモータの回転速度と、該回転速度に応じて生じる
   誘起電圧による電流の低下量との関係が予め記憶された
   電流低下量記憶手段と、 上記検出された回転速度に対する電圧補償量を、上記電
   流低下量記憶手段に記憶された上記関係に基づいて決定
   する電圧補償量決定手段と、 上記決定される電流位相補償量および電圧補償量によ
   り、上記電流指令値を補正する電流指令値補正手段と を備えたことを特徴とするサーボモータ制御装置。