JP3399532B2 - ベクトル制御ａｃドライブを備えた成形機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、射出成形機のために電動機駆動部に関し、
特に射出成形機のためのサーボ機構駆動システムにおけ
るベクトル制御AC誘導電動機の使用に関する。

関連技術の記述 射出成形機は、それらの主要な動力源として流体圧作
動システムを使用するように伝統的に設計されてきた。
流体圧作動装置は、多年にわたって満足できるものであ
ることを証明してきた。これら装置は、比較的安価であ
り、射出成形機の要件に見合う動力および速度の応答特
性を持ち、堅牢でありかつ信頼し得る。

しかし、流体圧作動システムは、幾つかの本質的な短
所を有する。流体圧作動油は、産業環境における塵埃お
よび汚染を蒙り、濾過および保守を必要とする。更に、
油漏れの可能性があって、これがそれら装置を「クリー
ン・ルーム（clean room）」製造環境に対して不適な
ものにする。流体圧駆動部は、制限された位置決め精度
および繰返し性を持ち、流体圧作動油の温度変化が性能
における更なる変動を導くことになる。最後に、流体圧
駆動部はエネルギ効率が低く、従って、作動油から熱を
除去して一定の油温度を維持するために熱交換器および
冷却器を必要とする。

電動機サーボ機構駆動部は、流体圧作動機器に代わる
物を提供し、40年以上にわたって利用可能であった。往
時のシステムは、電機子の回りに巻付けられ整流子で終
わる多数のコイルを持つ周知のブラシ・タイプのDC電動
機を用いていた。電機子は、電機子における巻き数に対
応する多数の永久磁石またはコイル磁石を持つ固定子に
より包囲されている。電動機が回転すると、炭素ブラシ
が電機子コイルを電源に逐次接続する。コイルに流れる
連続的な電流が磁界を生成し、これが固定子の磁界と作
用して電機子にトルクを生じ、これにより電機子の回転
運動と電機子コイルの励起／整流とを継続する。

ブラシ・タイプDC電動機の最も望ましい特性は、幾つ
かの本質的な電動機特性の結果であるその制御の簡単さ
である。第一に、印加されて電機子電圧に対して、速度
とトルクの最大限度が確立され、所与の動作条件に対し
て、速度およびトルクが逆の関係を生じる、即ち、電動
機負荷が増加するに伴い、速度は低減することになる。
第二に、トルクは、電機子電流とのその直線的関係の故
に容易に制御される。最後に最大トルクに対しては、電
機子電流により生じる磁界は、固定子磁界の電極と空間
矩象関係（in space quadrature）になければならな
い。電機子の整流子構造は、各電機子コイルを正しい電
機子位置で自動的に切換えて最適な空間矩象関係を維持
する。簡単であることと所要の性能特性にも拘わらず、
ブラシ・タイプDC電動機を用いるサーボ機構駆動部は、
ブラシの火花発生、ブラシの摩耗、ブラシの保守、およ
び低速時のトルクのリップルという短所を有する。更
に、電機子に電流を通す巻線を持つことが電機子の慣性
を増すばかりでなく、固定子および電動機の筺体から空
隙により隔てられる電機子から熱を放散することが難し
い。

最近20年にわたって、更に新規なサーボモータ設計
が、厄介なブラシを用いる必要のないDC電動機の逆線形
の速度とトルクの特性を近似化することに成功した。こ
れらの新規な設計は、幾つかの異なる電動機技術を示す
ものであるが、これらはしばしば総合的にブラシレス・
モータと呼ばれている。これらの設計はブラシ・タイプ
のDC電動機性能をほぼ反映するので、時に広範囲にわた
り総合的にブラシレスDC電動機とも呼ばれる。しかし、
より厳密にみれば、ブラシレス・サーボモータ技術は、
更に正確にはAC誘導電動機、AC同期電動機、およびブラ
シレスDC電動機に分けられる。これらの電動機はそれぞ
れ、独自の物理的構造、独自の制御理論、および独自の
動作特性を有する。

高性能のサーボ機構駆動部におけるAC誘導電動機の使
用は、最も新しい展開である。この電動機は、固定子に
１つの短絡回路かご型回転子と３相巻線を用いる。サー
ボ機構駆動部におけるこのような電動機の変更可能な速
度制御は非常に複雑でやや高価につくが、ベクトル（磁
界に即した）制御により更に実用的になりつつあり、以
降において非常に詳細に論述する。

ブラシレス・サーボモータの別のカテゴリは、AC同期
サーボモータである。この内外が逆になった３相電動機
の設計は、希土類磁性体を用いて磁束密度を最大化しか
つ重量を最小化する永久磁石回転子によって生成される
磁界を有する。従って、回転子の慣性が低減され、これ
が電動機の動的応答を最適化する。固定子は、その３相
の各々に複数の組、一般に回転子の磁石数に等しい４
組、６組または８組の巻線を有する。３相固定子巻線に
おける電流が組合って、回転子磁石の磁界と相互に作用
してトルクを生じる結果的な磁界ベクトルを生しる。磁
界ベクトルの大きさおよび回転子の磁気モーメントに関
するその角度が、トルクの大きさと向きを決定する。

固定子巻線の形状および永久磁石回転子の磁束密度
は、回転子が一定速度で回転される時、図1aに示される
如き正弦波形の起電力（EMF）11が巻線に誘起される如
きものである。誘導EMFの振幅と周波数とは速度に比例
する。図1aに示されるように固定子巻線が等しい振幅と
周波数であるが120゜だけ位相がずれた３相正弦波形電
流15を供されるならば、結果として回転磁界が固定子の
磁極に生じることになる。この磁界の強さは、固定子巻
線における電流の大きさに比例する。

所与の電流における最大トルクと略々直線的なトルク
−電流を得るために、各固定子電流の位相角と回転子磁
石により生じる磁気ベクトルの角度との関係は一定に保
持されねばならない。従って、固定子巻線に加えられる
正弦波形電流の位相関係は、制御されて各誘導EMFと同
期位相に維持されねばならない。

上記の機能を達成するためには、電動機動作に関して
情報を得るようにフィードバック・ループが電動機と電
動機制御部との間で閉じられる。第一に、軸の回転方向
を決定するためにフィードバック信号が要求される。第
二に、電流信号の振幅および位相が適正に制御されるよ
うに回転子軸の瞬間的な絶対位置を規定するフィードバ
ック信号が要求される。最後に、速度制御のため必要な
電動機速度を測定するため、フィードバック信号が要求
される。大半のAC同期サーボモータにおいて、高解像度
の絶対パルス・エンコーダ、または典型的に１回転当た
り2000〜4000パルスの範囲内にある増分解像度を持つレ
ゾルバから全ての３つのフィードバック信号が得られ
る。以下において更に詳細に述べるように、ACサーボモ
ータは、固定子電流を調整して各位相に対する正弦電流
波をディジタル的に生じるための非常に複雑な制御部を
必要とする。

最近数年間にわたって、AC同期サーボモータを用いる
幾つかの射出成形機が紹介された。これらのシステム
は、高性能のサーボ機構駆動部として設計され、また工
作機械、産業ロボットその他の用途における動力システ
ムとして好評を得た。優れたサーボ性能を獲得するため
には、AC同期電動機の設計は、電動機の応答時間および
位置決め解像度および精度を最大化するように進化し
た。例えば、電動機の回転子において重量および慣性を
減じるため新種の磁性材料が用いられる。更に、電動機
の構造は比較的複雑化し、電動機制御部はより高い位置
決め解像度および精度を達成するのに必要な複雑な計算
を行うように開発された。最終的な結果は、高性能は得
られるがより高いコストで更に複雑な制御部が要求され
ることである。更には、高いサーボ性能のため要求され
るAC同期電動機のより小さなコンパクト設計は、制限さ
れたパワー出力を持つ電動機をもたらす結果となった。
その結果、より大きいパワーが要求される用途では、複
数の電動機が１つの動力系統に組込まれねばならない。

最終的なブラシレス・サーボモータ形式は、ブラシレ
スDC電動機である。この電動機においては、固定子は、
永久磁石回転子における磁石数に等しい３相の各々にお
ける巻線数からなっている。回転子に取付けられた磁石
は、用途に応じて他の材料からも作ることができるが、
典型的には一般のセラミック磁石である。固定子巻線の
形状および回転子における永久磁石の形状は、回転子が
一定速度で回転される時、図1bに示される如き台形のEM
F波形が固定子巻線に誘起されるように、回転子におけ
る磁束密度の分散を生じる。各位相における台形EMFの
累積効果は、固定子における誘導電流に対して略々平坦
な波形を生じることである。図1bに示される如き矩形状
電流ブロック信号19が固定子波形に印加される時、一定
のトルクが生成される。図1aに示される如きACサーボモ
ータにおける180゜にわたる正弦波形電流の連続的な印
加とは対照的に、120゜の期間中電流ブロックが断続的
に印加されることに注意すべきである。１つの巻線から
別の巻線へのこのような不連続電流の整流は、ブラシレ
スDC電動機における歯車状特性の主な原因である。

EMFの振幅は速度に比例し、従って、速度は固定子巻
線に加えられる信号の電圧振幅を制御することによって
制御される。固定子における電流ブロックの振幅は、生
成されるトルクに正比例し、このトルクを制御する。均
一なトルクの生成のためには、回転子の位置の如何に拘
わらず、電流の整流が予め定めた回転子角度で生じなけ
ればならない。これらの角度は、通常は、固定子に取付
けられる３つのホール効果センサによって検出され、電
動機の固定子電流の切換えを制御するため電動機制御部
に対してフィードバック情報を提供する。更に、回転子
の速度信号を生じるために安価な低解像度のタコメータ
を用いることもできる。

整流ロジックにより、ブラシレスDC電動機の電流−ト
ルク特性および電圧−速度特性は、ブラシ・タイプのDC
電動機のそれに実質的に類似するようになる。その結
果、ブラシレスDC電動機に対する調整回路は非常に簡単
になり、この回路はブラシ・タイプDC電動機駆動部の制
御特性をエミュレートするように構成することができ
る。

ブラシレスDC電動機は、１つの電動機巻線から別の巻
線への不連続な電流ブロックの整流の結果生じるトルク
の脈動（pulsations）即ちリップルにより生成される電
動機コギング（motor cogging）の本質的な短所を有す
る。電動機コギング（cogging）は、比較的低い速度で
より顕著になり完成された部品の特性におけるばらつき
を生じ得る電動機の動作中のトルクの脈動即ちサージに
よって明示される。更に、ブラシレス電動機（DCおよび
AC）は時に、これらが回転しないが依然としてトルクを
保持する時にハンチング即ち振動を生じることになる。
この振動は、主として典型的な電動機制御部において用
いられる増分的な速度フィードバックにより生じ、機械
の構成要素における疲労を生じる結果となる。

電動機のコギングを最小化するために、サーボモータ
速度ループを用いて、圧力またはプロセスまたは機械の
作用力を表わす変数を制御することが示唆された。例え
ば、射出電動機のコギングは、押出し成形スクリューと
融解材料間の圧力の周期的に類似する変動を生じる。圧
力設定点付近のこれらの圧力変動は、圧力が増加する時
に変動指令信号が減少し、またその反対となるように速
度指令信号を逆に修正するために用いられる。その結
果、プロセス変数およびセンサ精度における変動に応じ
て有効度が変化することを伴って更に複雑な制御とな
る。

ブラシレスDC電動機は、典型的に、速度が主要な制御
パラメータでありトルクが比較的一定であるか非常に予
測可能である汎用動力システムに対して用いられてき
た。このような用途は、電動機のコギングが問題となら
ず高い位置決め精度が要求されないコンベア、エレベー
タ、巻上げ機などを含み、従って、より高い位置決め精
度とよい早いサーボ応答を要求する機械に対してブラシ
レスDC電動機が典型的に考慮されることがなかった。電
動機のコギングとサーボ性能が問題である機械を設計す
る一般的なコンセンサスは、ブラシレスDC電動機技術を
適切なものではないとして無視して、一般に受入れ得る
ACサーボモータを選択することであった。射出成形機に
おけるブラシレスDC電動機の使用は容易であるのに、ブ
ラシレスDC電動機の不整とゼロの速度変動の問題が制御
部の複雑性およびシステムのコストを増大させている。
位置決め精度もまた主要な考慮であり、水準技術の流体
圧作動機構に等しいかあるいはこれより優れていなけれ
ばならない。

最後に、ACおよびDCの両方の永久磁石サーボモータに
おいて、トルクを制御する能力は、固定子の磁束と、固
定子の磁束と回転子の磁束間の角度の制御能力に限定さ
れる。また、永久磁石回転子構造がある制御上の制限を
課すことを知ることも重要である。固定子の磁束がトル
クの制御における最大レベルを越えて増加するならば、
回転子磁石の減磁が生じ得、電動機を間違いなく不動作
状態にする。従って、これらの電動機におけるトルクを
制御する能力は明からに制限される。

発明の概要 出願人は、射出成形機において電動機駆動部の利点を
もたらすことを欲するが、利用し得るAC同期電動機の本
質的なパワー制限、ならびにACとDCの両方のブラシレス
・サーボモータにおける潜在的な回転子の減磁は回避し
たい。

出願人は、位置決め精度および繰返し性に悪影響を及
ぼす運動における一般的な鈍重性の故に、射出成形機に
おける駆動システムに対してAC誘導電動機が用いられな
かったものと判断した。しかし、出願人は、ベクトル制
御技術に関して特殊な制御アルゴリズムを実現すること
により、AC誘導電動機を射出成形機におけるサーボ機構
駆動部として有効に使用できることを発見した。ベクト
ル駆動部は、それらのDC相等駆動部に勝る幾つかの利点
を有する。これら駆動部は、より広い速度範囲、より早
い加速度を提供し、疲労および保守する機械的整流シス
テムを持たず、拡張された定常HP範囲を呈し、NEMA次元
決定により機械的にインターフェースを容易化し、製造
者の在庫から容易に入手可能である。

出願人は、複数の、射出成形機におけるおそらくは４
種以上の電動機を一時に１個以上動作させ、電動機駆動
部に対するベクトル制御部を構成可能であることを更に
発見した。これは、各電動機の動力部に対する制御部CP
U（中央処理装置、即ち、コンピュータ）を多重化する
ことにより行われる。射出成形機に対するベクトル制御
を実現することの短所の１つは、この形式のシステムに
対するコントローラCPUが非常に複雑かつ高価であるこ
とである。コントローラCPUを幾つかの電動機とパワー
・トランジスタ間で共有することにより、機械の性能を
犠牲にすることなく、著しいコスト節減が実現される。

本発明の目的は、堅固であり、簡単な構造であり、信
頼性に富み、優れた速度およびトルク能力を持ち、永久
磁石サーボモータと比肩し得るコストで得ることができ
るベクトル制御されたAC誘導電動機駆動部を備えた射出
成形機を提供することにある。

本発明の関連する目的および利点は、必要なパワーを
提供するため２個以上の電動機を１つの駆動装置を集合
化する必要もなく、1000トン以上の緊締力が可能なもの
を含む全範囲の射出成形機のためのベクトル制御AC誘導
電動機駆動部を提供することにある。

本発明の更なる目的および利点は、少ないコストで現
在の水準技術の射出成形機の性能要件に相等あるいはそ
れより優れた性能を提供するベクトル制御AC誘導電動機
駆動部を備えた射出成形機を提供することにある。

本発明の更に他の目的および利点は、緊締装置、押出
し機および射出装置、ならびに電動機駆動部のためのベ
クトル制御部が複数の電動機を動作させるよう構成され
る射出成形機において典型的に用いられる他の閉ループ
動力系統のためのベクトル制御AC誘導電動機駆動部を備
えた射出成形機を提供することにある。

図面の簡単な説明 図1aおよび図1bは、固定子巻線に誘起されたEMFを表
わす信号と、それぞれAC同期サーボモータとブラシレス
DC電動機とに対する固定子巻線に印加された電流信号と
を示し、 図２は、永久磁石DC電動機における速度とトルク間の
関係を示し、 図３は、分巻きDC電動機における速度、トルクおよび
馬力間の関係を示し、 図４は、典型的にブラシレスDC電動機と共に使用され
る制御回路要素を示すブロック図、 図５は、電動機の電力モジュールのためのコントロー
ラCPUの多重化を示すブロック図、 図６は、磁束とトルクに対する電流成分の波形とベク
トル制御部により印加される結果として得るベクトル電
流波形とを示し、 図７は、ベクトル制御AC誘導電動機と関連して典型的
に使用される制御回路構成要素を示すブロック図、 図８は、３相電動機の２相等価分を見出すためのモデ
ル化手順を示し、 図９は、誘導電動機における回転子の磁束位置角の直
接的な測定に含まれる２つのステップを示し、 図10は、典型的な射出成形機において使用されるベク
トル制御AC誘導電動機を含む制御システムを示す概略ブ
ロック図、 図11は、ベクトル制御AC誘導電動機を取付けることが
できる射出成形機の１つの形式に対する全構造構成要素
を示す。

望ましい実施例の説明 出願人は、ベクトル制御AC誘導電動機を用いる射出成
形機駆動システムを開発した。AC誘導電動機は多年にわ
たり産業用途で広く使用されてきたが、複雑かつ高価な
制御要件の故に、サーボモータとしては広く使用されて
はいなかった。低コスト、軽い重量、小さな慣性、少な
い保守および高い効率などのDC永久磁石電動機と比較さ
れる誘導電動機の利点にも拘わらず、その主な用途は定
速駆動用途に止まっていた。

射出成形機におけるサーボモータとしての誘導電動機
の有効な使用は、適切な電子制御に依存する。全ての電
動機形態における如く、誘導電動機で最大トルクを生じ
る能力は、固定子の磁束と回転子の磁束との間の90゜の
関係を維持することにかかっている。永久磁石サーボモ
ータにおいては、トルクを制御する能力は、固定子磁束
の制御能力と、固定子軸と回転子軸間の角度とに限定さ
れる。しかし、固定子の磁束が最大レベルを越えて増加
すると、回転子磁石の減磁が生じ得る。誘導電動機にお
いては、固定子の磁気、回転子の磁気およびこれらの間
の角度の制御は、ベクトル制御によって行われる。この
制御方策は、典型的にDC機械において行われると同じ動
的性能（dynamic performance）をAC誘導電動機から得
ることが可能である。DC技術を少し研究することで、ベ
クトル制御技術および方策の理解が容易になろう。

電動機は、２つの磁界の相互作用によってトルクを生
じる。磁界の１つは回転子からのものであり、他は電動
機の固定子からのものである。これら磁界は、回転子と
固定子間の空隙における磁力線即ち磁束である。これら
の磁界が整合状態（北磁極と南磁極の関係）にあると、
トルクは生成されない。磁界の一方が回転されると、他
の磁界は磁気的整合を維持するようにこれに従おうとす
る。負荷が回転子に加えられると、その磁界は固定子と
関連する他の磁界から遅れ始める。負荷が増加されるに
伴い、回転子の磁界は、磁界が整合状態から90゜外れる
まで更に遅れることになる。この時、磁界は電動機にお
ける同期外れ（pullout）トルクに等しいその最大の磁
気的作用を生じる。

典型的な永久磁石DC電動機においては、電機子が回転
子上にあり、永久磁石は固定子にある。電動機における
整流子およびブラシが、回転する電機子と固定子の磁界
の磁束間の磁束角度が機械的整流によって90゜に保持さ
れるように回転子巻線（電機子）に印加された電圧の極
性を切換え、DC電動機はゼロの速度から定格速度まで一
定の（定格）トルクを生じることになる。図２は、この
関係を示している。

分巻きDC電動機においては、永久磁石が電磁石で置換
される。永久磁石電動機と同様に、分巻き電動機の磁界
巻線はフレーム上にあり、回転子が電機子巻線を運ぶ。
これら２つの巻線は電気的に独立しており、そのためこ
れら巻線の各々に加えられる電圧を制御することができ
る。電圧が両方の巻線に加えられると、回転磁界が回転
子と固定子間の空隙に生成される。電動機により生じた
トルク量は、電動機の基底速度（base speed）まで電
機子と界磁電流の積に比例する。この電動機は、その定
格速度まで定格トルクを生じることになる。定格速度に
達すると、電動機は図３に示されるようにその定格HPを
生じる。ある用途が電動機にその定格速度以上で動作す
ることを要求するため、一定HPに対して速度およびトル
クが反比例することに注意すべきである。界磁電圧およ
び電流が低減されると、電機子の速度は増加し、HPは一
定のままとなる、図３参照。電動機の定格速度動作より
高い速度を要求する用途は、一般に定常HP用途と呼ばれ
る。

磁界の一方の磁束を減じる即ち弱めることは、弱め磁
界（field weakening）と呼ばれる。永久磁石ブラシ電
動機においては、固定子磁界に対する制御ができなくな
り、従ってその定格電圧以上に電機子電圧を増加しない
定格速度以上の動作は不可能である。

ブラシレスDC電動機は同様な制御法に基いており、図
４は典型的なブラシレスDC電動機制御部の基本的要素を
示すブロック図である。この構成においては、永久磁石
が回転子上に固定され、界磁巻線は固定子に設けられ
る。ホール効果センサが固定子ハウジング上に取付けら
れ、回転子の磁極がセンサを通過する毎に回転子位置の
フィードバック信号を生じる。先に述べたように、所要
の速度とトルク値を得るために、固定子コイルにおいて
印加電圧と電流とをそれぞれ制御することが必要であ
る。この制御は、典型的には、パルス幅変調（PWM）の
公知技術を用いて所要の電圧および電流値を得る。従っ
て、PWMにより、固定子コイルに対する所要の印加電圧
および電流を得ることができる。実際の結果（net res
ult）は、図1bに示されるように各位相における電流ブ
ロック19の印加であり、これが電流調整器の出力により
規定される大きさを持つ総電動機電流を生じる。

トルク制御は典型的には用いられることはないが、ブ
ラシレスDC電動機はトルク制御下で指令される。この場
合、トルク制御は、トルク制限信号と速度エラー信号の
両方に応答し、速度エラー信号をトルク限度信号に制限
する。更に、速度とトルクが設定され、速度エラー信号
がこの設定トルク信号を越えないものとする正常な動作
中は、電動機の制御が電動機を設定速度にする。電動機
における負荷が増加するに伴い、速度は減少し始め、速
度エラー信号が増加する。電流調整器が更に多くの電流
を供給して、電動機を指令された速度へ戻す。負荷が増
え続けると、速度エラー信号がトルク限度信号により確
立される限度に達する。この時、電動機はトルク制御下
にある。次に、電流調整器がパルス幅変調器を制御し
て、トルク限度に対応する電流およびトルクを電動機に
確立する。このトルク限度信号は変更可能であり、これ
に従って電流および電動機トルクが変化させられる。ト
ルク制御が用いられない時は、設定トルク信号がその最
大値に設定される。

AC誘導電動機もまた２つの磁界の相互作用によってト
ルクを生じるが、これらの磁界が空隙に確立される方法
はDC電動機とは異なる。３相誘導電動機においては、巻
線が固定子上にあり、２極電動機の各位相に対して２つ
の磁極が、４極電動機の場合は４つの磁極が、また６極
電動機の場合は６つの磁極が、、の如く固定子上に巻か
れる。誘導電動機の回転子は、終端で短絡されるバーか
ら構成される。AC電力が固定子巻線に印加されると、回
転する磁界が生じる。磁界が回転すると、電流が回転子
のバーに誘起され、回転子にトルクを生じて回転させ
る。しかし、固定子の磁界と回転子に誘起された磁界と
の間の角度的整合は、必ずしも90゜ではない。誘導電動
機は磁界の角度を90゜に固定する整流子／ブラシ・シス
テムを持たないので、DC電動機について述べたように
（図２参照）、ゼロ速度から定格速度まで定格トルクを
本質的に生じることはない。

誘導電動機がゼロ速度から定格速度まで制御されたト
ルクを生じるためには、固定子の（磁化用）磁束と回転
子の（トルクを生じる）磁束に対する磁軸を90゜に保持
する電子制御装置が要求される。この形式の制御は、一
般に磁界指向制御、ベクトル制御あるいはトルク角制御
と呼ばれ、一貫性のため、本明細書ではこの形式の電子
制御を識別するためベクトル制御が用いられる。ベクト
ル制御は、DC電動機における機械的整流子を実質的にシ
ミュレートする磁束界の１つの形態の電子整流を提供す
る。ベクトル制御は、電動機に印加される電圧および電
流の周波数および位相を調整して固定子と回転子の磁束
間の90゜の位相関係を維持する。これは、ゼロ速度およ
び同期速度以上のような他の制御システムにおいてトル
ク制御が容易でない速度を含む全ての速度で電動機が高
いトルク容量で動作することを可能にする。

ベクトル・コントローラは、（磁化用）磁束の90゜成
分で電動機に対して印加される電流およびトルク電流を
遮断する。これらの電流成分は、コントローラのCPUで
ベクトル的に付加される。図６は、電流成分の波形と、
ベクトル・コントローラにより電動機の固定子巻線に印
加される結果として生じるベクトル電流波形とを示す。
磁束あるいは磁化用電流成分は、電動機の定格速度まで
実質的に固定されたままであり、トルク電流成分は加え
られる負荷に正比例するよう電動機に対して調整され
る。誘導電動機のベクトル制御は、電動機のゼロ速度か
ら定格速度まで定格負荷における定格トルクを提供す
る。選択されるコントローラと電動機の制限に依存する
瞬間的負荷に対して150〜300％のピーク・トルクが得ら
れる。ベクトル駆動部によれば、定格速度より高い定常
HP動作もまた可能である。コントローラCPUは、ユーザ
がプログラムした基底速度より高い速度で磁束電流を減
じて、電動機の速度制限またはコントローラの最大出力
周波数まで定常HP動作を行う。

AC誘導電動機のベクトル制御のための全体ブロック図
が図７に示される。基本的なAC電動機は簡単であるが、
可変速度動作はDCマシンよりも複雑な制御法を要求す
る。調整可能周波数電動機駆動部の最も一般的な方法
は、電圧と周波数との間の固定された関係に依存する。
これらの方法は、１つの変数を別の変数に従属させる離
散的な制御ループまたは内側／外側制御ループの抵抗と
コンデンサを用いる。これらの方法は、DC駆動部と比し
て制限された性能を持つ駆動部を生じる。これらは、4:
1の速度範囲で充分である扇風機やポンプの如き用途に
ほとんど適合する。

対照的に、ACベクトル・コントローラは、一般的なAC
制御ループが欠く特徴であるトルク要求信号の印加を許
容する「端子」の相等物を提供する。コントローラ・ロ
ジックの一部である磁界指向装置および３相波形発生器
が、この端子を形成する。コントローラのCPUにおける
制御アルゴリズムが、離散的制御ループに置換される。

回転子磁束の位置角が既知であれば、誘導機における
磁界の配向は同期機に対すると同じ方法で実現すること
ができる。しかし、この２つには２つの実質的な相違が
ある。第一に、誘導電動機とは異なって、誘導電動機に
おける回転子の磁束の位置角度は直接的な測定可能な機
械的量ではない。第二に、誘導電動機は、磁化用および
トルク生成用の両構成要素に対する固定子電流に依存す
る。誘導電動機においては、界磁電流が独立的に制御さ
れる。

誘導機においては、固定子電流は２つの成分、即ち、
（磁化用）磁束とトルク生成用電流とを有する。先に概
要を述べたトルク制御要件に従うためには、これらの２
つの成分は分けられて独立的に制御されねばならない。
更に、２つの電流間の直角の関係が維持されねばならな
い。トルク制御のために概要を述べた要件を達成するよ
うに、AC電流の振幅と位相の両方が制御されねばならな
い。

３相機においては、３つの固定子電流と３つの回転子
電流とがある。図８は、３相マシンの２相の相等分を見
出すための一般的なモデル化手順を示しており、これに
よりシステム変数の数を減少する。ｑ軸およびｄ軸が２
つの位相を示し、それらの間のハッチを施した領域が磁
束とMMF（起磁力）間の相互作用を阻止するのに必要な
直角関係を強化する。ａ、ｂおよびｃ軸が３相の形態を
表わす。同様な変換が電圧、磁束などに対して保持さ
れ、固定子と回転子の両変数に同様に適合し得る。

コントローラCPUによる適切な変換（fransformatio
n）が、固定子電流のフィードバックからの固定子電流
と基準フレーム（reference frame）の速度のトルク生
成成分と磁束生成成分とを提供する。結果として得る独
立的な電流が、関連する基準値と比較される。各エラー
が、固定子電流の位相調整器（phasor）の大きさと相互
の位置を設定する。次いで、逆の変数が固定子の基準フ
レーム（stator reference frames）における情報を
復元する。

回転子の磁束位置角度を決定する２つの基本的な試み
がある。即ち、（１）角度を電気的に測定っする直接的
方式と、（２）界磁の配向に固有の滑り関係を用いて角
度を計算する間接的方法とである。磁束角度の測定は、
図9aおよび図9bに示される２つのステップを必要とす
る。第一に、「Ｃ」で示す回転子磁束コンピュータが、
測定可能量、即ち電動機の入力信号22から回転子磁束成
分20を計算する。次いで、界磁配向器（orienter）「F
O」が、回転子磁束ベクトルの大きさ24と角度26とを計
算する。制御ロジックにおいて正確にリンクすることが
できるこれらの機能（function）は、座標変換を可能に
する磁束角度の如き重要な情報を提供する。また、磁束
の振幅も調整の基礎を提供する。従って、磁束の振幅と
共に瞬間的な電動機トルクの計算を可能にする位相電流
情報が存在する。

界磁の配向の直接的方法が回転子磁束の位置角度の実
際の測定に依存するので、その実現は空間的な電動機お
よびセンサを必要とする。従って、間接的方法がしばし
ば選択されて、特殊化された電動機ハードウエアに対す
る必要を排除する。エンコーダまたは他の速度センサ
が、間接的ベクトル制御方式のための標準的な誘導電動
機に対する唯一つの追加である。

図７に示される制御回路は、CRPWM（電流調整された
パルス幅変調）インバータを用いる間接的な界磁配向シ
ステムに基くものである。この界磁配向装置は、図示さ
れたフィードバックおよび基準値に基く電流のトルクお
よび磁束を生じる構成要素28、30を提供する。同期−固
定子変換は、指令された電流32、34、36、38、40を固定
子に関する基準電流へ変換してPWMトリガー信号202を提
供する。回転子の位置信号と滑り位置信号とを加算する
ことで、界磁角度を生成する。軸（増分）エンコーダが
回転子位置を直接提供し、滑り計算器（slip calculat
or）が滑り位置を生じる。図７のCRPWMに基くシステム
においては、幾つかの機能が実際にコントローラCPUに
おけるソフトウエアの一部であり、これらは界磁の配
向、座標変換、２相/3相計算（２ to ３ phase cal
culation）、および滑りの計算を含む。実際には、PWM
インバータを除く全ての機能は、１つ以上のCPUを用い
るコントローラによって行われる。

一般的に先に述べたように、トルク制御のための３つ
の独立的に制御される要件、即ち、電機子電流、定常磁
界磁束および磁束角度とMMF軸間の90゜の角度がある。
このシステムがどのようにこれらの要件を満たすかを知
るため、下記の観察を行うことができる。これは、DC電
動機と同じ方法で固定子電流の独立的な電流制御を用い
る。トルク生成電流とは独立的な磁束生成電流を制御す
ることで、独立的な磁束制御を行う。固定子電流は、２
つの独立的に制御される成分を有する。回転子の位置と
滑り周波数から計算される１つの電動機界磁角度を用い
ることで、トルク生成電流に関する回転子磁束の空間的
配向を維持する。

図10は、典型的な射出成形機における動力の供給源と
してベクトル制御AC誘導電動機を使用することを示す概
略ブロック図である。マシン制御部（machine contro
l）104が、オペレータ押しボタンおよび入力スイッチ85
と表示装置86とを含むオペレータ・ステーション84に接
続される。オペレータ・ステーション84における表示装
置86は、表示灯に限定され、あるいは射出成形サイクル
の状態に関するリアルタイム情報を提供することができ
るカラー陰極線管または他のパネル・ディスプレイでよ
い。マシン制御部104は、Cincinnati Milacron社によ
り製造され市販されるCAMACシリーズの射出成形機制御
部の如き閉ループ能力を提供する適切な制御部によって
示される。このような制御部の一例は、参考のため本文
に明示的に援用される米国特許第4,745,541号に記載さ
れている。制御部104は、基本的には論理プロセッサ71
と、関連するプログラムおよびデータ・ストア73とから
なっている。ストア73は、典型的には、論理プロセッサ
71に対するオペレーティング・システム・プログラムを
格納するメモリと、射出成形機の動作サイクルを生じる
論理プロセッサにより実行されるべき一連の論理命令を
格納するメモリとを含む。論理命令は、一般に予めプロ
グラムされてストア73におけるROMメモリにロードされ
ている。ストア73は更に、所定の動作サイクルと関連す
るデータを格納するためのメモリを含んでいる。このデ
ータは、所要の位置、速度、温度、圧力、および受入れ
得る部品を得るためマシンを動作させるのに必要な設定
点または限度を表わす他のデータを表わす。オペレータ
は、オペレータ・ステーション84を介して設定点データ
を修正することができる。

論理命令を実行する際、論理プロセッサ71は、I/Oイ
ンターフェース77を介して、動作サイクルを開始するた
め、速度、トルクおよび他の設定点の指令信号を適切な
電動機コントローラおよび他のマシン装置に対して生じ
ることによってマシンのリアルタイム機能を制御する。
プロセッサ71は、マシンから位置、速度、圧力、温度お
よび他の信号を受取り、制御ループ・プロセッサ75を用
いて、現在の設定点信号の状態を変更しあるいは終了さ
せ、そして（または）動作サイクルを継続するためマシ
ンに対する新たな設定点信号を生成するよう動作する。

ストア73はまた、論理プロセッサ71および制御ループ
・プロセッサ75によって共用されるデュアル・ポート・
メモリ53をも含む。制御ループ・プロセッサ75の１つの
機能は、制御部104におけるサーボループを閉路するこ
とである。例えば、制御ループ・プロセッサ75は、デュ
アル・ポート・メモリーから速度指令信号を読出して、
これをバッファ63に格納することができる。バッファさ
れた速度指令信号はコントローラ87へ与えられて、クラ
ンプ装置（clamp unit）の運動を指令し、クランプ装
置の位置を表わす線98上の位置フィードバック信号がI/
Oインターフェース77を介して受取られる。制御ループ
・プロセッサ75は加算器65においてストア73のデュアル
・ポート・メモリー部分に格納されたプログラムされた
位置設定点信号を位置フィードバック信号に代数的に加
算する。結果として得る和がゼロに等しい時、即ち、ク
ランプ装置の実際の位置がプログラムされた位置に等し
い時、制御ループ・プロセッサ75はコントローラ87に対
する現在の速度指令信号を終了するか、あるいは新たな
速度指令信号をバッファ63へ与える。同様に、圧力フィ
ードバック信号が、射出装置102における押出しスクリ
ューにおける圧力を測定するマシンにおける圧力トラン
スジューサ168からI/Oインターフェース77を介して受取
られる。アナログ圧力フィードバック信号が、対応する
ディジタル信号へ変換され、この信号が加算器65におい
てストア73のデュアル・ポート・メモリー部分に格納さ
れたプログラム圧力設定点または限度信号に代数的に加
算されあるいは比較される。実際の圧力が圧力限度を越
えるならば、圧力差を表わすエラー信号が信号修正器
（signal madifier）51により用いられてバッファ63に
おける速度指令信号を修正しあるいは減じる。制御ルー
プ・プロセッサは、ディジタル技術またはアナログ技術
のいずれかを用いて具現される。マシン制御部104は、
他の構成要素、能力および機能を有するが、これらの論
議は本発明の理解のためには必要でない。

サイクルにおける適切な時点において、速度およびト
ルクの設定点信号がベクトル電動機コントローラ87、8
8、89および90に対して生成される。これらのコントロ
ーラは、構成および動作において図７において述べたベ
クトル・コントローラと実質的に同じものである。クラ
ンプ電動機コントローラ87の動作を簡単に要約すると、
電動機コントローラ内部の速度制御部は、入力92におけ
る速度指令信号およびAC誘導電動機124からの線93にお
ける速度フィードバック信号に応答して、速度エラー信
号を生じる。同様に、コントローラ87の内部で、トルク
制御部が入力91におけるトルク限度信号と、コントロー
ラ87内部で生成された電動機電流フィードバック信号と
に応答してトルク・エラー信号を生じる。パルス幅変調
器は、コントローラ87により決定される如きエラー信号
のいずれか一方または両方に応答して、インバータ駆動
ロジック（inverter drive logic）に対する変調され
た出力信号を生じる。コントローラ87におけるインバー
タ駆動ロジックは、ホール効果センサまたはAC誘導電動
機124における他の適切な検出装置によって生じる線94
上の回転子位置信号に応答してインバータ・パワー・ト
ランジスタの切換えを制御し、これにより電動機124の
固定子コイルに接続された線95、96、97に３相駆動信号
を生じる。

電動機124は、クランプ装置100に機械的に接続され、
クランプ部材間に相対的運動を生じる。位置フィードバ
ック装置132はクランプ装置に接続されて、線98上に可
動クランプ部材の位置を表わす位置フィードバック信号
を生じる。更に、コントローラ87はまた、電動機124の
角速度を表わす、マシン制御部104に対する速度フィー
ドバック信号を生じる。速度フィードバック信号はどれ
かあるいは全てのコントローラによって生じるが、これ
は、図10において線101における押出し電動機コントロ
ーラ89によって生じるものとして示される。電動機コン
トローラ88、89、および90、およびそれらの各サーボモ
ータ156、148、103の動作は、述べたばかりの緊締電動
機コントローラ87およびAC誘導電動機124の動作と類似
する。圧力の特性付けの間の射出成型装置の制御におい
て用いられる１つの別の信号は圧力トランスジューサ16
8からの圧力フィードバック信号であり、この信号はマ
シン制御部104へ入力されて射出圧力の直接的な測定を
可能にする。

図11は、AC誘導電動機が用いられる射出成形機を示し
ている。この機械は、それぞれ基部105に載置されたク
ランプ装置100と射出装置102とからなっている。

クランプ装置100は、プラテン隅部において４つの結
合バー（tie bar）により接続される矩形状の静止プラ
テン108、110からなっている。２つの結合バー112、114
が図示される。この結合バーは、可動プラテン116に対
するガイドとして働く。型半部（mold halves）118、1
20はそれぞれプラテン116、110に固定され、クランプ部
が図示される閉鎖位置にある時、型のキャビティ122が
型半分間に形成される。ゲート開口123が型半分120と静
止プラテン110間を通過して溶解プラスチック（plastic
melt）の型空隙部122内への射出を許容する。可動プ
ラテンは、静止プラテン108に載置されたAC誘導電動機1
24によって動作させられる。この電動機は、ベルト結合
部127によりボール・スクリュー（ball screw）126に
接続される。歯車駆動部または他の機械的結合部もまた
使用することができる。ボール・スクリュー・ナット12
8がトグル機構130に取付けられ、これがクランプ装置10
0を動作させる際に電動機124に対する機械的利点を提供
する。線形ポテンショメータの如き位置フィードバック
装置132が、静止プラテン108に関連する可動プラテン11
6の位置を表わす信号を生じる。

射出装置（injection unit）102は、押出しスクリュ
ー142が内部に回転自在かつ変位自在に取付けられた管
状バレル140からなっている。このスクリューは静止部
材144に支持され、スクリュー142の一端部が可動部材14
6に回転自在に固定されている。スクリュー142の回転運
動は、ベルト結合部150によりスクリューに機械的に結
合された電動機148によって与えられ、これは他の適切
な機械的結合部によっても実現することができる。可動
部材146は１対の平行なバー・ガイドに載置し、その一
方は静止部材114、154間に接続されて152で示される。
部材154に載置されたAC誘導電動機156は、ベルト結合部
などによってボール・スクリュー158に接続されてい
る。ボール・スクリュー・ナット162は可動部材146に取
付けられ、従って、電動機156は、静止プラテン110に関
して出入りするように部材146および押出しスクリュー1
42を直線運動させるよう動作する。部材146の位置を表
わす位置フィードバック信号は、典型的に線形ポテンシ
ョメータとして示したる周知のフィードバック装置164
から得られる。

図10および図11において、射出成形機において典型的
に使用される幾つかの他の電動機が存在する。エジェク
タ装置（ejector unit）170は、鋳型と一体化され、鋳
型が開口される時完成した成形部品を押出すように働
く。このエジェクタ装置は、電動機コントローラ90に接
続されるAC誘導電動機103に接続されている。マシン制
御部（machine control）104は、射出成形サイクルの
適切な時点において、かつフィードバック装置172から
の射出装置位置フィードバック信号に応答して、速度設
定点信号をコントローラ90に対して与える。エジェクタ
装置は、異なる鋳型の種々の要件および動作を許容する
ようにサーボ制御下にある。

金型高さ装置（die height unit）174は、典型的に
は図11に示されるタイ・バーおよびプラテン108に一体
化されている。この金型高さ装置は、トグル機構（togg
le mechanism）130と可動プラテン116とを含み、鋳型
が閉鎖位置にある時異なる鋳型厚さを持つ異なる鋳型を
許容するように静止プラテン110に対するプラテン108の
間隔の調整を行う。この金型高さ装置は、電動機ステー
タ178に接続されるAC電動機176によって制御される。金
型高さの調整はオペレータにより手動で制御され、その
結果マシン制御部104が電動機スタータ178に対して指令
信号を前送しあるいは後送する。

射出スレッド180は、全体的に基部105上のトラック
（図示せず）に載置して射出装置102全体を支持し、こ
れにより射出装置が静止プラテン110に関して前後後退
することを許容する。射出スレッドは、電動機ステータ
184に接続されるAC誘導電動機182に機械的に結合されて
いる。再び、この装置の動作はオペレータによって手動
で制御され、その結果マシン制御部104が電動機ステー
タ184に対する前走あるいは後送指令信号を与えること
になる。電動機176および182はACとして認識されるが、
これらは単に汎用電動機であり、特定の用途に最も適合
する如き、ACまたはDCブラシ型、あるいはブラシレス
（永久磁石）DCまたはAC型、あるいはAC誘導型でよいこ
とに注意すべきである。実際に、本発明の制御はマシン
性能を最適化するために電動機形式のどんな組合わせで
もよいものとする。

図10および図11において、図示された閉鎖位置におけ
るクランプ装置100から初めて１つの動作サイクルを簡
単に述べる。また図示されるように、ソリッド・サーモ
カップル・サーモスタットまたはホッパー166からの他
の材料が、スクリューの前方に液相の溶解されあるいは
射出されたプラスチックを形成するため可塑化された。
可塑化時間は、バレル140に外部熱を典型的には円周方
向に配置された複数のヒータ・バンド141によって与え
ることにより最適化される。射出サイクルを開始するた
め、マシン制御部104が、部材146およびスクリュー142
をプラテン110に向けて直線的に運動させるために、速
度指令を電動機156に対して与える。位置フィードバッ
ク装置164により検出される如きプラテン110に関連する
スクリュー142の位置の関数としてスクリュー142の線形
速度を制御するために、幾つかの速度指令信号がマシン
制御部104によって与えられる。スクリュー142がバレル
140内で静止プラテン110に向かって直線に運動するに伴
い、溶解プラスチックがオリフィス143およびゲート開
口123を介して型空隙部122に射出される。この時、スク
リュー142の直線運動の終りを規定するスクリュー位置
が位置フィードバック装置164により検出され、マシン
制御部104が充填サイクル（pack cycle）へ移動する。
あるいはまた、マシン制御部104は、予め定めた期間の
終り、あるいは圧力トランスジューサ168により測定さ
れる如き圧力が予め定めた圧力限度を越える時、充填サ
イクルへ進行する。以降の充填サイクルおよびホールド
・サイクルにおける射出サイクルの間、押出し電動機コ
ントローラ89がゼロ速度信号と最大トルク指令信号を与
えられる。これらの信号は、射出、充填およびホールド
の諸サイクルの間、スクリューに与えられる直線作用力
の存在時に射出スクリューが回転しないように保持する
のに必要である。

充填サイクルの間、マシン制御部は、速度指令信号と
予め定めた期間に対する１つ以上のトルク指令信号とを
与える。その目的は、材料を鋳型内へ押圧し続けること
と、鋳型充填プロセスを完了することである。電動機コ
ントローラ88は、速度指令を得るために電動機156に対
して電流を与える。しかし、トルクに比例する電動機電
流フィードバックに基いて、電動機のトルク制御は、指
令されたトルクが越えられないように電流を制限するこ
とになる。予め定めた期間の終りに、充填サイクルの終
りをマークして、マシン制御部104はホールド・サイク
ルへ進む。再び、マシン制御部は、ホールド・サイクル
の間トルク制限特性を与える予め定めた期間だけ、予め
定めた速度指令信号と１つ以上のトルク指令信号とを与
える。ホールド・サイクルの終りをマークする予め定め
た期間の後、マシン制御部104は冷却サイクルへ進み、
このサイクル中は成形された部品が冷却する更なる期間
にはトルク指令信号または速度指令信号は存在しない。

冷却サイクルの間、マシン制御部104は、押出し電動
機148が溶解材料の新たなショットをスクリュー142の前
方に押出すように動作させられる押出し器動作サイクル
を開始する。同時に、電動機156は、溶解プラスチック
材料に予め定めた圧力を、あるいは押出しスクリュー14
2に予め定めた逆圧力を維持しながら、スクリュー142を
プラテン110から後退させるように動作させられねばな
らない。マシン制御部104は、コントローラ89に対して
速度指令を与えて、更なるプラスチック材料を可塑化さ
せて、これをオリフィス（orifice）143に隣接するスク
リューの前方へ送るため、押出しスクリュー電動機148
にスクリューを回転させる。同時に、マシン制御部は、
電動機コントローラ88に対してゼロ速度指令とトルク制
限指令とを与えて、電動機156に回転させないようにす
るがスクリュー142に対する予め定めた逆圧力を維持さ
せる。スクリューの前方に圧力が溜められるに伴い、ゼ
ロ速度を維持するため、即ち、電動機を回転させないよ
うにするためコントローラ88はより多くの電流を電動機
156へ供給しなければならない。マシン制御部における
電流検出器がトルク指令より大きなトルクを表わす電流
を検出すると、コントローラ88内部のトルク制御は速度
制御を無効化し、電動機が回転することを許容される。
この電動機の回転はスクリュー142をプラテン110から後
退させて、指令されたトルク限度まで逆圧力を減じる。
その結果、スクリュー142が回転して溶解プラスチック
のショットを溜めるに伴い、スクリューはプラテン110
から後退させられてスクリューにおける予め定めた逆圧
力を維持する。

マシン制御部104は、フィードバック装置164により検
出される如き押出しスクリュー142の位置の関数とし
て、コントローラ89に対して１つ以上の速度指令を、ま
たコントローラ88に対して１つ以上のトルク指令を与え
る。スクリュー142が予め定めた最終位置に達すると、
マシン制御部は押出し電動機148の動作を停止して、速
度指令をコントローラ88へ発行し、スクリューを更に運
動させて溶解プラスチック材料から圧力を除き、スクリ
ュー142から逆圧力を除く。成形された部品冷却サイク
ルの終りに、マシン制御部104はまた速度指令信号を電
動機124へ与えて、可動プラテン116を静止プラテン110
から遠去る方向に運動させて鋳型を開口する。異なる速
度指令信号が、位置フィードバック装置132により検出
される如きその位置に従ってプラテン116の予め定めた
加速度と減速度とを生じるように与えられる。鋳型が開
かれる間、制御部は、速度指令信号を鋳型半部118によ
り支えることができる成形部品射出機構（図示せず）を
動作させるエジェクタ電動機（ejector motor）103を
含むエジェクタ装置170へ与える。エジェクタ電動機103
の動作は、マシン制御部104から速度指令信号を受取る
電動機コントローラ90によって制御される。制御部104
はまた、位置フィードバック装置172からエジェクタ位
置フィードバック信号を受取って部品エジェクタ機構
（part ejector mechanism）（図示せず）の位置を制
御する。異なる速度指令信号が、位置フィードバック装
置172により検出される如きエジェクタ機構の位置の関
数として与えられる。完成した部品が鋳型から押出さ
れ、次いで、位置フィードバック装置172により検出さ
れる如きエジェクタ機構の位置の関数としてマシン制御
部104により与えられる速度指令の制御下で、エジェク
タ電動機103が部品エジェクタ機構をその元の位置へ戻
す。

完全に開口された鋳型緊締位置が検出されると、制御
部104は速度指令信号を与えてプラテン116を反対方向に
おける運動を開始し、鋳型半部を再び一緒にする。制御
部104は、プラテン116の位置に従って幾つかの速度指令
を生じて加速度および減速度を制御し、鋳型半部を制御
された接触状態にする。例えば、可動プラテン116は、
最初は静止プラテン110に向かって早い速度で運動させ
られて、予め定めた位置に達するまで全サイクル時間を
短縮する。その後、別の位置がフィードバック装置132
によって検出されるまで、低い速度を表わす速度指令が
コントローラ87へ与えられる。次にマシン制御部104
は、低い値のトルク指令信号を持つ速度指令を与える。
正常な状況においては、鋳型半部はフィードバック装置
132により検出される如き完全に閉鎖された位置へ一緒
に置かれる。しかし、鋳型半部間に干渉が存在するなら
ば、トルク制限制御が速度制御を無効化して、電動機に
対する電流を減じて電動機速度および運動を減少させ、
鋳型半部が干渉により生じる破損から保護する。

鋳型半部が完全に閉鎖された位置に達するものとする
と、トルク指令値が増加され、速度指令が与えられてト
グルを図11に示される如きロック完了位置へ運動させ
る。鋳型クランプ力は、フィードバック装置132により
検出されるトグル機構130の最終位置によって決定され
制御される。

先に述べた制御シーケンスは射出成形機を有効に動作
させるが、マシン性能を改善するこれに代わる試みも用
いることができる。マシン・サイクルのある部分では、
電動機の動作中にトルクの脈動あるいはサージが生じ
得、このことは低速度において更に顕著になりがちであ
り、完成部品の特性におけるばらつきを生じ得る。トル
クの脈動を最小化するため、プロセスまたはマシン力を
表わす圧力または他の変数をサーボモータ速度ループを
用いて制御することもできる。

例えば、射出電動機におけるトルク脈動は、押出し機
スクリューと溶解材料間の圧力に周期的に類似する変動
を生じる。圧力設定点付近のこれら圧力変動は、圧力が
増大する時速度指令信号が減じられ、またその反対にな
るように速度指令信号を逆に修正するために用いること
ができる。その結果は、トルク脈動により生じる圧力変
動がサーボモータ速度ループを用いて圧力を制御するこ
とにより実質的に減少させ得ることである。圧力フィー
ドバック信号は、制御ループ・プロセッサ75により用い
られて制御部104内部の圧力ループを閉じる（図10参
照）。閉じられたループ・プロセッサ75は、圧力トラン
スジューサ168からの圧力フィードバック信号をプログ
ラムされた圧力設定点または限度と比較して、圧力限度
と圧力フィードバック信号との間の代数差を表わすエラ
ー信号を生じる。このエラー信号は、論理プロセッサ71
からの速度指令信号を修正するために用いられる。従っ
て、電動機コントローラ内部のサーボモータ速度ループ
は、制御部104内の圧力制御ループによって制御され
る。

再び図10および図11において、射出サイクルの間、マ
シン制御部104における制御ループ・プロセッサ75が押
出しスクリュー142の位置の関数として速度指令信号を
生じる。更に、制御ループ・プロセッサ75は、プログラ
ムされた圧力限度を圧力フィードバック信号により表わ
される如き実際の圧力と比較する。実際の圧力が圧力限
度と等しいかあるいはこれより小さい限り、マシンは速
度制御下にとどまり、コントローラ88は押出し機スクリ
ューを速度指令信号に等しい速度で運動させるよう動作
することになる。しかし、実際の圧力が圧力限度を越え
る時、制御ループ・プロセッサ75は、速度指令信号が圧
力エラー信号の大きさに比例して低減される圧力制御モ
ードへ切換わる。制御ループ・プロセッサは、実際の圧
力が再び圧力限度に等しいかあるいはこれより小さくな
るまで速度指令信号を大きさを制御し続け、その時電動
機コントローラ88は再び速度指令信号の排他的制御下に
ある。この射出サイクルは、マシン制御部を充填サイク
ルへ変移させる押出し機スクリュー位置に達するまで、
先に述べた如き速度または圧力の制御下で継続する。

先に述べたように、充填サイクルの間、マシン制御部
104は予め定めた期間にわたり１つ以上のトルク指令信
号を生じる。代替的な圧力フィードバックを用いる時、
サーボモータのトルク制御は用いられない。その代わ
り、制御ループ・プロセッサ75は、予め定めた期間にわ
たり１つの速度指令信号と１つ以上の圧力設定点信号と
を生じる。この制御ループ・プロセッサは、射出サイク
ルに関して述べた如く機能する。プロセッサ75は、実際
の圧力が圧力設定点に等しい限り、プログラムされた速
度指令を生じる。しかし、実際の圧力が圧力設定点から
変化するならば、制御ループ・プロセッサは圧力エラー
信号の関数として速度指令信号を修正する。充填サイク
ルを規定する予め定めた期間の後、制御部104はホール
ド・サイクルへ変移する。先に述べた如きトルク制御を
用いる代わりに、ホールド・サイクルは、押出し機スク
リュー圧力の関数としてサーボモータの速度制御を修正
することによって制御することができる。

図10および図11に関して先に述べたように、押出し機
動作サイクルは、押出し機スクリューがスクリューの前
方にある量の溶解プラスチックを溜めるように回転する
ことを要求する。同時に、電動機156は、スクリューに
予め定めた逆圧力を維持するようにトルク限度指令によ
りゼロ速度信号を与えられる。これに代わる制御方法で
は、速度指令は与えられるが、サーボモータのトルク制
御は用いられない。その代わり、先に述べたように、圧
力制御ループが、制御部104内で閉じられ、押出し機ス
クリューにおける実際の圧力が圧力設定点から変動する
ならば、速度指令信号を修正するために用いられる。

射出電動機トルク制御とは対照的に、押出し機スクリ
ュー圧力の関数として射出サーボモータ速度ループを制
御する別の試みを用いることにより、射出成形機におけ
る電動機のトルク脈動を実質的に低減することができ
る。全体的効果は、圧力の変動を低減させること、およ
びベクトル制御されたAC誘導電動機を用いる射出成形機
における圧力制御性能を実質的に改善することである。

射出成形機におけるベクトル制御を実現することの短
所の１つは、この形式の制御システムに対するコンピュ
ータ部が非常に複雑で高価であることである。システム
の経費および複雑さを減じるため、電動機駆動部に対す
るベクトル制御は、複数の電動機、おそらくは射出成形
機における全ての電動機を一時に１個以上動作させるよ
うに構成することができる。これは、図５のブロック図
により示される如く、各電動機の動力セクションに対す
るコンピュータ・コントローラ回路を多重化することに
より達成される。実際には、電動機コントローラ87、8
8、89および90（図10）がCPUセクションと動力セクショ
ン（モジュール）とに分けられ、１つのCPUセクション1
90が４つの動力モジュール194、196、198および200を支
援するよう使用できるようにする。CPUセクション190
は、動力モジュール194、196、198および200の各々に含
まれるインバータを除いて、図７に示される制御回路要
素の実質的に全てを含む。CPUセクション190を幾つかの
電動機とパワー・トランジスタ間で共有することによ
り、マシン性能を犠牲にすることなく著しいコスト節減
が実現される。

典型的な射出成形機が種々の軸に対する電動機を一時
に１つずつ全体的に付勢することに投資することによ
り、CPUセクション190は各駆動軸の電力増幅器セクショ
ン間で有効に共有（多重化）される。この多重化能力
は、スイッチ・バンク（switch bank）192がPWMトリガ
ー信号202をベクトル・コントローラのCPUセクション19
0から運動が要求されるマシン軸の電力増幅器セクショ
ン（電力モジュール）194、196、198、200へ切換えるこ
とを必要とする。スイッチ・バンク192は、１組（６
つ）のPWM（トランジスタ）トリガー信号202をCPUセク
ション190から適切な動力モジュール194、196、198、20
0へ指向させることにより多重化を実施する。スイッチ
・バンク192に対する指令入力信号は、マシン制御部104
から、あるいはマシンの順序付けを行っている個々のプ
ログラム可能な論理コントローラから得ることができ
る。スイッチ・バンク192は、機械的スイッチまたはソ
リッドステート・スイッチのいずれかを含み得、スイッ
チの形式如何に拘わらず、外部の指令入力信号に基いて
切換える能力がなければならない。

先に述べた多重化および関連する切換えが、永久磁石
型のACおよびDCブラシレス電動機の如き電動機に制御さ
れる他の形式の電動機の駆動系統にも等しく適用し得る
ことに注意すべきである。例えばブラシレスDC電動機に
おいては、コンピュータ・セクションは（ベクトル駆動
回路ではなく）図４に示される回路要素を含み、前のよ
うに、インバータが個々の動力モジュールの各々に含ま
れることになる。

先に述べたように、AC永久磁石サーボモータが射出成
形機に適用されたが、それらを使用することは幾つかの
本質的な短所をもたらす結果となる。第一に、ACサーボ
モータは高いサーボモータ性能を得るように設計され、
典型的に工作機械、ロボットおよび他の産業装置に適用
されてきた。この高いサーボ機構性能特性は、このよう
な用途において要求されるより大きな位置決め精度の故
に要求される。このことは、更に、慣性、大きさ、およ
び結果的に電力を最小化するサーボモータ設計を導く。
制御部の複雑性および希土類磁石のコストが、ACサーボ
モータの価格を著しく増加する。更に、より大きな電動
機電力が要求される高負荷用途においては、２つ以上の
電動機が一緒にまとめられねばならず、これが更にコス
トを増加させる。更に、ACサーボモータの集合化は、機
械的構造および制御部における付加的な問題を増し、効
率に悪影響を及ぼすおそれがある。

図11に戻って、ベクトル制御されたAC誘導電動機はク
ランプ電動機（clamp motor）124として特に有効であ
る。射出成形機の大きさがより大きな部品を作るためよ
り大きなサイズ、例えば、500トン以上のクランプ力に
なるに伴い、要求される成形クランプ力を得るために２
つ以上のAC永久磁石サーボモータが一体にされる必要が
ある。AC誘導電動機の場合、500トン以上のクランプ力
のマシンを含むより広い範囲のマシン・サイズに対する
クランプを良好に動作させるのには唯一つの電動機でよ
い。

同様に、射出装置電動機156および押出し機電動機148
に対しては従来の永久磁石サーボモータが使用されてい
る。再び、AC誘導電動機は専らベクトル制御により制御
することができ、より大きなマシン・サイズの場合は、
複数のAC永久磁石サーボモータとは対照的に、唯一つの
電動機でよい。

射出成形機のサーボ・システムへのベクトル制御AC誘
導電動機の使用は、複雑な産業装置における満足し得る
性能を得るために永久磁石サーボモータが要求される伝
統的な信念に従う他の人達からは排斥されてきた。

本発明の添付図面に示された望ましい実施例に従って
やや詳細に示され、望ましい実施例がやや詳細に記述さ
れたが、本発明をこのような細部に限定する意図はな
い。反対に、本発明は、請求の範囲の趣旨および範囲に
妥当する全ての修正、変更および相等技術を包含すべき
ものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−135609（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−40083（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−32591（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−269689（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−79787（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−112390（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−240875（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−77609（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29C 45/46 - 45/77 H02P 21/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】成形された部品を画定する鋳型空隙部（12
   2）を形成する鋳型要素（118、120）内へ溶解材料を射
   出することにより、成形部品を作るための射出成形機に
   おいて、 （ａ）開口位置と閉鎖位置との間に鋳型要素を支持して
   移動するためのクランプ手段（100）と、 （ｂ）鋳型空隙部と整流する端部を有する管状バレル
   （140）内に回転自在かつ変位自在に支持されたスクリ
   ュー部材（142）を含む、鋳型空隙部内へ溶解材料を射
   出するための射出手段（102）と、 （ｃ）クランプ手段に機械的に結合されて鋳型要素に相
   対的運動を与えるための第１の駆動手段（124、126、12
   8）と、 （ｄ）射出手段に機械的に結合されてスクリュー部材を
   回転させるための第２の駆動手段（148）と、 （ｅ）射出手段に機械的に結合されて管状バレル内部の
   スクリュー部材を変位させるための第３の駆動手段（15
   6、158、162）と を備え、 （ｆ）第１の駆動手段と第２の駆動手段と第３の駆動手
   段の少なくとも１つが更に、 （１）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子
   と、回転子の角度位置を検出する手段とを有するAC誘導
   電動機（124、148、156）と、 （２）電動機指令信号に応答してAC誘導電動機を制御す
   るベクトル・コントローラ手段（87、88、89）とを含
   み、該ベクトル・コントローラが前記AC誘導電動機に接
   続され、かつ該ベクトル・コントローラが （ｉ）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分および
   磁束生成成分を計算するCPUと、 （ii）電流を調整するためCPU計算に基くパルス幅変調
   トリガー信号を生成する電流コントローラ手段と、 （iii）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御され
   た電流を固定子巻線に与えて整流効果を生じることによ
   り、AC誘導電動機に対する制御トルクおよび速度を生成
   する電力増幅手段と、を含み、 （ｇ）ベクトル・コントローラ手段に接続されて電動機
   指令信号を生じる成形機制御手段（104）を備える 射出成形機。
2. 【請求項２】第１の駆動手段と第２の駆動手段の第３と
   駆動手段の少なくとも別の１つが、 （ａ）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子
   と、回転子の角度位置を検出する手段とを有するAC誘導
   電動機（124、148、156）と、 （ｂ）AC誘導電動機に接続されて該電動機を制御するベ
   クトル・コントローラ手段（87、88、89）とを備え、該
   ベクトル・コントローラ手段が （１）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分と磁束
   生成成分とを計算するためのCPUと、 （２）CPUの計算に基くパルス幅変調トリガー信号を生
   じて電流を調整する電流コントローラ手段と、 （３）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御された
   電流を固定子巻線に与えて整流効果を生じることによ
   り、AC誘導電動機に対する制御されたトルクおよび速度
   を生成する電力増幅手段とを含む ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
3. 【請求項３】各駆動手段のベクトル・コントローラ手段
   が、多重化手段（192）に接続されて、電流コントロー
   ラ手段により生じるパルス幅変調トリガー信号を、外部
   の指令入力信号に基く各AC誘導電動機に対する電力増幅
   手段（194、198、200）へ切換える共通のCPU（190）を
   共有する請求の範囲第２項記載の装置。
4. 【請求項４】第１の駆動手段と第２の駆動手段と第３の
   駆動手段の各々が、 （ａ）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子
   と、回転子の角度位置を検出する手段とを有するAC誘導
   電動機（124、148、156）と、 （ｂ）各AC誘導電動機に接続されて各電動機を制御する
   ベクトル・コントローラ手段（87、88、89）と、を含
   み、該ベクトル・コントローラ手段が、 （１）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分と磁束
   生成成分とを計算するCPUと、 （２）CPUの計算に基くパルス幅変調トリガー信号を生
   じて電流を調整する電流コントローラ手段と、 （３）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御された
   電流を固定子巻線に与えて整流効果を生じることによ
   り、AC誘導電動機に対する制御されたトルクと速度とを
   生成する電力増幅手段とを含む ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。
5. 【請求項５】（ａ）鋳型空隙部から成形された溶解部品
   を押出すエジェクタ手段（170）と、 （ｂ）鋳型要素に対してクランプ手段を調整する金型高
   さ手段（174）と、 （ｃ）鋳型要素に対して射出手段を位置決めする射出ス
   レッド手段（180）と、 （ｄ）エジェクタ手段に機械的に接続されて成形部品に
   対して運動を与える第４の駆動手段（103）と、 （ｅ）金型高さ手段に機械的に接続されてクランプ手段
   の位置を調整する第５の駆動手段（176）と、 （ｆ）射出スレッド手段に機械的に接続されて射出スレ
   ッド手段に対して相対運動を与える第６の駆動手段（18
   2）と を備え、 （ｇ）第４の駆動手段と第５の駆動手段と第６の駆動手
   段の少なくとも１つが更に、 （１）回転子と、複数の組の３相巻線からなる固定子
   と、回転子の角度位置を検出する手段とを有するAC誘導
   電動機（103、176、182）と、 （２）電動機指令信号に応答してAC誘導電動機を制御す
   る、AC誘導電動機に接続されるベクトル・コントローラ
   手段（90、178、184）とを含み、該ベクトル・コントロ
   ーラ手段が、 （ｉ）固定子巻線に流れる電流のトルク生成成分と磁束
   生成成分とを計算するCPUと、 （ii）CPUの計算に基くパルス幅変調トリガー信号を生
   じて電流を調整する電流コントローラ手段と、 （iii）パルス幅変調トリガー信号を受取り、制御され
   た電流を固定子巻線に与えて整流効果を生じることによ
   り、AC誘導電動機に対する制御されたトルクと速度とを
   生成する電力増幅手段と、を含み、 （ｈ）ベクトル・コントローラ手段に接続されて電動機
   指令信号を生じるマシン制御手段（104）と、 を備える請求の範囲第１項記載の装置。
6. 【請求項６】各駆動手段のベクトル・コントローラ手段
   が、多重化手段（192）に接続されて電流コントローラ
   手段により生じるパルス幅変調トリガー信号を外部の指
   令入力信号に基く各AC誘導電動機に対する電力増幅手段
   （194、196、198、200）へ切換える共通のCPU（190）を
   共有する請求の範囲第５項記載の装置。
7. 【請求項７】回転子にトルクを生成する整流効果が周期
   的なトルク脈動を生じることにより、該トルク脈動に応
   答してプロセス変数に変動を生じ、マシン制御手段（10
   4）が更に、トルク脈動により生じるプロセス変数にお
   ける変動に応答して電動機指令信号を修正することによ
   りプロセス変数を制御する手段を含む請求の範囲第１項
   記載の装置。
8. 【請求項８】回転子にトルクを生じる整流効果が周期的
   なトルク脈動を生じることにより、該トルク脈動に応答
   してプロセス変数に変動を生じ、マシン制御手段（10
   4）が更に、 （ａ）トルク脈動に応答して変化するプロセス変数を表
   わすプロセス・フィードバック信号を生成する手段と、 （ｂ）プロセス変数の予め定めた値を表わす設定点信号
   を生成する手段と、 （ｃ）前記設定点信号とプロセス・フィードバック信号
   とに応答して予め定めた値からのプロセス変数における
   変化に応答して電動機指令信号を修正し、トルク脈動に
   より生じるプロセス変数における変動を低減する手段
   と、を含む請求の範囲第１項記載の装置。