JP4023446B2 - モータ制御システム - Google Patents
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Description
本発明は、モータ制御システムに関し、モータのロック時において、モータにd軸電機子電流を流すことによりインバータ部の寿命を延長させるものである。
背景技術
日本国特開平9−121595号公報に開示されたモータ制御システムは、インバータ部を成すスイッチング素子の温度が上昇したことを検出すると、まずPWM回路のキャリア信号の周波数(以下、キャリア周波数という)を下げ、それでも温度が上昇するときにはモータのトルクを下げるよう制御して、インバータ部の温度上昇を防ぐ技術が開示されている。
一方、電動射出成形機において、モータにより駆動された可動金型を固定金型に周期的に開閉動作させることが行われている。かかる開閉動作では、閉成時には、可動金型と固定金型とが押圧されてモータがロック状態となり、開放時には、可動金型が移動することによりモータが運転する状態となる。すなわち、モータが周期的に運転、ロック状態を繰り返すことになる。
モータがロック状態では、日本国特開平6−38544号公報に記載されているように、モータの各相に流れる電流の大きさ及び方向が固定化されるので、インバータ部を成す特定の一つのスイッチング素子に大きな電流が流れる。したがって、一つのスイッチング素子の温度が他のスイッチング素子よりも極めて上昇する。
このような用途において、上記日本国特開平9−121595号公報に記載されたように、インバータ部を成すスイッチング素子の温度が上昇したことを検出した後、キャリア周波数又はトルクを低下させると、すべてのスイッチング素子の電力損失が一様に低下して効率的でなく、各スイッチング素子に生じる電力損失のバラツキが大きいという問題点があった。
しかも、キャリア周波数を下げると、モータのリップル電流が増大してモータから発生する騒音が増大する。トルクを下げると、モータからの発生トルクが駆動負荷に対して適切でなくなるという問題点があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、モータがロックされる用途において、該ロック時にモータにd軸電機子電流idを流すことによりインバータ部の各スイッチング素子の電力損失をできるだけ均一するモータ制御システムを提供することを目的とする。
発明の開示
第1の発明に係るモータ制御システムは、モータに三相交流電圧を印加させるスイッチング手段を有するインバータ部と、前記モータのロック状態を検出すると共に、検出したことによりロック検出信号を発生するロック検出手段と、前記ロック検出信号に基づいて、前記モータに流れる電流が最も大きい相の電流の絶対値が減少するように前記モータにq軸電機子電流を一定に維持したままd軸電機子電流idを増加又は減少して流す電流制御手段と、を備えたことを特徴とするものである。
かかるモータ制御システムによれば、ロック検出信号により電流制御手段は、q軸電機子電流を一定に維持したままモータに流れる電流が最も大きい相の電流の絶対値を減少させるようにモータにd軸電機子電流idを増減して流す。したがって、モータがロック状態でも、インバータ部を成す特定のスイッチング手段の寿命が著しく短縮されることなく、モータから発生する騒音を抑制できるという効果がある。
第2の発明に係るモータ制御システムの電流制御手段は、第1の発明において、モータに流れる三相のうち、他の一相よりも大きい二相の電流の絶対値をほぼ同じにするようにモータにd軸電機子電流idを流す、ことを特徴とするものである。
かかるモータ制御システムによれば、電流制御手段は、モータに流れる三相のうち、他の一相よりも大きい二相の電流の絶対値をほぼ同じにするようにモータにd軸電機子電流を流すことにより、モータがロック状態でも、より一層モータの特定の相に大きな電流が流れることがなくなる。したがって、インバータ部を成す特定のスイッチング手段の寿命がより一層短縮されることなくなるという効果がある。
第3の発明に係るモータ制御システムの電流制御手段は、第1又は第2の発明において、モータに流すq軸電機子電流をIq、モータの磁極位置をθrとすると、下記Aを満たす、
Id=AIq
ここに、A=tan(θr−π・n/3)
0°<θr≦30°,330°<θr≦360°では、n=0
30°<θr≦90°では、n=1,90°<θr≦150°では、n=2
150°<θr≦210°では、n=3,210°<θr≦270°では、n=4
270°<θr≦330°では、n=5
とすることを特徴とするものである。
かかるモータ制御システムによれば、電流制御手段が上記Aを満たすようにd軸電機子電流idを流すので、モータの磁極位置を等価的にずらす角度が最大30°となる。したがって、モータに流すべき必要なd軸電機子電流idを抑制できるので、モータの各相に流れる電流の最大値を抑制できるという効果がある。
発明を実施するための最良の形態
実施例1.
次に、本発明の一実施例によるモータ制御システムを第1図乃至第3図によって説明する。第1図は、一実施例によるモータ制御システムを電動射出成形機に応用した正面図、第2図は、第1図に示すモータ制御システムの全体構成図、第3図は、第1図に示すモータの各相に流れる電流波形図である。
第1図において、電動射出成形機の金型開閉装置1は、コントローラにより駆動制御される三相永久磁石同期型モータ(以下、モータという。)3の回転により回転するネジ軸5に螺合されると共に、エンドプレート9に取り付けられたナット7と、ネジ軸5の先端に固定された可動プラテン11を介して固定された可動金型13と、固定プラテン14に固定された固定金型15と、エンドプレート9、固定プラテン14に固定されると共に、可動プラテン11を案内させるバー17とを備え、モータ3の軸に回転角度を検出するエンコーダ40が設けられており、ホール素子型の電流センサ45u,45v,45wの検出部がコントローラ20の出力線を貫通することによりモータ3のU相,V相,W相に流れる電流を検出するように構成されている。
コントローラ20には、交流電源を直流電源に変換する直流電源部25と、直流電源部25の直流電圧を可変電圧可変周波数の交流電圧に変換させると共に、モータ3を駆動させる三相のインバータ部30と、電流センサ45u,45v,45wの検出値に基づいてインバータ部30を駆動する制御部50と、制御部50の出力を増幅する駆動部70とから成っている。
直流電源部25は、三相交流電圧を直流電圧に変換させるコンバータ27と、直流電圧の脈動分を平滑させるコンデンサ29とから成っており、インバータ部30は、上側に設けられたスイッチング手段としての上側U相,V相,W相を成すトランジスタT1,T2,T3と、下側に設けられたスイッチング手段としての下側U相,V相,W相を成すトランジスタT4,T5,T6と、トランジスタT1,T2,T3にそれぞれ並列接続されたダイオードD1,D2,D3と、トランジスタT4,T5,T6にそれぞれ並列接続されたダイオードD4,D5,D6から成っている。
制御部50には、エンコーダ40及び電流センサ45u,45v,45wの検出値を取り込む入力I/F52と、CPU54、ROM56、記憶手段としてのRAM58、出力I/F59とを内蔵している。ROM56はCPU54により実行されるべき制御プログラム、即ち、後述する第3図のフローチャートに相当するプログラムが記憶されており、RAM58はCPU54に作業領域も提供するように形成されている。「ACサーボシステムの理論と設計の実際」第4版、総合電子出版社 杉本英彦編著 第79頁(4.11)式を、ida=id,iqa=iq,θre=θr,iua=iu,iva=ivとすると下式となる。
ここに、id:d軸電機子電流、iq:q軸電機子電流
θr:磁極位置
この(1)式より、下式を得る。
上記(2)及び(3)式より下式を得る。
また、iw=−iu−ivより
上記(4)乃至(6)式のモータ3に流れる各相電流iu,iv,iwは、通常時には、モータ3の効率を向上させる観点から、d軸電機子電流idをゼロとしてモータ3が駆動制御される。d軸電機子電流idをゼロとした場合の相電流iu,iv,iwの電流波形を第3図に示す。
モータ3がロックしたことを検出した後、モータ3に流れる三相のうち、他の一相よりも大きい二相の電流の絶対値がほぼ同じになるようにq軸電機子電流Iqの値をそのままにしてモータ3にd軸電機子電流Idを流して上記(4)乃至(6)式における「tan−1(|id|/|iq|)」を変化させることにより等価的にモータ3の回転子の磁極位置θrを変化させる。これにより、モータ3のロック時に特定の相に大きな電流が流れることを抑制するものである。
しかしながら、d軸電機子電流Idをモータ3に流すことは、上記(4)乃至(6)式からも明確なように各相電流iu,iv,iwの最大値i0が増加するので、必要最小限のd軸電機子電流Idを流す必要がある。
このような必要最小限のd軸電機子電流Idを以下のようにして求める。まず、モータ3に流すべきd軸電機子電流Idを、q軸電機子電流Iqとの関係として捉え、電流比をAとするとA=|id|/|iq|と表現できるので、下式が成立する。
この(7)式を、(4)式に代入すると、下式となる。
同様にして、(7)式を(5),(6)式に代入すると、下式となる。
モータ3がロック状態において、d軸電機子電流Idは、各相電流iu,iv,iwのうち最も大きい電流値を有する相の電流の絶対値を減少させる方向で、且つ、二つの相電流が同一になるように等価的に磁極位置θrをずらすように流す。したがって、第3図において、モータ3の磁極位置θrを等価的に0,π/3,2π/3,π(3π/3),4π/3,5π/3にずらすために上記(8)乃至(10)式より下式を得る。
ここに、n:位相係数で0,1,2,3,4,5の何れかの値
ここで、第3図において、モータ3の回転子の磁極位置θaでロックした場合、二つの相電流が同一になるように等価的に磁極位置θrをずらすには、磁極位置θaの近傍では240°又は300°が存在する。しかし、電流の絶対値が増加する方向bに向かって等価的に磁極位置θrを300°にずらすと、d軸電機子電流idが大きくなるので、相の電流の絶対値を減少させる方向aに向かって等価的に磁極位置θrを240°にずらすようにしている。
したがって、回転子の磁極位置θrの等価的な最大のずらし角度を30°とすることで、モータ3に流すべきd軸電機子電流idが必要以上に大きくならないようにしている。
上記(11)式より電流比Aは、下式となる。
ここで、回転子の磁極位置θrが0°<θr≦30°,330°<θr≦360°でロックした場合は、位相係数n=0にして、電流iu、ivの磁極位置θrを等価的(以下、位相という。)をゼロにずらすようにする。
同様に、30°<θr≦90°では、電流iu,ivの位相をπ/3にずらすので位相係数n=1となり、90°<θr≦150°では、電流iu,iwの位相を2π/3にずらすので、位相係数n=2となる。
同様に、50°<θr≦210°では、電流iw,ivの位相をπにずらすので、位相係数n=3となり、210°<θr≦270°では、電流iu,ivの位相を4π/3にずらすので、位相係数n=4となる。
同様に、270°<θr≦330°では、電流iu,iwの位相を5π/3にずらすので、位相係数n=5となる。
但し、回転子の磁極位置θrが30°,90°,150°,210°,270°,330°では、モータ3の二相に流れる電流が等しいので、d軸電機子電流Idを流す必要がないので、d軸電機子電流Id=0となる。
一方、モータ3の発生トルクTeは、前記文献の第20頁(2.23)式を、Φfa=Φf,iqa=iqとすると下式となる。
ここに、p:極対数、Φf:電機子巻線鎖交磁束数(Wb)
上記(13)式よりd軸電機子電流idを流してもトルクが変化しないのである。
ここで、例えば、モータ3の回転子の磁極位置θrが240°<θr≦270°の範囲、例えば磁極位置θrが260°(4.54rad)でロックしたとすると、正数nは上記より 電流比Aは上記(11)式より下記となる。
したがって、d軸電機子電流idを流したU相電流iu ′は、上記(8)式より下記となる。
一方、d軸電機子電流idを流さないU相電流iuは、(4)式で、d軸電機子電Id=0とおいて、下式となる。
一方、トランジスタT1〜T6の寿命は、トランジスタT1〜T6の接合部における温度上昇ΔTjの4乗に比例し、各トランジスタT1〜T6の温度上昇ΔTjは、トランジスタT1〜T6に流れる電流に比例する。
モータ3の磁極位置θrでロックした場合、d軸電機子電流idを流した場合のU相電流iu ′と、d軸電機子電流idをゼロとした場合のU相電流iuとの比Kの4乗に比例してトランジスタT1〜T6のうち、最も流れる電流の大きいトランジスタT1の寿命が延長される。これを上記の例により試算するとトランジスタT1の寿命が下記のように1.31倍に延長される。
なお、各相電流ivの電流は、d軸電機子電流idを流すことにより逆に増加するが、トランジスタT1〜T6のうち特定のトランジスタのみの寿命が短縮されることがなくなる。
上記のように構成されたモータ制御システムの動作を第1図乃至第4図によって説明する。第4図は、第1図に示すモータ制御システムの動作を示すフローチャートである。
いま、CPU54は、運転開始指令が制御部50に入力されると、この運転開始指令を検出し(ステップS101)、インバータ部30からモータ3に三相交流電圧が印加されて、d軸電機子電流id=0としてモータ3を回転し、ボールネジ5に連結された可動金型13が右方向に移動して固定金型15に当接してモータ3がロックされる。CPU54は、モータ3の回転角度Θを回転角度検出手段としてのエンコーダ40により入力I/F52を介して検出し、所定時間回転角度Θに所定角度変化がないこと検出すると(ロック検出手段)、モータ3がロックしたと判断してロック検出信号を発生し(ステップS103)、エンコーダ40のモータ3の回転角度Θを読み込み、モータ3の磁極位置θrを角度Θ×モータ3の極対数によって演算して求める(ステップS105)。
CPU54は、磁極位置θrから上記(8)式のnを求め(ステップS107)、電流比Aを上記(12)式に示すようにA=tan(θr−π・n/3)により求め(ステップS109)、d軸電機子電流Idを上記に示すようにId=AIqをより求めてインバータ部30からモータ3にd軸電機子電流Idをも流す。すなわち、モータ3に流れる三相のうち、他の一相よりも大きい二相の電流の絶対値をほぼ同じにするようにモータ3にd軸電機子電流Idを流すように制御する(ステップS111)。これにより、モータ3がロック状態でも、モータ3の特定の相に大きな電流が流れることがなくなり、特定のトランジスタT1〜T6の電流が増加することがなくなり、インバータ部30の寿命が延びる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明に係るモータ制御システムは、例えば電動射出成形機に用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例によるモータ制御システムを電動射出成形機に応用した正面図である。
第2図は、一実施例によるモータ制御システムの全体構成図である。
第3図は、第1図に示すモータの各相に流れる電流波形図である。
第4図は、第1図に示すモータ制御システムの動作を示すフローチャートである。
Claims (3)
- モータに三相交流電圧を印加させるスイッチング手段を有するインバータ部と、
前記モータのロック状態を検出すると共に、検出したことによりロック検出信号を発生するロック検出手段と、
前記ロック検出信号に基づいて、前記モータに流れる電流が最も大きい相の電流の絶対値が減少するように前記モータにq軸電機子電流を一定に維持したままd軸電機子電流idを増加又は減少させる電流制御手段と、
を備えたことを特徴とするモータ制御システム。 - 前記電流制御手段は、前記モータに流れる三相のうち、他の一相よりも大きい二相の電流の絶対値をほぼ同じにするように前記モータにd軸電機子電流idを流す、
ことを特徴とする請求の範囲1に記載のモータ制御システム。 - 前記電流制御手段は、前記モータに流すq軸電機子電流をIq、前記モータの回転子の磁極位置をθrとすると、下記Aを満たす、
Id=AIq
ここに、A=tan(θr−π・n/3)
但し、0°<θr≦30°,330°<θr≦360°では、n=0
30°<θr≦90°では、n=1,90°<θr≦150°では、n=2
150°<θr≦210°では、n=3,210°<θr≦270°では、n=4
270°<θr≦330°では、n=5
ことを特徴とする請求の範囲1又は2に記載のモータ制御システム。
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