JP4023446B2 - モータ制御システム - Google Patents

Description

技術分野
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ｉ_ｄ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ｉ_ｄ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ｉ_ｄ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ｉ_ｄ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Ｉ_ｑ、モータの磁極位置をθ_ｒとすると、下記Ａを満たす、
Ｉ_ｄ＝ＡＩ_ｑ
ここに、Ａ＝ｔａｎ（θ_ｒ−π・ｎ／３）
０°＜θ_ｒ≦３０°，３３０°＜θ_ｒ≦３６０°では、ｎ＝０
３０°＜θ_ｒ≦９０°では、ｎ＝１，９０°＜θ_ｒ≦１５０°では、ｎ＝２
１５０°＜θ_ｒ≦２１０°では、ｎ＝３，２１０°＜θ_ｒ≦２７０°では、ｎ＝４
２７０°＜θ_ｒ≦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ｉ_ｄ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ｉ_ｄ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Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３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Ｔ_４，Ｔ_５，Ｔ_６と、トランジスタＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、トランジスタＴ_４，Ｔ_５，Ｔ_６にそれぞれ並列接続されたダイオードＤ_４，Ｄ_５，Ｄ_６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、ｉ_ｄａ＝ｉ_ｄ，ｉ_ｑａ＝ｉ_ｑ，θ_ｒｅ＝θ_ｒ，ｉ_ｕａ＝ｉ_ｕ，ｉ_ｖａ＝ｉ_ｖとすると下式となる。

ここに、ｉ_ｄ：ｄ軸電機子電流、ｉ_ｑ：ｑ軸電機子電流
θ_ｒ：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、ｉ_ｗ＝−ｉ_ｕ−ｉ_ｖより

上記（４）乃至（６）式のモータ３に流れる各相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ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ｉ_ｄ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ｉ_ｄをゼロとした場合の相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ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Ｉ_ｑの値をそのままにしてモータ３にｄ軸電機子電流Ｉ_ｄを流して上記（４）乃至（６）式における「ｔａｎ^−１（｜ｉ_ｄ｜／｜ｉ_ｑ｜）」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θ_ｒ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Ｉ_ｄ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ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗの最大値ｉ_０が増加するので、必要最小限のｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ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Ｉ_ｄ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Ｉ_ｄを、ｑ軸電機子電流Ｉ_ｑとの関係として捉え、電流比をＡとするとＡ＝｜ｉ_ｄ｜／｜ｉ_ｑ｜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Ｉ_ｄは、各相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗ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θ_ｒ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θ_ｒ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θ_ａ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θ_ｒをずらすには、磁極位置θ_ａ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θ_ｒを３００°にずらすと、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄ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θ_ｒ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θ_ｒ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ｉ_ｄ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θ_ｒが０°＜θ_ｒ≦３０°，３３０°＜θ_ｒ≦３６０°でロックした場合は、位相係数ｎ＝０にして、電流ｉ_ｕ、ｉ_ｖの磁極位置θ_ｒ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°＜θ_ｒ≦９０°では、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖの位相をπ／３にずらすので位相係数ｎ＝１となり、９０°＜θ_ｒ≦１５０°では、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗ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°＜θ_ｒ≦２１０°では、電流ｉ_ｗ，ｉ_ｖの位相をπにずらすので、位相係数ｎ＝３となり、２１０°＜θ_ｒ≦２７０°では、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ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°＜θ_ｒ≦３３０°では、電流ｉ_ｕ，ｉ_ｗ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θ_ｒ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Ｉ_ｄを流す必要がないので、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄ＝０となる。
一方、モータ３の発生トルクＴ_ｅは、前記文献の第２０頁（２．２３）式を、Φ_ｆａ＝Φ_ｆ，ｉ_ｑａ＝ｉ_ｑとすると下式となる。

ここに、ｐ：極対数、Φ_ｆ：電機子巻線鎖交磁束数（Ｗｂ）
上記（１３）式よりｄ軸電機子電流ｉ_ｄ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θ_ｒが２４０°＜θ_ｒ≦２７０°の範囲、例えば磁極位置θ_ｒ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ｉ_ｄを流したＵ相電流ｉ_ｕ ^′は、上記（８）式より下記となる。

一方、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄを流さないＵ相電流ｉ_ｕは、（４）式で、ｄ軸電機子電Ｉ_ｄ＝０とおいて、下式となる。

一方、トランジスタＴ_１〜Ｔ_６の寿命は、トランジスタＴ_１〜Ｔ_６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Ｔ_１〜Ｔ_６の温度上昇ΔＴｊは、トランジスタＴ_１〜Ｔ_６に流れる電流に比例する。
モータ３の磁極位置θ_ｒでロックした場合、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄを流した場合のＵ相電流ｉ_ｕ ^′と、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄをゼロとした場合のＵ相電流ｉ_ｕとの比Ｋの４乗に比例してトランジスタＴ_１〜Ｔ_６のうち、最も流れる電流の大きいトランジスタＴ_１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Ｔ_１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ｉ_ｖの電流は、ｄ軸電機子電流ｉ_ｄを流すことにより逆に増加するが、トランジスタＴ_１〜Ｔ_６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ｉ_ｄ＝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θ_ｒ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θ_ｒ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（θ_ｒ−π・ｎ／３）により求め（ステップＳ１０９）、ｄ軸電機子電流Ｉ_ｄを上記に示すようにＩ_ｄ＝ＡＩ_ｑ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Ｉ_ｄ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Ｉ_ｄ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Ｔ_１〜Ｔ_６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)

1. 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ｉ_ｄ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。
2. 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ｉ_ｄ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。
3. 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Ｉ_ｑ、前記モータの回転子の磁極位置をθ_ｒとすると、下記Ａを満たす、
   Ｉ_ｄ＝ＡＩ_ｑ
   ここに、Ａ＝ｔａｎ（θ_ｒ−π・ｎ／３）
   但し、０°＜θ_ｒ≦３０°，３３０°＜θ_ｒ≦３６０°では、ｎ＝０
   ３０°＜θ_ｒ≦９０°では、ｎ＝１，９０°＜θ_ｒ≦１５０°では、ｎ＝２
   １５０°＜θ_ｒ≦２１０°では、ｎ＝３，２１０°＜θ_ｒ≦２７０°では、ｎ＝４
   ２７０°＜θ_ｒ≦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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