JP7272868B2 - モータ制御装置及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置及び工作機械に関する。

モータを制御する多様なモータ制御装置が実用化されている。モータの制御には、モータの回転速度を目標速度に一致させる速度制御と、モータの回転角度位置を目標位置に一致させる位置制御とがある。例えば工作機械の主軸モータは、加工時には加工に最適な回転速度になるよう速度制御が可能であり、かつ、主軸に取り付けられるワークや工具を交換する際にはその角度位置を所定の位置に位置決めするよう位置制御が可能であることが望まれる場合がある。そこで、速度制御と位置制御とを切り換え可能な制御装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の誘導電動機の制御装置は、回転位置制御モード時に切削制度の向上と切削限界能力の向上を図ることを目的とし、「回転位置制御の場合には回転速度制御の場合よりも電流及び速度ループの少なくとも一方のゲインをより大きなものに切換変更するゲイン切換手段」を備える。

特開平３－２７７８５号公報

モータ制御装置の制御は、所定の一次電源電圧が入力されることが前提とされるが、様々な要因により、一次電源電圧が設計電圧に満たないことが考えられる。一次電源電圧が十分でない場合、モータ制御装置がモータに大きいトルクを発生させる信号を出力しても、モータの出力トルクが追従しない。このようなモータの計算上のトルクと実際の出力トルクとの乖離は、特に位置制御の際に制御を不安定にするおそれがある。このため、一次電源電圧が設計電圧に満たない場合にも、適切にモータを制御することができる技術が望まれる。

本開示の一態様に係るモータ制御装置は、速度制御と位置制御とを切換えてモータを制御するモータ制御装置であって、前記位置制御のときに前記モータに印加する最大電圧を前記速度制御のときよりも低く設定する。

本開示に係るモータ制御装置及びモータ制御方法によれば、一次電源電圧が十分でない場合にも適切にモータを制御することができる。

本開示の一実施形態に係るモータ制御装置を備える工作機械の構成を示すブロック図である。 図１のモータ制御装置で誘導モータを制御する場合の電流及び電圧のモータ速度に対する概略変化を示すグラフである。 図１のモータ制御装置で同期モータを制御する場合の電流及び電圧のモータ速度に対する概略変化を示すグラフである。 図１のモータ制御装置によるモータの制御の手順を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る工作機械１００の構成を示すブロック図である。

工作機械１００は、モータ制御装置１と、モータ制御装置１により制御される主軸モータＭと、を備える。モータ制御装置１は、それ自体が本開示に係るモータ制御装置の一実施形態である。工作機械１００は、図示しないが、主軸モータＭ以外の１又は複数の駆動モータと、これらの駆動モータを制御する１または複数の制御装置とをさらに備えてもよい。

主軸モータＭは、工具Ｔを保持するチャックＣを有する主軸Ａｚを駆動するモータである。主軸モータＭは、誘導モータであってもよく、同期モータであってもよい。この主軸モータＭには、回転速度を検出する速度センサＤｖと回転位置を検出する位置センサＤｐとが設けられる。

モータ制御装置１は、速度制御と位置制御とを切換えて主軸モータＭを制御する。このため、モータ制御装置１には、主軸モータＭの時間ごとのあるべき回転速度を表す速度指令及び主軸モータＭの時間ごとのあるべき回転位置を表す位置指令が必要に応じて入力される。つまり、モータ制御装置１は、主軸モータＭの回転速度を速度指令に一致させるよう制御する速度制御を行うことも、主軸モータＭの回転速度位置を位置指令に一致させるよう制御する位置制御を行うこともできる。

モータ制御装置１は、モード選択部１１と、位置制御器１２と、速度制御器１３と、ｄｑ電流指令計算部１４と、ｄ相電流制御器１５と、ｑ相電流制御器１６と、出力座標変換器１７と、スイッチング電源１８と、帰還座標変換器１９と、を備える。モード選択部１１、位置制御器１２、速度制御器１３、ｄｑ電流指令計算部１４、ｄ相電流制御器１５、ｑ相電流制御器１６、出力座標変換器１７及び帰還座標変換器１９は、例えばＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータ装置に適切なプログラムを導入することによって実現することができる。これらの構成要素は、同一のコンピュータ装置により実現されてもよい。つまり、これらの構成要素は、機能上区別されるものであって、物理的構成及びプログラム構成において明確に区分できるものでなくてよい。

モード選択部１１は、速度指令に基づいてモータを制御する速度制御を行うか、位置指令に基づいてモータを制御する位置制御を行うかを選択する。モード選択部１１は、速度制御を行うか位置制御を行うかを指定する選択信号を受信することにより速度制御及び位置制御のいずれかを選択するよう構成されてもよく、速度指令が入力されたときには速度制御を選択し、位置指令が入力された時には位置制御を選択するよう構成されてもよい。モード選択部１１は、速度制御を選択する場合には速度指令を速度制御器１３に入力し、位置制御を選択する場合には位置指令を位置制御器１２に入力する。また、モード選択部１１は、選択した制御の種類を特定する選択信号をｄｑ電流指令計算部１４に入力する。

位置制御器１２は、位置センサＤｐが検出した主軸モータＭの回転位置と、位置指令との偏差に基づいて、主軸モータＭの回転位置を位置指令により指示される回転位置に近付けることができる主軸モータＭの回転速度を算出する。位置制御器１２は、算出した主軸モータＭの回転速度を速度指令として速度制御器１３に入力する。

速度制御器１３は、モード選択部１１から入力される速度指令又は位置制御器１２から入力される速度指令と、速度センサＤｖが検出した主軸モータＭの回転速度との速度偏差を算出し、算出した速度偏差をｄｑ電流指令計算部１４に入力する。

ｄｑ電流指令計算部１４は、速度制御器１３から入力される速度偏差に応じて、速度偏差を小さくできるｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値を算出する。ｄｑ電流指令計算部１４は、算出したｄ相電流指令値をｄ相電流制御器１５に入力し、算出したｑ相電流指令値をｑ相電流制御器１６に入力する。なお、ｄ相は主軸モータＭにおいて磁束を形成する位相成分であり、ｑ相はトルクを発生する位相成分である。

ｄｑ電流指令計算部１４は、最大電圧選択部４１と、誘導モータ制御部４２と、同期モータ制御部４３と、を有する。最大電圧選択部４１、誘導モータ制御部４２及び同期モータ制御部４３は、ｄｑ電流指令計算部１４の機能を便宜上区分したものであって、物理的構成及びプログラム構成において明確に区分できるものでなくてよい。

最大電圧選択部４１は、モード選択部１１から入力される選択信号に基づいて、主軸モータＭに印加する最大電圧を設定する。この最大電圧選択部４１は、位置制御のときに主軸モータＭに印加する最大電圧を、速度制御のときに主軸モータＭに印加する最大電圧よりも低く設定する。速度制御のときの最大電圧は、主軸モータＭの設計上の定格電圧とすることが好ましい。位置制御のときの最大電圧は、スイッチング電源１８に電力を供給する一次電源Ｓから確実に印加可能な電圧とすることが好ましい。最大電圧選択部４１は、オペレータ又はサービスマンが位置制御のときの最大電圧を予め任意に設定できるよう構成されてもよく、モータ制御装置１に接続されるサーバ等からの入力により予め設定されるよう構成されてもよい。このため、最大電圧選択部４１は、モード選択部１１の選択信号の値を保持する構成とされてもよい。

誘導モータ制御部４２は、主軸モータＭが誘導モータである場合に使用される。誘導モータ制御部４２は、主軸モータＭの回転速度が低い低速域においては、ｄ相電流指令値を主軸モータＭの設計上の最適値に保ち、速度偏差を低減するようｑ相電流指令値を変化させる。なお、主軸モータＭが定常回転している場合、ｑ相電流指令値も回転速度にかかわらず一定の値となる。また、誘導モータ制御部４２は、主軸モータＭの回転速度がやや高い中速域においては、主軸モータＭの回転速度が大きくなるほど、ｄ相電流指令値を小さくし、主軸モータＭの回転速度がさらに高い高速域においては、主軸モータＭの回転速度が大きくなるほど、ｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値の両方を小さくする。

このため、誘導モータ制御部４２は、主軸モータＭの回転速度の増加に対してｄ相電流指令値を低下させ始めるｄ相速度閾値及びｑ相電流指令値を低下させ始めるｑ相速度閾値を特定する第１速度選択部４２１を有する構成とすることができる。誘導モータ制御部４２において、第１速度選択部４２１は、位置制御のときにｄ相電流及びｑ相電流を低下させ始める主軸モータＭの速度を速度制御のときよりも低く設定する。

図２に、誘導モータ制御部４２が算出するｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値の主軸モータＭの速度に対する概略変化、及びｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値に対応する電流を出力するための電圧の概略変化を示す。なお、図２は、主軸モータＭが定常回転している場合の値を示し、各値は速度偏差を小さくするために図示する値に対して増減し得る。

図２では、ｄ相電流及びｄ相電圧を一点鎖線で示し、ｑ相電流及びｑ相電圧を破線で示し、ｄ相電流及びｑ相電流の合成電流並びにｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧（ベクトル和）を実線で示す。また、図２では、速度制御の場合の各値を太線で示し、位置制御の場合の各値を細線で示す。なお、図では、線が重なって判別できなくなることを避けるために、重複すべき線をわずかにずらして図示している。

主軸モータＭのインピーダンスは、駆動電流の周波数つまり主軸モータＭの回転速度に略比例する。このため、低速域におけるｄ相電流及びｑ相電流をそれぞれ主軸モータＭの最適値に保つために必要とされるｄ相電圧及びｑ相電圧は、主軸モータＭの回転速度に略比例する値となる。ｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧が一次電源Ｓの電圧を超えると主軸モータＭに十分な電流を供給することができず、計算上の出力と実際の出力との乖離によって制御が不安定となる。このため、第１速度選択部４２１は、ｄ相速度閾値（速度制御時の値をＳｄｖｉ、位置制御時の値をＳｄｐｉとする）を、ｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値に対応するｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧が最大電圧選択部４１により設定された最大電圧に達すると考えられる主軸モータＭの回転速度に設定する。なお、第１速度選択部４２１は、例えば最大電圧とｄ相速度閾値との関係を示す参照テーブルを参照する等の方法により、ｄ相速度閾値を設定するよう構成され得る。

誘導モータ制御部４２は、主軸モータＭの回転速度がｄ相速度閾値Ｓｄｖｉ，Ｓｄｐｉを超える中速域では、ｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧が最大電圧選択部４１により設定された最大電圧と等しくなるよう、主軸モータＭの回転速度の増大に伴ってｄ相電流指令値を低下させる。

さらに主軸モータＭの回転速度が増大すると、ｑ相電圧がｄ相電圧と等しくなるまで低下する。ｑ相電圧がｄ相電圧より小さくなると、主軸モータＭが適切に駆動トルクを発生できなくなるおそれがある。このため、第１速度選択部４２１は、ｑ相速度閾値（速度制御時の値をＳｑｖｉ、位置制御時の値をＳｑｐｉとする）を、ｄ相電圧とｑ相電圧とを等しくした場合にｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧が最大電圧選択部４１により設定された最大電圧に達すると考えられる主軸モータＭの回転速度に設定する。ｑ相速度閾値も、参照テーブルを参照することによって設定され得る。

誘導モータ制御部４２は、主軸モータＭの回転速度がｑ相速度閾値Ｓｑｖｉ，Ｓｑｐｉを超える高速域では、ｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧が最大電圧選択部４１により設定された最大電圧と等しくなり、かつｄ相電圧とｑ相電圧とが等しくなるよう、主軸モータＭの回転速度の増大に伴ってｄ相電流指令値及びｑ相電圧指令値を低下させる。

モータ制御装置１は、誘導モータ制御部４２が、主軸モータＭの回転速度に応じてｄ相電流指令値及びｑ相電圧指令値を変化させることによって、主軸モータＭの出力が回転速度の上昇に対して連続的に変化するので、一次電源Ｓの電圧が設計電圧に満たない場合にも適切に主軸モータＭを制御することができる。

また、モータ制御装置１では、最大電圧選択部４１が、位置制御のときに主軸モータＭに印加する最大電圧を、速度制御のときに主軸モータＭに印加する最大電圧よりも低く設定する。これにより、モータ制御装置１は、位置制御のときには計算上の電圧と実際の電圧とが乖離して主軸モータＭの制御が不安定となることを防止し、速度制御のときには実際に得られる電圧を最大限に使用して出力を大きくすることで主軸モータＭをより高速に加速することを可能にする。

同期モータ制御部４３は、主軸モータＭが同期モータである場合に使用される。同期モータ制御部４３は、主軸モータＭが永久磁石を有する同期モータである場合、磁束を形成するためのｄ相電流は不要であるが、電機子反作用による起電力を打ち消すためにｄ相電流を印加することで合成電圧の増大を抑制することができる。しかしながら、ｄ相電流を印加すると電流値が増大してジュール損による発熱が大きくなる。

同期モータ制御部４３は、ｑ相電流指令値をｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧が最大電圧選択部４１により設定された最大電圧を超えないように調整する。また、同期モータ制御部４３は、主軸モータＭの回転速度が低い低速域では、電機子反作用による起電力を無視してｄ相電流をゼロに保つことにより、合成電流の増大によるジュール損の増加を抑制する。そして、同期モータ制御部４３は、主軸モータＭの回転速度が高い高速域では、電機子反作用による起電力のさらなる増大を相殺できるよう、主軸モータＭの回転速度の上昇に伴ってｄ相電流指令値を負方向に増大させる。

このため、同期モータ制御部４３は、主軸モータＭの回転速度の増加に対してｄ相電流指令値を有値とし始めるｄ相速度閾値（速度制御時の値をＳｑｖｐ、位置制御時の値をＳｑｐｐとする）を特定する第２速度選択部４３１を有する構成とすることができる。同期モータ制御部４３において、第２速度選択部４３１は、位置制御のときのｄ相速度閾値Ｓｑｐｐを速度制御のときのｄ相速度閾値Ｓｑｖｐよりも低く設定する。

図３に、同期モータ制御部４３が算出するｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値の主軸モータＭの速度に対する概略変化、及びｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値に対応する電流を出力するための電圧の概略変化を示す。なお、図３は、主軸モータＭが定常回転している場合の値を示し、各値は速度偏差を小さくするために図示する値に対して増減し得る。図３では、ｄ相電流及びｄ相電圧を一点鎖線で示し、ｑ相電流及びｑ相電圧を破線で示し、ｄ相電流及びｑ相電流の合成電流並びにｄ相電圧及びｑ相電圧の合成電圧を実線で示す。また、図３では、速度制御の場合の各値を太線で示し、位置制御の場合の各値を細線で示す。

図示するように、モータ制御装置１は、位置制御時にはｄ相速度閾値Ｓｑｐｐを低い速度に設定することによって、主軸モータＭに印加できるｑ相電流の高速域における落ち込みが速度制御時よりも軽減されている。これによって、モータ制御装置１は、高速域における制御の安定性に優れる。一方、モータ制御装置１は、速度制御時には、高速域におけるｑ相電流の落ち込みが大きくなるが、ｄ相電流を小さく設定したことにより電流値が小さくなるので発熱を抑制することができる。速度制御時には、主軸モータＭを一定の速度で比較的長い時間継続して回転させ続けるため発熱による影響が大きくなりやすので、ｄ相電流を小さくして発熱を抑制する方が有利となる。

ｄ相電流制御器１５は、ｄｑ電流指令計算部１４の誘導モータ制御部４２又は同期モータ制御部４３から入力されるｄ相電流指令値に、主軸モータＭに印加される実際のｄ相電流を一致させるよう出力値を変化させる。

ｑ相電流制御器１６は、ｄｑ電流指令計算部１４の誘導モータ制御部４２又は同期モータ制御部４３から入力されるｑ相電流指令値に、主軸モータＭに印加される実際のｑ相電流を一致させるよう出力値を変化させる。

出力座標変換器１７は、ｄ相電流制御器１５の出力値及びｑ相電流制御器１６の出力値を３相交流の各相の電圧指令に変換する。

スイッチング電源１８は、主軸モータＭの各相に出力座標変換器１７からの指示される電圧を印加する。これにより、主軸モータＭには、ｄ相電流指令値に略等しいｄ相電流及びｑ相電流指令値に略等しいｑ相電流が印加される。

帰還座標変換器１９は、実際に主軸モータＭに印加されている３相の電流値を検出する３つの変成器９１の検出信号をｄｑ変換してｄ相電流制御器１５及びｑ相電流制御器１６に負の帰還信号としてフィードバックする。これにより、主軸モータＭに印加されるｄ相電流及びｑ相電流の値を、ｄ相電流指令値及びｑ相電流指令値に一致させる。

図４に、モータ制御装置１により行われる主軸モータＭの制御方法の手順を示す。モータ制御装置１による主軸モータＭの制御方法は、主軸モータＭの種類が誘導モータであるか同期モータであるかを確認する工程（ステップＳ１：モータ種類確認工程）と、主軸モータＭが誘導モータである場合に、制御の種別が速度制御であるか位置制御であるかを確認する工程（ステップＳ２：第２制御種別確認工程）と、主軸モータＭが誘導モータであり制御の種別が速度制御である場合に、主軸モータＭに印加される電圧の最大値が所定の最大電圧となるようｄ相速度閾値及びｑ相速度閾値を設定する工程（ステップＳ３：第１閾値設定工程）と、主軸モータＭが誘導モータであり制御の種別が位置制御である場合に、主軸モータＭに印加される電圧の最大値が第１閾値設定工程において設定される最大電圧よりも低い所定の最大電圧となるようｄ相速度閾値及びｑ相速度閾値を設定する工程（ステップＳ４：第２閾値設定工程）と、主軸モータＭが同期モータである場合に、制御の種別が速度制御であるか位置制御であるかを確認する工程（ステップＳ５：第２制御種別確認工程）と、主軸モータＭが同期モータであり制御の種別が速度制御である場合に、主軸モータＭに印加される電圧の最大値が所定の最大電圧となるようｄ相速度閾値を設定する工程（ステップＳ６：第３閾値設定工程）と、主軸モータＭが同期モータであり制御の種別が位置制御である場合に、主軸モータＭに印加される電圧の最大値が第３閾値設定工程において設定される最大電圧よりも低い所定の最大電圧となるようｄ相速度閾値を設定する工程（ステップＳ７：第４閾値設定工程）と、を備える。

このように、モータ制御装置１は、最大電圧選択部４１が位置制御のときに主軸モータＭに印加する最大電圧を速度制御のときに主軸モータＭに印加する最大電圧よりも低く設定する。これによって、モータ制御装置１は、位置制御時に一次電源Ｓの電圧不足により理論上の出力と実際の出力とが乖離することに起因して制御が不安定となることを防止できると共に、速度制御時は一次電源Ｓの電圧を最大限に利用して主軸モータＭをより迅速に加減速することができる。

また、モータ制御装置１は、第１速度選択部４２１により位置制御のときにｄ相電流及びｑ相電流を低下させ始める主軸モータＭの回転速度を速度制御のときよりも低く設定する誘導モータ制御部４２を有するため、主軸モータＭが誘導モータである場合に安定した位置制御と迅速な速度制御とを行うことができる。

また、モータ制御装置１は、第２速度選択部４３１により位置制御のときにｄ相電流を印加し始める主軸モータＭの回転速度を速度制御のときよりも低く設定する同期モータ制御部４３を有するため、主軸モータＭが同期モータである場合にも安定した位置制御と迅速な速度制御とを行うことができる。

このようなモータ制御装置１を備える工作機械１００は、主軸モータＭの安定した位置制御と迅速な速度制御とを行うことができるので、速度制御による工具Ｔの迅速な加減速によって効率よく加工を行うことができ、位置制御によるチャックＣの正確な回転位置決めによって迅速かつ確実な工具Ｔの交換が可能である。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例として、本開示に係るモータ制御装置は、工作機械以外の装置に設けられるモータを制御してもよく、工作機械の主軸以外の駆動軸を制御してもよい。また、本開示に係る工作機械は、主軸以外の駆動軸が本開示に係るモータ制御装置によって制御されるものであってもよい。

本開示に係るモータ制御装置は、結果的に位置制御のときにモータに印加する最大電圧が速度制御のときにモータに印加する最大電圧よりも低くなるようにパラメータを設定するものであればよく、最大電圧を特定する値を計算する必要はない。

本開示に係るモータ制御装置は、上述の実施形態のような制御を行うもの限られず、位置制御のときの最大電圧を速度制御のときの最大電圧よりも低く設定するものであればよい。例として、本開示に係るモータ制御装置は、Ｖ／ｆ制御等の制御によってモータを制御するものであってもよく、モータの磁束を検出して磁束の検出値をフィードバックすることによりモータを制御するものであってもよい。

本開示に係るモータ制御装置は、誘導モータ制御部及び同期モータ制御部の一方を有していないものであってもよい。

１００ 工作機械
１ モータ制御装置
１１ モード選択部
１２ 位置制御器
１３ 速度制御器
１４ ｄｑ電流指令計算部
１５ ｄ相電流制御器
１６ ｑ相電流制御器
１７ 出力座標変換器
１８ スイッチング電源
１９ 帰還座標変換器
４１ 最大電圧選択部
４２ 誘導モータ制御部
４２１ 第１速度選択部
４３ 同期モータ制御部
４３１ 第２速度選択部
Ｄｖ 速度センサ
Ｄｐ 位置センサ
Ｍ 主軸モータ
Ｓ 一次電源

Claims (4)

1. 一次電源から電力が供給されるスイッチング電源によりモータに電圧を印加し、速度制御と位置制御とを切換えて前記モータを制御するモータ制御装置であって、
   前記位置制御のときに前記モータに印加する最大電圧を前記速度制御のときに前記モータに印加する最大電圧よりも低く設定する、モータ制御装置。
2. 前記位置制御のときにｄ相電流及びｑ相電流を低下させ始める前記モータの速度を前記速度制御のときよりも低く設定する誘導モータ制御部を有する、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記位置制御のときにｄ相電流を印加し始める前記モータの速度を前記速度制御のときよりも低く設定する同期モータ制御部を有する、請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御されるモータと、
   を備える工作機械。

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