特許 6708517 サーボシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6708517

(24)【登録日】2020年5月25日

(45)【発行日】2020年6月10日

(54)【発明の名称】サーボシステム

(51)【国際特許分類】

   H02P 5/46 20060101AFI20200601BHJP

【ＦＩ】

   H02P5/46 J

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-156267(P2016-156267)

(22)【出願日】2016年8月9日

(65)【公開番号】特開2018-26921(P2018-26921A)

(43)【公開日】2018年2月15日

【審査請求日】2018年11月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】502129933

【氏名又は名称】株式会社日立産機システム

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 彰

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 正樹

(72)【発明者】

【氏名】小林 澄男

【審査官】 大島 等志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−００１９４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ５／４６

Ｈ０２Ｐ ２５／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のサーボモータの出力軸と第２のサーボモータの出力軸とが機械的に結合され、前記第１、第２のサーボモータに夫々取り付けられる第１、第２の位置センサの出力が前記第１、第２のサーボモータを駆動する第１、第２のサーボアンプに接続され、前記第２のサーボアンプは前記第１のサーボアンプからの制御指令に基づき制御されるサーボシステムであって、
前記第１のサーボアンプは、前記第１、第２の夫々のサーボアンプ内の蓄電部の端子間電圧を比較し、前記第１、第２のサーボモータの磁極位置異常を検出することを特徴とするサーボシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のサーボシステムであって、
前記比較は、前記第１と第２の夫々のサーボアンプ内の蓄電部の端子間電圧の増加と減少の傾向が不一致となる状態が一定時間続いたかどうかを比較し、不一致となる状態が一定時間続いた場合に前記第１のサーボモータあるいは前記第２のサーボモータが磁極位置異常状態であることを検出することを特徴とするサーボシステム。

【請求項3】

請求項１に記載のサーボシステムであって、
さらに、前記第１と第２の夫々のサーボアンプからの出力トルクと速度検出値に基づき、前記第１、第２のサーボモータの磁極位置異常を検出し、異常軸を推定することを特徴とするサーボシステム。

【請求項4】

請求項１に記載のサーボシステムであって、
前記第１、第２の夫々のサーボアンプからの出力トルクと速度検出値に基づき、前記第１、第２の夫々のサーボアンプが前記第１、第２の夫々のサーボモータが力行状態か回生状態かを判別し、
前記判別の結果と、前記第１、第２の夫々のサーボアンプ内の蓄電部の端子間電圧から推定される前記第１、第２の夫々のサーボモータが力行状態か回生状態の判別結果と比較し、不一致となったサーボモータが磁極位置異常であると推定することを特徴とするサーボシステム。

【請求項5】

請求項１から４の何れか１項に記載のサーボシステムであって、
前記磁極位置異常を検出した場合に、運転を停止せずに警告を発することを特徴とするサーボシステム。

【請求項6】

請求項５に記載のサーボシステムであって、
前記警告を発した履歴を保持し、次回運転開始時に磁極位置合わせ要求を発することを特徴とするサーボシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数軸のサーボモータを並列運転するサーボシステムに係り、特に複数のサーボモータの磁極位置異常の検出に関する。

【背景技術】

【0002】

産業用サーボシステムでは、サーボモータが内蔵する永久磁石の磁極位置を検出して、その位置に応じてサーボアンプがモータ電流を制御する。永久磁石の磁極位置の検出は、ホールセンサなどの磁気検出器による方法では分解能が低いため（例えば電気角６０度）、エンコーダなどの高精度の位置センサを磁極位置検出手段としても使用することで、高い分解能を確保している（例えば電気角１度以下）。位置センサを磁極位置検出手段として使用する場合、位置センサの組み付け時に永久磁石との位置関係を調整し、組み付け後に原点合わせ動作を行い、角度情報を位置センサの電子回路に保存する、といった方法で高い分解能を実現する。ここで、位置センサの原点合わせが正常に行われなかった場合や、位置センサの固定が甘く機械的にずれた場合などにおいては、所定のトルクが得られない、逆方向に動作する、最大速度で回転する、などの意図しない動作となる。サーボモータを単独で運転する場合は、これら意図しない動作は、過電流異常、過負荷異常、速度偏差異常、過速度異常などによって検出し、サーボシステムを安全に停止させることができる。

【0003】

本技術分野の背景技術として、特開２００２−２６２５９１号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、交流モータの各相の電流値と電圧値との乗算により瞬時電力を演算する手段を備え、瞬時電力と、トルク指令と回転数から決まる電力とを比較することで推定磁極位置の反転を検出する点、及び、直流電源からの入力電圧と入力電流を検出する手段を備え、直流入力の電力とトルク指令と回転数から決まる電力とを比較することで推定磁極位置の反転を検出する点が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００２−２６２５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１は、簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有するモータ制御装置を開示しているが、複数軸のサーボモータを並列運転する場合については考慮されていなかった。

【0006】

複数軸のサーボモータの出力軸を機械的に結合して並列運転するサーボシステムにおいて、一部のサーボモータに磁極位置調整不良または位置センサずれなどの磁極位置異常が発生した場合でも、他の正常なサーボモータにより、サーボシステムを運転継続できる場合がある。このとき、サーボシステムを運転できていても、以下の問題があった。
（１）サーボシステムの運転が可能である期間、磁極位置異常を発見できない。この期間、正常軸と異常軸の出力は互いに干渉し、出力に資さない無駄な電力消費が生じる。また、モータ過熱や装置の磨耗などの２次的な異常につながる。
（２）並列化された正常軸のサーボアンプに、過負荷異常や電力回生による過電圧異常などの２次的な異常が生じ、問題箇所の特定が遅れ、サーボシステムの不稼働時間の拡大につながる。

【0007】

よって、本発明は、複数軸のサーボモータを並列運転するサーボシステムにおいて、磁極位置異常を検出し、異常軸を推定する技術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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げるならば、第１のサーボモータの出力軸と第２のサーボモータの出力軸とが機械的に結合され、第１、第２のサーボモータに夫々取り付けられる第1、第２の位置センサの出力が第１、第２のサーボモータを駆動する第1、第２のサーボアンプに接続され、第２のサーボアンプは第１のサーボアンプからの制御指令に基づき制御されるサーボシステムであって、第１のサーボアンプは、第１、第２の夫々のサーボアンプ内の直流電圧を比較し、第１、第２のサーボモータの磁極位置異常を検出するように構成する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、磁極位置異常の発生を速やかに検出することで、無駄な電力消費を抑えることができる。また、磁極位置異常が発生したサーボモータを推定することで、不稼働時間の拡大を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例1における２台のサーボモータを並列運転するサーボシステムの概略構成図である。

【図2】実施例1における力行状態と回生状態でのＰ−Ｎ電圧の挙動を説明する図である。

【図3】実施例２における２台のサーボモータを並列運転するサーボシステムの概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

【実施例1】

【0012】

図１は、本実施例における、２台のサーボモータを並列運転するサーボシステムの概略構成図である。

【0013】

図１において、第１のサーボモータ３および第２のサーボモータ１３が、負荷５において、ギア、タイミングベルト等によって機械的に結合されているものとする。また、第１の交流電源４及び第２の交流電源１４からの電圧を所望周波数の交流電圧に変換して、それぞれ第１のサーボモータ３及び第２のサーボモータ１３に供給し駆動する第１のサーボアンプ１及び第２のサーボアンプ１１を有している。また、第１のサーボモータ３及び第２のサーボモータ１３には第１の位置センサ２及び第２の位置センサ１２が接続され、第１の位置センサ２及び第２の位置センサ１２の出力がそれぞれ第１のサーボアンプ１及び第２のサーボアンプ１１に入力されている。

【0014】

第１のサーボアンプ１は、第１の交流電源４に接続された、第１の整流部１０２、第１の蓄電部１０３、第１の電力変換部１０４、第１の演算部１０１で構成される。また、第２のサーボアンプ１１も、同様に、第２の整流部２０２、第２の蓄電部２０３、第２の電力変換部２０４、第２の演算部２０１で構成される。

【0015】

第１の整流部１０２及び第２の整流部２０２は、例えばダイオードで構成された直流変換回路やIGBTとフライホイールダイオードを用いた直流変換回路で構成され、第１の交流電源４及び第２の交流電源１４から入力された交流電圧を、直流電圧に変換し、第１の蓄電部１０３及び第２の蓄電部２０３に出力する。

【0016】

第１の蓄電部１０３及び第２の蓄電部２０３は、第１の整流部１０２及び第２の整流部２０２から入力された直流電圧を平滑化し、第１の電力変換部１０４及び第２の電力変換部２０４に直流電圧を出力する。

【0017】

第１の電力変換部１０４及び第２の電力変換部２０４は、例えばＩＧＢＴとフライホイールダイオードを用いた交流変換回路で構成され、第１の蓄電部１０３及び第２の蓄電部２０３の直流電圧と、第１の制御部１０１及び第２の制御部２０１の出力指令を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、変換した所望周波数の交流電圧を第１のサーボモータ３及び第２のサーボモータ１３に供給する。

【0018】

第１の制御部１０１及び第２の制御部２０１は、第１のサーボモータ３及び第２のサーボモータ１３を駆動するために与えられた指令から演算された出力指令に従い、第１の電力変換部１０４及び第２の電力変換部２０４にＰＷＭ出力指令を与える。

【0019】

次に、磁極位置異常検出の動作について説明する。

【0020】

まず、第１のサーボアンプ１における第１の蓄電部１０３の端子間電圧であるＰ−Ｎ電圧を第１の制御部１０１で検出する。また、同様に、第２のサーボアンプ１１における第２の蓄電部２０３の端子間電圧であるＰ−Ｎ電圧を第２の制御部２０１で検出する。ここで、第２のサーボアンプ１１は第１のサーボアンプ１からの制御指令に基づき制御されるとすると、第２の制御部２０１で検出したＰ−Ｎ電圧を第１の制御部１０１に伝送し、第１の制御部１０１で両者のＰ−Ｎ電圧値を比較する。そして、その比較結果で不一致状態が一定時間続いた場合に、第１の制御部１０１は、第１のサーボモータ３あるいは第２のサーボモータ１３が磁極位置異常状態にあると判定する。

【0021】

また、第１のサーボアンプ１では、トルク出力推定値および第１の位置センサ２の速度検出値から、第１のサーボモータ３が力行状態（トルク出力推定値と速度検出値の方向が一致している場合、Ｐ−Ｎ電圧は下降する。）あるいは回生状態（トルク出力推定値と速度検出値の方向が逆の場合、Ｐ−Ｎ電圧は上昇する。）のいずれかを判別し、第１の蓄電部１０３のＰ−Ｎ電圧から推定する力行/回生の判断と、上記トルク出力推定値および第１の位置センサ２の速度検出値から推定する力行/回生の判断とが不一致であれば、第１のサーボモータ３が異常軸であると推定する。

【0022】

同様に、第２のサーボアンプ１１では、トルク出力推定値および第２の位置センサ１２の速度検出値から、第２のサーボモータ１３が力行状態あるいは回生状態のいずれかを判別し、第２の蓄電部２０３のＰ−Ｎ電圧から推定する力行/回生の判断と上記トルク出力推定値および第２の位置センサ１２の速度検出値から推定する力行/回生の判断とが不一致であれば、第２のサーボモータ１３が異常軸であると推定する。

【0023】

図２に力行区間（ａ）と回生区間（ｂ）のある機械を一定速で運転した場合を例にとり、Ｐ−Ｎ電圧の挙動を説明する。

【0024】

図２において正常時の挙動を実線で示す。図２に示すように、正常時は、機械出力および回生エネルギーを２台のモータで分担するため、第１の畜電部１０３のＰ−Ｎ電圧１と、第２の畜電部２０３のＰ−Ｎ電圧２はバランスする。

【0025】

図２において、異常時の挙動として、第１のサーボモータ３に磁極位置異常が発生した場合を例にとり、点線で示す。図２に示すように、磁極位置異常により、第１のサーボモータ３では所定のトルクが得られず、機械出力及び回生エネルギーを均等に分担できず、第１の畜電部１０３のＰ−Ｎ電圧１と、第２の畜電部２０３のＰ−Ｎ電圧２は異なる挙動となる。すなわち、Ｐ−Ｎ電圧の増加と減少の傾向が不一致となる。この不一致状態が一定時間継続することで、少なくともどちらかのサーボモータが磁極位置異常状態にあることを検出できる。

【0026】

このとき、各サーボモータの出力が干渉することで、出力トルクは増加するため、過負荷異常、異常過熱等を引き起こす可能性がある。また正常軸のＰ−Ｎ電圧の変化が大きくなり、不足電圧異常、過電圧異常を引き起こす可能性がある。

【0027】

このように、複数のサーボアンプのＰ−Ｎ電圧を各々モニタし、比較することで、磁極位置異常を検出する。

【0028】

なお、サーボアンプがＤＣバスで接続されている場合は、Ｐ−Ｎ電圧をサーボモータ毎に分離測定することが難しいため、ＰラインあるいはＮラインの電流値をモニタし、比較することで、磁極位置異常を検出する。
また、サーボアンプからの出力電流値（トルク出力推定値）と速度検出値の極性から、サーボモータが力行状態にあるか、あるいは回生状態にあるかを判別し、Ｐ−Ｎ電圧の変化から推定する力行/回生の判断と比較することで、ずれが電気角９０°を超えた異常軸を推定する。なお、３台以上のサーボモータが並列化されたシステムでは、Ｐ−Ｎ電圧との比較結果において、少数派を異常軸とすることで、ずれが９０°に満たない異常軸を推定する。

【0029】

なお、トルク推定値１とトルク推定値２は、正常状態・異常状態であってもバランスするため、比較しても磁極位置異常を検出することはできない。

【0030】

磁極位置の異常を検出した場合には、どの軸が異常かは判別できないが、正常なサーボモータにより、サーボシステムが運転継続できているので、これを理由に停止することなく生産は継続できる。しかし、無駄な電力を消費している可能性があるので、運転を停止せずに警告を発することで、早い対策を促すことが出来る。

【0031】

また、サーボアンプ内に表示部と記憶部を有し、警告を発した履歴を記憶部に保持し、次回運転開始時に、警告を発した履歴があれば、磁極位置合わせの要求を表示部に表示するようにしてもよい。または、警告を発した履歴があれば、一度運転を解除して磁極位置合わせを行わないと運転できないようにしてもよい。

【0032】

このように、複数のサーボアンプのＰ−Ｎ電圧を比較することで、磁極位置異常を検出する。また、夫々のサーボアンプからの出力トルクと速度検出値に基づき、磁極位置異常を検出して異常軸を推定する。これにより、磁極位置異常の発生を速やかに検出することで、無駄な電力消費を抑えることができる。また、磁極位置異常が発生したサーボモータを推定することで、不稼働時間の拡大を抑えることができる。

【実施例2】

【0033】

実施例１では、磁極位置異常検出をサーボアンプの制御部に適用した場合について説明したが、本実施例は、上位装置で磁極位置異常検出を行う場合について説明する。

【0034】

図３は、本実施例における、２台のサーボモータを並列運転するサーボシステムの概略構成図である。図３において、図1と同様の機能を有する構成については同じ符号を付し、その説明は省略する。

【0035】

図３において、図1と異なる点は、磁極位置異常の検出装置６をサーボアンプの上位装置で行う点である。
すなわち、第１の蓄電部１０３及び第２の蓄電部２０３の端子間電圧であるそれぞれのＰ−Ｎ電圧を第１の制御部１０１及び第２の制御部２０１で検出し、各Ｐ−Ｎ電圧値を第１の制御部１０１及び第２の制御部２０１から磁極位置異常の検出装置６に伝送し、磁極位置異常の検出装置６内で比較する。そして、磁極位置異常の検出装置６は、両者の不一致状態が一定時間続いた場合に、第１のサーボモータ３あるいは第２のサーボモータ１３が磁極位置異常状態にあると判定する。

【0036】

また、磁極位置異常の検出装置６は、第１のサーボアンプ１及び第２のサーボアンプ１１での、トルク出力推定値および第１の位置センサ２または第２の位置センサ１２の速度検出値から、第１のサーボモータ３または第２のサーボモータ１３が力行状態か回生状態かの判別結果を受信し、Ｐ−Ｎ電圧から推定する力行/回生の判断と、トルク出力推定値および位置センサの速度検出値から推定する力行/回生の判断とが不一致であれば、第１のサーボモータ３または第２のサーボモータ１３が異常軸であると推定する。なお、磁極位置異常の検出装置６は、トルク出力推定値および第１の位置センサ２または第２の位置センサ１２の速度検出値を受信し、トルク出力推定値および位置センサの速度検出値から推定する力行/回生の判断を磁極位置異常の検出装置６内で行っても良い。

【0037】

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、２台のサーボモータを並列運転するサーボシステムについて説明したが、３台もしくは複数台のサーボモータを並列運転する場合でも適用できる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0038】

１：第１のサーボアンプ、２：第１の位置センサ、３：第１のサーボモータ、４：第１の交流電源、５：負荷、６：磁極位置異常の検出装置、１１：第２のサーボアンプ、１２：第２の位置センサ、１３：第２のサーボモータ、１４：第２の交流電源、１０１：第１の制御部、１０２：第１の整流部、１０３：第１の蓄電部、１０４：第１の電力変換部、２０１：第２の制御部、２０２：第２の整流部、２０３：第２の蓄電部、２０４：第２の電力変換部

【図1】

【図2】

【図3】