特開 2024-158455 モータ制御装置およびモータ制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158455

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】モータ制御装置およびモータ制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/12 20160101AFI20241031BHJP

   H02P 27/08 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

H02P21/12

H02P27/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073674

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100138771

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 将明

(72)【発明者】

【氏名】橋本 敦実

(72)【発明者】

【氏名】山本 良祐

(72)【発明者】

【氏名】中田 広之

(72)【発明者】

【氏名】上田 紘義

(72)【発明者】

【氏名】岩谷 正義

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA18

5H505BB06

5H505CC05

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE41

5H505EE49

5H505GG02

5H505GG04

5H505JJ03

5H505JJ16

5H505JJ24

5H505JJ28

5H505KK05

5H505LL01

5H505LL22

5H505LL41

(57)【要約】

【課題】アンプまたはモータへの過大電流を防止する。
【解決手段】モータ制御装置は、モータに駆動電流を供給する電流制御部と、モータに供給される駆動電流の電流値を検出する電流検出部と、モータの回転位置を検出する位置検出部と、位置検出部が検出したモータの回転位置によりモータの回転速度を算出する速度算出部と、を備え、電流制御部は、モータの電流指令値および電流検出部で検出された電流値に基づいて、モータを駆動するための電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、速度算出部で算出されたモータの回転速度およびモータの電流指令値の変動周波数から、電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出し、算出した電圧指令制限値に基づいて電圧指令値を制限する電圧指令制限部と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータに駆動電流を供給する電流制御部と、
前記モータに供給される前記駆動電流の電流値を検出する電流検出部と、
前記モータの回転位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部が検出した前記モータの前記回転位置により前記モータの回転速度を算出する速度算出部と、を備え、
前記電流制御部は、
前記モータの電流指令値および前記電流検出部で検出された前記電流値に基づいて、前記モータを駆動するための電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
前記速度算出部で算出された前記モータの前記回転速度および前記モータの前記電流指令値の変動周波数から、前記電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出し、算出した前記電圧指令制限値に基づいて前記電圧指令値を制限する電圧指令制限部と、を有する、
モータ制御装置。

【請求項2】

前記電流制御部は、ｄ軸およびｑ軸の前記電圧指令制限値をそれぞれ算出する、
請求項１に記載のモータ制御装置。

【請求項3】

前記電流制御部は、前記ｄ軸の電流を電流最大値の範囲内で維持し前記変動周波数の速さで変化させるために必要な電圧の最大値と、前記モータの前記回転速度と前記電流最大値との積である干渉電圧を相殺するのに必要な電圧値と、の和を前記ｄ軸の電圧指令制限値として算出する、
請求項２に記載のモータ制御装置。

【請求項4】

前記電流制御部は、前記ｑ軸の電流を電流最大値の範囲内で維持し前記変動周波数の速さで変化させるために必要な電圧の最大値と、前記モータの前記回転速度と前記電流最大値との積である干渉電圧を相殺するのに必要な電圧値と、誘起電圧の定数と前記モータの前記回転速度との積である誘起電圧を相殺するのに必要な電圧と、の和を前記ｑ軸の電圧指令制御値として算出する、
請求項２に記載のモータ制御装置。

【請求項5】

モータに供給される駆動電流の電流値を検出し、
前記モータの回転位置を検出し、
検出した前記モータの前記回転位置により前記モータの回転速度を算出し、
前記モータの電流指令値および検出された前記電流値に基づいて、前記モータを駆動するための電圧指令値を算出し、
算出された前記モータの前記回転速度および前記モータの前記電流指令値の変動周波数から、前記電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出し、
算出した前記電圧指令制限値に基づいて前記電圧指令値を制限する、
モータ制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、モータ制御装置およびモータ制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、速度制御手段と、トルク制御手段と、電力変換手段と、速度フィードバック信号生成手段からなるモータ制御装置が開示されている。当該モータ制御装置は、速度指令から所定の加速度の第１の速度指令を生成して速度制御手段へ出力するソフトスタート手段と、第１の速度指令とモータの誘起電圧定数の積からなる誘起電圧予測値と、モータのインピーダンスと最大電流指令の積からなるインピーダンス電圧降下予測値との和を制限電圧とし、電圧指令が前記制限電圧以下になるように第１の電圧指令を生成して電力変換手段へ出力する電圧制限手段とを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２３０１１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、上述した従来の状況に鑑みて案出され、アンプまたはモータへの過大電流を防止することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、モータに駆動電流を供給する電流制御部と、前記モータに供給される前記駆動電流の電流値を検出する電流検出部と、前記モータの回転位置を検出する位置検出部と、前記位置検出部が検出した前記モータの前記回転位置により前記モータの回転速度を算出する速度算出部と、を備え、前記電流制御部は、前記モータの電流指令値および前記電流検出部で検出された前記電流値に基づいて、前記モータを駆動するための電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記速度算出部で算出された前記モータの前記回転速度および前記モータの前記電流指令値の変動周波数から、前記電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出し、算出した前記電圧指令制限値に基づいて前記電圧指令値を制限する電圧指令制限部と、を有する、モータ制御装置を提供する。

【0006】

また、本開示は、モータに供給される駆動電流の電流値を検出し、前記モータの回転位置を検出し、検出した前記モータの前記回転位置により前記モータの回転速度を算出し、前記モータの電流指令値および検出された前記電流値に基づいて、前記モータを駆動するための電圧指令値を算出し、算出された前記モータの前記回転速度および前記モータの前記電流指令値の変動周波数から、前記電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出し、算出した前記電圧指令制限値に基づいて前記電圧指令値を制限する、モータ制御方法を提供する。

【0007】

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、アンプまたはモータへの過大電流を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】従来例のモータ制御システムのブロック図

【図2】本実施の形態に係るモータ制御システムのブロック図

【図3】モータＭＴを加速する際に必要な電圧値を示す図

【図4】モータＭＴによって駆動されるロボットの動作の一例を示す図

【図5】ロボットが円弧動作をする際の電流変化に必要な電圧を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

（本実施の形態に至る経緯）
モータを駆動する方法として、モータに取付けられるエンコーダにより検出されたモータの位置、モータの速度およびモータに流れる電流の実測値のデータをフィードバックすることにより、モータを駆動するための３相電圧指令を用いた制御が知られている。３相電圧指令を用いた制御として、例えば、Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（以下、「ＰＷＭ」と称する）指令を用いた制御方法が知られている。３相電圧指令を用いた制御方法では、上述した各種フィードバック信号に基づきモータの駆動を制御する。

【0011】

従来、モータの電流制御を行う際、モータに電流を供給するアンプへの電圧指令値の制限値は、実現可能な許容最大電圧とされている。しかしながら、電流を検出する機器（例えば、電流検出器またはＡ／Ｄ変換器等）に故障が生じ、電流を検出する機器がモータに流れている電流を検出できなくなった場合、電圧を制御するモータ制御装置は、正しいフィードバック信号を得られなくなる。これにより、モータ制御装置は、誤ったフィードバック信号を用いて制御電圧値を算出することにより電圧指令値が許容最大値に達してアンプに過大な電流を流し、アンプを破壊する恐れがある。アンプに過大な電流が流れると、アンプの主回路のトランジスタが破損することでアンプが破壊される。

【0012】

特許文献１は、所定の加速度の速度指令値とモータの誘起電圧定数の積からなる誘起電圧予測値と、モータのインピーダンスと最大電流指令の積からなるインピーダンス電圧降下予測値との和を制限電圧としている。

【0013】

しかしながら、制限電圧をモータの回転を維持するのに必要な値にすると、モータ制御装置は、モータへの電流を変化（つまり、増加）させるのに必要な電圧指令を出力することができなくなる。モータを用いて駆動するロボットは、動きに応じて必要な電流値が変化するため、電流値を変化するのに必要な電圧が得られないと所望の動作ができないという課題がある。

【0014】

以下、図面を適宜参照して、本開示に係るモータ制御装置およびモータ制御方法を具体的に開示した実施の形態について、詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、すでによく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の記載の主題を限定することは意図されていない。

【0015】

まず、図１を参照して、従来例のモータ制御システム１のブロック図について説明する。図１は、従来例のモータ制御システム１のブロック図である。

【0016】

モータ制御システム１は、電源５、モータ制御装置１０、アンプ２０、Ａ／Ｄ変換器３０、電流検出器３１，３２、モータＭＴおよびエンコーダＥＮを含む。なお、図示を省略しているがメモリおよび通信インターフェースをさらに含んでもよい。

【0017】

モータＭＴは、例えば永久磁石型同期モータ（ＰＭＳＭ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）等のブラシレスモータであり、シャフトを中心とした回転可能であって永久磁石（図示略）を保持した回転子（ロータ）と、３相分の巻線をステータコアに巻回した３相のコイルを含む固定子（ステータ）とを有する。回転子が固定子に対向するように回転自在に配置されている。モータＭＴでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの巻線（コイル）にアンプ２０から互いに１２０度位相が異なる交流電力が供給されることで、モータＭＴの回転子がシャフトを中心に回転動作する。モータＭＴは、例えば、ロボット等の産業用機械を駆動するために使用される。

【0018】

エンコーダＥＮは、モータＭＴに取り付けられている。エンコーダＥＮは、モータＭＴの回転子（図示略）の回転位置に応じた信号をモータ制御装置１０に出力する。このように、エンコーダＥＮは、モータＭＴの回転子の回転位置を電気角として検出する。なお、回転子の回転位置または回転速度を推定によって検出できる場合には、エンコーダＥＮの構成は省略してもよい。また、エンコーダＥＮの代わりに、モータＭＴの回転位置を検出可能なホール素子が回転子の近辺に配置されても構わない。この場合、ホール素子により検出された位置情報を示す信号がフィードバック信号としてモータ制御装置１０のそれぞれに入力される。

【0019】

モータ制御装置１０は、モータＭＴの位置の指令およびモータＭＴの位置のフィードバックに従ってモータＭＴの駆動を制御する。モータ制御装置１０は、モータＭＴの回転制御をするためにモータＭＴに流す電流に関して、モータＭＴの保持する回転子（ロータ）が保持する永久磁石の磁束方向であるｄ軸とこのｄ軸に直交するｑ軸とからなるｄｑ軸座標系に基づくベクトル制御を行う。より具体的には、例えば、モータ制御装置１０は、ｄ軸において入力をｄ軸電流値としてｄ軸に対する電圧指令（以下、ｄ軸電圧指令と称する）を生成し、ｑ軸において入力をｑ軸電流値としてｑ軸に対する電圧指令（以下、ｑ軸電圧指令と称する）を生成するベクトル制御に基づく電流制御を行う。なお、モータ制御装置１０の実行するモータＭＴの回転制御は、上述した例に限られず、ｄ軸においては、入力をｄ軸電流値としてｄ軸電圧指令を生成するベクトル制御に基づく電流制御を行い、ｑ軸においては、入力を回転速度としてｑ軸電圧指令を生成する速度制御に基づく電圧制御を行う制御でもよい。モータ制御装置１０は、アンプ２０、Ａ／Ｄ変換器３０およびエンコーダＥＮに通信可能に接続される。モータ制御装置１０は、上述したベクトル制御を用いてモータＭＴに供給する電流を流すため指令をアンプ２０に出力する。

【0020】

モータ制御装置１０は、移動指令制御部１１、位置制御部１２、速度制御部１３、移動量算出部１４、速度算出部１５、電流制御部１６および磁極位置算出部１７を有する。

【0021】

移動指令制御部１１は、ユーザ（例えば、モータ制御システム１を構築する人物等）が作成するモータＭＴの被駆動体の動作プログラムに基づいてモータ軸の回転角の変化量を生成する。移動指令制御部１１は、当該変化量のモータＭＴ位置の制御周期Ｔｐごとの変化量である位置に関する位置指令値Δθｍ＊を生成する。移動指令制御部１１は、位置指令値Δθｍ＊を位置制御部１２に出力する。以下、位置に関する指令値を位置指令値と称する。添字のｍは、モータＭＴの駆動するロボットの軸を表す。例えば、６軸のロボットをモータＭＴが駆動する場合、それぞれの軸に対応してｍは１～６の整数となる。

【0022】

位置制御部１２は、移動指令制御部１１から位置指令値Δθｍ＊と移動量算出部１４からのモータＭＴの位置のフィードバック信号（以下、位置ＦＢと称する）Δθｍとに基づいて速度に関する指令値（以下、速度指令値と称する）Ｗ＊を算出する。位置制御部１２は、算出した速度指令値Ｗ＊を速度制御部１３に出力する。なお、ＦＢはＦｅｅｄｂａｃｋの略である。位置制御部１２は、速度指令値を位置偏差量に位置のゲインに関する係数を乗じて算出する。位置偏差量は、下記（式１）で示される値である。

【0023】

【数1】

【0024】

速度制御部１３は、位置制御部１２から受信した速度指令値Ｗ＊と速度算出部１５からのモータＭＴの速度のフィードバック信号（以下、速度ＦＢと称する）Ｗとに基づいて、ｑ軸に対する電流の目標値である電流指令値（以下、ｑ軸電流指令値と称する）Ｉｑ＊を算出する。速度制御部１３は、算出したｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をＰＩ制御部１６２に出力する。なお、ｄ軸に対する電流の目標値である電流指令値（以下、ｄ軸電流指令値と称する）は、０値に設定される。

【0025】

移動量算出部１４は、エンコーダＥＮにより検出されたロータの回転角θｍの単位時間当たりの変化量（つまり、位置ＦＢΔθｍ）を位置制御部１２に出力する。

【0026】

速度算出部１５は、エンコーダにより検出されたロータの回転角θｍの単位時間当たりの変化量である位置ＦＢΔθｍを所定の周期に相当する時間で除すことでモータＭＴの回転子の回転速度である速度ＦＢＷを算出する。

【0027】

電流制御部１６は、モータＭＴの界磁方向であるｄ軸とこのｄ軸に直交する方向であるｑ軸とのそれぞれへの電圧指令（後述するｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊）を、モータＭＴのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に与える３相電圧指令（ＰＷＭ指令）に変換する２相３相変換の処理を行う。電流制御部１６は、ＰＩ制御部１６１、ＰＩ制御部１６２、２相３相変換部１６５，ｄｑ変換部１６６およびＰＷＭ処理部１６９を有する。

【0028】

ＰＩ制御部１６１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の値とｄｑ変換部１６６からのｄ軸電流Ｉｄとの差分である誤差がゼロとなるようにｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を生成する。ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊は、ｄ軸に対する電圧の目標値である。ｄ軸電流Ｉｄに関しては後述する。例えば、ＰＩ制御部１６１は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊の値とｄ軸電流Ｉｄとの値との差分に対して比例積分処理を行い、その比例積分の結果をｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とする。

【0029】

ＰＩ制御部１６２は、速度制御部１３からのｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の値とｄｑ変換部１６６からのｑ軸電流Ｉｑとの差分である誤差がゼロとなるようにｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成する。ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、ｑ軸に対する電圧の目標値である。ｑ軸電流Ｉｑに関しては後述する。例えば、ＰＩ制御部１６２は、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の値とｑ軸電流Ｉｑとの値との差分に対して比例積分処理を行い、その比例積分の結果をｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とする。

【0030】

ＰＩ制御部１６１およびＰＩ制御部１６２は、固定のリミット処理である処理１６３，１６４を行う。固定のリミット処理とは、生成された電圧指令値が実現可能な最大電圧値を上回った場合、電圧指令値を最大電圧値とする処理のことである。

【0031】

２相３相変換部１６５は、エンコーダＥＮにより検出され磁極位置算出部１７から入力される回転子（図示略）の回転角に応じて決まる電気角を使って、ＰＩ制御部１６１からのｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊と、ＰＩ制御部１６２からのｑ軸電圧指令値Ｖ１＊とを、２相３相変換して、モータＭＴの各相に印加する電圧を得るための３相電圧指令値（Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊）を算出する。

【0032】

ＰＷＭ処理部１６９は、２相３相変換部１６５からの３相電圧指令値から、例えば、三角波比較法によって、パルス幅変調（ＰＷＭ）して、ＰＷＭ信号Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２を生成し、アンプ２０に出力する。ここで、ＰＷＭ信号Ｕ１，Ｕ２は、一定時間Ｔｉ（例えば、１００μｓ）内で、２相３相変換部１６５からの３相電圧指令値の大きさに従った比率でＯＮ／ＯＦＦする信号である。ＰＷＭ信号Ｕ１がＯＮのとき、モータＭＴのＵ相に電源５から正電圧Ｖｐが印加され、ＰＷＭ信号Ｕ２がＯＮのとき、モータＭＴのＵ相に電源５からの負電圧Ｖｎが印加される。なお、ＰＷＭ信号Ｕ１，Ｕ２のいずれかがＯＮのとき、もう一方はＯＦＦである。時間Ｔｉ内での、ＰＷＭ信号Ｕ１，Ｕ２それぞれのＯＮ時間の比率に応じて、電圧Ｖｐ～Ｖｎの範囲内の電圧が等価的に実現される。ＰＷＭ信号Ｖ１，Ｖ２およびＰＷＭ信号Ｗ１，Ｗ２も同様であり、それぞれＶ相，Ｗ相に対応する。

【0033】

ｄｑ変換部１６６は、電流検出器３１によって検出されたＵ相電流Ｉｕと、電流検出器３２によって検出されたＶ相電流Ｉｖと、エンコーダＥＮにより検出され磁極位置算出部１７から入力される電気角とから、ｄ軸およびｑ軸の検出電流であるｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを算出する。Ｕ相電流Ｉｕは、Ｕ相に流す電流値のフィードバックである。Ｖ相電流Ｉｖは、Ｖ相に流す電流値のフィードバックである。ｄ軸電流Ｉｄは、ｄ軸電流のフィードバックとしてＰＩ制御部１６１に入力される。ｑ軸電流Ｉｑは、ｑ軸電流のフィードバックとしてＰＩ制御部１６２に入力される。

【0034】

磁極位置算出部１７は、エンコーダＥＮにより検出されたロータの回転角θｍから電気角θｅを算出する。例えば、２極１対のロータの場合、θｅ＝θｍとなる。８極４対のロータの場合、θｅ＝４θｍとなる。磁極位置算出部１７は、電気角θｅをＰＷＭ処理部１６９とｄｑ変換部１６６とに出力する。

【0035】

電源５は、アンプ２０に直流の電源電圧を供給する。電源５は、交流電源５１、ダイオード５２およびコンデンサ５３が並列に接続され、アンプ２０に対し直流電圧である正電圧Ｖｐおよび負電圧Ｖｎを供給する。

【0036】

アンプ２０は、モータ制御装置１０からのＰＷＭ信号に基づきモータＭＴに電圧を印加し、それによって発生する電流を供給する。アンプ２０は、モータ制御装置１０からのＰＷＭ信号を受けて電源５からの直流電圧および直流電流を、交流電圧および交流電流に変換してモータＭＴに供給する。アンプ２０は、電源５、モータ制御装置１０およびモータＭＴに接続される。

【0037】

Ａ／Ｄ変換器３０は、電流検出器３１，３２で検出されたモータに供給される電流の実測値をアナログ信号から公知の技術を用いてデジタル信号に変換する。電流検出器３１は、Ｕ相に供給されているＵ相電流Ｉｕを検出しＡ／Ｄ変換器３０に出力する。電流検出器３２は、Ｖ相に供給されているＶ相電流Ｉｖを検出しＡ／Ｄ変換器３０に出力する。また、Ｗ相の電流であるＷ相電流Ｉｗは、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係式からＵ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖとから算出される。Ａ／Ｄ変換器３０、電流検出器３１および電流検出器３２を合わせて電流検出系と称する。

【0038】

電流検出系が故障すると、Ａ／Ｄ変換器３０から出力されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗが誤った値となる。電流検出系が故障すると、例えば、Ａ／Ｄ変換器３０から出力される電流の実測値がある値に固定される。Ａ／Ｄ変換器３０から出力される電流の実測値がある値に固定されると、ｄｑ変換部１６６から出力されるｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑの値もある値に固定される。ＰＩ制御部１６１およびＰＩ制御部１６２は、速度制御部１３からの電流指令値の値とｄｑ変換部１６６からの値との差分である。その結果、電流指令値（Ｉｑ＊，Ｉｄ＊）との差分がゼロにならず、それがＰＩ制御部１６１，１６２の積分項に蓄積されて、ＰＩ制御部１６１，１６２の出力（Ｖｑ＊，Ｖｄ＊）が発散する。

【0039】

従来のモータ制御システム１では、ＰＩ制御部１６１は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊の値が実現可能な最大電圧値を超える値の場合、処理１６３に基づきｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を実現可能な最大電圧値とする。また、ＰＩ制御部１６２は、同様に、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の値が実現可能な最大電圧値を超える値の場合、処理１６４に基づきｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を実現可能な最大電圧値とする。モータＭＴが低速で回転している場合には、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊が実現可能な最大電圧値であると、許容最大電流値を超えた電流をモータＭＴに流すことになり、アンプ２０またはモータＭＴを破損する可能性がある。また、誤った電圧指令値でモータＭＴを駆動する場合、モータＭＴによって駆動されるロボット等の産業用機械が誤作動し事故または故障の原因となる可能性がある。

【0040】

次に、図２を参照して、本実施の形態に係るモータ制御システム２のブロック図について説明する。図２は、本実施の形態に係るモータ制御システム２のブロック図である。図１と同一の構成要素に関しては同一符合を付記し説明を省略する。

【0041】

モータ制御装置１０Ａは、電流制御部１６Ａに電圧指令制限部１６７，１６８を有する。

【0042】

速度算出部１５は、算出した速度ＦＢＷを電圧指令制限部１６７および電圧指令制限部１６８へ出力する。

【0043】

電圧指令制限部１６７は、ＰＩ制御部１６１から出力されたｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊の値を制限して２相３相変換部１６５に出力する。電圧指令制限部１６７は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊をモータＭＴの回転速度とモータＭＴの電流指令値の変化の速さを指定するパラメタとから算出した値をｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊の制限値（以下、「ｄ軸電圧制限値」と称する）とする。ｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍは下記の式（２）で表される。なお、モータＭＴの電流指令値の変化の速さを指定するパラメタを変動周波数と定義する。当該パラメタは、周波数値で与えられる。以下、ｆ_１およびｆ_２は変動周波数である。

【0044】

【数2】

【0045】

ここで、Ｉｄｍａｘはｄ軸電流の最大値、Ｉｑｍａｘはｑ軸電流の最大値、ｆ_２はｄ軸電流の変化の速さを指定するパラメタ、ＬはモータＭＴの巻線インダクタンス、ＲはモータＭＴの巻線抵抗、ｐはモータの極対数およびＷはモータＭＴの回転速度である。

【0046】

式（２）の右辺１項目は、モータＭＴのｄ軸電流を、その最大値Ｉｄｍａｘの範囲内で維持しながら、さらにその大きさをｆ２で指定する速さで変化させるのに必要な電圧の最大値を表す。式（２）の右辺２項目は、ｑ軸電流による干渉電圧を相殺するのに必要な電圧である。当該干渉電圧は、ｑ軸電流による回転磁界がモータＭＴの巻線に３相交流電圧を誘起され、この３相交流電圧をｄｑ変換した際にｄ軸に現れる電圧である。干渉電圧は、３相交流の角速度であるモータの極対数ｐとモータＭＴの回転速度Ｗとの積に比例する。

【0047】

電圧指令制限部１６８は、ＰＩ制御部１６２から出力されたｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の値を制限して２相３相変換部１６５に出力する。電圧指令制限部１６８は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊をモータＭＴの回転速度とモータＭＴの電流指令値の変化の速さを指定するパラメタとから算出した値をｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊の制限値（以下、「ｑ軸電圧制限値」と称する）とする。ｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍは下記の式（３）で表される。

【0048】

【数3】

【0049】

ここで、Ｉｄｍａｘはｄ軸電流の最大値、Ｉｑｍａｘはｑ軸電流の最大値、ｆ_１はｑ軸電流の変化の速さを指定するパラメタ、ＬはモータＭＴの巻線インダクタンス、ＲはモータＭＴの巻線抵抗、ｐはモータの極対数、ＷはモータＭＴの回転速度およびＫｖは誘起電圧定数である。
である。

【0050】

式（３）の右辺１項目は、モータＭＴのｑ軸電流を、その最大値Ｉｑｍａｘの範囲内で維持しながら、さらにその大きさをｆ１で指定する速さで変化させるのに必要な電圧の最大値を表す。式（３）の右辺２項目は、ｄ軸電流による干渉電圧を相殺するのに必要な電圧である。当該干渉電圧は、ｄ軸電流による回転磁界がモータＭＴの巻線に３相交流電圧を誘起され、この３相交流電圧をｄｑ変換した際にｑ軸に現れる電圧である。干渉電圧は、３相交流の角速度であるモータの極対数ｐとモータＭＴの回転速度Ｗとの積に比例する。式（３）の右辺３項目は、回転磁石によって発生する誘起電圧を相殺するのに必要な電圧である。

【0051】

パラメタｆ_１は、モータＭＴの回転速度を変化させるのに必要なｑ軸電流の単位時間当たりの変化量（つまり、図３のグラフＣ２の傾き）に対応する。変動周波数であるｆ_２は、モータＭＴの回転速度を変化させるのに必要なｄ軸電流の単位時間当たりの変化量（つまり、図３のグラフＣ３の傾き）に対応する。ｆ_１およびｆ_２は、ユーザによって予め定められた値である。ｆ_１およびｆ_２は周波数値として与える。この場合の、ｑ軸電流、ｄ軸電流の変化の速さの最大値はそれぞれ、２πｆ_１［ｓ^－１］、２πｆ_２［ｓ^－１］である。例えば、ｆ_１として１０［Ｈｚ］、ｆ_２として１［Ｈｚ］とすれば、ｑ軸電流、ｄ軸電流の変化の速さ（時間に対する傾き）の最大値はそれぞれ、約６２．８［ｓ^－１］、約６．３［ｓ^－１］となる。なお、ｆ_１およびｆ_２の値は一例でありこれらに限られない。

【0052】

また、干渉電圧および誘起電圧は、速度に比例するため速度が大きくなれば値は大きくなり、速度が小さくなれば値が小さくなる。

【0053】

以上により、式（２）および式（３）より、ｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍおよびｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍはパラメタｆ_１、ｆ_２で決めるそれぞれの値をベースとしてモータＭＴの回転速度に応じて値が変動する。これにより、電圧指令制限部１６７は、式（２）のｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍを用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を制限することで、電流検出系に故障が生じてもｄ軸電圧指令値が実現可能な最大電圧値となることを防ぐことができる。また、電圧指令制限部１６８は、式（３）のｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍを用いてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を制限することで、電流検出系に故障が生じてもｑ軸電圧指令値が実現可能な最大電圧値となることを防ぐことができる。さらに、電圧指令制限部１６７および電圧指令制限部１６８は、変動周波数およびモータＭＴの回転速度に応じてｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍおよびｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍを算出するため、モータＭＴの駆動するロボット等の動きに応じて適切な制限値を算出することができる。つまり、電圧指令制限部１６７および電圧指令制限部１６８は、モータＭＴが低速で駆動する場合はｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍおよびｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍを低い値とし、モータＭＴが高速で駆動する場合はｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍおよびｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍを高い値とすることができる。これにより、電圧指令制限部１６７および電圧指令制限部１６８は、電流検出系が故障した時の過剰な電流の発生を防止しつつ、モータＭＴを駆動するのに十分な電流値を流すことができる電圧指令値をＰＷＭ処理部１６９に出力することができる。

【0054】

次に、図３を参照して、モータＭＴを加速する際に必要な電圧値について説明する。図３は、モータＭＴを加速する際に必要な電圧値を示す図である。

【0055】

グラフＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６は、横軸が時間であり全て同じ時間軸を示す。グラフＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６の横軸は、点線で表される時刻がそれぞれ時刻ｔ１および時刻ｔ２を示す。

【0056】

グラフＣ１は、モータＭＴの回転速度の時間変化を表す。縦軸はモータＭＴの回転速度であるＷ［ｒａｄ／ｓ］である。時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に、モータＭＴの回転速度が速度Ｗｓから速度Ｗｋに上がる。この場合、モータＭＴの加速度は（Ｗｋ－Ｗｓ）／（ｔ２－ｔ１）［ｒａｄ／ｓ^２］で表される。

【0057】

グラフＣ２は、モータＭＴの回転速度をグラフＣ１に示すように変化させる場合に必要なｑ軸電流を示すグラフである。グラフＣ３は、ｄ軸電流を示すグラフである。縦軸はｑ軸電流Ｉｑ［Ａ］およびｄ軸電流Ｉｄ［Ａ］の値を表す。時刻ｔ１からモータＭＴの回転速度を上げるためにｑ軸電流Ｉｑは増加する。モータＭＴの回転速度が速度Ｗｋに近づくと徐々にｑ軸電流Ｉｑは減少し、時刻ｔ２でｑ軸電流Ｉｑは速度Ｗｋを維持するための電流値となる。このｑ軸電流ＩｑによってモータＭＴにトルクが発生する。モータＭＴのトルクはＫｔとｑ軸電流Ｉｑとの積で表される。Ｋｔはトルク定数である。グラフＣ２のｑ軸電流の単位時間当たりの変化量ｄＩｑ／ｄｔの値の最大値がパラメタｆ_１に相当する。

【0058】

ｄ軸電流Ｉｄは、モータＭＴのトルクの発生に寄与しないため通常は０（ゼロ）となる。モータＭＴが高速で回転する場合、グラフＣ３のように負のｄ軸電流Ｉｄに制御されることがある。ｄ軸電流Ｉｄを負とすることで、モータＭＴの磁石の界磁を弱めて、磁石による誘起電圧を低減でき、モータＭＴの高速回転が実現される。グラフＣ３のｄ軸電流の単位時間当たりの変化量ｄＩｄ／ｄｔの値の最大値がパラメタｆ_２に相当する。

【0059】

グラフＣ４は、Ｕ相の相電流を示すグラフである。相電流の振幅は下記式（４）に比例する。

【0060】

【数4】

【0061】

Ｖ相およびＷ相の相電流は、Ｕ相の相電流と振幅が同じで２π／３の位相差の正弦波となる。

【0062】

グラフＣ５は、モータＭＴの回転速度をグラフＣ１のように変化させる際に必要なｑ軸電圧の各成分を表す。グラフＣ５１は、回転する磁石による誘起電圧を表す。グラフＣ５１は、誘起電圧定数ＫｖとモータＭＴの回転速度Ｗとの積で表される。グラフＣ５１は、式（３）の右辺３項目に対応する。

【0063】

グラフＣ５２は、ｑ軸電流を維持するための電圧とｑ軸電流を変更するのに必要な電圧との和である。グラフＣ５２は、下記式（５）で表される。

【0064】

【数5】

【0065】

式（５）の１項目はｑ軸電流の維持に必要な電圧を表し、２項目はｑ軸電流を変更するのに必要な電圧を表す。Ｉｑ’はｑ軸電流Ｉｑの時間の一回微分である。グラフＣ５２の最大値は、式（３）の右辺１項目に対応する。

【0066】

グラフＣ５３は、ｄ軸電流による干渉電圧を表す。グラフＣ５３は、モータＭＴの極対数ｐ、モータＭＴの回転速度Ｗ、モータＭＴの巻線インダクタンスＬおよびｄ軸電流Ｉｄの積で表される。グラフＣ５３は、式（３）の右辺２項目に対応する。

【0067】

ｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍは、ｑ軸電流およびｄ軸電流が最大値（つまり、Ｉｑｍａｘ，Ｉｄｍａｘ）である場合のグラフＣ５１、グラフＣ５２の最大値およびグラフＣ５３の和で表される。つまり、ｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍは、モータＭＴの回転速度の変化に応じて時間変化する値となる。これにより、モータ制御装置１０Ａは、モータＭＴの回転速度の変化に応じて電圧制限値を適切に制御することができる。

【0068】

グラフＣ６は、モータＭＴの回転速度をグラフＣ１のように変化させる際に必要なｄ軸電圧を表す。

【0069】

グラフＣ６１は、ｑ軸電流による干渉電圧を表す。グラフＣ６１は、モータＭＴの極対数ｐ、モータＭＴの回転速度Ｗ、モータＭＴの巻線インダクタンスＬおよびｑ軸電流Ｉｑの積で表される。グラフＣ６１は、式（２）の右辺２項目に対応する。

【0070】

グラフＣ６２は、ｄ軸電流を維持するための電圧とｄ軸電流を変更するのに必要な電圧との和である。グラフＣ６２は、下記式（６）で表される。

【0071】

【数6】

【0072】

式（６）の１項目はｄ軸電流の維持に必要な電圧を表し、２項目は、ｑ軸電流を変更するのに必要な電圧を表す。Ｉｄ’は、ｄ軸電流Ｉｄを時刻ｔで微分した値である。グラフＣ６２は、式（２）の右辺１項目に対応する。

【0073】

ｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍは、ｑ軸電流およびｄ軸電流が最大値である場合のグラフＣ６１およびグラフＣ６２の和で表される。つまり、ｄ軸電圧制限値Ｖｄｌｉｍは、モータＭＴの回転速度の変化に応じて時間変化する値となる。これにより、モータ制御装置１０Ａは、モータＭＴの回転速度の変化に応じて電圧制限値を適切に制御することができる。

【0074】

以下、図４および図５を参照して、モータＭＴによって駆動されるロボットの動作の例を用いて、そのときの電流の大きさの変化とそれに必要な電圧について説明する。

【0075】

次に、図４を参照して、モータＭＴによって駆動されるロボットの動作の一例を説明する。図４は、モータＭＴによって駆動されるロボットの動作の一例を示す図である。

【0076】

ロボットＲＯは、モータＭＴによって駆動される６つの関節を有する６軸のロボットアームである。

【0077】

以下、図５では、ロボットＲＯの先端Ａｍを１周期Ｔ［ｓ］で円弧動作をする際の電流変化の大きさと電流変化に必要な電圧について説明する。円の中心位置のｘｙｚ座標をＰｃ（ｘｃ，０，ｚｃ）とし、半径をｒ［ｍ］とする。

【0078】

次に、図５を参照して、ロボットが円弧動作をする際の電流変化に必要な電圧について説明する。図５は、ロボットが円弧動作をする際の電流変化に必要な電圧を示す図である。

【0079】

グラフＣ７は、ｙ方向の位置変化を表すグラフである。ｙ方向の位置変化は下記式（７）で表される。

【0080】

【数7】

【0081】

ここでωは先端Ａｍの動作の角速度であり、下記式（８）で表される。

【0082】

【数8】

【0083】

ここで、Ｔ［ｓ］はロボットＲＯの円弧動作の１周期、ｆは１／Ｔ［Ｈｚ］である。

【0084】

グラフＣ８は、ｙ方向の速度ｙ’（ｙ’＝ｄｙ／ｄｔ）を表すグラフであり、下記式（９）で表される。

【0085】

【数9】

【0086】

速度ｙ’の際の第１軸のモータＭＴの回転速度Ｗは、下記式（１０）で近似して表される。

【0087】

【数10】

【0088】

以下、モータＭＴは第１軸のモータを指すものとする。

【0089】

ここで、Ｒｇは減速比であり、Ｃ＝ｒ・Ｒｇ／ｘｃである。

【0090】

グラフＣ９は、モータＭＴの加速度Ｗ’（Ｗ’＝ｄＷ／ｄｔ）を表すグラフである。加速度Ｗ’は、下記式（１１）で表される。

【0091】

【数11】

【0092】

グラフＣ１０は、モータＭＴの加速度Ｗ’を得るために必要なｑ軸電流Ｉｑを示すグラフである。ｑ軸電流Ｉｑは、下記式（１２）で表される。

【0093】

【数12】

【0094】

ここで、Ｍはモータ軸換算のイナーシャを表し、Ｋｔはモータのトルク定数を表す。また、電流Ｉａは、グラフＣ１０の最大振幅の値を表し、Ｃ・Ｍ／Ｋｔ・ω^２で表される。ＣおよびＭはロボットＲＯの姿勢および先端Ａｍの位置によって変わる。つまり、モータＭＴの加速度Ｗ’を得るために必要なｑ軸電流Ｉｑの最大値である電流Ｉａの値はロボットＲＯの姿勢および位置によって変わる。

【0095】

ｑ軸電流Ｉｑを得るためのｑ軸電圧ｖｑは、式（１３）で表される。

【0096】

【数13】

【0097】

ここでｖｒは、ｑ軸電流の維持に必要な電圧であり、ｖｌはｑ軸電流を変更するのに必要な電圧である。ｖｒは式（１４）で、ｖｌは式（１５）で表される。

【0098】

【数14】

【0099】

【数15】

【0100】

式（１３），（１４），（１５）より、ｖｑは式（１６）で表される。

【0101】

【数16】

【0102】

ここで、

【数17】

【数18】

【0103】

である。

【0104】

このように、ロボットＲＯを円弧運動する際に必要なｑ軸電圧ｖｑが算出される。電流Ｉａの値は、ロボットＲＯが図４に示す円弧運動する際に必要な電流の最大値である。なお、図３のグラフＣ６２に示すように、ロボットＲＯの動作にｄ軸電圧はほとんど寄与しないため説明を省略する。

【0105】

このように、モータＭＴで駆動されるロボット等の産業用機械の動作に応じて必要なｑ軸電圧が算出される。電圧指令制限部１６８は、ｑ軸電流の最大値Ｉｑｍａｘを用いてモータＭＴで駆動されるロボット等の産業用機械の動作に必要なｑ軸電圧の制限値を求めることで、動作の種類に応じて最適なｑ軸電圧の制限値を設定することができる。これにより、モータ制御装置１０Ａは、所望の動作に必要な電流変化を実現しつつ、アンプ２０およびモータＭＴに過大な電流を供給することを防ぐことができる。

【0106】

なお、ｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍは、式（３）の右辺１項目を式（１６）としてもよい。この場合、電流Ｉａの値は、ｑ軸電流の最大値Ｉｑｍａｘもしくは、電流Ｉａに所定の定数を乗じた値とする。これにより、モータ制御装置１０Ａは、モータＭＴで駆動されるロボット等の産業用機械の動作に応じてｑ軸電圧制限値Ｖｑｌｉｍ算出し、電圧指令値を過剰に制限することを防ぐことができる。

【0107】

（本実施の形態のまとめ）
以上の本実施の形態の記載により、下記技術が開示される。

【0108】

＜技術１＞
本実施の形態に係るモータ制御装置は、モータに駆動電流を供給する電流制御部と、モータに供給される駆動電流の電流値を検出する電流検出部と、モータの回転位置を検出する位置検出部と、位置検出部が検出したモータの回転位置によりモータの回転速度を算出する速度算出部と、を備え、電流制御部は、モータの電流指令値および電流検出部で検出された電流値に基づいて、モータを駆動するための電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、速度算出部で算出されたモータの回転速度およびモータの電流指令値の変動周波数から、電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出し、算出した電圧指令制限値に基づいて電圧指令値を制限する電圧指令制限部と、を有する。

【0109】

これにより、本実施の形態に係るモータ制御装置は、モータの変動周波数と回転速度とから電圧指令値を制限する電圧指令制限値を算出することで、電流検出系が壊れ電圧指令値が発散した場合でも、アンプまたはモータへ過大な電流を供給することを防ぐことができる。また、モータ制御装置は、モータの所望の動作に応じた電圧指令制限値を都度算出するため、過剰に電圧指令値を制限し、モータの回転速度を変化させるのに必要な電圧が確保できなくなることを防ぐことができる。

【0110】

＜技術２＞
技術１に記載のモータ制御装置において、電流制御部は、ｄ軸およびｑ軸の電圧指令制限値をそれぞれ算出する。

【0111】

これにより、本実施の形態に係るモータ制御装置は、ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値にそれぞれ適した制限値を算出することができる。これにより、モータ制御装置は、過剰に電圧指令値を制限することを防ぐことができる。

【0112】

＜技術３＞
技術１または技術２に記載のモータ制御装置において、電流制御部は、変動周波数を用いて電流最大値とインピーダンスとの積であるインピーダンス電圧値と、モータの回転速度と電流最大値との積である干渉電圧値と、の和をｄ軸の電圧指令制限値として算出する。

【0113】

これにより、本実施の形態に係るモータ制御装置は、モータの回転速度の変化させる際に必要なｄ軸電圧値に基づき電圧指令制限値を算出することができる。

【0114】

＜技術４＞
技術１から技術３のいずれか１つに記載のモータ制御装置において、電流制御部は、変動周波数を用いて電流最大値とインピーダンスとの積であるインピーダンス電圧値と、モータの回転速度と電流最大値との積である干渉電圧値と、誘起電圧の定数とモータの回転速度との積である誘起電圧と、の和をｑ軸の電圧指令制御値として算出する。

【0115】

これにより、本実施の形態に係るモータ制御装置は、モータの回転速度の変化させる際に必要なｑ軸電圧値に基づき電圧指令制限値を算出することができる。

【0116】

以上、添付図面を参照しながら実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても本開示の技術的範囲に属すると了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0117】

本開示の技術は、アンプまたはモータへの過大電流を防止するモータ制御装置およびモータ制御方法として有用である。

【符号の説明】

【0118】

１，２ モータ制御システム
５ 電源
１０ モータ制御装置
１１ 移動指令制御部
１２ 位置制御部
１３ 速度制御部
１４ 移動量算出部
１５ 速度算出部
１６ 電流制御部
１７ 磁極位置算出部
２０ アンプ
３０ Ａ／Ｄ変換器
３１，３２ 電流検出器
５１ 交流電源
５２ ダイオード
５３ コンデンサ
１６１ ＰＩ制御部
１６２ ＰＩ制御部
１６３，１６４ 処理
１６５ ２相３相変換部
１６６ ｄｑ変換部
１６７，１６８ 電圧指令制限部
１６９ ＰＷＭ処理部
ＭＴ モータ
ＥＮ エンコーダ
ＲＯ ロボット
Ａｍ 先端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】