JP2012222890A - モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力計等の専用の測定機器を用いることなしに、正確に消費電力の計測を可能にする抵抗回生方式のモータ制御装置を得ること。
【解決手段】抵抗回生方式のモータ制御装置において、モータに流れる電流に基づき該モータに発生するトルクもしくは推力を算出するトルク・推力算出部と、前記モータに流れる電流とモータ速度との一方または両方に基づき損失Ｌを算出し、前記モータ速度と前記トルク・推力算出部が算出したトルクもしくは推力との積から出力Ｗを算出し、瞬時電力Ｐを、損失Ｌと出力Ｗとの和Ｌ＋Ｗが、Ｌ＋Ｗ≧０のときはＰ＝Ｌ＋Ｗと算出し、Ｌ＋Ｗ＜０のときはＰ＝０と算出する電力算出部とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、サーボモータなどの各種モータを駆動制御するモータ制御装置に関するものである。

サーボアンプなどに代表されるモータ制御装置は、モータ駆動時に発生する回生エネルギーを処理する方式で分けると、回生エネルギーを電源に戻す電源回生方式と、回生エネルギーを回生抵抗器（回生ブレーキ）で消費させる抵抗回生方式とに分類される。抵抗回生方式のモータ制御装置は、電源回生方式と異なり回生エネルギーを電源に戻す専用の回路（電源回生コンバータなど）を設ける必要がないことから、電源回生方式のモータ制御装置よりもハードウェアの価格が安いという利点があり、産業用機械を駆動するためのモータ制御装置として幅広く使用されている。

一方、この抵抗回生方式のモータ制御装置では、モータを駆動する際の消費電力を、電力計（パワーメータ）等の専用の測定機器を設けることなく、正確に把握したいという課題がある。消費電力を正確に把握することにより、電気料金の正確な把握が可能になる。

このような問題を解決するために、例えば特許文献１では、共通電源部から電力が供給される複数軸を駆動する抵抗回生方式のモータ駆動装置において、各軸の出力の合計値を算出し、合計値が負の場合電力量をゼロとして全体の消費電力を算出する方法が開示されている。

特開２０１０−８１６７９号公報

ここで、抵抗回生方式のモータ制御装置が消費する電力は、駆動するモータの出力だけで決まるものではなく、モータに発生する損失にも依存する。また、モータ制御装置が、回生処理状態であるか否かは、駆動するモータの損失の大きさと出力の大きさとの兼ね合いで決まる。

しかし、特許文献１に開示されている方法は、これらの点を考慮して消費電力を算出していないため、正確な消費電力を算出できないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電力計等の専用の測定機器を用いることなしに、正確に消費電力の計測を可能にする抵抗回生方式のモータ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、交流電源を直流電源へ変換するコンバータ回路と、両端に前記直流電源が印加される回生抵抗器および回生トランジスタの直列回路で構成される回生回路と、前記直流電源からモータを駆動する交流電力を変換生成するインバータ回路とを備え、前記モータからの回生電力により前記直流電源の電圧が所定値を超えたときに、前記回生トランジスタをオンさせて該回生電力を前記回生抵抗器に消費させる方式のモータ制御装置において、前記モータに流れる電流に基づき該モータに発生するトルクもしくは推力を算出するトルク・推力算出部と、前記モータに流れる電流とモータ速度との一方または両方に基づき損失Ｌを算出し、前記モータ速度と前記トルク・推力算出部が算出したトルクもしくは推力との積から出力Ｗを算出し、瞬時電力Ｐを、損失Ｌと出力Ｗとの和Ｌ＋Ｗが、Ｌ＋Ｗ≧０のときはＰ＝Ｌ＋Ｗと算出し、Ｌ＋Ｗ＜０のときはＰ＝０と算出する電力算出部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、発生する出力Ｗおよび損失Ｌとを同時に考慮に入れ、その合計値の正負によって瞬時電力Ｐを算出するので、速度が小さく、かつ、減速動作を行う場合でも瞬時電力Ｐを正の値として正確に計算することができる。したがって、電力計等の専用の測定機器を用いずとも、正確に消費電力を計測することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す電力算出部が行う消費電力算出動作の手順を説明するフローチャートである。 図３は、図２に示す手順により消費電力が正確に算出されることを説明する図である。 図４は、本発明の実施の形態２によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図５は、図４に示す電力算出部が行う消費電力算出動作の手順を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の実施の形態３によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 図７は、図６に示すモータ動作模擬部の一構成例を示すブロック図である。 図８は、図６に示すモータ動作模擬部の他の一構成例を示すブロック図である。 図９は、図６に示すモータ制御装置が行う消費電力算出動作の手順を説明するフローチャートである。

以下に本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、モータ制御装置１ａは、本実施の形態１に関わる構成として、コンバータ回路２と、回生回路３と、インバータ回路４と、電流検出器５と、エンコーダ６と、サーボ制御部７と、トルク算出部８と、電力算出部９ａとを備えている。

コンバータ回路２は、整流回路を備えるが、ここでは平滑コンデンサも含まれている。整流回路は三相交流電源１０から供給される交流電力を直流電力へ変換する。整流回路の正極出力端に正極母線Ｐが接続され、整流回路の負極出力端に負極母線Ｎが接続される。平滑コンデンサは、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に接続され、整流回路の出力電圧を平滑し、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に所定電圧の直流電源Ｖを形成する。

インバータ回路４は、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に、複数の上下アームスイッチング素子からなるスイッチング回路を備え、各スイッチング素子がサーボ制御部７からの電圧指令１３に基づく駆動信号により直流電源Ｖの電圧をスイッチングすることで、電圧指令１３が指定する交流電圧および交流電流からなる交流電力（モータ駆動信号）を生成しモータ１１へ供給する。

電流検出部５は、モータ１１へ供給される電流を検出し、それを電流情報１４としてサーボ制御部７とトルク算出部８と電力算出部９ａとに出力する。また、エンコーダ６は、モータ１１の速度や位置を検出し、それをモータ情報１５としてサーボ制御部７と電力算出部９ａとに出力する。

モータ１１は、力行動作と回生動作とを行う。モータ１１が回生動作を行う場合には、その回生電力がインバータ回路４を介してコンバータ回路２内の平滑コンデンサを充電し母線電圧を上昇変化させる。

回生回路３は、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に直列に接続された回生抵抗器３ａおよび回生トランジスタ３ｂを備えている。直流電源Ｖの電圧変化を監視する回路（図示せず）が、モータ１１からの回生電力により直流電源Ｖの電圧が所定電圧を超えたことを検出した場合に、回生トランジスタ３ｂが図示しない駆動回路からのオン駆動信号によりオンし、モータ１１からの回生電力が回生抵抗器３ａにて消費される。

サーボ制御部７は、モータ動作の参照信号となる各種指令情報（位置指令、速度指令、電流指令）１６に、モータ１１を追従させるために必要な電流をインバータ回路４に発生させるための電圧指令１３を算出する。サーボ制御部７は、典型的には、図１に示すように、各種指令情報１６に、検出値である電流情報１４およびモータ情報（速度または位置）１５を追従させるようにフィードバック制御を行っている。

トルク算出部８は、検出された電流情報１４に基づきモータ１１に発生しているトルク情報１７を算出し、電力算出部９ａに出力する。トルクの算出方法には種々あるが、例えばモータ１１のトルクτと電流Ｉとが比例関係にある場合には、トルク定数Ｋｔを用いて
τ＝Ｋｔ・Ｉ …（１）
と算出する。なお、モータ１１が同期モータを用いる場合には、トルク定数と誘起電圧定数が等しくなるため、トルク定数のかわりに誘起電圧定数を用いてもよい。

一方、トルクと電流に比例関係が成り立たない場合でも、トルクは電流に依存する。この場合には、モータに電流が流れたときに発生するトルクの値をテーブル、もしくは関数で予め記憶しておき、これをもとにトルクを算出するとよい。すなわち、電流Ｉ（ｔ）とトルクτ（ｔ）との関係を表すテーブルもしくは関数をＦ（・）と表すと、
τ＝Ｆ（Ｉ） …（２）
である。

要するに、トルク算出部８は、トルク定数Ｋｔ、あるいは、テーブル、関数Ｆを記憶していて、検出された電流情報１４を適用してトルク情報１７を求めている。

電力算出部９ａは、例えば図２に示す方法で、電流情報１４と速度情報とトルク情報１７とをもとに消費電力を算出する。なお、電力算出部９ａは、モータ情報１５がモータ位置を示すときは、そのモータ位置からモータ速度を算出する。つまり、電力算出部９ａでのモータ情報１５は、以降速度情報１５と称する。以下、図２を参照して、電力算出部９ａが行う消費電力算出動作について説明する。図２は、電力算出部９ａが行う消費電力算出動作の手順を説明するフローチャートである。

図２において、電力算出部９ａは、モータ１１の起動タイミングに同期して、消費電力の算出値を示す積算電力Ｅをクリアし、すなわちＥ＝０とし（ステップＳＴ１）、サンプリング時間ΔＴ毎に、ステップＳＴ２〜ステップＳＴ８の処理を実行する。

ステップＳＴ２では、電力算出部９ａは、検出された電流情報１４および速度情報１５を取得する。ステップＳＴ３では、電力算出部９ａは、トルク算出部８が算出したトルク情報１７を取得する。

ステップＳＴ４では、電力算出部９ａは、速度情報１５とトルク情報１７から出力（仕事）Ｗを算出し、電流情報１４と速度情報１５から損失Ｌを算出する。すなわち、出力Ｗは、検出された速度ｖと、トルク算出部８が算出したトルクτとを式（３）に適用して算出する。
Ｗ＝ｖ・τ …（３）

また、モータ１１に駆動電流を供給し、モータ１１に速度が発生することに伴う損失Ｌは、次のように計算する。損失Ｌは、消費電力のうち出力（仕事）として消費されない電力を表すものである。損失Ｌの具体例としては、モータコイルの電気抵抗によって失われるエネルギーである銅損Ｌｃｏｐｐｅｒと、モータに巻かれた鉄心に交流で磁化したときに失われるエネルギーである鉄損Ｌｃｏｒｅとがある。

銅損Ｌｃｏｐｐｅｒはモータ巻線抵抗ｒを比例定数として用いて、
Ｌｃｏｐｐｅｒ＝ｒ・Ｉ^２ …（４）
と計算することができる。なお、記号^は、べき乗を表す。

また、鉄損Ｌｃｏｒｅは、ヒステリシス損と渦電流損との合計値と考えると、モータ１１の磁束密度Ｂ、速度ｖ、比例定数α’，β’を用いて、
Ｌｃｏｒｅ＝α’・ｖ・β’・ｖ＾２・Ｂ＾２ …（５）
と表すことができる。

さらに、磁束密度Ｂは、モータ電流Ｉに概ね比例して発生するので、別の比例定数α、βを用いることにより、
Ｌｃｏｒｅ＝α・ｖ・Ｉ＾γ＋β・ｖ＾２・Ｉ＾２ …（６）
と表すことができる。鉄損Ｌｃｏｒｅは、電流Ｉだけでなく、速度ｖにも依存し、その損失の大きさが決定される。定数α，β，γはモータを電磁界解析することにより得ることができる。

損失として、銅損Ｌｃｏｐｐｅｒを式（４）で表し、鉄損Ｌｃｏｒｅを式（６）表した場合に、トータルの損失Ｌは、
Ｌ＝ｒ・Ｉ＾２＋α・ｖ・Ｉ＾γ＋β・ｖ＾２・Ｉ＾２ …（７）
で計算される。

損失Ｌを計算する式（７）の計算式情報と各係数ｒ，α，β，γは、電力算出部９ａに記憶されている。上記例では、電流の二乗に比例して発生する銅損Ｌｃｏｐｐｅｒと、モータ１１の速度ｖと電流Ｉの両方に依存して発生する鉄損Ｌｃｏｒｅとからなる損失Ｌを式（７）のような計算式にて算出する場合を挙げたが、これに限られるものではなく、損失をモデル化するための計算式および定数を表すものであれば何でもよい。

ステップＳＴ５では、電力算出部９ａは、出力Ｗと損失Ｌの合計の正負により、単位時間当たりに消費する電力を表す瞬時電力Ｐを式（８）のように算出する。

ステップＳＴ６では、電力算出部９ａは、出力Ｗと損失Ｌの合計の正負により、回生電力Ｒを式（９）のように算出する。

次に、ステップＳＴ７では、電力算出部９ａは、瞬時電力Ｐを積算することにより、所定時間内に消費した電力を表す積算電力Ｅを、Ｅ＝Ｅ＋Ｐ・ΔＴ、と算出する。

ステップＳＴ８では、電力算出部９ａは、積算電力を計算する積算時間が経過したか否かを判定し、積算時間になっていなければ（ステップＳＴ８：Ｎｏ）、ステップＳＴ２〜ステップＳＴ８の処理を再度実行する。その繰り返し過程で、積算時間に到達すると（ステップＳＴ８：Ｙｅｓ）、その時点での積算電力Ｅを消費電力値として保存し、処理を終了する。

このように、サンプリング時間ΔＴ毎に、出力Ｗおよび損失Ｌとを算出し、それに基づき瞬時電力Ｐおよび回生電力Ｒを算出し、瞬時電力Ｐを所定の時間内積算して消費電力を示す積算電力を算出するので、電力計等の専用の測定機器を用いずとも、消費電力を計測することができる。

図３は、図２に示す手順により消費電力が正確に算出されることを説明する図である。図３では、モータ１１に位置決め制御動作を行わせた場合の、（ａ）速度、（ｂ）電流、（ｃ）出力、（ｄ）損失、（ｅ）瞬時電力の関係特性が示されている。

図３において、位置決め制御は、一般に、モータ１１が、停止状態からある加速時間（Ｔ１）の間加速し、その後ある一定速時間（Ｔ２）の間一定速度を維持し、さらにその後ある減速時間（Ｔ３）の間減速動作を行って停止することにより、モータ１１が所望の移動距離を移動する。

加速時間（Ｔ１）において、モータ１１は加速を行うためにトルクを必要とするので、モータ制御装置１ａは電流を正の方向に流す制御を行う。一定速時間（Ｔ２）においては、モータ１１は加速のための電流を必要としないが、摩擦トルクで減速しないように、モータ制御装置１ａは正の方向に電流を発生する。減速動作（Ｔ３）中では、モータ制御装置１ａはモータ１１を減速させるための減速トルクを発生させるため負の方向に電流を発生させる。

加速時間（Ｔ１）中と一定速時間（Ｔ２）中とにおいて、速度は正、電流も正と同一符号となり、式（３）により計算される出力Ｗも正の値をとる。減速時間（Ｔ３）中のときは、速度は正、電流は負と異符合となり出力Ｗは負の値をとる。一方、電流、速度が発生したときに発生する銅損や鉄損などの損失は熱エネルギーなどになることから必ず正の値をとる。

加速時間（Ｔ１）と一定速時間（Ｔ２）において、出力Ｗと損失Ｌとの和Ｗ＋Ｌは正の値となり、このとき必要な瞬時電力Ｐは出力Ｗと損失Ｌとの合計Ｗ＋Ｌとなる。減速時間（Ｔ３）においては、出力Ｗは負になる。出力Ｗは速度の大きさに比例するので、速度が比較的大きければ出力Ｗの絶対値も大きくなり、出力Ｗと損失Ｌの合計は負の値をとる。

このとき、モータ１１とモータ制御装置１ａとの全体で見ると、電力を消費するのではなく、逆に発電し余剰な電力（回生電力）が発生していることになる。抵抗回生方式のモータ制御装置１ａでは、この回生電力は回生抵抗器３ａで消費され、このときの瞬時電力ＰはＰ＝０となる。また、このとき回生抵抗器３ａで消費される回生電力Ｒは、負の値となった（Ｗ＋Ｌ）の絶対値、すなわち、Ｒ＝｜Ｗ＋Ｌ｜となる。また、（Ｗ＋Ｌ）が正のときは、回生抵抗器３ａでは、電力が消費されないので、Ｒ＝０となる。

しかし、減速時間（Ｔ３）においても減速が十分になされ、速度が比較的小さくなった場合、出力Ｗは負のままで、その絶対値が小さくなるので、出力Ｗの絶対値は損失Ｌよりも小さくなる。このときの出力Ｗと損失Ｌとの和Ｗ＋Ｌは正となり、瞬時電力ＰはＰ＝Ｗ＋Ｌとなる。

これは、減速動作に伴う運動エネルギーの減少分のエネルギーが、全て回生電力となるわけではなく、損失分を補って、それでもなお余剰な電力が発生していれば回生電力となり、これが回生抵抗器３ａで消費されることに対応している。よって、モータ１１の出力Ｗが負であっても回生電力が発生せず、逆に電力を消費することがある。

抵抗回生方式のモータ制御装置１ａの消費電力を計算する際に、出力のみで回生状態を判定し、出力を計算すると、速度が小さく、かつ、減速動作を行う場合でも瞬時電力Ｐを０として計算してしまい、本来とは異なる瞬時電力を算出することになる。なお、図３では、加速動作（Ｔ１）、減速動作（Ｔ３）は直線的な加減速をする場合を示しているが、Ｓ字加減速などの加減速パターンであっても、上記は同様に成立する。

本実施の形態１によれば、発生する損失Ｌと出力Ｗとを同時に考慮に入れ、その合計値の正負によって、瞬時電力を計算するので、速度が小さく、かつ、減速動作を行う場合でも瞬時電力Ｐを正の値として計算することができる。位置決め制御を例に説明したが、モータ１１が動作するときは、加速状態、減速状態、一定速状態に分類できるので、位置決め制御以外のときにも上記のことが当てはまる。

加えて、本実施の形態１によれば、損失のうち鉄損が比較的大きな割合を示すモータを用いる場合は、損失に式（７）のように、銅損に加えて速度に依存して発生する損失を表現する損失モデルを用いることで、より正確に損失を評価し、消費電力を計算することができる。

以上説明した消費電力の算出手法は、複数軸のモータを駆動するモータ制御装置においても同様に実施できるので、その一例として、２軸のモータを駆動するモータ制御装置への適用例を実施の形態２として説明する。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図４では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図４において、本実施の形態２による２軸のモータ１１１，２１１を駆動するモータ制御装置１ｂでは、コンバータ回路２が生成する直流電源Ｖを、第１軸モータ１１１を駆動するインバータ回路１０４と第２軸モータ２１１を駆動するインバータ回路２０４とが共用する形となり、２軸制御の過程で１つの電力算出部９ｂが消費電力を算出する構成となるだけで、その他の各軸の構成は図１と同じである。

すなわち、第１軸では、電流検出器１０５と、エンコーダ１０６と、第１軸サーボ制御部１０７と、第１軸トルク算出部１０８とを備える。第２軸では、電流検出器２０５と、エンコーダ２０６と、第２軸サーボ制御部２０７と、第２軸トルク算出部２０８とを備える。

インバータ回路１０４，２０４は、それぞれ、図１におけるインバータ回路４と同様の構成であり、直流電源Ｖの電圧を、電圧指令１１３，２１３が指定する交流電圧および交流電流からなるモータ駆動信号へ変換し、第１軸モータ１１１、第２軸モータ２１１へ供給する。

第１軸サーボ制御部１０７は、第１軸モータ１１１を動作させる参照信号となる第１軸指令情報（位置指令、速度指令、電流指令）１１６に、第１軸モータ１１１を追従させるために必要な電流をインバータ回路１０４に発生させるための電圧指令１１３を、電流検出器１０５が検出した電流情報１１４、およびエンコーダ１０６が検出したモータ情報（速度または位置）１１５に基づき算出する。

第２軸サーボ制御部２０７は、第２軸モータ２１１を動作させる参照信号となる第２軸指令情報（位置指令、速度指令、電流指令）２１６に、第２軸モータ２１１を追従させるために必要な電流をインバータ回路２０４に発生させるための電圧指令２１３を、電流検出器２０５が検出した電流情報２１４、およびエンコーダ２０６が検出したモータ情報（速度または位置）２１５に基づき算出する。

また、第１軸トルク算出部１０８は、電流検出器１０５にて検出された電流情報１１４に基づき第１軸モータ１１１に発生しているトルク情報１１７を算出し、電力算出部９ｂに出力する。第２軸トルク算出部２０８は、電流検出器２０５にて検出された電流情報２１４に基づき第２軸モータ２１１に発生しているトルク情報２１７を算出し、電力算出部９ｂに出力する。第１軸トルク算出部１０８および第２軸トルク算出部２０８でのトルクの算出方法は、実施の形態１と同様である。第１軸トルク算出部１０８および第２軸トルク算出部２０８は、それぞれ対応する軸で使用されるモータに対応するトルク定数、或いは、電流からトルク変換するテーブル、関数を備えることは言うまでもない。

電力算出部９ｂは、例えば図５に示す方法で、電流検出器１０５，２０５が検出した電流情報１１４，２１４と、エンコーダ１０６，２０６が検出した速度情報１１５，２１５と、第１軸トルク算出部１０８および第２軸トルク算出部２０８が算出したトルク情報１１７，２１７とをもとに消費電力を算出する。

以下、図５を参照して、電力算出部９ｂが行う消費電力算出動作について説明する。図５は、電力算出部９ｂが行う消費電力算出動作の手順を説明するフローチャートである。

図５において、電力算出部９ｂは、各軸モータの起動タイミングに同期して、消費電力の算出値を示す積算電力Ｅをクリアし、すなわちＥ＝０とし、併せて、軸番号を表すインデックスｉをｉ＝１にセットし、また軸数を表す変数ＮをＮ＝２にセットし（ステップＳＴ２１）、サンプリング時間ΔＴ毎に、ステップＳＴ２２〜ステップＳＴ３１の処理を実行する。

したがって、ステップＳＴ２２〜ステップＳＴ２４では、まず、ｉ＝１、つまり第１軸について、電力算出部９ａは、検出された電流情報１１４および速度情報１１５を取得し（ステップＳＴ２２）、また、第１軸トルク算出部１０８が算出したトルク情報１１７を取得する（ステップＳＴ２３）。そして、図２のステップＳＴ４にて説明した方法で、速度情報１１５およびトルク情報１１７から第１軸の出力（仕事）Ｗｉ（Ｗｉ＝Ｗ１）を算出し、電流情報１１４および速度情報１１５から第１軸の損失Ｌｉ（Ｌｉ＝Ｌ１）を算出して保存し（ステップＳＴ２４）、ｉ＝Ｎである否かを判断する（ステップＳＴ２５）。

今の例では、ｉ＝１であり、Ｎ＝２であるから、ステップＳＴ２５の判定は否定（Ｎｏ）となり、電力算出部９ａは、インデックスｉをｉ＝ｉ＋１し（ステップＳＴ２６）、第２軸についてステップＳＴ２２〜ステップＳＴ２４の処理を行い、第２軸の出力Ｗ２および損失Ｌ２を算出して保存する。そして、電力算出部９ａは、再度ｉ＝Ｎである否かを判断する（ステップＳＴ２５）。

今度は、ｉ＝２であるから、ステップＳＴ２５の判定は肯定（Ｙｅｓ）となり、電力算出部９ａは、保存した第１軸の出力Ｗ１および損失Ｌ１と、第２軸の出力Ｗ２および損失Ｌ２とを用いて、各軸の瞬時電力Ｐの算出処理（ステップＳＴ２７）と各軸の回生電力Ｒの算出処理（ステップＳＴ２８）とを行う。

ステップＳＴ２７では、各軸の出力Ｗｉと損失Ｌｉの合計の正負により、各軸の瞬時電力Ｐを式（１０）のように算出する。

また、ステップＳＴ２８では、各軸の出力Ｗｉと損失Ｌｉの合計の正負により、各軸の回生電力Ｒを式（１１）のように算出する。

そして、電力算出部９ａは、サンプリング時間ΔＴ毎に各軸の瞬時電力Ｐを積算して各軸の積算電力（消費電力）Ｅを、Ｅ＝Ｅ＋Ｐ・ΔＴ、と算出し（ステップＳＴ２９）、積算時間が経過したか否かを判定する（ステップＳＴ３０）。

ステップＳＴ３０の判定結果、積算時間になっていなければ（ステップＳＴ３０：Ｎｏ）、インデックスｉをｉ＝１に戻し（ステップＳＴ３１）、ステップＳＴ２２〜ステップＳＴ３１の処理を再度実行する。その繰り返し過程で、積算時間に到達すると（ステップＳＴ３０：Ｙｅｓ）、その時点での積算電力Ｅを消費電力値として保存し、処理を終了する。

このように、軸数ＮがＮ＝２である場合において、サンプリング時間ΔＴ毎に、各軸の出力Ｗｉおよび損失Ｌｉとを算出し、それに基づき各軸の瞬時電力Ｐおよび回生電力Ｒを算出し、各軸の瞬時電力Ｐを所定の時間内積算して消費電力を算出するので、電力計等の専用の測定機器を用いずとも、各軸の消費電力を正確に計測することができる。このことは、軸数Ｎが３以上となる場合でも同様であることは、図５に示す処理手順から理解できる。

ここで、インバータ回路が１個で、駆動するモータが１軸の場合のモータ制御装置が回生状態にあるか否かは、実施の形態１にて示したように、損失と出力との合計の正負により決まる。しかし、共通コンバータ回路に対し複数のインバータ回路と複数のモータ軸とから構成されるモータ制御装置の場合は、各インバータ回路は、共通のコンバータから直流電力を供給されるため、各モータ軸の出力と損失のみでモータ制御装置全体の回生状態が決まるわけではなく、各軸の総合計によりモータ制御装置全体の回生状態が決まり、消費電力が決まる。

例えば、軸数ＮがＮ＝２の場合、１軸で損失と出力との合計Ｌ１＋Ｗ１が負であれば、１軸は回生電力を発生していることになる。各軸は、コンバータ回路が共通であるため、２軸目で損失と出力との合計Ｌ２＋Ｗ２が正であれば、１軸目で発生している回生電力を使用することができる。各軸の出力と損失との総合計が負になる場合、モータ制御装置全体で回生電力が発生していることになるので、−（Ｌ１＋Ｗ１＋Ｌ２＋Ｗ２）が回生電力となり、この分が回生抵抗器３ａで消費されていることになる。このことを表しているのが、式（１０）（１１）である。複数軸の場合でも、１軸の場合と同様に、各軸の出力だけではなく、各軸の損失も考慮している。したがって、共通コンバータ回路を複数のインバータ回路が用いて、複数のモータを駆動する場合であっても、正確に消費電力を算出できるという効果がある。

実施の形態１，２では、実際にモータを駆動させたときのモータの実速度、モータに流れる実電流、および、実電流から算出したトルクから消費電力を算出する形態について説明を行った。

次に、実施の形態３として、実電流、実速度を用いずに、モータを動作させる各種指令情報を、対象とするモータおよび機械負荷等の動特性を表すモデルに適用してシミュレーションを行うことにより、指令情報に追従させたときに発生するモータの速度、電流、トルクを算出し、抵抗回生方式のモータ制御装置における消費電力の推定値を計算する場合について説明する。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３によるモータ制御装置の構成を示すブロック図である。図６において、本実施の形態３によるモータ制御装置１ｃは、モータ動作模擬部３０１と擬似消費電力算出部３０２とを備えている。

モータ動作模擬部３０１は、モータを駆動するための模擬指令情報３０７をもとに、モータおよび該モータに接続された機械負荷の動作をシミュレーションすることにより、模擬指令情報３０７に追従したときに発生する電流を模擬する模擬電流３０３と、速度を模擬する模擬速度３０４と、トルクを模擬する模擬トルク３０５とを生成する。

模擬消費電力算出部３０２は、モータ動作模擬部３０１から生成出力される模擬電流３０３と模擬速度３０４と模擬トルク３０５とを用いて、図１に示した電力算出部９ａが行う算出方法と同じ算出方法により模擬消費電力を算出する。

ここで、モータ動作模擬部３０１は、典型的には、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）上のプログラムとして実現される。したがって、機能ブロックで示す具体的な構成は、複数通り存在するが、その一例を図７と図８に示してある。なお、模擬指令情報３０７や、モータ動作模擬部３０１が使用する定数等は、プログラムのユーザから与えられる形態を考えている。

図７は、図６に示すモータ動作模擬部の一構成例を示すブロック図である。図７において、模擬指令情報３０７として、位置指令を模擬する模擬位置指令情報３０８を使用している。模擬位置指令情報３０８は、並列に二回微分器３１０と一回微分器３１４とに入力される。

二回微分器３１０は、模擬位置指令情報３０８を二回微分することにより加速度を模擬する模擬加速度３１１を生成し、乗算器３１２へ出力する。乗算器３１２は、モータのイナーシャおよびモータに接続された機械イナーシャの合計値Ｊを模擬指令加速度３１１に乗算して模擬慣性トルク３１３を生成し、加算器３１７の一方の加算入力端へ出力する。

一方、一回微分器３１４は、模擬位置指令情報３０８を一回微分することにより指令速度を模擬する模擬速度３０４を生成し、乗算器３１５と図６に示す模擬消費電力算出部３０２とに出力する。乗算器３１５は、モータもしくは機械に作用する粘性摩擦の粘性摩擦係数Ｃを模擬速度３０４に乗算して模擬摩擦トルク３１６を生成し、加算器３１７の他方の加算入力端へ出力する。

加算器３１７は、模擬慣性トルク３１３と模擬摩擦トルク３１６とを加算して模擬トルク３０５を生成し、乗算器３１８と図６に示す模擬消費電力算出部３０２とに出力する。乗算器３１８は、モータのトルク定数Ｋｔの逆数を模擬トルク３０５に乗算して模擬電流３０３を生成し、図６に示す模擬消費電力算出部３０２へ出力する。

ここで、図７に示すモータ動作模擬部３０１はモータの加速度ａとモータ速度ｖとを用いたモータと機械負荷に対する運動方程式、
Ｊ・ａ＝Ｋｔ・Ｉ−Ｃ・ｖ …（１２）
に対し、速度、加速度として、位置指令の１回微分、２回微分した信号をそれぞれ用い、さらに、電流を上記運動方程式から算出した信号を用いた場合に相当する。なお、式（１２）において、Ｊはシミュレーションを行うモータと機械負荷の合計イナーシャ、Ｃはモータ速度に比例して発生する粘性摩擦係数、Ｋｔはモータのトルク定数である。

次に、図８は、図６に示すモータ動作模擬部の他の一構成例を示すブロック図である。図８では、モータ・機械の運動方程式だけでなく、位置指令値をモータ位置に追従させるための制御系も同時にシミュレーションする構成例が示されている。

図８において、模擬位置指令情報３０８は加減算器３３０の加算入力端に入力される。加減算器３３０の減算入力端には積分器３３７にて算出される模擬位置３３８が入力される。乗算器３３１は、加減算器３３０にて生成される模擬位置指令情報３０８と模擬位置３３８との偏差に模擬位置制御ゲインＫｐを乗算して速度指令信号３３２を生成し、加減算器３３３の加算入力端へ出力する。加減算器３３３の減算入力端には積分器３３６にて算出される模擬速度３０４が入力される。

模擬速度制御部３３４は、加減算器３３３にて生成される速度指令信号３３２と模擬速度３０４との偏差に対し、ＰＩ制御の速度制御を模擬して模擬電流３０３を算出し、乗算器３３５と図６に示す模擬消費電力算出部３０２とに出力する。乗算器３３５は、入力される模擬電流３０３にトルク定数Ｋｔを乗算して模擬トルク３０５を生成し、積分器３３６と図６に示す模擬消費電力算出部３０２とに出力する。

積分器３３６は、入力される模擬トルク３０５に対する、モータと機械の合計イナーシャＪの逆数と積分特性からなる伝達特性を演算して模擬速度３０４を生成し、積分器３３７と図６に示す模擬消費電力算出部３０２とに出力する。積分器３３７は、入力される模擬速度３０４に対する、積分特性を演算して模擬位置３３８を生成し、上記加減算器３３０の減算入力端へ出力する。

図８に示す構成では、モータ・機械負荷の動特性だけでなく、制御系の動特性を含めてシミュレーション行うので、図７に示す構成に比べて、より正確に電流、速度、トルクを模擬し、これらをもとに電力を算出するので、より正確な電力の推定値を算出することが可能である。

なお、モータ動作模擬部３０１は、図７や図８に示す構成に限られるものではなく、模擬指令情報３０７をもとに、模擬電流３０３、模擬速度３０４、模擬トルク３０５を生成できるものであればどうような構成でもよい。

以下、図９を参照して、本実施の形態３によるモータ制御装置１ｃの動作について説明する。図９は、図６に示すモータ制御装置が行う消費電力算出動作の手順を説明するフローチャートである。

図９において、ステップＳＴ４０では、シミュレーションを行うための諸定数を、モータ動作模擬部３０１に設定する。ここで、シミュレーションを行うための定数とは、モータ動作模擬部３０１として図７に示す構成を用いる場合であれば、モータと機械負荷のイナーシャ合計値Ｊ、粘性摩擦係数Ｃ、モータのトルク定数Ｋｔである。また、図８に示す構成を用いる場合であれば、モータと機械負荷のイナーシャ合計値Ｊ、モータのトルク定数Ｋｔ、模擬位置ゲインＫｐ、模擬速度制御のゲインＫｖおよびＫｖｉである。

ステップＳＴ４１では、模擬消費電力算出部３０２における積算電力推定値Ｅをクリアし、Ｅ＝０とする。ステップＳＴ４２では、モータ動作模擬部３０１に模擬指令情報３０７として時系列の模擬位置指令情報３０８を入力し、模擬電流３０３、模擬速度３０４、模擬トルク３０５を生成するシミュレーション、具体的には、図７や図８に示すモデルから得られるシミュレーションを実行させる。ステップＳＴ４３では、模擬消費電力算出部３０２が、シミュレーションで得られる模擬電流３０３、模擬速度３０４、模擬トルク３０５を算出する。

ステップＳＴ４４では、模擬消費電力算出部３０２において、出力推定値Ｗと損失推定値Ｌとを算出する。具体的には、図２におけるステップＳＴ４において、損失Ｌと出力Ｗとを算出する際に、検出した電流のかわりに模擬電流３０３を、検出した速度のかわりに模擬速度３０４を、電流から算出されるトルクのかわりに模擬トルク３０５を用いて、損失推定値Ｌと出力推定値Ｗとを算出する。

そして、模擬消費電力算出部３０２において、瞬時電力推定値Ｐを算出し（ステップＳＴ４５）、回生電力推定値Ｒを算出し（ステップＳＴ４６）、瞬時電力推定値Ｐを積算して積算電力推定値Ｅを算出し（ステップＳＴ４７）、積算時間終了したか否かを判定する（ステップＳＴ４８）。積算時間が完了していなければ（ステップＳＴ４８：Ｎｏ）、ステップＳＴ４３〜ステップＳＴ４７の処理を再度実行する。

ステップＳＴ４３〜ステップＳＴ４７の処理を繰り返し実行する過程で、積算時間が完了すると（ステップＳＴ４８：Ｙｅｓ）、ステップＳＴ４９へ移行し、シミュレーションが終了するまで（ステップＳＴ４９：Ｎｏ）、ステップＳＴ４２〜ステップＳＴ４８の処理を繰り返し実行する。

このように、図６に示すモータ制御装置１ｃでは、モータ・機械負荷を、抵抗回生方式のモータ制御装置を用いて、ある指令値に追従させて駆動させたときの消費電力の推定値を算出することができる。

したがって、本実施の形態３によれば、実物のモータや機械を動作させることなく、モータ・機械負荷が追従すべき指令値から、模擬電流、模擬速度、模擬トルクをシミュレーションにより算出するので、抵抗回生方式のモータ制御装置がモータを駆動したときの消費電力を予測することができる。これによって、モータ駆動を利用した機械を導入する際に、事前に機械が使用する消費電力を予測することができる。

なお、本実施の形態３では、実施の形態１に対応して１個のモータおよび、そのモータが駆動する機械負荷を駆動したときの消費電力の推定値を計算する場合を説明したが、実施の形態２に対応して、複数（Ｎ個）のモータ、および、複数機械負荷に対して、複数インバータを共通電源コンバータ構成のモータ制御装置で駆動したときの消費電力を計算することも可能である。この場合には、モータ動作模擬部をＮ個用意し、それぞれのモータを模擬電流、模擬速度、模擬トルクを算出し、これらをもとに各軸の出力Ｗｉと損失Ｌｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）を算出する構成になる。

また、以上説明した実施の形態１，２，３において、モータとして回転型モータを使用した場合を説明したが、リニアモータを用いても同様に実施できる。このとき、モータトルクに相当するのは、リニアモータ推力である。リニアモータにおいても、推力はモータ電流に依存し、推力定数Ｋｔやテーブル、関数Ｆを用いて、リニアモータの推力を計算すれば、ほぼ同様に実施することができる。

以上のように、本発明にかかるモータ制御装置は、電力計等の専用の測定機器を用いることなしに、正確に消費電力の計測を可能にする抵抗回生方式のモータ制御装置として有用である。

１ａ，１ｂ，１ｃ モータ制御装置
２ コンバータ回路
３ 回生回路
３ａ 回生抵抗器
３ｂ 回生トランジスタ
４，１０４，２０４ インバータ回路
５，１０５，２０５ 電流検出器
６，１０６，２０６ エンコーダ
７ サーボ制御部
８ トルク算出部
９ａ，９ｂ 電力算出部
１０ 三相交流電源
１１ モータ
１１１ 第１軸モータ
１０７ 第１軸サーボ制御部
１０８ 第１軸トルク算出部
２１１ 第２軸モータ
２０７ 第２軸サーボ制御部
２０８ 第２軸トルク算出部
３０１ モータ動作模擬部
３０２ 模擬消費電力算出部
Ｐ 正極母線
Ｎ 負極母線
Ｖ 直流電源

Claims (14)

1. 交流電源を直流電源へ変換するコンバータ回路と、
   両端に前記直流電源が印加される回生抵抗器および回生トランジスタの直列回路で構成される回生回路と
   前記直流電源からモータを駆動する交流電力を変換生成するインバータ回路と
   を備え、
   前記モータからの回生電力により前記直流電源の電圧が所定値を超えたときに、前記回生トランジスタをオンさせて該回生電力を前記回生抵抗器に消費させる方式のモータ制御装置において、
   前記モータに流れる電流に基づき該モータに発生するトルクもしくは推力を算出するトルク・推力算出部と、
   前記モータに流れる電流とモータ速度との一方または両方に基づき損失Ｌを算出し、前記モータ速度と前記トルク・推力算出部が算出したトルクもしくは推力との積から出力Ｗを算出し、瞬時電力Ｐを、損失Ｌと出力Ｗとの和Ｌ＋Ｗが、Ｌ＋Ｗ≧０のときはＰ＝Ｌ＋Ｗと算出し、Ｌ＋Ｗ＜０のときはＰ＝０と算出する電力算出部と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 交流電源を直流電源へ変換するコンバータ回路と、
   両端に前記直流電源が印加される回生抵抗器および回生トランジスタの直列回路で構成される回生回路と
   前記直流電源からＮ軸（Ｎ≧２）それぞれのモータを駆動する交流電力を変換生成するＮ個のインバータ回路と
   を備え、
   前記モータからの回生電力により前記直流電源の電圧が所定値を超えたときに、前記回生トランジスタをオンさせて該回生電力を前記回生抵抗器に消費させる方式のモータ制御装置において、
   各軸の前記モータに流れる電流に基づき該モータに発生するトルクもしくは推力を算出するＮ個のトルク・推力算出部と、
   各軸の損失Ｌｉを各軸の前記モータに流れる電流とモータ速度との一方または両方に基づき算出し、各軸の出力Ｗｉを各軸の前記モータ速度と前記トルク・推力算出部が算出したトルクもしくは推力との積から算出し、各軸の瞬時電力Ｐを、損失Ｌｉと出力Ｗｉとの和Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）が、Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）≧０のときはＰ＝Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）と算出し、Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）＜０のときはＰ＝０と算出する電力算出部と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
3. モータが追従すべき指令情報に基づき、モータおよび該モータが組み込まれた機械の動作をシミュレーションすることにより、模擬電流、模擬速度、模擬トルクを算出するモータ動作模擬部と、
   前記モータを駆動する抵抗回生方式のモータ制御装置の損失推定値Ｌを前記模擬電流と前記模擬速度との一方または両方に基づき算出し、出力推定値Ｗを前記模擬速度と前記模擬トルクとの積から算出し、瞬時電力推定値Ｐを、前記損失推定値Ｌと前記出力推定値Ｗとの和Ｌ＋Ｗが、Ｌ＋Ｗ≧０のときはＰ＝Ｌ＋Ｗと算出し、Ｌ＋Ｗ＜０のときはＰ＝０と算出する模擬電力算出部と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
4. 複数軸のモータがそれぞれ追従すべき指令情報に基づき、各軸のモータおよび該各軸のモータが組み込まれた機械の動作をシミュレーションすることにより、各軸の模擬電流、模擬速度、模擬トルクを算出するモータ動作模擬部と、
   前記複数軸のモータを駆動する抵抗回生方式のモータ制御装置の各軸の損失推定値Ｌを前記模擬電流と前記模擬速度との一方または両方に基づき算出し、各軸の出力推定値Ｗを前記模擬速度と前記模擬トルクとの積から算出し、各軸の瞬時電力推定値Ｐを、前記損失推定値Ｌｉと前記出力推定値Ｗｉとの和Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）が、Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）≧０のときはＰ＝Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）と算出し、Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）＜０のときはＰ＝０と算出する模擬電力算出部と
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
5. 前記電力算出部は、
   前記瞬時電力をサンプリング時間毎に算出することを所定時間内積算しつつ繰り返すことにより消費電力を示す積算電力を算出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
6. 前記模擬電力算出部は、
   前記瞬時電力推定値をサンプリング時間毎に算出することを所定時間内積算しつつ繰り返すことにより消費電力推定値を示す積算電力推定値を算出する
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のモータ制御装置。
7. 前記電力算出部は、
   前記損失Ｌと出力Ｗとの和Ｌ＋ＷがＬ＋Ｗ＜０のときは、回生電力ＲをＲ＝｜Ｌ＋Ｗ｜と算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
8. 前記電力算出部は、
   前記各軸の損失Ｌｉと出力Ｗｉとの和Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）がΣ（Ｌｉ＋Ｗｉ）＜０のときは、各軸の回生電力ＲをＲ＝｜Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）｜と算出する
   ことを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
9. 前記模擬電力算出部は、
   前記損失推定値Ｌと出力推定値Ｗとの和Ｌ＋ＷがＬ＋Ｗ＜０のときは、回生電力推定値ＲをＲ＝｜Ｌ＋Ｗ｜と算出する
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ制御装置。
10. 前記模擬電力算出部は、
    前記各軸の損失推定値Ｌｉと出力推定値Ｗｉとの和Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）がΣ（Ｌｉ＋Ｗｉ）＜０のときは、各軸の回生電力推定値ＲをＲ＝｜Σ（Ｌｉ＋Ｗｉ）｜と算出する
    ことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
11. 前記損失には、前記モータに流れる電流の二乗に比例して発生する損失が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
12. 前記損失推定値には、前記模擬電流の二乗に比例して発生する損失が含まれていることを特徴とする請求項３または４に記載のモータ制御装置。
13. 前記損失には、前記モータに流れる電流と前記モータ速度とに依存して発生する損失が含まれていることを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
14. 前記損失推定値には、前記模擬電流と前記模擬速度とに依存して発生する損失が含まれていることを特徴とする請求項３または４に記載のモータ制御装置。

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