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JP2021106456A - モータ制御装置およびモータ制御装置の制御方法 - Google Patents

モータ制御装置およびモータ制御装置の制御方法 Download PDF

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JP2021106456A JP2019236293A JP2019236293A JP2021106456A JP 2021106456 A JP2021106456 A JP 2021106456A JP 2019236293 A JP2019236293 A JP 2019236293A JP 2019236293 A JP2019236293 A JP 2019236293A JP 2021106456 A JP2021106456 A JP 2021106456A
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Abstract

【課題】同期している第1のモータおよび第2のモータのうちのいずれかのモータのトルクを補正することができるようにする。【解決手段】モータ制御装置は、同期している第1のモータおよび第2のモータを制御するモータ制御装置であって、前記第1のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第1の変換手段と、前記第2のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第2の変換手段と、前記第1のモータのトルク電流を基に前記第1のモータのトルク電流指令値を出力する第1のトルク補正手段と、前記第2のモータのトルク電流を基に前記第2のモータのトルク電流指令値を出力する第2のトルク補正手段を有し、前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のモータのトルク電流を基に、前記第1のモータのトルク電流指令値または前記第2のモータのトルク電流指令値を補正する。【選択図】図1

Description

本発明は、モータ制御装置およびモータ制御装置の制御方法に関する。
複数の軸数を持つモータを回転させる場合、各軸のモータの位置が取り付け位置の機械的な誤差や、経年劣化によってずれることで、モータの各軸の負荷がばらつくという課題がある。そこで、モータの回転速度と、位置のずれの検出には、ホールセンサやエンコーダ等のセンサを用いることが一般的であった。しかし、近年では、センサ等を用いずに、三相の電流値から回転速度を推定するセンサレスベクトル制御(以下、SFOCという)が広く用いられるようになってきた(特許文献1参照)。SFOCは、Sensorless Field Oriented Controlである。
SFOCでは、モータ制御装置は、モータに流れる電流を計測することで、モータの回転速度に応じて発生する逆起電流などから、モータの速度と位置を推定する。また、モータ制御装置は、その電流から負荷トルクなどの情報を取り出すことができる。
特開2015−213398号公報
複数軸のモータの各軸に不均一な負荷がかかっていることにより、負荷が大きいモータの消費電力が増大する。電力が増えたモータは、温度とEM(エレクトロ・マイグレーション)の影響により、製品寿命が短くなる。
また、複数軸でベルトを駆動する装置の場合、ギア等のメカの取り付け位置の誤差や、機械的な劣化により、各軸の回転角度や位置がずれることで、ベルトのたわみなどが発生し、装置の故障につながる。また、これを補正するには、一般的にモータ制御中に高度な演算処理が必要になり、演算処理のコストが大きくなる。
本発明の目的は、同期している第1のモータおよび第2のモータのうちのいずれかのモータのトルクを補正することができるようにすることである。
本発明のモータ制御装置は、同期している第1のモータおよび第2のモータを制御するモータ制御装置であって、前記第1のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第1の変換手段と、前記第2のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第2の変換手段と、前記第1のモータのトルク電流を基に前記第1のモータのトルク電流指令値を出力する第1のトルク補正手段と、前記第2のモータのトルク電流を基に前記第2のモータのトルク電流指令値を出力する第2のトルク補正手段と、前記第1のモータのトルク電流指令値を基に前記第1のモータの駆動電圧を制御する第1のモータ制御手段と、前記第2のモータのトルク電流指令値を基に前記第2のモータの駆動電圧を制御する第2のモータ制御手段とを有し、前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のモータのトルク電流を基に、前記第1のモータのトルク電流指令値または前記第2のモータのトルク電流指令値を補正する。
本発明によれば、同期している第1のモータおよび第2のモータのうちのいずれかのモータのトルクを補正することができる。
モータ制御装置の構成例を示す図である。 モータとベルトを示す図である。 モータの制御シーケンス図である。 モータとベルトを示す図である。 モータの制御シーケンス図である。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態によるモータ制御装置120の構成例を示すブロック図である。モータ制御装置120は、コントローラ100と、複数のエンジン部101a,101bとを有する。コントローラ100は、統括制御部110と、複数のセンサレスベクトル制御部(以下、SFOC部という)111a,111bを有する。
エンジン部101aは、モータ102aと、モータドライバ103aと、モータ電流検出部104aとを有する。エンジン部101bは、モータ102bと、モータドライバ103bと、モータ電流検出部104bとを有する。
SFOC部111aは、モータ制御部109aと、ベクトル変換部105aと、トルク補正部106aとを有する。モータ制御部109aは、制御部107aと、PWM制御部108aとを有する。
SFOC部111bは、モータ制御部109bと、ベクトル変換部105bと、トルク補正部106bとを有する。モータ制御部109bは、制御部107bと、PWM制御部108bとを有する。
モータ102aおよび102bは、複数の軸を回転させる。モータドライバ103aおよび103bは、それぞれ、モータ102aおよび102bの各コイル端に電圧を印加して電流を流す。モータ電流検出部104aおよび104bは、それぞれ、モータ102aおよび102bの各相に流れるコイル電流を検出する。
ベクトル変換部105aは、モータ電流検出部104aにより検出された「電流値」と、モータドライバ103aにおいてモータ102aの各コイル端に印加した「駆動電圧」の2つの入力値から、モータ102aのトルクに応じたトルク電流に変換する。ベクトル変換部105bは、モータ電流検出部104bにより検出された「電流値」と、モータドライバ103bにおいてモータ102bの各コイル端に印加した「駆動電圧」の2つの入力値から、モータ102bのトルクに応じたトルク電流に変換する。
統括制御部110は、モータ102aのトルク電流とモータ102bのトルク電流との差分が小さくなるように、トルク補正部106aまたは106bに補正値を出力する。
トルク補正部106aは、目標速度や目標位置を基に、ベクトル変換部105aにより変換されたトルク電流値を基にトルク電流指令値を生成し、そのトルク電流指令値に補正値を加算したトルク電流指令値を制御部107aに出力する。トルク補正部106bは、目標速度や目標位置を基に、ベクトル変換部105bにより変換されたトルク電流値を基にトルク電流指令値を生成し、そのトルク電流指令値に補正値を加算したトルク電流指令値を制御部107bに出力する。
制御部107aは、トルク補正部106aのトルク電流指令値を基に、モータ102aの速度または位置を推定し、推定したモータ102aの速度または位置を基に比例積分演算処理を行い、駆動電圧指令値をPWM制御部108aに出力する。制御部107bは、トルク補正部106bのトルク電流指令値を基に、モータ102bの速度または位置を推定し、推定したモータ102b速度または位置を基に比例積分演算処理を行い、駆動電圧指令値をPWM制御部108bに出力する。
PWM制御部108aは、制御部107aの駆動電圧指令値を基にパルス幅変調(PWM)信号をモータドライバ103aに出力する。PWM制御部108bは、制御部107bの駆動電圧指令値を基にPWM信号をモータドライバ103bに出力する。
モータ制御部109aは、トルク補正部106aのトルク電流指令値を基に、PWM信号により、モータ102aの駆動電圧を制御する。モータ制御部109bは、トルク補正部106bのトルク電流指令値を基に、PWM信号により、モータ102bの駆動電圧を制御する。
モータドライバ103aは、PWM制御部108aのPWM信号を基に、モータ102aの各コイル端にパルス電圧を印加する。モータドライバ103bは、PWM制御部108bのPWM信号を基に、モータ102bの各コイル端にパルス電圧を印加する。統括制御部110は、エンジン部101a,101bと、SFOC部111a,111bを制御する。
図2は、モータ102a,102bとベルト201を示す図である。モータ102aおよび102bは、ベルト201により接続され、モータ102aおよび102bの回転が同期する状態で動く。
図3は、2つの同期しているモータ102aおよび102bの負荷がずれている状態で、モータ102aおよび102bを起動したときのモータ102aおよび102bの速度301と、トルク電流302a,302bの例を示す図である。トルク電流302aは、モータ102aもトルク電流である。トルク電流302bは、モータ102bのトルク電流である。以下、モータ制御装置120の制御方法を説明する。
強制転流は、オープン制御である。モータ制御部109aおよび109bは、強制転流の期間では、それぞれ、モータ102aおよび102bの各相のコイルに流れる電流にかかわらず、モータ102aの駆動電圧とモータ102bの駆動電圧を制御する。
強制転流の期間の後、SFOCの期間が始まる。SFOCは、フィードバック制御である。モータ制御部109aおよび109bは、SFOCの期間では、モータ102aのトルク電流指令値を基にモータ102aの駆動電圧を制御し、モータ102bのトルク電流指令値を基にモータ102bの駆動電圧を制御する。
強制転流の期間では、統括制御部110は、演算部として機能し、モータ102aのトルク電流302aとモータ102bのトルク電流302bとの差分を基に、補正値を演算する。SFOCの期間では、トルク補正部106aまたは106bは、補正値を用いて、トルク電流指令値を補正することにより、トルク電流302aおよび302bが最終的に等しくなるように制御する。
同期しているモータ102aおよび102bの位置が機械的精度や経年劣化によりずれることによって、上記のように、モータ102aおよび102bにかかる負荷が偏るという状態が発生する。モータ102aおよび102bの負荷が異なると、トルク電流302aおよび302bが異なる。トルク電流302aおよび302bを補正する方法について説明する。
同期状態とは、一方のモータ102aの位置の状態が、他方のモータ102bの位置に影響を与えるような状態にあるものである。例として、図2のように、モータ102aおよび102bがベルト201などで接続されている状態である。なお、モータの数は、3個以上でもよい。また、複数のモータ102aおよび102bが同じ軸に並列につながっている状態でもよい。モータ制御装置120は、同期しているモータ102aおよびモータ102bを制御する。
SFOC部111aおよび111bは、それぞれ、強制転流と呼ばれる、モータ102aおよび102bをオープン制御で動作し、その後、SFOCに移行する。この強制転流の期間では、同期しているモータ102aおよび102bのどちらかのモータの位置が遅れている。または、強制転流の期間では、どちらかのモータの位置の遅れまたは進みが発生している。
ここで、遅れているモータ102bは、強制転流の期間にどんどん位置が遅れていく。そのため、遅れているモータ102bを進んでいるモータ102aが引っ張る形となるため、遅れているモータ102bのトルク電流302bは、進んでいるモータ102aのトルク電流302aより小さくなる。
ここで、モータ電流検出部104aおよび104bは、それぞれ、モータ102aおよび102bの各相のコイルに流れる電流を検出する。ベクトル変換部105aおよび105bは、それぞれ、静止座標から回転座標への座標変換を行うことにより、モータ電流検出部104aおよび104bにより検出された電流をトルク電流302aおよび302bに変換する。例えば、ベクトル変換部105aおよび105bは、モータ102aおよび102bの三相のコイルに流れる電流を、トルク方向のトルク電流と界磁方向の界磁電流に変換する。
統括制御部110は、トルク電流302aおよび302bの大きさを比較することで、モータ102aおよび102bの位置の遅れまたは進み具合の状態がわかる。強制転流の期間内に、統括制御部110は、トルク電流302aおよび302bの平均値と、トルク電流302aおよび302bのうちの小さい方のトルク電流302bとの差分を補正値として演算する。そして、統括制御部110は、その補正値を、上記の小さい方のトルク電流302bに対応するトルク補正部106bに出力する。トルク補正部106bは、強制転流からSFOCに移行する際に、トルク電流指令値に上記の補正値を加算したトルク電流指令値を制御部107bに出力する。この場合、トルク補正部106bのトルク電流指令値の補正は、1フィードバックループのみ行われる。トルク補正部106aまたは106bは、強制転流からSFOCに切り替わったときの初回で、補正を行う。
トルク電流302aがトルク電流302bより小さい場合には、トルク補正部106aは、モータ102aのトルク電流指令値に上記の補正値を加算する。トルク電流302bがトルク電流302bより小さい場合には、トルク補正部106bは、モータ102bのトルク電流指令値に上記の補正値を加算する。
ここで、トルク補正部106bは、強制転流からSFOCに切り替わる瞬間に、補正値が加算されたトルク電流指令値を出力すると、モータ102bには大きな速度変動が発生し、異音の発生や機械的な損傷が発生しうる。
そこで、統括制御部110は、目標速度到達時にちょうど上記の補正値を満たすように、SFOCの期間では、目標速度到達まで毎回ループごとに補正値を0から徐々に増加していく。トルク補正部106bは、SFOCの期間では、ループごとに、トルク電流指令値に上記の補正値を加算したトルク電流指令値を出力する。これにより、強制転流からSFOCへの切り替えによる衝撃を緩和し、滑らかにモータ102aおよび102bを起動できる。
トルク補正部106bは、SFOCの期間では、トルク電流指令値に補正値を加算することにより、補正値に対応するトルクが遅れているモータ102bに追加される。進んでいるモータ102aのトルク電流302aは、引っ張っているモータ102bの負荷が減った分、減少する。これにより、モータ102aおよび102bの負荷が均一化され、図3の定常状態のトルク電流302aおよび302bのように安定する。
SFOC部111aおよび111bは、それぞれ、強制転流の期間では、モータ102aおよび102bの各相のコイルに流れる電流にかかわらず、PWM信号を生成するので、演算量が少ない。また、SFOC部111aおよび111bは、それぞれ、SFOCの期間では、モータ102aおよび102bのトルク電流指令値に応じたPWM信号を生成するので、演算量が多い。統括制御部110は、強制転流の期間で、補正値の演算を行うことで、全体の処理速度の均一化を図ることができる。
モータ制御部109aおよび109bは、トルク電流指令値の補正がなくても、強制転流からSFOCに切り替える際には、速度の変動が発生する。トルク補正部106aまたは106bは、その切り替えのショックに合わせて、トルク電流指令値を補正することで、補正による速度変動のショックを隠すことができる。
以上のように、コントローラ100は、上記の制御により、複数のモータ102aおよび102bの負荷のばらつきを解消することができる。モータ102aおよび102bのトルクが均一になることで、電力消費の大きかったモータ102aの消費電力が低下する。モータ102aおよび102bに均等な負荷をかけることにより、モータ102aおよび102bの寿命を延ばすことができる。モータ制御装置120は、強制転流の期間で、補正を行うことにより、全体の演算処理への影響が小さくなる。
(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態によるモータ102a,102bとベルト401の例を示す図である。モータ102aおよび102bは、例えば紙402を搬送する。モータ102aおよび102bは、ベルト401で接続され、かつそのベルト401にたわみが発生するような状態である。
図5は、図4のモータ102aおよび102bの状態の時のモータ102aおよび102bの速度501と、トルク電流502a,402bの例を示す図である。トルク電流502aは、モータ102aのトルク電流である。トルク電流502bは、モータ102bのトルク電流である。
図4の状態の場合、モータ102aをモータ102bが押すような状態となっている。そのため、強制転流の期間では、モータ102bのトルク電流502bは、モータ102aのトルク電流502aより大きくなる。強制転流の期間では、モータ電流検出部104aおよび104bは、それぞれ、モータ102aおよび102bの各相のコイルに流れる電流を検出する。強制転流の期間では、ベクトル変換部105aおよび105bは、それぞれ、モータ電流検出部104aおよび104bにより検出された電流をトルク電流502aおよび502bに変換する。統括制御部110は、モータ102aおよび102bの回転方向とトルク電流502aおよび502bを基に、どちらのモータの位置が進んでいるか、または遅れているかを推定できる。例えば、図4の状態であれば、モータ102aおよび102bの負荷が均一になっている定常状態に対し、モータ102aのトルク電流502aがモータ102bのトルク電流502bより小さくなる。そのため、統括制御部110は、モータ102aの位置がモータ102bの位置より遅れていることを推定できる。
統括制御部110は、この推定結果を基に、補正値をトルク補正部106aに出力する。強制転流からSFOCに切り替わる瞬間に、トルク補正部106aは、トルク電流指令値に補正値を加算し、加算後のトルク電流指令値を制御部107aに出力する。これにより、モータ102aの位置が進み、結果的に、ベルト401のたわみが解消される。
統括制御部110は、第1の実施形態と同様に、トルク電流502aおよび502bの平均値とトルク電流502aとの差分を補正値として演算することができる。補正値は、あくまでもベルト401のたわみなどを解消するために補正を行うためのものである。そのため、統括制御部110は、トルク電流502aおよび502bの平均値とトルク電流502aとの差分より大きい値を補正値として演算してもよい。
トルク電流502aがトルク電流502bより小さい場合には、トルク補正部106aは、モータ102aのトルク電流指令値に上記の補正値を加算する。トルク電流502bがトルク電流502aより小さい場合には、トルク補正部106bは、モータ102bのトルク電流指令値に上記の補正値を加算する。
モータ102aの負荷がモータ102bの負荷に対して大きくなると、モータ102aがモータ102bを引っ張る形となるため、ベルト401がより張る方向に働く。トルク補正部106aまたは106bは、ベルト401のたわみを低減するように補正する。
コントローラ100は、上記の制御により、複数のモータ102aおよび102bを接続するベルト401のたわみを解消することができる。モータ制御装置120は、トルク電流502aおよび502bからベルト401のたわみを検知することで、ベルト401のたわみ具合を補正できる。
(その他の実施形態)
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
100 コントローラ、101a,101b エンジン部、102a,102b モータ、103a,103b モータドライバ、104a,104b モータ電流検出部、105a,105b ベクトル変換部、106a,106b トルク補正部、107a,107b 制御部、108a,108b PWM制御部、109a,109b モータ制御部、110 統括制御部

Claims (10)

  1. 同期している第1のモータおよび第2のモータを制御するモータ制御装置であって、
    前記第1のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第1の変換手段と、
    前記第2のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第2の変換手段と、
    前記第1のモータのトルク電流を基に前記第1のモータのトルク電流指令値を出力する第1のトルク補正手段と、
    前記第2のモータのトルク電流を基に前記第2のモータのトルク電流指令値を出力する第2のトルク補正手段と、
    前記第1のモータのトルク電流指令値を基に前記第1のモータの駆動電圧を制御する第1のモータ制御手段と、
    前記第2のモータのトルク電流指令値を基に前記第2のモータの駆動電圧を制御する第2のモータ制御手段とを有し、
    前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のモータのトルク電流を基に、前記第1のモータのトルク電流指令値または前記第2のモータのトルク電流指令値を補正することを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記第1のモータ制御手段と前記第2のモータ制御手段は、
    オープン制御の期間では、前記第1のモータに流れる電流と前記第2のモータに流れる電流にかかわらず、前記第1のモータの駆動電圧と前記第2のモータの駆動電圧を制御し、
    前記オープン制御の後のフィードバック制御の期間では、前記第1のモータのトルク電流指令値を基に前記第1のモータの駆動電圧を制御し、前記第2のモータのトルク電流指令値を基に前記第2のモータの駆動電圧を制御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。
  3. 前記オープン制御の期間に、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のモータのトルク電流を基に補正値を演算する演算手段をさらに有し、
    前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記フィードバック制御の期間に、前記補正値を用いて補正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。
  4. 前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記オープン制御から前記フィードバック制御に切り替わったときの初回で、補正を行うことを特徴とする請求項3に記載のモータ制御装置。
  5. 前記演算手段は、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のトルク電流の平均値と、前記第1のモータのトルク電流または前記第2のモータのトルク電流との差分を前記補正値として演算し、
    前記第1のモータのトルク電流が前記第2のモータのトルク電流より小さい場合には、前記第1のトルク補正手段は、前記第1のモータのトルク電流指令値に前記補正値を加算し、
    前記第2のモータのトルク電流が前記第1のモータのトルク電流より小さい場合には、前記第2のトルク補正手段は、前記第2のモータのトルク電流指令値に前記補正値を加算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。
  6. 前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記フィードバック制御の期間で、前記第1のモータのトルク電流指令値または前記第2のモータのトルク電流指令値に対して、徐々に増加する補正値を加算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。
  7. 前記第1のモータと前記第2のモータは、ベルトにより接続されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
  8. 前記第1のモータと前記第2のモータは、ベルトで接続され、
    前記第1のトルク補正手段または前記第2のトルク補正手段は、前記ベルトのたわみを低減するように補正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。
  9. 前記演算手段は、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のトルク電流の平均値と、前記第1のモータのトルク電流または前記第2のモータのトルク電流との差分より大きい値を前記補正値として演算し、
    前記第1のモータのトルク電流が前記第2のモータのトルク電流より小さい場合には、前記第1のトルク補正手段は、前記第1のモータのトルク電流指令値に前記補正値を加算し、
    前記第2のモータのトルク電流が前記第1のモータのトルク電流より小さい場合には、前記第2のトルク補正手段は、前記第2のモータのトルク電流指令値に前記補正値を加算することを特徴とする請求項8に記載のモータ制御装置。
  10. 同期している第1のモータおよび第2のモータを制御するモータ制御装置の制御方法であって、
    前記第1のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第1の変換ステップと、
    前記第2のモータに流れる電流をトルク電流に変換する第2の変換ステップと、
    前記第1のモータのトルク電流を基に前記第1のモータのトルク電流指令値を出力する第1の出力ステップと、
    前記第2のモータのトルク電流を基に前記第2のモータのトルク電流指令値を出力する第2の出力ステップと、
    前記第1のモータのトルク電流指令値を基に前記第1のモータの駆動電圧を制御する第1のモータ制御ステップと、
    前記第2のモータのトルク電流指令値を基に前記第2のモータの駆動電圧を制御する第2のモータ制御ステップとを有し、
    前記第1の出力ステップまたは前記第2の出力ステップでは、前記第1のモータのトルク電流と前記第2のモータのトルク電流を基に、前記第1のモータのトルク電流指令値または前記第2のモータのトルク電流指令値を補正することを特徴とするモータ制御装置の制御方法。
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