JP2887496B2

JP2887496B2 - トルク可変性モータ

Info

Publication number: JP2887496B2
Application number: JP2084510A
Authority: JP
Inventors: 正樹酒井; 正秀木村
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1999-04-26
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: JPH03285588A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、産業用ロボットや数値制御（NC）装置等の
サーボ制御装置に用いられる制御用直流サーボモータの
改良に係り、特に速度，位置の他に力の制御を行うこと
ができるトルク可変型モータに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、トルク可変型モータとしては、通常のサーボル
ープ上にトルクまたは力覚センサを追加して、その情報
を速度フィードバックループに混流させる方式のものが
知られている。

第８図は、混流方式の従来のトルク可変型モータの構
成例を示したものである。

この第８図において、符号21はマグネット励磁型モー
タであって、マグネット22により定まる一定磁束下で動
作する。符号23はパルス幅制御（PWM）回路であって、
非安定化電源24から供給される直流電圧V₀によって動作
して、モータ21をPWM駆動する。符号25はコントローラ
であって、外部からの指令に応じてPWM回路23における
パルス幅の制御を行って、モータ21の速度制御を行う。

この際、コントローラ25に、モータ21の回転速度を検
出するパルスジェネレータ26によって形成される速度・
位置ループを経て供給される信号によって、コントロー
ラ25に位置の情報をフィードバックして速度指令信号を
発生し、この信号と、パルスジェネレータ26の信号を周
波数／電圧（F/V）変換器27を介して変換して得られた
速度の情報との差を減算器28によって求めて、PWM回路2
3に与えることによって、指令された速度に追従する制
御が行われる。

さらに、モータ21の電源帰路に挿入された電流検出抵
抗（R/CT）29によって形成される力ループ（Ａ）を経て
供給される信号により、モータ電流値から換算されるト
ルクの情報をコントローラ25にフィードバックし、これ
によって、モータ21の発生するトルクの制御が行われ
る。

トルクの制御は、モータ21に結合されたトルク（力）
センサ30によって形成される力ループ（Ｂ）によって、
モータ21のトルクの情報をコントローラ25にフィードバ
ックすることによって、行ってもよい。

また、従来のトルク可変型モータの例として、ユーザ
の指令に基づいて、同一サーボループを速度ループまた
は力ループとして切り替えて使用するモード切り替え方
式のものがある。

第９図は、従来のトルク可変型モータの他の構成例を
示したものであって、モード切り替え式の場合を示し、
第８図におけると同じものを同じ番号で示している。

すなわち、この場合は、第８図に示された制御系にお
けるフィードバックループとして、速度ループまたは力
ループの何れかを選択してを使用する。

〔発明が解決しようとする課題〕．第８図に示された混流方式のトルク可変型モータで
は、速度ループと力ループは、ともにモータの電機子電
圧Ｖを制御するものであった。ここで電機子電圧Ｖは、
PWM信号に基づく等価的直流電圧であって、Ｖ＝V₀×（PWM％）によって示されるものであり、PWM％はPWM信号のデュー
ティ、すなわち（パルス幅／基本周期）を表している。
基本周期は、PWM回路23によって定まるチョッピングの
周期である。従来方式では非安定化電源24の出力電圧V₀
は一定であり、従って電機子電圧Ｖは、PWM％に比例す
る。

この場合、コントローラ25にフィードバックされるパ
ルスジェネレータ26およびトルクセンサ30の情報には、
速度とトルクの両方の要因が混在しているため、それら
のフィードバック情報が互いに干渉しあって、どちらの
原因で電機子電圧Ｖが変動したのかわからず、独立した
アルゴリズムの構築ができない。

また、第９図に示された切り替え方式のトルク可変型
モータでは、力制御に使用する際に、速度，位置の情報
を無視するため、現在位置と速度が不明であり、インク
リメンタルのパルスジェネレータを使用する場合には、
次の指令位置へ移動できない。

．さらに、これらの従来技術では、マグネット励磁モ
ータを使用しているため、高トルクを得るためには電機
子電流を大きくする必要があり、そのためモータの発熱
が増加するだけでなく、非安定化電源24の容量も大きく
する必要がある。

．これらの従来技術のトルク可変型モータでは、マグ
ネット励磁型のため、トルク−回転数特性は固定された
ものとなり、１台のモータで定トルク特性と、定速度特
性とを両立させることはできない。

．また、PWM回路の電源が非安定化電源であり、その
ため絶対的なトルク（エネルギー）を確保することが出
来ないという問題がある。

第10図は、一次側電源変動に基づく電機子電圧Ｖの時
間ｔに対する変化を示したものである。

第10図において、Ａは非安定化電源24の出力電源V₀を
示し、一次側電源AC100Vの±α％の変動に応じて変化す
る。ＢはPWM出力が電源電圧V₀のβ％のときの電機子電
圧Ｖを示し、電源電圧V₀に従って変化することが示され
ている。

ここで、モータのトルクをT,回転速度をN,磁束をΦ，
電機子電流をI_a，電機子の逆起電力をE_a，電機子抵抗を
R_aとすると、k₁，k₂を定数として、であるから、Φ：一定，R_a：一定として「電機子電圧
Ｖ」∝「トルクＴ×回転速度Ｎ」となって、電機子電圧
Ｖが変化すると、トルクも回転速度も変化することにな
る。

なお、第10図の特性におけるD,D′は、多軸同時動作
によって生じる電圧降下を示している。

従来のトルク可変型モータにおいては、これらの理由
から、力制御を精度よく行うことができなかった。

〔発明の目的〕

本発明は、このような従来技術の課題を解決しようと
するものであって、トルク可変型モータにおいて、トル
クまたは力の制御ループが、速度および位置の制御ルー
プから分離させることによって、明確なアルゴリズムに
よる制御を行うことを可能とし、従って完全な形でのト
ルク制御をなし得るとともに、一次側電源電圧変動の影
響を受けず絶対的なトルクの保証が可能なトルク可変型
モータを提供することを、その目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明においては、電機子と界磁コイルとを有する他
励界磁モータと、別に装備された力制御コントローラか
らの制御信号に応じて大きさの変化する出力電圧V₀を発
生するボルテージレギュレータ６とを備えている。

また、他励界磁モータの回転に応じてパルスを発生す
るパルスジェネレータと、該パルスによって位置の情報
をフィードバックされて前記他励界磁モータの回転速度
を外部指令に追従させる速度指令信号を発生するメイン
コントローラと、前記パルスジェネレータから出力され
るパルスの周波数に対応する電圧信号を発生する周波数
／電圧変換器と、この速度指令信号と該電圧信号との差
をとる減算器とを有している。

更に、減算器の出力信号に応じて変化するパルス幅で
前記出力電圧V₀をパルス幅変調した出力を発生して電機
子に供給するPWM回路と、他励界磁モータの発生するト
ルクの大きさを示す信号を出力するトルク（力）センサ
とを装備している。

また、該トルクの大きさを示す信号をフィードバック
されて他励界磁モータの発生するトルクの大きさを外部
指令に追従させる力指令信号を発生するとともに，ボル
テージレギュレータに対する制御信号を発生する力制御
コントローラと、該力指令信号に応じて大きさの変化す
る電流を発生して前記界磁コイルに供給するカレントレ
ギュレータとを備える、という構成をとっている。これ
によって前述した目的を達成しようとするものである。

〔作用〕本発明のトルク可変型モータにおいては、電機子２と
磁界コイル３とを有する他励界磁モータ１が使用され
る。

ボルテージレギュレータ６は、力制御コントローラ10
からの制御信号に応じて大きさの変化する出力電圧
（V₀）を発生し、PWM回路５は、減算器９の出力信号に
応じてボルテージレギュレータ６の出力電圧（V₀）をパ
ルス幅変調した出力を発生して前記電機子２に供給す
る。

一方、カレントレギュレータ11は、力制御コントロー
ラ10の力指令信号に応じて大きさの変化する電流を発生
して界磁コイル３に供給する。

メインコントローラ４は、パルスジェネレータ７から
の他励界磁モータ１の回転に応じたパルスによって位置
の情報をフィードバックされて他励界磁モータ１の回転
速度を外部指令に追従させる速度指令信号を発生する。
減算器９は、この速度指令信号と、周波数／電圧変換器
（F/V）８で発生したパルスジェネレータ７のパルス周
波数を変換した電圧信号との差をとって、PWM回路５を
制御する出力を発生する。

また力制御コントローラ10は、トルク（力）センサ12
からの他励界磁モータ１の発生するトルクの大きさを示
す信号をフィードバックされて他励界磁モータ１の発生
するトルクの大きさを外部指令に追従させる力指令信号
を発生する。これとともに力制御コントローラ10は、ボ
ルテージレギュレータ６に対する制御信号を発生する。

このように本発明では、トルクまたは力の制御ループ
が、速度および位置の制御ループから分離しているた
め、明確なアルゴリズムによる制御を行うことができ、
従って完全な形でのトルク制御が可能となる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示したものであって、
本発明のトルク可変型モータのシステムの全体構成を示
している。

第１図において、１は他励界磁モータ、２は他励界磁
モータ１の電機子、３は他励界磁モータ１の界磁コイル
である。４は他励界磁モータ１の速度，位置の制御を行
うメインコントローラ、５は電機子１を駆動するための
パルス幅変調（PWM）された出力を発生するPWM回路、６
はPWM回路５を駆動する出力電圧V₀を発生するボルテー
ジレギュレータ、７は他励界磁モータ１の回転速度を検
出してパルスを発生するパルスジェネレータ、８はパル
スジェネレータ７のパルス周波数に応じて変化する電圧
を発生する周波数／電圧（F/V）変換器、９は減算器、1
0は他励界磁モータ１のトルク（力）の制御を行う力制
御コントローラ、11は界磁コイル３に界磁電流を供給す
るためのカレントレギュレータ、12は他励界磁モータ１
のトルク（力）を検出して出力を発生するトルク（力）
センサである。

本発明のトルク可変型モータは、電機子２と界磁コイ
ル３とを有する他励界磁モータ１と、力制御コントロー
ラ10からの制御信号に応じて大きさの変化する出力電圧
（V₀）を発生するボルテージレギュレータ６と、前記他
励界磁モータ１の回転に応じてパルスを発生するパルス
ジェネレータ７と、該パルスによって位置の情報をフィ
ードバックされて前記他励界磁モータ１の回転速度を外
部指令に追従させる速度指令信号を発生するメインコン
トローラ４と、前記パルスの周波数を変換した電圧信号
を発生する周波数／電圧変換器８と、前記速度指令信号
と該電圧信号との差をとる減算器９と、該減算器９の出
力信号に応じて変化するパルス幅で前記出力電圧（V₀）
をパルス幅変調した出力を発生して前記電機子２に供給
するPWM回路５と、前記他励界磁モータ１の発生するト
ルクの大きさを示す信号を出力するトルク（力）センサ
12と、該トルクの大きさを示す信号をフィードバックさ
れて前記他励界磁モータ１の発生するトルクの大きさを
外部指令に追従させる力指令信号を発生するとともに、
前記ボルテージレギュレータ６に対する制御信号を発生
する力制御コントローラ10と、該力指令信号に応じて大
きさの変化する電流を発生して前記界磁コイル３に供給
するカレントレギュレータ11とを備えたものである。

第１図において、他励界磁モータ１は、電機子２と界
磁コイル３とを有している。メインコントローラ４は、
外部からの指令に応じて速度指令信号を発生してPWM回
路５を駆動し、これによってPWM回路５から発生したPWM
出力に基づく電機子電圧Ｖが、電機子２に与えられる。
電機子２は、PWM回路５から発生するパルス出力におけ
るパルス幅に応じた速度で回転する。PWM回路５は、外
部からのAC100V±10％等の電源によって駆動される、ボ
ルテージレギュレータ６の出力電源V₀によって動作す
る。

この際、メインコントローラ４は、モータ１の回転速
度を検出するパルスジェネレータ７によって形成される
速度・位置ループを経て供給される信号によって、位置
の情報をフィードバックされて、速度指令信号を発生す
る。この信号と、速度・位置ループからのパルスジェネ
レータ７の信号を、周波数／電圧（F/V）変換器８を介
して変換して得られた速度の信号との差を減算器９によ
って求めて得られた制御信号をPWM回路５に与えること
によって、指令された速度に追従する制御が行われる。

一方、力制御コントローラ10は、外部からの指令に応
じて力指令信号を発生して、カレントレギュレータ11を
制御する。これによってカレントレギュレータ11から発
生して界磁コイル３に与えられる界磁電流I_fが変化す
る。この際、モータ１に結合されたトルク（力）センサ
12によって形成されるトルク（力）ループを介して、モ
ータ１のトルクの情報をコントローラ10にフィードバッ
クすることによって、指令されたトルクに追従する制御
が行われる。

この際、力制御コントローラ10は、ボルテージコント
ローラ６に対しても制御を行う。ボルテージレギュレー
タ６は、力制御コントローラ10の制御に応じて出力電圧
V₀を変化する。これによってPWM回路５の発生するパル
スの振幅が変化して、電機子電圧Ｖと電機子電流I_aが変
化するので、モータ１の発生するトルクが変化する。

このように本発明では、電機子電圧に対する制御と、
界磁コイル電流に対する制御との、統合制御が行われ
る。

第８図および第９図に示された従来のトルク可変型モ
ータでは、トルク（力）の制御と、速度・位置の制御が
全く同一の系によって行われ、磁束を一定にして、電機
子電圧Ｖだけで両方の制御に対応していた。すなわち従
来方式は、単に電機子のエネルギー量の調整のみを行う
ものであった。

これに対して本発明では、上述のように、トルク
（力）の制御ループと、速度・位置の制御ループとが分
離しているので、確実にトルク（力）の制御を行うこと
ができる。

本発明におけるトルクの制御は、次の二つの態様によ
って行われる。

（１）カレントレギュレータ11を制御して、界磁電流
を小さくすることによって、トルクを制御する。

第２図は、界磁電流によるトルクの制御を説明するも
のであって、Ａに示す界磁電流I_fがノーマルの場合と、
Ｂに示す界磁電流I_fを小さくした場合の、回転速度Ｎと
トルクＴの関係を示している。

すなわち従来のマグネット励磁の場合はトルクＴ∝k₁
ΦI_a であるのに対し、本発明における他励界磁の場合にはである。従って、磁界電流I_f→小とすれば、トルクＴ→
小、回転速度Ｎ→大の関係がある。第２図に示されるよ
うに、回転速度がｎからn'に変化したときのトルクの変
動量は、界磁電流I_fがノーマルのときは（ｔ″−ｔ）、
I_f→小のとき（ｔ′−ｔ）となり、界磁電流I_f→小のと
き定トルク性が強くなることがわかる。すなわち本発明
においては、定トルク性を強めて、速度変動が生じても
トルク変動が生じにくい状態を作っている。

（２）ボルテージレギュレータ６を制御して、電機子
電圧Ｖを大きくすることによって、指令トルクを得る。

第３図は、電機子電流によるトルクの制御を説明する
ものであって、Ａに示す界磁電流I_fおよび電機子電流I_a
がノーマルの場合と、Ｂに示す界磁電流I_f→小，電機子
電流I_a→大の場合と、Ｃに示す界磁電流I_f→小，電機子
電流I_aがノーマルの場合の、回転速度ＮとトルクＴの関
係を示している。

前述のように、トルクＴ∝k₁，′I_fI_aの関係があるの
で、界磁電流I_fを小さくしても、電機子電流I_aを大きく
すれば、トルクを一定にすることができる。

すなわちk₃，k₄，k₅を定数として、であるから、となって、電機子電圧Ｖを大きくすれば電機子電流I_aが
大きくなって、トルクが増大することがわかる。

周知のようにPWMは、入力電圧に対する出力電圧の割
合（デューティ；％）をきめるだけのものであり、電源
電圧が大きくなれば、出力電圧も大きくなる。従って本
発明のように、ボルテージレギュレータの出力電圧V₀の
制御を行っても速度ループの情報（デューティ）を崩す
ことはない。指令トルクを得るための電機子電圧（Ｖ）
は演算によって求まるが、トルク（力）センサからのフ
ィードバック情報によって、ボルテージレギュレータの
出力電圧V₀を制御することも可能である。

第４図は、他励界磁モータにおける各電圧，電流の関
係を示したものである。

電機子電圧V,電機子電流I_a，電機子抵抗R_a，電機子の
反起電力E_aの間には、次の関係がある。

Ｖ＝I_aR_a＋E_a ……（１）従って（２）式に（５），（１）′（４）の各式を代入してこれからここでＫ＝k₁k₄ ²k₃,K′＝k₁k₄ 従ってＴ＝０のときまたＮ＝０のとき第５図は回転速度ＮとトルクＴの関係を示したもので
あって、直線の傾きは−K/R_a I_f ²となる。

第５図から明らかなように、界磁電流I_fと電機子電圧
Ｖの積によって、トルクが決定される。回転速度Ｎも同
様である。

従ってとなる電機子電圧Ｖ、すなわちを与えればよい。

第６図は本発明の他の実施例を示したものであって、
第１図におけると同じものを同じ番号で示し、13は減算
器、14は増幅器である。

第６図に示された実施例においては、コントローラ10
から出力される外部からの力指令に基づく信号と，トル
ク（力）センサ12からトルク（力）ループを経て与えら
れたモータ１のトルクの信号との差を減算器13によって
求め、増幅器14を経て増幅してボルテージレギュレータ
６に与えることによって、界磁電流I_fの変化に基づくト
ルクＴの変化量にみあう分だけ、PWM回路５に与えられ
る出力電圧V₀を変化させるフィードバックが行われるこ
とが示されている。

以上の説明から明らかなように、本発明のトルク可変
型モータによれば、トルク（力）の制御ループと速度・
位置の制御ループとを分離して、トルク制御を行うこと
ができるようになるとともに、さらに次のような各種の
利点がある。

（１）モータの最大パワーを大きく引き出すことがで
きる。すなわち、トルクを界磁電流I_fにより増大させる
ことができるようになるため、電機子電流I_aを小さく抑
えることができ、従ってモータの発熱が抑えられる。ま
た永久磁石を使用しないので、減磁の心配が不要とな
る。これによって、モータに対する従来の瞬時使用領域
の使用が可能となり、高トルク，高回転の運転が可能と
なる。

このようなことが可能になるのは、次のような理由に
よるものである。

（ａ）電機子コイルは、イナーシャの制限から、巻数
を多くしにくい。

（ｂ）マグネット励磁モータの場合は、トルクＴ＝ｋ
ΦI_aであるため、電機子電流I_aを大きくするためには、
電機子コイルの線経を太くしなければならない。これに
対して他励界磁モータの場合は、磁束Φを大きくしてト
ルクＴを大きくするため、電機子電流I_aが小さくてもよ
い。

（ｃ）磁界コイルは、モータの外壁に密着させること
ができるので、発熱しても放熱し易い。

（ｄ）モータの使用限界は発熱により制限される部分
が多い。

（ｅ）減磁はマグネット励磁モータだけの問題であっ
て、他励界磁モータの場合は無関係である。

（２）電源の一次側の電圧変動に影響されることな
く、絶対的な「力」の段階付けが可能である。

これは、ボルテージレギュレータおよびカレントレギ
ュレータによる電圧，電流の保証があるためである。

（３）急加速，超高トルクを実現できる。

第７図は、本発明によって急加速が可能になる理由を
説明するものであって、は界磁電流I_fがノーマルの場
合、は界磁電流I_fが大の場合、は界磁電流I_fが小の
場合をそれぞれ示している。従ってロボットやNC装置等
において、その動作立ち上げ時、界磁電流I_fを→→
の順に変化させれば、最初超高トルクを発生させ、始
動に応じて界磁電流I_fを小さくするように制御すれば、
急加速を行うことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、PWM制御を用
いたトルク可変型モータにおいて、トルクまたは力の制
御ループが、速度，位置の制御ループから分離している
ので、明確なアルゴリズムによる制御が可能であり、完
全な形でのトルク（力）制御を行うことができる。また
本発明によれば、ボルテージレギュレータおよびカレン
トレギュレータによる電機子と界磁の電圧，電流の制御
が行われるので、一次側電源の変動等の外乱の影響を受
けることがなく、絶対的なトルクの保証を行うことがで
きる。さらに本発明によれば、定トルク運転と定速度運
転を１基のモータで実現できる。また、モータの発熱を
極力抑制できるだけでなく、ブラシの寿命を長くするこ
とができる。また、高トルク、高回転速度の相反するモ
ータ特性を１基のモータで実現し得るという従来にない
優れたトルク可変型モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図は界磁電流
によるトルクの制御を説明する図、第３図は電機子電流
によるトルクの制御を説明する図、第４図は他励界磁モ
ータにおける各電圧，電流の関係を示す図、第５図は回
転速度ＮとトルクＴの関係を示す図、第６図は本発明の
他の実施例を示す図、第７図は本発明によって急加速が
可能になる理由を説明する図、第８図は従来のトルク可
変型モータの構成例を示す図、第９図は従来のトルク可
変型モータの他の構成例を示す図、第10図は一次側電源
変動に基づく電機子電圧Ｖの時間ｔに対する変化を示す
図である。１……他励界磁モータ、２……電機子、３……界磁コイ
ル、４……メインコントローラ、５……PWM回路、６…
…ボルテージレギュレータ、７……パルスジェネレー
タ、８……周波数／電圧変換器、９……減算器、10……
力制御コントローラ、11……カレントレギュレータ、12
……トルク（力）センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 5/00 - 5/26 H02P 7/00 - 7/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電機子と界磁コイルとを有する他励界磁モ
ータと、別に装備された力制御コントローラからの制御
信号に応じて大きさの変化する出力電圧V₀を発生するボ
ルテージレギュレータと、前記他励界磁モータの回転に応じてパルスを発生するパ
ルスジェネレータと、該パルスによって位置の情報をフ
ィードバックされて前記他励界磁モータの回転速度を外
部指令に追従させる速度指令信号を発生するメインコン
トローラと、前記パルスジェネレータから出力されるパ
ルスの周波数に対応するレベルの電圧信号を発生する周
波数／電圧変換器と、この速度指令信号と該電圧信号と
の差をとる減算器とを備え、この減算器の出力信号に応じて変化するパルス幅で前記
出力電圧V₀をパルス幅変調した出力を発生しこれを前記
電機子に供給するPWM回路と、前記他励界磁モータの発
生するトルクの大きさを示す信号を出力するトルク
（力）センサとを装備するとともに、該トルクの大きさを示す信号をフィードバックされて前
記他励界磁モータの発生するトルクの大きさを外部指令
に追従させる力指令信号を発生するとともに，前記ボル
テージレギュレータに対する制御信号を発生する力制御
コントローラと、該力指令信号に応じて大きさの変化す
る電流を発生して前記界磁コイルに供給するカレントレ
ギュレータとを装備したことを特徴とするトルク可変型
モータ。