JP7113195B2 - モータ駆動装置 - Google Patents

Description

本開示は、産業用装置等に使用されるモータ駆動装置に関する。

一般に、産業用装置等で使用されるサーボモータの制御では、位置制御時は、上位コントローラからモータ駆動装置へ与えられる位置指令とモータ位置とが一致するように、位置制御器が速度指令を生成する。続いて、この速度指令とモータ速度とが一致するように、速度制御器がトルク指令を生成する。このトルク指令とモータ出力トルクとが一致するように、電流制御器がモータ電流を制御している。ただし、一般にモータ駆動装置は、モータ出力トルクを把握できないため、トルク指令どおりのモータ出力トルクを得るために必要なモータ電流が流れるように、電流制御器がモータ電流を制御している。なお、速度制御時は上位コントローラからモータ駆動装置へ速度指令が、トルク制御時は上位コントローラからモータ駆動装置へトルク指令が、それぞれ直接与えられる。

このようなサーボモータの制御では、モータの動作方向反転時のモータ出力トルクは、トルク指令どおりに出力されない。これは、モータ単体及び産業用装置の駆動機構におけるヒステリシス特性を持つ摩擦トルクの影響によるものである。このようなモータ出力トルクにおけるトルク指令に対する誤差に起因して、例えば、サーボモータを用いる加工機において、２軸円弧補間動作における指令軌跡に対して実動作の軌跡が外側に出るなどの軌跡精度低下が生じる。このように、加工機では、上記誤差が加工精度を悪化させる要因となっている。

上述した摩擦による影響を除去するために、モータ速度の符号が変化したモータ位置と現在のモータ位置との変位を生成し、変位と摩擦トルクとの関係を表すモデルを用いる方法が提案されている。この方法では、モデルを用いて変位の絶対値とモータ速度とから摩擦補償トルクを生成し、速度制御器の出力であるトルク指令値に摩擦補償トルクを加算することによって、モータの動作方向反転時におけるヒステリシス特性を持つ摩擦トルクの影響を補償している（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、従来の方法では、巻線機などで用いられるトルク制御時において、上位コントローラから与えられたトルク指令が摩擦トルク未満の場合には、モータ位置が変化しない。これに伴い、従来の方法は、変位とモータ速度とが０となり、摩擦補償トルクが０となるため、トルク指令どおりのモータ出力トルクとならないという問題を有している。

特開２００８－２１０２７３号公報

本開示は、従来の問題を解決するもので、モータ停止時における摩擦トルクの影響を補償し、トルク指令どおりのモータ出力トルクを得ることのできるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

従来の問題を解決するために、本開示のモータ駆動装置の一態様は、トルク指令に基づいて、モータに流れるモータ電流を制御するモータ駆動装置であって、トルク指令とモータのモータ速度とに基づいて、モータにおける静止摩擦トルクを補償する摩擦補償トルク指令を生成する摩擦補償器を備える。摩擦補償器は、トルク指令の直前のトルク指令に対する変化量の符号に応じて摩擦補償トルク指令を生成する。モータ駆動装置は、トルク指令に対して摩擦補償トルク指令を加算又は減算することによって生成された補償後トルク指令に基づいてモータ電流を制御する。

本開示のモータ駆動装置は、トルク指令変化量の符号に応じて摩擦補償トルクの符号を切り替えることによって、モータ停止時においてもヒステリシス特性を持つ摩擦トルクの影響を正しく補償でき、トルク指令どおりのモータ出力トルクを得ることができる。

実施の形態におけるモータ駆動装置の機能構成を示すブロック図 実施の形態における摩擦補償器の機能構成を示すブロック図 実施の形態におけるモータ駆動装置を用いてモータを駆動させる場合のトルク指令とモータ速度との関係を示すグラフ 実施の形態におけるモータ駆動装置を用いてモータの動作拘束した場合のトルク指令とモータ出力トルクとの関係を示すグラフ

本開示によれば、トルク指令とモータ出力トルクとが一致するように電流制御器でモータ電流を制御するモータ駆動装置において、トルク指令の変化量の符号に応じて摩擦補償トルクの符号を切り替えることによって、モータ停止時においてもヒステリシス特性を持つ摩擦トルクの影響を正しく補償でき、トルク指令どおりのモータ出力トルクを得ることができる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態によって本開示が限定されるものではない。つまり、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ及びステップの順序等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。なお、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

（実施の形態）
実施の形態におけるモータ駆動装置について、図面を用いて説明する。

図１は、実施の形態におけるモータ駆動装置１の機能構成を示すブロック図である。図１には、モータ駆動装置１と併せてモータ駆動装置１が制御するモータ２及びエンコーダ３が示されている。

モータ駆動装置１は、トルク指令２３に基づいて、モータ２に流れるモータ電流を制御する装置である。モータ駆動装置１は、機能的には、図１に示すように、電流制御器１２と、速度検出器１３と、摩擦補償器１４とを備える。モータ駆動装置１は、Ｕ相電流２４、Ｖ相電流２５及びＷ相電流２６で構成されるモータ電流を制御することによって、モータ２を駆動する。本実施の形態におけるモータ駆動装置１は、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を加算することによって生成された補償後トルク指令３０に基づいて、モータ電流を制御する。ここで、摩擦補償トルク指令２９は、トルク指令２３に対して、摩擦補償器１４によって生成されるものである。

モータ２は、モータ駆動装置１によって制御されるサーボモータである。

エンコーダ３は、モータ２のモータ位置２７を検出して、モータ駆動装置１にフィードバックする検出器である。

速度検出器１３は、モータ２のモータ速度を検出する検出器である。速度検出器１３は、エンコーダ３から入力されるモータ位置２７の変化率を算出することによって、モータ速度２８を検出する。速度検出器１３は、検出したモータ速度２８を摩擦補償器１４に出力する。

摩擦補償器１４は、トルク指令２３とモータ２のモータ速度２８とに基づいて、モータ２における静止摩擦トルクを補償する摩擦補償トルク指令２９を生成する処理部である。摩擦補償器１４は、トルク指令２３の直前のトルク指令に対する変化量の符号に応じて摩擦補償トルク指令２９を生成する。これにより、トルク指令が増加する場合と減少する場合とで異なるトルク補償を行うことができる。つまり、静止摩擦トルクのヒステリシス特性に対応するトルク補償を行うことができる。摩擦補償器１４の詳細については、後述する。

電流制御器１２は、補償後トルク指令３０に基づいて、モータ２に流れるモータ電流を制御する制御器である。ここで、補償後トルク指令３０は、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を加算することによって生成されるものである。

モータ駆動装置１の動作を説明する。まず、図示しない位置制御及び速度制御の結果として、又は、外部インターフェース（Ｉ／Ｆ）を通じて、トルク指令２３が生成される。一方、エンコーダ３によって検出されるモータ位置２７が速度検出器１３に入力される。速度検出器１３は、モータ位置２７を用いてモータ速度２８を算出する。速度検出器１３は、例えば演算周期毎のモータ位置２７の差分を演算周期で除することによって、モータ速度２８を算出する。

トルク指令２３とモータ速度２８とが摩擦補償器１４に入力され、摩擦補償器１４は摩擦補償トルク指令２９を算出する。なお、摩擦補償トルク指令２９の算出方法については、後述する。

モータ駆動装置１は、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を加算することによって、補償後トルク指令３０を算出する。算出された補償後トルク指令３０は、電流制御器１２に入力される。電流制御器１２は、補償後トルク指令３０に基づいて、モータ２がトルク指令２３に相当するトルクを出力するように、Ｕ相電流２４とＶ相電流２５とＷ相電流２６とを制御する。

以上のように構成されたモータ駆動装置１におけるモータ停止時の摩擦トルクの補償について、以下その動作及び作用を、図面を用いて詳細に説明する。

図２は、実施の形態における摩擦補償器１４の機能構成を示すブロック図である。

図２に示すように、摩擦補償器１４は、変化量算出器１０１と、符号算出器１０２と、保存器１０３と、トルク算出器１０４とを備える。

変化量算出器１０１は、入力されたトルク指令２３に基づいて、トルク指令２３の変化量を算出する処理部である。変化量算出器１０１は、トルク指令２３の直前のトルク指令に対する変化量１１１を算出し、符号算出器１０２に出力する。変化量算出器１０１は、例えば演算周期毎のトルク指令２３の差分を取ることによって、変化量１１１を算出できる。

符号算出器１０２は、変化量算出器１０１から入力された変化量１１１に基づいて、変化量符号１１２を算出する処理部である。符号算出器１０２は、変化量１１１が正の値の場合には、変化量符号１１２を１とし、変化量１１１が負の場合には、変化量符号１１２を－１とする。符号算出器１０２は、変化量１１１が０の場合には、変化量符号１１２を、変化量１１１の直前に入力された変化量に対応する変化量符号と同一の値とする。なお、ここで、変化量１１１が０である場合には、変化量１１１が完全に０である場合だけでなく、実質的に０である場合も含まれる。例えば、変化量１１１が十分小さい所定の値未満である場合も、変化量１１１が０である場合に含まれる。

保存器１０３は、静止摩擦トルク１１３の値が保存される記憶部である。ここで、保存器１０３に保存される静止摩擦トルク１１３は、補償後トルク指令３０を徐々に大きくした場合に、モータが動作し始める時の補償後トルク指令３０の値とすればよい。

トルク算出器１０４は、変化量符号１１２及び静止摩擦トルク１１３の積である静止摩擦トルク補償値１１４と、モータ速度２８とに基づいて、摩擦補償トルク指令２９を算出する処理部である。トルク算出器１０４は、モータ速度２８が０の場合には摩擦補償トルク指令２９を静止摩擦トルク補償値１１４とし、モータ速度２８が０以外の場合には摩擦補償トルク指令２９を０とする。これにより、摩擦トルクの補償が必要な場合、つまり、モータ２が停止している場合にだけ摩擦トルクを補償することができる。

なお、ここで、モータ速度２８が０である場合には、モータ速度２８が完全に０である場合だけでなく、実質的に０である場合も含まれる。例えば、モータ速度２８が十分小さい所定の値未満である場合も、モータ速度２８が０である場合に含まれる。

以上のように、本実施の形態における摩擦補償器１４は、トルク指令２３の変化量１１１の符号に応じて、摩擦補償トルク指令２９の符号を切り替える。モータ駆動装置１が摩擦補償器１４を備えることにより、符号を切り替えるだけの簡易な演算によって、後述するように適切に摩擦トルクを補償することができる。

また、摩擦補償器１４が生成する摩擦補償トルク指令２９は、トルク指令２３の変化量１１１が正の場合には正の値であり、トルク指令２３の変化量１１１が負の場合には負の値である。また、摩擦補償器１４が生成する摩擦補償トルク指令２９は、トルク指令２３の変化量１１１が０の場合には、トルク指令２３の直前のトルク指令に基づいて生成された摩擦補償トルク指令である。このように摩擦補償トルク指令２９を生成する場合には、トルク指令２３に対して、摩擦補償トルク指令２９を加算することによって生成された補償後トルク指令３０を用いてモータ電流を制御することで、摩擦トルクを適切に補償することができる。

モータ駆動装置１によるモータ停止時の摩擦トルク補償の効果確認結果について、図面を用いて説明する。

図３は、実施の形態におけるモータ駆動装置１を用いてモータ２を駆動させる場合のトルク指令２３とモータ速度２８との関係を示すグラフである。図３においては、モータ２単体で、外部からの拘束がなく動作する条件でのトルク指令２３とモータ速度２８との関係が示されている。図３において細い実線で示されるグラフは、摩擦補償なしの場合において、モータ駆動装置１のトルク指令２３を０（停止状態）から正方向へ、及び、０（停止状態）から負方向へ変化させたとき（つまり、トルク指令２３に基づいてモータ２を動作させたとき）のモータ速度２８の測定結果を示す。図３において太い実線で示されるグラフは、摩擦補償ありの場合において、モータ駆動装置１のトルク指令２３を０から正方向へ変化させ、その後負方向へ変化させ、さらにその後０へ変化させたときのモータ速度２８の測定結果を示す。

図３に示すように、摩擦トルク補償なしの場合は、トルク指令２３が静止摩擦トルク以上となるまではモータ速度２８が０である。これに対し、摩擦トルク補償ありの場合は、静止摩擦トルクが適切に補償されるため、トルク指令０付近におけるモータ速度の直線性（つまり、トルク指令に対するモータ速度の線形性）が得られていることが分かる。また、トルク指令の増加時と減少時とでモータ速度がほぼ同じとなることから、摩擦トルクのヒステリシス特性を適切に補償できていることが分かる。

続いて、本実施の形態におけるモータ駆動装置１に対するトルク指令２３とモータ出力トルクとの関係について図面を用いて説明する。

図４は、本実施の形態におけるモータ駆動装置１を用いてモータ２の動作を拘束した場合のトルク指令２３とモータ出力トルクとの関係を示すグラフである。図４においては、モータ２が動作しないよう外部からロックした状態におけるトルク指令２３とモータ出力トルクとの関係を示す。図４において細い実線及び太い実線で示されるグラフは、それぞれ、摩擦補償なしの場合、及び、摩擦補償ありの場合における関係を示す。図４に示される各グラフは、トルク指令２３を０から正方向へ変化させ、その後負方向へ変化させ、さらにその後０へ変化させたときのモータ出力トルクの測定結果を示す。なお、本測定においてはトルク指令２３を静止摩擦トルク以下の範囲で変化させている。図４には、トルク指令２３とモータ出力トルクとが等しい理想的な状態を示す直線（理想直線）を破線で示している。

図４に示すように、摩擦トルク補償なしの場合は、トルク指令２３が静止摩擦トルク以下であるため、トルク指令２３に依存せずモータ出力トルクが０である。これに対し、摩擦トルク補償ありの場合は、静止摩擦トルクが適切に補償されるため、モータ出力トルクがトルク指令２３と等しい理想直線（図４の破線）に近い結果となる。これにより、モータ出力トルクの直線性（つまり、トルク指令２３に対するモータ出力トルクの線形性）が得られていることが分かる。また、トルク指令の増加時と減少時とでモータ出力トルクがほぼ同じとなることから、摩擦トルクのヒステリシス特性を適切に補償できていることが分かる。

以上のように、本実施の形態におけるモータ駆動装置１は、トルク指令２３に基づいて、モータ２に流れるモータ電流を制御するモータ駆動装置である。モータ駆動装置１は、トルク指令２３とモータ２のモータ速度２８とに基づいて、モータ２における静止摩擦トルクを補償する摩擦補償トルク指令２９を生成する摩擦補償器１４を備える。摩擦補償器１４は、トルク指令２３の直前のトルク指令に対する変化量の符号に応じて摩擦補償トルク指令２９を生成する。モータ駆動装置１は、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を加算することによって生成された補償後トルク指令３０に基づいてモータ電流を制御する。

モータ駆動装置１によれば、モータ停止時における摩擦トルクの影響を補償し、トルク指令２３どおりのモータ出力トルクを得ることができる。

例えば、摩擦補償器１４は、トルク指令２３の変化量１１１の符号に応じて、摩擦補償トルク指令２９の符号を切り替えてもよい。

モータ駆動装置１が摩擦補償器１４を備えることにより、符号を切り替えるだけの簡易な演算を追加することによって、適切に摩擦トルクを補償することができる。

より具体的には、摩擦補償器１４が生成する摩擦補償トルク指令２９は、トルク指令２３の変化量１１１が正の場合には正の値であり、トルク指令２３の変化量１１１が負の場合には負の値である。摩擦補償器１４が生成する摩擦補償トルク指令２９は、トルク指令２３の変化量１１１が０の場合には、トルク指令２３の直前のトルク指令に基づいて生成された摩擦補償トルク指令である。

このように、摩擦補償トルク指令２９を生成する場合には、トルク指令２３に対して、摩擦補償トルク指令２９を加算することによって生成された補償後トルク指令３０を用いてモータ電流を制御することで、摩擦トルクを適切に補償することができる。

また、摩擦補償器１４が生成する摩擦補償トルク指令２９は、モータ速度２８が０以外の場合には０であってもよい。

これにより、摩擦トルクの補償が必要な場合、つまり、モータ２が停止している場合にだけ、摩擦トルクを補償することができる。

（変形例など）
以上、本開示に係るモータ駆動装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、又は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も、本開示に含まれる。

例えば、実施の形態では、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を加算することによって、補償後トルク指令３０を生成したが、補償後トルク指令３０の生成方法は、これに限定されない。例えば、摩擦補償トルク指令２９の符号を実施の形態と逆にして、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を減算することによって、補償後トルク指令３０を生成してもよい。つまり、モータ駆動装置１は、トルク指令２３に対して摩擦補償トルク指令２９を減算することによって生成された補償後トルク指令３０に基づいて、モータ電流を制御してもよい。

以上のように、本開示に係るモータ駆動装置１では、トルク指令２３の変化量の符号に応じて摩擦補償トルク指令２９の符号を切り替えることで、モータ２の停止時においても摩擦トルクの影響を正しく補償でき、トルク指令２３どおりのモータ出力トルクを得ることができる。このため、本開示に係るモータ駆動装置１は、特に、モータ出力トルクを正確に制御する必要がある加工機などにおいて、有用である。

なお、本開示はトルク制御に限定されるものではなく、位置制御又は速度制御においても摩擦トルクを適切に補償することで、モータ動作の即応性及び位置決め整定性を向上させることができる。また、回転モータに限定されるものではなく、リニアモータにおいても回転系の単位を直動系に置き換えるだけで適用できることはいうまでもない。

１ モータ駆動装置
２ モータ
３ エンコーダ
１２ 電流制御器
１３ 速度検出器
１４ 摩擦補償器
２３ トルク指令
２４ Ｕ相電流
２５ Ｖ相電流
２６ Ｗ相電流
２７ モータ位置
２８ モータ速度
２９ 摩擦補償トルク指令
３０ 補償後トルク指令
１０１ 変化量算出器
１０２ 符号算出器
１０３ 保存器
１０４ トルク算出器
１１１ 変化量
１１２ 変化量符号
１１３ 静止摩擦トルク
１１４ 静止摩擦トルク補償値

Claims (4)

1. トルク指令に基づいて、モータに流れるモータ電流を制御するモータ駆動装置であって、
   前記トルク指令と前記モータのモータ速度とに基づいて、前記モータにおける静止摩擦トルクを補償する摩擦補償トルク指令を生成する摩擦補償器を備え、
   前記摩擦補償器は、前記トルク指令の直前のトルク指令に対する変化量の符号に応じて前記摩擦補償トルク指令を生成し、
   前記モータ駆動装置は、前記トルク指令に対して前記摩擦補償トルク指令を加算又は減算することによって生成された補償後トルク指令に基づいて前記モータ電流を制御する
   モータ駆動装置。
2. 前記摩擦補償器は、前記トルク指令の変化量の符号に応じて、前記摩擦補償トルク指令の符号を切り替える
   請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記摩擦補償トルク指令は、前記トルク指令の変化量が正の場合には正の値であり、前記トルク指令の変化量が負の場合には負の値であり、前記トルク指令の変化量が０の場合には前記トルク指令の前記直前のトルク指令に基づいて生成された前記摩擦補償トルク指令である
   請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記摩擦補償トルク指令は、前記モータ速度が０以外の場合には０である
   請求項１又は請求項２に記載のモータ駆動装置。

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