JP6560631B2 - モータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、パルス幅変調によりモータを駆動するモータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御プログラムに関する。

従来、工作機械等を駆動するモータにおいては、回転量、速度又はトルク等が制御されている。モータの制御装置は、モータからの各種のフィードバック値に基づいて電圧指令値を決定し、パルス幅変調（ＰＷＭ； Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式によって変調した電圧をモータの巻線に印加することによって、モータを駆動制御している。

このようなモータでは、加減速時に最大限の電流が用いられるが、継続的な使用によるオーバーヒートを防ぐために、電流の制限値が設けられている。すなわち、モータに流れる電流は、モータの温度が高くなるほど低い値に制限される。
また、ＰＷＭ制御においては、パルス信号の周波数（ＰＷＭ周波数）を高くすることによっても、モータの発熱が低減されることが知られている。

一方、ＰＷＭ周波数が高くなると、アンプを構成するインバータにおいてスイッチング素子のオンオフの周期が短くなるため、アンプの発熱が増大してしまう。
そこで、モータの温度が低い場合には、ＰＷＭ周波数を下げることによりアンプ側の温度を低減させる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１８９１８１号公報

しかしながら、アンプの保護のためにＰＷＭ周波数を下げることは、モータ温度を上昇させる要因となってしまう。これに対して、モータ及びアンプの温度を監視することによりＰＷＭ周波数を調整する場合、両温度のバランスを取る処理が煩雑になるため、モータ及びアンプの温度を適切に制御することが難しかった。

本発明は、アンプを保護しつつモータの温度上昇を適切に抑制できるモータ制御装置、モータ制御方法及びモータ制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係るモータ制御装置（例えば、後述のモータ制御装置１）は、パルス幅変調によりモータ（例えば、後述のモータ３）を駆動するモータ制御装置であって、前記モータの温度を取得する温度取得部（例えば、後述の温度取得部１１）と、前記温度に基づいて、前記モータを駆動する電流の制限値を決定する制限値決定部（例えば、後述の制限値決定部１２）と、前記制限値に基づいて、アンプ（例えば、後述のアンプ２）で発生させるＰＷＭ周波数を決定する周波数決定部（例えば、後述の周波数決定部１３）と、を備える。

前記周波数決定部は、前記制限値と所定の値とを比較し、前記制限値が前記所定の値未満の場合に、前記所定の値以上の場合よりも高い周波数に決定してもよい。

前記所定の値は、複数のＰＷＭ周波数それぞれに対応して設定される前記アンプの許容電流値であってもよい。

本発明に係るモータ制御方法は、パルス幅変調によりモータを駆動するモータ制御方法であって、前記モータの温度を取得する温度取得ステップと、前記温度に基づいて、前記モータを駆動する電流の制限値を決定する制限値決定ステップと、前記制限値に基づいて、アンプで発生させるＰＷＭ周波数を決定する周波数決定ステップと、をコンピュータが実行する。

本発明に係るモータ制御プログラムは、パルス幅変調によりモータを駆動するためのモータ制御プログラムであって、前記モータの温度を取得する温度取得ステップと、前記温度に基づいて、前記モータを駆動する電流の制限値を決定する制限値決定ステップと、前記制限値に基づいて、アンプで発生させるＰＷＭ周波数を決定する周波数決定ステップと、をコンピュータに実行させる。

本発明によれば、アンプを保護しつつモータの温度上昇を適切に抑制できる。

実施形態に係る制御システム全体の構成を示す図である。 実施形態に係るモータ温度と電流の制限値との関係を示すグラフである。 実施形態に係る電流の許容値とＰＷＭ周波数との関係を示す図である。 実施形態に係るモータ制御装置における処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るモータ制御装置１を含む制御システム全体の構成を示す図である。
本実施形態では、工作機械における主軸用のモータ３を、モータ制御装置１によりアンプ２を介して駆動する。なお、モータ３は、主軸用のスピンドルモータには限られず、本実施形態の手法は、加減速時の温度上昇を抑制する課題を有する各種モータに適用可能である。

モータ制御装置１は、モータ３の回転速度を制御するために、モータ３からのフィードバック情報に基づいて、アンプ２に対してＰＷＭ周波数及び電圧値を指令する。
アンプ２は、指令された電圧値をスイッチング素子によりパルス信号に変換してモータ３に印加することにより、モータ３の電流を制御する。
モータ３は、アンプから供給される電流により主軸を回転させ、回転速度等をモータ制御装置１にフィードバックする。さらに、本実施形態では、モータの巻線に取り付けられたセンサにより計測された温度データを、モータ制御装置１へ提供する。

モータ制御装置１は、温度取得部１１と、制限値決定部１２と、周波数決定部１３とを備える。これらの機能部は、記憶部に格納された所定のソフトウェア（モータ制御プログラム）が制御部（ＣＰＵ）により実行されることにより実現される。

温度取得部１１は、モータ３の温度を取得する。具体的には、温度取得部１１は、モータ３における巻線の温度をセンサから取得する。なお、温度の取得手段はこれには限られず、同等の温度を取得、又は同等の温度に換算可能な位置に温度センサが設けられてもよい。

制限値決定部１２は、温度取得部１１により取得された温度に基づいて、モータ３を駆動する電流の制限値を決定する。
この制限値は、モータ３を加減速させるときの最大電流値である。モータ３は、通常では最大電流により加速及び減速が行われるため、このときにモータ３の温度上昇が起こりやすい。このため、温度が高くなるに応じて電流の制限値が低く設定される。

周波数決定部１３は、制限値決定部１２により決定された制限値に基づいて、アンプ２で発生させるＰＷＭ周波数を決定する。
具体的には、周波数決定部１３は、電流の制限値と所定の値とを比較し、制限値が所定の値未満の場合に、所定の値以上の場合よりも高い周波数に決定する。

ここで、所定の値は、複数のＰＷＭ周波数それぞれに対応して設定されるアンプ２の許容電流値である。すなわち、周波数決定部１３は、電流の制限値と、２つのＰＷＭ周波数のうち高い方の周波数に対して設定されている許容電流値とを比較した結果、制限値が許容電流値未満に低下した場合に、モータ３の温度上昇を抑制するためにＰＷＭ周波数を高い方に切り替える。また、周波数決定部１３は、比較の結果、制限値が許容電流値以上に上昇した場合に、アンプ２を保護するためにＰＷＭ周波数を低い方に切り替える。

図２は、本実施形態に係るモータ温度と電流の制限値との関係を示すグラフである。
電流の制限値は、モータ３のオーバーヒートを防ぐために、高温になるに従って低く設定される。例えば、制限値は、所定の温度Ｔ１まで電流値Ｘ（１００％の出力）が維持され、温度Ｔ１を超えると、温度Ｔ１との差分に応じて線型に低下する。

制限値決定部１２は、このような電流の制限値を、所定の関数演算により算出してよい。あるいは、温度と制限値との関係を定義したデータを予め記憶しておき、制限値決定部１２は、このデータを参照することにより制限値を抽出又は補間して決定してもよい。

２種類のＰＷＭ周波数が設定可能な場合、通常の低温時には、低周波側のＰＷＭ周波数（通常ＰＷＭ）が用いられる。
モータ３が継続して使用され、温度がＴ１を超えて上昇した場合、電流の制限値は低下する。このとき、さらに高周波側のＰＷＭ周波数（高速ＰＷＭ）を用いることで温度上昇を抑制できるが、アンプ２を保護するために、電流の許容値Ａが存在する。この許容値Ａは、高速ＰＷＭを用いる場合に許容される最大電流値であり、許容値Ａを超える電流値で高速ＰＷＭに切り替えるべきでない。
そこで、モータ３の電流の制限値が許容値より低下すると高速ＰＷＭに切り替えられ、許容値以上に回復すると、通常ＰＷＭに再度切り替えられる。

図３は、本実施形態に係るアンプ２における電流の許容値とＰＷＭ周波数との関係を示す図である。
本実施形態において決定されるＰＷＭ周波数は、２種類に限られず、２種類以上の複数のＰＷＭ周波数が用いられてよい。

図３（ａ）は、２種類のＰＷＭ周波数が切り替えて使用される場合を示している。
高周波側のＰＷＭ周波数ω２（＞ω１）のときのアンプ２における電流の許容値Ａ２に対して、モータ３における電流の制限値が低い場合はＰＷＭ周波数ω２が、高い場合はＰＷＭ周波数ω１が選択される。

図３（ｂ）は、３種類のＰＷＭ周波数が切り替えて使用される場合を示している。
低周波側から順にω１＜ω２＜ω３のＰＷＭ周波数が用意されている場合、ＰＷＭ周波数ω３に対してアンプ２における電流の許容値Ａ３が、ＰＷＭ周波数ω２に対して許容値Ａ２が、それぞれ設定されている。
これらの許容値Ａ２及びＡ３を境界にして、モータ３における電流の制限値がＡ３未満の場合にＰＷＭ周波数ω３が、Ａ３以上Ａ２未満の場合にＰＷＭ周波数ω２が、Ａ２以上の場合にＰＷＭ周波数ω１が選択される。

図４は、本実施形態に係るモータ制御装置１における処理を示すフローチャートである。
本処理は、モータ制御装置１の制御部において、モータ３を駆動している間、連続して、又は所定の周期で繰り返し実行される。
なお、本処理では、２種類のＰＷＭ周波数のいずれかが条件に応じて選択される。

ステップＳ１において、温度取得部１１は、モータ３の巻線の温度をセンサから取得する。

ステップＳ２において、制限値決定部１２は、ステップＳ１で取得した巻線の温度と所定の温度（図２の温度Ｔ１）との差を算出する。

ステップＳ３において、制限値決定部１２は、ステップＳ２で算出した温度の差分に基づいて、モータ３における電流の制限値を算出する。

ステップＳ４において、周波数決定部１３は、ステップＳ３で算出した電流の制限値が高周波側のＰＷＭ周波数でのアンプ２における電流の許容値より小さいか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合、処理はステップＳ５に移り、判定がＮＯの場合、処理はステップＳ６に移る。

ステップＳ５において、周波数決定部１３は、アンプ２に流れる電流が最大（制限値）でも高速ＰＷＭでの許容値を下回るので、ＰＷＭ周波数を高周波側に設定する。

ステップＳ６において、周波数決定部１３は、アンプ２に流れる電流が高速ＰＷＭでの許容値を超える場合があるので、ＰＷＭ周波数を低周波側に設定する。

以上のように、本実施形態によれば、モータ制御装置１は、モータの温度に基づく電流の制限値に基づいて、アンプ２で発生させるＰＷＭ周波数を決定する。したがって、モータ制御装置１は、電流値に基づいてアンプ２を保護できる適切なＰＷＭ周波数を決定できるので、アンプ２を保護しつつモータ３の温度上昇を適切に抑制できる。

また、モータ制御装置１は、電流の制限値を所定の値と比較することによりＰＷＭ周波数を高周波又は低周波を決定するので、アンプ２を保護できる範囲で、モータ３の温度上昇を抑制する適切なＰＷＭ周波数を容易に決定できる。

また、モータ制御装置１は、ＰＷＭ周波数毎に設定されるアンプ２における電流の許容値を閾値として用いるので、アンプ２を保護できる範囲の適切なＰＷＭ周波数を決定できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本実施形態では、ＰＷＭ周波数は、複数の周波数から選択されたが、周波数の決定方法はこれに限られない。例えば、算出された電流の制限値に基づく所定の演算により周波数が決定されてもよい。

モータ制御装置１による制御方法は、ソフトウェアにより実現される。ソフトウェアによって実現される場合には、このソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータ（モータ制御装置１）にインストールされる。また、これらのプログラムは、リムーバブルメディアに記録されてユーザに配布されてもよいし、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。さらに、これらのプログラムは、ダウンロードされることなくネットワークを介したＷｅｂサービスとしてユーザのコンピュータ（モータ制御装置１）に提供されてもよい。

１ モータ制御装置
２ アンプ
３ モータ
１１ 温度取得部
１２ 制限値決定部
１３ 周波数決定部

Claims (4)

1. パルス幅変調によりモータを駆動するモータ制御装置であって、
   前記モータの温度を取得する温度取得部と、
   前記モータを駆動する電流による当該モータのオーバーヒートを防ぐため、前記モータの温度が高くなるに応じて当該電流の制限値を低く決定する制限値決定部と、
   決定された前記制限値に基づいて、電流が当該制限値に達した場合の発熱からアンプを保護するために、当該アンプの温度を監視せずに当該アンプで発生させるＰＷＭ周波数を決定する周波数決定部と、を備え、
   前記周波数決定部は、前記制限値と所定の値とを比較し、前記制限値が前記所定の値未満の場合に、前記所定の値以上の場合よりも高い周波数に決定するモータ制御装置。
2. 前記所定の値は、複数のＰＷＭ周波数の降順の並びのうち、隣り合った組み合わせの高周波側の周波数それぞれに対応して設定される前記アンプの許容電流値である請求項１に記載のモータ制御装置。
3. パルス幅変調によりモータを駆動するモータ制御方法であって、
   前記モータの温度を取得する温度取得ステップと、
   前記モータを駆動する電流による当該モータのオーバーヒートを防ぐため、前記モータの温度が高くなるに応じて当該電流の制限値を低く決定する制限値決定ステップと、
   決定された前記制限値に基づいて、電流が当該制限値に達した場合の発熱からアンプを保護するために、当該アンプの温度を監視せずに当該アンプで発生させるＰＷＭ周波数を決定する周波数決定ステップと、をコンピュータが実行し、
   前記周波数決定ステップにおいて、前記制限値と所定の値とを比較し、前記制限値が前記所定の値未満の場合に、前記所定の値以上の場合よりも高い周波数に決定するモータ制御方法。
4. パルス幅変調によりモータを駆動するためのモータ制御プログラムであって、
   前記モータの温度を取得する温度取得ステップと、
   前記モータを駆動する電流による当該モータのオーバーヒートを防ぐため、前記モータの温度が高くなるに応じて当該電流の制限値を低く決定する制限値決定ステップと、
   決定された前記制限値に基づいて、電流が当該制限値に達した場合の発熱からアンプを保護するために、当該アンプの温度を監視せずに当該アンプで発生させるＰＷＭ周波数を決定する周波数決定ステップと、をコンピュータに実行させ、
   前記周波数決定ステップにおいて、前記制限値と所定の値とを比較させ、前記制限値が前記所定の値未満の場合に、前記所定の値以上の場合よりも高い周波数に決定させるためのモータ制御プログラム。

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