检测是否发生了不可逆减磁的控制装置

摘要

本发明提供一种检测是否发生了不可逆减磁的控制装置。推定转矩常数计算部，根据从跨越正弦波状指令信号的多个周期的同一动作状态下的多个电流值和多个加速度值取得的电流代表值以及加速度代表值、和与永久磁铁同步电动机关联的预先设定的惯量，来计算与永久磁铁同步电动机关联的推定转矩常数。减磁检测部，根据推定转矩常数和与永久磁铁同步电动机关联的预先设定的转矩常数的差分，来检测是否在永久磁铁同步电动机的永久磁铁中发生了不可逆减磁。

说明书

技术领域

本发明涉及检测是否发生了在机床等中使工件或刀具那样的被驱动体进 行动作的永久磁铁同步电动机的永久磁铁的不可逆减磁的控制装置。

背景技术

以往，在定子和转子中的某一方中设置了永久磁铁的旋转型伺服电动机、 在定子和滑块（slider）中的某一方中设置了永久磁铁的线性伺服电动机、在 定子和振动器（vibrator）中的某一方中设置了永久磁铁的振动型伺服电动机 等永久磁铁同步电动机在各种领域被广泛利用。

在永久磁铁同步电动机中，有时由于永久磁铁同步电动机的永久磁铁的异 常的温度上升、在永久磁铁同步电动机的线圈中流过的异常的驱动电流等原因 导致在永久磁铁同步电动机的永久磁铁中发生不可逆减磁。

在这种情况下，永久磁铁同步电动机无法生成预定的转矩，因此，通过永 久磁铁同步电动机驱动而进行动作的被驱动体的实际的移动轨迹偏离通过 CNC（数值控制装置）等上位控制装置指示的被驱动体的移动轨迹，引起轨迹 精度的恶化，根据情形有可能引起被驱动体的损坏。

因此，为了避免由于永久磁铁同步电动机的永久磁铁的不可逆减磁引起的 加减速能力的降低所导致的轨迹精度的恶化，或者根据情形避免被驱动体的损 坏，需要检测是否发生了永久磁铁同步电动机的永久磁铁的不可逆减磁。

以往，例如在日本特许第3857425号公报（JP3857425B2）中提出一种控 制装置，其为了检测永久磁铁同步电动机的永久磁铁的不可逆减磁，针对基于 永久磁铁同步电动机的转子的旋转角度而检测出的每个磁极位置，比较永久磁 铁同步电动机的被驱动体的计算惯量和永久磁铁同步电动机中固有的既定惯 量，来确定发生了减磁的永久磁铁的位置。

但是，在现有的控制装置中，针对永久磁铁的每个位置比较计算惯量和既 定惯量，因此，需要使永久磁铁同步电动机的转子至少旋转一个电气角以上。 因此，如在机床等中使用永久磁铁同步电动机使被驱动物进行圆弧运动的情况 那样，永久磁铁同步电动机的驱动轴的动作范围受限制，无法使永久磁铁同步 电动机的转子旋转一个电气角以上时，无法确定永久磁铁同步电动机的永久磁 铁的不可逆减磁的位置。另外，在现有的控制装置中，通过推定惯量来间接地 检测减磁。在这种情况下，通过用检测加速度除转矩常数和检测电流的积来进 行计算，但是，一般根据速度的差分来求出加速度，因此，容易混入噪声，容 易包含除法运算导致的误差。因此，有时在加速度小的情况下，运算精度较大 恶化。

发明内容

作为本发明的一个方式，提供一种在永久磁铁同步电动机的驱动轴的动作 范围受限制的情况下，也能够适当地检测是否发生了永久磁铁同步电动机的永 久磁铁的不可逆减磁的控制装置。并且，通过推定转矩常数直接地检测减磁。 在这种情况下，通过用检测电流除惯量和检测加速度的积来求出，因此，难以 包含除法运算导致的误差，从而可以提供精度优良的控制装置。

根据本发明的一个方式，控制装置具备：正弦波状指令信号生成部，其生 成与对于永久磁铁同步电动机的位置指令信号、速度指令信号以及转矩指令信 号中的某一个指令信号对应的正弦波状指令信号；电流值取得部，其取得在永 久磁铁同步电动机中流过的电流值；加速度值取得部，其取得永久磁铁同步电 动机的加速度值；推定转矩常数计算部，其根据从跨越正弦波状指令信号的多 个周期的同一动作状态下的多个电流值和多个所述加速度值取得的电流代表 值以及加速度代表值、和与永久磁铁同步电动机关联的预先设定的惯量，计算 与永久磁铁同步电动机关联的推定转矩常数；以及减磁检测部，其根据推定转 矩常数和与永久磁铁同步电动机关联的预先设定的转矩常数的差分，来检测是 否在永久磁铁同步电动机的永久磁铁中发生了不可逆减磁。

根据本发明的一个方式，优选控制装置还具备：摩擦计算部，其计算与永 久磁铁同步电动机的速度值或者速度的极性对应的摩擦；以及修正电流值生成 部，其生成根据摩擦修正所述电流值所得的修正电流值。

根据本发明的一个方式，优选控制装置还具备去除在永久磁铁同步电动机 中流过的电流值的偏移成分的偏移成分去除部。

优选减磁检测部将差分和多个减磁水平进行比较，为了在永久磁铁同步电 动机的永久磁铁中发生了不可逆减磁的情况下生成报警或限制永久磁铁同步 电动机的动作，而输出差分和所述多个减磁水平的比较结果。

优选减磁检测部具有根据推定转矩常数以及预先设定的转矩常数来计算 永久磁铁同步电动机的转矩常数的减少率，并根据减少率变更永久磁铁同步电 动机的速度增益的减少率计算以及速度增益变更部。

根据本发明的一个方式，根据从跨越正弦波状指令信号的多个周期的同一 动作状态下的多个电流值和多个加速度值取得的电流代表值以及加速度代表 值、和与永久磁铁同步电动机关联的预先设定的惯量，来计算与永久磁铁同步 电动机关联的推定转矩常数，根据推定转矩常数和与永久磁铁同步电动机关联 的预先设定的转矩常数的差分，来检测是否在所述永久磁铁同步电动机的永久 磁铁中发生了不可逆减磁。由此，永久磁铁同步电动机在推定转矩常数计算时 在短时间进行与正弦波状指令信号对应的周期性的动作，因此，能够缩小推定 转矩常数计算时的永久磁铁同步电动机的动作范围。由于可以如此缩小永久磁 铁同步电动机的动作范围，因此无需使永久磁铁同步电动机的转子旋转一个电 气角以上。因此，在永久磁铁同步电动机的驱动轴的动作范围被限制的情况下， 也能够适当地检测永久磁铁同步电动机的转子的磁铁的不可逆减磁。

附图说明

通过与附图关联的以下的实施方式的说明，能够进一步明了本发明的目 的、特征以及优点。在该附图中，

图1是具有本发明第一实施方式的控制装置的系统的框图。

图2是本发明第一实施方式的控制装置的动作的流程图。

图3是具有本发明第二实施方式的控制装置的系统的框图。

图4是具有本发明第三实施方式的控制装置的系统的框图。

具体实施方式

参照附图说明本发明的控制装置的实施方式。此外，在附图中对相同结构 要素赋予相同符号。

参照附图，图1是具有本发明的第一实施方式的控制装置的系统的框图。 在图1中，控制装置1根据来自与控制装置1连接的CNC（数值控制装置） 等上位控制装置2的与作业工序对应的指令信号，来控制永久磁铁同步电动机 3的位置、速度、转矩等。通过控制装置1的控制，与永久磁铁同步电动机3 连接的工作台、机械臂、可拆卸地安装在它们上的工件等被驱动体4进行预定 的运动（例如圆弧运动）。

控制装置1为了控制永久磁铁同步电动机3的位置、速度、转矩等而设置 检测永久磁铁同步电动机3的速度（旋转速度）并将检测出的速度供给控制装 置1的检测器5。例如将检测器5设为用于生成与永久磁铁同步电动机3的速 度成比例的脉冲的编码器。

永久磁铁同步电动机3例如是用于改变在机床中保持工件的工作台的位 置或姿势的电动机，还可以是使机器人的机械臂进行旋转操作的电动机等。在 本实施方式中，将永久磁铁同步电动机3设为旋转型伺服电动机，其具有：具 有安装了检测器5的旋转轴31的转子32、和以包围转子32的方式配置的定 子33。

转子32具有以90°间隔配置的四个永久磁铁34a、34b、34c、34d。以如 下方式配置永久磁铁34a、34b、34c、34d：定子33侧的端部相对于转子32 的旋转方向互相以90°逐一远离，并且永久磁铁34a、34b、34c、34d的外侧 的端部交替地成为N极、S极、N极以及S极。

定子33以120°间隔配置，具有分别被供给U相、V相以及W相的交流 电流的三个线圈35u、35v、35w。因此，永久磁铁同步电动机3作为三相同步 电动机发挥作用。

根据本实施方式，控制装置1如后面详细说明那样，检测是否在永久磁铁 34a、34b、34c、34d中发生了不可逆减磁，将是否发生了不可逆减磁的检测 结果输出到上位控制装置2，在永久磁铁34a、34b、34c、34d中发生了不可 逆减磁的情况下，上位控制装置2生成报警或者限制永久磁铁同步电动机3 的动作。此外，在本实施方式中，如后面详细说明那样，上位控制装置2为了 生成报警而使LED等的灯6点亮，使永久磁铁同步电动机3的动作停止。

控制装置1具备：位置控制部11、速度控制部12、加法器13、电流控制 部14、放大器15、正弦波指令信号频率设定部16、正弦波指令信号生成部17、 电流值取得部18、速度值取得部19、采样数据存储部20、加速度取得部21、 既定数据存储部22、推定转矩常数计算部23以及减磁检测部24。

此外，为了方便而表示了控制装置1的各部以及上位控制装置2分别为不 同的结构，但是，也可以不与不同的硬件对应，可以通过不具有各部间的明确 的划分的硬件来实现，还可以通过软件来实现。此外，在通过软件实现的情况 下，可以将各部构成为不同的软件部分，但也可以通过不具有各部间的明确划 分的软件来实现。

位置控制部11根据设定的位置增益进行与来自上位控制装置2的位置指 令信号、和通过对来自检测器5的速度反馈信号进行积分而生成的位置的反馈 信号对应的动作。速度控制部12根据设定的速度增益进行与来自位置控制部 11的速度指令信号、和来自检测器5的速度的反馈信号对应的动作。加法器 13将输入到一方的输入部的来自速度控制部12的转矩指令信号、和输入的另 一方的输入部的后述的正弦波状指令信号相加，并将加法器13的输出信号供 给电流控制部14。

电流控制部14进行与加法器13的输出信号和来自放大器15的电流的反 馈信号对应的动作。放大器15根据输入到放大器15的电流控制部14的输出 信号，控制对永久磁铁同步电动机3的供给电力。在本实施方式中，所谓电流 的反馈信号，是指对作为三相同步电动机来发挥作用的永久磁铁同步电动机3 的三相电流反馈进行采样，使用通过检测器5取得的相位信息从三相交流电流 值向两相交流电流值进行dp变换的结果的有效电流即q相电流反馈。

正弦波状指令信号频率设定部16将正弦波状指令信号生成部17生成的正 弦波状指令信号的频率设定为预定的频率（例如10Hz）。正弦波状指令信号生 成部17将具有通过正弦波状指令信号频率设定部16设定的频率的正弦波状指 令信号供给加法器13的另一方的输入部。

电流值取得部18，将来自放大器15的电流反馈的信号作为电流值，以预 定的采样周期T（例如T=10毫秒）来取得，并作为电流反馈值存储在采样数 据存储部20中。速度值取得部19将来自检测器5的速度反馈的信号作为速度 值，以预定的采样周期T（例如T=10毫秒）来取得，并作为速度反馈值存储 在采样数据存储部20中。

加速度值取得部21根据在采样数据存储部20中存储的速度反馈值来计算 加速度值，并将计算出的加速度值存储在采样数据存储部20中。在本实施方 式中，加速度值取得部21根据在此次的采样中取得的速度反馈值v（n）和在 上次的采样中取得的速度反馈值v（n-1）的差分来计算加速度值a＝（v（n）- v（n-1））/T。

在既定数据存储部22中存储：成为用于检测是否在永久磁铁34a、34b、 34c、34d中发生了不可逆减磁的基准的至少一个减磁水平；与永久磁铁同步 电动机3关联的预先设定的转矩常数，即永久磁铁同步电动机3的实际的转矩 常数或者安装了被驱动体4的永久磁铁同步电动机3的实际的转矩常数；与永 久磁铁同步电动机3关联的预先设定的惯量，即永久磁铁同步电动机3的实际 的惯量或相当于永久磁铁同步电动机3的实际的惯量和被驱动体4的实际的惯 量的和的惯量。

在本实施方式中，在既定数据存储部22中存储：减磁水平1；比减磁水 平1低的减磁水平2；安装了被驱动体4的永久磁铁同步电动机3的实际的转 矩常数Kt；相当于永久磁铁同步电动机3的实际的惯量和被驱动体4的实际 的惯量的和的惯量J。

推定转矩常数计算部23，针对通过正弦波状指令信号生成部17生成的正 弦波状指令波形的数周期量（例如20周期量），提取在采样数据存储部20中 存储的电流反馈值的最大值以及最小值。即，根据正弦波状指令信号使转矩指 令信号值周期性地变动，由此，针对每个正弦波状指令信号的周期，在电流反 馈值中生成最大峰以及最小峰，因此，推定转矩常数计算部23提取最大峰的 值以及最小峰的值。

在提取出电流反馈值的最大值以及最小值后，推定转矩常数计算部23求 出电流反馈值的最大值的平均值即平均Imax、以及电流反馈值的最小值的平 均值即平均Imin。然后，推定转矩常数计算部23求出取电流反馈值的最大值 的绝对值以及电流反馈值的最小值的绝对值的平均而得的平均电流I作为电流 代表值。因此，平均电流I为（|平均Imax|+|平均Imin|）/2。

同样，推定转矩常数计算部23针对通过正弦波状指令信号生成部17生成 的正弦波状指令波形的数周期量（例如20周期量），提取在采样数据存储部 20中存储的加速度值的最大值以及最小值。即，根据正弦波状指令信号使转 矩指令信号值周期性地变动，由此，针对每个正弦波状指令信号的周期，在加 速度值中生成最大峰以及最小峰，因此，推定转矩常数计算部23提取最大峰 的值以及最小峰的值。

在提取出加速度值的最大值以及最小值后，推定转矩常数计算部23求出 加速度值的最大值的平均值即平均Amax、以及加速度值的最小值的平均值即 平均Amin。然后，推定转矩常数计算部23求出取加速度值的最大值的绝对值 以及加速度值的最小值的绝对值的平均而得的平均加速度a’作为加速度代表 值。因此，平均加速度a’为（|平均Amax|+|平均Amin|）/2。

此外，因为提取出与正弦波状指令信号对应的电流反馈值以及加速度值， 所以在从速度控制部12输出的转矩指令信号不是零的情况下，推定转矩常数 计算部23修正其影响量。

在求出平均电流I以及平均加速度a’后，推定转矩常数计算部23根据公 式Ks=J·a’/I来求出推定转矩常数Ks。然后，减磁检测部24求出推定转矩常 数Ks和实际的转矩常数Kt的差分，判断推定转矩常数Ks与实际的转矩常数 Kt的差分是否大于减磁水平1、以及推定转矩常数Ks与实际的转矩常数Kt 的差分是否大于减磁水平2。

在推定转矩常数Ks与实际的转矩常数Kt的差分大于减磁水平1的情况 下，减磁检测部24将推定转矩常数Ks与实际的转矩常数Kt的差分大于减磁 水平1的意思的信息作为比较结果，供给上位控制装置2，上位控制装置2限 制永久磁铁同步电动机3的动作。在本实施方式中，在推定转矩常数Ks与实 际的转矩常数Kt的差分大于减磁水平1的情况下，上位控制装置2关断放大 器15的电源，使永久磁铁同步电动机3的动作停止。

在推定转矩常数Ks与实际的转矩常数Kt的差分小于减磁水平1但大于 减磁水平2的情况下，减磁检测部24将推定转矩常数Ks与实际的转矩常数 Kt的差分小于减磁水平1但大于减磁水平2的意思的信息作为比较结果，供 给上位控制装置2，上位控制装置2生成报警。在本实施方式中，在推定转矩 常数Ks与实际的转矩常数Kt的差分小于减磁水平1但大于减磁水平2的情 况下，上位控制装置2使灯6点亮。

图2是本发明的第一实施方式的控制装置的动作的流程图。该流程图在控 制装置1接收到来自上位控制装置2的减磁检测处理的启动指令信号后被执 行。

在步骤S1中，正弦波状指令信号生成部17生成正弦波状指令信号。然后， 在步骤S2中，电流值取得部18取得电流反馈的信号作为电流值，并且速度值 取得部19取得速度反馈的信号作为速度值。

然后，在步骤S3中，推定转矩常数计算部23判断是否经过了所指定的周 期T。在没有经过所指定的周期T的情况下，返回步骤S2。与此相对，在经 过了所指定的周期T的情况下，在步骤S4中，推定转矩常数计算部23取得 作为电流代表值的平均电流I以及作为加速度代表值的平均加速度a’，从跨越 作为正弦波状指令信号的多个周期的周期T的同一动作状态（例如，被驱动 体4的圆弧运动）下的多个电流值和多个加速度值中取得该平均电流I以及平 均加速度a’。

然后，在步骤S5中，推定转矩常数计算部23根据公式Ks=J·a’/I求出推 定转矩常数Ks。然后，在步骤S6中，减磁检测部24判断推定转矩常数Ks 和实际的转矩常数Kt的差分是否大于减磁水平1。

在推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分大于减磁水平1的情况 下，在步骤S7中，减磁检测部24将推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt 的差分大于减磁水平1的意思的信息作为比较结果，供给上位控制装置2，上 位控制装置2关断放大器15的电源，使永久磁铁同步电动机3的动作停止， 结束处理。

在推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分为减磁水平1以下的情 况下，在步骤S8中，减磁检测部24判断推定转矩常数Ks和实际的转矩常数 Kt的差分是否大于减磁水平2。在推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的 差分大于减磁水平2的情况下，在步骤S9中，减磁检测部24将推定转矩常数 Ks和实际的转矩常数Kt的差分小于减磁水平1但大于减磁水平2的意思的信 息作为比较结果，供给上位控制装置2，上位控制装置2使灯6点亮，结束处 理。此外，在推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分为减磁水平2以 下的情况下，直接结束处理。

根据本实施方式，永久磁铁同步电动机3在推定转矩常数计算时，短时间 进行与正弦波状指令信号对应的周期性的动作，因此，能够缩小推定转矩常数 计算时的永久磁铁同步电动机3的动作范围。由于能够如此缩小永久磁铁同步 电动机3的动作范围，因此无需使转子32进行一次以上旋转。因此，即使如 圆弧动作那样限制了驱动轴31的动作范围的情况下，也能够适当地检测磁铁 34a、34b、34c、34d的不可逆减磁。

此外，因为使用了跨越多个周期的电流反馈的信号以及速度反馈的信号， 所以能够通过多个周期间的平均化来减轻噪声的影响。进而，能够通过设定多 个减磁水平来采取与减磁水平对应的对策，因此安全性提高。

图3是具有本发明第二实施方式的控制装置的系统的框图。在图3中，控 制装置1’除了图1的控制装置1的结构要素以外，还具备摩擦计算部25、修 正电流值生成部26和偏移成分去除部27。

摩擦计算部25计算与通过速度值取得部19取得的速度值或者速度的极性 对应的摩擦（粘性摩擦以及库伦摩擦）。修正电流值生成部26根据通过摩擦计 算部25计算出的摩擦，对通过电流值取得部18取得的电流值进行修正，生成 修正电流值。偏移成分去除部27去除通过修正电流值生成部26生成的修正电 流值的偏移成分。此外，偏移成分去除部27例如由高通滤波器构成。

此外，通过图2的流程图的步骤S4来进行摩擦计算部25的摩擦的计算、 修正电流值生成部26的修正电流值的生成以及偏移成分去除部27的修正电流 值的偏移成分的去除。

当在永久磁铁同步电动机3上施加重力等恒定的力时，在流过永久磁铁同 步电动机3的电流值中生成偏移成分，但是，根据本实施方式，通过偏移成分 去除部27去除电流值的偏移成分，由此，推定转矩常数计算部23的推定转矩 常数Ks的计算精度提高。此外，根据本实施方式，根据通过摩擦计算部25 计算出的摩擦对通过电流值取得部18取得的电流值进行了修正，因此，推定 转矩常数计算部23的推定转矩常数Ks的计算精度进一步提高。

图4是具有本发明的第三实施方式的控制装置的系统的框图。在图4中， 控制装置1”除了图1的控制装置1的结构要素以外，还具备减少率计算以及 速度增益变更部28。

减少率计算以及速度增益变更部28根据公式σ=Ks/Kt来计算减少率σ， 基于减少率σ来变更永久磁铁同步电动机3的速度增益。例如，减少率计算以 及速度增益变更部28分别根据公式K1=K1/σ以及K2=K2/σ来变更速度积分 增益K1以及速度比例增益K2。

此外，减少率计算以及速度增益变更部28的减少率σ的计算以及速度增 益的变更，通过图2的流程图的步骤S9进行。

根据本实施方式，在推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分比较 小的情况下，例如在推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分小于减磁 水平1但大于减磁水平2的情况下，变更速度增益，由此能够稳定永久磁铁同 步电动机3的动作。因为速度增益与实际的转矩常数Kt成反比，所以在推定 转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分比较小的情况下，增大速度增益使 其与推定转矩常数Ks和实际的转矩常数Kt的差分成反比，由此能够稳定永 久磁铁同步电动机3的动作。

本发明并不限于上述实施方式，能够进行多种变更以及变形。例如，在上 述实施方式中，作为永久磁铁同步电动机3，说明了使用在转子32中设置了 永久磁铁34a、34b、34c、34d的旋转型伺服电动机的情况，但是，作为永久 磁铁同步电动机3也可以使用在定子中设置了永久磁铁的旋转型伺服电动机、 在定子和滑块中的某一方中设置了永久磁铁的线性伺服电动机、在定子和振动 器中的某一方中设置了永久磁铁的振动型伺服电动机等。

此外，在上述实施方式中，说明了对转矩指令信号相加正弦波状指令信号 的情况，但是，可以代替对转矩指令信号相加正弦波状指令信号而对位置指令 信号或速度指令信号相加正弦波状指令信号。此外，在包含永久磁铁同步电动 机3在内的被驱动体的刚性高的情况下，优选对转矩指令信号相加正弦波状指 令信号，在这种情况下，能够提高转矩指令信号的频率。若能够提高频率，则 能够获得大的加速度，因此精度提高，此外，能够减小转子的旋转角度，进而 能够缩短推定时间。另一方面，在刚性低的情况下，由于间隙（back lash）、 弹簧等的空程的影响，推定精度恶化。因此，需要降低信号频率，但是，若降 低信号频率，则由于速度控制、位置控制的影响而无法得到充分的加速。在这 种情况下，优选对位置指令信号或速度指令信号相加正弦波状指令信号。

此外，在上述实施方式中，说明了将在多个周期间对正弦波状指令信号的 每个周期的电流反馈值的最大值的绝对值以及电流反馈值的最小值的绝对值 进行平均而得的平均电流I作为电流代表值而求出，并将在多个周期间对每个 周期的加速度的最大值的绝对值以及加速度值的最小值的绝对值进行平均而 得的平均加速度a’作为加速度代表值而求出的情况，但是电流代表值以及加速 度代表值并不限于此。例如，可以将对跨越正弦波状指令信号的多个周期间的 电流反馈值的绝对值进行积分而得的值作为电流代表值而求出，并且将对跨越 正弦波状指令信号的多个周期间的加速度反馈值的绝对值进行积分而得的值 作为加速度代表值而求出。

此外，对为了生成报警而使用灯6的情况进行了说明，但是，也可以使用 液晶显示器（LED）、蜂鸣器等来生成报警。

至此，将本发明与其优选实施方式关联起来进行了说明，但是，本领域的 技术人员能够理解在不脱离请求专利保护的范围的公开范围内，可以对本发明 进行各种修正以及变更。