JP2000166278A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 同期電動機の制御装置においてロータの磁極
位置とエンコーダの検出位置原点との相対的な位置関係
は、機械的な加工精度等の影響によって取り付け誤差を
生じる。この結果、トルク指令値に対して実際の出力ト
ルクの精度が悪化するなどの課題がある。 【解決手段】 ステータに通電する３相交流電流をｄ軸
電流、ｑ軸電流のそれぞれに対してフィードバック制御
を行う制御装置において、トルク指令値が所定値以下で
ある場合にはｄ軸電流誤差増幅器の出力を積分して磁極
位置補正値Δθを演算し、トルク指令値が所定値以上で
ある場合には、この磁極位置補正値を保持する。エンコ
ーダ２０の検出したロータ回転位置検出値θmに前記磁
極位置補正値Δθを加算してコミュテーション電気角θ
を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は工作機械の主軸駆動
などに利用される同期電動機の制御装置の改良に関する
ものであり、特にロータの回転角度検出器の取り付け誤
差に起因する出力トルク精度悪化を改善するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】工作機械の主軸を駆動する電動機として
は、構造が堅牢で高速回転が可能な誘導電動機が広く用
いられている。この誘導電動機はベクトル制御によって
トルク、速度を自在に制御することが可能であり、工作
機械に必要な加減速運転など様々な機能を実現してい
る。

【０００３】図５に一般的な誘導電動機の断面構造図を
示す。誘導電動機は図に示すようにロータにかご型二次
導体１を持ち、この二次導体１に流れる電流とロータコ
ア２に鎖交する磁束との間に回転トルクを発生する。こ
のとき二次導体１に流れる電流によってロータに銅損が
発生し、ステータに比べてロータは十分な冷却を行うこ
とができないため、ロータの温度上昇が大きくなる。な
おステータは鉄心内部に直接に冷却風を通したり、冷却
液を通すなど十分な冷却を実現できる。逆にロータの温
度上昇を適度な値に抑えるためには、十分な表面積を確
保するためにロータの外形寸法を大きくする必要があ
り、結果としてロータイナーシャが増大して高加減速を
実現できない。さらにまた、近年の工作機械においては
機械の主軸に直接にモータのロータを実装したビルトイ
ンモータという構造が普及しつつある。このような構造
においてはロータの温度上昇によって機械精度の熱変位
を発生させるという課題があり、誘導電動機に代わる電
動機の採用が期待されている。

【０００４】これら課題の解決のために、最近ではロー
タに二次導体つまり発熱源を持たない同期電動機を工作
機械の主軸駆動に採用するという事例がある。特に図６
に示すような断面構造を持った埋め込み磁石型同期電動
機は、ロータコア２の内部に永久磁石３を埋め込んだ方
式であり、漏れインダクタンスが大きいため磁石３によ
る速度誘起電圧をステータ巻線４に通電する電流によっ
て調整することができ、弱め界磁制御を容易に実現する
ことができる。この結果、工作機械の主軸に要求される
定出力特性を実現しやすいため、誘導電動機に代わって
採用され始めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】同期電動機の発生トル
クを制御するためには、ステータに通電する電流位相を
ロータの磁極位置に同期して制御する必要があり、この
ためロータの回転角度を検出するエンコーダをロータ軸
に取り付けている。ここでロータの磁極位置とエンコー
ダの検出位置原点との相対的な位置関係は、制御回路内
部で予め設定された所定の位置関係に正確に一致する必
要があるが、実際には機械的な加工精度等の影響によっ
て取り付け誤差を生じる。この結果、弱め界磁制御を行
う高速回転領域において無負荷状態であるにも拘わら
ず、トルク指令値が発生してしまうこと、またトルク指
令値に対して実際の出力トルクの精度が悪化するなどの
課題がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明に係る同期電動機の制御装置は、トルク
指令を入力とし、ステータ巻線に印加する３相交流電圧
値を制御することによって前記トルク指令に応じてステ
ータ巻線に通電する３相交流電流の振幅を制御し、当該
３相交流電流の位相をロータの回転角度位置に同期して
制御する同期電動機の制御装置において、３相交流電流
検出値とコミュテーション電気角指令値を入力とし、前
記３相交流電流検出値のうち磁極位置に同期した磁束を
発生する成分であるｄ軸電流検出値と磁極位置と９０度
の位相差を持った磁束を発生させる成分であるｑ軸電流
検出値とを出力する３相２相変換器と、前記トルク指令
値に第１の係数を乗じてｄ軸電流指令値を算出し、前記
トルク指令値に第２の係数を乗じてｑ軸電流指令値をそ
れぞれ演算出力する電流指令算出部と、前記ｄ軸電流指
令値と前記ｄ軸電流検出値との偏差を増幅してｄ軸電圧
補償値を算出し、当該ｄ軸電圧補償値に対して前記ｄ軸
電流指令値とステータ巻線抵抗値との積を加算し、さら
に前記ｑ軸電流指令値とステータ巻線インダクタンスと
ロータの回転速度との積を加算してｄ軸電圧指令値を出
力するｄ軸電圧指令算出部と、前記ｑ軸電流指令値と前
記ｑ軸電流検出値との偏差に応じてｑ軸電圧指令値を出
力するｑ軸電圧指令算出部と、前記トルク指令値が所定
値以下である場合には前記ｄ軸電圧補償値を積分して磁
極位置補正値を出力し、前記トルク指令値が所定値以上
である場合には出力している前記磁極位置補正値を保持
する積分器と、ロータの軸に取り付けられたエンコーダ
の検出したロータ回転位置検出値に前記磁極位置補正値
を加算して前記コミュテーション電気角指令値を出力す
る加算器と、前記コミュテーション電気角指令値と前記
ｄ軸電圧指令値と前記ｑ軸電圧指令値を入力とし、前記
３相交流電圧値を算出する２相３相変換器とを備えるこ
とを特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る同期電動機の
制御装置の一実施形態を示すブロック図である。図中の
モータ５は前述した埋め込み磁石型同期電動機であり、
インバータ６によって可変電圧、可変周波数の３相交流
電圧を印加して駆動している。なお、インバータ６は直
流電源８を入力として３相電圧指令ｅu*、ｅv*、ｅw*に
応じてモータ５に印加する電圧を制御している。モータ
５に流れる３相電流は電流検出器７a、７b、７cによっ
て検出されており、この検出値ｉu、ｉv、ｉwを入力と
して３相２相変換器９は次の演算を行って２相信号ｉ
d、ｉqを出力する。

【数１】 ｉd＝ｉu・sinθ＋ｉv・sin(θ−120°)＋ｉw・sin(θ＋120°) （１）

【数２】 ｉq＝ｉu・cosθ＋ｉv・cos(θ−120°)＋ｉw・cos(θ＋120°) （２） ここでθはロータの回転角度に極対数（ポール数の１／
２）を乗じた電気角であり、磁石によって発生する磁束
の位置を０度としている。このようにして得られたｉd
は、ステータ巻線に流れる交流電流のうち磁極位置に同
期した磁束を発生する成分を表す直流量であり、ｄ軸電
流検出値と称する。またｉqは磁極位置と９０度の位相
差を持った磁束を発生させる成分を表す直流量であり、
ｑ軸電流検出値と称する。

【０００８】これらｉd、ｉqはｄｑ軸電圧指令算出部１
０に入力され、それぞれの指令値であるｉd*、ｉq*との
偏差に応じてｄ軸電圧指令ｅd*、ｅq*を演算している。
さらにｅd*、ｅq*は２相３相変換器１１において次の演
算によって３相交流電圧指令ｅu*、ｅv*、ｅw*に変換さ
れる。

【数３】 ｅu*＝ｅd*・sinθ＋ｅq*・cosθ （３）

【数４】 ｅv*＝ｅd*・sin(θ−120°)＋ｅq*・cos(θ−120°) （４）

【数５】 ｅw*＝ｅd*・sin(θ＋120°)＋ｅq*・cos(θ＋120°) （５） このようにステータに通電される３相交流電流をｄ軸電
流、ｑ軸電流のそれぞれに分配してフィードバック制御
することによって、モータの発生トルクはｄ軸電流指令
値ｉd*とｑ軸電流指令値ｉq*とによって任意に制御する
ことが可能となり、さらにモータの端子電圧についても
ｄ軸、ｑ軸のそれぞれについて制御が可能となるため、
簡単な演算回路によって任意に制御することが可能とな
る。

【０００９】図１の同期電動機の制御装置に対して外部
からの入力指令としてはトルク指令Ｔ*が入力されてい
る。このトルク指令Ｔ*は電流指令算出部１２において
係数Ｋ1が乗算されてｑ軸電流指令ｉq*に変換され、ま
た係数−Ｋ2（負数）が乗算されてｄ軸電流指令ｉd1*に
変換される。ここで係数Ｋ1、およびＫ2は予め定められ
た定数である。なおｄ軸電流指令ｉd*は、このｉd1*と
後述する界磁弱め電流指令ｉd2*とを加算して算出され
るがここではその説明は省略する。このように算出され
たｉd*、ｉq*に応じて前述した電流制御系の働きによっ
てステータ巻線にはｉd、ｉqが通電される。この場合に
モータ端子に発生する端子電圧ｅd、ｅqは、ステータ巻
線抵抗をＲ1、ｄ軸電流に対する巻線インダクタンスを
Ｌd、ｑ軸電流に対する巻線インダクタンスをＬq、磁石
による誘起電圧定数をＫem、電流周波数の角速度をωと
すると次のように表される。

【数６】 ｅd＝Ｒ1・ｉd−ω・Ｌq・ｉq （６）

【数７】 ｅq＝Ｒ1・ｉq−ω・Ｌd・ｉd＋ω・Ｋem （７） これら（６）式、（７）式をベクトル図で表すと図３
（ａ）のようになる。ただし、図３においては指令であ
ることを意味する*は省略してある。これら（６）式、
（７）式はロータの磁極位置がｄ軸電流の位置と正確に
一致している場合であり、後述するようにｄ軸位置と磁
極位置に誤差がある場合には、磁石による誘起電圧の位
相がｄ軸電流からずれるため、誤差成分が発生し、ｅ
d、ｅqは次のように表される。

【数８】 ｅd＝Ｒ1・ｉd−ω・Ｌq・ｉq＋ω・Ｋem・sin（Δθ） （８）

【数９】 ｅq＝Ｒ1・ｉq−ω・Ｌd・ｉd＋ω・Ｋem・cos（Δθ） （９） これら（８）式、（９）式はベクトル図で表すと図３
（ｂ）のようになる。ここでΔθは微少な角度であるた
め、（８）式、（９）式はそれぞれ次のように近似でき
る。

【数１０】 ｅd≒Ｒ1・ｉd−ω・Ｌq・ｉq＋ω・Ｋem・Δθ （１０）

【数１１】 ｅq≒Ｒ1・ｉq−ω・Ｌd・ｉd＋ω・Ｋem （１１）

【００１０】以上は実際にモータ端子に発生する電圧で
あるが、一方、制御装置側ではｄｑ軸電圧指令算出部１
０において次の演算に基づいて電圧指令ｅd*、ｅq*を出
力している。

【数１２】 ｅd*＝Ｒ1・ｉd*−ω・Ｌq・ｉq*＋Δｅd （１２）

【数１３】 ｅq*＝Ｒ1・ｉq*−ω・Ｌd・ｉd*＋ω・Ｋem＋Δｅq （１３） この演算内容を図２のブロック図に示す。ここでΔｅ
d、Δｅqは増幅器Ｇd、Ｇq（図中１３，１４）の出力で
あり、これらの増幅器は次式に示すような一般的なＰｉ
演算増幅を行っている。

【数１４】 Δｅd＝Ｋp（ｉd*−ｉd）＋Ｋi・∫（ｉd*−ｉd）dt （１４）

【数１５】 Δｅq＝Ｋp（ｉq*−ｉq）＋Ｋi・∫（ｉq*−ｉq）dt （１５） 今、インバータおよび２相３相変換器の働きによって、
モータに流れる電流は正確に指令値通りに制御される。
また、モータには正確に（１２）式、（１３）式の電圧
指令が印加されるため、モータの端子電圧はｅd*、ｅq*
に等しくなる。すなわちｉd*＝ｉd、ｉq*＝ｉq、ｅd*＝
ｅdとして（１０）式および（１２）式を式変形すると
次式を得る。

【数１６】 Δｅd＝ω・Ｋem・Δθ （１６） すなわち、ｄ軸の電流誤差をＰｉ演算増幅した結果は磁
極位置の誤差Δθに比例していることが判る。そこで図
２の実施形態においてはＰｉ演算増幅器１３の出力Δｅ
dを図１の増幅器１５に入力し、さらにこれを積分器１
６で積分して磁極位置補正値Δθを出力している。な
お、増幅器１５は比例増幅器であり、この増幅率を調整
することによって積分器１６の積分時定数が調整できる
のでΔｅdに含まれるノイズ成分を平滑化して安定な磁
極位置補正値Δθを得ることができる。

【００１１】次に図１におけるコンパレータ１７および
スイッチ１８の動作について説明する。（１２）式にお
いてｄ軸電圧指令ｅd*にはω・Ｌq・ｉq*という項が含ま
れているが、埋め込み磁石型同期電動機においてＬqは
鉄心の磁気飽和によって大きく変動するため正確な値を
把握することは極めて困難である。その結果、Ｐｉ演算
増幅器１４の出力Δｅdには期待している磁極位置誤差
を表す成分のほかにＬqの変動による誤差成分を含むこ
とになる。そこでコンパレータ１７はトルク指令Ｔ*が
予め設定された所定値Ｔrfよりも小さいとき、すなわち
ｉqが十分に小さくω・Ｌq・ｉqが０と近似でき、正確な
磁極位置補正値を得られる場合にのみスイッチ１８をオ
ンして増幅器１５の出力を積分する。トルク指令Ｔ*が
大きい場合にはスイッチ１８がオフすることによって積
分器１６はその出力を保持するため、Ｔ*が小さい間に
得た正確な磁極位置補正値を継続して出力する。

【００１２】このようにして得られた磁極位置補正値Δ
θを用いて、加算器１９ではモータ軸に取り付けられた
エンコーダ２０の検出したロータ回転角度θmにΔθを
加算してコミュテーション電気角θを算出している。こ
のθはエンコーダの取り付け誤差等による磁極位置誤差
を含まず、実際のモータ内部の磁束位置に正確に一致し
た磁極位置であるので、モータの発生トルクを正確に制
御することが可能である。 図１の実施形態におけるそ
の他の構成要素の動作を簡単に説明する。界磁弱め電流
指令算出部２１はロータ回転角度θmを微分したロータ
速度ωを入力として界磁弱め電流指令ｉd2*を算出して
おり、その入出力関係は例えば図４に示すような動作で
ある。すなわちロータ速度ωがベーススピードωb以下
の場合にはｉd2*は０を出力し、ベーススピード以上の
場合には（ω−ωb）に比例したｉd2*を出力する。なお
界磁弱め電流指令は磁石による磁束を打ち消す方向に流
すため、負の値である。

【００１３】

【発明の効果】本発明による同期電動機の制御装置にお
いては、ロータの回転角度を検出するエンコーダの検出
位置原点とロータの磁極位置との相対的な位置関係が完
全に一致していなくても、制御装置内で自動的に磁極位
置とエンコーダの検出位置とのズレを補正し、正確な電
流位相の制御が実現できるため、エンコーダとロータの
組立行程における調整作業工数を低減できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による同期電動機の制御装置の一実施
形態を示すブロック図である。

【図２】 ｄｑ軸電圧指令算出部の動作を示すブロック
図である。

【図３】 埋め込み磁石型同期電動機の電流、電圧ベク
トル図である。

【図４】 界磁弱め電流指令算出部の入出力関係を示す
図である。

【図５】 従来の誘導電動機の断面構造図である。

【図６】 本発明の同期電動機の制御装置によって駆動
される埋め込み磁石型同期電動機の断面構造図である。

【符号の説明】

１ 二次導体、２ ロータコア、３ 磁石、４ ステー
タ巻線、５ モータ、６ インバータ、７ 電流検出
器、８ 直流電源、９ ３相２相変換器、１０ｄｑ軸電
圧指令算出部、１１ ２相３相変換器、１２ 電流指令
算出部、１３Ｐｉ演算増幅器、１４ Ｐｉ演算増幅器、
１５ 増幅器、１６ 積分器、１７コンパレータ、１８
スイッチ、１９ 加算器、２０ エンコーダ、２１
界磁弱め電流指令算出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トルク指令を入力とし、ステータ巻線に印
   加する３相交流電圧値を制御することによって前記トル
   ク指令に応じてステータ巻線に通電する３相交流電流の
   振幅を制御し、当該３相交流電流の位相をロータの回転
   角度位置に同期して制御する同期電動機の制御装置にお
   いて、 ３相交流電流検出値とコミュテーション電気角指令値を
   入力とし、前記３相交流電流検出値のうち磁極位置に同
   期した磁束を発生する成分であるｄ軸電流検出値と磁極
   位置と９０度の位相差を持った磁束を発生させる成分で
   あるｑ軸電流検出値とを出力する３相２相変換器と、 前記トルク指令値に第１の係数を乗じてｄ軸電流指令値
   を算出し、前記トルク指令値に第２の係数を乗じてｑ軸
   電流指令値をそれぞれ演算出力する電流指令算出部と、 前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流検出値との偏差を増
   幅してｄ軸電圧補償値を算出し、当該ｄ軸電圧補償値に
   対して前記ｄ軸電流指令値とステータ巻線抵抗値との積
   を加算し、さらに前記ｑ軸電流指令値とステータ巻線イ
   ンダクタンスとロータの回転速度との積を加算してｄ軸
   電圧指令値を出力するｄ軸電圧指令算出部と、 前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流検出値との偏差に応
   じてｑ軸電圧指令値を出力するｑ軸電圧指令算出部と、 前記トルク指令値が所定値以下である場合には前記ｄ軸
   電圧補償値を積分して磁極位置補正値を出力し、前記ト
   ルク指令値が所定値以上である場合には出力している前
   記磁極位置補正値を保持する積分器と、 ロータの軸に取り付けられたエンコーダの検出したロー
   タ回転位置検出値に前記磁極位置補正値を加算して前記
   コミュテーション電気角指令値を出力する加算器と前記
   コミュテーション電気角指令値と前記ｄ軸電圧指令値と
   前記ｑ軸電圧指令値を入力とし、前記３相交流電圧値を
   算出する２相３相変換器とを備えた同期電動機の制御装
   置。