JP2001145383A - 同期電動機制御方法 - Google Patents

同期電動機制御方法

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JP2001145383A
JP2001145383A JP32427899A JP32427899A JP2001145383A JP 2001145383 A JP2001145383 A JP 2001145383A JP 32427899 A JP32427899 A JP 32427899A JP 32427899 A JP32427899 A JP 32427899A JP 2001145383 A JP2001145383 A JP 2001145383A
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賢一 関岡
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賢二 野村
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 同期電動機をハイブリッドアンプ方式で制御
する際に、制御切換点で生ずる推力段差を補正できる同
期電動機制御方法を提供する。 【解決手段】 同期電動機5の位置を検出する位置検出
手段7と、電流指令により同期電動機を制御する制御手
段1と、推力指令に応じてリニア制御アンプとPWM制
御アンプを切換える切換手段と、両制御に対応できるパ
ワー回路4とを備えた同期電動機を駆動する同期電動機
制御方法において、全電流制御範囲内で、リニア制御と
PWM制御の切換点と、最大電流時の電流指令を測定点
として、予め測定点である電流指令に基づき実電流を測
定し、電流指令に基づく理想電流と実電流のゲイン誤差
を直線補間によって補正する補正ゲインを算出し、その
補正ゲインを電流指令に乗算して得られる補正電流指令
によって同期電動機を駆動し、推力リップルおよびハイ
ブリッドアンプ切換時の推力段差を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、精密な電流制御を
行う同期電動機の制御方法に係り、特にゲイン補正を行
った電流指令により同期電動機を駆動する制御方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】図6は従来の3相同期電動機の1相分の
「電流指令−実電流および電流指令−ゲイン」を表す図
である。今、電流指令通りの理想の電流(以降、理想電
流という)が流れた場合には、直線(1)となり、その
時のゲインは常に理想の一定の直線(1)’(以降、理
想ゲインという)となる。ここで正の電流指令I1、I
2および負の電流指令I3、I4が与えられた時の実電
流がそれぞれI1’、I2’、I3’、I4’のような
実際の同期電動機の制御装置の場合は、「電流指令−実
電流」が(2)の直線となり、「電流指令−ゲイン」が
(2)’の直線となる。このように従来の同期電動機は
理想電流(1)、理想ゲイン(1)’に対して、ある程
度の誤差を持った実電流で駆動していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般
に、同期電動機制御装置のパワーアンプ部には、リニア
制御アンプ(以降、リニアアンプと言う)、あるいはP
WM制御アンプ(以降、PWMアンプと言う)等が使用
されるが、両者の利点を生かしたリニア/PWM制御切
換アンプ(以降、ハイブリッドアンプと言う)を使用す
る用途もある。このハイブリッドアンプは、全電流制御
範囲内において精度が必要な小電流領域をリニアアンプ
として、また、精度が必要とされない大電流領域をPW
Mアンプとして使用するように切換えるものである。特
に、リニア制御とPWM制御の切換点(以降、切換点と
言う)は、その特徴を活かすために最大電流に対して比
較的小電流領域に設定される。図7は図6の0点近傍に
点線で示した領域Sを拡大して、リニア制御/PWM制
御切換領域として示した概略図であり、以下のような電
流指令の状態で各制御が切換わる。 電流指令0 →切換点IHighの間 :リニア制御 切換点IHigh→最大電流→切換点ILowの間 :PWM制御 切換点ILow →電流指令0の間 :リニア制御 このようなリニア/PWM制御アンプ方式の同期電動機
に、図6に示した、従来の実電流(2)、ゲイン
(2)’による駆動制御を適用した場合、各電流制御ル
ープを構成する部品の特性・精度のバラツキ等により、
リニア制御アンプ時の直線(4)とPWM制御アンプ時
の直線(5)のような場合、切換点でのゲイン誤差が生
じ、そのゲイン誤差が結果として図7に示すような推力
段差となって現れる。また、同様な部品の特性・精度の
バラツキや銅損等によって理想電流に対する実電流のゲ
イン誤差が生じ、それによって推力リップルも発生する
が、これらは従来の制御方式では補正できないので、精
密な電流制御を必要とする用途のシステムの特性を損ね
るという問題があった。また、リニア/PWM制御アン
プの切換制御方式では無く、リニア制御アンプ等による
単独制御時に、図6の従来の制御方式を適用する場合
の、理想電流(1)に対する実電流(2)のゲイン誤差
は、 K1=I1/I1’ K2=I2/I2’ K3=I3/I3’ K4=I4/I4’、となる。 このゲイン誤差は、電流指令を出力するD/A変換器の
各チャンネル間の出力電圧のバラツキや電流制御ループ
を構成する部品の特性・精度のバラツキによる発生す
る。また、同期電動機へ電流を流すことにより生ずる同
期電動機の各相巻線の銅損による温度上昇に伴い、各相
巻線抵抗値が上昇して出力電圧が飽和し、出力電流ピー
クが出ない場合もある。これらは各相出力電流振幅のバ
ラツキの原因となり、一定推力(又はトルク)指令時の
電流リップル、すなわち、推力(トルク)リップルとな
るが従来の制御方式では補正できないので、リニア制御
アンプ単独制御の場合にも、精密な電流制御を必要とす
る用途ではシステムの特性を損ねるという問題があっ
た。そこで、本発明は、同期電動機をリニア/PWM制
御切換アンプ方式により制御駆動する場合に、電流指令
で各相出力電流振幅のバラツキを補正し、リニア/PW
M制御の切換点で生ずる推力段差を補正することによっ
て、精密な電流制御を必要とする用途のシステムの特性
向上を図ることができる同期電動機制御方法を提供する
ことを目的としている。更に、同期電動機をリニア制御
アンプ等の単独制御方式により制御駆動する際に、一定
推力指令時の推力リップルを低減させ、精密な電流制御
を必要とする用途のシステムの特性向上を図ることがで
きる同期電動機制御方法を提供することも目的としてい
る。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載の発明は、同期電動機の位置を検出
する位置検出手段と、電流指令により前記同期電動機を
リニア制御およびPWM制御できる制御手段と、推力指
令に応じてリニア制御とPWM制御を切換える切換手段
と、両制御に対応できるパワー回路とを備えた同期電動
機を駆動する同期電動機制御方法において、全電流制御
範囲内で、リニア制御とPWM制御の切換点と最大電流
時の電流指令を測定点として、予め前記測定点である電
流指令に基づき実電流を測定し、直線補間によって補正
ゲインを算出して、その補正ゲインを前記電流指令に乗
算して得られる補正電流指令によって同期電動機を駆動
することを特徴としている。この同期電動機制御方法に
よれば、同期電動機をハイブリッドアンプ方式で駆動制
御する場合に、電流指令を出力するD/A変換器の各チ
ャンネル間の出力電圧のバラツキや電流制御ループを構
成する部品の特性・精度のバラツキがある場合や同期電
動機へ電流を流すことにより生じる同期電動機各相巻線
の銅損による温度上昇に伴い出力電流のピークが出ない
場合、およびハイブリッドアンプの切換点で生ずる推力
段差を考慮した補正電流指令により電流制御するので、
一定推力指令時の電流リップル、即ち、推力リップルお
よびハイブリッドアンプの切換点で生ずる推力段差を減
少させ、精密な電流制御を必要とする用途のシステムの
特性を向上させることができる。また、請求項2に記載
の発明は、前記リニア制御とPWM制御のどちらか一方
のゲインに合わせるように前記電流指令と前記補正電流
を切換えることを特徴としている。この同期電動機制御
方法によれば、同期電動機のハイブリッドアンプ方式で
駆動制御する場合の、電流指令補正をリニア制御とPW
M制御のどちらか一方のゲインに合わせて補正するの
で、ハイブリッドアンプの切換点で生ずる推力段差、お
よびゲイン誤差により発生する推力リップルを効率良く
補正できる。また、請求項3に記載の発明は、同期電動
機の位置を検出する位置検出手段と、電流指令により前
記同期電動機を制御する制御手段とを備えた同期電動機
を駆動する同期電動機制御方法において、全電流制御範
囲内において、予め何点かの前記電流指令に基づき実電
流を測定し、直線補間によって補正ゲインを算出し、そ
の補正ゲインを前記電流指令に乗算して得られる補正電
流指令によって同期電動機を駆動することを特徴として
いる。この同期電動機制御方法によれば、同期電動機を
リニア制御アンプ等の単独制御方式により駆動する際、
電流指令を出力するD/A変換器の各チャンネル間の出
力電圧のバラツキや電流制御ループを構成する部品の特
性・精度のバラツキ、銅損等を考慮した補正電流指令に
より電流制御するので、一定推力指令時の電流リップ
ル、即ち、推力リップルを減少させ、精密な電流制御に
対応できる。
【0005】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1の実施の形態
について図を参照して説明する。図1は本発明の第1の
実施の形態に係る同期電動機制御装置の概略構成図であ
る。図2は図1に示すパワーアンプ回路の回路図であ
る。図3は図1に示す同期電動機の1相分の電流指令−
実電流および電流指令−ゲインを表す図である。図1に
おいて、同期電動機5で可動テーブル等を予め指令され
た指令位置に移動させるべく、CPU1が一定周期毎に
ディジタルの電流指令をD/A変換器2に出力する。C
PU1内では、位置ループと速度ループが構成され、速
度ループの出力である推力指令が演算される。そしてリ
ニアスケール等の位置検出器6の信号を現在位置として
位置検出手段7を介して取り込み、予めメモリに用意さ
れたSINテーブルを参照して同期電動機5の界磁極に
あった各相の電流指令が演算される。D/A変換器2よ
り出力された各相の電流指令IUref、IVref、
IWrefは、OPアンプ回路3を介してIU、IV、
IWがパワーアンプ回路4に入力され、パワー変換され
て電力U、V、Wが同期電動機5に供給され、同期電動
機5の位置と速度、推力が制御される。図2はパワーア
ンプ4の回路図であり、ここでは、大電流時にはPWM
制御アンプによる制御が行われて効率の低下が防止さ
れ、小電流時にはリニア制御アンプによる制御が行われ
て高分解能での制御を可能にするため、CPU1の推力
指令がしきい値以下の場合は、CPU1よりリニア/P
WM制御切換信号でパワーアンプ回路4内のアナログス
イッチ12を切換え、先述のリニア制御アンプによる第
1系統10に、又、CPU1の推力指令がしきい値を超
えた場合は、CPU1よりリニア/PWM切換信号でパ
ワーアンプ回路4内のアナログスイッチ12を切換え、
電流指令とキャリヤ発生器13からの三角波キャリヤ
を、比較器14で比較出力してパワー素子15を駆動す
るPWM制御アンプによる駆動を行う第2の系統11に
切換える手段を設けている。図3は、本発明の補正ゲイ
ンおよび補正電流指令を算出するための概略図であり、
3相同期電動機の1相分の電流指令−実電流および電流
指令−ゲインを表す図である。図でハイブリットアンプ
の切換点での推力段差を考慮した補正電流指令の場合
は、(6)の直線となり、その時のゲインは(6)’と
なる。
【0006】つぎに本実施の形態の動作として、正負の
電流指令I1、I2、I3、I4、I5、I6時の実電
流I1’、I2’、I3’、I4’、I5’、I6’、
となった直線(7)のゲイン(7)’のゲインである同
期電動機制御装置の補正電流指令を求める方法について
述べる。ここで、各電流指令の設定は、従来の問題点を
考慮するために、 I1、I3=ILow I2、I4=IHigh I5、I6=最大電流、とする。 理想電流に対する実電流のゲイン誤差は、 K1=I1/I1’ K2=I2/I2’ K3=I3/I3’ K4=I4/I4’ K5=I5/I5’ K6=I6/I6’、となる。 次に測定点である正負の電流指令I1、I2、I3、I
4の関係は、 I2=2×I1、 I4=2×I3、であり、 最大電流I5、I6での測定は、必要な場合のみ測定を
行い、通常は実電流測定を行わずに、 I5’=I5、
I6’=I6、 としてゲイン誤差を算出し、測定回数
を短縮する。
【0007】そこで、ゲイン誤差を減少させるために電
流指令のある範囲内での補正ゲインK1’、K2’、K
3’、K4’、K5’、K6’をそれぞれ次のように直
線補間で算出する。 0≦I<I1の場合: K1’={(K1−1)/(I1−0)}(I−0)+
1 I1≦I<I2の場合: K2’={(K2−K1)/(I2−I1)}(I−I
1)+K1 I2≦I<I5の場合: K5’={(K5−K2)/(I5−I2)}(I−I
2)+K2 I3≦I<0の場合: K3’={(1−K3)/(0−I3)}(I−I3)
+K3 I4<I<I3の場合: K4’={(K3−K4)/(I3−I4)}(I−I
4)+K4 I6≦I<I4の場合: K6’={(K4−K6)/(I4−I6)}(I−I
6)+K6 次に、補正電流指令I1h、I2h、I3h、I4h、
I5h、I6h、は、このようにして算出された補正ゲ
インK1’、K2’、K3’、K4’、K5’、K6’
を次式により、元の電流指令I1、I2、I3、I4、
I5、I6、に乗算することにより、それぞれ求めるこ
とができる。 I1h=K1’×I1、 I2h=K2’×I2、 13h=K3’×I3、 14h=K4’×I4、 15h=K5’×I5、 16h=K6’×I6、 下記の電流指令の状態で各制御および電流指令が切換わ
る。 電流指令0→切換点I2、I4(=IHigh):リ
ニア制御、元の電流指令 切換点I2、I4(=IHigh)→最大電流 :P
WM制御、補正電流指令 最大電流→切換点I1、I3(=ILow) :P
WM制御、補正電流指令 切換点I1、I3(=ILow)→電流指令0 :リ
ニア制御、元の電流指令 この電流指令による実電流は、リニア制御に基づき切換
点の推力段差を補正した(6)の直線となり、その時の
ゲインは(6)’であり、理想電流に近い実電流を流す
ことができる。このように、第1の実施の形態におい
て、理想電流と実電流のゲイン誤差を補正し、リニア制
御アンプとPWM制御アンプとのゲイン誤差がある場合
には、PWM制御のゲインをリニア制御のゲインに合わ
せることで、切換点での推力段差を減少する方法を述べ
たが、逆に、リニア制御のゲインをPWM制御のゲイン
に合わせることも可能である。また、ここまでは直動型
の同期電動機について説明したが、回転型の同期電動機
でも同様な制御は可能である。
【0008】次に、本発明の第2の実施の形態について
図を参照して説明する。図4は本発明の第2の実施の形
態に係る同期電動機制御装置のブロック図である。図5
は図4に示す同期電動機の1相分の電流指令−実電流お
よび電流指令−ゲインを表す図である。 図4におい
て、CPU21からの位置/速度/推力(トルク)制御
に応じた3相電流指令IUref、IVref、IWr
efは、後述する方法により算出された補正ゲインが乗
算された補正電流指令であり、D/A変換器22を介し
てパワーアンプ23へ送られる。パワーアンプ23では
電流検出器を有する電流制御ループが構成されていて、
各相電流指令を電圧−電流変換して、電流指令に応じた
各相電流により同期電動機24を駆動する。位置検出器
25から発生されるA、B相信号をカウンタ26で計数
することにより、可動子(あるいは回転子)の位置情報
をCPU21へ入力し、各制御のフィードバック信号と
する。図5は補正ゲインおよび補正電流指令を算出する
ための概略図であり、3相同期電動機の1相分の電流指
令−実電流および電流指令−ゲインを表す。図5におい
て、電流指令通りの電流が流れた場合、(8)の直線と
なり、その時のゲインは常に一定の(8)’となる。第
2の実施の形態は、第1の実施の形態がリニア/PWM
制御アンプの切換時の推力段差等を含む補正制御であっ
たのに対し、今回はリニア制御アンプ等の単独制御方式
における理想電流と実電流のゲイン誤差の、より詳細な
補正制御によって、精密な電流制御の用途に対応しよう
とするものである。
【0009】つぎに本実施の形態の動作として、正負の
電流指令I1、I2、I3、I4時の実電流I1’、I
2’、I3’、I4’となった(9)の直線と、
(9)’のゲインである同期電動機制御装置の場合の補
正電流指令を求める方法について説明する。理想電流に
対する実電流のゲイン誤差は、 K1=I1/I1’ K2=I2/I2’ K3=I3/I3’ K4=I4/I4’、となる。 そこで、ゲイン誤差を減少させるために電流指令のある
範囲内での補正ゲインK1’、K2’、K3’、K4’
を以下のように直線補間で算出する。 0≦I<I1の場合: K1’={(K1−1)/(I1−0)}(I−0)+
1 I1≦I<I2の場合: K2’={(K2−K1)/(I2−I1)}(I−I
1)+K1 I2≦Iの場合:K2’ I3≦I<0の場合: K3’={(1−K3)/(0−I3)}(I−I3)
+k3 I4<I<I3の場合: K4’={(K3−K4)/(I3−I4)}(I−I
4)+K4 I≦I4の場合:K4’ 補正電流指令I1h、I2h、I3h、I4hは、この
ように算出された補正ゲインK1’、K2’、K3’、
K4’を用いて、次のように元の電流指令I1、I2、
I3、I4に乗算することにより、それぞれ求めること
ができる。 I1h=K1’×I1、 I2h=K2’×I2、 I3h=K3’×I3、 I4h=K4’×I4、 この補正電流指令による実電流は(10)の直線とな
り、その時のゲインは(10)’であり、理想電流に近
い実電流を流すことで補正することができる。この場
合、正負の電流指令I1、I2、I3、I4時の実電流
I1’、I2’、I3’、I4’の測定は、同期電動機
を駆動する前に予め測定しておくものであり、測定点で
ある正負の電流指令I1、I2、I3、I4は、 I2=2×I1、 I4=2×I3、とすることにより、測定回数を減らす
ことができる。例えば、3相同期電動機のU相電流指令
I1時の実電流I2’を測定しようとすると、他の2相
電流指令I3時の実電流I3’も同時に測定できること
になる。また、測定点である正負の電流指令I1、I
2、I3、I4は各相巻線の銅損により、抵抗値が上昇
して出力電圧が飽和し、出力電流ピークが出ない場合を
考慮して、 I2、I4=最大電流×0.9、 I3、I3=最大電流×0.45、 とする。 このように、第2の実施の形態によれば、リニア制御ア
ンプ等の単独制御方式において、理想電流と実電流のゲ
イン誤差をより詳細に補正することによって、精密な電
流制御を必要する用途に対応可能となる。
【0010】
【発明の効果】以上説明したように、電流指令を出力す
るD/A変換器の各チャンネル間の出力電圧のバラツキ
や電流制御ループを構成する部品の特性・精度のバラツ
キ、銅損等の影響、およびハイブリッドアンプの切換点
で生じる推力段差を考慮した補正電流指令により電流制
御するので、一定推力指令時の推力リップルおよび推力
段差を低減して、精密な電流制御を必要とする用途のシ
ステムの向上を可能にする効果がある。また、電流指令
を出力するD/A変換器の各チャンネル間の出力電圧の
バラツキや電流制御ループを構成する部品の特性・精度
のバラツキがある場合や同期電動機へ電流を流すことに
より生じる同期電動機各相巻線の銅損による温度上昇を
伴い、各相巻線抵抗値が上昇して出力電圧が飽和し、出
力電流ピークが出ない場合を考慮した補正電流指令によ
り電流制御するので、単独制御方式により一定推力指令
時の電流リップル、即ち、推力リップルを低減させて精
密な電流制御を必要とする用途のシステムの特性向上を
可能にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る同期電動機制
御装置の概略構成図である。
【図2】図1に示すパワーアンプ回路の回路図である。
【図3】図1に示す同期電動機の1相分の電流指令ー実
電流及び電流指令ーゲインを表す図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態に係る同期電動機制
御装置のブロック図である。
【図5】図1に示す同期電動機の1相分の電流指令ー実
電流及び電流指令ーゲインを表す図である。
【図6】従来の同期電動機の1相分の電流指令ー実電流
及び電流指令ーゲインを表す図である。
【図7】図6に示す切換点近傍の拡大図である。
【符号の説明】
1、21 CPU 2、22 D/A変換器 3 OPアンプ回路 4、23 パワーアンプ回路 5、24 同期電動機 6、25 位置検出器 7 位置検出手段 10 第1の系統 11 第2の系統 12 アナログスイッチ 13 キャリヤ発生回路 14 比較器 15 パワー素子 26 カウンタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高山 博充 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石2番1号 株式会社安川電機内 Fターム(参考) 5H560 AA07 DA15 DC12 DC20 EB01 GG04 RR10 TT02 TT15 TT20 XA02 XA04 XA05 XA10 XA12

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 同期電動機の位置を検出する位置検出手
    段と、電流指令により前記同期電動機をリニア制御およ
    びPWM制御できる制御手段と、推力指令に応じてリニ
    ア制御とPWM制御を切換える切換手段と、両制御に対
    応できるパワー回路とを備えた同期電動機を駆動する同
    期電動機制御方法において、 全電流制御範囲内で、リニア制御とPWM制御の切換点
    と最大電流時の電流指令を測定点として、予め前記測定
    点である電流指令に基づき実電流を測定し、直線補間に
    よって補正ゲインを算出して、その補正ゲインを前記電
    流指令に乗算して得られる補正電流指令によって同期電
    動機を駆動することを特徴とする同期電動機制御方法。
  2. 【請求項2】 前記リニア制御とPWM制御のどちらか
    一方のゲインに合わせるように前記電流指令と前記補正
    電流を切換えることを特徴とする請求項1記載の同期電
    動機制御方法。
  3. 【請求項3】 同期電動機の位置を検出する位置検出手
    段と、電流指令により前記同期電動機を制御する制御手
    段とを備えた同期電動機を駆動する同期電動機制御方法
    において、 全電流制御範囲内において、予め何点かの前記電流指令
    に基づき実電流を測定し、直線補間によって補正ゲイン
    を算出し、その補正ゲインを前記電流指令に乗算して得
    られる補正電流指令によって同期電動機を駆動すること
    を特徴とする同期電動機制御方法。
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