JP2002374692A - 永久磁石モータ制御装置 - Google Patents

永久磁石モータ制御装置

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JP2002374692A
JP2002374692A JP2001181015A JP2001181015A JP2002374692A JP 2002374692 A JP2002374692 A JP 2002374692A JP 2001181015 A JP2001181015 A JP 2001181015A JP 2001181015 A JP2001181015 A JP 2001181015A JP 2002374692 A JP2002374692 A JP 2002374692A
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magnetic pole
phase
permanent magnet
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Takanori Ohashi
Masaki Sugiura
敬典 大橋
正樹 杉浦
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Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
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Abstract

(57)【要約】 【課題】磁極位置信号とモータの磁極位置を合わせる必
要がある。従来、モータを他の駆動装置で回転させ、モ
ータの誘起電圧と磁極位置信号を合わせる調整する必要
があり、別の駆動装置を用意する必要があった。 【解決手段】永久磁石モータ制御装置内に磁極位置合わ
せ回路を設け、もともと内蔵している電流制御回路を用
いて、モータを直流、または、交流励磁して、磁極位置
を回転させ、一定位置に停止させ、磁極位置を合わせ
る。 【効果】従来のように別の駆動装置を用意する必要が無
くなる。また、コントローラ内に内蔵されている電流制
御回路を使うので、簡単な構成で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石などを用
い、モータ駆動に磁極位置信号が必要なモータの制御装
置に用いることができる。特に本発明は永久磁石形同期
モータに有効である。

【0002】

【従来の技術】従来は図2に示すようにモータPMに位置
検出器E、磁極位置検出器Mgが直結されていた。この
モータPMの磁極位置と磁極位置信号Smgの位相を調整す
るため、モータPMを別の外部駆動用モータM,駆動装置20
を準備した。この外部駆動用モータMにより、モータPM
を外部駆動し、モータPMの線間の誘起電圧波形U,V,Wと
磁極位置信号Mgの位相が合うように波形観測器21で波形
を観測しながら磁極位置検出器Mgの位相を機械的に調
整していた。このように、磁極位置を合わせるためには
外部駆動用モータM,駆動装置20,波形観測器21も必要
で、煩雑な手間がかかった。

【0003】また、位置検出器Eの故障判定には位置検
出器Eの位置信号と磁極位置信号を波形観測し、ロータ
位置との関係を確認する必要があった。

【0004】

【発明が解決しようとする課題】前述のように磁極位置
を合わせるためには外部駆動用モータM,駆動装置20,波
形観測器21が必要である。また、故障判定も波形観測す
る測定器が必要である。このため、これを簡単にコント
ローラのみで、可能になれば、この効果は大きい。

【0005】

【課題を解決するための手段】第1の目的のため、モー
タPMのコントローラ1の中に磁極合わせ回路5を設け
る。また、位置検出器Eは1回転の絶対値、もしくはモ
ータPMの電気角1回転分の絶対位置のわかる位置検出器
とする。さらに速度制御回路2の電流指令出力Irefと磁
極合わせ回路5のレベル出力Iexcの切換スイッチSW1で
切換、電流制御回路3に入力する。また、位置検出器E
の位置信号θencと磁極合わせ回路5の励磁位置θexcを
切換る切換スイッチSW2を設ける。磁極位置合わせを始
めると、切換スイッチSW1,SW2を磁極位置合わせ回路側
に切換、モータPMを励磁し、所定位置で励磁を止め、磁
極位置補正回路Mgaに磁極位置をセットする。

【0006】第2の目的のため、磁極位置合わせの励磁
中、位置検出器Eからの位置信号と励磁位置を確認し、
エンコーダの異常検出を行う異常検出回路を設ける。

【0007】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1に
より説明する。永久磁石形のモータの場合、その駆動に
はロータ位置を検出するための磁極位置信号θencが必
要であり、この信号がモータPMの磁極位置の位相に一致
していないと正常にモータ駆動できない。位置検出器E
には1回転の絶対値、もしくはモータPMの電気角1回転
分の絶対位置のわかる位置検出器とする。この場合、こ
の磁極位置をモータPMの磁極位置の位相に合わせる機能
をモータPMのコントローラ1に内蔵させる方法について
述べる。

【0008】まず、磁極位置合わせの原理を説明する。
永久磁石形のモータの等価回路を図3に示す。この図は
3相の2極の等価回路で、120°ずつに電機子巻線が
構成されている。2相の場合は90°離れて巻線が構成
されるが、他の種類の全ての永久磁石形モータは本図に
集約できることは周知の通りである。図3のようなモー
タPMのロータは2極の磁石で電機子に回転磁界を加える
と、モータを回転させることができる。また、良く知ら
れたd−q軸はロータのN極の方向にd軸を取り、回転
方向θに直行方向にq軸を取る。図4において、θの位
置に直流励磁すると磁石の反発、吸引力でS極がこのθ
の方向に向く。図4はθ=180°に励磁した場合で、
U相方向に磁石が向く場合の絵が点線、極がN',S'で描
かれている。この特性を用い、所定の位置方向と反対
(180°)方向に励磁をかけ、磁極位置(磁石)を所
定位置に合わせ、位置検出器内の磁極位置をセットす
る。以下、この原理に基づき、実施例を説明する。ま
た、本実施例は磁極位置信号補正は位置検出器E内、も
しくはコントローラ1内のどちらでも構成可能である。

【0009】図1は本発明の実施例であるが、磁極合わ
せ回路5以外は一般的に用いられている永久磁石形モー
タのコントローラ1の構成例である。永久磁石形モータ
PMの出力軸には1回転の絶対位置、もしくはモータPMの
電気角1回転分の絶対位置のわかる位置検出器Eが直結
される。このモータPMを駆動するコントローラ1内は速
度制御回路2,電流制御回路3,パワ回路4から成る。
速度制御回路2でトルク指令相当の電流指令Irefを演算
し、電流制御回路3では、d軸電流を0、q軸電流にこ
の電流指令Irefを流すように電流制御を加え、d−q軸
での電圧指令vdq*を演算する。さらに3相上に座標変
換し、3相の電圧指令v3*を出力する。パワ回路4で
は電流制御回路3で演算された電圧指令v3*にてモー
タPMを駆動する(一般的にd軸は界磁方向、q軸はトル
ク成分を表す)。

【0010】本発明は図1に示すように、これらの回路
に加え、磁極位置合わせ回路5を付け加える。このた
め、従来のコントローラ1をそのまま、用いることがで
き、コントローラ1がソフトウェアにより構成される場
合、ソフトウェアの追加のみとなる。磁極位置合わせ回
路にはレベル設定回路51、励磁位相回路52、磁極位
置誤差回路53、切換スイッチSW1,SW2を設ける。コン
トローラ1の通常動作の場合、切換スイッチSW1,SW2の
1側に接続し、速度制御回路2の出力Irefと位置検出器
Eの位置信号θencを電流制御回路3に入力し、パワ回
路4でモータPMを駆動する。

【0011】磁極位置合わせ時の動作を図4の手順フロ
ーと図5の動作波形で以下説明する。コントローラ1の
外部から磁極位置合わせ開始信号STRと回転方向信号DIR
を受け、磁極位置合わせ開始となる。まず、レベル設定
回路Iexc=0、励磁位相θexc=90°とする(図4step1,
図5A)。次に切換スイッチSW1,SW2を2側に切換る(図
4step2)。この状態で、パワ回路4を駆動状態にして、
励磁レベルIexcを設定レベルまで増加させる(図4step
3,図5B)。回転方向信号DIRにより、正転なら増加、逆
転なら減少方向に励磁位相を変化させる(図4step4,図
5C)。励磁位相が一回転してθexc=90°で、停止し、
位置信号θencを見て、モータ軸が停止するまで、ある
いは停止する時間分だけ待ち、位置情報をθenc1に格納
する(図4step5,6、図5D〜E)。さらに同様に励磁
位相を増加、減少させ、θexc=90°まで位置回転さ
せ、位置情報をθenc2に格納する(図4step7〜9、図5
F〜G)。

【0012】磁極位置誤差Mgerrを磁極位置誤差回路5
3で演算し、許容値に入っているか確認し、入っていな
ければ図4step8に戻って再磁極位置合わせする(図4s
tep10〜12)。許容範囲内の場合は位相補正信号Mgadjを
磁極位置信号補正回路に入力し、磁極位置をセットす
る。ここで、磁極位置補正回路Mgaは1回転の絶対位
置、もしくは電気角1回転の絶対位置となるため、この
磁極位置のずれを記憶し、その位置を減ずるなど補正す
れば良い。このようにした場合、リセット位置がθ=0
となる(図4step13)。また、この確認のため、コント
ローラ1の外部に磁極位置誤差Mgerrを表示して、磁極
位置を初期化する許可を得るまで、その位相で励磁し続
けても良い。そして、最後にIexc=0にし、切換スイッ
チSW1,2を1側に切換て、磁極位置合わせを終了する
(図4step14)。ここで、磁極位置誤差Mgerrは次式と
なる。

【0013】

【数1】 ここで、励磁位相を90°で停止したのは位置検出器E
内の磁極位置信号補正回路Mgaが位相補正信号Mgadjを入
力された時、磁極位置を0にする場合の例である。位相
補正回路で上記のリセット位置にオフセットがかけられ
るような場合、任意の位置θmgに設定できるので90°
に限らず、θmgと励磁停止位置θstopの関係は次式とな
る。

【0014】

【数2】 これはコントローラ1内の電流制御回路3を用いるた
め、磁極位置をd軸方向に取るが、q軸方向にしか電流
指令を入力できないため、90°ずれるためである。数
2のように励磁位相を操作することで、θmg=0とする
とθstop=90°となり、q軸方向(+90°方向)、
つまり、励磁位置はθ=90+90=180°にするこ
とができ、磁極位置を図3のU相方向(θenc=0)に合
わせられる。また、上式の+90°は図3の等価回路で
q軸をd軸から+90°の方向に取った場合なので、−
90°方向に取った場合は、−90°となるのは明らか
である。

【0015】図5の実施例では励磁位相をランプ状にし
たが、図6の例ではステップ状に励磁位相を与える。こ
のようにする事で励磁位相設定回路52を簡略化できる
メリットがある。動作は前述の例と同一なので、省略す
る。また、この場合、図6C以降から位置信号θencと
励磁位相の関係が簡単となるのでこの期間に位置検出器
Eの故障検出も同時行える。直線上に励磁位置θexcを
増加させた場合、位置θencに機械的な遅れが生じるの
で、その分だけ許容値を大きくする必要がある。図6に
示すように位置信号θencに許容値を与え、これ以内な
ら正常、範囲外なら異常とするように異常検出回路54
を構成することで故障判定ができる。

【0016】以上、電流制御回路3がd−q軸の場合の
実施例について説明したが、交流電流制御回路も同様に
実施できる。この構成例を図7に示す。この場合、電流
指令Irefに位置θから120°ずつ位相をずらし、3
相の電流指令とするので、θ入力の部分に切換スイッチ
SW2を配置し、速度制御回路2の位置に切換スイッチSW1
を配置することで、d−q軸の場合と同様に本発明が適
用できることは明らかである。

【0017】

【発明の効果】本発明によれば磁極位置合わせ、故障判
定用に測定器を準備しなくても良く、コントローラ1と
組み合わせたまま、磁極位置合わせ、故障判定ができる
ので、短時間での判定ができるため、この効果は計り知
れない。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の実施例の構成図。

【図2】従来の磁極位置合わせの場合の説明図。

【図3】永久磁石モータの等価回路図。

【図4】本発明の動作手順フローチャート。

【図5】本発明の動作波形図。

【図6】本発明の別の動作波形図。

【図7】本発明の第2の実施例の構成図。

【符号の説明】

1…コントローラ、2…速度制御回路、3…電流制御回
路、4…パワ回路、5…磁極位置合わせ回路、51…レ
ベル設定回路、52…励磁位相設定回路、53…磁極位
置誤差回路、54…異常検出回路、E…位置検出器、M
g…磁極位置検出器、Mga…磁極位置信号補正回路、
N…位置検出器の分解能、P…モータの極対数、θ…磁
極位置信号、θenc…位置信号、θenc1…1回目の停止
位置、θenc2…2回目の停止位置、θexc…励磁位相、
任意の位置θmg…磁極位置セット位相、θstop…励磁停
止位置、Mgadj…位相補正信号、PM…永久磁石形モー
タ、Mgerr…磁極位置誤差、Smg…磁極位置信号、ST
R…磁極位置合わせ開始信号、DIR…回転方向信号、
Iexc…励磁電流レベル、Iref…電流指令、SW1…電
流指令切換スイッチ、SW2…励磁位相切換スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H560 BB04 BB12 DA07 DA14 DB20 DC01 DC12 JJ02 JJ19 XA13 XA15 5H576 DD02 DD07 EE01 EE19 HB01 LL07 LL14 LL22 LL41 LL56 MM02 MM10 MM15

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 永久磁石型同期モータと、このモータの
    駆動回路と、このモータの速度を制御する速度制御回路
    と、この速度制御回路の出力の電流指令に従いモータ電
    流を制御する電流制御回路と、このモータに取り付けら
    れた位置検出器を含む永久磁石モータ制御装置におい
    て、 レベル設定回路、励磁位相設定回路を設け、さらに前記
    電流制御装置の前段に前記速度制御装置からの電流指令
    と前記レベル設定回路のレベル設定値との第1の切換回
    路と、前記位置検出器からの位置信号と励磁位相設定回
    路の励磁位相を切り換える第2の切換回路から成る磁極
    位置合わせ回路で、 永久磁石モータ制御装置の外部からの開始信号で、前記
    第1及び第2の切換回路を前記レベル設定値、励磁位相
    側に切換えて、外部からの回転方向で前記励磁位相設定
    回路の位相の増加方向を決定し、励磁位相を階段状ある
    いは直線上に位相を進め、磁極位置の90度方向で位相
    を停止し、前記モータの回転位置が停止するまで、もし
    くは回転位置が停止する時間以上、その位相で励磁して
    からその位置に磁極位置を補正する機能を有した永久磁
    石モータ制御装置。
  2. 【請求項2】 前記請求項1の永久磁石モータ制御装置
    において、 開始信号で励磁位相を進め、位相を停止し、前記モータ
    の回転位置が停止するまで待ち、その時の第1の位置を
    記憶し、さらに再度位相を進ませ、前記と同一位相で停
    止し、前記モータの回転位置が停止するまで待ち、この
    時の第2の位置と前記前記第1の位置から磁極位置の誤
    差を計算する磁極位置誤差回路を設け、外部に表示する
    ようにした前記磁極位置合わせ回路を含む永久磁石モー
    タ制御装置。
  3. 【請求項3】 前記請求項1、及び2の永久磁石モータ
    制御装置において、 磁極位置合わせの動作中に前記位置検出器からの位置を
    監視し、許容値以内に入っていれば位置検出器が正常で
    あると判定する故障判定手段を内蔵する永久磁石モータ
    制御装置。
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