JP2003079185A - 永久磁石形同期電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オシロスコープなどの特別な測定器を用いる
ことなく、永久磁石形同期電動機（モータ）のロータ磁
極位置と、エンコーダの原点位置との角度差（オフセッ
ト）が零となるような調整を可能とする。 【解決手段】 演算器１４からの磁極位置検出値θと電
圧センサ１７により検出したモータ相電圧ｖｕから、モ
ータ巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出力信号
との差分をオフセット量として調節演算するオフセット
調節器１９を設け、これをオフライン（チューニング）
モードで運転して上記オフセット値を求め、以後はこの
オフセット値を考慮してモータの出力電圧，周波数およ
び位相の制御を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】この発明は、出力電圧の大き
さ、周波数および位相を制御可能なインバータ等の電力
変換器を用いて永久磁石形同期電動機のトルク制御，速
度制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】図３に、この種の永久磁石形同期電動機
制御装置の従来例を示す。同図において、交流電源８か
ら供給される交流電力は、例えばＰＷＭ（パルス幅変
調）制御されるインバータ９により所定の電圧，周波数
の交流電力に変換され、永久磁石形同期電動機（ＳＭ）
１１を所望のトルクで運転する。１２は電動機１１によ
って駆動される負荷であり、１３は電動機１１の回転速
度および回転子の磁極位置を検出するパルスエンコーダ
で、９０度位相差を持ったＡ相，Ｂ相のインクリメンタ
ル信号と、アブソリュート信号を出力する。 【０００３】上記同期電動機１１の制御装置において、
速度設定器１は電動機１１の速度設定ωｒ♯を速度指令
演算回路２に送るので、速度指令演算回路２では予め設
定された加速度に従い変化して、最終的には入力された
速度設定値ωｒ♯に一致するような速度指令値ωｒ＊を
生成し出力する。速度調節器３には、この速度指令値ω
ｒ＊と速度検出演算器１５により演算された速度検出値
ωｒとの偏差が入力されており、調節動作によって上記
偏差を零にするようなｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。
ここで、永久磁石同期電動機１１の回転子永久磁石によ
る磁束軸と平行な軸をｄ軸、磁束軸に直交する軸をｑ軸
と言う。 【０００４】位置検出演算器１４では、パルスエンコー
ダ１３からの出力信号に基づき、例えば電動機１１のＵ
相巻線と磁極位置とのなす角度θを演算する。座標変換
器７は、電流センサ１０によって検出した電動機１１の
一次電流ｉｕ，ｉｗを前記角度θに基づき次式の
（１），（２）式の如き関係をもって座標変換すること
により、電動機１１の一次電流をｑ軸電流検出値ｉｑお
よびｄ軸電流検出値ｉｄに分解する。なお、（１），
（２）式のｉｖはｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０なる関係から求
められる。 ｉｄ＝ｃｏｓθ×ｉｕ＋ｃｏｓ（θ−１２０°）×ｉｖ ＋ｃｏｓ（θ＋１２０°）×ｉｗ …（１） ｉｑ＝ｓｉｎθ×ｉｕ＋ｓｉｎ（θ−１２０°）×ｉｖ ＋ｓｉｎ（θ＋１２０°）×ｉｗ …（２） 【０００５】ｑ軸電流調節器４には、ｑ軸電流指令値ｉ
ｑ＊とｑ軸電流検出値ｉｑとの偏差が入力され、この偏
差を零にするようなｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を生成して出
力する。同様に、ｄ軸電流調節器５には、ｄ軸電流指令
値ｉｄ＊とｑ軸電流検出値ｉｄとの偏差が入力され、こ
の偏差を零にするようなｄ軸電圧指令値ｖｄ＊を生成し
て出力する。なお、図３では電動機１１のトルク発生に
寄与しないｄ軸電流（無効電流）は零として設定されて
いる。 【０００６】座標変換器６は、ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊，
ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊および上記角度θに基づき、下記
（３）〜（５）式により座標変換を行ない、３相電圧指
令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を生成する。 ｖｕ＊＝ｃｏｓθ×ｖｄ＊＋ｓｉｎθ×ｖｑ＊ …（３） ｖｖ＊＝ｃｏｓ（θ−１２０°）×ｖｄ＊ ＋ｓｉｎ（θ−１２０°）×ｖｑ＊ …（４） ｖｗ＊＝ｃｏｓ（θ＋１２０°）×ｖｄ＊ ＋ｓｉｎ（θ＋１２０°）×ｖｑ＊ …（５） これらの３相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊はイン
バータ９に与えられ、交流電源８から入力される交流電
力が所定の電圧，周波数および位相を有する交流電力に
変換され、電動機１１に供給されることになる。 【０００７】次に、エンコーダ１３による磁極位置検出
方法について説明する。図４はアブソリュート信号の一
例を示し、６極モータの磁石位置を３ビットのアブソリ
ュート信号で検出する例である。区間ｔａが機械角１周
期分（モータ１回転分）で、区間ｔｂが電気角１周期分
である。極対数は３となるので、機械角１周期に対し電
気角は３周期となる。 【０００８】図５に図３で用いられる位置検出演算器の
具体例を示す。電源投入時にはｆ０，ｆ１，ｆ２信号で
決まる初期位置に、カウンタ１４４の出力はプリセット
される。テーブル１４１はｆ０，ｆ１，ｆ２信号の状態
にあわせ、初期位置を出力する。ｆ０，ｆ１，ｆ２信号
の状態と初期位置との関係は図４に示すように、電気角
を６等分した位置で表わすことができる。例えば、ｆ０
＝１，ｆ１＝０，ｆ２＝１の状態であれば０度から６０
度の範囲内にあることになるので、初期位置はその中間
の３０度にプリセットされる。Ａ，Ｂ相の信号を４逓倍
処理，回転方向判別した結果はカウンタ１４４に入力さ
れ、回転方向に合わせてアップ，ダウンカウント処理を
行なう。また、ｆ０信号と回転方向信号とをＸＯＲする
（排他的論理和をとる）ことで、図４の０度の位置にお
けるｆ０信号のエッジを検出し、このエッジ信号により
カウンタ１４４を零クリアする。 【０００９】図３の設定器１６には、Ｕ相巻線と磁極位
置とが一致した点の図４の０度の位置における、実際の
磁極位置とエンコーダ１３による検出値との差分がオフ
セット量として設定される。このような補正処理を行な
うことにより、エンコーダ取り付け位置を考慮した形
で、電動機１１のＵ相巻線と磁極位置とのなす角度θを
求めることが可能となる。 【００１０】次に、オフセット量の調整方法について説
明する。先の（３）式におけるｖｄ＊，ｖｑ＊は次の
（６），（７）式で表わすことができる。 ｖｄ＊＝Ｒ１×ｉｄ＊−ω×Ｌ×ｉｑ＊ …（６） ｖｑ＊＝Ｒ１×ｉｑ＊＋ω×Ｌ×ｉｄ＋ωΦ …（７） ここで、ｉｄ＊＝０として制御している。また、モータ
を無負荷運転した場合には、ｉｑ＊＝０となり、上記
（６），（７）および（３）式は、次式のようになる。 【００１１】 ｖｄ＊＝０ …（６）’ ｖｑ＊＝ωΦ …（７）’ ｖｕ＊＝ｓｉｎθ×ｖｑ＊＝ｓｉｎθ×ωΦ …（３）’ そこで、これらの関係式を利用してモータを無負荷運転
し、電圧センサ１７で検出したｖｕと、演算器１４を介
して得たθをアナログ信号で出力し、ｖｕとθの関係を
オシロスコープ等の測定器で観測し、設定器１６にセッ
トするオフセット量を手動調節する。オフセット調節を
行なった後のｖｕとθの関係を、図６に示す。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような方法では、下記のような問題がある。 １）オフセット量が真値に対し±９０度以上ずれている
と、指令トルクと逆極性のトルクをモータが発生し、速
度制御ができなくなる。 ２）オシロスコープ等の測定器を必要とする。 したがって、この発明の課題は、特別な測定器等を必要
とすることなく、オフセット量の調節を可能とすること
にある。 【００１３】 【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、永久磁石形同期電動機に
取り付けられたこエンコーダの出力信号から、電動機の
所定相巻線と磁極位置とのなす角度を位置検出演算器に
より求め、この検出した角度と電動機電流検出値とから
電動機電流を磁束軸成分とこれに直交する直交軸成分と
に分けて、電動機の出力電圧の大きさ，周波数および位
相の制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置におい
て、前記位置検出演算器による磁極位置検出値と電動機
電圧検出センサにより検出した電動機の所定相巻線電圧
とから、電動機巻線と磁極位置が一致する点とエンコー
ダ出力信号との差分をオフセット量として調節演算する
オフセット調節器を設け、永久磁石形同期電動機制御装
置をオフライン状態にして電動機を運転して求めた前記
オフセット量を、以後のオンライン運転時に用いて電動
機を制御することを特徴とする。 【００１４】 【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態を示す構成図、図２は図１のチューニング動作を説明
するフローチャートである。図１に示すように、構成的
には図３に示す従来例に対しオフセット調節器１９を設
けた点が特徴である。このオフセット調節器１９には電
圧センサ１７からのＵ相巻線電圧検出値ｖｕと、位置検
出演算器１４からの出力であるＵ相巻線と磁極位置とが
なす角度θと、速度検出演算器１５を介して得られる速
度検出値ωｒと、速度指令演算回路２の出力である速度
指令値ωｒ＊とが入力される。 【００１５】オフセット調節器１９はこれらの入力のう
ち、特に検出値ｖｕとθとの関係からオフセット値を求
める。すなわち、オフセットがない場合はｖｕとθとの
間には先の図６に示すような関係にあるが、オフセット
があると図６のような関係が崩れるので、例えば電圧検
出値ｖｕの正から負の零クロス点が１８０度からどれだ
けずれているかを検出することで、オフセット値を求め
ることができる。また、オフセット調節器１９はωｒや
ωｒ＊を利用して、チューニング速度指令値ωｒ＃’を
求め、図２のようなチューニング動作を行なう。 【００１６】図２のステップでチューニング動作を開
始すると、まずステップで、指令または設定値ωｒ
＃’を１００％速度とする。これは最大値とすることで
検出を容易にするためである。次のステップ，で逆
極性のトルクを出力したりしないような操作（粗調整）
をした後、次のステップでオフセット値を求め、以後
はωｒ＃’を０％速度にして停止させ、チューニング動
作を終了するものである（ステップ，参照）。な
お、オフセット調節器１９で求めたオフセット値は、メ
モリを含む設定器１６にセットされ、以後はこれを用い
て永久磁石形同期電動機の制御がオンラインで行なわれ
ることになる。 【００１７】 【発明の効果】この発明によれば、特別な測定器等を用
いることなく、永久磁石形同期電動機の磁極位置検出用
に取り付けられるエンコーダの検出オフセット量の調整
を、自動で容易に行なうことが可能となる利点が得られ
る。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。 【図２】この発明の動作を説明するためのフローチャー
トである。 【図３】従来例を示す構成図である。 【図４】図３のエンコーダによる磁極位置検出方法の説
明図である。 【図５】図３における位置検出演算器の具体例を示すブ
ロック図である。 【図６】図３でオフセット調整した後の所定相電圧と角
度との関係説明図である。 【符号の説明】 １…速度設定器、２…速度指令演算回路、３…速度調節
器、４…ｑ軸電流調節器、５…ｄ軸電流調節器、６，７
…座標変換器、８…交流電源、９…インバータ、１０…
電流センサ、１１…永久磁石形同期電動機（ＳＭ）、１
２…負荷、１３…エンコーダ、１４…位置検出演算器、
１５…速度検出演算器、１６…設定器（オフセット設定
器）、１７…電圧センサ、１８…オシロスコープ、１９
…オフセット調節器、１４１…テーブル、１４２…４逓
倍器、１４３…回転方向検出器、１４４…カウンタ、１
４５…補正回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA07 DA13 DB07 DC12 DC13 EB01 EC01 GG01 JJ15 RR03 SS07 XA02 XA03 XA04 XA12 XA13 XB04 5H576 BB07 CC05 DD02 DD07 EE01 EE11 GG02 GG04 HB01 KK02 LL07 LL22 LL25 LL41 MM15

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 永久磁石形同期電動機に取り付けられた
   こエンコーダの出力信号から、電動機の所定相巻線と磁
   極位置とのなす角度を位置検出演算器により求め、この
   検出した角度と電動機電流検出値とから電動機電流を磁
   束軸成分とこれに直交する直交軸成分とに分けて、電動
   機の出力電圧の大きさ，周波数および位相の制御を行な
   う永久磁石形同期電動機制御装置において、 前記位置検出演算器による磁極位置検出値と電動機電圧
   検出センサにより検出した電動機の所定相巻線電圧とか
   ら、電動機巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出
   力信号との差分をオフセット量として調節演算するオフ
   セット調節器を設け、永久磁石形同期電動機制御装置を
   オフライン状態にして電動機を運転して求めた前記オフ
   セット量を、以後のオンライン運転時に用いて電動機を
   制御することを特徴とする永久磁石形同期電動機制御装
   置。