JP2004187396A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石形同期電動機の磁極位置検出にインクリメンタル式エンコーダを用いると、原点位置信号が検出されるまで正確な磁極位置を検出できず、運転不能になることがある。
【解決手段】位置演算部２で回転子の突極性と磁気飽和特性を利用して磁極位置θ_ｅｓｔを演算し、演算部３ではこれを初期値としエンコーダ４４からのパルス信号ＰＡ，ＰＢを積算して第２の位置検出値θ_ｉｎｃを求め、原点位置信号ＰＺが検出されるまでの間は、この検出値θ_ｉｎｃを用いて電動機４３を制御することで上記不都合を解消し、制御性能を向上させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁極位置検出器を用いて永久磁石形同期電動機（単に、電動機ということもある）を制御するに当たり、磁極位置検出器としてインクリメンタル式エンコーダを使う場合の性能改善に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁極位置検出器としてインクリメンタル式エンコーダを使う場合、エンコーダのパルス信号を積算した結果をエンコーダ１回転に１回検出される原点位置信号でリセットすることで磁極位置を検出する。以下、この方法で求めた位置検出値を「絶対位置検出値」と定義する。
インクリメンタル式エンコーダは上記のような方法で位置検出を行なっているため、原理的に原点位置信号が検出されるまでの間は正確な位置検出値を得ることができない。このため、制御装置の電源投入後に最初に運転するときに逆転したり、始動トルク不足により運転不能になったりすることがある。
また、一般に、絶対位置検出値はエンコーダの取り付け誤差による位置検出誤差を持っており、電動機を安定に運転しトルクを高精度制御するためには、位置検出誤差を測定して絶対位置検出値を補正する必要がある。
【０００３】
一方、近年は従来の永久磁石形同期電動機と比べて小形で低コストな埋込磁石構造の永久磁石形同期電動機が多用されるようになってきた。この埋込磁石構造の永久磁石形同期電動機は回転子に突極性を持つ特徴があり、突極性を利用して磁極位置を検出するセンサレス制御技術が多数報告されている。センサレス制御技術によりエンコーダの位置検出誤差を測定するものとして、特許文献１に示すものがある。その概要を以下に説明する。
すなわち、電動機に高周波電圧を印加したときの電圧，電流およびモータ定数を使って磁極位置を演算し、この演算した磁極位置を使って電動機を運転する。そして、原点位置信号が検出されたら、絶対位置検出値と上記磁極位置演算値との偏差を位置補正値としてメモリに記憶する。以後は、位置補正値を使って電動機を運転する。こうすることで、原点位置信号が検出されるまでの間も磁極位置を検出できるようになり、電動機をスムースに運転することができる。また、位置検出誤差の測定を、制御装置単体で簡単に行なうことが可能である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１２５９７号公報（第３−４頁、図１，２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の方式は、エンコーダの原点位置信号が検出されるまでの間は、回転子の突極性を利用して演算した磁極位置のみを使って運転しているため位置演算の応答性、つまり位置演算に時間が掛って速度応答が低下すると言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、エンコーダの原点位置信号が検出されるまでの間の位置演算を迅速に行ない、速度応答性を損なわないようにすることにある。
【０００６】
【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、突極性を持つ回転子を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の磁極位置を検出し原点位置信号を出力するインクリメンタル式エンコーダと、
このインクリメンタル式エンコーダからのパルス信号を積算した結果を前記原点位置信号でリセットすることで原点位置信号を原点とする絶対位置検出値を求めて第１の位置検出値を演算する第１の位置検出値演算手段と、
前記永久磁石形同期電動機に高周波電圧を印加し、この高周波電圧と同じ高周波電流成分から位置演算値を求める位置演算値算出手段と、
この位置演算値を初期値として前記インクリメンタル式エンコーダからのパルス信号を積算することで第２の位置検出値を演算する第２の位置検出値演算手段とを設け、
前記原点位置信号が検出されるまでは前記第２の位置検出値を用いて前記永久磁石形同期電動機のトルクまたは速度制御を行ない、前記原点位置信号が検出されたら前記第１の位置検出値を用いて前記永久磁石形同期電動機のトルクまたは速度制御を行なうことを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記第１の位置検出値を演算するにあたり、前記絶対位置検出値に対し、エンコーダ取り付け誤差による位置検出誤差を位置補正値として加算することができる（請求項２の発明）。
【０００７】
上記請求項２の発明においては、前記原点位置信号が検出されたら、前記絶対位置検出値と前記第２の位置検出値との偏差を位置補正値として記憶する位置補正メモリを設けることができる（請求項３の発明）。
また、請求項１ないし３のいずれかの発明においては、前記位置演算値算出手段は、
相電流検出値と前記位置演算値とから直軸電流と横軸電流を演算する電流座標変換器と、
前記直軸電流の平均値を正の値および負の値に制御するための直軸電圧指令値と横軸電圧指令値を生成する電圧指令生成手段と、
前記高周波電圧を生成する高周波電圧発信器と、
この高周波電圧に前記直軸電圧指令値を加算して第２の直軸電圧指令値を求める加算器と、
この第２の直軸電圧指令値，前記横軸電圧指令値および位置演算値から相電圧指令値を求める電圧座標変換器と、
前記直軸電流，横軸電流から前記高周波電圧と同じ周波数成分の直軸高周波電流，横軸高周波電流を検出する高周波電流検出器と、
この横軸高周波電流を増幅して位置演算値を求める位置演算器と、
直軸電流の平均値が正の値であるときの直軸高周波電流と、負の値であるときの直軸高周波電流の大きさに基づき前記位置演算器の出力を補正する磁極判別器とからなることができる（請求項４の発明）。
【０００８】
【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ブロック図である。
同図において、１は第１の位置検出値演算部、２は位置演算部、３は第２の位置検出値演算部、４は速度調節器、５は電流指令演算器、６は位置演算電流指令設定器、７１は直軸電流調節器、７２は横軸電流調節器、８は高周波電圧発信器、９１は電圧座標変換器、９２は電流座標変換器、１０は回転検出器、４１は交流電源、４２はインバータ回路、４３は永久磁石形同期電動機、４４はインクリメンタル式エンコーダ、４５は速度検出器である。
【０００９】
また、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３およびＳＷ４は互いに連動して動作するスイッチであり、位置演算値を演算するときはＳＷ１とＳＷ２を‘開’、ＳＷ３とＳＷ４を‘閉’として直軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊と横軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊に、位置演算電流指令設定器６から位置演算電流指令値ｉ_ｄ０ ^＊，ｉ_ｑ０ ^＊を設定する。このｉ_ｄ０ ^＊は後述する極性判別を実行するときに、最初は正の値、続いて負の値に設定し、極性判別を行なっていないときは零に設定する。なお、ｉ_ｑ０ ^＊は常に零に設定する。
ＳＷ５は電気角指令値θ^＊を切り換えるスイッチであり、位置演算値θ_ｅｓｔを選択して直軸電流ｉ_ｄと横軸電流ｉ_ｑの演算と端子電圧制御を行なえるようにする。
【００１０】
電流座標変換器９２は、相電流検出値の例えばｉｕ，ｉｗを電気角指令値θ^＊に基づき直軸電流ｉ_ｄと横軸電流ｉ_ｑに変換する。直軸電流調節器７１は直軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊と直軸電流ｉ_ｄとの偏差を増幅して、直軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算し、同様に直軸電流調節器７２は横軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊と横軸電流ｉ_ｑとの偏差を増幅して、横軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。高周波電圧発信器８は矩形波の高周波電圧指令値ｖ_ｄｈ ^＊を出力するが、この高周波電圧指令値ｖ_ｄｈ ^＊を直軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊に加算して第２の直軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊＊が求められる。
【００１１】
電圧座標変換器９１は第２の直軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊＊，横軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊および電気角指令値θ^＊から相電圧指令値ｖｕ^＊，ｖｖ^＊，ｖｗ^＊を演算する。インバータ回路４２は永久磁石形同期電動機４３の端子電圧をｖｕ^＊，ｖｖ^＊，ｖｗ^＊に制御する。
以上のような制御を行なうことで、磁極位置演算のために必要な高周波電圧を電動機４３に印加することができ、また、磁極判別を行なうために電流を所定の値に制御することができる。
【００１２】
高周波電流検出フィルタ２１は、電流検出値ｉｕ，ｉｗから座標変換器９２により座標変換して求めた、直軸電流ｉ_ｄと横軸電流ｉ_ｑに含まれる高周波電圧指令値ｖ_ｄｈ ^＊と同じ周波数成分の高周波電流を検出したものを、ｖ_ｄｈ ^＊によって同期整流してｉ_ｄｈ，ｉ_ｑｈを演算する。速度演算器２４は例えばＰＩ調節器からなり、横軸高周波電流ｉ_ｑｈを増幅して速度演算値ω_ｅｓｔを演算する。位置演算器２５は速度演算値ω_ｅｓｔを積分して、位置演算値θ_ｅｓｔを求める。初期位置演算器２２は第２の位置検出値の演算開始時に、横軸高周波電流ｉ_ｑｈの極性からθ_ｅｓｔの初期値を演算し、初期位置演算器２２の出力を次の（１）式によって補正する。
θ_ｅｓｔ＝［θ_ｅｓｔ＋４５°（ｉ_ｑｈ≧０），θ_ｅｓｔ−４５°（ｉ_ｑｈ＜０）］…（１）
【００１３】
初期位置演算器２２による演算処理により、θ_ｅｓｔが真値に収束するまでの時間を短縮できるが、このことは公知で、例えば特開２００２−１６５４８３号公報に記載されている。磁極判別器２３はθ_ｅｓｔが一定値に収束した後に磁極のＮ極とＳ極とを判別するものであるが、これも例えば特開２００２−１７１７９８号公報により公知である。
そして、上記位置演算電流指令設定器６により電流指令値を所定の値に設定することで、直軸電流の平均値を正の値に制御したときの直軸高周波電流ｉ_ｄｈｐと、負の値に制御したときの横軸高周波電流ｉ_ｄｈｎの振幅を比較することで、位置演算器２２の出力を次の（２）式のように補正する。
θ_ｅｓｔ＝［θ_ｅｓｔ（ｉ_ｄｈｐ＞ｉ_ｄｈｎ），θ_ｅｓｔ＋１８０°（ｉ_ｄｈｐ＜ｉ_ｄｈｎ）…（２）
【００１４】
以上のような演算処理により、位置演算値θ_ｅｓｔを求めることができる。
次に、第２の位置検出値の演算方法について説明する。これは相対位置検出器３１からなり、エンコーダ４４からのパルス信号ＰＡ，ＰＢを積算して第２の位置検出値θ_ｉｎｃを演算する。相対位置検出器３１の初期値には、回転子の突極性と磁気飽和特性を利用して上記のように演算した位置演算値θ_ｅｓｔを設定する。その結果、原点位置信号ＰＺを検出しなくても、エンコーダ４４のパルス信号ＰＡ，ＰＢを用いて、正確に位置検出を行なうことができる。
【００１５】
次に、第１の位置検出値の演算方法について説明する。
絶対位置検出器１２はエンコーダ４４からのパルス信号ＰＡ，ＰＢを積算し、この積算値を原点位置信号ＰＺでリセットすることで、原点位置信号を原点とする絶対位置検出値θ_ａｂｓ０を演算する。このθ_ａｂｓ０と位置補正値メモリ１１に格納した位置補正値θ_ｏｆｓとの和から、位置検出誤差のない第１の位置検出値θ_ａｂｓを演算する。
位置補正値メモリ１１に設定される位置補正値θ_ｏｆｓは、例えば電動機を無負荷運転したときの絶対位置検出値θ_ａｂｓ０と電動機の端子電圧との位相関係を測定した結果を使って設定する。または、電動機に直流電流を流したときの電流を通流した方向とθ_ａｂｓ０との関係を使って設定しても良く、もしくは、オシロスコープ等の測定器を使って、θ_ａｂｓ０と誘起電圧（＝回転子の永久磁石が作る磁束によって電機子巻線に誘導される電圧）との位相関係を測定した結果を使って設定するようにしても良い。
【００１６】
次に、電動機の運転方法について説明する。
まず、運転指令が入力されたら、スイッチＳＷ１とＳＷ２を‘開’、ＳＷ３とＳＷ４を‘閉’、さらにＳＷ５の入力をθ_ｅｓｔに切り換えて、上述した方法で位置演算値θ_ｅｓｔを求める。θ_ｅｓｔの演算が終了したら、θ_ｅｓｔを初期値として第２の位置検出値θ_ｉｎｃの演算を開始し、θ_ｉｎｃを使って電動機の運転を開始する。具体的には、スイッチＳＷ１とＳＷ２を‘閉’、ＳＷ３とＳＷ４を‘開’とし、直軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊と横軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊に運転用電流指令値ｉ_ｄ１ ^＊，ｉ_ｑ１ ^＊を設定し、さらにＳＷ５の入力をθ_ｉｎｃに切り換え、このθ_ｉｎｃに基づいて電動機を運転する。
【００１７】
回転検出器１０はこのθ_ｉｎｃ値から、回転子が１回転以上してエンコーダ４４の原点位置信号ＰＺが検出されたことを確認し、原点位置信号検出フラグをセットする。そして、原点位置信号検出フラグがセットされたら、ＳＷ５の入力を第１の位置検出値θ_ａｂｓに切り換え、θ_ａｂｓに基づいて電動機を運転する。速度検出器４５はエンコーダ４４のパルス信号ＰＡ，ＰＢから速度検出値ω_ｄｅｔを求める。速度調節器４は速度指令値ω^＊と速度検出値ω_ｄｅｔとの差を増幅して、トルク指令値τ^＊を演算する。電流指令演算器５はトルク指令値τ^＊から、所望のトルクを出力するための電流指令値である運転用電流指令値ｉ_ｄ１ ^＊，ｉ_ｑ１ ^＊を演算する。高周波電圧発信器８は動作を停止し、高周波電圧指令値ｖｄｈ＊を零とする。なお、インバータ回路４２，直軸電流調節器７１，横軸電流調節器７２，電圧座標変換器９１および電流座標変換器９２の動作は、位置演算値を演算するときと同じなので、説明は省略する。
【００１８】
以上の制御により、第１の位置検出値と第２の位置検出値とを使い分けて、常に位置検出誤差のない位置検出値に基づいて直軸電流と横軸電流を正確に制御できるので、電動機のトルクを正確に制御することができ、速度を指令値通りに制御することができる。このように、エンコーダの出力信号を用いて磁極位置検出を行なうことができ、これを使って電動機を運転できる。このため、従来のものと異なり、エンコーダの原点位置信号が検出されていないときでも速度応答が低下しない。
【００１９】
図２はこの発明の第２の実施の形態を示すブロック図である。
これは、図１に示すものに対し、検出器１２の検出誤差を補正する位置補正値を測定する機能を追加した点が特徴である。
いま、運転指令が入力されたら、上記と同様にスイッチＳＷ１とＳＷ２を‘開’、ＳＷ３とＳＷ４を‘閉’、さらにＳＷ５の入力をθ_ｅｓｔに切り換えて、上述した方法で位置演算値θ_ｅｓｔを求める。θ_ｅｓｔの演算が終了したら、θ_ｅｓｔを初期値として第２の位置検出値θ_ｉｎｃの演算を開始し、θ_ｉｎｃを使って電動機の運転を開始する。具体的には、スイッチＳＷ１とＳＷ２を‘閉’、ＳＷ３とＳＷ４を‘開’とし、直軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊と横軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊に運転用電流指令値ｉ_ｄ１ ^＊，ｉ_ｑ１ ^＊を設定し、さらにＳＷ５の入力をθ_ｉｎｃに切り換え、このθ_ｉｎｃに基づいて電動機を運転する。
【００２０】
その後、回転検出器１０によって原点位置信号検出フラグがセットされたら、絶対位置検出値θ_ａｂｓ０と第２の位置検出値θ_ｉｎｃとの偏差を位置補正値として位置補正値メモリ１１に記憶し、ＳＷ５の入力をθ_ａｂｓに切り換え、このθ_ａｂｓに基づいて電動機を運転する。
上記のような位置補正演算は、メモリ１１に不揮発性メモリを使う場合にはエンコーダを電動機から取り外したり交換したりしない限り、装置を設置するときに１回行なえば良い。また、メモリ１１に揮発性メモリを使ってコストダウンする場合には、通常、制御電源投入後最初に運転するとき１回行なえば良い。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、エンコーダの原点位置信号が検出されないときでも、速度応答を低下させることなく永久磁石形同期電動機を運転することができ、制御性能が向上するという利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示すブロック図
【図２】この発明の第２の実施の形態を示すブロック図
【符号の説明】
１…第１の位置検出値演算部、２…初期位置検出値演算部、３…第２の位置検出値演算部、３１…相対位置検出器、４…速度調節器、５…電流指令演算器、６…位置演算電流指令設定器、７１…直軸電流調節器、７２…横軸電流調節器、８…高周波電圧発信器、９１…電圧座標変換器、９２…電流座標変換器、１０…回転検出器、４１…交流電源、４２…インバータ回路、４３…永久磁石形同期電動機、４４…インクリメンタル式エンコーダ、４５…速度検出器。

Claims (4)

1. 突極性を持つ回転子を備えた永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   回転子の磁極位置を検出し原点位置信号を出力するインクリメンタル式エンコーダと、
   このインクリメンタル式エンコーダからのパルス信号を積算した結果を前記原点位置信号でリセットすることで原点位置信号を原点とする絶対位置検出値を求めて第１の位置検出値を演算する第１の位置検出値演算手段と、
   前記永久磁石形同期電動機に高周波電圧を印加し、この高周波電圧と同じ高周波電流成分から位置演算値を求める位置演算値算出手段と、
   この位置演算値を初期値として前記インクリメンタル式エンコーダからのパルス信号を積算することで第２の位置検出値を演算する第２の位置検出値演算手段とを設け、
   前記原点位置信号が検出されるまでは前記第２の位置検出値を用いて前記永久磁石形同期電動機のトルクまたは速度制御を行ない、前記原点位置信号が検出されたら前記第１の位置検出値を用いて前記永久磁石形同期電動機のトルクまたは速度制御を行なうことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. 前記第１の位置検出値を演算するにあたり、前記絶対位置検出値に対し、エンコーダ取り付け誤差による位置検出誤差を位置補正値として加算することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
3. 前記原点位置信号が検出されたら、前記絶対位置検出値と前記第２の位置検出値との偏差を位置補正値として記憶する位置補正メモリを設けたことを特徴とする請求項２に記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
4. 前記位置演算値算出手段は、
   相電流検出値と前記位置演算値とから直軸電流と横軸電流を演算する電流座標変換器と、
   前記直軸電流の平均値を正の値および負の値に制御するための直軸電圧指令値と横軸電圧指令値を生成する電圧指令生成手段と、
   前記高周波電圧を生成する高周波電圧発信器と、
   この高周波電圧に前記直軸電圧指令値を加算して第２の直軸電圧指令値を求める加算器と、
   この第２の直軸電圧指令値，前記横軸電圧指令値および位置演算値から相電圧指令値を求める電圧座標変換器と、
   前記直軸電流，横軸電流から前記高周波電圧と同じ周波数成分の直軸高周波電流，横軸高周波電流を検出する高周波電流検出器と、
   この横軸高周波電流を増幅して位置演算値を求める位置演算器と、
   直軸電流の平均値が正の値であるときの直軸高周波電流と、負の値であるときの直軸高周波電流の大きさに基づき前記位置演算器の出力を補正する磁極判別器とからなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。

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