JP2006067744A

JP2006067744A - 同期モータ制御装置及びその初期位相設定方法

Info

Publication number: JP2006067744A
Application number: JP2004249431A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sugiura; 正樹杉浦; Takanori Ohashi; 敬典大橋; Hiromichi Takano; 裕理高野; Okihisa Watabe; ▲興▼久渡部
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2024-08-30
Also published as: JP4206374B2

Abstract

【課題】同期モータ制御装置において、エンコーダの回転軸への好適な取付けをすることを目的とする。
【解決手段】同期モータ制御装置に磁極位置の初期位相設定手段を設け、モータに一定電流を流し、電気角が１周期回転する間の開始位置と停止位置とＺ相位置の関係から、初期位相オフセット値を算出する。自動設定によりエンコーダの取付け工数を削減することができ、エンコーダ取付け精度の向上により同期モータの良好な制御が可能となる。また、コントローラ内蔵の電流制御系をそのまま使用するため簡単に構成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、同期モータを制御する技術に関するものである。

同期モータを制御する装置について、特許文献１に開示がある。特許文献１には、「（１）エンコーダを取付ける際のずれ角を補正することで、ずれ角の影響を無くすことができる。（２）エンコーダ取付け時のずれ角の影響を無くすことで、品質向上に大きく貢献できる。（３）エンコーダ取付け時間を短縮することでコストダウンに繋がる。という効果がある（公開特許公報第４頁１２行〜１８行）」との記載がある。

特開２００４−７２９０２

同期モータを制御装置で駆動制御する場合には、通常、同期モータの回転軸の位置情報を取得し、信号として出力するエンコーダを回転軸に取付け、当該エンコーダからの信号に基づき制御を行なう。しかし、当該エンコーダの取付けの初期位相が同期モータの所定の磁極位置とずれている場合、正常な制御ができず問題となることがある。また、同期モータが正常に制御できない場合、エンコーダの取付け位置がずれているのか、同期モータまたは制御装置が正常動作していないのか原因が特定できずに問題となる場合がある。

したがって本発明は、エンコーダの回転軸への好適な取付けをする装置を提供することを目的とする。

エンコーダの取付け位置とＺ相位置のずれ角が不定なＡ，Ｂ，Ｚ相信号を持つインクリメンタルエンコーダを使用した同期モータの制御装置において、上記問題を解決するため、電流レベル設定部と励磁位相設定部を持つ初期位相設定手段を電流制御系に取付け、モータに一定レベルの電流を流し、励磁位相角を変化させることで回転軸を回してＺ相を探索し、励磁開始時の停止位置と電気角が１周期回転した後の停止位置と、１周期回転中に検出されたＺ相位置の関係から、動作に必要な初期位相オフセット値を算出することを特徴とする。

本発明によれば、エンコーダの取付け工数を低減することができ、エンコーダ取付け精度の向上により同期モータの良好な制御が可能となる。

本発明の実施例について図を用いて説明する。

図１は永久磁石形同期モータ制御装置の制御ブロック図である。モータ1には位置検出器2が取り付けられており、位置検出器2で検出された情報を基に速度演算部３で検出速度Ｎが計算される。モータ制御装置には速度指令値Ｎrefが与えられ、比較器４で速度指令値Nrefと検出速度Nの偏差を計算する。この速度偏差は速度制御部5に入力され、例えば比例積分演算されて電流指令irefとなって電流指令切替部６に出力される。

次に電流制御系について、電流検出器７、８で例えばモータ軸u相とw相の電流を検出し、３相電流の総和が零となることを利用してv相電流を求める。この３相電流は、u相の電流方向とこれと直交する電流方向を基準として、３相−２相変換し、さらにモータの位置検出器2より得られる電気角の情報を基に、回転座標系に変換し、モータ軸方向のｄ軸電流とπ/2進む方向のｑ軸電流に座標変換する。これで回転座標系において、d軸電流を零、q軸電流を速度制御部で演算されたトルク電流指令に制御することでモータ電流を制御することができる。

電流制御部9では比例積分制御を用いて、d軸電圧指令、q軸電圧指令をそれぞれ求め、２相−３相変換を行ない３相の電圧指令値を求める。PWM制御部10では三角波比較PWM方式などを用いてPWM信号を作成し、指令電圧がパワー素子11に与えられ、サーボモータに対して三相電流を流すことによりモータの制御を行う。

初期位相設定部１２には、一定の電流指令を出力するための電流レベル設定部１３と、電気角を一定の割合で変化させ電流制御部に送るための励磁位相設定部１４が組み込まれており、現在の磁極位置情報を用いずにモータを回転させることができる。これにより電源投入後に電流位相が不定状態のとき、運転開始時に一定電流を保持し、励磁位相角のみを変化させることで回転軸を回してＺ相を探索し、Ｚ相検出した時点で前述の初期位相オフセット値に再設定することで電流位相を確定させることができる。

前述の電流指令切替部６は、初期位相設定中の状態と、電源投入後からＺ相を検出して位相が確定するまでの状態と、位相確定後の通常運転中の状態により、電流指令の切替を行なうことを特徴とする。

つぎに初期位相設定時の処理を図２のフローチャートおよび図３の動作概略図を用いて説明する。
外部から初期位相設定の開始指令で初期位相設定モードが開始された場合 (図２step1)、処理に必要な変数を設定した後に初期位相設定部を有効として、電流レベル設定を一定として電流を出力開始する(図２step2および図３(A))。

一定電流励磁により磁極が定位置に安定した状態で、正転、逆転の指令方向に基づいて電流励磁位相を徐々に変化させ電流位相角１周期分回転させる(図２step3および図３(B))。このときの電流位相を変化させる方向は、初期位相設定処理の開始時に設定するものとする。

一周期回転後、磁極が安定した時点で位置情報θ２を読み取る(図２step4および図３(C))。この時点でまだZ相が検出されていない場合(図２step5−No)、前回の位置θ１を更新後(図２step6)、検出された位相データを基に相方向の判定(図２step7)、断線検出(図２step8)を行い、電流位相角を１周期変化させる処理(図２step3)に戻る。

一方、一周期変化した後にZ相が検出されている場合(図２step5-Yes)、Z相の検出位置情報θｚを読み取り(図２step9および図３(D))、位置情報θ１,θ２,θｚを使用して、初期位相を計算する(図２step10)。

初期位相が算出された場合、正常終了とし電流指令を解除する(図２step11および図３(E))。初期位相の比率を求めるために、
dT = |θz-θ１|,
正転時： θinit ＝ (dT/T)×θreso ,
逆転時： θinit ＝ (1-dT/T)θreso (数１)
ここで、θinit：初期位相設定値、dT: Z相検出までのオフセットパルス数、
T:電気角１周期分のパルス数、θreso：電気角１周期あたりの分解能（パルス数）である。

また、図２において異常検出処理として、Ｚ相検出を行いＺ相位置が確定される前に（図２step5-No）、前回位置を更新した時点で(図２step6)、前回値と今回値の磁極位置データを確認することにより、出力方向の判定処理（図２step7）、およびエンコーダの断線検出機能として処理を行なうことができる（図２step8）。

図４に、上記の異常検出処理部についての動作概略を示す。位相励磁により電気角を１周期回転させた後(図４step1)、1周期回転毎に繰り返し許容回数を更新し(図４step2)、前回値と今回値の磁極位置データを取得した後(図４step3)、前回値と今回値の変化量がエンコーダ分解能の設定とかけ離れている場合エンコーダ分解能の設定異常と見なすことができる(図４step4)。

磁極位置データの取得後、前回値と今回値が全く変化していない場合はエンコーダの配線異常が考えられる(図４step5)。また、許容回数以上してもZ相が検出できない場合、Z相信号の断線異常と見なし、警告表示することができる(図４step6)。

さらに、前回値と今回値の磁極位置のデータを確認するとき、初期位相合わせの開始時に指定した方向と、実際に回転させ磁極位置データの増減した方向を確認することにより、A相、B相の位相進み方向を確認し自動設定することが可能である（図４step7）。

以上の処理で初期位相の確定、配線確認が可能であるため、つぎに、電源投入後にＺ相を検出した時点で磁極位置情報を初期位相設定値でプリセットし、通常運転が開始できるまでのフローチャートを図５に示す。また、このときの動作概略図を図６に示す。

まず電源投入すると、運転準備完了となった段階で運転開始待ちとなる(図５step1および図６(A))。運転開始した後(図５step1-Yesおよび図６(B))、Ｚ相がまだ一度も検出されず磁極位置が確定していない状態であれば(図５step2-yes)、初期位相設定部を使用して一定レベル電流値で励磁位相を変化させ(図５step3および図６(C))、Z相検出されるまで回転させる。

回転中にZ相を検出したら(図５step4-Yes),Z相を検出した時点で初期位相オフセット値を用いて電流位相角を確定する(図５step5および図６(D))。電流位相角が確定したら、通常モードに移り通常運転を開始する(図５step6および図６(E))。通常運転を終了して停止した後は(図５step7および図６(F))、電源を切らない限り位置情報は保持されているため、再び運転開始された場合(図５step1-yes)は、初期位相設定処理を介さずに直接通常運転を開始する(図５step2-Noおよび図６(G))。

以上のように、初期位相合わせ処理部を通常の電流制御系に組み込むことにより、初期位相の検出開始から、初期位相オフセット値の計算、初期位相オフセット値の記憶、配線異常検出の動作までを行なうことができる。これらの一連の処理をプログラムソフトで構成しコントローラに内蔵することで、パソコンからの動作開始指令、または操作パネルのボタンで動作開始指令を与えるだけで、初期位相設定の動作を自動的に行なうことが可能となる。

また、コントローラ内蔵の電流制御系をそのまま使用するため簡単に構成できる。

本発明の実施例の概略制御ブロック図初期位相設定動作手順フローチャート初期位相設定時の動作概略図初期位相設定時の異常検出処理の動作概略図通常運転時の電流指令切替処理フローチャート通常運転時の動作概略図

符号の説明

1…モータ、2…位置検出装置、3…速度検出器、4…比較器、5…速度制御部、6…電流指令切替、7…CT、8…電流検出装置、9…電流制御部、10…PWM制御部、11…パワー素子、12…初期位相設定手段、13…電流レベル設定部、14…励磁位相設定部

Claims

同期モータに取り付けられた位置検出装置の位置情報から検出速度を演算し、速度指令と検出速度の偏差を基に速度制御部で電流指令を演算し、速度制御部から出力される電流指令とサーボモータに取り付けられた電流検出装置からの検出電流の偏差を基に電圧指令を演算する電流制御部を持ち、ＰＷＭ制御部に電圧指令を与えてＰＷＭ信号を生成し、パワー素子を介して、同期モータを駆動する同期モータ制御装置において、
電流レベル設定部と励磁位相設定部を有する初期位相設定手段を設け、電流制御部の前段で速度制御部からの電流指令と初期位相設定手段からの電流指令の切替を行なうことにより、磁極位置の初期位相設定を行なう手段を備えることを特徴とする同期モータ制御装置。
請求項１記載の同期モータ制御装置であって、
前記初期位相設定手段は、電流レベル設定部で電流レベルを一定に出力し、励磁位相設定部で電流位相角を一定の割合で増加させることにより、Ｚ相位置を検索し、Ｚ相位置、動作開始位置、動作停止位置の取り込み情報から初期位相を演算する手段を備えることを特徴とする同期モータ制御装置。
請求項２記載の同期モータ制御装置であって、
前記初期位相設定手段は、磁極位置探索中の磁極の回転方向とパルスのカウント方向を確認することによりエンコーダ信号線の配線順序を確認し、エンコーダ信号の相方向を決定する手段を備えることを特徴とする同期モータ制御装置。
請求項２記載の同期モータ制御装置であって、
前記初期位相設定手段は、位相設定中のパルスを入力監視することにより断線検出を行ない、異常時には警告表示することを特徴とする同期モータ制御装置。
請求項２記載の同期モータ制御装置であって、
操作入力手段を設け、前記初期位相設定手段は、操作入力手段から初期位相設定開始命令を与えることで磁極位置を探索開始し、位相設定、配線確認を行なうことを特徴とする同期モータ制御装置。
同期モータに取り付けられた位置検出装置の位置情報から検出速度を演算し、速度指令と検出速度の偏差を基に速度制御部で電流指令を演算し、速度制御部から出力される電流指令とサーボモータに取り付けられた電流検出装置からの検出電流の偏差を基に電圧指令を演算する電流制御部を持ち、ＰＷＭ制御部に電圧指令を与えてＰＷＭ信号を生成し、パワー素子を介して、同期モータを駆動する同期モータ制御装置において、
電流制御部の前段で速度制御部からの電流指令と初期位相設定手段からの電流指令の切替を行なうことにより、磁極位置の初期位相設定を行なうことを特徴とする同期モータ制御装置の初期位相設定方法。