JP2008109811A - 同期電動機の初期位相検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】同期電動機の磁極位置を位置検出器にて検出し、電源投入時を含む初期位相を設定する機能を有した初期位相検出装置においては、エンコーダ波形定義が異なっていることにより、相順の入れ替えや論理反転等しているため、誤接続などの問題を有している。
【解決手段】エンコーダ検出回路に、前記絶対値信号を２値信号に変換してコード化するモード変換機能と、このモード変換機能によってモード変換され、設定された複数のモード番号が格納されるテーブル部と、このテーブル部に設定されたモード番号の位相を選択するテーブル選択機能とを設けたことを特徴とする。
テーブル部におけるモード番号格納数と、テーブル選択機能における選択数を２＾Ｎ（たたし、Ｎは整数）に拡張するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、同期電動機の初期位相検出装置に関するものである。

永久磁石式等の同期電動機と位置センサとを組み合わせてサーボ駆動やインバータの可変速駆動装置に使用される。
図７は、位置センサとして６相エンコーダを使用した同期電動機の駆動システムを示したものである。１は同期電動機（ＰＭモータ）、２はＰＭモータ１の回転子磁極と直結された位置検出器で、Ａ，Ｂ，Ｚ，Ｕ，Ｖ，Ｗ形インクリメンタルエンコーダが使用される。
ここで、Ａ，Ｂ：位相回転に相当するパルス出力、Ｚ：原点信号で１回転に１パルス発生、ＵＶＷ：ＰＭモータの界磁極対数と同じパルスを出力する。ＵＶＷ相はパルス周期の１２０°の位相差を持ち、ＵＶＷ相の”Ｈ”／”Ｌ”（高／低）信号レベルの組み合わせにより、極数位置を検出する。

３はエンコーダ検出回路、４は機械角／電気角変換部で、変換された位置検出位相信号θを速度演算部５、回転座標変換部６、及び逆回転座標変換部７に出力する。速度演算部５では、位相検出を時間微分または時間差分により速度を検出し、この信号は減算部において速度指令との差演算がなされ、その偏差信号は速度制御部８に出力される。速度制御部８において速度指令に速度検出が追従し、且つトルクに比例するよう演算された電流指令は減算部を介して電流制御部９に印加される。通常、電流制御部９ではＰＩ演算が実行されて電圧指令を出力する。

回転座標変換部６は、位置検出位相信号θにより電流検出を回転座標変換すると共に３相／２相変換に適用し、３相交流の電流検出（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を２軸成分の直流量に変換する。逆回転座標変換部７は、位置検出位相信号θにより電圧指令を逆回転座標変換すると共に２相／３相変換も行う。これにより、２軸成分の直流量の電圧指令を３相交流電圧指令（Vｕ^*，Vｖ^*，Vｗ^*）に変換する。
ＰＷＭ制御部１０は、入力された３相交流の電圧指令（Vｕ^*，Vｖ^*，Vｗ^*）に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）し、ＩＧＢＴ等が使用された主回路１１を介してＰＭモータ１を制御する。なお、１２は電流検出器で、検出値は回転座標変換部６に入力されて電流制御の検出値として使用される。

図８はエンコーダ検出回路３の信号波形例で、ＰＭモータのＵ相巻線とエンコーダの原点Ｚが一致した（△θuz＝０）場合を示したものである。同図でθは電気角で、Ｕ相巻線を０゜、１極対正方向に進んだ位相を３６０゜としている。θMは機械角で、原点Ｚパルス発生位相を０゜とし、１回転を３６０゜とする。また、△θuzはＵ相巻線を基準とした原点信号Ｚが発生する電気角である。図８では、Ｕ，Ｖ，Ｗ信号の組み合わせを指定しやすいように、（１）式で計算してmode番号として示している。
mode＝（Su×４）＋（Sv×２）＋（Sw） …（１）式
ただし、Su Sv SwはＵ，Ｖ，Ｗの信号を”Ｈ”＝１，Ｌ＝０に変換した。

図７のエンコーダ検出回路３は、パルス波形整形部３ａ、原点検出部３ｂ、初期位相検出部３ｃ及び位置カウンタ３ｄの機能を有している。パルス波形整形部３ａは９０°位相を持つＡ，Ｂの２相信号からカウントアップのパルスＣｕｐとカウントダウンのパルスＣｄｗに変換して位相に相当する値を出力するカウタに与えられる。原点検出部３ｂは、Ｚ相信号が１回転に１回パルス発生するので、これを使ってＲＳＴ信号によりカウンタ値をリセットする。

初期位相検出部３ｃは、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相信号を利用して原点Ｚを基準とする磁極初期位相を出力する。位相出力は、電気角で（３６０°／６モード）＝６０°の検出幅中央位相を機械角に変換した値（４極の場合は３０゜）をθMuvwとして出力する。例えば、４極のＰＭモータ用エンコーダの場合には、図８においてＵが”Ｈ”，Ｖが”Ｌ”，Ｗが”Ｈ”の信号のときはmode＝５となり、θMuvw＝１５゜を出力する。

位置カウンタ３ｄは、モータの位相を検出するためのパルス数をアップ／ダウンカウンタで、このカウンタの出力が原点を基準とした機械角の位相に相当する。図８のエンコーダを使用した場合、インバータ電源投入直後は、原点Ｚ発生していないため正確な位相はわからない。そこでカウンタ初期値が不定であることを防止するため、電源投入直後にカウンタ初期化指令LOADによりＵ，Ｖ，Ｗ相から検出したθMuvwをカウンタ初期値としてラッチする。機械角／電気角変換部４では、位置カウンタの出力位相はθMの機械角であるので、Ｕ相巻線を基準とする電気角に変換する。その際、（pole/2）の極数対を乗算してＵ相巻線と原点Ｚ信号のずれ角△θuzを加算補正して電気角θに変換する。

図９はエンコーダ検出回路３の位相検出例のタイムチャートで、電気角は３６０゜で０゜に折り返して表示している。図９のタイムチャートは、説明の都合上
△θuz＝０で、４極の場合を示している。時刻ｔ０で電源投入され、このときの初期値を設定する。時刻ｔ０でのＵＶＷ相はそれぞれ”Ｌ”，”Ｈ”，”Ｌ”の状態であり、この状態よりカウンタ３ｄに初期値を設定する。ＵＶＷ相＝”Ｌ”，”Ｈ”，”Ｌ”（mode＝２）の発生する機械角θMは６０゜〜１２０゜の期間であり、その中心値θMuvw＝１０５゜を初期位相検出値３ｃに出力し、カウンタ３ｄの初期値とする。

時刻ｔ１以降は、回転が開始してＡＢ信号が発生し、これによりカウンタが動作して位相が変化する。時刻ｔ２となると、検出位相のカウンタは機械角が１８０゜（電気角で３６０゜）になる位相となるが、原点信号Ｚが発生ない場合はそのままカウントを継続する。時刻ｔ３となって原点Ｚ相のパルスが発生すると位相カウンタを零にリセットする。ｔ３ではｔ１で設定した初期値に位相誤差があるため、リセット直前の位相は初回では３６０゜の整数倍に一致するとは限らないが強制的にリセットする。ｔ４は次の電気角３６０゜になる時刻であり、ｔ５では２回目のＺパルス発生時刻である。２回目以降は、１回転に発生するＡＢパルス数が３６０゜に相当するため、機械角＝３６０゜（電気角で７２０゜＝３６０×２回）に一致する位相においてカウンタはリセットするようになる。

ここで、時刻ｔ０で設定する位相は、図８で示したＵＶＷ波形定義の場合には、表１のθMuvwで示した値を設定する。

このようなインクリメンタル形のエンコーダを使用するＰＭモータの制御装置としては特許文献１が公知となっている。
特開２００１−１０３７８４号公報

表１の位相は、図８で示したＡ，Ｂ相及びＵ，Ｖ，Ｗ相のエンコーダ波形の場合にのみ成立するが、現実にはエンコーダのメーカや型式によって波形の定義は異なっている。例えば、図１０で示す波形になることがある。これは、Ｖ相とＷ相の発生位相が逆順になっており、正転状態でＵ⇒Ｗ⇒Ｖの順で発生している点で異なる。この図１０のような波形は、次のような場合に発生する。

まず、モータの正転方向について事前に説明する。モータの正転方向は規格などでは定義されておらず、使用用途により図１１の回転方向（ＣＣＷ）を正転とする場合と、図１２の回転方向（ＣＷ）を正転とする場合とがある。このように正転方向は図１１と図１２から任意に選択され、どちらも使用される。

例えば、図１１で示す回転方向（ＣＣＷ）を正転とするモータの場合、これにモータが正転時に図８で示すような信号を出力するエンコーダを組み合わせた製品が既に存在するものとする。この製品を新たな用途に適用するために、図１２の回転方向（ＣＷ）を正転とするよう変更する場合、通常インバータの３相出力のうち、モータに接続するＶ相とＷ相の巻線を入れ替えればよい。しかし、エンコーダの正転方向は図１１（ＣＣＷ）のままであるため、モータだけ正転方向を変更したことになる。この場合、正転時にエンコーダは図１０のように図８とは異なる波形を出力して、図７で示すエンコーダ検出回路３は正常に動作しなくなる問題が発生する。

図１０は図８と比較すると、ＶとＷ相の相順が入れ替わっており、また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相の論理が反転している。図１０はモータの回転方向を変更した例であるが、これ以外にもエンコータの出力信号はメーカや型式により異なるため、図８とは異なるものが多数存在している。

そこで、正転時のエンコータ信号のＵ，Ｖ，Ｗ信号の波形定義に違いがある場合、表１のテーブルをそのまま使用することはできないので、従来では図１３のように、信号線の入れ替えや論理反転回路を使用して図８の定義と一致する信号に変換している。この接続変更や論理反転回路の組み合わせは、エンコーダの波形定義の違いやモータの正転方向の定義により異なるため、多くの種類について対処できるように多種の回路や結線図を準備しておく必要がある。また、複雑な対処方法であるため、接続ミスや反転の設定ミスなどにより正常に動作しない事態も多く発生している。

更に、エンコータには図１４のような信号を発生するものも存在する。これは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の位相差が電気角の１２０゜ではなく、６０゜に設定されている。そのため、mode番号には、”０”や”７”といった値も発生するようになる。したがって、この場合も表１の６種類の６０゜区間テーブルでは対応できない。

そこで、本発明が目的とするところは、Ｕ，Ｖ，Ｗ信号が異なる多種のエンコータに対して単一の回路で、且つ簡単に対応できる初期位相検出装置を提供することにある。

本発明は、同期電動機の磁極位置を位置検出器にて検出し、電源投入時を含む初期位相を設定する機能を有した初期位相検出装置であって、同期電動機の回転方向と位相角の変換量を示すＡ，Ｂの２相信号、原点を示すＺ相信号、及び磁極の位置を示す多ビットからなる絶対値信号をエンコーダ検出回路に入力し、このエンコーダ検出回路から位相信号を出力するよう構成したものにおいて、
前記エンコーダ検出回路に、前記多ビットの絶対値信号を２値信号に変換してコード化するモード変換機能と、このモード変換機能によってモード変換され、設定された複数のモード番号が格納されるテーブル部と、このテーブル部に設定されたモード番号の位相を選択するテーブル選択機能とを設けたことを特徴とする。

また、本発明は、テーブル部におけるモード番号格納数と、テーブル選択機能における選択数を２＾Ｎ（たたし、Ｎは整数）に拡張してグレーコード信号にも対応出来るようにしたことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、エンコーダのＵＶＷ相の相順や、極性（正論理／負論理）、モータの回転方向などの違いがあっても、従来のような配線の接続や反転器などを使用しなくてもパラメータの設定のみで対応できる。そのため、エンコーダ自体の種類が大幅に増えても、同一のエンコータ検出回路で対応が可能となる。また、位相設定は６個設定する必要があるため、設定量は増えるが、６０゜間隔の値を選択して設定するだけでよく、計算は不要であるため従来のように接続を入れ替えるものと比較して格段に容易となり、誤設定の減少が可能となる。

さらに、電気角で６０゜以下の分解能を持つ他ビットのグレーコードを使用した絶対値エンコーダをＵＶＷ相の代わりに使用できるため、２^N分割に適用することで初期位置の設定精度が向上するものである。

図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図で、エンコータ検出回路３０が図７のエンコータ検出回路３に相当しており、図７と同一部分には同一符号を付している。すなわち、本発明において図７と相違するところは、エンコーダ検出回路３０に初期位相テーブル部３１を設けたことである。初期位相テーブル部３１は、モード変換機能３１ａ、テーブル部３１ｂ及びテーブル選択機能３１ｃを備えている。モード変換機能３１ａは、エンコーダ（位置検出器）によって検出されたＵ，Ｖ，Ｗ信号を入力して２進数に変換に変換し、（１）式のように、Ｕ，Ｖ，Ｗの”Ｈ”／”Ｌ”の組み合わせをコード化する。このため、３ビット程度のデータ長を有している。

テーブル部３１ｂは不揮発性メモリテーブルからなるθM０〜θM７の８個の位相記憶レジスタで構成され、記憶データはパネルなどにより設定される。８個の位相データは、各モードの取り得る位相範囲の中心位相がパネルなどを介して任意に設定される。テーブル選択機能３１ｃは、mode番号によるテーブル位相を選択するもので、８個の初期位相テーブルからコード化されたmode番号により１つを選択して選択位相をアップ／ダウンカウンタ３ｄに出力する。

図１のように、Ｕ，Ｖ，Ｗの発生順序に関する制約を取り外し、それに代えて各mode番号毎に独立に位相を設定する構成に変更したことにより、図２で示すようにエンコーダ２とインバータ位置検出との接続例が次のように簡素化される。
具体的には次の工程を行えばよい。
（工程１）エンコーダ信号の接続
図２のように、エンコーダ信号とインバータ位置検出の信号授受部が分かりやすいように同じ記号どうしを接続する。この場合、エンコータとインバータ位置検出のＵ，Ｖ，Ｗ信号の定義を一致させる必要は無く、場合によっては相順や論理が反転したままでもよい。
ただし、Ａ，Ｂの信号は回転方向を考慮して正転時にカウトアップする方向に接続する必要がある。
（工程２）初期位相テーブルの設定
モータが正転方向に回転したときのＵ，Ｖ，Ｗ相信号を図３のように描き、各期間のmode番号を計算する。そして、そのモードの発生する原点を基準とする位相角の範囲からその中心位相（機械角）を計算し、対応する初期位相テーブル３１ｂにパネルなどを介して設定する。

図１２で示すモータの回転方向の波形例の場合、図３のように各期間のモードは、”１、３、２、６、５”の値をとる。この例では、”０、７”は使用しない。例えば、mode＝１の位相範囲は原点から０゜〜６０゜（電気角）で、その中心位相を機械角に変換し、θM１＝１５゜としてセットする。他のモードについても図３のように計算して初期位相テーブル３１ｂに設定する。
ただし、θM０とθM７は不使用であるので、とりあえず零を設定しておく。

第１の実施例によれば、次のような効果を有するものである。
（１）エンコーダの位相が１２０゜位相だけでなく、図１４のような６０゜（電気角）位相でも適用できる。
図１４の場合でも、図４で示すようにmode＝”４，６，７，３，１，０”の６個のモードを使用して対応できる。つまり、エンコーダのＵ，Ｖ，Ｗの相順や位相差は図８のような特定のパターンに変換する必要はなく、それらは全て、 θM０〜θM７までの位相データの設定のみで対応できる。
また、図５で示すように、図４に対して原点が４５゜ずれている場合には、θM０〜θM７までの設定値を４５゜ずらせばよい。したがって、原点とＵ，Ｖ，Ｗの位相の関係も図８で示すように固定する必要もない。
（２）グレーコード波形への拡張
図６は第２の実施例を示した波形図である。第１の実施例では、３相のＵ，Ｖ，Ｗ信号という、電気角に対して１８０゜幅を持ち、位相差が１２０゜又は６０゜の信号の場合であり、また、磁極の１極対の波形が繰り返し発生する場合である。
第２の実施例では、電気角で６０゜以下の分解能を持つＮビットのグレーコードなどを使用した絶対値エンコーダを３相のＵ，Ｖ，Ｗ信号の代わりに使用可能としたものである。

そのために、図１で示す初期位相テーブル３１ｂとテーブル選択機能３１ｃを２＾Ｎに拡張する。ここで、位相角は機械角の１回転分の位相がとられる。
図６は、４極の場合での１回転分を８分割（グレーコード３ビット）した場合の波形とθM０〜θM７を示したもので、各モード間隔は２２．５゜となり、例えば、モードθM０の心位相は１１．２５゜となっている。

この実施例によれば、２^N分割に適用でき、Ｎビット信号を磁極に拡張できるため、初期位置の設定精度が向上するものである。

本発明の実施形態を示す構成図。 本発明におけるエンコーダ２とインバータ位置検出との接続状態図。 図１２に適用時のエンコーダ波系図。 図１４の波系に適用した場合のエンコーダ波系図。 原点ずれの場合のエンコーダ波系図。 本発明の他の実施例によるエンコーダ波系図。 従来の６相エンコーダを使用した同期電動機の制御構成図。 従来のエンコーダ信号の波形図。 従来のエンコーダ位相検出の波形図。 説明のための波形図。 モータの正転方向定義の説明図。 モータの正転方向定義の説明図。 波形に基づく接続相入れ替えの説明図。 説明のための波形図。

符号の説明

１… 同期電動機
２… 位置検出器（エンコーダ）
３、３０… エンコーダ検出回路
４… 機械角／電気角変換部
５… 速度演算部
６… 回転座標変換部
７… 逆回転座標変換部
８… 速度制御部
９… 電流制御部
１０… ＰＷＭ制御部
１１… 主回路
３１… 初期位相テーブル部
３１ａ… モード変換機能
３１ｂ… テーブル部
３１ｃ…テーブル選択機能

Claims (2)

1. 同期電動機の磁極位置を位置検出器にて検出し、電源投入時を含む初期位相を設定する機能を有した初期位相検出装置であって、同期電動機の回転方向と位相角の変換量を示すＡ，Ｂの２相信号、原点を示すＺ相信号、及び磁極の位置を示す多ビットからなる絶対値信号をエンコーダ検出回路に入力し、このエンコーダ検出回路から位相信号を出力するよう構成したものにおいて、
   前記エンコーダ検出回路に、前記多ビットの絶対値信号を変換してコード化するモード変換機能と、このモード変換機能によってモード変換され、設定された複数のモード番号が格納されるテーブル部と、このテーブル部に設定されたモード番号の位相を選択するテーブル選択機能とを設けたことを特徴とした同期電動機の初期位相検出装置。
2. 前記テーブル部におけるモード番号格納数と、テーブル選択機能における選択数を２＾Ｎ（たたし、Ｎは整数）に拡張してグレーコード信号にも対応できるようにしたことを特徴とした請求項１記載の同期電動機の初期位相検出装置。

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