JP2011030393A - リニア型永久磁石同期モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの一方向のみの移動により、初期磁極位置を高精度かつ少ない演算量で推定し、制御装置の演算や構成を簡略化する。
【解決手段】位相角指令演算手段１７は、摩擦脱出モードにおいて位相角指令値を所定値に固定する機能と、移動速度が制限値以上になった時に位相角指令値の増加割合を低減させる機能等を備える。電流指令演算手段１６及びｄ軸電流指令手段８は、摩擦脱出モードにおいて電流指令値をランプ関数的に増加させる機能、移動検出時に電流指令値を第１の設定値まで低下させる機能、磁極位置検出モードにおいて電流指令値をランプ関数的に増加させる機能、移動速度が制限値に達した時に電流指令値を減少させて移動速度を低下させる機能、停止するまで電流指令値をランプ関数的に増加させて磁極位置を印加電圧の位置に一致させ、磁極位置を検出する機能等を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換器によって駆動されるリニア型永久磁石同期モータの制御装置に関し、特に、電源投入時のモータの初期磁極位置を高精度に検出して運転開始時の暴走やトルク不足を防止する機能を備えた制御装置に関するものである。

永久磁石同期モータは、高効率、省スペース等の利点を有することから普及が進んでおり、回転モータのみならずリニアモータとしても広く利用されている。永久磁石同期モータは、永久磁石回転子の磁極位置に応じた電圧を印加しないとトルクを発生できず、モータが逆回転してしまう等の問題があるので、磁極位置を正確に把握することが重要である。
周知のように、エンコーダを用いれば、その出力信号である位置信号に基づいてモータの速度及び磁極位置を演算することが可能であるが、電源投入時は初期磁極位置が不明であるため、この初期磁極位置を正確に検出して安定に起動する手段が必要となる。

以上のような背景のもとで、永久磁石モータの初期磁極位置を推定する従来技術が、以下のように種々提供されている。
（１）モータの突極性を利用して初期磁極位置を推定するもの（特許文献１）：突極形ブラシレスＤＣモータに高周波電圧を印加したときの電流検出値に含まれる高周波成分の振幅から初期磁極位置を推定する。
（２）モータの磁気飽和を利用して初期磁極位置を推定するもの（特許文献２）：一定間隔で角度を変えた各出力電圧位相における電流検出値の振幅を記憶し、磁気飽和によって上記振幅が最大となる位相角に基づいて初期磁極位置を推定する。
（３）リニアモータに直流電流を流し、出力電圧位相角を変化させて初期磁極位置を検出するもの（特許文献３）：リニアモータを直流励磁した後に、出力電圧位相角を正負の所定角度に設定し、その時に移動したモータの左右の移動量の中心点を初期磁極位置として検出する。
（４）磁極位置推定角±４５度の二つのモードをトルクパターンにより切り換えると共に、外乱トルクを補償しながら二つのモードにおける誤差角を演算し、この誤差角に基づいて初期磁極位置を検出するもの（特許文献４）

特開２００８−２９５１１３号公報（段落［００２３］，［００２４］、図１，図３等） 特開２０００−３１２４９３号公報（段落［００１２］〜［００２３］、図１等） 特開２００６−１３６２００号公報（段落［００４８］、図１５等） 特開２００７−６５８５号公報（段落［００１１］〜［００２０］、図１，図２等）

前述した各従来技術には、以下のような問題がある。
（１）特許文献１に記載された従来技術では、表面に一様に永久磁石を有する非突極形のモータの場合には適用することができない。
（２）特許文献２に記載された従来技術は、基本的に回転モータを対象としており、リニアモータのように電機子と永久磁石との間のギャップ長が大きい場合には、特性上、磁気飽和しにくいため、リニアモータへの適用は難しい。
（３）特許文献３に記載された従来技術はリニアモータに適用可能であるが、磁極位置を検出するためには可動子を左右両方向に移動させる必要があり、装置の用途や構造等の理由により一方向のみの移動によって磁極位置を検出することが要求される場合には適用できない。
（４）特許文献４に記載された従来技術は、回転モータ、リニアモータの双方に適用可能であり、また、モータの摩擦が大きい場合でも外乱として補償するので検出精度は比較的高い。しかし、（３）と同様に磁極位置を検出するために可動子を両方向に移動させる必要があると共に、演算処理が複雑であって制御装置の演算量が多いという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、上記（１）〜（４）の問題点を克服し、可動子の一方向のみの移動により、摩擦等の外乱があっても初期磁極位置を高精度かつ少ない演算量で推定すると共に、構成の簡略化を可能にした制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る制御装置は、リニア型永久磁石同期モータと、このモータに取り付けられたエンコーダと、このエンコーダから出力される複数相の位置検出パルスから前記モータの速度及び磁極位置を演算する速度・位置演算手段と、前記モータの印加電圧の位相角指令値を演算する位相角指令演算手段と、前記モータに対する電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、を備えたリニア型永久磁石同期モータの制御装置において、
前記位相角指令演算手段は、
電源投入時に所定の電流指令値に従い電流制御を行って静止状態のモータを移動させる摩擦脱出モードにおいて、前記位相角指令値を所定値に固定する機能と、
前記摩擦脱出モードに続く磁極位置検出モードにおいて、前記モータの移動方向が想定方向とは逆である場合に前記位相角指令値を１８０度反転させる機能と、前記モータの移動速度が制限値以上になった場合に前記位相角指令値の増加割合を低減させる機能と、を備え、
前記電流指令値生成手段は、
前記摩擦脱出モードにおいて、前記電流指令値をランプ関数的に増加させる機能と、前記モータの移動を検出した時点で前記電流指令値を第１の設定値まで低下させる機能と、
前記磁極位置検出モードにおいて、前記電流指令値を第１の設定値からランプ関数的に増加させる機能と、前記モータの移動速度が制限値に達した時に前記電流指令値を第２の設定値まで低下させ、前記モータの移動速度を低下させる機能と、前記モータが停止するまで、または所定時間に達するまで、前記電流指令値を第２の設定値からランプ関数的に増加させて前記モータの磁極位置を前記印加電圧の位置に一致させ、磁極位置を検出する機能と、を備えたものである。

請求項２に係る制御装置は、請求項１において、
前記電流指令値としてのｄ軸電流指令値を第２の設定値からランプ関数的に増加させて前記モータが停止した位置から、それまでと同一方向にトルクが発生するようにｑ軸電流指令値をランプ関数的に増加させて前記モータを再度移動させ、その移動開始時のｑ軸電流指令値を静止摩擦力として記憶する手段と、
請求項１により検出した磁極位置を、前記静止摩擦力に応じた磁極位置補正値を用いて補正する補正手段と、を備えたものである。

請求項３に係る制御装置は、請求項２において、
前記補正手段による補正動作を、前記磁極位置補正値が設定値よりも小さくなるまで繰り返し実行するものである。

本発明においては、リニア型永久磁石同期モータに供給する電流をランプ関数的に移動させ、そのときの電流や速度を制御しながらモータの磁極位置が位相角指令値（電圧位相角）に一致するように引き込むものである。このため、可動子を両方向に移動させず一方向のみの移動によって初期磁極位置を検出可能であり、摩擦が大きいリニアサーボモータに対しても、容易かつ高い信頼性で初期磁極位置を推定してモータをスムーズに始動することができる。
また、複雑な演算処理も不要であり、制御装置の演算負荷の低減、回路構成の簡略化が可能である。

本発明の実施例１を示すブロック図である。 実施例１の動作を示すｄ軸電流指令値のタイミングチャートである。 実施例１の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施例２を示すブロック図である。 実施例２の動作を示すｄ軸，ｑ軸電流指令値のタイミングチャートである。 実施例２の動作を示すフローチャートである。

以下、図に沿って本発明の実施の形態を説明する。この実施の形態は、リニア型永久磁石同期モータ（以下、単にリニアモータともいう）の電流制御を行いながら、モータに供給する電流をランプ関数的に制御することにより、モータの磁極位置が位相角指令値（電圧位相角）に一致するように引き込むものであり、また、モータの速度制御を行う場合には、速度制御手段の出力を、ランプ関数的に変化する制限値を用いて引き込むものである。
以下では、実施の形態を具体化した実施例１，実施例２について図面を参照しつつ説明する。

まず、図１は請求項１に対応する実施例１の構成を示している。
図１において、三相交流電源１にはインバータやサーボアンプ等の電力変換器２が接続されており、その出力側にリニアモータ３が接続されている。電力変換器２は、その出力電圧の振幅及び周波数を制御してモータ３に供給する。
４はエンコーダであり、モータ３の可動子の一定移動量に対して、位相が９０度異なる所定数のＡ相パルス、Ｂ相パルスが出力される。なお、５はモータ３により駆動される負荷を示す。

制御装置内では、一般的なｄ軸（磁極方向の軸）、ｑ軸（前記ｄ軸に直交する方向の軸）という直交二軸の座標系を使用し、電流検出手段６により検出した三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを、位相角指令値θ^＊が入力された座標変換手段７によりｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑに変換して制御を行う。
一方、ｄ軸電流指令手段８は電流指令演算手段１６からの制御信号に基づいてｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を生成し、減算手段９においてｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差が算出される。ｄ軸電流制御手段１０は、上記偏差をゼロにするように動作してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を生成し、出力する。
また、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊はゼロに設定されており、減算手段１１によりｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差が算出される。ｑ軸電流制御手段１２は、上記偏差をゼロ、言い換えればｑ軸電流をゼロにするように動作してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を生成し、出力する。

ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊は、座標変換手段１３により位相角指令値θ^＊に従って座標変換され、三相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊として出力される。
これらの三相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊はＰＷＭ発生手段１４に入力されており、三角波キャリアとの比較、または瞬時空間ベクトルを用いて電力変換器２の半導体スイッチング素子に対するＰＷＭ信号（オン・オフ信号）が生成される。

前記エンコーダ４からのＡ相パルス、Ｂ相パルスは速度・位置演算手段１５に入力されており、Ａ相パルス、Ｂ相パルスの間隔をタイマにより測定してモータ３の可動子の速度演算値を出力すると共に、Ａ相パルス、Ｂ相パルスの発生順序に基づいて可動子の移動方向も演算する。また、可動子の速度が後述する速度制限値を超えた場合に速度監視信号を出力するように構成されている。
この実施例では、Ａ相パルス、Ｂ相パルスの位相差が９０度の場合について説明するが、上記位相差は勿論、限定的なものではない。
速度・位置演算手段１５から出力される速度演算値及び速度監視信号は、電流指令演算手段１６及び位相角指令演算手段１７に入力されており、電流指令演算手段１６からの制御信号は前記ｄ軸電流指令手段８に入力されている。
ここで、電流指令演算手段１６及びｄ軸電流指令手段８は、請求項における電流指令値生成手段を構成している。

次に、本実施例の主要部である電流指令演算手段１６及びｄ軸電流指令手段８の動作と、初期磁極位置の検出方法について、図２のタイミングチャート及び図３のフローチャートを用いて説明する。
（１）まず、電流指令演算手段１６からの制御信号を受けて、ｄ軸電流指令手段８はｄ軸電流指令置ｉ_ｄ ^＊をゼロとして出力する。この時、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊もゼロである。また、位相角指令演算手段１７からの位相角指令値θ^＊をゼロに固定した状態で図２の時刻ｔ_１から運転を開始し（図３のステップＳ１）、図２に示すようにｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊をランプ関数的に増加させていく（ステップＳ２）。この時、モータ３の可動子が全く動かない場合は、位相角指令値θ^＊を９０度ずらした後に再度固定してｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊の増加を再度実施する。このモードを、摩擦脱出モードとする。
なお、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊及び位相角指令値θ^＊の上述した制御は、速度・位置演算手段１５からの速度演算値に基づき、電流指令演算手段１６、ｄ軸電流指令手段８、及び位相角指令演算手段１７によって実行される。

（２）摩擦脱出モードの間に、可動子が想定方向への移動を開始したことを速度・位置演算手段１５が検知したら（ステップＳ３ ＹＥＳ，Ｓ４ ＹＥＳ）、時刻ｔ_２においてｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を設定値ｉ_ｄ１ ^＊にまで減少させ（ステップＳ６）、この設定値ｉ_ｄ１ ^＊からｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を再びランプ関数的に増加させていく（ステップＳ７）。
この時、モータ３の定格速度に応じた速度制限値を予め設定しておき、時刻ｔ_３において実際の速度が速度制限値に達したことを速度・位置演算手段１５からの速度監視信号により検知したら（ステップＳ８ ＹＥＳ）、電流指令演算手段１６及びｄ軸電流指令手段８によりｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を設定値ｉ_ｄ２ ^＊にまで減少させ（ステップＳ９）、この設定値ｉ_ｄ２ ^＊からｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を再びランプ関数的に増加させる（ステップＳ７）。すなわち、時刻ｔ_３以後は速度が増加する傾きを緩やかに変更し、可動子の移動速度を低減する。このモードを磁極位置検出モードとする。
なお、可動子の速度が速度制限値に達しない場合には（ステップＳ８ ＮＯ）、ステップＳ１０に移行する。

（３）上述した（１）または（２）のモードにおいて、モータ３の磁極位置と位相角指令値θ^＊とが±９０度以上ずれている場合には、運転を開始したときに、想定した移動方向と逆方向に移動する可能性がある。特にリニアモータでは、可動子が逆方向へ移動すると、移動端に衝突する等、装置損傷の恐れがある。従って、速度・位置演算手段１５からの速度演算値の極性により可動子が逆方向へ移動したことを検出した場合には（ステップＳ４ ＮＯ）、位相角指令演算手段１７が位相角指令値θ^＊を１８０度移動させてｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を再度増加させるような保護機能を設ける（ステップＳ５，Ｓ２〜Ｓ４）。

（４）更に、磁極位置検出モードの時刻ｔ_４において、電流指令演算手段１６が、モータ３の可動子が一定時間停止していることを速度演算値に基づき検知したら（ステップＳ１０ ＹＥＳ）、モータ３の磁極位置は位相角指令値θ^＊に一致していると判断し、ｄ軸電流指令手段８を介してｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊をゼロとし、可動子が停止したときの位相角指令値（時刻ｔ_４における位相角指令値）θ^＊を初期磁極位置として記憶し（ステップＳ１１）、その後、通常の運転を開始する。
モータ３の停止が確認されない場合には（ステップＳ１０ ＮＯ）、ステップＳ８以降の処理を繰り返す。
この実施例では、モータ３が停止した時刻ｔ_４において位相角指令値θ^＊から初期磁極位置を検出しているが、ある基準時刻（例えば磁極位置検出モードの開始時刻ｔ_２）から一定時間経過後の時刻における位相角指令値θ^＊から初期磁極位置を検出しても良い。

本実施例によれば、可動子を左右両方向に移動させる等の煩雑な処理を必要とせず、摩擦が大きい場合でも安定して初期磁極位置を検出することができ、モータの形状や構造等に左右されずに簡単な方法で初期磁極位置を検出することができる。

次に、図４は請求項２に対応する実施例２の構成を示している。
図１に示した実施例１との相違点は、加速度・速度・位置演算手段１９が加速度も演算して電流指令演算手段１６及び位相角指令演算手段１７に出力すると共に、電流指令演算手段１６の出力側にｑ軸電流指令手段１８を設けてｑ軸電流（トルク電流）の大きさからモータ３の静止摩擦力を計測し、この静止摩擦力と後述の初期磁極位置決めトルクとに基づく補正角を用いて実施例１による初期磁極位置を補正するようにした点にある。その他の構成は実施例１と同様であるため、同一の番号を付して詳述を省略する。
なお、図４において、電流指令演算手段１６、ｄ軸電流指令手段８及びｑ軸電流指令手段１８は、請求項における電流指令値生成手段を構成している。

この実施例の主要部である電流指令演算手段１６、ｄ軸電流指令手段８及びｑ軸電流指令手段１８等の動作、並びに初期磁極位置の検出・補正方法について、図５のタイミングチャート及び図６のフローチャートを用いて説明する。
（１）図５において、摩擦脱出モード、磁極位置検出モードは実施例１と同様である（図６のステップＳ２１〜Ｓ３１）。なお、磁極位置検出モード終了時の位相角指令値θ^＊を初期磁極位置として仮記憶し（ステップＳ３１）、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を初期磁極位置決めトルクとして記憶する（ステップＳ３２）。

（２）磁極位置検出モード終了時の時刻ｔ_４において、位相角指令値θ^＊を９０度移動すると共にｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊をゼロにし（ステップＳ３３）、その後、磁極位置検出モードと同一方向にトルクが発生するように、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊をランプ関数的に増加していく（ステップＳ３４）。そして、モータ３の可動子が動き出した時点のｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を静止摩擦力として記憶する（ステップＳ３５ ＹＥＳ，ステップＳ３６）。
ここで、可動子が動き出したことは、加速度・速度・位置演算手段１９からの加速度演算値によって検出可能であり、その時点のｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を静止摩擦力としてメモリに記憶すれば良い。

（３）可動子が動き出したら、図５の時刻ｔ_５においてｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊をゼロにしてモータ３を停止させる（ステップＳ３７）。この場合、モータ３の定格速度に応じた速度制限値を設定しておき、実際の速度が速度制限値を超えたときにｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊をゼロに制御しても良い。これは、運転開始時にモータ３に電流が急激に流れて電力変換器２が損傷するのを防止するためである。

（４）上記（１）において記憶した初期磁極位置決めトルク、及び、（２）において記憶した静止摩擦力を用いて、以下の数式１により磁極位置補正値θを計算する。そして、磁極位置検出モードにより求めた初期磁極位置を、磁極位置補正値θにより補正する（ステップＳ３８）。具体的には、図４の位相角指令演算手段１７が、磁極位置検出モードにより求めた位相角指令値θ^＊を磁極位置補正値θにより補正して出力する。
なお、図５における時刻ｔ_４〜ｔ_５を磁極位置補正モードというものとする。

以上のように実施例２によれば、実施例１により求めた初期磁極位置を静止摩擦力に基づいて補正できるため、摩擦が大きいリニアサーボモータ等の初期磁極位置を一層正確に求めることができる。

実施例３は、実施例２による磁極位置補正値θが設定値よりも小さくなるまで、初期磁極位置の補正動作を繰り返し実行するものである。この実施例によれば、初期磁極位置の精度を更に向上させることができる。

１：三相交流電源
２：電力変換器
３：リニアモータ（リニア型永久磁石同期モータ）
４：エンコーダ
５：負荷
６：電流検出手段
７，１３：座標変換手段
８：ｄ軸電流指令手段
９，１１：減算手段
１０：ｄ軸電流制御手段
１２：ｑ軸電流制御手段
１４：ＰＷＭ発生手段
１５：速度・位置演算手段
１６：電流指令演算手段
１７：位相角指令演算手段
１８：ｑ軸電流指令手段
１９：加速度・速度・位置演算手段

Claims (3)

1. リニア型永久磁石同期モータと、このモータに取り付けられたエンコーダと、このエンコーダから出力される複数相の位置検出パルスから前記モータの速度及び磁極位置を演算する速度・位置演算手段と、前記モータの印加電圧の位相角指令値を演算する位相角指令演算手段と、前記モータに対する電流指令値を生成する電流指令値生成手段と、を備えたリニア型永久磁石同期モータの制御装置において、
   前記位相角指令演算手段は、
   電源投入時に所定の電流指令値に従い電流制御を行って静止状態のモータを移動させる摩擦脱出モードにおいて、前記位相角指令値を所定値に固定する機能と、
   前記摩擦脱出モードに続く磁極位置検出モードにおいて、前記モータの移動方向が想定方向とは逆である場合に前記位相角指令値を１８０度反転させる機能と、前記モータの移動速度が制限値以上になった場合に前記位相角指令値の増加割合を低減させる機能と、を備え、
   前記電流指令値生成手段は、
   前記摩擦脱出モードにおいて、前記電流指令値をランプ関数的に増加させる機能と、前記モータの移動を検出した時点で前記電流指令値を第１の設定値まで低下させる機能と、
   前記磁極位置検出モードにおいて、前記電流指令値を第１の設定値からランプ関数的に増加させる機能と、前記モータの移動速度が制限値に達した時に前記電流指令値を第２の設定値まで低下させ、前記モータの移動速度を低下させる機能と、前記モータが停止するまで、または所定時間に達するまで、前記電流指令値を第２の設定値からランプ関数的に増加させて前記モータの磁極位置を前記印加電圧の位置に一致させ、磁極位置を検出する機能と、を備えたことを特徴とするリニア型永久磁石同期モータの制御装置。
2. 請求項１に記載したリニア型永久磁石同期モータの制御装置において、
   前記電流指令値としてのｄ軸電流指令値を第２の設定値からランプ関数的に増加させて前記モータが停止した位置から、それまでと同一方向にトルクが発生するようにｑ軸電流指令値をランプ関数的に増加させて前記モータを再度移動させ、その移動開始時のｑ軸電流指令値を静止摩擦力として記憶する手段と、
   請求項１により検出した磁極位置を、前記静止摩擦力に応じた磁極位置補正値を用いて補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とするリニア型永久磁石同期モータの制御装置。
3. 請求項２に記載したリニア型永久磁石同期モータの制御装置において、
   前記補正手段による補正動作を、前記磁極位置補正値が設定値よりも小さくなるまで繰り返し実行することを特徴とするリニア型永久磁石同期モータの制御装置。

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