JP2014039407A

JP2014039407A - 同期電動機の磁極位置検出方法及び装置

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Publication number: JP2014039407A
Application number: JP2012180739A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Shizu; 達哉志津
Original assignee: Okuma Corp; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-02-27

Abstract

【課題】同期電動機の磁極位置を制御装置で安全に検出する手段を提供する。
【解決手段】同期電動機１１に正方向のトルク指令を与え（Ｓ１２）、ロータが回転したか否かを監視しながら、同期電動機１１に供給する電流の位相を変更する（Ｓ１８）。位相を変更しても前記同期電動機１１のロータが回転しない場合は、トルク指令を増加する（Ｓ２６）。この動作をロータが回転するまで繰り返す（Ｓ１４〜Ｓ２６）。ロータが回転したらトルク指令を０にする（Ｓ２８）。ロータが回転した時の電流位相に基づいて、位置検出器１２の電気角オフセット値を補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、工作機械の主軸、送り軸等の駆動源に利用される同期電動機の磁極位置検出方法及び装置に関する。

従来より、工作機械の主軸、送り軸等の駆動源に同期電動機が利用されている。

図４には、従来の、同期電動機及びその制御手段が例示されている。比例増幅器２１は、位置指令θ＊と同期電動機１１のロータ（図示せず）の磁極位置の検出値との差分値を受け取るとともに、その差分値を増幅する。磁極位置の検出値は、位置検出器１２から送られる。増幅後の信号は、同期電動機１１のロータの回転速度指令Ｖ＊となる。

微分器２６は、位置検出器１２による検出値（検出位置）を微分する。比例増幅器２２は、回転速度指令Ｖ＊と、微分された検出値との差分値を増幅する。積分増幅器２４では、当該差分値を積分する。比例増幅器２２の出力信号と、積分増幅器２４の出力信号が加算されてトルク指令Ｔ＊が生成される。

電流分配器２３は、トルク指令Ｔ＊の入力を受けて、３相電流指令Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、Ｉｗ＊のうち、２相分の電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊を生成して電流制御部２５へ出力する。後述するように、電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊の生成に当たり、位置検出器１２の検出値を反映させる。

電流制御部２５は、電流分配器２３から入力された電流指令Ｉｕ＊、Ｉｖ＊、及び、Ｉｕ＊+Ｉｖ＊+Ｉｗ＊＝０の関係式から導出される電流指令Ｉｗ＊の３者と、電流検出器２９によって検出された電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗとの偏差から、３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊を生成して、３相ＰＷＭインバータ２８へ出力する。３相ＰＷＭインバータ２８は、３相電圧指令ｅｕ＊、ｅｖ＊、ｅｗ＊に基づいて、直流電源２７から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換する。同期電動機１１は、変換された３相交流電圧を印加して駆動される。

上述したように、電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊の生成に当たり、トルク指令Ｔ＊に加えて、ロータの磁極位置に応じて、電流指令Ｉｕ＊、Ｉｖ＊が生成される。図５には、ロータを停止させた状態で、電流位相を変化（スライド）させた場合の、同期電動機１１の出力トルク特性が示されている。位相差θが０°の状態とは、ロータの磁極位置（位相）と電流位相が一致した状態を指している。図より、同期電動機１１の出力トルクは、磁極に対する電流位相が９０°となるように制御したとき、同一電流における最大トルクが得られる。このように、同期電動機１１のトルクを効率良く発生させるためには、ステータに通電する電流位相が、ロータの磁極位置に対して所定の位相差となるように制御する必要がある。このため、電流指令値を生成する際には、ロータの磁極位置が反映される。

ロータの磁極位置を検出する位置検出器１２は、同期電動機１１と特定の位置関係となるように組付けられる。この組み付け位置に応じて、最適な電気角オフセット値を制御装置に設定する方法が知られている。ここで、電気角オフセット値とは、位置検出器１２が検出したロータの電気角と、実際のロータの電気角との誤差を補償する値を指している。

図６には、同期電動機１１の側面が示されている。同期電動機１１は、例えば３相のＡＣサーボモータであって、三相巻線を有するステータ３１と、周囲に永久磁石がＮ極とＳ極とが交互になるよう配置されているロータ３２とを備える。位置検出器１２は、センサ３３と、センサ３３の検出対象となる検出歯車３４を備えている。検出歯車３４は、例えば、歯車の周方向に複数のスリットが形成されたＡ相と、Ａ相とは周方向に位相をずらして複数のスリットが形成されたＢ相と、センサ３３がカウントしたパルス数をリセットするスリットが形成されたＺ相が形成されている。ステータ３１は、ステータハウジング３６に取付けボルト６０によって固定されている。また、センサ３３も、ステータハウジング３６に固定されている。検出歯車３４は、ロータ３２に取付けボルト６１によって固定される。

ステータ３１、ロータ３２、センサ３３、及び検出歯車３４が一定の位置関係を保つように、位置検出器１２を同期電動機１１に組付ける。例えば、図６のように、ステータ３１のＵ相スロット中心とセンサ３３の中心が一致する、つまり、ロータ３２の径方向に延伸する軸上にＵ相スロット中心とセンサ３３の中心が配置されるように、センサ３３をステータハウジング３６に組み付ける。また、ロータ３２の永久磁石のＳ極と検出歯車３４のＺ相３５のスリットが一致するように、検出歯車３４をロータ３２に組み付ける。このようにすることで、位置検出器１２が検出したロータの電気角と、実際のロータの電気角との誤差をなくす、つまり、オフセット値を０にすることが可能となる。

また、電気的に磁極位置を検出する方法が、特許文献１に示されている。任意の位置関係となるように位置検出器１２を同期電動機１１に組み付けた後、Ｕ相ポールの位置を基準とした所定の電流位相角となるように直流電流をステータの各相に印加する。印加された電流に応じてロータが回転する。回転角の変化に応じてトルクが減少し、やがてロータが停止する。ロータの始点位置、ロータの停止位置、及び直流電流の位相角から、Ｕ相ポールに対するロータの電気角の原点を推定する。原点を求めることで、Ｕ相ポールに対するロータの磁極位置を求めることができる。

特開昭６３−５９７８３号公報

ところで、同期電動機の磁極位置を機械的に位置決めする方法では、同期電動機と位置検出器を正確な位置に取付けなければならないため、同期電動機の生産コストが増加するという課題がある。また、組み付け後には、同期電動機や位置検出器の取付け穴やタップのガタツキにより位置決め精度が悪化しトルク低下を招くという課題がある。また、ロータに直流電流を供給して磁極位置を検出する方法では、直流電流を供給した際に、ロータが最大で電気角にして１８０°回転するおそれがある。同期電動機に機械を接続した場合、同期電動機の回転に応じて機械も回転する。機械の周辺に加工器具などが配置されている場合などは、機械と加工器具が衝突し、どちらかが破損するおそれがある。

本発明は、上記問題点を解決するもので、磁極位置を検出する際に、従来よりも同期電動機の回転を抑制させることの可能な、検出方法を提供することを目的とする。

本発明は、同期電動機のロータの磁極位置検出方法に関するものである。当該方法は、トルク指令と、前記ロータの磁極位置の検出値とに基づいて、ステータに供給する電流の実効値と位相を定めるステップと、前記ステータへの電流供給後に前記ロータが回転しない場合に、前記電流の位相を変更するステップと、前記ロータが回転したときの前記電流の位相に基づいて、前記ロータの磁極位置の検出値を補正するステップと、を含む。

また、上記発明において、前記ロータの磁極位置の検出値には、実際のロータ位置に対する検出値の誤差を補償するオフセット値が含まれることが好適である。この場合において、前記ロータ回転時の前記電流の位相に基づいて、前記オフセット値が補正されることが好適である。

また、上記発明において、前記電流の位相を変更させる前の前記トルク指令にて設定された、前記ロータの回転方向とは異なる方向に、前記ロータが回転したときに、位相変更前の前記電流位相と、ロータ回転時の前記電流の位相との差に１８０°加算した値に基づいて、前記オフセット値を補正するステップを含むことが好適である。

また、上記発明において、前記電流の位相が３６０°変化する間に前記ロータが回転しないときに、トルクを増加させるようにトルク指令を変更するステップを含むことが好適である。

また、上記発明において、前記ロータの回転を検知するステップと、前記検知時に前記ロータを停止させるステップと、を含むことが好適である。

また、本発明は、同期電動機のロータの磁極位置検出装置に関するものである。当該装置は、前記ロータの磁極位置を検出する位置検出器と、トルク指令を設定するトルク指令設定部と、前記ロータの磁極位置の検出値と前記トルク指令に基づいて、ステータに供給する電流の実効値と位相を定める電流分配器と、を備える。さらに、前記ステータへの電流供給後に前記ロータが回転しない場合に、前記電流の位相を変更するとともに、前記ロータが回転したときの前記電流の位相に基づいて、前記ロータの磁極位置の検出値を補正する制御部を備える。

本発明によれば、磁極位置検出の際にロータが大きく回転することを抑制できるので、安全に磁極位置を検出することができる。

本発明の実施形態に係る磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係る磁極位置検出方法のフローチャートである。磁極位置補正値と同期電動機出力トルクの関係を説明する図である。従来の同期電動機制御装置を示したブロック図である。従来の同期電動機制御装置における電流の位相差と出力トルクの関係を示した図である。従来の同期電動機および位置検出器の側面図である。

図１に、本実施形態に係る、同期電動機の磁極位置検出装置１０の構成を示すブロック図を示す。磁極位置検出装置１０は、位置検出器１２、微分器２６、電流分配器２３、及び制御部４０を含んで構成される。制御部４０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４２、メモリ４４及びトルク指令設定部４６を含むように構成されてよい。

また、磁極位置検出装置１０の周辺には、同期電動機１１、比例増幅器２１、２２、積分増幅器２４、電流制御部２５、直流電源２７、３相ＰＷＭインバータ２８、及び電流検出器２９が設けられている。これらの周辺機器は、上述にて説明したことから、以下では説明を省略する。

位置検出器１２は、図示しないロータの磁極位置を検出する検出手段である。位置検出器１２は、例えば、ロータリーエンコーダやレゾルバであってよい。ロータリーエンコーダの検出歯車やレゾルバの回転子は、同期電動機１１のロータに固定されていてよい。また、ロータリーエンコーダのセンサやレゾルバの固定子は、ステータハウジングに固定されていてよい。

位置検出器１２の検出値には、実際の磁極位置に対する検出値の誤差を補償するオフセット値θ０が含まれていてもよい。オフセット値は、例えば、磁極の電気角の実際の原点（０°の位置）と、位置検出器１２が検出する電気角の原点の角度差であってよい。例えば、位置検出器１２が検出したロータの電気角をθｒｅとすると、位置検出器１２は、ロータの磁極位置として、オフセット値θ０を加えた、θｒｅ＋θ０を出力する。

微分器２６は、位置検出器１２が検出した磁極位置を微分して、当該微分値をトルク指令設定部４６に送信する。磁極位置の値を微分することで、ロータの回転速度を得ることができる。これにより、ロータの回転有無を検出することができる。

トルク指令設定部４６は、ロータの磁極位置検出処理時に、比例増幅器２２及び積分増幅器２４に代わり、トルク指令Ｔ＊を電流分配器２３へ出力する。また、微分器２６からの出力信号に応じて、トルク指令Ｔ＊を０にする。トルク指令設定部４６は、自動的に又はオペレータによる手動操作に応じて、同期電動機１１のトルク指令Ｔ＊を設定して電流分配器２３へ入力する機能を有する。トルク指令設定部４６は、手動操作用のためのスイッチ、キーボード、ダイヤルなどの入力手段を含んでもよい。

電流分配器２３は、トルク指令Ｔ＊及び位置検出器１２の検出値に基づいて、２相分の電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊を生成して電流制御部２５へ出力する。電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊は、それぞれ、電流の実効値と位相が定められている。例えば、Ｕ相を電気角の基準にした場合、実効値をＩａで表すと、電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊は、下記数式（１）のような値であってよい。

制御部４０は、ステータへの電流供給後にロータが回転しない場合に、電流の位相を変更するとともに、位相変更後、ロータが回転したときの電流の位相に基づいて、ロータの磁極位置の検出値を補正する。検出値の補正は、位置検出器１２のオフセット値θ０を補正することで行ってよい。

中央演算処理装置４２は、メモリ４４から磁極位置検出プログラムを読み出して実行する機能を有する。メモリ４４は、磁極位置検出プログラムを予め記憶したＲＯＭや、検出データ等を書換え可能に記憶するＲＡＭなどから構成されている。

次に、本発明の実施形態である同期電動機の磁極位置検出処理の手順を、図２、３を用いて説明する。まず、オフセット値θ０を変化させた場合の、同期電動機１１の出力トルクについて説明する。以下では、オフセット値θ０に磁極位置補正値θｃを加えることで、オフセット値を変化させていくものとする。また、オフセット値を変化させる前の初期状態において、磁極位置補正値θｃは０であるとする。

上記の数式（１）に照らせば、磁極位置補正値θｃの変更に伴い、オフセット値が変更する。これにより、電流指令値Ｉｕ＊、Ｉｖ＊の位相が変化する。さらに、位相の変化に伴い、同期電動機１１の出力トルクが変化する。図３は、同期電動機１１が静止した状態でトルク指令Ｔ＊を与えたときの、磁極位置補正値θｃと出力トルクの関係を表した図である。図中、複数示す線はそれぞれ、トルク指令Ｔ＊１、Ｔ＊２、Ｔ＊３を与えた時の出力トルクであり、Ｔ＊1＜Ｔ＊２＜Ｔ＊３の関係にある。また、Ｔ＊３は、ロータ及びロータ取付軸の静止摩擦トルクより僅かに大きい値であって、Ｔ＊1及びＴ＊２は、ロータ及びロータ取付軸の静止摩擦トルクより小さい値であるとする。

例えば図３において、一定のトルク指令Ｔ＊を与えた場合、磁極位置補正値θｃの変更に伴い、出力トルクはｓｉｎ波のように変化する。例えば、磁極位置補正値θｃが最適補正値になると、出力トルクが最大となり、最適補正値を中心に１８０°の範囲内では最適補正値から離れる程、出力トルクが低下する。磁極位置補正値θｃの最適補正値とは、例えば、オフセット値θ０と磁極位置補正値θｃの和が、ロータの実際の電気角の原点（０°）と等しくなるような、磁極位置補正値θｃの値であってよい。

同期電動機１１のロータは、同期電動機１１の発生トルクがロータ及びロータ取付軸の静止摩擦トルク以上になると回転し始める。磁極位置補正値θｃが最適補正値であるとき、トルク指令Ｔ＊をＴ＊１からＴ＊２、Ｔ＊３と徐々に大きくすると、静止摩擦トルクより僅かに大きいＴ＊３になったときにロータが回転し始める。一方、磁極位置補正値θｃが最適補正値からずれていると、トルク指令Ｔ＊をＴ＊３にしても回転しない。よって、トルク指令Ｔ＊３を与えた状態で、磁極位置補正値θｃを変更していき、ロータが回転し始めたときの磁極位置補正値θｃが最適補正値であると判断することができる。

なお、上記関係を利用して最適な磁極位置補正値を求めるには、ロータ及びロータ取付軸の静止摩擦トルクを知る必要がある。しかし、実際には静止摩擦トルクを知ることは困難である。そこで、磁極位置検出初期は、トルク指令Ｔ＊を十分小さい値にしておき、そこから徐々に大きくするようにしてもよい。例えば、最初に与えるトルク指令Ｔ＊は、静止摩擦トルクより十分小さい値にしておく。この値は、トルク指令設定部４６にて設定可能なトルク指令Ｔ＊の最小値であってもよい。この状態で、磁極位置補正値θｃを０°から３６０°まで変更し、ロータが回転しなければ、トルク指令Ｔ＊を予め設定したΔＴ＊だけ増加させ、再度磁極位置補正値θｃを変更する。この工程を、ロータが回転するまで繰り返すようにしてもよい。こうすることにより、静止摩擦トルクが分からなくても、最適な磁極位置補正値θｃを求めることが可能となる。

なお、出力トルクの極性は、磁極位置補正値θｃが１８０°変わるごとに異なるため、例えば、正方向のトルク指令Ｔ＊に対して負方向のロータ回転が検出された場合、その磁極位置補正値θｃに１８０°加算した磁極位置補正値を最適補正値としてもよい。

次に、図２を用いて、本発明の実施形態による磁極位置検出方法の手順を説明する。この磁極位置検出方法は、制御部４０に含まれる中央演算処理装置４２によるソフトウェア制御によって実行されてもよいし、又は、その手順の一部がハードウェア要素によって実現されてもよい。

図２を参照すると、まず、ステップＳ１０において、磁極位置補正値変更回数カウンタｎを初期化する。

次に、ステップＳ１２において、トルク指令設定部４６により設定された正方向のトルク指令Ｔ＊が電流分配器２３に入力される。

一方、制御部４０のメモリ４４には、位置検出器１２の検出原点とロータの磁極位置の位相差を指定する電気角オフセット値θ０と、前記電気角オフセット値θ０を補正する磁極位置補正値θｃとが予め記憶されている。

次に、ステップＳ１４において、トルク指令Ｔ＊を与えた状態でロータの回転速度および回転方向を検出し、続くステップＳ１６においてロータが回転したかどうかを判定する。ロータが回転しなければステップＳ１８において磁極位置補正値θｃを３６０°／Ｎだけ変化させ、続くステップＳ２０で磁極位置補正値変更回数カウンタｎをインクリメントする。次に、ステップＳ２２において磁極位置補正値θｃをＮ回以上変更したかどうかを判定する。ここで、Ｎとは磁極位置補正値θｃを変更する最高回数であり、例えばＮを３６０に設定すると磁極位置補正値θｃを１°ずつ、最高３６０回（３６０°）変化することになる。

ステップＳ２２において、磁極位置補正値θｃの変更回数がＮ回以下であれば再度、ステップＳ１４およびＳ１６でロータ回転速度を検出しロータが回転したかどうかを判定する。一方、磁極位置補正値θｃの変更回数がＮ回を超えれば、ステップＳ２４において磁極位置補正値θｃおよび磁極位置補正値変更回数カウンタｎの初期化を行い、ステップＳ２６においてトルク指令をΔＴ＊だけ増加し、再びステップＳ１４〜Ｓ２２を繰り返す。この動作をロータが回転するまで繰り返す。

そして、ロータが回転する磁極位置補正値θｃが見つかれば、直ちにステップＳ２８においてトルク指令を０にする。これによりロータが停止する。

続いて、ステップＳ３０において、ロータの回転方向を判定し、トルク指令通り正方向の場合は、ステップＳ３２において、磁極位置補正値θｃをメモリ４４に記憶する。トルク指令とは逆に負方向であった場合は、ステップＳ３４において磁極位置補正値θｃに１８０°加えた値をステップＳ３２において、その値をメモリ４４に記憶する。

この補正値により電気角オフセット値を補正する。例えば、新しいオフセット値θ０’＝θ０＋θｃとする。新しいオフセット値θ０’を制御部４０から電流分配器２３へ入力して同期電動機制御に用いる。

上述したように本実施形態によれば、磁極位置検出の際にロータが大きく回転することがないため、同期電動機１１を機械に取り付けた状態でも安全に磁極位置を検出することができる。

また、任意の位置関係に同期電動機１１、位置検出器１２を組み付けても、上述の位置検出により、同期電動機１１の磁極位置検出が可能となるため、同期電動機１１と位置検出器１２を正確な位置に取付ける必要がなくなる。その結果、同期電動機１１の生産コストを削減できる。また、同期電動機１１と位置検出器１２の組み付け後も、上述の位置検出を行うことができるから、同期電動機１１や位置検出器１２の取付け穴やタップのガタツキにより位置決め精度が悪化しても、これを補償することが可能となる。

１０磁極位置検出装置、１１同期電動機、１２位置検出器、２１,２２比例増幅器、２３電流分配器、２４積分増幅器、２５電流制御部、２６微分器、２７直流電源、２８３相ＰＷＭインバータ、２９電流検出器、３１ステータ、３２ロータ、３３センサ、３４検出歯車、３５検出歯車のＺ相、３６ステータハウジング、４０制御部、４２中央演算処理装置、４４メモリ、４６トルク指令設定部、６０，６１取付けボルト。

Claims

同期電動機のロータの磁極位置検出方法であって、
トルク指令と、前記ロータの磁極位置の検出値とに基づいて、ステータに供給する電流の実効値と位相を定めるステップと、
前記ステータへの電流供給後に前記ロータが回転しない場合に、前記電流の位相を変更するステップと、
前記ロータが回転したときの前記電流の位相に基づいて、前記ロータの磁極位置の検出値を補正するステップと、
を含むことを特徴とする、同期電動機の磁極位置検出方法。
請求項１に記載の磁極位置検出方法であって、
前記ロータの磁極位置の検出値には、実際のロータ位置に対する検出値の誤差を補償するオフセット値が含まれ、
前記ロータ回転時の前記電流の位相に基づいて、前記オフセット値が補正されることを特徴とする、同期電動機の磁極位置検出方法。
請求項２に記載の磁極位置検出方法であって、
前記電流の位相を変更させる前の前記トルク指令にて設定された、前記ロータの回転方向とは異なる方向に、前記ロータが回転したときに、位相変更前の前記電流位相と、ロータ回転時の前記電流の位相との差に１８０°加算した値に基づいて、前記オフセット値を補正するステップを含むことを特徴とする、同期電動機の磁極位置検出方法。
請求項１から３のいずれかに記載の磁極位置検出方法であって、
前記電流の位相が３６０°変化する間に前記ロータが回転しないときに、トルクを増加させるようにトルク指令を変更するステップを含むことを特徴とする、同期電動機の磁極位置検出方法。
請求項１から４のいずれかに記載の磁極位置検出方法であって、
前記ロータの回転を検知するステップと、
前記検知時に前記ロータを停止させるステップと、
を含むことを特徴とする、同期電動機の磁極位置検出方法。
同期電動機のロータの磁極位置検出装置であって、
前記ロータの磁極位置を検出する位置検出器と、
トルク指令を設定するトルク指令設定部と、
前記ロータの磁極位置の検出値と前記トルク指令に基づいて、ステータに供給する電流の実効値と位相を定める電流分配器と、
前記ステータへの電流供給後に前記ロータが回転しない場合に、前記電流の位相を変更するとともに、前記ロータが回転したときの前記電流の位相に基づいて、前記ロータの磁極位置の検出値を補正する制御部と、
を備えることを特徴とする、同期電動機の磁極位置検出装置。