JP2024021296A - 磁極位置推定装置および磁極位置推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能な磁極位置推定装置を提供する。【解決手段】磁極位置推定装置であって、同期電動機に流れる電流を検出する電流検出器７と、電流検出器７で検出された電流検出値を座標変換するフィードバック側座標変換器８と、電流指令とフィードバック側座標変換器８で座標変換された電流フィードバックから、電圧指令を算出する電流制御部と、電圧指令、または、電流指令を座標変換する指令側座標変換器４と、ロータの位置を検出する位置検出部９と、ロータの位置と位置指令、または、ロータの速度と速度指令とに基づいて、制御磁極位置を算出する制御磁極位置算出部１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、磁極位置推定装置および磁極位置推定方法に関する。

ロータの磁極位置に応じた電流をステータの巻線に流してトルクを発生させる同期電動機において、ロータの位置検出器としてインクリメンタルエンコーダを用いて、駆動開始時にロータの磁極位置の初期値を推定する技術が知られている。

例えば、非特許文献１には、駆動開始時にロータの磁極位置の初期値を推定する技術が開示されている。具体的には、一定のｄｑ軸電流を流した時にロータの磁極位置と制御磁極位置との磁極位置ずれが存在すると、磁極位置ずれに応じてトルクが発生し、ロータの位置が移動する。移動したロータの位置を検出し、移動前のロータの位置に対する偏差をＰＩ演算して座標変換位置を補正することで、磁極位置ずれ量を０に収束させ、ロータの磁極位置の初期値を推定する。
また、特許文献１には、同期電動機を用いた機械系の静止摩擦の影響を受けずにロータの磁極位置の初期値を推定する技術が開示されている。具体的には、非特許文献１に開示されている技術に加えて、ロータの位置を正方向に移動させた場合の磁極ずれ量の収束値と負方向に移動させた場合の磁極ずれ量の収束値の平均値を算出し、ロータの磁極位置の初期値を推定する。

電気学会論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１２２、Ｎｏ．９、２００２ 「インクリメンタルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータの磁極位置検出法と制御」 特開２００９－１８３０２２号公報

しかしながら、同期電動機を垂直軸の機械に用いた場合において、非特許文献１の手法では、同期電動機に重力分の負荷がかかるため、磁極位置の推定誤差が大きいという課題があった。また、特許文献１に開示されているロータの磁極位置の初期値の推定方法は、静止摩擦が大きい場合の推定誤差を改善したものであり、同期電動機にかかる重力分の負荷を考慮したものではないため、垂直軸の機械系には適用できないという課題があった。

そこで、本発明は、同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能な磁極位置推定装置を提供する。

本発明の一側面に係る同期電動機のロータの磁極位置を推定する磁極位置推定装置は、
前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器で検出された電流検出値を座標変換するフィードバック側座標変換器と、
電流指令と前記フィードバック側座標変換器で座標変換された電流フィードバックから、電圧指令を算出する電流制御部と、
前記電圧指令、または、前記電流指令を座標変換する指令側座標変換器と、
前記ロータの位置を検出する位置検出部と、
前記ロータの前記位置と位置指令、または、前記ロータの速度と速度指令とに基づいて、制御磁極位置を算出する制御磁極位置算出部と、
前記制御磁極位置算出部で算出された前記制御磁極位置と前記電流指令に基づき、磁極位置を算出する磁極位置算出器と、
を備え、
前記制御磁極位置算出部で算出された前記制御磁極位置に基づいて、前記フィードバック側座標変換器と前記指令側座標変換器が座標変換し、
互いに異なる値を有する３つ以上の前記電流指令と、前記制御磁極位置算出部で算出され、前記電流指令のそれぞれの値に応じた前記制御磁極位置と、に基づいて、前記磁極位置算出器は前記ロータの磁極位置を推定する。

本発明の一側面に係る同期電動機のロータの磁極位置を推定する磁極位置推定方法は、
前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出工程と、
前記電流検出工程で検出された電流検出値を座標変換するフィードバック側座標変換工程と、
電流指令と前記フィードバック側座標変換工程で座標変換された電流フィードバックから、電圧指令を算出する電流制御工程と、
前記電圧指令、または、前記電流指令を座標変換する指令側座標変換工程と、
前記ロータの位置を検出する位置検出工程と、
前記ロータの位置と位置指令、または、前記ロータの速度と速度指令とに基づいて、制御磁極位置を算出する算出工程と、
を備え、
前記算出工程で算出された前記制御磁極位置に基づいて、前記フィードバック側座標変換工程と前記指令側座標変換工程において座標変換し、
互いに異なる値を有する３つ以上の前記電流指令と、前記制御磁極位置算出部で算出され、前記電流指令のそれぞれの値に応じた前記制御磁極位置と、に基づいて、前記ロータの磁極位置を推定する。

本発明によれば、同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能な磁極位置推定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る磁極位置推定装置の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推定装置のロータの磁極位置を推定するフローチャートである。 本発明の実施形態に係るロータの磁極位置の算出方法の説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施形態の説明において既に説明された部材と同一の参照番号を有する部材については、説明の便宜上、その説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。

図１は、本発明の実施形態に係る磁極位置推定装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、サーボモータＭの制御装置（以下、磁極位置推定装置ともいう）は、ｄｑ軸電流指令設定器１と、ｑ軸電流制御器２と、ｄ軸電流制御器３（以下、ｑ軸電流制御器２とｄ軸電流制御器３を、まとめて電流制御部ともいう）と、指令側座標変換器４と、ＰＷＭ制御器５と、電力変換機６と、電流検出器７と、フィードバック側座標変換器８と，位置検出部（エンコーダ）９と、制御磁極位置算出部１０と、磁極位置算出器１１とから構成される。制御磁極位置算出部１０は、速度算出器１４と、位置制御器１５と、速度制御器１６とを含む。ｄｑ軸電流指令設定器１と磁極位置算出器１１は、磁極位置推定コントローラ２０によって制御される。位置制御器１５は例えば比例制御器で構成され、速度制御器１６は例えば比例積分制御器で構成される。

ｄｑ軸電流指令設定器１は、ｑ軸電流指令ＩｑＣであるｑ軸電流指令設定値を出力する。次に、ｑ軸電流指令ＩｑＣとフィードバック側座標変換器８からのｑ軸電流フィードバックＩｑＦとの偏差がｑ軸電流制御器２に入力される。ｑ軸電流制御器２は、入力された偏差からｑ軸電圧指令ＶｑＣを算出する。

また、ｄｑ軸電流指令設定器１は、ｄ軸電流指令ＩｄＣであるｄ軸電流指令設定値を出力する。次に、ｄ軸電流指令ＩｄＣとフィードバック側座標変換器８からのｄ軸電流フィードバックＩｄＦとの偏差がｄ軸電流制御器３に入力される。ｄ軸電流制御器３は、入力された偏差からｄ軸電圧指令ＶｄＣを算出する。

算出されたｑ軸電圧指令ＶｑＣとｄ軸電圧指令ＶｄＣは、指令側座標変換器４に入力される。指令側座標変換器４は、制御磁極位置算出部１０からの制御磁極位置θｃに基づいて、ｑ軸電圧指令ＶｑＣとｄ軸電圧指令ＶｄＣを、ｄｑ回転座標系から三相静止座標系へ座標変換し、三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣを算出する。三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣはＰＷＭ制御器５に入力され、ＰＷＭ制御器５は入力された三相電圧指令ＶＵＣ、ＶＶＣ、ＶＷＣからＰＷＭ制御信号を生成し、出力する。ＰＷＭ制御信号は電力変換機６に入力され、電力変換機６はＰＷＭ制御信号に基づいてサーボモータＭを駆動する。

なお、本実施形態ではｑ軸電圧指令ＶｑＣとｄ軸電圧指令ＶｄＣが、指令側座標変換器４に入力されて、ｄｑ回転座標系から三相静止座標系へ座標変換される構成となっているが、ｑ軸電流指令ＩｑＣとｄ軸電流指令ＩｄＣが、指令側座標変換器４に入力されて、ｄｑ回転座標系から三相静止座標系へ座標変換される構成であってもよい。

電流検出器７はサーボモータＭのＵ相のモータ電流ＩＵと、Ｖ相のモータ電流ＩＶを検出する。モータ電流ＩＵ、ＩＶの電流検出値はフィードバック側座標変換器８に入力される。フィードバック側座標変換器８は、制御磁極位置算出部１０からの制御磁極位置θｃに基づいて、モータ電流ＩＵ、ＩＶの電流検出値を、三相静止座標系からｄｑ回転座標系へ座標変換し、ｑ軸電流フィードバックＩｑＦとｄ軸電流フィードバックＩｄＦを算出する。

位置検出部（エンコーダ）９は、サーボモータＭに搭載されていて、サーボモータＭのロータの位置θＦＢを検出する。検出されたロータの位置θＦＢは、速度算出器１４に入力される。速度算出器１４は、検出されたロータの位置θＦＢを微分処理してモータ速度ＶＦＢを算出する。

また、位置指令θｃｍｄと検出されたロータの位置θＦＢの偏差が位置制御器１５に入力され、位置制御器１５は速度指令Ｖｃｍｄを出力する。出力された速度指令Ｖｃｍｄとモータ速度ＶＦＢとの偏差が速度制御器１６に入力され、速度制御器１６は制御磁極位置θｃを算出する。算出された制御磁極位置θｃは、指令側座標変換器４とフィードバック側座標変換器８と磁極位置算出器１１に入力される。磁極位置算出器１１は、ｄｑ軸電流指令設定器１に設定される、互いに異なる値を有する３つのｄ軸電流指令ＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３と、制御磁極位置算出部で算出され、３つのｄ軸電流指令ＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３のそれぞれの値に応じた制御磁極位置θｃ１、θｃ２、θｃ３と、に基づいて、ロータの磁極位置θａを推定する。推定されたロータの磁極位置θａは、磁極位置算出器１１に保存される。
なお、磁極位置算出器１１によるロータの磁極位置θａの詳細な推定方法については、図３を用いて後述する。

上記構成において、位置指令θｃｍｄを０に設定し、速度制御器１６を比例積分制御器で構成することで、速度指令Ｖｃｍｄとモータ速度ＶＦＢとの定常偏差が０となるように制御される。その結果、検出されたロータの位置θＦＢは最終的に０に収束される。

なお、本実施形態では位置指令θｃｍｄが入力される構成となっているが、位置制御器１５を設けずに，速度指令Ｖｃｍｄが入力される構成であってもよい。

図２は、本発明の実施形態に係る磁極位置推定装置のロータの磁極位置を推定するフローチャートである。
磁極位置推定装置が磁極位置推定フローを開始すると、第一工程として、ｄｑ軸電流指令設定器１のｑ軸電流指令設定値を一定値に設定し、ｄ軸電流指令設定値を０に設定し、同期電動機を駆動する（Ｓ１０１）。

これにより、ロータの磁極位置θｒｅと制御磁極位置θｃとの磁極位置ずれに応じてロータにトルクが発生し、トルクによりロータの位置θＦＢが移動する。そのため、位置指令θｃｍｄと検出されたロータの位置θＦＢの偏差が発生し、位置制御器１５から速度指令Ｖｃｍｄが出力される。さらに、速度指令Ｖｃｍｄとモータ速度ＶＦＢとの偏差が発生し、速度制御器１６によって制御磁極位置θｃ１が算出される。算出された制御磁極位置θｃは指令側座標変換器４及びフィードバック側座標変換器８に入力されて、サーボモータＭの電流制御が行われる。したがって、ｑ軸電流のみ電流を流していることから磁極位置ずれはπ／２より少し小さく、モータ軸換算の重力トルクとモータ出力トルクがつり合う角度に収束する。位置偏差を抑制する方向に制御系が動作するため、検出されたロータの位置θＦＢは移動した位置から元の位置に戻る。なお，磁極位置ずれの初期値が－π／２より少し大きく、モータ軸換算の重力トルクとモータ出力トルクがつり合う角度であった場合、検出されたロータの位置θＦＢは移動せず、磁極位置ずれは－π／２より少し大きく、モータ軸換算の重力トルクとモータ出力トルクがつり合う角度のままである。

第一工程において制御磁極位置θｃが収束するまでの一定時間が経過した後、第二工程として、ｄｑ軸電流指令設定器１のｑ軸電流指令設定値を０に設定し、ｄ軸電流指令（ＩｄＣ１）設定値を一定値Ｉｃｏｎｓｔに設定し、同期電動機を駆動する（Ｓ１０２）。

これにより、磁極位置ずれに応じてロータにトルクが発生し、トルクによりロータの位置θＦＢが移動する。そのため、第一工程と同様に、速度制御器１６によって算出された制御磁極位置θｃが、指令側座標変換器４及びフィードバック側座標変換器８に入力されて、サーボモータＭの電流制御が行われる。したがって、サーボモータＭに発生するトルクとモータ軸換算の重力トルクがつりあう方向に制御され、制御磁極位置θｃは、サーボモータＭに発生するトルクとモータ軸換算の重力トルクがつりあう角度に収束する。収束した制御磁極位置をθｃ１として、磁極位置算出器１１に保存する（Ｓ１０２）。

第二工程において制御磁極位置θｃ１が収束するまでの一定時間が経過した後、第三工程として、ｄｑ軸電流指令設定器１のｑ軸電流指令設定値を０に設定し、ｄ軸電流指令（ＩｄＣ２）設定値を一定値Ｉｃｏｎｓｔ×０．８に設定し、同期電動機を駆動する（Ｓ１０３）。

これにより、磁極位置ずれに応じてロータにトルクが発生し、トルクによりロータの位置θＦＢが移動する。そのため、第一工程、第二工程と同様に、速度制御器１６によって算出された制御磁極位置θｃが、指令側座標変換器４及びフィードバック側座標変換器８に入力されて、サーボモータＭの電流制御が行われる。したがって、サーボモータＭに発生するトルクとモータ軸換算の重力トルクがつりあう方向に制御され、制御磁極位置θｃは、サーボモータＭに発生するトルクとモータ軸換算の重力トルクがつりあう角度に収束する。収束した制御磁極位置をθｃ２として、磁極位置算出器１１に保存する（Ｓ１０３）。

第三工程において制御磁極位置θｃ２が収束するまでの一定時間が経過した後、第四工程として、ｄｑ軸電流指令設定器１のｑ軸電流指令設定値を０に設定し、ｄ軸電流指令（ＩｄＣ３）設定値を一定値Ｉｃｏｎｓｔ×０．６に設定し、同期電動機を駆動する（Ｓ１０４）。

これにより、磁極位置ずれに応じてロータにトルクが発生し、トルクによりロータの位置θＦＢが移動する。そのため、第一工程～第三工程と同様に、速度制御器１６によって算出された制御磁極位置θｃが、指令側座標変換器４及びフィードバック側座標変換器８に入力されて、サーボモータＭの電流制御が行われる。したがって、サーボモータＭに発生するトルクとモータ軸換算の重力トルクがつりあう方向に制御され、制御磁極位置θｃは、サーボモータＭに発生するトルクとモータ軸換算の重力トルクがつりあう角度に収束する。収束した制御磁極位置をθｃ３として、磁極位置算出器１１に保存する（Ｓ１０４）。

第四工程において制御磁極位置θｃ３が収束するまでの一定時間が経過した後、第五工程として、磁極位置算出器１１は、互いに異なる値を有する３つのｄ軸電流指令ＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３と、制御磁極位置算出部１０で算出され、３つのｄ軸電流指令ＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３のそれぞれの値に応じた制御磁極位置θｃ１、θｃ２、θｃ３と、に基づいて、ロータの磁極位置θａを推定する。推定されたロータの磁極位置θａは、ロータ位置θＦＢとの差を取り磁極ずれ量θＦとして磁極位置算出器１１に保存される（Ｓ１０５）。その後、磁極位置推定フローは終了する。磁極位置推定フロー終了後、磁極位置算出器１１に保存されているロータの磁極ずれ量θＦをロータの位置θＦＢに加算して制御磁極位置θｃを算出することで、正確なロータの磁極位置での同期電動機の駆動が可能となる。

以上のように、本発明の実施形態に係る磁極位置推定方法は同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能となる。

図３は、本発明の実施形態に係るロータの磁極位置の算出方法の説明図である。図３に示すように、αβ固定座標において原点を基準として３つの電流ベクトルＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３を設定する。３つの電流ベクトルＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３は、大きさが３つのｄ軸電流指令ＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３のそれぞれの値、方向がα軸からの制御磁極位置θｃ１、θｃ２、θｃ３で定義される。３つの電流ベクトルＩｄＣ１、ＩｄＣ２、ＩｄＣ３のそれぞれの終点をＰ１、Ｐ２、Ｐ３とする。終点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を結ぶ回帰直線の傾きａを最小二乗法を用いて求める。傾きａは、モータ軸換算の重力トルクの影響を除いた推定ｄ軸方向に相当する。傾きａから、以下の数式によって、ロータの磁極位置θａが求められる。
（式１）

なお、傾きａから求める角度θは、ｄ軸方向とπだけ異なる可能性がある。そのため傾きａから求めた角度θが上述した第二工程の制御磁極位置θｃ１と比較してπ／２～３π／２だけ異なる場合は、θからπだけ減算した値をロータの磁極位置θａとする。

なお、ｄ軸電流指令の大きさの代わりに，上述した第一工程～第四工程で流したｄ軸電流フィードバックを用いて算出してもよい。また、本実施例は３つの電流ベクトルから制御磁極位置を推定したが、４つ以上の電流ベクトルから推定してもよい。それによって、推定したロータの磁極位置θａの摩擦等による誤差要因を低減することができる。

以上のように、本発明の実施形態に係る磁極位置推定装置は、同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明をしたが、本発明の技術的範囲が本実施形態の説明によって限定的に解釈されるべきではないのは言うまでもない。本実施形態は単なる一例であって、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において、様々な実施形態の変更が可能であることが当業者によって理解されるところである。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に記載された発明の範囲及びその均等の範囲に基づいて定められるべきである。

１：ｄｑ軸電流指令設定器
２：ｑ軸電流制御器
３：ｄ軸電流制御器
４：指令側座標変換器
５：ＰＷＭ制御器
６：電力変換機
７：電流検出器
８：フィードバック側座標変換器
９：位置検出部（エンコーダ）
１０：制御磁極位置算出部
１１：磁極位置算出器
Ｍ：サーボモータ

そこで、本発明は、同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能な磁極位置推定装置および磁極位置推定方法を提供する。

本発明の一側面に係る同期電動機のロータの磁極位置を推定する磁極位置推定方法は、
前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出工程と、
前記電流検出工程で検出された電流検出値を座標変換するフィードバック側座標変換工程と、
電流指令と前記フィードバック側座標変換工程で座標変換された電流フィードバックから、電圧指令を算出する電流制御工程と、
前記電圧指令、または、前記電流指令を座標変換する指令側座標変換工程と、
前記ロータの位置を検出する位置検出工程と、
前記ロータの位置と位置指令、または、前記ロータの速度と速度指令とに基づいて、制御磁極位置を算出する算出工程と、
を備え、
前記算出工程で算出された前記制御磁極位置に基づいて、前記フィードバック側座標変換工程と前記指令側座標変換工程において座標変換し、
互いに異なる値を有する３つ以上の前記電流指令と、前記算出工程で算出され、前記電流指令のそれぞれの値に応じた前記制御磁極位置と、に基づいて、前記ロータの磁極位置を推定する。

本発明によれば、同期電動機を垂直軸の機械系に用いた場合でも、高精度なロータの磁極位置の推定が可能な磁極位置推定装置および磁極位置推定方法を提供することができる。

Claims (4)

1. 同期電動機のロータの磁極位置を推定する磁極位置推定装置であって、
   前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器で検出された電流検出値を座標変換するフィードバック側座標変換器と、
   電流指令と前記フィードバック側座標変換器で座標変換された電流フィードバックから、電圧指令を算出する電流制御部と、
   前記電圧指令、または、前記電流指令を座標変換する指令側座標変換器と、
   前記ロータの位置を検出する位置検出部と、
   前記ロータの前記位置と位置指令、または、前記ロータの速度と速度指令とに基づいて、制御磁極位置を算出する制御磁極位置算出部と、
   前記制御磁極位置算出部で算出された前記制御磁極位置と前記電流指令に基づき、磁極位置を算出する磁極位置算出器と、
   を備え、
   前記制御磁極位置算出部で算出された前記制御磁極位置に基づいて、前記フィードバック側座標変換器と前記指令側座標変換器が座標変換し、
   互いに異なる値を有する３つ以上の前記電流指令と、前記制御磁極位置算出部で算出され、前記電流指令のそれぞれの値に応じた前記制御磁極位置と、に基づいて、前記磁極位置算出器は前記ロータの磁極位置を推定することを特徴とする、磁極位置推定装置。
2. 前記磁極位置算出器は、互いに異なる値を有する３つ以上の前記電流指令と前記電流指令のそれぞれの値に応じた前記制御磁極位置に基づいた電流ベクトルの終点を結んだ回帰直線の傾きを最小二乗法を用いて求め、前記ロータの磁極位置を推定する、請求項１に記載の磁極位置推定装置。
3. 前記制御磁極位置算出部は、
   前記ロータの前記位置と前記位置指令との偏差から前記制御磁極位置を算出する位置制御器、または、前記ロータの前記速度と前記速度指令との偏差から前記制御磁極位置を算出する速度制御器、を備える、請求項１に記載の磁極位置推定装置。
4. 同期電動機のロータの磁極位置を推定する磁極位置推定方法であって、
   前記同期電動機に流れる電流を検出する電流検出工程と、
   前記電流検出工程で検出された電流検出値を座標変換するフィードバック側座標変換工程と、
   電流指令と前記フィードバック側座標変換工程で座標変換された電流フィードバックから、電圧指令を算出する電流制御工程と、
   前記電圧指令、または、前記電流指令を座標変換する指令側座標変換工程と、
   前記ロータの位置を検出する位置検出工程と、
   前記ロータの位置と位置指令、または、前記ロータの速度と速度指令とに基づいて、制御磁極位置を算出する算出工程と、
   を備え、
   前記算出工程で算出された前記制御磁極位置に基づいて、前記フィードバック側座標変換工程と前記指令側座標変換工程において座標変換し、
   互いに異なる値を有する３つ以上の前記電流指令と、制御磁極位置算出部で算出され、前記電流指令のそれぞれの値に応じた前記制御磁極位置と、に基づいて、前記ロータの磁極位置を推定することを特徴とする、磁極位置推定方法。

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