JP3653437B2 - 永久磁石式同期モータの制御方式 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁極位置を検出して制御を行う永久磁石式同期モータ制御系における、磁極位置検出器の補正方式に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
永久磁石式同期モータのベクトル制御を行うには、モータ回転子の磁極位置に基づいた座標変換が必要であり、一般に磁極位置検出器により検出した磁極の絶対位置を利用する。この磁極位置検出器が製作誤差や取り付け誤差を持つ場合、制御性能が劣化する。
【0003】
磁極位相誤差とモータ電流の関係を図2に示す。図2において、d−q座標は磁極位相の真値に基づいたモータ座標を表す。またd^−q^座標は制御座標を表し、Δθは磁極位置検出器の取り付け誤差や製作誤差に起因する、磁極位相誤差である。
【0004】
永久磁石式同期モータの発生トルクτは次式で表される。
【0005】
【数1】
τ=ΦIq+(Ld−Lq)Id Iq
ここでΦはモータ磁石が作る磁束、Ld、Lqはd軸、q軸インダクタンスであり、円筒型の永久磁石式同期モータではLd=Lqとなる。またId、Iqはd軸、q軸電流であり、励磁分電流、トルク分電流と呼ばれる。このときモータに流れる電流IはIdとIqのベクトル和となる。永久磁石式同期モータのベクトル制御ではモータ磁石による磁束が確立しているため、一般に励磁分電流Idの指令値をゼロとしてIqの指令値のみを変化させ、Iqに比例したトルクτを発生させるよう制御を行うが、モータ端子電圧の抑制や力率の改善を目的として、励磁分電流Idをd軸の負方向に流す弱め界減制御を行うこともできる。
【0006】
制御座標であるd^−q^座標が磁極位置検出器の誤差に起因する位相誤差Δθを持つとすると、d^−q^座標に基づいてトルク分電流指令Iq^を与えた場合、実際にモータに印加される電流は励磁分電流Id=Iq^sinΔθ、トルク分電流Iq=Iq^cosΔθとなる。このようにトルク分電流Iqだけでなく、モータトルクの発生に寄与しない励磁分電流Idも流れ、モータトルクが減少するため、制御性能が劣化することが分かる。
【0007】
磁極位置検出器をモータに取り付ける際に、モータ軸と検出器軸を完全に一致させることは困難であり、また磁極位置検出器の製作誤差を事前に知ることはできないため、特開平10−80188号公報に記載されている手法等により磁極位相を補正することが有効である。この例では、永久磁石式同期モータの電圧、電流、速度およびモータ定数を用いて位相補正値を算出している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来例では、電圧検出器により検出したモータ電圧、またはモータ定数を利用して位相補正演算を行っている。モータ電圧を利用する場合は、電圧検出器の追加が必要となり、コストが上昇する。またモータ定数を利用する場合にはモータ定数の正確な測定が必要となるが、温度変化や経年変化などによってモータ定数は変動する。この変動により位相補正値が誤差を生じ、制御性能が劣化する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
負荷トルク一定の条件下では、磁極位相誤差とモータ電流との関係は次式で表される(図3)。
【0010】
【数2】
I=Iq/cos(θ−Δθ)
ここでIはモータ電流、Iqは磁極位相誤差がゼロである場合に必要となるトルク分電流、θは制御位相、Δθは磁極位置検出器の誤差に起因する制御位相の誤差である。
【0011】
制御位相のゼロ方向にトルク分電流を印加することとすると、図3から分かるように、磁極位相誤差Δθが増加するに従ってモータ電流Iも増加する。
【0012】
ここでモータ電流Iは磁極位相誤差Δθに対して、増磁方向、減磁方向に対称性を持ち、磁極位相誤差Δθの絶対値が等しければモータ電流値Iも等しくなる。
【0013】
そこで制御位相を増磁方向、減磁方向にそれぞれ変化させ、本来必要なIqよりも大きな電流目標値Iq1^(=Iq2^)にモータ電流が一致する位相θ1とθ2を求めれば、これらの平均値である磁極位相誤差Δθを算出することができる。
【0014】
本手法によれば、電圧検出器等を追加したりモータ定数変動の影響を受けることなく、磁極位置検出器の補正が可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明をエレべータへ適用した例を図1に示す。6は永久磁石式同期モータで、その回転軸には永久磁石式同期モータ6の速度を検出する速度検出器7、永久磁石式同期モータ6の磁極位置を検出する磁極位置検出器8と巻上機13が接続されている。巻上機13にはロープ15が巻かれており、ロープ15の両端にはかご16とカウンタウェイト14が接続されている。巻上機13が回転するとロープ15を介してかご16、カウンタウェイト14が昇降路内を昇降する。
【0016】
速度検出器7は、モータ6の回転速度を検出する。速度検出器には、回転角度に比例する数のパルスを生成する光学式エンコーダやタコジェネレータ等が用いられる。速度演算器10は単位時間あたりのパルス個数をカウントすることによりモータ速度ωmを演算する。
【0017】
位置検出器8は、モータ6の回転に伴い、モータ回転子の絶対位置を検出する。
【0018】
位置検出器8には、絶対位置パルスを生成する光学式エンコーダやレゾルバ、ホール素子等が用いられる。位相演算器11は位置検出器8の出力から磁極位相θを演算する。
【0019】
位相補正器12は、後述する方法により磁極位相θを補正し、制御位相θ’として出力する。
【0020】
速度制御器1は、速度指令ωm*と、速度演算器10が出力する速度演算値ωmからトルク分電流指令Iq*を演算する。
【0021】
電流検出器5は、永久磁石式同期モータ6に流れる交流電流Iu、Ivを検出する。
【0022】
3相/2相変換器9は、位相補正器12が出力する制御位相θ’を用いて、電流検出値Iu、Ivから励磁分電流検出値Id、トルク分電流検出値Iqを演算する。
【0023】
電流制御器2は、励磁分電流指令Id*、トルク分電流指令Iq*と、励磁分電流検出値Id、トルク分電流検出値Iqから、電圧指令Vd*、Vq*を演算する。
【0024】
2相/3相変換器3は、電圧指令Vd*、Vq*を三相電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に変換し、電力変換器4に出力する。
【0025】
電力変換器4は、電圧指令Vu*、Vv*、Vw*に従って可変電圧、可変周波数の交流電圧を発生し、モータ6に供給する。
【0026】
以上のようにしてモータ6がトルクを発生し、かご16を昇降させる。
【0027】
なお図1の実施例では速度検出器7と位置検出器8をモータ6の軸端に接続しているが、モータの回転角度に比例した信号を生成できる構造であれば軸端に配置する必要はない。例えば速度検出器の外周と巻上機13の外周とが密着するよう配置し、巻上機13の回転に伴って信号を得たり、かご16やカウンタウェイト14に装着し、その昇降に併せて信号を得ることもできる。また速度検出器7と位置検出器8を機能別に分けているが、一体構造のものを使用することもできる。
【0028】
次に位相補正器12の動作について説明する。まず第一の構成例として、図4に位相補正器の構成を、図5に位相補正処理のフローチャートを示す。
【0029】
磁極位置検出器の取り付け時や交換時等、磁極位相の補正が必要な場合には、外部から指令を与えて位相補正モードに移行する(ステップ31)。
【0030】
エレべータ走行中は負荷の変動、つまり乗客の乗降がないため、エレべータが一定速度で走行している間は負荷トルクも一定と見倣すことができる。そこでモード切換器21は、速度検出器11が算出したモータ速度ωmが予め定めた期間一定である場合にスイッチ22を22bに切り換え、位相演算器11が算出した位相θへの補正位相θeの加算を開始する。加算結果は制御位相θ’として出力される(ステップ32)。
【0031】
目標電流演算器23は、モード切換時のトルク分電流指令Iq*に1以上の適当な係数を掛けた目標電流Iq’を演算する(ステップ33)。
【0032】
次に、制御位相を増磁方向に変更する。増磁方向に位相を変更する場合、電流指令Iq*が目標電流Iq’より小さい時には位相補正値θeを増加させるよう制御を行う。θeが増加するとモータ発生トルクが減少し、モータ速度ω1が低下するため、速度制御器1はトルク分電流指令Iq*を増加させ、モータ発生トルクの低下分を補おうとする。このようにしてトルク分電流指令Iq*は目標電流Iq’に収束する。前記の制御は、例えばIq’とIqの偏差をPI補償器に入力し、その出力をθeとすることで実現できる。電流指令と目標電流の誤差が所定の範囲に収束した場合、または予め定めた時間が経過した場合に、モード切換器21はスイッチ22を22aに切り換え、補正位相θeの加算を終了する。また補正位相記憶器25は、このときの位相補正値θeを増磁方向の収束位相θ1として記憶する(ステップ34)。
【0033】
次に、同様の手順で制御位相を減磁方向に変更する。モード切換器21はスイッチ22を22bに切り換え、補正位相θeの加算を開始する。減磁方向に位相を変更する場合は位相補正値θeの符号を反転させ、電流指令Iq*が目標電流Iq’より小さい場合には位相補正値θeを減少させるような制御を行う。電流指令と目標電流の誤差が所定の範囲に収束した場合、または予め定めた時間が経過した場合に、モード切換器21はスイッチ22を22aに切り換え、補正位相θeの加算を終了する。
【0034】
また補正位相記憶器25は、電流収束時の位相補正値θeを減磁方向の収束位相θ2として記憶する(ステップ35)。
【0035】
減磁方向の位相補正処理が終了したら、増磁方向の収束位相θ1と減磁方向の収束位相θ2の平均値を求め、これを位相補正値Δθとして記憶し(ステップ36)、位相補正処理を終了する。
【0036】
本実施例では、増磁方向、減磁方向の順に制御位相を変更しているが、減磁方向、増磁方向の順に変更してもよい。
【0037】
また必ずしも一度の定常走行中に増磁方向、減磁方向両方の収束位相を求める必要はなく、例えば一度目の走行で増時方向の収束位相を求め、二度目の走行で減磁方向の収束位相を求めるなど、複数回の走行データに基づいて位相補正値Δθを算出することもできる。
【0038】
位相補正処理終了後はスイッチ22を22cに切り換え、位相補正値Δθを位相演算器11の出力θに加算し、通常の運転に移行する。加算結果である制御位相θ’に基づいて制御を行うことにより、磁極位相誤差に起因する制御性能の劣化を防ぐことができる。
【0039】
次に位相補正器12の第二の構成例を示す。図6は位相補正器の構成、図7は位相補正処理のフローチャートである。本実施例の適用にあたっては、磁極位相誤差とモータ電流との関係を表すテーブルを作成しておく。
【0040】
ステップ51からステップ5までの動作は第一の実施例と同様である。
【0041】
まず外部から指令を与えて位相補正モードに移行する(ステップ51)。
【0042】
モード切換器51は、速度検出器11が算出したモータ速度ωmが予め定めた期間一定である場合にスイッチ52を52bに切り換え、位相演算器11が算出した位相θへの補正位相θeの加算を開始する。加算結果は制御位相θ’として出力される(ステップ52)。
【0043】
目標電流演算器53は、モード切換時のトルク分電流指令Iq*に1以上の適当な係数を掛けた目標電流Iq’を演算する(ステップ53)。
【0044】
次に、制御位相を増磁方向に変更し、収束位相θ1として記憶する(ステップ54)。本構成例では制御位相を増磁方向に変更しているが、減磁方向に対応したテーブルを作成してあれば、制御位相を減磁方向へ変更してもよい。
【0045】
増磁方向の位相補正処理が終了したら、モード切換時のトルク分電流指令Iq*、目標電流Iq’、収束位相θ1から位相誤差テーブル45を参照し、位相補正値Δθとして記憶し(ステップ55)、位相補正処理を終了する。
【0046】
位相補正処理終了後はスイッチ52を52cに切り換え、位相補正値Δθを位相演算器11の出力6に加算し、通常の運転に移行する。
【0047】
【発明の効果】
本発明により、電圧検出器や複雑な演算を追加することなく、またモータ定数変動の影響を受けることなく磁極位相を補正することができ、制御性能の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のエレべータへの適用例を表すブロック図。
【図2】磁極位相誤差と電流の関係を表すベクトル図。
【図3】本発明による位相補正原理を表す図。
【図4】位相補正器の第一の構成例を示す図。
【図5】第一の構成例に基づく位相補正手順を表すフローチャート。
【図6】位相補正器の第二の構成例を示す図。
【図7】第二の構成例に基づく位相補正手順を表すフローチャート。
【符号の説明】
1…速度制御器、2…電流制御器、3…2相/3相変換器、4…電力変換器、6…永久磁石式同期モータ、7…速度検出器、8…磁極位置検出器、9…3相/2相変換器、10…速度演算器、11…位相演算器、12…位相補正器、13…巻上機、14…カウンタウェイト、15…ロープ、16…かご、21…モード切換器、22…モード切換スイッチ、23…目標電流演算器、24…補正位相演算器、25…補正位相記憶器。
Claims (4)
- 永久磁石式同期モータと、前記モータの磁極絶対位置を検出する磁極位置検出器と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出器と、前記モータの電流制御および速度制御を行う制御装置を備えた永久磁石式同期モータ制御システムにおいて、負荷トルクよりも大きなモータトルクに相当する電流指令を印加した上で、モータ発生トルクが負荷トルクに一致するよう制御位相を変化させることにより磁極位相を補正し、
制御位相を変化させるにあたっては、増磁方向に変化させ、モータ発生トルクが負荷トルクに一致する制御位相変化量を求め、減磁方向に変化させ、モータ発生トルクが負荷トルクに一致する制御位相変化量を求め、それぞれの方向における制御位相変化量の平均値をもって磁極位相の補正値とする、永久磁石式同期モータの制御方式。 - 永久磁石式同期モータと、前記モータの磁極絶対位置を検出する磁極位置検出器と、前記モータに流れる電流を検出する電流検出器と、前記モータの電流制御および速度制御を行う制御装置を備えた永久磁石式同期モータ制御システムにおいて、負荷トルクよりも大きなモータトルクに相当する電流指令を印加した上で、モータ発生トルクが負荷トルクに一致するよう制御位相を変化させることにより磁極位相を補正し、
磁極位相誤差とモータ電流との関係を事前に測定したテーブルを持ち、増磁方向または減磁方向のどちらか一方向に制御位相を変化させ、前記テーブルを参照することにより磁極位相を補正する、永久磁石式同期モータの制御方式。 - 請求項1または請求項2記載の永久磁石式同期モータの制御方式であって、前記制御方式によりエレべータを駆動し、エレべータ停止中または一定速度での走行中に磁極位相を補正する、永久磁石式同期モータの制御方式。
- 請求項3記載の永久磁石式同期モータの制御方式であって、一定速度での走行にあたっては、上昇方向または下降方向のどちらか一方向に走行させ、磁極位相を補正する、永久磁石式同期モータの制御方式。
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