JP3903478B2 - 永久磁石型同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、速度検出用のエンコーダ及び磁極位置センサを備えた永久磁石型同期電動機を速度制御するための制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、この種の制御装置の従来技術を示している。
図において、制御装置１０は、三相永久磁石型同期電動機の速度指令値に対して速度検出値を追従させるようにトルク指令値を演算する速度調節器１１と、前記トルク指令値に基づいて、電流検出値と回転子の電気角とから電動機３０に適切な電力を供給するための電力指令値を演算する電流調節器１２と、前記電力指令値に応じた交流電力を出力するインバータ等の電力変換器１３と、電動機３０に取り付けられた磁極位置センサ３１の出力パルスから電動機３０の磁極位置を検出する磁極検出器１４と、検出した磁極位置と後述するパルス数計測器１６の出力とから回転子の電気角を演算する電気角演算器１５と、エンコーダ３２の出力パルス数を電動機３０の回転方向に応じて計測するパルス数計測器１６と、エンコーダ３２の出力パルスの時間間隔を測定するパルス時間計測器１７と、パルス数及びパルスの時間間隔から速度を演算し、その演算値を速度調節器１１に対する速度検出値として出力する速度演算器１８とを備えている。
なお、１９は電流検出器である。
【０００３】
図３におけるエンコーダ３２の出力信号を、図４に示す。エンコーダ３２の出力信号は電気角で９０度の位相差をもつＡ相、Ｂ相の二相のパルス信号であり、パルス数計測器１６においてＡ相が進み位相の時に正転と判断してパルス数を加算し、Ｂ相が進み位相の時に逆転と判断してパルス数を減算する。
【０００４】
図５は、速度演算周期内に１個以上のパルスがエンコーダ３２から出力される場合の速度演算周期とパルス数との関係を示している。
速度演算周期をＴ_Ｓ、前々回の速度演算周期における最後のパルスから前回の速度演算周期開始までの時間をＴ_Ｐ０、前回の速度演算周期における最後のパルスから今回の速度演算周期開始までの時間をＴ_Ｐ１、速度演算周期Ｔ_Ｓ内のパルス数をＮ_Ｐとすると、図３の速度演算器１８では、速度演算値ｎ_１を数式１から求めることができる。なお、数式１において、Ｔ_Ｐ０，Ｔ_Ｐ１はパルス時間計測器１７から入力され、Ｎ_Ｐはパルス数計測器１６から入力される。また、数式１におけるＫ_１は１パルス当たりの位置変化量を示す係数である。
【０００５】
【数１】

【０００６】
次に、磁極位置センサ３１の出力信号を図６に示す。磁極位置センサ３１の出力信号であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々１８０度ごとの磁極位置検出パルスの状態により、磁極検出器１４では６０度ごとの磁極位置を特定することができる。
図３の電気角演算器１５では、前回求めた回転子の電気角の値にパルス数計測器１６により求めた回転子の位置変化量を加算して今回の電気角を求め、磁極検出器１４から出力される６０度ごとの磁極位置情報にて補正を行う。
図７は、磁極位置センサ３１の出力に応じたパルス状態番号を示しており、正転時にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相のパルス状態番号は▲１▼→▲２▼→▲３▼と増加し、逆転時には▲６▼→▲５▼→▲４▼と減少していくことがわかる。
【０００７】
次いで、図３の従来技術の動作を説明する。この制御装置においては、速度指令値に対して速度検出値が追従するように速度調節器１１においてトルク指令値が演算され、このトルク指令値に応じた電流が流れるように、電流調節器１２において電流検出値及び回転子の電気角を用いて電力指令値が演算され、この電力指令値通りの電力が電力変換器１３により電動機３０に供給される。
【０００８】
電動機３０の速度は、エンコーダ３２の出力パルスが入力されるパルス数計測器１６及びパルス時間計測器１７の出力を用いて、速度演算器１８により演算される。また、回転子の電気角は、前述したように電気角演算器１５において前回の電気角にパルス数計測器１６の出力である回転子の位置変化量を加算して求め、磁極検出器１４の出力である６０度ごとの磁極位置情報を用いて補正している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
エンコーダ３２の出力信号のパルスが欠相を起こした場合の波形を、図８に示す。ここで、欠相とは、エンコーダそのものの異常でパルスが発生しない場合や、エンコーダからの伝送系統の異常でパルスが伝えられない場合などを指している。例えばＢ相が欠相すると、パルス数計測器１６では、Ａ相信号の入力ごとに回転方向が反転しているように判断され、パルス数が増減を繰り返すため正確なパルス数の検出ができなくなる。そのため、速度及び電気角が正しく求められなくなり、電動機３０が脱調を起こすため電動機３０を直ちに停止させる等の保護動作が必要になる。
【００１０】
しかし、プラント等の産業用機械の場合では決められた動作が終了するまで、また、車両等の駆動部に用いられている場合には安全に停止することが可能な場所まで、電動機の駆動を継続することが要求されている。
このようなエンコーダ欠相時の対策としては、エンコーダを二重にして冗長化することが考えられるが、取付場所の確保が難しく、システムの複雑化やコスト増加を招く等の問題がある。
そこで本発明は、新たなセンサを追加せずにエンコーダ欠相時にも正確な速度制御を行えるようにした永久磁石型同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、電動機の回転速度検出用のエンコーダと磁極位置検出用の磁極位置センサとを備えた永久磁石型同期電動機を速度制御するための制御装置において、９０度の位相差を持つ二相パルスを出力する前記エンコーダと、このエンコーダから出力される二相パルスの数を電動機の回転方向を考慮して計測し、第１の回転子位置変化量を算出するパルス数計測器と、前記二相パルス間の時間を計測するパルス時間計測器と、前記パルス数計測器及びパルス時間計測器の出力から電動機の第１の速度を演算する第１の速度演算器と、電動機の磁極位置を検出して各相ごとに１８０度のパルスを出力する前記磁極位置センサと、この磁極位置センサの出力から磁極位置を検出する磁極検出器と、前記磁極位置センサの出力パルス時間を測定する磁極パルス時間計測器と、前記磁極検出器及び前記磁極パルス時間計測器の出力から電動機の第２の速度を演算する第２の速度演算器と、第２の速度演算器から出力される第２の速度演算値を積分して第２の回転子位置変化量を求める積分器と、第１の速度演算器と第２の速度演算器との出力を切り換える速度切換器と、前記積分器の出力と前記パルス数計測器の出力とを切り換える位置切換器と、前記エンコーダの出力信号の欠相を検出する欠相検出器と、電動機への供給電力指令値を生成するための回転子の電気角を前記位置切換器の出力と前記磁極検出器の出力とを用いて演算する電気角演算器と、を備え、
電動機の速度検出値として非欠相時は第１の速度演算器の出力を用いると共に前記電気角演算器の入力として前記パルス数計測器の出力を用い、前記欠相検出器により欠相と判断された場合は、前記速度切換器により前記速度検出値を第２の速度演算器の出力に切り換えると共に、前記位置切換器により前記電気角演算器の入力を前記積分器の出力に切り換えるものである。
【００１２】
本発明において、欠相検出器にによりエンコーダ出力が正常と判断された場合には、従来と同様に速度検出値として第１の速度演算値を用い、電気角演算器の入力として第１の位置変化量を用いる。欠相検出器にてエンコーダ出力が異常であり欠相が発生したと判断された場合には、速度切換器により速度検出値を第１の速度演算値から第２の速度演算値に切り換える。また、位置切換器により電気角演算器に入力する回転子の位置変化量を第１の位置変化量から第２の位置変化量に切り換える。
これにより、エンコーダの欠相時においても速度及び電気角を正確に求めることができ、電動機を脱調させることなく速度制御を継続することが可能となる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載した永久磁石型同期電動機の制御装置において、前記欠相検出器は、前記磁極位置センサの各相出力パルスが変化する間の前記パルス数計測器による計測パルス数が一定値以下のときに欠相と判断するものである。
本発明は、正常時（非欠相時）には磁極位置センサによって検出される位置変化量と同じ位置変化量がエンコーダによって検出されるべきであることに着目したものであり、エンコーダの出力異常すなわち欠相と判断する判断基準を提供するものである。
【００１４】
ここで、請求項３に記載するように、欠相検出器では、欠相と判断した場合のうち磁極検出器の出力から速度極性が変化していないことを確認した場合のみを真の欠相と判断することにより、電動機の回転方向が転換した場合等における欠相の誤検出をなくすことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態にかかる制御装置４０の構成を示すブロック図であり、請求項１に記載した発明の実施形態に相当する。なお、図３と同一の構成要素には同一の符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００１６】
図３との相違点は、磁極位置センサ３１の出力パルスの時間間隔を測定する磁極パルス時間計測器２１と、磁極検出器１４の出力と磁極パルス時間計測器２１との出力から第２の速度演算値を求める第２の速度演算器２２（なお、速度演算器１８を第１の速度演算器とし、その速度演算値を第１の速度演算値とする）と、この速度演算機２２の出力である第２の速度演算値を時間積分して第２の回転子位置変化量（なお、パルス数計測器１６により求められる位置変化量を第１の回転子位置変化量とする）を求める積分器２３と、第１の速度演算値と第２の速度演算値とを切り換えて速度検出値として出力する速度切換器２６と、第１の回転子位置変化量と第２の回転子位置変化量とを切り換えて電気角演算器１５に出力する位置切換器２４と、磁極検出器１４の出力とパルス数計測器１６の出力とからエンコーダ３２の出力異常（欠相）を検出する欠相検出器２５とが付加された点である。
なお、位置切換器２４及び速度切換器２６における切換動作は、欠相検出器２５の出力信号により行われるようになっている。
【００１７】
次に、この実施形態の動作を説明する。
この実施形態では、磁極位置センサ３１の出力パルスを用いて、磁極検出器１４により図６に示したような６０度ごとの磁極位置を求め、磁極パルス時間計測器２１により磁極位置センサ３１の出力パルスの６０度ごとの時間間隔を求めることにより、数式２を用いて第２の速度演算値ｎ_２を演算することができる。
【００１８】
なお、速度演算周期内に１個以上のパルスが磁極位置センサ３１から出力されるものとし、速度演算周期をＴ_Ｓ、前々回の速度演算周期における最後のパルスから前回の速度演算周期開始までの時間をＴ_ＭＰ０、前回の速度演算周期の最後のパルスから今回の速度演算周期開始までの時間をＴ_ＭＰ１、速度演算周期Ｔ_Ｓ内のパルス数をＮ_ＭＰ、１パルス当たりの位置変化量を示す係数をＫ_２とする。
【００１９】
【数２】

【００２０】
欠相検出器２５では、パルス数計測器１６の出力からエンコーダ３２の出力異常を検出して欠相が発生したと判断した場合に、速度切換器２６に信号を送り、前述の数式１による第１の速度演算値ｎ_１から数式２による第２の速度演算値ｎ_２に切り換えてこれを速度検出値として用いることにより、正確に速度制御を行うことができる。
【００２１】
また、エンコーダ３２の出力が異常の場合には、パルス数計測器１６の出力である第１の回転子位置変化量が正しく求まらない。そこで、欠相検出器２５は位置切換器２４に信号を送って電気角演算器１５の入力を積分器２３側に切り換える。積分器２３では、速度演算器２２による第２の速度演算値を時間積分して第２の回転子位置変化量を求めており、位置切換器２４の切換動作によって電気角演算器１５において第１の位置変化量に代えて第２の位置変化量を用いることにより、回転子の電気角を正確に求めることが可能となる。
【００２２】
上記のように、エンコーダ３２の出力異常により欠相と判断された場合にも速度検出値及び電気角を正しく求めることができ、速度指令値に追従した速度制御を実現することが可能となる。
【００２３】
なお、欠相検出器２５により、磁極検出器１４により検出される位置変化量とパルス数計測器１６により検出される位置変化量とが等しいためエンコーダ３２の出力が正常であると判断された場合には、欠相検出器２５からの信号によって速度切換器２６を第１の速度演算器１８側に、位置切換器２４をパルス数計測器１６側にそれぞれ切り換え、従来技術と同様に速度検出値として速度演算器１８からの第１の速度演算値を用いると共に、電気角演算器１５の入力としてパルス数計測器１６からの第１の位置変化量を用いて速度制御を行う。
【００２４】
次に、請求項２に記載した発明の実施形態を、図２のフローチャートを参照しつつ説明する。
この実施形態は、エンコーダ３２の出力異常による欠相の判断基準に関するものである。磁極位置センサ３１とエンコーダ３２とは同じ電動機３０に取り付けられているので、正常時には、磁極位置センサ３１側で検出した位置変化量と同じ量の位置変化がエンコーダ３２の出力から検出されるはずである。従って、磁極検出器１４の出力から得られる位置変化量に比べて、パルス数計測器１６の出力から得られる位置変化量の方が少ない場合には、図８に示したような欠相が発生していると考えられる。
【００２５】
そこで、本実施形態では、磁極位置センサ３１の出力パルスが変化する間のパルス数計測器１６の計測パルス数が一定値以下かどうかを判断し（図２のステップＳ１）、一定値を上回っていればエンコーダ３２の出力は正常と判断することとした（ステップＳ１のNO分岐、ステップＳ４）。
【００２６】
また、磁極検出器１４では、図７に示した如く、磁極位置センサ３１の出力パルス状態番号が▲１▼→▲２▼→▲３▼と増加していくときには正転、▲６▼→▲５▼→▲４▼と減少していくときには逆転と判断しているが、電動機３０の回転方向の転換などで速度極性が変化した場合には、エンコーダ出力が正常でもパルス数計測器１６による計測パルス数が一定値以下になることがある（ステップＳ１のYES分岐）。
このため、請求項３に記載した如く、磁極検出器１４の出力から速度極性の変化の有無を判断し（ステップＳ２）、パルス数計測器１６の出力が一定値以下になった場合でも速度極性の変化がある場合にはエンコーダ出力は正常であり（ステップＳ２のNO分岐、ステップＳ４）、速度極性の変化がない場合に限ってエンコーダ出力は異常（ステップＳ２のYES分岐、ステップＳ３）と判断することで、エンコーダ出力異常すなわち欠相の誤検出を無くすことが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載した発明は、磁極位置センサの出力を用いて第２の速度演算値及び第２の位置変化量を演算し、エンコーダの出力異常と判断した時には、エンコーダ出力を用いて演算した第１の速度演算値及び第１の位置変化量に代えて第２の速度演算値及び第２の位置変化量を用いるようにした。
このように、もともと永久磁石型同期電動機に具備されている二つのセンサ（エンコーダ及び磁極位置センサ）を利用することにより、新たなセンサを付加することなく、安価に、エンコーダ出力が異常の場合にも速度制御を継続して行うことができる。
【００２８】
また、請求項２に記載した発明は、欠相の判断基準を、磁極位置センサの出力パルスが変化する間のパルス数計測器による計測パルス数が一定値以下であることとし、更に、請求項３の発明では、電動機の回転方向転換時などにおける判断基準を提供するものである。これらの発明により、一層正確にエンコーダの出力異常、欠相を判断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】従来技術の構成を示すブロック図である。
【図４】従来技術におけるエンコーダの出力信号を示す図である。
【図５】従来技術における演算周期及びパルス数を示す図である。
【図６】従来技術における磁極位置センサの出力信号を示す図である。
【図７】従来技術における磁極位置センサの出力に対応するパルス状態番号の説明図である。
【図８】従来技術におけるエンコーダの出力異常を示す図である。
【符号の説明】
１１：速度調節器
１２：電流調節器
１３：電力変換器
１４：磁極検出器
１５：電気角演算器
１６：パルス数計測器
１７：パルス時間計測器
１８：第１の速度演算器
１９：電流検出器
２１：磁極パルス時間計測器
２２：第２の速度演算器
２３：積分器
２４：位置切換器
２５：欠相検出器
２６：速度切換器
３０：電動機（永久磁石型同期電動機）
３１：磁極位置センサ
３２：エンコーダ
４０：制御装置

Claims (3)

1. 電動機の回転速度検出用のエンコーダと磁極位置検出用の磁極位置センサとを備えた永久磁石型同期電動機を速度制御するための制御装置において、
   ９０度の位相差を持つ二相パルスを出力する前記エンコーダと、このエンコーダから出力される二相パルスの数を電動機の回転方向を考慮して計測し、第１の回転子位置変化量を算出するパルス数計測器と、前記二相パルス間の時間を計測するパルス時間計測器と、前記パルス数計測器及びパルス時間計測器の出力から電動機の第１の速度を演算する第１の速度演算器と、電動機の磁極位置を検出して各相ごとに１８０度のパルスを出力する前記磁極位置センサと、この磁極位置センサの出力から磁極位置を検出する磁極検出器と、前記磁極位置センサの出力パルス時間を測定する磁極パルス時間計測器と、前記磁極検出器及び前記磁極パルス時間計測器の出力から電動機の第２の速度を演算する第２の速度演算器と、第２の速度演算器から出力される第２の速度演算値を積分して第２の回転子位置変化量を求める積分器と、第１の速度演算器と第２の速度演算器との出力を切り換える速度切換器と、前記積分器の出力と前記パルス数計測器の出力とを切り換える位置切換器と、前記エンコーダの出力信号の欠相を検出する欠相検出器と、電動機への供給電力指令値を生成するための回転子の電気角を前記位置切換器の出力と前記磁極検出器の出力とを用いて演算する電気角演算器と、を備え、
   電動機の速度検出値として非欠相時は第１の速度演算器の出力を用いると共に前記電気角演算器の入力として前記パルス数計測器の出力を用い、前記欠相検出器により欠相と判断された場合は、前記速度切換器により前記速度検出値を第２の速度演算器の出力に切り換えると共に、前記位置切換器により前記電気角演算器の入力を前記積分器の出力に切り換えることを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載した永久磁石型同期電動機の制御装置において、
   前記欠相検出器は、前記磁極位置センサの各相出力パルスが変化する間の前記パルス数計測器による計測パルス数が一定値以下のときに欠相と判断することを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。
3. 請求項２に記載した永久磁石型同期電動機の制御装置において、
   前記欠相検出器は、欠相と判断した場合のうち速度極性が変化していないことを確認した場合のみを真の欠相と判断することを特徴とする永久磁石型同期電動機の制御装置。

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