JP4083203B1 - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】摩擦があっても、移動子の磁極位置に基づいて定まる電流の位相を、最大トルクが発生する位相に補正することができる同期電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】磁極位置補正手段25は、相対的な磁極位置θmに加算する磁極位置補正量θcを決定する。中心補正量増加減少手段39は、加速度差極性変化判定手段37が加速度差の極性の変化を判定する前に増加演算をしていれば、増加演算を減少演算に変更し、極性の変化を判定する前に減少演算をしていれば、減少演算を増加演算に変更する。さらに中心補正量増加減少手段39は、補正量増減分KXが予め定めた下限値以下になったときに、演算動作を停止して、そのときの中心補正量θ1を最終決定された磁極位置補正量θcと定める。
【選択図】図1

Description

本発明は、起動時に、最大トルクを得ることができる移動子の磁極位置を決定した上で、同期電動機を制御することができる同期電動機の制御装置に関するものである。
特開昭63−59783号公報[特許文献1]には、正規に駆動する前に、同期電動機を二相直流励磁することにより磁石回転子を安定点に停止させて、そのときのインクリメンタルエンコーダの計数値と、直流励磁開始時点のインクリメンタルエンコーダの計数値とから、1相励磁原点に相当するエンコーダカウントを計数する。そしてこのエンコーダカウント以後からの偏差で同期電動機の電気角位相を求めて同期電動機を駆動制御することが示されている。この従来技術では、同期電動機を初期化する際に、回転子を機械的な安定点に一度停止させた後に駆動を行う必要があった。しかし回転子の位置が機械的な安定点にない場合は、回転子を機械的な安定点まで大きく動かす必要があり、その場合の回転子の移動量が大きいという問題があった。そこで特開平2−241388号公報[特許文献2]に示された同期電動機の制御装置では、回転子を回転させないようにして、同期電動機の初期化(最大トルクが得られる電位位相角の決定)を行う。具体的には、この特許文献2に示された同期電動機の制御装置では、回転子の永久磁石磁極と固定子が形成する回転磁界との間の位相角を変化させながらトルクを検出する。そしてトルクが零となるときの力率を求める。さらにその力率が得られる箇所から電気角を90°だけ位相シフトした箇所を力率1の転流角指令として初期化を行う。
特開昭63−59783号公報 特開平2−241388号公報
特許文献2に示された同期電動機の制御装置では、回転子の移動方向を見て、モータの出力トルクが最終的に0となるような角度を順次求めることにより、磁極位置を検出していた。しかし、電動機のオイルシールや、シャフトに接続された機械系には摩擦が存在しており、この摩擦より電動機が発生するトルクが大きくならなければ、回転子は動かない。そのため従来の装置では、回転子の磁極位置が正しい値に近づいてきて、電動機が発生するトルクが摩擦トルクより小さくなると、電動機の回転子が動かなくなり、最大トルクを得ることができる回転子の磁極位置を正しく求めることができなくなって、磁極位置の検出に誤差を生じる問題があった。回転子(リニアモータの場合には移動子)の磁極位置の検出に誤差があると、固定子側の電機子巻線を流れる電流の位相が、最大トルクを得ることができる位相からずれることになるため、通常運転時に電動機が発生するトルクが低下する。また同様に、磁極位置の検出に誤差があると、弱め界磁補償は、磁極位置を基にして行うため、正転と逆転とで弱め界磁補償量が異なってしまう。その結果、電動機が発生するトルクが正転と逆転で異なる問題が発生する。
本発明の目的は、摩擦があっても、移動子の磁極位置に基づいて定まる電流の位相を、最大トルクが発生する位相に補正することができる同期電動機の制御装置を提供することにある。
本発明の同期電動機の制御装置は、基本的な構成要素として、位置検出手段と、トルク指令発生手段と、電流指令発生手段と、電流供給手段と、電流フィードバック手段とを備えている。制御の対象となる同期電動機は、電機子巻線に電流が流されて所定の極性となる複数の固定子磁極を備えた固定子と、複数の移動子磁極を備えた移動子を備えた同期電動機である。この同期電動機は、移動子が回転する回転形の同期電動機、または移動子が直線運動をするリニア形の同期電動機のいずれでもよい。なお移動子磁極としては、永久磁石または永久磁石が発生する磁束を利用して形成される磁極を用いるのが一般的である。
位置検出器は、移動子の固定子に対する相対的な位置を検出して、この相対的な位置を示す相対的磁極位置検出信号θmを出力するものである。このような位置検出器としては、絶対位置を検出することができないインクリメンタルエンコーダを用いることができる。トルク指令発生手段は、トルク指令を発生する。トルク指令としては、例えば、半サイクルで位相が180°変わる正弦波信号を発生するものを用いることができる。そして電流指令発生手段は、トルク指令に基づいて定めた電機子巻線に流す電流を定める電流指令を発生する。電流制御装置は、電流指令に基づいて電機子巻線に電流を供給する。また電流フィードバック手段は、電機子巻線を流れる電流を検出して該電流を示すフィードバック電流信号を発生する。電流フィードバック手段及び電流制御装置は、位置検出手段から出力される相対的磁極位置θmに基づいて、電流の位相を決定するように構成されている。
本発明の制御装置では、さらに、加速度演算手段と、トルク加算量発生手段と、初期時磁極位置補正量発生手段と、通常時磁極位置補正量発生手段とを備えている。加速度演算手段は、位置検出手段から出力される相対的磁極位置θmに基づいて移動子の加速度を求める。そしてトルク加算量発生手段は、トルク指令に加算されて、摩擦トルクを克服して移動子を動く状態にするのに必要なトルク加算量TADDを発生する。具体的なトルク加算量発生手段としては、例えば、加速度の絶対値が基準値より小さいときには、徐々に増加するトルク加算量(TADD=TADD+α:ここでαは増加分)を発生し、加速度の絶対値が基準値に達すると、加速度の絶対値が基準値に達する前のトルク加算量以上のトルク加算量(TADD=TADD×β:ここでβは係数)を発生するように構成することができる。ここで基準値は、位置検出器において使用するエンコーダの分解能を考慮して、正しく加速度が検出できるように定める。このようにトルク加算量をトルク指令に加算するのは、起動時に、移動子が動いて正しく計測するの必要な、最低限のトルクを発生させるためである。
また初期時磁極位置補正量発生手段は、加速度の絶対値が予め定めた基準値よりも小さいときに、電流の位相を最大トルクが得られる位相に早く近づけるために、相対的磁極位置θmに加算される初期時の磁極位置補正量θcを発生する。この磁極位置補正量は、電流の位相を最大トルクが得られる位相に早く近づけるために、相対的磁極位置θmを補正するために使用されるものである。本発明では、初期時磁極位置補正量発生手段は、初期値+90°及び/または初期値−90°の磁極位置補正量を、初期時の磁極位置補正量として発生するように構成されている。例えば、初期時磁極位置補正量発生手段は、正側に移動子をシフトする磁極位置補正量(例えば、初期値θ1+90°)と負側に移動子をシフトする磁極位置補正量(次の初期値θ1−90°)を、順番に初期時の磁極位置補正量として発生するように構成することができる。移動子の移動方向に応じて、最初に初期値θ1−90°として、後に初期値θ1+90°としてもよい。このように+90°及び/または−90°を初期時の磁極位置補正量とするのは、加速度の絶対値が小さい場合に、最初に少し大きなトルクを発生させて、加速度を増大ささせ、電機子巻線に流す電流の位相を、早く、最大トルクが得られる位相に近づけることができるようにするためである。
さらに通常時磁極位置補正量発生手段は、加速度の絶対値が予め定めた基準値以上になった後に、電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、相対的磁極位置θmに加算される通常時の磁極位置補正量θcを発生する。通常時磁極位置補正量発生手段は、通常時の磁極位置補正量θcの中心となる中心補正量θ1を決定する中心補正量決定手段と、中心補正量θ1に交互に加減算される加減算補正量θOFSを決定する加減算補正量決定手段とからなる。磁極位置補正量θcは、中心補正量θ1に加減算補正量θOFSを加えて求められる。すなわちθc=θ1+θOFSの演算式が用いられる。加減算補正量θOFSは、交互に極性が変わるため、磁極位置補正量θcは、交互に増減しながら変化する。そして最終的には、中心補正量θ1が一定になるため、磁極位置補正量θcは、一定の中心補正量θ1を中心にして一定の加減算補正量θOFS分だけ交互に増減する値となる。
中心補正量決定手段は、中心補正量増加減少手段と、加速度差演算手段と、加速度差極性変化判定手段とから構成される。中心補正量増加減少手段は、加速度が検出されるごとに、中心補正量θ1を増加また減少させる。加速度差演算手段は、前回の加速度と今回の加速度との加速度差を演算する。そして加速度差極性変化判定手段は、加速度差演算手段が演算した加速度差の極性の変化を判定する。ここで加速度差の極性の変化とは、加速度差が正の場合の極性を「+」とし、加速度差が負の場合の極性を「−」とした場合には、極性の変化が無い場合には、前回と今回の加速度差の極性は、「+,+」または「−,−」となる。また極性の変化が発生した場合には、前回の加速度差と今回の加速度差の極性は、「+,−」または「−,+」となる。
そして中心補正量増加減少手段は、加速度差極性変化判定手段が極性の変化を判定するまでは、判定した極性に応じて中心補正量θ1を予め定めた補正量増減分KXだけ増加させる増加演算を実行するかまたは補正量増加分KXだけ減少させる減少演算を実行する。また中心補正量増加減少手段は、加速度差極性変化判定手段が極性の変化を判定するたびに補正量増減分KXを段階的に減少させ且つ補正量増減分の増加演算と減少演算とを変更する。すなわち中心補正量増加減少手段は、加速度差極性変化判定手段が極性の変化を判定する前に増加演算をしていれば、増加演算を減少演算に変更し、極性の変化を判定する前に減少演算をしていれば、減少演算を増加演算に変更する。さらに中心補正量増加減少手段は、補正量増減分KXが予め定めた下限値B以下になったときに、演算動作を停止して、そのときの中心補正量θ1を決定された中心補正量と定める。中心補正量増加減少手段をこのように構成すると、中心補正量θ1は、徐々に電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、相対的磁極位置θmに加算されるのに必要な最終的な制御で使用する磁極位置補正量θcに近づいていく。そしてその過程においては、補正量増減分KXの加減算を経て、中心補正量θ1は収束する。収束したこの中心補正量θ1を、最終的決定された磁極位置補正量とする。したがってこの最終決定された磁極位置補正量が、以後の同期電動機の制御において、相対的な磁極位置θmに加算される磁極位置補正量として利用される。よって本発明によれば、移動子を大きく動かすことなく、移動子の磁極位置に基づいて定まる電流の位相(θm+θc)を、最大トルクが発生する位相に補正することができる。
なお具体的には、中心補正量増減手段は、例えば、加速度差極性変化判定手段が極性の変化を判定するたびに補正量増加分を1/n(nは2以上の正の整数)に減少させるように構成することができる。nの値が大きくなりすぎると、収束までに時間がかかるので、nはあまり大きくしないほうがよい。
なお加減算補正量決定手段は、補正量増減分KXが予め定めた値より小さくなったときに、加減算補正量Δθを増加させるように構成するのが好ましい。これは、補正量増減分KXが大きいときに、加減算補正量Δθがあまり大きいと、収束が遅くなるためである。そこでより具体的には、加減算補正量決定手段は、補正量増減分KXが予め定めた値より小さくなったときに、初期の加減算補正量Δθを1.5倍に増加させるのが好ましい。
なお電流フィードバック手段及び電流制御装置は、収束した中心補正量θ1を最終決定された磁極位置補正量θcとして、位置検出手段からの相対的磁極位置θmに最終決定された磁極位置補正量を加算した値(θm+θc)を基準にして、電流の位相を決定する。
本発明によれば、摩擦があっても、移動子の磁極位置に基づいて定まる電流の位相を、最大トルクが発生する位相に高い精度で補正することができる利点が得られる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図1は、本発明の同期電動機の制御装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。同期電動機(モータ)1は、複数の永久磁石が回転子コアの表面に固定されて複数の回転子磁極(移動子磁極)が形成されている回転子と、固定子コアに三相の電機子巻線が巻装されて構成された複数の固定子磁極を有する固定子とを備えている。すなわちこの同期電動機1は、表面磁石形同期電動機(SPM)である。なお本発明の同期電動機の制御装置は、磁石埋込形同期電動機(IPM)等の他のタイプの同期電動機にも適用できるのは勿論である。
同期電動機1の回転子の回転子磁極の位置は、1回転に複数のパルスを出力し、このパルスに基づいて回転子磁極の位置θを検出するインクリメンタルエンコーダ3により検出されている。本実施の形態では、このインクリメンタルエンコーダ3が、同期電動機1の回転子(移動子)の固定子に対する相対的な位置を検出して相対的な位置を示す相対的磁極位置検出信号θmを出力する位置検出手段として用いられている。
本実施の形態の制御装置では、トルク指令発生手段5と、電流分配器7と、加速度演算手段9と、q軸制御器11と、d軸制御器13と、第1の座標変換器15と、PWM制御器17と、電力変換器19と、第2の座標変換器21と、信号発振器23と、磁極位置補正手段25とを備えている。本実施の形態では、電流分配器7が電流指令発生手段を構成しており、q軸制御器11と、d軸制御器13と、第1の座標変換器15と、PWM制御器17と、電力変換器19と、電流検出手段20と、第2の座標変換器21と信号発振器23とにより電流制御装置10が構成されている。また、電流検出手段20と、第2の座標変換器21と信号発振器23とにより電流フィードバック手段24が構成されている。本実施の形態で用いるトルク指令発生手段5は、図2(A)に示すように、1サイクル中に位相の異なる2つの正弦波S1及びS2を有するトルク指令信号TCを発生する。前の半サイクルの間に発生する1つの正弦波S1と後の半サイクルの間に発生する正弦波S2とは、位相が180°異なっている。このような特殊なトルク指令信号を用いるのは、トルクを印加したときにモータが殆ど動かないようにするためである。そして本実施の形態では、図2(B)に示すように、トルク補正指令発生手段5が発生するトルク指令信号TCに、後に詳しく説明する磁極位置補正手段25中のトルク加算量発生手段29から出力されたトルク加算量TADDが加算される。トルク加算量TADDが加算されたトルク指令信号TCMDは、電流分配器7に入力される。電流分配器7は、トルク指令信号TCMDに基づいて内部で電流指令を出力する。そして電流分配器7は、内部で発生した電流指令ICとd軸との間の角度として定義される起磁力相差角φを用いて、電流指令ICをq軸電流指令IqCとd軸電流指令IdCとに分配して出力する。q軸制御器11は、減算器8Aで求めたq軸電流指令IqCとq軸電流フィードバック信号IqFとの偏差に基づいてq軸電圧指令VqCを出力する。d軸制御器13は、減算器8Bで求めたd軸電流指令IdCとd軸電流フィードバック信号IdFとの偏差に基づいてd軸電圧指令Vdcを出力する。第1の座標変換器15は、d軸電圧指令VdCとq軸電圧指令VqCとを入力として座標変換を行い、PWM制御器17に三相電圧指令VUC、VVC及びVWCを出力する。そして信号発振器23は、エンコーダ3が出力回転子磁極の位置θmに基づいて第1及び第2の座標変換器15及び21にsinθ信号及びcosθ信号を出力する。前述のd軸電流フィードバック信号IdF及びq軸電流フィードバック信号IqFは、第2の座標変換器21から出力される。第2の座標変換器21は、電流検出手段20により検出した電力変換器19からの出力電流と信号発振器23から出力されるsinθ信号及びcosθ信号とを入力信号としてd軸電流フィードバック信号IdF及びq軸電流フィードバック信号IqFを出力する。信号発振器23は、エンコーダ3により検出した回転子磁極の位置θmと後述する磁極位置補正手段25が出力する磁極位置補正量θcの加算値(θ=θm+θc)に基づいて、第1の座標変換器15及び第2の座標変換器21に対してsinθ信号とcosθ信号とを発生する。このsinθ信号とcosθ信号とに基づいて第1及び第2の座標変換器15及び21が座標変換を行い、モータ1に流れる電流を制御する。
磁極位置補正手段25は、加速度絶対値演算手段27と、トルク加算量発生手段29と、初期時磁極位置補正量発生手段31と、反転回路33と、加速度差演算手段35と、加速度差極性変化判定手段37と、中心補正量増加減少手段39と、加減算補正量決定手段41と、記憶手段43と、第1及び第2の切換手段SW1及びSW2とを備えている。本実施の形態では、反転回路33と、加速度差演算手段35と、加速度差極性変化判定手段37と中心補正量増加減少手段39と、加減算補正量決定手段41と、記憶手段43と、第1及び第2の切換手段SW1及びSW2とにより通常磁極位置補正量発生手段32が構成されている。なお磁極位置補正手段25では、図2(B)に示すタイミングで加速度を検出して、磁極位置補正量θcの演算を行い、且つトルク加算量TADDを算出する。
図3及び図4には、磁極位置補正手段25をコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムのうち、初期処理のアルゴリズムと通常処理のアルゴリズムがそれぞれ示されている。また図5には、図1の実施の形態を図3及び図4に示したアルゴリズムに従って動作させたときの動作波形の一例を示してある。以下の説明では、図1の磁極位置補正手段25の動作を図3乃至図5を参照しながら説明する。図3に示した初期処理のアルゴリズムは、図1の加速度絶対値演算手段27と、トルク加算量発生手段29と、初期時磁極位置補正量発生手段31と、第1及び第2の切換手段SW1及びSW2の一部を実現している。
初期状態においては、図3のステップST1において、第1の切換手段SW1は接点1を選択し、第2の切換手段SW2はOFF状態(接続されていない状態)になる。そしてステップST2においては、トルク指令発生手段5からトルク指令TCMDを出力し、これにより電流分配器7、減算機8A及び8B、電流制御装置10を介して回転子が動き、この回転子の位置がエンコーダ3で検出され、エンコーダ3の出力が加速度演算手段9を介して加速度絶対値演算手段27に入力される。ステップST3においては、加速度絶対値演算手段27は、位置検出手段としてのエンコーダ3から出力される相対的磁極位置θmを示す相対的磁極位置検出信号に基づいて回転子の加速度ACCの絶対値即ち加速度の大きさを演算する(ステップST3)。
そしてトルク加算量発生手段29は、トルク指令TCに加算されて、摩擦トルクを克服して回転子を動く状態にするのに必要なトルク加算量TADDを発生する。本実施の形態で用いるトルク加算量発生手段29は、加速度絶対値演算手段27が出力する加速度ACCの絶対値が、予め定めた基準値(所定値)より小さいときには、徐々に(または段階的に)増加するトルク加算量を発生する(ステップST4,ST5,ST8,ST9)。ここで徐々に増加するトルク加算量TADDは、例えばトルク加算量TADD=TADD+α(ここでαは増加分)として計算することができる。このトルク加算量TADDは、トルク指令TCに加算され、加算後のトルク指令TCMDは電流分配器7に入力される(ステップST6,ST10)。図2(B)は、トルク加算量TADDをトルク指令TCに加算した後の波形を示している。また図5の一番上の波形は、加算後のトルク指令TCMDの波形の変化を示している。図5の波形TCMDの初期の段階を見ると分かるように、加算後のトルク指令TCMDは徐々に振幅のピークが大きくなっている。すなわち電流分配器7に入力されるトルク指令TCMDは、徐々に振幅が大きくなっており、その結果電流指令も徐々に大きくなる。
そしてトルク加算量発生手段29は、加速度ACCの絶対値が基準値に達すると(加速度の絶対値が基準値以上になると)、加速度の絶対値が基準値に達する前のトルク加算量以上のトルク加算量(TADD=TADD×β:ここでβは係数)を発生する(図3のステップST13)。このトルク加算量(TADD=TADD×β)は一定であるため、図5の加算後のトルク指令TCMDの波形を見ると分かるように、加算後のトルク指令TCMDの振幅のピークは一定になる。ここで基準値(所定値)は、エンコーダ3の分解能を考慮して、正しく加速度が検出できるように定められる。また増加分αは、適度な速さで初期処理が終了し、同時にトルク指令が大きくなりすぎないように定められる。さらに係数βは、加減算補正量θOFSが加わっても、トルクが摩擦トルクより小さくならないように定められている。このようにトルク加算量TADDをトルク指令TCに加算すると、電動機1の回転子が動いて、トルクを正しく計測するのに必要な、最低限のトルクを発生させることができ、電動機1の回転子の移動量を少なくできる効果が得られる。
上記の動作と同期して、加速度絶対値演算手段27から出力された加速度ACCは、初期時磁極位置補正量発生手段31に入力される。初期時磁極位置補正量発生手段31は、加速度ACCの絶対値が予め定めた基準値よりも小さいときに(図3のステップST4,ST8)、電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、相対的磁極位置検出信号によって示される相対的磁極位置θmに加算される初期時の磁極位置補正量θc(=θ1)を発生する。この磁極位置補正量θcは、三相の電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために使用されるものである。本実施の形態では、初期時磁極位置補正量発生手段31は、2つの予め定めた磁極位置補正量(初期値θ1+90°,初期値θ1−90°)を、初期時の磁極位置補正量θcとして発生する。ここで初期値θ1は、補正の中心となる中心補正量の初期値である。図5の最下部にこの中心補正量θ1の変化を示してある。図5の例では、中心補正量θ1の初期値を0°としている。しかし中心補正量θ1の初期値は、任意の値とすることができる。この予め定めた磁極位置補正量中の固定量(+90°,−90°)は、磁極位置補正量θcを変化させて、回転子が摩擦トルクを克服して移動を開始するのを容易にするのに必要な量として定められている。
図3のフローチャートでは、加速度の絶対値が基準値より小さい場合に(ステップST4,ST5)、最初は磁極位置補正量θcとして(θ1+90°)を出力している。そして加速度を検出し(ステップST7)、加速度の絶対値がまだ基準値より小さい場合には(ステップST8)、磁極位置補正量θcとして(θ1−90°)を出力する(ステップST9)。加速度の大きさを検出し(ステップST11)、加速度の絶対値が基準値より小さい場合には、再度ステップST5へ戻って、磁極位置補正量の変動(揺動動作)を継続する。図5に示した磁極位置補正量θc及び中心補正量θ1の波形を見ると分かるように、初期処理においては、(θ1+90°)の磁極位置補正量を示す信号を初期時磁極位置補正量発生手段35が出力した後、(θ1−90°)の磁極位置補正量を示す信号を初期時磁極位置補正量発生手段31が出力している。図5の例では、その後、後述する通常処理へと以降する。すなわち加速度の絶対値が基準値より大きくなったことを検出し(ステップST12)、ステップST13へと進む。そしてステップST14で、第1の切換手段SW1が接点2を選択し、且つ第2の切換手段SW2がON状態となる。なおこの切換のための指令は、初期時磁極位置補正量発生手段31の内部で加速度の絶対値が基準値より大きくなったことを判定したときに生成される。初期時磁極位置補正量発生手段31の内部には、ソフトウエアによって、加速度の絶対値と基準値とを比較する比較手段と、初期時の磁極位置補正量θc(=θ1)を演算する補正量演算手段と、切換指令を発生する切換指令発生手段とが実現されている。
このようにして、初期の摩擦トルクを克服して、回転子の加速度を増大させた後は、図3の初期処理のフローチャートから図4の通常処理のフローチャートへと移行する。通常処理は、図1の通常時磁極位置補正量発生手段32によって実行される。通常時磁極位置補正量発生手段32は、加速度の絶対値が予め定めた基準値以上になった後に、電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、エンコーダ3によって検出される相対的な磁極位置θmに加算される通常時の磁極位置補正量θcを発生する。通常時磁極位置補正量発生手段32は、通常時の磁極位置補正量θcの中心となる中心補正量θ1を決定する中心補正量決定手段40(33〜39)と、中心補正量θ1に交互に加減算される加減算補正量(θOFS=Δθ)を決定する加減算補正量決定手段41とから構成される。中心補正量決定手段40は、反転手段33と、加速度差演算手段35と、加速度差極性変化判定手段37と中心補正量増加減少手段39とから構成されている。
反転手段33は、加速度演算手段9が出力する加速度を反転する(極性を反転する)。この反転手段33は、加速度検出点が負であることを補正するために挿入されている。加速度差演算手段35は、前回の加速度と今回の加速度との加速度差ΔACCを演算する。加速度差極性変化判定手段37は、加速度差演算手段35が演算した加速度差ΔACCの極性の変化を判定する。そして中心補正量増加減少手段39は、加速度が検出されるごとに、中心補正量θ1を増加また減少させる。
本実施の形態では、加速度差極性変化判定手段37が判定する加速度差ΔACCの極性の変化を、加速度差ΔACCが正の場合の極性を「+」とし、加速度差ΔACCが負の場合の極性を「−」とする。したがっては、極性の変化が無い場合には、前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnの極性は、「+,+」または「−,−」となる。また極性の変化が発生した場合には、前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnの極性は、「+,−」または「−,+」となる。図5の最下部の中心補正量θ1の下には、前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnの極性の変化の状態を示してある。前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnの極性が、「+,+」または「−,−」であることは、最大トルクが得られる磁極位置補正量θcに向かって中心補正位置θ1を移動させている状態であることを意味している。そして前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnの極性が、「+,−」または「−,+」であることは、中心補正位置θ1が、最大トルクが得られる磁極位置補正量θcの近傍にあることを意味している。そして前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnが殆どなくなった時点の中心補正位置θ1が、最大トルクが得られる磁極位置補正量θcとなる。
中心補正量増加減少手段39は、加速度差極性変化判定手段37が極性の変化を判定するまでは、判定した極性に応じて中心補正量θ1を予め定めた補正量増減分KXだけ増加させる増加演算を実行するかまたは補正量増加分KXだけ減少させる減少演算を実行する。中心補正量θ1の初期値は、処理処理において決定された磁極位置補正量である。図5の例では、中心補正量θ1の初期値は、0°となっている。
そして中心補正量増加減少手段39は、加速度差極性変化判定手段37が極性の変化を判定するたびに、補正量増減分KXを段階的に減少させ且つ補正量増減分の増加演算と減少演算とを変更する。すなわち中心補正量増加減少手段39は、加速度差極性変化判定手段37が極性の変化を判定する前に増加演算をしていれば、増加演算を減少演算に変更し、極性の変化を判定する前に減少演算をしていれば、減少演算を増加演算に変更する。本実施の形態では、中心補正量増加減少手段39は、加速度差極性変化判定手段37が極性の変化を判定するたびに補正量増加分を1/n(nは正の整数:本実施の形態では、n=2)に減少させるように構成している。さらに中心補正量増加減少手段39は、補正量増減分KXが予め定めた下限値B以下になったときに、演算動作を停止して、そのときの中心補正量θ1を決定された中心補正量と定める。
第2の切換手段SW2がON状態になっているため、中心補正量増加減少手段39から出力される中心補正量θ1には、加減算補正量決定手段41から出力される加減算補正量θOFS=Δθが交互に加減算される。すなわち磁極位置補正量θcはθc=θ1+Δθとなる。加減算補正量決定手段41は、補正量増減分KXが予め定めた値より小さくなったときに、加減算補正量Δθを増加させるように構成されている。これは、補正量増減分KXが大きいときに、加減算補正量Δθがあまり大きいと、収束が遅くなるためである。本実施の形態で用いる加減算補正量決定手段41では、補正量増減分KXが予め定めた値より小さくなったときに、初期の加減算補正量Δθを1.5倍に増加させている。
前述のように、中心補正量増加減少手段39及び加減算補正量決定手段41を構成すると、中心補正量θ1は、徐々に電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、相対的磁極位置検出信号θmに加算されるのに必要な最終的な磁極位置補正量θcに近づいていく。そしてその過程においては、補正量増減分KXの加減算を経て、最終的な磁極位置補正量θcに向かって、中心補正量θ1は収束する。そしてこの中心補正量θ1を最終的な磁極位置補正量θcとする。このようにすると、移動子を大きく動かすことなく、移動子の磁極位置に基づいて定まる電流の位相(θm+θc)を、最大トルクが発生する位相に補正することができる。
図4に沿って具体的に説明すると、通常処理では、第2の切換手段SW2がON状態になっているため、中心補正量増加減少手段39から出力される中心補正量θ1に、加減算補正量決定手段41から出力される加減算補正量(θOFS=Δθ)が交互に加減算される。すなわち磁極位置補正量θcはθc=θ1±Δθとなる。この点を図4のフローチャートを用いて説明する。本実施の形態では、通常処理に入ると、ステップST15で加減算補正量θOFSの補正分Δθ=30°が加減算補正量決定手段41で決定される。そしてステップST16で後述する補正量増減分KXを決定する係数Kと角度増減分Xの値が設定される。本例では、K=1、X=22.5°と設定される。なお、K及びXの値は、制御対象とする同期電動機の種類、特性に応じて適宜に定められる。ステップST16のnは、加速度差演算手段35が加速度差を出力する回数を意味している。n=0のときは、まだ加速度差は検出されていない。初期段階では、図4のステップST17でnが偶数(0を含む)であるか否かが判定される。そしてnが偶数の場合には、加減算補正量決定手段41は、加減算補正量θOFS=+Δθと決定し、nが奇数の場合には、加減算補正量θOFS=−Δθと決定する(ステップST18,ST19)。そしてステップST20で磁極位置補正量θc=θ1+θOFSの演算が行われる。本実施の形態では、図5のθ1の波形を見ると判るように、n=0のときにθ1は0°であるため、θc=θ1+θOFS=0°+30°=30°となる(図5の磁極位置補正量θcの波形のn=0のときの角度参照)。そしてステップST21でトルク指令が印加され、ステップST22で最初の加速度が検出される。次にステップST23でnが1以上であるか否かの判定が行われる。n=0のときには、ステップST40へと進みn=n+1となり、再度ステップST17へと戻る。
ステップST17に戻ると、n=1(奇数)となり、ステップST18へと進む。ステップST18では、加減算補正量ΔθOFS=−Δθを決定する。そしてステップST20における演算θc=θ1+θOFSは、θc=0−30°=−30°となる(図5の磁極位置補正量θcの波形のn=1のときの角度参照)。その後ステップST21乃至ST23へと進み、ステップST23でnが1以上であることが判断されて、ステップST24へと進む。なおここまでの各ステップは、中心補正量決定手段40と加減算補正量決定手段41の一部を実現している。
ステップST23において、nが1以上であることが判定されて、ステップST24へと進むと、加速度差ΔACCnが算出される。この例では、ステップST24が加速度差演算手段35を実現している。次にステップST25で、nが1か否かの判定が行われ、nが1である場合には、ステップST26へと進む。ステップST26では、ΔACCnの極性が「+」か「−」かの判定が行われる。ΔACCnの極性が「+」であればステップST27へと進み、ΔACCnの極性が「−」であればステップST28へと進む。ステップST27では中心補正量θ1を(θ1+KX)と演算する。またステップST28では、中心補正量θ1を(θ1−KX)と演算する。ここでKXは、補正量増加分である。この補正量増加分を用いた中心補正量θ1の演算は、図1の中心補正量増加減少手段39で実行される。図5に示した動作波形の例では、加速度差ΔACC1が「+」であるため、ステップST27でθ1の演算が行われる。具体的には、最初のθ1は0であるため、ステップST27での演算は、θ1=θ+KX=22.5°となる。図5を見ると、θ1の波形では、n=1の後に22.5°度の増加が見られる。
次にステップST36へと進みXの値が所定値A(この例では12.5°)以下か否かの判定が行われる。n=1の段階では、X=22.5°であるため、ステップST38へと進む。ステップST38では、Xの値が所定値B(この例では、1°)以下か否かの判定が行われる。n=1の段階では、X=22.5°であるため、ステップST40へと進み、n=2となってステップST17へと進む。
次にn=2になると、ステップST19で加減算補正量Δθ=+30°となり、ステップST20では、θc=22.5°+30°=52.5°となる(図5のθcの波形におけるn=2の角度参照)。そしてステップST24で加速度差ΔACC2が演算される。図5の例では、このときの加速度差も「+」である。ステップST25からステップST29へと進むと、ステップST29では、加速度差の極性が判定される。すなわちステップST29では、前回と今回の加速度差の極性を判定する。この例では、前回と今回の加速度差の極性は「+,+」となる。その結果、ステップST30へと進む。ステップST30では、中心補正量θ1の演算が、θ1=θ1+KXの式で実行される。具体的には、θ1=22.5°+22.5°(=KX)=45°の演算結果が得られる。すなわちn=2において、中心補正量θ1は45°になる。そしてステップST36,ST38及びST40を経由してn=3となってステップST17へと戻る。
次にステップST17からステップST18へと進み、θOFSは−30°となる。したがってステップST20で演算する磁極位置補正量θcは、θc=52.5°−30°=22.5°となる(図5のθcの波形のn=3の位置の角度参照)。その後、ステップST24で加速度差ΔACC3が演算される。このときの加速度差も、「+」であるとする。したがってステップST29からステップST30へと進んで、中心補正量θ1はθ1=45°+22.5°=67.5°となる。そしてステップST36,ST38及びST40を経由してn=3となってステップST17へと戻り、加速度差ΔACCが「−」になるまで、中心補正量θ1の値は増加を続ける。また磁極位置補正量θcも中心補正量θ1の増加に伴って、交互に増減しながら増加している。この場合において、中心補正量θ1が増加しているときは、磁極位置補正量θcが、電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、相対的磁極位置θmに加算される値に近付いていることを意味する。例えば図6に示すように、最後の段階では、磁極位置補正量θcは、収束した中心補正量θ1を中心にして、加減算補正量θOFS=Δθ分だけ変動する。収束した中心補正量θ1が、最終的な磁極位置補正量として使用されることになる。
図4の各ステップを継続していく過程で、nの値が増えて磁極位置補正量θcが、収録した中心補正量θ1(最終的な磁極位置補正量)を越えるようになると、前回の加速度差ΔACCn-1と今回の加速度差ΔACCnの極性は、「+」と「−」とに分かれるようになる。このことはステップST33で判定される。ステップST33で、加速度差の極性の変化が、「+」から「−」に変わる場合にはステップST35へと進み、「−」から「+」に変わる場合には、ステップST34へと進む。ステップST35では、中心補正量θ1を、K=K/2として、θ1=θ1−KXの演算を行う。またステップST34では、中心補正量θ1を、K=K/2として、θ1=θ1+KXの演算を行う。図5の例では、n=9で加速度差の極性が「+」から「−」に変わっている。その結果、n=9のときには、ステップST33からステップST35へと進み、ステップST35ではK=K/2として、θ1=θ1−KXの演算を行う。ここでK=1であるため、実際にはθ1=180°−11.25°=168.75°へと減少する(図5のθ1の波形参照)。加速度差の極性に変化があるたびに、KXの値は1/2になる。最初の極性の変化で、KXは11.25となるため、ステップST36からステップST37へと進み、ステップST37では、Δθを45°に変更する。すなわち加減算補正量決定手段41で決定する加減算補正量θOFSであるΔθを30°から45°に変更する。そしてステップST38及びステップST40を経てステップST17へと戻る。n=10になると、Δθが45°となるため、n=10になったときの磁極位置補正量θcは、θc=θ1+Δθ=168.75°+45°=213.75°となる。
この例では、n=13になるまでは、前回の加速度差の極性と今回の加速度差の極性は、「−」と「−」になる。そのため、ステップST31からステップST32へと進み、ステップST32で中心補正量θ1=θ1−KXの演算が行われる。その結果、nが10から13に増加する過程では、中心補正量θ1は11.25°ずつ減少する。n=13で加速度差の極性が「−」から「+」に変化すると、ステップST33からステップST34へと進み、Kの値がK=K/2となり、中心補正量θ1の演算式はθ1=θ1+KXとなる。したがってn=13以降、再度中心補正量θ1は増加することになる。n=13のときのKXは、まだ所定値Bより大きいため、ステップST38からステップST40を経由してステップST17へと戻る。
この例では、n=17になるまでは、前回の加速度差の極性と今回の加速度差の極性は、「+」と「+」になる。そのため、ステップST29からステップST30へと進み、ステップST30で中心補正量θ1=θ1+KXの演算が行われる。その結果、nが13から17に増加する過程では、中心補正量θ1は5.625°ずつ増加する。n=17で加速度差の極性が「+」から「−」に変化すると、ステップST33からステップST35へと進み、Kの値が更にK=K/2となり、中心補正量θ1の演算式はθ1=θ1−KXとなる。したがってn=17以降、再度中心補正量θ1は再度減少することになる。n=17のときのKXは、まだ所定値Bより大きいため、ステップST38からステップST40を経由してステップST17へと戻る。
このようにして中心補正量θ1は、増減を繰り返しながら最終の中心補正量へと収束する。前回の加速度差の極性と今回の加速度差の極性が変化するたび、KXの値が1/2となり、KXの値がステップST38で判定する所定値Bよりも小さくなると、ステップST39へと進む。ステップST39では、第1の切換手段SW1が接点3を選択して、第2の切換手段SW2がOFF状態となる。第1の切換手段SW1が接点3を選択すると、そのときの収束した中心補正量θ1が最終決定された磁極位置補正量θcとして記憶手段43に記憶される。以後の動作では、記憶手段43に記憶された中心補正量θ1が最終決定された磁極位置補正量θcとして、記憶手段43から出力されることになる。したがって以後は、エンコーダ3から得られる相対的磁極位置θmに記憶手段43に記憶された最終決定された中心補正量θ1(=最終決定された磁極位置補正量θc)が加算されて得られた磁極位置を基準にして、電流制御装置10は、最終決定された磁極位置補正量とエンコーダ3からの前記相対的な磁極位置θmとを加算した値を基準にして、電流の位相を決定する。
なお図4のフローチャートに示された、ステップST29,ST31及びST33によって加速度差極性変化判定手段37が実現されている。またステップST17〜ST19及びステップST36及び37によって、加減算補正量決定手段41が構成され、その他のステップの大部分によって中心補正量増加減少手段39が実現されている。なお第1及び第2の切換手段SW1及びSW2は、ステップST1,ST14及びST39によって構成されている。なお第1及び第2の切換手段SW1及びSW2の切換操作は、通常時磁極位置補正量発生手段32の内部に設けられた図示しない切換指令発生手段からの指令に基づいて行われる。
上記の実施の形態では、同期電動機1として回転型の同期電動機を用いたが、本発明はリニアモータにも当然にして適用することができる。
本発明の同期電動機の制御装置の実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。 (A)乃至(C)は、図1の実施の形態で使用するトルク指令信号、トルク加算量が加算されたトルク指令信号及び加減算補正量の関係を示す図である。 磁極位置補正器をコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムのうち、初期処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 磁極位置補正器をコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムのうち、通常処理のアルゴリズムを示すフローチャートである。 図1の実施の形態の動作を説明するために用いる動作波形図である。 中心補正量とトルクとの関係を示す図である。
符号の説明
3 エンコーダ(位置検出手段)
5 トルク指令発生手段
7 電流分配器(電流指令発生手段)
9 加速度演算手段
10 電流制御装置
11 q軸制御器
13 d軸制御器
15 第1の座標変換器
17 PWM制御器
19 電力変換器
20 電流検出手段
21 第2の座標変換器
23 信号発振器
25 磁極位置補正手段
27 加速度絶対値演算手段
29 トルク加算量発生手段
31 初期時磁極位置補正量発生手段
33 反転回路
35 加速度差演算手段
37 加速度差極性変化判定手段
39 中心補正量増加減少手段
40 中心補正量決定手段
41 加減算補正量決定手段
43 記憶手段
SW1,SW2 第1及び第2の切換手段

Claims (7)

  1. 電機子巻線に電流が流されて所定の極性となる複数の固定子磁極を備えた固定子及び複数の移動子磁極を備えた移動子を備えた同期電動機の前記移動子磁極の前記固定子磁極に対する相対的磁極位置θmを検出して前記相対的な磁極位置を示す相対的磁極位置検出信号を出力する位置検出手段と、
    トルク指令を発生するトルク指令発生手段と、
    前記トルク指令に基づいて定めた前記電機子巻線に流す電流を定める電流指令を発生する電流指令発生手段と、
    前記電流指令に基づいて前記電機子巻線に電流を供給する電流制御装置と、
    前記電機子巻線を流れる前記電流を検出して該電流を示すフィードバック電流信号を発生する電流フィードバック手段とを備え、
    前記電流フィードバック手段及び前記電流制御装置が、前記位置検出手段が検出する前記相対的磁極位置θmに基づいて、前記電流の位相を決定するように構成されている同期電動機の制御装置において、
    前記位置検出手段から出力される前記相対的磁極位置θmに基づいて前記移動子の加速度を求める加速度演算手段と、
    前記トルク指令に加算されて、摩擦トルクを克服して前記移動子が動く状態にするのに必要なトルク加算量TADDを発生するトルク加算量発生手段と、
    前記加速度の絶対値が予め定めた基準値よりも小さいときに、前記電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、前記相対的磁極位置θmに加算される初期時の磁極位置補正量θcを発生する初期時磁極位置補正量発生手段と、
    前記加速度の絶対値が前記予め定めた基準値以上になった後に、前記電流の位相を最大トルクが得られる位相に近づけるために、前記相対的磁極位置θmに加算される通常時の磁極位置補正量θcを発生する通常時磁極位置補正量発生手段とを備え、
    前記初期時磁極位置補正量発生手段は、(初期値+90°)及び/または(初期値−90°)の磁極位置補正量を、前記初期時の磁極位置補正量として発生するように構成されており、
    前記通常時磁極位置補正量発生手段は、通常時の磁極位置補正量θcの中心となる中心補正量θ1を決定する中心補正量決定手段と、前記中心補正量θ1に交互に加減算される加減算補正量θOFSを決定する加減算補正量決定手段とからなり、
    前記中心補正量決定手段は、
    前記加速度が検出されるごとに、前記中心補正量θ1を増加また減少させる中心補正量増加減少手段と、
    前回の前記加速度と今回の前記加速度との加速度差を演算する加速度差演算手段と、
    前記加速度差演算手段が演算した前記加速度差の極性の変化を判定する加速度差極性変化判定手段とを備え、
    前記中心補正量増加減少手段は、前記加速度差極性変化判定手段が極性の変化を判定するまでは、前記極性に応じて前記中心補正量θ1を予め定めた補正量増減分KXだけ増加させる増加演算を実行するかまたは前記補正量増加分KXだけ減少させる減少演算を実行し、前記加速度差極性変化判定手段が極性の変化を判定するたびに前記補正量増減分KXを段階的に減少させ且つ補正量増減分の前記増加演算と前記減少演算とを変更し、前記補正量増減分が予め定めた下限値B以下になったときに、演算動作を停止して、そのときの前記中心補正量を最終決定された磁極位置補正量と定めるように構成されていることを特徴とする同期電動機の制御装置。
  2. 前記トルク加算量発生手段は、前記加速度の絶対値が前記基準値より小さいときには、徐々に増加する前記トルク加算量を発生し、前記加速度の絶対値が前記基準値に達すると、前記加速度の絶対値が前記基準値に達する前の前記トルク加算量以上のトルク加算量を発生するように構成されている請求項1に記載の同期電動機の制御装置。
  3. 前記初期時磁極位置補正量発生手段は、正側に前記移動子をシフトしようとする磁極位置補正量と負側に前記移動子をシフトしようとする磁極位置補正量を、交互に前記初期時の磁極位置補正量として発生するように構成されている請求項1に記載の同期電動機の制御装置。
  4. 前記加減算補正量決定手段は、前記補正量増減分KXが予め定めた値より小さくなったときに、前記加減算補正量Δθを増加させるように構成されている請求項1に記載の同期電動機の制御装置。
  5. 前記加減算補正量決定手段は、前記補正量増減分KXが予め定めた値より小さくなったときに、初期の前記加減算補正量Δθを1.5倍に増加させる請求項4に記載の同期電動機の制御装置。
  6. 前記中心補正量増減手段は、前記加速度差極性変化判定手段が前記極性の変化を判定するたびに前記補正量増加分を1/n(nは2以上の正の整数)に減少させるように構成されている請求項1に記載の同期電動機の制御装置。
  7. 前記電流フィードバック手段及び前記電流制御装置は、前記最終決定された磁極位置補正量と前記位置検出手段からの前記相対的磁極位置θmとを加算した値を基準にして、前記電流の位相を決定する請求項1に記載の同期電動機の制御装置。
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