JP4394459B2 - 同期電動機の回転子の位置を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の回転子の位置を測定する方法に関する。このような方法は、例えばエンコーダによって監視される同期電動機を始動させるために必要になり得る。このエンコーダは、基準位置の通過後に初めて一義的な通信信号を出力する。

従来の技術では、電動機の電気的なやりとりをエンコーダの位置情報なしでも可能にするため、同期電動機の回転子の位置を算定できる多くの方法が公知である。これらの方法の多くは、主巻線コイルのインダクタンスの経費のかかる測定に基づくか又は逆起電力の測定及び評価に基づく。このような方法は、同期電動機を全くエンコーダなしに駆動させることを可能にする。

例えば、エンコーダと回転子との間のオフセットを測定するため、又は、電動機を基準点に対して駆動させるために回転子の位置を始動に対してだけ又は同期電動機の運転開始時に測定しようとする場合、回転子の位置を測定するより簡単な方法だけで十分である。実際には回転子の磁気モーメントのベクトルの位置が同期電動機の駆動に対して重要であるものの、以下では簡略化して回転子の位置について説明する。

ヨーロッパ特許出願公開第 1085650号明細書は、最初に電動機の第１相に通電する方法を記す。回転子に生じる運動方向に基づいて、回転子の位置が 180°の角度範囲で電気的に確認され得る。このときこの領域内の中央に存在する第２層に通電する場合、回転子に生じる回転方向に基づいて、回転子の位置を 90 °の角度範囲で確認することができる。この範囲は、さらなるステップごとに半分になる。その結果、この方法は、希望の精度に達した時に中断できる。しかしながら、生じる回転方向がエンコーダによって一義的に確認され得る前に、回転子を比較的大きく運動させる必要がある点がこの方法の欠点である。これらの運動を非常に小さく選択した場合、溝応力及び機械の振動が、回転子の位置がこのときもはや正しく確認されないという誤った結果を招きうる。しかしより大きい運動は、問題であり、全ての場合で許されない、例えば同期電動機が材料に既に係合している工具を駆動させるときに許されない。この方法のもう１つの欠点は、角度範囲が狭くなるほど、回転子を運動させるために必要な電流が常に大きくなる点である。電流ベクトルによって生成された磁場が回転子に対して既にほぼ平行にある場合、生成された回転トルクが一定電流で常により小さくなる。したがってこの方法の精度は、最大許容電流によって制限されている。

本発明の課題は、同期電動機の回転子の位置が測定され得る簡単な方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。この方法の好適な詳細は、請求項１の従属請求項に記載されている。

多くの場合、最初に同期電動機の回転子を制動機によって停止することが有益である。このような制動機は、多くの用途で、例えば工作機械で既に使用されている。これらの用途では、電動機の電気式や機械式の制動機が、安全性の理由から全ての軸に対して一般的である。このような制動機の停止力は、同期電動機の溝応力又は機械の振動によって回転子にかかる力に比べて大きい。それ故にこれらの効果は、回転子の位置の測定に対しては重要でない。すなわち、回転子の非常に小さい変位で作動する測定に対して重要でない。これらの非常に小さい変位は、危険な用途でも起こりうる。同期電動機が制動機なしでも大きい接触摩擦によって停止され得る場合、接触摩擦が最終的に作動した制動機のように作用するので、制動機の作動は不要である。

同期電動機の回転子を運動させるためには、磁場を生成する電流を同期電動機のコイルに流すことが必要である。回転子が磁場ベクトルに対して磁気的に平行（安定）でないか又は逆平行（不安定）である場合、磁場が、回転トルクを回転子に与える。以下で電流ベクトルを説明する場合、この電流ベクトルは、通電電流の値及びこの電流によって生成された磁場の方向を有する。同期電動機の回転子に関連する全ての角度が、以下では電気的な一周期、すなわち電流ベクトルの一回転に関連する。同期電動機では、電動機の一回転が電気的な多数の周期に一致する。

制動機の作動時に異なる角度位置の多数の電流ベクトルを作用させ、この制動機の接触力に対する回転子の特定の小さい変位を得るために必要である値を、これらの電流ベクトルの各々に対して算定する場合、２つの最小値を有する曲線の変化が得られる。これらの最小値は、回転子の位置の検出された角度の前後にそれぞれ 90 °だけずれている。したがって、所定の変位を得るために必要な電流の１つの最小値を既に算定することによって、回転子の位置が確認されていて、電動機が制御されて始動され得る場合、この変位の方向をさらに考慮する。このことは、回転子及び電流ベクトルが互いに垂直にあるときに、最大回転トルクが一定の電流で得られることに基づく。要求される所定の変位が、ここでは最小電流によって得られる。反対に、電流ベクトル及び回転子がほぼ平行にあるか又は逆平行にある場合、通電時に得られる回転トルクが非常に小さい。したがって所定の変位を得るためには、適度に大きい電流が必要になる。しかし本発明は、回転子の位置を電流ベクトルの最小値を呈する角度位置から算定することに基づく。したがって、回転子の位置測定の精度が損なわれることなしに、電流が閾値に達した時に、所定の変位を得るために必要な電流ベクトルの値の測定が中断され得る。

制動機によって停止される電動機の変位に対しては、変位に比例する力が一次近似で必要である。この力は、例えば回転子と制動機が加える軸の弾性力に起因する。しかし制動機の停止力自体も、非常に小さい変位に対して弾性力として確認され得る。回転子の変位に比例する復原力又は変位に比例する復原モーメントが発生する。所定の変位を得るために必要な電流ベクトルの値を測定する場合、この所定の変位は、所定の回転トルクに完全に対応する。回転子の変位を測定するエンコーダの代わりに、この方法は、回転トルクセンサによって実施してもよい。同期電動機の回転トルクの値及び方向が、この回転トルクセンサによって確認できる。回転子が、電流ベクトルの遮断後に復原モーメントによってその出発位置に戻る。

以下に、本発明のその他の利点及び詳細を図面に基づく好適な実施形から説明する。

図１は、制御部１により制御される同期電動機２を有する駆動ユニットを示す。同期電動機２の回転子の位置が、エンコーダ３によって監視される。このエンコーダ３は、例えばインクリメンタル式のシャフトエンコーダでもよい。このシャフトエンコーダは、基準点の通過後に初めて絶対位置値の算定を可能にする。エンコーダ３は、同期電動機２の軸４に連結されている。軸４が同期電動機２の回転子に固定されているので、回転子の位置は、この軸４の位置から推測され得る。制動機５が、必要に応じて軸４に作用する。このような機構的な又は電気的な制動機５は、一般に運動を緊急時に迅速に制動させるか又は懸架されている軸を非通電状態中に保持するために使用される。制動機５は、制御部１によって起動され得る。有効負荷６は、軸４を通じて駆動される。この有効負荷６は、例えば工作機械の工作スピンドルや工作機械のスピンドルを通じて駆動される直線軸でもよい。

図２中には、ベクトル図が示されている。このベクトル図では、回転子Ｒ（つまり回転子Ｒの磁気モーメントのベクトル）が、一般性に制限されることなしに同期電動機の電気的な一周期内に 180°にある。この説明した実施の形態では、電流ベクトルＩが、５°ずつ角度α＝０°からα＝355 °まで回転する。この場合、電流ベクトルＩの値が、各角度位置に対して確認される。この値は、回転子Ｒの所定の変位を得るために必要である。さらに、変位がどの方向に起こるかが確定される。この情報は、実際の変位の値と同様にエンコーダ３によって求められ得る。

図２中で示された場合、回転子Ｒは、時計回りに、すなわち数学的に負の方向に変位する。このことは、角度範囲０°＜α＜180 °内の全ての電流ベクトルＩに対して成立する。180 °＜α＜360 °の範囲内では、回転子が、反時計回りに、すなわち数学的に正の方向に変位する。

所定の変位としては、1000分の数度で十分である。このような0.01°よりも遥かに微小な変位は、ほとんど問題にならず、材料に係合している工具がこの変位によって移動しても使用され得る。

回転子Ｒの所定の変位を得るために必要な電流ベクトルＩの値を電流ベクトルＩの角度位置に対してプロットすると、図３中に示された曲線が得られる。発生する回転トルクが電流ベクトルＩと回転子Ｒとの間の角度の正弦に依存し、回転子Ｒの変位が回転トルクに比例するので、電流ベクトルＩと回転子Ｒとの間の角度の正弦の逆数に比例する曲線の変化が得られる。この関数は、２つの最小値を有する。これらの最小値は、回転子Ｒの検査された角度の前後に90°だけずれている。図３中には、回転子Ｒの変位の既に上述した方向が、さらに「＋」及び 「−」で示されている。

回転子の位置を測定するため、最小値の位置が算出される。これらの最小値のうちの一方の最小値の位置及び変位の方向を既に知ることによって、回転子Ｒの位置を知り、同期電動機２を制御して始動させる。

精度を上げるため、負の回転方向を有する１つの最小値の角度とこれに続く（より大きい）正の回転方向を有する１つの最小値の角度との平均値が、これらの両角度を合計し二分割することによって変位方向を考慮しつつ算定される。生じた角度は、電気的な一周期内の回転子Ｒの検査された位置に一致する。変位を考慮した場合、実際の回転子の位置に対して180 °だけシフトしている結果が、回転子の位置として入手され得る。

制御された始動が可能であるように、同期電動機２が、この結果に基づいて通電され得る。これに対しては、回転子Ｒの位置を電気的な一周期内に10°の精度で知ることで十分である。エンコーダ３が基準位置に到達すると、制御部１が回転子の位置を精確に知る。次いで通電が、エンコーダ３の位置データに基づいて実施され得る。

図３中で分かるように、回転子Ｒ及び電流ベクトルＩがほぼ平行に又は逆平行にある範囲内では、電流ベクトルＩの値が算出されていない。これらの範囲内では、電流ベクトルＩと回転子Ｒとの間の角度の正弦が非常に小さくなるので、特に大きい電流が所定の変位を得るために必要である。しかし、図３による曲線の変化の最小値の角度位置の算定だけが、回転子の位置を算定するために重要であるので、回転子の位置の算定精度が低下することなしに、電流ベクトルＩの値の算出が、限界電流から中断され得る。これに対しては、若干数の値をこれらの最小値の範囲内で記録するだけで十分である。したがって、通電電流は比較的小さく保持できる。

この説明した方法は、リニア式の同期電動機に対してと全く同様に回転式の同期電動機に対して適する。電気的な一周期内の回転子Ｒと電流ベクトルＩのベクトル表示は、リニア式の電動機に対しては回転式の同期電動機のベクトル表示と同じである。リニア式の電動機の場合、所定の変位は、復原力を発生させるリニア式の変位である。この変位は、例えば数μm 、少なくとも 0.1mmより小さい範囲内にあり得る。その結果、この方法は、同様に信頼性技術的に重要な用途でも使用可能である。

好ましくは、適切に設置された制御部（１）、例えば工作機械の数値制御部が、ここで説明した方法に対する動作を制御する。

同期電動機を有する駆動ユニットのブロック図である。 電流ベクトルと回転子とによるベクトル図である。 回転子を小さく変位させるために必要な電流ベクトルの値の角度に依存する変化を示す。

符号の説明

１ 制御部
２ 同期電動機
３ エンコーダ
４ 軸
５ 制動機
６ 有効負荷

Claims (8)

1. −同期電動機（２）の回転子（Ｒ）が、制動機（５）の大きい停止摩擦によって停止されていて、
   −多数の電流ベクトル（Ｉ）が、異なる方向で同期電動機（２）に対して入力され、前記回転子（Ｒ）を所定に変位するために必要な電流ベクトル（Ｉ）の値を確定し、この場合、この変位に比例する復原モーメントが発生し、
   −前記回転子（Ｒ）の回転位置が、前記必要な電流ベクトル（Ｉ）の最小値の時の少なくとも１つの角度位置から算定され、
   −前記回転子（Ｒ）のこの回転位置は、前記電流ベクトル（Ｉ）の遮断後にその出発位置に戻る、
   から成るステップを特徴とする同期電動機の回転子の位置を算定する方法。
2. エンコーダ（３）が使用されて、前記回転子（Ｒ）の変位を測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記回転子（Ｒ）の所定の変位は、回転式の同期電動機（２）に対しては0.01°よりも小さく、リニア式の同期電動機（２）に対しては 0.1mmよりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記多数の電流ベクトル（Ｉ）は、電気的な一周期によって同様に分割されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記多数の電流ベクトル（Ｉ）は、10°より小さいステップに分割される請求項４に記載の方法。
6. 前記回転子（Ｒ）の位置は、前記電流ベクトル（Ｉ）の相並んでいる２つの角度位置の合計の半分として算定され、この回転子（Ｒ）の所定の変位を得るために必要な電流ベクトル（Ｉ）の値が、これらの角度位置で最小であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記回転子（Ｒ）の位置が一義的に算定されるように、この回転子（Ｒ）の所定の変位の方向が考慮されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記同期電動機（２）用の制御部（１）が、前記方法を実施することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。

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