JP4606033B2 - 同期モータの回転子位置検出調整方法 - Google Patents

同期モータの回転子位置検出調整方法 Download PDF

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    • H02P21/06Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors

Description

この発明は、同期モータの回転子位置検出調整方法に関し、特に、回転位置検出器の位置調整方法に係わるものである。
回転位置検出器の出力から求める同期モータの回転位置と実際の同期モータの回転位置との間に生じるずれを補正する従来の方法は、無負荷検出器でモータの無負荷状態を検出するステップと、モータ電圧検出器でモータの巻線に掛かるモータ電圧を検出するステップと、回転位置検出器の回転角情報とモータ電圧とからd−q軸電圧を演算するステップと、d軸電圧がゼロになるように回転角度を補正するステップとを備えている(例えば、特許文献1参照。)。
特開平6−165561号公報
回転位置検出器の出力から求める同期モータの回転位置と実際の同期モータの回転位置との間に生じるずれを補正する上述した従来の方法では、モータ電圧検出器及び無負荷検出器を追加して使用しなければならないので、この方法を適用する装置は高価になる。
この発明の目的は、回転位置検出器の位置決め精度を安定向上させて性能の良い同期モータを得ると共に、生産性に優れた同期モータの回転子位置検出調整方法を得ることを目的とする。
又、この発明の目的は、無負荷検出器及びモータ電圧検出器を不要とし、正確に回転位置検出器に係わる回転位置のずれを補正できる同期モータの回転子位置検出調整方法を得ることを目的とする。
この発明に係わる同期モータの回転子位置検出調整方法は、固定子コイルが巻装された固定子と、磁極が設けられた回転子とを有する同期モータ、並びに、上記回転子に固定されたセンサーロータと、このセンサーロータに対向して配置され上記回転子の回転位置を検出するセンサーステータとを有する回転位置検出器を備え、ベクトル制御される上記同期モータの上記回転位置検出器の出力から求まる上記同期モータの回転位置と実際の上記同期モータの回転位置との間に生じるずれ量を調整する同期モータの回転子位置検出調整方法において、回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにするステップと、上記同期モータの3相電流値からd−q軸電流に変換するステップと、上記d軸電流指令および上記q軸電流指令と上記d−q軸電流との差分を求めるステップと、上記差分に基づきd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求めるステップと、上記同期モータの回転中に上記d軸電圧指令およびq軸電圧指令をもとに上記ずれ量の平均値を求めて上記ずれ量を推定するステップと、推定した上記ずれ量をもとに上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップとを施すものである。
また、この発明に係わる同期モータの回転子位置検出調整方法は、固定子コイルが巻装された固定子と、磁極が設けられた回転子とを有する同期モータ、並びに、上記回転子に固定されたセンサーロータと、このセンサーロータに対向して配置され上記回転子の回転位置を検出するセンサーステータとを有する回転位置検出器を備え、ベクトル制御される上記同期モータの上記回転位置検出器の出力から求まる上記同期モータの回転位置と実際の上記同期モータの回転位置との間に生じるずれ量を調整する同期モータの回転子位置検出調整方法において、回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにするステップと、上記同期モータの3相電流値からd−q軸電流に変換するステップと、上記d軸電流指令および上記q軸電流指令と上記d−q軸電流との差分を求めるステップと、上記差分に基づきd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求めるステップと、上記同期モータの回転中に上記d軸電圧指令がゼロになるオフセット量の平均値を求めて上記ずれ量を推定するステップと、推定した上記ずれ量をもとに上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップとを施すようにしたものである。
この発明の同期モータの回転子位置検出調整方法によれば、回転位置検出器の位置決め精度を安定向上させて性能の良い同期モータを得ると共に、生産性に優れた同期モータの回転子位置検出調整方法を得ることができる。特に、回転させながらずれ量を検出するので、ずれ量の平均値がとれ、ずれ量検出精度が良くなる。また後述する先願に見られるようなステータにDC通電しロータを拘束する時のような余分な作業がなくなり容易になる。また、上記効果に加え、無負荷検出器及びモータ電圧検出器を不要とし、回転位置検出器に係わる回転位置のずれを補正できる。
この発明の出願人と同一の出願人による先願として特願2002−228531号「回転電機およびその回転位置センサーの位置決め方法および位置決め装置」がある。それでは、ステータに直流を通電しロータを拘束させる方式で、回転位置検出器の位置調整を行っている。ロータを拘束する時に、極数分のロータ拘束箇所のバラツキが存在するため、所定回数の調整後に、平均値を求めてから調整する必要があった。また、ロータを拘束させても機械的摩擦により動かない領域が存在するので、ロータ拘束時の精度を上げるために、ロータが拘束する位置から少しずらした位置にロータを動かし、その後に直流を通電してロータを拘束する余分な作業が必要であった。また、巻線界磁の回転子の場合は、ロータに通電するエネルギーが必要であった。
この発明は、上記先願に対して、生産性に優れた同期モータの回転子位置検出調整方法を得ることを目的としている。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1の同期モータの回転子位置検出調整方法を説明するモータ装置のブロック図である。同期モータ装置は、永久磁石界磁または巻線界磁を有する同期モータ1と、同期モータ1を制御する制御装置とを備えている。制御装置は、同期モータ1の回転子位置を検出する回転位置検出器であるレゾルバ2と、レゾルバ2の出力から回転子位置角度θを演算する位相演算器3と、同期モータ1の3相電流Iu,Iv,Iwを検出する電流検出器4と、回転子位置角度θと3相電流Iu,Iv,Iwとをd−q軸電流(実電流)
Id,Iqに変換する3相2相変換器5とを備えている。
さらに、制御装置は、レゾルバ2の出力から同期モータ1の回転角速度ωを求める角速度演算器6と、トルク指令T*と回転角速度ωとからd軸電流指令Id*およびq軸電流指令Iq*を発生する電流指令発生器7と、d軸電流指令Id*とd軸電流Idの誤差Δεdおよびq軸電流指令Iq*とq軸電流Iqの誤差Δεqからd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*を求める電流制御器8と、d軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*と回転子位置角度θとから3相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*を求める電圧変換器9と、3相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*に基づき図示しない直流電源の電力を3相交流電力に変換し同期モータ1に通電するインバータ10と、d軸電圧指令Vd*とq軸電圧指令Vq*を入力して、レゾルバ2の出力から求める同期モータ1の回転位置と実際の同期モータ1の回転位置との間に生じるずれ量(補正量)を検出する位相補正量検出器11とを備えている。さらに同期モータ1には、界磁巻線を有するときは、界磁巻線を励磁する界磁駆動部(図示せず)を備えている。
この同期モータの制御装置は位相補正量検出器11を除いて、ベクトル制御が適用された従来の同期モータまたは永久磁石界磁同期モータ(DCブラシレスモータ)の制御装置の構成と同様なので、同様な部分の動作を単に説明する。
回転位置検出器であるレゾルバ2の出力から位相演算器3で同期モータ1の回転子位置角度θを求める。また、レゾルバ2の出力を用いて角速度演算器6で回転角速度ωを求める。この回転角速度ωとトルク指令T*を電流指令発生器7に入力し、その回転角速度ωにおけるトルクTがトルク指令値T*になるようにd軸電流指令Id*およびq軸電流指令Iq*を求める。一方、電流検出器4で同期モータ1に流れる3相電流Iu,Iv,Iwを検出し,3相2相変換器5で回転子位置角度θと3相電流Iu,Iv,Iwとからd軸電流Idおよびq軸電流Iqを求める。
d軸電流指令Id*とd軸電流Idとの誤差Δεdと、q軸電流指令Iq*とq軸電流Iqとの誤差Δεqを、比例積分制御(いわゆるPI制御)し、さらに相互に干渉する項を差し引く非干渉制御してd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*を電流制御器8で求める。さらに、これら電圧指令Vd*,Vq*と回転子位置角度θとに基づき電圧変換器9で3相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*を求める。この3相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*に基づきインバータ10で電流出力を制御し、同期モータ1の回転速度およびトルクが制御される。このようにして同期モータ1のベクトル制御が行われる。さらに界磁巻線を有するときは、界磁駆動部に界磁電流指令If*が入力されて、界磁巻線に所定の電流を流す。
上述したベクトル制御において、同期モータ1に取り付けられたレゾルバ2の取付位置が回転方向にずれていると、レゾルバ2の出力から求める回転子位置角度θは、実際の同期モータ1の回転子の位置との間にずれが生じ、正しくd−q軸電流に変換されないため、正常なベクトル制御はできない。
そこで、この発明によるレゾルバ2に係わるずれを補正する同期モータの回転子位置検出調整方法を説明する。位置補正指令A*が入力されると、電流指令発生器7はトルク指令T*によらず、d軸電流指令Id*をゼロに、q軸電流指令Iq*をゼロにする。すると電流制御器8は、3相電流を3相2相変換されたId,Iqがゼロになるようにd軸電圧指令Vd*,q軸電圧指令Vq*を制御する。このd−q軸電圧指令により電圧変換器9およびインバータ10が動作してId,Iqがゼロになる。このとき、同期モータ1のd−q軸における電圧方程式を考えると、次の式(1),(2)で表すことができる。
Vd=RId―ωLqIq -----(1)
Vq=RIq+ωLdId+ωΨf ------(2)
ここで、Vdはd軸電圧、Vqはq軸電圧、Rは1相の抵抗値、Idはd軸電流、Iqはq軸電流、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、ωは回転角速度、Ψfは永久磁石または巻線界磁による磁束である。
上式(1),(2)において、Id=0,Iq=0とすれば、Vd=0,Vq=ωΨfとなる。とこらが、レゾルバ2の出力から求める同期モータ1の回転位置と実際の同期モータの回転位置との間にずれδが生じていると、VdおよびVqはそれぞれVd=ωΨfsindδおよび
Vq=ωΨfcosδとなって、Vdはゼロにならない。そのため、レゾルバ2の出力から求める同期モータ1の回転位置と実際の同期モータ1の回転位置との間に生じるずれを補正することが必要になる。
このときのずれ量δは、電流制御器8の出力であるVdとVqの逆正接(アークタンジェント)を用いて直接求めることができる。
すなわち、ずれ量δ=tan−1(Vd/Vq)で、位置補正量検出器11から補正量検出値として出力でき、ずれ量δを推定できる。このずれ量δをもとに、レゾルバ(回転位置検出器)の位置を回転方向に機械的にずらして調整する。
このように、実施の形態1では、ベクトル制御される同期モータの回転位置検出器の出力から求まる上記同期モータの回転位置と実際の上記同期モータの回転位置との間に生じるずれ量を調整する同期モータの回転子位置検出調整方法において、回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにするステップと、上記同期モータの3相電流値からd−q軸電流に変換するステップと、上記d軸電流指令およびq軸電流指令とd−q軸電流との差分を求めるステップと、上記差分に基づきd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求めるステップと、上記d軸電圧指令およびq軸電圧指令をもとに上記ずれ量を推定するステップと、推定した上記ずれ量をもとに上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップとを施すようにしたものである。
ここで、d軸電圧Vdおよびq軸電圧指令は、電圧検出手段などを用いる必要はなく、電流制御器8の出力Vd*およびVq*を用いることができる。すなわち、従来のベクトル制御される同期モータ装置に、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにする手段と、既に作成している電流制御器8の出力Vd*およびVq*を用いるだけで回転位置検出器のずれ量を検出し推定することができる。
また、回転させながらずれ量を検出するので、ずれ量の平均値がとれ、ずれ量検出精度が良くなる。さらに、先願に見られるようなステータにDC通電しロータを拘束する時のような余分な作業がなくなり容易になり、生産性に優れた同期モータの回転子位置検出調整方法を得ることができる。
推定したずれ量をもとに回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整する
その後、必要であれば、再度ずれ量測定ステップを実施して、得られたずれ量が所定値未満の場合は、回転位置検出器の機械的調整に移行せずに完了する。なお、得られたずれ量が所定値以上ならば、再度ずれ量測定ステップを実施して、回転位置検出器の機械的調整を再度行えばよい。これによって、より確実に調整ができ、調整精度が良くなる。
実施の形態2.
図2はこの発明の実施の形態2の同期モータの回転子位置検出調整方法を説明するモータ装置のブロック図である。図中実施の形態1の図1と同一符号は同一又は相当部分を示し、図1と異なる部分を中心に説明する。位相補正量検出器11は、d軸電圧指令Vd*を入力して回転子位置角度θに関するオフセット量Δθを求め、加算器32に出力すると共に補正量検出値として出力する。加算器32は位相演算器3からの回転子位置角度θにオフセット量Δθを加算する。
オフセット量Δθを求める方法を説明する。実施の形態1において、回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにし、これらのd軸電流指令およびq軸電流指令とd−q軸電流との差分を求め、上記差分に基づき電流制御器8でd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求める。このとき、図2おいて、電流制御器8の出力であるd軸電圧指令Vd*がゼロでないとき、オフセット量Δθを求める。オフセット量ΔθはVd*が正のとき、+Δθとし、Vd*が負のとき、―Δθとする。オフセット量Δθは角度の等差級数列(1°,2°,・・・,n°)から順次求めて加算器32へ出力する。このようにして、Vd*がゼロになるまでΔθを変化させる。
Vd*がゼロに近づいて、Vd*の正負が反転した、そのときのオフセット量Δθから半分の差分を引いた値をオフセット量Δθとして出力する。上述の等差級数列の場合、Δθ―0.5°をオフセット量とする。このようにしてVd*をゼロに収束させる。このとき求めたオフセット量Δθを補正量検出値として出力する。このオフセット量Δθをずれ量として、このずれ量をもとに、レゾルバ(回転位置検出器)の位置を回転方向に機械的にずらして調整する。
このように、実施の形態2では、ベクトル制御される同期モータの回転位置検出器の出力から求まる上記同期モータの回転位置と実際の上記同期モータの回転位置との間に生じるずれ量を調整する同期モータの回転子位置検出調整方法において、回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにするステップと、上記同期モータの3相電流値からd−q軸電流に変換するステップと、上記d軸電流指令およびq軸電流指令とd−q軸電流との差分を求めるステップと、上記差分に基づきd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求めるステップと、上記d軸電圧指令がゼロになるオフセット量を求めて上記ずれ量を推定するステップと、推定した上記ずれ量をもとに上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップとを施すようにしたものである。
ここで、d軸電圧Vd*は、電圧検出手段などを用いる必要はなく、電流制御器8の出力Vd*を用いることができる。すなわち、従来のベクトル制御される同期モータ装置に、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにする手段と、既に作成している電流制御器8の出力Vd*をもとに回転位置検出器のずれ量を検出し推定することができる。
また、回転させながらずれ量を検出するので、ずれ量の平均値がとれ、ずれ量検出精度が良くなる。さらに、先願に見られるようなステータにDC通電しロータを拘束する時のような余分な作業がなくなり容易になり、生産性に優れた同期モータの回転子位置検出調整方法を得ることができる。
推定したずれ量をもとに回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整する
その後、必要であれば、再度ずれ量測定ステップを実施して、得られたずれ量が所定値未満の場合は、回転位置検出器の機械的調整に移行せずに完了する。なお、得られたずれ量が所定値以上ならば、再度ずれ量測定ステップを実施して、回転位置検出器の機械的調整を再度行えばよい。これによって、より確実に調整ができ、調整精度が良くなる。
実施の形態3.
次に回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整する方法を具体的に説明する。図3は実施の形態3の同期モータを示す縦断面図であり、図4はその正面図である。図において、同期モータは、界磁巻線12aが巻かれた回転子12、三相固定子巻線13aが巻かれた固定子13、回転子12および固定子13を収容するフロントブラケット14とリヤブラケット15、回転子12の回転状態を検出する回転位置検出器16などから構成されている。回転子12はクローポール型である。
回転子12は、両端部がそれぞれ軸受17,18を介してフロントブラケット14とリヤブラケット15に回転自在に支持された回転軸19を備えている。回転軸19の一端部は、フロントブラケット14より突出して、その先端部にプーリ20が固定されている。また、回転軸19の他端部は、2個のスリップリング21が組付けられている。リヤブラケット15の外に配置された回転位置検出器16は、回転軸19の他端側で回転軸19と同軸的に配置されて、回転軸19すなわち回転子12の磁極位置を検出する。また、リヤブラケット15の内側には、スリップリング21に摺接するブラシ22がブラシホルダ22aに保持されて設けられている。
実施の形態1又は実施の形態2において、位相補正量検出器11で補正量検出値として、ずれ量を検出し推定する。または、外部負荷装置の回転力が図示されないベルトもしくはカップリング等を伝達して、プーリ20、回転軸19、回転子12を一定回転速度で回転させ、位相補正量検出器11でずれ量を検出し推定する。
その後、回転を停止させ、回転子12を外部から固定して、上記実施の形態1〜3のいずれかで検出し推定したずれ量をセンサーステータ16aもしくはセンサーロータ16bを回転方向に回して調整する。センサーステータ16aの調整方法は、センサーステータ16aに設けた穴16cにピン等の治具を差し込んで、センサーステータ16aを調整することで容易にできる。またセンサーステータ16aの取付耳部16dをつかんで調整してもよい。センサーロータを回して調整するときは、360°調整が可能なので、回転位置検出器のセンサーステータをどの位置に組付けしても調整でき組立性が簡単になる。
このように、回転位置検出器のずれ量を調整する機械的調整は、同期モータの停止中に行うようにしたので、調整作業が安全に行え、取付が簡単に行え、取付精度も良くなる。
実施の形態4.
または回転位置検出器16の出力が補正前値+ずれ量になるところまで、回転位置検出器16のセンサーステータ16aもしくはセンサーロータ16bを回して固定するようにしてもよい。
実施の形態5.
実施の形態3では、ずれ量を調整する時に回転を停止させて行ったが、実施の形態5では、回転させた状態でずれ量をモニターしながら、ずれ量=0になるようセンサーステータ16aもしくはセンサーロータ16bで調整を行うようにしてもよい。このように、ずれ量検出ステップとずれ量を調整する回転位置検出器の機械的調整ステップが並行して行うことにより、調整時間を短くできる。
実施の形態6.
また、実施の形態3では、外部負荷装置により回転子12を回転させていたが、実施の形態6では、回転子12に何も接続しない状態で一定周波数で固定子巻線13aを励磁する。負荷がないので回転子12が回転する。その後、d軸電流指令Id*,q軸電流指令Iq*をそれぞれゼロにして、電流制御器8の出力Vd*およびVq*の測定ステップに入る。慣性によりしばらく回転を続けている間に測定を行い調整する。この場合は、同期モータを外部駆動する装置が不要なので、設備が安価であり、また設備の振動がないので、検出精度が向上する。
この発明は、自動車等の内燃機関に用いる発電電動機の回転子位置検出調整方法に適用して好適である。
この発明の実施の形態1の同期モータの回転子位置検出調整方法を説明するモータ装置のブロック図である。 実施の形態2の同期モータの回転子位置検出調整方法を説明するモータ装置のブロック図である。 実施の形態3の同期モータを示す縦断面図である。 図3の正面図である。
符号の説明
1 同期モータ 2 レゾルバ
3 位相演算器 4 電流検出器
5 3相2相変換器 6 角速度演算器
7 電流指令発生器 8 電流制御器
9 電圧変換器 10 インバータ
11 位相補正量検出器 32 加算器
12 回転子 12a 界磁巻線
13 固定子 13a 固定子巻線
14 フロントブラケット 15 リヤブラケット
16 回転位置検出器 16aセンサーステータ
16b センサーロータ 16c 穴
16d 取付耳部 17,18 軸受
19 回転軸 20 プーリ
21 スリップリング 22 ブラシ
22a ブラシホルダ

Claims (5)

  1. 固定子コイルが巻装された固定子と、磁極が設けられた回転子とを有する同期モータ、並びに、上記回転子に固定されたセンサーロータと、このセンサーロータに対向して配置され上記回転子の回転位置を検出するセンサーステータとを有する回転位置検出器を備え、ベクトル制御される上記同期モータの上記回転位置検出器の出力から求まる上記同期モータの回転位置と実際の上記同期モータの回転位置との間に生じるずれ量を調整する同期モータの回転子位置検出調整方法において、
    回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにするステップと、
    上記同期モータの3相電流値からd−q軸電流に変換するステップと、
    上記d軸電流指令および上記q軸電流指令と上記d−q軸電流との差分を求めるステップと、
    上記差分に基づきd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求めるステップと、
    上記同期モータの回転中に上記d軸電圧指令およびq軸電圧指令をもとに上記ずれ量の平均値を求めて上記ずれ量を推定するステップと、
    推定した上記ずれ量をもとに上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップとを施すようにした同期モータの回転子位置検出調整方法。
  2. 固定子コイルが巻装された固定子と、磁極が設けられた回転子とを有する同期モータ、並びに、上記回転子に固定されたセンサーロータと、このセンサーロータに対向して配置され上記回転子の回転位置を検出するセンサーステータとを有する回転位置検出器を備え、
    ベクトル制御される上記同期モータの上記回転位置検出器の出力から求まる上記同期モータの回転位置と実際の上記同期モータの回転位置との間に生じるずれ量を調整する同期モータの回転子位置検出調整方法において、
    回転位置ずれの調整を指令する位相補正指令により、トルク指令を無視し、d軸電流指令およびq軸電流指令をそれぞれゼロにするステップと、
    上記同期モータの3相電流値からd−q軸電流に変換するステップと、
    上記d軸電流指令および上記q軸電流指令と上記d−q軸電流との差分を求めるステップと、
    上記差分に基づきd軸電圧指令およびq軸電圧指令を求めるステップと、
    上記同期モータの回転中に上記d軸電圧指令がゼロになるオフセット量の平均値を求めて上記ずれ量を推定するステップと、推定した上記ずれ量をもとに上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップとを施すようにした同期モータの回転子位置検出調整方法。
  3. 上記回転位置検出器の位置を回転方向に機械的にずらして調整するステップを施した後、再度ずれ量を検出するようにした請求項1又は請求項2記載の同期モータの回転子位置検出調整方法。
  4. 上記回転位置検出器のずれ量を調整する機械的調整は、上記同期モータの停止中に行うようにした請求項1又は請求項2記載の同期モータの回転子位置検出調整方法。
  5. 上記回転位置検出器のずれ量を調整する機械的調整は、上記同期モータの回転中に行うようにした請求項1又は請求項2記載の同期モータの回転子位置検出調整方法。
JP2004024152A 2004-01-30 2004-01-30 同期モータの回転子位置検出調整方法 Expired - Lifetime JP4606033B2 (ja)

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