JP4659298B2

JP4659298B2 - 同期モータの相検出方法及び同期モータの制御装置

Info

Publication number: JP4659298B2
Application number: JP2001276060A
Authority: JP
Inventors: 貴司白石; 隆鳴海
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: JP2003088164A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期モータの相検出方法及び制御装置に関し、特に、ポールセンサを用いずに特定パターンのトルク電流指令値を印加する方式による同期モータの相検出方法及び制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータの相検出方法の一例として、例えば特開平２−２４１３８８には以下のような同期型ＡＣモータの制御方式及び制御装置が開示されている。
【０００３】
上記の制御方式について言えば、ロータが永久磁石極で成る同期型ＡＣモータに対して、ステータの回転磁界と前記永久磁石極との間の位相角を変化させながら前記同期型ＡＣモータの出力軸のトルクを検出し、前記トルクが零となる時の力率を求め、この力率個所から電気角を９０゜だけ位相シフトした個所を力率１の転流角指令として初期化するようにした同期型ＡＣモータの制御方式である。
【０００４】
一方、上記の制御装置は、ロータが永久磁石極で成り、出力軸にエンコーダを結合された同期型ＡＣモータを初期化して制御する制御装置であり、第１の関数発生器に接続されて前記同期型ＡＣモータに対する電流指令及び転流角指令を出力するＣＰＵと、前記エンコーダの出力パルスを計数するカウンタと、前記転流角指令及び前記カウンタの計数値を加算した信号に応じた関数を発生する第２の関数発生器と、前記電流指令及び前記関数の乗算及び合成によって前記同期型ＡＣモータを駆動する駆動手段とを具備し、前記ＣＰＵが前記計数値を入力することによってトルク出力０を検出し、その状態より電気角で９０゜シフトした位相角を前記転流角指令とするようにしたものである。
【０００５】
つまり、上記の制御方式、制御装置のいずれにおいても、トルク指令を印加することにより同期モータが動作したかどうかとその動作方向とを判定し、励磁関数の位相をずらして繰り返し動作判定することで、トルク指令に対して同期モータが動作しなくなる位相に収束させ、この位相からπ／２だけずらした点を正しい位相角とするようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の制御方式及び制御装置は、同期回転モータに適用されるものであり、リニアモータのような同期モータに適用することは難しい。これは、リニアモータは、通常、可動部が静圧空気軸受で支持されており、摩擦が非常に小さい。この場合、与えたトルク指令により可動部が大きく動いてしまう可能性があるからである。これは、相検出時の動作量が規定できないことを意味する。
【０００７】
また、印加するトルク指令が矩形波である相検出方法では、機械系の共振を起こし易いという問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、相検出開始時と開始終了時におけるモータ位置の差をほぼ０にすることのできる同期モータにおける相検出方法及び制御装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の課題は、一定速度でフリーラン動作中に相検出を行うことのできる同期モータにおける相検出方法及び制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特定パターンで規定されるトルク指令を１回以上印加し、その時の同期モータの加速度を検出し、あらかじめ定められたタイミングで検出された前記加速度が０になる時の電気角位相オフセットαを求め、求められた電気角位相オフセットαに基づいて相特定を行う同期モータの相検出方法であって、前記特定パターンとして、サイン波に近い形状であって、該特定パターンの積分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になるような特定パターンとすることにより、前記トルク指令の印加毎に前記モータが動作しても元の動作開始位置に戻るようにしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明による同期モータの制御装置は、前記同期モータに設けられた位置検出用のパルス発生器と、該パルス発生器からのパルスをカウントするカウンタと、該カウンタのカウント値から加速度を算出する加速度計算部と、前記算出された加速度を受け、あらかじめ定められたアルゴリズムを実行してトルク電流指令値と電気角位相オフセットαとを出力する制御部と、特定パターンを規定する第１の関数を発生するための第１の関数発生器と、前記第１の関数と前記トルク電流指令値との乗算を行い、乗算結果をトルク指令として出力する第１の乗算器と、前記カウンタのカウント値と前記電気角位相オフセットαとを加算した信号に応じた第２の関数を発生するための第２の関数発生器と、前記トルク指令と前記第２の関数の乗算及び合成によって当該同期モータを駆動するドライバ手段とを備え、前記制御部は、前記トルク指令を１回以上印加し、その時の前記加速度計算部からの加速度を受けて、あらかじめ定められたタイミングで検出された前記加速度が０になる時の前記電気角位相オフセットαを求め、求めた電気角位相オフセットαに基づいて相特定を行い、前記特定パターンとして、サイン波に近い形状であって、該特定パターンの積分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になるような特定パターンとすることにより、前記トルク指令の印加毎に前記モータが動作しても元の動作開始位置に戻るようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記トルク指令は前記特定パターンとトルク電流指令値とで規定され、前記トルク指令が複数回印加される間に、前記トルク電流指令値が徐々に大きくされる。更に、前記特定パターンは、微分値が有限で高周波成分を含まない波形で規定される。
【００１３】
更に、前記特定パターンに含まれる周波数の主成分は、該同期モータにおける機械的共振周波数よりも低くされる。
【００１４】
更に、本発明は、前記同期モータがリニアモータであって、その可動部が静圧空気軸受で支持されている場合に好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明による同期モータの制御装置の好ましい実施の形態について説明する。図１において、三相同期ＡＣ回転モータによるサーボモータＳＭの出力軸にはパルス発生器による位置検出器１１が設けられている。位置検出器１１は、サーボモータＳＭの回転量に応じた数のパルスを発生し、位置を検出するための信号として利用される。このパルスはパルスカウンタ１２で計数される。パルスカウンタ１２のカウント値θは加速度計算部１３に送られる。加速度計算部１３は、カウント値θが電気角、言い換えれば位置を示す信号であるので、これを２回微分して加速度ａｃｃを算出する。算出された加速度ａｃｃは制御部１４に送られる。制御部１４は、後述するアルゴリズムに基づいて制御動作を実行して相検出を行う。制御部１４はまた、初期化動作においてはトルク電流指令値Ｔｒｅｆと電気角位相オフセットαとを出力する。
【００１６】
第１の関数発生器１５は、本発明の特徴である特定パターン（後述する）を規定する関数を発生する。第１の関数発生器１５からの特定パターンを規定する信号とトルク電流指令値αは第１の乗算器１６で乗算され、トルク指令が生成される。
【００１７】
一方、第２の関数発生器１７は、サイン関数を発生するものであり、加算器１８で加算されたカウント値θと電気角位相オフセットαとの加算結果（θ＋α）が入力されることにより、関数ｓｉｎ（θ＋α）と、関数ｓｉｎ｛θ＋α＋（２／３）・π｝とを生成する。関数ｓｉｎ（θ＋α）は第２の乗算器１９でトルク指令と乗算されてＵ相電流指令値が生成され、関数ｓｉｎ｛θ＋α＋（２／３）・π｝は第３の乗算器２０でトルク指令と乗算されてＶ相電流指令値が生成される。
【００１８】
サーボモータＳＭのドライバとしての電流アンプ２１は、Ｕ相電流指令値とＶ相電流指令値とを受け、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖ及びこれらを合成することでＷ相電流Ｉｗを生成すると共に増幅してサーボモータＳＭに供給する。なお、電流アンプ２１とサーボモータＳＭとの間のＵ相及びＶ相の電流値がそれぞれ変流器によって検出され、電流アンプ２１にフィードバックされている。
【００１９】
次に、図２〜図４を参照して、第１の関数発生器１５で生成される、本発明の特徴である特定パターンについて説明する。この特定パターンは、トルク指令の印加によりサーボモータＳＭを動作させた時に、サーボモータＳＭが動作しても必ず元の動作開始位置に戻るようにするためのパターンである。
【００２０】
図２は、発生推力Ｔと電気角位相オフセットαとの関係を示した図であり、ここでは電気角位相オフセットα＝πで推力が０になると仮定した時の関係を示す。
【００２１】
図３は、サイン波の組み合わせによるパターンの加速度でサーボモータＳＭが１回当たりの動作後、元の動作開始位置に戻るようにすることを考えた場合の速度（図ａ）、位置（図ｂ）、加速度（図ｃ）のパターンを示す。このパターンは、加速度について言えば、サイン波に近い形状であって２つの正極性の波形の間に、負極性の波形が２つ介在し、しかも極性を考慮した２つの正極性の波形の面積（プラスの値）と２つの負極性の波形の面積（マイナスの値）との総和が０になり、かつ速度の面積の総和も０となるパターンである。言い換えれば、この加速度パターンの２重積分値を計算した場合、その計算結果が０になるようなパターンである。このようなパターンで規定されるトルク指令を印加することにより、サーボモータＳＭが動作しても元の動作開始位置に戻るようにすることができる。
【００２２】
図４は、図３のパターンの継続時間を短くすることを考慮した場合のパターンを示す。このパターンでは、図４（ｃ）の加速度について言えば、サイン波に近い形状であって２つの正極性の波形の間に、負極性の波形が１つ介在し、しかも極性を考慮した２つの正極性の波形の面積（プラスの値）と１つの負極性の波形の面積（マイナスの値）との総和が０になるようなパターンである。つまり、このパターンは、積分値が０であり、２つの正極性の波形の面積が互いに等しく、しかも正極性の波形の最大振幅と負極性の波形の最大振幅とが絶対値において等しい。さらに、このパターンの積分値、すなわち速度成分の面積の総和も０である。
【００２３】
図４（ｃ）のパターンの場合について更に詳しく説明する。加速度パターンにおける最初の正極性の波形の面積をＳ１（電気角π）、２つ目の正極性の波形の面積をＳ４（電気角π）とし、負極性の波形の面積をＳ２（電気角π／２）、Ｓ５、Ｓ３（電気角π／２）に分割するものとする。この場合、面積Ｓ１（＝Ｓ４）は下記の数１式で与えられる。
【００２４】
【数１】

また、Ｓ２＝Ｓ３＝（Ｓ１）／２である。
【００２５】
電気角θ＝ａで速度と位置が０、つまり元の位置に戻るためには、０＜θ＜ａの区間で極性を考慮した加速度の総面積が０となる必要がある。つまり、
Ｓ１＋Ｓ４＝Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ５
である。
【００２６】
面積Ｓ５は、その部分の電気角をθｘとすると、
Ｓ５＝θｘ・Ａ
である。
【００２７】
以上の点から、下記の式が成立する。
【００２８】
θｘ・Ａ＋（Ｓ１）／２＋（Ｓ１）／２＝Ｓ１＋Ｓ１
θｘ・Ａ＝Ｓ１
θｘ・Ａ＝２Ａ
よって、図４（ｃ）の加速度パターンにおける面積Ｓ５の部分の電気角θｘはθｘ＝２であれば良いことになる。なお、θｘ＝２というのは、電気角πを３．１４とした場合に、対応する電気角が２であることを意味する。
【００２９】
そして、図４（ｃ）に示されるようなパターンと同じ特定パターンで規定されるトルク指令を印加することにより、１回当たりの動作時間を図３の場合に比べて短くできると共に、サーボモータＳＭが動作しても元の動作開始位置に戻るようにすることができる。
【００３０】
第１の関数発生器１５は、図４（ｃ）と同じようなパターン、つまり図５に示すようなパターンを特定パターンとして生成するためのものである。
【００３１】
図１の制御装置による相検出方法について図６をも参照して説明する。図６は、制御部１４においてあらかじめ定められたアルゴリズムに基づいて実行される動作のフローチャート図である。ステップ６１では第１の関数発生器１５で発生された特定パターンと制御部１４からのあるトルク電流指令値Ｔｒｅｆとで規定されるトルク指令パターンが生成され、このトルク指令パターンに基づいてサーボモータＳＭの駆動が行われる。ステップ６２では、制御部１４がトルク指令パターンにおいてあらかじめ設定したタイミング（図５にｔm で示す）で加速度ａｃｃのサンプリングを行う。制御部１４は続いて、ステップ６３において加速度ａｃｃの絶対値が正、つまりサーボモータＳＭが動いているかどうかの判別を行い、動いていればステップ６４に移行する。ステップＳ４では、トルク指令の印加が最初であるかどうかの判別を行い、最初であればステップ６１に戻る。
【００３２】
トルク指令の印加が２回目以上であればステップ６５に移行して加速度ａｃｃの符号が前回の符号と同じであるかどうかの判別を行い、同じであればステップ６６では電気角位相オフセットαを前回と同じ方向にｘだけ補正する。一方、加速度ａｃｃの符号が前回の符号と同じでなければ、ステップ６７では電気角位相オフセットαを前回と逆方向にｘだけ補正する。ステップ６８では電気角位相オフセットαの更新が行われ、ステップ６１に戻る。ステップ６８におけるＫは、０＜Ｋ＜１で与えられる。
【００３３】
ステップ６３においてサーボモータＳＭが停止していると判別された場合には、制御部１４はステップ６９でトルク電流指令値Ｔｒｅｆがあらかじめ設定された定格を越えているかどうかの判別を行い、越えていなければステップ７０でトルク電流指令値Ｔｒｅｆをあらかじめ定めた値だけ増加させ、ステップ６１に戻る。通常は、上記の動作が複数回繰り返される。
【００３４】
上記のような動作の結果、ステップ６９において、トルク電流指令値Ｔｒｅｆがあらかじめ設定された定格を越えていると判別された場合には、ステップ７１に移行し、その時の電気角位相オフセットαを位相角９０度の点とし、この電気角位相オフセットαにπ／２を加えた点を特定すべき相とする。
【００３５】
なお、上記の説明では、特定パターンが最初に正、次に負、続いて正となるパターンの場合であるが、これは逆のパターン、つまり最初に負、次に正、続いて負となるパターンでも良いことは言うまでも無い。また、図３（ｃ）に示したのと同じようなパターンあるいはその逆のパターンであっても良い。
【００３６】
また、本発明は、同期型回転モータに限らずリニアモータにも適用できる。これは、三相リニアモータは、構造的に三相同期ＡＣ回転モータと類似しており、動作原理においても三相同期ＡＣ回転モータと同じであることによる。特に、リニアモータに適用した場合、通常、リニアモータの可動部は静圧空気軸受で支持されており、摩擦が非常に小さい。この場合、従来の方式では、与えたトルク指令により可動部が大きく動いてしまう可能性があるのに対し、本発明によれば相検出開始時と検出終了時の位置変動無しで検出を行うことができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が得られる。
【００３８】
▲１▼同期モータが動作しても元の位置に戻ることができるようなトルク指令としたことにより、相検出開始時と終了時のモータ移動量をほぼゼロにすることができる。
【００３９】
▲２▼第１の関数発生器で生成される特定パターンは、微分値が有限で高周波成分を含まない波形で規定されるパターンであるので、高周波成分に起因した騒音、振動の無い、低騒音、低振動での相検出を磁極センサレスで行うことができる。加えて、特定パターンの主要周波数成分を規定できるので、これをあらかじめ同期モータにおける機械的共振周波数を避けた値、特に低い値として設定することで機械系の共振を励起することが無い。
【００４０】
▲３▼同期モータ動作の判定を加速度で行うようにしているので、フリーラン動作中にも相検出が可能である。
【００４１】
▲４▼トルク電流指令値を徐々に大きくするようにしたことにより、相検出中の同期モータ変位量を小さい量に規制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による同期モータの制御装置の構成例を示したブロック図である。
【図２】同期モータにおける発生推力Ｔと電気角位相オフセットαとの関係を示した図である。
【図３】サイン波の組み合わせによるパターンの加速度でサーボモータが１回当たりの動作後、元の動作開始位置に戻るようにすることを考えた場合の速度（ａ）、位置（ｂ）、加速度（ｃ）のパターンを示す。
【図４】図３のパターンの継続時間を短くすることを考慮した場合の速度（ａ）、位置（ｂ）、加速度（ｃ）のパターンを示す。
【図５】本発明に適用される特定パターンの一例を示した図である。
【図６】図１の制御部で実行される動作を説明するためのフローチャート図である。
【符号の説明】
ＳＭ三相同期ＡＣ回転モータによるサーボモータ
１１位置検出器
１６、１９、２０第１、第２、第３の乗算器
１８加算器

Claims

特定パターンで規定されるトルク指令を１回以上印加し、その時の同期モータの加速度を検出し、あらかじめ定められたタイミングで検出された前記加速度が０になる時の電気角位相オフセットαを求め、求められた電気角位相オフセットαに基づいて相特定を行う同期モータの相検出方法であって、
前記特定パターンとして、サイン波に近い形状であって、該特定パターンの積分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になるような特定パターンとすることにより、前記トルク指令の印加毎に前記モータが動作しても元の動作開始位置に戻るようにしたことを特徴とする同期モータの相検出方法。
請求項１記載の相検出方法において、前記トルク指令は前記特定パターンとトルク電流指令値とで規定され、前記トルク指令が複数回印加される間に、前記トルク電流指令値が徐々に大きくされることを特徴とする同期モータの相検出方法。
請求項１あるいは２記載の相検出方法において、前記特定パターンは、微分値が有限で高周波成分を含まない波形で規定されることを特徴とする同期モータの相検出方法。
請求項３記載の相検出方法において、前記特定パターンに含まれる周波数の主成分は、該同期モータにおける機械的共振周波数よりも低くされることを特徴とする同期モータの相検出方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の相検出方法において、前記同期モータはリニアモータであり、その可動部は静圧空気軸受で支持されていることを特徴とする同期モータの相検出方法。
同期モータの制御装置において、
前記同期モータに設けられた位置検出用のパルス発生器と、
該パルス発生器からのパルスをカウントするカウンタと、
該カウンタのカウント値から加速度を算出する加速度計算部と、
前記算出された加速度を受け、あらかじめ定められたアルゴリズムを実行してトルク電流指令値と電気角位相オフセットαとを出力する制御部と、
特定パターンを規定する第１の関数を発生するための第１の関数発生器と、
前記第１の関数と前記トルク電流指令値との乗算を行い、乗算結果をトルク指令として出力する第１の乗算器と、
前記カウンタのカウント値と前記電気角位相オフセットαとを加算した信号に応じた第２の関数を発生するための第２の関数発生器と、
前記トルク指令と前記第２の関数の乗算及び合成によって当該同期モータを駆動するドライバ手段とを備え、
前記制御部は、前記トルク指令を１回以上印加し、その時の前記加速度計算部からの加速度を受けて、あらかじめ定められたタイミングで検出された前記加速度が０になる時の前記電気角位相オフセットαを求め、求めた電気角位相オフセットαに基づいて相特定を行い、
前記特定パターンとして、サイン波に近い形状であって該特定パターンの積分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になるような特定パターンとすることにより、前記トルク指令の印加毎に前記モータが動作しても元の動作開始位置に戻るようにしたことを特徴とする同期モータの制御装置。
請求項６記載の制御装置において、前記トルク指令は前記特定パターンとトルク電流指令値とで規定され、前記トルク指令が複数回印加される間に、前記トルク電流指令値が徐々に大きくされることを特徴とする同期モータの制御装置。
請求項６あるいは７記載の制御装置において、前記特定パターンは、微分値が有限で高周波成分を含まない波形で規定されることを特徴とする同期モータの制御装置。
請求項８記載の制御装置において、前記特定パターンに含まれる周波数の主成分は、該同期モータにおける機械的共振周波数よりも低くされることを特徴とする同期モータの制御装置。
請求項６〜９のいずれかに記載の制御装置において、前記同期モータはリニアモータであり、その可動部は静圧空気軸受で支持されていることを特徴とする同期モータの制御装置。