JP4779262B2

JP4779262B2 - 永久磁石形同期電動機制御装置

Info

Publication number: JP4779262B2
Application number: JP2001261477A
Authority: JP
Inventors: 裕司鉄谷
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: JP2003079185A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、出力電圧の大きさ、周波数および位相を制御可能なインバータ等の電力変換器を用いて永久磁石形同期電動機のトルク制御，速度制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３に、この種の永久磁石形同期電動機制御装置の従来例を示す。
同図において、交流電源８から供給される交流電力は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）制御されるインバータ９により所定の電圧，周波数の交流電力に変換され、永久磁石形同期電動機（ＳＭ）１１を所望のトルクで運転する。１２は電動機１１によって駆動される負荷であり、１３は電動機１１の回転速度および回転子の磁極位置を検出するパルスエンコーダで、９０度位相差を持ったＡ相，Ｂ相のインクリメンタル信号と、アブソリュート信号を出力する。
【０００３】
上記同期電動機１１の制御装置において、速度設定器１は電動機１１の速度設定ωｒ♯を速度指令演算回路２に送るので、速度指令演算回路２では予め設定された加速度に従い変化して、最終的には入力された速度設定値ωｒ♯に一致するような速度指令値ωｒ＊を生成し出力する。
速度調節器３には、この速度指令値ωｒ＊と速度検出演算器１５により演算された速度検出値ωｒとの偏差が入力されており、調節動作によって上記偏差を零にするようなｑ軸電流指令ｉｑ＊を出力する。ここで、永久磁石同期電動機１１の回転子永久磁石による磁束軸と平行な軸をｄ軸、磁束軸に直交する軸をｑ軸と言う。
【０００４】
位置検出演算器１４では、パルスエンコーダ１３からの出力信号に基づき、例えば電動機１１のＵ相巻線と磁極位置とのなす角度θを演算する。座標変換器７は、電流センサ１０によって検出した電動機１１の一次電流ｉｕ，ｉｗを前記角度θに基づき次式の（１），（２）式の如き関係をもって座標変換することにより、電動機１１の一次電流をｑ軸電流検出値ｉｑおよびｄ軸電流検出値ｉｄに分解する。なお、（１），（２）式のｉｖはｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０なる関係から求められる。

【０００５】
ｑ軸電流調節器４には、ｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流検出値ｉｑとの偏差が入力され、この偏差を零にするようなｑ軸電圧指令値ｖｑ＊を生成して出力する。同様に、ｄ軸電流調節器５には、ｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｑ軸電流検出値ｉｄとの偏差が入力され、この偏差を零にするようなｄ軸電圧指令値ｖｄ＊を生成して出力する。なお、図３では電動機１１のトルク発生に寄与しないｄ軸電流（無効電流）は零として設定されている。
【０００６】
座標変換器６は、ｑ軸電圧指令値ｖｑ＊，ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊および上記角度θに基づき、下記（３）〜（５）式により座標変換を行ない、３相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を生成する。

これらの３相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊はインバータ９に与えられ、交流電源８から入力される交流電力が所定の電圧，周波数および位相を有する交流電力に変換され、電動機１１に供給されることになる。
【０００７】
次に、エンコーダ１３による磁極位置検出方法について説明する。図４はアブソリュート信号の一例を示し、６極モータの磁石位置を３ビットのアブソリュート信号で検出する例である。区間ｔａが機械角１周期分（モータ１回転分）で、区間ｔｂが電気角１周期分である。極対数は３となるので、機械角１周期に対し電気角は３周期となる。
【０００８】
図５に図３で用いられる位置検出演算器の具体例を示す。
電源投入時にはｆ０，ｆ１，ｆ２信号で決まる初期位置に、カウンタ１４４の出力はプリセットされる。テーブル１４１はｆ０，ｆ１，ｆ２信号の状態にあわせ、初期位置を出力する。ｆ０，ｆ１，ｆ２信号の状態と初期位置との関係は図４に示すように、電気角を６等分した位置で表わすことができる。例えば、ｆ０＝１，ｆ１＝０，ｆ２＝１の状態であれば０度から６０度の範囲内にあることになるので、初期位置はその中間の３０度にプリセットされる。Ａ，Ｂ相の信号を４逓倍処理，回転方向判別した結果はカウンタ１４４に入力され、回転方向に合わせてアップ，ダウンカウント処理を行なう。また、ｆ０信号と回転方向信号とをＸＯＲする（排他的論理和をとる）ことで、図４の０度の位置におけるｆ０信号のエッジを検出し、このエッジ信号によりカウンタ１４４を零クリアする。
【０００９】
図３の設定器１６には、Ｕ相巻線と磁極位置とが一致した点の図４の０度の位置における、実際の磁極位置とエンコーダ１３による検出値との差分がオフセット量として設定される。
このような補正処理を行なうことにより、エンコーダ取り付け位置を考慮した形で、電動機１１のＵ相巻線と磁極位置とのなす角度θを求めることが可能となる。
【００１０】
次に、オフセット量の調整方法について説明する。
先の（３）式におけるｖｄ＊，ｖｑ＊は次の（６），（７）式で表わすことができる。
ｖｄ＊＝Ｒ１×ｉｄ＊−ω×Ｌ×ｉｑ＊ …（６）
ｖｑ＊＝Ｒ１×ｉｑ＊＋ω×Ｌ×ｉｄ＋ωΦ …（７）
ここで、ｉｄ＊＝０として制御している。また、モータを無負荷運転した場合には、ｉｑ＊＝０となり、上記（６），（７）および（３）式は、次式のようになる。
【００１１】
ｖｄ＊＝０ …（６）’
ｖｑ＊＝ωΦ …（７）’
ｖｕ＊＝ｓｉｎθ×ｖｑ＊＝ｓｉｎθ×ωΦ …（３）’
そこで、これらの関係式を利用してモータを無負荷運転し、電圧センサ１７で検出したｖｕと、演算器１４を介して得たθをアナログ信号で出力し、ｖｕとθの関係をオシロスコープ等の測定器で観測し、設定器１６にセットするオフセット量を手動調節する。オフセット調節を行なった後のｖｕとθの関係を、図６に示す。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法では、下記のような問題がある。
１）オフセット量が真値に対し±９０度以上ずれていると、指令トルクと逆極性のトルクをモータが発生し、速度制御ができなくなる。
２）オシロスコープ等の測定器を必要とする。
したがって、この発明の課題は、特別な測定器等を必要とすることなく、オフセット量の調節を可能とすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、永久磁石形同期電動機に取り付けられたエンコーダの出力信号から、電動機の所定相巻線と磁極位置とのなす角度を位置検出演算器により求め、この検出した角度と電動機電流検出値とから電動機電流を磁束軸成分とこれに直交する直交軸成分とに分けて、電動機の出力電圧の大きさ，周波数および位相の制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置において、
前記位置検出演算器による磁極位置検出値と電動機電圧検出センサにより検出した電動機の所定相巻線電圧とから、電動機巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出力信号との差分をオフセット量として調節演算するオフセット調節器を設け、永久磁石形同期電動機制御装置をオフライン状態にして電動機の運転を開始し、前記エンコーダ出力信号から求めた速度検出値と速度指令値の極性から粗調整した後に前記オフセット量を求め、求めたオフセット量を以後のオンライン運転時に用いて電動機を制御することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図、図２は図１のチューニング動作を説明するフローチャートである。
図１に示すように、構成的には図３に示す従来例に対しオフセット調節器１９を設けた点が特徴である。このオフセット調節器１９には電圧センサ１７からのＵ相巻線電圧検出値ｖｕと、位置検出演算器１４からの出力であるＵ相巻線と磁極位置とがなす角度θと、速度検出演算器１５を介して得られる速度検出値ωｒと、速度指令演算回路２の出力である速度指令値ωｒ＊とが入力される。
【００１５】
オフセット調節器１９はこれらの入力のうち、特に検出値ｖｕとθとの関係からオフセット値を求める。すなわち、オフセットがない場合はｖｕとθとの間には先の図６に示すような関係にあるが、オフセットがあると図６のような関係が崩れるので、例えば電圧検出値ｖｕの正から負の零クロス点が１８０度からどれだけずれているかを検出することで、オフセット値を求めることができる。
また、オフセット調節器１９はωｒやωｒ＊を利用して、チューニング速度指令値ωｒ＃’を求め、図２のようなチューニング動作を行なう。
【００１６】
図２のステップ▲１▼でチューニング動作を開始すると、まずステップ▲２▼で、指令または設定値ωｒ＃’を１００％速度とする。これは最大値とすることで検出を容易にするためである。次のステップ▲３▼，▲４▼で逆極性のトルクを出力したりしないような操作（粗調整）をした後、次のステップ▲５▼でオフセット値を求め、以後はωｒ＃’を０％速度にして停止させ、チューニング動作を終了するものである（ステップ▲６▼，▲７▼参照）。なお、オフセット調節器１９で求めたオフセット値は、メモリを含む設定器１６にセットされ、以後はこれを用いて永久磁石形同期電動機の制御がオンラインで行なわれることになる。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、特別な測定器等を用いることなく、永久磁石形同期電動機の磁極位置検出用に取り付けられるエンコーダの検出オフセット量の調整を、自動で容易に行なうことが可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図２】この発明の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】従来例を示す構成図である。
【図４】図３のエンコーダによる磁極位置検出方法の説明図である。
【図５】図３における位置検出演算器の具体例を示すブロック図である。
【図６】図３でオフセット調整した後の所定相電圧と角度との関係説明図である。
【符号の説明】
１…速度設定器、２…速度指令演算回路、３…速度調節器、４…ｑ軸電流調節器、５…ｄ軸電流調節器、６，７…座標変換器、８…交流電源、９…インバータ、１０…電流センサ、１１…永久磁石形同期電動機（ＳＭ）、１２…負荷、１３…エンコーダ、１４…位置検出演算器、１５…速度検出演算器、１６…設定器（オフセット設定器）、１７…電圧センサ、１８…オシロスコープ、１９…オフセット調節器、１４１…テーブル、１４２…４逓倍器、１４３…回転方向検出器、１４４…カウンタ、１４５…補正回路。

Claims

永久磁石形同期電動機に取り付けられたエンコーダの出力信号から、電動機の所定相巻線と磁極位置とのなす角度を位置検出演算器により求め、この検出した角度と電動機電流検出値とから電動機電流を磁束軸成分とこれに直交する直交軸成分とに分けて、電動機の出力電圧の大きさ，周波数および位相の制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置において、
前記位置検出演算器による磁極位置検出値と電動機電圧検出センサにより検出した電動機の所定相巻線電圧とから、電動機巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出力信号との差分をオフセット量として調節演算するオフセット調節器を設け、永久磁石形同期電動機制御装置をオフライン状態にして電動機の運転を開始し、前記エンコーダ出力信号から求めた速度検出値と速度指令値の極性から粗調整した後に前記オフセット量を求め、求めたオフセット量を以後のオンライン運転時に用いて電動機を制御することを特徴とする永久磁石形同期電動機制御装置。