JP4894125B2 - 永久磁石同期電動機の位置決め方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、特に、位置・速度検出器を使用しない速度制御との間で制御モード切換えを伴う制御系に活用できる位置決め方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
速度制御、位置決め等のモードの異なった制御を動作領域に応じて切換え利用するモード切換え形制御は、広範な動作領域で制御性能を追求するメカトロ機器において、広く採用されている。スピンドルの先端に装着する工具の自動着脱が不可欠な自動工作機械はこの好例であり、電動機の駆動制御においては、速度制御を主眼としながらも、停止を含む低速領域では位置決めへの切換え制御が行われている。この場合の位置決めには、回転子位置を検出する位置検出器が基本的に必要であり、一般に、高速の速度制御にも利用し得る粗い分解能の回転子位置検出器（エンコーダ等）が回転子に装着・利用されている。
【０００３】
図１０は、スピンドル駆動制御を例に、最近利用が増えている、永久磁石同期電動機に回転子位置検出器を装着しベクトル制御方法を適用した例を、制御方法を装置化し全体構成を概略的にブロック図で示したものである。１は永久磁石同期電動機を、２は回転子位置検出器を、３は電力変換器を、４は電流検出器を、５ａ、５ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、６ａ、６ｂは共にベクトル回転器を、７は余弦正弦信号発生器を、８は電流制御器を、９は速度制御器を、１０は速度検出器を、１１は位置制御器を示している。このときの速度制御と位置決めとは、モード切換え形となっている。なお、本図では、簡明性を確保すべく、本発明と関係の深い２行１列（以下、２ｘ１と略記）のベクトル信号を１本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。
【０００４】
本制御系は、モード切換えスイッチＳＷ１をＳ側（速度制御側）オン、Ｐ側（位置決め側）オフとすることにより、速度制御モード（以下、Ｓモードと略記）に入る。Ｓモード時には、速度指令が速度制御系に直接印加され、制御系は位置制御器の影響を一切受けない。速度制御器は、速度指令と応答速度の偏差に従がい速度を制御する。このときの回転子速度情報としては、通常、エンコーダ等の回転子位置検出器による位置信号を速度検出器により差分（近似微分）処理して得たものが使用されている。
【０００５】
位置決めを行う場合には、ゼロ速近傍でモード切換えスイッチＳＷ１をＰ側オン、Ｓ側オフにし、位置決めモード（以下、Ｐモードと略記）に入る。位置制御器は、回転子位置指令θ＊と応答位置θとの偏差Δθ＝θ＊−θに従がい、位置θを制御する。位置決め系が安定な場合には、回転子位置検出器による位置検出精度、系のサーボ剛性等に応じ、位置偏差Δθを小さく保持できる。
【０００６】
ベクトル制御による従来の駆動制御法においては、図１において既に明示しているように、Ｓモード、Ｐモードのいずれにおいても、ｄ軸電流を非正に制御すべく、同指令
である。
【０００７】
なお、一般に、スピンドルのように高速回転時の性能を重視する用途の永久磁石同期電動機としては１極対数（２極）のものが、これに装着されるエンコーダ等の回転子位置検出器としては数百〜千（ｐ／ｒ）程度の粗い分解能のものが採用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石同期電動機のための従来の駆動制御法を活用するには、上記代表例で説明したように、回転子位置を検出するための回転子位置検出器が必要不可欠である。しかし、エンコーダ等の回転子位置検出器の回転子装着は、以下のような課題を不可避的に発生してきた。
【０００９】
第１課題が、電動機システムの信頼性の低下である。エンコーダ等の回転子位置検出器は、電動機本体と比較するならば、その機械的頑健性は著しく低い。すなわち、回転子位置検出器の装着により、電動機システムとしての機械的信頼性を著しく低下させている。回転子位置検出器の装着に起因する電動機システムの頑健性低下は、機械的側面のみならず、回転子位置検出器信号への電源ノイズの混入に見られる電気的側面、更には回転子発熱に遠因する回転子位置検出器の温度上昇に見られる熱的側面においても同様に発生している。このように、エンコーダ等の回転子位置検出器を電動機回転子に装着することにより、電動機システムの信頼性を甚だしく低下させてきた。
【００１０】
第２課題が、電動機スペースの増大である。電動機単体での容積にも依存するが、回転子位置検出器を回転子に装着することにより、電動機の軸方向への容積が数パーセントから数十パーセント増大する。
【００１１】
第３課題が、回転子位置検出器動作用の電源線、検出信号を受けるための信号線の配線と配線のためのスペースの確保である。当然のことながら、回転子位置検出器を動作させ、これから回転子の位置情報を得るには、このための配線が必要である。しかも、信号線と言えども、上述の機械的・電気的・熱的信頼性の低下を極力回避すべく、電動機本体を駆動するための電力線並みに頑健につくることが一般に要求される。結果的には、電動機１機につき本来の電力線とほぼ同等なサイズの信号線の配線、更にはこのためのスペースが必要となる。
【００１２】
第４課題が、各種コストの増大である。小形電動機においては、製造時において既に回転子位置検出器のコストが電動機本体より高くなることさえある。回転子位置検出器に付随した配線のコストも、小形電動機では無視できない。更には、信頼性の低下に対応するための保守コストの増大も必然的に発生する。こうした各種コストは、電動機の使用個数に応じ、増大する。特に保守コストは個数に応じて指数的に増大する特性をもつ。
【００１３】
一層の高速化が求められている位置決め機能付きスピンドル系等においては、第１課題における機械的信頼性が特に問題となっている。高速化に応じ、より頑健な粗い分解能の回転子位置検出器を採用してはいるが、検出系の総合的信頼性確保のため、高速化を制限せざるを得ないのが実状である。第１課題を含む上記４課題は回転子位置検出器に直接あるいは間接的に起因したものである。したがって、回転子位置検出器を必要としない所謂センサレス制御方法が確立されれば、必然的に解決される。センサレスベクトル制御方法に関しては、トルク制御モード、Ｓモードで利用可能な種々の方法が近年確立されつつある。ごく最近の成果としては、次の文献（１）
（１）Ｓ．Ｓｈｉｎｎａｋａ：“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｍｏｎｏｔｏｎｏｕｓｌｙ−Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ−Ｒｅｇｉｏｎ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ”，Ｔｒａｎｓ．ｏｆ ＩＥＥＪａｐａｎ，１２０−Ｄ，１１，ｐｐ．１３６９−１３７５（２０００）及び平成１３年電気学会産業応用部門大会講演論文集（講演期間：平成１３年８月２２日〜２４日）、第３巻、Ｒ１４電動機制御２（ＰＭ電動機センサレス）に報告された１０件がある。しかし残念ながら、これらを含む従来のセンサレスベクトル制御方法はＰモードの利用を想定しおらず、これに使用できるものではない。
【００１４】
本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、永久磁石同期電動機のためのエンコーダ等の回転子位置検出器を必要としない位置決め方法を、特に、位置・速度検出器を使用しない速度制御との間で制御モード切換えを伴う制御系に活用できる位置決め方法を新規に提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明による位置決め方法は、回転子位置決めのために永久磁石同期電動機へ印加すべき固定子電圧を、２軸直交固定座標系上の電圧ベクトルとして捕らえ、該電圧ベクトルの２成分を、回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させて発生することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、該電圧ベクトルの発生・印加を担う電力変換器への電圧指令ベクトルの２成分を、該回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、該電圧ベクトルを発生・印加するためのフィードバック電流制御系を構成し、該電流制御系の該座標系上での電流指令ベクトルの２成分を、該回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１、請求項２及び請求項３記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、該電圧ベクトルの発生・印加すべき時期を、回転子速度の推定値が予め定めた値内に収まること、回転子位置と該回転子位置指令との偏差の推定値が予め定めた値内に収まることの少なくともいずれか１つを条件として、決定することを特徴とする。
【００１９】
次に本発明の作用について説明する。ここで考える永久磁石同期電動機としては、図１０において従来制御方法の説明に際し利用した１極対数の電動機とする。図１に示したように、ｕ、ｖ、ｗ相の固定子巻線（＋側）の中心を各相軸とする場合、基軸α軸（＋側）をｕ相軸（＋側）に、これと直交するβ軸（＋側）を副軸（＋側）に選定した２軸直交固定座標系を考える。本座標系では、基軸から副軸の方向を正方向とする。また、回転子永久磁石のＮ極が、ある瞬時、基軸に対しその中心を角度θをもって位置しているものとし、この位置θを回転子位置とする。上記の定義は、電動機の駆動制御に関し従来より広く採用されているものである。なお、以降で定義する２成分からなる２ｘ１ベクトル信号は、特に断らない限り本座標系上で定義されているものとする。
【００２０】
電動機固定子に鎖交する磁束φ１（２ｘ１ベクトル）は、空隙磁束分布が正弦波的であるとする場合には、２ｘ２鏡行列Ｑ（θ）１個を用い（１）〜（６）式のようにモデル化することができる。
＜同期電動機の磁束数学モデル＞
【数１】
【数２】
【数３】
【数４】
【数５】
ここに、記号ｓは微分演算子を、ｉ１は固定子の電流ベクトル（２ｘ１ベクトル）を、Φは回転子永久磁石による磁束強度を、ω２ｍは回転子の角速度を示している。
また、インダクタンスＬａ，Ｌｂは、いわゆるｄｑインダクタンスＬｄ，Ｌｑと（６）式の関係を有している。
【数６】
【００２１】
永久磁石同期電動機の電気磁気的動特性は、状態量のダイナミックスを記述した回路方程式、トルク発生の関係を記述したトルク発生式、エネギー伝達の関係を記述したエネギー伝達式の、整合性のとれた３基本式により表現することができる。これは、上の磁束モデルを考慮すると、次の（７）〜（８）式で与えられる。
＜同期電動機（電磁系）の数学モデル＞
回路方程式（第１基本式）
【数７】
トルク発生式（第２基本式）
【数８】
エネルギー伝達式（第３基本式）
【数９】
ここに、ν１は電動機に印加された固定子の電圧ベクトル（２ｘ１ベクトル）、Ｒ１は固定子抵抗、τは回転子発生トルク、Ｊは次の交代行列である。
【数１０】
【００２２】
減速・停止あるいは加速の動作に入った永久磁石同期電動機の機械的ダイナミックス（以下、機械的観点からの本系を機械系と略記）は、主たる抗力を摩擦力とした次の１次式でモデル化することができる。
＜同期電動機（機械系）の数学モデル＞
【数１１】
ここに、Ｊｍ，Ｆ，Ｄは、電動機内発生のトルクτにより駆動される機械系の慣性モーメント、トルクに抗するクーロン摩擦及び粘性摩擦係数である。
【００２３】
請求項１による本発明は、上記数学モデルを用いて明示した電動機自体の特性を活用したものであり、回転子を静止させたい位置（すなわち、位置決めにおける回転子位置指令）をθ＊とし、この余弦値、正弦値からなる２ｘ１単位ベクトルｕ（・）を（１２）式のように定義すると、
【数１２】
Ｐモードにおいて電圧ベクトルν１を回転子位置指令θ＊を用い以下のように制御しようとするものである。
【数１３】
【００２４】
回転子が停止あるいはこれに準ずる低速で回転している状態では、次の関係が成立するので、
【数１４】
第１基本式より次式が成立する。
【数１５】
（１３）、（１５）式は、実質的に次式を意味する。
【数１６】
固定子の電流ベクトルｉ１が（１６）式の状態にある場合には、数学モデル第２基本式たるトルク発生式より、次の関係が成立する。
【数１７】
ここに、Δθは次式で定義された位置偏差である。
【数１８】
【００２５】
（１７）式により表現されたトルク発生特性を、参考までに、以下の条件下で図２に示す。
【数１９】
【００２６】
（１７）式及び図２より理解されるように、位置偏差と発生トルクの間には、一般に以下の関係が成立する。
【数２０】
（２０）式の関係は、従来の回転子位置検出器を用いた位置決め系の関係と基本的に同一であり（図１０参照）、位置θにある回転子を回転子位置指令θ＊へ向かわせるようにトルクτが発生することを意味する。
【００２７】
この回転子を指令位置の近傍に保持できるか否かは、サーボ剛性に大きく依存する。本発明による位置決め系は、次のサーボ剛性Ｋｓを有する。
【数２１】
（２１）式により表現されたサーボ剛性特性を、（１９）式の条件で、図３に示す。同図は、上より順次Ｒφ＝０，−０．０５，−０．１，−０．１３の特性を示している。これより、次の（２２）式の範囲においては、位置偏差ゼロΔθ＝０点で単峰をもつサーボ剛性が得られることが分かる。
【数２２】
単峰特性のサーボ剛性は、本発明の位置決め法によれば、回転子を指令位置近傍に保持できる、ひいては所期の位置決めが可能であることを意味している。
【００２８】
応用に即した所望の剛性を確保するには、（２１）式が示すように電流レベルを、ひいては（１５）、（１６）式が示すように電圧レベルを調整すればよい。以上の説明より既に明白なように、請求項１の発明によれば、電動機元来の電磁的特性により、位置検出器を用いることなく、いわゆるセンサレスで、回転子位置決めを行うことができると言う作用が得られる。
【００２９】
次に本発明の請求項２の作用について説明する。請求項２の発明は、Ｐモード時の回転子位置指令θ＊に応じた電圧ベクトルν１の発生・印加は、（１３）式に
イードフォワード的に印加することを求めるものである。
【数２３】
電力変換器が指令通りの電圧を発生し得る場合には、（２３）式により、（１３）式に示したＰモード所要の電圧の発生・印加が問題なく実現できる。すなわち、請求項２の発明によれば、適切な電力変換器を通じて、請求項１の作用に関して説明した回転子位置決め所要の電圧を平易に発生・印加できると言う作用が得られる。
【００３０】
次に本発明の請求項３の作用について説明する。請求項３の発明は、Ｐモード時の回転子位置指令θ＊に応じた電圧ベクトルν１の発生・印加のためのフィード
以下のように生成しようとするものである。
【数２４】
力変換器が必ずしも指令通りの電圧を発生し得ない状況においても、フィードバック電流制御系の作用により、Ｐモードのための（１６）式の電流関係、（１３）式の電圧関係が確保される。以上の説明より既に明白なように、請求項３の発明によれば、電力変換器が必ずしも理想的な応答をしない場合にも、請求項１の作用に関して説明した回転子位置決め所要の電圧を発生・印加できると言う作用が得られる。
【００３１】
次に本発明の請求項４の作用について説明する。請求項４の発明は、減速時のＳモード等のＰモード以外のモードからＰモードへの切換えタイミングを指定するルールを示したものである。ＳモードからＰモードへ切換えの例を用いてその作用を説明する。本発明の切換え条件を具体化した次式を考える。
【数２５】
る位置偏差の推定値である。すなわち、
【数２６】
また、ωｓｐ，Δθｓｐは設計者に選定が委ねられた設計パラメータである。
【００３２】
（２５ａ）式を満足している状態では、ωｓｐを適切に小さく選定してしておけば、十分に減速した状態でＰモードへ入ることができ、本モードでは迅速な位置整定が可能となる。一方で、（２５ｂ）式における設計パメータΔθｓｐをπ／２以下に選定する場合には、図２に示した位置決めトルク発生の線形性の高い領域を、また、図３に示したサーボ剛性の高い領域を、Ｐモード切換え直後から利用することになり、振動の少ない整定特性が期待できる。以上の説明より既に明白なように、請求項４の発明によれば、Ｐモードでは、迅速な、振動の少ない位置整定が可能となると言う作用が得られ、ひいては請求項１、請求項２及び請求項３による作用の有用性を更に高めることができるようになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の位置決め法の実施形態例として、これを活用したＰモード時の位置決め系の基本構造を図４に示す。図１０を用いて説明した従来の位置決め法による構造に対する、本構造の基本的な違いは、回転子位置検出器２が撤去され、更にはこれを利用したフィードバック位置決めループが存在しない点にある。同一機器番号を付してある機器に関しては、基本的には図１０に示した従来制御法に基づくものと同一であり、その動作原理も従来法と同一である。Ｐモード時の構成であるので、速度制御関連の機器は明示していない。新たに追加した機器は、余弦正弦信号発生器１２である。これは余弦正弦信号発生器７と同一のものである。
【００３４】
図４の実施形態例では、Ｐモードのためのフィードバック電流制御系の構成に際し、位置決め系の構成自由度を確保すべく、回転子位置指令θ＊を次のように２種の回転子位
【数２７】
本実施形態例で示した構造の妥当性は以下のように説明される。（２７）式を電流指令
【数２８】
ただし、
【数２９】
【数３０】
分して与えることができることが明らかである。図４の構造は、（２８）式の関係を具体化したものである。
【００３５】
当然のことながら、回転子位置指令θ＊を次の（３１）、（３２）式のように指定よい。
【数３１】
【数３２】
【００３６】
反対に、回転子位置指令θ＊を次の（３３）〜（３６）式のように指定よい。
【数３３】
【数３４】
ただし、
【数３５】
【数３６】
【００３７】
次に、本発明の効果ひいては有用性を確認すべく遂行した実験の１例を示す。供試電動機は、高速回転用の多摩川精機（株）製３１０（Ｗ）、１極対数、円筒形同期電動機（ＴＳ４２０１）である。本電動機の特性概要を表１に示す。
【表１】
【００３８】
本電動機には分解能２５６（ｐ／ｒ）のエンコーダが装着されているが、制御にはもちろん使用していない。これは、計測システム側でエンコーダパルスを４逓倍した後、回転子位置計測に利用した。従って、計測精度は、
２π／１０２４＝０．００６１３（ｒａｄ／ｐ）、０．３５２（ｄｅｇｒｅｅ／ｐ）である。供試電動機回転子には被回転物の慣性モーメント代用として円盤を装着した。
【００３９】
１）＜定常特性１（サーボ剛性と繰返し精密度）＞
本発明の請求項１、請求項２及び請求項３の作用に関連して説明したサーボ剛性特性を実験的に確認すべく、図４の制御系を構成した上で、回転子位置指令
で変化させ、応答の繰返し精密度を調べた。Ｌｂ＝０の本供試機においては、サーボ剛性は（２１）式が示すように固定子の電流ベクトルの大きさ‖ｉ１‖に比例する。
に比例する。繰返し精密度は位置偏差Δθの分散σで評価した。
【００４０】
り、位置偏差分散は検出精度内（１パルス相当の変動）にほぼ収斂していることが確認される。これは、同一位置に整定する繰返し精密度は測定可能な０．００６（ｒａｄ）＝０．４（ｄｅｇｒｅｅ）＝１パルス以内に実質的に収まっていることを、ひいては所要のサーボ剛性が得られていることを意味している。なお、表１に示したように、本電動機の定格電流は４．１（Ａ，ｒｍｓ）である。これは、３相２相変換後の等価電流では、７．１（Ａ、ＤＣ）に相当する。
【００４１】
２）＜定常特性２（機器依存性と正確度）＞
本発明の請求項３の作用に関連して説明した３相電力発生を担う電力変換器の特性不均一性、電動機自体の機械的不均一性など、電動機の数学モデル上で考慮されていない諸要素による位置決めへの影響とその抑圧性、特に正確度への影響
＋７０（ｄｅｇｒｅｅ）の間で変化させ、応答位置θを調べた。正確度は、回転子位置指令θ＊
【００４２】
ｕ相 巻線（＋）中心（０（ｒａｄ）＝０ （ｄｅｇｒｅｅ））及びｖ相巻線（−）中心（−１．０５（ｒａｄ）＝−６０（ｄｅｇｒｅｅ））では、偏差平均はほぼゼロであったが、ｗ相巻線（−）中心近傍（１．０５（ｒａｄ）＝６０（ｄｅｇｒｅｅ））では、最大約−０．０２４（ｒａｄ）＝（−１．４（ｄｅｇｒｅｅ））を確認した。これは、電動機巻線位置の正確度に主に起因した電動機固有のものと思われる。この空間領域（停止すべき位置領域）では図５に示した繰返し精密度を確保できるので、必要ならば、補正特性を事前に用意することにより補正を行うことができる。
【００４３】
本偏差平均特性で特色的な点は、θ＊＝±０．５２（ｒａｄ）（±３０（ｄｅｇｒｅｅ））前後での極性反転である。この空間領域は、巻線位置に基づくｖ軸、ｗ軸に直交する領域に当たる（後説明の図７参照）。本領域は、３相電圧発生のための電力変換器スイチングパタンが不連続に変化する特異領域でもある。３相電流の視点から見るならば、電流の極性が変化する特異領域でもある。偏差平均の極性反転はこの特異領域で発生している。
【００４４】
図６では全空間領域の約１／３を表示したが、他の空間領域でも同様な特性が確認されている。すなわち、電力変換器スイチングの影響を受けやすい特異領域は、実験的には、次の角度±０．５２，±１．５７，±２．６２（ｒａｄ）（±３０，±９０，±１５０（ｄｅｇｒｅｅ））前後の概ね±０．０５（ｒａｄ）＝±３（ｄｅｇｒｅｅ）であった。図７にこの特異領域を示した。電力変換器特性の影響を受けやすい全空間領域の約１０％に当たる本領域は、位置決め位置としては利用しない方がよい。この制限空間領域は幸いにも全空間領域のわずか１０％であるので位置決め位置の選定には実際的な影響を与えないこと、更には、９０％は安定的に繰返し精密度が確保できること、ひいては全般的には請求項３による本発明の効果は大であることを指摘しておく。
【００４５】
図８は、本発明の第２実施形態例のための制御系の構成図である。本実施形態例は、ＰモードとＳモードのモード切換え制御を行う実施形態例となっている。本例では、Ｐモード時の位置決め系の構成としては、回転子位置指令θ＊を
【００４６】
図８では、Ｓモードのために、位置・速度検出器を用いないセンサレスベクトル制御法による速度制御系も合わせて構成している。センサレスベクトル制御法による速度制御系の構成法としては、従来より種々の方法が提案されており、ここではその１つである文献（１）のものを活用した。図８における電源角周波数生成器１３がこのための機器である。電源角周波数生成器１３は、電圧、電流情報を得てこれから所要の電源角周波数を生成し出力している。極対数１同期電動機を対象した本例では、電源角周波数は
に通して得ている。
【００４７】
図８では、Ｓモードでは切替ＳＷ１、２は共にＳ側がオン、Ｐ側がオフであり、Ｐモードの影響を受けないようになっている。一方、ＰモードではＳＷ１、２は共にＳ側がオフ、Ｐ側がオンであり、Ｓモードの影響を受けないようになってい
このｄ軸電流指令の極性は、図１０に示した従来法と真反対である点を指摘しておく。
【００４８】
３）＜過渡特性＞
本発明の請求項４の作用に関連して説明したモード切換えの特性を確認すべく行った実験結果の１例を示す。実験には、前述の供試電動機に対し図８の制御系を構成し、速度指令、回転子位置指令として各々以下を用意した。
【数３７】
【数３８】
ＳモードからＰモードへの切換え時期を決定する（２５ａ）、（２５ｂ）式は併用して活用するものとし、このための設計パラメータは、次のように選定した。
【数３９】
【数４０】
（２５ａ）式のための速度推定値としては、電源角周波数発生器１３の出力信号を活用することも可能であるが、これと同等の速度指令を活用した。位置偏差の
必要である。これは、既に説明したように、積分器１４の出力信号として利用可能である。また、Ｐモード時のｄ軸電流指令は、定格電流の約２５％である次式とした。すなわち、
【数４１】
なお、ＰモードからＳモードのモード切換えは、本実験に関しては次式を条件とした。
【数４２】
【００４９】
図９に典型的な応答例を示す。図中にタイムスケール０．２（ｓ）を明示した。同図の上部は、速度指令と同応答（位相が進んでいる方が指令）、下部は速度応答に対応した位置応答を示している。高速回転時の位置応答は、一見±π（ｒａｄ）に到達しないで折り返しているように見えるが、これは単なる表示上の問題に過ぎない。すなわち、離散時間的なサンプリングを活用した表示における、サンプリング周波数以上の急激な位置変動によるものである。同一方向への位置変化は、対応の速度応答より明らかである。
【００５０】
同図では、ＳモードからＰモードへ切換わった点をＰ点で、また、ＰモードからＳモードへ切換わった点をＳ点で表示している。図より明らかなように、Ｐ点直後で回転子は指令位置θ＊＝０へ向けて加速され、指令位置を通過後すなわちオーバーシュートを起した後、振動を起すことなく指令位置へ一気に整定している。減速の速度指令に依存しないＰ点直後の加速は、Ｐモードに入り電流制御系が速度指令と何らの関係ない電流指令を受けたことによる。応答は繰返し安定的に達成されており、回転子位置検出器を利用した応答に匹敵する良好なものである。ひいては、本発明の請求項４による作用及び同効果の有用性を示すものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明より明白なように、本発明は以下の効果を奏する。特に、請求項１の本発明によれば、電動機元来の電磁的特性により、回転子位置決めを行うことができると言う作用が得られ、この結果、回転子位置検出器を必要としない位置決め制御系の構成が可能となると言う効果が得られる。ひいては、回転子位置検出器に付随して発生した種々の課題を解決できるという効果が得られる。
【００５２】
請求項２の本発明によれば、適切な電力変換器を通じて、回転子位置決め所要の電圧を平易に発生・印加できると言う作用が得られ、この結果、請求項１の効果を平易に達成できると言う効果が得られる。
【００５３】
請求項３の本発明によれば、電力変換器が必ずしも理想的な応答をしない場合にも、回転子位置決め所要の電圧を発生・印加できると言う作用が得られ、この結果、請求項１の効果を通常の電力変換器を通じて達成できると言う効果が得られる。
【００５４】
Ｐモード以外のモードからＰモードへの切換えタイミングを指定するルールを示した請求項４の本発明によれば、Ｐモードでは、迅速な、振動の少ない位置整定が可能となると言う作用が得られ、この結果、請求項１、請求項２及び請求項３による効果を一層有用なものとすることができると言う効果が得られる。
【００５５】
以上述べた本発明による効果は、実施形態例に関連して既に説明したように、実験的に確認されている。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】３相３軸座標系と２軸直交固定座標系と回転子位置（Ｎ極位置）との関係を示す図。
【図２】電動機自体による、位置偏差に対する発生トルク特性を示す図。
【図３】電動機自体によるサーボ剛性の特性を示す図。
【図４】１実施形態例における位置決め装置の基本構成を示すブロック図。
【図５】電流指令に対する繰返し精密度の１特性例を示す図。
【図６】位置指令に対する繰返し正確度の１特性例を示す図。
【図７】位置指令の回避が望まれる空間領域を示す図。
【図８】Ｓモードとのモード切換えが可能な１実施形態例における位置決め装置の基本構成を示すブロック図。
【図９】ＳモードからＰモード突入時の過渡応答例を示す図。
【図１０】従来のＰモード・Ｓモードのモード切換え形制御装置の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１ 永久磁石同期電動機
２ 回転子位置検出器
３ 電力変換器
４ 電流検出器
５ａ ３相２相変換器
５ｂ ２相３相変換器
６ａ ベクトル回転器
６ｂ ベクトル回転器
７ 余弦正弦信号発生器
８ 電流制御器
９ 速度制御器
１０ 速度検出器
１１ 位置制御器
１２ 余弦正弦信号発生器
１３ 電源角周波数発生器
１４ 積分器
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、特に、位置・速度検出器を使用しない速度制御との間で制御モード切換えを伴う制御系に活用できる位置決め方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
速度制御、位置決め等のモードの異なった制御を動作領域に応じて切換え利用するモード切換え形制御は、広範な動作領域で制御性能を追求するメカトロ機器において、広く採用されている。スピンドルの先端に装着する工具の自動着脱が不可欠な自動工作機械はこの好例であり、電動機の駆動制御においては、速度制御を主眼としながらも、停止を含む低速領域では位置決めへの切換え制御が行われている。この場合の位置決めには、回転子位置を検出する位置検出器が基本的に必要であり、一般に、高速の速度制御にも利用し得る粗い分解能の回転子位置検出器（エンコーダ等）が回転子に装着・利用されている。
【０００３】
図１０は、スピンドル駆動制御を例に、最近利用が増えている、永久磁石同期電動機に回転子位置検出器を装着しベクトル制御方法を適用した例を、制御方法を装置化し全体構成を概略的にブロック図で示したものである。１は永久磁石同期電動機を、２は回転子位置検出器を、３は電力変換器を、４は電流検出器を、５ａ、５ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、６ａ、６ｂは共にベクトル回転器を、７は余弦正弦信号発生器を、８は電流制御器を、９は速度制御器を、１０は速度検出器を、１１は位置制御器を示している。このときの速度制御と位置決めとは、モード切換え形となっている。なお、本図では、簡明性を確保すべく、本発明と関係の深い２行１列（以下、２ｘ１と略記）のベクトル信号を１本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。
【０００４】
本制御系は、モード切換えスイッチＳＷ１をＳ側（速度制御側）オン、Ｐ側（位置決め側）オフとすることにより、速度制御モード（以下、Ｓモードと略記）に入る。Ｓモード時には、速度指令が速度制御系に直接印加され、制御系は位置制御器の影響を一切受けない。速度制御器は、速度指令と応答速度の偏差に従がい速度を制御する。このときの回転子速度情報としては、通常、エンコーダ等の回転子位置検出器による位置信号を速度検出器により差分（近似微分）処理して得たものが使用されている。
【０００５】
位置決めを行う場合には、ゼロ速近傍でモード切換えスイッチＳＷ１をＰ側オン、Ｓ側オフにし、位置決めモード（以下、Ｐモードと略記）に入る。位置制御器は、回転子位置指令θ＊と応答位置θとの偏差Δθ＝θ＊−θに従がい、位置θを制御する。位置決め系が安定な場合には、回転子位置検出器による位置検出精度、系のサーボ剛性等に応じ、位置偏差Δθを小さく保持できる。
【０００６】
ベクトル制御による従来の駆動制御法においては、図１において既に明示しているように、Ｓモード、Ｐモードのいずれにおいても、ｄ軸電流を非正に制御すべく、同指令
【０００７】
なお、一般に、スピンドルのように高速回転時の性能を重視する用途の永久磁石同期電動機としては１極対数（２極）のものが、これに装着されるエンコーダ等の回転子位置検出器としては数百〜千（ｐ／ｒ）程度の粗い分解能のものが採用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石同期電動機のための従来の駆動制御法を活用するには、上記代表例で説明したように、回転子位置を検出するための回転子位置検出器が必要不可欠である。しかし、エンコーダ等の回転子位置検出器の回転子装着は、以下のような課題を不可避的に発生してきた。
【０００９】
第１課題が、電動機システムの信頼性の低下である。エンコーダ等の回転子位置検出器は、電動機本体と比較するならば、その機械的頑健性は著しく低い。すなわち、回転子位置検出器の装着により、電動機システムとしての機械的信頼性を著しく低下させている。回転子位置検出器の装着に起因する電動機システムの頑健性低下は、機械的側面のみならず、回転子位置検出器信号への電源ノイズの混入に見られる電気的側面、更には回転子発熱に遠因する回転子位置検出器の温度上昇に見られる熱的側面においても同様に発生している。このように、エンコーダ等の回転子位置検出器を電動機回転子に装着することにより、電動機システムの信頼性を甚だしく低下させてきた。
【００１０】
第２課題が、電動機スペースの増大である。電動機単体での容積にも依存するが、回転子位置検出器を回転子に装着することにより、電動機の軸方向への容積が数パーセントから数十パーセント増大する。
【００１１】
第３課題が、回転子位置検出器動作用の電源線、検出信号を受けるための信号線の配線と配線のためのスペースの確保である。当然のことながら、回転子位置検出器を動作させ、これから回転子の位置情報を得るには、このための配線が必要である。しかも、信号線と言えども、上述の機械的・電気的・熱的信頼性の低下を極力回避すべく、電動機本体を駆動するための電力線並みに頑健につくることが一般に要求される。結果的には、電動機１機につき本来の電力線とほぼ同等なサイズの信号線の配線、更にはこのためのスペースが必要となる。
【００１２】
第４課題が、各種コストの増大である。小形電動機においては、製造時において既に回転子位置検出器のコストが電動機本体より高くなることさえある。回転子位置検出器に付随した配線のコストも、小形電動機では無視できない。更には、信頼性の低下に対応するための保守コストの増大も必然的に発生する。こうした各種コストは、電動機の使用個数に応じ、増大する。特に保守コストは個数に応じて指数的に増大する特性をもつ。
【００１３】
一層の高速化が求められている位置決め機能付きスピンドル系等においては、第１課題における機械的信頼性が特に問題となっている。高速化に応じ、より頑健な粗い分解能の回転子位置検出器を採用してはいるが、検出系の総合的信頼性確保のため、高速化を制限せざるを得ないのが実状である。第１課題を含む上記４課題は回転子位置検出器に直接あるいは間接的に起因したものである。したがって、回転子位置検出器を必要としない所謂センサレス制御方法が確立されれば、必然的に解決される。センサレスベクトル制御方法に関しては、トルク制御モード、Ｓモードで利用可能な種々の方法が近年確立されつつある。ごく最近の成果としては、次の文献（１）
（１）Ｓ．Ｓｈｉｎｎａｋａ：“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｍｏｎｏｔｏｎｏｕｓｌｙ−Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ−Ｒｅｇｉｏｎ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ”，Ｔｒａｎｓ．ｏｆ ＩＥＥＪａｐａｎ，１２０−Ｄ，１１，ｐｐ．１３６９−１３７５（２０００）及び平成１３年電気学会産業応用部門大会講演論文集（講演期間：平成１３年８月２２日〜２４日）、第３巻、Ｒ１４電動機制御２（ＰＭ電動機センサレス）に報告された１０件がある。しかし残念ながら、これらを含む従来のセンサレスベクトル制御方法はＰモードの利用を想定しおらず、これに使用できるものではない。
【００１４】
本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、永久磁石同期電動機のためのエンコーダ等の回転子位置検出器を必要としない位置決め方法を、特に、位置・速度検出器を使用しない速度制御との間で制御モード切換えを伴う制御系に活用できる位置決め方法を新規に提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明による位置決め方法は、回転子位置決めのために永久磁石同期電動機へ印加すべき固定子電圧を、２軸直交固定座標系上の電圧ベクトルとして捕らえ、該電圧ベクトルの２成分を、回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させて発生することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、該電圧ベクトルの発生・印加を担う電力変換器への電圧指令ベクトルの２成分を、該回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、該電圧ベクトルを発生・印加するためのフィードバック電流制御系を構成し、該電流制御系の該座標系上での電流指令ベクトルの２成分を、該回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１、請求項２及び請求項３記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法であって、該電圧ベクトルの発生・印加すべき時期を、回転子速度の推定値が予め定めた値内に収まること、回転子位置と該回転子位置指令との偏差の推定値が予め定めた値内に収まることの少なくともいずれか１つを条件として、決定することを特徴とする。
【００１９】
次に本発明の作用について説明する。ここで考える永久磁石同期電動機としては、図１０において従来制御方法の説明に際し利用した１極対数の電動機とする。図１に示したように、ｕ、ｖ、ｗ相の固定子巻線（＋側）の中心を各相軸とする場合、基軸α軸（＋側）をｕ相軸（＋側）に、これと直交するβ軸（＋側）を副軸（＋側）に選定した２軸直交固定座標系を考える。本座標系では、基軸から副軸の方向を正方向とする。また、回転子永久磁石のＮ極が、ある瞬時、基軸に対しその中心を角度θをもって位置しているものとし、この位置θを回転子位置とする。上記の定義は、電動機の駆動制御に関し従来より広く採用されているものである。なお、以降で定義する２成分からなる２ｘ１ベクトル信号は、特に断らない限り本座標系上で定義されているものとする。
【００２０】
電動機固定子に鎖交する磁束φ１（２ｘ１ベクトル）は、空隙磁束分布が正弦波的であるとする場合には、２ｘ２鏡行列Ｑ（θ）１個を用い（１）〜（６）式のようにモデル化することができる。
＜同期電動機の磁束数学モデル＞
【数１】
また、インダクタンスＬａ，Ｌｂは、いわゆるｄｑインダクタンスＬｄ，Ｌｑと（６）式の関係を有している。
【数６】
永久磁石同期電動機の電気磁気的動特性は、状態量のダイナミックスを記述した回路方程式、トルク発生の関係を記述したトルク発生式、エネギー伝達の関係を記述したエネギー伝達式の、整合性のとれた３基本式により表現することができる。これは、上の磁束モデルを考慮すると、次の（７）〜（８）式で与えられる。
＜同期電動機（電磁系）の数学モデル＞
回路方程式（第１基本式）
【数７】
【数８】
【数９】
【数１０】
減速・停止あるいは加速の動作に入った永久磁石同期電動機の機械的ダイナミックス（以下、機械的観点からの本系を機械系と略記）は、主たる抗力を摩擦力とした次の１次式でモデル化することができる。
＜同期電動機（機械系）の数学モデル＞
【数１１】
【００２３】
請求項１による本発明は、上記数学モデルを用いて明示した電動機自体の特性を活用したものであり、回転子を静止させたい位置（すなわち、位置決めにおける回転子位置指令）をθ＊とし、この余弦値、正弦値からなる２ｘ１単位ベクトルｕ（・）を（１２）式のように定義すると、
【数１２】
【数１３】
回転子が停止あるいはこれに準ずる低速で回転している状態では、次の関係が成立するので、
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
（１７）式により表現されたトルク発生特性を、参考までに、以下の条件下で図２に示す。
【数１９】
（１７）式及び図２より理解されるように、位置偏差と発生トルクの間には、一般に以下の関係が成立する。
【数２０】
【００２７】
この回転子を指令位置の近傍に保持できるか否かは、サーボ剛性に大きく依存する。本発明による位置決め系は、次のサーボ剛性Ｋｓを有する。
【数２１】
【数２２】
【００２８】
応用に即した所望の剛性を確保するには、（２１）式が示すように電流レベルを、ひいては（１５）、（１６）式が示すように電圧レベルを調整すればよい。以上の説明より既に明白なように、請求項１の発明によれば、電動機元来の電磁的特性により、位置検出器を用いることなく、いわゆるセンサレスで、回転子位置決めを行うことができると言う作用が得られる。
【００２９】
次に本発明の請求項２の作用について説明する。請求項２の発明は、Ｐモード時の回転子位置指令θ＊に応じた電圧ベクトルν１の発生・印加は、（１３）式に
【数２３】
【００３０】
次に本発明の請求項３の作用について説明する。請求項３の発明は、Ｐモード時の回転子位置指令θ＊に応じた電圧ベクトルν１の発生・印加のためのフィード
【数２４】
【００３１】
次に本発明の請求項４の作用について説明する。請求項４の発明は、減速時のＳモード等のＰモード以外のモードからＰモードへの切換えタイミングを指定するルールを示したものである。ＳモードからＰモードへ切換えの例を用いてその作用を説明する。本発明の切換え条件を具体化した次式を考える。
【数２５】
【数２６】
【００３２】
（２５ａ）式を満足している状態では、ωｓｐを適切に小さく選定してしておけば、十分に減速した状態でＰモードへ入ることができ、本モードでは迅速な位置整定が可能となる。一方で、（２５ｂ）式における設計パメータΔθｓｐをπ／２以下に選定する場合には、図２に示した位置決めトルク発生の線形性の高い領域を、また、図３に示したサーボ剛性の高い領域を、Ｐモード切換え直後から利用することになり、振動の少ない整定特性が期待できる。以上の説明より既に明白なように、請求項４の発明によれば、Ｐモードでは、迅速な、振動の少ない位置整定が可能となると言う作用が得られ、ひいては請求項１、請求項２及び請求項３による作用の有用性を更に高めることができるようになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の位置決め法の実施形態例として、これを活用したＰモード時の位置決め系の基本構造を図４に示す。図１０を用いて説明した従来の位置決め法による構造に対する、本構造の基本的な違いは、回転子位置検出器２が撤去され、更にはこれを利用したフィードバック位置決めループが存在しない点にある。同一機器番号を付してある機器に関しては、基本的には図１０に示した従来制御法に基づくものと同一であり、その動作原理も従来法と同一である。Ｐモード時の構成であるので、速度制御関連の機器は明示していない。新たに追加した機器は、余弦正弦信号発生器１２である。これは余弦正弦信号発生器７と同一のものである。
【００３４】
図４の実施形態例では、Ｐモードのためのフィードバック電流制御系の構成に際し、位置決め系の構成自由度を確保すべく、回転子位置指令θ＊を次のように２種の回転子位
【数２９】
【００３５】
当然のことながら、回転子位置指令θ＊を次の（３１）、（３２）式のように指定よい。
【数３１】
反対に、回転子位置指令θ＊を次の（３３）〜（３６）式のように指定よい。
【数３３】
【数３５】
次に、本発明の効果ひいては有用性を確認すべく遂行した実験の１例を示す。供試電動機は、高速回転用の多摩川精機（株）製３１０（Ｗ）、１極対数、円筒形同期電動機（ＴＳ４２０１）である。本電動機の特性概要を表１に示す。
【表１】
本電動機には分解能２５６（ｐ／ｒ）のエンコーダが装着されているが、制御にはもちろん使用していない。これは、計測システム側でエンコーダパルスを４逓倍した後、回転子位置計測に利用した。従って、計測精度は、
２π／１０２４＝０．００６１３（ｒａｄ／ｐ）、０．３５２（ｄｅｇｒｅｅ／ｐ）である。供試電動機回転子には被回転物の慣性モーメント代用として円盤を装着した。
【００３９】
１）＜定常特性１（サーボ剛性と繰返し精密度）＞
本発明の請求項１、請求項２及び請求項３の作用に関連して説明したサーボ剛性特性を実験的に確認すべく、図４の制御系を構成した上で、回転子位置指令
【００４０】
【００４１】
２）＜定常特性２（機器依存性と正確度）＞
本発明の請求項３の作用に関連して説明した３相電力発生を担う電力変換器の特性不均一性、電動機自体の機械的不均一性など、電動機の数学モデル上で考慮されていない諸要素による位置決めへの影響とその抑圧性、特に正確度への影響
ｕ相 巻線（＋）中心（０（ｒａｄ）＝０ （ｄｅｇｒｅｅ））及びｖ相巻線（−）中心（−１．０５（ｒａｄ）＝−６０（ｄｅｇｒｅｅ））では、偏差平均はほぼゼロであったが、ｗ相巻線（−）中心近傍（１．０５（ｒａｄ）＝６０（ｄｅｇｒｅｅ））では、最大約−０．０２４（ｒａｄ）＝（−１．４（ｄｅｇｒｅｅ））を確認した。これは、電動機巻線位置の正確度に主に起因した電動機固有のものと思われる。この空間領域（停止すべき位置領域）では図５に示した繰返し精密度を確保できるので、必要ならば、補正特性を事前に用意することにより補正を行うことができる。
【００４３】
本偏差平均特性で特色的な点は、θ＊＝±０．５２（ｒａｄ）（±３０（ｄｅｇｒｅｅ））前後での極性反転である。この空間領域は、巻線位置に基づくｖ軸、ｗ軸に直交する領域に当たる（後説明の図７参照）。本領域は、３相電圧発生のための電力変換器スイチングパタンが不連続に変化する特異領域でもある。３相電流の視点から見るならば、電流の極性が変化する特異領域でもある。偏差平均の極性反転はこの特異領域で発生している。
【００４４】
図６では全空間領域の約１／３を表示したが、他の空間領域でも同様な特性が確認されている。すなわち、電力変換器スイチングの影響を受けやすい特異領域は、実験的には、次の角度±０．５２，±１．５７，±２．６２（ｒａｄ）（±３０，±９０，±１５０（ｄｅｇｒｅｅ））前後の概ね±０．０５（ｒａｄ）＝±３（ｄｅｇｒｅｅ）であった。図７にこの特異領域を示した。電力変換器特性の影響を受けやすい全空間領域の約１０％に当たる本領域は、位置決め位置としては利用しない方がよい。この制限空間領域は幸いにも全空間領域のわずか１０％であるので位置決め位置の選定には実際的な影響を与えないこと、更には、９０％は安定的に繰返し精密度が確保できること、ひいては全般的には請求項３による本発明の効果は大であることを指摘しておく。
【００４５】
図８は、本発明の第２実施形態例のための制御系の構成図である。本実施形態例は、ＰモードとＳモードのモード切換え制御を行う実施形態例となっている。本例では、Ｐモード時の位置決め系の構成としては、回転子位置指令θ＊を
図８では、Ｓモードのために、位置・速度検出器を用いないセンサレスベクトル制御法による速度制御系も合わせて構成している。センサレスベクトル制御法による速度制御系の構成法としては、従来より種々の方法が提案されており、ここではその１つである文献（１）のものを活用した。図８における電源角周波数生成器１３がこのための機器である。電源角周波数生成器１３は、電圧、電流情報を得てこれから所要の電源角周波数を生成し出力している。極対数１同期電動機を対象した本例では、電源角周波数は
【００４７】
図８では、Ｓモードでは切替ＳＷ１、２は共にＳ側がオン、Ｐ側がオフであり、Ｐモードの影響を受けないようになっている。一方、ＰモードではＳＷ１、２は共にＳ側がオフ、Ｐ側がオンであり、Ｓモードの影響を受けないようになってい
【００４８】
３）＜過渡特性＞
本発明の請求項４の作用に関連して説明したモード切換えの特性を確認すべく行った実験結果の１例を示す。実験には、前述の供試電動機に対し図８の制御系を構成し、速度指令、回転子位置指令として各々以下を用意した。
【数３７】
【数３９】
【数４１】
【数４２】
図９に典型的な応答例を示す。図中にタイムスケール０．２（ｓ）を明示した。同図の上部は、速度指令と同応答（位相が進んでいる方が指令）、下部は速度応答に対応した位置応答を示している。高速回転時の位置応答は、一見±π（ｒａｄ）に到達しないで折り返しているように見えるが、これは単なる表示上の問題に過ぎない。すなわち、離散時間的なサンプリングを活用した表示における、サンプリング周波数以上の急激な位置変動によるものである。同一方向への位置変化は、対応の速度応答より明らかである。
【００５０】
同図では、ＳモードからＰモードへ切換わった点をＰ点で、また、ＰモードからＳモードへ切換わった点をＳ点で表示している。図より明らかなように、Ｐ点直後で回転子は指令位置θ＊＝０へ向けて加速され、指令位置を通過後すなわちオーバーシュートを起した後、振動を起すことなく指令位置へ一気に整定している。減速の速度指令に依存しないＰ点直後の加速は、Ｐモードに入り電流制御系が速度指令と何らの関係ない電流指令を受けたことによる。応答は繰返し安定的に達成されており、回転子位置検出器を利用した応答に匹敵する良好なものである。ひいては、本発明の請求項４による作用及び同効果の有用性を示すものである。
【００５１】
【発明の効果】
以上の説明より明白なように、本発明は以下の効果を奏する。特に、請求項１の本発明によれば、電動機元来の電磁的特性により、回転子位置決めを行うことができると言う作用が得られ、この結果、回転子位置検出器を必要としない位置決め制御系の構成が可能となると言う効果が得られる。ひいては、回転子位置検出器に付随して発生した種々の課題を解決できるという効果が得られる。
【００５２】
請求項２の本発明によれば、適切な電力変換器を通じて、回転子位置決め所要の電圧を平易に発生・印加できると言う作用が得られ、この結果、請求項１の効果を平易に達成できると言う効果が得られる。
【００５３】
請求項３の本発明によれば、電力変換器が必ずしも理想的な応答をしない場合にも、回転子位置決め所要の電圧を発生・印加できると言う作用が得られ、この結果、請求項１の効果を通常の電力変換器を通じて達成できると言う効果が得られる。
【００５４】
Ｐモード以外のモードからＰモードへの切換えタイミングを指定するルールを示した請求項４の本発明によれば、Ｐモードでは、迅速な、振動の少ない位置整定が可能となると言う作用が得られ、この結果、請求項１、請求項２及び請求項３による効果を一層有用なものとすることができると言う効果が得られる。
【００５５】
以上述べた本発明による効果は、実施形態例に関連して既に説明したように、実験的に確認されている。
【００５６】
【図面の簡単な説明】
【図１】３相３軸座標系と２軸直交固定座標系と回転子位置（Ｎ極位置）との関係を示す図。
【図２】電動機自体による、位置偏差に対する発生トルク特性を示す図。
【図３】電動機自体によるサーボ剛性の特性を示す図。
【図４】１実施形態例における位置決め装置の基本構成を示すブロック図。
【図５】電流指令に対する繰返し精密度の１特性例を示す図。
【図６】位置指令に対する繰返し正確度の１特性例を示す図。
【図７】位置指令の回避が望まれる空間領域を示す図。
【図８】Ｓモードとのモード切換えが可能な１実施形態例における位置決め装置の基本構成を示すブロック図。
【図９】ＳモードからＰモード突入時の過渡応答例を示す図。
【図１０】従来のＰモード・Ｓモードのモード切換え形制御装置の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１ 永久磁石同期電動機
２ 回転子位置検出器
３ 電力変換器
４ 電流検出器
５ａ ３相２相変換器
５ｂ ２相３相変換器
６ａ ベクトル回転器
６ｂ ベクトル回転器
７ 余弦正弦信号発生器
８ 電流制御器
９ 速度制御器
１０ 速度検出器
１１ 位置制御器
１２ 余弦正弦信号発生器
１３ 電源角周波数発生器
１４ 積分器
Claims (4)
- 回転子位置決めのために永久磁石同期電動機へ印加すべき固定子電圧を、２軸直交固定座標系上の電圧ベクトルとして捕らえ、該電圧ベクトルの２成分を、回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させて発生することを特徴とする永久磁石同期電動機の位置決め方法。
- 該電圧ベクトルの発生・印加を担う電力変換器への電圧指令ベクトルの２成分を、該回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法。
- 該電圧ベクトルを発生・印加するためのフィードバック電流制御系を構成し、該電流制御系の該座標系上での電流指令ベクトルの２成分を、該回転子位置指令の余弦値、正弦値に比例させることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法。
- 該電圧ベクトルの発生・印加すべき時期を、回転子速度の推定値が予め定めた値内に収まること、回転子位置と該回転子位置指令との偏差の推定値が予め定めた値内に収まることの少なくともいずれか１つを条件として、決定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の位置決め方法。
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