JP5187718B2 - 永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（技術分野）
本発明は、永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法に関し、特にはモータパラメータに関連する電圧パルスにより、永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法に関する。

（背景技術）
工業が進歩し自動化するにつれ、サーボモータが幅広く使用されるようになった。例えば、ＣＮＣ機、ロボットアーム、産業機械、エレベータ及び空気調節装置では、一般にモータに関して精密な制御が必要である。マイクロプロセッサ及びパワーエレクトロニクスが急速に発展したために、モータを複雑な制御理論で実行可能にして、その性能を強化してきた。

永久磁石ＡＣサーボモータでは、インバータのパルス幅変調（ＰＣＭ）信号を使用して、固定子に回転磁界を発生させる。固定子の回転磁界を、回転子の永久磁界と相互作用させて、回転トルクを生成する。永久磁石モータを制御する際、インバータのスイッチを制御して、モータを円滑に動作させるのに適当な回転電界を発生させる。しかしながら、回転子の永久磁石に関する初期位置は、通常、分からない。回転子は、モータが始動する際、正逆両方向へ回転する可能性があるためである。しかしながら、回転方向が不確定なことは、エレベータ等の特定用途では望ましくない。従って、永久磁石モータの初期磁極位置を精確に判定して、誤動作を防止すべきである。

永久磁石モータの初期磁極位置を判定する先行技術の方法として、高周波注入法（ＨＦＩ）及び電圧パルス注入法がある。ＨＦＩ方法には、複雑な計算、ｄ-ｑ軸インダクタンスの先験情報、±１８０°電気角が非分解という短所がある。従来の電圧パルス注入法では、回転位置が異なるとインダクタンスが異なり、該インダクタンスが異なると電流傾斜もそれに応じて異なるという原理を利用している。しかしながら、こうした従来の電圧パルス注入法では、過度にモータのパラメータに依存してしまう。モータコイルは、立ち上がり時間を正確に設定していない場合、損傷する危険性がある。初期磁極位置の測定値は、立ち上がり時間が短過ぎる場合、不正確になってしまう。

高速且つ精確な永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法を提供して、永久磁石モータの性能を向上させ、安定させることが、望ましい。永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法は、パラメータへの依存が少なく、且つ如何なるモータにも通用するものが好ましい。

（発明の開示）
本発明の目的は、永久磁石モータの初期磁極位置を精確に検出する方法を提供することである。

従って、本発明では、永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法を提供する。ＰＷＭパルス幅Ｄ_ｔをまず固定子に印加するが、該ＰＷＭパルス幅Ｄ_ｔはモータパラメータにより異なる。６つの電圧ベクトルを次に固定子に連続して印加し、それらに関連する電流立ち上がり時間を計算する。ロータ位置を、最短電流立ち上がり時間に基づき判定する。

本発明の１態様によれば、電圧ベクトルを再び固定子に印加して、ロータ位置を再計算する。これら２計算結果が合致した場合、ロータ位置を精確に判定したとできる。これら２計算結果が合致しない場合、電圧ベクトルを再び連続して固定子に印加して、ロータ位置を、計算結果が合致するまで、再計算する。

本発明の別な態様によれば、永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法では、設定電流レベルをモータ定格電流より大きく、例えばモータ定格電流の１６０％として、電流立ち上がり時間の判定を容易にできる。該設定電流レベルを、モータ定格電流が駆動定格電流より大きい場合には、駆動定格電流の１６０％にできる。

（発明を実施するための最良の形態）
本発明の新規と見られる特徴については、特に付記されたクレームでこれを記載する。本発明自体については、しかしながら、以下の本発明に関する詳細な記述を参照することにより最も好く理解されるかも知れない。以下では、本発明に関する特定の典型的実施例について、添付図と共に、記述する。

図１Ａ及び図１Ｂは、永久磁石モータに於ける固定子の磁界及び回転子の磁界について示した概略図であり、回転子磁界を永久磁石で提供し、固定子磁界を外部電流により提供している。従って、固定子磁界を既知のパラメータとして扱える。回転子磁界と固定子磁界とが逆方向である場合、合成磁界は不飽和状態（線形）となる。逆に、回転子磁界と固定子磁界が同方向である場合、合成磁界は飽和状態（非線形）となる。合成磁界の飽和度は、固定子のインダクタンスの大きさに影響を与える。この特性を活用して、永久磁石モータの初期磁極位置を判定できる。

図２では永久磁石モータに於ける磁束と電流との関係を示しており、合成磁界の飽和度が固定子インダクタンスの大きさに与える影響について覧察できる。合成磁界が飽和状態の場合、インダクタンスは小さくなる。それとは逆に、合成磁界が不飽和状態の場合、インダクタンスは大きくなる。固定子インダクタンスが大きい程、回路の時定数は大きくなる。その結果、電流は同じ印加電圧でもなだらかに傾斜する。

図３では、異なる固定子インダクタンスに対する電流と時間との関係について示している。これら固定子インダクタンスでは、飽和及び不飽和合成磁界について異なる。一定レベルまで電流が立ち上がる時間は、異なるインダクタンス間ではこれも異なる。この特性を活用して、永久磁石モータの初期磁極位置を判定できる。

言い換えれば、回転子が異なる位置に存在すると、固定子インダクタンスは異なる。永久磁石モータの初期磁極位置は、電流の立ち上がり時間を測定することで判定できる。図４では、永久磁石モータ作動前の３相巻線に関する６通りのバイアス方法について示す。同図で示すように、３相巻線Ｕ、Ｖ及びＷに、バイアス電圧Ｖ_ｄｃを印加して正負パルスを夫々３相巻線Ｕ、Ｖ及びＷで生成する。これら６方法でバイアス電圧Ｖ_ｄｃで生成した電流の立ち上がりを測定して、永久磁石モータの初期磁極位置を得る。

図５では、永久磁石モータ用等価回路を示す。図６では、モータコイルを励磁した後の電流波形を示しており、Ｒはコイル抵抗、Ｌはインダクタンス、Ｖ_ｄｃはバス電圧、Ｉ_定格はモータ定格電流であり、Ｉ_{ｌｅｖｅｌ}＝Ｉ_定格×１６０％である。仮にｉ（ｔ）＝Ｉ_{ｌｅｖｅｌ}として、立ち上がり時間ｔ_ｒを計算できる。

図６から分かるように、インダクタンスが小さい程、電流は急速に、即ち短い立ち上がり時間で、立ち上がる。従って、パルス信号を６通りのバイアス方法で、図６で示すように印加し、電流の立ち上がり時間を測定する。最短立ち上がり時間を有する回転位置を、固定子と位置合わせする。電流レベルＩ_{ｌｅｖｅｌ}の設定に関しては、立ち上がり電流レベルが十分でないと、立ち上がり時間について分解するのが難しくなる。電流レベルＩ_{ｌｅｖｅｌ}を、モータ定格電流の１６０％として設定できる。モータ定格電流がインバータ定格電流より大きい場合、該電流レベルＩ_{ｌｅｖｅｌ}をインバータ定格電流の１６０％として設定可能である。

計算を単純化するために、レジスタＲの電圧降下分を削減して、下記式を得た：
電流の傾斜は、電流があまりに急速に立ち上がり過ぎると、コンピュータプログラムで測定するのが難しくなる。従って、電圧を好適にはオン／オフする代わりに、パルス幅変調（ＰＷＭ）によって注入する。図７は、ＰＷＭ方法での波形を示す。異なるモータでは異なるモータパラメータを有し、その立ち上がり時間も異なる。ＰＷＭ方法も、モータパラメータによって変更すべきである。図８は、ＰＷＭ割込時間Ｔ_ｓとＰＷＭパルス幅Ｄ_ｔとの関係を示す。ＰＷＭ割込時間Ｔ_ｓを２５６に等分し、立ち上がり時間ｔ_ｒを３２ＰＷＭ割込に分割すると（また図７も参照して）、ｔ_ｒ＝ｔ_１＋ｔ_２＋．．＋ｔ_３１＋ｔ_３２となり、ＰＷＭパルス幅Ｄ_ｔは以下のように計算できる：

上記式では、ＤＢを上下アーム間の短絡を防ぐための不感時間（例えば４μＳ）とし、ＣＦをモータを駆動するためのインバータの最大搬送波周波数とする。

図９では、永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法に関するフローチャートを示す。ＰＷＭパルス幅Ｄ_ｔをまず、モータパラメータ及びインバータの最大搬送波周波数に従い判定する（ステップ１００）。図４に示した構成による６つの電圧ベクトルを、順次固定子に印加する（ステップ１０２）。各電圧ベクトルに対する電流立ち上がり時間を計算する（ステップ１０４）。算出した各電圧ベクトルに対する電流立ち上がり時間を比較して、回転子位置判定値を得る（ステップ１０６）。ステップ１０２〜１０６を再度実施し、回転子位置の別の判定値を求める。該２判定値を比較し、それらが一致しているかをチェックする（ステップ１０８）。該２判定値が一致している場合、永久磁石モータの初期磁極位置の検出を終了する。上記ステップでは、ステップ１０２〜１０６を繰返して、ノイズの影響を最小限にする。２判定値が一致しない場合、６つの電圧ベクトルを順次再び固定子に印加し、回転子位置を再び判定する。２つの連続した判定値が一致した場合は、このフローを終了し、永久磁石モータの初期磁極位置は確実なものとできる。

本発明についてその好適な実施例に関して記述してきたが、当然ながらそれにより本発明をその詳細まで限定するものではない。様々な置換え及び変更については前述の説明で提案しているが、その他にも当業者は着想するであろう。従って、全てのかかる置換え及び変更については、付記するクレームで定義するように、本発明の範囲に含むことを意図する。

永久磁石モータの固定子磁界及び回転子磁界について示した概略図である。 永久磁石モータの固定子磁界及び回転子磁界について示した概略図である。 永久磁石モータでの磁束と電流との関係を示す。 異なる固定子インダクタンスに対する電流と時間との関係について示す。 永久磁石モータが作動する前の３相巻線に関する６通りのバイアス方法について示す。 永久磁石モータ用等価回路を示す。 モータコイルを励磁した後の電流波形を示す。 ＰＷＭ方法での波形を示す。 ＰＷＭ割込時間Ｔ_ｓとＰＷＭパルス幅Ｄ_ｔとの関係を示す。 永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法に関するフローチャートを示す。

Claims (11)

1. 永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法であって、永久磁石モータをドライバーにより駆動し、前記モータは、回転子、固定子、及び３相巻線を備え、前記方法は：
   （ａ）前記固定子に印加するＰＷＭ電圧の各パルス幅時間を測定するためのパラメータ“Ｄｔ”を決定すること；
   ここでは、前記ＰＷＭ電圧の印加による前記３相巻線の初期電流立ち上がり時間“ｔｒ”を設定し、
   前記ＰＷＭ電圧の各パルス幅時間を測定するためのパラメータ“Ｄｔ”を以下の式：
   により計算し、式中
   “ＤＢ”を電源スイッチの上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイムとし、
   “ＣＦ”を前記ドライバーの最大搬送波周波数とする、
   （ｂ）前記固定子に３相のＰＷＭ電圧ベクトルを順次発生させるため、前記ＰＷＭ電圧を前記３相巻き線のそれぞれへ印加すること；
   （ｃ）前記各ＰＷＭ電圧ベクトルに応答する電流立ち上がり時間（ｔ _１ 〜ｔ _３２ ）を測定すること；及び
   （ｄ）前記測定された電流立ち上がり時間を比較した後、最短電流立ち上がり時間を決定することにより、前記回転子位置を決定すること、
   からなることを、特徴とする方法。
2. もし、ステップ（ｄ）で決定される２つの連続する最短電流立ち上がり時間が等しければ、正確な回転子位置を決定することができるため、前記ステップ（ｂ）〜（ｄ）を繰返すことにより前記２つの連続する最短電流立ち上がり時間を得ること；
   から更になること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ＰＷＭ電圧の１つのパルス幅時間を含む、前記ＣＦの１サイクル時間に相当する“Ｔ_ｓ”を２５６等分に分割すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記電流立ち上がり時間“ｔ_ｒ”を３２のＰＷＭ電圧のパルス幅時間に分割すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
5. モータ電流Ｉ_{ｌｅｖｅｌ}をモータ定格電流の最大１６０％まで上昇させて設定すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記モータ定格電流が前記ドライバーの定格電流より大きい場合、前記モータ電流Ｉ_{ｌｅｖｅｌ}を前記ドライバーの定格電流の最大１６０％まで上昇させて設定すること、を特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 永久磁石モータの初期磁極位置を検出する方法であって、永久磁石モータをドライバーにより駆動し、前記モータは、回転子、固定子、及び３相巻線を備え、前記方法は：
   （ａ）前記固定子に印加するＰＷＭ電圧の各パルス幅時間を測定するためのパラメータ“Ｄｔ”を決定すること；
   ここでは、前記ＰＷＭ電圧の印加による前記３相巻線の初期電流立ち上がり時間“ｔｒ”を設定し、
   前記ＰＷＭ電圧の各パルス幅時間を測定するためのパラメータ“Ｄｔ”を以下の式：
   により計算し、式中
   “ＤＢ”を電源スイッチの上下アーム間の短絡を防止するためのデッドタイムとし、
   “ＣＦ”を前記ドライバーの最大搬送波周波数とする、
   （ｂ）前記固定子に３相のＰＷＭ電圧ベクトルを順次発生させるため、前記ＰＷＭ電圧を前記３相巻線のそれぞれへ印加すること；
   （ｃ）前記各ＰＷＭ電圧ベクトルに応答する電流立ち上がり時間（ｔ _１ 〜ｔ _３２ ）を測定すること；及び
   （ｄ）前記測定された電流立ち上がり時間を比較した後、最短電流立ち上がり時間を決定することにより、前記回転子位置を決定すること、
   （ｅ）もし、ステップ（ｄ）で決定される２つの連続する最短電流立ち上がり時間が等しければ、正確な回転子位置を決定することができるため、前記ステップ（ｂ）〜（ｅ）を繰返すことにより前記２つの連続する最短電流立ち上がり時間を得ること、
   からなること、を特徴とする方法。
8. 前記ＰＷＭ電圧の１つのパルス幅時間を含む、前記ＣＦの１サイクル時間に相当する“Ｔ_ｓ”を２５６等分に分割すること、を特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記立ち上がり時間“ｔ_ｒ”を３２のＰＷＭ電圧のパルス幅時間に分割すること、を特徴とする請求項７に記載の方法。
10. モータ電流Ｉ_{ｌｅｖｅｌ}をモータ定格電流の最大１６０％まで上昇させて設定すること、を特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 前記モータ定格電流が前記ドライバー定格電流より大きい場合、前記モータ電流Ｉ_{ｌｅｖｅｌ}を前記ドライバー定格電流の最大１６０％まで上昇させて設定すること、を特徴とする請求項１０に記載の方法。