JP5261928B2

JP5261928B2 - モータ磁極位相の調整方法

Info

Publication number: JP5261928B2
Application number: JP2006337840A
Authority: JP
Inventors: 義宏青崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2008154327A

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータやＡＣサーボモータの各相に巻回されているコイルと磁極の関係により、ロータの位相を調整するモータ磁極位相の調整方法に関し、特に各相のコイルに電流を流してロータに基づくトルクが発生しなくなる位置を励磁原点とし、励磁原点を調整するための寄り付き動作において、正逆位相の駆動指令を順次与えることによって、正確な励磁原点を設定できるようにしたモータ磁極位相の調整方法に関する。

ブラシレスＤＣモータやＡＣサーボモータは、ロータの電気的な位相を検出し、電気角原点（励磁原点）を基準として、ロータの位相に合わせて各相コイルに電流を同期させて流す（転流）ことで、最も効率良くトルクを出力することができる。このため、位置検出器とロータの位相差を検出する必要がある。

ここで、ブラシレスＤＣモータの構造と動作について説明する。図５はアウターロータ型の３相ブラシレスＤＣモータ１０の断面構造を示しており、ステータ１１にはＵ相、Ｖ相、Ｗ相のスター結線されたコイル１３、１４、１５がそれぞれ１２０°ずつ位相をずらして巻回され、ロータ１２は永久磁石４極（Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓ）で形成されている。そして、各相コイル１３〜１５に電流を流すことにより、各相コイル１３〜１５に発生する磁界と永久磁石４極との電磁吸引力でロータ１２は回転され、更にロータ１２の位相に合わせて３相のコイル１３〜１５の電流を転流制御することにより、ロータ１２を連続的に回転駆動する。正弦波駆動の場合のＵ相コイル１３、Ｖ相コイル１４、Ｗ相コイル１５の転流の位相関係を図６に示す。即ち、コイル１３〜１５に１２０°ずつずれた正弦波の電流を流すことにより、ロータ１２を回転する。

このように、ブラシレスＤＣモータ１０を転流制御を行って回転駆動する場合、ロータ１２の電気角原点を基準として３相の電流を流すことで最も効率良くトルクを生じさせることができるので、レゾルバ等の位置検出器とロータ１２の位相差を正確に知る必要がある。

ここにおいて、ロータ１２の位相を検出する位相検出器とロータ１２の位相差は機械的には変わらないため、ロータ１２の位相を調整して正確なパラメータを設定することにより、再度位相調整を行う必要はない。即ち、現在位置の取得は通常絶対位置レゾルバ（粗）と相対位置レゾルバ（精）の２つの位置信号から計算されると共に、ロータ１２の位相は絶対位置レゾルバの原点からどれだけの距離にあるかのパラメータとして定義される。絶対位置レゾルバとロータ１２の位相の位置を検出すれば、再度ロータ１２の位相位置を検出する必要はない。また、インクリメンタル方式のエンコーダからのパルス信号を読み取り、ロータ１２を制御する場合においても同様に、ロータ１２の位相を調整して設定することで、再度位相調整を行う必要はない。

このように、電源投入時や制御開始時におけるロータ１２の位相調整、或いはマニュアルでのロータ１２の位相調整は、その後の回転駆動制御の電流付与の基準となるため特に重要である。また、絶対位置レゾルバがない場合や故障した場合、絶対位置レゾルバと相対位置レゾルバとの間に誤差が生じた場合、或いは電流付与のパラメータを失ってしまった場合も、ロータ１２の位相調整が必要となる。

このように、位置検出器とロータの位相差を検出して調整する装置として、図７に示すようなドライブユニット２０がある。ドライブユニット２０は全体の制御を行うＣＰＵ２１を主として構成され、駆動制御部２２は設定部２３に設定されたパラメータを基にしてモータ１０を駆動制御し、駆動制御部２２により３相コイル１３〜１５に流す電流を転流制御してモータ１０を駆動する。モータ１０のロータ１２の位相はモータ１０に取り付けられたレゾルバ（絶対位置レゾルバ、相対位置レゾルバ）１８で検出され、レゾルバ１８からの位置信号により計測部２４で位相が計測される。また、ロータ１２の位相調整時には、計測部２４で計測された計測値を記憶部２５に記憶し、記憶部２５の記憶データに基づいて計算部２６で位相差が計算され、計算された結果は設定部２３にパラメータとして設定される。

次に、ドライブユニット２０を用いてロータ１２の位相調整を行う従来の動作を説明する。

図８は、ドライブユニット２０の駆動制御部２２により、例えばＵ相のコイル１３に電流を流してロータ１２を回転駆動し、ロータ１２の発生するトルクがゼロとなる位置をロータ１２の励磁原点として定める様子を示している。図９は、図８のＵ相コイル１３に電流を流したときに、コイル１４及び１５に電流が分流して流れる様子を示している。このようにＵ相のコイル１３に電流を流すとロータ１２の磁極真中の励磁原点で寄り付くはずであるが、ロータ１２の摩擦や回転方向等の影響により、実際には図８に示すように励磁原点付近までしか寄り付くことができない。

このため、ロータ１２の摩擦や回転方向等の影響を考慮し、ロータ１２をＣＷ及びＣＣＷ方向の両方から寄り付き動作を駆動制御部２２により行い、各方向の駆動距離を計測部２４により計測して、記憶部２５に記憶する。計算部２６はＣＷ及びＣＣＷ両方向からの各駆動距離を記憶部２５より読出し、中点を励磁原点として設定部２３に設定して位相調整を終了する。

上述の寄り付き動作によってロータ１２の位相調整を行う様子を、図１０のフローチャート及び図１１の模式図を参照して詳細に説明する。

図１０及び図１１の例は、寄り付き動作の駆動範囲を設定部２３により励磁原点を対称に電気角１２０°と設定した場合である。図１１に示すようにロータ１２の初期位置が電気角２０°付近にあるとし（ステップＳ５０）、ＣＷ方向に電気角１２０°位置に回転駆動し（ステップＳ５１）、電気角１２０°位置からＣＣＷ方向に回転駆動して励磁原点に寄り付かせる（ステップＳ５２）。このときの駆動距離Ｄ５を計測部２４により計測し（ステップＳ５３）、記憶部２５に記憶し、更に励磁原点からＣＣＷ方向に電気角２４０°位置に回転駆動し（ステップＳ５４）、回転駆動された電気角２４０°位置からＣＷ方向の励磁原点に寄り付かせる（ステップＳ５５）。このときの駆動距離Ｄ６を計測部２４により計測し（ステップＳ５６）、記憶部２５に記憶する。計算部２６は、ＣＷ及びＣＣＷ両方向からの駆動距離Ｄ５及びＤ６を記憶部２５から読出して中点を計算し（ステップＳ５７）、算出された励磁原点の中点を設定部２３に設定し（ステップＳ５８）、ロータ１２の位相調整を終了する。

しかしながら、上述のような永久磁石で構成されたブラシレスＤＣモータや１０ＡＣサーボモータでは、ロータ１２の磁極に対して逆位相への駆動指令（例えば電気角０°から電気角１８０°）を行った場合に電気角０°と電気角１８０°では、いずれもトルクが０になるため回転駆動できないか、或いは回転駆動しにくいという問題がある。電源投入時や制御開始時或いはマニュアルで行う位相調整において、ＣＷ及びＣＣＷ両方向からの寄り付き動作に逆位相への駆動指令が含まれることもあり、寄り付き動作に不具合が発生してしまう場合がある。その様子を、図１２のフローチャート及び図１３の模式図を参照して説明する。

図１２及び図１３の例は、寄り付き動作の駆動範囲を設定部２３により励磁原点を対称に１２０°と設定した場合である。図１３に示すようにロータ１２の初期位置が電気角３００°にあると（ステップＳ６０）、ＣＷ方向から逆位相である電気角１２０°に回転駆動することができない（ステップＳ６１）。そのため、電気角３００°の位置で励磁原点にＣＷ方向から寄り付かせ（ステップＳ６２）、このときの駆動距離Ｄ７を計測部２４により計測して記憶部２５に記憶し（ステップＳ６３）、更に励磁原点から電気角２４０°位置にＣＣＷ方向に回転駆動し（ステップＳ６４）、回転駆動された電気角２４０°位置からＣＷ方向の励磁原点に寄り付かせる（ステップＳ６５）。このときの駆動距離Ｄ８を計測部２４により計測して記憶部２５に記憶するが（ステップＳ６６）、計算部２６はＣＷ方向のみの駆動距離Ｄ７及びＤ８のためエラーとする（ステップＳ６７）。

このように従来の位相調整方法では初期位置によって、電気角０°と計算された中点が一致しない場合がある。

また、電気角検出方式によるロータ１２の位相調整では、軸受などの要因から回転摩擦の大きいモータにおいて、期待通りに励磁原点に寄り付かない場合がある。これは、通常の回転駆動時に、ロータ１２を安定させるような電流パターン（正弦波状）で励磁しているため、ロータ１２が励磁原点に近づくほど、励磁原点へ回転駆動するためのトルクが低下するためである。

そこで、前述した図８に示すように例えばコイル１３のＵ相に電流を固定的に流し、コイル１３に発生するＮ極に対してロータ１２を安定する位置まで回転させる。この機械角の安定点を励磁原点とする。しかしながら、機械角での安定点（励磁原点）を用いて位相調整する場合においても、ロータ１２の回転摩擦の影響には問題がある。

機械角検出方式による位相調整でロータ１２に発生するトルクＴを図１４を参照して説明する。Ａをコイル１３、Ｂをロータ１２の任意の極とし、ＡとＢが対向するような地点Ｃを安定点（励磁原点）とした場合。Ｂが地点Ｓで発生するトルクをＴｓ、ＡとＢとの角度θとした場合、トルクＴは下記（１）式で表される。

Ｔ＝Ｔｓ・Ｓｉｎθ ・・・（１）

上記（１）式より、ロータ１２は安定点へ近づくほど、回転駆動するためのトルクが低下し、トルクＴ＝モータ摩擦が成り立つ状態になると、寄り付き動作を終了してしまう。つまり、ロータ１２の任意の極は、安定点に近づくほど安定点に寄り付くトルクが小さくなり、図８のように摩擦の影響によるずれを生じる。

本発明は上述のような事情によりなされたものであり、本発明の目的は、モータのロータの位相調整を行う場合に、ロータの安定点に対するＣＷ及びＣＣＷ両方向からの寄り付き動作の駆動開始点を、ＣＷ及びＣＣＷ両方向のそれぞれ機械角１８０゜以内の所定角度から行うようにすると共に、ロータの初期位置が、励磁原点の正逆位相にある場合を考慮して、寄り付き動作の駆動開始点を安定点の正逆位相を回避する準備駆動を行うことにより、ロータの正確な安定点を求めるようにしたモータ磁極位相の調整方法を提供することにある。

また、その調整は従来のハードウェアをそのまま用い、ソフトウェアを変更するだけで容易に行うようにする。

本発明は、複数の磁極を有するロータを備えたモータのコイルに電流を流して前記ロータの位相を調整するモータ磁極位相の調整方法に関し、本発明の上記目的は、前記ロータを安定点に対して正逆位相を除くＣＷ方向の機械角１８０゜以内の所定角度へ予め回転駆動する工程Ｃ１と、前記工程Ｃ１により回転駆動した前記ロータをＣＣＷ方向の前記安定点へ回転駆動する工程Ｃ２と、前記工程Ｃ２における駆動開始点からの駆動距離Ｄ１を計測する工程Ｃ３と、前記ロータを安定点に対して正逆位相を除くＣＣＷ方向の機械角１８０゜以内の前記所定角度へ予め回転駆動する工程Ｃ４と、前記工程Ｃ４により回転駆動した前記ロータをＣＷ方向の前記安定点へ回転駆動する工程Ｃ５と、前記工程Ｃ５における駆動開始点からの駆動距離Ｄ２を計測する工程Ｃ６と、前記工程Ｃ２における前記駆動開始点から前記ＣＣＷ方向へ前記駆動距離Ｄ１離れた位置、及び前記工程Ｃ５における前記駆動開始点から前記ＣＷ方向へ前記駆動距離Ｄ２離れた位置を２つの端点とする前記ロータの円弧の中点を励磁原点とする工程Ｃ７とを具備することにより達成される。

また、前記モータがブラシレスＤＣモータ又はＡＣサーボモータであることより、より効果的に達成される。

本発明のモータ磁極位相の調整方法によれば、ロータの位相調整のための寄り付き動作を行う場合に、ＣＷ及びＣＣＷ両方向からの寄り付き動作の駆動開始点を、それぞれ機械角１８０゜以内から行うようにしているので、常に正確な安定点（励磁原点）を求めることができる。また、ロータが安定点に対して、正逆位相に回転駆動できない場合があることを考慮して、寄り付き動作の駆動開始点を安定点の正逆位相を回避するための準備駆動を行うようにしているので、常に正確な安定点を求めることができる。更に、その位相調整は、従来のハードウェアをそのまま用いることができ、ソフトウェアを変更するだけで容易に行うことができる。

本発明に係るモータ磁極位相の調整方法は、ロータの位相調整によって寄り付き動作を行う場合に、モータの任意のコイルに電流を流して発生する磁力により、ロータが寄り付く位置をロータの安定点（励磁原点）とし、その安定点に対してＣＷ及びＣＣＷ両方向からの寄り付き動作の駆動開始点をそれぞれ機械角１８０゜以内の所定角度とし、その駆動開始点から寄り付き動作を行い、各寄り付き動作の駆動距離を計測し、各駆動距離の計測値から中点を求めることにより正確な安定点を求める。

また、ロータに対して正逆位相（例えば機械角０゜から機械角１８０゜）への駆動指令を与えることにより発生する不具合を考慮し、ＣＷ及びＣＣＷ両方向からの寄り付き動作の駆動開始点が、安定点に対して正逆位相にならないように、予め回避する準備駆動を行うことにより常に正確な安定点を求めるようにしている。

以下に、本発明の方法を図面を参照して説明する。また、本発明を実施する装置の構成は従来装置（図７）と同様であり、その説明を省略する。

本発明の位相調整方法は、図１のフローチャート及び図２（ａ）〜（ｃ）の模式図の通りであり、図１及び図２（ａ）〜（ｃ）の例は寄り付き動作の駆動開始点を、安定点を対称にＣＷ及びＣＣＷ両方向にそれぞれ機械角９０°に設定し、その駆動開始点からの寄り付き動作を示している。

先ず、設定通りにロータ１２の任意の磁極を、安定点からＣＷ方向に機械角９０゜の位置に回転駆動する（ステップＳ１０）。そして、図２（ａ）に示すようにロータ１２の任意の磁極Ｂは、安定点ＡからＣＷ方向に機械角９０°の位置にあり、その状態から寄り付き動作を行う。任意の磁極ＢをＣＣＷ方向の安定点に寄り付かせ（ステップＳ１１）、図２（ａ）に示すように任意の磁極Ｂが回転駆動した駆動距離Ｂ１を計測部２４により計測して記憶部２５に記憶する（ステップＳ１２）。次に、任意の磁極Ｂを安定点からＣＣＷ方向へ機械角９０°回転駆動し（ステップＳ１３）、機械角９０°回転駆動された位置からＣＷ方向の安定点Ａに寄り付かせ（ステップＳ１４）、図２（ｂ）に示すように任意の磁極Ｂが回転駆動した駆動距離Ｂ２を計測部２４により計測して記憶部２５に記憶する（ステップＳ１５）。計算部２６は、駆動距離Ｂ１及びＢ２を記憶部２５から読出して、ステップＳ１１における寄り付き動作の駆動開始点からＣＣＷ方向への駆動距離Ｂ１離れた位置、及びステップＳ１４における寄り付き動作の駆動開始点からＣＷ方向への駆動距離Ｂ２離れた位置を２つの端点とするロータ１２の円弧の中点を算出し（ステップＳ１６）、図２（ｃ）に示すように、算出された中点を安定点Ａとして設定部２３に設定し（ステップＳ１７）、ロータ１２の位相調整を終了する。

次に、本発明の別の方法を、図３のフローチャート及び図４（ａ）〜（ｅ）の模式図を参照して説明する。また、本発明を実施する装置の構成は従来（図７）と同様であり、その説明を省略する。

図３及び図４（ａ）〜（ｅ）の例は、準備駆動を安定点を対称にＣＷ及びＣＣＷ両方向にそれぞれ機械角１２０゜とし、寄り付き動作の駆動開始点を、安定点を対称にＣＷ及びＣＣＷ両方向にそれぞれ機械角１８０°以内に設定し、その駆動開始点からの寄り付き動作を示している。

先ず、初期位置が機械角１８０°付近にある状態から、ロータ１２の任意の磁極Ｂの準備駆動を行う（ステップＳ２０）。準備駆動の設定は、安定点Ａを対称にしてそれぞれ機械角１２０゜であり、図４（ａ）に示すように任意の磁極Ｂを、ＣＣＷ方向に６０゜回転駆動する（ステップＳ２１）。そして、図４（ｂ）に示すように任意の磁極Ｂは、準備駆動されたＣＷ方向の機械角１２０゜からＣＣＷ方向の安定点Ａに寄り付かせ（ステップＳ２２）、このときの駆動距離Ｄ１を計測部２４により計測して記憶部２５に記憶する（ステップＳ２３）。次に、図４（ｃ）に示すように任意の磁極Ｂを、設定された安定点ＡからＣＣＷ方向の機械角１２０゜の位置に回転駆動し（ステップＳ２４）、図４（ｄ）に示すようにＣＣＷ方向の機械角１２０゜からＣＷ方向の安定点Ａに寄り付かせ（ステップＳ２５）、このときの駆動距離Ｄ２を計測部２４により計測して記憶部２５に記憶する（ステップＳ２６）。計算部２６は駆動距離Ｄ１及びＤ２を記憶部２５から読出して、ステップＳ２２における寄り付き動作の駆動開始点からＣＣＷ方向への駆動距離Ｄ１離れた位置、及びステップＳ２５における寄り付き動作の駆動開始点からＣＷ方向への駆動距離Ｄ２離れた位置を２つの端点とするロータ１２の円弧の中点を算出し（ステップＳ２７）、図４（ｅ）に示すように算出された中点を安定点Ａとして設定部２３に設定し（ステップＳ２８）、ロータ１２の位相調整を終了する。

以上のように本発明によれば、ロータを準備駆動により安定点及び安定点の逆位相を除いた位置に回転駆動した後に、ＣＷ及びＣＣＷ両方向からそれぞれ寄り付き動作を行い、駆動距離に基づいた算出される中点を安定点（励磁原点）に設定しているので、常にロータの正確な位相調整を行うことができる。

なお、予備駆動及び寄り付き動作を行う場合に電流を流す相は、１つでも複数でも良く、ロータの特定の磁極に対して作用し、ロータのトルクをゼロにすることができれば良い。また、正位相を安定点としたが逆位相を原点とすることとしても、ロータのトルクをゼロにすることができるので同等の効果が得られ、モータコイルも３相を例に挙げたが、多相であれば同等の効果が得られ、Ｕ相のみに限らずＶ相やＷ相でも検出することができ、ロータの磁極数についても４極を例に挙げたが、多極であれば同等の効果が得られる。また、ブラシレスＤＣモータやＡＣサーボモータの例としてアウターロータ型の説明をしたが、インナーロータ型でも同等の効果が得られる。

本発明に係るモータ磁極位相の調整方法の例を示すフローチャートである。本発明に係るモータ磁極位相の調整方法の例を示す模式図である。本発明に係るモータ磁極位相の調整方法の他の例を示すフローチャートである。本発明に係るモータ磁極位相の調整方法の他の例を示す模式図である。３相ブラシレスＤＣモータの軸方向の断面図である。３相ブラシレスＤＣモータの各相の位相差を示す図である。ドライブユニットの構成例を示す図である。３相ブラシレスＤＣモータに生じる誤差を示す軸方向の断面図である。３相ブラシレスＤＣモータの等価回路図である。従来の寄り付き動作による位相調整方法の一例を示すフローチャートである。従来の寄り付き動作による位相調整の様子を示す模式図である。従来の寄り付き動作による位相調整方法の他の例を示すフローチャートである。従来の寄り付き動作による位相調整の様子の他の例を示す模式図である。安定点とロータとの角度により出力されるトルクの様子を示す図である。

符号の説明

１０３相ブラシレスＤＣモータ
１１ステータ
１２ロータ
１３Ｕ相コイル
１４Ｖ相コイル
１５Ｗ相コイル
１８レゾルバ
２０ドライブユニット
２１ＣＰＵ
２２駆動制御部
２３設定部
２４計測部
２５記憶部
２６計算部

Claims

複数の磁極を有するロータを備えたモータのコイルに電流を流して前記ロータの位相を調整するモータ磁極位相の調整方法において、
前記ロータを安定点に対して正逆位相を除くＣＷ方向の機械角１８０゜以内の所定角度へ予め回転駆動する工程Ｃ１と、
前記工程Ｃ１により回転駆動した前記ロータをＣＣＷ方向の前記安定点へ回転駆動する工程Ｃ２と、
前記工程Ｃ２における駆動開始点からの駆動距離Ｄ１を計測する工程Ｃ３と、
前記ロータを安定点に対して正逆位相を除くＣＣＷ方向の機械角１８０゜以内の前記所定角度へ予め回転駆動する工程Ｃ４と、
前記工程Ｃ４により回転駆動した前記ロータをＣＷ方向の前記安定点へ回転駆動する工程Ｃ５と、
前記工程Ｃ５における駆動開始点からの駆動距離Ｄ２を計測する工程Ｃ６と、
前記工程Ｃ２における前記駆動開始点から前記ＣＣＷ方向へ前記駆動距離Ｄ１離れた位置、及び前記工程Ｃ５における前記駆動開始点から前記ＣＷ方向へ前記駆動距離Ｄ２離れた位置を２つの端点とする前記ロータの円弧の中点を励磁原点とする工程Ｃ７と、
を具備したことを特徴とするモータ磁極位相の調整方法。
前記モータがブラシレスＤＣモータ又はＡＣサーボモータである請求項１に記載のモータ磁極位相の調整方法。