JP5326732B2 - 交流電動機の機械角推定方法及び機械角推定装置 - Google Patents
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なお、本発明は、回転形電動機及びリニアモータの両方に適用可能であるが、以下では回転形電動機に適用した場合について説明するものとする。
サーボシステムを代表として、交流電動機の回転子の機械的位置(回転角度)を制御する用途は多い。一例としては、ロボットアームが挙げられる。以下、回転子の機械的位置を制御する電動機駆動システムを「位置サーボ」と称する。
また、電動機Mが同期電動機である場合、位置センサ11は回転子の機械的位置を制御するためだけでなく、回転子の磁極位置を検出して、ケーブル13上の電流センサ12により得た電動機Mの通流電流を適切に制御するためにも用いられている。
上述した位置サーボ技術については周知であるため、ここでは詳細な説明を割愛する。
前述した位置センサ11には、コストや対振動性、取付スペースや配線数の増加等の問題がある。このため、図5に示すように、位置センサを用いずに電動機を駆動する、いわゆる位置センサレス駆動システムが開発、実用化されている。
この位置センサレス駆動システムは、電動機Mの通流電流または印加電圧の少なくとも一方の指令値、検出値または推定値に基づき、制御回路20が回転子の位置を推定演算し、その位置推定値に基づいて電動機を制御するものである。なお、図5は電動機Mの通流電流を用いて回転子の位置を推定する例である。
しかし、現在いわゆる「位置センサレス制御」と称される技術は、回転子の位置として電気角を推定するものであり、機械角を推定するものではない。
4極機の場合には、図6に示す如く、回転子の機械角1周期当たり2回の電気角が繰り返す。この繰り返し回数は、一般に、極対数(極数の1/2)に一致する。2回の電気角は互いに区別がつかないため、電気角の情報しか得られない場合には、機械角の情報は原理的に得られない。
また、位置センサを用いずに磁極センサ(ホール効果を利用したセンサ等)を用いる場合にも、磁極センサの検出信号は機械角ではなく電気角に対応するため、状況は同じである。
そこで、本発明の解決課題は、回転子または可動子の位置として電気角を検出または推定して制御に用いる交流電動機の駆動システムにおいて、付加的な装置を用いることなく、回転子または可動子の機械角を推定することができる交流電動機の機械角推定方法及び機械角推定装置を提供することにある。
前記制御手段によりそれぞれ求めた1台の電動機の電気角と他の電動機の電気角とが同一の機械角に対応する時に、当該機械角を前記回転子または可動子の機械角として推定するものである。
図1は、本発明の第1実施形態が適用される駆動システムの構成図である。図1において、MA,MBは、位置センサレス駆動され、または磁極センサの検出信号に基づいて駆動される第1,第2の電動機であり、これらの回転子は連結軸50により連結されている。なお、電動機MA,MBの極数は異なっている。
言い換えれば、電動機MA,MBの2つの電気角の組合せから、機械角を一意に導出することができる。
なお、図2Aにおける符号θM,θEP4,θEP6については後に説明する。
つまり、電気角から機械角を推定する場合に180°毎の不確実性が生じる。それでもなお、各電動機について自己の電気角だけを用いて機械角を推定する場合には、8極機の場合には90°毎、12極機の場合には60°毎の不確実性があるため、本実施形態のように電動機MA,MBの2つの電気角を用いて機械角を推定する方法によれば、不確実性が改善されることが分かる。
なお、機械角と電気角との対応が一旦判明すれば、その後は機械角と電気角との相対的な関係が保持されるため、駆動システムの電源投入時に2つの電気角から初期機械角を割り出し、その後は何れか一方の電気角の情報に基づいて機械角の情報を逐次更新することもできる。
例えば、図2Aにおいて、検出または推定された4極機の電気角θEP4及び6極機の電気角θEP6から機械角θMを導出する過程は、以下の通りである。
[数1]
θEP4=2θM+α
[数2]
θEP6=3θM+β
数式1,数式2において、α,βは機械角に対する既知のオフセット値である。
[数3]
θEP6−θEP4=3θM+β−(2θM+α)=θM+β−α
数式3を変形すると、数式4となる。
[数4]
θM=θEP6−θEP4+α−β
数式4の右辺は検出値、推定値あるいは既知の値であるため、数式4により機械角θMを導出することができる。
例えば、図1における第1,第2の電動機駆動システムの何れか一方または双方を、電動機の印加電圧及び通流電流に基づいて回転子位置を推定する位置センサレス駆動システムとして構成しても良い。
なお、上記文献では、電動機の電圧に基づいて電気角を推定しているため、電動機の電圧が低くなる低速領域(停止時を含む)では性能が劣化する懸念があるが、中高速域では本発明を実用上、十分に適用可能である。
すなわち、電動機に高周波電圧を印加した際に流れる高周波電流、または、電動機に高周波電流を通流したときに生じる高周波電圧を検出し、これらの高周波電流検出値または高周波電圧検出値に基づいて回転子の電気角を演算する方法が、例えば特許第3312472号公報に係る磁極位置検出装置として知られている。
このように回転子の突極性を利用する場合には、電動機の速度がゼロでも電気角を推定でき、結果として機械角を導出できるという効果がある。
図3は、本発明の第2実施形態に係るDCブラシレスモータの駆動システムの構成図であり、PMA,PMBは永久磁石同期電動機、14A,14Bは磁極センサ、21A,21Bは制御回路、31A,31Bは電源装置である。
この種の駆動システムにおいても、磁極センサ14A,14Bによる磁極位置検出値に基づいて制御回路21A,21Bから得られる情報は機械角ではなく電気角であるため、本発明により機械角導出・制御部40が機械角を導出可能である。
これにより、駆動システムの全体的な設計自由度を高めることができる。
PMA,PMB:永久磁石同期電動機
12A,12B:電流センサ
13A,13B:ケーブル
14A,14B:磁極センサ
20A,20B,21A,21B:制御回路
30A,30B,31A,31B:電源装置
40:機械角導出・制御部
50:連結軸
Claims (10)
- 回転子同士または可動子同士が機械的に連結されていると共に極数が互いに異なる複数台の交流電動機と、これらの電動機の回転子または可動子の位置を示す電気角を求めて各電動機を制御する制御手段と、を備えた電動機駆動システムにおいて、
前記制御手段によりそれぞれ求めた1台の電動機の電気角と他の電動機の電気角とが同一の機械角に対応する時に、当該機械角を前記回転子または可動子の機械角として推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定方法。 - 請求項1に記載した交流電動機の機械角推定方法において、
極数が互いに異なる複数台の電動機の極対数の公約数が1のみであることを特徴とする交流電動機の機械角推定方法。 - 請求項1または2に記載した交流電動機の機械角推定方法において、
前記制御手段が、各電動機の印加電圧及び通流電流に基づいて、各電動機の回転子または可動子の電気角を推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定方法。 - 請求項1または2に記載した交流電動機の機械角推定方法において、
前記制御手段が、各電動機に高周波電圧を印加することにより流れる高周波電流、または、高周波電流を通流することにより生じる高周波電圧に基づいて、各電動機の回転子または可動子の電気角を推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定方法。 - 請求項1または2に記載した交流電動機の機械角推定方法において、
交流電動機が永久磁石電動機であり、
前記制御手段が、前記永久磁石電動機に取り付けられた磁極センサの出力信号に基づいて、電動機の回転子または可動子の電気角を推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定方法。 - 前記制御手段が、請求項3または請求項4または請求項5に記載した電気角の推定方法を混在させて、複数台の電動機の回転子または可動子の電気角をそれぞれ推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定方法。
- 回転子同士または可動子同士が機械的に連結されていると共に極数が互いに異なる複数台の交流電動機を備えた電動機駆動システムにおいて、
前記電動機の回転子または可動子の位置を示す電気角を求めて各電動機を制御する制御手段と、
前記制御手段によりそれぞれ求めた1台の電動機の電気角と他の電動機の電気角とが同一の機械角に対応する時に、当該機械角を前記回転子または可動子の機械角として推定する機械角導出手段と、
を備えたことを特徴とする交流電動機の機械角推定装置。 - 請求項7に記載した交流電動機の機械角推定装置において、
前記制御手段が、各電動機の印加電圧及び通流電流に基づいて、各電動機の回転子または可動子の電気角を推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定装置。 - 請求項7に記載した交流電動機の機械角推定装置において、
前記制御手段が、各電動機に高周波電圧を印加することにより流れる高周波電流、または、高周波電流を通流することにより生じる高周波電圧に基づいて、各電動機の回転子または可動子の電気角を推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定装置。 - 請求項7に記載した交流電動機の機械角推定装置において、
交流電動機が永久磁石電動機であり、
前記制御手段が、前記永久磁石電動機に取り付けられた磁極センサの出力信号に基づいて、電動機の回転子または可動子の電気角を推定することを特徴とする交流電動機の機械角推定装置。
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