JP5370677B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁極検出機能を持たないエンコーダを使用して磁極位置を推定する磁極位置推定方法と、それを使用したモータ制御装置に関する。

従来の磁極位置推定方法は、ｎ分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向（＋、０、−）を判定し、移動方向が＋から０および０から−に変化する電気角領域を２分割した位相に再度電流を印加する。そのときの移動方向を判定することを数回繰り返し、移動方向が０となる電気角領域の中間点を発生電磁力が零となる位相と決定し、それを基準にして電流位相を決定するものがある。（例えば、特許文献１）
特開２００６−２９６０２７号公報

従来の特許文献１の磁極位置推定方法は、摩擦が大きい場合や負荷が重い場合など電流を印加しても全くモータが動かないことがあり、磁極位置推定ができないという問題点があった。また、発生電磁力が零となる位相を探しているので、モータコギングトルクや外乱が大きい場合その影響を受け、磁極位置推定精度が悪化するという問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、摩擦が大きい場合や負荷が重い場合でも磁極位置推定することができ、また、モータコギングトルクや外乱の影響を受けないモータ制御装置と磁極位置推定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したのである。
本発明の一の観点によるモータ制御装置は、エンコーダで検出したモータの回転角に基づいて電気角を算出する電気角演算部と、前記電気角を使用して磁極位置を推定し推定磁極位置を生成する磁極位置推定部と、前記回転角を回転速度に変換する速度演算部と、前記回転速度と速度指令に基づいてｄ軸及びｑ軸電流指令を生成する速度制御部と、前記モータの出力電流を検出する電流検出部と、を備え、前記ｄ軸及びｑ軸電流指令、前記出力電流に応じたｄ軸及びｑ軸検出電流に基づいて前記モータを駆動するモータ制御装置において、前記磁極位置推定部は、前記速度指令と前記回転速度の方向の一致性に関する電気角の分布に基づいて比較的精度の低い第１推定磁極位置を生成する低精度磁極位置推定部と、前記第１推定磁極位置から同じ電気角分だけ前後に移動した２つの制御軸におけるそれぞれの前記ｑ軸電流指令またはｑ軸検出電流の間の関係から求められる磁極位置ずれ角に基づいて比較的精度の高い第２推定磁極位置を生成する高精度磁極位置推定部と、を備えるモータ制御装置が適用される。

本発明によると、摩擦が大きい場合や負荷が重い場合でも磁極位置推定することができる。また、モータコギングトルクや外乱の影響を受けない磁極位置推定方法とそれを使用したモータ制御装置を提供することができる。

本発明のモータ制御装置の構成を示すブロック図 本発明の磁極位置推定部の構成を示すブロック図 本発明の磁極位置推定方法で使用する速度指令を示す図 本発明の磁極位置推定方法の低精度磁極位置推定ステップＳ１の動作を示すフローチャート 本発明の磁極位置推定方法の高精度磁極位置推定ステップＳ２の原理を示す図 本発明の磁極位置推定方法のステップＳ２の原理を示す図 本発明の磁極位置推定方法のステップＳ２の動作を示すフローチャート

符号の説明

１ 速度制御部
２ 電流制御部
３ ２相／３相変換部
４ ＰＷＭ電力変換部
５ 電流検出部
６ ３相／２相変換部
７ 電気角演算部
８ 速度演算部
９ 磁極位置推定部
１０ 速度指令選択部
１１ 同期モータ
１２ エンコーダ
２１ 速度指令自動生成部
２２ 低精度磁極位置推定部
２３ 高精度磁極位置推定部
２４ 推定磁極位置選択部

以下に、本発明の磁極位置推定装置とその推定方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。

図１は、本発明の構成を示すブロック図である。図において、１は速度制御部、２は電流制御部、３は２相／３相変換部、４はＰＷＭ電力変換部、５は電流検出部である。６は３相／２相変換部、７は電気角演算部、８は速度演算部、９は磁極位置推定部、１０は速度指令選択部である。また、１１は同期モータ、１２はエンコーダである。

次に動作について説明する。速度制御部１は速度指令ω＊と回転速度ωの速度偏差に基づいてｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｑ軸電流指令Ｉｑ＊を生成する。電流制御部２はｄ軸電流指令Ｉｄ＊とｄ軸電流Ｉｄに基づいてｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を生成するとともにｑ軸電流指令Ｉｑ＊とｑ軸電流Ｉｑに基づいてｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を生成する。２相／３相変換部３はｄｑ軸電圧指令のｄ軸電圧指令Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と電気角θｅに基づいて３相電圧指令のＵ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令Ｖｗ＊を生成する。ＰＷＭ電力変換部４は３相電圧指令をＰＷＭ信号にするとともに電力増幅をして同期モータ１１を駆動する。磁極検出機能を持たないエンコ−タ１２はモータ１１の位置を検出してモータ位置を生成する。電気角演算部７は電源投入時のモータ位置を基準にして電気角θｅを生成する。速度演算部８はモータ位置の時間差分をとりモータ速度を生成する。

次に本発明の磁極位置推定部の動作について説明する。図２は磁極位置推定部９の構成を示すブロック図である。図において、２１は速度指令自動生成部、２２は低精度磁極位置推定部、２３は高精度磁極位置推定部、２４は推定磁極位置選択部である。速度指令自動生成部２１は磁極位置推定中、速度指令磁極位置推定用速度指令を自動生成する。速度指令選択部１０は磁極位置推定用速度指令を選択し速度制御部１に入力する。速度制御部１は磁極位置推定用速度指令とモータ速度に基づいて速度制御を行う。低精度磁極位置推定部２２は速度演算部９からの速度情報で正常に動作したか逆走したかを判定し、第１推定磁極位置θｅｓ１を生成する。高精度磁極位置推定部２３は速度指令で動作中のｑ軸電流指令Ｉｑ＊またはｑ軸電流Ｉｑから第２推定磁極位置θｅｓ２生成する。推定磁極位置選択部は第１推定磁極位置に代わり第２推定磁極位置を選択する。

次に、本発明で使用する速度指令について説明する。
図３は、本発明で使用する速度指令である。同じ位置に戻ってくるように正負で１組としている。また、図中の最高速度、加減速時間、一定速時間、停止時間は自由に選ぶことができる。

次に、本発明の磁極位置推定方法の低精度磁極位置推定ステップＳ１について説明する。
図４は、ステップＳ１のフローチャートを示している。
ステップＳ１０１でまず、磁極位置を０°に設定し、ステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１０２では、図３の速度指令で、動作を確認する。正常な方向に回転すればステップＳ１０３へ進む。逆走した場合は、ステップＳ１０４へ進む。次にステップＳ１０３で磁極位置を次の領域へ移すため、現在の磁極位置に３６０゜／ｎを加算し、ステップＳ１０８へ進む。ステップＳ１０４では速度指令をゼロにしステップＳ１０５へ進む。ステップＳ１０５で現在の磁極位置に１８０゜を加算し、ステップＳ１０６へ進む。ステップＳ１０６では逆走したときの磁極位置（現在の磁極位置−１８０゜）を保存し、ステップＳ１０７へ進む。ステップＳ１０７では磁極位置を次の領域へ移すため、現在の磁極位置に（−１８０゜＋３６０゜／ｎ）を加算し、ステップＳ１０８へ進む。ステップＳ１０８ではｎ回（全領域）終了か確認し、ｎ回終了していれば、ステップＳ１０９へ進み、終了していなければステップＳ１０２へ戻る。ステップＳ１０９で逆走回数を確認し、あらかじめ設定した１以上ｂ以下の整数ａとしてａ回以上であれば、ステップＳ１１０へ進みａ回より少なければステップＳ１１２へ進む。ステップＳ１１０では逆走回数を確認し、ａ以上ｎ以下の整数ｂとしてｂ回以下であればステップＳ１１１へ進み、ｂ回より多ければステップＳ１１２へ進む。ステップＳ１１１では逆走磁極位置関係を確認し、磁極位置関係が正常であればステップＳ１１５へ進み、異常であればステップＳ１１２へ進む。ステップＳ１１２では速度ループゲインを上げてステップＳ１１３へ進む。ステップＳ１１３では逆走回数および逆走磁極位置をクリアしステップＳ１１４へ進む。ステップＳ１１４では磁極位置を０゜にしステップＳ１０２へ進む。ステップＳ１１５では逆走した磁極位置の平均値を計算しステップＳ１１６へ進む。ステップＳ１１６では逆走極位置平均値に１８０゜加算した値をステップ１の推定磁極位置とする。

次に、本発明の磁極位置推定方法の高精度磁極位置推定ステップ２について説明する。
図５および図６は、高精度磁極位置推定を行うステップＳ２の原理を示している。
ステップＳ２ではまず、図５に示すようにステップＳ１で推定した第１推定磁極位置に４５゜を加算し、図３の速度指令で動作させた時に必要なｑ軸電流指令をＩｑ^＊１ｄａｔａとする。次に、図６に示すようにステップＳ１で推定した磁極位置から４５゜を減算する。図３の速度指令で動作させた時に必要なｑ軸電流指令をＩｑ^＊２ｄａｔａとすると、磁極位置ずれ角θｅｒｒは次式で計算できる。
θｅｒｒ ＝ ｔａｎ^−１（Ｉｑ^＊２ｄａｔａ／Ｉｑ^＊１ｄａｔａ）−π／４ （１）

しかし、Ｉｑ^＊１ｄａｔａとＩｑ^＊２ｄａｔａの比が大きい場合、速度ループゲインの大きさや摩擦、負荷の重さ、モータコギングトルクなどによっては理想通りの比にはならないことがある。よって、（１）式で一回で磁極位置の修正を行うのではなく、Ｉｑ^＊１ｄａｔａとＩ^＊２ｄａｔａの大小から修正を行う方向を決定する。次に、第１推定磁極位置を所定角度だけ修正し第２推定磁極位置とする。次に第２推定位置に所定角度θａだけ修正し新たな第２推定磁極位置とする。これを繰り返し行う。修正する角度は繰り返す毎に半分にする。すなわち、１回目はθａ、２回目はθａ／２、３回目はθａ／４、・・・・、ｍ回目はθ／２^ｍとする。

図７にステップＳ２のフローチャートを示す。ステップＳ２０１で磁極位置にステップＳ１で推定した第１推定磁極位置を設定しステップＳ２０２へ進む。ステップＳ２０２では磁極位置修正角度に設定可能なθａを設定しステップＳ２０３へ進む。ステップＳ２０３では磁極位置に４５゜を加算して図２の速度指令でモータを動作させステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２０４では、図２の速度指令の正側動作時のｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊１ｄａｔａを保存しステップＳ２０５へ進む。ｑ軸電流指令値は正側の平均値、最大値、負側動作時のｑ軸電流指令値のいずれでも良い。ステップＳ２０５では磁極位置から９０゜を減算して、図２の速度指令でモータを動作させ、ステップＳ２０６へ進む。ステップＳ２０６では図２の速度指令の正側動作時のｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊２ｄａｔａを保存すしステップＳ２０７へ進む。ｑ軸電流指令値は正側の平均値、最大値、負側動作時のｑ軸電流指令値のいずれでも良い。ステップＳ２０７では磁極位置修正回数を確認し、ｍ回であればステップＳ２１２へ、ｍ回でなければステップＳ２０８へ進む。ステップＳ２０８ではＩｑ^＊１ｄａｔａとＩｑ^＊２ｄａｔａの大きさを比べ、Ｉｑ^＊１ｄａｔａがＩｑ^＊２ｄａｔａ以下であればステップＳ２０９へ進み、Ｉｑ^＊１ｄａｔａがＩ^＊２ｄａｔａより大きければステップ（Ｓ２１０へ進む。ステップＳ２０９では磁極位置に（９０゜＋磁極位置修正角度）を加算しステップＳ２１１へ進む。ステップＳ２１０では磁極位置に（９０゜−磁極位置修正角度）を加算しステップＳ２１１へ進む。ステップＳ２１１では磁極位置修正角度を半分にしステップＳ２０４へ進む。ステップＳ２１２では磁極位置にｔａｎ^−１（Ｉｑ^＊２ｄａｔａ／Ｉｑ^＊１ｄａｔａ）を加算しステップＳ２１３へ進む。ステップＳ２１３では現在の磁極位置を第２推定磁極位置の最終値とする。

高精度磁極位置推定部の別法として、第１推定磁極位置に設定可能なα゜を加算した磁極位置を使用し磁極位置推定用速度指令で動作させた時のｑ軸電流指令最大値の第１ｑ軸電流最大値をＩｑｍ１とする。また、第１推定磁極位置からα゜減算した時のｑ軸電流指令最大値の第２ｑ軸電流最大値をＩｑｍ２とする。次に、第２推定磁極位置は第１推定磁極位置に（３６０／２π）・ｔａｎ^−１（（Ｉｑｍ２−Ｉｑｍ１）／（（Ｉｑｍ１＋Ｉｑｍ２）・ｔａｎ（α）））度を加算して第２推定磁極位置の最終値とする。これは、真の磁極位置と推定磁極位置との磁極位置ずれ角θｅｒｒに対して発生トルクがｃｏｓ（θｅｒｒ）に減少することを利用したものである。θｅｒｒからさらに±α°だけずらしたとき、必要トルクＴｑを発生するために必要なｑ軸電流が、Ｔｑ＝Ｉｑｍ１＊ｃｏｓ（θｅｒｒ＋α）＊Ｋｔ＝Ｉｑｍ２＊ｃｏｓ（θｅｒｒ−α）＊Ｋｔになる。ここでＫｔはトルク定数である。α＝４５°とすればｔａｎ（α）＝１になるのでθｅｒｒを求める演算が簡単になる。

本発明は回転形の同期モータの例で述べたが、リニアモータに対しても同様に有効である。

Claims (5)

1. エンコーダで検出したモータの回転角に基づいて電気角を算出する電気角演算部と、前記電気角を使用して磁極位置を推定し推定磁極位置を生成する磁極位置推定部と、前記回転角を回転速度に変換する速度演算部と、前記回転速度と速度指令に基づいてｄ軸及びｑ軸電流指令を生成する速度制御部と、前記モータの出力電流を検出する電流検出部と、を備え、前記ｄ軸及びｑ軸電流指令、前記出力電流に応じたｄ軸及びｑ軸検出電流に基づいて前記モータを駆動するモータ制御装置において、
   前記磁極位置推定部は、前記速度指令と前記回転速度の方向の一致性に関する電気角の分布に基づいて比較的精度の低い第１推定磁極位置を生成する低精度磁極位置推定部と、
   前記第１推定磁極位置から同じ電気角分だけ前後に移動した２つの制御軸におけるそれぞれの前記ｑ軸電流指令またはｑ軸検出電流の間の関係から求められる磁極位置ずれ角に基づいて比較的精度の高い第２推定磁極位置を生成する高精度磁極位置推定部と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記低精度磁極位置推定部は、前記電気角３６０゜を４以上の整数ｎを用いてｎ分割した前記電気角の領域に磁極位置０゜を設定し、所定の速度指令で前記モータを動作させ、前記モータが前記所定の速度指令と同じ方向もしくは反対方向に回転したかを判別し、前記同じ方向の場合は現在の磁極位置に（３６０°／ｎ）を加算し、前記反対方向の場合は現在の磁極位置に（−１８０°＋（３６０°／ｎ））を加算し、前記所定の速度指令での前記モータの動作を前記ｎ分割の回数繰り返し、前記第１推定磁極位置を算出することを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記低精度磁極位置推定部は、前記モータが前記所定の速度指令と反対方向に回転した場合の回数に応じて、前記反対方向の場合の磁極検出位置の平均値である磁極検出位置平均値を算出し、前記磁極検出位置平均値に１８０°を加算して前記第１推定磁極位置を算出することを特徴とする請求項１または２記載のモータ制御装置。
4. 前記高精度磁極位置推定部は、前記第１推定磁極位置に４５°加算した磁極位置における前記所定の速度指令で前記モータを動作させた場合の前記ｑ軸電流指令である第１のｑ軸電流指令と、前記第１推定磁極位置から４５°減算した磁極位置における前記所定の速度指令で前記モータを動作させた場合の前記ｑ軸電流指令である第２のｑ軸電流指令と、に応じた前記磁極位置ずれ角に基づいて、前記第２推定磁極位置を算出することを特徴とする請求項１−３いずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記高精度磁極位置推定部は、前記第１推定磁極位置に所定α°加算した磁極位置における前記所定の速度指令で前記モータを動作させた場合の前記ｑ軸電流指令の最大値である第１のｑ軸電流指令最大値と、前記第１推定磁極位置から所定α°減算した磁極位置における前記所定の速度指令で前記モータを動作させた場合の前記ｑ軸電流指令の最大値である第２のｑ軸電流指令最大値と、に基づいて、前記第２推定磁極位置を算出することを特徴とする請求項１−３いずれか１項に記載のモータ制御装置。
   

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