JP5403243B2 - 永久磁石同期モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器によって駆動される永久磁石同期モータの制御装置に関し、特に、電源投入時の永久磁石同期モータの初期磁極位置を高精度に検出して運転開始時の逆方向への移動や暴走を防止する機能を備えた制御装置に関するものである。

永久磁石同期モータは、高効率、省スペース等の利点を有することから普及が進んでおり、回転モータのみならずリニアモータとしても広く利用されている。永久磁石同期モータは、永久磁石回転子の磁極位置に応じた電圧を印加しないとトルクを発生できず、モータが逆回転してしまう等の問題があるので、磁極位置を正確に把握することが重要である。
周知のように、エンコーダを用いれば、その出力信号である位置信号に基づいてモータの速度及び磁極位置を演算することが可能であるが、電源投入時は初期磁極位置が不明であるため、この初期磁極位置を正確に検出して安定に起動する手段が必要となる。

以上のような背景のもとで、永久磁石モータの初期磁極位置を推定する従来技術が、以下のように種々提供されている。
（１）モータの突極性を利用して初期磁極位置を推定するもの（特許文献１）：突極形ブラシレスＤＣモータに高周波電圧を印加したときの電流検出値に含まれる高周波成分の振幅から初期磁極位置を推定する。
（２）モータの磁気飽和を利用して初期磁極位置を推定するもの（特許文献２）：一定間隔で角度を変えた各出力電圧位相における電流検出値の振幅を記憶し、磁気飽和によって上記振幅が最大となる位相角に基づいて初期磁極位置を推定する。
（３）リニアモータに直流電流を流し、出力電圧位相角を変化させて初期磁極位置を検出するもの（特許文献３）：リニアモータを直流励磁した後に、出力電圧位相角を正負の所定角度に設定し、その時の移動量の中心点を初期磁極位置として検出する。
（４）磁極位置推定角±４５度の二つのモードをトルクパターンにより切り換えると共に、外乱トルクを補償しながら二つのモードにおける誤差角を演算し、この誤差角に基づいて初期磁極位置を検出するもの（特許文献４）

特開２００８−２９５１１３号公報（段落［００２３］，［００２４］、図１，図３等） 特開２０００−３１２４９３号公報（段落［００１２］〜［００２３］、図１等） 特開２００６−１３６２００号公報（段落［００４８］、図１５等） 特開２００７−６５８５号公報（段落［００１１］〜［００２０］、図１，図２等）

前述した各従来技術には、以下のような問題がある。
（１）特許文献１に記載された従来技術では、表面に一様に永久磁石を有する非突極形のモータの場合には適用することができない。
（２）特許文献２に記載された従来技術は、基本的に回転モータを対象としており、リニアモータのように電機子と永久磁石との間のギャップ長が大きい場合には、特性上、磁気飽和しにくいため、リニアモータへの適用は難しい。
（３）特許文献３に記載された従来技術はリニアモータに適用可能であるが、モータの摩擦が大きい時には移動量の中心点がずれる場合があり、検出精度が低下する恐れがある。
（４）特許文献４に記載された従来技術は、回転モータ、リニアモータの双方に適用可能であり、また、モータの摩擦が大きい場合でも外乱として補償するので検出精度は比較的高い。しかし、全体的に初期磁極位置の推定処理が複雑になり、制御装置の演算量も多い。

そこで、本発明の解決課題は、上記（１）〜（４）の問題点を克服し、回転モータ、リニアモータを問わず適用可能であって、摩擦等の外乱があっても初期磁極位置を高精度かつ少ない演算量で推定できると共に、構成の簡略化を可能にした制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る制御装置は、永久磁石同期モータと、このモータに取り付けられたエンコーダと、このエンコーダから出力される複数相の位置検出パルスからモータの速度及び位置を演算する速度・位置演算手段と、モータの印加電圧の位相角指令値を演算する位相角指令演算手段と、を備えた永久磁石同期モータの制御装置において、
前記位相角指令演算手段は、
電源投入時に、所定の電流指令値に基づき電流制御を行ってモータを励磁する励磁モードにおいて前記位相角指令値を一定値とする機能と、この励磁モードに続く動作モードにおいてモータが停止した状態から前記位相角指令値を前記一定値からランプ関数的に増加させる機能と、モータの移動方向が想定方向とは逆である場合に前記位相角指令値を１８０度反転させる保護機能と、モータの移動速度が制限値以上になった場合に前記位相角指令値の増加割合を低減させる速度制限機能とを有し、
所定の時間または所定の角度量に達するまで前記位相角指令値を変化させてモータの磁極位置を前記印加電圧の位置に一致させるものである。

請求項２に係る制御装置は、請求項１に記載した永久磁石同期モータの制御装置において、
一定の速度指令値を積分して得た位相角指令値の変化分に応じてモータを動作させた時の、速度指令値と速度演算値との偏差からモータに与えるトルクまたは推力または電流の指令値を演算する速度制御手段と、
この速度制御手段の出力である指令値を制限値により制限する手段と、を備え、
前記制限値を、前記動作モードにおいてモータの移動開始時から設定可能最大値までランプ関数的に変化させ、前記位相角指令値を変化させてモータの磁極位置を前記印加電圧の位置に一致させるものである。

請求項３に係る制御装置は、請求項１または２に記載した永久磁石同期モータの制御装置において、
前記エンコーダは、モータの磁極の基準位置信号を出力可能であると共に、
前記基準位置信号が検出されたときの磁極位置オフセット量を記憶する記憶手段を設け、
前記励磁モードまたは前記動作モード中に前記基準位置信号が検出されたときに、前記記憶手段内の前記磁極位置オフセット量を前記位相角指令値にセットして当該モードを終了させるものである。

本発明によれば、位相角指令値を一定値からランプ関数的に移動させ、そのときの電流や速度を制御しながらモータの磁極位置が位相角指令値（電圧位相角）に一致するように引き込むことにより、摩擦が大きいリニアサーボモータ等の永久磁石同期モータに対しても、容易かつ高い信頼性で初期磁極位置を推定し、モータをスムーズに始動することができる。
また、複雑な演算処理も不要であり、制御装置の演算負荷の低減、回路構成の簡略化が可能である。

本発明の実施例１を示すブロック図である。 実施例１における位相角指令演算手段の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例２を示すブロック図である。 実施例２における制限値演算手段の動作を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例３を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。この実施の形態は、本発明を回転モータに適用した場合のものであるが、本発明はリニアモータにも勿論、適用可能である。
以下では、実施の形態を具体化した実施例１〜実施例３について図面を参照しつつ説明する。

この実施例１の特徴は、電流制御により指令値通りの電流を永久磁石同期モータに供給しつつ、位相角指令値を一定値（例えばゼロ）からランプ関数的に変化させることで、モータの磁極位置を位相角指令値に一致するように引き込む点にある。

まず、図１は請求項１に対応する本発明の実施例１の構成を示している。
図１において、三相交流電源１にはインバータやサーボアンプ等の電力変換器２が接続されており、その出力側に回転モータとしての永久磁石同期モータ３が接続されている。電力変換器２は、その出力電圧の振幅及び周波数を制御してモータ３に供給する。
モータ３の出力軸にはエンコーダ４が接続されており、モータ３の１回転当たり所定のパルス数で９０度位相が異なるＡ相パルス、Ｂ相パルスが出力されるようになっている。なお、５は負荷を示す。

制御装置内では、一般的なｄ軸（回転子の磁極方向の軸）、ｑ軸（前記ｄ軸に直交する方向の軸）という直交二軸の座標系を使用し、電流検出手段８により検出した三相電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗを、位相角指令値θ^＊が入力された座標変換手段９によりｄ軸電流ｉ_ｄ、ｑ軸電流ｉ_ｑに変換して電流を制御する。
一方、ｄ軸電流指令手段１０は、後述する速度演算値に基づいてｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を生成し、減算手段１１においてｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差が算出される。ｄ軸電流制御手段１２は、上記偏差をゼロにするように動作してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を生成し、出力する。
また、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊はゼロに設定されており、減算手段１３によりｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差が算出される。ｑ軸電流制御手段１２は、ｑ軸電流をゼロにするように動作してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を生成し、出力する。

ｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊は、座標変換手段１５により位相角指令値θ^＊に従って座標変換され、三相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊として出力される。
これらの三相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊はＰＷＭ発生手段１６に入力されており、三角波キャリアとの比較、または瞬時空間ベクトルを用いて電力変換器２のスイッチング素子に対するＰＷＭ信号（オン・オフ信号）が生成される。

前記エンコーダ４からのＡ相パルス、Ｂ相パルスは速度・位置演算手段６に入力されており、Ａ相パルス、Ｂ相パルスの間隔をタイマにて測定することにより速度演算値（回転移動量を含む）を演算する。同時に、Ａ相パルス、Ｂ相パルスの発生順序に基づいて回転方向を演算し、逆転監視信号を生成する。なお、この実施例ではＡ相パルス、Ｂ相パルスの位相差が９０度の場合について説明するが、上記位相差は勿論、限定的なものではない。

速度・位置演算手段６から出力される速度演算値及び逆転監視信号は、位相角指令演算手段７に入力されており、この演算手段７により位相角指令値θ^＊が生成されて前記座標変換手段９，１５に送られている。
ここで、本実施例の主要部である位相角指令演算手段７の動作と、初期磁極位置の検出方法について、図２のタイミングチャートを用いて説明する。

（１）まず、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を所定値に設定し、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を前述の如くゼロとする。起動後の一定期間は位相角指令値θ^＊を一定値(例えばゼロ)にして運転を開始し、モータ３が一度動いて停止するまで続ける。仮に、このとき初めからモータ３が全く動かない場合は、位相角指令値θ^＊を９０度ずらして再度実施する。このモードを、励磁モードとする。

（２）次に、励磁モードを実施している間に時刻ｔ_１においてモータ３の停止を確認したら、位相角指令値θ^＊を前記一定値からランプ関数的に増加させていく。このランプ関数の傾きは、急峻な動作にならないように、モータ３の速度が定格速度よりも充分に低い値になるように設定する。このとき、モータ３の定格速度に応じた速度制限値を設定しておき、モータ３の実際の速度が速度制限値を超えた場合は、位相角指令値θ^＊の傾きを緩やかに変更する（図２の時刻ｔ_３を参照）。モータ３が初めから全く動かない場合は、摩擦の影響が大きいためと判断し、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊を増加させて再度実施する。このモードを、動作モードとする。

（３）上述した（１）または（２）のモードにおいて、モータ３の磁極位置と位相角指令値θ^＊とが±９０度以上ずれている場合には、運転を開始したときに、想定した移動方向と逆方向に移動する可能性がある。特にリニアモータでは、逆方向へ移動すると、移動端に衝突する等、装置損傷の恐れがある。従って、図１の速度・位置演算手段６により逆方向への移動を検出して逆転監視信号が出力された場合は、図２の時刻ｔ_２に示すように、位相角指令値θ^＊を１８０度移動させて、再度増加させていくような保護機能を設ける。

（４）更に、動作モードにおいて、モータ３の動作が一定時間経過したのを確認し、あるいは、位相角指令値θ^＊の変化が設定周回経過したのを確認したら、モータ３の磁極位置は位相角指令値θ^＊に一致していると判断し、モータ３の動作を停止する。それ以後は、モータ３が停止したときの位相角指令値θ^＊を初期磁極位置として通常の運転を開始する。

以上の処理により、モータの摩擦が大きい場合でも安定して初期磁極位置を検出することができ、回転形やリニア形等、モータの種類や特徴に関わらず、簡単な方法で初期磁極位置を検出することが可能である。

次に、請求項２に対応する本発明の実施例２について、図３，図４を参照しつつ説明する。
この実施例２が実施例１と異なるのは、図３に示すように速度制御手段１９を設けてｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊の大きさを自動的に調節することにより、モータ３の磁極位置を位相角指令値θ^＊に引き込む時間を短縮した点にある。ここで、速度制御手段１９の出力は、ランプ関数的に変化する制限値により制限されるようになっている。

図３は、実施例２の構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
図３において、速度指令手段１７から出力される速度指令値ω_ｒ ^＊と速度演算値ω_ｒとの偏差が減算手段１８により算出され、この偏差をゼロにするような速度制御手段１９の動作によってｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊が生成される。このｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊は、実施例１と同様に減算手段１３に入力されている。また、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊は、制限値演算手段２０が演算する制限値によって制限されるものである。
以下、この実施例２における初期磁極位置の検出方法について説明する。なお、図４は制限値演算手段２０の動作を示すタイミングチャートである。

（１）まず、励磁モードの動作は実施例１と同様である。
（２）動作モードでは、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊をゼロにすると共に、速度指令値ω_ｒ ^＊をモータ３の定格速度よりも充分小さい値に設定し、この速度指令値ω_ｒ ^＊と速度演算値ω_ｒとの偏差に応じて速度制御手段１９によりｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を調整する。なお、速度制御手段１９の出力は回転モータの場合にはトルクとしたり、リニアモータの場合には推力としても良いが、この実施例では説明を容易にするためにｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊としてある。
この間、位相角指令値θ^＊は、図３の位相角指令演算手段７により、一定の速度指令値ω_ｒ ^＊を制御サンプル周期にわたり積分した増加分で増加させる。

（３）動作モードでは、モータ３に急峻な電流が流れて電力変換器２が損傷するのを防止するため、速度制御手段１９から出力されるｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を制限値演算手段２０の制限値によって制限する。すなわち、図４の時刻ｔ_１１以降では、制限値をランプ関数的に増加させていくことで、簡単な構成によって始動時の急峻な電流変化を防止し、時刻ｔ_１２以降の定常時には、設定可能最大値により制限された最適な大きさの電流を継続的に流す。この設定可能最大値は電流定格値に応じて予め設定しておけば良く、また、動作モード初期における制限値のランプ関数の傾きも、例えば速度指令値ω_ｒ ^＊の傾きに対応させて位相角指令値θ^＊が一周するまでに設定可能最大値に達するように設定しておけばよい。
（４）モータ３の逆転時の処理、及び、動作モードの終了方法は、実施例１と同様であるため説明を省略する。

以上のように、この実施例２によれば、速度制御手段１９及び制限値演算手段２０を設けることで、モータ３の電流を自動的に調節して初期磁極位置を位相角指令値に一致させることができるため、動作モードとして設定する時間を短縮し、短時間で初期磁極位置を検出することができる。

次いで、請求項３に対応する本発明の実施例３について、図５を参照しつつ説明する。図５は実施例３の構成を示すブロック図である。
この実施例は、エンコーダ４が基準位置信号を出力可能である場合に、その基準位置信号を利用して磁極位置検出時間の短縮とモータ移動量の減少を図ったものである。
エンコーダには、Ａ相，Ｂ相パルスの他に、１回転あたり１個発生するＺ相パルスや、機械角６０度ごとに信号が変化するＵ，Ｖ，Ｗ相パルス等の磁極絶対位置に対応した基準位置信号を出力するタイプがある。本実施例では、エンコーダからの基準位置信号として、Ｚ相パルスまたはＵ，Ｖ，Ｗ相パルスのどちらが出力される場合でも対応可能であるが、以下の説明では、エンコーダ４からＺ相パルスが出力され、このＺ相パルスを利用するものとする。

図５において、エンコーダ４から出力されたＺ相パルスを速度・位置演算手段６が検出すると、Ｚ相パルス検出信号が出力され、このＺ相パルス検出信号は、メモリ２１に送出される。このメモリ２１には、Ｚ相パルス検出信号が発生したときの位相角が予め測定されて磁極位置オフセット量として記憶されており、前述した励磁モード及び動作モードの最中にＺ相パルス検出信号が発生したら、メモリ２１の値を直ちに位相角指令値θ^＊にセットし、磁極位置検出動作を終了する。また、Ｚ相パルス検出信号はｄ軸電流指令手段１０にも入力されており、磁極位置検出動作の終了と同時にｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊をゼロにして、モータ３を停止させる。

図５では、実施例１を基本として図１の構成にＺ相パルス、Ｚ相パルス検出信号、メモリ２１等を追加しているが、本実施例は、実施例２にも適用可能であり、図３の構成にＺ相パルス、Ｚ相パルス検出信号、メモリ２１等を追加しても良い。
なお、Ｚ相パルスが検出されない場合は、検出されるまで動作モードを継続しても良いし、実施例１または実施例２のように一定時間後に動作モードを一旦終了し、その後の通常動作モードに入ってからＺ相パルスを検出したときに位相角指令値θ^＊を補正しても良い。

１：三相交流電源
２：電力変換器
３：永久磁石同期モータ
４：エンコーダ
５：負荷
６：速度・位置演算手段
７：位相角指令演算手段
８：電流検出手段
９，１５：座標変換手段
１０：ｄ軸電流指令手段
１１，１３，１８：減算手段
１２：ｄ軸電流制御手段
１４：ｑ軸電流制御手段
１６：ＰＷＭ発生手段
１７：速度指令手段
１９：速度制御手段
２０：制限値演算手段
２１：メモリ

Claims (3)

1. 永久磁石同期モータと、このモータに取り付けられたエンコーダと、このエンコーダから出力される複数相の位置検出パルスからモータの速度及び位置を演算する速度・位置演算手段と、モータの印加電圧の位相角指令値を演算する位相角指令演算手段と、を備えた永久磁石同期モータの制御装置において、
   前記位相角指令演算手段は、
   電源投入時に、所定の電流指令値に基づき電流制御を行ってモータを励磁する励磁モードにおいて前記位相角指令値を一定値とする機能と、この励磁モードに続く動作モードにおいてモータが停止した状態から前記位相角指令値を前記一定値からランプ関数的に増加させる機能と、モータの移動方向が想定方向とは逆である場合に前記位相角指令値を１８０度反転させる保護機能と、モータの移動速度が制限値以上になった場合に前記位相角指令値の増加割合を低減させる速度制限機能とを有し、
   所定の時間または所定の角度量に達するまで前記位相角指令値を変化させてモータの磁極位置を前記印加電圧の位置に一致させることを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。
2. 請求項１に記載した永久磁石同期モータの制御装置において、
   一定の速度指令値を積分して得た位相角指令値の変化分に応じてモータを動作させた時の、速度指令値と速度演算値との偏差からモータに与えるトルクまたは推力または電流の指令値を演算する速度制御手段と、
   この速度制御手段の出力である指令値を制限値により制限する手段と、
   を備え、
   前記制限値を、前記動作モードにおいてモータの移動開始時から設定可能最大値までランプ関数的に変化させ、前記位相角指令値を変化させてモータの磁極位置を前記印加電圧の位置に一致させることを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。
3. 請求項１または２に記載した永久磁石同期モータの制御装置において、
   前記エンコーダは、モータの磁極の基準位置信号を出力可能であると共に、
   前記基準位置信号が検出されたときの磁極位置オフセット量を記憶する記憶手段を設け、
   前記励磁モードまたは前記動作モード中に前記基準位置信号が検出されたときに、前記記憶手段内の前記磁極位置オフセット量を前記位相角指令値にセットして当該モードを終了させることを特徴とする永久磁石同期モータの制御装置。
   

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