JP5985912B2 - モータ励磁装置、モータ励磁方法、モータ制御装置およびモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石同期モータ（以下、ＰＭＳＭと略す）の制御装置、特にその磁極位置検出器の磁極位置合わせを行うモータ励磁装置に関する。

ＰＭＳＭは、回転子の磁極位置を基準にしてモータの電流制御をするので、モータの磁極位置検出用に磁極位置検出器を持っている。製造時に磁極位置検出器をモータ軸に最初に取り付けた状態では、回転子の磁極位置と磁極位置検出器の相対的位置関係が分からないので、両者の相対的位置関係を明確にする磁極位置合わせが必要である。この方法として、磁極位置検出器にエンコーダを用いた特許文献１の方法が提案されている。

すなわち、最初にモータとエンコーダとを組合せた状態では、エンコーダ自体が持っている絶対的零位置のみが確定している。次に、モータの周知のＶ相及びＷ相巻線（図示せず）に正電流を印加し、周知のＵ相巻線に負電流を印加してモータの直流通電を行い、モータを安定点に停止させる。このとき、先に述べたエンコーダ自体が持っている絶対的零位置と、安定停止点との位置誤差δを読み取り、メモリに書き込む。そして、位置誤差δをエンコーダのカウント値を用いて補正しながら、磁極位置を合わせて運転駆動する。

特開平９−２１９９８９号公報

前記公知の方法はリラクタンストルクが磁石トルクより小さい通常のＰＭＳＭには有効である。しかし、リラクタンストルクが磁石トルクより大きなモータ（例えば、特開２０１１−８３０６６号公報に示す永久磁石補助型リラクタンスモータ、ここでは以下、ＰＲＭ（＝ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ ＭＡＧＮＥＴ ＡＳＳＩＳＴＥＤ ＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳ ＲＥＬＵＣＴＡＮＣＥ ＭＯＴＯＲ）と略す）に適用すると、安定停止点が１点に定まらない問題がある。このことを図により説明する。

まず、モータに直流電流を流したときの安定停止点について述べる。図１は、ｄ軸巻線およびｑ軸巻線電流ベクトルと、電流位相角βの関係を表す図である。図１において、ｄ軸の向きを回転子Ｎ極の向き、ｑ軸の向きをｄ軸より電気的にπ／２位相が進んだ向きとする。また、電流ベクトルＩａの向きと、ｑ軸との位相角をβとする。なお、ｑ軸は無負荷誘導起電力のベクトルの向きと等しい。また、図１のｄ軸とｑ軸は、回転子と同期して回転する回転座標軸であり、ｄｑ軸の正回転方向は、左回転（数学的正方向）とする。従って、逆回転は右回転である。

次に、図２に電流位相角βとトルクの関係の、通常のＰＭＳＭの一般的な例を示す。図２のβ−トルク特性は、２πの周期性があり、図の点Ａ（β＝β０）、点Ｂ（β＝β１）でトルク０となる。ここで、電流位相角βで直流励磁した際のモータの回転子の挙動を、電流位相角βの範囲が、以下の４つの場合について示す。
（１）−π≦β＜β０の範囲内のとき
トルクは負なので、回転子は右回転のトルクを発生する。すると、図１の電流ベクトルの向きは不変の状態でｄｑ軸が右回転するので、電流位相角βは増加する。やがては、β＝β０となり、この点Ａでトルク０となり停止する。
（２）β＝β０またはβ＝β１のとき
トルクは０なので、停止したままである。
（３）β０＜β＜β１の範囲内のとき
トルクは正なので、回転子は左回転のトルクを発生する。すると、図１の電流ベクトルの向きは不変の状態でｄｑ軸が左回転するので、電流位相角βは減少する。やがては、β＝β０の点で左回転が止まり停止する。
（４）β１＜β≦πの範囲内のとき
トルクは負なので、（１）と同様にβ＝β０となる点で停止する。

以上の（１）〜（４）より、直流励磁した瞬間の電流位相角βが、β≠β１ならば、β＝β０となるように回転子が移動して、この点で安定停止することがわかる。また、安定停止点β０とは、電流位相角βが増加したとき、β＝β０の点を境に、トルクが負から正に転じる点と言うこともできる。β＝β１のときも、トルク０となり停止するが、上記より非常に不安定であり、わずかに起磁力の向きが変化しただけで、安定停止点β＝β０に向かうように回転子が移動する。よって、実用上ほとんど問題とならない。

すなわち、安定停止点は、図2のβ−トルク特性図において、トルクが負から正に変わるところのトルクがゼロの位相になる。

次に、ＰＭＳＭの電流位相角βに関するトルク方程式について述べる。ＰＭＳＭの等価回路定数において、直軸インダクタンスをＬｄ、横軸インダクタンスをＬｑ、誘導起電力定数をｋｅ、極対数をp、図１の電流ベクトルＩａ（大きさは電流実効値と等しい）の、ｄ軸方向の電流成分をＩｄ（＝ｉｄ／√３）、ｑ軸方向の電流成分をＩｑ（＝ｉｑ／√３）とすると、一般に次式のＰＭＳＭのトルク式が知られている。
τ＝ｐ[ｋｅ×ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑ] （式１）
Ｉｄ＝ｉｄ／√３＝―Ｉａ×ｓｉｎβ （式２）
Ｉｑ＝ｉｑ／√３＝ Ｉａ×ｃｏｓβ （式３）
式１、式２、式３より、モータ発生トルクτは
τ＝ｐ[ｋｅ×ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑ]
＝ｐ[ｋｅ×Ｉａ×ｃｏｓβ×√３−(３／２)×（Ｌd−Ｌq）×Ｉａ²×ｓｉｎ ２β]
＝Ａ×Ｉａ×[ｃｏｓβ＋Ｂ×Ｉａ×ｓｉｎ２β] （−π≦β≦π） （式４）
のように表すことができる。ここで、
Ａ、Ｂ：定数、Ｉａ：電流ベクトルの大きさ（電流実効値）、Ｉａ＞０、Ａ＞０である。

式４のカッコ内の第１項は、磁石の磁束と電流の積によるトルク（一般にマグネットトルクと呼ぶ）で、カッコ内の第２項は、リラクタンストルク効果によるリラクタンストルクを表す。また、式４は、１軸の巻線（３相巻線が一組）のみを有する通常のＰＭＳＭで成立する式であるが、後述する複数軸の巻線モータに対しても、各軸の巻線のそれぞれについて式４を適用し、その総和を求めれば、各軸の巻線が発生するトルクのモータ全体の合計トルクを算出することができる。

式４で表されるトルクにおいて、Ｂ×Ｉａの値によって、次の３つの場合に分けられる。
（１）−１／２≦Ｂ×Ｉａ≦１／２の場合
これは、リラクタンストルクの割合が小さい、通常のＰＭＳＭの場合である。横軸に電流位相β、縦軸にトルクτをとったとき、式４で表されるグラフは、図３のようになる。図３より、−π≦β≦πで安定停止点β０（βが増加していくとき、トルクが負から正になる点）は１つだけ存在し、その値はモータ定数によらず、安定停止点β０＝−π／２であることがわかる。特に、Ｂ＝０（すなわちＬｄ＝Ｌｑ）の場合は、マグネットトルク項のみとなり、図２に示したような正弦波のβ−トルク特性となる。

以上は、モータを直流励磁したとき、安定停止点β０はただ一つβ０＝−π／２だけ存在し、この安定点となるように電流ベクトルの向きに回転子のＮ極位置が引き寄せられることを示している。

（２）Ｂ×Ｉａ＞１／２の場合
このときは、リラクタンストルクの割合が大きいモータであり、先に述べたＰＲＭは、これに含まれる。式４で表されるグラフは、「Ｂ×Ｉａ＝０．８」の場合を一例として挙げると、図４のようになる。図４より、−π≦β≦πで安定停止点は２つ存在する（図のＡ点、Ｂ点）。よって、モータを直流励磁したとき、どちらの電流位相角βで安定するかは、そのときのモータがどの位相で停止していたかによって決まる。
このように、安定停止点が２点あるので、どちらの点か特定できず、停止点からはｄ軸位相（β＝−π／２）を特定することができず、このままでは、磁極位置が定まらない。しかも、この安定停止点は、モータ定数の影響を受け、一意に定まらない。

（３）Ｂ×Ｉａ＜−１／２の場合
上記（２）のＢ×Ｉａ＞１／２の場合と同じく、このときも、リラクタンストルクの割合が大きいモータである。式４で表されるグラフは、図５のようになる。図５より、−π≦β≦πで安定停止点β０は２つだけ存在するが、Ｂ×Ｉａ＞１／２の場合と異なるのは、その値はモータ定数によらず、安定停止点β０＝−π／２またはπ／２であることであるが、Ｂ×Ｉａ＞１／２の場合と同様に、モータを直流励磁したとき、どちらの電流位相角βで安定するかは、そのときのモータがどの位相で停止していたかによって決まる。このように、安定停止点が２点あるので、どちらの点か特定できず、停止点からはｄ軸位相（β＝−π／２）を特定することができず、このままでは、磁極位置が定まらない。

本発明は、前記のように、リラクタンストルクの割合が大きいモータに対してなされたもので、その目的は、リラクタンストルクの割合が大きな永久磁石モータの磁極位置検出器の磁極位置合わせを行うことができる永久磁石モータのモータ励磁装置及びモータ励磁方法を提供することにある。

上記課題を解決すために、本発明は、多相巻線をＮ軸（Ｎ≧２）もつ永久磁石同期モータの任意の複数軸を選択して、この複数軸の各軸巻線を独立に励磁してエンコーダとモータの磁極位置の合わせを行うモータ励磁装置において、
選択された複数軸をＫ組（Ｋ≦Ｎ）とし、励磁電流指令を発生する位置合わせ励磁電流指令部と、前記励磁電流指令を受けて前記Ｋ組の各軸巻線に直流の励磁電流を供給する各軸励磁装置と、エンコーダの値を記憶する記憶部を備え、
前記各軸励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、各軸巻線の起磁力が電気的に互いにπ／Ｋの位相差となるようにＫ組の各軸巻線を直流励磁し、前記記憶部はこの直流励磁によりモータが安定停止したときのエンコーダの値を初期位置として記憶することを特徴とする。

また、上記に記載のモータ励磁装置において、前記各軸励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、各軸巻線の起磁力の大きさが等しくなるようにＫ組の各軸巻線に励磁電流を供給することを特徴とする。

また、上記に記載のモータ励磁装置において、永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記各軸励磁装置は電流を徐々に所定値まで立ち上げるように供給することを特徴とする。

また、上記に記載のモータ励磁装置において、永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記各軸励磁装置は電流を所定値で供給し、回転子が停止または回転移動量がゼロになるとき、より大きな電流を流すことを特徴とする。

また、上記に記載のモータの励磁装置で記憶部に記憶された初期位置によって、エンコーダの回転位置を補正する補正部を有し、前記補正部から出力される回転位置信号によりモータの制御を行うことを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明は、多相巻線をＮ軸（Ｎ≧２）もつ永久磁石同期モータの任意の複数軸を選択して、この複数軸の各軸巻線を独立に励磁してエンコーダとモータの磁極位置の合わせを行うモータ励磁方法において、
選択された複数軸をＫ組（Ｋ≦Ｎ）とし、励磁電流指令を発生する位置合わせ励磁電流指令部と、前記励磁電流指令を受けて前記Ｋ組の各軸巻線に直流の励磁電流を供給する各軸励磁装置と、エンコーダの値を記憶する記憶部を備え、
前記励磁電流指令に基いて、前記各軸励磁装置により、各軸巻線の起磁力が電気的に互いにπ／Ｋの位相差となるようにＫ組の各軸巻線を直流励磁し、この直流励磁によりモータが安定停止したときのエンコーダの値を初期位置として前記記憶部に記憶することを特徴とする。

本発明は、請求項１、２、６、７の発明によれば、各軸巻線によって発生するリラクタンストルクのモータ全体での合計値がゼロとなるので、安定停止点β０は１点に定まり、しかもその安定停止点はモータ定数によらず、直流励磁するＫ組の各軸巻線の数、Ｋにだけ依存するので、この安定停止点β０から、モータの磁極位置（Ｎ極位置）を容易に算出することができる。

請求項３、４、８、９の発明によれば、磁極位置合わせの際、振動トルクとならず、すばやく安定停止点に停止することができる。また、安定停止点付近のトルクを大とすることができ、より精度よく磁極位置合わせを行うことができる。

請求項５、１０の発明によれば、リラクタンストルクの割合の大きいモータにおいても、請求項１、２、６、７で安定停止点を求めた後、磁極位置を補正演算することで、通常のＰＭＳＭ（リラクタンストルクの割合の小さいモータ）と同様にモータの制御を行うことを可能とする。

電流の位相関係を示す図である。 トルクと電流位相角の関係を示す図である。 −１／２≦Ｂ×Ｉａ≦１／２の場合の、式４で表される電流位相角βに対するトルクの関係と、直流励磁時の安定停止点β０の説明図である。 Ｂ×Ｉａ＞１／２の場合の、式４で表される電流位相角βに対するトルクの関係と、直流励磁時の安定停止点β０の図の説明図である。 Ｂ×Ｉａ＜−１／２の場合の、式４で表される電流位相角βに対するトルクの関係と、直流励磁時の安定停止点β０の図の説明図である。 実施例１のモータの断面図である。 実施例１の他のモータの断面図である。 実施例１のモータの励磁装置およびモータの全体図である。 各軸巻線をπ／Ｋの位相差で励磁したときの、電流位相角に対する、各巻線が発生するトルクのモータ全体の合計トルクの説明図である。 実施例１の他のモータ励磁装置およびモータの全体図である。 実施例１の制御フローを示す図である。 実施例１の通常運転状態の制御ブロック図である。 巻線２軸のうち、一方のB×Ｉａの値が５％大きい場合の、電流位相角βに対する、１軸と２軸の合計トルクτの関係と、直流励磁時の安定停止点β０の説明図である。 Ｋ＝２軸の場合に、複数軸巻線モータ１１の各軸巻線に、可変直流電源を直接接続した励磁装置の全体図である。 Ｋ＝３軸の場合に、複数軸巻線モータ１１の各軸巻線に、可変直流電源１を直接接続した励磁装置の全体図である。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図６は本実施例で対象とするモータ１１の内部構造の断面図である。モータ１１は、モータ内部から引き出されている３相巻線が複数ある、複数軸巻線モータである。この複数軸３相巻線のそれぞれを１軸巻線１１１、２軸巻線１１２…、N軸巻線１１N（N≧２）と呼ぶ。また複数軸巻線の数を軸数と呼ぶ。尚、本実施例では、モータ１１は３相モータで説明するが、多相モータでも本願の意図するところは実現できる。

複数軸巻線モータ１１と、通常よく製造されている１軸巻線モータとの違いについて以下に説明する。図６では１軸巻線１１１、２軸巻線１１２、…、Ｎ軸巻線１１Nと、モータのステータ１１ａの周方向に順に巻回されている。それぞれの軸の端子はモータ外部に引き出されている。また、図６の各軸の巻線の両端部はそれぞれ干渉がないように巻かれているが、両者が重なる干渉域が多少あるように巻かれていても問題がない。あるいは、ステータ１１ａの巻線が、図７に示す断面図のように、１軸巻線１１１、…、Ｎ軸巻線１１Nが交互に入り組み、各軸巻線それぞれがステータの全周にわたって分散して巻回されている巻線方法であってもよい。

以上の複数軸巻線モータの各軸巻線を、直列または並列に結線して、モータ外部に引き出して１軸巻線のみとしたものが、通常の１軸巻線モータである。よって、モータ内部の電磁気的な現象についていえば、本質的に両者は同じものである。ロータ１１ｂはステータ１１ａの内側にあり、回転子表面または内部に永久磁石１１ｃが均等に配置されている。図６および図７では、一例として、永久磁石１１ｃを周方向に４個均等配置している。複数軸巻線モータ１１の各軸の巻線を直流励磁することでロータ１１ｂはトルクを発生し、安定停止点で停止する。

複数軸巻線モータ１１は、各軸独立したインバータで駆動される。１軸巻線モータに比べ、同一トルクを必要とするインバータの数は増える。しかし、そのインバータの容量は、１軸巻線モータの電流容量を軸数で割った値で済むので、小型のインバータを製造、使用することができる利点がある。

図８は本発明実施例のモータの励磁装置０１１、およびそれが接続されている複数軸巻線モータ１１の全体図である。図８において、図６および図７と同じ番号のものは同じものを表す。エンコーダ１２はモータ１１の磁極位置を検出するためのもので、モータ１１の回転軸に接続されている。位置合わせ励磁電流指令部１００は、複数軸巻線モータ１１の各軸の３相巻線に、励磁電流指令を与える。

２１１、２１２、…、２１Ｋはそれぞれ、１軸励磁装置、２軸励磁装置、・・・、Ｋ軸励磁装置で、それぞれ対応する１軸巻線１１１、２軸巻線１１２…、Ｋ軸巻線１１Ｋに電流を供給する（Ｋ≦Ｎ）。１軸励磁装置２１１は、電流制御部（ＡＣＲ）２２１と、ＰＷＭ制御部２３１と、インバータ２４１と、電流検出器２５１を備えている。

位置合わせ励磁電流指令部１００により与えられた直流励磁電流指令ｉｕ１＊、ｉｖ１＊、ｉｗ１＊は、１軸励磁装置２１１内の電流制御部（ＡＣＲ）２２１に入力される。電流制御部（ＡＣＲ）２２１は、出力される実電流を検出する電流検出器２５１との偏差に応じた各相の信号を出す。ＰＷＭ制御部２３１は電流制御部（ＡＣＲ）２２１の出力に応じて働き、インバータ２４１をＰＷＭ制御すし、インバータ２４１から１軸巻線１１１に直流励磁電流が供給される。こうして、１軸巻線１１１に流れる直流励磁電流は、位置合わせ励磁電流指令部１００の指令信号に応じた値に制御される。

位置合わせ励磁電流指令部１００は、２軸励磁装置２１２にも、直流励磁電流指令ｉｕ２＊、ｉｖ２＊、ｉｗ２＊を出力する。２軸励磁装置２１２は、１軸励磁装置２１１と同様の構成であり、２軸巻線１１２に流れる直流励磁電流は、位置合わせ励磁電流指令部１００の指令信号に応じた値に制御される。

以下同様に、位置合わせ励磁電流指令部１００は、Ｋ軸励磁装置２１Ｋにも、直流励磁電流指令ｉｕＫ＊、ｉｖＫ＊、ｉｗＫ＊を入力する。Ｋ軸巻線１１Ｋに流れる電流は、位置合わせ励磁電流指令部１００の指令信号に応じた値に制御される。また、励磁しないその他の各軸巻線１１NK（N-K組）は開放状態とする。

ここで、以下の式５、式６、式７に示すように、各軸巻線の３相の励磁電流指令を等しくすると、複数軸巻線モータ１１の総トルクは、式４のトルク式において、軸数Ｋ倍とすることにより式８のように示すことができる。
ｉｕ１＊＝ｉｕ２＊＝…＝ｉｕＫ＊ （式５）
ｉｖ１＊＝ｉｖ２＊＝…＝ｉｖＫ＊ （式６）
ｉｗ１＊＝ｉｗ２＊＝…＝ｉｗＫ＊ （式７）
τ＝Ｋ×Ａ×Ｉａ×[ｃｏｓβ＋Ｂ×Ｉａ×ｓｉｎ２β] （−π≦β≦π） （式８）
式８の括弧内は、式４と等しいので、課題でも述べたように、B×Ｉａ＞１／２または、B×Ｉａ＜−１／２のときのモータ（リラクタンストルクの割合が大きいモータ。ＰＲＭも含む）では、直流励磁時の安定停止点β０が２点あるので、どちらの点か特定できず、停止点からはｄ軸位相（β＝−π／２）を特定することができず、このままでは、磁極位置が定まらない。しかも、B×Ｉａ＞１／２の場合、この安定停止点β０は、モータ定数の影響を受け、一意に定まらないことも先述の通りである。

この課題は以下に示すように、各軸巻線に流すＵＶＷ各相の電流指令において、互いに起磁力の大きさが等しく、電流の位相をπ／Ｋずつずらす直流励磁を行うことで解決できる。

すなわち、１軸巻線１１１を、
ｉｕ１＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ） （式９）
ｉｖ１＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−２π／３） （式１０）
ｉｗ１＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ＋２π／３） （式１１）
と励磁し、２軸巻線１１２を、
ｉｕ２＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−π／Ｋ） （式１２）
ｉｖ２＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−π／Ｋ−２π／３） （式１３）
ｉｗ２＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−π／Ｋ＋２π／３） （式１４）
と各巻線を励磁し、Ｋ軸巻線１１Ｋを、
ｉｕＫ＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−（Ｋ−１）π／Ｋ） （式１５）
ｉｖＫ＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−（Ｋ−１）π／Ｋ−２π／３） （式１６）
ｉｗＫ＊＝√２×Ｉａ×ｓｉｎ（φ−（Ｋ−１）π／Ｋ＋２π／３） （式１７）
と励磁すれば、１軸、２軸、…、Ｋ軸とで互いに大きさが等しく、電気的にπ／Ｋの位相差をもつ起磁力が得られる。

φは位相で、自身の励磁方法として決めた０〜２πの任意の一定値である。式９〜式１７は、ＵＶＷ相巻線に３相交流電流を指令したときの、ある瞬間の電流指令値ともいえる。したがって、式９〜式１７のＩａ（電流ベクトルの大きさ）は、電流実効値相当であり、式４のＩａと等しく、対応関係がある。このことは、励磁位相φに関係なく成り立つことも上記より自明である。

さて、各軸巻線に流す電流の位相をπ／Ｋずつずらしたときの、各軸巻線により発生するトルクのモータ全体の合計トルクの式は、前記式４より、次式となる。
τ＝Σ Ａ×Ｉａ×[ｃｏｓ（β−ｍπ／Ｋ）＋Ｂ×Ｉａ×ｓｉｎ（２（β−ｍπ／Ｋ））]
（−π≦β≦π、Ｋ≧２） （式１８）
式１８で、Σは、ｍ＝０からＫ−１までΣ内を足し合わせることを表す。

式１８で、ｍ＝０からＫ−１までΣ内の総和計算を行うと、Σ内の第２項のリラクタンストルク項の総和が０になり、次式となる。
τ＝Ａ×Ｉａ×ｓｉｎ［β＋π／（２Ｋ）］／ｓｉｎ［π／（２Ｋ）］
（−π≦β≦π、Ｋ≧２） （式１９）
式１９を図示すると図９となる。リラクタンストルク項が０となるので、合計トルクτは電流位相角βに関する単純な正弦関数となり、−π≦β≦πの範囲で安定停止点β０がただ一つとなる。
また、その安定停止点は式１９より、次式で表され、ＰＭＳＭの等価回路定数の影響を受けない。
β０＝−π／（２Ｋ） （式２０）
以上のように各軸巻線のそれぞれをπ／Ｋの位相差で励磁すると、安定停止点β０はβ０＝―π／（２Ｋ）の一点のみに定まり、一意的に直流励磁時の初期位置を確定することができる。

こうして直流励磁してモータが安定停止した角度を、エンコーダ１２自体の原点からの回転位置、すなわち初期位置Ｃ０として、図８の位置記憶部１０１で記憶する。ここで、Ｃ０はエンコーダのカウント値である。

次に、図９に示すように、モータのｄ軸位置（磁極位置）の電流位相角βｄと、安定停止点の電流位相角β０との差βｅを演算する。
βｅ＝−π／２＋π／（２Ｋ） （式２１）
式２１のβｅを、エンコーダカウント値Ｃｅに換算し、先に記憶した、直流励磁したときの安定停止点の回転位置Ｃ０に足し合わせることにより、エンコーダ自体の原点からのモータのｄ軸位置（磁極位置）のカウント値Ｃｄを得る。
Ｃｄ＝Ｃ０＋Ｃｅ （式２２）
式２２のカウント値Ｃｄを原点にリセットする補正を行い、磁極位置合わせを完了する。このようにして最初の磁極位置合わせを行えば、以後は通常の運転を行うことができる。

位置記憶部１０１での位置の値はＥＥＰＲＯＭのような不揮発性メモリに記憶させれば制御電源をオフにしても値が保持され、製品製造後の磁極位置合わせは、エンコーダを交換したときなど、モータ軸とエンコーダの相対位置が変更された最初だけ行えばよい。

また、位置合わせ励磁電流指令部１００からの指令に基く直流励磁により、モータ１１の磁極位置合わせを行う際は、時刻ｔ＝０から電流を徐々に立ち上げ、時刻ｔ＝ｔｅｎｄで所定値となるように立ち上げるようにすれば、最初から所定電流を与えるよりも、トルクが安定停止点βを通り過ぎるような振動トルクを防止でき、安定的に停止させることが可能となる。ｔ＝ｔｅｎｄの見極めは、モータの回転位置が一定となる付近、または回転速度がゼロとなる付近とする等、ロータ３の停止付近を見計らえば良い。

また、ｔ＝０で直流励磁したとき、ロータ３が回転し始め、そして停止するが、停止する付近ｔ＝ｔｅｎｄで、短時間、より大きな電流を流し、起磁力を大きくするように切り替えるようにすれば、安定停止点への引き込みトルクを大とし、より精度の良い磁極位置合わせを可能とする。停止付近の電流切り替えタイミングは、先と同様に、ロータの停止付近を見計らえばよい。

図１０に、以上の原理に基づいたモータの励磁装置０２１と複数軸巻線モータ１１（Ｋ≧２軸）の全体図を示す。図１０で、図８と同じ番号のものは同じものをあらわす。複数軸巻線モータ１１の励磁方法は、図８のモータ励磁装置０１１で述べた方法と同様である。

０２１は本実施例１に記載の他の複数軸巻線モータ１１の励磁装置である。モータの励磁装置０２１では、エンコーダ１２の回転位置情報を、位置合わせ励磁電流指令部１００に帰還させている。位置合わせ励磁指令部１００では、先述の直流励磁電流指令が電流変更指令（１０８の下段に示す）としてアルゴリズムが実装されており、このアルゴリズムとエンコーダ１２の回転位置情報、およびこれをもとに演算した回転速度情報をもとに、電流指令を行う。

電流変更指令は、図１０の１０８ａの上段に示すように、ロータ３の回転位置が一定となる（すなわち停止）付近の時刻ｔｅｎｄを見計らい、このとき所定電流となるように立ち上げる指令（１０８ａの下段に示す）、または図１０の１０８ｂの上段に示すように、ロータ３の回転速度が０となる付近の時刻ｔｅｎｄを見計らい、このとき所定電流となるように立ち上げる指令（１０８ｂの下段に示す）、または図１０の１０８ｃの上段に示すように、ロータ３の回転位置が一定となる付近の時刻ｔｅｎｄを見計らい、このとき短時間、より大きな電流を流す指令（１０８ｃの下段に示す）、または図１０の１０８ｄの上段に示すように、ロータ３の回転速度が０となる付近の時刻ｔｅｎｄを見計らい、このとき短時間、より大きな電流を流す指令（１０８ｄの下段に示す）、またはこれらを組み合わせた指令である。

安定停止点に止まったら、このときの停止位置を位置記憶部１０１で記憶する。この停止位置をもとに補正を行い、以後は通常の運転を行う。

以上述べた磁極位置合わせの手順を、エンコーダ１２を交換したときを例にとって図１１の制御フローで説明する。

ステップ１０１（Ｓ１０１）でエンコーダ１２を交換すると磁極位置合わせが必要となるので、装置を磁極位置合わせモードにする（Ｓ１０２）。このとき、必要ならばモータのブレーキ開放などを行い、無負荷に近い状態にする。磁極位置合わせモードでは、まず、Ｎ軸ある各軸巻線のうちＫ組の巻線を取り出し、これらを励磁する装置を１軸励磁装置２１１、２軸励磁装置２１２、…、Ｋ軸励磁装置２１ＫのＫ軸（Ｋ個）に分ける（Ｓ１０３）。そして、各軸の励磁装置のそれぞれに所定の電流指令を与えて位置合わせ運転を行う（Ｓ１０４）。所定の電流指令は、1軸励磁装置２１１には前記式９および式１０および式１１、２軸励磁装置２１２には前記式１２および式１３および式１４、…、Ｋ軸励磁装置２１Ｋには前記式１５および式１６および式１７で示した値とする。

このようにして位相φが一定の直流電流を流して、各軸巻線を直流励磁すると、モータは安定停止点β０まで動き、停止する。そして、この回転停止位置をエンコーダ１２自体の原点からの回転位置すなわち、初期位置として位置記憶部１０１で記憶する（Ｓ１０５）。この初期位置をもって、モータの磁極位置を補正演算する（Ｓ１０６）。こうして、モータの磁極位置が確定できるので、この磁極位置を利用しながら通常の運転に入る（Ｓ１０７）。

図１２は通常運転時の、モータ制御装置０１２、およびそれが接続されている複数軸巻線モータ１１の制御ブロック図である。図１２において部品番号が図８と同じものは同一物である。複数軸巻線モータ１１はN軸あり、各軸それぞれ独立の制御装置３１１、３１２、…３１Nで駆動されるが、駆動方式そのものは永久磁石モータのベクトル制御として周知の方法である。

エンコーダ１２からの回転位置信号は、位置記憶部１０１に記憶される初期位置を用いて補正部１０２で補正され、磁極位置からの回転位置信号として補正部１０２から出力される。それは速度演算部１０３により速度信号に変換されて速度制御部１０４に入力される。速度制御部１０４は速度指令信号と速度信号との偏差に応じて働き、トルク指令信号としてｄ、ｑ軸の電流成分を指令するＩｄ＊、Ｉｑ＊演算部１０５に入力される。Ｉｄ＊、Ｉｑ＊演算部１０５では、トルク指令に応じたｄ、ｑ軸の電流成分を指令する演算を行う。例えば、トルク指令に応じた電流で、同一電流でも複数軸巻線モータ１１のトルクが最大となるような電流成分を指令する最大トルク制御演算を行い、それぞれの成分の電流を指令する。

１軸制御装置３１１の、Ｉｄ／Ｉｑ電流制御部３２１（Ｉｄ／ＩｑＡＣＲ）は、電流指令に従い、電流検出器２５１の電流検出値を座標変換部３７１により座標変換した電流検出値との偏差に応じて働き、電圧指令を出力する。この信号は座標変換部３６１で各相の電圧指令に変換され、ＰＷＭ制御部２３１に入力される。こうしてインバータ２４１によりＰＷＭ制御が実行され、１軸電流はＩｄ＊、Ｉｑ＊演算部３２１に応じて制御される。他の軸の電流も、全く同一の方法で制御される。これらの制御演算は前記のように、永久磁石モータのベクトル制御として周知である。

また、本実施例では、複数軸巻線のモータ端子がそれぞれ独立して引き出されているモータについて示したが、モータ内部で複数軸巻線構造になっているモータにも適用できる。すなわち、前記複数軸巻線モータ１１の各軸巻線（１軸巻線１１１、２軸巻線１１２、…、N軸巻線１１N）を、モータ内部または端子箱内で直列または並列に接続することにより、モータ端子で見かけ上１軸巻線になるモータにも適用できる。このモータでは、結線前に本実施例の方法を用いて磁極位置合わせを行うことが容易かつ可能である。

また、本実施例では、式９〜式１７に示したように、巻線間の位相ずらし量を−π／Ｋとしたが、＋π／Ｋとしてもよい。この場合、各巻線軸が発生するトルクのモータ全体の合計トルクの安定停止点β０は、π／（２Ｋ）となる。安定停止点の電流位相角が変わるだけで、その他は前記の励磁装置と同じ構成のモータ励磁装置を構成すれば同様に実施できるのは言うまでもない。

また、リラクタンストルクの影響が磁石トルクより小さくなるようにＫ組の各軸巻線を励磁して、磁石トルクを支配的にするのが本発明の基本ポイントであるから、各軸巻線の起磁力が同じ大きさでなくとも良く、また、電気的にπ／Ｋちょうどの位相差でなくても安定点は１箇所にできるのは言うまでもない。ここで、最大トルクを与える電流位相βは、最適な電流位相に対してその前後±３°以内ならば、ほぼ同じトルク値となり、実用上問題ないことが多い。

一例として、Ｎ＝２軸のモータの場合で、２軸目の電流バランスが１軸目より５％大きくなったときを説明する。式４において、１軸目において、
B×Ｉａ＝０．８ （式２３）
２軸目を、
B×Ｉａ＝０．８×１．０５ （式２４）
とする。これより、電流位相角βに対する、１軸巻線と２軸巻線により発生するトルクの合計トルクを図１３に示す。安定停止点はただ一つで、その値はβ０≒−４７°となり、最適な電流位相に対してその前後±３°以内である。図１３で中太線は１軸β−トルク特性、細線は２軸β−トルク特性、太線は１軸と２軸の合成トルクを表す。

また、５％減少する場合は（Ｂ×Ｉａ＝０．９５）、安定停止点β０≒−４３でやはり安定停止点はただ一つである（図示せず）。真の安定停止点がβ０＝−π／４＝−４５°であるので、やはり±３°以内に収まっており、問題はない。

以上のように、各巻線軸の電流バランスに少しのズレがあっても本発明の意図するところは実現できる。

また、本実施例では、各軸巻線を励磁する際、位置あわせ励磁電流指令部１００から各軸の励磁装置に電流指令して、各軸の電流を制御して励磁する構成を示しているが、この方法によらず、複数軸巻線モータ１１の各軸のUVW相端子に可変直流電源を直接接続する構成でも、本発明の意図は達成できる。

図１４に、Ｋ＝２軸でモータを励磁する場合の構成を示す。図１４に示すように、１軸巻線１１１のU−VW間に可変直流電源１０５ａを接続し、２軸巻線１１２のW−V間に可変直流電源１０５ｂを接続している。１軸巻線の可変直流電源１０５ａと、１軸巻線１１１間には、シャント抵抗１０６ａが挿入されている。シャント抵抗１０６ａ間の電圧を、電圧／電流変換表示装置１０７ａにより、電流に変換して表示できるようにしており、この表示を見ながら可変直流電源１０５ａの出力電圧を調節することで直流電流を調節することができる。

同様に、２軸巻線の可変直流電源１０５ｂと２軸巻線１１２間にも、シャント抵抗１０６ｂが挿入され、電圧／電流変換表示装置１０７ｂにより、電流値表示している。ここで、１軸巻線１１１に流す直流電流をIに調節し、２軸巻線１１２に流す直流電流を（√３／２）×Ｉ（≒０．８６６Ｉ）に調節すれば、２軸巻線起磁力は、１軸巻線起磁力と大きさが等しく、位相差がπ／２となり、先に述べたように、安定停止点を一点（β０＝−π／４）とすることができ、磁極位置合わせの初期位置を一意的に確定することができる。

次に、図１５に、Ｋ＝３軸でのモータを励磁する場合の構成を示す。図１５に示すように、１軸巻線１１１のU−VW間に可変直流電源１０５ｃを接続し、２軸巻線１１２のＵW−V間に可変直流電源１０５ｄを接続し、３軸巻線１１３のW−ＵV間に可変直流電源１０５ｅを接続している。各３軸の巻線には、Ｋ＝２軸で励磁する場合と同様に、シャント抵抗１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅが挿入され、電圧／電流変換表示装置１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅにより、電流値表示している。ここで、１軸巻線１１１、２軸巻線１１２、３軸巻線１１３に流す直流電流をIに調節すれば、２軸巻線起磁力は、１軸巻線起磁力と大きさが等しく、位相差がπ／３となり、３軸巻線起磁力は、１軸巻線起磁力と大きさが等しく、位相差が２π／３となり、先に述べたように、安定停止点を一点（β０＝−π／６）とすることができ、磁極位置合わせの初期位置を一意的に確定することができる。

Ｋの値がこれ以上でも、図１４、図１５と同様の装置構成をとり、複数軸巻線モータ１１の各軸巻線の起磁力と位相差を調節することで安定停止点を一点とすることができるのは言うまでもない。

１１ 複数巻線モータ
１１１ １軸巻線
１１２ ２軸巻線
１１３ ３軸巻線
１１Ｎ Ｎ軸巻線
１１ａ ステータ
１１ｂ ロータ
１１ｃ 永久磁石
０１１ 実施例１に記載の複数軸巻線モータ１１の励磁装置
１２ エンコーダ
１００ 位置合わせ励磁電流指令部
２１１ １軸励磁装置
２１２ ２軸励磁装置
２１Ｋ Ｋ軸励磁装置
１１Ｋ 実施例１のモータ１１の第K軸巻線
１１ＮＫ 実施例１のモータ１１のその他の巻線
２２１ 電流制御部（ＡＣＲ）
２３１ ＰＷＭ制御部
２４１ インバータ
２５１ 電流検出器
１０１ 位置記憶部
０２１ 実施例１に記載の他の複数軸巻線モータ１１の励磁装置
１０８ 電流変更指令
１０８ａ 電流変更指令の一つの例
１０８ｂ 電流変更指令の他の一つの例
１０８ｃ 電流変更指令の他の一つの例
１０８ｄ 電流変更指令の他の一つの例
０１２ 通常運転時の複数軸巻線モータ１１の制御装置
１０２ 位置記憶部１０１に記憶される初期位置を用いて補正する補正部
１０３ 速度演算部
１０４ 速度制御部
１０５ Ｉｄ＊、Ｉｑ＊演算部
３２１ Ｉｄ／Ｉｑ電流制御部
３６１ 直交２軸座標系から三相交流座標系への座標変換部
３７１ 三相交流座標系から直交２軸座標系への座標変換部
３１１ 通常運転時の１軸制御装置
３１２ 通常運転時の２軸制御装置
３１N 通常運転時のN軸制御装置
１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅ 可変直流電源
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ シャント抵抗
１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ、１０７ｄ、１０７ｅ 電圧／電流変換表示装置

Claims (10)

1. 多相巻線をＮ軸（Ｎ≧２）もつ永久磁石同期モータの任意の複数軸を選択して、この複数軸の各軸巻線を独立に励磁してエンコーダとモータの磁極位置の合わせを行うモータ励磁装置において、
   選択された複数軸をＫ組（Ｋ≦Ｎ）とし、励磁電流指令を発生する位置合わせ励磁電流指令部と、前記励磁電流指令を受けて前記Ｋ組の各軸巻線に直流の励磁電流を供給する各軸励磁装置と、エンコーダの値を記憶する記憶部を備え、
   前記各軸励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、モータ安定停止点の電流位相β０が−π/（２K） またはπ／（２K） となるように、各軸巻線の起磁力が電気的に互いにπ／Ｋの位相差となるようにＫ組の各軸巻線を直流励磁し、前記記憶部はこの直流励磁によりモータが安定停止したときのエンコーダの値を初期位置として記憶し、該初期位置がモータ安定停止点の電流位相β０= −π/（２K） またはβ０＝π／（２K）に対応するものとしたことを特徴とするモータ励磁装置。
2. 請求項１に記載のモータ励磁装置において、
   前記各軸励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、各軸巻線の起磁力の大きさが等しくなるようにＫ組の各軸巻線に励磁電流を供給することを特徴とするモータ励磁装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ励磁装置において、
   永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記各軸励磁装置は電流を徐々に所定値まで立ち上げるように供給することを特徴とするモータ励磁装置。
4. 請求項１または２に記載のモータ励磁装置において、
   永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記各軸励磁装置は電流を所定値で供給し、回転子が停止または回転移動量がゼロになるとき、より大きな電流を流すことを特徴とするモータ励磁装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のモータの励磁装置で記憶部に記憶された初期位置によって、エンコーダの回転位置を補正する補正部を有し、前記補正部から出力される回転位置信号によりモータの制御を行うことを特徴とするモータ制御装置。
6. 多相巻線をＮ軸（Ｎ≧２）もつ永久磁石同期モータの任意の複数軸を選択して、この複数軸の各軸巻線を独立に励磁してエンコーダとモータの磁極位置の合わせを行うモータ励磁方法において、
   選択された複数軸をＫ組（Ｋ≦Ｎ）とし、励磁電流指令を発生する位置合わせ励磁電流指令部と、前記励磁電流指令を受けて前記Ｋ組の各軸巻線に直流の励磁電流を供給する各軸励磁装置と、エンコーダの値を記憶する記憶部を備え、
   前記励磁電流指令に基いて、前記各軸励磁装置により、モータ安定停止点の電流位相β０が−π/（２K） またはπ／（２K） となるように、各軸巻線の起磁力が電気的に互いにπ／Ｋの位相差となるようにＫ組の各軸巻線を直流励磁し、この直流励磁によりモータが安定停止したときのエンコーダの値を初期位置として前記記憶部に記憶し、該初期位置がモータ安定停止点の電流位相β０= −π/（２K） またはβ０＝π／（２K）に対応するものとしたことを特徴とするモータ励磁方法。
7. 請求項６に記載のモータ励磁方法において、
   前記各軸励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、各軸巻線の起磁力の大きさが等しくなるようにＫ組の各軸巻線に励磁電流を供給することを特徴とするモータ励磁方法。
8. 請求項６または７に記載のモータ励磁方法において、
   永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記各軸励磁装置は電流を徐々に所定値まで立ち上げるように供給することを特徴とするモータ励磁方法。
9. 請求項６または７に記載のモータ励磁方法において、
   永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記各軸励磁装置は電流を所定値で供給し、回転子が停止または回転移動量がゼロになるとき、より大きな電流を流すことを特徴とするモータ励磁方法。
10. 請求項６から９のいずれかに記載のモータの励磁方法により記憶された初期位置によって、エンコーダの回転位置を補正してモータの制御を行うことを特徴とするモータ制御方法。

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