JP6180330B2 - モータの励磁装置、励磁方法、及び制御装置 - Google Patents
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Description
τ=p[ke×iq+(Ld−Lq)×id×iq] …(1)
Id=id/√3=―Ia×sinβ …(2)
Iq=iq/√3= Ia×cosβ …(3)
式(1)、(2)、(3)より、モータ発生トルクτは、下記、式(4)で表すことができる。
τ=p[ke×iq+(Ld−Lq)×id×iq]
=p[ke×Ia×cosβ×√3−(3/2) ×(Ld−Lq)×Ia2×sin 2β]
=K1×Ia×[cosβ+K2×Ia×sin2β] (−π≦β≦π)…(4)
ここで、K1、K2:定数、Ia:電流ベクトルの大きさ(電流実効値)、Ia>0、K1>0である。
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。横軸に電流位相角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、「K2×Ia=0.4」の場合を一例として挙げると、図4のようになる。図4のβ−トルク特性は、2πの周期性があり、図の点(−π/2,0)、点(π/2,0)でトルクは0となる。ここで、直流励磁した際のモータのロータの挙動を、電流位相角βの範囲が、以下の4つの場合について示す。
トルクは負なので、ロータは右回転のトルクを発生する。すると、図3の電流ベクトルの向きは不変の状態でd、q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=−π/2となり、この点でトルク0となり安定停止する。
トルクは0なので、停止したままである。ただし、後述のように点(π/2,0)は非常に不安定な停止点である。
トルクは正なので、ロータは左回転のトルクを発生する。すると、図3の電流ベクトルの向きは不変の状態でd、q軸が左回転するので、電流位相角βは減少する。やがては、点(−π/2,0)の点で左回転が止まり安定停止する。
トルクは負なので、(a)と同様に、点(−π/2,0)となる点で安定停止する。
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、「K2×Ia=0.8」の場合を一例として挙げると、図5のようになる。図5より、−π≦β≦πで安定停止点は2つ存在する。すなわち、図5のA点:β=β01とB点:β=β02であり、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。また、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。
上記(2)のK2×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、「K2×Ia=―0.8」の場合を一例として挙げると、図6のようになる。図6より、−π≦β≦πで安定停止点βは2つだけ存在するが、K2×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β=−π/2またはπ/2であることであるが、K2×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。
手順として、まず、第1回の直流励磁において、下記式(5),(6),(7)で励磁して安定停止させる。
iu*=√2×Ia×sin(φ) …(5)
iv*=√2×Ia×sin(φ−2π/3) …(6)
iw*=√2×Ia×sin(φ+2π/3) …(7)
なお、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。
iu*=√2×Ia×sin(φ+π/2) …(8)
iv*=√2×Ia×sin(φ+π/2−2π/3) …(9)
iw*=√2×Ia×sin(φ+π/2+2π/3) …(10)
すなわち、第2回の直流励磁では、第1回目の直流励磁時の3相電流の位相に対して+π/2となるように各巻線を励磁する。すると、図5より、第2回目の直流励磁の瞬間は、+π/2となるように各巻線を励磁するので、電流位相角βは−π/2<β<0の範囲になる。よって、ロータは正回転または逆回転して、最終的に安定停止点であるA点の電流位相角β(β=β01)で静止する。このときのモータ11の電流ベクトルI2とロータの位置関係を図7に示す。
iu*=√2×Ia×sin(φ+π/2+θ) …(11)
iv*=√2×Ia×sin(φ+π/2+θ−2π/3) …(12)
iw*=√2×Ia×sin(φ+π/2+θ+2π/3) …(13)
と励磁しても、ロータ11bは第3回の直流励磁で安定停止した位置のまま、静止状態を維持するのは図8より明らかである。これは、式(11)、(12)、(13)で与えられる直流励磁は、第2回目の直流励磁で安定停止したときの電流ベクトルI2とd軸(磁石主磁束方向)との相対的位置関係と等しくなるように、回転移動量θの分を補正して直流励磁していることになるからである。仮に、上記の式(11)、(12)、(13)の直流励磁を行った場合、図5のA点(β=β01)に安定停止していることに他ならない。このときの電流ベクトルは、図8の破線に示すI2’となる。
C1’ = C2 + C90 + Cθ …(14)
この演算したC1’を、図2の位置記憶部101で記憶する。
β=β01、β02 (−π<β02<−π/2<β01<0とする) …(15)
β=β01を式(4)に代入すると、トルク=0より、次式(16)が成り立つ。
0=A×Ia[cosβ01+K2×Ia×sin2β01] …(16)
式(16)を変形すると、次式(17)となる。
0=A×Ia[cos(−β01−π)+B×Ia×sin2(−β01−π)] …(17)
式(17)より、β=−β01−πも式(4)でトルク=0の解である。さて、図5のグラフより、トルク=0となる電流位相角βの値は、β=β01、β02、π/2の3つのみである。ここで、β01の範囲は次式(18)、
―π/2<β01<0 …(18)
であるので、−β01−πの範囲は式(18)より、次式(19)となる。
−π<−β01―π<−π/2 …(19)
よって、式(15)、式(19)より次式(20)が得られる。
β02=−β01−π …(20)
式(20)を変形すると、次式(21)が導出できる。
(β01+β02)/2 = −π/2 …(21)
式(21)より、2点の安定停止点A(β-=β01)、B(β=β02)の中点がd軸位相(磁石N極の主磁束の方向、β=−π/2)であることが証明された。
Cd=(C1’+C2)/2 …(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。以上は、K2×Ia>1/2の場合のd軸位相を求める必要最小限の手順となる。
C1’=C2+C90−C90=C2 …(23)
この演算したC1’を、図2の位置記憶部101で記憶する。
11c…永久磁石、011、021…モータの励磁装置、12…エンコーダ、
100…位置合わせ励磁電流指令部、211…励磁装置、
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、
109、109a、109b、109c、109d…電流変更指令、
012…モータの制御装置、102…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、371…座標変換部、311…制御装置、106a…可変直流電源、
107a…シャント抵抗、108a…電圧/電流変換表示装置
Claims (10)
- 永久磁石同期モータの多相巻線を励磁してエンコーダとモータの磁極位置合わせを行うモータの励磁装置であって、
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多相巻線に直流の励磁電流を供給する励磁装置と、エンコーダの値を記憶する記憶部を備え、
前記励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、多相巻線を複数回直流励磁し、各回の直流励磁時の多相電流の位相は、直前の位相に対して異なる値に設定し、前記記憶部は各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と、各直流励磁時の回転移動量を記憶して、これら記憶した値よりモータのd軸位相を演算することを特徴とするモータの励磁装置。 - 請求項1に記載のモータの励磁装置であって、
前記永久磁石同期モータは、リラクタンストルクの割合の大きい永久磁石同期モータであることを特徴とするモータの励磁装置。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載のモータの励磁装置であって、
前記励磁装置は、前記励磁電流指令に基いて、各直流励磁における電流の大きさを等しくすることを特徴とするモータの励磁装置。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載のモータの励磁装置であって、
前記直流励磁の回数は3回であることを特徴とするモータの励磁装置。 - 請求項4に記載のモータの励磁装置であって、
前記励磁装置により励磁する第2回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第1回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して+π/2とし、かつ第3回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第2回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して−π/2とするか、
前記励磁装置により励磁する第2回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第1回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して−π/2とし、かつ第3回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第2回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して+π/2とするか、の何れかであることを特徴とするモータの励磁装置。 - 請求項4に記載のモータの励磁装置であって、
前記励磁装置により励磁する第2回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第1回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して+π/3とし、かつ第3回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第2回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して−π/3とするか、
前記励磁装置により励磁する第2回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第1回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して−π/3とし、かつ第3回目の直流励磁時の多相電流の位相は、第2回目の直流励磁時の多相電流の位相に対して+π/3とするか、の何れかであることを特徴とするモータの励磁装置。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載のモータの励磁装置であって、
前記永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記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の励磁装置。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載のモータの励磁装置であって、
前記永久磁石同期モータの直流励磁の際、前記励磁装置は電流を所定値で供給し、ロータ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の励磁装置。 - 請求項1から8のいずれか1項に記載のモータの励磁装置によって前記記憶部に記憶された、安定停止したときのエンコーダの値と各直流励磁時の回転移動量とに基づきモータのd軸位相を演算しエンコーダの回転位置を補正する補正部を有し、該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永久磁石同期モータの制御装置。
- 永久磁石同期モータの多相巻線を励磁してエンコーダとモータの磁極位置合わせを行うモータの励磁方法であって、
前記多相巻線を複数回直流励磁し、各回の直流励磁時の多相電流の位相を直前の位相に対して異なる値に設定し、各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と、各直流励磁時の回転移動量とに基づきモータのd軸位相を演算することを特徴とするモータの励磁方法。
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