JP6666326B2 - モータ制御装置およびモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクリメント型エンコーダを有するモータ制御装置およびモータ制御方法に関する。

モータの制御に用いられるエンコーダとして、モータの回転変位量に応じてパルスを出力するインクリメント型エンコーダと、モータの回転有無にかかわらず基準位置からの回転角度に応じた絶対位置をコードで出力するアブソリュート型エンコーダとがある。

インクリメント型エンコーダの場合、電源オフ時に位置情報が保持されないため、同期モータの磁極位置を電源投入時の度に検出する必要がある。仮に、検出した磁極位置が実際の磁極位置とずれた場合にはモータが逆走する場合があるため、磁極位置を正確に検出することが重要となる。

磁極位置を検出する手法として、所定の励磁位相に電流が印加された際の電動機のロータの挙動に基づいて、ロータの磁極位置を概算するものが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−２４３８５１号公報

しかし、上記の特許文献１では、所定の励磁位相に電流を印加してもロータが移動しなくなるまで、ロータの磁極位置の概算が繰り返されるため、磁極位置を検出するまでに要する時間が長くなる傾向にある。

そこで、本発明は、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮し得るモータ制御装置およびモータ制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、モータ制御装置であって、同期モータにおける磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する極性センサと、前記極性センサで検出された極性から前記基準位置を通って逆の極性に向かうように前記同期モータを回転させるモータ制御部と、前記極性センサの検出結果に基づいて、極性が変化したときの前記同期モータの位置を前記磁極位置として決定する磁極位置決定部と、を備える。

本発明の第２の態様は、モータ制御方法であって、同期モータにおける磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する第１のステップと、前記第１のステップで検出された極性から前記基準位置を通って逆の極性に向かうように前記同期モータを回転させる第２のステップと、極性が変化したときの前記同期モータの位置を前記磁極位置として決定する第３のステップと、を含む。

上記の態様では、同期モータに対する１回の回転制御だけで磁極位置が把握可能になる。したがって、上記の態様によれば、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。

同期モータにおけるトルク定数と位置の極性との関係を示す図である。 極性センサの構成例を示す模式図である。 モータ制御装置の構成を示す模式図である。 第１の実施の形態におけるモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。 第１の実施の形態における磁極位置の極性に応じたモータの回転の様子を示す概念図である。 第２の実施の形態におけるモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施の形態における磁極位置の極性に応じたモータの回転の様子を示す概念図である。

本発明に係るモータ制御装置およびモータ制御方法について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、同期モータにおけるトルク定数と位置の極性との関係を示す図である。同期モータの発生トルクは、トルク定数と電流との積である。このトルク定数は、同期モータにおける磁極位置に応じて周期的に変化する。したがって、トルク定数が正極となる範囲ＡＲ１に同期モータの可動範囲が制限された場合、電流の極性で同期モータの発生トルクの極性がコントロール可能となる。

上記の制限のもとで、磁極位置が基準位置から一方の回転側にあるときの同期モータの位置を正極とし、磁極位置が基準位置から他方の回転側にあるときの同期モータの位置を負極とする。このようにすれば、正極と負極との極性が切り替わる同期モータの位置が磁極位置となる。同期モータの位置の極性は、極性センサを用いて検出することが可能である。

図２は、極性センサの構成例を示す模式図である。極性センサ１０は、同期モータにおけるロータの回転軸ＡＸと一体に回転する回転体１２と、当該ロータの位置（同期モータの位置）を検出する検出部１４とを有する。この検出部１４の配置位置が基準位置である。

なお、ロータには磁石ＭＧが設けられており、この磁石ＭＧの極数は本実施の形態では２極とする。ただし、便宜上、図２では磁石ＭＧの形状が矩形状として示されている。２極の同期モータでは、ロータの回転角度（機械角）と、ステータに出力する電流の位相（電気角）とは一致する。

回転体１２は、ロータの位置の検出に用いられる被検出体であり、正極にロータの位置があることを検出するための第１の被検出部２０ａと、負極にロータの位置があることを検出するための第２の被検出部２０ｂとを有する。第１の被検出部２０ａと第２の被検出部２０ｂとの境界に沿ってＳ極およびＮ極が位置するように磁石ＭＧが配置される。本実施の形態では、Ｎ極の位置が磁極位置とする。

第１の被検出部２０ａは半円状に形成され、その第１の被検出部２０ａとは反対側に第１の被検出部２０ａの半径よりも小さい半径で半円状に第２の被検出部２０ｂが形成される。

したがって、検出部１４は、回転体１２の回転に応じた検出部１４からの距離を磁気的に捉えることで、ロータの位置の極性を検出し得る。すなわち、第１の被検出部２０ａが検出部１４に対向する場合、検出部１４は、ロータの位置が正極にあることを検出し得る。これに対し、第２の被検出部２０ｂが検出部１４に対向する場合、検出部１４は、ロータの位置が負極にあることを検出し得る。なお、極性センサ１０は、ロータの位置の極性を光学的に検出するものであってもよい。

次に、上記の極性センサ１０を用いて同期モータを制御するモータ制御装置について説明する。図３は、モータ制御装置の構成を示す模式図である。本実施の形態のモータ制御装置３０は、同期モータ３２、モータ制御部３４および磁極位置決定部３６を主に備える。

同期モータ３２は、不図示のロータおよびステータと、上記の極性センサ１０と、インクリメント型エンコーダＥＮとを有する。極性センサ１０は、ロータの位置の極性を検出し、その極性を示す極性信号をモータ制御部３４および磁極位置決定部３６に出力する。

インクリメント型エンコーダＥＮは、ロータの位置（ロータの回転位置）を検出する位置検出部であり、当該ロータの位置（ロータの回転位置）の検出結果を検出信号として出力する。

モータ制御部３４は、インクリメント型エンコーダＥＮから出力される検出信号に基づいて、同期モータ３２をフィードバック制御する。また、モータ制御部３４は、電源投入時には、極性センサ１０から出力される極性信号に基づいて現在のロータの位置の極性を認識し、認識した極性側から基準位置を通って逆の極性側に向かうようにロータを回転させる。

磁極位置決定部３６は、電源投入時に動作し、極性センサ１０から出力される極性信号に基づいてロータの位置の極性を監視する。また、磁極位置決定部３６は、インクリメント型エンコーダＥＮから出力される検出信号に基づいて、ロータの位置の極性が変化したときのロータの位置を磁極位置として決定する。

磁極位置決定部３６は、磁極位置を決定した場合、その磁極位置として決定したロータの位置をモータ制御部３４に通知する。これによりモータ制御部３４は、電源オフ時にロータの位置の情報が保持されなくても、電源投入時に磁極位置を把握することができる。

次に、ロータの回転を規制するガードの設置等によって、トルク定数が正極となる範囲ＡＲ１にロータの可動範囲が制限された状態で、電源投入されたモータ制御装置３０のモータ制御方法について説明する。図４は、モータ制御装置３０におけるモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。

モータ制御装置３０のモータ制御部３４は、ステップＳ１において、極性センサ１０から出力される極性信号に基づいて現在のロータの位置が正極または負極のいずれであるかを認識する。

ここで、図５に示すように、現在のロータの位置が正極であった場合、モータ制御部３４は、ステップＳ２に進む。モータ制御部３４は、ステップＳ２において、基準位置をロータの仮磁極位置として設定し、矢印Ａに示すように、正極から基準位置を通って負極に向かうようにロータを回転させる。具体的には、モータ制御部３４は、矢印ＩＡに示すように、仮磁極位置として設定した基準位置に対し負極側に電気角で９０度ずれた位相の電流を同期モータ３２のステータに与え、ステップＳ４に進む。

一方、図５に示していないが、現在のロータの位置が負極であった場合、モータ制御部３４は、ステップＳ３に進む。モータ制御部３４は、ステップＳ３において、基準位置をロータの仮磁極位置として設定し、破線の矢印Ｂに示すように、負極から基準位置を通って正極に向かうようにロータを回転させる。具体的には、モータ制御部３４は、破線の矢印ＩＢに示すように、仮磁極位置として設定した基準位置に対し正極側に電気角で９０度ずれた位相の電流を同期モータ３２のステータに与え、ステップＳ４に進む。

モータ制御装置３０の磁極位置決定部３６は、ステップＳ４において、極性センサ１０から出力される極性信号を監視し、ロータの位置の極性が変化した時点を検出すると、ステップＳ５に進む。

磁極位置決定部３６は、ステップＳ５において、インクリメント型エンコーダＥＮから出力される検出信号に基づいて、ロータの位置の極性が変化した時点でのロータの位置を磁極位置として決定する。その後、磁極位置決定部３６は、磁極位置として決定したロータの位置をモータ制御部３４に通知する。これにより電源投入時におけるモータ制御処理は終了する。

このように本実施の形態のモータ制御装置３０は、電源投入時に検出された極性から基準位置を通って逆の極性に向かうようにロータが回転しているときに、ロータの位置の極性が変化するロータの位置を磁極位置として決定する。このため、ロータに対する１回の回転制御だけで磁極位置が把握可能となる。したがって本実施の形態のモータ制御装置３０によれば、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。

〔第２の実施の形態〕
本実施の形態では、ロータの回転を規制するガードの設置等によって、ロータの可動範囲が正極のトルク定数となる範囲ＡＲ１よりも広い範囲ＡＲ２（図１参照）に制限される。この状態で、電源投入されたモータ制御装置３０のモータ制御方法について説明する。

なお、本実施の形態におけるモータ制御装置の構成は、上記のモータ制御装置３０と同じであるため省略する。また、第１の実施の形態で説明した構成と同様の構成については同一の符号を付し、特に説明する場合を除き、重複する説明は省略する。

図６は、モータ制御装置３０におけるモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。ロータの可動範囲が正極のトルク定数となる範囲ＡＲ１よりも広い範囲ＡＲ２に制限された場合、仮磁極位置を補正する処理が追加される。

すなわち、図７に示すように、現在のロータの位置が正極である場合、モータ制御部３４は、ステップＳ１からステップＳ２０に進んで、基準位置から正極側に仮磁極位置をずらす。具体的には、モータ制御部３４は、基準位置から正極側に電気角を９０度ずらした位置を仮磁極位置として設定し、ステップＳ２に進む。

モータ制御部３４は、ステップＳ２において、矢印Ｃに示すように、正極から基準位置を通って負極に向かうようにロータを回転させる。具体的には、モータ制御部３４は、矢印Ｉに示すように、ステップＳ２０で設定した仮磁極位置から基準位置に向けて電気角で９０度ずれた位相の電流をステータに与え、ステップＳ４に進む。

これに対し、図７に示していないが、現在のロータの位置が負極である場合、モータ制御部３４は、ステップＳ１からステップＳ３０に進んで、基準位置から負極側に仮磁極位置をずらす。具体的には、モータ制御部３４は、基準位置から負極側に電気角を９０度ずらした位置を仮磁極位置として設定し、ステップＳ３に進む。

モータ制御部３４は、ステップＳ３において、破線の矢印Ｄに示すように、負極から基準位置を通って正極に向かうようにロータを回転させる。具体的には、モータ制御部３４は、矢印Ｉに示すように、ステップＳ３０で設定した仮磁極位置から基準位置に向けて電気角で９０度ずれた位相の電流をステータに与え、ステップＳ４に進む。なお、ステップＳ３０で設定した仮磁極位置は、図７では括弧で示している。

このように本実施の形態のモータ制御装置３０は、基準位置から正極側または負極側に仮磁極位置をずらすことで、ロータの可動範囲が正極のトルク定数となる範囲ＡＲ１より広い範囲ＡＲ２でも、ロータに対する１回の回転制御だけで磁極位置を把握し得る。

〔変形例〕
以上、本発明の一例として上記実施の形態が説明されたが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることはもちろんである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

上記の実施の形態では、基準位置が１つであったが、複数であってもよい。具体的には、電気角の１周期ごとに極性センサ１０が配置され、当該極性センサ１０の配置位置がそれぞれ基準位置とされる。モータ制御装置３０は、電気角の１周期ごとに配置される極性センサ１０からの出力に基づいて、それぞれの周期について図４または図６に示したモータ制御処理を実行する。このようにすれば、ロータの可動範囲を制限することを回避し得る。

〔技術的思想〕
上記実施の形態および変形例から把握し得る技術的思想について、以下に記載する。

［第１の技術的思想］
モータ制御装置（３０）は、同期モータ（３２）における磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する極性センサ（１０）と、極性センサ（１０）で検出された極性から基準位置を通って逆の極性に向かうように同期モータ（３２）を回転させるモータ制御部（３４）と、極性センサ（１０）の検出結果に基づいて、極性が変化したときの同期モータ（３２）の位置を磁極位置として決定する磁極位置決定部（３６）と、を備える。

これにより、同期モータ（３２）に対する１回の回転制御だけで磁極位置が把握可能になり、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。

モータ制御部（３４）は、基準位置を仮磁極位置と設定し、仮磁極位置に対し極性センサ（１０）で検出された極性側とは反対側に電気角で９０度ずれた位相の電流を同期モータ（３２）におけるステータに与えるようにしてもよい。このようにしても、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。

モータ制御部（３４）は、基準位置から極性センサ（１０）で検出された極性側に電気角を９０度ずらした位置を仮磁極位置と設定し、仮磁極位置から基準位置に向けて電気角で９０度ずれた位相の電流を同期モータ（３２）におけるステータに与えるようにしてもよい。このようにしても、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。また、同期モータ（３２）の可動範囲を制限する場合には、トルク定数が正極となる範囲よりも広げることができる。

［第２の技術的思想］
モータ制御方法は、同期モータ（３２）における磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する第１のステップ（Ｓ１）と、第１のステップ（Ｓ１）で検出された極性から基準位置を通って逆の極性に向かうように同期モータ（３２）を回転させる第２のステップ（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ２０、Ｓ３０）と、極性が変化したときの同期モータ（３２）の位置を磁極位置として決定する第３のステップ（Ｓ５）と、を含む。

これにより、同期モータ（３２）に対する１回の回転制御だけで磁極位置が把握可能になり、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。

第２のステップ（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ２０、Ｓ３０）では、基準位置が仮磁極位置として設定され、仮磁極位置に対し第１のステップ（Ｓ１）で検出された極性側とは反対側に電気角で９０度ずれた位相の電流が同期モータ（３２）におけるステータに与えられるようにしてもよい。このようにしても、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。

第２のステップ（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ２０、Ｓ３０）では、基準位置から第１のステップ（Ｓ１）で検出された極性側に電気角を９０度ずらした位置が仮磁極位置と設定され、仮磁極位置から基準位置に向けて電気角で９０度ずれた位相の電流が同期モータ（３２）におけるステータに与えられるようにしてもよい。このようにしても、磁極位置を検出するまでに要する時間を短縮することができる。また、同期モータ（３２）の可動範囲を制限する場合には、トルク定数が正極となる範囲よりも広げることができる。

１０…極性センサ ３０…モータ制御装置
３２…同期モータ ３４…モータ制御部
３６…磁極位置決定部

Claims (4)

1. 同期モータにおける磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する極性センサと、
   前記極性センサで検出された極性から前記基準位置を通って逆の極性に向かうように前記同期モータを回転させるモータ制御部と、
   前記極性センサの検出結果に基づいて、極性が変化したときの前記同期モータの位置を前記磁極位置として決定する磁極位置決定部と、
   を備え、
   前記モータ制御部は、前記基準位置を仮磁極位置と設定し、前記仮磁極位置に対し前記極性センサで検出された極性側とは反対側に電気角で９０度ずれた位相の電流を前記同期モータにおけるステータに与える、モータ制御装置。
2. 同期モータにおける磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する極性センサと、
   前記極性センサで検出された極性から前記基準位置を通って逆の極性に向かうように前記同期モータを回転させるモータ制御部と、
   前記極性センサの検出結果に基づいて、極性が変化したときの前記同期モータの位置を前記磁極位置として決定する磁極位置決定部と、
   を備え、
   前記モータ制御部は、前記基準位置から前記極性センサで検出された極性側に電気角を９０度ずらした位置を仮磁極位置と設定し、前記仮磁極位置から前記基準位置に向けて電気角で９０度ずれた位相の電流を前記同期モータにおけるステータに与える、モータ制御装置。
3. 同期モータにおける磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する第１のステップと、
   前記第１のステップで検出された極性から前記基準位置を通って逆の極性に向かうように前記同期モータを回転させる第２のステップと、
   極性が変化したときの前記同期モータの位置を前記磁極位置として決定する第３のステップと、
   を含み、
   前記第２のステップでは、前記基準位置が仮磁極位置と設定され、前記仮磁極位置に対し前記第１のステップで検出された極性側とは反対側に電気角で９０度ずれた位相の電流が前記同期モータにおけるステータに与えられる、モータ制御方法。
4. 同期モータにおける磁極位置が基準位置から正極側または負極側のいずれにあるか検出する第１のステップと、
   前記第１のステップで検出された極性から前記基準位置を通って逆の極性に向かうように前記同期モータを回転させる第２のステップと、
   極性が変化したときの前記同期モータの位置を前記磁極位置として決定する第３のステップと、
   を含み、
   前記第２のステップでは、前記基準位置から前記第１のステップで検出された極性側に電気角を９０度ずらした位置が仮磁極位置と設定され、前記仮磁極位置から前記基準位置に向けて電気角で９０度ずれた位相の電流が前記同期モータにおけるステータに与えられる、モータ制御方法。

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