JP7401174B2 - 同期モータの位置決め方法、位置決め装置、フォークリフトおよび荷役システム - Google Patents

Description

本発明は、同期モータの位置決め方法、位置決め装置、フォークリフトおよび荷役システムに関する。

バッテリフォークリフト等のフォークリフトには、ロータおよびステータを含む同期モータが備えられており、同期モータを制御するためには、ステータに対するロータのロータ位置（ロータの電気角）を正確に検出する必要がある。ロータ位置の検出は、同期モータに取り付けられたレゾルバまたはエンコーダ等のセンサによって行われる。

しかしながら、センサの取り付け位置のずれにより、センサで検出されるロータ位置と実際のロータ位置とにずれが生じる。そのずれ量を修正するために、センサの位置合わせが行われる。例えば、センサがインクリメンタル型のロータリーエンコーダの場合、電源投入時に毎回位置合わせを行う必要がある。

センサの位置合わせでは、一般に直流励磁が行われ、直流励磁の励磁角（電気角）とセンサで検出したロータの停止角（電気角）とが一致するように、物理的にセンサの取り付け位置を修正するか、またはソフト的に電気角のずれ量を修正する（例えば、特許文献１参照）。

直流励磁はロータの初期位置とは無関係に特定の励磁角で行われるため、ロータの初期位置によってはロータの移動量が大きくなる。ロータの移動量が大きくなると、ロータが停止するまでの時間が長くなり、ロータの移動に伴う動作音が大きくなるという問題が生じる。

例えば、図６（Ａ）に示すように、Ａの位置に磁束が発生するように直流励磁が行われた場合、ロータはほぼ動かない。一方で、図６（Ｂ）に示すように、Ｂの位置に磁束が発生するように直流励磁が行われた場合、ロータは大きく（例えば、機械角で４５度）動く。なお、図６（Ａ）と図６（Ｂ）とは、直流励磁の励磁角は共通し、ロータの初期位置が異なる。

特開２００１－１２８４８４号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、直流励磁においてロータが停止するまでの時間を短縮し、ロータの動作音を低減することが可能な同期モータの位置決め方法、位置決め装置、フォークリフトおよび荷役システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る位置決め方法は、
突極性を有するロータを含む同期モータの位置決め方法であって、
直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合の前記ロータの停止角とのずれ量に関するずれ量データを記憶部に格納するデータ格納ステップと、
高周波により前記ロータの電気角の推定値である推定電気角を算出する電気角推定ステップと、
前記同期モータに対して前記推定電気角を前記励磁角として直流励磁を行う直流励磁ステップと、
前記ずれ量データを参照して、前記推定電気角で直流励磁を行った場合における前記ずれ量を決定するずれ量決定ステップと、
前記ずれ量決定ステップで決定した前記ずれ量に基づいて、前記停止角を検出するためのセンサの位置合わせを行う位置合わせステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明に係る位置決め装置は、
突極性を有するロータを含む同期モータと、
前記ロータのロータ位置を検出するセンサと、
前記同期モータおよび前記センサを制御する制御装置と、
を備える位置決め装置であって、
前記制御装置は、
直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合の前記ロータの停止角とのずれ量に関するずれ量データが格納された記憶部と、
高周波により前記ロータの電気角の推定値である推定電気角を算出する推定部と、
前記同期モータに対して前記推定電気角を前記励磁角として直流励磁を行う直流励磁部と、
前記ずれ量データを参照して、前記推定電気角で直流励磁を行った場合における前記ずれ量を決定し、前記ずれ量に基づいて前記センサの位置合わせを行うセンサ制御部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係るフォークリフトは、
前記位置決め装置を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る荷役システムは、
複数のフォークリフトと、
前記フォークリフトと通信可能に構成された通信装置と、
を含む荷役システムであって、
前記フォークリフトは、
突極性を有するロータを含む同期モータと、
前記ロータのロータ位置を検出するセンサと、
前記同期モータおよび前記センサを制御する制御装置と、
を備え、
前記通信装置は、
直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合の前記ロータの停止角とのずれ量に関するずれ量データが格納された記憶部を備え、
前記フォークリフトの前記制御装置は、
高周波により前記ロータの電気角の推定値である推定電気角を算出する推定部と、
前記同期モータに対して前記推定電気角を前記励磁角として直流励磁を行う直流励磁部と、
前記通信装置と通信を行うことにより、前記ずれ量データを参照して前記推定電気角で直流励磁を行った場合における前記ずれ量を決定し、前記ずれ量に基づいて前記センサの位置合わせを行うセンサ制御部と、
を備えることを特徴とする。

前記荷役システムにおいて、
前記通信装置は、パソコン、タブレットまたはスマートフォンであってもよい。

本発明によれば、直流励磁においてロータが停止するまでの時間を短縮し、ロータの動作音を低減することが可能な同期モータの位置決め方法、位置決め装置、フォークリフトおよび荷役システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る位置決め装置のブロック図である。 本発明の一実施形態に係る同期モータの平面図である。 直流励磁の励磁角（電気角）に対するロータの停止角（電気角）のずれ量を示す図である。 本発明の一実施形態に係る位置決め方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るフォークリフトおよび荷役システムのブロック図である。 直流励磁におけるロータの初期位置とロータの移動量との関係を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る同期モータの位置決め方法、位置決め装置、フォークリフトおよび荷役システムの実施形態について説明する。

［位置決め装置］
図１に、本発明の一実施形態に係る位置決め装置１０のブロック図を示す。位置決め装置１０は、同期モータ１１と、センサ１２と、制御装置１３とを備える。位置決め装置１０は、例えば、バッテリフォークリフト等のフォークリフトに搭載される。

同期モータ１１は、例えば、三相同期モータである。同期モータ１１は、図２に示すように、シャフト１１ａを有するロータ１１ｂと、ロータ１１ｂを回転させるステータ１１ｃとを含む。ロータ１１ｂは、突極性を有する。ステータ１１ｃには、複数のスロット１１ｄが形成されており、スロット１１ｄ内には図示しないコイルが配置されている。

センサ１２は、同期モータ１１（例えば、シャフト１１ａ）に取り付けられ、ステータ１１ｃに対するロータ１１ｂのロータ位置（電気角）を検出するよう構成されている。センサ１２として、例えば、ロータリーエンコーダやレゾルバを用いる。

制御装置１３は、図１に示すように、記憶部１３ａと、推定部１３ｂと、直流励磁部１３ｃと、センサ制御部１３ｄとを備える。

記憶部１３ａは、直流励磁の励磁角（電気角）と当該励磁角で直流励磁を行った場合のロータ１１ｂの停止角（電気角）とのずれ量に関するずれ量データを格納するよう構成されている。本実施形態に係る同期モータ１１のずれ量を、図３に示す。

本実施形態に係る同期モータ１１の場合、直流励磁の励磁角を０度から１８０度まで変化させると、励磁角に対するロータ１１ｂの停止角のずれ量は所定の範囲（－４度から＋４度の範囲）で周期的に変化する。例えば、励磁角７．５度で直流励磁を行った場合、ずれ量は＋４度であるため、ロータ１１ｂの停止角は１１．５度（＝７．５度＋４度）となる。なお、ずれ量は、同期モータ１１の設計によって決まるため、設計が異なる同期モータ１１毎に予め測定しておく必要がある。

ずれ量データは、例えば、励磁角の所定の刻み角度毎のずれ量で構成することができる。刻み角度は、記憶部１３ａの容量に応じて適宜設定することが好ましい。例えば、本実施形態に係る同期モータ１１のように３０度周期の特性をもつ場合、記憶部１３ａの容量が大きいのであれば、刻み角度０．１度として３００点のずれ量でずれ量データを構成してもよいし、記憶部１３ａの容量が小さいのであれば、刻み角度５度として６点のずれ量でずれ量データを構成してもよい。また、励磁角の所定の刻み角度毎のずれ量でずれ量データを構成する代わりに、励磁角とずれ量との関係を表した関数または近似式でずれ量データを構成してもよい。

推定部１３ｂは、高周波によりロータ１１ｂの電気角の推定値である推定電気角を算出するよう構成されている。推定部１３ｂは、センサレス制御で一般的に用いられている高周波位置推定を実行して、推定電気角を算出する。

例えば、突極性を有するロータ１１ｂは、ロータ位置（ロータ１１ｂの電気角）によってインダクタンスが異なるため、高周波電圧を印加した際にコイルに流れる高周波電流の振幅値が電気角によって変化する。ｄ－ｑ座標系においてｄ軸にのみ高周波電圧を印加した場合、高周波電圧を印加するｄ軸とロータ１１ｂの実際のｄ軸とが一致していると、ｑ軸に高周波電流は流れないが、高周波電圧を印加するｄ軸とロータ１１ｂの実際のｄ軸とがずれていると、そのずれ量に応じた高周波電流がｑ軸に流れる。推定部１３ｂは、ｑ軸の高周波電流がゼロとなる角度を探すことで、推定電気角を算出することができる。

直流励磁部１３ｃは、同期モータ１１に対して、推定電気角を励磁角として直流励磁を行うよう構成されている。例えば、推定部１３ｂで推定した推定電気角が７．５度の場合、直流励磁部１３ｃは、励磁角７．５度で直流励磁を行う。推定電気角で直流励磁を行うことにより、ロータ１１ｂの移動量を最小限（ほぼゼロ）にすることができるため、ロータ１１ｂが停止するまでの時間を短縮し、ロータ１１ｂの動作音を低減することができる。

センサ制御部１３ｄは、ずれ量データを参照して、推定電気角で直流励磁を行った場合のずれ量を決定し、当該ずれ量に基づいてセンサ１２の位置合わせを行うよう構成されている。例えば、直流励磁部１３ｃが推定電気角である７．５度の励磁角で直流励磁を行った場合、センサ制御部１３ｄは、記憶部１３ａに格納されているずれ量データに基づいて、ずれ量を＋４度と決定し、センサ１２の検出角度が１１．５度（＝７．５度＋４度）となるように、センサ１２の位置合わせを行う。

センサ制御部１３ｄは、ソフトウエアによりセンサ１２の検出角度誤差を補正することで、ソフト的にセンサ１２の位置合わせを行ってもよい。あるいは、センサ１２の取り付け位置を変更できる位置変更手段が備えられている場合、当該位置変更手段によりセンサ１２の取り付け位置を変更することで、物理的にセンサ１２の位置合わせを行ってもよい。

位置決め装置１０が搭載されたフォークリフトにおいては、例えば、センサ１２がインクリメンタル型のロータリーエンコーダの場合、位置決め装置１０に電源電圧が供給される度に（例えば、フォークリフトの電源が投入される度に）、センサ１２の位置合わせを行う。一方、センサ１２がレゾルバの場合、製造時に一度だけセンサ１２の位置合わせを行えばよい。

［位置決め方法］
図４に、本発明の一実施形態に係る位置決め方法のフローチャートを示す。本実施形態に係る位置決め方法は、データ格納ステップＳ１と、電気角推定ステップＳ２と、直流励磁ステップＳ３と、ずれ量決定ステップＳ４と、位置合わせステップＳ５とを含む。各ステップＳ１～Ｓ５は、位置決め装置１０により実行される。

データ格納ステップＳ１は、直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合のロータ１１ｂの停止角とのずれ量（例えば、図３参照）に関するずれ量データを、記憶部１３ａに格納するステップである。

ずれ量は、同期モータ１１の設計によって決まるため、設計が異なる同期モータ１１毎に測定する必要がある。したがって、設計が異なる同期モータ１１が複数ある場合は、設計が異なる同期モータ１１毎にずれ量データを生成し、記憶部１３ａに格納する必要がある。なお、データの格納は、記憶部１３ａと通信可能に構成された通信装置（例えば、オペレータのパソコン、タブレットまたはスマートフォン）により行うことができる。

電気角推定ステップＳ２は、推定部１３ｂにより、ロータ１１ｂの電気角の推定値である推定電気角を算出するステップである。電気角推定ステップＳ２では、推定部１３ｂが、センサレス制御で一般的に用いられている高周波位置推定を実行して、推定電気角を算出する。

直流励磁ステップＳ３は、直流励磁部１３ｃにより、推定電気角を励磁角として直流励磁を行うステップである。同期モータ１１に対して推定電気角で直流励磁を行うことにより、ロータ１１ｂの移動量を最小限にすることができるため、ロータ１１ｂが停止するまでの時間を短縮し、ロータ１１ｂの動作音を低減することができる。

ずれ量決定ステップＳ４は、センサ制御部１３ｄにより、推定電気角で直流励磁を行った場合におけるずれ量を決定するステップである。例えば、直流励磁部１３ｃが推定電気角である７．５度の励磁角で直流励磁を行った場合、センサ制御部１３ｄは、記憶部１３ａに格納されたずれ量データを参照して、ずれ量を＋４度と決定する（図３参照）。

位置合わせステップＳ５は、センサ制御部１３ｄにより、ずれ量決定ステップＳ４で決定したずれ量に基づいてセンサ１２の位置合わせを行うステップである。例えば、励磁角が７．５度でずれ量が＋４度の場合、センサ制御部１３ｄは、センサ１２の検出角度が１１．５度（＝７．５度＋４度）でないときは、センサ１２の検出角度が１１．５度となるように、ソフト的または物理的にセンサ１２の位置合わせを行う。

［フォークリフトおよび荷役システム］
図５に、本発明の一実施形態に係る荷役システム１のブロック図を示す。荷役システム１は、本発明の一実施形態に係るＮ（Ｎは２以上の整数）台のフォークリフト２（２－１～２－Ｎ）と、通信装置３とを含む。

フォークリフト２は、位置決め装置１０’を備える。位置決め装置１０’は、同期モータ１１と、センサ１２と、制御装置１３’とを備える。制御装置１３’は、記憶部１３ａを備えていない点を除いて、制御装置１３と同様の構成である。

通信装置３は、フォークリフト２と通信可能に構成されている。通信装置３は、例えば、オペレータのパソコン、タブレットまたはスマートフォンである。通信装置３は、記憶部１４を備える。

記憶部１４は、記憶部１３ａと同様に、直流励磁の励磁角（電気角）と当該励磁角で直流励磁を行った場合のロータ１１ｂの停止角（電気角）とのずれ量に関するずれ量データを格納するよう構成されている。

フォークリフト２のセンサ制御部１３ｄは、通信装置３と通信を行い、通信装置３の記憶部１４に格納されたずれ量データを参照して、推定電気角で直流励磁を行った場合のずれ量を決定し、当該ずれ量に基づいてセンサ１２の位置合わせを行う。

本実施形態に係る荷役システム１によれば、通信装置３の記憶部１４がずれ量データを格納しているので、各フォークリフト２にずれ量データを格納するための記憶部１３ａを設ける必要がなくなる。

［変形例］
以上、本発明に係る同期モータの位置決め方法、位置決め装置、フォークリフトおよび荷役システムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、本発明の同期モータは、高周波によりロータの電気角の推定値である推定電気角を算出することができるように、突極性を有するロータを含むのであれば、適宜構成を変更できる。

本発明のセンサは、ロータのロータ位置を検出できるのであれば、インクリメンタル型のロータリーエンコーダや絶対角度を検出可能なレゾルバだけでなく、任意のセンサを用いることができる。

本発明の位置決め装置は、フォークリフト以外の産業車両（例えば、無人搬送車）に搭載してもよい。

１ 荷役システム
２ フォークリフト
３ 通信装置
１０、１０’ 位置決め装置
１１ 同期モータ
１１ａ シャフト
１１ｂ ロータ
１１ｃ ステータ
１１ｄ スロット
１２ センサ
１３、１３’ 制御装置
１３ａ 記憶部
１３ｂ 推定部
１３ｃ 直流励磁部
１３ｄ センサ制御部
１４ 記憶部

Claims (5)

1. 突極性を有するロータを含む同期モータの位置決め方法であって、
   直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合の前記ロータの停止角とのずれ量に関するずれ量データを記憶部に格納するデータ格納ステップと、
   高周波により前記ロータの電気角の推定値である推定電気角を算出する電気角推定ステップと、
   前記同期モータに対して前記推定電気角を前記励磁角として直流励磁を行う直流励磁ステップと、
   前記ずれ量データを参照して、前記推定電気角で直流励磁を行った場合における前記ずれ量を決定するずれ量決定ステップと、
   前記ずれ量決定ステップで決定した前記ずれ量に基づいて、前記停止角を検出するためのセンサの位置合わせを行う位置合わせステップと、
   を含み、
   前記同期モータは、前記ずれ量が前記励磁角を０度から１８０度まで変化させると所定の範囲で周期的に変化し、
   前記データ格納ステップにおいて、前記ずれ量データは、前記励磁角の所定の刻み角度毎の前記ずれ量で構成したものであり、前記ずれ量は、前記同期モータを用いて予め測定したものであることを特徴とする位置決め方法。
2. 突極性を有するロータを含む同期モータと、
   前記ロータのロータ位置を検出するセンサと、
   前記同期モータおよび前記センサを制御する制御装置と、
   を備える位置決め装置であって、
   前記制御装置は、
   直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合の前記ロータの停止角とのずれ量に関するずれ量データが格納された記憶部と、
   高周波により前記ロータの電気角の推定値である推定電気角を算出する推定部と、
   前記同期モータに対して前記推定電気角を前記励磁角として直流励磁を行う直流励磁部と、
   前記ずれ量データを参照して、前記推定電気角で直流励磁を行った場合における前記ずれ量を決定し、前記ずれ量に基づいて前記センサの位置合わせを行うセンサ制御部と、
   を備え、
   前記同期モータは、前記ずれ量が前記励磁角を０度から１８０度まで変化させると所定の範囲で周期的に変化し、
   前記ずれ量データは、前記励磁角の所定の刻み角度毎の前記ずれ量で構成したものであり、前記ずれ量は、前記同期モータを用いて予め測定したものであることを特徴とする位置決め装置。
3. 請求項２に記載の位置決め装置を備えることを特徴とするフォークリフト。
4. 複数のフォークリフトと、
   前記フォークリフトと通信可能に構成された通信装置と、
   を含む荷役システムであって、
   前記フォークリフトは、
   突極性を有するロータを含む同期モータと、
   前記ロータのロータ位置を検出するセンサと、
   前記同期モータおよび前記センサを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記通信装置は、
   直流励磁の励磁角と当該励磁角で直流励磁を行った場合の前記ロータの停止角とのずれ量に関するずれ量データが格納された記憶部を備え、
   前記フォークリフトの前記制御装置は、
   高周波により前記ロータの電気角の推定値である推定電気角を算出する推定部と、
   前記同期モータに対して前記推定電気角を前記励磁角として直流励磁を行う直流励磁部と、
   前記通信装置と通信を行うことにより、前記ずれ量データを参照して前記推定電気角で直流励磁を行った場合における前記ずれ量を決定し、前記ずれ量に基づいて前記センサの位置合わせを行うセンサ制御部と、
   を備え、
   前記同期モータは、前記ずれ量が前記励磁角を０度から１８０度まで変化させると所定の範囲で周期的に変化し、
   前記ずれ量データは、前記励磁角の所定の刻み角度毎の前記ずれ量で構成したものであり、前記ずれ量は、前記同期モータを用いて予め測定したものであることを特徴とする荷役システム。
5. 前記通信装置は、パソコン、タブレットまたはスマートフォンであることを特徴とする請求項４に記載の荷役システム。

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