JPS60197181A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、永久磁石を界磁とする同期電動機の制御装置
に関する。

〔発明の技術的背景〕

最近、永久磁石の高性能化、低コスト化が進行し、制御
装置の進歩発展と相まって、永久磁石形同期電動機が脚
光を浴びている。特に、フェライト磁石は低コストで軽
量、また電気抵抗が高いので発電機などの交番磁界下で
用いられる場合に、うず電流による発熱が少い。さらに
、保磁力が大きいため、きわめて安定で経時変化がほと
んどないなどの特長を有し、回転機用として好適である
。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、このフェライト磁石は、堅硬脆弱で４ｋ
ｓに弱く、また温度係数が大きいなどの問題がある。

例えば、フェライト磁石においては、磁束密度の温度係
数は −０，１８〜−０，２０Ｃ％／τ〕 と比較的大きな値を有しておシ、その温度依存性が無視
できない場合がある。

電動機＋１１Ｊ御の分野においては、特にそのトルク制
御が要求される場曾にこの温度依存性が問題となる。

しかし、永久磁石形同期電動機のＡＣサーボモータとし
ての本格的な応用は、まだ始まったばかりであり、電動
機発生トルクの温度補償などの技術は未だ確立されてい
ない。

〔発明の目的〕

本発明は、高精度のトルク制御が要求される永久磁石形
同期電動機の発生トルクの温度依存性を補償する、さら
には電１７Ｉｈ機の過負荷による温度上昇からモータ分
保護する永久磁石形同期電動機の制御装置を提供するこ
とを、その目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、電動機誘起直圧よシ界磁磁束を演算し、温度
上昇による界磁束の低下分を補正するためのトルク補償
回路をそなえる制ｍ装置であシ、さらには界磁磁束の大
きさがある設定値まで低下したら電動機温度が過大であ
ると判断して制御手段をトリップさせ、電動機の過負荷
保護も兼ねた永久磁石形同期″を励機の制御装置である
。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例における回路の全体構成を表わすブロ
ック図を第１図に示す。

１は戒動機制御装置の主回路（パワー回路）部ｔ−表わ
し、直流′醒源部１ａおよびインバータ部１ｂから成っ
ている。

２は被制御の永久磁石形同期電動機、３は電動機回転軸
の位置検出器、４は電動機の速度検出器である。速度信
号は通常位置検出器からの信号を演算処理して得ること
が多いので、速度検出器４は位置検出器３と兼用するこ
ともできる。ここでは、説明の便宜上、位置検出器３と
速度検出器４とは独立して備えているものと考える。

また、制御回路としては、５はマイコンで構成している
回路部分であシ、その機能ブロックを６〜１１に示した
。本マイコン部については後でさらに詳しく説明する。

１２　、１３はマイコンからの信号をアナログ量に変換
するためのＤ／Ａ変換器、１６　、１７は電動機のＵ相
およびＶ相電流のマイナー制御のための電流アンプ、１
８は電流アンプ１６　、１７の出力信号（Ｕ相、Ｖ相電
圧に相当）より、Ｗ相の電圧を演算する反転加算器、１
９は電流アンプ１６　、１７および反転加算器１８の出
力信号を入力とする３相のパルス幅変調回路、乙はパル
ス幅変調回路１９の信号を電流増幅してパワートランジ
スタをオン・オフ制御するペースドライブ回路、加はペ
ースドライブ回路からの異常信号を受けて３相パルス幅
変調＋ｏ回路１９の出力信号をオフとするように構成し
てペースドライブ信号を遮断しパワートランジスタを保
護するための保護回路（トリップ回路）、２２１ｄｔ動
機電流を絶縁して検出する電流検出回路、２１は電動機
端子電圧を絶縁して検出する電圧検出回路である。さら
に、冴は本発明の主要回路であるトルク指令補償回路で
ある。

次にマイコン回路部５について、その動作の詳細を説明
する。′まず、本回路のモード切替えスイッチ６゛は速
度アンプ６の出力端子に接続されているものとする。こ
こで言うモード切替えトハ、被制御電動機２の制御とし
て、速度を制御するか、あるいはトルクを制御するかの
切替えを行なうことを意味するものである。

速度指令が与えられると速度アンプ６出カは最大値（指
定されたリミット値）のトルク指令を与え、適当な値の
電流指令の振幅に換算するため、電流ゲイン設定器７で
Ｋ。倍された後、マルチプライヤ１０　ｔ　１１に入力
される。マルチプライヤ１Ｏ１１１の他の入力は位置検
出器３からの信号をマイコン回路部５に取り込むための
インターフェイス回路１４を介し、正弦波信号を発生す
るための正弦波信号発生回路９から電動機２の磁極位置
に直交する電流を流すための信号が加えられる。

この信号は、例えばマルチプライヤ１０に入力される信
号をｓｉｎθとした場合、マルチプライヤ１１−２π に入力される信号はＳｉｎ　（θ。了）となる。ここで
符号♀は電動機の回転方向に依存するもので、正転方向
を負（−）としたとき、逆転方向は正（＋）となる。こ
れは、所謂３相電動機の１２０’　（電気角度）づつ位
相のずれた正弦波電流指令でおり、電動機の磁極位置を
検出して、磁極に直交する方向に電流を流すように構成
した永久磁石形同期電動機のベクトル制御方式による電
動機駆動法である。

以上のようにして発生された電流指令１ｕ＋ｌｙは、Ｄ
／Ａ変換器１２　、１３を介して電流アンプ１６　。

１７に加えられ、ＰＷＭ制御されて主回路１のインバー
タ部１ｂのパワートランジスタをオン・オフし、電動機
２の電流を流す。電動機２は電流の印加によって、所定
のトルクを発生し、回転を始める。電動機２が回転する
と速度検出器４からのフィードバック信号が、インター
フェイス回路１５１通って、マイコン回路部５に入力さ
れ、速度演算の後、速度アンプ１６　ｔ　１７にフィー
ドバックされる。

この速度フィードバックループによって、電動機２は速
度指令値に一致するまで加速され、速度フィードバック
信号が指令値に′一致したら、その指令値で一定に回転
しつづける。

速度制御モードにおける概略動作は上述の通りであるが
、トルク指令の印加によるトルク制御モードのときも、
全体的信号の流れは速度制御モードの場合と同様であり
、速度偏差値によってトルク指令を与えるか、あるいは
所定の電動機トルクを得るため、直接トルクを与えるか
という点のみが異っている。ただし、トルク制御モード
の場合、電動機負荷が軽いと、速度フィードバラクルー
ジがないので、暴走の恐れがめるので注意を費する。

さて、本発明はこうである。

同期電動機のペクト、ル制御において、磁束ペクトルノ
と・電流４クトル了、との間の空間角度をψとすると、
電動機発生トルクτ。は τ　＝Φｉ　ａｏｓψ　………・用…用・・…Ｕ）で与
えられる。

逃常、ベクトル制ｔｌｌｌｃおいては、ψ＝９０’　と
なるように制御するのでトルクは（２）式となる。

τ。＝Φ１．　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・七）Ω）式の磁束Φは永久磁石形同期電動機
の場合、マグネットの特性に依存する。先にも述べたが
、例えば７工ライト磁石の場合、その磁束密度の温度係
数は−０，１８〜−０，２０（チ／℃〕と比較的太きな
値を有しており、高精匿なトルク制御が要求されるとき
、電動機の＠度上昇の影響が無視できない。本発明は、
この温度上昇による磁束低下の影響を補償し、一定のト
ルク指令に対しては、電動機の温ＵＫよらず、常に所定
のトルクが得られるようにしたトルク補償回路を得るこ
とにある。

その具体的な実施例としては、マイコン回路部５におけ
る電流ゲイン設定器Ｋ。の定数を磁束の低下分を補償す
るように補正して行くという手段である。

すなわち、いま、基準温度（常温時）における磁束をΦ
。とじ、トルク指令を−とすれば、電動機発生トルクτ
６は、（２）式より τ。＝Φ０−　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（３）同様に、ある任意の温度における磁
束をΦとして、トルク指令をｌ′とすれば、電動機発生
トルりτ　は τ　＝Φｌ！　・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（４）ｅ　ａ （３）　、　（４）式が等しくなるためにはｔ’＝ヱｈ
　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
（５）ａ　Φ　ａ （５）式より、電動機２の温度変化による磁束の変化分
はトルク指令を（Φ０／Φ）倍してやれば、同一の発生
トルクが得られることが分る。

本発明では、これと等価な操作を電流ゲイン設定器７で
行なおうとするものである。つまり、見かけ上のトルク
指令は１．で一定とし、Ｋｏ　を磁束の変化に応じて Ｋｏ→（Φ。／Φ）Ｋｏ　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（６）なる補正処理すれば、成
動機発生トルクは、温度によらずトルク指令が一定のと
き常に同一となる。

次に、磁束を検出してＫ。を補正する手段を説明する。

第２図は電動機端子電圧を検出して磁束を演算してマイ
コンに取り込み、演算結果を第１図のマイコン回路部５
に出力するための回路図を示したものである。

一般に永久磁石形四期戒動機の電圧方程式は次のような
式で表わすことができる。

１ ｖ＝Ｒ１＋７−＋ｅ　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（７）ｉ ここで、 マは端子電圧、 ｌは電機子電流、 Ｒは一相当υの巻線抵抗、 ｌは電動機入力端子から見たー相当９の巻線インダクタ
ンス、 ・は誘起電圧、 である。

また、磁束をΦとすると ｄ″′　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（８）ｉ で与えられる。

したがって、磁束Φは Φ＝−ｆｓｄｔ ＝−ｆ（ｖ−Ｒ１−Ｊ−！！−）ｄｔ　・・・”−・・
（９）ｄｔ （９）式において ｉ ｖ＞））Ｒｓ＋１−ａＴ　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・α〔なる条件が成り立つ場合、
すなわち比較的馬連で運転しておシ、かつ負荷が軸いと
き、（９）式は次のように簡単化される。

Φ−−ｆｖａｔ　曲・・曲・曲間・聞ａυつまり、この
場合、磁束Φは電動機端子電圧マを積分することによっ
て演算することができる。

このような原理にそって構成した第２図の回路動作を説
明する。

１０１は演算処理するためのマイクロプロセッサ（ＣＰ
Ｕ）、１０２はデータを一時記憶しておくためのＲＡＭ
、　１０３はマイクロプロセッサ１０１での演算処理手
順を記憶してお（ＲＯＭ、１０４はデータを取り込むあ
るいは出力するためのＩ１０インターフェイス回路、１
０５は１０１〜１０４の各部を接続スルハス（アドレス
バス、テータバス、コントロールパス）である。１０８
は電動機端子電圧Ｖから磁束Φを演算するための積分回
路、１０７は交流量を直流量に変換し磁束Φの大きさく
振幅）を演算する絶対値回路、１０６はＡ／Ｄ変換器、
１０９゜１１０、１１７は比較器、１１４．１１５．１
１６はそれら比較器のレベル設定器、１１１１１１２は
絶対値回路、１１３はアンド（論理積）回路である。

先ず、電動機回転数および電動機電流が００式を満足す
る条件になったとき、ＣＰＵ　１０１に割込み信号を発
生させるように構成したのが１０９〜１１３０回路であ
る。

比較器１０９ｔｉ！動機回転数が所定の設定回転数以上
であることを判別し、また比較器１１０は電動機電流が
所定の設定電流値以下であることを声量する。両者の条
件が満されたことをアンド回路１１３で検出し、割込み
信号を発生する。ＣＰＵｌ０Ｉが割込みを受け付けると
、次の手順に従って演算処理を行なう。

■　Ｉ１０インターフェイス１０４を介してＡ／Ｄ変換
器１０６よシ、磁束の大きさの値Φを読込む。

■　Φ０／Φの演算を行う。これをＡとする。

ＯＡ−Ｋｏの演算を行なう。これをＫとする。

■　Ｋのイ直をＩ１０インターフェイス１０４に出力す
る。

ただし、ここで基準温度における磁束Φ。および電流ゲ
イン定数Ｋ。の値は、予めＲＯＭ　１０３に格納されて
いるものとする。しかし、磁束の大きさΦについてはイ
ニシャル・セット時にＲＡＭ　１０２に記憶しておくこ
とも可能である。Φ０．Φの値は相対的な値が分ればよ
いので、この場合、絶対値回路１０７の出力ゲイン調整
の手間を省くことができる。

なお、第１図のマイコン回路部５は、Ｉ１０インターフ
ェース１０４に出力された補正に０の値を数分間に一回
程度取り込み、Ｋｏの補正動作を行なえばよい。この動
作はマイコン回路部５にタイマー割込み処理ルーチンを
設け、Ｉ１０インターフェイス１０４へのデータ読み込
み処理動作を付加するだけでよい。

以上の第２図の構成では第１図のマイコン回路部５とは
別のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを設けて説明したが、
これらは第１図のマイコン回路部５と共用できるもので
おる。

次に電動機の過負荷検出部について説明する。

電動機磁束Φは Φ＝Φ。（ｌ＋αΔで）・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・鰭ただし、 Φ０は基準温度における磁束、 αは永久磁石（界磁ｌの磁束密度の温度係数、ΔＴは基
準温度からの温度上昇、 である。

なる式で与えられるから、温度上昇４１社ΔＴ＝（Φ−
Φ。）／α　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・叫として計算することができる。（１３式）
はマイコ／によって容易に演算することができるが、第
２図に示す実施例では、比較器１１７によって磁束の大
きさが許容温度上昇を越える値まで減小したことを検出
し、トリップ信号を発生するように構成している。なお
、比較器１１７はＣＰＵ　１０１への割込み信号を利用
して、−磁束演算誤差の大きくなる低速運転時あるいは
高負荷トルク時にはトリップ信号をグロックするように
構成する。

本発明の他の実施例の回路構成を聚わすブロック図を第
３図に示す。

この他の実傭例は、電動機端子電圧と電動機回転数を検
出してさきの一実施例と同様の効果を得ようとするもの
である。

すなわち、鴫ｌ１ｂａｌｌ誘起電圧を回転数で割れば、
誘起電圧定数をめることができる。この誘起電圧定数は
磁束と等価な吻理硫である。

したがって、上述の磁束検出による電流グイ／設定器の
定数Ｋ。の補正方法は、誘起電圧定数を用いることによ
って、同様に行なうことができる。

以下に、第３図に示すマイコンでの演算処理手順を示す
。

■　Ｉｌｏ　インターフェイス１０４を介して、Ａ／Ｄ
変換器１０６より電動機端子電圧を読込む（電圧マを得
る）。

Φ　Ｉ１０インターフェイス１Ｇ４を介して、インター
フェイス回路２０１よシミ動機回転数を読み込む（回転
数Ｎを得る）。

■　誘起電圧定数に０をめる。

Ｋ、　＝　ｖ／Ｎ ■　基準温度における誘起電圧定数に、ｏとの比を計算
する。

Ａ　＝　Ｋ、ｏ／　Ｋ。

■　Ａ　＠　Ｋｏの演算を行う（Ｋを得る）。

■　Ｋの１直をＩ１０インターフェイス１０４に出力す
る。

ただし、ここで基準温度における誘起電圧定数−０およ
び・電流ゲイン定数Ｋ。の値は、予めＲＯＭ１０３に格
納されている本のとする。

さらに本発明の別の実施例として次の手段がおる。

一般にサーボドライブでは応答性が重要でおるので、サ
ーボアンプ出力がリニアな範囲でｃ、ｔｂ機を＃Ａ＃す
る場合が多い。この場合、電動機の端子゛電圧信号とし
ては第１図に示す電流アンプ１６　、１７の出力および
反転加算器１８の出力が利用できる。

あるいは、３相・ぞルス幅変調回路１９の出力イｇ号を
利用することができる。

これらの信号を用いれば゛電圧検出回路２１が不要とな
るので、回路構成を闇路化することができる。

〔発明の効果〕　。

かくして本発明によれば、 ■　永久磁石の一度付性に基づく磁束の低下を補償する
ことができるので、高精度のトルク制御装置を実現する
ことができる。

■　゛電動機磁束の低下を検出することによって、間接
的に′電動機の温度上昇も知ることができるので、電動
機の過負荷保護の機能を兼ねることができる。

■　欠相運転の監視にもなる。

など駆動システムの高精度化ならびに高信稍度化に有効
な方策を与えることができ、当該分野に貢献するところ
著しい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施徊における回路の全体構成を表
わすブロック図、；Ａ２図はその一部を形成するトルク
指令補償回路の詳細な構成を示すブロック図、第３図は
本発明の他の実施例におけるトルク指令補償回路の構成
を表わすブロック図である。 １・・・主回路、１ａ・・・直流成源部、１ｂ・・・イ
ンバータ部、２・・・永久磁石形同期′４を動機、３・
・・位置検出器、４・・・速度検出器、訃・・マイコン
回路部、６・・・速度演算機能、６°・・・モード切替
スイッチ機能、７・・・電流ゲイン設定機能、８・・・
速度演算機能、９・・・正弦波信号発生機能、１Ｏ９１
１・・・マルチシライヤ機能、１２　、１３・・・Ｄ／
Ａ変換器、１４　＊　１５・・・マイコンインターフェ
イス回路、１６　、１７・・・電流アンプ、１８・・・
反転加算器、１９・・・３相１ｅルス幅変詞回路、加・
・・保護回路（トリップ回路）、２１・・・戒圧検出回
路、ρ・・・′醒流検出回路、る・・・ペースドライバ
、ａ・・・トルク指令補償回路、１０１・・・ＣＰＵ、
　１０２・・・ＲＡＭ１１０３・・・ＲＯＭ、１０４・
・・Ｉ１０インター７エイーＸ、１０５・ＢＵＳ、　１
０６−Ａ／Ｄ変換器、ＩＬ）７・・・絶対値回路、１０
８　・・・積分回路、１０９．１１０．１１７−・・比
較器、１１１，１１２・・・絶対値回路、１１３・・・
アンド（論理積）回路、１１４．１１５．１１６・・・
レベル設定器。 出願人代理人　猪　股　清 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、常温時の基準温度における電動機誘起電圧よシ界磁
   磁束を演算してメモリーに格納しておき、任意の温度で
   の区動機誘起或圧よシ界磁磁束を演算してメモリーに格
   納し、両者の界磁磁束の大きさを比較演算して、その偏
   差量に比例した電動機出力トルク指令の補正を行なうこ
   とを特徴とする永久磁石形四期成動慎の制御装置。 ２、前記磁束の大きさの低下量が電動機の温度上昇の許
   容値を越える値のとき、電動機への給電を停止するよう
   に構成した特許請求の範囲第１項記載の永久磁石形同期
   電動機の制御装置。 ３、常温時の基準温度における電動機回転数と電動機誘
   起電圧の関係をメモリーに格納し、任意の温度での電動
   機回転数と′ａＩＩｈ機誘起電圧の関係をメモリーに格
   納し、両者のそれらの直から電動機誘起電圧定数を算定
   し、両者の誘起電圧定数を比較演算し、その偏差量に比
   例したトルク指令の補正を行なう特許請求の範囲第１項
   記載の永久磁石形四期砿動債の制御ａ１装置。 ４、前記′電動機誘起電圧定数の大きさの低Ｆｔが、電
   動機の温度上昇の許容値を越える値のとき、′＃を動機
   への給ｔｊＬを停止するように構成した特許請求の範囲
   第３項記載の永久磁石形四期区動機のｔＩＩＩＩ御装置
   。