JPS63121485A - 三相同期電動機の速度制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は例えばブラシレス・モータに適用される三相同
期電動機の速度制御装置の改良に関する。

〔従来の技術〕

以下、従来の三相同期電動機の速度制御装置について第
４図を参照して説明するが、はじめにプラシレス・モー
タのトルク発生原理について説明する。

ブラシレス・モータの構造は一般の永久磁石形同期機と
同様で固定子電機子と回転磁石界磁とから成っている。

界磁には永久磁石を用いることが特徴である。一般的な
磁石界磁形直流す−デモータの電機子と磁石界磁の位置
が内と外で逆になったものであり、ブラシとコミュテー
タ（整流子）による整流機構が、回転子位置検出機構と
半導体スイッチに置き換えられたものである。

従って、ブラシレス・モータのトルクは直流モータと同
様に電機子起磁力と回転子の磁束が、常に直交関係を保
つように電機子巻線に電流を供給することにより得られ
る。

回転子の磁束はファラデーの法則、レンツの法則により
電機子巻線の誘起電圧波形にて間接的に観測できるので
、前記回転子位置検出機構の基準位置を誘起電圧波形に
合せ決めておくことにより、取るべき電機子起磁力方向
が判定できる・この判定は一般的には、電機子巻線に誘
起電圧の位相と同相の電機子電流を流している。

ブラシレス・モータの電機子巻線は通常三相の平衡巻線
であるので、回転子の回動により、各電機子巻線には互
いに回転子の基草位相からの変位する。各相の電機子導
体に交差する磁束は円周方向に正弦波状に分布する様に
モータ磁気回路が設計されている。

いま、各相の電機子導体に鎖又する磁束密度をＢｕ　＋
　Ｂマ、Ｂｗ磁束密度の最大値ｆ　Ｂｍ　、回転子の変
位角をθｒとすると、Ｂｕ　＝　Ｂｍ−８ＩＮ（θｒ）
、Ｂｖ＝Ｂｍ・ブラシレス・モータの発生トルクＴは各
相の発生トルクの和となシフレミングの法則よシ定数）
こ゛こで、各相の電機子電流Ｉｕ　ｌ　Ｉｖ　＋　ＩＷ
を正弦波状とし、位相情報を各々の磁束密度の位相に一
致させることによシ、 Ｔ　Ｃｘ：５ＩＮ２θｒ＋５ＩＮ２（θｒ＋”π）＋５
ＩＮ２（θｒ＋’ｙｒ）＝１．５となシ、発生トルクＴ
は電機子電流と磁束密度のそれぞれの最大値の積にのみ
依存し、回転子の変位角θｒには無関係となる。以上が
、ブラシレス・モータのトルク発生原理である。

次に第４図を参照して従来の三相同期電動機の速度制御
装置について説明する。１は速度指令回路、２は速度補
償回路、５は三相電流指令回路、６は電流制御回路、７
は三相電流検出回路、８は三相同期電動機、９は変位角
検出回路、１０は速度検出回路であシ、変位角検出回路
９及び速度検出回路１０のセンサ部は、共に三相同期電
動機８０回転子軸に連結駆動される。

前記速度指令回路１は所定の速度指令に対応した速度指
令信号を発生する。前記速度補償回路２は速度指令信号
と速度検出回路１０からの速度帰還信号とから得られる
速度偏差信号に比例積分微分（ＰＩＤ）補償演算をほど
こしトルク指令信号を生成する。前記三相電流指令回路
５はトルク指令信号と、変位角検出回路９からの変位角
信号とに↓シ、電機子巻線三相分の三相電流指令信号を
生成する。前記電流制御回路６は三相電流指令回路５か
らの三相電流指令信号と三相電流検出回路７にて検出し
た電機子巻線三相分の電流検出信号とから得られる三相
分の電流偏差信号に各々ＰＩＤ補償演算をほどこし、得
られた電圧信号を増幅して三相同期電動機８を駆動する
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ここで、前記三相電流指令回路５０機能について詳細に
説明する。

前記トルク指令信号をτ　、前記変位角信号を画θｒ＋
ｃＯ５θｒとし、これらの信号から、ただちに得られる
二相電流指令信号をＩａ＊、　Ｉ／＊とし、最終的な三
相電流指令信号をＩｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ　　とすればここで
、二相−三相座標変換行列を用いると、叱 ＋＋　　　　　　　− ＋　　＋ （３）式よシ、三相電流指令信号工ｕ、Ｉｖ、Ｉｗ　　
の最大振幅値はトルク指令信号τに比例する正弦波状の
信号となる。このことから、従来装置においては小さな
トルク指令信号τに対しては、三相電流指令信号工ｕ＃
　Ｉｖ　ｌ　Ｉｗの振幅が小さくなシ、ＳＮ比（信号Ｓ
　ｉ　ｇｎａｔ対雑音Ｎｏ１ｓ＠の比）の悪化を生じ、
微小トルク指令時において制御精度が悪化するという問
題点があった。

そこで、本発明はトルク指令全域に渡って高精度な制御
が可能となる三相同期電動機の速度制御装置を提供する
ことを目−的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため次のように構成したも
のである。所定の速度指令に対応した速度指令信号を生
成する速度指令回路１と、三相同期電動機の電機子巻線
電流を検出し三相電流帰還信号を生成する三相電流検出
回路７と、前記三相同期電動機の回転子の回転角を検出
し、二相の正弦波状の回転角信号を生成する変位角検出
回路９と、前記三相同期電動機の回転子の回転速度を検
出し速度帰還信号を生成する速度検出回路１ｏと、前記
速度指令信号から、前記速度帰還信号を減算し、得られ
た速度偏差信号に比例積分微分補償演算を行ないトルク
指令信号を生成する速度補償回路１０と、トルク指令信
号の絶対値が規定値を越える場合は前記トルク指令信号
の絶対値を前記電流最大振幅指令信号として出力し、規
定値以下の場合は、規定値を前記電流最大振幅指令信号
として出力する電流振幅指令回路３と、前記トルク指令
信号と前記二相の正弦波状の回転角信号とを入力し、前
記トルク指令信号の絶対値が規定値を超える場合は前記
二相の正弦波状の回転角信号を前記電流位相指令信号と
して出力し、規定値以下の場合は前記トルク指令信号に
よシ、前記二相の正弦波状の回転角信号を位相変調した
値を電流位相指令信号として出力する電流振幅指令信号
４と、前記電流振幅指令信号に前記電流位相指令信号を
乗算して三相電流指令信号を生成する三相電流指令回路
５と、前記三相電流指令信号と前記三相電流帰還信号が
一致するように三相同期電動機８を駆動する電流制御回
路６とから成るものである。

〔作用〕

上記のように三相電流指令信号が正弦波状となる事に着
目し、制御精度が悪化する微小トルク指令時においては
三相電流指令信号の最大振幅値はトルク指令信号によら
ず一定とし、三相電流指令信号の位相をトルク指令信号
の大きさによって変化せしめ、結果として、トルク指令
信号と三相電流指令信号間の線形性を保ったまま、ＳＮ
比の向上が図れ、微小トルク制御性の精度向上が図れる
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は本発明の一実施例を示すブロック図であシ、
第４図の従来装置の速度補償回路２と三相電流指令回路
５との間に、後述する電流振幅指令回路３と電流振幅指
令信号４を設けたものである。これ以外は第４図と同一
構成となっている。

前記電流振幅指令回路３は、速度補償回路２からのトル
ク指令信号の絶対値があらかじめ定められた規定値を越
える場合はトルク指令信号の絶対値を電流最大振幅指令
信号として三相電流指令回路５に出力し、規定値以下の
場合は規定値を電流最大振幅指令信号として三相電流指
令回路５に出力するものでおる。前記電流振幅指令信号
４は速度補償回路２からのトルク指令信号と変位角検出
回路９からの二相の正弦波状の回転角信号とを入力し、
トルク指令信号の絶対値が規定値を越える場合は、前記
二相の正弦波状の回転角信号を二相の電流位相指令信号
として三相電流指令回路５に出力し、トルク指令信号の
絶対値が規定値以下の場合は、トルク指令信号によシ前
記二相の正弦波状の回転角信号を位相変調した値を二相
の電流位相指令信号として三相電流指令回路５に出力す
る。

三相電流指令回路５は電流振幅指令回路３からの電流最
大振幅指令信号に、電流振幅指令信号４からの二相の電
流位相指令信号に各々乗算して、二相の電流指令を求め
さらに二相−三相変換処理をほどこして三相の電流指令
を得、これを電流制御回路６に出力する。電流制御回路
６は、三相電流指令回路５からの三相電流指令信号と三
相電流検出回路７にて検出した電機子巻線三相分の電流
検出信号とから得られる三相分の電流偏差信号に各各Ｐ
ＩＤ補償演算をほどこし、得られた電圧信号を増幅して
三相同期電動！！＆を駆動する。

次に第２図および第３図により電流振幅指令回路３と電
流振幅指令信号４及び三相電流指令回路５について三相
電流指令信号を得る実施例について説明する。第２図は
電流振幅指令回路３と電流振幅指令信号４の具体的な回
路構成を示し、第３図は三相電流指令回路５の具体的な
回路構成を示している。

第２図において、電流振幅指令回路３はトルク指令値τ
の絶対値１τ１と、あらかじめ定められた規定値τＲｅ
ｆとを比較することによシ、電流最大振幅指令信号Ａを
出力する。

＊ １τ１≧τＲｅｆの時　　Ａ＝ｌτ１ １τ１くτｎｅｔの時　　Ａ＝τ３゜ｆ電流振幅指令信
号４は第２図中、破線で囲んだ部分であるが、４１は余
弦回路であり、トルク指令＊ 値τ及びあらかじめ定められた規定値τＲ，ｆとにより
、出力信号ツδ　を出力する。ここで、ａは変調位相量
を示している。余弦回路４ノの出力特性は以下である。

＊ τ　≧τ凰。ｆの時　　　　　　（２）δ＝１−τ勧ｆ
くτ　くτＲｅｆの時　　　−１τ／τＲｅｆ＊ τ　≦−τＲｓｆの時　　　　　　　（２）δ＝−１４
２は正弦回路であり、余弦回路４１からの出力信号部δ
は入力情報とし、出力信号内δを出力する。

正弦回路４２の出力特性は以下である。

１閏δ１≧１の時　　　血δ＝Ｏ ＋　ａｘａ＋　＜　ｉ　ノ時ｈａ　＝５４３．４４．４
５．４６は乗算器であり、余弦回路４１からの邸δ信号
、正弦回路４２からのめδ信号、及び変位角検出回路９
からの二相の正弦波信号龜θｒ＋１．Ｉｓθｒとから位
相変調に必要な信号を生成する。すなわち乗算器４３は
―θｒ”ｃｏｑδ信号を乗算器４４は囲θｒ−内δ信号
を乗算器４５はμｓθｒ’ｃｏｓδ信号を乗算器４６は
廊θｒ”ｍδ倍信号各々出力する。

４７及び４８は加算器であり、加算器４７は、乗算器４
３からの出θｒ−（２）δ信号に乗算器４４からの鵠θ
ｒ−崗δ信号を加算して位相変調信号ｍ１ｎ（θｒ＋δ
）を出力する。

すなわち翁θｒ−面δ＋□□□θｒ−尚δ＝比（θｒ＋
δ）加算器４８は乗算器４５からの可θｒ−ｄｎδ信号
から、乗算器４６からの蜘θｒ−ｓｆｎδ信号を減算し
て位相変調信号■（θｒ＋δ）を出力する。すなわち−
θｒ−可δ−地θｒ−虐δ＝囲（θｒ＋δ）かくして、
電流振幅指令信号４はトルク指令信号＊ τ　と変位角検出回路９からの二相の正弦波信号比θｒ
・房θｒとから、トルク指令信号τに基づく変調位相量
δを持った二相の電流位相指令信号ｔｈ（θγ＋δ）　
、　ａｓ（θｒ＋δ）を出力出来ることとなる。

第３図において５１．５２は乗算器であシ、電流振幅指
令回路３からの電流最大振幅指令信号Ａと電流振幅指令
信号４からの二相の電流振幅指令信号血（θｒ＋δ）、
房（θｒ＋δ）とから、二相の電流指令信号ｘ！、　１
１を演算する。すなわち乗算器５１では Ａ＊―（θｒ＋δ）＝工ｒ 乗算器５２では Ａ＊閏（θｒ＋δ）＝ｉβ８ を各々出力する。

５３．５４．５７．５８．５９は各々−一。

＃）５５．５６は加算器である。

５３．５４．５５．５６．５７．５１Ｊ、５９は二相−
三相変換回路を成し二相電流指令信号工ヶ　。

＊ Ｉβ　から三相電流指令信号Ｉｕ　　、　Ｉｖ　　、　
Ｉｖを出力する。二相−三相変換回路の機能は前述の式
（２）で示した通りである。

前述した〔従来の技術〕の項においてブラシレス・モー
タのトルク発生原理で説明したように、通常、各相の電
機子電流Ｉｕ　＋　Ｉｖ　ｒ　Ｉｗ　ｆ正弦波状とし位
相情報を各々の磁束密度の位相に一致させることにより
、一定の発生トルクを得ているが、本発明においては微
小トルク指令時に各相の電機子電流指令信号Ｉｕ＋ＩＶ
＋ＩＷを振幅一定の正弦波状とし、位相情報を各々の磁
束密度の位相にオフセットδを加えた値としている。

すなわちこの場合の発生トルクＴは以下となる。

すなわち、発生トルクＴは電機子電流の位相オフセット
量ａの余弦に比例する。

ここで、トルク指令信号τに規定値τＲＣｆｔｌ−設け
、１τ町りτＲａｆの時に電機子電流指令信号最大振幅
を７＊ τＲｄ、位相オフセット量δを■δ＝石コ（線形性を保
つだめの必須条件）を満たすように設定すれが成立し発
生トルクＴはトルク指令信号τに比例し、トルク発生機
構の線形性は保たれる。

すなわち、電機子電流指令信号の最大振幅値を一定とし
たｉｔで位相情報の変動のみで、発生トルクの制御が可
能となる。１τ１〉τＲｅｆの時には、電機子電流指令
信号の最大振幅はトルク指令信号＊ τに等しい値とし、位相オフセット量δを可δ＝１を満
たすように設定すれば ＴＯＣτ・■δ＝τ　　　　　　　　　−（６）が成立
し発生トルクＴはトルク指令信号τに比例し同様にトル
ク発生機構の線形性は保たれる。この状態では従来装置
と同じ動きをすることとなる。

以上述べたことから明らかなように、制御精度が悪化す
る微小トルク指令時においては三相電流指令信号Ｉｕ、
Ｉマ　、　ＩＷの最大振幅値は、トルク指令信号τによ
らず一定とし、三相電流指令信号Ｉｕ＋Ｉマ　、　Ｉｗ
の位相をトルク指令信号τの大きさによって変化させた
ので、結果として、トルク指令信号と三相電流指令信号
間の線形性を保りたまｔｓＮ比の向上が図れ、微小トル
ク制御性の１度向上が図れる。

なお、前記実施例の規定値τＲｅｆは、サー？装置の発
生トルク内であればどの様な値を選んでもよいことはい
うまでもない。但しモータの巻線には直流抵抗成分があ
るので、抵抗損失を考えた場合、不必要に電流を流すこ
とは得策ではなく、電流振幅一定、位相オフセット制御
にて得られるトルク制御精度向上弁（メリット）と抵抗
損失増加分（デメリット）とを比較して決める必要があ
る。

〔発明の効果〕

以上述べた本発明によれば、トルク指令信号の大きな領
域では電流指令信号の振幅値によシトルク発生を制御し
、トルク指令信号の小さな領域では電流指令信号の位相
値によりトルク発生を制御するので、トルク指令全域に
渡って、高精度な制御が可能となる三相同期電動機の速
度制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による三相同期電動機の速度制御装置の
一実施例を示すブロック図、第２図は第１図の電流振幅
指令回路と電流振幅指令信号の一例を示す図、第３図は
第１図の三相電流指令回路の一例を示す図、第４図は従
来装置の一例を示すブロック図である。 １・・・速度指令回路、２・・・速度補償回路、３・・
・電流振幅指令回路、４・・・電流振幅指令信号、５・
・・三相電流指令回路、６・・・電流制御回路、７・・
・三相電流検出回路、８・・・三相同期電動機、９・・
・変位角検出回路、１０・・・速度検出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 所定の速度指令に対応した速度指令信号を生成する速度
   指令回路（１）と、三相同期電動機の電機子巻線電流を
   検出し、三相電流帰還信号を生成する三相電流検出回路
   （７）と、前記三相同期電動機の回転子の回転角を検出
   し、二相の正弦波状の回転角信号を生成する変位角検出
   回路（９）と、前記三相同期電動機の回転子の回転速度
   を検出し速度帰還信号を生成する速度検出回路（１０）
   と、前記速度指令信号から前記速度帰還信号を減算し、
   得られた速度偏差信号に比例積分微分補償演算を行ない
   トルク指令信号を生成する速度補償回路（１０）と、ト
   ルク指令信号の絶対値が規定値を越える場合は前記トル
   ク指令信号の絶対値を前記電流最大振幅指令信号として
   出力し、規定値以下の場合は、規定値を前記電流最大振
   幅指令信号として出力する電流振幅指令回路（３）と、
   前記トルク指令信号と前記二相の正弦波状の回転角信号
   とを入力し、前記トルク指令信号の絶対値が規定値を超
   える場合は前記二相の正弦波状の回転角信号を前記電流
   位相指令信号として出力し、規定値以下の場合は前記ト
   ルク指令信号により前記二相の正弦波状の回転角信号を
   位相変調した値を電流位相指令信号として出力する電流
   位相指令回路（４）と、前記電流振幅指令信号に前記電
   流位相指令信号を乗算して三相電流指令信号を生成する
   三相電流指令回路（５）と、前記三相電流指令信号と前
   記三相電流帰還信号が一致するように三相同期電動機（
   ８）を駆動する電流制御回路（６）とから成る三相同期
   電動機の速度制御装置。