JPWO2015059769A1

JPWO2015059769A1 - モータ制御装置

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Publication number: JPWO2015059769A1
Application number: JP2015543627A
Authority: JP
Inventors: 古谷　真一; 真一古谷; 佐野　修也; 修也佐野; 啓太堀井; 寛人竹居; 一哉稲妻
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2017-03-09
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Abstract

突極性を有しない同期モータであっても、動作開始後速やかに円盤ずれ故障を検知して異常動作を抑制することが可能なモータ制御装置を得るために、同期モータであるモータに接続されたエンコーダ（位置センサ）の出力信号からモータ検出速度を検出して出力するモータ速度検出部と、エンコーダの出力信号からモータ検出電気角を検出して出力するモータ電気角検出部と、モータ電圧及びモータ電流と、モータ検出速度と、を入力とし、モータ電圧及びモータ電流からモータ推定電気角を推定して出力するモータ電気角推定部と、モータ検出電気角及びモータ推定電気角を入力とし、モータ検出電気角及びモータ推定電気角からエンコーダが正常動作しているか否かを判定し、エンコーダが正常動作しているときにはモータ検出電気角を出力し、エンコーダが正常動作していないときにはモータ推定電気角を出力する切替部と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、モータ制御装置に関するものである。

従来、回転子が固定子の電流または電圧の周波数に同期する同期モータとして、永久磁石型同期モータ、巻線界磁型同期モータ及びシンクロナスリラクタンスモータが知られている。

例えば、特許文献１には、モータの誘起電圧に基づいて電気角の推定を行い、電気回路モデルに基づいた推定電気角を用いて故障判別を行う技術が開示されている。一般に、モータの誘起電圧は、モータ速度が高いほど振幅が大きくなる。逆にモータ低速時には誘起電圧の振幅は小さく、例えばインバータデッドタイムのような電圧外乱やスイッチングノイズの影響を受け、推定する電気角の精度が著しく低下する。このため、特許文献１に記載の技術では、モータが加速してからしばらくし、その速度がしきい値以上になってから電気角の推定を行う構成としている。

特開２０１０−０２９０３１号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、モータが加速してから電気角の推定を行うまでに時間を要する。そのため、円盤ずれ故障の検知に遅れが生じることになる、という問題があった。

円盤ずれ故障は、モータ制御装置が起動する前より発生していることがあり、モータの動作開始時に円盤ずれが生じているか否かを判別しておかないと、モータの起動と同時に意図しない方向にモータが回転することになる。同期モータが何らかの機構（例えば、ロボットまたは送り機構）の駆動力源として用いられている場合には、このような故障時には、意図しない回転により機構が異常動作し、当該機構自体または当該機構周辺に存在するその他の物体を破壊してしまうおそれがあり、モータを可能な限り早く停止させる必要がある。

なお、モータの誘起電圧ではなく、モータの回転位置により固定子側からみたインダクタンス値が変化する突極性を利用してモータ低速時にモータの電気角や電気角周波数を推定する技術は、突極性を有しないモータ（例えば表面磁石型永久磁石モータ）に対しては適用できない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、突極性を有しない同期モータであっても、動作開始後速やかに円盤ずれ故障を検知して異常動作を抑制することが可能なモータ制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、突極性を有しない同期モータを制御するモータ制御装置であって、同期モータであるモータに接続されたエンコーダ（位置センサ）の出力信号から前記モータの速度を検出して、前記モータのモータ検出速度を出力するモータ速度検出部と、前記エンコーダの前記出力信号から前記モータの電気角を検出して、モータ検出電気角を出力するモータ電気角検出部と、前記モータのモータ電圧及びモータ電流と、前記モータ検出速度と、を入力とし、前記モータ電圧及び前記モータ電流から前記モータの電気角を推定して、モータ推定電気角を出力するモータ電気角推定部と、前記モータ検出電気角及び前記モータ推定電気角を入力とし、前記モータ検出電気角及び前記モータ推定電気角から前記エンコーダが正常動作しているか否かを判定し、前記エンコーダが正常動作しているときには前記モータ検出電気角を出力し、前記エンコーダが正常動作していないときには前記モータ推定電気角を出力する切替部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかるモータ制御装置は、突極性を有しない同期モータであっても、動作開始後速やかに円盤ずれ故障を検知して異常動作を抑制することが可能なモータ制御装置を得ることができる、という効果を奏する。

図１−１は、実施の形態１にかかるモータ制御装置の一構成例を示す図である。図１−２は、比較例としてのモータ制御装置の構成を示す図である。図２−１は、実施の形態１にかかるモータ制御装置の電気角推定部の一構成例を示す図である。図２−２は、比較例としてのモータ制御装置の電気角推定部の構成を示す図である。図２−３は、実施の形態３にかかるモータ制御装置の電気角推定部の一構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１−１は、本発明にかかるモータ制御装置の実施の形態１の一構成例を示す図である。図１−１に示す同期モータ制御装置１は、インバータ２、電流検出部３及びエンコーダ５（位置センサ）に接続されている。インバータ２及びエンコーダ５はモータ４に接続されており、インバータ２とモータ４の間に電流検出部３が配されている。なお、モータ４としては、例えば永久磁石型同期モータを用いる。

図１−１に示す同期モータ制御装置１は、速度指令部１１と、速度制御部１３と、電流制御部１５と、座標変換部１７，２２と、ＰＷＭ処理部１９と、速度換算部７と、電気角換算部８と、電気角推定部２４と、切替部２６と、を備える。

ここで、従来のモータ制御装置の構成を参照する。図１−２は、比較例である従来のモータ制御装置の構成を示す図である。図１−１に示す同期モータ制御装置１と同様に、図１−２に示す同期モータ制御装置１ａもインバータ２、電流検出部３及びエンコーダ５に接続され、インバータ２及びエンコーダ５はモータ４に接続されており、インバータ２とモータ４の間に電流検出部３が配されている。

同期モータ制御装置１ａは、制御部、処理部、換算部及び変換部を備えるが、これらは、出力した値が他の制御部、処理部、換算部または変換部を経て再び入力される構成である。

エンコーダ５は、エンコーダ信号６を出力する。エンコーダ信号６は、モータ４の回転子位置（角度）情報に相当する。エンコーダ信号６は、速度換算部７及び電気角換算部８に入力される。

速度換算部７は、エンコーダ信号６に対して微分を行い、または差分をとってモータ４の回転子の回転速度を速度信号１０として出力する。速度信号１０は、速度制御部１３に入力される。

速度制御部１３には、速度信号１０及び速度指令部１１が出力する速度指令１２が入力される。速度制御部１３は、速度信号１０と速度指令１２が一致するように制御処理を行って電流指令１４を出力する。速度制御部１３は、例えば、ＰＩ（比例積分）制御、フィードフォワード制御を行う。

同期モータの速度を制御するには同期モータのトルクを制御するが、ここで例に用いた永久磁石型同期モータではモータトルクとモータ電流が比例するので速度制御部１３の出力は電流指令となる。この電流指令１４は電流制御部１５に入力される。

電流制御部１５及び座標変換部１７で構成される電流制御系は、２軸直交回転座標（ｄｑ軸）上に構築される。ほとんどの場合、ｄ軸はモータ回転子磁束方向に設定され、このときｑ軸電流はモータトルクを発生させる電流となるので、速度制御部１３が出力する電流指令１４は、ｑ軸電流指令に相当する。

電流制御部１５は、ＰＩ制御、モータ４のｄｑ軸間の電磁干渉を抑制する非干渉化制御を行う。電流制御部１５には、電流指令１４及び回転座標上の検出電流信号２３が入力され、制御処理を行って電圧指令１６を出力する。

回転座標上の検出電流信号２３はｄｑ軸上の信号であるが、座標変換部２２に３相静止座標上の検出電流信号２１が入力されて下記の式（１）により計算される。なお、３相静止座標上の検出電流信号２１は、電流検出部３から出力される。

式（１）において、Ｉ_ｄ，Ｉ_ｑは回転座標上の検出電流信号２３に相当し、Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗは３相静止座標上の検出電流信号２１に相当する。また、式（１）において、θｅは検出電気角であり、電気角９に相当し、モータ回転子磁束の角度を示す位相信号である。なお、電気角９は、エンコーダ信号６が入力された電気角換算部８から出力され、座標変換部１７及び座標変換部２２に入力される。

式（１）における係数√（２／３）と２つの行列（２行２列の行列と２行３列の行列）が３相静止座標から回転座標への変換係数に相当する。回転座標上の検出電流信号２３は電流制御部１５に入力されるので、電流制御部１５が出力する電圧指令１６は回転座標（ｄｑ軸）上の信号となる。

座標変換部１７は、入力された電圧指令１６を下記の式（２）により３相静止座標上の電圧指令に変換して電圧指令１８として出力する。

式（２）において、Ｖ_ｄ ^＊，Ｖ_ｑ ^＊は電圧指令１６に相当し、Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊が電圧指令１８に相当する。

ＰＷＭ処理部１９は、電圧指令１８をスイッチング指令２０に変換して出力する。スイッチング指令２０が入力されたインバータ２は、スイッチング指令２０に従って動作し、電圧指令１８に従った電圧をモータ４に出力する。

座標変換部１７及び座標変換部２２に入力される電気角９は、同期モータの回転子磁束位相によって決定される。具体的には、回転子磁束ベクトル方向がｄ軸となるように決定される。

ところで、極数Ｐのモータでは、モータ回転子一回転に対し電気角はその極対数倍、すなわちＰ／２回転する。エンコーダ５は、エンコーダ信号６のゼロ位相と、極対数個存在する電気角のゼロ位相のうちいずれか一つと、を一致させるように調整の上、モータ回転子軸に取り付けられている。このとき、エンコーダ信号６をθ、電気角９をθ_ｅ、モータ極数をＰとすると、電気角９は、下記の式（３）で表される。

同様に、それぞれの微分値である速度信号１０と電気角周波数については、速度信号１０をω_ｒとし、電気角周波数をω_ｒｅとすると、下記の式（４）の関係が成立する。

次に、エンコーダ５について説明する。エンコーダ５は、モータ４の回転子軸に直結した円盤と固定子に接続された周辺回路部によって構成されている。この円盤は、回転子軸と直結しているため、モータ４の回転に応じて回転する。例えば、エンコーダ５が光学式エンコーダである場合には、回転子軸に直結した円盤には円盤内の角度に応じたスリットや反射構造が設けられており、この円盤に光を照射してその反射または透過の有無により、固定子に接続された周辺回路部が円盤内の角度を読み取る。この円盤はモータ回転子軸に対して決まった位置関係で接続されているため、円盤内の角度からモータ回転子軸の位置の換算は容易であり、固定子に接続された周辺回路部にて処理を行ってモータ４の回転子位置を出力する。

なお、ここでは、エンコーダ５が光学式エンコーダである例について説明したが、これに限定されず、他の方式のエンコーダを用いてもよい。他の方式のエンコーダとしては、例えば、磁気を利用して円盤内の角度を読み取る方式のエンコーダが挙げられる。

このように、エンコーダ５は、モータ回転子軸に応じて回転し、自らの角度情報を記載した物体に対し、外部から非接触で円盤内における角度を読み取って、位置信号として出力する方式であればよい。

ところで、このように用いられるエンコーダ５に、故障が発生することがある。このような故障モードとして、例えば、センサケーブルの断線、モータ若しくは周囲の熱、または自己発熱による周辺回路部のハンダクラックが挙げられる。このような故障の中で、円盤ずれと呼ばれる故障については、検出することが困難である。

なお、円盤ずれとは、モータの回転子軸と円盤が、例えば衝撃により一旦外れて再固定されることにより起こる現象であって、再固定位置が本来の接続位置からずれてしまうことをいう。

このように、モータの回転子軸と円盤が本来の接続位置からずれた位置に固定されると、エンコーダ５からの回転角度情報は真のモータ回転子位置に対してオフセット誤差を有する。円盤ずれは、センサケーブルの断線またはハンダクラックとは異なり、電気的な検出が困難である。また、円盤ずれでは、エンコーダ信号は一見正常に出力されるため、例えば信号データのパリティチェックを行うといった符号化処理に基づいた検出も困難である。

このように、検出が困難な円盤ずれは、同期モータ制御装置１内の信号に影響を及ぼす。まず、速度信号１０の計算には大きな影響はない。速度信号１０はエンコーダ信号６に対して微分相当の処理を行っているため、エンコーダ信号６にオフセット誤差が含まれていても速度信号１０にはオフセット誤差は含まれないからである。しかし、速度制御系の内側に設けた電流制御系には、この円盤ずれによる影響が強く作用して正常な動作を困難なものとし、その結果として速度制御系も正常動作が困難となってしまう。

一般に、モータの一回転に対してモータの電気角は極対数倍回転するので、円盤ずれによるオフセット誤差は電気角換算で数倍に増幅されて現れる。例えば、８極の永久磁石型同期モータにおいては、円盤ずれ故障によりモータ回転子軸位置に対してエンコーダ５から３０度のオフセット誤差が付与されて出力される場合に、電気角上では８／２＝４倍に増幅され、オフセット誤差は３０×４＝１２０度となる。

電気角の誤差が９０度未満の場合には、Ｉ_ｑの代わりにＩ_ｄを流すことになるため、モータに流れる真のＩ_ｑの減少によりモータのトルクが低下し、またはＩ_ｄの増加による強め磁束により電圧飽和が発生して電流制御応答の低下が発生する。また、モータには電機子反作用があり電圧飽和自体によってもモータ電流が抑制されモータトルクが減少する場合もある。つまり、電気角の誤差が９０度未満ではモータのトルク特性が低下する。これは電気角の誤差が大きくなるほど顕著となる。

電気角の誤差が９０度を越えるとモータに流れる真のＩ_ｑと制御装置におけるＩ_ｑの極性の反転が生じる。例えば、電気角の誤差の値が１８０度（π［ｒａｄ］）に到達すると座標変換の式は下記の式（５）となる。

ここで、θ_ｅＥは、誤差を含んだ電気角である。

式（１）と式（５）の比較から明らかなように、電気角の誤差が１８０度であると、座標変換後の電流は極性が反転する。これは、例えば制御装置上で同期モータを加速させるためにトルク電流Ｉ_ｑを流そうと試みても、実際には同期モータのＩ_ｑが減速方向の電流成分となってしまい、加速ができず、または意図しない方向にモータが回転してしまうということになる。

このような円盤ずれに対しては、モータの電気角推定に基づく方法が有効である。まず、制御装置内にモータの電気回路モデルを構築してモータの電圧信号と電流信号を入力する。次に、これらの信号と電気回路モデルを用いてモータの誘起電圧を計算し、そこから電気角を推定する。この誘起電圧は、モータ回転子磁束の回転により発生するもので回転子磁束に対し９０度進み成分となる。この誘起電圧の位相が計算できれば、回転子磁束の位相も計算することができる。この回転子磁束の位相が電気角に相当する。このように誘起電圧から電気角を推定して、エンコーダ５から得た検出電気角との比較を行うことで、エンコーダ５の円盤ずれ故障を判別することができる。

そこで、本発明においては電気角の推定を行うことが可能な、図１−１に示す同期モータ制御装置１を用いる。図１−１に示す同期モータ制御装置１は、図１−２に示す従来の同期モータ制御装置１ａに対して電気角推定部２４と切替部２６が設けられている点が異なる。

電気角推定部２４は、モータ制御方式で一般的にセンサレス制御として知られている方式を応用しており、主に永久磁石同期モータの回路方程式より導出された磁束オブザーバ及び電気角周波数を推定する構成を備える。ここで磁束オブザーバを用いた一般的なセンサレス制御について説明する。

磁束オブザーバの演算にはモータの電気角周波数を用いるが、ここではセンサレス制御であるため真の電気角周波数は不明であり、推定した電気角周波数を用いる。上述のセンサレス制御方式は磁束オブザーバから推定した推定磁束より永久磁石同期モータの推定電流を計算する。推定電流と検出電流の誤差は、磁束オブザーバ演算に用いた推定電気角周波数に誤差があるとする適応同定の考え方に基づいて、推定電気角周波数のフィードバック修正を行っていく。モータの電気角周波数はモータの回転子速度の極対数倍となるため、推定した電気角周波数を極対数で割った値がモータの回転子速度の推定値となる。また、推定電気角は推定電気角周波数に対して積分を行うことで得ることができる。

図２−２は、磁束オブザーバを用いて電気角周波数を推定する電気角推定部の構成の一例を示す図である。図２−２に示す電気角推定部は、電流推定誤差演算部１００、適応同定部１０２、軸ずれ補正部１０４、積分部１０７及び座標変換部１０８，１０９を備える。電流推定誤差演算部１００は、上述したように、ｑ軸電流の推定誤差を計算する。

電流推定誤差演算部１００は、下記の式（６）〜（８）の計算を行う。磁束オブザーバは式（６）である。

ここで、Φ_{ｄｓ_ｅｓｔ}はｄ軸固定子推定磁束であり、Φ_{ｑｓ_ｅｓｔ}はｑ軸固定子推定磁束であり、Φ_{ｄｒ_ｅｓｔ}はｄ軸回転子推定磁束である。Ｒは巻線抵抗であり、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンスであり、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンスである。また、ω_{_ｅｓｔ}は補正後推定電気角周波数１０６であり、ω_{ｒｅ_ｅｓｔ}は推定電気角周波数１０３である。Ｖ_ｄｓ，Ｖ_ｑｓは電圧指令１１０である（Ｖ_ｄｓはｄ軸電圧、Ｖ_ｑｓはｑ軸電圧）。ｈ_１１・ｈ_１２・ｈ_２１・ｈ_２２・ｈ_３１・ｈ_３２はフィードバックゲインである。ΔＩ_ｄｓ，ΔＩ_ｑｓは電流推定誤差１０１である（ΔＩ_ｄｓはｄ軸電流推定誤差、ΔＩ_ｑｓはｑ軸電流推定誤差）。Ｉ_{ｄｓ_ｅｓｔ}はｄ軸電流の推定値であり、Ｉ_{ｑｓ_ｅｓｔ}は、ｑ軸電流の推定値である。Ｉ_ｄｓ，Ｉ_ｑｓは、検出電流信号１１１である（Ｉ_ｄｓはｄ軸電流、Ｉ_ｑｓはｑ軸電流）。

適応同定部１０２は、入力された電流推定誤差１０１に処理を行い、推定電気角周波数１０３を出力する。適応同定部１０２は、ＰＩ制御を行い、下記の式（９）の演算を行う。

ここで、Ｋ１は適応比例ゲインであり、Ｋ２は適応積分ゲインである。

軸ずれ補正部１０４は、これらセンサレス制御系が動作する２軸直交回転座標のｄ軸をモータ回転子磁束に一致させるように推定電気角周波数１０３の補正を行うために、下記の式（１０）によりω_ｃｍｐの演算を行って補正信号１０５を出力する。

ここで、ｈ_４１，ｈ_４２は、フィードバックゲインである。推定電気角２５は、推定電気角周波数１０３と補正信号１０５に対して、積分部１０７にて積分処理を行うことで得られる。

電流推定誤差演算部１００の計算では、上記の式に示すようにモータ電圧及びモータ電流が必要であるが、検出電流信号２１及び電圧指令１８から推定電気角２５を用いて座標変換にて計算する。

このように電気角推定部をエンコーダ信号６の情報を用いない構成とすると、エンコーダ故障時に推定電気角２５を電気角９の代替として用いることができる。

磁束オブザーバの計算にはモータの電圧を用いるが、ほとんどの場合、電圧指令１８によって代用する。しかしながら、電圧指令１８と実際にモータに印加される電圧にはインバータのデッドタイムやパワーモジュールの順電圧効果による誤差が存在する。また、モータの誘起電圧が小さい低速度運転領域では、相対的に電圧誤差の感度が高まり、電気角周波数や電気角の推定精度が著しく低下する。そのため、モータが加速してしばらくしてからしか、推定した電気角や電気角周波数を利用することができない。

そこで、本発明では、速度情報のみ利用可能なエンコーダ円盤ずれ故障の性質を利用して、電気角周波数を推定する代わりにエンコーダ信号６から得た電気角周波数を用いて電気角を推定する。すなわち、図２−１に示す電気角推定部２４を採用する。

図２−１は、電気角推定部２４の構成の一例を示す。図２−１に示す電気角推定部２４は、適応同定部１０２に代えてゲイン１１２を備える。ゲイン１１２には速度信号１０が入力される。速度信号１０が入力されたゲイン１１２は、電気角周波数１１３を出力する。ゲイン１１２は極対数であり、式（４）の計算に相当する。出力された電気角周波数１１３は、図２−２における推定電気角周波数１０３に代えて推定電気角２５の計算に用いられる。

電気角推定部２４を図２−１に示す構成とすると、モータ回転速度の上昇を待つことなくモータ起動時から低速運転領域においても推定電気角２５を得ることができる。

従って、上述したように、モータ起動時には既に発生していた円盤ずれ故障に対して、推定電気角信号を時間的に早く供給でき、円盤ずれ故障の検知の応答特性を向上することができる。

さらには、モータの低速運転領域でもエンコーダ故障検知後のモータの電流制御を継続することができるので、故障検知の応答特性の向上と相まって、エンコーダ故障時のモータの異常動作を従来よりも抑制することが可能となる。そのため、異常動作をなくし、モータを駆動源とする機構及び当該機構周辺に存在する物体の破壊も防止することができる。

ところで、図２−２では、推定電気角周波数１０３を磁束オブザーバにフィードバックする構成であるため、推定電気角周波数１０３は真の電気角周波数に対して時間遅れを生じることになる。しかしながら、図２−１の構成とすると、推定電気角２５の応答特性も向上し、結果としてエンコーダ故障時におけるモータの異常動作を従来よりも抑制することも可能である。

次に、切替部２６について説明する。切替部２６は、推定電気角２５と電気角９の比較を行い、エンコーダの動作が正常であると判断すると、電気角９を座標変換電気角２７に割り当てるものである。このようにして円盤ずれ故障が発生した場合でも、同期モータ電流制御を継続することができる。

特に、モータを緊急停止させる場合には、推定電気角２５の利用により減速方向のトルク電流をモータに流すことができるため、モータ電源線を短絡して制動を行う場合と比較して、極めて短時間でモータを停止させることができる。

切替部２６で故障検知する際には、上述のように推定電気角２５と電気角９の誤差が一定値（オフセット値）であることを利用し、この誤差がしきい値以上であって、且つその状態が設定した時間以上継続した場合に円盤ずれ故障が発生したものと判断する。このような構成とすることで異常判定の誤判定を防止することができる。

上述の磁束オブザーバではモータ電圧の代用として電圧指令を用いているが、インバータはデッドタイムやパワーモジュールの順電圧降下またはその他ノイズにより、電流制御系がその影響をキャンセルすべく動作するため、電圧指令にはそれらに基づく振動成分が流入していることが多い。このため、磁束オブザーバによる推定電気角２５も脈動することがあり、過渡的には位相推定誤差のしきい値を超えることがある。上述のように、設定した時間だけ待つことで、検知に至るまでに多少の時間的なロスを生じるが、故障検出の誤検知発生を抑制することができ、装置の信頼性を向上することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、モータの電気角の推定においてエンコーダ速度情報を用いることで、エンコーダの円盤ずれ故障発生時に、モータ起動時から低速運転領域においてもモータの電気角の推定を行うことができる。また、モータの電気角の推定応答性を向上させることも可能であるため、故障検知までの時間を短縮して、モータの異常動作を抑制することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、電気角推定部２４は磁束オブザーバに基づく構成としているが、本実施の形態では、モータ電圧やモータ電流から誘起電圧を求めて、電気角を推定する構成とする。永久磁石同期モータの回路方程式は、下記の式（１１）で表される。なお、この式（１１）は、回転座標上の式である。

ここで、添字をｄｄ、ｑｑとしているが、これは、モータ回転子磁束がｄ軸と一致する一般的な２軸回転直交座標と区別するためである。すなわち、ｄｄ軸とｑｑ軸は２軸直交回転座標の軸であるが、ｄ軸，ｑ軸とは位相差のある座標軸である。また、Ｒはモータの巻線抵抗、Ｌはインダクタンス、ω_ｒｅは電気角周波数、ｐは微分演算子である。電圧指令１８と検出電流信号２１は３相静止座標上であり、推定電気角により式（１）に示す座標変換を適用すると、Ｖ_ｄｄ，Ｖ_ｑｑ，Ｉ_ｄｄ，Ｉ_ｑｑが得られる。これを式（１１）に代入すると誘起電圧Ｅ_ｄｄ，Ｅ_ｑｑが得られる。

モータ回転子磁束がｄ軸と一致する場合には、誘起電圧はｑ軸にのみ現れる。すなわち、ｄｄ軸の誘起電圧値がゼロとなれば、ｄｄ軸とｄ軸は一致しているといえる。このため、下記の式（１２）にて計算する位相補正項θｃにて座標変換用の位相を補正する。

エンコーダ信号から計算した電気角を単純に積分した位相をθ_Ｂとすると、θ_Ｂは式（１３）で表される。

そして、モータ正転時のモータ推定電気角θ_{ｅ_ｅｓｔ}は式（１４）で得ることができ、モータ逆転時のモータ推定電気角θ_{ｅ_ｅｓｔ}は式（１５）で得ることができる。

実施の形態１にて説明した磁束オブザーバによる電気角の推定方式は各ゲインの設定において調整が必要であるが、このモータ回路方程式に基づく電気角を推定する構成は調整要素を廃しており、容易に電気角推定部２４を構成することが可能である。エンコーダ円盤ずれ故障検知に対する本質的な役割は実施の形態１と同じであり、同様の効果が得られる。

実施の形態３．
本実施の形態では、実施の形態１，２における電気角推定部２４に代えて電気角推定部２４ａを備えるモータ制御装置について説明する。電気角推定部２４ａでは、電気角推定部のエンコーダからの速度信号１０を使用するか否かを切り替えることができる。なお、電気角推定部２４に代えて電気角推定部２４ａを備えることを除けば、実施の形態１，２と同じ構成である。

図２−３は、電気角推定部２４ａの構成を示す図である。図２−３に示す電気角推定部２４ａは、判定部１１４と電気角周波数切替部１１６を備える点が実施の形態１，２の電気角推定部２４と異なる。

判定部１１４は、電気角周波数の絶対値を計算し、その絶対値がしきい値以上であるときには電気角推定演算用電気角周波数１１７に推定電気角周波数１０３を割り当て、その絶対値がしきい値未満であるときには電気角推定演算用電気角周波数１１７に電気角周波数１１３を割り当てるよう、指示信号１１５を出力する。このような構成とすることで、モータ高速運転時の異常判定範囲を拡張することができる。

電気角周波数切替部１１６は、指示信号１１５に従って切替動作を行う。

エンコーダ５からの速度信号１０を用いずに電気角の推定を行う場合には、上述のように電気角の推定の精度は、モータ回転速度が上昇すると向上する。従って、モータ回転速度の絶対値がしきい値以上であれば、エンコーダ５の円盤ずれ故障検知向けの使用に耐えうる精度となる。モータの回転速度が上昇してもエンコーダ５からの速度信号１０を継続して使用してもよい。

しかしながら、電気角の推定にエンコーダ情報を用いると、エンコーダ５が他の故障モード（例えば、センサケーブルの断線）により故障した場合に対応できない。

そこで、本実施の形態では、エンコーダ５から得た検出速度の絶対値に基づき、電気角の推定に用いる電気角周波数の切替を行う。電気角周波数の絶対値がしきい値未満であるときには、電気角推定演算用電気角周波数１１７に電気角周波数１１３を割り当てるように切替を行い、エンコーダ５からの電気角周波数を電気角の推定に用いる。電気角周波数の絶対値がしきい値以上であるときには、電気角推定演算用電気角周波数１１７に推定電気角周波数１０３を割り当てるように切替を行い、エンコーダ５からの電気角周波数を用いることなく電気角周波数の推定を行うことで、電気角を推定する。

電気角推定部２４ａの構成とすることで、モータ起動時を含む低速時におけるエンコーダ円盤ずれ故障の検知を可能とし、モータ高速運転時にはエンコーダ円盤ずれ故障以外の故障（例えば、エンコーダ信号が途絶するセンサケーブルの断線）の検知も可能となり、電気角推定部や切替部の活用範囲を広げることが可能となる。

エンコーダ円盤ずれ以外の故障モードの検知を行う方法は、エンコーダ故障時のエンコーダ信号６の波形形状によって異なるが、故障が発生した瞬間の値が保持される場合には、フーリエ解析の原理に基づき、下記の式（１６）〜（１９）の計算を行う方法がある。電気角の推定誤差Δθｅは、エンコーダ５が正常動作している場合にはゼロに近い値となるが、エンコーダ５が故障すると、電気角周波数と同一周期のノコギリ波状の信号となる。そのため、推定電気角より計算した正弦波信号を基底としたフーリエ解析計算により、その振幅ＳＲを取り出すことができる。この振幅ＳＲがしきい値以上であれば、エンコーダ故障が発生したものと判断する。なお、式（１６）〜（１９）に示す計算では主な計算が積分であるため、高周波外乱に強く誤検知が少ない。

なお、図２−３の構成では、電気角周波数１１３を判定部１１４に入力する構成としているが、推定電気角周波数１０３を代わりに入力しても同様の効果が得られる。

電気角周波数１１３を判定部１１４に入力する場合には、円盤ずれ以外でのエンコーダ故障でエンコーダ信号６が故障時の値に保持されるとき、モータ速度が検出できずゼロ速度が出力される。このとき、判定部１１４では、電気角周波数１１３から推定電気角周波数１０３への切替処理が行えず、はまり込みが発生する。

そこで、判定部１１４に推定電気角周波数１０３を入力する構成とすると、上述のようなはまり込みを回避することができる。

以上説明したように、電気角推定に用いる電気角周波数を、推定電気角周波数１０３とエンコーダ信号６から計算した電気角周波数１１３で切替可能な構成とすることで、円盤ずれ以外の故障発生時でも電気角の推定を継続することができ、故障の検知を行うことができる。

本発明にかかるモータ制御装置は、同期モータを制御するモータ制御装置に有用であり、特に、ロボットまたは送り機構の駆動力源として用いられるモータ制御装置に適している。

１，１ａ同期モータ制御装置、２インバータ、３電流検出部、４モータ、５エンコーダ、６エンコーダ信号、７速度換算部、８電気角換算部、９電気角、１０速度信号、１１速度指令部、１２速度指令、１３速度制御部、１４電流指令、１５電流制御部、１６電圧指令、１７座標変換部、１８電圧指令、１９ＰＷＭ処理部、２０スイッチング指令、２１検出電流信号、２２座標変換部、２３検出電流信号、２４，２４ａ電気角推定部、２５推定電気角、２６切替部、２７座標変換電気角、１００電流推定誤差演算部、１０１電流推定誤差、１０２適応同定部、１０３推定電気角周波数、１０４軸ずれ補正部、１０５補正信号、１０６補正後推定電気角周波数、１０７積分部、１０８座標変換部、１０９座標変換部、１１０電圧指令、１１１検出電流信号、１１２ゲイン、１１３電気角周波数、１１４判定部、１１５指示信号、１１６電気角周波数切替部、１１７電気角推定演算用電気角周波数。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、突極性を有しない同期モータを制御するモータ制御装置であって、同期モータであるモータに接続されたエンコーダの出力信号から前記モータの電気角を検出して、モータ検出電気角を出力するモータ電気角検出手段と、前記モータのモータ電圧及びモータ電流と、を入力とし、前記モータ電圧及び前記モータ電流から前記モータの電気角を推定して、モータ推定電気角を出力するモータ電気角推定手段と、前記モータ検出電気角及び前記モータ推定電気角を入力とし、前記モータ検出電気角及び前記モータ推定電気角から前記エンコーダが正常動作しているか否かを判定し、前記エンコーダが正常動作しているときには前記モータ検出電気角を出力し、前記エンコーダが正常動作していないときには前記モータ推定電気角を出力する切替手段と、を備えることを特徴とする。

磁束オブザーバの計算にはモータの電圧を用いるが、ほとんどの場合、電圧指令１８によって代用する。しかしながら、電圧指令１８と実際にモータに印加される電圧にはインバータのデッドタイムやパワーモジュールの順電圧降下による誤差が存在する。また、モータの誘起電圧が小さい低速度運転領域では、相対的に電圧誤差の感度が高まり、電気角周波数や電気角の推定精度が著しく低下する。そのため、モータが加速してしばらくしてからしか、推定した電気角や電気角周波数を利用することができない。

Claims

突極性を有しない同期モータを制御するモータ制御装置であって、
同期モータであるモータに接続されたエンコーダの出力信号から前記モータの速度を検出して、前記モータのモータ検出速度を出力するモータ速度検出手段と、
前記エンコーダの前記出力信号から前記モータの電気角を検出して、モータ検出電気角を出力するモータ電気角検出手段と、
前記モータのモータ電圧及びモータ電流と、前記モータ検出速度と、を入力とし、前記モータ電圧及び前記モータ電流から前記モータの電気角を推定して、モータ推定電気角を出力するモータ電気角推定手段と、
前記モータ検出電気角及び前記モータ推定電気角を入力とし、前記モータ検出電気角及び前記モータ推定電気角から前記エンコーダが正常動作しているか否かを判定し、前記エンコーダが正常動作しているときには前記モータ検出電気角を出力し、前記エンコーダが正常動作していないときには前記モータ推定電気角を出力する切替手段と、を備えることを特徴とするモータ制御装置。
前記切替手段は、前記モータ検出電気角と前記モータ推定電気角の誤差がしきい値以上であり、且つ前記モータ検出電気角と前記モータ推定電気角の前記誤差がしきい値以上である状態をしきい値時間以上継続したときに、前記エンコーダが正常動作していないと判定することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
前記モータ電気角推定手段は、前記モータ検出電気角の周波数または前記モータ推定電気角の周波数の絶対値がしきい値未満である場合に、前記モータ検出速度を用いて前記モータ推定電気角を出力することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。