JP3951195B2

JP3951195B2 - 同期電動機の制御装置及び起動方法

Info

Publication number: JP3951195B2
Application number: JP35078296A
Authority: JP
Inventors: 彰浩古谷; 幸則高田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2016-12-27
Also published as: JPH10201270A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の制御装置及び起動方法に関し、特に、真空槽中で動作する同期電動機の制御装置及び起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機は、エンコーダやレゾルバ等の位置検出器により磁極位置を検出し、磁極位置に同期して印加する電流の位相を制御することで駆動している。従って、位置検出器によって検出される位置と、磁極位置との位置関係、すなわち初期位相補正量を求めることが必要である。
位置検出器としてアブソリュートエンコーダのような絶対値型を用いたときには、特開平６−１９７５８６号公報に開示されているように検出器による絶対位置と磁極位置の関係（初期位相補正量）を、たとえば不揮発性メモリ上にでもあらかじめ記憶しておくことで、電源投入時から、正しい初期位相補正量で同期電動機を駆動することができる。
ところが、位置検出器として、相対値型を用いたとき等には、電源投入時には磁極位置がわからないため、正しい初期位相補正量で同期電動機を駆動することができない。
そこで従来は、位置センサとは別に、磁極位置検出器、いわゆるポールセンサを設けていた。
【０００３】
ポールセンサを用いない方法として、特開昭６１−９２１８７号公報、特開昭６２−３１３８５号公報、特開平７−３２２６７８号公報に開示された方法がある。これらの従来の方法では、初期位相補正量を順次更新しながら駆動し、発生トルクの極性を判定し、最適な初期位相補正量に収束させるものである。発生トルク極性の判定方法として、特開昭６１−９２１８７号公報では速度フィードバックの極性から、特開昭６２−３１３８５号公報と特開平７−３２２６７８号公報では加速度の極性から判定している。
しかしながら、これら従来の技術には次のような問題点がある。
特開平６−１９７５８６号公報では高価な絶対値型の位置検出器が必要である。
また、相対値型位置検出器とポールセンサの組み合わせも、サイズアップとコストアップの要因となる。特にリニアモータに適用するには、全ストロークをカバーするだけのポールセンサが必要となる。
これらに比べ、特開昭６１−９２１８７号公報、特開昭６２−３１３８５号公報、特開平７−３２２６７８号公報が非常に有効であるが、同期電動機の実際の動きを検出しながら判定するため、移動体がストローク端にいる状態では、移動体がストッパに当たっているため、ストッパ方向に運動することができず、正しくトルク極性を判定することができない。この様な状況は、たとえば操作ミスや、プログラムミスなどによって、十分に起こり得るものである。正しい初期位相補正量を検出できずに、誤った初期位相補正量で駆動しようとすると、電動機の暴走につながり、電動機自身や他の機器を破損する可能性もある。
特に、真空槽内で動作する電動機がこのような状態に陥ると、真空槽を大気圧に戻し、移動体を動かして双方向に運動可能な状態とし、再び真空槽を真空状態にするなど多くの時間と労力を要する。
【０００４】
一方、同期電動機が何らかの異常により正常な転流制御がなされないとき、設定回転数から誘起電圧の正負の変化時間に対する判定用基準時間を設定し、判定用基準時間と誘起電圧の正負の変化時間とを比較して、変化時間が判定用基準時間の範囲から外れることで異常を認識するものと、設定回転数から通電信号の変化時間に対する判定用基準時間を設定し、判定用基準時間と通電信号の変化時間とを比較して、変化時間が判定用基準時間の範囲から外れたときに異常であると認識するものとして特開平６−２５３５８０号公報がある。
しかしながら、この特開平６−２５３５８０号公報に記載された方法では、次の問題点があった。
（１）目標速度を設定したり、回転速度と設定速度に到達する時間を検出する必要があり、アルゴリズムが複雑である。
（２）目標速度に到達する時間は初期の回転速度に影響を受けるので、不正確になる。
（３）回転子の界磁極位置が特定できなければ、特定方向に駆動できない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の解決課題は、誤った初期位相補正量で移動体を駆動することなく、あらゆるストローク位置にあっても、また動作環境が真空中であっても、正確かつ最適な初期位相補正量で駆動できる同期電動機の制御装置及びその起動方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の同期電動機の制御装置は、同期電動機の駆動電流の位相を磁極位置に同期して制御することで前記同期電動機をベクトル制御で駆動する手段と、前記同期電動機の直線位置もしくは回転位置を検出する位置検出センサと、前記同期電動機の移動部が可動限界に来たことを検出するリミットスイッチと、前記同期電動機の起動時に駆動電流の初期位相補正量を順次更新しながら駆動しつつ発生トルクの極性を判定することにより最適な初期位相補正量に収束させる初期位相補正量検出手段とを有する同期電動機の制御装置において、前記移動部が前記リミットスイッチの位置にあるときの最適な初期位相補正量を記憶する手段を備えたものである。
また上記の課題を解決するための本発明の同期電動機の起動方法は、前記の同期電動機の制御装置の起動方法において、起動時の初期位相補正量の検出の際には、前記リミットセンサによって前記移動部がストローク端にあることが検出されている場合には、前記初期位相補正量記憶手段に記憶されている値を初期位相補正量として用い、ストローク端にないことが検出されている場合には、前記初期位相補正量検出処理を実行するものである。上記手段により、移動部がストローク端にあって自由に動けないときでも、初期位相補正量記憶手段に記憶されている最適な初期位相補正量で駆動することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、実施例に基づいて説明する。
図１は本発明の同期電動機の制御装置をリニアモータに適用した場合の第１実施例のブロック図を示すものある。図において、１はＤ／Ａ変換器２を通して電流指令^*ｕ，^*ｖ，^*ｗを出力するＣＰＵである。３は電流指令^*ｕ，^*ｖ，^*ｗに比例した電流Ｕ，Ｖ，Ｗを同期型リニアモータ６に流すパワーアンプである。４は初期位相補正量θ_e（＋），θ_e（−）を記憶する不揮発性メモリである。５は図示していないインクリメンタル式リニアエンコーダからの位置パルスをカウントするカウンタである。７はリニアモータ６によって駆動される移動部である。８１、８２は、それぞれ移動部７が所定のストローク以上移動するのを阻止する＋側ストッパと、−側ストッパである。９１、９２は、それぞれ移動部がストローク端にあることを検出する＋側リミットセンサと−側リミットセンサである。
不揮発性メモリ４には、移動部７が＋側ストローク端にあるときの最適な初期位相補正値θ_e（＋）と、−側ストローク端にあるときの最適な初期位相補正値θ_e（−）をあらかじめ測定して記憶しておく。また、ＣＰＵ１は位置制御アルゴリズム、モータ電流Ｕ，Ｖ，Ｗのべクトル制御、及び特開昭６１−９２１８７号公報記載の初期位相補正量検出処理を実行する。
【０００９】
特開昭６１−９２１８７号公報記載の初期位相補正量検出処理とは、電流の位相の補正量δを求めるに際し、発生トルクの極性が異なる２つの補正量γ₁，γ₂（但しγ₁＜δ＜γ₂）をそれぞれ下限値、上限値とする範囲内にある補正量（γ）を与えて発生トルクの極性を調べ、このときの発生トルクの極性が、補正量（γ₁）のときの発生トルクの極性と異なった場合には補正量（γ₂）を補正量（γ）で更新し、補正量（γ₂）のときの発生トルクの極性と異なった場合には補正量（γ₁）を補正量（γ）で更新する処理を所定回数繰り返し、このようにして得られた補正量（γ）の最終値を補正量δの推定値とするものである。
【００１０】
図２は本発明の同期型電動機の起動方法のフローチャートを示すもので、ここで初期位相補正量δを決定する。
図２において、ステップ２１、２２では、移動部がストローク端にあるかどうかを判定している。判定には、＋側リミットセンサ９１と−側リミットセンサ９２の信号を用いる。移動部が＋側ストローク端にあると判定された場合、ステップ２４で初期位相補正量δはθ_e（＋）に決定されて処理を終わる。移動部が−側ストローク端にあると判定された場合、ステップ２５で初期位相補正量δはθ_e（−）に決定されて処理を終わる。また、いずれにもないと判定されたときには、ステップ２３で前記の初期位相補正量検出処理を実行する。
すなわち、移動部がストローク端にあって、双方向に移動できないときには、その位置での最適な初期位相補正量θ_e（＋）、θ_e（−）を用い、ストローク端にないときには前記の初期位相補正量検出処理で決定された最適な初期位相補正量を用いるため、あらゆる位置で起動することができる。
【００１１】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図３は概念ブロック図、図４および図５はフローチャートである。
ＣＰＵ１１はカウンタ１８の位置データを入力し、後述のアルゴリズムを実行した後、Ｄ／Ａ変換器１２とＤ／Ａ変換器１３を通してＵ相電流指令、Ｖ相電流指令を２−３相変換回路１４に出力する。２−３相変換回路１４は２相のＵ相電流指令、Ｖ相電流指令を３相の電流指令Ｉ_u，Ｉ_v，Ｉ_wに変換し、パワーアンプ１５に出力する。パワーアンプ１５は同期電動機１６に指令に応じた電流を供給し、駆動する。エンコーダ１７は同期電動機１６の移動子の位置に応じてＡＢパルスを出力する。カウンタ１８はＡＢパルスをカウントして位置データを出力する。
本実施例では位置検出器としてインクリメンタル式のエンコーダ１７を使用したが、ポールセンサを用いないため、モータ制御装置に電源を入れた時点では、検出器で検出した位置ｘと同期電動機の界磁極位置φとは無関係である。したがって、検出器で検出した位置ｘより求めた界磁極位置θを、オフセット量γを加えずにそのまま印加する電流の位相ρとした場合、印加する電流の位相ρは同期電動機の界磁極位置φとは無関係であるので、｜δ｜＜９０°になる保証はどこにもない。さらに、ρ＝θ＋γというようにオフセットγを加えてもγをどのような値にすればいいのかわからないので、同じことである。
【００１２】
図４はフローチャートである。ステップ１０１は駆動させたい推力指令を与える。ステップ１０２は電流位相のオフセット量の初期設定を与える。例えばγ＝０°とする。ステップ１０３は図５に提示する副プログラムであり、同期電動機の加速度を検出する。ステップ１０４は加速度の有無を判定する。加速度が検出できたら同期電動機は正常に動作しているので、終了する。加速度が検出できない場合は、ステップ１０５へ進む。
ステップ１０５では電流位相を更新する。
同期電動機では、発生電磁力Ｔは、次式で与えられる。
Ｔ＝ｋｉｃｏｓ（φ−γ）（１）
ここで、ｋは電磁力定数、ｉは印加する電流の大きさ、φは実際の同期電動機の界磁極位置である。ステップ１０３およびステップ１０４において加速度が検出されない場合、発生電磁力｜Ｔ｜が摩擦や外力等の総和Ｆより小さいか、何らかの異常により同期電動機が駆動できないかの何れかである。そこで、｜Ｔ｜＞Ｆとなるようなγ、例えばγ＝γ＋９０°へ位相オフセット量を更新する。
ステップ１０６では、ステップ１０３と同様に図５に提示する副プログラムより加速度の検出を行う。ステップ１０７では加速度が検出されたとき、同期電動機は正常に駆動されているので終了する。加速度が検出されない場合、ステップ１０８へ進む。ステップ１０８では同期電動機を断電するための信号を出力する。
【００１３】
図３は加速度検出を行うための、副プログラムのフローチャートである。ステップ２０１は推力指令を保持するための時間の初期化を行う。例えばｔ＝０とする。ステップ２０２は設定された印加する電流の位相により、推力の演算を行う。ステップ２０３では加速度のありなしを判定する。加速度は位置の２階微分で求めることができる。もし加速度を検出することができれば、主プログラムヘ制御を戻す。加速度が検出できない場合にはステップ２０４へ進む。
ステップ２０４では時間を判定する。推力を変更せずに与えることのできる時間ｔ_max以下かどうかを判定する。もし与えることのできる時間ｔ_max以下ならばステップ２０５に進む。ステップ２０５では時間を更新する。例えば
ｔ＝ｔ＋Δｔ
とする。Δｔは制御のサンプリングタイムとする。
もし与えることのできる時間ｔ_maxを超えるならば加速度は検出できなかったものとして主プログラムヘ制御を戻す。
以上、説明は直動形の同期電動機について行ったが、回転形の同期電動機でも、発生推力を発生トルク、推力定数をトルク定数、推力指令をトルク指令に置き換えることにより同様のことがいえる。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、あらゆる位置で正確な初期位相補正量を決定できるため、同期電動機の暴走を防ぐことができ、機器の破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の同期電動機の制御装置の第１実施例を示すブロック図である。
【図２】本発明の同期電動機の起動方法のフローチャートを示す図である。
【図３】本発明の第２実施例を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す主プログラムのフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施例を示す副プログラムのフローチャートである。
【符号の説明】
１ＣＰＵ、２ＤＡ変換器、３パワーアンプ、４不揮発性メモリ、５カウンタ、６リニアモータ、７移動部、８１＋側ストッパ、８２ −側ストツパ、９１＋側リミットセンサ、９２ −側リミットセンサ、１１ＣＰＵ、１２，１３Ｄ／Ａ変換器、１４２−３相変換回路、１５インバータ、１６同期電動機、１７エンコーダ、１８カウンタ

Claims

同期電動機の駆動電流の位相を磁極位置に同期して制御することで前記同期電動機をベクトル制御で駆動する手段と、前記同期電動機の直線位置もしくは回転位置を検出する位置検出センサと、前記同期電動機の移動部が可動限界に来たことを検出するリミットスイッチと、前記同期電動機の起動時に駆動電流の初期位相補正量を順次更新しながら駆動しつつ発生トルクの極性を判定することにより最適な初期位相補正量に収束させる初期位相補正量検出手段とを有する同期電動機の制御装置において、前記移動部が前記リミットスイッチの位置にあるときの最適な初期位相補正量を記憶する手段を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。
請求項１記載の同期電動機の制御装置の起動方法において、起動時の初期位相補正量の検出の際には、前記リミットセンサによって前記移動部がストローク端にあることが検出されている場合には、前記初期位相補正量記憶手段に記憶されている値を初期位相補正量として用い、ストローク端にないことが検出されている場合には、前記初期位相補正量検出処理を実行することを特徴とする同期電動機の起動方法。