JP4779262B2 - 永久磁石形同期電動機制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、出力電圧の大きさ、周波数および位相を制御可能なインバータ等の電力変換器を用いて永久磁石形同期電動機のトルク制御,速度制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3に、この種の永久磁石形同期電動機制御装置の従来例を示す。
同図において、交流電源8から供給される交流電力は、例えばPWM(パルス幅変調)制御されるインバータ9により所定の電圧,周波数の交流電力に変換され、永久磁石形同期電動機(SM)11を所望のトルクで運転する。12は電動機11によって駆動される負荷であり、13は電動機11の回転速度および回転子の磁極位置を検出するパルスエンコーダで、90度位相差を持ったA相,B相のインクリメンタル信号と、アブソリュート信号を出力する。
【0003】
上記同期電動機11の制御装置において、速度設定器1は電動機11の速度設定ωr♯を速度指令演算回路2に送るので、速度指令演算回路2では予め設定された加速度に従い変化して、最終的には入力された速度設定値ωr♯に一致するような速度指令値ωr*を生成し出力する。
速度調節器3には、この速度指令値ωr*と速度検出演算器15により演算された速度検出値ωrとの偏差が入力されており、調節動作によって上記偏差を零にするようなq軸電流指令iq*を出力する。ここで、永久磁石同期電動機11の回転子永久磁石による磁束軸と平行な軸をd軸、磁束軸に直交する軸をq軸と言う。
【0004】
位置検出演算器14では、パルスエンコーダ13からの出力信号に基づき、例えば電動機11のU相巻線と磁極位置とのなす角度θを演算する。座標変換器7は、電流センサ10によって検出した電動機11の一次電流iu,iwを前記角度θに基づき次式の(1),(2)式の如き関係をもって座標変換することにより、電動機11の一次電流をq軸電流検出値iqおよびd軸電流検出値idに分解する。なお、(1),(2)式のivはiu+iv+iw=0なる関係から求められる。
【0005】
q軸電流調節器4には、q軸電流指令値iq*とq軸電流検出値iqとの偏差が入力され、この偏差を零にするようなq軸電圧指令値vq*を生成して出力する。同様に、d軸電流調節器5には、d軸電流指令値id*とq軸電流検出値idとの偏差が入力され、この偏差を零にするようなd軸電圧指令値vd*を生成して出力する。なお、図3では電動機11のトルク発生に寄与しないd軸電流(無効電流)は零として設定されている。
【0006】
座標変換器6は、q軸電圧指令値vq*,d軸電圧指令値vd*および上記角度θに基づき、下記(3)〜(5)式により座標変換を行ない、3相電圧指令値vu*,vv*,vw*を生成する。
これらの3相電圧指令値vu*,vv*,vw*はインバータ9に与えられ、交流電源8から入力される交流電力が所定の電圧,周波数および位相を有する交流電力に変換され、電動機11に供給されることになる。
【0007】
次に、エンコーダ13による磁極位置検出方法について説明する。図4はアブソリュート信号の一例を示し、6極モータの磁石位置を3ビットのアブソリュート信号で検出する例である。区間taが機械角1周期分(モータ1回転分)で、区間tbが電気角1周期分である。極対数は3となるので、機械角1周期に対し電気角は3周期となる。
【0008】
図5に図3で用いられる位置検出演算器の具体例を示す。
電源投入時にはf0,f1,f2信号で決まる初期位置に、カウンタ144の出力はプリセットされる。テーブル141はf0,f1,f2信号の状態にあわせ、初期位置を出力する。f0,f1,f2信号の状態と初期位置との関係は図4に示すように、電気角を6等分した位置で表わすことができる。例えば、f0=1,f1=0,f2=1の状態であれば0度から60度の範囲内にあることになるので、初期位置はその中間の30度にプリセットされる。A,B相の信号を4逓倍処理,回転方向判別した結果はカウンタ144に入力され、回転方向に合わせてアップ,ダウンカウント処理を行なう。また、f0信号と回転方向信号とをXORする(排他的論理和をとる)ことで、図4の0度の位置におけるf0信号のエッジを検出し、このエッジ信号によりカウンタ144を零クリアする。
【0009】
図3の設定器16には、U相巻線と磁極位置とが一致した点の図4の0度の位置における、実際の磁極位置とエンコーダ13による検出値との差分がオフセット量として設定される。
このような補正処理を行なうことにより、エンコーダ取り付け位置を考慮した形で、電動機11のU相巻線と磁極位置とのなす角度θを求めることが可能となる。
【0010】
次に、オフセット量の調整方法について説明する。
先の(3)式におけるvd*,vq*は次の(6),(7)式で表わすことができる。
vd*=R1×id*−ω×L×iq* …(6)
vq*=R1×iq*+ω×L×id+ωΦ …(7)
ここで、id*=0として制御している。また、モータを無負荷運転した場合には、iq*=0となり、上記(6),(7)および(3)式は、次式のようになる。
【0011】
vd*=0 …(6)’
vq*=ωΦ …(7)’
vu*=sinθ×vq*=sinθ×ωΦ …(3)’
そこで、これらの関係式を利用してモータを無負荷運転し、電圧センサ17で検出したvuと、演算器14を介して得たθをアナログ信号で出力し、vuとθの関係をオシロスコープ等の測定器で観測し、設定器16にセットするオフセット量を手動調節する。オフセット調節を行なった後のvuとθの関係を、図6に示す。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法では、下記のような問題がある。
1)オフセット量が真値に対し±90度以上ずれていると、指令トルクと逆極性のトルクをモータが発生し、速度制御ができなくなる。
2)オシロスコープ等の測定器を必要とする。
したがって、この発明の課題は、特別な測定器等を必要とすることなく、オフセット量の調節を可能とすることにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、永久磁石形同期電動機に取り付けられたエンコーダの出力信号から、電動機の所定相巻線と磁極位置とのなす角度を位置検出演算器により求め、この検出した角度と電動機電流検出値とから電動機電流を磁束軸成分とこれに直交する直交軸成分とに分けて、電動機の出力電圧の大きさ,周波数および位相の制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置において、
前記位置検出演算器による磁極位置検出値と電動機電圧検出センサにより検出した電動機の所定相巻線電圧とから、電動機巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出力信号との差分をオフセット量として調節演算するオフセット調節器を設け、永久磁石形同期電動機制御装置をオフライン状態にして電動機の運転を開始し、前記エンコーダ出力信号から求めた速度検出値と速度指令値の極性から粗調整した後に前記オフセット量を求め、求めたオフセット量を以後のオンライン運転時に用いて電動機を制御することを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す構成図、図2は図1のチューニング動作を説明するフローチャートである。
図1に示すように、構成的には図3に示す従来例に対しオフセット調節器19を設けた点が特徴である。このオフセット調節器19には電圧センサ17からのU相巻線電圧検出値vuと、位置検出演算器14からの出力であるU相巻線と磁極位置とがなす角度θと、速度検出演算器15を介して得られる速度検出値ωrと、速度指令演算回路2の出力である速度指令値ωr*とが入力される。
【0015】
オフセット調節器19はこれらの入力のうち、特に検出値vuとθとの関係からオフセット値を求める。すなわち、オフセットがない場合はvuとθとの間には先の図6に示すような関係にあるが、オフセットがあると図6のような関係が崩れるので、例えば電圧検出値vuの正から負の零クロス点が180度からどれだけずれているかを検出することで、オフセット値を求めることができる。
また、オフセット調節器19はωrやωr*を利用して、チューニング速度指令値ωr#’を求め、図2のようなチューニング動作を行なう。
【0016】
図2のステップ▲1▼でチューニング動作を開始すると、まずステップ▲2▼で、指令または設定値ωr#’を100%速度とする。これは最大値とすることで検出を容易にするためである。次のステップ▲3▼,▲4▼で逆極性のトルクを出力したりしないような操作(粗調整)をした後、次のステップ▲5▼でオフセット値を求め、以後はωr#’を0%速度にして停止させ、チューニング動作を終了するものである(ステップ▲6▼,▲7▼参照)。なお、オフセット調節器19で求めたオフセット値は、メモリを含む設定器16にセットされ、以後はこれを用いて永久磁石形同期電動機の制御がオンラインで行なわれることになる。
【0017】
【発明の効果】
この発明によれば、特別な測定器等を用いることなく、永久磁石形同期電動機の磁極位置検出用に取り付けられるエンコーダの検出オフセット量の調整を、自動で容易に行なうことが可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態を示す構成図である。
【図2】この発明の動作を説明するためのフローチャートである。
【図3】従来例を示す構成図である。
【図4】図3のエンコーダによる磁極位置検出方法の説明図である。
【図5】図3における位置検出演算器の具体例を示すブロック図である。
【図6】図3でオフセット調整した後の所定相電圧と角度との関係説明図である。
【符号の説明】
1…速度設定器、2…速度指令演算回路、3…速度調節器、4…q軸電流調節器、5…d軸電流調節器、6,7…座標変換器、8…交流電源、9…インバータ、10…電流センサ、11…永久磁石形同期電動機(SM)、12…負荷、13…エンコーダ、14…位置検出演算器、15…速度検出演算器、16…設定器(オフセット設定器)、17…電圧センサ、18…オシロスコープ、19…オフセット調節器、141…テーブル、142…4逓倍器、143…回転方向検出器、144…カウンタ、145…補正回路。
Claims (1)
- 永久磁石形同期電動機に取り付けられたエンコーダの出力信号から、電動機の所定相巻線と磁極位置とのなす角度を位置検出演算器により求め、この検出した角度と電動機電流検出値とから電動機電流を磁束軸成分とこれに直交する直交軸成分とに分けて、電動機の出力電圧の大きさ,周波数および位相の制御を行なう永久磁石形同期電動機制御装置において、
前記位置検出演算器による磁極位置検出値と電動機電圧検出センサにより検出した電動機の所定相巻線電圧とから、電動機巻線と磁極位置が一致する点とエンコーダ出力信号との差分をオフセット量として調節演算するオフセット調節器を設け、永久磁石形同期電動機制御装置をオフライン状態にして電動機の運転を開始し、前記エンコーダ出力信号から求めた速度検出値と速度指令値の極性から粗調整した後に前記オフセット量を求め、求めたオフセット量を以後のオンライン運転時に用いて電動機を制御することを特徴とする永久磁石形同期電動機制御装置。
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