JPH03222686A - 同期電動機のトルク検出方法 - 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〕 本発明は同期電動機機の発生トルクを、ベクトル演算に
より検出するトルク検出方法に関する。

〔従来の技術〕

同期電動機等のトルク検出は、従来、例えば第６図に示
す如く、３相の同期電動機（ＳＭ）１の電動機軸と負荷
（ＬＯＡＤ）２の負荷軸との間に継手３を介してトルク
ピンクアップ４を軸結して行ったり、第７図に示す如く
、ロードセル５を用いて行う等、機械的トルク検出手段
を介して行っている。６は検出信号を増幅する増幅手段
である。

上記トルクピックアップ４を用いるトルク検出は、上記
負荷軸と上記電動機軸間のねじれトルクをトルクピック
アップ４に加えて検出させるものであり、ロードセル５
を用いるトルク検出は、電動機固定子を矢印方向に回動
可能に軸７で止め、その反作用トルクをロードセル５に
加えて検出させる。

【発明が解決しようとする課題〕

トルクピックアップ４やロードセル５等を用いるトルク
検出では、これらの他にトルクを伝達させる機械的伝達
手段を必要とするので、余分なスペースが必要になり、
機構的に複雑となるので、費用もかかるという経済的な
問題がある上、この機械的伝達手段のガタ、共振、脈動
トルクに起因する検出誤差を生じやすく、また、この機
械的伝達手段は、ロボット等においては、その運動性能
を阻害す為原因となり、トルツクピックアップ４を用い
る場合には、高速電動機システムに使用することができ
ないという問題があった。

同期電動機ＳＭの発生トルクＴは、界磁極の極数をｐ、
界磁束をΦ、電機子電流を■、界磁磁極角をθとすると
、Ｔ＝ｋｐΦＩｃｏｓθで表現されることから、界磁束
を設定値として与えて演算により求めることができ、演
算により求めるるようにすれば、上記機械的伝達手段は
用いなくて済み、従って、上記した問題は解消するたこ
とができるが、演算に用いるトルク係数が変わると演算
結果が変わる。永久磁石を用いて界磁束を発生させる場
合には、電動機内部温度の上昇に従い永久磁石が発生す
る磁束が変動するので、実際の界磁束と上記設定値との
間にずれが生じ、高精度なトルク制御は難しくなる。ま
た、同期電動機が故障したりして交換したような場合、
同一型式の同期電動機であってトルク電流が同じであっ
ても、上記界磁束にバラツキがあるため（通常、３〜５
％）、トルク検出値に誤差を生じ、同期電動機ＳＭをＡ
Ｃサーボモータとして高精度トルク制御を行っていたよ
うな場合、電動機交換後も高トルク制御を行うことは難
しいという問題があった。

本発明は上記従来の問題を解消するためになされもので
、ＡＣサーボモータとして多用されている同期電動機の
発生トルクを演算により検出する場合において、温度変
化や固体差に起因するトルク検出精度の低下を防止する
ことができる同期電動機のトルク検出方法を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は上記目的を達成するため、同期電動機の回転
界磁ロータの磁極角を検出する回転角検出器が送出する
回転角信号と上記磁極が発生する磁束値とに基づいて、
ｄ軸界磁束信号とｑ軸界磁束信号を生成し、同期電動機
の電機子電流を検出する電流検出器の出力に基づいてｄ
軸電機子アンペアターン信号とｑ軸電機子アンペアター
ン信号を生成し、上記ｄ軸界磁束信号の値とｑ軸電機子
アンペアターン信号の値を乗算するととにも上記ｑ軸界
磁束信号の値とｄ軸電機子アンペアターン信号の値を乗
算し、上記両乗算値を加算してトルク検出を行い、上記
磁束値は、上記磁極の発生磁束を所定温度で測定してこ
れを基準磁束として設定した上、電動ａ温度を検出して
酸温度に基づき上記基準磁束を温度補正した値である構
成としたもので、請求項２でｉ、電動機温度として電機
子の温度を検出している。請求項３では、上記磁束値と
して、電機子巻線に埋込んだサーチコイルの誘起電圧を
積分した値もしくは同期電動機回転数で除算した値を用
い、請求項４では、この場合に、同期電動機の所定速度
以下の低速領域において、該所定速度において記憶した
磁束値を用いる構成とした。

〔作用〕

本発明では、界磁束ベクトルと電機子電流ベクトルに基
づいて、ベクトル外積演算行い、同期電動機の発生トル
ク（瞬時値）を検出するので、前記した機械的伝達手段
は不要である。また、ｄ軸およびｑ軸界磁束信号の演算
に用いる界磁束の値は電動機温度に基づき補正されるの
で、電動機温度の変化に起因するトルク検出精度の大幅
な低下は防止される。また、電機子巻線誘起電圧に比例
する電圧をサーチコイルで取り出して、この電圧から界
磁束を演算するので、電動機温度の変化に起因するトル
ク検出精度の大幅な低下を防止することができる上、電
動機固体差に起因するトルク検出精度の大幅な低下も防
止することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の１実施例を図面を参照して説明する。

第１図および第２図において、１０は制御回路であって
、回転角検出器１１、回転界磁型同期電動機ＳＭととも
にブラシレス同期電動機を構成しており、３相給電線１
２を通して同期電動機ＳＭの電機子巻線１０．１ｖ、Ｉ
ｗに３相交流電力を供給する。回転角検出器１１は例え
ばエンコーダやレゾルバ等であって、界磁ロータ（永久
磁石）ＩＦの磁極Ｎ、Ｓの回転角を検出する検出器であ
って、同期電動機ＳＭの界磁ロータＩＦと同期して回転
し、回転角信号（パルス信号）θを送出する。１３は同
期電動機ＳＭの電機子巻線　ＩＵ、１ｖ、ｔｗに供給さ
れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ　（以下、ｉａで総称する）
を検出する電流検出器Ｄ　　ＣＣＴ　（１相分を示しで
ある）である。

１４は電動機温度を検出する温度検出器であって、本実
施例では、ステータ（電機子）ＩＡの温度を検出する。

１５はトルク演算器であって、基準磁束設定器１６、磁
束温度補正器１７、磁束ベクトル演算器１８．３相／２
相変換器１９、乗算器２０．２１、加算器２２を備えて
いる。

この制御回路１０は、同期電動機ＳＭの速度またはトル
クを速度指令Ｓ゛またはトルク指令Ｔが指令する値に制
御する制御回路であって、交流電源ＡＣの電力を直流変
換したのち可変電圧・可変周波数の３相交流に変換する
電力変換器とその制御装置を有しており、該制御装置は
上記回転角信号θを取り込んで、この回転角信号θに一
致した位相の位相信号を作成し、上記電力変換器が出力
する電流ｉａの瞬時値がこの回転角θに基づく位相を持
つ３相交流となるように該電力変換器を制御するととも
に電流ｉａを指令値に追従させるフィードバック制御を
行う。

トルク演算器１５の基準磁束設定器１６は永磁石ＩＦが
発生する磁束Φの値を設定する設定器であって、常温ｔ
。ＣＯで測定した磁束ΦΦ値を基準磁束として設定する
。磁束温度補正器１７は温度検出器１４が検出するステ
ータＩＡの温度ｔ。

Ｃ０を入力して、この温度ｔｘＣ’←基づき磁束Φの温
度補正を行い、 Φ（Ｃ）＝Φ（ｔ　＋１（，・ｋｇ　　（ｔｘ　　ｔｏ
））・　・　・　・　・　・（１） 但し、ｋＩ　：磁束Φの温度係数 に２　：検出温度（ステータ温度）と永久磁石の温度と
の相関係数 この温度補正した磁束Φ（Ｃ）を磁束ベクトル演算器１
８に供給する。

磁束ベクトル演算器１８は、磁束Φ（Ｃ）と回転角信号
θを入力して、界磁ロータＩＦの回転中心を原点とする
静止直交座標系（第５図に示すｄ軸とｑ軸）上の回転界
磁束ベクトルΦ９の２相ベクトル信号を生成する。

Φｄ＝Φ（ｃ）　ｃ　ｏ　ｓθ・・・・・・・・・・・
・（２）Φｑ＝Φ（ｃ）　ｓ　ｉ　ｎθ・・・・・・・
・・・・・（３）但し、θ＝ωｔ１ω：角速度 ３相２相変換器１９は電流検出器１３の出力を入力して
、上記座標系上に設定した電機子アンペアターン（回転
ベクトル）　ＩＩＡ　”　＝Ｎ・Ｉ［Ａの下記２相ベク
トル信号を生成する。

１（ｄＡ＝Ｎ・ＩＡ　ｃｏｓ　（ω１＋−＋φ）・　・
　・　・　・　・　・（傭 １［ｑＡ＝Ｎ　・Ｉ　＾　ｓｉｎ（ωｔ＋−＋ψ）・　
・　・　・　・　・　・（５］ 但し、Ｎ−１［Ａ　−１１Ａ　”　：電機子アンペアタ
ーン■＾　：電機子電流ベクトル １＾　：電機子電流最大振幅 Ｎ：電機子巻線の巻数 φ：相差角 なお、永久磁石ＩＦがフェライト磁石である場合、磁束
Φが、−０，２１％／　ｃＯで変化する磁束温度特性を
呈し、希土類磁石である場合は、磁束Φが、−０，０４
％／　ＣＯでる変化する磁束温度特性を呈する。

今、同期電動機ＳＭが無損失の電動機であると仮定する
。電機子アンペアターンＨ＾＝ＮＸＩ＾であるので、同
期電動＠ＳＭの発生トルクＴ′″は、Ｔ”　＝ｌＥＩ＾
”　ｘ＠＊　＝４）ｄ　ＸＨｑＡ−ｅｑ　Ｘ［ｄＡ＝Φ
（ｃ）・ＨＡｃｏｓ　ａ＞ｔ　−ｓｉｎ　（ｍｔ＋　−
＋φ）−Φ（０）　・ＨＡ　ｓｉｎωｔ−ｃｏｓ（ａ＞
ｔ＋−＋φ）＝Φ（ｃ）　・ＨＡ　ｓｉｎ　　（−＋ψ
）＝Φ（ｅ）　・ＨＡ　ｃｏｓ　　ψ　＝Φ（ｃ）・Ｎ
−ＩＡｃｏｓ　ψ・　・　・　・　・　・　・　・　・
　・（６）トルク演算器１４０乗算器２０は「ΦｄＸＩ
ｌｑＡＪを演算し、乗算器２１は「ΦｑＸＩＨｄＡＪを
演算し、両乗算器の出力が加算器２２で加算されるので
、この加算器２２の出力は同期電動機ＳＭの発生トルク
の瞬時値Ｔを与える。

このように、本実施例では、回転角検出器１１の出力を
信号処理して界磁束ベクトルΦｄ、Φｑを作成し、電流
検出器１３の出力を信号処理して電機子アンペアタニン
ベクトルＨｄＡ、　ｌＦＩｑＡを作成し、これらのベク
トル外積演算によりトルク検出を行うので、前記した従
来の機械的伝達手段は不要であり、同期電動機ＳＭの発
生トルクを直接的に検出するので、従来に比して、高精
度なトルク検出を行うことができる。

しかも、界磁束Φを、永久磁石ＩＦの温度と高い相関を
持つステータＩＡの温度ＣＯに基づき補正して、上記Φ
ｄ１Φｑを演算するので、電動機内部温度変化に起因す
る検出精度の低下を防止することができ、極めて高精度
で、信頼性の高いトルク検出を行うことができる。下表
は、電動機内部温度が５０００変化し元場合の同期電動
機発生トルクの変化量を、実施例の温度補正を行って測
定し、これを温度補正を行わない場合と対比して、％で
示したものである。

表 希土ＩＩ　　　ｔｏ−ｓ％　　　３５％　　　　この表
から明らかなように、本実施例の温度補正を行うことに
より、トルク演算値の変化量を大幅に低減し、実際トル
クとの誤差を極小にすることができる。

上記実施例では、基準磁束設定器１６で永久磁石ＩＦの
磁束（基準磁束）Φを設定し、この固定値である基準磁
束Φを、電動機温度を検出して該温度に基づき温度補正
しているが、第３図に示す如く、サーチコイル２３を同
期電動機ＳＭの電機予巻Ｂｔｕに埋込み、このサーチコ
イル２３に誘起される誘起電圧（これを、ｖ０．．とす
る）をトルク演算器１５に設けた積分器２４で積分して
リアルタイ五で永久磁石ＩＦの発生磁束Φを演算し、こ
の発生磁束Φを磁束ベクトル演算器１８に与えるように
してもよい。この場合、同期電動機ＳＭの低速回転領域
では、上記誘起電圧Ｖ　＠　＠　ｇが低レベルにあり、
発生磁束Φ”の検出精度が低下するので、この低速領域
においては、基準磁束設定器１６で設定した基準磁束Φ
を使用する。この切り替えを行うために、本実施例では
、速度検出器２５と比較器２６および切替スイッチ２７
を　　　　設けてあり、速度検出器２５は回転角信号θ
を微分（ｄ−θ；／ｄｔ）して速度検出を行い、比較器
２６はこの速度Ｎ（＝ｄθ／ｄｔ）が所定速度ＮＯ以下
になると、切り替スイッチ２７を基準磁束設定器１６側
へ切り替える。

この第３図の実施例では、電機子巻線に埋込んだサーチ
コイル２３に誘起する誘起電圧ｖ、、、ｆの値は永久磁
石ＩＦの発生磁束に比例し、温度変化に起因する永久磁
石ＩＦの発生磁束に変化があると、比例して変化するの
で、この誘起電圧Ｖ　ｓ＋ｅｆを積分して得られた磁束
Φを用いる本実施例では、電動機内部温度の変化に起因
する検出精度の低下を防止することができる。

また、誘起電圧Ｖ□、を積分して得られた磁束Φを用い
るので、同期電動＠ＳＭを交換した場合は、上記誘起電
圧Ｖ　ｅ　ｗｒ　ｆは新しい同期電動機ＳＭにおける永
久磁石ＩＦの特性に従うので、基準磁束設定器１６の設
定値を温度補正する第１図の場合に問題となる電動機固
体差に起因するトルク検出精度の低下は防止される。

なお、この実施例では、ＮＯ以下の低速度領域において
は、基準磁束設定器１６で設定した磁束Φを用いるが、
上記速度Ｎｏになった時の積分器２４の出力を記憶する
メモり２８を、規準磁束設定器１６に代えて、設けてお
き、同期電動機ＳＭの回転速度Ｎが上記速度Ｎｏ以下の
低速領域においては、速度Ｎｏになった時に上記メモり
２８に記憶した発生磁束を用いるようにしてもよい。

また、第３図の実施例では、サーチコイル２３の誘起電
圧■、、、を積分して発生磁束Φを求めているが、第４
図に示す如（、積分器２３に代えて、割算器３０を設け
、誘起電圧Ｖ、、、を回転数（ｄθ／ｄ　ｔ）で除算し
て発生磁束Φを求めるようにしても良い。

上記各実施例におけるトルク検出値はトルク瞬時値であ
るので、同期電動機ＳＭを使用する高速応答制御システ
ムのフィードバーツク値として使用することができる。

また、トルク演算器１５は電子回路で構成し、上記のよ
うに機械的伝達手段は不要であるから、安価に、かつコ
ンパクトに作ることができ、設置スペースは小さくて済
む。

また、トルク演算器は静止型であり、上記のように機械
的伝達手段は不要であるから、同期電動＠ＳＭが高速機
であっても、そのトルク検出に使用することができ、前
記トルクピックアップのように回転速度による制約を受
けない。

なお、上記第１図の実施例では、ステータＩＡの温度を
検出して、界磁束Φの温度補正を行っているが、永久磁
石ＩＦの温度と高い相関を持つ温度を検出し得る個所の
温度であれば良い。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明した通り、ブラシス同期電動機の回転
角検出器の出力信号と電流検出器の出力信号を処理して
ベクトル演算により、同期電動機の発生トルクを検出す
る構成としたことにより、従来のトルク検出器を用いる
場合と異なって該トルク検出器に上記発生トルクを伝達
する機械的伝達手段を必要としないので、この機械的伝
達手段に起因する前記検出誤差が無く、その上、界磁束
を与える永久磁石の温度による発生磁束の変化に応じて
界磁束ベクトルを補正するかもしくは電機子誘起電圧に
比例する電圧を取り出して該電圧を演算処理して得た界
磁束として用いるので、極めて高精度なトルク検出を行
うことができるとともに、静止型であるので、同期電動
機の回転速度による使用範囲の制約を受けることは無く
、これらの効果を、安価な費用で得ることができる利点
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック構成図、第２図
は上記実施例の要部を示す回路図、第３図および第４図
は各々本発明の他の実施例を示すブロック図、第５図は
同期電動機の界磁束と電機子アンペアターンのｄ、ｑ軸
ベクトル図、第６図はおよび第７図は従来のトルク検出
方法を説明するための図である。 １−　　同期電動機、Ｉ　Ａ−・電機子巻線、Ｉ　Ｆ−
一−−一回転界磁ロータ、１１−　　回転角検出器、１
３−・電流検出器、１４・−温虐検出器、１５・−トル
ク演算器、１６−一一一一基準磁束設定器、１７−−−
−一磁束補正器、１Ｂ−一−−−磁束ベクトル演算器、
１９・−３相／２相変換器、２０．２１−−−−一束算
器、２−２・−・加算器、２３−一一一サーチコイル、
２４・−積分器、２５・一速度検出器、２６−−−−一
比較器、２７−−一一一切替スイッチ、２Ｂ−一一一−
メモり、３０−　割算器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）同期電動機の回転界磁ロータの磁極角を検出する
   回転角検出器が送出する回転角信号と上記磁極が発生す
   る磁束値とに基づいて、ｄ軸界磁束信号とｑ軸界磁束信
   号を生成し、同期電動機の電機子電流を検出する電流検
   出器の出力に基づいてｄ軸電機子アンペアターン信号と
   ｑ軸電機子アンペアターン信号を生成し、上記ｄ軸界磁
   束信号の値とｑ軸電機子アンペアターン信号の値を乗算
   するとともに上記ｑ軸界磁束信号の値とｄ軸電機子アン
   ペアターン信号の値を乗算し、上記両乗算値を加算して
   トルク検出を行い、上記磁束値は、上記磁極の発生磁束
   を所定温度で測定した値を基準界磁束として設定した上
   、電動機温度を検出して該温度に基づき上記基準磁束を
   温度補正した値であることを特徴とする同期電動機のト
   ルク検出方法。
2. （２）電動機温度が電機子の温度であることを特徴とす
   る請求項１記載の同期電動機のトルク検出方法。
3. （３）同期電動機の回転界磁ロータの磁極角を検出する
   回転角検出器が送出する回転角信号と上記磁極が発生す
   る磁束値とに基づいて、ｄ軸界磁束信号とｑ軸界磁束信
   号を生成し、同期電動機の電機子電流を検出する電流検
   出器の出力に基づいてｄ軸電機子アンペアターン信号と
   ｑ軸電機子アンペアターン信号を生成し、上記ｄ軸界磁
   束信号の値とｑ軸電機子アンペアターン信号の値を乗算
   するとともに上記ｑ軸界磁束信号の値とｄ軸電機子アン
   ペアターン信号の値を乗算し、上記両乗算値を加算して
   トルク検出を行い、上記磁束値は、電機子巻線に埋込ん
   だサーチコイルの誘起電圧を積分した値もしくは該誘起
   電圧を同期電動機回転数で除算した値であることを特徴
   とする同期電動機のトルク検出方法。
4. （４）同期電動機の所定速度以下の低速領域においては
   、該所定速度において記憶した磁束値を用いることを特
   徴とする請求項３記載の同期電動機のトルク検出方法。