(57)【要約】【課題】  初期磁極位置を推定することなく、電動機の回転子が停止するための時間を短縮し、また、回転子が磁極位置に停止せずに振動するという現象を防ぐこと。【解決手段】  インクリメンタルエンコーダを備えた永久磁石式同期電動機の電動機磁極位置とエンコーダ基準位置との角度差を検出する角度差検出方法において、単純減少する直流電流の供給を指令する直流電流指令を永久磁石式電動機に与えて直流励磁し、この直流励磁による回転子の移動量をインクリメンタルエンコーダで検出することにより角度差を検出する。直流励磁の電流指令を従来の様に一定の大きさの直流電流に代えて単純減少する直流電流とすることにより、電動機の回転子が停止するための時間を短縮し、また、回転子が磁極位置に停止せずに振動するという現象を防ぐ。【選択図】  図１
2005204406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクリメンタルエンコーダを備えた永久磁石式同期電動機の電動機磁極位置とエンコーダ基準位置との角度差を検出する角度差検出方法において、
単純減少する直流電流の供給を指令する直流電流指令を永久磁石式電動機に与えて直流励磁し、当該直流励磁による回転子の移動量をインクリメンタルエンコーダで検出することにより前記角度差を検出することを特徴とする角度差検出方法。
【請求項２】
前記直流電流指令は、初期値から段階的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項１に記載の角度差検出方法。
【請求項３】
前記直流電流指令は、初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項１に記載の角度差検出方法。
【請求項４】
前記直流電流指令は、初期値から直線的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項１に記載の角度差検出方法。
【請求項５】
前記直流電流指令は、初期値から段階的減少、指数関数的減少、直線的減少の少なくとも２つの組み合わせによる単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項１に記載の角度差検出方法。
【請求項６】
インクリメンタルエンコーダを備えた永久磁石式同期電動機において、
単純減少する直流電流の供給を指令する直流電流指令を算出する直流電流指令算出手段と、
永久磁石式同期電動機の電動機磁極位置とエンコーダ基準位置との角度差を検出する角度差検出手段とを備え、
前記直流電流指令算出手段で算出した直流電流指令を永久磁石式電動機に与えて直流励磁し、
前記角度差検出手段は、前記直流励磁による回転子の移動量をインクリメンタルエンコーダで検出することにより前記角度差を検出し、
当該角度差を回転子磁極位置として制御を行うことを特徴とする同期電動機の制御装置。
【請求項７】
前記直流電流指令は、初期値から段階的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項６に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項８】
前記直流電流指令は、初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項６に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項９】
前記直流電流指令は、初期値から直線的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項６に記載の同期電動機の制御装置。
【請求項１０】
前記直流電流指令は、初期値から段階的減少、指数関数的減少、直線的減少の少なくとも２つの組み合わせによる単純減少の直流電流の供給を指令することを特徴とする請求項６に記載の同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクリメンタルエンコーダを備えた永久磁石式同期電動機の電動機磁極位置とエンコーダ基準位置との角度差を検出する角度差検出方法、及びこの角度差検出方法を適用する同期電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石式同期電動機では、永久磁石が設けられた回転子の磁極位置を検出器で検出し、検出器信号に応じた電流を電機子巻線に流すことによって運転を行う。  
この回転子の磁極位置を検出する検出器として、ホール素子やアブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダが知られている。ホール素子は相位置のみの検出であるため方形波による駆動に適用することができないという問題があり、アブソリュートエンコーダは正弦波駆動に適用することができるが高価であるという問題がある。
【０００３】
また、インクリメンタルエンコーダは、電源遮断により位置が不明となるため、運転開始時において回転子の磁極位置を検出することができない。そのため、インクリメンタルエンコーダの基準位置信号の位置と回転子磁極位置とが一致するように、回転子とインクリメンタルエンコーダとの位置合わせを行う。
【０００４】
これにより、運転開始時において回転子の磁極位置が検出できなくても運転開始時に適当な電力を供給することにより電動機が回転し、その回転に応じてインクリメンタルエンコーダが回転することにより、インクリメンタルエンコーダの基準位置信号が検出された時点で、電動機に対する電流指令を回転子磁極位置に応じた電流指令を変更することにより運転を行うものである。
【０００５】
インクリメンタルエンコーダの基準位置信号の位置と回転子磁極位置とを一致させる方法として、手作業によりインクリメンタルエンコーダの基準位置信号の位置と回転子磁極位置とが一致するようにインクリメンタルエンコーダを組み付ける方法のほか、インクリメンタルエンコーダの基準位置と電動機の回転子磁極位置とのずれを補償してインクリメンタルエンコーダの取り付け位置の任意性を高める考案（例えば特許文献１参照）が提案されている。
【０００６】
上記手法では、角度差の調整作業を繰り返して行う必要があるため、この作業を不要とする発明（例えば特許文献２参照）が提案されている。これによれば、回転子磁極位置とインクリメンタルエンコーダの原点位置との間に角度差がある状態で、直流励磁することにより安定した位置に回転子磁極位置を固定させ、この位置を基準にして初期化を行い、インクリメンタルエンコーダの出力の変化量が回転子磁極位置となるようにしている。
【０００７】
従来のインクリメンタルエンコーダの基準位置信号の位置と回転子磁極位置とを一致させる方法では、回転子磁極位置とインクリメンタルエンコーダの原点位置との間に角度差がある状態において直流励磁し、これにより安定した位置に回転子磁極位置を固定させているが、一定の大きさの電流を供給する電流指令により直流励磁が行われている。そのため、電動機の回転子が停止するための時間が長くかかるという問題がある。また、回転子の摩擦が小さい場合には磁極位置に停止せず振動現象を起こすという問題がある。
【０００８】
なお、同様の振動現象は例えば特許文献３に記載されている。この文献では、直流励磁による回転子の振動を防ぐために、あらかじめ制御装置内部において初期磁極位置を推定しておき、初期設定においてこの回転子磁極位置を直流励磁位置指令にセットすることが提案されている。
【０００９】
なお、上記文献３は、可動部を磁極固定位置に対して正方向から固定したときに角度差及び逆方向から固定したときの角度差の両者を用いて角度差を求めることにより、または、可動部を所定の磁極位置から正方向に移動・固定したときの角度差及び所定の磁極位置から逆方向に移動・固定したときの角度差の両者を用いて角度差を求めるものである。
【００１０】
したがって、文献３の手法は、励磁位相を変化させることにより磁極位置を高精度に検出する方法であって、文献２に記載する、直流励磁することにより安定した位置に回転子磁極位置を固定させ、この位置を基準にして初期化を行い、インクリメンタルエンコーダの出力の変化量が回転子磁極位置となるようにする手法とは異なるものである。
【００１１】
【特許文献１】実開平３−４８３９７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１０７４８５号公報
【特許文献３】特許第３４６５６５４号（段落番号００２７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、本発明は、上記した従来の課題を解決して、直流励磁することにより安定した位置に回転子磁極位置を固定させ、この位置を基準にして初期化を行ってインクリメンタルエンコーダの出力の変化量を回転子磁極位置とする角度差検出方法及び同期電動機の制御装置において、あらかじめ制御装置内部において初期磁極位置を推定することなく、電動機の回転子が停止するための時間を短縮し、また、回転子が磁極位置に停止せずに振動するという現象を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、直流励磁の電流指令を従来の様に一定の大きさの直流電流に代えて単純減少する直流電流とすることにより、電動機の回転子が停止するための時間を短縮し、また、回転子が磁極位置に停止せずに振動するという現象を防ぐものである。
本発明は角度差検出方法と同期電動機の制御装置の形態とすることができる。
【００１４】
本発明の角度差検出方法は、インクリメンタルエンコーダを備えた永久磁石式同期電動機の電動機磁極位置とエンコーダ基準位置との角度差を検出する角度差検出方法において、単純減少する直流電流の供給を指令する直流電流指令を永久磁石式電動機に与えて直流励磁し、この直流励磁による回転子の移動量をインクリメンタルエンコーダで検出することにより角度差を検出するものである。
【００１５】
本発明の角度差検出方法において、直流電流指令は種々の態様とすることができる。
直流電流指令の第１の態様は、初期値から段階的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令するものであり、指令値を初期値から順に段階的に小さな値に設定する。段階数は少なくとも２段とする。
【００１６】
直流電流指令の第２の態様は、初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令するものであり、減少する時定数は任意に設定することができる。
直流電流指令の第３の態様は、初期値から直線的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令するものであり、時間幅は任意に設定することができる。  
直流電流指令の第４の態様は、初期値からの段階的減少、指数関数的減少、直線的減少の少なくとも２つを組み合わせて設定することができる。組み合わせは任意に設定することができる。
【００１７】
本発明の同期電動機の制御装置は、インクリメンタルエンコーダを備えた永久磁石式同期電動機において、単純減少する直流電流の供給を指令する直流電流指令を算出する直流電流指令算出手段と、永久磁石式同期電動機の電動機磁極位置とエンコーダ基準位置との角度差を検出する角度差検出手段とを備える構成とし、直流電流指令算出手段で算出した直流電流指令を永久磁石式電動機に与えて直流励磁し、角度差検出手段は、直流励磁による回転子の移動量をインクリメンタルエンコーダで検出することにより角度差を検出し、検出した角度差を回転子磁極位置として制御を行うものである。
【００１８】
本発明の同期電動機の制御装置において、直流電流指令は前記した角度差検出方法と同様に種々の態様とすることができる。  
直流電流指令の第１の態様は、初期値から段階的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令するものであり、第２の態様は、初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令するものであり、第３の態様は、初期値から直線的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令するものであり、第４の態様は、初期値からの段階的減少、指数関数的減少、直線的減少の少なくとも２つの組み合わせによるものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の角度差検出方法及び同期電動機の制御装置によれば、直流励磁することにより安定した位置に回転子磁極位置を固定させ、この位置を基準にして初期化を行ってインクリメンタルエンコーダの出力の変化量を回転子磁極位置とする角度差検出方法及び同期電動機の制御装置において、あらかじめ制御装置内部において初期磁極位置を推定することなく、電動機の回転子が停止するための時間を短縮し、また、回転子が磁極位置に停止せずに振動するという現象を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の角度差検出方法及び同期電動機の制御装置について、図を用いて説明する。  
図１は本発明の同期電動機の制御装置の概要を説明するための概略図である。図１において、符号１は永久磁石式同期電動機であり、インクリメンタルエンコーダ２は永久磁石式同期電動機１の回転を検出して正転・逆転方向及び一回転中の位置を検出するＡ，Ｂ相信号、及び１回転で１回出力する基準位置信号であるＺ相信号を出力する。  
なお、ここで、永久磁石式同期電動機１とインクリメンタルエンコーダ２とは、同期電動機の回転子磁極位置とのエンコーダの基準位置とは一致していない状態にあるものとする。
【００２１】
また、図中において、符号３は電流検出器、符号４は２相−３相変換器５（ｄｑ／３Φ座標変換器）により出力された３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて同期電動機１を制御するインバータ（電力変換器）、符号５はｑ軸電流指令Ｉｑ＊（Ｉｑ＊＝０）及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊を電流制御器８によりＰＩ制御して変換されたＶｑ＊，Ｖｄ＊を３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する２相−３相変換器５（ｄｑ／３Φ座標変換器）、符号６は電流検出記載で検出した相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗをフィードバックしてＩｄ，Ｉｑ電流に変換する３相−２相変換器、符号７はインクリメンタルエンコーダ７からのＺ相信号のカウンタリセット信号により１回転毎にクリアされるカウンタ、符号８は電流制御器、符号９は直流電流指令を算出する直流電流指令算出器である。
【００２２】
また、符号１０はｑ軸電流指令Ｉｑ＊（Ｉｑ＊＝０）とＩｑ電流との偏差を演算する偏差器、符号１１はｄ軸電流指令Ｉｄ＊とＩｄ電流との偏差を演算する偏差器であり、符号１２は励磁位相（直流励磁位置指令）θ＊とインクリメンタルエンコーダ２からのフィードバック位置信号θとの偏差Δθを出力する偏差器である。偏差Δθは励磁位相と回転子位相（Ｚ相信号を基準とした）との位相差である。角度演算器（図示しない）は偏差器１２の出力である偏差Δθを用いてインクリメンタルエンコーダの基準位置と電動機の回転子磁極位置との間の角度差を補正する。
【００２３】
なお、図１に示す構成は一般的な電動機制御系であり、電動機制御に用いるインクリメンタルエンコーダからのフィードバック系は省略している。  
上記構成の電動機の動作は、一般の電動機の動作と同様であり、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊（Ｉｑ＊＝０）とｄ軸電流指令Ｉｄ＊と励磁位相（直流励磁位置指令）θ＊を制御入力とする。  
励磁位相（直流励磁位置指令）θ＊は、２相−３相変換器５に入力される。電流検出供給で検出した相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗはフィードバックされ３相−２相変換器６によってＩｄ，Ｉｑ電流に変換され、偏差器１０，１１において入力されたｑ軸電流指令Ｉｑ＊（Ｉｑ＊＝０）及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊との偏差が演算される。
直流電流指令算出手段９で算出されたｄ相電流指令Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令Ｉｑ＊の内、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊＝０とすることで一方の位相側にのみ電流指令を与えた直流励磁を行う。ｑ軸電流指令Ｉｑ＊（Ｉｑ＊＝０）及びｄ軸電流指令Ｉｄ＊は、電流制御器８により２相電圧指令Ｖｑ＊，Ｖｄ＊に変換され、さらに、２相−３相変換器５により３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換される。インバータ４は３相電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊にしたがって同期電動機１を駆動する。
【００２４】
ここで、本発明の同期電動機では、直流電流指令算出手段９が出力する直流電流指令は直流電流を単純減少させる点に特徴がある。単純減少する直流電流としては、初期値から段階的に減少する単純減少の直流電流、初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流、初期値から直線的に減少する単純減少の直流電流、及び初期値からの段階的減少、指数関数的減少、直線的減少の少なくとも２つの組み合わせとすることができる。
図２は、初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流を直流電流指令とする例である。直流電流指令算出手段９は、ｑ相電流指令Ｉｑ＊＝０とするとともに、初期値をＩｄ＊start，最終値をＩｄ＊end、とするステップ状に変化するｄ相電流指令Ｉｄ＊（図２（ａ））に対して一時フィルタ処理を施して指数関数的に減少する単純減少の直流電流指令を算出し、偏差器１０，１１によりＩｄ，Ｉｑ電流との偏差を求めて電流制御器８に送る。
【００２５】
図３は、指数関数的に減少する単純減少の直流電流指令によって直流励磁したときのモータ速度の例であり、一定の電流値の直流電流指令によって直流励磁したときのモータ速度と対比して示している。
【００２６】
図３（ａ）は一定の電流値のｄ相電流指令と当該直流励磁によるモータ速度を示し、図３（ｂ）は指数関数的に減少する単純減少の直流電流指令と当該直流励磁によるモータ速度を示している。電流値を一定とするｄ相電流指令によって直流励磁した場合（図３（ａ））には、モータ速度が安定するまでの時間はＴ１となるのに対して、指数関数的に減少する単純減少の直流電流指令によって直流励磁した場合（図３（ｂ））には、モータ速度が安定するまでの時間はＴ２となり、回転子が停止するまでに要する時間を短縮することができる。
【００２７】
図４（ａ）は、初期値から段階的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令する直流電流指令の例であり、ｄ相電流指令Ｉｄ＊は、初期値をＩｄ＊startとし最終値をＩｄ＊endとし、その間を段階的に減少させる電流波形である。
【００２８】
また、図４（ｂ）は、初期値から直線的に減少する単純減少の直流電流の供給を指令する直流電流指令の例であり、ｄ相電流指令Ｉｄ＊は、初期値をＩｄ＊startとし最終値をＩｄ＊endとし、その間を直線的に減少させる電流波形である。
【００２９】
図５は、初期値からの段階的減少、指数関数的減少、直線的減少の電流指令を組み合わせた例である。  
図５（ａ）は、初期値から段階的減少と指数関数的減少の電流指令を組み合わせた例であり、ｄ相電流指令Ｉｄ＊は、初期値をＩｄ＊startとし段階的に減少させた後に最終値Ｉｄ＊endまで指数関数的に減少させる電流波形である。
【００３０】
図５（ｂ）は、直線的減少の電流指令を複数組み合わせた例であり、ｄ相電流指令Ｉｄ＊は、初期値をＩｄ＊startから最終値Ｉｄ＊endまでの間を複数段階の直線的減少で減少させる電流波形である。
【００３１】
図５（ｃ）は、初期値から段階的減少と直線的減少の電流指令を組み合わせた例であり、ｄ相電流指令Ｉｄ＊は、初期値をＩｄ＊startとし段階的に減少させた後に最終値Ｉｄ＊endまで直線的に減少させる電流波形である。
【００３２】
図５（ｄ）は、初期値から直線的減少と指数関数的減少の電流指令を組み合わせた例であり、ｄ相電流指令Ｉｄ＊は、Ｉｄ＊startの初期値から直線的に減少させた後に最終値Ｉｄ＊endまで指数関数的に減少させる電流波形である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の同期電動機の制御装置の概要を説明するための概略図である。
【図２】初期値から指数関数的に減少する単純減少の直流電流を直流電流指令とする例である。
【図３】指数関数的に減少する単純減少の直流電流指令によって直流励磁したときのモータ速度の例である。
【図４】本発明の単純減少の直流電流指令の例である。
【図５】本発明の単純減少の直流電流指令の例である。
【符号の説明】
【００３４】
１  同期電動機
２  インクリメンタルエンコーダ
３  電流検出器
４  インバータ
５  ２相−３相変換器
６  ３相−２相変換器
７  カウンタ
８  電流制御器
９  直流電流指令算出手段
１０，１１，１２  偏差器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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