(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極センサを用いずに、同期電動機の磁極位置を推定し、推定された磁極位置情報をもとにベクトル制御を行なう同期電動機の初期磁極位置推定装置において、
同期電動機制御の位相計算に使用する推定初期磁極位置を設定する推定初期磁極設定器（１）と初期磁極検出用速度指令を発生させる速度指令発生器（２）と前記入力速度指令に対し同期電動機制御を行なう速度制御器（３）と電動機の速度を観測する速度検出器（４）と電動機回転移動量を観測する移動量検出器（５）と前記移動量より初期磁極位置を推定する初期磁極推定器（６）を備え、
前記推定初期磁極位置設定器（１）はエンコーダ原点位置である推定Ｃ相位置と磁石とエンコーダの位置関係で決まる磁極原点補正値とからなる推定初期磁極位置を推定磁極位置を電気角０度から３６０度まで４５度間隔でずらして設定し、
前記速度指令発生器（２）は設定された制御時間の間、一定の極微小の速度指令を発生させ、
前記速度制御器（３）は前記設定された推定初期磁極位置と前記速度検出器（４）より観測された電動機位置とから計算される位相と前記速度指令を基に速度制御を行ない、
前記移動量検出器（５）は設定された検出時間経過後に前記同期電動機の回転移動量を測定し、
前記初期磁極推定器（６）は前記測定した回転移動量のうち最大であったときの推定磁極位置を初期磁極位置とすることを特徴とする同期電動機の初期磁極位置推定装置。
【請求項２】
前記初期磁極推定器（６）は、前記推定磁極位置を移動量が最大であった時の推定初期磁極位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋１１．２５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−１１．２５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋２２．５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−２２．５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンに基づいて初期磁極位置を求めることを特徴とする請求項１記載の同期電動機の初期磁極位置推定装置。
【請求項３】
前記同期電動機を工作機械主軸駆動用とした請求項１または２記載の同期電動機の初期磁極位置推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，同期電動機の初期磁極位置推定装置に関するもので、特に工作機械主軸の駆動用同期電動機に好適に用いられるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＡＣ同期電動機等の磁極推定法では、電流あるいは電圧指令を与え、実際の電流や電圧の変化を検出することにより磁極位置の推定や補正を行う方法が一般である。また、磁極位置を仮定し、速度指令を与え、電動機を動かした時のトルク指令の挙動から磁極位置を推定する方法もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サーボモータ等では絶対位置を使用した制御を行う必要があり、そのため精度を追求するがゆえ、アルゴリズムが複雑になったり、あるいは検出時間がかかりすぎるというような場合も出てくる。
工作機械用主軸においてはインクリメントな回転座標系を使用した制御を行うため、何らかの形で電動機が一回転することにより正確なエンコーダ原点位置であるＣ相位置が得られ正常な制御となる。このため初期磁極検出精度は電動機が指令方向に回転するだけの精度が得られれば良い。
同期電動機では磁極位置の情報をもとに制御を行う。その場合、磁極位置が電動機の磁極に対して正しく設定されていれば、指令通りにトルクを発生し、電動機は回るが、設定される磁極位置がずれてくるにつれて指令通りにトルクがでなくなる。
そして磁極位置がずれて±９０ｄｅｇでトルクは０となり、さらにずれると逆方向にトルクがでるようになり電動機は逆転、暴走する。すなわち、同じ速度指令を同じ時間だけ与えた場合の電動機が反応し移動する量は磁極の位置によって変わってくる。
したがって本発明の目的は、同期電動機の初期磁極位置、特にインクリメントな回転座標系を有する工作機械主軸用に好適な同期電動機の初期磁極位置を簡易的にすばやく推定する装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１記載の同期電動機の初期磁極位置推定装置の発明は、磁極センサを用いずに、同期電動機の磁極位置を推定し、推定された磁極位置情報をもとにベクトル制御を行なう同期電動機の初期磁極位置推定装置において、同期電動機制御の位相計算に使用する推定初期磁極位置を設定する推定初期磁極設定器（１）と初期磁極検出用速度指令を発生させる速度指令発生器（２）と前記入力速度指令に対し同期電動機制御を行なう速度制御器（３）と電動機の速度を観測する速度検出器（４）と電動機回転移動量を観測する移動量検出器（５）と前記移動量より初期磁極位置を推定する初期磁極推定器（６）を備え、前記推定初期磁極位置設定器（１）はエンコーダ原点位置である推定Ｃ相位置と磁石とエンコーダの位置関係で決まる磁極原点補正値とからなる推定初期磁極位置を推定磁極位置を電気角０度から３６０度まで４５度間隔でずらして設定し、前記速度指令発生器（２）は設定された制御時間の間、一定の極微小の速度指令を発生させ、前記速度制御器（３）は前記設定された推定初期磁極位置と前記速度検出器（４）より観測された電動機位置とから計算される位相と前記速度指令を基に速度制御を行ない、前記移動量検出器（５）は設定された検出時間経過後に前記同期電動機の回転移動量を測定し、前記初期磁極推定器（６）は前記測定した回転移動量のうち最大であったときの推定磁極位置を初期磁極位置とすることを特徴とする。
さらに、請求項２記載の発明は、請求項１記載の同期電動機の初期磁極位置推定装置において、前記初期磁極推定器（６）が、前記推定磁極位置を移動量が最大であった時の推定初期磁極位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋１１．２５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−１１．２５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋２２．５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンと、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−２２．５度（電気角）補正した位置が初期磁極位置となるパターンに基づいて初期磁極位置を求めることを特徴とする。
以上の構成により、特にインクリメントな回転座標系を有する工作機械主軸用の同期電動機においてその初期磁極位置を簡易的にかつ迅速に推定することが可能となる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。
図１は本発明で扱う磁石の位置とｑ軸および移動量を説明する図、すなわち、磁石とｄ−ｑ軸の関係を考えた場合に、電流を流す位置と指令に反応して移動する量を示す図で、図中の移動量の数値は大小関係を相対的に表したものである。
まず、電気角３６０ｄｅｇに対し、磁極位置を４５ｄｅｇ間隔で８等分ずらして行き、それぞれの位置において一定の速度指令を与えこの時の電動機の回転移動量を観測する。磁極位置は具体的に制御で使用する位相情報であるＣ相位置と磁石の位置との関係をＣ相位置を疑似的に変化させることによって推定する。
測定された８箇所の移動量の大小関係は、移動量が最大の位置が磁極が正常に最も近い位置であり負の移動量を示す位置は９０ｄｅｇ以上ずれた位置である。
４５ｄｅｇ間隔での検出を行なうため最大移動量を示す位置は、最大４５ｄｅｇの推定ずれを伴うため、精度向上のため移動量パターンによって補正を行なうことにより１１．２５ｄｅｇ以内の精度での推定が可能となる。
【０００６】
図２は本発明の実施形態のブロック図である。
図において、１は推定初期磁極設定器、２は速度指令発生器、３は速度制御器、４は速度検出器、５は移動量検出器、６は初期磁極推定器、７はパワー変換器、８は同期電動機、９はＰＧである。
初期磁極位置推定装置は、同期電動機制御の位相計算に使用する推定初期磁極位置を設定する推定初期磁極設定器１と初期磁極検出用速度指令を発生させる速度指令発生器２と前記入力速度指令に対し同期電動機制御を行なう速度制御器３と電動機の速度を観測する速度検出器４と電動機回転移動量を観測する移動量検出器５と前記移動量より初期磁極位置を推定する初期磁極推定器６を有する。
推定初期磁極位置設定器１は、推定Ｃ相位置と磁石とエンコーダの位置関係で決まる磁極原点補正値とからなる推定初期磁極位置を設定し、速度指令発生器２は、パラメータで設定された”制御時間”の間、一定の極微小の速度指令を発生させる。
前記推定初期磁極位置と速度検出器４より観測される電動機位置とから計算される位相（位相＝磁極原点補正値−Ｃ相位置＋電動機位置）と前記速度指令をもとに速度制御器３および速度検出器４にて速度制御を行なう。
パラメータで設定された”検出時間”経過後に移動量検出器５にて電動機の回転移動量を測定する。さらにパラメータで設定された”待ち時間”経過にて１サイクルを終了する。
つぎに推定Ｃ相位置を４５ｄｅｇ進めた推定初期磁極位置にて前記サイクルを行なう。前記サイクルを８回、計３６０ｄｅｇ行なった後、移動量検出器５によって観測された前記８箇所の移動量をもとに初期磁極推定器６にて推定初期磁極位置のもととなる推定Ｃ相位置を求める。
初期磁極推定器６では、まず移動量が最大であった時の推定初期磁極位置を検出する。この後、精度を向上するために図３から図６に示す移動量のパターンによって磁極位置を補正する。
【０００７】
図３に示すパターン▲１▼の場合には、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置が初期磁極位置となる。
図４に示すパターン▲２▼の場合には、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋１１．２５ｄｅｇ補正した位置が初期磁極位置となる。
図５に示すパターン▲３▼の場合には、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−１１．２５ｄｅｇ補正した位置が初期磁極位置となる。
図６に示すパターン▲４▼の場合には、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋２２．５ｄｅｇ補正した位置が初期磁極位置となる。
パターン▲４▼’の場合には、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−２２．５ｄｅｇ補正した位置が初期磁極位置となる。
【０００８】
図７は以上説明した各パターン分けと補正との関係を説明する一覧表である。
パターン▲１▼の場合は推定初期磁極位置が初期磁極位置となるので補正量は０であるが、▲２▼以下では、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に、それぞれ、＋１１．２５ｄｅｇ（▲２▼）、−１１．２５ｄｅｇ（▲３▼）、＋２２．５ｄｅｇ（▲４▼）、−２２．５ｄｅｇ（▲４▼’）、の補正をした位置が初期磁極位置となる。
【０００９】
図８はパターン分けのフローチャートを示す。
図８において、”ＭＡＸ”は最大移動量が得られた磁極位置、”ＭＡＸ−１”は”ＭＡＸ”から−４５ｄｅｇの位置、”ＭＡＸ＋１”は”ＭＡＸ”から＋４５ｄｅｇの位置をそれぞれ示す。
まず、ステップＳ１において、ＭＡＸ−１≦ＭＡＸ＋１を比較する。その結果、ＮＯであればステップＳ２へ進み、ＹＥＳであればステップＳ３へ進む。
ステップＳ２では、ＭＡＸ−１＜ＭＡＸを比較する。その結果、ＮＯであればパターン▲４▼の処理を行う。すなわち、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋２２．５ｄｅｇ補正した位置を初期磁極位置とする。また、ステップＳ２の結果がＹＥＳであればパターン▲２▼の処理を行う。すなわち、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に＋１１．２５ｄｅｇ補正した位置を初期磁極位置とする。
ステップＳ３では、ＭＡＸ−１＜ＭＡＸ＋１を比較する。その結果、ＮＯであればパターン▲１▼の処理を行う。すなわち、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置を初期磁極位置とする。一方、ステップＳ３の結果がＹＥＳであればステップＳ４へ進む。
ステップＳ４では、ＭＡＸ＞ＭＡＸ＋１を比較する。その結果、ＮＯであればパターン▲４▼’の処理を行ない、ＹＥＳであればパターン▲３▼の処理を行う。パターン▲４▼’では、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−２２．５ｄｅｇ補正した位置を初期磁極位置とし、パターン▲３▼の場合は、移動量が最大であった時の推定初期磁極位置に−１１．２５ｄｅｇ補正した位置を初期磁極位置とする。
以上のように、本発明によって得られた初期磁極位置を用いて制御を行ない、電動機が１回転することにより正確なＣ相位置が得られ、同期電動機制御は正常となる。
パターン分けによる補正を行なった場合には、推定磁極位置のずれは±１１．２５ｄｅｇ以内となる。
なお、パターン分けを行なわず移動量が最大であった時の推定初期磁極位置を用いた場合でも推定磁極位置のずれは±４５ｄｅｇ以内となり十分制御可能である。
なお，リラクタンストルクによるｑ軸のずれΔθ  を考慮する場合にはさらにΔθを補正する。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、同期電動機の磁極位置を推定し、推定された磁極位置情報をもとにベクトル制御を行なう同期電動機の初期磁極位置推定装置において、推定磁極位置を変化させ、この磁極位置と入力された一定の微小速度指令に基づき速度制御によるそれぞれ場合の移動量検出器によって観測される移動量のうち最大であったときの推定磁極位置を初期磁極位置とすることで、磁極センサを用いなくても、初期磁極位置の推定を簡易的かつ迅速に行なうことができ、同期電動機のスムーズな立ち上げが可能となる。従って、特に工作機械主軸駆動用の同期電動機に好適に用いられることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁石の位置とｑ軸および移動量を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態を説明するブロック図である。
【図３】磁極位置と移動量パターン（１）を説明する図である。
【図４】磁極位置と移動量パターン（２）を説明する図である。
【図５】磁極位置と移動量パターン（３）を説明する図である。
【図６】磁極位置と移動量パターン（４）を説明する図である。
【図７】各パターン分けと補正との関係を説明する一覧表である。
【図８】パターン分けのフローチャート図である。
【符号の説明】
１．  推定初期磁極設定器
２．  速度指令発生器
３．  速度制御器
４．  速度検出器
５．  移動量検出器
６．  初期磁極推定器
７．  パワー  変換器
８．  同期電動機
９．  ＰＧ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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