JP2003088164A - 同期モータの相検出方法及び同期モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 相検出開始時と開始終了時におけるモータ位
置の差をほぼ０にすることのできる同期モータにおける
相検出方法を提供する。 【解決手段】 特定パターンで規定されるトルク指令を
１回以上印加し、その時の同期モータの加速度を検出
し、あらかじめ定められたタイミングで検出された加速
度が０になる時の電気角位相オフセットαを求め、求め
られた電気角位相オフセットαに基づいて相特定を行う
同期モータの相検出方法である。前記特定パターンとし
て、サイン波に近い形状であって、該特定パターンの積
分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になるような
特定パターンとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は同期モータの相検出
方法及び制御装置に関し、特に、ポールセンサを用いず
に特定パターンのトルク電流指令値を印加する方式によ
る同期モータの相検出方法及び制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】同期モータの相検出方法の一例として、
例えば特開平２−２４１３８８には以下のような同期型
ＡＣモータの制御方式及び制御装置が開示されている。

【０００３】上記の制御方式について言えば、ロータが
永久磁石極で成る同期型ＡＣモータに対して、ステータ
の回転磁界と前記永久磁石極との間の位相角を変化させ
ながら前記同期型ＡＣモータの出力軸のトルクを検出
し、前記トルクが零となる時の力率を求め、この力率個
所から電気角を９０゜だけ位相シフトした個所を力率１
の転流角指令として初期化するようにした同期型ＡＣモ
ータの制御方式である。

【０００４】一方、上記の制御装置は、ロータが永久磁
石極で成り、出力軸にエンコーダを結合された同期型Ａ
Ｃモータを初期化して制御する制御装置であり、第１の
関数発生器に接続されて前記同期型ＡＣモータに対する
電流指令及び転流角指令を出力するＣＰＵと、前記エン
コーダの出力パルスを計数するカウンタと、前記転流角
指令及び前記カウンタの計数値を加算した信号に応じた
関数を発生する第２の関数発生器と、前記電流指令及び
前記関数の乗算及び合成によって前記同期型ＡＣモータ
を駆動する駆動手段とを具備し、前記ＣＰＵが前記計数
値を入力することによってトルク出力０を検出し、その
状態より電気角で９０゜シフトした位相角を前記転流角
指令とするようにしたものである。

【０００５】つまり、上記の制御方式、制御装置のいず
れにおいても、トルク指令を印加することにより同期モ
ータが動作したかどうかとその動作方向とを判定し、励
磁関数の位相をずらして繰り返し動作判定することで、
トルク指令に対して同期モータが動作しなくなる位相に
収束させ、この位相からπ／２だけずらした点を正しい
位相角とするようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の制御方式及び制
御装置は、同期回転モータに適用されるものであり、リ
ニアモータのような同期モータに適用することは難し
い。これは、リニアモータは、通常、可動部が静圧空気
軸受で支持されており、摩擦が非常に小さい。この場
合、与えたトルク指令により可動部が大きく動いてしま
う可能性があるからである。これは、相検出時の動作量
が規定できないことを意味する。

【０００７】また、印加するトルク指令が矩形波である
相検出方法では、機械系の共振を起こし易いという問題
点がある。

【０００８】そこで、本発明の課題は、相検出開始時と
開始終了時におけるモータ位置の差をほぼ０にすること
のできる同期モータにおける相検出方法及び制御装置を
提供することにある。

【０００９】本発明の他の課題は、一定速度でフリーラ
ン動作中に相検出を行うことのできる同期モータにおけ
る相検出方法及び制御装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、特定パターン
で規定されるトルク指令を１回以上印加し、その時の同
期モータの加速度を検出し、あらかじめ定められたタイ
ミングで検出された前記加速度が０になる時の電気角位
相オフセットαを求め、求められた電気角位相オフセッ
トαに基づいて相特定を行う同期モータの相検出方法で
あって、前記特定パターンとして、サイン波に近い形状
であって、該特定パターンの積分値、すなわち速度成分
の面積の総和が０になるような特定パターンとすること
により、前記トルク指令の印加毎に前記モータが動作し
ても元の動作開始位置に戻るようにしたことを特徴とす
る。

【００１１】本発明による同期モータの制御装置は、前
記同期モータに設けられた位置検出用のパルス発生器
と、該パルス発生器からのパルスをカウントするカウン
タと、該カウンタのカウント値から加速度を算出する加
速度計算部と、前記算出された加速度を受け、あらかじ
め定められたアルゴリズムを実行してトルク電流指令値
と電気角位相オフセットαとを出力する制御部と、特定
パターンを規定する第１の関数を発生するための第１の
関数発生器と、前記第１の関数と前記トルク電流指令値
との乗算を行い、乗算結果をトルク指令として出力する
第１の乗算器と、前記カウンタのカウント値と前記電気
角位相オフセットαとを加算した信号に応じた第２の関
数を発生するための第２の関数発生器と、前記トルク指
令と前記第２の関数の乗算及び合成によって当該同期モ
ータを駆動するドライバ手段とを備え、前記制御部は、
前記トルク指令を１回以上印加し、その時の前記加速度
計算部からの加速度を受けて、あらかじめ定められたタ
イミングで検出された前記加速度が０になる時の前記電
気角位相オフセットαを求め、求めた電気角位相オフセ
ットαに基づいて相特定を行い、前記特定パターンとし
て、サイン波に近い形状であって、該特定パターンの積
分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になるような
特定パターンとすることにより、前記トルク指令の印加
毎に前記モータが動作しても元の動作開始位置に戻るよ
うにしたことを特徴とする。

【００１２】また、前記トルク指令は前記特定パターン
とトルク電流指令値とで規定され、前記トルク指令が複
数回印加される間に、前記トルク電流指令値が徐々に大
きくされる。更に、前記特定パターンは、微分値が有限
で高周波成分を含まない波形で規定される。

【００１３】更に、前記特定パターンに含まれる周波数
の主成分は、該同期モータにおける機械的共振周波数よ
りも低くされる。

【００１４】更に、本発明は、前記同期モータがリニア
モータであって、その可動部が静圧空気軸受で支持され
ている場合に好適である。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１を参照して、本発明による同
期モータの制御装置の好ましい実施の形態について説明
する。図１において、三相同期ＡＣ回転モータによるサ
ーボモータＳＭの出力軸にはパルス発生器による位置検
出器１１が設けられている。位置検出器１１は、サーボ
モータＳＭの回転量に応じた数のパルスを発生し、位置
を検出するための信号として利用される。このパルスは
パルスカウンタ１２で計数される。パルスカウンタ１２
のカウント値θは加速度計算部１３に送られる。加速度
計算部１３は、カウント値θが電気角、言い換えれば位
置を示す信号であるので、これを２回微分して加速度ａ
ｃｃを算出する。算出された加速度ａｃｃは制御部１４
に送られる。制御部１４は、後述するアルゴリズムに基
づいて制御動作を実行して相検出を行う。制御部１４は
また、初期化動作においてはトルク電流指令値Ｔｒｅｆ
と電気角位相オフセットαとを出力する。

【００１６】第１の関数発生器１５は、本発明の特徴で
ある特定パターン（後述する）を規定する関数を発生す
る。第１の関数発生器１５からの特定パターンを規定す
る信号とトルク電流指令値αは第１の乗算器１６で乗算
され、トルク指令が生成される。

【００１７】一方、第２の関数発生器１７は、サイン関
数を発生するものであり、加算器１８で加算されたカウ
ント値θと電気角位相オフセットαとの加算結果（θ＋
α）が入力されることにより、関数ｓｉｎ（θ＋α）
と、関数ｓｉｎ｛θ＋α＋（２／３）・π｝とを生成す
る。関数ｓｉｎ（θ＋α）は第２の乗算器１９でトルク
指令と乗算されてＵ相電流指令値が生成され、関数ｓｉ
ｎ｛θ＋α＋（２／３）・π｝は第３の乗算器２０でト
ルク指令と乗算されてＶ相電流指令値が生成される。

【００１８】サーボモータＳＭのドライバとしての電流
アンプ２１は、Ｕ相電流指令値とＶ相電流指令値とを受
け、Ｕ相電流ＩｕとＶ相電流Ｉｖ及びこれらを合成する
ことでＷ相電流Ｉｗを生成すると共に増幅してサーボモ
ータＳＭに供給する。なお、電流アンプ２１とサーボモ
ータＳＭとの間のＵ相及びＶ相の電流値がそれぞれ変流
器によって検出され、電流アンプ２１にフィードバック
されている。

【００１９】次に、図２〜図４を参照して、第１の関数
発生器１５で生成される、本発明の特徴である特定パタ
ーンについて説明する。この特定パターンは、トルク指
令の印加によりサーボモータＳＭを動作させた時に、サ
ーボモータＳＭが動作しても必ず元の動作開始位置に戻
るようにするためのパターンである。

【００２０】図２は、発生推力Ｔと電気角位相オフセッ
トαとの関係を示した図であり、ここでは電気角位相オ
フセットα＝πで推力が０になると仮定した時の関係を
示す。

【００２１】図３は、サイン波の組み合わせによるパタ
ーンの加速度でサーボモータＳＭが１回当たりの動作
後、元の動作開始位置に戻るようにすることを考えた場
合の速度（図ａ）、位置（図ｂ）、加速度（図ｃ）のパ
ターンを示す。このパターンは、加速度について言え
ば、サイン波に近い形状であって２つの正極性の波形の
間に、負極性の波形が２つ介在し、しかも極性を考慮し
た２つの正極性の波形の面積（プラスの値）と２つの負
極性の波形の面積（マイナスの値）との総和が０にな
り、かつ速度の面積の総和も０となるパターンである。
言い換えれば、この加速度パターンの２重積分値を計算
した場合、その計算結果が０になるようなパターンであ
る。このようなパターンで規定されるトルク指令を印加
することにより、サーボモータＳＭが動作しても元の動
作開始位置に戻るようにすることができる。

【００２２】図４は、図３のパターンの継続時間を短く
することを考慮した場合のパターンを示す。このパター
ンでは、図４（ｃ）の加速度について言えば、サイン波
に近い形状であって２つの正極性の波形の間に、負極性
の波形が１つ介在し、しかも極性を考慮した２つの正極
性の波形の面積（プラスの値）と１つの負極性の波形の
面積（マイナスの値）との総和が０になるようなパター
ンである。つまり、このパターンは、積分値が０であ
り、２つの正極性の波形の面積が互いに等しく、しかも
正極性の波形の最大振幅と負極性の波形の最大振幅とが
絶対値において等しい。さらに、このパターンの積分
値、すなわち速度成分の面積の総和も０である。

【００２３】図４（ｃ）のパターンの場合について更に
詳しく説明する。加速度パターンにおける最初の正極性
の波形の面積をＳ１（電気角π）、２つ目の正極性の波
形の面積をＳ４（電気角π）とし、負極性の波形の面積
をＳ２（電気角π／２）、Ｓ５、Ｓ３（電気角π／２）
に分割するものとする。この場合、面積Ｓ１（＝Ｓ４）
は下記の数１式で与えられる。

【００２４】

【数１】 また、Ｓ２＝Ｓ３＝（Ｓ１）／２である。

【００２５】電気角θ＝ａで速度と位置が０、つまり元
の位置に戻るためには、０＜θ＜ａの区間で極性を考慮
した加速度の総面積が０となる必要がある。つまり、 Ｓ１＋Ｓ４＝Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ５ である。

【００２６】面積Ｓ５は、その部分の電気角をθｘとす
ると、 Ｓ５＝θｘ・Ａ である。

【００２７】以上の点から、下記の式が成立する。

【００２８】 θｘ・Ａ＋（Ｓ１）／２＋（Ｓ１）／２＝Ｓ１＋Ｓ１ θｘ・Ａ＝Ｓ１ θｘ・Ａ＝２Ａ よって、図４（ｃ）の加速度パターンにおける面積Ｓ５
の部分の電気角θｘはθｘ＝２であれば良いことにな
る。なお、θｘ＝２というのは、電気角πを３．１４と
した場合に、対応する電気角が２であることを意味す
る。

【００２９】そして、図４（ｃ）に示されるようなパタ
ーンと同じ特定パターンで規定されるトルク指令を印加
することにより、１回当たりの動作時間を図３の場合に
比べて短くできると共に、サーボモータＳＭが動作して
も元の動作開始位置に戻るようにすることができる。

【００３０】第１の関数発生器１５は、図４（ｃ）と同
じようなパターン、つまり図５に示すようなパターンを
特定パターンとして生成するためのものである。

【００３１】図１の制御装置による相検出方法について
図６をも参照して説明する。図６は、制御部１４におい
てあらかじめ定められたアルゴリズムに基づいて実行さ
れる動作のフローチャート図である。ステップ６１では
第１の関数発生器１５で発生された特定パターンと制御
部１４からのあるトルク電流指令値Ｔｒｅｆとで規定さ
れるトルク指令パターンが生成され、このトルク指令パ
ターンに基づいてサーボモータＳＭの駆動が行われる。
ステップ６２では、制御部１４がトルク指令パターンに
おいてあらかじめ設定したタイミング（図５にｔm で示
す）で加速度ａｃｃのサンプリングを行う。制御部１４
は続いて、ステップ６３において加速度ａｃｃの絶対値
が正、つまりサーボモータＳＭが動いているかどうかの
判別を行い、動いていればステップ６４に移行する。ス
テップＳ４では、トルク指令の印加が最初であるかどう
かの判別を行い、最初であればステップ６１に戻る。

【００３２】トルク指令の印加が２回目以上であればス
テップ６５に移行して加速度ａｃｃの符号が前回の符号
と同じであるかどうかの判別を行い、同じであればステ
ップ６６では電気角位相オフセットαを前回と同じ方向
にｘだけ補正する。一方、加速度ａｃｃの符号が前回の
符号と同じでなければ、ステップ６７では電気角位相オ
フセットαを前回と逆方向にｘだけ補正する。ステップ
６８では電気角位相オフセットαの更新が行われ、ステ
ップ６１に戻る。ステップ６８におけるＫは、０＜Ｋ＜
１で与えられる。

【００３３】ステップ６３においてサーボモータＳＭが
停止していると判別された場合には、制御部１４はステ
ップ６９でトルク電流指令値Ｔｒｅｆがあらかじめ設定
された定格を越えているかどうかの判別を行い、越えて
いなければステップ７０でトルク電流指令値Ｔｒｅｆを
あらかじめ定めた値だけ増加させ、ステップ６１に戻
る。通常は、上記の動作が複数回繰り返される。

【００３４】上記のような動作の結果、ステップ６９に
おいて、トルク電流指令値Ｔｒｅｆがあらかじめ設定さ
れた定格を越えていると判別された場合には、ステップ
７１に移行し、その時の電気角位相オフセットαを位相
角９０度の点とし、この電気角位相オフセットαにπ／
２を加えた点を特定すべき相とする。

【００３５】なお、上記の説明では、特定パターンが最
初に正、次に負、続いて正となるパターンの場合である
が、これは逆のパターン、つまり最初に負、次に正、続
いて負となるパターンでも良いことは言うまでも無い。
また、図３（ｃ）に示したのと同じようなパターンある
いはその逆のパターンであっても良い。

【００３６】また、本発明は、同期型回転モータに限ら
ずリニアモータにも適用できる。これは、三相リニアモ
ータは、構造的に三相同期ＡＣ回転モータと類似してお
り、動作原理においても三相同期ＡＣ回転モータと同じ
であることによる。特に、リニアモータに適用した場
合、通常、リニアモータの可動部は静圧空気軸受で支持
されており、摩擦が非常に小さい。この場合、従来の方
式では、与えたトルク指令により可動部が大きく動いて
しまう可能性があるのに対し、本発明によれば相検出開
始時と検出終了時の位置変動無しで検出を行うことがで
きる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果が得
られる。

【００３８】同期モータが動作しても元の位置に戻る
ことができるようなトルク指令としたことにより、相検
出開始時と終了時のモータ移動量をほぼゼロにすること
ができる。

【００３９】第１の関数発生器で生成される特定パタ
ーンは、微分値が有限で高周波成分を含まない波形で規
定されるパターンであるので、高周波成分に起因した騒
音、振動の無い、低騒音、低振動での相検出を磁極セン
サレスで行うことができる。加えて、特定パターンの主
要周波数成分を規定できるので、これをあらかじめ同期
モータにおける機械的共振周波数を避けた値、特に低い
値として設定することで機械系の共振を励起することが
無い。

【００４０】同期モータ動作の判定を加速度で行うよ
うにしているので、フリーラン動作中にも相検出が可能
である。

【００４１】トルク電流指令値を徐々に大きくするよ
うにしたことにより、相検出中の同期モータ変位量を小
さい量に規制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による同期モータの制御装置の構成例を
示したブロック図である。

【図２】同期モータにおける発生推力Ｔと電気角位相オ
フセットαとの関係を示した図である。

【図３】サイン波の組み合わせによるパターンの加速度
でサーボモータが１回当たりの動作後、元の動作開始位
置に戻るようにすることを考えた場合の速度（ａ）、位
置（ｂ）、加速度（ｃ）のパターンを示す。

【図４】図３のパターンの継続時間を短くすることを考
慮した場合の速度（ａ）、位置（ｂ）、加速度（ｃ）の
パターンを示す。

【図５】本発明に適用される特定パターンの一例を示し
た図である。

【図６】図１の制御部で実行される動作を説明するため
のフローチャート図である。

【符号の説明】 ＳＭ 三相同期ＡＣ回転モータによるサーボモータ １１ 位置検出器 １６、１９、２０ 第１、第２、第３の乗算器 １８ 加算器

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H540 BA05 EE08 FA02 FA30 FC02 FC10 5H560 AA10 BB04 BB12 DA07 DC12 DC20 EB01 EC01 HA09 JJ15 RR03 TT02 TT20 XA02 XB05 5H576 BB06 BB10 DD02 DD07 DD10 FF01 GG04 HB01 JJ23 JJ30 KK08 LL22 LL41 LL60 MM15 5H641 BB06 GG24 GG26 JA05

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 特定パターンで規定されるトルク指令を
   １回以上印加し、その時の同期モータの加速度を検出
   し、あらかじめ定められたタイミングで検出された前記
   加速度が０になる時の電気角位相オフセットαを求め、
   求められた電気角位相オフセットαに基づいて相特定を
   行う同期モータの相検出方法であって、前記特定パター
   ンとして、サイン波に近い形状であって、該特定パター
   ンの積分値、すなわち速度成分の面積の総和が０になる
   ような特定パターンとすることにより、前記トルク指令
   の印加毎に前記モータが動作しても元の動作開始位置に
   戻るようにしたことを特徴とする同期モータの相検出方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の相検出方法において、前
   記トルク指令は前記特定パターンとトルク電流指令値と
   で規定され、前記トルク指令が複数回印加される間に、
   前記トルク電流指令値が徐々に大きくされることを特徴
   とする同期モータの相検出方法。
3. 【請求項３】 請求項１あるいは２記載の相検出方法に
   おいて、前記特定パターンは、微分値が有限で高周波成
   分を含まない波形で規定されることを特徴とする同期モ
   ータの相検出方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の相検出方法において、前
   記特定パターンに含まれる周波数の主成分は、該同期モ
   ータにおける機械的共振周波数よりも低くされることを
   特徴とする同期モータの相検出方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載の相検出
   方法において、前記同期モータはリニアモータであり、
   その可動部は静圧空気軸受で支持されていることを特徴
   とする同期モータの相検出方法。
6. 【請求項６】 同期モータの制御装置において、 前記同期モータに設けられた位置検出用のパルス発生器
   と、 該パルス発生器からのパルスをカウントするカウンタ
   と、 該カウンタのカウント値から加速度を算出する加速度計
   算部と、 前記算出された加速度を受け、あらかじめ定められたア
   ルゴリズムを実行してトルク電流指令値と電気角位相オ
   フセットαとを出力する制御部と、 特定パターンを規定する第１の関数を発生するための第
   １の関数発生器と、 前記第１の関数と前記トルク電流指令値との乗算を行
   い、乗算結果をトルク指令として出力する第１の乗算器
   と、 前記カウンタのカウント値と前記電気角位相オフセット
   αとを加算した信号に応じた第２の関数を発生するため
   の第２の関数発生器と、 前記トルク指令と前記第２の関数の乗算及び合成によっ
   て当該同期モータを駆動するドライバ手段とを備え、 前記制御部は、前記トルク指令を１回以上印加し、その
   時の前記加速度計算部からの加速度を受けて、あらかじ
   め定められたタイミングで検出された前記加速度が０に
   なる時の前記電気角位相オフセットαを求め、求めた電
   気角位相オフセットαに基づいて相特定を行い、 前記特定パターンとして、サイン波に近い形状であって
   該特定パターンの積分値、すなわち速度成分の面積の総
   和が０になるような特定パターンとすることにより、前
   記トルク指令の印加毎に前記モータが動作しても元の動
   作開始位置に戻るようにしたことを特徴とする同期モー
   タの制御装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の制御装置において、前記
   トルク指令は前記特定パターンとトルク電流指令値とで
   規定され、前記トルク指令が複数回印加される間に、前
   記トルク電流指令値が徐々に大きくされることを特徴と
   する同期モータの制御装置。
8. 【請求項８】 請求項６あるいは７記載の制御装置にお
   いて、前記特定パターンは、微分値が有限で高周波成分
   を含まない波形で規定されることを特徴とする同期モー
   タの制御装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の制御装置において、前記
   特定パターンに含まれる周波数の主成分は、該同期モー
   タにおける機械的共振周波数よりも低くされることを特
   徴とする同期モータの制御装置。
10. 【請求項１０】 請求項６〜９のいずれかに記載の制御
    装置において、前記同期モータはリニアモータであり、
    その可動部は静圧空気軸受で支持されていることを特徴
    とする同期モータの制御装置。