JP2008043058A - 同期モータ制御装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流検出部へノイズが混入したり、電圧出力分解能が低くても、高精度な位置決めが可能で停止時の振動を抑制できる同期モータ制御装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】 回転位置を検出する位置検出部（１１）と、電流を検出する電流検出部（１）と、回転位置から求められる磁極位置を基準とした電気角位相により電流を磁束方向のｄ軸電流と磁束と直交するｑ軸電流とに変換する座標変換部（２）と、同期モータに与えるトルク指令に基づいてｄ軸電流およびｑ軸電流を制御するｄｑ軸電流制御部と、同期モータの回転速度を検出する回転速度検出部（１２）と、を備えた同期モータ制御装置において、電気角位相にオフセット角度を加算するオフセット角度加算部（１５）と、回転速度またはトルク指令または回転位置に応じてオフセット角度を調整するオフセット角度調整部（１４）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、低トルク・低速度および停止時に電流検出精度や電圧出力分解能が低い場合でもノイズ等によるトルク変動を抑えて精密な制御を可能とする同期モータ制御装置とその制御方法に関する。

従来の同期モータ制御装置を図に基づいて説明する。図２は同期モータの磁極位置を基準としたｄｑ座標系を示す。ｄｑ座標系上ではトルクＴはｑ軸電流Ｉｑとトルク定数Ｋｔにより式（１）のように表せる。
Ｔ＝Ｋｔ×Ｉｑ （１）
図３に従来の制御ブロック図を示す。同期モータの電流を電流検出器１により検出し、Ａ／Ｄ変換器を通して読み込む。読み込んだ電流検出値は座標変換器２によりｄｑ座標系における電流、つまりｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換される。速度制御器３により得られるトルク指令Ｔ＊から、ｑ軸電流指令Ｉｑ＊ を Ｔ＊／Ｋｔ により求め、前記ｑ軸電流Ｉｑとの差分をとりＰＩ制御器４ａによりｑ軸制御指令を決定する。ｄ軸電流指令は０として、前記ｄ軸電流Ｉｄとの差分をとり前記ｑ軸と同様にＰＩ制御器４ｂによりｄ軸制御指令を求める。フィードフォーワード補償器５は誘起電圧や同期モータのインピーダンスを補償する電圧をｄ軸、ｑ軸個別に求め、それぞれのｄ軸制御指令、ｑ軸制御指令に加算し、ｄｑ軸電圧指令を求める。前記ｄｑ軸電圧指令を２相３相変換器６により相電圧指令に変換し、ＰＷＭ制御器７によりインバータ回路８を制御して電圧を同期モータへ出力する。尚、永久磁石内蔵型同期モータの場合は、リラクタンストルクを有効に利用するため、トルク指令とモータ特性に応じてｄ軸電流指令を決定している。
このような同期モータの制御を用いて精密機器を駆動する際、応答性を確保するため制御ゲインを高くする必要があるが、制御ゲインが高い場合はエンコーダの離散化誤差、電流検出分解能、電圧指令分解能などの影響で停止時に微小な振動が発生する。この振動を抑制するため、従来は位置制御および速度制御のゲインを停止時のみ下げるようにして調整していた。

図４において、モータの相電流を複数の増幅手段をもつ電流増幅器１２５へ取り込み、増幅された複数の電流ベクトル１２５ａ、１２５ｂを電流切替器１２６により外部セレクト信号Ｘに基づいて選択して１つの電流ベクトルを選択し、電流指令も前記外部セレクト信号に基づいて変換するようにすることで、必要な電流精度を外部セレクト信号により選択できるようにしている。
また、電流の検出分解能に起因するトルク脈動の低減やトルク制御の精密性を上げるため、増幅率の異なる複数の電流増幅器を備え、必要な電流検出分解能に応じて増幅器を切り替えるものもある（例えば、特許文献１参照）。また、同期モータの方程式を元にトルク指令に従って電流を流す位相と振幅を変化させて等価的に精密なトルク制御を行うものもある（例えば、特許文献２参照）。

図５において、電流演算部はエンコーダにより検出した位相θＡとトルク指令により、電流を指令する位相と振幅を変化させて３相の電流指令を作成する際に、振幅と位相を変化させることにより精度が必要な場合は位相を最適値よりずらして振幅を増加させて電流を増やすことにより、電流分解能を上げるのと等価な特性を持たせている。
特開平１０−１７２２２号公報（図１） 特開平４−１６１０８５号公報（頁２〜４、第１図）

従来のモータ制御装置は、電流検出や電圧出力の分解能が固定であり、制御精度はこれら分解能に依存しているため、高精度な制御のためには高価な高分解能センサや高分解能出力を必要としていた。また、制御ゲインを切り替える方法は、応答を抑えることにより停止時の振動を減らすが、センサ情報などに含まれる誤差やノイズなどの外乱が入ると振動を抑制できないという問題点があった。
特許文献１の複数の増幅器を切り替える方法では、増幅器や切り替え部が必要となるため、コスト高になるという問題があった。
特許文献２の電流指令の位相と振幅を調整する方法では、電流検出分解能を等価的に増やすことができるが、停止時の振動を目的としているものではなく電流検出信号や位相情報に外乱が入ると振動を抑制できない。また電流指令を操作するために演算が複雑になるという問題点があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電流検出部へノイズが混入したり、電圧出力分解能が低くても、高精度な位置決めが可能で停止時の振動を抑制できる同期モータ制御装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、同期モータの回転位置を検出する位置検出部と、前記同期モータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記回転位置から求められる磁極位置を基準とした電気角位相により前記電流を磁束方向のｄ軸電流と磁束と直交するｑ軸電流とに変換する座標変換部と、前記同期モータに与えるトルク指令に基づいて前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流を制御するｄｑ軸電流制御部と、前記同期モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、を備えた同期モータ制御装置において、前記電気角位相にオフセット角度を加算するオフセット角度加算部と、前記回転速度または前記トルク指令または前記回転位置に応じて前記オフセット角度を調整するオフセット角度調整部と、を備えたことを特徴とするものである。

請求項２の記載の発明は、請求項１の記載の同期モータ制御装置において、前記オフセット角度調整部は、前記回転速度が設定した停止レベルよりも高いか、または前記トルク指令が設定したトルク切替レベルよりも大きいときに前記オフセット角度を０とし、前記回転速度が前記停止レベルよりも低くかつ前記トルク指令が前記トルク切替レベルよりも小さいときに前記オフセット角度を大きくなるように調整することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１の記載の同期モータ制御装置において、前記オフセット角度調整部に、同期モータの位置制御を行う際に位置指令の変化がなくなり、前記位置指令と前記回転位置との偏差が設定した偏差レベルよりも小さくなったときに前記オフセット角度を大きくするように調整することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３記載の同期モータ制御装置において、前記トルク指令に前記オフセット角度から求めたトルク補正値を乗じることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の同期モータ制御装置において、前記トルク補正値は前記オフセット角度をΔθとすると１／ｃｏｓΔθにより計算することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、同期モータの回転位置を検出する位置検出部と、前記同期モータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記回転位置から求められる磁極位置を基準とした電気角位相により前記電流を磁束方向のｄ軸電流と磁束と直交するｑ軸電流とに変換する座標変換部と、前記同期モータに与えるトルク指令に基づいて前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流を制御するｄｑ軸電流制御部と、前記同期モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、を備えた同期モータの制御方法において、前記回転位置から電気角位相を求めるステップと、前記電気角位相にオフセット角度を加算するステップと、前記回転速度応じて前記オフセット角度を調整するステップと、前記オフセット角度に応じてトルク補正値をもとめるステップと、前記トルク補正値をトルク指令に乗算するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項６記載の同期モータの制御方法において、前記回転速度に応じて前記オフセット角度を調整するステップの代わりに、前記トルク指令または前記回転位置に応じて前記オフセット角度を調整するステップを備えることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によると、電流検出値を座標変換する際に、電流の座標変換位相に対するオフセット角度を加算することにより、発生トルクを抑制し、結果的に同じトルクを発生させるための電流を増加させ、制御指令に対するＳ／Ｎ比を上げることができる。
請求項２に記載の発明によると、モータの回転速度が停止のレベルになりトルク指令が低い場合にのみオフセット角度を加算するようにすることができ、通常運転時の効率を最大にしながら、低回転時に高精度なトルクや速度の制御ができるようになる。
請求項３に記載の発明によると、位置制御時の位置決め動作の際にのみオフセット角度を加算することができ、モータが回転するときの効率を最大にしながら、高精度な位置決めと停止時の振動抑制ができる。
請求項４および５に記載の発明によると、トルク指令を補正する機能を追加することにより、トルク制御を高精度化することができる。
請求項６および７に記載の発明によると、電流検出部へイズが混入したり、電圧出力分解能が低くても、高精度な位置決めが可能で、停止時の振動を抑制できる同期モータの制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の同期モータ制御装置の制御ブロック図である。図１は位置制御を行う場合の実施例を示している。図において、位置制御部１１はエンコーダ１０から取り込んだ位置と位置指令とを比較して速度指令を求める。速度制御部３は前記位置から微分部１２を通して得られた回転速度と前記速度指令とを入力し、トルク指令Ｔ＊を演算する。電流指令演算部１３はトルク指令からｑ軸電流指令Ｉｑ＊とｄ軸電流指令Ｉｄ＊を演算する。ここで、前記電流指令演算部１３では、前記ｑ軸電流指令Ｉｑ＊およびｄ軸電流指令Ｉｄ＊を次のようにして求める。トルクと電流の関係は、磁束をφ、極対数をｐｎ、ｄｑ軸に変換したインダクタンスをＬｄ、Ｌｑとすると、式（２）のようになる。

表面磁石型同期モータ（ＳＰＭＭ）の場合は、Ｌｄ＝Ｌｑであるので式（２）は式（３）になる。

つまり電流指令は次のようにして求めればよい。

Ｉｑ＊ ＝ Ｔ＊／（ｐｎ・φ） （４）
Ｉｄ＊ ＝ ０
埋込磁石型同期モータ（ＩＰＭＭ）では、高効率化のためにリラクタンストルクを利用するため、ｄ軸電流は０とはならない。最大効率を得るためのｄ軸電流Ｉｄ＊は式（５）のようになる。

式（２）と式（５）の連立方程式を解くことにより、前記Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を求める。実際の演算では、計算量を減らすために、式（２）式（５）を簡略化あるいはあらかじめ計算してテーブル化しておいたものを使用する場合もある。また、高速回転の領域において、電圧が飽和しないように弱め界磁制御などを適用してｄ軸電流指令を更に操作する場合もある。
電流制御部は、同期モータの電流を電流検出部１により検出し、Ａ／Ｄ変換部を通して読み込み、座標変換部２によりｄｑ座標系における電流、つまりｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑに変換される。前記ｄ軸電流指令Ｉｄ＊および前記ｑ軸電流指令Ｉｑ＊は、それぞれ前記ｄ軸電流Ｉｄと前記ｑ軸電流Ｉｑと差分をとりそれぞれＰＩ制御部４ａ、４ｂに入力し、ｄ軸制御指令、ｑ軸制御指令を決定する。フィードフォーワード補償部５は式（６）に示すモータの方程式に従い、誘起電圧や同期モータのインピーダンスを補償する電圧をｄ軸、ｑ軸個別に求め、それぞれのｄ軸制御指令、ｑ軸制御指令に加算し、ｄｑ軸電圧指令Ｖｄ，Ｖｑを求める。

ここで、ｖｄ， ｖｑはそれぞれｄ軸電圧、ｑ軸電圧、Ｒは巻線抵抗、ωは電気角周波数、ｐは微分演算子である。電気角周波数は回転速度にモータの極数を乗じて求められる。求められた前記ｄｑ軸電圧指令は２相３相変換部６により相電圧指令に変換され、ＰＷＭ制御部７によりインバータ回路８を駆動して電圧を同期モータへ出力する。オフセット角度調整部１４はトルク指令、回転速度または位置指令によりオフセット角度を演算する。位置検出部９はエンコーダ１０から取り込んだ位置からモータの磁極位置を計算する。前記磁極位置に前記オフセット角度を加算部１５により加算し、前記座標変換部２に入力する。

本発明が従来技術と異なる部分は、モータの状況応じてオフセット角度を演算するオフセット角度演算部とエンコーダから検出した位相に対して前記オフセット角度を加算するオフセット角度加算部とを備えた部分である。オフセット角度を加算することによりトルクおよび電流は次のようになる。つまり、前記オフセット角度をΔθとすると、同期モータに実際に流れるｄ軸電流Ｉｄｍおよびｑ軸電流Ｉｑｍと前記座標変換後のｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑとの関係は、式（７）のようになる。

電流制御は指令と検出値を一致させるように制御する。表面磁石型同期モータを例にすると、式（４）よりＩｄが０となるように制御されるので、電流指令と電流検出値が一致すると式（７）より次のようになる。

この場合ｑ軸電流指令Ｉｑ＊により同期モータに発生するトルクＴは式（３）より、

となり、指令よりも実際に発生するトルクがｃｏｓΔθの分だけ小さくなる。この時、速度制御部３は不足したトルク分を補うように動作しトルク指令Ｔ＊が大きく補正される。これは、同じトルクを発生するために必要な電流が大きくなることを意味する。

ここで電流を大きくした場合の効果について説明する。３相モータを制御する場合、モータ内部で３相が短絡されているため、３相のうち２相を検出するのが一般的となっている。Ｕ相電流ｉｕとＶ相電流ｉｕを検出する場合、前記座標変換部は以下のようになる。

式（１０）では大きさは保存されるため、電流検出に誤差があればそれがそのままＩｄ、Ｉｑの誤差となる。電流検出値が１％の誤差を持つとすると、Ｉｄ、Ｉｑにも１％の誤差が含まれることになる。停止時に電流制御を行うと電流検出誤差によるトルクが発生してモータが回転する。モータが回転することにより位置制御部１１および速度制御部３によりトルク指令を発生させる。これは電流検出ばかりでなく、電圧出力分解能が低い場合も同様である。このような状況で、オフセット角度を操作することにより発生トルクはトルク指令よりも小さくなるためトルク指令が大きくなり電流値も大きくなる。前記オフセット角度Δθが６０度とすると、同じトルクを発生させるトルク指令は２倍となり、電流は２倍の電流を流すことになる。この時、電流誤差成分が１％であるとすると、２倍の電流を流すためトルクに対する電流誤差の影響は相対的に半分の０．５％となる。つまり、電流検出誤差の影響が半分になる。また、ゲインは等価的に半分になり外乱に対する応答性が下がるため振動を抑制することができる。

図６は前記オフセット調整部の実施例２を示すブロック図である。図において、回転速度とトルク指令を入力し、それぞれ停止レベルおよびトルク切替レベル設定値と比較する。前記停止レベルから前記回転速度の絶対値を減じた停止判定値が負の場合は０、前記停止判定値が正になると前記停止判定値に比例して大きくなるような係数ＫＳを求める。また、前記トルク切替レベルから前記トルク指令の絶対値を減じたトルク判定値が負の場合は０、前記トルク判定値が正の場合は前記トルク判定値に比例して大きくなるような係数ＫＴを求める。前記係数ＫＳと前記ＫＴを乗じることによりオフセット角度に対する係数を求め、設定したオフセット角度基準値に乗じることによりオフセット角度を求める。これにより、速度が低くトルク指令が低い間のみオフセット角度を加算することにより、トルク指令が大きい場合や回転速度が大きいときには高効率で運転し、低速度・低トルクの領域では実施例１で説明したように外乱に対する応答を下げ振動を抑制することができる。

図７は前記オフセット調整部の実施例３を示す図である。図において、位置指令と回転位置とを入力し、位置指令の前回値との差分が０となったときに動作する位置指令停止判定スイッチ７１と前記位置指令と前記回転位置との差分値を計算する減算部と前記差分値が設定した位置決めレベルよりも小さくなったときに動作する位置決め判定スイッチ７２とから構成され、オフセット角度設定値を前記位置指令停止判定スイッチ７１と前記位置決め判定スイッチ７２とが閉じたときにオフセット角度を出力するようになっている。また図６では、オフセット角度が急激に変化するのを防止するための一次遅れフィルタ７３を追加している。これにより、位置制御を行う際に位置決め時のみ高精度なトルク制御を可能とし、位置が変化している間は高効率な運転が可能となる。
尚、位置決め時のオーバーシュートなどがある場合には、一定時間経過後にスイッチを動作させるようなディレイ回路を設けることで、位置決めが安定した後にオフセット角度を出力するようにして、安定化を図ることもできる。

図８に実施例４を示す制御ブロック図を示す。実施例１から実施例３においては、トルク指令とモータの発生トルクに誤差が発生する。このためトルク制御時には指令と実際のトルクとを一致させることができない。これを防止するため、トルク指令から電流指令を計算する際にオフセット角度に応じて変化させるゲインをトルク指令に乗じるトルク指令補正部８１を追加する。オフセット角度によるトルクの変化は式（９）に示すようにｃｏｓΔθ倍となるため、係数として（１／ｃｏｓΔθ）を乗じることによりトルク指令と実トルクを一致させることができる。これを実施例１から実施例３と併用することにより、回転数が低回転・低トルクあるいは停止時にトルクを高精度に制御し、それ以外の領域では高効率な運転が可能となる。

図９は本発明の同期モータ制御方法のフローチャートである。図９において、ステップＳＴ１で回転位置から電気角位相を求め、ステップＳＴ２で電気角位相にオフセット角度を加算し、ステップＳＴ３で回転速度の応じてオフセット角度を調整し、ステップＳＴ４でオフセット角度に応じてトルク補正値をもとめ、ステップＳＴ５でトルク補正値をトルク指令に乗算する。

以上のように、電流検出精度や電圧出力精度が悪い場合であっても、停止時や低速・低トルク時に電流制御を高精度化することが可能となるため、高精度が必要な用途だけでなく、一般的な用途でも低コストの電流検出手段や電圧出力手段を使うことができ、制御装置のコストを下げることも可能となる。

本発明の第１実施例を示すモータ制御装置の制御ブロック図 同期モータの座標系を示す図 従来の同期モータの制御ブロック図 従来の特許文献１の構成を示す図 従来の特許文献２の構成を示す図 本発明の実施例２を示すオフセット調整手段のブロック図 本発明の実施例３を示すオフセット調整手段のブロック図 本発明の実施例４を示す制御ブロック図 本発明の同期モータ制御方法のフローチャート

符号の説明

１ 電流検出部
２ 座標変換部
３ 速度制御部
４ａ ＰＩ制御部（ｑ軸）
４ｂ ＰＩ制御部（ｄ軸）
５ フィードフォーワード補償部
６ ２相３相変換部
７ ＰＷＭ制御部
８ インバータ回路
９ 位置検出手段部
１０ エンコーダ
１１ 位置制御部
１２ 微分部
１３ 電流指令演算部
１４ オフセット角度調整部
１５ オフセット角度加算器部
２５ 電流増幅部
２５ａ、２５ｂ 電流ベクトル
２６ 電流切替部
７１ 位置指令停止判定スイッチ
７２ 位置決め判定スイッチ
７３ 一次遅れフィルタ
８１ トルク指令補正部

Claims (7)

1. 同期モータの回転位置を検出する位置検出部と、前記同期モータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記回転位置から求められる磁極位置を基準とした電気角位相により前記電流を磁束方向のｄ軸電流と磁束と直交するｑ軸電流とに変換する座標変換部と、前記同期モータに与えるトルク指令に基づいて前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流を制御するｄｑ軸電流制御部と、前記同期モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、を備えた同期モータ制御装置において、
   前記電気角位相にオフセット角度を加算するオフセット角度加算部と、前記回転速度または前記トルク指令または前記回転位置に応じて前記オフセット角度を調整するオフセット角度調整部と、を備えたことを特徴とする同期モータ制御装置。
2. 前記オフセット角度調整部は、前記回転速度が設定した停止レベルよりも高いか、または前記トルク指令が設定したトルク切替レベルよりも大きいときに前記オフセット角度を０とし、前記回転速度が前記停止レベルよりも低くかつ前記トルク指令が前記トルク切替レベルよりも小さいときに前記オフセット角度を大きくなるように調整することを特徴とする請求項１記載の同期モータ制御装置。
3. 前記オフセット角度調整部は、前記同期モータの位置制御を行う際に位置指令の変化がなくなり、前記位置指令と前記回転位置との偏差が設定した偏差レベルよりも小さくなったときに前記オフセット角度を大きくするように調整することを特徴とする請求項１記載の同期モータ制御装置。
4. 前記トルク指令に前記オフセット角度から求めたトルク補正値を乗じることを特徴とする請求項１乃至３記載の同期モータ制御装置。
5. 前記トルク補正値は前記オフセット角度をΔθとすると
   １／ｃｏｓΔθ
   により計算することを特徴とする請求項４記載の同期モータ制御装置。
6. 同期モータの回転位置を検出する位置検出部と、前記同期モータに流れる電流を検出する電流検出部と、前記回転位置から求められる磁極位置を基準とした電気角位相により前記電流を磁束方向のｄ軸電流と磁束と直交するｑ軸電流とに変換する座標変換部と、前記同期モータに与えるトルク指令に基づいて前記ｄ軸電流および前記ｑ軸電流を制御するｄｑ軸電流制御部と、前記同期モータの回転速度を検出する回転速度検出部と、を備えた同期モータ制御方法において、
   前記回転位置から電気角位相を求めるステップと、
   前記電気角位相にオフセット角度を加算するステップと、
   前記回転速度応じて前記オフセット角度を調整するステップと、
   前記オフセット角度に応じてトルク補正値をもとめるステップと、
   前記トルク補正値をトルク指令に乗算するステップと、
   を備えたことと特徴とする同期モータ制御方法。
7. 前記回転速度に応じて前記オフセット角度を調整するステップの代わりに、前記トルク指令または前記回転位置に応じて前記オフセット角度を調整するステップを備えることを特徴とする請求項６記載の同期モータ制御方法。