JP6684553B2 - リニア型永久磁石同期モータ及びそのモータ制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明はリニア型永久磁石同期モータの制御装置に関する。

永久磁石同期モータは、永久磁石回転子の磁極位置に応じた電圧を印加しないとトルクを発生できず、モータが逆回転してしまう等の問題があるので、磁極位置を正確に把握することが重要である。この問題を解決する方法として、特開２００６−１３６２００号公報（特許文献１）には、リニアモータを直流励磁した後に、出力電圧位相角を正負の所定角度に設定し、その時に移動したモータの左右の移動量の中心点を初期磁極位置として検出する、ことが記載されている。

特開２００６−１３６２００号公報

特許文献１に記載された従来技術では、磁極位置を検出するためには可動子を左右両方向へ移動させる必要があり、装置の用途や構造等により初期動作として往復動作が許可されない場合や、リニアモータ自体が短尺品である場合、磁極位置推定のための可動距離が十分でない場合がある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、リニア型永久磁石同期モータの制御方法であって、リニア型永久磁石同期モータ駆動時に磁極位置検出をせずに、トルクを零から徐々に上昇させてオープンループで速度制御を行い原点復帰を開始し、原点復帰経路に存在する予め設定されていた地点に到達した時に、予め設定されていたその地点に対応した磁極位置を制御に取り込むことで磁極位置を確定するように構成する。

本発明によれば、始動時の往復動作を伴う磁極位置推定が許されない装置にもリニアモータを適用することができる。

実施例１におけるモータ制御装置の制御フローチャートである。 実施例１におけるリニアモータとそのシステムの概略図である。 実施例１におけるトルク、可動子位置、磁極位置ずれのタイミングチャートである。 実施例２に関わる負荷を変化させたときのトルクのタイミングチャート説明図である。 実施例２におけるリニアモータとそのシステムの概略図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

以下、本発明の実施例１を図１、図２、図３を用いて説明する。

図２は、本実施例におけるリニア型永久磁石同期モータとそのシステムの概略図である。なお以降、リニア型永久磁石同期モータを簡略してリニアモータとして説明する。また、リニアモータはリニアモータ本体とモータ制御装置からなり、上位装置を含めてシステムとして構成している。図２に示されたシステムは、リニアモータ本体として、可動子１と固定子２、リニアスケール３、リニアスケールから位置を読み取り、位置信号としてのＡ相およびＢ相出力ができるリニアセンサ４、および、可動子１が固定子２から飛び出さないためのエンドストッパ５および６を備えたリニアモータに、原点センサ（原点スイッチ）７、リミットセンサ（リミットスイッチ）８および９が取り付けられており、それぞれのセンサの信号をモータ制御装置１０に入力し、またモータ制御装置１０へ指令を与える上位装置１１を備えている。またモータ制御装置１０は、原点復帰方法記憶部１２、磁極位置読取地点記憶部１３、磁極位置記憶部１４、上位装置１１から指令を受け磁極位置を用いてモータを制御するモータ制御演算部１５を備えている。以下、同じ番号が付記された箇所は同一のものとし、説明は省略する。

通常、モータ制御装置１０は、リニアモータを駆動するとき、上位装置１１から指令を受けて、磁極位置推定、原点復帰の順に動作した後、機械装置として動作を開始するが、本実施例においては、磁極位置推定を許可されていないことを想定しているので動作開始できない。ここで、機械装置とは、上記のシステムの上位装置を１台または複数備え、１組以上のモータおよびモータ制御装置が上位装置に接続され、それぞれが連動し機械として動作できるものとする。

本実施例では、機械装置として運転を開始する前にリニアモータの原点復帰をすることに注目し、磁極位置推定を行わないまま、オープンループで速度制御を行って原点復帰を開始する。

例として、原点復帰方法記憶部１２に「リミットスイッチ８に向かって移動し、リミットスイッチ８に到達したら、移動方向を反転し、原点スイッチ７に向かって移動し原点スイッチ７に到達したら、その場に停止する」という手順を予め設定する。また磁極位置読取地点記憶部１３に「原点スイッチ」、磁極位置記憶部１４に「原点スイッチでの正しい磁極位置」を予め設定する。

図１は、本実施例におけるモータ制御装置の制御フローチャートである。図１において、まずステップ０１（Ｓ０１）で、磁極位置推定が許可されているかを判断する。磁極位置推定が許可されている場合はＳ０２で、従来の磁極位置推定動作を開始する。磁極位置推定が許可されていない場合は、Ｓ０３で、原点復帰方法記憶部１２、磁極位置読取地点記憶部１３から、それぞれの設定をモータ制御演算部１５へ読み出しておく。

Ｓ０４で、モータ制御装置１０が上位装置１１から原点復帰動作開始の指令を受信したあと、ユーザが所望する原点復帰速度に対応する周波数の交流電流を印加しリニアモータの動作を開始する。そして、Ｓ０５で、原点復帰方法記憶部１２に設定された方法、手順で運転を行う。

ここで、図３を用いて、トルク、可動子位置、磁極位置ずれの関係について説明する。図３は、本実施例における、トルク（Ａ）、可動子位置（Ｂ）、磁極位置ずれ（Ｃ）のタイミングチャートを示している。図３（Ａ）に示すように、Ｓ０４では、トルクが零の状態(図３のT0)から開始し、リミットスイッチ８方向に移動し、徐々にトルクを上げていく。トルクが静止摩擦トルクを超えたところ(図３、T1)でリニアモータの可動子１は徐々に動き始める（図３（Ｂ）参照）。しかし、リニアモータの動摩擦とコギングトルクを合わせた値よりトルクが低い場合、連続的に移動できず、同期運転を開始できない。この点よりさらにトルクを上げていくと動摩擦とコギングトルクを超えるトルクが得られるため、図３（Ｂ）のT2〜T3の期間のように、連続的に移動できるようになり同期運転を開始できる。

可動子１が連続的に移動していくと、図３（Ｂ）のT3ではリミットスイッチ８に到達するため、原点復帰方法記憶部１２から読み出された手順の通り、可動子１はリミットスイッチ８の地点で停止する。この時点では未だ磁極位置が不明なため、再びトルクを零から開始し、図３（Ｂ）のT3からT6の期間では、上記と同様の手順でリミットスイッチ９方向に移動し、原点スイッチ７に向けて動作し原点スイッチ７に到達し停止する（図１、Ｓ０６）。

停止すると同時に磁極位置記憶部１４からモータ制御演算部１５へ読み出し（図１、Ｓ０７）、原点スイッチでの正しい磁極位置、例えば３０°等の値をモータを制御する演算に反映し、磁極位置を確定し、磁極位置ずれを補正するように、フィードバック制御を行う。その結果、図３の磁極位置ずれのグラフ（Ｃ）に示すとおり、T6の時点で一定の磁極位置ずれが零になる。ここで、磁極位置ずれとは、印加電流位相と可動子の位置に対応した磁極位置との相対位相であり、磁極位置ずれがなくなることで最適なトルクを発生することができる。

その後、図１のＳ０８で現在位置は原点であるかを判断し、ＹＥＳであればＳ１１で原点復帰処理を完了し、ＮＯであればＳ０９で原点復帰方法記憶部１２に設定された方法で運転継続し、最終的に原点で止まるように設定されているので、Ｓ１０で原点に到達したことを確認して原点復帰処理を完了する。

以上により機械装置として動作を開始する前に磁極位置を確定できるので、磁極位置推定が許可されていない機械装置においても、磁極位置推定するのと同様に運転が可能となる。

この、図３のT0からT6までの期間を通しては、位置情報、速度情報を用いてフィードバック制御を行うと、磁極位置が不明なため、位置、速度、トルクの関係が一意に定まらず暴走にいたることになる。そのためリニアスケール３からリニアセンサ４が読み取った位置情報、速度情報をモータ制御演算に用いず、オープンループにて速度制御を行う。

上記の例においては、原点復帰動作方法記憶部１２に「リミットスイッチ８に向かって移動し、リミットスイッチ８に到達したら、移動方向を反転し、原点スイッチ７に向かって移動し原点スイッチ７に到達したら、その場に停止する」という手順、磁極位置読取地点記憶部１３に「原点スイッチ」、磁極位置記憶部１４に「原点スイッチでの正しい磁極位置」を予め設定しているが、原点スイッチ７、リミットスイッチ８および９の有無やその個数はシステム設計上の項目なので必ずしも設置されているとは限らない。

しかし、いずれの場合でも、原点復帰動作を行い原点スイッチ７に相当する地点が設置されるため原点復帰動作方法記憶部１２、磁極位置読取地点記憶部１３、磁極位置記憶部１４に、それぞれシステムに適合した設定を行うことで上記の例と同様の効果が得られる。

また上記の例で、リミットスイッチ８および９を廃し、エンドストッパ５に当たったところで反転する突き当て原点復帰を用いて、磁極位置読取地点記憶部１３に「エンドストッパ５に当たった点」としたり、リニアモータを設計、製造する上で磁極位置が構造上確定する点、例えば磁石のN極とS極中間地点に磁極位置検出のためにセンサを設置し、磁極位置読取地点記憶部１３に「磁極位置検出用センサ」とすれば、機械的に磁極位置が一意に決定できる。その結果、従来の磁極位置推定よりも精度を向上でき、機械装置としても精度の向上が可能である。

以上のように、本実施例は、リニア型永久磁石同期モータの制御方法であって、リニア型永久磁石同期モータ駆動時に磁極位置検出をせずに、トルクを零から徐々に上昇させてオープンループで速度制御を行い原点復帰を開始し、原点復帰経路に存在する予め設定されていた地点に到達した時に、予め設定されていたその地点に対応した磁極位置を制御に取り込むことで磁極位置を確定するように構成する。

また、リニア型永久磁石同期モータのモータ制御装置であって、原点復帰の手順を予め設定した原点復帰方法記憶部と、磁極位置を読取る地点を記憶する磁極位置読取地点記憶部と、磁極位置読取地点での正しい磁極位置を記憶する磁極位置記憶部と、原点復帰方法記憶部から読み出した原点復帰の手順に従って原点復帰処理を実行し、磁極位置読取地点記憶部から読み出した磁極位置を読取る地点に到達するとその位置情報と磁極位置記憶部から読み出した正しい磁極位置情報から磁極位置ずれを補正するように、オープンループにて速度制御を行うモータ制御演算部とを備える構成とする。

また、リニア型永久磁石同期モータ本体とモータ制御装置から構成されるリニア型永久磁石同期モータであって、リニア型永久磁石同期モータ本体は、可動子と、固定子と、リニアスケールと、リニアスケールから位置を読み取り位置信号として出力するリニアセンサを有し、モータ制御装置は、原点復帰の手順を予め設定した原点復帰方法記憶部と、磁極位置を読取る地点を記憶する磁極位置読取地点記憶部と、磁極位置読取地点での正しい磁極位置を記憶する磁極位置記憶部と、原点復帰方法記憶部から読み出した原点復帰の手順に従って原点復帰処理を実行し、磁極位置読取地点記憶部から読み出した磁極位置を読取る地点に到達するとその位置情報をリニアセンサから取得し、磁極位置記憶部から読み出した正しい磁極位置情報とリニアセンサから取得した位置情報とから磁極位置ずれを補正するように、オープンループにて速度制御を行うモータ制御演算部とを備える構成とする。

これにより、始動時の往復動作を伴う磁極位置推定が許されない装置にもリニアモータを適用することができる。

次に本発明の実施例２を図４、図５を用いて説明する。

上記、実施例１を適用したシステムにおいて、可動子１に搭載されている機械の負荷が大きくなると静止摩擦が比例して大きくなる。図４は、本実施例に関わる負荷を変化させたときのトルクのタイミングチャート説明図である。図４（Ａ）は負荷が小さい場合、（Ｂ）は負荷が大きい場合を示している。リニアモータ始動時に、図４（Ａ）、（Ｂ）で示すT0の時点でトルク零である状態から開始すると、負荷が非常に大きいシステムである場合、静止摩擦が非常に大きくなり、図４（Ａ）の負荷が小さい場合に比べて、図４（Ｂ）の負荷が大きい場合はトルク増加の完了までの時間が長くなってしまう（T2＜T2’）。

そこで、本実施例では、その時間短縮を図る例について説明する。図５は、本実施例におけるリニアモータとそのシステムの概略図である。図５は、図２に示したシステムに始動トルク記憶部１６を加えたもので、他の構成は同じである。図５において、図４（Ｂ）のT1’の時点の静止摩擦トルクを始動トルク記憶部１６に設定し、実施例１においてT0およびT3で零から開始していたトルクの代わりに、始動トルク記憶部１６に記憶していたトルクで始動することで図４（Ｃ）の始動トルクを読み出す場合のトルクのタイミングチャートに示すように時間短縮（T2’’＜T2’）が可能となる。

なお、始動トルク記憶部１６に設定する値は、リニアモータにおいては、一般的にリミットスイッチ８方向も９方向も同じであるので、T1’の時点の静止摩擦トルクの１つとしたが、両者が異なる場合は、リミットスイッチ９方向の静止摩擦トルク、すなわちT4’時点の静止摩擦トルクとのどちらか小さい方を設定しても良いし、両方記憶して用いても良い。

実施例２において、静止摩擦がリニアモータの製造上のばらつきや固定子２に対する可動子１の位置によって静止摩擦トルクが一意に決定できない場合が考えられ、そのため個々の機械装置に対し、調整が必要になりコストの増加が考えられる。

本実施例は、これを解決するために、図示されていない原点復帰回数記憶部を有し、実施例２の動作を実施する。

ここで、始動トルクの平均値をTa、始動トルク記憶部１６の値をTr、原点復帰回数記憶部の値をN、原点復帰時に得られる新たな始動トルクの値をTnとし
Ta = ｛(Tr × N) ＋ Tn｝/(N ＋ 1)
のように計算して得られる平均値を、新たな始動トルクとし原点復帰完了時に始動トルク記憶部１６に記憶する。

これにより、モータなどのばらつきによって静止摩擦トルクが一意に決定できない場合でも原点復帰動作を繰り返すうちに適切な始動トルクが自動的に始動トルク記憶部１６に記憶することができ、予め設定することが不要になるという効果がある。

以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、実施例はリニア型永久磁石同期モータについて説明したが、回転型の永久磁石モータにも適用可能である。また、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

１…可動子、２…固定子、３…リニアスケール、４…リニアセンサ、５、６…エンドストッパ、７…原点センサ、８、９…リミットセンサ、１０…モータ制御装置、１１…上位装置、１２…原点復帰方法記憶部、１３…磁極位置読取地点記憶部、１４…磁極位置記憶部、１５…モータ制御演算部、１６…始動トルク記憶部

Claims (3)

1. リニア型永久磁石同期モータの制御方法であって、
   リニア型永久磁石同期モータ駆動時に磁極位置検出をせずに、トルクを予め実施した原点復帰動作時に得られた静止摩擦トルクの値を用いて計算された始動トルクの値から徐々に上昇させてオープンループで速度制御を行い原点復帰を開始し、原点復帰経路に存在する予め設定されていた地点に到達した時に、予め設定されていたその地点に対応した磁極位置を制御に取り込むことで磁極位置を確定することを特徴とするリニア型永久磁石同期モータの制御方法。
2. リニア型永久磁石同期モータのモータ制御装置であって、
   原点復帰の手順を予め設定した原点復帰方法記憶部と、
   磁極位置を読取る地点を記憶する磁極位置読取地点記憶部と、
   磁極位置読取地点での正しい磁極位置を記憶する磁極位置記憶部と、
   前記原点復帰方法記憶部から読み出した原点復帰の手順に従って原点復帰処理を実行し、前記磁極位置読取地点記憶部から読み出した磁極位置を読取る地点に到達するとその位置情報と前記磁極位置記憶部から読み出した正しい磁極位置情報から磁極位置ずれを補正するように、オープンループにて速度制御を行うモータ制御演算部と、
   予め実施した前記原点復帰処理時に得られた静止摩擦トルクの値を記憶する始動トルク記憶部を備え、
   前記モータ制御演算部は、前記始動トルク記憶部に記憶していた静止摩擦トルクの値を用いて計算された値を始動トルクとして前記原点復帰処理を実行することを特徴とするリニア型永久磁石同期モータのモータ制御装置。
3. リニア型永久磁石同期モータ本体とモータ制御装置から構成されるリニア型永久磁石同期モータであって、
   前記リニア型永久磁石同期モータ本体は、可動子と、固定子と、リニアスケールと、リニアスケールから位置を読み取り位置信号として出力するリニアセンサを有し、
   前記モータ制御装置は、原点復帰の手順を予め設定した原点復帰方法記憶部と、
   磁極位置を読取る地点を記憶する磁極位置読取地点記憶部と、
   磁極位置読取地点での正しい磁極位置を記憶する磁極位置記憶部と、
   前記原点復帰方法記憶部から読み出した原点復帰の手順に従って原点復帰処理を実行し、前記磁極位置読取地点記憶部から読み出した磁極位置を読取る地点に到達するとその位置情報を前記リニアセンサから取得し、前記磁極位置記憶部から読み出した正しい磁極位置情報と前記リニアセンサから取得した位置情報とから磁極位置ずれを補正するように、オープンループにて速度制御を行うモータ制御演算部と、
   予め実施した前記原点復帰処理時に得られた静止摩擦トルクの値を記憶する始動トルク記憶部を備え、
   前記モータ制御演算部は、前記始動トルク記憶部に記憶していた静止摩擦トルクの値を用いて計算された値を始動トルクとして前記原点復帰処理を実行することを特徴とするリニア型永久磁石同期モータ。

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