(57)【要約】      （修正有）【課題】同期電動機が高速回転中にでも回転角周波数と磁石軸を正確に推定して始動できる制御装置を提供する。【解決手段】同期電動機の電流を角周波数ωで回転し直交するγδ軸成分に分けて各成分の電流指令に追従するように各成分の電圧指令を出力する電流制御器１１と、電圧指令に基づいた電圧を同期電動機に印加する電力変換器からなる同期電動機制御装置において、電流指令を零とした状態で電圧指令の静止座標から見た回転角周波数と電圧指令のγ軸成分に所定ゲインを乗じたものとの和を回転座標の回転角周波数ωとして出力する座標軸周波数調整器１３を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機の電流を角周波数ωで回転し直交するγδ軸成分に分けて該各成分の電流指令に追従するように前記各成分の電圧指令を出力する電流制御器と、前記電圧指令に基づいた電圧を前記同期電動機に印加する電力変換器からなる同期電動機制御装置において、前記電流指令を零とした状態で前記電圧指令の静止座標から見た回転角周波数と前記電圧指令のγ軸成分に所定ゲインを乗じたものとの和を前記角周波数ωとして出力する座標軸周波数調整器を具備することを特徴とする同期電動機制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置センサレスの同期電動機や同期発電機の制御装置に関するもので、特に始動時における同期電動機や同期発電機の回転子の位置を推定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の始動時のブロック図を図２に示す。同期電動機１は電力変換器２より電力を供給される。始動直後においてスイッチ３は０電圧制御器４の出力を選択して電力変換器２へ送る。図３は、０電圧制御器４での流れ図を示している。まずｔ＝ｔ０において０電圧印加手段４１により０電圧を同期電動機１に印加する。つまり同期電動機１の入力が短絡された状態となる。電流検出器８で検出された電流ベクトルｉの大きさが所定の大きさＩｍを越えた場合は、その時点をｔ２として、０電圧の印加を止めて、０電圧の印加時間ｔ１＝ｔ２−ｔ０を求めて、正逆判定手段４２により回転方向を判断し、位相演算手段４３により同期電動機１の回転子より発生する磁束の位相θを求め、速度演算手段４４により同期電動機１の回転角周波数ωを求める。その後スイッチ３により通常運転制御器７が選択されて同期電動機１は通常運転となる。
【０００３】
回転角周波数ωで回転している同期電動機１の入力が短絡された状態では、静止座標上から電流ベクトルｉの軌跡を観察すると例えば図４のように回転するようになる。よって正逆判定手段４２では、０電圧印加手段４１が０電圧を印加している間における同期電動機１の電流ベクトルの回転方向で前記同期電動機の回転方向を判断することができる。具体的には、ｔ０とｔ２との間の電流ベクトルとｔ２時点の電流ベクトルとの外積の演算結果の符号で判断できる。
【０００４】
電流ベクトルの大きさがＩｍになる条件は、
【０００５】
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【０００６】
で表される。ここで、同期電動機１の回転子より発生する磁束の実際の位相をｄ軸の位相としｄ軸と直交した軸をｑ軸とした上で、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、φは同期電動機１の回転子より発生する磁束である。
【０００７】
速度演算手段４４では、（１）式から導かれる
【０００８】
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【０００９】
により同期電動機１の回転角周波数ωを演算する。（２）式において正逆判定手段４２で正転と判定された場合は＋符号を用い、正逆判定手段４２で逆転と判定された場合は−符号を用いることになる。
【００１０】
ｔ２時点のｄ軸と電流ベクトルとの位相差αは
【００１１】
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【００１２】
なので、位相演算手段４３において、正逆判定手段４２の出力が正転の場合は、前記ｔ２時点での電流ベクトルの位相に（３）式のαを加算することでｄ軸位置θが得られる。また正逆判定手段４２で逆転と判定された場合は前記ｔ２時点での電流ベクトルの位相から（３）式のαを減算することで位相θを求めることができる。
【００１３】
停止判断手段４５では、電流ベクトルの大きさが０で０電圧を印加し始めてから所定時間ｔ３以上経過した場合に同期電動機１が停止していると判断し、０電圧の印加を止めて、スイッチ３によりセンサレス始動制御器６を選択するようになる。センサレス始動制御器６では、特殊な電圧を印加して同期電動機１の回転子より発生する磁束の位相θを求めて、その後スイッチ３により通常運転制御器７が選択されて同期電動機１は通常運転となる。
【００１４】
低速判断手段４６では、０電圧を印加してからの同期電動機１の入力電流ベクトルの大きさの時間に対する傾きが所定値以下の場合は、同期電動機１が低速で回転していると判断し、０電圧の印加を止めて、スイッチ３により微少電流制御器５を選択するようになる。微少電流制御器５の説明は省略する。
【００１５】
以上のように従来の始動方法は、まず０電圧を印加して所定時間内に所定の大きさの電流が流れた場合は、その情報よりｄ軸位相θと回転角周波数ωを得ており、そうで無い場合は別の手段を実行してｄ軸位相θと回転角周波数ωを得るようにしている。
【特許文献１】特開２００２−０５８２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
０電圧制御器４において、同期電動機１の入力インピーダンスが比較的小さくて、ωとφとの積で表される逆起電力が大きい場合に、０電圧の印加時間ｔ１が非常に短くなることにより、正確なｔ１を図ることが困難となり速度演算手段４４での回転角周波数ωの演算精度が悪化する。また電流ベクトル軌跡は、原点から放射上に延びるだけでほとんど回転しないようになるので正逆判定手段４２での回転方向の判断を誤ることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
同期電動機の電流を角周波数ωで回転し直交するγδ軸成分に分けて該各成分の電流指令に追従するように前記各成分の電圧指令を出力する電流制御器と、前記電圧指令に基づいた電圧を前記同期電動機に印加する電力変換器からなる同期電動機制御装置において、前記電流指令を零とした状態で前記電圧指令の静止座標から見た回転角周波数と前記電圧指令のγ軸成分に所定ゲインを乗じたものとの和を前記角周波数ωとして出力する座標軸周波数調整器を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、逆起電力の高い高速回転時において、回転方向も含めた高精度な回転速度ωの推定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を適用した始動時のブロック図を図５に示す。図５の０電流制御器１０が本発明の部分であり、その詳細ブロック図を図１に示す。
図５において、同期電動機１は電力変換器２より電力を供給される。始動直後においてスイッチ３は０電圧印加器９の出力を選択して電力変換器２へ送る。０電圧印加器９では０電圧を同期電動機１に印加する。つまり同期電動機１の入力が短絡された状態となる。所定時間経過後に電流検出器８で検出された電流ベクトルｉの大きさが所定値以下の場合は、同期電動機１が停止していると判断して、スイッチ３はセンサレス始動制御器６を選択し、センサレス始動制御器６でｄ軸位相θを求めた後にスイッチ３は通常運転制御器７を選択する。０電圧印加器９で０電圧を印加開始した後から前記所定時間経過後の電流ベクトルｉの大きさが所定値以上の場合は、同期電動機１が回転していると判断して、スイッチ３は０電流制御器１０を選択する。０電流制御器１０において、回転角周波数とｄ軸位相θを得た後に、スイッチ３は通常運転制御器７を選択する。
【００２０】
図１を用いて０電流制御器１０の説明をする。電流制御器１１は、角周波数ωを積分器１１６で時間積分してγ軸の位相θａを求め、座標変換器１１５で同期電動機１の電流ベクトルｉを位相θａに応じてγ軸成分ｉγとγ軸と直交するδ軸成分ｉδとに分けて、加減算器１１１と１１３で０の値であるγ軸電流指令とδ軸電流指令との偏差を求めて、それぞれを比例積分増幅器１１２と１１４で増幅してそれぞれの成分の電圧指令Ｖγ＊とＶδ＊とを出力する。静止座標変換器１２は、それら電圧指令Ｖγ＊とＶδ＊と位相θａを入力して静止座標から見た電圧指令ベクトルｖ＊を求めて出力する。座標軸周波数調整器１３は、静止座標変換器１３１で電圧指令Ｖγ＊とＶδ＊を静止座標から見た成分であるｖαとｖβに変換し、回転角周波数演算器１３３で静止座標から見た電圧指令の回転角周波数ωｖを求め、ゲイン増幅器１３２でγ軸電圧指令Ｖγ＊に所定ゲインを乗じて、加算器１３４でωｖとの和を求めて、前記角周波数ωとして出力する。
【００２１】
同期電動機１が回転している場合は、その回転数に対応した周波数の逆起電力が発生しているので、電流制御を行うとその逆起電力と同じ周波数の電圧を印加することになる。よって、回転角周波数演算器１３３の出力のωｖは同期電動機１の回転角周波数と一致することとなる。もしＶγ＊＝０ならば、ωｖ＝ωとなるので、γδ座標も同期電動機1の回転角周波数と同じ速度で回転することとなり、Ｖγ＊やＶδ＊は直流量となる。
【００２２】
例えば永久磁石同期電動機の特性式は、電流が０で永久磁石の方向であるｄ軸の位相をθ、永久磁石の鎖交磁束をφ、回転角周波数をωｍとすると
Ｖγ＝−ωｍ・φ・ｓｉｎ（θ−θａ）
Ｖδ＝ωｍ・φ・ｃｏｓ（θ−θａ）
なので、ゲイン増幅器１３２で乗じるゲインＧの符号を、ωｍの符号とほぼ同符号であるωｖの符号の反転とする。するとθ＜θａの場合は、Ｖγ＊＞０となり、ω＜ωｖ＝ωｍとなるのでθａがθに一致するように動作する。反対にθ＞θａの場合は、Ｖγ＊＜０となり、ω＞ωｖ＝ωｍとなるのでθａがθに一致するように動作する。従って、座標軸周波数調整器１３によって、ωが同期電動機１の回転角周波数と一致するようになり、Ｖγ＊＝０となるのでθ＝θａとなり、γ軸とｄ軸が一致するようになる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
同期電動機の始動時において、本発明により回転角周波数と磁束軸位相を間違うことなく推定できることから、同期電動機の入力インピーダンスが比較的小さくて、逆起電力が大きい場合でも、安全な始動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明をブロック説明図である。
【図２】従来の始動手順を表したブロック図である。
【図３】０電圧制御器の流れ図である。
【図４】０電圧印加後の静止座標上からみた電流ベクトル軌跡例である。
【図５】本発明を使用して始動手順を表したブロック図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    同期電動機
２    電力変換器
３    スイッチ
４    ０電圧制御器
５    微少電流制御器
６    センサレス始動制御器
７    通常運転制御器
８    電流検出器
９    ０電圧印加器
１０    ０電流制御器
４１    ０電圧印加手段
４２    正逆判定手段
４３    位相演算手段
４４    速度演算手段
４５    停止判断手段
４６    低速判断手段
１１    電流制御器
１１６    積分器
１１１    加減算器
１１２    比例積分増幅器
１１３    加減算器
１１４    比例積分増幅器
１１５    座標変換器
１２    静止座標変換器
１３    座標軸周波数調整器
１３１    静止座標変換器
１３２    ゲイン増幅器
１３３    回転角周波数演算器
１３４    加算器
【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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