(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機と、前記同期電動機と接続され複数のスイッチング素子により構成される電力変換器と、前記電力変換器に対して電圧指令を出力して前記同期電動機を制御する制御器と、を備えた同期電動機の制御システムにおいて、
前記同期電動機の三相巻線のうち、通電する二相を選択してパルス電圧を印加し、該パルス印加時の非通電相起電圧に基づいて位相並びに速度を推定する第１の位相推定手段と、前記同期電動機の速度起電圧に基づいて位相並びに速度を推定する第２の位相推定手段と、前記同期電動機を１２０度通電で駆動する第１の駆動手段と、前記同期電動機を１８０度通電で駆動する第２の駆動手段と、前記第１の位相推定手段と前記第２の位相推定手段を選択する第１の選択手段と、前記第１の駆動手段と前記第２の駆動手段を選択する第２の選択手段を備え、
前記同期電動機の回転速度が予め設定した所定値Ｖ１以上の場合には、前記第１の選択手段によって前記第２の位相推定手段を選択する共に前記第２の選択手段で前記第２の駆動手段を選択し、
前記同期電動機の回転速度が予め設定した所定値Ｖ１以下で、且つこの所定値Ｖ１より低い所定値Ｖ２以上の場合には、前記第１の選択手段によって前記第２の位相推定手段を選択する共に前記第２の選択手段で前記第１の駆動手段を選択し、
前記同期電動機の回転速度が前記所定値Ｖ２以下の場合には、前記第１の選択手段によって前記第１の位相推定手段を選択する共に前記第２の選択手段で前記第１の駆動手段を選択することを特徴とする同期電動機の制御システム。
【請求項２】
請求項１記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記非通電相起電圧に基づいて位相並びに速度を推定する前記第１の位相推定手段として、前記同期電動機の三相巻線のうち、通電する二相を選択し、６通りの通電モードにて、パルス幅変調動作によって前記電力変換器を通電制御する制御器とよりなり、前記制御器は、前記非通電相の端子電位と前記同期電動機の固定子巻線の接続点電位（中性点電位）との電位差を検出する電位差手段と、前記検出値を前記通電相の通電期間に同期してサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング値を基準電圧とレベル比較する比較手段と、この比較の結果に応じて通電モードを順次切り替えていく通電モード切替手段を備えることを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項３】
請求項１記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記速度起電圧に基づいて位相並びに速度を推定する第２の位相推定手段として、前記電力変換器を介して前記同期電動機をベクトル制御する電圧ベクトル演算部と、速度の推定値を積分して求める位相推定部の値と前記同期電動機の磁束軸の値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算部と、前記軸誤差の推定値が前記軸誤差の指令値に一致するように速度を制御する速度推定部を備えることを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項４】
同期電動機と、前記同期電動機と接続され複数のスイッチング素子により構成される電力変換器と、前記電力変換器に対して電圧指令を出力して前記同期電動機を制御する制御器と、を備えた同期電動機の制御システムにおいて、
前記同期電動機の回転速度領域を少なくとも第１領域と第２領域及び第３領域に分割し、前記各領域を区切る回転速度Ｖ１及びＶ２の関係が第１領域＜第２領域＜第３領域となるようにＶ２＜Ｖ１を設定し、
前記第１領域では、前記同期電動機を１２０度通電方式で駆動すると共に、前記同期電動機の三相巻線のうち、通電する二相を選択してパルス電圧を印加して前記パルス印加時の非通電相起電圧に基づいて少なくも位相を推定し、この位相に基づいて前記二相の巻線の通電モードを順次切り替え、前記第２領域では、前記同期電動機を１２０度通電方式で駆動すると共に、前記同期電動機の速度起電圧に基づいて少なくとも位相を推定し、この位相に基づいて前記二相の巻線の通電モードを順次切り替え、前記第３領域では、前記同期電動機を１８０度通電方式で駆動すると共に、前記同期電動機の速度起電圧に基づいて少なくとも位相を推定し、この位相に基づいて前記三相の巻線に通電することを特徴とする同期電動機の制御システム。
【請求項５】
請求項４記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記第２領域の幅(Ｖ１とＶ２の間の回転速度範囲)は前記第１領域の幅(停止或いは極低速からＶ２の間の回転速度範囲)及び前記第３領域の幅(Ｖ１から定格回転速度或いは最大回転速度の間の回転速度範囲)より小さい幅に設定されていることを特徴とする同期電動機の制御システム。
【請求項６】
請求項５記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記１８０度通電方式と前記１２０通電方式で前記同期電動機の駆動方式を切り替える回転速度Ｖ１は、前記同期電動機の定格回転数或いは最大回転数の１０％程度であることを特徴とする同期電動機の制御システム。
【請求項７】
同期電動機を１２０度通電方式で起動し、回転速度が上昇して所定の回転速度Ｖ１より大きくなると１８０度通電方式に切り替えて駆動する同期電動機の制御システムにおいて、
前記１２０度通電方式から前記１８０度通電方式へ切り替える際に、前記１２０度通電方式で通電中の力率（電圧と電流の位相差）を改善する力率改善手段を設け、この力率の改善された１２０度通電方式から前記１８０度通電方式に切り替えて駆動すると共に、
前記１２０度通電中の力率を改善する手段として、電力変換器と、電力変換器を介して同期電動機をベクトル制御する電圧ベクトル演算部と、速度の推定値を積分して求める位相推定部の値と、前記同期電動機の磁束軸の値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算部と、前記軸誤差の推定値が前記軸誤差の指令値に一致するように速度を制御する速度推定部を備え、
更に、前記速度推定部の速度推定値を積分して求めた前記位相推定部の出力値から６０度毎に６通りの通電モードを作成し、前記６通りの通電モードにてパルス幅変調によって前記電力変換器を通電制御すると共に、
前記６通りの通電モードの切り替えを判定する手段と、前記通電モードの切替の際に前記通電モードの重なり期間から所定の期間までの間は前記速度推定部の推定速度を使用しない手段を備えたことを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項８】
請求項７記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記軸誤差推定演算部では、前記電圧ベクトル演算部の電圧指令値と、電流指令値あるいは電流検出値と、同期電動機の電気定数であるインダクタンス値と、誘起電圧定数と、前記同期電動機の一相当たりの巻線抵抗値と、速度推定値あるいは速度指令値とを用いて、軸誤差の推定演算を行うことを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項９】
請求項７記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記推定速度を使用しない手段は前記速度推定部に零を入力することを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項１０】
同期電動機を１２０度通電方式で起動し、回転速度が上昇して所定の回転速度Ｖ１より大きくなると１８０度通電方式に切り替えて駆動する同期電動機の制御システムにおいて、
前記１２０度通電方式から前記１８０度通電方式へ切り替える際に、前記１２０度通電方式で通電中の力率（電圧と電流の位相差）を改善する力率改善手段を設け、この力率の改善された１２０度通電方式から前記１８０度通電方式に切り替えて駆動すると共に、
前記１２０度通電中の力率を改善する手段として、電力変換器と、電力変換器を介して同期電動機をベクトル制御する電圧ベクトル演算部と、速度の推定値を積分して求める位相推定部の値と、前記同期電動機の磁束軸の値との偏差である軸誤差を推定する軸誤差推定演算部と、前記軸誤差の推定値が前記軸誤差の指令値に一致するように速度を制御する速度推定部を備え、
更に、６通りの通電モードの切り替えを判定する手段を備え、前記通電モードの切替に応じて前記通電モード内に一回だけ前記速度推定部を動作させることを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記速度推定部の制御ゲインは、速度が高くなるにつれて制御ゲインが大きくなるように設定されていることを特徴とした同期電動機の制御システム。
【請求項１２】
請求項４又は請求項７記載の同期電動機の制御システムにおいて、
前記１８０度通電方式と前記１２０通電方式で前記同期電動機の駆動方式を切り替える回転速度Ｖ１は、前記同期電動機の定格回転数或いは最大回転数の１０％程度であることを特徴とする同期電動機の制御システム。
【請求項１３】
請求項１、請求項４及び請求項７のいずれかに記載の同期電動機の制御システムにおいて、
速度指令値を目標値として前記同期電動機を制御することを特徴とした同期電動機の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は同期電動機の駆動システムに係り、特に、回転子の磁極位置を位置センサを使用しないで推定して同期電動機の回転数やトルクを制御するものに好適な同期電動機の制御システム関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家電分野、産業機器分野、自動車分野等の技術分野では、例えば、ファン、ポンプ、圧縮機、コンベア、昇降機等の回転速度制御、並びにトルクアシスト制御、位置決め制御等に電動機駆動装置が用いられている。
【０００３】
これらの技術分野の電動機駆動装置では、永久磁石を用いた小形で高効率の同期電動機が幅広く用いられている。そして、同期電動機を駆動するには、電動機の回転子の磁極位置の情報が必要であり、そのため磁極位置を検出するレゾルバやホールＩＣ等の位置センサが必要であった。
【０００４】
ところで、近年ではこのような位置センサを用いずに同期電動機の回転数制御やトルク制御を行う“センサレス制御”と呼ばれる技術が普及してきている。このセンサレス制御の実用化によって、位置センサの設置に必要な費用（位置センサ自体の費用や位置センサの配線にかかる費用）が削減でき、また、位置センサが不要となる分だけ装置の小型化や、劣悪な環境での使用が可能になるといった大きな効果が得られるようになっている。
【０００５】
現在、同期電動機のセンサレス制御は、ロータが回転することによって発生する誘起電圧（速度起電圧）を直接検出して回転子の位置情報として同期電動機の駆動を行う方式や、対象となるモータの数式モデルから回転子位置を推定演算して求める位置推定方式などが採用されている。
【０００６】
しかしながら、位置センサの設置に必要な費用が削減でき、また、位置センサが不要となる分だけ装置の小型化や、劣悪な環境での使用が可能になるといった大きな効果があるセンサレス制御であるが、これらのセンサレス制御にも低速運転時の位置検出方法に大きな課題があった。
【０００７】
具体的には、現在実用化されている大半のセンサレス制御は、同期電動機の発生する誘起電圧（速度起電圧）に基づくものであるため、誘起電圧の小さい零速度近傍（実質的な停止状態）や低速度域では誘起電圧の検出感度が低下してしまい位置情報がノイズに埋もれるという課題があった。
【０００８】
このような課題に対して、例えば特開２００９−１８９１７６号公報（特許文献１）にあるように、同期電動機の１２０度通電制御を基礎とした低速度域におけるセンサレス制御方式が提案されており、速度誘起電圧の小さい低速度領域において非通電相（開放相）の起電圧に基づいて回転子の位相と速度を推定して同期電動機を制御することができるようになってきている。
【０００９】
また、特開２００４−０４８８８６号公報（特許文献２）では、同期電動機に印加する電圧（Ｖ）と周波数（Ｆ）との関係を一定に制御する第１の制御系（Ｖ／Ｆ一定制御系）を低速域で、同期電動機の駆動電圧の振幅と位相を制御する第２の制御系（電圧ベクトル制御系）を中高速域に適用し、同期電動機の速度に応じて両駆動方式を切り替えて停止状態から高速域に至る広い速度範囲において、高トルクで高性能な制御特性を向上させている。
【００１０】
更に、駆動方式を切り替える構成の従来例としては、特開２００３−１１１４６９号公報（特許文献３）がある。特許文献３では、間欠通電（１２０度通電）駆動と１８０度通電駆動を切り替える際に、同期電動機の回転数変動を抑えるため、一方の駆動方式における切り替え時の駆動信号を補正して、他方の駆動方式における駆動信号として制御の安定化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−１８９１７６号公報
【特許文献２】特開２００４−０４８８８６号公報
【特許文献３】特開２００３−１１１４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来技術では、例えば特許文献１の発明では、同期電動機が停止或いは低速域において良好な制御性能を得ることができるが、中高速域に至る広い速度範囲においては、速度誘起電圧が大きくなるため、非通電相（開放相）起電圧の閾値に誤差が発生して、電流波形が歪んで力率が低下するようになり、その結果、同期電動機を高トルク・高性能に制御ができない問題がある。
【００１３】
一方、特許文献２の発明では、中高速域に至る広い速度範囲において良好な制御性能を得ることができるが、従来技術のＶ／Ｆ一定制御を用いる低速の領域では、トルク特性が劣化して脱調し易く、また、中高速方式へのトルクショックの小さいスムーズな切り替え、いわゆるシームレス駆動ができない問題がある。
【００１４】
また、特許文献３の発明では、駆動方式切り替え時に駆動信号を補正することで、回転数変動を抑制することは可能であるが、この場合電流位相を考慮していないため切り替え前後で電流波形が歪むことによって、脈動トルクが増大する問題がある。また、停止・低速域における位置センサレス、ならびに駆動切り替えへの対策については何ら記載されていない。
【００１５】
本発明の目的は停止或いは低速状態から中高速域に至る広い速度範囲において、位相及び速度を高精度に推定でき、しかもトルクショックの小さいシームレス駆動を行うことで高性能な制御特性を実現できる同期電動機の制御システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の特徴は、同期電動機を１２０度通電方式で起動し、その後回転速度が所定値以上に上昇した場合に１８０度通電方式に切り替えて駆動するものとし、１２０度通電方式から１８０度通電方式へ切り替える際に、１２０度通電中の力率を改善する力率改善手段を設け、この力率の改善された１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り替えて駆動したことを特徴とする同期電動機の制御システムにある。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、停止状態から中高速域に至る広い速度範囲において、トルクショックの小さいシームレス駆動ができ、高性能な制御特性を実現できる同期電動機の制御システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例になる同期電動機の駆動システムを示すブロック図である。
【図２】同期電動機の二相にパルス電圧を印加する場合の模式図である。
【図３】図２に示すパルス電圧印加に伴う非通電相（開放相）に生じる誘起電圧を示す特性図である。
【図４】通電モードに対応した開放相に発生する誘起電圧の特異製図である。
【図５】通電モードに対応した非通電相（開放相）電圧と基準電圧（閾値）の関係を示す特性図である。
【図６】図１に示す基準レベル切替器の構成を示す構成図である。
【図７】図１に示す位相量子化器の通電モードを示す通電モード図である。
【図８】図１に示す同期電動機に流れる相電流波形を示す波形図である。
【図９】本発明の他の実施例になる同期電動機の駆動システムの主要部である位相・速度推定演算部の構成を表すブロック図である。
【図１０】本発明の更に他の実施例になる同期電動機の駆動システムの主要部である位相・速度推定演算部の構成を表すブロック図である。
【図１１】本発明の更に他の実施例になる同期電動機の駆動システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の同期電動機の駆動システムにおける同期電動機の回転速度に対する通電方式と位相推定方式の組み合わせを示した領域を示す領域説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施例を図１乃至図１１を用いて詳細に説明するが、各図中において、共通する符号は同一物、或いは機能が均等のものを示している。
【００２０】
また、ここでは制御対象となる同期電動機を回転子に永久磁石を用いた同期電動機について示したが、他の同期電動機（例えば、回転子に界磁巻線を使用したもの、あるいはリラクタンストルクによって駆動される電動機など）でも本発明の技術的思想を適用でき、ほぼ同様の効果を得ることができるものである。
【実施例１】
【００２１】
図１は本発明の第１の実施例になる同期電動機の駆動システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、第1の実施例である同期電動機の駆動システムは、制御対象となる同期電動機４と、この同期電動機４と接続され、複数のスイッチング素子により構成される電力変換器（いわゆるインバータ装置）２と、この電力変換機２に対し、電圧指令を出力して同期電動機４を制御する複数の機能部よりなる制御器を有している。
【００２２】
この制御器は、同期電動機４の三相巻線のうち通電する二相を選択してパルス電圧を印加し、パルス印加時の非通電相（開放相のことであるが以下すべて非通電相という。）の起電圧に基づいて位相（回転子の磁極位置）、並びに速度を推定する手段（モード切替トリガー発生器８、速度変換部２０）、及び同期電動機の速度起電圧に基づいて位相、並びに速度を推定する手段（位相・速度推定演算部１５）の２つの推定手段と、それぞれ２つの推定手段を切り替える切り換え手段（２０１ｂ）と、同期電動機を１２０度通電で駆動する駆動手段（１２０度通電方式部である制御器３０）、及び同期電動機を１８０度通電で駆動する駆動手段（１８０度通電方式部である制御器３１）の２つの駆動手段と、それぞれ２つの駆動手段を切り替える切り換え手段（２０１ａ）とを備えて構成されている。
【００２３】
はじめに、停止・低速域における停止・低速域制御装置部の構成、並びに制御方式について説明する。
【００２４】
この停止・低速域制御装置部は同期電動機４の印加電圧指令Ｖ＊を出力する電流制御演算部（Ｉ）１ａと、同期電動機４への印加電圧を演算し、電力変換器２へのパルス幅変調波（ＰＷＭ）信号を生成するパルス幅変調部（Ｉ）１２ａと、パルス幅変調部（Ｉ）１２ａの信号を受けて、ゲートドライバ７を介して交流電圧を発生する電力変換部２と、これらによって制御される同期電動機４から構成されている。
【００２５】
電流制御演算部（Ｉ）１aでは、図示しない上位制御装置から与えられる第１のｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とｑ軸電流検出値Ｉｑｃを加算器２３aで演算した後の電流指令値から同期電動機４への印加電圧指令Ｖ＊を出力する。
【００２６】
パルス幅変調部（Ｉ）１２ａでは、電圧指令Ｖ＊に基づき、パルス幅変調された１２０度通電波を作成する。通電モード決定器６では、電力変換機２を構成する主回路部の６通りのスイッチングモードを決定する指令を順次出力する。
【００２７】
ゲートドライバ７では、電力変換機２の主回路部の各々のスイッチング素子を直接駆動して同期電動機４に電圧指令Ｖ＊に相当する電圧を印加する。
【００２８】
また、通電モード決定器６は、切り替えスイッチ２０１ｂが発生する信号によって、通電モードを切り替えていく。更に、切り替えスイッチ２０１ｂは、１２０度通電方式のモード信号を選択するスイッチでもあり、低速時には、スイッチをＬｂ側にして、モード切替トリガー発生器８の信号に基づいて、モードを切り替える。所定の速度以上になった場合には、切り替えスイッチ２０１ｂをＨｂ側に切り替えて、位相・速度推定演算部１５の信号に基づいてモードの切り替えを行う。
【００２９】
モード切替トリガー発生器８は、基準レベル切替器９と、同期電動機４の非通電相起電圧の基準となる閾値を発生する比較器１１と、同期電動機４の端子電圧の中から、非通電相をモード指令に基づいて選択する非通電相電位選択部１０とからなる。
【００３０】
また、比較器１１の出力は、速度変換部２０を介して速度ω１Ｌに変換され、速度判定器２１において後で述べる切替速度Ｖ１または切替速度Ｖ２であるかを判定し、速度が切替速度Ｖ２以下の場合、制御器３０と、位相変換部２２で得られた非通電相起電圧に基づく位相、並びに速度の推定方式を用いて同期電動機を駆動する。つまり、切り換えスイッチ２０１ａ、２０１bを低速側Ｌａ、Ｌbに切り替えるものである。
【００３１】
尚、制御器３０、すなわち１２０度通電方式は同期電動機４の三相巻線から２つの相を選択して電圧を印加してトルクを発生させるものであり、その２つの相の組み合わせは６通り存在し、それぞれを通電モード１〜通電モード６と定義している。ここで、３つの巻線はそれぞれ周知の通りＵ相、Ｖ相、Ｗ相と定義されている。
【００３２】
図２（ａ）は、Ｖ相からＷ相へ通電している状態のモード（後述するように通電モード３に対応する）を示し、同図（ｂ）は反対にＷ相からＶ相へ通電している状態の通電モードを示すものである。
【００３３】
これらに対して、回転子の位置角度を電気角一周期分変化させた場合の非通電相であるＵ相に現れる起電圧は図３のようになり、回転子位置によってＵ相の起電圧が変化する様子がわかる。
【００３４】
この起電圧は速度誘起電圧ではなく、Ｖ相とＷ相に生じる磁束の変化率の差異が非通電相であるＵ相にて電圧として観測されたものであり、速度誘起電圧と区別する。
【００３５】
そして、図３において低速時の実線で示す正パルス時の非通電相の電圧及び破線で示す負パルス時の非通電相の起電圧はいずれも速度誘起電圧Emuに比べて大きいことがわかる。
【００３６】
したがって、速度誘起電圧に代えてこの非通電相の起電圧を検出すれば同期電動機４の回転が零速度近傍から低速度域に亘って比較的大きな回転子の位置信号が得られるものである。
【００３７】
図４は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の非通電相時の起電圧、電力変換器２を構成するスイッチング素子のゲート信号、同期電動機の回転位相角θd、並びに通電モードを示している。
【００３８】
上述した図２（ａ）、（ｂ）に示した電圧パルスは、120度通電の通常の動作中に印加され、位相角θdに応じて60度毎に通電する２相が切替えられている。つまり、非通電相も順次切替えられていくものである。
【００３９】
図４において、通電モード３、ならびに通電モード６がそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）の状態と等価であり、この時Ｕ相は非通電相であるため非通電相としての起電圧は太い矢印のところで現れるようになる。すなわち、通電モード３ではマイナス方向に減少し、通電モード６ではプラス方向に増加するような起電圧が観測されることになる。
【００４０】
当然のことながら非通電相は順次切り替えられていくので、Ｖ相が非通電相である場合は通電モード２と通電モード５で非通電相の起電圧は太い矢印のところで現れ、通電モード２ではプラス方向に増加し、通電モード５ではマイナス方向に減少するような起電圧が観測される。
【００４１】
同様にＷ相が非通電相である場合は通電モード１と通電モード４で非通電相の起電圧は太い矢印のところで現れ、通電モード１ではマイナス方向に減少し、通電モード４ではプラス方向に増加するような起電圧が観測される。
【００４２】
図５に、通電モードと非通電相、並びに非通電相の起電圧の関係を示しており、通電モードが切り替わる毎に非通電相の起電圧が正と負でそれぞれに上昇と減少を繰り返す様子がわかる。そこで、正側、負側にそれぞれ閾値となる基準電圧（Vhp、Vhn）を設定しておき、この基準電圧と非通電相の起電圧の大小関係から位相を推定することができ、これによって通電モード切替のトリガー信号を発生させることができる。
【００４３】
つまり、基準電圧が通電モードを切り替える所定の位相を表す値として見做され、これを実際の非通電相の起電圧が超えるとその時点でモード切替トリガー信号が発生されて通電モードが切り替えられるものである。したがって、この基準電圧は暫定的に決められたものであるが、停止・低速状態では十分位相を推定できる実力を有している。
【００４４】
これらの動作をモード切替トリガー発生器８にて実現しており、非通電相電位選択器１０にて通電モードに応じた非通電相を選択し、その相の起電圧を検出している。また、正転方向の閾値となる基準電圧を発生する図６に示す基準レベル切替器９にて正側基準電圧Vhpと負側基準電圧Vhnを発生する。つまり、切換スイッチ１１３によって通電モード２、４、６では正側基準電圧Vhpを発生し、通電モード１、３、５では負側基準電圧Vhnを発生する。
【００４５】
そして、先の非通電相の起電圧と、正側基準電圧Vhpと負側基準電圧Vhnを閾値として比較器１１に入力してその値の比較を行い、非通電相の起電圧が閾値に到達した時点でモード切替トリガー信号を発生して通電モードを正回転方向に進める。以上が、零速度近傍にトルクを発生させるための基本的な動作である。
【００４６】
図６に同期電動機４の非通電相の起電圧の基準となる基準電圧を発生する基準レベル切替器９の構成を示している。基準レベル切替器９は、正側基準電圧設定器１１１、負側基準電圧設定器１１２、切り替えスイッチ１１３の機能部品から構成されている。通電モード指令が通電モード１、３、５の場合、切り替えスイッチ１１３を状態１側にして閾値である基準電圧をＶｈｐにし、通電モード指令がモード２、４、６の場合には切り替えスイッチ１１３を状態２側にして基準値をＶｈｎに設定する。
【００４７】
比較器１１では、この正側基準電圧Vhp及び負側基準電圧Vhnと、非通電相の起電圧の大きさを比較して通電モード切替のトリガー信号を発生する。これによって、回転する回転子の位置に応じて、適切なモータ駆動トルクが得られる。非通電相の誘起電圧は、速度起電圧によるものではなく、磁束の変化に基づく起電圧(変圧器起電圧)であるため、停止或いは極低速状態であっても感度よく検出することができる。
【００４８】
以上のように、非通電相の起電圧を検出してやれば停止した状態や極低速時の回転子位置を精度良く検出することができる。また、これに基づきて回転速度も求められるものである。
【００４９】
ところが、非通電相の起電圧に対して回転速度が大きくなるにつれて速度起電圧のほうが支配的となり、速度起電圧の影響が大きい中高速域においては感度が低下して検出精度が劣化するため駆動方式を切り替える必要がある。
【００５０】
次に、中高速域における中高速域制御装置部の構成、ならびに制御方式について説明すると、位置センサを使用しない技術としては、特開２００６−２０４１１号公報に記載のようにベクトル制御を行う方式がある。
【００５１】
同期電動機４をベクトル制御するための電流制御演算部（ＩＩ）１ｂ、ならびに電圧ベクトル制御演算部１３と、電圧ベクトル制御演算部１３からの信号と位相推定部１９からの位相推定値θｃから座標変換する座標変換部１４aと、電力変換器２へのＰＷＭ信号を生成するパルス幅変調部（ＩＩ）１２ｂと、パルス幅変調部（ＩＩ）１２ｂの信号を受けて、ゲートドライバ７を介して交流電圧を発生する電力変換器２と、同期電動機４に流れる三相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流検出器３と、これらによって制御される同期電動機４から構成されている。
【００５２】
座標変換部１４ｂでは、三相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの検出値Ｉｕｃ、Ｉｖｃ、Ｉｗｃと位相推定部１９からの位相推定値θｃからｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃを出力する。
【００５３】
軸誤差推定演算部１７では、ｄ軸およびｑ軸の第２の電圧指令値Ｖｄ＊＊、Ｖｑ＊＊、速度推定値ω１Ｈ、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃおよび同期電動機の電気定数に基づいて、位相推定値θｃと同期電動機のｄ軸位相θｄとの偏差である軸誤差の推定演算を以下の式（数１）により行い、推定値Δθｃを出力する。
【００５４】
【数１】
0005509167.tif 000002
ここで、Ｒ１＊：一相当たりの巻線抵抗値、  Ｌｑ＊：ｑ軸インダクタンス値  、＊：設定値
そして、加算器２３dによって「零」である軸誤差の指令値Δθｃ＊と軸誤差の推定値Δθｃとの偏差を求め、この偏差から速度推定部１８では速度推定値ω１Ｈを出力する。
【００５５】
また、位相推定部１９では、速度推定値ω１Ｈを積分して、座標変換部１４ａ、１４ｂに位相推定値θｃを出力する。
【００５６】
更に、電流制御演算部（ＩＩ）では、図示しない上位制御装置から与えられるｄ軸およびｑ軸の第１の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と、ｄ軸およびｑ軸の電流検出値Ｉｄｃ、Ｉｑｃとから加算器２３ｂ、加算器２３ｃによってｄ軸およびｑ軸の第２の電流指令値Ｉｄ＊＊、Ｉｑ＊＊を出力する。
【００５７】
また、電圧ベクトル演算部１３では、同期電動機４の電気定数と、ｄ軸およびｑ軸の第２の電流指令値Ｉｄ＊＊、Ｉｑ＊＊および速度推定値ω１Ｈに基づいて、以下の行列式（数２）に示すｄ軸およびｑ軸の第２の電圧指令値Ｖｄ＊＊、Ｖｑ＊＊を出力する。
【００５８】
【数２】
0005509167.tif 000003
ここで，Ｌｄ＊：ｄ軸インダクタンス値、  Ｋｅ＊：誘起電圧定数
そして、座標変換部１４ａでは、前記電圧指令値Ｖｄ＊＊、Ｖｑ＊＊と位相推定値θｃから三相交流の電圧指令値ＶＵ＊、ＶＶ＊、ＶＷ＊を出力する。
【００５９】
尚、制御器３１、すなわち１８０度通電方式は同期電動機の三相巻線の全てに電圧を印加してトルクを発生させるように作動する。
【００６０】
ここで、速度推定値ω１Ｈは、速度判定器２１で切替速度となるＶ１またはＶ２であるかを判定し、速度がＶ１より大きい場合、制御器３１と、速度起電圧に基づく位相、ならびに速度の推定方式を用いて同期電動機を駆動する。つまり、切り換えスイッチ２０１ａ、２０１ｂを中高速側Ｈａ、Ｈｂに切り替えるものである。以上が中高速制御装置部の構成、ならびに制御方式である。
【００６１】
上述したように、極低速側では通電方式を１２０度通電方式にする共に非通電相の起電力によって回転子の位相や速度を推定し、中高速側では通電方式を１８０度通電方式にする共に速度起電圧によって回転子の位相や速度を推定して電力変換器２を制御するようにしたので同期電動機４を高精度に駆動することが可能となった。
【００６２】
しかしながら、このように同期電動機４の回転速度によって通電方式を１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り換える際にトルクショックを伴うことが判明した。
【００６３】
この理由は、１２０度通電方式を利用して得られる非通電相の起電圧と正側（負側）基準電圧の大小関係から通電モード切替信号（位相）を類推していることに起因している。
【００６４】
前述したように、正側（負側）基準電圧が通電モードを切り替える所定の位相を表す値として見做され、これを実際の非通電相の起電圧が超えるとその時点で通電モード切替トリガー信号が発生されて通電モードが切り替えられるものであるが、この基準電圧は予め決められたものである。
【００６５】
したがって、回転速度が低い場合は非通電相の起電圧に比べて速度誘起電圧が低いので両者が加算されてもさほど通電モード切替信号の発生時期は影響されないが、回転速度が上昇するにつれて速度誘起電圧が大きくなってくるとこの速度誘起電圧の増加分だけ早く正側（負側）基準電圧より大きくなる。
【００６６】
このため通電モード切替信号が正規の位相より早く発生されて電流の位相が進むことになり、結果として力率が悪化する傾向を示し、通電方式を１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り換える際にトルクショックを伴うようになるものである。
【００６７】
そこで、本発明では通電方式を１２０度通電方式から１８０度通電方式に切り換える際にトルクショックを伴わない、或いはトルクショックを抑制した切り換え制御を提案するものである。
【００６８】
以下、本発明の特徴であるトルクショックを伴わない、或いはトルクショックを抑制したトルクショックの小さいシームレス駆動方式について説明する。
【００６９】
本発明の一つの特徴は、同期電動機４を低速域では１２０度通電方式で起動し、その後、回転速度が上昇してくると１８０度通電方式に切り替えて駆動するものを基本とし、１２０度通電方式から１８０度通電方式へ切り替える際に、１２０度通電中の力率を改善する力率改善手段を用いて通電方式を切り替えるとようにしたものである。
【００７０】
具体的には、速度判定器２１で判定された速度ω１Ｌないしω１Ｈが第１切換速度Ｖ１より大きい場合は速度起電力に基づく位相推定部１９による位相推定値θｃを用いた１８０度通電方式とし、速度判定器２１で判定された速度ω１Ｌないしω１Ｈが第１切換速度Ｖ１より小さい場合は非通電相の起電圧に基づくモード切替トリガー発生器８によるモード切替信号を用いた１２０度通電方式を基本とする。
【００７１】
そして、第１切換速度Ｖ１とこの第１切換速度Ｖ１より小さい第２切換速度Ｖ２の間ではモード切替トリガー発生器８の信号を使用せずに位相推定部１９の出力値である位相推定値θｃに基づいて、通電モードを決定するようにしたものである。
【００７２】
図１２にこの制御方式を模式的に示しており、同期電動機の回転速度領域を少なくとも第１領域と第２領域及び第３領域に分割し、前記各領域を区切る回転速度Ｖ１、Ｖ２の関係が第１領域＜第２領域＜第３領域となるようにＶ２＜Ｖ１に設定している。
【００７３】
図１２において切換速度Ｖ１以上の第３領域では１８０度通電方式を採用し、その位相は速度起電力に基づく位相推定部１９による位相推定値θｃを用いている。また、切換速度Ｖ１以下の第２領域及び第１領域では１２０度通電方式を採用し、その位相は２つの位相推定値を切り替えて使用している。
【００７４】
つまり、切換速度Ｖ２以下の第１領域では非通電相の起電圧に基づくモード切替トリガー発生器８によるモード切替信号を用いているのに対し、切換速度Ｖ１と切換速度Ｖ２の間の第２領域では速度起電力に基づく位相推定部１９による位相推定値θｃを用いているものである。
【００７５】
このように、１８０度通電方式で使用される速度起電力に基づいた位相推定値θｃを用いて１２０通電方式のモード切替信号を用いている点が新しいものである。
【００７６】
ここで、第２領域の幅(Ｖ１とＶ２の間の回転速度範囲)は第１領域の幅(停止或いは極低速からＶ２の間の回転速度範囲)及び第３領域の幅(Ｖ１から最大速度の間の回転速度範囲)より小さい幅に設定されている。
【００７７】
図１に戻って、速度判定器２１で判定された速度ω１Ｌないしω１Ｈが第２切換速度Ｖ２より小さい場合は切り換えスイッチ２０１ａはＬａの低速側位置に制御され、且つ切り換えスイッチ２０１ｂはＬｂの低速側位置に制御される。このため、このときの動作としては先に説明した停止・低速域制御の動作を行う。この場合は第１領域に相当する領域である。
【００７８】
一方、速度判定器２１で判定された速度ω１Ｌないしω１Ｈが第１切換速度Ｖ１より大きい場合は切り換えスイッチ２０１ａはＨａの高速側位置に制御され、且つ切り換えスイッチ２０１ｂはＨｂの高速側位置に制御される。このため、このときの動作としては先に説明した中高速域制御の動作を行う。この場合は第３領域に相当する領域である。
【００７９】
更に、速度判定器２１で判定された速度ω１Ｌないしω１Ｈが、第１切換速度Ｖ１より小さく第２切換速度Ｖ２より大きい場合は、切り換えスイッチ２０１ａはＬａの低速側位置に制御され、且つ切り換えスイッチ２０１ｂはＨｂの高速側位置に制御される。この場合は第２領域に相当する領域である。
【００８０】
このとき、速度誘起電力は非通電相の起電圧による場合に比べて正確な位相を導き出せる程度まで上昇しているので位相推定部１９で推定される位相推定値θｃはかなり正確に連続的な値を取得することができる。
【００８１】
ここで、この位相推定値θｃを１２０度通電方式に適用できるように変換することが必要となるが、これは位相推定部１９の位相推定値θｃを位相量子化器１６によってその変換が実施できるものである。
【００８２】
図７に示してあるように、位相量子化器１は位相推定部１９で得られた連続した位相推定値θｃを６０度毎に量子化して階段状に位相を決定し、この位相にしたがって通電モードを選択していくようにするものである。量子化に際しては、例えば連続した位相推定値θｃの６０度毎の中央値を通電モード切り替えトリガー信号として用いれば良いものであるが、これはそのシステムで最適な位相を選ぶように適宜決められるものでもある。
【００８３】
このように、位相量子化器１６においては位相推定値θｃを６０度毎に更新される値に変換し、通電モード決定器６ではこの位相量子化器１６が発生する信号によって、１周期（３６０°）で６つの通電モードに切り替えていくように作動するものである。
【００８４】
これによって、先に述べたような回転速度が上昇するにつれて速度誘起電圧が大きくなってくるとこの速度誘起電圧の増加分だけ早く正側（負側）基準電圧より大きくなることで電流の位相が進むことによって力率が悪化するという課題を解決することが期待できる。
【００８５】
つまり、切換速度Ｖ１で１２０度通電方式から１８０度通電方式へ切り替える場合に、１２０度通電方式で使用していた非通電相の起電圧から通電モードを切り替える方式だと切換速度Ｖ１より低く且つ切換速度Ｖ１付近で速度起電圧の増加分だけ電流の位相が進むの対し、本実施例では切換速度Ｖ１と切換速度Ｖ２の間では速度起電力に基づく位相推定部１９による位相推定値θｃを用いているので、非通電相の起電圧から通電モードを切り替える方式に比べて正確な位相が推定できるので電流位相の進みが少なくなり力率が改善できるものである。この結果、トルクショックの小さいシームレス駆動が可能となるものである。
【００８６】
ここで、前記同期電動機を駆動する際の１２０度通電方式と１８０度通電方式を切り替える閾値となる切換速度Ｖ１は、同期電動機の定格回転数あるいは最大回転数の１０％程度であることが望ましい。
【００８７】
また、位相推定方式を切り替える閾値となる切換速度Ｖ２は、切換速度Ｖ１より低い速度であるが、これは採用されるシステムや位相推定に使用される検出センサ等の特性に合わせて最適な値が選ばれるものである。
【００８８】
図８には同期電動機に流れる電流波形の測定結果の比較例を示しており、図において（ａ）は特許文献１を用いた場合での相電流波形を示しており、（ｂ）は本発明を用いた場合での相電流波形を示している。また、図８において、特許文献１を用いて同期電動機を試験した場合での電流の実効値を１．０ｐ．ｕ．として基準化して示している。
【００８９】
図８よりわかるように、本実施例を用いた場合では同期電動機の電流波形のひずみ率を低減でき、１２０度通電中の力率を改善できることが実測にて確認することができた。
【００９０】
以上説明したように、本実施例を各種同期電動機に適用すれば、停止状態から中高速域に至る広い速度範囲において、トルクショックの小さいシームレス駆動ができ、高性能な制御特性を実現できる同期電動機の制御システムを提供できるものである。
【実施例２】
【００９１】
図９には、本発明に係る同期電動機の制御システムの他の実施形態の主要部である位相・速度推定演算部の構成を表すブロック図を示し、図１と同一物には同一符号を付してある。
【００９２】
１２０度通電では、通電モード切替直後に通電相の重なり期間が発生するため、この期間の位相推定結果には誤差が含まれる可能性がある。したがって、通電モード切換直後の所定の期間、例えば所定時間の間は通電モード切替直後の位相推定を禁止するようにすると良い。
【００９３】
図９において、軸誤差推定演算部１７から出力は加算器２３ｄに送られ、この加算器２３ｄと速度推定部１８の間にマスク設定部２５が設けられている。このマスク設定部２５は切換スイッチ機能を有し、フラグ０とフラグ１によって加算器２３ｄの出力を選択するか或いは「零」出力を選択するかの選択機能を有している。
【００９４】
したがって、通電モードが切換られ直後の所定の停止時間だけフラグ０が選択され、この場合は「零」出力が出力されて位相推定が禁止されるものである。一方、所定の停止時間が経過するとフラグ０からフラグ１に切り替わり、加算器２３ｄからの出力が選択されて位相推定が実施されるものである。
【００９５】
尚、所定期間は本実施例では時間経過を用いたが、所定角度の間にわたって「零」出力を設定するようにしても同様の効果が得られるものである。
【００９６】
このように構成した同期電動機の制御システムにおいても同期電動機の電流波形のひずみ率を低減し、１２０度通電中の力率を改善できる（図示せず）ことはいうまでもない。よって、このように構成しても、図１と同様の効果を得ることができる。
【実施例３】
【００９７】
図１０には、本発明に係る同期電動機の制御システムの更に他の実施形態の主要部である位相・速度推定演算部の構成を表すブロック図を示し、図１と同一物には同一符号を付してある。
【００９８】
実施例２で述べたように、１２０度通電では、通電モード切替直後に通電相の重なり期間が発生するため、この期間の位相推定結果には誤差が含まれる可能性がある。したがって、この誤差を抑制することが重要である。
【００９９】
このため、実施例２と同様に１２０度通電中の電圧位相が６０度毎に更新される点を利用し、速度推定部１８に通常の連続した推定速度信号を出力する速度推定部(通常)１８ａと、６０度毎に推定速度信号を出力する速度推定部(６０度毎)１８ｂと、これらの速度推定部(通常)１８ａと速度推定部(６０度毎)１８ｂを選択するモード切替器を１８ｃを設けるようにしている。そして、フラグ０では速度推定部(通常)１８ａが選択され、フラグ１では６０度毎に推定速度信号を出力する速度推定部(６０度毎)１８ｂを選択するようにフラグを設定する。
【０１００】
したがって第３領域(Ｖ１から最大速度の間の回転速度範囲)では速度推定部（通常）１８ａの速度推定信号が選択され、第２領域(Ｖ１とＶ２の間の回転速度範囲)では速度推定部（６０度毎）１８ｂ）の速度推定信号が選択されるものである。
【０１０１】
また、第３領域(Ｖ１から最大速度の間の回転速度範囲)では速度推定部（通常）１８ａの速度推定信号が位相推定部１９によって位相推定されて位相推定値θｃが生成されて１８０通電方式で使用され、第２領域(Ｖ１とＶ２の間の回転速度範囲)では速度推定部（６０度毎）１８ｂの速度推定信号が位相推定部１９によって位相推定され、その後位相量子化器１６によってモード切替信号が生成され１２０通電方式で使用されるものである。
【０１０２】
ただし、そのフラグによって判別されたモード内では速度推定部１８を一回動作させており、また、その動作タイミングは任意に設定可能に構成されている。
【０１０３】
ここで、１２０度通電中は電圧位相が６０度毎に一回の更新であることから、制御システムとしてみるとむだ時間要素となる。そのため、同期電動機の回転速度に応じて速度推定部（６０度毎）１８ｂの制御ゲインを可変とする必要が生じる。このための制御ゲインとしては回転速度が低い場合は制御ゲインを小さくし、回転速度が高い場合は制御ゲインを大きくするようにすると良い。このゲインは回転速度に対して階段状に変化させても良いし、連続的に変化させても良いものである。
【０１０４】
なお、このように構成した同期電動機の制御システムにおいても同期電動機の電流波形のひずみ率を低減し、１２０度通電中の力率を改善できる（図示せず）ことはいうまでもない。よって、このように構成しても、図１と同様の効果を得ることができる。
【実施例４】
【０１０５】
図１１には、本発明に係る他の実施形態の同期電動機の制御システム構成を表すブロック図を示し、図１と同一物には同一符号を付してある。
【０１０６】
図１１において、図１と異なるところは同期電動機の制御システムにおいて、速度指令値ωｒ＊を目標値として、同期電動機を制御する速度制御演算部２４を備えたことである。
そして、速度指令値ωｒ＊は切替スイッチ２０１ｃによって１２０度通電方式部３０の速度変換部２０と速度判定器２１、及び１８０度通電方式部３１の加算器２３ｃに選択的にあたえられる要に構成されている。
【０１０７】
これ以外の構成要件の機能、動作は図１に示す実施例とほぼ同様であり、その作用、効果についても図１に示す実施例と同様の効果を期待できる。
【０１０８】
尚、このように構成した同期電動機の制御システムにおいても同期電動機の電流波形のひずみ率を低減し、１２０度通電中の力率を改善できる（図示せず）ことはいうまでもない。よって、このように構成しても、図１と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【０１０９】
１ａ…電流制御演算部（Ｉ）、１ｂ…電流制御演算部（ＩＩ）、２…電力変換器（インバータ）、３…電流検出器、４…同期電動機（同期電動機）、５…電圧検出器、６…通電モード決定器、７…ゲートドライバ、８…モード切替トリガ発生器、９…基準レベル切替器、１０…非通電相電位選択器、１１…比較器、１２ａ…パルス幅変調部（Ｉ）、１２ｂ…パルス幅変調部（ＩＩ）、１３…電圧ベクトル制御演算部、１４ａ、１４ｂ…座標変換部、１５…位相・速度推定演算部、１６…位相量子化器、１７…軸誤差推定演算部、１８…速度推定部、１８ａ…速度推定部（通常）、１８ｂ…速度推定部（６０度毎）、１９…位相推定部、２０…速度変換部、２１…速度判定器、２２…位相変換部、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…加算器、２４…速度制御演算部、３０…１２０度通電方式部、３１…１８０度通電方式部、５０…電流選択部、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、１１３…切替スイッチ、１１１、１１２…基準レベル設定器。
【図１】
0005509167.tif 000004
【図２】
0005509167.tif 000005
【図３】
0005509167.tif 000006
【図４】
0005509167.tif 000007
【図５】
0005509167.tif 000008
【図６】
0005509167.tif 000009
【図７】
0005509167.tif 000010
【図８】
0005509167.tif 000011
【図９】
0005509167.tif 000012
【図１０】
0005509167.tif 000013
【図１１】
0005509167.tif 000014
【図１２】
0005509167.tif 000015