(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石形同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記電動機の回転角周波数を検出する速度検出器と、前記電動機の回転子位置に同期し、かつ回転子の回転毎に所定のパルスを出力するＺ信号発生器と、前記速度検出器出力と前記電動機の極対数との積を時間積分することにより電動機回転子の永久磁石の推定方向を出力する位置演算器と、前記Ｚ信号発生器出力により前記位置演算器出力を所定の値にリセットするリセット器と、前記位置演算器出力に基づいて前記電動機の入力電流を制御し、電動機の出力トルクを制御するトルク制御器とからなる前記永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の入力電流を前記位置演算器出力に基づいて、永久磁石の推定された方向に平行な成分であるｄ軸電流と垂直な成分であるｑ軸電流とに分けて出力する電流検出器と、前記電動機の入力電圧を前記位置演算器出力に基づいて、永久磁石の推定された方向に平行な成分であるｄ軸電圧と垂直な成分であるｑ軸電圧とに分けて出力する電圧検出器を有し、かつ、前記位置演算器が動作し始めてから前記リセット器によるリセット動作を１度も行っていない状態で、前記電流検出器及び前記電圧検出器出力を入力とし、前記電力変換器に所定の信号を出力し、永久磁石の方向を修正する信号を出力するセンサレス始動器とで構成したことを特徴とする前記永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項２】
前記センサレス始動器として、
前記位置演算器出力と平行な軸と電動機回転子の永久磁石方向と平行な軸との角度差が４５度以上の場合は、前記位置演算器出力を９０度分修正する信号を出力するｄｑ軸判定器と、このｄｑ軸判定器の動作後に、前記位置演算器出力と電動機回転子の永久磁石の方向が平行になるように前記位置演算器出力を調整する位置推定器と、この位置推定器の動作後に、前記位置演算器出力と電動機回転子の永久磁石の方向との角度差が９０度以上の場合は、前記位置演算器の出力を１８０度分修正する信号を出力する磁極判定器とで構成されることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項３】
前記ｄｑ軸判定器として、
所定時間ｔ１の間、前記電流検出器出力のｄ軸電流を直流成分の無い交流電流となるように制御すると同時に、前記電流検出器出力のｑ軸電流を零となるように制御するｄｑ軸判定用電流制御器と、前記ｔ１期間における前記電圧検出器出力のｄ軸電圧の実効値の平均値を求めるｄ軸実効値演算器と、前記ｔ１の時間経過後に前記ｄ軸実効値演算器出力が所定の値より大きい場合は、前記位置演算器出力を９０度相当分だけ加算（または減算）した値に修正するｄｑ軸修正器とで構成されることを特徴とする請求項１および２記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項４】
前記位置推定器として、
所定時間ｔ２の間、前記電流検出器出力のｄ軸電流を直流成分の無い交流電流となるように制御すると同時に、前記電流検出器出力のｑ軸電流が零となるように制御する位置推定用電流制御器と、前記電流検出器出力のｄ軸電流と前記電圧検出器出力のｑ軸電圧の時間微分値との積から、前記電圧検出器出力のｑ軸電圧と前記電流検出器出力のｄ軸電流の時間微分値との積を減算する位置ずれ演算器と、初期値を零として前記ｔ２期間中に前記位置ずれ演算器出力を比例積分増幅する位置誤差増幅器と、前記位置演算器出力を前記位置誤差増幅器出力分だけ修正する位置修正器とで構成されることを特徴とする請求項１および２記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項５】
前記磁極判定器として、
前記電流検出器出力のｄ軸電流を正の所定の値（Ｉｐ）になるまで流し、その後負の所定の値（−Ｉｐ）になるまで流すようにした磁極判定用電流制御器と、前記電圧検出器出力のｄ軸電圧を前記電流検出器出力のｄ軸電流の時間微分で除してインダクタンスを求めるインダクタンス演算器と、前記電流検出器出力のｄ軸電流が正の所定の値（Ｉｐ）に到達した時点における前記インダクタンス演算器出力値よりも、前記電流検出器出力のｄ軸電流が負の所定の値（−Ｉｐ）に到達した時点における前記インダクタンス演算器出力値の方が小さい時に、前記位置演算器の出力を１８０度相当分だけ加算した値に修正する磁極修正器とで構成されることを特徴とする請求項１および２記載の永久磁石形同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機の制御装置に関するもので、電動機が回転しなければ回転子の位置情報が得られない一般の位置センサを用いた場合の、始動時における電動機回転子の位置推定技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に基づいて従来の技術を説明する。電力変換器１は、永久磁石形同期電動機２に電力を供給する。速度検出器３は永久磁石形同期電動機２の回転角周波数を検出する。Ｚ信号発生器４は永久磁石形同期電動機２の回転子の回転位置に同期して前記回転子が１回転する毎に１つのパルスを出力する。位置演算器５は、速度検出器３出力の回転角周波数と永久磁石形同期電動機２の極対数との積を時間積分して永久磁石形同期電動機回転子の永久磁石の方向を推定する。リセット器６は、Ｚ信号発生器４出力で位置演算器５出力を所定の値にリセットする。トルク制御器７は、位置演算器５出力である永久磁石の推定された方向に基づいて電力変換器１を操作することにより、永久磁石形同期電動機２の入力電流を制御して永久磁石形同期電動機２の出力トルクを制御する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記位置演算器５は、速度検出器３出力の回転角周波数と永久磁石形同期電動機２の極対数との積を時間積分するが、その初期値は任意の値であるため、前記リセット器６によるリセット動作を１度も行なわない領域では、その出力は永久磁石形同期電動機回転子の永久磁石の方向を適切に表すことができない状態となる。前述したようにトルク制御器７は、位置演算器５出力に基づいて電力変換器１を操作するため、この状態では永久磁石形同期電動機２の出力トルクを正しく制御できなくなる問題点があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この問題点を解決するため本発明は、前記永久磁石形同期電動機の入力電流を前記位置演算器出力に基づいて、永久磁石の推定された方向に平行な成分であるｄ軸電流と垂直な成分であるｑ軸電流とに分けて出力する電流検出器と、前記電動機の入力電圧を前記位置演算器出力に基づいて、永久磁石の推定された方向に平行な成分であるｄ軸電圧と垂直な成分であるｑ軸電圧とに分けて出力する電圧検出器を有し、かつ、前記位置演算器が動作し始めてから前記リセット器によるリセット動作を１度も行っていない状態で、前記電流検出器及び前記電圧検出器出力を入力とし、前記電力変換器に所定の信号を出力し、永久磁石の方向を修正する信号を出力するセンサレス始動器とで構成する。
【０００５】
前記センサレス始動器として、前記位置演算器出力と平行な軸と電動機回転子の永久磁石方向と平行な軸との角度差が４５度以上の場合は、前記位置演算器出力を９０度分修正する信号を出力するｄｑ軸判定器と、このｄｑ軸判定器の動作後に、前記位置演算器出力と電動機回転子の永久磁石の方向が平行になるように前記位置演算器出力を調整する位置推定器と、この位置推定器の動作後に、前記位置演算器出力と電動機回転子の永久磁石の方向との角度差が９０度以上の場合は、前記位置演算器の出力を１８０度分修正する信号を出力する磁極判定器とで構成される。
【０００６】
前記ｄｑ軸判定器として、所定時間ｔ１の間、前記電流検出器出力のｄ軸電流を直流成分の無い交流電流となるように制御すると同時に、前記電流検出器出力のｑ軸電流を零となるように制御するｄｑ軸判定用電流制御器と、前記ｔ１期間における前記電圧検出器出力のｄ軸電圧の実効値の平均値を求めるｄ軸実効値演算器と、前記ｔ１の時間経過後に前記ｄ軸実効値演算器出力が所定の値より大きい場合は、前記位置演算器出力を９０度相当分だけ加算（または減算）した値に修正するｄｑ軸修正器とで構成される。
【０００７】
前記位置推定器として、所定時間ｔ２の間、前記電流検出器出力のｄ軸電流を直流成分の無い交流電流となるように制御すると同時に、前記電流検出器出力のｑ軸電流が零となるように制御する位置推定用電流制御器と、前記電流検出器出力のｄ軸電流と前記電圧検出器出力のｑ軸電圧の時間微分値との積から、前記電圧検出器出力のｑ軸電圧と前記電流検出器出力のｄ軸電流の時間微分値との積を減算する位置ずれ演算器と、初期値を零として前記ｔ２期間中に前記位置ずれ演算器出力を比例積分増幅する位置誤差増幅器と、前記位置演算器出力を前記位置誤差増幅器出力分だけ修正する位置修正器とで構成される。
【０００８】
前記磁極判定器として、前記電流検出器出力のｄ軸電流を正の所定の値（Ｉｐ）になるまで流し、その後負の所定の値（−Ｉｐ）になるまで流す磁極判定用電流制御器と、前記電圧検出器出力のｄ軸電圧を前記電流検出器出力のｄ軸電流の時間微分で除してインダクタンスを求めるインダクタンス演算器と、前記電流検出器出力のｄ軸電流が正の所定の値（Ｉｐ）に到達した時点における前記インダクタンス演算器出力値よりも、前記電流検出器出力のｄ軸電流が負の所定の値（−Ｉｐ）に到達した時点における前記インダクタンス演算器出力値の方が小さい時に、前記位置演算器の出力を１８０度相当分だけ加算した値に修正する磁極修正器とで構成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施例を示し、この図に基づいて説明する。電力変換器１は、永久磁石形同期電動機２に電力を供給する。速度検出器３は永久磁石形同期電動機２の回転角周波数を検出する。Ｚ信号発生器４は永久磁石形同期電動機２の回転子の回転位置に同期して前記回転子が１回転する毎に１つのパルスを出力する。位置演算器５’は、速度検出器３出力の回転角周波数と永久磁石形同期電動機２の極対数との積を時間積分して永久磁石形同期電動機回転子の永久磁石の方向θを推定する。リセット器６は、Ｚ信号発生器４出力により位置演算器５’出力θを所定の値にリセットする。トルク制御器７は、位置演算器５’出力である永久磁石の推定された方向θに基づいてスイッチ１１を介して電力変換器１を操作することにより永久磁石形同期電動機２の入力電流を制御して永久磁石形同期電動機２の出力トルクを制御する。
【００１０】
スイッチ１１は、位置演算器５’が動作し始めてからリセット器６によるリセット動作を１度も行なわない領域で、電力変換器１から永久磁石形同期電動機２に電力を供給し始めた所定の時間だけセンサレス始動器１０出力の信号Ｓ０を電力変換器１に接続する。
【００１１】
電流検出器８は、永久磁石形同期電動機２の入力電流として、位置演算器５’出力に基づいて永久磁石の推定された方向θに平行な成分であるｄ軸電流ｉｄと、垂直な成分であるｑ軸電流ｉｑとに分けて出力する。
電圧検出器９は、永久磁石形同期電動機２の入力電圧として、位置演算器５’出力に基づいて永久磁石の推定された方向θに平行な成分であるｄ軸電圧ｖｄと、垂直な成分であるｑ軸電圧ｖｑとに分けて出力する。
【００１２】
センサレス始動器１０は、位置演算器５’が動作し始めてからリセット器６によるリセット動作を１度も行っていない領域で、電力変換器１から永久磁石形同期電動機２に電力を供給し始めた所定の時間、永久磁石形同期電動機２に所定の信号電流を流すための信号Ｓ０を出力し、電流検出器８出力と電圧検出器９出力とから位置演算器５’出力を修正する位置修正信号Ｐを出力する。
【００１３】
位置演算器５’は、センサレス始動器１０出力の位置修正信号Ｐに基づいて、永久磁石形同期電動機２における回転子の永久磁石の方向θの値を任意の初期値から修正して出力する。
【００１４】
センサレス始動器１０は、図２に示されるように、ｄｑ軸判定器１０１と位置推定器１０２と磁極判定器１０３とで構成され、それぞれの制御信号出力であるＳ０１、Ｓ０２、Ｓ０３はスイッチ１０４で順次選択されて信号Ｓ０として出力される。またそれぞれの位置修正信号Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３はスイッチ１０５によりスイッチ１０４と同期して順次選択されて位置制御信号Ｐとして出力される。
【００１５】
ｄｑ軸判定器１０１は、図３に示されるように、ｄｑ軸判定用電流制御器１０１１とｄ軸実効値演算器１０１２とｄｑ軸修正器１０１３とで構成される。
ｄｑ軸判定用電流制御器１０１１は、電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄを直流成分の無い交流電流となるように制御すると同時に、電流検出器８出力のｑ軸電流ｉｑを零となるように制御する状態が所定時間（ｔ１）継続するように電力変換器１を制御するための信号Ｓ０１を出力する。ｄ軸実効値演算器１０１２は、前記ｔ１期間における電圧検出器９出力のｄ軸電圧ｖｄの実効値の平均値を求めて出力する。ｄｑ軸修正器１０１３は、前記ｔ１の時間経過後にｄ軸実効値演算器１０１２の出力が所定の値Ｖｄ０より大きい場合は、位置演算器５’の出力を９０度相当分だけ加算（または減算）した値に修正する位置修正信号Ｐ１を出力する。
【００１６】
一般に、永久磁石を回転子の内部に埋め込こんだ構造の永久磁石形同期電動機においては、回転子の永久磁石の方向のインダクタンスをＬｄ、それと垂直方向のインダクタンスをＬｑとすると、Ｌｑ＞Ｌｄなる関係が成立する。よって位置演算器５’出力である永久磁石形同期電動機２の回転子の永久磁石の推定された方向θと、永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の実際の方向θｒとの位相差が０度付近よりも９０度付近の方が、ｄ軸実効値演算器１０１２出力のｄ軸電圧ｖｄの実効値の平均値が大きくなる。よって前記所定の値Ｖｄ０をＬｄとＬｑの中間の値のインダクタンスに電流を流した時の電圧実効値にしておけば、ｄ軸実効値演算器１０１２の出力がＶｄ０よりも大きければ、θとθｒとの位相差が９０度付近であることが判明する。ｄｑ軸判定器１０１は、この理由に基づいて位置演算器出力である永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の推定された方向θと平行な軸が、永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の実際の方向θｒと垂直な軸の付近に存在するかどうかを判定している。
【００１７】
位置推定器１０２は、図４に示されるように、位置推定用電流制御器１０２１と位置ずれ演算器１０２２と位置誤差増幅器１０２３と位置修正器１０２４とで構成される。位置推定用電流制御器１０２１は電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄを直流成分の無い交流電流となるように制御すると同時に、電流検出器８出力のｑ軸電流ｉｑが零となるように制御する状態が所定時間（ｔ２）継続するように電力変換器１を制御するための信号Ｓ０２を出力する。位置ずれ演算器１０２２は、電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄと電圧検出器９出力のｑ軸電圧ｖｑの時間微分値ｐｖｑとの積から、電圧検出器９出力のｑ軸電圧ｖｑと電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄの時間微分値ｐｉｄとの積を引いたεを演算して出力する。位置誤差増幅器１０２３は、初期値を零として前記ｔ２期間中に位置ずれ演算器１０２２出力εを比例積分増幅して出力する。位置修正器１０２４は、位置演算器５’出力θを位置誤差増幅器１０２３の出力に応じて修正する位置修正信号Ｐ２を出力する。
【００１８】
ここで、位置推定器１０２により位置演算器５’出力θを、実際値θｒに近似できる理由について述べる。位置推定用電流制御器１０２１によりｄ軸電流ｉｄを直流成分の無い交流電流となり、ｑ軸電流ｉｑが零となるように制御された電流検出器８の出力は、
ｉｄ＝Ｉ・ｓｉｎ（ωｔ） （１）
と表すことができる。ここでＩは交流電流の振幅であり、ωは交流電流の角周波数であり、ｔは時間である。位置演算器５’出力θと実際値θｒとの差である位置誤差Δθを、
Δθ＝θ−θｒ （２）
と定義すると、実際の永久磁石の方向の電流ｉｄｒとそれと垂直方向の電流ｉｑｒは、
ｉｄｒ＝Ｉ・ｓｉｎ（ωｔ）・ｃｏｓ（Δθ） （３）
ｉｑｒ＝Ｉ・ｓｉｎ（ωｔ）・ｓｉｎ（Δθ） （４）
となる。従って、実際の永久磁石の方向の電圧ｖｄｒ及びこれに垂直方向の電圧ｖｑｒは、巻線抵抗を無視し、モータが停止していることから逆起電力を無視すると、
ｖｄｒ＝ω・Ｌｄ・Ｉ・ｃｏｓ（ωｔ）・ｃｏｓ（Δθ） （５）
ｖｑｒ＝ω・Ｌｑ・Ｉ・ｃｏｓ（ωｔ）・ｓｉｎ（Δθ） （６）
と表わされる。電圧検出器９の出力のｖｑは、
ｖｑ＝ｖｑｒ・ｃｏｓ（Δθ）−ｖｄｒ・ｓｉｎ（Δθ） （７）
となる。位置ずれ演算器１０２２の出力εは、
ε＝ｉｄ・pｖｑ−ｐｉｄ・ｖｑ （８）
であり、ｐｖｑとｐｉｄはそれぞれ、ｖｑとｉｄの時間微分を表す。ここで、（５）（６）式を代入した（７）式を、（１）式を代入した（８）式に代入すると、
ε＝−ω・ω・Ｉ・Ｉ・（Ｌｑ−Ｌｄ）・ｓｉｎ（２・Δθ） （９）
となる。（９）式より、位置誤差増幅器１０２３でεを比例積分増幅して、位置修正器１０２４出力により位置演算器５’出力θを修正するので、Δθが−９０度から＋９０度の範囲ならばΔθは０度に収束することが解る。なお、Δθが９０度から２７０度の範囲ならばΔθは１８０度に収束する。
【００１９】
磁極判定器１０３は、図５に示されるように、磁極判定用電流制御器１０３１とインダクタンス演算器１０３２と磁極修正器１０３３とで構成される。磁極判定用電流制御器１０３１は、電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄを正の所定の値（Ｉｐ）になるまで流し、その後負の所定の値（−Ｉｐ）になるまで流すような電力変換器１を制御する信号Ｓ０３を出力する。インダクタンス演算器１０３２は、電圧検出器９出力のｄ軸電圧ｖｄを、電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄの時間微分で除することでインダクタンスを求めて出力する。磁極修正器１０３３は、電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄが正の所定の値（Ｉｐ）に到達した時点におけるインダクタンス演算器１０３２出力をＬｄｐとして入力し、電流検出器８出力のｄ軸電流ｉｄが負の所定の値（−Ｉｐ）に到達した時点におけるインダクタンス演算器１０３２出力をＬｄｎとして入力して、Ｌｄｐ＞Ｌｄｎの場合には位置演算器５’出力θを１８０度相当分だけ加算した値に修正する位置修正信号Ｐ３を出力する。
【００２０】
前述したように位置誤差Δθが９０度から２７０度の範囲ならば位置推定器１０２によりΔθは１８０度に収束する。磁極判定器１０３はΔθが１８０度であるかどうかを判定して、その場合はθを１８０度修正することでΔθを０度に再設定するものであり、以下にその理由を述べる。
【００２１】
θが永久磁石と同方向、つまりΔθが０度ならば、ｉｄを正に流すとＬｄ・ｉｄに相当する分だけ磁束が増え、磁気回路が飽和するようになってＬｄは小さくなるが、逆に電流を負に流すと磁束が減少することになって、Ｌｄは小さくなるとは限らない。よってＬｄｐ＜Ｌｄｎなる関係となる。しかしθが永久磁石と逆方向つまりΔθが１８０度ならばＬｄｐ＞Ｌｄｎなる関係となり、θを１８０度修正することでΔθを０度にすることができる。
【発明の効果】
本発明により、位置演算器５’がリセット器６によるリセット動作を１度も行っていない状態であっても、位置演算器の出力を永久磁石の実際の方向に修正することができるので、トルク制御器７は、永久磁石形同期電動機の出力トルクを正しく制御できるようになる。
なお本発明を用いなくても、例えばレゾルバのように、回転しなくても絶対位置が検出できる位置センサを永久磁石形同期電動機に設けておけば、前述の問題点は解決できるが、そのような位置センサは高価で経済的でないばかりでなく、信号線数の増加やノイズ混入等の新たな問題が出てくる。
永久磁石形同期電動機の制御装置がＣＰＵによるディジタル制御で実現されているのであれば、本発明の実現はソフトウエアの変更のみで対応可能であり、コストアップにならず一層効果的であり、実用上大いに有用である。
また、本願において、電圧検出器の構成としては、理解を容易にするため直接の電圧センサにより構成するように記述したが、これを制御信号の加工手段から得ても、本願の主旨を損なわないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を表すブロック図である。
【図２】本発明のセンサレス始動手段を表すブロック図である。
【図３】本発明のｄｑ軸判定器を表すブロック図である。
【図４】本発明の位置推定器を表すブロック図である。
【図５】本発明の磁極判定器を表すブロック図である。
【図６】従来技術の１例を表すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・電力変換器
２・・・永久磁石形同期電動機
３・・・速度検出器
４・・・Ｚ信号発生器
５、５’・・・位置演算器
６・・・リセット器
７・・・トルク制御器
８・・・電流検出器
９・・・電圧検出器
１０・・センサレス始動手段
１０１・・ｄｑ軸判定器
１０２・・位置推定器
１０３・・磁極判定器
１０１１・・ｄｑ軸判定用電流制御器
１０１２・・ｄ軸実効値演算器
１０１３・・ｄｑ軸修正器
１０２１・・位置推定用電流制御器
１０２２・・位置ずれ演算器
１０２３・・位置誤差増幅器
１０２４・・位置修正器
１０３１・・磁極判定用電流制御器
１０３２・・インダクタンス演算器
１０３３・・磁極修正器
１１、１０４、１０５・・・スイッチ
【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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【図６】
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