(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期モータの電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行って磁束を表す積分値を得、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータを制御する同期モータ制御方法であって、
積分値から直流成分を除去し、直流成分が除去された積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出する
ことを特徴とする同期モータ制御方法。
【請求項２】
積分値の直流成分を計算し、計算値に所定の係数を乗算して積分処理の入力側にフィードバックすることにより、積分値から直流成分を除去する請求項１に記載の同期モータ制御方法。
【請求項３】
所定の係数を同期モータの回転数に応じて変化させる請求項２に記載の同期モータ制御方法。
【請求項４】
積分値の直流成分を計算し、積分値から計算値を減算することにより、積分値から直流成分を除去する請求項１に記載の同期モータ制御方法。
【請求項５】
前記同期モータは突極性を有するものである請求項１から請求項４の何れかに記載の同期モータ制御方法。
【請求項６】
前記同期モータは圧縮機を駆動するものである請求項５に記載の同期モータ制御方法。
【請求項７】
同期モータ（４）の電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行って磁束を表す積分値を得、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータ（４）を制御する同期モータ制御装置であって、
積分値から直流成分を除去する直流成分除去手段（１３）をさらに含み、直流成分が除去された積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出する
ことを特徴とする同期モータ制御装置。
【請求項８】
前記直流成分除去手段（１３）は、積分値の直流成分を計算し、計算値に所定の係数を乗算して積分処理の入力側にフィードバックすることにより、積分値から直流成分を除去するものである請求項７に記載の同期モータ制御装置。
【請求項９】
前記直流成分除去手段（１３）は、所定の係数を同期モータの回転数に応じて変化させる係数変化手段をさらに含むものである請求項８に記載の同期モータ制御装置。
【請求項１０】
前記直流成分除去手段（１３）は、積分値の直流成分を計算し、積分値から計算値を減算することにより、積分値から直流成分を除去するものである請求項７に記載の同期モータ制御装置。
【請求項１１】
前記同期モータ（４）は突極性を有するものである請求項７から請求項１０の何れかに記載の同期モータ制御装置。
【請求項１２】
前記同期モータ（４）は圧縮機を駆動するものである請求項１１に記載の同期モータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同期モータの電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行い、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータを制御する同期モータ制御方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、同期モータを制御するためにホール素子などのセンサを用いることなく回転子の回転位置角（以下、ロータ位置と略称する）を検出することが提案されている。
【０００３】
そして、このようにロータ位置を検出するための方法として、疑似積分を含む固定座標モータモデルを採用する方法が提案されている｛「突極型ブラシレスＤＣモータのセンサレス位置推定法と安定性の検討」、陳志謙他、平成１０年電気学会産業応用部門全国大会、ｐｐ．１７９−１８２、の図５（以下、論文１と略称する）、および「突極形ＰＭＳＭのセンサレスベクトル制御」、千住智信他、ＲＭ−９８−１５７、ｐｐ．１−６（以下、論文２と略称する）参照｝。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
純粋積分を含む固定座標モータモデルを想定した場合には、積分出力に直流成分（オフセット）が残ることに起因して、ロータ位置推定精度および安定性が劣化するという不都合がある。
【０００５】
時定数Ｔｃの疑似積分を含む固定座標モータモデルを用いてロータ位置を検出する方式（例えば、文献１の方式）を採用した場合には、
（１）時定数Ｔｃが小さいほど疑似積分の出力の位相などが純粋積分の出力の位相などとずれてしまい、ロータ位置推定誤差が増大するという不都合、および
（２）時定数Ｔｃが大きいほど直流成分の減衰が遅くなり、ロータ位置推定精度および安定性が劣化するという不都合が生じる。
【０００６】
また、論文２の方式を採用した場合には、磁束鎖交数の指令値を用い、疑似積分に起因する問題を改善するようにしているが、磁束鎖交数の指令値が磁束鎖交数と等しいという条件を満足することが必要である。
【０００７】
しかし、一般に実電流と電流指令との間には誤差があり、特に過渡期にはその誤差が大きくなり、この誤差に起因して磁束鎖交数と磁束鎖交数の指令値とはずれてしまうので、疑似積分のずれを完全には補償することができないという不都合がある。
【０００８】
また、論文２には、「疑似積分の時定数Ｔｃを大きくすればよい」ことが記載されており、シミュレーションではロータ位置精度を高めることができる。しかし、直流成分を考慮したシミュレーションを行えば、時定数Ｔｃを大きくしすぎると直流成分が増加してロータ位置推定精度が大幅に劣化してしまうという不都合がある。
【０００９】
すなわち、何れの方式を採用した場合にも、積分出力に直流成分が含まれることに起因してロータ位置推定精度が劣化してしまう。
【００１０】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、積分出力に含まれる直流成分を除去してロータ位置推定精度を高めることができる同期モータ制御方法およびその装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の同期モータ制御方法は、同期モータの電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行って磁束を表す積分値を得、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータを制御するに当たって、積分値から直流成分を除去し、直流成分が除去された積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出する方法である。
【００１２】
請求項２の同期モータ制御方法は、積分値の直流成分を計算し、計算値に所定の係数を乗算して積分処理の入力側にフィードバックすることにより、積分値から直流成分を除去する方法である。
【００１３】
請求項３の同期モータ制御方法は、所定の係数を同期モータの回転数に応じて変化させる方法である。
【００１４】
請求項４の同期モータ制御方法は、積分値の直流成分を計算し、積分値から計算値を減算することにより、積分値から直流成分を除去する方法である。
【００１５】
請求項５の同期モータ制御方法は、前記同期モータとして突極性を有するものを採用する方法である。
【００１６】
請求項６の同期モータ制御方法は、前記同期モータとして圧縮機を駆動するものを採用する方法である。
【００１７】
請求項７の同期モータ制御装置は、同期モータの電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行って磁束を表す積分値を得、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータを制御するものであって、積分値から直流成分を除去する直流成分除去手段をさらに含み、直流成分が除去された積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出するものである。
【００１８】
請求項８の同期モータ制御装置は、前記直流成分除去手段として、積分値の直流成分を計算し、計算値に所定の係数を乗算して積分処理の入力側にフィードバックすることにより、積分値から直流成分を除去するものを採用するものである。
【００１９】
請求項９の同期モータ制御装置は、前記直流成分除去手段として、所定の係数を同期モータの回転数に応じて変化させる係数変化手段をさらに含むものを採用するものである。
【００２０】
請求項１０の同期モータ制御装置は、前記直流成分除去手段として、積分値の直流成分を計算し、積分値から計算値を減算することにより、積分値から直流成分を除去するものを採用するものである。
【００２１】
請求項１１の同期モータ制御装置は、前記同期モータとして突極性を有するものを採用するものである。
【００２２】
請求項１２の同期モータ制御装置は、前記同期モータとして圧縮機を駆動するものを採用するものである。
【００２３】
【作用】
請求項１の同期モータ制御方法であれば、同期モータの電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行って磁束を表す積分値を得、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータを制御するに当たって、積分値から直流成分を除去し、直流成分が除去された積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出するのであるから、積分処理の時定数に拘わらず直流成分を除去することができ、回転位置角情報を精度よく抽出することができる。
【００２４】
請求項２の同期モータ制御方法であれば、積分値の直流成分を計算し、計算値に所定の係数を乗算して積分処理の入力側にフィードバックすることにより、積分値から直流成分を除去するのであるから、簡単な処理で請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２５】
請求項３の同期モータ制御方法であれば、所定の係数を同期モータの回転数に応じて変化させるのであるから、請求項２の作用に加え、回転位置角情報の抽出の安定性を高めることができる。
【００２６】
請求項４の同期モータ制御方法であれば、積分値の直流成分を計算し、積分値から計算値を減算することにより、積分値から直流成分を除去するのであるから、簡単な処理で請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２７】
請求項５の同期モータ制御方法であれば、前記同期モータとして突極性を有するものを採用するのであるから、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなる永久磁石モータ、同期リラクタンスモータ、スイッチトリラクタンスモータなどに適用することにより、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２８】
請求項６の同期モータ制御方法であれば、前記同期モータとして圧縮機を駆動するものを採用するのであるから、請求項５の作用に加え、大きな負荷変動があるにも拘わらず、回転位置角情報の精度を高めて圧縮機を安定に駆動することができる。
【００２９】
請求項７の同期モータ制御装置であれば、同期モータの電圧および電流の検出値もしくは推定値に基づいて所定の演算を行い、演算結果に基づく積分処理を行って磁束を表す積分値を得、積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出し、抽出された回転位置角情報に基づいて同期モータを制御するに当たって、直流成分除去手段によって、積分値から直流成分を除去し、直流成分が除去された積分値に含まれる回転子の回転位置角情報を抽出することができる。
【００３０】
したがって、積分処理の時定数に拘わらず直流成分を除去することができ、回転位置角情報を精度よく抽出することができる。
【００３１】
請求項８の同期モータ制御装置であれば、前記直流成分除去手段として、積分値の直流成分を計算し、計算値に所定の係数を乗算して積分処理の入力側にフィードバックすることにより、積分値から直流成分を除去するものを採用するのであるから、簡単な構成で請求項７と同様の作用を達成することができる。
【００３２】
請求項９の同期モータ制御装置であれば、前記直流成分除去手段として、所定の係数を同期モータの回転数に応じて変化させる係数変化手段をさらに含むものを採用するのであるから、請求項８の作用に加え、回転位置角情報の抽出の安定性を高めることができる。
【００３３】
請求項１０の同期モータ制御装置であれば、前記直流成分除去手段として、積分値の直流成分を計算し、積分値から計算値を減算することにより、積分値から直流成分を除去するものを採用するのであるから、簡単な構成で請求項７と同様の作用を達成することができる。
【００３４】
請求項１１の同期モータ制御装置であれば、前記同期モータとして突極性を有するものを採用するのであるから、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなる永久磁石モータ、同期リラクタンスモータ、スイッチトリラクタンスモータなどに適用することにより、請求項７から請求項１０の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００３５】
請求項１２の同期モータ制御装置であれば、前記同期モータとして圧縮機を駆動するものを採用するのであるから、請求項１１の作用に加え、大きな負荷変動があるにも拘わらず、回転位置角情報の精度を高めて圧縮機を安定に駆動することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の同期モータ制御方法およびその装置の実施の態様を詳細に説明する。
【００３７】
図１はこの発明の同期モータ制御方法が適用される同期モータ制御装置の一実施態様を示すブロック図である。
【００３８】
この同期モータ制御装置は、交流電源１を入力とするコンバータ２と、コンバータ２の直流電圧を入力とする３相インバータ３と、３相インバータ３の出力により駆動される同期モータ４と、同期モータ４における端子電圧（モータ電圧）および端子電流（モータ電流）を検出する電圧検出部５ａおよび電流検出部５ｂと、検出された３相分のモータ電圧￣Ｖ３、モータ電流￣ｉ３を入力として３相→２相変換（数１参照）を行って２相電圧￣Ｖαβ、２相電流￣ｉαβを出力する３相→２相変換部６ａ、６ｂと、２相電圧￣Ｖαβ、２相電流￣ｉαβを入力として所定の演算を行い、積分値（α−β軸推定磁束）Ｘαβを出力する固定座標モータ逆モデル部７と、積分値Ｘαβを入力としてロータ位置＾θを抽出するロータ位置抽出部８と、ロータ位置＾θを入力として微分処理を行って実速度（実回転数）を出力する速度出力部９と、速度指令および実速度を入力として速度制御演算を行って、平均的速度が指令速度になるように電流指令を出力する電流指令を出力する速度制御部１０と、電流指令と外部から与えられる位相指令とを入力として位相制御演算を行って最終電流指令を出力する位相制御部１１と、抽出されたロータ位置＾θ、モータ電流、および最終電流指令を入力として電流制御演算を行って電圧指令を出力し、インバータ３に供給する電流制御部１２と、積分値に含まれる直流成分を除去する直流成分除去部１３とを有している。なお、￣はセンサ値を、＾は推定値を、それぞれ示している。
【００３９】
【数１】
0003551919.tif 000002
前記固定座標モータ逆モデル部７は、２相電流￣ｉαβに電機子抵抗Ｒを乗算して電機子抵抗Ｒに起因する電圧降下を算出するＲ乗算部７ａと、２相電圧￣Ｖαβから算出された電圧降下を減算する第１減算部７ｂと、第１減算部７ｂの出力に対して積分処理を行って第１推定磁束を出力する積分部７ｃと、２相電流￣ｉαβにｑ軸インダクタンスＬｑを乗算してｑ軸インダクタンスＬｑに起因する第２磁束を算出するＬｑ乗算部７ｄと、第１推定磁束から第２磁束を減算してα−β軸推定磁束Ｘαβを出力する第２減算部７ｅとを有している。
【００４０】
前記ロータ位置抽出部８は、α−β軸推定磁束Ｘαβを入力としてｔａｎ−１（Ｘβ／Ｘα）の演算を行ってロータ位置＾θを出力する。
【００４１】
前記直流成分除去部１３は、α−β軸推定磁束Ｘαβを入力として直流成分を抽出する直流成分抽出部１３ａと、抽出された直流成分に係数Ｋを乗算して第１減算部７ｂの減算端子に供給する係数乗算部１３ｂとを有している。
【００４２】
前記直流成分抽出部１３ａは、例えば、α、β軸それぞれに電気角ｎ（ｎは正の整数）回転分の推定磁束の和を求め、積分部７ｃの入力側にネガティブフィードバックすることにより、位相遅れなどの影響を最小限にしながら直流成分を除去する。
【００４３】
前記係数乗算部１３ｂは、係数Ｋが固定的に設定されていてもよいが、指令速度に応じて係数Ｋが可変されることが好ましい。すなわち、速度に応じて適切な係数（ゲイン）が変わるが、特に低速で低ゲインに設定することによって、より安定なロータ位置の推定を可能にすることができる。
【００４４】
上記の構成の同期モータ制御装置の作用は次のとおりである。
【００４５】
インバータ３からの出力を同期モータ４に供給して同期モータ４を駆動している状態において、３相分のモータ電圧およびモータ電流を電圧検出部５ａおよび電流検出部５ｂによってそれぞれ検出し、３相→２相変換部６ａ、６ｂにより２相電圧、２相電流に変換して固定座標モータ逆モデル部７に供給する。
【００４６】
この固定座標モータ逆モデル部７においては、２相電圧から電機子巻線による電圧降下を減算した電圧に基づく積分処理を行い、２相電流およびｑ軸インダクタンスに基づいて定まる第２磁束を減算することにより、α−β軸推定磁束を出力する。
【００４７】
このα−β軸推定磁束には直流成分が含まれているので、直流成分抽出部１３ａによって直流成分を抽出し、係数乗算部１３ｂによって係数Ｋを乗算してネガティブフィードバックし、積分値に含まれる直流成分を除去することができる。
【００４８】
このようにして直流成分が除去されたα−β軸推定磁束に基づいてロータ位置抽出部８によってロータ位置を抽出し、このロータ位置から実速度を算出する。
【００４９】
そして、速度指令および実速度に基づいて速度制御部１０により速度制御を行って電流指令を出力し、この電流指令および位相指令に基づいて位相制御１１によって位相制御を行って最終電流指令を出力し、この最終電流指令、ロータ位置、およびモータ電流に基づいて電流制御部１２により電流制御を行って電圧指令を出力し、インバータ３に供給する。
【００５０】
したがって、積分値に含まれる直流成分を除去してロータ位置を抽出することにより、ロータ位置精度を高めることができ、ひいては同期モータを速度指令に高精度に追従させることができる。
【００５１】
図１の同期モータ制御装置から直流成分除去部１３を省略した場合において、積分値に含まれる直流成分を考慮することなく積分値および推定ロータ位置のシミュレーションを行ったところ、図２中（Ａ）（Ｂ）に示すように、直流成分を含まない積分信号、および実ロータ位置と高精度に一致する推定ロータ位置が得られる。
【００５２】
しかし、実際には直流成分が皆無であることは期待できないので、直流成分を考慮することが実状に沿うことになる。そして、直流成分を考慮して積分値およびロータ位置のシミュレーションを行ったところ、図３中（Ａ）（Ｂ）に示すように、直流成分を含む積分値、および実ロータ位置｛図３中（Ｂ）の一点鎖線参照｝に対するずれが大きい推定ロータ位置が得られる。
【００５３】
これに対して、図１の同期モータ制御装置は、積分値から直流成分を除去する直流成分除去部１３を有しているので、直流成分を考慮して積分値およびロータ位置のシミュレーションを行った場合に、図２中（Ａ）（Ｂ）に示すように、直流成分を含まない積分信号、および実ロータ位置と高精度に一致する推定ロータ位置が得られる。
【００５４】
したがって、ロータ位置精度を高めることができることが分かる。
【００５５】
図４はこの発明の同期モータ制御方法が適用される同期モータ制御装置の他の実施態様の要部（固定座標モータ逆モデル部および直流成分除去部）を示すブロック図である。
【００５６】
この同期モータ制御装置が図１の同期モータ制御装置と異なる点は、固定座標モータ逆モデル部７の第２減算部７ｅの下流側に第３減算部７ｆをさらに含む点、および直流成分除去部１３の直流成分抽出部１３ａの出力を第３減算部７ｆにも供給した点のみである。
【００５７】
前記第３減算部７ｆは、第２減算部７ｅの出力から直流成分抽出部１３ａの出力を減算する。
【００５８】
この構成の同期モータ制御装置であれば、図１の同期モータ制御装置と同様の作用を達成できるほか、第３減算部７ｆによっても直流成分の除去を行うことができる。
【００５９】
この結果、時々刻々変化する直流成分に対して、より遅れのない直流成分除去を実現することができ、ロータ位置推定精度の向上、同期モータ制御の安定性の向上を達成することができる。
【００６０】
以上のように、図１または図４の同期モータ制御装置により制御される同期モータ４は高い安定性を有しているのであるから、大きな負荷変動がある圧縮機の駆動源として好適である。
【００６１】
さらに説明する。
【００６２】
空気調和機用圧縮機のトルクパターン（要求トルク）の一例は図５に示すとおりであり、１回転中に著しく大きい負荷変動があることが分かる。そして、このように著しく大きい負荷変動がある空気調和機用圧縮機を駆動するモータ電力は必然的に大きく変動し、積分部７ｃにおける直流成分の発生の要因になる。
【００６３】
しかし、図１または図４の同期モータ制御装置であれば直流成分を除去してロータ位置を高精度に推定することができ、同期モータを安定に制御できるので、空気調和機用圧縮機を良好に駆動することができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１の発明は積分処理の時定数に拘わらず直流成分を除去することができ、回転位置角情報を精度よく抽出することができるという特有の効果を奏する。
【００６５】
請求項２の発明は、簡単な処理で請求項１と同様の効果を奏する。
【００６６】
請求項３の発明は、請求項２の効果に加え、回転位置角情報の抽出の安定性を高めることができるという特有の効果を奏する。
【００６７】
請求項４の発明は、簡単な処理で請求項１と同様の効果を奏する。
【００６８】
請求項５の発明は、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなる永久磁石モータ、同期リラクタンスモータ、スイッチトリラクタンスモータなどに適用することにより、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【００６９】
請求項６の発明は、請求項５の効果に加え、大きな負荷変動があるにも拘わらず、回転位置角情報の精度を高めて圧縮機を安定に駆動することができるという特有の効果を奏する。
【００７０】
請求項７の発明は、積分処理の時定数に拘わらず直流成分を除去することができ、回転位置角情報を精度よく抽出することができるという特有の効果を奏する。
【００７１】
請求項８の発明は、簡単な構成で請求項７と同様の効果を奏する。
【００７２】
請求項９の発明は、請求項８の効果に加え、回転位置角情報の抽出の安定性を高めることができるという特有の効果を奏する。
【００７３】
請求項１０の発明は、簡単な構成で請求項７と同様の効果を奏する。
【００７４】
請求項１１の発明は、永久磁石を回転子の内部に埋め込んでなる永久磁石モータ、同期リラクタンスモータ、スイッチトリラクタンスモータなどに適用することにより、請求項７から請求項１０の何れかと同様の効果を奏する。
【００７５】
請求項１２の発明は、請求項１１の作用に加え、大きな負荷変動があるにも拘わらず、回転位置角情報の精度を高めて圧縮機を安定に駆動することができるという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の同期モータ制御方法が適用される同期モータ制御装置の一実施態様を示すブロック図である。
【図２】図１の同期モータ制御装置による積分信号と推定ロータ位置とのシミュレーション結果、および直流成分除去部を省略した同期モータ制御装置において直流成分を考慮することなく積分信号と推定ロータ位置とのシミュレーションを行った結果を示す図である。
【図３】直流成分除去部を省略した同期モータ制御装置において直流成分を考慮して積分信号と推定ロータ位置とのシミュレーションを行った結果を示す図である。
【図４】この発明の同期モータ制御方法が適用される同期モータ制御装置の他の実施態様を示すブロック図である。
【図５】空気調和機用圧縮機のトルクパターンの一例を示す図である。
【符号の説明】
４  同期モータ    １３  直流成分除去部
【図１】
0003551919.tif 000003
【図２】
0003551919.tif 000004
【図３】
0003551919.tif 000005
【図４】
0003551919.tif 000006
【図５】
0003551919.tif 000007