(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流成分と交流成分とを合成した印加電圧を、前記交流成分の周波数を変化させて永久磁石型同期電動機に印加する電圧印加ステップと、
印加した前記印加電圧に応じて流れるモータ電流を検出する電流検出ステップと、
前記印加電圧の交流成分と前記モータ電流の交流成分との位相差を算出する位相差算出ステップと、
前記永久磁石型同期電動機のモータ定数を算出するモータ定数算出ステップとを含み、
前記モータ定数算出ステップは、前記位相差が４５度近傍になるときの前記印加電圧と前記モータ電流とに基づき、前記モータ定数を算出することを特徴とする永久磁石型同期電動機のモータ定数算出方法。
【請求項２】
前記電圧印加ステップは、さらに、前記直流成分の電圧を変化させて、前記印加電圧を前記永久磁石型同期電動機に印加することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型同期電動機のモータ定数算出方法。
【請求項３】
前記モータ定数算出ステップは、
前記永久磁石型同期電動機のモータ定数として、電気的時定数、抵抗値およびインダクタンス値のうち少なくとも１つ以上を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石型同期電動機のモータ定数算出方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石型同期電動機のモータ定数算出方法の各ステップを実行する機能を有するモータ定数算出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石型同期電動機のモータ定数を算出するモータ定数算出方法およびモータ定数算出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石型同期電動機を高精度に制御するためには電機子抵抗やインダクタンスといったモータ定数を把握することが重要である。例えば、このような電動機を磁極位置センサなしで制御する位置センサレス制御では、モータ定数を用いて磁極位置を推定する手法が多く取られている。また、ベクトル制御するものでは電流制御を適用するものが多く、電流制御部のゲインを適切に設定するためにモータ定数を用いる。
【０００３】
このような電動機のモータ定数を容易に求めるために、モータを回転させずに求める技術がいくつか知られている。例えば特許文献１が知られている。この技術は、直流電流を流してその時の入力電圧と入力電流とから巻線抵抗を求める。これとともに、交流電流を流した時の入力電圧と入力電流との基本波成分を抽出し、電圧と電流とのそれぞれの大きさおよび両者の位相差からインダクタンスを求めるものである。
【０００４】
また、別の技術として特許文献２が知られている。この技術は、まず、大小２レベルの直流電流を流した時の電圧を記憶する。そして、２レベルの電圧差分を２レベルの電流差分で除することで巻線抵抗を算出する。これとともに、大きい方の電流レベルに基づく電圧値から小さい方の電流レベルに基づく電圧値へと、電圧を急変させる。この急変させた時の電流が所定値に変化するまでの時間を計測し、その時間と巻線抵抗とからインダクタンスを算出するものである。
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような手法では、直流電流が定常状態となるまでに時間を要する。また、抵抗とインダクタンスの計測に別々の試験信号を用いており計測に時間を要する。また、インダクタンスを求めるために流す交流電流の周波数を適切に設定しないと、位相差の検出精度が低下し結果として計測結果の誤差が大きくなってしまう。
【０００６】
特許文献２でも、直流電流を流し定常状態となるまでに時間を要する。また、抵抗とインダクタンスの計測に別々の試験信号を用いており計測に時間を要する。また、電圧値を急変させて電流が所定値に変化するまでの時間を計測する場合、レベル判断や時間計測で誤差を含みやすい。また、電流の大きさによってインダクタンス値が変化するモータの場合、時定数一定の応答にはならないため正しいインダクタンス値が算出できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３１２４９８号公報
【特許文献２】特開２００９−２３２５７３号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明の永久磁石型同期電動機のモータ定数算出方法は、直流成分と交流成分とを合成した印加電圧を、交流成分の周波数を変化させて永久磁石型同期電動機に印加する電圧印加ステップと、印加した印加電圧に応じて流れるモータ電流を検出する電流検出ステップと、印加電圧の交流成分とモータ電流の交流成分との位相差を算出する位相差算出ステップと、永久磁石型同期電動機のモータ定数を算出するモータ定数算出ステップとを含む。そして、モータ定数算出ステップは、位相差が４５度近傍になるときの印加電圧とモータ電流とに基づきモータ定数を算出している。また、電圧印加ステップでは、異なる複数の直流成分をさらに用いてもよい。
【０００９】
また、本発明のモータ定数算出装置は、このようなモータ定数算出方法の各ステップを実行する機能を有している。
【００１０】
このような構成により、永久磁石型同期電動機のモータ定数を短時間で精度良く算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１における処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、単相通電状態を説明するための等価回路図である。
【図４】図４は、電圧と電流の位相差を説明するための時間波形図である。
【図５】図５は、永久磁石型同期電動機の伝達関数の周波数特性を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２における処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、モータ電流とインダクタンスの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ定数算出方法を実施するための構成例を示すブロック図である。このブロック図は、モータ定数算出に必要となる機能部分のみを示したものである。すなわち、図１では、永久磁石型同期方式の電動機である永久磁石型同期電動機（以下、適宜、単に電動機と呼ぶ）１２のモータ定数を算出するために、電圧指令生成部１１と、インバータ１３と、電流検出器１４ａ、１４ｂと、電流検出部１５と、モータ定数算出部１６とを備えた一例を示している。
【００１４】
図１における各機能ブロックの機能と機能ブロック間の関係を説明する。
【００１５】
まず、電動機１２は、永久磁石（図示せず）と鉄心等に巻回された巻線（図示せず）とを有している。通常の電動機としての動作時には、この巻線にインバータ１３から交流電力が印加されることで回転子が回転動作する。図１では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相とする３相の交流電力で電動機１２が駆動される構成例を挙げている。
【００１６】
また、電圧指令生成部１１は、モータ定数を算出するために電動機１２に印加する電圧指令を生成する。インバータ１３は、電圧指令生成部１１から出力される電圧指令を受けて電動機１２に指令通りの電圧を印加する。電流検出器１４ａおよび１４ｂは、インバータ１３から電動機１２に流れるモータ電流を検出する。電流検出部１５は、電流検出器１４ａおよび１４ｂで検出されたモータ電流をモータ電流検出値に変換する。モータ定数算出部１６は、電圧指令生成部１１の出力である電圧指令と電流検出部１５の出力であるモータ電流検出値が入力され、電動機１２のモータ定数を算出する。
【００１７】
次に、各機能ブロックの動作および作用を図２〜図５を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるモータ定数算出方法の処理の流れを示すフローチャートである。
【００１８】
モータ定数算出処理が開始されると、最初にインバータ１３が電動機１２に直流電圧を印加し、回転子の引き込みをする。永久磁石型同期電動機は回転子に磁石が存在するため、電圧印加によって回転する場合がある。本実施の形態では、回転子が静止した状態でモータ定数の算出を行うために、まず、インバータ１３から直流電圧を印加し回転子を所定位置に引き込む（ステップＳ１０１）。例えば、Ｕ相に直流電圧Ｖａ、Ｖ相、Ｗ相に直流電圧−Ｖａ／２が印加されるようにする。引き込み後の電動機１２の等価回路を図３に示す。図３に示すように、電動機１２におけるＵ相、Ｖ相およびＷ相の巻線は、Ｙ結線されている。そして、回転子は回転していないので、巻線は、相抵抗Ｒと相インダクタンスＬからなり、Ｕ−ＶＷ間に単相の電圧が印加されていることになる。このとき電流軸（ｄ軸）と磁極軸が一致した状態となる。
【００１９】
次に、電圧指令生成部１１がモータ定数を算出するために電動機１２に印加する電圧指令を生成する。具体的には、次式の（式１）に示すように、直流成分Ｖ０と交流成分Ｖｎ（ｔ）とを合成することで、両成分を加算した電圧指令Ｖｓ（ｔ）を生成する（ステップＳ１０２）。交流成分Ｖｎ（ｔ）としては正弦波信号を用いる。
【００２０】
【数１】
0005909658.tif 000002
【００２１】
続いて、電圧指令生成部１１にて生成された電圧指令Ｖｓ（ｔ）に基づき、引き込み時と同様にＵ−ＶＷ間に単相の電圧を印加する。例えば、Ｕ相に電圧Ｖｓ（ｔ）、Ｖ相、Ｗ相に電圧−Ｖｓ（ｔ）／２を印加電圧として印加する（ステップＳ１０３）。このようにすることで、電圧指令Ｖｓ（ｔ）によって流れる電流は磁極軸と同じｄ軸に流れることになり、回転子を回転させるトルクは発生しない。つまり、回転子が静止した状態でのモータ定数算出のためのデータ測定が可能となる。
【００２２】
そして、電流検出器１４ａ、１４ｂおよび電流検出部１５は、ステップＳ１０３の電圧印加時に流れるモータ電流Ｉｓ（ｔ）を検出する。
【００２３】
続いて、電圧指令である印加電圧Ｖｓ（ｔ）とその時の応答となるモータ電流Ｉｓ（ｔ）とを測定する（ステップＳ１０４）。モータ電流Ｉｓ（ｔ）は、単相電圧印加に対するモータ電流なのでＵ相電流を測定する。
【００２４】
続いて、印加電圧Ｖｓ（ｔ）の交流成分とモータ電流Ｉｓ（ｔ）の交流成分との位相差を算出する（ステップＳ１０５）。位相差算出は、例えば、印加電圧Ｖｓ（ｔ）とモータ電流Ｉｓ（ｔ）とを各々、交流成分Ｖｎ（ｔ）の周波数を中心周波数としたバンドパスフィルタを通すなどして交流成分を抽出し、ゼロクロスタイミングの時間差から算出する。図４を用いて説明する。図４には、抽出された印加電圧Ｖｓ（ｔ）とモータ電流Ｉｓ（ｔ）との交流成分の時間軸データが示されている。印加電圧Ｖｓ（ｔ）とモータ電流Ｉｓ（ｔ）との交流成分のゼロクロスタイミングの時間差Ｔ２を取得し、交流成分の周期であるＴ１とから位相差θｄｉｆｆを次式の（式２）で算出できる。
【００２５】
【数２】
0005909658.tif 000003
【００２６】
続いて、位相差θｄｉｆｆが４５度かどうかを判断する（ステップＳ１０６）。もしθｄｉｆｆが４５度でなければ、電圧指令Ｖｓ（ｔ）の交流成分Ｖｎ（ｔ）の周波数を変え（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０２以降を繰り返す。周波数の変更のさせかたとしては、高周波から周波数を順に下げていくなどする。後述するが、位相差は、周波数に対し単調増加特性を持つので一意に決まる。もし、位相差θｄｉｆｆが４５度であれば、その時の印加電圧Ｖｓ（ｔ）とモータ電流Ｉｓ（ｔ）との関係を算出する（ステップＳ１０８）。具体的には、印加電圧Ｖｓ（ｔ）に対する電流Ｉｓ（ｔ）の大きさを表す振幅比｜Ｉｓ（ｔ）／Ｖｓ（ｔ）｜を算出する。
【００２７】
最後に、印加電圧Ｖｓ（ｔ）とモータ電流Ｉｓ（ｔ）との関係である前述の振幅比を用いてモータ定数を算出する（ステップＳ１０９）。
【００２８】
ここで、位相差が４５度になるときの印加電圧とモータ電流とに基づくモータ定数算出について説明する。
【００２９】
電圧Ｖｓ（ｔ）が印加されている時、電動機１２の巻線の等価回路は図３に示した通りで、伝達関数は次式の（式３）で表される。
【００３０】
【数３】
0005909658.tif 000004
【００３１】
これはカットオフ周波数がＲ／Ｌ、ＤＣゲインが１／Ｒとなる一次遅れ特性となる。（式３）で示される伝達関数の周波数特性を図５に示す。図５において、上図が周波数に対するゲイン特性、下図が周波数に対する位相特性を示している。図５に示すように、位相特性は、周波数に対し単調減少特性を持つ。また、カットオフ周波数は位相差が４５度となるときの周波数であるので、ステップＳ１０６で得られた位相差４５度となる周波数からＲ／Ｌが得られる。また、一次遅れ特性のカットオフ周波数でのゲインは、ＤＣゲインに対して約３ｄＢ下がる値となる。図５のゲイン特性の縦軸は振幅比と等価であるので、ステップＳ１０８で得られた振幅比の値に３ｄＢ分加算すればＤＣゲイン１／Ｒが得られる。そして得られたＲ／Ｌと１／Ｒとから電気的時定数Ｌ／Ｒ、抵抗値Ｒ、インダクタンス値Ｌが算出される。このとき、計測されるインダクタンスは、ｄ軸インダクタンスとなる。
【００３２】
なお、本実施の形態では、位相差が４５度なるときの電圧指令とモータ電流との値を用いてモータ定数を算出する例を説明したが、位相差が４５度近傍であるときの電圧指令とモータ電流との値を用いるとしてもよい。すなわち、図５に示すように、位相差が４５度となる点は最も位相の変化が急峻である。このため、４５度近傍であれば、ステップＳ１０６で得られる周波数は大きく変わらず、十分な算出精度が得られる。
【００３３】
以上のように、本実施の形態のモータ定数算出方法においては、直流成分と交流成分とを合成した印加電圧を、交流成分の周波数を変化させて永久磁石型同期電動機に印加するステップと、印加電圧に応じて流れるモータ電流を検出するステップと、印加電圧の交流成分とモータ電流の交流成分との位相差を算出するステップと、位相差が４５度近傍になるときの印加電圧とモータ電流とに基づき永久磁石型同期電動機のモータ定数を算出するステップとを有する。
【００３４】
本モータ定数算出方法は、このような構成であり、モータ定数算出のために、直流成分と周波数を変化させた交流成分とを合成した電圧を印加し、その時のモータ電流を検出するだけでよい。このため、従来のようなモータ電流が定常状態になるまで待つ、あるいは複数の試験信号を印加するなどの手法に比べて、大幅な時間短縮が可能となる。また、印加電圧とモータ電流の交流成分を用いてモータ定数を算出しているので、ノイズの影響などが分離され、精度の高いモータ定数を算出することが可能となる。また、図５に示すように、位相差４５度の点は、最も位相変化が急である点であるため、高精度に周波数を特定でき、結果として高精度にモータ定数を算出することができる。また、印加電圧とモータ電流との位相差が４５度となる点での電圧振幅と電流振幅とのデータおよび周波数のみを用いてモータ定数の算出ができるので、データ記憶容量を少なくできる。
【００３５】
（実施の形態２）
電動機によっては磁気飽和等の影響により、モータ電流の大きさに応じてインダクタンス値が変化するものもある。このような電動機に対して、実施の形態１の算出方法では１つの値しか算出されないため、正確なインダクタンス値の算出とは言えない。
【００３６】
本実施の形態では、永久磁石型同期電動機に電圧を印加するステップで、異なる複数の直流成分を用いることにより、モータ電流に応じたインダクタンス値を精度よく算出する。すなわち、本実施の形態では、モータ定数の算出にあたり、印加電圧における交流成分の周波数を変化させるとともに、直流成分の電圧も変化させている。
【００３７】
以下、図６、図７を用いて、本実施の形態におけるモータ定数算出方法の動作および作用を説明する。なお、実施の形態２における構成は実施の形態１と同じであり説明を省略する。
【００３８】
図６は、本発明の実施の形態２における処理の流れを示すフローチャートである。図６において、ステップＳ１０１からステップＳ１０９は前述の図２と同様の処理を行う。ただし、ステップＳ２０２においては、直流成分Ｖ０の電圧を処理ループごとに変更し、上述のように直流成分の電圧も変化させている。さらに、図６では、実施の形態１で説明した図２にステップＳ２０７が追加されている。
【００３９】
ステップＳ２０７では、まずステップＳ２０２での電圧指令Ｖｓ（ｔ）の生成において、複数ある直流成分の全てを設定したかどうかを確認する。もし、まだ設定していない直流成分Ｖ０の値があった場合は、設定していない値のうちの１つを選択し、ステップＳ２０２に戻る。また、全ての値の設定が完了した場合は、モータ定数算出を終了する。
【００４０】
直流成分Ｖ０を複数設定することにより、検出されるモータ電流の平均値と算出されたインダクタンス値との関係が複数得られる。これらを用いて、図７のような関係を求めることで、モータ電流に応じたインダクタンス値が算出できる。
【００４１】
なお、実施の形態１、２では永久磁石型同期電動機のモータ定数算出の方法について説明したが、同様の機能を動作させるものであればどのような構成、具現化手段をとってもよい。例えば、図１のブロック図における電動機１２以外の機能ブロックを電動機の制御装置の１つの機能として組み込み、設定により機能させるとしてもよいし、電圧指令生成部１１とモータ定数算出部１６とを電動機の制御装置と連動するＰＣアプリケーションソフトとして構成としてもよい。
【００４２】
また、引き込み処理（ステップＳ１０１）での印加電圧をＶａとしたが、引き込みがされるのであれば任意の異なる値でもよい。
【００４３】
また、位相差が４５度なるときの印加電圧とモータ電流との値を用いて、モータ定数を算出する例を説明したが、図５に示すように位相差が４５度となる点は最も位相の変化が急峻である。このため４５度近傍であれば、ステップＳ１０６で得られる周波数は大きく変わらないため、位相差が４５度近傍であるときの印加電圧とモータ電流との値を用いるとしてもよい。
【００４４】
また、印加電圧Ｖｓ（ｔ）からモータ電流Ｉｓ（ｔ）への応答の関係に、電動機以外の要素、例えばフィルタ処理や遅れ要素などがある場合は、その影響を補償して求めるとしてもよい。これにより、さらに精度よい算出結果が得られる。
【００４５】
また、引き込み処理（ステップＳ１０１）の後、電動機の回転子を固定し、ステップＳ１０３で、引き込み処理後の磁極位置に対して電気位相が異なる方向に、電圧Ｖｓ（ｔ）を印加し、同方向に流れるモータ電流を検出するとしてもよい。例えば、引き込み処理後の磁極位置に対し、電気位相が９０°異なる軸（ｑ軸）、すなわちＶ−Ｗ間に単相電圧が印加されるよう、Ｕ相に０ボルト、Ｖ相にＶｓ（ｔ）、Ｗ相に−Ｖｓを印加し、同方向であるＶ相電流を検出するとしてもよい。これにより、磁極位置によってモータ定数が変化する永久磁石型同期電動機、例えば埋め込み磁石型の永久磁石型同期電動機などについて、ステップＳ１０３で、電圧Ｖｓ（ｔ）を印加する電気位相を任意に設定することで、磁極位置に応じたモータ定数を精度よく算出することができる。特に、ｑ軸に電圧指令Ｖｓ（ｔ）を印加してモータ定数を算出することで、ｑ軸インダクタンスを算出できる。
【００４６】
また、実施の形態１、２ではｄ軸インダクタンスを求める例を示したが、磁極位置によってインダクタンス値の変化しない永久磁石型同期電動機の場合、算出されたｄ軸インダクタンスをｑ軸インダクタンスとすることができる。これにより回転子を固定することなくｑ軸インダクタンスを算出できる。
【００４７】
以上のように、本発明にかかる永久磁石型同期電動機のモータ定数算出方法は、直流成分と交流成分とを合成した印加電圧を、交流成分の周波数を変化させて永久磁石型同期電動機に印加する電圧印加ステップと、印加した印加電圧に応じて流れるモータ電流を検出する電流検出ステップと、印加電圧の交流成分とモータ電流の交流成分との位相差を算出する位相差算出ステップと、永久磁石型同期電動機のモータ定数を算出するモータ定数算出ステップとを含む。そして、モータ定数算出ステップは、位相差が４５度近傍になるときの印加電圧とモータ電流とに基づきモータ定数を算出している。また、電圧印加ステップでは、異なる複数の直流成分をさらに用いてもよい。
【００４８】
また、本発明のモータ定数算出装置は、このようなモータ定数算出方法の各ステップを実行する機能を有している。
【００４９】
本発明のモータ定数算出方法およびモータ定数算出装置は、このようなステップを有するため、永久磁石型同期電動機のモータ定数を短時間で精度良く算出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、永久磁石型同期電動機のモータ定数を短時間で精度良く算出することができるため、モータ定数を必要とする永久磁石型同期電動機の制御装置全般に活用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１１    電圧指令生成部
１２    電動機
１３    インバータ
１４ａ，１４ｂ    電流検出器
１５    電流検出部
１６    モータ定数算出部
【図１】
0005909658.tif 000005
【図２】
0005909658.tif 000006
【図３】
0005909658.tif 000007
【図４】
0005909658.tif 000008
【図５】
0005909658.tif 000009
【図６】
0005909658.tif 000010
【図７】
0005909658.tif 000011