(57)【要約】【課題】  高周波成分による電力損失や騒音を最小限に抑制しつつ、確実な磁極位置推定を行うことができる同期機の制御装置を提供する。【解決手段】  磁極位置推定手段３は、同期機２に印加される電圧と同期機２に流れる電流を観測し、これら電圧および電流の高周波成分に基づいて同期機２の磁極位置を推定する。制御装置手段４には運転領域・条件判定手段と高周波電圧指令（もしくは高周波電流指令）の加算器を設け、逆変換器１から出力される平均的な電圧もしくは電流が、空間的に逆変換器１からスイッチングされる非ゼロ電圧ベクトルの近傍領域内にある場合等の所定の運転領域・条件の場合に、高周波指令を加算する。これにより、必要に応じて高周波電圧もしくは電流を重畳することが可能なので、高周波による電力損失や騒音の増大を抑制することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて前記変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
前記変換器から出力される平均的な電圧もしくは電流が、空間的に変換器で出力される非ゼロ電圧ベクトルの始点と終点を含む直線の近傍領域内にある場合に、前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流に有意な高周波成分が含まれるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項２】
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて前記変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
前記推定手段において、推定演算が異常であることを検知した場合に、前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流に有意な高周波成分が含まれるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の同期機の制御装置において、
前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流に有意な高周波成分が含まれるよう制御する制御手段とは、前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に対して、空間的に少なくとも直交方向に電圧もしくは電流の高周波成分が含まれるように制御する制御手段である
ことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の同期機の制御装置において、
前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流に有意な高周波成分が含まれるよう制御する制御手段とは、前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が、所定の値以上であり、かつ空間的に１次独立である２つ以上のベクトルとなるように制御する制御手段である
ことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項５】
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて前記変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に１次独立条件を満足するベクトルが含まれていない場合は、前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に対して、空間的に少なくとも直交方向に電圧もしくは電流の高周波成分が含まれるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【請求項６】
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて前記変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が所定の値以下の場合は、前記推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が、所定の値以上であり、かつ空間的に１次独立である２つ以上のベクトルとなるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする同期機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機、同期発電機などの同期機の制御装置に関し、特に、磁極位置検出器を用いることなく回転子の磁極位置（回転角度）を検出することができる同期機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期機の制御装置においては、同期機（同期電動機、同期発電機）の駆動制御を行うために回転子の磁極位置（回転角度）を検出する検出器が必要である。しかし、検出器を用いた駆動装置には、例として以下に挙げるような問題点が存在する。第一に、検出器の存在が同期機の容積を増大することである。これにより同期機の出力を拡大する妨げとなる。第二に、検出器自体の保守点検作業が必要になることである。これにより保守点検効率が悪化する。第三に、検出器からの信号線にノイズ等が重畳することにより、検出値に擾乱が乗り、制御性能が悪化することである。第四に、検出器はそれを駆動するための電源を必要とするものがほとんどであり、同期機駆動とは別系統の電源を具備する必要があることである。これは電源設置空間、電力供給線、コスト等において負担増の要因となる。
【０００３】
上記のような理由により、検出器を用いずに磁極位置を推定し、推定された磁極位置により駆動制御を行う制御方式が開発されている。これを「センサレス制御」と称する。
【０００４】
このようなセンサレス制御手段を備えた同期機の制御装置としては、ＰＷＭインバータにより同期機を駆動するシステムにおいて、ＰＷＭ制御によって生じる出力電流の変化分と、出力電圧の時間積分値の変化分を、ＰＷＭのスイッチングに同期して検出し、これらの検出値を用いて同期機の電流・電圧方程式に基づいて磁極位置を検出するというものがある。（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３３１２５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した同期機の制御装置においては、ＰＷＭによって生じる電圧・電流の高周波成分を用いて同期機の磁極位置を推定するため、ＰＷＭによる高周波成分が生じるよう特別に制御する必要があるが（特許文献１の請求項４および５に記載）、このように制御することにより、高周波成分による電力損失や騒音を大きく増加させることが問題であった。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、高周波成分による電力損失や騒音を最小限に抑制しつつ、確実な磁極位置推定を行うことができる同期機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明は、
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
変換器から出力される平均的な電圧もしくは電流が、空間的に変換器で出力される非ゼロ電圧ベクトルの始点と終点を含む直線の近傍領域内にある場合に、推定演算に用いられる電圧もしくは電流に有意な高周波成分が含まれるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
推定手段において、推定演算が異常であることを検知した場合に、推定演算に用いられる電圧もしくは電流に有意な高周波成分が含まれるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
更に、本発明は、
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に１次独立条件を満足するベクトルが含まれていない場合は、推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に対して、空間的に少なくとも直交方向に電圧もしくは電流の高周波成分が含まれるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
更にまた、本発明は、
直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換する変換器と、
この変換器によって駆動される同期機と、
この同期機に印加される電圧とこの同期機に導通される電流の高周波成分に基づいて同期機の磁極位置を推定する推定演算を行う推定手段と、
この推定手段により推定された磁極位置に基づいて変換器を制御する制御手段とからなる同期機の制御装置において、
推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が所定の値以下の場合は、推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が、所定の値以上であり、かつ空間的に１次独立である２つ以上のベクトルとなるように制御する制御手段
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、高周波成分による電力損失や騒音を最小限に抑制しつつ、確実な磁極位置推定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る同期機の制御装置の第１の実施形態の概略構成を示す図である。同図に示すように、本実施形態は、逆変換器１と、同期機２と、磁極位置推定手段３と、制御手段４とから構成されている。
【００１４】
逆変換器１は、直流を交流に逆変換する装置で、制御手段４から入力されるＰＷＭ指令に基づいてスイッチングを行う。
【００１５】
磁極位置推定手段３は、同期機２に印加される電圧と同期機２に流れる電流を観測し、これら電圧および電流の高周波成分に基づいて同期機２の磁極位置を推定する。ただし、推定演算に用いる電圧または電流は、ＰＷＭスイッチング指令や逆変換器１の直流電圧、同期機パラメータなどを用いて同期機２の電圧・電流方程式により演算することも可能である。さらに、推定演算には高周波成分を用いるが、高周波成分の演算には特許文献１にあるように逆変換器のＰＷＭスイッチングに同期して検出した電圧・電流を用いることもできるし、ＰＷＭスイッチングと無関係、または非同期に検出した電圧・電流を用いることもできる。ＰＷＭスイッチングと非同期に電圧・電流を検出する場合は、スイッチング周波数よりも高いサンプリング周波数の検出手段を用いることによって、電圧・電流の高周波成分を演算することが可能となる。
【００１６】
制御手段４は、図２に示すように、同期機２のトルクや回転速度を制御するための電流指令を入力として、電流制御手段５により電圧指令を出力し、これをＰＷＭ変調手段６により変調し、逆変換器１へスイッチング指令を出力する、という構成のものが一般的である。
【００１７】
本実施形態における制御手段４は、図３もしくは図４に示すように、運転領域・条件判定手段７と高周波電圧指令（もしくは高周波電流指令）の加算器を付加したものである。なお図３および図４に示す制御手段４の構成は、どちらの構成によっても後述する効果を得ることが可能である。
【００１８】
すなわち、本実施形態で用いる磁極位置の推定方法は、ＰＷＭによって生じる電圧・電流の高周波成分に基づいて磁極位置を推定するというものであり、観測もしくは演算された当該高周波成分の各ベクトルが、同期機２の静止座標系において１次独立の関係を持つ場合にのみ推定演算が可能であるという条件を持っている。
【００１９】
しかし、逆変換器１によって運転されている場合、運転領域や条件によっては、上記高周波成分ベクトルが１次従属の関係となってしまう場合があり、このような場合には磁極位置の推定が不可能となる。推定が不可能となる状態は同期機の制御を行う上で好ましくないため、これを回避するか、この状態が長時間継続しないように回復する必要がある。本実施形態は、推定演算に用いる高周波成分が１次独立となるよう、高周波指令を重畳することにより、効果的かつ簡単な構成で、推定が不可能となる状態を回避もしくは回復することができるというものである。
【００２０】
なお、本実施形態の高周波電圧もしくは高周波電流の重畳方法は１例であり、他にＰＷＭ変調演算時に同様の効果が得られるよう変調を行う方法も考えられる。例えば三角波比較方式ＰＷＭでは、非特許文献１に記載の方法等が考えられる。
【００２１】
（非特許文献１）「突極性に基づく位置推定法を用いた位置センサレスＩＰＭモータ駆動システム」（Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ， Ｖｏｌ．１１８−Ｄ， Ｎｏ．５， '９８）
非特許文献１に記載の方法は、所定の電圧Ｖを出力する場合に、予め定められた複数の空間電圧ベクトルのパターンのうちの一つを選択し、選択したパターンにおける空間電圧ベクトルの出力時間比率を変えることによって所望の電圧ＶとなるようにＰＷＭ変調の中で演算を行うものである。
【００２２】
このようなＰＷＭ変調の構成にすることにより、ＰＷＭ変調以前の段階では、従来どおりの制御方法を用いることができる。
【００２３】
次に、図５および図６を用いて、本実施形態における運転領域・条件判定手段７の具体例について説明する。すなわち、運転領域・条件判定手段７としては、例えば、図５に示すように、逆変換器１から出力される平均的な電圧もしくは電流が、空間的に逆変換器１からスイッチングされる非ゼロ電圧ベクトルの近傍領域内にある場合に、高周波指令を加算する出力電圧・電流領域判別手段９とした構成とする。
【００２４】
このように構成された本実施形態においては、平均的な出力電圧もしくは出力電流が空間的に逆変換器１からスイッチングされる非ゼロ電圧ベクトルの近傍領域内にあるときのみ、高周波指令を重畳することができる。
【００２５】
上述のような条件を満たす運転領域は、空間的に見れば、例えば図６に示すような領域である。このような領域では、ＰＷＭスイッチングによってＶ１〜Ｖ６の非ゼロ電圧ベクトルのうちの一つと、Ｖ０やＶ７のゼロ電圧ベクトルの、計２種類のベクトルが出力される比率が高く、計算上は２つの非ゼロ電圧ベクトルが出力される状況でも、一方の非ゼロ電圧ベクトルの出力比率が高く、もう一方の出力比率が非常に低くなる。当然、出力比率の低い電圧ベクトルに伴う電流変化は小さい。このような状況は、磁極位置の推定演算に必要な高周波成分の観測および演算が難しいということであり、ノイズや機器の解像度の影響を受けて高周波成分の１次独立条件を満足できず、推定演算が不可能となりやすい。
【００２６】
しかし、本実施形態によれば、図６に示すような領域内に出力電圧もしくは電流がある場合には効果的に高周波指令を重畳することによって、推定演算が不可能となる状況を回避もしくは回復することが可能となる。
【００２７】
なお、図６に示す領域は各非ゼロ電圧ベクトルから±１０°の領域を示しているが、上記ノイズや機器の解像度の影響等を考慮してこの領域の形や大きさを適宜調整することも可能である。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態においては、高周波電圧指令もしくは高周波電流指令を加算するか否かを、同期機の所定の運転領域や条件、すなわち平均的な出力電圧もしくは出力電流が空間的に逆変換器１からスイッチングされる非ゼロ電圧ベクトルの近傍領域内にあるか否かに応じて変更しながら同期機を制御することができる。
【００２９】
本実施形態によれば、不必要に高周波電圧もしくは電流を重畳することなく、同期機の所定の運転領域や条件等により、必要に応じて高周波電圧もしくは電流を重畳することが可能なので、高周波による電力損失や騒音の増大を抑制することができる。
【００３０】
なお、上述の説明は、同期機２が同期電動機の場合についての説明であるが、同期機２が同期発電機の場合は、逆変換器１を、順変換器として、同様に実施することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、本発明に係る同期機の制御装置の第２の実施形態を、図７を用いて説明する。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３２】
すなわち、本実施形態の同期機の制御装置は、図７に示すように、磁極位置推定手段３の磁極位置演算手段１１で推定位置が演算される過程もしくは結果を監視し、推定結果が正常であるか異常であるかを演算前もしくは演算後に検知し、異常である場合には高周波指令を加算する推定異常判別手段１０を付加した構成である。
【００３３】
このように構成された本実施形態においては、推定結果が異常であるか、異常となることが予想される場合のみ、高周波指令を重畳することができる。
【００３４】
推定結果の異常判別は、例えば、推定演算過程で高周波電流行列の擬似逆行列が演算されるが、この演算過程にある２×２行列の逆行列が存在しない場合、推定演算が不可能となることから判別できる。逆行列の演算可否は行列の行列式が０か否かで判別することができる。
【００３５】
また、行列式が０でなくとも、何らかの外乱により演算結果が異常となる場合も考えられる。このような場合は、前回までの推定結果と比較して大きく誤差があるような場合に異常と判別すれば良い。
【００３６】
本実施形態によれば、推定演算結果が異常となる場合には効果的に高周波指令を重畳することによって、推定演算が不可能となる状況を回避もしくは回復することが可能となる。
【００３７】
（第３の実施形態）
次に、本発明に係る同期機の制御装置の第３の実施形態を、図８を用いて説明する。なお第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３８】
すなわち、本実施形態の同期機の制御装置は、図８に示すように、磁極位置推定手段３で推定位置が演算される過程もしくは結果を監視して、推定演算が異常であるかどうかを検知し、異常である場合には、推定演算の異常を回避もしくは回復できるように高周波指令を演算する高周波指令演算手段１２を付加した構成である。
【００３９】
推定演算の異常を回避もしくは回復できる高周波指令とは、推定演算に用いられている高周波成分が所定値以上の値を持つ場合には、これらの高周波成分に対して、空間的に、少なくとも直交方向に高周波成分が含まれるような指令であり、このように演算することにより、磁極位置推定手段３での推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に対して、少なくとも直交方向に高周波成分が含まれることになる。
【００４０】
また、推定演算に用いられている高周波成分が所定値以下の値である場合には、これらの高周波成分とは関係なく、所定の値以上であり、かつ空間的に１次独立である２つ以上のベクトルとなるような高周波指令を演算する。このように演算することにより、磁極位置推定手段３での推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が、所定の値以上であり、かつ空間的に１次独立である２つ以上のベクトルとなる。
【００４１】
このように構成された本実施形態においては、推定演算結果が異常であるか、異常となることが予想される場合において、推定演算に用いられている高周波成分に対して空間的に直交する成分を持つ高周波指令、もしくは、推定演算に用いられている高周波成分が所定値以下の場合には、所定値以上の値を持ち、かつ１次独立である２つ以上のベクトルとなる高周波指令を重畳することができる。
【００４２】
第２の実施形態において説明した推定結果の異常判別方法のうち、演算過程の２×２行列の行列式が０か否かの判別は、言い換えれば演算に用いる高周波成分が１次従属であるか否かの判別と等価である。もし１次従属である場合には、高周波成分が１次従属とならないように高周波指令を演算して重畳すれば良いことは前述の通りである。つまり、本実施形態のように、得られた高周波成分の少なくとも直交方向に高周波成分が含まれるよう高周波指令を演算するか、得られた高周波成分が所定値以下の場合には、所定値以上の値を持ち、かつ１次独立である２つ以上のベクトルとなる高周波指令を演算して重畳すれば、多少の外乱や演算誤差が生じたとしても、確実に１次独立な高周波成分を得ることができ、効果的に推定演算の異常を回避もしくは回復することが可能となる。
【００４３】
なお、上述の説明では、第２の実施形態における推定異常判別手段１０の判定結果に基づいて、高周波指令演算手段１２で高周波指令の演算を行って高周波を重畳するようにしたが、第１の実施形態における出力電圧・電流領域判別手段９の判定結果に基づいて、高周波指令演算手段１２で高周波指令の演算を行って高周波を重畳し、同様に実施することができる。
【００４４】
さらに、出力電圧・電流領域判別手段９や推定異常判別手段１０を用いる場合に限らず、逆変換器１の出力電圧や出力電流を観測し、出力電圧または出力電流中の高周波成分が検出されない場合や、検出されても１次独立条件を満足しない場合に、高周波指令の演算を行って高周波を重畳し、同様に実施することができる。すなわち、出力電圧または出力電流中の高周波成分が検出されない場合、換言すれば推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が所定の値以下の場合は、推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が、所定の値以上であり、かつ空間的に１次独立である２つ以上のベクトルとなるように高周波指令の演算を行って高周波を重畳し、出力電圧または出力電流中の高周波成分が検出されても、換言すれば推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分が所定の値以上であっても、１次独立条件を満足するベクトルが含まれていない場合は、推定演算に用いられる電圧もしくは電流の高周波成分に対して、空間的に少なくとも直交方向に電圧もしくは電流の高周波成分が含まれるように高周波指令の演算を行って高周波を重畳すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１における制御手段４の一般的な構成を示す内部処理ブロック図。
【図３】第１の実施形態における制御手段４の構成例を示す内部処理ブロック図。
【図４】第１の実施形態における制御手段４の他の構成例を示す内部処理ブロック図。
【図５】第１の実施形態における制御手段４の具体的な構成例を示す内部処理ブロック図。
【図６】第１の実施形態の動作を説明するためのベクトル空間での領域図。
【図７】本発明の第２の実施形態の主要部の構成を示すブロック図。
【図８】本発明の第３の実施形態の主要部の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００４６】
１…逆変換器
２…同期機
３…磁極位置推定手段
４…制御手段
５…電流制御手段
６…ＰＷＭ変調手段
７…運転領域・条件判定手段
９…出力電圧・電流領域判別手段
１０…推定異常判別手段
１１…磁極位置演算手段
１２…高周波指令演算手段
【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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【図７】
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【図８】
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