(57)【要約】  【課題】電力変換器を確実かつ簡単にフリーラン起動する。  【解決手段】多相交流電動機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成するスイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置を備え、制御装置が、回転子等の空転時に、スイッチング素子を介して電動機巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる巻線電流の通流開始を検出することにより回転子等の位置を推定して電力変換器を起動する交流電動機用電力変換装置に関する。前記制御装置は、サンプリングした巻線電流の瞬時値と予め設定したスレッショルド値とを比較して巻線電流の通流の開始を判定する判定手段を備え、この判定手段は、回転子等が所定速度で移動している状態において、巻線電流の通流開始からスレッショルド値を超えるまでの時間の実験値または計算値に基づいて巻線電流の通流開始時刻を推定する手段を有する。【選択図】図３
2006211866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、電動機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、
電動機の回転子または可動子の空転時に、前記半導体スイッチング素子を介して電動機の巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる巻線電流の通流開始を検出することにより前記回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動する交流電動機用電力変換装置において、
前記制御装置は、
サンプリングした巻線電流の瞬時値と予め設定したスレッショルド値とを比較して巻線電流の通流の開始を判定する判定手段を備え、
前記判定手段は、
回転子または可動子が所定速度で移動している状態において、巻線電流の通流開始から巻線電流が前記スレッショルド値を超えるまでの時間の実験値または計算値に基づいて巻線電流の通流開始時刻を推定する手段を有することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項２】
多相交流電動機を運転する電力変換器と、電動機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備え、
電動機の回転子または可動子の空転時に、前記半導体スイッチング素子を介して電動機の巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる巻線電流の通流開始を検出することにより前記回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動する交流電動機用電力変換装置において、
前記制御装置は、
サンプリングした巻線電流の瞬時値と予め設定したスレッショルド値とを比較して巻線電流の通流の開始を判定する判定手段を備え、
前記判定手段は、
回転子または可動子が所定速度で移動している状態において、実験または計算によって得た巻線電流の時間変化と前記巻線電流の瞬時値とに基づいて、巻線電流の通流開始時刻を推定する手段を有することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した交流電動機用電力変換装置において、
前記制御装置は、
巻線電流の通流開始時刻の推定を３回以上繰り返して得られた回転子または可動子の推定位置と、回転子または可動子が前記推定位置にある各時刻と、の組のうち２組以上に基づいて前記回転子または可動子の速度を推定することを特徴とする交流電動機用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子または可動子の位置センサを有さない交流電動機をいわゆるセンサレス駆動する電力変換装置において、回転子や可動子が空転している状態から電力変換器を起動するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、交流電動機をセンサレス駆動する従来の交流電動機用電力変換装置の構成を示すブロック図である。
図４において、４は電源、１はインバータ等の電力変換器、３は交流電動機である。また、電力変換器１を制御する制御装置２は、電流検出器５Ａ，５Ｂにより検出した電動機３の巻線電流が入力される電流処理部２１と、この電流処理部２１の出力に基づいて前記巻線電流を所定値に制御するように電力変換器１の半導体スイッチング素子のオン・オフ信号を生成する制御演算部２２とからなっている。
【０００３】
前記交流電動機３は回転子に界磁極を有しており、端子開放の状態で回転子が空転すると誘起電圧を発生する。
また、交流電動機３が回転子の位置センサ及び端子電圧センサを有さない場合、制御装置２では電動機３の巻線電流から回転子位置を推定し、電力変換器１を駆動する必要がある。
電流処理部２１は、電流検出器５Ａ，５Ｂにより検出した電動機３の二相電流から三相電流を合成し、これを直交回転座標に変換する処理を行ない、制御演算部２２は、電流処理部２１から得た電流情報に基づいて電力変換器１が電動機３に供給するべき電圧及び電流を演算し、電動機３のスイッチング素子に対するオン・オフ信号を出力する。
【０００４】
上記構成において、電動機３の回転子が空転している状態から電力変換器１を起動（フリーラン起動と呼ぶ）する際に、電動機３の巻線を電力変換器１により瞬間的に短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子位置や速度を推定して電力変換器１を起動する方法が、後述する特許文献１に開示されている。
【０００５】
以下、交流電動機３が三相電動機であると仮定して、上述した巻線短絡による回転子位置の推定方法について説明する。
図５は、図４における電力変換器１としての電圧形インバータの主回路を示しており、Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，ＱｚはＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚは各スイッチング素子に逆並列接続された環流ダイオードである。
【０００６】
いま、電動機３の巻線を短絡するために、図５に示すごとく６個のスイッチング素子のうちのＵ相下アームのスイッチング素子Ｑｘのみにオン信号を与えると、その等価回路は図６のようになる。なお、図６では、電動機３をＵ，Ｖ，Ｗ各相の誘起電圧源によって表示してある。
この図６から、無負荷誘起電圧がｅｕ＞ｅｖまたはｅｕ＞ｅｗとなったときに、電動機３の巻線に通流が開始することがわかる。
【０００７】
ここで、回転子のＮ極の方向（ｄ軸）とＵ相巻線の励磁軸とによる角度として電気角θを定義すると、各相の誘起電圧は図７のようになる。図７から分かるように、電動機３の巻線に電流が流れない、つまり各相誘起電圧のうちでＵ相誘起電圧ｅｕが最も低い期間は、電気角θが３０°〜１５０°の期間である。
【０００８】
このことを利用して、例えば以下に示すような手順で、回転子の位置及び速度を推定することができる。
（１）スイッチング素子Ｑｘのみにオン信号を与えた時に、仮にＱｘのオンとほぼ同時に電流が流れたらＱｘをオフし、Ｑｘをオンしても電流が流れなくなるまでＱｘのオン・オフを繰り返す。
（２）無通流状態から通流状態への変化を検出するまで、スイッチング素子Ｑｘのオン状態を継続する。
（３）スイッチング素子Ｑｘのオンを継続すると、Ｕ相巻線と、Ｖ相，Ｗ相の何れか一方の巻線とに電流が流れ始めるが、Ｖ相，Ｗ相の何れに流れるかは電動機３の回転方向に依存するため、Ｖ相，Ｗ相のどちらに電流が流れたかを判別すれば、この時刻における回転方向を判別することができる。仮にＶ相巻線に電流が流れたならば、回転方向は正方向（θが増加する方向）であると判別する。
【０００９】
以下では、上記のとおりＶ相巻線に電流が流れたものとする（Ｗ相巻線に流れた場合でも手順は同様である）。
（４）図７から、Ｖ相巻線に電流が流れ始めた時刻ｔ０（ｓ）における電気角が、θ＝１５０°である。
（５）次に、スイッチング素子Ｑｘをオフし、スイッチング素子Ｑｙをオンする。このとき、Ｑｙをオンした直後は、図７よりＶ相誘起電圧ｅｖが最も低いため、電流が流れない。その後、Ｑｙのオン状態を継続してＶ相誘起電圧ｅｖが最低値を脱し、電流が流れ始めた時刻ｔ１（ｓ）における電気角がθ＝２７０°である。
【００１０】
（６）なお、上述した一連の操作に要する時間はごく短時間であり、巻線短絡電流による発生トルクは微小であるものとすると、この間で電動機３の回転速度は一定とみなせるため、電気角速度ω〔ｒａｄ／ｓ〕を、図８に基づいて、
ω＝（２７０−１５０）×（２π／３６０）／（ｔ１−ｔ０）
により推定することができる。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−７５３９４号公報（段落［０００９］〜［００１２］、図１〜図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ここで、電動機３を、マイコンやロジック回路からなる制御装置２を用いてディジタル制御する場合、電流の検出は、制御装置２の演算周期ごとに、電流の瞬時値をサンプリングして制御装置２に入力するのが一般的である。また、この電流検出に当たっては、検出値にオフセットがある場合の誤検出を防止するため、所定のスレッショルド値を設定し、電流検出値がスレッショルド値を超えたか否かにより通流の開始を判定している。
しかし、前記従来技術には、電流検出値がスレッショルド値を超えるまでの時間やサンプリングタイミングに起因して回転子の位置推定値及び速度推定値に含まれる誤差を補正する方法については何ら開示されていない。
そこで本発明は、上記の誤差を考慮した上で一層確実なフリーラン起動を可能にした交流電動機用電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、多相交流電動機を運転する電力変換器と、電動機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、
電動機の回転子または可動子の空転時に、前記半導体スイッチング素子を介して電動機の巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる巻線電流の通流開始時刻を検出することにより前記回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動する交流電動機用電力変換装置において、
前記制御装置は、
サンプリングした巻線電流の瞬時値と予め設定したスレッショルド値とを比較して巻線電流の通流の開始を判定する判定手段を備え、
前記判定手段は、
回転子または可動子が所定速度で移動している状態において、巻線電流の通流開始から前記スレッショルド値を超えるまでの時間の実験値または計算値に基づいて巻線電流の通流開始時刻を推定する手段を有するものである。
【００１４】
請求項２に記載した発明は、多相交流電動機を運転する電力変換器と、電動機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、
電動機の回転子または可動子の空転時に、前記半導体スイッチング素子を介して電動機の巻線を実質的に短絡し、短絡時に流れる巻線電流の通流開始時刻を検出することにより前記回転子または可動子の位置を推定して電力変換器を起動する交流電動機用電力変換装置において、
前記制御装置は、
サンプリングした巻線電流の瞬時値と予め設定したスレッショルド値とを比較して巻線電流の通流の開始を判定する判定手段を備え、
前記判定手段は、
回転子または可動子が所定速度で移動している状態において、実験または計算によって得た巻線電流の時間変化と前記巻線電流の瞬時値とに基づいて、巻線電流の通流開始時刻を推定する手段を有するものである。
【００１５】
請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
前記制御装置は、
巻線電流の通流開始時刻の推定を３回以上繰り返して得られた回転子または可動子の推定位置と、回転子または可動子が前記推定位置にある各時刻と、の組のうち２組以上に基づいて前記回転子または可動子の速度を推定するものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、短絡電流の検出値がスレッショルド値を超えるまでの時間やサンプリングタイミングに起因した誤差を考慮して回転子の位置推定値及び速度推定値を求めることができ、これによって電力変換器を確実にフリーラン起動することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
前述した如く、制御装置によるディジタル制御では、所定の演算周期ごとに巻線電流の瞬時値をサンプリングして制御装置に入力するのが一般的であり、巻線電流の検出値にオフセットがある場合の誤検出を防止するため、通常は、電流検出値が所定のスレッショルド値を超えたか否かを判定することにより通流の開始を判定している。
しかし、このような検出方法では、例えば図９に示すように、ｅｖ＞ｅｗとなってＷ相に電流が流れ始めてからＷ相電流がスレッショルド値を超えるまでの時間Ｔａと、Ｗ相電流の瞬時値のサンプリングによってスレッショルド値を超えたことを検出するまでの遅れ時間Ｔｅとの和（Ｔａ＋Ｔｅ）が、通流開始時刻の検出誤差（実際の通流開始点から通流検出点までの時間）となる。なお、Ｗ相電流のサンプリング間隔をＴｓとする。
【００１８】
この検出方法では、ある相の巻線電流の通流が検出された時点でその時刻における回転子または可動子の位置が特定されるのであるから、上述した通流開始時刻の検出誤差は、そのまま回転子または可動子の位置推定誤差となる。
ここで、巻線電流の時間変化や時間Ｔａは、電動機３の定数や回転速度の条件から定まる。従って、検出誤差（Ｔａ＋Ｔｅ）を補正するためには、時間Ｔａを予め実験的に測定してデータテーブルとして保持しておき、このデータ、またはこのデータから適宜補間したデータに基づいて補正を行えばよい。
または、巻線電流の時間変化や時間Ｔａは、前述のように、電動機３の定数や回転速度の条件から定まるので、これらを演算によって求め、この値に基づいて補正を行うことも可能である。
【００１９】
そこで、請求項１の発明の実施形態では、図１に示すように電動機３の速度Ｎに対する時間Ｔａを実験によって予め求め、両者の関係をデータテーブルとして保持しておき、速度検出器等により検出した速度Ｎに応じた時間Ｔａを読み出す。または、電動機３の定数や回転速度の条件から演算によって時間Ｔａを求める。それと共に、通流検出時刻から前記時間Ｔａをさかのぼることによって実際の通流開始時刻を推定する。
但し、この場合には、図９に示したサンプリングポイントに起因する時間Ｔｅが位置推定の誤差要因として残るが、この時間Ｔｅがサンプリング間隔Ｔｓを超えることはない。
従って、電流がスレッショルド値を超える推定時刻からＴｓ／２だけさかのぼれば、更に誤差を小さくすることができる。
【００２０】
また、請求項２の発明の実施形態としては、図２に示すように回転速度Ｎに対する電流波形の時間変化を実験波形として予め求め、両者の関係（同一の電流Ｉに対しては速度Ｎが大きいほど時間ｔ（時間Ｔａ）が短くなる関係）をデータテーブルとして保持しておき、速度Ｎに応じて巻線電流の瞬時値が前記実験波形上のデータと一致する時間Ｔａを読み出してこの時間Ｔａだけ通流検出時刻からさかのぼることにより、実際の通流開始時刻を推定する。
または、前記回転速度Ｎに対する電流の時間変化は、前述のように、電動機３の定数や回転速度の条件から求めることができるので、これと巻線電流の瞬時値とから時間Ｔａを求め、実際の通流開始時刻を推定することも可能である。
ここで、電動機３の回転速度Ｎは、位置検出を行う期間で一定であるとすると、電気角の変化量Δθをその変化に要した時間Ｔで除すことにより求められる。
【００２１】
いま、図３に示すように、通流検出による回転子の位置推定を２回行うものとする。なお、図３では、電動機３のある相に電流が流れ始めた際の電気角を、第１回目の通流検出時にはθ＝θ１、第２回目の通流検出時にはθ＝θ２として検出するものとする。
また、第１回目及び第２回目の通流検出時において、実際の通流開始時刻をそれぞれｔ００，ｔ１０、巻線電流がスレッショルド値を超えた時刻をそれぞれｔ０１，ｔ１１、サンプリングによる通流検出時刻をそれぞれｔ０２，ｔ１２とする。
【００２２】
この場合、図示する如く、サンプリングによって通流を検出するまでには、時間Ｔａと、サンプリングポイントに起因する遅れ時間Ｔｅ１またはＴｅ２との和が、誤差として含まれる。
上記の時間Ｔａは、前述したように電動機３の定数や回転速度の条件から求まる値であり、１回目及び２回目の通流検出時における回転速度Ｎの変化が無視できる場合には各回の値が等しいため、相殺可能である。
【００２３】
一方、サンプリングポイントに起因する遅れ時間Ｔｅ１，Ｔｅ２については、２回の通流検出の時間間隔Ｔ’（サンプリング間隔Ｔｓの整数倍であるｔ０２〜ｔ１２の時間）に、−ＴｓからＴｓの間の大きさで含まれ、以下の関係がある。なお、時間Ｔはｔ００〜ｔ１０またはｔ０１〜ｔ１１である。
Ｔ−Ｔｓ＜Ｔ’＜Ｔ＋Ｔｓ
【００２４】
従って、Ｔに対してＴｓを相対的に小さくすれば、時間Ｔｅ１，Ｔｅ２による誤差は小さくなるが、この種の制御装置ではサンプリング間隔Ｔｓを小さくすることはできない場合が多いので、Ｔを大きくすることにより、つまり通流検出を行うための計算対象区間を長くすればよい。このためには、請求項３に示すように、２回目の通流検出の後に、更に別の相の通流を検出する３回目の操作を行い、この操作を以後（３回以上）繰り返せばよい。すなわち、通流が開始する電気角の検出を電動機３の回転に応じて電気角１２０°の区間ごとに連続的に行い、速度推定の計算対象区間数を多くする。あるいは、複数の計算対象区間について速度推定を行い、その平均を求めることにより、速度推定精度、位置推定精度を向上させることができる。
【００２５】
本実施形態では、以上のような操作によって回転子の位置（電気角）、回転速度を推定した後、所定時間が経過してから電力変換器１を起動させるものであるが、その起動時に制御装置２に設定する制御パラメータを、推定した電気角、回転速度、及び起動までの時間に基づいて決定することにより、電動機３の回転子等が空転している状態から確実かつ高精度に起動することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態において、回転子等の位置推定誤差を補償するための、回転速度に対する遅れ時間の関係を示す図である。
【図２】本発明の実施形態において、回転子等の位置推定誤差を補償するための、時間に対する電流の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態における位置推定誤差の補正方法の説明図である。
【図４】従来の交流電動機用電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図５】図４における電力変換器の主回路構成図である。
【図６】図５の等価回路を示す図である。
【図７】電気角と各相の誘起電圧との関係を示す図である。
【図８】従来技術による速度推定方法の説明図である。
【図９】回転子等の位置推定における通流開始時刻の検出誤差を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１：電力変換器
２：制御装置
２１：電流処理部
２２：制御演算部
３：交流電動機
４：電源
５Ａ，５Ｂ：電流検出器
Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ：半導体スイッチング素子
Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ，Ｄｚ：環流ダイオード
【図１】
2006211866.tif 000003
【図２】
2006211866.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006211866.tif 000006
【図５】
2006211866.tif 000007
【図６】
2006211866.tif 000008
【図７】
2006211866.tif 000009
【図８】
2006211866.tif 000010
【図９】
2006211866.tif 000011