(57)【要約】【課題】  磁極センサがない同期機の永久磁石の温度推定精度を高精度に行なう同期機の制御装置を提供する。【解決手段】磁極センサレス同期機の制御装置において、磁石温度推定部１２の電機子鎖交磁束量演算部１２ａで制御軸（γ−δ軸）と磁石軸（ｄ−ｑ軸）とのΔθずれた座標系に各々電流・電圧マッピングを行い、Δθと電機子鎖交磁束量Φを動的に変化させ、電機子鎖交磁束量を演算してこれを基に磁石温度推定演算部１２ｂによって基準電機子鎖交磁束量との比から磁石温度を推定し、次に、不可逆減磁判定部１３の磁石温度自動低減演算および減磁判定演算部１３ａによってキャリア周波数と変調方式をアップさせ、永久磁石温度を低減し、これと不可逆減磁発生電流の相関テーブルから求めた不可逆減磁磁発生電流とインバータ故障時の不可逆減磁モード電流テーブル値と比較してアラーム出力部１３ｂからアラーム出力する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータに永久磁石を用いた同期機に交流電圧を印加して駆動する電力変換器と、
前記同期機に流れる電流の基本波成分に同期するが磁石軸（ｄ−ｑ軸）とはΔθだけ偏差を持って回転する直交座標系（γ−δ軸座標）において、前記同期機の基本波電流をその指令値に一致させるための基本波電圧指令を演算する電流制御手段と、
前記同期機の回転速度を回転速度指令値に一致させるためにトルク指令を演算する速度制御手段と、
前記電流制御手段から演算された基本波電圧指令値に基づいて前記同期機に印加する交流電圧を演算する交流電圧制御手段とを備えた同期機の制御装置であって、
前記同期機の回転速度又は回転位置を前記同期機のインピーダンス又は電圧電流方程式逆モデルなどのオブザーバにより推定する推定制御手段と、
前記推定制御手段から推定された同期機の回転速度と、前記基本波電流指令又は基本波電流と、前記基本波電圧指令とに基づいて、前記永久磁石の電機子鎖交磁束量を収束演算する磁束演算手段と、
前記磁束演算手段により演算された前記永久磁石の電機子鎖交磁束を基に前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定手段と、前記磁石温度から永久磁石の不可逆減磁判定をする不可逆減磁判定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】
前記磁束演算手段は、前記推定制御手段から推定された同期機の回転速度と、前記基本波電流指令又は基本波電流と、前記基本波電圧指令とに基づいて、前記永久磁石の電機子鎖交磁束量と前記偏差Δθとを動的に変化させ、前記永久磁石の電機子鎖交磁束量を収束演算するものであることを特徴とする請求項１記載の同期機の制御装置。
【請求項３】
前記磁石温度推定手段は、前記演算された電機子鎖交磁束量と基準温度の電機子鎖交磁束量の比および前記永久磁石の磁石温度係数を用いて前記永久磁石の温度を推定するものであることを特徴とする請求項１記載の同期機の制御装置。
【請求項４】
前記不可逆減磁判定手段は推定された永久磁石温度での不可逆減磁発生電流が許容電流を超えたときは、前記電力変換器内部のキャリア周波数を高くするか、または前記電力変換器内部の変調方式を２相から３相へ変更することを特徴とする請求項１記載の同期機の制御装置。
【請求項５】
前記永久磁石温度に対する不可逆減磁発生電流のテーブルを具備し、前記永久磁石の推定温度に対する該不可逆減磁発生電流値を検索し、電力変換保護用の過電流値、ＩＧＢＴ故障時の３相短絡電流、および１相短絡電流値の少なくとも１つと前記不可逆減磁発生電流値とを比較することを特徴とする請求項４記載の同期機の制御装置。
【請求項６】
前記比較の結果、前記検索された不可逆減磁発生電流値よりも、前記過電流値、前記３相短絡電流値、および１相短絡電流値の方が大きい場合は、警告アラーム表示することを特徴とする請求項５記載の同期機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロータに磁石を用い、かつ位置センサおよび速度センサを用いない永久磁石型同期機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンプレッサ、ファン、ポンプに代表される産業用機器は、地球環境保護を目的として二酸化炭素排出量削減のため、省エネルギー化が促進されている。
中でもモータの省エネは、磁石型モータを採用することで大幅な省エネが実現できることが知られており、その研究開発は活発に行われている。
省エネのためのロータ構造の研究、電流ベクトル最適制御の研究などが多く見受けられるが、永久磁石型同期機を用いたベクトル制御ドライブで省エネのみならず、考慮すべきことは永久磁石の不可逆減磁である。これが一度発生すると、モータ性能が低下する。不可逆減磁は異常な磁石温度およびその状態でのステータ側巻線からの過大な電流（電機子反作用）の複合要因である。
しかし、この異常な磁石温度を直接測定することは困難であるため電流ベクトル制御を行う制御装置において、ｄ−ｑ軸座標系におけるモータ電圧とモータ電流に基づいてモータの電機子鎖交磁束量を演算し、その結果を予めマイコンメモリ内部に記憶された磁石温度と電機子鎖交磁束量の関係から磁石温度を推定する制御装置が提案されている。
その電機子鎖交磁束量の算出法は基本波成分の回転座標系の電圧方程式逆算で推定する方法（特許文献１参照）と、電圧方程式中のモータ定数（例えば、抵抗など）に依存しないように高調波成分の回転座標系を新たに追加し推定する方法（特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１８４９６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３５２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし上述した特許文献１および２に開示されたモータ制御装置は、モータに取り付けられたセンサによる速度・磁極位置情報を基に電機子鎖交磁束量を推定することを目的としている。これは、例えば取り付けスペースやコスト制約でセンサを取り付けることができない制御装置において、磁石位置を正確に把握することができないため、電機子鎖交磁束量の精度が悪化するという欠点（第１の課題）があった。
更に、特許文献２に開示されたモータ制御装置は、推定された電機子鎖交磁束量から磁石温度を推定する方法として、マイコン内部のメモリに、予め、制御対象モータの電機子鎖交磁束量と磁石温度を実測した相関テーブルを記憶させておき、メモリアドレス参照により磁石温度を推定している。しかしながら、この方法には、対象モータが異なる場合、テーブルの見直しが必要となるので、汎用性ある制御装置ができないという欠点（第２の課題）があった。
更に、特許文献１および２に開示されたモータ制御装置は、磁石温度が許容温度を超過している場合に、モータ出力調整に電流指令を調整したり、あるいは、磁石温度が不可逆減磁の限界温度を超過した場合はシステム停止信号による制御装置を停止することを提案している。しかしこの方法は、磁石温度が限界温度を超過した場合、即停止のため、運転継続が要求されるような産業機器に対しては、過剰な保護になっている場合がある。つまり不可逆減磁発生は磁石温度のみならず、電流の影響もあり、磁石温度と電流の両面から不可逆減磁保護と減磁のリスク管理を行う必要があった（第３の課題）。
本発明はこれらの課題を解決するためになされたもので、センサが取付けてない同期機の制御装置であって高精度に電機子鎖交磁束量推定と永久磁石温度推定を行い、永久磁石の不可逆減磁を防止することを目的とする。また、汎用性のある、運転継続が要求されるような産業機器に対しても過剰な保護にならない同期機の制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、同期機の制御装置に係り、ロータに永久磁石を用いた同期機に交流電圧を印加して駆動する電力変換器と、前記同期機に流れる電流の基本波成分に同期するが磁石軸（ｄ−ｑ軸）とはΔθだけ偏差を持って回転する直交座標系（γ−δ軸座標）において、前記同期機の基本波電流をその指令値に一致させるための基本波電圧指令を演算する電流制御手段と、前記同期機の回転速度を回転速度指令値に一致させるためにトルク指令を演算する速度制御手段と、前記電流制御手段から演算された基本波電圧指令値に基づいて前記同期機に印加する交流電圧を演算する交流電圧制御手段とを備えた同期機の制御装置であって、前記同期機の回転速度又は回転位置を前記同期機のインピーダンス又は電圧電流方程式逆モデルなどのオブザーバにより推定する推定制御手段と、
前記推定制御手段から推定された同期機の回転速度と、前記基本波電流指令又は基本波電流と、前記基本波電圧指令とに基づいて、前記永久磁石の電機子鎖交磁束量を収束演算する磁束演算手段と、
前記磁束演算手段により演算された前記永久磁石の電機子鎖交磁束を基に前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定手段と、前記磁石温度から永久磁石の不可逆減磁判定をする不可逆減磁判定手段を備えたことを特徴としている。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の同期機の制御装置において、前記磁束演算手段が、前記推定制御手段から推定された同期機の回転速度と、前記基本波電流指令又は基本波電流と、前記基本波電圧指令とに基づいて、前記永久磁石の電機子鎖交磁束量と前記偏差Δθとを動的に変化させ、前記永久磁石の電機子鎖交磁束量を収束演算するものであることを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の同期機の制御装置において、前記磁石温度推定手段が、前記演算された電機子鎖交磁束量と基準温度の電機子鎖交磁束量の比および前記永久磁石の磁石温度係数を用いて前記永久磁石の温度を推定するものであることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の同期機の制御装置において、前記不可逆減磁判定手段が推定された永久磁石温度での不可逆減磁発生電流が許容電流を超えたときは、前記電力変換器内部のキャリア周波数を高くするか、または前記電力変換器内部の変調方式を２相から３相へ変更することを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載の同期機の制御装置において、前記永久磁石温度に対する不可逆減磁発生電流のテーブルを具備し、前記永久磁石の推定温度に対する該不可逆減磁発生電流値を検索し、電力変換保護用の過電流値、ＩＧＢＴ故障時の３相短絡電流、および１相短絡電流値の少なくとも１つと前記不可逆減磁発生電流値とを比較することを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の同期機の制御装置において、前記比較の結果、前記検索された不可逆減磁発生電流値よりも、前記過電流値、前記３相短絡電流値、および１相短絡電流値の方が大きい場合は、警告アラーム表示することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１記載の発明によれば、位置・速度センサを具備しない、前記永久磁石、同期機の磁石温度を精度良く推定できるようになる。
請求項２記載の発明によれば、同期機の回転速度と前記基本波電流指令（又は基本波電流）と前記基本波電圧指令に基づいて、永久磁石の電機子鎖交磁束量と前記偏差Δθとを動的に変化させることで、永久磁石の電機子鎖交磁束量を精度良く演算できるようになる。
請求項３記載の発明によれば、演算された電機子鎖交磁束量と基準温度の電機子鎖交磁束量の比およびと永久磁石の磁石温度係数を用いて永久磁石の温度を精度良く推定できるようになる。
請求項４記載の発明によれば、永久磁石のあるコアの発熱を、その発生一要因であるコア表面の渦電流損失と考え、キャリア周波数の増加で渦電流損失を低減し磁石温度を低減し運転継続することを可能にする。
請求項５記載の発明によれば、不可逆減磁発生要因を簡単に追究することができるようになり、その結果ユーザ側にその旨を認識させることが可能となる。
請求項６記載の発明によれば、不可逆減磁発生要因を予めユーザ側が認識することができドライブ運転継続をユーザ側の意思で操作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】
【０００６】
本発明は２つの実施例に大別できる。
まず、実施例１は、位置・速度センサを具備しない永久磁石同期機の磁石温度を推定するための、従来技術と異なる電機子鎖交磁束演算手段と磁石温度推定手段についての発明である。
実施例２は、磁石温度推定後に磁石温度を低減し運転継続に必要な処理法とその温度で不可逆減磁が発生するモードをユーザに事前アラーム表示してドライブシステムのリスク管理についての発明である。
【実施例１】
【０００７】
図１は実施例１の構成を示している。
減算器１は速度指令ωrefから速度フィードバック値ω推定値を減算する。  速度制御部２は速度指令と速度フィードバック値の偏差からトルク指令Ｔrefを演算する。
電流指令生成部３はトルク指令Ｔrefから最適（例えば最大電流効率など）電流指令Ｉδ_refとＩγ_refを演算する。
減算器４ａはγ軸電流指令値Ｉγ_refからγ軸電流Ｉγを減算し、減算器４ｂはδ軸電流指令値Ｉδ_refからδ軸電流Ｉδを減算する。γ・δ軸電流制御部５は、γ・δ軸座標系における電流指令Ｉγ_refとＩδ_refとそれらのフィードバック電流Ｉγ、Ｉδとの偏差に基いて、指令とフィードバック値を一致させるためのγ・δ軸電圧指令値Ｖγ_ref、Ｖδ_refを演算する。
γ・δ／３相変換部６は磁石推定位置θ推定値（後述するオブザーバ位置・速度推定計算部１１から算出）に基づいてγ・δ軸電圧指令値Ｖγ_ref、Ｖδ_refを３相電圧指令値Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refに変換する。
電力変換装置７は３相電圧指令値Ｖu_ref、Ｖv_ref、Ｖw_refとコンバータ部の直流電圧（不図示）とキャリア信号波から短形パルス群である交流電圧に変換し、同期機８に３相交流電圧Ｖu、Ｖv、Ｖwを印加する。
同期機８は永久磁石３相同期機である。この同期機は位置・速度を検出するハードウェアは一切具備していない。
【０００８】
第１の発明の長所はこのような構成において、永久磁石温度を推定する点にある。
電流検出部９は、電流センサ９ａ、９ｂにより同期機８のＵ相とＶ相の電流Ｉｕ、Ｉｖを検出する。
３相／γ・δ変換部１０は、磁石推定位置θ推定値（後述するオブザーバ位置・速度推定計算部１１から算出）に基づいて、３相交流瞬時値電流Ｉu、Ｉvをγ・δ軸フィードバック電流Ｉγ、Ｉδに変換する。
オブザーバ位相・速度推定計算部１１は、同期機８に本来具備されるセンサ信号による速度・位置演算をソフトウェアで代用処理する部分である。
位置・速度推定方法は、高周波印加インピーダンス探索法やオブザーバ法などがある。  ここでは推定例としてオブザーバによる位置、速度推定処理例を示している。入力はγ・δ軸電圧指令値Ｖγ_ref、Ｖδ_ref、およびγ・δ軸座標系におけるフィードバック電流ＩγとＩδを用い、出力は同期機８の推定位置と推定速度を演算する。なお、前述したように、この部分は同期機８の速度と位置を推定することを目的しており、オブザーバ方式に限定されるものではない。
磁石温度推定部１２は同期機８のロータを構成する永久磁石温度ＭＲX°Cを推定する。
【０００９】
図２は、磁石温度推定部１２の詳細な構成を示す図である。
図において、１２ａはホット運転状態の電機子鎖交磁束量Φｘ°Cと制御軸（γ・δ軸）と磁石軸（ｄ・ｑ軸）のずれ角Δθを演算する部分である。
図１に示すγ・δ軸電圧指令値Ｖγ_ref、Ｖδ_ref、γ・δ軸フィードバック電流ＩγとＩδ、更に速度指令ωref、同期機８のｄ・ｑ軸インダクタンス、抵抗値を入力する。
（１）式により、任意のΔθでフィードバック電流ＩδとＩγをｄ−ｑ軸座標系へ電流マッピングしＩd、Ｉqを演算する。（一般的にγ−δ軸座標系はｄ−ｑ軸座標系よりも進み位相で制御されるので、符号の取り方は図３に示す方向を正方向として考える。）
【数１】
2006254521.tif 000003
そして、（２）式に示すｄ・ｑ軸電圧電流座標系のＶdとＶqを磁石温度Ｘ°Ｃの電機子鎖交磁束量ΦX°Cを用いて演算する。
【数２】
2006254521.tif 000004
さらに、（３）式に示すγ・δ軸座標系へ逆電圧マッピングを行い、Ｖγ_map、Ｖδ_mapを演算する。
【数３】
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このＶγ_map、Ｖδ_mapは任意のΔθと磁石温度Ｘ°Ｃの電機子鎖交磁束量ΦX°Cでの結果であり、（４）式に示す条件を満たすまでΔθと電機子鎖交磁束量ΦX°Cを動的に変化させ収束演算させる。
【数４】
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１２ｂは、この収束演算で得られた電機子鎖交磁束量ΦX°Cを用いて（５）式の演算を行うことで運転状態での永久磁石温度ＭＲX°Cを推定する部分である。
ただし、基準温度の電機子鎖交磁束量は、２０°Ｃのそれとしている。また、永久磁石の磁石温度係数を−０．１１（％／°Ｃ）としている。
【数５】
2006254521.tif 000007
【００１０】
このように実施例１によれば、磁石温度推定の従来技術で同期機の位置・速度検出装置を用いた磁石温度推定をその装置を省いた状態でも推定することが可能となる。更に、電機子鎖交磁束量と磁石温度のマイコンのメモリテーブルによるアドレス指定を省くことを可能にし異なる同期機でも磁石材質のみの情報から電機子鎖交磁束量から磁石温度を推定することが可能となり、より汎用性のある磁石温度推定技術が確立した。
【実施例２】
【００１１】
図４は実施例２の構成を示している。
図において、磁石温度推定部１２には、電機子鎖交磁束量演算部１２ａおよび磁石温度推定演算部１２ｂがあり、不可逆減磁判定部１３には、磁石温度自動低減演算および減磁判定演算部１３ａおよびアラーム出力部１３ｂがある。
基本構成は図１と同等であるので、重複説明は省略し、以下、異なる部分についてのみ説明する。
不可逆減磁判定部１３は、磁石温度推定部１２より演算された磁石温度ＭＲX°Cと電流の相関で不可逆減磁が生じる恐れがある場合に、減磁判定演算部１３ａで自動的に磁石温度を低減させる処理を行い、そしてアラーム出力部１３ｂでユーザに事前にどの故障モードで不可逆減磁発生の可能性があるかを報知するアラーム処理を行う。（図５参照。）
まず、磁石温度自動低減演算および減磁判定演算部１３ａの磁石温度を低減させる処理について説明する。
図４の電力変換装置７で生成される交流電圧はＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）波形であり、同期機８のインダクタンスとＰＷＭ波形との関係で、同期機８に流れる電流は高周波数（キャリア周波数）が回転周波数に重畳した電流となる。  この高周波電流によりコア表面には渦電流が流れ、コアが発熱され熱伝導により永久磁石温度が上昇するので渦電流損失を低減させる必要がある。
例えば、磁石温度推定部１２から推定された磁石温度が１４０°Ｃ（周囲温度２０°Ｃ）で、その温度で不可逆減磁電流を検索すると値は２９０％である。その結果、過電流（２００％）では不可逆減磁しないが３相短絡電流（３５０％）では不可逆減磁することになる。電流は変更できないので不可逆減磁のリスクを低くするには（６）式からキャリア周波数ｆをアップさせ高周波電流の振幅値Ｂ（高周波磁束密度の振幅値）を抑え、磁石温度を低減させる必要がある。
【数６】
2006254521.tif 000008
ここで、α：比例定数（コアの電気伝導率など）
Ｂ：高周波電流によるギャップ磁束密度（Ｔ）
ｆ：キャリア周波数（Ｈｚ）
キャリア周波数を２倍にした場合、渦電流損失Ｗeddyは概算３０（％）低減できるので磁石温度は１０５°Ｃ（周囲温度２０°Ｃ）となる。この場合、不可逆減磁電流を検索すると、値は４００％となる。３相短絡電流（３５０％）では不可逆減磁しなくなり、１相短絡電流（５００％）では不可逆減磁することになるが、故障確率は３相短絡電流から１相短絡電流へと移行し低くなった。このように、不可逆減磁判定部１３ａは電力変換装置７にキャリア可変周波数、あるいはＰＷＭ変調信号を送り磁石温度を低減させる処理を自動的に行い不可逆減磁のリスクを低くすることが可能である。
【００１２】
次に、図５の１３ｂについて説明する。
この部分はユーザへ不可逆減磁発生モードについてアラームを行う。０°Ｃから２００°Ｃまで１０°Ｃごとの磁石温度に対する不可逆減磁発生電流値をメモリに記憶し（テーブル１）、このメモリの不可逆減磁電流値とインバータ故障時に発生する電流（テーブル２）の大小を比較演算し、適切なアラームを出力する。
なお、上下限値は仮に０°Ｃ、２００°Ｃとしたものでありこの値に限定されるものではない。磁石温度推定部１２から得られた磁石温度が１４２°Ｃであれば、メモリテーブルの磁石温度１４０°Ｃと１５０°Ｃの不可逆減磁電流値から１４２°Ｃの不可逆減磁電流Ｉ不可逆減磁電流を補間算出する。このＩ不可逆減磁電流と電力変換（ＩＧＢＴ）保護用の過電流値Ｉ過電流、あるいはＩＧＢＴ故障時の３相短絡電流Ｉ3相短絡電流、１相短絡電流値Ｉ1相短絡電流を比較する。
Ｉ過電流  ＞  Ｉ不可逆減磁電流
の関係を満たせば、アラーム［ＯＣ］を出力する。
Ｉ3相短絡電流  ＞  Ｉ不可逆減磁電流   ≧ Ｉ過電流
の関係を満たせば、アラーム［３ＳＣ］を出力する。
Ｉ1相短絡電流  ＞  Ｉ不可逆減磁電流  ≧ Ｉ3相短絡電流
の関係を満たせば、アラーム［１ＳＣ］を出力する。
Ｉ不可逆減磁電流   ≧ Ｉ1相短絡電流
の関係を満たせば、アラーム［ＯＫ］を出力する。
なお、モータがコールド状態からホット状態へ移行するに従い、アラーム表示は、［ＯＫ］→［１ＳＣ］→［３ＳＣ］→［ＯＣ］となる。
このように、アラーム出力部１３ｂは電力変換装置７の故障原因により発生する不可逆減磁を故障モード別にアラーム出力する。
ユーザは、事前にＩＧＢＴの故障確率の調査やモータとインバータの代替品を準備しておくなど、リスク管理の計画が立て易いなどのメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の構成を示す図である。
【図２】実施例１の構成部の磁石温度推定部の詳細図である。
【図３】座標系の考え方を示す図である。
【図４】実施例２の構成を示す図である。
【図５】実施例２の構成部の不可逆減磁判定部の詳細図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  ４ａ、４ｂ  減算器
２  速度制御部
３  電流指令生成部
５  γ・δ軸電流制御部
６  γ・δ／３相変換部
７  電力変換装置
８  同期機
９  電流検出部
１０  ３相／γ・δ変換部
１１  オブザーバ位置・速度推定計算部
１２  磁石温度推定部
１２ａ  電機子鎖交磁束量演算部
１２ｂ  磁石温度推定演算部
１３    不可逆減磁判定部
１３ａ  磁石温度自動低減演算および減磁判定演算部
１３ｂ  アラーム出力部
【図１】
2006254521.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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