(57)【要約】【課題】絶対位置検出器を用いずに短時間でスムーズな起動を実現できる永久磁石同期電動機の制御装置を得る。【解決手段】永久磁石同期電動機の磁極位置を検出するための磁極検出指令を出力する検出モード設定手段１８と、磁極検出指令に応じて、初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令として複数の異なる値を出力する磁極検出用電流指令手段１９と、磁極検出指令の入力時は、磁極検出用電流指令手段１９から出力される初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令を電流制御部に出力する信号スイッチ部２１ａ〜２１ｃと、磁極検出指令に応じて、磁極検出用電流指令手段１９から出力された複数の異なる値に対する帰還電流から高周波成分を抽出して発振現象を検知し、発振が最も大きくなる電気位相角を初期磁極位相と特定する磁極位相判定手段２０とを備える。【選択図】図１
2006180567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する位置検出器と、
検出された前記磁極位置に基づいて電気位相角を算出する位相演算手段と、
電圧指令に基づいて可変電圧可変周波数の交流電力を前記永久磁石同期電動機に供給する電力変換器と、
前記電力変換器から出力される各相電流を検出する電流検出器と、
電気位相角、電流指令、および前記電流検出器からの検出電流に基づいて電圧指令を算出して前記電力変換部に出力する制御部と
を備え、永久磁石同期電動機の速度制御を行う永久磁石同期電動機の制御装置において、
前記永久磁石同期電動機の磁極位置を検出するための磁極検出指令を出力する検出モード設定手段と、
前記検出モード設定手段からの前記磁極検出指令に応じて、初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令として複数の異なる値を出力する磁極検出用電流指令手段と、
通常の運転時は、前記位置検出器の位置出力から求まる電気位相角および外部からの速度指令に基づいて生成される電流指令を前記制御部に出力し、前記検出モード設定手段からの前記磁極検出指令の入力時は、前記磁極検出用電流指令手段から出力される初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令を前記制御部に出力するように信号処理を切り換える信号スイッチ部と、
前記検出モード設定手段からの前記磁極検出指令に応じて、前記磁極検出用電流指令手段から出力された前記複数の異なる値に対する前記電流検出器からの帰還電流の検出値から電流の高周波成分を抽出して発振現象を検知し、発振の大きさが最も大きくなる電気位相角を初期磁極位相と特定し、前記位相演算手段に対して前記初期磁極位相の設定を行う磁極位相判定手段と
をさらに備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石同期電動機の制御装置において、
前記磁極検出用電流指令手段は、前記初期磁極位相検出用の電気位相角として、電気位相角の１周期にわたって複数の値を設定することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久磁石同期電動機の制御装置において、
前記磁極検出用電流指令手段は、前記初期磁極位相検出用の電流指令値として、電機子反作用磁束と永久磁石による界磁磁束との和が前記永久磁石同期電動機の磁気回路の一部を磁気飽和させる値の近傍に設定することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の制御装置において、
前記検出モード設定手段は、磁極位置検出完了フラグを記憶する記憶部を有し、電源投入時は磁極位置検出完了フラグをリセットして前記記憶部に記憶し、起動時に前記記憶部から前記磁極位置検出完了フラグを取り出し、前記磁極位置検出完了フラグがリセットされている場合には前記永久磁石同期電動機の磁極位置を検出するための磁極検出指令を出力し、
前記磁極位相判定手段は、前記初期磁極位相が特定できた後に、磁極位置検出完了フラグをセットして前記検出モード設定手段の記憶部に記憶させる
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の制御装置において、
前記制御部は、
前記電流検出器からの検出電流を入力し、時間遅れを持たせた信号を出力する遅れ要素部と、
通常の運転時は、前記制御部で使用する帰還電流として前記電流検出器からの検出電流を出力し、遅れ要素挿入指令の入力時は、前記制御部で使用する帰還電流として前記遅れ要素部からの信号を出力するように信号処理を切り換える第２の信号スイッチ部と
をさらに備え、
前記磁極位相判定手段は、前記検出モード設定手段からの前記磁極検出指令に応じて初期磁極位相の特定を行う際に、必要に応じて前記第２の信号スイッチ部に対して遅れ要素挿入指令を出力することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機の磁極位置を検出する永久磁石同期電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期電動機を採用したエレベータ用巻上機では、一般に電動機のロータ磁極位置を検出するためのセンサを備えており、電動機の回転軸に直結した速度検出器にこの機能を組み込む方式をとることが多い。ロータ磁極位置の検出精度は、電動機トルクの制御性能を左右し、電気角で６０度ずれればトルクが半減し、９０度以上ずれれば逆方向のトルクが発生してしまう。
【０００３】
このため、センサそのものの検出精度だけでなく、巻上機の組立工程におけるセンサ基準位置とロータ磁極位置との位置合わせ精度が重要となる。この位置合わせ精度を向上すべく、エレベータの据付調整中に運転しながら磁極位置を補正する方法がとられている。
【０００４】
一方、磁極位置推定手段により、高精度に同期電動機の起動時の磁極位置を推定することができる同期電動機の磁極位置推定方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法は、磁極位置推定値の収斂演算を行うことにより起動時における同期電動機の磁極位置を推定しており、磁極位置検出器を不要としている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４３８９４号公報（第１頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。エレベータなど低回転大トルクが求められる用途では、磁石極数が数十にも及ぶ多極の設計が採用されることが多い。この場合、僅かな機械角のずれでも電気角に換算すると大きなずれとなる。したがって、電気位相角が回転子の界磁位相を正確に示すようにするには、絶対位置検出器の取り付け精度を十分に確保する必要が生ずる。
【０００７】
例えば、４０極の電動機の場合、機械角で５度ずれるだけで電気角では１００度のずれに相当する。これにより、指令とは逆方向のトルクが発生する、あるいはトルク不足になるなどの問題が生じ易くなる。この場合には、エレベータをまともに走行させることができないため、従来のような運転しながらの界磁補正手段は適用できないという問題があった。
【０００８】
しかしながら、電気角で数度レベルの精度を確保するように絶対位置検出器を取り付けることは、製造コストを考慮すると非現実的といえる。従って、多極の永久磁石同期電動機に絶対位置検出器を用いる場合には、電気位相角の補正が大きな課題となる。また、誘導電動機で一般に用いられるインクリメンタル形のエンコーダに比べて、絶対位置検出器は高価であるという課題もある。
【０００９】
さらに、特許文献１の磁極位置推定方法は、初期値の設定に軸判別と極判別が必要であるとともに収斂演算を伴うため、磁極位置の推定に時間がかかるおそれがあり、実際の起動までに時間がかかることが懸念される。
【００１０】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、絶対位置検出器を用いずにインクリメンタル形のエンコーダ等の位置検出器を用い、短時間でスムーズな起動を実現できる永久磁石同期電動機の制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る永久磁石同期電動機の制御装置は、永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する位置検出器と、検出された磁極位置に基づいて電気位相角を算出する位相演算手段と、電圧指令に基づいて可変電圧可変周波数の交流電力を永久磁石同期電動機に供給する電力変換器と、電力変換器から出力される各相電流を検出する電流検出器と、電気位相角、電流指令、および電流検出器からの検出電流に基づいて電圧指令を算出して電力変換部に出力する制御部とを備え、永久磁石同期電動機の速度制御を行う永久磁石同期電動機の制御装置において、永久磁石同期電動機の磁極位置を検出するための磁極検出指令を出力する検出モード設定手段と、検出モード設定手段からの磁極検出指令に応じて、初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令として複数の異なる値を出力する磁極検出用電流指令手段と、通常の運転時は、位置検出器の位置出力から求まる電気位相角および外部からの速度指令に基づいて生成される電流指令を制御部に出力し、検出モード設定手段からの磁極検出指令の入力時は、磁極検出用電流指令手段から出力される初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令を制御部に出力するように信号処理を切り換える信号スイッチ部と、検出モード設定手段からの磁極検出指令に応じて、磁極検出用電流指令手段から出力された複数の異なる値に対する電流検出器からの帰還電流の検出値から電流の高周波成分を抽出して発振現象を検知し、発振の程度が最も大きくなる電気位相角を初期磁極位相と特定し、位相演算手段に対して初期磁極位相の設定を行う磁極位相判定手段とさらに備えたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流制御系に対して、検出モード設定手段、磁極検出用電流指令手段、磁極位相判定手段、スイッチを付加することにより、絶対位置検出器を用いずにインクリメンタル形のエンコーダ等の位置検出器を用いて停止中に短時間で磁極位置の検出を行うことができ、迅速でスムーズな起動を実現できる永久磁石同期電動機の制御装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の永久磁石同期電動機の制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。本発明の永久磁石同期電動機の制御装置は、インクリメンタル形のエンコーダ等の位置検出器を用いて、起動前の停止中に短時間で容易に磁極位置の検出を行うことができ、永久磁石同期電動機を迅速でスムーズに起動できる安価な制御装置を提供することを特徴とする。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機の制御装置の構成図である。この永久磁石同期電動機の制御装置は、電流制御系として一般的に用いられるｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１（図１の点線で示した部分に相当）を含む速度制御系１００（図１の一点鎖線で示した部分に相当）に対して、さらに、検出モード設定手段１８、磁極検出用電流指令手段１９、磁極位相判定手段２０、スイッチ２１ａ〜２１ｃを新たに付加した構成となっている。
【００１５】
まず始めに、速度制御系１００の構成について説明する。ｄ−ｑ軸非干渉制御系は、永久磁石同期電動機１の電流制御を行うための従来からあるもので、速度制御も含め一般的な制御方式である。この速度制御系１００は、位置検出器２、角速度演算手段３、減算器４、速度制御手段５、位相演算手段６、電流検出器７、三相二相変換器８、二相三相変換器９、減算器１０、１１、ｄ軸電流制御手段１２、ｑ軸電流制御手段１３、非干渉制御手段１４、加算器１５、１６、電力変換器１７で構成される。
【００１６】
位置検出器２は、永久磁石同期電動機１の回転子の回転に伴う位置を検出し、エンコーダ等に相当する。角速度演算手段３は、位置検出器２の位置出力から差分などの方法により永久磁石同期電動機１の回転角速度ωｒを演算する。減算器４は、永久磁石同期電動機１の回転角速度指令ωｒｃｏｍと回転角速度ωｒとの偏差を演算する。
【００１７】
速度制御手段５は、減算器４により演算された偏差に基づいて永久磁石同期電動機１が発生すべきトルクを電流指令として演算し、回転角速度ωｒが回転角速度指令ωｒｃｏｍに追従するように速度制御する。なお、制御性を良くするために、偏差に加えて回転角速度ωｒや回転角速度指令ωｒｃｏｍを速度制御手段５の入力とする構成でも、以下は同様に成り立つ。
【００１８】
三相交流電動機の制御では、一般に、三相の電流、電圧を２軸に変換したものを扱うことが多い。ここで、三相のＵ相軸にα軸を合わせた静止２軸上の座標系をα−β座標系と呼ぶ。また、回転子の界磁方向にｄ軸を合わせた回転２軸上の座標系をｄ−ｑ軸座標系と呼ぶ。図１におけるｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１は、このｄ−ｑ軸座標系の制御系に相当する。
【００１９】
位相演算手段６は、位置検出器２の位置出力から永久磁石同期電動機１の回転子の電気角位相θｒｅを演算する。この電気角位相θｒｅは、α−β座標系から見たｄ−ｑ軸座標系の回転角度を示している。電流検出器７は、永久磁石同期電動機１の固定子巻線に流れる三相交流電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）を検出する。
【００２０】
三相二相変換器８は、三相の電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）をｄ−ｑ軸座標系での電流（Ｉｄ、Ｉｑ）に変換する。二相三相変換器９は、ｄ−ｑ軸座標系での電圧指令値（Ｖｄ、Ｖｑ）を三相の電圧指令値（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に変換する。減算器１０および減算器１１は、永久磁石同期電動機１の固定子巻線電流のｄ軸成分の電流指令Ｉｄｃｏｍとその帰還電流値Ｉｄ、およびｑ軸成分の電流指令Ｉｑｃｏｍとその帰還電流値Ｉｑの偏差をそれぞれ演算する。
【００２１】
ｄ軸電流制御手段１２およびｑ軸電流制御手段１３は、減算器１０および減算器１１で演算された偏差に基づいてそれぞれの帰還電流値がそれぞれの電流指令に追従するように制御出力（Ｖｄ’、Ｖｑ’）を求めて電流制御を行う。非干渉制御手段１４は、ｄ軸電流とｑ軸電流を独立して制御できるように、それぞれの電流を非干渉化するフィードフォワード補償を行う。
【００２２】
加算器１５および加算器１６は、それぞれｄ軸およびｑ軸の制御出力（Ｖｄ’、Ｖｑ’）に非干渉制御手段１４の出力を加算して、それぞれの電圧指令（Ｖｄ、Ｖｑ）を演算する。さらに、電力変換器１７は、三相の電圧指令値（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に従って可変電圧可変周波数の三相交流電圧を出力する。
【００２３】
次に、これらの構成に基づく一連の制御動作について説明する。このｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１の制御方式は、永久磁石同期電動機１のロータ磁極の回転に同期した回転座標上の制御であるため、基準となるロータ磁極位置の検出が重要となる。ロータ磁極位置は、永久磁石同期電動機１のロータに連結された位置検出器２からの信号に基づいて位相演算手段６で演算された位相角θｒｅで表される。
【００２４】
電流検出器７で検出された永久磁石同期電動機１の三相電流（Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ）は、位相演算手段６により演算された位相角θｒｅに基づいて、三相二相変換器８によりｄ−ｑ軸の二相の電流帰還値（Ｉｄ、Ｉｑ）に変換される。そして、ｄ軸電流制御手段１２およびｑ軸電流制御手段１３は、２相に変換されたこの電流帰還値（Ｉｄ、Ｉｑ）と、各軸の電流指令値（Ｉｄｃｏｍ、Ｉｑｃｏｍ）とのそれぞれの偏差に基づいてフィードバック制御を行い、制御出力（Ｖｄ’、Ｖｑ’）を出力する。
【００２５】
この際、他軸からの干渉電圧の影響を受けないようにｄ軸とｑ軸の制御を非干渉化するために、非干渉制御手段１４は、あらかじめ演算された干渉電圧に基づいて、非干渉フィードフォワード補償を行う。このように、非干渉化して各軸独立にフィードバック制御するため、ｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１は、非干渉制御方式と呼ばれている。
【００２６】
制御出力（Ｖｄ’、Ｖｑ’）に非干渉制御手段１４の出力を加算して算出された電圧指令（Ｖｄ、Ｖｑ）は、位相演算手段６により演算された位相角θｒｅに基づいて、二相三相変換器９により三相の電圧指令値（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に変換される。そして、電力変換器１７は、三相の電圧指令値（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に従って可変電圧可変周波数の三相交流電圧を出力することにより、永久磁石同期電動機１の速度制御を行うこととなる。
【００２７】
図１の構成において、永久磁石同期電動機１が非突極形と呼ばれるロータ形状を有する場合には、一般に、ｄ軸電流指令Ｉｄｃｏｍをゼロとする場合が多い。しかしながら、高回転時の電圧を下げるために弱め磁界をする場合、あるいは逆突極形の永久磁石同期電動機１でリラクタンストルクを利用する場合などには、ｄ軸電流指令Ｉｄｃｏｍを適切な値に制御することがある。
【００２８】
次に、速度制御系１００に対して新たに付加されている検出モード設定手段１８、磁極検出用電流指令手段１９、磁極位相判定手段２０、スイッチ２１ａ〜２１ｃについて説明する。これらの構成を付加することにより、絶対位置検出器でない位置検出器２を用いた場合において、電源投入後の初期磁極位置を容易に検出することができることとなる。
【００２９】
検出モード設定手段１８は、磁極位置が検出された状態であるか否かを示す磁極位置検出完了フラグのセット／リセット状態を記憶する記憶部（図示せず）を有している。図１において、位置検出器２は、絶対位置検出器でないため、電源投入時には正しい磁極位置を検出していない状態にある。そこで、検出モード設定手段１８は、電源投入時に記憶部に記憶されている磁極位置検出完了フラグをリセットする。
【００３０】
そして、検出モード設定手段１８は、永久磁石同期電動機１の起動時に、記憶部から磁極位置検出完了フラグを取り出して磁極検出動作を行う必要があるか否かを判断する。さらに、検出モード設定手段１８は、磁極位置検出完了フラグがリセットされていることから磁極検出動作を行う必要があると判断した場合には、永久磁石同期電動機１の磁極位置を検出するための磁極検出指令を出力する。
【００３１】
磁極検出用電流指令手段１９は、検出モード設定手段１８から磁極検出指令を受信すると、初期磁極位相を検出するための電気位相角および電流指令を出力する。磁極検出用電流指令手段１９は、ある所定のｄ軸電流の電流指令に対して、電気位相角を徐々に変化させて、初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令を出力する。さらに、磁極検出用電流指令手段１９は、異なる電流指令に対しても、電気位相角を徐々に変化させて出力信号を生成でき、複数の異なるパターンの出力値を生成できる。
【００３２】
なお、磁極検出用電流指令手段１９は、例えば、電流指令値を次のようにして設定することができる。すなわち、磁極検出用電流指令手段１９は、ｄ軸電流による電機子反作用磁束と永久磁石による界磁磁束との和が、永久磁石同期電動機１のステータ鉄心などモータ磁気回路の一部を磁気飽和させる程度の値となるように、電流指令値を設定することにより、より発振現象が起こりやすい状況を設定できる。なお、このｄ軸は、あくまで制御上のもので、この段階では磁極位置が未検出であるため、ｄ軸位相と永久磁石による界磁磁束の向きは、必ずしも一致していない。
【００３３】
磁極位相判定手段２０は、検出モード設定手段１８から磁極検出指令を受信すると、ｄ軸の帰還電流Ｉｄから磁極位相を判定する。具体的には、磁極位相判定手段２０は、帰還電流Ｉｄの検出値から電流の高周波成分を抽出し、ｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１の電流制御系における発振現象を検知する。さらに、磁極位相判定手段２０は、検知した発振現象の発振の程度が最も大きくなる電気位相角にロータ磁極が存在すると判定して、その電気位相角を初期磁極位相と特定する。
【００３４】
そして、磁極位相判定手段２０は、位相演算手段６に対して、特定した初期磁極位相を初期位相として設定する。位相演算手段６は、設定された初期位相を用いて起動運転を行うことにより、磁極位置が不明であった永久磁石同期電動機１をスムーズに起動させることが可能となる。
【００３５】
さらに、磁極位相判定手段２０は、初期磁極位相が特定できた後に、磁極位置検出完了フラグをセットして検出モード設定手段１８の記憶部に記憶させる。このようにして、電源投入後の１回目の起動時に、初期磁極位相の特定を行うことができる。電源投入後の２回目以降の起動時には、検出モード設定手段１８は、記憶部の磁極位置検出完了フラグがセットされていることから、磁極検出動作を行う必要がないと判断することができる。これにより、電源投入後の２回目以降の起動時には、磁極検出動作を行わずに、直ちにスムーズな起動運転が行えることとなる。
【００３６】
スイッチ２１ａ〜２１ｃは、検出モード設定手段１８からの磁極検出指令に応じて出力信号を切り換える信号スイッチ部である。スイッチ２１ａ〜２１ｃは、検出モード設定手段１８から磁極検出指令を受信していないとき（すなわち、通常の運転時に相当）は、位置検出器２の位置出力に基づいて位相演算手段６で算出された電気位相角θｒｅ、および電流指令（Ｉｄｃｏｍ、Ｉｑｃｏｍ）をｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１に出力する。
【００３７】
一方、スイッチ２１ａ〜２１ｃは、検出モード設定手段１８から磁極検出指令を受信したときは、ｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１に与える電気位相角および電流指令値を、磁極検出用電流指令手段１９から出力される初期磁極位相検出用の電気位相角θｐｈおよび電流指令（Ｉｄｐｈ、Ｉｑｐｈ）に切り換える。
【００３８】
次に、本構成によって初期磁極位相が検出できる理由について説明する。図２は、本発明の実施の形態１におけるｄ軸の電流制御系を示すプロック線図である。一次遅れブロック２２は、モータ電機子に印加される電圧から電流への伝達関数を表すブロックである。電流制御ブロック１２ａは、ｄ軸電流制御手段１２で用いる制御演算の一例を示すブロックである。
【００３９】
この電流制御ブロック１２ａは、一般に、電流の定常偏差を抑えるために比例積分（ＰＩ）制御としている。ＰＩ補償器の設計は、モータ定数の公称値および制御系の設計応答周波数ωｃによって決められる。すなわち、電機子コイルの抵抗値Ｒａの公称値をＲ、インダクタンスＬａの公称値をＬとした場合、ボード線図上におけるＰＩ補償器の折れ点周波数ωｉと、モータ電機子コイルの時定数の公称値（Ｌ／Ｒ）の逆数とが等しくなるように制御定数を設計するのが一般的である。
【００４０】
この場合、電流制御系の開ループ伝達関数は、単なる積分系ωｃ／ｓで表現され、位相が常に−９０度となって安定な制御を行えることが知られている。なお、図２では、ｄ軸の場合を示したが、ｑ軸でも同様に電流制御系を設計することができる。
【００４１】
一方、実際のモータ定数は、公称値から外れる場合がよくあり、ステータ鉄心などの磁気飽和もその要因の一つとなる。図３は、本発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機１の電機子電流と磁束との関係を示すグラフである。図３に示すように、電機子電流が大きくなるとステータ鉄心などの磁気飽和の影響により、曲線の傾きが小さくなる傾向にある。永久磁石同期電動機１の電流制御に関わるインダクタンスＬは、この曲線の傾きΔΦ／ΔＩに等しいので、磁気飽和の影響によって、インダクタンスＬａは、公称値Ｌより小さい値となる。
【００４２】
図４は、本発明の実施の形態１におけるｄ軸電流制御系の開ループ伝達関数のボード線図を示すものである。図４は、インダクタンスが公称値に等しい場合（Ｌａ＝Ｌに相当）、および磁気飽和によって公称値より小さくなる場合（Ｌａ＜Ｌに相当）のそれぞれについて示している。
【００４３】
Ｌａ＝Ｌの場合には、前述のように、ゲインは、−２０ｄＢ／ｄｅｃの傾きを持ち、設計応答周波数ωｃでゲインゼロと交わる直線で表され、位相は、−９０度を保っている。一方、Ｌａ＜Ｌの場合には、開ループ伝達関数は、単なる積分ではなく、ボード線図上では進み遅れの特性を示すようになり、高周波域でのゲインが大きく持ち上がる形となる。
【００４４】
この場合でも、ゲインゼロにおける位相は−９０度であるため、制御理論上は安定ではある。しかしながら、デジタル制御による制御遅れ、あるいはセンサ特性などの影響で、高周波域の位相は遅れがちになるため、実際には不安定となる傾向がある。したがって、電流による電機子反作用磁束の位相と永久磁石による界磁磁束の位相とが一致して大きな磁束が鉄心に流れ、磁気飽和によりインダクタンスが公称値よりも小さくなってしまうと、制御系のゲインが十分高い場合には電流制御系が発振してしまうという現象が発生する。
【００４５】
そこで、帰還電流から振動成分を抽出してこの発振現象を検出することによって、界磁磁束と電機子反作用磁束との位相関係を特定することができ、初期磁極位置が容易に見つかることになる。なお、発振状態が続くと、振動振巾が徐々に拡大してシステム異常に至ることも考えられるが、後述のように、位相角を変化させていることと、過大な電流にならないように指令値を与えることにより、システム異常に至る前に振巾が抑えられている。
【００４６】
次に、フローチャートに基づいて、一連の動作処理について説明する。図５は、本発明の実施の形態１における初期磁極位置検出のシーケンス処理を示すフローチャートである。まず始めに、ステップＳ５０１において、検出モード設定手段１８は、外部から永久磁石同期電動機１の起動指令が入ると、記憶部から磁極位置検出完了フラグを取り出し、磁極位置検出完了フラグがセットされているかリセットされているかによって磁極検出が完了しているか否かを判断する。
【００４７】
磁極位置検出完了フラグがリセットされており磁極検出が未完了であると判断した場合には、検出モード設定手段１８は磁極検出指令を出力し、その後、ステップＳ５０２の処理に移行する。また、磁極位置検出完了フラグがすでにセットされており磁極検出が完了していると判断した場合には、検出モード設定手段１８は磁極検出指令を出力せず、その後、ステップＳ５０９の処理に移行する。
【００４８】
ステップＳ５０２において、磁極検出用電流指令手段１９は、検出モード設定手段１８から磁極検出指令を受信することにより、初期磁極検出動作に必要なｄ軸電流指令値Ｉｄｐｈを設定するとともに、ｑ軸電流指令値ＩｑｐｈをＩｑｐｈ＝０と設定する。
【００４９】
ステップＳ５０３において、検出モード設定手段１８は、磁極検出指令を出力することによりスイッチ２１ａ〜２１ｃを切換える。これにより、スイッチ２１ａ〜２１ｃは、磁極検出用の電流指令（Ｉｄｐｈ、Ｉｑｐｈ）および電気位相角θｐｈをｄ−ｑ軸非干渉制御系１０１に対して出力する。
【００５０】
図１におけるスイッチ２１ａ〜２１ｃの状態は、磁極検出のために、磁極検出用電流指令手段１９からの出力信号と接続するように切り換えられた状態を示している。すなわち、検出モード設定手段１８からの磁極検出指令により、スイッチ２１ａは、ｄ軸電流指令値Ｉｄｐｈに接続され、スイッチ２１ｂは、ｑ軸電流指令値Ｉｑｐｈに接続され、スイッチ２１ｃは、電気位相角θｐｈに接続される。
【００５１】
次に、ステップＳ５０４において、磁極検出用電流指令手段１９は、電気位相角θｐｈをあらかじめ決められた量だけ増加させる。続くステップ２０５において、磁極位相判定手段２０は、ステップＳ５０４で設定された電気位相角θｐｈにおける帰還電流の検出値から電流の高周波成分を抽出する。
【００５２】
そして、ステップＳ５０６において、磁極検出用電流指令手段１９は、電気位相角θｐｈが１周期以上変化したかを判断し、１周期以上変化するまでステップＳ５０４〜Ｓ５０６を繰り返すこととなる。この繰り返し処理により、磁極位相判定手段２０は、１周期分にわたって電気位相角θｐｈを変化させたときのそれぞれの帰還電流の検出値から電流の高調波成分のデータを抽出できる。
【００５３】
ステップＳ５０６で電気位相角θｐｈが１周期以上変化したと判断すると、ステップＳ５０７において、磁極位相判定手段２０は、抽出した高調波成分のデータから、電気位相角θｐｈを１周期にわたって変化させることにより電流制御系の発振現象が発生したか否かを判断する。そして、磁極位相判定手段２０は、発振現象が発生しなかったと判断した場合には、ステップＳ５１２の処理に移行する。
【００５４】
一方、磁極位相判定手段２０は、発振現象が発生したと判断した場合には、発振の程度が最も大きくなる電気位相角にロータ磁極が存在すると判定して電気位相角を特定し、ステップＳ５０８の処理に移行する。次に、ステップＳ５０８において、磁極位相判定手段２０は、特定した電気位相角によって、位相演算手段６が保持している磁極位相を更新する。
【００５５】
図６は、本発明の実施の形態１における初期磁極検出動作中の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、電気位相角θｐｈ、ｄ軸電流Ｉｄの関係を示した図である。この例では、電気位相角θｐｈが１８０度を超過した辺りで、各相電流およびｄ軸電流に高周波の振動が重畳している状態を示している。磁極位相判定手段２０は、このような発振状態に対応する電気位相角にロータ磁極が存在すると判断し、電気位相角を特定することができる。
【００５６】
なお、図１において、磁極位相判定手段２０は、ｄ軸電流Ｉｄを取り込み、ｄ軸電流Ｉｄに重畳する振動を検出する構成としたが、各相電流に重畳する振動によっても同様にロータ磁極を検出することができる。また、電気位相角θｐｈの変化速度によっては、真の磁極位相より遅れて発振現象が観測されるため、電気位相角θｐｈを反対向きに変化させた場合との平均をとった方がより精度が高い検出ができる。
【００５７】
先のステップＳ５０７において、発振現象が発生しなかったと判断した場合には、ステップＳ５１２において、磁極検出用電流指令手段１９は、ステータの磁気飽和が起こりやすいように、ｄ軸電流指令値Ｉｄｐｈを増加させ、その後、ステップＳ５０４〜Ｓ５０７の処理を繰り返し、磁極位置の判定処理を行うこととなる。
【００５８】
なお、本実施の形態１による磁極検出によれば、起動時に短時間で磁極位置の検出が行え、永久磁石同期電動機１をスムーズに起動させることが可能となる。起動後に、高精度なトルク制御が要求される場合に対しては、上述したように電気位相角の初期値を特定して起動した後に、従来から提案されているような磁極補正運転（例えば、特開平１０−８０１８８）を行うことにより、より磁極の検出精度を向上させることが可能となる。図５のステップＳ５０９〜Ｓ５１１は、この磁極補正運転のためのフローチャートを示すものである。
【００５９】
実施の形態１によれば、電流制御系に対して、検出モード設定手段、磁極検出用電流指令手段、磁極位相判定手段、スイッチを付加することにより、インクリメンタル形のエンコーダ等の位置検出器を用いて、停止中に短時間で磁極位置の検出を行うことができ、永久磁石同期電動機を短時間でスムーズに起動することができる。
【００６０】
さらに、初期磁極位相検出用の電気位相角および電流指令の初期値を、電流制御系の発振現象が生じやすい値に設定しておけば、短時間で容易に磁極位置の検出を行うことができる。
【００６１】
なお、上述では、電源投入後の１回目の起動時に磁極位置検出を行う場合について説明したが、これに限定されない。この磁極位置検出は、起動するたびに毎回行ってもよく、また、外部からの磁極検出指令に応じて行うことも可能である。
【００６２】
実施の形態２．
実施の形態１では、発振現象を生じやすくする方法として、ｄ軸電流指令値Ｉｄｐｈを増加させる場合について説明した。本実施の形態２では、発振現象を生じやすくする別の方法について説明する。
【００６３】
図４のボード線図に示すように、高周波域で位相を遅らせることによっても発振現象を生じやすくさせることができる。従って、図５のステップＳ５１２の処理において、ｄ軸電流指令値Ｉｄｐｈを増加させる代わりに、電流制御ループに遅れ要素（むだ時間要素）を挿入することも可能である。
【００６４】
図７は、本発明の実施の形態２における遅れ要素２３およびスイッチ２４を含んだｄ軸の電流制御系を示すプロック線図である。遅れ要素２３は、電流制御系の帰還電流値Ｉｄに対して時間遅れを持たせた帰還電流値Ｉｄ’を出力する。また、スイッチ２４は、磁極位相判定手段２０からの遅れ要素挿入指令に応じて出力信号を切り換える第２の信号スイッチ部である。
【００６５】
磁極位相判定手段２０は、通常の運転時、あるいは実施の形態１で説明した磁極位置検出時においては、遅れ要素挿入指令を生成しない。しかし、磁極位相判定手段２０は、磁極位置検出時において、ｄ軸電流指令値Ｉｄｐｈを増加させても発振現象が発生しないと判断した場合には、遅れ要素挿入指令を出力することができる。
【００６６】
スイッチ２４は、磁極位相判定手段２０から遅れ要素挿入指令がない場合には、帰還電流Ｉｄを帰還電流値として出力する。一方、スイッチ２４は、磁極位相判定手段２０から遅れ要素挿入指令があった場合には、帰還電流Ｉｄに対して遅れ要素２３によって時間遅れを持たせた帰還電流Ｉｄ’を帰還電流値として出力する。
【００６７】
実施の形態２によれば、遅れ要素挿入指令に応じて電流フィードバックループに遅れ要素を挿入することにより、磁極位置検出時における帰還電流の発振現象を生じやすくすることができる。これにより、単に電流指令値を増加しただけでは帰還電流の発振現象が発生せずに磁極位置が特定できない場合にも、遅れ要素を挿入することにより発振現象を生じさせることができ、容易に磁極位置を検出することができる。
【００６８】
さらに、遅れ要素の挿入により、帰還電流の発振現象を生じやすくすることができるため、あえて電流指令値を増加させる必要がない。従って、電流指令値を低く抑えた状態での磁極位置検出が可能となり、磁極位置検出時における永久磁石同期電動機の発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態１における永久磁石同期電動機の制御装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるｄ軸の電流制御系を示すプロック線図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるモータの電機子電流と磁束との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１におけるｄ軸電流制御系の開ループ伝達関数のボード線図を示すものである。
【図５】本発明の実施の形態１における初期磁極位置検出のシーケンス処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１における初期磁極検出動作中の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、電気位相角θｐｈ、ｄ軸電流Ｉｄの関係を示した図である。
【図７】本発明の実施の形態２における遅れ要素およびスイッチを含んだｄ軸の電流制御系を示すプロック線図である。
【符号の説明】
【００７０】
２  位置検出器、３  角速度演算手段、４  減算器、５  速度制御手段、６  位相演算手段、７  電流検出器、８  三相二相変換器、９  二相三相変換器、１０、１１  減算器、１２  ｄ軸電流制御手段、１３  ｑ軸電流制御手段、１４  非干渉制御手段、１５、１６  加算器、１７  電力変換器、１８  検出モード設定手段、１９  磁極検出用電流指令手段、２０  磁極位相判定手段、２１ａ〜２１ｃ  スイッチ（信号スイッチ部）、２３  遅れ要素、２４  スイッチ（第２の信号スイッチ部）、１００  速度制御系、１０１  ｄ−ｑ軸非干渉制御系。
【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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