(57)【要約】【課題】界磁が永久磁石により形成される同期機を駆動しつつ永久磁石に直接温度検出器使用せずに、永久磁石の温度又は磁束を高精度に推定する同期機制御装置等を得る。【解決手段】回転子位置θの変化から算出される同期機の回転速度ωと電圧指令Ｖ＊と電流指令Ｉ＊に基づき同期機の電機子鎖交磁束Φを推定し、推定される電機子鎖交磁束Φの発生方向のγ軸とその直交方向のδ軸のγ−δ軸上の電流へ電流指令Ｉ＊又は電機子電流ｉを回転子位置θに基づいて座標変換し、γ−δ軸上の電流と電流指令Ｉ＊とに基づいて永久磁石の温度又は磁束に相当する第１出力値を求め、電機子鎖交磁束Φと電流指令Ｉ＊とから演算される状態量に基づく永久磁石の温度又は磁束に相当する第２出力値を求め、電流指令Ｉ＊又は電機子電流ｉに基づき前記第１及び第２出力値を選択出力する。【選択図】図１
2015095975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁が永久磁石により形成される同期機に対して、電圧指令に基づいて電圧を出力する電力変換部と、
前記同期機の電機子電流を検出する電流検出部と、
前記同期機の回転子位置を推定または検出する位置検出部と、
電流指令と前記回転子位置に基づいて回転直交二軸(ｄ−ｑ軸)座標上へ座標変換した前記電機子電流とに基づいて該回転直交二軸座標上で電流制御を行うことにより前記電圧指令を生成する電流制御器と、
前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度と前記電圧指令と前記電流指令とに基づいて前記同期機の電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器と、
前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する磁石状態推定部と、
を備え、
前記磁石状態推定部が、
前記磁束推定器にて推定される前記電機子鎖交磁束の発生方向をγ軸、γ軸の直交方向をδ軸とした直交二軸(γ−δ軸)上の電流へ前記電流指令または前記電機子電流を前記回転子位置に基づいて座標変換し、前記直交二軸(γ−δ軸)上の電流と前記電流指令とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値を求める第１推定器と、
前記電機子鎖交磁束と前記電流指令とに基づいて演算される状態量とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第２の出力値を求める第２推定器と、
前記電流指令または前記電機子電流に基づいて前記第１の出力値と前記第２の出力値とを選択して出力する出力切換部と、
を含む、
ことを特徴とする永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項２】
前記磁石状態推定部の出力切換部は、前記電流指令または前記電機子電流の絶対値に基づいて前記第１の出力値と前記第２の出力値とを選択して出力することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項３】
前記磁束推定器が、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度と前記電機子鎖交磁束の絶対値とを推定し、
前記第２推定器は、前記電機子鎖交磁束の絶対値と前記電流指令とに基づいて前記第２の出力値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項４】
前記磁束推定器が、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度を推定し、
前記第２推定器は、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度と前記電流指令とに基づいて前記第２の出力値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項５】
前記第２推定器は、前記電流指令に対するｄ軸インダクタンスまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分をテーブル参照または数式演算に基づいて求めるとともに、該ｄ軸インダクタンスまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分と前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分とに基づいて前記第２の出力値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項６】
前記磁石状態推定部による前記永久磁石の磁束または温度を推定する動作を、前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度の絶対値が所定値以上においてのみ実行することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項７】
前記磁石状態推定部による前記永久磁石の磁束または温度を推定する動作を、前記電圧指令の大きさが所定値以上においてのみ実行することを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項８】
界磁が永久磁石により形成される同期機に対して、電流指令と、前記同期機の電機子電流を前記同期機の回転子位置に基づいて回転直交二軸(ｄ−ｑ軸)座標上へ座標変換した前記電機子電流と、に基づいて該回転直交二軸座標上で電流制御を行うことにより電圧指令を生成し、電力変換部により、前記電圧指令に基づいて電圧を出力する同期機の制御において、
前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度と前記電圧指令と前記電流指令とに基づいて前記同期機の電機子鎖交磁束を推定する工程と、
前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する工程と、
を備え、
前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する工程が、
推定される前記電機子鎖交磁束の発生方向をγ軸、γ軸の直交方向をδ軸とした直交二軸(γ−δ軸)上の電流へ前記電流指令または前記電機子電流を前記回転子位置に基づいて座標変換し、前記直交二軸(γ−δ軸)上の電流と前記電流指令とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値を求める工程と、
前記電機子鎖交磁束と前記電流指令とに基づいて演算される状態量とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第２の出力値を求める工程と、
前記電流指令または前記電機子電流に基づいて前記第１の出力値と前記第２の出力値とを選択して出力する工程と、
を含む、
ことを特徴とする永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、同期機制御装置、特に界磁が永久磁石により形成される同期機のための永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
界磁が永久磁石により形成される同期機をインバータ等の電力変換部を備える同期機制御装置にて制御する際、同期機の電機子への通電等に起因する温度上昇に伴い、界磁の永久磁石の磁化の強さ、すなわち磁束が減少する「減磁」と呼ばれる現象が発生し、さらに許容温度を超えると温度が常温に下がっても磁束が減磁発生前の状態に戻らない「不可逆減磁」と呼ばれる現象が発生する。
【０００３】
このため、界磁が永久磁石により形成される同期機を制御する際、少なくとも永久磁石の温度を不可逆減磁が発生する許容温度以下に抑制するように制御する必要がある。
また、同期機に同一の電流を流したとしても減磁により同期機が出力するトルクが減少するため、出力トルクを正確に把握するためには永久磁石温度の把握が必要である。
【０００４】
しかし、同期機の構造上のスペースの問題や周囲をケースで防護している等の理由により、温度検出器を永久磁石に直接取り付けることは困難であり、さらに、界磁が永久磁石により形成される同期機の多くは回転子側の内部に永久磁石が埋め込まれており、温度検出器を取りつけることへの更なる大きな障害要因となっている。
【０００５】
そのため永久磁石の温度を主に許容温度以下に抑制できるように制御するため、あるいは、減磁によるトルクの低下を把握できるようにするために、何らかの方法で永久磁石の温度、あるいは永久磁石の温度と相関のある磁束を間接的に測定、あるいは推定する技術が求められている。
【０００６】
このような課題の解決を図った同期機制御装置の一例として、同期機の回転速度、基本波電流またはその指令値、および基本波周波数の整数倍の周波数を有する高調波電圧指令値に基づいて同期機の永久磁石による電機子鎖交磁束を演算し、電機子鎖交磁束に対する永久磁石温度のテーブルを参照して電機子鎖交磁束演算値に対する永久磁石の温度を推定するものがある(例えば特許文献１参照)。
【０００７】
また同様な制御装置の他の一例として、永久磁石型の同期機の入力電圧を電圧検出器により検出し、電圧検出器の出力からｑ軸電圧を抽出の上、ｄ軸電流、ｑ軸電流、ｑ軸電圧、回転速度、設定記憶部に記憶された一次抵抗と磁束とから同期機の温度変化を推定し、設定記憶部に記憶された磁束と温度推定器の出力とから、磁束を修正(推定)するものがある(例えば特許文献２参照)。
【０００８】
また、同様な制御装置の他の一例として、端子電圧、電流、同期機の電気的定数から演算した誘起電圧、永久磁石の基準温度における誘起電圧とに基づいて永久磁石の磁束量を推定する方法と、温度センサで検出した固定子温度から永久磁石温度を推定し、該永久磁石温度の推定値に基づく誘起電圧と、永久磁石の基準温度における誘起電圧とに基づいて永久磁石の磁束量を推定する２つの方法とを備え、電動機の停止時または低速回転時には後者の方法により、それ以外の回転時には前者の方法により、永久磁石の磁束量を推定するものがある(例えば特許文献３参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２３５２８６号公報(図１及びその説明)
【特許文献２】特許第４５４８８８６号公報(図１及びその説明)
【特許文献３】特開平７−２１２９１５号公報(図１及びその説明)
【特許文献４】特許第４６７２２３６号公報(図１、図６及びその説明)
【特許文献５】国際公開第２０１０／１０９５２８号パンフレット(図５、図８及びその説明)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に示された従来の装置においては、本来同期機の駆動に必要としない基本波成分の基本波周波数の整数倍の周波数を有する高調波電流を制御するため、この高調波電流が同期機の制御性能に影響を及ぼす可能性があるといった課題がある。
また特許文献２に示された従来の装置においては、入力電圧を検出するための電圧検出器を必要とし、制御装置の構成部品が増えるといった課題がある。
さらに特許文献３に示された従来の装置においては、固定子温度と永久磁石温度(特に回転子側の内部に永久磁石が埋め込まれている場合)との温度上昇の時定数が異なり，温度センサで検出した固定子温度に基づいた永久磁石温度推定値と実際の永久磁石温度との間に誤差が生じるといった課題がある。
【００１１】
この発明は、従来の同期機制御装置における前述のような課題を解決するためになされたものであり、界磁が永久磁石により形成される同期機を駆動しながら、永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、永久磁石の温度または磁束の値を高い精度で推定することが可能な永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置等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】
【００１２】
この発明は、界磁が永久磁石により形成される同期機に対して、電圧指令に基づいて電圧を出力する電力変換部と、前記同期機の電機子電流を検出する電流検出部と、前記同期機の回転子位置を推定または検出する位置検出部と、電流指令と前記回転子位置に基づいて回転直交二軸(ｄ−ｑ軸)座標上へ座標変換した前記電機子電流とに基づいて該回転直交二軸座標上で電流制御を行うことにより前記電圧指令を生成する電流制御器と、前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度と前記電圧指令と前記電流指令とに基づいて前記同期機の電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器と、前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する磁石状態推定部と、を備え、前記磁石状態推定部が、前記磁束推定器にて推定される前記電機子鎖交磁束の発生方向をγ軸、γ軸の直交方向をδ軸とした直交二軸(γ−δ軸)上の電流へ前記電流指令または前記電機子電流を前記回転子位置に基づいて座標変換し、前記直交二軸(γ−δ軸)上の電流と前記電流指令とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値を求める第１推定器と、前記電機子鎖交磁束と前記電流指令とに基づいて演算される状態量とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第２の出力値を求める第２推定器と、前記電流指令または前記電機子電流に基づいて前記第１の出力値と前記第２の出力値とを選択して出力する出力切換部と、を含む、ことを特徴とする永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置等にある。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、電流条件に応じて推定精度がより良好となる同期機の界磁を形成する永久磁石の温度(磁束)推定法を選択することから、電流条件に左右されずに永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、永久磁石の温度(磁束)を精度良く推定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムの一例の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムの別の例の構成図である。
【図３】界磁が永久磁石により形成される同期機のベクトル図である。
【図４】この発明における所定のｄ−ｑ軸電流指令条件におけるγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδと永久磁石温度との関係を説明するための図である。
【図５】この発明における基準状態と基準状態に対して減磁が生じた時のベクトル図の差異を説明するための図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムのさらに別の例の構成図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係る同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムの一例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明による永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１６】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る同期機制御装置を図１に基づいて説明する。この発明における同期機制御装置は、図１に図示しない上位のシステムから電流指令(この発明では、後述のｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に相当)、またはさらにその上位のシステムからトルク指令が与えられることを想定している。
【００１７】
該上位のシステムの一例として、電気自動車(ＥＶ)または内燃機関とモータの両方を備えるハイブリッド自動車の車両、さらには鉄道車両のような電気車を駆動する用途にこの発明が適用される場合は、ドライバー(操縦者)からのアクセル(ノッチ)やブレーキの入力量と車速や種々の入力量に応じて電流指令あるいはトルク指令を決定する車両制御装置などがあり、その他、ファクトリーオートメーション(ＦＡ)、昇降機用途においても電流指令を種々の要因に基づいて生成する上位のシステムがある。
【００１８】
また、同期機制御装置において推定する、(永久磁石)同期機１の界磁を形成する永久磁石の温度推定値Ｔｍａｇや該磁束推定値Φｍａｇを前記上位のシステムに伝達して、該推定値を上位のシステムの制御に利用してもよい。ただし、この発明において前記電流指令を与える上位のシステムは限定されないため、上位のシステムの説明は前記例示にとどめる。
【００１９】
図１はこの発明の実施の形態１に係る同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムの一例の構成図である。なお、この発明における同期機制御装置の制御対象の同期機１は、界磁が永久磁石により形成されるものである。また特に図１，２，６，７に関し、各部間での指令等の入出力は全てを示すと煩雑になり分かり難くなるので代表的なものを示している。
【００２０】
以下、実施の形態１に係る、同期機１を駆動する同期機制御装置の構成および、構成要素の機能について説明する。まず、実施の形態１において同期機１を駆動するために必要な構成について、電力変換部２の出力側から順に、電力変換部２の入力側となる電圧指令の生成までの流れを説明する。
【００２１】
この発明における同期機１を駆動する同期機制御装置の構成においては、電力変換部２と同期機１の電機子巻線とが接続される。電力変換部２は、電源１３から供給される電力を多相交流電力へ変換し、多相交流電圧を出力する周知のＰＷＭ(パルス幅変調)インバータをはじめとする電力変換部からなる。後述の構成による電流制御器５により得られる電圧指令、厳密には、電流制御器５から出力される電圧指令(Ｖｄ＊、Ｖｑ＊)を、後述の構成による位置検出部４で得られる同期機１の回転子位置θに基づいて座標変換器１１ｂ(１１ａ)にて座標変換することで得られる多相交流電圧指令(ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊)に基づいて電力変換部２は同期機１に多相交流電圧(ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ)を出力し、同期機１を駆動する。その結果、同期機１の電機子巻線に出力電流が発生する。この電機子巻線に発生する出力電流を以下、電機子電流と表記する。
【００２２】
なお、電源１３に関し、直流電圧を出力する電源あるいは電池、または、単相あるいは三相の交流電源から周知のコンバータによって直流電圧を得るものも含めて、この発明では電源１３とする。
【００２３】
同期機１の出力電流である電機子電流(ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ)は電流センサをはじめとする電流検出部３によって検出される。なお、電流検出部３は、同期機１が三相回転機の場合、同期機１の三相の電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの内、全相の電機子電流を検出する構成、または、１つの相(例えばｗ相)の電機子電流ｉｗについては、検出した２つの相の電機子電流ｉｕ、ｉｖを用いて三相平衡状態のｉｗ＝−ｉｕ−ｉｖの関係から求めるようにして、２つの相の電機子電流を検出する構成でもよい。さらに、各相の電機子電流を直接検出する方法以外に、周知の技術である、電源１３と電力変換部２との間を流れるＤＣリンク電流に基づいて電機子電流を検出する方法でもよい。
【００２４】
位置検出部４は、周知のレゾルバやエンコーダ等を用いて同期機１の回転子位置θを検出する、または電圧指令や電機子電流等を用いて演算により推定する。ここで、同期機１の回転子位置θとは、一般的に、ｕ相電機子巻線を基準に取った軸に対する永久磁石のＮ極方向の角度を指す。また、同期機１の回転速度(電気角周波数ωとする)で回転する回転直交二軸座標(以下ｄ−ｑ軸と表記)を定義し、慣例同様、ｄ軸を前記永久磁石のＮ極方向に定め、ｑ軸はｄ軸に対して９０°進んだ直交方向に定める。以下の説明もこの座標軸の定義に従う。
【００２５】
図１における位置検出部４は、周知のレゾルバやエンコーダ等を用いて同期機１の回転子位置θを検出する例を示しているが、周知の適応オブザーバ等を適用して電圧指令や電機子電流等から回転子位置θを推定してもよい。
【００２６】
図２はこの発明の実施の形態１に係る、図１とは異なり推定演算により回転子位置θを得る位置検出部４ａを備えた同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムの構成図である。
【００２７】
位置検出部４ａの構成は例えば公知の上記特許文献４、５に示されている構成で実現可能であることから、本文では詳細な説明は省略する。なお、図１と図２の差異は、位置検出部４(４ａ)に係る箇所のみであり、その他の構成は同一である。
【００２８】
座標変換器１１ａは、同期機１の電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを回転子位置θに基づいて下記(１)式の演算によりｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑへ変換する。
【００２９】
【数１】
2015095975.tif 000003
【００３０】
電流制御器５は、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑを所望の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に一致させるようにｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力する。電流制御器５においては、加減算器１２で求められるｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとの偏差(ΔＩｄ＝Ｉｄ＊−Ｉｄ、ΔＩｐ＝Ｉｑ＊−Ｉｑ)に基づいて下記(２)式の比例積分制御(ＰＩ制御)を行い、ｄ−ｑ軸上の電圧指令(電流フィードバック制御指令)Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を生成する。
【００３１】
【数２】
2015095975.tif 000004
【００３２】
ここで、
Ｋｐｄ：電流制御ｄ軸比例ゲイン
Ｋｉｄ：電流制御ｄ軸積分ゲイン
Ｋｐｑ：電流制御ｑ軸比例ゲイン
Ｋｉｑ：電流制御ｑ軸積分ゲイン
ｓ：ラプラス演算子
である。なお、ラプラス演算子ｓの逆数１／ｓは１回の時間積分を意味する。
【００３３】
また、電流制御器５において、前記電流フィードバック制御と下記電圧フィードフォワード制御とを併用し、前記電流フィードバック制御指令に、下記電圧フィードフォワード制御指令を加算した電圧指令をｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊としてもよい。
【００３４】
ただし、電圧フィードフォワード制御を行うためには、図１(図２)の電流制御器５の入力として記載されていない、回転速度ωを電流制御器５へ入力する必要がある。回転速度ωは、回転子位置θの変化から算出されることから、位置検出部４で検出した回転子位置θを用いて、電流制御器５または位置検出部４(または４ａ)または図示されていない構成部で微分演算を行うことで得られる。
【００３５】
電圧フィードフォワード制御を併用する場合は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊、回転速度ω、同期機１の界磁を形成する永久磁石が生成する磁束(以下永久磁石磁束と表記)Φｍに基づいて、下記(３)式によりｄ−ｑ軸上の電圧フィードフォワード制御指令ＶｄＦ＊、ＶｑＦ＊を生成し、該指令を上記(２)式により得られる電流フィードバック制御指令に加算することでｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を生成する。
【００３６】
【数３】
2015095975.tif 000005
【００３７】
ここで、
Ｌｄ：ｄ軸方向のインダクタンス(以下、ｄ軸インダクタンスと表記)
Ｌｑ：ｑ軸方向のインダクタンス(以下、ｑ軸インダクタンスと表記)
Ｒ：抵抗(同期機１の電機子巻線の抵抗が主であり、同期機１と電力変換部２との間の配線抵抗の影響が無視できないぐらい大きい場合は、該配線抵抗も考慮した抵抗値とする)
である。
【００３８】
なお、上記(３)式の永久磁石磁束Φｍにおいては、駆動開始時は基準値等の所定の値としておき、実施の形態１を実施することで得られる永久磁石磁束推定値(Φｍａｇとする)を新たなΦｍとして再帰的に逐次更新してもよい。
また上記(３)式では、該演算に用いているｄ−ｑ軸電流は全て指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊であるが、代わりに、ｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑ、または、Ｉｄ＊とＩｄとの平均値と、Ｉｑ＊とＩｑとの平均値とを用いてもよい。
【００３９】
電流制御器５から出力されるｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊は、座標変換器１１ｂにおいて下記(４)式の演算により、回転子位置θに基づいて多相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換された上で、電力変換部２に出力される。
【００４０】
【数４】
2015095975.tif 000006
【００４１】
ただし、座標変換器１１ｂにおいて、上記(４)式において電流検出部３で検出された電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの値に基づく制御演算が電力変換部２から出力される多相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗに反映されるまでの制御演算遅れ時間(無駄時間)を考慮し、回転子位置θに対し、上述の制御演算遅れ時間に基づく位相補正量Δθｄ１分補正した位相で座標変換してもよい。
【００４２】
電力変換部２は前記の通り、多相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に基づいて周知のＰＷＭ(パルス幅変調)方式等により同期機１に多相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを出力する。以上が、実施の形態１において同期機１を駆動するために必要な構成である。
【００４３】
次に、この発明の特徴である同期機１の界磁を形成する永久磁石の温度または磁束を推定するために必要な構成である磁束推定器６と磁石状態推定部７について説明する。
【００４４】
磁束推定器６は、回転速度ω、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に基づいて電機子鎖交磁束Φに係る(状態)量を推定する。実施の形態１に係る磁束推定器６では、電機子鎖交磁束Φの発生方向であるγ軸を推定、すなわち、ｄ軸に対して(推定した)電機子鎖交磁束(ベクトル)Φの方向のなす角度∠Φ０と電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|とを推定する。
【００４５】
電機子鎖交磁束Φとは、永久磁石磁束Φｍと電機子電流(ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ)が生成する磁束(電機子反作用磁束)Φａとの合成磁束を指す。さらに、この発明では、上述のγ軸に対して９０°進んだ直交方向をδ軸とした、直交二軸(γ−δ軸)を定義する。
【００４６】
図３は、界磁が永久磁石により形成される同期機１のベクトル図を示しており、γ−δ軸と∠Φ０との関係は図３に示される通りである。これらを推定する好適な一手法として、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑと電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄ、同ｑ軸成分Φｑとの関係式である下記(５)式の演算によってΦｄ、Φｑを求め、求めたΦｄ、Φｑに基づいて電機子鎖交磁束Φ、上述の∠Φ０を演算する方法を以下に示す。
【００４７】
【数５】
2015095975.tif 000007
【００４８】
実施の形態１における図１、図２の構成では、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑの実際の値が不明であるため、上記(５)式の演算において、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑの代わりにｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いる。その際、同期機１の駆動開始前(停止状態)においてｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊が０であり、Φｄ＝Φｑ＝０となることから、同期機１の駆動開始におけるΦｄの初期値として、基準値等の所定の永久磁石磁束Φｍを与える。
【００４９】
図１(図２)の磁束推定器６の入力の中に、位置検出部４(または４ａ)で検出した回転子位置θが含まれているが、これは、回転子位置θを用いて微分演算を行うことで回転速度ωを得る処理を磁束推定器６の処理の中に含めていることを想定したものであり、当該処理を別の構成部で行うならば、必ずしも磁束推定器６の入力として回転子位置θを含める必要はない。また例えば位置検出部４(または４ａ)で回転子位置θから回転速度ωを演算し磁束推定器６に入力してもよい。
【００５０】
さらに、上記(５)式の演算において、電流の変化が緩やかであると仮定してラプラス演算子ｓを含む項は無視しても良く、抵抗Ｒの扱いにおいても、同期機１の温度によって抵抗値が変化することから、同期機１の温度を検出して抵抗Ｒの値を補正してもよい(同期機１の例えば外面に温度検出器を設ければよく、永久磁石の温度を検出する必要はない)。
【００５１】
上記(５)式の演算によって得られたΦｄ、Φｑに基づき下記(６)式によって、電機子鎖交磁束Φの発生方向であるγ軸を推定、すなわち、∠Φ０を求める。
【００５２】
【数６】
2015095975.tif 000008
【００５３】
電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|は下記(７)式により演算する。
【００５４】
【数７】
2015095975.tif 000009
【００５５】
この発明の特徴である磁石状態推定部７は、
後述のγ―δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδとｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とに基づいて永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値ＴΦｍａｇ１を求める第１推定器７１と、
電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|とｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とに基づいて前記永久磁石の磁束または温度に相当する第２の出力値ＴΦｍａｇ２を求める第２推定器７２と、
ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊またはｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとに基づいて第１の出力値と前記第２の出力値とを選択し、選択された該出力値(永久磁石温度推定値Ｔｍａｇまたは永久磁石磁束推定値Φｍａｇ)を磁石状態推定部７から出力する出力切換部であるスイッチ７３とから構成される。
【００５６】
γ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδを得るために図１または図２の構成においては、磁石状態推定部７とは別に座標変換器１１ｃを備える構成とし、座標変換器１１ｃは、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を磁束推定器６で求めた∠Φ０に基づいて下記(８)式によりγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδへ変換する。
【００５７】
【数８】
2015095975.tif 000010
【００５８】
電流制御器５の作用により、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に追従するようにｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑが調整されることから、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の代わりにｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑをγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδへ変換する構成(座標変換器１１ａの出力を座標変換器１１ｃへ入力)でもよい。また、このγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδを得るための構成を第１推定器７１に含める構成としても差し支えない。
【００５９】
第１推定器７１は、所定のｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時の磁石温度変化に伴うγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδと永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１との関係を示すテーブルまたは数式(両方でも可、以下同様)を記憶しておき、ＩγまたはＩδが入力されるとテーブルまたは数式を参照して、第１の出力値ＴΦｍａｇ１として永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１を出力する。
【００６０】
これらのテーブルまたは数式は、同期機１の特性(インダクタンス変化や磁石減磁特性)が予め磁界解析等で判明している場合は、同期機１の特性データを用いて予め求めておき、判明していない場合は実測により特性データを採取すればよい。
【００６１】
図４は、所定のｄ−ｑ軸電流指令条件(例えば、Ｉｄ＊：０Ａ、Ｉｑ＊：６００Ａ)におけるγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδと永久磁石温度Ｔｍａｇ１との関係の一例を示した図である。図４の(Ａ)はγ軸電流Ｉγ(横軸)に対する永久磁石温度Ｔｍａｇ１(縦軸)をプロットしたもの、同図(Ｂ)はδ軸電流Ｉδ(横軸)に対する永久磁石温度Ｔｍａｇ１(縦軸)をプロットしたものである。
【００６２】
この図４の(Ａ)または(Ｂ)に示したようなテーブルまたは数式を少なくても(Ａ)(Ｂ)いずれか片方のみ予め求めておけば、ｄ−ｑ軸電流指令をＩｄ＊：０Ａ、Ｉｑ＊：６００Ａに設定して同期機１を駆動することで、当該電流指令条件下での永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１を第１の出力値として得ることができる。
【００６３】
また、図４に示したような関係または該関係を示す関係式をｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の複数の組に対して予め求めておく。例えば、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の複数の組(Ｉｄ＊，Ｉｑ＊)＝(Ｉｄ１，Ｉｑ１)、(Ｉｄ２，Ｉｑ２)、(Ｉｄ３，Ｉｑ３)、(Ｉｄ４，Ｉｑ４)…  を予め設定しておき、各々の指令に対して、磁石温度変化に伴うγ軸電流Ｉγ(またはδ軸電流Ｉδ)と永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１との関係を示すテーブルまたは数式を予め用意しておくことで、様々な電流指令条件下で永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１を得ることができる。
【００６４】
また、同期機１駆動中のｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊が、予め用意したγ軸電流Ｉγ(またはδ軸電流Ｉδ)と永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１との関係を示すテーブルまたは数式を求めた電流指令条件とが一致しない場合は、例えば、永久磁石温度推定動作を行わずに、直近の温度推定動作時の温度推定値を保持し、該保持値を第１の出力値として出力するような処理を施せばよい。このような処理を施した場合は、間欠的な永久磁石温度推定動作となる。
【００６５】
さらに、所定の期間毎に必ず永久磁石温度推定動作が行われるように、同期機１駆動中のｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を、所定の期間毎に予め用意したγ軸電流Ｉγ(またはδ軸電流Ｉδ)と永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１との関係を示すテーブルまたは数式を求めた電流指令条件へ強制的に一致させるようとしてもよい。このようにすれば、同期機１駆動中に長時間永久磁石温度推定動作が行われない状況を防止できる。
【００６６】
その際、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を強制的に変化させることによる同期機１のトルク出力変化を抑制するため、界磁が永久磁石により形成される同期機１の場合において同一のトルクを発生させることの可能なｄ−ｑ軸上の電流の組み合わせが無数に存在する公知の原理を利用し、電流指令の変更前後でトルク出力が大きく変化しないようなｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を選択するような処理を施せば、同期機１のトルク出力の変化を抑制できる。
【００６７】
第２推定器７２は、所定のｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時の磁石温度変化に伴う電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|と永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ２との関係を示すテーブルまたは数式(両方でも可、以下同様)を記憶しておき、|Φ|が入力されると該テーブルまたは数式を参照して、第２の出力値である永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ２を出力する。
【００６８】
第１推定器７１と同様に、第２推定器７２におけるこれらのテーブルまたは数式は、同期機１の特性(インダクタンス変化や磁石減磁特性)が予め磁界解析等で判明している場合は、同期機１の特性データを用いて予め求めておき、判明していない場合は実測により特性データを採取すれば良く、前記同様ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の複数の組に対して予め求めておけば、様々な電流指令条件下で永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ２を得られることは言うまでもない。
【００６９】
図１または図２の構成において、第１の出力値または第２の出力値は、それぞれ永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１、Ｔｍａｇ２を出力しているが、永久磁石温度と永久磁石磁束との間には相関があり、該相関関係を把握しておくことで、第１推定器７１および第２推定器７２の出力として永久磁石磁束(推定値)Φｍａｇ１、Φｍａｇ２を出力することも可能である。
【００７０】
例えば、温度上昇１０℃に対して１％の割合で減磁が発生する永久磁石の場合、基準となる温度をＴ０、温度Ｔ０の時の(基準)永久磁石磁束をΦｍ０とした場合、永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇと永久磁石磁束(推定値)Φｍａｇとの関係は(９)式となる。
【００７１】
【数９】
2015095975.tif 000011
【００７２】
この関係を踏まえれば、永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１、Ｔｍａｇ２を永久磁石磁束(推定値)Φｍａｇ１、Φｍａｇ２へ変換することができる。
【００７３】
スイッチ７３は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊またはｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとに基づいて第１の出力値Ｔｍａｇ１(またはΦｍａｇ１)と第２の出力値Ｔｍａｇ２(またはΦｍａｇ２)とを選択し、選択された該出力値(永久磁石温度推定値Ｔｍａｇまたは永久磁石磁束推定値Φｍａｇ)を磁石状態推定部７から出力する。具体的な選択方法については後述する。
【００７４】
以上が、実施の形態１における同期機制御装置の構成および、構成要素の機能に関する説明である。ここで、所定のｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時にγ−δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδ、または、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|に基づいて永久磁石温度(磁束)を推定できる原理を同期機のベクトル図を用いて説明する。該説明を踏まえて、この発明における磁石状態推定部７が、第１推定器７１と、第２推定器７２といった２つの推定器を備えることの効果について説明する。
【００７５】
図５は、この発明における界磁が永久磁石により形成される同期機のベクトル図において、基準状態と基準状態に対して減磁が生じた時のベクトル図の差異を示す図である。図５の上段の(Ａ)は基準状態、すなわち、永久磁石に減磁が生じていない時のベクトル図である。(Ａ)を基準とし、制御指令、すなわち、実施の形態１においては所定のｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊が一定(所望に制御されているとの前提でｄ−ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑも一定)の定常状態において、同期機１の温度上昇に伴う永久磁石の減磁(ΔΦｍａｇ分の磁石磁束の減少)が発生した時のベクトル図は(Ｂ)となる。
【００７６】
減磁により電機子鎖交磁束Φの向き、すなわちγ軸の向きが変化するため、ｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊が一定に保たれていたとしても、ｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をγ−δ軸上に座標変換すると、減磁前後でγ−δ軸電流Ｉγ，Ｉδに変化が生じる。このγ−δ軸電流Ｉγ，Ｉδの変化を捉えることで、永久磁石磁束Φｍ(すなわち永久磁石温度)の変化を捉えることができ、この原理を利用したものがこの発明の実施の形態１における第１推定器７１である。
【００７７】
また同時に、ΔΦｍａｇ分の磁石磁束が減少した分、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|も減少し、該絶対値|Φ|の変化を捉えることで、永久磁石磁束Φｍの変化(すなわち永久磁石温度)の変化を同様に捉えることができ、この原理を利用したものがこの発明の実施の形態１における第２推定器７２である。
【００７８】
無論、永久磁石において減磁ではなく増磁が発生した場合においても同様な原理で、永久磁石磁束(温度)の変化を捉えることができる。ただし、第１推定器７１において、(電機子)電流の大きさ(絶対値)が小さくなるに従い、所定のｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊が一定の条件下における減(増)磁前後のγ−δ軸電流Ｉγ，Ｉδの変化の大きさも小さくなり、該γ−δ軸電流Ｉγ，Ｉδの変化を捉え難くなる。特に電流検出部３で発生するノイズなど電流検出系に外乱が生じた場合、該γ−δ軸電流Ｉγ，Ｉδの変化が外乱に埋もれてしまい、永久磁石温度(磁束)を精度よく推定することが困難になる可能性がある。よって、第１推定器７１は、電流が大きい領域における永久磁石温度(磁束)推定に適した構成である。
【００７９】
対して、第２推定器７２において、(電機子)電流の絶対値が大きくなるに従い、電機子電流が生成する磁束(電機子反作用磁束)Φａが大きくなるため、電機子鎖交磁束Φを形成する磁束の内、永久磁石磁束Φｍの大きさに対して電機子反作用磁束Φａの大きさが相対的に大きくなった場合、たとえ、減(増)磁によって永久磁石磁束Φｍが変化したとしても、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|の変化の度合いが小さくなり、永久磁石温度(磁束)を精度よく推定することが困難になる可能性がある。反対に、電機子鎖交磁束Φを形成する磁束の内、永久磁石磁束Φｍの大きさが占める割合が大きくなる電流の絶対値が小さい領域では永久磁石磁束Φｍが変化した時の、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|の変化の度合いが大きくなり、永久磁石温度(磁束)を精度よく推定できる。よって、第２推定器７２は、電流が小さい領域における永久磁石温度(磁束)推定に適した構成である。
【００８０】
このことから、電流の大きさに応じて、第１推定器７１の第１の出力値と第２推定器７２の第２の出力値を選択することで、電流条件に左右されることなく、同期機１の磁石温度(磁束)を精度良く推定できる効果が得られる。
【００８１】
具体的にスイッチ７３の望ましい形態として、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊またはｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとに基づいて(電機子)電流の絶対値|Ｉ|を下記(１０)式または(１１)式に基づいて演算する。
【００８２】
【数１０】
2015095975.tif 000012
【００８３】
該演算により得られた|Ｉ|が所定値より以上であれば、第１の出力値Ｔｍａｇ１(またはΦｍａｇ１)を選択し、演算により得られた|Ｉ|が所定値未満であれば、第２の出力値(またはΦｍａｇ２)を選択し、選択された該出力値(永久磁石温度推定値Ｔｍａｇまたは永久磁石磁束推定値Φｍａｇ)を磁石状態推定部７から出力すればよい。
【００８４】
また、電流が小さい領域において電流情報とは異なる状態量を用いた永久磁石温度(磁束)推定に適した実施の態様として、減磁によって上述の通りγ軸の向きが変わる原理を用いて、γ軸の方向を示す角度∠Φ０に基づいて永久磁石磁束(温度)を推定する方法でもよい。
【００８５】
図６は、図１とは異なり、磁石状態推定部７ａを構成する第２推定器７２ａにおいて、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度∠Φ０に基づいて第２の出力値を求める同期機制御装置と同期機とを含む同機器システムの構成図である。また、特に図示していないが、図２に示したような推定演算により回転子位置θを得る位置検出部４ａを備える構成でもよい。なお、図６における磁束推定器は、図１の磁束推定器６と構成は同じであるが、図６上では、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|を出力しない構成としたため、これを区別するため６ａとしている。
【００８６】
第２推定器７２ａは、所定のｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時の磁石温度変化に伴うｄ軸に対するγ軸とのなす角度∠Φ０と永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ２との関係を示すテーブルまたは数式を記憶しておき、∠Φ０が入力されると該テーブルまたは数式を参照して、第２の出力値である永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ２を出力する。
【００８７】
上記と同様に、これらのテーブルまたは数式は、磁界解析や実測に基づく特性データを用いて、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の複数の組に対して予め求めておけば、様々な電流指令条件下で永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ２を得られることは言うまでもない。
【００８８】
また上記と同様に、永久磁石温度(推定値)Ｔｍａｇ１、Ｔｍａｇ２を永久磁石磁束(推定値)Φｍａｇ１、Φｍａｇ２へ変換することができる。スイッチ７３は、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊またはｄ−ｑ軸上の電流Ｉｄ、Ｉｑとに基づいて第１の出力値Ｔｍａｇ１(またはΦｍａｇ１)と第２の出力値Ｔｍａｇ２(またはΦｍａｇ２)とを選択することができる。
【００８９】
以上が、実施の形態１における同期機制御装置の説明である。この実施の形態によれば、電流条件に応じて推定精度がより良好となる同期機の界磁を形成する永久磁石の温度(磁束)推定法を選択することから、電流条件に左右されずに永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、永久磁石の温度(磁束)を精度良く推定できる効果がある。
【００９０】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２に係る同期機制御装置と同期機とを含む同期機システムの一例の構成図である。また、特に図示していないが、該実施の形態においても図２に示したような推定演算により回転子位置θを得る位置検出部４ａを備える構成でもよい。
【００９１】
図７において、磁石状態推定部７ｂを構成する第２推定器７２ｂは、ｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に対するｄ軸インダクタンスＬｄまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄをテーブル参照または数式演算に基づいて求めるとともに、該ｄ軸インダクタンスＬｄまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄと、磁束推定器６ｂにおいて演算される電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄとに基づいて第２の出力値を求める構成であり、この点が先の実施の形態１と異なっている。他の構成は先の実施の形態１と同一である。
【００９２】
実施の形態２の磁束推定器６ｂは、実施の形態１の磁束推定器６と構成は同じであるが、図７上では、電機子鎖交磁束Φの絶対値|Φ|の代わりに電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄを出力する構成とした。
【００９３】
界磁が永久磁石により形成される同期機１おいて、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄは、電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄと永久磁石磁束Φｍとの合成磁束であることから、下記(１２)式の関係式で表される。
【００９４】
【数１１】
2015095975.tif 000013
【００９５】
上記(１２)式において、電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄは磁束推定器６ｂにおいて前記(５)式に基づいて求める値で既知の値であることから、ｄ軸インダクタンスＬｄ、または電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄが求まれば永久磁石磁束Φｍを得ることができる。
【００９６】
第２推定器７２ｂは、上記(１２)式に基づいて永久磁石磁束Φｍの推定値であるΦｍａｇ２または該磁束を温度に換算したＴｍａｇ２を第２の出力値として得るために、まず、ｄ−ｑ軸電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊(勿論ｄ−ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑでもよい)に対するｄ軸インダクタンスＬｄまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄをテーブル参照または数式演算に基づいて求める。
【００９７】
ｄ軸インダクタンスＬｄは磁気飽和のために電機子電流(ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ)により値が変化することが公知であり、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とｄ−ｑ軸インダクタンスＬｄとの関係を、同期機１の特性(インダクタンス変化や磁石減磁特性)が予め解析等で判明している場合は、同期機１の特性データを用いて予め求めておき、判明していない場合は実測により特性データを採取しておく。
【００９８】
該結果をテーブルまたは数式の形で記憶しておいて、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊(またはｄ−ｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑ)の参照に応じて(１２)式の演算に用いるＬｄの値を変化させることにより、磁気飽和の影響を低減する。
【００９９】
上記(１２)式から類推できるように、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊とｄ軸インダクタンスＬｄの関係を求める代わりに、ｄ−ｑ軸上の電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊と電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄとの関係を求める場合においても同様である。
【０１００】
前記ＬｄまたはΦａｄを求めるテーブルまたは数式を第２推定器７２ａに備えておき、求めたＬｄまたはΦａｄと電機子鎖交磁束Φのｄ軸成分Φｄとに基づいて(１２)式から永久磁石磁束Φｍの推定値であるΦｍａｇ２または該磁束を温度に換算したＴｍａｇ２を第２の出力値として得る。
【０１０１】
前記ＬｄまたはΦａｄを求めるテーブルや数式に基づいて得られた値と実機での値との差異が少し生じた場合を想定すると、永久磁石磁束Φｍの大きさに対して電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄの大きさが相対的に大きい場合、減(増)磁による永久磁石磁束Φｍの変化がＬｄまたはΦａｄの誤差に起因する磁束誤差の中に埋もれてしまい、永久磁石温度(磁束)を精度よく推定することが困難になる可能性がある。
【０１０２】
該永久磁石温度(磁束)推定原理は、永久磁石磁束Φｍの大きさに対して電機子反作用磁束のｄ軸成分Φａｄの大きさが相対的に小さい、すなわち、電流の絶対値が小さい領域における永久磁石温度(磁束)推定に適しており、実施の形態１に示した第２推定器７２の別の実施の態様とするのが適している。
【０１０３】
スイッチ７３の構成は先の実施の形態１と同一でよい。以上が、実施の形態２における同期機制御装置の説明である。
【０１０４】
この実施の形態によれば、先の実施の形態１と同様に、電流条件に応じて推定精度がより良好となる同期機の界磁を形成する永久磁石の温度(磁束)推定法を選択することから、電流条件に左右されずに永久磁石に直接温度検出器を取り付けることなく、永久磁石の温度(磁束)を精度良く推定できる効果に加え、磁気飽和特性を考慮することで、同期機の磁石温度(磁束)の推定精度を高める効果がある。
【０１０５】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による同期機制御装置について説明する。先の実施の形態１または２に示した磁石状態推定部７(７ａ、７ｂ)で行われる同期機１の界磁を形成する永久磁石の磁束または温度を推定するまでの一連の流れに関し、磁束推定器６(６ａ、６ｂ)においてｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑの実際の値が不明であるため、ｄ−ｑ軸上の電圧Ｖｄ、Ｖｑの代わりにｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いた演算を実施している。
【０１０６】
これは、ｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊とｄ−ｑ軸上の(実際の)電圧Ｖｄ、Ｖｑとの間に差異が無いとの前提であるが、実際には、電力変換部２の電圧出力誤差(例えば、インバータのデッドタイムに起因する電圧誤差)の影響が、電圧の大きさが小さい領域、または、電圧が低くなる低速度域において生じることがある。
【０１０７】
そのことを鑑み、実施の形態３に係る同期機制御装置は、先の実施の形態１、２に示した磁石状態推定部７(７ａ、７ｂ)による同期機１の永久磁石の磁束または温度を推定する動作を、前記回転子位置θの変化から算出される同期機１の回転速度ωの絶対値が所定値以上においてのみ実行する、または、電圧指令の大きさ|Ｖ|が所定値以上においてのみ実行する構成としたものである。
【０１０８】
特に、同期機１自身が発生するトルクで加速するような用途の場合、速度零から通電を開始してトルクを発生させる動作において、温度上昇による永久磁石の減磁の影響が生じる前に電力変換部２の電圧出力精度の影響を受け易い速度帯域を超えることも多く、このような用途においては、低速域で永久磁石の温度(磁束)を推定する必要性が小さいため、永久磁石の温度(磁束)の推定動作を、同期機１の回転速度ωの絶対値が所定値以上においてのみ実行することが効果的となる。
【０１０９】
電圧精度の影響が懸念される所定の速度ω１未満(負速度を考慮すると−ω１〜ω１の範囲)、すなわち|ω|＜ω１の条件では、磁石状態推定部７(７ａ、７ｂ)による同期機１の永久磁石の温度(磁束)の推定動作を行わないようにする。
【０１１０】
また、電力変換部２の電圧出力誤差の影響を小さくする視点から、同期機１の回転速度ωではなく、電圧指令の大きさ|Ｖ|に基づく方法でもよい。ただし、この発明において、電圧指令の大きさ|Ｖ|とはｄ−ｑ軸上の電圧指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊に基づいた(１３)式により定義する一例を示すが、必ずしも(１３)式に従わなくとも三相側の電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に基づいて求めもよい。
【０１１１】
【数１２】
2015095975.tif 000014
【０１１２】
電圧精度の影響が懸念される所定の電圧の大きさＶ１未満、すなわち|Ｖ|＜Ｖ１の条件では、磁石状態推定部７(７ａ)による同期機１の永久磁石の温度(磁束)の推定動作を行わないようにする。
【０１１３】
同期機１の永久磁石の温度(磁束)の推定動作を行わない期間については、前回推定値を保持するなどの処置を施せばよい。
【０１１４】
このようにすれば、電力変換部２の電圧出力精度がより高くなる高い速度帯域、または、高い電圧範囲のみ永久磁石温度(磁束)を推定する動作を実行するため、推定精度を高める効果がある。
【０１１５】
以上が、実施の形態３における同期機制御装置の説明である。この実施の形態によれば、電力変換部２の電圧出力精度がより高くなる速度帯域のみ永久磁石磁束または温度を推定する動作を実行することで、電圧指令に基づいて同期機１の電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器６(６ａ、６ｂ)における推定精度が高い時のみ磁石状態推定部７(７ａ、７ｂ)において永久磁石の磁束または温度の推定が行われ、同期機１の磁石温度(磁束)の推定精度を高める効果がある。
【０１１６】
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
【符号の説明】
【０１１７】
１  同期機、２  電圧変換部、３  電流検出部、４，４ａ  位置検出部、５  電流制御器、６，６ａ，６ｂ  磁束推定器、７，７ａ，７ｂ  磁石状態推定部、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  座標変換器、１２  加減算器、１３  電源、７１  第１推定器、７２，７２ａ，７２ｂ  第２推定器、７３  スイッチ(出力切換部)。
【図１】
2015095975.tif 000015
【図２】
2015095975.tif 000016
【図３】
2015095975.tif 000017
【図４】
2015095975.tif 000018
【図５】
2015095975.tif 000019
【図６】
2015095975.tif 000020
【図７】
2015095975.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月26日(2014.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
この発明は、界磁が永久磁石により形成される同期機に対して、電圧指令に基づいて電圧を出力する電力変換部と、前記同期機の電機子電流を検出する電流検出部と、前記同期機の回転子位置を推定または検出する位置検出部と、電流指令と前記回転子位置に基づいて回転直交二軸(ｄ−ｑ軸)座標上へ座標変換した前記電機子電流とに基づいて該回転直交二軸座標上で電流制御を行うことにより前記電圧指令を生成する電流制御器と、前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度と前記電圧指令と前記電流指令とに基づいて前記同期機の電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器と、前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する磁石状態推定部と、を備え、前記磁石状態推定部が、前記磁束推定器にて推定される前記電機子鎖交磁束の発生方向をγ軸、γ軸の直交方向をδ軸とした直交二軸(γ−δ軸)上の電流へ前記電流指令または前記電機子電流を前記回転子位置に基づいて座標変換し、前記直交二軸(γ−δ軸)上の電流と前記電流指令とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値を求める第１推定器と、前記電機子鎖交磁束と前記電流指令とに基づいて演算される状態量とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第２の出力値を求める第２推定器と、前記電流指令または前記電機子電流の絶対値が所定値以上であれば前記第１の出力値を選択して出力し、前記所定値未満であれば前記第２の出力値を選択して出力する出力切換部と、を含む、ことを特徴とする永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置等にある。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
該演算により得られた|Ｉ|が所定値以上であれば、第１の出力値Ｔｍａｇ１(またはΦｍａｇ１)を選択し、演算により得られた|Ｉ|が所定値未満であれば、第２の出力値(またはΦｍａｇ２)を選択し、選択された該出力値(永久磁石温度推定値Ｔｍａｇまたは永久磁石磁束推定値Φｍａｇ)を磁石状態推定部７から出力すればよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁が永久磁石により形成される同期機に対して、電圧指令に基づいて電圧を出力する電力変換部と、
前記同期機の電機子電流を検出する電流検出部と、
前記同期機の回転子位置を推定または検出する位置検出部と、
電流指令と前記回転子位置に基づいて回転直交二軸(ｄ−ｑ軸)座標上へ座標変換した前記電機子電流とに基づいて該回転直交二軸座標上で電流制御を行うことにより前記電圧指令を生成する電流制御器と、
前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度と前記電圧指令と前記電流指令とに基づいて前記同期機の電機子鎖交磁束を推定する磁束推定器と、
前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する磁石状態推定部と、
を備え、
前記磁石状態推定部が、
前記磁束推定器にて推定される前記電機子鎖交磁束の発生方向をγ軸、γ軸の直交方向をδ軸とした直交二軸(γ−δ軸)上の電流へ前記電流指令または前記電機子電流を前記回転子位置に基づいて座標変換し、前記直交二軸(γ−δ軸)上の電流と前記電流指令とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値を求める第１推定器と、
前記電機子鎖交磁束と前記電流指令とに基づいて演算される状態量とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第２の出力値を求める第２推定器と、
前記電流指令または前記電機子電流の絶対値が所定値以上であれば前記第１の出力値を選択して出力し、前記所定値未満であれば前記第２の出力値を選択して出力する出力切換部と、
を含む、
ことを特徴とする永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項２】
前記磁束推定器が、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度と前記電機子鎖交磁束の絶対値とを推定し、
前記第２推定器は、前記電機子鎖交磁束の絶対値と前記電流指令とに基づいて前記第２の出力値を求めることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項３】
前記磁束推定器が、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度を推定し、
前記第２推定器は、ｄ軸に対するγ軸とのなす角度と前記電流指令とに基づいて前記第２の出力値を求めることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項４】
前記第２推定器は、前記電流指令に対するｄ軸インダクタンスまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分をテーブル参照または数式演算に基づいて求めるとともに、該ｄ軸インダクタンスまたは電機子反作用磁束のｄ軸成分と前記電機子鎖交磁束のｄ軸成分とに基づいて前記第２の出力値を求めることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項５】
前記磁石状態推定部による前記永久磁石の磁束または温度を推定する動作を、前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度の絶対値が所定値以上においてのみ実行することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項６】
前記磁石状態推定部による前記永久磁石の磁束または温度を推定する動作を、前記電圧指令の大きさが所定値以上においてのみ実行することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御装置。
【請求項７】
界磁が永久磁石により形成される同期機に対して、電流指令と、前記同期機の電機子電流を前記同期機の回転子位置に基づいて回転直交二軸(ｄ−ｑ軸)座標上へ座標変換した前記電機子電流と、に基づいて該回転直交二軸座標上で電流制御を行うことにより電圧指令を生成し、電力変換部により、前記電圧指令に基づいて電圧を出力する同期機の制御において、
前記回転子位置の変化から算出される前記同期機の回転速度と前記電圧指令と前記電流指令とに基づいて前記同期機の電機子鎖交磁束を推定する工程と、
前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する工程と、
を備え、
前記永久磁石の温度または磁束を推定し出力する工程が、
推定される前記電機子鎖交磁束の発生方向をγ軸、γ軸の直交方向をδ軸とした直交二軸(γ−δ軸)上の電流へ前記電流指令または前記電機子電流を前記回転子位置に基づいて座標変換し、前記直交二軸(γ−δ軸)上の電流と前記電流指令とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第１の出力値を求める工程と、
前記電機子鎖交磁束と前記電流指令とに基づいて演算される状態量とに基づいて前記永久磁石の温度または磁束に相当する第２の出力値を求める工程と、
前記電流指令または前記電機子電流の絶対値が所定値以上であれば前記第１の出力値を選択して出力し、前記所定値未満であれば前記第２の出力値を選択して出力する工程と、
を含む、
ことを特徴とする永久磁石状態推定機能を備えた同期機制御方法。