(57)【要約】【課題】簡易な構成で精度の高いベクトル位相をリアルタイムで検出すること。【解決手段】入力された３相信号の各相の信号振幅の大小関係が異なる連続した６つの区間のうちのいずれの区間であるかを判定し、この判定された区間に対応して該区間内の各相間で所定の減算処理を行い、この減算処理結果を用いて該区間内で正規化した正規化振幅値を求め、この求められた正規化振幅値を、判定された区間に対応させて所定相を基準とする１周期のベクトル位相に換算して出力するようにしている。【選択図】        図７
2008199706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された複数相の信号振幅値をもとに、各相の信号振幅の大小関係が異なる連続した複数区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定ステップと、
前記区間判定ステップで判定された区間ごとに前記各相間の信号振幅について所定の減算処理を行い、この減算処理結果を用いて該区間内で正規化した正規化振幅値を求める振幅正規化処理ステップと、
前記振幅正規化処理ステップによって求められた正規化振幅値から前記区間判定ステップによって判定された区間に対応させて所定相を基準とする１周期のベクトル位相を換算して出力する換算位相出力ステップと、
を含むことを特徴とする位相検出方法。
【請求項２】
前記換算位相出力ステップは、前記区間に前記ベクトル位相の始点かつ終点を含む場合、終点以降のベクトル位相値を始点以降のベクトル位相値として換算することを特徴とする請求項１に記載の位相検出方法。
【請求項３】
前記振幅正規化処理ステップは、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果がほぼ平坦な特性となる第一の減算処理結果の値によって、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果が直線的な特性となる第二の減算処理結果の値を除算した値を正規化振幅値として出力することを特徴とする請求項１または２に記載の位相検出方法。
【請求項４】
入力されたＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相信号の信号振幅値の大小関係が、Ｒ相の値＞Ｔ相の値＞Ｓ相の値、Ｒ相の値＞Ｓ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｒ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｔ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｓ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｒ相の値＞Ｓ相の値となる６つの連続する複数の第１〜第６区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定ステップと、
前記第１区間を（Ｒ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｓ相の値）、前記第２区間を（Ｓ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｔ相の値）、前記第３区間を（Ｓ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｔ相の値）、前記第４区間を（Ｔ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｒ相の値）、前記第５区間を（Ｔ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｒ相の値）、前記第６区間を（Ｒ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｓ相の値）で演算処理し、各区間内で正規化した正規化振幅値を求める振幅正規化処理ステップと、
前記第１〜第６区間の正規化振幅値にそれぞれ位相６０°を乗算し、前記第１〜第６区間の乗算値にそれぞれ位相３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°を加算した位相値を算出し、さらに前記第６区間の位相値が３６０°以上の場合には、この位相値から位相３６０°を減算した位相値を求めて、１周期のベクトル位相を換算出力する換算位相出力ステップと、
を含むことを特徴とする位相検出方法。
【請求項５】
前記換算位相出力ステップが出力したベクトル位相と、該ベクトル位相と真のベクトル位相との位相誤差の関係を記憶しておき、この関係をもとに、前記ベクトル位相に位相誤差分を加減算して該ベクトル位相を補正する補正ステップをさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の位相検出方法。
【請求項６】
入力された複数相の信号振幅値をもとに、各相の信号振幅の大小関係が異なる連続した複数区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定回路と、
前記区間判定回路で判定された区間ごとに前記各相間の信号振幅について所定の減算処理を行い、この減算処理結果を用いて該区間内で正規化した正規化振幅値を求める振幅正規化処理回路と、
前記振幅正規化処理回路によって求められた正規化振幅値から前記区間判定回路によって判定された区間に対応させて所定相を基準とする１周期のベクトル位相を換算して出力する換算位相出力回路と、
を備えたことを特徴とする位相検出装置。
【請求項７】
前記換算位相出力回路は、前記区間に前記ベクトル位相の始点かつ終点を含む場合、終点以降のベクトル位相値を始点以降のベクトル位相値として換算することを特徴とする請求項６に記載の位相検出装置。
【請求項８】
前記振幅正規化処理回路は、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果がほぼ平坦な特性となる第一の減算処理結果の値によって、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果が直線的な特性となる第二の減算処理結果の値を除算した値を正規化振幅値として出力することを特徴とする請求項６または７に記載の位相検出装置。
【請求項９】
入力されたＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相信号の信号振幅値の大小関係が、Ｒ相の値＞Ｔ相の値＞Ｓ相の値、Ｒ相の値＞Ｓ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｒ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｔ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｓ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｒ相の値＞Ｓ相の値となる６つの連続する複数の第１〜第６区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定回路と、
前記第１区間を（Ｒ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｓ相の値）、前記第２区間を（Ｓ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｔ相の値）、前記第３区間を（Ｓ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｔ相の値）、前記第４区間を（Ｔ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｒ相の値）、前記第５区間を（Ｔ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｒ相の値）、前記第６区間を（Ｒ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｓ相の値）で演算処理した正規化振幅値を求める振幅正規化処理回路と、
前記第１〜第６区間の正規化位相にそれぞれ位相６０°を乗算し、前記第１〜第６区間の乗算値にそれぞれ位相３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°を加算した位相値を算出し、さらに前記第６区間の位相値が３６０°以上の場合には、この位相値から位相３６０°を減算した位相値を求めて、１周期のベクトル位相を換算出力する換算位相出力回路と、
を備えたことを特徴とする位相検出装置。
【請求項１０】
前記換算位相出力回路が出力したベクトル位相と、該ベクトル位相と真のベクトル位相との位相誤差の関係を記憶しておき、この関係をもとに、前記ベクトル位相に位相誤差分を加減算して該ベクトル位相を補正する補正回路を備えたことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載の位相検出装置。
【請求項１１】
同期モータに印加される電圧のベクトル位相および電流のベクトル位相を請求項１〜５のいずれか一つに記載の位相検出方法によって求め、電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算する力率演算ステップを含み、この求められた力率をもとに前記同期モータを制御することを特徴とする同期モータの制御方法。
【請求項１２】
前記力率の目標値を設け、前記力率演算ステップで演算された力率を前記目標値に近づけるフィードバック制御を行うフィードバック制御ステップを含むことを特徴とする請求項１１に記載の同期モータの制御方法。
【請求項１３】
前記フィードバック制御ステップは、前記同期モータに印加される電圧振幅値の振幅調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする請求項１２に記載の同期モータの制御方法。
【請求項１４】
前記フィードバック制御ステップは、前記力率演算ステップで演算された力率と前記目標値との誤差を小さくする位相調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする請求項１２または１３に記載の同期モータの制御方法。
【請求項１５】
前記フィードバック制御ステップは、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求めた前記同期モータのトルクに応じて前記振幅調節および／または前記位相調節の利得を変化させることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の同期モータの制御方法。
【請求項１６】
前記フィードバック制御ステップは、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求められたトルクと該トルク時における電力消費効率が高い力率との関係をもとに、各相の電圧値および各相の電流値に対応する力率の目標値を出力する目標力率変換ステップを含み、該目標値を用いて前記力率演算ステップで演算された力率を前記目標値に近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか一つに記載の同期モータの制御方法。
【請求項１７】
目標力率変換ステップは、各相の電圧値および各相の電流値をフィードバックしてトルクに対する電力消費効率が高い力率の目標値を出力することを特徴とする請求項１６に記載の同期モータの制御方法。
【請求項１８】
前記力率演算ステップは、前記同期モータに印加される前記電圧のベクトル位相を、前記同期モータに印加される駆動制御信号をもとに検出することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一つに記載の同期モータの制御方法。
【請求項１９】
請求項６〜１０のいずれか一つに記載の位相検出装置によって同期モータに印加される電圧のベクトル位相を求める電圧位相検出手段と、
請求項６〜１０のいずれか一つに記載の位相検出装置によって前記同期モータに加えられる電流のベクトル位相を求める電流位相検出手段と、
前記電圧位相検出手段によって検出された電圧のベクトル位相と前記電流位相検出手段によって検出された電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算する力率演算手段と、
前記力率演算手段によって求められた力率をもとに前記同期モータを同期制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする同期モータの制御装置。
【請求項２０】
請求項６〜１０のいずれか一つに記載の位相検出装置によって前記同期モータに加えられる電流のベクトル位相を求める電流位相検出手段と、
電圧のベクトル位相と前記電流位相検出手段によって検出された電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算する力率演算手段と、
前記力率演算手段によって求められた力率をもとに前記同期モータを同期制御する制御手段と、
を備え、前記力率演算手段に入力される電圧のベクトル位相は、前記制御手段によって制御され、前記同期モータに印加される交流信号を生成する電圧駆動信号の位相であることを特徴とする同期モータの制御装置。
【請求項２１】
前記力率の目標値を設定する目標力率設定手段を備え、
前記制御手段は、前記力率演算手段によって求められた力率を前記目標力率設定手段によって設定された目標値に近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１９または２０に記載の同期モータの制御装置。
【請求項２２】
前記制御手段は、前記同期モータに印加される電圧振幅値の振幅調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする請求項２１に記載の同期モータの制御装置。
【請求項２３】
前記制御手段は、前記力率演算手段で演算された力率と前記目標値との誤差を小さくする位相調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする請求項２１または２２に記載の同期モータの制御装置。
【請求項２４】
前記制御手段は、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求めた前記同期モータのトルクに応じて前記振幅調節および／または前記位相調節の利得を変化させることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一つに記載の同期モータの制御装置。
【請求項２５】
各相の電圧値および各相の電流値をもとに求められたトルクと該トルク時に電力消費効率が高い力率との関係をもとに、各相の電圧値および各相の電流値に対応する力率の目標値を出力する目標力率変換手段を備え、
前記目標力率設定手段は、前記目標力率変換手段から出力された力率に設定することを特徴とする請求項１９〜２４のいずれか一つに記載の同期モータの制御装置。
【請求項２６】
前記目標力率変換手段は、各相の電圧値および各相の電流値をフィードバックして前記力率の目標値を出力することを特徴とする請求項２５に記載の同期モータの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数相の信号の位相をリアルタイムで検出することができる位相検出方法および位相検出装置およびこれを用いてセンサレスで同期モータの同期制御を行う同期モータの制御方法および同期モータの制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、同期モータの制御装置は、たとえば、インバータ回路からモータへの給電ラインの１つに設けられたモータ電流を検出する交流電流検出器と、電流ゼロクロス時のモータ電圧位相を検出し、この電流ゼロクロス時のモータ電圧位相を基準とするモータ電流位相を検出するモータ電流位相検出手段と、このモータ電流位相が所望のモータ電流位相になるように、インバータ回路の電圧指令または周波数指令を演算する演算手段とを有し、この演算結果をもとにインバータ回路を制御するようにしている（特許文献１参照）。
【０００３】
なお、同期モータのセンサレス制御方法として、モータの電圧方程式を用いて回転子の位置を推定するものがある。この制御方法では、精度の高いモータ定数を必要とし、かつ複雑な制御を行う必要がある（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２３６７８９号公報
【特許文献２】特開２００６−２２３０８５号公報
【特許文献３】特開２００４−３３６８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に示したものでは、電流ゼロクロス時に、モータ電流位相とモータ電圧位相との位相差を検出することから、１８０°毎の位相検出となり、検出精度が悪く、瞬時位相の検出を行うことができないという問題点があった。
【０００６】
また、一般的に、リアルタイムに位相差を検出する場合、３相信号を３相／２相変換してベクトル位相を求めるようにしている。たとえば、図１の上部に示した３相信号に対して３相／２相変換を行うと、図４の上段に示すように、実軸成分および虚軸成分の波形が得られ、この実軸成分と虚軸成分とを用いて逆正接変換を行うと、図４の下段に示すように、ベクトル位相が求められる。しかし、この一般的なベクトル位相の検出方法では、検出結果を得るまでの処理が複雑であり、リアルタイムで位相検出を行う場合、大きな演算能力を持った装置が必要になるという問題点があった。
【０００７】
なお、特許文献３には、任意のタイミングで位相検出できるものが記載されているが、この位相検出方法であっても、離散的な瞬時位相の検出であることに変わりはなく、検出精度が悪く、リアルタイムの位相検出を行うことができないという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で精度の高いベクトル位相をリアルタイムで検出することができる位相検出方法および位相検出装置を提供するとともに、この位相検出方法および位相検出装置を用いて同期モータの同期制御を行う同期モータの制御方法および同期モータ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる位相検出方法は、入力された複数相の信号振幅値をもとに、各相の信号振幅の大小関係が異なる連続した複数区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定ステップと、前記区間判定ステップで判定された区間ごとに前記各相間の信号振幅について所定の減算処理を行い、この減算処理結果を用いて該区間内で正規化した正規化振幅値を求める振幅正規化処理ステップと、前記振幅正規化処理ステップによって求められた正規化振幅値から前記区間判定ステップによって判定された区間に対応させて所定相を基準とする１周期のベクトル位相を換算して出力する換算位相出力ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる位相検出方法は、上記の発明において、前記換算位相出力ステップは、前記区間に前記ベクトル位相の始点かつ終点を含む場合、終点以降のベクトル位相値を始点以降のベクトル位相値として換算することを特徴とする。
【００１１】
また、この発明にかかる位相検出方法は、上記の発明において、前記振幅正規化処理ステップは、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果がほぼ平坦な特性となる第一の減算処理結果の値によって、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果が直線的な特性となる第二の減算処理結果の値を除算した値を正規化振幅値として出力することを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる位相検出方法は、入力されたＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相信号の信号振幅値の大小関係が、Ｒ相の値＞Ｔ相の値＞Ｓ相の値、Ｒ相の値＞Ｓ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｒ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｔ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｓ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｒ相の値＞Ｓ相の値となる６つの連続する複数の第１〜第６区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定ステップと、前記第１区間を（Ｒ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｓ相の値）、前記第２区間を（Ｓ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｔ相の値）、前記第３区間を（Ｓ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｔ相の値）、前記第４区間を（Ｔ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｒ相の値）、前記第５区間を（Ｔ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｒ相の値）、前記第６区間を（Ｒ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｓ相の値）で演算処理し、各区間内で正規化した正規化振幅値を求める振幅正規化処理ステップと、前記第１〜第６区間の正規化振幅値にそれぞれ位相６０°を乗算し、前記第１〜第６区間の乗算値にそれぞれ位相３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°を加算した位相値を算出し、さらに前記第６区間の位相値が３６０°以上の場合には、この位相値から位相３６０°を減算した位相値を求めて、１周期のベクトル位相を換算出力する換算位相出力ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる位相検出方法は、上記の発明において、前記換算位相出力ステップが出力したベクトル位相と、該ベクトル位相と真のベクトル位相との位相誤差の関係を記憶しておき、この関係をもとに、前記ベクトル位相に位相誤差分を加減算して該ベクトル位相を補正する補正ステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる位相検出装置は、入力された複数相の信号振幅値をもとに、各相の信号振幅の大小関係が異なる連続した複数区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定回路と、前記区間判定回路で判定された区間ごとに前記各相間の信号振幅について所定の減算処理を行い、この減算処理結果を用いて該区間内で正規化した正規化振幅値を求める振幅正規化処理回路と、前記振幅正規化処理回路によって求められた正規化振幅値から前記区間判定回路によって判定された区間に対応させて所定相を基準とする１周期のベクトル位相を換算して出力する換算位相出力回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、この発明にかかる位相検出装置は、上記の発明において、前記換算位相出力回路は、前記区間に前記ベクトル位相の始点かつ終点を含む場合、終点以降のベクトル位相値を始点以降のベクトル位相値として換算することを特徴とする。
【００１６】
また、この発明にかかる位相検出装置は、上記の発明において、前記振幅正規化処理回路は、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果がほぼ平坦な特性となる第一の減算処理結果の値によって、前記区間内の各相の信号振幅間の減算処理結果が直線的な特性となる第二の減算処理結果の値を除算した値を正規化振幅値として出力することを特徴とする。
【００１７】
また、この発明にかかる位相検出装置は、入力されたＲ相、Ｓ相、Ｔ相の３相信号の信号振幅値の大小関係が、Ｒ相の値＞Ｔ相の値＞Ｓ相の値、Ｒ相の値＞Ｓ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｒ相の値＞Ｔ相の値、Ｓ相の値＞Ｔ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｓ相の値＞Ｒ相の値、Ｔ相の値＞Ｒ相の値＞Ｓ相の値となる６つの連続する複数の第１〜第６区間のうちのいずれの区間であるかを判定する区間判定回路と、前記第１区間を（Ｒ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｓ相の値）、前記第２区間を（Ｓ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｔ相の値）、前記第３区間を（Ｓ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｔ相の値）、前記第４区間を（Ｔ相の値−Ｒ相の値）／（Ｓ相の値−Ｒ相の値）、前記第５区間を（Ｔ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｒ相の値）、前記第６区間を（Ｒ相の値−Ｓ相の値）／（Ｔ相の値−Ｓ相の値）で演算処理した正規化振幅値を求める振幅正規化処理回路と、前記第１〜第６区間の正規化位相にそれぞれ位相６０°を乗算し、前記第１〜第６区間の乗算値にそれぞれ位相３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°を加算した位相値を算出し、さらに前記第６区間の位相値が３６０°以上の場合には、この位相値から位相３６０°を減算した位相値を求めて、１周期のベクトル位相を換算出力する換算位相出力回路と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、この発明にかかる位相検出装置は、上記の発明において、前記換算位相出力回路が出力したベクトル位相と、該ベクトル位相と真のベクトル位相との位相誤差の関係を記憶しておき、この関係をもとに、前記ベクトル位相に位相誤差分を加減算して該ベクトル位相を補正する補正回路を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、同期モータに印加される電圧のベクトル位相および電流のベクトル位相を上記の発明のいずれか一つに記載の位相検出方法によって求め、電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算する力率演算ステップを含み、この求められた力率をもとに前記同期モータを制御することを特徴とする。
【００２０】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、前記力率の目標値を設け、前記力率演算ステップで演算された力率を前記目標値に近づけるフィードバック制御を行うフィードバック制御ステップを含むことを特徴とする。
【００２１】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、前記フィードバック制御ステップは、前記同期モータに印加される電圧振幅値の振幅調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、前記フィードバック制御ステップは、前記力率演算ステップで演算された力率と前記目標値との誤差を小さくする位相調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする。
【００２３】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、前記フィードバック制御ステップは、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求めた前記同期モータのトルクに応じて前記振幅調節および／または前記位相調節の利得を変化させることを特徴とする。
【００２４】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、前記フィードバック制御ステップは、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求められたトルクと該トルク時における電力消費効率が高い力率との関係をもとに、各相の電圧値および各相の電流値に対応する力率の目標値を出力する目標力率変換ステップを含み、該目標値を用いて前記力率演算ステップで演算された力率を前記目標値に近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【００２５】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、目標力率変換ステップは、各相の電圧値および各相の電流値をフィードバックしてトルクに対する電力消費効率が高い力率の目標値を出力することを特徴とする。
【００２６】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法は、上記の発明において、前記力率演算ステップは、前記同期モータに印加される前記電圧のベクトル位相を、前記同期モータに印加される駆動制御信号をもとに検出することを特徴とする。
【００２７】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明のいずれか一つに記載の位相検出装置によって同期モータに印加される電圧のベクトル位相を求める電圧位相検出手段と、上記の発明のいずれか一つに記載の位相検出装置によって前記同期モータに加えられる電流のベクトル位相を求める電流位相検出手段と、前記電圧位相検出手段によって検出された電圧のベクトル位相と前記電流位相検出手段によって検出された電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算する力率演算手段と、前記力率演算手段によって求められた力率をもとに前記同期モータを同期制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２８】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明のいずれか一つに記載の位相検出装置によって前記同期モータに加えられる電流のベクトル位相を求める電流位相検出手段と、電圧のベクトル位相と前記電流位相検出手段によって検出された電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算する力率演算手段と、前記力率演算手段によって求められた力率をもとに前記同期モータを同期制御する制御手段と、を備え、前記力率演算手段に入力される電圧のベクトル位相は、前記制御手段によって制御され、前記同期モータに印加される交流信号を生成する電圧駆動信号の位相であることを特徴とする。
【００２９】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記力率の目標値を設定する目標力率設定手段を備え、前記制御手段は、前記力率演算手段によって求められた力率を前記目標力率設定手段によって設定された目標値に近づけるフィードバック制御を行うことを特徴とする。
【００３０】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記制御手段は、前記同期モータに印加される電圧振幅値の振幅調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする。
【００３１】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記制御手段は、前記力率演算手段で演算された力率と前記目標値との誤差を小さくする位相調節を行って前記力率を前記目標値に近づける制御を行うことを特徴とする。
【００３２】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記制御手段は、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求めた前記同期モータのトルクに応じて前記振幅調節および／または前記位相調節の利得を変化させることを特徴とする。
【００３３】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、各相の電圧値および各相の電流値をもとに求められたトルクと該トルク時に電力消費効率が高い力率との関係をもとに、各相の電圧値および各相の電流値に対応する力率の目標値を出力する目標力率変換手段を備え、前記目標力率設定手段は、前記目標力率変換手段から出力された力率に設定することを特徴とする。
【００３４】
また、この発明にかかる同期モータの制御装置は、上記の発明において、前記目標力率変換手段は、各相の電圧値および各相の電流値をフィードバックして前記力率の目標値を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３５】
この発明にかかる位相検出方法および位相検出装置では、入力された複数相の信号振幅値をもとに、各相の信号振幅の大小関係が異なる連続した複数区間のうちのいずれの区間であるかを判定し、この判定された区間ごとに前記各相間の信号振幅について所定の減算処理を行い、この減算処理結果を用いて該区間内で正規化した正規化振幅値を求め、求められた正規化振幅値から前記区間判定ステップによって判定された区間に対応させて所定相を基準とする１周期のベクトル位相を換算して出力するようにしているので、逆正接演算などの複雑かつ負荷の大きな演算処理を行うことなく、簡易で精度の高い位相検出をリアルタイムで行うことができる。
【００３６】
また、この発明にかかる同期モータの制御方法および同期モータの制御装置では、上述した位相検出方法あるいは位相検出装置を用いて、同期モータに印加される電圧のベクトル位相および電流のベクトル位相を求め、電圧のベクトル位相と電流のベクトル位相との位相差である力率をリアルタイムで演算するようにしているので、簡易な構成で精度の高い同期モータの同期運転制御を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、この発明を実施するための最良の形態である位相検出方法、位相検出装置、同期モータの制御方法、および同期モータの制御装置について説明する。
【００３８】
（実施の形態１）
図１および図２は、この発明の実施の形態１にかかる位相検出方法の概念を示す図である。図１の上段の図は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３相信号を示している。信号は、電圧であっても電流であってもよい。各相の信号の大小関係が異なる領域は、６通り存在し、位相が進むに従って、Ｒ相信号＞Ｔ相信号＞Ｓ相信号、Ｒ相信号＞Ｓ相信号＞Ｔ相信号、Ｓ相信号＞Ｒ相信号＞Ｔ相信号、Ｓ相信号＞Ｔ相信号＞Ｒ相信号、Ｔ相信号＞Ｓ相信号＞Ｒ相信号、Ｔ相信号＞Ｒ相信号＞Ｓ相信号の順序を繰り返す。また、この大小関係の変化は、位相が６０°進む毎に生じ、３相信号のいずれか２つが交差する点で変化する。
【００３９】
これら６つの領域をそれぞれ区間「０」〜「５」とすると各区間に対応する３相信号の位相は、図１の中段に示すように、区間「０」では３０°〜９０°、区間「１」では９０°〜１５０°、区間「２」では１５０°〜２１０°、区間「３」では２１０°〜２７０°、区間「４」では２７０°〜３３０°、区間「５」では３３０°〜３６０°と０°〜３０°となる。
【００４０】
ここで、各区間に注目すると、たとえば、区間「０」におけるＴ相のように、中間相の値は、位相の変化に対してリニアに近い波形変化をもつ。そこで、この中間相の値の変化から位相の変化を近似値として求めることが考えられるが、この中間相の値は、３相の振幅変化とともに変化するため、この中間相の値自体を用いて位相の近似値を求めることができない。
【００４１】
そこで、この発明の実施の形態１では、まず、図１の下段に示すように、各区間で、最大相の値から最小相の値を減算する第１の減算処理と、区間「０」、「２」、「４」では、最大相の値から中間相の値を減算し、区間「１」、「３」、「５」では中間相の値から最小相の値を減算する第２の減算処理とを行う。第２の減算処理結果は、位相の変化に対してリニアに近い関係をもち、第１の減算処理結果は、位相の変化に対して変化が少ないものとなる。たとえば、図１の下段に示すように、区間「０」において、Ｒ相の値からＴ相の値を減算した第１の減算処理結果は、位相の変化に対してほぼリニアな特性を有し、Ｒ相の値からＳ相の値を減算した第２の減算処理結果は、位相の変化に対して変化の少ない平坦な特性を有する。
【００４２】
その後、各区間毎に、第２の減算処理結果を第１の減算処理結果で除算する正規化処理を行う。たとえば、区間「０」では、（Ｒ相の値−Ｔ相の値）／（Ｒ相の値−Ｓ相の値）の減算を行って正規化処理を行う。この結果、図２の中段に示すように、各区間は、位相の変化に対して０から１にほぼリニアに変化する正規化された値となり、かつ３相の振幅に依存しない値となる。
【００４３】
その後、各区間の位相幅が６０°であることから、各区間毎に、正規化値に６０を乗じ、この乗算値に対し、区間「０」〜「５」でそれぞれ位相３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、３３０°を加算した換算位相値を算出し、さらに区間「５」の位相値が３６０°以上の場合には、この位相値から位相３６０°を減算した換算位相値を求めて、１周期のベクトル位相を算出する。この結果、図２の下段に示すように、位相の変化に対して、３６０°でほぼリニアに変化するベクトル位相を求めることができる。
【００４４】
具体的に得られた区間「１」（３０°〜９０°）の１°毎の換算位相値は、図３−１および図３―２のようになる。ここで、たとえば図４に示したように逆正接演算を行って求めた真値の位相値と、この実施の形態１で求めた換算位相値との誤差は、約１．１°以内の精度である。その他の区間も同様に約１．１°以内の精度であり、全区間に渡って高い精度でベクトル位相を簡易に求めることができる。
【００４５】
ここで、上述した位相検出方法を具体化した位相検出装置について説明する。図５は、この発明の実施の形態１である位相検出装置の構成を示す回路図である。図５において、この位相検出装置は、大きく３相信号源１、区間判定回路１００、減算回路１０１、正規化回路１０２、および換算位相出力回路１０３を有する。
【００４６】
３相信号源１は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の３相信号を出力する。区間判定回路１００は、実施の形態１で示した区間「０」〜「５」の６つの区間のいずれの区間であるかをＲ相、Ｓ相、Ｔ相の大小関係をもとに判別し、その判別結果を出力する。区間判定回路１００は、比較器２〜４を有し、比較器２〜４は、それぞれＲ相の値＞Ｓ相の値のとき、Ｓ相の値＞Ｔ相の値のとき、Ｔ相の値＞Ｓ相の値のときに、それぞれ「１」を出力する。各比較器２〜４の出力に分岐接続されるＮＯＴ素子５〜７は、それぞれＲ相の値＜Ｓ相の値のとき、Ｓ相の値＜Ｔ相の値のとき、Ｔ相の値＜Ｓ相の値のときに、それぞれ「１」を出力する。各比較器２〜４およびＮＯＴ素子５〜７の出力は、ＡＮＤ素子８〜１３に接続される。ＡＮＤ素子８には、ＮＯＴ素子６，７の出力が入力され、Ｒ相の値＞Ｔ相の値＞Ｓ相の値のとき、すなわち区間「０」のときに、「１」が出力される。ＡＮＤ素子９には、比較器２，３の出力が入力され、Ｒ相の値＞Ｓ相の値＞Ｔ相の値のときに、すなわち区間「１」のときに、「１」が出力される。ＡＮＤ素子１０には、ＮＯＴ素子５，７の出力が入力され、Ｓ相の値＞Ｒ相の値＞Ｔ相の値のときに、すなわち区間「２」のときに、「１」が出力される。ＡＮＤ素子１１には、比較器３，４の出力が入力され、Ｓ相の値＞Ｔ相の値＞Ｒ相の値のとき、すなわち区間「３」のときに、「１」が出力される。ＡＮＤ素子１２には、ＮＯＴ素子５，６の出力が入力され、Ｔ相の値＞Ｓ相の値＞Ｒ相の値のときに、すなわち区間「４」のときに、「１」が出力される。ＡＮＤ素子１３には、比較器２，４の出力が入力され、Ｔ相の値＞Ｒ相の値＞Ｓ相の値のときに、すなわち区間「５」のときに、「１」が出力される。
【００４７】
減算回路１０１は、図１の下段または図２の上段に示した減算処理を行う。すなわち、減算回路１０１は、減算器１４〜１６を有し、それぞれ、（Ｒ相の値−Ｓ相の値）、（Ｓ相の値−Ｔ相の値）、（Ｔ相の値−Ｓ相の値）の減算を行い、各減算器１４〜１６に分岐接続された極性反転器１７〜１９が減算器１４〜１６の出力に対してそれぞれ（−１）を乗算し、（Ｓ相の値−Ｒ相の値）、（Ｔ相の値−Ｓ相の値）、（Ｓ相の値−Ｔ相の値）を出力する。乗算器２０，２１、２２，２３、２４，２５、２６，２７、２８，２９、３０，３１は、それぞれ区間「０」〜「５」に対応する第１の減算処理結果および第２の減算処理結果を正規化回路１０２に出力する。具体的には、乗算器２０〜３１は、各減算器１４〜１６および極性反転器１７〜１９の値に、区間判定回路１００からの出力を乗算し、区間判定回路から「１」が出力された区間「０」〜「５」に対応する第１の減算処理結果および第２の減算処理結果のみが正規化回路１０２に出力される。たとえば、区間「０」の場合、乗算器２０から（Ｒ相の値−Ｓ相の値）が出力され、乗算器２１から（Ｒ相の値−Ｔ相の値）が出力され、その他の乗算器２２〜３１からは何も出力されない。
【００４８】
正規化回路１０２は、図２の中段に示した振幅正規化処理を行う。正規化回路１０２は、加算器３２〜３７を有し、この加算器３２〜３７は、正規化演算である除算処理の分母と分子とを分岐出力する機能をもち、加算器３２〜３４が分母を分岐出力し、加算器３５〜３７が分子を分岐出力する。除算器３８は、分子側に分岐出力された値を分母側に分岐出力された値で除算し、正規化振幅値Ａとして換算位相出力回路１０３に出力する。たとえば、区間「０」のとき、乗算器２０から出力された（Ｒ相の値−Ｓ相の値）は、加算器３２，３４を介して除算器３８の分母側に入力され、乗算器２１から出力された（Ｒ相の値−Ｔ相の値）は、加算器３５，３７を介して除算器３８の分子側に入力され、区間「０」の振幅正規化演算が行われる。
【００４９】
換算位相出力回路１０３は、図２の下段に示した換算位相値の出力処理を行う。乗算器３９は、正規化回路１０２から出力された正規化値に６０を乗算し、加算器４９に出力する。一方、乗算器４０〜４５には、区間判定回路１００のＡＮＤ素子８〜１３の出力がそれぞれ入力され、各ＡＮＤ素子８〜１３から「１」が出力された場合に、それぞれ、３０、９０、１５０、２１０、２７０、３３０の値が加算器４６〜４８を介して加算器４９に出力される。加算器４９は、乗算器３９から出力された値と、乗算器４０〜４５のいずれかから出力された値とを加算し、ベクトル位相である換算位相値Ｂとして出力する。ここで、加算器４９に分岐接続された比較器５０は、加算器４９の出力が３６０より大きいか否かを比較し、大きい場合、乗算器５１に「１」を出力し、乗算器５１は、この「１」に３６０を乗算し、加算器５２に（―３６０）を加算出力し、加算器４９から出力された値から３６０を減算した値を換算位相値Ｂとして出力する。すなわち、区間「５」における換算位相値Ｂの出力処理を行う。
【００５０】
この実施の形態１では、簡易な構成で、真値のベクトル位相との誤差が約１．１°以内という高い精度でベクトル位相をリアルタイムで求めることができる。
【００５１】
なお、図６に示すように換算位相値Ｂに対する位相補正を行う補正部１０４を設けるようにしてもよい。具体的に、補正部１０４は、図３−１および図３−２で示した換算位相値と誤差との関係が記憶された補正テーブルを全区間に設け、この誤差をなくすような加減算処理を行うようにすればよい。これによって、各区間での位相のリニア特性を確実にし、一層精度の高いベクトル位相の検出を行うことができる。また、補正テーブルを用いた場合、補正テーブルに記憶された値間の値である場合には補間処理を行うようにするとよい。
【００５２】
さらに、上述した第２の減算処理において、区間「０」、「２」、「４」では、最大相の値から中間相の値を減算し、区間「１」、「３」、「５」では中間相の値から最小相の値を減算するようにしていたが、区間「０」、「２」、「４」の減算処理と、区間「１」、「３」、「５」の減算処理とを逆にした減算処理を行ってもよい。すなわち、区間「０」、「２」、「４」では、中間相の値から最小相の値を減算し、区間「１」、「３」、「５」では、最大相の値から中間相の値を減算するようにしてもよい。この場合、たとえば、同第２の演算処理結果をさらに１から減算することで上述した換算位相値の出力処理を実行できる。
【００５３】
また、上述した実施の形態１では、３相信号を一例として示したが、これに限らず、複数相の信号にも同様にして適用できるものである。この場合、各相の信号のうち、２つの相の信号が交差する位置で区間分割を行うようにし、各区間でリニアな特性が得られる減算処理と、ほぼ平坦な特性が得られる減算処理とを行って正規化値を求めるようにするとよい。
【００５４】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では位相検出装置をハードウェアで構成するものであったが、この実施の形態２は、上述した実施の形態１で示した位相検出方法をソフトウェアによって実現するものである。このソフトウェアは、プログラムとしてＲＯＭやＲＡＭに記憶され、ＣＰＵによって読み込まれて実行されるものであり、マイコンなどによって実現される。
【００５５】
図７は、この発明の実施の形態２である位相検出方法の処理手順を示すフローチャートである。図７において、まず、３相信号源１のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各値を読み込み（ステップＳ１０１）、この読み込んだ３つの各値をもとに６つの大小関係を判断する（ステップＳ１０２）。
【００５６】
Ｒ相の値＞Ｔ相の値＞Ｓ相の値の大小関係（区間「０」）である場合、正規化振幅値Ｐ０＝（Ｒ−Ｔ）／（Ｒ−Ｓ）を求め（ステップＳ１０３）、さらに換算位相値Ｐｈ＝３０＋Ｐ０×６０を求め（ステップＳ１０４）、この求めた換算位相値Ｐｈをベクトル位相として出力し、本処理を終了する。
【００５７】
Ｒ相の値＞Ｓ相の値＞Ｔ相の値の大小関係（区間「１」）である場合、正規化振幅値Ｐ１＝（Ｓ−Ｔ）／（Ｒ−Ｔ）を求め（ステップＳ１０５）、さらに換算位相値Ｐｈ＝９０＋Ｐ１×６０を求め（ステップＳ１０６）、この求めた換算位相値Ｐｈをベクトル位相として出力し、本処理を終了する。
【００５８】
Ｓ相の値＞Ｒ相の値＞Ｔ相の値の大小関係（区間「２」）である場合、正規化振幅値Ｐ２＝（Ｓ−Ｒ）／（Ｓ−Ｔ）を求め（ステップＳ１０７）、さらに換算位相値Ｐｈ＝１５０＋Ｐ２×６０を求め（ステップＳ１０８）、この求めた換算位相値Ｐｈをベクトル位相として出力し、本処理を終了する。
【００５９】
Ｓ相の値＞Ｔ相の値＞Ｒ相の値の大小関係（区間「３」）である場合、正規化振幅値Ｐ３＝（Ｔ−Ｒ）／（Ｓ−Ｒ）を求め（ステップＳ１０９）、さらに換算位相値Ｐｈ＝２１０＋Ｐ３×６０を求め（ステップＳ１１０）、この求めた換算位相値Ｐｈをベクトル位相として出力し、本処理を終了する。
【００６０】
Ｔ相の値＞Ｓ相の値＞Ｒ相の値の大小関係（区間「４」）である場合、正規化振幅値Ｐ４＝（Ｔ−Ｓ）／（Ｔ−Ｒ）を求め（ステップＳ１１１）、さらに換算位相値Ｐｈ＝２７０＋Ｐ４×６０を求め（ステップＳ１１２）、この求めた換算位相値Ｐｈをベクトル位相として出力し、本処理を終了する。
【００６１】
Ｔ相の値＞Ｒ相の値＞Ｓ相の値の大小関係（区間「５」）である場合、正規化振幅値Ｐ５＝（Ｒ−Ｓ）／（Ｔ−Ｓ）を求め（ステップＳ１１３）、さらに換算位相値Ｐｈ＝３３０＋Ｐ５×６０を求める（ステップＳ１１４）。さらに、この求めた換算位相値Ｐｈが３６０以上であるか否かを判断し（ステップＳ１１５）、換算位相値Ｐｈが３６０以上である場合には、この換算位相値Ｐｈから３６０を減算し（ステップＳ１１６）、この減算された換算位相値Ｐｈをベクトル位相として出力し、換算位相値Ｐｈが３６０未満である場合には、この換算位相値Ｐｈをそのままベクトル位相として出力し、本処理を終了する。
【００６２】
なお、図８に示すように、図７で示した処理手順によって求められた換算位相値Ｐｈの誤差を補正する補正処理を行い（ステップＳ２０１）、この補正処理された値をベクトル位相として出力するようにしてもよい。なお、この補正処理は、図６に示した補正部１０４と同様に補正テーブルを用いた補正処理を行う。これによって、簡易な構成で、一層精度の高い位相検出をリアルタイムで行うことができる。
【００６３】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態３は、上述した実施の形態１，２に示した位相検出装置または位相検出方法を用いて同期モータの制御装置を実現するものである。
【００６４】
まず、同期運転中の同期モータ、たとえば永久磁石型（ＰＭ）モータについて説明する。図９は、同期運転中のＰＭモータの回転座標系での誘起電圧、電流、電圧のベクトル図である。ここでＬｄはｄ軸リアクタンスであり、Ｌｑはｑ軸リアクタンスであり、Φはモータの誘起電圧定数であり、Ｉは電流であり、Ｖは電圧である。また、φＩは電流位相であり、φＶは電圧位相であり、φpfは電流と電圧との位相差であり、力率を表す。また、発生トルクをＴとする。
【００６５】
図９を参照すると、
φＩ＝arctan（Ｉｑ／Ｉｄ)
φＶ＝arctan（（Φ＋LｄＩｄ）／LｑＩｑ）
であるから、
φpf＝φＶ−φＩ
＝arctan（（Φ＋LｄＩｄ）／LｑＩｑ）−arctan（Ｉｑ／Ｉｄ）      …（１）
の関係式が成立する。また、
Ｖ＝ω（（Φ＋ＬｄＩｄ）2＋（ＬｑＩｑ）2）1/2                       …（２）
である。トルクＴは、一般的に知られているように、
Ｔ＝ΦＩｑ＋（Lｄ−Lｑ）ＩｄＩｑ                                    …（３）
が成立する。
【００６６】
式（１）〜（３）が、運転中に継続して同時に成立すれば、同期も継続する。運転中、トルクＴは負荷により決まるが、短時間では一定である。また、角周波数ωも短時間では一定である。ここで、力率φpfを一定とすると、式（１）および式（３）によって、Ｉｄ、Ｉｑが一意的に決定され、電圧Ｖの大きさが一意的に決まる。従って、力率φpfに対して式（２）が成立するよう電圧Ｖが制御できれば、式（１）〜（３）が、運転中に成立することになり、運転の同期が継続する。
【００６７】
図９に示したベクトル図は、回転座標系であるが、力率φpfは、電圧と電流との相対位相差であるので、回転座標系の位相差である必要はなく、固定座標系で同様に検出することができる。また、電圧Ｖの大きさも、回転座標系と固定座標系とで不変であるので、固定座標系で検出することができる。
【００６８】
従って、固定座標系で検出した力率で、電圧の振幅を制御することによって運転の同期が可能になる。つまり、位置検出の必要は無く、センサレスでの同期運転が可能となる。
【００６９】
ここで、電圧振幅の位相差による同期モータの制御方法について説明する。図１０は、電圧変化と、電流と電圧との位相差の変化との関係を単純化して示す説明図である。図１０において、トルクＴが一定の時は、Ｉｑがほぼ一定と考え、電流Ｉのベクトルの終点は、ｄ軸に平行に移動する。一方、電圧Ｖのベクトルの終点は、ｑ軸に垂直に移動する。その方向は、電流Ｉのベクトルの終点が、図上、右から左に移動するに従って、電圧Ｖのベクトルの終点は、図上、上から下に移動する。この時、電圧Ｖの振幅は小さくなる。
【００７０】
一方、電圧Ｖのベクトルの位相変化と電流Ｉのベクトルの位相変化とを比べると電圧Ｖの位相の変化量より電流Ｉの位相の変化量が大きく、図１０に示すように、位相差は、位相差φpfaから位相差φpfbに変化し、小さくなる。すなわち、電圧Ｖの振幅と位相差φpfとの関係は、電圧Ｖの振幅を大きくすると位相差φpfも大きくなり、電圧Ｖの振幅を小さくすると位相差φpfも小さくなる関係にある。したがって、この電圧Ｖの振幅と位相差φpfとの関係を用いて、位相差φpfに対する電圧Ｖの振幅を制御すれば、上述した式（１）〜（３）を満足させることができる。
【００７１】
この結果、位相差φpfを大きくする時は、電圧Ｖの振幅を大きくし、位相差φpfを小さくする時は、電圧Ｖの振幅を小さくすることで、式（１）〜（３）の成立を満足させ、同期モータの同期制御を行うことができる（第１の制御方法）。
【００７２】
ところで、急激に負荷が変化する場合や、速度制御を行っている場合、電圧Ｖの振幅制御のみでは、上述した式（１）〜（３）が成立するまでに時間を要し、不安定状態が発生することになる。したがって、式（１）〜（３）が成立するまでの間の位相差φpfを安定化させる必要があり、位相差φpfの変化をフィードバックし、位相差φpfの変化を妨げるように電圧位相を直接制御することが好ましい（第２の制御方法）。
【００７３】
また、式（１）〜（３）を成立させる電圧Ｖの振幅と位相差φpfとの関係は、トルク、角速度に依存する。このため、最適な調節ゲインは、トルク、角速度に応じて、調節器のゲインを変えることが好ましい（第３の制御方法）。
【００７４】
上述した第１〜第３の制御方法を用いることによって、起動時、負荷変動時、速度制御時に対する同期モータの同期制御をセンサレスで高精度に安定して行うことができる。
【００７５】
図１１は、この発明の実施の形態３である同期モータの制御装置の構成を示すブロック図である。この同期モータの制御装置は、いわゆるインバータ装置であり、スイッチング素子２０２〜２０７がブリッジ回路を構成し、各スイッチング素子２０２〜２０７が駆動回路２１３によって駆動制御されることによって、直流電源２０１からの直流入力を３相交流信号に変換し、この３相交流信号を同期モータ２１１の交流電源として供給する。なお、同期モータ２１１は、負荷２１２を駆動する。
【００７６】
電圧検出器２１４は、ブリッジ回路から出力された３相交流信号の同期モータ２１１への入力端から３相の電圧振幅値を検出する。電圧位相演算器２１５は、この３相の電圧振幅値をもとに電圧のベクトル位相である電圧位相φＶを演算する。一方、電流検出器２０８〜２１０は、同期モータ２１１の入力端に設けられ、３相の電流振幅値を検出する。電流位相演算器２１６は、電流検出器２０８〜２１０によって検出された３相の電流振幅値をもとに電流のベクトル位相である電流位相φIを演算する。ここで、電圧位相演算器２１５および電流位相演算器２１６は、それぞれ、上述した実施の形態１，２で示した位相検出装置あるいは位相検出方法を用いた装置によって実現している。なお、電圧位相演算器２１５および電流位相演算器２１６は、実施の形態１で示した回路で実現してもよいし、実施の形態２で示したソフトウェアで実現してもよい。いずれにしろ、電圧位相演算器２１５および電流位相演算器２１６は、それぞれ簡易な構成で精度の高い電圧位相φＶ、電流位相φＩをリアルタイムで検出することができる。
【００７７】
また、図９および図１０で示した電圧位相φＶおよび電流位相φＩが回転座標系での位相であるのに対し、電圧位相演算器２１５および電流位相演算器２１６がそれぞれ演算した電圧位相φＶおよび電流位相φＩは、位相差φpf演算用の位相であるので、回転座標上の位相である必要はなく、固定座標上での位相演算結果である。
【００７８】
力率演算器２１７は、電圧位相演算器２１５および電流位相演算器２１６からそれぞれ出力された電圧位相φＶと電流位相φＩとの間の位相差である力率φpfを演算し、減算器２２０に出力する。一方、目標力率設定器２１８は、設定されている力率の目標値を減算器２２０に出力する。減算器２２０は、力率演算器２１７から出力された力率φpfから力率の目標値を減算した力率偏差Δφを振幅・位相調節器２２４に出力する。
【００７９】
一方、目標周波数設定器２１９は、目標周波数ωを積分器２２５に出力し、積分器２２５は、目標周波数ωを積分して基準位相φe0に変換し、振幅・位相調節器２２４に出力する。
【００８０】
振幅・位相調節器は、第１〜第３の制御方法を適用し、位相誤差Δφが、広がった時、電圧Ｖの振幅を大きくする電圧振幅Ｖｓを出力するような制御手段、例えば、可変ゲインのＩ調節器やＰＩ調節器で振幅ゲインを変化させる等の振幅調節機能と、位相差Δφが大きくなった時、電圧Ｖの基準位相φe0を遅らせる位相量φｅを出力する制御手段、例えば、可変ゲインのＩ調節器やＰＩ調節器の出力で基準位相φe0を微調整する等の位相調節機能を有する。
【００８１】
正弦波発生器２２１は、振幅・位相調節器２２４から出力された電圧振幅Ｖｓおよび位相量φｅをもつ正弦波を発生し、比較器２２３の正端子に出力する。比較器２２３の負端子には、三角波発生器２２２からの三角波が入力され、比較器２２３は、この三角波によって変調されたＰＷＭ制御信号を駆動回路２１３に出力し、駆動回路２１３は、各スイッチング素子２０２〜２０７を駆動制御して３相交流信号を出力させる。
【００８２】
この実施の形態３では、振幅・位相調節器２２４の振幅調節機能によって、電圧Ｖは、式（１）〜（３）を満足するように調整されて同期運転がなされ、位相調節機能によって、位相を直接制御することによって、過渡の安定性が保持され、速度変動時、負荷変動時、起動時での運転が可能となる。なお、このような精度の高い同期運転が可能なのは、電圧位相演算器２１５および電流位相演算器２１６がリアルタイムで位相検出を行うことができるからである。しかも、同期モータの回転子の位置推定という複雑な処理を行う必要がなく、簡易な構成で精度の高い同期モータの同期運転制御を行うことができる。
【００８３】
また、本制御方法または本制御装置によれば、モータの制御にあたってモータ定数（巻線リアクタンス（Ｌｄ，Ｌｑ）、誘起電圧定数、巻線抵抗値、慣性モーメントなど）の依存性が少ないため、従来、使用するモータの種類ごとに必要であったモータ定数に対する制御の適合性検証（制御特性合わせ）のための時間を短縮でき、作業コストの削減、異種モータへの変更の容易化などのメリットが得られる。
【００８４】
なお、電圧位相演算器２１５は、電圧検出器２１４を設けて実際の３相電圧を検出しているが、この３相電圧は、ブリッジ回路からの出力で決定されるため、図１２に示すように、正弦波発生器２２１の出力の位相をそのまま用いた構成としてもよい。この場合、電圧検出器２１４および電圧位相演算器２１５の構成が削除され、一層簡易な構成となる。
【００８５】
また、図１３に示すように、図１１に示した振幅・位相調節器２２４を、振幅調節器２２６と位相調節器２２７とに分離した構成としてもよい。この場合、振幅調節器２２６は、力率偏差Δφが小さくなるように調節した電圧振幅Ｖｓを正弦波発生器２２１に出力し、位相調節器２２７は、力率偏差Δφが小さくなるように調節した位相調整量を加算器２２８に出力し、加算器２２８は、基準位相φe0に位相調整量を加算した位相量φｅを正弦波発生器２２１に出力する。
【００８６】
さらに、図１４に示すように、第１の制御方法を適用して、力率偏差Δφが小さくなるように電圧Ｖの振幅のみを調整するようにしてもよい。この場合、図１３に示した位相調整器２２７および加算器２２８を設けないので、構成がさらに簡易になる。なお、積分器２２５からの基準位相φe0はそのまま正弦波発生器２２１に出力される。この図１４に示した同期モータの制御装置では、速度変動や負荷変動が少ない同期モータの制御に好適である。
【００８７】
（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この実施の形態４では、電力消費効率を高めることができる最適な力率での同期運転を可能としている。
【００８８】
同期モータの駆動状態は、力率、トルクによりほぼ一意的にきまるため、トルクに応じた電力消費効率が高い最適な力率との関係をテーブル化し、最適な力率に設定することによって、駆動目的に合った同期運転が可能となる。
【００８９】
図１５は、トルクをパラメータとした場合における電力消費効率が高い最適な力率特性を示す図である。図１５の上段には、トルクをパラメータとして電流Ｉｄの変化に対する力率の変化を示し、図１５の下段には、トルクをパラメータとして電流Ｉｄの変化に対する電流の大きさの変化を示している。図１５の上段から、トルクの大きさによって、取り得る力率φpfの範囲が限定されていることがわかる。たとえば、トルクが１Ｎｍでは、力率φpfを５０数度以下に設定しても運転可能であるが、トルクが１０Ｎｍになると、−３０数度以下に設定しないと運転ができなくなることがわかる。すなわち、トルクの値に合わせて力率を設定することが必要となる。
【００９０】
また、図１５の下段における電流の大きさは、抵抗ロスに相当することから、この電流の大きさが最も小さいところで抵抗ロスが最小となり、電力消費効率が最大となる。この電力消費効率が最大となる複数の点Ｐ１を、それぞれ図１５の上段の対応するトルク線上の点Ｐ２としてプロットすると、効率最大線Ｌが求まる。すなわち、トルクに対して電力消費効率が最大となる力率の関係が求まる。
【００９１】
したがって、図１６に示すように、図１１に示した構成に目標力率変換部２２９を設け、この目標力率変換部２２９は、上述したトルクに対する電力消費効率が最大となる力率の関係が記憶されたテーブルを用いて、入力されたトルクに対して電力消費効率が最大となる力率を目標力率設定器２１８に出力するようにする。入力されるトルクは、電圧検出器２１４が検出するＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔをモニタするとともに、電流検出器２０８〜２１０が検出するＲ相、Ｓ相、Ｔ相の電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔをモニタしてトルク演算を行えばよい。
【００９２】
この実施の形態４では、各相の電圧および電流を検出し、この検出した値からトルクを算出し、この算出されたトルクに対して電力消費効率が最大となる力率の目標値が設定されるので、電力消費効率のよい同期運転を行うことができる。
【００９３】
なお、上述した実施の形態４では、トルクに対して電力消費効率が最大となる力率の目標値に設定するようにしていたが、トルクは、同期モータの角周波数ωに反比例することから、この角周波数ωを検出し、この検出した角周波数を加味したトルクに対して電力消費効率が最大となる力率の目標値を設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる位相検出方法の概念を説明する説明図である（その１）。
【図２】この発明の実施の形態１にかかる位相検出方法の概念を説明する説明図である（その２）。
【図３−１】この発明の実施の形態１にかかる位相検出方法を用いて検出した位相と誤差との関係を示す図である（その１）。
【図３−２】この発明の実施の形態１にかかる位相検出方法を用いて検出した位相と誤差との関係を示す図である（その２）。
【図４】３相／２相変換を行って求めた実軸成分および虚軸成分を用いて逆正接変換を行うことによるベクトル位相の算出を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１にかかる位相検出装置の構成を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の形態１にかかる位相検出装置の変形例の構成を示す回路図である。
【図７】この発明の実施の形態２にかかる位相検出方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施の形態２の変形例にかかる位相検出方法の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】回転座標系上の電圧と電流との関係を示す図である。
【図１０】回転座標系上の電圧変動と電流変動と位相差変動との関係を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３にかかる同期モータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態３にかかる同期モータの制御装置の第１変形例の構成を示すブロック図である。
【図１３】この発明の実施の形態３にかかる同期モータの制御装置の第２変形例の構成を示すブロック図である。
【図１４】この発明の実施の形態３にかかる同期モータの制御装置の第３変形例の構成を示すブロック図である。
【図１５】トルクと電力消費効率が最大となる力率との関係を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態４にかかる同期モータの制御装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９５】
１  ３相信号源
２〜４，５０，２２３  比較器
５〜７  ＮＯＴ素子
８〜１３  ＡＮＤ素子
１４〜１６，２２０  減算器
１７〜１９  極性反転器
２０〜３１，３９，４０〜４５，５１  乗算器
３２〜３７，４６〜４９，５２，２２８  加算器
３８  除算器
１００  区間判定回路
１０１  減算回路
１０２  正規化回路
１０３  換算位相出力回路
１０４  補正部
２０１  直流電源
２０２〜２０７  スイッチング素子
２０８〜２１０  電流検出器
２１１  同期モータ
２１２  負荷
２１３  駆動回路
２１４  電圧検出器
２１５  電圧位相演算器
２１６  電流位相演算器
２１７  力率演算器
２１８  目標力率設定器
２１９  目標周波数設定器
２２１  正弦波発生器
２２２  三角波発生器
２２４  振幅・位相演算器
２２５  積分器
２２６  振幅調節器
２２７  位相振幅器
２２９  目標力率変換部
【図１】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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