(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、
前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
前記端子電圧検出器により検出された端子電圧の変化率が所定値を上回るまたは下回ることを制限する変化率制限器と、
前記端子電圧検出器により検出され、前記変化率制限器により前記変化率が制限された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換する第１座標変換部と、
前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出する磁束算出部と、
前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換する第２座標変換部を備え、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を出力する位相同期部と、
前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する制御部と、
を備える電動機起動装置。
【請求項２】
多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、
前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
前記端子電圧検出器により検出された端子電圧のオフセットを除去するオフセット除去器と、
前記端子電圧検出器により検出され、前記オフセット除去器により前記オフセットが除去された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換する第１座標変換部と、
前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出する磁束算出部と、
前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換する第２座標変換部を備え、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を出力する位相同期部と、
前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する制御部と、
を備える電動機起動装置。
【請求項３】
前記位相同期部はさらに、
前記回転座標系の２軸量の磁束に基づいて、前記回転子の角速度偏差を算出する角速度偏差算出部と、
前記回転速度検出器により検出された回転速度に基づいて、前記回転子の角速度を算出する角速度算出部と、
前記回転子の角速度と、前記回転子の角速度偏差とに基づいて、前記回転子の推定角速度を出力する角速度推定部と、
前記角速度推定部から出力された推定角速度に基づいて、前記回転子の推定位相を出力する位相推定部と、
を備える請求項１または２に記載の電動機起動装置。
【請求項４】
前記角速度推定部は、
前記回転子の角速度偏差に基づいて、前記回転子の角速度の調整値を算出する調整値算出部と、
前記回転子の推定角速度として、前記回転子の角速度に前記調整値を加算した値を出力する調整値加算部と、
を備える請求項３に記載の電動機起動装置。
【請求項５】
前記第２座標変換部は、前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記静止座標系の２軸量の磁束を前記回転座標系の２軸量の磁束に変換する、請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機起動装置。
【請求項６】
多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、
前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
を備える電動機起動装置を制御する制御装置であって、
前記端子電圧検出器により検出された端子電圧の変化率が所定値を上回るまたは下回ることを制限する変化率制限器と、
前記端子電圧検出器により検出され、前記変化率制限器により前記変化率が制限された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換する第１座標変換部と、
前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出する磁束算出部と、
前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換する第２座標変換部を備え、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を出力する位相同期部と、
前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する制御部と、
を備える制御装置。
【請求項７】
多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、
前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
を備える電動機起動装置を制御する制御装置であって、
前記端子電圧検出器により検出された端子電圧のオフセットを除去するオフセット除去器と、
前記端子電圧検出器により検出され、前記オフセット除去器により前記オフセットが除去された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換する第１座標変換部と、
前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出する磁束算出部と、
前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換する第２座標変換部を備え、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を出力する位相同期部と、
前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する制御部と、
を備える制御装置。
【請求項８】
多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、
前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
を備える電動機起動装置を制御する制御方法であって、
前記端子電圧検出器により検出された端子電圧の変化率が所定値を上回るまたは下回ることを変化率制限器により制限し、
前記端子電圧検出器により検出され、前記変化率制限器により前記変化率が制限された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換し、
前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出し、
前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換し、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を位相同期部から出力し、
前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する、
ことを含む制御方法。
【請求項９】
多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、
前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、
前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器と、
を備える電動機起動装置を制御する制御方法であって、
前記端子電圧検出器により検出された端子電圧のオフセットをオフセット除去器により除去し、
前記端子電圧検出器により検出され、前記オフセット除去器により前記オフセットが除去された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換し、
前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出し、
前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換し、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を位相同期部から出力し、
前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する、
ことを含む制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電動機起動装置、制御装置、および制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機を起動する電動機起動装置が広く用いられている。電動機起動装置は、多相交流電源からの電力の電圧や周波数を多相電力変換器により変換して、同期電動機に供給する。一般に、電動機起動装置は、同期電動機の回転子位置を検出する必要があるため、近接スイッチ等の位置センサを備えている。しかし、位置センサは、電動機の近傍に設置されるため、ノイズの影響を受けやすいという問題や、電動機に配線で接続されるため、配線コストがかかるという問題を有している。こうした信頼性や経済性の問題を解決するため、電動機起動装置は、位置センサなしで電動機を起動する位置センサレス化が進んでいる。
【０００３】
以下、位置センサレスの電動機起動装置の一例を説明する。
【０００４】
位置センサレスの電動機起動装置は例えば、電動機の端子電圧から電動機の磁束波形を導出し、磁束波形のゼロ交差を検出し、ゼロ交差の検出結果に基づいて、電動機起動装置内の位相と回転子の位相とを位相同期回路により同期させる。位相同期回路は、クロック信号を発生する発振器と、マイクロプロセッサからの指令値に応じてクロック信号を分周する分周器と、分周クロック信号のパルスをカウントする計数器とを備えている。計数器のカウンタ値は例えば、はじめに初期値（例えば５１２カウント）に設定され、パルスのカウントごとに１だけ減数し、０に達すると再び初期値に戻る。
【０００５】
電動機起動装置は、ゼロ交差を検出するごとに同期信号を発生し、同期信号によりマイクロプロセッサに割り込みを発生する。マイクロプロセッサは、割り込み発生時の計数器のカウンタ値を読み取り、読み取ったカウンタ値とゼロ交差発生時の正しいカウンタ値を比較して位相誤差を算出する。そしてマイクロプロセッサは、位相誤差を低減するための新たな指令値を算出し、新たな指令値を分周器に出力する。こうして、磁束波形の１周期が５１２カウントとなるように分周クロック信号の周期が調整される。計数器のカウンタ値は、磁束波形に対する位相角の目安となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−１９０２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の電動機起動装置には以下の問題がある。
【０００８】
１）位相同期回路は、ゼロ交差の検出ごとに位相調整を行う。そのため、電動機が三相同期型の場合には、位相調整は、磁束波形の位相が６０度進むごとに行われ、磁束波形の１周期に６回しか行われない。よって、電動機の起動直後に、電動機起動装置内の位相と回転子の位相とを同期させるために長い時間がかかる。さらに、回転子の回転速度の急変に対する位相調整の追随性が悪くなる。
【０００９】
２）位相同期回路は、ゼロ交差の検出をトリガとして位相を調整するため、ゼロ交差の誤検出が生じると位相を適切に調整できない。ゼロ交差の誤検出は例えば、電動機の端子電圧にサイリスタ転流ノイズがのることで引き起こされる。
【００１０】
３）電動機の起動直後の端子電圧は、電動機の定格回転時の端子電圧の１／１００未満であり、オフセットも含んでいる。この状態では、ゼロ交差の検出誤差が大きい。
【００１１】
そこで、本発明の実施形態は、電動機の回転子の位相を簡単かつ正確に検出可能な電動機起動装置、制御装置、および制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一の実施形態によれば、電動機起動装置は、多相交流電源からの電力の電圧および周波数を変換して電動機に供給する多相電力変換器と、前記電動機の端子電圧を検出する端子電圧検出器と、前記電動機の回転子の回転速度を検出する回転速度検出器とを備える。さらに、前記装置は、前記端子電圧検出器により検出された端子電圧を、静止座標系の２軸量の端子電圧に変換する第１座標変換部と、前記静止座標系の２軸量の端子電圧に基づいて、前記電動機内の磁束として前記静止座標系の２軸量の磁束を算出する磁束算出部とを備える。さらに、前記装置は、前記静止座標系の２軸量の磁束を、前記回転子に固定された回転座標系の２軸量の磁束に変換する第２座標変換部を備え、前記回転座標系の２軸量の磁束と、前記回転速度検出器により検出された回転速度とに基づいて、前記回転子の位相に追従するように前記回転子の推定位相を出力する位相同期部と、前記位相同期部から出力された推定位相に基づいて、前記多相電力変換器の動作を制御する制御部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の電動機と電動機起動装置の構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態のパルス発生回路の構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態の位相同期回路の構成を示すブロック図である。
【図４】第２実施形態のパルス発生回路の構成を示すブロック図である。
【図５】第２実施形態の変化率制限器の詳細を説明するための回路図とグラフである。
【図６】第３実施形態のパルス発生回路の構成を示すブロック図である。
【図７】第３実施形態のオフセット除去器の構成を示すブロック図である。
【図８】第４実施形態のパルス発生回路の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の電動機１と電動機起動装置２の構成を示す模式図である。
【００１６】
電動機１は、回転子１１ａを有する電動機本体１１と、回転子１１ａに配置された界磁巻線１２と、界磁巻線１２を励磁する励磁機１３とを備えている。本実施形態の電動機１は、三相同期電動機である。図１は、電動機１の固定子に固定された静止座標系のα軸およびβ軸と、電動機１の回転子１１ａに固定された回転座標系のｄ軸およびｑ軸とを示している。以下、前者をα−β座標系と呼び、後者をｄ−ｑ座標系と呼ぶ。これらはいずれも直交座標系である。符号θは、α軸に対するｄ軸の角度を表し、回転子１１ａの位相に相当する。
【００１７】
電動機起動装置２は、電動機１を起動するよう構成されており、多相交流電源２１と、多相電力変換器２２と、端子電圧検出器２３と、回転速度検出器２４と、制御進み角指令回路２５と、パルス発生回路２６とを備えている。多相電力変換器２２は、コンバータ２２ａと、直流リアクトル２２ｂと、インバータ２２ｃとを有している。制御進み角指令回路２５とパルス発生回路２６は、電動機起動装置２の動作を制御する制御装置３を構成している。制御装置３は例えば、１つ以上の集積回路により構成されている。
【００１８】
多相交流電源２１は、多相交流電力を供給する。多相電力変換器２２は、多相交流電源２１からの多相交流電力の電圧や周波数を変換し、変換された多相交流電力を電動機１に供給する。具体的には、コンバータ２２ａは、多相交流電源２１からの交流電力を直流電力に変換する。直流リアクトル２２ｂは、コンバータ２２ａからの直流電力の変動を抑制する。インバータ２２ｃは、直流リアクトル２２ｂからの直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を電動機１に出力する。
【００１９】
端子電圧検出器２３は、電動機１の端子電圧を検出し、端子電圧の検出結果を示す信号をパルス発生回路２６に出力する。端子電圧検出器２３の例は、計器用変圧器や、抵抗分圧による検出器である。本実施形態の端子電圧検出器２３は、端子電圧として、三相交流電圧のＵ相ＶＵと、Ｖ相ＶＶと、Ｗ相ＶＷとを検出する。
【００２０】
回転速度検出器２４は、回転子１１ａの回転速度Ｒを検出し、回転速度Ｒの検出結果を示す信号をパルス発生回路２６に出力する。回転速度Ｒは例えば、１分間あたりの回転子１１ａの回転数（ｒｐｍ）で表される。
【００２１】
制御進み角指令回路２５は、インバータ２２ｃを制御する制御進み角指令Ｓ１を演算し、制御進み角指令Ｓ１を示す信号をパルス発生回路２６に出力する。パルス発生回路２６は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷと、回転速度検出器２４により検出された回転速度Ｒと、制御進み角指令回路２５により演算された制御進み角指令Ｓ１とに基づいて、多相電力変換器２２の動作を制御する。具体的には、パルス発生回路２６は、インバータ２２ｃのサイリスタを点弧するインバータゲートパルスＳ２を出力することで、インバータ２２ｃを制御する。
【００２２】
図２は、第１実施形態のパルス発生回路２６の構成を示すブロック図である。
【００２３】
パルス発生回路２６は、第１座標変換部の例であるα−β変換回路３１と、磁束算出部の例である磁束推定積分回路３２と、位相同期部の例である位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）３３と、制御部の例であるパルス発生器３４とを備えている。
【００２４】
α−β変換回路３１は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷを、α−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。端子電圧Ｖα、Ｖβは、磁束推定積分回路３２に出力される。端子電圧Ｖα、Ｖβは、以下の式（１）と式（２）で与えられる。
【数１】
0006674332.tif 000002
【数２】
0006674332.tif 000003
磁束推定積分回路３２は、α−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに基づいて、電動機１内の磁束として、α−β座標系の２軸量の磁束φα、φβを算出する。具体的には、磁束推定積分回路３２は、端子電圧Ｖα、Ｖβを積分することで電動機１内の磁束φα、φβを推定する。磁束φα、φβは、位相同期回路３３に出力される。
【００２５】
位相同期回路３３は、α−β座標系の２軸量の磁束φα、φβと、回転速度検出器２４により検出された回転速度Ｒとに基づいて、位相同期を行う。具体的には、位相同期回路３３は、回転子１１ａの位相θに追従するように回転子１１ａの推定位相θＥを出力する。すなわち、回転子１１ａの位相θが、回転子１１ａの位相θの推定値である推定位相θＥの形で検出される。位相同期回路３３から出力された推定位相θＥは、パルス発生器３４に入力される。
【００２６】
位相同期回路３３は、後述するように、α−β座標系の２軸量の磁束φα、φβをｄ−ｑ座標系の２軸量の磁束φｄ、φｑに変換するｄ−ｑ座標変換回路４１を備えている。ｄ−ｑ座標変換回路４１は、第２座標変換部の例である。そして、位相同期回路３３は、ｄ−ｑ座標系の２軸量の磁束φｄ、φｑと、回転速度検出器２４により検出された回転速度Ｒとに基づいて、上記の位相同期を行う。この詳細については後述する。
【００２７】
パルス発生器３４は、位相同期回路３３から出力された推定位相θＥと、制御進み角指令回路２５により演算された制御進み角指令Ｓ１とに基づいて、多相電力変換器２２の動作を制御する。具体的には、パルス発生器３４は、インバータ２２ｃのサイリスタを点弧するインバータゲートパルスＳ２を出力することで、インバータ２２ｃを制御する。その結果、インバータ２２ｃは、回転子１１ａの位相θに追従する推定位相θＥに基づいて制御される。
【００２８】
図３は、第１実施形態の位相同期回路３３の構成を示すブロック図である。
【００２９】
位相同期回路３３は、第２座標変換部の例であるｄ−ｑ変換回路４１と、角速度偏差算出部の例である角速度偏差検出回路４２と、角速度推定部（調整値算出部）の例であるＰＩ（Proportional-Integral）調整器４３と、角速度算出部の例である回転速度−角速度変換回路４４と、角速度推定部（調整値加算部）の例である加算器４５と、位相推定部の例である位相推定積分器４６とを備えている。
【００３０】
ｄ−ｑ座標変換回路４１は、α−β座標系の２軸量の磁束φα、φβを、ｄ−ｑ座標系の２軸量の磁束φｄ、φｑに変換する。磁束φｄ、φｑは、角速度偏差検出回路４２に出力される。磁束φｄ、φｑは、以下の式（３）と式（４）で与えられる。
【数３】
0006674332.tif 000004
【数４】
0006674332.tif 000005
式（３）と式（４）から分かるように、磁束φｄ、φｑは、磁束φα、φβと推定位相θＥとに基づいて算出される。このように、位相同期回路３３は、位相同期回路３３内で推定位相θＥをループさせることで位相同期を行う。
【００３１】
角速度偏差検出回路４２は、ｄ−ｑ座標系の２軸量の磁束φｄ、φｑから、回転子１１ａの角速度偏差φｑ／Ａを検出する。角速度偏差φｑ／Ａは、ＰＩ調整器４３に出力される。角速度偏差φｑ／Ａは、以下の式（５）により算出される。
【数５】
0006674332.tif 000006
ＰＩ調整器４３は、回転子１１ａの角速度偏差φｑ／Ａに基づいて、回転子１１ａの角速度ωの調整値Δωを算出する。具体的には、ＰＩ調整器４３は、回転子１１ａの角速度偏差φｑ／Ａが０に近付くように、ＰＩ制御により調整値Δωを算出する。調整値Δωは、加算器４５に出力される。
【００３２】
回転速度−角速度変換回路４４は、回転速度検出器２４により検出された回転子１１ａの回転速度Ｒを、回転子１１ａの角速度ωに変換する。回転速度−角速度変換回路４４により算出された角速度ωは、加算器４５に出力される。
【００３３】
加算器４５は、回転子１１ａの角速度ωに調整値Δωを加算して、回転子１１ａの推定角速度ωＥを算出する（ωＥ＝ω＋Δω）。回転子１１ａの推定角速度ωＥは、位相推定積分器４６に出力される。
【００３４】
位相推定積分器４６は、回転子１１ａの推定角速度ωＥに基づいて、回転子１１ａの推定位相θＥを出力する。具体的には、位相推定積分器４６は、推定位相θＥとして、推定角速度ωＥの積分値を出力する。この積分値は、角度３６０度に対応する値に達すると、角度０度に対応する値にクリアされる。位相推定積分器４６から出力された推定位相θＥは、パルス発生器３４とｄ−ｑ座標変換回路４１に出力される。
【００３５】
上述のように、ＰＩ調整器４３は、角速度偏差φｑ／Ａが０に近付くように調整値Δωを算出する。その結果、回転子１１ａの推定位相θＥが、回転子１１ａの位相θ（ｄ軸磁束位相）に同期するように調整される。よって、位相同期回路３３は、回転子１１ａの位相θに追従する推定位相θＥを出力することができる。
【００３６】
以上のように、位相同期回路３３は、α−β座標系の磁束φα、φβをｄ−ｑ座標系の磁束φｄ、φｑに変換し、ｄ−ｑ座標系の磁束φｄ、φｑに基づいて回転子１１ａの推定位相θＥを出力する。よって、位相同期回路３３は、ゼロ交差の代わりに角速度偏差φｑ／Ａに基づいて、位相調整を行うことができる。ゼロ交差に基づいて位相調整を行う場合、位相調整を行うタイミングが、ゼロ交差検出時に限定されてしまう。一方、本実施形態によれば、ゼロ交差検出時に限定せずに位相調整を行うことが可能となり、磁束φｄ、φｑや角速度偏差φｑ／Ａに基づいて位相調整を常時行うことが可能となる。よって、本実施形態によれば、上述の問題「１）」を解決することが可能となる。
【００３７】
磁束φｄ、φｑや角速度偏差φｑ／Ａを利用する位相同期回路３３は、比較的簡単に実現することができる。また、位相同期回路３３は、位相調整を行うタイミングをゼロ交差検出時に限定しないことで、位相調整をより正確に行うことができる。よって、本実施形態によれば、回転子１１ａの位相θを簡単かつ正確に検出することが可能となり、この検出結果に基づいてインバータ２２ｃを適切に制御することが可能となる。
【００３８】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態のパルス発生回路２６の構成を示すブロック図である。
【００３９】
本実施形態のパルス発生回路２６は、図２に示す構成要素に加えて、変化率制限器３５を備えている。
【００４０】
変化率制限器３５は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷの変化率が所定値を上回るまたは下回ることを制限し、変化率が制限された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１をα−β変換回路３１に出力する。本実施形態のα−β変換回路３１は、変化率制限器３５から出力された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１を、α−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。
【００４１】
例えば、端子電圧ＶＵの変化率が上限値と下限値との間にある場合には、端子電圧ＶＵ１は、現在の端子電圧ＶＵに更新される。一方、端子電圧ＶＵの変化率が上限値を上回ったまたは下限値を下回った場合には、端子電圧ＶＵ１は、現在の端子電圧ＶＵに更新されず、直前の端子電圧ＶＵに維持される。これは、端子電圧ＶＶ１、ＶＷ１についても同様である。
【００４２】
図５は、第２実施形態の変化率制限器３５の詳細を説明するための回路図およびグラフである。
【００４３】
図５(ａ)は、インバータ２２ｃの回路構成の例を示している。インバータ２２ｃは、直列接続された第１のサイリスタアームＡ１、Ａ２と、直列接続された第２のサイリスタアームＡ３、Ａ４と、直列接続された第３のサイリスタアームＡ５、Ａ６とを備えている。第１のサイリスタアームＡ１、Ａ２と、第２のサイリスタアームＡ３、Ａ４と、第３のサイリスタアームＡ５、Ａ６は、互いに並列接続されている。端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷはそれぞれ、第１のサイリスタアームＡ１、Ａ２間のノードＮ１、第２のサイリスタアームＡ３、Ａ４間のノードＮ２、第３のサイリスタアームＡ５、Ａ６間のノードＮ３から出力される。
【００４４】
図５(ｂ)と図５(ｃ)は、端子電圧ＶＵ、ＶＵ１の時間変化の例を示している。端子電圧ＶＵは、符号Ｐで示すタイミングで通常の値からΔだけ一時的に低下している。その結果、端子電圧ＶＵの変化率は、符号Ｐで示すタイミングで下限値を下回りかつ上限値を上回っている。このような現象は例えば、あるサイリスタから別のサイリスタに転流が行われた際に、端子電圧ＶＵにサイリスタ転流ノイズがのることで生じる。この場合、端子電圧ＶＵ１は、現在の端子電圧ＶＵに更新されず、直前の端子電圧ＶＵに維持される。
【００４５】
図５(ｃ)では、タイミングＰの端子電圧ＶＵ１が、タイミングＰの端子電圧ＶＵに更新されず、タイミングＰの直前の端子電圧ＶＵに維持されている。例えば、端子電圧ＶＵ１の更新が時間間隔Δｔごとに行われる場合において、時間ｔの端子電圧ＶＵの変化率が上限値を上回ったまたは下限値を下回った場合には、時間ｔの端子電圧ＶＵ１は、時間ｔの端子電圧ＶＵに更新されず、時間ｔ−Δｔの端子電圧ＶＵに維持される。
【００４６】
以下、再び図４を参照し、変化率制限器３５の詳細を説明する。
【００４７】
端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷにサイリスタ転流ノイズが重畳されると、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷの波形変化が極端に大きくなることがある。この場合には、変化率制限器３５が、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷの変化を制限する。以下、このような制限処理を、変化率制限器３５を演算周期Ｔのディジタルコントローラに実装した場合を例として説明する。
【００４８】
時刻ｔにおける端子電圧ＶＵは、例えば以下の式（６）で表される。
【数６】
0006674332.tif 000007
この場合、時刻ｔにおける端子電圧ＶＵの変化率ｄＶＵ／ｄｔは、以下の式（７）で表される。
【数７】
0006674332.tif 000008
式（７）の変化率に関し、最大値はωｔ＝０の場合のＶωであり、最小値はωｔ＝πの場合の−Ｖωである。そのため、演算周期Ｔの間の端子電圧ＶＵの変化量ΔＶＵは、以下の式（８）で表される。
【数８】
0006674332.tif 000009
ここで、ある演算サイクルｎにおける端子電圧ＶＵをＶＵ（ｎ）と表し、次の演算サイクルｎ＋１における端子電圧ＶＵをＶＵ（ｎ＋１）と表すことにする。演算サイクルｎと演算サイクルｎ＋１との間の時間間隔は、演算周期Ｔである。
【００４９】
式（９）は、ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）が、上限値ＶωＴ＋αと下限値−ＶωＴ−αとの間にあるという条件を示している（αは検出誤差を意味する）。ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）がこの条件を満たしている場合には、変化率制限器３５は、式（１０）で示すように、端子電圧ＶＵ（ｎ＋１）を現在の端子電圧ＶＵ（ｎ＋１）に更新する。
【数９】
0006674332.tif 000010
【数１０】
0006674332.tif 000011
式（１１）は、ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）が、上限値ＶωＴ＋αを上回っているという条件を示している。式（１２）は、ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）が、下限値−ＶωＴ−αを下回っているという条件を示している。ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）がこれらの条件のいずれかを満たしている場合には、変化率制限器３５は、式（１３）で示すように、端子電圧ＶＵ（ｎ＋１）を直前の端子電圧ＶＵ（ｎ）に維持する。
【数１１】
0006674332.tif 000012
【数１２】
0006674332.tif 000013
【数１３】
0006674332.tif 000014
なお、この例では、ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）を端子電圧ＶＵの変化率として取り扱っている。ＶＵ（ｎ＋１）−ＶＵ（ｎ）は、時間間隔Ｔあたりの端子電圧ＶＵの変化率に相当する。以上の説明は、端子電圧ＶＶ、ＶＷにも同様に適用される。
【００５０】
以上のように、本実施形態の位相同期回路３３は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷの変化率が所定値を上回るまたは下回ることを制限し、変化率が制限された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１をα−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。よって、本実施形態によれば、サイリスタ転流ノイズなどのノイズが除去された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１を用いて位相調整を行うことが可能となる。よって、本実施形態によれば、上述の問題「１）」に加えて、上述の問題「２）」を解決することが可能となる。
【００５１】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態のパルス発生回路２６の構成を示すブロック図である。
【００５２】
本実施形態のパルス発生回路２６は、図２に示す構成要素に加えて、オフセット除去器３６を備えている。
【００５３】
オフセット除去器３６は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷのオフセットを除去し、オフセットが除去された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２をα−β変換回路３１に出力する。本実施形態のα−β変換回路３１は、オフセット除去器３６から出力された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２を、α−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。
【００５４】
オフセット除去器３６は、電動機１の起動時にオフになり、その他の期間にオンになる起動ＮＯＴ信号Ｓ３を受信する。オフセット除去器３６は、起動ＮＯＴ信号Ｓ３がオフのとき、すなわち、電動機１の起動時に、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷから起動直前のオフセットを除去し、このオフセットが除去された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２を出力する。このような動作を実現するための回路構成の例については、図７を参照して説明する。
【００５５】
図７は、第３実施形態のオフセット除去器３６の構成を示すブロック図である。
【００５６】
オフセット除去器３６は、Ｕ相オフセット除去器３６Ｕと、Ｖ相オフセット除去器３６Ｖと、Ｗ相オフセット除去器３６Ｗとを備えている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相オフセット除去器３６Ｕ、３６Ｖ、３６Ｗはそれぞれ、ローパスフィルタ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗと、更新回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗと、減算器５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗとを備えている。
【００５７】
電動機１が同期電動機の場合、電動機１は別の電動機と軸を介して接続されており、待機時の電動機１の回転子１１ａは、数ｒｐｍの回転速度Ｒで回転している。また、待機時の電動機１では、励磁機１３が停止しているが、起動時に着磁した磁束の少量が残留磁束として存在している。そのため、電動機１の端子には、回転速度Ｒに対応する周波数の電圧が少量発生する。
【００５８】
ローパスフィルタ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗはそれぞれ、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷから、待機時の回転速度Ｒと一致する周波数成分を除去し、この周波数成分が除去された端子電圧ＶＵ３、ＶＶ３、ＶＷ３を更新回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗに出力する。よって、待機時の端子電圧ＶＵ３、ＶＶ３、ＶＷ３はそれぞれ、おおむね端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷのオフセット成分のみを含んでいる。
【００５９】
更新回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗは、上述の起動ＮＯＴ信号Ｓ３を受信する。更新回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗは、起動ＮＯＴ信号Ｓ３がオンのときには、端子電圧ＶＵ４、ＶＶ４、ＶＷ４をそれぞれ現在の端子電圧ＶＵ３、ＶＶ３、ＶＷ３に更新する。端子電圧ＶＵ４、ＶＶ４、ＶＷ４はそれぞれ、減算器５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗに出力される。
【００６０】
一方、更新回路５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗは、起動ＮＯＴ信号Ｓ３がオフのとき、すなわち、電動機１の起動時には、端子電圧ＶＵ４、ＶＶ４、ＶＷ４をそれぞれ現在の端子電圧ＶＵ３、ＶＶ３、ＶＷ３に更新しない。その結果、起動ＮＯＴ信号Ｓ３がオフのときの端子電圧ＶＵ４、ＶＶ４、ＶＷ４はそれぞれ、起動ＮＯＴ信号Ｓ３がオンからオフへと変化する直前の端子電圧ＶＵ３、ＶＶ３、ＶＷ３に維持される。
【００６１】
よって、電動機１の起動時には、端子電圧ＶＵ４、ＶＶ４、ＶＷ４は起動直前のオフセット成分となる。減算器５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗはそれぞれ、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷから端子電圧ＶＵ４、ＶＶ４、ＶＷ４を減算した値を、端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２として出力する。その結果、電動機１の起動時の端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２はそれぞれ、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷから起動直前のオフセット成分が除去された信号となる。
【００６２】
以上のように、本実施形態の位相同期回路３３は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷのオフセットを除去し、オフセットが除去された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２をα−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。例えば、本実施形態の位相同期回路３３は、電動機１の起動時に、端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷから起動直前のオフセットを除去し、このオフセットが除去された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２を端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。よって、本実施形態によれば、電動機１の起動直後にオフセットの影響を回避しつつ位相調整を行うことが可能となる。よって、本実施形態によれば、上述の問題「１）」に加えて、上述の問題「３）」を解決することが可能となる。
【００６３】
（第４実施形態）
図８は、第４実施形態のパルス発生回路２６の構成を示すブロック図である。
【００６４】
本実施形態のパルス発生回路２６は、図２に示す構成要素に加えて、変化率制限器３５と、オフセット除去器３６とを備えている。
【００６５】
本実施形態のオフセット除去器３６の構成は、第３実施形態と同様である。よって、オフセット除去器３６は、端子電圧検出器２３により検出された端子電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷのオフセットを除去し、オフセットが除去された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２を後段に出力する。
【００６６】
一方、本実施形態の変化率制限器３５の構成は、第２実施形態と同様であるが、オフセット除去器３６の後段に配置されている。よって、変化率制限器３５は、オフセット除去器３６から出力された端子電圧ＶＵ２、ＶＶ２、ＶＷ２の変化率が所定値を上回るまたは下回ることを制限し、変化率が制限された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１を後段に出力する。
【００６７】
そして、本実施形態のα−β変換回路３１は、変化率制限器３５から出力された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１を、α−β座標系の２軸量の端子電圧Ｖα、Ｖβに変換する。
【００６８】
本実施形態によれば、第３実施形態と同様に、電動機１の起動直後にオフセットの影響を回避しつつ位相調整を行うことが可能となる。さらに、本実施形態によれば、第２実施形態と同様に、サイリスタ転流ノイズなどのノイズが除去された端子電圧ＶＵ１、ＶＶ１、ＶＷ１を用いて位相調整を行うことが可能となる。よって、本実施形態によれば、上述の問題「１）」に加えて、上述の問題「２）」「３）」を解決することが可能となる。
【００６９】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置および方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置および方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００７０】
１：電動機、２：電動機起動装置、３：制御装置、
１１：電動機本体、１１ａ：回転子、１２：界磁巻線、１３：励磁機、
２１：多相交流電源、２２：多相電力変換器、
２２ａ：コンバータ、２２ｂ：直流リアクトル、２２ｃ：インバータ、
２３：端子電圧検出器、２４：回転速度検出器、
２５：制御進み角指令回路、２６：パルス発生回路、
３１：α−β変換回路、３２：磁束推定積分回路、３３：位相同期回路、
３４：パルス発生器、３５：変化率制限器、３６：オフセット除去器、
３６Ｕ、３６Ｖ、３６Ｗ：Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相オフセット除去器、
４１：ｄ−ｑ変換回路、４２：角速度偏差検出回路、４３：ＰＩ調整器、
４４：回転速度−角速度変換回路、４５：加算器、４６：位相推定積分器、
５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ：ローパスフィルタ、
５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗ：更新回路、
５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ：減算器
【図１】
0006674332.tif 000015
【図２】
0006674332.tif 000016
【図３】
0006674332.tif 000017
【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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