(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機を制御するための電圧指令値の励磁成分に、駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧を重畳することにより、高周波領域におけるインピーダンスに電気的突極性を生じさせ、
該突極性に基づいて磁極位置を推定して第１の磁極位置とし、
電流指令値のトルク成分に比例定数を乗算することにより内部相差角補償角を算出し、
前記第１の磁極位置から、算出された前記内部相差角補償角を差し引いて第２の磁極位置とする同期電動機の磁極位置推定方法。
【請求項２】
同期電動機を制御するための電流指令値の励磁成分に、駆動周波数とは異なる周波数の高周波電流を重畳することにより、高周波領域におけるインピーダンスに電気的突極性を生じさせ、
該突極性に基づいて磁極位置を推定して第１の磁極位置とし、
電流指令値のトルク成分に比例定数を乗算することにより内部相差角補償角を算出し、
前記第１の磁極位置から、算出された前記内部相差角補償角を差し引いて第２の磁極位置とする同期電動機の磁極位置推定方法。
【請求項３】
磁極位置の推定値に基づき同期電動機の電流値を磁束成分とトルク成分とに分離し、それぞれの電流値を独立に制御することによって同期電動機の制御を行う、同期電動機の制御装置であって、
同期電動機の制御軸（γ軸）の電圧指令値に高周波電圧を重畳する高周波電圧発生器と、
同期電動機の電流値の位相を、前記制御軸を挟んで電気角４５度の位置に変換する座標変換器と、
前記高周波発生器により重畳した高周波電圧の周波数成分と同じ周波数成分の信号を前記座標変換器の出力電流から抽出する高周波成分抽出器と、
前記高周波成分抽出器により抽出された電流と前記高周波電圧に基づいて前記制御軸から電気角４５度進んだ点と遅れた点の２点でそれぞれ高周波インピーダンスを推定し、該２点間でのインピーダンスの偏差を推定する高周波インピーダンス偏差推定器と、
前記２つの高周波インピーダンス間の偏差がゼロとなるような磁極位置を第１の磁極位置として推定する第１の磁極位置推定器と、
電流指令値のトルク成分に比例定数を乗算することにより内部相差角補償角を算出し、前記第１の磁極位置から、算出された前記内部相差角補償角を差し引いて第２の磁極位置とする第２の磁極位置推定器と、
を備えている同期電動機の制御装置。
【請求項４】
磁極位置の推定値に基づき同期電動機の電流値を磁束成分とトルク成分とに分離し、それぞれの電流値を独立に制御することによって同期電動機の制御を行う、同期電動機の制御装置であって、
同期電動機の制御軸（γ軸）の電流指令値に高周波電流を重畳する高周波電流発生器と、
同期電動機の電圧値の位相を、前記制御軸を挟んで電気角４５度の位置に変換する座標変換器と、
前記高周波発生器により重畳した高周波電流の周波数成分と同じ周波数成分の信号を前記座標変換器の出力電圧から抽出する高周波成分抽出器と、
前記高周波成分抽出器により抽出された電圧と前記高周波電流に基づいて前記制御軸から電気角４５度進んだ点と遅れた点の２点でそれぞれ高周波インピーダンスを推定し、該２点間でのインピーダンスの偏差を推定する高周波インピーダンス偏差推定器と、
前記２つの高周波インピーダンス間の偏差がゼロとなるような磁極位置を第１の磁極位置として推定する第１の磁極位置推定器と、
電流指令値のトルク成分に比例定数を乗算することにより内部相差角補償角を算出し、前記第１の磁極位置から、算出された前記内部相差角補償角を差し引いて第２の磁極位置とする第２の磁極位置推定器と、
を備えている同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の制御を速度センサレスベクトル制御により行う同期電動機の制御装置に関し、特に同期電動機の磁極位置推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期電動機の制御を行うための方法のうちの１つにベクトル制御がある。ベクトル制御とは、一定に保たれた励磁電流（ｄ軸電流）と必要なトルクに応じたトルク電流（ｑ軸電流）との位相差を電気角９０度に保つことにより直流機相当あるいはそれ以上の効率および応答性を得ることを目的とした制御である。
【０００３】
一般に同期電動機のベクトル制御を行うためには、速度センサを用いて同期電動機の速度を測定することが必要となる。しかし、コスト、信頼性等の観点からは速度センサが無い方が有利であるため、速度センサで同期電動機の速度を実際に測定せずに同期電動機の速度を推定し、この推定値を用いてベクトル制御を行う速度センサレスベクトル制御が用いられている。速度センサレスベクトル制御では、同期電動機の速度を推定するために、先ず磁極位置を推定し、この磁極位置から速度の推定が行われている。
【０００４】
従来、同期電動機の駆動周波数がほぼゼロとなるゼロ周波数領域、つまり超低速運転時においても同期電動機の磁極位置を推定し、負荷に適したトルクを出力することを可能とする同期電動機の制御方法が、下記に示す文献により報告されている。
【０００５】
参考文献１：M.Schroedl、 "Sensorless control of induction motors at low speed and standstill、" in Proceedings ICEM' 92 (International Conference on Electrical Machines September 1992),pp.863-867.
参考文献２：M.J.Corley and R.D.Lorenz、"Rotor Position and Velocity Estimation for a Salient-Pole Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill and High Speeds", IEEE Transactions on Industry Applications、 Volume 34, Number 4, July/August,pp.784-789, 1998.
参考文献３：山野、野口、近藤、“低速領域を含む突極形ＰＭモータの位置センサレス速度制御法”、電気学会半導体電力変換研究会、SPC-97-13,pp.75-82,1997.
これらの手法の特徴は、同期電動機に駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧あるいは高周波電流を重畳し、回転子構造の電機的突極性に基づいて推定される磁極位置を用いて同期電動機を制御するというものである。
【０００６】
上記に示したような従来の方法磁極位置を推定し同期電動機を制御する制御装置の一例を図３に示す。
【０００７】
この従来の同期電動機の制御装置は、ＰＷＭ電圧型インバータ装置（ＰＷＭ  ＶＳＩ：Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）２と、高周波発生器４と、２相３相変換器３と、電流制御器５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６と、ｄ−ｑ変換器７、８と、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９と、高周波インピーダンス推定器１０と、磁極位置推定器２１と、電流検出器１２と、加算器３８と、減算器３９〜４１とから構成されていて、同期電動機１のベクトル制御を行っている。
【０００８】
減算器３９、４０は、電流指令ｉγ*、ｉδ*から、実際の電流値ｉγ、ｉδをそれぞれ減算している。電流制御器５は、減算器３９、４０から出力された電流値ｉγ、ｉδと、電流指令値ｉγ*、ｉδ*の偏差がゼロとなるような電圧指令Ｖγ*、Ｖδ*を生成して出力することにより電流制御を実施している。
【０００９】
高周波発生器４は、駆動周波数と異なる周波数ｆinjの高周波電圧Ｖinjを生成している。加算器３８は、電流制御器５からの出力である電圧指令値のγ成分（磁束成分）Ｖγ*に、高周波発生器４により生成された高周波電圧Ｖinjを加算している。
【００１０】
２相３相変換器３では、加算器３８における加算結果と電圧指令値のδ成分（トルク成分）Ｖδ*とを３相の電圧指令値に変換し、ＰＷＭ電圧型インバータ装置２に指令している。ＰＷＭ電圧型インバータ装置２は、２相３相変換器３からの指令に基づいて同期電動機１の制御を行っている。
【００１１】
また、電流検出器１２は、同期電動機１の電流値ｉsを検出している。ｄ−ｑ変換器７は、電流検出器１２により検出された電流値ｉsを推定磁極位置θ^を用いて制御軸に座標変換している。
【００１２】
ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６は、ｄ−ｑ変換器７により制御軸に座標変換された電流値から、加算器３８により重畳した高周波電圧Ｖinjと同じ周波数成分ｆinjを除去したものを減算器３９にそれぞれフィードバックしている。このような構成となっていることにより、励磁成分（ｉγ*）、トルク成分（ｉδ*）の各々の電流指令値との偏差を電流制御器５でゼロとするように電流制御を実施する。
【００１３】
減算器４１は、推定磁極位置θ^から４５度（π／４ラジアン）の減算を行っている。ｄ−ｑ変換器８は、検出電流値ｉsの位相を減算器４１の位相に変換することにより、検出電流値ｉsを推定磁極位置θ^から４５度ずれたところに位置するインピーダンス観測軸に変換する。
【００１４】
バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９では、加算器３８により重畳した高周波電圧指令値Ｖinjと同じ周波数成分ｆinjの成分を抽出し、抽出された高周波電流成分ｉdm、ｉqmと高周波電圧指令値Ｖinjとを高周波インピーダンス推定器１０に入力する。高周波インピーダンス推定器１０は、γ軸から電気角４５度進んだ点と遅れた点の２点で高周波インピーダンスＺdmとＺqmを推定する。
【００１５】
磁極位置推定器１３は、２つの高周波インピーダンスＺdm、Ｚqmの大きさが等しくなるような磁極位置θ^を推定している。また、磁極位置推定器１３は、図４に示すように、減算器３１と、乗算器３２と、積分器３３とから構成されている。減算器３１は、高周波インピーダンスＺqmとＺdmの差を求めている。乗算器３２は、減算器３１からの出力に、制御ゲイン（Ｋp＋Ｋi／ｓ）を乗算した値を出力している。ここで、Ｋpは比例ゲインであり、Ｋiは積分ゲインである。積分器３３は、乗算器３２の出力値を積分して、推定磁極位置θ^として出力している。つまり、磁極位置推定器１３ではＺdmとＺqmが一致するように減算器３１と積算器３２とからなるＰＩ調整器を調整し、その出力を積分器３３により積分することによって磁極位置推定値θ^を得ている。
【００１６】
次に、この従来の同期電動機の制御装置の動作について説明する。
【００１７】
図３に示したこの従来の同期電動機の制御装置では、高周波発生器４で駆動周波数とは異なる高周波電圧を発生し、電流制御器５の出力である電圧指令値のγ成分（磁束成分）に加算する。その加算結果と電圧指令値のδ成分（トルク成分）とを２相３相変換器３において３相の電圧指令値に変換し、ＰＷＭ電圧形インバータ装置に指令し同期電動機１に供給する。そのときの同期電動機１に流れる電流をｄ−ｑ変換器７で推定磁極位置を用いて制御軸に座標変換し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６において重畳した高周波電圧と同じ種は成分を除去したものをフィードバックし、励磁成分（ｉγ*）、トルク成分（ｉδ*）の各々の電流指令値との偏差を電流制御器５でゼロとするように電流制御を実施する。一方、ｄ−ｑ変換器８では、検出電流を推定磁極位置から４５度ずれたところに位置するインピーダンス観測軸に変換し、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９において重畳した高周波成分を抽出し、抽出された高周波電流成分と高周波電圧指令値とを高周波インピーダンス推定器１０に入力する。高周波インピーダンス推定器１０において、γ軸から電気角４５度進んだ点と遅れた点の２点で高周波インピーダンスＺdm、Ｚqmを推定し、図２に示すように磁極位置推定器１１により、その２つのインピーダンスの大きさが等しくなるように磁極位置を推定する。
【００１８】
この従来の同期電動機の制御装置では、重畳した高周波成分においてインピーダンスを観測すると回転子構造あるいは磁気飽和の影響により、図５に示すようにインピーダンスの大きさが主磁束方向（ｄ軸）とそれに対し電気角９０度の方向（ｑ軸）とで異なるという現象（電気的突極性）を利用する。そして、図６のようにこのインピーダンス偏差がゼロとなるように推定磁束軸（γ軸）を調整すれば、最終的にγ軸が実際の磁束軸であるｄ軸に一致し、磁極位置を推定することができる。
【００１９】
しかしながら、この磁極位置推定方法は磁石による磁束と電機子反作用による磁束とで合成された主磁束の位置を推定することができるが、磁極位置を推定するものではなかった。従って、高負荷時や負荷が急変した場合には磁極位置と推定磁極位置との誤差が増加し、制御不能になることがあった。
【００２０】
実際には、図７に示すように、電動機の負荷が増加した場合は、主磁束は回転子の回転方向と反対側にずれ、電気的突極性も主磁束のずれと同方向にずれることとなる。これは、負荷が増加すると電気子電流によって生じる磁束が増加し、磁石による磁束との合成された主磁束は、磁極位置により内部相差角分だけ遅れることによるものである。したがって、従来の磁極位置推定方法では、電動機に負荷が与えられている状態で磁極位置を推定する場合には、推定された磁極位置は合成された主磁束の位置であって、常に内部相差角分のオフセットがγ軸とｄ軸との間に存在することになる。このため、γ軸とｄ軸を一致させようとしてもすぐに内部相差角分ずれるため、急激に負荷が与えられた場合には制御不能になることも考えられる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の同期電動機の制御装置では、大きな負荷が与えられたり急激に負荷が与えられると、磁極位置の検出ができなくなり制御不能となる可能性を有しているという問題点があった。
【００２２】
本発明の目的は、高負荷時、負荷急変時でも確実に磁極位置を検出することにより、安定した制御を行うことのできる同期電動機の制御装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の同期電動機の制御装置は、同期電動機を制御するための電圧指令値又は電流指令値の励磁成分に、駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧を重畳することにより、高周波領域におけるインピーダンスに電気的突極性を生じさせ、
該突極性に基づいて磁極位置を推定して第１の磁極位置とし、
電流指令値のトルク成分に比例定数を乗算することにより内部相差角補償角を算出し、
前記第１の磁極位置から、算出された前記内部相差角補償角を差し引いて第２の磁極位置とする。
【００２４】
本発明では、先ず、同期電動機に駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧あるいは高周波電流を重畳し、主磁束による磁気飽和と高周波による表皮効果とにより、高周波領域におけるインピーダンスに電気的突極性を生じさせ、その突極性に基づいて推定される磁極位置を第１の磁極位置とする。同期電動機に負荷が与えられていない上代では、この第１の磁極位置が推定された時点で制御軸（γ軸）とｄ軸とは一致した状態となっている。しかしながら、同期電動機に負荷が与えられた上では、ｄ軸は制御軸に対し内部相差角分のオフセットを持つことになる。そのため、電流指令値のトルク成分に比例定数を乗算することにより内部相差角補償角を算出し、第１の磁極位置から、算出された内部相差角補償角を差し引くことにより真のｄ軸の位置である第２の磁極位置を推定することができる。
【００２５】
そして、この第２の磁極位置を用いてベクトル制御を実施することにより高負荷が与えられたり、負荷が急変した場合でも、その負荷に応じて、電気的突極性のずれる方向にインピーダンス観測軸を移動させ、常に制御が安定する範囲内に制御軸を置くように補正することになる。したがって、安定な制御が可能となり、従来問題であった高負荷時や負荷急変時の磁束位置検出が不能となる問題を解決することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の一実施形態の同期電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。図１において、図３中の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略するものとする。
【００２８】
本実施形態の同期電動機の制御装置は、図３に示した従来の同期電動機の制御装置に対して、磁極位置推定器１３により推定された磁極位置推定値θ^を第１の磁極位置推定値とし、この第１の磁極位置推定値θ^から内部相差角を差し引いて第２の磁極位置推定値θc^とする磁極位置推定器１４を新たに設けたものである。
【００２９】
本実施形態の同期電動機の制御装置では、磁極位置推定装置１４を新たに設けたことにより、ｄ−ｑ変換器７、減算器４１は、第１の磁極位置推定値θ^の替わりに第２の磁極位置推定値θc^を用いて、変換又は演算等の処理を行う。
【００３０】
磁極位置推定器１３は、高周波インピーダンスＺdm、Ｚqmの偏差がなくなるように第１の磁極位置推定値θ^を推定している。
【００３１】
磁極位置推定器１４は、電流指令値ｉδ*に基づいて内部相差角補償角θrを算出し、磁極位置推定器１３により算出された第１の磁極位置推定値θ^から、算出された内部相差角補償角θrを差し引くことにより第２の磁極位置推定値θ^ｃを算出している。
【００３２】
次に、図２を参照して、磁極位置推定器１４の構成をさらに詳細に説明する。
【００３３】
磁極位置推定器１４は、図２に示されるように、乗算器３４と、減算器３７とから構成されている。
【００３４】
乗算器３４は、トルク成分電流指令値（ｉδ*）に比例定数Ｋθを乗算した値を内部相差角補償角θr^として出力する。減算器３７は、磁極位置推定器１３により推定された第１の磁極位置推定値θ^から、乗算器３４により求められた内部相差角補償角θr^を引いた値を第２の磁極位置推定値θc^として出力する。
【００３５】
本実施形態の同期電動機の制御装置によれば、先ず磁極位置推定器１３により高周波インピーダンスＺdm、Ｚqmの偏差が無くなるようにすることにより第１の磁極位置推定値θ^を求め、次に、磁極位置推定器１４によりトルク成分電流指令値（ｉδ*）から第１の磁極位置推定値θ^に含まれる内部相差角補償角θr^を求め、第１の磁極位置推定値θ^から内部相差角補償角θr^を引いた値を第２の磁極位置推定値θc^する。そして、第２の磁極位置推定値θc^を用いて同期電動機の制御を行えば、高負荷が与えられたり、負荷が急変した場合でも、それに適したトルクを出力することができるのでゼロ周波数領域においても同期電動機を安定して制御することができる。
【００３６】
本実施形態では、励磁成分電圧指令値Ｖγ*に高周波電圧Ｖinjを重畳し、同期電動機１の電流値を検出して高周波インピーダンスを測定することにより磁極位置の推定を行っているが、本発明はこのような場合に限定されるものではなく、励磁成分電流指令値ｉγ*に高周波電圧Ｖinjを重畳し、同期電動機１の電圧値を検出して高周波インピーダンスを測定することにより磁極位置の推定を行うようにしても同様な効果を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ゼロ周波数領域においても同期電動機の磁極位置を精度良く推定し、高負荷が与えられたり、負荷が急変した場合でも、それに適したトルクを出力することができ、安定したセンサレスベクトル制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の同期電動機の制御装置の構成を示す制御ブロック図である。
【図２】図１中の磁極位置推定器１３と磁極位置推定器１４の構成を説明するためのブロック図である。
【図３】従来の同期電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図３中の磁極位置推定器１３の構成を説明するためのブロック図である。
【図５】無負荷時の高周波インピーダンス軌跡を示す図である。
【図６】２次磁束軸、制御軸γ、ｄ軸、インピーダンス観測軸ｑｍ、ｄｍの関係を説明するための図である。
【図７】同期電動機に負荷が与えられた場合の高周波インピーダンス軌跡を示す図である。
【符号の説明】
１    同期電動機
２    ＰＷＭ電圧型インバータ装置
３    ２相３相変換器
４    高周波発生器
５    電流制御器
６    ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７    ｄ−ｑ変換器（制御軸への座標変換器）
８    ｄ−ｑ変換器(インピーダンス観測軸への座標変換器)
９    バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）
１０    高周波インピーダンス推定器
１２    電流検出器
１３    磁極位置推定器
１４    磁極位置推定器
３１    減算器
３２    乗算器
３３    積分器
３４    除算器
３７    減算器
３８    加算器
３９、４０、４１、４２    減算器
【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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