(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクリメンタルタイプのパルスジェネレータを備えた同期電動機をインバータ部により可変速駆動する同期電動機の駆動装置であって、
同期電動機の速度指令値を与える速度設定手段と、
前記パルスジェネレータの出力パルスに基づいて回転子の位置及び速度を検出する位置・速度検出手段と、
この位置・速度検出手段から出力される速度検出値と前記速度指令値との偏差がなくなるようにトルク指令値を生成する速度調節手段と、
前記トルク指令値から磁極位置と直交する方向のｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令手段と、
前記磁極位置と同一方向のｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令手段と、
前記位置・速度検出手段から出力される位置検出値に基づいて位相角を演算する位相角演算手段と、
電動機電流を検出する電流検出手段と、
前記位相角を用いて電動機電流をｄ軸電流、ｑ軸電流に分解する第１のベクトル回転手段と、
ｄ軸電流とｄ軸電流指令値との偏差、ｑ軸電流とｑ軸電流指令値との偏差がなくなるようにｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値をそれぞれ生成するｄ軸電流調節手段及びｑ軸電流調節手段と、
前記位相角を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相交流電圧指令に変換する第２のベクトル回転手段と、
三相電圧指令に応じて前記インバータ部のスイッチング素子に対する駆動パルスを生成する制御手段と、
を備えた同期電動機駆動装置において、
同期電動機の定数としての規格化一次抵抗値相当の電圧指令値を出力する手段と、
この電圧指令値に高周波信号を重畳して磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を生成する手段と、
第１のベクトル回転手段から出力されるｄ軸電流検出値の高周波成分を検出する高周波成分検出手段と、
この高周波成分検出手段により検出した高周波成分の振幅に基づいて、磁極位置推定時に、前記磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を前記ｄ軸電流調節手段からのｄ軸電圧指令値に代えて第２のベクトル回転手段に与えると共に、前記磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を出力する電気角を決定するための位相角を演算し、かつ、この位相角を前記位相角演算手段からの位相角に代えて第２のベクトル回転手段に与える位相角演算・切替手段と、
を備え、
前記高周波成分検出手段により検出した高周波成分の振幅が最大となる位相角から真の磁極位置を推定することを特徴とする同期電動機駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクリメンタルタイプのパルスジェネレータ（以下、ＰＧと略称する）を備えた同期電動機を可変速駆動する同期電動機駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機を駆動する場合、電源投入時は駆動装置にとって磁極位置は不明であるが、磁極位置が不明なまま駆動しようとすると、その磁極位置のずれ量によっては、トルク不足で起動できなかったり、逆方向に回転してしまうおそれがある。
そこで、従来、同期電動機を駆動する場合には、アブソリュートタイプのＰＧを同期電動機に組み合わせ、一番最初の運転時までに何らかの方法で駆動装置にＰＧの原点と磁極位置の位相角とを予め記憶させておき、その後については、電源を一旦遮断後に再投入した場合においても、ＰＧからの位置情報によって磁極位置を確実に復元できるようにするのが一般的である。
【０００３】
アブソリュートタイプのＰＧには、大まかな位置しか検出できないもの、細かい位置まで検出可能なものがあるが、これらの絶対位置情報を駆動装置に取り込むことによって磁極位置の推定が一応可能であるため、起動できないほどのトルク不足や逆転により電動機が暴走してしまうといった事態にはならない。
【０００４】
一方、アブソリュートタイプのＰＧよりも一般に安価なインクリメンタルタイプ（軸の回転変位量に応じて出力されるパルス数をカウントして回転位置を検出するタイプ）のＰＧを組み合わせた同期電動機を駆動するために、電源投入時に磁極位置を推定するようにした同期電動機の駆動方法がいくつか提案されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１に記載された方法は、電機子鉄心の磁気飽和により電流応答が変化することを利用して、ｄ軸方向に印加した電圧ベクトルに対する電流応答により磁極位置を推定する方法である。
この方法は、磁極位置推定の際に軸が回転することなく、各位置における電流偏差が見つかるように予め電圧ベクトルを決定しておき、磁極位置推定時にはそれに従って電圧ベクトルを印加し、そのときの電流帰還を用いて磁極位置を推定するものである。
【０００６】
なお、特許文献１に記載された永久磁石式同期電動機のセンサレス制御システムにおいても、同様に電機子鉄心の磁気飽和による電流応答の変化を利用した磁極位置推定方法が開示されている。
【０００７】
【非特許文献１】田中康司，森山林太郎，三木一郎，「最適電圧ベクトルを用いた埋込磁石同期電動機の初期磁極位置推定法」，電気学会論文誌Ｄ，第１２４巻１号，２００４年，P.101-107
【特許文献１】特開２０００−３１２４９３号公報（段落［００１８］〜［００２３］等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記各文献に記載された方法によって実際に磁極位置推定を行う際に、電動機によっては電機子鉄心の磁化特性に起因して磁気飽和しにくい特性を持つことがあり、その場合、真の磁極位置とその１８０°（電気角、以下同じ）ずれた位置での電流振幅差が小さくなるために１８０°分、誤って推定してしまうことがある。
また、一般的に電流検出器及びＡ／Ｄコンバータと組み合わせたマイコンの有する分解能や検出精度に対して、磁気飽和により検出される電流振幅の差が小さく、その影響によって正確に推定できないおそれもある。
【０００９】
そこで、本発明の解決課題は、磁気飽和しにくい同期電動機に対しても最適な電圧指令値を与えることにより、磁極位置の推定精度を向上させた同期電動機駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、インクリメンタルタイプのＰＧを備えた同期電動機をインバータ部により可変速駆動する同期電動機の駆動装置であって、
同期電動機の速度指令値を与える速度設定手段と、前記ＰＧの出力パルスに基づいて回転子の位置及び速度を検出する位置・速度検出手段と、この位置・速度検出手段から出力される速度検出値と前記速度指令値との偏差がなくなるようにトルク指令値を生成する速度調節手段と、前記トルク指令値から磁極位置と直交する方向のｑ軸電流指令値を生成するｑ軸電流指令手段と、前記磁極位置と同一方向のｄ軸電流指令値を生成するｄ軸電流指令手段と、前記位置・速度検出手段から出力される位置検出値に基づいて位相角を演算する位相角演算手段と、電動機電流を検出する電流検出手段と、前記位相角を用いて電動機電流をｄ軸電流、ｑ軸電流に分解する第１のベクトル回転手段と、ｄ軸電流とｄ軸電流指令値との偏差、ｑ軸電流とｑ軸電流指令値との偏差がなくなるようにｄ軸電圧指令値、ｑ軸電圧指令値をそれぞれ生成するｄ軸電流調節手段及びｑ軸電流調節手段と、前記位相角を用いてｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を三相交流電圧指令に変換する第２のベクトル回転手段と、三相電圧指令に応じて前記インバータ部のスイッチング素子に対する駆動パルスを生成する制御手段と、を備えた同期電動機駆動装置において、
同期電動機の定数としての規格化一次抵抗値相当の電圧指令値を出力する手段と、この電圧指令値に高周波信号を重畳して磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を生成する手段と、第１のベクトル回転手段から出力されるｄ軸電流検出値の高周波成分を検出する高周波成分検出手段と、この高周波成分検出手段により検出した高周波成分の振幅に基づいて、磁極位置推定時に、前記磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を前記ｄ軸電流調節手段からのｄ軸電圧指令値に代えて第２のベクトル回転手段に与えると共に、前記磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を出力する電気角を決定するための位相角を演算し、かつ、この位相角を前記位相角演算手段からの位相角に代えて第２のベクトル回転手段に与える位相角演算・切替手段と、を備え、
前記高周波成分検出手段により検出した高周波成分の振幅が最大となる位相角から真の磁極位置を推定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、インクリメンタルタイプのＰＧを使用する際に電源投入毎に必要となる磁極位置推定動作において、電動機の制御に使用する電動機定数である規格化一次抵抗値相当の電圧指令値（直流電圧）に高周波成分を重畳して磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を生成することにより、同期電動機を確実に磁気飽和状態にすると共に、ｄ軸電流の高周波成分の振幅が真の磁極位置に近づいたときのみ大きく現れることを利用して真の磁極位置を推定することができる。このため、電流検出器やＡ／Ｄコンバータ、マイコンに検出誤差や演算誤差があり、これらの精度や分解能に限界がある場合でも、磁極位置を大きく誤ることなく推定することが可能である。
【００１２】
なお、規格化一次抵抗値を求めるための電動機定数は、通常のベクトル制御を行うためにも必要であり、同期電動機において定数が既知である場合には手動により、既知でない場合は、制御回路が持つ電気定数オートチューニング機能等を利用して設定することができる。従って、磁極位置推定のために改めて測定したりする必要はないものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１はこの実施形態の全体構成図であり、その主回路において、１００は三相交流電源、２００はダイオード整流器、３００は平滑コンデンサ、４００はインバータ部、５００は同期電動機である。また、２は同期電動機５００に取り付けられたインクリメンタルタイプのＰＧであり、９０°の位相差を持った２相信号及び１回転信号パルスを出力可能である。
【００１４】
次に、本実施形態に係る駆動装置の構成を作用と共に説明する。
図１において、１は速度指令値を与える速度設定器、３はＰＧ２の出力パルスを位置、速度情報に変換する位置・速度検出器、４は速度設定器１からの速度設定値Ｎ＊と位置・速度検出器３からの速度検出値Ｎとの偏差がなくなるように調節動作を行ってトルク指令値を出力する速度調節器、５はトルク指令値を磁極位置と直交する軸（以下、ｑ軸）方向のｑ軸電流指令値ｉｑ＊に変換して出力するｑ軸電流指令器、６は位置・速度検出器３からの位置検出値に基づいて同期電動機の磁極位置に平行な軸（以下、ｄ軸）方向のｄ軸電流指令値ｉｄ＊を生成するｄ軸電流指令器、７は電動機電流を検出する電流検出器、８は位置・速度検出器３からの位置検出値に基づいて電動機電流をベクトル分解するための位相角を求める位相角演算器、９はその位相角によって電流をｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑに分解する第１のベクトル回転器、１０はｄ軸電流指令値ｉｄ＊とｄ軸電流検出値ｉｄとの偏差がなくなるように調節動作を行ってｄ軸電圧指令値を出力するｄ軸電流調節器、１１はｑ軸電流指令値ｉｑ＊とｑ軸電流検出値ｉｑとの偏差がなくなるように調節動作を行ってｑ軸電圧指令値を出力するｑ軸電流調節器、１２はｄ軸、ｑ軸それぞれの電圧指令値を三相交流電圧指令値に変換する第２のベクトル回転器、１３は三相電圧指令値に応じてパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行い、インバータ４００部の半導体スイッチング素子に与えるスイッチングパターンを生成するインバータ制御回路、１４は制御に使用する電動機電気定数を入力するための操作器、１５は操作器１４により入力された電気定数を記憶する記憶装置である。
上述した各構成要素については、ＰＧ２がインクリメンタルタイプであることを除けば一般的な同期電動機駆動装置と異なるところはない。
【００１５】
さて、１６は高周波発振器である。本実施形態では、磁極位置を推定する際に、加算器１９において、前記記憶装置１５に記憶された同期電動機５００の規格化一次抵抗値（％Ｒ：パーセント抵抗）相当の電圧指令値に、高周波発振器１６から出力される高周波信号を重畳して磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値を生成している。
ここで、上述した規格化一次抵抗値は、数式１によって与えられる。
［数式１］
％Ｒ＝（一次抵抗値〔Ω〕＋配線用ケーブルの抵抗値〔Ω〕）×電動機定格電流〔Ａ〕／（電動機定格電圧〔Ｖ〕／√３）×１００〔％〕
【００１６】
また、１７はｄ軸電流検出値ｉｄの高周波成分を検出する高周波成分検出器であり、その出力は位相角演算・切替器１８に入力されている。この位相角演算・切替器１８は、高周波成分検出器１７により検出したｄ軸電流検出値ｉｄの高周波成分の振幅とそれまでに取得した高周波成分の振幅とを比較した結果に応じて、ベクトル回転器１２に入力させる位相角の演算、切り替えを行うと共に、磁極位置推定動作時に、高周波発振器１６による高周波が重畳された磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊’と、位相角演算・切替器１８から出力される位相角とをベクトル回転器１２に入力させるべく、切替スイッチ２０，２１を操作する機能を持っている。
すなわち、電源投入直後の磁極位置推定動作時には、切替スイッチ２０により、前記加算器１９から出力される磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊’とｑ軸電圧指令値ｖｑ＊（＝ゼロ）とをベクトル回転器１２に入力すると共に、切替スイッチ２１により、ベクトル回転器１２への位相角の入力を位相角演算器８から位相角演算・切替器１８側に切り替えるように動作する。
【００１７】
次に、本実施形態における磁極位置の推定原理について説明する。
前述した各文献に記載されているように、一般的な同期電動機は磁気飽和特性を有しており、増磁する方向へ電圧を印加すると磁束が飽和し、インダクタンスが減少するため電流が大きく変化する。逆に減磁する方向に電圧を印加した場合、インダクタンスがほとんど変化せず、電流の発生は増磁した時よりも小さくなる。そして、この磁気飽和の度合いは、同期電動機の磁極位置によって変化する。
【００１８】
この特性を利用し、本実施形態では、電源投入直後に磁極位置を推定する際に、図２に示すごとく、規格化一次抵抗値相当のｄ軸電圧指令値（直流電圧）に高周波発振器１６による高周波信号（交番電圧）を重畳してなる磁極位置推定用ｄ軸電圧指令値ｖｄ＊ を、切替スイッチ２０を介してベクトル回転器１２に入力する。また、これにより発生するｄ軸電流の高周波成分の振幅を高周波成分検出器１７により測定する。
ここで、推定磁極位置とｄ軸電流の高周波成分との関係は図３に示すとおりであり、磁極位置の真値に近づくほど高周波成分の振幅が大きく現れるため、位相角演算・切替器１８では、上記高周波成分の振幅が最大となる位置を検出することにより、真の磁極位置を推定することができる。
【００１９】
位相角演算・切替器１８では、ｄ軸電流の高周波成分の振幅が大きくなるように位相角を切り替えていくので、最終的に収束する位相角が磁極位置推定値となる。
位相角演算・切替器１８から出力される位相角（電気角データ）としては、まず、３６０°を４分割して９０°ごとの０°，１８０°，９０°，２７０°の順に変更し、その都度、検出したｄ軸電流の高周波成分の振幅を比較してその振幅が大きくなる方の角度範囲に絞り込む。図２の例では、１８０°から２７０°の角度範囲が選択されている。
【００２０】
次に、上記の角度範囲（１８０°〜２７０°）において、９０°を４分割した２２．５°ごとの２０２．５°，２２５°，……の順に変更し、その都度、前記同様に高周波成分の振幅を比較してその振幅が大きくなる方の角度範囲に絞り込む。
更に、絞り込んだ角度範囲において、２２．５°を複数の角度範囲に分割し、最終的に０．７°の角度範囲になるまで絞り込みを繰り返す作業を３回実行し、その平均値をとって最終的に収束する位相角を求める。ここで、３回分の平均値をとるのは、電流検出器７による検出誤差等の影響を少なくするためである。
なお、図４は、磁極位置の真値を検出するために角度範囲を絞り込んでいく概念を示した図であり、（ｂ），（ｃ）における角度２２．５°，０.７°は誇張して表してある。
【００２１】
図５は、ある同期電動機に対して、直流電圧としての図２における規格化一次抵抗値（％Ｒ）を３段階に変化させたときの、各位相角（磁極位置）に対するｄ軸電流の高周波成分の振幅値を示している。
この図５から判るように、規格化一次抵抗値が小さい場合には、真の磁極位置（５６．８°）付近においてそれ以外の位置との振幅値の差が小さく、また、１８０°ずれた位置での振幅値との差も小さいため、電流検出器やＡ／Ｄコンバータ及びマイコンの組合せによる検出回路によってこの差を検出する場合、差が増加したかどうかの判断を誤り、磁極位置の真値に対してずれた位置で収束してしまう可能性がある。その結果、磁極位置を誤って推定してしまうおそれがある。
【００２２】
従って、磁極位置の推定精度をなるべく高くするために、ｄ軸電流の高周波成分の振幅が駆動装置の電流容量を越えない範囲でできるだけ大きくなるように、規格化一次抵抗値を予め設定することが必要である。この規格化一次抵抗値は、同期電動機をベクトル制御する上で必要な電動機定数の一つであり、定数が既知である場合には手動により設定し、既知でない場合は、制御回路が持つ電気定数オートチューニング機能等を利用して設定すればよく、磁極位置を推定するためにわざわざ測定したり計算する必要がないため、使用者にとって負担になることはない。
【００２３】
以上述べたように本実施形態によれば、磁極位置を推定する際に、所定の大きさの規格化一次抵抗値に高周波成分を重畳して得たｄ軸電圧指令値を用いることで同期電動機を確実に磁気飽和させ、その時のｄ軸電流の高周波成分の振幅から磁極位置を確実に推定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図である。
【図２】磁極位置推定動作の説明図である。
【図３】推定磁極位置とｄ軸電流の高周波成分の振幅との関係を示す図である。
【図４】磁極位置の真値を検出するために角度範囲を絞り込んでいく概念を示す図である。
【図５】ある同期電動機に対して、規格化一次抵抗値を変更させたときの各位相角に対するｄ軸電流の高周波成分の振幅を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１：速度設定器
２：パルスジェネレータ（ＰＧ）
３：位置・速度検出器
４：速度調節器
５：ｑ軸電流指令器
６：ｄ軸電流指令器
７：電流検出器
８：位相角演算器
９：ベクトル回転器
１０：ｄ軸電流調節器
１１：ｑ軸電流調節器
１２：ベクトル回転器
１３：インバータ制御回路
１４：操作器
１５：記憶装置
１６：高周波発振器
１７：高周波成分検出器
１８：位相角演算・切替器
１９：加算器
２０，２１：切替スイッチ
１００：三相交流電源
２００：ダイオード整流器
３００：平滑コンデンサ
４００：インバータ部
５００：同期電動機
【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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