(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルユニットを直列接続した３相インバータでＰＭモータを制御するものであって、ＣＰＳ制御方式（キャリアフェイズセレクト制御方式）を用いてＣＰＳ制御部を介して入力された信号から出力セル判定部によりセルユニットのスイッチングパターンを選択して選択信号をゲートに出力し、ＰＭモータの始動時にはこのＰＭモータにパルス電圧を印加して磁極位置を推定する方法において、
前記出力セル判定部は、
パルス電圧の振幅とパルス位相から直列接続した各相セルユニットの段数を決めて測定された各セルユニットの直流電圧を相毎の昇順に並べ、並べた順位毎の各相セルユニットが１個の時のグループを設定し、
前記各相セルユニットの１個時のグループから各相２個の組み合わせができるグループを設定し、
前記設定された各相セルユニットグループが１個時と２個時の各グループに対して各別に電圧のばらつき偏差を求めて最小の偏差グループを抽出し、
前記抽出された最小偏差グループを磁極位置推定時の磁極位置の推定値とすることを特徴としたセル多重電圧形インバータの磁極位置推定方法。
【請求項２】
前記抽出された磁極位置の推定値は、出力セルユニットの固定化テーブルに記憶し、パルス電圧印加中の出力セルユニットを固定化することを特徴とした請求項１記載のセル多重電圧形インバータの磁極位置推定方法。
【請求項３】
前記出力セルユニットの固定化テーブルには、
前記各相セルユニットの段数に対応したテーブルナンバーを付し、磁極位置の推定は付されたテーブルナンバーの選択により行うことを特徴とした請求項２記載のセル多重電圧形インバータの磁極位置推定方法。
【請求項４】
前記出力セルユニットの固定化テーブルへの固定化は、
前記各相セルユニットの段数テーブル使用回数を判定し、１回目の時には前回使用された相のセルユニットを判断し、当該相各段に含まれるテーブルナンバーを呼び出して偏差の最も小さいテーブルナンバー選択し、
前記テーブル使用回数が２回目以上の時にはテーブルナンバーを呼び出して固定化することを特徴とした請求項２又は３記載のセル多重電圧形インバータの磁極位置推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル多重電圧形インバータの磁極位置推定方法に係わり、特にＰＭモータ始動時の磁極位置を推定するとき、推定値と実際の磁極位置との誤差を少なくする磁極位置推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インバータを構成する回路方式の一つとして直列多重方式がある。直列多重方式は、従来の２レベルや３レベルなどのように直流リンク部が一つのインバータでなく、入力トランスで絶縁された複数の直流リンク部を持ち、セルユニットと呼ばれる単相インバータを多段に接続することで、接続した段数分の直流電圧の合計を出力することが出来る。
【０００３】
図５は直列３段３相の例を示したもので、各セルユニットの直流電圧をＶdc、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のセルユニットをそれぞれＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３、インバータの負荷をＬoadとし、Ｌoad端子電圧をＶu，Ｖv，Ｖwとすると、ＶuはＵ１，Ｕ２，Ｕ３の電圧の和になるので下式となる。
Ｖu＝Ｖu１＋Ｖu２＋Ｖu３
図６にセルユニットの主回路構成例を示す。Ｕは上段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｘは上段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子、Ｖは下段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｙは下段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子である。
【０００４】
一般に、ＰＭモータを駆動する際には、位置センサを回転軸に取り付けて磁極位置を検出しているが、位置センサには電子回路が内蔵されているため耐環境性が低く、また、価格が高いなどの問題を有している。そこで、このような位置センサを使用する方式の他に、特許文献１などで公知となっているように、出力電圧または電圧指令と電流検出情報から磁束を推定演算して位置推定を行わせることにより、磁極の位相を推定する位置センサレス制御方式も公知となっている。
【０００５】
位置センサレス制御方式では、始動時には高周波やパルス電流を流してインダクタンスを計測し、位置を推定する方式が適用されている。ＰＭモータにおいては、透磁率の高い界磁極にケイ素鋼板などの材料と透磁率の低い永久磁石とで構成されているため、磁極軸（ｄ軸）とそれに直交する軸（ｑ軸）のインダクタンスには、形状の非対称性によって差が生じる。上記方式は、このインダクタンスの差を利用して位置を推定するもので、パルス印加法や高周波印加法、高周波重畳法などと呼ばれている。
【０００６】
図７は、パルス電圧を印加した場合の、電流応答の例を示したものである。
インダクタンスＬ負荷に時間幅△Ｔ、電圧幅△Ｖのパルス電圧を印加すると、電流の変化は（１）式の微分式となる。
△Ｖ／Ｌ＝（ｄＩ／ｄＴ）    ……            （１）
これにより、△Ｔ期間の電流の微分量を計測して（１）式からインダクタンスＬ成分を求めることができる。また、△Ｔ期間の前後の電流変化量を求めて差分近似した（２）式でインダクタンスＬを求めることができる。
Ｌ＝（△Ｔ・△Ｖ）／△Ｉ    ……            （２）
図７では一次元で現れているが、ＰＭモータは２次元空間であるため実際にはベクトル状の電圧に印加することになる。
【０００７】
図８に３種類のパルス電圧ベクトル△Va，△Vb，△Vcを位相を変えて印加する例を示したものである。永久磁石の比透磁率が鉄心材料よりも大幅に小さいため、ｄ軸のインダクタンスがｑ軸よりも小さくなる。つまりＬｑ＞Ｌｄの関係が成立する。したがって、この電圧成分によって発生する電流差は、△Ia，△Ib，△Icのようにｄ軸に近い方が振幅が大きく、ｑ軸に近い方の振幅が小さくなって、ちょうどｄ軸を長軸とする楕円状の特性となる。
また、位相についても印加したパルス電圧の位相よりも、電流差ベクトルはｄ軸に近づく方向に位相ずれ△θa，△θb，△θcが発生する。
【０００８】
図９で示すように、ＰＭモータの全周の位相にパルス電圧を印加した場合の電流差ベクトルは図１０のようになる。このように、パルス電圧を印加して得られた電流情報から磁極位置を推定する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−２１３２９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
セル多重電圧形インバータでは、各セルは単相インバータで構成されているために各々の直流リンクコンデンサに充電されている電圧は、固体差があることから異なってくる。このようなインバータに、パルス電圧を印加して磁極位置を推定する場合を考えると、パルス電圧を印加する際、図１１（ａ）で示すように電圧を出力するセルユニットが毎回異なってくる場合、セルユニットの直流電圧が必ずしも全てが等しいわけではない。このように、出力するセルユニットの電圧に差異がある場合には、図１２で示すように印加されるパルス電圧が不均等になる。なお、図１１（ｂ）はＵ相の各セルのパルス電圧振幅が同一の場合、図１１（ｃ）はパルス電圧の印加期間が異なる場合を示したものである。
【００１１】
図１２で示すように(１)と(２)のパルス電圧が不均等になると、得られる電流の情報が本来得たいものとは異なることがある。図１２のようなパルス電圧が印加された場合を考えると、図１３で示すような電流差ベクトルが得られる。本来は、図１０のような電流差ベクトルが得られて磁極の位置推定も成功するが、磁極位置の方向の電流ベクトルが小さくなって実際の磁極位置の推定は困難になる。
【００１２】
図１３の場合では、ＮＳ極の判定を間違えて実際に得たい磁極の位置と１８０度反転してしまう。このまま駆動すると暴走、若しくは脱調してしまい運転継続ができない可能性がある。
【００１３】
したがって、本発明が目的とするところは、図１１（ｂ）のようにパルス電圧の振幅幅を均等にするセル多重電圧形インバータの磁極位置推定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、複数のセルユニットを直列接続した３相インバータでＰＭモータを制御するものであって、ＣＰＳ制御方式（キャリアフェイズセレクト制御方式）を用いてＣＰＳ制御部を介して入力された信号から出力セル判定部によりセルユニットのスイッチングパターンを選択し、選択信号を各セルユニットのゲートに出力し、ＰＭモータの始動時にはこのＰＭモータにパルス電圧を印加して磁極位置を推定する方法において、
前記出力セル判定部は、
パルス電圧の振幅とパルス位相から直列接続した各相セルユニットの段数を決めて測定された各セルユニットの直流電圧を相毎の昇順に並べ、並べた順位毎の各相セルユニットが１個の時のグループを設定し、
前記各相セルユニットが１個時のグループから各相２個の組み合わせができるグループを設定し、
前記設定された各相セルユニットグループが１個時と２個時の各グループに対し各別に電圧のばらつき偏差を求めて最小の偏差グループを抽出し、
前記抽出された最小偏差グループを磁極位置推定時の磁極位置の推定値とすることを特徴としたものである。
【００１５】
請求項１における抽出された磁極位置の推定値は、出力セルユニットの固定化テーブルに記憶し、パルス電圧印加中の出力セルユニットを固定化することを特徴としたものである。
【００１６】
また、請求項１又は２における出力セルユニットの固定化テーブルには、
各相セルユニットの段数に対応したテーブルナンバーを付し、磁極位置の推定は付されたテーブルナンバーの選択により行うことを特徴としたものである。
【００１７】
さらに本発明は、出力セルユニットの固定化テーブルへの固定化は、
前記各相セルユニットの段数テーブル使用回数を判定し、１回目の時には前回使用された相のセルユニットを判断し、当該相各段に含まれるテーブルナンバーを呼び出して偏差の最も小さいテーブルナンバー選択し、
前記テーブル使用回数が２回目以上の時にはテーブルナンバーを呼び出して固定化することを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１８】
以上のとおり、本発明によれば、パルス電圧を印加する方法によりＰＭモータの始動時に磁極位置を推定するとき、磁極位置推定時の推定値と実際の磁極位置との誤差をより少なくすることが可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明が適用されるセル多重電圧形インバータ制御回路の構成図。
【図２】パルス電圧出力指令生成部の構成図。
【図３】出力セルユニット判定時のフローチャート。
【図４】テーブルナンバー選択時のフローチャート。
【図５】直列多重インバータの構成図。
【図６】セルユニット（単相インバータ）の構成図。
【図７】パルス電圧印加時の電流応答は系図。
【図８】パルス電圧ベクトルと発生する電流ベクトル図。
【図９】印加するパルス電圧ベクトル図。
【図１０】発生する電流差ベクトル図。
【図１１】パルス電圧印加時の説明図。
【図１２】出力セルユニットの電圧差があるときのパルス電圧ベクトル図。
【図１３】パルス電圧ベクトル不均等時の電流差ベクトル図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明が適用されるセル多重電圧形インバータ制御装置の部分図で、１はＵ，Ｖ，Ｗの相電圧指令とキャリア周波数指令を発生する制御部（ＣＰＵ）、２は電圧領域を判定する電圧領域判定部で、電圧領域の情報をキャリアフェイズセレクト（搬送波位相選択方式で以下ＣＰＳという）制御部５に出力する。
このＣＰＳ制御部５は、相電圧指令に基づきＣＰＳ方式における電圧指令の領域とレベルが定義されて区分された各相の領域を判定する。
【００２１】
３はキャリア信号生成部で、ＣＰＵ１からのキャリア周波数指令に基づいて６０度、９０度の位相信号を生成してローテーション制御部４に出力する。ローテーション制御部４にはキャリアローテーションすべき組合せが定義されており、ゲートステートの組み合わせが発生したときキャリアのローテーションを行い、ＣＰＳ制御部５に入力する。ＣＰＳ制御部５では、各キャリア信号と電圧指令を比較した信号を入力してオン・オフ信号を生成し、出力セル判定部６へ入力する。７はデットタイム生成部である。
【００２２】
図２は、ＣＰＵ１内における相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*の生成図で、パルス電圧振幅指令とパルス発生位相指令を、それぞれ余弦信号生成部１１と正弦信号生成部１２に入力して電圧振幅指令Vd*，Vq*を生成して逆回転座標変換部１３に入力し、時間積分器１５を介して入力されたθ＝０の回転座標基準位相と共に２相／３相変換器１４に入力されてパルス電圧指令（＝相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*）を生成する。
【００２３】
図２のように、パルス電圧を印加する際には、パルスの振幅と位相の指令を与え、回転座標基準位相０を与えることによりパルス電圧指令を生成する。パルス電圧の振幅とパルス発生位相によって出力セルユニットの段数が決まる。ここで、簡単化のためにパルス発生位相指令を０゜，６０゜，１２０゜，１８０゜，２４０゜，３００゜の場合を考える。
【００２４】
先ず、始めに各相の出力電圧指令と出力セルユニットの段数について述べる。出力電圧指令の大きさと出力セルユニットの段数は表１のようになる。ここでの出力電圧指令の大きさは定格出力電圧絶対値と出力電圧指令絶対値の割合として示す。また、出力電圧指令絶対値が定格出力電圧絶対値のとき１００％とする。
【００２５】
【表１】
0006323270.tif 000002
【００２６】
表１のように、セルユニットの接続段数が直列３段の場合には、出力電圧の大きさを３段階に分割して考えることができ、また、出力電圧の大きさで各相の出力段数が決まる。
【００２７】
次に、パルス電圧の振幅と位相指令、及び各相の出力電圧指令の関係を述べる。表２にこの関係を示す。ここで、パルス電圧の振幅は１００％とする。この振幅の１００％の意味は、定格出力電圧に対するパルス電圧指令の大きさの割合である。
【００２８】
【表２】
0006323270.tif 000003
【００２９】
表２のようなときには、表１より各セルの出力段数は２段、若しくは３段である。この場合、段数が３段であれば全てのセルユニットが出力される状態であるので出力セルユニットを特定する必要はない。２段の場合について考える。
出力セルユニットの固定化を簡単にするため各相毎に出力セル段数と出力セルユニットのテーブルを持たすこととする。表３にＶ相の出力セル固定化テーブルを示す。ここで、セルＶ１，Ｖ２，Ｖ３の１と０は、１が出力セルユニットの状態、０が出力セルユニットでない状態を示す。
【００３０】
【表３】
0006323270.tif 000004
【００３１】
次に、出力セルユニットの判定方法について説明する。この判定は、出力セル判定部６で行われる。
上述のように、パルス電圧の振幅とパルス発生位相によって出力セルユニットの段数が決まる。各相の出力電圧の大きさにより、先ず出力セルユニットの段数を決める。出力セルユニットの段数が決まったら表３のテーブルより磁極位置推定中に使用するセルユニットを決定する。この例では、各相３セルユニットでの構成インバータであること、また、各セルユニットの直流電圧は測定されていることから、各相の直流電圧の近いものをリンクさせておき、組み合わせの例として表４のテーブルナンバー１から３までを作成する。同時に、ばらつき具合の偏差△Ｖを求める。偏差は平均に対し最も大きい電圧の差の絶対値をとることにより得る。
【００３２】
【表４】
0006323270.tif 000005
【００３３】
偏差△Ｖは、検出された各セルユニットの直流電圧から次のような演算で求める。
Ｕ１＝100.1  Ｖ１＝100.3  Ｗ１＝100.5    →300.9
Ｕ２＝110.0  Ｖ２＝110.3  Ｗ３＝110.6    →330.9
Ｕ３＝120.2  Ｖ３＝120.3  Ｗ３＝120.4    →360.9
とすると、
テーブルナンバー４の偏差：平均値（300.9＋330.9）／６＝105.3    最も差の大きいもの△Ｖ＝110.6−105.3＝5.3
テーブルナンバー５の偏差：平均値（300.9＋360.9）／６＝110.3     最も差の大きいもの△Ｖ＝110.3−100.1＝10.2
テーブルナンバー6の偏差：平均値（330.9＋360.9）／６＝115.3     最も差の大きいもの△Ｖ＝115.3−110.1＝5.2
なお、偏差△Ｖ波電圧値で説明しているが、平均値を分母とした％で評価してもよい。
【００３４】
表４のテーブルナンバー４から６の作成は３種類の場合しかなく、各テーブルでも偏差を平均値に対して最も大きい電圧の差の絶対値をとることにより得る。例として出力セルユニットの段数が１段の時には、選択するテーブルナンバーは偏差の最も小さい３（△Ｖ＝０．１）が選択される。また、出力セルユニットの段数が２段の時には、偏差の最も小さいテーブルナンバー６（△Ｖ＝５．２）を選択することになる。これにより、出力セルユニットの段数が２段の場合のパルス電圧の不均等が改善される。
テーブルナンバーの選択が終了したら一度使用したテーブル番号を記憶し、出力セル段数が同じものについては、記憶したテーブル番号を常時使用する。このようにしてパルス電圧印加中の出力セルを固定化する。
【００３５】
図３は、上述に基づいて出力セル判定部６における出力セルユニット判定のフローチャートである。
ステップＳ１で、ＣＰＵ１で設定されたパルス電圧の振幅とパルス発生位相に基づき、ステップＳ２では各相出力電圧の大きさにより出力セルユニットの段数を決める。
【００３６】
ステップＳ３では、出力セルユニットの組み合わせテーブルから１段と２段では偏差△Ｖの最も小さいテーブルナンバー、すなわち、ナンバー３とナンバー６を選択し、３段では全出力セルユニット使用のテーブルナンバー７を呼び出す。Ｓ４では出力セルユニットの固定化処理を行い、Ｓ５で偏差△Ｖの最も小さいテーブルナンバーを記憶し、この記憶されたテーブルナンバーをゲート信号生成に常時使用するする。
【００３７】
図４は、ステップＳ３でのテーブルナンバー選択時のフローチャートを示したものである。
ステップＳ３１では、Ｓ２で出力セルユニットの段数が判定されたとき、その出力セルユニットの段数１又は２のテーブル使用回数を判定し、１回目のときにはＳ３２に移り前回使用された出力セルユニットが判定される。その出力セルユニットが例えばＶ１であった場合にはＶ相のＶ１が含まれるテーブルナンバーを呼び出す。同様に、Ｖ２の場合にはＶ２，Ｖ３の場合にはＶ３がそれぞれ含まれるテーブルナンバーを呼び出して出力セルユニットの固定化テーブル処理に移す。
一方、Ｓ３１で使用テーブル回数が２回目以上のときには、当該出力セルユニット段数のテーブルナンバーを呼び出して出力セルユニットの固定化テーブル処理に移す。
以上により、どのセルユニットを動作させるかが決定できる。
【００３８】
なお、設定電圧を２５％としたとき各相１台のセルユニットを使用するが、直流電圧Vdcに近いものが選ばれる。ＰＷＭ制御により図１１（ｃ）のように電圧調整することもある。この場合、電圧パルス印加期間幅が異なる場合もあるが、時間幅が最も短い時間を採用することにより各相の実測値が使用できる。
【００３９】
以上のように本発明は、ＰＭモータの始動時に磁極位置を推定するとき、パルス電圧を印加する方法において、測定された各セルユニットの直流電圧を相毎に昇順に並べ、並べた順位毎の各相セルユニットが１個の時のグループを表４のテーブルナンバー１〜３のように設定する。各相２個のセルユニットの設定を、前記したセルユニット１個の時のグループから組み合わせができるグループを表３−１のテーブルナンバー４〜６のように設定する。
次に、上記のようにして決めたクループに対し、電圧のばらつき偏差△Ｖを求めて最小の偏差グループを抽出し、最小偏差グループを磁極位置推定時の推定値としたものである。これにより、磁極位置推定時の推定値と実際の磁極位置との誤差をより少なくすることが可能となるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…  制御部（ＣＰＵ）
２…  電圧領域判定部
３…  キャリア信号生成部
４…  ローテーション制御部
５…  キャリアフェイズセレクト制御部（ＣＰＳ制御部）
６…  出力セル判定部
７…  デッドタイム生成部
【図１】
0006323270.tif 000006
【図２】
0006323270.tif 000007
【図３】
0006323270.tif 000008
【図４】
0006323270.tif 000009
【図５】
0006323270.tif 000010
【図６】
0006323270.tif 000011
【図７】
0006323270.tif 000012
【図８】
0006323270.tif 000013
【図９】
0006323270.tif 000014
【図１０】
0006323270.tif 000015
【図１１】
0006323270.tif 000016
【図１２】
0006323270.tif 000017
【図１３】
0006323270.tif 000018