(57)【要約】【課題】  摩擦などの機械の特性や、突極性や磁気飽和などのモータの特性を事前に知る必要がなく同期電動機の磁極位置をより確実に検出できるようにする。【解決手段】  磁極位置を推定する第１，第２の手段を有する。第１の手段は、励磁位相を変えて電流指令を与え電動機の回転方向と励磁位相から磁極位置の電気角領域を推定する。そして該領域を縮小することによって磁極位置を推定する(S2〜S4)。又、第２の手段は励磁位相を順次変えて前記電圧指令を与えたときの電流フィードバックから磁極方向位置を推定する。その後、磁気飽和する電圧を印加して磁極向きを決定して磁極位置を推定する(S8〜S10)。第１の手段で電動機が摩擦等で動かないときは、第２の手段で磁極位置を推定する。また、第２の手段で推定磁極位置がばらつくときは、第１の手段で磁極位置を推定する。【選択図】          図３
2005151752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機のロータの磁極位置を検出する検出装置であって、
所定励磁位相に電流指令を印加する電流指令印加手段と、
前記電流指令を与えたときの電動機の回転方向から磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段と、
所定励磁位相に電圧指令を印加する電圧指令印加手段と、
前記電圧指令を与えたときの電流フィードバックから磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段と、
前記磁極位置を推定する第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段と、
を有することを特徴とする磁極位置検出装置。
【請求項２】
同期電動機のロータの磁極位置を検出する検出装置であって、
所定励磁位相に電流指令を印加する電流指令印加手段と、
前記電流指令を与えたときの電動機の回転方向と励磁位相から磁極位置の電気角領域を推定し、該領域を縮小することによって磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段と、
所定励磁位相に電圧指令を印加する電圧指令印加手段と、
励磁位相を順次変えて前記電圧指令を与えたときの電流フィードバック値から磁極方向位置を推定し、次に磁気飽和する電圧を印加して磁極向きを決定して磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段と、
前記磁極位置を推定する第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段と、
を有することを特徴とする磁極位置検出装置。
【請求項３】
前記第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段は、第１の磁極位置推定手段において、電流指令を印加したにも拘わらず電動機が回転しない場合には、第２の磁極位置推定手段を自動的に選択することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁極位置検出装置。
【請求項４】
前記第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段は、第２の磁極位置推定手段において、推定した磁極位置のばらつきが所定範囲を越えている場合、第１の磁極位置推定手段を自動的に選択することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁極位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期電動機におけるロータの磁極位置検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
同期電動機においては、ロータの磁極位置に応じて各相巻線に電流を流し所望のトルクを発生させる必要があることから、ロータの磁極位置をエンコーダなどのセンサで検出し、適切な励磁位相に電流を流すように制御される。そのため、磁極位置を検出するための絶対値を持つセンサの使用や、センサを取り付ける際に磁極位置合わせの作業を必要とする。また、これらを不要にするために電動機の始動時等に磁極位置検出処理がなされている。
【０００３】
センサをなくして磁極位置を検出する方法として、各種方法が提案されている。例えば、永久磁石動機電動機に一定間隔で角度を変えた正負の一定電圧の電圧ベクトルを印加してモータ電流値を検出し、この電流値の差が最も大きくなる電圧ベクトルの位置を磁極位置として検出する方法（特許文献１参照）。  
又、同様に、突極性を有する電動機に微小電圧変化を与え、該微小電圧変化量と電動機に流れる電流の電流変化率成分に基づいて磁極位置を推定する方法（特許文献２参照）。
【０００４】
突極性を有する電動機に高周波電圧を印加して、電機子電流から高周波電圧と同じ周波数の高周波電流を抽出して、この高周波電流に基づいて回転子位置を推定し、運転開始直後の高周波電流の極性に応じて、回転子位置推定値に正又は負のオフセットを加えて、回転子位置推定値の初期値とする方法（特許文献３参照）。  
同様に、突極性を有する電動機に高周波電圧を入力し、検出される高周波電流に基づいて磁極位置を検出する方法（特許文献４参照）。  
又、所定のステータ励磁位相に短時間電流を流し、そのときのロータの動きの方向に基づいて、励磁位相を変更して同様に短時間電流を流し、これを繰り返すことによって磁極位置を検出する方法も知られている（特許文献５参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−３１２４９３号公報
【特許文献２】特開２００２−７８３９１号公報
【特許文献３】特開２００２−１６５４８３号公報
【特許文献４】特開２００３−５２１９３号公報
【特許文献５】特許３４０８４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
永久磁石同期電動機のロータ構造としては、磁石をロータ表面に張り付けた表面張り付け構造（ＳＰＭ）と、ロータ内部に埋め込んだ埋め込み磁石構造（ＩＰＭ）に大別される。一般的にＳＰＭ電動機は電機子巻線のｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスが等しい非突極型となり、ＩＰＭ電動機は、ｄ，ｑ軸のインダクタンスが異なる突極型となる。上述した電動機に電圧を印加して電動機に流れる電流を検出して磁極位置を検出する特許文献１〜４に記載された方法は、この突極型の電動機に対してのみ適用できるものであり、非突極型のＳＰＭ電動機には適用できない。
【０００７】
一方、特許文献５に記載された方法では、突極型、非突極型に関係なく、同期電動機に適用できるものである。しかし、この方法においては、ロータを僅かに動かす必要があり、機械の摩擦が大きくロータが動かないような場合には、磁極位置を正しく検出できない。  
本願出願人は、ロータを動かさないで磁極位置を検出する方法を特願２００３−３６２３７９号で提案した。しかし、この方法も電気的突極性と磁気飽和を利用するものであり、非突極型のＳＰＭ電動機には適用できない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、摩擦などの機械の特性や、突極性や磁気飽和などのモータの特性を事前に知る必要がなく磁極位置をより確実に検出できるようにした磁極位置検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願請求項１に係わる発明は、発明の同期電動機のロータの磁極位置を検出する磁極位置検出装置は、所定励磁位相に電流指令を印加する電流指令印加手段と、前記電流指令を与えたときの電動機の回転方向から磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段と、所定励磁位相に電圧指令を印加する電圧指令印加手段と、前記電圧指令を与えたときの電流フィードバックから磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段と、前記磁極位置を推定する第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段とを備え、摩擦などの機械の特性による磁極位置検出不能を極力防止し、且つ、非突極型の同期電動機の磁極位置も検出できるようにしたものである。又、請求項２に係わる発明も、所定励磁位相に電流指令を印加する電流指令印加手段と、前記電流指令を与えたときの電動機の回転方向と励磁位相から磁極位置の電気角領域を推定し、該領域を縮小することによって磁極位置を推定する第１の磁極位置推定手段と、所定励磁位相に電圧指令を印加する電圧指令印加手段と、励磁位相を順次変えて前記電圧指令を与えたときの電流フィードバックから磁極方向位置を推定し、次に磁気飽和する電圧を印加して磁極向きを決定して磁極位置を推定する第２の磁極位置推定手段と、前記磁極位置を推定する第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段とを備え、摩擦などの機械の特性による磁極位置検出不能を極力防止し、且つ、非突極型の同期電動機の磁極位置も検出できるようにしたものである。
【００１０】
又、請求項３に係わる発明は、前記第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段は、第１の磁極位置推定手段において、電流指令を印加したにも拘わらず電動機が回転しない場合には、第２の磁極位置推定手段を自動的に選択するようにし、また、請求項４に係わる発明は、前記第１，第２の磁極位置推定手段を選択する手段は、第２の磁極位置推定手段において、推定した磁極位置のばらつきが所定範囲を越えている場合、第１の磁極位置推定手段を自動的に選択するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、第１の磁極位置推定手段によって、電動機を動かして磁極位置を自動的に検出するから、電気的突極性の有無に関係なく同期電動機の磁極位置を自動的に検出できるものである。また、この第１の磁極位置推定手段によって電動機が機械の摩擦等によって動かない場合でも、電気的突極性を有する同期電動機においては第２の磁極位置推定手段で自動的に求めることができるので、磁極位置を自動的に求めることができない同期電動機は非常に少なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の磁極位置検出装置を構成する電動機制御装置の一実施形態のブロック図である。通常の電動機駆動制御の場合においては、スイッチＳＡ，ＳＢは共にａ側に接続されており、ｄ，ｑ相に対する電流指令から、３相からｄ，ｑ相に変換する変換器６によって３相のフィードバック電流から変換されたｄ，ｑ相フィードバック電流をそれぞれ減じてｄ，ｑ相の電流偏差が求められて電流制御器１によって電流のフィードバック制御がなされ、電圧指令が出力され、検出器５で検出された電動機のロータ位置に基づいて磁極位置推定器７が励磁位相ψを求め、該励磁位相に基づいてｄ，ｑ相から３相に変換する変換器２によって３相の電圧指令に変換されてアンプ３を介して電動機４が駆動制御される。この電動機４の駆動制御は従来の電動機駆動制御方法と何ら変わるところはない。
【００１３】
本発明では、上述した電動機駆動要素１，２，３，５，６に、スイッチＳＡ，ＳＢ及び電流指令発生器８，電圧指令発生器９を付加し、又、磁極位置推定器７の構成を異なるものとして磁極位置検出装置を構成するものである。
そして、本実施形態では、磁極位置検出手段として磁極位置推定器７に電動機のロータを動かして、磁極位置を検出する手段（以下この手段を第１の磁極位置推定手段、その方法を第１の磁極位置推定方法という）と、ロータは動かさずに、電圧を電動機に印加してフィードバック電流値によって電気的突極性を有する電動機の磁極位置を検出する手段（以下この手段を第２の磁極位置推定手段、その方法を第２の磁極位置推定方法という）を備えるようにしたものである。
【００１４】
本実施形態での第１の磁極位置推定手段は、前述した特許文献５に記載された手段を用いるもので、この手段の方法を実施するときには、スイッチＳＡはｂ側に、スイッチＳＢはａ側に接続され、通常の制御系から切り離される。そして、電流指令発生器８よりｄ相には「０」をｑ相には所定の直流励磁電流を出力して電動機を駆動するものである。  
この方法は、電流ベクトルをＩ、磁束ベクトルをΦとすると、同期電動機に発生するトルクＴは、
Ｔ＝ａ（Ｉ×Φ）
である。なお、ａは定数、×は外積を意味する。このトルクの大きさは、
｜Ｉ｜｜Φ｜ｓｉｎα
である。その回転方向は、電流ベクトルＩと磁束ベクトルΦのなす角αで決まる。この角αが０〜１８０度の区間では、ｓｉｎα＞０で正方向にロータは回転する。また、α＝１８０〜３６０度では、ｓｉｎα＜０でロータは負方向に回転することになる。これを利用して本実施形態では、まず、ステータ励磁位相１８０度に直流電流を流しロータの回転方向を検出する。正方向に回転すれば、ロータ磁極位置（磁束Φの位置）はステータ励磁位相の１８０〜３６０度の領域幅内にあり、負方向に回転すれば、ロータ磁極位置は０〜１８０度の領域幅内にあることになる。次にロータ磁極位置がある領域（１８０〜３６０度の領域か、０〜１８０度の領域）の中間の励磁位相に直流電流を同様に流し、ロータの回転方向を検出し、ロータの磁極位置のある領域を検出する。以下これを繰り返し、このロータ磁極位置のある領域を順次小さな領域とすることによって、このロータ磁極位置を最終的に検出するものである。
【００１５】
例えば、ロータ磁極位置がステータ励磁位相３５０度にあったと仮定する。まず、１８０度の励磁位相に電流を流すと、α＝３５０−１８０＝１７０となり、ｓｉｎ１７０＞０で、ロータは正方向に回転し、ロータ磁極位置は１８０〜３６０度の領域にあることが判別される。次にこの領域を２分する２７０度の励磁位相に直流電流を流す。α＝３５０−２７０＝８０度で、ｓｉｎ８０＞０でロータは正方向に回転する。これにより、ロータ磁極位置は２７０〜３６０度の領域にあることが判別される。そこで、２７０〜３６０度の領域の中間の３１５度の励磁位相に直流電流を流す。この場合もα＝３５で、回転方向は正方向となり、３１５度と３６０度の中間の３３７．５度の励磁位相に直流電流を流す。この場合もα＝１２．５で、正方向に回転するから、３３７．５度と３６０の中間の３４８．７５度の励磁位相に電流を流す。この場合も正方向に回転するから、３４８．７５度と３６０度の中間の３５４．３７５度の励磁位相に電流を流す。このとき、α＝３５０−３５４．３７４＝−４．３７５度となり、ｓｉｎα＜０で、ロータは負方向に回転するので、次に励磁する位相は、３４８．７５度と３５４．３７５度の領域の中間の３５１．５６２７度の励磁位相に直流電流を流し回転方向を検出する。以下、このようにロータ磁極位置が存在すると判断される領域を順次狭めて、ロータの回転がなくなるまで、もしくは所定回数だけの領域判断を行うことによってロータ磁極位置を求めるものである。
【００１６】
また、本実施形態が用いる第２の磁極位置推定手段は、前述した特願２００３−３６２３７９号で提案した方法、手段を用いるものであり、このときは、スイッチＳＢをｂ側に切替、電圧指令発生器よりｄ相に対して高周波電圧又は矩形波電圧を指令して、ロータを動かさずに磁極位置を検出するものである。この方法、原理をまず説明する。
【００１７】
２相巻線の突極性を持ったｄｑ座標系での磁束（λｄ，λｑ）を想定すると、図２に示すようにロータ（磁極）のｄ軸からのずれ量をΔθとすると、磁束（λｄ，λｑ）は次の（１−１）式、（１−２）式に示すように、ずれ量Δθの関数となる。
【００１８】
λｄ＝(Ｌ０＋Ｌ２cos２Δθ)・ｉｄ−Ｌ２sin２Δθ・ｉｑ＋φcosΔθ    …（1-1）  λｑ＝−Ｌ２sin２Δθ・ｉｄ＋(Ｌ０−Ｌ２cos２Δθ)・ｉｑ−φsinΔθ  …（1-2）なお、Ｌ０は励磁位相に依存しない平均インダクタンス、Ｌ２は励磁位相に依存した変動分インダクタンスであり、１相分のｄ軸インダクタンスをＬｄ、１相分のｑ軸インダクタンスをＬｑとすると、Ｌｄ＝Ｌ０＋Ｌ２，Ｌｑ＝Ｌ０−Ｌ２である。又、突極性を有する電動機の場合、Ｌ２＜０で、Ｌｑ＞Ｌｄである。また、（１−１）式、（１−２）式において、φは磁石の磁束を表す。
ｄｑ座標上で電圧ｖｄｑ（ｄ軸電圧成分とｑ軸電圧成分の合成電圧）は、次の２式で表される。  
ｖｄｑ＝Ｒｓ・ｉｄｑ＋ｄ／ｄｔ（λｄｑ）＋ωπλｄｑ    …（２）
なお、Ｒｓは電動機巻線抵抗で、λｄｑはｄｑ軸合成磁束、ｉｄｑはｄｑ軸合成電流、ωは電動機角速度である。
（２）式に（１−１）式、（１−２）式を代入してまとめると次の（３）式となる。
【００１９】
【数１】
2005151752.tif 000003
【００２０】
但し、Ｌｄｃ＝Ｌ０＋Ｌ２cos２Δθ
Ｌｑｃ＝Ｌ０−Ｌ２cos２Δθ
Ｌｄｑｃ＝Ｌ２sin２Δθ
ｐ＝ｄ／ｄｔ
（３）式より電流ｉｄｑを求めると次の（４）式となる。
【００２１】
【数２】
2005151752.tif 000004
【００２２】
そこで、突極性のインダクタンスの差を検出するために、高調波を含むｄ軸電圧指令ｖｄ＝Ｖsinγｔ、ｑ軸電圧指令＝０を指令する。そうすると、上記（４）式の右辺第２項は高調波に影響しないと仮定し、又、ロータは静止していることを前提とするものであるから電動機角速度ω＝０であり、上記（４）式は次の（５）式で表される。
【００２３】
【数３】
2005151752.tif 000005
【００２４】
ｄｑ座標系を回転させてずれ量Δθを変えることによって、即ち励磁位相を変えることにより、突極性によるインダクタンスが変化することから、高周波電圧指令に対するフィードバック電流ｉｆの振幅が変化する。このフィードバック電流ｉｆのｄ軸電流成分ｉｄの変化値（微分値）ｐｉｄを求め、これに高周波指令電圧ｖｄ＝Ｖsinγｔを掛けて、その後ローパスフィルタで高周波成分取り除くことによって、電気角３６０度内でピーク値が２個所になるデータを得る。即ち、ｖｄｈ＝Ｖsinγｔとする。
【００２５】
ｐｉｄ・ｖｄｈ＝(１／(Ｌｄ・Ｌｑ)）(Ｌ０−Ｌ２cos２Δθ)・Ｖ２・(sinγｔ)２            ＝(Ｖ２／(２・Ｌｄ・Ｌｑ))・(Ｌ０−Ｌ２cos２Δθ)・(１−cos２γｔ)                                                                        …（６）
ローパスフィルタを通して高周波成分cos２γｔを取り除くと
ｆｄ＝ｐｉｄ・ｖｄｈ 
＝(Ｖ２／４・Ｌｄ・Ｌｑ)・(Ｌｄ＋Ｌｑ−(Ｌｄ−Ｌｑ)・cos２Δθ)  …（７）上記（７）式より、
Δθ＝０又はπのとき、            ｆｄ＝Ｖ２／（２Ｌｄ）
Δθ＝π／２又は３π／２のとき、  ｆｄ＝Ｖ２／（２Ｌｑ）
となる。
【００２６】
ＩＰＭ電動機は逆突極性であり、Ｌｑ＞Ｌｄであることから、Δθ＝０又はΔθ＝πのときｆｄ＝ｐｉｄ・ｖｄｈがピーク値となる。即ち、ｄ相のフィードバック電流微分値ｐｉｄに高周波指令電圧を掛け、高周波成分を取り除くことによって、電気角３６０度内において２つのピーク値を得て、かつ、このピーク値は、ロータ位置（磁極位置）とｄｑ座標系のｄ軸が一致したときのΔθ＝０又はΔθ＝πを示すものであるから、このピーク値となるときの励磁位相によって、磁束の方向を求めることができるものである。しかし、磁束の方向は求められても、磁石のＮ極とＳ極の区別がつかない。そこでΔθ＝０になる位置では、電流により発生する磁界が主磁束φの方向と一致するので、磁気飽和が発生して磁束が減少し、ｄ軸のインダクタンスＬｄが減少し、フィードバック電流のｄ軸成分ｉｄが増大するのでこれを利用して磁石のＮ極とＳ極を判別する。
そこで、ｄ相インダクタンスＬｄを次の（８）式のように定義する。ここでｋはインダクタンスの変化率で１より小さい正の値とする。
【００２７】
Ｌｄ＝Ｌｄ・(１−ｋ・cosΔθ)      …（８）
上記（８）式を（７式）に代入すると、
Δθ＝０のとき          ｆｄ＝Ｖ２／２Ｌｄ・(１−ｋ)
Δθ＝π／２のとき      ｆｄ＝Ｖ２／２Ｌｑ
Δθ＝πのとき          ｆｄ＝Ｖ２／２Ｌｄ・(１＋ｋ)
Δθ＝３π／２のとき    ｆｄ＝Ｖ２／２Ｌｑ
となり、Ｌｑ＞ＬｄよりｆｄはΔθ＝０で最大値となりここが真の磁極位置を示すことになる。
【００２８】
そこで、電圧指令発生器９よりｄ相電圧指令として比較的振幅の小さい高周波（正弦波）電圧（ｑ相電圧指令は０）を出力して電動機を駆動する。ｄ相電圧指令が高周波で小さな電圧指令であるから流れる電流は小さいので、電動機４のロータは回転しない。この状態で、磁極位置推定器７は、電気角３６０度内を所定周期毎、所定の変化率で変化させ、ずれ量Δθと励磁位相ψが一致する点を検出する。即ち上述としたｄｑ座標系を回転させて、ずれ量Δθと一致する電気角の検出を行う。そのために、所定周期で、ｄ相フィードバック電流ｉｄを求めてその微分値と電圧指令発生器から出力した電圧指令との積を求め振幅変調を行い、高周波成分を除去して最大値となる励磁位相ψを求める。複数求められる最大値を平均して遅れ分を補正して、磁束の方向の励磁位相ψを求める。即ち、位置検出器５で検出されるロータ位置におけるΔθ＝０となる励磁位相ψを求める。
【００２９】
次に、この磁束方向に励磁位相ψを固定し、電圧指令発生器より磁気飽和する電流を＋，−に流し、電流フィードバックの大きさの差より極性を決定する。これによって、磁極位置を求めるものである。
図３は、電動機を制御する制御装置のプロセッサが本発明の磁極位置検出器として一実施形態として作用するときの処理のアルゴリズムである。
【００３０】
この電動機制御装置の上位制御装置である数値制御装置（ＣＮＣ）等から磁極位置推定手段、方法を選択する指令が送られてくるとこの図３に示す処理を開始する。  
まず送られてきた指令が、第１の磁極位置推定手段を指令するものか、第２の磁極位置推定手段を指令しているものか判断し（ステップＳ１）、第１の磁極位置推定手段が指令されている場合には、第１の磁極位置推定処理を開始し（ステップＳ２）、その処理途中で所定の大きさの直流の電流指令で電動機を駆動しても、機械の摩擦等が大きくてロータが動かない場合には（ステップＳ３）、第２の磁極位置推定処理では磁極位置を検出できないことを示すフラグＦ２が「１」か判断し（ステップＳ６）、「１」でなければ、第１の磁極位置推定処理では磁極位置を検出できないことを示すフラグＦ１を「１」にセットし（ステップＳ７）、第２の磁極位置推定処理（ステップＳ８〜Ｓ１０の処理）に移行する。なお、フラグＦ１，Ｆ２は初期設定によって最初は「０」である。また、ロータが動いた場合には、そのまま第１の磁極位置推定処理を実行し（ステップＳ４）、磁極位置を確定する（ステップＳ５）。なお、図３において破線で囲んだステップＳ２〜Ｓ４は第１の磁極位置推定処理でありその詳細は後述する。
【００３１】
また、上位制御装置より第２の磁極位置推定手段の選択指令が入力されたとき、及び第１の磁極位置推定処理途中で、ロータが動かず、第１の磁極位置推定処理により磁極位置を検出できないときで、ステップ７でフラグＦ１を「１」にセットした後、ステップＳ８〜Ｓ１０で構成される第２の磁極位置推定処理を開始し（ステップＳ８）、この第２の磁極位置推定処理途中において、後述するように、磁極位置を示す励磁位相がばらつき設定所定値範囲内にない場合は、電気的突極性を有する電動機ではなく、この第２の磁極位置推定手段では磁極位置を推定することができないと判断された場合には（ステップＳ９）、フラグＦ１が「１」か判断し（ステップＳ１１）、「１」であれば、すでに第１の磁極位置推定処理を実施して磁極位置を検出することができなかったものであるから、アラームを出し処理を終了する（ステップＳ１３）。また、該フラグＦ１が「１」でなければ、まだ第１の磁極位置推定処理を実行していないものであるから、第２の磁極位置推定処理では磁極位置を検出できないことを示すフラグＦ２を「１」にセットして（ステップＳ１２）、ステップＳ２に移行し、第１の磁極位置推定処理を実行する。
【００３２】
一方、ステップＳ９で、磁極位置を示す励磁位相が所定範囲内で、磁極位置（磁極方向）が検出される場合には、そのまま第２の磁極位置推定方法を実施して、磁極位置（磁極の方向とＮ，Ｓの向き）を求め確定する（ステップＳ１０、Ｓ５）。  
なお、ステップＳ６で、フラグＦ２が「１」にセットされていることが判定されたときには、すでに第２の磁極位置推定処理がなされ、磁極位置が検出できない場合であるから、ステップＳ１３に移行してアラームを出しこの処理を終了する。
【００３３】
図４は、上述した第１の磁極位置推定方法処理（図３のステップＳ２〜Ｓ４）のアルゴリズムである。  
推定磁極位置θを記憶するレジスタに初期値「０」をセットし、ロータ移動量δを記憶するレジスタに初期ロータ移動量として「０」をセットし、励磁する直流電流Ｉを記憶するレジスタに初期励磁電流として設定された値Ｉｒをセットする（ステップＡ１〜Ａ３）。検出器５からの信号に基づいてサーボモータ（同期電動機）４の位置（ロータの位置）を記憶する現在値レジスタの値を「０」にクリアし（ステップＡ４）、後述するステップＡ６〜ステップＡ２０の処理の繰り返し数を計数する試行カウンタｎを「１」にセットする（ステップＡ５）。
【００３４】
そして、試行カウンタｎの値が設定されている繰り返し数Ｎを越えているか判断し（ステップＡ６）、越えてなければ３６０度を２nで割って、ロータ磁極位置（磁束位置）が予想される領域の位相幅の１／２の位相量βを求める。最初は、ロータ磁極位置は電気角０〜３６０度の全領域にあることが推定され、試行カウンタｎは「１」にセットされているから、推定領域の位相幅の１／２の位相量β＝１８０度が求められる（ステップＡ７）。次に、現時点までに推定されている磁極位置（推定領域の一端であり、この実施形態では始点で位相角度が小さい方）θに推定領域の位相幅の１／２の位相量β及びロータ移動量δを加算してステータ励磁位相φを求める（ステップＡ８）。最初は、θ＝０、β＝１８０度、δ＝０であるから、ステータ励磁位相φは「１８０度」として求まる。
【００３５】
ロータが停止しているか否か判別し（検出器５からフィードバックパルスが帰還されたか否かにより判別する）（ステップＡ９）、ロータが停止していれば、ステップＡ８で求めた励磁位相φにレジスタに記憶する直流の励磁電流Ｉ（最初は設定値Ｉｒ）を流す（図１における電流指令発生器８から該直流の励磁電流を指令電流として流す）と共にタイマをスタートさせる（ステップＡ１０）。
【００３６】
そしてロータが動いたか否かを検出器５からフィードバックパルスが帰還されたか否かにより判別する（ステップＡ１１）。ロータが移動しないときには、励磁位相と磁極位置が合致し、移動しないことが想定されるので、励磁位相を９０度進めて励磁する処理を行う。即ち、フラグＦ３が「１」か判断し（ステップＡ２１）、「１」でなければ、該フラグＦ３を「１」にセットし（ステップＡ２２）、試行カウンタｎを「１」インクリメントして（ステップＡ２３）、推定磁極位置θに位相量βを加算してθ＝１８０度と更新し（ステップＡ２４）、ステップＡ７に戻る。試行カウンタｎが「１」インクリメントされ「２」となっているから、βの値は９０度となり、励磁位相φは２７０度となり該励磁位相で電動機は励磁されることになる（ステップＡ７〜Ａ１０）。
【００３７】
こうして励磁位相を９０度変えてもロータが動かない場合には機械の摩擦が大きく移動しないものと判断され、ステップＡ１１からＡ２１に移行し、フラグＦ３がすでに「１」にセットされていることから、このロータを移動させて磁極位置を検出する第１の磁極位置推定方法では検出できないとして図３のステップＳ６に移行する。
一方、ステップＡ１１でロータが移動したことが判別されると励磁電流を停止し、かつタイマを停止させる（ステップＡ１２）。そして、ロータの回転方向を判別しロータ磁極位置の領域を判別する（ステップＡ１３）。
【００３８】
前述したように、同期電動機で電流を流したとき発生するトルクの大きさは第２式で表され、そのトルクの向きは、磁束ベクトルと電流ベクトルとのなす角αが０度〜１８０度の間では正（ｓｉｎα＞０）、１８０度〜３６０度の間では負（ｓｉｎα＜０）であるから、励磁位相φ＝１８０度に直流電流Ｉを流して、ロータが正方向に回転したときは、ロータの磁極位置は１８０度〜３６０度の領域にある。又、励磁位相φ＝２７０度に直流電流Ｉを流して、ロータが正方向に回転したときは、ロータの磁極位置は２７０度〜３６０度の領域にある。そこで、この場合には、推定されていた磁極位置θ（＝０又は１８０度）に磁極があると推定されていた領域の位相幅の１／２の位相量β（＝１８０度又は９０度）を加算し、新たな推定磁極位置θ（＝１８０又は２７０）を求める。すなわち、推定磁極位置θとして磁極位置が存在すると推定される領域の始点の位相が記憶されることになる。この場合では、ステータ励磁位相１８０度〜３６０度（又は２７０度〜３６０度）の領域にロータ磁極位置があるものと推定されたことから、新たな推定磁極位置θとして１８０度（又は２７０度）が記憶される（ステップＡ１４）。
【００３９】
又、ステップＡ１３で、負方向に回転したと判別された場合には、ロータの磁極位置は０度〜１８０度（又は１８０度〜２７０度）の領域にあるものであり、このときは、推定磁極位置θは更新せず、ロータ磁極位置があると推定された領域の０度〜１８０度の始点「０度」（又は１８０度〜２７０度の始点１８０度）がそのまま記憶される。
【００４０】
ロータが回転したことから、ロータを元の位置に戻すため、ステップＡ１０で励磁した励磁位相φに今回は極性が逆の直流電流−Ｉを流しタイマにステップＡ１２で測定した経過時間をセットしてスタートさせる（ステップＡ１５）。そしてタイマがタイムアップすると（ステップＡ１６）、励磁電流を停止する（ステップＡ１７）。すなわち、同じ大きさで極性が逆の励磁電流を同一時間流すことにより、ロータが移動した分、逆方向に移動させロータを元の位置に戻すようにする。
【００４１】
しかし、ロータを元の位置に戻したとしても、正確に元の位置に戻るとはいえないことから、現在位置レジスタの値を読み出し、その値をロータ移動量δとしてレジスタに格納する（ステップＡ１８）。試行カウンタｎを「１」インクリメントし（ステップＡ１９）、次に励磁する直流電流Ｉの大きさを次の（９）式の演算を行い求める（ステップＡ２０）。
【００４２】
Ｉ＝Ｉｒ×（１＋ｎ／Ｎ）    …（９）
本発明においては、直流電流Ｉを流す位相とロータ磁極位置が一致するように順次近づけるものである。すなわち、磁束ベクトルと電流ベクトルが一致するように両者を近づけるものである。上述したようにロータを回転させるトルクは、「｜Ｉ｜｜Φ｜ｓｉｎα」であるから、直流電流値Ｉが一定であると、だんだん小さくなってゆく。そのため、本実施形態では、励磁する位相を変える（ロータ磁極位置に近づける）毎に、励磁直流電流値Ｉを大きくするようにしたものである。
【００４３】
そして、ステップＡ６に戻り、ステップＡ６からステップＡ２０までの処理を試行カウンタｎが設定値Ｎを越えるまで、繰り返し実行する。
以上のようにして、ロータに直流電流を流してロータ磁極位置がある領域を推定し、かつその領域幅を順次小さくし（この実施形態では、この領域幅を１／２に減少させる）、推定磁極位置θを求める。
【００４４】
この実施形態において、ｎ＝１で、ロータ磁極位置がある領域幅βを３６０度の半分の１８０度に小さくすることができ、ｎ＝２でβ＝９０、ｎ＝３でβ＝４５、ｎ＝４でβ＝２２．５・・・ｎ＝１０でβ＝０．３５１６、ｎ＝１１でβ＝０．１７５８とすることができる。そして、その領域の始点が推定磁極位置θとして求められる。そこで、必要とする精度が得られる程度の設定値Ｎを設定しておき、必要とする精度の推定磁極位置θを求める。  
かくして、ステップＡ６で試行カウンタｎの値が設定値Ｎを越えた場合には、ステップＡ２５に進み、推定磁極位置θにロータの移動量δを加算して最終的な推定磁極位置θとして、図３のステップＳ５に移行し、磁極位置を確定する。  
以上が第１の磁極位置推定方法処理のアルゴリズムである。
【００４５】
図５は、第２の磁極位置推定方法処理のアルゴリズムである。  
この第２の磁極位置推定方法処理においては、図１のスイッチＳＢをｂ側に切替え、電動機のロータを移動させない程度の比較的振幅の小さい高周波（正弦波）電圧をｄ相電圧指令として入力し、ｑ相電圧指令は０として電動機を駆動する（ステップＢ１）。高周波であり振幅が小さい電圧指令であることによりロータは移動しない。そして、励磁位相ψを所定周期で所定量変化させる（ステップＢ２）。この励磁位相ψの所定量の変化に同期してｄ相のフィードバック電流を読み取る（ステップＢ３）。読み取ったｄ相フィードバック電流ｉｄと前周期で読み取ったｄ相フィードバック電流ｉｄとの差に基づいてこのｄ相フィードバック電流の微分値ｐｉｄを求める。該微分値ｐｉｄとステップＢ１で入力した高周波電圧指令との積ｆｄを求める（（６）式参照）（ステップＢ４）。この積ｆｄをローパスフィルタ処理して高周波成分を除去し（（７）式参照）（ステップＢ５）、この高周波成分を除去した積ｆｄが最大値となる励磁位相ψを求める（ステップＢ６）。即ち、高周波成分を除去した前記積ｆｄのピーク値を記憶するレジスタを設け、該レジスタに記憶する値と、ステップＢ４、Ｂ５で求めた積ｆｄとの大きさを比較し求めたｆｄが大きければ、この求めた積ｆｄの値を該レジスタに格納すると共に、積ｆｄのピーク値を生じるそのときの励磁位相ψをレジスタに記憶する。以下、ステップＢ１からステップＢ６の処理を電気角１８０度分所定周期毎実行し、電気角１８０度分の処理が終了すれば、該電気角１８０度１周期内における最大の前記積ｆｄが求まり、該最大の積ｆｄに対応する励磁位相ψが求まる。
【００４６】
電気角３６０を電気角１８０度毎に分け１８０度を１周期とする処理を設定偶数回数（例えば１８０度を８回で電気角３６０度で４回）実施したか判断し（ステップＢ７）、設定回数に達してなければ、前述したステップＳ１からの処理を再度実行する。かくして設定回数の電気角１８０度における前記積ｆｄが最大となる励磁位相ψが各電気角１８０度周期毎に求まると、電気角３６０度内で２つ求められた積ｆｄが最大となる励磁位相ψのうちいずれかの電気角のものを選択し（例えば励磁位相ψの小さい方を選択）、その内の最大値と最小値の差が設定された所定範囲内にあるか判断する。即ちばらつきがないか判断する（ステップＢ８）。電気的突極性がある電動機の場合には、ばらつきはなく、所定範囲内にあるが、電気的突極性がない電動機の場合にはばらつきが発生し、この第２の磁極位置推定方法では、磁極位置を検出できないことから、この場合には、図３のステップＳ１１に移行する。
【００４７】
一方、ばらつきがなければ、その平均を求め、その平均値を積ｆｄがピークとなる励磁位相ψとする（ステップＢ９）。そして、この平均値からフィードバックやフィルタの遅れ分を補正して、磁束方向を求める（ステップＢ１０）。即ち、ｄ軸と磁極のずれ量Δθが０又はπとなる励磁位相（磁束の方向）ψが求まる。つぎに、求められた励磁位相（磁束の方向）ψに対して磁極の向きを求める。  
まず、ステップＢ１０で求めた励磁位相ψに固定し（ステップＢ１１）、磁気飽和が生じる程度の電流を電動機に流すため、ｄ相電圧指令として比較的大きな電圧で所定幅のプラスの矩形波電圧をｄ相電圧指令し電動機を駆動する（ステップＢ１２）。この場合、励磁位相がｄ軸方向であることから、大きな電流が流れても電動機のロータは動かない。このときのｄ相のフィードバック電流のピーク値（最大値）を求め記憶する（ステップＢ１３）。次に、所定時間経過後（所定時間、電圧指令を０）に電圧の大きさは同一で、逆符号（マイナス）の矩形波電圧をｄ相電圧指令とし電動機を駆動する（ステップＢ１４）。この場合も電動機のロータは回転しない。そしてｄ相のフィードバック電流のピーク値（最小値）を求め記憶する（ステップＢ１５）。
【００４８】
ステップＢ１２、Ｂ１４で求めたｄ相フィードバック電流のピーク値の最大値と最小値を加算しかつその加算値を積算する（ステップＢ１６）。そして設定された回数実行したかを判断し、設定回数に達してなければステップＢ１２に戻りステップＢ１２以下の前述した処理を繰り返し実行する（ステップＢ１７）。設定回数、ｄ相フィードバック電流のピーク値（最大値、最小値）を求め、その加算積算値を求めた後、この積算値が正か否か判断する（ステップＢ１８）。正であれば、励磁位相ψの向きと磁極の向きが一致し、現在の固定している励磁位相ψはΔθ＝０で主磁束の向きと一致しているものとして励磁位置ψを磁極位置θとして確定する（ステップＢ２０）。一方積算値が負であれば、現在の固定している励磁位相はΔθ＝πで主磁束の向きと逆向きであることから、固定している励磁位相ψに１８０度を加算し（ステップＢ１９）、その位置を励磁位置として確定し手磁極位置θとし（ステップＢ２０）、図３のステップＳ５に戻る。
【００４９】
以上が、本実施形態の磁極位置検出方法であり、これにより、機械の摩擦が大きくロータを動かせて磁極位置を検出できない場合には、第２の磁極位置推定方法によって電気的突極性を有する電動機であれば、その磁極位置をこの第２の磁極位置推定方法を実施することによって求めることができ、また、非突極型の電動機の場合には、ロータを移動させて検出する第１の磁極位置推定方法の実施で磁極位置を検出するものであり、しかも、第１の磁極位置推定方法で検出できなければ、第２の磁極位置推定方法で、又、第２の磁極位置推定方法で検出できなければ、第１の磁極位置推定方法で自動的に行われるものであり、第１、第２の磁極位置推定方法で磁極位置を検出できないときのみアラームが出されるものである。この場合は、非突極型の同期電動機で、この電動機に接続された機械の摩擦が大きいときに磁極位置が検出できないとなるだけで、検出できない場合が非常に限定されたものとなるる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の磁極位置検出装置を構成する電動機制御装置の一実施形態のブロック図である。
【図２】ｄｑ座標系におけるｄ軸と磁極位置のずれを説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施形態の磁極位置検出処理の全体構成のアルゴリズムである。
【図４】同実施形態における第１の磁極位置推定処理のアルゴリズムである。
【図５】同実施形態における第２の磁極位置推定処理のアルゴリズムである。
【符号の説明】
【００５１】
１  電流制御器
２  ｄｑ相から３相への変換器
３  アンプ
４  電動機
５  検出器
６  ３相からｄｑ相への変換器
７  磁極位置推定器
８  電流指令発生器
９  電圧指令発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005151752.tif 000009
【図５】
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