(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する第１の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第１の磁極位置から第２の磁極位置を演算する第２の磁極位置演算手段と、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第２の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第１の始動手段を選択し、第２の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第２の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第１の始動手段は、第２の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第２の始動手段は、電動機の電流をベクトルとしてとらえ、所定の期間、電流ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項２】
磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する第１の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第１の磁極位置から第２の磁極位置を演算する第２の磁極位置演算手段と、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第２の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第１の始動手段を選択し、第２の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第２の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第１の始動手段は、第２の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第２の始動手段は、電動機の端子電圧をベクトルとしてとらえ、所定の期間、端子電圧ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、端子電圧ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項３】
磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する第１の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第１の磁極位置から第２の磁極位置を演算する第２の磁極位置演算手段と、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第２の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第１の始動手段を選択し、第２の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第２の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第１の始動手段は、第２の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第２の始動手段は、第１の磁極位置演算値の直交方向を第３の磁極位置演算値として求める手段と、第３の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において、
第２の磁極位置演算手段は、
第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＮ極方向に直流電流を通流するプラスｄ軸通流手段と、
第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＳ極方向に直流電流を通流するマイナスｄ軸通流手段と、
第１の磁極位置演算値と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
この高周波電圧により第１の磁極位置演算値と平行方向に流れる高周波電流であるγ軸高周波電流を検出する手段と、
回転子永久磁石のＮ極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるプラスｄ軸高周波電流と、回転子永久磁石のＳ極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるマイナスｄ軸高周波電流と、の大小関係に応じて第１の磁極位置演算値を補正することにより第２の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスｄ軸高周波電流と前記マイナスｄ軸高周波電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第２の磁極位置演算が可能と判定することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において、
第２の磁極位置演算手段は、
第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＮ極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるプラスｄ軸パルス電流と、第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＳ極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるマイナスｄ軸パルス電流と、の大小関係に応じて第１の磁極位置演算値を補正することにより第２の磁極位置演算値を求める手段を備え、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスｄ軸パルス電流と前記マイナスｄ軸パルス電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第２の磁極位置演算が可能と判定することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、永久磁石形同期電動機の回転子の突極性と磁気飽和特性とを利用して電動機の磁極位置を確実に演算可能とした制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）の制御装置のコストを低減するため、磁極位置検出器を使わないで運転する、いわゆるセンサレス制御技術が実用化されている。
ところで、ＰＭＳＭは、回転子の構造により、表面磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＳＰＭＳＭともいう）と埋込磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＩＰＭＳＭともいう）とに大別される。これらのうち、ＩＰＭＳＭにおいては、回転子の突極性と磁気飽和特性とを利用して磁極位置を演算する技術が実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１及び非特許文献１には、回転子の突極性（後述するｄ軸とｑ軸とでインダクタンスが異なる性質）を利用して磁極位置を演算する技術が開示されている。これらの文献によれば、回転子の磁極方向であるｄ軸と、制御装置側で推定したｄ軸（両文献ではｄｃ軸と表記）との間に角度誤差がある場合に、推定のｄ軸とこれと直交する推定のｑ軸（両文献ではｑｃ軸と表記）との間に、前記角度誤差に依存して発生する相互インダクタンスを利用して磁極位置を演算している。
具体的には、推定のｄ軸と平行方向のベクトルである高周波交番電圧を電動機に印加し、このときに推定のｑ軸方向に流れる高周波電流が零になるようにして磁極位置を演算しており、これにより、零速度を含む低速時における電動機のセンサレス制御を可能にしている。
【０００４】
しかし、回転子の突極性を利用して演算した磁極位置は、原理的に回転子のＮ極とＳ極とを判別できないため、１８０[deg]の誤差を持つことがある。
そこで、Ｎ極方向とＳ極方向とで電動機鉄芯の磁気飽和特性によるインダクタンス値に違いがあることを利用して、回転子のＮ極とＳ極とを判別することが考えられる。例えば、前述した非特許文献１では、推定のｄ軸のプラス方向、及び、推定のｄ軸のマイナス方向にパルス電圧を印加したときの電流応答を比較してＮ極方向とＳ極方向とを判別し、磁極位置を補正している。
また、特許文献２の請求項４では、特許文献１や非特許文献１に示した突極性を利用した磁極位置演算を行いながら、推定のｄ軸のプラス方向、及び、推定のｄ軸のマイナス方向に直流電流を通流し、このときの高周波電流からＮ極方向とＳ極方向とを判別して磁極位置を補正している。
上記により演算した磁極位置を利用して電動機を運転することで、電動機を安定に始動することができる。
【０００５】
一方、電動機鉄芯の磁気飽和特性を利用して回転子のＮ極とＳ極とを判別するためには、両者の違いを電流情報から検出できる必要がある。ところが、Ｎ極方向とＳ極方向とで磁気飽和特性の違いが小さい電動機の場合には、Ｎ極とＳ極とを判別するための電流情報が小さくなるので、電流検出回路の精度による制約から、磁極位置を正確に演算できないことがある。磁極位置が正確に演算できない場合、電動機のトルクを正確に制御することができず、運転不能に陥ったり、場合によっては制御系が不安定になったりすることがある。
【０００６】
上記の課題を解決するための技術は、特許文献３に開示されている。
特許文献３の実施例１では、磁極位置の演算が完了後に推定のｑ軸（同文献ではδ軸）の電流を一定に制御し、所定時間経過後の速度が所定値を超えない場合には、Ｎ極とＳ極との判別に失敗したと判断する。こうして判別の失敗を検出した場合には、推定のｄ軸（同文献ではγ軸）の初期値を所定の値だけ補正して磁極位置演算を再度実施している。
しかしながら、この従来技術では、Ｎ極とＳ極との判別の失敗を検知するために、電動機を加速する必要があり、始動時に電動機が逆転する恐れや、始動時間が長くなる恐れがある。
【０００７】
また、特許文献４には、同期機に回転高周波電圧を印加したときに流れる高周波電流から突極性と磁気飽和特性とを利用して磁極位置を演算する場合に、磁気飽和特性を確実に検出するための技術が示されており、その請求項１には、Ｎ極方向とＳ極方向とで高周波電流の振幅の差が所定のしきい値以上になるように、印加する高周波電圧の振幅を調整することが示されている。また、請求項８には、高周波電流の振幅の差が所定のしきい値を超える場合にのみ、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算を実行することが示されている。
【０００８】
【特許文献１】特許第３３１２４７２号公報（段落［００１４］〜［００４４］、図１，図５，図６等）
【特許文献２】特開２００２−１７１７９８号公報（請求項４，段落［００３３］〜［００３６］、図４等）
【特許文献３】特開２００７−６８２５５号公報（段落［００２６］〜［００２９］、図１等）
【特許文献４】特開２００７−１２４８３５号公報（請求項１，請求項８，段落［００１０］〜［００３６］、図１，図２等）
【非特許文献１】Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, Akihide Mashimo, and Kenji Endo，「Sensorless Torque Control of Salient-Pole Synchronous Motor at Zero-Speed Operation」，IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO.1, JANUARY 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４には、電動機に電力を供給する電力変換器の最大出力電圧や最大出力電流の制約がある時や、電動機の磁束密度が低いために磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が不可能であるといった場合の始動方法が開示されておらず、運転可能な電動機が限定されるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の解決課題は、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が不可能な場合であっても、磁極位置を確実に演算可能として電動機を確実に始動できるようにした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する第１の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第１の磁極位置から第２の磁極位置を演算する第２の磁極位置演算手段と、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第２の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第１の始動手段を選択し、第２の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第２の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第１の始動手段は、第２の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第２の始動手段は、電動機の電流をベクトルとしてとらえ、所定の期間、電流ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
これにより、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が困難な場合でも、電動機を確実に始動することができる。
【００１２】
請求項２に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する第１の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第１の磁極位置から第２の磁極位置を演算する第２の磁極位置演算手段と、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第２の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第１の始動手段を選択し、第２の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第２の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第１の始動手段は、第２の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第２の始動手段は、電動機の端子電圧をベクトルとしてとらえ、所定の期間、端子電圧ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、端子電圧ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
本発明によれば、請求項１における第２の始動手段の構成を簡略化することができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する第１の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第１の磁極位置から第２の磁極位置を演算する第２の磁極位置演算手段と、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第２の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第１の始動手段を選択し、第２の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第２の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第１の始動手段は、第２の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第２の始動手段は、第１の磁極位置演算値の直交方向を第３の磁極位置演算値として求める手段と、第３の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
本発明によれば、請求項１の発明における第２の始動手段の特性を改善し、磁極位置合わせに要する時間を短縮することができる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において、
第２の磁極位置演算手段は、
第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＮ極方向に直流電流を通流するプラスｄ軸通流手段と、
第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＳ極方向に直流電流を通流するマイナスｄ軸通流手段と、
第１の磁極位置演算値と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
この高周波電圧により第１の磁極位置演算値と平行方向に流れる高周波電流であるγ軸高周波電流を検出する手段と、
回転子永久磁石のＮ極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるプラスｄ軸高周波電流と、回転子永久磁石のＳ極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるマイナスｄ軸高周波電流と、の大小関係に応じて第１の磁極位置演算値を補正することにより第２の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスｄ軸高周波電流と前記マイナスｄ軸高周波電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第２の磁極位置演算が可能と判定するものである。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した制御装置において、
第２の磁極位置演算手段は、
第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＮ極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるプラスｄ軸パルス電流と、第１の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のＳ極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるマイナスｄ軸パルス電流と、の大小関係に応じて第１の磁極位置演算値を補正することにより第２の磁極位置演算値を求める手段を備え、
第２の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスｄ軸パルス電流と前記マイナスｄ軸パルス電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第２の磁極位置演算が可能と判定するものである。
本発明によれば、請求項１の発明における第２の磁極位置演算手段を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転子の突極性及び磁気飽和特性を利用する磁極位置演算手段を備えた制御装置において、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が不可能である場合にも、磁気飽和特性を利用せずに磁極位置を演算可能として電動機を確実かつ安定して始動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、ＰＭＳＭは、回転子のｄ軸（回転子の磁極方向）とｄ軸から９０度進んだｑ軸とに従って電流制御を行うことにより、高精度なトルク制御を実現可能である。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合にはｄ，ｑ軸を直接検出できないので、ｄ，ｑ軸に対応して角速度ω１（＝速度演算値）で回転する直交回転座標系のγ，δ軸を制御装置側に推定して制御演算を行っている。ここで、γ，δ軸の角度（＝磁極位置演算値）をθ１と定義する。
上記γ，δ軸の定義を図７に示す。なお、図７において、ωｒはｄ，ｑ軸の回転角速度、θｅｒｒはｄ，ｑ軸とγ，δ軸との角度誤差（位置演算誤差）である。なお、便宜的に、γ軸方向を推定磁極位置に平行な方向、δ軸方向を推定磁極位置に直交する方向というものとする。
【００１８】
図６は、本発明の実施形態において、回転子の突極性を利用して第１の磁極位置演算を実現するための制御ブロック図である。以下に、この制御ブロック図において磁極位置演算のために電動機に高周波交番電圧を印加する方法について説明する。
まず、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機８０を駆動する主回路について説明すると、５０は三相交流電源であり、整流回路６０は電源５０の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はＰＷＭインバータからなる電力変換器７０に供給され、電動機８０を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。
【００１９】
次に、制御装置の構成及び作用は以下の通りである。
電流座標変換器１４は、電力変換器７０の出力側のｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗによりそれぞれ検出した相電流検出値ｉｕ，ｉｗを、磁極位置演算値θ１に基づいて前記γ，δ軸上の電流検出値ｉγ，ｉδに座標変換する。
ノッチフィルタ２３は、γ，δ軸電流検出値ｉγ，ｉδから、磁極位置演算のために重畳する高周波交番電圧によって流れる高周波電流を除去し、γ，δ軸基本波電流ｉγｆ，ｉδｆを検出する。
【００２０】
γ軸電流指令値ｉγ＊とγ軸基本波電流ｉγｆとの偏差を減算器１９ａにより演算し、この偏差をγ軸電流調節器２０ａによって増幅することによりγ軸基本波電圧指令値ｖγｆ＊を演算する。一方、δ軸電流指令値ｉδ＊とδ軸基本波電流ｉδｆとの偏差を減算器１９ｂにより演算し、この偏差をδ軸電流調節器２０ｂによって増幅することによりδ軸基本波電圧指令値ｖδｆ＊を演算する。ここで、γ，δ軸電流指令値ｉγ＊，ｉδ＊は、共に零としておく。
【００２１】
高周波電圧演算器２１は、振幅が高周波電圧振幅指令値Ｖγｈ＊に等しく、周期がＴｈである矩形波の高周波交番電圧指令値ｖγｈ＊を演算する。
加算器２２により、γ軸電流調節器２０ａから出力されたγ軸基本波電圧指令値ｖγｆ＊に前記高周波交番電圧指令値ｖγｈ＊を重畳してγ軸電圧指令値ｖγ＊を求める。一方、δ軸電圧指令値ｖδ＊については、δ軸電流調節器２０ｂから出力される基本波電圧指令値ｖδｆ＊に制御する。
γ，δ軸電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊は電圧座標変換器１５に入力され、磁極位置演算値θ１に基づいて三相の相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に変換される。
【００２２】
電圧検出器１２により検出した電力変換器７０の直流入力電圧Ｅｄｃと上記相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊とがＰＷＭ回路１３に入力され、電力変換器７０の半導体スイッチング素子をオンオフするためのゲート信号を生成する。電力変換器７０は、このゲート信号に基づいて半導体スイッチング素子をオンオフ制御することにより、永久磁石形同期電動機８０の端子電圧が相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御される。
【００２３】
次に、この実施形態における第１の磁極位置演算の原理を説明する。なお、この原理は、前述した特許文献１及び非特許文献１に記載されているものと同様である。
ＰＭＳＭが停止している場合において、γ軸に平行な方向に矩形波の高周波交番電圧を印加したときの高周波成分の状態方程式は、電機子抵抗を無視できる場合、数式１のようになる。
【００２４】
【数１】
0005282443.tif 000002
【００２５】
このときに流れるγ，δ軸高周波電流の振幅は、数式１の状態方程式における高周波交番電圧ｖγｈの１／２周期の積分より、数式２のようになる。
【００２６】
【数２】
0005282443.tif 000003
【００２７】
数式２より、γ軸に平行な方向に高周波交番電圧ｖγｈを印加すると、このときのδ軸高周波電流振幅Ｉδｈは、角度誤差θｅｒｒの２倍周期で変化することが明らかである。図８に、角度誤差θｅｒｒとγ，δ軸高周波電流振幅Ｉγｈ，Ｉδｈとの関係を示す。
以上の結果から、δ軸高周波電流振幅Ｉδｈを入力とするＰＬＬ回路を構成し、δ軸高周波電流振幅Ｉδｈを零に制御することで、角度誤差θｅｒｒを零、または１８０度として磁極位置演算値θ１を真値に収束させることができる。
【００２８】
次に、図６の制御ブロック図による第１の磁極位置演算の動作を説明する。
バンドパスフィルタ２４は、γ，δ軸電流検出値ｉγ，ｉδから高周波交番電圧ｖγｈと同じ周波数のγ，δ軸高周波電流振幅Ｉγｈ，Ｉδｈを演算する。速度演算器２５では、δ軸高周波電流振幅Ｉδｈに基づき比例積分演算を行って速度演算値ω１を求める。また、  電気角演算器２６は、速度演算値ω１を積分して磁極位置演算値θ１を求める。
これらの演算によってδ軸高周波電流振幅Ｉδｈを零に収束させるＰＬＬ回路が構成されるため、磁極位置θ１を演算することができる。
なお、上記のように回転子の突極性を利用して求めた磁極位置θ１を、便宜的に第１の磁極位置というものとする。
【００２９】
次いで、図６の制御ブロック図による第１の磁極位置演算に加えて、電動機鉄芯の磁気飽和特性を利用した第２の磁極位置演算を行うための第１実施例を説明する。
図１は、この第１実施例を示す制御ブロック図であり、請求項１，請求項４に係る発明に相当する。
既に説明したように、回転子の突極性を利用して求めた磁極位置演算値は、１８０［ｄｅｇ］の誤差を持つことがある。そこで、この第１実施例は、図６の制御ブロック図により、突極性を利用して求めた第１の磁極位置演算値を、前述の特許文献２に記載された技術により磁気飽和特性を利用して誤差補正することにより、第２の磁極位置演算値を求めるようにしたものである。そして、第２の磁極位置演算が可能であるか否かを判断し、可能である場合は第２の磁極位置演算値を使って電動機８０を運転し、第２の磁極位置演算が不可能である場合には、これを使わずに運転するようにした。
【００３０】
図１の制御ブロック図において、図６と共通する部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図６と異なる箇所を中心に説明する。
図１において、電流指令値発生器３１は、γ軸電流指令値ｉγ＊を正の一定値（＋ＩｄＮＳ＊）に、続いて、負の一定値（−ＩｄＮＳ＊）に設定することで、第１の磁極位置演算値θ１に基づいてγ軸電流ｉγを正負に制御する。
【００３１】
図９に示すように、電流を回転子永久磁石のＮ極方向であるプラスｄ軸方向に流した場合、回転子の永久磁石の磁束と電流によって発生する磁束とが合成されるため、電動機の鎖交磁束は増加する。この結果、磁束の増加に伴う電動機鉄芯の磁気飽和により、ｄ軸インダクタンスが減少する。
一方、電流を回転子永久磁石のＳ極方向であるマイナスｄ軸方向に流した場合、回転子永久磁石の磁束と電流によって発生する磁束とが相殺されるため、電動機の鎖交磁束が減少する。この結果、ｄ軸インダクタンスが増加する。
これらのことから、電流指令値発生器３１によりγ軸電流ｉγを正に制御した時、及び、負に制御した時のγ軸インダクタンスを比較すれば、真のｄ軸を検出することができる。なお、γ軸インダクタンスは、電動機に高周波交番電圧を印加したときに流れる高周波電流の大きさ、または、パルス電圧を印加したときの電流の大きさから検出可能である。
【００３２】
上述した原理より、図１におけるＮＳ判別器３２は、γ軸電流ｉγを正に制御した時と負に制御した時のγ軸高周波電流Ｉγｈ（それぞれをプラスｄ軸高周波電流ＩγｈＰ，マイナスｄ軸高周波電流ＩγｈＭというものとする）を比較し、その大小関係から、第１の磁極位置演算値θ１の補正値θＮＳを数式３により演算する。
【００３３】
【数３】
0005282443.tif 000004
【００３４】
図１における加算器３３は、第１の磁極位置演算値θ１と前記補正値θＮＳとを加算して第２の磁極位置演算値θ１０を演算し、サンプルホールド回路３４ａの出力として保持する。
また、サンプルホールド回路３４ｂの出力である速度初期値ω１０は、速度演算値ω１を保持する。
始動方法選択器３５は、γ軸高周波電流ＩγｈＰ，ＩγｈＭの偏差を所定値と比較し、その結果に基づいて第１または第２の始動方法を選択すると共に、この結果を始動方法選択信号としてサンプルホールド回路３４ｃに記憶する。
更に、回転子の突極性を利用して求めた第１の磁極位置演算値θ１を記憶するサンプルホールド回路３４ｄの出力をθ１０１とする。
【００３５】
γ軸高周波電流ＩγｈＰ，ＩγｈＰの偏差が所定値よりも大きい場合には、第２の磁極位置演算値θ１０が正確に演算できると判定する。この場合には、始動方法選択信号により、第２の磁極位置演算値θ１０と速度演算値ω１とを初期値として電動機８０を運転する運転方法を第１の始動方法として選択する。第１の始動方法は任意であり、例えば、非特許文献１に記載されているセンサレス制御技術による運転方法とする。
【００３６】
一方、γ軸高周波電流ＩγｈＰ，ＩγｈＰの偏差が所定値よりも小さく、第２の磁極位置演算値θ１０が正確に演算できないと判定した場合は、始動方法選択信号により、第２の磁極位置演算値θ１０を使用しないで電動機８０を運転する運転方法を第２の始動方法として選択する。この第２の始動方法についても任意であり、例えば、特開２００１−１９００９３号公報に記載されている技術を利用する。
具体的には、電流の振幅を零でない一定値に制御することで、電流ベクトルに回転子を引き込んで電流ベクトルに磁極位置を一致させる（以下、電流ベクトルに磁極位置を一致させる処理を「磁極位置合わせ」と呼ぶ。）。次に、電流ベクトルの速度を速度指令値に制御することで回転子を電流ベクトルに引き込んで電動機を運転する（以下、この制御方法を「電流引き込み制御」と呼ぶ）。
【００３７】
図２は、上述した特開２００１−１９００９３号公報に記載されている電流引き込み制御技術を利用した、第２の始動方法を実現するための制御ブロック図である。
図２において、γ軸電流指令値ｉγ＊を零でない一定値Ｉγ＊に設定することで、γ軸電流ｉγの振幅をＩγ＊に制御する。一方、δ軸電流指令値ｉδ＊を零に設定し、δ軸電流ｉδを零に制御する。
磁極位置合わせを行うため、運転開始から所定の時間は、切替器４０を切り替えることにより、速度指令値ω１として、図１のサンプルホールド回路３４ｂの出力である速度初期値ω１０を設定する。電気角演算器２６は、電気角の初期値を零として、速度指令値ω１を積分することにより電気角θ１を演算する。これらの処理により、電流ベクトルの速度が回転子速度にほぼ等しく制御され、回転子が回転している状態でも、磁極位置合わせを速やかに実施することができる。
【００３８】
所定の時間が経過して磁極位置合わせが完了したら、切替器４０により、速度指令値ω１を速度指令値ω＊＊に制御する。この速度指令値ω＊＊は、変化率制限器（図では、ＨＬＲ）４１によって速度指令値ω＊の単位時間当たりの変化率を制限することにより演算する。なお、変化率制限器４１の初期値は速度演算値ω１０とする。
これらの処理により、電流ベクトルの速度がω１０からω＊まで所定の変化率で増加し、回転子が電流ベクトルに引き込まれて加速されるので、電動機８０の速度を速度指令値ω＊に制御することができる。
【００３９】
図１の始動方法選択器３５による始動方法の選択処理は、始動時に毎回行っても良いが、装置の実運用前に試運転を行い、このときに選択された始動方法を記憶しておき、実運用時には、記憶した始動方法を選択するようにしても良い。
【００４０】
次に、本発明の第２実施例について説明する。この第２実施例は、上述した第１実施例における第２の始動方法を簡単にしたものであり、請求項２に係る発明に相当する。
図３は、第２実施例において、第２の始動方法を実現するための制御ブロック図であり、以下では、図２と異なる部分を中心に説明する。
【００４１】
図３において、速度指令値ω１をｆ／ｖ変換器４２に入力することにより、γ軸電圧指令値ｖγ＊の振幅を速度指令値ω１にほぼ比例させながら一定期間にわたり零でない値に制御し、δ軸電圧指令値ｖδ＊は零に制御する。
これにより、端子電圧ベクトルの速度を速度指令値ω１に制御でき、端子電圧ベクトルによって発生する電流ベクトルに電動機８０の回転子が引き込まれるので、第１実施例と同様に電動機８０を始動することができる。
【００４２】
次いで、本発明の第３実施例を説明する。この第３実施例は請求項３に係る発明に相当しており、前述した第１実施例における第２の始動方法の特性を、本出願人による先願（特願２００７−２７９７９５号）に記載された技術を利用して改善したものである。
【００４３】
図４は、第３実施例において、第２の始動方法を実現するための制御ブロック図であり、図２と異なるのは、電気角演算器２６の初期化方法のみである。
まず、図１において、回転子の突極性を利用した第１の磁極位置演算により求めた磁極位置演算値θ１をサンプルホールド回路３４ｄに記憶し、その出力をθ１０１とする。
【００４４】
次に、図４に示す制御ブロック図では、上記のθ１０１を磁極位置初期値とし、加算器３６により磁極位置初期値θ１０１に９０［ｄｅｇ］を加算して得た第３の磁極位置演算値θ１０３を、電気角演算器２６の出力である電気角θ１の初期値とする。ここで、δ軸電流指令値ｉδ＊は零に制御されるので、電動機８０の電流ベクトルは磁極位置θｒに対して直交する方向に制御される。
本実施例によれば、電気角θ１と磁極位置θｒとの角度誤差θｅｒｒを９０［ｄｅｇ］以下にできるため、磁極位置合わせに要する時間を短縮することができる。
【００４５】
次に、本発明の第４実施例を説明する。この第４実施例は請求項５に係る発明に相当しており、前述した第１実施例における第２の磁極位置演算方法を、非特許文献１に記載された技術を適用して簡略化したものである。
図５は、第４実施例において第２の磁極位置演算値θ１０を求めるための制御ブロック図であり、図１と同一の箇所には同一の符号を付してある。
【００４６】
図５において、パルス発生器３７は、正極性のパルス電圧と負極性のパルス電圧とを発生し、これをγ軸電圧指令値ｖγ＊に設定する。一方、δ軸電圧指令値ｖδ＊は零とする。また、電気角演算器２６に入力する速度演算値ω１は、零に設定する。
ＮＳ判別器３２は、γ軸に正極性のパルス電圧及び負極性のパルス電圧を印加したときのγ軸電流ｉγ（それぞれをプラスｄ軸パルス電流ＩγＰ，マイナスｄ軸パルス電流ＩγＭというものとする）の大小関係から、第１の磁極位置演算値θ１の補正値θＮＳを数式４により演算する。
【００４７】
【数４】
0005282443.tif 000005
【００４８】
始動方法選択器３５は、γ軸に正極性のパルス電圧及び負極性のパルス電圧を印加したときのγ軸電流ＩγＰ，ＩγＭの偏差から始動方法を選択し、この結果を始動方法選択信号としてサンプルホールド回路３４ｃに記憶する。
γ軸電流ＩγＰ，ＩγＭの偏差が所定値よりも大きい場合には、第２の磁極位置演算値θ１０が正確に演算できると判定する。この場合には、第２の磁極位置演算値θ１０と速度演算値ω１とを初期値として電動機８０を運転する運転方法を第１の始動方法として選択する。
一方、γ軸電流ＩγＰ，ＩγＭの偏差が所定の値よりも小さく、第２の磁極位置演算値θ１０が正確に演算できないと判定した場合は、第２の磁極位置演算値θ１０を使用しない運転方法を第２の始動方法として選択する。
ここで、第２の始動方法には、前述した第１実施例、第２実施例または第３実施例に示した方法を適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施例を示す制御ブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例における第２の始動方法を実現するための制御ブロック図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す制御ブロック図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す制御ブロック図である。
【図５】本発明の第４実施例を示す制御ブロック図である。
【図６】本発明の実施形態において、第１の磁極位置演算を実現するための制御ブロック図である。
【図７】γ，δ軸の定義を示すベクトル図である。
【図８】γ軸に平行な方向に高周波交番電圧を印加したときの、角度誤差とγ，δ軸高周波電流振幅との関係を示す図である。
【図９】ｄ軸電流と鎖交磁束及びｄ軸インダクタンスとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１１ｕ  ｕ相電流検出器
１１ｗ  ｗ相電流検出器
１２  電圧検出器
１３  ＰＷＭ回路
１４  電流座標変換器
１５  電圧座標変換器
１９ａ，１９ｂ  減算器
２０ａ  γ軸電流調節器
２０ｂ  δ軸電流調節器
２１  高周波電圧演算器
２２  加算器
２３  ノッチフィルタ
２４  バンドパスフィルタ
２５  速度演算器
２６  電気角演算器
３１  電流指令値発生器
３２  ＮＳ判別器
３３  加算器
３４ａ〜３４ｄ  サンプルホールド回路
３５  始動方法選択器
３６  加算器
３７  パルス電圧発生器
４０  切替器
４１  変化率制限器
４２  ｆ／ｖ変換器
５０  三相交流電源
６０  整流回路
７０  電力変換器
８０  永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）
【図１】
0005282443.tif 000006
【図２】
0005282443.tif 000007
【図３】
0005282443.tif 000008
【図４】
0005282443.tif 000009
【図５】
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【図６】
0005282443.tif 000011
【図７】
0005282443.tif 000012
【図８】
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【図９】
0005282443.tif 000014