(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧ベクトル指令とトリガ信号を出力するとともに、３相以上の巻線を持つ同期機の空転状態における回転状態を出力する演算手段と、上記電圧ベクトル指令に基づいて上記同期機の各相に電圧を印加する回路手段と、上記トリガ信号に基づいて上記同期機の電流を検出し、検出された電流値を上記演算手段へ出力する検出手段とを備えるものであって、上記演算手段は、上記同期機の各相を短絡させる電圧ベクトルを出力することにより、上記同期機の各相を短絡させるとともに、少なくとも１回の短絡に対して、複数のトリガ信号を出力して上記検出手段から複数回、電流値を得、回転状態を演算することを特徴とする同期機の回転状態検出装置。
【請求項２】
演算手段は、トリガ信号が出力される度に検出手段から得られる電流値に対して電流振幅値を演算し、上記電流振幅値が所定の値に到達するまでの時間に基づいて回転速度の大きさを演算することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項３】
演算手段は、電流振幅値が所定の値に到達した後に、回路手段に出力する電圧ベクトルを同期機の各相を短絡させる電圧ベクトルから上記電流振幅値を零にする電圧ベクトルに変更することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項４】
演算手段は、短絡開始から最大待機時間を経過しても電流振幅値が所定の値に到達しない場合、同期機は空転していないと判断し、回転速度を零として出力することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項５】
演算手段は、１回の短絡に対して少なくとも２回以上検出された電流値に基づいて回転速度の符号を演算することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項６】
演算手段は、同期機の巻線インダクタンスの突極比が２より大きい場合は、突極比が２より小さい場合に行う回転速度の符号の演算結果に対して異符号になるように回転速度の符号を演算することを特徴とする請求の範囲第５項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項７】
演算手段は、検出手段から得られた電流値を少なくとも２種類以上の演算電流に変換し、この演算電流の符号に基づいて電流位相を演算し、回転速度の符号に基づいて上記電流位相に所定の値を加算或いは減算することによって回転位置を出力することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項８】
演算手段は、トリガ信号が出力される度に検出手段から得られる電流値に対して電流振幅値を演算し、上記電流振幅値が所定の値に到達するまでの時間に基づいて回転速度の大きさを演算すると共に、１回の短絡に対して少なくとも２回以上検出された電流値に基づいて回転速度の符号を演算することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の同期機の回転状態検出装置。
【請求項９】
３相以上の巻線を持つ同期機の空転状態における回転状態を検出するにあたって、上記同期機の各相を短絡させる電圧ベクトルを出力することにより、上記同期機の各相を短絡させるとともに、少なくとも１回の短絡に対して、上記同期機の電流を複数回検出し、検出された電流値より回転状態を演算することを特徴とする同期機の回転状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、同期機の回転状態検出装置および同期機の回転状態検出方法に関するものであり、特に、エンコーダ等の位置検出器を用いることなく、空転状態における同期機の回転状態を検出する装置および方法に関するものである。
背景技術
同期電動機等の同期機を駆動するには、回転子の回転速度と回転位置に関する情報が不可欠である。エンコーダ等の位置検出器を用いれば、回転子の回転位置を得ることが可能であり、また、回転位置の変化率から回転速度も得ることが可能である。しかしながら、位置検出器は高価であり、またこれを利用する場合、複雑な配線が必要になるという欠点がある。そこで、位置検出器を用いないで同期電動機を駆動する手法が多数発明されている。これらの手法は同期電動機の電流に基づいて、同期電動機に印加する電圧を制御するものであり、基本的には停止状態から同期電動機の駆動を開始するものである。
なお、位置検出器を利用しないで空転状態から同期電動機を駆動する場合、起動時の回転速度及び回転位置の初期値が不可欠となる。電圧検出器を備えれば、空転状態における誘起電圧から回転速度と回転位置を容易に得ることが可能であるが、この場合、電圧検出器が余分に必要となるため、装置全体のコストが増してしまう。
そこで、位置検出器や電圧検出器を用いないで空転状態から同期電動機の駆動を開始するために、同期電動機の端子を全相短絡させて回転速度及び回転位置を検出する技術が考案されている。
第１８図は例えば特開平１１−７５３９４号公報に示された従来の同期電動機の回転速度・回転位置検出装置を示すブロック構成図である。
図において、１は３相巻線を持つ埋込磁石型の同期電動機、２は電圧ベクトル指令とトリガ信号を出力するとともに、空転状態における回転速度と回転位置を出力する演算手段、３は上記電圧ベクトル指令に基づいて同期電動機１の各相に電圧を印加する回路手段、４は上記トリガ信号に基づいて同期電動機１の電流を検出し、その電流を上記演算手段２へ出力する検出手段である。
次に、空転状態における回転子の回転速度及び回転位置の検出方法について説明する。以下では、空転状態における回転速度ω［ｒａｄ／ｓ］（電気角速度）は一定値、電流の初期値は０とし、巻線抵抗は無視する。厳密には、回転子が空転状態で、同期電動機１の端子を全相短絡させるとトルクが発生するため、回転速度ωが変化する。しかし、短絡期間が短い場合には回転速度ωの変化を無視することが出来るので、ωを一定値として扱っても良い。また、短絡期間が短い場合、巻線抵抗による波形の減衰も小さいため、その値も無視することが出来る。更に、回路手段３に適切な電圧ベクトル指令を与えれば短絡開始時の電流の初期値は０となる。なお、回路手段３に与える電圧ベクトル指令については後述する。
短絡開始からｔ秒後の回転子磁束に同期して回転する回転座標軸（ｄ−ｑ軸）上では次式が成り立つ。
0004420170.tif 000002
但し、  ｉｄ：電流のｄ軸成分
ｉｑ：電流のｑ軸成分
Ｌｄ：巻線インダクタンスのｄ軸成分
Ｌｑ：巻線インダクタンスのｑ軸成分
φ：回転子磁束
一方、静止座標軸（ａ−ｂ軸）上の電流と回転座標軸（ｄ−ｑ軸）上の電流の間には次式が成り立つ。
0004420170.tif 000003
但し、ｉａ：電流のａ軸成分
ｉｂ：電流のｂ軸成分
従って、短絡開始からＴ０秒後に検出した電流ｉａ，ｉｂを、ｉａ０１，ｉｂ０１と定義する時、電流振幅値Ｉｓについて次式が成り立つ。
0004420170.tif 000004
但し、Ｔ０：０＜｜ω｜×Ｔ０＜π／２を満足する所定の値
電流振幅値Ｉｓと回転速度の絶対値｜ω｜の関係は（３）式から導出可能であり、その関係を第１９図に示す。第１９図の関係を予め記憶しておけば、電流振幅値Ｉｓから一意に回転速度の絶対値｜ω｜を得ることが可能である。しかしながら、（３）式から回転速度の絶対値は導出できるが、その回転方向は不明である。そこで、回転子が最大速度（規定値）にて回転する際に電気角で１８０度進む時間よりも短い期間、上記３相巻線を短絡させる電圧ベクトルから電流振幅を零にする電圧ベクトルに変更して、電流の値を０に戻す。引き続き、２回目の全相短絡を行い、２回目の短絡開始からＴ０後における電流を検出する。この時検出した電流ｉａとｉｂを、ｉａ０２，ｉｂ０２と定義する。そして、１回目の短絡開始からＴ０後の電流位相θｃ０１と、２回目の短絡開始からＴ０後の電流位相θｃ０２の大小関係から回転速度の符号を判断する。
電流位相θｃ０１は、（４）式を演算することによって得ることができる。
0004420170.tif 000005
同様に、電流位相θｃ０２は、（５）式を演算することによって得ることができる。
0004420170.tif 000006
そして、θｃ０１とθｃ０２の差分の符号からωの符号を判断する。
以上によって回転速度ωが検出できる。
一方、２回目の短絡開始からＴ０後におけるｄ−ｑ軸上の電流を、それぞれｉｄ０２，ｉｑ０２と定義する時、回転位置θについて（６）式の関係が成り立つ。
0004420170.tif 000007
ｉｄ０２及びｉｑ０２の値は、検出した回転速度ωと短絡時間Ｔ０を（１）式に代入することにより演算可能である。即ち、検出した回転速度ωと短絡時間Ｔ０と（６）式から、回転位置θの演算が可能である。
以上の原理により、上記従来装置においては、演算手段２より３相巻線を短絡させる電圧ベクトルを２回出力し、短絡する度に同期電動機１の電流を１回検出し、検出された複数の電流検出値を用いて、空転状態の同期電動機の回転速度及び回転位置を検出することが可能である。
従来装置についてさらに詳細に説明する。
第２０図は、第１８図に示す従来装置における回路手段３の構成図であり、図において、５はゲート信号Ｑ１に基づいてオン、オフされる半導体スイッチ（例えばＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ，絶縁ゲート形バイポラトランジスタ）、６はゲート信号Ｑ２に基づいてオン、オフされる半導体スイッチ、７はゲート信号Ｑ３に基づいてオン、オフされる半導体スイッチ、８はゲート信号Ｑ４に基づいてオン、オフされる半導体スイッチ、９はゲート信号Ｑ５に基づいてオン、オフされる半導体スイッチ、１０はゲート信号Ｑ６に基づいてオン、オフされる半導体スイッチ、１１は電位差Ｅｄの直流電圧源である。
次に上記回路手段３の動作について説明する。
回路手段３は次の８通りのスイッチングモードを持つ。
0004420170.tif 000008
Ｖ７とＶ８は大きさが０の電圧ベクトルであり、この時の同期電動機１の端子は全相短絡となる。即ち、Ｖ７とＶ８は３相巻線を短絡させる電圧ベクトルである。Ｖ１〜Ｖ６は６０度つづ位相差を持つベクトルであり、Ｖ１〜Ｖ６の大きさは同じである。また、スイッチングモードＶ０にすると、同期電動機１の各相を流れる電流は、回路手段３内部では、直流電圧源１１を充電する方向に流れ、各相を流れる電流が０に減衰した時点で同期電動機１の電流の値は０に戻る。即ち、スイッチングモードをＶ０にすることにより、静止状態、空転状態を問わず同期電動機１の電流の値を０に戻すことが可能である。
第２１図は検出手段４の構成図であり、図において、１２はＵ相電流を検出する電流検出器、１３はＶ相電流を検出する電流検出器、１４はＷ相電流を検出する電流検出器、１５はトリガ信号の立ち上がり時刻に検出器１２から得られた信号をサンプルホールドし、アナログ信号をデジタル信号に変換してＵ相電流検出値を出力する信号変換器、１６はトリガ信号の立ち上がり時刻に検出器１３から得られた信号をサンプルホールドし、アナログ信号をデジタル信号に変換してＶ相電流検出値を出力する信号変換器、１７はトリガ信号の立ち上がり時刻に検出器１４から得られた信号をサンプルホールドし、アナログ信号をデジタル信号に変換してＷ相電流検出値を出力する信号変換器である。
以上の構成により検出器４はトリガ信号の立ち上がり時刻に各相の電流をサンプリングし、デジタル信号に変換して出力する。
第２２図は演算手段２の構成図であり、図において、１８は検出電流を入力する入力回路、１９はＣＰＵ、２０はプログラムを記憶するメモリ、２１は電圧ベクトル指令を出力する出力回路、２２はトリガ信号を出力する出力回路、２３は回転位置θ及び回転速度ωを出力する出力回路である。
第２３図は演算手段２が回路手段３へ出力する電圧ベクトル指令におけるスイッチングモード、演算手段２において演算される電流振幅値Ｉｓ、および演算手段２が検出手段４へ出力するトリガ信号と時刻との関係の一例を示す図である。第２３図において、時刻ｔ０で演算手段２は、それまで出力回路２１から回路手段３へ出力していたスイッチングモードをＶ０からＶ７に変更する。そして、所定の期間Ｔ０を経過した時点（時刻ｔ１）で、演算手段２は回路手段３へ出力していたスイッチングモードをＶ７からＶ０に変更すると同時にトリガ信号を出力回路２２から出力する。
検出手段４は、トリガ信号の立ちあがり時刻、即ち時刻ｔ１におけるＵ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれの電流を演算手段２へ出力する。そして、入力回路１８からｉｕ，ｉｖ，ｉｗを入力した後、予めメモリ２０に記憶してあるプログラムをＣＰＵ１９によって実行する。
なお、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれの電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとｉａ，ｉｂとの間には（７）式の関係が成り立つ。
0004420170.tif 000009
そこで演算手段２は、（３），（４），（７）式に従って、ｉａ０１、ｉｂ０１、θｃ０１、Ｉｓを演算する。そして、Ｉｓと予め記憶しておいた第１９図の関係に基づいて回転速度の絶対値｜ω｜を求め、θｃ０１と｜ω｜を記憶する。
回路手段３がスイッチングモードＶ０を出力した後、回路手段３内部では、各相を流れる電流が直流電圧源１１を充電する方向に流れ、同期電動機１の電流の値は０に戻る（時刻ｔ２）。その後、回転子が最大速度（規定値）にて回転する際に電気角で１８０度進む時間よりも短い期間を経過した後（時刻ｔ３）、演算手段２は、回路手段３へ出力していたスイッチングモードを再び、Ｖ０からＶ７に変更する。そして、所定の期間Ｔ０を経過した時点（時刻ｔ４）で、演算手段２は回路手段３へ出力していたスイッチングモードをＶ７からＶ０に変更すると同時にトリガ信号を出力する。検出手段４は、トリガ信号の立ちあがり時刻、即ち時刻ｔ４におけるＵ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれの電流を演算手段２へ出力する。そこで演算手段２は、（５）式と（７）式に従ってｉａ０２、ｉｂ０２、θｃ０２を演算し、θｃ０１とθｃ０２の大小関係から回転速度ωの符号を決定すると同時に（１）式と（６）式を利用して、回転位置θを演算する。以上の処理によって得られたω及びθを演算手段２は出力回路２３より回転速度及び回転位置として出力する。
従来の同期電動機の回転速度・回転位置検出装置においては、次のような問題があった。
１回の短絡では、回転速度の符号を検出できないため、回転速度の符号を検出するためには短絡を２回行う必要があった。また、回転位置の検出には回転速度の符号が不可欠であるので、回転位置を検出するためにも短絡を２回行う必要があった。即ち、回転速度と回転位置の検出に短絡を２回行う必要があったので、回転速度と回転位置の検出に時間を要し、起動開始までに時間がかかるといった問題があった。
また、短絡する期間を一定に設定しているため、回転速度が低い空転では、検出電流の値が小さくなってしまう。この結果、検出ノイズやＡＤ変換器の桁落ち等の影響を受け、検出精度が劣化してしまう問題があった。また、この問題を解決するために、検出電流の値が小さい場合は、短絡期間を長く設定しなおして再度検出する手法が考案されているが、この場合、検出回数が増えるので、回転速度と回転位置の検出に時間を要し、起動開始までに時間がかかるといった問題があった。
さらに、回転位置θを演算する過程において、回転位置θと電流位相θｃ０２との位相差は回転速度に応じて変化するために、その都度演算しなければならず時間がかかるといった問題があった。また、この演算は逆正接関数を利用するので、複雑な演算を必要とするといった問題があった。
この発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、同期機の回転状態を短時間で検出できる装置および方法を提供することを目的とするものであり、さらには回転状態を、精度よく、かつ容易に検出できる装置を提供することを目的とするものである。
発明の開示
この発明に係る第１の同期機の回転状態検出装置は、電圧ベクトル指令とトリガ信号を出力するとともに、３相以上の巻線を持つ同期機の空転状態における回転状態を出力する演算手段と、上記電圧ベクトル指令に基づいて上記同期機の各相に電圧を印加する回路手段と、上記トリガ信号に基づいて上記同期機の電流を検出し、検出された電流値を上記演算手段へ出力する検出手段とを備えるものであって、上記演算手段は、上記同期機の各相を短絡させる電圧ベクトルを出力することにより、上記同期機の各相を短絡させるとともに、少なくとも１回の短絡に対して、複数のトリガ信号を出力して上記検出手段から複数回、電流値を得、回転状態を演算するものである。
これによれば、回転状態を短時間で検出できるようになり、起動開始までの時間を短縮できる効果がある。
この発明に係る第２の同期機の回転状態検出装置は、第１の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、トリガ信号が出力される度に検出手段から得られる電流値に対して電流振幅値を演算し、上記電流振幅値が所定の値に到達するまでの時間に基づいて回転速度の大きさを演算するものである。
これによれば、回転速度が低い空転時に検出電流の値が小さくなることを防止し、検出ノイズやＡＤ変換器の桁落ち等の影響を受けずに検出精度を保つことが可能な上に、短絡期間を長く設定しなおして再度検出する必要がないため、回転状態を短時間で検出できるようになる。
この発明に係る第３の同期機の回転状態検出装置は、第２の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、電流振幅値が所定の値に到達した後に、回路手段に出力する電圧ベクトルを同期機の各相を短絡させる電圧ベクトルから上記電流振幅値を零にする電圧ベクトルに変更するものである。
これによれば、回転速度が低い空転時でも電流振幅値を所定の値に到達させることが可能である。
この発明に係る第４の同期機の回転状態検出装置は、第２の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、短絡開始から最大待機時間を経過しても電流振幅値が所定の値に到達しない場合、同期機は空転していないと判断し、回転速度を零として出力するものである。
これによれば、同期機が空転していない場合に速やかに回転状態の検出を終了することが出来る効果がある。
この発明に係る第５の同期機の回転状態検出装置は、第１の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、１回の短絡に対して少なくとも２回以上検出された電流値に基づいて回転速度の符号を演算するものである。
これによれば、１回の短絡で回転速度の符号が演算できるので、回転速度の検出時間を短縮できる効果がある。
この発明に係る第６の同期機の回転状態検出装置は、第５の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、同期機の巻線インダクタンスの突極比が２より大きい場合は、突極比が２より小さい場合に行う回転速度の符号の演算結果に対して異符号になるように回転速度の符号を演算するものである。
これによれば、巻線インダクタンスの突極比が２より大きい場合でも、１回の短絡で回転速度の符号を検出することが可能である。
この発明に係る第７の同期機の回転状態検出装置は、第１の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、検出手段から得られた電流値を少なくとも２種類以上の演算電流に変換し、この演算電流の符号に基づいて電流位相を演算し、回転速度の符号に基づいて上記電流位相に所定の値を加算或いは減算することによって回転位置を出力するものである。
これによれば、逆正接関数を利用しない簡単な演算で回転位置を出力できる効果がある。
この発明に係る第８の同期機の回転状態検出装置は、第１の同期機の回転状態検出装置において、演算手段は、トリガ信号が出力される度に検出手段から得られる電流値に対して電流振幅値を演算し、上記電流振幅値が所定の値に到達するまでの時間に基づいて回転速度の大きさを演算すると共に、１回の短絡に対して少なくとも２回以上検出された電流値に基づいて回転速度の符号を演算するものである。
これによれば、回転速度を、短時間で、かつ精度良く検出できる効果がある。
この発明に係る同期機の回転状態検出方法は、３相以上の巻線を持つ同期機の空転状態における回転状態を検出するにあたって、上記同期機の各相を短絡させる電圧ベクトルを出力することにより、上記同期機の各相を短絡させるとともに、少なくとも１回の短絡に対して、上記同期機の電流を複数回検出し、検出された電流値より回転状態を演算するものである。
これによれば、回転状態を短時間で検出できるようになり、起動開始までの時間を短縮できる効果がある。
発明を実施するための最良の形態
実施例１．
以下、この発明の実施例を図に基づいて説明する。第１図は本発明の実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置を示すブロック構成図である。第１図において、１は３相巻線を持つ埋込磁石型の同期電動機、２ａは電圧ベクトル指令とトリガ信号を出力するとともに、空転状態における回転速度と回転位置を出力する演算手段、３は上記電圧ベクトル指令に基づいて同期電動機１の各相に電圧を印加する回路手段、４は上記トリガ信号に基づいて同期電動機１の電流を検出し、その電流を上記演算手段２ａへ出力する検出手段である。
演算手段２ａは、第２２図に示す従来の演算手段２と同様に、検出電流を入力する入力回路１８、ＣＰＵ１９、プログラムを記憶するメモリ２０ａ、電圧ベクトル指令を出力する出力回路２１、トリガ信号を出力する出力回路２２、回転速度ω及び回転位置θを出力する出力回路２３から構成される（第２図）。
次に本実施例の動作原理について説明する。
まず、回転速度ωの検出について説明する。位相θｓ＝ωｔとする時、短絡開始からｔ秒後の回転座標軸（ｄ−ｑ軸）上での電流成分ｉｄ、ｉｑは（１）式より（８）式で示される。
0004420170.tif 000010
但し、ｋは巻線インダクタンスの突極比（＝Ｌｑ／Ｌｄ）である。
時刻０で短絡を開始すると、電流振幅値Ｉｓは時間の経過に従い、やがて所定の値（Ｉｓ１）に到達する。この電流振幅値Ｉｓが所定の値（Ｉｓ１）に到達した時刻をＴ１とする。時刻Ｔ１におけるθｓ、ｉｄ、ｉｑを、それぞれθｓ１、ｉｄ１、ｉｑ１とし、Ｔ１を２倍した時刻２Ｔ１におけるｉｄ、ｉｑをそれぞれ、ｉｄ２、ｉｑ２とする。この時、ｉｄ１、ｉｑ１、ｉｄ２、ｉｑ２は（９）及び（１０）式で示される。
0004420170.tif 000011
ｉｄ１、ｉｑ１を時刻２Ｔ１におけるｄ−ｑ軸（ｄ２−ｑ２軸）上で観測した値をｉ’ｄ１，ｉ’ｑ１とし、これらの関係を第３図に示す。
時刻Ｔ１におけるｄ−ｑ軸（ｄ１−ｑ１軸）と上記ｄ２−ｑ２軸の位相差はθｓ１であるから、ｉｄ１、ｉｑ１を時刻（２×Ｔ１）にｄ−ｑ軸上で観測すると（１１）式で示すｉ’ｄ１，ｉ’ｑ１となる。
0004420170.tif 000012
ここで、θｓが十分小さい場合、ｓｉｎθｓ及びｃｏｓθｓは、（１２）、（１３）式で近似できる。
0004420170.tif 000013
（１２）、（１３）式より、ｉｄ１，ｉｑ１，ｉｄ２，ｉｑ２，ｉ’ｄ１，ｉ’ｑ１は、（１４）、（１５）、（１６）式で与えられる。
0004420170.tif 000014
0004420170.tif 000015
ｄ２−ｑ２軸上で観測する時、時刻Ｔ１の電流ベクトル（ｉ’ｄ１，ｉ’ｑ１）と時刻２Ｔ１の電流ベクトル（ｉｄ２，ｉｑ２）との外積を演算すると（１７）式が得られる。
0004420170.tif 000016
ここで、１＞＞（ｋ＋１／２）θｓ２であることと、時刻Ｔ１の電流ベクトルと時刻（２×Ｔ１）の電流ベクトルとの外積の値は、ｄ２−ｑ２軸上で観測しても静止座標軸（ａ−ｂ軸）上で観測しても同じであることから、（１８）式が成り立つ。
0004420170.tif 000017
（１８）式によると、突極比ｋが既知であれば（１９）式及び（２０）式に示すように、電流ベクトル（ｉａ２，ｉｂ２）と（ｉａ１，ｉｂ１）の外積値の符号からθｓの符号が判別可能である。
ｋ＜２の場合
0004420170.tif 000018
ｋ＞２の場合
0004420170.tif 000019
一方、位相θｓと電流振幅値Ｉｓとの間には（２１）式の関係が成り立つ。
0004420170.tif 000020
第４図は（２１）式の関係をプロットしたものであり、電流振幅値Ｉｓから｜θｓ｜が一意に定まることが分かる。そこで、所定の電流振幅値（＝Ｉｓ１）から一意に定まる位相の絶対値を｜θｓ１｜とする。短絡開始から電流振幅値ＩｓがＩｓ１に達するまでの時間をＴ１（＞０）とすると、（２２）式が成り立つ。
0004420170.tif 000021
即ち、演算手段２ａは１回の短絡に対して、複数のトリガ信号を出力して検出手段４から複数回、電流値を得、トリガ信号が出力される度に検出手段４から得られる電流値に対して電流振幅値Ｉｓを演算し、電流振幅値Ｉｓが所定の電流振幅値Ｉｓ１に達する時刻Ｔ１を計測し、Ｉｓ１に対応する所定の値｜θｓ１｜をＴ１で除算すれば、回転速度の絶対値｜ω｜を得ることが可能である。また、時刻Ｔ１時のａ−ｂ軸上の電流ｉａ，ｉｂをｉａ１，ｉｂ１として記憶し、引き続き全相短絡を継続し、時刻２×Ｔ１時のａ−ｂ軸上の電流ｉａ，ｉｂをｉａ２，ｉｂ２として記憶する。そして、（１９）式または（２０）式の関係を用いればθｓ１の符号が判別できるので、これに伴い回転速度の符号が判別できる。
以上により１回の短絡だけで、回転速度ωを検出することが可能となる。
次に回転位置θの検出について説明する。
上述した通り、所定の電流振幅値Ｉｓ１から一意に定まる位相の絶対値｜θｓ１｜は既知である。従って、（９）式よりｉｄ１，ｉｑ１は（２３）式のように与えられる。
0004420170.tif 000022
時刻Ｔ１における電流位相θｃ１と回転位置θとの間には（２４）式の関係が成り立つ。
0004420170.tif 000023
ここで、Δθは｜θｓ１｜から一意に与えることが出来る値であることが（２３）式から分かる。この式に基づけば回転位置θを得ることが可能である。
第５図および第６図は、メモリ２０ａに記憶されるプログラムの流れ図である。
まず、ＳＴＥＰ１００にてプログラムを開始し、ＳＴＥＰ１０１で時刻Ｔを０に設定する。ＳＴＥＰ１０２では演算手段２ａが回路手段３に出力するスイッチングモードを電流初期値が０になるＶ０から全相短絡となるＶ７へ変更する。ＳＴＥＰ１０３で現在の時刻Ｔが予め設定した最大時刻Ｔｍａｘを超えていないかを判断する。現在の時刻Ｔが最大時刻Ｔｍａｘを超えていない場合、ＳＴＥＰ１０４にて演算手段２ａから検出手段４にトリガ信号を出力し、検出手段４はこのトリガ信号の立ち上がり時刻に電流を検出する。そして、ＳＴＥＰ１０５で検出手段４が検出した電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを入力回路１８に入力する。ＳＴＥＰ１０６では、（７）式に基づいてｉａ，ｉｂを演算し、このｉａ，ｉｂと（３）式に基づいて電流振幅値Ｉｓを演算する。ＳＴＥＰ１０７では、ＳＴＥＰ１０６で演算した電流振幅値Ｉｓが所定の値Ｉｓ１に到達したかを判断する。電流振幅値Ｉｓが所定の値Ｉｓ１に到達していない場合、ＳＴＥＰ１０８にて時刻Ｔにサンプリング期間ΔＴを加算し、時刻０からサンプリング期間ΔＴが経過した後、再度、ＳＴＥＰ１０３以下の演算を行う。なお、ＳＴＥＰ１０３にて現在の時刻Ｔが予め設定した最大時刻Ｔｍａｘを超えたと判断した場合、ＳＴＥＰ１０９にて演算手段２ａが回路手段３に出力するスイッチングモードを全相短絡となるＶ７から電流を０にするＶ０へ変更する。そして、時刻ＴがＴｍａｘを経過しても電流振幅値Ｉｓが所定値Ｉｓ１に到達しないのは、空転による誘起電圧が発生していないと判断できるので、ＳＴＥＰ１１０にて回転速度ωを０として出力し、ＳＴＥＰ１１１でプログラムを終了する。ω＝０と分かれば、公知の手法で停止状態から同期電動機１の駆動を開始することが可能である。
ＳＴＥＰ１０７で電流振幅値ＩｓがＩｓ１に到達したと判断した場合、ＳＴＥＰ１１２において時刻Ｔを電流振幅値ＩｓがＩｓ１に到達した時刻Ｔ１として記憶するとともに、ＳＴＥＰ１０６で演算したｉａ，ｉｂをｉａ１，ｉｂ１として記憶する。上述した通り、所定の電流振幅値Ｉｓ１に対応する位相の絶対値｜θｓ１｜は一意に定まる。そこで、ＳＴＥＰ１１３では、所定値として準備した｜θｓ１｜と上記Ｔ１に基づいて（２２）式の演算を行い、メモリ２０ａに｜ω｜を記憶する。
第７図および第８図は、メモリ２０ａに記憶されるＳＴＥＰ１１４以降のプログラムの流れ図である。
ＳＴＥＰ１１５では、電流位相ｉａ１，ｉｂ１に基づき、後述する手法によって時刻Ｔ１の電流位相θｃ１を演算する。ＳＴＥＰ１１６では時刻Ｔにサンプリング期間ΔＴを加算し、サンプリング期間ΔＴが経過した後、ＳＴＥＰ１１７の処理を行う。ＳＴＥＰ１１７では現在の時刻Ｔが２×Ｔ１に到達したか判断し、到達していない場合、ＳＴＥＰ１１６の処理を行う。また、時刻Ｔが２×Ｔ１に到達した場合、ＳＴＥＰ１１８にて演算手段２ａから検出手段４にトリガ信号を出力し、検出手段４はこのトリガ信号の立ち上がり時刻に電流を検出する。そして、ＳＴＥＰ１１９で検出手段４が検出した電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを入力回路１８に入力する。ＳＴＥＰ１２０では演算手段２ａが回路手段３に出力するスイッチングモードを全相短絡となるＶ７から電流を０にするＶ０へ変更する。ＳＴＥＰ１２１では、（７）式に基づいてｉａ，ｉｂを演算し、このｉａ，ｉｂをそれぞれｉａ２，ｉｂ２として記憶する。ＳＴＥＰ１２２では、同期電動機１の固有の値である突極比ｋが２より小さい場合は、（１９）式によって回転速度ωの符号を判断する。また、突極比ｋが２より大きい場合は、（２０）式によって回転速度ωの符号を判断する。ＳＴＥＰ１２３では所定の値Δθと（２４）式と上記電流位相θｃ１とに基づいて、回転位置θを演算する。ＳＴＥＰ１２４では上記回転速度ω及び回転位置θを出力回路２３から出力し、ＳＴＥＰ１２５でプログラムを終了する。
次にＳＴＥＰ１１５で適用する、電流ｉａ１，ｉｂ１から電流位相θｃ１を演算する手法について説明する。
まず、ａ−ｂ座標軸上の電流ｉａ１，ｉｂ１を用いた演算電流ｉｘ１，ｉｙ１を（２５）式で定義する。
0004420170.tif 000024
第９図は演算電流ｉａ１，ｉｂ１，ｉｘ１，ｉｙ１と電流位相θｃの関係を示したものである。
第９図よりθｃ１に対して４５度刻みでｉａ１，ｉｂ１，ｉｘ１，ｉｙ１のいずれかの符号が変化することが分かる。例えば、θｃ１が０〜４５度の範囲内にある場合には、ｉａ１＞０，ｉｂ１＞０，ｉｘ１＞０，ｉｙ１＞０であり、θｃ１が４５〜９０度の範囲内にある場合には、ｉａ１＞０，ｉｂ１＞０，ｉｘ１＞０，ｉｙ１＜０である。
そこで、ｉａ１＞０，ｉｂ１＞０，ｉｘ１＞０，ｉｙ１＞０の場合、θｃ１を０〜４５度の中央値の２２．５度とすれば、θｃ１は±２２．５度以内の精度となる。
第１０図および第１１図はＳＴＥＰ１１５で処理されるプログラムの流れ図である。
θｃ１の演算をＳＴＥＰ２００から開始し、ＳＴＥＰ２０１では、（２５）式より電流ｉａ１，ｉｂ１を用いて演算電流ｉｘ１，ｉｙ１を演算する。ＳＴＥＰ２０２ではｉａ１の符号を判別する。ｉａ１の符号が正の場合はＳＴＥＰ２０３の処理を行い、ｉａ１の符号が負の場合はＳＴＥＰ２０４の処理を行う。ＳＴＥＰ２０３では、変数Ｘの値を８に設定し、ＳＴＥＰ２０５の処理へ進む。ＳＴＥＰ２０４では、変数Ｘの値を０に設定し、ＳＴＥＰ２０５の処理へ進む。ＳＴＥＰ２０５ではｉｂ１の符号を判別する。ｉｂ１の符号が正の場合はＳＴＥＰ２０６の処理を行い、ｉｂ１の符号が負の場合はＳＴＥＰ２０６の処理を飛ばしＳＴＥＰ２０７の処理へ進む。ＳＴＥＰ２０６では、変数Ｘに４を加算する。ＳＴＥＰ２０７ではｉｘ１の符号を判別する。ｉｘ１の符号が正の場合はＳＴＥＰ２０８の処理を行い、ｉｘ１の符号が負の場合はＳＴＥＰ２０８の処理を飛ばしＳＴＥＰ２０９の処理へ進む。ＳＴＥＰ２０８では、変数Ｘに２を加算する。ＳＴＥＰ２０９ではｉｙ１の符号を判別する。ｉｙ１の符号が正の場合はＳＴＥＰ２１０の処理を行い、ｉｙ１の符号が負の場合はＳＴＥＰ２１０の処理を飛ばしＳＴＥＰ２１１の処理へ進む。ＳＴＥＰ２１０では、変数Ｘに１を加算する。
こうして得られた変数Ｘと電流位相θｃ１との間には、第１２図（ａ）（ｂ）に示すテーブルが成り立つことが分かる。
ＳＴＥＰ２１１では、予め作成された第１２図に示すテーブルを参照することにより、得られた変数Ｘからθｃ１を求め、その結果を記憶してＳＴＥＰ２１２でプログラムを終了する。以上の処理によってθｃ１を得ることが可能である。
第１３図は演算手段２ａが回路手段３へ出力するスイッチングモード、検出される電流値から演算される電流振幅値Ｉｓ、および演算手段２ａが検出手段４へ出力するトリガ信号と、時刻との関係の一例を示す図である。第１３図において、時刻０で演算手段２ａは、それまで出力回路２１から回路手段３へ出力していたスイッチングモードをＶ０からＶ７に変更する。演算手段２ａはサンプリング期間ΔＴ毎に検出手段４へトリガ信号を出力し、検出手段４は、トリガ信号が立ちあがり時刻に検出した電流を演算手段２へ出力する。上記電流値より演算される電流振幅値Ｉｓは時間の経過に従い、やがて所定の値（Ｉｓ１）に到達する。この電流振幅値Ｉｓが所定の値（Ｉｓ１）に到達した時刻をＴ１とする。そして、時刻２Ｔ１において演算手段２ａは回路手段３へ出力していたスイッチングモードをＶ７からＶ０に変更すると同時にトリガ信号を出力する。検出手段４は、トリガ信号の立ちあがり時刻２Ｔ１におけるＵ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれの電流を演算手段２ａへ出力する。回路手段３がスイッチングモードＶ０を出力した後、回路手段３内部では、各相を流れる電流が直流電圧源１１を充電する方向に流れ、同期電動機１の電流の値は０に戻る。
本実施例によると、１回の短絡で回転速度ωと回転位置θを検出することが可能なので、短絡を２回行う従来装置より起動開始時間を短縮することが可能である。
また、電流振幅値Ｉｓが所定の値に到達した時に電流検出を行うので、回転速度の大小に関わらず、検出ノイズやＡＤ変換器の桁落ち等の影響を受けずに精度良く回転速度と回転位置の検出を行うことが可能となる。当然、短絡期間を長く設定しなおして再度検出する必要もないため、検出時間も短縮できる。
また、回転位置θを演算する過程において、電流振幅値Ｉｓが所定の値に到達した時の回転位置θと電流位相θｃ１との位相差は一定値であるので、その値を予めΔθとして記憶しておくだけでよく、従来装置のように逆正接関数を利用する複雑な演算を必要としない。
実施例２．
上記実施例１において、電流位相θｃ１は±２２．５度以内の精度であったが、さらにａ−ｂ座標軸上の電流ｉａ１，ｉｂ１を用いた変数を導入することによって、電流位相θｃ１の精度を向上させることが可能である。
演算電流ｉａｙ１，ｉａｘ１，ｉｘｂ１，ｉｂｙ’１を（２６）式で定義する。
ｉａｙ１＝Ｇ１（ｉａ１−ｉｙ１）
ｉａｘ１＝Ｇ１（ｉａ１−ｉｘ１）
ｉｘｂ１＝Ｇ１（ｉｘ１−ｉｂ１）
ｉｂｙ’１＝Ｇ１（ｉｂ１＋ｉｙ１）      ・・・（２６）
但し
0004420170.tif 000025
第１４図は演算電流ｉａ１，ｉｂ１，ｉｘ１，ｉｙ１，ｉａｙ１，ｉａｘ１，ｉｘｂ１，ｉｂｙ’１と電流位相θｃ１の関係を示したものである。図よりθｃ１に対して２２．５度刻みでｉａ１，ｉｂ１，ｉｘ１，ｉｙ１，ｉａｙ１，ｉａｘ１，ｉｘｂ１，ｉｂｙ’１のいずれかの符号が変化することが分かる。例えば、θｃ１が０〜２２．５度の範囲内にある場合には、ｉａ１＞０，ｉｂ１＞０，ｉｘ１＞０，ｉｙ１＞０，ｉａｙ１＞０，ｉａｘ１＞０，ｉｘｂ１＞０，ｉｂｙ’１＞０であり、θｃ１が２２．５〜４５度の範囲内にある場合には、ｉａ１＞０，ｉｂ１＞０，ｉｘ１＜０，ｉｙ１＞０，ｉａｙ１＞０，ｉａｘ１＞０，ｉｘｂ１＞０，ｉｂｙ’１＞０である。従って、ｉａ１＞０，ｉｂ１＞０，ｉｘ１＞０，ｉｙ１＞０，ｉａｙ１＞０，ｉａｘ１＞０，ｉｘｂ１＞０，ｉｂｙ’１＞０の場合、θｃ１を０〜２２．５度の中央値の１１．２５度とすれば、θｃ１は±５．６２５度以内の精度となる。
そこで、実施例１のＳＴＥＰ１１５における変数Ｘの導出と同じ手法を適用し、変数Ｙを第１５図のように定義する。
この時、第１４図から電流位相θｃ１と変数Ｙの関係は第１６図のようになる。従って、第１７図を参照すれば、求めた変数Ｙから電流位相θｃ１が得られ、その精度は±５．６２５度以内となる。
本実施例２によれば、電流位相θｃ１の検出精度が向上するので、回転位置θの検出精度も向上する。
実施例３．
上記実施例１によれば、（２４）式におけるΔθの値を予め計算して求めたが、θｓ１が十分小さい場合はｉｄ１も十分小さく、結果｜ｉｑ１／ｉｄ１｜は十分大きな値となるので、Δθの値を９０度にしておいても良い。この場合、予め行うΔθの導出を省略することが出来る。
実施例４．
上記実施例１によれば、演算手段２ａは時刻Ｔ１における回転位置θを出力していたが、回転位置θは角速度ωで変化しているので、時刻Ｔ１から回転位置θの出力までに経過した時間で補正しても良い。回転位置θの出力までに経過した時間をＴ２、補正後のθをθ０とする時、θ０は（２７）式で与えられる。
θ０＝θ＋ωＴ２                        ・・・  （２７）
これにより、時間Ｔ２の大きさに関わらず、回転位置θの精度を保つことが可能である。
実施例５．
上記実施例１によれば、ＳＴＥＰ１１７で、現在の時刻Ｔが２×Ｔ１に到達したか判断して、次の処理を行っていた。ＳＴＥＰ１１７で時刻Ｔが到達したかどうか判断する時刻は２Ｔ１に限らず、ＴＫ×Ｔ１（ＴＫ＞１）としても良い。この理由については（１８）式の導出と同様な手法を用いれば説明可能であり、その説明は省略する。
実施例１〜４によれば全相短絡の時間は２×Ｔ１秒必要であったが、本実施例５では短絡の期間がＴ１を超えていれば、全相短絡の時間を２Ｔ１［秒］より短くすることが可能である。従って、実施例１〜４より短時間で回転位置と回転速度の検出を行うことが可能である。
なお、上記実施例１〜５においては、回転速度の大きさを求める際に、電流振幅値が所定の値に到達するまでの時間に基づいて回転速度の大きさを演算したが、従来と同様、短絡開始より所定時間経過後の電流値より電流振幅値を求めることにより回転速度の大きさを演算し、一方、回転速度の符号は、実施例１または５に示すように、１回の短絡に対して電流値を所定時間あけて２回検出し、検出されたこれら電流値の外積から（１９）（２０）式の関係を用いて回転速度の符号を検出するようにしても良い。
また、回転速度の大きさを求める際には、上記実施例１〜５と同様に、電流振幅値が所定の値に到達するまでの時間に基づいて回転速度の大きさを演算し、回転速度の符号を検出する際には、従来と同様、２回の短絡を行い、１回目と２回目の短絡に対してそれぞれ所定時間経過後の電流位相を求め、これら電流位相の差分の符号から回転速度の符号を検出するようにしても良い。
また、上記実施例１〜５では、回転位置の検出に当たって検出手段から得られた電流値を少なくとも２種類以上の演算電流に変換し、この演算電流の符号に基づいて電流位相を演算し、回転速度の符号に基づいて上記電流位相に所定の値を加算或いは減算することによって回転位置を出力するようにしたが、従来と同様、逆正接関数で表された（６）式を用い、回転位置を検出しても良い。
産業上の利用可能性
この発明による同期機の回転状態検出装置および同期機の回転状態検出方法は、同期電動機のみならず、同期発電機等、同期機全般における回転状態検出装置および回転状態検出方法に用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置を示すブロック構成図、第２図は実施例１に係わる演算手段の構成を示すブロック構成図、第３図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における動作を説明する説明図、第４図は実施例１に係わる電流振幅値Ｉｓと｜θｓ｜との関係を示す図、第５図〜第８図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における動作を示すフローチャート、第９図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における回転位置の演算方法を説明する説明図、第１０図および第１１図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における動作を示すフローチャート、第１２図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における回転位置の演算方法を説明する説明図、第１３図は実施例１による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における動作を説明する説明図、第１４図〜第１７図は実施例２による同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における回転位置の演算方法を説明する説明図、第１８図は従来の同期電動機の回転速度・回転位置検出装置を示すブロック構成図、第１９図は従来の同期電動機の回転速度・回転位置検出装置に係わる電流振幅値Ｉｓと｜ω｜との関係を示す図、第２０図は回路手段の回路構成を示す構成図、第２１図は検出手段の回路構成を示す構成図、第２２図は従来の演算手段の構成を示すブロック構成図である。第２３図は従来の同期電動機の回転速度・回転位置検出装置における動作を説明する説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004420170.tif 000028
【図４】
0004420170.tif 000029
【図５】
0004420170.tif 000030
【図６】
0004420170.tif 000031
【図７】
0004420170.tif 000032
【図８】
0004420170.tif 000033
【図９】
0004420170.tif 000034
【図１０】
0004420170.tif 000035
【図１１】
0004420170.tif 000036
【図１２】
0004420170.tif 000037
【図１３】
0004420170.tif 000038
【図１４】
0004420170.tif 000039
【図１５】
0004420170.tif 000040
【図１６】
0004420170.tif 000041
【図１７】
0004420170.tif 000042
【図１８】
0004420170.tif 000043
【図１９】
0004420170.tif 000044
【図２０】
0004420170.tif 000045
【図２１】
0004420170.tif 000046
【図２２】
0004420170.tif 000047
【図２３】
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