(57)【要約】【課題】磁極判定器の判定が正しいかどうかを判定する機能を新たに追加し、間違った場合はもう一度所定の位相の推定を再度行って位相推定精度を向上させ、停止時の永久磁石同期電動機の回転子の位相を推定し、初期位相推定装置を提供することにある。【解決手段】  磁極判定器の判定が成功か失敗かを判定する機能を磁極判定器に具備し、磁極判定器が失敗と判断した時は位相収束器の初期値を所定の値だけずらして再度ｄ軸の位相を推定し直す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石同期電動機が停止した状態で、前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石のＮ極の位相（方向）をｄ軸とし、該永久磁石のＮ極の推定された位相をγ軸とすると、前記γ軸の位相の任意の初期値を入力し前記ｄ軸の位相と前記γ軸の位相との位相差が０度または１８０度に収束するように前記γ軸の位相を所定期間徐々に修正して出力する位相収束器と、該位相収束器の出力を入力し前記位相差が０度かまたは１８０度であるかを判定し該位相差が０度と判定された場合は前記位相収束器の出力をそのまま出力し１８０度と判定された場合は前記位相収束器の出力に１８０度を加算して出力する磁極判定器とを具備して、前記位相収束器、前記磁極判定器の順に動作させて前記ｄ軸の位相を推定する永久磁石同期電動機の初期位相推定装置において、前記磁極判定器の判定が成功か失敗かを判定する機能を前記磁極判定器に具備し、該磁極判定器が失敗と判断した時は前記位相収束器の初期値を所定の値だけずらして再度前記ｄ軸の位相を推定し直すことを特徴とする永久磁石同期電動機の初期位相推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石同期電動機の停止時の回転子の位相推定に関するもので、特に位相推定失敗を無くす手法を提案するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３に一例として永久磁石同期電動機の初期位相推定装置を示し、この図に基づいて従来技術を説明する。
電力変換器１は、入力信号Sに基づいて永久磁石同期電動機２に電力を供給する。電流検出器３は、永久磁石同期電動機２の入力電流を検出する。電圧検出器４は、永久磁石同期電動機２の入力電圧を検出する。永久磁石同期電動機２の回転子の永久磁石のＮ極の位相（方向）をｄ軸とし、永久磁石のＮ極の推定された位相をγ軸とすると、位相収束器５は、γ軸の位相の任意の初期値と電流検出器３の出力と電圧検出器４の出力とを入力して、永久磁石同期電動機２に任意の電流が流れるような信号Sまたは任意の電圧が印加されるような信号Sとｄ軸の位相とγ軸の位相との位相差が０度または１８０度に収束するように所定期間徐々に修正してγ軸の位相を出力する。磁極判定器６は、位相収束器５の出力であるγ軸の位相と入力電圧のγ軸成分とを入力し、入力電流のγ軸成分を０としγ軸の位相と直交するδ軸成分を所定値Ｉが流れるような信号Sと位相差が０度かまたは１８０度であるかを判定し位相差が０度と判定された場合は位相収束器５の出力を１８０度と判定された場合は位相収束器５の出力に１８０度を加算した値をγ軸の位相として出力する。スイッチ７は、まず、位相収束器５が出力する信号Ｓを電力変換器1へ出力し、位相収束器５により位相差が０度または１８０度に収束させる所定期間が経過したら、スイッチ７は磁極判定器６が出力する信号Ｓを電力変換器１へ出力する。
【０００３】
以下に、位相収束器５により永久磁石同期電動機２の回転子の永久磁石のＮ極の位相であるｄ軸の位相を推定する方法について説明する。推定ｄ軸をγ軸、推定ｑ軸をδ軸とした永久磁石同期電動機２の電圧方程式は以下で表すことが出来る。
【０００４】
Ｖγ＝（Ｒ＋ω・Ｌγδ＋ｐ・Ｌγ）・ｉγ
−（ω・Ｌδ＋ｐ・Ｌγδ）・ｉδ−ω・φ・ｓｉｎ（Δθ） （１）
Ｖδ＝（ω・Ｌγ−ｐ・Ｌγδ）・ｉγ
＋（Ｒ−ω・Ｌγδ＋ｐ・Ｌδ）・ｉδ＋ω・φ・ｃｏｓ（Δθ）    （２）
Ｌγ＝［Ｌｄ＋Ｌｑ−（Ｌｑ−Ｌｄ）・ｃｏｓ（２・Δθ）］／２           （３）
Ｌδ＝［Ｌｄ＋Ｌｑ＋（Ｌｑ−Ｌｄ）・ｃｏｓ（２・Δθ）］／２           （４）
Ｌγδ＝（Ｌｑ−Ｌｄ）・ｓｉｎ（２・Δθ）／２                        （５）
【０００５】
ここで、Ｖγ、Ｖδはそれぞれγ軸とδ軸の成分の入力電圧、ｉγ、ｉδはそれぞれγ軸とδ軸の成分の入力電流、Ｒは永久磁石同期電動機２の電機子巻線抵抗、ωは永久磁石同期電動機２の回転角周波数、ｐは微分演算子、Ｌｄ、Ｌｑはそれぞれ永久磁石同期電動機２のｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンス、φは永久磁石による電機子への鎖交磁束、Δθは位相差でｄ軸の位相をθｒ、γ軸の位相をθとするとΔθ＝θｒ−θである。
【０００６】
（１）式に（３）、（４）、（５）式を代入し、ｃｏｓ（２・Δθ）＝１、ｓｉｎ（２・Δθ）＝２・Δθと近似すると、位相差Δθは以下となる。
【０００７】
Δθ＝（−Ｖδ＋ω・Ｌｄ・ｉγ＋Ｒ・ｉδ＋Ｌｑ・ｐ・ｉδ＋ω・φ）／
[（Ｌｑ−Ｌｄ）・ｐ・ｉγ＋ω・（Ｌｑ−Ｌｄ）・ｉδ]            （６）
【０００８】
位相収束器５により上記位相差Δθを０となるようにγ軸の位相θを調整すれば、ｄ軸とγ軸とは一致し、永久磁石同期電動機２の回転子の永久磁石のＮ極の位相であるｄ軸を推定することが出来る。
【０００９】
しかし、（３）、（４）、（５）式に示すように位相差Δθは２倍して用いられているために、これらの式では位相差１８０度と位相差０度との区別が出来ないことになる。つまり、初期の位相差の絶対値が９０度未満であれば（６）式で得られたΔθが０になるようにθを調整すれば位相差を０度にすることが出来るが、初期の位相差の絶対値が９０度を超えていると位相差は１８０度に収束することになる。よって、磁極判定器６が必要となる。以下に、磁極判定器６により位相差が０度であるか１８０度であるかを判定する方法について説明する。
【００１０】
Δθ＝０または１８０度の状態で、ｉγ＝０、ｉδ＝Ｉ（直流）を流すと、（１）式よりγ軸電圧Ｖγは以下となる。
【００１１】
Ｖγ＝−ω・Ｌδ・ｉδ                                             （７）
【００１２】
永久磁石同期電動機２のトルク式は、
【００１３】
Ｔ＝ｎ・［iｑ・φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）・ｉｄ・ｉｑ］               （８）
【００１４】
で表される。ここで、ｎは永久磁石同期電動機２の極対数である。よって、位相差Δθ＝０度の場合はｉｑ＝ｉδとなるためＩ＞０ならば永久磁石同期電動機２は正トルクを発生するため正方向に加速する。つまり、ω＞０となり（７）式よりＶγ＜０となる。よって、ωとＶγとの符号がそれぞれ異符号であれば位相差Δθは０度、ωとＶγとの符号がそれぞれ同符号であれば位相差Δθは１８０度と判定することが出来る。
【００１５】
特許文献１には、上記以外の方法で位相差が０度であるか１８０度であるかを判定する方法が記載されている。
・  γ軸電圧Ｖγを時間積分して積分した値の絶対値が所定値を超えた時にγ軸電圧Ｖγの積分値とＩとの符号から位相差を判定する方法。
・  γ軸電圧Ｖγの積分値とωとの符号から位相差を判定する方法。
・  所定時間ｔ１経過後のγ軸電圧Ｖγ１とその後所定時間ｔ２経過後のγ軸電圧Ｖγ２との差Ｖγ２―Ｖγ１とＩとの符号から位相差を判定する方法。
・  γ軸電圧Ｖγを微少周期Δｔ毎に初期値０で時間積分し、所定時間ｔ３経過後の積分値φｄ１を記憶し、φｄ１と微少周期Δｔ毎に初期値０で時間積分した値φｄｎとの差の絶対値が所定値を越えた時にφｄｎ−φｄ１の符号とＩとの符号から位相差を判定する方法。
【００１６】
また、特許文献２には、特許文献１以外の原理と方法とでｄ軸の位相を推定する方法と位相差が０度であるか１８０度であるかを判定する方法が記載されている。
図４に一例として永久磁石同期電動機の初期位相推定装置を示し、この図に基づいて特許文献２の従来技術を説明する。
上述した図3の従来技術と異なるのは、位相収束器５’と磁極判定器６’である。永久磁石同期電動機２の回転子の永久磁石のＮ極の位相（方向）をｄ軸とし、永久磁石のＮ極の推定された位相をγ軸とすると、位相収束器５’は、γ軸の位相の任意の初期値と電流検出器３の出力と電圧検出器４の出力とを入力して、永久磁石同期電動機２にγ軸電流ｉγに任意の交流電流を流しδ軸電流ｉδを０とする電流が流れるような信号Sとｄ軸の位相とγ軸の位相との位相差が０度または１８０度に収束するように所定期間徐々に修正してγ軸の位相を出力する。磁極判定器６’は、位相収束器５’の出力であるγ軸の位相と入力電圧のγ軸成分と入力電流のγ軸成分とを入力し、入力電流のγ軸成分が正の所定の値と負の所定の値が流れるような信号Sと位相差が０度かまたは１８０度であるかを判定し位相差が０度と判定された場合は位相収束器５’の出力を１８０度と判定された場合は位相収束器５’の出力に１８０度を加算した値をγ軸の位相として出力する。
【００１７】
以下に、位相収束器５’により永久磁石同期電動機２の回転子の永久磁石のＮ極の位相であるｄ軸の位相を推定する方法について説明する。
式の導出は省略するが、（１）式と（２）式のＲの項を省略し、（３）式はＬγ＝Ｌｄ、（４）式はＬδ＝Ｌｑ、（５）式はＬγδ＝０と近似することで、検出したγ軸電流ｉγとδ軸電圧ｖδとから、以下の式で位相差Δθを求める。
【００１８】
Δθ＝ｉγ・ｐ・ｖδ−ｐ・ｉγ・ｖδ
＝−ω１・ω１・Ｉ１・Ｉ１・（Ｌｑ−Ｌｄ）ｓｉｎ（２・Δθ）      （９）
【００１９】
（９）式も位相差Δθは２倍して用いられているために、位相差１８０度と位相差０度との区別が出来ないことになる。
よって、位相差の判定を行う磁極判定器６’が必要となる。その方法は、γ軸電流ｉγを正の所定の値（Ｉｐ）になるまで流し、その後負の所定の値（−Ｉｐ）になるまで流し、検出したγ軸電流ｉγとγ軸電圧ｖγとからインダクタンスを求め、正の所定の値（Ｉｐ）になるまで流したときのインダクタンスＬｄｐと負の所定の値（−Ｉｐ）になるまで流したときのインダクタンスＬｄｎとの関係がＬｄｐ＞Ｌｄｎならば位相差が１８０度あると判定する。この判定の原理は、γ軸電流ｉγが流れることによる磁束と永久磁石磁束とによる増磁作用と減磁作用とによる磁気飽和現象を利用している。
【００２０】
【特許文献１】特許第３４８０５７２
【特許文献２】特許第３５６６５９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
ｄ軸の位相を推定する方法としては、（６）式と（９）式とで表されるように、Ｌｑ−Ｌｄ、つまり、ＬｄとＬｑとの差を利用している。よって、ＬｄとＬｑとの差が小さい永久磁石同期電動機では、位相収束器５または位相収束器５’は位相差Δθを所定期間で０度または１８０度に収束することが出来ず、磁極判定器６または磁極判定器６’で位相差Δθが１８０度かまたは０度かの判定が出来ない、または間違った判定をする結果となる。
【００２２】
上記問題点を解決するために、本発明は磁極判定器の判定が正しいかどうかを判定する機能を新に追加し、間違った場合はもう一度所定の位相の推定を再度行って位相推定精度を向上させる永久磁石同期電動機の初期位相推定装置を提供することにある。
【００２３】
前述した問題点を解決するために、永久磁石同期電動機が停止した状態で、前記永久磁石同期電動機の回転子の永久磁石のＮ極の位相（方向）をｄ軸とし、該永久磁石のＮ極の推定された位相をγ軸とすると、前記γ軸の位相の任意の初期値を入力し前記ｄ軸の位相と前記γ軸の位相との位相差が０度または１８０度に収束するように前記γ軸の位相を所定期間徐々に修正して出力する位相収束器と、該位相収束器の出力を入力し前記位相差が０度かまたは１８０度であるかを判定し該位相差が０度と判定された場合は前記位相収束器の出力をそのまま出力し１８０度と判定された場合は前記位相収束器の出力に１８０度を加算して出力する磁極判定器とを具備して、前記位相収束器、前記磁極判定器の順に動作させて前記ｄ軸の位相を推定する永久磁石同期電動機の初期位相推定装置において、前記磁極判定器の判定が成功か失敗かを判定する機能を前記磁極判定器に具備し、該磁極判定器が失敗と判断した時は前記位相収束器の初期値を所定の値だけずらして再度前記ｄ軸の位相を推定し直すことを特徴。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、永久磁石同期電動機の回転子のＮ極の位相を正確に推定することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
ＬｄとＬｑとの差が小さい永久磁石同期電動機でも、停止した状態での回転子のＮ極の位相を推定することができた。
【実施例１】
【００２６】
図１は、本発明の１実施例のブロック図である。
図３の従来技術と異なるのは位相収束器８と磁極判定器９である。位相収束器８は、新に磁極判定器９の信号Ｊを追加入力して、信号Ｊが１ならばγ軸の位相の任意の初期値を所定の値だけずらして再度永久磁石同期電動機２に任意の電流が流れるような信号Sまたは任意の電圧が印加されるような信号Sとｄ軸の位相とγ軸の位相との位相差が０度または１８０度に収束するように所定期間徐々に修正してγ軸の位相を出力する。磁極判定器９は、位相収束器８の出力であるγ軸の位相と入力電圧のγ軸成分とを入力し、入力電流のγ軸成分を０としγ軸の位相と直交するδ軸成分を所定値Ｉが流れるような信号Sと位相差が０度かまたは１８０度であるかの判定し位相差が０度と判定された場合は位相収束器８の出力を１８０度と判定された場合は位相収束器８の出力に１８０度を加算した値をγ軸の位相として出力し、新に位相差の判定が成功か失敗かを判定し成功なら０失敗なら１となる信号Ｊを出力する。
【００２７】
以下に、磁極判定器９に追加された機能である磁極判定器９の判定結果が成功か失敗かを判定する方法について説明する。
上述したように、磁極判定器６では、（８）式のトルク式と（７）式の電圧方程式とから導き出された、ωとＶγとの符号の関係から位相差Δθが１８０度かまたは０度かを判定している。しかし、位相収束器５で位相差Δθが１８０度かまたは０度まで推定された位相θを収束出来ていなければ、永久磁石同期電動機２が回転することが出来ない可能性がある。位相差Δθが１８０度かまたは０度でなければｉｑ＝ｉδとはならず、（８）式より永久磁石同期電動機２が出力できるトルクが減少し、永久磁石同期電動機２が回転出来ず、（７）式よりＶγ＝０となり、位相差Δθが１８０度かまたは０度かの判定が出来なくなるためである。
よって、入力電流のγ軸成分を０、δ軸成分を所定値Ｉとして所定時間流した後にωの絶対値が所定値Ｘを超えなければ判定結果を失敗と判断する。または、前記所定時間後にＶγの絶対値が所定値Ｖを超えなければ判定結果を失敗と判断する。
【００２８】
磁極判定器９の判定結果が失敗と判断したときに、位相収束器８の入力であるγ軸の位相の任意の初期値を所定の値だけずらして再度ｄ軸の位相を推定し直すことにより、ＬｄとＬｑとの差が小さくても位相収束器８で出力するｄ軸の位相を位相差Δθ＝１８０度または０度に少しでも近づけることが出来、磁極判定器９の判定結果を成功させてｄ軸の位相を推定することが可能となる。
【００２９】
なお、特許文献1には他の実施例も記載されているが、例えば、
・  所定時間経過後のγ軸電圧Ｖγの時間積分値の絶対値が所定値を超えたかどうかで磁極判定器の判定結果が成功か失敗かを判定する。
・  所定時間ｔ１経過後のγ軸電圧Ｖγ１とその後所定時間ｔ２経過後のγ軸電圧Ｖγ２との差Ｖγ２―Ｖγ１の絶対値が所定値を超えたかどうかで磁極判定器の判定結果が成功か失敗かを判定する。
・  γ軸電圧Ｖγを微少周期Δｔ毎に初期値０で時間積分し、所定時間ｔ３経過後の積分値φｄ１を記憶し、φｄ１と微少周期Δｔ毎に初期値０で時間積分した値φｄｎとの差の絶対値が所定値を超えたかどうかで磁極判定器の判定結果が成功か失敗かを判定する。
など、極判定器９の判定結果が成功か失敗かを判定する方法についてはいろいろと考えられる。
【実施例２】
【００３０】
図２は、本発明の１実施例のブロック図である。
図４の従来技術と異なるのは位相収束器８’と磁極判定器９’である。位相収束器８’は、新に磁極判定器９’の信号Ｊを追加入力して、信号Ｊが１ならばγ軸の位相の任意の初期値を所定の値だけずらして再度永久磁石同期電動機２に任意の交流電流を流しδ軸電流ｉδを０とする電流が流れるような信号Sとｄ軸の位相とγ軸の位相との位相差が０度または１８０度に収束するように所定期間徐々に修正してγ軸の位相を出力する。磁極判定器９’は、位相収束器８’の出力であるγ軸の位相と入力電圧のγ軸成分と入力電流のγ軸成分とを入力し、入力電流のγ軸成分が正の所定の値と負の所定の値が流れるような信号Sと位相差が０度かまたは１８０度であるかの判定し位相差が０度と判定された場合は位相収束器８’の出力を１８０度と判定された場合は位相収束器８’の出力に１８０度を加算した値をγ軸の位相として出力し、新に位相差の判定が成功か失敗かを判定し成功なら０失敗なら１となる信号Ｊを出力する。
【００３１】
以下に、磁極判定器９’に追加された機能である磁極判定器９’の判定結果が成功か失敗かを判定する方法について説明する。
上述したように、磁極判定器６’の判定の原理は、γ軸電流ｉγが流れることによる磁束と永久磁石磁束とによる増磁作用と減磁作用とによる磁気飽和現象を利用しており、正の所定の値（Ｉｐ）になるまで流したときのインダクタンスＬｄｐと負の所定の値（−Ｉｐ）になるまで流したときのインダクタンスＬｄｎとの関係から位相差Δθが１８０度または０度かどうかを判定している。しかし、実施例１と同様に、位相収束器５’で位相差Δθが１８０度かまたは０度まで推定された位相θを収束出来ていなければ、磁気飽和現象を利用することが出来なくなりＬｄｐとＬｄｎとの関係に差が出なくなり、位相差Δθが１８０度かまたは０度かの判定が出来なくなる。
よって、ＬｄｐとＬｄｎとの差の絶対値が所定値Ｌを超えない、または、ＬｄｐとＬｄｎとの比が所定値Ｙを超えないければ判定結果を失敗と判断する。
【００３２】
磁極判定器９’の判定結果が失敗と判断したときに、位相収束器８’の入力であるγ軸の位相の任意の初期値を所定の値だけずらして再度ｄ軸の位相を推定し直すことにより、ＬｄとＬｑとの差が小さくても位相収束器８’で出力するｄ軸の位相を位相差Δθ＝１８０度または０度に少しでも近づけることが出来、磁極判定器９’の判定結果を成功させてｄ軸の位相を推定することが可能となる。
【００３３】
上記実施例１と実施例２との説明では、入力電圧は検出値を用いているが推定値を用いても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明により、ＬｄとＬｑとの差が小さい場合でも、停止時の永久磁石同期電動機のｄ軸の位相を正確に推定できることから、産業上の利用の可能性は大いにある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例１を示した説明図である。
【図２】本発明の実施例２を示した説明図である。
【図３】従来の技術の一例を示した説明図である。
【図４】従来の技術の一例を示した説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１                                       電力変換器
２                                       永久磁石同期電動機
３                                       電流検出器
４                                       電圧検出器
５、５’、８、８’               位相収束器
６、６’、９、９’               磁極判定器
７                                       スイッチ
【図１】
2007068255.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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