(57)【要約】【課題】インバータの出力電圧を検出しなくても誘起電圧と磁極位置検出信号との位相差を検出し、これを補正可能とした初期磁極位置調整装置を提供する。【解決手段】インバータにより駆動される永久磁石同期電動機の起動時に、前記電動機の誘導起電力と磁極位置センサによる磁極位置検出信号との位相差を推定し、この位相差により補正した前記磁極位置検出信号を用いて前記インバータを制御するための初期磁極位置調整装置において、電動機の固定子巻線を流れる電流を検出する手段と、検出した電流を用いて前記位相差を推定する手段と、推定した位相差を用いて前記磁極位置検出信号を補正する手段と、備え、位相差推定手段３０２は、電動機２００を空転させた状態でインバータ１０１のスイッチング素子を制御して電動機２００の固定子巻線を短絡させ、無負荷誘導起電力によって流れる巻線電流から前記位相差を推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータにより駆動される永久磁石同期電動機の起動時に、前記電動機の誘導起電力と磁極位置センサによる磁極位置検出信号との位相差を推定し、この位相差により補正した前記磁極位置検出信号を用いて前記インバータを制御するための初期磁極位置調整装置において、
前記電動機の固定子巻線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出した電流を用いて前記位相差を推定する位相差推定手段と、
前記位相差推定手段により推定した位相差を用いて前記磁極位置検出信号を補正する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機の初期磁極位置調整装置。
【請求項２】
請求項１に記載した初期磁極位置調整装置において、
前記位相差推定手段は、
前記電動機を空転させた状態で前記インバータの半導体スイッチング素子を制御して前記電動機の固定子巻線を短絡させ、前記固定子巻線に発生する無負荷誘導起電力によって流れる巻線電流から前記位相差を推定することを特徴とする永久磁石同期電動機の初期磁極位置調整装置。
【請求項３】
請求項１に記載した初期磁極位置調整装置において、
前記位相差推定手段は、
前記電動機を静止させた状態で前記インバータの半導体スイッチング素子を制御して前記電動機の固定子巻線に所定の大きさの電圧を印加し、そのときに流れる巻線電流が前記電動機の回転子の磁気異方性に起因して変化することに基づいて前記位相差を推定することを特徴とする永久磁石同期電動機の初期磁極位置調整装置。
【請求項４】
インバータにより駆動される永久磁石同期電動機の起動時に、前記電動機の誘導起電力と磁極位置センサによる磁極位置検出信号との位相差を推定する位相差推定手段と、前記位相差推定手段により推定した位相差を用いて前記磁極位置検出信号を補正する手段と、  を備え、補正後の前記磁極位置検出信号を用いて前記インバータを制御するための初期磁極位置調整装置において、
前記位相差推定手段は、
前記電動機を静止させた状態で前記インバータの半導体スイッチング素子を制御して前記電動機の固定子巻線に所定の大きさの電流を通流し、そのときに前記固定子巻線に印加される電圧が前記電動機の回転子の磁気異方性に起因して変化することに基づいて前記位相差を推定することを特徴とする永久磁石同期電動機の初期磁極位置調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータにより駆動される永久磁石同期電動機の初期磁極位置調整装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期電動機をインバータにより駆動する場合、電動機の回転子の磁極位置を正確に検出するために、磁極位置センサ（角度センサ）が使用されている。しかし、電動機の製造時には、磁極位置センサの取付位置を厳密に管理していないので、電動機の誘導起電力の位相と磁極位置センサによる磁極位置検出信号の位相との間には誤差（位相差）が存在するのが一般的である。
上記の位相差を放置したままでは、インバータから電動機に供給する電流ベクトルを電動機の回転に応じて正確に回転させることができないため、電動機の起動時に、何らかの方法によって位相差を検出し、磁極位置検出信号の位相を補正（位置ずれ補正）する必要がある。
【０００３】
上記の点に鑑み、例えば特許文献１には、永久磁石同期モータの誘起電圧のゼロクロス点に基づいて角度基準信号を生成し、この角度基準信号と角度センサによる磁極位置検出信号との位相差を求めて磁極位置検出信号の位相を補正し、補正後の位相を用いてモータの電流指令を生成するようにしたモータ制御装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３２５４９３号公報（段落［００１６］〜［００２９］、図１〜図６等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に係る従来技術によれば、角度センサの取付位置の厳密な管理を不要にして位相差を自ら補正することが可能であるが、基準信号発生装置をモータの制御回路に内蔵するか、あるいは、モータを始動するたびに基準信号発生装置を主回路に繋ぎ込まなくてはならず、制御回路の複雑化や位相調整作業の煩雑化を招くという問題がある。
また、この従来技術では、誘起電圧のゼロクロス点を検出するために波形測定器やセンサが必要であり、これらの波形測定器等を使用しない場合には、インバータの出力電圧検出器を代用することが考えられる。しかし、例えば電気自動車用のインバータシステムには、コスト上の観点から出力電圧検出器を備えていないものも多くあり、その場合には、前記従来技術を適用することができなかった。
【０００６】
そこで、本発明の解決課題は、インバータの出力電圧を検出しなくても誘起電圧と磁極位置検出信号との位相差を検出し、磁極位置検出信号の位相を補正可能とした初期磁極位置調整装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、インバータにより駆動される永久磁石同期電動機の起動時に、前記電動機の誘導起電力と磁極位置センサによる磁極位置検出信号との位相差を推定し、この位相差により補正した前記磁極位置検出信号を用いて前記インバータを制御するための初期磁極位置調整装置において、
前記電動機の固定子巻線を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段により検出した電流を用いて前記位相差を推定する位相差推定手段と、
前記位相差推定手段により推定した位相差を用いて前記磁極位置検出信号を補正する手段と、を備えたものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した初期磁極位置調整装置において、
前記位相差推定手段は、
前記電動機を空転させた状態で前記インバータの半導体スイッチング素子を制御して前記電動機の固定子巻線を短絡させ、前記固定子巻線に発生する無負荷誘導起電力によって流れる巻線電流から前記位相差を推定するものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載した初期磁極位置調整装置において、
前記位相差推定手段は、
前記電動機を静止させた状態で前記インバータの半導体スイッチング素子を制御して前記電動機の固定子巻線に所定の大きさの電圧を印加し、そのときに流れる巻線電流が前記電動機の回転子の磁気異方性に起因して変化することに基づいて前記位相差を推定するものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、インバータにより駆動される永久磁石同期電動機の起動時に、前記電動機の誘導起電力と磁極位置センサによる磁極位置検出信号との位相差を推定する位相差推定手段と、前記位相差推定手段により推定した位相差を用いて前記磁極位置検出信号を補正する手段と、を備え、補正後の前記磁極位置検出信号を用いて前記インバータを制御するための初期磁極位置調整装置において、
前記位相差推定手段は、
前記電動機を静止させた状態で前記インバータの半導体スイッチング素子を制御して前記電動機の固定子巻線に所定の大きさの電流を通流し、そのときに前記固定子巻線に印加される電圧が前記電動機の回転子の磁気異方性に起因して変化することに基づいて前記位相差を推定するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、永久磁石同期電動機の誘導起電力を検出せずに誘導起電力と磁極位置検出信号との位相差を検出して磁極位置検出信号を補正することができ、これによって電動機を支障なく制御することができる。このため、出力電圧検出器を備えていないインバータシステムにも適用可能であると共に、磁極位置の調整に要する煩雑な作業を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態の主要部を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態の原理を説明するための波形図である。
【図３】第１実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態を説明するための、ＩＰＭモータの回転子の一例を示す図である。
【図５】第２実施形態における固定子巻線のインダクタンス及びその変化を示す波形図である
【図６】第２実施形態の主要部を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明の第１実施形態は請求項１，２に相当するものであり、この第１実施形態では、例えば特許第３６３６３４０号公報に記載された永久磁石同期電動機の空転時における起動技術を応用して電動機の誘導起電力と磁極位置検出信号との位相差を推定し、磁極位置検出信号の位相を補正することとした。
【００１４】
図１は、第１実施形態の主要部を示すブロック図である。
図１において、１０１はＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子からなる三相電圧形インバータ、１０２は直流電源、２００は永久磁石同期電動機、２０１は回転子の磁極位置検出センサである。
【００１５】
また、３０１は電動機２００の相電流を検出する電流検出器、３０２は電流検出値ｉと磁極位置検出センサ２０１による磁極位置検出信号θ’が入力される位相差推定手段、３０３は位相差推定手段３０２から出力される位相差Δθと磁極位置検出信号θ’とが入力される位相補正手段、３０４は、位相補正手段３０３から出力される補正後の位相θと巻線短絡指令とが入力され、更に、インバータ１０１の出力電流検出値及びトルク指令等に基づいてインバータ１０１のスイッチング素子の駆動信号を生成する電流制御手段である。
【００１６】
次に、この実施形態による磁極位置調整原理を、図２に基づいて説明する。
特許第３６３６３４０号公報にも記載されているように、インバータ１０１の運転を停止した状態で電動機２００の回転子を空転させ、そのときに固定子巻線の少なくとも一相を短絡させると、固定子巻線に無負荷誘導起電力が発生して電流が流れる。
ここで、電動機２００の回転子を空転させるには、例えばシャシダイナモ等を利用すればよい。また、固定子巻線の少なくとも一相を短絡させるには、電流制御手段３０４の出力信号により、インバータ１０１の当該相の上アームまたは下アームの半導体スイッチング素子をオンさせればよい。
【００１７】
いま、インバータ１０１の運転を停止したまま電動機２００の回転子を空転させ、図１に示すごとく、電流制御手段３０４に巻線短絡指令を与えて電動機２００の一相の固定子巻線を短絡する。これにより、図２に示すように当該相に誘導起電力ＥＭＦが発生し、この誘導起電力ＥＭＦにより電流ｉが流れるが、この電流ｉは、誘導起電力ＥＭＦのゼロクロス点（時刻ｔ１）に同期して通流を開始する。
ここで、特許第３６３６３４０号公報に記載されているように、短絡動作の所定の手順を繰り返すことにより、回転子の回転方向、回転速度、及び、誘導起電力ＥＭＦの位相すなわち磁極位置の情報をすべて得ることができる。
従って、電流ｉから誘導起電力ＥＭＦの位相を推定することができる。
【００１８】
一方、磁極位置センサ２０１から出力される磁極位置検出信号θ’は、一般的に、図２に示すごとく電気角０°の位置が誘導起電力ＥＭＦのゼロクロス点と一致しておらず、誘導起電力ＥＭＦと磁極位置検出信号θ’との間には位相差がある。
しかしながら、図２に示した時刻ｔ３は図１における位相差推定手段３０２によって検出可能であり、また、磁極位置検出信号θ’が０°になる時刻ｔ２も検出可能である。このため、位相差推定手段３０２は、誘導起電力ＥＭＦと磁極位置検出信号θ’との位相差に相当する図２の時間Δｔを求めることができ、この時間Δｔから位相差Δθを換算可能である。
【００１９】
位相差推定手段３０２により求められた位相差Δθは図１の位相補正手段３０３に入力されており、位相差Δθを用いて磁極位置検出信号θ’の位相を補正すれば、図２に破線で示すように誤差補正後の正規の磁極位置検出信号θを得ることができる。
電流制御手段３０４では、この磁極位置検出信号θを磁極位置の初期値として、所定のトルク指令に基づいてインバータ１０１のスイッチング素子の駆動信号を生成し、出力する。
なお、推定した位相差Δθを位相補正手段３０３内のメモリに記憶させておき、通常運転時には、メモリ内の位相差Δθにより磁極位置検出信号θ’を補正して正規の磁極位置検出信号θを得ることにより、通常運転時には位相差推定手段３０２の動作を停止させることができる。
つまり、本発明に係る初期磁極位置調整動作は、インバータ１０１と電動機２００とを接続した後で、通常運転を行う前に一度実施すればよい。
【００２０】
図３は、上述した一連の磁極位置調整動作を示すフローチャートであり、電動機２００の空転開始（ステップＳ１）、インバータ１０１のスイッチング素子の動作による固定子巻線の短絡（ステップＳ２）、電流ｉの検出による誘導起電力ＥＭＦの位相推定、及び、誘導起電力ＥＭＦと磁極位置検出信号θ’との位相差Δθの検出（ステップＳ３）、位相差Δθを用いた磁極位置検出信号θ’の位相補正（ステップＳ４）により、起動時の磁極位置調整動作が完了するものである。
【００２１】
次に、請求項３に相当する本発明の第２実施形態を説明する。
この第２実施形態では、ＩＰＭモータのように突極性を有する同期電動機において回転子に磁気異方性があることに着目して磁極位置検出信号θ’の位相差を検出するものである。
図４は、ＩＰＭモータの回転子の一例を示したものであり、２０５は回転子、２０６は回転子コア、２０７は永久磁石を示す。
【００２２】
図４において、回転子２０５の位置（磁極位置）に応じてインダクタンス値が異なる、すなわち回転子が突極性を有するため、固定子巻線のインダクタンスＬは、例えば図５（ａ）に示すように変化する。更に、回転子２０５における位相角θｒのある値（方向）に対して、固定子巻線に電流を流して直流的な起磁力を発生させた場合、インダクタンスＬは図５（ａ）に示した値から変化し、その変化率は図５（ｂ）のようになる。
すなわち、回転子２０５が静止した状態で、固定子巻線に交流電圧を印加した場合に流れる電流は、図５（ａ）に示した突極性によるインダクタンスの回転子位置依存性に従った値になるため、この固定子巻線電流を観測することにより、図５（ａ）に示したように回転子位置を割り出すことができる。
【００２３】
ただし、図５（ａ）から明らかなごとく、突極性は電気角１周期に対して２周期のインダクタンスの変化を生じさせるため、これだけでは、回転子位置として電気角で１８０度離れた２箇所の可能性があり、回転子位置を特定できない。そこで、図５（ｂ）に示した特性を利用して回転子位置を特定する。
すなわち、大電流が流れるような電圧をインバータ１０１から電動機２００の固定子巻線に印加した場合に、固定子巻線を流れる電流によって発生する磁束と、永久磁石２０７によって発生する磁束との方向の関係により、インダクタンスＬが異なる。例えば、固定子巻線の電流による磁束と永久磁石２０７による磁束とが同方向の場合には、磁束が強め合って固定子及び回転子の鉄心が磁気飽和する方向に動作点が移り、インダクタンスＬは小さくなる。逆に、固定子巻線の電流による磁束と永久磁石２０７による磁束とが逆方向の場合には、磁束が弱め合うため鉄心の動作点は磁気飽和しにくい方向に移り、インダクタンスＬは大きくなる。
このため、ある大きさの電圧を固定子巻線に印加した場合、この固定子巻線を流れる電流は、回転子２０５の位置を反映させたものとなる。従って、この電流を観測することにより、磁極位置のずれ（図４における電気角０°からの位相差θｒ）を求めることができる。なお、この位相差θｒは、図１における位相差Δθに相当する。
よって、巻線電流の変化を観測することにより、前記位相差θｒだけでなく、その位相差θｒを持つ磁極の極性も知ることができる。
【００２４】
なお、上述した磁極位置や界磁の極性検出原理は、例えば、渡辺博巳ほか２名による「永久磁石界磁同期電動機の回転子位置と速度のセンサレス検出の一方法」（電気学会論文誌Ｄ，１１０巻１１号，平成２年１１月）等に記載されている。
【００２５】
図６は、この第２実施形態の主要部を示すブロック図である。図１との主な相違点は、電動機２００を空転させずに静止させた状態で、位相差推定手段３０２Ａが前述の磁気異方性に基づいて位相差を推定すること、位相差推定手段３０２Ａが磁極位置検出信号θ’を入力情報として用いないこと、電流制御手段３０４が巻線短絡指令を入力情報として用いず、静止した電動機２００の固定子巻線に所定の電流を流すようにインバータ１０１のスイッチング素子を制御すること等である。
なお、位相補正手段３０３により磁極位置検出信号θ’を位相差θｒにより補正した後の動作は、第１実施形態と同様である。
【００２６】
上記の説明は、請求項３に係る発明の実施形態として、固定子巻線に所定の大きさの電圧を印加した結果流れる電流を観測するものであるが、請求項４に記載するように、電動機を静止させた状態でインバータの半導体スイッチング素子を制御し、固定子巻線に所定の大きさの電流を通流させた場合の印加電圧を観測することによっても、請求項３と同様の原理に基づいて初期磁極位置を推定することができる。
すなわち、インバータが出力電圧検出器を備えていなくても、電流制御のフィードバックループを組んでおけば、固定子巻線に所定の電流を流すための印加電圧の指令値は決まる。この電圧指令値は、突極性に起因するインダクタンスに依存した値、言い換えれば磁極位置に依存した値になるはずであり、インダクタンスが大きければ大きくなり、インダクタンスが小さければ小さくなるようにフィードバック作用により自動的に決まるものである。従って、このことを利用すれば、所定の大きさの電流通流時における固定子巻線に印加される電圧の変化を観測することにより、前記同様に、位相差θｒ及びその位相差θｒを持つ磁極の極性を知ることができる。
なお、上述した磁極位置推定方法は、例えば、山田和範ほか３名による「センサレス突極形ＰＭモータの静止時における磁極位置推定法の提案」（平成７年電気学会産業応用部門全国大会講演論文集，ｐ.１８７〜ｐ.１９０，平成７年）等にも記載されている。
【００２７】
以上のように、各実施形態によれば、出力電圧検出器を持たない比較的安価なインバータシステムにより永久磁石同期電動機を駆動する場合でも、磁極位置センサの位置ずれ補正を容易に行うことができる。
【符号の説明】
【００２８】
１０１：インバータ
１０２：直流電源
２００：永久磁石同期電動機
２０１：磁極位置センサ
２０５：回転子
２０６：回転子コア
２０７：永久磁石
３０１：電流検出器
３０２，３０２Ａ：位相差推定手段
３０３：位相補正手段
３０４：電流制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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