(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石形同期電動機に電力を供給する電力変換器と、
前記永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の方向であるｄ軸位置を推定して出力する位置演算器と、
前記位置演算器出力のｄ軸位置と実際のｄ軸位置とが４５度以上ずれているかどうかを判定し、４５度以上ずれている場合は前記位置演算器出力を９０度だけ修正する信号を出力するｄｑ軸判定器と、
前記ｄｑ軸判定器の実行の後に、前記位置演算器出力のｄ軸位置と実際のｄ軸位置とが一致するように前記位置演算器出力を調整する位置推定器と、
前記位置推定器の実行の後に、前記位置演算器出力のｄ軸位置と実際のｄ軸位置とが９０度以上ずれているかどうかを判定し、９０度以上ずれている場合は前記位置演算器出力を１８０度だけ修正する信号を出力する磁極判定器と、
前記位置演算器出力のｄ軸位置に基づいて前記永久磁石形同期電動機の入力電流を制御することによって前記永久磁石形同期電動機の出力トルクを制御するトルク制御器とからなる永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置演算器出力のｄ軸位置の方向に直流電圧を印加して、所定時間後における前記位置演算器出力のｄ軸位置の方向の電流値が所定値よりも小さい場合は、前記位置演算器出力を９０度だけ修正する信号を出力するｄｑ軸判定器とすることを特徴とした永久磁石形同期電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位置センサや速度センサを有することなく、停止時からの始動を可能にする永久磁石型同期電動機の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の一例を図１に示し、これについて説明する。
電力変換器４は、永久磁石型同期電動機１に電力を供給する。電圧検出器２は、永久磁石型同期電動機１の一次電圧ｖを検出または推定する。電流検出器３は、永久磁石型同期電動機１の一次電流ｉを検出する。位置演算器１２は、ｄｑ軸判定器９’出力と位置修正器１０出力と磁極判定器１１出力とを入力し、永久磁石型同期電動機１の回転子の永久磁石の方向θｃを推定する。トルク制御器５は、永久磁石の方向θｃを入力して、永久磁石型同期電動機１の出力トルクが指令トルクに追従するような信号Ｓを出力する。
【０００３】
電圧成分変換器７は、一次電圧ｖと永久磁石の方向θｃとを入力し、永久磁石の方向θｃと平行な成分であるｄ軸電圧ｖｄと垂直な成分であるｑ軸電圧ｖｑとを出力する。電流成分変換器６は、一次電流ｉと永久磁石の方向θｃとを入力し、永久磁石の方向θｃと平行な成分であるｄ軸電流ｉｄと垂直な成分であるｑ軸電流ｉｑとを出力する。
【０００４】
ｄｑ軸判定器９’は、ｄ軸電圧ｖｄとｄ軸電流ｉｄとを入力し、ｄ軸電流が交流電流となるような信号Ｓ１’をｔ１’時間出力し、ｔ１’時間経過後、位置演算器１２出力である永久磁石の方向θｃと実際の永久磁石の方向θｒとの差が４５度以上かどうかを判定し、その場合は前記位置演算器１２出力を９０度だけ修正する信号を出力する。位置修正器１０はｑ軸電圧ｖｑとｄ軸電流ｉｄとを入力し、ｄ軸電流が高周波電流、ｑ軸電流が０となるような信号Ｓ２をｔ２時間出力し、ｔ２時間中に位置演算器１２の出力である永久磁石の方向θｃを修正する信号を出力する。
【０００５】
磁極判定器１１は、ｄ軸電圧ｖｄとｄ軸電流ｉｄとを入力し、ｑ軸電流が０でｄ軸電流が正の電流（＋Ｉｐ）になるまで流し、ｑ軸電流が０でｄ軸電流が負の電流（−Ｉｐ）になるまで流す信号Ｓ３を出力し、前記２種類の電流を流した後に、位置演算器１２出力である永久磁石の方向θｃと実際の永久磁石の方向θｒとの差が９０度以上かどうかを判定し、その場合は前記位置演算器１２の出力を１８０度だけ修正する信号を出力する。
スイッチ１０は、トルク制御器５出力Ｓを出力する前に、ｄｑ軸判定器９’出力Ｓ１、位置修正器１０出力Ｓ２、磁極判定器１１出力Ｓ３の順番に電力変換器４に出力した後、トルク制御器５出力Ｓを電力変換器４に出力する。
【０００６】
図３は図１中のｄｑ軸判定器９’の詳細ブロック図を示し、９４’はｄｑ軸判定用電流指令生成器であり、ｄ軸電流が交流電流となるようにした状態をｔ１’時間だけ制御する信号Ｓ１’を出力する。９１’は実効値演算器であり、ｄ軸電流ｉｄを入力してｄ軸電流の実効値の平均値Ｉｄを出力する。９２’は実効値演算器であり、ｄ軸電圧ｖｄを入力してｄ軸電圧の実効値の平均値Ｖｄを出力する。９３’はｄｑ軸修正器であり、ＩｄとＶｄとを入力し、ｔ１’時間後にＶｄが所定の電圧値Ｖｄ０より大きい場合は位置演算器１２出力を９０度相当分だけ加算または減算した値に修正する信号を出力する。
【０００７】
永久磁石形同期電動機１のｄ軸インダクタンスＬｄと、ｑ軸インダクタンスＬｑとは、Ｌｑ＞Ｌｄの関係が成立する。よって位置演算器１２出力である永久磁石の方向θｃと実際の永久磁石の方向θｒとの位相差が０度付近よりも９０度付近の方がｄ軸電圧Ｖｄの実効値の平均値は大きくなる。よって所定の値Ｖｄ０をＬｄとＬｑとの中間のインダクタンス値に電流を流した時の電圧実効値にしておけば、ｄ軸電圧Ｖｄの実効値の平均値がＶｄ０よりも大きければθｃとθｒとの位相差が９０度付近であることが判明する。ｄｑ軸判定器９’は、この原理に基づいて位置演算器１２出力である永久磁石の方向θｃと平行な軸が、実際の永久磁石の方向θｒと垂直な軸の付近に存在するかどうかを判定する。
【０００８】
図４は図１中の位置修正器１０の詳細ブロック図であり、１０５は位置修正用電流指令生成器であり、ｄ軸電流に高周波電流が流れ、ｑ軸電流が０となるような信号Ｓ２を出力する。１０１はバンドパスフィルタであり、ｄ軸電流ｉｄを入力して位置修正用電流指令生成器１０５によってｄ軸電流に流す高周波電流と同じ周波数成分の電流ｉｄｈを出力する。１０２はバンドパスフィルタであり、ｑ軸電圧ｖｑを入力して位置修正用電流指令生成器１０５によってｄ軸電流に流す高周波電流と同じ周波数成分の電圧ｖｑｈを出力する。
【０００９】
１０３は位置誤差演算器であり、ｉｄｈとｖｑｈとを入力して、ｉｄｈとｖｑｈの時間微分値の積からｉｄｈの時間微分値とｖｑｈの積を引いたものを演算して出力する。１０４は比例積分増幅器であり、位置誤差演算器１０３の出力を比例積分増幅して位置演算器１２の出力する永久磁石の方向θｃを修正する信号を出力する。
【００１０】
ここでは、位置修正器１０によって位置推定器１２から出力される永久磁石の方向θｃを修正出来ることについて説明する。位置修正用電流指令生成器１０５の出力信号Ｓ２により永久磁石型同期電動機１に次式で表される電流を流す。
【００１１】
0003938835.tif 000002
ここで、Ｉは高周波電流の振幅でありωｈは高周波電流の角周波数である。位置演算器１２の出力θｃと実際値θｒとの差である位置誤差を、
【００１２】
0003938835.tif 000003
と定義すると、実際の永久磁石の方向と平行な成分である電流ｉｄｒとそれと垂直な成分である電流ｉｑｒは、
0003938835.tif 000004
となる。
【００１３】
一方、永久磁石型同期電動機の電圧方程式は次式で表される。
0003938835.tif 000005
【００１４】
ここで、Ｒは永久磁石型同期電動機の電機子抵抗、ｐは微分演算子、ωは回転速度、φは永久磁石の磁束を示す。よって、（４）式と（５）式を（６）式と（７）式に代入すると
0003938835.tif 000006
となる。
【００１５】
電圧成分変換器７出力であるｑ軸電圧ｖｑは、
0003938835.tif 000007
となる。
【００１６】
バンドパスフィルタ１０１と１０２によってｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑの高周波成分を取り出すと、
0003938835.tif 000008
となる。
【００１７】
よって、位置誤差演算器１０３出力は、（１１）式と（１２）式より
0003938835.tif 000009
となる。
【００１８】
比例積分増幅器１０４によって位置誤差演算器１０３出力である（１３）式を比例積分増幅して、位置演算器１２の出力する永久磁石の方向θcを修正する信号を出力する。ゆえに、Δθが−９０度から＋９０度の範囲ならばΔθは０に収束することが解る。なお、Δθが９０度から２７０度の範囲ならばΔθは１８０に収束する。
【００１９】
図５は図１中の磁極判定器１１の詳細を示すブロック図であり、磁極判定用電流指令生成器１１２は、ｄ軸電流ｉｄを正の所定の値（Ｉｐ）まで流して、その後負の所定の値（−Ｉｐ）まで流すように制御する信号Ｓ３を出力する。磁極修正器１１１は、ｄ軸電流ｉｄとｄ軸電圧ｖｄとを入力し、ｄ軸電流ｉｄが正の所定の値（Ｉｐ）に到達した時点におけるｄ軸インダクタンスＬｄｐとｄ軸電流ｉｄが負の所定の値（−Ｉｐ）に到達した時点におけるｄ軸インダクタンスＬｄｎとを演算し、Ｌｄｐ＞Ｌｄｎの場合に位置演算器１２の出力する永久磁石の方向θｃを１８０度相当分だけ加算した値に修正する信号を出力する。
【００２０】
前述したように位置誤差Δθが９０度から２７０度の範囲ならば位置修正器１０によりΔθは１８０度に収束してしまう。磁極判定器１１はΔθが１８０度であるかどうかを判定して、その場合はθを１８０度修正することでΔθを０にするものであり、以下はその原理について説明する。
【００２１】
永久磁石の方向θｃと実際の永久磁石の方向θｒとが同方向、つまりΔθが０度ならば、ｉｄを正に流すとＬｄ・ｉｄに相当する分だけ磁束が増えることになり、磁気回路が飽和するようになってＬｄは小さくなる。逆に電流を負に流すと磁束は減少することになるのでＬｄは小さくはならない。よってＬｄｐ＜Ｌｄｎとなる。しかしθcがθｒと逆方向つまりΔθが１８０度ならばＬｄｐ＞Ｌｄｎとなり、θcを１８０度修正することでΔθを０にすることができる。
【００２２】
次に、位置演算器１２の出力する永久磁石の方向θｃをｄｑ軸判定器９’、位置修正器１０、磁極判定器１１によって修正する必要があるかを説明する。
位置演算器１２が永久磁石の方向θｃを推定する場合は、永久磁石の方向の初期位置を推定するのに上記修正が必要なことは明らかである。一方、位置演算器１２が永久磁石の方向θｃを検出する場合、絶対位置が検出できない位置検出器を用いるなら永久磁石の方向の初期位置を推定するのに上記修正が必要となる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ｄｑ軸判定器９’は、ｄ軸電流ｉｄに交流電流を流すことでその方向θｃが実際の永久磁石の方向θｒと４５度以上誤差があるかどうかを判定している。このｄｑ軸判定器９’を実行する時間ｔ１’を短くするには、交流電流の角周波数を速くすればよいが、交流電流の角周波数を速くするには制御上の限界があり、単純には、時間ｔ１’を短くすることが出来ない。
本発明は上述した点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、交流電流の代わりに直流電圧を印加することで上記問題点を解決するものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、永久磁石形同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記永久磁石形同期電動機の回転子の永久磁石の方向であるｄ軸位置を推定して出力する位置演算器と、前記位置演算器出力のｄ軸位置と実際のｄ軸位置とが４５度以上ずれているかどうかを判定し、４５度以上ずれている場合は前記位置演算器出力を９０度だけ修正する信号を出力するｄｑ軸判定器と、前記ｄｑ軸判定器の実行の後に、前記位置演算器出力のｄ軸位置と実際のｄ軸位置とが一致するように前記位置演算器出力を調整する位置推定器と、前記位置推定器の実行の後に、前記位置演算器出力のｄ軸位置と実際のｄ軸位置とが９０度以上ずれているかどうかを判定し、９０度以上ずれている場合は前記位置演算器出力を１８０度だけ修正する信号を出力する磁極判定器と、前記位置演算器出力のｄ軸位置に基づいて前記永久磁石形同期電動機の入力電流を制御することによって前記永久磁石形同期電動機の出力トルクを制御するトルク制御器とからなる永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記位置演算器出力のｄ軸位置の方向に直流電圧を印加して、所定時間後における前記位置演算器出力のｄ軸位置の方向の電流値が所定値よりも小さい場合は、前記位置演算器出力を９０度だけ修正する信号を出力するｄｑ軸判定器とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１に示し、以下、この図について説明する。
なお、前述の従来技術例と異なるのはｄｑ軸判定器９のみであるので、他の同一部分の説明は省略する。ｄｑ軸判定器９は、ｄ軸電圧ｖｄとｄ軸電流ｉｄとを入力し、ｄ軸電圧に直流電圧が印加されるような信号Ｓ１をｔ１時間出力し、ｔ１時間経過後位置演算器１２の出力である永久磁石の方向θｃと実際の永久磁石の方向θｒとの差が４５度以上かどうかを判定し、その場合は前記位置演算器１２の出力を９０度だけ修正する信号を出力する。
【００２６】
位置演算器１２は、ｄｑ軸判定器９出力と位置修正器１０出力と磁極判定器１１出力とを入力して、永久磁石の方向θｃを推定する。スイッチ８は、トルク制御器５出力Ｓを出力する前に、ｄｑ軸判定器９出力Ｓ１、位置修正器１０出力Ｓ２、磁極判定器１１出力Ｓ３の順番に電力変換器４へ出力した後、トルク制御器５出力Ｓを電力変換器４へ出力する。
【００２７】
図２は図１中のｄｑ軸判定器９の詳細ブロック図を示し、９２はｄｑ軸判定用電圧指令生成器であり、ｄ軸電圧ｖｄが直流電圧となるようにした状態を所定時間ｔ１だけ制御する信号Ｓ１を出力する。９１はｄｑ軸修正器であり、ｔ１時間後にｄ軸電流ｉｄが所定の電流値Ｉｄ０より小さい場合は、位置演算器１２出力を９０度相当分だけ加算または減算した値に修正する信号を出力する。
【００２８】
前述したようにＬｑ＞Ｌｄの関係が成立するため、位置演算器１２出力である永久磁石の方向θｃと実際の永久磁石の方向θｒとの位相差が０度付近よりも９０度付近の方がｄ軸電流ｉｄは小さくなる。よって所定の値Ｉｄ０をＬｄとＬｑとの中間のインダクタンス値に直流電圧を印加した時の電流値にしておけば、d軸電流ｉdがＩｄ０よりも小さければθｃとθｒとの位相差が９０度付近であることが判明する。ｄｑ軸判定器９は、この原理に基づいて位置演算器１２出力である永久磁石の方向θｃと平行な軸が実際の永久磁石の方向θｒと垂直な軸の付近に存在するかどうかを判定する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、短時間でｄｑ軸判定を行うことができるようになり、停止時からの始動を速やかに行うことが可能となって、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明と従来技術の一実施例を表すブロック図である。
【図２】本発明のｄｑ軸判定器の一実施例を表すブロック図である。
【図３】従来技術のｄｑ軸判定器の一実施例を表すブロック図である。
【図４】従来技術の位置推定器の一実施例を表すブロック図である。
【図５】従来技術の磁極判定器の一実施例を表すブロック図である。
【符号の説明】
１              永久磁石型同期電動機
２              電圧検出器
３              電流検出器
４              電力変換器
５              トルク制御器
６              電流成分変換器
７              電圧成分変換器
８              スイッチ
９、９’        ｄｑ軸判定器
１０            位置修正器
１１            磁極判定器
１２            位置演算器
９１，９３’    ｄｑ軸修正器
９２            ｄｑ軸判定用電圧指令生成器
９４’          ｄｑ軸判定用電流指令生成器
９１’、９２’  実効値演算器
１０１，１０２  バンドパスフィルタ
１０３          位置誤差演算器
１０４          比例積分増幅器
１０５          位置修正用電流指令生成器
１１１          磁極修正器
１１２          磁極判定用電流指令生成器
【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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