(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石形同期電動機の推定された永久磁石の方向に平行な一次電流の成分に高調波を重畳して、検出された前記永久磁石形同期電動機の一次電流と一次電圧より前記推定された永久磁石の方向を修正できる位置推定器を持つ永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記永久磁石形同期電動機の一次電流を、推定された永久磁石の方向に平行なｄ軸電流成分及び垂直なｑ軸電流成分に分けて出力する電流成分変換器と、前記永久磁石形同期電動機の一次電圧を、推定された永久磁石の方向に平行なｄ軸電圧成分及び垂直なｑ軸電圧成分に分けて出力する電圧成分変換器と、前記永久磁石形同期電動機が停止した状態で、前記推定された永久磁石に平行な一次電流成分を直流成分のない高調波成分のみとし、前記推定された永久磁石の方向に垂直な方向の一次電流成分を零としたときに前記電圧成分変換器出力のｄ軸電圧成分の振幅の大きさが所定値より大きい場合は前記推定された永久磁石の方向を９０度進めるか９０度遅らせるように前記位置推定器を修正するｄｑ軸判定器と、前記ｄ軸電流成分が正の時のｄ軸電圧成分の平均値が、ｄ軸電流成分が負の時のｄ軸電圧成分の平均値より大きい場合に前記推定された永久磁石の方向を１８０度進めた値になるように前記位置推定器を修正する磁極判定器とを具備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】
【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起動を可能にする永久磁石形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】
図２に従来の技術のブロック線図の一例を示す。図中、１は永久磁石形同期電動機、２は永久磁石形同期電動機１に印可される一次電圧ｖ１を検出する電圧検出器、３は永久磁石形同期電動機１に流れる一次電流ｉ１を検出する電流検出器、４は永久磁石形同期電動機１に電力を供給する電力変換器である。
７は電流成分変成器であり、電流検出器３の出力ｉ１及び推定された永久磁石の方向θｇを入力して推定された永久磁石の方向θｇに平行なｄ軸電流成分ｉｄおよび垂直なｑ軸電流成分ｉｑを出力する。
８は電圧成分変換器であり、電圧検出器２の出力ｖ１及び推定された永久磁石の方向θｇを入力して前記推定された永久磁石の方向θｇに平行なｄ軸電圧成分ｖｄ及び垂直なｑ軸電圧成分ｖｑを出力する。
【０００３】
６は、高調波重畳器であり、ｄ軸電流成分ｉｄに重畳する高調波電流のｄ軸電流指令ｉｄｃを出力する。電流制御器５は、ｄ軸電流成分ｉｄ及びｑ軸電流成分ｉｑがｄ軸電流指令ｉｄｃ及びｑ軸電流指令ｉｑｃ（＝０）に追従するような制御信号を電力変換器４に出力する。
２２は位置推定器であり、ｄ軸電流成分ｉｄ、ｑ軸電流成分ｉｑ及びｑ軸電圧成分ｖｑを入力して永久磁石の方向θｇを出力する。
【０００４】
位置推定器２２中１２は微分器であり、ｑ軸電流成分ｉｑを微分する。１３はインダクタンス分電圧降下演算器であり、微分器１２の出力と永久磁石の方向に垂直な軸の永久磁石形同期電動機１のインダクタンスＬｑとの積を出力する。
１４は抵抗分電圧降下演算器であり、ｑ軸電流成分ｉｑと永久磁石形同期電動機１の電機子抵抗Ｒとの積を出力する。
１５は加算器であり、インダクタンス分電圧降下演算器１３の出力と抵抗分電圧降下演算器１４の出力との和を出力する。１６は減算器であり、加算器１５の出力とｑ軸電圧成分ｖｑとの差を出力する。１７は微分器であり、減算器１６の出力を微分する。１８は位置誤差検出器であり、微分器１７の出力ｄｖｑとｄ軸電流成分ｉｄとの積Δωを出力する。１９は低域通過フィルタであり、位置誤差検出器１８の出力Δωに含まれる直流成分Δωｆを出力する。
【０００５】
２０は比例積分増幅器であり、低域通過フィルタ１９の出力Δωｆを入力して永久磁石形同期電動機１の回転速度ωｇを出力する。２１は積分器であり、回転速度ωｇを積分して永久磁石の方向θｇを出力する。
【０００６】
以下は、従来の技術について永久磁石形同期電動機の回転速度ωｇと永久磁石の方向θｇとの推定原理を説明する。
図３は永久磁石形同期電動機の実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒと推定された永久磁石φｇの方向θｇの関係をベクトルで表したもので、これらの間に
【０００７】
【数１】
0003953189.tif 000002
【０００８】
の位置誤差Δθがある場合、ｄ軸電流成分ｉｄとｑ軸電流成分ｉｑが、
【０００９】
【数２】
0003953189.tif 000003
【００１０】
に制御されているとすると、一次電流ｉ１の中で実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒに平行なｄｒ軸電流成分ｉｄｒ及び垂直なｑｒ軸電流成分ｉｑｒは、
【００１１】
【数３】
0003953189.tif 000004
【００１２】
で表される。
ここで、Ｉは電流の波高値、ωは電流の角周波数、ｔは時間である。
【００１３】
永久磁石形同期電動機の特性方程式は、次式で表される。
【００１４】
【数４】
0003953189.tif 000005
【００１５】
ここで、ｖｄｒは一次電圧ｖ１の中で実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒに平行なｄｒ軸電圧成分、ｖｑｒは一次電圧ｖ１の中で実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒに垂直なｑｒ軸電圧成分、ｐは微分演算子、Ｌｄは永久磁石形同期電動機のインダクタンスで永久磁石の方向に平行な軸のインダクタンス、ωｇｒは永久磁石形同期電動機の実際の回転速度、φは永久磁石の磁束の大きさである。
停止時のｄｒ軸電圧成分ｖｄｒとｑｒ軸電圧成分ｖｑｒは（４）式、（５）式、（６）式と（７）式より、
【００１６】
【数５】
0003953189.tif 000006
【００１７】
となる。
従って、推定された永久磁石φｇの方向θｇ及び垂直なｑ軸電圧成分ｖｑは、（８）式と（９）式により、
【００１８】
【数６】
0003953189.tif 000007
【００１９】
と表される。
【００２０】
位置誤差検出器１８の出力Δωは、ｄ軸電流成分ｉｄとｑ軸電圧成分ｖｑを微分した値との積なので、
【００２１】
【数７】
0003953189.tif 000008
【００２２】
と表される。従って、低域通過フィルタ１９の出力ΔωｆであるΔωの直流成分は、
【００２３】
【数８】
0003953189.tif 000009
【００２４】
となる。Ｌｑ＞Ｌｄなので（１２）式よりΔθ＞０の場合はΔωｆ＜０、
Δθ＜０の場合はΔωｆ＞０となることが分かる。つまり推定している永久磁石の方向θｇが実際の方向θｇｒよりも進んでいる場合は、Δωｆ＜０となり比例積分増幅器２０によって推定された永久磁石形同期電動機の回転速度ωｇが小さくなるのでθｇの進みが遅くなり実際の方向に一致するようになる。
逆の場合も同様である。
【００２５】
【発明が解決しようとする課題】
（１２）式によりΔωｆは−ｓｉｎ（２・Δθ）と比例関係にあることから永久磁石の磁束の方向を推定できることを説明したが、それは位置誤差Δθが
−９０度＜Δθ＜９０度である場合に限られる。すなわち永久磁石形同期電動機が停止している場合等、永久磁石の方向が分からない場合、最初の位置誤差Δθが±９０度以上あると推定される永久磁石の磁束の方向θｇは±１８０度の位置誤差Δθを持ってしまう。
【００２６】
さらに最初の位置誤差Δθが±９０度付近の場合、Δωｆが不安定となり永久磁石の方向を推定できなくなる。
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、これらの欠点を解決し、位置誤差Δθが−９０度＜Δθ＜９０度以外でも永久磁石の方向を推定することができ、さらに位置誤差Δθが±９０度付近の場合に
Δωｆが不安定になることも解消できる永久磁石形同期電動機の制御装置を提供するものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
つまり、その目的を達成するための手段は、請求項１に示す如く、永久磁石形同期電動機の推定された永久磁石の方向に平行な一次電流の成分に高調波を重畳して、検出された前記永久磁石形同期電動機の一次電流と一次電圧より前記推定された永久磁石の方向を修正できる位置推定器を持つ永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記永久磁石形同期電動機の一次電流を、推定された永久磁石の方向に平行なｄ軸電流成分及び垂直なｑ軸電流成分に分けて出力する電流成分変換器と、前記永久磁石形同期電動機の一次電圧を、推定された永久磁石の方向に平行なｄ軸電圧成分及び垂直なｑ軸電圧成分に分けて出力する電圧成分変換器と、前記永久磁石形同期電動機が停止した状態で、前記推定された永久磁石に平行な一次電流成分を直流成分のない高調波成分のみとし、前記推定された永久磁石の方向に垂直な方向の一次電流成分を零としたときに前記電圧成分変換器出力のｄ軸電圧成分の振幅の大きさが所定値より大きい場合は前記推定された永久磁石の方向を９０度進めるか９０度遅らせるように前記位置推定器を修正するｄｑ軸判定器と、前記ｄ軸電流成分が正の時のｄ軸電圧成分の平均値が、ｄ軸電流成分が負の時のｄ軸電圧成分の平均値より大きい場合に前記推定された永久磁石の方向を１８０度進めた値になるように前記位置推定器を修正する磁極判定器とを具備するものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１に請求項１に対する本発明の一実施例のブロック線図を示し、以下この図に基づいて説明する。なお、図２と同一符号で示す部分は、同一構成、同一機能を有するが、ここではその説明は省略する。
図１中、１０はｄｑ軸判定器であり、ｄ軸電圧成分ｖｄの振幅の大きさが所定値より大きい場合は推定された永久磁石の方向θｇを９０度進めるか遅らせるように位置推定器９の出力を修正する。１１は磁極判定器であり、ｄ軸電流成分ｉｄが正の時のｄ軸電圧成分ｖｄの平均値がｄ軸電流成分ｉｄが負の時のｄ軸電圧成分ｖｄの平均値より大きい場合に前記推定された永久磁石の方向θｇを１８０度進めた値になるように位置推定器９の出力を修正する。位置推定器９は、位置推定器２２にｄｑ軸判定器１０と磁極判定器１１とによる前記推定された永久磁石の方向θｇを修正する機能を加えたものである。
【００２９】
以下は本発明によって、前記問題点を解決できる理由を説明する。推定された永久磁石φｇの方向θｇと平行な成分のｄ軸電圧成分ｖｄは、（８）式と（９）式により、
【００３０】
【数９】
0003953189.tif 000010
【００３１】
と表される。（１３）式よりｄ軸電圧成分ｖｄの振幅の大きさは、Ｌｑ＞Ｌｄの関係から位置誤差Δθが±９０度に近づくほど大きくなる。よって、ｄ軸電圧成分ｖｄの振幅の大きさを所定値と比較して、ｄ軸電圧成分ｖｄの振幅の大きさが所定値より大きければ、推定された永久磁石の方向θｇを９０度進めるかもしくは遅らせる。
【００３２】
永久磁石の方向θｇが正しく推定されている場合の永久磁石形同期電動機のインダクタンスＬｄは、ｄ軸電流成分ｉｄが正ならｄ軸電流成分ｉｄによる磁束と永久磁石の磁束の方向θｇとが等しくなり、インダクタンスＬｄが小さくなる。逆に、ｄ軸電流成分ｉｄが負ならｄ軸電流成分ｉｄによる磁束と永久磁石の磁束の方向θｇとが逆方向となりインダクタンスＬｄが大きくなる磁気飽和現象が発生する。よって、永久磁石の方向θｇに１８０度の位置誤差Δθがある場合は、ｄ軸電流成分ｉｄが正ならインダクタンスＬｄは大きくなり、ｄ軸電流成分ｉｄが負ならインダクタンスＬｄは小さくなることは明らかである。そこで、ｄ軸電流指令ｉｄｃ＝Ｉ・ｓｉｎ（ω・ｔ）、ｑ軸電流指令ｉｑｃ＝０に制御した時、ｄ軸電流成分ｉｄが正の時のｄ軸電圧成分ｖｄの平均値とｄ軸電流成分ｉｄが負の時のｄ軸電圧成分ｖｄの平均値を比較することで１８０度の位置誤差Δθがあるかどうかを判定することができる。
【発明の効果】
本発明により、位置センサなしで永久磁石形同期電動機の停止時の永久磁石の方向を推定することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図２】従来方式の一実施例を表すブロック図である。
【図３】本発明の原理を説明するためのベクトル図である。
【符号の説明】
１            永久磁石形同期電動機
２            電圧検出器
３            電流検出器
４            電力変換器
５            電流制御器
６            高調波重畳器
７            電流成分変換器
８            電圧成分変換器
９            位置推定器
１０          ｄｑ軸判定器
１１          磁極判定器
１２          微分器
１３          インダクタンス分電圧降下演算器
１４          抵抗分電圧降下演算器
１５          加算器
１６          減算器
１７          微分器
１８          位置誤差検出器
１９          低域通過フィルタ
２０          比例積分増幅器
２１          積分器
２２          位置推定器
【図１】
0003953189.tif 000011
【図２】
0003953189.tif 000012
【図３】
0003953189.tif 000013