(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機に電力を供給する電力変換器と、この電力変換器の出力電圧を制御する制御装置から成る交流電動機の制御装置において、
前記交流電動機に電力を供給した直後から、前記交流電動機の入力電流ベクトルの大きさが所定値Ｉｍになるまで前記電力変換器の出力電圧を零とする零電圧印加手段と、
前記零電圧印加手段が零電圧を印加している間における前記交流電動機の入力電流ベクトルの回転方向で前記交流電動機の回転方向を判断する正逆判定手段と、前記零電圧印加手段が零電圧を印加している間の最後の時点ｔ２での前記交流電動機の入力電流ベクトルの位相に、前記正逆判定手段の出力が正転の場合は前記所定値Ｉｍに依存する固定位相αを加算し、前記正逆判定手段の出力が逆転の場合は前記固定位相αを減算して、前記ｔ２時点での前記交流電動機の回転子より発生する磁束の位相θを求める位相演算手段とを具備したことを特徴とする交流電動機の制御装置。
【請求項２】
前記所定値Ｉｍに依存する固定値λを、前記零電圧印加手段が零電圧を印加している時間ｔ１で除した値に、前記正逆判定手段の出力に基づいて符号を付けることによって、前記交流電動機の回転速度ωを計算する速度演算手段を具備したことを特徴とする請求項１記載の交流電動機の制御装置。
【請求項３】
前記零電圧印加手段が零電圧を印加後、所定時間ｔ３経過しても前記交流電動機の入力電流ベクトルの大きさが零の場合は、停止と判断する停止判断手段を具備し、停止と判断された場合は、前記零電圧印加手段の零電圧の印加を止めることを特徴とする請求項１、２記載の交流電動機の制御装置。
【請求項４】
前記零電圧印加手段が零電圧を印加後、前記交流電動機の入力電流ベクトルの大きさの時間に対する傾きが所定値以下の場合は、前記交流電動機が低速で回転していると判断する低速判断手段を具備し、低速と判断した場合は前記零電圧印加手段の零電圧の印加を止めることを特徴とする請求項１、２記載の交流電動機の制御装置。
【請求項５】
前記停止判断手段で停止と判断された時は、前記交流電動機の入力電流を変化させて前記交流電動機の回転子の突極性を利用して、前記交流電動機の回転子より発生する磁束の位相θを推定するセンサレス始動制御手段を実行し、一方、低速と判断された時は、前記交流電動機の入力電流を零またはそれに近い大きさの直流電流にすることで、前記交流電動機の回転子より発生する磁束の位相θと前記交流電動機の回転速度ωを求める微少電流制御手段を実行することを特徴とする請求項１〜４記載の交流電動機の制御装置。
【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レスの交流電動機の制御装置に関するもので、特に始動時における、交流電動機の回転子の位置を推定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の、交流電動機の始動時のブロック図を図２に示す。
同図において、交流電動機１は電力変換器２より電力を供給され、始動直後においてスイッチ３は微少電流制御手段５の出力を選択して電力変換器２へ送る。
図３は、微少電流制御手段５での流れ図を示している。まず交流電動機１の入力電流が微少の直流電流となるような制御信号を電力変換器２へ出力する。その状態で検出または推定した静止座標上での交流電動機１の入力電圧ベクトルｖと、電流検出器８で検出した入力電流ベクトルｉより
【０００３】
0003979771.tif 000002
【０００４】
なる演算を行い、交流電動機１の回転子より発生する磁束ベクトルを求める。
Ｒは固定子の巻線抵抗である。交流電動機１の回転子が磁束を発生していて前記回転子が回転していると、（１）式で演算された磁束ベクトルは、たとえば、図４のような軌跡を描く。この軌跡の円弧の中心角が１８０度を超えるかまたは微少電流を流している時間が所定時間ｔｂを超えた時点ｔｅで、円弧の中心ベクトルψ０求める。
前記ｔｅ時点における（１）式での磁束ベクトルから中心ベクトルψ０を引いた差ベクトルψｅの位相を求めて、交流電動機１の回転子より発生する磁束の位相θとして出力する。また円弧の中心角ζを、微少電流を流している時間で除することで交流電動機１の回転速度ωを求める。その後、スイッチ３は通常運転制御器７を選択して交流電動機１を通常運転する。
【０００５】
円弧の中心ベクトルψ０を求めることができなかったり、中心ベクトルψ０の大きさが所定値よりも大きい場合は、交流電動機１は停止していると判断してスイッチ３はセンサレス始動制御手段６の出力を選択する。
また、図５は、センサレス始動制御手段６での流れ図を示している。
【０００６】
ここで、以下の説明では、交流電動機１の回転子より発生する磁束の推定された位相θをγ軸の位相としγ軸と直交した軸をδ軸と定義し、また交流電動機１の回転子より発生する磁束の実際の位相をｄ軸の位相としｄ軸と直交した軸をｑ軸と定義する。
【０００７】
センサレス始動制御手段６では、まずｄｑ軸判定を行う。ｄｑ軸判定では、γ軸にパルス電圧を印加する。それによって流れた電流の大きさと所定値との大小関係より位相θを９０度だけ変化させる。例えば交流電動機１の回転子内部に永久磁石を含む場合は、ｄ軸のインダクタンスＬｄよりｑ軸のインダクタンスＬｑの方が大きいので、もしγ軸がｑ軸に近いならばパルス電圧を印加した時の電流の大きさは所定の値より小さくなるので位相θを９０度だけ変化させることになる。これによってγ軸をｄ軸の−４５度から＋４５度の間に近づけることができる。
【０００８】
次に位置推定を行う。位置推定では、下式に示す、
0003979771.tif 000003
なる演算でγ軸とｄ軸との位相差Δθを求め、
【０００９】
0003979771.tif 000004
【００１０】
よりΔθ＝０となるように、γ軸の位相θを修正する。ｖδは入力電圧ベクトルのδ軸成分であり、ｉγ、ｉδはそれぞれ入力電流ベクトルのγ軸、δ軸成分である。またｐ（）は（）内の時間微分を表しており、ｓｉｇｎ（）は（）内の符号を表し、ωｋは正の定数である。位置推定では、（２）式の分母が０とならないようにｉγを三角波状に制御する。
【００１１】
最後に磁極判定を行う。前述の位置推定では、γ軸とｄ軸とを一致させることはできるが、１８０度の誤差を残すことがある。磁極判定では、γ軸の正と負に大電流を流して、電流の傾きから正の電流時のインダクタンスと負の電流時のインダクタンスを求め、正の電流時のインダクタンスより負の電流時のインダクタンスが小さい場合に、γ軸の位相θを１８０度修正することで、前記１８０度の誤差を修正する。
【００１２】
たとえば、γ軸とｄ軸との位相差が１８０度の場合、γ軸に正の電流を流すと永久磁石の磁束と電流による磁束の方向が逆であるので、電動機内部の総合磁束は小さくなり磁気飽和が少なくなってインダクタンスが大きくなるが、γ軸に負の電流を流すと電動機内部の総合磁束は増加するので磁気飽和が顕著になって、インダクタンスが小さくなり位相θを１８０度修正することになる。
【００１３】
以上より、センサレス始動制御手段６において、交流電動機１の回転子より発生する磁束の位相θを求めることができ、その後スイッチ３は通常運転制御器７を選択して交流電動機を通常運転する。なおセンサレス始動制御手段６の磁極判定には１０ｍｓｅｃ程度の時間を要するので、交流電動機１の回転子が回転していると磁極判定の期間に位相が変化し、正確な磁極判定ができなくなる。
よってセンサレス始動制御手段６で位相θを求めるためには、交流電動機１の回転子が停止かそれに近い状態でなければならない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来の技術では、以下の問題点がある。
まず交流電動機が停止している場合は、微少電流制御手段５において必ず所定時間ｔｂを経過してからセンサレス始動制御手段６を実行することになる。
このｔｂは、５０ｍｓｅｃ程度と比較的長い時間なので通常運転制御器に移行するまでに時間がかかりすぎる。
【００１５】
交流電動機が高速に回転している場合、電動機の逆起電力の大きさは回転子より発生する磁束と速度との積なので大きくなり、回転周波数と同じ周波数の交流波形となる。そのような逆起電力の存在する状態で電動機の入力電流を微少な直流に制御することは困難であり、（１）式では交流電動機１の回転子より発生する磁束ベクトルを求めることができなくなる。そうすると、回転子より発生する正確な磁束の位相θを求めることができなくなる。
【００１６】
交流電動機がより高速に回転している場合は、電力変換器が出力可能な最大電圧より電動機の逆起電力の方が大きくなり、電動機の入力電流を微少な直流に制御することは不可能となり、上記と同じ理由で回転子より発生する磁束の位相θを求めることができなくなる。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明では、交流電動機に電力を供給する電力変換器と、この電力変換器の出力電圧を制御する制御装置から成る交流電動機の制御装置において、前記交流電動機に電力を供給した直後から、前記交流電動機の入力電流ベクトルの大きさが所定値Ｉｍになるまで前記電力変換器の出力電圧を零とする零電圧印加手段と、前記零電圧印加手段が零電圧を印加している間における前記交流電動機の入力電流ベクトルの回転方向で前記交流電動機の回転方向を判断する正逆判定手段と、前記零電圧印加手段が零電圧を印加している間の最後の時点ｔ２での前記交流電動機の入力電流ベクトルの位相に、前記正逆判定手段の出力が正転の場合は前記所定値Ｉｍに依存する固定位相αを加算し、前記正逆判定手段の出力が逆転の場合は前記固定位相αを減算して、前記ｔ２時点での前記交流電動機の回転子より発生する磁束の位相θを求める位相演算手段とを具備する。
【００１８】
また、前記所定値Ｉｍに依存する固定値λを、前記零電圧印加手段が零電圧を印加している時間ｔ１で除した値に、前記正逆判定手段の出力に基づいて符号を付けることによって、前記交流電動機の回転速度ωを計算する速度演算手段を具備する。
【００１９】
また、前記零電圧印加手段が零電圧を印加後、所定時間ｔ３経過しても前記交流電動機の入力電流ベクトルの大きさが零の場合は、停止と判断する停止判断手段を具備し、停止と判断された場合は、前記零電圧印加手段の零電圧の印加を止める。
【００２０】
また、前記零電圧印加手段が零電圧を印加後、前記交流電動機の入力電流ベクトルの大きさの時間に対する傾きが所定値以下の場合は、前記交流電動機が低速で回転していると判断する低速判断手段を具備し、低速と判断した場合は前記零電圧印加手段の零電圧の印加を止める。
【００２１】
また、前記停止判断手段で停止と判断された時は、前記交流電動機の入力電流を変化させて前記交流電動機の回転子の突極性を利用して、前記交流電動機の回転子より発生する磁束の位相θを推定するセンサレス始動制御手段を実行し、一方、低速と判断された時は、前記交流電動機の入力電流を零またはそれに近い大きさの直流電流にすることで、前記交流電動機の回転子より発生する磁束の位相θと前記交流電動機の回転速度ωを求める微少電流制御手段を実行する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した、交流電動機の始動時のブロック図を図１に示す。
同図において、交流電動機１は電力変換器２より電力を供給され、始動直後は、スイッチ３は零電圧制御器４の出力を選択して電力変換器２へ送る。
【００２３】
図６は、零電圧制御器４での流れ図を示している。まずｔ＝ｔ０において、零電圧印加手段４１により零電圧を交流電動機１に印加する。つまり交流電動機１の入力が短絡された状態となる。電流検出器８で検出された入力電流ベクトルｉの大きさが所定の大きさＩｍを越えた場合は、その時点をｔ２として、零電圧の印加を止めて、零電圧の印加時間ｔ１＝ｔ２−ｔ０を求めて、正逆判定手段４２により回転方向を判断し、位相演算手段４３により交流電動機１の回転子より発生する磁束の位相θを求め、速度演算手段４４により交流電動機１の回転速度ωを求める。その後スイッチ３により通常運転制御器７が選択されて交流電動機１は通常運転となる。
【００２４】
回転速度ωで回転している交流電動機１の入力が短絡された状態では、前記のｄ−ｑ軸の電流は、固定子の巻線抵抗を無視すると
0003979771.tif 000005
【００２５】
で表される。φは交流電動機１の回転子より発生する磁束である。ｄ−ｑ軸もωで回転しているので、静止座標上から電流ベクトル軌跡を観察すると例えば図７のように回転するようになる。よって正逆判定手段４２では、零電圧印加手段４１が零電圧を印加している間における交流電動機１の入力電流ベクトルの回転方向で前記交流電動機の回転方向を判断することができる。具体的には、ｔ０とｔ２との間の電流ベクトルとｔ２時点の電流ベクトルとの外積の演算結果の符号で判断可能である。
【００２６】
（５）式より電流ベクトルの大きさがＩｍになる条件は、
0003979771.tif 000006
で表される。
【００２７】
λは９０度よりも小さいので、ｔ２時点での（５）式のｉｄやｉｑは負の値であることを考慮すると、ｄ軸と電流ベクトルとの位相差αは
0003979771.tif 000007
となる。
【００２８】
ｄ軸は交流電動機１の回転子より発生する磁束と同じ位相なので、交流電動機１の回転子より発生する磁束の位相θは、正逆判定手段４２で正転と判定された場合は前記ｔ２時点での入力電流ベクトルの位相に（７）式のαを加算することで得られる。また正逆判定手段４２で逆転と判定された場合は前記ｔ２時点での入力電流ベクトルの位相から（７）式のαを減算することで位相θを求めることができる。
【００２９】
速度演算手段４４では、（６）式から導かれる
0003979771.tif 000008
により交流電動機１の回転速度ωを演算する。
（８）式において正逆判定手段４２で正転と判定された場合は＋符号を用い、正逆判定手段４２で逆転と判定された場合は−符号を用いることになる。
【００３０】
停止判断手段４５では、入力電流ベクトルの大きさが零で、零電圧を印加し始めてから所定時間ｔ３以上経過していると交流電動機１が停止していると判断し、零電圧の印加を止めて、スイッチ３によりセンサレス始動制御手段６を選択するようになる。センサレス始動制御手段６では従来技術での説明と同じ動作で交流電動機１の回転子より発生する磁束の位相θを求めて、その後スイッチ３により通常運転制御器７が選択されて交流電動機１は通常運転となる。
【００３１】
低速判断手段４６では、零電圧を印加してからの交流電動機１の入力電流ベクトルの大きさの時間に対する傾きが所定値Ａ以下の場合は、交流電動機１が低速で回転していると判断し、零電圧の印加を止めて、スイッチ３により微少電流制御手段５を選択する。
微少電流制御手段５では従来技術での説明と同じ動作を行う。なお低速判断手段を用いず、低速まで零電圧制御器により位相θや速度ωを求めることは可能であるが、入力電流ベクトルの大きさが所定値Ｉｍになるまでの時間が長くなり、始動時間がかえって長くなる。また（５）式は固定子の巻線抵抗を無視した場合なので、低速では固定子の巻線抵抗の影響が大きくなり正確な位相θや速度ωを求められなくなる。
【００３２】
【発明の効果】
停止判断手段４５で用いる所定時間ｔ３は１０ｍｓｅｃ程度なので、１０ｍｓｅｃで停止と判断でき、従来の技術でのｔｂ＝５０ｍｓｅｃよりも４０ｍｓｅｃだけ通常運転制御器に移行する時間を短縮できる。
交流電動機が高速回転している場合には、零電圧制御器で回転子より発生する磁束の位相θや回転速度ωを求めることができ、微少電流制御手段を実行する必要がない。
よって、本発明によれば、従来技術では、高速域で電動機の入力電流を微少な直流に制御できないという問題は解消され、きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したブロック図である。
【図２】従来技術のブロック図である。
【図３】微少電流制御手段の流れ図である。
【図４】微少電流制御手段の磁束ベクトル演算における静止座標上からみた磁束ベクトル軌跡例である。
【図５】センサレス始動制御手段の流れ図である。
【図６】零電圧制御器の流れ図である。
【図７】零電圧印加後の静止座標上からみた電流ベクトル軌跡例である。
【符号の説明】
１・・・・交流電動機
２・・・・電力変換器
３・・・・スイッチ
４・・・・零電圧制御器
５・・・・微少電流制御手段
６・・・・センサレス始動制御手段
７・・・・通常運転制御器
８・・・・電流検出器
４１・・・零電圧印加手段
４２・・・正逆判定手段
４３・・・位相演算手段
４４・・・速度演算手段
４５・・・停止判断手段
４６・・・低速判断手段
【図１】
0003979771.tif 000009
【図２】
0003979771.tif 000010
【図３】
0003979771.tif 000011
【図４】
0003979771.tif 000012
【図５】
0003979771.tif 000013
【図６】
0003979771.tif 000014
【図７】
0003979771.tif 000015