(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
突極形回転子の同期電動機に電力を供給する電力変換器と、前記同期電動機の推定された回転速度が前記同期電動機の回転速度指令に追従するようなトルク指令を出力する速度制御器と、前記トルク指令と前記同期電動機の推定された回転速度と推定されたギャップ磁束の方向とを入力して前記同期電動機の出力トルクを制御するための制御信号を前記電力変換器に出力するトルク制御器からなる同期電動機の位置および速度センサレス制御装置において、
前記同期電動機の推定されたギャップ磁束の方向と平行に振れる高調波電流を前記同期電動機に重畳する高調波電流重畳器と、前記同期電動機に印加された一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力するｑ軸電圧検出器と、該ｑ軸電圧検出器の出力を微分する微分器と、該微分器の出力と前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流とを入力して前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器と、該位置誤差検出器の出力を入力して前記同期電動機の回転速度を出力する比例積分増幅器と、該比例積分増幅器の出力を積分して前記同期電動機のギャップ磁束の方向を出力する積分器を具備することを特徴とする同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【請求項２】
前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流を微分する微分器と、前記同期電動機に印加された一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力するｑ軸電圧検出器と、該ｑ軸電圧検出器と前記微分器の出力とから前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器と、該位置誤差検出器の出力を入力して前記同期電動機の回転速度を出力する比例積分増幅器と、該比例積分増幅器の出力を積分して前記同期電動機のギャップ磁束の方向を出力する積分器を具備することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【請求項３】
前記ｑ軸電圧検出器の出力を微分する微分器の出力と前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流との積を演算し、前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器を具備することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【請求項４】
前記ｑ軸電圧検出器の出力と前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流を微分する微分器の出力との積を演算し、その演算値の極性を反転して前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器を具備することを特徴とする請求項２記載の同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【請求項５】
前記同期電動機の一次電圧と前記推定されたギャップ磁束の方向とを入力して前記一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力する回転座標変換器と、前記同期電動機の一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電流と前記同期電動機の電機子抵抗との積を出力する抵抗分電圧降下演算器と、前記同期電動機の一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電流を微分する微分器と、該微分器の出力と前記同期電動機のギャップ磁束の方向と垂直な軸のインダクタンスとの積を出力するインダクタンス分電圧降下演算器と、前記抵抗分電圧降下演算器の出力と前記インダクタンス分電圧降下演算器の出力との和を出力する加算器と、前記回転座標変換器の出力と前記加算器の差を出力する減算器とからなるｑ軸電圧検出器を具備することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【請求項６】
前記位置誤差検出器の出力を入力し前記位置誤差または該位置誤差相当量の直流成分を前記比例積分増幅器に出力する低域通過フィルタを具備することを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【請求項７】
前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流と前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電流と前記ｑ軸電圧検出器の出力とから前記同期電動機の回転速度を演算する速度演算器と、該速度演算器の出力と前記比例積分増幅器の出力との和を前記速度制御器および前記積分器に出力する加算器を具備することを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６記載の同期電動機の位置および速度センサレス制御装置。
【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が付いていない突極形回転子の同期電動機のトルクや回転速度を制御するシステムに関するもので、特に同期電動機の回転速度が停止状態からでも運転が可能で、さらに同期電動機の回転速度や出力トルクが急変した場合に安定性を確保するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４に従来の技術のブロック線図の一例を示し、以下この図に従って説明する。なお、説明を簡単にするために突極形回転子の同期電動機の界磁巻線の部分を永久磁石とした永久磁石形同期電動機の場合について説明する。電圧検出器２は、同期電動機１に印加される一次電圧ｖ１を出力する。電流検出器３は、同期電動機１に流れる一次電流ｉ１を出力する。回転座標変換器２５は、前記一次電圧ｖ１と積分器９の出力θｇを入力して、前記一次電圧ｖ１の中で同期電動機１の推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力する。
速度演算器１８は、前記回転座標変換器２５の出力と電流制御器６の出力ｉｄとｉｑを入力して、前記同期電動機１の回転速度ωｇｃを推定する。積分器９は、速度演算器１８の出力ωｇｃを積分して前記同期電動機１のギャップ磁束の方向θｇを推定する。
【０００３】
速度制御器８は、同期電動機１の回転速度指令ωｃと速度演算器１８の出力ωｇｃを入力し、前記回転速度指令ωｃに前記速度演算器１８の出力ωｇｃが追従するようなトルク指令Ｔｃを出力する。トルク制御器５は、前記トルク指令Ｔｃと前記積分器９の出力θｇとを入力し該トルク指令Ｔｃに同期電動機１の出力トルクが追従するような電力変換器４への制御信号を出力する。電力変換器４は同期電動機１に電力を供給する。
トルク制御器５の中で電流指令生成器７は、前記トルク指令Ｔｃと速度演算器１８から出力される同期電動機１の推定された回転速度ωｇｃとを入力して推定されたギャップ磁束の方向θｇと平行な成分の電流指令ｉｄｃと推定されたギャップ磁束の方向θｇと垂直な成分の電流指令ｉｑｃを出力する。
【０００４】
電流制御器６は、前記電流指令生成器７の出力と前記一次電流ｉ１と前記積分器９出力θｇとを入力し、前記一次電流ｉ１が前記電流指令生成器７の出力ｉｄｃとｉｑｃに追従するような電力変換器４への制御信号を出力し、さらに前記一次電流ｉ１の中で前記同期電動機１の推定されたギャップ磁束の方向θｇと平行な成分の電流ｉｄと垂直な成分の電流ｉｑを前記速度演算器１８に出力する。
永久磁石形同期電動機の特性方程式は、（１），（２）式として表される。
【０００５】
【数１】
0003945904.tif 000002
【０００６】
ここで、ｖｄ、ｖｑは一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分と垂直な成分の電圧、ｉｄ、ｉｑは一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分と垂直な成分の電流、Ｌｄ、Ｌｑはギャップ磁束の方向と平行な軸と垂直な軸の前記同期電動機のインダクタンス、Ｒは同期電動機の電気子抵抗、ωｇｃは前記推定された回転速度、φａは永久磁石の磁束、ｐは微分演算子である。従来の方式は、（２）式より
【０００７】
【数２】
0003945904.tif 000003
【０００８】
を演算することで前記同期電動機の回転速度を推定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の方式では、同期電動機の電気子抵抗やインダクタンスそして永久磁石の磁束の電動機定数が必要となり、該電動機定数が正確でない場合や温度等の変化に伴い前記電動機定数が変化した場合に前記推定された回転速度に誤差が生じ、前記トルク指令通りのトルクが前記同期電動機から出力されなくなる。
さらに、前記同期電動機のギャップ磁束の方向θｇは、（３）式の推定された回転速度ωｇｃを積分器９により積分することで推定している。よって、前記同期電動機が停止している状態から回転させようとする場合、積分の初期値が分からない、つまり前記ギャップ磁束の初期方向が分からないと前記ギャップ磁束の方向θｇは推定できない。
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、これらの欠点を解決し、トルク指令通りのトルクが同期電動機から出力され、さらに、ギャップ磁束の初期方向が分からないとギャップ磁束の方向は推定できないことを解消した同期電動機の位置および速度センサレス制御装置を提供するものである。
【００１０】
【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において、
前記同期電動機の推定されたギャップ磁束の方向と平行に振れる高調波電流を前記同期電動機に重畳する高調波電流重畳器と、前記同期電動機に印加された一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力するｑ軸電圧検出器と、該ｑ軸電圧検出器の出力を微分する微分器と、該微分器の出力と前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流とを入力して前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器と、該位置誤差検出器の出力を入力して前記同期電動機の回転速度を出力する比例積分増幅器と、該比例積分増幅器の出力を積分して前記同期電動機のギャップ磁束の方向を出力する積分器を具備する。
【００１１】
また請求項２において、前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流を微分する微分器と、前記同期電動機に印加された一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力するｑ軸電圧検出器と，該ｑ軸電圧検出器と前記微分器の出力とから前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器と、該位置誤差検出器の出力を入力して前記同期電動機の回転速度を出力する比例積分増幅器と，該比例積分増幅器の出力を積分して前記同期電動機のギャップ磁束の方向を出力する積分器を具備する。
【００１２】
また請求項３において、前記ｑ軸電圧検出器の出力を微分する微分器の出力と前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流との積を演算し、前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器を具備する。
【００１３】
また請求項４において、前記ｑ軸電圧検出器の出力と前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流を微分する微分器の出力との積を演算し、その演算値の極性を反転して前記推定されたギャップ磁束の位置誤差または該位置誤差相当量を出力する位置誤差検出器を具備する。
【００１４】
また請求項５において、前記同期電動機の一次電圧と前記推定されたギャップ磁束の方向とを入力して前記一次電圧の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電圧を出力する回転座標変換器と、前記同期電動機の一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電流と前記同期電動機の電機子抵抗との積を出力する抵抗分電圧降下演算器と、前記同期電動機の一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電流を微分する微分器と、該微分器の出力と前記同期電動機のギャップ磁束の方向と垂直な軸のインダクタンスとの積を出力するインダクタンス分電圧降下演算器と、前記抵抗分電圧降下演算器の出力と前記インダクタンス分電圧降下演算器の出力との和を出力する加算器と、前記回転座標変換器の出力と前記加算器の差を出力する減算器を具備する。
【００１５】
また請求項６において、前記位置誤差検出器の出力を入力し前記位置誤差または該位置誤差相当量の直流成分を前記比例積分増幅器に出力する低域通過フィルタを具備する。
【００１６】
また請求項７において、前記同期電動機に流れる一次電流の中で前記推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流と前記推定されたギャップ磁束の方向と垂直な成分の電流と前記ｑ軸電圧検出器の出力とから前記同期電動機の回転速度を演算する速度演算器と、該速度演算器の出力と前記比例積分増幅器の出力との和を前記速度制御器および前記積分器に出力する加算器を具備する。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳述する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に請求項１、請求項３、請求項６と請求項７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、従来技術と同一部分の説明は省略する。
高調波電流発生器１０は、同期電動機１に重畳する周波数ｆｈの高調波電流指令ｉｈを出力する。その高調波電流指令ｉｈは、加算器１１により同期電動機１の推定されたギャップ磁束の方向と平行な成分の電流指令ｉｄｃに加算される。よって、前記高調波電流発生器１０と前記加算器１１とで高調波電流重畳器１２を構成していることになる。
ｑ軸電圧検出器１３は、電圧検出器２で検出された同期電動機１の一次電圧ｖ１と、同期電動機１の一次電流ｉ１の垂直な成分の電流ｉｑと、同期電動機１の推定されたギャップ磁束の方向θｇとを入力して、ギャップ磁束の方向θｇに垂直な成分の電圧ｖｑを出力する。
【００１８】
微分器１４は、前記ｑ軸電圧検出器１３の出力ｖｑを微分した値ｄｖｑを出力する。位置誤差検出器１５は、前記微分器１４の出力ｄｖｑと電流制御器６の出力である同期電動機１の一次電流ｉ１の中で前記推定されたギャップ磁束の方向θｇと平行な成分の電流ｉｄとの積Δωを出力する。低域通過フィルタ１６は、前記位置誤差検出器１５の出力Δωの直流成分Δωｆを出力する。比例積分増幅器１７は、低域通過フィルタ１６の出力Δωｆを入力して前記同期電動機１の回転速度ωｇｈを出力する。速度演算器１８は、従来の方式で前記回転座標変換器２５の出力を入力する代わりに前記ｑ軸電圧検出器１３の出力ｖｑに置き換えている。加算器１９は、前記比例積分増幅器１７の出力ωｇｈと前記速度演算器１８の出力ωｇｃの和を演算して前記同期電動機１の回転速度ωｇを出力する。積分器９は、前記加算器１９の出力ωｇを積分して前記同期電動機１のギャップ磁束の方向θｇを出力する。
【００１９】
図２は請求項２、請求項４、請求項６と請求項７に対する本発明の一実施例のブロック線図を示している。図１と異なる部分は、位置誤差検出器１５が、同期電動機１の一次電流ｉ１の中で前記推定されたギャップ磁束の方向θｇと平行な成分の電流ｉｄを微分器２０に通した出力ｄｉｄとｑ軸電圧検出器１３の出力ｖｑとの積の極性を反転した値Δωを出力していることである。
【００２０】
図３は請求項５に対する本発明の一実施例のブロック線図を示している。回転座標変換器２５は、前記同期電動機１に印加される一次電圧ｖ１と前記同期電動機１の推定されたギャップ磁束の方向θｇとを入力し前記一次電圧ｖ１の中で前記推定されたギャップ磁束の方向θｇと垂直な成分の電圧を出力する。微分器２１は、前記電流制御器６の出力ｉｑを微分する。インダクタンス分電圧降下演算器２２は、ギャップ磁束の方向と垂直な軸の前記同期電動機１のインダクタンスＬｑと前記微分器２１の出力との積を出力する。抵抗分電圧降下演算器２３は、前記同期電動機の電気子抵抗Ｒと前記電流制御器６の出力ｉｑとの積を出力する。加算器２４は、前記インダクタンス分電圧降下演算器２２と前記抵抗分電圧降下演算器２３との和を出力する。減算器２６は、前記回転座標変換器２５の出力と前記加算器２４の差ｖｑを出力する。前記減算器２６の出力は、前記回転座標変換器２５の出力から前記電流制御器６の出力ｉｑの高調波成分による影響を除去したものとなる。
【００２１】
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。
図５は同期電動機１の実際のギャップ磁束φｇｒと推定されたギャップ磁束φｇの関係をベクトルで表したもので、これらのベクトルには位相差Δθがあるとしている。高調波電流発生器１０と加算器１１とで構成される高調波電流重畳器１２により、高調波電流はφｇの線上を交番する高調波となる。同期電動機１に重畳する高調波電流指令ｉｈを
【００２２】
【数３】
0003945904.tif 000004
【００２３】
とすると、同期電動機１の推定されたギャップ磁束φｇの方向に流れる電流ｉｄと、直交する方向に流れる電流ｉｑは、
【００２４】
【数４】
0003945904.tif 000005
【００２５】
で表せる。
ここで、ＩｄとＩｑは直流成分、Ｉは高調波電流の波高値、ωｈは高調波電流の角周波数、ｔは時間である。（５）式と（６）式の電流ｉｄ、ｉｑを、φｇｒの方向をｄ軸とし、それと直交する方向をｑ軸とする座標軸で見ると、
【００２６】
【数５】
0003945904.tif 000006
【００２７】
で表せる。
ここで、ｉｄｒは一次電流ｉ１のｄ軸成分、ｉｑｒはｑ軸成分である。
同期電動機の特性方程式（１）、（２）式より、一次電圧ｖ１のｄ軸成分ｖｄｒとｑ軸成分ｖｑｒは、
【００２８】
【数６】
0003945904.tif 000007
【００２９】
と表すことができる。ここで、ωｇｒは実際の同期電動機の回転速度である。
ｑ軸電圧検出器１３の出力ｖｑであるφｇの軸と垂直な成分の電圧は、次式となる。
【００３０】
【数７】
0003945904.tif 000008
【００３１】
請求項１と請求項３において、位置誤差検出器１５の出力Δωは（５）式のｉｄと（１１）式のｖｑの微分値との積なので、
【００３２】
【数８】
0003945904.tif 000009
【００３３】
となる。
よって、低域通過フィルタ１６で位置誤差検出器１５の出力Δωの高調波成分を除去すると、
【００３４】
【数９】
0003945904.tif 000010
【００３５】
となる。
Ｌｑ＞Ｌｄなので（１３）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ギャップ磁束φｇの方向が実際のギャップ磁束の方向より進んでいる場合は、Δωｆ＜０となり比例積分増幅器１７によって同期電動機１の推定された回転速度ωｇｈが小さくなるのでφｇの方向の進みが遅くなり実際のギャップ磁束に一致するようになる。逆の場合も同様である。
請求項２と請求項４の場合の位置誤差検出器１５の出力Δωは（５）式のｉｄの微分値と（１１）式のｖｑの積の極性を反転したものなので、
【００３６】
【数１０】
0003945904.tif 000011
【００３７】
となる。
よって、低域通過フィルタ１６で位置誤差検出器１５の出力Δωの高調波成分を除去すると、
【００３８】
【数１１】
0003945904.tif 000012
【００３９】
となる。
（１４）式と（１５）式が同じことから、同期電動機１のギャップ磁束の位置が推定できることがわかる。
以上のように、突極形回転子によりギャップ磁束軸方向と垂直方向ではインダクタンスの値が異なることを利用して、実際のギャップ磁束の方向にトルク制御上のギャップ磁束の方向を合わせることが可能であり、これは回転速度や同期電動機の電動機定数に依存しない高精度のトルク制御が可能となり、積分器の初期値に関係なくギャップ磁束の方向を推定することが可能となる。
さらに、同期電動機１の回転速度や出力トルクが急変した場合の推定遅れを防ぐために、（３）式の従来の方法でも同期電動機１の回転速度ωｇｃを演算し、加算器１９で比例積分増幅器１７の出力ωｇｈと速度演算器１８の出力ωｇｃの和を出力する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、位置センサと速度センサを用いないで高精度なトルク制御が可能となり、実用上、極めて有用性の高いものである。
【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線図である。
【図２】本発明の一実施例を表すブロック線図である。
【図３】本発明の一実施例を表すブロック線図である。
【図４】従来方式の一実施例を表すブロック線図である。
【図５】本発明の原理を表すベクトル図である。
【符号の説明】
１      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      電流制御器
７      電流指令生成器
８      速度制御器
９      積分器
１０    高調波電流発生器
１１    加算器
１２    高調波電流重畳器
１３    ｑ軸電圧検出器
１４    微分器
１５    位置誤差検出器
１６    低域通過フィルタ
１７    比例積分増幅器
１８    速度演算器
１９    加算器
２０    微分器
２１    微分器
２２    インダクタンス分電圧降下演算器
２３    抵抗分電圧降下演算器
２４    加算器
２５    回転座標変換器
２６    減算器
【図１】
0003945904.tif 000013
【図２】
0003945904.tif 000014
【図３】
0003945904.tif 000015
【図４】
0003945904.tif 000016
【図５】
0003945904.tif 000017