(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機に加わる特定高調波を検出する検出手段と、
この検出手段で検出された特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算する計算手段と、
この計算手段で計算された高調波瞬時無効電力から前記特定高調波の２倍の周波数を有する交流成分を抽出する抽出手段と、
前記特定高調波の２倍の周波数を有する基準信号を生成する生成手段と、
この生成手段で生成された基準信号の位相と前記抽出手段で抽出された交流成分の位相との差を検出する位相差検出手段と、
この位相差検出手段で検出された位相差に応じて前記電動機の回転子位置を推定する推定手段と、
を具備したことを特徴とする電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機の駆動に必要な回転子位置を求める電動機の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機たとえば永久磁石形同期電動機を回転子位置センサなしで駆動する場合、速度起電力方式では、固定子の電機子巻線の各相に対する１２０゜通電の無通電期間中に電機子巻線に誘起する電圧の零クロス点を回転子位置（回転子磁極位置）として検出し、その検出に同期をとることで１２０゜通電のための駆動信号を生成している。
【０００３】
また、正弦波・駆動方式では、基本的にＶ／Ｆ（電圧／周波数）一定制御において、トルク分電流に相当するｑ軸電流値をモータ電流から検出・演算し、これを一定にコントロールするように速度フィードバックを行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の各駆動方式は、瞬時トルクを制御するものではなく、トルク応答性が悪かったり、低速領域での駆動が不安定になったり、１次巻線抵抗による低速域のトルク減少の補償制御が温度変化の影響を受けてしまう等の不具合があった。
【０００５】
この発明は上記の事情を考慮したもので、その目的とするところは、低速領域であっても、また電動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、さらには温度変化等の影響を受けることなく、電動機の回転子位置を精度良く推定することができ、これにより常に安定かつ適正な電動機駆動を可能とする電動機の制御装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の電動機の制御装置は、電動機に加えられる特定高調波を検出する検出手段と、この検出手段で検出された特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算する計算手段と、この計算手段で計算された高調波瞬時無効電力から上記特定高調波の２倍の周波数を有する交流成分を抽出する抽出手段と、上記特定高調波の２倍の周波数を有する基準信号を生成する生成手段と、この生成手段で生成された基準信号の位相と上記抽出手段で抽出された交流成分の位相との差を検出する位相差検出手段と、この位相差検出手段で検出された位相差に応じて上記電動機の回転子位置を推定する推定手段と、を備える。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明する。
【０００８】
図１に示すように、ｄ軸電機子巻線電流の指令値ｉｄ’が加算部１を介してＰＩ制御部２に供給される。ＰＩ制御部２は、指令値ｉｄ’に基づき、ｄ軸電機子巻線電圧の指令値ｖｄ’を発する。この指令値ｖｄ’が回転座標変換部３に供給される。
【０００９】
回転子角速度の指令値ωｍ’が加算部４を介してＰＩ制御部５に供給される。ＰＩ制御部５は、指令値ωｍ’に基づき、ｑ軸電機子巻線電流の指令値ｉｑ’を発する。この指令値ｉｑ’はＰＩ制御部７に供給され、そのＰＩ制御部７からｑ軸電機子巻線電圧の指令値ｖｑ’が発せられる。この指令値ｖｑ’が回転座標変換部３に供給される。
【００１０】
回転座標変換部３は、指令値ｖｄ’，ｖｑ’をα軸電機子巻線電圧の指令値ｖα’およびβ軸電機子巻線電圧の指令値ｖβ’に変換する。この指令値ｖα’，ｖβ’が二相／三相変換部８に供給されることにより、二相／三相変換部８から永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）１０に対する駆動用の相電圧ｖａ，ｖｂ，ｖｃが出力される。
【００１１】
また、電動機１０の各相に流れる電流ｉａ，ｉｂ，ｉｃが三相／二相変換部１１に取込まれ、その三相／二相変換部１１から実際のα軸電機子巻線電流ｉαおよびβ軸電機子巻線電流ｉβが得られる。このα軸電機子巻線電流ｉαおよびβ軸電機子巻線電流ｉβは回転座標変換部３に供給され、そこで実際のｄ軸電機子巻線電流ｉｄおよびｑ軸電機子巻線電流ｉｑに変換される。このうちｉｄは上記加算部１にフィードバック供給され、ｉｑは上記加算部６にフィードバック供給される。
【００１２】
このような電動機制御系において、ｄ軸電機子巻線電圧の指令値ｖｄ’、ｑ軸電機子巻線電圧の指令値ｖｑ’、ｄ軸電機子巻線電流ｉｄ、ｑ軸電機子巻線電流ｉｑが、検出部２１に供給される。
【００１３】
検出部２１は、ｖｄ’，ｖｑ’およびｉｄ，ｉｑがそれぞれ入力される４個のバンドパスフイルタ（ＢＰＦ）で構成される。これらバンドパスフイルタは、例えば５００Ｈｚの中心周波数を持ち、電動機１０に加わる特定高調波として二相正弦波に相当する５００Ｈｚの高調波（ｄ軸高調波電圧ｖｄｈ、ｑ軸高調波電圧ｖｑｈ、ｄ軸高調波電流ｉｄｈ、ｑ軸高調波電流ｉｑｈ）を検出する。
【００１４】
実験の場合、ｄ軸電機子巻線電流の指令値ｉｄ’およびｑ軸電機子巻線電流の指令値ｉｑ’に対し、５００Ｈｚの微小振幅▲１▼ｈを有する二相正弦波を重畳することにより、５００Ｈｚの特定高調波を作為的かつ容易に電動機１０に注入することができる。なお、作為的な注入を行わずに、電力変換器が本来的に出力する高調波（例えばＰＷＭに起因する高調波など）を検出対象としてもよい。
【００１５】
検出部２１で検出されるｄ軸高調波電流ｉｄｈおよびｑ軸高調波電流ｉｑｈは、回転子位置推定値θｍ＾の回転子座標（ｄ＾−ｑ＾座標）上において、次の数１式で表わされ、微小振幅Ｉｈと角周波数ωｈを有する。
【００１６】
【数１】
0004153619.tif 000002
【００１７】
これに対して、検出部２１で検出されるｄ軸高調波電圧ｖｄｈおよびｑ軸高調波電圧ｖｑｈは、次の数２式で表わされる。
【００１８】
【数２】
0004153619.tif 000003
【００１９】
なお、Ｒａは電機子巻線抵抗、ωｍは回転子角速度真値、ωｍ＾は回転子角速度推定値、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、θｍは回転子位置真値、θｍ＾は回転子位置推定値である。
【００２０】
このようにして検出される特定高調波は、計算部２２に供給される。計算部２２は、高調波（ｄ軸高調波電圧ｖｄｈ、ｑ軸高調波電圧ｖｑｈ、ｄ軸高調波電流ｉｄｈ、ｑ軸高調波電流ｉｑｈ）から高調波瞬時無効電力Ｑｈを次の数３式により計算する。
【００２１】
【数３】
0004153619.tif 000004
【００２２】
この高調波瞬時無効電力Ｑｈは、抽出部２３に供給される。抽出部２３は、高調波瞬時無効電力Ｑｈから、上記特定高調波の２倍の周波数を有する交流成分を抽出する。
【００２３】
高調波瞬時無効電力Ｑｈは、直流成分と、特定高調波の２倍の周波数（＝１０００Ｈｚ）を有する交流成分とからなっており、その交流成分の位相Ｑｈａｃは次式のように表わされる。
Ｑｈａｃ＝２・（ωｈｔ＋θｍ−θｍ＾）
すなわち，交流成分の位相は回転子位置真値θｍと回転子位置推定値θｍ＾の誤差の２倍に依存し、仮に回転子位置推定値θｍ＾が真値θｍに一致すれば、位相ずれはなくなる。そこで、抽出部２３としてバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）を設け、その中心周波数を１０００Ｈｚにすることによって交流成分だけを抽出するようにしている。
【００２４】
２４は基準信号生成部で、検出部２１で検出された特定高調波（ｄ軸高調波電流ｉｄｈ）の２倍の周波数を有する基準信号を生成する。この基準信号の位相は（２・ωｈｔ）で表わされる。
つまり、交流成分の位相と基準信号の位相との差は、回転子位置推定誤差（θｍ−θｍ＾）の２倍に相当することになる。
【００２５】
基準信号生成部２４で生成された基準信号は位相差検出部２５に供給される。この位相差検出部２５には、抽出部２３で抽出された交流成分も供給される。
【００２６】
位相差検出部２５は、基準信号の位相と交流成分の位相との差を検出するもので、たとえば２個のコンパレータおよび排他的論理和素子により構成される。交流成分は回転子位置推定誤差を位相情報として含んでおり、その交流成分が一方のコンパレータで方形波Ａに変換される。基準信号については、他方のコンパレータで方形波Ｂに変換される。この方形波Ａと方形波Ｂが排他的論理和素子にて位相比較され、同相であれば無出力、位相差があればそれに相当するパルス幅の矩形波信号が出力される。この出力が推定部２６に供給される。
【００２７】
推定部２６は、位相差検出部２５で検出された位相差に応じて電動機１０の回転子位置を推定するもので、位相差を比例積分素子（ＰＩ；または積分素子）に入力してその比例積分素子から回転子位置推定値θｍ＾を得るとともに、位相差を低域フィルタ（ＬＰＦ）に入力してその低域フィルタから回転子角速度推定値ωｍ＾を得る。
【００２８】
すなわち、回転子位置推定値θｍ＾が回転子位置真値θｍと一致していなければ、方形波Ａの位相と方形波Ｂの位相とに差が生じ、位相差検出部２５から矩形波信号が出力される。そして、この矩形波信号に応じた回転子位置推定値θｍ＾が出力される。この回転子位置推定値θｍ＾は、方形波Ａと方形波Ｂとの位相差が零となる方向に修正され、回転子位置真値θｍへと収束していく。
【００２９】
推定値θｍ＾が真値θｍに収束すると（一致すると）、方形波Ａと方形波Ｂの位相差がなくなる。このとき、位相差検出部２５から矩形波信号が出力されなくなり、よって比例積分素子の動作が中断し、推定値θｍ＾（＝真値θｍ）が保持される。
推定値θｍ＾が真値θｍから外れると、再び、位相差が零になるまで、推定値θｍ＾が修正される。
【００３０】
電動磯１０が連続的に回転していて、真値θｍが連続的に変化する場合でも、方形波Ａと方形波Ｂの位相差を零にするように推定値θｍ＾が連続的に修正され、ごくわずかな推定誤差を持ちつつも真値θｍに追従する。
【００３１】
図２に、速度ステップ応答として、回転子角速度（＝回転速度）の指令値ωｍ’および真値ωｍを示しており、零速度も含めて速度制御が良好に行われていることが分かる。
【００３２】
図３に、推定値θｍ＾と真値θｍとの関係を示している。図面上は分かり易いように両者を少しずらして描いているが、実際はほぼ重なり合う状態にあり、θｍの変化に対してθｍ＾が良好に追従する。
【００３３】
以上のように、特定高調波に着目して回転子位置を推定することにより、零速度を含む低速領域においても精度良く回転子位置を推定することができる。
基本波ではなく特定高調波に着目しているため、交流電動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、回転子位置を推定することができる。
【００３４】
高調波瞬時無効電力を計算する際に高調波電圧と高調波電流の外積計算を利用するため、計算上、巻線抵抗に関する項が一切現われない。すなわち、巻線抵抗に依存することなく高調波瞬時無効電力を計算することができ、よって温度等により巻線抵抗値が変動しても、その影響を一切受けずにロバストな回転子位置推定を行うことができる。
【００３５】
表皮効果による巻線抵抗への影響が懸念されるが、上述の通り、高調波瞬時無効電力に基づいているため、表皮効果の影響を一切受けずに回転子位置を推定することができる。
【００３６】
高調波瞬時無効電力で特定高調波の２倍の周波数成分を有する交流成分の位相情報と、特定高調波の２倍の周波数を有する基準信号の位相情報には、巻線抵抗やインダクタンスなどの電動機パラメータが一切含まれない。したがって，それらの位相差に基づいて回転子位置推定を行う本実施例は、本質的に電動機パラメータの変動に対してロバストであり、どのような状況下（例えば温度変動や磁気飽和）においても正確に回転子位置を推定することができる。
したがって、常に安定かつ適正な電動機の駆動が可能となる。
【００３７】
なお、上記実施例では、電動機として永久磁石形電動機を例に説明したが、突極性があれば、巻線形同期電送機やリアクタンス電動機にも同様に実施可能である。
その他、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、電動機に加えられる特定高調波を検出し、この特定高調波から高調波瞬時無効電力を計算し、この高調波瞬時無効電力から上記特定高調波の２倍の周波数を有する交流成分を抽出するとともに、上記特定高調波の２倍の周波数を有する基準信号を生成し、この基準信号の位相と上記抽出した交流成分の位相との差を検出し、この位相差に応じて電動機の回転子位置を推定する構成としたので、低速領域であっても、また電動機のトルク制御、速度制御、位置制御に影響を与えることなく、さらには温度変化等の影響を受けることなく、電動機の回転子位置を精度良く推定することができ、これにより常に安定かつ適正な電動機駆動を可能とする電動機の制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の構成を示すブロック図。
【図２】同実施例における回転子角速度の指令値ωｍ’と真値ωｍの関係を示す図。
【図３】同実施例における回転子位置の推定値θｍ＾と真値θｍとの関係を示す図。
【符号の説明】
１０…永久磁石形同期電動機
２１…検出部
２２…計算部
２３…抽出部
２４…基準信号生成部
２５…位相差検出部
２６…推定部
【図１】
0004153619.tif 000005
【図２】
0004153619.tif 000006
【図３】
0004153619.tif 000007