(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石型同期電動機の推定された永久磁石の方向（ｄ軸）と平行な一次電流の成分であるｄ軸電流に高周波電流を重畳して、検出された前記永久磁石型同期電動機の一次電流と一次電圧とから前記推定された永久磁石の方向を修正する位置修正手段を有する同期電動機の位置および速度推定装置において、
前記一次電流と一次電圧とから前記永久磁石型同期電動機の回転速度を推定する速度推定手段と、前記一次電流と一次電圧とから前記推定された永久磁石の方向の誤差を推定する位置誤差推定手段と、該位置誤差推定手段の出力と前記位置修正手段の出力を加算しこの出力と前記速度推定手段の出力を加算する演算手段のそれぞれから構成された位置・速度推定手段を備え、該位置・速度推定手段にて、前記永久磁石の方向の推定と前記推定された回転速度の修正とを行うことを特徴とする同期電動機の位置および速度推定装置。
【請求項２】
前記速度推定手段は前記ｄ軸電流とｄ軸に垂直な軸（ｑ軸）方向のｑ軸電流とｑ軸電圧とから前記永久磁石型同期電動機の回転速度を推定し、前記位置誤差推定手段は前記ｄ軸電流と前記ｑ軸電流とｄ軸電圧とから前記推定された永久磁石の方向の誤差を推定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推定装置。
【請求項３】
前記演算手段は位置誤差推定手段の出力と前記位置修正手段の出力とから前記推定された永久磁石の方向の誤差に応じた回転速度誤差を求め、該回転速度誤差を低域通過フィルタに通し、該低域通過フィルタの出力と前記速度推定手段の出力とから前記推定された回転速度を修正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推定装置。
【請求項４】
前記高周波電流と前記位置修正手段の出力は、ある任意の回転速度を超えると任意の傾きで零になるまで減少させ、該零になったときの回転速度以下になると前記任意の傾きでもとの値まで増加させ、前記高周波電流の傾きは前記位置修正手段の出力の傾きよりも小さい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推定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石型同期電動機を制御するシステムに関わり、特に位置センサや速度センサを用いずに、広範囲な速度範囲で永久磁石の方向や回転速度を推定することができる同期電動機の位置および速度推定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３は従来の技術の全体構成の１例を示すブロック図、図４は図３の位置修正手段の詳細図である。
図３において、１は永久磁石型同期電動機、４は永久磁石型同期電動機１に電力を供給する電力変換器、６はｄ軸電流ｉｄに高周波電流が重畳されるような信号を出力する高周波電流重畳器、２は永久磁石型同期電動機１に印加される一次電圧ｖ１を検出する電圧検出器、３は永久磁石型同期電動機１に流れる一次電流ｉ１を検出する電流検出器である。
【０００３】
７は一次電圧ｖ１と推定された永久磁石の方向とを入力してｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑとを出力する電圧成分変換器、８は一次電流ｉ１と推定された永久磁石の方向とを入力してｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとを出力する電流成分変換器である。
【０００４】
９はｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとｑ軸電圧ｖｑとを入力して推定された永久磁石の方向の誤差または誤差相当量Δθｆを出力する位置修正手段、２８は位置修正手段９の出力を入力して永久磁石型同期電動機１の回転速度ωｇを推定する比例積分増幅器、２９は回転速度ωｇを積分して永久磁石の方向θｇを推定する積分器である。
【０００５】
図４において、位置修正手段９中、１２は微分器であり、ｑ軸電流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の出力と永久磁石型同期電動機１のｑ軸インダクタンスＬｑとの積を出力する。
１４は抵抗分電圧降下演算器で、ｑ軸電流ｉｑと永久磁石型同期電動機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、ｑ軸電圧ｖｑと加算器１５の出力との差を出力する。
【０００６】
１７は微分器で、減算器１６の出力を微分する。１８は位置誤差検出器で、微分器１７の出力とｄ軸電流ｉｄとの積Δθｈを出力する。１９は低域通過フィルタで、位置誤差検出器１８の出力の高調波成分を除去し直流成分Δθｆを出力する。
【０００７】
次に、かような構成からなる同期電動機の位置および速度推定装置を、本発明の創案に至った経緯を踏まえ、以下にその詳細を説明する。
図５は永久磁石形同期電動機の実際の永久磁石の方向θｇｒと推定された永久磁石の方向θｇの関係をベクトルで表したもので、これらの間に
【０００８】
【数１】
0004371487.tif 000002
【０００９】
の位置誤差Δθがあるとする。高周波電流重畳器６によってｄ軸電流ｉｄに高周波電流を重畳すると、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑは次式となる。
【００１０】
【数２】
0004371487.tif 000003
【００１１】
ここで、ＩｄとＩｑは直流成分、Ｉは高周波電流の波高値、ωｈは高周波電流の角周波数、ｔは時間である。
一次電流ｉ１において、実際の永久磁石の方向θｇｒに平行な方向（以下、ｄｒ軸という）のｄｒ軸電流ｉｄｒと、ｄｒ軸に垂直な軸（以下、ｑｒ軸という）のｑｒ軸電流ｉｑｒは、（２）、（３）式のｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑより、
【００１２】
【数３】
0004371487.tif 000004
【００１３】
で表せられる。
【００１４】
また、永久磁石形同期電動機１の特性方程式は、次式で表せられる。
【００１５】
【数４】
0004371487.tif 000005
【００１６】
ここで、ｖｄｒはｄｒ軸電圧、ｖｑｒはｑｒ軸電圧、Ｌｄは永久磁石型同期電動機１のｄ軸インダクタンス、ｐは微分演算子、φは永久磁石の磁束、ωｇｒは永久磁石形同期電動機１の実際の回転速度である。
次に（６）式と（７）式に、（４）式と（５）式を代入すると、
【００１７】
【数５】
0004371487.tif 000006
【００１８】
となる。
よって、推定された永久磁石の方向θｇと垂直な成分のｑ軸電圧ｖｑは、（８）式と（９）式より（１０）式となる。
【００１９】
【数６】
0004371487.tif 000007
【００２０】
また、位置誤差検出器１８によって出力されるｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑを微分した値ｄｖｑとの積Δθｈは（２）式と（１０）式より、
【００２１】
【数７】
0004371487.tif 000008
【００２２】
となる。
ｑ軸電流ｉｑは、（３）式で示したように直流成分Ｉｑに制御しているが、実際はｄ軸とｑ軸の干渉によって、ｄ軸電流ｉｄに（２）式のような高調波電流が流れるような制御を行うと、ｑ軸電流ｉｑにも高調波成分が現れる。このｑ軸電流ｉｑの高調波成分は、ｑ軸電圧ｖｑにも現れてくる。
よって、図４では、ｑ軸電圧ｖｑに現れるｑ軸電流ｉｑの高調波成分の影響を取り除くために、減算器１６によってｑ軸電圧ｖｑから（７）式のｑｒ軸電流ｉｑｒに関する第２項を取り除いている。Δθｈを低域通過フィルタ１９に通して高調波成分を除去すると、
次に示す（１２）式となる。
【００２３】
【数８】
0004371487.tif 000009
【００２４】
ここで、位置誤差Δθが非常に小さいとすると、（１２）式の直流成分Δθｆは（１３）式で近似できる。
【００２５】
【数９】
0004371487.tif 000010
【００２６】
ここで、Ｋ１は、
【００２７】
【数１０】
0004371487.tif 000011
【００２８】
である。
Ｌｑ＞Ｌｄなので（１３）式より、位置誤差Δθと直流成分Δθｆとは比例関係にあることが分かる。つまり推定している永久磁石の方向θｇが実際の永久磁石の方向θｇｒより進んでいる場合は、Δθｆ＜０となり比例積分増幅器２８によって永久磁石型同期電動機１の推定された回転速度ωｇが小さくなるので推定された永久磁石の方向θｇの進みが遅くなり、実際の永久磁石の方向θｇｒに一致するようになる。逆の場合も同様である。
つまり、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑを微分した値とを乗算することで、位置誤差Δθに応じたΔθｆが得られることから永久磁石の方向θｇと回転速度ωｇを推定することができる。
以上のような点から、従来の課題とする点を取り上げて説明する。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方式は、永久磁石型同期電動機が停止している場合や低速で回転している場合には有効な方法である。しかし、永久磁石型同期電動機１の特性方程式（７）式から分かるように、高速で回転すればするほど電圧は上昇する。そして、電力変換器４で供給できる電圧を超えると、高周波電流がｄ軸電流ｉｄに重畳できなくなり、永久磁石の方向θｇや回転速度ωｇを推定できなくなる問題があった。
【００３０】
また、永久磁石型同期電動機の回転速度等が急激に変わった場合も同様に、ｄｒ軸電流ｉｄｒやｑｒ軸電流ｉｑｒが大きくなり、（６）、（７）式よりｄｒ軸電圧ｖｄｒとｑｒ軸電圧ｖｑｒが上昇し、永久磁石の方向θｇや回転速度ωｇが推定できない。
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、高速回転等で永久磁石の方向と回転速度が推定でき、広範囲な条件でも永久磁石の方向と回転速度を推定できる同期電動機の位置および速度推定装置を提供するものである。
【００３１】
【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、
1） 請求項１において、
永久磁石型同期電動機の推定された永久磁石の方向（ｄ軸）と平行な一次電流の成分であるｄ軸電流に高周波電流を重畳して、検出された前記永久磁石型同期電動機の一次電流と一次電圧とから前記推定された永久磁石の方向を修正する位置修正手段を有する同期電動機の位置および速度推定装置であって、
前記一次電流と一次電圧とから前記永久磁石型同期電動機の回転速度を推定する速度推定手段と、前記一次電流と一次電圧とから前記推定された永久磁石の方向の誤差を推定する位置誤差推定手段と、該位置誤差推定手段の出力と前記位置修正手段の出力を加算しこの出力と前記速度推定手段の出力を加算する演算手段のそれぞれから構成された位置・速度推定手段を備え、該位置・速度推定手段にて、前記永久磁石の方向の推定と前記推定された回転速度の修正とを行うことを特徴とする同期電動機の位置および速度推定装置である。
【００３２】
２）請求項２において、
前記速度推定手段は前記ｄ軸電流とｄ軸に垂直な軸（ｑ軸）方向のｑ軸電流とｑ軸電圧とから前記永久磁石型同期電動機の回転速度を推定し、前記位置誤差推定手段は前記ｄ軸電流と前記ｑ軸電流とｄ軸電圧とから前記推定された永久磁石の方向の誤差を推定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推定装置である。
【００３３】
３）請求項３において、
前記演算手段は位置誤差推定手段の出力と前記位置修正手段の出力とから前記推定された永久磁石の方向の誤差に応じた回転速度誤差を求め、該回転速度誤差を低域通過フィルタに通し、該低域通過フィルタの出力と前記速度推定手段の出力とから前記推定された回転速度を修正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推定装置である。
【００３４】
４）請求項４において、
前記高周波電流と前記位置修正手段の出力は、ある任意の回転速度を超えると任意の傾きで零になるまで減少させ、該零になったときの回転速度以下になると前記任意の傾きでもとの値まで増加させ、前記高周波電流の傾きは前記位置修正手段の出力の傾きよりも小さい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推定装置である。
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて記述する。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例を示す全体構成のブロック図、図２は図１の位置・速度推定手段の一実施例を示すブロック図であり、図中、図３と同符号のものは同じ構成,機能を有する部分であるためその説明を割愛する。
図１において、速度誤差検出器１１は、位置修正手段９の出力である直流成分Δθｆを入力して推定された回転速度の誤差を、ある任意の回転速度まではそのまま出力し、該任意の回転速度を超えると回転速度が零になるまで任意の傾きで前記出力を減少させ、該零になったときの回転速度以下になると前記任意の傾きでもとの値まで増加させた値を出力する。
位置・速度推定手段１０は、速度誤差検出器１１の出力ωｇｈとｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑとを入力し、推定された永久磁石の方向θｇと永久磁石型同期電動機１の回転速度ωｇを出力する。
【００３６】
高周波電流重畳器５が図３に示す高周波電流重畳器６と異なるところは、ある任意の回転速度まで高周波電流がｄ軸電流ｉｄに重畳されるような信号を出力し、該任意の回転速度を超えると零になるまで任意の傾きで前記出力を減少させ、該零になったときの回転速度以下になると前記任意の傾きでもとの値の出力まで増加させ、任意の傾きは速度誤差検出器１１の任意の傾きよりも小さくしている点である。
【００３７】
図２において、位置・速度推定手段１０中の速度推定手段２０は、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとｑ軸電圧ｖｑとを入力して、永久磁石型同期電動機１の回転速度ωｍ１を推定する。位置誤差推定手段２１はｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとｄ軸電圧ｖｄとを入力して、推定された永久磁石の方向θｇの誤差を出力する。速度誤差推定器２２は位置誤差推定手段２１の出力を入力して、推定された永久磁石の方向θｇの誤差に応じた回転速度誤差を出力する。
【００３８】
加算器２３は速度誤差推定器２２の出力と速度誤差検出器１１の出力ωｇｈとの和を計算し、推定された永久磁石の方向θｇの誤差に応じた回転速度誤差の和ωｍ２を出力する。低域通過フィルタ２４は加算器２３の出力ωｍ２の高調波成分を除去して直流成分ｄｔｈを出力する。
加算器２５は速度推定手段２０の出力ωｍ１と低域通過フィルタ２４の出力ｄｔｈとの和を計算し、永久磁石型同期電動機１の推定された回転速度ωｇとして出力する。
このようにして、演算手段は加算器２３，２５などから構成されている。
【００３９】
また、加算器２６は速度推定手段２０の出力ωｍ１と加算器２３の出力ωｍ２との和ωｍｘを出力する。積分器２７は加算器２３の出力ωｍｘを積分したものを推定された永久磁石の位置・速度推定手段１０中方向θｇとして出力する。
【００４０】
以下は本発明の請求項１と請求項２と請求項３とによって、前記問題点を解決できる理由を説明する。
前述した永久磁石型同期電動機１の特性方程式（７）式を、回転速度ωｇｒについて解くと、次に示す、
【００４１】
【数１１】
0004371487.tif 000012
【００４２】
となる。よって、（１５）式のｄｒ軸電流ｉｄｒをｄ軸電流ｉｄに、ｑｒ軸電流ｉｑｒをｑ軸電流ｉｑに、ｑｒ軸電圧ｖｑｒをｑ軸電圧ｖｑにすると、回転速度ωｇを推定することができる。
【００４３】
位置誤差Δθがある場合のｄ軸電圧ｖｄの電圧方程式は、（１６）式で表される。
【００４４】
【数１２】
0004371487.tif 000013
【００４５】
（１６）式をｓｉｎ（Δθ）について解くと、次の（１７）式
【００４６】
【数１３】
0004371487.tif 000014
【００４７】
となり、位置誤差Δθが非常に小さいとすると、位置誤差Δθは（１８）式で近似できる。
【００４８】
【数１４】
0004371487.tif 000015
【００４９】
速度誤差推定器２２中で位置誤差Δθを微分すると、位置誤差Δθに対応した回転速度誤差を得ることができる。速度誤差検出器１１も、（９）式で表される位置誤差Δθを微分し、位置誤差Δθに対応した回転速度誤差を得ている。
よって、加算器２３から出力される速度誤差推定器２２の出力と速度誤差検出器１１との和によって、位置誤差Δθに応じた回転速度誤差ωｍ２を出力することができる。
加算器２３の出力ωｍ２を低域通過フィルタ２４に通してから推定された回転速度ωｍ１に加えているのは、加算器２３の出力ωｍ２のノイズを除去するためのものである。
以上説明したように、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑとｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑとが分かれば、電力変換器４で供給できる電圧を超えても（１５）式と（１６）式を用いて永久磁石型同期電動機１の回転速度ωｇと永久磁石の方向θｇを推定することができる。
【００５０】
次に請求項４について説明する。
従来の方式の位置修正手段９は、永久磁石型同期電動機１がある程度回転すれば必要なくなるので、任意の回転速度を超えると高周波電流と速度誤差検出器１１の出力を零まで減少させる。この時の傾きは、位置修正手段９がｄ軸電流ｉｄに高周波電流を重畳しないと永久磁石の方向や回転速度を推定できないため、高周波電流の傾きを小さくして速度誤差検出器１１の出力が使われるよりも早くから重畳できるようにする。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広範囲な領域で永久磁石形同期電動機の回転速度や永久磁石の方向が推定できることから、位置センサや速度センサが必要なくなり、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示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を示す位置・速度推定手段のブロック図である。
【図３】従来方式の一例を示すブロック図である。
【図４】従来方式の一例を示す位置修正手段のブロック図である。
【図５】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      高周波電流重畳器
６      高周波電流重畳器
７      電圧成分変換器
８      電流成分変換器
９      位置修正手段
１０    位置・速度推定手段
１１    速度誤差検出器
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    速度推定手段
２１    位置誤差推定手段
２２    速度誤差推定器
２３    加算器
２４    低域通過フィルタ
２５    加算器
２６    加算器
２７    積分器
２８    比例積分増幅器
２９    積分器
【図１】
0004371487.tif 000016
【図２】
0004371487.tif 000017
【図３】
0004371487.tif 000018
【図４】
0004371487.tif 000019
【図５】
0004371487.tif 000020