JP2002165483A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転子に突極性のある永久磁石形同期電動機
を、位置検出センサを用いないで運転する制御装置にお
いて、始動時の回転子位置の演算時間を短縮して、円滑
かつ安定した始動を実現する。 【解決手段】 回転子に突極性を有する永久磁石形同期
電動機の制御装置であって、基本波周波数と異なる周波
数の高周波電圧を印加する手段と、電機子電流から前記
高周波電圧と同じ周波数の高周波電流を抽出する手段
と、前記高周波電流を用いて回転子位置を推定する手段
とを備えた制御装置に関する。運転開始直後に前記高周
波電流の極性を判別する極性判別器１１と、この判別器
１１により判別した高周波電流の極性に応じて回転子位
置推定値の前回値に正または負のオフセット値を加え、
その加算結果を回転子位置推定値の初期値として決定す
るための積分器１０、スイッチＡ等を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子に突極性を
有する永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、特に回
転子の磁極位置（以下、回転子位置という）を検出する
ための位置検出センサを使用しない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】永久磁石形同期電動機の高性能制御に
は、回転子の位置情報が必要である。一般に位置検出セ
ンサにはエンコーダやレゾルバなどが用いられている
が、低コスト化を目的として、電動機の電圧や電流の情
報から電気的に回転子位置を推定演算するセンサレス制
御が提案されている。その一手法として、特開平７−２
４５９８１号公報に記載された磁極位置検出装置が知ら
れている。この公知技術は、突極性を有する永久磁石形
同期電動機に高周波電圧を印加し、その結果として流れ
る突極性に起因した高周波電流から速度を推定し、この
速度推定値を積分して回転子位置を推定するものであ
る。

【０００３】ここで、今後の理解をしやすくするため、
用語の説明をする。まず、直軸とは永久磁石の磁極方向
にとった座標軸であり、直軸電流とは直軸方向の電流成
分である。電圧に関しても同じように定義し、直軸電圧
とは直軸方向の電圧成分である。また、直軸と直交方向
に横軸を定義し、横軸方向の電流、電圧をそれぞれ横軸
電流、横軸電圧と呼ぶ。但し、制御装置では推定した直
軸の電圧、電流の情報しか得られないが、以下では簡単
のため、例えば推定した直軸電流も単に直軸電流と呼ぶ
ことにする。

【０００４】図３に、従来の制御ブロック図を示す。図
３において、直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊＊、横軸電圧指令ｖ_ｑ
^＊は電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊と基本波電流検出値
ｉ_ｄ１、ｉ _ｑ１との偏差をそれぞれ電流調節器３，４に
より演算し増幅して作成される。次いで、加算器５によ
り、基本周波数とは異なる周波数を持つ方形波の高周波
電圧（以下、方形波電圧という）ｖ_ｈを直軸電圧指令ｖ
_ｄ ^＊＊に加算して直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を作成する。座標
変換器１は、前記直軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊と横軸電圧指令ｖ
_ｑ ^＊と積分器１０の出力である位置推定値θとから、三
相電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を演算する。これら
の電圧指令ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊をＰＷＭ回路６によ
り電力変換器（インバータ）３０の制御信号に変換し、
永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ）４０の端子電圧を
制御する。なお、２０は三相交流電源である。

【０００５】座標変換器２は、位置推定値θと電機子電
流ｉ_ｕ，ｉ_ｗとから、直軸電流ｉ_ｄ、横軸電流ｉ_ｑを演
算する。高周波分離フィルタ７は、ｉ_ｄ，ｉ_ｑから基本
波電圧と同じ周波数成分の直軸基本波電流ｉ_ｄ１及び横
軸基本波電流ｉ_ｑ１を分離・抽出し、更に、ｉ_ｑから方
形波電圧と同じ周波数成分の横軸高周波電流ｉ_ｑｈを分
離・抽出する。同期整流器８は、ｉ_ｑｈをｖ_ｈの極性に
よって同期整流し、横軸高周波電流ｉ _ｑｈｓを演算す
る。速度推定器９は、ｉ_ｑｈｓの値から速度推定値を演
算し、積分器１０は速度推定値を積分して位置推定値θ
を演算する。

【０００６】ここで、上記従来技術においては原理的に
電気角１８０°の位置推定誤差を持つことがあり、これ
を補正するために、磁極（Ｎ，Ｓ極）を判別して位置推
定値を補正する演算が必要となる。この種の磁極判別法
としては、 ・電気学会論文誌Ｄ「産業応用部門誌」1990年11月 Vo
l.110 pp.1193〜1200 ・電気学会論文誌Ｄ「産業応用部門誌」1996年7月 Vo
l.116 pp736〜742 ・IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL.
32,NO.5,SEPTEMBER/OCTOBER 1996 等が提案されている。

【０００７】上記磁極判別方法は、何れも電動機鉄心の
磁気飽和特性を利用したものであり、回転子位置推定値
を使用し、直軸電流を正極性および負極性に制御したと
きの電流の変化率の違いを使って磁極を判別する。な
お、その詳細な内容は本発明の要旨ではないため、詳述
を省略する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図３の高周波分離フィ
ルタ７により分離・抽出した横軸高周波電流ｉ_ｑｈを方
形波電圧ｖ_ｈの極性によって同期整流した横軸高周波電
流ｉ_ｑｈｓは、位置推定値と実際の回転子位置との偏差
（＝位置推定値−回転子位置、以下、「位置偏差」と略
記する）を横軸のパラメータとした場合、図２に示すよ
うな正弦波となる。図２において正弦波に沿って表した
矢印は、位置推定値が収束する方向である。位置偏差が
０°近傍では、ｉ_ｑｈｓは位置偏差に比例する。この場
合、速度推定器９によりｉ_ｑｈｓを増幅して速度推定値
を求め、積分器１０により速度推定値を積分して位置推
定値を求め、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓが零になるように
ＰＬＬ（Phase Locked Loop）動作させることにより、
位置推定値を実際の回転子位置に一致させることができ
る。

【０００９】しかし、位置偏差が大きくなるとｉ_ｑｈｓ
と位置偏差とが比例しなくなり、速度・位置推定演算の
収束が遅くなる。特に、電動機の始動時において位置偏
差が±９０°の場合、ｉ_ｑｈｓは零になってｉ_ｑｈｓか
ら位置偏差の情報を検出できなくなるため、速度・位置
推定演算ができなくなり、位置偏差が±９０°のまま保
持される結果、制御系が不安定になり、円滑な始動が行
えないという問題が生じていた。 そこで本発明は、位
置偏差が±９０°である不安定点を回避して円滑な始動
を行えるようにした永久磁石形同期電動機の制御装置を
提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、電動機の運転開始直後、言い換
えれば位置推定演算を開始する前に、電動機に高周波電
圧を印加して電機子に流れる高周波電流（前記高周波電
圧に対してベクトル的に直交する電流）を検出し、この
高周波電流の極性に応じて位置推定値の初期値を決定す
るようにしたものである。

【００１１】すなわち、請求項１記載の発明は、回転子
に突極性を有する永久磁石形同期電動機の制御装置であ
って、基本波周波数と異なる周波数の高周波電圧を印加
する手段と、電機子電流から前記高周波電圧と同じ周波
数の高周波電流を抽出する手段と、前記高周波電流を用
いて回転子位置を推定する手段とを備えた制御装置にお
いて、運転開始直後に前記高周波電流の極性を判別する
判別手段と、この判別手段により判別した前記高周波電
流の極性に応じて回転子位置推定値の前回値に正または
負のオフセット値を加え、その加算結果を回転子位置推
定値の初期値として決定する手段と、を備えたものであ
る。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の永
久磁石形同期電動機の制御装置において、前記高周波電
流を、電機子電流を直軸電流及び横軸電流に分離した際
の横軸電流から抽出するものである。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の永久磁石形同期電動機の制御装置において、回転
子位置を推定する手段及び高周波電流の極性を判別する
判別手段の入力側に、オン・オフが互いに逆動作である
スイッチ手段をそれぞれ設け、これらのスイッチ手段を
介して高周波電流を各手段に入力するものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。まず、本発明の原理を説明すると、同期
整流した後の横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性により、以
下の数式１に従い位置推定値の前回値に正または負のオ
フセット値を加算することにより、位置推定値の初期値
を決定する。 ［数式１］ （ａ）ｉ_ｑｈｓ≧０ならば、θ＝θ（前回値）＋４５° （ｂ）ｉ_ｑｈｓ＜０ならば、θ＝θ（前回値）−４５°

【００１５】これにより、図２の下段に示した位置偏差
（処理後）のように、初期の真の位置偏差に関わらず位
置偏差を−１８０°〜−１３５°，−４５°〜＋４５
°，＋１３５°〜＋１８０°のいずれかの領域に移すこ
とができ、位置偏差が±９０°の不安定点を回避するこ
とができる。さらに、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性が
判明すれば直ちに位置推定値θの初期値が求まるので、
演算時間の短縮も可能となる。

【００１６】図１は本発明の実施形態の構成を示す制御
ブロック図である。図３と同一の構成要素には同一の参
照符号を付して説明を省略し、以下では異なる点を中心
に説明する。図１において、同期整流器８から出力され
る横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓはスイッチＡを介して電流極
性判別器１１に入力され、この電流極性判別器１１から
は積分器１０に対して位置推定値のプリセット信号が出
力される。また、横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓはスイッチＢ
を介して速度推定器９に入力可能となっており、スイッ
チＡ，Ｂはオン・オフが互いに逆動作（一方がオンのと
き他方がオフ）となっている。

【００１７】上記構成において、電動機の運転開始直後
にスイッチＡをオンし、スイッチＢをオフする。電流極
性判別器１１では、同期整流した後の横軸高周波電流ｉ
_{ｑｈ ｓ}の極性により、前記数式１に従って位置推定値θ
の初期値を決定する。

【００１８】例えば、初期の位置偏差が０°〜＋９０°
であって不安定点である＋９０°を含む場合、図２によ
れば横軸高周波電流ｉ_ｑｈｓの極性は負であるため、数
式１（ｂ）に示したオフセット値（−４５°）を加算す
る演算により位置偏差は−４５°〜＋４５°となり、動
作点を安定点へ移すことができる。同様にして、初期の
位置偏差が−９０°〜０°であって不安定点である−９
０°を含む場合には、図２によれば横軸高周波電流ｉ
_ｑｈｓの極性は正であるため、数式１（ａ）に示したオ
フセット値４５°を加算する演算により位置偏差は−４
５°〜＋４５°となり、この場合にも動作点を安定点へ
移すことができる。

【００１９】このようにして、初期の位置偏差に関わら
ず、位置偏差は図２の下段の位置偏差（処理後）で示す
−１８０°〜−１３５°、−４５°〜＋４５°、＋１３
５°〜＋１８０°のいずれかの領域に移すことができ
る。そして、位置推定値の初期値を決定後、スイッチＡ
を開き、スイッチＢを閉じて速度・位置推定演算を開始
する。なお、速度・位置推定演算は従来技術と同様にし
て行われる。

【００２０】本実施形態によれば、位置偏差が±９０°
の不安定点を回避することができ、回転子の初期位置に
依存せずにスムーズで安定した始動が可能となる。ま
た、数式１（ａ），（ｂ）の演算式を電流極性判別器１
１または積分器１０に記憶させておけば、横軸高周波電
流ｉ_ｑｈｓの極性に応じて直ちに位置推定値の初期値を
決定することができ、演算に要する時間は極めて短くて
済む。

【００２１】なお、電力変換器による交流電動機の制御
方法として、回転子位置を推定せずに電機子電圧とその
周波数とをほぼ比例させて可変速運転するＶ／ｆ制御も
よく知られている。この場合、電動機が停止している状
態から起動する際に、回転子位置によっては、望んだ回
転方向とは逆に回転して始動特性が悪くなる場合があ
る。本発明の原理はこのようなＶ／ｆ制御にも拡張して
適用可能であり、本発明によって回転子の初期位置を概
略推定し、これに基づいて起動時の電機子電圧の位相を
決定すれば始動特性を改善することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、回転子に
突極性を有する永久磁石形同期電動機を位置検出センサ
を用いずに運転する制御装置において、電機子電流から
検出した高周波電流の極性に応じて回転子位置推定値の
初期値を決定するようにしたので、ごく短時間での演算
により、位置偏差の不安定点を回避して円滑かつ安全な
始動を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施例の制御ブロック図である。

【図２】位置偏差と同期整流後の横軸高周波電流との関
係を示す図である。

【図３】従来技術を示す制御ブロック図である。

【符号の説明】

１，２ 座標変換器 ３ 直軸電流調節器 ４ 横軸電流調節器 ５ 加算器 ６ ＰＷＭ回路 ７ 高周波分離フィルタ ８ 同期整流器 ９ 速度推定器 １０ 積分器 １１ 電流極性判別器 ２０ 三相交流電源 ３０ 電力変換器 ４０ 永久磁石形同期電動機（ＰＭモータ） Ａ，Ｂ スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野村 尚史 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 糸魚川 信夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB12 DA14 DA18 DC12 EB01 TT08 XA12 XA13 5H576 BB06 DD02 DD07 EE01 EE04 EE11 GG04 HB01 JJ04 JJ22 JJ26 LL14 LL22 LL39 LL41 MM15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転子に突極性を有する永久磁石形同期
   電動機の制御装置であって、 基本波周波数と異なる周波数の高周波電圧を印加する手
   段と、 電機子電流から前記高周波電圧と同じ周波数の高周波電
   流を抽出する手段と、 前記高周波電流を用いて回転子位置を推定する手段とを
   備えた制御装置において、 運転開始直後に前記高周波電流の極性を判別する判別手
   段と、 この判別手段により判別した前記高周波電流の極性に応
   じて回転子位置推定値の前回値に正または負のオフセッ
   ト値を加え、その加算結果を回転子位置推定値の初期値
   として決定する手段と、 を備えたことを特徴とする制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の永久磁石形同期電動機の
   制御装置において、 前記高周波電流を、電機子電流を直軸電流及び横軸電流
   に分離した際の横軸電流から抽出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。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の永久磁石形同期
   電動機の制御装置において、 回転子位置を推定する手段及び高周波電流の極性を判別
   する判別手段の入力側に、オン・オフが互いに逆動作で
   あるスイッチ手段をそれぞれ設け、これらのスイッチ手
   段を介して高周波電流を各手段に入力することを特徴と
   する永久磁石形同期電動機の制御装置。