JP2002272198A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents
永久磁石形同期電動機の制御装置Info
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Abstract
転起動を迅速に行う。 【解決手段】 回転子の空転時にインバータ20を構成
する半導体スイッチング素子をオンさせて電機子巻線の
少なくとも2相を短絡させる手段と、この短絡動作の後
に半導体スイッチング素子を全てオフさせる手段と、電
機子電流をベクトルとしてとらえ、前記オフ期間中に流
れる電機子電流を検出する電流検出器41及び相数変換
器42と、前記オフ期間中に流れる電機子電流のベクト
ル回転方向から速度極性を検出する速度極性検出器56
aと、前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大値から
速度絶対値を演算する速度絶対値演算器56bと、前記
速度極性と前記速度絶対値とから回転子の空転速度を推
定する乗算器56cと、回転子の空転速度から磁極位置
を推定する位置推定器52及び積分器45と、を備え
る。
Description
動機の制御装置に関し、特に回転子の磁極位置を検出す
るための位置検出器、及び電動機の端子電圧を検出する
電圧検出器を使用しない永久磁石形同期電動機を対象と
して、インバータが停止している状態で回転子が空転し
ている場合でも電動機の確実な起動を可能にした永久磁
石形同期電動機の制御装置に関する。
久磁石形同期電動機の制御では、一般にエンコーダやレ
ゾルバなどの位置検出器により回転子の磁極位置を検出
し、それに合わせて電動機の電圧や電流を制御する必要
がある。これに対して制御装置の低コスト化を目的とし
て、位置検出器を用いずに、電動機の電圧や電流の情報
から電気的に磁極位置を推定演算するセンサレス制御が
提案されている。このセンサレス制御において、一般に
高価である電圧検出器を不要にして更なる低コスト化を
図るために、電圧指令値と電圧実際値(端子電圧実際
値)とは等しいという前提のもとに、電圧指令値と電流
検出値とを用いて磁極位置を推定演算する方法がある。
に電圧実際値が電圧指令値とほぼ等しくなるように制御
が行われている。しかるに、インバータが停止していて
電動機が回転している場合、すなわち電動機が空転して
いる場合には、電動機に誘起電圧が発生しているにもか
かわらず電圧指令値はゼロまたは不定な値になるので、
前述した電圧指令値と電圧実際値とがほぼ等しいという
前提は成立しない。このような状態でインバータを起動
すると、磁極位置が分からないので電動機の誘起電圧と
端子電圧の各瞬時値間に大きな差が生じて過電流が流れ
たり、起動直後に電動機が脱調したりして運転不能にな
る。
1−75394号公報に記載された交流回転機用電力変
換装置が知られている。この公知技術では、その請求項
1,2に記載されているように、電動機の回転子が空転
中にインバータを構成する半導体スイッチング素子をオ
ンさせて電機子巻線を短絡させる。その際、回転子が空
転していれば誘起電圧の作用によって電機子巻線に電流
が流れ、この電流値は磁極位置と回転速度とに依存する
ので、上記電流値に基づいて回転子の磁極位置を推定す
る原理を用いている。また、上記従来技術の請求項3,
4に記載されている如く、電機子巻線を短絡してから一
定時間後に半導体スイッチング素子を全てオフさせるこ
ととし、これらの短絡、全てオフの一連の動作を2回行
い、2回の短絡時に流れる電流ベクトルの角度差から回
転子の速度を演算するものである。
速度検出器、電圧検出器を持たない同期電動機が空転し
ている場合でも、演算による磁極位置検出を可能にして
インバータを支障なく起動することが可能である。な
お、本明細書では、電動機が空転中にインバータを起動
することを、以後、「空転起動」と呼ぶことにする。
語を説明する。図4は、静止座標系であるα−β座標系
と、回転座標系であるd−q座標系の説明図であり、α
軸とd軸との角度差であるθが回転子30Aの磁極位置
に相当する。α軸とは電動機のU相巻線に正の電流を流
したときに生じる磁束の方向にとった座標軸であり、α
軸電流とは電流ベクトルのα軸方向成分である。また、
α軸と直交方向にβ軸を定義し、β軸方向成分の電流を
β軸電流と呼ぶ。
磁束の方向にとった座標軸であり、d軸電流とは電流ベ
クトルのd軸方向成分である。電圧に関しても同じよう
に定義し、d軸電圧とは電圧ベクトルのd軸方向成分で
ある。また、d軸と直交方向にq軸を定義し、電流ベク
トル、電圧ベクトルのq軸方向成分をそれぞれq軸電
流、q軸電圧と呼ぶ。但し、制御装置では推定したd軸
やq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d軸電流も単にd軸電流と
呼ぶことにする。
ク図であり、電気学会論文誌D「産業応用部門誌」の1
997年1月号に掲載された論文「速度起電力推定に基
づくセンサレス突極形ブラシレスDCモータ制御」に記
載されているセンサレス制御方式に、前述の特開平11
−75394号公報記載の機能(点線で囲んだ空転起動
制御部50)を付加したものである。
流−直流変換及び直流−交流変換を行うインバータ、3
0は永久磁石形同期電動機、41は電動機30の各相電
機子電流iu,iv,iwを検出する電流検出器、42
は各相電流iu,iv,iwをα−β座標系の電流i
α,iβに変換する相数変換器、43はα−β座標系の
電流iα,iβをd−q座標系の電流id,iqに変換
する座標変換器、44は電動機30の回転速度を推定す
る速度推定器、45は速度推定値ωから磁極位置推定値
θを求める積分器、46はインバータ20の半導体スイ
ッチング素子に対するゲートパルスを生成し、このゲー
トパルスを切換スイッチ47を介してインバータ20に
供給するための電流調節部である。
50は、電流iα,iβが入力される空転起動速度推定
器51及び空転起動位置推定器52とこれらの推定器5
1,52の出力側に設けられた速度・位置推定値プリセ
ットスイッチ53と、各スイッチ47,53及び電機子
巻線短絡制御部55を制御する状態制御部54と、電機
子巻線短絡制御部55とから構成されている。
まず、そのセンサレス制御方式は、電流調節部46から
出力される同期電動機30の端子電圧成分であるd軸電
圧vd及びq軸電圧vqと、座標変換器43から出力さ
れる電機子電流成分であるd軸電流id及びq軸電流i
qとに基づいて、速度推定器44が回転子の速度を推定
し、演算された速度推定値ωを積分器45により積分し
て回転子の磁極位置推定値θを演算する。ここで、通常
の運転時には、ゲートパルス切換スイッチ47が電流調
節部46側(A側)に接続されており、電流調節部46
から得られる電圧指令値(vd *,vq *)を用いてセ
ンサレスベクトル制御を行う。
停止していることを検出した状態制御部54からのゲー
トパルス切換信号によって、ゲートパルス切換スイッチ
47を通常運転時のA側からB側に切り換える。電機子
巻線短絡制御部55は、状態制御部54からの制御信号
aにより、電機子巻線のうち少なくとも2相を短絡する
ように半導体スイッチング素子をオンするゲートパルス
を作成し、次に半導体スイッチング素子を全てオフする
ように、ゲートパルスを作成する。
圧の作用によって電機子巻線に電流が流れるので、この
ときの電流iu,iv,iwを検出し、相数変換器42
によりα軸電流Iα、β軸電流Iβを演算する。そして
これらの電流値から、磁極位置θrを空転起動位置推定
器52により、回転子の速度ωr1を空転起動速度推定
器51により演算する。
果を用いて空転起動を行うために、状態制御部54から
の制御信号bにより速度・位置推定値プリセットスイッ
チ53をオンし、速度推定値及び位置推定値の初期値ω
r1,θrを設定する。同時に、状態制御部54からの
ゲートパルス切換信号によってゲートパルス切換スイッ
チ47をA側に戻し、インバータ20を制御して同期電
動機30の空転起動が実行される。
て流れるα軸電流iα,β軸電流iβに基づいて、空転
時の速度及び磁極位置を推定する方法について説明す
る。まず、速度演算方法について説明する。電機子巻線
を短絡し、次に半導体スイッチング素子を全てオフする
一連の動作を2回行い、1回目の短絡により検出された
α軸電流iα1,β軸電流iβ1が最大となる位相をθ
i1、同じく2回目の短絡による位相をθi2とし、1
回目の短絡開始から2回目の短絡開始までの間隔をTと
すると、数式1から速度ωr1が求まる。
子電流の最大値のα,β軸成分を前述の如くiα1,i
β1とし、同じく2回目をiα2,iβ2とすると、θ
i1,θi2は数式2から求まる。
平11−75394号公報の請求項5に記載されている
ように、間隔Tを、回転子が最大速度で空転している際
に電気角で180°進む時間よりも短くする必要があ
る。そうしないと、例えば、回転子が正転方向に160
°回転したときと、逆転方向に200°回転したときと
で位相差(θi2−θi1)が等しくなるため、どちら
が正しいか判別できなくなる。
る。2回目の短絡により検出されたα軸電流iα2,β
軸電流iβ2が最大となる位相をθi2とし、そのとき
のd軸電流をid2,q軸電流をiq2とすると、数式
3により磁極位置θrが求まる。
をt0、回転子の磁極による磁束をφm、d軸及びq軸
方向のインダクタンスをそれぞれLd,Lq、上記速度
推定演算で求めた速度推定値をωr1とすると、数式4
により演算される。
4号公報記載の公知技術を用いた図5等の従来技術で
は、原理的に短絡直前の電機子電流が零でなければ電機
子電流ベクトルの位相を正確に演算することができず、
速度や磁極位置を演算することができない。そのため、
この従来技術では、1回目の短絡から2回目の短絡を開
始するまでに電機子電流がほぼ零に減衰している必要が
ある。
圧が高くなる速度領域で回転子が空転している場合に
は、空転起動に当たって電機子巻線を短絡し、半導体ス
イッチング素子を全てオフして電機子電流を零に減衰さ
せようとしても、インバータの出力電圧以上に誘起電圧
が高いため、電機子電流が零に減衰するまでに時間がか
かる。そのため、電機子電流が減衰するまで2回目の短
絡開始を待つ必要があるが、余り長い時間待ち過ぎると
前述した間隔Tが電気角180°を越えてしまい、速度
の極性を誤って演算するおそれがある。
上に誘起電圧が高くなるような速度領域で回転子が空転
しているときでも、迅速かつ正確に空転速度及び磁極位
置を推定して電動機の空転起動を可能にした永久磁石形
同期電動機の制御装置を提供しようとするものである。
め、請求項1記載の発明は、回転子の磁極位置を検出す
る位置検出器、及び端子電圧を検出する電圧検出器を有
しない永久磁石形同期電動機をインバータにより駆動す
るための制御装置において、前記インバータが停止して
いて回転子が空転している時に前記インバータを構成す
る半導体スイッチング素子をオンさせて電機子巻線の少
なくとも2相を短絡させる手段と、この短絡動作の後に
半導体スイッチング素子を全てオフさせる手段と、電機
子電流をベクトルとしてとらえ、前記オフ期間中に流れ
る電機子電流を検出する手段と、前記オフ期間中に流れ
る電機子電流のベクトル回転方向から速度極性を検出す
る手段と、前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大値
から速度絶対値を演算する手段と、前記速度極性と前記
速度絶対値とから回転子の空転速度を推定する手段と、
回転子の空転速度から磁極位置を推定する手段と、を備
えたものである。
していて回転子が空転している時にインバータを構成す
る半導体スイッチング素子をオンさせて電機子巻線の少
なくとも2相を短絡させる手段と、この短絡動作の後に
半導体スイッチング素子を全てオフさせる手段と、電機
子電流をベクトルとしてとらえ、前記オフ期間中に流れ
る電機子電流を検出する手段と、前記短絡動作及びオフ
動作からなる一連の動作を少なくとも2回行ない、前記
オフ期間中に流れる電機子電流の最大値が所定値以下で
あれば、従来技術と同様に各短絡時に流れる電機子電流
の位相及び各短絡動作の時間間隔を用いて回転子の空転
速度を推定する手段と、前記オフ期間中に流れる電機子
電流の最大値が所定値を越えていれば、請求項1記載の
発明と同様に、前記オフ期間中に流れる電機子電流のベ
クトル回転方向から検出した速度極性と、前記オフ期間
中に流れる電機子電流の最大値から演算した速度絶対値
とを用いて回転子の空転速度を推定する手段と、回転子
の空転速度から磁極位置を推定する手段と、を備えたも
のである。
していて回転子が空転している時にインバータを構成す
る半導体スイッチング素子をオンさせて電機子巻線の少
なくとも2相を短絡させる手段と、この短絡動作の後に
半導体スイッチング素子を全てオフさせる手段と、電機
子電流をベクトルとしてとらえ、前記オフ期間中に流れ
る電機子電流を検出する手段と、前記短絡動作及びオフ
動作からなる一連の動作を少なくとも2回行ない、2回
目の動作の開始直前に流れている電機子電流の大きさが
所定値以下であれば、従来技術と同様に各短絡時に流れ
る電機子電流の位相及び各短絡動作の時間間隔を用いて
回転子の空転速度を推定する手段と、2回目の動作の開
始直前に流れている電機子電流の大きさが所定値を越え
ていれば、請求項1記載の発明と同様に、前記オフ期間
中に流れる電機子電流のベクトル回転方向から検出した
速度極性と、前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大
値から演算した速度絶対値とを用いて回転子の空転速度
を推定する手段と、回転子の空転速度から磁極位置を推
定する手段と、を備えたものである。
態を説明する。まず、図1は本発明の第1実施形態を示
す制御ブロック図であり、請求項1に記載した発明の実
施形態に相当する。この図1において、50Aは空転起
動制御部である。
度推定器51に代えて、速度極性検出器56a、速度絶
対値演算器56b、及び乗算器56cから構成される空
転起動速度推定器56が用いられている点であり、その
他の構成要素については図5と同一である。なお、相数
変換器42から出力されるα軸電流iα及びβ軸電流i
βは、座標変換器43以外に、速度極性検出器56a、
速度絶対値演算器56b、及び空転起動位置推定器52
に入力されている。以下では、空転起動速度推定器56
を中心として本実施形態の動作を説明する。
性検出器56aは、電機子巻線を短絡することによって
流れる電機子電流のベクトル回転方向から速度極性sg
n(ωr2)を検出し、これを乗算器56cに出力す
る。速度絶対値演算器56bは、電機子電流の最大値か
ら速度絶対値|ωr2|を個別に演算し、これを乗算器
56cに出力する。乗算器56cは、速度極性sgn
(ωr2)及び速度絶対値|ωr2|を掛け合わせて空
転速度ωr2(=sgn(ωr2)×|ωr2|)を演
算する。このとき、インバータ20が停止していること
を検出した状態制御部54からの制御信号bにより、速
度・位置推定値プリセットスイッチ53はオン状態であ
るため、演算された空転速度ωr2はプリセットスイッ
チ53を介して速度推定器44に入力される。
り回転子の回転方向を、半導体スイッチング素子を全て
オフする期間中の電機子電流ベクトルの回転方向から速
度極性検出器56aにより検出しているため、従来技術
のように、1回目の短絡開始から2回目の短絡開始まで
の間隔Tに回転子が電気角で180°以上動くことによ
って回転子の回転方向を誤検出するおそれがない。
速度絶対値の演算方法について説明する。まず、半導体
スイッチング素子を全てオフする期間中に流れる電機子
電流の最大値のα軸成分,β軸成分をIα0,Iβ0と
し、その後のある時刻におけるα軸,β軸電流をI
αn,Iβnとすると、速度極性sgn(ωr2)は数
式5から検出することができる。ここで、ある時刻と
は、回転子が電気角で180°以上動くことがないよう
な短い期間経過後の時刻であることは言うまでもない。
極による磁束をφm、d軸,q軸方向のインダクタンス
をLd,Lq、短絡の期間をt0とすると、速度絶対値
|ω r2|は、数式6により演算できる。
β0 2)は電機子電流の大きさであるから、半導体スイ
ッチング素子が全てオフする期間中に流れる電機子電流
の最大値がわかれば、数式6により|ωr2|を演算す
ることができる。
は、状態制御部54からのゲートパルス切換信号により
ゲートパルス切換スイッチ47を通常運転時のA側から
B側に切り換え、電機子巻線短絡制御部55から、電機
子巻線のうち少なくとも2相を短絡するように半導体ス
イッチング素子をオンするゲートパルスを作成し、次に
半導体スイッチング素子を全てオフするように、ゲート
パルスを作成する。
軸電流Iα、β軸電流Iβを演算し、これらの電流を用
いて空転速度ωr2を演算する手順は前述したとおりで
ある。また、磁極位置θrについては、空転起動位置推
定器52が前述の数式3、数式4を用いて演算する。更
に、状態制御部54からのゲートパルス切換信号によっ
てゲートパルス切換スイッチ47をA側に戻し、インバ
ータ20を制御することによって同期電動機30の空転
起動が実行される。なお、この実施形態における通常運
転時のセンサレス制御方式は図5の従来技術と同様であ
る。
いて説明する。この実施形態は請求項2に記載した発明
の実施形態に相当する。図2において、50Bは空転起
動制御部である。第2実施形態では、図5における空転
起動速度推定器51及び空転起動位置推定記52に加え
て、図1に示した空転起動速度推定器56と、空転起動
速度推定器51の出力ωr1と空転起動速度推定器56
の出力ωr2とを切り換える速度推定値切換スイッチ5
8と、このスイッチ58を切換制御する速度推定値切換
器57とが付加されている。なお、速度推定値切換スイ
ッチ58によって選択された速度推定値ωr1またはω
r2が、速度推定値ωrとして速度・位置推定値プリセ
ットスイッチ53に入力されている。
電流iα及びβ軸電流iβは、空転起動速度推定器5
1,56、空転起動位置推定器52及び速度推定値切換
器57に入力されている。以下では、図5の従来技術及
び図1の第1実施形態と異なる部分を中心として動作を
説明する。
ング素子を全てオフする期間中に流れる電機子電流の最
大値が所定の値以下であれば、速度推定値切換スイッチ
58のC側を接続して空転起動速度推定器51の出力ω
r1を速度推定値ωrとして速度・位置推定値プリセッ
トスイッチ53に入力する。これにより、図2の回路は
実質的に図5の従来技術と同一の動作を行う。
えていれば、速度推定値切換スイッチ58のD側を接続
して空転起動速度推定器56の出力ωr2を速度推定値
ωrとして速度・位置推定値プリセットスイッチ53に
入力する。これにより、図2の回路は実質的に図1の回
路と同一の動作を行う。ここで、速度推定値切換スイッ
チ58を切り換える所定の値とは、例えば、空転状態の
電動機の誘起電圧がインバータの最大出力電圧と等しく
なる速度を数式6に代入して求めた電機子電流の大きさ
とすればよい。
づいて説明する。この実施形態は請求項3に記載した発
明の実施形態に相当する。図3において、50Cは空転
起動制御部であり、図2の第2実施形態と異なるのは、
速度推定値切換器57に代わって速度推定値切換器59
が用いられている点である。すなわち、速度推定値切換
器の機能が第2実施形態と異なっている。以下では、図
2の第2実施形態と異なる部分のみを説明する。
9は、電機子巻線を短絡し、次に半導体スイッチング素
子を全てオフする一連の動作の2回目開始直前に流れて
いる電機子電流のα,β軸成分を検出して、そのときの
電機子電流の大きさが所定の値以下であれば、速度推定
値切換スイッチ58のC側を接続して空転起動速度推定
器51の出力ωr1を速度推定値ωrとして速度・位置
推定値プリセットスイッチ53に入力する。これによ
り、図3の回路は実質的に図5の従来技術と同一の動作
を行う。
えていれば、速度推定値切換スイッチ58のD側を接続
して空転起動速度推定器56の出力ωr2を速度推定値
ωrとして速度・位置推定値プリセットスイッチ53に
入力する。これにより、図3の回路は実質的に図1の回
路と同一の動作を行う。ここで、所定の値とは、例え
ば、短絡によって流れる電機子電流が減衰している状態
での値、すなわちほぼ零とすればよい。
器及び電圧検出器を用いないでインバータにより永久磁
石形同期電動機を運転する制御装置において、インバー
タの出力電圧の限界以上に誘起電圧が高くなる速度領域
で回転子が空転しているときでも、回転子の速度及び磁
極位置を迅速に検出して同期電動機を空転起動すること
ができる。
である。
である。
である。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 回転子の磁極位置を検出する位置検出
器、及び端子電圧を検出する電圧検出器を有しない永久
磁石形同期電動機をインバータにより駆動するための制
御装置において、 インバータが停止していて回転子が空転している時にイ
ンバータを構成する半導体スイッチング素子をオンさせ
て電機子巻線の少なくとも2相を短絡させる手段と、 この短絡動作の後に半導体スイッチング素子を全てオフ
させる手段と、 電機子電流をベクトルとしてとらえ、 前記オフ期間中に流れる電機子電流を検出する手段と、 前記オフ期間中に流れる電機子電流のベクトル回転方向
から速度極性を検出する手段と、 前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大値から速度絶
対値を演算する手段と、 前記速度極性と前記速度絶対値とから回転子の空転速度
を推定する手段と、回転子の空転速度から磁極位置を推
定する手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。 - 【請求項2】 回転子の磁極位置を検出する位置検出
器、及び端子電圧を検出する電圧検出器を有しない永久
磁石形同期電動機をインバータにより駆動するための制
御装置において、 インバータが停止していて回転子が空転している時にイ
ンバータを構成する半導体スイッチング素子をオンさせ
て電機子巻線の少なくとも2相を短絡させる手段と、 この短絡動作の後に半導体スイッチング素子を全てオフ
させる手段と、 電機子電流をベクトルとしてとらえ、 前記オフ期間中に流れる電機子電流を検出する手段と、 前記短絡動作及びオフ動作からなる一連の動作を少なく
とも2回行ない、 前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大値が所定値以
下であれば、各短絡時に流れる電機子電流の位相及び各
短絡動作の時間間隔を用いて回転子の空転速度を推定す
る手段と、 前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大値が所定値を
越えていれば、前記オフ期間中に流れる電機子電流のベ
クトル回転方向から検出した速度極性と、前記オフ期間
中に流れる電機子電流の最大値から演算した速度絶対値
とを用いて回転子の空転速度を推定する手段と、 回転子の空転速度から磁極位置を推定する手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。 - 【請求項3】 回転子の磁極位置を検出する位置検出
器、及び端子電圧を検出する電圧検出器を有しない永久
磁石形同期電動機をインバータにより駆動するための制
御装置において、 インバータが停止していて回転子が空転している時にイ
ンバータを構成する半導体スイッチング素子をオンさせ
て電機子巻線の少なくとも2相を短絡させる手段と、 この短絡動作の後に半導体スイッチング素子を全てオフ
させる手段と、 電機子電流をベクトルとしてとらえ、 前記オフ期間中に流れる電機子電流を検出する手段と、 前記短絡動作及びオフ動作からなる一連の動作を少なく
とも2回行ない、 2回目の動作の開始直前に流れている電機子電流の大き
さが所定値以下であれば、各短絡時に流れる電機子電流
の位相及び各短絡動作の時間間隔を用いて回転子の空転
速度を推定する手段と、 2回目の動作の開始直前に流れている電機子電流の大き
さが所定値を越えていれば、前記オフ期間中に流れる電
機子電流のベクトル回転方向から検出した速度極性と、
前記オフ期間中に流れる電機子電流の最大値から演算し
た速度絶対値とを用いて回転子の空転速度を推定する手
段と、 回転子の空転速度から磁極位置を推定する手段と、 を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御
装置。
Priority Applications (1)
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