JP2004120993A - 同期リラクタンスモータの磁束測定装置およびそのセンサレス制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】同期リラクタンスモータのセンサレス制御の精度と安定性を向上させる磁束測定装置およびその制御システムを提供する。
【解決手段】磁束測定装置は、同期リラクタンスモータの回転座標系の電流の高調波成分を除去して磁束を推定する推定磁束出力部１０と、モータの固定座標系の電圧と高調波成分を除去した電流を上記の推定磁束と組合せて磁束を観測する観測磁束出力部２０と、この観測磁束を回転座標系の磁束に変換する固定／回転座標変換部３０と、から構成され、制御システムは、モータの磁束を測定して速度と回転角を推定するセンサレス制御部１００と、起動時と低速時にセンサレス制御部１００の推定速度と推定回転角を補償するように速度と回転角を観測する低速領域トラッキングループ部２００と、低速領域トラッキングループ部２００のオン／オフを制御するモード切替制御部３００と、から構成される。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期リラクタンスモータの磁束測定装置およびそのセンサレス制御システムに関し、特に、同期リラクタンスモータの磁束を測定する際にモータの駆動時に発生する負荷による高調波成分を除去して正確な磁束の測定を可能にした同期リラクタンスモータの磁束測定装置、およびセンサレスで同期リラクタンスモータの回転子の速度と回転角を推定する際にモータの起動時と低速駆動時に発生する推定速度と推定回転角の誤差を低減し、システムを安定化させることができる同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期リラクタンスモータとは、回転子が固定子の駆動源に同期して回転するモータであって、固定子に電流が供給されると、回転子に形成される磁気回路の抵抗が最小となるように回転子が回転するモータのことを意味する。このような同期リラクタンスモータの速度を制御するにはモータの回転子の位置を知らなければならない。ところで、モータの速度を制御するためにエンコーダのような回転子位置検出器を使用することにより回転子の位置を直接検出することができるが、冷蔵庫または空気調和機の圧縮器のような装置ではこのようなエンコーダの取付けが困難であるという問題がある。
【０００３】
したがって、最近では回転子位置検出器を使用しないセンサレス制御システム方式が使用されているが、このようなセンサレス制御システムの場合、モータを駆動するための電圧および電流からモータの観測磁束と推定磁束を求め、これらの磁束から回転子の回転角や速度を推定する。
【０００４】
しかし、同期リラクタンスモータの中で、図１にその鉄心断面を示した集中巻同期リラクタンスモータは、分布巻に比べて製作が容易で、製造コストが相対的に低いという利点があるが、図示のように、固定子１を構成するスロット３間の間隔が広いためモータの回転子２が回転するときモータの電流には６次高調波成分が含まれる。
【０００５】
図２は、位置検出器のエンコーダから得た上記のモータの回転子の実際の回転角θの三角関数値（ｓｉｎθ）と、従来のモータ速度制御システムで磁束によって推定された回転子の回転角（θ_ｅ）の三角関数値（ｓｉｎθ_ｅ）と、モータの入力電流を回転座標系の電流に変換した電流のｑ軸成分（ｉ_ｑ）と、モータに実際に流れる３相電流の内の１相の電流（ｉ_ｖ）を表すグラフである。但し、上記の推定回転角θ_ｅは図２では下記の関係を用いて書きかえて示されている。
【０００６】
【数２】

【０００７】
図示のように、集中巻はスロット間の間隔が広いことから実際にモータに流れるＶ相電流（ｉ_ｖ）に６次高調波成分が含まれ、それにより回転座標系のｑ軸電流にも６次高調波成分が含まれることになり、結果として回転子の推定回転角が正確な正弦波で推定されず、推定回転角にリップルが含まれる現象が生じてしまう。したがって、速度制御システムで推定された回転子の推定回転角に誤差が発生し、このことによってセンサレス制御システムの精度と安定性が悪くなるという問題がある。
【０００８】
また、センサレスで回転子の位置を把握する同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、モータに供給される電圧、電流、およびそれによってモータに形成される磁束などを測定して同期リラクタンスモータを構成する回転子の速度や回転角（または位置、以下では回転角で説明する）を把握する第１方式を使用している。すなわち、この第１方式は、磁束測定器で測定された磁束によってモータの速度と回転角を推定する。
【０００９】
しかし、モータの起動時または低速駆動時には上記の磁束測定器における電圧推定の際に、上記の推定速度と推定回転角は回転子の実際速度および回転角と大幅に異なるという問題がある。
【００１０】
したがって、モータの起動または低速駆動時には上記の磁束測定器に付加的な信号を注入することによって上記の誤差の発生を防止する第２方式が、上記の第１方式と併用されている。しかしながら、この第２方式は、結果的にモータの速度によってそれを使用するか否かが決定されるもので、上記の第１方式を用いて制御されていた同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムに、モータ速度の変化に応じて上記の第２方式を使用すると、システムの安定性が悪くなってしまう。
【００１１】
言い換えれば、モータの起動後、推定速度が一定速度に達すると、モータが低速領域で駆動される間は上記の第２方式を使用していたシステムが急に第１方式に切換えられて制御されることによりチャタリング（Ｃｈａｔｔｅｒｉｎｇ）などの不安定な現象が起こる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題を解決するために案出されたものであり、その目的は、集中巻方式の同期リラクタンスモータを制御するシステムの性能向上のために、モータから発生する負荷による高調波成分が除去された磁束を測定することができる同期リラクタンスモータの磁束測定装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、同期リラクタンスモータをセンサレスで制御する場合に、上記の同期リラクタンスモータの低速および高速駆動時にモータの回転子の速度と回転角が安定に推定または観測されるように、システムから発生する可能性のあるチャタリング現象などを防止できる同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による同期リラクタンスモータの磁束測定装置は、同期リラクタンスモータに流入する回転座標系の電流の高調波成分を除去して前記モータの磁束を推定する推定磁束出力部と、前記モータに供給される固定座標系の電圧と高調波成分の除去された固定座標系の電流を、前記出力された推定磁束と組み合わせて固定座標系の磁束を観測する観測磁束出力部と、前記観測磁束出力部から出力された観測磁束を回転座標系の観測磁束に変換する固定／回転座標変換部と、から構成されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、同期リラクタンスモータのセンサレス制御のために前記モータの磁束を測定し、それによって前記モータの回転子の速度と回転角を推定するセンサレス制御部と、前記モータの推定速度によって動作するか否か決定されて前記モータの起動時と低速駆動時に前記センサレス制御部の推定速度と推定回転角の推定誤差が補償されるように前記回転子の速度と回転角を観測する低速領域トラッキングループ部と、前記低速領域トラッキングループ部を動作させるか否かを前記推定速度に基づいて制御し、前記低速領域トラッキングループ部のオン／オフによるチャタリング現象を安定化させるモード切替制御部と、から構成されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
なお、以下の記載では、図３、５中や式（１）、（２）中に示した回転子の速度、回転角やモータの磁束の記号を後述の（Ａ）、（Ｂ）式の関係を用いて書きかえて表すものとする。
【００１８】
本発明による同期リラクタンスモータの磁束測定装置は、図３に示すように、同期リラクタンスモータに流入する回転座標系のｄ、ｑ軸電流（ｉ_ｄ，ｉ_ｑ、以下ｉ_ｄｑと表示する）からその高調波成分を除去して得られた電流からモータの推定磁束（λ_{α ｅ}，λ_{β ｅ}、以下λ_{αβ ｅ}と表示する）を推定する推定磁束出力部１０と、モータに印加される固定座標系のα、β軸電圧（Ｖ_α，Ｖ_β、以下Ｖ_αβと表示する）と高調波成分が除去された固定座標系のα、β軸電流（ｉ’_α，ｉ’_β、以下ｉ’_αβと表示する）とを上記の推定された推定磁束（λ_{αβ ｅ}）と組み合わせて利用して固定座標系のα、β軸観測磁束（λ_{α ｏ}，λ_{β ｏ}、以下λ_{αβ ｏ}と表示する）を観測する観測磁束出力部２０と、観測磁束出力部２０から出力された観測磁束（λ_{αβ ｏ}）を回転座標系のｄ、ｑ軸観測磁束（λ_ｄｏ，λ_ｑｏ、以下λ_ｄｑｏと表示する）に変換する固定／回転座標変換部３０と、から構成される。
【００１９】
特に、推定磁束出力部１０は、モータに流入する回転座標系のｄ、ｑ軸電流（ｉ_ｄｑ）からそれにモータの負荷によって発生する６次高調波成分を除去した電流（ｉ’_ｄ，ｉ’_ｑ、以下ｉ’_ｄｑと表示する）を出力するローパスフィルタ１１と、電流に対応させて与えられた磁束に関する情報を格納したルックアップテーブル（Ｌｏｏｋ−ｕｐ　ｔａｂｌｅ）における上記の格納された情報に基づいて上記の高調波成分が除去された電流（ｉ’_ｄｑ）に該当する回転座標系のｄ、ｑ軸推定磁束（λ_ｄｅ，λ_ｑｅ、以下λ_ｄｑｅと表示する）の値を選択して出力する推定磁束選択部１２と、この出力された推定磁束（λ_ｄｑｅ）を固定座標系のα、β軸推定磁束（λ_{αβ ｅ}）に変換する回転／固定座標変換部１３と、を含んで構成される。
【００２０】
ここで、上記のルックアップテーブルに格納された情報は、実験によって求められた情報であって、電流に対応する磁束値をルックアップテーブル化したものである。
【００２１】
また、観測磁束出力部２０は、モータに流入する固定座標系のα、β軸電流（ｉ_α，ｉ_β、以下ｉ_αβと表示する）から６次高調波成分を除去するバンドパスフィルタ２１と、バンドパスフィルタ２１を通過して高調波成分の除去された電流（ｉ’_αβ）に相抵抗（Ｒｓ）を掛ける相抵抗乗算部２２と、相抵抗乗算部２２から出力される電圧と上記の固定座標系のα、β軸電圧（Ｖ_αβ）を合算（減算）する第１合算部２３と、第１合算部２３の出力値（ｅ_α，ｅ_β、以下ｅ_αβと表示する）に推定磁束出力部１０から出力された推定磁束（λ_{αβ ｅ}）に依存する値を合算（図３では減算）する第２合算部２４と、第２合算部２４の出力値を積分して固定座標系のα、β軸観測磁束（λ_{αβ ｏ}）を出力する積分器２５と、から構成される。
【００２２】
また、観測磁束出力部２０は、積分器２５から出力された観測磁束（λ_{αβ ｏ}）に推定磁束出力部１０から出力された推定磁束（λ_{αβ ｅ}）を合算（図３では減算）して両者間の差（合算磁束）を求める第３合算部２６と、第３合算部２６から出力された値に基準ゲイン値（ｇ）を掛けて上記の推定磁束（λ_{αβ ｅ}）に依存する値を求めて第２合算部２４に出力するゲイン部２７と、をさらに含んで構成される。ここで、ゲイン部２７のゲイン値（ｇ）は上記の観測磁束（λ_{αβ ｏ}）と推定磁束（λ_{αβ ｅ}）が互いに同じ値になるようにするための増幅ゲインである。
【００２３】
上記のような本発明による同期リラクタンスモータの磁束測定装置が、固定座標系の電圧および電流（Ｖ_αβ、ｉ_αβ）から観測磁束（λ_{αβ ｏ}）を、また、回転座標系の電流（ｉ_ｄｑ）から推定磁束（λ_{αβ ｅ}）を算出すると、同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、下記の式（１）および（２）によって回転子の回転角と速度を推定し、それによって同期リラクタンスモータのセンサレス制御が行なわれる。
【００２４】
【数３】

【００２５】
【数４】

【００２６】
但し、上記で、
【００２７】
【数５】

【００２８】
であり、図３も上記（Ａ）の記号の関係を用いて書きかえて示されている。
【００２９】
ここで、λ_{α ｏ}、λ_{β ｏ}はそれぞれモータの固定座標系におけるα、β軸上の観測磁束を表し、λ_ｄｅ、λ_ｑｅはそれぞれモータの回転座標系におけるｄ、ｑ軸上の推定磁束を表す。λは、
【００３０】
【数６】

【００３１】
であり、Ｔｓは、モータの推定回転角（θ_ｅ）がθ_ｋ−１ｅからθ_ｋｅに変化するのにかかる時間を表す。ここでθ_ｋ−１ｅ、θ_ｋｅはそれぞれθ_ｅのサンプリング点ｋ−１、ｋでの値を示す。固定座標系の電圧および電流（Ｖ_αβ、ｉ_αβ）は、インバータから加えられる３相入力電圧と入力電流を固定座標系に変換した入力電圧、電流の固定α、β軸成分であり、回転座標系の電流（ｉ_ｄｑ）は、固定α、β軸成分の電流（ｉ_αβ）を回転座標系に変換した入力電流の回転ｄ、ｑ軸成分である。
【００３２】
そして、上記のように得られた観測磁束（λ_{αβ ｏ}）と推定磁束（λ_{αβ ｅ}）はモータの電流値に対応して得られ、両磁束とも検出された電流のｉ_αβやｉ_ｄｑに相関関係があることがわかる。
【００３３】
したがって、本発明による同期リラクタンスモータの磁束測定装置は、集中巻同期リラクタンスモータのセンサレス制御時に発生する入力電流の高調波成分を、モータ速度に基づいてそのロー（低域）およびハイ（高域）のカット−オフ（ｃｕｔ−ｏｆｆ）周波数を調整することができるバンドパスフィルタ２１と、ローパスフィルタ１１を通じて除去した後、観測磁束（λ_{αβ ｏ}）と推定磁束（λ_{αβ ｅ}）を求めることによって、前述のセンサレス制御の精度と安定性の悪化に関する問題を解消する。
【００３４】
上記の観測磁束（λ_{αβ ｏ}）は入力電流の固定α、β軸成分電流（ｉ_αβ）と相関関係にあり、ｉ_αβは正弦波なのでバンドパスフィルタで高調波成分を除去できるが、同期リラクタンスモータが可変速制御されることからローおよびハイ・カット−オフ周波数の設定が難しいという問題がある。したがって、本発明ではモータの推定速度（ω_ｅ）をバンドパスフィルタ２１に適用してローおよびハイ・カット−オフ周波数を推定速度（ω_ｅ）に応じて図４のように調整する方式を工夫し、可変速制御によって運転周波数が変化してもそれとは無関係にｉ_αβに含まれた高調波成分が除去されるようにした。
【００３５】
推定磁束（λ_ｄｑｅ）は、直流量である入力電流の回転ｄ、ｑ軸成分電流（ｉ_ｄｑ）と相関関係にあるので、ローパスフィルタ１１を使って電流（ｉ_ｄｑ）に含まれた高調波成分を除去し、検出電流の高調波成分による誤差による推定磁束の誤差を低減させた。
【００３６】
すなわち、本発明では、上記のように、モータの推定速度をバンドパスフィルタ２１に適用して、正弦波である入力電流のｉ_αβに含まれた高調波成分を除去し、また、直流量であるｉ_ｄｑに含まれた高調波成分をローパスフィルタ１１を使って除去することによって、電流に含まれた高調波成分によって引き起される回転子の推定回転角誤差を減少させて、集中巻同期リラクタンスモータのセンサレス制御の精度と安定性を向上させた。
【００３７】
図４は、モータの推定速度をバンドパスフィルタのローおよびハイ・カット−オフ周波数を求めるために用いる例であって、推定速度がω_１ｅのとき、そのときの電流の周波数はｆ_{ω １ｅ}となるが、これをバンドパスフィルタの共振周波数となるようにし、それによってロー・カットオフ周波数（ｆ_ｌ１）およびハイ・カットオフ周波数（ｆ_ｈ１）を決定し、モータ制御速度がω_１ｅからω_２ｅに変化する場合、共振周波数とローおよびハイ・カット−オフ周波数をそれぞれ、そのときの回転速度に基づいて変化させる、すなわちモータ速度がω_２ｅのときはそれぞれ、ｆ_{ω ２ｅ}とｆ_ｌ２及びｆ_ｈ２に調整するようにする。
【００３８】
ここで、バンドパスフィルタ２１のローおよびハイ・カット−オフ周波数（ｆ_ｌ、ｆ_ｈ）はモータの推定速度に従う共振周波数（ｆ_{ω ｅ}）によって下記の式（３）のようなゲイン値の関係を有するようにする。
【００３９】
【数７】

【００４０】
なお、図４では上記のω_１ｅ、ω_２ｅ、ｆ_{ω １ｅ}、ｆ_{ω ２ｅ}を下記の関係を用いて書きかえて示されている。
【００４１】
【数８】

【００４２】
また、本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、図５に示すように、同期リラクタンスモータの磁束を推定および観測して得られる推定磁束および観測磁束からモータの回転子の速度および回転角を推定してそれぞれ推定速度および推定回転角として出力するセンサレス制御部１００と、モータの推定速度によって動作させるか否かが決定されてモータの起動時と低速駆動時にセンサレス制御部１００の推定速度と推定回転角の推定誤差を補償するように回転子の速度と回転角を観測してそれぞれ観測速度と観測回転角として出力する低速領域トラッキングループ部２００と、この低速領域トラッキングループ部２００のオン／オフ（動作・不動作）によるチャタリング現象が安定になるように低速領域トラッキングループ部２００を動作させるか否かを上記の推定速度に基づいて制御するモード切替制御部３００と、から構成される。
【００４３】
ここで、センサレス制御部１００は、図５に示すように、モータに入力される固定座標系のα、β軸上の電圧（Ｖα、Ｖβ）および電流（ｉ_α、ｉ_β）からモータの固定座標系のα、β軸上の観測磁束（λ_{α ｏ}、λ_{β ｏ}）および回転座標系のｄ、ｑ軸上の推定磁束（λ_ｄｅ、λ_ｑｅ）およびｑ軸上の観測磁束（λ_ｑｏ）を出力する磁束測定器１０１と、磁束測定器１０１から出力された観測磁束（λ_{α ｏ}、λ_{β ｏ}）および推定磁束（λ_ｄｅ、λ_ｑｅ）からモータの回転子の推定回転角（θ_ｅ）を前記の式（１）によって推定する回転角推定部１０２と、回転角推定部１０２から出力された推定回転角（θ_ｅ）から前記の式（２）によって回転子の推定速度（ω_ｅ）を算出する速度推定部１０３と、から構成される。
【００４４】
また、低速領域トラッキングループ部２００は変数（Ｘ）によってそれが動作するか否かが決定される。ここで、上記の変数（Ｘ）は、モータの推定速度（ω_ｅ）によって変化し、この推定速度が低速の場合には高速の場合に比べて高い値を有する。また、上記の推定速度が低速の場合に動作する低速領域トラッキングループ部２００は回転子の観測回転角を回転子の実際回転角に収束させてモータの観測速度が実際速度に収束するようにする。
【００４５】
さらにまた、モード切替制御部３００は上記の変数（Ｘ）の変化を感知し、それによって低速領域トラッキングループ部２００が動作または非動作となるように制御する。すなわち、モータの推定速度が低速から高速に増加する場合は、モード切替制御部３００は、低速時に図５に示した‘Ａ’に接続されて低速領域トラッキングループ部２００が動作するようにしてから、９５０〜１１００ｒｐｍの間の第１速度にモータの推定速度が達すると図５の‘Ｂ’に接続されて低速領域トラッキングループ部２００をオフさせる。
【００４６】
また、モータの推定速度が高速から低速に減少する場合は、モード切替制御部３００は最初（高速時）は上記の‘Ｂ’に接続されてセンサレス制御部１００で推定された速度と回転角のみでモータが制御されるようにしてから、上記の推定速度が８００〜９５０ｒｐｍの間の第２速度に達すると上記の‘Ａ’に接続されて低速領域トラッキングループ部２００をオンさせる。
【００４７】
また、低速領域トラッキングループ部２００は、磁束測定器１０１で測定された磁束から回転子の位置誤差に比例する比例型観測速度（ω_ＰＩｏ）を出力する比例型観測速度出力部２１０と、速度推定部１０３から出力された推定速度（ω_ｅ）と、回転子の観測回転角（θ_ｏ）と推定回転角（θ_ｅ）との間の回転角誤差とが合算された値に後述の基準信号（η）を組み合わせる基準信号組合部２２１と、上記の比例型観測速度（ω_ＰＩｏ）と、上記の推定速度（ω_ｅ）と基準信号（η）が組み合わされて得られる基準信号組合部２２１の出力とを加算して観測速度（ω_ｏ）を算出する観測速度算出部２２２と、観測速度算出部２２２で算出された観測速度（ω_ｏ）を積分して観測回転角（θ_ｏ）を算出する積分器２２３と、積分器２２３から出力された観測回転角（θ_ｏ）をその三角関数に変換して磁束測定器１０１に出力する三角関数変換部２２４と、三角関数変換部２２４から出力された観測回転角（θ_ｏ）と回転子の推定回転角（θ_ｅ）との間の回転角誤差を算出する回転角誤差算出部２２５と、この算出された回転角誤差に第１基準ゲイン値（ｈ）を掛ける第１ゲイン部２２６と、第１ゲイン部２２６で第１基準ゲイン値（ｈ）が掛けられた回転角誤差を上記の推定速度（ω_ｅ）に合算（図５では推定速度から減算）して基準信号組合部２２１に出力する合算部２２７と、から構成される。
【００４８】
ここで、上記の推定速度（ω_ｅ）と比例型観測速度（ω_ＰＩｏ）および観測速度（ω_ｏ）の関係は、下記の式（４）のようになり、観測速度算出部２２２は下記の式（４）のように比例型観測速度（ω_ＰＩｏ）と推定速度（ω_ｅ）を合わせることによって観測速度（ω_ｏ）を算出する。
【００４９】
ω_ｏ＝ω_ＰＩｏ＋ω_ｅ　…　（４）
なお、図５では各磁束、回転角、角速度を前記（Ａ）及び下記の（Ｂ）の関係を用いて書きかえて示されている。
【００５０】
【数９】

【００５１】
また、上記の回転角誤差に‘ｈ’の第１基準ゲイン値を掛けて推定速度（ω_ｅ）を前向き補償する理由は、低速と高速の重なり領域において過度状態を安定化して制御システムのダイナミックス（ｄｙｎａｍｉｃｓ）を向上させるためである。
【００５２】
基準信号組合部２２１で組み合わせる基準信号（η）は、下記の式（５）によって求められる。
η　＝　０．８　＋　０．２（１−Ｘ）　…　（５）
但し、上記のＸはモード切替制御部３００でその変化が感知される変数（Ｘ）である。
【００５３】
また、低速領域トラッキングループ部２００は、速度推定部１０３から出力された値を８００Ｈｚにバンドパスフィルタリングするバンドパスフィルタ２０１をさらに含んで構成され、本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、三角関数変換部２２４から出力された値を軸変換して磁束測定器１０１に出力する軸変換部３０１をさらに含んで構成される。
【００５４】
さらに、低速領域トラッキングループ部２００における比例型観測速度出力部２１０は、磁束測定器１０１から出力されるｑ軸上の推定磁束（λ_ｑｅ）と観測磁束（λ_ｑｏ）の間の誤差（δλ_ｑ）を算出する磁束誤差算出部２１１と、磁束誤差算出部２１１で求められた磁束誤差（δλ_ｑ）を８００Ｈｚ以上にフィルタリングするハイパスフィルタ２１２と、ハイパスフィルタ２１２でフィルタリングされた値からモータの回転子の磁束誤差比例値（δλ_ｑｅｒｒ）を求める復調部２１３と、復調部２１３で求められた磁束誤差比例値（δλ_ｑｅｒｒ）に第２基準ゲイン値（４０）を掛けた位置誤差比例値（θ_ｅｒｒ）を出力する第２ゲイン部２１４と、第２ゲイン部２１４から出力された位置誤差比例値（θ_ｅｒｒ）を２５０Ｈｚ以下にフィルタリングするローパスフィルタ２１５と、ローパスフィルタ２１５でフィルタリングされた値を比例積分して前記の比例型観測速度（ω_ＰＩｏ）を出力する比例積分器２１６と、から構成される。
【００５５】
図６（ａ）および図６（ｂ）において実線は前記の変数（Ｘ）を意味し、点線は前記の基準信号（η）を意味する。図示のように、これらをモータの推定速度に基づいて変化させるに際して、モータの推定速度が８００ｒｐｍから１１００ｒｐｍに増加する場合に、Ｘの値が１から０に減少し、モータの推定速度が１１００ｒｐｍから８００ｒｐｍに減少する場合に、Ｘの値が０から１に増加するようにする。
【００５６】
また、モード切替制御部３００は、モータの推定速度が８００ｒｐｍから１１００ｒｐｍに増加することによって上記の変数Ｘが１から０に減少し、特に、モータの推定速度が図６（ａ）で９５０ｒｐｍに達したときや、図６（ｂ）で９５０〜１１００ｒｐｍの範囲の第１速度（Ｖ_１）に達したときに、低速領域トラッキングループ部２００をオフさせる。また、モード切替制御部３００は、モータの推定速度が１１００ｒｐｍから８００ｒｐｍに減少することによって上記の変数Ｘが０から１に増加し、特に、モータの推定速度が図６（ａ）で９５０ｒｐｍに達したときや、図６（ｂ）で８００〜９５０ｒｐｍの範囲の第２速度（Ｖ_２）に達したときに、低速領域トラッキングループ部２００をオンさせる。
【００５７】
以下、本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムの動作を説明する。
【００５８】
まず、モータの起動時と低速駆動時にはモータに供給される電圧が相対的に小さい値を有し、これにより測定される電圧の誤差が大きくなり、モータを駆動するインバータ部などがそれに敏感に反応するため、その制御には難しさが伴う。したがって、上記のようなモータの起動時または低速駆動時には、磁束測定器のみを利用したモータの回転子の回転角推定には問題が生ずることがあり、これを補償するために何らかの信号注入方式を利用して回転子の位置を推定するループを追加しなければならないが、このループを本発明では低速領域トラッキングループ部２００と称する。
【００５９】
低速領域トラッキングループ部２００の基本的な原理は、まず起動および低速駆動時にｄ軸磁束軸に適当な周波数の正弦波を加えた後、位置誤差がないとｑ軸磁束軸には信号注入による影響がないものとされ、位置誤差があると注入された信号と同期した誤差があるものとされ、これを補償する方向に制御を行いながら回転子回転角を推定していくものである。
【００６０】
図５において低速領域トラッキングループ部２００は、まず、ｑ軸磁束成分の誤差（λ_ｑｏ−λ_ｑｅ）を８００Ｈｚの遮断周波数を有するハイパスフィルタを通過させてＤＣ成分を除去する。その後、デモジュレーション（Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）といった復調過程を経て前記の第２基準ゲイン値‘４０’を掛けた後、位置誤差に比例する角度誤差値（θ_ｅｒｒ）を求め、比例積分器２１６による角度誤差の補償のために上記の角度誤差がローパスフィルタ２１５を経由して比例積分器２１６に出力されることになる。この比例積分器２１６を通過した出力を比例型観測速度（ω_ＰＩｏ）とし、センサレス制御部１００の磁束測定器から求められる速度情報である推定速度（ω_ｅ）を基準信号（η）によって適当な比率に組み合わせた後、これを観測速度（ω_ｏ）とする。
【００６１】
そして、上記の観測速度（ω_ｏ）は速度情報であるので積分器２２３を経て回転角情報の観測回転角（θ_ｏ）を求めることができ、観測回転角（θ_ｏ）は低速領域トラッキングループ部２００の演算ループを回りながら漸次実際の回転子の実際回転角に収束してゆくことになる。したがって、低速領域における速度情報である観測速度（ω_ｏ）も実際速度に収束してゆくことになる。
【００６２】
図６（ａ）および図６（ｂ）により前述のモード切替制御部３００の動作原理を述べる。
【００６３】
図示のように、磁束測定器を通じて求められる推定回転角（θ_ｅ）が正しい値、つまり実際の回転角に収束することができる程度の速度（略９５０ｒｐｍ）にモータの速度が達すると、本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、観測回転角（θ_ｏ）の代わり推定回転角（θ_ｅ）を使用することになり、この切り替りのときにトグル（ｔｏｇｇｌｅ）が発生する。
【００６４】
図６（ａ）および図６（ｂ）に示した実線の変数（Ｘ）は、信号が注入される量を決定し、図示のようにモータが低速駆動中の場合には‘１’の値を有し、高速駆動中の場合には‘０’の値を有し、切替区間（８００ｒｐｍ〜１１００ｒｐｍ）では‘１’と‘０’の間で変化する。すなわち、上記の変数（Ｘ）は速度を基準にして決定される。したがって、結局センサレス制御部１００と低速領域トラッキングループ部２００の間の切替は、速度を基準に行われることになる。
【００６５】
しかし、図６（ａ）においては切替の基準点が特定の速度（９５０ｒｐｍ）となるので、切り替えの際の僅かな揺れ（切り替え点の変動）によっても一旦切り替った後再び切り替えが発生するチャタリング現象などが発生する可能性がある。特に、一旦推定回転角（θ_ｅ）を使用するように切り替えられた後には低速領域トラッキングループ２００への信号注入が続いていても低速領域トラッキングループ部２００から観測された観測回転角（θ_ｏ）はもはや実際には使用されないので、観測回転角の誤差はさらに大きくなる。このような問題を解決するためには、前記の第１基準ゲイン値（‘ｈ’）として大きな値を使用することもできるが、この場合は、低速領域トラッキングループ部２００の性能に影響を及ぼしてしまうことになる。その結果、低速／高速モード切り替え時にチャタリングのような現象が発生すると悪循環が起こり、センサレス制御の失敗につながるおそれもある。
【００６６】
すなわち、図６（ａ）における最大の問題は、センサレス制御部１００と低速領域トラッキングループ部２００の各演算モードでの推定される速度および回転角の演算結果間の違いである。この両モード間の演算結果に違いが存在する場合に図６（ａ）のような方式でモード切り替えがなされると、チャタリング現象が発生してしまう。
【００６７】
言い換えれば、図６（ａ）において低速モードから高速モードに移る瞬間で、仮に推定速度（ω_ｅ）が観測速度（ω_ｏ）より小さい場合は直ぐ再び低速モードに切り替えられるが、一旦高速モードに切り替えられた後は低速モードのセンサレス制御性能が著しく劣化した後なので、センサレス制御部の性能が悪化する。
【００６８】
図６（ｂ）では、上記の図６（ａ）の場合の問題を解消するために、ヒステリシス帯（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｂａｎｄ）のような区域（ハッチング領域）を設定することによってセンサレス制御部１００と低速領域トラッキングループ部２００を使用する両方式間の切り替えを実現するものである。この場合は、低速から高速モードへの転換後に若干の速度推定値や回転角推定値の違いが存在しても、モード切り替えが再び行われることが防げるので、より安定なセンサレス制御が可能である。逆に、高速から低速モードへの切り替え時にもチャタリング現象を無くし、より安定なセンサレス制御を可能にする。
【００６９】
すなわち、低速から高速へのモード切り替えは、９５０ｒｐｍよりやや大きい第１速度（Ｖ_１）で、そして高速から低速への切り替えは、９５０ｒｐｍよりやや小さい第２速度（Ｖ_２）でそれぞれ行われるので、切り替えられるモードの回転角推定値がより正確に確定した後にモード切り替えが行われることになる。
【００７０】
また、上記の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムは、一般の磁束測定装置のほかに、図３に示した磁束測定装置を含んで構成され、それによって動作することが可能であるので、より正確な同期リラクタンスモータのセンサレス制御が可能となる。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように構成される本発明の同期リラクタンスモータの磁束測定装置およびそのセンサレス制御システムは、集中巻同期リラクタンスモータの駆動時に発生する負荷による高調波によって引き起されるモータ回転子の推定回転角誤差を減少させることによって、センサレス制御の精度と安定性を向上させ、モータの低速／高速駆動に応じて上記の制御システムが低速あるいは高速モードに切り替わるときにチャタリングのような現象が発生することを防止することができ、特に、高速モードに切り替えがなされた後の低速モードのセンサレス制御性能の悪化を防止し、両モード間の推定値の誤差に対しても安定性の高い性能を発揮できる同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムを提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】集中巻同期リラクタンスモータの断面を示す図である。
【図２】集中巻同期リラクタンスモータの制御システムから発生する信号の波形を示す図である。
【図３】本発明による同期リラクタンスモータの磁束測定装置の構成を示す図である。
【図４】図３のバンドパスフィルタのカット−オフ周波数を示す図である。
【図５】本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムの構成を示す図である。
【図６】本発明による同期リラクタンスモータのセンサレス制御システムの変数などを表す図である。
【符号の説明】
１０…推定磁束出力部
１１…ローパスフィルタ
１２…推定磁束選択部
１３…回転／固定座標変換部
２０…観測磁束出力部
２１…バンドパスフィルタ
２２…相抵抗乗算部
２３…第１合算部
２４…第２合算部
２５…積分器
３０…固定／回転座標変換部
１００…センサレス制御部
１０１…磁束測定器
１０２…回転角推定部
１０３…速度推定部
２００…低速領域トラッキングループ部
２１０…比例型観測速度出力部
２１１…磁束誤差算出部
２１２…ハイパスフィルタ
２１３…復調部
２１４…第２ゲイン部
２１５…ローパスフィルタ
２１６…比例積分器
２２１…基準信号組合部
２２２…観測速度算出部
２２３…積分器
２２４…三角関数変換部
２２５…回転角誤差算出部
２２６…第１ゲイン部
２２７…合算部
３００…モード切替制御部

Claims (13)

1. 同期リラクタンスモータに流入する回転座標系の電流から高調波成分を除去した電流を用いて前記モータの磁束を推定して推定磁束として出力する推定磁束出力部と、
   前記モータに印加される固定座標系の電圧と該モータに流入する高調波成分の除去された固定座標系の電流とを前記推定磁束と組み合わせて固定座標系の磁束を観測して観測磁束として出力する観測磁束出力部と、
   前記観測磁束出力部から出力された観測磁束を回転座標系の観測磁束に変換する固定／回転座標変換部と、を含んで構成されることを特徴とする同期リラクタンスモータの磁束測定装置。
2. 前記推定磁束出力部は、前記回転座標系の電流の高調波成分を除去するローパスフィルタと、回転座標系の電流と該電流に対応する磁束に関する情報が格納されたルックアップテーブルにおける前記の格納された情報に基づいて前記回転座標系の電流から高調波成分を除去した電流に対応する磁束の値を選択して回転座標系の推定磁束として出力する推定磁束選択部と、前記回転座標系の推定磁束を固定座標系の推定磁束に変換する回転／固定座標変換部と、を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の同期リラクタンスモータの磁束測定装置。
3. 前記観測磁束出力部は、前記固定座標系の電流から高調波成分を除去するバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタを通過した電流に相抵抗を掛ける相抵抗乗算部と、前記相抵抗乗算部から出力される電圧と前記固定座標系の電圧とを合算する第１合算部と、前記第１合算部の出力値を前記推定磁束出力部から出力された推定磁束に依存する値と合算する第２合算部と、前記第２合算部の出力値を積分する積分器と、前記積分器から出力された観測磁束と前記推定磁束出力部から出力された推定磁束と合算した合算磁束を前記第２合算部に出力する第３合算部と、から構成されることを特徴とする請求項１に記載の同期リラクタンスモータの磁束測定装置。
4. 前記観測磁束出力部は、前記第３合算部から出力された合算磁束に基準ゲイン値を掛けて前記第２合算部に出力するゲイン部をさらに含んで構成されることを特徴とする請求項３に記載の同期リラクタンスモータの磁束測定装置。
5. 前記バンドパスフィルタのロー・カットオフ周波数およびハイ・カット−オフ周波数は、該ロー・カットオフ周波数をｆ_ｌ、ハイ・カットオフｆ_ｈとし、前記モータの推定速度に対する周波数をｆ_{ω ｅ}とすると下記の式
   

   

   になるようにすることを特徴とする請求項３に記載の同期リラクタンスモータの磁束測定装置。
6. 同期リラクタンスモータのセンサレス制御のために前記モータの磁束を測定し、該測定した磁束によって前記モータの回転子の速度と回転角を推定してそれぞれ推定速度と推定回転角として出力するセンサレス制御部と、前記モータの推定速度によって動作するか否かが決定されて前記モータの起動時と低速駆動時に前記センサレス制御部の推定速度と推定回転角の推定誤差を補償するように前記回転子の速度と回転角を観測してそれぞれ観測速度と観測回転角として出力する低速領域トラッキングループ部と、
   該低速領域トラッキングループ部が前記推定速度に基づいて動作または非動作になるように制御するモード切替制御部であって、前記低速領域トラッキングループ部の動作・非動作によるチャタリング現象を安定化させるモード切替制御部と、を含んで構成されることを特徴とする同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
7. 前記センサレス制御部は、前記モータに入力される固定座標系の電圧および電流から前記モータの推定磁束および観測磁束を出力する磁束測定器と、該磁束測定器から出力された推定磁束および観測磁束から前記モータの回転子の回転角を推定して前記推定回転角として出力する回転角推定部と、該回転角推定部で推定された回転角から前記回転子の速度を推定して前記推定速度として出力する速度推定部と、から構成され、
   前記低速領域トラッキングループ部は、前記モータの推定速度に基づいて変化する変数であって、前記推定速度が低速の場合には高速の場合に比べて高い値を有する変数によって、前記回転子の観測回転角を実際回転角に収束させて前記モータの観測速度が実際速度に収束されるようにし、
   前記モード切替制御部は、前記変数の変化を感知して前記モータの推定速度が低速から高速に変るときに前記低速領域トラッキングループ部がオフされる第１速度が、前記モータの速度が高速から低速に変るときに前記低速領域トラッキングループ部がオンされる第２速度より大きくなるように、前記低速領域トラッキングループ部が動作または非動作にされるように制御することを特徴とする請求項６に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
8. 前記低速領域トラッキングループ部は、前記磁束測定器で測定された磁束から前記回転子の位置誤差に比例する比例型観測速度を出力する比例型観測速度出力部と、前記速度推定部から出力された推定速度と前記回転子の観測回転角と推定回転角との間の回転角誤差とが合算された値に基準信号を組み合わせる基準信号組合部と、前記比例型観測速度と前記基準信号が組み合わせられた推定速度とから前記観測速度を算出する観測速度算出部と、前記観測速度算出部で算出された観測速度を積分して前記観測回転角を算出する積分器と、前記積分器から出力された観測回転角を三角関数に変換して前記磁束測定器に出力する三角関数変換部と、前記三角関数変換部から出力された観測回転角と前記回転子の推定回転角との間の回転角誤差を算出する回転角誤差算出部と、前記算出された回転角誤差に第１基準ゲイン値を掛ける第１ゲイン部と、前記第１ゲイン部で前記第１基準ゲイン値を掛けられた回転角誤差と前記推定速度とを合算して前記基準信号組合部に出力する合算部と、を含んで構成されることを特徴とする請求項７に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
9. 前記比例型観測速度出力部は、前記磁束測定器から出力される回転座標系の磁束成分のうちｑ軸成分の推定磁束と観測磁束との間の磁束誤差を算出する磁束誤差算出部と、該磁束誤差算出部で求められた磁束誤差をフィルタリングするハイパスフィルタと、該ハイパスフィルタでフィルタリングされた値から前記モータの回転子の磁束誤差比例値を求める復調部と、該復調部で求められた磁束誤差比例値に第２基準ゲイン値を掛けた位置誤差比例値を出力する第２ゲイン部と、該第２ゲイン部から出力された位置誤差比例値をフィルタリングするローパスフィルタと、該ローパスフィルタでフィルタリングされた値を比例積分して比例型観測速度を出力する比例積分器と、を含んで構成されることを特徴とする請求項８に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
10. 前記基準信号は、該基準信号をηとし、前記モード切替制御部で変化が感知される前記変数をＸ（０≦Ｘ≦１）とするとき、式
    η　＝　０．８　＋　０．２（１−Ｘ）
    によって求められることを特徴とする請求項８に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
11. 前記第１速度は９５０〜１１００ｒｐｍの値を有し、前記第２速度は８００〜９５０ｒｐｍの値を有することを特徴とする請求項７に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
12. 前記変数の値は、前記モータの推定速度が８００ｒｐｍから１１００ｒｐｍに増加するとき１から０に減少し、前記推定速度が１１００ｒｐｍから８００ｒｐｍに減少するとき０から１に増加することを特徴とする請求項７に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。
13. 前記モード切替制御部は、前記変数が１から０に減少し、前記モータの推定速度が前記第１速度を有するときに、前記低速領域トラッキングループ部を非動作にさせ、前記変数が０から１に増加し、前記モータの推定速度が前記第２速度を有するときに、前記低速領域トラッキングループ部を動作させることを特徴とする請求項１２に記載の同期リラクタンスモータのセンサレス制御システム。

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