JP2004215466A - 同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法およびセンサレス可変速装置 - Google Patents
同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法およびセンサレス可変速装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】短絡パルス電流の時間差と位相差から位置・速度を計測し、回転子が電気角で１８０°以上回転した短絡絡パルス電流にも計測可能にする。
【解決手段】制御装置２は電動機５の回転子が空転中である状態で、インバータ１のゲート制御で異なる時間間隔の時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２の短絡パルス電流を発生させ、電流位相検出部６は短絡パルス電流位相θ０、θ１、θ２を検出する。速度演算部７は各計測期間の時間差ＴａとＴｂと位相差θａ，θｂを求め、それらの差分結果より速度ωｅｓｔを求める。積分部８は速度ωｅｓｔを積分することで位相を検出する。位相差補正部９は、速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正する。短絡パルス電流の電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を基に誘起起電力の振幅成分を求めることも含む。
【選択図】 図１
【解決手段】制御装置２は電動機５の回転子が空転中である状態で、インバータ１のゲート制御で異なる時間間隔の時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２の短絡パルス電流を発生させ、電流位相検出部６は短絡パルス電流位相θ０、θ１、θ２を検出する。速度演算部７は各計測期間の時間差ＴａとＴｂと位相差θａ，θｂを求め、それらの差分結果より速度ωｅｓｔを求める。積分部８は速度ωｅｓｔを積分することで位相を検出する。位相差補正部９は、速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正する。短絡パルス電流の電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を基に誘起起電力の振幅成分を求めることも含む。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を界磁源とする同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅をセンサを使用することなく計測する位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法およびこの計測を利用した同期電動機のセンサレス可変速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を界磁源とする同期電動機は空転中の場合は、同期電動機端子に速度起電力が発生する。そのため、インバータなどで起動する場合には、零電圧をインバータが出力すると、同期電動機端子の短絡状態と同じ状態となり、空転速度が高い場合には過大な電流が発生する。
【０００３】
これを抑制するためには、速度誘起起電力と同一振幅で同一位相の電圧をインバータから継続して出力する必要がある。しかし、電動機に位置センサや速度センサを設けない場合には、この電圧振幅や位相をインバータ出力として設定することができない。
【０００４】
そこで、従来の起動法では、インバータの出力状態を短時間だけ短絡状態に設定し、そのとき発生するパルス状の短絡電流が誘起起電力の位相とちょうど逆の位相に発生する原理を利用し、これを時間間隔をあけて２回実行し、その時間差と位相差より速度を推定、さらには位置（位相）を推定する起動法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
図５、図６にインバータを使用して、同期電動機の端子を短絡する状態の電流の流れを示し、図５ではインバータの下アーム全相をゲートＯＮさせ、図６ではインバータの上アーム全相をゲートＯＮさせてパルス状短絡電流を流す。また、図７にそのとき発生した短絡電流のベクトルの位相から、速度を検出する原理をタイムチャートで示す。電動機の回転角速度ωｅｓｔは２回のパルスで計測した位相差θａ（＝θ０−θ１）と時間差Ｔａから次式で計算する。また、回転角速度ωｅｓｔの積分で回転子位置（位相）を知ることができ、回転角速度ωｅｓｔの符号から回転方向を知ることができる。
【０００６】
【数１】
ωｅｓｔ＝θａ／Ｔａ
【０００７】
【非特許文献１】
平成９年電気学会産業応用部門全国大会 Ｎｏ．１３５ 鳥羽・藍原・柳瀬：“位置・速度・電圧センサレスＰＭモータ駆動システムの回転状態からの起動法”
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来手法による計測が可能となる条件は、２回の短絡パルス電流の発生間隔は空転している回転子が電気角で１８０°未満である必要がある。これは、短絡パルス法による位相計測は、電気角の−１８０°〜＋１８０°区間しか計測できないためである。
【０００９】
そのため、２回のパルス発生の間に、電気角で１８０°以上回転してしまうと回転方向の判別ができなくなる。また、回転方向が他の方法で判別できたとしても、３６０°以上に多回転する場合には多回転の数までは計測することができない。
【００１０】
しかも、多極の同期電動機の場合には、周波数が高くなってくる傾向がある。また、インダクタンスの大きな同期電動機の場合には、短絡をしても電流の変化が少なく、ある程度の時間以上短絡しないと正確な位相を計算できる程度の電流振幅が発生しない。
【００１１】
そうすると、２００Ｈｚを超えるような比較的周波数の高い同期電動機については、パルス電流を発生させて、かつそれが一旦零に戻るまでの時間の間に、回転子は１８０°以上回転してしまうことがある。このような同期電動機については、高速回転中は前記の従来手法が適用できない。
【００１２】
上記のように、回転速度が高く短絡パルスの発生期間中に回転子が電気角で１８０°以上回転してしまう条件の場合には、多回転してその位相に移動したのか、１回転以内なのかの判別ができない。また、回転方向についても正転してその位相に達したのか、逆転して達したのかが不明である。そのため、正確な速度を計測することができなかった。
【００１３】
本発明の目的は、永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度を計測する方法において、短絡パルス電流の発生期間中に回転子が電気角で１８０°以上回転してしまう場合にも回転子の位置・速度、さらには電圧振幅を精度よく計測できる同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法を提供することにある。さらに、本発明はこの計測方法を利用した同期電動機のセンサレス可変速装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、従来の位置・速度のセンサレス計測方法において、短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させ、これら短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度および位相を計測するものである。
【００１５】
また、本発明は、速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正するものである。
【００１６】
さらに、本発明は、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに短絡パルス電流を発生させ、そのときの電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求めるものである。
【００１７】
したがって、本発明は、以下のセンサレス計測方法およびセンサレス可変速装置を特徴とする。
【００１８】
（センサレス計測方法の発明）
（１）永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、インバータのゲート制御で同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅を計測する同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法であって、
前記短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させ、各短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度および位相を計測することを特徴とする。
【００１９】
（２）前記速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正して速度および位相を求めることを特徴とする。
【００２０】
（３）前記短絡パルス電流は、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに発生させ、そのときの電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、前記インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求めることを特徴とする。
【００２１】
（センサレス可変速装置の発明）
（４）永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、インバータのゲート制御で同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅を計測し、これら計測結果を基に同期電動機を起動および可変速制御する同期電動機のセンサレス可変速装置であって、
前記インバータは、前記短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させる手段を設け、
各短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度を計測し、この速度を積分して位相を求める演算手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
（５）前記演算手段は、前記速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正して速度および位相を求める手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
（６）前記インバータは、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに前記短絡パルス電流を発生させ、
前記演算手段は、各短絡パルス電流の電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、前記インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求める手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
従来の方法は、回転速度が高く短絡パルスの発生期間中に回転子が電気角の１８０°以上回転してしまう条件の場合には、多回転してその位相に移動したのか、１回転以内なのかの判別ができない。また、回転方向についても正転してその位相に達したのか、逆転して達したのかが不明である。そのため、正確な速度や回転方向を計測することができなかった。
【００２５】
本実施形態では、２つの短絡パルス間の位相を直接使用するのではなく、３つの短絡パルスを異なる時間差をもたせて発生させ、それらのパルス時間差および位相差から速度および位置を計測し、これら計測値を基に同期電動機を起動さらには可変速制御を可能とする。
【００２６】
図１の（ａ）は、本実施形態の位置・速度センサレスの可変速装置の要部構成を示し、同図の（ｂ）には速度計測の要部タイムチャートを示す。
【００２７】
可変速装置は、電圧型インバータ１と制御装置２及びディジタル化電流検出手段としての電流検出器３とＡ／Ｄ変換器４で構成され、制御装置２には電流制御系および回転子位相を基にした座標変換系を有して同期電動機５を起動および可変速制御する。この構成の可変速制御は、公知のものであるが、装置構成を適宜変更したものもある。
【００２８】
ここで、本実施形態に係る位置・速度計測方法を実現する手段として、電流位相検出部６と速度演算部７と積分部８を設ける。
【００２９】
電流位相検出部６は、同期電動機５に発生させる３回の短絡パルス電流の位相θ０，θ１，θ２を検出するためのもので、同期電動機５の２相の電流検出信号から２相／３相変換で３相電流を検出し、これらをα軸成分とβ軸成分に変換することで各短絡パルス電流の位相を求める。
【００３０】
この短絡パルス電流の位相の検出に際して、制御装置２は従来の計測方法と同様に、電動機の回転子が空転中である状態で、インバータ１のゲート信号を短期間だけ電圧が零の期間を時間間隔をもたせて発生させるが、本実施形態では短絡パルス電流の発生を時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２の３回繰り返し、しかもそれらの時間間隔の時間差（ｔ１−ｔ０，ｔ２−ｔ１）を異なるようにしたゲート信号制御をする。
【００３１】
これら制御により、電流位相検出部６には時間間隔の差が異なる時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２での３回の短絡パルス電流位相θ０、θ１、θ２を検出することができる。
【００３２】
速度演算部７は、図１の（ｂ）に示すように、各計測期間の時間差Ｔａ（ｔ１−ｔ０）とＴｂ（ｔ２−ｔ１）と位相差θａ（＝θ１−θ０），θｂ（＝θ２−θ１）を求め、さらにそれらの差分をそれぞれ取った結果より速度ωｅｓｔを求める。積分部８は、速度ωｅｓｔを積分することで位相（回転子位置）を検出する。
【００３３】
速度演算部７における演算をより詳しく説明すると、異なる時間間隔で３回のパルス状の短絡電流を発生され、これらの電流ベクトルの位相を計測で、各計測パルスの時間間隔Ｔａ，Ｔｂと計測した位相間隔θａ，θｂは以下の式になる。
【００３４】
【数２】
Ｔａ＝ｔ１−ｔ０
Ｔｂ＝ｔ２−ｔ１
【００３５】
【数３】
θａ＝θ１一θ０
θｂ＝θ２−θ１
そして、これらの時間差と位相差のさらに差分ΔＴ，Δθを取ると、次式のようになる。
【００３６】
【数４】
ΔＴ＝Ｔａ−Ｔｂ
Δθ＝θａ一θｂ
そして、これら差分の比Δθ／ΔＴから、次式で回転子角速度ωｅｓｔを求めることができる。
【００３７】
ωｅｓｔ＝Δθ／ΔＴ
ただし、制限としてΔＴの時間差は、この時間差の間に回転子が１８０°以上空転しない程度に設定する。パルスの間隔自体は短くできなくても、時間差に関しては自由に設定できるため、計測する２つの時間差についてさらに差分をとったものについては、短い時間差に設定することができる。本実施形態は、この特徴を利用したものである。
【００３８】
従来法では２つの計測区間の時間差が、回転子が電気角の１８０°未満である条件が存在したのに対し、本実施形態の計測方法では、回転子が電気角で１８０°以上回転してしまう場合にも回転子の位置・速度を計測することができる。また、この時間制限がないことは高速回転している場合に計測期間を短くする必要もなくなり、ひいては、短絡期間を長く取ることができるため、計測するパルス状の電流振幅を大きくとれ、電流検出誤差などの影響を低減した精度良い計測が可能となるし、ひいては精度良い可変速制御が可能となる。
【００３９】
なお、短絡パルス電流の発生回数は、互いに異なる時間間隔で３回以上とし、それらの平均化処理等から速度・位相を求めることができる。
【００４０】
（実施形態２）
実施形態１では、単純に位相差の差分を取ることにより速度・位相検出を行ったが、最終的な速度さらには位相を検出するために利用する位相差Δθには１８０°以内という制限が存在しているため、位相検出誤差の影響を受けやすく、検出された速度の精度が低くなる。
【００４１】
ここで、実施形態１の速度検出法によって、概略の速度と回転方向が判ったのであれば、３６０°以上に多回転した位相であってもその多回転の回数を推定することが可能になる。こうすると、速度の計測に使用する位相差を大きくとることができるため、推定速度・位相の精度が大幅に向上する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、実施形態１の方法で計測した速度と計測期間から、Ｔａ，Ｔｂの期間の位相変化量Θａ’，Θｂ’を以下の式から推定する。
【００４３】
【数５】
Θａ’＝ωｅｓｔ＊Ｔａ
Θｂ’＝ωｅｓｔ＊Ｔｂ
また、計測した位相差θａ，θｂから多回転した場合の位相差を推定する。ここでは、θａを補正する例で示す。
【００４４】
電気角で１回転以下：θａ’＝θａ＋０＊３６０°
電気角で１〜２回転以内：θａ’＝θａ＋１＊３６０°
電気角で２〜３回転以内：θａ’＝θａ＋２＊３６０°
そして、上記の多回転を想定した位相差の中から、速度から推定した位相差Θａ’およびΘｂ’に最も近いものを選定することにより、多回転であり３６０°以上回転する場合であっても位相差を補正することができる。この多回転補正された位相差と時間差より速度を計算すると、より正確な速度検出が可能になる。
【００４５】
本実施形態では、上記の推定と位相差補正は、図１の（ａ）に示す位相差補正部９によって実現する。そして、速度演算部７は、補正された位相差θａ’，θｂ’を使用して補正した速度ωｅｓｔを求める。
【００４６】
（実施形態３）
永久磁石を界磁源とする同期電動機が空転中の速度推定は、実施形態１や実施形態２を使用すればよい。また、速度だけでなく位相とその時刻がわかっているため、インバータを起動して運転を開始する時刻の位相も計算により予測することも可能である。しかし、空転中の電動機を始動する場合には、さらに電圧の振幅情報も必要になる。
【００４７】
実施形態１や２で速度が検出できており、かつ、永久磁石の磁束が既知であれば速度誘起起電力を計算することは容易である。しかし、永久磁石の残留磁石は磁石の温度によって変動してしまう。そのため、同期電動機の温度によって磁束が変化することになり、正確な速度誘起起電力を計算することができない。そのため、速度と磁束から間接的に誘起起電力を計算するよりも、直接電圧を計測できる方がより安定な始動が可能になる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、同期電動機に短絡パルス電流を発生させた期間の電流変化の計測データの他に、短絡を解除したときにインダクタンスの電流が減衰するときの電流の変化も利用して同期電動機の端子電圧（電圧振幅）を推定する計測方法およびこれを利用した可変速装置を提案するものである。
【００４９】
ここで、図１におけるインバータ１の直流電源電圧Ｖｄｃは他の電圧センサにより既知であるものとする。実際には３相電動機を対象としているが、簡単のために１相のモデルで計測原理を以下に説明する。
【００５０】
図２の（ａ）に示すように、インバータのゲート制御により、空転中の同期電動機の端子を短期間だけ短絡状態にすることで、同期電動機には短絡パルス電流を発生させることができる。
【００５１】
このときの等価回路は、図２の（ｂ）のように、単相モデルでの下アームのゲートをＯＮすると誘起起電力Ｅ０の電圧が同期電動機のインダクタンスＬに加わるため、Ｅ０に比例した電流変化が発生する。その後に下アームのゲートをＯＦＦして短絡を止めると、今度は図２の（ｃ）のように、インバータの上アームのダイオードを通して電源に回生を行う電流ループに転流する。
【００５２】
したがって、インダクタンスＬに流れる電流の変化量は、短絡時と短絡後にダイオードを通して電源に回生するときでは、直流電源電圧Ｖｄｃと誘起起電力Ｅ０を使った次式の関係が成立する。
【００５３】
【数６】
ここで、（ｄｉＬ／ｄｔ）は図２（ｂ）の期間の短絡時の電流微分、（ｄｉＨ／ｄｔ）は図２（ｃ）の期間の短絡後の電流微分を示す。
【００５４】
これら電流微分はインダクタンスＬに印加させる電圧に比例しているため、電流変化量（電流微分値）を計測すれば同期電動機の端子電圧と誘起起電力の比率を推定することができ、ひいては端子電圧を求めることができる。
【００５５】
したがって、下記のように、電流の変化量の比Ｋを使用し、次式の関係式から誘起起電力Ｅ０を導出することができる。
【００５６】
【数７】
Ｋ＝（ｄｉＬ／ｄｔ）／（ｄｉＨ／ｄｔ）
Ｋ＝−Ｅ０／（Ｖｄｃ−Ｅ０）
Ｋ（Ｖｄｃ−Ｅ０）＝−Ｅ０
Ｋ・Ｖｄｃ＝Ｋ・Ｅ０−Ｅ０
Ｅ０＝Ｋ・Ｖｄｃ／（Ｋ−１）
したがって、同期電動機の短絡時とその直後の電流微分成分および電源電圧Ｖｄｃから、電圧を直接計測することが可能になる。
【００５７】
ここで、３相の同期電動機の場合には、誘起起電力は３相交流波形となるため、回転子の位相によって３相の電圧が変化する。短絡期間では、それぞれの相の誘起起電力に比例して電流は変化するが、短絡後のインダクタンスのエネルギーを直流電源に回生する期間は直流電源のＰとＮの両端子の２種類の電位のみがインダクタンスの電流極性に応じて端子に印加されているため、３相の端子電圧は誘起起電力の比率とは異なってしまう。したがって、短絡期間の電流の立ち上がりとその直後の回生期間での電流の立下りの比は３相とも異なるため、上の式を適用することができない。
【００５８】
そこで、誘起起電力が３相の巻線の軸と一致したときに計測を行うことにする。図３で示した誘起起電力の３相交流皮形ｅｕ，ｅｖ，ｅｗのうち、２相の成分が一致するタイミングでは、３相の誘起起電力も２値しか存在しないため、ちょうど単相と同じモデルを適用できる。
【００５９】
この位相になったときに計測を実行するためには、実施形態１や実施形態２の計測位相θ０，θ１，θ２と時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２および計算した速度ωｅｓｔ、さらには補正した速度ωｅｓｔより回転位相が予測されることから、この予測から２相の成分が一致するタイミングで誘起起電力の振幅成分を計測することが可能となる。
【００６０】
（実施形態４）
実施形態３では、誘起起電力計測には３相のうち２相の成分が一致する条件としたが、これ以外にも１相だけ電流が流れない条件で計測しても同様な結果が得られる。
【００６１】
そこで、本実施形態では、図４のように、１相の電圧が零の時刻で計測することを提案する。
【００６２】
ちょうど、誘起起電力が零の相は、他の２相の中間電圧に相当する。そのため、電流も入出力の成分がつりあって零のままとなる。そうすると、単相モデルと等価な計測を実施でき、誘起起電力の振幅成分を計測することができる。
【００６３】
なお、本実施形態および実施形態３における計測タイミングは、誘起起電力が三相の巻線軸に対してちょうど３０°ずれた位相上に存在するときになる。
【００６４】
【発明の効果】
永久磁石を界磁源とする同期電動機が空転中である場合には、回転子の誘起起電力の振幅・位相・速度が既知であれば、空転中に運転を開始するときにその誘起起電力とつりあった電圧から出力を開始することができ、電流の急変が無く安定な起動が可能になる。
【００６５】
そのうち位相と速度を計測するためにインバータを電圧零の条件で短期間ゲートをＯＮすることにより、同期電動機の誘起起電力によって生じる電流成分を計測する。この計測電流の空間ベクトルはちょうど誘起起電力のベクトルとは１８０°反対の位相に存在することを利用して、誘起起電力の位相と速度を計測する。このとき、従来法では２つの短絡パルス電流の時間差が、回転子が電気各の１８０°未満である条件が存在した。
【００６６】
これに対し、本発明の実施形態１・実施形態２の計測方法および可変速装置によれば、計測の時間的な制限が無くなり、高速回転している場合に計測期間を短くする必要もなくなる。ひいては、短絡期間を長く取ることができることから、計測する短絡パルス電流の振幅を大きくとれるため、電流検出誤差などの影響を低減することができる。
【００６７】
また、従来法では、速度と位相は計測できるものの、誘起起電力の振幅までは計測できなかった。インダクタンス値が既知であれば電流の微分より電圧を推定することができる。また、残留磁束が既知であれば速度より誘起起電力を演算することもできる。これらのどちらの方法も同期電動機の定数が必要である問題がある。したがって、温度によって定数が変化したり、同期電動機の個別のばらつきが大きな場合には、誘起起電力の推定値も誤差が発生してしまう。
【００６８】
これに対して、本発明の実施形態３・実施形態４の計測方法および可変速装置では、実施形態１・２の計測方法を基に、電流の微分成分と直流電圧より直接電圧振幅成分を推定することができ、精度の良い電圧振幅の計測および可変速制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１、２の可変速装置と速度・位相計測のタイムチャート。
【図２】本発明の実施形態３の計測原理説明図。
【図３】実施形態３における誘起起電力の計測タイミングの説明図。
【図４】実施形態４における誘起起電力の計測タイミングの説明図。
【図５】短絡パルス電流発生に下アーム全相をゲートＯＮする状態の短絡モード。
【図６】短絡パルス電流発生に上アーム全相をゲートＯＮする状態の短絡モード。
【図７】従来手法における短絡電流の発生タイミングと計測位相から速度計測を行う原理説明図。
【符号の説明】
１…インバータ
２…制御装置
３…電流検出器
４…Ａ／Ｄ変換器
５…同期電動機
６…電流位相検出部
７…速度演算部
８…積分部
９…位相差補正部
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石を界磁源とする同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅をセンサを使用することなく計測する位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法およびこの計測を利用した同期電動機のセンサレス可変速装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石を界磁源とする同期電動機は空転中の場合は、同期電動機端子に速度起電力が発生する。そのため、インバータなどで起動する場合には、零電圧をインバータが出力すると、同期電動機端子の短絡状態と同じ状態となり、空転速度が高い場合には過大な電流が発生する。
【０００３】
これを抑制するためには、速度誘起起電力と同一振幅で同一位相の電圧をインバータから継続して出力する必要がある。しかし、電動機に位置センサや速度センサを設けない場合には、この電圧振幅や位相をインバータ出力として設定することができない。
【０００４】
そこで、従来の起動法では、インバータの出力状態を短時間だけ短絡状態に設定し、そのとき発生するパルス状の短絡電流が誘起起電力の位相とちょうど逆の位相に発生する原理を利用し、これを時間間隔をあけて２回実行し、その時間差と位相差より速度を推定、さらには位置（位相）を推定する起動法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
図５、図６にインバータを使用して、同期電動機の端子を短絡する状態の電流の流れを示し、図５ではインバータの下アーム全相をゲートＯＮさせ、図６ではインバータの上アーム全相をゲートＯＮさせてパルス状短絡電流を流す。また、図７にそのとき発生した短絡電流のベクトルの位相から、速度を検出する原理をタイムチャートで示す。電動機の回転角速度ωｅｓｔは２回のパルスで計測した位相差θａ（＝θ０−θ１）と時間差Ｔａから次式で計算する。また、回転角速度ωｅｓｔの積分で回転子位置（位相）を知ることができ、回転角速度ωｅｓｔの符号から回転方向を知ることができる。
【０００６】
【数１】
ωｅｓｔ＝θａ／Ｔａ
【０００７】
【非特許文献１】
平成９年電気学会産業応用部門全国大会 Ｎｏ．１３５ 鳥羽・藍原・柳瀬：“位置・速度・電圧センサレスＰＭモータ駆動システムの回転状態からの起動法”
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来手法による計測が可能となる条件は、２回の短絡パルス電流の発生間隔は空転している回転子が電気角で１８０°未満である必要がある。これは、短絡パルス法による位相計測は、電気角の−１８０°〜＋１８０°区間しか計測できないためである。
【０００９】
そのため、２回のパルス発生の間に、電気角で１８０°以上回転してしまうと回転方向の判別ができなくなる。また、回転方向が他の方法で判別できたとしても、３６０°以上に多回転する場合には多回転の数までは計測することができない。
【００１０】
しかも、多極の同期電動機の場合には、周波数が高くなってくる傾向がある。また、インダクタンスの大きな同期電動機の場合には、短絡をしても電流の変化が少なく、ある程度の時間以上短絡しないと正確な位相を計算できる程度の電流振幅が発生しない。
【００１１】
そうすると、２００Ｈｚを超えるような比較的周波数の高い同期電動機については、パルス電流を発生させて、かつそれが一旦零に戻るまでの時間の間に、回転子は１８０°以上回転してしまうことがある。このような同期電動機については、高速回転中は前記の従来手法が適用できない。
【００１２】
上記のように、回転速度が高く短絡パルスの発生期間中に回転子が電気角で１８０°以上回転してしまう条件の場合には、多回転してその位相に移動したのか、１回転以内なのかの判別ができない。また、回転方向についても正転してその位相に達したのか、逆転して達したのかが不明である。そのため、正確な速度を計測することができなかった。
【００１３】
本発明の目的は、永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度を計測する方法において、短絡パルス電流の発生期間中に回転子が電気角で１８０°以上回転してしまう場合にも回転子の位置・速度、さらには電圧振幅を精度よく計測できる同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法を提供することにある。さらに、本発明はこの計測方法を利用した同期電動機のセンサレス可変速装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、従来の位置・速度のセンサレス計測方法において、短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させ、これら短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度および位相を計測するものである。
【００１５】
また、本発明は、速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正するものである。
【００１６】
さらに、本発明は、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに短絡パルス電流を発生させ、そのときの電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求めるものである。
【００１７】
したがって、本発明は、以下のセンサレス計測方法およびセンサレス可変速装置を特徴とする。
【００１８】
（センサレス計測方法の発明）
（１）永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、インバータのゲート制御で同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅を計測する同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法であって、
前記短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させ、各短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度および位相を計測することを特徴とする。
【００１９】
（２）前記速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正して速度および位相を求めることを特徴とする。
【００２０】
（３）前記短絡パルス電流は、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに発生させ、そのときの電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、前記インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求めることを特徴とする。
【００２１】
（センサレス可変速装置の発明）
（４）永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、インバータのゲート制御で同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅を計測し、これら計測結果を基に同期電動機を起動および可変速制御する同期電動機のセンサレス可変速装置であって、
前記インバータは、前記短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させる手段を設け、
各短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度を計測し、この速度を積分して位相を求める演算手段を備えたことを特徴とする。
【００２２】
（５）前記演算手段は、前記速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正して速度および位相を求める手段を備えたことを特徴とする。
【００２３】
（６）前記インバータは、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに前記短絡パルス電流を発生させ、
前記演算手段は、各短絡パルス電流の電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、前記インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求める手段を備えたことを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
従来の方法は、回転速度が高く短絡パルスの発生期間中に回転子が電気角の１８０°以上回転してしまう条件の場合には、多回転してその位相に移動したのか、１回転以内なのかの判別ができない。また、回転方向についても正転してその位相に達したのか、逆転して達したのかが不明である。そのため、正確な速度や回転方向を計測することができなかった。
【００２５】
本実施形態では、２つの短絡パルス間の位相を直接使用するのではなく、３つの短絡パルスを異なる時間差をもたせて発生させ、それらのパルス時間差および位相差から速度および位置を計測し、これら計測値を基に同期電動機を起動さらには可変速制御を可能とする。
【００２６】
図１の（ａ）は、本実施形態の位置・速度センサレスの可変速装置の要部構成を示し、同図の（ｂ）には速度計測の要部タイムチャートを示す。
【００２７】
可変速装置は、電圧型インバータ１と制御装置２及びディジタル化電流検出手段としての電流検出器３とＡ／Ｄ変換器４で構成され、制御装置２には電流制御系および回転子位相を基にした座標変換系を有して同期電動機５を起動および可変速制御する。この構成の可変速制御は、公知のものであるが、装置構成を適宜変更したものもある。
【００２８】
ここで、本実施形態に係る位置・速度計測方法を実現する手段として、電流位相検出部６と速度演算部７と積分部８を設ける。
【００２９】
電流位相検出部６は、同期電動機５に発生させる３回の短絡パルス電流の位相θ０，θ１，θ２を検出するためのもので、同期電動機５の２相の電流検出信号から２相／３相変換で３相電流を検出し、これらをα軸成分とβ軸成分に変換することで各短絡パルス電流の位相を求める。
【００３０】
この短絡パルス電流の位相の検出に際して、制御装置２は従来の計測方法と同様に、電動機の回転子が空転中である状態で、インバータ１のゲート信号を短期間だけ電圧が零の期間を時間間隔をもたせて発生させるが、本実施形態では短絡パルス電流の発生を時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２の３回繰り返し、しかもそれらの時間間隔の時間差（ｔ１−ｔ０，ｔ２−ｔ１）を異なるようにしたゲート信号制御をする。
【００３１】
これら制御により、電流位相検出部６には時間間隔の差が異なる時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２での３回の短絡パルス電流位相θ０、θ１、θ２を検出することができる。
【００３２】
速度演算部７は、図１の（ｂ）に示すように、各計測期間の時間差Ｔａ（ｔ１−ｔ０）とＴｂ（ｔ２−ｔ１）と位相差θａ（＝θ１−θ０），θｂ（＝θ２−θ１）を求め、さらにそれらの差分をそれぞれ取った結果より速度ωｅｓｔを求める。積分部８は、速度ωｅｓｔを積分することで位相（回転子位置）を検出する。
【００３３】
速度演算部７における演算をより詳しく説明すると、異なる時間間隔で３回のパルス状の短絡電流を発生され、これらの電流ベクトルの位相を計測で、各計測パルスの時間間隔Ｔａ，Ｔｂと計測した位相間隔θａ，θｂは以下の式になる。
【００３４】
【数２】
Ｔａ＝ｔ１−ｔ０
Ｔｂ＝ｔ２−ｔ１
【００３５】
【数３】
θａ＝θ１一θ０
θｂ＝θ２−θ１
そして、これらの時間差と位相差のさらに差分ΔＴ，Δθを取ると、次式のようになる。
【００３６】
【数４】
ΔＴ＝Ｔａ−Ｔｂ
Δθ＝θａ一θｂ
そして、これら差分の比Δθ／ΔＴから、次式で回転子角速度ωｅｓｔを求めることができる。
【００３７】
ωｅｓｔ＝Δθ／ΔＴ
ただし、制限としてΔＴの時間差は、この時間差の間に回転子が１８０°以上空転しない程度に設定する。パルスの間隔自体は短くできなくても、時間差に関しては自由に設定できるため、計測する２つの時間差についてさらに差分をとったものについては、短い時間差に設定することができる。本実施形態は、この特徴を利用したものである。
【００３８】
従来法では２つの計測区間の時間差が、回転子が電気角の１８０°未満である条件が存在したのに対し、本実施形態の計測方法では、回転子が電気角で１８０°以上回転してしまう場合にも回転子の位置・速度を計測することができる。また、この時間制限がないことは高速回転している場合に計測期間を短くする必要もなくなり、ひいては、短絡期間を長く取ることができるため、計測するパルス状の電流振幅を大きくとれ、電流検出誤差などの影響を低減した精度良い計測が可能となるし、ひいては精度良い可変速制御が可能となる。
【００３９】
なお、短絡パルス電流の発生回数は、互いに異なる時間間隔で３回以上とし、それらの平均化処理等から速度・位相を求めることができる。
【００４０】
（実施形態２）
実施形態１では、単純に位相差の差分を取ることにより速度・位相検出を行ったが、最終的な速度さらには位相を検出するために利用する位相差Δθには１８０°以内という制限が存在しているため、位相検出誤差の影響を受けやすく、検出された速度の精度が低くなる。
【００４１】
ここで、実施形態１の速度検出法によって、概略の速度と回転方向が判ったのであれば、３６０°以上に多回転した位相であってもその多回転の回数を推定することが可能になる。こうすると、速度の計測に使用する位相差を大きくとることができるため、推定速度・位相の精度が大幅に向上する。
【００４２】
そこで、本実施形態では、実施形態１の方法で計測した速度と計測期間から、Ｔａ，Ｔｂの期間の位相変化量Θａ’，Θｂ’を以下の式から推定する。
【００４３】
【数５】
Θａ’＝ωｅｓｔ＊Ｔａ
Θｂ’＝ωｅｓｔ＊Ｔｂ
また、計測した位相差θａ，θｂから多回転した場合の位相差を推定する。ここでは、θａを補正する例で示す。
【００４４】
電気角で１回転以下：θａ’＝θａ＋０＊３６０°
電気角で１〜２回転以内：θａ’＝θａ＋１＊３６０°
電気角で２〜３回転以内：θａ’＝θａ＋２＊３６０°
そして、上記の多回転を想定した位相差の中から、速度から推定した位相差Θａ’およびΘｂ’に最も近いものを選定することにより、多回転であり３６０°以上回転する場合であっても位相差を補正することができる。この多回転補正された位相差と時間差より速度を計算すると、より正確な速度検出が可能になる。
【００４５】
本実施形態では、上記の推定と位相差補正は、図１の（ａ）に示す位相差補正部９によって実現する。そして、速度演算部７は、補正された位相差θａ’，θｂ’を使用して補正した速度ωｅｓｔを求める。
【００４６】
（実施形態３）
永久磁石を界磁源とする同期電動機が空転中の速度推定は、実施形態１や実施形態２を使用すればよい。また、速度だけでなく位相とその時刻がわかっているため、インバータを起動して運転を開始する時刻の位相も計算により予測することも可能である。しかし、空転中の電動機を始動する場合には、さらに電圧の振幅情報も必要になる。
【００４７】
実施形態１や２で速度が検出できており、かつ、永久磁石の磁束が既知であれば速度誘起起電力を計算することは容易である。しかし、永久磁石の残留磁石は磁石の温度によって変動してしまう。そのため、同期電動機の温度によって磁束が変化することになり、正確な速度誘起起電力を計算することができない。そのため、速度と磁束から間接的に誘起起電力を計算するよりも、直接電圧を計測できる方がより安定な始動が可能になる。
【００４８】
そこで、本実施形態では、同期電動機に短絡パルス電流を発生させた期間の電流変化の計測データの他に、短絡を解除したときにインダクタンスの電流が減衰するときの電流の変化も利用して同期電動機の端子電圧（電圧振幅）を推定する計測方法およびこれを利用した可変速装置を提案するものである。
【００４９】
ここで、図１におけるインバータ１の直流電源電圧Ｖｄｃは他の電圧センサにより既知であるものとする。実際には３相電動機を対象としているが、簡単のために１相のモデルで計測原理を以下に説明する。
【００５０】
図２の（ａ）に示すように、インバータのゲート制御により、空転中の同期電動機の端子を短期間だけ短絡状態にすることで、同期電動機には短絡パルス電流を発生させることができる。
【００５１】
このときの等価回路は、図２の（ｂ）のように、単相モデルでの下アームのゲートをＯＮすると誘起起電力Ｅ０の電圧が同期電動機のインダクタンスＬに加わるため、Ｅ０に比例した電流変化が発生する。その後に下アームのゲートをＯＦＦして短絡を止めると、今度は図２の（ｃ）のように、インバータの上アームのダイオードを通して電源に回生を行う電流ループに転流する。
【００５２】
したがって、インダクタンスＬに流れる電流の変化量は、短絡時と短絡後にダイオードを通して電源に回生するときでは、直流電源電圧Ｖｄｃと誘起起電力Ｅ０を使った次式の関係が成立する。
【００５３】
【数６】
【００５４】
これら電流微分はインダクタンスＬに印加させる電圧に比例しているため、電流変化量（電流微分値）を計測すれば同期電動機の端子電圧と誘起起電力の比率を推定することができ、ひいては端子電圧を求めることができる。
【００５５】
したがって、下記のように、電流の変化量の比Ｋを使用し、次式の関係式から誘起起電力Ｅ０を導出することができる。
【００５６】
【数７】
Ｋ＝（ｄｉＬ／ｄｔ）／（ｄｉＨ／ｄｔ）
Ｋ＝−Ｅ０／（Ｖｄｃ−Ｅ０）
Ｋ（Ｖｄｃ−Ｅ０）＝−Ｅ０
Ｋ・Ｖｄｃ＝Ｋ・Ｅ０−Ｅ０
Ｅ０＝Ｋ・Ｖｄｃ／（Ｋ−１）
したがって、同期電動機の短絡時とその直後の電流微分成分および電源電圧Ｖｄｃから、電圧を直接計測することが可能になる。
【００５７】
ここで、３相の同期電動機の場合には、誘起起電力は３相交流波形となるため、回転子の位相によって３相の電圧が変化する。短絡期間では、それぞれの相の誘起起電力に比例して電流は変化するが、短絡後のインダクタンスのエネルギーを直流電源に回生する期間は直流電源のＰとＮの両端子の２種類の電位のみがインダクタンスの電流極性に応じて端子に印加されているため、３相の端子電圧は誘起起電力の比率とは異なってしまう。したがって、短絡期間の電流の立ち上がりとその直後の回生期間での電流の立下りの比は３相とも異なるため、上の式を適用することができない。
【００５８】
そこで、誘起起電力が３相の巻線の軸と一致したときに計測を行うことにする。図３で示した誘起起電力の３相交流皮形ｅｕ，ｅｖ，ｅｗのうち、２相の成分が一致するタイミングでは、３相の誘起起電力も２値しか存在しないため、ちょうど単相と同じモデルを適用できる。
【００５９】
この位相になったときに計測を実行するためには、実施形態１や実施形態２の計測位相θ０，θ１，θ２と時刻ｔ０，ｔ１，ｔ２および計算した速度ωｅｓｔ、さらには補正した速度ωｅｓｔより回転位相が予測されることから、この予測から２相の成分が一致するタイミングで誘起起電力の振幅成分を計測することが可能となる。
【００６０】
（実施形態４）
実施形態３では、誘起起電力計測には３相のうち２相の成分が一致する条件としたが、これ以外にも１相だけ電流が流れない条件で計測しても同様な結果が得られる。
【００６１】
そこで、本実施形態では、図４のように、１相の電圧が零の時刻で計測することを提案する。
【００６２】
ちょうど、誘起起電力が零の相は、他の２相の中間電圧に相当する。そのため、電流も入出力の成分がつりあって零のままとなる。そうすると、単相モデルと等価な計測を実施でき、誘起起電力の振幅成分を計測することができる。
【００６３】
なお、本実施形態および実施形態３における計測タイミングは、誘起起電力が三相の巻線軸に対してちょうど３０°ずれた位相上に存在するときになる。
【００６４】
【発明の効果】
永久磁石を界磁源とする同期電動機が空転中である場合には、回転子の誘起起電力の振幅・位相・速度が既知であれば、空転中に運転を開始するときにその誘起起電力とつりあった電圧から出力を開始することができ、電流の急変が無く安定な起動が可能になる。
【００６５】
そのうち位相と速度を計測するためにインバータを電圧零の条件で短期間ゲートをＯＮすることにより、同期電動機の誘起起電力によって生じる電流成分を計測する。この計測電流の空間ベクトルはちょうど誘起起電力のベクトルとは１８０°反対の位相に存在することを利用して、誘起起電力の位相と速度を計測する。このとき、従来法では２つの短絡パルス電流の時間差が、回転子が電気各の１８０°未満である条件が存在した。
【００６６】
これに対し、本発明の実施形態１・実施形態２の計測方法および可変速装置によれば、計測の時間的な制限が無くなり、高速回転している場合に計測期間を短くする必要もなくなる。ひいては、短絡期間を長く取ることができることから、計測する短絡パルス電流の振幅を大きくとれるため、電流検出誤差などの影響を低減することができる。
【００６７】
また、従来法では、速度と位相は計測できるものの、誘起起電力の振幅までは計測できなかった。インダクタンス値が既知であれば電流の微分より電圧を推定することができる。また、残留磁束が既知であれば速度より誘起起電力を演算することもできる。これらのどちらの方法も同期電動機の定数が必要である問題がある。したがって、温度によって定数が変化したり、同期電動機の個別のばらつきが大きな場合には、誘起起電力の推定値も誤差が発生してしまう。
【００６８】
これに対して、本発明の実施形態３・実施形態４の計測方法および可変速装置では、実施形態１・２の計測方法を基に、電流の微分成分と直流電圧より直接電圧振幅成分を推定することができ、精度の良い電圧振幅の計測および可変速制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１、２の可変速装置と速度・位相計測のタイムチャート。
【図２】本発明の実施形態３の計測原理説明図。
【図３】実施形態３における誘起起電力の計測タイミングの説明図。
【図４】実施形態４における誘起起電力の計測タイミングの説明図。
【図５】短絡パルス電流発生に下アーム全相をゲートＯＮする状態の短絡モード。
【図６】短絡パルス電流発生に上アーム全相をゲートＯＮする状態の短絡モード。
【図７】従来手法における短絡電流の発生タイミングと計測位相から速度計測を行う原理説明図。
【符号の説明】
１…インバータ
２…制御装置
３…電流検出器
４…Ａ／Ｄ変換器
５…同期電動機
６…電流位相検出部
７…速度演算部
８…積分部
９…位相差補正部
Claims (6)
- 永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、インバータのゲート制御で同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅を計測する同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法であって、
前記短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させ、各短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度および位相を計測することを特徴とする同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法。 - 前記速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正して速度および位相を求めることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法。
- 前記短絡パルス電流は、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに発生させ、そのときの電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、前記インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の同期電動機の位置・速度・電圧振幅のセンサレス計測方法。
- 永久磁石を界磁源とする同期電動機の空転状態で、インバータのゲート制御で同期電動機に発生させる短絡パルス電流の時間差と位相差を基に同期電動機の回転子位置・速度・電圧振幅を計測し、これら計測結果を基に同期電動機を起動および可変速制御する同期電動機のセンサレス可変速装置であって、
前記インバータは、前記短絡パルス電流は互いに異なる時間間隔で３回以上発生させる手段を設け、
各短絡パルス電流の各計測期間の時間差と位相差を求め、さらにその差分をそれぞれ取った結果より速度を計測し、この速度を積分して位相を求める演算手段を備えたことを特徴とする同期電動機のセンサレス可変速装置。 - 前記演算手段は、前記速度計測結果より各計測期間の位相進み角を演算で推定し、これを基に計測位相が多回転している場合の位相差を補正して速度および位相を求める手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載の同期電動機のセンサレス可変速装置。
- 前記インバータは、同期電動機の誘起起電力が三相の巻線軸に対して３０°ずれた位相上に存在するときに前記短絡パルス電流を発生させ、
前記演算手段は、各短絡パルス電流の電流増加の微分成分と、短絡終了直後の電流減少の微分成分を計測し、前記インバータの直流電源電圧を定数として誘起起電力の振幅成分を求める手段を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の同期電動機のセンサレス可変速装置。
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