JP2006197771A - 磁極位置検出機能付きインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁極位置検出機能付きインバータ装置において、ＣＴ等の高価な素子を用いることなく制御対象である同期電動機などの磁極位置を検出すること。
【解決手段】磁極位置の検出対象である同期電動機４の各相にそれぞれ接続された一対のアーム部を構成する下アーム部８，９，１０の下端にシャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗがそれぞれ接続された電流検出機能付きインバータ回路３が備えられ、シャント抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗのそれぞれによって同期電動機４の各相に流れる電流を検出する際に、下アーム部８，９，１０の全てのスイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６がオンとなるような期間を設ける。
【選択図】 図５

Description

本発明は、インバータ装置に関するものであり、特に、同期電動機などの磁極位置を簡易かつ確実に検出することができる磁極位置検出機能を備えた磁極位置検出機能付きインバータ装置に関するものである。

従来から、同期電動機の始動の容易性を確保するとともに同期電動機の回転を円滑に行わせることを目的として、同期電動機の回転子の位置を検出することが行われていた。

この同期電動機の回転子の位置を検出する場合、回転子の電気角（磁極位置）をエンコーダ等の位置検出器を用いて直接的に検出するような手法を用いるものがあった。しかし、回転子の回転角を直接検出するようなこの種の手法では、位置検出器等の磁極位置検出専用センサを同期電動機に付加する必要があり、装置構成の規模が大きくなるとともに、経済性が悪いという欠点をあった。このため、位置検出器を用いることなく同期電動機の磁極位置を検出する装置が提案されている（特許文献１〜３など）。

例えば、特許文献１では、ＰＷＭインバータにて同期電動機を駆動する際、ＰＷＭ制御のスイッチングにて発生する電流リプルの変化と出力電圧の時間積分とに基づいて同期電動機の磁極位置を検出するようにしている。

また、特許文献２、３では、エンコーダ等の位置検出器を用いることなく、起動時に特定パターンの電圧を同期電動機に印加し、そのときに流れる電流を検出することで、静止状態における同期電動機の磁極位置の検出を行うようにしている。

特開平８−２０５５７８号公報 国際公開第０１／０２２５６７号パンフレット 特開２０００−９２８９１号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３に示される従来技術では、ＰＷＭのスイッチングパターンに依存せずに、同期電動機に流れる電流を常時検出可能とするため、ＣＴ等の高価な素子を用いるようにしている。そのため、インバータ装置の小型化、低コスト化が困難であると云った問題点があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＣＴ等の高価な素子を用いることなく制御対象である同期電動機などの磁極位置を検出することができる磁極位置検出機能付きインバータ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置は、互いに逆並列接続された上アームのスイッチング素子および整流素子からなる上アーム部と互いに逆並列接続された下アームのスイッチング素子および整流素子からなる下アーム部とが直列に接続された一対のアーム部と、該一対のアーム部の下アーム部の下端に接続されたシャント抵抗と、の直列接続回路が並列に接続されたブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路の両端が直流電源の正負極間にそれぞれ接続されるとともに、該一対のアーム部の上アーム部と下アーム部との接続部のそれぞれが同期電動機の各相に接続され、電圧ベクトル指令に基づいて該同期電動機のｎ（ｎは３以上の整数）相巻線に所定の電圧を印加する電流検出機能付きインバータ回路と、前記電流検出機能付きインバータ回路に前記電圧ベクトル指令および該電圧ベクトル指令に同期するトリガ信号を出力するとともに、該電圧ベクトル指令の出力シーケンスに従って該電流検出機能付きインバータ回路のシャント抵抗によって検出された検出電流に基づいて前記同期電動機の磁極位置を算出する演算部とを備え、前記演算部は、電圧ベクトル指令として所定のパルス幅の信号を印加後、前記下アーム部の全てのスイッチング素子がオンとなるような期間を設け、該期間に前記検出電流を検出することを特徴とする。

この発明によれば、磁極位置の検出対象である同期電動機の各相にそれぞれ接続された一対のアーム部を構成する下アーム部の下端にシャント抵抗がそれぞれ接続された電流検出機能付きインバータ回路が備えられ、このシャント抵抗によって同期電動機の各相に流れる電流を検出する際に、下アーム部の全てのスイッチング素子がオンとなるような期間を設けることで、各相に流れる電流が一度に測定することができる。

本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置によれば、一対のアーム部を構成する下アーム部の下端にシャント抵抗がそれぞれ接続された電流検出機能付きインバータ回路が備えられ、このシャント抵抗によって同期電動機の各相に流れる電流を検出する際に、下アーム部の全てのスイッチング素子がオンとなるような期間を設けるようにしているので、ＣＴ等の高価な素子を用いることなく制御対象である同期電動機などの磁極位置を検出することができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置の概略構成を示すブロック図である。同図において、磁極位置検出機能付きインバータ装置１は、演算部２および電流検出機能付きインバータ回路３を備え、装置制御対象である同期電動機４の運転を制御する。

同期電動機４は、図示を省略した回転子が永久磁石型であり、図示を省略した固定子はＵ相、Ｖ相、およびＷ相の３相巻線を有している。演算部２は、電流検出機能付きインバータ回路３に電圧ベクトル指令Ｖを出力するとともに、トリガ信号Ｔｒを出力する。電流検出機能付きインバータ回路３は、同期電動機４の各相に対して、入力された電圧ベクトル指令Ｖに基づいた所定の電圧を印加する。また、入力されたトリガ信号Ｔｒに基づいて各相の電流を検出し、検出した検出電流Ｄｉを演算部２に出力する。演算部２は、入力された検出電流Ｄｉに基づいて回転子の磁極位置θを算出する。

図２は、電流検出機能付きインバータ回路３の詳細構成を示す回路図である。同図に示す電流検出機能付きインバータ回路３は、直流電源の正極と負極との間に、スイッチング素子と整流素子とを逆並列接続したアームを２回路直列に接続した一対のアーム（１相アーム）が３相分並列に接続されるとともに、各相の下アームに電流検出のためのシャント抵抗が挿入されたブリッジ回路を構成している。

すなわち図２において、上アーム部５と下アーム部８、上アーム部６と下アーム部９、および上アーム部７と下アーム部１０の各対がそれぞれ直列接続されるとともに、下アーム部８、９および１０の一端には電流検出のためのシャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗのそれぞれが接続されている。直列接続された上アーム部５と下アーム部８とシャント抵抗Ｒｕ、上アーム部６と下アーム部９とシャント抵抗Ｒｖ、および上アーム部７と下アーム部１０とシャント抵抗Ｒｗの各対が、電位差Ｅｄを有する直流電源１１に並列接続されている。

上アーム部５と下アーム部８とを接続する中点Ｐｕは同期電動機４のＵ相に接続され、上アーム部６と下アーム部９とを接続する中点Ｐｖは同期電動機４のＶ相に接続され、上アーム部７と下アーム部１０とを接続する中点Ｐｗは同期電動機４のＷ相に接続される。また、上アーム部５〜７は、スイッチング素子としてのＩＧＢＴＱ１〜Ｑ３とダイオードＤ１〜Ｄ３とがそれぞれ逆並列接続されるとともに、下アーム部８〜１０は、スイッチング素子としてのＩＧＢＴＱ４〜Ｑ６とダイオードＤ４〜Ｄ６とがそれぞれ逆並列接続されている。すなわち、ダイオードＤ１〜Ｄ６の順方向は、直流電源１１のプラス側に向けられている。このＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６のゲートに印加されるゲート信号は、電圧ベクトル指令Ｖを形成し、ＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６をオン／オフ制御する。

図３は、演算部２の詳細構成を示すブロック図である。同図に示す演算部２は、入力回路１８、ＣＰＵ１９、メモリ２０および出力回路２１，２２を備えている。ＣＰＵ１９は、メモリ２０に保持された所定のプログラムに基づいて出力回路２１を介して電圧ベクトル指令Ｖを電流検出機能付きインバータ回路３に出力するとともに、トリガ信号Ｔｒを所定のタイミングで出力回路２２を介して電流検出機能付きインバータ回路３に出力する。一方、トリガ信号Ｔｒにしたがって検出された検出電流Ｄｉが、電流検出機能付きインバータ回路３から入力回路１８に入力されると、検出電流Ｄｉに基づいて後述する演算処理が行われ、磁極位置θが特定される。

ここで、演算部２から電流検出機能付きインバータ回路３に対して出力される電圧ベクトル指令Ｖについて説明する。電圧ベクトル指令Ｖは９つのスイッチングモード「０」〜「８」を有し、各スイッチングモード「０」〜「８」は、オンするＩＧＢＴＱ１〜Ｑ６の組み合わせによって、つぎのように定義される。

（１）スイッチングモード「０」
オン：なし、「オフ」：Ｑ１〜Ｑ６のすべて
（２）スイッチングモード「１」
オン：Ｑ１、Ｑ５、Ｑ６、オフ：Ｑ４、Ｑ２、Ｑ３
（３）スイッチングモード「２」
オン：Ｑ１、Ｑ２、Ｑ６、オフ：Ｑ４、Ｑ５、Ｑ３
（４）スイッチングモード「３」
オン：Ｑ４、Ｑ２、Ｑ６、オフ：Ｑ１、Ｑ５、Ｑ３
（５）スイッチングモード「４」
オン：Ｑ４、Ｑ２、Ｑ３、オフ：Ｑ１、Ｑ５、Ｑ６
（６）スイッチングモード「５」
オン：Ｑ４、Ｑ５、Ｑ３、オフ：Ｑ１、Ｑ２、Ｑ６
（７）スイッチングモード「６」
オン：Ｑ１、Ｑ５、Ｑ３、オフ：Ｑ４、Ｑ２、Ｑ６
（８）スイッチングモード「７」
オン：Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、オフ：Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６
（９）スイッチングモード「８」
オン：Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６、オフ：Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３

図４は、上記に示した各スイッチングモード「０」〜「８」にそれぞれ対応する電圧ベクトルＶ０〜Ｖ８を示したベクトル図である。同図において、電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６は、それぞれ６０度ずつの位相差をもち、大きさが等しい電圧ベクトルとなる。一方、電圧ベクトルＶ０，Ｖ７およびＶ８は、Ｕ，ＶおよびＷの各相に電流を生じさせない電圧ベクトルであり、同図に示すようなゼロベクトルとなる。

つぎに、電圧ベクトルＶ１を例にとり、その大きさを求める。上述のように、電圧ベクトルＶ１はスイッチングモード「１」に対応するため、ＩＧＢＴＱ１、Ｑ５、Ｑ６をオンし、ＩＧＢＴＱ４、Ｑ２、Ｑ３をオフする。したがって、Ｕ相とＶ相との間の線間電圧Ｖｕｖ、Ｖ相とＷ相との間の線間電圧Ｖｖｗ、およびＷ相とＵ相との間の線間電圧Ｖｗｕは、次式で示される。

Ｖｕｖ＝Ｖｕ−Ｖｖ＝Ｅｄ ・・・（１）
Ｖｖｗ＝Ｖｖ−Ｖｗ＝ ０ ・・・（２）
Ｖｗｕ＝Ｖｗ−Ｖｕ＝−Ｅｄ ・・・（３）

上式において、「Ｖｕ」はＵ相の電位（中点Ｐｕの電位）であり、「Ｖｖ」はＶ相の電位（中点Ｐｖの電位）であり、「Ｖｗ」はＷ相の電位（中点Ｐｗの電位）である。

さらに、式（１）〜（３）から、各相の電位Ｖｕ〜Ｖｗの大きさを、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相差がそれぞれ１２０度であることに注意して求めると、次式のように表される。

Ｖｕ＝ ２／３×Ｅｄ ・・・（４）
Ｖｖ＝−１／３×Ｅｄ ・・・（５）
Ｖｗ＝−１／３×Ｅｄ ・・・（６）

このとき、電圧ベクトルＶ１の大きさ｜Ｖ１｜は次式のようになる。
｜Ｖ１｜＝(２／３)×Ｅｄ−(１／３)×Ｅｄｃｏｓ(１２０°)
−(１／３)×Ｅｄｃｏｓ(２４０°)
＝Ｅｄ ・・・（７）

したがって、電圧ベクトルＶ１の大きさは「Ｅｄ」であり、その方向は図４に示すようにＵ相の方向となる。また、その他の電圧ベクトルＶ２〜Ｖ６は、電圧ベクトルＶ１と同様の演算を行うことによって、その大きさと方向とを算出することができる。その結果、電圧ベクトルＶ２〜Ｖ６の方向は、図４に示すように、Ｕ相に対して順次位相差６０度を有し、大きさがＥｄのベクトルとなる。なお、この電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６に対応した電圧が同期電動機４のＵ相、Ｖ相、およびＷ相に印加され、これらの各相に流れる電流が電流検出機能付きインバータ回路３において検出される。

図５は、Ｕ相に印加される電圧ベクトル指令Ｖと、電圧ベクトル指令Ｖが印加されたときにＵ相に流れる電流（Ｕ相電流ｉｕ）との関係を示すタイミングチャートである。具体的には、同期電動機４がある磁極位置に位置しているとき、Ｕ，ＶおよびＷの各相に電圧ベクトル指令Ｖを印加した際に同期電動機４の各相に流れる電流（Ｕ相電流ｉｕ、Ｖ相電流ｉｖ、Ｗ相電流ｉｗ）の概略波形を示した図である。なお、同図ではＵ相のみの電流を示している。

つぎに、本発明の磁極位置検出機能付きインバータ装置において行われる磁極位置の検出処理について図５などを用いて説明する。図５において、演算部２から電流検出機能付きインバータ回路３に対して電圧ベクトルＶ０が出力されている状態に引き続き、電圧ベクトルＶ１が出力される（区間Ａ）。つぎに、電圧ベクトルＶ８が一定時間出力され、各相に流れる電流がトリガ信号Ｔｒに基づく所定のタイミングで検出される（区間Ｂ）。その後、つぎの電流検出処理に備えるため、電圧ベクトルＶ０が一定時間出力される（区間Ｃ）。

演算部２は、つぎの電圧ベクトル指令Ｖとして電圧ベクトルＶ２を出力する。なお、前述の電圧ベクトルＶ１と同様に、区間Ａ〜区間Ｃの期間が設けられ、電圧ベクトルＶ１のときと同様な出力シーケンス（Ｖ２→Ｖ８→Ｖ０）の電圧ベクトルが出力される。以後、これらのシーケンスが繰り返され、以下に示すようなシーケンスの電圧ベクトルが出力される。

Ｖ０→（Ｖ１→Ｖ８→Ｖ０）→（Ｖ２→Ｖ８→Ｖ０）→（Ｖ３→Ｖ８→Ｖ０）→（Ｖ４→Ｖ８→Ｖ０）→（Ｖ５→Ｖ８→Ｖ０）→（Ｖ６→Ｖ８→Ｖ０）

ところで、本発明にかかる磁極位置検出処理では、上述のシーケンスに示されるように、一つの電圧ベクトルを出力する際に必ずゼロベクトルの一つである電圧ベクトルＶ８を出力するようにしている点に大きな特徴がある。すなわち、各相の電流を検出する際の所定時間にインバータ回路の下アーム側のＩＧＢＴのすべてがオンとなる期間（以下「下アーム全オン期間」と呼称）を設けている点にある。下アーム全オン期間を設けることで、各相の電流検出を可能とするものであるが、その原理については後述する。

なお、区間Ａ〜区間Ｃまで合計時間であるパターン周期Ｔは、ノイズの影響を受けずに所定の検出精度を得るため、数ｍｓオーダーの値に設定することが好ましい。また、区間Ｂの期間は、下アームの全てをオンするための電圧ベクトルＶ８が印加された直後に電流検出のための一定時間を確保する必要があり、この時間は一般的なフィルタの時定数（２〜３μｓ程度）を考慮するとともに、通常の制御シーケンスに影響を及ぼさないという観点を考慮し、数μｓ〜十数μｓオーダーの値に設定することが好ましい。

図６は、電圧ベクトル指令Ｖが印加されるシーケンスにおいて電流検出機能付きインバータ回路３の各上下アームに流れる電流の変化を示す図である。なお、同図矢印の向きは、電圧ベクトルＶが印加されたときの各相電流の方向を示すものであり、同図の左図は、図５に示すシーケンスの区間Ａ（電圧ベクトルＶ１の入力）に対応し、同図の中央図は、区間Ｂ（電圧ベクトルＶ８の入力）に対応し、同図の右図は、区間Ｃ（電圧ベクトルＶ０の入力）に対応する。

区間Ａでは、電圧ベクトルＶ１の入力によって同図の左図に示すように、Ｕ相電流は上アーム部５を流れ、Ｖ相電流、Ｗ相電流はそれぞれ下アーム部９、下アーム部１０を流れる。一方、区間Ｂでは、電圧ベクトルＶ８の入力によって下アーム側のＩＧＢＴのすべてがオンとなる下アーム全オン期間が設けられるので、同図の中央図に示すように、Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流のそれぞれが下アーム部８、９、１０を流れ、その結果シャント抵抗Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗにて各相電流が検出可能となる。さらに、区間Ｃでは、電圧ベクトルＶ０（ゼロベクトル）が出力され、帰還ダイオード（Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４）の作用によって帰還電流が流れる。

なお、本発明では、各相電流を検出する際に下アーム側のＩＧＢＴのすべてがオンとなる下アーム全オン期間を設けるようにしているが、このような制御を行わずに、直前にオンされている上アームをオフにするような制御（図６の例では、上アーム部５のみをオフに切り替える制御）を行うことも考えられる。しかしながら、このような制御では、上下アームを接続している接続点の電位（図６の例では上アーム部５と下アーム部８とを接続する中点Ｐｕ）が不安定となり、電流検出の検出精度に影響を与える。また、このような制御では、直前にどのアームがオンしているのかの情報に基づいて上下アームの各ＩＧＢＴをスイッチング制御する必要があり、制御が複雑になる。一方、本発明のような、下アーム全オン期間を設けるような制御を行えば、直前にどのアームがオンしているのか情報を必要としないので、これらの問題点を解消することができる。

つぎに、同期電動機４の磁極位置を検出する手法の一例について図７〜図９を用いて説明する。ここで、図７は、同期電動機の磁極位置と電流パルスの振幅(ｉｕ１、ｉｖ２、ｉｗ３、ｉｕ４、ｉｖ５、ｉｗ６)および極性が異なる一対の電流パルスの振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの関係の一例を示す図であり、図８は、本発明の磁極位置検出機能付きインバータ装置の演算部２が磁極位置を出力する際に参照するテーブルの一例を示す図表であり、図９は、本発明の磁極位置検出機能付きインバータ装置の演算部２による磁極位置θを算出する際の処理手順を示すフローチャートである。

図７に示す電流パルスの振幅ｉｕ１、ｉｖ２、ｉｗ３、ｉｕ４、ｉｖ５、ｉｗ６のうち、実線で示される電流パルスの振幅ｉｕ１、ｉｕ４は、それぞれ電圧ベクトルＶ１、Ｖ４が印加されたときにシャント抵抗Ｒｕで検出されたＵ相電流である。同様に、波線で示される電流パルスの振幅ｉｖ２、ｉｖ５は、それぞれ電圧ベクトルＶ２、Ｖ５が印加されたときにシャント抵抗Ｒｖで検出されたＶ相電流であり、一点鎖線で示される電流パルスの振幅ｉｗ３、ｉｗ６は、それぞれ電圧ベクトルＶ３、Ｖ６が印加されたときにシャント抵抗Ｒｗで検出されたＷ相電流である。また、同図において、極性の異なる一対の電流パルスの振幅和Δｉｕ（実線部）、Δｉｖ（波線部）、およびΔｉｗ（一点鎖線部）の各波形は、それぞれ次式で定義されるものである。

Δｉｕ＝ｉｕ１＋ｉｕ４ ・・・（８）
Δｉｖ＝ｉｖ２＋ｉｖ５ ・・・（９）
Δｉｗ＝ｉｗ３＋ｉｗ６ ・・・（１０）

図７から明らかなように、同期電動機４の磁極位置と上記の式（８）〜式（１０）で定義された極性の異なる一対の電流パルスの振幅和Δｉｕ、ΔｉｖおよびΔｉｗとの間には、図８に示す大小関係が存在する。すなわち、極性が異なる一対の電流パルスの振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗ、および、これらの符号を反転した振幅和−Δｉｕ、−Δｉｖ、−Δｉｗの中の最大値に基づいて磁極位置θの存在区間を算出することができる。例えば、図７において、磁極位置が６０度のときには、Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗ、−Δｉｕ、−Δｉｖ、−Δｉｗの中で振幅和−Δｉｗが他の振幅和より相対的に大きい。また、１２０度のときには、振幅和Δｉｖが他の５つの振幅和より相対的に大きい。このようにして、振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗ、−Δｉｕ、−Δｉｖ、−Δｉｗの中で相対的に最も大きい振幅和に基づいて磁極位置を決定することができる。

図９は、上記に説明した磁極位置θの算出処理手順を示すフローチャートである。同図において、まず、演算部２から電圧ベクトル指令（Ｖ０）が一定時間出力され、この指令に基づく所定電圧が電流検出機能付きインバータ回路３を介して同期電動機４に印加される（ステップＳ１００）。その後、電圧ベクトル指令の変数ｎが「１」に設定される（ステップＳ１０１）。このｎ＝１を含み、設定されたｎの値に基づいて電圧ベクトルＶｎが一定時間出力され（図５の区間Ａに相当）、当該指令に基づく所定電圧が同期電動機４に対して印加される（ステップＳ１０２）。引き続き、電圧ベクトルＶ８が一定時間出力され（図５の区間Ｂに相当）、同期電動機４に対して印加される（ステップＳ１０３）。一方、電圧ベクトルＶ８の印加終了から所定時間の経過後トリガ信号Ｔｒが出力され（ステップＳ１０４）、電流検出機能付きインバータ回路３にて検出された電流ｉｕｎ、ｉｖｎ、ｉｗｎが取得される（ステップＳ１０５）。例えば、変数ｎが「１」である場合には、電圧ベクトルＶ１に対応する電流ｉｕ１、ｉｖ１、ｉｗ１が取得される。その後、変数ｎの値が１だけ増分され（ステップＳ１０６）、電圧ベクトルＶ０に基づく所定電圧が同期電動機４に対して一定時間印加される（ステップＳ１０７）。その後、変数ｎが「６」を超えたか否かが判断される（ステップＳ１０８）。

変数ｎが「６」を超えない場合（ステップＳ１０８、Ｎｏ）には、ステップＳ１０３の処理に移行し、位相をさらに６０度進相させた電圧ベクトルＶｎに基づく出力電圧が同期電動機４に印加され、電流ｉｕｎ、ｉｖｎ、ｉｗｎを取得する処理が繰り返される。

一方、変数ｎが「６」を超えた場合（ステップＳ１０８、Ｙｅｓ）には、上記の式（８）〜式（１０）で定義した極性が異なる一対の電流パルスの振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを演算され（ステップＳ１０９）、この演算結果がメモリ２０に保持される。さらに、これらの振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗ、−Δｉｕ、−Δｉｖ、−Δｉｗの中で相対的に最も大きい振幅和である、「ＭＡＸ（Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗ、−Δｉｕ、−Δｉｖ、−Δｉｗ）」が演算され（ステップＳ１１０）、算出された振幅和に対応する区間番号ｍ（図８参照）が算出されるとともに、算出された区間番号ｍに対応する磁極位置θが算出される（ステップＳ１１１）。

なお、上記のステップＳ１０５の処理では、振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗを演算するに必要な電流ｉｕ１、ｉｗ２、ｉｖ３、ｉｕ４、ｉｗ５、ｉｖ６のみを取得するようにしてもよい。また、上記の処理フローでは、電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの大小関係に基づいて磁極位置θを出力するようにしているが、電流Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの符号の組合せに基づいて磁極位置θを算出するようにしてもよい。

ところで、図９に示した磁極位置θの算出処理手順を示すフローチャートでは、電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６を同期電動機４に印加し、このときに検出された各相の電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗに基づいて磁極位置θを６０度刻みで算出する処理について示したが、この処理は磁極位置θの算出処理のごく一例を示したものである。したがって、本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置の磁極位置検出機能が、上述の処理例に限定されるものではない。

なお、図９に示した磁極位置θの算出処理手順を示すフローのステップＳ１０５では、電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６に対する各相電流の全てを検出するようにしているので、上述の特許文献２に示される種々の手法を適用することができ、同文献に示される種々の検出精度（±１５度、±７．５度、±３．７５度）にて磁極位置θを算出することができる。

以上説明したように、この実施の形態の磁極位置検出機能付きインバータ装置によれば、磁極位置の検出対象である同期電動機の各相にそれぞれ接続された一対のアーム部を構成する下アーム部の下端にシャント抵抗がそれぞれ接続された電流検出機能付きインバータ回路が備えられ、このシャント抵抗によって同期電動機の各相に流れる電流を検出する際に、下アーム部の全てのスイッチング素子がオンとなるような期間を設けるようにしているので、ＣＴ等の高価な素子を用いることなく制御対象である同期電動機などの磁極位置を検出することができる。

なお、この実施の形態では、同期電動機としてＵ相、Ｖ相、およびＷ相の３相巻線を有している例について説明したが、３相巻線を有する場合に限定される要素はなく、３相以上の多相巻線を有する同期電動機に対しても適用できることは勿論である。

以上のように、本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置は、同期電動機を制御するためのインバータ装置として有用であり、特に、他の磁極位置検出装置などを用いることなく、あるいはＣＴ等の高価な素子を用いることなく同期電動機の制御を行うことができるインバータ装置として好適である。

本発明にかかる磁極位置検出機能付きインバータ装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明にかかる電流検出機能付きインバータ回路の詳細構成を示す回路図である。 本発明にかかる演算部の詳細構成を示すブロック図である。 各スイッチングモード「０」〜「８」にそれぞれ対応する電圧ベクトルＶ０〜Ｖ８を示したベクトル図である。 Ｕ相に印加される電圧ベクトル指令Ｖと、電圧ベクトル指令Ｖが印加されたときにＵ相に流れる電流（Ｕ相電流ｉｕ）との関係を示すタイミングチャートである。 電圧ベクトル指令Ｖが印加されるシーケンスにおいて電流検出機能付きインバータ回路の各上下アームに流れる電流の変化を示す図である。 同期電動機の磁極位置と電流パルスの振幅(ｉｕ１、ｉｖ２、ｉｗ３、ｉｕ４、ｉｖ５、ｉｗ６)および極性が異なる一対の電流パルスの振幅和Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの関係の一例を示す図である。 演算部が磁極位置を出力する際に参照するテーブルの一例を示す図表である。 演算部による磁極位置θを算出する際の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 磁極位置検出機能付きインバータ装置
２ 演算部
３ 電流検出機能付きインバータ回路
４ 同期電動機
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６ ダイオード
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６ ダイオード
５，６，７ 上アーム
８，９，１０ 下アーム
１１ 直流電源
１８ 入力回路
１９ ＣＰＵ
２０ メモリ
２１，２２ 出力回路

Claims (5)

1. 互いに逆並列接続された上アームのスイッチング素子および整流素子からなる上アーム部と互いに逆並列接続された下アームのスイッチング素子および整流素子からなる下アーム部とが直列に接続された一対のアーム部と、該一対のアーム部の下アーム部の下端に接続されたシャント抵抗と、の直列接続回路が並列に接続されたブリッジ回路を構成し、該ブリッジ回路の両端が直流電源の正負極間にそれぞれ接続されるとともに、該一対のアーム部の上アーム部と下アーム部との接続部のそれぞれが同期電動機の各相に接続され、電圧ベクトル指令に基づいて該同期電動機のｎ（ｎは３以上の整数）相巻線に所定の電圧を印加する電流検出機能付きインバータ回路と、
   前記電流検出機能付きインバータ回路に前記電圧ベクトル指令および該電圧ベクトル指令に同期するトリガ信号を出力するとともに、該電圧ベクトル指令の出力シーケンスに従って該電流検出機能付きインバータ回路のシャント抵抗によって検出された検出電流に基づいて前記同期電動機の磁極位置を算出する演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、電圧ベクトル指令として所定のパルス幅の信号を印加後、前記下アーム部の全てのスイッチング素子がオンとなるような期間を設け、該期間に前記検出電流を検出することを特徴とする磁極位置検出機能付きインバータ装置。
2. 前記演算部は、前記電圧ベクトル指令として２ｎ種類の電圧ベクトルを出力することを特徴とする請求項１に記載の磁極位置検出機能付きインバータ装置。
3. 前記所定のパルス幅が、数ｍｓオーダーの値に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁極位置検出機能付きインバータ装置。
4. 前記トリガ信号が、前記下アーム部の全てのスイッチング素子をオンとする電圧ベクトルに同期して出力されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の磁極位置検出機能付きインバータ装置。
5. 前記検出電流を検出する期間が、前記下アーム部の全てのスイッチング素子をオンとする電圧ベクトルの出力後の数μｓ〜十数μｓオーダーの範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の磁極位置検出機能付きインバータ装置。

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