JP2011004483A - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の運転状態に左右されずに永久磁石磁束を高精度に推定可能とした制御装置を提供する。
【解決手段】形同期電動機８０の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束推定値の誤差を演算する演算器１１０と、前記誤差を増幅するゲイン１１１と、電動機８０の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する演算器１０２と、前記変化量と永久磁石磁束補正値との偏差を磁石の熱時定数により除算する除算手段１０４と、ゲイン１１１による増幅値と第１の重み係数１１２との積、及び、除算手段１０４の出力と第２の重み係数１０５との積を加算する加算器１２０と、その出力を積分して永久磁石磁束補正値を演算する積分器１２１と、前記初期設定値と永久磁石磁束補正値とを加算して永久磁石磁束推定値を演算する加算器１２２と、電動機の電流検出値と速度検出値とを用いて第１，第２の重み係数１１２，１０５を制御する手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、回転子の永久磁石の磁束を高精度に推定して電動機を制御するための技術に関するものである。

永久磁石形同期電動機のトルクは、回転子の永久磁石により発生する磁束の大きさにほぼ比例する。このため、トルクを高精度に制御するためには、永久磁石の磁束を事前に測定し、これに基づいて電動機の電流を制御することが有効である。ところが、永久磁石の磁束は温度によって変化するため、重負荷時のように永久磁石の温度が上昇する場合や周囲温度が変化した場合に、トルク制御精度が低下するという問題がある。

上記の問題に鑑み、電動機の運転中に永久磁石の磁束を推定する技術が公知となっている。
例えば、非特許文献１には、（２３）式として、電動機のｑ軸電圧方程式から導出した演算式から永久磁石磁束（非特許文献１中の起電力係数ＭＩ_ｆ）を演算する技術が示されている。
また、特許文献１には、電流及び速度が所定の条件を満たすときにだけ電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束（特許文献１中のφａＭ）を推定し、条件を満たさない場合は既に取得した永久磁石磁束の推定値を保持する技術が開示されている。この従来技術においては、永久磁石磁束の推定演算を高精度に実行可能な高速、軽負荷時に限定することにより、推定誤差が過大になるのを防止している。
更に、特許文献２には、電動機の熱抵抗及び熱容量モデル（これらをまとめて熱モデルという）を用いて電動機の温度を演算し、演算した温度を用いて永久磁石磁束を推定する技術が開示されている。

特開２００８−９２６４９号公報（段落[００２２]〜[００２４]、図１等） 特開２００２−７８３９０号公報（段落[００１０]〜[００１３]等）

大橋 敬典，執行 正謙，松井 信行，「パラメータ同定機能を持つブラシレスＤＣモータの適応電流制御法」，電気学会論文誌Ｄ，１０８巻１２号，１９８８年，ｐ．１０９１〜１０９８

非特許文献１や特許文献１のように電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束を推定すると、電力変換器の電圧制御誤差や電機子抵抗の温度変化の影響により、低速時や重負荷時に推定誤差が大きくなりやすい。このことは、非特許文献１の（２３）式及び特許文献１の[数５]において、速度による割算を行っていることからも明らかである。

また、特許文献１に係る従来技術では、低速時や重負荷時に推定演算を停止することで推定誤差が過大になるのを防ぐことができるが、推定演算の停止中に永久磁石の温度が変化した場合には、永久磁石磁束を正確に推定することができない。
一方、特許文献２のように電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束を推定する場合には、運転条件によらず推定できる利点があるが、永久磁石磁束を正確に推定するためには正確な熱モデルが必要であると共に、一部の実施形態（図２，図３等）では温度検出回路が必要になり、装置全体が複雑になる。

そこで、本発明の解決課題は、電動機の運転状態に左右されることなく永久磁石磁束を高精度に推定可能とした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転するための制御装置であって、
前記電動機の永久磁石磁束を推定し、その永久磁石磁束推定値を用いて前記電動機の電流を制御することにより前記電動機の速度及びトルクを制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の電圧方程式に基づいて前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する誤差演算手段と、
前記電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する変化量演算手段と、
前記永久磁石磁束推定値の誤差、前記初期設定値からの変化量、及び、前記初期設定値を用いて永久磁石磁束を推定する手段と、
を備えたものである。
この発明においては、電動機の運転条件に応じて、すなわち、高速、軽負荷時には前記電圧方程式に基づく永久磁石磁束推定値誤差を用いた第１の推定方法により、また、磁束推定誤差が大きくなる低速、重負荷時には、前記熱モデルに基づく永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を用いた第２の推定方法により、永久磁石磁束を高精度に推定可能としたものである。

請求項２に係る発明は、電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転するための制御装置であって、
前記電動機の永久磁石磁束を推定し、その永久磁石磁束推定値を用いて前記電動機の電流を制御することにより前記電動機の速度及びトルクを制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束推定値の誤差を演算する誤差演算手段と、
前記誤差を増幅する増幅手段と、
前記電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する変化量演算手段と、
前記変化量と永久磁石磁束補正値との偏差を磁石の熱時定数により除算する除算手段と、
前記増幅手段の出力と第１の重み係数との積、及び、前記除算手段の出力と第２の重み係数との積を加算する加算手段と、
前記加算手段の出力を積分して前記永久磁石磁束補正値を演算する積分手段と、
前記初期設定値と前記永久磁石磁束補正値とを加算して永久磁石磁束推定値を演算する手段と、
前記電動機の電流検出値と速度検出値とを用いて前記第１の重み係数及び第２の重み係数を制御する手段と、
を備えたものである。
この発明では、電動機の電流及び速度に応じて第１の重み係数と第２の重み係数とを制御することにより、第１、第２の推定方法のスムースな切換を可能にする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した制御装置において、永久磁石磁束の初期設定値が、無負荷時における永久磁石磁束であることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１または２に記載した制御装置において、永久磁石磁束の初期設定値が、平均温度時における永久磁石磁束であることを特徴とする。
これにより、初期状態における永久磁石磁束の推定誤差を低減することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載した制御装置において、前記変化量演算手段を具体化したものである。
すなわち、この変化量演算手段では、電動機の損失、磁石の熱抵抗、磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から、永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載した制御装置において、前記誤差演算手段を具体化したものである。
すなわち、この誤差演算手段は、
前記電動機の電流検出値、速度検出値、及び、前記永久磁石磁束推定値から前記電動機の端子電圧を推定する端子電圧推定手段と、
前記電動機の端子電圧推定値と端子電圧検出値との偏差である端子電圧推定誤差を演算する手段と、
前記端子電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、を備えたものである。

請求項７に係る発明は、請求項６と同様に、請求項１〜５のいずれか１項に記載した制御装置において、前記誤差演算手段を具体化したものである。
すなわち、この誤差演算手段は、
前記電動機の電流検出値、端子電圧検出値、及び、速度検出値から回転子の永久磁石によって端子に誘導される誘起電圧を演算する誘起電圧演算手段と、
前記永久磁石磁束推定値と前記速度検出値との積から誘起電圧推定値を演算する手段と、
前記誘起電圧推定値と誘起電圧演算値との偏差である誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
前記誘起電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、を備えたものである。

請求項８に係る発明は、請求項２〜７のいずれか１項に記載した制御装置において、
前記速度検出値、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第１の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第２の電圧変化量を演算する手段と、
前記第１の電圧変化量と前記第２の電圧変化量とを用いて前記第１の重み係数と前記第２の重み係数とを制御する手段と、を備えたものである。
これにより、配線抵抗を無視することができ、永久磁石温度と電機子巻線温度とが等しい場合に、第１の電圧変化量と第２の電圧変化量とを簡単に演算することができる。

請求項９に係る発明は、請求項２〜７のいずれか１項に記載した制御装置において、
前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第１の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第２の電圧変化量を演算する手段と、
前記第１の電圧変化量と前記第２の電圧変化量とを用いて前記第１の重み係数と前記第２の重み係数とを制御する手段と、を備えたものである。
これにより、配線抵抗を無視できるが永久磁石温度と電機子巻線温度とが異なる場合に、第１の電圧変化量と第２の電圧変化量とを簡単に演算することができる。

請求項１０に係る発明は、請求項２〜７のいずれか１項に記載した制御装置において、
前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第１の電圧変化量を演算する手段と、
前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、基準温度における電機子抵抗、配線の熱抵抗、配線の温度係数、及び、基準温度における配線抵抗から第２の電圧変化量を演算する手段と、
前記第１の電圧変化量と前記第２の電圧変化量とを用いて前記第１の重み係数と前記第２の重み係数を制御する手段と、を備えたものである。
これにより、配線抵抗が無視できない場合にも第１の電圧変化量と第２の電圧変化量とを演算することができる。

請求項１１に係る発明は、請求項５，９または１０に記載した制御装置において、永久磁石の熱抵抗を電動機の損失と磁石の温度上昇とから演算するものである。
これにより、永久磁石の熱抵抗を簡単に設定することができる。

請求項１２に係る発明は、請求項９または１０に記載した制御装置において、電機子巻線の熱抵抗を電動機の損失と電機子巻線の温度上昇とから演算するものである。
これにより、電機子巻線の熱抵抗を簡単に設定することができる。

請求項１３に係る発明は、請求項１０に記載した制御装置において、配線の熱抵抗を配線の損失と配線の温度上昇とから演算するものである。
これにより、配線の熱抵抗を簡単に設定することができる。

本発明によれば、永久磁石形同期電動機の速度や電流が異なる種々の運転条件において、永久磁石磁束を高精度に推定することができる。
なお、本発明は、磁極位置検出回路や速度検出回路を使わないで運転する、いわゆるセンサレスベクトル制御を行う場合にも適用可能である。

本発明の各実施形態に共通する制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る永久磁石磁束推定手段の構成図である。 本発明の第２実施形態に係る永久磁石磁束推定手段の構成図である。 評価関数ｘから第１，第２の重み係数を演算する関数の説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１に基づき、本発明の各実施形態に共通する制御装置の構成を、永久磁石形同期電動機を駆動する主回路の構成と共に説明する。この制御装置は、永久磁石形同期電動機の速度及びトルクを所定値に制御するためのものである。

永久磁石形同期電動機は、回転子のｄ軸（回転子の磁極方向）と、このｄ軸から９０度進んだｑ軸とに従って電流制御を行うことで、高精度な速度及びトルク制御を実現することができる。この実施形態においても、電動機の電流をｄ軸成分及びｑ軸成分に分解して制御を行うこととする。

始めに、制御装置に入力される諸量を検出する検出手段について説明すると、図１における入力電圧検出回路１２は、永久磁石形同期電動機８０を駆動する電力変換器７０の入力電圧Ｅ_ｄｃを検出する。また、磁極位置検出器９０は電動機８０の磁極位置θ_１を検出し、速度検出器９１は電動機８０の速度ω_１を検出する。

次に、電動機８０の速度指令値ω^＊と速度検出値ω_１との偏差を減算器１６により演算し、この偏差を速度調節器１７により増幅してトルク指令値τ^＊を演算する。
電流指令演算器１８は、トルク指令値τ^＊及び速度検出値ω_１と、本実施形態の主要部である永久磁石磁束推定手段３０により推定した永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔとから、電動機８０の端子電圧が電力変換器７０の最大出力電圧以下になる条件でトルク／電流が最大になり、かつ、トルクを所望の値とするためのｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算する。

永久磁石磁束推定手段３０は、ｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑ、ｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊及び速度検出値ω_１から、後述する演算処理によって永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔを演算する。
電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ及びｗ相電流検出器１１ｗによりそれぞれ検出した相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗを、磁極位置検出値θ_１に基づいて二軸量のｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑに座標変換する。

ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とｄ軸電流検出値ｉ_ｄとの偏差を減算器１９ａにより演算し、この偏差をｄ軸電流調節器２０ａにより増幅してｄ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊を演算する。また、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値ｉ_ｑとの偏差を減算器１９ｂにより演算し、この偏差をｑ軸電流調節器２０ｂにより増幅してｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を演算する。
これらのｄ，ｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊は、電圧座標変換器１５により、磁極位置検出値θ_１に基づいて相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

一方、主回路において、整流回路６０は三相交流電源５０の交流電圧を整流し、インバータ等からなる電力変換器７０に直流電圧を供給する。
ＰＷＭ回路１３は、前記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊と、入力電圧検出回路１２により検出した電力変換器７０の入力電圧Ｅ_ｄｃとから、電力変換器７０の出力電圧を上記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器７０はこのゲート信号に基づいて内部のＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子をオンオフ制御し、電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。
本実施形態では、永久磁石磁束推定手段３０を以下のように構成することにより、電動機８０の速度を指令値通りに制御し、温度変化等によって永久磁石磁束が変化した場合にも電動機８０のトルクを正確に制御可能とした。

次に、永久磁石磁束推定手段３０について詳細に説明する。
まず、図２は、本発明の第１実施形態における永久磁石磁束推定手段３０のブロック図であり、このブロック図は請求項１，２に係る発明に対応している。
この実施形態は、永久磁石同期電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束を推定する第１の永久磁石磁束推定方法（以下では、第１の推定方法という）と、永久磁石同期電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束を推定する第２の永久磁石磁束推定方法（第２の推定方法という）とを併用する点に特徴がある。

第１の推定方法によれば、特許文献１等から明らかなように、電動機の高速、軽負荷時に永久磁石磁束を高精度に推定することができる。しかし、電動機の低速、重負荷時には、等価電機子抵抗（電動機の電機子抵抗と配線抵抗との和と定義する）の温度変化や電力変換器７０の出力電圧の制御誤差によって推定誤差が大きくなる。
一方、第２の推定方法は、特許文献２等によれば、電動機の速度や負荷等の運転条件によらず永久磁石磁束を推定可能であるが、高精度化のためには電動機の正確な熱モデルや周囲温度の情報が必要である。
そこで、本実施形態では、電動機の運転条件に応じてこれら第１，第２の推定方法を使い分けることで、高精度に永久磁石磁束を推定するようにした。

次に、図２のブロック図の構成及び動作を説明する。まず、第１の推定方法及び第２の推定方法に共通する部分について述べる。
始めに、永久磁石磁束推定値の初期設定値を無負荷時（永久磁石温度が周囲温度Ｔ_ａに等しいとき）の永久磁石磁束Ψ_{ｍ（Ｔａ）}とする。無負荷時の永久磁石磁束Ψ_{ｍ（Ｔａ）}は、図２における無負荷永久磁石磁束演算器１２３が、所定の基準温度Ｔ_ａ０時の永久磁石磁束Ψ_{ｍ（Ｔａ０）}及び周囲温度Ｔ_ａから、数式１により演算する。

ここで、周囲温度Ｔ_ａは、予め設定した一定値、または、図示されていない温度検出回路による検出値のいずれでもよい。
永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔは、数式１により演算した無負荷時の永久磁石磁束Ψ_{ｍ（Ｔａ）}と、後述する積分器１２１により演算した永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}とを、加算器１２２により加算して求める。

第１の推定方法と第２の推定方法との切換えは、第１の重み係数１１２であるＷ_Ψｍと第２の重み係数１０５である（１−Ｗ_Ψｍ）とを用いて、加算器１２０を介した積分器１２１の入力を制御することにより実現する。
具体的には、電動機８０の高速、軽負荷時において第１の推定方法を実行する場合は、Ｗ_Ψｍを“１”に設定して（１−Ｗ_Ψｍ）を“０”に制御し、また、低速、重負荷時において第２の推定方法を実行する場合は、Ｗ_Ψｍを“０”に設定して（１−Ｗ_Ψｍ）を“１”に制御する。
また、第１の推定方法から第２の推定方法へ移行する場合は、Ｗ_Ψｍを“１”から“０”に減少させると共に、（１−Ｗ_Ψｍ）を、Ｗ_Ψｍとの和が“１”になるように増加させる。更に、第２の推定方法から第１の推定方法へ移行する場合は、Ｗ_Ψｍを“０”から“１”に増加させると共に、（１−Ｗ_Ψｍ）を、Ｗ_Ψｍとの和が“１”になるように減少させる。

次に、永久磁石同期電動機の電圧方程式に基づいた第１の推定方法について説明する。
図２における永久磁石磁束推定誤差演算器１１０は、ｄ，ｑ軸電流検出値ｉ_ｄ，ｉ_ｑ、ｑ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊及び速度検出値ω_１から、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψ_{ｍｅｒｒｅｓｔ}を求める。
ここで、請求項６に係る発明に基づく永久磁石磁束推定誤差演算器１１０を詳細に説明する。まず、永久磁石形同期電動機のｑ軸電圧方程式より、ｑ軸電圧推定値ｖ_ｑｅｓｔを数式２により演算する。

次に、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψ_{ｍｅｒｒｅｓｔ}を数式３により求める。

高速、軽負荷時において、第１の推定方法を実行するために、Ｗ_Ψｍを“１”に設定して（１−Ｗ_Ψｍ）を“０”に制御する場合、永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}及び永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔは、永久磁石磁束推定ゲイン１１１であるＧ_Ψｍ、Ｗ_Ψｍ＝１、加算器１２０、積分器１２１及び加算器１２２により、それぞれ数式４、数式５によって演算される。

以上に説明した演算処理により、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψ_{ｍｅｒｒｅｓｔ}が零になるように永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔが演算されるため、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔは真値に収束する。従って、図１の電流指令演算器１８は、この永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔを用いてｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を演算することができる。

次に、永久磁石同期電動機の熱モデルに基づいた第２の推定方法について説明する。
まず、図２における電動機損失演算器１０１は、電動機８０の銅損Ｑ_ｗ、鉄損Ｑ_ｉｒｏｎをそれぞれ数式６、数式７により演算する。

次に、電動機の損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒ}を、数式８により演算する。

永久磁石磁束変化量演算器１０２は、入力される電動機８０の損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒ}に比例した永久磁石磁束の無負荷時からの変化量ΔΨ_ｍを、数式９により演算する。
なお、数式９の演算は請求項５に係る発明に対応している。

図２における除算手段１０４の係数として、永久磁石の熱時定数Ｔ_ｔｈｍの逆数（１／Ｔ_ｔｈｍ）を設定すると共に、低速、重負荷時において第２の推定方法を実行するために、Ｗ_Ψｍを“０”に設定して（１−Ｗ_Ψｍ）を“１”に制御する場合、永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}は、前記変化量ΔΨ_ｍ、減算器１０３、除算手段１０４における（１／Ｔ_ｔｈｍ）、第２の重み係数１０５としての（１−Ｗ_Ψｍ）＝１、加算器１２０及び積分器１２１により、数式１０によって演算される。

そして、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔは、上記永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}と無負荷時の永久磁石磁束Ψ_{ｍ（Ｔａ）}とを加算器１２２により加算して求める。
数式１０によって演算した永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}は、永久磁石の温度上昇による永久磁石磁束の無負荷時からの変化量を、過渡現象を考慮して演算した結果に等しい。このため、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔは、永久磁石の温度上昇による変化が補正された正確な値として演算されることになり、この永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔが、図１の電流指令演算器１８によるｄ，ｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊の演算に用いられることになる。

次に、図３は、本発明の第２実施形態における永久磁石磁束推定手段３０のブロック図である。なお、このブロック図は請求項２，４に係る発明に対応している。
この実施形態は、図２に示した第１実施形態において、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔの初期設定値を、平均温度時における永久磁石磁束Ψ_{ｍ（ＡＶＥ）}に置き換えたものである。これにより、初期状態における永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔの最大誤差を低減可能としている。

図３のブロック図は、図２に示したブロック図の一部を変更したものであるため、以下では図２と異なる箇所を中心に説明する。
まず、第１の推定方法及び第２の推定方法に共通する部分について説明する。
永久磁石磁束平均変化量演算器１３０は、永久磁石磁束の無負荷時からの平均変化量ΔΨ_ｍＡＶＥを数式１１により演算する。

加算器１３２は、上記平均変化量ΔΨ_ｍＡＶＥと無負荷時の永久磁石磁束Ψ_{ｍ（Ｔａ）}とを加算し、平均温度時における永久磁石磁束Ψ_{ｍ（ＡＶＥ）}を演算する。
永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔは、平均温度時における永久磁石磁束Ψ_{ｍ（ＡＶＥ）}と永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}とを加算器１２２により加算して求める。

次に、永久磁石同期電動機の熱モデルに基づいた第２の推定方法について説明する。
図３において、減算器１３１は、永久磁石磁束の無負荷時からの変化量ΔΨ_ｍから永久磁石磁束の無負荷時からの平均変化量ΔΨ_ｍＡＶＥを減算して、永久磁石磁束の平均温度時からの変化量ΔΨ_ｍ２を演算する。

電動機８０の低速、重負荷時において第２の推定方法を実行するために、Ｗ_Ψｍを“０”に設定して（１−Ｗ_Ψｍ）を“１”に制御すると、永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}は、永久磁石磁束平均変化量演算器１３０から出力されるΔΨ_ｍＡＶＥ、永久磁石磁束変化量演算器１０２から出力されるΔΨ_ｍ、減算器１３１、減算器１０３、除算手段１０４における係数（１／Ｔ_ｔｈｍ）、第２の重み係数１０５である（１−Ｗ_Ψｍ）＝１、加算器１２０及び積分器１２１により、数式１２によって演算される。

数式１２におけるＲ_ｔｈｍＱ_{ｍｏｔｏｒ}は、物理的に磁石の温度上昇値に等しい。このため、数式１２によれば、永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}は、永久磁石温度が平均上昇値ΔＴ_ｍＡＶＥだけ変化した場合に零になる。このことから、平均温度時における永久磁石磁束Ψ_{ｍ（ＡＶＥ）}と永久磁石磁束補正値Ψ_{ｍｃｏｍｐ}とを加算器１２２により加算すれば、永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔを正確に求めることができる。

次いで、本発明の第３実施形態は、図２に示した第１実施形態、または、図３に示した第２実施形態において、永久磁石磁束推定誤差演算器１１０による演算内容を変えたものであり、請求項７に係る発明に対応している。
すなわち、この実施形態では、永久磁石磁束Ψ_ｍと速度ω_１との積に等しい誘起電圧の推定誤差から、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψ_{ｍｅｒｒｅｓｔ}を求める。
まず、永久磁石同期電動機のｑ軸電圧方程式より、誘起電圧演算値ｅ_ｃａｌｃを数式１３により求める。

一方、誘起電圧推定値ｅ_ｅｓｔを、速度検出値ω_１と永久磁石磁束推定値Ψ_ｍｅｓｔとの積から数式１４により演算する。

そして、永久磁石磁束推定誤差演算値Ψ_{ｍｅｒｒｅｓｔ}を、数式１５により求める。

次に、本発明の第４実施形態は、図２に示した第１実施形態または図３に示した第２実施形態において、第１の重み係数１１２及び第２の重み係数１０５を、永久磁石磁束の温度変化に起因する第１の電圧変化量、及び、等価電機子抵抗の温度変化に起因する第２の電圧変化量から演算するものであり、請求項８に係る発明に対応している。

まず、永久磁石磁束の温度変化に起因する第１の電圧変化量としての第１のｑ軸電圧変化量、及び、等価電機子抵抗の温度変化に起因する第２の電圧変化量としての第２のｑ軸電圧変化量について説明する。
第１のｑ軸電圧変化量は、永久磁石磁束の変化量と速度との積に等しい。一方、第２のｑ軸電圧変化量は、等価電機子抵抗の変化量とｑ軸電流との積に等しい。
ここで、永久磁石磁束Ψ_ｍの無負荷時からの温度変化による変化量は、数式１６によって表される。

また、等価電機子抵抗Ｒ_ａの無負荷時からの温度変化による変化量は、数式１７に示す如く、電機子抵抗Ｒ_ｗ及び配線抵抗Ｒ_ｌの、それぞれ無負荷時からの温度変化による変化量を加算した値となる。

次に、配線抵抗を無視でき、永久磁石温度と電機子巻線温度とが等しい場合について、第１のｑ軸電圧変化量及び第２のｑ軸電圧変化量から、第１の重み係数１１２と第２の重み係数１０５とを求めるための評価関数ｘの演算方法について説明する。
永久磁石温度と電機子巻線温度とが等しい場合、永久磁石の熱抵抗Ｒ_ｔｈｍと電機子巻線の熱抵抗Ｒ_ｔｈｗとが等しく、磁石の熱時定数Ｔ_ｔｈｍと電機子巻線の熱時定数Ｔ_ｔｈｗとが等しくなる。前述の数式１６に示した永久磁石磁束Ψ_ｍの変化量と数式１７に示した等価電機子抵抗Ｒ_ａの変化量との比から、評価関数ｘを数式８によって演算する。

数式１８に示した評価関数ｘの右辺第１項は、第１のｑ軸電圧変化量に比例し、右辺第２項は、第２のｑ軸電圧変化量に比例する。このため、評価関数ｘが零より大きいときに、電動機８０のｑ軸電圧方程式を使って永久磁石磁束を正確に推定することができる。

図４は、評価関数ｘから第１の重み係数１１２（図４では記号Ｗ_Ψｍ）及び第２の重み係数１０５（図４では記号１−Ｗ_Ψｍ）を演算する関数を示している。
評価関数ｘが、正のしきい値ｘ_ｔｈ１よりも小さい場合には、第１の重み係数１１２を“０”、第２の重み係数１０５を“１”とし、熱モデルに基づいた第２の推定方法を実行する。評価関数ｘがしきい値ｘ_ｔｈ１としきい値ｘ_ｔｈ２（なお、ｘ_ｔｈ１＜ｘ_ｔｈ２とする）との間にある場合は、第１の重み係数１１２を評価関数ｘに比例して“０”から“１”へ増加させ、第２の重み係数１０５は“１”から“０”へ減少させる。評価関数ｘがしきい値ｘ_ｔｈ２よりも大きい場合には、第１の重み係数１１２を“１”、第２の重み係数１０５を“０”とし、電圧方程式に基づいた第１の推定方法を実行する。

次いで、本発明の第５実施形態につき説明する。
この第５実施形態は、第４実施形態を磁石温度と電機子巻線温度とが異なる場合にも適用できるように評価関数ｘの演算方法を改良したものであり、請求項９に係る発明に対応する。
永久磁石の熱抵抗Ｒ_ｔｈｍと電機子巻線の熱抵抗Ｒ_ｔｈｗとが異なることを考慮し、評価関数ｘを数式１９により演算する。
この実施形態において、第１の重み係数１１２及び第２の重み係数１０５の演算は、第４実施形態と同様にすればよい。

次に、本発明の第６実施形態を説明する。この第６実施形態は、第５実施形態を配線抵抗が無視できない場合にも適用できるように改良したものであり、請求項１０に係る発明に対応する。
すなわち、前述した数式１６、数式１７において、電動機の鉄損Ｑ_ｉｒｏｎを零に近似し、電動機の損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒ}と配線の損失Ｑ_ｌとの比が電機子抵抗と配線抵抗との比に等しいと近似することで、評価関数ｘを数式２０により演算する。
この実施形態においても、第１の重み係数１１２及び第２の重み係数１０５の演算は、第４実施形態と同様にすればよい。

次に、本発明の第７実施形態につき説明する。
この第７実施形態は、上述した各実施形態において、永久磁石の熱抵抗Ｒ_ｔｈｍに、予め入手した永久磁石の温度上昇から計算した値を設定することを特徴としており、請求項１１に係る発明に対応している。
すなわち、定格運転時の電動機損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒＮ}と永久磁石の温度上昇値ΔＴ_ｍＮとから、永久磁石の熱抵抗Ｒ_ｔｈｍを数式２１により演算する。ここで、定格運転時の電動機損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒＮ}は、数式２２により演算すればよい。

次いで、本発明の第８実施形態について説明する。
この第８実施形態は、上述した各実施形態において、電機子巻線の熱抵抗Ｒ_ｔｈｗに、予め入手した電機子巻線の温度上昇から計算した値を設定することを特徴としており、請求項１２に係る発明に対応している。
すなわち、定格運転時の電動機損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒＮ}と電機子巻線の温度上昇値ΔＴ_ｗＮとから、電機子巻線の熱抵抗Ｒ_ｔｈｗを数式２３により演算する。なお、定格運転時の電動機損失Ｑ_{ｍｏｔｏｒＮ}は数式２２により演算すればよい。

最後に、本発明の第９実施形態につき説明する。
この第９実施形態は、上述した各実施形態において、配線の熱抵抗Ｒ_ｔｈｌに、予め入手した配線の温度上昇から計算した値を設定することを特徴とし、本発明の請求項１３に対応している。
定格運転時の電線損失Ｑ_ｌＮと電線の温度上昇値ΔＴ_ｌＮとから、電線の熱抵抗Ｒ_ｔｈｌを数式２４により演算する。なお、定格運転時の電線損失Ｑ_ｌＮは、数式２５により演算すればよい。

１１ｕ：ｕ相電流検出器
１１ｗ：ｗ相電流検出器
１２：入力電圧検出回路
１３：ＰＷＭ回路
１４：電流座標変換器
１５：電圧座標変換器
１６：加算器
１７：速度調節器
１８：電流指令演算器
１９ａ，１９ｂ：減算器
２０ａ：ｄ軸電流調節器
２０ｂ：ｑ軸電流調節器
３０：永久磁石磁束推定手段
５０：三相交流電源
６０：整流回路
７０：電力変換器
８０：永久磁石形同期電動機
９０：磁極位置検出器
９１：速度検出器
１０１：電動機損失演算器
１０２：永久磁石磁束変化量演算器
１０３，１３１：減算器
１０４：除算手段
１０５：第２の重み係数
１１０：永久磁石磁束推定誤差演算器
１１１：永久磁石磁束推定ゲイン
１１２：第１の重み係数
１２０：加算器
１２１：積分器
１２２，１３２：加算器
１２３：無負荷永久磁石磁束演算器
１３０：永久磁石磁束平均変化量演算器

Claims (13)

1. 電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転するための制御装置であって、
   前記電動機の永久磁石磁束を推定し、その永久磁石磁束推定値を用いて前記電動機の電流を制御することにより前記電動機の速度及びトルクを制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機の電圧方程式に基づいて前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する誤差演算手段と、
   前記電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する変化量演算手段と、
   前記永久磁石磁束推定値の誤差、前記初期設定値からの変化量、及び、前記初期設定値を用いて永久磁石磁束を推定する手段と、
   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。
2. 電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転するための制御装置であって、
   前記電動機の永久磁石磁束を推定し、その永久磁石磁束推定値を用いて前記電動機の電流を制御することにより前記電動機の速度及びトルクを制御するようにした永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記電動機の電圧方程式に基づいて永久磁石磁束推定値の誤差を演算する誤差演算手段と、
   前記誤差を増幅する増幅手段と、
   前記電動機の熱モデルに基づいて永久磁石磁束の初期設定値からの変化量を演算する変化量演算手段と、
   前記変化量と永久磁石磁束補正値との偏差を磁石の熱時定数により除算する除算手段と、
   前記増幅手段の出力と第１の重み係数との積、及び、前記除算手段の出力と第２の重み係数との積を加算する加算手段と、
   前記加算手段の出力を積分して前記永久磁石磁束補正値を演算する積分手段と、
   前記初期設定値と前記永久磁石磁束補正値とを加算して永久磁石磁束推定値を演算する手段と、
   前記電動機の電流検出値と速度検出値とを用いて前記第１の重み係数及び第２の重み係数を制御する手段と、
   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。
3. 請求項１または２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記永久磁石磁束の初期設定値が、無負荷時における永久磁石磁束であることを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
4. 請求項１または２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記永久磁石磁束の初期設定値が、平均温度時における永久磁石磁束であることを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記変化量演算手段は、
   前記電動機の損失、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から前記変化量を演算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。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記誤差演算手段は、
   前記電動機の電流検出値、速度検出値、及び、前記永久磁石磁束推定値から前記電動機の端子電圧を推定する端子電圧推定手段と、
   前記電動機の端子電圧推定値と端子電圧検出値との偏差である端子電圧推定誤差を演算する手段と、
   前記端子電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、
   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。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記誤差演算手段は、
   前記電動機の電流検出値、端子電圧検出値、及び、速度検出値から回転子の永久磁石によって端子に誘導される誘起電圧を演算する誘起電圧演算手段と、
   前記永久磁石磁束推定値と前記速度検出値との積から誘起電圧推定値を演算する手段と、
   前記誘起電圧推定値と誘起電圧演算値との偏差である誘起電圧推定誤差を演算する手段と、
   前記誘起電圧推定誤差と前記速度検出値とから前記永久磁石磁束推定値の誤差を演算する手段と、
   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。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記速度検出値、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第１の電圧変化量を演算する手段と、
   前記電流検出値、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第２の電圧変化量を演算する手段と、
   前記第１の電圧変化量と前記第２の電圧変化量とを用いて前記第１の重み係数と前記第２の重み係数とを制御する手段と、
   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。
9. 請求項２〜７のいずれか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第１の電圧変化量を演算する手段と、
   前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、及び、基準温度における電機子抵抗から第２の電圧変化量を演算する手段と、
   前記第１の電圧変化量と前記第２の電圧変化量とを用いて前記第１の重み係数と前記第２の重み係数とを制御する手段と、
   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。
10. 請求項２〜７のいずれか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    前記速度検出値、永久磁石の熱抵抗、永久磁石の温度係数、及び、基準温度における永久磁石磁束から第１の電圧変化量を演算する手段と、
    前記電流検出値、電機子巻線の熱抵抗、電機子巻線の温度係数、基準温度における電機子抵抗、配線の熱抵抗、配線の温度係数、及び、基準温度における配線抵抗から第２の電圧変化量を演算する手段と、
    前記第１の電圧変化量と前記第２の電圧変化量とを用いて前記第１の重み係数と前記第２の重み係数を制御する手段と、
    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。
11. 請求項５，９または１０に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    前記永久磁石の熱抵抗を、前記電動機の損失と永久磁石の温度上昇値とから演算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。
12. 請求項９または１０に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    前記電機子巻線の熱抵抗を、前記電動機の損失と電機子巻線の温度上昇値とから演算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。
13. 請求項１０に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    前記配線の熱抵抗を、配線の損失と配線の温度上昇値とから演算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。

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