JP2011109870A - 同期電動機の磁極位置推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の初期磁極位置を精度良く推定することができる同期電動機の磁極位置推定装置を提供する。
【解決手段】推定手段による磁極位置の推定後に回転子が回転したときに、同期電動機に設けられたエンコーダのパルスカウントから得られた回転子の回転量を磁極位置の推定値に加算して制御位相を演算する位相演算手段と、エンコーダの基準信号の入力直前及び直後に位相演算手段に演算された制御位相の差分が予め設定された許容誤差内になるように、パルス電圧のオン時間を変更するパルス電圧印加条件変更手段と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、同期電動機の磁極位置推定装置に関するものである。

同期電動機において、パルス電圧を印加した時の磁気飽和に伴う電流ピーク値の大小関係によって、電気角６０度の幅で回転子の初期磁極位置を推定するものが提案されている。これにより、同期電動機は、脱調なく始動し、速度上昇後に誘起電圧による磁極補正を行うことで、安定した運転が可能となっている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６６３９３７号公報

しかし、特許文献１記載のものにおいては、回転子の初期磁極位置が、電気角６０度の幅でしか推定されない。このため、エレベータ等、同期電動機の始動時から微妙なトルク制御や十分な加速トルクが要求される用途では、回転子の初期磁極位置の推定精度が悪いという問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、回転子の初期磁極位置を精度良く推定することができる同期電動機の磁極位置推定装置を提供することである。

この発明に係る同期電動機の磁極位置推定装置は、同期電動機の各相に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧に応答して前記各相に流れる電流値を検出する電流検出手段と、３６０度を均等分割した位相差を有した同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶した記憶手段と、前記電圧印加手段に、前記電圧指令ベクトルを変換した電圧指令に基づいて、前記各相に複数の磁極位置推定用のパルス電圧を順次切り換えて印加させる電圧制御手段と、前記複数の磁極位置推定用のパルス電圧に同期して前記各相に流れる電流の振幅に基づいて複数の電流ベクトルを演算し、前記複数の電圧指令ベクトルにそれぞれ応答した前記複数の電流ベクトルの平均ベクトルの位相に基づいて、前記回転子の磁極位置を推定する推定手段と、前記推定手段による前記磁極位置の推定後に前記回転子が回転したときに、前記同期電動機に設けられたエンコーダのパルスカウントから得られた前記回転子の回転量を前記磁極位置の推定値に加算して制御位相を演算する位相演算手段と、前記エンコーダの基準信号の入力直前及び直後に前記位相演算手段に演算された制御位相の差分が予め設定された許容誤差内になるように、前記パルス電圧のオン時間を変更するパルス電圧印加条件変更手段と、を備えたものである。

この発明によれば、回転子の初期磁極位置を精度良く推定することができる。

この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定に関する部分の基本構成図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定方法を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定結果を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置が印加するパルス電圧を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の電流検出手段が検出した相電流応答波形を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置のα相電流応答波形を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置のβ相電流応答波形を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置によって検出された電流ベクトルの軌跡を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置による磁極推定値の収束演算を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定手順を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の基準信号入力時ラッチ手段を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置によって行われる回転子の初期磁極位置の推定精度確認を説明するための図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態２における同期電動機の磁極位置推定装置の推定誤差を説明するための図である。 この発明の実施の形態２における同期電動機の磁極位置推定装置の全体構成図である。

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
まず、図１〜図１０を用いて、本実施の形態における同期電動機の磁極位置推定装置による回転子の磁極位置推定方法について説明する。
図１はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定に関する部分の基本構成図である。
図１において、１は同期電動機である。この同期電動機１の回転子（図示せず）は、永久磁石からなる。また、同期電動機１は、複数の相を有する。具体的には、同期電動機１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を有する。これらの相は、回路手段２に接続される。この回路手段２はインバータからなる。この回路手段２は、演算手段３の電圧指令に基づいて、同期電動機１の各相に電圧を印加する電圧印加手段として機能する。このとき、当該印加電圧に応答した電流が、同期電動機１の各相に流れる。これらの電流は、電流検出手段４で検出され、演算手段３に入力される。演算手段３は、検出電流値に基づいて、磁極位置を演算する。

上記制御により、演算手段３の電圧指令に基づきパルス電圧が印加される同期電動機１においては、回転子の磁極の位相と印加電圧の位相が同じ向きの場合、印加電圧で生ずる電流による磁束と回転子の磁石磁束も同じ向きとなる。このため、その磁束合算値が大きくなり、電動機鉄心に磁気飽和が生じる。そして、磁気飽和時では、同期電動機１の相の巻線インダクタンスが小さくなる。このため、同期電動機１の相に流れる電流振幅が大きく現れる。

一方、回転子の磁極の位相と印加電圧の位相が逆向きの場合、印加電圧で生ずる電流による磁束と回転子の磁石磁束も違う向きとなる。このため、磁束合算値は小さくなり、電動機鉄心に磁気飽和が生じない。そして、非磁気飽和時では、同期電動機１の相の巻線インダクタンスが大きくなる。このため、同期電動機１の相に流れる電流振幅が小さく現れる。即ち、回転子の磁極の位相と電圧印加の位相との関係により、電動機鉄心の磁気飽和の度合いが異なり、同期電動機１の相に流れる電流振幅が異なる。

本実施の形態においては、上記現象が利用され、回転子の初期磁極位置が推定される。以下、本実施の形態特有の構成を説明する。図１に示すように、演算手段３は、記憶手段５、推定手段６を備える。記憶手段５は、３６０度を均等分割した位相差を有した同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶する。

そして、演算手段３は、回転子の回転始動時、回路手段２に、電圧指令ベクトルを変換した電圧指令に基づいて、同期電動機１の各相に複数の磁極位置推定用のパルス電圧を順次切り換えて印加させる電圧制御手段として機能する。このとき、演算手段３は、電圧指令を回路手段２に出力するとともに、この電圧指令に同期したトリガ信号を電流検出手段４に出力する。これにより、電流検出手段４は、パルス電圧に同期して同期電動機１の各相に流れる電流パルスを検出する。

推定手段６は、電流パルスの振幅に基づいて電流ベクトルを演算する。その後、推定手段６は、複数の電圧指令ベクトルにそれぞれ応答した複数の電流ベクトルの平均ベクトルの位相に基づいて、回転子の初期磁極位置を推定する。

次に、図２及び図３を用いて、回転子の初期磁極位置の推定方法の手順を説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定方法を説明するための図である。図３はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定結果を説明するための図である。

図２（ａ）、（ｂ）には、α−β座標系と、モータ座標系が示される。α−β座標系は、固定座標系である。具体的には、α−β座標系は、直交したα軸及びβ軸で表される。モータ座標系は、回転子に対応した回転座標系である。具体的には、モータ座標系は、直交したｄ軸、ｑ軸で表される。以下では、このモータ座標系と固定座標系との位相差を推定対象とする。

まず、α−β座標系において、位相角０（ｄｅｇ）で、パルス状のパイロット電圧が印加される。図２（ａ）では、パイロット電圧は、Ｖ_α＝Ｖ_ｐ、Ｖ_β＝０である。このとき、モータ座標系上では、以下の（１）、（２）式の電圧が印加されることになる。
Ｖ’_ｄ１＝Ｖ_ｐ×ｃｏｓθ_１ （１）
Ｖ’_ｑ１＝Ｖ_ｐ×ｓｉｎθ_１ （２）

そして、図２（ｂ）に示すように、パイロット電圧に対するモータ電流応答Ｉ_α１、
Ｉ_β１は、以下の（３）、（４）式で表される。
I_α１＝Ｉ_α１１＋Ｉ_α１２＝Ｉ’_ｄ１×ｃｏｓθ_１＋Ｉ’_ｑ１×ｓｉｎθ_１ （３）
I_β１＝Ｉ_β１１＋Ｉ_β１２＝Ｉ’_ｄ１×ｓｉｎθ_１＋Ｉ’_ｑ１×ｃｏｓθ_１ （４）
ただし、
Ｉ’_ｄ１＝｛１／（Ｒ_ａ＋ｐＬ_ｄ）｝Ｖ’_ｄ１
Ｉ’_ｑ１＝｛１／（Ｒ_ａ＋ｐＬ_ｑ）｝Ｖ’_ｑ１
である。なお、Ｒ_ａは電機子巻線抵抗、ｐは微分演算子、Ｌ_ｄはｄ軸インダクタンス、Ｌ_ｑはｑ軸インダクタンスである。
（３）、（４）式に示すように、モータ電流応答Ｉ_α１、Ｉ_β１は、モータ座標系とα−β座標系の位相差θ_１の情報を含んでいる。従って、例えば、モータ座標系のｄ軸とパイロット電圧のベクトルが近接する場合に、Ｉ’_ｄ１は大きくなる。

上記のような演算が、パイロット電圧の位相を０〜３００（ｄｅｇ）として、６０（ｄｅｇ）毎に、繰り返される。
このときのパイロット電圧は、以下の（５）、（６）式で表される。
Ｖ’_{α（ｎ＋１）}＝Ｖ_ｐ×ｃｏｓ（０＋６０×ｎ） （５）
Ｖ’_{β（ｎ＋１）}＝Ｖ_ｐ×ｓｉｎ（０＋６０×ｎ） （６）
ただし、ｎ＝０〜５である。

また、このときのモータ電流応答Ｉ_αｎ、Ｉ_βｎは、以下の（７）、（８）式で表される。
I_{α（ｎ＋１）}＝Ｉ_{α（ｎ＋１）１}＋Ｉ_{α（ｎ＋１）２}
＝Ｉ’_{ｄ（ｎ＋１）}×ｃｏｓθ_１＋Ｉ’_{ｑ（ｎ＋１）}×ｓｉｎθ_１ （７）
I_{β（ｎ＋１）}＝Ｉ_{β（ｎ＋１）１}＋Ｉ_{β（ｎ＋１）２}
＝Ｉ’_{ｄ（ｎ＋１）}×ｓｉｎθ_１＋Ｉ’_{ｑ（ｎ＋１）}×ｃｏｓθ_１ （８）
ただし、
Ｉ’_{ｄ（ｎ＋１）}＝｛１／（Ｒ_ａ＋ｐＬ_ｄ）｝Ｖ’_{ｄ（ｎ＋１）}
Ｉ’_{ｑ（ｎ＋１）}＝｛１／（Ｒ_ａ＋ｐＬ_ｑ）｝Ｖ’_{ｑ（ｎ＋１）}
ｎ＝０〜５である。

次に、６パルスのパイロット電圧に対する各電流応答Ｉ_α１〜Ｉ_α６、Ｉ_β１〜Ｉ_β６の積算値Ｉ_αｓｕｍ、Ｉ_βｓｕｍが演算される。このＩ_αｓｕｍ、Ｉ_βｓｕｍは、以下の（９）、（１０）式で表される。

最後に、Ｉ_αｓｕｍ、Ｉ_βｓｕｍの逆正接θ＊を求める。この逆正接θ＊は、以下の（１１）式で表される。
θ＊＝ｔａｎ^−１（Ｉ_βｓｕｍ／Ｉ_αｓｕｍ） （１１）
この逆正接θ＊が、モータ座標系と固定座標系との位相差と推定される。この位相差に基づいて、回転子の初期磁極位置が推定される。ここで、図３には、逆正接θ＊が７で示される。図３に示すように、逆正接θ＊とモータ座標系と固定座標系との位相差は、略一致する。即ち、回転子の初期磁極位置も精度良く推定される。

次に、図４〜図９を用いて、回転子の初期磁極位置の推定方法をより詳細な具体例で説明する。
図４はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置が印加するパルス電圧を説明するための図である。

図４には、電圧指令ベクトルＶ１〜Ｖ６が示される。これらの電圧指令ベクトルは、３６０度を均等に６分割した位相差を有するものである。具体的には、Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５がそれぞれ、同期電動機１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の位相に合わせるように設定される。そして、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６は、これらの相のうちの隣接する相間の中間位相に合わせるように設定される。そして、これらの電圧指令ベクトルに対応したパルス電圧が、同期電動機１の各相に印加される。

図５はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の電流検出手段が検出した相電流応答波形を説明するための図である。
図５において、横軸は時間を表し、縦軸は電流値を表す。ここで、８はＵ相に流れる電流値である。９はＶ相に流れる電流値である。パルス電圧のオン時間は、磁気飽和可能な電流となるように電動機個々に設定される。図５では、当該時間は、４００（μｓｅｃ）に設定された場合である。

また、隣接するパルス電圧間のオフ電圧は、隣接パルス電圧間の電流波形が重複しないように任意に設定される。なお、パルス電圧の切り換え時のゼロ電圧は、同期電動機１の各相のスイッチング素子の全ゲートをオフにすることで発生させる。図５では、当該時間は、２．４（ｍｓｅｃ）に設定された場合である。

さらに、回転子の初期磁極位置の推定時間は、所定要件を満たすように設定される。例えば、エレベータに利用される場合は、回転子の初期磁極位置の推定がブレーキ開放前に終了するように設定される。具体的には、図５では、当該時間は、２０（ｍｓｅｃ）に設定された場合である。ここで、Ｖ１に対応した電流は、約０．００３（ｓｅｃ）時点で、所定の極性及びピーク値を持った波形として現れる。同様に、Ｖ２〜Ｖ６に対応した電流も所定時点で、所定の極性及びピーク値を持った波形として現れる。

図６はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置のα相電流応答波形を説明するための図である。図７はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置のβ相電流応答波形を説明するための図である。図６及び図７の横軸、縦軸は、図５と同様である。

ここで、１０はＩｕとＩｖからα−β座標系に変換された電流値Ｉ_αである。また、１１はＩｕとＩｖからα−β座標系に変換された電流値Ｉ_βである。
図６及び図７に示すように、Ｉ_α、Ｉ_βは、Ｉｕ、Ｉｖと同時点に、ピーク値を持った値として表される。このピーク値が、パルス電圧印加時の電流の振幅として検出される。

図８はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置によって検出された電流ベクトルの軌跡を説明するための図である。
図８において、横軸はＩαの電流値１０を示し、縦軸はＩβの電流値１１を示す。ここで、各パルス電圧に対応した電流ベクトル１２の先端は、四角で示される。これらの電流ベクトル１２の積算値、即ち、平均ベクトル１３の先端は、三角で示される。図８では、ｄ軸方向にある電流ベクトル１２が伸長し、平均ベクトル１３もｄ軸の方向を示す。

図９はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置による磁極推定値の収束演算を説明するための図である。
図９において、横軸は時間を表し、縦軸はでＵ相の電流値及び初期磁極位置の推定値を表す。図９には、Ｕ相に流れる電流値８と平均ベクトル１３の位相７の収束演算結果が示される。
図９に示すように、０．２２（ｓｅｃ）以降、６０度強の値で、平均ベクトル１３の位相が収束していることが確認される。なお、収束演算時間は、収束の状態を確認した上で任意に設定される。

次に、図１０を用いて、磁極位置推定装置の動作を説明する。
図１０はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の磁極位置推定手順を説明するためのフローチャートである。図１０には、図４〜図９の一連の動作が示される。

まず、ステップＳ１で磁極位置推定用のパルス電圧が同期電動機１の相に印加され、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、Ｕ相、Ｖ相に流れる電流値Ｉｕ、Ｉｖが検出され、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、電流値Ｉｕ、Ｉｖがα−β座標系の電流値Ｉ_α、Ｉ_βに変換され、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、電流値Ｉα、Ｉβの最大値Ｉ_Ｎα、Ｉ_Ｎβが検出され、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機１の相に印加されたか否かが判定される。６パルスのパルス電圧全てが印加されていないと、ステップＳ１に戻る。一方、６パルスのパルス電圧全てが印加されていると、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、電流値Ｉ_α、Ｉ_βの最大値Ｉ_Ｎα、Ｉ_Ｎβの電流積算値Ｉ０（Ｉ_０α、Ｉ_０β）が演算され、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、回転子の初期磁極位置の推定値が収束演算により求められる。

上記基本構成によれば、複数の電圧指令ベクトルにそれぞれ応答した複数の電流ベクトルの平均ベクトル１３の位相に基づいて、回転子の初期磁極位置が推定される。このため、電気角６０度毎の幅よりも高い精度で、回転子の初期磁極位置を推定することができる。

しかし、上記基本構成のみの場合、個々の同期電動機１について、磁気飽和可能な電流が流れるようにパルス電圧のオン時間を設定するために基礎試験を実施する必要がある。また、上記基本構成のみでは、回転子の初期磁極位置の推定精度確認を行うことができない。そこで、本実施の形態においては、パルス電圧のオン時間の自動調整及び回転子の初期磁極位置の推定精度確認を行うことができる構成とした。以下、本実施の形態における同期電動機１の磁極位置推定装置の全体構成を説明する。

図１１はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の全体構成図である。
図１１において、１４はエンコーダである。このエンコーダ１４は、同期電動機１に設けられる。このエンコーダ１４は、Ａ、Ｂ相信号を所定間隔で出力する機能を備える。また、エンコーダ１４は、機械角３６０度で１パルスだけ基準信号を出力する機能を備える。１５は位相演算手段である。この位相演算手段１５は、推定手段６が推定した磁極位置とエンコーダ１４が出力したＡ、Ｂ相信号のパルスカウントに基づく回転子の回転量とを加算して電流制御用位相を演算する機能を備える。

１６は電流制御器である。この電流制御器１６は、従来から備えられているものである。この電流制御器１６は、電流検出手段４が検出した電流検出値と位相演算手段１５が演算した電流制御用位相とが入力される機能を備える。そして、電流制御器１６は、電流検出値と電流制御用位相とに基づいた電圧指令を回路手段２に出力する機能を備える。１７は基準信号入力時ラッチ手段である。この基準信号入力時ラッチ手段１７は、エンコーダ１４の基準信号の入力直前の電流制御用位相θ１と入力直後の電流制御用位相θ２とをラッチする機能を備える。

一方、演算手段３は、記憶手段５、推定手段６の他に、誤差検出手段１８、誤差記憶手段１９、誤差平均演算手段２０、誤差許容値記憶手段２１、パルス幅判断手段２２、パルス電圧印加条件変更手段２３を備える。さらに、図１１においては、演算手段３の一つの手段として、電圧制御手段２４が明示される。

誤差検出手段１８は、基準信号入力時ラッチ手段１７でラッチされた電流制御用位相θ１、θ２の差分を演算する機能を備える。誤差記憶手段１９は、回転子の磁極位置の推定が指定回数だけ複数回行われたときに、誤差検出手段１８で演算された差分をその都度記憶する機能を備える。誤差平均演算手段２０は、誤差記憶手段１９に記憶された電流制御用位相θ１、θ２の差分の平均値を演算する機能を備える。誤差許容値記憶手段２１は、予め設定された許容誤差の範囲を記憶する機能を備える。

パルス幅判断手段２２は、誤差平均演算手段２０が演算した電流制御用位相θ１、θ２の差分の平均値が誤差許容値記憶手段２１に記憶された許容誤差の範囲内であるか否かを判定する機能を備える。また、パルス幅判断手段２２は、電流制御用位相θ１、θ２の差分の平均値が許容誤差の範囲内の場合に、そのときのパルス電圧のオン時間設定値を記憶手段５の値として確定する機能を備える。パルス電圧印加条件変更手段２３は、電流制御用位相θ１、θ２の差分の平均値が許容誤差の範囲外の場合に、記憶手段５に記憶されたパルス電圧のオン時間を変更する機能を備える。

次に、図１２を用いて、回転子の初期磁極位置の推定誤差について説明する。
図１２はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の基準信号入力時ラッチ手段によってラッチされた電流制御用位相を説明するための図である。
図１２において、横軸は時間を表し、縦軸は電流制御用位相を表す。電流制御用位相は、同期電動機１の回転方向よりインクリメント又はデクリメントとなる。ここでは、インクリメントの場合を説明することにする。

一般に、回転子の極対数が多くなると、電気角あたりの機械角の数値は小さくなる。従って、回転子が電気角３６０度に相当する分回転している間に必ずエンコーダ１４が基準信号を出力するとは限らない。即ち、基準信号の入力があるまでは、回転子の回転量しか分からず、基準信号の入力によって初めて回転子の絶対位置が確定することになる。そして、回転子の絶対位置の確定により、電流制御用位相を補正する必要がある。この補正値は、回転子の磁極位置の推定誤差を意味する。この補正値は、基準信号の入力直前の電流制御用位相θ１と入力直後の電流制御用位相θ２の差で求めることができる。

次に、図１３を用いて、パルス幅判断手段２２によって行われる回転子の初期磁極位置の推定精度確認について説明する。
図１３はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置によって行われる回転子の初期磁極位置の推定精度確認を説明するための図である。
図１３の左側において、２５は許容誤差の上限（γ）である。２６は許容誤差の下限（−γ）である。２７は電流制御用位相θ１、θ２の差分である。図１３の右側において、２８は電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の平均値である。

図１３の左側に示すように、どの差分２７も許容誤差±γ内に収まっている。従って、図１３の右側に示すように、差分２７の平均値２８も許容誤差の範囲内に収まっている。この場合、回転子の初期磁極位置の推定精度が確保されており、十分な磁気飽和を発生させる電流量が得られていると判断される。なお、図示はしないが、差分２７の平均値が許容誤差の範囲外のときは、回転子の初期磁極位置の推定精度が確保されておらず、十分な磁気飽和を発生させる電流量が得られていないと判断される。

次に、図１４を用いて、本実施の形態の磁極位置推定装置の一連の動作を具体的に説明する。
図１４はこの発明の実施の形態１における同期電動機の磁極位置推定装置の動作を説明するためのフローチャートである。
まず、図１０のステップＳ１〜ステップＳ７で説明した通り、回転子の初期磁極位置が推定され、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、同期電動機１が始動され、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、エンコーダ１４の基準信号の入力を待って、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０では、基準信号入力直前及び直後の電流制御用位相θ１、θ２がラッチ・取得され、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、今回の始動時における回転子の初期磁極位置の推定誤差として、電流制御用位相θ１、θ２の差分が演算され、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２では、回転子の初期磁極位置の推定誤差が記憶され、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３では、カウンタＣＮＴ（図示せず）がカウントアップされ、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、同期電動機１が停止され、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、カウンタＣＮＴが予め設定された指定回数Ｎ以上であるか否かが判定される。カウンタＣＮＴが指定回数Ｎよりも小さい場合は、ステップＳ１に戻り、上記動作が繰り返される。一方、カウンタＣＮＴが指定回数Ｎに達すると、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、推定誤差の平均値Ｅｎが演算され、ステップＳ１７に進む。ステップＳ１７では、推定誤差の平均値Ｅｎの絶対値が許容誤差γよりも小さいか否かが判定される。推定誤差の平均値Ｅｎの絶対値が許容誤差γよりも小さい場合は、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、その時点のオン時間が記憶手段５の値として確定され、動作が終了する。

これに対し、ステップＳ１７で推定誤差の平均値Ｅｎの絶対値が許容誤差γの絶対値よりもよりも大きい場合は、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、パルス電圧のオン時間が予め設定された分だけ長くなるように設定される。例えば、パルス電圧のオン時間が演算周期の一周期分だけ長くなるように設定される。また、これと同時に、カウンタＣＮＴがリセットされ、ステップＳ１からの動作が繰り返される。

以上で説明した実施の形態１によれば、複数の電圧指令ベクトルにそれぞれ応答した複数の電流ベクトルの平均ベクトル１３の位相に基づいて、回転子の初期磁極位置が推定される。このため、電気角６０毎の幅よりも高い精度で、回転子の初期磁極位置を推定することができる。

さらに、パルス電圧印加条件変更手段２３は、エンコーダ１４の基準信号の入力直前及び直後に位相演算手段１５に演算された電流制御用位相θ１、θ２の差分が予め設定された許容誤差内になるように、パルス電圧のオン時間を変更する。このため、回転子の初期磁極位置の推定精度を高めるために必要なパルス電圧のオン時間の設定を自動で行うことができる。即ち、設計者が同期電動機１毎にチューニングするする必要がなくなり、磁極位置推定装置の設計省略化を図ることができる。

また、極対数に対応した絶対位置検出機能付きエンコーダ１４を要することなく、容易に回転子の初期磁極位置の推定精度確認を行うことができる。即ち、新しい設計の同期電動機１で極対数が異なる場合でも、絶対位置検出機能付きエンコーダ１４を試作する必要がなくなり、コストと手間を省くことができる。

さらに、パルス電圧印加条件変更手段２３は、磁極位置の推定を複数回行って得られた複数の電流制御用位相θ１、θ２の差分の平均値が許容誤差内になるように、パルス電圧のオン時間を変更する。このため、回転子の初期磁極位置を推定する際に生じる誤差のばらつきを許容することができる。

加えて、パルス電圧印加条件変更手段２３は、電流制御用位相θ１、θ２の差分の平均値が許容誤差外のときに、パルス電圧のオン時間を予め設定された分だけ長くする。これにより、極力短いオン時間を有したパルス電圧で、回転子の初期磁極位置を推定することができる。

また、同期電動機１は、３相を有し、推定手段６は、磁極位置推定用のパルス電圧に同期して同期電動機１の３相に流れる電流の振幅のうちの２相に流れる電流の振幅に基づいて電流ベクトルを演算し、回転子の初期磁極位置を推定する。このため、通常の電動機制御で用いる演算手段３を流用して、簡便かつ精度の良い回転子の初期磁極位置の推定が可能となる。また、新たな装置を必要としないため、磁極位置推定装置の小型化が図られる。もちろん、３相に流れる電流を検出して電流ベクトルを演算することも可能である。

さらに、演算手段３は、電圧指令ベクトルの３つの位相を、同期電動機１の３相の位相に合わせ、電圧指令ベクトルの他の３つの位相を、同期電動機１の３相のうちの隣接する相間の中間位相に合わせる。このため、回路手段２への電圧指令を簡素化することができる。加えて、演算手段３は、初期磁極位置推定用のパルス電圧の切り換え時に、各相のスイッチング素子の全ゲートをオフしてゼロ電圧を発生させる。このため、回転子の初期磁極位置の推定時間を短縮することができる。

実施の形態２．
図１５はこの発明の実施の形態２における同期電動機の磁極位置推定装置の推定誤差を説明するための図である。図１６はこの発明の実施の形態２における同期電動機の磁極位置推定装置の全体構成図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

通常、同期電動機１の製造個体差により磁気飽和の容易性は異なる。この場合、図１５に示すように、電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の平均値２８が許容誤差の範囲外となっていても、電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の平均値２８の振幅が許容誤差γの振幅の２倍以内であれば、推定のばらつきが安定していると考えることができる。そこで、実施の形態２においては、差分２７の平均値２８を磁極推定位置のオフセット値とすることで、回転子の磁極位置の推定精度をより高める構成とした。

具体的には、実施の形態２における磁極位置推定装置においては、図１６に示すように、実施の形態１の磁極位置推定装置に誤差最大値最小値記憶手段２９と補正値δ設定手段３０とが付加される。誤差最大値最小値記憶手段２９は、誤差記憶手段１９に記憶された電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の最大値Ｅｍａｘと最小値Ｅｍｉｎとを抽出して記憶する機能を備える。補正値δ設定手段３０は、初期状態において補正値δが０設定されている。

かかる構成の磁極位置推定装置においては、最大値Ｅｍａｘと最小値Ｅｍｉｎの差分が許容誤差γの振幅の２倍以内である場合、パルス幅判断手段２２は、補正値δ設定手段３０に補正値δとして電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の平均値２８を再設定する。そして、位相演算装置１５は、回転子の回転量とともに電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の平均値２８を磁極位置の推定値に加算して制御位相を演算する。

以上で説明した実施の形態２によれば、電流制御用位相θ１、θ２の差分２７の平均値２８がオフセットしている場合でも、パルス電圧のオン時間を大きくすることなく、高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。

例えば、エレベータ用途では、据付段階の各階停止運転で数往復運転させることで、パルス電圧のオン時間の設定と補正値δによる推定磁極位置の補正とを行うことができる。このため、エレベータの据付作業の効率化を図ることができる。

１ 同期電動機、 ２ 回路手段、 ３ 演算手段 ４ 電流検出手段、
５ 記憶手段、 ６ 推定手段、 ７ 逆正接θ＊、 ８〜１１ 電流値、
１２ 電流ベクトル、 １３ 平均ベクトル、 １４ エンコーダ、
１５ 位相演算手段、 １６ 電流制御器、 １７ 基準信号入力時ラッチ手段、
１８ 誤差検出手段、 １９ 誤差記憶手段、 ２０ 誤差平均演算手段、
２１ 誤差許容値記憶手段、 ２２ パルス幅判断手段、
２３ パルス電圧印加条件変更手段、 ２４ 電圧制御手段、 ２５ 許容誤差の上限、２６ 許容誤差の下限、 ２７ 電流制御用位相θ１、θ２の差分、
２８ 差分の平均値、 ２９ 誤差最大値最小値記憶手段、 ３０ 補正値δ設定手段、

Claims (7)

1. 同期電動機の各相に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記電圧に応答して前記各相に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
   ３６０度を均等分割した位相差を有した同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶した記憶手段と、
   前記電圧印加手段に、前記電圧指令ベクトルを変換した電圧指令に基づいて、前記各相に複数の磁極位置推定用のパルス電圧を順次切り換えて印加させる電圧制御手段と、
   前記複数の磁極位置推定用のパルス電圧に同期して前記各相に流れる電流の振幅に基づいて複数の電流ベクトルを演算し、
   前記複数の電圧指令ベクトルにそれぞれ応答した前記複数の電流ベクトルの平均ベクトルの位相に基づいて、前記回転子の磁極位置を推定する推定手段と、
   前記推定手段による前記磁極位置の推定後に前記回転子が回転したときに、前記同期電動機に設けられたエンコーダのパルスカウントから得られた前記回転子の回転量を前記磁極位置の推定値に加算して制御位相を演算する位相演算手段と、
   前記エンコーダの基準信号の入力直前及び直後に前記位相演算手段に演算された制御位相の差分が予め設定された許容誤差内になるように、前記パルス電圧のオン時間を変更するパルス電圧印加条件変更手段と、
   を備えたことを特徴とする同期電動機の磁極位置推定装置。
2. 前記パルス電圧印加条件変更手段は、前記磁極位置の推定を複数回行って得られた複数の前記差分の平均値が前記許容誤差内になるように、前記パルス電圧のオン時間を変更することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
3. 前記パルス電圧印加条件変更手段は、前記差分の平均値が前記許容誤差外のときに、前記オン時間を予め設定された分だけ長くすることを特徴とする請求項２記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
4. 前記位相演算装置は、前記差分の最大値と最小値との差が前記許容誤差の振幅の２倍以内の場合は、前記回転子の回転量とともに前記差分の平均値を前記磁極位置の推定値に加算して前記制御位相を演算することを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれかに記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
5. 前記同期電動機は、３相を有し、
   前記推定手段は、前記磁極位置推定用のパルス電圧に同期して前記３相に流れる電流の振幅のうちの２相に流れる電流の振幅に基づいて座標変換により前記電流ベクトルを演算することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の同期電動機の磁極推定装置。
6. 前記記憶手段は、３６０度を均等に６分割した位相差を有した同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶し、
   前記電圧制御手段は、前記電圧指令ベクトルの３つの位相を、前記３相の位相に合わせ、前記電圧指令ベクトルの他の３つの位相を、前記３相のうちの隣接する相間の中間位相に合わせることを特徴とする請求項５記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
7. 前記電圧制御手段は、前記磁極位置推定用のパルス電圧の切り換え時に、前記各相のスイッチング素子の全ゲートをオフしてゼロ電圧を発生させることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の同期電動機の磁極位置推定装置。

Images