JP2013066383A - 同期機の磁極位置検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】演算手段2aは、直流電圧源5の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られるよう、パルス幅決定部22aにより直流電圧検出値Vdcに応じてパルス幅tpおよびパルス休止幅tnをtpおよびtnの関係式に基づき変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングは直流電圧検出値Vdcに拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅tp終端時点に固定するよう制御するようにした。
【選択図】図4
Description
誘起電圧を利用した位置センサレス制御は、速度ゼロでは誘起電圧もゼロであるため、正しく回転子位置を推定することが出来ない。また、突極性を利用した方式は、磁極位置推定に利用する突極性が磁極位置の2倍の周期で変わるため、推定位置も磁極位置の2倍の周期となる。即ち、推定位置は同期機の磁極位置が0〜180度と180〜360度において、同じ値となって磁極位置を確実に検出するという点で十分とは言えない。
これは、互いに振幅が等しくかつ等間隔の位相の2n(nは相数で3以上の自然数)個の電圧ベクトルを同期機に印加したとき、位相が互いに180度異なる各一対の電圧ベクトル印加時に流れる電流検出値を互いに加算した加算電流値から磁極位置を検出するもので、この電圧ベクトルの印加により同期機が磁気飽和状態となることが前提となる。
そのために、必要な磁極位置検出精度を補償する磁気飽和状態が得られるよう、同期機に印加する電圧ベクトル指令の印加時間を予め調整設定しておく必要がある。
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、直流電圧検出値に応じてパルス幅を変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングが直流電圧検出値に拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅終端時点に固定するようパルス幅およびサンプリングタイミングを制御し、
パルス幅をtp、時間的に隣り合う電圧ベクトルの間隔幅からパルス幅tpを差し引いたパルス休止幅をtn、直流電圧検出値をVdc、基準となる定格直流電圧値をVdcnominal、基準となる定格パルス幅をtpnominalとしたとき、
演算手段は、下式に基づき、パルス幅tpおよびパルス休止幅tnを制御するようにしたものである。
tp=tpnominal×Vdcnominal/Vdc
tn=tp×kn
但し、knは定数。
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、直流電圧検出値に応じてパルス幅を変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングが直流電圧検出値に拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅終端時点に固定するようパルス幅およびサンプリングタイミングを制御し、
直流電圧源の直流電圧と所望の磁極位置検出精度が得られるパルス幅との関係特性を予め実験または解析により求めておき、
演算手段は、直流電圧検出値に応じて関係特性からパルス幅を求めるようにしたものである。
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、パルス幅は直流電圧検出値に拘わらず一定値に制御するとともに、直流電圧源の直流電圧とパルス幅内で所望の磁極位置検出精度が得られるサンプリングタイミングとの関係特性を予め実験または解析により求めておき、直流電圧検出値に応じて関係特性からサンプリングタイミングを求めるようにしたものである。
図1は、本発明の実施の形態1による同期機の磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。同期機1に対して供給される電力の流れについて説明すると、直流電圧源5の直流電圧出力が回路手段3へ入力され、回路手段3はこれを直流から多相交流に電力変換して同期機1に交流電力を供給する。
そして、この直流電圧源5の直流電圧は、既述したように、同一架線区間に存在する車両の走行状態と変電所容量に大きく依存して時々刻々変動することになり、この電圧変動を加味した制御が本願発明の要旨となるが、これについては後段で詳述するものとする。
演算手段2aは、回路手段3に対して電圧ベクトル指令を出力する。電圧ベクトル指令とは、具体的には回路手段3が具備する複数の電力変換半導体スイッチ31〜36のON、OFF指令の組み合わせであり、例えば、次のように9つのスイッチングモード「V0」〜「V8」を有し、定義される。
「V1」:31、35、36をオン、他をオフ
「V2」:31、32、36 〃
「V3」:34、32、36 〃
「V4」:34、32、33 〃
「V5」:34、35、33 〃
「V6」:31、35、33 〃
「V7」:31、32、33 〃
「V8」:34、35、36 〃
演算手段2aには、電流検出手段4によって取得される各相電流iu、iv、iwが入力され、スイッチングモード「V1」によって印加される電圧ベクトルの印加終了時をサンプリングタイミングとして、iu、iv、iwの値をiu1、iv1、iw1としてサンプルし、記憶する。同様に、引き続いて、各スイッチングモードによる電圧ベクトル印加終了時のサンプリングタイミングでの各相電流値を記憶する。図2の各相電流特性上に示した丸印の値が相当する。
Δiw=iw5+iw2 ・・・(3)
この実施の形態1は、上述した動作原理で磁極位置を検出する場合に、各電圧ベクトルのパルス幅tpを、直流電圧検出手段6によって検出される直流電圧源5の直流電圧値に応じて変化させるようにしたものである。
例えば、下式のように、パルス幅tp、パルス休止幅tnを与える。
tn=tp×kn ・・(5)
Vdcnominal:基準となる定格直流電圧値
tpnominal:基準となる定格パルス幅
kn:休止幅設定係数
である。
電圧指令生成手段21aは、こうしてパルス幅決定部22aから出力されたパルス幅tp、パルス休止幅tnに基づいて、スイッチングモード「V1」「V2」「V3」「V4」「V5」「V6」および休止モード「V0」による電圧ベクトルを、各期間幅で出力する。
実際の同期機1の磁気飽和特性は複雑であり、パルス幅tpの長さと、同期機1に流れる電流値のピークとは完全に比例するものではなく、また直流電圧検出値に完全に反比例するものでもない。よって、Vdcとtpとiu、iv、iwの関係を、事前に電磁界解析や、実機試験によって記録し、これに基づいて製品に実装するtpの対Vdc関係特性を決定し、関数化やテーブル化してパルス幅決定部22aに実装するとなお好適である。
また、直流電圧検出値Vdcが定格直流電圧値より大きい場合には、パルス幅tpを縮めることで、磁気飽和が過度に広範囲に及び磁極位置検出精度が低下することを防止することができる。また、相電流が流れ過ぎて主回路の保護に至るということも回避され磁極位置検出を安定に実行できるという効果を得ることができる。
図5は、本発明の実施の形態2による同期機の磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。演算手段2bの内容以外については実施の形態1の同期機1、回路手段3、電流検出手段4、直流電圧源5、直流電圧検出手段6と同等であり、その説明を省略する。
電圧指令生成手段21bは、実施の形態1の電圧指令生成手段21aと同様に、スイッチングモードとして「V0」および表1に示した「V1」「V2」「V3」「V4」「V5」「V6」を出力するが、パルス幅tp、パルス休止幅tnの設定については、直流電圧検出値Vdcに依らず一定に設定する。
図8は、磁極位置θ=0[deg]のときに、電圧ベクトル指令として、スイッチングモード「V1」「V4」を印加したときのu相電流の絶対値の挙動を示す模式図である。それぞれについて直流電圧検出値Vdcが130%の場合と70%の場合について、横軸をパルス印加時間(パルス幅)として示している。
この例では、Vdc=130%時には、パルス印加時間がts130[sec]の時点で電流をサンプリングし、これをiu1、iu4とすると、最もS/N比が高く、ひいては磁極検出精度が最良となることが分かる。
また、直流電圧検出値Vdcに依らずパルス幅tpとパルス休止幅tsは固定とするため、磁極位置検出に必要な全体の時間は直流電圧検出値Vdcに依らず一定となるため、磁極位置検出結果を用いる後段の演算処理や、並行して動作させる演算処理との連携動作の設計がし易いという効果も得られる。
なお、図8および図9によって説明した、S/N比が最適となるサンプリングタイミングtsの決定方法については、実施の形態1にも適用可能である。すなわち、実施の形態1ではパルス幅tpの印加終了時がサンプリングタイミングであるため、図8、図9にて説明したS/N比が最適となるタイミング時間を、予め、事前に電磁界解析や、実機試験によって、直流電圧検出値Vdcの各値毎に、S/N比が最良となるパルス幅tpを取得しておけば、磁極位置の検出精度をより改善する効果を得ることができる。
5 直流電圧源、6 直流電圧検出手段、31〜36 スイッチ、
21a,21b 電圧指令生成手段、22a パルス幅決定部、
23a,23b 磁極位置検出手段、24b サンプリングタイミング決定部。
Claims (6)
- 直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してn(nは3以上の自然数)相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、直流電圧検出値に応じて前記パルス幅を変化させるようにするとともに、前記サンプリングタイミングが前記直流電圧検出値に拘わらず前記各電圧ベクトルの前記パルス幅終端時点に固定するよう前記パルス幅および前記サンプリングタイミングを制御し、
前記パルス幅をtp、時間的に隣り合う前記電圧ベクトルの間隔幅から前記パルス幅tpを差し引いたパルス休止幅をtn、前記直流電圧検出値をVdc、基準となる定格直流電圧値をVdcnominal、基準となる定格パルス幅をtpnominalとしたとき、
前記演算手段は、下式に基づき、前記パルス幅tpおよびパルス休止幅tnを制御するようにした同期機の磁極位置検出装置。
tp=tpnominal×Vdcnominal/Vdc
tn=tp×kn
但し、knは定数。 - 直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してn(nは3以上の自然数)相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、直流電圧検出値に応じて前記パルス幅を変化させるようにするとともに、前記サンプリングタイミングが前記直流電圧検出値に拘わらず前記各電圧ベクトルの前記パルス幅終端時点に固定するよう前記パルス幅および前記サンプリングタイミングを制御し、
前記直流電圧源の直流電圧と所望の磁極位置検出精度が得られる前記パルス幅との関係特性を予め実験または解析により求めておき、
前記演算手段は、前記直流電圧検出値に応じて前記関係特性から前記パルス幅を求めるようにした同期機の磁極位置検出装置。 - 直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してn(nは3以上の自然数)相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、前記パルス幅は直流電圧検出値に拘わらず一定値に制御するとともに、前記直流電圧源の直流電圧と前記パルス幅内で所望の磁極位置検出精度が得られる前記サンプリングタイミングとの関係特性を予め実験または解析により求めておき、前記直流電圧検出値に応じて前記関係特性から前記サンプリングタイミングを求めるようにした同期機の磁極位置検出装置。 - 前記直流電圧源の直流電圧と前記パルス幅との関係特性は、既知の磁極位置に相当する電圧ベクトル印加時の電流検出値をi1、当該電圧ベクトルと位相が互いに180度異なる電圧ベクトル印加時の電流検出値をi2としたとき、下式に基づくS/N比が最大となるタイミングを前記直流電圧源の直流電圧に応じて予め実験または解析により求めた結果から作成するようにした請求項2記載の同期機の磁極位置検出装置。
S/N比=(|i1|−|i2|)/|i1| - 前記直流電圧源の直流電圧と前記サンプリングタイミングとの関係特性は、既知の磁極位置に相当する電圧ベクトル印加時の電流検出値をi1、当該電圧ベクトルと位相が互いに180度異なる電圧ベクトル印加時の電流検出値をi2としたとき、下式に基づくS/N比が最大となる前記パルス幅内でのタイミングを前記直流電圧源の直流電圧に応じて予め実験または解析により求めた結果から作成するようにした請求項3記載の同期機の磁極位置検出装置。
S/N比=(|i1|−|i2|)/|i1| - 前記軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧は直流電圧であり、
前記直流電圧源は、前記架線に給電された直流電圧を入力とし、車両側の集電装置およびフィルタ回路を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
前記直流電圧検出手段は、前記フィルタ回路を介して前記回路手段に出力される前記直流電圧を検出する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の同期機の磁極位置検出装置。
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