JP2016032342A - 同期電動機の速度・位相推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直列多段方式のインバータで駆動される同期電動機において、セルユニットの通信遅れやセルユニット個体差によるゲート遅れがあっても、正確に同期電動機の速度・位相を推定する。
【解決手段】制御部１からセルユニットＵ１〜Ｗ３への送信信号をループバックさせ、この時の各セルユニットＵ１〜Ｗ３への送受信時間差分を計測する。各セルユニットＵ１〜Ｗ３の前記送受信時間差分の差に基づいてゲート信号の送信タイミングを補正する。この補正したゲート信号により、同期電動機の空転状態時に、全セルユニットＵ１〜Ｗ３の下アームスイッチング素子または上アームのスイッチング素子を同時にＯＮして同期電動機に短絡パルス電流を発生させ、この短絡パルス電流の各計測時間の時間間隔ｔａ，ｔｂと位相間隔θａ，θｂに基づいて同期電動機の速度ω＿ｅｓｔおよび位相を推定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、直列多重方式の高圧インバータで駆動される同期電動機の速度・位相推定方法に関する。

直列多重方式の高圧インバータは、従来の２レベルや３レベルなどのインバータのように直流リンク部が一つではなく、入力トランスＴ_inで絶縁された複数の直流リンク部を有する。セルユニットと呼ばれる単相インバータを多段に直列接続することにより、接続した段数分の直流電圧の合計を出力することができる。

特開２００６−２３８５４１号公報 特開２０１２−２１３２９３号公報 特開２００４−２１５４６６号公報 特開２００２−１０１６４２号公報 特開２００８−１３１７１２号公報 特開平５−２９２７５３号公報

しかしながら、 永久磁石を界磁源とする同期電動機は、空転中にモータ端子に速度誘起起電力が発生する。そのため、インバータなどで同期電動機を起動する場合は、インバータが零電圧を出力するとモータ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。

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―位相の電圧を継続して出力する必要がある。しかし、位置センサや速度センサがないと、この電圧振幅や位相を設定することができない。

そこで、特許文献３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（以下、短絡パルス電流と称する）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する。これを時間間隔を空けて実行し、その時間差と計測位相差より速度を推定している。

図６に、２レベルインバータの場合のモータ端子を短絡する電流経路を示す。図７は、発生した短絡パルス電流のベクトルの位相から、同期電動機の速度を検出する原理を示すチャートである。

例として、３回の短絡パルス電流で計測した位相と時間から同期電動機の速度を計算できる。

例えば、図６に示すように、下アーム全相のスイッチング素子ｘ、ｙ、ｚをゲートＯＮし、短絡期間を３回発生させる。図７に示すように、この短絡期間により、短絡パルス電流が発生し、この短絡パルス電流のベクトルの位相を計測する。各短絡パルス電流の時間間隔Ｔａ，Ｔｂと位相間隔θａ，θｂを以下の（１），（２）式とする。

そして、これら時間間隔Ｔａ，Ｔｂの時間差ΔＴと、位相間隔θａ，θｂの位相差Δθは以下の（３）式となる。

そして、時間差ΔＴと位相差Δθに基づいた以下の（４）式で速度ω＿ｅｓｔを計算する。

なお、速度ω＿ｅｓｔを積分することにより、位相（回転子位置）を演算できる。

しかしながら、従来の方法を直列多段方式のインバータに適用すると、セルユニットＵ１〜Ｗ３の通信遅れや、セルユニットの個体差によるゲート出力遅れが存在するため、図８に示すようにサージ電圧による電流が発生し、短絡パルス電流の検出から正確な位相を推定できない。

以上示したようなことから、直列多段方式のインバータで駆動される同期電動機において、セルユニットの通信遅れやセルユニット個体差によるゲート遅れがあっても、正確に同期電動機の速度・位相を推定することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、単相インバータから成るセルユニットを多段に直列接続した直列多段方式のインバータで駆動され、永久磁石を界磁源とする同期電動機の速度・位相推定方法であって、制御部からセルユニットへの送信信号をループバックさせ、この時の各セルユニットへの送信信号と受信信号の差を計測し、同期電動機の空転状態時に、各セルユニットの前記送信信号と受信信号の差の誤差に基づいて送信タイミングを補正したゲート信号により全セルユニットの下アームスイッチング素子または上アームのスイッチング素子を同時にＯＮして同期電動機に短絡パルス電流を発生させ、この短絡パルス電流の各計測時間の時間間隔と位相間隔に基づいて同期電動機の速度および位相を推定することを特徴とする。

また、別の態様として、単相インバータから成るセルユニットを多段に直列接続した直列多段方式のインバータで駆動され、永久磁石を界磁源とする同期電動機の速度・位相推定方法であって、同期電動機の空転状態時に、ゲート信号により全セルユニットの下アームのスイッチング素子または上アームのスイッチング素子を同時にＯＮして同期電動機に短絡パルス電流を発生させ、この短絡パルス電流の各計測時間の時間間隔と位相間隔に基づいて同期電動機の速度および位相を推定し、同期電動機の速度および位相の推定に用いる前記位相間隔は、各セルユニットの通信の遅れや、セルユニットの個体差によるゲート出力遅れである遅延分を含まないことを特徴とする。

本発明によれば、直列多段方式のインバータで駆動される同期電動機において、セルユニットの通信遅れやセルユニット個体差によるゲート遅れがあっても、正確に同期電動機の速度・位相を推定することが可能となる。

直列多段方式のインバータの一例を示す概略図。 セルユニットを示す回路図。 直列多段方式のインバータにおいて下アーム全相のスイッチング素子をゲートＯＮした時の電流経路図。 計測時と補正後の送受信タイミングを示すタイムチャート。 直列多段方式のインバータにおける短絡パルス電流を示すタイムチャート。 ２レベルインバータにおいて下アーム全相のスイッチング素子をゲートＯＮした時の電流経路図。 短絡パルス電流の発生タイミングと位相から速度を推定する原理説明図。 直列多段方式のインバータにおける短絡パルス電流の波形図。

以下、本発明に係る同期電動機の速度・位相推定方法の実施形態１，２を図１〜図５に基づいて説明する。

［実施形態１］
図１は、 直列多段方式の高圧インバータの一例を示す構成図である。

図１では、例として、直列３段方式の高圧インバータの例を示している。各セルユニットをそれぞれＵ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，インバータの負荷をＬｏａｄとし、負荷Ｌｏａｄの端子電圧をＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗとする。端子電圧ＶｕはセルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３の電圧の和になるため以下の（５）式になる。

各セルユニットＵ１〜Ｗ３は光通信でメインコントロールユニット（制御部）１と接続されている。メインコントロールユニット１からゲート許可信号や、ゲート信号を各セルユニットＵ１〜Ｗ３に送信し、各セルユニットＵ１〜Ｗ３から故障状態等をメインコントロールユニット１に送信している。

図２は各セルユニットＵ１〜Ｗ３を示す概略回路図である。各セルユニットの直流リンク電圧をＶｄｃとする。ここで、符号Ｕは上段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、符号Ｘは上段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子、符号Ｖは下段と接続されるレグの上アームのスイッチング素子、Ｙは下段と接続されるレグの下アームのスイッチング素子とする。

図３に示すように直列多段方式のインバータの場合、全セルユニットＵ１〜Ｗ３の下アーム素子または上アーム素子を同時に全相ゲートＯＮし、短絡モードを作り出す。図３では、下アーム素子を全相ゲートＯＮしている状態を示している。これにより、従来技術で説明した２レベルインバータと同様に同期電動機の位相および速度を推定することが可能となる。

しかし、上述したように各セルユニットＵ１〜Ｗ３間に通信遅れが存在するため、予め送信信号をループバックさせ、この時の各セルユニットＵ１〜Ｗ３の送信時間と受信時間の差（以下、送受信時間差分と称する）を計測する。そして、各セルユニットＵ１〜Ｗ３の送受信時間差分の差に基づいてゲート信号の送信タイミングを補正する。この補正されたゲート信号を同期電動機の空転時に送信し、セルユニットの下アームまたは上アームのスイッチング素子を同時にＯＮさせる。ゲート出力遅れはＩＧＢＴのターンオン時間よりも通信時間のほうが支配的であるため、サージ電圧の影響は受けにくい。そのため、図７の原理を使用できる。

例として、各セルユニットＵ１〜Ｗ３の送受信時間差分を予め計測しておき、セルユニットＵ１の送受信時間差分と他のセルユニットＵ２〜Ｗ３の送受信時間差分の差を演算する。次送信時に、セルユニットＵ１の送受信時間差分と他のセルユニットＵ２〜Ｗ３の送受信時間差分の差に基づいて他のセルユニットＵ２〜Ｗ３の送信タイミングを補正する方法を図４に示す。図４ではＵ相のみのセルユニットＵ１，Ｕ２，Ｕ３のみを示しているが、同様にセルユニットＵ１の送信時間と受信時間の差を基準として、Ｖ，Ｗ相のセルユニットＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の送信タイミングを調整する。

そして、補正後の送信タイミングで発生させた短絡パルス電流により従来技術と同様に位相等を検出する。

以上示したように、本実施形態１によれば、 直列多段方式のインバータで駆動する同期電動機において、送信タイミングを補正することにより、セルユニットの通信遅れやセルユニットの個体差によるゲート出力遅れがあっても空転時における同期電動機の速度・位相の正確な推定が可能であり、瞬停等で運転が停止した際も、速やかな起動が可能となる。

また、外乱トルクを与えることなく、推定動作を完了させて始動が可能となる。

［実施形態２］
実施形態１における送信タイミングの補正により位相および速度を推定することが可能であるが、ＩＧＢＴのターンオン時間の影響により送信タイミングの補正では位相および速度の推定に微小ながら誤差が生じてしまう。図５に示すように、微小な誤差が存在するため、ゲート出力遅れが存在し、サージ電圧による電流が発生してしまう。

本実施形態２では、通信遅れ分である遅延時間Ｔａ’分の電流検出を位相の推定演算に使用せずに、検出電流の傾きから正確な位相および速度の推定を可能とする方法を示す。

例として、３回の短絡パルス電流で計測した位相と時間により速度ω＿ｅｓｔを説明する。短絡電流ベクトル発生位相は遅延時間Ｔ’後から演算に使用することで、サージ電圧による電流の影響を受けずに同期電動機の速度・位相の推定が可能となる。

３回の短絡期間を発生させることにより、短絡パルス電流を発生させて、この電流ベクトルの位相θ０，θ１’，θ１，θ２’を計測する。各短絡パルス電流の時間間隔ｔａ，ｔｂと計測した位相間隔θａ，θｂを（６）式，（７）式とする。

そして、これらの時間間隔Ｔａ，Ｔｂの時間差ΔＴと、位相間隔θａ，θｂの位相差Δθは以下の（８）式となる。

そして、時間差ΔＴと位相差Δθに基づいた以下の（９）式で速度ω＿ｅｓｔを計算する。なお、速度ω＿ｅｓｔを積分することで位相（回転子位置）を演算できる。

以上示したように、本実施形態２によれば、直列多段方式であるため、セルユニットＵ１〜Ｗ３のスイッチングに通信等での時間的な遅れが生じるが、スイッチングの遅れ時間を考慮することで、サージ電圧を抑制し、推定誤差を減少させることが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３…セルユニット
１…メインコントロールユニット（制御部）
ｔ０，ｔ１，ｔ２…計測時間
ｔａ，ｔｂ…時間間隔
Δｔ…時間差
θ０，θ１，θ２…位相
θａ，θｂ…位相間隔
Δθ…位相差

Claims (2)

1. 単相インバータから成るセルユニットを多段に直列接続した直列多段方式のインバータで駆動され、永久磁石を界磁源とする同期電動機の速度・位相推定方法であって、
   制御部からセルユニットへの送信信号をループバックさせ、この時の各セルユニットの送受信時間差分を計測し、
   同期電動機の空転状態時に、各セルユニットの前記送受信時間差分の差に基づいて送信タイミングを補正したゲート信号により全セルユニットの下アームスイッチング素子または上アームのスイッチング素子を同時にＯＮして同期電動機に短絡パルス電流を発生させ、この短絡パルス電流の各計測時間の時間間隔と位相間隔に基づいて同期電動機の速度および位相を推定することを特徴とする同期電動機の速度・位相の推定方法。
2. 単相インバータから成るセルユニットを多段に直列接続した直列多段方式のインバータで駆動され、永久磁石を界磁源とする同期電動機の速度・位相推定方法であって、
   同期電動機の空転状態時に、ゲート信号により全セルユニットの下アームのスイッチング素子または上アームのスイッチング素子を同時にＯＮして同期電動機に短絡パルス電流を発生させ、この短絡パルス電流の各計測時間の時間間隔と位相間隔に基づいて同期電動機の速度および位相を推定し、
   同期電動機の速度および位相の推定に用いる前記位相間隔は、各セルユニットの通信の遅れや、セルユニットの個体差によるゲート出力遅れである遅延分を含まないことを特徴とする同期電動機の速度・位相推定方法。

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