JP2016171741A

JP2016171741A - 永久磁石同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法

Info

Publication number: JP2016171741A
Application number: JP2016045145A
Authority: JP
Inventors: ミン‐フン，チ; Min-Hun Chi
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2016-09-23
Also published as: CN105978435A; EP3068035A1; KR20160110685A; KR101684073B1; US20160268936A1

Abstract

【課題】永久磁石の同期電動機に含まれる回転子の初期磁極の位置を検出する方法を提供する。
【解決手段】永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法において、固定子巻線のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される３相の電圧ベクトルを生成するステップと、前記ｕ相、前記ｖ相、前記ｗ相に各々前記３相の電圧ベクトルを印加するステップと、前記３相の電圧ベクトルの印加によって、前記固定子巻線から磁化方向に流れる電流及び非磁化方向に流れる電流に基づいてｕ相の電流の差値、ｖ相の電流の差値、ｗ相の電流の差値を各々演算するステップと、前記ｕ相の電流の差値、前記ｖ相の電流の差値、前記ｗ相の電流の差値に基づいて回転子の初期磁極の位置を決定するステップと、を含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、永久磁石の同期電動機に含まれる回転子の初期の磁極の位置を検出する方法に関する。

永久磁石の同期電動機（以下、単に「電動機」とも称する）は、高効率、高力率、低廉な維持費用等の長所によって多くの産業現場で高性能の可変速度用の電動機として使用されている。このような永久磁石の同期電動機を制御するために主にインバータシステムが使用される。永久磁石の同期電動機のトルク及び速度を正確に制御するためには、インバータシステムで永久磁石の同期電動機に含まれた回転子の磁極の位置を正確に把握する必要がある。

回転子の磁極の位置を検出するための方法としては、磁極位置センサを使用して測定する方法と電圧ベクトルを印加して回転子磁極の位置を推定する方法とがある。磁極位置センサを使用して回転子の磁極の位置を検出する場合、磁極位置センサを電動機に別途に装着する必要があり、電動機の製造費用及びサイズが増加する短所がある。また、磁極位置センサを使用する場合、センサの故障等によって、電動機の維持補修費用が増加し、電動機の運用システムの信頼性が低下する。

一方、電圧ベクトルを印加して回転子の磁極の位置を推定する方法は、電動機に電圧ベクトルを印加する時、永久磁石の磁束の影響によって、電流の大きさが大きくなる箇所を回転子磁極の位置として推定する方法である。しかし、このような方法を使用する場合、電流の大きさが大きくなる箇所を確認するために、多様な角度で電圧ベクトルを印加する必要があるので、電圧ベクトルの印加回数に応じて磁極の位置の推定時間と消費電力が増加するという問題がある。

特開２０１６−０１９４５４号公報

本発明は、別の磁極位置センサを使用しなくとも永久磁石の同期電動機に含まれる回転子の初期の磁極（以下、単に「初期磁極」とも称する）の位置を正確に検出できる永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、回転子の初期磁極の位置を検出することにおいて、従来に比べて固定子巻線に電圧ベクトルを印加する回数を減らすことによって、初期磁極の位置を検出するのに所要される時間と消費電力を減少させることができる永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法を提供することを他の目的とする。

本発明の目的は、以上で言及された目的に制限されず、言及されない本発明の他の目的及び長所は、下記の説明によって、理解でき、本発明の実施形態によって、より明確に理解されることができる。また、本発明の目的及び長所は、特許請求の範囲に示した手段及びその組合せによって、実現されることを容易に知ることができる。

このような目的を達成するための本発明は、永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法において、固定子巻線のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される３相の電圧ベクトルを生成するステップと、前記ｕ相、前記ｖ相、前記ｗ相に各々前記３相の電圧ベクトルを印加するステップと、前記３相の電圧ベクトルの印加によって、前記固定子巻線から磁化方向に流れる電流及び非磁化方向に流れる電流に基づいてｕ相の電流の差値、ｖ相の電流の差値、ｗ相の電流の差値を各々演算するステップと、前記ｕ相の電流の差値、前記ｖ相の電流の差値、前記ｗ相の電流の差値に基づいて回転子の初期磁極の位置を決定するステップと、を含むことを特徴とする。

前述したように、本発明によれば、磁極位置センサを使用しなくとも永久磁石の同期電動機に含まれる回転子の初期磁極の位置を正確に検出することができる長所がある。

また、本発明によれば、回転子の初期磁極の位置を検出することにおいて、従来に比べて固定子巻線に電圧ベクトルを印加する回数を減らすことによって、初期磁極の位置を検出するのに所要される時間と消費電力を減少させることができる長所がある。

永久磁石電動機のモデルを示した図面である。従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出装置の構成図である。従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法のフローチャートである。従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置を検出する時、永久磁石電動機に印加されるベクトルの等価モデルを示す図面である。本発明の一実施形態に係る永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出装置の構成図である。本発明の一実施形態に係る永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法のフローチャートである。本発明の一実施形態に係る永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置を検出する時、永久磁石電動機に印加されるベクトルの等価モデルを示す図面である。

前述した目的、特徴、及び長所は、添付された図面を参照して詳細に後述され、これによって、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施することができる。本発明を説明することにおいて、本発明と関連された公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にするおそれがあると判断される場合には、詳細な説明を省略する。以下、添付された図面を参照して、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。図面で、同一の参照符号は、同一又は類似な構成要素を指すものとして使用される。

図１に、永久磁石の同期電動機（以下、「永久磁石電動機」とも称する）のモデルを示す。図１に示すように、永久磁石電動機は、固定子巻線１０１及び回転子巻線１０２を備える。永久磁石電動機の固定子巻線１０１の三つの軸、即ちｕ軸１０３、ｖ軸１０４、ｗ軸１０５は、座標変換を通じて各々ｄｓ軸１０３とｑｓ軸１０６とで表すことができる。また、回転子巻線１０２の軸は、各々ｄｒ軸１０７とｑｒ軸１０８とで表すことができる。

図１でθ_ｒｅは、固定子巻線１０１のｄ軸であるｄｓ軸１０３と回転子巻線１０２のｄ軸であるｄｒ軸１０７との間の角度を示す。一般的に回転子巻線１０２のｄｒ軸１０７は、回転子のＮ極と連動して動く。したがって、回転子の初期磁極の位置は、θ_ｒｅで表す。

また、従来の技術では、次のような原理によって、回転子の初期磁極の位置を検出する。固定子巻線１０１に電圧ベクトルを印加すれば、固定子巻線１０１には、電流が流れるようになる。この時、固定子巻線のコアは、非線形の磁化特性を有するが、回転子磁極に近くに位置した固定子巻線のコアは、そうでないコアに比べて、より強く磁化される。仮に、固定子巻線１０１が回転子の磁極に近くにあれば、磁化方向に流れる固定子巻線１０１の電流の絶対値は、固定子コアの磁気飽和によって、非磁化方向に流れる固定子巻線１０１の電流の絶対値より大きく示される。したがって、磁化方向に流れる固定子巻線１０１の電流の絶対値と非磁化方向に流れる固定子巻線１０１の電流の絶対値との差を通じて該当電圧ベクトルが印加された固定子巻線１０１が回転子の磁極のどの程度近くに位置しているかを推定することができる。

これによって、従来の技術では、電圧ベクトルの角度を調節して固定子巻線１０１の互いに異なる位置に電圧ベクトルを印加し、各々の位置で固定子巻線１０１の磁化／非磁化の方向に流れる電流の絶対値間の差が最も大きい位置を回転子の初期磁極の位置として推定する。

図２は、従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出装置の構成図であり、図３は、従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法のフローチャートである。また、図４は、従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置を検出する時、永久磁石電動機に印加されるベクトルの等価モデルを示す図面である。以下では、図２乃至図４を参照して従来の技術による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出について説明する。

図２に示すように、従来の技術による永久磁石電動機２０５の回転子の初期磁極の位置検出装置は、電圧指令部２０１、角度指令部２０２、座標変換部２０３、ＰＷＭ出力部２０４、回転子の位置検出部２０６を備える。また、回転子の位置検出部２０６は、電流演算部２０７、最大電流比較部２０８、最大電流格納部２０９、角度確認部２１０を備える。

図３に示すように、まず、電圧指令部２０１及び角度指令部２０２は、固定子巻線に印加される電圧ベクトルを構成する電圧指令及び角度指令を各々生成する（３０１）。より具体的には、電圧指令部２０１は、永久磁石電動機２０５の固定子のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される電圧ベクトルを生成するために、ｄ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｄｓｅ及びｑ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｑｓｅを生成する。そして角度指令部２０２は、永久磁石電動機２０５の固定子のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される電圧ベクトルに適用される角度指令を生成すべく、図４に示すように、各電圧ベクトルとの角度差が２２．５°、１５°、７．５°などになるような角度指令が生成される。

この時、電圧指令部２０１によって、生成されるｄ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｄｓｅは、予め設定された任意の大きさを有する電圧指令として生成され、ｑ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｑｓｅは、０として生成される。電圧指令部２０１及び角度指令部２０２によって、生成されたｄ軸の電圧指令及びｑ軸の電圧指令は、各々次のように表される。

次に、座標変換部２０３は、電圧指令部２０１及び角度指令部２０２によって、生成されたｄ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｄｓｓ及びｑ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｑｓｓ、即ち同期座標系の電圧ベクトルを下のように３相の座標系に変換して３相の電圧ベクトルを生成する（３０２）。

座標変換部２０３によって、生成された３相の電圧ベクトルＶ^＊ _ｕｓ、Ｖ^＊ _ｖｓ、Ｖ^＊ _ｗｓは、ＰＷＭ出力部２０４に入力され、ＰＷＭ出力部２０４は、３相の電圧ベクトルをＰＷＭ信号の形態で永久磁石電動機２０５に印加する（３０３）。この時、３相の電圧ベクトルは、磁化方向４０１ａ及び非磁化方向４０１ｂに印加される。

永久磁石電動機２０５に３相の電圧ベクトルが印加されれば、永久磁石電動機２０５の固定子巻線１０１に電流が流れるようになる。電流演算部２０７は、磁化方向４０１ａ及び非磁化方向４０１ｂに流れる各々の電流の大きさの絶対値を演算し、これらの絶対値の差、即ち電流の差値を演算する（３０４）。以下では、磁化方向４０１ａ電流の大きさの絶対値と非磁化方向４０１ｂ電流の大きさの絶対値との間の差を「電流の差値」として定義する。

最大電流比較部２０８は、現在計算された電流の差値と以前に計算された電流の差値とを比較する（３０５）。比較の結果、大きい方の電流の差値が最大電流格納部２０９に格納される（３０６）。このような過程は、図４に示すように、電圧ベクトルを２２．５°間隔で固定子巻線の全領域に亘って印加するまで継続される。そして、角度確認部２１０は、固定子巻線の全領域に電圧ベクトルが印加されたことを確認するために、角度指令の生成が完了したか否かを判断する（３０７）。角度指令の生成が完了していないときには、固定子巻線の全領域に電圧ベクトルが印加されるまでステップ３０１乃至３０６が反複される。

図４で、固定子巻線の全領域に２２．５°の間隔に電圧ベクトルの印加が完了し、電流の差値の計算が完了すれば、最も大きい電流の差値を有する電圧ベクトル、即ち第１電圧ベクトルを確認することができる。以後、電圧指令部２０１及び角度指令部２０２は、第１電圧ベクトルを基準に±１５°の角度差を有する電圧指令を生成し、これに伴う二つの電圧ベクトルが固定子の巻線に印加される。回転子の位置検出部２０６は、この二つの電圧ベクトルによる磁化方向４０２ａ又は４０３ａ、及び非磁化方向４０２ｂ又は４０３ｂ電流の絶対値を測定し、これらの絶対値の差、即ち電流の差値を各々演算する。このように演算された二つの電流の差値のうち、より大きい電流の差値を示す電圧ベクトルが第２電圧ベクトルになる。

以後、電圧指令部２０１及び角度指令部２０２は、第２電圧ベクトルを基準に±７．５°の角度差を有する電圧指令を生成し、これに伴う、二つの電圧ベクトルが固定子巻線に印加される。回転子の位置検出部２０６は、この二つの電圧ベクトルによる磁化方向４０４ａ又は４０５ａ、及び非磁化方向４０４ｂ又は４０５ｂの電流の絶対値を測定し、これらの絶対値の差、即ち電流の差値を各々演算する。このように演算された二つの電流の差値のうち、より大きい電流の差値を示す電圧ベクトルが第３電圧ベクトルとなる。回転子の位置検出部２０６は、第３電圧ベクトルがｄｓ軸となす角度θ_ｒｅを回転子の初期磁極の位置として決定する（３０８）。

しかし、前述したような従来の技術によれば、電圧ベクトルの角度調節及びこれに伴う、反複的な電圧ベクトルの印加によって、回転子の初期磁極の位置を検出する時間が増加することになり、検出のための消費電力も増加することになる。例えば、図２乃至図４の実施形態では、角度調節によって、合計２０回の電圧ベクトル印加及びこれに伴う、電流差値の演算が行われることになる。

本発明は、このような問題点を解決するためのものであって、固定子巻線に印加される電圧ベクトルの印加回数を減少させて磁極の位置検出時間とそれに所要される消費電力とを減らすことを目的とする。以下では、図５乃至図７を参照して本発明の一実施形態による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法を具体的に説明する。

図５は、本発明の一実施形態による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出装置の構成図であり、図６は、本発明の一実施形態による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法のフローチャートである。また、図７は、本発明の一実施形態による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置を検出する時、永久磁石電動機に印加されるベクトルの等価モデルを示す図面である。

まず、図５に示すように、本発明の一実施形態による永久磁石電動機の回転子の初期磁極の位置検出装置は、電圧指令部５０１、角度指令部５０２、座標変換部５０３、ＰＷＭ出力部５０４、回転子の位置検出部５０６を備える。また、回転子の位置検出部５０６は、電流演算部５０７及び角度演算部５０８を備える。

図６に示すように、まず電圧指令部５０１及び角度指令部５０２は、固定子巻線に印加される電圧ベクトルを構成する電圧指令及び角度指令を各々生成する（６０１）。より具体的には、電圧指令部５０１は、永久磁石電動機５０５の固定子のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される電圧ベクトルを生成するために、ｄ軸の電圧指令及びｑ軸の電圧指令を生成する。そして角度指令部５０２は、永久磁石電動機５０５の固定子のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される電圧ベクトルに適用される角度指令を生成する。

本発明では、従来の技術とは異なり、一定の角度の間隔を有する多数の電圧ベクトルを生成することなく、図７に示すように、ｕ相６０１ａ、６０１ｂ、ｖ相６０２ａ、６０２ｂ、ｗ相６０３ａ、６０３ｂに印加される電圧ベクトルのみを生成する。これによって、角度指令部５０２は、１２０°ずつ角度を調節して角度指令を生成する。本実施形態では、角度指令部５０２によって、１２０°ずつ角度が調整されるが、調整される角度は、実施形態によって、変化する。

この時、電圧指令部５０１によって、生成されるｄ軸の電圧指令は、予め設定された任意の大きさを有する電圧指令として生成され、ｑ軸の電圧指令は、０として生成される。電圧指令部５０１及び角度指令部５０２によって、生成されたｄ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｄｓｓ及びｑ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｑｓｓは、前述した［数１］のように表されることがある。

座標変換部５０３は、電圧指令部５０１及び角度指令部５０２によって、生成されたｄ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｄｓｓ及びｑ軸の電圧指令Ｖ^＊ _ｑｓｓ、即ち同期座標系電圧ベクトルを［数２］のように３相の座標系に変換して３相の電圧ベクトルを生成する（６０２）。

ＰＷＭ出力部５０４は、座標変換部５０３によって、生成された３相の電圧ベクトルをＰＷＭ信号形態に永久磁石電動機５０５に印加する（６０３）。前述したように本発明では、ｕ相、ｖ相、ｗ相に各々の電圧ベクトルが印加される。

回転子の位置検出部５０６の電流演算部５０７は、ｕ相の電流の差値、ｖ相の電流の差値、ｗ相の電流の差値を各々演算する（６０４）。例えば、電流演算部５０７は、ｕ相の磁化方向６０１ａ電流の絶対値及び非磁化方向６０１ｂ電流の絶対値を各々演算し、二つの絶対値の差をｕ相の電流の差値に決定する。

また、回転子の位置検出部５０６の角度演算部５０８は、ｕ相の電流の差値、ｖ相の電流の差値、ｗ相の電流の差値に基づいて回転子の初期磁極の位置を決定する。回転子の初期磁極の位置を決定するために角度演算部５０８は、次のように固定子巻線のｄ軸と回転子巻線のｄ軸との間の角度、即ちθ_ｒｅを演算する。

まず、ｕ相、ｖ相、ｗ相に各々になる電圧ベクトルの指令電流値Ｉ_０とする場合、ｕ相の電流の差値Ｉ_ｕ、ｖ相の電流の差値Ｉ_ｖ、ｗ相の電流の差値Ｉ_ｗを、各々次のように定義する。

上記［数３］で定義されたｕ相の電流の差値Ｉ_ｕ、ｖ相の電流の差値Ｉ_ｖ、ｗ相の電流の差値Ｉ_ｗを整理すれば、次のようにθ_ｒｅをタンジェント（ｔａｇｅｎｔ）項で整理することができる。

［数４］を再び整理すれば、次の通りである。

［数５］にしたがって、次のようにθ_ｒｅを求めることができる。

本発明の一実施形態による角度演算部５０８は、［数６］のように、ｕ相の電流の差値Ｉ_ｕ、ｖ相の電流の差値Ｉ_ｖ、ｗ相の電流の差値Ｉ_ｗに基づいて固定子巻線のｄ軸と回転子巻線のｄ軸との間の角度、即ちθ_ｒｅを演算し、演算されたθ_ｒｅを回転子の初期磁極の位置に決定することができる。

このように、本発明の回転子の初期磁極の位置検出方法によれば、従来の技術に比べてより少ない回数の電圧ベクトル印加及び演算を通じて回転子の初期磁極の位置を検出することができる。

前述したように本発明は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で様々な置換変形及び変更が可能であるため、上述した実施形態及び添付された図面によって、限定されることではない。

５０１電圧指令部
５０２角度指令部
５０３座標変換部
５０４ＰＷＭ出力部
５０７電流演算部
５０８角度演算部

Claims

固定子及び回転子を含む永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法において、
固定子巻線のｕ相、ｖ相、ｗ相に印加される３相の電圧ベクトルを生成するステップと、
前記ｕ相、前記ｖ相、前記ｗ相に各々前記３相の電圧ベクトルを印加するステップと、
前記３相の電圧ベクトルの印加によって、前記固定子巻線から磁化方向に流れる電流及び非磁化方向に流れる電流に基づいてｕ相の電流の差値、ｖ相の電流の差値、ｗ相の電流の差値を各々演算するステップと、
前記ｕ相の電流の差値、前記ｖ相の電流の差値、前記ｗ相の電流の差値に基づいて回転子の初期磁極の位置を決定するステップと、を含む永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法。
前記初期磁極の位置は、前記固定子巻線のｄ軸と前記回転子のｄ軸とがなす角度によって、決定される請求項１に記載の永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法。
前記３相の電圧ベクトルを生成するステップは、
前記固定子巻線のｄ軸の電圧指令及びｑ軸の電圧指令を含む電圧指令を生成するステップと、
前記３相の電圧ベクトルに適用される角度指令を生成するステップと、
前記電圧指令及び前記角度指令に基づいて同期座標系電圧ベクトルを生成するステップと、
前記同期座標系の電圧ベクトルを３相の座標系に変換して前記３相の電圧ベクトルを生成するステップと、を含む請求項１に記載の永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法。
前記電流の差値を演算するステップは、前記磁化方向に流れる電流の絶対値と前記非磁化方向に流れる電流の絶対値との差を前記電流の差値によって、決定するステップを含む請求項１に記載の永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法。
前記初期磁極の位置は、下記の［数１］によって、決定される請求項１に記載の永久磁石の同期電動機の回転子の初期磁極の位置検出方法。
[数１]

（ただし、θ_ｒｅは、前記固定子巻線のｄ軸と前記回転子のｄ軸とがなす角度で，Ｉ_ｕは、前記ｕ相の電流の差値で、Ｉ_Ｖは、前記ｖ相の測定された電流の差値で、Ｉ_Ｗは、前記ｗ相の電流の差値である。）