JP2018538782A - 表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法及び装置に関する。定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法（１００）は、高周波脈動電圧信号を印加することと、高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得することと、ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定することとを含む。本発明においては、定常状態において又は第１の速度で、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置をオンライン推定するための装置（２００）も提供され、この装置は、高周波脈動電圧信号を印加するように構成されている電圧印加ユニットと、高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得するように構成されている電流取得ユニットと、ｄ軸高周波電流信号の第二高調波を分析し、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するように構成されている分析ユニットとを備えている。

Description

本発明の実施形態は、表面磁石型永久磁石電気機械コントロールの領域に関し、特に、定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法及び定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための装置に関する。

背景技術
表面磁石型永久磁石同期電気機械（ＳＰＭＳＭ／ＳＰＭ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ（表面磁石型永久磁石同期モータ））を駆動するためには、ロータの位置を取得し、ベクトルコントロール（ＦＯＣ：Ｆｉｅｌｄ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（磁界方向制御））を実現することが必要である。ロータ位置センサが無い場合には、ロータ位置を、測定された相電流から位置情報を取り出すことによって推定することができる。同期電気機械が速度ゼロで動作させられている、又は、低速（一般的には定格速度の１０％）で動作させられている場合、速度が極めて低いので、逆起電力も極めて小さい。そのような状況において、高周波脈動電圧印加（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ（ＨＦＰＶＩ））方法が、一般的に、ロータ位置情報を取り出すために使用される。

原理的に、ＨＦＰＶＩ方法は、ロータ突極の位置を追跡するだけであって、この位置は、ロータ位置極性を含んでいない。推定されたロータ位置極性が正確でない場合、電磁トルクは、基準トルクと逆になってしまうこととなる。さらにこれによって、磁極のコントロールが失敗に終わることとなる。ロータ位置極性を推定するための従来の方法は、ｄ軸の正及び負の方向それぞれから電圧パルスを印加し、測定された電流振幅差に従ってロータ極性を決定することである。しかし、この方法は、少なくとも２回の電圧信号の印加を必要とし、ロータ極性が決定されるまで、（数百ミリ秒のオーダーの）長い時間が費やされなければならない。さらに、この方法は、磁極が定常状態にあるときに、ロータ極性を決定しなければならない。従って、そのような方法は、オフライン方法であり、特定の初期の速度を有する電気機械の始動時には使用不可能である。

発明の内容
オンラインロータ位置決定を実現するために、特に、特定の速度を有する電気機械のロータ位置決定を実現するために、本発明によれば、革新的な方法が提供される。この方法は、オンライン方法であって、速度ゼロで又は低い第１の速度で始動された電気機械において使用可能である。この方法は、ｄ軸上の高周波電流の第二高調波に基づいて実現される。この方法は、ステータインピーダンス及びＰＷＭ遅延の作用を補償することができ、これによって、ロータ位置エラー搬送電流及びロータ位置搬送電流のＳＮ比を最大化することができる。従って、定常状態又は低速状態にあるときのロータ位置推定の精度が向上する。

本発明によれば、定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法が提案され、この方法は、
高周波脈動電圧信号を印加することと、
高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得することと、
ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定することと、
を含む。

本発明によれば、革新的な使用は、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するためのｄ軸高調波電流信号の第二高調波で構成されているので、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置は表面磁石型永久磁石電気機械が特定の初期速度、例えば、第１の速度を有している場合であっても正確に測定され、これによって、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン測定が実現される。

本発明のある実施形態においては、ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延を補償するために、高周波脈動電圧信号に位相補償が施される。そのような位相補償によって、ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延が補償され、これによって表面磁石型永久磁石電気機械の推定される初期位置の精度が向上する。

本発明のある実施形態においては、第１の速度は、表面磁石型永久磁石電気機械の定格回転速度の１０％を上回らない。

本発明のある実施形態においては、初期位置は、ロータ突極位置及びロータ位置極性を含んでいる。このようにして、本発明に係る方法は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含んでいる初期位置の推定を、ただ１つの信号である高周波脈動電圧信号を印加することによって実現することができるので、初期位置の推定にかかる時間を減らし、システムパフォーマンスを向上させるだけでなく、付加的に、ロータ位置極性情報も取得することができ、これによって、後続のベクトルコントロールのために必要かつ有用な情報が提供される。

本発明のある実施形態においては、ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するステップはさらに、
ｄ軸高周波電流信号をｄ−ｑ座標系に変換し、第１の成分と第２の成分を得ることと、
第１の成分にバンドパスフィルタリング、サイン処理、ローパスフィルタリング及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を用いた観察を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ突極位置を得ることと、
第２の成分にバンドパスフィルタリング、コサイン処理、ローパスフィルタリング及び極性決定を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ位置極性を得ることと、
を含む。

当業者は、本発明に係る方法が上述した処理ステップを含んでいるが、上述した処理ステップに制限されないこと、及び、ｄ軸高周波電流信号の第二高調波を用いた表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置の推定が他の適切な技術的な手段によっても実現可能であることを理解するはずである。

さらに、本発明においては、定常状態において又は第１の速度で、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置をオンライン推定するための装置も提供され、この装置は、
高周波脈動電圧信号を印加するように構成されている電圧印加ユニットと、
高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得するように構成されている電流取得ユニットと、
ｄ軸高周波電流信号の第二高調波を分析し、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するように構成されている分析ユニットと、
を備えている。

本発明のある実施形態においては、電圧印加ユニットはさらに、ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延を補償するために、高周波脈動電圧信号に位相補償を施すように構成されている。

本発明のある実施形態においては、第１の速度は、表面磁石型永久磁石電気機械の定格回転速度の１０％を上回らない。

本発明のある実施形態においては、初期位置は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含んでいる。

本発明のある実施形態においては、分析ユニットはさらに、
ｄ軸高周波電流信号をｄ−ｑ座標系に変換し、第１の成分と第２の成分を得るように構成されている座標系変換ユニットと、
第１のバンドパスフィルタ、サイン処理ユニット、第１のローパスフィルタ及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を含む第１の処理ユニットであって、第１の成分にバンドパスフィルタリング、サイン処理、ローパスフィルタリング及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を用いた観察を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ突極位置を得るように構成されている第１の処理ユニットと、
第２のバンドパスフィルタ、コサイン処理ユニット、第２のローパスフィルタ及び極性決定回路を含む第２の処理ユニットであって、第２の成分にバンドパスフィルタリング、コサイン処理、ローパスフィルタリング及び極性決定を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ位置極性を得るように構成されている第２の処理ユニットと、
を備えている。

本発明のある実施形態においては、第２のローパスフィルタは、ゼロ遅延を有する自己適応型フィルタであり、これによって、第２のローパスフィルタによって導入された位相ずれが補償される。

既存の方法と比較して、本発明に係る方法は、主に、以下の利点を有している。

第１に、この方法は、オンラインロータ位置極性決定を実現し、始動が低速において行われる場合にロータ位置極性決定を実現することができるので、ロータが定常状態にあるときにのみ使用可能な従来技術のオフライン方法にまさる顕著な相対的な利点を有している。

第２に、従来のオフライン方法と比較して、本発明に係る方法は、ロータ位置を決定するのにかかる時間を短縮することができ、この方法において必要な時間は僅か、約２０乃至４０ミリ秒であり、これと同時に、ステータインピーダンス及びＰＷＭ遅延を補償することができ、これによってロータ位置推定の精度を向上させる。

添付図面の説明
添付図面を参照した、制限するものではない実施形態の以下の詳細な説明によって、本発明の他の特徴、目標及び利点がより明瞭になるであろう。

定常状態における又は第１の速度における、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための本発明に係る方法１００の概略的なフローチャートである。 定常状態における又は第１の速度における、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための本発明に係る装置２００の概略的なブロック図である。 本発明に係る分析ユニット２３０の概略的なブロック図である。

図面を通して、同じ又は類似の参照番号は、同じ又は類似の装置（モジュール）又はステップを表している。

特定の実施形態
以下の有利な実施形態の特定の説明においては、添付の図面を参照されたい。この添付の図面は、本発明の一部である。添付の図面は、実例による説明によって、本発明を実現することができる特定の実施形態を示している。この例証的な実施形態は、本発明による全ての実施形態を述べ尽くすことを意図しているものではない。本発明の範囲を逸脱しないという条件で、他の実施形態が用いられてよく、かつ、構造上の又は論理的な修正が行われてよい、ということが理解され得る。従って、以降の特定の説明は制限するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される。

理論的には、ｄ軸磁束とｄ軸電流との間の関係は以下のようなものである。即ち、ｄ軸電流が正の場合、ｄ軸電機子反作用磁束は永久磁石磁束と同じ方向にあり、これによってさらにｄ軸磁気回路の飽和が生起され、ｄ軸インダクタンスの下降が生起される。これに対応して、ｄ軸電流が負の場合、ｄ軸電機子反作用磁束は永久磁石磁束と反対方向にあり、これによって、ｄ軸磁気回路の飽和レベルが低減され、ｄ軸インダクタンスの上昇が生起される。従って、ロータのＮ極とＳ極とを、上述したインダクタンス飽和作用を介して区別することができる。

上述の議論から、ｄ軸電流がｄ軸磁束の関数であることが判り、位置（Ψ_ｍ，０）での関数からラグランジュ剰余を省くことによって得られる二次のテイラー展開は以下のようになる。

以下の高周波脈動電圧信号

が、推定されるｄ−ｑ座標系に印加される場合には、ステータインピーダンス及びＰＷＭ遅延を考慮して、高周波応答電流が、

として表される。ここで

であり、

は、ＰＷＭ遅延によって生起される位相ずれである。

ロータ突極位置は、上述した数式（３）における第１の項を用いて取り出し可能であり、ロータ位置がＮ極の方へ向かっているのか、又は、Ｓ極の方へ向かっているのかの情報は、数式（３）における第２の項から取り出し可能である。特定の取り出し方法を詳細に、次の部分において説明する。

以下のロータ位置エラー信号が、対応する方法によって得られる。

ロータ位置極性エラー信号は、

である。

ロータ位置推定エラーがδθ_ｅ又はδθ_ｅ＋πである場合には、極性搬送信号振幅は、

上で挙げた数式（４）及び（６）から、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置が、定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための本発明に係る方法によって推定可能であることが判る。特に図１は、定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法のフローチャート１００を示しており、図１から、この方法が以下のステップを含んでいることが見て取れる。

初めに、ステップ１１０において高周波脈動電圧信号が印加される。
その後、次のステップ１２０において、高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号が取得され、
最後に、ステップ１３０において、ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置が推定される。

自由選択的に又は付加的に、第１の速度は、表面磁石型永久磁石電気機械の定格回転速度の１０％を上回らない。

上で挙げた数式においては、初期位置は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含んでいてよい。このようにして、本発明に係る方法は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含んでいる初期位置の推定を、ただ１つの信号である高周波脈動電圧信号を印加することによって実現することができるので、初期位置の推定にかかる時間を減らし、システムパフォーマンスを向上させるだけでなく、付加的に、ロータ位置極性情報も取得することができ、これによって、後続のベクトルコントロールのために必要かつ有用な情報が提供される。

ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置が推定される、上で挙げたステップ１３０はさらに、
ｄ軸高周波電流信号をｄ−ｑ座標系に変換し、第１の成分及び第２の成分を得ることと、
第１の成分にバンドパスフィルタリング、サイン処理、ローパスフィルタリング及びルーエンベルガー観察器ＬＯ又は位相同期回路を用いた観察を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ突極位置を得ることと、
第２の成分にバンドパスフィルタリング、コサイン処理、ローパスフィルタリング及び極性決定を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ位置極性を得ることと、
を含むものとするとよい。

本発明に係る方法の実装ステップをさらに、図２の装置ブロック図２００及び図３の関連する分析装置の詳細なブロック図３００を参照して詳細に説明する。

特に、図２は、定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための本発明に係る装置２００のブロック図を示しており、図３は、本発明に係る分析ユニット２３０のブロック図を示している。

図２から、定常状態において又は第１の速度で、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置をオンライン推定するための本発明に係る装置２００が、以下の構成部分、即ち、
高周波脈動電圧信号を印加するように構成されている電圧印加ユニット２１０と、
高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得するように構成されている電流取得ユニット２２０と、
ｄ軸高周波電流信号の第二高調波を分析し、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するように構成されている分析ユニット２３０と、
を備えていることが見て取れる。

自由選択的に又は付加的に、第１の速度は、表面磁石型永久磁石電気機械の定格回転速度の１０％を上回らない。本発明のある実施形態においては、初期位置は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含んでいる。

より具体的には、分析ユニット２３０はさらに、
ｄ軸高周波電流信号をｄ−ｑ座標系に変換し、第１の成分と第２の成分を得るように構成されている座標系変換ユニット２３２と、
第１のバンドパスフィルタ、サイン処理ユニット、第１のローパスフィルタ及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を含む第１の処理ユニット２３４であって、第１の成分にバンドパスフィルタリング、サイン処理、ローパスフィルタリング及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を用いた観察を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ突極位置を得るように構成されている第１の処理ユニット２３４と、
第２のバンドパスフィルタ、コサイン処理ユニット、第２のローパスフィルタ及び極性決定回路を含む第２の処理ユニット２３６であって、第２の成分にバンドパスフィルタリング、コサイン処理、ローパスフィルタリング及び極性決定を施し、表面磁石型永久磁石電気機械のロータ位置極性を得るように構成されている第２の処理ユニット２３６と、
を備えている。有利には、第２のローパスフィルタは、ゼロ遅延を有する自己適応型フィルタであり、これによって、第２のローパスフィルタによって導入された位相ずれが補償される。

しかし、ステータインピーダンス及びＰＷＭ遅延（それぞれ、数式（４）及び（６）において、φ_１及びφ_３として表されている）は、位置エラー振幅及び極性搬送信号振幅を低減させ、これによって、ＳＮ比を低減させることとなる。位置搬送信号及び極性搬送信号のＳＮ比を最大化するために、ステータインピーダンス及びＰＷＭ遅延を補償することが必要である。有利には高周波脈動電圧信号に位相補償が施されてよく、これによって、ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延が補償される。この場合には印加される高周波脈動電圧信号は、

となるはずである。

位相補償が施された、印加された高周波脈動電圧信号の結果として、得られる位置エラー振幅及び極性搬送信号振幅は、これに対応して、

となるはずである。

ステータインピーダンス及びＰＷＭ遅延（φ_１及びφ_３）の両方が既に、上述した位置エラー振幅及び極性搬送信号振幅において除去されていることが、上で挙げた数式（８）及び（９）から判る。従って、ロータ位置推定エラーδθ’_ｅは実質的にゼロに向かっており、ロータ位置搬送信号のＳＮ比は最大化されている。換言すれば、そのような位相補償によって、ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延が補償され、これによって表面磁石型永久磁石電気機械の推定される初期位置の精度が向上する。

当業者には、本発明が、上述の例証的な実施形態の細部に制限されないこと、及び本発明の真意又は基本的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で実現可能であることが明らかである。従って、これらの実施形態は、あらゆる状況において、例証的であり、制限するものでないとみなされるべきでる。さらに単語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（含む）」が他の要素及びステップを排除するものでなく、単語「ａ」が複数形を排除するものでない、ということが明らかである。装置に関する特許請求の範囲において提示された複数の要素が１つの要素によって実現されてもよい。「第１の」及び「第２の」等の用語は、呼称を示すために使用されており、いかなる特定の順序も示していない。

Claims (11)

1. 定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法（１００）であって、前記方法（１００）は、
   高周波脈動電圧信号を印加すること（１１０）と、
   前記高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得すること（１２０）と、
   前記ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、前記表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定すること（１３０）と、
   を含む、
   定常状態における又は第１の速度での、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置のオンライン推定のための方法（１００）。
2. ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延を補償するために、前記高周波脈動電圧信号に位相補償を施す、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の速度は、前記表面磁石型永久磁石電気機械の定格回転速度の１０％を上回らない、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記初期位置は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ｄ軸高周波電流信号の第二高調波に基づいて、前記表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するステップ（１３０）はさらに、
   前記ｄ軸高周波電流信号をｄ−ｑ座標系に変換し、第１の成分（ｉ_ｑ）及び第２の成分（ｉ_ｄ）を得ることと、
   前記第１の成分（ｉ_ｑ）にバンドパスフィルタリング、サイン処理、ローパスフィルタリング及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を用いた観察を施し、前記表面磁石型永久磁石電気機械のロータ突極位置を得ることと、
   前記第２の成分（ｉ_ｄ）にバンドパスフィルタリング、コサイン処理、ローパスフィルタリング及び極性決定を施し、前記表面磁石型永久磁石電気機械のロータ位置極性を得ることと、
   を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 定常状態において又は第１の速度で、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置をオンライン推定するための装置（２００）であって、前記装置（２００）は、
   高周波脈動電圧信号を印加するように構成されている電圧印加ユニット（２１０）と、
   前記高周波脈動電圧信号に応答するｄ軸高周波電流信号を取得するように構成されている電流取得ユニット（２２０）と、
   前記ｄ軸高周波電流信号の第二高調波を分析し、前記表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置を推定するように構成されている分析ユニット（２３０）と、
   を備えている、
   定常状態において又は第１の速度で、表面磁石型永久磁石電気機械の初期位置をオンライン推定するための装置（２００）。
7. 前記電圧印加ユニットはさらに、ステータインピーダンス及びパルス幅変調遅延を補償するために、前記高周波脈動電圧信号に位相補償を施すように構成されている、請求項６に記載の装置（２００）。
8. 前記第１の速度は、前記表面磁石型永久磁石電気機械の定格回転速度の１０％を上回らない、請求項６又は７に記載の装置（２００）。
9. 前記初期位置は、ロータ突極位置とロータ位置極性とを含む、請求項６乃至８のいずれか一項に記載の装置（２００）。
10. 前記分析ユニット（２３０）はさらに、
    前記ｄ軸高周波電流信号をｄ−ｑ座標系に変換し、第１の成分（ｉ_ｑ）と第２の成分（ｉ_ｄ）を得るように構成されている座標系変換ユニット（２３２）と、
    第１のバンドパスフィルタ、サイン処理ユニット、第１のローパスフィルタ及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を含む第１の処理ユニット（２３４）であって、前記第１の成分（ｉ_ｑ）にバンドパスフィルタリング、サイン処理、ローパスフィルタリング及びルーエンベルガー観察器又は位相同期回路を用いた観察を施し、前記表面磁石型永久磁石電気機械のロータ突極位置を得るように構成されている第１の処理ユニット（２３４）と、
    第２のバンドパスフィルタ、コサイン処理ユニット、第２のローパスフィルタ及び極性決定回路を含む第２の処理ユニット（２３６）であって、前記第２の成分（ｉ_ｄ）にバンドパスフィルタリング、コサイン処理、ローパスフィルタリング及び極性決定を施し、前記表面磁石型永久磁石電気機械のロータ位置極性を得るように構成されている第２の処理ユニット（２３６）と、
    を備えている、請求項６乃至９のいずれか一項に記載の装置（２００）。
11. 前記第２のローパスフィルタは、ゼロ遅延を有する自己適応型フィルタである、請求項１０に記載の装置。

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