JP3401155B2 - 同期電動機制御装置および電気車 - Google Patents

同期電動機制御装置および電気車

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JP3401155B2 JP03052597A JP3052597A JP3401155B2 JP 3401155 B2 JP3401155 B2 JP 3401155B2 JP 03052597 A JP03052597 A JP 03052597A JP 3052597 A JP3052597 A JP 3052597A JP 3401155 B2 JP3401155 B2 JP 3401155B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、同期電動機の磁極
位置を推定する磁極位置推定方法および手段に係り、該
磁極位置推定手段を用いて主に起動時の同期電動機を制
御する電動機制御装置および電気車に関する。
【０００２】
【従来の技術】通常、同期電動機の制御では、同期電動
機に印加する交流電圧の位相が現在の回転子の磁極位置
により決定されるので、回転子の正確な磁極位置の検出
が必要となる。回転中は速度検出用の回転パルス発生手
段すなわちエンコーダ等の出力信号により検出可能であ
るが、起動時はエンコーダの出力信号を用いることがで
きない。したがって、起動時の磁極位置検出においては
専用の磁極位置検出器を設けて、その検出値により電圧
指令の位相を決定している。
【０００３】この磁極位置検出器は 通常U，V，W相３つ
の磁極位置検出器から構成されており、各相の信号の組
み合わせにより磁極位置を検出するので、＋30°〜−30
°の範囲のバラツキ誤差が含まれる。特に、電動機制御
装置の中でも、電気車に用いられる制御装置において
は、該検出器を用いることによるコストアップの問題が
あり、更に、起動時に上記バラツキ誤差の影響で所要の
トルクが確保されない虞れがあり、急な坂道などで起動
する場合の制御に、また、磁極位置検出器自体が故障し
た場合の制御などに問題がある。そこで、専用の検出器
を用いずに磁極位置を推定する方法が上記のような問題
に対して有効な解決方法と考えられる。
【０００４】そして、同期電動機の磁極位置センサレス
制御の従来技術として、特開平７―２４５９８１号公報
に開示されたものがある。本号公報によれば、突極性を
有する同期電動機に印加している交番電圧ベクトルに対
し、平行成分および直交成分の電流ベクトルを検出し、
各成分のうち少なくとも一方から印加ベクトルと磁束軸
との相差角を演算し、得られた相差角から磁極位置を推
定するものであると記載されている。この技術では磁束
軸に交番電圧を印加するので、電動機にトルクを発生さ
せることなく磁極位置を推定できる。
【０００５】また、平成７年電気学会産業応用部門全国
大会において発表された文献No.180「 電流ベクトル軌跡
を用いたＰＭモータの位置センサレス界磁極検出法にお
ける推定精度の評価」によれば、 モータの停止時に逆突
極性をもつ同期電動機に交流電圧を印加すると静止座標
αβ軸電流のベクトル軌跡は磁束軸すなわちｄ軸方向に
膨らむ楕円になるので、その長軸方向を求め周波数に基
づき補正を加えることにより磁極位置を検出できると記
載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、次の点に問題があった。即ち、特開平７―
２４５９８１号公報記載の技術においては、駆動装置側
で設定した回転座標のｄｑ軸に電圧ベクトルを印加し
て、それによって流れる電動機電流を検出し界磁極位置
を演算しているが、その際に用いている演算式は同期電
動機の電圧・電流方程式に基づいている。従って、この
電圧・電流方程式がｄｑ軸電流id，iqの変化によって変
動するｄｑ軸インダクタンスLd，Lqを含んでいることを
考慮すると、パラメータ誤差によって生じる検出精度の
低下がある。
【０００７】また、前述の文献に記載されている技術で
は、検出値はｄ軸とｑ軸のインピーダンスの位相差分だ
け実際値とずれているために補正が必要とされている。
この補正量を求める演算式にもインダクタンスLd，Lqを
含んでおり、先で述べたようにインダクタンスLd，Lqは
電流id，iqの変化によって変動するものなので、検出精
度はパラメータ誤差に左右されることになる。
【０００８】一方、磁極位置検出器による検出方法も捨
てがたくこの方法の改善も課題として残っている。特
に、電気車の走行駆動用の電動機に、リラクタンストル
クが利用できる逆突極性を有する同期電動機を採用する
ことが多く、逆突極性型の同期電動機の高精度な磁極位
置検出が必要とされている。加えて、磁極位置検出器に
対する信頼性やコストの問題は、同期電動機を制御する
電気車用制御装置、即ち電気車にとって大きな課題とな
っている。
【０００９】従って本発明の目的は、高精度に磁極位置
を推定する同期電動機の磁極位置推定方法を提供するこ
とにある。また、他の目的は、磁極位置推定手段を用い
た低価格で高信頼性の電動機制御装置および電気車を提
供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、電流検出器により検出された同期電動機の
電流が与えられた電流指令に追従するように、前記同期
電動機の電流を制御する電流制御部を有すると共に、磁
極位置を推定する磁極位置推定手段が出力した磁極位置
推定値を用いて前記電動機を制御する電動機制御装置に
おいて、前記電流制御部に与える前記電動機の回転座標
ｄ軸方向の電流指令に、交流電流信号を印加する手段を
有し、前記磁極位置推定手段は、前記印加によって発生
する回転座標ｑ軸方の帰還電流信号から前記磁極位置推
定値の収斂演算を実行して、前記磁極位置推定値を出力
するように構成され、前記同期電動機に対して、回転座
標ｄ軸方向に所定バイアス成分を有する交流電圧指令を
印加し、前記磁極位置推定手段は、該交流電圧指令によ
って流れる電動機電流I1の振幅の大きさから判別して、
前記磁極位置極性を与えることにある。
【００１１】本発明の他の特徴は、電流検出器により検
出された同期電動機の電流が与えられた電流指令に追従
するように、前記同期電動機の電流を制御する電流制御
部を有すると共に、磁極位置を推定する磁極位置推定手
段が出力した磁極位置推定値を用いて前記同期電動機を
制御する電動機制御装置において、前記電流制御部に与
える前記電動機の回転座標ｄ軸方向の電流指令に、交流
電流信号を印加する手段を有し、前記磁極位置推定手段
は、前記印加によって得られた前記電動機電流を回転座
標変換し、該回転座標変換によって得られた回転座標ｑ
軸方向の電流信号を入力して磁極位置推定値の収斂演算
を実行し、前記磁極位置推定値を出力するように構成さ
れ、前記同期電動機に対して、回転座標ｄ軸方向に所定
バイアス成分を有する交流電圧指令を印加し、前記磁極
位置推定手段は、該交流電圧指令によって流れる電動機
電流I1の振幅の大きさから判別して、前記磁極位置極性
を与えることにある。
【００１２】本発明の他の特徴は、同期電動機と、該同
期電動機に交流電力を供給する電力変換器と、該電力変
換器に対し交流電圧指令を出力して前記同期電動機の制
御を行う演算手段とを有し、電流検出器により検出され
た同期電動機の帰還電流が電流指令に追従するように前
記同期電動機に印加する電力を制御すると共に、前記同
期電動機の回転位置を検出する回転パルス発生手段を備
えた電動機制御装置において、前記演算手段は前記同期
電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有し、
前記回転パルス発生手段は、前記同期電動機が1回転す
る毎に1回ないし前記同期電動機の極対数回のパルスを
発生するＺ相パルスをそれぞれ備え、前記電流制御部に
与える前記電動機の回転座標ｄ軸方向の電流指令に、交
流電流信号を印加する手段を有し、前記磁極位置推定手
段において、前記印加によって発生する回転座標ｑ軸方
向の帰還電流信号から前記磁極位置推定値の収斂演算を
実行して、前記磁極位置推定値を出力し、前記演算手段
は、前記同期電動機の停止時および起動時には前記磁極
位置推定手段から検出される磁極位置推定値を用いて前
記同期電動機の制御を行い、回転時には前記回転パルス
発生手段から検出される磁極位置検出値を用いて前記同
期電動機の制御を行い、前記回転時においては、前記磁
極位置推定値により規定された前記Ｚ相パルスの基準位
置を用いて、前記回転パルス発生手段から検出される磁
極位置検出値を補正することにある。
【００１３】本発明の他の特徴は、同期電動機と、該同
期電動機に交流電力を供給する電力変換器と、該電力変
換器に対し交流電圧指令を出力して前記同期電動機の制
御を行う演算手段とを有し、電流検出器により検出され
た同期電動機の帰還電流が電流指令に追従するように前
記同期電動機に印加する電力を制御すると共に、前記同
期電動機の回転位置を検出する回転パルス発生手段を備
えた電動機制御装置において、前記演算手段は前記同期
電動機の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有し、
前記回転パルス発生手段は、前記同期電動機が1回転す
る毎に1回ないし前記同期電動機の極対数回のパルスを
発生するＺ相パルスをそれぞれ備え、前記電流制御部に
与える前記電動機の回転座標ｄ軸方向の電流指令に、交
流電流信号を印加する手段を有し、前記磁極位置推定手
段において、前記印加によって得られた前記電動機電流
を回転座標変換し、該回転座標変換によって得られた回
転座標ｑ軸方向の電流信号を入力して磁極位置推定値の
収斂演算を実行し、前記磁極位置推定値を出力し、前記
演算手段は、前記同期電動機の停止時および起動時には
前記磁極位置推定手段から検出される磁極位置推定値を
用いて前記同期電動機の制御を行い、回転時には前記回
転パルス発生手段から検出される磁極位置検出値を用い
て前記同期電動機の制御を行い、前記回転時において
は、前記磁極位置推定値により規定された前記Ｚ相パル
スの基準位置を用いて、前記回転パルス発生手段から検
出される磁極位置検出値を補正することにある。
【００１４】
【００１５】一方、上記目的を達成する電気車は、走行
駆動用の同期電動機を請求項３ないし請求項７のいずれ
か１項記載の電動機制御装置を用いて制御するものであ
る。本発明によれば、ｄｑ軸インダクタンスLd, Lqの因
子の影響などを消去しているので、高精度に磁極位置を
推定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照し説明する。まず、磁極位置推定手段の
第１実施例について図１〜図２を参照し説明する。図１
は、本発明による一実施例の磁極位置推定手段を示す図
である。高精度な起動時の磁極位置推定手段を示す一例
である。図２は、同期電動機の回転座標ｄｑ軸と制御座
標ｄ'ｑ'軸との位相差を示す図である。
【００１７】最初に、本発明による磁極位置推定の原理
について説明する。一般に、逆突極性(Ld＜Lq)を有する
同期電動機の電圧方程式は(数１)式のように表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】但し、vd，vq=ｄｑ軸電圧、id，iq=ｄｑ軸
電流、R=電機子巻線抵抗、Ld，Lq＝ｄｑ軸インダクタン
ス、ω＝電動機周波数、φa=界磁主磁束、p=微分演算子
である。また、停止状態ではω＝0なので(数１)式は、
モータ周波数ω=0時の突極型同期電動機の電圧方程式で
ある(数２)式となる。
【００２０】
【数２】
【００２１】さらに、同期電動機の回転座標ｄｑ軸と制
御のための制御座標ｄ'ｑ'軸との間に、図２に示すよう
な位相誤差Δθが存在すると、ｄ'ｑ'軸電圧指令vd*，v
q*とｄ'ｑ'軸電流検出値id'，iq'との間の「 同期電動機
の回転座標ｄｑ軸と制御のための制御座標ｄ'ｑ'軸との
位相差を考慮した突極型同期電動機の電圧方程式 」は
(数３)式となる。
【００２２】
【数３】
【００２３】またさらに、電流制御を考慮してｄ'ｑ'軸
電圧指令vd*，vq*を電流制御演算を示す行列式である
(数４)式で表して(数３)式に代入し変形すると、電流指
令id*,iq*から制御座標ｄ'ｑ'軸電流検出値id',iq'への
伝達関数は(数５)式の行列式で表わされる。
【００２４】
【数４】
【００２５】
【数５】
【００２６】但し、kd，kqは電流制御ゲインである。
【００２７】ここで、iq*＝0としてid*のみに指令を与
えた場合には、ｄ軸電流指令id*からｑ'軸電流検出値i
q'(以下、ｑ'軸電流iq'またはiq'とも略称)への伝達関
数は(数５)式中の「G21のみ」となり、その伝達関数G21は
(数６)式のようになる。
【００２８】
【数６】
【００２９】(数６)式から判るように、同期電動機の回
転座標ｄｑ軸と制御座標d'q'軸との間に位相誤差Δθが
存在しなければ、ｑ'軸電流iq'は発生しない。これに対
して位相誤差Δθが存在すれば、 iq*=0としてid*のみ
に指令を与えた場合でもiq'が発生する。従って、上記
原理を利用して、iq*=0としてid*のみに高周波の指令を
与え、それによって発生するiq'を零(≒0)になるよう
に、 即ち、Δθが零(≒０）になるように位相補正を行
えば、位相誤差Δθ＝０における位相を磁極位置として
精度よく推定することができる。この内容が示すよう
に、インダクタンスLd，Lqに左右されずに磁極位置を推
定するから、パラメータ誤差によって生じる検出精度の
低下は回避される。
【００３０】次に具体的な実施例について説明する。図
１に示した磁極位置推定手段８は、電流制御部３ａとｄ
ｑ変換部５ａと３相変換部６ａと磁極位置推定部８ａ
と、後述する磁極位置初期値を設定するための、 「磁極
位置検出器１５」または「軸及び極性判別部１６」等の手
段を含み構成される。 尚、軸及び極性判別部１６
は磁極位置推定部８ａの一部であっても可である。ま
た、便宜上、図１(及び後述の図３)に示す磁極位置推定
手段８は、同期電動機１を制御する電動機制御装置の一
部を利用した形で表わしており、即ち、電流制御部３ａ
とｄｑ変換部５ａと３相変換部６ａは、後述する電動機
制御装置の演算手段の一部を兼用したものとして説明す
る。また、電流検出器４や電力変換器７などは電動機制
御装置の一部あるいは電気車用制御装置の一部であり、
磁極位置検出器１５は同期電動機１の一部、あるいは、
別途設定されているものとする。
【００３１】図において、磁極位置推定手段８内の電流
制御部３ａは、電流指令id*，iq*に電流検出器４から検
出された電動機電流I1をｄｑ変換部５ａにおいてｄｑ変
換したid'，iq'が追従するように、電圧指令vd*，vq*を
演算する。続いて、電圧指令vd*，vq*は、３相変換部６
ａにおいて ３相交流電圧指令V1*に変換されて電力変換
器７に出力される。 同期電動機１は、電力変換器７か
ら印加される指令V1*に基づく交流電圧に対応したトル
クを発生する。
【００３２】上記電動機制御装置の一部として表示した
磁極位置推定手段８にて、起動時の磁極位置推定を行う
に、まず、同期電動機の磁極位置推定値θ∧の初期値
(与値＝θ0)を設定する。θ0の設定については、後述す
る。 そして、磁極位置推定手段８内の磁極位置推定部
８ａより停止状態の起動時(起動開始初期)に所定時間の
間だけ、推定用ｄ軸電流指令id1*を電流制御部３ａに出
力する。このときの推定用ｄ軸電流指令id1*の一例は、
所定周波数を有する正弦波指令である。
【００３３】そして、磁極位置推定部８ａは、推定用ｄ
軸電流指令id1*を印加して発生するｑ'軸電流iq'を電流
検出器４及びｄｑ変換部５ａを介して帰還入力する。こ
のとき、前述のように、磁極位置推定部８ａで推定した
磁極位置推定値θ∧（＝θ0)と「実際の同期電動機１の
磁極位置θ」との間に位相誤差Δθ(＝θ−θ∧＝θ−θ
0)が存在すれば、iq'≠０である。 万一、iq'≒０であ
れば、Δθ＝θ−θ0＝０であり、θ＝θ0となるので、
与えた初期値θ0が真値の同期電動機１の磁極位置θで
ある。
【００３４】しかしながら一般にはiq'≠０である。 そ
こで、磁極位置推定部８ａは、磁極位置推定値θ∧（頭
初のθ∧は初期値θ0)を補正して、iq'≒０、位相誤差
Δθ≒０となるように、印加，帰還検出，演算等を繰り
返す。即ち、磁極位置推定部８ａが、ｑ'軸電流iq'が零
(零に近い所定値)に収斂するように、 磁極位置推定値
θ∧を補正していけば、 位相誤差Δθが零に収斂した
ときの磁極位置推定値θ∧を、真値の同期電動機１の磁
極位置θとして得ることができる。
【００３５】換言すれば、停止している同期電動機に対
し、推定するための信号(例えば 前述の交流電流指令id
1*)をｄ軸に印加し、 該交流電流信号の印加によって同
期電動機に流れる「磁極位置推定値θ∧と磁極位置θと
の位相誤差Δθを因子に含む式で表わされる」 ｑ軸方向
の帰還電流信号から判定して該位相誤差Δθを零に近づ
けるという、 磁極位置推定値θ∧の収斂演算を実行す
る構成によって、モータ定数の設定誤差などに左右され
ない高精度な当該同期電動機の磁極位置θを推定するこ
とができる。
【００３６】そして、 上記収斂演算に用いる初期値θ0
を与える(設定する)に２通りの方法が考えらる。 (1)１
つは、図１に示したような＋30°〜−30°の範囲のバラ
ツキ誤差を有する磁極位置検出器１５にて測定した測定
磁極位置を与える、 (2)もう一つは、磁極位置推定手段
が演算した磁極位置推定値θ∧を与えるものである。と
ころで、磁極位置検出器１５を設けない磁極位置センサ
レスの場合は、 (2)の方法の如く磁極位置推定値θ∧を
初期値として与えるが、 (数６)式から判るように、磁
極位置推定値θ∧の推定演算可能範囲が90°であるの
で、推定された値θ∧についてｄ軸かｑ軸かの軸判別と
極性判別とをする必要がある。
【００３７】そして、軸判別の一例は、同期電動機の逆
突極性を利用し、推定用ｄ軸電流指令id1*によって流れ
るｄ'軸電流検出値id'の大きさから判別するものであ
る。この軸判別については良く知られている内容なの
で、詳細説明は省略する。他方の極性判別については後
述する。 したがって、
磁極位置検出器１５が有る場合は、軸判別と極性判別と
をする必要がない測定磁極位置を初期値(与値)とし、無
い場合は、軸判別と極性判別とを含む演算を行って、磁
極位置推定値θ∧を求めることになる。
【００３８】すなわち、本発明による磁極位置推定方法
及び手段の特徴は、電流制御部３ａと３相変換部６ａと
電力変換器７とを介して、停止している同期電動機１の
回転座標ｄ軸方向に交流電流指令id1*に対応した電力を
印加し、該交流電流指令id1*によって発生し電流検出器
４とｄｑ変換部５ａとを介して帰還検出した回転座標ｑ
軸方向の電流iq'の振幅値と、 別途求めて与える同期電
動機の磁極位置推定値θ∧とを用いて収斂演算を実行
し、収斂した磁極位置推定値θ∧を同期電動機の磁極位
置の真値として推定することにある。そして、初期値を
与える方法及び手段としては、磁極位置検出器１５が検
出して与える、または、磁極位置推定部８ａが演算して
与えるなどである。尚、本実施例で導入した(数１)式〜
(数６)式は、突極性または逆突極性を有する同期電動機
に適用されるが、他型式の同期電動機においても置換可
能な等価の収斂式が成立すれば本発明は適用可能であ
る。
【００３９】次に、磁極位置推定手段の第２実施例につ
いて図３を参照して説明する。図３は、本発明による他
の実施例の磁極位置推定手段を示す図である。高精度な
起動時の磁極位置推定手段を示す他の例である。本第２
実施例の推定原理について説明する。まず、逆突極性(L
d＜Lq)を有する同期電動機の電圧方程式は(数１)式のよ
うに表される。また、停止状態ではω=0なので(数１)式
は(数２)式となる。更に、停止状態の起動時(起動開始
初期)に、角周波数ω1の３相交流電圧( 静止座標軸で v
α=V1・sin(ω1・t)、vβ=V1・cos(ω1・t)とする交流
電圧指令)を、 所定時間の間だけ印加して、該交流電圧
指令によって流れる電動機電流について(数２)式を解く
と、モータ周波数ω=0時に３相交流電圧を印加したとき
の静止座標α軸電流iαは(数７)式で、 モータ周波数ω
＝0時に３相交流電圧を印加したときの静止座標β軸電
流iβは、(数８)式でそれぞれ表わされる。
【００４０】
【数７】
【００４１】
【数８】
【００４２】(数７)式と(数８)式より、 同期電動機は
逆突極性(Ld＜Lq)を有するので、iαとiβは振幅が異な
る三角関数で表わされ、 iαとiβのベクトル軌跡をと
ればその軌跡は楕円になり、しかも、楕円の長軸方向は
磁極位置の方向(ｄ軸方向)になることが判る。よって、
楕円の長軸方向を演算することにより、起動時の磁極位
置を推定し磁極位置推定値θ＾を出力することができ
る。楕円の長軸方向を求める演算方法は、iαとiβの２
乗和の平方根で表わされるベクトルの大きさを演算し、
その最大値を求めればよい。そして、(数７)式と(数８)
式から判るように、θdとθqの位相差の分だけは、ｄ軸
方向から長軸方向がずれることになる。従って、この長
軸方向のずれがあれば該ずれ分を補正しないと、正しく
磁極位置を推定することができないと言える。
【００４３】しかしながら、この位相差は、 印加する
３相交流電圧の角周波数ω1によって決まり、角周波数
ω1が高くなるにつれて位相差は小さくなる。 よって、
演算手段２のサンプリングタイムを考慮に入れ、 印加
する３相交流電圧の角周波数ω1をなるべく高く設定す
れば、位相差が小さくなりずれ分の補正を省略すること
ができる、 換言すれば、角周波数ω1高くしてベクトル
演算した楕円の長軸方向を真値の同期電動機１の磁極位
置θとして得ることができると言える。また、インダク
タンスLd，Lqに左右されずに磁極位置を推定する内容で
あるから、パラメータ誤差によって生じる検出精度の低
下は回避される。
【００４４】例えば、印加する３相交流電圧の角周波数
ω1を、 ｄ軸，ｑ軸双方のインピーダンスのリアクタン
ス成分(ω1Ldおよびω1Lq)が、抵抗成分(R=電機子巻線
抵抗)の５倍以上となるような値に設定すれば、ずれ分
はほぼ５°以下となり、従来技術の最大±30°に比べれ
ば１／６以下となり、高精度な推定が行えると言える。
ただし、Ld，Lq，Rは、同期電動機の特性値であり、与
値とする。
【００４５】ところで、角周波数ω1は 高ければ高いほ
どリアクタンス成分と抵抗成分との比は大きくなり、
リアクタンス成分と抵抗成分の比のtan-1から求まるθd
とθqとが小さくなるので、位相差、即ちずれ分も小さ
くなり、精度向上に繋がるが、演算手段２のサンプリン
グタイムを考慮に入れると、７０倍以下が実用的で望ま
しいと言える。即ち、印加する交流電圧指令や電動機電
流の位相の演算を演算手段等で行う場合、演算手段等の
演算周期は演算手段等のサンプリングタイムから決ま
り、例えば、サンプリングタイムが100(μs)とすれば、
約10個のサンプリング数に相当する角周波数ω1は、１
(kＨｚ)位となり、ｄ軸，ｑ軸双方のインピーダンスの
リアクタンス成分が抵抗成分の約７０倍となる。従っ
て、敢えて上限を決めるとすれば、この倍数近辺の範囲
にあると言える。
【００４６】次に具体的な実施例について説明する。図
３に示した磁極位置推定手段８は、電流制御部３ａとｄ
ｑ変換部５ａと３相変換部６ａと磁極位置推定部８ａ
と、後述する長軸方向を特定するための 「磁極位置検出
器１５」または「極性判別部１６ａ」とを含み構成され
る。 尚、極性判別部１６ａは磁極位置推定部８ａの一
部であっても可である。
【００４７】図３に示すように、まず、同期電動機１の
起動時において、磁極位置推定部８ａは、 磁極位置推
定用の３相交流電圧指令V2*を電力変換器７に対して印
加し、それによって流れる電動機電流I1を入力する。
ここで、３相交流電圧指令V2*の角周波数ω1は、 ｄ
軸，ｑ軸のインピーダンスのリアクタンス成分が抵抗成
分の所定倍数以上とする範囲の角周波数である。尚、所
定倍数以上とする範囲は、使途によっては、３倍以上で
あっても、１２０倍以下であっても実用範囲となる場合
があり限定されるものではなく置換可能である。従っ
て、前述の５倍以上の範囲、または、５倍以上〜７０倍
以下の範囲は、望ましい範囲である。
【００４８】そして、磁極位置推定部８ａは、 上記の
原理に基づき、 静止座標αβ軸電流iα，iβのベクト
ル軌跡の長軸方向を特定し、特定した長軸方向から前述
のベクトル演算して求めた位相としての磁極位置推定値
θ＾を、真値の同期電動機１の磁極位置θとするもので
ある。
【００４９】ところで、本第２実施例では、静止座標α
β軸電流iα，iβのベクトル軌跡の長軸方向を磁極位置
としているので、第１実施例の如き軸判別は不要である
が、長軸方向が２方向あるので、どちらの長軸方向の磁
極位置であるかを特定するための極性判別が必要であ
り、磁極位置極性(与値)が与えられる。そして、本第２
実施例においては、 (1)１つは、図３に示したような磁
極位置検出器１５から得られる測定磁極位置に含まれて
いる極性から磁極位置極性を与える、 (2)他は、極性判
別部１６aの極性判別を与えるの２通りの方法が考えら
る。 該極性判別についても後述する。
【００５０】すなわち、本発明による磁極位置推定方法
及び手段の他の特徴は、停止している同期電動機に、回
転座標ｄ軸，ｑ軸双方のインピーダンスのリアクタンス
成分が抵抗成分の所定倍数以上とする範囲( 望ましく
は、５倍以上、または、５倍以上〜７０倍以下の範囲)
の角周波数の交流電圧指令を印加し、 該交流電圧指令
によって流れる電動機電流と、同期電動機の磁極位置極
性(与値)とから演算して、当該同期電動機の磁極位置を
推定することにある。
【００５１】以上のように、本実施例では推定用の電圧
指令を高周波にしているので、モータ定数の設定誤差な
どに推定精度が左右されない高精度な磁極位置推定を実
現することができる。また、本実施例においても主に適
用される同期電動機は突極性または逆突極性を有する同
期電動機であるが、他型式の同期電動機においても置換
可能なベクトル演算式が成立すれば、本発明は適用可能
である。
【００５２】次に、上記磁極位置推定手段を用いた電動
機制御装置の実施例について説明する。図４は、本発明
による一実施例の電動機制御装置を示す図である。磁極
位置検出器１５を不要とする磁極位置推定手段を採用
し、起動時の磁極位置推定と回転時の磁極位置検出とを
実行する電動機制御装置の構成を示している。図４に示
す 電動機制御装置は、 演算手段２と電流検出器４と回
転等検出手段１０とを含み構成される。そして、演算手
段２は、電流制御部３とｄｑ変換部５と３相変換部６と
磁極位置推定手段８とトルク制御部９と速度演算手段１
１と磁極位置演算部１２と位相切換部１３と含み構成さ
れる。尚、磁極位置推定手段８は、前述の軸及び極性判
別部１６や極性判別部１６aなどを含むものとする。
【００５３】上記構成の動作は、演算手段２内のトルク
制御部９において、 トルク指令τ*と回転等検出手段１
０からの出力信号encの入力により 速度演算手段１１が
演算したモータ回転速度ωmとを入力し、 現動作点にお
ける最適な回転座標ｄｑ軸電流指令id*，iq*を演算す
る。続いて電流制御部３において、電流指令id*，iq*に
電流検出値id'，iq'が追従するように回転座標ｄｑ軸電
圧指令vd*，vq*を演算する。さらに 電圧指令vd*，vq*
に基づいて３相交流電圧指令V1*を演算し、電力変換器
７より電圧指令V1*通りの交流電圧を同期電動機１に印
加する。 それに応じて同期電動機１はトルク指令τ*通
りのトルクを発生する。 この時、電流検出器４により
検出された電動機電流I1から電流検出値id'，iq'を演算
するｄｑ変換部５と、 電圧指令vd*，vq*から３相交流
電圧指令V1*を演算する３相変換部６とには、該演算に
現在の回転子の磁極位置θが必要である。
【００５４】本実施例では、演算手段２内に先に説明し
た磁極位置推定手段８を設け、起動時には、磁極位置推
定手段８によって得られる磁極位置推定値θ＾を、現在
の回転子の磁極位置θとして制御に用いる。また、回転
時には、磁極位置演算部１２において、 回転等検出手
段１０からの信号encを入力して演算する磁極位置演算
値θencを、 現在の回転子の磁極位置θとして制御に用
いるものである。このときの起動時と回転時の磁極位置
としての位相の切り換えは、位相切換部１３で行うもの
とする。
【００５５】以上のように、起動時に磁極位置推定手段
８により得られた磁極位置推定値と回転時の磁極位置を
検出する手段から得られた磁極位置演算値とを、電動機
の制御に用いることによって、電動機制御装置に専用の
磁極位置検出器が不要となって、構成が簡素化されてコ
スト低減ができ、かつ信頼性を向上させることができ
る。さらに、従来技術の磁極位置検出器が有する起動時
の最大磁極検出誤差30°を大幅に低減することができ
る。尚、本実施例に用いる磁極位置推定手段８は、前述
の実施例の磁極位置推定手段のどちらでも良い。
【００５６】次に、磁極位置検出器を用いない場合の電
動機制御装置の回転時の位相補正について説明する。図
５は、本発明による他の実施例の電動機制御装置を示す
図である。図６は、図５の回転パルス発生手段が出力す
るパルスZencの波形を示す図である。本実施例の電動機
制御装置の構成は、図４の実施例の構成に、Ｚ相パルス
としてのパルスZencを出力するＺ相パルス発生手段を回
転パルス発生手段１０ａに設け、該パルスZencを用いて
磁極位置推定手段８が回転時の位相補正を実行するもの
である。なお、回転パルス発生手段が一般に用いられて
いるエンコーダであれば、回転パルス発生手段としての
エンコーダ自体がＺ相パルス発生手段を兼用することが
でき、構成の簡素化に繋がる。
【００５７】図５において、回転時においては、磁極位
置演算部１２によって、回転パルス発生手段１０ａから
の信号encをカウントして相対的な位相は検出できる
が、 磁極位置検出器などと言った直接的に磁極位置を
検出する専用検出器を用いない場合は、現時点の技術で
は、回転パルス発生手段としてのエンコーダからは絶対
的な位相は検出することができない。そこで、絶対的な
位相を検出するための補正が必要となる。図５に示す回
転パルス発生手段１０ａは、モータの回転が１回転する
毎にパルスZencを出力するＺ相パルス発生手段を備える
ものである。このパルスZencは、モータの１回転毎にパ
ルスの立ち上りが１回生じる波形を有する、図６に示す
ようなＺ相パルスである。
【００５８】図６において、磁極位置推定手段８は、同
期電動機１が停止している起動時に推定した磁極位置推
定値θ＾と、同期電動機１が回転して入力してきたパル
スZencの立ち上りとを基にして、 パルスZencの立ち上
り(θ1の位置)が発生するまでの位相差dθを計測する。
位相差dθが計測できれば、パルスZencの立ち上りが発
生したときの回転位相θ1の位置(同期電動機１の回転時
の磁極位置を特定するための基準位相θ1の位置)が特定
される。そして、磁極位置演算部１２は該回転位相θ1
の位置を基準として、磁極位置演算部１２が演算した磁
極位置演算値θencを補正するものである。
【００５９】換言すれば、磁極位置推定手段８は、同期
電動機１の１回転する毎に発するＺ相パルスとしてのパ
ルスZencの立ち上り(θ1)を入力し、該Ｚ相パルス(の立
ち上り)と磁極位置推定値θ＾とを基にして、回転時の
磁極位置を特定するための「基準位相としての回転位相
θ1」を出力し、磁極位置演算部１２は、入力した回転位
相θ1を基準位置として、磁極位置演算値θencを補正す
ることにより、磁極位置検出器を用いることなく回転時
の現在の回転子の磁極位置θを特定することができる。
なお、立ち上りの代わりにパルスの立ち下がりの置換は
可能である。さらに、Ｚ相パルスのパルス数は同期電動
機の１回転毎に極対数以内のパルス数であれば、回転時
の位相補正に適用できる。
【００６０】次に、起動時の磁極位置推定値θ＾の極性
判別について説明する。前述の磁極位置推定手段では、
360°の全範囲での推定は不可能である。 そこで、推定
した磁極位置の極性を判別することが必要である。以
下、磁極位置推定値θ＾の極性を判別する軸及び極性判
別部１６や極性判別部１６ａが有する極性判別手段につ
いて説明する。まず、回転パルス発生手段の出力信号を
用いた極性判別手段について説明する。図７は、 本発
明による一実施例の極性判別手段が利用するパルスPns
の波形を示す図である。同期電動機の電気角が「0°〜18
0°」と「180°〜360°」との間で反転するパルスPnsの波
形を示している。
【００６１】図５に示す回転パルス発生手段１０ａに、
図７に示すような、反転する波形のパルスPnsを出力す
る反転パルス発生手段を設ける。そして、磁極位置推定
値θ∧を演算する磁極位置推定手段８は、 該パルスPns
を入力しその状態、即ち、「0°〜180°」の範囲か「180°
〜360°」の範囲かの違いから、 「θ∧」か「θ∧+π」かの
極性を判別することができ、 360°の全範囲での推定が
可能となるものである。なお、前述のＺ相パルス発生手
段は、反転パルス発生手段で代用できる。以上の説明
が、回転パルス発生手段１０ａを利用して、磁極位置推
定手段８が行う起動時の磁極位置推定値θ∧の極性判別
の内容である。
【００６２】尚、回転パルス発生手段１０ａに パルスP
nsを出力する反転パルス発生手段を設けることにより、
前述の回転時の磁極位置検出値θencの補正を、パルスP
nsが既に有している「電気角 0°もしくは180°」の位置
を利用して、 電気角である磁極位置検出値θencの補正
を行うことができるので、 前述のＺ相パルス発生手段
の場合の機械角として得られるパルスZencを電気角へ変
換することが不要となる点で、本実施例の構成が簡素化
され、有利であると言える。
【００６３】次に、同期電動機の磁気飽和特性を利用し
た他の実施例の極性判別手段について説明する。図８
は、同期電動機の磁気飽和特性を示す図である。図９
は、同期電動機のｄ軸インダクタンスの特性を示す図で
ある。図１０は、本発明による他の実施例の極性判別手
段を示す図である。極性判別を行う場合の磁極位置推定
手段８に含まれた極性判別手段の構成を示している。
【００６４】図８に示すように、同期電動機の磁気特性
は同期電動機の回転子が永久磁石による磁束を有してい
るために、回転座標系での磁束軸であるｄ軸の電流idが
零のときでも磁束が存在する。この磁気特性により、ｄ
軸インダクタンスLdの特性は図９に示したようになる。
図９から判るように、電流idの正負の符号の違いにより
ｄ軸インダクタンスLdの大きさが異なる領域(図９中斜
線の領域)が存在する。よって、図９の両斜線領域に対
応する電流idが流れるような 「所定バイアス成分を有す
る交流電圧」をｄ軸に印加すれば、電流idの正負、 即ち
極性の違いが、Ldの大きさとしての電動機電流I1の振幅
の大きさに現れるので、電動機電流I1の振幅の違いを計
測することにより、磁極位置の極性判別が可能となる。
【００６５】図１０を参照して、構成と動作について説
明する。磁極位置推定手段８内に設けられた極性判別手
段は、極性判別２０と磁極位置推定演算２１とを含み構
成される。本構成において、極性判別２０より所定バイ
アス成分を有する交流電圧である極性判別用電圧指令vd
1*を、例えば図１に示す電流制御部３ａに出力する。極
性判別２０は、vd1*によって流れた電動機電流I1を入力
して、その振幅の大きさにより 磁極位置推定演算２１
によって求められた磁極位置推定値θ∧の極性を判別す
る。ここで、極性判別用電圧指令vd1*の周波数と振幅
は、極性の違いがI1の振幅の違いとして検出できるよう
に設定する。なお、図１０では、図１に示す磁極位置推
定手段に上記極性判別手段を適用した例で説明している
が図３に示す磁極位置推定手段にも上記極性判別手段を
そのまま適用できる。
【００６６】以上の説明が、突極性あるいは逆突極性を
有する同期電動機の起動時の磁極位置推定を高精度に行
う磁極位置推定手段の実施形態である。本磁極位置推定
手段を用いれば、磁極位置検出器を不要にすることがで
き、かつ高精度に起動時の磁極位置を検出することがで
きるので、 低コストでかつ高精度,高信頼性の電動機制
御装置を実現することができる。また、磁極位置検出器
を用いる場合であっても高精度に起動時の磁極位置を検
出することができる。そして、本電動機制御装置を突極
性あるいは逆突極性を有する同期電動機を用いた電気車
の電気車用制御装置に適用することができるので低コス
トでかつ高精度,高信頼性の電気車を提供することもで
きる。
【００６７】
【発明の効果】本発明によれば、磁極位置推定手段によ
り、高精度に同期電動機の起動時の磁極位置を推定する
ことができる。さらに、本磁極位置推定手段を用いるこ
とにより、磁極位置検出器を不要とすることができるの
で、低コストで高信頼性、高精度な電動機制御装置およ
び電気車用制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施例の磁極位置推定手段を示
す図である。
【図２】同期電動機の回転座標ｄｑ軸と制御座標ｄ'ｑ'
軸との位相差を示す図である。
【図３】本発明による他の実施例の磁極位置推定手段を
示す図である。
【図４】本発明による一実施例の電動機制御装置を示す
図である。
【図５】本発明による他の実施例の電動機制御装置を示
す図である。
【図６】図５の回転パルス発生手段が出力するパルスZe
ncの波形を示す図である。
【図７】本発明による一実施例の極性判別手段が利用す
るパルスPnsの波形を示す図である。
【図８】同期電動機の磁気飽和特性を示す図である。
【図９】同期電動機のｄ軸インダクタンスの特性を示す
図である。
【図１０】本発明による他の実施例の極性判別手段を示
す図である。
【符号の説明】
１…同期電動機、２…演算手段、３，３ａ…電流制御
部、４…電流検出器、５，５ａ…ｄｑ変換部、６，６ａ
…３相変換部、７…電力変換器、８…磁極位置推定手
段、８ａ…磁極位置推定部、９…トルク制御部、10…回
転等検出手段、10ａ…回転パルス発生手段、11…速度演
算手段、12…磁極位置演算部、13…位相切換部、15…磁
極位置検出器、16…軸及び極性判別部、16ａ…極性判別
部、20…極性判別、21…磁極位置推定演算。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 泰三 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 小原 三四郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (56)参考文献 特開 昭62−138074（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−25893（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−245981（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−177788（ＪＰ，Ａ) 高橋昭彦、近藤正宗，ＰＭモータの電 流ベクトル軌跡による位置センサレス駆 動方法，電気学会半導体電力変換研究会 資料，日本，1994年12月 ８日，Ｖｏ ｌ．ＳＰＣ−94，Ｎｏ．102−109，57− 66 金子悟、正木良三，ｑ軸高周波電流に よる永久磁石同期モータの簡易磁極位置 推定方式，電気学会半導体変換研究会資 料，日本，1997年 ５月14日，ＳＰＣ− 98，25−30 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02P 5/408 - 5/412 H02P 7/628 - 7/632 H02P 21/00 H02P 6/00 - 6/24 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電流検出器により検出された同期電動機の
    電流が与えられた電流指令に追従するように、前記同期
    電動機の電流を制御する電流制御部を有すると共に、磁
    極位置を推定する磁極位置推定手段が出力した磁極位置
    推定値を用いて前記電動機を制御する電動機制御装置に
    おいて、 前記電流制御部に与える前記電動機の回転座標ｄ軸方向
    の電流指令に、交流電流信号を印加する手段を有し、 前記磁極位置推定手段は、前記印加によって発生する回
    転座標ｑ軸方の帰還電流信号から前記磁極位置推定値の
    収斂演算を実行して、前記磁極位置推定値を出力するよ
    うに構成され、 前記同期電動機に対して、回転座標ｄ軸方向に所定バイ
    アス成分を有する交流電圧指令を印加し、前記磁極位置
    推定手段は、該交流電圧指令によって流れる電動機電流
    I1の振幅の大きさから判別して、前記磁極位置極性を与
    えることを特徴とする電動機制御装置。
  2. 【請求項２】 電流検出器により検出された同期電動機の
    電流が与えられた電流指令に追従するように、前記同期
    電動機の電流を制御する電流制御部を有すると共に、磁
    極位置を推定する磁極位置推定手段が出力した磁極位置
    推定値を用いて前記同期電動機を制御する電動機制御装
    置において、 前記電流制御部に与える前記電動機の回転座標ｄ軸方向
    の電流指令に、交流電流信号を印加する手段を有し、 前記磁極位置推定手段は、前記印加によって得られた前
    記電動機電流を回転座標変換し、該回転座標変換によっ
    て得られた回転座標ｑ軸方向の電流信号を入力して磁極
    位置推定値の収斂演算を実行し、前記磁極位置推定値を
    出力するように構成され、 前記同期電動機に対して、回転座標ｄ軸方向に所定バイ
    アス成分を有する交流電圧指令を印加し、前記磁極位置
    推定手段は、該交流電圧指令によって流れる電動機電流
    I1の振幅の大きさから判別して、前記磁極位置極性を与
    えることを特徴とする電動機制御装置。
  3. 【請求項３】 電流検出器により検出された同期電動機の
    帰還電流が電流指令に追従するように前記同期電動機に
    印加する電力を制御すると共に、磁極位置を推定する磁
    極位置推定手段が出力した磁極位置推定値を用いて前記
    同期電動機を制御する電動機制御装置において、 前記同期電動機に、回転座標ｄ軸，ｑ軸双方のインピー
    ダンスのリアクタンス成分が抵抗成分の所定倍数以上と
    する範囲の角周波数の交流電圧指令を印加し、前記磁極
    位置推定手段は、該交流電圧指令によって流れる前記電
    動機電流と前記同期電動機の磁極位置極性とから演算に
    より前記磁極位置推定値を出力するものであり、 かつ、前記磁極位置推定手段は、前記同期電動機に対し
    て、回転座標ｄ軸方向に所定バイアス成分を有する交流
    電圧指令を印加し、該交流電圧指令によって流れる電動
    機電流I1の振幅の大きさから判別して、前記磁極位置極
    性を与えることを特徴とする電動機制御装置。
  4. 【請求項４】 同期電動機と、該同期電動機に交流電力を
    供給する電力変換器と、該電力変換器に対し交流電圧指
    令を出力して前記同期電動機の制御を行う演算手段とを
    有し、電流検出器により検出された同期電動機の帰還電
    流が電流指令に追従するように前記同期電動機に印加す
    る電力を制御すると共に、前記同期電動機の回転位置を
    検出する回転パルス発生手段を備えた電動機制御装置に
    おいて、 前記演算手段は前記同期電動機の磁極位置を推定する磁
    極位置推定手段を有し、前記回転パルス発生手段は、前
    記同期電動機が1回転する毎に1回ないし前記同期電動機
    の極対数回のパルスを発生するＺ相パルスをそれぞれ備
    え、 前記電流制御部に与える前記電動機の回転座標ｄ軸方向
    の電流指令に、交流電流信号を印加する手段を有し、 前記磁極位置推定手段において、前記印加によって発生
    する回転座標ｑ軸方向の帰還電流信号から前記磁極位置
    推定値の収斂演算を実行して、前記磁極位置推定値を出
    力し、 前記演算手段は、前記同期電動機の停止時および起動時
    には前記磁極位置推定手段から検出される磁極位置推定
    値を用いて前記同期電動機の制御を行い、 回転時には前記回転パルス発生手段から検出される磁極
    位置検出値を用いて前記同期電動機の制御を行い、 前記回転時においては、前記磁極位置推定値により規定
    された前記Ｚ相パルスの基準位置を用いて、前記回転パ
    ルス発生手段から検出される磁極位置検出値を補正する
    ことを特徴とする電動機制御装置。
  5. 【請求項５】 同期電動機と、該同期電動機に交流電力を
    供給する電力変換器と、該電力変換器に対し交流電圧指
    令を出力して前記同期電動機の制御を行う演算手段とを
    有し、電流検出器により検出された同期電動機の帰還電
    流が電流指令に追従するように前記同期電動機に印加す
    る電力を制御すると共に、前記同期電動機の回転位置を
    検出する回転パルス発生手段を備えた電動機制御装置に
    おいて、 前記演算手段は前記同期電動機の磁極位置を推定する磁
    極位置推定手段を有し、前記回転パルス発生手段は、前
    記同期電動機が1回転する毎に1回ないし前記同期電動機
    の極対数回のパルスを発生するＺ相パルスをそれぞれ備
    え、 前記電流制御部に与える前記電動機の回転座標ｄ軸方向
    の電流指令に、交流電流信号を印加する手段を有し、 前記磁極位置推定手段において、前記印加によって得ら
    れた前記電動機電流を回転座標変換し、該回転座標変換
    によって得られた回転座標ｑ軸方向の電流信号を入力し
    て磁極位置推定値の収斂演算を実行し、前記磁極位置推
    定値を出力し、 前記演算手段は、前記同期電動機の停止時および起動時
    には前記磁極位置推定手段から検出される磁極位置推定
    値を用いて前記同期電動機の制御を行い、 回転時には前記回転パルス発生手段から検出される磁極
    位置検出値を用いて前記同期電動機の制御を行い、 前記回転時においては、前記磁極位置推定値により規定
    された前記Ｚ相パルスの基準位置を用いて、前記回転パ
    ルス発生手段から検出される磁極位置検出値を補正する
    ことを特徴とする電動機制御装置。
  6. 【請求項６】 走行駆動用の同期電動機を請求項１ないし
    請求項５のいずれか１項記載の電動機制御装置を用いて
    制御することを特徴とする電気車。
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