JP4631514B2

JP4631514B2 - 磁極位置推定方法

Info

Publication number: JP4631514B2
Application number: JP2005110627A
Authority: JP
Inventors: 裕介今田; 健一鈴木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-04-07
Also published as: KR101190935B1; KR20060107404A; JP2006296027A

Description

本発明は、同期電動機のベクトル制御方法に関し、特に始動時の磁極位置推定方法に関する。

従来、同期電動機のベクトル制御は、絶対位置検出器（レゾルバやアブソリュートエンコーダ）により磁極位置を検出し、磁極位置に同期した位相の正弦波電流の振幅及び位相の制御を行いながら電磁力制御を行うものである。

基本的に発生トルクが最大になる電流位相γｍａｘは、印加する電流によらず発生電磁力が零になる電流位相γｍｉｎを９０°ずらしたものである。この電流位相を求める方法として、発生トルクの極性に応じて電流位相γを更新していく方法がある（例えば、特許文献１参照）。

この方法は、電流位相γを変化させて、印加する電流の大きさにかかわらず発生電磁力が零になる電流位相γｍｉｎを加速度の極性より判定して求め、電流位相γｍｉｎと位置検出器で検出された仮の磁極位置δを用いて発生電磁力が最大となる電流位相補正量γｍａｘを決定する。
特開２００３−８８１６４号公報

しかしながら、上述した技術では、印加する位相を一定の間隔（補正量）で更新しているため、電流位相の推定精度を高めるためには長い推定時間を必要とし、推定時間の短縮を図ると推定精度が低くなり課題があった。

また、発生電磁力の極性を加速度の項より判定しているので、位置検出器より得られた位置情報を２階微分するため推定精度が悪くなり課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、電流位相を推定するまでの時間が短く、推定精度の高い同期電動機の磁極位置推定方法を提供することを目的とする。

始動位置である仮の磁極位置に基づき印加する電流位相を決定する同期電動機の磁極位置推定方法において、仮の磁極位置を基準に電気角半周期をＮ分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ（＋，０，−）を判定するステップ１と、移動方向の符号が反転する電気角領域を２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ１を判定するステップ２と、移動方向が＋から０および０から−に変化する電気角領域をそれぞれ２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ２を判定するステップ３と、移動方向が０となる電気角領域の中間点を発生電磁力が零となる位相と決定するステップ４とを備え、ステップ４における零位置を基準にして電流位相を決定する磁極位置推定方法である。

また、同期電動機に取付けた位置検出器から移動方向（＋，０，−）を判別する移動方向判別器と、前記移動方向判別器の出力から磁極位置を推定する磁極位置推定器と、前記磁極位置推定器の出力指令で前記同期電動機の巻線電流を制御する電流制御器とを備え、前記磁極位置推定器は、位置検出器から得た始動位置である仮の磁極位置Ｐを基準にして
電気角半周期をＮ分割する位相に電流を印加し、発生電磁力が零となる電気角領域の中間位置から電流位相を９０°補正する同期電動機駆動装置である。

本発明の同期電動機の磁極位置推定方法によれば、電気角半周期をＮ分割して移動方向（＋，０，−）を判別することで、磁極位置推定中の移動量を少なくして推定時間を短縮できる。また、４ステップにより徐々に磁極位置を絞り込むため磁極位置の推定精度を確保できる。

また、本発明の同期電動機駆動装置によれば、位置検出器から得た始動位置である仮の磁極位置Ｐを基準にして電気角半周期をＮ分割する位相に電流を印加し、発生電磁力が零となる電気角領域の中間位置から電流位相を決定するため、電流位相を推定するまでの時間が短く、磁極位置の推定精度を確保できる。

同期電動機に取付けた位置検出器から移動方向（＋，０，−）を判別する移動方向判別器と、前記移動方向判別器の出力から磁極位置を推定する磁極位置推定器と、前記磁極位置推定器の出力指令で前記同期電動機の巻線電流を制御する電流制御器とを備え、仮の磁極位置を基準に電気角半周期をＮ分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ（＋，０，−）を判定するステップ１と、移動方向の符号が反転する電気角領域を２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ１を判定するステップ２と、移動方向が＋から０および０から−に変化する電気角領域をそれぞれ２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ２を判定するステップ３と、移動方向が０となる電気角領域の中間点を発生電磁力が零となる位相と決定するステップ４とを備え、ステップ４における零位置を基準にして電流位相を決定する同期電動機駆動装置である。

以下、本発明について図を参照して説明する。

図１は、本発明の磁極位置推定方法における全体のフローチャート、図２から図５は各ステップにおける詳細な処理について示したものである。図６はその磁極位置推定方法が適用される同期電動機駆動装置のベクトル制御回路（主要部）のブロック図である。

図６において、同期電動機１（３相）は、回転子に位置検出器２を備えており、同期電動機１の回転位置を検出する。ベクトル制御回路は、移動方向判別器３と、磁極位置推定器４と、電流制御器５とで構成される。

位置検出器２の出力は、移動方向判別器３に入力され、移動方向（＋，０，−）を判別する。磁極位置推定器４は、移動方向判別器３で検出された同期電動機１の移動方向から演算を行い、トルク指令と位相指令を出力する。電流制御器５は、磁極位置推定器４の出力であるトルク指令と位相指令とから３相の電流指令ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを演算し、これら３相の電流指令によって同期電動機１を駆動する。

ここで、移動方向判別器３の出力に基づき磁極位置推定器４が磁極位置推定するステップについて、フローチャートを用いて説明する。

図１において、ステップ１では、仮の磁極位置を基準に電気角半周期をＮ分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ（＋，０，−）を判定する。ステップ２では、移動方向の符号が反転する電気角領域を２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ１を判定する。ステップ３では、移動方向が＋から０および０から−に変化する電気
角領域をそれぞれ２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ２を判定する。ステップ４では、移動方向が０となる電気角領域の中間点を発生電磁力が零となる位相と決定する。そして、ステップ４における零位置を基準にして電流位相を決定し、磁極位置推定が終了する。

次に、ステップ１の詳細な処理（処理１１から処理１６）につき、図２を用いて説明する。まず、ステップ１の開始となる処理１１では、電流位相γ＝０°、初期段階電流印加回数ｎ＝１、測定範囲分割回数Ｍ＝０として、初期値を設定して、処理１２に進む。

処理１２では、始動点である電流位相γｎ＝１を基準にして電気角半周期をＮ分割（γｎ＝Ｎ）した位相に電流を印加し、移動方向Ｄ（＋、０、−）を判定して記憶する。また、Ｄ＝０となった回数Ｚをカウントして、処理１３に進む。

処理１３では、初期段階電流印加回数ｎを判定する。初期段階電流印加回数ｎが初期段階測定範囲分割数Ｎであれば後述する処理１５へ、初期段階測定範囲分割数Ｎ未満であれば処理１４へ進む。

処理１４では、ｎ＝ｎ＋１、γ＝γ＋３６０°／２Ｎとして、初期段階電流印加回数ｎ、電流位相γを更新して処理１２へ進み、処理１２から処理１４を繰り返し、処理１３でｎ＝Ｎとなると、処理１５に進む。

処理１５では、電流位相γを１８０°ずらした位相γ＋１８０°での移動方向Ｄは、電流位相γでの移動方向の極性を反転したものとして記憶する。これにより、電気角１周期（３６０°）あたり２Ｎ個の測定ポイントのデータが得られる。処理１６へ進む。

処理１６では、電気角半周期（Ｎ個の測定ポイント）において、移動方向Ｄ＝０（電流を印加しても回転子が回転しない領域）の測定ポイント数（Ｚ）を判定する。Ｚ＝０であればステップ２の開始となる処理２１へ、Ｚ＝１であればステップ３の開始となる処理３１へ、Ｚ≧２であればステップ４の開始となる処理４１へそれぞれ進む。

次に、ステップ２の詳細な処理（処理２１から処理２５）につき、図３を用いて説明する。処理２１では、移動方向の符号が変化する領域（＋から−、あるいは−から＋）を新たな測定範囲として、ステップ２における移動方向をＤ１とする。電気角で表すと３６０°を２Ｎ×２のＭ乗で除算したものが測定範囲となり、処理２２へ進む。

処理２２では、測定範囲を２分割する電流位相γ１／２に電流を印加する。測定範囲の境界となる電流位相をγ＋（移動方向Ｄ１が＋となる電流位相）、γ−（移動方向Ｄ１が−となる電流位相）とすると、（γ１／２）＝（（γ＋）＋（γ−））／２となる。

処理２３では、測定範囲分割回数ＭをＭ＝Ｍ＋１として更新し、処理２４へ進む。

処理２４では、移動方向Ｄ１を判定し、Ｄ１≠０であれば処理２１に戻り、処理２１から処理２４を繰り返し、Ｄ１＝０であれば、処理２５へ進む。

処理２５では、移動方向Ｄ１が０となった測定ポイントの数Ｚを１として更新し、ステップ３の開始となる処理３１へ進む。

ステップ３の詳細な処理（処理３１から処理３５）につき、図４を用いて説明する。処理３１では、移動方向が＋から０に変わる領域と、０から−に変わる領域を新たな測定範囲α、βとし、処理３２へ進む。ステップ３における移動方向をＤ２とする。

処理３２では、測定範囲α、βを２分割する位相γα、γβに電流を印加する。ステップ１またはステップ２において移動方向が０となった電流位相をγ０とすると、γα＝（（γ＋）＋（γ０））／２、γβ＝（（γ−）＋（γ０））／２となる。処理３３へ進む。

処理３３では、ステップ電流位相γα、γβでの移動方向Ｄ２を判定し、Ｄ２＝０となった回数Ｙをカウントする。Ｙ＝０であれば、処理３４に進む。

処理３４では、測定範囲分割回数ＭをＭ＋１で更新して、処理３１から処理３３を繰り返し、処理３３において、Ｙが０以外のとき処理３５に進む。

処理３５では、移動方向が０となった測定ポイントの数ＺをＺ＋Ｙで更新し、ステップ４の開始となる処理４１へ進む。

ステップ４の詳細な処理（処理４１から処理４３）につき、図５を用いて説明する。処理４１では、各ステップにおいて移動方向が０となった測定ポイントの数Ｚを判定し、Ｚ＝２であれば処理４２へ、Ｚ＞２であれば処理４３へ進む。

処理４２では、印加する電流の大きさにかかわらず発生電磁力が零になる電流位相γｍｉｎを求める。各ステップにおいて移動方向が０となった時の電流位相をγ１、γ２とするとγｍｉｎ＝（γ１＋γ２）／２となり、処理４４へ進む。

処理４３では、印加する電流の大きさにかかわらず発生電磁力が零になる電流位相γｍｉｎを求める。各ステップにおいて移動方向が０となった時の電流位相で最大のものをγ１、最小のものをγ２とするとγｍｉｎ＝（γ１＋γ２）／２となる。

なお、図７から図９は、ステップ１からステップ３における測定範囲と電流位相の関係を示したものであり、図７では、始動位置から電気角１８０°をＮ分割、図８ではさらに移動方向の符号が反転する電気角領域を２分割、図９ではさらに移動方向が＋から０および０から−に変化する電気角領域をそれぞれ２分割する。このように、徐々に電流を印加しても移動しない領域へと絞込んでいく。

最後のステップ４では、図１０に示すように、発生電磁力が零になる電流位相γｍｉｎを零位置とする。基本的には、この零位置を基準にして、電流位相を９０°ずらすことになるが、実際には負荷トルクによって同期電動機の巻線を流れる電流位相が遅れるため、その遅れ分を考慮して進角させている。

各ステップにおける電流の印加時間と移動量の判定について、図１１のフローチャートを用いて説明する。

まず、電流印加の開始となる処理５１では、電流印加時間カウント数ｊの初期値をｊ＝０として設定し、処理５２へ進む。

処理５２では、位置検出器の情報から移動量ｌを測定して、処理５３へ進む。なお移動量ｌは、電流印加開始時からの移動量の絶対値である。

処理５３では、移動量ｌが閾値Ｌ以下なら処理５４へ進む。移動量ｌが閾値Ｌを超えた場合は、次の電流位相での判定に移行する。

処理５４では、電流印加時間カウント数ｊが最大電流印加時間Ｊ未満なら処理５５へ進む。電流印加時間カウント数ｊが最大電流印加時間Ｊと等しい場合、次の電流位相での判定に移行する。

処理５５では、電流印加時間カウント数ｊをｊ＋１として更新して処理５２へ進み、ｊ＝Ｊとなるまで繰り返すことによって、各ステップにおける移動量の判定時間を短縮することができる。

本発明の磁極位置推定方法は、回転形同期電動機のみならず、トルクを推力に置き換えることで精度の高い磁極位置推定が可能であり、直動形同期電動機（リニアモータ）の磁極位置推定などにも有用である。

本発明の磁極位置推定方法におけるステップ全体のフローチャート本発明の実施例１のステップ１内における処理のフローチャート本発明の実施例１のステップ２内における処理のフローチャート本発明の実施例１のステップ３内における処理のフローチャート本発明の実施例１のステップ４内における処理のフローチャート本発明の実施例１におけるベクトル制御回路のブロック図本発明のステップ１における測定範囲と電流位相の関係図本発明のステップ２における測定範囲と電流位相の関係図本発明のステップ３における測定範囲と電流位相の関係図本発明のステップ４における発生電磁力が零になる電流位相γｍｉｎの導出の説明図本発明の実施例２における電流印加時間最短化のフローチャート

符号の説明

１同期電動機
２位置検出器
３移動方向判定器
４磁極位置推定器
５電流制御器

Claims

始動位置である仮の磁極位置に基づき印加する電流位相を決定する同期電動機の磁極位置推定方法において、前記仮の磁極位置を基準に電気角半周期をＮ分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ（＋，０，−）を判定するステップ１と、移動方向の符号が反転する電気角領域を２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ１を判定するステップ２と、移動方向が＋から０および０から−に変化する電気角領域をそれぞれ２分割した位相に電流を印加し、そのときの移動方向Ｄ２を判定するステップ３と、移動方向が０となる電気角領域の中間点を発生電磁力が零となる位相と決定するステップ４とを備え、ステップ４における零位置を基準にして電流位相を決定する磁極位置推定方法。
ステップ１において、０判定の回数Ｚが０の場合はステップ２へ、１の場合はステップ３へ、２以上の場合はステップ４へ移行する請求項１に記載の磁極位置推定方法。
電流位相の導出において、電流印加時の移動量が閾値を超えた場合は電流の印加を終了し、次の電流印加に移行する請求項１または請求項２に記載の磁極位置推定方法。
同期電動機に取付けた位置検出器から移動方向（＋，０，−）を判別する移動方向判別器と、前記移動方向判別器の出力から磁極位置を推定する磁極位置推定器と、前記磁極位置推定器の出力指令で前記同期電動機の巻線電流を制御する電流制御器とを備え、前記磁極位置推定器は、位置検出器から得た始動位置である仮の磁極位置Ｐを基準にして電気角半周期をＮ分割する位相に電流を印加し、発生電磁力が零となる電気角領域の中間位置から電流位相を決定する同期電動機駆動装置。