JP4661535B2

JP4661535B2 - 同期電動機の再始動方式

Info

Publication number: JP4661535B2
Application number: JP2005322978A
Authority: JP
Inventors: 義則中野
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2005-11-08
Filing date: 2005-11-08
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: JP2007135250A

Description

本発明は、永久磁石を界磁源とする同期電動機をインバータなどの電力変換装置で速度やトルクを制御する同期電動機の制御装置に係り、特にセンサレスベクトル制御における同期電動機の空転速度検出と回転位相推定による再始動方式に関する。

永久磁石を界磁源とする同期機には、界磁側に強力なダンパ巻き線（誘導器のカゴ形導体などに相当）を内蔵して商用電源に直入れ投入起動が可能な種類と、ダンパ巻き線を持たずにインバータなどの電力変換装置などにより電圧や電流を制御して発生トルクや安定化を行う種類との２種類がある。

本発明は、ダンパが無いか、またはダンパの機能が弱く直入れ起動ができない同期電動機（以下、ＰＭモータと呼ぶ）を制御対象とし、さらにＰＭモータにエンコーダやパルスピックアップなどの速度検出器を設けることなくベクトル制御するセンサレスベクトル制御方式における、ＰＭモータの空転速度検出と回転位相推定による再始動方式を提案するものである。

電気自動車やハイブリット自動車、電動建設機械などのように、バッテリを直流電源とするインバータでモータを可変速駆動するシステムにおいて、モータをセンサレスベクトル制御を行う場合、回転しているモータに対して、インバータ停止状態から安定して空転再始動に必要な情報（位相情報、速度情報）を取り込み、インバータ制御装置はこれらのデータを初期情報としてセンサレスベクトル制御に切り替えて再始動する。

従来の起動法では、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し、これを時間間隔をあけて２回実行し、その時間差と位相差より速度を推定、さらには位置（位相）を推定する起動法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

図５、図６にインバータを使用して、同期電動機の端子を短絡する状態の電流の流れを示し、図５ではインバータの下アーム全相をゲートＯＮさせ、図６ではインバータの上アーム全相をゲートＯＮさせてパルス状短絡電流を流す。また、図７にそのとき発生した短絡電流のベクトルの位相から、速度を検出する原理をタイムチャートで示す。電動機の回転角速度ω_estは２回のパルスで計測した位相差θａ（＝θ０−θ１）と時間差Ｔａからω_est＝θａ／Ｔａで計算する。また、回転角速度ω_estの積分で回転子位置（位相）を知ることができ、回転角速度ω_estの符号から回転方向を知ることができる。
平成９年電気学会産業応用部門全国大会Ｎｏ.135 鳥羽・藍原・柳瀬："位置・速度・電圧センサレスＰＭモータ駆動システムの回転状態からの起動法"

従来の起動法では、空転再始動に必要な情報（位相情報、速度情報）を得るために、インバータの出力を強制的に短時間だけ短絡状態にする必要があり、アームを構成する半導体素子に短絡電流が流れてそれらを破損させるリスクがある。

また、ＰＭモータの空転速度検出と回転位相推定のために多くの演算要素を必要とするし、速度検出と位相推定が得られるまでの時間がかなりかかる。

本発明の目的は、上記の課題を解決した同期電動機の再始動方式を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、同期電動機の空転状態で、ベクトル制御装置のｄ，ｑ軸電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を零に設定し、推定位相θを零に設定した状態でベクトル制御演算を行わせることで、ｄ軸電流に交流波形を得、この交流波形はモータの回転数そのものであるため、その周期を時間測定して回転数（速度）ω₀を求め、また、位相もこの交流波形と同期しており、速度ω₀の積分演算で推定位相θ₀を求めるようにしたもので、以下の方式を特徴とする。

（１）直入れ起動ができない同期電動機をセンサレスベクトル制御方式のインバータで駆動し、空転状態の同期電動機の回転位相と回転速度を推定して停止状態のインバータを再始動する同期電動機の再始動方式であって、
同期電動機の空転状態で、ベクトル制御装置のｄ，ｑ軸電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を零に設定し、推定位相θを零に設定した状態でベクトル制御演算を行わせる設定手段と、
前記設定状態でｄ軸電流に得る交流波形の周期を時間測定して回転速度ω₀を求め、かつ回転速度ω₀の積分演算で回転位相θ₀を求める演算手段とを備え、
前記回転位相θ ₀ と回転速度ω ₀ を空転状態の同期電動機の回転位相と回転速度の初期値とした位相推定演算によりインバータのセンサレスベクトル制御を開始することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、同期電動機の空転状態で、ベクトル制御装置のｄ，ｑ軸電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を零に設定し、推定位相θを零に設定した状態でベクトル制御演算を行わせることで、ｄ軸電流に交流波形を得、この交流波形の周期を時間測定して回転数（速度）ω₀を求め、また、速度ω₀の積分演算で推定位相θ₀を求めるようにしたため、従来のインバータの出力を強制的に短時間だけ短絡状態にすることを不要にしてアームを構成する半導体素子に短絡電流が流れてそれらを破損させるリスクを無くすことができ、また、同期電動機の空転速度検出と回転位相推定のためには、少しの演算要素で済み、速度検出と位相推定が得られるまでの時間も短縮でき、ひいてはセンサレスベクトル制御の信頼性や安定性の向上を図ることができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示すＰＭモータのセンサレスベクトル制御ブロックである。電流制御部１Ａ，１Ｂは、ｄ，ｑ２軸のトルク電流指令ｉｑ＊と界磁電流指令ｉｄ＊が与えられ、これらトルク電流指令ｉｑ＊及び界磁電流指令ｉｄ＊と、それらの電流検出値ｉｑ，ｉｄとの比較によりｄ軸，ｑ軸の電圧指令Ｖｄ，Ｖｑを得、これら指令は座標変換部２により回転→固定座標変換して２相の電圧指令Ｖα，Ｖβを得、さらに２相／３相変換部３により３相の電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換し、これら電圧指令を基に電力変換器（ＰＷＭインバータ）４によるＰＭモータ５の電機子電流を制御する。

３相／２相変換部６は、ＰＭモータ５の各相検出電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを２相の電流ｉα，ｉβに変換し、これら電流を回転座標変換部７によって固定→回転座標変換で検出電流ｉｄ，ｉｑを得、これらを電流制御部１Ａ，１Ｂへのフィードバック電流とする。

座標変換部２、７はＰＭモータの磁極位相θを基準として座標変換し、この磁極位相θをＰＭモータから直接に検出するのに代えて、位相推定部８が磁極位置を推定する。この推定演算には、電圧指令Ｖα，Ｖβと電流検出信号ｉα，ｉβおよび角速度ω（モータ回転速度）を、モータモデルをもつオブザーバ８Ａの電圧−電流方程式に代入した演算により推定磁束λα、λβとして求め、これらから逆正接演算部８Ｂにより推定位相θｅを得る。微分演算部８Ｃは推定磁束θｅの微分によって推定角速度ωｅを角速度ωとして得る。

トルク電流指令ｉｑ＊と界磁電流指令ｉｄ＊は、電流指令発生部９から与えられ、これらはトルク制御系からのトルク制御信号、さらには速度制御系を含めた制御系からのトルク制御信号から求められる。

以上のようなＰＭモータのセンサレスベクトル制御装置において、本実施形態では、インバータ停止状態からの空転再始動をするために必要とするデータ（ＰＮ磁極位置の位相データと回転数の２つの情報）を取得するため、零位相切換器１０と、零電流設定器１１と、ゼロクロス検出器１２と、周期検出器１３および積分器１４とを設ける。

零位相切換器１０は、ＰＭモータの空転状態で、現時点のＰＮの磁極位置が分からないため、ベクトル制御上の座標変換の位相入力信号をゼロとする。零電流設定器１１は、電流制御上のｄ，ｑ軸電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊をゼロ設定し、インバータ４をゼロ電流制御する。

このゼロ電流制御により、図２に示すように、ｄ軸電流は本来直流の検出電流が交流となって検出される。この交流波形は回転数そのものであるため、ゼロクロス検出器１２で零点を検出し、カウンタ等で構成される周期検出器１３で周期を時間測定し、その演算で回転数（速度）ω₀を算出する。また、位相もこの交流波形と同期しており、積分器１４はゼロクロス点のエッジを推定位相の０度とし、周期検出器１３で求めた速度ω₀の積分演算を行い、推定位相θ₀として算出する。

求められた速度ω₀および推定位相θ₀は、位相推定部８のω_eとθ_eの初期値として設定して位相推定を開始させる。同時に、零位相切換器１０を位相推定部８側に復帰させ、インバータのセンサレスベクトル制御を開始し、この制御が安定化したときに零電流設定器１１の零電流設定出力をオフにし、トルク制御系または速度制御系によるセンサレスベクトル制御を始める、すなわち再始動を完了する。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態を示すＰＭモータのセンサレスベクトル制御ブロックである。

本実施形態は、ＰＮ磁極位置の位相データと回転数の２つの情報を推定する基本的な考え方は実施形態１と同じであるが、本実施形態は低速におけるｄ軸電流の交流波形のゼロクロス点のエッジを取り込む際のチャタリング防止機能として、ゼロクロス検出器１２の出力からチャタリングを取り除くためのヒステリシス回路１５を設けている。

図４はタイムチャートを示し、実施形態１ではＨｉｇｈ側もＬｏｗ側もゼロ点でコンパレートしていたが、本実施形態では、ヒステリシス回路１５によってＬｏｗにするタイミングのしきい値を下げてヒステリシス特性を得ている。これによって、モータが低速で回転し、ｄ軸検出電流に多少のリプルが乗っていたとしてもチャタリングすることなく正確にゼロクロス点を取り込むことができ、推定回転数と推定位相データを求めることが可能となる。

なお、実施形態における位相推定部８の演算方式は他の方式に適宜変更して同等の作用を効果を得ることができる。また、演算要素１２〜１５の構成や設定器１０，１１の設定手法は適宜設計変更できる。

本発明の実施形態１を示すＰＭモータのセンサレスベクトル制御ブロック。実施形態１のタイムチャート。本発明の実施形態２を示すＰＭモータのセンサレスベクトル制御ブロック。実施形態２のタイムチャート。同期電動機の端子を短絡する状態の電流の流れを示す図。同期電動機の端子を短絡する状態の電流の流れを示す図。短絡電流のベクトルの位相から速度検出する原理説明図。

符号の説明

４ＰＷＭインバータ
５ＰＭモータ
８位相推定部
９電流指令発生部
１０零位相切換器
１１零電流設定器
１２ゼロクロス検出器
１３周期検出器
１４積分器
１５ヒステリシス回路

Claims

直入れ起動ができない同期電動機をセンサレスベクトル制御方式のインバータで駆動し、空転状態の同期電動機の回転位相と回転速度を推定して停止状態のインバータを再始動する同期電動機の再始動方式であって、
同期電動機の空転状態で、ベクトル制御装置のｄ，ｑ軸電流指令ｉｄ＊、ｉｑ＊を零に設定し、推定位相θを零に設定した状態でベクトル制御演算を行わせる設定手段と、
前記設定状態でｄ軸電流に得る交流波形の周期を時間測定して回転速度ω₀を求め、かつ回転速度ω₀の積分演算で回転位相θ₀を求める演算手段とを備え、
前記回転位相θ ₀ と回転速度ω ₀ を空転状態の同期電動機の回転位相と回転速度の初期値とした位相推定演算によりインバータのセンサレスベクトル制御を開始することを特徴とする同期電動機の再始動方式。