JP4752124B2 - 永久磁石型同期モータの磁極推定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁石をロータに内蔵した永久磁石形同期モータを可変速制御するために必要な磁極の極性を検出する永久磁石型同期モータの磁極推定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の同期モータでは、ホール素子などによって構成される磁極位置検出用センサを省略した磁極位置検出方法がよく利用されている。
磁極位置検出方法において、起動時にロータが停止している場合の磁極位置を推定する方法については、「電学論D,116巻7号.736〜742ページ平成8年」に示されているように、モータが回転しない程度の間欠的なパルス状の電圧指令を順次任意の方向へ与え、その時の停止座標に変換した各相電流のIαu、Iβu、Iαv、Iβv、Iαw、Iβw等の非正弦波状に変化する応答の相違より磁石の位置を推定して、モータを停止したまま磁極位置を判別する方法がある。
例えば、2極ブラシレスDCモータ等でモータ停止時に初期電流0で電圧ベクトルv(1,0,0)(+,−のスイッチング素子の導通に対してそれぞれ1,0を割り当て、u+、v−、w−導通時のモータ印加電圧をv(100)と表現する)を一定時間TLモータが回転しない程度印加した後の各相電流iu、iv、iwを静止座標αu−βu軸に変換した電流iαu、iβuより、iαu+iβu−Is、Iαu−iβu−Isを計算し(Isは発生直流分)、その符号より図8に示すθ判別テーブルを用いて初期位置角θをπだけ異なった2区間に特定する。
例えば、iαu+iαu−Is>0、iβu−iβu−Is>0の場合は、θは−π/8〜π/8、又は、7π/8〜9π/8、の区間内に存在するとしてθを2通りに推定できる。
更に、磁気飽和が起こる程度の時間Tlだけ電圧ベクトルv(1,0,0)、v(0,1,1)を印加して、図7に示すようにこの時のU相ピーク電流i+ ul、i- ul、は磁気飽和により正弦波から非正弦波状になり、i+ ul+i- ulの正負によって、−π/8〜π/8、と7π/8〜9π/8、を判別ができる。
また、極性判別については、U相電流i+ul、iulに加えて、初期電流0で電圧ベクトルv(0,1,0)、v(1,0,1)をTL時間出力した後のV相電流i+vl、i−ulと、電圧ベクトルv(0,0,1)、v(1,1,0)をTL時間加えた後のW相電流i+wl、i−wlの、それぞれ磁気飽和により非正弦波状になるU相、V相、W相、3相のピーク電流を用いて、このU相、V相、W相ピーク電流の中から、図9に示す極性判別テーブルより推定される2通りのθ区間に対して磁気飽和による電流差が最も大きく現れる2種類の電圧ベクトル使用時のピーク電流によって判別する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、極性以外の磁石の方向は検出することができるが、NSの極性については、その時の停止座標に変換した各相電流Iαu、Iβu、Iαv、Iβv、Iαw、Iβw等の非正弦波状に変化する応答の相違より磁石の位置を推定しているために、磁気飽和が小さく応答波形の差が出にくいモータの場合は、応答の相違が明確に出ず安定した極性判別ができないという問題があった。
そこで、本発明は、d軸電流を直流で流し、その時に発生する磁気飽和をq軸側の磁気回路飽和特性の変化として捉え、d軸電流の流れる方向に対して各q軸のインダクタンス特性差を利用して極性判断を行うことにより、磁気飽和の小さいモータでも安定して磁石の極性を検出することができる永久磁石型同期モータの磁極推定方法を提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、ロータに磁石を持つ構造の同期モータをドライブするインバータと、前記インバータには電流検出部を有し、該電流をd軸・q軸の2軸方向に分解する3相2相変換部と、高周波電圧指令を高周波電流で除算することにより高周波インダクタンスを求めるインダクタンス計算部を備えた前記同期モータの磁極推定装置であって、磁石の極性は不明だがd軸方向を向いている場合に、d軸のプラス方向に直流電流を流した上でq軸に高周波電圧指令を与えてq軸の高周波電流を検出し、前記インダクタンス計算部が前記高周波電圧指令を前記高周波電流で除算することによりプラス側電流高周波インダクタンスを計算し、次にd軸のマイナス方向に直流電流を流した上でq軸に高周波電圧指令を与えてq軸の高周波電流を検出し、前記高周波電圧指令を前記高周波電流で除算することによりマイナス側電流高周波インダクタンスを計算し、前記プラス側電流高周波インダクタンスが前記マイナス側電流高周波インダクタンスより小さい場合には、磁石はd軸プラス方向にN極があると判断することを特徴としている。
また、請求項2に記載の発明は、ロータに磁石を持つ構造の同期モータをドライブするインバータと、前記インバータには電流検出部を有し、該電流をd軸・q軸の2軸方向に分解する3相2相変換部と、q軸電流制御部と、高周波電圧指令を高周波電流で除算することにより高周波インダクタンスを求めるインダクタンス計算部を備えた前記同期モータの磁極推定装置であって、磁石の極性は不明だがd軸方向を向いている場合に、d軸のプラス方向に直流電流を流し、前記q軸電流制御部により高周波電流を流し、その時の前記q軸電流制御の出力であるq軸高周波電圧指令を前記インダクタンス計算部が前記高周波電流で除算することによりプラス側電流高周波インダクタンスを計算し、次にd軸のマイナス方向に直流電流を流し前記q軸電流制御部により高周波電流を流し、その時の前記q軸電流制御の出力であるq軸高周波電圧指令を前記高周波電流で除算することによりマイナス側電流高周波インダクタンスを計算し、前記プラス側電流高周波インダクタンスがマイナス側電流高周波インダクタンスより小さい場合には、磁石はd軸プラス方向にN極があると判断することを特徴としている。
この永久磁石型同期モータの磁極推定装置によれば、磁石の極性は不明だが、従来技術等によって磁石の大体の向きを推定して磁石がd軸方向を向いていると推定された場合に、d軸のプラス方向に直流電流を流して磁気飽和特性を変化させ、その変化をq軸に高周波電圧指令を与えてq軸高周波電流により検出し、この高周波電圧と高周波電流よりプラス側電流高周波インダクタンスを計算し、次にd軸のマイナス方向に直流電流を流し、同様にq軸電流に高周波電圧指令を与え、その時のq軸高周波電流を検出し、この高周波電圧指令と高周波電流よりマイナス側電流高周波インダクタンスを計算する。これより、プラス側電流高周波インダクタンスがマイナス側電流高周波インダクタンスより小さい場合には、磁石はd軸方向にN極があると判断することで、同期モータの磁極を容易に推定できる。
また、d軸に直流電流を流し、q軸には高周波電圧指令ではなく、q軸電流制御によりq軸高周波電流を流す方法でも同様に磁極推定が可能である。先ず、d軸のプラス方向に直流電流を流し、q軸電流制御によりq軸高周波電流を流し、その時のq軸電流制御の出力であるq軸高周波電圧指令を高周波電流で除算してプラス側電流高周波インダクタンスを計算し、同じようにd軸にマイナス方向に直流電流を流し、q軸に高周波電流を流して、マイナス側電流高周波インダクタンスを計算し、プラス側電流高周波インダクタンスがマイナス側電流高周波インダクタンスより小さい場合には、磁石はd軸方向にN極があると判断して、同様に同期モータの磁極を簡単に推定できる。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る永久磁石型同期モータの磁極推定方法の概念ブロック図である。
図2は図1に示す同期モータの磁極推定方法の処理のフローチャートである。
図3は図1に示す同期モータのd−q座標での構造を示す図である。
図4は図1に示すモータのd軸電流に正方向の直流電流を流した時のq軸付近の磁束状態を示す図である。
図5は図4に示すd軸電流に負方向の直流電流を流した時のq軸付近の磁束状態を示す図である。
図1において、10はd軸電流指令で正又は負の直流指令として与えられる。11はq軸電流指令でこちらを使用する時はSW15を2側にして選択する。また、q軸側をオープンループで操作させる場合はSW15を1側にして、q軸電圧指令12から直接ベクトル制御部16へ電圧が与えられる。
13はd軸電流制御部でd軸電流指令よりd軸電圧指令Vdを出力する。14はq軸電流制御部でSW15を2側にすれば、q軸電流指令よりq軸電圧指令Vqを出力する。従って、q軸電流指令11より高周波電流を加えれば磁極検出用の高周波電圧Vhを出力する。切換えSW15を1側に切換えれば、電圧指令12より磁極検出用の高周波電圧Vhを出力する。16はベクトル制御部で電圧指令Vと位置角度信号θvをインバータ部18へ出力し、インバータ部18より同期モータ21を駆動する。
19は電流検出部で同期モータ21の1次電流を検出する。20は3相2相変換回路で電流入力をd軸、q軸電流Id、Iqに変換して、電流指令にフィードバックする。
17はインダクタンス計算部でq軸方向に与えられる高周波電圧Vhと、このVhに対して流れるq軸電流の大きさIhをセツトしてインダクタンスZq=Vh/Ih、を演算する。
【0006】
つぎに動作について説明する。
図3は2ポールのモータのd−q軸座標での構造を示しているが、同期モータは、ステータ3とロータ4と磁石6により構成され、図3では磁石6のN極はd軸方向を向いているので磁束5はd軸方向を向いている。
d軸電流1がゼロの場合にq軸電流2付近の磁気回路の飽和は磁石の磁束の大きさだけで決まっていて、磁石の磁束5の大きさが余り大きくない場合には、q軸電流付近の磁気回路はq軸電流が正側でも負側でも磁気飽和は起こさない。
本発明はこの原理に着目して磁極検出を行うものであり、先ず、図4に示すように、d軸方向に正方向の直流電流としてd軸電流1(d軸電流制御部13からの直流電圧Vd印加による)を流すと、磁石の磁界5にd軸電流の磁束7が上乗せされて、q軸回路周辺は磁気飽和状態になる。磁気飽和を起こすとq軸の磁気抵抗は大きくなり、その逆数に比例するインダクタンスZqは小さくなることが分かる。
次に、図5に示すように、d軸電流1に負方向の直流電流を流す。この場合には、d軸電流の磁束7が減算されてq軸周辺の磁気飽和が無くなる。磁気飽和がないとq軸の磁気抵抗は図4の場合よりも小さくなり、その逆数に比例するインダクタンスは大きくなることが分かる。
【0007】
次に、図2のフローチャートを参照して全体の処理について説明する。
先ず、従来の方法により磁石の方向を決定する(F1)。ここで従来の方向とは、例えば、従来技術として説明した図7〜9の「電学論D.116巻7号…」などの方法であり、この方法では磁極の方向誤差は−π/8〜π/8であり、ほぼ磁石の方向は決定できる。
次に、d軸の正の方向に直流電流Idを流す(F2)。次にq軸方向に高周波電圧Vhを印加する(F3)。この高周波電圧指令の大きさと周波数はモータに振動を与えたり、異常なトルクを発生しない程度に抑えたものであり、モータ毎に決定される。
この高周波電圧Vhに対して流れるq軸電流の大きさをIhにセットする(F4)。
この時のインダクタンスZq+をインダクタンス計算部17で次式のように計算する(F5)。
Zq+=Vh/Ih …… (1)
次に、d軸の負の方向に直流電流Idを流す(F6)。続いて、q軸方向に高周波電圧Vhを印加する(F7)。この高周波電圧Vhに対して流れるq軸電流の大きさをIhにセットする(F8)。
この時のインダクタンスZq-を次式のように計算する(F9)。
Zq-=Vh/Ih …… (2)
以上の(1)と(2)式の2つのインダクタンスを比較する(F10)。
もし、Zq+<Zq-、が成り立つならば、磁石のN極はd軸方向を向いているとみなし判断する(F12)。
もし成り立たないならば、磁石のN極はd軸と反対の方向を向いているとみなしその後のトルク制御を実行する(F11)。
以上、同期モータの磁極推定処理を終了する。
続いて、起動する場合は、動作モード切換SW(図示していない)を磁極推定モードから起動運転モードに切換え、判別した磁極位置に合わせて、速度制御部(図示していない)から速度指令を入力してトルク指令を作成し、q軸電流指令を得て、ベクトル制御部より電圧指令、位相制御角指令を出力してインバータ部をコントロールして同期モータ21を起動し、連続運転を行う。
このように、d軸方向に直流電流を印加することで磁気飽和状態を作り出し、トルクを発生しない程度の高周波電流をq軸に印加する方法で、磁石の極性を簡単に判別することができる。
【0008】
次に、本発明の第2の実施の形態について図を参照して説明する。
図6は本発明の第2の実施の形態に係る永久磁石型同期モータの磁極推定方法の処理のフローチャートである。
図6に示す第2の実施の形態は、図2の第1の実施の形態がq軸高周波電流を高周波電圧指令12を与えて検出したのに対して、SW15を切り換えて電流制御部14からVqを出力してそれによって高周波電流を流すものである。
図6を参照して、先ず、従来の方法により磁石の方向を決定する(F21)。
従来の方法は、例えば、電学論D.116巻7号の方法(従来図の図7〜9)等による。この方法では磁極の方向誤差は−π/8〜π/8であり、ほぼ磁石の方向は決定できる。
次に、d軸の正の方向に直流電流Idを流す(F22)。続いて、q軸方向に高周波電流Ihを印加する(F23)。その時の電流制御部14の出力電圧Vqをインダクタンス計算部17のVhにセットする(F24)。
【0009】
この時のインダクタンスZq+を次式から計算する。
Zq+=Vh/Ih …… (3)
次にd軸の負の方向に直流電流Idを流す(F26)。q軸方向に高周波電流Ihを印加する(F27)。その時の電流制御部14の出力電圧Vqをインダクタンス計算部17のVhにセットする(F28)。
この時のインダクタンスZq-を次式で計算する(F29)。
Zq-=Vh/Ih …… (4)
以上の2つのインダクタンスを比較する(F30)。
もしZq+<Zq-、が成り立つならば磁石のN極はd軸方向を向いていると判断する(F32)。
もし成り立たなければ、磁石のN極はd軸と反対の方向を向いていると判断して、その後のトルク制御を実行する(F31)。
このように、電流制御系からq軸高周波電流を流した場合も同様に簡単に磁極位置の推定ができる。
以上、磁極推定処理を終了する。続いて、起動する場合は、動作モード切換SW(図示していない)を起動運転モードに切換え、判別した磁極位置に合わせて速度指令を入力しトルク指令を作成して、同期モータ21を起動し運転制御できる。
【0010】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、比較的に磁気飽和が起きにくいようなモータにおいても、d軸方向に直流電流を印加することで、q軸の磁気飽和状態を作り出し、トルクを発生しない程度の高周波電圧または電流制御系による高周波電流をq軸に印加する方式によって、安定して磁石の極性を容易に判別することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る永久磁石型同期モータの磁極推定方法の概念ブロック図である。
【図2】図1に示す同期モータの磁極推定方法の処理のフローチャートである。
【図3】図1に示す同期モータのd−q座標でのモータ構造を示す図である。
【図4】図1に示すモータのd軸電流を正方向に流した時のq軸付近の磁束状態を示す図である。
【図5】図4に示すd軸電流を負方向に流した時のq軸付近の磁束状態を示す図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態に係る永久磁石型同期モータの磁極推定方法の処理のフローチャートである。
【図7】従来の磁極推定方法の磁気飽和状態を示す図である。
【図8】従来の磁極推定方法によるθの推定テーブルを示す図である。
【図9】従来の磁極推定方法の極性判別テーブルを示す図である。
【符号の説明】
1 d軸電流
2 q軸電流
3 ステータ
4 ロータ
5 磁石の磁束
6 磁石
7 d軸電流の磁束
10 d軸電流指令
11 q軸電流指令
12 q軸電圧指令
13 d軸電流制御部
14 q軸電流制御部
15 SW
16 ベクトル制御部
17 インダクタンス計算部
18 インバータ部
19 電流検出部
20 3相2相変換
21 同期モータ
Claims (3)
- ロータに磁石を持つ構造の同期モータをドライブするインバータと、前記インバータには電流検出部を有し、該電流をd軸・q軸の2軸方向に分解する3相2相変換部と、高周波電圧指令を高周波電流で除算することにより高周波インダクタンスを求めるインダクタンス計算部を備えた前記同期モータの磁極推定装置であって、
磁石の極性は不明だがd軸方向を向いている場合に、d軸のプラス方向に直流電流を流した上でq軸に高周波電圧指令を与えてq軸の高周波電流を検出し、前記インダクタンス計算部が前記高周波電圧指令を前記高周波電流で除算することによりプラス側電流高周波インダクタンスを計算し、
次にd軸のマイナス方向に直流電流を流した上でq軸に高周波電圧指令を与えてq軸の高周波電流を検出し、前記高周波電圧指令を前記高周波電流で除算することによりマイナス側電流高周波インダクタンスを計算し、
前記プラス側電流高周波インダクタンスが前記マイナス側電流高周波インダクタンスより小さい場合には、磁石はd軸プラス方向にN極があると判断することを特徴とする永久磁石型同期モータの磁極推定装置。 - ロータに磁石を持つ構造の同期モータをドライブするインバータと、前記インバータには電流検出部を有し、該電流をd軸・q軸の2軸方向に分解する3相2相変換部と、q軸電流制御部と、高周波電圧指令を高周波電流で除算することにより高周波インダクタンスを求めるインダクタンス計算部を備えた前記同期モータの磁極推定装置であって、
磁石の極性は不明だがd軸方向を向いている場合に、d軸のプラス方向に直流電流を流し、前記q軸電流制御部により高周波電流を流し、その時の前記q軸電流制御の出力であるq軸高周波電圧指令を前記インダクタンス計算部が前記高周波電流で除算することによりプラス側電流高周波インダクタンスを計算し、
次にd軸のマイナス方向に直流電流を流し前記q軸電流制御部により高周波電流を流し、その時の前記q軸電流制御の出力であるq軸高周波電圧指令を前記高周波電流で除算することによりマイナス側電流高周波インダクタンスを計算し、 前記プラス側電流高周波インダクタンスがマイナス側電流高周波インダクタンスより小さい場合には、磁石はd軸プラス方向にN極があると判断することを特徴とする永久磁石型同期モータの磁極推定装置。 - 前記推定後は磁極推定モードから起動運転モードに切換え、前記判別した磁極位置に合わせて速度指令を入力してトルク指令を作成し、前記トルク指令からq軸指令を得て、前記q軸指令から電圧指令および位相制御角指令を出力して前記インバータ部を制御して同期モータを起動することを特徴とする請求項1又は2記載の永久磁石型同期モータの磁極推定装置。
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