JP4881038B2 - 永久磁石同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石電動機を駆動制御する永久磁石電動機の制御装置に関する。

一般的に、回転子に電気的突極性を有する永久磁石同期電動機の駆動制御装置は、回転子の回転角度を検出する検出器を用いるが、検出器の存在が同期機の容積を増大させる。そこで、検出器を用いずに回転角度を推定し、推定された回転角度により駆動制御（以下、「センサレス制御」という。）を行う方式が知られている。

例えば、センサレス制御は、誘起電圧利用方法と高周波電圧重畳方法がある。前者は、同期機の回転によって誘起される誘起電圧が同期機制御回転軸のｑ軸方向（トルク軸方向）に観測されることを利用して回転角度を推定する手法である。後者は、同期機を制御するための電圧指令もしくは電流指令に高周波成分を能動的に重畳し、それに対応する周波数の応答を検出することにより同期機のインピーダンスを推定もしくは評価関数を演算することにより回転角度を推定する手法である。

一方、センサレス制御方法の他に、電動機に印加する電圧と周波数とをほぼ比例させて制御するＶ／ｆ一定制御も知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平０５−６８３９４号公報

しかしながら、以上のような制御装置は、以下のような問題がある。センサレス制御方法は、制御に必要となる多くのパラメータを調整する必要があるため、調整時間に費やす時間を多く必要とし、また、複雑かつ高速な演算処理が必要なため、制御装置が高価になる。一方、Ｖ／ｆ一定制御は、制御が簡単なため制御装置を安価にすることができるが、電動機の起動時において大きな起動トルクを必要とする場合、脱調して運転不能に至る恐れがある。

そこで、本発明の目的は、永久磁石同期電動機の回転子の位置を検出するセンサを用いずに駆動制御する電動機において、停止状態から起動を行う際に、起動トルク不足での脱調よる運転不能を回避することのできる永久磁石同期電動機の制御装置を提供することにある。

本発明の観点に従った永久磁石同期電動機の制御装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータを制御し、前記インバータから出力される前記交流電力により、回転子の位置を検出するセンサを用いずに、永久磁石同期電動機を駆動する永久磁石同期電動機の制御装置において、前記永久磁石同期電動機が停止している状態から起動する際に、前記永久磁石同期電動機の電機子巻線に、前記永久磁石同期電動機の定格値以上の電流を流す制御をするための指令値を生成する指令値生成手段と、前記指令値生成手段により生成された前記指令値に基づいて、トルク軸の電気量を制御するための指令であるトルク軸指令値及び磁束軸の電気量を制御するための指令である磁束軸指令値を出力する電気量制御手段と、前記永久磁石同期電動機の一次周波数を制御するための指令である一次周波数指令値を生成する一次周波数指令値生成手段と、前記電気量制御手段で出力された前記磁束軸指令値から振動成分を抽出する振動成分抽出手段と、前記振動成分抽出手段から抽出される振動成分に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルク振動を抑制するために、前記一次周波数指令値生成手段により生成された前記一次周波数指令値を、増加に応じて減少させる補正量で補正する一次周波数指令値補正手段と、前記一次周波数指令値補正手段により補正された前記一次周波数指令値に基づいて、前記電気量制御手段から出力された前記トルク軸指令値及び前記磁束軸指令値を、前記インバータから出力される三相の電気量を制御するための指令値に変換する座標変換手段とを備えた構成である。

本発明によれば、永久磁石同期電動機の回転子の位置を検出するセンサを用いずに駆動制御する電動機において、停止状態から起動を行う際に、起動トルク不足での脱調よる運転不能を回避することのできる永久磁石同期電動機の制御装置を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して、本実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の適用された構成について説明する。

本装置は、直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器によって駆動され、回転子に電気的突極性を有する永久磁石同期電動機の起動制御装置である。

本装置の適用された構成は、電流制御部１、座標変換部２、ＰＷＭ変調部３、インバータ４、モータ５、座標変換部６、積分器７、電流指令値生成器８、一次周波数指令値生成器９、及び電流検出器２１からなる。

本構成は、電流指令値生成器８と、電流制御部１と、座標変換部２と、ＰＷＭ変調部３と、インバータ４とが順次に接続されている。インバータ４は、直流電力の供給を受けるための電源１０と接続され、出力電圧を印加するモータ５と接続されている。一次周波数指令値生成器９は、積分器７を介して、座標変換部２，６に情報をそれぞれ出力するように接続されている。座標変換部６は、インバータ４の出力側に設けられた電流検出器２１の検出値が入力されるように接続され、電流制御部１に情報を出力するように接続されている。

モータ５は、回転子に電気的突極性を有する永久磁石同期電動機である。モータ５は、インバータ４から供給される交流電力によって、駆動制御される。

電流指令値生成器８は、インバータ４が出力する電流値を制御するための電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆを生成する。電流指令値生成器８は、ｄｑ座標軸でのｄ軸（磁束軸）電流指令値ＩｄＲｅｆ及びｑ軸（トルク軸）電流指令値ＩｑＲｅｆを電流制御部１に出力する。

一次周波数指令値生成器９は、モータ５の回転数を制御するための一次周波数指令値ωＲｅｆを生成する。一次周波数指令値生成器９は、一次周波数指令値ωＲｅｆを積分器７に出力する。

積分器７は、入力された一次周波数指令値ωＲｅｆを積分し位相角θを算出する。積分器７は、算出した位相角θを座標変換部２，６にそれぞれ出力する。

電流検出器２１は、トルク電流及び磁束電流を算出するための電流値を検出する。電流検出器２１は、インバータ４から出力され、モータ５に供給される三相の電流検出値ＩｕＲｅｓ，ＩｖＲｅｓ，ＩｗＲｅｓを検出する。

座標変換部６は、電流検出器２１で検出されたモータ５の三相の電流検出値ＩｕＲｅｓ，ＩｖＲｅｓ，ＩｗＲｅｓと、積分器７から出力される位相角θとが入力され、三相／二相変換及び座標回転変換により、ｄ軸電流の実際値ＩｄＲｅｓ及びｑ軸電流の実際値ＩｑＲｅｓを求める。座標変換部６は、求められたｄ軸電流及びｑ軸電流の実際値ＩｄＲｅｓ，ＩｑＲｅｓを電流制御部１に出力する。

電流制御部１は、モータ５のトルク電流及び磁束電流を制御する。電流制御部１は、座標変換部６から入力されたモータ５のｄ軸電流及びｑ軸電流の実際値ＩｄＲｅｓ，ＩｑＲｅｓが、電流指令値生成器８から入力されたｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ及びｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆに追従するように、座標変換部２に出力するｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆ及びｑ軸電圧指令値ＶｑＲｅｆを操作する。具体的には、電流制御部１は、ｄ軸電流及びｑ軸電流の指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆと、ｄ軸電流及びｑ軸電流の実際値ＩｄＲｅｓ，ＩｑＲｅｓに基づいて、比例積分制御することにより、ｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆ、ｑ軸電圧指令値ＶｑＲｅｆを求める。電流制御部１は、ｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆ、ｑ軸電圧指令値ＶｑＲｅｆを座標変換部２に出力する。

座標変換部２は、電流制御部１から入力されたｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆ及びｑ軸電圧指令値ＶｑＲｅｆを、積分器７の出力である位相角θを用いて、座標回転変換及び二相／三相変換し、インバータ４の三相電圧指令値ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆを算出する。座標変換部２は、三相電圧指令値ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆをＰＷＭ変調部３に出力する。

ＰＷＭ変調部３は、座標変換部２から入力される三相電圧指令値ＶｕＲｅｆ，ＶｖＲｅｆ，ＶｗＲｅｆをパルス幅変調（Pulse Width Modulation）により変調し、三相ゲート信号ＶｕＩＮＶ，ＶｖＩＮＶ，ＶｗＩＮＶをインバータ４に出力する。

インバータ４は、直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器であり、ＰＷＭインバータである。インバータ４は、ＰＷＭ変調部３から入力された三相ゲート信号ＶｕＩＮＶ，ＶｖＩＮＶ，ＶｗＩＮＶをパルス幅制御された三相の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとして出力する。インバータ４は、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをモータ５の固定子巻線に印加し、回転磁界を発生させる。

電源１０は、交流電力に変換するために、インバータ４に直流電力を供給するための電源である。

次に、以上のように構成された永久磁石同期電動機の制御装置の動作について説明する。

電流指令値生成器８は、モータ５が停止状態から起動を行う際、モータ５の定格電流値より大きな値となるようにｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ及びｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆを生成し、電流制御部１に出力する。

本装置は、電流指令値生成器８により生成されたｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ及びｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆに基づいて、上述の構成により、電流制御部１、座標変換部２、ＰＷＭ変調部３を順次に介して、インバータ４を制御し、インバータ４から出力される交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗにより、モータ５が駆動制御される。

本実施形態によれば、電流指令値生成器８により生成される電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆを、永久磁石同期電動機５の定格電流値に比して大きな値、すなわち最大電流値／定格電流値で求まる比まで電流指令値を増加させることにより、定格以上の起動トルクを発生させるため、起動トルク不足により脱調して運転不能になることを回避し、安定に起動させることができる。

また、電流制御部１によりトルク電流及び磁束電流の実際値が電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに追従するように制御を行うため、過電流が発生して運転不能になることを回避し、安定に起動させることができる。

（第２の実施の形態）
図２を参照して、本実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の適用された構成について説明する。図１と同一要素には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。なお、以下の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

本装置は、図１に示す構成に加えて、振動抑制器１１及び減算器１２を付加した構成としている。減算器１２は、一次周波数指令値生成器９と積分器７との間に設けられている。振動抑制器１１は、電流制御部１からｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆが入力され、減算器１２に一次周波数補正量ωｃｍｐを出力するように接続されている。

振動抑制器１１は、起動時発生したトルク振動を抑制するための機器である。振動抑制器１１は、電流制御部１から入力されたｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆに基づいて、一次周波数補正量ωｃｍｐを求める。振動抑制器１１は、求めた一次周波数補正量ωｃｍｐを減算器１２に出力する。

振動抑制器１１は、ハイパスフィルタ１１１と比例増幅器１１２とからなる。ハイパスフィルタ１１１は、電流制御部１から入力されたｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆを、ハイパスフィルタにより直流成分を除去することにより、ｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆの振動成分を抽出する。ハイパスフィルタ１１１は、抽出したｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆの振動成分を比例増幅器１１２に出力する。比例増幅器１１２は、ハイパスフィルタ１１１から入力されたｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆの振動成分にゲインを乗じて、一次周波数補正量ωｃｍｐを求める。比例増幅器１１２は、求めた一次周波数補正量ωｃｍｐを減算器１２に出力する。

減算器１２は、一次周波数指令値生成器９から入力された一次周波数指令値ωＲｅｆから振動抑制器１１から入力された一次周波数補正量ωｃｍｐを減算し、新たな一次周波数指令値ωＲｅｆ２として積分器７へ出力する。

本実施形態によれば、第１の実施形態による効果に加え、電流制御部１により生成されるｄ軸電圧指令値ＶｄＲｅｆの振動成分を演算し、この振動成分で一次周波数指令値ωＲｅｆを補正することにより、起動時発生したトルク振動を抑制することができる。これにより、起動時発生したトルク振動で、脱調して運転不能になることを回避し、安定に起動させることができる。

（第３の実施の形態）
図３を参照して、本実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の適用された構成について説明する。

本装置は、図２に示す構成に加えて、一次周波数指令値対応ゲイン演算部１３（以下、「ゲイン演算部１３」という。）を付加した構成としている。ゲイン演算部１３は、振動抑制器１１と減算器１２との間に設けられている。ゲイン演算部１３は、振動抑制器１１から一次周波数補正量ωｃｍｐが入力され、一次周波数指令値生成器９から一次周波数指令値ωＲｅｆが入力され、減算器１２に一次周波数補正量ωｃｍｐ２を出力するように接続されている。

ゲイン演算部１３は、一次周波数指令値生成器９から入力された一次周波数指令値ωＲｅｆに応じて、振動抑制器１１から入力された一次周波数補正量ωｃｍｐの振幅を可変にするようにし、新たな一次周波数補正量ωｃｍｐ２として減算器１２へ出力する。

次に、図４を参照して、ゲイン演算部１３の動作について説明する。

モータ５が停止時は、一次周波数指令値ωＲｅｆは「０」であり、起動開始とともに一次周波数指令値ωＲｅｆは増加する。一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」から設定周波数ωＲｅｆ＿Ａの間においては、ゲインＧｃｍｐを「１」に保持し、一次周波数指令値ωＲｅｆがωＲｅｆ＿Ａを超えた場合には、所定の変化率でゲインＧｃｍｐを「１」から「０」に下降させる。

ゲイン演算部１３を構成する乗算器１３１は、算出したゲインＧｃｍｐと振動抑制器１１の出力である一次周波数補正量ωｃｍｐを乗算し、新たな一次周波数補正量ωｃｍｐ２を算出する。ゲイン演算部１３は、算出した一次周波数補正量ωｃｍｐ２を減算器１２に出力する。

これにより、一次周波数補正量ωｃｍｐ２は、一次周波数指令値ωＲｅｆが設定周波数ωＲｅｆ＿Ａを超えると、所定の変化率で「０」に下降する特性となる。すなわち、ゲイン演算部１３のゲインＧｃｍｐを可変ゲインとし、停止から起動する場合はゲインＧｃｍｐを「１」として振動抑制器１１により起動時の振動抑制させる。また、高速（一次周波数指令値大領域）になるに従いゲインＧｃｍｐを落とし、ある周波数以上においてはゲインＧｃｍｐを「０」として振動抑制器１１を無効にする。なお、特定の周波数領域だけ振動抑制器１１の効果を上げるように、所定の関数の可変ゲインを使用してもよい。

本実施形態によれば、第２の実施形態による効果に加え、以下の効果を得ることができる。

永久磁石同期電動機５が高速で回転している場合は、振動抑制器１１の出力も高周波となる。このため、電流制御部１の応答が限界を超えトルク振動に対して位相ずれが発生し、振動抑制の効果が無くなり、逆に振動を増加するような現象が起こり得る。よって、高速で回転している場合は振動抑制器１１を無効にすることで、この現象を防止することができる。

（第４の実施の形態）
図５を参照して、本実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の適用された構成について説明する。

本装置は、図１に示す構成に加えて、停止判定部１４、初期位相角推定部１５、加算器１６及び高周波電流重畳部１７を付加した構成としている。高周波電流重畳部１７は、電流指令値生成器８と電流制御部１との間に設けられている。停止判定部１４は、一次周波数指令値生成器９から情報が入力され、初期位相角推定部１５及び高周波電流重畳部１７に情報を出力するように接続されている。加算器１６は、積分器７と、座標変換部２，６との間に設けられている。初期位相角推定部１５は、停止判定部１４及び座標変換部６からそれぞれ情報が入力され、加算器１６に情報を出力するように接続されている。

停止判定部１４は、一次周波数指令値生成器９から入力された一次周波数指令値ωＲｅｆに基づいて、初期位相角推定部１５で初期位相角推定を行うか否かを判定する。停止判定部１４は、判定結果を初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉとして、初期位相角推定部１５及び高周波電流重畳部１７に出力する。

具体的には、停止判定部１４は、一次周波数指令値生成器９から入力された一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」か否かを判定する。一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」の場合は、初期位相角推定を行うとして、停止判定部１４は、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉを「１」にして、初期位相角推定部１５及び高周波電流重畳部１７に出力する。一方、一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」以外の場合は、初期位相角推定を行わないとして、停止判定部１４は、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉを「０」にして、初期位相角推定部１５及び高周波電流重畳部１７に出力する。

高周波電流重畳部１７は、停止判定部１４から入力された初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉに従って、電流指令値生成器８から入力された電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに高調波を重畳するか否かを決定する。高周波電流重畳部１７は、決定結果に従って、決定した電流指令値ＩｄＲｅｆ２，ＩｑＲｅｆ２を、電流制御部１に出力する。

具体的には、高周波電流重畳部１７は、停止判定部１４から入力された初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉが「１」の時は、初期位相角推定を行うとして、電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに、高周波電流を重畳する。高周波電流重畳部１７は、電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに高調波を重畳させた新たな電流指令値ＩｄＲｅｆ２，ＩｑＲｅｆ２を、電流制御部１に出力する。一方、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉが「０」の時は、高周波電流重畳部１７は、初期位相角推定を行わないとして、高周波電流は重畳しない。高周波電流重畳部１７は、電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに高調波を重畳せずに、電流指令値ＩｄＲｅｆ２，ＩｑＲｅｆ２を電流制御部１に出力する。すなわち、ｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ２＝ｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ、ｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆ２＝ｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆとなる。

初期位相角推定部１５は、停止判定部１４から入力された初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉに従って、初期位相角推定を行うか否か決定する。初期位相角推定を行う場合は、初期位相角推定部１５は、座標変換部６から入力されたｄ軸電流及びｑ軸電流の実際値ＩｄＲｅｓ，ＩｑＲｅｓに基づいて、初期推定位相角θｉｎｉを算出する。初期位相角推定部１５は、初期推定位相角θｉｎｉを加算器１６に出力する。

具体的には、初期位相角推定部１５は、停止判定部１４から入力された初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉが「１」の時は、初期位相角推定を行い、推定した位相角を初期推定位相角θｉｎｉとして、加算器１６に出力する。一方、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉが「０」の時は、初期位相角推定部１５は、初期位相角推定を行わず、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉ「１」の時に推定した初期推定位相角θｉｎｉをホールドし、ホールドした位相角を初期推定位相角θｉｎｉとして、加算器１６に出力する。

高周波電流重畳部１７にて、電流指令値ＩｄＲｅｆ，ＩｑＲｅｆに高周波成分を重畳されることにより、高周波成分が重畳された電流指令値ＩｄＲｅｆ２，ＩｑＲｅｆ２によりインバータ４が制御され、インバータ４から出力される実電流であるｄ軸電流ＩｄＲｅｓ及びｑ軸電流ＩｑＲｅｓには、高周波成分が含まれる。初期位相角推定部１５は、この高周波成分から初期推定位相角θｉｎｉを算出することができる。

例えば、モータ５の位相角を推定する方法は、モータ５を制御するための電圧指令値もしくは電流指令値に高周波成分を能動的に重畳し、それに対応する周波数の応答を検出することにより同期機のインピーダンスを推定もしくは評価関数を演算することにより回転角度を推定する方法である。

加算器１６は、初期位相角推定部１５から入力された初期推定位相角θｉｎｉと、積分器７から入力された位相角θとを加算し、新たな位相角θ２を算出して、座標変換部２，６にそれぞれ出力する。

次に、図６を参照して、起動時の一次周波数指令値ωＲｅｆ、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉ、位相角θ、初期推定位相角θｉｎｉ、位相角θ２の関係について説明する。（ａ）は、一次周波数指令値ωＲｅｆを、（ｂ）は、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉを、（ｃ）は、位相角θを、（ｄ）は、初期推定位相角θｉｎｉを、（ｅ）は、位相角θ２をそれぞれ表している。なお、図６中の横軸ｔは時間を表している。

ｔ＝０からｔ＝ｔ１の間は、一次周波数指令値ωＲｅｆ＝０となり、この状態ではモータ５は停止状態であり、一次周波数指令値ωＲｅｆ＝０のため初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉ＝１となり、初期位相角推定を行い、初期推定位相角θｉｎｉを演算する。また、ｔ＝０からｔ＝ｔ１の間は一次周波数指令値ωＲｅｆ＝０のため、位相角θ＝０にクリアされており、加算器１６の出力である位相角θ２は、位相角θ＝０のため、位相角θ２＝初期推定位相角θｉｎｉとなる。

次に、ｔ＝ｔ１にて、モータ５は起動開始し、所定の変化率によって一次周波数指令値ωＲｅｆは上昇する。ｔ＝ｔ１以降は一次周波数指令値ωＲｅｆは０でないため、初期位相角推定フラグＦＬＧｉｎｉ＝０となり、初期位相角推定を行わず初期推定位相角θｉｎｉはホールドされる。加算器１６は、初期推定位相角θｉｎｉと位相角θとを加算し、新たな位相角θ２を出力する。

上述により、モータ５が停止状態である時の回転子位相角は、初期位相推定角θｉｎｉとして判明する。ｔ＝ｔ１以降は、回転子位相角を推定せずに電機子電圧とその周波数とをほぼ比例させて可変速運転するＶ／ｆ制御に切り替え、初期位相推定角θｉｎｉを初期値とする位相角θ２を位相角指令として起動を開始する。

本実施形態によれば、第１の実施形態による効果に加え、永久磁石同期電動機５が停止している状態から起動する際に、電動機５の停止状態における回転子の初期位置を推定し、この初期位相角推定値θｉｎｉに基づいて起動時の位相角θ２を決定して起動を行うため、起動の際に磁極位置が判明しているので、大きい起動トルクを得ることができ、脱調して運転不能になることを回避し、安定に起動させることができる。

また、起動後は、回転子位相角を推定せずに電機子電圧とその周波数とをほぼ比例させて可変速運転するＶ／ｆ制御に切り替えるため、高周波電流重畳によって発生する電動機５からの電磁音は発生しなくなる。また、高周波電流重畳に伴うインバータ損失も発生しなくなる。

（第５の実施の形態）
図７を参照して、本実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の適用された構成について説明する。

本装置は、図１に示す構成における一次周波数指令値生成器９に代えて、同期引込一次周波数指令値生成器１８とした構成としている。

同期引込一次周波数指令値生成器１８は、予め定めた関数に従って、モータ５の一次周波数指令値ωＲｅｆを、積分器７に出力する。

次に、図８を参照して、同期引込一次周波数指令値生成器１８から出力される一次周波数指令値ωＲｅｆについて説明する。なお、図８中の横軸ｔは時間を表している。

ｔ＝ｔ１のとき、一次周波数指令値ωＲｅｆを上昇させ、モータ５を停止状態から起動を開始させる。このとき、起動開始ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ２までの間は、一次周波数指令値ωＲｅｆを、所定の一次周波数指令値変化率に比して下げた変化率で上昇させる。ｔ＝ｔ２以降（又は、一次周波数指令値ωＲｅｆ＞ωＲｅｆ＿Ｂのとき）は、一次周波数指令値ωＲｅｆを、所定の一次周波数指令値変化率で上昇させる。このようにして、起動時の一次周波数指令値の時間特性を変化させる。

本実施形態によれば、第１の実施形態による効果に加え、永久磁石同期電動機５が停止している状態から起動する際に、起動直後は一次周波数指令値変化率を下げて起動を開始するので、回転子の磁極を固定子巻線に印加する電圧の位相角（励磁位相角）近傍に位置させることができる。一定時間後に、予め設定された運転周波数に加減速する時間を基に演算した一次周波数指令値変化率に切り替えることにより、脱調して運転不能になることを回避し、安定に起動させることが可能となる利点が得られる。

（第６の実施の形態）
図９を参照して、本実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の適用された構成について説明する。

本装置は、図１に示す構成に加えて、停止判定部１４、加算器１６及び起動時位相角設定部１９を付加した構成としている。加算器１６は、積分器７と、座標変換部２，６との間に設けられている。停止判定部１４は、一次周波数指令値生成器９から情報が入力され、起動時位相角設定部１９に情報を出力するように接続されている。起動時位相角設定部１９は、停止判定部１４から情報が入力され、加算器１６に情報を出力するように接続されている。

停止判定部１４は、一次周波数指令値生成器９から入力された一次周波数指令値ωＲｅｆに基づいて、起動時位相角設定部１９で起動時位相角設定を行うか否かを判定する。停止判定部１４は、判定結果を起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄとして、起動時位相角設定部１９に出力する。

具体的には、停止判定部１４は、一次周波数指令値生成器９から入力された一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」か否かを判定する。一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」の場合は、起動時位相角設定を行うとして、停止判定部１４は、起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄを「１」にして、起動時位相角設定部１９に出力する。一方、一次周波数指令値ωＲｅｆが「０」以外の場合は、起動時位相角設定を行わないとして、停止判定部１４は、起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄを「０」にして、起動時位相角設定部１９に出力する。

起動時位相角設定部１９は、停止判定部１４から入力された起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄに従って、起動時位相角設定を行うか否かを決定する。起動時位相角設定部１９は、起動時設定位相角θａｄｄを加算器１６に出力する。

具体的には、起動時位相角設定部１９は、停止判定部１４から入力された起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄが「１」の時は、起動時位相角設定を行い、設定した位相角を起動時設定位相角θａｄｄとして、加算器１６に出力する。起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄが「０」の時は、起動時位相角設定部１９は、起動時位相角設定を行わず、起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄ「１」の時に設定した起動時設定位相角θａｄｄをホールドし、ホールドした位相角を起動時設定位相角θａｄｄとして、加算器１６に出力する。

加算器１６は、起動時位相角設定部１９から入力された起動時設定位相角θａｄｄと、積分器７から入力された位相角θを加算して、新たな位相角θ３を座標変換部２，６にそれぞれ出力する。

次に、以上のように構成された本装置の動作について説明する。

加算器１６は、起動時位相角設定部１９から入力された起動時設定位相角θａｄｄと積分器７から入力された位相角θを加算し、新たな位相角θ３を算出して、座標変換部２，６にそれぞれ出力する。

次に、図１０を参照して、起動時の一次周波数指令値ωＲｅｆ、起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄ、位相角θ、起動時設定位相角θａｄｄ、位相角θ３の関係について説明する。（ａ）は、一次周波数指令値ωＲｅｆを、（ｂ）は、起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄを、（ｃ）は、位相角θを、（ｄ）は、起動時設定位相角θａｄｄを、（ｅ）は、位相角θ３をそれぞれ表している。なお、図６中の横軸ｔは時間を表している。

ｔ＝０からｔ＝ｔ１の間は、一次周波数指令値ωＲｅｆ＝０となり、この状態ではモータ５は停止状態であり、ωＲｅｆ＝０のため起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄ＝１となり、起動時位相角設定を行い、起動時設定位相角θａｄｄを演算する。また、ｔ＝０からｔ＝ｔ１の間はωＲｅｆ＝０のため、位相角θ＝０にクリアされており、加算器１６の出力である位相角θ３は、位相角θ＝０のため、位相角θ３＝起動時設定位相角θａｄｄとなる。

次に、ｔ＝ｔ１にて、モータ５は起動開始し、所定の変化率によって一次周波数指令値ωＲｅｆは上昇する。ｔ＝ｔ１以降はωＲｅｆは０でないため、起動時位相角設定フラグＦＬＧａｄｄ＝０となり、起動時設定位相角θａｄｄはホールドされる。加算器１６は、起動時設定位相角θａｄｄと位相角θとを加算し、新たな位相角θ３を出力する。

また、ｔ＝０からｔ＝ｔ１の間は起動時設定位相角θａｄｄを位相角θａまで変化させている。位相角θａは、３６０度以上に設定される値である。

上述により、起動時設定位相角θａｄｄを位相角θａまで変化させることは、モータ５の固定子巻線に印加する電圧の位相角（励磁位相角）を一回転以上回転させることであり、これにより、回転子を磁極方向に引き込むことができる。ｔ＝ｔ１以降は、起動時設定位相角θａｄｄを変化させずにホールドして、起動時設定位相角θａｄｄを初期値とするθ３を位相角指令値として起動を開始する。

本実施形態によれば、第１の実施形態による効果に加え、永久磁石同期電動機５が停止している状態から起動する際に、電動機５の固定子巻線に印加する電圧の位相角を一回転以上回転させることにより、回転子を磁極方向へ引き込みを行った後、電動機５を加速するようにしたため、大きい起動トルクを得ることができ、脱調して運転不能になることを回避し、安定に起動させることが可能となる利点が得られる。

なお、各実施形態において、電流指令値生成器は、モータ５の定格電流より大きな値となるように、ｄ軸電流指令値ＩｄＲｅｆ及びｑ軸電流指令値ＩｑＲｅｆを生成したが、モータ５の定格電流値より大きな値であって、かつ、インバータ４が流せる最大電流値となるように生成してもよい。これにより、起動トルク不足により脱調して運転不能になることをより確実に回避することができる。

各実施形態において、インバータは、電圧形インバータを用いて構成をしたが、電流形インバータを用いて同様の構成とすることにより、各実施形態の同様の効果が得られる。適用される状況及び環境により、最適な構成を選択することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置を適用した構成を説明するためのブロック図。 第２の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置を適用した構成を説明するためのブロック図。 第３の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置を適用した構成を説明するためのブロック図。 第３の実施形態に係る一次周波数指令値対応ゲイン演算部の動作を説明するためのブロック図。 第４の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置を適用した構成を説明するためのブロック図。 第４の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の起動時における各種パラメータの相関関係を説明するための相関図。 第５の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置を適用した構成を説明するためのブロック図。 第５の実施形態に係る同期引込一次周波数指令値生成器の動作を説明するためのブロック図。 第６の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置を適用した構成を説明するためのブロック図。 第６の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置の起動時における各種パラメータの相関関係を説明するための相関図。

符号の説明

１…電流制御部、２…座標変換部、３…ＰＷＭ変調部、４…インバータ、５…永久磁石同期電動機、６…座標変換部、７…積分器、８…電流指令値生成器、９…一次周波数指令値生成器、１１…振動抑制器、１２…減算器、１３…一次周波数指令値対応ゲイン演算部、１４…停止判定部、１５…初期位相角推定部、１６…加算器、１７…高周波電流重畳部、１８…同期引込一次周波数指令値生成器、１９…起動時位相角設定部。

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータを制御し、前記インバータから出力される前記交流電力により、回転子の位置を検出するセンサを用いずに、永久磁石同期電動機を駆動する永久磁石同期電動機の制御装置において、
   前記永久磁石同期電動機が停止している状態から起動する際に、前記永久磁石同期電動機の電機子巻線に、前記永久磁石同期電動機の定格値以上の電流を流す制御をするための指令値を生成する指令値生成手段と、
   前記指令値生成手段により生成された前記指令値に基づいて、トルク軸の電気量を制御するための指令であるトルク軸指令値及び磁束軸の電気量を制御するための指令である磁束軸指令値を出力する電気量制御手段と、
   前記永久磁石同期電動機の一次周波数を制御するための指令である一次周波数指令値を生成する一次周波数指令値生成手段と、
   前記電気量制御手段で出力された前記磁束軸指令値から振動成分を抽出する振動成分抽出手段と、
   前記振動成分抽出手段から抽出される振動成分に基づいて、前記永久磁石同期電動機のトルク振動を抑制するために、前記一次周波数指令値生成手段により生成された前記一次周波数指令値を、増加に応じて減少させる補正量で補正する一次周波数指令値補正手段と、
   前記一次周波数指令値補正手段により補正された前記一次周波数指令値に基づいて、前記電気量制御手段から出力された前記トルク軸指令値及び前記磁束軸指令値を、前記インバータから出力される三相の電気量を制御するための指令値に変換する座標変換手段と
   を具備することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
2. 前記永久磁石同期電動機に供給される電気量を検出する電気量検出手段を有し、
   前記電気量制御手段は、前記電気量検出手段により検出された前記電気量を、前記指令値生成手段により生成された前記指令値に追従するように制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記指令値生成手段は、前記永久磁石同期電動機が停止している状態から起動する際に、前記インバータが流せる最大の電流を出力させる指令をするための指令値を生成すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の永久磁石同期電動機の制御装置。

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