JP5104213B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、回転子に突極性がある埋込磁石構造永久磁石形同期電動機をスムースに始動するための制御装置に関するものである。

永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）の制御装置の低価格化や省スペース等の観点から、磁極位置検出器を用いずに磁極位置を推定して電動機を運転する、いわゆるセンサレス制御技術が実用化されている。
ところで、ＰＭＳＭは、回転子の構造によって、表面磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＳＰＭＳＭともいう）と埋込磁石構造永久磁石形同期電動機（以下、ＩＰＭＳＭともいう）との２種類に大別される。これらのうち、ＩＰＭＳＭについては、回転子の突極性（回転子の磁極方向であるｄ軸と、これに直交するｑ軸とでインダクタンスが異なる性質）を利用して磁極位置を演算する技術が実用化されている。

例えば、非特許文献１及び特許文献１には、回転子の磁極方向であるｄ軸と、制御装置側で推定したｄ軸（両文献ではｄｃ軸と表記）との間に角度誤差がある場合に、推定のｄ軸とこれに直交する推定のｑ軸（両文献ではｑｃ軸と表記）との間の角度誤差に依存して発生する相互インダクタンスを利用して磁極位置を演算する技術が開示されている。
具体的には、推定のｄ軸と平行方向に交番する高周波電圧を印加し、このときに推定のｑ軸に流れる高周波電流が零になるように磁極位置を演算している。

しかし、このようにして演算した磁極位置は、原理的に回転子のＮ極とＳ極とを判別することができないため、１８０［ｄｅｇ］の誤差を持つことがある。
そこで、非特許文献１では、Ｎ極方向とＳ極方向とで電動機鉄芯の磁気飽和特性によるインダクタンス値が異なることを利用して、Ｎ極とＳ極とを判別している。具体的には、推定のｄ軸のプラス方向、及び、推定のｄ軸のマイナス方向にパルス電圧を印加したときの電流応答を比較して磁極位置を補正するものである。
上記により補正した磁極位置を用いることで、磁極位置検出器を持たない電動機を安定して始動することができる。

Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, Akihide Mashimo, Kenji Endo, 「Sensorless Torque Control of Salient-Pole Synchronous Motor at Zero-Speed Operation」, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO.1, JANUARY 1999 特許第３３１２４７２号公報（段落［００１４］〜［００４４］、図１，図５，図６等）

非特許文献１では、回転子のＮ極とＳ極とを判別するために、電動機鉄芯の磁気飽和特性を利用している。しかしながら、電動機鉄芯が磁気飽和しにくい場合や回転子のＮ極方向とＳ極方向とで磁気飽和特性に顕著な相違がない場合には、Ｎ極とＳ極とを正確に判別することができず、磁極位置を正確に演算することができない。
このように磁極位置を正確に演算できない場合には、電動機のトルクを正確に制御することができず、トルクや速度に振動が発生し、場合によっては制御系が不安定になることがある。

そこで本発明の解決課題は、電動機鉄芯が磁気飽和しにくいような場合でも磁極位置を正確に演算可能として始動時の安定性を向上させた永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
電動機の電流を直交回転座標系のγ軸電流，δ軸電流からなるベクトルとしてとらえ、電流ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、前記γ軸電流の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電流の指令値を零に制御して電流ベクトルをγ軸方向に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記電流ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、を備え、
前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の前記電流ベクトルの位置を用いて電動機を運転するものである。
本発明によれば、磁極位置合わせを実行した後の電流ベクトルの位置と磁極位置とが等しくなるため、その電流ベクトルの位置を利用して電動機を運転することにより、始動時の安定性を更に向上させることができる。

請求項２に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
回転子の突極性を利用して第１の回転子速度を演算する手段と、
電動機の電流を直交回転座標系のγ軸電流，δ軸電流からなるベクトルとしてとらえ、電流ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、前記γ軸電流の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電流の指令値を零に制御して電流ベクトルをγ軸方向に制御し、電流ベクトルの速度を第１の回転子速度演算値に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記電流ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、を備え、
前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の前記電流ベクトルの位置及び速度を用いて電動機を運転するものである。
すなわち本発明は、請求項１記載の制御装置に、第１の回転子速度を演算する手段を加え、磁極位置合わせ手段における電流ベクトルの速度を第１の回転子速度演算値に制御することにより、電動機が回転している状態でも電流ベクトルに回転子を安定に引き込めるようにしたものである。本発明において、磁極位置合わせを行った後の磁極位置及び回転子速度は、それぞれ電流ベクトルの位置及び速度に等しいことから、これらを利用して電動機を運転することで、電動機が回転している状態から始動する時の安定性を更に向上させることができる。

請求項３に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
電動機の端子電圧を直交回転座標系のγ軸電圧，δ軸電圧からなるベクトルとしてとらえ、端子電圧ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、
前記γ軸電圧の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電圧の指令値を零に制御して電流ベクトルをγ軸方向に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記端子電圧ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、を備え、
前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を運転するものである。
本発明において、磁極位置合わせを行った後の端子電圧ベクトルの位置は磁極位置と等しくなるため、その端子電圧ベクトルの位置を利用して電動機を運転することができる。

請求項４に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
回転子の突極性を利用して第１の回転子速度を演算する手段と、
電動機の端子電圧を直交回転座標系のγ軸電圧，δ軸電圧からなるベクトルとしてとらえ、端子電圧ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、前記γ軸電圧の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電圧の指令値を零に制御して端子電圧ベクトルをγ軸方向に制御し、端子電圧ベクトルの速度を第１の回転子速度演算値に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記端子電圧ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、を備え、
前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の前記端子電圧ベクトルの位置及び速度を用いて前記電動機を運転するものである。
すなわち、本発明は、請求項３記載の制御装置に第１の回転子速度を演算する手段を加え、磁極位置合わせ手段における端子電圧ベクトルの速度を第１の回転子速度演算値に制御することで、電動機が回転している場合にも端子電圧ベクトルに回転子を安定に引き込めるようにしたものである。本発明において、磁極位置合わせを行った後の磁極位置及び回転子速度は、それぞれ端子電圧ベクトルの位置及び速度に等しいことから、これらを利用して電動機を運転することで、電動機が回転している場合にも安定に始動することができる。

請求項５に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
回転子の突極性を利用して第１の回転子速度を演算する手段と、
電動機の端子電圧を直交回転座標系のγ軸電圧，δ軸電圧からなるベクトルとしてとらえ、かつ、電動機の電流を直交回転座標系のγ軸電流，δ軸電流からなるベクトルとしてとらえ、前記γ軸電圧及びδ軸電圧の各指令値、前記γ軸電流及びδ軸電流の各検出値、第１の回転子速度演算値を初期値とする第２の回転子速度演算値、及び電動機の電気定数を用いて拡張誘起電圧のベクトル角である角度差を演算する手段と、
前記角度差を比例積分演算して前記第２の回転子速度演算値を求める手段と、
前記第２の回転子速度演算値を積分し、第２の磁極位置演算値を初期値とする第３の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
前記第３の磁極位置演算値と第２の回転子速度演算値とを用いて電動機を運転するものである。
上記第３の磁極位置演算値は原理的に演算誤差を持たないことから、この第３の磁極位置演算値と第２の速度演算値とを用いて電動機を運転することにより、始動時の安定性向上が可能である。

本発明によれば、電動機鉄芯が磁気飽和しにくい永久磁石形同期電動機、特にＩＰＭＳＭの始動時における安定性を従来よりも向上させることができる。

以下、図に沿って本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１参考形態を示すブロック図である。まず、この参考形態の説明を行う前に、回転子の突極性を利用した磁極位置及び速度の演算原理について説明する。

ＰＭＳＭは、回転子のｄ軸（回転子の磁極方向）とｄ軸から９０度進んだｑ軸とで電流制御を行うことにより、高精度な制御を実現することができる。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合、ｄ，ｑ軸を直接検出することができない。
このため、d，ｑ軸に対応した角速度ω_１（＝速度演算値）で回転する直交回転座標系のγ，δ軸上で制御演算を行う。このγ，δ軸の定義を図９に示す。図９において、ω_ｒはｄ，ｑ軸の回転角速度、θ_ｅｒｒはｄ，ｑ軸とγ，δ軸との角度誤差（位置演算誤差）である。

さて、γ軸方向に正弦波の高周波交番電圧Ｖ_ｈｓｉｎω_ｈｔを印加したときの高周波成分の状態方程式は、数式１によって表される。

このときに流れる高周波電流は、数式１の状態方程式を積分することにより、数式２によって表される。

数式２より、γ軸方向に高周波交番電圧を印加すると、δ軸高周波電流ｉ_δｈは位置演算誤差θ_ｅｒｒの２倍周期で変化することがわかる。なお、図１０は、位置演算誤差θ_ｅｒｒとγ，δ軸高周波電流振幅Ｉ_γｈ，Ｉ_δｈとの関係を示している。
図１０によれば、δ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈが零になる時に、ｄ軸を基準とする位置演算誤差θ_ｅｒｒは零または１８０［ｄｅｇ］に収束する。このため、回転子の突極性を利用し、高周波交番電圧を印加してδ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈが零になるように求めた磁極位置演算値をそのまま使って電動機を運転すると、位置演算誤差θ_ｅｒｒが１８０［ｄｅｇ］の場合には、始動時にトルクや速度が大きく振動したり制御系が不安定になることがある。

従って、突極性を利用して求めた磁極位置演算値（第１の磁極位置演算値という）θ_１に９０［ｄｅｇ］を加算したものを第２の磁極位置演算値とすれば、その演算値と実際値との磁極位置演算誤差θ_ｅｒｒは＋９０［ｄｅｇ］または−９０［ｄｅｇ］となり、誤差を従来の１／２に低減することができる。
このように第１の磁極位置演算値θ_１を補正して得た第２の磁極位置演算値を利用して電動機の運転を開始すれば、始動時に発生するトルクや速度の振動を低減させて安定性を向上させることができる。勿論、第１の磁極位置演算値θ_１から９０［ｄｅｇ］を減算して得た第２の磁極位置演算値を用いても、同様の安定化効果が得られる。

次に、上記の原理に基づく第１参考形態の構成及び動作を、図１のブロック図を参照しつつ説明する。
図１において、電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊は何れも零に制御される。電流座標変換器１４は、ｕ相電流検出器１１ｕ、ｗ相電流検出器１１ｗによりそれぞれ検出した相電流検出値ｉ_ｕ，ｉ_ｗを第１の磁極位置演算値θ_１に基づいてγ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに座標変換する。ノッチフィルタ２３は、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δから、磁極位置演算のためにγ軸方向に重畳する高周波交番電圧によって流れる高周波電流を除去し、γ，δ軸基本波電流ｉ_γｆ，ｉ_δｆを検出する。

γ軸基本波電圧指令値ｖ_γｆ ^＊は、γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊とγ軸基本波電流ｉ_γｆとの偏差を減算器１９ａにより求め、この偏差をγ軸電流調節器２０ａにより増幅して演算する。また、δ軸基本波電圧指令値ｖ_δｆ ^＊は、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊とδ軸基本波電流ｉ_δとの偏差を減算器１９ｂにより求め、この偏差をδ軸電流調節器２０ｂにより増幅して演算する。

γ軸高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊は、高周波電圧演算器２１により生成する。γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊は、加算器２２によってγ軸基本波電圧指令値ｖ_γｆ ^＊に正弦波の高周波交番電圧としてのγ軸高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊を重畳して生成する。一方、δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊は、δ軸電流調節器２０ｂから出力されるδ軸基本波電圧指令値ｖ_δｆ ^＊に制御する。
γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊は、電圧座標変換器１５により、第１の磁極位置演算値θ_１に基づき相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に変換される。

一方、整流回路６０は、三相交流電源５０の電圧を整流して得た直流電圧をインバータ等の電力変換器７０に供給する。ＰＷＭ回路１３は、相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊、及び、入力電圧検出回路１２により検出した電力変換器７０の入力電圧Ｅ_ｄｃから、電力変換器７０の出力電圧を前記相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御するためのゲート信号を生成する。電力変換器７０は、ゲート信号に基づいて内部の半導体スイッチング素子を制御することで、永久磁石形同期電動機８０の端子電圧を相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に制御する。

更に、バンドパスフィルタ２４は、γ，δ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δからγ軸高周波電圧指令値ｖ_γｈ ^＊と同じ周波数のγ，δ軸高周波電流振幅Ｉ_γｈ，Ｉ_δｈを演算する。速度演算器２５は、δ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈを比例積分演算して速度演算値ω_１を求める。電気角演算器２６は、速度演算値ω_１を積分して磁極位置演算値θ_１を求める。
これらの演算により、図１０に示したように、δ軸高周波電流振幅Ｉ_δｈひいては位置演算誤差θ_ｅｒｒを零または１８０［ｄｅｇ］に収束させるＰＬＬ回路が構成され、第１の磁極位置演算値θ_１を得ることができる。

処理開始から所定の時間が経過して、電気角演算器２６から出力される磁極位置演算値θ_１が真値に収束したら、サンプル・ホールド回路３１ａは、加算器３０によって第１の磁極位置演算値θ_１に９０［ｄｅｇ］を加算した第２の磁極位置演算値を、初期磁極位置演算値θ_１０として保持する。この初期磁極位置演算値θ_１０を利用して回転子の位置を特定し、電動機８０の運転を開始すれば、磁極位置演算誤差θ_ｅｒｒを従来の１／２に低減して始動時の安定性を向上させることができる。
ここで、前述したように、第１の磁極位置演算値θ_１から９０［ｄｅｇ］を減算して初期磁極位置演算値θ_１０を求めても良い。

本参考形態における回転子の突極性を利用した磁極位置演算では、高周波電圧演算器２１により正弦波の高周波交番電圧を重畳しているが、矩形波の高周波交番電圧を印加するなど、他の方式を採用してもよい。

なお、同期電動機８０の運転方式としては、任意の方式を適用することができる。例えば、前述した非特許文献１に記載された高速域の位置・速度推定方式を適用したセンサレス制御が適用可能である。また、例えば特開２００１−１９００９３号公報に記載されている、電流ベクトルの振幅を零でない一定値に制御し、電流ベクトルの速度を速度指令値に制御して回転子を電流ベクトルに引き込んで運転する方式（以下、電流引き込み制御と呼ぶ）も適用可能である。更に、特開２０００−２３６６９４号公報に記載されているようなＶ／ｆ制御も適用可能である。

次に、本発明の第２参考形態を説明する。図２は、この実施形態の構成を示すブロック図である。
この参考形態は、第１参考形態に加えて、回転子の突極性を利用して演算した回転子速度を電動機の運転に利用するものであり、図１と同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

すなわち、図２に示す如く、速度演算器２５から出力される回転子速度演算値ω_１がサンプル・ホールド回路３１ｂに入力されている。このサンプル・ホールド回路３１ｂは、処理開始から所定の時間が経過して真値に収束した速度演算値ω_１を、第１の回転子速度演算値である初期速度演算値ω_１０として保持するものである。
この初期速度演算値ω_１０を速度指令値の初期値として運転を開始することにより、電動機８０が回転している状態からでも安定して始動することができる。

次いで、請求項１に相当する本発明の第１実施形態を説明する。図３は、この実施形態の構成を示すブロック図である。
この実施形態では、第１参考形態により磁極位置を演算した後、電流の振幅を零ではない一定値に制御することで、電流ベクトルに回転子を引き込み、磁極位置を電流ベクトルの位置（方向）に一致させる（以下、磁極位置を電流ベクトルまたは端子電圧ベクトルの位置に一致させる処理を「磁極位置合わせ」と呼ぶ）。その後、電流ベクトルの位置から磁極位置を検出して運転を開始することにより、電動機の始動時における安定性を向上させるようにした。

図３は、後述する切換器４０を始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}側に切り換えて磁極位置合わせを行う時の構成を示しており、前述した各実施形態と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図３において、４１は速度指令値ω^＊及び始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}が入力される変化量制限器であり、４０は、変化量制限器４１から出力される速度指令値ω^＊＊または前記始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}を切り換えて速度指令値ω_１として電気角演算器２６に入力するための切換器である。

この実施形態では、γ軸電流指令値ｉ_γ ^＊を零でない一定値Ｉ_γ ^＊に設定することで、γ軸電流ｉ_γの振幅をＩ_γ ^＊に制御する。一方、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊を零に設定し、δ軸電流ｉ_δを零に制御する。
そして、電動機８０の始動時には、切換器４０を図３のように切り換えて速度指令値ω_１に始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}を設定する。電気角演算器２６は、図１のブロック図により演算した第２の磁極位置である初期磁極位置θ_１０を初期値として、速度指令値ω_１を積分することにより電流ベクトルの位置θ_１を演算する。

ここで、図４は、磁極位置合わせの動作原理を示す図である。説明を簡単にするため、電動機の始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}を零とする。図３の電気角演算器２６から出力される電流ベクトルの位置θ_１の初期値を、回転子８１の突極性を利用して演算した第１の磁極位置演算値に９０［ｄｅｇ］を加算した初期磁極位置θ_１０とし、δ軸電流指令値ｉ_δ ^＊を零に制御することから、磁極位置（ｄ軸）に対して直交する方向に電流ベクトルが制御される。
このときに発生するトルクにより、回転子８１が電流ベクトルに引き込まれ、最終的には、磁極位置を電流ベクトルの位置に一致させることができる。このことから、磁極位置合わせ完了時の電流ベクトルの位置から磁極位置を検出できることが明らかである。

所定の時間が経過して磁極位置合わせが完了したら、電動機８０の運転を開始する。電動機８０の運転方式としては任意の方式を適用することができるが、ここでは、一例として、電流引き込み制御により運転する場合の処理について、図３を用いて説明する。

磁極位置合わせが完了したら、切換器４０により、速度指令値ω_１を変化量制限器４１からの速度指令値ω^＊＊に制御する。この速度指令値ω^＊＊は、変化量制限器４１によって速度指令値ω^＊の単位時間あたりの変化率を制限して演算する。なお、速度指令値ω^＊＊の初期値は始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}とする。
これらの処理により、電流ベクトルの速度がω_{ｓｔａｒｔ}からω^＊まで所定の変化率で増加していき、回転子が電流ベクトルに引き込まれて加速され、電動機８０の速度を速度指令値ω^＊に制御することができる。

次に、請求項２に相当する本発明の第２実施形態を説明する。図５は、この実施形態の構成を示すブロック図である。
この実施形態は、第１実施形態において電動機８０が回転している状態からでも安定に始動できるようにしたものである。図５は、切換器４０を初期速度演算値ω_１０側に切り換えて磁極位置合わせを行う時の構成を示しており、回路構成上は実質的に図３と同一である。

この実施形態が第１実施形態と異なる点は、磁極位置合わせ時の速度指令値ω_１を、切換器４０により、回転子の突極性を利用して演算した第１の回転子速度演算値としての初期速度演算値ω_１０に設定する点である。
これにより、電流ベクトルの速度ω_１と回転子速度との偏差を零にし、これらの速度偏差が積算されて電流ベクトルと磁極位置との角度差が増加するのを防止することができ、電動機８０が回転している場合にも磁極位置合わせを安定して実施することができる。

磁極位置合わせが完了した後の電動機の運転方式は、任意の方式を適用可能であるが、ここでは、第１実施形態と同様に電流引き込み制御によって運転する場合の処理を図４に基づき説明する。
磁極位置合わせが完了したら、第１実施形態と同様に、切換器４０によって速度指令値ω_１を変化量制限器４１からの速度指令値ω^＊＊に制御する。なお、速度指令値ω^＊＊の初期値は初期速度演算値ω_１０とする。これにより、電動機８０が回転している状態でも安定した始動が可能になる。

次に、請求項３に相当する本発明の第３実施形態を説明する。図６は、この実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。
この実施形態は、第１実施形態における電流引き込み制御による磁極位置合わせを簡略化したものである。図６において、図３の第１実施形態と異なる部分は、電気角演算器２６に常に始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}が入力されている点であり、その他は同一である。なお、電流座標変換器１４から出力されるγ，δ軸電流ｉ_γ，ｉ_δは、第２の磁極位置演算値としての初期磁極位置θ_１０の演算に用いられる。

図６において、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊を零でない一定値Ｖ_γ ^＊とすると共に、δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊を零に制御する。また、速度指令値ω_１を始動速度ω_{ｓｔａｒｔ}に制御する。電気角演算器２６は、初期磁極位置θ_１０を初期値とし、速度指令値ω_１を積分して電流ベクトルの位置θ_１を演算する。
これらの制御により、第１実施形態と同様に、電流ベクトルがγ軸方向に発生し、磁極位置合わせを実現することができる。
磁極位置合わせが完了したら、磁極位置合わせ完了時の端子電圧ベクトルの位置から磁極位置を検出し、回転子の位置を特定して電動機８０を運転することで、始動時の安定性が向上する。

次に、請求項４に相当する本発明の第４実施形態を説明する。図７は、この実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。
この実施形態は、図６の第３実施形態において電動機８０が回転している場合にも安定して始動できるようにしたものである。図７は磁極位置合わせ時の構成を示しており、以下では図６と異なる部分を中心に説明する。

図７において、４２はｆ／Ｖ変換器であり、速度指令値ω_１をγ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊に変換して電圧座標変換器１５に出力する。なお、δ軸電圧指令値ｖ_δ ^＊は零に制御される。
本実施形態が第３実施形態と異なる点は、磁極位置合わせ時において、速度指令値ω_１を回転子の突極性を利用して演算した第１の回転子速度演算値である初期速度演算値ω_１０に制御する点である。

これにより、端子電圧ベクトルの速度ω_１と回転子速度との偏差を零にすることができ、これらの速度偏差が積算されて端子電圧ベクトルと磁極位置との角度差が増加するのを防止することができる。このため、電動機８０が回転している場合にも磁極位置合わせを安定して実施することが可能である。また、ｆ／Ｖ変換器４２により、γ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊の大きさを速度の増加関数として演算することにより、電流ベクトルの振幅をあらゆる速度で所望の値に制御することができる。
磁極位置合わせ完了後の電動機８０の運転方式としては、任意の方式を適用可能である。上述したように、電動機８０の始動時に初期速度演算値ω_１０を利用して制御装置各部を初期化することで、始動時の安定性が向上する。

次いで、請求項５に相当する本発明の第５実施形態を、図８のブロック図に基づいて説明する。
この実施形態は、回転子の突極性を利用して求めた初期磁極位置演算値θ_１０の誤差を、例えば非特許文献１に記載されている誘起電圧を利用した磁極位置演算及び速度演算によって零に制御するものである。図８のブロック図は、誘起電圧を利用して磁極位置演算及び速度演算を実施する時の構成であり、前記各形態と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

図８において、速度指令値ω^＊及び速度演算値ω_１に基づいて変化量制限器４１から速度指令値ω^＊＊が出力され、この速度指令値ω^＊＊と速度演算値ω_１との偏差が減算器１１０により求められて速度調節器１１１に入力される。速度調節器１１１は、上記偏差を増幅してトルク指令値τ^＊を演算し、電流指令演算器１１２に出力する。
電流指令演算器１１２の出力側には切換器１０２ａ，１０２ｂが設けられており、磁極位置及び速度演算時には、これらの切換器１０２ａ，１０２ｂを図示のように操作してγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を零に制御する。

一方、拡張誘起電圧演算器１００は、γ，δ軸電流検出値ｉ_δ，ｉ_γ、γ，δ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊、速度演算値ω_１、及び、モータの電気定数を利用して、拡張誘起電圧のベクトル角であるd，ｑ軸とγ，δ軸との角度差δ_Ｅｅｘを演算する。この角度差δ_Ｅｅｘは、例えば非特許文献１に記載された数式（６）〜（９）によって求めることができる。

次に、速度演算器１０１は、角度差δ _Ｅｅｘを比例積分演算して速度演算値ω_１を求める。この速度演算値ω_１は請求項５における第２の回転子速度演算値に相当するものであり、その初期値は、回転子の突極性を利用して求めた第１の回転子速度演算値である初期速度演算値ω_１０とする。
電気角演算器２６は、速度演算値ω_１を積分して磁極位置演算値θ_１を求める。この磁極位置演算値θ_１は請求項５における第３の磁極位置演算値に相当するものであり、その初期値は、回転子の突極性を利用して求めた第２の磁極位置演算値としての初期磁極位置演算値θ_１０とする。

以上の処理により、磁極位置演算値θ_１を真値に収束させることができる。所定の時間が経過して磁極位置演算値θ_１と速度演算値ω_１とが収束したら、電動機８０の運転を開始する。
電動機８０の運転方式には任意の方式を適用することができ、ここでは、非特許文献１に記載された高速域の位置・速度推定方式を適用したセンサレス制御により運転する場合の処理について、図８を参照しつつ説明する。

前記変化量制限器４１は、運転開始時に速度演算値ω_１で初期化すると共に、速度指令値ω^＊の単位時間あたりの変化率を制限して速度指令値ω^＊＊を出力する。この速度指令値ω^＊＊と速度演算値ω_１との偏差を減算器１１０にて演算し、この偏差を速度調節器１１１により増幅してトルク指令値τ^＊を演算する。

電流指令演算器１１２はトルク指令値τ^＊通りのトルクを出力するためのγ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊を演算し、これらの電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊は、切換器１０２ａ，１０２ｂを切り換えて減算器１９ａ，１９ｂにそれぞれ入力される。
γ，δ軸電流調節器２０ａ，２０ｂは、γ，δ軸電流指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊とγ，δ軸電流ｉ_γ，ｉ_δとの偏差をそれぞれ零にするように動作する。これにより、γ，δ軸電流ｉ_γ，ｉ_δは各指令値ｉ_γ ^＊，ｉ_δ ^＊に制御され、真値に等しく演算された磁極位置演算値θ_１に基づいて電流を制御することから、トルクを指令値τ^＊に制御し、また、電動機速度を速度指令値ω^＊に制御することができる。

本発明の第１参考形態を示すブロック図である。 本発明の第２参考形態を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における磁極位置合わせの原理を示す図である。 本発明の第２実施形態を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態を示すブロック図である。 γ，δ軸の定義を示す図である。 γ軸方向に高周波交番電圧を印加したときの、位置演算誤差と高周波電流振幅との関係を示す図である。

符号の説明

５０ 三相交流電源
６０ 整流回路
７０ 電力変換器
８０ 永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）
１１ｕ ｕ相電流検出器
１１ｗ ｗ相電流検出器
１２ 入力電圧検出器
１３ ＰＷＭ回路
１４ 電流座標変換器
１５ 電圧座標変換器
１９ａ，１９ｂ 減算器
２０ａ γ軸電流調節器
２０ｂ δ軸電流調節器
２１ 高周波電圧演算器
２２ 加算器
２３ ノッチフィルタ
２４ バンドパスフィルタ
２５ 速度演算器
２６ 電気角演算器
３０ 加算器
３１ａ，３１ｂ サンプル・ホールド回路
４０ 切換器
４１ 変化量制限器
４２ ｆ／Ｖ変換器
１００ 拡張誘起電圧演算器
１０１ 速度演算器
１０２ａ，１０２ｂ 切換器
１１０ 減算器
１１１ 速度調節器
１１２ 電流指令演算器

Claims (5)

1. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
   前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
   電動機の電流を直交回転座標系のγ軸電流，δ軸電流からなるベクトルとしてとらえ、電流ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、前記γ軸電流の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電流の指令値を零に制御して電流ベクトルをγ軸方向に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記電流ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、
   を備え、
   前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の前記電流ベクトルの位置を用いて電動機を運転することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
2. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
   前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
   回転子の突極性を利用して第１の回転子速度を演算する手段と、
   電動機の電流を直交回転座標系のγ軸電流，δ軸電流からなるベクトルとしてとらえ、電流ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、前記γ軸電流の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電流の指令値を零に制御して電流ベクトルをγ軸方向に制御し、電流ベクトルの速度を第１の回転子速度演算値に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記電流ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、
   を備え、
   前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の前記電流ベクトルの位置及び速度を用いて電動機を運転することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
3. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
   前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
   電動機の端子電圧を直交回転座標系のγ軸電圧，δ軸電圧からなるベクトルとしてとらえ、端子電圧ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、
   前記γ軸電圧の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電圧の指令値を零に制御して電流ベクトルをγ軸方向に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記端子電圧ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、
   を備え、
   前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を運転することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
4. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
   前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
   回転子の突極性を利用して第１の回転子速度を演算する手段と、
   電動機の端子電圧を直交回転座標系のγ軸電圧，δ軸電圧からなるベクトルとしてとらえ、端子電圧ベクトルの初期位置を前記第２の磁極位置演算値とすると共に、前記γ軸電圧の指令値を零でない一定値に制御し、かつ前記δ軸電圧の指令値を零に制御して端子電圧ベクトルをγ軸方向に制御し、端子電圧ベクトルの速度を第１の回転子速度演算値に制御し、このときに発生するトルクにより磁極位置を前記端子電圧ベクトルの位置に一致させる磁極位置合わせ手段と、
   を備え、
   前記磁極位置合わせ手段の動作により前記磁極位置に一致した後の前記端子電圧ベクトルの位置及び速度を用いて前記電動機を運転することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
5. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
   回転子の突極性を利用して第１の磁極位置を演算する手段と、
   前記第１の磁極位置に直交する位置を第２の磁極位置として演算する手段と、
   回転子の突極性を利用して第１の回転子速度を演算する手段と、
   電動機の端子電圧を直交回転座標系のγ軸電圧，δ軸電圧からなるベクトルとしてとらえ、かつ、電動機の電流を直交回転座標系のγ軸電流，δ軸電流からなるベクトルとしてとらえ、
   前記γ軸電圧及びδ軸電圧の各指令値、前記γ軸電流及びδ軸電流の各検出値、第１の回転子速度演算値を初期値とする第２の回転子速度演算値、及び電動機の電気定数を用いて拡張誘起電圧のベクトル角である角度差を演算する手段と、
   前記角度差を比例積分演算して前記第２の回転子速度演算値を求める手段と、
   前記第２の回転子速度演算値を積分し、第２の磁極位置演算値を初期値とする第３の磁極位置演算値を求める手段と、
   を備え、
   前記第３の磁極位置演算値と第２の回転子速度演算値とを用いて電動機を運転することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
   

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