JP5335078B2 - 同期電動機の磁極位置推定装置 - Google Patents

Description

この発明は、エンコーダ等の位置検出器を用いずに同期電動機の磁極位置を推定する同期電動機の磁極位置推定装置に関する。

同期電動機において、パルス電圧を印加したときの磁気飽和に伴う電流ピーク値の大小関係によって、電気角６０度の幅で回転子の初期磁極位置を推定する同期電動機の磁極位置推定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
これにより、同期電動機を脱調なく始動させることができ、速度上昇後に誘起電圧による磁極補正を行うことで、安定した運転が可能となっている。

しかしながら、特許文献１に記載された同期電動機の磁極位置推定装置では、回転子の初期磁極位置が、電気角６０度の幅でしか推定されない。そのため、エレベータ等、同期電動機の始動時から微妙なトルク制御や十分な加速トルクが要求される用途では、回転子の初期磁極位置の推定精度が低いという問題があった。

そこで、上記の問題を解決するために、以下のような同期電動機の磁極位置推定装置が提案されている。
図３は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置を示すブロック構成図である。
図３において、この同期電動機の磁極位置推定装置は、同期電動機５１と、回路手段５２（電圧印加手段）と、電流検出手段５３と、演算手段５４とを備えている。

同期電動機５１の回転子（図示せず）は、永久磁石からなる。また、同期電動機５１は、複数の相を有する。具体的には、同期電動機５１は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相を有する。これらの各相は、回路手段５２に接続されている。回路手段５２は、演算手段５４からの電圧指令に基づいて、同期電動機５１の各相にパルス電圧を印加する。このとき、印加された電圧に応じた電流が、同期電動機５１の各相に流れる。電流検出手段５３は、同期電動機５１の各相に流れる電流を検出して演算手段５４に出力する。演算手段５４は、電流検出手段５３からの検出電流値に基づいて、回転子の磁極位置を演算する。

上記制御により、演算手段５４からの電圧指令に基づいてパルス電圧が印加される同期電動機５１において、回転子の磁極の位相と印加電圧の位相とが互いに同じ向きの場合、印加電圧によって生じる電流による磁束と回転子の磁石磁束とも互いに同じ向きとなる。この結果、それらの磁束合算値が大きくなり、電動機鉄心に磁気飽和が生じる。そして、磁気飽和時には、同期電動機５１の相の巻線インダクタンスが小さくなる。そのため、同期電動機５１の相に流れる電流の振幅が大きく現れる。

一方、回転子の磁極の位相と印加電圧の位相とが互いに逆向きの場合、印加電圧によって生じる電流による磁束と回転子の磁石磁束とも互いに逆向きとなる。この結果、それらの磁束合算値が小さくなり、電動機鉄心に磁気飽和は生じない。そして、非磁気飽和時には、同期電動機５１の相の巻線インダクタンスが大きくなる。そのため、同期電動機５１の相に流れる電流の振幅が小さく現れる。
すなわち、回転子の磁極の位相と印加電圧の位相との関係により、電動機鉄心の磁気飽和の度合いが異なり、同期電動機５１の相に流れる電流の振幅が異なる。

従来の同期電動機の磁極位置推定装置は、この現象を利用して回転子の初期磁極位置を推定している。
また、図３において、演算手段５４は、記憶手段６１と、電圧制御手段６２と、推定手段６３とを有している。
記憶手段６１は、３６０度を均等分割した位相差を有する同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶する。

電圧制御手段６２は、回転子の回転始動時、回路手段５２に、電圧指令ベクトルを変換した電圧指令に基づいて、同期電動機５１の各相に複数の磁極位置推定用のパルス電圧を、順次切り換えて印加させる。このとき、電圧制御手段６２は、回路手段５２に電圧指令を出力するとともに、この電圧指令に同期したトリガ信号を電流検出手段５３に出力する。これにより、電流検出手段５３は、パルス電圧に同期して同期電動機５１の各相に流れるパルス電流を検出する。

推定手段６３は、パルス電流の振幅に基づいて、電流ベクトルを演算する。その後、推定手段６３は、複数の電圧指令ベクトルのそれぞれに対応する複数の電流ベクトルを平均した平均ベクトルの位相に基づいて、回転子の初期磁極位置を推定する。

続いて、図４〜９を参照しながら、回転子の初期磁極位置の推定方法を、具体例を挙げて詳細に説明する。
図４は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置の回路手段５２が印加するパルス電圧を示す説明図である。図４には、電圧指令ベクトルＶ１〜Ｖ６が示されている。

図４において、これらの電圧指令ベクトルは、３６０度を均等に６分割した位相差を有している。具体的には、電圧指令ベクトルＶ１、Ｖ３、Ｖ５は、それぞれ同期電動機５１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の位相に合わせるように設定されている。また、電圧指令ベクトルＶ２、Ｖ４、Ｖ６は、これらの相のうちの隣接する相間の中間位相に合わせるように設定されている。そして、これらの電圧指令ベクトルに応じたパルス電圧が、同期電動機５１の各相に印加される。

図５は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置の電流検出手段５３によって検出された相電流応答波形を示す説明図である。
図５において、横軸は時間を示し、縦軸は電流値を示している。また、図５には、同期電動機５１のＵ相に流れる電流値Ｉｕ（破線参照）およびＶ相に流れる電流値Ｉｖ（実線参照）が示されている。なお、パルス電圧のオン時間は、磁気飽和が可能な電流となるように、個々の電動機について設定される。図５では、パルス電圧のオン時間が４００μｓｅｃに設定された場合を示している。

また、隣接するパルス電圧間のオフ時間は、隣接パルス電圧間の電流波形が重複しない範囲で任意に設定される。なお、パルス電圧の切り換え時のゼロ電圧は、同期電動機５１の各相のスイッチング素子の全ゲートをオフすることにより発生させる。図５では、隣接するパルス電圧間のオフ時間が２．４ｍｓｅｃに設定された場合を示している。

さらに、回転子の初期磁極位置の推定時間は、所定の要件を満たすように設定される。例えば、同期電動機５１がエレベータに利用される場合には、回転子の初期磁極位置の推定が、ブレーキ開放前に終了するように推定時間が設定される。具体的には、図５では、回転子の初期磁極位置の推定時間が２０ｍｓｅｃに設定された場合を示している。
ここで、電圧指令ベクトルＶ１に対応する電流は、約０．００３ｓｅｃの時点で、所定の極性およびピーク値を持った波形として現れる。同様に、電圧指令ベクトルＶ２〜Ｖ６のそれぞれに対応する電流も、所定の時点で、所定の極性およびピーク値を持った波形として現れる。

図６は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置におけるα相電流応答波形を示す説明図である。また、図７は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置におけるβ相電流応答波形を示す説明図である。
図６、７において、横軸は時間を示し、縦軸は電流値を示している。

また、図６には、同期電動機５１のＵ相に流れる電流値ＩｕおよびＶ相に流れる電流値Ｉｖから、α−β座標系（固定座標系）に変換された電流値Ｉ_αが示されている。また、図７には、同期電動機５１のＵ相に流れる電流値ＩｕおよびＶ相に流れる電流値Ｉｖから、α−β座標系（固定座標系）に変換された電流値Ｉ_βが示されている。
図６、７に示すように、電流値Ｉ_α、Ｉ_βは、電流値Ｉｕ、Ｉｖと同時点にピーク値を持った値として表される。このピーク値が、パルス電圧を印加したときの電流の振幅として検出される。

図８は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置の推定手段６３によって演算された電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。
図８において、横軸は電流値Ｉ_αを示し、縦軸は電流値Ｉ_βを示している。ここで、各パルス電圧に対応した電流ベクトルの先端は、四角で示される。また、これらの電流ベクトルの積算値、すなわち、平均ベクトルの先端は、三角で示される。図８では、ｄ−ｑ座標系（モータ座標系）のｄ軸方向にある電流ベクトルが伸長し、平均ベクトルもｄ軸の方向を示す。

図９は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置による磁極推定値の収束演算を説明するための説明図である。
図９において、横軸は時間を示し、縦軸は電流値Ｉｕおよび初期磁極位置の推定値を示している。また、図９には、電流値Ｉｕと平均ベクトルの位相θ＊の収束演算結果が示されている。
図９に示すように、０．０２２ｓｅｃ以降、６０度強の値で、平均ベクトルの位相が収束していることがわかる。なお、収束演算時間は、収束の状態を確認した上で任意の時間に設定される。

次に、図１０のフローチャートを参照しながら、従来の同期電動機の磁極位置推定装置の動作について説明する。図１０には、図３〜９の一連の動作が示されている。なお、ステップＳ７１の動作主体は回路手段５２であり、ステップＳ７２の動作主体は電流検出手段５３であり、ステップＳ７３〜Ｓ７７の動作主体は推定手段６３である。

まず、磁極位置推定用のパルス電圧が、同期電動機５１の各相に印加される（ステップＳ７１）。
続いて、同期電動機５１のＵ相に流れる電流値ＩｕおよびＶ相に流れる電流値Ｉｖが検出される（ステップＳ７２）。

次に、電流値Ｉｕおよび電流値Ｉｖが、α−β座標系の電流値Ｉ_αおよび電流値Ｉ_βに変換される（ステップＳ７３）。
続いて、電流値Ｉ_αおよび電流値Ｉ_βのそれぞれの最大値Ｉ_Nαおよび最大値Ｉ_Nβが検出される（ステップＳ７４）。

次に、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加されたか否かが判定される（ステップＳ７５）。
ステップＳ７５において、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加されていない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、ステップＳ７１に移行する。

一方、ステップＳ７５において、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加された（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、電流値Ｉ_αおよび電流値Ｉ_βのそれぞれの最大値Ｉ_Nαおよび最大値Ｉ_Nβの電流積算値Ｉ₀（Ｉ_0α、Ｉ_0β）が演算される（ステップＳ７６）。

続いて、回転子の初期磁極位置の推定値が収束演算により求められ（ステップＳ７７）、図１０の処理が終了する。

このように、従来の同期電動機の磁極位置推定装置によれば、複数の電圧指令ベクトルのそれぞれに対応する複数の電流ベクトルを平均した平均ベクトルの位相に基づいて、回転子の初期磁極位置が推定される。そのため、電気角６０度の幅よりも高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。

特許第３６６３９３７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上述したように、パルス電流のオン時間は、磁気飽和が可能な電流となるように、個々の電動機について設定されており、推定手段６３で得られる推定結果は、高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。
一方、電流が小さく磁気飽和が十分でない場合には、各電圧指令ベクトルＶ１〜Ｖ６に対応したパルス電流のピーク値によるｄ軸方向の電流ベクトルの伸長が、図８に示したものほど顕著でなくなり、回転子の初期磁極位置の推定精度が低下するという問題がある。

ここで、例えば、従来の同期電動機の磁極位置推定装置において、母線電圧が一定の条件で、パルス電圧のオン時間を変化させた場合の電流ベクトルの軌跡を図１１に示す。
図１１（ａ）は、パルス電圧のオン時間が基準時間ｔである場合の電流ベクトルの軌跡を示している。また、図１１（ｂ）は、パルス電圧のオン時間が０．７５ｔである場合の電流ベクトルの軌跡を示している。また、図１１（ｃ）は、パルス電圧のオン時間が０．５ｔである場合の電流ベクトルの軌跡を示している。

図１１（ａ）および（ｂ）では、ｄ軸方向にある電流ベクトルの伸長が顕著であり、平均ベクトルの絶対値も大きな値なので、高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。

これに対して、図１１（ｃ）では、ｄ軸方向にある電流ベクトルの伸長がほとんどなく、６パルスのパルス電圧に対応する電流ベクトルが、ほぼ円形の軌跡となり、平均ベクトルの絶対値も小さな値となる。そのため、回転子の初期磁極位置の検出が困難になり、回転子の初期磁極位置の推定精度が低下する。
このように、磁気飽和に十分な電流が得られない場合には、回転子の初期磁極位置の推定精度が低下する。

このような、磁気飽和に十分な電流が得られない場合の条件として、電源電圧が不安定であることが考えられる。電源電圧が不安定な状況では、直流母線電圧が低下し、パルス電圧（振幅）値自身が通常時の値よりも小さくなることが考えられる。パルス電圧値自身が小さくなると、個々の電動機について設定されたパルス電圧のオン時間が一定なので、磁気飽和に十分な電流を得ることができず、推定精度が低下する。
これにより、電動機の始動が適切になされず、一時的な逆回転が発生する可能性や、起動失敗が発生する可能性がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、電源電圧が不安定な場合であっても、高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる同期電動機の磁極位置推定装置を得ることを目的とする。

この発明に係る同期電動機の磁極位置推定装置は、電圧指令に基づいて、同期電動機の各相に電圧を印加する電圧印加手段と、印加された電圧に応じて同期電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出手段と、３６０度を均等分割した位相差を有する同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶する記憶手段と、電圧印加手段に、電圧指令ベクトルを変換した電圧指令に基づいて、同期電動機の各相に複数の磁極位置推定用のパルス電圧を、順次切り換えて印加させる電圧制御手段と、複数の磁極位置推定用のパルス電圧に同期して同期電動機の各相に流れる電流の振幅に基づいて複数の電流ベクトルを演算するとともに、複数の電圧指令ベクトルのそれぞれに対応する複数の電流ベクトルを平均した平均ベクトルの位相に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する推定手段とを備えた同期電動機の磁極位置推定装置であって、電流検出手段で検出された検出電流値と所定の電流閾値とに基づいて、推定手段で推定された初期磁極位置が正しいか誤っているかを判定する推定値正誤判定手段と、所定の電流閾値を記憶する電流閾値記憶手段と、推定値正誤判定手段が、推定手段で推定された初期磁極位置が誤っていると判定した場合に、所望の磁気飽和が発生するようにパルス電圧の印加条件を変更するパルス電圧印加条件変更手段とをさらに備え、電圧制御手段は、磁極位置推定用のパルス電圧の切り換え時に、各相のスイッチング素子の全ゲートをオフしてゼロ電圧を発生させるものである。

この発明に係る同期電動機の磁極位置推定装置によれば、推定値正誤判定手段は、電流検出手段で検出された検出電流値と所定の電流閾値とに基づいて、推定手段で推定された初期磁極位置が正しいか誤っているかを判定する。また、電流閾値記憶手段は、所定の電流閾値を記憶する。また、パルス電圧印加条件変更手段は、推定値正誤判定手段が、推定手段で推定された初期磁極位置が誤っていると判定した場合に、所望の磁気飽和が発生するようにパルス電圧の印加条件を変更する。
そのため、電源電圧が不安定な場合であっても、高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。

この発明の実施の形態１に係る同期電動機の磁極位置推定装置を示すブロック構成図である。（実施例１） この発明の実施の形態１に係る同期電動機の磁極位置推定装置の動作を示すフローチャートである。（実施例１） 従来の同期電動機の磁極位置推定装置を示すブロック構成図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置の回路手段が印加するパルス電圧を示す説明図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置の電流検出手段によって検出された相電流応答波形を示す説明図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置におけるα相電流応答波形を示す説明図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置におけるβ相電流応答波形を示す説明図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置の推定手段によって演算された電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置による磁極推定値の収束演算を示す説明図である。 従来の同期電動機の磁極位置推定装置の動作を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、従来の同期電動機の磁極位置推定装置において、母線電圧が一定の条件で、パルス電圧のオン時間を変化させた場合の電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。

以下、この発明の同期電動機の磁極位置推定装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る同期電動機の磁極位置推定装置を示すブロック構成図である。
図１において、この同期電動機の磁極位置推定装置は、同期電動機１と、回路手段２と、電流検出手段３と、演算手段４とを備えている。なお、同期電動機１、回路手段２および電流検出手段３は、それぞれ図３に示した同期電動機５１、回路手段５２および電流検出手段５３と同一のものである。

演算手段４は、記憶手段１１と、電圧制御手段１２と、推定手段１３と、電流閾値記憶手段１４と、推定値正誤判定手段１５と、パルス電圧印加条件変更手段１６とを有している。なお、記憶手段１１、電圧制御手段１２および推定手段１３は、それぞれ図３に示した記憶手段６１、電圧制御手段６２および推定手段６３と同一のものである。
推定値正誤判定手段１５は、推定手段１３で推定された回転子の初期磁極位置について、誤差が小さく精度が高いか、または誤差が大きく精度が低いかを、電流閾値記憶手段１４に記憶された磁気飽和電流閾値に基づいて判定する。

以下、上記構成の演算手段４の各部位の機能について説明するが、図３に示した従来の演算手段５４と同様の機能については、説明を省略する。
電流閾値記憶手段１４は、回転子の初期磁極位置の推定精度を確保するために十分な磁気飽和を得ることができるパルス電流ピーク値を、磁気飽和電流閾値として記憶する。ここでは、電流閾値記憶手段１４は、Ｕ相、Ｖ相のパルス電流をα−β座標系に変換したα相、β相のパルス電流のピーク値を、磁気飽和電流閾値として記憶している。

推定値正誤判定手段１５は、推定手段１３で演算されたパルス電流振幅と、電流閾値記憶手段１４に記憶された磁気飽和電流閾値とを比較する。また、推定値正誤判定手段１５は、パルス電流振幅が磁気飽和電流閾値よりも大きな値である場合に、推定精度を確保するために十分な磁気飽和が得られたとして、推定手段１３での回転子の初期磁極位置の推定結果を正しいと判定する。一方、推定値正誤判定手段１５は、パルス電流振幅が磁気飽和電流閾値よりも小さな値である場合に、推定精度を確保するために十分な磁気飽和が得られていないとして、推定手段１３での回転子の初期磁極位置の推定結果を誤りと判定する。

パルス電圧印加条件変更手段１６は、推定値正誤判定手段１５が回転子の初期磁極位置の推定結果を誤りと判断した場合に、磁気飽和を十分に発生させる電流量が流れるように、パルス電流のオン時間を、個々の電動機についてあらかじめ設定された時間よりも長く設定する。

次に、図２のフローチャートを参照しながら、実施の形態１に係る同期電動機の磁極位置推定装置の動作について説明する。図２には、この同期電動機の磁極位置推定装置の一連の動作が示されている。なお、図２のステップＳ２１〜２５、ステップＳ２８およびステップＳ２９は、それぞれ図１０に示したステップＳ７１〜７７と同一なので、説明を省略する。

まず、推定値正誤判定手段１５は、ステップＳ２５において、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加された（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合に、ステップＳ２４における検出結果に基づいて、磁気飽和判定電流値を演算する（ステップＳ２６）。

具体的には、推定値正誤判定手段１５は、ステップＳ２４で検出された電流値Ｉ_αの最大値Ｉ_Nαの６パルス分と電流値Ｉ_βの最大値Ｉ_Nβの６パルス分との計１２パルスからその絶対値を１２パルス分演算し、この１２パルスの中から振幅が最大のパルス電流ピーク値を、磁気飽和判定電流値として抽出する。

続いて、推定値正誤判定手段１５は、ステップＳ２６で演算された磁気飽和判定電流値が、電流閾値記憶手段１４に記憶された磁気飽和電流閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２７）。

ステップＳ２７において、磁気飽和判定電流値が磁気飽和電流閾値以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、十分な磁気飽和が得られ、正しい回転子の初期磁極位置の推定結果が得られるとして、ステップＳ２８に移行する。

一方、ステップＳ２７において、磁気飽和判定電流値が磁気飽和電流閾値以上でない（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、十分な磁気飽和が得られておらず、正しい回転子の初期磁極位置の推定結果が得られないとして、ステップＳ３０に移行する。

このとき、パルス電圧印加条件変更手段１６は、磁気飽和を十分に発生させる電流量が流れるように、パルス電流のオン時間を、個々の電動機についてあらかじめ設定された時間よりも長く設定し（ステップＳ３０）、ステップＳ２１に移行する。例えば、パルス電圧印加条件変更手段１６は、演算周期の１周期分の設定値を長く設定する。

以上のように、実施の形態１によれば、推定値正誤判定手段は、電流検出手段で検出された検出電流値と所定の電流閾値とに基づいて、推定手段で推定された初期磁極位置が正しいか誤っているかを判定する。また、電流閾値記憶手段は、所定の電流閾値を記憶する。また、パルス電圧印加条件変更手段は、推定値正誤判定手段が、推定手段で推定された初期磁極位置が誤っていると判定した場合に、所望の磁気飽和が発生するようにパルス電圧の印加条件を変更する。
そのため、電源電圧が不安定な場合であっても、高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。

また、同期電動機は、３相を有し、推定手段は、磁極位置推定用のパルス電圧に同期して同期電動機の３相に流れる電流の振幅のうちの２相に流れる電流の振幅に基づいて電流ベクトルを演算し、回転子の初期磁極位置を推定する。そのため、通常の電動機制御に用いられる演算手段を流用して、簡便かつ高い精度で回転子の初期磁極位置を推定することができる。また、新たな装置を必要としないので、磁極位置推定装置を小型化することができる。ここで、３相に流れる電流を検出して電流ベクトルを演算することももちろん可能である。

さらに、演算手段は、電圧指令ベクトルの３つの位相を、同期電動機の３相の位相に合わせ、電圧指令ベクトルの他の３つの位相を、同期電動機の３相のうちの隣接する相間の中間位相に合わせるように設定している。そのため、回路手段への電圧指令を簡素化することができる。
また、演算手段は、初期磁極位置推定用のパルス電圧の切り換え時のゼロ電圧を、同期電動機の各相のスイッチング素子の全ゲートをオフすることにより発生させる。そのため、回転子の初期磁極位置の推定時間を短縮することができる。

なお、上記実施の形態１において、電流閾値記憶手段１４は、回転子の初期磁極位置の推定精度を確保するために十分な磁気飽和を得ることができるパルス電流ピーク値を、磁気飽和電流閾値として記憶するとしており、Ｕ相、Ｖ相のパルス電流をα−β座標系に変換したα相、β相のパルス電流のピーク値を、磁気飽和電流閾値として記憶している場合を例としてあげた。しかしながら、これに限定されず、別の値を磁気飽和電流閾値として記憶してもよい。

具体的には、例えば上述したステップＳ２６において、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加されたと判定された場合に、ステップＳ２６で検出された電流値Ｉ_αの最大値Ｉ_Nαの６パルス分の平均値と、電流値Ｉ_βの最大値Ｉ_Nβの６パルス分の平均値とを演算し、それぞれの絶対値と閾値とを比較してもよい。
このとき、電流閾値記憶手段１４は、回転子の初期磁極位置の推定精度を確保するために十分な磁気飽和を得ることができる、α−β軸のパルス電流ピーク値６パルス分の平均値を、磁気飽和電流閾値として記憶している。

上述した図１１（ｃ）のように、磁気飽和が発生していない場合には、平均ベクトルをα軸またはβ軸に投影した値は、０付近の値となる。一方、図１１（ａ）、（ｂ）のように、磁気飽和が発生している場合には、平均ベクトルをα軸またはβ軸に投影した値は、０付近の値ではなく、ｄ軸方向に伸長した方向の値となる。
このような特徴から、磁気飽和の有無を判定して、回転子の初期磁極位置の推定値の正誤を判定することができる。なお、ゼロ点からの平均ベクトルの大きさに基づいて磁気飽和の有無を判定し、回転子の初期磁極位置の推定値の正誤を判定することもできる。

また、この他にも、上述したステップＳ２６において、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加されたと判定された場合に、ステップＳ２６で検出された電流値Ｉ_αの最大値Ｉ_Nαの６パルス分の最大値と最小値との差分値、または電流値Ｉ_βの最大値Ｉ_Nβの６パルス分の最大値と最小値との差分値と、閾値とを比較してもよい。
このとき、電流閾値記憶手段１４は、回転子の初期磁極位置の推定精度を確保するために十分な磁気飽和を得ることができる、α−β軸のパルス電流ピーク値６パルス分の最大値と最小値との差分値を、磁気飽和電流閾値として記憶している。

上述した図１１（ｃ）のように、磁気飽和が発生していない場合には、電流ベクトルの最大値と最小値との差分値は、電流ベクトルの軌跡がほぼ円形なので、０付近の値となる。一方、図１１（ａ）、（ｂ）のように、磁気飽和が発生している場合には、電流ベクトルの最大値と最小値との差分値は、電流の伸長により大きな値となる。
このような特徴から、磁気飽和の有無を判定して、回転子の初期磁極位置の推定値の正誤を判定することができる。

また、上記実施の形態１において、電流閾値記憶手段１４は、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）電流を２相（α、β）電流に変換した電流値を、磁気飽和電流閾値として記憶すると説明したが、これに限定されず、３相電流のまま記憶してもよい。
具体的には、例えば上述したステップＳ２６において、６パルスのパルス電圧全てが同期電動機５１の各相に印加されたと判定された場合に、ステップＳ２２で検出された３相電流の電流値Ｉｕの最大値Ｉ_Nuの６パルス分と、電流値Ｉｖの最大値Ｉ_Nvの６パルス分と、電流値Ｉｗの最大値Ｉ_Nwの６パルス分との計１８パルスの中から絶対値振幅が最大のパルス電流値と、閾値とを比較することも可能である。

さらに、磁気飽和判定電流値がわずかに磁気飽和電流閾値よりも小さく、かつパルス電圧のオン時間をこれ以上長く設定することができない場合において、回転子の初期磁極位置の推定精度が低いと判断されて同期電動機１が始動できないときには、図２のフローチャートのステップＳ２１〜２７を複数回繰り返し、その推定値の平均値を磁極位置と判定して始動させることにより、電動機の始動不可を極力回避することを可能にできる。

これは、例えばエレベータ等の救出運転等にも適用でき、乗り心地への影響を最小限に抑制しながら乗客救出が可能となるので、エレベータの信頼性を向上させることができる。なお、磁気飽和判定電流値と磁気飽和電流閾値との差が、始動失敗するほどの大きな値では無いことが実験的にわかっている場合に限られる。

また、これまで説明したことを応用して、以下のようなことが可能となる。
直流母線電圧が不安定で電圧が上昇していた場合には、個々の電動機について設定されたパルス電圧のオン時間では、パルス電流が大きくなりすぎるという事象が発生する。パルス電圧が必要以上に上昇すると、永久磁石の減磁が生じる可能性があるので、これを回避する必要がある。

したがって、電流閾値記憶手段１４に記憶される磁気飽和電流閾値について、パルス電流の上限閾値を設定することにより、電流が流れすぎた（パルス電流が大きくなりすぎた）場合には、パルス電圧のオン時間を短くして適切な時間とすることにより、回転子の初期磁極位置の推定に適切な電流とすることができ、電動機の永久磁石の減磁を防止することができる。

このように、パルス電流の磁気飽和判定用の閾値と、電動機の永久磁石減磁回避判定用の上限閾値を設けることにより、回転子の初期磁極位置の推定に最適なパルス電圧のオン時間を設定することができる。そのため、電動機の製造個体差により磁気飽和の容易性が異なる場合の対応として、適切な電流への最適化を自動的に行うことができる。

また、一般的に、磁気飽和の容易性は、電動機によって異なる。通常、パルス電圧のオン時間は、電動機毎に実験的に設定する必要があり、設計者が電動機毎にチューニングを行う必要があるが、自動でチューニングを行うことが可能となり、設計の省力化を実現することができる。

Claims (10)

1. 電圧指令に基づいて、同期電動機の各相に電圧を印加する電圧印加手段と、
   印加された電圧に応じて前記同期電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   ３６０度を均等分割した位相差を有する同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶する記憶手段と、
   前記電圧印加手段に、前記電圧指令ベクトルを変換した電圧指令に基づいて、前記同期電動機の各相に複数の磁極位置推定用のパルス電圧を、順次切り換えて印加させる電圧制御手段と、
   前記複数の磁極位置推定用のパルス電圧に同期して前記同期電動機の各相に流れる電流の振幅に基づいて複数の電流ベクトルを演算するとともに、前記複数の電圧指令ベクトルのそれぞれに対応する前記複数の電流ベクトルを平均した平均ベクトルの位相に基づいて、前記同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する推定手段と、を備えた同期電動機の磁極位置推定装置であって、
   前記電流検出手段で検出された検出電流値と所定の電流閾値とに基づいて、前記推定手段で推定された前記初期磁極位置が正しいか誤っているかを判定する推定値正誤判定手段と、
   前記所定の電流閾値を記憶する電流閾値記憶手段と、
   前記推定値正誤判定手段が、前記推定手段で推定された前記初期磁極位置が誤っていると判定した場合に、所望の磁気飽和が発生するように前記パルス電圧の印加条件を変更するパルス電圧印加条件変更手段と、
   をさらに備え、
   前記電圧制御手段は、前記磁極位置推定用のパルス電圧の切り換え時に、前記各相のスイッチング素子の全ゲートをオフしてゼロ電圧を発生させる
   同期電動機の磁極位置推定装置。
2. 前記パルス電圧印加条件変更手段は、前記パルス電圧のオン時間を可変設定する請求項１に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
3. 前記電流閾値記憶手段は、Ｕ相、Ｖ相のパルス電流をα−β座標系に変換したα相、β相のパルス電流のピーク値を、前記所定の電流閾値として記憶する請求項１または請求項２に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
4. 前記電流閾値記憶手段は、α−β軸のパルス電流ピーク値６パルス分の平均値を、前記所定の電流閾値として記憶する請求項１または請求項２に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
5. 前記電流閾値記憶手段は、α−β軸のパルス電流ピーク値６パルス分の最大値と最小値との差分値を、前記所定の電流閾値として記憶する請求項１または請求項２に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
6. 前記電流閾値記憶手段は、３相電流の電流値のピーク電流値を、前記所定の電流閾値として記憶する請求項１または請求項２に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
7. 前記推定手段は、前記初期磁極位置の推定を複数回繰り返して実行し、その推定値の平均値を前記初期磁極位置とする請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
8. 前記電流閾値記憶手段は、前記所定の電流閾値について、上限閾値および下限閾値を設定する請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
9. 前記同期電動機は、３相を有し、
   前記推定手段は、前記磁極位置推定用のパルス電圧に同期して前記３相に流れる電流の振幅のうちの２相に流れる電流の振幅に基づいて、座標変換により前記電流ベクトルを演算する請求項１から請求項８までの何れか１項に記載の同期電動機の磁極推定装置。
10. 前記記憶手段は、３６０度を均等に６分割した位相差を有した同振幅の複数の電圧指令ベクトルを記憶し、
    前記電圧制御手段は、前記電圧指令ベクトルの３つの位相を、前記３相の位相に合わせ、前記電圧指令ベクトルの他の３つの位相を、前記３相のうちの隣接する相間の中間位相に合わせる請求項９記載の同期電動機の磁極位置推定装置。

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