JP5970227B2 - 同期電動機の駆動システム - Google Patents

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Description

本発明は、同期電動機の駆動システムに関する。

自動車・産業・家電などのモータ駆動システムでは、小形・高効率の永久磁石モータ(同期電動機)が幅広く用いられており、例えば、トルクアシスト機器、位置決め制御、ならびにファン、ポンプ、圧縮機等に用いらている。
永久磁石モータ(以下、PMモータと略)を駆動するには、PMモータの回転子位置の情報が必要であり、そのための位置センサが必須となる。近年では、この位置センサを取り除き、PMモータの回転数やトルク制御を行う「センサレス制御」が広く普及している。

センサレス制御の実用化によって、位置センサにかかる費用(センサそのもののコストやセンサの配線にかかるコストなど)が削減でき、また,センサが不要となる分、システムの小形化や劣悪な環境での使用が可能となるため、大きなメリットがある。現在、PMモータのセンサレス制御は、回転子が回転することによって発生する誘起電圧(速度起電圧)を直接検出し、回転子の位置情報としてPMモータの駆動を行う方式や、対象となるモータの数式モデルから、回転子位置を推定演算する位置推定技術などが採用されている。

これらのセンサレス制御方式の大きな課題は、停止状態(零速)を含めた低速運転時の位置検出方法である。現在、実用化されている大半のセンサレス制御は、PMモータの発生する速度起電圧に基づくものであるため、誘起電圧の小さい停止・低速域では感度が低下してしまい、位置情報がノイズに埋もれてしまう。

この問題を解決する従来方式として、特許文献1には、PMモータの120度通電制御をベースにした停止・低速域における位置センサレス制御方式において、開放相に生じる誘起電圧に基づいて通電相を切り替える制御方式が開示されている。この誘起電圧は、PMモータ内部の磁気回路が変化して生じる誘起電圧であり、従来の回転速度に起因した速度起電圧を利用する方式とは異なる原理によるものである。よって、停止・低速域においてもセンサレス制御が実現できる。

また、特許文献2では、特許文献1記載の手法同様のPMモータの120度通電制御をベースにした停止時における位置センサレス制御方式を用いた回転子位置推定技術が開示されている。この特許文献2においては、PMモータが停止状態において、三相巻線の相間に6通りの電圧パルスを印加し(三相の相間に対し、それぞれに正,負のパルスを印加する)、その際に開放相に発生した6個の誘起電圧値に基づいて、回転子の初期位置を推定している。この手法により、回転子の初期位置が短時間で推定できるため、モータを逆回転させることなく、しかも短時間でのセンサレス駆動が実現されている。

特開2009−189176号公報 特開2001−275387号公報

しかしながら、上記従来技術では、例えば特許文献1の発明では、PMモータが停止状態における初期位置推定に関する記載がない。初期位置が不明なまま起動すると、回転子が逆転してしまうという問題がある。
一方、特許文献2の発明では、原理的には回転子の初期位置を推定するものであるが、その推定精度に問題が生じる場合がある。初期位置推定に用いる開放相誘起電圧は、モータの磁気回路特性に依存しているため、モータによっては極めて感度の低い特性を示す場合がある。具体的には、三相巻線の線間へ正パルス、ならびに負パルスを印加した際に発生したそれぞれの開放相誘起電圧を合成(和)し、それら三相分の値の大小関係を比較して、回転子の初期位置を推定する。モータの特性によっては、この開放相誘起電圧を合成(和)した値が小さく、回転子位置の十分な推定精度(分解能)が得られず、初期位置推定に失敗する場合が生じる。この結果、条件によってはモータを起動することができない、あるいは逆転方向に回転してしまうなどの問題が生じる。

(1)上記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、同期電動機と、前記同期電動機と接続し複数のスイッチング素子により構成される電力変換器と、前記電力変換器に対し電圧指令を出力して前記同期電動機を制御する制御器と、前記同期電動機の三相巻線のうち、それぞれの二相間に正および負のパルス電圧をそれぞれ印加したときの、開放相の誘起電圧を検出する電圧検出部と、前記二相間に正の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の電圧と、負の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の誘起電圧との差である誘起電圧差を算出する誘起電圧差算出部と、前記二相間に正の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の電圧と、負の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の誘起電圧との和である誘起電圧和を算出する誘起電圧和算出部と、前記誘起電圧差に基づき回転子の位置の範囲を推定し、前記誘起電圧和に基づき前記回転子の極性判別を行うことにより、前記回転子の位置を判定する回転子位置判定部とを備えることを特徴とする同期電動機の駆動システムである。
(2)上記課題を解決するための請求項に記載の発明は、同期電動機と、前記同期電動機と接続し複数のスイッチング素子により構成される電力変換器と、前記電力変換器に対し電圧指令を出力して前記同期電動機を制御する制御器と、前記同期電動機の三相巻線のうち、それぞれの二相間に正および負のパルス電圧をそれぞれ印加したときの、開放相の誘起電圧を検出する電圧検出部と、前記二相間に正の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の電圧と、負の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の誘起電圧との差である誘起電圧差を算出する誘起電圧差算出部と、前記電力変換器に供給される直流電力の電流値を検出する電流検出部と、前記誘起電圧差に基づき回転子の位置の範囲を推定し、前記直流電力の電流値に基づき前記回転子の極性判別を行うことにより、前記回転子の位置を判定する回転子位置判定部とを備えることを特徴とする同期電動機の駆動システムである。

上述のように,本発明によれば,停止時の初期位置推定を短時間で、かつ、高精度に行い、逆転することなく短時間に起動できるPMモータの駆動システムを提供できる。

本発明に係るの同期電動機の駆動システムの第1の実施形態の構成を表すブロック図である。 図1の同期電動機4の回転子の二相のコイル(V−W相)に正または負のパルス電圧を印加する場合の模式図である。(a)は正パルス印加の場合、(b)は負パルス印加の場合を示す。 図2(a)、(b)で二相のコイル(V−W相)に正または負のパルスを印加した場合に非通電相コイル(U相)に誘起される電圧の例を示す図である。横軸でθは回転子の電気角を示す。1は正パルスを印加した場合 図1に示す本発明に係る第1の実施形態で、120度通電制御を行った場合に、二相のコイルに正または負のパルスを印加した(PWM制御)時に非通電相コイルに発生する誘起電圧の例である。(a)はV−W相コイルに正または負のパルスを印加した場合のU相の誘起電圧、(b)はW−U相に正または負のパルスを印加した場合のV相の誘起電圧、(c)はV−U相に正または負のパルスを印加した場合のW相の誘起電圧をそれぞれ示す。(d)は(a)〜(c)に示す通電動作を電気角で6つの領域(通電モード)に分け、それぞれにおいて、各相コイルの通電状態を示している。+sideのU+、V+、W+はそれぞれスイッチング素子Sup、Svp、Swpが導通状態となっていることを示し、−sideのV−、W−、U−はそれぞれスイッチング素子Svn、Swn、Sunが導通状態となっていることを示す。 図4に示す通電モード3における電圧ベクトル表記の模式図である。 本発明に係る実施形態1の同期電動機の回転子位置を推定するために用いる各種電圧波形の模式図である。(a)は、図4(a)と同等の誘起電圧波形である。(b)は、図4(a)、(b)、(c)それぞれに示す正パルス印加時の誘起電圧と負パルス印加時の誘起電圧の和を示す。(c)は、図4(a)、(b)、(c)それぞれに示す正パルス印加時の誘起電圧と負パルス印加時の誘起電圧の差を示す。 本発明に係わる実施形態1で、回転子位置の推定に用いる判別表図である。 本発明に係わる実施形態1の回転子の初期位置推定の方法を説明するための図である。(a)は、図6(c)と同等の電圧波形図である。(b)は、図6(b)と同等の電圧波形図である。(c)は(a)の一部(A−4の部分)を拡大した図である。 本発明に係る同期電動機の駆動システムの第2の実施形態での回転子の各相コイルに印加するパルス電圧波形の例を示す図である。(a)は通電モード1−3で二相のコイルに印加するパルス波形を示す。(b)は(a)のV相のパルス電圧波形Vvwを拡大して示したものである。 本発明に係る同期電動機の駆動システムの第3の実施形態での回転子位置を推定する方法でのインバータの動作とインバータに供給されるDC電圧/電流波形を模式的に示した図である。(a)は、通電モード1でのインバータのスイッチング素子の状態を示す。(b)は(a)の状態でU−V相コイルに正パルスを印加した場合の、インバータに供給されるDC電流の電圧波形を示す。(c)は、U−V相コイルに流れるコイル電流波形を(b)に対応して示す。(d)は、インバータに供給されるDC電流の電流波形を(b)に対応して示す。(e)は、回転子の永久磁石の磁場とコイル電流による磁場の向きが一致した場合に固定子側で磁気飽和が起こることを示している。 本発明に係る同期電動機の駆動システムの第3の実施形態の動作を説明するための図である。(a)は、同期電動機の起動フローチャートを示し、(b)は(a)ステップS2およびS3で用いる電圧波形あるいは電流波形の例を示す。 本発明に係る同期電動機の駆動システムの第3の実施形態の変形例の起動フローチャートを表す図である。 本発明に係る同期電動機の駆動システムの第4の実施形態の構成を表す図である。 本発明に係る同期電動機の駆動システムの第5の実施形態であり、第1乃至4のいずれかの実施形態の同期電動機の駆動システムを備えた電動油圧ポンプシステムの構成例を表す図である。 図14に示す電動油圧ポンプシステムの動作の時間経過を示す模式図である。

以下、図1〜15を参照して本発明を実施するための形態について説明する。各図中において、共通する符号は同一の部品や構成要素を示す。
なお、ここでは制御対象となる同期電動機を、PMモータとして説明するが、他の同期電動機(例えば、回転子に界磁巻線を使用したもの、あるいはリラクタンストルクによって駆動される電動機など)でもほぼ同様の効果を得ることができる。

(第1の実施形態)
まず、低速域における制御装置の構成、ならびに制御方式について説明する。位置センサレス制御による回転子位置推定の技術としては、特許文献1に開示されているように、120度通電制御をベースにした制御方式に基づくものである。

図1は本発明に係る同期電動機の駆動システムの第1の実施形態の構成を表すブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の同期電動機の駆動システム100は、制御対象となるPMモータ4と、このPMモータ4の印加電圧指令Vを発生するV発生器1と、PMモータ4と接続され、複数のスイッチング素子により構成される電力変換器(インバータ)3と、このインバータ3に対し、電圧指令を出力してPMモータ4を制御する制御器2を有する。この制御器2は、PMモータ4の三相巻線のうち、通電する二相を選択して正および負パルス電圧をそれぞれ印加し、正および負パルス印加時の開放相(非通電相)の各誘起電圧に基づいて位相(回転子の磁極位置)、ならびに回転速度を推定する。

制御器2は、電圧指令V*からPWM信号を生成するPWM信号生成器5と、三相コイルに電圧を印加するパターンを定義した通電モードを決定する通電モード決定器6と、決定された通電モードで各相に電圧が印加されるようにゲート信号を切換えるゲート信号切替器7、モード切替トリガ発生器8と、回転子位置推定部20と、切替スイッチ50とを備えている。
モード切替トリガ発生器8は、回転電機の通常動作時に、三相巻線の各々の相の電圧と基準レベルを比較することにより、回転子の位相(磁極位置)や回転速度を推定し、適切なタイミングで通電モードを切換えるトリガー信号を発生する。

回転子位置推定部20は、PMモータ4の起動時に動作してPMモータ4の停止状態(初期状態)での回転子の位置推定を行う。後述するように、この回転子位置推定部20で回転子の回転位置の初期状態を推定し、これに基づいて通電モード決定器6は、PMモータ4の始動時に、固定子の三相巻線(Lu、Lv、Lw)にインバータ3から駆動電流を供給する際の通電モードを決定する。切替スイッチ50は、PMモータ4の始動時に三相巻線の誘起電圧を回転子位置推定部20に入力するためのスイッチである。

インバータ3は、直流電源31、6個のスイッチング素子Sup〜Swnで構成されるインバータ主回路部32、インバータ主回路3を直接駆動する出力プリ・ドライバ33を備えている。

(PMモータの通常動作時の制御)
以下に、従来技術と共通な部分であり、PMモータ4における120度通電制御でのセンサレス制御の動作について簡単に説明する。
発生器1は、PMモータ4への印加電圧指令Vを発生する。この指令Vに相当する電圧を、パルス幅変調(PWM)を行って、PMモータ4へ印加するように動作する。制御器2では、V発生器1の出力に基づき、PWM発生器5にて、パルス幅変調された120度通電波を作成する。通電モード決定器6では、インバータ主回路部32の6通りのスイッチングモードを決定するモード指令を順次出力する。

ゲート信号切替器7では、インバータ主回路部32の各々のスイッチング素子がどのような動作でスイッチングするかを、モード指令に基づいて決定し、最終的な6つのゲートパルス信号を、インバータ3に出力する。通電モード決定器6は、モード切替トリガー発生器8が発生する信号によって、通電モードを切り替えていく。

モード切替トリガー発生器8は、PMモータ4の非通電相における誘起電圧の基準となる閾値を発生する基準レベル切替器9と、PMモータ4の三相端子電圧の中から、非通電相をモード指令に基づいて選択する非通電相電位選択器10と、非通電相電位選択器10の出力を比較し、モード切替トリガーを発生する比較器11を備えている。

なお、120度通電方式では、制御器2は、PMモータ4の三相巻線から2つの相を選択して電圧を印加し、トルクを発生させる。その2つの相の組み合わせは6通り存在し、それぞれを通電モード1〜6と定義している。

図2(a)は、V相からW相へ通電しているモード3、同図(b)は反対にW相からV相へ通電しているモード6を示すものである。これらに対して、回転子位置の角度を電気角の一周期分変化させた場合、非通電相に現れる誘起電圧は、図3のとおりとなる。これらより、回転子位置によって、U相の誘起電圧が変化しているのがわかる。
ここで、この誘起電圧は、速度起電圧ではなく、V相とW相の電機子巻線に鎖交する磁束の変化率の差異が、U相にて観測されたものである。よって、停止・低速域であっても、回転子位置に応じた誘起電圧が観測できる。また、図2(a)、(b)に示した電圧パルスは、120度通電の通常の動作中に印加される。

図4は、U、V、W相の誘起電圧Eou、Eov、Eow、インバータ3のゲート信号Gup、Gun、Gup、Gvn、Gvn、Gvp、Gwn、ならびに、PMモータ4の回転子位相角θd、通電モード1〜6でのU、V、W相の通電状態を示している。回転子位相角θdに応じて、60度毎に通電する2相が切り替えられている。
図4において、モード3、ならびにモード6がそれぞれ図2(a)、(b)の状態と等価である。このときのU相の誘起電圧は、図3と併せて記入すると、Eou上の太い矢印のようになる。すなわち、モード3では、マイナス方向に減少し、モード6ではプラス方向に増加するような誘起電圧が観測される。

上述した制御装置、ならびに制御方式によって、回転する回転子の位置に応じて、適切なモータ駆動トルクが得られる。非通電相の誘起電圧は、速度起電圧によるものではなく、変圧器としての誘起電圧であるため、極低速状態であっても感度よく検出することができる。

以上が、従来技術と共通な部分の制御装置の構成、ならびに制御方式である。
以下で、本発明の特徴である「起動失敗を防止して短時間で起動を実現できる初期位置推定方式」について説明する。

(本発明でのPMモータの始動時の制御)
本発明の特徴は、同期電動機を120度通電方式で起動するにあたり、正パルスないし負パルス印加時に発生した各開放相の誘起電圧値の和、ならびに差に基づいて、同期電動機の磁極位置を推定し、同期電動機を起動することにある。

図5に通電モードの電圧ベクトル表記を示す。図5においては、各通電モードにおける印加電圧が、三相-二相変換(αβ変換)されて、ベクトル空間上に表示されている。U相軸をα軸とし、その直交方向をβ軸として、各通電モード1〜6を電圧ベクトルVM1〜6で表記している。
なお、図5では、例としてV相とW相の線間に正パルスが印加される通電モード3の場合について説明する。

通電モード3は、図5に示すように、V相に通電された正パルスは、W相に負パルスとして通電されるため、その時の固定子側での起磁力ベクトルとしては、V相軸のベクトルと−W相軸のベクトルを合成した方向(図5のVM3の方向)となる。一方、通電モード3に対応する回転子位置は、VM1(θd=−30°)からVM2(θd=+30°)の範囲である。すなわち、固定子側のVM3のベクトルと、回転子側の磁石磁束φpmとのベクトルは、90度±30度の範囲となり、正転トルクを発生する。つまり、図5に示す斜線部分にφpmが存在する場合、通電モード3が選択されれば正転トルクが発生することを意味している。
このようにして、回転子位置に応じて適切な通電モードを選択することで、回転子が逆転することなく、また最大トルクによってPMモータを起動することができる。しかし、最初の通電モードを誤って設定してしまうと、起動失敗や逆転の恐れがあるため、初期位置推定は重要な技術である。

図6(a)は、正および負パルス印加時にそれぞれ発生したU相の誘起電圧の検出値である。U相が開放となる条件は、モード3とモード6であり、それぞれが正パルス、ならびに負パルスに相当する。U相の誘起電圧は、回転子位置の電気角に応じて変化しており、主に電気角一周期の成分と、その2倍の周波数成分が含まれる特性を示す。図の記載を省略するが、V相、W相においては、このU相の波形を±120度ずらした波形が得られる。

初期位置推定では、6つの通電モードすべてを順番に印加し、それぞれの誘起電圧を測定するため、計6個の誘起電圧が取得できる。これらの検出した6つの誘起電圧から、逆に回転子の初期位置を推定する。なお、この際スイッチ50(図1参照)を切換えて、三相巻線の誘起電圧を誘起電圧検出部21に入力して、以下に説明する処理を行う。

図6(b)は各モードの誘起電圧の検出値に対して和を施したもの、同図(c)は各モードの誘起電圧の検出値に対して差を施したものである。回転子が、ある初期位置に固定されているものとし、その状態で6つモードに通電し、それぞれ誘起電圧を取得する。その後、図6に示すように、誘起電圧値の和(Usum、Vsum、Wsum)、ならびに差(Udif、Vdif、Wdif)の処理を施す。誘起電圧の和の演算は、図1に示す誘起電圧合成部(和)23で行われ、誘起電圧の差の演算は、誘起電圧合成部(差)22で行われる。

図6(b)は、各相に発生した誘起電圧値の和を示しているが、これらは電気角一周期に対して、1周期の変化をしていることがわかる。すなわち、図6(b)の特性から、回転子位置を逆算することが原理上可能である。この原理に基づく従来例として、特許文献1が挙げられる。
しかし、この図6(b)のような特性が、必ずしも高感度に得られるとは限らない。感度が低下する要因として、モータそのものの磁気回路特性が関係している。すなわち、PMモータによっては、十分な推定精度(分解能)が得られない場合がある。

(本発明での通電モードの推定方法)
この問題を解決するため、本発明では、図6(c)に示すように、各相の誘起電圧値の「差」の特性も利用して初期位置推定を行うものとする。図に示すように、誘起電圧値の差を取ると、誘起電圧値の和を取った場合と比べて検出感度が高くなるので、ノイズによる影響を抑制できるようになる。ただし、電気角一周期の成分がキャンセルされ、1/2周期の成分のみが拡大されるため、回転子位置の推定範囲としては±90°となる。そこで、第一段階として一旦は「差」の情報に基づいて位置推定を行い、第二段階として、「和」の情報に基づいて、極性の判別(N極またはS極の選択)を実施する。

次に、図7、8を用いて各ステップでの具体的な処理方法について説明する。
図7は、各通電モードにおいて検出した6つの誘起電圧値の各相の差(Udif、Vdif、Wdif)、ならびに和(Usum、Vsum、Wsum)の値に基づき、それらの大小比較から、初期位置を求めて、通電すべきモードを判別するための表である。

図8(a)は、各モードにおいて検出された誘起電圧値の差に基づいて大小比較を実施する際の誘起電圧波形の模式図(図8のSTEP1に該当)、同図(b)は各モードにおいて検出された誘起電圧値の和に基づいて大小比較を実施する際の誘起電圧波形の模式図(図8のSTEP2に該当)、同図(c)は境界判定を行う際に基となる誘起電圧波形の模式図(図8のSTEP3に該当)をそれぞれ示したものである。

図7に示すように、[STEP1]において、「差」の大小関係(最大(MAX)、中間(MID)、最小(MIN))から、回転子位相を±90度の範囲に追い込んでいる。さらに[STEP2]にて、「和」の値から極性判別を実施している。図8(b)、(c)の比較で分かるように、「和」の値、すなわち図8(b)を用いて極性判別を行う場合は、「和」の波形振幅が小さいため、位置推定の結果が通電モードの境界付近にある場合は、判定が精度良く行われない可能性がある。

このような場合、図8(c)に示すように、「差」の値を用いることにより([STEP3])、位置推定の結果が通電モードの境界にある場合に、どちらの通電モードに近いかの判定を容易に行うことができる。

例えば、図8(a)のSTEP1において、UdifがMAX、WdifがMIN、VdifがMIDの場合、回転子の磁極位置としてはA−2領域(−60°)、または、A−1領域(120°)が候補として挙げられる。次に、図8(b)に示すSTEP2として、UsumとVsumの大小比較を実施し、極性判別を行う。ここで、UsumがVsumの値よりも大きい場合には、回転子の磁極位置としては120°と推定され、図8(c)に示す境界判定により通電モード5が、一方、UsumがVsumの値よりも小さい場合には、回転子の磁極位置としては−60°が推定され、図8(c)に示す境界判定により通電モード2が選択される。

ただし、図8(a)のSTEP1において、UdifがMAX、VdifがMIN、WdifがMIDの場合、図8(b)に示すSTEP2として、A−3ないしA−4の領域が候補として挙げられる。仮に、A−4領域とした場合、Wdifの値によっては通電モードが2または3と境界上となるため、極性判別が困難となり、条件によってはトルク不足となってしまう可能性がある。そのため、図8(c)に示す境界判定によって、Wdifが零より大きい場合、通電モード3を、Wdifが零より小さい場合、通電モード2を選択して起動を行う。

なお、上記でSTEP3として説明した、A−4領域での通電モードが2あるいは3のどちらかであるかの境界判定を「和」の値を用いて行う場合は、領域A−4でのWsumの値(図8(b)参照)を用いて行う。また、領域A−3でWsumを用いて同様の判定を行う場合は、Wsumの波形の変化が上記の説明と逆になるので、図7に示す表の右端(STEP3)での、判定条件を“Wsum>0”とすると、分類(モード5、6)の順序が「差」を用いる場合と逆になる。「和」を用いた場合の図7のような表と、これを参照した説明は省略する。
ただし、図8(b)から分かるように、「和」の値を用いた場合、この値の振幅が小さい場合には、領域がA−3かA−4かの判定は可能であるが、これらの領域内での境界判定が精度よく行われない可能性がある。このような場合は「差」の値による判定あるいは検証を行う。

以上で説明したように、本発明を用いることにより、「和」あるいは「差」の値を用いて極性判別を行うことができる。また「和」および「差」の値を用いた極性判別を共に行うことでさらに確実に極性判別の検証を行うことができる。なお、上記で説明した、通電モードの推定が図1に示す通電モード推定部(起動時)24で行われている。

以上で説明した極性判別の各STEPは、得られた6つの誘起電圧値を用いて後処理にて実施するものであり、それぞれの処理時間は数μ〜数10μsで実現できる。ただし、6つの誘起電圧値を得るのに、過渡現象も考慮して、10数ms程度必要となる。しかしながら、それでも極めて短い時間での起動が可能となる。
以上より、本発明の駆動システムを各種同期電動機に適用すれば、停止時の回転子初期位置を精度よく推定することが可能であり、起動失敗や逆転を防止して短時間に電動機を起動することができる。

(第2の実施形態)
図9を参照して、本発明に係る同期電動機の駆動システムの第2の実施形態について説明する。
第1の実施形態では、初期位置推定のために6つのモード1〜6での開放相の誘起電圧値が必要であり、これらの誘起電圧値を測定するために、それぞれのモードで電圧パルスを順番にPMモータに印加する必要がある。しかし、6個の誘起電圧値を得るには、過渡現象まで含めて考えると多くの時間を要するため、効率的とは言えない。本実施形態での初期位置推定方法によって、さらに短時間で回転子の初期位置を推定することができる。

図9は、正パルス電圧、負パルス電圧を交互に出力するモード11〜13の波形である。PWM時のパルス作成方法によって、このような波形を印加することが可能である。この場合、正パルスによる誘起電圧と負パルスによる誘起電圧をほぼ同時に得ることができるため、実質的な通電モードは3通りで上記の6個の誘起電圧値を得ることができる。したがって、誘起電圧検出のために要する時間を半減できることになる。

また、図9では、たとえば図9(b)に示すように、正パルス(V-Wパルス)と負パルス(W-Vパルス)が不均等な幅となっているが、初期位置推定時には、平均値が零となるように、等しい幅の正負のパルスを交互に印加した方がよい。パルスが正側、あるいは負側に偏っていると、条件によってはトルクが発生して、回転子位置が動いてしまう可能性もある。リンギングを考慮すれば、少なくとも2μsから20μsの幅を確保すればよい。よって、正負パルスを交互にほぼ同時に印加することで、より正確な誘起電圧値が得られる。

以上、本発明による同期電動機の駆動システムの第2の実施形態によれば、停止時の回転子初期位置をより短時間で精度よく推定することが可能な同期電動機の駆動システムを提供できる。

(第3の実施形態)
図10、図11を用いて、本発明に係る同期電動機の駆動システムの第3の実施形態について説明する。
図10は、通電する二相の線間電圧波形と、その時の相電流波形およびインバータの保護抵抗(シャント抵抗)35に流れる電流を模式的に示した図である。同図(a)はVuv(P側はSup、N側はSvnがオン状態)時におけるインバータ電流、同図(b)はVuvの線間電圧波形、同図(c)はIuの相電流波形、同図(d)はIDCの直流電流、同図(e)はd軸電流に対するd軸鎖交磁束の変化を示したものである。なお、IDCは、通電モード推定部(起動時)24に入力されたシャント抵抗35に発生する電圧から算出される(図1参照)。

第1の実施形態では、PMモータの誘起電圧の検出感度が非常に小さい場合には、誘起電圧がノイズに埋もれてしまうため、極性判別の際に通電モードの選択が困難となり、起動に失敗する可能性が僅かながらもあった。
そこで、本実施形態では、図11に示す通り、第1の実施形態で説明した誘起電圧値の和および差に基づいて位置推定を実施し、その後、推定された通電モードにおいて、さらに電流によって極性判別(N極またはS極の選択)を行い、起動の失敗をさらに低減することができる。

図10に示す通り、線間電圧Vuvが一定であるにも関わらず、相電流Iu、ならびに直流電流IDCの大きさが変わるのは、磁気飽和のためである。回転子の磁極位置、すなわちd軸に負の電流を印加すると永久磁石の磁束を弱める(減磁)ことになり磁気飽和は起きない、あるいは影響が小さいが、正の電流を印加すると永久磁石の磁束を強める(増磁)ことになるため、磁気飽和が起こる、あるいは磁気飽和の影響が大きくなる。すなわち、磁気飽和の影響が大きくなると、インダクタンスが低下し、振幅が等しい線間電圧に対して、流れる電流が大きくなるという原理である。
この原理に基づいて、図11(a)のフローチャートに示す通り、第1の実施形態での誘起電圧値の和、ならびに差の少なくとも一方に基づいて位置推定を実施し(ステップS12)、その後、推定された通電モードにおいて、電流による極性判別を実施し(ステップS13)、起動の失敗をさらに低減することが可能となる。

図11(b)は、図6あるいは図8で説明した通電モード推定と、図10に示した原理に基づいて、実際に初期位置推定を行った例であり、直流電流IDCと通電モードの関係を示したものである。図のほぼ左側半分が図6あるいは図8で説明した通電モード推定に対応し、右側半分が図10に基づく極性判別である。説明のために、図中上部の波形は左半分が電圧波形であり、右半分は電流波形が示されている。

図11(b)において、ステップS12の誘起電圧による位置推定の場合では、第2の実施形態で説明したように、正および負パルスを交互に印加し(第2の実施形態)、通電モード11〜13で通電モード1〜6に対応した6つの誘起電圧を得る。次に、得られた誘起電圧値の和、ならびに差の少なくとも一方に基づいて、回転子の磁極位置を推定し、推定した磁極位置に基づいて決定した通電モードで三相コイルに通電を行う。図11(b)に示す通り、ここでは通電モード1にいると判断されたため、通電モード1とその逆極性である通電モード4にも通電している。次に、ステップS13の電流による極性判別を行う場合には、先の通電モード1と通電モード4の直流電流IDCの大小比較を実施する。その結果、通電モード1で通電した際の電流値が大きいと判定したため、回転子の磁極位置は通電モード1にいる、すなわち、θd=−30°〜+30°付近にいると判断している。したがって、PMモータを起動するためには、通電モード3で三相コイルに通電して最大トルクを発生させればよく、試験結果から通電モード3で起動しているのがわかる。

以上、本発明の第3の実施形態を用いて、停止時の回転子初期位置をより短時間で精度よく推定することが可能な同期電動機の駆動システムを提供できる。
なお、第3の実施形態では、図10、11を参照して説明しており、図11では図9に示すような第2の実施形態での電圧パルス印加方法を想定している。この第3の実施形態は、図4に示すような第1の実施形態での電圧パルス印加方法にも追加して適用することができる。すなわち、第1の実施形態においても、PMモータの誘起電圧の検出感度が非常に小さいために、図8(b)に示すSTEP2での、UsumとVsumの大小比較による極性判別の精度が充分でない場合に精度よく回転子磁極位置を推定することができる。
あるいは、第1の実施形態で説明した誘起電圧の差と第3の実施形態の直流電流測定の結果とから、誘起電圧の和を用いずに、回転子磁極位置を推定することが可能である。

(第3の実施形態の変形例)
次に、図12を用いて、本発明に係る同期電動機の駆動システムの第3の実施形態の変形例について説明する。
第3の実施形態では、第1の実施形態と同様に誘起電圧による位置推定を実施した後、推定された通電モードにおいて、さらに直流電流IDCによって極性判別(N極またはS極の選択)を行うようにした。

本変形例では、図12に示す通り、正負パルス印加時(第1ないし第2の実施形態)に発生した各開放相の誘起電圧を検出すると同時に、直流電流IDCを検出する。
ステップS21で処理が開始される。ステップS22において、たとえば図11(b)と同様に、第2の実施形態で説明した正負パルスを交互に通電するモード11〜13で三相コイルに通電する。各通電モードにおける開放相の誘起電圧を6つ、直流電流をそれぞれ6つ検出して記憶する。ステップS23において、記憶した6つの誘起電圧の和および差の少なくとも1つにより磁極位置を推定し、推定した磁極位置に基づいて、通電モード1〜6のいずれで三相コイルに通電するかを決定する。そして、決定された通電モードにおいて検出されて記憶されている直流電流と、そのモードとは逆特性の通電モードにおいて検出されて記憶されている直流電流との大小比較により極性判別を行う。以上の手順により回転電機の正しい起動を短時間で行うことができる。

これにより、たとえば図11の例では、図11(b)のステップS13に示す電流検出が、既にステップS12の誘起電圧による回転位置推定の動作で、電圧検出と同時に行われるので、測定時間を短縮でき、回転位置推定を短時間で行うとこができる。
誘起電圧と直流電流を検出した後、各開放相の誘起電圧値に基づいて、同期電動機の磁極位置を推定し、さらに、電流検出値に基づいて、極性判別を行い、同期電動機が正転するように起動を実施する。

本発明による同期電動機の駆動システムの特徴は、以上に説明した第1乃至第3の実施形態および変形例から分かるように、三相巻線の二相間に正パルスおよび負パルスをそれぞれ印加し、正パルスあるいは負パルスを印加した時のそれぞれの開放相の誘起電圧の差から回転子磁極位置(電気角)の候補の推定を行い、さらに、少なくとも誘起電圧の和を用いて、回転子位置の極性判別を行うことによって、回転子位置の精度のよい検出が行えることである。この同期電動機の駆動システムによって、120度通電による回転駆動を行うための電気角60°毎の6つの通電モードの内、どの通電モードから同期電動機を始動するかを正確に決定することができる。
回転子位置の極性判別には、上記の、従来技術で用いられている、三相巻線の二相間に正パルスおよび負パルスを印加した際の開放相の誘起電圧の和から判定してもよいし(第1の実施形態)、誘起電圧の差を用いてさらに精度よく判定してもよい(第1の実施形態)。あるいは正パルスあるいは負パルスを印加した際に流れる直流電流の大小により判定してもよい(第3の実施形態および変形例)。
三相巻線の二相間に電気パルスを印加する際の条件は、二相の選択と正・負により6通り(上記説明でのモード1〜6)ある。本発明による同期電動機の駆動システムは、上記の三相巻線の二相間への正パルスおよび負パルスの印加を、正パルスおよび負パルスを交互に印加することにより三相巻線に通電するモードの数を半分(たとえば、モード1〜3)にすることができ、開放相の誘起電圧の測定ならびに第3の実施形態および変形例での直流電源の電流測定をさらに短縮することができる。

以上、本発明による同期電動機の駆動システムの第3の実施形態の変形例によれば、停止時の回転子初期位置をより短時間で精度よく推定することが可能な同期電動機の駆動システムを提供できる。
次に、図13を用いて、本発明に係る同期電動機の駆動システムの第4の実施形態について説明する。

(第4の実施形態)
図13は、本発明による同期電動機の駆動システムの第4の実施形態の構成の概略図である。本実施形態では、上記で説明した実施形態の同期電動機の駆動システムPMモータの筐体内部に実装したものであり、いわゆる機電一体構造となっている。図13における筐体40の内部には、これまでの部品がすべて収められており、直流電源31と、PMモータへの指令や、動作状態をやり取りする通信線のみを外部へ引き出している。
このように、PMモータの駆動システムを一体化することで小形化が実現できるとともに、配線の引き回しが不要になる。また、本発明によるPMモータ駆動システムは、回転子の位置センサ、速度センサを不要としているため、よりコンパクトに全体をまとめることが可能である。

上述の第4の実施形態のような機電一体構造にすれば、停止時の回転子初期位置をより短時間で精度よく推定することが可能で、且つ、コンパクトにシステム全体をまとめた同期電動機の駆動システムを提供できる。

(第5の実施形態)
図14、ならびに図15を参照して、本発明に係る第5の実施形態である、上述の同期電動機の駆動システムを備えた電動油圧ポンプシステムについて説明する。

図14は、自動車のアイドリングストップ中に駆動される電動油圧ポンプシステムのブロック図である。この電動油圧ポンプシステムは、アイドリングストップ時だけでなく、ハイブリッド自動車のようにエンジンが完全に停止する自動車においては、トランスミッション、クラッチ、ブレーキなどへの油圧を確保するのに用いられるものである。 参照番号100は、上記で説明した実施形態によるPMモータ駆動システムであり、電動ポンプ102は、モータ4とポンプ101から構成される。エンジン停止時には、電動ポンプ102によって、油圧回路200の油圧を制御する。油圧回路200は、エンジン201を動力として駆動されるメカポンプ202、油を貯蔵するタンク203、メカポンプ202から電動ポンプ102への逆流を防ぐ逆止弁204とを備えている。

従来の電動油圧ポンプシステムでは、油圧を設定値以下に保つためのリリーフバルブ205が備え付けられていたが、本発明のシステムではこれを削除することが可能となる。この理由を以下の本電動油圧システムの動作の説明とともに、図15を参照して説明する。

エンジン201が回転し、メカポンプ202が十分な油圧を生じている間は、電動ポンプ102は停止しており、油圧はメカポンプ202によって生成されている。アイドリングストップ等の要求時にエンジン201の駆動が停止されると同時に回転が低下し、メカポンプ202の吐出圧は低下し始める。一方で、電動ポンプ101が起動して、油圧を生成し始める。メカポンプ202と電動ポンプ102の吐出圧が逆転した時点で逆止弁204が開き、電動ポンプ102が油圧を確保する。

この際、エンジン201の停止時に、メカポンプ202による油圧が電動ポンプ102の油圧以下になるタイミングにおいて、電動ポンプ102による油圧が十分な値となるよう、メカポンプ202の停止、すなわちエンジン201の停止に先駆けて電動ポンプ102を起動するのが望ましく、具体的にはエンジン201の停止指示時、またはその前後に設定されるとよい。

エンジン201の再始動時においても、エンジン201の回転に伴って回転数が上昇するメカポンプ202では、その油圧はエンジン201の回転数とともに上昇するため、メカポンプ202の油圧がエンジン201の停止中の電動ポンプ102の供給する油圧を超えるまで電動ポンプ102を駆動するのがよい。たとえば、エンジン201によってメカポンプ202の油圧が所定値になる回転数まで電動ポンプ102を駆動するか、あるいはエンジン201の再始動開始からの時間などで電動ポンプ102の駆動時間を設定するとよい。

以上が電動油圧システムの動作概要であるが、ここで、リリーフバルブ205の動作について説明する。逆止弁204が開く条件として、電動ポンプ102の吐出油の圧力がメカポンプ202の吐出油の圧力を上回る必要がある。その圧力は、油圧回路200の負荷条件や温度条件などによって変化し、場合によっては電動ポンプ102側に過大負荷が加わることになる。その際、リリーフバルブ205が開き、油圧を逃がすことで電動ポンプ102の負荷を軽減する必要がある。

リリーフバルブ205がない場合には、モータ4が低速域で逆転・脱調してしまい、電動ポンプ102による油圧が確保できなくなる。この電動ポンプ102による吐出圧がなくなる、または不足してしまうと、メカポンプ202による油圧が上昇するまでの間、アイドルストップ終了時にミッションやクラッチに圧力が不足し、車両発進が遅れる、あるいは発進ショックが発生することになる。

モータが脱調停止する原因は、上記で説明したように、従来技術においては、低速域における回転子位置の推定が正確に行うことができず、電動機4の逆転あるいは始動時のトルク不足が起こるためである。無論、回転子位置センサを取り付ければこの問題は解決するが、その場合には、センサの信頼性の問題や、配線や取り付け調整作業などが問題となる。

本発明による同期電動機の駆動システムでは、停止から高速回転域まで、安定な駆動が可能であり、回転子位置を推定可能であるため、何ら問題が生じない。本発明によれば、図14のように、リリーフバルブ205を排除することが可能となる。その結果、電動ポンプ102の無駄な動きがなくなり、高効率で静音となる電動油圧システムを提供できる。

以上の説明は本発明の実施形態および変形実施の例であり、本発明はこれらの実施形態や変形実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。

1…V発生器、2…制御器、3…電力変換器(インバータ)、
4…同期電動機(PMモータ)、5…PWM発生器、6…通電モード決定器、
7…ゲート信号切替器、8…モード切替トリガー発生器、9…基準レベル切替器、
10…非通電相電位選択器、11…比較器、
20…回転子位置推定部、21…誘起電圧検出部(起動時)、22…誘起電圧合成部(差)、23…誘起電圧合成部(和)、24…通電モード推定部(起動時)
31…直流電源、32…インバータ主回路部、33…出力プリ・ドライバ
35…シャント抵抗、40…筐体、
50…切替スイッチ
100…同期電動機駆動システム、
101…ポンプ、102…電動ポンプ、
200…油圧回路、201…エンジン、202…メカポンプ、203…タンク、204…逆止弁、205…リリーフバルブ

Claims (8)

  1. 同期電動機と、
    前記同期電動機と接続し複数のスイッチング素子により構成される電力変換器と、
    前記電力変換器に対し電圧指令を出力して前記同期電動機を制御する制御器と、
    前記同期電動機の三相巻線のうち、それぞれの二相間に正および負のパルス電圧をそれぞれ印加したときの、開放相の誘起電圧を検出する電圧検出部と、
    前記二相間に正の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の電圧と、負の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の誘起電圧との差である誘起電圧差を算出する誘起電圧差算出部と、
    前記二相間に正の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の電圧と、負の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の誘起電圧との和である誘起電圧和を算出する誘起電圧和算出部と、
    前記誘起電圧差に基づき回転子の位置の範囲を推定し、前記誘起電圧和に基づき前記回転子の極性判別を行うことにより、前記回転子の位置を判定する回転子位置判定部とを備えることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  2. 請求項1に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記回転子位置判定部は、前記誘起電圧和に加えて更に前記誘起電圧差に基づき前記回転子の極性判別を行うことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  3. 同期電動機と、
    前記同期電動機と接続し複数のスイッチング素子により構成される電力変換器と、
    前記電力変換器に対し電圧指令を出力して前記同期電動機を制御する制御器と、
    前記同期電動機の三相巻線のうち、それぞれの二相間に正および負のパルス電圧をそれぞれ印加したときの、開放相の誘起電圧を検出する電圧検出部と、
    前記二相間に正の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の電圧と、負の電圧パルスを印加した際に前記電圧検出部で検出される開放相の誘起電圧との差である誘起電圧差を算出する誘起電圧差算出部と、
    前記電力変換器に供給される直流電力の電流値を検出する電流検出部と、
    前記誘起電圧差に基づき回転子の位置の範囲を推定し、前記直流電力の電流値に基づき前記回転子の極性判別を行うことにより、前記回転子の位置を判定する回転子位置判定部とを備えることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  4. 請求項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記正および負の電圧パルスをそれぞれ印加したときに発生した開放相の誘起電圧をそれぞれ検出すると同時に、前記電力変換器に供給される前記直流電力の電流値を検出することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  5. 請求項1から請求項4までのいずれか項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記正および負の電圧パルスをそれぞれ印加して開放相の誘起電圧を検出する際に、正の電圧パルスと負の電圧パルスが交互に繰り返される電圧パルスを前記同期電動機の三相巻線の二相間に印加して、開放相の誘起電圧を検出することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記正または負のパルス電圧のパルスの幅は、少なくとも2μsから20μsの幅であることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか項に記載の同期電動機の駆動システムにおいて、
    前記同期電動機と、前記電力変換器と、前記制御器とが一体化され、前記電力変換器と前記制御器の電源線、ならびに制御器への信号線を外部に引き出す構成とすることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
  8. 請求項1から請求項7までのいずれか項に記載の同期電動機の駆動システムを含み、前記同期電動機の負荷として、水ポンプ、もしくは油圧ポンプを駆動することを特徴とする同期電動機を用いたポンプ駆動システム。
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