JP6021784B2 - 同期回転機の磁極位置検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、同期回転機の磁極位置を位置センサを用いることなく得ることが出来る同期回転機の磁極位置検出方法に係り、特に、磁極位置をより正しく検出する方法に関する。

同期電動機や誘導同期電動機などの回転子に永久磁石を埋め込んだ回転機を精度良く制御する場合、回転機の回転子位置と回転機に流れる電流の情報が必要である。回転子位置の情報は、位置センサ等を回転機に取付けることにより得ていたが、コスト削減、省スペース、信頼性の向上という観点から位置センサレス化が進んできている。

回転機の位置センサレス制御法として、例えば、特許文献１のような回転機の誘起電圧を利用した位置センサレス制御法や、例えば、特許文献２のような突極性を利用した位置センサレス制御法などがある。誘起電圧を利用した位置センサレス制御は、速度ゼロでは誘起電圧もゼロであるため、正しく回転子位置を推定することが出来ない。また、突極性を利用した位置センサレス制御は、回転子位置推定に利用する突極性が回転子位置の２倍の周期で変わるため、推定位置も回転子位置の２倍の周期となる。即ち、推定位置は回転機の回転子位置が０〜１８０度と１８０〜３６０度において、同じ値となって回転子位置を確実に検出するという点で十分とは言えない。

上記のことを勘案すると、少なくとも回転機を速度ゼロ付近から起動するときは、突極性を利用した位置センサレス制御法以外に、別途、回転機の回転子位置情報を推定する方法が必要である。
その方法として、回転機の磁気材料の磁気飽和現象を利用することで、回転機に電圧を印加し、当該電圧に基づき回転機に流れる電流から回転機の磁極位置を検出する方法がある。

具体的には、例えば、特許文献３のような回転機の磁気飽和を利用した方法がある。この方法は、互いに振幅が等しくかつ等間隔の位相の２ｎ（ｎは相数で３以上の自然数）個の電圧ベクトルを回転機に印加したとき、位相が互いに１８０度異なる各一対の電圧ベクトル印加時に流れる電流検出値を互いに加算した加算電流値から回転子位置を検出するもので、磁気飽和時に正負で流れる電流が異なることを利用して、ＮＳ極を含めた３６０度までの測定が可能であるとしている。

また、特許文献４に記載の発明では、回転機のｄ軸電流指令に対して、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸直流バイアス電流を重畳し、このバイアス重畳後のｄ軸電流指令からｄｑ軸電圧指令を求め、ｄ軸直流バイアス電流の正負切替タイミングにおけるｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率とを算定し、算定したｄ軸印加電圧とｄ軸電流変化率との関係から永久磁石のＮ極Ｓ極の方向を判別している。

国際公開ＷＯ２００２／０９１５５８号公報 国際公開ＷＯ２００９／０４０９６５号公報 特許第４２７１３９７号公報 特開２００８−７９４８９号公報

ここで、特許文献３、４の磁極位置検出法を用いる場合、磁気飽和状態における磁極位置の位相の磁気抵抗が正負で異なることを利用している。このため、詳しくは後述するが、回転機の構造によっては、磁気飽和状態であっても正負の磁気抵抗の差に変化が発生し、結果として、検出する磁極位置の極性が反転したりする。
速度ゼロ付近での検出磁極位置に誤差があると、回転始動時に意図しない方向に回転したり、あるいはセンサレス制御に失敗するといった問題が起こる。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、回転機の構造如何に拘わらず、磁極位置の極性を誤ることなく、従って、磁極位置を正しく検出することができる同期回転機の磁極位置検出方法および磁極位置検出装置を提供するものである。

この発明に係る同期回転機の磁極位置検出方法は、同期回転機に所定の電圧を印加し、当該電圧に基づき同期回転機に流れる電流を検出し、当該検出電流から同期回転機の磁極位置を演算し演算磁極位置として出力する磁極位置演算手段を備え、
この磁極位置演算手段により、回転子が停止している同期回転機の磁極位置を演算し第一演算磁極位置θ１として出力する第一ステップ、第一演算磁極位置θ１から所定の位相θａ進んだ磁極位置（θ１＋θａ）で直流磁束を発生させるよう同期回転機に直流電流を印加することにより回転子の磁極を磁極位置（θ１＋θａ）まで回動させる第二ステップ、磁極位置演算手段により、回転子の磁極が磁極位置（θ１＋θａ）で停止している同期回転機の磁極位置を演算し第二演算磁極位置θ２として出力する第三ステップ、および磁極位置（θ１＋θα）と第二演算磁極位置θ２との両磁極位置を比較し、この両磁極位置が等しいときは第二演算磁極位置θ２をそのまま最終出力である検出磁極位置θ０として出力し、両磁極位置が等しくないときは第一演算磁極位置θ１および第二演算磁極位置θ２の磁極極性が実際とは反転しているとみなして第二演算磁極位置θ２を修正した値を検出磁極位置θ０として出力する第四ステップを備え、
前記所定の位相θａは、電気角で０度より大きく１８０度より小さい範囲、または、１８０度より大きく３６０度より小さい範囲に設定されるものである。
また、この発明に係る同期回転機の磁極位置検出装置は、同期回転機の電流を検出する電流検出手段、この電流検出手段で検出された同期回転機の電流に基づき回転子が停止している同期回転機の磁極位置を演算する磁極位置演算手段、この磁極位置演算手段で演算された磁極位置から所定の位相θａ進んだ磁極位置で直流磁束を発生させるよう同期回転機に直流電流を印加する直流電流印加手段、および磁極位置演算手段により回転子が停止している同期回転機に所定の電圧を印加したときの電流から回転子の第一演算磁極位置θ１を求め、更に、直流電流印加手段により直流電流を印加することで回転子の磁極を磁極位置（θ１＋θａ）まで回動させ、再び、磁極位置演算手段により回転子が回動した位置で停止している同期回転機に所定の電圧を印加したときの電流から回転子の第二演算磁極位置θ２を求め、磁極位置（θ１＋θａ）と第二演算磁極位置θ２との両磁極位置を比較し、両磁極位置が等しいときは第二演算磁極位置θ２をそのまま最終出力である検出磁極位置θ０として出力し、両磁極位置が等しくないときは第一演算磁極位置θ１および第二演算磁極位置θ２の磁極極性が実際とは反転しているとみなして第二演算磁極位置θ２を修正した値を検出磁極位置θ０として出力する磁極位置検出手段を備え、
前記所定の位相θａは、電気角で０度より大きく１８０度より小さい範囲、または、１８０度より大きく３６０度より小さい範囲に設定されるものである。

この発明に係る同期回転機の磁極位置検出方法は、以上のように、従来からの磁極位置演算手段を用いるが、第一ステップで演算した第一演算磁極位置θ１と、その後、回転子の磁極を磁極位置（θ１＋θａ）まで回動させた第三ステップで演算した第二演算磁極位置θ２とに基づき、演算時の磁極極性の正否を判定し、その判定結果に基づき検出磁極位置θ０を出力するようにしたので、回転機の構造如何に拘わらず、磁極位置の極性を誤ることなく、従って、磁極位置を正しく検出することが可能となる。

この発明の実施の形態１における同期回転機の磁極位置検出方法を実現する磁極位置検出装置を示すブロック図である。 この発明で課題として取り上げる、磁極極性の誤認の可能性を説明するため、同期回転機の構造と磁束の状況を示す図である。 この発明で課題として取り上げる、磁極極性の誤認の可能性を説明するため、同期回転機の図２とは異なる構造と磁束の状況を示す図である。 図１の直流電流印加手段５の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１における同期回転機の磁極位置検出方法を説明するフローチャートである。 図５のステップ５Ｄにおける識別動作を説明するもので、磁極極性を正しく演算する場合の例を示す。 図５のステップ５Ｄにおける識別動作を説明するもので、磁極極性を誤って演算する場合の例を示す。 この発明の実施の形態２における同期回転機の磁極位置検出方法を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態３における同期回転機の磁極位置検出方法を実現する装置で採用する直流電流印加手段５Ａの内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３における同期回転機の磁極位置検出方法を説明するため、直流電流を印加したときの、位相θＢと速度ωの時間経過特性を示す図である。 図９の電流ピーク検出器５６２の動作を説明するため、α軸電流ｉαとその絶対値｜ｉα｜の時間経過特性を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における同期回転機の磁極位置検出方法を実現する磁極位置検出装置の構成を示すブロック図である。
図１において、同期回転機１は、ここでは、その回転子に永久磁石を埋め込んだタイプの同期機である。同期回転機１には、同期回転機１の電流ベクトルを検出する電流検出手段２と、同期回転機１に交流三相電圧を印加するインバータ等の電力変換器が相当する電圧印加手段３が接続されている。

電流検出手段２は、同期回転機１の交流三相電流ベクトル（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を検出する。なお、交流三相電流を検出するには、電流を三相とも検出するほか、二相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を求めてもよいし、インバータ母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態から三相電流を演算してもよい。
電圧印加手段３は、後述する磁極位置演算手段４および直流電流印加手段５から出力される電圧指令ベクトルに基づいて、同期回転機１に電圧を印加する。

磁極位置演算手段４は、例えば、既述した特許文献３、特許文献４で採用される、従来の検出方法によるものが相当し、広義には、同期回転機１に対して所定の電圧を印加し、当該電圧に基づき同期回転機１に流れる電流を検出し、当該検出電流から同期回転機１の磁極位置を演算する。

もっとも、これら従来の磁極位置演算手段４は、接続される同期回転機１の構造によって、磁極極性の判定を誤った状態での磁極位置を演算出力する可能性がある。以下、その理由を、図２、図３を参照して説明する。
図２、図３は、同期回転機１の回転子の構造を示しており、図２は、正しく磁極位置検出できる回転子構造の一例を示し、図３は、磁極位置を誤って検出する回転子構造の一例を示している。図２、図３の矢印は、同期回転機１の磁石磁束の方向について記述したもので、簡単のため一極対分のみを示している。

図２のように、永久磁石が、回転子の比較的浅い位置に埋め込まれている構造の場合、同期回転機１の制御に利用される永久磁石方向のｄ軸に相当する磁路は、図２の矢印に示す方向をとり、ほぼ永久磁石の磁束で磁気飽和している。このため、ｄ軸の正方向の磁気抵抗は高い状態である。しかし、ｄ軸の負の方向に磁束を発生させることを考えると、磁石磁束を弱める磁束を発生させるため、いわゆるヒステリシス特性により磁気抵抗が低くなる。極性の判別は、ｄ軸の正負方向で磁気抵抗の差が現れることを利用し、磁気抵抗が高い方向をＮ極と判別する。前掲の特許文献３、特許文献４は、従って、磁極位置演算手段４は、このような原理によって磁極極性の判別を行っている。

一方、回転子構造が、例えば、図３に示すように、永久磁石が比較的深い位置に埋め込まれている構造の場合、ｄ軸磁路上には永久磁石と鉄心部分が混在することになる。ここで、鉄心部分は磁気抵抗が低くなりｄ軸の正方向の磁気抵抗が下がる。すると、ｄ軸の負方向の磁気抵抗が相対的に高くなり、ｄ軸の負方向（すなわちＳ極）をＮ極と誤って判別し、誤った磁極位置を演算出力する結果となる。
この現象は、回転機構造に起因する検出誤りであるので、検出対象の回転機が同一である限り何度繰り返しても同じ演算結果を出力する。

本実施の形態１では、このように、磁極極性を誤って判別するような回転子構造を持つ同期回転機であっても、極性を誤って検出していることを識別し、当該識別結果に基づき磁極位置を修正し、正確な磁極位置を検出することができる磁極位置検出方法を提供するものである。

先の図１の直流電流印加手段５は、本願発明の要部のひとつであり、磁極位置演算手段４が出力する磁極位置から所定の位相進んだ磁極位置で直流磁束を発生させるよう同期回転機１に直流電流を印加するための電圧指令を生成し、この直流電流の印加により、同期回転機１の回転子を上記位相分だけ回動させるもので、以下、その内部構成を示すブロック図である図４を参照して詳細に説明する。

図４において、加算手段５１は、磁極位置演算手段４から出力された磁極位置に所定の位相θａを加算した値θＡを出力する。なお、θａとしては、理論的には、電気角で、０度より大きく１８０度より小さい範囲、または、１８０度より大きく３６０度より小さい範囲で設定可能である。しかし、これらの範囲内である、９０度または２７０度に設定すると、印加した時点における直流電流が磁石磁束と直交し発生トルクが最大となり、従って、回動時間が最短となって本願発明による磁極位置検出を速やかに実施できるという利点がある。

第一座標変換器５２は、電流検出手段２から出力された交流三相検出電流ベクトル（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を磁極位置θＡに相当する位相をｄ軸とする直交ｄｑ二軸座標に変換してｄｑ軸検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）を出力する。
これにより、変換後のｄｑ軸電流ベクトルのｄ軸に電流を印加すれば、位相θＡの直流電流を印加することができる。
式（１）は、交流三相検出電流ベクトル（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）をｄｑ軸検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）に変換する演算式を示す。

加減算手段５３は、電流指令ベクトル（ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆ）からｄｑ軸検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）をそれぞれ減算する。ここで、ｄ軸電流指令ベクトルｉｄｒｅｆは、回転子を回動させるために必要な任意の値に設定すればよい。また、ｑ軸電流は流す必要がないので、ｑ軸電流指令ベクトルｉｑｒｅｆは０に設定する。

電流制御器５４では、加減算手段５３の出力である電流指令ベクトルと検出電流ベクトルとの偏差が零となるように、例えば、比例積分制御によりｄｑ軸電圧指令ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）を出力する。
なお、電流制御を必要とするのはｄ軸のみであるので、ｑ軸の電流制御は省略してｖｑ＝０としてもよい。
第二座標変換器５５では、位相θＡを使ってｄｑ軸電圧指令ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）をｄｑ軸から静止座標の交流三相電圧指令ベクトル（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）に変換し出力する。この変換は、式（１）の逆変換であるので、式の記載は省略する。

図１の磁極位置検出手段６は、以上で説明した磁極位置演算手段４および直流電流印加手段５を操作することにより、最終的に求めるべき正確な検出磁極位置を出力する。
図５は、磁極位置検出手段６の動作、従って、この発明の実施の形態１における同期回転機の磁極位置検出方法を説明するフローチャートである。
図５の説明に入る前に、先ず、図６、図７により、本実施の形態１における磁極位置検出の特徴について説明する。

同期回転機１が最初に磁極位置検出装置に接続された時点では、磁極位置演算手段４の演算する磁極位置が正しい位置か、磁極極性が反転した位置かを知ることはできない。即ち、先の図２の状態に該当するのか、図３の状態に該当するのかの区別ができない。
そこで、先ず、磁極位置演算手段４を操作して第一の磁極位置演算を行い（第一ステップ）、次に、直流電流印加手段５を操作して、第一の磁極位置演算で出力された第一演算磁極位置θ１に位相θａ（ここでは９０度）を加算した方向に、直流電流を印加して回転子を回動させ（第二ステップ）、再度、磁極位置演算手段４を操作して第二の磁極位置演算を行い第二演算磁極位置θ２を出力する（第三ステップ）。

これにより、例えば、先の図２で示したように、正しい磁極位置を演算する回転機構造であった場合は、図６に示すように、第一ステップにおいて演算される磁極位置θ１は正しくＮ極の磁極位置を検出し、第二ステップでは、θ１にθａだけ進めた位相に回転子を回動させる。回動した後、第三ステップにおいて再度磁極位置演算を行うと、得られる位相θ２はθ１＋θａと等しくなる。ここで、（θ２−θ１）で差分を取ると、回動した位相θａが得られる。

反対に、例えば、先の図３に示したように、反転した磁極位置を判別演算する構造を持つ回転機である場合は、図７に示すように、第一ステップにおいて演算される磁極位置θ１は反転した磁極Ｓ極を指し、第二ステップで、θ１にθａだけ進めた位相に回転子を回動させる。
この場合、回動した後では、直流磁束の方向に永久磁石のＮ極が位置するので、図７に示すように、回動する方向は反時計方向となり、図６の場合の時計方向の回動とは逆となる。

この結果、第三ステップおいて再度磁極位置演算を行い得られる位相θ２はθ１＋θａ−１８０°であり、（θ２−θ１）の差分はθａ−１８０度となり、θａとはならない。 本実施の形態１では、（θ２−θ１）の差分を用い、これがθａに等しければ、磁極位置演算手段４の演算する磁極位置が正しいとし、θａに等しくなければ、磁極位置演算手段４の演算する磁極極性が反転しているとみなす。
なお、図６、図７は磁極位置の表示のため回転子を簡易的に記した図であり、簡単のため２極の回転機としている。

以上の説明を踏まえて、本実施の形態１の磁極位置検出手段６の動作、従って、その磁極位置検出方法について図５のフローチャートを用いて説明する。
ステップ５Ａにおいて、磁極位置演算手段４を操作して第一の磁極位置演算を実行し、第一演算磁極位置θ１を演算する。
次に、ステップ５Ｂにおいて、直流電流印加手段５を操作して第一演算磁極位置θ１からθａ進んだ位相に直流電流を印加し、回転子のＮ極を位相（θ１＋θａ）に回動させる。
なお、既述したように、θａとしては、０度より大きく１８０度より小さい範囲、または、１８０度より大きく３６０度より小さい範囲で任意の値に設定可能であるが、θａ＝９０度または２７０度と設定することで、回動動作に要する時間を最小にすることが出来る。

ステップ５Ｂにおける回転子の回動動作が終了した後、ステップ５Ｃで磁極位置演算手段４を再び操作して第二の磁極位置演算を実行し、第二演算磁極位置θ２を得る。
次に、ステップ５Ｄにおいて、磁極位置検出手段６は、磁極位置演算の反転識別を行う。前述の通り、磁極位置演算の出力の反転の有無によって、（θ２−θ１）の差分から反転識別を行うことができる。

識別には、（θ２−θ１）の差分がθａと等しいとき磁極位置演算が正しく、そうでない場合に磁極位置を誤判別していると判別してもよいし、図７に示したように、θ２＝θ１＋θａ−１８０度と定義したときは、（θ２−θ１）の差分が０以上のとき磁極位置演算が正しく、０を下回るとき磁極位置を誤判別しているとすることもできる。
図７の第三ステップで、演算された磁極位置をθ２＝θ１＋θａ＋１８０度と定義することも出来るので、その場合の判定は、（θ２−θ１）の差分が０以下のとき磁極位置演算が正しく、０を上回るとき磁極位置を誤判別しているとすることもできる。

ステップ５Ｄにおいて、磁極位置演算が正しいと識別した場合はステップ５Ｅを実行する。ステップ５Ｅでは、磁極位置検出手段６からの最終出力である検出磁極位置θ０が第二演算磁極位置θ２と等しいから、θ０＝θ２として、磁極位置検出結果とする。また、識別値の記憶のため、ｆｌｇ＝０として識別結果を記憶しておく。
ステップ５Ｄにおいて、磁極位置演算が反転していると識別した場合はステップ５Ｆを実行する。ステップ５Ｆでは、第二演算磁極位置θ２＝θ１＋θａ−１８０度（図７の場合）となるから、検出磁極位置θ０＝θ２＋１８０°と修正して、磁極位置検出結果とする。また、識別値の記憶のため、記憶手段ｆｌｇにｆｌｇ＝１として識別結果を記憶しておく。

以上のように、本実施の形態１の磁極位置検出方法にあっては、従来からの磁極位置演算手段４を用いるが、第一ステップで演算した第一演算磁極位置θ１と、その後、回転子の磁極を磁極位置（θ１＋θａ）まで回動させた第三ステップで演算した第二演算磁極位置θ２とに基づき、演算時の磁極極性の合否を判定し、その判定結果が合のときはθ２をそのまま、否のときはθ２＋１８０度を検出磁極位置θ０として出力するようにしたので、回転機の構造如何に拘わらず、磁極位置の極性を誤ることなく、従って、磁極位置を正しく検出することが可能となる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、図５のフローチャートを用いて正しい磁極位置を検出することができるが、磁極位置演算を２度行うとともに、その間で回転子を回動させる必要があり、毎回の磁極位置検出動作で用いるのは冗長である。
そこで、この実施の形態２における同期回転機の磁極位置検出方法では、接続した同期回転機に対して実施の形態１による磁極位置検出を実施し、そこで識別された磁極極性判別の合否の結果を記憶保存しておき、以降、同一の同期回転機を対象に磁極位置を検出する場合は、その識別結果を用いることにより、磁極位置演算を一度実施するだけで、正しい磁極位置を検出出来るようにしたものである。

本実施の形態２の動作について図８のフローチャートを用いて説明する。
本実施の形態２では、実施の形態１によって少なくとも１度、磁極位置検出を行い、極性を誤る回転子構造かどうかが識別されている。また、その識別結果は記憶手段ｆｌｇによって記憶保存されている。

先ず、ステップ６Ａにおいて、磁極位置演算手段４による磁極位置演算を実行し、第一演算磁極位置θ１を得る。
ステップ６Ｂでは、実施の形態１において記憶したｆｌｇを識別し、ｆｌｇ＝０、従って、誤検出がなく磁極極性判別が合のときはステップ６Ｃ、ｆｌｇ＝１、従って、誤検出があり磁極極性判別が否のときはステップ６Ｄを実行する。

ステップ６Ｃでは、磁極位置演算の結果が正しいので、第一演算磁極位置θ１をそのまま検出磁極位置θ０として出力する。
ステップ６Ｄでは、磁極位置演算において極性を誤っているので、第一演算磁極位置θ１に半周期１８０度を加えた値に修正し検出磁極位置θ０として出力する。

以上のように、本実施の形態２の磁極位置検出方法にあっては、少なくとも１度、磁極位置検出を行い、磁極極性の判別を誤る回転子構造かどうかが識別された同期回転機に対しては、それ以降の磁極位置検出において、その識別結果を用いることで、磁極位置演算を一度実施するだけで、正しい検出磁極位置を得ることができ、検出動作ステップを簡略化することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１の図５等で説明したように、本願発明の磁極位置検出方法では、２回の磁極位置演算の間で回転子を回動させその後停止させる必要がある。このため、回転子の慣性モーメントが大きく回転子の回転動作が遅い回転機では、一旦回動を始めた回転子を目的の位相で停止させるまでに時間を要することが考えられる。
しかも、この回動動作の過程では、回転子の位置自体の検出は出来ない。従って、仮に、先の図５のフローチャートのステップ５Ｂにおいて、回転子が停止する前にステップ５Ｃの第二の磁極位置演算を実行すると、得られる（θ２−θ１）の差分が本来の値と異なり、磁極極性反転有無の判別においてミスが発生する。

そこで、本実施の形態３では、同期回転機１に流れる電流の変化から、回転機の現在の回転状態を監視し、回転機が停止したかどうかの状態を判別する停止検知部を直流電流生成手段の内部に設ける。
図９は、本実施の形態３における直流電流印加手段５Ａの内部構成を示すブロック図である。
先の実施の形態１の直流電流印加手段５に、停止検知部５６を追加したもので、その他のブロックについては、実施の形態１の図４と同様であるから再度の説明は省略する。

停止検知部５６は、磁極位置（第一演算磁極位置）と検出電流ベクトルとから、回転機の回転状態を推定し、回転停止を判別して、磁極位置検出手段６に停止検知信号を返す。磁極位置検出手段６では、図５の動作フローにおいて、この停止検知信号を受けた時点でステップ５Ｃの第二の磁極位置演算を開始する。

ここで、回転機に流れる電流の変化から回転子の停止を検知する原理について説明する。
先ず、第一の磁極位置演算で演算される第一演算磁極位置θ１に相当する位相をα軸とする直交αβ二軸座標を考え、その位相θ１を原点とする位相をθＢと置くと、直交αβ二軸座標上の電圧Ｖα、Ｖβは、θＢを用いて式（２）で表すことができる。

本実施の形態３において、直流電流印加手段５Ａは、θ１に直交する（ここでは、θａ＝９０度としている）Ｖβの電圧のみ印加すればよいので、Ｖα＝０とすることが出来る。このとき、式（２）の一行目を取り出すと式（３）が得られる。

ここで、ｉｑ＝ｉｄｒｅｆ・ｃｏｓθＢと置くと、θＢ＝ωｔと出来るので、式（３）の微分演算子を展開でき、式（４）のα軸電流ｉαが得られる。

ところで、θａの方向に直流電流を印加した時点を０[ｓ]とした場合の、位相θＢと速度ωの変化の例を図１０に示す。図１０では、θａの方向に直流電流を印加した後、位相θａを中心とする振動を伴いこの振動が減衰する形で停止状態に向かっている様子がわかる。

速度ωに注目すると、ωｍａｘで示した速度ωのピークは、最初のθａを通過した瞬間である。これは、ｉｑ＝ｉｄｒｅｆ・ｃｏｓθＢであるから、位相θＢが０〜９０度までは、トルク電流であるｉｑが正であり、９０度を超えたところで負になることから、トルク電流の積分である速度ωはθＢ＝９０度でピークとなる。
また、{φｆ・ｓｉｎθＢ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｒｅｆ・ｃｏｓ２θＢ}は、一般にＬｄ＜Ｌｑが成り立つので、θＢ＝９０度で極大値{φｆ−（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｒｅｆ}を取る。

即ち、ωと{φｆ・ｓｉｎθＢ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｒｅｆ・ｃｏｓ２θＢ}との積であるα軸電流ｉαのピークは、速度ωのピークと一致して変化すると言える。
よって、α軸電流ｉαのピーク値を観測することで、速度ωがどれだけ減衰したかを知ることができ、回転機が停止したかどうかの判別に利用することができる。

図１０に示すように、位相θＢの移動（振幅）角度が±θｃになったときの速度をω１と置くと、速度ω１がほぼ０となるようθｃは０に近い値に設定する。

ところで、同期回転機の出力トルクτは、Ｐｍを極対数とすると、式（５）で表される。

また、位相θＢが、（θａ＋θｃ）からθａまで変化する時間は、速度ωを用いて（θｃ＋θａ）/ωとθａ/ωとの差分で表される。よって、速度ωを出力トルクの時間積分と捉えたとき、式（６）が得られる。

従って、式（６）を用いれば、ｉαが以下の式（７）で表される値以下となるときに、回転機が停止したと判定することが出来る。

しかしながら、慣性モーメントは、回転機に接続される負荷に接続されている状態によって異なり、正確な値の算出が困難である。
そこで、図１０に示す、速度の最初のピークをωｍａｘとおき、このωｍａｘから減衰した割合を基に回転機が停止したかどうかの判別を行う。

このため、式（６）の同様の形で、速度のピークωｍａｘを算出する。但し、最初のピークに達するまでの時間は、位相θＢが０からθａ度になるまでの時間であるから式（８）で表すことができる。

Ｉｄ＝ｉｄｒｅｆ・ｓｉｎθＢ、Ｉｑ＝ｉｄｒｅｆ・ｃｏｓθＢであるから、式（８）から式（９）を得る。

θａ＝９０度とし、積分を展開すると、結局、式（１０）を得ることができる。

同様の要領で、式（６）を展開することで、式（１１）を得る。

よって、式（１０）、（１１）より、停止判別に必要な減衰率ξ＝ω１／ωｍａｘを式（１２）で得る。

式（１２）には、慣性モーメントＪｍは含まれないことから、この式（１２）により、事前に測定可能なφｆ、Ｌｄ、Ｌｑの定数を用いることで停止を判別する速度ωの減衰率を算出することが出来る。
そして、既述したように、速度ωのピークとα軸電流ｉαのピークとは一致するので、式（１２）に示す速度の減衰率はそのままｉαの減衰率として適用することができる。
よって、ωｍａｘに相当するｉαの最大ピークｉαｍａｘを測定し、その後現れるｉαのピークがｉαｍａｘからξだけ減衰した時に、回転機が停止したと判定することができる。

以上の説明を踏まえて、図９を用いて停止検知部５６の動作について説明する。
第三座標変換器５６１は、電流検出手段２から出力された交流三相検出電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）を、第一の磁極位置演算で演算された第一演算磁極位置θ１に相当する位相をα軸とする直交αβ二軸座標に変換してαβ軸検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）を出力する。

式（１３）は、交流三相検出電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）をαβ軸検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）に変換する演算式を示す。

電流ピーク検出器５６２は、第三座標変換器５６１の出力するα軸電流ｉαの絶対値の極大値を順次検出する。α軸電流ｉαは、図１１の上段に示すように、ゼロを中心として振幅を減衰させながら変化する。よって、その極大値は、ｉαがゼロ点を交叉する毎に最大値をカウントしなおし、前回の最大値を極大値として出力する。

停止監視器５６３は、初回に入力される電流極大値ｉαｐ（１）をｉαｍａｘとして記憶し、式（１２）から算出した減衰率ξをもとに、以降入力される電流ピーク値ｉαｐ（ｎ）が、ｉαｍａｘ・ξ以下となったとき、停止検知信号を出力する。
磁極位置検出手段６は、この停止検知信号を受けて第二の磁極位置演算を実行することにより、正確な第二演算磁極位置を得ることが出来る。

以上のように、本実施の形態３の磁極位置検出方法にあっては、同期回転機１に流れる電流の変化から、回転機の現在の回転状態を監視し、回転機が停止したことを判別して停止検知信号を出力する停止検知部５６を設けたので、例えば、慣性モーメントが大きく回転子の回転が遅く、回転子が目的の位相で停止するまでに時間がかかる回転機においても、回転子が確実に停止してから第二の磁極位置演算を実施することができ、磁極位置反転検出の検出ミスを防止することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 同期回転機、２ 電流検出手段、３ 電圧印加手段、４ 磁極位置演算手段、
５ 直流電流印加手段、６ 磁極位置検出手段、５１ 加算手段、
５２ 第一座標変換器、５３ 加減算手段、５４ 電流制御器、５５ 第二座標変換器、５６ 停止検知部、５６１ 第三座標変換器、５６２ 電流ピーク検知器、
５６３ 停止監視器。

Claims (7)

1. 同期回転機に所定の電圧を印加し、当該電圧に基づき前記同期回転機に流れる電流を検出し、当該検出電流から前記同期回転機の磁極位置を演算し演算磁極位置として出力する磁極位置演算手段を備え、
   前記磁極位置演算手段により、回転子が停止している前記同期回転機の磁極位置を演算し第一演算磁極位置θ１として出力する第一ステップ、前記第一演算磁極位置θ１から所定の位相θａ進んだ磁極位置（θ１＋θａ）で直流磁束を発生させるよう前記同期回転機に直流電流を印加することにより前記回転子の磁極を前記磁極位置（θ１＋θａ）まで回動させる第二ステップ、前記磁極位置演算手段により、前記回転子の磁極が前記磁極位置（θ１＋θａ）で停止している前記同期回転機の磁極位置を演算し第二演算磁極位置θ２として出力する第三ステップ、および前記磁極位置（θ１＋θａ）と前記第二演算磁極位置θ２との両磁極位置を比較し、前記両磁極位置が等しいときは前記第二演算磁極位置θ２をそのまま最終出力である検出磁極位置θ０として出力し、前記両磁極位置が等しくないときは前記第一演算磁極位置θ１および前記第二演算磁極位置θ２の磁極極性が実際とは反転しているとみなして前記第二演算磁極位置θ２を修正した値を前記検出磁極位置θ０として出力する第四ステップを備え、
   前記所定の位相θａは、電気角で０度より大きく１８０度より小さい範囲、または、１８０度より大きく３６０度より小さい範囲に設定される同期回転機の磁極位置検出方法。
2. 電圧指令に基づき前記同期回転機に交流三相電圧を印加する電圧印加手段、前記同期回転機に流れる交流三相電流を検出する電流検出手段、および前記第二ステップにおける前記直流電流を印加する直流電流印加手段を備え、
   前記直流電流印加手段は、前記磁極位置演算手段からの前記第一演算磁極位置θ１に前記位相θａを加算して前記磁極位置（θ１＋θａ）を出力する加算手段、前記電流検出手段からの交流三相検出電流を前記磁極位置（θ１＋θａ）に相当する位相をｄ軸とする直交ｄｑ二軸座標に変換してｄｑ軸検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）を出力する第一座標変換器、前記ｄｑ軸検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）と所定の電流指令ベクトル（ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆ＝０）との偏差が零となるようｄｑ軸電圧指令ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）を出力する電流制御器、および前記ｄｑ軸電圧指令ベクトル（ｖｄ、ｖｑ）を交流三相電圧指令ベクトル（ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ）に変換し前記電圧指令として前記電圧印加手段に出力する第二座標変換器を備えたことを特徴とする請求項１記載の同期回転機の磁極位置検出方法。
3. 前記直流電流印加手段は、前記電流検出手段からの交流三相検出電流を前記第一演算磁極位置θ１に相当する位相をα軸とする直交αβ二軸座標に変換してαβ軸検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）を出力する第三座標変換器と、前記α軸検出電流ベクトルｉαの絶対値の極大値ｉαｐを順次検出する電流ピーク検出器と、第ｎ番目の極大値ｉαｐ（ｎ）の第１番目の極大値ｉαｐ（１）に対する比である電流減衰比（ｉαｐ（ｎ）／ｉαｐ（１））が所定の設定値以下になったとき前記第二ステップにおける前記同期回転機の回動動作が停止したと判断して前記第三ステップの動作開始を指示する停止検知信号を出力する停止監視器とからなる停止検知部を備えたことを特徴とする請求項２記載の同期回転機の磁極位置検出方法。
4. 前記位相θａを電気角で９０度または２７０度に設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の同期回転機の磁極位置検出方法。
5. 前記第四ステップにおける、前記両磁極位置が等しいか否かの合否の判定結果を保存しておき、以降、同一の同期回転機を対象に磁極位置を検出する場合は、
   前記第一ステップで前記第一演算磁極位置θ１を演算した後、前記保存した判定結果が合のときは、前記第一演算磁極位置θ１をそのまま前記検出磁極位置θ０として出力し、前記保存した判定結果が否のときは、前記第一演算磁極位置θ１の磁極極性が実際とは反転しているとみなして前記第一演算磁極位置θ１を修正した値を前記検出磁極位置θ０として出力するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の同期回転機の磁極位置検出方法。
6. 前記同期回転機の回転子は、永久磁石埋め込み型であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の同期回転機の磁極位置検出方法。
7. 同期回転機の電流を検出する電流検出手段、この電流検出手段で検出された前記同期回転機の電流に基づき回転子が停止している前記同期回転機の磁極位置を演算する磁極位置演算手段、この磁極位置演算手段で演算された磁極位置から所定の位相θａ進んだ磁極位置で直流磁束を発生させるよう前記同期回転機に直流電流を印加する直流電流印加手段、および前記磁極位置演算手段により前記回転子が停止している前記同期回転機に所定の電圧を印加したときの電流から前記回転子の第一演算磁極位置θ１を求め、更に、前記直流電流印加手段により前記直流電流を印加することで前記回転子の磁極を磁極位置（θ１＋θａ）まで回動させ、再び、前記磁極位置演算手段により前記回転子が前記回動した位置で停止している前記同期回転機に所定の電圧を印加したときの電流から前記回転子の第二演算磁極位置θ２を求め、前記磁極位置（θ１＋θａ）と前記第二演算磁極位置θ２との両磁極位置を比較し、前記両磁極位置が等しいときは前記第二演算磁極位置θ２をそのまま最終出力である検出磁極位置θ０として出力し、前記両磁極位置が等しくないときは前記第一演算磁極位置θ１および前記第二演算磁極位置θ２の磁極極性が実際とは反転しているとみなして前記第二演算磁極位置θ２を修正した値を前記検出磁極位置θ０として出力する磁極位置検出手段を備え、
   前記所定の位相θａは、電気角で０度より大きく１８０度より小さい範囲、または、１８０度より大きく３６０度より小さい範囲に設定される同期回転機の磁極位置検出装置。

Images