JP6116449B2 - 電動機駆動制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動機の回転子の磁極位相を検出する磁極位相検出方法に係わり、位置センサを用いないで電動機を駆動する電動機駆動制御装置に関するものである。

一般に、電力変換器を用いて交流電動機を駆動する場合、電流センサや位置センサなどが用いられ、回転子の磁極位相に応じて指令電圧を印加するベクトル制御が行われる。電力変換器は、交流電力系統と直流電力系統との間に接続され、電力を直流−交流変換する装置であり、蓄電池等から直流電力を供給され、電動機を駆動するために交流電力を出力する。一方、位置センサは、電動機の回転子の磁極位相を検出する装置であり、エンコーダやレゾルバといった種類のものがある。一般に位置センサはコストが高く、位置センサを用いないで電動機をベクトル制御する方法がいくつか知られている。回転子に永久磁石を用いた同期電動機の場合、回転子の回転動作時に発生する誘起電圧を利用することにより磁極位相を検出することができる。また、電動機の突極性に基づく回転子の磁極位相に依存したインダクタンスの違いを利用する方法がある。しかし、誘起電圧を利用する方法では、回転子が回転動作を起こさなければ電圧が発生せず、停止状態では磁極位相を検出することができないという問題がある。また、回転子の磁極位相に基づくインダクタンスの違いを利用する方法では、磁極位相を０〜３６０度までのすべての区間で検出することはできない。

インダクタンスの違いを利用して回転子の磁極位相を検出方法として、磁極位相を推定するための特別な高周波信号を駆動電圧に重畳することにより推定する方法がある。重畳された高周波電圧によって発生した電流を検出し、回転子の磁極位相に伴うインダクタンスの違いや磁気回路の磁気特性の非線形性を利用することにより、回転子が静止状態もしくは低速回転中であっても回転子の磁極位相（電気角）を推定し、電動機を効率よく制御する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、電動機の電流に表れる磁気飽和特性を利用して回転子の磁極位相を検出する方法がある。電動機に大きな電流を流すことにより、磁気飽和の状態を発生させ、さらにはそのヒステリシス特性を考慮することにより同期電動機の磁極位相を簡易、確実、かつ高精度に検出することができる方法が開示されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

特開平０７−１７７７８８号公報 特開平１０−０１４２７７号公報 国際公開ＷＯ２００１／０２２５６７号

従来は、回転子の磁極位相を大きく１８０度の範囲で求めるようにしているため、同期電動機のコイルに磁気飽和を発生させない印加時間をもつ電圧ベクトルを印加する必要があった。磁気飽和を発生させない印加時間をもつ電圧ベクトルの印加によって検出される各相の電流振幅値は小さいことから、ノイズの影響を受けやすく、誤った振幅値を出力する可能性があり、あるいは、Ａ／Ｄ変換器によってアナログ信号をディジタル信号に変換する際、桁落ちが発生する可能性がある。この結果、磁極位相を正しく検出することができないという問題点があった。

また、磁極位相を検出するための高周波信号を駆動するための電圧指令に重畳しているため、ＰＷＭ処理する際にキャリア周波数を十分高くしなければ、電圧ベクトルに電圧誤差が発生し十分な検出精度が得られないという点や駆動電圧に対する電圧利用率低下の問題があった。

また、駆動電流が流れている状態で、磁極位置検出用のパルス電圧を間欠的に印加して、流れている電流の差分値の過渡特性から磁極位置を検出する方法では、駆動電流で発生するノイズなどにより、正確に磁極位置検出できないという問題があった。

一方で、駆動電流を一旦ゼロとして、所定のタイミングで位相検出用の電圧を印加するとしても、電動機制御に用いる位相情報を連続的に生成する必要があり、制御位相の連続性を維持しなければ、トルク脈動や騒音が発生して安定に電動機を駆動し続けることが困難であった。

この発明は、以上の従来の問題点を解決するためになされたもので、位置センサを用いないで同期電動機を駆動制御する装置において、回転子が停止している状態から回転動作する状態においても、精度良く回転子の磁極位相を推定して、安定に電動機を駆動することができる電動機駆動制御装置を得ることを目的とする。

この発明は、多相の同期電動機を駆動する電力変換部に備えられた複数のスイッチング素子を制御するための電動機駆動制御装置において、同期電動機に印加する交流電圧の指令値を演算して生成する電圧指令生成部と、電圧指令生成部で生成した交流電圧指令値を
複数のスイッチング素子を駆動するためのゲート信号に変換するＰＷＭ制御部と、同期電動機の回転子の磁極位相を検出するために複数のスイッチング素子を駆動する一連のパルス信号であるゲート信号を生成するパルス生成部と、同期電動機の各相に流れる電流値を検出する電流検出器と、複数のスイッチング素子を駆動するゲート信号が、ＰＷＭ制御部で生成したゲート信号になるＰＷＭ区間とパルス生成部で生成したゲート信号になる磁極位相検出区間とに、所定周期で切換えるゲート切換部と、磁極位相検出区間において複数のスイッチング素子を駆動したときに電流検出器により検出される電流値により磁極位相を演算により推定して位相信号として出力する位相推定部と、ゲート切換部でゲート信号を切換えるタイミングと、位相推定部で磁極位相を演算により推定するタイミングとを制御するタイミング制御部とを備え、電圧指令生成部は、位相推定部が出力する位相信号に基づいて電流検出器により検出された各相の電流値を直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部と、入力される指令値と第二座標変換部から出力される直交二相電流検出値に基づいて直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部と、位相推定部が出力する位相信号に基づいて直交二相電圧指令生成部から出力される直交二相電圧指令値を交流電圧指令値に変換する第一座標変換部とを備えるとともに、パルス生成部において生成する一連のパルス信号のパルス幅は、当該パルス信号により複数のスイッチング素子を駆動した場合、同期電動機の巻き線に磁気特性に非線形性が現れる条件の電圧が印加されるパルス幅であり、位相推定部は、非線形性に基づいて磁極位相を推定するものである。
また、同期電動機が突極性を有する同期電動機であって、パルス生成部において生成する、少なくとも１周期における一連のパルス信号のパルス幅は、当該パルス信号により複数のスイッチング素子を駆動した場合、同期電動機の巻き線に磁気特性の非線形性が現れる条件の電圧が印加される第一のパルス幅であり、位相推定部は、一連のパルス信号のパルス幅が第一のパルス幅である場合に非線形性に基づいて磁極位相を推定する位相演算部と、磁極位相に依存したインダクタンス特性に基づいて磁極位相を推定する第二位相演算部とを備え、この第二位相演算部で推定した磁極位相を、位相演算部で推定した磁極位相に基づいて補正して位相信号を出力するものである。

この発明に係る電動機駆動制御装置は、以上のように構成しているので、回転子が停止している状態だけでなく、回転動作をしているときでも、回転子の磁極位相を正確に推定することが可能であり、また、磁極位相を連続的に補間して出力するので、過電流などの不安定な状態になることなく電動機を安定に制御・駆動することができる。

この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の概略構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の電力変換部の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の動作を説明するベクトル図である。 この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の動作を説明する線図である。 この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の動作を説明する別の線図である。 この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の位相推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の動作を説明するための線図である。 この発明の実施の形態２による電動機駆動制御装置の位相推定部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による電動機駆動制御装置の動作を説明するための線図である。 この発明の実施の形態３による電動機駆動制御装置の位相推定部の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動機駆動制御装置の全体構成を示すシステム構成図である。直交二相電圧指令生成部１では、制御系における図示されていない上位から入力されたトルク指令、および第二座標変換部３から出力される直交二相座標系の値に変換された電流情報（直交二相電流値）ｉｄ、ｉｑにより、電圧指令（直交二相電圧指令）ｖｄ＊、ｖｑ＊を計算し、第一座標変換部２に出力する。

直交二相電圧指令生成部１では、例えば、電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と直交二相電流値ｉｄ、ｉｑとの偏差を用いたＰＩ制御を行うことによって、電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を計算することができる。ＰＩ制御においては、トルク指令から求めた電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と第二座標変換部３から入力される直交二相電流値ｉｄ、ｉｑにより、

の計算が行われる。式（１）において、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲインである。

式（１）により計算された電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊は、第一座標変換部２に入力され、三相交流座標系で表された電圧指令（三相交流電圧指令）ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換される。電圧に関する直交二相座標系から三相交流座標系への座標変換式は、

で表される。式（２）において、角度θは、三相交流のＵ相を基準の0度とし、回転子の界磁磁束の方向をｄ軸とした磁極位相の方向を示している。

第一座標変換部２は、位相推定部７から出力される位相信号θｓに基づいて、式（２）に示す演算を行い、電圧指令ｖｄ＊、ｖｑ＊を三相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換して、ＰＷＭ制御部４に出力する。直交二相電圧指令生成部１と、第一座標変換部２と、第二座標変換部３とで電圧指令生成部３０を構成する。

第二座標変換部３は、電流に関して三相交流座標系から直交二相座標系への変換を行う。すなわち、第二座標変換部３は、電流検出器１０、１１、１２で検出された三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを直交二相電流検出値ｉｄ、ｉｑに変換する。

電流に関する三相交流座標系から直交二相座標系への座標変換式は、

で表される。

第二座標変換部３は、位相推定部７から出力される位相信号θｓに基づいて、式（３）に示す演算を行い、直交二相電流検出値ｉｄ、ｉｑに変換して、直交二相電圧指令生成部１に出力する。

ＰＷＭ制御部４は、三相交流電圧指令ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊をＰＷＭ（パルス幅変調）処理することによって電力変換器を駆動するためのゲート信号（駆動信号）に変換し、ゲート切換え部８に出力する。三相交流電圧指令のＰＷＭ処理では、一般に、三角波キャリア信号との振幅比較処理を行うことによりＰＷＭ処理する。ＰＷＭ制御部４の出力信号は、ゲート切換え部８に出力される。

図２は電力変換部９の詳細な内部構成を示す回路図である。一例として三相交流に対応した電力変換器の構成を示している。図２において、ＶＤＣは直流電源の正側であり、ＶＧＮＤは直流電源の負側を表している。電力変換部９の内部には、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がそれぞれのアームに配置・接続され、スイッチング素子と並列に６個のダイオードが配置されている。これらのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に該当する三相交流信号を生成し、動作周波数や電圧指令値を所望の値に制御した交流信号を出力して電動機を駆動する。

図１において、電力変換部９は、ゲート切換え部８から入力されたゲート信号に基づいて、各スイッチング素子のスイッチング処理を行い、三相交流電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを電動機１３に出力する。ＰＭモータ１３は、一例として、回転子に永久磁石を用いた同期電動機を制御対象として記している。電流検出器１０、１１、１２は、電力変換部９とＰＭモータ１３との間に流れる三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。

パルス生成部５は、磁極位相を検出するための電圧ベクトルを出力する。この電圧ベクトルは、パルス電流を流すためのパルス信号の電圧指令であり、電力変換部９のスイッチング素子のゲートを直接駆動するためのＯＮ／ＯＦＦ信号となる。ゲート切換え部８は、ＰＷＭ制御部４で生成した駆動用の電圧信号と、パルス生成部５で生成した磁極位相を推定するための電圧ベクトルを切換えて、電力変換部９に出力する。

図３はパルス生成部５が出力する電圧ベクトルを示した図である。Ｐ１〜Ｐ６は、回転子の磁極位相を推定するために出力する各電圧ベクトルを表している。例えば、電圧ベクトルＰ１では、図２に示す電力変換部９のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ６をＯＮさせる。このとき、ゲート制御としてはＵＰ、ＶＮ，ＷＮのゲート信号をアクティブにする。電圧ベクトルＰ１の状態では、電流はスイッチング素子Ｓ１から、Ｓ４、Ｓ６へと流れることになる。同様に、電圧ベクトルＰ２では、図２に示す電力変換部９のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ６をＯＮさせる。このとき、ゲート制御としてはＵＰ、ＶＰ，ＷＮのゲート信号をアクティブにする。電圧ベクトルＰ２の状態では、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３から、Ｓ６へと流れる。電圧ベクトルＰ３〜Ｐ６も同様の制御動作を行い、それぞれ異なる方向に電流が流れるように制御される。

図４は各電圧ベクトルにおける電流波形を示した図である。図４中のパルス波形は、スイッチング素子に入力するパルス信号のタイミングを示しており、パルス信号がＯＮ→ＯＦＦに変化するときに各相電流はピーク値となる。また、一連のパルス信号により各相に印加される電圧のパターンはそれぞれ異なるパターンとなる。これらの６種類の電圧ベクトルを連続的に出力することにより、磁極位相による電流の流れ方の違いが表れることになる。

図４において、電圧ベクトルＰ１の状態では、Ｕ相には正の電流が流れ、Ｖ相とＷ相には、Ｕ相のほぼ半分の大きさの逆向きの電流が流れる。電圧ベクトルＰ１に続く電圧ベクトルＰ４では、Ｕ相には負の電流が流れ、Ｖ相とＷ相には、Ｕ相のほぼ半分の大きさの逆向きの電流が流れる。このようにして、６種類の電圧ベクトルを連続的に印加する。各々の電圧ベクトルで流れる相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを図４のように定義する。この各相電流のピーク値ｉｕ1〜ｉｕ6、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を用いることにより、回転子の磁極位相を推定することが可能となる。

図１において、タイミング制御部６は、本発明の磁極位相検出に関する全体のタイミングを管理する。すなわち、パルス生成部５の電圧ベクトルの出力タイミングの管理、位相推定部７での電流検出の取り込みタイミング、およびゲート切換え部８におけるパルス生成部５の電圧ベクトル出力とＰＷＭ制御部４の駆動電圧出力の切換えタイミング等を管理する。

パルス生成部５における電圧ベクトルの出力タイミングの管理においては、図４に示す順番で６個の電圧ベクトルを出力する。このとき、各々の電圧ベクトルの間の区間では、すべてのゲート信号をＯＦＦにし、パルス状の電流を一端ゼロに収束させる。位相推定部７での電流検出の取り込みタイミングの管理では、図４における各電流値のピーク値を取り込んで演算を行うように制御する。電圧ベクトルを出力する順番については、図４に示す順番が好ましいが、必ずしも図４に示す順番でなくても良く、一連のパルス信号により各相に印加される電圧のパターンがそれぞれ異なるパターンとなるようにすれば良い。

図５はゲート切換え部８の切換えタイミングを表した図である。本発明における電動機の駆動・制御では、電動機の動作中、ＰＷＭ制御部４によりＰＷＭ処理した電圧指令を出力するＰＷＭ区間と、パルス生成部５のパルスパターンを出力する磁極位相検出区間とを有し、時分割多重しながら連続的にそれぞれを動作させる。その結果、ＰＷＭ区間ではトルク指令に基づいた電圧指令を出力して、指令値どおりのトルクを出力するように制御し、磁極位相検出区間では、トルク出力を一時停止して、磁極位相検出のためのパルス出力を行い、磁極位相を推定する。磁極位相検出区間は、出力するパルスのパルス幅にもよるか、ＰＷＭ区間に比べてできるだけ短い期間が好ましい。例えば、ＰＷＭ区間が２０ｍｓ程度で、磁極位相検出区間において出力するパルスの繰り返し周期が数百μｓ程度、磁極位相検出区間全体が５ｍｓ程度である。

位相推定部７は、図３に示した各電圧ベクトルにより発生したパルス電流のピーク値を取り込んで回転子の磁極位相を推定する。位相推定部７の詳細ブロック図を図６に示す。図７において、入力端子１４、１５、１６には、図１における電流検出器１０、１１、１２で検出された各相の電流値が入力される。入力端子１７にはタイミング制御部６からのタイミング管理信号が入力され、パルス生成部５が出力する電圧ベクトルのゲート信号に同期して電流のピーク値を取り込むように制御される。ここで、磁極位相の計算方法について一例を説明する。

先ず、パルス電流のピーク値ｉｕ１〜ｉｕ６、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を用いて以下の計算により、電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷを求める。

ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各方向に印加した電圧ベクトルにおいて、１８０度逆向きに印加した場合との電流偏差を示している。

３種類の電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷを用いて磁極位相を推定することが可能である。例えば、回転子のｄ軸が、Ｕ相と同じ方向（θ＝０度）を向いているとき、永久磁石の磁石磁束と電機子電流が作る磁束が同じ方向となるので、磁気飽和を起こし易い状態となる、その結果、大きな電機子電流を流すことによって磁気飽和の状態が発生すれば、ΔｘＵは０度で最大値を示す。

一方、回転子のｄ軸が、Ｕ相と反対の方向（θ＝１８０度）を向いているときは、逆にもっとも磁気飽和を起こしにくい状態であり、ΔｘＵは最小値を示すことになる。その結果、図３に示したＰ１〜Ｐ６の電圧ベクトルを印加すると、電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷは回転子の磁極位相に従って、図７に示すような１２０度の位相差を有する正弦波形の特性を示す。この特性を用いることにより、このΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷの値から磁極位相θpを推定することができる。以上説明したように、Ｐ１〜Ｐ６の電圧ベクトルの大きさとパルス幅は、電動機の巻き線に磁気飽和の状態が発生する条件、すなわち磁気特性に非線形性が現れる条件に設定する。この条件の時、この非線形性に基づいて磁極位相を推定することができる。

まず、位相が１２０度ずれているＵ相、Ｖ相，Ｗ相の三相の値を直交する二相座標系のα軸、β軸上の値に変換する。α、β軸上の電流偏差Δｘα、Δｘβは、以下

として求められる。このとき、α軸はＵ相と同じ向きにとった座標軸であり、β軸はα軸と直交する座標軸である。

その結果、電流偏差が示す位相θptは、

として計算することができる。

Δｘα、Δｘβの正負の符号による０〜２πまでの区間を考慮し、

と条件判定すれば、０〜２πの全位相領域において回転子の磁極位相θpを推定することができる。

位相演算部１８で、上記のとおり、回転子の磁極位相θｐを求めるが、磁極位相を検出するための電圧ベクトルは、数百μｓ間隔など一定周期ごとに印加され、一連の磁極位相検出のためのパルス電圧群は数ｍｓ間隔など一定周期ごとに印加されるので、磁極位相θpも、同様に同じ一定周期ごとに計算されることになる。従って、磁極位相θｐを用いて、電動機を駆動するためには連続的な位相信号θsに変換する必要がある。

速度演算部１９では、間欠的に検出された位相信号θpを用いて速度ωを計算する。速度ωは、磁極位相θｐを微分演算することにより求めることができる。計算された速度ωはノイズ等を除去するための低域通過フィルタ（ＬＰＦ）２０に入力される。

ＬＰＦ２０の出力ωｓは積分演算部２１に入力される。電動機の駆動中、ＰＷＭ区間で動作している時間は、位相演算部１８で推定した磁極位相θｐに対して、速度ωｓを積分加算した位相θｉを出力することにより、連続的な位相となる。切換え処理部２２は、位相演算部１８の出力する磁極位相θｐと、積分演算部２１において磁極位相θpに速度ωｓを積分加算した連続的な信号にした位相θｉを切り換えて位相信号θsとして出力端子２３から出力する。

ここで、電動機が停止している状態においても、図４に示すパルス電流のピーク値ｉｕ1〜ｉｕ6、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を得ることができるため、磁極位相を推定することが可能である。また、電動機が停止している状態では、間欠的に検出された位相信号θpが常に同じ値となり、速度演算部１９により速度ωは０と演算されることになる。

なお、制御構成に示したブロックの外部に速度を検出する速度センサを備えているときには、速度演算部１９を省略して、外部から入力される速度情報を積分演算部２１で積分加算することも可能である。

以上では、３相の同期電動機を例にとって説明した。３相の同期電動機の場合は、６０度ずつ６種類のパルスで位相検出可能であるが、６相の電動機の場合は、各相が６０度の位相差を持つため、本発明に記したような同様のパルスで３０度ずつ位相の異なる複数種の電圧ベクトルを印加して磁極位相が検出可能となる。このように本発明は、３相以上の多相の同期電動機にも適用できる。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る電動機駆動制御装置においては、位置センサを用いることなく、全期間に磁極位相を推定することが可能であり、また電動機の磁気特性において突極性がない場合でも、磁気飽和特性を利用することによって磁極位相を推定可能であり、停止状態から安定に電動機を駆動制御することができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による電動機駆動制御装置の位相推定部７の構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る電動機駆動制御装置は、実施の形態１とは異なり、位相推定部７における位相演算方法として、磁気飽和特性を利用して磁極位相を推定する機能に加えて、電動機に突極性の特性があるときにはその特性を利用して回転子の磁極位相を推定し、より少ない電流で磁極位相を推定する位相推定部を備えるよう構成としたものである。

図８は、実施の形態１と同様、位相推定部７のブロック構成を示しており、図７と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付して個々の説明は適宜省略するものとする。以下、実施の形態１との差異を中心に説明する。

図８において、第二位相演算部２４には、電動機に流れる各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、およびタイミング信号が入力されるとともに、位相演算部１８から位相の初期値θｐと積分演算部２１から補間位相θｉが入力される。入力された電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを用いて、磁極位相θ’ｐの推定演算を行う。このとき、位相演算部１８において、各電圧ベクトルにより発生したパルス電流のピーク値を用いて回転子の磁極位相を推定するところは実施の形態１と同様であるが、第二位相演算部２４における磁極位相の計算方法が実施の形態１と異なる。

実施の形態２の第二位相演算部２４が行う位相推定方法の一例を説明する。先ず、パルス電流のピーク値ｉｕ１〜ｉｕ６、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を用いて以下の計算を行い、電流絶対値の平均値Δｘ’Ｕ、Δｘ’Ｖ、Δｘ’Ｗを求める。

Δｘ’Ｕ、Δｘ’Ｖ、Δｘ’Ｗは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各方向に印加した電圧ベクトルによって発生した電流について、さらに各相での１８０度逆向きに印加した場合との電流平均値を示している。３種類の電流絶対平均値Δｘ’Ｕ、Δｘ’Ｖ、Δｘ’Ｗを用いて磁極位相を推定することができる。

突極性の特性を有する電動機では、回転子の磁極位相に応じて、インダクタンスの違いが発生し、同じ電圧を印加したとしても流れる電機子電流の大きさに差が表れる。例えば、回転子ｄ軸が、Ｕ相と同じ方向（θ＝０度）を向いているとき、あるいは、回転子のｄ軸が、Ｕ相と９０度進んだ（あるいは遅れた）方向（θ＝９０度）を向いているときでは、インダクタンスが異なり、その結果、図３に示したＰ１〜Ｐ６の電圧ベクトルを印加すると、電流平均値Δｘ’Ｕ、Δｘ’Ｖ、Δｘ’Ｗは回転子の磁極位相に従って、例えば一例として、図９に示すような１２０度の位相差を有する正弦波形の特性を示すことがある。この磁極位相に依存したインダクタンス特性を用いることにより、電流絶対平均値Δｘ’Ｕ、Δｘ’Ｖ、Δｘ’Ｗの値から磁極位相θｐを推定することができる。このとき印加する電圧のパルス幅は、磁気特性に非線形性が現れる条件ではなく、磁気特性に非線形性が現れる条件よりも短いパルス幅であっても良い。

しかし、磁極位相に従ったインダクタンスの差はπ[ｒａｄ]（１８０度）周期で表れる。そのため、０〜π[ｒａｄ]、およびπ〜２π[ｒａｄ]の区間を区別する方策が必要となる。その方策について記すと、まず、位相が１２０度離れているＵ相、Ｖ相，Ｗ相の三相交流軸上のΔｘ’Ｕ、Δｘ’Ｖ、Δｘ’Ｗを直交する二相座標系のα軸、β軸上の値に変換する。このとき、Δｘ’α、Δｘ’βは、以下

の計算により求められる。

その結果、θppを

と定義し、さらに符号による領域の違いを考慮すると、

とすれば、０〜π[ｒａｄ]の領域にける回転子の磁極位相θｐｐを計算することができる。

先に述べたとおり、本実施の形態２では、さらに０〜π[ｒａｄ]、およびπ〜２π[ｒａｄ]の位相を区別する手段が必要となる。そのために、位相演算部１８において検出した磁極位相θｐを利用する。本実施の形態２では、印加した電圧ベクトルから、２つの方法で磁極位相の計算を行い、位相演算部１８で計算した磁極位相θｐは、第二位相演算部２４に初期値として与える。

例えば、電動機の回転子が停止している初期状態で一回、磁極位相θｐを計算し、第二位相演算部２４の計算値と一致させる。そして、第二位相演算部２４で計算した磁極位相θｐにπ[ｒａｄ]を加算するかどうかの判定に用いる。π[ｒａｄ]の加算の有無で補正した位相情報がθ’ｐとなる。

電動機が起動後、第二位相演算部２４で推定した位相θ’ｐを用いて位相推定を継続的に行う。このとき、積分演算部２１が出力するθiと偏差が大きくならないようにπ[ｒａｄ]の加算の調整を行う。θ’ｐおよびθｉが０〜２π[ｒａｄ]の範囲の値を有する場合
、例えば、

に示すような条件判定を実施し、０〜π[ｒａｄ]、およびπ〜２π[ｒａｄ]の位相を区別する。

なお、式（８）に示すピーク電流の計算では、２つの電流値の絶対平均値を用いずに、ひとつの電流絶対値で計算しても同様の効果が得られる。第二位相演算部２４以降の位相推定部の動作は実施の形態１と同様である。

以上のように、本実施の形態２では、電動機の突極性を利用して、高精度に回転子の磁極位相を検出するように構成したので、印加する電圧ベクトルのパルスを短くしてパルス電流が小さいときでも、正確に磁極位相を推定することが可能であり、安定に電動機を駆動することができる。

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３による電動機駆動制御装置の位相推定部７の構成を示すブロック図である。実施の形態３による電動機駆動制御装置は、位相推定部７における位相演算方法として、磁気飽和特性を利用して磁極位相検出を行う位相演算部１８と、突極性を利用して磁極位相を検出する第二位相演算部２４とを備えて、それらの磁極位相推定機能を併用して、より正確に磁極位相を推定する位相推定部を備えることで位相推定機能をより高めた構成としたものである。

図１０は、図８と同様、位相推定部７のブロック構成を示しており、図８と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付して個々の説明は適宜省略するものとする。以下、実施の形態２との差異を中心に説明する。

図１０において、第二位相演算部２４には、電動機に流れる各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、およびタイミング信号が入力されるとともに、位相演算部１８から磁極位相θｐが入力される。入力された電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを用いて、磁極位相θ’’ｐの推定演算を行う。このとき、各電圧ベクトルにより発生したパルス電流のピーク値を用いて回転子の磁極位相を推定するところは実施の形態２と同様である。

位相演算部１８で推定した位相θｐを、実施の形態２においては初回のみ第二位相演算部２４で推定した位相θｐを補正するために用いた。本実施の形態３では、位相演算部１８で推定した位相θｐを、一定周期ごとに第二位相演算部２４で推定した位相θｐを補正するために用いる。本実施の形態３でも、０〜π[ｒａｄ]、およびπ〜２π[ｒａｄ]の位相を区別する手段が必要であり、そのために、位相演算部１８において検出した磁極位相θｐを利用する。

ここでは、位相演算部１８において数ｍｓなどの一定周期毎に磁極位相θｐを計算し、第二位相演算部２４の計算値と一致させるため、第二位相演算部２４で計算した磁極位相θｐにπ[ｒａｄ]を加算するかどうかの判定に用いる。π[ｒａｄ]の加算の有無で補正した位相情報がθ’’ｐとなる。

なお、本実施の形態３においても、式（８）に示すピーク電流の計算では、２つの電流値の絶対平均値を用いずに、ひとつの電流値で計算しても同様の効果が得られる。切換え処理部２６は位相演算部１８の出力する磁極位相θｐと第二位相演算部２４の出力する磁極位相θ’’ｐとを切換えて出力する。切換え処理部が磁極位相を出力して以降の処理は実施の形態２と同様である。

以上のように、本発明では位置センサを用いることなく、高精度に回転子の磁極位相を検出するように構成したので、停止状態から安定に電動機を駆動することができる、という効果がある。

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

１ 直交二相電圧指令生成部、２ 第一座標変換部、３ 第二座標変換部、４ ＰＷＭ制御部、５ パルス生成部、６ タイミング制御部、７ 位相推定部、８ ゲート切換部、９ 電力変換部、１０、１１、１２ 電流検出器、１３ 同期電動機、１８ 位相演算部、２４ 第二位相演算部、３０ 電圧指令生成部

Claims (4)

1. 多相の同期電動機を駆動する電力変換部に備えられた複数のスイッチング素子を制御するための電動機駆動制御装置において、
   前記同期電動機に印加する交流電圧の指令値を演算して生成する電圧指令生成部と、
   前記電圧指令生成部で生成した交流電圧指令値を前記複数のスイッチング素子を駆動するためのゲート信号に変換するＰＷＭ制御部と、
   前記同期電動機の回転子の磁極位相を検出するために前記複数のスイッチング素子を駆動する一連のパルス信号であるゲート信号を生成するパルス生成部と、
   前記同期電動機の各相に流れる電流値を検出する電流検出器と、
   前記複数のスイッチング素子を駆動するゲート信号が、前記ＰＷＭ制御部で生成したゲート信号になるＰＷＭ区間と前記パルス生成部で生成したゲート信号になる磁極位相検出区間とに、所定周期で切換えるゲート切換部と、
   前記磁極位相検出区間において前記複数のスイッチング素子を駆動したときに前記電流検出器により検出される電流値により前記磁極位相を演算により推定して位相信号として出力する位相推定部と、
   前記ゲート切換部で前記ゲート信号を切換えるタイミングと、前記位相推定部で前記磁極位相を演算により推定するタイミングとを制御するタイミング制御部とを備え、
   前記電圧指令生成部は、前記位相推定部が出力する前記位相信号に基づいて前記電流検出器により検出された前記各相の前記電流値を直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部と、入力される指令値と前記第二座標変換部から出力される前記直交二相電流検出値に基づいて直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部と、前記位相推定部が出力する前記位相信号に基づいて前記直交二相電圧指令生成部から出力される前記直交二相電圧指令値を前記交流電圧指令値に変換する第一座標変換部と、を備えるとともに、
   前記パルス生成部において生成する前記一連のパルス信号のパルス幅は、当該パルス信号により前記複数のスイッチング素子を駆動した場合、前記同期電動機の巻き線に磁気特性に非線形性が現れる条件の電圧が印加されるパルス幅であり、前記位相推定部は、前記非線形性に基づいて磁極位相を推定することを特徴とする電動機駆動制御装置。
2. 突極性を有する多相の同期電動機を駆動する電力変換部に備えられた複数のスイッチン
   グ素子を制御するための電動機駆動制御装置において、
   前記同期電動機に印加する交流電圧の指令値を演算して生成する電圧指令生成部と、
   前記電圧指令生成部で生成した交流電圧指令値を前記複数のスイッチング素子を駆動するためのゲート信号に変換するＰＷＭ制御部と、
   前記同期電動機の回転子の磁極位相を検出するために前記複数のスイッチング素子を駆動する一連のパルス信号であるゲート信号を生成するパルス生成部と、
   前記同期電動機の各相に流れる電流値を検出する電流検出器と、
   前記複数のスイッチング素子を駆動するゲート信号が、前記ＰＷＭ制御部で生成したゲート信号になるＰＷＭ区間と前記パルス生成部で生成したゲート信号になる磁極位相検出区間とに、所定周期で切換えるゲート切換部と、
   前記磁極位相検出区間において前記複数のスイッチング素子を駆動したときに前記電流検出器により検出される電流値により前記磁極位相を演算により推定して位相信号として出力する位相推定部と、
   前記ゲート切換部で前記ゲート信号を切換えるタイミングと、前記位相推定部で前記磁極位相を演算により推定するタイミングとを制御するタイミング制御部とを備え、
   前記電圧指令生成部は、前記位相推定部が出力する前記位相信号に基づいて前記電流検出器により検出された前記各相の前記電流値を直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部と、入力される指令値と前記第二座標変換部から出力される前記直交二相電流検出値に基づいて直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部と、前記位相推定部が出力する前記位相信号に基づいて前記直交二相電圧指令生成部から出力される前記直交二相電圧指令値を前記交流電圧指令値に変換する第一座標変換部と、を備えるとともに、
   前記パルス生成部において生成する、少なくとも１周期における前記一連のパルス信号のパルス幅は、当該パルス信号により前記複数のスイッチング素子を駆動した場合、前記同期電動機の巻き線に磁気特性の非線形性が現れる条件の電圧が印加される第一のパルス幅であり、
   前記位相推定部は、前記一連のパルス信号のパルス幅が前記第一のパルス幅である場合に前記非線形性に基づいて磁極位相を推定する位相演算部と、磁極位相に依存したインダクタンス特性に基づいて磁極位相を推定する第二位相演算部とを備え、この第二位相演算部で推定した磁極位相を、前記位相演算部で推定した磁極位相に基づいて補正して前記位相信号を出力することを特徴とする電動機駆動制御装置。
3. 前記位相推定部は、前記ＰＷＭ区間であるとき、前記磁極位相検出区間において推定した前記磁極位相に基づいて求めた速度情報を積分加算処理して演算した磁極位相を位相信号として出力することを特徴とする請求項１または２に記載の電動機駆動制御装置。
4. 前記パルス生成部において生成される前記一連のパルス信号によって前記複数のスイッチング素子を駆動することにより前記同期電動機の各相に印加される電圧のパターンがそれぞれ異なるパターンとなるよう、前記パルス生成部が前記一連のパルス信号を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機駆動制御装置。

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