JP6149501B2 - 同期機の磁極位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器により制御され、かつ界磁巻線を有する同期機の回転子磁極位置を検出する技術に関するものである。

界磁巻線を備えた同期電動機を駆動する装置として、サイクロコンバータやインバータを用いた圧延主機ドライブ装置や、船舶の電気推進装置等がある。これらの装置は、同期電動機の回転子の磁極位置を検出してベクトル制御を行い、同期電動機の力率を１に制御すると共に、高性能なトルク制御や速度制御を行っている。
ここで、回転子の磁極位置を検出するには、レゾルバやアブソリュートエンコーダ等の位置センサが用いられる。これらの位置センサは、磁極の絶対位置を直接検出することができるため、絶対位置センサと呼ばれることもある。

ところで、二相のパルス列信号（以下、ａ，ｂパルスという）が出力されるロータリーエンコーダは、一般に、前述した絶対位置センサより安価である。ロータリーエンコーダでは、ａ，ｂパルスを計数することにより、ある時点から回転した分の角度差を計測するものであり、磁極の絶対位置を直接検出することはできないので、相対位置センサと呼ばれることがある。ただし、回転子の特定位置においてパルス信号（以下、ｚパルスという）が出力されるロータリーエンコーダ（以下、ｚパルス付き相対位置センサともいう）もあり、この場合には、ｚパルスが出力された後のａ，ｂパルスを計数することにより、ｚパルスが検出された後に磁極の絶対位置を演算することが可能になる。

しかしながら、絶対位置センサやｚパルス付き相対位置センサでは、何れも、回転子の磁極の原点（基準位置）と位置センサの原点とを一致させる原点調整が必要であり、この調整が不十分であると磁極位置検出精度が低下し、同期機のトルク制御や速度制御に支障をきたすことになる。特に、ｚパルス付き相対位置センサでは、制御電源を投入した直後にはｚパルスの情報がないため、磁極位置情報を得ることができず、原点調整を行えないという問題がある。

一方、特許文献１，２には、位置センサを用いずに、界磁電流を通流した直後に電機子巻線に誘導される誘起電圧を利用して回転子の初期磁極位置を推定する方法が提案されている。なお、この誘起電圧は、界磁電流による磁束の変化によって電機子巻線に誘起される電圧であるため、変圧器起電力と呼ばれている。

例えば、特許文献１では、回転子が停止している状態で界磁電流を通流または遮断して少なくとも二相の誘起電圧を検出し、その最大振幅値、瞬時値等から回転子の初期磁極位置を演算することが記載されている。
また、特許文献２では、回転子が停止している状態で界磁巻線に直流電圧をステップ状に印加し、そのときの三相各相の誘起電圧を二軸回転座標上のｄ軸電圧Ｖ_ｄ、ｑ軸電圧Ｖ_ｑに変換して数式１により初期磁極位置θ_{ｓｔａｒｔ}を演算している。
［数１］
θ_{ｓｔａｒｔ}＝ｔａｎ^−１（Ｖ_ｄ／Ｖ_ｑ）

これに対し、絶対位置センサを備えたシステムでは、特許文献１，２と同様に変圧器起電力を利用して初期磁極位置を推定できれば、その磁極位置情報と絶対位置センサの検出信号との誤差を補正値として補償することにより、磁極と位置センサとの原点調整を行うことができる。
また、相対位置センサを備えたシステムにおいても、変圧器起電力を利用して推定した初期磁極位置を、ａ，ｂパルスを計数するカウンタにプリセットすれば、磁極と位置センサとの原点調整を行うことができる。

特開昭５７−２０１９０号公報（第２頁右上欄第３行〜第３頁左下欄第８行、第３図，第４図等） 特開２００５−３９８９１号公報（段落[００１０]〜[００２０]、図１〜図３等）

さて、同期電動機が発生するトルクは、電動機の磁束及び電流によって発生するトルクと、磁気回路の非対称性及び電流によって発生するトルクとに分離することができ、後者のトルクはコギングトルクと呼ばれている。
このため、同期電動機に界磁電流だけを流して電機子電流がゼロである場合でも、上記コギングトルクによって回転子が回転する場合がある。回転子が回転すると、前記数式１におけるｑ軸電圧Ｖ_ｑには回転による誘起電圧、すなわち速度起電力が含まれるので、初期磁極位置θ_{ｓｔａｒｔ}には原理的な誤差が含まれることになり、正確な値にならないという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、磁極と相対位置センサとの正確な原点調整を可能にした同期機の磁極位置検出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、電力変換器により制御され、かつ、回転子に設置された相対位置センサを有する同期機の磁極位置検出装置において、
前記同期機の停止状態において界磁電流を通流させた時の前記同期機の誘起電圧を３相／２相変換して得た電圧の比を用いて第１の磁極位置を演算する初期位置演算回路と、
前記第１の磁極位置を用いて前記電力変換器を運転し、前記同期機の誘起電圧が所定値に達した時点で前記同期機をフリーランさせ、その時の前記同期機の誘起電圧に基づいて得た磁極位置と前記相対位置センサの出力パルスに基づく角度との差を補正量として前記角度を補正することにより、前記相対位置センサと原点を一致させた第２の磁極位置を演算する磁極位置演算回路と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した同期機の磁極位置検出装置において、前記第１の磁極位置から前記第２の磁極位置に切り替える際に、前記第１の磁極位置と前記第２の磁極位置との差を徐々に減少させて前記第２の磁極位置に加算する手段を備えたものである。

本発明においては、起動初期に変圧器起電力を利用して第１の磁極位置を求め、その後に、速度起電力を利用して求めた補正量により位置センサの出力パルスに基づく検出角度を補正して第２の磁極位置を求める。言い換えれば、第１段階で原点位置の粗調整を行い、第２段階で微調整を行なう。
これにより、第１段階で仮にコギングトルクが発生し、これが同期機の誘起電圧に影響したとしても、その影響は第２段階の微調整によって解消され、磁極の原点と位置センサの原点とを正確に一致させることができる。

本発明の実施形態に係る同期機の制御システムを示すブロック図である。 図１におけるｚパルス付き相対位置センサの出力パルスを示す波形図である。 図１におけるａｂパルス計数器の出力波形を示す図である。 図１におけるｚパルスリセット付きａｂパルス計数器の出力波形を示す図である。 図１における初期位置演算回路の内部構成を示すブロック図である。 同期機の電機子巻線と界磁巻線との位置関係を概念的に示した図である。 界磁電流を通流した初期における電機子の誘起電圧を示した図である。 図１における磁極位置演算回路の内部構成を示すブロック図である。 図１における磁極位置演算回路の動作を示す波形図である。 磁極位置θ_ｃａｌから磁極位置θ_ａｂｓへ切り替えるための機能ブロック図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る同期機の制御システムを示すブロック図である。図１において、１は界磁変換器４及び界磁巻線２により直流励磁される三相の同期機（同期電動機）であり、この同期機１は、任意の大きさ及び周波数の三相交流電圧を出力するインバータ等の電力変換器３によって駆動される。

５ａ，５ｂは、電力変換器３の交流側の各線間に接続された電圧検出器である。これらの電圧検出器５ａ，５ｂにより検出された電力変換器３の出力線間電圧Ｖ_ｕｖ，Ｖ_ｖｗは、３相２相変換器９により２相量の電圧Ｖ_α，Ｖ_βに変換される。
一方、同期機１の回転子には、ｚパルス付き相対位置センサ６が取り付けられている。この位置センサ６は、前述したようにａ，ｂパルスの他にｚパルスも出力可能なロータリーエンコーダによって構成されている。
図２は、位置センサ６の出力パルスを示す波形図であり、この出力パルスは、位相が９０°ｅｌずれたａパルス，ｂパルス、及び、同期機１の回転子の１回転ごとに一つ出力されるｚパルスからなっている。

図１において、位置センサ６の出力パルス（ａパルス，ｂパルス，ｚパルス）は、ａｂパルス計数器７に入力されている。このａｂパルス計数器７では、上記出力パルスのうちａパルス，ｂパルスを計数することにより、図３に示すようにある時点を基準とした回転子の回転角度θ_ａｂ（０°ｅｌ〜３６０°ｅｌ）を計測し、同期機１への印加電圧周波数に応じたカウンタ値として出力する。

また、位置センサ６の出力パルスは、ａｂパルス計数器７を介して、ｚパルスリセット付きａｂパルス計数器８に入力されている。このａｂパルス計数器８では、図４に示すごとく、ｚパルスが出力された後のａパルス，ｂパルスを計数して回転子の角度θ_ａｂｚ（０°ｅｌ〜３６０°ｅｌ）を計測し、同期機１への印加電圧周波数に応じたカウンタ値として出力する。
なお、図３，図４は同期機１が４極の場合のものである。

図１の３相２相変換器９から出力された電圧Ｖ_α，Ｖ_βは初期位置演算回路１０及び磁極位置演算回路１１に入力され、初期位置演算回路１０には角度θ_ａｂが、磁極位置演算回路１１には角度θ_ａｂｚが、それぞれ入力されている。
初期位置演算回路１０は、電圧Ｖ_α，Ｖ_β及び角度θ_ａｂに基づき、変圧器起電力による第１の磁極位置（初期磁極位置）θ_ｃａｌを推定演算する。また、磁極位置演算回路１１は、電圧Ｖ_α，Ｖ_β及び角度θ_ａｂｚに基づき、速度起電力による第２の磁極位置θ_ａｂｓを演算する。

図５は、初期位置演算回路１０の内部構成を示すブロック図である。この初期位置演算回路１０は、後述する数式２により電圧Ｖ_α，Ｖ_βから初期位置θ_{ｉｎｉｔｉａｌ}を演算する角度演算部１０ａと、その出力である初期位置θ_{ｉｎｉｔｉａｌ}をラッチするラッチ部１０ｂと、ラッチされた初期位置θ_ｉｎｉをａｂパルス計数器７から出力された角度θ_ａｂに加算する加算手段１０ｃと、を備えている。

次に、初期位置演算回路１０の動作を説明する。
同期機１が停止している状態で制御電源を立ち上げると、界磁変換器４は、電力変換器３の制御装置からの電流指令に従って界磁巻線２に直流電流を供給する。ここで、同期機１が停止状態であることは、位置センサ６の出力パルスや電圧検出器５ａ，５ｂによる電圧検出値から判定可能である。

同期機１に界磁電流を通流すると、変圧器起電力により、同期機１の電機子巻線には界磁電圧に対応した誘起電圧が発生する。同期機１が停止しているときの磁極位置（初期位置）を電機子のｕ相巻線に対する界磁巻線の位置と定義してθ_ｉｎｉとすると、ｃｏｓ（θ_ｉｎｉ）に比例した電圧が電機子巻線に発生する。

図６は、電機子巻線と界磁巻線との位置関係を概念的に示しており、図７は、界磁電流を通流した初期の時間Δｔにおいてθ_ｉｎｉ＝−３０ｅｌの時の電機子巻線の誘起電圧Ｖ_ｕｖ，Ｖ_ｖｗ，Ｖ_ｗｕの波形を示している。このうち誘起電圧Ｖ_ｕｖ，Ｖ_ｖｗは、図１の電圧検出器５ａ，５ｂにより検出され、３相２相変換器９により電圧Ｖ_α，Ｖ_βに変換されて図５の角度演算部１０ａに入力される。

角度演算部１０ａでは、電圧Ｖ_α，Ｖ_βから、数式２により初期位置θ_{ｉｎｉｔｉａｌ}を演算する。
［数２］
θ_{ｉｎｉｔｉａｌ}＝ｔａｎ^−１（Ｖ_β／Ｖ_α）
この演算結果は、図７における時間Δｔにラッチ部１０にてラッチされ、初期位置θ_ｉｎｉとして出力される。この初期位置θ_ｉｎｉは図６におけるθ_ｉｎｉに相当しており、加算手段１０ｃにより角度θ_ａｂに加算され、磁極位置θ_ｃａｌとして出力される。但し、この時点では同期機１が停止しているので、角度θ_ａｂはゼロであり、磁極位置θ_ｃａｌ＝θ_ｉｎｉである。
同期機１の起動時には、図１におけるスイッチ１２を初期位置演算回路１０側に接続することにより、磁極位置θとしてθ_ｃａｌが出力され、この磁極位置に基づいて電力変換器３を運転することにより、同期機１が駆動される。

図８は、図１の磁極位置演算回路１１の内部構成を示すブロック図である。この磁極位置演算回路１１は、２相量の電圧Ｖ_α，Ｖ_βを、後述するバッファ１１ｅから出力される角度に基づいて回転座標系のｄ軸電圧Ｖ_ｄ、ｑ軸電圧Ｖ_ｑに変換する２軸回転座標変換器１１ａと、ｄ軸電圧Ｖ_ｄの符号を反転させる反転部１１ｂと、その出力側に設けられたＰＩ調節部１１ｃと、その出力（周波数成分）に応じて０〜３６０ｅｌを計数し、かつ、前記周波数成分の周期で３６０°ｅｌごとにリセットされる３６０°ｅｌカウンタ１１ｄと、カウンタ１１ｄから出力される角度θ_ａｂｓ’の前回値を保持するバッファ１１ｅと、前記角度θ_ａｂｓ’からａｂパルス計数器８の出力である角度θ_ａｂｚを減算する減算手段１１ｆと、減算手段１１ｆの出力を補正量としてラッチするラッチ部１１ｇと、ラッチ部１１ｇから出力される補正量θ_ｄｅｖを前記角度θ_ａｂｚに加算した結果を磁極位置θ_ａｂｓとして出力する加算手段１１ｈと、を備えている。
ここで、反転部１１ｂ及びＰＩ調節部１１ｃ等はＰＬＬ（フェイズ・ロックド・ループ）を構成しており、ＰＩ調節部１１ｃはＶ_ｄ＝０となるように動作して周波数成分を出力する。

次に、磁極位置演算回路１１の動作を説明する。
前述したように初期位置演算回路１０による磁極位置θ_ｃａｌを用いて電力変換器３を起動し、同期機１から十分な大きさの誘起電圧が発生する基底速度の５０％程度まで加速した後、電力変換器３を停止して同期機１をフリーランさせる。
同期機１のフリーラン中に誘導される電圧（速度起電力）を電圧検出器５ａ，５ｂにより検出し、３相２相変換器９を介して図８の２軸回転座標変換器１１ａに取り込み、ｄ軸電圧Ｖ_ｄ，ｑ軸電圧Ｖ_ｑに変換する。なお、ｑ軸電圧Ｖ_ｑは使用しないものとする。

ｄ軸電圧Ｖ_ｄは反転部１１ｂを介してＰＩ調節部１１ｃに入力され、周波数成分に応じたカウント値が３６０°ｅｌカウンタ１１ｄから角度（絶対位置）θ_ａｂｓ’として出力される。この角度θ_ａｂｓ’は、図９に示すように同期機１のｕ相電圧Ｖ_ｕに同期してそのゼロクロス点でリセットされる値となり、磁極の絶対位置に相当した値となる。角度θ_ａｂｓ’は、バッファ１１ｅによって保持され、次回の演算周期における２軸回転座標変換に用いられる。
３６０°ｅｌカウンタ１１ｄから出力された角度θ_ａｂｓ’は減算手段１１ｆに入力されて角度θ_ａｂｚとの差分が求められる。この差分はラッチ部１１ｇによりラッチされて補正量θ_ｄｅｖとなるが、この補正量θ_ｄｅｖは一度ラッチしたら更新せず、固定値として使用される。

３６０°ｅｌカウンタ１１ｄから出力される角度θ_ａｂｓ’とθ_ａｂｚとの差分、言い換えれば補正量θ_ｄｅｖは、速度起電力に基づいて演算した磁極位置の原点に対して、位置センサ６の原点がどの程度ずれているかを示す値としての意味を持つ。従って、この補正量θ_ｄｅｖを加算手段１１ｈにて角度θ_ａｂｚに加算すれば、位置センサ６の原点を基準とした磁極位置を求めることができる。
この補正量θ_ｄｅｖは、不揮発性の記憶手段に書き込まれる。そうすれば、その後に制御電源をオフして投入した時、記憶手段から読み出した補正量θ_ｄｅｖを最初のｚパルスに基づいて得られる角度θ_ａｂｚに加算して、第２の磁極位置θ_ａｂｓを求めることができる。

次に、図１０は、初期位置演算回路１０により演算した第１の磁極位置θ_ｃａｌから磁極位置演算回路１１により演算した第２の磁極位置θ_ａｂｓへ切り替えるための機能ブロック図である。
初期位置演算回路１０により磁極位置θ_ｃａｌを用いて同期機１を起動した後、同期機１が少なくとも１回転した後にスイッチ１２を切り替え、磁極位置演算回路１１により演算した磁極位置θ_ａｂｓを用いるようにする。この場合、スイッチ１２をθ_ｃａｌ側からθ_ａｂｓ側に切り替えるに当たり、減算手段１２ａによりθ_ｃａｌとθ_ａｂｓとの差を求めてラッチ部１２ｂに保持し、更に、出力が最終的にゼロになるように徐々に減少するランプ関数１２ｃに入力してその出力を加算手段１２ｄにてθ_ａｂｓに加算することにより、θ_ｃａｌからθ_ａｂｓへの切り替えをショックレスにて行うことができる。
このようにθ_ｃａｌからθ_ａｂｓへショックレスにて切り替えて得た磁極位置θを用いて電力変換器３を運転することにより、同期機１を起動して所定のトルク制御、速度制御等を行えばよい。
なお、電力変換器３が停止して同期機１がフリーラン状態にあるときは、磁極位置θを、第１の磁極位置θ_ｃａｌから第２の磁極位置θ_ａｂｓへ瞬時に切り替えることもできる。

以上のように、この実施形態では、起動初期に変圧器起電力を利用して初期位置演算回路１０が磁極位置θ_ｃａｌを求め、その後に、速度起電力を利用して磁極位置演算回路１１が補正量θ_ｄｅｖを求め、この補正量θ_ｄｅｖにより角度θ_ａｂｚを補正して磁極位置θ_ａｂｓを求めるものであり、いわば、第１段階で原点位置の粗調整を行い、第２段階で微調整を行なうものである。
このため、第１段階で仮にコギングトルクが発生したとしても、その影響は第２段階の微調整によって解消され、磁極の原点と位置センサの原点とを正確に一致させることができる。

１：同期機
２：界磁巻線
３：電力変換器
４：界磁変換器
５ａ，５ｂ：電圧検出器
６：ｚパルス付き相対位置センサ
７：ａｂパルス計数器
８：ｚパルスリセット付きａｂパルス計数器
９：３相２相変換器
１０：初期位置演算回路
１０ａ：角度演算部
１０ｂ：ラッチ部
１０ｃ：加算手段
１１：磁極位置演算回路
１１ａ：２軸回転座標変換部
１１ｂ：反転部
１１ｃ：ＰＩ調節部
１１ｄ：３６０°ｅｌカウンタ
１１ｅ：バッファ
１１ｆ：減算手段
１１ｇ：ラッチ部
１１ｈ：加算手段
１２：スイッチ
１２ａ：減算手段
１２ｂ：ラッチ部
１２ｃ：ランプ関数
１２ｄ：加算手段

Claims (2)

1. 電力変換器により制御され、かつ、回転子に設置された相対位置センサを有する同期機の磁極位置検出装置において、
   前記同期機の停止状態において界磁電流を通流させた時の前記同期機の誘起電圧を３相／２相変換して得た電圧の比を用いて第１の磁極位置を演算する初期位置演算回路と、
   前記第１の磁極位置を用いて前記電力変換器を運転し、前記同期機の誘起電圧が所定値に達した時点で前記同期機をフリーランさせ、その時の前記同期機の誘起電圧に基づいて得た磁極位置と前記相対位置センサの出力パルスに基づく角度との差を補正量として前記角度を補正することにより、前記相対位置センサと原点を一致させた第２の磁極位置を演算する磁極位置演算回路と、
   を備えたことを特徴とする同期機の磁極位置検出装置。
2. 請求項１に記載した同期機の磁極位置検出装置において、
   前記第１の磁極位置から前記第２の磁極位置に切り替える際に、前記第１の磁極位置と前記第２の磁極位置との差を徐々に減少させて前記第２の磁極位置に加算する手段を備えたことを特徴とする同期機の磁極位置検出装置。

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