JP6574711B2 - 永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、永久磁石同期電動機のインダクタンスを測定する方法に関する。

永久磁石同期電動機を位置センサなしで駆動する装置では、制御性能向上や、安全性の面から、電動機のインダクタンスを測定するチューニング機能等を実施することがある。当該機能を実施する際に電動機に電流を流すと、磁石の磁束と電流とで発生するトルクによりロータが動いてしまうおそれがある。そこで、ロータが回転し難い交番電流を用いて、印加している電圧値と定められた時間における電流値の変化量とからインダクタンスを測定する手法が提案されている。

具体的には、所定の期間にわたり、正方向の電圧ベクトル（Ｖ１，Ｖ３，Ｖ５）及び負方向の電圧ベクトル（Ｖ４，Ｖ６，Ｖ２）を、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の方向に印加する手段が提案されている（特許文献１参照）。

特許第５４３１４６５号公報

特許文献１に開示されている方法では、磁気飽和を考慮するため、印加電圧のパルス幅Tpを、最終的に検出可能な飽和効果を生じるのに十分に高い値を有する電流ピークが得られるまで調整して決定する。しかしこの場合、３相の内少なくとも１相が磁気飽和効果を生じるような電流ピークが得られるまで、電圧パルス幅を調整している。このような方法では、Ｄ軸に最も近い相には磁気飽和に応じた大きな電流が流れるが、その他の２相の電流は十分に流れていない状態にある。その結果、Ｑ軸のインダクタンスについては電流値が小さい状態での測定値が得られる可能性、つまり、回転子の位置に応じて、Ｑ軸インダクタンスの測定結果にバラつきを生じる可能性がある。そして、そのような測定結果を用いて電動機を制御すると、重負荷状態での制御が不安定になるおそれがある。

そこで、Ｑ軸の測定をより安定的に行うことができる永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法を提供する。

請求項１記載の永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法は、３相永久磁石同期電動機の固定子巻線に流す電流の目標値を設定する第１ステップと、
３相のうち何れか１相の固定子巻線に流れる正極性及び／又は負極性の電流が前記目標値に到達するように、電圧のパルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する第２ステップと、
何れか１相（以下、第１相と称す）の固定子巻線に流れる電流が前記目標値に到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅を記憶する第３ステップと、
その時点で測定された３相の電流に基づいてＤ軸インダクタンスＬｄを求める第４ステップと、
前記第１相を除いた２相のうち、何れか１相の固定子巻線に流れる正極性及び／又は負極性の電流が前記目標値に到達するように、電圧のパルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する第５ステップと、
前記第１相を除いた２相のうち、何れか１相（以下、第２相と称す）の固定子巻線に流れる電流が前記目標値に到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅を記憶する第６ステップと、
残り１相（以下、第３相と称す）の固定子巻線に流れる正極性及び／又は負極性の電流が前記目標値に到達するように、電圧のパルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する第７ステップと、
前記第３相の固定子巻線に流れる電流が前記目標値に到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅を記憶する第８ステップと、
前記第１〜第３相のそれぞれに対応して記憶させたパルス幅で電圧を各相にそれぞれ印加して、各相電流を測定する第９ステップと、
前記各相電流から各相インダクタンスを計算し、それら各相インダクタンスよりインダクタンスの平均値Ｌaveを求める第１０ステップと、
前記平均値Ｌaveと前記Ｄ軸インダクタンスＬｄとから、Ｑ軸インダクタンスＬｑを求める第１１ステップとを有する。

一実施形態であり、インダクタンスのチューニング処理手順を示すフローチャート 図１において、各相に印加する電圧パルス幅を段階的に拡げて行く状態を説明する図 ステップＳ５における第１相の印加電圧パルス幅及び相電流波形を示す図 ステップＳ１１（１回目）における第２相の印加電圧パルス幅及び相電流波形を示す図 ステップＳ１１（２回目）における第３相の印加電圧パルス幅及び相電流波形を示す図 電圧ベクトル，電圧パルス幅及び電流測定のタイミングを示す図 正，負方向の電流変化を示すベクトル図 電動機Ｍのａ相に正方向電圧ベクトルを印加した状態を示す図 電動機Ｍのａ相に負方向電圧ベクトルを印加した状態を示す図 特許文献１と本実施形態とによるＤ軸インダクタンスＬｄのチューニング結果を示す図 同じくＱ軸インダクタンスＬｑのチューニング結果を示す図 同じくＱ軸インダクタンスＬｑのバラつきを評価した結果を示す図 同じくインダクタンス平均値Ｌ＿aveを、３０°の位置推定誤差がある場合とない場合とについて比較した図

以下、一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態は、特許文献１に開示されている方法をベースにしているので、特許文献１と同一の部分については同一の符号を付して示す。図８及び図９は、特許文献１の図２．Ａ，Ｂ相当図である。三相の永久磁石同期電動機Ｍ（以下、電動機Ｍ）を制御する可変速駆動装置は、ダイオードブリッジを有し、ＤＣ電源バスにＤＣ電圧を供給する整流器モジュール（図示せず）を含む。ＤＣバスは正配線２０及び負配線２１を含み、平滑コンデンサ（図示せず）は正配線２０と負配線２１との間に接続されている。ＤＣバスは、各相ａ，ｂ，ｃに電力を供給する電力ケーブル３を介して電動機Ｍに接続されたインバータモジュール１に電力を供給する。

インバータモジュール１は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１１（上アーム），１２（下アーム）を含み、ＤＣバスの電圧Ｖｄｃから電動機Ｍに印加する可変電圧を生成する。可変速駆動装置は、その様々な機能を実現するための制御や処理及び記憶する手段等も含む。図８，図９は、ａ相に対しそれぞれ正の電圧ベクトルＶ１，負の電圧ベクトルＶ４を印加した状態に対応するインバータモジュール１のスイッチングパターンを示している。

図６は、例えばａ相について、正の電圧ベクトル及び負の電圧ベクトルを取得する電圧シーケンスを示す。この電圧シーケンスでは、インバータモジュール１により計測対象のａ相と他の２つのｂ，ｃ相との間に電圧を印加する。所定のパルス幅Ｔｐの正電圧パルス、続いて２倍の所定のパルス幅Ｔｐを有する負電圧パルス、続いて所定のパルス幅Ｔｐの正電圧パルスを含む。この電圧シーケンスによれば、電動機Ｍにトルクを発生させず、従ってロータを回転させることがない。

次に、本実施形態の作用について説明する。図１は、電動機ＭのＤ軸インダクタンスＬｄ及びＱ軸インダクタンスＬｑを求めるチューニングの処理手順を示すフローチャートである。先ず、最終的に検出可能な磁気飽和効果を生じるのに十分に高い値を有する電流レベルI_Targetを事前に決めておき、可変速駆動装置の制御部がその目標電流レベルI_Targetを指定する（Ｓ１，第１ステップ）。

インバータモジュール１を介して電動機Ｍの固定子巻線に印加する電圧パルスの幅の初期値を小さい値に設定する。それから、電圧パルス幅を初期値から順次増加させて、図６に示すように各相に対し、正電圧，負電圧を印加する（Ｓ２，第２ステップ）。そして、同じく図６に示すように、各相の電流情報を測定する（Ｓ３）。例えばａ相については、電流Ｉa1+，Ｉa2+，Ｉa1-，Ｉa2-を測定する。

電動機Ｍのロータに配置されている磁石の磁束によりインダクタンスが磁気的に飽和しているので、最もＤ軸に近い相に流れる電流が一番早く目標電流レベルI_Targetに到達する（Ｓ４；ＹＥＳ）。目標電流レベルI_Targetを超えたことの確認は、正負電流の少なくとも一方について行えば良い。この相を例えばａ相とし、電圧のパルス幅Tp1をこの時の値で固定し、記憶手段に記憶する（図２，図３参照）。ステップＳ３で得られた各相の電流情報に基づき、特許文献１の［数１］式及び［数２］式から、位相情報つまりロータの回転位置θｒが得られる（Ｓ５，第３ステップ）。また、Ｄ軸インダクタンスＬｄは、例えば特許文献１の［数３］式より得られる（Ｓ６，第４ステップ）。

この時点で、ａ相を除く他の２相（例えばｂ相，ｃ相）について、既に目標電流レベルI_Targetに到達したａ相と同じ電圧のパルス幅Tp1で流れている電流は、目標電流レベルI_Targetに未到達である。そこで、ａ相については上記の電圧パルス幅Tp1を固定し、他の２つ相のみに対し、引き続き電圧パルス幅をより長くするように調整を進める（Ｓ７，第５ステップ）。ここで、ｂ，ｃ相のパルス幅の初期値もTp1にする。ステップＳ８〜Ｓ１０は、ステップＳ２〜Ｓ４と同様の処理となる。

そして、他の２相のうち一方（例えばｂ相）に流れる電流が既定電流レベルI_Targetを超えると（Ｓ１０；ＹＥＳ）、ｂ相の電圧パルス幅Tp2をこの時の値で固定し、記憶する（Ｓ１１，ｎ＝２（ｂ），図２及び図４参照，第６ステップ）。そこから（Ｓ１２；ＮＯ）ステップＳ７に戻り、最後に残ったｃ相に対し、電圧パルス幅の初期値をTp2にしてパルス幅を更に長くして調整を進める（Ｓ７，第７ステップ）。すると、やがてｃ相に流れる電流も既定電流レベルI_Targetを超えるので（Ｓ１０；ＹＥＳ）、ｃ相の電圧パルス幅Tp3をこの時の値で固定し、記憶する（Ｓ１１，ｎ＝３（ｃ），図２及び図５参照，第８ステップ）。

３相全てについて電圧パルス幅の調整が完了すると（Ｓ１２；ＹＥＳ）、ａ，ｂ，ｃの各相について記憶した電圧パルス幅Tp1，Tp2，Tp3で、それぞれの相に電圧を印加する。そして、各相について電流情報を再度測定する（Ｓ１３，第９ステップ）。ここで再度測定した各相の電流情報から得られる各相電流の変化の平均値ΔＩａ_ａｖｅ，ΔＩｂ_ａｖｅ，ΔＩｃ_ａｖｅは（１）式となる（図７参照）。

（１）式と、各相に印加された直流電圧と、各相の異なる電圧パルス幅より、各相のインダクタンスＬａ，Ｌｂ，Ｌｃは（２）で表される。

尚、ここで、Δｔａ＝Tp1，Δｔｂ＝Tp2，Δｔc＝Tp3である。そして、３相の平均インダクタンスＬ＿aveは、
Ｌ＿ave＝（Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌｃ）／３ …（３）
である。

ここで、電動機Ｍにおけるインダクタンス分布が正弦波状であることを前提とすると、
３相モデルにおけるロータ位置θｒを用いて、各相インダクタンスＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを（４）〜（６）式のように示すことができる。

また、３相座標系からＤ，Ｑ座標系に変換すると、ベクトル制御に使用されているＤ軸（磁束）インダクタンスＬｄ、Ｑ軸（トルク）インダクタンスＬｑを下記の式で表現できる。
Ｌｄ＝Ｌ−ΔＬ …（７）
Ｌｑ＝Ｌ＋ΔＬ …（８）

そして、（３）式と（４）〜（６）式の加算結果とから、以下の関係式が得られる。
Ｌ＿ave＝（Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌｃ）／３＝Ｌ …（９）
また、（７），（８）式の加算結果と（９）式とから、以下の関係式が得られる。
Ｌ＿ave＝（Ｌｄ＋Ｌｑ）／２ …（１０）
（１０）式より、Ｑ軸インダクタンスＬｑは、
Ｌｑ＝２×Ｌ＿ave−Ｌｄ …（１１）
で得られる。

したがって、ステップＳ１３では、（１）及び（２）式より各相インダクタンスＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを求め、（３）式より平均インダクタンスＬ＿aveを求める（Ｓ１４，第１０ステップ）。本実施形態では、３相の電流が何れも目標電流レベルI_Targetを超えるまで流れる状態で、且つ正方向，負方向における電流情報に基づき得られた３相の平均インダクタンスL_aveは、位置によるバラつきが少なくなる。また、測定を繰り返す回数を増やせば、位置によるバラつきをさらに低減できる。そして、平均インダクタンスＬ＿aveと、ステップＳ６で得られたＤ軸インダクタンスＬｄとから、（１１）式でＱ軸インダクタンスＬｑを求める（Ｓ１５，第１１ステップ）。以上で、インダクタンスのチューニング処理が完了する。

図１０〜図１２は、特許文献１と本実施形態とについて、Ｄ軸インダクタンスＬｄ，Ｑ軸インダクタンスＬｑのチューニング結果及びＱ軸インダクタンスＬｑのバラつきを評価したものである。図１０に示すＤ軸インダクタンスＬｄの結果については、特許文献１におけるチューニング方法を流用しているので、何れもほぼ理想値に等しくなる。一方、図１１に示すＱ軸インダクタンスＬｑについては、本実施形態が理想値により近い結果となっている。図１２に示すロータ位置によるＱ軸インダクタンスのバラつき（各測定値と各測定値の平均値との差を、理想値で除した結果の％表示）については、特許文献１よりも小さくなっている。また、この結果について二乗平均の平方根で評価すると、本実施形態の方法は３．９７％であり、特許文献１の方法による６．１１％より低減している。

図１３は、図１０〜図１２と同じ電動機Ｍのモデルで、１相あたりのインダクタンス平均値Ｌ＿aveを、３０°の位置推定誤差がある場合と位相推定誤差なしで得られた場合とを比較しているが、何れも殆ど同じである。一般的にＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）モータの場合、磁石軸であるＤ軸については磁気回路透磁率及びインダクタンスが低下し、かつ磁気抵抗は大きいため、Ｄ軸インダクタンスＬｄは電流による飽和の影響が少なくなる。したがって、ロータ位置に応じた磁気飽和の影響によるＤ軸インダクタンスＬｄのバラつきは少ない。つまり特許文献１の方法でも、位置によるバラつきが少ないＤ軸インダクタンスＬｄを測定できる。

以上のように本実施形態によれば、同期機Ｍの固定子巻線に流す電流の目標値I_Targetを設定し、３相のうち何れか１相の固定子巻線に流れる電流が目標値I_Targetに到達するように、電圧パルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する。何れか１相である第１相の固定子巻線に流れる電流が目標値I_Targetに到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅Tp1を記憶し、その時点で測定された３相の電流に基づいてＤ軸インダクタンスＬｄを求める。

次に、第１相を除いた２相のうち、何れか１相の固定子巻線に流れる電流が目標値I_Targetに到達するように、電圧パルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加し、前記何れか１相である第２相の固定子巻線に流れる電流が目標値I_Targetに到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅Tp2を記憶する。続いて、残り１相である第３相の固定子巻線に流れる電流が目標値I_Targetに到達するように、電圧パルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する。

第３相の固定子巻線に流れる電流が目標値I_Targetに到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅Tp3を記憶する。そして、第１〜第３相のそれぞれに対応して記憶させた電圧のパルス幅Tp1〜Tp3を各相にそれぞれ印加して各相電流を再度測定し、測定結果より各相インダクタンスＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを計算し、それら各相インダクタンスより平均値Ｌaveを求め、平均値ＬaveとＤ軸インダクタンスＬｄとからＱ軸インダクタンスＬｑを求める。

これにより、各相がより磁気飽和状態に近づいた状態で、Ｄ軸インダクタンスＬｄ，Ｑ軸インダクタンスＬｑをチューニングでき、重負荷時においても電動機Ｍを制御する際の安定性を確保できる。また、ロータ位置によるバラつきが少ないＤ軸インダクタンスＬｄ，Ｑ軸インダクタンスＬｑを得ることができる。

また、最初にａ相の電圧パルス幅Tp1を調整完了後、a相の電圧パルス幅TP1を固定すると、次にｂ相，ｃ相について電圧パルス幅を調整する際に、ａ相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅をTp1とし、ａ相の電圧パルス幅を調整しないので、チューニングを迅速に行うことができる。更に、ｂ相の電圧パルス幅Tp2を調整完了後、ｂ相の電圧パルス幅Tp2を固定すると、次にｃ相について電圧パルス幅を調整する際に、ｂ相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅をTp2とし、ｂ相の電圧パルス幅も調整しないので、チューニングをより迅速に行うことができる。

加えて、ａ相を除いたｂ，ｃ相それぞれの固定子巻線に印加する電圧のパルス幅の初期値に、パルス幅Tp1を用いる。また、最後にｃ相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅の初期値に、パルス幅Tp2を用いるようにした。したがって、チューニングを一層迅速に行うことができる。

（その他の実施形態）
Ｄ軸インダクタンスＬｄについては、その他、例えば特開２００６−２６２６４３号公報や、特開２００９−２３２５７３号公報に開示されている方法により求めても良い。
ステップＳ１３以降にロータ位置θｒを再計算すれば、より精度が高い値を得ることができる。
第５及び第７ステップで第１相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅に、必ずしも第３ステップで記憶させたパルス幅を用いる必要はない。

第５ステップで第１相を除いた２相の各固定子巻線に印加する電圧のパルス幅の初期値に、必ずしも第３ステップで記憶させたパルス幅を用いる必要はない。
第７ステップで第２相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅に、必ずしも第６ステップで記憶させたパルス幅を用いる必要はない。
また、第７ステップで第３相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅の初期値に、第６ステップにおいて記憶させたパルス幅を用いる必要はない。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１はインバータモジュール、１１及び１２は電力半導体電子スイッチ、２０は正配線、２１は負配線、Ｍは永久磁石同期電動機を示す。

Claims (5)

1. ３相永久磁石同期電動機の固定子巻線に流す電流の目標値を設定する第１ステップと、
   ３相のうち何れか１相の固定子巻線に流れる正極性及び／又は負極性の電流が前記目標値に到達するように、電圧のパルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する第２ステップと、
   何れか１相（以下、第１相と称す）の固定子巻線に流れる電流が前記目標値に到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅を記憶する第３ステップと、
   その時点で測定された３相の電流に基づいてＤ軸インダクタンスＬｄを求める第４ステップと、
   前記第１相を除いた２相のうち、何れか１相の固定子巻線に流れる正極性及び／又は負極性の電流が前記目標値に到達するように、電圧のパルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する第５ステップと、
   前記第１相を除いた２相のうち、何れか１相（以下、第２相と称す）の固定子巻線に流れる電流が前記目標値に到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅を記憶する第６ステップと、
   残り１相（以下、第３相と称す）の固定子巻線に流れる正極性及び／又は負極性の電流が前記目標値に到達するように、電圧のパルス幅を調整して各相の固定子巻線に印加する第７ステップと、
   前記第３相の固定子巻線に流れる電流が前記目標値に到達すると、その時点で印加していた電圧のパルス幅を記憶する第８ステップと、
   前記第１〜第３相のそれぞれに対応して記憶させたパルス幅で電圧を各相にそれぞれ印加して、各相電流を測定する第９ステップと、
   前記各相電流から各相インダクタンスを計算し、それら各相インダクタンスよりインダクタンスの平均値Ｌaveを求める第１０ステップと、
   前記平均値Ｌaveと前記Ｄ軸インダクタンスＬｄとから、Ｑ軸インダクタンスＬｑを求める第１１ステップとを有する永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法。
2. 前記第５及び第７ステップにおいて、前記第１相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅に、前記第３ステップにおいて記憶させたパルス幅を用いる請求項１記載の永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法。
3. 前記第７ステップにおいて、前記第２相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅に、前記第６ステップにおいて記憶させたパルス幅を用いる請求項２記載の永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法。
4. 前記第５ステップにおいて、前記第１相を除いた２相それぞれの固定子巻線に印加する電圧のパルス幅の初期値に、前記第３ステップにおいて記憶させたパルス幅を用いる請求項１から３の何れか一項に記載の永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法。
5. 前記第７ステップにおいて、前記第３相の固定子巻線に印加する電圧のパルス幅の初期値に、前記第６ステップにおいて記憶させたパルス幅を用いる請求項１から４の何れか一項に記載の永久磁石同期電動機のインダクタンス測定方法。

Images