JPH1175394A - 交流回転機用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサレス方式の電動機駆動装置のような交
流回転機用電力変換装置において、回転子空転時の再起
動を可能にする。 【解決手段】 永久磁石同期電動機等の電動機２を運転
するインバータ１と、電動機２の巻線電流を所定値に制
御するためにインバータ１を構成する半導体スイッチン
グ素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御
装置とを備えた電動機駆動装置等の交流回転機用電力変
換装置に関する。電動機２の回転子空転時に、空転再起
動制御部Ａによりインバータ１の半導体スイッチング素
子のうち少なくとも一つをオンさせて電動機２の巻線を
短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位
置を推定して、インバータ１を介し電動機２を再起動す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子の位置セン
サ、速度センサ及び端子電圧センサを用いずに交流回転
機を運転する位置・速度センサレス方式の交流回転機用
電力変換装置に関し、例えば、インバータが停止してい
て端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転する
ことにより電動機の固定子巻線に逆起電力（誘導起電
力）が生じているような永久磁石同期電動機の駆動装置
であり得る。

【０００２】

【従来の技術】以下の従来技術では、永久磁石同期電動
機の駆動装置を例示する。図６は、磁極位置センサ付き
の永久磁石同期電動機の駆動装置を示している。図にお
いて、２０は直流電源、１は半導体スイッチング素子及
び逆並列ダイオードからなる並列回路を三相分の上下ア
ームに備えたインバータ、２は永久磁石回転子を有する
永久磁石同期電動機（ＰＭモータ）、３ｕ，３ｖ，３ｗ
は各相の固定子巻線電流を検出する電流検出器、４ｕ，
４ｖ，４ｗは電流検出器ゲイン、５は検出された各相電
流ｉ_u，ｉ_v，ｉ_wを二相成分ｉα，ｉβに変換する相数
変換部、６は磁極位置センサ１４により検出した回転子
の磁極位置（磁極が作る磁束方向）θに基づいて二相成
分ｉα，ｉβを磁束方向成分ｉ_dとこれに直交する方向
成分ｉ_qとに変換する座標変換部、７は、磁極位置θを
速度演算部８に入力して演算した回転角速度ωと、前記
磁束方向成分ｉ_d及びその直交方向成分ｉ_qとに基づいて
インバータ１の半導体スイッチング素子のゲート信号を
生成し、同期電動機２の電流を所定値に制御する電流制
御部である。ここで、図７は永久磁石回転子及び静止座
標系であるα−β座標系、回転座標系であるｄ−ｑ座標
系の説明図であり、θが永久磁石回転子３０の磁極位置
である。

【０００３】この駆動装置では、回転子の磁極位置θを
磁極位置センサ１４により常時検出できるため、インバ
ータ１の停止状態において回転子３０が空転していて
も、検出された磁極位置θに応じてインバータ１及び同
期電動機２を再起動することが可能である。

【０００４】一方、図８は、磁極位置・速度センサレス
方式の永久磁石同期電動機の駆動装置を示している。な
お、図６と同一の構成要素には同一の符号を付してあ
る。このセンサレス方式の駆動装置は、例えば電気学会
論文誌Ｄ「産業応用部門誌」の１９９７年１月号に掲載
された論文「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形
ブラシレスＤＣモータ制御」に記載されている。

【０００５】図８の駆動装置には磁極位置推定部９が設
けられており、電流制御部７から出力される同期電動機
２の端子電圧の磁束方向成分ｖ_d及び直交方向成分ｖ
_qと、座標変換部６から出力される電機子電流の磁束方
向成分ｉ_d及び直交方向成分ｉ_qとに基づいて、磁極位置
推定部９が回転子の磁極位置θを推定している。

【０００６】ここで、同期電動機２の端子電圧は、電圧
検出器を用いて検出することができるが、多くの場合で
は同期電動機はインバータに直接接続されているので、
端子電圧はインバータの出力電圧に等しいと考えて良
い。従って、インバータの出力電圧実際値が指令値どお
りであると見なせる場合、インバータの出力電圧指令値
を同期電動機の端子電圧に置き換えて磁極位置θの推定
に用いることができる。このため、図８の方式では端子
電圧検出用の電圧検出器が不要であり、必要な検出量は
同期電動機２の電機子電流のみとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、図８の方式
において、インバータ１の停止時すなわち半導体スイッ
チング素子がすべてオフである時には電機子電流が流れ
ないので、磁極位置θに関する情報は全く得られない。
このため、インバータ１が停止していて回転子３０が空
転している場合には磁極位置θを知り得ないため、イン
バータ１を介した同期電動機２の再起動が不可能にな
る。同期電動機２の端子電圧を検出する電圧検出器を用
いれば、電動機の逆起電力の位相と周波数とを知ること
ができ、従って磁極位置の推定が可能であるが、この電
圧検出器は一般に高価である。

【０００８】従って、図８に示したようなセンサレス方
式の駆動装置において、インバータが停止していて回転
子が空転している状態での再起動、例えば瞬停再起動を
電圧検出器なしで行うには、回転子が一旦停止するまで
待たなくてはならず、極めて不便であった。そこで本発
明は、高価な電圧検出器等を用いることなく回転子が空
転している状態での再起動を可能にした、電動機の駆動
装置等の交流回転機用電力変換装置を提供しようとする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、交流回転機を運転する電力
変換器と、前記回転機の巻線電流を所定値に制御するた
めに電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対
するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を
備えた交流回転機用電力変換装置において、回転機の回
転子の空転時に、前記制御装置により、前記半導体スイ
ッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて回転機
の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回
転子の位置を推定して電力変換器を再起動するものであ
る。

【００１０】図１は、上述した請求項１にかかる発明の
構成を例示的に示したブロック図であり、図８と同一の
構成要素には同一の符号を付してある。なお、以下の説
明では、永久磁石同期電動機の駆動装置を例示するが、
本発明は、前述の如く、電力変換器が停止していて端子
電圧が印加されていない状態で回転子が空転することに
より固定子巻線に逆起電力（誘導起電力）が生じている
ような交流電動機の駆動装置や、交流発電機の発生電力
を直流に変換して直流電源に回生する電力変換装置に適
用可能である。図１において、インバータ１の制御装置
内には空転再起動制御部Ａとゲート信号切替部１３とが
設けられている。空転再起動制御部Ａには相数変換部５
から出力される巻線電流（電機子電流）の二相成分ｉ
α，ｉβが入力され、その出力が空転再起動時における
インバータ１の各スイッチング素子に対するゲート信号
となっている。そして、ゲート信号切替部１３は、空転
再起動制御部Ａからの切替制御信号ｓにより、電流制御
部７からの定常時のゲート信号と空転再起動時のゲート
信号とを切り替えるように動作する。

【００１１】以下、本発明の動作を説明する。空転再起
動制御部Ａには巻線電流の二相成分ｉα，ｉβが入力さ
れているので、空転再起動制御部Ａは、インバータ１が
停止していて同期電動機２の電流がゼロである状態を検
出することができる。このとき、空転再起動制御部Ａ
が、インバータ１の半導体スイッチング素子の少なくと
も一つをオンさせるようなゲート信号を生成して出力
し、同時に切替制御信号ｓによってゲート信号切替部１
３を空転再起動制御部Ａ側に切り替えれば、半導体スイ
ッチング素子の少なくとも一つがオンして電動機２の固
定子巻線のうち少なくとも一相が短絡する。その際、回
転子３０が空転していれば逆起電力の作用によって巻線
に電流が流れる。この電流は、磁極位置と回転速度とに
依存するので、流れる電流値から磁極位置と回転速度と
を判定することができる。

【００１２】上述のように、空転再起動制御部Ａは、巻
線電流がゼロの状態で回転子が空転しているときに、イ
ンバータ１の半導体スイッチング素子の少なくとも一つ
をオンさせることにより固定子巻線を短絡状態にして逆
起電力による巻線電流を流すように作用する。そして、
このときの電流を検出し、その電流値から磁極位置と回
転速度とを演算する。更に、得られた演算結果から通常
の制御を行うための電流指令等の初期値を設定すると共
に、これを電流制御部７等に転送してインバータ１を制
御することで、装置の再起動が実行される。

【００１３】請求項１記載の発明は、以下の請求項２〜
９によって更に具体化される。すなわち、請求項２記載
の発明は、請求項１記載の交流回転機用電力変換装置に
おいて、回転機の回転子の空転時に、電力変換器により
回転機の全相巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流
に基づき回転子の位置を推定するものである。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の交流回転機用電力変換装置において、回転機の巻
線を短絡させて巻線電流を検出してから一定期間経過後
に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチ
ングするものである。これにより、過電流が長期間流れ
るのを防止することができる。

【００１５】請求項４記載の発明は、請求項３記載の交
流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッ
チングにより巻線電流をゼロにする動作を２回行い、こ
れらの各回に検出された短絡時の巻線電流が最大となる
位相の差、すなわち電流ベクトルの位相差に基づいて回
転子の回転速度を算出するものである。これにより、複
雑な演算や多数のデータの記憶を要することなく回転子
の回転速度を推定演算することができる。

【００１６】請求項５記載の発明は、請求項４記載の交
流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッ
チングにより巻線電流をゼロにする２回の動作の間隔
を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で１
８０°移動する期間よりも短く設定するものである。こ
れにより、回転子の回転方向の特定が容易になる。

【００１７】請求項６記載の発明は、請求項３記載の交
流回転機用電力変換装置において、検出した巻線電流の
瞬時ベクトルの位相を、このベクトルが３６０°を複数
に分割して形成した扇形領域のうち何れの領域に存在す
るかによって推定するものである。

【００１８】請求項７記載の発明は、請求項６記載の交
流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッ
チングにより巻線電流をゼロにする動作を３回以上行
い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流を用い
て回転子の位置、回転方向及び回転速度を推定するもの
である。

【００１９】請求項８記載の発明は、請求項７記載の交
流回転機用電力変換装置において、巻線電流をゼロにす
る３回以上の動作の間隔のうち、少なくとも一つの間隔
を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で１
８０°移動する期間よりも短く設定し、かつ、他の少な
くとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転してい
る時に電気角で１８０°移動する期間以上に設定するも
のである。

【００２０】請求項９記載の発明は、請求項３記載の交
流回転機用電力変換装置において、検出した巻線電流の
大きさが過電流にならない範囲で所定の規定値よりも小
さい場合には、巻線の短絡期間を長く設定して前記規定
値を超える巻線電流を再度検出し、それから一定期間経
過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイ
ッチングする動作を行うものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図２は本発明の実施形態を示すブロック
図である。図１と同一の構成要素には同一符号を付して
あり、以下では異なる部分を中心に説明する。図２にお
いて、磁極位置推定部（起動時）１０、状態制御部１
１、巻線短絡部１２が図１における空転再起動制御部Ａ
に相当する。このうち、磁極位置推定部（起動時）１０
には相数変換部５から出力された電流の二相成分ｉα，
ｉβと状態制御部１１からの制御信号ａが入力されてお
り、再起動時用の磁極位置推定値θ_iが磁極位置推定部
（定常時）９に出力され、回転角速度推定値ω_iが電流
制御部７に出力されている。また、状態制御部１１から
は切替制御信号ｓと制御信号ｂとが出力され、切替制御
信号ｓは前記同様にゲート信号切替部１３に、制御信号
ｂは巻線短絡部１２に加えられている。

【００２２】上記状態制御部１１は、インバータ１の停
止状態を検出し、巻線短絡部１２に制御信号ｂを送って
インバータ１の半導体スイッチング素子の少なくとも一
つをオンさせることにより固定子巻線を短絡させ、か
つ、制御信号ａを磁極位置推定部（起動時）１０に送っ
て再起動時の磁極位置θ_i及び回転角速度ω_iの推定演算
を実行させるものである。

【００２３】次に、本実施形態による再起動手順を、図
３のフローチャートを参照しつつ説明する。この手順
は、状態制御部１１を中心として実行されるものであ
り、請求項２に記載した発明の実施形態に相当する。イ
ンバータ１が停止していて回転子が空転している状態
（Ｓ１）において、状態制御部１１からゲート信号切替
部１３に切替制御信号ｓが送られると、インバータ１へ
のゲート信号線は巻線短絡部１２側に切り替わる。次い
で、巻線短絡部１２によってインバータ１の各相の上ア
ームすべてまたは下アームすべての半導体スイッチング
素子をオンすると、電動機２の全相の固定子巻線が短絡
され、逆起電力（誘導起電力）によって巻線に電流が流
れる（Ｓ２）。磁極位置推定部（起動時）１０は、一定
時間ｔ₀〔ｓ〕経過後の巻線電流（二相成分ｉα，ｉ
β）を検出し（Ｓ３）、これに基づいて磁極位置及び回
転角速度を演算する（Ｓ４）と共に、再起動時の磁極位
置θ_iと回転角速度ω_iとを推定演算する（Ｓ５）。この
うち、磁極位置推定値θ_iは磁極位置推定部（定常時）
９に、回転角速度推定値ω_iは電流制御部７にそれぞれ
初期値として送られ、切替制御信号ｓによりゲート信号
切替部１３で切り替えられた電流制御部７からのゲート
信号が、インバータ１に送られて再起動される（Ｓ
６）。

【００２４】さて、本実施形態において、巻線短絡時の
電流に基づいて磁極位置及び回転角速度を推定する方法
につき説明する。空転状態から再起動を行うには、再起
動時にインバータ１の出力電圧の振幅、位相、周波数を
同期電動機２の逆起電力のそれらとほぼ等しくする必要
がある。さもないと、同期電動機２とインバータ１との
間に大きな電位差が生じ、過電流状態となって正しく起
動できない。また、回転子が両方向に回転し得る場合に
は、回転方向を知る必要がある。ここで、逆起電力の振
幅は、逆起電力の周波数すなわち回転子の回転速度に比
例するので、逆起電力の振幅を知ることができれば直ち
に求めることができる。従って、再起動を行う場合に必
要となるのは、逆起電力の周波数及び位相、すなわち回
転子の磁極位置及び回転速度並びに回転方向ということ
になる。

【００２５】まず、磁極位置の推定方法につき説明す
る。ここでは、永久磁石同期電動機２が三相二極電動機
の場合につき説明するが、以下の説明は同期電動機の相
数及び極数が三相二極以外の場合にも同様に成り立つ。
いま、同期電動機に関する座標系を前述した図７のよう
に定義する。すなわち、 ・ｄ−ｑ座標系：回転子３０のＮ極の方向をｄ軸、この
ｄ軸に直交する方向をｑ軸とする座標系 ・α−β座標系：ｕ相巻線に正の電流を流したときに磁
束が発生する方向をα軸、このα軸に直交する方向をβ
軸とする座標系

【００２６】回転子の空転中に巻線を短絡することによ
って流れる電流は、三相電流として検出される。ｕ，
ｖ，ｗ各相の電流をそれぞれｉ_u，ｉ_v，ｉ_wとすると、
二相成分であるｉα，ｉβは数式１によって求めること
ができる。

【００２７】

【数１】

【００２８】α−β座標系における電流ベクトルの方向
は数式２となる。なお、θ_cは電流ベクトルのα軸に対
する角度である。

【００２９】

【数２】θ_c＝ｔａｎ^-1（ｉβ／ｉα）

【００３０】一方、永久磁石同期電動機２の電動機方程
式は、数式３で与えられる。なお、数式３において、ｖ
は電動機端子電圧、ｉは電機子電流、Ｐは微分演算子、
ωは回転子の回転角速度（電気角）、ψ_fは逆起電力定
数、Ｒは電動機の巻線抵抗、Ｌは電動機の巻線インダク
タンス、添字ｄ，ｑは各量のｄ軸、ｑ軸成分である。

【００３１】

【数３】

【００３２】数式３を変形すると、数式４に示すように
電流に関する状態方程式を得る。

【００３３】

【数４】

【００３４】数式４の状態方程式を解くと、数式５を得
る。但し、条件としてωは一定値、Ｒ＝０、ｖとｉの初
期値は何れも０とする。実際には、回転子の空転状態で
巻線短絡により電流が流れるとトルクが発生し、これが
ωを変化させるが、短絡期間が短い場合にはωの変化を
無視することができるので、ωは一定値として扱って良
い。また、短絡期間が短い場合、巻線抵抗による波形の
減衰も小さいため、Ｒ＝０と近似することができる。更
に、短絡開始時のｖ，ｉの初期値は０となる。

【００３５】

【数５】

【００３６】数式５によれば、回転子の回転角速度がω
であるときに巻線を短絡した場合のｉ_d，ｉ_qを求めるこ
とができる。すなわち、図３に示したように巻線を短絡
してから一定期間ｔ₀〔ｓ〕経過後に電流を検出する場
合、数式５にｔ＝ｔ₀を代入することでｉ_d，ｉ_qを演算
することができる。ここで、回転子の磁極位置をθとす
ると、数式５からα−β座標系における電流ベクトルの
方向は数式６となる。

【００３７】

【数６】θ_c＝θ＋ｔａｎ^-1（ｉ_q／ｉ_d）

【００３８】従って、数式２及び数式６により、磁極位
置θは数式７から求められることが判る。

【００３９】

【数７】θ＝ｔａｎ^-1（ｉβ／ｉα）−ｔａｎ^-1（ｉ_q
／ｉ_d）

【００４０】次に、数式７により磁極位置θを求めるに
はωを知る必要があるので、これについて説明する。短
絡電流の絶対値Ｉ_sは数式８によって得られる。

【００４１】

【数８】

【００４２】上記数式８は、０＜ωｔ＜π／２〔ｒａ
ｄ〕の範囲で単調増加関数である。従って、電動機の巻
線を短絡してから０＜ωｔ＜π／２〔ｒａｄ〕を満たす
ような時間後のＩ_sを検出することにより、ωを逆算す
ることができる。ここで、数式８からωに関して解いた
関数は複雑な式になるため、あらかじめωとＩ_sとの関
係を調べてテーブルを作成し、制御装置に記憶させてお
けば、複雑な演算を行わなくても直ちにωを求めること
ができる。

【００４３】以上のように、電動機の回転方向が既知で
あると仮定した場合には、上述した原理で同期電動機２
の磁極位置と回転角速度とを知ることができ、これらに
基づいて逆起電力の周波数、振幅、位相を求めることが
できる。従って、インバータ１が発生するべき出力電圧
の周波数、振幅、位相がわかり、これらに従った電流制
御部７からの指令によりインバータ１を運転すれば、空
転中の同期電動機２を再起動することができる。再起動
後は、従来から知られている同期電動機２の逆起電力に
基づく制御方法に則って駆動すれば良い。

【００４４】次に、請求項３に記載した発明の実施形態
を説明する。上述した原理を用いて実際に空転状態の電
動機２を再起動する場合、巻線を短絡して一定期間後の
電流値を検出し、逆起電力の位相と速度とを演算してイ
ンバータ１の出力電圧を求めるという一連の動作を短期
間で行う必要がある。この期間が長くなると、短絡電流
Ｉ_sが増大して過電流状態になり、素子を破壊してしま
う。

【００４５】そこで、巻線を短絡して一定期間ｔ₀後に
電流を検出した後、インバータ１の半導体スイッチング
素子をすべてターンオフすること（以後、これら一連の
動作をゼロ電圧パルス（ＺＶＰ）の印加という）により
電流を一旦ゼロとし、その状態で電流検出時の逆起電力
の位相及び速度を推定演算して全スイッチング素子がタ
ーンオフしてから一定期間ｔ₁後に再起動を行う。この
再起動までの期間ｔ₁が例えば数〔ｍｓ〕と短ければ、
回転子の回転速度はその間、一定であると考えられる。
よって、再起動を行う時の磁極位置θ_sは、巻線短絡に
よる電流検出時の磁極位置θ、角速度ω及び期間ｔ₁か
ら、数式９により求めることができる。

【００４６】

【数９】θ_s＝θ＋ωｔ₁

【００４７】次いで、請求項４に記載した発明の実施形
態を説明する。回転子の回転速度を電流の振幅から求め
る場合、前述のように複雑な演算を行うか、回転速度と
電流振幅との関係を制御回路が記憶しておくかの何れか
の方法をとる必要があり、制御装置にかかる負担が大き
いという問題がある。このため、一層容易に回転子の回
転速度を推定する方法として、前述したＺＶＰの印加を
２回行い、各回で得られた電流ベクトルの方向の差から
回転子の回転速度を求めることも可能である。すなわ
ち、２回のＺＶＰの印加の間隔をｔ₂とし、各回におい
て検出された電流ベクトルの方向の差をδ〔ｒａｄ〕と
すると、回転子の回転角速度ωは数式１０によって求め
ることができる。但し、期間ｔ₂は数〔ｍｓ〕という短
い期間であるとする。

【００４８】

【数１０】ω＝δ／ｔ₂

【００４９】次に、請求項５に記載した発明の実施形態
を説明する。回転子が両方向に回転し得る場合には、回
転方向を知る必要がある。これは、上記の実施形態にお
いて、ＺＶＰを２回印加する間隔ｔ₂を、回転子が最大
回転速度（規定値）にて回転する際に電気角で１８０°
進む時間よりも短くすることによって求めることができ
る。すなわち、回転子の最大回転角速度をω_maxとする
と、間隔ｔ₂の満たすべき条件は数式１１となる。

【００５０】

【数１１】ｔ₂＜π／ω_max

【００５１】もし、数式１１の条件が満足されない場合
には、例えば回転子が正方向に１６０°回転したとき
と、逆方向に２００°回転したときとでδの演算結果が
等しくなるため、回転方向を判別することはできない。

【００５２】次いで、請求項６に記載した発明の実施形
態を説明する。図４は、巻線短絡時に検出した電流の瞬
時ベクトルｉが、３６０°を３０°ごとに分割した扇形
領域のうち何れの領域に存在するかを検出する動作を説
明するためのものである。電流ベクトルｉがどの領域に
存在するかを検出する手順は以下のとおりである。 （１）手順１ ｜ｉα|，｜ｉβ|を演算する。また、ベクトルｉ’を数
式１２のように新たに定義する。

【００５３】

【数１２】｜ｉ’｜＝√（ｉα²＋ｉβ²）， ∠ｉ’＝θ_c’＝ｔａｎ^-1｜ｉβ／ｉα｜

【００５４】（２）手順２ ベクトルｉ’の位相角θ_c’は、次のように判定するこ
とができる。 ２×｜ｉβ｜＜｜ｉα｜ならば、０°≦θ_c’＜３０° ２×｜ｉα｜＜｜ｉβ｜ならば、６０°＜θ_c’≦９０
° 上記２つの条件の何れにも該当しなければ、３０°≦θ
_c’≦６０°

【００５５】（３）手順３ 手順２により判定したθ_c’と、ｉα，ｉβの極性とに
基づいて、ベクトルｉの位相角θ_cとθ_c’とを次のよう
に関係付けることができる。 ｉα＞０，ｉβ＞０ならば、θ_c＝θ_c’ ｉα＞０，ｉβ＜０ならば、θ_c＝−θ_c’ ｉα＜０，ｉβ＜０ならば、θ_c＝１８０°＋θ_c’ ｉα＜０，ｉβ＞０ならば、θ_c＝１８０°−θ_c’

【００５６】以上の手順１〜手順３により、図４におい
てベクトルｉが存在する領域を特定することができる。
再起動のための磁極位置の初期値θ_sを演算する場合、
θ_cが存在する扇形領域内の適当な値、例えば扇形領域
の中心となる角度（例：０°〜３０°の領域では１５
°）をθ_cとして設定すればよい。その場合の実際値と
の誤差は、上記の例では±１５°となる。なお、ｉα,
ｉβ及びそれらの絶対値に関する条件判定において等号
が成り立つ場合には、ベクトルｉは各扇形領域の境界線
上にあることは言うまでもない。

【００５７】次いで、請求項７に記載した発明の実施形
態を説明する。上述した請求項６記載の発明の実施形態
のように、磁極位置を正確な値でなくベクトルｉの存在
する領域内のある角度として決める場合、誤差が発生す
る。これは、再起動時の磁極位置の初期値（推定値）θ
_sの誤差要因となるため、再起動時の動作の乱れを誘発
し、最悪の場合には再起動に失敗して回転子の回転が制
御不能となる。特に、請求項４記載の発明の実施形態で
説明したように、いわゆるＺＶＰの印加を２回行って回
転子の回転角速度ωと磁極位置の初期値θ_sとを算出す
る場合、その両者に誤差が生じるため影響が非常に大き
くなる。

【００５８】そこで、請求項７の発明では、ＺＶＰの印
加を２回ではなく３回以上行うことにより、ω及びθ_s
の推定誤差を低減するようにした。なお、ＺＶＰの複数
回の印加は、例えば数〔ｍｓ〕といった短い期間に行わ
れるものとし、その間、回転子の回転速度は一定値と見
なせるものとする。以下、本発明の実施形態を図５を参
照しつつ説明する。第ｎ回目のＺＶＰ印加による磁極位
置推定値をθ_en、その時の磁極位置の実際値をθ_n、磁極
位置を決めるために３６０°を等間隔で複数に分割した
扇形領域の中心角を２δとし、その中心に磁極位置を決
めるものとすると、数式１３が成り立つ。

【００５９】

【数１３】θ_n−δ＜θ_en＜θ_n＋δ

【００６０】ここで、ＺＶＰを印加する間隔を一定値ｔ
₂とする。第ｎ回目のＺＶＰ印加時の回転子の角速度推
定値をω_enとすると、数式１４が成り立つ。但し、数式
１４において、ｎ≧３である。

【００６１】

【数１４】ω_en＝θ_en−θ_e(n-1)／ｔ₂

【００６２】ｎ回のＺＶＰ印加によって得られたｎ−１
個のωの推定値の平均値をω_avrとし、これを再起動時
の回転子の回転角速度推定値として用いるものとする。
ω_{av r}に関しては、数式１５が成り立つ。

【００６３】

【数１５】

【００６４】数式１３から、θ_enの最大誤差は±δであ
るので、数式１５から、ω_avrのとり得る最大値及び最
小値は数式１６のようになる。

【００６５】

【数１６】（θ_n−θ₂）／｛（ｎ−１）ｔ₂｝±２δ／
｛（ｎ−１）ｔ₂｝

【００６６】数式１６の第１項がωの真値、第２項が誤
差である。数式１６から、ＺＶＰ印加の回数ｎを増加さ
せることによってω_avrの誤差を低減できることが判
る。第ｎ回目のＺＶＰ印加後、ｔ₁を経過してから再起
動を行うものとすれば、前述した請求項３の実施形態の
数式９に準じて、再起動時の磁極位置の初期値は数式１
７のように導出される。

【００６７】

【数１７】θ_s＝θ_en＋ω_avrｔ₁

【００６８】従って、ωの推定誤差を低減することによ
り、再起動時の磁極位置θ_sの誤差をも低減することが
できる。

【００６９】請求項８に記載した発明の実施形態を説明
する。この実施形態は、ωの推定誤差を低減する別の方
法に関する。前述の数式１３、数式１４から、ω_enのと
り得る最大値、最小値は、数式１８のようになる。

【００７０】

【数１８】（θ_n−θ_n-1）／ｔ₂±２δ／ｔ₂

【００７１】数式１８の第１項がωの真値、第２項が誤
差である。δは一定なので、ＺＶＰの印加間隔ｔ₂を大
きくすることによってωの推定誤差を小さくすることが
できる。但し、請求項５の発明の実施形態で説明したよ
うに、回転子が両方向に回転し得る場合には回転方向を
知る必要があり、そのためには、ＺＶＰ印加の間隔ｔ₂
は前述した数式１１を満たす必要がある。

【００７２】従って、３回以上のＺＶＰ印加のうち、少
なくとも１回は、ＺＶＰ印加の間隔ｔ₂を数式１１を満
足するような値にして回転方向を判定する必要がある。
そして、他の少なくとも１回は、ＺＶＰ印加の間隔ｔ₂
を回転子が最大回転数で回転している時に電気角で１８
０°移動する期間以上に設定することにより、ωの推定
誤差を低減させればよい。

【００７３】最後に、請求項９に記載した発明の実施形
態を説明する。巻線の短絡期間ｔ₀が一定である場合、
回転速度が大きいほどＺＶＰ印加時の電流値は大きくな
る。従って、ｔ₀は最大回転速度で回転子が回転してい
る場合においても巻線電流が過電流とならないような値
（ｔ₀₀）に決定する。これにより、回転速度が小さい場
合にはＺＶＰ印加時に流れる電流が小さくなる。

【００７４】一方、電流検出値にはノイズが重畳してい
るので、電流検出値が小さくなると相対的にノイズの影
響が大きくなり、その結果、磁極位置及び回転速度の推
定誤差が大きくなるという問題を生じる。これを解決す
るために、まず過電流を防止するように設定した短絡期
間ｔ₀₀によってＺＶＰ印加を行い、このときに検出され
た電流ベクトルの振幅が設定値よりも小さい場合には短
絡期間をｔ₀₀よりも長くしてＺＶＰ印加を再度行う。こ
れにより、低速回転時でも電流検出値の振幅を十分に大
きくすることができ、磁極位置及び回転速度の高精度な
推定が可能になる。

【００７５】なお、上記実施形態では本発明をもっぱら
永久磁石同期電動機の駆動装置に適用した場合につき説
明したが、先に述べたように、本発明は、インバータが
停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子
が空転することにより電動機の固定子巻線に逆起電力
（誘導起電力）が生じているような電動機一般の駆動装
置に適用可能である。

【００７６】更に、本発明は、例えば風力発電機等の交
流発電機が発生する交流電力を、電力変換器により直流
電力に変換して直流電源に回生するシステムをも含むも
のである。その場合の回路構成は、例えば図１における
同期電動機２を発電機に置き換えれば良い。

【００７７】

【発明の効果】以上のように請求項１，２記載の発明に
よれば、例えばインバータにより駆動される位置・速度
センサレス方式の電動機において、空転状態から再起動
する際に、インバータの半導体スイッチング素子の少な
くとも一つ、または全相のスイッチング素子をオンさせ
て巻線を短絡し、その時に流れる電流値から回転子の位
置を検出するため、位置・速度センサレスの駆動方式に
おいても空転状態での再起動が可能になる。また、電動
機の端子電圧を検出して回転子の位置を推定する必要が
ないから、高価な電圧検出器が不要になり、コストの上
昇を招くこともない。

【００７８】更に、請求項３記載の発明では、巻線短絡
後にゼロ電圧パルスを印加して電流を一旦ゼロにした状
態で回転子の位置を推定演算するため、短絡による過電
流が長期にわたって流れるのを回避して素子を保護する
ことができる。

【００７９】請求項４記載の発明では、ゼロ電圧パルス
を２回印加し、各回の電流位相差から回転速度及び回転
子位置を推定するようにしたので、回転速度の推定演算
が一層容易になる。

【００８０】請求項５記載の発明では、請求項４の発明
における２回のゼロ電圧パルスの印加間隔を、回転子が
最大回転数で回転しているときに電気角で１８０°移動
する期間よりも短くすることにより、回転子位置の最大
変化量が１８０°以下になるので、回転方向を容易に特
定することができる。

【００８１】請求項６記載の発明によれば、巻線電流の
瞬時ベクトルが複数の扇形領域のうちの何れの領域に存
在するかを判定して再起動のための磁極位置の初期値を
決定することができる。

【００８２】請求項７または請求項８記載の発明では、
請求項６の発明に起因する磁極位置の誤差や回転角周波
数の誤差を低減することにより、再起動の確実性が向上
する。

【００８３】請求項９記載の発明によれば、低速回転時
においても、過電流にならない範囲で電流検出値の大き
さをノイズの影響を受けない程度に大きくでき、これに
よって磁極位置及び回転速度を高精度に推定することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載した発明の構成を例示的に示す
ブロック図である。

【図２】本発明の実施形態を示すブロック図である。

【図３】図２の実施形態における再起動手順を示すフロ
ーチャートである。

【図４】巻線短絡時に検出した電流の瞬時ベクトルの存
在領域を説明するための図である。

【図５】請求項７に記載した発明の実施形態を説明する
ための図である。

【図６】従来の磁極位置センサ付き永久磁石同期電動機
の駆動装置を示すブロック図である。

【図７】永久磁石回転子及びα−β座標系、ｄ−ｑ座標
系の説明図である。

【図８】従来の磁極位置・速度センサレス方式の永久磁
石同期電動機の駆動装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ インバータ ２ 永久磁石同期電動機 ３ｕ，３ｖ，３ｗ 電流検出器 ４ｕ，４ｖ，４ｗ 電流検出器ゲイン ５ 相数変換部 ６ 座標変換部 ７ 電流制御部 ８ 速度演算部 ９ 磁極位置推定部（定常時） １０ 磁極位置推定部（起動時） １１ 状態制御部 １２ 巻線短絡部 １３ ゲート信号切替部 ２０ 直流電源 ３０ 永久磁石回転子 Ａ 空転再起動制御部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流回転機を運転する電力変換器と、前
   記回転機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換
   器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オ
   フ信号を生成して出力する制御装置と、を備えた交流回
   転機用電力変換装置において、 回転機の回転子の空転時に、前記制御装置により、前記
   半導体スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさ
   せて回転機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流
   に基づき回転子の位置を推定して電力変換器を再起動す
   ることを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 回転機の回転子の空転時に、電力変換器により回転機の
   全相巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき
   回転子の位置を推定することを特徴とする交流回転機用
   電力変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の交流回転機用電
   力変換装置において、 回転機の巻線を短絡させて巻線電流を検出してから一定
   期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器
   をスイッチングすることを特徴とする交流回転機用電力
   変換装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする
   動作を２回行い、これらの各回に検出された短絡時の巻
   線電流が最大となる位相の差から回転子の回転速度を算
   出することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 巻線電流をゼロにする２回の動作の間隔を、回転子が最
   大回転数で回転している時に電気角で１８０°移動する
   期間よりも短く設定することを特徴とする交流回転機用
   電力変換装置。
6. 【請求項６】 請求項３記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 検出した巻線電流の瞬時ベクトルの位相を、このベクト
   ルが３６０°を複数に分割して形成した扇形領域のうち
   何れの領域に存在するかによって推定することを特徴と
   する交流回転機用電力変換装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする
   動作を３回以上行い、これらの各回に検出された短絡時
   の巻線電流を用いて回転子の位置、回転方向及び回転速
   度を推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装
   置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 巻線電流をゼロにする３回以上の動作の間隔のうち、少
   なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転して
   いる時に電気角で１８０°移動する期間よりも短く設定
   し、かつ、他の少なくとも一つの間隔を、回転子が最大
   回転数で回転している時に電気角で１８０°移動する期
   間以上に設定することを特徴とする交流回転機用電力変
   換装置。
9. 【請求項９】 請求項３記載の交流回転機用電力変換装
   置において、 検出した巻線電流の大きさが過電流にならない範囲で所
   定の規定値よりも小さい場合には、巻線の短絡期間を長
   く設定して前記規定値を超える巻線電流を再度検出し、
   それから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるよう
   に電力変換器をスイッチングする動作を行うことを特徴
   とする交流回転機用電力変換装置。