JPWO2018122991A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

磁気飽和起電圧が電流によって受ける影響の大きさにかかわらず、零速度近辺や低速度域における所望の駆動特性を実現できる電力変換装置を提供することを目的とし、交流電圧又は直流電圧を任意の交流電圧に変換して三相交流同期電動機の制御を行う電力変換装置であって、前記三相交流同期電動機の三相巻線のうち通電する二つの相を選択して六通りの通電モードにて、前記三相交流同期電動機を制御する制御部を備え、前記制御部は、検出された前記三相巻線の非通電相の電圧と、検出された前記三相巻線の通電相の電流とに基づいて、前記三相交流同期電動機の磁極位置を推定し、前記推定された磁極位置を用いて前記三相交流同期電動機を制御することを特徴とする。

Description

本発明は電力変換装置に関する。

産業機械分野、家電分野、自動車分野などの技術分野では、電動機の駆動を行う電力変換装置が用いられている。これらの分野での電力変換装置では、永久磁石を用いた同期電動機が幅広く用いられている。

この同期電動機を駆動するには、同期電動機の永久磁石の磁極位置情報が必要であり、そのため磁極位置を検出する位置センサが必要であった。

しかしながら、磁極位置の情報取得において、位置センサを用いず、代替として推定することにより同期電動機の駆動を行うセンサレス制御と呼ばれる技術が普及してきている。このセンサレス制御は、同期電動機が回転することにより発生する誘起電圧（速度起電圧）を検出し、誘起電圧情報から磁極位置を推定する方式や、対象となる同期電動機の数式モデルより演算し、磁極位置を推定する方式などがある。

実用化されているセンサレス制御の多くが、同期電動機が回転することにより発生する誘起電圧の利用に基づくものであるため、誘起電圧の小さい、あるいは発生しない零速度近辺や低速度域及び停止状態においては磁極位置の推定が難しく、所望の駆動特性が実現できないという課題があった。

このような課題に対し、例えば特開２０１３−５５７４４号公報（特許文献１）にあるように、同期電動機の１２０度通電を基礎とした、磁気飽和起電圧の検出から磁極位置を推定する方式を用いて、零速度近傍や低速度域における駆動が制御できるようになっている。

特開２０１３−５５７４４号公報

特許文献１では、磁気飽和起電圧と磁極位置との関係を用いて磁極位置を推定し、同期電動機を駆動することが記載されている。

しかしながら、発明者らは、磁気飽和起電圧は磁極位置に加えて、同期電動機を流れる電流による影響があることに気が付いた。すなわち、磁気飽和起電圧は通電相に生じる磁束の変化率の差異によるものであるため、同期電動機によっては、磁極位置だけでなく同期電動機を流れる電流の大きさや向きが、磁気飽和起電圧に大きな影響を及ぼす場合がある。特許文献１は、電流を考慮せずに磁極位置を推定するものであるため、電流による影響が大きい同期電動機の磁極位置を正確に推定することが難しく、所望の駆動特性を実現することができない。

そこで、本発明は、磁気飽和起電圧が電流によって受ける影響の大きさにかかわらず、零速度近辺や低速度域における所望の駆動特性を実現できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

交流電圧又は直流電圧を任意の交流電圧に変換して三相交流同期電動機の制御を行う電力変換装置であって、前記三相交流同期電動機の三相巻線のうち通電する二つの相を選択して六通りの通電モードにて、前記三相交流同期電動機を制御する制御部を備え、前記制御部は、検出された前記三相巻線の非通電相の電圧と、検出された前記三相巻線の通電相の電流とに基づいて、前記三相交流同期電動機の磁極位置を推定し、前記推定された磁極位置を用いて前記三相交流同期電動機を制御することを特徴とする電力変換装置である。

本発明によれば、同期電動機の駆動において、磁気飽和起電圧が電流によって受ける影響の大きさにかかわらず、零速度近辺や低速度域における所望の駆動特性を実現できる電力変換装置を提供することができる。

上述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の記述により明示される。

実施例１における電力変換装置の構成の一例 電動機制御部１１６の構成の一例 通電モード３における磁気飽和起電圧の一例 通電モード６における磁気飽和起電圧の一例 駆動時における印加電圧の一例 検出電流と閾値の特性の一例 正転駆動かつ無負荷における動作の一例 磁気飽和起電圧の電流による影響の違いの一例 正転駆動かつ有負荷における動作の一例 逆転駆動かつ無負荷における動作の一例 図９において通電相電流が反転時の動作の一例

以下、本発明の実施形態による電力変換装置の構成及び動作について、図１乃至図１１を用いて説明する。

なお、以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合及び原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップなどを含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合などを除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものには同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１を用いて本実施形態による同期電動機の駆動を行う制御システム及びこの制御システムを搭載した電力変換装置の全体構成について説明する。

３相交流同期電動機１２０の駆動を行う電力変換装置１１０は、整流回路１１１、平滑回路１１２、スイッチング回路１１３、電流検出回路１１４、電圧検出回路１１５、電動機制御部１１６を有する。

３相交流電源１００から出力される３相交流電圧は、整流回路１１１により整流され、平滑回路１１２により平滑し、直流電圧を生成する。なお、３相交流電源１００の代わりに単相交流電源を用い、単相交流電圧を整流、平滑し、直流電圧を生成してもよい。また、整流回路１１１及び平滑回路１１２を取り外し、直流電源より直接、直流電圧を得てもよい。

スイッチング回路１１３は、複数のスイッチング素子のＯＮ/ＯＦＦを組み合わせることで、直流電圧をゲートドライブ指令１１Ａに基づく任意の３相交流電圧に変換し、３相交流同期電動機１２０に印加する。スイッチング回路は、例えば、それぞれ２個のスイッチング素子を直列接続したＵ相、Ｖ相、Ｗ相のアームを並列接続して構成することができる。

電流検出器１１４は、電力変換装置１１０の３相出力電流を検出する。２相のみを検出し、３相交流の総和が零であることから、残りの１相を算出してもよい。なお、スイッチング回路１１３の入力の正極側、あるいは負極側にシャント抵抗を設け、このシャント抵抗に流れる電流から３相出力電流を推定してもよい。

電圧検出器１１５は、３相交流電圧を用いて、磁気飽和起電圧を検出する。

電動機制御部１１６は、検出電流１１Ｂと検出磁気飽和起電圧１１Ｃを用いて３相交流同期電動機１２０の磁極位置を推定し、同期電動機の速度指令に基づき、所望の駆動特性となるようにゲートドライブ指令１１Ａを出力する。なお、速度指令の代わりに位置指令、あるいはトルク指令を用いてもよい。

以上が、本実施形態による同期電動機の駆動を行う制御システム及びこの制御システムを搭載した電力変換装置の全体構成についての説明である。

図２を用いて電動機制御部１１６の構成について説明する。

図２は、電動機制御部１１６における実施形態構成の一例である。スイッチング回路１１３にゲートドライブ出力をする電動機制御部１１６は、速度指令発生器２００、位置指令発生器２０１、位置偏差演算器２０２、位置制御器２０３、パルス幅変調器２０４、出力ゲート制御器２０５、閾値発生器２０６、通電モード決定器２０７、位置推定器２０８を有する。

速度指令発生器２００は、所望の駆動特性、例えば速度制御、位置制御乃至トルク制御に従い、速度指令２０Ａを出力する。

位置指令発生器２０１は、速度指令２０Ａより算術演算を行い、位置指令２０Ｂを出力する。

位置偏差演算器２０２は、位置指令２０Ｂと推定位置２０Ｆとの算術演算を行い、位置偏差２０Ｃを出力する。

位置制御器２０３は、位置偏差２０Ｃを零とするように、電圧指令２０Ｄを出力する。なお、電圧指令２０Ｄは、速度偏差を零とするように出力をしてもよい。その場合、位置指令発生器２０１は不要となり、推定位置２０Ｆを算術演算し、推定速度を出力する速度推定器を追加し、位置偏差演算器２０２の代わりに速度偏差演算器を設け、速度指令２０Ａと推定速度とを算術演算し、速度偏差が生成されるように変更を行う。

パルス幅変調器２０４は、電圧指令２０Ｄを算術演算し、パルス幅変調指令２０Ｅを出力する。

出力ゲート制御器２０５は、パルス幅変調指令２０Ｅと通電モード指令２０Ｇより、ゲートドライブ指令１１Ａを出力する。

閾値発生器２０６は、検出電流１１Ｂと通電モード指令２０Ｇより、閾値２０Ｈを出力する。閾値２０Ｈの初期値については、通電モード指令２０Ｇと初期磁極位置（図示省略）より閾値２０Ｈを出力する。この初期磁極位置は、実際の駆動より前に磁極位置を任意の磁極位置に引き込みを行う、あるいは実際の駆動より前に初期位置推定を行うことで決定する。

通電モード決定器２０７は、検出磁気飽和起電圧１１Ｃと閾値２０Ｈとを比較し、通電モード指令２０Ｇを出力する。

位置推定器２０８は、検出磁気飽和起電圧１１Ｃと閾値２０Ｈより、推定位置２０Ｆを出力する。推定位置２０Ｆの初期値については、初期磁極位置を用いる。

以上が、本実施形態による電動機制御部１１６の構成についての説明である。

以下、本実施例の基本動作について説明する。

本実施例の基本となる１２０度通電方式とは３相交流同期電動機１２０の三相（この三相はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相と定義されている）の中から二相を選択し、選択された二相（通電相）に電圧を印加して回転子のトルクを発生するものである。そして、その通電相の組み合わせは６通りあり、本実施例では、それぞれを通電モード１乃至６と定義する。この６通りの通電モードにて、回転子電気角一周期を駆動するため、通電モードは６０度毎に切り替えていく。

図３（ａ）は、通電相としてＶ相とＷ相を選択し、Ｕ相を非通電相とし、さらにＶ相からＷ相に電流が流れるように３相交流同期電動機１２０に電圧を印加した状況を示している。また、この電圧印加は通電モード３に対応する。

通電モード３にて電圧印加し、回転子の位置角度を電気角一周期分変化させた場合のＵ相にて観測される起電圧の一例は、図３（ｂ）のようになり、回転子の位置角度によってＵ相の起電圧が変化することがわかっている。図３（ｂ）中のＦＰ３０は、回転子の位置角度が３０度における起電圧の値であり、こちらの説明については後述する。なお、本実施例の説明において、回転子の位置角度は、Ｕ相巻線の位置を０度とし、その正負は、反時計回りを正としている。

もう一例として、図４（ａ）に通電相としてＶ相とＷ相を選択し、Ｕ相を非通電相とし、さらにＷ相からＶ相に電流が流れるように３相交流同期電動機１２０に電圧を印加した状況を示す。また、この電圧印加は通電モード６に対応する。

通電モード６にて電圧印加し、回転子の位置角度を電気角一周期分変化させた場合のＵ相にて観測される起電圧の一例は、図４（ｂ）のようになり、回転子の位置角度によってＵ相の起電圧が変化することがわかっている。図４（ｂ）中のＲＮ３０は、回転子の位置角度が−３０度における起電圧の値であり、こちらの説明については後述する。

これらの起電圧は、通電相であるＶ相とＷ相に生じる磁束の変化率の差異が非通電相であるＵ相にて電圧として観測されるものであり、これは磁気飽和起電圧として知られている。この回転子の位置角度と磁気飽和起電圧との関係を利用し、回転子の位置を推定することで駆動を実現する。したがって、３相交流同期電動機１２０の回転子の位置角度と磁気飽和起電圧との関係は、実際の駆動時よりも前にあらかじめ検出し、その特性を記録部（図示省略）に記録しておく。また、磁気飽和起電圧は、中高速域のセンサレス制御で利用されている誘起電圧と異なり、零速度乃至低速度の領域においても観測ができるため、磁気飽和起電圧を利用したセンサレス制御は、少なくとも零速度乃至低速度の領域で制御を行う。

なお、図３（ａ）及び図４（ａ）の３相交流同期電動機１２０は、スター結線の場合を示しているが、デルタ結線であっても磁気飽和起電圧は観測されるため、本発明は適用可能である。

次に、駆動時における磁気飽和起電圧の検出手順について説明する。

駆動時における印加電圧として、図５（ａ）に示す回転子の位置角度が０度のときを例に説明をする。図５（ａ）の白抜き矢印は、回転子磁束の方向を表している。この時、通電モード３にて電圧印加すると、正転（回転子位置角度が増加する方向）駆動するようにトルクが発生し、通電モード６にて電圧印加すると、逆転（回転子位置角度が減少する方向）駆動するようにトルクが発生する。

正転駆動させたい場合には、図５（ｂ）のように電圧を印加する。図５（ｂ）は横軸に時間、縦軸にＶ相とＷ相との間の線間電圧を示しており、Ｔはパルス幅変調周期を表している。このＴ間にどれぐらいの時間を通電モード３で電圧を印加するのかは、電圧指令２０Ｄで決定する。この通電モード３にて電圧を印加している間に、磁気飽和起電圧を検出すると、回転子の位置角度に応じて、図３（ｂ）のように観測される。駆動時における磁気飽和起電圧の検出は、図５（ｂ）のように電圧を印加する方法でも可能であるが、このように電圧を印加した場合、通電モード３での駆動、すなわち、正転の駆動に限定されてしまう。そこで、正転、逆転、零速度などの汎用的な駆動の指令に対応するためには、図５（ｃ）のように電圧を印加する。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）同様に正転駆動させたい場合の印加電圧を示している。図５（ｂ）との違いは、トルクを発生させる図５（ｂ）の印加電圧に，斜線部の線間電圧が追加されていることである。この斜線部の線間電圧を平均すると零電圧となるため、パルス幅変調周期一周期の出力電圧は、図５（ｂ）と同値となるため、同様なトルクが発生し、正転駆動が可能となる。逆転駆動させたい場合は、図５（ｃ）において、パルス幅変調周期一周期の通電モード６の通電時間を通電モード３の通電時間よりも大きくすることで可能となる。

この斜線部の線間電圧を追加することにより、正転駆動中に通電モード３及び通電モード６にて電圧を印加することが可能であり、正転指令から逆転指令に切り替わる場合、または逆転指令から正転指令に切り替わる場合、さらに零速度指令にも適用可能である。また、この斜線部印加電圧の追加時間は、検出磁気飽和起電圧１１Ｃの検出に必要な時間が確保されていればよい。本実施例では、図５（ｃ）のように電圧を印加するように、パルス幅変調変換器２０４は、電圧指令２０Ｄに従い演算して、パルス幅変調指令２０Ｅを出力する。

以上の説明にて、パルス幅変調周期一周期にて２種類の通電モードにて、それぞれに対応した磁気飽和起電圧を２種類検出することを示した。

次に、駆動時における通電モードの切り替え手順について説明する。上述したように、１２０度通電方式では、通電モードを６０度毎に切り替えていく。この切り替えは、通電モード決定器２０７にて実施される。

通電モード３にて正転駆動させる場合、回転子に適切なトルクを発生させられる位置角度は、−３０度〜３０度の６０度区間である。正転駆動させ、回転子の位置角度が３０度近辺に達した際に、Ｖ相からＷ相に電流が流れるように電圧を印加する通電モード３から、Ｖ相からＵ相に電流が流れるように電圧を印加する通電モード４に切り替えて、次の６０度区間である３０度〜９０度を駆動させる。

この正転判断の切り替え手順は、閾値２０Ｈと検出磁気飽和起電圧１１Ｃとの比較を実施し、その結果にて行われる。３０度における正転判断の切り替え閾値は、図３（ｂ）の３０度における起電圧、すなわち閾値ＦＰ３０となる。−３０度〜３０度の６０度区間を駆動時に、通電モード３における検出磁気飽和起電圧が、この閾値ＦＰ３０に到達した際に、正転判断の切り替えが行われる。

このように、正転判断の切り替わりが行われる回転子の位置角度である−１５０度、−９０度、−３０度、３０度、９０度、１５０度にて、それぞれの位置角度に対応したＦＮ１５０、ＦＮ９０、ＦＮ３０、ＦＰ３０、ＦＰ９０、ＦＰ１５０とした閾値を設け、それら閾値と検出磁気飽和起電圧１１Ｃとの比較を実施し、その結果にて通電モードの切り替えが行われる。

逆転駆動の場合も同様にして、逆転判断の切り替わりが行われる回転子の位置角度である−１５０度、−９０度、−３０度、３０度、９０度、１５０度にて、それぞれの位置角度に対応したＲＮ１５０、ＲＮ９０、ＲＮ３０、ＲＰ３０、ＲＰ９０、ＲＰ１５０とした閾値を設け、それら閾値と検出磁気飽和起電圧１１Ｃとの比較を実施し、その結果にて逆転判断の通電モード切り替えが実現可能である。

以上が、駆動時における通電モードの切り替え手順についての説明である。

次に、通電モードの切り替えに用いる閾値２０Ｈを出力する閾値発生器２０６の動作を説明する。図５（ａ）の状態から駆動をさせる場合、通電モード決定器２０７の初期値として、通電モード指令２０Ｇは通電モード３が出力される。閾値発生器２０６は、通電モード指令２０Ｇである通電モード３と初期磁極位置より、記録部に記録された閾値ＦＰ３０と検出電流１１Ｂとの特性を読み出す。この特性の一例を図６に示す。図６は、横軸が検出電流（１００％を駆動させたい３相交流同期電動機１２０の定格電流とする）、縦軸が閾値である。このような特性を読み出し、検出電流１１Ｂに応じて閾値ＦＰ３０が決定され、出力される。例えば、駆動中の通電モードが通電モード３で、検出電流１１Ｂが５０％であるならば、ＦＰ３０_（５０）が閾値ＦＰ３０として出力される。

このような閾値ＦＮ１５０乃至ＦＰ１５０、ＲＮ１５０乃至ＲＰ１５０と検出電流１１Ｂとの特性を各通電モードに応じて読み出し、検出電流１１Ｂの値に従って出力される閾値２０Ｈは決定される。

以上が、通電モードの切り替えに用いる閾値２０Ｈを出力する閾値発生器２０６の動作の説明である。

以下の説明では、上述した説明に加えて、本実施例による駆動手順について説明する。なお、通電モードについては、簡略のため、正転または逆転駆動に応じたトルクを発生させる通電モードのみの記載とする。

図７は、正転、無負荷での駆動における、磁気飽和起電圧、位置角度、通電相及び電流の流れる向き、非通電相、通電モードの関係を示している。図７を用いて駆動中の動作について説明する。例えば、現在の通電モードが３であり、検出磁気飽和起電圧が０Ｖであるならば、位置推定器２０８は、回転子の位置角度が０度近辺の負側に位置していると推定する。また、回転子の位置角度が−３０度〜３０度の区間においては、回転子の正転に伴い、図３（ｂ）でも示したように、磁気飽和起電圧は減少する。ここで、３０度の位置角度に起電圧の閾値（ＦＰ３０_（０））を設けて、検出磁気飽和起電圧がこの閾値に到達した際に、通電モードを３から４に進める。なお、図５（ｃ）で説明したように、回転子の位置角度が−３０度〜３０度の区間では通電モード６の磁気飽和起電圧も検出している。通電モード６の場合は、検出磁気飽和起電圧が閾値ＲＮ３０に到達した際に、通電モードを６から５へ更新する。

通電モードが切り替わり、回転子の位置角度が３０度〜９０度の区間において、非通電相はＷ相となり、Ｗ相に発生する磁気飽和起電圧を検出し、磁極位置の推定を行う。この区間では、回転子の正転に伴い、磁気飽和起電圧は増加する。通電モード３から４への更新と同様に、通電モード４では、９０度の位置角度に起電圧の閾値（ＦＰ９０_（０））を設けて、検出磁気飽和起電圧がこの閾値に到達した際に、通電モードを４から５に進める。

この動作を繰り返すことで、常に適切なトルクが発生するように、磁極位置に対して電圧を印加することが可能となる。

次に、正転時に負荷が発生した場合の駆動について説明する。

負荷が発生した場合、同期電動機の回転子に発生するトルクを大きくするため、流れる電流は大きくなる。本方式の基礎となる磁気飽和起電圧は、通電相に生じる磁束の変化率の差異によるものであり、磁極位置だけでなく、電流の大きさによる影響も考慮する必要がある。

この電流の大きさによる影響は、同期電動機の特性によって異なり、例として図８（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図８は同期電動機の回転子の位置角度が３０度にあり、通電モード３にて電圧を印加した場合に流れる電流を横軸、その際に発生する起電圧を縦軸で表したグラフである。ある同期電動機は図８（ａ）のような特性、また、別のある電動機は図８（ｂ）のような特性となる。どちらも位置角度は３０度で固定されているため、起電圧は電流の大きさによる磁束の増減で変化する。図８（ａ）のような特性を持った同期電動機は、電流が起電圧に与える影響が小さいため、図７に示す関係を用いて磁極位置を検出しても検出精度に大きな問題が生じることはない。しかしながら、図８（ｂ）のような特性を持った同期電動機は、電流が起電圧に与える影響が大きいため、図７に示す関係を用いて磁極位置を検出すると、電流が大きくなるに伴い、回転子の位置角度の推定精度が悪化する。その結果、回転子に発生させるトルクの脈動、もしくは脱調などの現象を引き起こす。以下の説明では、図８（ｂ）のように電流が起電圧に与える影響が大きい同期電動機を対象として、記述する。

図９（ａ）は、正転時において負荷が発生し、電流が５０％程度流れているときの回転子の位置角度と磁気飽和起電圧との関係を示す。また、図９（ｂ）は、発生負荷がさらに大きくなり、電流が１００％程度流れている際の回転子の位置角度と磁気飽和起電圧との関係を示す。これらは、電流の大きさに応じて変化する磁気飽和起電圧の一例を示している。図４と比較すると、磁気飽和起電圧の変動特性が変化している。

ここで、位置推定器２０８は、閾値発生器２０６から入力される閾値２０Ｈに基づいて、磁極位置推定のために用いる、回転子の位置角度と磁気飽和起電圧との関係を決定する。例えば、現在の通電モードが３であり、かつ、電流が５０％程度流れているとき、閾値発生器から閾値（ＦＰ３０_（５０））が入力されるため、図９（ａ）に示す関係を用いる。そして、検出磁気飽和起電圧が０Ｖであるならば、回転子の位置角度は−１０度近辺に位置していると推定する。同様に、現在の通電モードが３であり、かつ、電流が１００％程度流れているとき、閾値発生器から閾値（ＦＰ３０_{（１００）}）が入力されるため、図９（ｂ）に示す関係を用いる。そして、検出磁気飽和起電圧が０Ｖであるならば、回転子の位置角度は−１５度近辺に位置していると推定する。

また、閾値発生器２０６は、通電モード３から４に更新する磁気飽和起電圧の閾値についても、検出電流の大きさに応じて変化させる。例えば、図４のような無負荷時と同値である磁気飽和起電圧の閾値を用いると、図９（ｂ）の場合では、本来更新されるべき位置角度の３０度よりも早い段階、０度を通過した近辺で通電モードが３から４に進んでしまい、適切なトルクを発生させることができない。そこで、本実施例では、無負荷時の閾値ＦＰ３０_（０）ではなく、ＦＰ３０_{（１００）}を用いる。

これらの動作より、同期電動機の磁極位置情報は、位置センサを設けることなく検出磁気飽和起電圧と検出電流との関係から推定し、取得することが可能となる。

この結果、磁気飽和起電圧が電流によって受ける影響の大きさにかかわらず、零速度近辺や低速度域において、センサレス制御にて同期電動機の所望の駆動特性を実現できる電力変換装置が提供可能となる。

また、逆転（回転子位置角度が減少する方向）駆動の動作については、回転子を逆転させるトルクを発生させるため、正転時の通電モードに対し、通電相の印加電圧を入れ替えることで実現可能となる。

図１０は、逆転、無負荷での駆動における、磁気飽和起電圧、位置角度、通電相及び電流の流れる向き、非通電相、通電モードの関係を示している。基本的な動作原理は、正転時と同等である。違う箇所は、回転子の位置角度に対する通電モード及び磁気飽和起電圧の閾値の設定である。例えば、正転時に回転子の位置角度が−３０度〜３０度の区間においては、通電モード３にて駆動していたが、逆転時には通電モード６にて駆動を行い、−３０度の位置角度に起電圧の閾値（ＲＮ３０_（０））を設けて、検出磁気飽和起電圧がこの閾値に到達した際に、通電モードを６から５に進める。

さらに、負荷が発生し、同期電動機に流れる電流が大きくなった場合についても、正転時同様に、電流に応じた磁気飽和起電圧の変動特性を使用する。同期電動機の磁極位置情報は、検出磁気飽和起電圧と検出電流との関係から推定し、取得することが可能となる。

なお、本実施例では、同期電動機の磁極位置と検出磁気飽和起電圧の関係や、検出電流と閾値の関係を、図９等に示すデータテーブルで表現したが、関数で近似して計算しても、磁極位置の推定は実現可能である。

実施例１では、負荷が発生し、同期電動機の回転子に必要なトルクが大きくなり、電流も大きくなる際の駆動方法を説明した。しかし、同期電動機の特性によっては、磁気飽和起電圧が、電流の大きさだけでなく、方向の影響も受ける場合がある。このような同期電動機では、負荷変動が発生し、通電相を流れる電流の向きが反転した場合、例えば、力行状態から回生状態となった場合に、実施例１のように電流の大きさだけ考慮して磁極位置の検出を行うと、磁極位置を正確に検出できない虞がある。そこで、本実施例では、電流の大きさだけでなく方向も考慮して磁極位置を検出し、検出された磁極位置を用いて三相交流同期電動機を制御することを特徴とする。

実施例２の電力変換装置及び電動機制御部の構成は、実施例１で説明した図１及び図２と同じである。実施例２は、実施例１と磁極位置の推定原理が異なる。前述したように、磁気飽和起電圧は、通電相に生じる磁束の変化率の差異によるものであり、磁極位置だけでなく、電流の大きさ、さらに電流の方向による影響も考慮する必要がある。したがって、実施例１の形態に加えて、同期電動機の磁極位置情報と関連付けている検出磁気飽和起電圧と検出電流において、検出電流の大きさだけでなく方向も考慮し、扱うようにする。例えば、図８（ａ）、（ｂ）での磁気飽和電圧の変動特性に加えて、新たに電流が反転した、すなわち通電相が入れ替わった場合での変動特性を使用することにより、より幅広い負荷変動に対応可能となる。

図１１（ａ）、（ｂ）は、図９（ａ）、（ｂ）に対して、電流方向が反転した場合の磁気飽和起電圧、位置角度、通電相及び電流の流れる向き、非通電相、通電モードの関係を示す。電流方向が異なるだけであり、同期電動機の回転子の駆動方向は正転であり、流れている電流の大きさも５０％、１００％と同一である。この関係も、実際の駆動時よりも前にあらかじめ検出し、その特性を記録部に記録しておく。

位置推定器２０８は、現在の通電モードが６であり、検出磁気飽和起電圧が０Ｖであるならば、回転子の位置角度は１０度近辺に位置していると推定する。ここで、３０度の位置角度に起電圧の閾値を設けて、検出磁気飽和起電圧がこの閾値に到達した際に、通電モードを６から１に進める。図９（ａ）、（ｂ）では、通電モード３で駆動していた区間であるが、通電相が入れ替わり、通電モード６で駆動しているため、電流の反転に対応した磁気飽和起電圧と位置角度の対応関係、通電モードを変更するための閾値を別に持つ必要がある。

このように、同期電動機に流れる電流の向きが変わることで、磁気飽和起電圧の変動特性が変化する場合には、磁極位置の推定に使用する同期電動機の磁極位置と検出磁気飽和起電圧の関係について、電流の方向で二つに分けたデータテーブルをあらかじめ用意しておけば良い。あるいは、電流を正負として扱い、二つに分けたデータテーブルをまとめたものを使用しても良い。

なお、逆転駆動において、駆動中に電流が反転した場合であっても、対応した磁気飽和起電圧と位置角度の対応関係、通電モードを変更するための閾値を持つことにより、同様に実現可能となる。

この結果、磁気飽和起電圧が電流によって受ける影響の大きさにかかわらず、零速度近辺や低速度域において、センサレス制御にて、実施例１よりも多様な３相交流同期電動機の所望の駆動特性を実現できる電力変換装置が提供可能となる。

上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１００ ３相交流電源
１１０ 電力変換装置
１１１ 整流回路
１１２ 平滑回路
１１３ スイッチング回路
１１４ 電流検出回路
１１５ 電圧検出回路
１１６ 電動機制御部
１１Ａ ゲートドライブ指令
１１Ｂ 検出電流
１１Ｃ 検出磁気飽和起電圧
１２０ ３相交流同期電動機
２００ 速度指令発生器
２０１ 位置指令生成器
２０２ 位置偏差演算器
２０３ 位置制御器
２０４ パルス幅変調変換器
２０５ 出力ゲート制御器
２０６ 閾値発生器
２０７ 通電モード決定器
２０８ 位置推定器
２０Ａ 速度指令
２０Ｂ 位置指令
２０Ｃ 位置偏差
２０Ｄ 電圧指令
２０Ｅ パルス幅変調指令
２０Ｆ 推定位置
２０Ｇ 通電モード指令
２０Ｈ 閾値

Claims (8)

1. 交流電圧又は直流電圧を任意の交流電圧に変換して三相交流同期電動機の制御を行う電力変換装置であって、
   前記三相交流同期電動機の三相巻線のうち通電する二つの相を選択して六通りの通電モードにて、前記三相交流同期電動機を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   検出された前記三相巻線の非通電相の電圧と、検出された前記三相巻線の通電相の電流とに基づいて、前記三相交流同期電動機の磁極位置を推定し、
   前記推定された磁極位置を用いて前記三相交流同期電動機を制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記通電モードと前記検出された三相巻線の通電相の電流に基づいて、前記非通電相の電圧と前記磁極位置の対応関係を決定し、前記決定された対応関係と前記検出された非通電相の電圧とに基づいて、前記磁極位置を推定することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記検出された非通電相の電圧と前記検出された通電相の電流の大きさとに基づいて、前記磁極位置を推定することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記検出された非通電相の電圧と前記検出された通電相の電流の大きさと方向とに基づいて、前記磁極位置を推定することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至４に記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記検出された非通電相の電圧と閾値を比較することにより、前記六通りの通電モードのうち、第一の通電モードから第二の通電モードへの切り替えを決定する通電モード決定部を含むことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記閾値は、前記検出された通電相の電流の大きさに基づいて決定されることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記閾値は、前記検出された通電相の電流の大きさと方向に基づいて決定されることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載の電力変換装置であって、
   前記制御部は、前記推定された磁極位置から前記三相交流同期電動機の回転速度を算出することを特徴とする電力変換装置。

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