JP2002272195A - 同期電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁極位置検出器を持たない同期電動機の制御
装置において、インダクタンスを自動測定する。 【解決手段】 電機子電流及び端子電圧をベクトルとし
てとらえ、任意の周波数で回転するｄ_ｃ軸に平行な方向
の交流電圧を印加する発振器１と、ｄ_ｃ軸電流を検出す
るための電流検出器４及び座標変換器５と、ｄ_ｃ軸電流
から前記交流電圧と同じ周波数の交流電流を検出する高
周波検出フィルタ７と、ｄ_ｃ軸が電気角で１８０°以上
回転した期間における前記交流電流の最大値及び最小値
を検出する検出器８，９と、前記交流電圧と前記交流電
流の最大値とから直軸インダクタンスを演算する演算器
１０と、前記交流電圧と前記交流電流の最小値とから横
軸インダクタンスを演算する演算器１１と、を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は同期電動機の制御装
置に関し、詳しくは、エンコーダやレゾルバなどの磁極
位置検出器によって電動機の磁極位置を検出しないで同
期電動機等の速度やトルクを制御する、いわゆる位置セ
ンサレス同期電動機の制御装置において、電動機のイン
ダクタンスを自動測定する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】永久磁石同期電動機の速度やトルクを高
性能に制御するには、一般には電動機の磁極位置を検出
する位置検出器を電動機に取り付ける必要がある。しか
るに、上記位置検出器は一般に高価であり、また、電動
機の構造や設置環境の点から位置検出器を取り付けられ
ない場合がある。この問題を解決するため、磁極位置を
電動機の電圧や電流などから電気的に演算で求める方
法、いわゆるセンサレス制御が研究されている。センサ
レス制御の方法としては、例えば、同期電動機の電機子
巻線のインダクタンスが回転子の磁極位置によって相対
的に変化することに基づき、インダクタンスを演算によ
り求めて磁極位置を推定する方法や、電動機の電圧方程
式から誘起電圧を求めて磁極位置を推定する方法があ
り、何れもインダクタンスの情報が必要である。

【０００３】一方、同期電動機の電動機定数のうちイン
ダクタンスを自動測定する方法として、例えば、特開２
０００−５０７００号公報に記載された従来技術が知ら
れている。上記公報に記載された方法は、回転子の直軸
方向に交流電流を通流したときの直軸交流電圧から直軸
インダクタンスを演算し、横軸方向に交流電流を通流し
たときの横軸交流電圧から横軸インダクタンスを演算す
るものであり、回転子に突極性がある埋込磁石形永久磁
石同期電動機（ＩＰＭモータ）やリラクタンスモータの
インダクタンス測定に適している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開２０００−５０７
００号公報によるインダクタンス測定方法をセンサレス
制御時のように位置検出器を持たない場合に適用する
と、インダクタンス測定前にセンサレス制御による磁極
位置の演算を行う必要があったり、もしくは、任意方向
に直流電流を流して磁極位置が前記任意方向に一致する
まで回転子を回転させて固定するといった、同期引き込
みによる磁極位置合わせを行うことが必要である。イン
ダクタンスが不明の状態でセンサレス制御を行う場合、
安定性に問題があり、制御系が不安定化する恐れがあ
る。また、同期引き込みを行う場合には、回転子が逆転
することがあるので、用途によっては適用できない場合
もある。そこで本発明は、センサレス制御に支障なく適
用してインダクタンスを測定することができる同期電動
機の制御装置を提供しようとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、同期電動機の電機子電流及び端子電圧を
ベクトルとしてとらえ、制御装置内部に任意の角周波数
ω_ｃで回転する回転座標軸ｄ_ｃ−ｑ_ｃ軸を定義する。

【０００６】まず、図２に座標軸の定義を示す。同期電
動機のｕ相巻線方向をα軸と定義し、これと直交する方
向をβ軸と定義する。また、ｄ_ｃ軸のα軸からの角度
（ｄ_ｃ軸位置）をθ_ｃと定義する。回転子の直軸方向を
ｄ軸、これと直交する方向をｑ軸と定義し、ｄ軸のα軸
からの角度をθとする。更に、ｄ_ｃ軸とｄ軸との角度差
をΔθとする。

【０００７】制御装置によりｄ_ｃ軸方向に交流電圧を印
加して、このときのｄ_ｃ軸電流を検出する。このｄ_ｃ軸
電流を前記交流電圧により同期整流することにより、交
流電圧と同じ周波数の交流電流の振幅ｉ_ｄｈを検出す
る。

【０００８】図３に、Δθとｄ_ｃ軸方向のインダクタン
ス及びｄ_ｃ軸電流の関係を示す。図３に示すように、ｄ
_ｃ軸インダクタンスはΔθの２倍周期で変化する関数で
あり、最小値が直軸インダクタンスＬ_ｄ、最大値が横軸
インダクタンスＬ_ｑとなる。一方、ｄ_ｃ軸電流ｉ_ｄｃは
振幅ｉ_ｄｈがΔθの２倍周期で変化する交流電流とな
り、ｉ_ｄｈの最大値ｉ_{ｄｈｍａｘ}と最小値ｉ_{ｄｈｍｉｎ}
から直軸インダクタンスＬ_ｄ及び横軸インダクタンスＬ
_ｑをそれぞれ計算することができる。

【０００９】ｉ_ｄｈはΔθの２倍周期で変化する関数で
あることから、Δθが電気角で１８０°以上動いた期
間、すなわち、回転子が静止している状態でｄ_ｃ軸を電
気角で１８０°以上動かした期間内でｄ_ｃ軸電流の最大
値ｉ_{ｄｈｍａｘ}及び最小値ｉ_{ｄ ｈｍｉｎ}を検出し、これ
らの値とｄ_ｃ軸電圧の周期及び振幅を用いて、後述する
数式１，数式２により直軸インダクタンスＬ_ｄ及び横軸
インダクタンスＬ_ｑを演算する。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
制御ブロック図である。図において２０はインバータ等
の電力変換器、３０は埋込磁石形永久磁石同期電動機
（ＩＰＭモータ）、１は矩形波状の高周波交流電圧を出
力する発振器、２はｄ_ｃ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊及びｑ_ｃ軸
電圧指令値ｖ_ｑ ^＊を三相の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，
ｖ_ｗ ^＊に変換する座標変換器、３は電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，
ｖ_ｖ ^＊，ｖ _ｗ ^＊をキャリア波形と比較して電力変換器２
０の各相のスイッチング素子に対するＰＷＭ信号（ゲー
ト信号）を生成するＰＷＭ変調器、４は電動機３０の電
機子に流れるｕ相電流ｉ_ｕ，ｗ相電流ｉ_ｗを検出する電
流検出器、５はこれらの電流を図５に示したｄ_ｃ−ｑ_ｃ
直交座標軸上のｄ_ｃ軸電流ｉ_ｄｃに変換する座標変換
器、６はｄ_ｃ軸の角周波数設定値ω_ｃを積分してｄ_ｃ軸
位置θ_ｃを演算する積分器、７はｄ_ｃ軸電流ｉ_ｄｃの振
幅ｉ_ｄｈを検出する高周波検出フィルタ、８はｉ _ｄｈの
最大値を検出する最大値検出器、９はｉ_ｄｈの最小値を
検出する最小値検出器、１０はｄ_ｃ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊
とｉ_ｄｈの最大値ｉ_{ｄｈｍａｘ}とから直軸インダクタン
スＬ_ｄを演算する直軸インダクタンス演算器、１１はｄ
_ｃ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊とｉ_ｄｈの最小値ｉ_{ｄｈｍｉｎ}と
から横軸インダクタンスＬ_ｑを演算する横軸インダクタ
ンス演算器である。

【００１１】以下、本実施形態の動作を説明する。ま
ず、積分器６はｄ_ｃ軸の角周波数設定値ω_ｃを積分して
ｄ_ｃ軸位置θ_ｃを演算し、このｄ_ｃ軸位置θ_ｃは座標変
換器２，５に入力される。また、発振器１は矩形波状の
交流信号を出力する。座標変換器２には、発振器１の出
力信号がｄ_ｃ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊として入力されてお
り、ｑ_ｃ軸電圧指令値ｖ_ｑ ^＊には零が設定されている。

【００１２】座標変換器２は、ｖ_ｄ ^＊，ｖ_ｑ ^＊をｄ_ｃ軸
位置θ_ｃにより三相電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊
に変換する。ＰＷＭ変調器３は、ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ
^＊から電力変換器２０に対するゲート信号を演算し、こ
れにより電動機３０の端子電圧を所望の値に制御する。

【００１３】電流検出器４は、電動機３０のｕ相電流ｉ
_ｕ及びｗ相電流ｉ_ｗを検出し、座標変換器５は、これら
のｉ_ｕ，ｉ_ｗ及びｄ_ｃ軸位置θ_ｃからｄｃ軸電流ｉ_ｄｃ
を演算する。高周波検出フィルタ７はｉ_ｄｃをｖ_ｄ ^＊に
より同期整流して、ｖ_ｄ ^＊と同じ周波数成分の交流電流
ｉ_ｄｈを検出する。図３に示したように、ｉ_ｄｈの最大
値ｉ _{ｄｈｍａｘ}及び最小値ｉ_{ｄｈｍｉｎ}はｄ_ｃ軸位置θ
_ｃを電気角で１８０°以上動かした期間内に必ず存在す
るので、最大値検出器８及び最小値検出器９は、この１
８０°の期間内でｉ_ｄｈの最大値ｉ_{ｄｈｍａｘ}、最小値
ｉ_{ｄｈｍｉｎ}をそれぞれ検出する。

【００１４】直軸インダクタンス演算器１０は、上記最
大値ｉ_{ｄｈｍａｘ}及び後述するＴ_{ｖ ｈ}，Ｖ_ｈを用いて数
式１により直軸インダクタンスＬ_ｄを演算し、横軸イン
ダクタンス演算器１１は上記最小値ｉ_{ｄｈｍｉｎ}及びＴ
_ｖｈ，Ｖ_ｈを用いて数式２により横軸インダクタンスＬ
_ｑを演算する。

【００１５】

【数１】Ｌ_ｄ＝（１／ｉ_{ｄｈｍａｘ}）×（Ｔ_ｖｈ／２）
×（Ｖ_ｈ／２）

【００１６】

【数２】Ｌ_ｑ＝（１／ｉ_{ｄｈｍｉｎ}）×（Ｔ_ｖｈ／２）
×（Ｖ_ｈ／２）

【００１７】なお、数式１，２において、 Ｔ_ｖｈ：発振器１の出力電圧（ｄ_ｃ軸電圧指令値
ｖ_ｄ ^＊）の周期 Ｖ_ｈ：ｖ_ｄ ^＊の振幅（０−peak） ｉ_{ｄｈｍａｘ}：ｉ_ｄｈの最大値（０−peak） ｉ_{ｄｈｍｉｎ}：ｉ_ｄｈの最小値（０−peak） である。

【００１８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、センサレ
ス制御時のように回転子の磁極位置が分からなくても、
回転子に突極性のある埋込磁石構造の永久同期電動機や
リラクタンスモータの直軸インダクタンス及び横軸イン
ダクタンスを自動的に測定することができる。これによ
り、制御装置の調整を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す制御ブロック図であ
る。

【図２】座標軸の定義を説明する図である。

【図３】ｄ_ｃ軸位置とｄ_ｃインダクタンス及びｄ_ｃ軸電
流の関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 発振器 ２，５ 座標変換器 ３ ＰＷＭ変調器 ４ 電流検出器 ６ 積分器 ７ 高周波検出フィルタ ８ 最大値検出器 ９ 最小値検出器 １０ 直軸インダクタンス演算器 １１ 横軸インダクタンス演算器 ２０ 電力変換器 ３０ 埋込磁石形永久磁石同期電動機（ＩＰＭモータ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山嵜 高裕 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 糸魚川 信夫 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB17 DA12 DC12 EB01 TT08 XA02 XA12 XA13 5H576 BB06 DD02 DD07 EE01 EE15 GG04 HB01 JJ22 JJ26 LL22 LL40

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期電動機の電機子電流及び端子電圧を
   ベクトルとしてとらえ、 同期電動機に対する電圧指令値として任意の周波数で回
   転する回転座標軸（以下、ｄ_ｃ軸という）に平行な方向
   の交流電圧を印加する手段と、 前記ｄ_ｃ軸に平行な方向のｄ_ｃ軸電流を検出する手段
   と、 前記ｄ_ｃ軸電流から前記交流電圧と同じ周波数の交流電
   流を検出する手段と、 前記ｄ_ｃ軸が電気角で１８０°以上回転した期間におけ
   る前記交流電流の最大値及び最小値を検出する手段と、 前記交流電圧と前記交流電流の最大値とから直軸インダ
   クタンスを演算する手段と、 前記交流電圧と前記交流電流の最小値とから横軸インダ
   クタンスを演算する手段と、 を備えたことを特徴とする同期電動機の制御装置。