JP2004072906A

JP2004072906A - ベクトル制御インバータ装置

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Publication number: JP2004072906A
Application number: JP2002229124A
Authority: JP
Inventors: Kazunobu Nagai; 永井　一信
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: JP4198415B2

Abstract

【課題】永久磁石モータを振動、騒音を発生させることなく始動できるベクトル制御インバータ装置を提供する。
【解決手段】ｄｉ軸電流により回転子を位置決めした後、ｄｉ軸を角速度ωｓで回転させて回転子を強制回転させる。その後ｄｉ軸角速度を一旦ゼロとしｄｉ軸電流を角速度ωｓでｑｉ軸方向に回転させる。ｄｉ軸誘起電圧推定値Ｅｄがゼロになって時点でＥｄをゼロに保った状態の回転数制御に移る。Ｅｄがゼロになった時点からｄｉ軸電流がゼロになるまでの間、ｑｉ軸電流をＥｄがゼロになった時点の値に維持する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子に永久磁石を有するモータを位置センサレスのベクトル制御により始動、駆動するインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の回転機構を有する家電機器は、回転子に永久磁石を有するモータを採用してこれをインバータ装置で駆動することにより、使い勝手の向上や省エネといった性能の向上が進みつつある。
【０００３】
かかる傾向を踏まえ、インバータ装置には、永久磁石モータの磁束軸方向成分（ｄ軸）とこれに直交するトルク方向成分（ｑ軸）に電流を分離して、独立に制御する所謂ベクトル制御が採用される傾向にある。更には、ｄ軸及びｑ軸電流を基に永久磁石モータの誘起電圧を演算で求めることにより、位置センサレスで駆動する技術の採用も拡がっている。
【０００４】
この従来の位置センサレスのベクトル制御技術を図７ないし図１０を参照して説明する。図７に示す位置センサレスのベクトル制御インバータ装置１は、電流制御回路２、回転子の角速度推定回路３、電流指令角速度指令形成回路４、積分器５を備える。
【０００５】
電流制御回路２は、加算器２１ａ、２１ｂ、比例積分器２２ａ、２２ｂ、座標変換器２３、ＰＷＭ形成器２４、ＰＷＭインバータ回路２５、電流検出回路２６を備える。電流検出回路２６は、電流検出器２６ａ、２６ｂ、３相／２相変換器２６ｃ、ベクトル回転器２６ｄにより構成される。角速度推定回路３は、誘起電圧推定回路３１及び比例積分器３２により構成される。
【０００６】
ＰＷＭインバータ回路２５と永久磁石モータ６との間に接続された電流検出器２６ａ、２６ｂにより検出された３相電流、Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（ＩｗはＩｕ、Ｉｖより計算される）は、３相／２相変換器２６ｃによりこれと等価な２相電流Ｉα、Ｉβに変換される。変換された２相電流Ｉα、Ｉβは、ベクトル回転器２６ｄにより更に変換されてｄ軸、ｑ軸成分の電流Ｉｄ、Ｉｑが求められる。この変換演算の際、後述する回転位置推定値θが用いられる。ここでｄ軸、ｑ軸は、回転子の永久磁石が作る磁束方向をｄ軸、これと直交する方向をｑ軸とする回転座標軸である。
【０００７】
電流Ｉｄ、Ｉｑは、加算器２１ａ、２２ｂにて、それぞれの電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒとの偏差ΔＩｄ、ΔＩｑが求められ、比例積分器２２ａ、２２ｂを介することで出力電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑが得られる。出力電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑは、座標変換器２３にて固定２軸座標系の値に変換され、これを基にＰＷＭ形成器２４にて３相のパルス幅変調信号が形成される。この座標変換器２３における変換演算にも後述する回転位置推定値θが用いられる。パルス幅変調信号は、ＰＷＭインバータ回路２５に与えられモータ６の電機子に電圧が印加される。このようにして電流制御回路２により、モータ６に対して給電が行なわれるが、その電流は電流指令値Ｉｄｒ及びＩｑｒに依存する。
【０００８】
ベクトル回転器２６ｄ及び座標変換器２３における演算に必要な回転子の回転位置は、モータ６に取り付けたエンコーダなどの回転センサで検出する方法もあるが、近年では、例えば図７の構成のようにモータ電流Ｉｄ、Ｉｑ等から推定する位置センサレス方式が採用される。
【０００９】
誘起電圧推定回路３１には、電流Ｉｄ、Ｉｑ、及びｄ軸の出力電圧指令値Ｖｄ、回転子の角速度推定値ωが入力されている。更に、誘起電圧推定回路３１には、モータ６の回路定数である電機子コイルのインダクタンスＬｄ、Ｌｑ、抵抗Ｒが記憶されている。
【００１０】
誘起電圧推定回路３１は、これらの入力値と回路定数を用いて、永久磁石の作る磁束によって電機子コイル内に発生する誘起電圧のｄ軸方向推定値（インバータ装置１が認識しているｄ軸方向の成分）Ｅｄを次式で計算する。
Ｅｄ＝Ｖｄ−Ｒ・Ｉｄ−Ｌｄ・ｐ・Ｉｄ＋ω・Ｌｑ・Ｉｑ　　　（１）式
ここで、ｐは微分演算子である。
【００１１】
求められた誘起電圧推定値Ｅｄは、比例積分器３２に入力され次式で計算される値が、角速度推定値ωとして出力される。
ω　＝−Ｇ１・Ｅｄ　−Ｇ２・∫Ｅｄ・ｄｔ　　　　　　　　　　　（２）式
ここでＧ１、Ｇ２は、ゲイン定数である。
求められた角速度推定値ωは、電流指令角速度指令形成回路４に入力される。
【００１２】
定常運転時には、積分器５への角速度指令値ωｒとして角速度推定値ωがそのまま出力される。積分器５は角速度推定値ωを次の（３）式に従って積分し、回転子の回転位置推定値θが出力される。
θ＝∫ωｒ　・ｄｔ　＝∫ω　・ｄｔ　　　　　　　　　　　　　　　（３）式
求められた回転位置推定値θは、ベクトル回転器２６ｄ、座標変換器２３での演算に使用される。
【００１３】
（１）式で計算される誘起電圧推定値Ｅｄを基に、比例積分器３２が（２）式に従った調節動作を行なうことで、誘起電圧推定値Ｅｄは短時間で“ゼロ　”に収束する。ｄ軸誘起電圧推定値Ｅｄがゼロに収束した時点では、インバータ装置１が認識（推定）したｄ軸は、永久磁石の作る磁束方向と一致し、回転位置推定値θは、モータ６の実際の回転子位置に等しく、角速度推定値ωは回転子の実際の角速度に等しくなる。このようにして位置センサを用いることなく回転子の回転位置と角速度が検出される。
【００１４】
電流指令角速度指令形成回路４は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒ及びｑ軸電流指令値Ｉｑｒをも出力する。ｄ軸電流Ｉｄはモータ６のトルク発生に寄与しない成分であることから、その指令値Ｉｄｒとしては通常は“ゼロ　”値が出力される。ｄ軸の電流指令値Ｉｄｒと検出値Ｉｄは、加算器２１ａにてその偏差ΔＩｄが計算される。比例積分器２２ａが偏差ΔＩｄを“ゼロ　”に収束させる調節作用を行なうことにより、電流Ｉｄはその指令値Ｉｄｒに等しくなる。
【００１５】
一方、電流Ｉｑはモータ６のトルク発生に寄与する成分であり、その指令値Ｉｑｒは希望する負荷の運転状態に応じた値が電流指令角速度形成回路４で形成され、出力される。ｑ軸の電流指令値Ｉｑｒと検出値Ｉｑは、加算器２１ｂにてその偏差ΔＩｑが計算される。比例積分器２２ｂが偏差ΔＩｑを“ゼロ　”に収束させる調節作用を行なうことにより、電流Ｉｑはその指令値Ｉｑｒに等しくなる。
【００１６】
ＰＷＭインバータ回路２５を除く、以上の演算処理は、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などの演算器により周期的に処理される。演算は、例えば、３相／２相変換器２６ｃ、ベクトル回転器２６ｄ、誘起電圧推定回路３１、比例積分器３２、電流指令角速度指令形成回路４、積分器５、加算器２１ａ及び２１ｂ、比例積分器２２ａ、２２ｂ、座標変換器２３、ＰＷＭ形成器２４の順番で実行される。
こうして、モータ６の電流Ｉｄ、Ｉｑは、位置センサを使用することなく、指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒに一致するようにベクトル制御インバータ装置１により制御される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
次に図７のベクトル制御インバータ装置１により、モータ６を始動させる時の従来の始動方法を説明する。そして、その説明の中で従来の始動方法の問題点、ひいては本発明が解決しようとする課題を明らかにする。
【００１８】
図８に、始動開始から定常運転段階に至るまでの電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒ、及び積分器５への角速度指令値ωｒの切り換えの状態を段階を追ってフローで示す。
【００１９】
図９には、各段階におけるモータ６の電流及び磁束のベクトル図を、図１０には電流、角速度の変化をタイムチャートで示す。なお、図１０の最上段のカーブ（Ａ）は、始動時におけるモータ６の理想的な角速度ωｘの推移を示している。また図８（及び後述の図２、図５）では、ステップを“Ｓ　”で表している。
【００２０】
始動開始後は、最初に（１）位置決め段階を行なう。この段階では図８のステップＳ３１に示すように、電流指令値Ｉｑｒと角速度指令値ωｒをゼロとし、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒをゼロから短時間で所定値Ｉｄｓに増加させる。ここで電流Ｉｄｓの値は、負荷の摩擦トルクに抗してモータ６の回転子をインバータ装置１が想定したｄ軸方向に位置決めするのに十分なトルクを発生させる値に設定してある。これにより、永久磁石が作る磁束方向と電機子電流が作る磁束方向とはほぼ一致した状態となる。
【００２１】
図９の（１）は、このように位置決めされた状態における電流ベクトルｉ、永久磁石の磁束ベクトルφと各軸との関係を示している。図９（及び後述の図３）のベクトル図においては、インバータ装置１が想定しているｄ軸、ｑ軸をそれぞれｄｉ、ｑｉで、回転子の永久磁石の作る磁束方向から決まる実際のｄ軸、ｑ軸をそれぞれｄｍ、ｑｍで表している。
【００２２】
この（１）の位置決めが完了した状態では、電流ベクトルｉと永久磁石の磁束ベクトルφの方向は一致し、ｄｍ軸とｄｉ軸もほぼ一致した状態となる。電流ベクトルｉと磁束ベクトルφの位相が一致しているため、回転トルクは発生しない。回転位置推定値θは、角速度指令値ωｒがゼロであるため一定値のままである。従って、ｄｉ軸、ｑｉ軸、ｄｍ軸、ｑｍ軸、及び電機子電流ベクトルｉは、いずれも固定座標側から見て静止状態にある。図１０の（１）は、この段階における電流、角速度の経時変化を示している。なおこの図１０（及び後述の図４、６）中の角速度ωｍは回転子の実際の角速度を、ωｉは電流ベクトルｉの角速度を表している。
【００２３】
ステップＳ３１の位置決め終了の後、ステップＳ３２の（２）強制回転段階に移る。この段階では、角速度指令値ωｒをゼロから所定値ωｓに漸増させる。角速度指令値ωｒを積分した回転位置指令値θ（この段階ではモータ６の角速度はオープンループで制御されているのでθは推定値ではなく指令値）が増加を始めることにより、ｄｉ−ｑｉ軸が角速度ωｒで回転を始める。これにより、図９の（２）のベクトル図に示すようにｄｉ−ｑｉ軸とｄｍ−ｑｍ軸は分離し、位相差が生ずる。電流ベクトルｉもｄｉ軸方向を向いた状態で角速度ωｒで回転を始めるので、電流ベクトルｉと永久磁石の磁束ベクトルφとの間に位相差が生ずる。回転子に働くトルクＴは、電流ベクトルｉと磁束ベクトルφとの外積で計算される値である。従って、位相差の発生により回転トルクＴが発生し、回転子が電流ベクトルｉに追随するように回転を始める。電流ベクトルｉと磁束ベクトルφとの位相差は、発生するトルクＴと負荷トルクに応じて決まる。なお、図９（及び後述の図３）中のｖｍは、永久磁石が回転することにより電機子コイル内に誘起される誘起電圧ベクトルを示している。図１０の（２）強制回転段階は、この段階における電流、角速度の経時変化を示している。
【００２４】
角速度指令値ωｒが所定値ωｓに達した時点で、ステップＳ３３の（３）電流切換段階に移る。この（３）電流切換段階では、角速度指令値ωｒを所定値ωｓに維持したまま、電流指令値ＩｄｒをＩｄｓからゼロへ、ＩｑｒをゼロからＩｑｓへ次の式に従って角速度λで変化させる。即ち、電流ＩｄとＩｑの切換を行なう。
Ｉｄｒ＝Ｉｄｓ・ｃｏｓ（λ・ｔ）　　　　　　　　　　　（４）式
Ｉｑｒ＝Ｉｑｓ・ｓｉｎ（λ・ｔ）　　　　　　　　　　　（５）式
ここにλが定数であり、ｔ　は（３）電流切換段階の開始からの経過時間である。
【００２５】
電流指令値ＩｄｒとＩｑｒとが上式により変化を始めるため、電流ベクトルｉの角速度は、（３）電流切換段階に移った瞬間にそれまでの角速度指令値ωｒに電流の切換角速度λが加わった（ωｓ＋λ）に切り換わる。切り換わり直後の回転子には、絶対値がＩｄである電流ベクトルｉと磁束ベクトルφとで決まる十分大きな回転トルクＴが働いているため、回転子の角速度ωｍは電流ベクトルｉに追随して角速度（ωｓ＋λ）に急激に変化する。つまり、図１０の（３）の（ア）の部分に示すように、切り換わりのタイミングで回転子に不連続な角速度変化が生ずる。この不連続な角速度変化は、モータ６に振動や騒音を発生させる原因となる。
【００２６】
電流ベクトルｉと磁束ベクトルφの位相差は、新たな角速度（ωｓ＋λ）に対応した負荷トルクと発生トルクＴとが等しくなる角度まで広がり、その位相差を維持しつつ共に角速度（ωｓ＋λ）で回転する。他方、ｄｉ−ｑｉ軸の角速度はωｓに維持されているので、角速度（ωｓ＋λ）で回転するｄｍ−ｑｍ座標上から見ると、ｄｉ−ｑｉ軸は角速度λで位相が遅れ続ける。そして遂にはｑｉ軸と電流ベクトルｉとが一致するに至る。この（３）電流切換段階、及びその終了状態におけるベクトル図を図９の（２−３）と（３）に、電流、角速度等の変化の様子を図１０の（３）に示す。なお、この終了状態における電流ベクトルｉの絶対値である電流Ｉｑｓも、モータ６を加速するに十分なトルクを発生し得る値に設定されている。
【００２７】
ステップＳ３３が終了すると次にステップＳ３４の（４）角速度切換段階に移る。この（４）角速度切換段階からセンサレスによる回転子の角速度及び回転位置の検出演算が機能し始め、推定（検出）した回転子位置（検出したｄｍ−ｑｍ軸）に基づいて電流のベクトル制御が開始される。角速度指令値ωｒとしては、角速度推定回路３で推定した角速度推定値ωがそのまま出力される。即ち、角速度指令値ωｒはこの段階から角速度推定（検出）値ωと等しくなる。電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒの値は、それぞれ前段階終了時の値であるゼロとＩｑｓに維持される。
【００２８】
電流の切り換わりが完了したことにより　λ＝０　となり、電流ベクトルｉの角速度ωｉは瞬間的にλだけ減少する。それと同時に　ωｒ＝ω　としたことにより、「従来の技術」の項で説明したセンサレスによる角速度及び回転位置の検出演算が機能し始め、角速度指令値ωｒは、回転子の角速度ωｍに収束しようとする。
【００２９】
回転子の角速度ωｍは、電流ベクトルｉの角速度ωｉがλだけ減少したことにより低下方向に向かうが、回転子は慣性を有するため、角速度ωｍは急激には低下しない。従って、インバータ１は、回転子の角速度ωｍが（ωｓ＋λ）より僅かに低下した段階で、ｄ軸誘起電圧推定値Ｅｄがゼロになるように角速度推定値ωの調整を開始する（即ち、角速度指令値ωｒが実際の回転子角速度ωｍに収束し始める）。
【００３０】
角速度指令値ωｒが回転子角速度ωｍに収束するということは、ｄｉ−ｑｉ軸がｄｍ−ｑｍ軸に一致することであり、ｑｉ成分のみの電流ベクトルｉは、ｑｍ軸と一致する。これにより電流ベクトルｉと磁束ベクトルの位相差はπ／２に広がる。位相差が広がることにより回転子に働くトルクＴの値は、ωｒのωｍへの収束と同時に急に増加する。
この回転トルクＴの急激な増加と、それに伴う回転子角速度ωｍの急激な上昇は、モータ６に振動や騒音を発生させる原因となる（図１０の（イ）の部分の状態）。角速度指令値ωが回転子角速度ωｍに収束途中のベクトル図を図９の（３−４）に、収束した状態のベクトル図を図９の（４）に示す。
【００３１】
角速度指令値ωｒが回転子の実際の角速度ωｍに収束した後以降、回転子にはｑｉ軸方向に流れる絶対値Ｉｄｓの電流ベクトルｉとｑｍ軸方向の磁束ベクトルφの外積で決まるトルクＴが継続して働く。この発生トルクＴは位相差がπ／２であるので、（３）電流切換段階におけるトルクＴより大である。回転子は加速され、負荷トルクと一致するまで角速度ωｍが上昇を続ける。この（４）加速度切換段階における各角速度と電流値の変化の様子を図１０の（４）に示す。
【００３２】
角速度が定常状態に達すると次にステップＳ３５の（５）定常運転段階に移る。この段階では、角速度推定値ωに等しい角速度指令値ωｒが、外部から与えられる角速度目標値ωｃ（図示しない）に一致するような回転数制御が行なわれる。電流指令角速度指令形成回路４にて、例えば次のような比例積分演算によりｑ軸電流指令値Ｉｑｒを出力する。
Ｉｑｒ＝　Ｇ３・（ωｃ−ω）＋Ｇ４・∫（ωｃ−ω）・ｄｔ　　　　（６）式
ここにＧ３、Ｇ４は定数である。電流指令値Ｉｄｒは、トルク発生に寄与しないことから例えばゼロ出力が継続される。この（５）定常運転段階における各角速度と電流の変化の様子を図１０の（５）に示す。
【００３３】
以上、説明したように従来の始動方法では、図１０の（ア）、（イ）に示す部分において、回転子の実際の角速度ωｍに急激な変化が生じ、これがモータ６に振動、騒音を発生させる原因になっている。
【００３４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、その目的は、回転子の実際の角速度の急激な変化を抑制して、振動や騒音を発生させることなくモータを始動させることができるベクトル制御インバータ装置を提供することにある。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータの電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロとする演算により推定した磁束軸（ｄｉ軸）方向成分とこれに直交するトルク軸（ｑｉ軸）方向成分とに分離してそれぞれ独立に制御するベクトル制御インバータ装置であって、前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをｄｉ軸方向に固定したままｄｉ軸と共に角速度ωｓで回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、ｄｉ軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは角速度ωｓでｑｉ軸方向に回転させる電流切換段階と、を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするものである。
【００３６】
このような構成にしたことにより、強制回転段階からｄｉ軸電流、ｑｉ軸電流の電流切換段階に移る瞬間における回転子角速度ωｍの急激な変化が抑えられ、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【００３７】
請求項２に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置であって、前記電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロに保った状態の回転数制御に移ることを特徴とするものである。
【００３８】
このような構成にしたことにより、請求項１についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における電流ベクトルｉの角速度ωｉの連続性が保たれるために、回転子の角速度ωｍに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【００３９】
請求項３に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置であって、前記電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロに保った状態の回転数制御に移行すると共にｑｉ軸電流は、該移行時の電流値をｄｉ軸電流がゼロになるまで維持することを特徴とするものである。
【００４０】
このような構成にしたことにより、請求項２についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における回転子に働くトルクの連続性が保たれるために、回転子の角速度ωｍに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【００４１】
請求項４に記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータの電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロとする演算により推定した磁束軸（ｄｉ軸）方向成分とこれに直交するトルク軸（ｑｉ軸）方向とに分離してそれぞれ独立に制御するベクトル制御インバータ装置であって、前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをｄｉ軸方向に固定したままｄｉ軸と共に外部角速度指令値ωａに従って回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、ｄｉ軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは前記外部角速度指令値ωａに従ってｑｉ軸方向に回転させる電流切換段階と、を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするものである。
【００４２】
このような構成にしたことにより、外部角速度指令値ωａに従って回転数を上昇させることができることに加え、強制回転段階からｄｉ軸電流、ｑｉ軸電流の電流切換段階に移る瞬間における回転子角速度ωｍの急激な変化が抑えられ、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【００４３】
請求項５に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項４に記載のベクトル制御インバータ装置であって、請求項４に記載の電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロに保った状態の回転数制御に移ることを特徴とするものである。
【００４４】
このような構成にしたことにより請求項４についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における電流ベクトルｉの角速度ωｉの連続性が保たれるために回転子の角速度ωｍに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【００４５】
請求項６に記載のベクトル制御インバータ装置は、請求項４に記載のベクトル制御インバータ装置であって、請求項４に記載の電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロに保った状態の回転数制御に移行すると共に、移行後はｑｉ軸電流を、回転子角速度ωｍが前記外部角速度指令値ωａに一致するように調整することを特徴とするものである。
【００４６】
このような構成にしたことにより請求項４についての効果に加え、回転子角速度制御をオープンループ制御からクローズドループ制御に切り換える瞬間における回転子に働くトルクの連続性が保たれるために回転子の角速度ωｍに急激な変化が生ぜず、モータの振動、騒音の発生が抑えられる効果がある。
【００４７】
請求項７に記載のベクトル制御インバータ装置は、永久磁石が設けられた回転子の位置を推定する回転子位置推定手段と、永久磁石モータの巻線に流す電流ベクトルを、前記回転子位置推定手段により推定された回転子の位置に基づく前記永久磁石の磁束軸方向成分とこれに直交するトルク軸方向成分とに分離してそれぞれ独立に制御する手段とを備えるベクトル制御インバータ装置において、前記トルク軸方向成分がゼロであって回転速度がゼロから所定値まで時間とともに増加する電流ベクトルに対応する電流を前記巻線に通電させる手段と、前記トルク軸方向成分が時間とともにゼロから増加し、前記磁束軸方向成分が時間とともにゼロへと減少し、かつ、回転速度が前記所定値で維持される電流ベクトルに対応する電流を前記巻線に通電させる手段と、前記磁束軸方向成分がゼロになった後は、前記永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値に基づいた角速度で前記回転子を回転させる手段とを備えることを特徴とするものである。
【００４８】
このような構成にしたことにより、回転子の角速度および回転子に働く回転トルクの急激な変換が抑制されるため、モータに振動、騒音を発生させることなくスムーズに始動させることができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。なお、本実施形態は、「従来の技術」及び「発明が解決しようとする課題」の項で詳しく説明した従来の実施形態と同一又は類似する部分が多いので、重複する部分の説明は省略し、相違する部分のみを詳しく説明する。また以下の図においては、従来技術と同一又は相当する部分には同一符号が付してある。
【００５０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のインバータ装置の電気的構成図、図２は、始動開始から定常運転段階に至るまでの電流指令値、角速度指令値等の切り換え状態を示すフロー図、図３は、各段階における電気諸量のベクトル図、図４は、電流、角速度等のタイムチャートである。
【００５１】
図１に示すインバータ装置の電気的構成は、従来技術を示した図７と殆ど同じである。構成面で異なるのは、誘起電圧推定回路３１の演算結果であるｄ軸誘起電圧推定値Ｅｄが、電流指令角速度指令形成回路４に追加入力されている点だけである。電流指令角速度指令形成回路４以外の各構成回路、変換器等の動作は、「従来の技術」の項で説明した内容と同一であるので、それらについては説明を繰り返さない。電流指令加速指令形成回路４の動作については、図２のフローに従った起動シーケンスの説明の中で明らかにする。
【００５２】
始動開始により、最初に図２に示すステップＳ１の（１）位置決め段階を行なう。この段階の動作は、従来技術の図８のステップＳ３１の（１）位置決め段階と同じである。回転子は永久磁石の作る磁束ベクトルφが、インバータ装置１の想定（認識）するｄ軸であるｄｉ軸方向に位置決めされる。位置決めされた状態のベクトル図を図３の（１）に、この段階の電流指令値等の経時変化を図４の（１）に示す。なお電流Ｉｄｓの値は、モータ６を加速するのに十分なトルクを発生させる値に設定されている。
【００５３】
続いてステップＳ２の（２）強制回転段階に移る。この段階の動作も、従来技術を表す図８のステップＳ３２の（２）強制回転段階の動作と同じである。この段階のベクトル図を図３の（２）に、電流指令値等の経時変化を図４の（２）に示す。この段階の終了時点では、積分器５の入力である角速度指令値ωｒと、モータ６の実際の角速度ωｍは、共に所定値ωｓに等しくなっている。即ち、電機子電流ベクトルｉは、その絶対値がＩｄｓでｄｉ軸方向を向き、角速度ωｓで回転している。回転子の磁束ベクトルφは、ｄｍ軸方向を向き、電流ベクトルｉから一定の位相遅れで同じく角速度ωｓで回転している。電流ベクトルｉと磁束ベクトルφとの位相差は、発生トルクＴ（電流ベクトルｉと磁束ベクトルφとの外積）と負荷トルクとが等しくなる条件で決まる。図３のベクトル図におけるベクトルｖｍは、磁束ベクトルφの回転により電機子コイル内に発生する誘起電圧ベクトルを示しており、その方向は常にｑｍ軸と一致しており、絶対値は回転子の実際の角速度ωｍに比例している。
【００５４】
ステップＳ２が終了すると次に電流切換段階に移行する。この電流切換段階は、ステップＳ３の（３ａ）電流切換段階、ステップＳ４の（３ｂ）電流切換段階、ステップＳ５の（３ｃ）電流切換段階の３ステップ、３段階で構成される。この段階では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒの値をＩｄｓからゼロへ、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒの値は逆に、ゼロからＩｑｓに向け増加させる。即ち、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑの切り換えが行なわれる。
【００５５】
ステップＳ３の（３ａ）電流切換段階の開始と共に、次の計算式に従ってｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄｒ、Ｉｑｒが、電流指令角速度指令形成回路４から出力される。
Ｉｄｒ＝Ｉｄｓ・ｃｏｓ（ωｓ・ｔ）　　　　　　　　　　　（７）式
Ｉｑｒ＝Ｉｑｓ・ｓｉｎ（ωｓ・ｔ）　　　　　　　　　　　　（８）式
ここでωｓは、（３ａ）電流切換段階に移る直前の角速度指令値ωｒの値、ｔ　は（３ａ）電流切換段階の開始からの経過時間である。これらの式が、従来技術のステップＳ３３の（３）電流切換段階における電流指令値の計算式（４）、（５）式と異なるのは、計算式中の角速度λがωｓに置き換わっている点である。
【００５６】
他方、角速度指令値ωｒの値については、従来技術ではωｓに維持されたのに対し、本実施形態ではゼロが出力される。角速度指令値ωｒがゼロであるので、ｄｉ−ｑｉ軸の回転は停止する。しかし、各軸の電流指令値は（７）、（８）式に従って出力されるため、電流ベクトルｉは角速度ωｓにて回転する。即ち、（３ａ）電流切換段階では、電流ベクトルｉの角速度ωｉは切換直前の角速度ωｓに維持される。従って回転子もこれに追随する形で切換直前の角速度ωｓで回転することになる。この状態におけるベクトル図を図３の（３ａ）に、角速度等の推移を図４の（３ａ）に示す。従来技術の図１０の（ア）の部分が図４の（ア）の部分に相当し、本実施形態の場合には、回転子の角速度ωｍに急激な変化は生じない。従って、従来技術で問題であったこの切り換え時における振動や騒音の発生が、本実施例では解消されている。
【００５７】
この（３ａ）電流切換段階では、同時にｄ軸誘起電圧推定値Ｅｄの値が電流指令角速度指令形成回路４にて監視される。ｑｍ軸と一致する誘起電圧ベクトルｖｍは、ｄｍ−ｑｍ軸と共に角速度ωｓで回転を続け、一方ｄｉ−ｑｉ軸は停止している。従って、誘起電圧ベクトルｖｍのｄｉ軸方向成分の推定値Ｅｄの値は、次第に減少して遂にはゼロになる。
【００５８】
このＥｄの値がゼロになった段階がステップＳ４の（３ｂ）電流切換段階である。この状態におけるベクトル図を図３の（３ｂ）に、電流指令値等の状態を図４の（３ｂ）に示す。この段階に達した時点のｑ軸電流指令値の値は、Ｉｑｋとして記憶される。
【００５９】
続いてステップＳ５の（３ｃ）電流切換段階に移る。この段階では、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、引き続き（７）式に従って減少し続ける。一方、ｑ軸電流指令値は、先に記憶されたＩｑｋの値に維持される。
またこの（３ｃ）電流切換段階の開始と同時に、角速度指令値ωｒとしては、角速度推定回路３で推定された角速度推定値ωがそのまま出力される。即ち、この段階から回転子の角速度ωｍの推定演算が機能し始める。（３ｃ）電流切換段階に移った瞬間には、回転子は角速度ωｓで回転しているので、角速度推定値ωの値は推定演算によりωｓに収束し、その値ωｓが角速度指令値ωｒとして出力される。これ以降、角速度指令値ωｒとしては、回転子角速度ωｍの推定値ω（ωｍに殆ど等しい）が出力されるので、ｄｉ−ｑｉ軸はｄｍ−ｑｍ軸と殆ど一致した状態で回転を続ける。この状態のベクトル図を図３の（３ｃ）に示す。
【００６０】
発生トルクＴは、磁束ベクトルφと電流ベクトルｉとの外積、即ち、磁束ベクトルφと電流ベクトルｉのｑｍ軸成分との積に比例する。ここにｑｉ軸電流指令値Ｉｑｒは一定値Ｉｑｋに維持されており、ｑｉ軸とｄｍ軸とは殆ど一致しているので、発生するトルクＴは（３ｃ）電流切換段階を通じて一定値に維持される。従って回転子の角速度ωｍは、この段階中、一定値ωｓのまま推移する。以上のような推移を図４の（３ｃ）に示す。
【００６１】
従来技術を示す図１０の（３）電流切換段階から（４）加速度切換段階への切換は、図９の（３）のベクトル図に示すように、ｄｉ−ｑｉ軸とｄｍ−ｑｍ軸とが一致していない状態で、角速度指令値ωｒが推定値ωに切り換えられた。このため角速度推定演算の結果、ｄｉ−ｑｉ軸のｄｍ−ｑｍ軸方向への急速回転、それに伴う電流ベクトルｉのｑｍ軸方向への急速回転が生じて、図１０の（イ）の部分に示すような電流ベクトルｉ及び回転子角速度ωｍの急激な変化が生じた。
【００６２】
これに対して本実施形態の場合は、図３の（３ｂ）に示すようにｄｉ−ｑｉ軸とｄｍ−ｑｍ軸とが一致した状態で、角速度指令値ωｒの推定値ωへの切り換えが行なわれる。従って、図（４）の（イ）の部分に示すように電流ベクトルｉ及び回転子角速度ωｍに変化が生じず、この切り換え部分で振動、騒音等が発生することはない。
【００６３】
ステップＳ５におけるｄ軸電流指令値Ｉｄｒがゼロになった時点で、次のステップＳ６の（４）定常運転段階に移る。この段階の動作は、従来技術の図８のステップＳ３５の（５）定常運転段階の動作と同じである。角速度推定値ωに等しい角速度指令値ωｒが、外部から与えられる角速度目標値ωｃ（図示しない）に一致するような回転数制御を行なう。電流指令角速度指令形成手段４にて、例えば前述の（６）式に従って、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒを出力する。この（４）定常運転段階における各角速度と電流の変化の様子を図４の（４）に示す。
【００６４】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、従来技術の図１０の（ア）、（イ）の部分で見られた電流ベクトルｉと回転子角速度ωｍの急激な変化が、図４の（ア）、（イ）の部分に示すように無くなるので、この部分でのモータの振動や騒音の発生が解消される。
【００６５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、始動から定常運転段階の角速度ωｃに到達するまでの間は、電流指令角速度指令形成回路４が想定する理想角速度曲線に沿ってモータ６の回転速度を上昇させた。従って第１の実施形態は、定常時角速度ωｃが外部よりステップ状に与えられる場合に都合のよい実施形態であった。これに対して第２の実施形態は、起動時の角速度曲線が外部から与えられ、その角速度指令値ωａが、ゼロからスタートし緩やかな曲線を描いて定常時角速度に到達する場合に都合のよい始動方法である。
【００６６】
この第２の実施形態の動作は、第１の実施形態に類似する部分が多い。従って、同一動作部分はその旨を記載するのみで重複説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第２の実施形態の始動のフロー図を図５に、電流指令値等の経時変化を図６に示す。インバータ装置の電気的構成、及びベクトル図は第１の実施形態の場合の図１、及び図３と同じである。
【００６７】
始動開始と共に図５のステップＳ２１の（１）位置決め段階を実行する。この段階は、第１の実施形態の場合の動作と同じである。電流指令値等の推移を図６の（１）に、回転子が位置決めされた状態のベクトル図を図３の（１）に示す。
【００６８】
位置決め完了でステップＳ２２の（２）強制回転段階に移る。この段階より、外部からの角速度指令値ωａが電流指令角速度指令形成回路４に与えられる（図示しない）。図６の（Ａ）には、その外部角速度指令値ωａの曲線の一例を示す。第１の実施形態では、角速度指令値ωｒがゼロから所定値ωｓまで、電流指令角速度指令形成回路４で作り出された勾配に従って増加したが、本実施形態では外部からの角速度指令値ωａの曲線に従って所定値ωｓまで上昇させる。この段階のベクトル図を図３の（２）に、角速度指令値等の推移を図６の（２）に示す。
【００６９】
外部角速度指令値ωａが所定値ωｓに達した時点でステップＳ２３の（３ａ）電流切換段階に移る。この段階の動作は、第１の実施形態のステップＳ３と殆ど同じであるが、電流指令値が次式のように角速度ωａで切り換えられる点が第１の実施形態の（７）、（８）式と異なる。
Ｉｄｒ＝Ｉｄｓ・ｃｏｓ（ωａ・ｔ）　　　　　　　　　　　（９）式
Ｉｑｒ＝Ｉｑｓ・ｓｉｎ（ωａ・ｔ）　　　　　　　　　　（１０）式
この段階におけるベクトル図を図３の（３ａ）に、角速度等の推移を図６の（３ａ）に示す。
【００７０】
角速度指令値ωｒの値としては、第１の実施形態と同様にゼロが出力されるので、電流ベクトルｉは角速度ωａで回転することになる。（３ａ）電流切換段階に移る直前の回転子の実際の角速度ωｍはωｓであったので、切り換わりの瞬間である図６の（ア）の部分で電流ベクトルｉ及び回転子の角速度ωｍに変化が生じない。従って、この部分で振動や騒音が発生することはない。
【００７１】
（３ａ）電流切換段階では、第１の実施形態の場合と同様にｄ軸誘起電圧推定値Ｅｄの監視が行なわれる。そしてＥｄの値がゼロになった時点でステップＳ２４の（３ｂ）電流切換段階に移る。この状態が第１の実施形態と異なるのは、回転子の角速度ωｍが第１の実施形態ではωｓであったの対し、本実施形態の場合にはその時点の外部角速度指令値ωａに等しくなっている点である。この段階のベクトル図を図３の（３ｂ）に、角速度等を図６の（３ｂ）に示す。
【００７２】
続いてステップＳ２５の（３ｃ）電流切換段階に移る。この段階より第１の実施形態と同様に、角速度指令値ωｒとして回転子の角速度ωｍを推定したωの値がそのまま出力される。即ち、角速度推定演算が機能し始める。ｄ軸電流指令値Ｉｄｒは、引き続き（９）式に従いゼロに向け減少を続ける。
【００７３】
ｑ軸電流指令値Ｉｑｒとしては、角速度推定値ωに等しい角速度指令値ωｒが、外部角速度指令値ωａに一致するように、電流指令角速度指令形成回路４にて、例えば次のような比例積分演算した値が出力される。
Ｉｑｒ＝　Ｇ５・（ωａ−ω）＋Ｇ６・∫（ωａ−ω）・ｄｔ　　　（１１）式
ここにＧ５、Ｇ６は定数である。但し、（３ｂ）電流切換段階の前後で電流指令値Ｉｑｒの値に変化がないように、即ち、（３ｃ）電流切換段階に移った直後のＩｑｒの値が（３ｂ）電流切換段階におけるＩｑｒの値に等しくなるように（１１）式の第２項の積分値の初期値を設定する。図５のステップＳ２５、Ｓ２６中のｆ（ωａ，ω）は、（１１）式の右辺の式を意味している。このように電流指令値Ｉｑｒが出力されることにより、回転子の実際の角速度ωｍは、外部から与えられる角速度指令値ωａに一致するように回転数制御される。
【００７４】
この（３ｃ）電流切換段階におけるベクトル図を図３の（３ｃ）に、電流指令値等の推移を図６の（３ｃ）に示す。従来技術の図４の（イ）の部分に相当する本実施形態の図６の（イ）部分においては、第１の実施形態の場合と同様に電流ベクトルｉ、回転子の角速度ωｍに変化が生じない。従って、この切り換え部分で振動、騒音が発生することはない。
【００７５】
電流指令値Ｉｄｒが減少を続け、その値がゼロになった段階がステップＳ２６の（３ｄ）電流切換段階であり、この段階のベクトル図を図３の（４）に、角速度等を図６の（３ｄ）に示す。
【００７６】
続いてステップＳ２７の（４）定常運転段階に移る。この段階ではｄ軸電流指令値Ｉｄは、ｄ軸電流がトルク発生に寄与しないことから、通常はゼロ値が出力される。他方、ｑ軸電流は、引き続き（１１）式に従って制御される。これにより回転子の角速度ωｍは、外部角速度指令値ωａに一致するように回転数制御される。
【００７７】
以上の説明から明らかなように、本第２の実施形態によれば、従来技術の図１０の（ア）、（イ）の部分で見られた電流ベクトルｉと回転子角速度ωｍの急激な変化が、図６の（ア）、（イ）の部分に示すように無くなるので、この部分でのモータの振動や騒音の発生が解消される効果がある。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、モータが停止状態から定常運転状態に至るまので始動段階において、回転子に働くトルクの急激な変動が抑制される。従って、回転子角速度に急激な変化も生じないため、振動、騒音の少ないスムーズなモータの始動を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のベクトル制御インバータ装置の一実施形態を示す電気的構成図である。
【図２】第１の実施形態の始動シーケンスを示すフロー図である。
【図３】第１の実施形態の始動の各段階における電気諸量のベクトル図である。
【図４】第１の実施形態の始動の各段階における電流指令値等の推移を示すタイムチャートである。
【図５】第２の実施形態についての図２相当図である。
【図６】第２の実施形態についての図４相当図である。
【図７】従来技術を示す図１相当図である。
【図８】従来技術を示す図２相当図である。
【図９】従来技術を示す図３相当図である。
【図１０】従来技術を示す図４相当図である。
【符号の説明】
図中、１はベクトル制御インバータ装置、２は電流制御回路、３は角速度推定回路、４は電流指令角速度指令形成回路、５は積分器、６は永久磁石モータ、３１は誘起電圧推定回路、ｄｉは推定した磁束軸、ｑｉは推定したトルク軸、Ｉｄはｄｉ軸電流、Ｉｑはｑｉ軸電流、Ｉｄｒはｄｉ軸電流指令値、Ｉｑｒはｑｉ軸電流指令値、Ｅｄは誘起電圧の磁束軸（ｄｉ軸）方向成分推定値、ωは回転子の角速度推定値、ωｓは所定の角速度、ωｒは角速度指令値、ωａは外部角速度指令値、ωｍは回転子の実際の角速度、ｉは電流ベクトル、ｖｍは誘起電圧ベクトル、φは永久磁石の磁束ベクトルを示す。

Claims

永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータの電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロとする演算により推定した磁束軸（ｄｉ軸）方向成分とこれに直交するトルク軸（ｑｉ軸）方向成分とに分離してそれぞれ独立に制御するベクトル制御インバータ装置であって、
前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをｄｉ軸方向に固定したままｄｉ軸と共に角速度ωｓで回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、
ｄｉ軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは角速度ωｓでｑｉ軸方向に回転させる電流切換段階と、
を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするベクトル制御インバータ装置。
前記電流切換段階を経過中、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とする請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置。
前記電流切換段階を経過中、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移行すると共にｑｉ軸電流は、該移行時の電流値をｄｉ軸電流がゼロになるまで維持することを特徴とする請求項１に記載のベクトル制御インバータ装置。
永久磁石を回転子に設けた永久磁石モータの電流を、永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）をゼロとする演算により推定した磁束軸（ｄｉ軸）方向成分とこれに直交するトルク軸（ｑｉ軸）方向とに分離してそれぞれ独立に制御するベクトル制御インバータ装置であって、
前記永久磁石モータに供給する電流の電流ベクトルをｄｉ軸方向に固定したままｄｉ軸と共に外部角速度指令値ωａに従って回転させて回転子を回転させる強制回転段階と、
ｄｉ軸角速度を一旦ゼロとし、前記電流ベクトルは前記外部角速度指令値ωａに従ってｑｉ軸方向に回転させる電流切換段階と、
を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とするベクトル制御インバータ装置。
請求項４に記載の電流切換段階を経過中、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移ることを特徴とする請求項４に記載のベクトル制御インバータ装置。
請求項４に記載の電流切換段階を経過した後、前記誘起電圧の磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）がゼロとなった時点で、該磁束軸方向成分推定値（Ｅｄ）に基づいた角速度推定値ωで回転子を回転させる段階に移行すると共に、移行後はｑｉ軸電流を、回転子角速度ωｍが前記外部角速度指令値ωａに一致するように調整することを特徴とする請求項４に記載のベクトル制御インバータ装置。
永久磁石が設けられた回転子の位置を推定する回転子位置推定手段と、
永久磁石モータの巻線に流す電流ベクトルを、前記回転子位置推定手段により推定された回転子の位置に基づく前記永久磁石の磁束軸方向成分とこれに直交するトルク軸方向成分とに分離してそれぞれ独立に制御する手段とを備えるベクトル制御インバータ装置において、
前記トルク軸方向成分がゼロであって回転速度がゼロから所定値まで時間とともに増加する電流ベクトルに対応する電流を前記巻線に通電させる手段と、
前記トルク軸方向成分が時間とともにゼロから増加し、前記磁束軸方向成分が時間とともにゼロへと減少し、かつ、回転速度が前記所定値で維持される電流ベクトルに対応する電流を前記巻線に通電させる手段と、
前記磁束軸方向成分がゼロになった後は、前記永久磁石による誘起電圧の磁束軸方向成分推定値に基づいた角速度で前記回転子を回転させる手段とを備えることを特徴とするベクトル制御インバータ装置。