JP2010279220A - 交流モータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ユーザーの使用する制御モード及び制御対象に応じた位置推定精度を自動的に設定して、制御可否判断、及び高周波電圧の自動調整を行なう交流モータの制御装置を提供する。
【解決手段】 交流モータ（１０１）に流れるモータ電流を検出する電流検出器（１０２）と、高周波電圧を指令電圧に重畳し、その際のモータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器（１１７）と、インダクタンス同定値と高周波電圧の振幅及び周波数と電流検出器の分解能とに基づき交流モータの位置推定誤差を算出する位置推定誤差演算器（１１８）と、位置推定誤差又はインダクタンス同定値に基づき磁極位置の推定可否を判別する位置推定判別器（１１９）とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流モータの制御装置に関し、特にインダクタンス特性が不明なモータの制御可否判断や制御パラメータの自動設定を行なう制御装置に係る。

位置及び速度センサを使用しない交流モータのベクトル制御手法は、大別するとモータの数学モデルを用いた状態推定器により逆起電力を推定して位相を推定する方法と、高周波の探査信号を重畳してモータの磁気的な突極性または磁束飽和特性を利用することで位相を推定する方法がある。
後者の手法は、極低速領域においても適用可能であり、定常的な位置推定精度に対し、モータパラメータの設定誤差が影響しない優れた性質を持つが、制御パラメータを決定する際、制御器の応答設計値や探査信号の周波数、重畳電流値または電圧値を必要とする。また、一般的にこれら制御手法の特性評価は、推定位相と実位相との誤差（位置推定誤差）の大きさに基づいて行なわれる。

従来の高周波重畳による磁極位置推定器のチューニング方法では、１２方向のパルス電圧印加し、このとき流れる電流の最大値Ｉｍａｘと最小値Ｉｍｉｎとの差電流ΔＩａと、最大値Ｉｍａｘの「電流Ｈレベル」と１８０°位相差になるパルス電圧に対する「電流Ｈレベル」との差電流ΔＩｂによりパルス電圧値を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
また、所定極性の磁極位置における高周波電流の最大振幅値Ｉｍａｘと、反対極性の磁極位置における高周波電流の最大振幅値Ｉｍａｘ’との差が、所定しきい値以上となり、かつ第２のしきい値以下となるように高周波電圧の振幅を調整する技術が開示されている（例えば特許文献２参照）。

このように、従来の交流モータの制御装置は、パルス電圧又は高周波電圧といった探査電圧を重畳し、各位相で発生する電流レベルの差が所定レベル以上又は所定範囲内になるまで徐々に探査電圧を調整し、モータのインダクタンス特性などに適合した探査電圧を自動調整するのである。
また、従来の交流モータの制御装置は、高周波重畳によるセンサレス制御手法がインダクタンス差（突極差）を利用した磁極位置推定方法であり、重畳する電圧振幅及び周波数が一定の条件下なら電流レベルの差は突極差とみなすことが出来るという考え方に立脚し、電流レベルの差がある一定値以上にあるならば、突極差が所定値以上あり、より磁極位置の推定精度は増すのである。

特開２００８−５４４３０号公報（第１０頁、図３） 特開２００７−１２４８３５号公報（第１３頁、図３）

しかしながら、従来の交流モータの制御装置は、各位相で発生する電流レベルの差をどのように決定するのかという具体的な設定値の決定手段は開示されていない。これは、従来技術では電流レベルの差と、突極差、ひいては磁極位置の推定精度の関係が定性的にしか関係付けられておらず、一意には定まらないことに起因する。
このため、実際に、従来技術のように高周波電圧を電流レベルの差で調整するためには、電流レベルの差と位置推定誤差の関係が必要になる。この関係は、使用するモータと高周波電圧により異なり、さらに検出可能な最低の位置推定誤差は使用するインバータにも影響される。

そこで、従来技術の自動調整機能を実現するためには、これらの関係を特定のモータ、及びインバータを使用する条件下で把握しておき、さらに、ユーザーの要求する位置推定精度を予測して閾値を設定しなければならない。このとき、閾値自体は、自動調整機能の設計者により経験的に設定される。
そのため、対象とするモータやインバータが、設計者が予定していたものと特性が大きく異なる場合や、ユーザーが使用するシステムがより正確な位置推定精度を必要とする場合には、従来技術では適切な重畳電圧を自動設定することができず、制御不可と誤判定されてしまったり、過度に大きな高周波電圧が設定されてしまったり、運転効率の悪化、運転範囲の低下、及び騒音の増加を招いたりといった問題を発生させる可能性があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高周波重畳電圧による電流レベル差で、制御可否の判断や高周波電圧の調整を行なうのではなく、交流モータのインダクタンス特性を同定し、電流レベルの差と位置推定精度の関係を定量的に求め、さらに、ユーザーの使用する制御モード及び制御対象に応じた位置推定精度を自動的に設定して、制御可否判断や高周波電圧の自動調整を行なえるようにする。さらに、それにより、設計者の経験によらない精度の高い制御可否の判別を可能とし、また、制御可能である場合において、運転効率の悪化、運転範囲の低下、及び騒音の発生を極力抑えた位置及び速度センサレス制御に必要な制御パラメータを自動設定できる機能を有する交流モータの制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。

請求項１記載の発明は、指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器を備えた交流モータの制御装置であって、前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、高周波電圧を前記指令電圧に重畳し、その際の前記モータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器と、前記インダクタンス同定値と前記高周波電圧の振幅及び周波数と前記電流検出器の分解能とに基づき前記交流モータの位置推定誤差を算出する位置推定誤差演算器と、前記位置推定誤差又は前記インダクタンス同定値に基づき前記磁極位置の推定可否を判別する位置推定判別器とを備えるようにするものである。

また、請求項２に記載の発明は、指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器を備えた交流モータの制御装置であって、前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、高周波電圧を前記指令電圧に重畳し、その際の前記モータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器と、前記インダクタンス同定値と前記高周波電圧の振幅及び周波数と前記電流検出器の分解能とに基づき前記交流モータの位置推定誤差を算出する位置推定誤差演算器と、前記位置推定誤差又は前記インダクタンス同定値に基づき前記磁極位置の推定可否及び前記交流モータの種類を判別する位置推定・モータ種別判別器とを備えるようにするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置であって、前記磁極位置が推定不可と判定された場合は、前記交流モータを駆動しないようにするのである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置であって、前記位置推定判別器の判定結果を表示する表示器をさらに備えるようにするのである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の交流モータの制御装置であって、前記位置推定・モータ種別判別器の判定結果を表示する表示器をさらに備えるようにするのである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置であって、前記パラメータ同定器は、前記位置推定誤差判別器の結果が不可と判定された場合に前記高周波電圧の振幅値を増加させモータパラメータを再同定するリトライ機能を有するようにするのである。

また、請求項７に記載の発明は、指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器を備えた交流モータの制御装置であって、高周波電圧を前記指令電圧に重畳し、その際に前記モータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器と、前記インダクタンス同定値と前記高周波電圧の振幅及び周波数、与えられた応答周波数設定値とに基づき前記磁極位置推定器の制御ゲインを設定するゲイン設定器とを備えるようにするのである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１、２又は７のいずれかに記載の交流モータの制御装置であって、前記パラメータ同定器は、前記インダクタンスを同定する際のモータ電流の振幅が第１の許容所定値を超えると前記交流モータを運転不可とするのである。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置であって、前記パラメータ同定器は、前記高周波電圧の振幅が前記第２の許容所定値を超えると前記交流モータを運転不可とするのである。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の交流モータの制御装置であって、前記第１の許容所定値は、前記交流モータの制御対象とする機械に応じて決定されるのである。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項８に記載の交流モータの制御装置であって、前記第１の許容所定値は、設定された許容トルクリップル量により決定されるのである。

また、請求項１２に記載の発明は、請求項９に記載の交流モータの制御装置であって、前記第２の許容所定値は、前記交流モータの運転速度範囲に応じて決定されるのである。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置であって、前記位置推定判別器は、前記位置推定誤差と第３の許容所定値を比較して前記磁極位置の推定可否を判別するのである。

本発明によると、インダクタンス特性が不明なモータに対して、一切の経験上の判断を用いずに、磁極位置推定の可否やモータの種別をすばやく判断し、位置及び速度センサレス制御に必要な制御パラメータを自動設定できる。これにより、要求される位置推定精度に対し、必要最低限な高周波電圧の重畳でモータを駆動できるので、過電流や振動を起こさず、過度な運転効率の悪化、運転範囲の低下、及び騒音を防ぐことができる。さらには、ユーザーの試行錯誤的な調整を必要とせず、迅速にモータの使用可能な環境を提供することが出来る。

本発明の第１実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図である。 図１に示すパラメータ同定器１１７の詳細制御ブロック図である。 逆突極性を示すモータに高周波電圧を印加した場合のモータ電流値の関係図である。 位置推定判別器１１９の詳細制御ブロック図である。 本発明の第２実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図ある。 図５に示す位置推定・モータ種別判別器５０１の詳細制御ブロック図である。 本発明の第３実施例を示す交流モータの制御装置の制御ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明を実施する第１実施例の交流モータの制御装置の制御ブロック図である。以下の説明では、例えば電流指令のようにｄ軸、ｑ軸の２つの要素、ｄ軸電流指令ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電流指令ｉ_ｑ ^＊を持つ信号は、電流指令ベクトルと称しｉ_ｄｑ ^＊と表記している。電流検出、電圧指令などについても同様であり、図１において太線で表示している。
なお、ｄ−ｑ座標系は、回転子の磁極軸方向をｄ軸、ｄ軸に９０°だけ進んだ位相をｑ軸とした座標系である。

図１に示すように、第１実施例の交流モータの制御装置は、交流モータ１０１と、電流検出器１０２と、固定座標変換器１０３と、回転座標変換器１０４と、ノッチフィルタ１０５と、バンドパスフィルタ１０６と、磁極位置推定器１０７と、減算器１０８と、速度制御器１０９と、電流指令演算器１１０と、減算器１１１と、電流制御器１１２と、高周波発生器１１３と、加算器１１４と、ベクトル制御回路１１５と、インバータ回路１１６と、パラメータ同定器１１７と、位置推定誤差演算器１１８と、位置推定判別器１１９と、表示器１２０を備えている。

電流検出器１０２は、交流モータ１０１の相電流を検出し、相電流ベクトルｉ_ｕｖｗ（ｉ_ｕ、ｉ_ｖ、ｉ_ｗ）として出力し、固定座標変換器１０３は、電流検出器１０２で検出された相電流ベクトルｉ_ｕｖｗを交流モータ１０１の固定子巻線のＵ相をα軸とし、α軸に対し９０°だけ進んだ位相をβ軸とするα−β座標系の固定座標系電流ベクトルｉ_αβ（ｉ_α、ｉ_β）に変換する。

回転座標変換器１０４は、磁極位置推定器１０７より推定された位相θ＾を用いて、固定座標電流ベクトルｉ_αβをｄ−ｑ座標系の回転座標系電流ベクトルｉ_ｄｑ（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）に変換する。
ノッチフィルタ１０５は、回転座標系電流ベクトルｉ_ｄｑから後述する高周波電圧の周波数ω_inj成分を除去し、バンドパスフィルタ１０６は、回転座標系電流ベクトルｉ_ｄｑから高周波電圧の周波数ω_inj成分を抽出する。

磁極位置推定器１０７は、バンドパスフィルタ１０６により抽出した高周波数ω_inj成分の電流ベクトルｉ_{ｄｑ_BPF}を入力とし、回転子の推定速度ω＾及び推定位相θ＾を出力する。
なお、磁極位置推定器１０７は、後述のパラメータ同定器１１７（厳密にはＮＳ判別器２０６）から出力される推定磁極位置θ＾_initを推定磁極位置の初期値とする。
減算器１０８は、与えられた速度指令ω^＊と推定速度ω＾の偏差（速度偏差）を演算し、速度制御器１０９は、速度偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御してトルク指令τ^＊を出力する。

電流指令演算器１１０は、トルク指令τ^＊を入力とし、電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊（ｉ_ｄ ^＊、ｉ_ｑ ^＊）を演算して、出力する。
減算器１１１は、電流指令ベクトルｉ_ｄｑ ^＊と高周波数ω_inj成分を除去した電流ベクトルｉ_{ｄｑ_NOT}の偏差（電流偏差）を演算し、電流制御器１１２は、電流偏差がゼロになるように、例えば比例・積分制御を用いて、ｄ、ｑ軸独立に制御し電圧指令ベクトルｖ_ｄｑ ^＊（ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊）を算出する。

高周波発生器１１３は、ｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊に印加する高周波電圧を出力する。交流モータ１０１のインダクタンスが小さい場合は、高周波電圧の振幅ｖ_injが小さくとも高周波数ω_inj成分の電流値i_dq__BPFが過大となるので、高周波電圧の振幅ｖ_injは、高周波数ω_inj成分の電流値i_dq__BPFに依存し可変するようになっている。
これに対応するため、後述するパラメータ同定器１１７（厳密にはリトライ判別器２０８）から出力されるリトライ可否判定信号（Ｓ１）がリトライ可であれば、インダクタンスを再設定する。再設定時には、高周波発生器１１３は、高周波電圧の振幅ｖ_injを、高周波数ω_inj成分の電流値i_dq__BPFが目標電流振幅値に達するまでは徐々に大きくする。

また、図示していないが、後述の位置推定判別器１１９が、磁極位置推定可否の判定結果を可と判断すると、その時点での高周波電圧の振幅ｖ_inj及び周波数ω_injがモータ駆動時の高周波電圧として用いるようになっている。
なお、目標電流振幅値の初期値は交流モータ１０１の定格電流値の１０％程度が設定され、その増加量は、定格電流値を元に決められる。増加量を大きく設定すると、磁極位置推定の制御可否の判定時間を短縮できるし、小さく設定すると、位置推定精度を満足する高周波電圧の振幅値ｖ_injを最適にできる。

加算器１１４は、高周波電圧とｄ軸電圧指令ｖ_ｄ ^＊を加算する。
ベクトル制御回路１１５は、電圧指令ベクトルｖ_ｄｑ ^＊（ｖ_ｄ ^＊’、ｖ_ｑ ^＊）を３相の電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊（ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊）に変換する。インバータ回路１１６は、図示していないが与えられるキャリア信号を用いてＰＷＭ制御し、電圧指令ベクトルｖ_ｕｖｗ ^＊に基づく電圧を交流モータ１０１に印加する。

次に、本発明の特徴部分であるパラメータ同定器１１７、位置推定誤差演算器１１８、位置推定判別器１１９及び表示器１２０について順次説明する。

まず、パラメータ同定器１１７について説明する。
パラメータ同定器１１７は、次のようにして交流モータ１０１のインダクタンスを同定する。
静止しているモータの回路全体のインピーダンスＺは、（１）式で表されるため、高周波電圧に対するインダクタンスＬは（２）式で求めることが出来る。

ここでＶ_AMP：重畳電圧振幅、Ｉ_AMP：高周波電流振幅、φ：力率を示す。

インダクタンス同定では高周波電圧を使用するので、交流モータ１０１にはトルクはほとんど発生せず、モータ位相θは停止状態にある。そこで、高周波電圧の重畳位相を徐々に回転させながら電流値を検出させ、各位相θにおけるインダクタンス値Ｌ_(θ) （以下、インダクタンス分布と称す）を（２）式で同定する。
なお、高周波電圧の周波数ω_injは、キャリア周波数とモータを駆動する周波数のいずれにも干渉しないようにすると共に、トルクリップルや騒音の観点から、例えば、キャリア周波数が４kＨｚ、駆動周波数が６０Hz程度の場合、高周波電圧の周波数ω_injは１kＨｚ程度とされる。

次に、図２を用いてパラメータ同定器１１７の詳細動作を説明する。図２は図１に示すパラメータ同定器１１７の詳細制御ブロック図である。図２において、パラメータ同定器１１７は、巻線抵抗及びインダクタンスを同定し解析する、パラメータ同定部２１４、初期状態の磁極位置を推定する初期磁極推定器２０５、インダクタンス同定を再実施するか否かを判定するリトライ判別器２０８を備えている。

パラメータ同定部２１４について説明する。
パラメータ同定部２１４は、抵抗同定器２０１、インダクタンス同定器２０２、インダクタンス周波数解析器２０３、インダクタンス歪み判別器２０４を備えている。
抵抗同定器２０１は、ｄ軸に印加した高周波電圧の振幅値ｖ_injと電流値i_d__BPFとの比を用いて巻線抵抗値Ｒを同定する。なお、抵抗同定時は、高周波電圧の周波数ω_injは０とする。

インダクタンス同定器２０２は、高周波電圧の振幅ｖ_inj及び周波数ω_inj、さらに高周波成分の電流値i_dq__BPFを入力とし、上記（２）式により各位相におけるインダクタンス分布Ｌ_(θ)を算出する。

インダクタンス周波数解析器２０３は、インダクタンス同定器２０２により算出したインダクタンス分布Ｌ_(θ)を入力とし、高速フーリエ変換などの周波数解析により、電気角θに対する各次数のインダクタンス成分Ｌ_ｎｆを抽出する。

インダクタンス歪み判別器２０４は、インダクタンス周波数解析器２０３により抽出されたインダクタンス成分Ｌ_ｎｆを入力とし、基本成分Ｌ_１ｆ（電気角θの２倍周期成分）とより高次のインダクタンス成分を比較し、インダクタンス分布Ｌ_(θ)の歪み具合を判別し、インダクタンス歪み度判定の可否信号（Ｓ２）を、後述の位置推定判別器１１９（厳密にはＡＮＤ演算器４０３）へ出力する。

補足説明すると、一般に、高周波重畳による磁極位置推定方法では、制御対象とするモータのインダクタンス分布Ｌ_(θ)を電気角１周期につき２周期の正弦波状分布と仮定している。インダクタンスに基本波Ｌ_１ｆ以外のひずみ成分が含まれ、局所的な増加・減少がある場合、磁極位置推定器１０７の動作が不安定となり、トルクリップルや騒音増加の原因の一因となる。また、本来ｄ軸（磁極位置）を推定すべきであるのに、局所的な増加・減少の位相に落ち込んでしまい、定常的な位相誤差が発生してしまうことがある。
そこで、これらを防止するため、基本成分以外の成分が所定レベル以内か否か、あるいは局所的な位相変化の有無を判別するのである。

このようにして、パラメータ同定部２１４は、巻線抵抗及びインダクタンスを同定し、インダクタンス歪み度を判定している。

次に、初期磁極推定器２０５について説明する。
初期磁極推定器２０５は、ＮＳ判別器２０６とｄｑ判別器２０７を備えており、インダクタンス分布Ｌ_(θ)において最小となった位相に対し、電流を流すことにより、初期状態での推定磁極位置θ＾_initを算出する制御器である。
具体的には，ＮＳ判別器２０６は、高周波成分の電流値i_dq__BPFの積算値の正負により、Ｎ極もしくはＳ極であるかを判定する。
ｄｑ判別器２０７は、直流電流と高周波電流を流した場合における周波数推定値ω＾により、ｄ軸またはｑ軸であるかを判定する。

このようにして、初期磁極推定器２０５は推定磁極位置θ＾_initを算出し、磁極位置推定器１０７に対して出力する。さらに、推定磁極位置θ＾_initを用いて、インダクタンス分布Ｌ_(θ)から、ｄｑ軸インダクタンスＬ_ｄｑを決定し、これを出力している。

次に、リトライ判別器２０８について説明する。
リトライ判別器２０８は、重畳電圧判別器２０９、高周波電流判別器２１０、ＡＮＤ演算器２１１、重畳電圧上限設定器２１２及び高周波電流上限設定器２１３を備えている。
リトライ判別器２０８には、後述する位置推定判別器１１９からの磁極位置推定可否の判定結果信号（Ｓ３）が入力される。磁極位置推定の判定結果が否であると、インダクタンス同定、位置推定誤差Δθtypの算出、位置推定判別の各動作がリトライされる。

重畳電圧判別器２０９は、高周波電圧の振幅ｖ_injを入力とし、振幅ｖ_injが重畳電圧上限値を超えていなければリトライ可とし、超えていればリトライ不可とする。なお、重畳電圧上限値は、後述の重畳電圧上限設定器２１２により設定される。

高周波電流判別器２１０は、高周波数ω_inj成分の電流値i_dq__BPFを入力とし、電流値i_dq__BPFが高周波電流上限値を超えていなければリトライ可とし、超えていればリトライ不可とする。なお、高周波電流上限値は、後述の高周波電流上限設定器２１３により設定される。

重畳電圧上限設定器２１２は、インバータ制御装置に設定されている運転速度範囲から、逆起電力を算出し、インバータが出力可能な最大電圧から逆起電力を減算して重畳電圧上限値を算出し、重畳電圧判別器２０９へ出力する。
高周波電流上限設定器２１３は、インバータ制御装置に設定されている制御対象とする機械名から、その機械が通常に許容されるトルクリップルを求め、同定して得られたインダクタンス値の差で除算して高周波電流上限値を算出し、高周波電流判別器２１０へ出力する。

制御対象とする機械の設定は、実際に適用する機械名を選択させるようにしてもよいし、トルクリップルの許容量により例えば、半導体装置、ロボットシステム、風水力機械装置といった具合にグループ分けし、どの機械に該当するかを選択させるようにしておいてもよい。
また、適用機械から許容されるトルクリップルを算出するようにしたが、許容されるトルクリップル量を交流モータ１０１の定格トルクの何％かで直接設定するようにしておいてもよい。

ＡＮＤ演算器２１１は、重畳電圧判別器２０９と、高周波電流判別器２１０との判定結果を入力し、ともにリトライ可であるときのみリトライ判定器２０８の判定結果であるリトライ可否判定信号（Ｓ１）をリトライ可として高周波発生器１１３へ出力し、インダクタンスを再設定するようになっている。
インダクタンスの再設定では、高周波発生器１１３から出力される高周波電圧の振幅ｖ_inj又は周波数ω_injが変更され、インダクタンス同定器２０２で説明したインダクタンス分布Ｌ_(θ)の算出が再実行される。

ＡＮＤ演算器２１１の出力がリトライ不可である場合は、後述の表示器１２０に表示すると共に、図示していないがインバータ回路１１６から電圧が出力されないようにゲートブロックし、所望の条件以外での運転をしないようにする。

このようにして、パラメータ同定部２１４は、リトライを自動で行いながら初期磁極推定可能となる高周波電圧（振幅ｖ_inj、周波数ω_inj）を決定し、そのときのインダクタンスを同定している。

次に、位置推定誤差演算器１１８の詳細動作を説明する。
まず、本発明での高周波重畳による磁極位置推定可否の評価指標について、図３を用いて説明する。図３は逆突極性を示すモータに高周波電圧を印加した場合のモータ電流値の関係図である。横軸は、磁極位置に対し高周波電圧を印加した位相θ[ｄｅｇ]であり、縦軸はその時の高周波電流振幅Ｉ[Ａ]である。電気角位相θに対するモータ電流は、印加した高周波電圧の振幅ｖ_inj及び周波数ω_injを用いて（３）式で表すことができる。

位相誤差がΔθだけ発生したとすると、位相４５°及び−４５°でのモータ電流値は、４５°−Δθ及び−４５°−Δθでのモータ電流I₁、I₂となる。モータ電流I₁、I₂は（４）式で表され、その差I₁−I₂は（５）式となる。

ここで、Δθがほぼ０と仮定すると、さらに（６）式に変形できる。

ところで、電流検出可能な最小の電流値、つまり、電流分解能は（７）式で求まるので、これをΔＩとして（６）式に代入すれば、Δθは検出可能な最小の位相誤差を意味することになる。

このように、電流分解能ΔＩは、交流モータ１０１を駆動するインバータ回路１１６により異なるが、用いるインバータ回路１１６が決まってしまえば、電流分解能ΔＩは決定されるので、位置推定誤差Δθ_typが所望する位置精度を満たしうるかの判断は可能である。

位置推定誤差演算器１１８は、電流分解能ΔIと、ｄｑ軸インダクタンス値Ｌ_ｄｑと、高周波電圧の振幅ｖ_inj及び周波数ω_injとを入力とし、上記（６）及び（７）式の演算を行い、磁極位置推定の評価指標である位置推定誤差Δθ_typを算出している。

次に、位置推定判別器１１９の詳細動作を説明する。
図４に、位置推定判別器１１９の詳細ブロック図を示す。図４に示すように位置推定判別器１１９は、位置推定誤差上限設定器４０１と、コンパレータ４０２と、ＡＮＤ演算器４０３を備えている。
位置推定誤差上限設定器４０１は、使用される制御モードに応じた位置推定誤差上限値を出力する。例えば、速度制御モードで運転する場合は、位置推定誤差上限値は電気角５度程度、位置制御モードの場合は、電気角０．５度程度を設定すればよい。

コンパレータ４０２は、位置推定誤差演算器１１８により算出された位置推定誤差Δθ_typと位置推定誤差上限値を比較し、位置推定誤差Δθ_typが位置推定誤差上限値よりも小さい場合、位置推定誤差可否信号（Ｓ４）を可判定として出力し、逆に、位置推定誤差Δθ_typが位置推定誤差上限値よりも大きい場合、位置推定誤差可否信号（Ｓ４）を否判定として出力する。
ＡＮＤ演算器４０３は、インダクタンス歪み判定器２０４により算出されたインダクタンス歪み度判定の可否信号（Ｓ２）と、位置推定誤差可否信号（Ｓ４）を入力とし、ともに可の場合、磁極位置推定可否の判定結果信号（Ｓ３）を高周波重畳による磁極位置推定が可能としてを出力し、逆に、インダクタンス歪み判定と、位置推定誤差可否判定の内、いずれか一方でも否の場合、不可として出力する。
このようにして、位置推定判別器１１９は磁極位置推定可否を判定している。

次に、表示器１２０の表示内容について説明する。
表示器１２０は、位置推定判別器１１９が出力する磁極位置推定可否の判定結果信号（Ｓ３）の内容を表示し、ユーザーに報知する。この時、単に推定可否を表示するだけでなく、位置推定誤差演算器１１８により算出された位置推定誤差Δθ_typを表示し、どの程度まで位置推定が可能であるのか、どの条件により推定不可に至ったか等を表示してもよい。これにより、ユーザーは制御条件を再考することが可能となる。
例えば、重畳電圧判別器２０９によりリトライ不可と判定された場合には、表示された位置推定可能値を許容するか、あるいは重畳電圧判別器２０９での重畳電圧上限値の値を大きくするため、重畳電圧上限設定器２１２の入力である運転速度範囲を小さくすることを許容するかの選択肢を表示する等がある。

本発明の第１実施例にかかる交流モータの制御装置はこのように構成されているので、以下のような作用効果を奏する。
高周波重畳による磁極位置推定方法を用いてモータパラメータが不明のモータを制御した場合に、経験上の電流値ではなく、位置推定誤差により直接制御可否の判断が可能となるため、明快な調整が可能となる。これにより、要求される位置推定精度に対し、必要最低限な重畳電圧を設定できるため不必要に運転効率・運転範囲、騒音が悪化することを防止できる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。図５は、本発明を実施する第２実施例の交流モータの制御装置の制御ブロック図である。なお、本実施形態は、位置推定判別器１１９を位置推定・モータ種別判別器５０１に置き換えた部分を除いて第１実施例と同様に構成されており、第１実施例と同様の箇所については説明を省略し、同符号を用いる。
なお、位置推定・モータ種別判別器５０１は、第１実施例での位置推定判別器１１９の機能に、モータの種別判定を加え、種別判定信号（Ｓ８）も出力するようにしたものである。

次に、図６を用いて位置推定・モータ種別判別器５０１の詳細動作を説明する。図６に示すように位置推定・モータ種別判別器５０１は、突極比演算器６０１と、コンパレータ６０２、６０３と、モータ種別判別器６０４を備えている。なお、第１実施例での位置推定判別器１１９の機能と同一機能(図４に対応する部分)については、同一動作であるのでその説明を省略する。

突極比演算器６０１は、初期磁極推定器２０５により決定されたｄｑ軸インダクタンスＬ_ｄｑの比を演算し、突極比を算出する。
コンパレータ６０２は、突極比演算器６０１により算出された突極比とＳＰＭ判定用突極比を比較し、対象モータがＳＰＭモータであるのかＩＰＭモータであるのを判定する。
算出された突極比がＳＰＭ判定用突極比より小さい場合、モータがＳＰＭモータであるとしてＩＰＭ/ＳＰＭ判定結果信号（Ｓ６）を出力し、逆に、算出された突極比がＳＰＭ判定用突極比より大きい場合、モータがＩＰＭモータであるとしてＩＰＭ/ＳＰＭ判定結果信号（Ｓ６）を出力する。ここで、ＳＰＭ判定用突極比は１．１程度を設定する。

コンパレータ６０３は、ｄｑ軸インダクタンスＬ_ｄｑを比較し、突極比の正逆を判定する。
ｄ軸インダクタンスＬ_ｄがｑ軸インダクタンスＬ_ｑより小さい場合、逆突極であるとして正突極/逆突極判定結果信号（Ｓ７）を出力し、逆に、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄがｑ軸インダクタンスＬ_ｑより大きい場合、正突極であるとして正突極/逆突極判定結果信号（Ｓ７）を出力する。
モータ種別判定器６０４は、ＩＰＭ/ＳＰＭ判定結果信号（Ｓ６）、及び正突極/逆突極判定結果信号（Ｓ７）を入力として、モータ種別を判定する。
一般的に、ＳＰＭモータの突極性はほとんど無いとされることが多いが、固定子（ステータ）側の構造に依存し突極性が発生することがある。また、この場合、ＩＰＭモータと異なり正突極を示す場合もある。この突極性はモータ電流に増加により減少する。

ＩＰＭモータの場合でも突極性が電流に依存し減少することがあるが、その減少の傾きは、ＩＰＭモータにくらべＳＰＭモータでは大きく、定格電流を流した場合において磁極位置を検出可能な突極性を示すＳＰＭモータはごく稀である。
このことから、位置推定誤差可否判定において可とされた場合においても、負荷条件により磁極位置の推定精度が低下することが起こり得る。つまり、ＳＰＭモータに対し高周波重畳による磁極位置推定方法を用いた場合、無負荷またはそれに準ずる軽負荷条件下では駆動可能であるが、重負荷条件下では脱調することが考えられるので、モータ種別判定によりＳＰＭモータと判定された場合には、高周波重畳による磁極位置推定が不可能と判定するようにしてもよい。

本発明の第２実施例にかかる交流モータの制御装置はこのように構成されているので、以下のような作用効果を奏する。
負荷状態により磁極位置の推定精度が低下すると考えられる種別のモータを判別可能となるため、負荷条件によらず安定した運転が可能なモータのみを選択して調整することが可能となる。

次に、本発明の第３実施例について説明する。図７は、本発明を実施する第３実施例の交流モータの制御装置の制御ブロック図である。なお、本実施形態は、ゲイン設定器７０１を加えた部分を除いて第１実施例と同様に構成されており、第１実施例と同様の箇所については説明を省略し、同符号を用いる。

次に、ゲイン設定器７０１の詳細動作について説明する。
ゲイン設定器７０１は、位置推定誤差可否判定において可とされた場合に、パラメータ同定値、及び実施例１での高周波電圧の振幅値ｖ_inj及び周波数ω_injに基づき、所望の制御器応答となるように磁極位置推定器１０７の制御ゲインを設定する。

まず、ＰＩ制御器にて構成される磁極位置推定器１０７について伝達関数を導出し、そのゲイン設定方法について示す。
磁極位置推定器１０７の伝達関数Ｇ_θ(ｓ)は、実位相θ、推定位相θ＾、位相誤差から電流誤差への換算係数Ｙｅ、比例ゲインＫ_ｐ、積分ゲインＫ_ｉ、磁極位置推定器の制御応答ω_ｎ、ラプラス演算子ｓとすると（８）式で表され、比例ゲインＫ_ｐ、積分ゲインＫ_ｉは（９）式で表される。

電流誤差が最大となるときの制御２軸の電流値Ｉ_ｄｑｍは（１０）式で表現でき、これらの位相差は９０°であるので、電流誤差を位相差で除算することにより換算ゲインＹｅは（１１）式で表される。

ゲイン設定器７０１は、（９）式に（１１）式及び（１０）式を代入することにより、磁極位置推定器１０７の比例ゲインＫ_ｐ及び積分ゲインＫ_ｉを算出する。
ここで、磁極位置推定器１０７の制御応答ω_nは、電流制御器１１２の制御器応答と、速度制御器１０９の制御器応答に対し、干渉しない周波数を設定することが望ましい。例えば、電流制御器１１２の制御器応答が１００Ｈｚ、速度制御器１０９の制御器応答が５Ｈｚ程度である場合、磁極位置推定器１０７の制御応答ω_nは２０Ｈｚ程度になるように、比例ゲインＫ_ｐ及び積分ゲインＫ_ｉを決定するとよい。なお、制御応答ω_nは、ゲイン設定器７０１に設定するようにしてもよい。

本発明の第３実施例にかかる交流モータの制御装置は、前述した実施例１の高周波重畳による磁極位置推定の可否の判断する機能に加え、さらに、適用可能な場合には、モータの特性に応じ、重畳する高周波電圧の振幅、及び磁極位置推定器１０７の制御ゲインを自動的に設定する機能を有する構成となっているので、以下のような作用効果を奏する。
モータの所望の運転が可能である場合、過電流や振動を起こさず、また利用するモータ特性を検出するために過不足することのない重畳電圧を生成し、同時にモータを駆動するための必要なパラメータを自動で設定できるため、ユーザーに試行錯誤的な調整をしてもらうことなく、迅速にモータの使用可能な環境を提供できる。
なお、第３実施例の説明での位置推定判別器１１９を位置推定・モータ種別判別器５０１に置き換えて構成してもよい。

１０１ 交流モータ
１０２ 電流検出器
１０３ 固定座標変換器
１０４ 回転座標変換器
１０５ ノッチフィルタ
１０６ バンドパスフィルタ
１０７ 磁極位置推定器
１０８、１１１ 減算器
１０９ 速度制御器
１１０ 電流指令演算器
１１２ 電流制御器
１１３ 高周波発生器
１１４ 加算器
１１５ ベクトル制御回路
１１６ インバータ回路
１１７ パラメータ同定器
１１８ 位置推定誤差演算器
１１９ 位置推定判別器
１２０ 表示器
２０１ 抵抗同定器
２０２ インダクタンス同定器
２０３ インダクタンス周波数解析器
２０４ インダクタンス歪み判別器
２０５ 初期磁極推定器
２０６ ＮＳ判別器
２０７ ｄｑ判別器
２０８ リトライ判別器
２０９ 重畳電圧判別器
２１０ 高周波電流判別器
２１１ ＡＮＤ演算器
２１２ 重畳電圧上限設定器
２１３ 高周波電流上限設定器
２１４ パラメータ同定部
４０１ 位置推定誤差上限設定器
４０２ コンパレータ
４０３ ＡＮＤ演算器
５０１ 位置推定・モータ種別判別器
６０１ 突極比演算器
６０２、６０３ コンパレータ
６０４ モータ種別判別器
７０１ ゲイン設定器

Claims (13)

1. 指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器を備えた交流モータの制御装置であって、
   前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、
   高周波電圧を前記指令電圧に重畳し、その際の前記モータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器と、
   前記インダクタンス同定値と前記高周波電圧の振幅及び周波数と前記電流検出器の分解能とに基づき前記交流モータの位置推定誤差を算出する位置推定誤差演算器と、
   前記位置推定誤差又は前記インダクタンス同定値に基づき前記磁極位置の推定可否を判別する位置推定判別器と、を備えたことを特徴とする交流モータの制御装置。
2. 指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器を備えた交流モータの制御装置であって、
   前記交流モータに流れるモータ電流を検出する電流検出器と、
   高周波電圧を前記指令電圧に重畳し、その際の前記モータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器と、
   前記インダクタンス同定値と前記高周波電圧の振幅及び周波数と前記電流検出器の分解能とに基づき前記交流モータの位置推定誤差を算出する位置推定誤差演算器と、
   前記位置推定誤差又は前記インダクタンス同定値に基づき前記磁極位置の推定可否及び前記交流モータの種類を判別する位置推定・モータ種別判別器と、を備えたことを特徴とする交流モータの制御装置。
3. 前記磁極位置が推定不可と判定された場合は、前記交流モータを駆動しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置。
4. 前記位置推定判別器の判定結果を表示する表示器を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の交流モータの制御装置。
5. 前記位置推定・モータ種別判別器の判定結果を表示する表示器を、さらに備えることを特徴とする請求項２に記載の交流モータの制御装置。
6. 前記パラメータ同定器は、前記位置推定誤差判別器の結果が不可と判定された場合に前記高周波電圧の振幅値を増加させモータパラメータを再同定するリトライ機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置。
7. 指令電圧を出力して交流モータを駆動するインバータ回路と、前記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定器を備えた交流モータの制御装置であって、
   高周波電圧を前記指令電圧に重畳し、その際に前記モータ電流を基にインダクタンスを同定するパラメータ同定器と、
   前記インダクタンス同定値と前記高周波電圧の振幅及び周波数、与えられた応答周波数設定値とに基づき前記磁極位置推定器の制御ゲインを設定するゲイン設定器と、を備えたことを特徴とする交流モータの制御装置。
8. 前記パラメータ同定器は、前記インダクタンスを同定する際のモータ電流の振幅が第１の許容所定値を超えると前記交流モータを運転不可とすることを特徴とする請求項１、２又は７のいずれかに記載の交流モータの制御装置。
9. 前記パラメータ同定器は、前記高周波電圧の振幅が前記第２の許容所定値を超えると前記交流モータを運転不可とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置。
10. 前記第１の許容所定値は、前記交流モータの制御対象とする機械に応じて決定されることを特徴とする請求項８に記載の交流モータの制御装置。
11. 前記第１の許容所定値は、設定された許容トルクリップル量により決定されることを特徴とする請求項８に記載の交流モータの制御装置。
12. 前記第２の許容所定値は、前記交流モータの運転速度範囲に応じて決定されることを特徴とする請求項９に記載の交流モータの制御装置。
13. 前記位置推定判別器は、前記位置推定誤差と第３の許容所定値を比較して前記磁極位置の推定可否を判別し、
    前記パラメータ同定器は、選択された制御モードに応じた値を前記第３の許容所定値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流モータの制御装置。