JP2011239563A

JP2011239563A - 電動機制御装置及び制御方法

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Publication number: JP2011239563A
Application number: JP2010108751A
Authority: JP
Inventors: Masaru Shikano; 将鹿野; Kazuya Yasui; 和也安井; Hisanori Shibata; 久典柴田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2011-11-24

Abstract

【課題】電動機を駆動するインバータを用いて、自動で磁極位置センサ信号の補正を行う。
【解決手段】磁極位置推定２は、回転子に電気的突極性を有する電動機１に、前記回転子の磁極位置検出用の高周波電圧または電流をインバータ６を介して供給し、電動機１の応答電流または電圧を測定することで、電動機１の回転子磁極位置を推定する。磁極位置センサ３は電動機１の磁極位置を検出し、磁極位置検出器４は磁極位置センサ３の出力信号から磁極位置を求める。初期位置補正器５は、磁極位置推定器２からの前記磁極位置推定値と、磁極位置検出器４により求められた磁極位置との差分を求め、この差分を補正値として提供する。インバータ６は初期位置補正器５から提供される補正値を用いて、磁極位置検出器４から得られる磁極位置信号を補正し、補正された磁極位置に基づいて電動機１を駆動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機の回転を制御すると共に、電動機に搭載される磁極位置センサの補正及び故障診断を行う制御装置に関する。

電動機の磁極位置センサは電動機の組み立て時に、取り付け角度誤差が生じないよう、できる限り精度よく電動機に取り付けられる。しかし実際には、取り付け角度誤差をゼロとすることはできず、磁極位置センサの取り付け角度のばらつきによって初期位置ずれが生じてしまい、制御装置による電動機の高精度及び高効率な運転を困難にしている。

電動機の高精度及び高効率な運転の実現のためには、磁極位置センサの初期位置補正が必要である。その補正手段は例えば、磁極位置センサと、それを回転子に取り付けた電動機と、前記電動機を外部から回転させる装置と、前記電動機の誘起電圧を検出する装置と、インバータへの補正値書き込み装置とからなる。前記電動機を外部から回転させる装置によって回転子を回転させ、前記電動機の誘起電圧を検出する装置によって誘起電圧を測定し、前記誘起電圧の位相から推定した磁極位置情報と磁極位置センサ及び磁極位置検出器の磁極位置情報の差分から初期位置ずれを検出し、インバータへの補正値書き込み装置によってインバータに補正値の保存を行うことで、磁極位置センサの初期位置ずれを補正していた。

上記したように、磁極位置センサは取り付け時の初期位置ずれが存在し、それは電動機の高精度な制御を困難にすると共に、電動機に印加する電圧または供給する電流の位相誤差が生じることによる効率の低下を招く。また、上記の磁極位置センサ補正方法は上記したような専用の装置を必要とし、更に作業工程数が増加してしまう。そして、電動機とインバータを１対１で管理しなければならなく、電動機またはインバータを交換する時には、上記の補正を再度行わなければならない。

従って本発明の目的は、電動機を駆動するインバータを用いて自動で磁極位置センサ信号の補正を行う方法を提供することである。

本発明の一実施例に係る電動機制御装置は、回転子に電気的突極性を有する電動機に、前記回転子の磁極位置検出用の高周波電圧または電流を供給して、前記電動機の応答電流または電圧を測定することで、前記電動機の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、前記電動機の磁極位置を検出する磁極位置センサと、前記磁極位置センサの出力信号から磁極位置を求める磁極位置検出手段と、前記磁極位置推定手段からの前記磁極位置推定値と、前記磁極位置検出手段により求められた磁極位置との差分を求め、この差分を補正値として提供する初期位置補正手段と、前記補正手段から提供される補正値を用いて、前記磁極位置検出手段から得られる磁極位置信号を補正し、補正された磁極位置に基づいて前記電動機を駆動制御するインバータとを具備する。

電動機は回転子に電気的突極性を有することで、電動機の回転中において、固定子巻線と回転子を含む磁極回路の磁極抵抗に変化が生じる。これは電動機の回転子の磁極位置によって固定子巻線のインダクタンス値が変化することを意味する。本発明では、例えば装置の起動時に、回転子に電気的突極性を有する電動機のインダクタンス特性を利用して、回転子位置検出用の高周波信号を電動機に印加すると共に、検出した応答電流から回転子位置を推定する。この回転子推定位置に基づいて、位置センサ３を用いて検出した磁極位置を補正する。制御部は、この補正された磁極位置に基づいてインバータを制御する。

これにより、外部から電動機を回転させる装置と、誘起電圧を測定する装置と、インバータへの補正値書き込み装置とを必要とせず、電動機を高精度かつ高効率に駆動することができる。

電動機を駆動するインバータを用いて自動で磁極位置センサ信号の補正を行うことが可能となる。

本発明の実施形態における電動機制御装置の構成を示すブロック図。本発明の第１の実施例を示すフローチャート。本発明の第２の実施例を示すフローチャート。本発明の第３の実施例を示すフローチャート。本発明の第４の実施例を示すフローチャート。図１の電動機制御装置の変形例を示すブロック図。

以下、本発明に係る電動機制御装置の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は本発明が適用される電動機制御装置の構成を示す図である。

インバータ６はインバータ制御部６ａを含み、制御部６ａは制御指令（加減速指令または速度指令）等の入力信号に基づいてインバータ６のゲート信号を生成し、インバータ６を制御する。インバータ６は制御部６ａの制御の下に、電源９の入力直流電圧を所望の大きさ及び周波数の３相電圧に変換し、電動機１を駆動する。

電動機１は回転子に電気的突極性を有する電動機であって、例えば永久磁石を回転子に用いた永久磁石同期電動機である。回転子に電気的突極性を有する電動機とは、所定電圧ベクトルを印加した時に、回転子の回転位置によってインダクタンスが異なる電動機を示す。

電動機１には磁極位置センサ３が取り付けられている。磁極位置検出器４は磁極位置センサ３の出力信号を基に、磁極位置信号を生成する。磁極位置センサ３としては、ホールセンサ、レゾルバ又はエンコード方式等のセンサが使用される。磁極位置検出器４から出力される磁極位置信号は、例えば回転子の所定回転角毎に出力される角度パルス及び回転子の磁極位置を示す磁極位置パルスを含む。

磁極位置推定器２は磁極位置（回転子角度位置）を推定する。この磁極位置は、インバータから電動機への印加電圧または供給電流に磁極位置検出用の高周波成分を重畳し、電動機の応答電流または電圧を検出して分析することにより推定できる。磁極位置推定器２は、インバータ６を介して電動機１に高周波の電圧または電流を供給し、電動機１の回転子の電気的突極性つまり回転子の磁極位置に応じた固定子巻線のインダクタンス値の変化を、電流または電圧から測定することで磁極位置を推定する。

初期位置補正器５は磁極位置推定器２の位置推定値と、磁極位置検出器４からの磁極位置との差分を、磁極位置センサ３の初期位置ずれの補正値としてインバータ６に提供する。インバータ６の制御部６ａは、この補正値を補正値格納部８に格納すると共に、補正値を用いて磁極位置検出器４からの磁極位置信号を補正する。制御部６ａは、この補正した磁極位置信号を基に、電動機１に供給する交流の位相を決定し、電動機１の高精度及び高効率な運転を実現する。

図２は本発明を適用した電動機制御装置の第１実施例の動作を示すフローチャートである。この動作は例えば装置の工場出荷前に行われる。

先ずインバータ起動時、すなわち本装置のメインスイッチがオンされ、インバータ６に電源が供給されると、制御部６ａは磁極位置センサ３の初期位置設定要求があるか判断する（ステップＳ１０１）。磁極位置センサ３の初期位置設定要求がある場合、磁極位置推定器２はインバータ６から電動機１に位置測定用の高周波電圧または電流を印加する（ステップＳ１０２）。また磁極位置推定器２は、この時の電動機の応答電流及び電圧を検出し、この電圧及び電流の関係と回転子の電気的突極性から磁極位置の推定を行い、磁極位置推定値を磁極位置の真値として初期位置補正器５に出力する（ステップＳ１０３）。

初期位置補正器５は、この磁極位置推定値と磁極位置検出器４から供給される磁極位置信号との差分（初期位置ずれ）を演算し、この差分を補正値としてインバータ６に提供する（ステップＳ１０４）。インバータ６の制御部６ａはこの補正値を補正値格納部８に保存し（ステップＳ１０５）、初期設定を完了する（ステップＳ１０６）。

ステップＳ１０１において、磁極位置センサの初期位置設定要求がない場合、または初期位置設定が完了している場合、制御部６ａは補正値格納部８から磁極位置補正値を読み出し（ステップＳ１０７）、この補正値を用いて磁極位置検出器４から提供される磁極位置を補正する（ステップＳ１０８）。また制御部６ａは、この補正した磁極位置を基に電動機１をインバータ６を介して制御する。この結果、電動機１の高精度及び高効率な運転が可能となる。

図３は本発明を適用した電動機制御装置の第２実施例の動作を示すフローチャートである。この第２実施例は、磁極位置推定を複数回行い、その平均値を磁極位置推定値として採用する。

上記第１実施例と同様に、磁極位置センサ３の初期位置設定要求がある場合、磁極位置推定器２はインバータを介して電動機に位置測定用の高周波電圧または電流を印加し、磁極位置の推定を行う（Ｓ２０１〜２０３）。ここで磁極位置推定器２は、磁極位置推定を複数回行う。すなわち磁極位置推定器２は、現在の推定回数ｎが設定回数Ｎ以上か判断し（２０４）、設定回数Ｎに達していなければ、磁極位置推定をＮ回まで繰り返し行う（Ｓ２０２〜２０４）。このように本実施例では、予め設定した回数Ｎだけ位置測定用の高周波電圧または電流を印加して、複数回の磁極位置推定を行う。

Ｎ回の磁極位置推定を行うと、磁極位置推定器２はＮ個の磁極位置推定値を平均する（Ｓ２０５）。推定した値を平均することで、磁極推定誤りの影響が軽減させる。次に磁極位置補正器５は上記第１実施例と同様に、磁極位置センサ３の初期位置ずれを求め補正値としてインバータ６に提供し、制御部６ａは該補正値を保存し、初期設定が完了する（Ｓ２０６〜Ｓ２０８）。

磁極位置センサの初期位置設定要求がない場合、または初期位置設定が完了している場合、制御部６ａは上記第１実施例のように、保存した磁極位置補正値に基づいて、磁極位置検出器からの磁極位置を補正し、補正した磁極位置信号を基に電動機１をインバータ６を介して制御する。この結果、電動機１の高精度及び高効率な運転が可能となる。

図４は本発明を適用した電動機制御装置の第３実施例の動作を示すフローチャートである。この第３実施例は上記第２実施例に加え、磁極位置推定値のばらつきを考慮し、予め設定したばらつき範囲から外れる推定値を除外し、残りの推定値を平均して磁極位置推定値を求める。

上記第２実施例と同様に、磁極位置センサ３の初期位置設定要求に従って、磁極位置推定器２は磁極位置の推定をＮ回行う（Ｓ２０１〜２０４）。ここで磁極位置推定器２は、予め設定したばらつき範囲から外れる推定値を除外し（Ｓ３０１）、残りの推定値を平均する（Ｓ２０５）。電動機の磁極位置推定を行う場合、位置測定用の高周波成分に応答して検出される電圧値あるいは電流値には、無視できないノイズが混入している場合がある。このような時、磁極位置推定値は大きな誤差を含むことになる。従って、予め設定したばらつき範囲から外れる推定値を除外することで、ノイズの影響を軽減する。これ以降の処理は上記第２実施例と同様である。この第３実施例によれば、電動機の更に高精度な制御及び高効率駆動が可能となる。

図５は本発明を適用した電動機制御装置の第４実施例の動作を示すフローチャートである。この第４実施例では、電動機の通常運転中に磁極位置推定を行い、磁極位置センサの検出値との差分を求め、該差分が所定値より大きければ故障と判断する。

上記第１実施例と同様に、磁極位置センサの初期位置設定が行われる（Ｓ１０１〜Ｓ１０６）。初期位置設定が完了した場合または初期位置設定の要求がない場合、制御部５ａは、保存した初期位置補正値を読み出し（Ｓ１０７）、磁極位置信号の補正を行い（Ｓ１０８）、電動機制御を開始する（Ｓ１０９）。

電動機制御中において磁極位置推定器２は、インバータ６を介して高周波電圧または電流を電動機１に印加し、磁極位置の推定を行う（Ｓ４０１）。初期位置補正器５は、この推定値と磁極位置検出器からの磁極位置信号との差分を計算し（Ｓ４０２）、この差分が予め設定した値以上の時に、磁極位置センサ３あるいは磁極位置検出器４の故障と判断する（Ｓ４０５）。この判断に応じて制御部６ａは、インバータ６の動作を停止すると共に、ユーザに故障が発生したことを通知する。この故障判断処理（ステップＳ４０１〜Ｓ４０４）は、例えば装置がユーザに渡った後、ユーザが装置のメインスイッチをオンする度に行われる。

このように第４実施例では、磁極位置センサ３あるいは磁極位置検出器４に故障が発生した場合、その故障を即座に検出することが可能となり、電動機の高精度な制御及び高効率駆動が確保されるとともに、装置の安全性が向上される。

次に、図１に示した電動機制御装置の構成の変形例を第５実施例として説明する。

図６は、電動機制御装置の構成の変形例を示すブロック図である。

初期位置補正器５は磁極位置格納部８を有している。初期位置補正器５は磁極位置推定器２から提供される磁極位置推定値と、磁極位置検出器４からの磁極位置検出値との差分を、磁極位置センサ３の初期位置ずれの補正値として格納部８に格納する。更に初期位置補正器５は、磁極位置検出器４からの磁極位置信号を、格納した補正値を用いて補正し、補正磁極位置信号をインバータ６に提供する。インバータ６の制御部６ａは、この補正磁極位置信号に基づいて、インバータ６を制御する。

本実施例によればインバータ６の制御部６ａは、上記実施例のように磁極位置信号を補正しながら電動機を制御する必要がないので、図１の実施例に比べて制御部６ａの処理負担量が軽減される。

以上説明したように本発明によれば、電動機を駆動するインバータを用いて、自動で磁極位置センサ補正を行うことが可能となる。上記説明は本発明の実施の形態であって、この発明の装置及び方法を限定するものではなく、様々な変形例を容易に実施することができるものである。

１…電動機、２…磁極位置推定器、３…磁極位置センサ、４…磁極位置検出器、５…初期位置補正器、６…インバータ、９…電源。

Claims

回転子に電気的突極性を有する電動機に、前記回転子の磁極位置検出用の高周波電圧または電流を供給して、前記電動機の応答電流または電圧を測定することで、前記電動機の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、
前記電動機の磁極位置を検出する磁極位置センサと、
前記磁極位置センサの出力信号から磁極位置を求める磁極位置検出手段と、
前記磁極位置推定手段からの前記磁極位置推定値と、前記磁極位置検出手段により求められた磁極位置との差分を求め、この差分を補正値として提供する初期位置補正手段と、
前記初期位置補正手段から提供される補正値を用いて、前記磁極位置検出手段から得られる磁極位置信号を補正し、補正された磁極位置に基づいて前記電動機を駆動制御するインバータと、
を具備することを特徴とする電動機制御装置。
前記磁極位置推定手段は、前記磁極位置の推定を複数回行い、その平均値を前記磁極位置推定値として出力することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記磁極位置推定手段は、前記磁極位置の推定を複数回行い、予め設定したばらつき範囲を超える推定値を除外し、残りの推定値の平均値を前記磁極位置推定値として出力することを特徴とする請求項１記載の電動機制御装置。
前記初期位置補正手段は、前記インバータが前記補正された磁極位置に基づいて前記電動機を駆動している時、前記磁極位置推定手段から得られる磁極位置推定値と前記磁極位置検出手段から得られる磁極位置との差分に基づいて、前記磁極位置センサの故障診断を行うことを特徴とする請求項１記載の電動機の制御装置。
回転子に電気的突極性を有する電動機に、前記回転子の磁極位置検出用の高周波電圧または電流を供給して、前記電動機の応答電流または電圧を測定することで、前記電動機の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、
前記電動機の磁極位置を検出する磁極位置センサと、
前記磁極位置センサの出力信号から磁極位置を求める磁極位置検出手段と、
前記磁極位置推定手段からの前記磁極位置推定値と、前記磁極位置検出手段により求められた磁極位置との差分を求め、この差分を補正値として前記磁極位置を補正する補正手段と、
前記補正手段により補正された磁極位置に基づいて、前記電動機を駆動制御するインバータと、
を具備することを特徴とする電動機制御装置。
電動機の回転子磁極位置検出用の高周波電圧または電流を前記電動機に供給して、該電動機の応答電流または電圧を測定し、該測定値に基づいて前記回転子磁極位置を推定するステップと、
前記電動機の磁極位置を検出する磁極位置センサの磁極位置検出値と、前記磁極位置推定値との差分を補正値として提供するステップと、
前記補正値に基づいて、前記磁極位置センサからの磁極位置検出値を補正するステップと、
前記補正した磁極位置検出値に基づいて、前記電動機を駆動制御するステップと、
を具備することを特徴とする電動機制御方法。