JP4172563B2 - 同期電動機の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機を制御するシステムに関わり、特に位置センサや速度センサ等を用いずに調整を簡単に行い、しかも高精度に行うことができる同期電動機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、永久磁石形同期電動機の電動機定数である巻線抵抗は、直流試験で測定し、ｄ軸のインダクタンスＬｄは、永久磁石形同期電動機を固定した状態でｄ軸電流だけに交流電流を流す拘束試験で測定し、ｑ軸のインダクタンスＬｑは、永久磁石形同期電動機を固定した状態でｑ軸電流だけに交流電流を流す拘束試験で測定し、永久磁石の磁束は負荷試験で測定し、測定された電動機定数は、手動によって制御装置へ入力していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石形同期電動機を高精度に制御するには、永久磁石形同期電動機の電動機定数の値が必要な場合がある。しかし、例えばｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑを測定する場合、永久磁石形同期電動機が回転しないように固定する道具が必要であり、そのような試験装置がないと永久磁石形同期電動機を高精度に制御できなかった。
また、電機子抵抗とｄ軸のインダクタンスＬｄ及びｑ軸のインダクタンスＬｑは別々に測定しているため、手間がかかるという問題があった。
【０００４】
また、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑを測定する場合、永久磁石の方向を検出する位置検出器が必要になる。さらに、永久磁石の磁束を測定する場合、永久磁石の方向を検出する位置検出器と永久磁石形同期電動機の回転速度を検出する速度検出器が必要となる。これらの位置および速度検出器は振動、粉塵や温度等の使用制限や、モータ体積の増大、さらに検出器信号線の断線やノイズ混入等の問題がある。
本発明はこのような点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、これらの欠点を解決し、位置検出器や速度検出器、試験装置を用いずに電動機定数を同時に測定することができる同期電動機の制御方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するために、請求項１に示す如く、永久磁石形同期電動機に流れる一次電流を推定された永久磁石の方向に平行なｄ軸電流成分と、ｄ軸に垂直なｑ軸電流成分に分けて制御する同期電動機の制御方法において、
永久磁石形同期電動機が停止した状態でｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電流としてｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流を流し、ｄ軸電圧の振幅とｑ軸電圧の振幅を比較してｄ軸電圧の振幅がｑ軸電圧の振幅よりも大きければ推定された永久磁石の方向を９０度進めるか又は遅らせ、
ｑ軸電流を流さず、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電圧の微分値とｄ軸電流の積によって推定された永久磁石の方向を修正し、
ｑ軸電流は流さず、ｄ軸電流に交流電流を流し、ｄ軸電流が正の時のｄ軸電圧の平均値が、ｄ軸電流が負の時のｄ軸電圧の平均値より大きい場合に推定された永久磁石の方向を１８０度進め、
永久磁石の方向の推定が全て終わった時点で、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸にはｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流を流し、ｄ軸電流の大きさと位相及びｄ軸電圧の大きさと位相より永久磁石形同期電動機のｄ軸インダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄを求めて設定記憶し、ｑ軸電流の大きさと位相及びｑ軸電圧の大きさと位相より永久磁石形同期電動機のｑ軸インダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑを求めて設定記憶するものである。
【０００６】
また、抵抗成分Ｒｄと抵抗成分Ｒｑの平均値を永久磁石形同期電動機の電機子抵抗Ｒとして設定記憶するものである。
【０００７】
また、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電流として直流電流を流し、永久磁石形同期電動機が回転している状態で、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｑ軸電圧から永久磁石の方向及び永久磁石形同期電動機の回転速度を推定し、電機子抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、推定された永久磁石の方向、推定された回転速度、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｑ軸電圧を入力して永久磁石の磁束を求めて設定記憶するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき、図を用いて説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図であり、１は永久磁石形同期電動機、４は永久磁石形同期電動機１に電力を供給する電力変換器、２は永久磁石形同期電動機１に印加される一次電圧ｖ１を検出する電圧検出器、３は永久磁石形同期電動機１に流れる一次電流ｉ１を検出する電流検出器である。６はｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子抵抗Ｒ及び永久磁石の磁束φを入力して、永久磁石形同期電動機１をトルク制御するために必要な制御信号Ｓ１を出力するトルク制御器である。
【０００９】
電流成分変換器１３は、一次電流ｉ１及び推定された永久磁石の方向θｇを入力してｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを出力する。電圧成分変換器１４は、一次電圧ｖ１及び推定された永久磁石の方向θｇを入力してｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを出力する。位置・速度推定手段７は、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流としてｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流が流れるような制御信号Ｓ２、ｑ軸電流は流さずｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れるような制御信号Ｓ３、ｑ軸電流ｉｑは流さずｄ軸電流ｉｄとして磁気飽和が生じるような大きめの交流電流が流れるような制御信号Ｓ４、推定された回転速度ωｇ及び推定された永久磁石の方向θｇを出力する。詳細については後述する。
【００１０】
電動機定数演算手段８は、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、ｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを入力して、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流ｉｑとしてｄ軸電流ｉｄと９０度位相が異なり振幅の等しい交流電流が流れるような制御信号Ｓ５を出力し、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、ｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑをフーリエ変換し、ｄ軸電流ｉｄの基本波成分の大きさと位相及びｄ軸電圧ｖｄの基本波成分の大きさと位相からｄ軸インダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄを求め、ｑ軸電流ｉｑの基本波成分の大きさと位相及びｑ軸電圧ｖｑの基本波成分の大きさと位相からｑ軸インダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑを求める。
【００１１】
磁束演算手段１０は、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、ｑ軸電圧ｖｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子抵抗Ｒ、推定された永久磁石の方向θｇ及び推定された回転速度ωｇを入力して、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流ｉｑとして直流電流が流れるような制御信号Ｓ６及び永久磁石の磁束φを出力する。設定記憶手段９は、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、抵抗成分Ｒｄ、抵抗成分Ｒｑ及び永久磁石の磁束φを入力し、抵抗成分Ｒｄと抵抗成分Ｒｑの平均値を電機子抵抗Ｒとして設定記憶し、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び永久磁石の磁束φを設定記憶する。
【００１２】
スイッチ５は、トルク制御器６が出力する制御信号Ｓ１と位置・速度推定手段７が出力する制御信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、電動機定数演算手段８が出力する制御信号Ｓ５及び磁束演算手段１０が出力する制御信号Ｓ６のいずれかを選択するスイッチであり、永久磁石形同期電動機１をトルク制御するときは制御信号Ｓ１を電力変換器４に出力し、電動機定数が未知の状態で永久磁石の方向を推定するときは制御信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の順番に電力変換器４に出力し、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び抵抗成分Ｒを演算するときは制御信号Ｓ５を電力変換器４に出力し、永久磁石の磁束φを演算するときは制御信号Ｓ６を電力変換器４に出力する。
【００１３】
図２は、図１中の位置・速度推定手段７の詳細ブロック図を表しており、１５はｄｑ軸判定手段であり、ｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑを入力して、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流ｉｑとしてｄ軸電流ｉｄに対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流が流れるような制御信号Ｓ２と、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさとｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさを比較して、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の方が大きければ推定された永久磁石の方向θｇを９０度進めるか又は遅らせる信号Ｓθ１を出力する。
【００１４】
１６は磁極判定手段であり、ｄ軸電流ｉｄ及びｄ軸電圧ｖｄを入力して、ｑ軸電流ｉｑは流さずｄ軸電流ｉｄに磁気飽和が生じるような大きめの交流電流が流れるような制御信号Ｓ４と、ｄ軸電流ｉｄが正の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値がｄ軸電流ｉｄが負の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値より大きい場合に推定された永久磁石の方向θｇを１８０度進める信号Ｓθ２を出力する。１７は位置・速度修正手段であり、ｑ軸電流ｉｑは流さず、ｄ軸電流ｉｄに交流電流が流れるような制御信号Ｓ３、永久磁石形同期電動機１の推定された回転速度ωｇ及び推定された永久磁石の方向θｇを出力する。以下、その詳細を図３により説明する。
【００１５】
図３中、１８は微分器であり、ｑ軸電流ｉｑを微分する。１９はインダクタンス分電圧降下演算器であり、微分器１８の出力とｑ軸インダクタンスＬｑの積を演算する。２０は抵抗分電圧降下演算器であり、ｑ軸電流ｉｑと電機子抵抗Ｒの積を出力する。２１は加算器であり、各部の定数を設定記憶する前に永久磁石の方向を推定する場合は加算機２１の出力を何らかの方法で０Ｖにクリップ（図示せず）し、各部の定数が設定記憶されている場合はクリップ回路が働かず、この場合はインダクタンス分電圧降下演算器１９の出力と抵抗分電圧降下演算器２０の出力を加算する。
【００１６】
２２は減算器であり、加算器２１の出力とｑ軸電圧ｖｑを入力し、ｑ軸電圧ｖｑから加算器２１の出力を減算した値を出力する。２３は微分器であり、減算器２２の出力を微分する。２４は位置誤差検出手段であり、ｄ軸電流ｉｄと微分器２３の出力ｄｖｑの積ａを出力する。２５は低域通過フィルタであり、位置誤差検出手段２４の出力ａの高調波成分を除去し直流成分ａｆのみを出力する。
【００１７】
２６は速度推定手段であり、低域通過フィルタ２５の出力ａｆを入力して、永久磁石形同期電動機１の回転速度ωｇを出力する。２７は位置推定手段であり、ｄｑ軸判定手段１５の出力Ｓθ１、磁極判定手段１６の出力Ｓθ２及び推定された回転速度ωｇを入力して、ｑ軸電流ｉｑは流さずｄ軸電流ｉｄに交流電流が流れるような制御信号Ｓ３及び推定された永久磁石の方向θｇを出力する。
【００１８】
以下は本発明によって、前記問題点を解決できる理由を説明する。
まず、請求項１によって永久磁石の方向が推定できる理由を説明するために、最初に、位置・速度修正手段１７を説明する。図４は永久磁石形同期電動機１の実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒと推定された永久磁石φｇの方向θｇの関係をベクトルで表したもので、これらの間に
【００１９】
【数１】
【００２０】
の位置誤差Δθがある場合、数２に示す如くｑ軸電流ｉｑを流さずｄ軸電流ｉｄとして交流電流を流すように制御すると、
【００２１】
【数２】
【００２２】
実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒ（以下、ｄｒ軸という）に平行なｄｒ軸電流成分ｉｄｒ及びｄｒ軸に垂直な軸（以下、ｑｒ軸という）方向のｑｒ軸電流成分ｉｑｒは数３で表わされる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
ここで、Ｉｈは交流電流の波高値、ωｈは交流電流の角周波数、ｔは時間である。
永久磁石形同期電動機１の特性方程式は、次式で表せられる。
【００２５】
【数４】
【００２６】
ここで、ｖｄｒはｄｒ軸電圧、ｖｑｒはｑｒ軸電圧、ｐは微分演算子、
ωｇｒは永久磁石形同期電動機１の実際の回転速度である。
（６）式および（７）式に、（４）式および（５）式に代入すると、
【００２７】
【数５】
【００２８】
となる。（８）式と（９）式よりｑ軸電圧ｖｑは、次式となる。
【００２９】
【数６】
【００３０】
位置誤差検出手段２４の出力ａは、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑの微分値ｄｖｑとの積であることから、（２）式と（１０）式より、
【００３１】
【数７】
【００３２】
となり、低域通過フィルタ２５に通してａの高周波成分を除去すると、
【００３３】
【数８】
【００３４】
となる。Ｌｑ＞Ｌｄなので（１２）式より、−９０度＜Δθ＜９０度の場合は、位置誤差Δθの符号とａｆの符号が逆になることが分かる。つまり推定している永久磁石φｇの方向θｇが実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒより進んでいる場合は、ａｆ＜０となり速度推定手段２６によって比例積分増幅させることで、永久磁石形同期電動機１の推定された回転速度ωｇが小さくなるので推定された永久磁石の方向θｇの進みが遅くなり実際の永久磁石の方向θｇｒに一致するようになる。逆の場合も同様である。
【００３５】
位置・速度修正手段１７によって、永久磁石形同期電動機１の回転速度と永久磁石の方向を推定する場合、ｄ軸電流ｉｄには交流電流を流している。すると、ｄ軸とｑ軸との干渉によって、ｑ軸電流ｉｑにも交流成分が現れる。このｑ軸電流ｉｑの交流成分は、ｑ軸電圧ｖｑにも現れてくる。そこで、図３では、ｑ軸電圧ｖｑがｑ軸電流ｉｑの交流成分の影響を受けないように、減算器２２によってｑ軸電流ｉｑに関する項を取り除くために、ｑ軸電圧ｖｑに｛ｖｑ−（Ｒ＋ｐ・Ｌｑ）・ｉｑ｝を代入している。また、電機子抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑが未知の段階で永久磁石の方向を推定する場合、減算器２２はｑ軸電圧ｖｑをそのまま出力する。
【００３６】
つまり、（１２）式より、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑの微分値の積から、位置誤差Δθに応じたａｆが得られることから永久磁石の方向と回転速度を推定することができる。
【００３７】
次に、位置誤差Δθが９０度ずれていた場合について説明する。先に述べた位置・速度修正手段１７による永久磁石の方向を推定する方法は、最初の位置誤差Δθが±９０度付近の場合、ａｆが不安定となり永久磁石の方向θｇを推定できない。しかるに本発明によれば、ｄｑ軸判定手段１５によって、数９の（１３）式および（１４）式に示す電流をｄ軸およびｑ軸に流すことにより修正が可能になる。以下、この点について説明する。
【００３８】
【数９】
【００３９】
なお、永久磁石形同期電動機１が回転すると位置誤差Δθが変化するため、以下の方法では推定された永久磁石の方向θｇを修正することができないが、（１３）式および（１４）式の電流を流しても回転しないことを最初に説明する。
（１）式で示される位置誤差Δθがあると、実際に流れるｄｒ軸電流ｉｄｒとｑｒ軸電流ｉｑｒは、（１３）式および（１４）式より、
【００４０】
【数１０】
【００４１】
となる。一方、永久磁石形同期電動機１のトルク式は、
【００４２】
【数１１】
【００４３】
と表される。（１５）式と（１６）式を（１７）式に代入すると、永久磁石形同期電動機１の発生するトルクは次式で表される。
【００４４】
【数１２】
【００４５】
（１８）式に示す如く、発生するトルクは交流成分のみであることから平均すれば０であり、永久磁石形同期電動機１は回転しない。
次に、位置誤差Δθが９０度ずれているか否かの検出が、数９の（１３）式および（１４）式に示す電流をｄ軸およびｑ軸に流すことで可能になることを説明する。
永久磁石形同期電動機が停止している場合の実際のｄｒ軸電圧ｖｄｒとｑｒ軸電圧ｖｑｒは、（１５）式、（１６）式を（６）式、（７）式に代入することにより、（１９）式、（２０）式で表わされ、ｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑは、（２１）式、（２２）式で表わされる。
【００４６】
【数１３】
【００４７】
【数１４】
【００４８】
ここに、
【００４９】
【数１５】
【００５０】
である。Ｌｄ＜Ｌｑの関係から、（２３）式と（２５）式より、位置誤差Δθが±９０度に近づくほどｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさＶｄはｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさＶｑよりも大きくなることが分かる。
以上に説明したように、（１３）式および（１４）式で示される電流を流すことで、電動機定数を用いることなく、永久磁石形同期電動機１が停止した状態で、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさとｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさを比較することで、簡単に位置誤差Δθが±９０度あるかどうか判定することが可能になる。
【００５１】
しかし、ｄｑ軸判定手段１５は、位置誤差Δθが９０度あるかどうかの判定は可能であるが、位置誤差Δθの符号や正確な大きさまでは推定できない。よって、永久磁石形同期電動機１が停止した状態で、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさがｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさよりも大きければ、推定された永久磁石の方向θｇを９０度進めるかまたは遅らせて、先述した位置・速度推定手段１７と後述する磁極判定手段１６とで推定された永久磁石の方向θｇを修正する。
【００５２】
次に、位置誤差Δθが１８０度ずれていた場合について説明する。（１２）式より、位置誤差Δθが−９０度＜Δθ＜９０度である場合は位置誤差Δθが減る方向に修正されるが、位置誤差Δθが±９０度以上の場合は（１２）式より、位置誤差Δθの符号とａｆの符号が同符号のため位置誤差Δθが１８０度になってしまう。
【００５３】
しかるに本発明によれば、数２の（２）式および（３）式に示す電流をｄ軸およびｑ軸に流すことにより修正が可能になる（ただし、（２）式の交流電流の波高値は、磁気飽和が生じるような大きめの値）。以下、この点について説明する。
なお、ｄｑ軸判定手段１５と同様に、永久磁石形同期電動機１が回転すると位置誤差Δθが変化するため、以下の方法では推定された永久磁石の方向θｇを修正することができないが、（２）式および（３）式の電流を流しても回転しないことを最初に説明する。
位置・速度修正手段７によって推定された永久磁石の方向θｇの位置誤差Δθは、０かまたは１８０度なので、実際に流れるｄｒ軸電流ｉｄｒとｑｒ軸電流ｉｑｒは、（４）式および（５）式より、
【００５４】
【数１６】
【００５５】
となる。ｉｑｒ＝０であるので（１７）式に示す永久磁石形同期電動機１のトルクは０になり、永久磁石形同期電動機１は回転しない。
次に、位置誤差Δθが１８０度ずれているか否かの検出が数２の（２）式、（３）式に示す電流を流すことで可能になることを説明する。
【００５６】
永久磁石の方向が正しく推定されている場合のｄ軸インダクタンスＬｄは、ｄ軸電流ｉｄが正ならｄ軸電流ｉｄによる磁束の方向と永久磁石の磁束の方向が等しくなりｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなり、ｄ軸電流ｉｄが負ならｄ軸電流ｉｄによる磁束の方向と永久磁石の磁束の方向が逆方向となりｄ軸インダクタンスＬｄが大きくなる磁気飽和現象が発生する。そこで、ｑ軸電流ｉｑは流さず、ｄ軸電流ｉｄに磁気飽和が生じるような大きめの交流電流を流して、磁極判定手段１６によって、ｄ軸電流ｉｄが正の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値とｄ軸電流ｉｄが負の時のｄ軸電圧ｖｄを比較することで１８０度の位置誤差Δθを判定することができる。
【００５７】
以上に説明したように、（２）式および（３）式に示す電流を流すことで、電動機定数を用いる前の段階においてもまた、永久磁石形同期電動機１が停止した状態で、ｄ軸電流ｉｄが正の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値とｄ軸電流ｉｄが負の時のｄ軸電圧ｖｄを比較することで、簡単に１８０度の位置誤差Δθを判定することが可能になる。
【００５８】
次に、請求項１によって、位置誤差Δθが０の状態で、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑに（１３）式および（１４）式のような電流を流すことで、電動機定数を測定することができる理由を説明するために、電動機定数演算手段８について説明する。
なお、永久磁石形同期電動機１が回転すると、電動機定数を測定することができないが、（１３）式および（１４）式の電流を流す場合に回転しないことは先に（１８）式に示したとおりであり、Δθが０の場合も回転しないことは明らかである。
次に、位置誤差Δθが０の状態で、ｄ軸方向及びｑ軸方向に（１３）式および（１４）式に示す電流を流すことで電動機定数の測定が可能なことを説明する。位置誤差Δθが０で永久磁石形同期電動機１が停止している場合、ｉｄｒ＝ｉｄ、ｉｑｒ＝ｉｑ、ｖｄｒ＝ｖｄ、ｖｑｒ＝ｖｑ、ωｇｒ＝０であるので（６）式、（７）式はそれぞれ（３０）式、（３１）式で表される。
【００５９】
【数１７】
【００６０】
よって、（３０）式から、ｄ軸電圧ｖｄの大きさと位相とｄ軸電流ｉｄの大きさと位相より、ｄ軸のインダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄが演算できることがわかり、同様に（３１）式から、ｑ軸のインダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑが演算できることがわかる。
以上に説明したように位置誤差Δθが０で永久磁石形同期電動機１が停止している場合、（１３）式及び（１４）式で示す電流を流すことで、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑと電機子抵抗Ｒを同時に演算することができ、従来のように永久磁石形同期電動機を固定して電流を測定することなく、自動的に測定し、設定することが可能になった。
【００６１】
次に、請求項２によって永久磁石の磁束が測定できる理由を説明するために、磁束演算手段１０について説明する。
設定記憶手段９にｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び電機子抵抗Ｒが設定記憶され、位置・速度推定手段７によって永久磁石の方向θｇと回転速度ωｇが推定されているとする。次式に示す如く、ｄ軸電流ｉｄに交流電流、ｑ軸電流ｉｑに直流電流を流す。
【００６２】
【数１８】
【００６３】
（３２）式と（３３）式を（１７）式に代入すると、永久磁石形同期電動機１の発生するトルクは、（３４）式になる。
【００６４】
【数１９】
【００６５】
（３４）式第２項は交流成分なので平均すれば０になるが、第１項は直流成分であることから永久磁石形同期電動機１に一定のトルクが現れ、永久磁石形同期電動機１は回転する。よって、（７）式より、
【００６６】
【数２０】
【００６７】
となることから、ｄｒ軸電流ｉｄｒ、ｑｒ軸電流ｉｑｒ、ｑｒ軸電圧ｖｑｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子抵抗Ｒ、回転速度ωｇ及び永久磁石の方向θｇが分かれば、永久磁石の磁束φが演算できる。
以上に説明したように、設定記憶手段９にｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び電機子抵抗Ｒが設定記憶され、位置・速度推定手段７によって永久磁石の方向θｇと回転速度ωｇが推定され、（３２）式及び（３３）式で示す電流を流すことで、永久磁石の磁束φを演算することができ、従来のように位置検出器や速度検出器を用いることなく、自動的に測定し、設定することが可能になった。
【００６８】
【発明の効果】
本発明により、永久磁石形同期電動機の電動機定数を測定する装置を用いないで制御装置に設定できることから、制御装置の調整が簡単で高精度になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図３】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図４】本発明の原理を表すベクトル図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石形同期電動機
２ 電圧検出器
３ 電流検出器
４ 電力変換器
５ スイッチ
６ トルク制御器
７ 位置・速度推定手段
８ 電動機定数演算手段
９ 設定記憶手段
１０ 磁束演算手段
１３ 電流成分変換器
１４ 電圧成分変換器
１５ ｄｑ軸判定手段
１６ 磁極判定手段
１７ 位置・速度修正手段
１８ 微分器
１９ インダクタンス分電圧降下演算器
２０ 抵抗分電圧降下演算器
２１ 加算器
２２ 減算器
２３ 微分器
２４ 位置誤差検出手段
２５ 低域通過フィルタ
２６ 速度推定手段
２７ 位置推定手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機を制御するシステムに関わり、特に位置センサや速度センサ等を用いずに調整を簡単に行い、しかも高精度に行うことができる同期電動機の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、永久磁石形同期電動機の電動機定数である巻線抵抗は、直流試験で測定し、ｄ軸のインダクタンスＬｄは、永久磁石形同期電動機を固定した状態でｄ軸電流だけに交流電流を流す拘束試験で測定し、ｑ軸のインダクタンスＬｑは、永久磁石形同期電動機を固定した状態でｑ軸電流だけに交流電流を流す拘束試験で測定し、永久磁石の磁束は負荷試験で測定し、測定された電動機定数は、手動によって制御装置へ入力していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
永久磁石形同期電動機を高精度に制御するには、永久磁石形同期電動機の電動機定数の値が必要な場合がある。しかし、例えばｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑを測定する場合、永久磁石形同期電動機が回転しないように固定する道具が必要であり、そのような試験装置がないと永久磁石形同期電動機を高精度に制御できなかった。
また、電機子抵抗とｄ軸のインダクタンスＬｄ及びｑ軸のインダクタンスＬｑは別々に測定しているため、手間がかかるという問題があった。
【０００４】
また、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑを測定する場合、永久磁石の方向を検出する位置検出器が必要になる。さらに、永久磁石の磁束を測定する場合、永久磁石の方向を検出する位置検出器と永久磁石形同期電動機の回転速度を検出する速度検出器が必要となる。これらの位置および速度検出器は振動、粉塵や温度等の使用制限や、モータ体積の増大、さらに検出器信号線の断線やノイズ混入等の問題がある。
本発明はこのような点に鑑みて創案されたもので、その目的とするところは、これらの欠点を解決し、位置検出器や速度検出器、試験装置を用いずに電動機定数を同時に測定することができる同期電動機の制御方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
その目的を達成するために、請求項１に示す如く、永久磁石形同期電動機に流れる一次電流を推定された永久磁石の方向に平行なｄ軸電流成分と、ｄ軸に垂直なｑ軸電流成分に分けて制御する同期電動機の制御方法において、
永久磁石形同期電動機が停止した状態でｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電流としてｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流を流し、ｄ軸電圧の振幅とｑ軸電圧の振幅を比較してｄ軸電圧の振幅がｑ軸電圧の振幅よりも大きければ推定された永久磁石の方向を９０度進めるか又は遅らせ、
ｑ軸電流を流さず、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電圧の微分値とｄ軸電流の積によって推定された永久磁石の方向を修正し、
ｑ軸電流は流さず、ｄ軸電流に交流電流を流し、ｄ軸電流が正の時のｄ軸電圧の平均値が、ｄ軸電流が負の時のｄ軸電圧の平均値より大きい場合に推定された永久磁石の方向を１８０度進め、
永久磁石の方向の推定が全て終わった時点で、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸にはｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流を流し、ｄ軸電流の大きさと位相及びｄ軸電圧の大きさと位相より永久磁石形同期電動機のｄ軸インダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄを求めて設定記憶し、ｑ軸電流の大きさと位相及びｑ軸電圧の大きさと位相より永久磁石形同期電動機のｑ軸インダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑを求めて設定記憶するものである。
【０００６】
また、抵抗成分Ｒｄと抵抗成分Ｒｑの平均値を永久磁石形同期電動機の電機子抵抗Ｒとして設定記憶するものである。
【０００７】
また、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電流として直流電流を流し、永久磁石形同期電動機が回転している状態で、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｑ軸電圧から永久磁石の方向及び永久磁石形同期電動機の回転速度を推定し、電機子抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、推定された永久磁石の方向、推定された回転速度、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｑ軸電圧を入力して永久磁石の磁束を求めて設定記憶するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明につき、図を用いて説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図であり、１は永久磁石形同期電動機、４は永久磁石形同期電動機１に電力を供給する電力変換器、２は永久磁石形同期電動機１に印加される一次電圧ｖ１を検出する電圧検出器、３は永久磁石形同期電動機１に流れる一次電流ｉ１を検出する電流検出器である。６はｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子抵抗Ｒ及び永久磁石の磁束φを入力して、永久磁石形同期電動機１をトルク制御するために必要な制御信号Ｓ１を出力するトルク制御器である。
【０００９】
電流成分変換器１３は、一次電流ｉ１及び推定された永久磁石の方向θｇを入力してｄ軸電流ｉｄ及びｑ軸電流ｉｑを出力する。電圧成分変換器１４は、一次電圧ｖ１及び推定された永久磁石の方向θｇを入力してｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを出力する。位置・速度推定手段７は、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流としてｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流が流れるような制御信号Ｓ２、ｑ軸電流は流さずｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れるような制御信号Ｓ３、ｑ軸電流ｉｑは流さずｄ軸電流ｉｄとして磁気飽和が生じるような大きめの交流電流が流れるような制御信号Ｓ４、推定された回転速度ωｇ及び推定された永久磁石の方向θｇを出力する。詳細については後述する。
【００１０】
電動機定数演算手段８は、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、ｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑを入力して、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流ｉｑとしてｄ軸電流ｉｄと９０度位相が異なり振幅の等しい交流電流が流れるような制御信号Ｓ５を出力し、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、ｄ軸電圧ｖｄ及びｑ軸電圧ｖｑをフーリエ変換し、ｄ軸電流ｉｄの基本波成分の大きさと位相及びｄ軸電圧ｖｄの基本波成分の大きさと位相からｄ軸インダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄを求め、ｑ軸電流ｉｑの基本波成分の大きさと位相及びｑ軸電圧ｖｑの基本波成分の大きさと位相からｑ軸インダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑを求める。
【００１１】
磁束演算手段１０は、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ、ｑ軸電圧ｖｑ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子抵抗Ｒ、推定された永久磁石の方向θｇ及び推定された回転速度ωｇを入力して、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流ｉｑとして直流電流が流れるような制御信号Ｓ６及び永久磁石の磁束φを出力する。設定記憶手段９は、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、抵抗成分Ｒｄ、抵抗成分Ｒｑ及び永久磁石の磁束φを入力し、抵抗成分Ｒｄと抵抗成分Ｒｑの平均値を電機子抵抗Ｒとして設定記憶し、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び永久磁石の磁束φを設定記憶する。
【００１２】
スイッチ５は、トルク制御器６が出力する制御信号Ｓ１と位置・速度推定手段７が出力する制御信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、電動機定数演算手段８が出力する制御信号Ｓ５及び磁束演算手段１０が出力する制御信号Ｓ６のいずれかを選択するスイッチであり、永久磁石形同期電動機１をトルク制御するときは制御信号Ｓ１を電力変換器４に出力し、電動機定数が未知の状態で永久磁石の方向を推定するときは制御信号Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の順番に電力変換器４に出力し、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び抵抗成分Ｒを演算するときは制御信号Ｓ５を電力変換器４に出力し、永久磁石の磁束φを演算するときは制御信号Ｓ６を電力変換器４に出力する。
【００１３】
図２は、図１中の位置・速度推定手段７の詳細ブロック図を表しており、１５はｄｑ軸判定手段であり、ｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑを入力して、ｄ軸電流ｉｄとして交流電流が流れ、ｑ軸電流ｉｑとしてｄ軸電流ｉｄに対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流が流れるような制御信号Ｓ２と、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさとｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさを比較して、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の方が大きければ推定された永久磁石の方向θｇを９０度進めるか又は遅らせる信号Ｓθ１を出力する。
【００１４】
１６は磁極判定手段であり、ｄ軸電流ｉｄ及びｄ軸電圧ｖｄを入力して、ｑ軸電流ｉｑは流さずｄ軸電流ｉｄに磁気飽和が生じるような大きめの交流電流が流れるような制御信号Ｓ４と、ｄ軸電流ｉｄが正の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値がｄ軸電流ｉｄが負の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値より大きい場合に推定された永久磁石の方向θｇを１８０度進める信号Ｓθ２を出力する。１７は位置・速度修正手段であり、ｑ軸電流ｉｑは流さず、ｄ軸電流ｉｄに交流電流が流れるような制御信号Ｓ３、永久磁石形同期電動機１の推定された回転速度ωｇ及び推定された永久磁石の方向θｇを出力する。以下、その詳細を図３により説明する。
【００１５】
図３中、１８は微分器であり、ｑ軸電流ｉｑを微分する。１９はインダクタンス分電圧降下演算器であり、微分器１８の出力とｑ軸インダクタンスＬｑの積を演算する。２０は抵抗分電圧降下演算器であり、ｑ軸電流ｉｑと電機子抵抗Ｒの積を出力する。２１は加算器であり、各部の定数を設定記憶する前に永久磁石の方向を推定する場合は加算機２１の出力を何らかの方法で０Ｖにクリップ（図示せず）し、各部の定数が設定記憶されている場合はクリップ回路が働かず、この場合はインダクタンス分電圧降下演算器１９の出力と抵抗分電圧降下演算器２０の出力を加算する。
【００１６】
２２は減算器であり、加算器２１の出力とｑ軸電圧ｖｑを入力し、ｑ軸電圧ｖｑから加算器２１の出力を減算した値を出力する。２３は微分器であり、減算器２２の出力を微分する。２４は位置誤差検出手段であり、ｄ軸電流ｉｄと微分器２３の出力ｄｖｑの積ａを出力する。２５は低域通過フィルタであり、位置誤差検出手段２４の出力ａの高調波成分を除去し直流成分ａｆのみを出力する。
【００１７】
２６は速度推定手段であり、低域通過フィルタ２５の出力ａｆを入力して、永久磁石形同期電動機１の回転速度ωｇを出力する。２７は位置推定手段であり、ｄｑ軸判定手段１５の出力Ｓθ１、磁極判定手段１６の出力Ｓθ２及び推定された回転速度ωｇを入力して、ｑ軸電流ｉｑは流さずｄ軸電流ｉｄに交流電流が流れるような制御信号Ｓ３及び推定された永久磁石の方向θｇを出力する。
【００１８】
以下は本発明によって、前記問題点を解決できる理由を説明する。
まず、請求項１によって永久磁石の方向が推定できる理由を説明するために、最初に、位置・速度修正手段１７を説明する。図４は永久磁石形同期電動機１の実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒと推定された永久磁石φｇの方向θｇの関係をベクトルで表したもので、これらの間に
【００１９】
【数１】
の位置誤差Δθがある場合、数２に示す如くｑ軸電流ｉｑを流さずｄ軸電流ｉｄとして交流電流を流すように制御すると、
【００２１】
【数２】
実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒ（以下、ｄｒ軸という）に平行なｄｒ軸電流成分ｉｄｒ及びｄｒ軸に垂直な軸（以下、ｑｒ軸という）方向のｑｒ軸電流成分ｉｑｒは数３で表わされる。
【００２３】
【数３】
ここで、Ｉｈは交流電流の波高値、ωｈは交流電流の角周波数、ｔは時間である。
永久磁石形同期電動機１の特性方程式は、次式で表せられる。
【００２５】
【数４】
ここで、ｖｄｒはｄｒ軸電圧、ｖｑｒはｑｒ軸電圧、ｐは微分演算子、
ωｇｒは永久磁石形同期電動機１の実際の回転速度である。
（６）式および（７）式に、（４）式および（５）式に代入すると、
【００２７】
【数５】
となる。（８）式と（９）式よりｑ軸電圧ｖｑは、次式となる。
【００２９】
【数６】
位置誤差検出手段２４の出力ａは、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑの微分値ｄｖｑとの積であることから、（２）式と（１０）式より、
【００３１】
【数７】
となり、低域通過フィルタ２５に通してａの高周波成分を除去すると、
【００３３】
【数８】
となる。Ｌｑ＞Ｌｄなので（１２）式より、−９０度＜Δθ＜９０度の場合は、位置誤差Δθの符号とａｆの符号が逆になることが分かる。つまり推定している永久磁石φｇの方向θｇが実際の永久磁石φｇｒの方向θｇｒより進んでいる場合は、ａｆ＜０となり速度推定手段２６によって比例積分増幅させることで、永久磁石形同期電動機１の推定された回転速度ωｇが小さくなるので推定された永久磁石の方向θｇの進みが遅くなり実際の永久磁石の方向θｇｒに一致するようになる。逆の場合も同様である。
【００３５】
位置・速度修正手段１７によって、永久磁石形同期電動機１の回転速度と永久磁石の方向を推定する場合、ｄ軸電流ｉｄには交流電流を流している。すると、ｄ軸とｑ軸との干渉によって、ｑ軸電流ｉｑにも交流成分が現れる。このｑ軸電流ｉｑの交流成分は、ｑ軸電圧ｖｑにも現れてくる。そこで、図３では、ｑ軸電圧ｖｑがｑ軸電流ｉｑの交流成分の影響を受けないように、減算器２２によってｑ軸電流ｉｑに関する項を取り除くために、ｑ軸電圧ｖｑに｛ｖｑ−（Ｒ＋ｐ・Ｌｑ）・ｉｑ｝を代入している。また、電機子抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑが未知の段階で永久磁石の方向を推定する場合、減算器２２はｑ軸電圧ｖｑをそのまま出力する。
【００３６】
つまり、（１２）式より、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電圧ｖｑの微分値の積から、位置誤差Δθに応じたａｆが得られることから永久磁石の方向と回転速度を推定することができる。
【００３７】
次に、位置誤差Δθが９０度ずれていた場合について説明する。先に述べた位置・速度修正手段１７による永久磁石の方向を推定する方法は、最初の位置誤差Δθが±９０度付近の場合、ａｆが不安定となり永久磁石の方向θｇを推定できない。しかるに本発明によれば、ｄｑ軸判定手段１５によって、数９の（１３）式および（１４）式に示す電流をｄ軸およびｑ軸に流すことにより修正が可能になる。以下、この点について説明する。
【００３８】
【数９】
なお、永久磁石形同期電動機１が回転すると位置誤差Δθが変化するため、以下の方法では推定された永久磁石の方向θｇを修正することができないが、（１３）式および（１４）式の電流を流しても回転しないことを最初に説明する。
（１）式で示される位置誤差Δθがあると、実際に流れるｄｒ軸電流ｉｄｒとｑｒ軸電流ｉｑｒは、（１３）式および（１４）式より、
【００４０】
【数１０】
となる。一方、永久磁石形同期電動機１のトルク式は、
【００４２】
【数１１】
と表される。（１５）式と（１６）式を（１７）式に代入すると、永久磁石形同期電動機１の発生するトルクは次式で表される。
【００４４】
【数１２】
（１８）式に示す如く、発生するトルクは交流成分のみであることから平均すれば０であり、永久磁石形同期電動機１は回転しない。
次に、位置誤差Δθが９０度ずれているか否かの検出が、数９の（１３）式および（１４）式に示す電流をｄ軸およびｑ軸に流すことで可能になることを説明する。
永久磁石形同期電動機が停止している場合の実際のｄｒ軸電圧ｖｄｒとｑｒ軸電圧ｖｑｒは、（１５）式、（１６）式を（６）式、（７）式に代入することにより、（１９）式、（２０）式で表わされ、ｄ軸電圧ｖｄとｑ軸電圧ｖｑは、（２１）式、（２２）式で表わされる。
【００４６】
【数１３】
【数１４】
ここに、
【００４９】
【数１５】
である。Ｌｄ＜Ｌｑの関係から、（２３）式と（２５）式より、位置誤差Δθが±９０度に近づくほどｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさＶｄはｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさＶｑよりも大きくなることが分かる。
以上に説明したように、（１３）式および（１４）式で示される電流を流すことで、電動機定数を用いることなく、永久磁石形同期電動機１が停止した状態で、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさとｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさを比較することで、簡単に位置誤差Δθが±９０度あるかどうか判定することが可能になる。
【００５１】
しかし、ｄｑ軸判定手段１５は、位置誤差Δθが９０度あるかどうかの判定は可能であるが、位置誤差Δθの符号や正確な大きさまでは推定できない。よって、永久磁石形同期電動機１が停止した状態で、ｄ軸電圧ｖｄの振幅の大きさがｑ軸電圧ｖｑの振幅の大きさよりも大きければ、推定された永久磁石の方向θｇを９０度進めるかまたは遅らせて、先述した位置・速度推定手段１７と後述する磁極判定手段１６とで推定された永久磁石の方向θｇを修正する。
【００５２】
次に、位置誤差Δθが１８０度ずれていた場合について説明する。（１２）式より、位置誤差Δθが−９０度＜Δθ＜９０度である場合は位置誤差Δθが減る方向に修正されるが、位置誤差Δθが±９０度以上の場合は（１２）式より、位置誤差Δθの符号とａｆの符号が同符号のため位置誤差Δθが１８０度になってしまう。
【００５３】
しかるに本発明によれば、数２の（２）式および（３）式に示す電流をｄ軸およびｑ軸に流すことにより修正が可能になる（ただし、（２）式の交流電流の波高値は、磁気飽和が生じるような大きめの値）。以下、この点について説明する。
なお、ｄｑ軸判定手段１５と同様に、永久磁石形同期電動機１が回転すると位置誤差Δθが変化するため、以下の方法では推定された永久磁石の方向θｇを修正することができないが、（２）式および（３）式の電流を流しても回転しないことを最初に説明する。
位置・速度修正手段７によって推定された永久磁石の方向θｇの位置誤差Δθは、０かまたは１８０度なので、実際に流れるｄｒ軸電流ｉｄｒとｑｒ軸電流ｉｑｒは、（４）式および（５）式より、
【００５４】
【数１６】
となる。ｉｑｒ＝０であるので（１７）式に示す永久磁石形同期電動機１のトルクは０になり、永久磁石形同期電動機１は回転しない。
次に、位置誤差Δθが１８０度ずれているか否かの検出が数２の（２）式、（３）式に示す電流を流すことで可能になることを説明する。
【００５６】
永久磁石の方向が正しく推定されている場合のｄ軸インダクタンスＬｄは、ｄ軸電流ｉｄが正ならｄ軸電流ｉｄによる磁束の方向と永久磁石の磁束の方向が等しくなりｄ軸インダクタンスＬｄが小さくなり、ｄ軸電流ｉｄが負ならｄ軸電流ｉｄによる磁束の方向と永久磁石の磁束の方向が逆方向となりｄ軸インダクタンスＬｄが大きくなる磁気飽和現象が発生する。そこで、ｑ軸電流ｉｑは流さず、ｄ軸電流ｉｄに磁気飽和が生じるような大きめの交流電流を流して、磁極判定手段１６によって、ｄ軸電流ｉｄが正の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値とｄ軸電流ｉｄが負の時のｄ軸電圧ｖｄを比較することで１８０度の位置誤差Δθを判定することができる。
【００５７】
以上に説明したように、（２）式および（３）式に示す電流を流すことで、電動機定数を用いる前の段階においてもまた、永久磁石形同期電動機１が停止した状態で、ｄ軸電流ｉｄが正の時のｄ軸電圧ｖｄの平均値とｄ軸電流ｉｄが負の時のｄ軸電圧ｖｄを比較することで、簡単に１８０度の位置誤差Δθを判定することが可能になる。
【００５８】
次に、請求項１によって、位置誤差Δθが０の状態で、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑに（１３）式および（１４）式のような電流を流すことで、電動機定数を測定することができる理由を説明するために、電動機定数演算手段８について説明する。
なお、永久磁石形同期電動機１が回転すると、電動機定数を測定することができないが、（１３）式および（１４）式の電流を流す場合に回転しないことは先に（１８）式に示したとおりであり、Δθが０の場合も回転しないことは明らかである。
次に、位置誤差Δθが０の状態で、ｄ軸方向及びｑ軸方向に（１３）式および（１４）式に示す電流を流すことで電動機定数の測定が可能なことを説明する。位置誤差Δθが０で永久磁石形同期電動機１が停止している場合、ｉｄｒ＝ｉｄ、ｉｑｒ＝ｉｑ、ｖｄｒ＝ｖｄ、ｖｑｒ＝ｖｑ、ωｇｒ＝０であるので（６）式、（７）式はそれぞれ（３０）式、（３１）式で表される。
【００５９】
【数１７】
よって、（３０）式から、ｄ軸電圧ｖｄの大きさと位相とｄ軸電流ｉｄの大きさと位相より、ｄ軸のインダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄが演算できることがわかり、同様に（３１）式から、ｑ軸のインダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑが演算できることがわかる。
以上に説明したように位置誤差Δθが０で永久磁石形同期電動機１が停止している場合、（１３）式及び（１４）式で示す電流を流すことで、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑと電機子抵抗Ｒを同時に演算することができ、従来のように永久磁石形同期電動機を固定して電流を測定することなく、自動的に測定し、設定することが可能になった。
【００６１】
次に、請求項２によって永久磁石の磁束が測定できる理由を説明するために、磁束演算手段１０について説明する。
設定記憶手段９にｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び電機子抵抗Ｒが設定記憶され、位置・速度推定手段７によって永久磁石の方向θｇと回転速度ωｇが推定されているとする。次式に示す如く、ｄ軸電流ｉｄに交流電流、ｑ軸電流ｉｑに直流電流を流す。
【００６２】
【数１８】
（３２）式と（３３）式を（１７）式に代入すると、永久磁石形同期電動機１の発生するトルクは、（３４）式になる。
【００６４】
【数１９】
（３４）式第２項は交流成分なので平均すれば０になるが、第１項は直流成分であることから永久磁石形同期電動機１に一定のトルクが現れ、永久磁石形同期電動機１は回転する。よって、（７）式より、
【００６６】
【数２０】
となることから、ｄｒ軸電流ｉｄｒ、ｑｒ軸電流ｉｑｒ、ｑｒ軸電圧ｖｑｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、電機子抵抗Ｒ、回転速度ωｇ及び永久磁石の方向θｇが分かれば、永久磁石の磁束φが演算できる。
以上に説明したように、設定記憶手段９にｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ及び電機子抵抗Ｒが設定記憶され、位置・速度推定手段７によって永久磁石の方向θｇと回転速度ωｇが推定され、（３２）式及び（３３）式で示す電流を流すことで、永久磁石の磁束φを演算することができ、従来のように位置検出器や速度検出器を用いることなく、自動的に測定し、設定することが可能になった。
【００６８】
【発明の効果】
本発明により、永久磁石形同期電動機の電動機定数を測定する装置を用いないで制御装置に設定できることから、制御装置の調整が簡単で高精度になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図２】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図３】本発明の一実施例を表すブロック図である。
【図４】本発明の原理を表すベクトル図である。
【符号の説明】
１ 永久磁石形同期電動機
２ 電圧検出器
３ 電流検出器
４ 電力変換器
５ スイッチ
６ トルク制御器
７ 位置・速度推定手段
８ 電動機定数演算手段
９ 設定記憶手段
１０ 磁束演算手段
１３ 電流成分変換器
１４ 電圧成分変換器
１５ ｄｑ軸判定手段
１６ 磁極判定手段
１７ 位置・速度修正手段
１８ 微分器
１９ インダクタンス分電圧降下演算器
２０ 抵抗分電圧降下演算器
２１ 加算器
２２ 減算器
２３ 微分器
２４ 位置誤差検出手段
２５ 低域通過フィルタ
２６ 速度推定手段
２７ 位置推定手段
Claims (3)
- 永久磁石形同期電動機に流れる一次電流を推定された永久磁石の方向（以下、ｄ軸という）に平行なｄ軸電流成分と、ｄ軸に垂直な軸（以下、ｑ軸という）方向のｑ軸電流成分に分けて制御する同期電動機の制御方法において、
永久磁石形同期電動機が停止した状態でｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電流としてｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流を流し、ｄ軸電圧の振幅とｑ軸電圧の振幅を比較してｄ軸電圧の振幅がｑ軸電圧の振幅よりも大きければ推定された永久磁石の方向を９０度進めるか又は遅らせ、
ｑ軸電流を流さず、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電圧の微分値とｄ軸電流の積によって前記推定された永久磁石の方向を修正し、
ｑ軸電流は流さず、ｄ軸電流に交流電流を流し、ｄ軸電流が正の時のｄ軸電圧の平均値が、ｄ軸電流が負の時のｄ軸電圧の平均値より大きい場合に前記推定された永久磁石の方向を１８０度進め、
永久磁石の方向の推定が全て終わった時点で、ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸にはｄ軸電流に対して９０度位相が異なり振幅が等しい交流電流を流し、ｄ軸電流の大きさと位相及びｄ軸電圧の大きさと位相より永久磁石形同期電動機のｄ軸インダクタンスＬｄと抵抗成分Ｒｄを求めて設定記憶し、ｑ軸電流の大きさと位相及びｑ軸電圧の大きさと位相より永久磁石形同期電動機のｑ軸インダクタンスＬｑと抵抗成分Ｒｑを求めて設定記憶することを特徴とする同期電動機の制御方法。 - 抵抗成分Ｒｄと抵抗成分Ｒｑの平均値を永久磁石形同期電動機の電機子抵抗Ｒとして設定記憶することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御方法。
- ｄ軸電流として交流電流を流し、ｑ軸電流として直流電流を流し、永久磁石形同期電動機が回転している状態で、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｑ軸電圧から永久磁石の方向及び永久磁石形同期電動機の回転速度を推定し、電機子抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑ、前記推定された永久磁石の方向、推定された回転速度、ｄ軸電流、ｑ軸電流及びｑ軸電圧を入力して永久磁石の磁束を求めて設定記憶することを特徴とする請求項１記載の同期電動機の制御方法。
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