JP5130876B2

JP5130876B2 - 永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置

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Publication number: JP5130876B2
Application number: JP2007296618A
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Inventors: 裕吾只野
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Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2013-01-30
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Description

本発明は、永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置に係り、特に１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御するための磁極位相の検出に関する。

永久磁石同期電動機は、通常、回転子の磁極位置情報を位置センサで検出する必要があるが、使用環境によっては位置センサの取り付けが困難、あるいは低コスト化や位置センサ故障回避のために、位置センサがなくても駆動できるセンサレス制御法が数多く提案されている。

Ｖ／ｆ制御法は、電動機の一次電圧を回転数に合わせて一定に制御する手法であり、基本的に位置センサや電流センサを用いないオープンループ構成となる。しかし、Ｖ／ｆ制御法を同期電動機の駆動装置に適用した場合は、磁極位置を検出していないために負荷の急変などによって不安定な制御状態を招き、場合によっては脱調する可能性が高い。

図１２は、一般的な電圧形ＰＷＭインバータによる同期電動機の駆動装置である。この装置をＶ／ｆ制御法で制御する場合に脱調なく安定化を図るために、同期電動機１の２相の電流を交流電流センサ２で検出し、このモータ電流に含まれる脈動成分をコントローラ３で抽出することでＰＷＭインバータ４の制御位相を補正する。５はＰＷＭインバータ４の直流電圧源、６は平滑コンデンサである。

このＶ／ｆ制御における安定化手法として、モータ電流検出値をインバータ電圧基準のγδ座標（インバータの電圧ベクトル方向をδ軸として、δ軸より９０度遅れた位相をγ軸とするインバータの直交座標）に変換し、γ軸電流の脈動成分を周波数指令値にフィードバックして安定化する手法がある（例えば、非特許文献１参照）。この手法では電流をフィードバックすることで負荷変動にも対応できる。

図１３の（ａ）は、非特許文献１等で提案される同期電動機のＶ／ｆ安定化制御の構成図である。Ｖ／ｆ制御装置になるコントローラ３は、基本的にはｆ／Ｖ変換器３１では周波数指令値ω^*から所望の電圧振幅値になる電圧指令Ｖ^*を求める。このｆ／Ｖ変換は、駆動する同期電動機の定格速度と定格電圧の比率を用いる。積分器３２は周波数指令値ω^*の積分によってインバータ電圧指令値の位相θを求める。これら電圧指令Ｖ^*（ｖδ^*）と位相θおよびγ軸成分の電圧指令ｖγ^*から座標変換器３３がＰＷＭインバータ４の３相電圧指令値に変換する。

Ｖ／ｆ安定化制御手段として、座標変換器３４は電流センサ２で検出するモータ電流ｉ_u，ｉ_wを、ＰＷＭインバータの一次電圧の位相情報θを基に座標変換してγ、δ軸の電流ｉγ，ｉδに変換し、安定化処理部３５は座標変換器３４からのδ軸電流ｉδを用いて補正周波数Δωを求め、補正周波数Δωで周波数指令値ω^*をω１^*に補正する。安定化処理部３５は、例えば、図１３の（ｂ）に示す構成とし、ハイパスフィルタ３５Ａで直流に近い成分をカットして脈動成分（補正周波数Δω）のみを抽出し、安定化ゲイン設定器３５Ｂで補正ゲインＫ_iを決定する。

図１３の構成では、交流電流センサが必要となり、この交流電流センサがコスト高の要因となるし、実装スペースの問題も発生する。交流電流センサを不要とする手法として、インバータの直流電流を１つのシャント抵抗で検出し、この直流電流から３相のモータ電流を再現するものが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

ところで、上記のような、永久磁石同期電動機の位置・交流電流センサレスでＶ／ｆ制御を行う装置において、永久磁石同期電動機がフリーラン（空転）している状態でインバータを再起動し、直ちにトルクを与えなければならない場合がある。この再起動を可能とする手法として、空転中の永久磁石同期電動機の磁極位置と速度情報を検出してインバータをスムーズに再起動するものが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
伊東、豊崎、大沢「永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御の高性能化」、電学論Ｄ，１２２巻３号、２００２年福本、渡邉、濱根、林「三相ＰＷインバータの直流電流検出による交流電流演算の一手法」、電学論Ｄ，１２７巻２号、２００７年特開２００４−２１５４６６特開２００７−１６６６９５

前記のように、永久磁石同期電動機の位置・交流電流センサレスでＶ／ｆ制御を行う装置において、電動機がフリーラン（空転）している状態で磁極位置と速度情報を検出してインバータをスムーズに再起動することができる。

特許文献２では、電動機の端子電圧から磁極位置と速度情報を検出する方式を用いる。永久磁石同期電動機は永久磁石により常に界磁されており、回転することで誘起起電力を発生する。したがって、電動機の端子電圧を検出しておけば、回転速度や磁極位相情報をインバータ起動前に知ることができる。

しかし、端子電圧値をＡ／Ｄ変換器等で取り込む手法は、例えば毎分１０万回転を上回るような超高速回転領域になると、Ａ／Ｄ変換処理やソフトウェア演算処理の遅れなどで、正確な磁極位相情報を検知することが困難になり、超高速運転の安定化制御および空転状態からの再起動が難しくなる。

本発明の目的は、永久磁石同期電動機の端子電圧信号からの磁極位相検出を確実、容易にして超高速運転および空転状態からの再起動ができる永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、永久磁石同期電動機の端子電圧と３相の中性点電位を比較、または相電圧間の比較もしくは端子電圧を積分した磁束情報により、相電圧／線間電圧／磁束の正負の位相パルスとして検出し、この位相パルス信号のエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行してエッジをリセットタイミングとするカウンタによって端子電圧位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値を同期電動機の速度情報とし、この速度情報を積分器で積分することで位相情報を求めるもので、以下の構成を特徴とする。

（１）１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧の中性点電位と該３相端子電圧との比較で３相端子電圧の位相に一致した相電圧位相パルスを発生する３相誘起電圧位相検出回路と、
前記相電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して相電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって３相端子電圧位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／６周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする。

（２）１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧同士の比較で線間電圧位相に一致した線間電圧位相パルスを発生する３相誘起線間電圧位相検出回路と、
前記線間電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して線間電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって３相端子電圧位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／６周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする。

（３）１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧を積分回路で積分することで磁束情報に変換し、この磁束情報からハイパスフィルタで直流分をカットし、前記磁束情報の中性点電位と該磁束情報との比較で３相磁束位相に一致した磁束位相パルスを発生するフィルタ出力比較回路と、
前記磁束位相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して磁束位相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって３相磁束位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／６周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする。

（４）１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧の中性点電位と該３相端子電圧との比較で３相端子電圧の位相に一致した相電圧位相パルスを発生する３相誘起電圧位相検出回路と、
前記３相端子電圧同士の比較で線間電圧位相に一致した線間電圧位相パルスを発生する３相誘起線間電圧位相検出回路と、
前記３相端子電圧を積分回路で積分することで磁束情報に変換し、この磁束情報からハイパスフィルタで直流分をカットし、前記磁束情報の中性点電位と該磁束情報との比較で３相磁束位相に一致した磁束位相パルスを発生するフィルタ出力比較回路と、
前記相電圧位相パルスと線間電圧位相パルスと磁束位相パルスのいずれか２つの３相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して前記２つの３相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって該２つの３相パルスの位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／１２周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする。

（５）前記３相端子電圧の中性点電位は、前記３相端子電圧を基にして計算で求める中性点電位検出回路、または前記インバータの直流電圧の１／２電圧を中性点とする中性点電位検出回路としたことを特徴とする。

（６）前記位相リセット値は、次回に想定される位相リセット値を超えた場合は、そのときの位相リセット値に飽和させる手段を備えたことを特徴とする。

（７）前記インバータで同期電動機を駆動している通常運転時には、Ｖ／ｆ制御における速度指令値を切換器を通して前記積分器の入力とし、同期電動機の空転状態からの再起動には前記カウンタ値から求める速度情報を前記積分器の入力に切り替え、同期電動機の再起動後は通常運転時の速度指令値に切り換える速度指令生成手段を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、永久磁石同期電動機の端子電圧と３相の中性点電位を比較、または相電圧間の比較もしくは端子電圧を積分した磁束情報により、相電圧／線間電圧／磁束の正負の位相パルスとして検出し、この位相パルス信号のエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行してエッジをリセットタイミングとするカウンタによって端子電圧位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値を同期電動機の速度情報とし、この速度情報を積分器で積分することで位相情報を求めるため、永久磁石同期電動機の端子電圧信号からの磁極位相検出を確実、容易にして超高速運転および空転状態からの再起動ができる。

（実施形態１）
図１は、本発明に係るＶ／ｆ制御装置の全体構成図であり、１８０度通電正弦波駆動、位置センサレス・交流電流センサレスのＶ／ｆ制御装置に構成し、永久磁石同期電動機を毎分数千回転から数十万回転（低速〜超高速）の広範囲の運転および空転状態からの再起動を可能にするものである。

図１において、永久磁石同期電動機１は電圧形ＰＷＭインバータ４で駆動する。直流電圧源５は、バッテリ電源、あるいは交流電源の整流など、その形態は問わない。シャント抵抗器７は、インバータの直流電流を検出する。このシャント抵抗器７はその位置をインバータの母線上側でも下側でも可能で、他の直流電流検出手段に置換してもよい。端子電圧検出器８は、永久磁石同期電動機の空転再起動を行うために、電動機の端子電圧を検出する。この端子電圧検出器８は、インバータのデッドタイム補償にも流用できることを示唆しておく。

コントローラ９による駆動方式については任意であるが、磁極位置センサを用いない位置センサレス方式である。また、交流電流センサを用いずに、インバータ直流母線の電流情報をシャント抵抗器７で検出する方式を用いる。この直流母線電流から交流電流検出には、低速駆動においては直流母線のシャント抵抗器の電流情報から同期電動機の３相交流電流を再現する方式も存在するが、複雑なソフトウェア処理と高速なＡ／Ｄ変換器を必要とするため、超高速駆動用途には向かない。

この問題を解消するＶ／ｆ制御装置として、図１４に示すように、シャント抵抗器７で検出されたパルス状の電流をフィルタ平均処理部３６で平均処理（ローパスフィルタ処理）することで、直流母線電流に含まれるＰＷＭ周波数成分を除去し、この電流に含まれる周波数変動分を安定化制御器３５にフィードバックすることで、Ｖ／ｆ安定化制御を行うものを本願出願人は同時に提案しており、この方式を採用することで交流電流センサレスにもなる。なお、３相電圧指令値生成部３７は座標変換器３３と同等の演算を行う。

図１４の構成とする場合、シャント抵抗器では３相交流電流を再現できないため、永久磁石同期電動機の制御で一般に広く用いられている電流ベクトル制御に適用できないが、直流平均電流のフィードバックによるＶ／ｆ安定化制御に適用できる。これにより、例えば毎分１０万回転を超える超高速領域においても交流電流センサレスで同期電動機を正弦波駆動することができる。

一方、永久磁石同期電動機の空転状態から再起動制御するには、例えば前記の特許文献１のように、３相交流電流情報とＰＷＭインバータのスイッチングパターンを用いて磁極位相情報および回転速度情報を読み取ることができる。しかしながら、上記の図１の回路構成で、超高速駆動で３相交流電流情報を再現できない用途では、空転している同期電動機の位相情報を読み取ることは難しい。そこで、最も単純に、電動機の端子電圧を検出してＡ／Ｄ変換器で取り込み、空転時の誘起電圧位相情報を読み取る手法が一般に考えられる。ただし、この場合も比較的高速なＡ／Ｄ変換器が必要となり、位相誤差の影響も懸念される。始動時の位相誤差が大きいと、過電流や速度変動などの問題が起こりやすい。

そこで、本実施形態では、端子電圧検出器８で検出する電動機の端子電圧から、高速Ａ／Ｄ変換器を不要にして、空転状態での正確な位相情報を求め、超高速運転および空転状態からの再起動を可能にする。

図２は、本実施形態のコントローラの位相情報処理回路図であり、図１の回路構成で端子電圧を検出する際に、瞬時値（アナログ値）をＡ／Ｄ変換することなく、３相誘起電圧の位相のみを検出してデジタル値として抽出する方式を採る。これは、超高速回転におけるソフトウェア演算処理の困難を回避するためである。また、各相の端子電圧検出器は、空転再起動だけでなくデッドタイム補償演算にも流用できることを示唆しておく。

図２において、まず、３相誘起電圧位相検出部１０は、端子電圧検出器８で検出する３相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗから３相端子電圧の中性点電位「Ｖｎｐ＝（Ｖｕ＋Ｖｖ＋Ｖｗ）／３」を中性点電位検出回路１１で計算的に求め、比較器１２〜１４で各相電位を中性点電位との比較で３相端子電圧の位相に一致した相電圧位相パルス（デジタル信号）を発生する。次に、ＦＰＧＡやＡＳＩＣ等のハードウェア構成のテジタル処理部２０にて、永久磁石同期電動機の速度情報と位相情報を生成する。この生成には位相検出部１０からの相電圧位相パルスを用いて、図３に示す６つの位相リセットモードを定義する。

テジタル処理部２０の位相リセット処理部２１では、図３の定義に従い、位相リセット値とリセット信号で後段の積分器２２の入力とし、リセット信号による積分器２２のリセットとこのときの値をリセット値に制御する。また、エッジ検出部２３で相電圧位相パルスの立ち上がり／立ち下がりエッジを検出し、このエッジをリセットタイミングとするカウンタ２４によって、３相端子電圧位相と同期したカウンタ値を得る。この値は、空転する場合も含めて、同期電動機の電気的回転数における１／６周期のカウント値に相当するため、速度演算部２５では同期電動機の空転時にも以下の式で速度情報を求めることができる。

ω_m：回転周波数［ｒａｄ／ｓ］、ω_e：電気的周波数［ｒａｄ／ｓ］，ｐ：極対数、ｆ_clk＝カウンタのクロック周波数［Ｈｚ］、Ｎ_pls：１／６周期のカウンタ値
上式で求めた速度を積分器２２の積分入力とすることで磁極位相情報θを得ることができる。この位相情報は前述した図３のタイミングで積分器２２の出力値を位相リセット値に強制リセットされる。これにより、確実に１／６周期毎に誘起電圧位相を合わせ込むことができるとともに、１／６周期のタイミングの間の状態は、積分器２２の出力位相を用いて補完することができる。

速度指令生成部３０は、インバータで同期電動機を駆動している通常運転時には上位コントローラから送信されてくるＶ／ｆ制御の速度指令値、または図１４の補正した速度指令値ω１^*を切換器２６を通して積分器２２の入力とする。また、空転状態からの再起動には、速度演算部２５の速度演算結果を積分器２２の入力に切り替え、積分器２２からは位相情報を得て再起動をすることができる。さらに、空転再起動後は、通常運転時の速度指令値に切り換えて、引き続き積分すれば位相情報が得られる。

本実施形態によれば、高性能なＡ／Ｄ変換器を用いずに、空転時の位相および速度情報を入手でき、再起動も確実にする。

（実施形態２）
本実施形態は、基本的には実施形態１と同様である。異なる点は、誘起電圧位相検出回路１０で誘起電圧位相を検出する際に、図４のようにインバータ直流電圧の１／２電圧を中性点とする中性点電位検出回路とし、これを比較器１２〜１４の比較基準とすることである。

本実施形態によれば、実施形態１の効果に加え、中性点電位検出回路１１による中性点電位の計算が不要なため、実施形態１よりもオペアンプ等のアナログ回路の点数を減らせる可能性がある。

（実施形態３）
本実施形態では、実施形態１、２と異なり、誘起電圧の線間電圧位相を検出するもので、図５に位相情報処理回路図を示す。

各線間電圧の位相は、３端子電圧同士を各比較器（コンパレータ）１２〜１４で直接比較することで得られる。ただし、線間電圧位相は相電圧よりも３０度位相が進むため、図３のリセットタイミングとは異なる。図６は、本実施形態における位相リセット処理タイミングを示したものである。この図に基づいて位相情報をリセットする点以外は、実施形態１，２と同様の処理を行えばよい。

本実施形態によれば、実施形態１，２の効果に加え、中性点電位の検出回路を要することなく実現できる。

（実施形態４）
本実施形態では、１２０度通電インバータの位置センサレス技術として広く用いられている１２０度通電パターン発生回路を流用する。図７は、本実施形態の位相情報処理回路図であり、前記までの３相誘起電圧位相検出回路１０に代えて、フィルタ出力比較回路４０を設ける。

フィルタ出力比較回路４０は、３相端子電圧から１２０度通電センサレス駆動を実現する方式のひとつであり、３相端子電圧を積分回路４１で積分することで磁束情報に変換する。また、積分によってノイズを除去する。ハイパスフィルタ４２はオフセット等の直流分をカットする意味で挿入している。また、中性点電位検出部４３は３相電圧の加算値を１／３倍することで中性点電位を得る。比較器４４〜４６は、各相電圧を中性点電位と比較して磁束位相の正負に相当するパルス情報を得る。

なお、中性点電位は、実施形態２でも述べたように、インバータ直流電圧の１／２電圧を用いてもよい。また、このフィルタ処理の課程は様々であるが、本実施形態では任意のフィルタ処理とコンパレータ処理によって３相分の「磁束位相パルス」が得られたものとする。

デジタル処理部２０における位相情報、速度情報の処理は基本的に実施形態１〜３と同様であるが、相電圧を積分した結果、位相が９０度遅れるので、位相リセット処理タイミングとリセット値が異なる。図８は、本実施形態における位相リセット値とリセットタイミングを示している。

本実施形態は、実施形態１〜３に比べてアナログ回路が増加するが、アナログ積分回路によりノイズ等に強い。実施形態１〜３の方式はインバータが始動した後、インバータのＰＷＭパルスの影響で電圧位相から速度情報を読み取ることができない。一方、本実施形態では積分回路を有するため、端子電圧に基づいた速度情報を得ることができる。また、１２０度通電インバータの通電パターンとしても利用できるため、正弦波駆動と１２０度矩形波駆動の両方の制御法に対応できる。

（実施形態５）
本実施形態では、実施形態１〜３を組み合わせた回路構成を考える。すなわち、相電圧と線間電圧の両方の情報を使用する。ここでは例として、実施形態２と実施形態３の構成で説明するが、実施形態１と実施形態３、実施形態１と実施形態４、実施形態２と実施形態４の組合せでも同様に実現できることを示唆しておく。図９は、実施形態２と実施形態３を組み合わせた構成例を示す。誘起電圧位相検出回路１０Ａでは線間電圧位相を検出する比較器１２Ａ〜１４Ａと、中性点と比較して相電圧位相を検出する比較器１２Ｂ〜１４Ｂをもつ。位相リセット処理部２１Ａは、線間電圧位相または相電圧位相をもとにリセット値とリセット信号を発生する。また、エッジ検出回路２３Ａは線間電圧位相および相電圧位相の両方のエッジを検出し、各エッジ検出タイミングでカウンタ２４をリセットする。

誘起電圧の相電圧／線間電圧をそれぞれ検出する回路については前述の実施形態と同様である。線間電圧位相パルスと相電圧位相パルスが得られたとして、それらを位相リセット処理部２１Ａに入力する。相電圧と線間電圧は３０度のずれがあるので、位相リセットのタイミングとしては図１０に示すとおりである。

実施形態１でも説明したように、強制リセットタイミング以外の時間は速度情報を積分したものを位相情報としてリセットタイミングの間の位相情報を補完している。このときの速度情報は前回のリセットタイミングで演算した速度をラッチしたものであるため、一定の値で積分値（位相）が増減する。したがって、電動機の速度変動が大きいときは位相補完誤差を生じることになる。実施形態１〜４では、電気的周波数の１／６周期でリセットしているため、１／６周期間の速度変動（すなわち位相変動）には厳密に対応できない。

一方、本実施形態では、図１０を見て分かるように、電気的周波数の１周期におけるリセット回数は１２回に倍増する。すなわち、誘起電圧の正確な位相を拾える回数（分解能）が増えることになる。また、速度情報を演算するためのエッジ検出回数も増えるため、速度変動もより速く正確に捉えることが可能になる。

（実施形態６）
前述の通り、位相補完処理時は正確な位相情報とはならない場合がある。例えば、図１１の（ａ）は、強制リセット以外の位相補完処理期間において実回転速度が遅くなり、位相補完で予測したリセットタイミングより遅れたタイミングで強制リセットが行われた様子を示している。位相は、次のリセット値を大きく超えた後に、強制リセットで位相が再び戻っている。このように位相リセット値を大きく超えた状態の時に、タイミング悪くインバータの再起動が行われる場合も想定されるため、位相誤差はできる限り小さくした方が好ましい。

そこで、本実施形態では、図１１の（ｂ）のように、次回に想定される位相リセット値を超えた場合は、その値で飽和させる処理を行う。これにより、位相誤差が拡大することを防止することができる。

本発明に係るＶ／ｆ制御装置の全体構成図。実施形態１のコントローラの位相情報処理回路図。実施形態１の位相タイムチャート。実施形態２のコントローラの位相情報処理回路図。実施形態３のコントローラの位相情報処理回路図。実施形態３の位相タイムチャート。実施形態４のコントローラの位相情報処理回路図。実施形態４の位相タイムチャート。実施形態５のコントローラの位相情報処理回路図。実施形態５の位相タイムチャート。実施形態６の位相飽和処理波形図。電圧形ＰＷＭインバータによる同期電動機の駆動装置。同期電動機のＶ／ｆ安定化制御の従来構成図。交流電流センサを不要にしたＶ／ｆ制御の構成図。

符号の説明

１同期電動機
３、９コントローラ
４ＰＷＭインバータ
７シャント抵抗器
８電圧検出器
１１、４３中性点電位検出器
１２〜１４，１２Ａ〜１４Ａ、１２Ｂ〜１４Ｂ、４４〜４６比較器
２１位相リセット処理部
２２積分器
２３エッジ検出器
２４カウンタ
２５速度演算部
３０速度指令生成部
４０フィルタ出力比較回路
４１積分器
４２ハイパスフィルタ

Claims

１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧の中性点電位と該３相端子電圧との比較で３相端子電圧の位相に一致した相電圧位相パルスを発生する３相誘起電圧位相検出回路と、
前記相電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して相電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって３相端子電圧位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／６周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。
１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧同士の比較で線間電圧位相に一致した線間電圧位相パルスを発生する３相誘起線間電圧位相検出回路と、
前記線間電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して線間電圧位相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって３相端子電圧位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／６周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。
１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧を積分回路で積分することで磁束情報に変換し、この磁束情報からハイパスフィルタで直流分をカットし、前記磁束情報の中性点電位と該磁束情報との比較で３相磁束位相に一致した磁束位相パルスを発生するフィルタ出力比較回路と、
前記磁束位相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して磁束位相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって３相磁束位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／６周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。
１８０度通電正弦波駆動・位置センサレス・交流電流センサレスの装置構成にしたインバータで永久磁石同期電動機をＶ／ｆ制御する装置において、
永久磁石同期電動機の３相端子電圧を検出する電圧検出器と、
前記３相端子電圧の中性点電位と該３相端子電圧との比較で３相端子電圧の位相に一致した相電圧位相パルスを発生する３相誘起電圧位相検出回路と、
前記３相端子電圧同士の比較で線間電圧位相に一致した線間電圧位相パルスを発生する３相誘起線間電圧位相検出回路と、
前記３相端子電圧を積分回路で積分することで磁束情報に変換し、この磁束情報からハイパスフィルタで直流分をカットし、前記磁束情報の中性点電位と該磁束情報との比較で３相磁束位相に一致した磁束位相パルスを発生するフィルタ出力比較回路と、
前記相電圧位相パルスと線間電圧位相パルスと磁束位相パルスのいずれか２つの３相パルスのエッジをリセットタイミングとして積分器をリセットし、かつエッジの位相に応じたリセット値に積分器をリセットし、これに並行して前記２つの３相パルスのエッジをリセットタイミングとするカウンタによって該２つの３相パルスの位相と同期したカウンタ値を得、このカウンタ値から１／１２周期の速度情報を求め、この速度情報を前記積分器の積分入力とすることで該積分器に磁極位相情報を求めるハードウェア構成のデジタル処理部を備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。
前記３相端子電圧の中性点電位は、前記３相端子電圧を基にして計算で求める中性点電位検出回路、または前記インバータの直流電圧の１／２電圧を中性点とする中性点電位検出回路としたことを特徴とする請求項１，３、４のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。
前記位相リセット値は、次回に想定される位相リセット値を超えた場合は、そのときの位相リセット値に飽和させる手段を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。
前記インバータで同期電動機を駆動している通常運転時には、Ｖ／ｆ制御における速度指令値を切換器を通して前記積分器の入力とし、同期電動機の空転状態からの再起動には前記カウンタ値から求める速度情報を前記積分器の入力に切り替え、同期電動機の再起動後は通常運転時の速度指令値に切り換える速度指令生成手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機のＶ／ｆ制御装置。