JP5282443B2 - 永久磁石形同期電動機の制御装置 - Google Patents

永久磁石形同期電動機の制御装置 Download PDF

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本発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、永久磁石形同期電動機の回転子の突極性と磁気飽和特性とを利用して電動機の磁極位置を確実に演算可能とした制御装置に関するものである。
永久磁石形同期電動機(以下、PMSMともいう)の制御装置のコストを低減するため、磁極位置検出器を使わないで運転する、いわゆるセンサレス制御技術が実用化されている。
ところで、PMSMは、回転子の構造により、表面磁石構造永久磁石形同期電動機(以下、SPMSMともいう)と埋込磁石構造永久磁石形同期電動機(以下、IPMSMともいう)とに大別される。これらのうち、IPMSMにおいては、回転子の突極性と磁気飽和特性とを利用して磁極位置を演算する技術が実用化されている。
例えば、特許文献1及び非特許文献1には、回転子の突極性(後述するd軸とq軸とでインダクタンスが異なる性質)を利用して磁極位置を演算する技術が開示されている。これらの文献によれば、回転子の磁極方向であるd軸と、制御装置側で推定したd軸(両文献ではdc軸と表記)との間に角度誤差がある場合に、推定のd軸とこれと直交する推定のq軸(両文献ではqc軸と表記)との間に、前記角度誤差に依存して発生する相互インダクタンスを利用して磁極位置を演算している。
具体的には、推定のd軸と平行方向のベクトルである高周波交番電圧を電動機に印加し、このときに推定のq軸方向に流れる高周波電流が零になるようにして磁極位置を演算しており、これにより、零速度を含む低速時における電動機のセンサレス制御を可能にしている。
しかし、回転子の突極性を利用して演算した磁極位置は、原理的に回転子のN極とS極とを判別できないため、180[deg]の誤差を持つことがある。
そこで、N極方向とS極方向とで電動機鉄芯の磁気飽和特性によるインダクタンス値に違いがあることを利用して、回転子のN極とS極とを判別することが考えられる。例えば、前述した非特許文献1では、推定のd軸のプラス方向、及び、推定のd軸のマイナス方向にパルス電圧を印加したときの電流応答を比較してN極方向とS極方向とを判別し、磁極位置を補正している。
また、特許文献2の請求項4では、特許文献1や非特許文献1に示した突極性を利用した磁極位置演算を行いながら、推定のd軸のプラス方向、及び、推定のd軸のマイナス方向に直流電流を通流し、このときの高周波電流からN極方向とS極方向とを判別して磁極位置を補正している。
上記により演算した磁極位置を利用して電動機を運転することで、電動機を安定に始動することができる。
一方、電動機鉄芯の磁気飽和特性を利用して回転子のN極とS極とを判別するためには、両者の違いを電流情報から検出できる必要がある。ところが、N極方向とS極方向とで磁気飽和特性の違いが小さい電動機の場合には、N極とS極とを判別するための電流情報が小さくなるので、電流検出回路の精度による制約から、磁極位置を正確に演算できないことがある。磁極位置が正確に演算できない場合、電動機のトルクを正確に制御することができず、運転不能に陥ったり、場合によっては制御系が不安定になったりすることがある。
上記の課題を解決するための技術は、特許文献3に開示されている。
特許文献3の実施例1では、磁極位置の演算が完了後に推定のq軸(同文献ではδ軸)の電流を一定に制御し、所定時間経過後の速度が所定値を超えない場合には、N極とS極との判別に失敗したと判断する。こうして判別の失敗を検出した場合には、推定のd軸(同文献ではγ軸)の初期値を所定の値だけ補正して磁極位置演算を再度実施している。
しかしながら、この従来技術では、N極とS極との判別の失敗を検知するために、電動機を加速する必要があり、始動時に電動機が逆転する恐れや、始動時間が長くなる恐れがある。
また、特許文献4には、同期機に回転高周波電圧を印加したときに流れる高周波電流から突極性と磁気飽和特性とを利用して磁極位置を演算する場合に、磁気飽和特性を確実に検出するための技術が示されており、その請求項1には、N極方向とS極方向とで高周波電流の振幅の差が所定のしきい値以上になるように、印加する高周波電圧の振幅を調整することが示されている。また、請求項8には、高周波電流の振幅の差が所定のしきい値を超える場合にのみ、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算を実行することが示されている。
特許第3312472号公報(段落[0014]〜[0044]、図1,図5,図6等) 特開2002−171798号公報(請求項4,段落[0033]〜[0036]、図4等) 特開2007−68255号公報(段落[0026]〜[0029]、図1等) 特開2007−124835号公報(請求項1,請求項8,段落[0010]〜[0036]、図1,図2等) Takashi Aihara, Akio Toba, Takao Yanase, Akihide Mashimo, and Kenji Endo,「Sensorless Torque Control of Salient-Pole Synchronous Motor at Zero-Speed Operation」,IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 14, NO.1, JANUARY 1999
特許文献4には、電動機に電力を供給する電力変換器の最大出力電圧や最大出力電流の制約がある時や、電動機の磁束密度が低いために磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が不可能であるといった場合の始動方法が開示されておらず、運転可能な電動機が限定されるという問題がある。
そこで、本発明の解決課題は、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が不可能な場合であっても、磁極位置を確実に演算可能として電動機を確実に始動できるようにした永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、電動機の電流をベクトルとしてとらえ、所定の期間、電流ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
これにより、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が困難な場合でも、電動機を確実に始動することができる。
請求項2に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、電動機の端子電圧をベクトルとしてとらえ、所定の期間、端子電圧ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、端子電圧ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
本発明によれば、請求項1における第2の始動手段の構成を簡略化することができる。
請求項3に係る発明は、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
第2の始動手段は、第1の磁極位置演算値の直交方向を第3の磁極位置演算値として求める手段と、第3の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段と、を有するものである。
本発明によれば、請求項1の発明における第2の始動手段の特性を改善し、磁極位置合わせに要する時間を短縮することができる。
請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
第2の磁極位置演算手段は、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流するプラスd軸通流手段と、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流するマイナスd軸通流手段と、
第1の磁極位置演算値と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
この高周波電圧により第1の磁極位置演算値と平行方向に流れる高周波電流であるγ軸高周波電流を検出する手段と、
回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるプラスd軸高周波電流と、回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるマイナスd軸高周波電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスd軸高周波電流と前記マイナスd軸高周波電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定するものである。
請求項5に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
第2の磁極位置演算手段は、
第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるプラスd軸パルス電流と、第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるマイナスd軸パルス電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段を備え、
第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
前記プラスd軸パルス電流と前記マイナスd軸パルス電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定するものである。
本発明によれば、請求項1の発明における第2の磁極位置演算手段を簡略化することができる。
本発明によれば、回転子の突極性及び磁気飽和特性を利用する磁極位置演算手段を備えた制御装置において、磁気飽和特性を利用した磁極位置演算が不可能である場合にも、磁気飽和特性を利用せずに磁極位置を演算可能として電動機を確実かつ安定して始動することができる。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、PMSMは、回転子のd軸(回転子の磁極方向)とd軸から90度進んだq軸とに従って電流制御を行うことにより、高精度なトルク制御を実現可能である。しかしながら、磁極位置検出器を持たない場合にはd,q軸を直接検出できないので、d,q軸に対応して角速度ω(=速度演算値)で回転する直交回転座標系のγ,δ軸を制御装置側に推定して制御演算を行っている。ここで、γ,δ軸の角度(=磁極位置演算値)をθと定義する。
上記γ,δ軸の定義を図7に示す。なお、図7において、ωはd,q軸の回転角速度、θerrはd,q軸とγ,δ軸との角度誤差(位置演算誤差)である。なお、便宜的に、γ軸方向を推定磁極位置に平行な方向、δ軸方向を推定磁極位置に直交する方向というものとする。
図6は、本発明の実施形態において、回転子の突極性を利用して第1の磁極位置演算を実現するための制御ブロック図である。以下に、この制御ブロック図において磁極位置演算のために電動機に高周波交番電圧を印加する方法について説明する。
まず、磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機80を駆動する主回路について説明すると、50は三相交流電源であり、整流回路60は電源50の三相交流電圧を整流して直流電圧に変換する。この直流電圧はPWMインバータからなる電力変換器70に供給され、電動機80を駆動するための所定の三相交流電圧に変換される。
次に、制御装置の構成及び作用は以下の通りである。
電流座標変換器14は、電力変換器70の出力側のu相電流検出器11u、w相電流検出器11wによりそれぞれ検出した相電流検出値i,iを、磁極位置演算値θに基づいて前記γ,δ軸上の電流検出値iγ,iδに座標変換する。
ノッチフィルタ23は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから、磁極位置演算のために重畳する高周波交番電圧によって流れる高周波電流を除去し、γ,δ軸基本波電流iγf,iδfを検出する。
γ軸電流指令値iγ とγ軸基本波電流iγfとの偏差を減算器19aにより演算し、この偏差をγ軸電流調節器20aによって増幅することによりγ軸基本波電圧指令値vγf を演算する。一方、δ軸電流指令値iδ とδ軸基本波電流iδfとの偏差を減算器19bにより演算し、この偏差をδ軸電流調節器20bによって増幅することによりδ軸基本波電圧指令値vδf を演算する。ここで、γ,δ軸電流指令値iγ ,iδ は、共に零としておく。
高周波電圧演算器21は、振幅が高周波電圧振幅指令値Vγh に等しく、周期がTである矩形波の高周波交番電圧指令値vγh を演算する。
加算器22により、γ軸電流調節器20aから出力されたγ軸基本波電圧指令値vγf に前記高周波交番電圧指令値vγh を重畳してγ軸電圧指令値vγ を求める。一方、δ軸電圧指令値vδ については、δ軸電流調節器20bから出力される基本波電圧指令値vδf に制御する。
γ,δ軸電圧指令値vγ ,vδ は電圧座標変換器15に入力され、磁極位置演算値θに基づいて三相の相電圧指令値v ,v ,v に変換される。
電圧検出器12により検出した電力変換器70の直流入力電圧Edcと上記相電圧指令値v ,v ,v とがPWM回路13に入力され、電力変換器70の半導体スイッチング素子をオンオフするためのゲート信号を生成する。電力変換器70は、このゲート信号に基づいて半導体スイッチング素子をオンオフ制御することにより、永久磁石形同期電動機80の端子電圧が相電圧指令値v ,v ,v に制御される。
次に、この実施形態における第1の磁極位置演算の原理を説明する。なお、この原理は、前述した特許文献1及び非特許文献1に記載されているものと同様である。
PMSMが停止している場合において、γ軸に平行な方向に矩形波の高周波交番電圧を印加したときの高周波成分の状態方程式は、電機子抵抗を無視できる場合、数式1のようになる。
Figure 0005282443
このときに流れるγ,δ軸高周波電流の振幅は、数式1の状態方程式における高周波交番電圧vγhの1/2周期の積分より、数式2のようになる。
Figure 0005282443
数式2より、γ軸に平行な方向に高周波交番電圧vγhを印加すると、このときのδ軸高周波電流振幅Iδhは、角度誤差θerrの2倍周期で変化することが明らかである。図8に、角度誤差θerrとγ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhとの関係を示す。
以上の結果から、δ軸高周波電流振幅Iδhを入力とするPLL回路を構成し、δ軸高周波電流振幅Iδhを零に制御することで、角度誤差θerrを零、または180度として磁極位置演算値θを真値に収束させることができる。
次に、図6の制御ブロック図による第1の磁極位置演算の動作を説明する。
バンドパスフィルタ24は、γ,δ軸電流検出値iγ,iδから高周波交番電圧vγhと同じ周波数のγ,δ軸高周波電流振幅Iγh,Iδhを演算する。速度演算器25では、δ軸高周波電流振幅Iδhに基づき比例積分演算を行って速度演算値ωを求める。また、 電気角演算器26は、速度演算値ωを積分して磁極位置演算値θを求める。
これらの演算によってδ軸高周波電流振幅Iδhを零に収束させるPLL回路が構成されるため、磁極位置θを演算することができる。
なお、上記のように回転子の突極性を利用して求めた磁極位置θを、便宜的に第1の磁極位置というものとする。
次いで、図6の制御ブロック図による第1の磁極位置演算に加えて、電動機鉄芯の磁気飽和特性を利用した第2の磁極位置演算を行うための第1実施例を説明する。
図1は、この第1実施例を示す制御ブロック図であり、請求項1,請求項4に係る発明に相当する。
既に説明したように、回転子の突極性を利用して求めた磁極位置演算値は、180[deg]の誤差を持つことがある。そこで、この第1実施例は、図6の制御ブロック図により、突極性を利用して求めた第1の磁極位置演算値を、前述の特許文献2に記載された技術により磁気飽和特性を利用して誤差補正することにより、第2の磁極位置演算値を求めるようにしたものである。そして、第2の磁極位置演算が可能であるか否かを判断し、可能である場合は第2の磁極位置演算値を使って電動機80を運転し、第2の磁極位置演算が不可能である場合には、これを使わずに運転するようにした。
図1の制御ブロック図において、図6と共通する部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図6と異なる箇所を中心に説明する。
図1において、電流指令値発生器31は、γ軸電流指令値iγ を正の一定値(+IdNS )に、続いて、負の一定値(−IdNS )に設定することで、第1の磁極位置演算値θに基づいてγ軸電流iγを正負に制御する。
図9に示すように、電流を回転子永久磁石のN極方向であるプラスd軸方向に流した場合、回転子の永久磁石の磁束と電流によって発生する磁束とが合成されるため、電動機の鎖交磁束は増加する。この結果、磁束の増加に伴う電動機鉄芯の磁気飽和により、d軸インダクタンスが減少する。
一方、電流を回転子永久磁石のS極方向であるマイナスd軸方向に流した場合、回転子永久磁石の磁束と電流によって発生する磁束とが相殺されるため、電動機の鎖交磁束が減少する。この結果、d軸インダクタンスが増加する。
これらのことから、電流指令値発生器31によりγ軸電流iγを正に制御した時、及び、負に制御した時のγ軸インダクタンスを比較すれば、真のd軸を検出することができる。なお、γ軸インダクタンスは、電動機に高周波交番電圧を印加したときに流れる高周波電流の大きさ、または、パルス電圧を印加したときの電流の大きさから検出可能である。
上述した原理より、図1におけるNS判別器32は、γ軸電流iγを正に制御した時と負に制御した時のγ軸高周波電流Iγh(それぞれをプラスd軸高周波電流IγhP,マイナスd軸高周波電流IγhMというものとする)を比較し、その大小関係から、第1の磁極位置演算値θの補正値θNSを数式3により演算する。
Figure 0005282443
図1における加算器33は、第1の磁極位置演算値θと前記補正値θNSとを加算して第2の磁極位置演算値θ10を演算し、サンプルホールド回路34aの出力として保持する。
また、サンプルホールド回路34bの出力である速度初期値ω10は、速度演算値ωを保持する。
始動方法選択器35は、γ軸高周波電流IγhP,IγhMの偏差を所定値と比較し、その結果に基づいて第1または第2の始動方法を選択すると共に、この結果を始動方法選択信号としてサンプルホールド回路34cに記憶する。
更に、回転子の突極性を利用して求めた第1の磁極位置演算値θを記憶するサンプルホールド回路34dの出力をθ101とする。
γ軸高周波電流IγhP,IγhPの偏差が所定値よりも大きい場合には、第2の磁極位置演算値θ10が正確に演算できると判定する。この場合には、始動方法選択信号により、第2の磁極位置演算値θ10と速度演算値ωとを初期値として電動機80を運転する運転方法を第1の始動方法として選択する。第1の始動方法は任意であり、例えば、非特許文献1に記載されているセンサレス制御技術による運転方法とする。
一方、γ軸高周波電流IγhP,IγhPの偏差が所定値よりも小さく、第2の磁極位置演算値θ10が正確に演算できないと判定した場合は、始動方法選択信号により、第2の磁極位置演算値θ10を使用しないで電動機80を運転する運転方法を第2の始動方法として選択する。この第2の始動方法についても任意であり、例えば、特開2001−190093号公報に記載されている技術を利用する。
具体的には、電流の振幅を零でない一定値に制御することで、電流ベクトルに回転子を引き込んで電流ベクトルに磁極位置を一致させる(以下、電流ベクトルに磁極位置を一致させる処理を「磁極位置合わせ」と呼ぶ。)。次に、電流ベクトルの速度を速度指令値に制御することで回転子を電流ベクトルに引き込んで電動機を運転する(以下、この制御方法を「電流引き込み制御」と呼ぶ)。
図2は、上述した特開2001−190093号公報に記載されている電流引き込み制御技術を利用した、第2の始動方法を実現するための制御ブロック図である。
図2において、γ軸電流指令値iγ を零でない一定値Iγ に設定することで、γ軸電流iγの振幅をIγ に制御する。一方、δ軸電流指令値iδ を零に設定し、δ軸電流iδを零に制御する。
磁極位置合わせを行うため、運転開始から所定の時間は、切替器40を切り替えることにより、速度指令値ωとして、図1のサンプルホールド回路34bの出力である速度初期値ω10を設定する。電気角演算器26は、電気角の初期値を零として、速度指令値ωを積分することにより電気角θを演算する。これらの処理により、電流ベクトルの速度が回転子速度にほぼ等しく制御され、回転子が回転している状態でも、磁極位置合わせを速やかに実施することができる。
所定の時間が経過して磁極位置合わせが完了したら、切替器40により、速度指令値ωを速度指令値ω**に制御する。この速度指令値ω**は、変化率制限器(図では、HLR)41によって速度指令値ωの単位時間当たりの変化率を制限することにより演算する。なお、変化率制限器41の初期値は速度演算値ω10とする。
これらの処理により、電流ベクトルの速度がω10からωまで所定の変化率で増加し、回転子が電流ベクトルに引き込まれて加速されるので、電動機80の速度を速度指令値ωに制御することができる。
図1の始動方法選択器35による始動方法の選択処理は、始動時に毎回行っても良いが、装置の実運用前に試運転を行い、このときに選択された始動方法を記憶しておき、実運用時には、記憶した始動方法を選択するようにしても良い。
次に、本発明の第2実施例について説明する。この第2実施例は、上述した第1実施例における第2の始動方法を簡単にしたものであり、請求項2に係る発明に相当する。
図3は、第2実施例において、第2の始動方法を実現するための制御ブロック図であり、以下では、図2と異なる部分を中心に説明する。
図3において、速度指令値ωをf/v変換器42に入力することにより、γ軸電圧指令値vγ の振幅を速度指令値ωにほぼ比例させながら一定期間にわたり零でない値に制御し、δ軸電圧指令値vδ は零に制御する。
これにより、端子電圧ベクトルの速度を速度指令値ωに制御でき、端子電圧ベクトルによって発生する電流ベクトルに電動機80の回転子が引き込まれるので、第1実施例と同様に電動機80を始動することができる。
次いで、本発明の第3実施例を説明する。この第3実施例は請求項3に係る発明に相当しており、前述した第1実施例における第2の始動方法の特性を、本出願人による先願(特願2007−279795号)に記載された技術を利用して改善したものである。
図4は、第3実施例において、第2の始動方法を実現するための制御ブロック図であり、図2と異なるのは、電気角演算器26の初期化方法のみである。
まず、図1において、回転子の突極性を利用した第1の磁極位置演算により求めた磁極位置演算値θをサンプルホールド回路34dに記憶し、その出力をθ101とする。
次に、図4に示す制御ブロック図では、上記のθ101を磁極位置初期値とし、加算器36により磁極位置初期値θ101に90[deg]を加算して得た第3の磁極位置演算値θ103を、電気角演算器26の出力である電気角θの初期値とする。ここで、δ軸電流指令値iδ は零に制御されるので、電動機80の電流ベクトルは磁極位置θに対して直交する方向に制御される。
本実施例によれば、電気角θと磁極位置θとの角度誤差θerrを90[deg]以下にできるため、磁極位置合わせに要する時間を短縮することができる。
次に、本発明の第4実施例を説明する。この第4実施例は請求項5に係る発明に相当しており、前述した第1実施例における第2の磁極位置演算方法を、非特許文献1に記載された技術を適用して簡略化したものである。
図5は、第4実施例において第2の磁極位置演算値θ10を求めるための制御ブロック図であり、図1と同一の箇所には同一の符号を付してある。
図5において、パルス発生器37は、正極性のパルス電圧と負極性のパルス電圧とを発生し、これをγ軸電圧指令値vγ に設定する。一方、δ軸電圧指令値vδ は零とする。また、電気角演算器26に入力する速度演算値ωは、零に設定する。
NS判別器32は、γ軸に正極性のパルス電圧及び負極性のパルス電圧を印加したときのγ軸電流iγ(それぞれをプラスd軸パルス電流IγP,マイナスd軸パルス電流IγMというものとする)の大小関係から、第1の磁極位置演算値θの補正値θNSを数式4により演算する。
Figure 0005282443
始動方法選択器35は、γ軸に正極性のパルス電圧及び負極性のパルス電圧を印加したときのγ軸電流IγP,IγMの偏差から始動方法を選択し、この結果を始動方法選択信号としてサンプルホールド回路34cに記憶する。
γ軸電流IγP,IγMの偏差が所定値よりも大きい場合には、第2の磁極位置演算値θ10が正確に演算できると判定する。この場合には、第2の磁極位置演算値θ10と速度演算値ωとを初期値として電動機80を運転する運転方法を第1の始動方法として選択する。
一方、γ軸電流IγP,IγMの偏差が所定の値よりも小さく、第2の磁極位置演算値θ10が正確に演算できないと判定した場合は、第2の磁極位置演算値θ10を使用しない運転方法を第2の始動方法として選択する。
ここで、第2の始動方法には、前述した第1実施例、第2実施例または第3実施例に示した方法を適応することができる。
本発明の第1実施例を示す制御ブロック図である。 本発明の第1実施例における第2の始動方法を実現するための制御ブロック図である。 本発明の第2実施例を示す制御ブロック図である。 本発明の第3実施例を示す制御ブロック図である。 本発明の第4実施例を示す制御ブロック図である。 本発明の実施形態において、第1の磁極位置演算を実現するための制御ブロック図である。 γ,δ軸の定義を示すベクトル図である。 γ軸に平行な方向に高周波交番電圧を印加したときの、角度誤差とγ,δ軸高周波電流振幅との関係を示す図である。 d軸電流と鎖交磁束及びd軸インダクタンスとの関係を示す図である。
符号の説明
11u u相電流検出器
11w w相電流検出器
12 電圧検出器
13 PWM回路
14 電流座標変換器
15 電圧座標変換器
19a,19b 減算器
20a γ軸電流調節器
20b δ軸電流調節器
21 高周波電圧演算器
22 加算器
23 ノッチフィルタ
24 バンドパスフィルタ
25 速度演算器
26 電気角演算器
31 電流指令値発生器
32 NS判別器
33 加算器
34a〜34d サンプルホールド回路
35 始動方法選択器
36 加算器
37 パルス電圧発生器
40 切替器
41 変化率制限器
42 f/v変換器
50 三相交流電源
60 整流回路
70 電力変換器
80 永久磁石形同期電動機(PMSM)

Claims (5)

  1. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
    電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
    第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
    第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
    第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
    第2の始動手段は、電動機の電流をベクトルとしてとらえ、所定の期間、電流ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、電流ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の電流ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
  2. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
    電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
    第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
    第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
    第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
    第2の始動手段は、電動機の端子電圧をベクトルとしてとらえ、所定の期間、端子電圧ベクトルの振幅を零でない一定値に制御して、端子電圧ベクトルに回転子を引き込む磁極位置合わせ手段と、この磁極位置合わせ手段を実行後の端子電圧ベクトルの位置を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
  3. 磁極位置検出器を持たない永久磁石形同期電動機の制御装置において、
    回転子の突極性を利用して第1の磁極位置を演算する第1の磁極位置演算手段と、
    電動機の磁気飽和特性を利用して第1の磁極位置から第2の磁極位置を演算する第2の磁極位置演算手段と、
    第2の磁極位置演算の可否を判定する手段と、
    第2の磁極位置演算が可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第1の始動手段を選択し、第2の磁極位置演算が不可能と判定されたときに、電動機の始動手段として第2の始動手段を選択する選択手段と、を備え、
    第1の始動手段は、第2の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段を有し、
    第2の始動手段は、第1の磁極位置演算値の直交方向を第3の磁極位置演算値として求める手段と、第3の磁極位置演算値を用いて電動機を始動する手段と、を有することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
    第2の磁極位置演算手段は、
    第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流するプラスd軸通流手段と、
    第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流するマイナスd軸通流手段と、
    第1の磁極位置演算値と平行方向に交番する高周波電圧を印加する手段と、
    この高周波電圧により第1の磁極位置演算値と平行方向に流れる高周波電流であるγ軸高周波電流を検出する手段と、
    回転子永久磁石のN極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるプラスd軸高周波電流と、回転子永久磁石のS極方向に直流電流を通流しているときの前記γ軸高周波電流であるマイナスd軸高周波電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段と、を備え、
    第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
    前記プラスd軸高周波電流と前記マイナスd軸高周波電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
  5. 請求項1〜3の何れか1項に記載した制御装置において、
    第2の磁極位置演算手段は、
    第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のN極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるプラスd軸パルス電流と、第1の磁極位置演算値から求めた回転子永久磁石のS極方向にパルス電圧を印加したときの電流であるマイナスd軸パルス電流と、の大小関係に応じて第1の磁極位置演算値を補正することにより第2の磁極位置演算値を求める手段を備え、
    第2の磁極位置演算の可否を判定する手段は、
    前記プラスd軸パルス電流と前記マイナスd軸パルス電流との偏差が所定値よりも大きい場合に、第2の磁極位置演算が可能と判定することを特徴とする、永久磁石形同期電動機の制御装置。
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