JP5523584B2 - 同期電動機のインダクタンス測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、インバータにより制御される同期電動機のインダクタンスを測定する装置及びその測定方法に関する。

従来の同期電動機のインダクタンスを測定する方法としては、例えば特許文献１には、任意の周波数で回転するｄｃ軸に平行な方向の交流電圧（いわゆる交番電圧）を印加し、電流検出器によって検出した電動機電流（ｕ相電流、ｗ相電流）を、交流電圧の印加軸であるｄｃ軸上の電流に変換する座標変換器によって変換して得られたｄｃ軸電流から、交流電流のうち交流電圧と同じ周波数成分の交流電流を検出する。そして、ｄｃ軸が電気角で１８０度以上回転した期間内における交流電流の最大値、最小値及び交流電圧からインダクタンスを演算する、インダクタンス測定方法が開示されている。

また、特許文献２には、永久磁石形同期電動機の制御装置として、以下の技術が開示されている。すなわち、前記同期電動機の永久磁石と平行な方向に交流電圧を印加し、前記電動機の永久磁石と平行な電流成分であるｄ軸電流を検出し、前記交流電圧を時間積分してｄ軸磁束を演算する。その結果から、横軸をｄ軸電流、縦軸をｄ軸磁束として描かれるヒステリシス曲線を描き、該ヒステリシス曲線内の中間を通る平均曲線を求め、この平均曲線の縦軸にオフセットを加えて原点を通る第二平均曲線を求める。そして、各ｄ軸電流に対するこの第二平均曲線上の点と原点とを結ぶ直線の傾きを各ｄ軸電流におけるｄ軸インダクタンスとする。さらに、前記ｄ軸インダクタンスを前記電動機の永久磁石と垂直な方向に交流電圧を印加し、前記電動機の永久磁石と垂直な電流成分であるｑ軸電流を検出し、前記ｄ軸インダクタンスと同様な方法でｑ軸インダクタンスを求める、インダクタンス測定方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、電流指令値又は電圧指令値に、高周波の方形波信号を重畳する。そして電流指令値に重畳した場合には、方形波信号を重畳したｄ軸あるいはｑ軸の電流指令値と電流検出値とが一致するように演算した第二の電流指令値から、方形波信号成分を抽出して、抽出した方形波信号の絶対値と、重畳した方形波信号の絶対値との比率に、ｄ軸あるいはｑ軸のインダクタンス設定値を乗算して、モータのインダクタンス値を同定する。一方、電圧指令値に重畳した場合には、ｄ軸あるいはｑ軸の電圧指令値に重畳した方形波信号の絶対値と、電流検出値から方形波信号成分を抽出して、抽出した方形波信号の絶対値を除算して、モータのインダクタンス値を同定する方法が開示されている。

特開２００２−２７２１９５号公報 特開２００１−６９７８２号公報 特開２００８−９２６５７

しかしながら、上述の特許文献１に示されている技術では、電動機に上記交番電圧を印加する方式であり、しかも交番電圧を少なくとも０°から１８０°まで方向を変えて印加する必要がある。さらに、ｄｃ軸電圧から三相電圧への座標変換が必要となるため、同期電動機のインダクタンスを測定するのに時間を要する、という問題点があった。

また、上述の特許文献２に示されている技術では、インダクタンスを測定するために印加する交番電圧を磁極（永久磁石）の位置を基準に、その平行な方向と垂直な方向に印加する方式であるため、インダクタンスを測定する前に、磁極位置の検出が必要になるという問題点があった。

また、上述の特許文献３に示されている技術では、高周波の方形波信号をｄ軸あるいはｑ軸の電流指令値あるいは電圧指令値に重畳する方式であることから、インダクタンスを測定するために、電流制御演算、ベクトル制御演算、および電圧座標変換の演算が必要であるため、同期電動機のインダクタンスを測定するために、上記すべての演算が完了するまでに時間を要するという問題点があった。

この発明は、上述の課題を鑑みてなされたものであり、同期電動機に三相の高周波回転電圧を印加し、電動機電流に含まれる高周波電圧と同一周波数成分よりインダクタンスを算出する。そのことにより、上述の電圧の座標変換、インダクタンスを測定する前の磁極位置の検出、電流制御演算及びベクトル制御演算を必要としない、高速かつ簡便な同期電動機のインダクタンスの測定装置及び測定方法を提供することを目的としている。

この発明に係る同期電動機のインダクタンス測定装置は、高周波電圧を変換し同期電動機に印加する電圧変換器と、前記電圧変換器に入力する高周波電圧指令を生成する電圧指令生成器と、前記同期電動機の電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器から検出された電流を、固定座標系に対して任意の位相角だけ回転させた直交二軸座標系上の電流に変換し、前記直交二軸座標系のうちの一軸の電流を出力する座標変換器と、前記直交二軸座標系のうちの一軸の電流に含まれる前記高周波電圧と同一周波数成分を抽出する基本波成分抽出器と、前記高周波電圧の実効値Ｖｈ、周波数ｆｈおよび前記基本波成分抽出器の出力Ｉｈγを用いて、Ｖｈ／（２π×ｆｈ×Ｉｈγ）の計算により、インダクタンスを計算するインダクタンス計算器を備え、前記電圧指令生成器は、可変の電圧実効値と、前記同期電動機が同期回転することが可能な回転周波数の最大値に比して十分高い周波数値を基本周波数とする、三相の高周波回転電圧を生成し、前記電圧変換器へ出力することを特徴とする。

以上のように、本発明は、同期電動機への電圧指令として三相の高周波回転電圧を用いることにより、従来必要であった、電圧の座標変換、インダクタンスを測定する前の磁極位置の検出、電流制御演算及びベクトル制御演算を必要とせず、高速かつ簡便に同期電動機のインダクタンスを測定することができる。

この発明の実施の形態１における同期電動機のインダクタンス測定装置を示す図である。 この発明の実施の形態１における固定座標系と任意回転座標系の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機のインダクタンス測定装置の動作フロー図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機のインダクタンス測定装置の動作のうち、γ軸のインダクタンスＬγ（Ｉｎ）を測定する処理フロー図である。 この発明の実施の形態１における同期電動機のインダクタンス測定装置の動作のうち、Ｌγ（ξ）を計算する処理フロー図である。 この発明の実施の形態１におけるインダクタンス測定でのタイムチャートである。

実施の形態１．
図１は、この実施の形態１における同期電動機のインダクタンス測定装置を示すものである。なお、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。図１において、インダクタンス測定装置１内の電圧指令生成器２は、電圧変換器３への電圧指令として、前記電圧変換器３の出力電圧の基本周波数がｆｈ、該出力電圧の周波数がｆｈにおける成分の実効値がＶｈとなる、三相の高周波回転電圧指令Ｖ＊ｕｖｗを生成する。ここで、前記三相の高周波回転電圧指令Ｖ＊ｕｖｗは、同期電動機８が回転しない程度に十分高い周波数を基本周波数とし、各相の電圧実効値が等しく、各相間の位相差が１２０°の三相交流電圧指令である。前記三相の高周波回転電圧指令Ｖ＊ｕｖｗは、前記電圧変換器３によって、公知の三角波比較ＰＷＭ方式により三相電圧Ｖｕｖｗに変換され、前記同期電動機８に印加される。

電流検出器４は、前記同期電動機８の相電流Ｉｕｖｗを検出する。そして、座標変換器５は、図２に示すように、前記相電流Ｉｕｖｗを、ｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる固定座標系９に対して、任意の位相角ξ回転させたγ軸およびδ軸からなる任意回転座標系１０上の電流に変換し、そのうちのγ軸電流Ｉγを出力する。なお、本発明において、γ軸を電流観測軸とする。基本波成分抽出器６は、前記座標変換器５の出力であるγ軸電流Ｉγに含まれる、高周波電圧の基本波と同一周波数成分Ｉｈγを抽出する。インダクタンス計算器７は、前記基本波成分抽出器６の出力Ｉｈγと、高周波回転電圧の基本周波数ｆｈと、該高周波回転電圧の基本周波数成分の実効値Ｖｈを用いて、前記同期電動機８のγ軸インダクタンスＬγを演算する。また、ｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑは、前記座標変換器５において、前記固定座標系９に対する任意回転座標系１０の位相ξを０°から１８０°まで変化させたときの、前記インダクタンス計算器７の演算結果であり、かつγ軸のインダクタンスであるＬγの最小値をＬｄ、最大値をＬｑとして定める。

図３は、この実施の形態１における同期電動機のインダクタンス測定装置の動作フロー図である。はじめに、ステップ３Ａにおいて、同期電動機に流れる電流に対する、同期電動機のインダクタンスの飽和特性を測定するために、インダクタンス測定を行う電流目標値Ｉｎ（ｎ＝１、２、３、・・・、Ｎ）を設定する。ここでｎはインダクタンスを測定する際の測定点番号である。次にステップ３Ｂにおいて、前記設定した電流目標値Ｉｎにおける、γ軸のインダクタンスＬγ（Ｉｎ）を測定する。

ここで、γ軸のインダクタンスＬγ（Ｉｎ）を測定する処理フローを図４に示す。ここで、ステップ４Ａにおいて、同期電動機８の各相に目標電流値Ｉｎを流すために、電圧指令生成器２により、電圧指令値の絶対値を増加させ、ステップ４Ｂにおいて、電圧変換器３に高周波回転電圧指令を入力する。次に、ステップ４Ｃにおいて、電流検出器４により同期電動機８の各相電流を検出し、ステップ４Ｄにおいて、該検出された各相の電流値と、前記目標電流値Ｉｎとを比較する。このとき、前記検出された各相の電流値が、前記目標電流値Ｉｎより低い場合には、再度ステップ４Ａにおいて、電圧指令値の絶対値を上昇させ、ステップ４Ｂ以降の処理を実施する。

一方、ステップ４Ｄにおいて、前記検出された各相の電流値が、前記目標電流値Ｉｎ以上である場合には、ステップ４Ｅにおいて、電圧指令生成器２における電圧指令の振幅を固定にした状態で、同期電動機の回転子位置に対するインダクタンスの分布であるＬγ（ξ）を計算する。ここで、Ｌγ（ξ）は、任意回転座標系１０の位相、すなわちｕ相から測ったγ軸の位相を０°から１８０°まで変化させる過程において、γ軸の位相がξ°の位置にあるときのγ軸方向のインダクタンスである。

図５に、前記Ｌγ（ξ）の計算処理フロー図を示す。まず、ステップ５Ａにおいて、同期電動機８の相電流を、ｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる固定座標系９に対して、任意の位相角ξ回転させたγ軸およびδ軸からなる任意回転座標系１０上の電流に変換することにより、γ軸電流ｉγ（ξ）を得る。

次に、ステップ５Ｂにおいて、前記γ軸電流ｉγから、公知のデジタルフィルタやフーリエ変換などの方法により、基本波成分ｉｈγを抽出し、さらにステップ５Ｃにおいて、γ軸電流ｉγ（ξ）の実効値Ｉｈγを算出する。そして、ステップ５Ｄにおいて、三相電圧指令をｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる固定座標系９に対して、任意の位相角ξ回転させたγ軸およびδ軸からなる任意回転座標系１０上の電圧値に換算したもののうち、γ軸電圧成分の基本波実効値Ｖｈγ、周波数ｆｈ、及びγ軸電流の基本波実効値Ｉｈγをもとに、ｕ相から位相ξの位置にあるγ軸方向のインダクタンスLγ(ξ)を算出する。

前記ステップ４Ａからステップ４Ｅ、及びステップ５Ａからステップ５Ｄの一連の処理について、高周波回転電圧の基本周波数よりも十分低い一定の周波数で、あらかじめ同期電動機制御装置が設定したξの走査区間の範囲内で、ξを一定方向に変化させる間、一定のサンプリング間隔で繰り返す。ここで、走査区間とはγ軸インダクタンスを測定させるために変化させるξの範囲を示し、該走査区間は少なくとも同期電動機の電気角での半周期すなわち１８０°以上走査するようにあらかじめ設定される。前記あらかじめ設定されたξの走査区間において、前記一連の処理が終了し、ステップ４Ｆにおいて同期電動機の回転子位置に対するインダクタンス分布の一周期分以上についてＬγ（ξ）の値の算出が終了すると、前記設定したＩｎにおけるγ軸のインダクタンスＬγ（Ｉｎ）の測定を終了する。

次に、ステップ３Ｃにおいて、上記で測定したγ軸電流の基本波実効値Ｉｈγ（Ｉｎ）の最大値及び最小値を抽出し、それぞれｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと定める。そして、γ軸インダクタンスＬγ（Ｉｎ）の最大値及び最小値を抽出し、それぞれｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑと定める。

さらに、ステップ３Ｄにおいて、上記測定点番号ｎがあらかじめ同期電動機制御装置が設定した値Ｎより小さい場合、ステップ３Ｅにおいてｎをインクリメントし、ステップ３Ａからステップ３Ｃの処理を繰り返し実行することで、複数の同期電動機電流値に対するインダクタンス値を測定する。そして、測定点番号ｎが、あらかじめ設定した値Ｎと等しくなったとき、ステップ３Ｆにて、測定したＩｄ及びＬｄ並びにＩｑ及びＬｑの複数の測定結果に対して、最小二乗法などの方法を用いて、インダクタンスの飽和特性を電流の関数Ｌ（ｉ）として導出する。

ここで、図６はこの発明の実施の形態１におけるインダクタンス測定でのタイムチャートである。走査角１５のそれぞれの時点において、電圧振幅１４に対して、γ軸電流基本波実効値１８、γ軸インダクタンス１９が、電圧振幅１３に対して、γ軸電流基本波実効値１７、γ軸インダクタンス２０が、電圧振幅１２に対して、γ軸電流基本波実効値１６、γ軸インダクタンス２１が、それぞれ得られることがわかる。

以上のように、この発明の実施の形態１においては、電圧指令生成器２が生成する電圧指令は三相の高周波回転電圧であり、単一軸方向の交流電圧指令に座標変換を行って各々の方向に交番電圧を印加する方法とは異なるため、直接三相の電圧指令を生成するための座標変換を必要とせず、加えて、同時に電動機のすべての位相方向に電圧を印加することができる。したがって、電動機へ電圧を印加するのに要する時間を短縮でき、結果として同期電動機のインダクタンスを測定するのに要する時間を短縮することができる。

また、座標変換器５において、電流観測軸であるγ軸の位相ξを任意の位相から同期電動機の電気角での半周期以上の区間にわたって与えることで、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑを求められるため、事前に磁極位置の検出をせずにインダクタンスを測定できる。さらに、高周波信号自体を電圧指令として用いるため、指令値に重畳する方法と異なり、電流制御演算器などが不要となり、簡単な構成で同期電動機のインダクタンスを測定することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、インダクタンス計算器７の演算結果Ｌ＿γの最小値、最大値からそれぞれＬｄ、Ｌｑを求めるように構成したが、基本波成分抽出器６の出力ｉｈ＿γの最大値Ｉｄ、最小値Ｉｑを用いてインダクタンスを算出することにより、ξの走査区間において、すべてのξの値にたいしてＬ＿γ（ξ）を求めなくとも、直接ｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑを算出できるため、少ない計算量でＬｄ、Ｌｑを求めることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、高周波電圧指令の波形の種類には言及しなかったが、矩形波状の電圧指令を用いることにより、矩形派が出力される三角波比較ＰＷＭ方式の電力変換器に与える指令としては、正弦波の場合に比べて電力変換器２前後での電圧誤差が小さくなり、インダクタンスの測定精度を向上させることができる。

１ インダクタンス測定装置
２ 電圧指令生成器
３ 電圧変換器
４ 電流検出器
５ 座標変換器
６ 基本波成分抽出器
７ インダクタンス計算器
８ 同期電動機
９ 固定座標系
１０ 任意回転座標系

Claims (5)

1. 高周波電圧を変換し同期電動機に印加する電圧変換器と、
   前記電圧変換器に入力する高周波電圧指令を生成する電圧指令生成器と、
   前記同期電動機の電流を検出する電流検出器と、
   前記電流検出器から検出された電流を、固定座標系に対して任意の位相角だけ回転させた直交二軸座標系上の電流に変換し、前記直交二軸座標系のうちの一軸の電流を出力する座標変換器と、
   前記直交二軸座標系のうちの一軸の電流に含まれる前記高周波電圧と同一周波数成分を抽出する基本波成分抽出器と、
   前記高周波電圧の実効値Ｖｈ、周波数ｆｈおよび前記基本波成分抽出器の出力Ｉｈγを用いて、Ｖｈ／（２π×ｆｈ×Ｉｈγ）の計算により、インダクタンスを計算するインダクタンス計算器を備え、
   前記電圧指令生成器は、可変の電圧実効値と、前記同期電動機が同期回転することが可能な回転周波数の最大値に比して十分高い周波数値を基本周波数とする、三相の高周波回転電圧を生成し、前記電圧変換器へ出力することを特徴とする同期電動機のインダクタンス測定装置。
2. 前記座標変換器の前記固定座標系は、ｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる座標系であり、前記直交二軸座標系は、γ軸および当該γ軸に直交するδ軸からなり、前記直交二軸座標系のうちの一軸の電流は当該γ軸方向の電流値であるγ軸電流であることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機のインダクタンス測定装置。
3. 前記座標変換器は、前記固定座標系から前記直交二軸座標系への変換を行う際に、少なくとも電気角で１８０°位相回転させ、
   前記インダクタンス計算器は、前記同期電動機の永久磁石の磁束と平行な方向をｄ軸とし、前記永久磁石の磁束と垂直な方向をｑ軸とするとき、前記インダクタンスの計算値の最小値をｄ軸インダクタンスとして生成し、当該計算値の最大値をｑ軸インダクタンスとして生成することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機のインダクタンス測定装置。
4. ｕ軸、ｖ軸およびｗ軸からなる固定座標系上の電流の目標値である電流目標値を設定する電流目標値設定ステップと、
   前記電流目標値において、前記固定座標系に対して位相回転させたγ軸およびδ軸からなる直交二軸座標系上におけるγ軸電流を測定し、当該γ軸電流を用いて、前記直交二軸座標系上におけるγ軸インダクタンスを算出するインダクタンス算出ステップと、
   前記同期電動機の永久磁石の磁束と平行な方向をｄ軸とし、前記永久磁石の磁束と垂直な方向をｑ軸とするとき、前記電流目標値における前記γ軸電流の実効値の最大値をｄ軸電流とし、前記γ軸電流の実効値の最小値をｑ軸電流とすると共に、前記電流目標値における前記γ軸インダクタンスの最小値をｄ軸インダクタンスとし、前記電流目標値における前記γ軸インダクタンスの最大値をｑ軸インダクタンスとする、インダクタンス抽出ステップと、
   前記ｄ軸電流、前記ｑ軸電流、前記ｄ軸インダクタンス、および前記ｑ軸インダクタンスをもとに、前記同期電動機のインダクタンスの電流に対する飽和特性を求める、飽和特性算出ステップと、
   からなることを特徴とする同期電動機のインダクタンス測定方法。
5. 前記インダクタンス算出ステップは、
   前記同期電動機の各相電流を検出する、相電流検出ステップと、
   前記相電流検出ステップにて検出された前記同期電動機の各相電流と、前記電流目標値との大小関係から、電流検出を終了するか否かを判定する、電流検出終了判定ステップと、
   前記同期電動機の回転子位置に対する前記同期電動機のインダクタンス分布を計算する、インダクタンス分布計算ステップと、
   前記固定座標系に対する前記回転座標系の位相範囲を示す走査角があらかじめ設定した設定値を超えたか否かにより、前記同期電動機のインダクタンス分布の計算が終了したか否かを判定する、インダクタンス分布測定終了判定ステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の同期電動機のインダクタンス測定方法。

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