JP5667153B2 - 同期電動機の磁極位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機の始動時の磁極位置を検出する磁極位置検出装置に関する。

永久磁石を有する同期電動機においては、ロータの磁極位置に応じて各相巻線に電流を流し、所望のトルクを発生させる必要があることから、ロータの磁極位置をエンコーダなどのセンサで検出し、適切な励磁位相（磁極位置）に電流を流すように制御される。図７は、永久磁石を有する同期電動機における磁極位置の検出を説明する模式図である。図７（ａ）に示す同期電動機１００において、ロータには永久磁石１０１が設けられ、ステータには電機子巻線１０２Ｕ、１０２Ｖおよび１０２Ｗが設けられる。なお、図７（ａ）では、電機子巻線の巻数および巻き方については具体的には図示しておらず、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相といった三相の回転磁界を発生させる巻線を代表的に示しており、また、永久磁石の形状および配置位置についても具体的には図示しておらず、単にＮ極およびＳ極を有する永久磁石として表している。図７（ａ）に示す位置にロータがある場合、このロータをｄｑ座標平面上に表すと、図７（ｂ）に示すようになる。例えば、始動時に同期電動機１００のロータ１０１の磁極が図７（ｂ）に示すようにｄ軸から角度δだけずれた位置（以下、「磁極初期位置」と称する。）にある場合、センサで検出されたデータを磁極初期位置を用いて補正し、補正後のデータを用いて電機子巻線１０２Ｕ、１０２Ｖおよび１０２Ｗの電流位相（励磁位相）を制御することでロータの回転を制御する。

センサで検出されたデータを補正するために用いられる磁極初期位置が正確ではない場合、不正確なデータを用いて同期電動機の回転制御を行うことになるため、同期電動機の駆動時におけるトルク定数にバラツキが生じたり、最大トルクを発生できないことがある。特に界磁弱め制御が必要な高速まで回転させる場合には、磁極初期位置にズレがあると適正なｄ相電流を流すことができず、このため同期電動機に印加される駆動電圧が不足し、制御が不安定になる。このような理由から、同期電動機の制御においては、始動時における磁極初期位置を正確に検出することは重要である。そのため、例えば、磁極位置を絶対値として検出できるセンサを使用し、このセンサを取り付ける際に磁極位置合わせの作業を行うことがある。またあるいは、このような作業を不要にするために同期電動機の始動時等にモータ制御装置で磁極位置検出処理を実行することがある。

磁極位置検出処理の方法として、各種方法が提案されている。例えば、所定のステータ励磁位相に短時間電流を流し、そのときのロータの回転方向に基づいて、励磁位相を変更して同様に短時間電流を流し、これを繰り返すことによって磁極位置を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また例えば、突極性を有する同期電動機において、高周波電圧指令を入力し、励磁位相を変化させながら、電流フィードバックを観測することで磁極位置を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、同期電動機の始動時の磁極位置の検出に限らず、同期電動機の定常運転時の回転制御をセンサレスで行う方法がある（例えば、特許文献３参照。）。特許文献３に記載された方法によれば、ＰＬＬ回路を用いて、同期電動機に発生する逆起電圧の位相と電圧指令の位相を一致させることでセンサレス制御を実現する。

特許第３４０８４６８号公報 特許第３８０５３３６号公報 特開２００２−１３６１７４号公報

上述の特許第３４０８４６８号公報（特許文献１）に記載された方法によれば、ロータを微小回転させる必要があるため、磁極初期位置の検出精度がロータの摩擦やイナーシャの影響を受け、ロータがロックされているような場合は検出ができないという問題がある。

また、上述の特許第３８０５３３６号公報（特許文献２）に記載された方法によれば、同期電動機の突極性の大きさに応じて、入力する高周波電圧指令の大きさを調整する必要があり、突極性が小さい場合には磁極初期位置の検出精度が悪化するという問題がある。また、電流フィードバックを微分してフィルタ処理し、さらにその振幅の大小関係から磁極位置を検出するので、ノイズの影響を受けやすいという問題もある。

また、上述の特開２００２−１３６１７４号公報（特許文献３）に記載された方法は、逆起電圧を利用するために同期電動機のロータを回転する必要があり、この方法を磁極初期位置の検出しようとすると、上述の特許文献１の場合と同様に、磁極初期位置の検出精度がロータの摩擦やイナーシャの影響を受け、ロータがロックされているような場合は検出ができないという問題がある。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、同期電動機の始動時の磁極位置を高精度に検出することができ、かつノイズの影響を受けにくい磁極位置検出装置を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、同期電動機の始動時の磁極位置を検出する磁極位置検出装置は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を生成する電圧指令手段と、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を、推定磁極位置を用いて三相座標系上の高周波電圧指令に変換する三相座標変換手段と、三相座標系上の高周波電圧指令に基づき同期電動機の駆動電力を生成する電力変換器から当該同期電動機へ流れる三相電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された三相電流を、三相座標変換手段における変換で用いられた推定磁極位置を用いて、ｄｑ座標系上の電流に変換するｄｑ座標変換手段と、ｄｑ座標系上の電流とｄｑ座標系上の高周波電圧指令とに基づいて、三相座標変換手段およびｄｑ座標変換手段による座標変換処理において新たに用いられる推定磁極位置を算出する推定磁極位置算出手段と、推定磁極位置算出手段により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したときの位置を、同期電動機の始動時の磁極位置として確定する磁極位置確定手段と、を備える。

ｄｑ座標系上の高周波電圧指令は、高周波のｄ相成分と振幅ゼロのｑ相成分とからなり、推定磁極位置算出手段は、ｄｑ座標系上の電流のうちのｑ相成分と、高周波のｄ相成分と、に基づいて新たに用いられる推定磁極位置を算出するのが好ましい。

推定磁極位置算出手段は、ｄｑ座標系上の電流の値の微分を計算する微分計算手段と、微分計算手段により微分された電流の値と、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令との積を計算する積計算手段と、積計算手段の計算結果から高周波成分を除去するフィルタ手段と、フィルタ手段により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算するゲイン手段と、ゲイン手段からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を新たに用いられる推定磁極位置として出力する積分計算手段と、を備えるようにしてもよい。

推定磁極位置算出手段は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令の位相をシフトする位相シフト手段と、ｄｑ座標系上の電流の値と、位相シフト手段により位相がシフトされた高周波電圧指令との積を計算する積計算手段と、積計算手段の計算結果から高周波成分を除去するフィルタ手段と、フィルタ手段により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算するゲイン手段と、ゲイン手段からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を新たに用いられる推定磁極位置として出力する積分計算手段と、を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、突極性を有する同期電動機の始動時の磁極位置を高精度に検出することができ、かつノイズの影響を受けにくい磁極位置検出装置を実現することができる。

本発明によれば、磁極初期位置の検出のために同期電動機のロータを回転させる必要がないので、特許文献１および特許文献３などの場合にあった磁極初期位置の検出精度がロータの摩擦やイナーシャによる影響を受けることはなく、ロータがロックされている場合であっても正確に磁極初期位置を検出することができる。

また、一般に、同期電動機のロータ構造として、ロータ表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型とロータ内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型がある。本発明による磁極初期位置検出装置は、同期電動機の突極性を利用するので、突極性が大きい埋込磁石型の同期電動機の始動時の磁極位置検出に特に有利ではあるが、突極性が小さい表面磁石型の同期電動機であっても、ゲイン定数を適切に選ぶことにより高精度に磁極初期位置を検出することができ、また微分計算を行わない方法を採ればノイズの影響も受けにくい。

本発明の第１の実施例による磁極位置検出装置の原理ブロック図である。 αβ座標上におけるロータの実際の位置と同期電動機に取り付けられたセンサにより検出されたロータ位置との関係を説明する図である。 本発明の第１の実施例による磁極位置検出装置の動作フローを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例による磁極位置検出装置の原理ブロック図である。 本発明の第２の実施例による磁極位置検出装置の動作フローを示すフローチャートである。 本発明による磁極位置検出装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。 永久磁石を有する同期電動機における磁極位置の検出を説明する模式図である。

図１は、本発明の第１の実施例による磁極位置検出装置の原理ブロック図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。

永久磁石を有する同期電動機２の始動時の磁極初期位置を検出する本発明の第１の実施例による磁極位置検出装置１は、同期電動機２の回転を制御するモータ制御装置（図示せず）内に設けられるが、既存のモータ制御装置に後付けで取り付けられるようにそれ自体単体のものとして実現してもよい。磁極位置検出装置１は、同期電動機２の回転制御する前すなわち同期電動機２の始動時における同期電動機２のロータの磁極初期位置（励磁初期位相）を検出する。同期電動機２を回転制御する場合、図１に示すスイッチＳＷは、電流制御部１７と三相座標変換手段１２とを閉路するよう切り換えられる。この場合、電流制御部１７は、入力されたｄ相電流指令およびｑ相電流指令と、電流検出手段１３によって検出された電力変換器（アンプ）３から同期電動機２へ流れる三相電流をｄｑ座標変換した電流値と、センサ１８によって検出された同期電動機２のロータの磁極位置θｓと、に基づいて、同期電動機２の所望の回転速度およびトルクを得るために必要な駆動電力を出力するよう電力変換器３を制御するためのｄ相電圧指令およびｑ相電圧指令を作成する。この電流制御部１７の処理においては、センサ１８によって検出された同期電動機２のロータの磁極位置θｓは、磁極位置検出装置１によって検出された磁極初期位置を用いて補正されたものが用いられる。すなわち、この補正された磁極位置データをもとに同期電動機２の回転が制御される。電流制御部１７により作成されたｄ相電圧指令およびｑ相電圧指令は、三相座標変換手段１２によってＵＶＷ相の三相電圧指令に座標変換され、電力変換器３に入力される。電力変換器３は、例えば直流を三相交流に変換する三相インバータ（逆変換器）であり、入力された三相電圧指令に基づいて内部のスイッチング素子（図示せず）のスイッチング動作が制御されることで、入力された直流が同期電動機２の駆動電力である三相交流に変換される。

このように、同期電動機２の定常運転時における回転制御の場合、電流制御部１７と三相座標変換手段１２とを閉路するようスイッチＳＷが切り換えられる。一方で、同期電動機２の始動時の磁極初期位置を検出するために磁極位置検出装置１が動作する場合には、図１に示すスイッチＳＷは、電圧指令手段１１と三相座標変換手段１２とを閉路するよう切り換えられる。

磁極位置検出装置１は、永久磁石を有する同期電動機２の突極性と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）の原理を利用して同期電動機２の始動時の磁極初期位置を検出する。以下、磁極位置検出装置１の構成を説明すると次の通りである。

本発明の第１の実施例による磁極位置検出装置１は、電圧指令手段１１と、三相座標変換手段１２と、電流検出手段１３と、ｄｑ座標変換手段１４と、推定磁極位置算出手段１５と、磁極位置確定手段１６と、を備える。これら電圧指令手段１１、三相座標変換手段１２、電流検出手段１３、ｄｑ座標変換手段１４、推定磁極位置算出手段１５、および磁極位置確定手段１６は、モータ制御装置（図示せず）内の演算処理装置においてソフトウェア形式で実現されるが、磁極位置検出装置１がそれ自体単体で実現される場合には磁極位置検出装置１内の演算処理装置においてソフトウェア形式で実現される。

電圧指令手段１１は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を生成する。ｄｑ座標系上の高周波電圧指令は、高周波のｄ相成分と振幅ゼロのｑ相成分とからなる。

三相座標変換手段１２は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を、推定磁極位置（推定励磁位相）を用いて三相座標系上の高周波電圧指令に変換する。

電流検出手段１３は、三相座標系上の高周波電圧指令に基づき同期電動機２の駆動電力を生成する電力変換器３から当該同期電動機２へ流れる三相電流を検出する。

ｄｑ座標変換手段１４は、電流検出手段１３により検出された三相電流を、三相座標変換手段１２における変換で用いられた推定磁極位置を用いて、ｄｑ座標系上の電流に変換する。

推定磁極位置算出手段１５は、ｄｑ座標系上の電流とｄｑ座標系上の高周波電圧指令とに基づいて、三相座標変換手段１２およびｄｑ座標変換手段１４による座標変換処理において新たに用いられる推定磁極位置を算出する。上述のように、電圧指令手段１１は、高周波のｄ相成分と振幅ゼロのｑ相成分とからなるｄｑ座標系上の高周波電圧指令を生成するが、推定磁極位置算出手段１５は、ｄｑ座標系上の電流のうちのｑ相成分と、高周波のｄ相成分と、に基づいて新たに用いられる推定磁極位置を算出する。

本発明の第１の実施例では、推定磁極位置算出手段１５は、微分計算手段２１と、積計算手段２２と、フィルタ手段２３と、ゲイン手段２４と、積分計算手段２５と、を備える。微分計算手段２１は、ｄｑ座標変換手段１４により算出されたｄｑ座標系上の電流の値の微分を計算する。積計算手段２２は、微分計算手段２１により微分された電流の値と、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令との積を計算する。フィルタ手段２３は、積計算手段２２の計算結果から高周波成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。ゲイン手段２４は、フィルタ手段２３により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算する。積分計算手段２５は、ゲイン手段２４からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を新たに用いられる推定磁極位置として出力する。

磁極位置確定手段１６は、推定磁極位置算出手段１５により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したときの位置を、同期電動機２の始動時の磁極位置として確定する。

磁極位置検出装置１は、永久磁石を有する同期電動機２の突極性と、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）の原理を利用して同期電動機２の始動時の磁極位置を検出する。以下、動作原理について説明する。

図２は、αβ座標上におけるロータの実際の位置と同期電動機に取り付けられたセンサにより検出されたロータ位置との関係を説明する図である。回転座標系であるαβ座標上において、ある時点にロータが図２に示すようにα軸からθだけずれた位置に実際にあった場合において、センサ１８による検出結果がα軸からρだけずれたところにロータ位置があると示した場合を考える。すなわち、実際のロータ位置θとセンサ１８が示したロータ位置ρとの間に「ρ−θ」で表されるズレが生じていた場合を考える。

２相巻線の突極性を持ったロータのαβ座標上での電流をｉ_αおよびｉ_β、発生する磁束をλ_αおよびλ_β、ｄ軸上のインダクタンスをＬ_d、ｑ軸上のインダクタンスをＬ _q 、各インダクタンスＬ_dおよびＬ _q の直流分をＬ₀、脈動分をＬ₂、永久磁石の磁束をφとすると、回転座標系であるαβ座標系上の実際のロータ位置θは式１に示される関数で表される。

式１におけるθに、実際のロータ位置とセンサ１８により検出されたロータ位置とのズレである「ρ−θ」を代入し、これをｄｑ座標上に変換すると式２のようになる。

式２をｄｑ座標軸上の電圧ｖ_dおよびｖ_qの式に変形すると式３が得られる。

式３を微分して電流の式に変形すると式４が得られる。式４において、ロータの回転速度をωとしている。

上述のように、電圧指令手段１１は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令として、高周波のｄ相成分ｖ_dh＝Ｖｓｉｎγｔと振幅ゼロのｑ相成分とからなる電圧指令を生成するが、これを式４に代入する。式４において右辺の第２項は高周波に影響しないので無視でき、また同期電動機２の始動時であることからロータは静止しているのでω＝０とすると式５が得られる。

電圧指令手段１１により生成されたｄｑ座標系上の高周波電圧指令に基づいて電力変換器３を動作させると、電流検出手段１３により３相電流が検出される。検出された３相電流をｄｑ座標変換手段１４によりｄｑ座標上の電流に変換したときのｑ相成分の電流を、推定磁極位置算出手段１５内の微分計算手段２１により微分した値が、式５のｐｉ_qに相当する。推定磁極位置算出手段１５内の積計算手段２２は、微分計算手段２１により得られた式５のｐｉ_qのうちのｉ_qと、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令のうちのｄ相成分ｖ_dh＝Ｖｓｉｎγｔとの積を計算し、その後、推定磁極位置算出手段１５内のフィルタ手段２３により高周波キャリア分ｃｏｓ２γｔを除去すると、式６に示すような成分が抽出される。

式６からわかるように、実際のロータ位置θとセンサ１８により検出されたロータ位置ρとの位相差である「ρ−θ」の成分が含まれている。本発明の第１の実施例では、式１〜６におけるρが推定磁極位置であるとし、式６に基づく位相差に、ゲイン手段２４により所定のゲインを掛けて積分計算手段２５により積分した値を、新たなる推定磁極位置に設定してこれを三相座標変換手段１２およびｄｑ座標変換手段１４による座標変換処理で用いる。ゲイン手段２４によるゲインを適切に選ぶことにより、積分計算手段２５から出力される値はある時定数で一定値に収束することになるので、磁極位置確定手段１６は、推定磁極位置算出手段１５の積分計算手段２５から出力される推定磁極位置が略一定の位置に収束したときの位置を、同期電動機２の始動時の磁極初期位置として確定する。

磁極位置検出装置１は、上述の構成を備えてゲイン定数を適切に選択することによって、同期電動機２の始動時の磁極初期位置を精度よく検出することができる。

なお、一般に、同期電動機のロータ構造として、ロータ表面に永久磁石を貼り付けた表面磁石型とロータ内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石型がある。本発明による磁極位置検出装置１は、同期電動機２の突極性を利用するので、突極性が大きい埋込磁石型のロータの始動時の磁極位置検出に適している。しかしながら、突極性が小さい表面磁石型のロータであってもゲイン手段２４におけるゲイン定数を適切に選ぶことにより高精度に磁極初期位置を検出することができる。

図３は、本発明の第１の実施例による磁極位置検出装置の動作フローを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１０１において、三相座標変換手段１２およびｄｑ座標変換手段１４による座標変換に用いられる推定磁極位置を初期化する。

ステップＳ１０２において、電圧指令手段１１は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を生成する。ｄｑ座標系上の高周波電圧指令は、高周波のｄ相成分と振幅ゼロのｑ相成分とからなる。

次いでステップＳ１０３において、三相座標変換手段１２は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を、推定磁極位置を用いて三相座標系上の高周波電圧指令に変換する。

変換された三相座標系上の高周波電圧指令は、ステップＳ１０４において、電力変換器３へ出力される。これにより電力変換器３は当該高周波電圧指令に従った三相交流電力を出力する。

ステップＳ１０５において、電流検出手段１３は、三相座標系上の高周波電圧指令に基づき同期電動機２の駆動電力を生成する電力変換器３から当該同期電動機２へ流れる三相電流を検出する。

次いでステップＳ１０６において、ｄｑ座標変換手段１４は、電流検出手段１３により検出された三相電流を、三相座標変換手段１２における変換で用いられた推定磁極位置を用いて、ｄｑ座標系上の電流に変換する。

次いでステップＳ１０７において、推定磁極位置算出手段１５内の微分計算手段２１は、ｄｑ座標変換手段１４により算出されたｄｑ座標系上の電流の値の微分を計算する。

次いでステップＳ１０８において、推定磁極位置算出手段１５内の積計算手段２２は、微分計算手段２１により微分された電流の値と、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令との積を計算する。

次いでステップＳ１０９において、推定磁極位置算出手段１５内のフィルタ手段２３は、積計算手段２２の計算結果から高周波成分を除去する。

次いでステップＳ１１０において、推定磁極位置算出手段１５内のゲイン手段２４は、フィルタ手段２３により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算する。

次いでステップＳ１１１において、推定磁極位置算出手段１５内の積分計算手段２５は、ゲイン手段２４からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を新たに用いられる推定磁極位置として出力する。

次いでステップＳ１１２において、磁極位置確定手段１６は、推定磁極位置算出手段１５により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したか否かを判定する。一定の位置に収束した場合はステップＳ１１３へ進み、磁極位置確定手段１６は、推定磁極位置算出手段１５により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したときの位置を、同期電動機２の始動時の磁極初期位置として確定する。なお、この変形例として、磁極位置確定手段１６は所定の時間が経過したかを判定し（ステップＳ１１２）、所定の時間経過したときの推定磁極位置を同期電動機２の始動時の磁極位置として確定するようにしてもよい（ステップＳ１１３）。

図４は、本発明の第２の実施例による磁極位置検出装置の原理ブロック図である。本発明の第２の実施例は、第１の実施例で説明した推定磁極位置算出手段１５の代替例である。なお、推定磁極位置算出手段１５’以外の回路構成要素については図１に示す第１の実施例における回路構成要素と同様であるので、同一の回路構成要素には同一符号を付して当該回路構成要素についての詳細な説明は省略する。第２の実施例においても、電圧指令手段１１、三相座標変換手段１２、電流検出手段１３、ｄｑ座標変換手段１４、推定磁極位置算出手段１５’、および磁極位置確定手段１６は、モータ制御装置（図示せず）内の演算処理装置においてソフトウェア形式で実現される。

本発明の第２の実施例によれば、推定磁極位置算出手段１５’は、位相シフト手段２６と、積計算手段２２と、フィルタ手段２３と、ゲイン手段２４と、積分計算手段２５と、を備える。

位相シフト手段２６は、電圧指令手段１１により生成されたｄｑ座標系上の高周波電圧指令の位相をシフトする。積計算手段２２は、ｄｑ座標変換手段１４により算出されたｄｑ座標系上の電流の値と、位相シフト手段２６により位相がシフトされた高周波電圧指令との積を計算する。フィルタ手段２３は、積計算手段２２の計算結果から高周波成分を除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）である。ゲイン手段２４は、フィルタ手段２３により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算する。積分計算手段２５は、ゲイン手段２４からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を新たに用いられる推定磁極位置として出力する。

続いて動作原理について説明する。上述の式５で示されるｐｉ_qのうちｑ相電流ｉ_qを変形すると式７が得られる。

電圧指令手段１１により高周波電圧指令として生成されるｄ相成分ｖ_dh＝Ｖｓｉｎγｔを、推定磁極位置算出手段１５’内の位相シフト手段２６によりπ／２だけ位相シフトすると、式８が得られる。

推定磁極位置算出手段１５’内の積計算手段２２は、式７で示されるｉ_qと、式８で示されるＶｃｏｓγｔとの積を計算し、その後、推定磁極位置算出手段１５’内のフィルタ手段２３により高周波キャリア分ｃｏｓ２γｔを除去すると、式９に示すような成分が抽出される。

式９は、第１の実施例における式６とは正負の極性が異なるが、その絶対値は同じである。したがって、第２の実施例でも第１の実施例と同様の効果を得ることができる。

図５は、本発明の第２の実施例による磁極位置検出装置の動作フローを示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１において、三相座標変換手段１２およびｄｑ座標変換手段１４による座標変換に用いられる推定磁極位置を初期化する。

ステップＳ２０２において、電圧指令手段１１は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を生成する。ｄｑ座標系上の高周波電圧指令は、高周波のｄ相成分と振幅ゼロのｑ相成分とからなる。

次いでステップＳ２０３において、三相座標変換手段１２は、ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を、推定磁極位置を用いて三相座標系上の高周波電圧指令に変換する。

変換された三相座標系上の高周波電圧指令は、ステップＳ２０４において、電力変換器３へ出力される。これにより電力変換器３は電力を出力することになる。

ステップＳ２０５において、電流検出手段１３は、三相座標系上の高周波電圧指令に基づき同期電動機２の駆動電力を生成する電力変換器３から当該同期電動機２へ流れる三相電流を検出する。

次いでステップＳ２０６において、ｄｑ座標変換手段１４は、電流検出手段１３により検出された三相電流を、三相座標変換手段１２における変換で用いられた推定磁極位置を用いて、ｄｑ座標系上の電流に変換する。

次いでステップＳ２０７において、推定磁極位置算出手段１５’内の位相シフト手段２６は、電圧指令手段１１により生成されたｄｑ座標系上の高周波電圧指令の位相をπ／２だけシフトする。

次いでステップＳ２０８において、推定磁極位置算出手段１５’内の積計算手段２２は、ｄｑ座標変換手段１４により算出されたｄｑ座標系上の電流の値と、位相シフト手段２６により位相がシフトされた高周波電圧指令との積を計算する。

次いでステップＳ２０９において、推定磁極位置算出手段１５’内のフィルタ手段２３は、積計算手段２２の計算結果から高周波成分を除去する。

次いでステップＳ２１０において、推定磁極位置算出手段１５’内のゲイン手段２４は、フィルタ手段２３により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算する。

次いでステップＳ２１１において、推定磁極位置算出手段１５’内の積分計算手段２５は、ゲイン手段２４からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を新たに用いられる推定磁極位置として出力する。

次いでステップＳ２１２において、磁極位置確定手段１６は、推定磁極位置算出手段１５’により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したか否かを判定する。一定の位置に収束した場合はステップＳ２１３へ進み、磁極位置確定手段１６は、推定磁極位置算出手段１５’により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したときの位置を、同期電動機２の始動時の磁極位置として確定する。なお、この変形例として、磁極位置確定手段１６は所定の時間が経過したかを判定し（ステップＳ２１２）、所定の時間経過したときの推定磁極位置を同期電動機２の始動時の磁極位置として確定するようにしてもよい（ステップＳ２１３）。

図６は、本発明による磁極位置検出装置の動作のシミュレーション結果を示す図である。図６において、横軸は時間〔秒〕を表し、縦軸は実際のロータ位置θとセンサ１８により検出されたロータ位置ρとのズレである「ρ−θ〔ｒａｄ〕」を表す。

シミュレーションでは第１の実施例による磁極位置検出装置１を用いた。実際のロータ位置θとセンサ１８により検出されたロータ位置ρとのズレである「ρ−θ」をπ／４に設定し、このπ／４を第１の実施例による磁極位置検出装置１により検出できるかを検証した。シミュレーションで用いたパラメータとして、同期電動機２の一相あたりの内部抵抗Ｒａを０．４Ω、一相あたりのｄ軸インダクタンスＬ_dを３．３ｍＨ、一相あたりのｑ軸インダクタンスＬ_qを３．３ｍＨ、極対数ｐを４極、逆起電圧定数Ｋｖを０．２４３１Ｖｐ／ｒａｄ／ｓとした。また、正弦波状の高周波電圧入力の振幅を１Ｖ、周波数を５００Ｈｚとした。フィルタ手段２３である低域通過フィルタ（ＬＰＦ）の帯域を３Ｈｚ、ゲイン手段２４のゲイン定数Ｋを１００とし、推定磁極位置の初期値を０ｄｅｇとした。

図６から分かるように、磁極位置検出装置１を動作させてからおよそ１秒後に、「ρ−θ」が０．７８５に収束していることが分かる。この０．７８５は、π／４の小数点以下３桁まで一致していることから、磁極位置検出装置１により実際のロータ位置θとセンサ１８により検出されたロータ位置ρとのズレである「ρ−θ」を検出できることがわかる。

第１および第２の実施例を挙げて説明したように、本発明による磁極位置検出装置によれば同期電動機の始動時のロータの磁極初期位置を検出するこができる。なお、本発明により検出することできるのはロータの磁極初期位置であって、この磁極初期位置における極性がＮ極かＳ極かについては検出することはできない。これについては、例えば、特許文献２に記載された発明のように、磁極初期位置に大きな電流を流して、その時の電流の立ち上がり時定数などの磁気飽和特性を観測する方法などを適用すればよい。

本発明は、同期電動機の始動時における磁極位置を検出するのに適用することができる。

１ 磁極位置検出装置
２ 同期電動機
３ 電力変換器（アンプ）
１１ 電圧指令手段
１２ 三相座標変換手段
１３ 電流検出手段
１４ ｄｑ座標変換手段
１５、１５’ 推定磁極位置算出手段
１６ 磁極位置確定手段
１７ 電流制御部
１８ センサ
２１ 微分計算手段
２２ 積計算手段
２３ フィルタ手段
２４ ゲイン手段
２５ 積分計算手段
２６ 位相シフト手段

Claims (4)

1. 同期電動機の始動時の磁極位置を検出する磁極位置検出装置であって、
   ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を生成する電圧指令手段と、
   前記ｄｑ座標系上の高周波電圧指令を、推定磁極位置を用いて三相座標系上の高周波電圧指令に変換する三相座標変換手段と、
   前記三相座標系上の高周波電圧指令に基づき同期電動機の駆動電力を生成する電力変換器から当該同期電動機へ流れる三相電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された三相電流を、前記三相座標変換手段における変換で用いられた推定磁極位置を用いて、ｄｑ座標系上の電流に変換するｄｑ座標変換手段と、
   前記ｄｑ座標系上の電流と前記ｄｑ座標系上の高周波電圧指令とに基づいて、前記三相座標変換手段および前記ｄｑ座標変換手段による座標変換処理において新たに用いられる推定磁極位置を算出する推定磁極位置算出手段と、
   前記推定磁極位置算出手段により算出される推定磁極位置が略一定の位置に収束したときの位置を、同期電動機の始動時の磁極位置として確定する磁極位置確定手段と、
   を備えることを特徴とする磁極位置検出装置。
2. 前記ｄｑ座標系上の高周波電圧指令は、高周波のｄ相成分と振幅ゼロのｑ相成分とからなり、
   前記推定磁極位置算出手段は、前記ｄｑ座標系上の電流のうちのｑ相成分と、前記高周波のｄ相成分と、に基づいて前記新たに用いられる推定磁極位置を算出する請求項１に記載の磁極位置検出装置。
3. 前記推定磁極位置算出手段は、
   前記ｄｑ座標系上の電流の値の微分を計算する微分計算手段と、
   前記微分計算手段により微分された電流の値と、前記ｄｑ座標系上の高周波電圧指令との積を計算する積計算手段と、
   前記積計算手段の計算結果から高周波成分を除去するフィルタ手段と、
   前記フィルタ手段により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算するゲイン手段と、
   前記ゲイン手段からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を前記新たに用いられる推定磁極位置として出力する積分計算手段と、
   を備える請求項１または２に記載の磁極位置検出装置。
4. 前記推定磁極位置算出手段は、
   前記ｄｑ座標系上の高周波電圧指令の位相をシフトする位相シフト手段と、
   前記ｄｑ座標系上の電流の値と、前記位相シフト手段により位相がシフトされた高周波電圧指令との積を計算する積計算手段と、
   前記積計算手段の計算結果から高周波成分を除去するフィルタ手段と、
   前記フィルタ手段により高周波成分が除去されて出力された信号と、所定のゲイン定数との積を計算するゲイン手段と、
   前記ゲイン手段からの出力結果の積分を計算して、この計算結果を前記新たに用いられる推定磁極位置として出力する積分計算手段と、
   を備える請求項１または２に記載の磁極位置検出装置。

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