JP3576827B2 - 同期電動機の回転子位置推定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の回転子位置推定装置および回転位置推定方法に係り、特に、回転子の絶対回転角度検出器を設けることなく磁気飽和を利用して同期電動機の回転子位置を推定する同期電動機の回転子位置推定装置および回転子位置推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、同期電動機の回転制御を行うためには、回転子の位置を把握し、その位置に応じた位相の電流を巻線に流す必要がある。通常は、同期電動機に回転子位置の絶対位置が分かる回転角検出器を設け、回転子の回転に応じて検出される回転子位置情報に基づいて電動機巻線電流を制御している。しかし、回転角検出器を使用する場合は、センサ自体の信頼性の問題、位置合わせ作業の煩雑さと据え付け精度の問題、コスト低減や電動機の軸方向の飛び出しなどレイアウト上の問題がある。
【０００３】
これに対し、近年、センサ部分の信頼性確保の負担を考慮し、またセンサ自体の取り付け作業に伴うコストの低減を図るために、回転角検出器を省略したセンサレスの電動機制御が提案されてきている。平成１０年度電気学会全国大会講演論文集［４］の８８３（Ｐ４−２８０〜２８１）「永久磁石同期電動機簡易磁極位置センサレス方式の性能評価」には、電動機として突極型電動機にセンサレスで磁極位置を推定する方式が開示されている。一方、平成１０年度電気学会全国大会講演論文集［４］の８８２（Ｐ４−２７９）「永久磁石同期電動機の始動時の磁極位置推定法」には電動機の型式を問わずに、回転子位置と巻線電流の応答との間で電動機鉄心の磁束飽和を利用して回転子位置を推定する方式が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記前者の従来技術のものは、電動機が突極型に限定されたものであり、円筒型電動機への適用は難しい。また、後者の従来技術の磁束飽和を利用した回転子推定方式は、円筒型の電動機にも適用可能であるが、推定に時間がかかることや精度の点に改善の余地があり、また、原理提案にとどまるなど、実フィールドへの適用には未だ問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、回転角検出器を設けることなく、磁極飽和を利用して同期電動機の回転子位置を正確に求めることを可能にした同期電動機の回転子位置推定装置および回転子位置推定方法を提供することにある。
【０００６】
さらに、本発明の他の目的は、磁極飽和を利用して円筒型の同期電動機の回転子位置を短時間に求めることを可能にした同期電動機の回転子位置推定装置およびその回転子位置推定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
【０００８】
同期電動機の回転子の回転を固定し、該同期電動機の電動機巻線に位相の異なる複数の指令電圧を印加し、該複数の指令電圧に対して検出されるそれぞれの応答電流の応答時間に基づいて、前記回転子の位置を推定する同期電動機の回転子位置推定装置において、
前記複数の指令電圧が印加される位相は、前記同期電動機の電気角３６０°を一定角度で区分した複数の主区間に設定された位相と、前記複数の主区間に設定された位相において検出される応答電流中の最大応答時間を呈する主区間を分割した複数の副区間に設定される位相であり、前記回転子の位置推定は、前記設定された複数の位相において検出される前記応答電流中の最大応答時間を呈する位相に基づいて算出されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
はじめに、本発明の第１の実施形態を図１から図７を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係わる回転子位置推定装置を備える同期電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【００１８】
なお、同図において、同期電動機に接続されたＰＷＭインバーターコンバータの制御部は電源相数に応じた単相または３相構成となるが、説明を簡単にするため１相のみに着目して表示している。
【００１９】
同図において、１は交流電源、２は交流リアクトル、３はＩＧＢＴ（絶縁型ゲートバイポーラトランジスタ）等の自己消弧素子を用いて構成したＰＷＭコンバータ、４は平滑コンデンサ、５はＰＷＭインバータ、６は同期電動機、７は電動機に接続された外力トルクを発生させる駆動装置として働く負荷、８は回転子の回転を固定させる制動機、９は交流電源１の電圧を検出する交流電圧検出器、１０、１１は前記ＰＷＭコンバータ３の交流側に流れる入力電流ＩｃおよびＰＷＭインバータ５の交流側に流れる出力電流Ｉｉを検出する電流検出器、１２は平滑コンデンサ４の電圧を検出する直流電圧検出器、１３は同期電動機６の回転を検出するパルス発生器である。
【００２０】
以下、１４〜１９はＰＷＭコンバータ３を駆動するための制御部、２０〜２４はＰＷＭインバータ５を駆動するための制御部であり、これらは次のような機能を持つ。１４は直流指令電圧生成部であり、電源電圧Ｅｓ（相電圧実効値）を入力し、ＰＷＭコンバータ３の直流側に接続された平滑コンデンサ４の電圧を指示する直流指令電圧Ｅｄ＊ 発生する。１５は平滑コンデンサ電圧が直流指令電圧Ｅｄ＊ に基づく電圧となるようにＰＷＭコンバータの入力側に流す電流の大きさを指示する電圧制御部であり、直流指令電圧Ｅｄ＊ と平滑コンデンサ４の電圧Ｅｄを入力し、指令電流Ｉｃ＊ を発生する。１６は電源電圧と同相の単位正弦波を発生する位相演算部、１７は大きさがＩｃ＊ で位相が単位正弦波と同相の入力電流Ｉｃとなるようにコンバータ入力側指令電圧ｅｃ＊ を指示する電流制御部、１８は搬送波信号ｅｔｃ＊ を発生する搬送波発生部、１９は指令電圧ｅｃ＊ と搬送波信号ｅｔｃ＊ とからＰＷＭコンバータ３を駆動するためのＰＷＭパルスＧｐｃを生成するコンバータ部のＰＷＭパルス生成部である。２０は電動機６の速度を指示する速度指令発生部、２１は電動機速度ωが速度指令ω＊ に従うように電動機６の出力トルクを指示する速度制御部、２２はそのトルク指令τ＊ を電動機指令電流に換算し、その指令電流と負帰還電流からＰＷＭインバータ５が出力すべき電圧を指示する指令電圧を演算する電流制御部、２３は搬送波発生部、２４はインバータ部のＰＷＭパルス生成部、２５は、後に図２において詳述する、通常の回転時は回転子の推定値位相θを出力し、回転子位置の推定時は、電流の立ち上がり応答を測定した際に設定した所定位相θＭとその条件における電流ＩｄＭの時間応答波形を関連づけて取り込み、回転子位置を推定する処理を行う位置推定部である。
【００２１】
図２は、図１に示す電流制御部２２の詳細な構成を示すブロック図である。
【００２２】
同図において、２２０および２２１は通常運転モ−ドと回転子位置推定モ−ドとを切り換えるスイッチ、２２２は速度制御部２１からのトルクτ＊ を指令電流Ｉｄ＊ ，Ｉｑ＊ に分解して出力するトルク制御部、２２３はｓｉｎ・ｃｏｓテーブル、２２４は検出された３相の負荷電流Ｉｉを２相の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する３相→２相変換器、２２５は指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ を３相の指令電圧ｅｉ＊ に変換する２相→３相変換器、２２６は回転子位置推定モ−ド設定時にパルス状の指令電圧値Ｖｄ＊ を発生する指令発生器、２２７は回転子位置推定モ−ド設定時に指令電圧値Ｖｑ＊ を発生する指令発生器、２２８は回転子位置推定モ−ド設定時に用いられる測定時位相発生器である。
【００２３】
通常運転時は、スイッチ切換・指令発生信号Ｍによって、スイッチ２２０、２２１を図示下側に倒すとともに、トルク指令τ＊ と回転子推定位相θ、インバータ出力電流Ｉｉを取り込む。トルク指令τ＊ はトルク制御部２２２によって指令電流Ｉｄ＊ ，Ｉｑ＊ に分解される。一方、位置推定部２５によって推定された位相θによってｓｉｎ・ｃｏｓテーブル２２３が参照され、３相→２相変換器において、参照されたｓｉｎ・ｃｏｓテーブル２２３のデータに従って検出された３相のインバータ電流Ｉｉを２相の電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。指令電流Ｉｄ＊ ，Ｉｑ＊ のそれぞれに対して電流Ｉｄ，Ｉｑによる負帰還制御が行われ、指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ が作成される。さらに、指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ は２相→３相変換器２２５において３相の指令電圧ｅｉ＊ が作成され、最終的には搬送波発生部２３から出力される搬送波ｅｔｉ＊ との大小比較によってパルス生成部２４からＰＷＭ信号として出力される。
【００２４】
一方、回転子位置推定モードにおいては、スイッチ切換・指令発生信号Ｍによってスイッチ２２０、２２１は図示上側に倒され、負帰還制御が外される。これにより、指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ はそれぞれ指令発生器２２６、２２７より電流立ち上がり時間応答測定用の指令電圧となる。図示するように、指令発生器２２６からはステップ状の電圧変化を発生させる測定用ステップ状指令電圧が出力され、指令発生器２２７からはゼロ指令電圧が出力される。さらに指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ は測定時位相発生器２２８から与えられる所定の位相発生情報θＭに従って２相→３相変換２２５によって変換され、応答測定用の３相指令電圧ｅｉ＊ が作成される。３相指令電圧ｅｉ＊ は最終的にＰＷＭ信号に変換され電動機巻線に所定の電流が流れる。
【００２５】
ここで、回転子を制動機により固定し、巻線に誘起電圧が発生していない場合には、等価巻線に鎖交する全磁束は、回転子の軸と電流ベクトルとの角度差に応じて変化する。この鎖交する磁束が大きい場合には磁束飽和の影響が大きく表れ、等価的なインダクタンスは小さくなり、逆の場合はインダクタンスは大きくなる。このインダクタンスの違いを応答電流の応答時間の変化として捉え、その差から回転子の位置を求めるものである。
【００２６】
本発明のねらいの１つは、この応答電流の変化を計測する際に、電流制御系などの影響を受けにくくし、正確に応答時間を測定することにあり、この応答電流のみを精度良く捉えるため、図２ではスイッチ２２０を設けて負帰還制御機能を遮断している。
【００２７】
なお、応答電流波形の取り込みは３相→２相変換２２４の出力のうちＩｄ分をＩｄＭとして位置推定部２５に出力しているが、指令発生器２２６、２２７で述べたように応答測定用ステップ状指令電圧発生器２２６からステップ状指令電圧を発生した場合にはＩｑ分をＩｑＭとして位相推定部２５に送り出すことになる。
【００２８】
次に、図１に示す回転子位置推定部２５における位置推定の処理手順を図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
ステップ１００において、図２に示す信号Ｍにより起動指令が発せられ回転子位置推定処理の起動がかかると、先に説明したように、スイッチ２２０、２２１は上側に倒され、応答測定用ステップ状指令電圧発生器２２６からステップ状指令電圧が発生し、それに対して検出される電動機電流Ｉｉから３相→２相変換器によって変換された応答電流ＩｄＭが逐次検出される。これをステップ１０１において、マイコンなどの処理装置により、同期電動機の電気角３６０°を一定角度で区分した複数の位相を設定し、この設定位相と関連づけて応答電流ＩｄＭを取り込む。ステップ１０２では、図２のステップ状指令電圧２２６のステップ持続時間情報などから同一位相条件における応答電流の取り込みが完了したかどうかの判定を行い、完了していなければ応答電流の取り込みを継続する。完了していれば、ステップ１０３で一連の取り込み応答電流から応答時間を求める。応答電流の取り込みの際、本発明では電流負帰還制御を動作させず、指令電圧を直接用いて開ループ制御の状態で動作させる。このようにすることにより、電流の立ち上がりは負帰還制御が付加されている場合よりも測定に時間がかかるが、インダクタンスの違いによる特性の違いを明確に示す特性が得られる特徴がある。次に、ステップ１０４ですべての設定位相での応答電流の取り込みと、各応答電流に対する応答時間の算出が完了したか判定し、完了していなければデータの取り込みを継続する。完了していればステップ１０５で既に測定した応答時間の中から最大値を検索し、ステップ１０６においてその最大値を生じさせる位相に所定値（ここでは１８０°）を加算して回転子の推定位置を求める。ここで、１８０°を加えるのは、応答時間の最大となる位相は回転子の磁極位置と１８０°ずれているためである。
【００３０】
次に、本実施形態の回転子位置推定装置を用いた回転子位置の測定方式について図４から図７を用いて説明する。
【００３１】
図４は、最小限度の応答波形測定回数で短時間に回転子位置を測定する測定方式（分割法）を説明するための図である。
【００３２】
同図において、横軸は設定位相、縦軸は測定された応答電流の応答時間を表し、（ａ）〜（ｇ）は、回転子の位置によって、設定位相に対する応答時間の違う特性の例を示し、図示される白丸は主区間における測定点を示し、黒丸は副区間に分割した時の副区間における測定点を示している。
【００３３】
この測定方式（分割法）の重要点は応答電流測定時の位相条件の設定法にあり、同図に示すように、回転子と電動機巻線が発生する磁束が重なり、磁気飽和の影響が応答電流に現れるのはほぼ１８０゜区間で山形の特性を示す部分である。
【００３４】
本測定方式（分割法）は、位相を０゜から３６０゜まで順に位相を変化させて応答電流の応答時間を求めるのではなく、まず、位相区間を大まかないくつかの主区間に分割して、その主区間の中央値位相における応答時間を測定する。その応答時間の中から最大の応答時間を発生させる主区間を選び、次いで、選ばれた主区間をさらにいくつかの副区間に分割する。さらに分割された各副区間の中央位相値における応答時間を求める。回転子の位置の推定は、選定された主区間および各副区間において測定された応答時間の中から最大となる設定位相に１８０°を加算し、その加算された位相角をもって回転子の位置と推定する。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、主、副区間数が全体の測定回数に関与する。図４（ａ）では、主区間を２つに分割する例であるが、この場合は１８０゜幅の山を認識することができない。従って、主区間は、図４（ｂ）以降に示すように、少なくとも３分割以上することが必要であり、３分割以上にすることにより、１８０゜幅の山の存在区間を把握することができる。副区間については、図４（ｂ），図４（ｅ），図４（ｆ）は２分割した場合を示し、図４（ｃ），図４（ｄ），（ｇ）は３分割した場合を示している。副区間の最小分割数は主区間が３分割、つまり１２０゜よりも細かく分割されていさえすれば、２分割でも１８０゜幅の山の頂上付近の位相を探索できることが理解される。つまり、理想状態を想定すれば、最小の測定回数は主区間が３回、副区間が２回の計５回である。
【００３６】
次に、この測定方式（分割法）による処理手順を図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
まず、ステップ２０１において、応答電流の取り込みを行い、次いで、ステップ２０２で、１つの設定位相における応答電流の取り込みが完了しているどうかを判定する。未完了ならば、ステップ２０１に戻り応答電流の取り込み処理を継続する。完了していれば、ステップ２０３で取り込んだ応答電流波形の応答時間を算出する。次に、ステップ２０４で副区間内でのデータ取り込み中かどうかの判定を行い、未だ主区間内でのデータ測定中であれば、ステップ２０５で３つの主区間のデータをそれぞれ測定完了したか判定し、完了してないければステップ２０１に戻って応答電流の取り込みを継続する。取り込みを完了していれば、ステップ２０６で測定を完了した３つの応答時間の中から最大値が存在する主区間を検索する。次いで、ステップ２０７で、検索された主区間内で分割された２つの副区間に対応する応答電流の電流波形の取り込みが完了したか判定する。完了していなければ、ステップ２０１に戻り応答電流の取り込みを行う。完了していれば、ステップ２０８において、主区間および２つの副区間で計測された応答時間の中からその最大値を検索し、さらにステップ２０９において、最大応答時間を発生させた位相に１８０°を加算し、得られた位相角をもって回転子の位置として推定する。
【００３８】
上記のごとく、この測定方式（分割法）によれば、少ない測定回数で回転子の位置を確認することができる。なお、ここでは検索時間の短縮を図るために、理想状態を仮定して主区間の分割数を３、副区間の分割数を２とした最小回数の例を示したが、ノイズ混入など検索システムの信頼度向上を図るためには、さらに、主区間の３区間と副区間の２区間を増加させると良好な結果が得られる。
【００３９】
図６は、パターンマッチングを利用して短時間に回転子位置を測定する測定方式（パターンマッチング法）を説明するための図である。
【００４０】
同図において、横軸は設定位相、縦軸は測定された応答電流の応答時間を表し、（ａ）〜（ｇ）は、回転子の位置によって、設定位相に対する応答時間の違う特性の例を示し、図示される白丸および黒丸それぞれ各設定位相における測定点を示している。
【００４１】
この測定方式の重要点は、システムの立ち上げ時など初期状態として詳細に位相を変化させ対応する応答電流波形の応答時間テーブル（同図で実線で示した特性）を事前に測定しておく点にある。この測定方式は、特に、停電などで回転子の位置が不明になったような事態が発生した際に、回転子位置を少ない測定回数で短時間に探索するのに好適である。
【００４２】
同図において、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、黒丸で示した３回の設定位相において測定される応答電流（３６０゜区間を１２０゜位相毎に区分して測定される応答電流）による応答時間の測定では、図示するように、図６（ａ）と図６（ｂ）の実線の違いを認識することができない。つまり、１２０゜位相毎の３回の測定結果と事前測定された位相・応答時間のパターンとによるパターンマッチングによる位置推定では、最大６０゜の位置の推定誤差が生じることが理解される。これに対して、図６（ｃ）〜図６（ｇ）に示すように、白丸で示した４回の設定位相において測定される応答電流（３６０゜区間を９０゜位相毎に区分して測定される応答電流）からの応答時間の測定では、特性の頂上（最大値）の存在区間をほぼ確認することができる。このように、この測定方式（パターンマッチング法）によっても応答の最大値に対応した回転子の位置推定を少ない探索回数で正確に行うことがができる。この測定方式（パターンマッチング法）では、はじめにテーブル構築用のデータを詳細に測定する手間と時間が必要であるが、前述の測定方式（分割法）よりも電動機駆動システムが稼働した後、停電などで回転子の位置がわからなくなった際には、素早く、正確に回転子の位置を把握できる点で優れている。
【００４３】
次に、この測定方式（パターンマッチング法）による処理手順を図７に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４４】
ここでは測定回数を４回とし、初期状態の位相・応答時間テーブルは既に構築されているものとする。はじめに、ステップ３００において、停電などで回転子位置を推定しなければならない事態が発生すると、本測定方式の処理が起動される。ステップ３０１でステップ状指令電圧に対する応答電流を取り込みを行う。ステップ３０２で、同一設定位相における応答電流の取り込みが完了しているどうかを判定する。未完了ならば、ステップ３０１に戻り、応答電流の取り込み処理を継続する。完了していれば、ステップ３０３で取り込んだ応答電流から立ち上がりの応答時間を算出する。次に、ステップ３０４で各測定回数に相当する各設定位相における応答電流の取り込みが完了したかどうかの判定を行う。ここでは、理想状態を仮定して原理的に位相を推定しうる最小回数である４回の測定を行う。３６０゜区間を４等分して、０゜，９０゜，１８０゜，２７０゜の各設定位相の応答電流を測定する。応答電流の取り込みが完了していなければステップ３０１に戻って取り込みを継続する。取り込みが完了していれば、ステップ３０５で測定完了した４つの応答時間のうちで最大値（第一値）と２番目に大きな値（第二値）とを選択するとともに、第一値を与える位相（φ１）を特定する。ステップ３０６で、選択された第一値と第二値の応答時間が所定値よりも大きく、かつほぼ等しいかどうかの判定を行う。ここで、所定値よりも大きい条件を設ける理由は、４つのデータのうち、２つの値がほぼゼロとなる場合を排除するためである。これらの条件を満足しているときは、ステップ３０７において、第一値と第二値を与える両位相の中間位相値に１８０°を加算した位相を求め、これを推定された回転子位置とする。ステップ３０６を満足していないときは、第一値および第二値と位相・応答時間テーブルとの一致をとることにより回転子の位置推定を行う処理に入る。ステップ３０８で応答時間の最大値である第一値と等しい応答時間を与える位相（φＴ１）を位相・応答時間テーブルから検索する。ここで、第一値を与える位相は２つあり得るので、位相角の小さい方から検索する。次に、ステップ３０９において、位相・応答時間テーブル内で位相（φＴ１＋９０°）に対応する応答時間を位相・応答時間テーブルから検索する。ステップ３１０でこの検索した応答時間と先に取り込んだ第二値とがほぼ等しいかを判定する。等しい場合は、ステップ３１１において、位相・応答時間テーブル上で最大応答時間を生じさせる位相（φＭ）と第一値と等しい応答時間を与えるテーブル上の位相（φＴ１）との差が、位相（φＭ）と第一値を与える位相（φ１）とのズレに相当するので、φ１にφＭ−φＴ１との差を加算し、その加算値に１８０°を加算した位相角を求め、これを推定された回転子の位置とする。一方、ステップ３１０における判定で、検索値と第二値が異なっていると判定された場合には、ステップ３１２で位相・応答時間テーブルにおいて位相（φＴ１−９０°）に対応する応答時間を検索する。次いで、ステップ３１３でこの検索した応答時間と先に求めた第二値とがほぼ等しければ、ステップ３１４において、位相・応答時間テーブル上で最大応答時間を生じさせる位相（φＭ）と第一値と等しい応答時間を与えるテーブル上の位相（φＴ１）との差は、位相（φＭ）と第一値を与える位相（φ１）とのズレに相当するので、φ１にφＭ−φＴ１との差を加算し、その加算値に１８０°を加算した位相を求め、これを推定された回転子の位置とする。ステップ３１３で検索した応答時間と先に求めた第二値とが等しくなければ、ノイズや測定誤差のためにパターンマッチング処理に失敗したとして、ステップ３１５において、マッチング処理のための許容値を緩め、ステップ３１０の処理を再度行って、一致を求める処理を実行する。
【００４５】
なお、初期の位相・応答時間テーブルを構築するためのデータ測定、あるいは、停電時など回転子の位相を再推定しなければならない時の応答電流測定回数の最大値は、得られる有意な分解能と測定に要する総合所要時間などの観点から、位相角で約１０゜間隔、回数で４０回程度が実フィールドでは妥当な測定回数と言える。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係わる回転子位置推定装置の処理手順を図８に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４７】
本実施形態は、第１の実施形態が回転子を制動機により固定し、誘起電圧が発生しない状態において、電動機巻線に位相の異なる指令電圧を逐次印加して応答電流から応答時間を求めるのに対して、同一指令電圧を巻線に与える一方、回転子側に接続されるエレベータの乗りかごなどの負荷を利用して、乗りかごが平衡するために自動的に昇降することによる回転子にかかる負荷トルクにより回転変位させることにより、同一指令電圧を巻線に与え、応答電流波形の応答時間から回転子位置を推定するものである。
【００４８】
なお、ここでは、同一の指令電圧を巻線に与え、応答時間測定に際して複数種類の指令電圧を与えることにより発生しうる指令作成に伴う条件の不均一性（誤差の混入）を排除している。また、回転子位置推定装置の構成は、図１および図２に示すものとほぼ同様であるので説明を省略する。
【００４９】
はじめに、ステップ４００において当該処理が起動されると、ステップ４０１で制動機が開かれ、負荷トルクを利用して回転子を回転させた後、制動機による制御をかけて回転子を固定する。負荷トルクが小さく回転子が回転しない場合には、周波数が低く、絶対値が小さな値を有する指令を使って低周波同期起動法などにより回転子を所定角度だけ回転させる。回転角度の目安としては測定精度と測定時間との関係から９０゜以下が望ましい。その際、ステップ４０２で、前回停止位置からの回転角度を測定しておく。ここでは図１に示すように回転子に結合されたパルスエンコーダの発生するパルスを計数するなどして回転角度変位を測定する。測定条件の設定が終われば、ステップ４０３でステップ状指令電圧に対する応答電流の取り込みを行い、ステップ４０４で、同一位相条件下での応答電流の取り込みが完了しているどうかの判定を行う。未完了ならば応答電流の取り込みを継続する。完了すれば、ステップ４０５で応答電流の立ち上がり応答時間を算出する。次に、ステップ４０６において、ステップ４０５で求めた応答時間が所定値１よりも小さいどうかを判定する。ここで、所定値１とは判定を行うために設定されたゼロより大きいが、比較的小さな値である。小さいと判定された場合は、ステップ４０７で前回測定した応答時間が所定値１よりも小さかったかどうかの判定を行う。小さければ、未だ回転子位置を測定する回転角度から離れているとして、再度、ステップ４０１に戻って回転子を回転させ、応答電流を測定する動作に戻す。ステップ４０７において、前回測定した応答時間が所定値１よりも大きいと判定されたときは、ステップ４０８において、回転子位置測定の回転角度が行き過ぎであり、前回測定時の回転角度が適切であったとして、その回転角度に１８０°を加算した位相角を回転子の位置と推定して処理を終了する。一方、ステップ４０６において、今回測定された応答時間が所定値１よりも大きいときは、ステップ４０９において、その応答時間が所定値２よりも大きいかどうかの判定を行う。ここで、所定値２とは所定値１より大きいが、最大応答時間より少し小さな値である。ステップ４０９で大きいと判定された場合は、ステップ４１０で今回測定された回転角度に１８０°を加算した位相角を回転子の位置と推定して処理を終了する。ステップ４０９において、応答時間が所定値２よりも小さければ、ステップ４１１で、前回の応答時間が所定値１よりも大きかったかどうかの判定を行う。小さいと判定された場合は、回転子位置を推定すべき回転角度はもう少し先にあるとして、ステップ４０１に戻って再度回転子を回転させて処理を再試行する。ステップ４１１において大きいと判定された場合は、ステップ４１２において、前回測定の回転角度と今回測定の回転角度との中間の回転角度に１８０°を加算した位相角を回転子の位置と推定して処理を終了する。
【００５０】
上記のごとく、本実施形態によれば、同一の指令電圧を回転子回転毎の応答電流測定に用いるので、指令電圧作成に伴い混入しうる誤差などの外的要因を排除することができ、磁束飽和の影響を最大限に把握して正確に回転子の位置を推定することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のごとく、１つの発明によれば、回転子位置と指令電圧との間の位相差の違いによって生じる磁気回路の飽和が応答電流の応答時間に与える違いを、測定することにより少ない測定回数で、短時間に回転子の位置を測定することができる。
【００５２】
また、他の発明によれば、回転子位置と指令電圧との間の位相差の違いによって生じる磁気回路の飽和が応答電流に与える違いを、指令作成の過程で混入しうる誤差を同一の指令電圧を用いることによって排除し、さらに、相対位相差の発生は回転子を外部トルク、または電動機の低周波同期トルクによって回転設定することにより回転子の位置を正確に測定できる。
また、他の発明によれば、回転子位置と指令電流との間の位相差の違いによって生じる磁気回路の飽和が応答電流に与える違いを、制御装置の応答に対する影響力を除去することにより回転子の位置を正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる回転子位置推定装置を備える同期電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電流制御部２２の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す回転子位置推定部２５における位置推定の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係わる最小限度の応答波形測定回数で回転子位置を測定する測定方式（分割法）を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係わる測定方式（分割法）による処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態に係わるパターンマッチングを利用して回転子位置を測定する測定方式（パターンマッチング法）を説明するための図である。
【図７】本実施形態に係わる測定方式（パターンマッチング法）による処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係わる同期電動機の回転子位置推定装置における回転子位置を測定する測定方式（回転子位置変更法）の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 電源
３ ＰＷＭコンバータ
５ ＰＷＭインバータ
６ 同期電動機
７ 負荷
８ 制動機
９ 交流電圧検出器
１０，１１ 電流検出器
１２ 直流電圧検出器
１３ パルス発生器
１４ 直流指令電圧生成部
１５ 電圧制御部
１６ 電源位相演算部
１７，２２ 電流制御部
１８，２３ 搬送波発生部
１９，２４ ＰＷＭパルス生成部
２０ 速度指令発生部
２１ 速度制御部
２５ 回転子位置推定部
２２６ 応答測定用ステップ状指令電圧発生器
２２７ 応答測定用零指令電圧発生器
２２８ 応答測定用位相発生器
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期電動機の回転子位置推定装置および回転位置推定方法に係り、特に、回転子の絶対回転角度検出器を設けることなく磁気飽和を利用して同期電動機の回転子位置を推定する同期電動機の回転子位置推定装置および回転子位置推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、同期電動機の回転制御を行うためには、回転子の位置を把握し、その位置に応じた位相の電流を巻線に流す必要がある。通常は、同期電動機に回転子位置の絶対位置が分かる回転角検出器を設け、回転子の回転に応じて検出される回転子位置情報に基づいて電動機巻線電流を制御している。しかし、回転角検出器を使用する場合は、センサ自体の信頼性の問題、位置合わせ作業の煩雑さと据え付け精度の問題、コスト低減や電動機の軸方向の飛び出しなどレイアウト上の問題がある。
【０００３】
これに対し、近年、センサ部分の信頼性確保の負担を考慮し、またセンサ自体の取り付け作業に伴うコストの低減を図るために、回転角検出器を省略したセンサレスの電動機制御が提案されてきている。平成１０年度電気学会全国大会講演論文集［４］の８８３（Ｐ４−２８０〜２８１）「永久磁石同期電動機簡易磁極位置センサレス方式の性能評価」には、電動機として突極型電動機にセンサレスで磁極位置を推定する方式が開示されている。一方、平成１０年度電気学会全国大会講演論文集［４］の８８２（Ｐ４−２７９）「永久磁石同期電動機の始動時の磁極位置推定法」には電動機の型式を問わずに、回転子位置と巻線電流の応答との間で電動機鉄心の磁束飽和を利用して回転子位置を推定する方式が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記前者の従来技術のものは、電動機が突極型に限定されたものであり、円筒型電動機への適用は難しい。また、後者の従来技術の磁束飽和を利用した回転子推定方式は、円筒型の電動機にも適用可能であるが、推定に時間がかかることや精度の点に改善の余地があり、また、原理提案にとどまるなど、実フィールドへの適用には未だ問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、回転角検出器を設けることなく、磁極飽和を利用して同期電動機の回転子位置を正確に求めることを可能にした同期電動機の回転子位置推定装置および回転子位置推定方法を提供することにある。
【０００６】
さらに、本発明の他の目的は、磁極飽和を利用して円筒型の同期電動機の回転子位置を短時間に求めることを可能にした同期電動機の回転子位置推定装置およびその回転子位置推定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
【０００８】
同期電動機の回転子の回転を固定し、該同期電動機の電動機巻線に位相の異なる複数の指令電圧を印加し、該複数の指令電圧に対して検出されるそれぞれの応答電流の応答時間に基づいて、前記回転子の位置を推定する同期電動機の回転子位置推定装置において、
前記複数の指令電圧が印加される位相は、前記同期電動機の電気角３６０°を一定角度で区分した複数の主区間に設定された位相と、前記複数の主区間に設定された位相において検出される応答電流中の最大応答時間を呈する主区間を分割した複数の副区間に設定される位相であり、前記回転子の位置推定は、前記設定された複数の位相において検出される前記応答電流中の最大応答時間を呈する位相に基づいて算出されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
はじめに、本発明の第１の実施形態を図１から図７を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係わる回転子位置推定装置を備える同期電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【００１８】
なお、同図において、同期電動機に接続されたＰＷＭインバーターコンバータの制御部は電源相数に応じた単相または３相構成となるが、説明を簡単にするため１相のみに着目して表示している。
【００１９】
同図において、１は交流電源、２は交流リアクトル、３はＩＧＢＴ（絶縁型ゲートバイポーラトランジスタ）等の自己消弧素子を用いて構成したＰＷＭコンバータ、４は平滑コンデンサ、５はＰＷＭインバータ、６は同期電動機、７は電動機に接続された外力トルクを発生させる駆動装置として働く負荷、８は回転子の回転を固定させる制動機、９は交流電源１の電圧を検出する交流電圧検出器、１０、１１は前記ＰＷＭコンバータ３の交流側に流れる入力電流ＩｃおよびＰＷＭインバータ５の交流側に流れる出力電流Ｉｉを検出する電流検出器、１２は平滑コンデンサ４の電圧を検出する直流電圧検出器、１３は同期電動機６の回転を検出するパルス発生器である。
【００２０】
以下、１４〜１９はＰＷＭコンバータ３を駆動するための制御部、２０〜２４はＰＷＭインバータ５を駆動するための制御部であり、これらは次のような機能を持つ。１４は直流指令電圧生成部であり、電源電圧Ｅｓ（相電圧実効値）を入力し、ＰＷＭコンバータ３の直流側に接続された平滑コンデンサ４の電圧を指示する直流指令電圧Ｅｄ＊ 発生する。１５は平滑コンデンサ電圧が直流指令電圧Ｅｄ＊ に基づく電圧となるようにＰＷＭコンバータの入力側に流す電流の大きさを指示する電圧制御部であり、直流指令電圧Ｅｄ＊ と平滑コンデンサ４の電圧Ｅｄを入力し、指令電流Ｉｃ＊ を発生する。１６は電源電圧と同相の単位正弦波を発生する位相演算部、１７は大きさがＩｃ＊ で位相が単位正弦波と同相の入力電流Ｉｃとなるようにコンバータ入力側指令電圧ｅｃ＊ を指示する電流制御部、１８は搬送波信号ｅｔｃ＊ を発生する搬送波発生部、１９は指令電圧ｅｃ＊ と搬送波信号ｅｔｃ＊ とからＰＷＭコンバータ３を駆動するためのＰＷＭパルスＧｐｃを生成するコンバータ部のＰＷＭパルス生成部である。２０は電動機６の速度を指示する速度指令発生部、２１は電動機速度ωが速度指令ω＊ に従うように電動機６の出力トルクを指示する速度制御部、２２はそのトルク指令τ＊ を電動機指令電流に換算し、その指令電流と負帰還電流からＰＷＭインバータ５が出力すべき電圧を指示する指令電圧を演算する電流制御部、２３は搬送波発生部、２４はインバータ部のＰＷＭパルス生成部、２５は、後に図２において詳述する、通常の回転時は回転子の推定値位相θを出力し、回転子位置の推定時は、電流の立ち上がり応答を測定した際に設定した所定位相θＭとその条件における電流ＩｄＭの時間応答波形を関連づけて取り込み、回転子位置を推定する処理を行う位置推定部である。
【００２１】
図２は、図１に示す電流制御部２２の詳細な構成を示すブロック図である。
【００２２】
同図において、２２０および２２１は通常運転モ−ドと回転子位置推定モ−ドとを切り換えるスイッチ、２２２は速度制御部２１からのトルクτ＊ を指令電流Ｉｄ＊ ，Ｉｑ＊ に分解して出力するトルク制御部、２２３はｓｉｎ・ｃｏｓテーブル、２２４は検出された３相の負荷電流Ｉｉを２相の電流Ｉｄ、Ｉｑに変換する３相→２相変換器、２２５は指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ を３相の指令電圧ｅｉ＊ に変換する２相→３相変換器、２２６は回転子位置推定モ−ド設定時にパルス状の指令電圧値Ｖｄ＊ を発生する指令発生器、２２７は回転子位置推定モ−ド設定時に指令電圧値Ｖｑ＊ を発生する指令発生器、２２８は回転子位置推定モ−ド設定時に用いられる測定時位相発生器である。
【００２３】
通常運転時は、スイッチ切換・指令発生信号Ｍによって、スイッチ２２０、２２１を図示下側に倒すとともに、トルク指令τ＊ と回転子推定位相θ、インバータ出力電流Ｉｉを取り込む。トルク指令τ＊ はトルク制御部２２２によって指令電流Ｉｄ＊ ，Ｉｑ＊ に分解される。一方、位置推定部２５によって推定された位相θによってｓｉｎ・ｃｏｓテーブル２２３が参照され、３相→２相変換器において、参照されたｓｉｎ・ｃｏｓテーブル２２３のデータに従って検出された３相のインバータ電流Ｉｉを２相の電流Ｉｄ，Ｉｑに変換する。指令電流Ｉｄ＊ ，Ｉｑ＊ のそれぞれに対して電流Ｉｄ，Ｉｑによる負帰還制御が行われ、指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ が作成される。さらに、指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ は２相→３相変換器２２５において３相の指令電圧ｅｉ＊ が作成され、最終的には搬送波発生部２３から出力される搬送波ｅｔｉ＊ との大小比較によってパルス生成部２４からＰＷＭ信号として出力される。
【００２４】
一方、回転子位置推定モードにおいては、スイッチ切換・指令発生信号Ｍによってスイッチ２２０、２２１は図示上側に倒され、負帰還制御が外される。これにより、指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ はそれぞれ指令発生器２２６、２２７より電流立ち上がり時間応答測定用の指令電圧となる。図示するように、指令発生器２２６からはステップ状の電圧変化を発生させる測定用ステップ状指令電圧が出力され、指令発生器２２７からはゼロ指令電圧が出力される。さらに指令電圧Ｖｄ＊ ，Ｖｑ＊ は測定時位相発生器２２８から与えられる所定の位相発生情報θＭに従って２相→３相変換２２５によって変換され、応答測定用の３相指令電圧ｅｉ＊ が作成される。３相指令電圧ｅｉ＊ は最終的にＰＷＭ信号に変換され電動機巻線に所定の電流が流れる。
【００２５】
ここで、回転子を制動機により固定し、巻線に誘起電圧が発生していない場合には、等価巻線に鎖交する全磁束は、回転子の軸と電流ベクトルとの角度差に応じて変化する。この鎖交する磁束が大きい場合には磁束飽和の影響が大きく表れ、等価的なインダクタンスは小さくなり、逆の場合はインダクタンスは大きくなる。このインダクタンスの違いを応答電流の応答時間の変化として捉え、その差から回転子の位置を求めるものである。
【００２６】
本発明のねらいの１つは、この応答電流の変化を計測する際に、電流制御系などの影響を受けにくくし、正確に応答時間を測定することにあり、この応答電流のみを精度良く捉えるため、図２ではスイッチ２２０を設けて負帰還制御機能を遮断している。
【００２７】
なお、応答電流波形の取り込みは３相→２相変換２２４の出力のうちＩｄ分をＩｄＭとして位置推定部２５に出力しているが、指令発生器２２６、２２７で述べたように応答測定用ステップ状指令電圧発生器２２６からステップ状指令電圧を発生した場合にはＩｑ分をＩｑＭとして位相推定部２５に送り出すことになる。
【００２８】
次に、図１に示す回転子位置推定部２５における位置推定の処理手順を図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２９】
ステップ１００において、図２に示す信号Ｍにより起動指令が発せられ回転子位置推定処理の起動がかかると、先に説明したように、スイッチ２２０、２２１は上側に倒され、応答測定用ステップ状指令電圧発生器２２６からステップ状指令電圧が発生し、それに対して検出される電動機電流Ｉｉから３相→２相変換器によって変換された応答電流ＩｄＭが逐次検出される。これをステップ１０１において、マイコンなどの処理装置により、同期電動機の電気角３６０°を一定角度で区分した複数の位相を設定し、この設定位相と関連づけて応答電流ＩｄＭを取り込む。ステップ１０２では、図２のステップ状指令電圧２２６のステップ持続時間情報などから同一位相条件における応答電流の取り込みが完了したかどうかの判定を行い、完了していなければ応答電流の取り込みを継続する。完了していれば、ステップ１０３で一連の取り込み応答電流から応答時間を求める。応答電流の取り込みの際、本発明では電流負帰還制御を動作させず、指令電圧を直接用いて開ループ制御の状態で動作させる。このようにすることにより、電流の立ち上がりは負帰還制御が付加されている場合よりも測定に時間がかかるが、インダクタンスの違いによる特性の違いを明確に示す特性が得られる特徴がある。次に、ステップ１０４ですべての設定位相での応答電流の取り込みと、各応答電流に対する応答時間の算出が完了したか判定し、完了していなければデータの取り込みを継続する。完了していればステップ１０５で既に測定した応答時間の中から最大値を検索し、ステップ１０６においてその最大値を生じさせる位相に所定値（ここでは１８０°）を加算して回転子の推定位置を求める。ここで、１８０°を加えるのは、応答時間の最大となる位相は回転子の磁極位置と１８０°ずれているためである。
【００３０】
次に、本実施形態の回転子位置推定装置を用いた回転子位置の測定方式について図４から図７を用いて説明する。
【００３１】
図４は、最小限度の応答波形測定回数で短時間に回転子位置を測定する測定方式（分割法）を説明するための図である。
【００３２】
同図において、横軸は設定位相、縦軸は測定された応答電流の応答時間を表し、（ａ）〜（ｇ）は、回転子の位置によって、設定位相に対する応答時間の違う特性の例を示し、図示される白丸は主区間における測定点を示し、黒丸は副区間に分割した時の副区間における測定点を示している。
【００３３】
この測定方式（分割法）の重要点は応答電流測定時の位相条件の設定法にあり、同図に示すように、回転子と電動機巻線が発生する磁束が重なり、磁気飽和の影響が応答電流に現れるのはほぼ１８０゜区間で山形の特性を示す部分である。
【００３４】
本測定方式（分割法）は、位相を０゜から３６０゜まで順に位相を変化させて応答電流の応答時間を求めるのではなく、まず、位相区間を大まかないくつかの主区間に分割して、その主区間の中央値位相における応答時間を測定する。その応答時間の中から最大の応答時間を発生させる主区間を選び、次いで、選ばれた主区間をさらにいくつかの副区間に分割する。さらに分割された各副区間の中央位相値における応答時間を求める。回転子の位置の推定は、選定された主区間および各副区間において測定された応答時間の中から最大となる設定位相に１８０°を加算し、その加算された位相角をもって回転子の位置と推定する。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、主、副区間数が全体の測定回数に関与する。図４（ａ）では、主区間を２つに分割する例であるが、この場合は１８０゜幅の山を認識することができない。従って、主区間は、図４（ｂ）以降に示すように、少なくとも３分割以上することが必要であり、３分割以上にすることにより、１８０゜幅の山の存在区間を把握することができる。副区間については、図４（ｂ），図４（ｅ），図４（ｆ）は２分割した場合を示し、図４（ｃ），図４（ｄ），（ｇ）は３分割した場合を示している。副区間の最小分割数は主区間が３分割、つまり１２０゜よりも細かく分割されていさえすれば、２分割でも１８０゜幅の山の頂上付近の位相を探索できることが理解される。つまり、理想状態を想定すれば、最小の測定回数は主区間が３回、副区間が２回の計５回である。
【００３６】
次に、この測定方式（分割法）による処理手順を図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
まず、ステップ２０１において、応答電流の取り込みを行い、次いで、ステップ２０２で、１つの設定位相における応答電流の取り込みが完了しているどうかを判定する。未完了ならば、ステップ２０１に戻り応答電流の取り込み処理を継続する。完了していれば、ステップ２０３で取り込んだ応答電流波形の応答時間を算出する。次に、ステップ２０４で副区間内でのデータ取り込み中かどうかの判定を行い、未だ主区間内でのデータ測定中であれば、ステップ２０５で３つの主区間のデータをそれぞれ測定完了したか判定し、完了してないければステップ２０１に戻って応答電流の取り込みを継続する。取り込みを完了していれば、ステップ２０６で測定を完了した３つの応答時間の中から最大値が存在する主区間を検索する。次いで、ステップ２０７で、検索された主区間内で分割された２つの副区間に対応する応答電流の電流波形の取り込みが完了したか判定する。完了していなければ、ステップ２０１に戻り応答電流の取り込みを行う。完了していれば、ステップ２０８において、主区間および２つの副区間で計測された応答時間の中からその最大値を検索し、さらにステップ２０９において、最大応答時間を発生させた位相に１８０°を加算し、得られた位相角をもって回転子の位置として推定する。
【００３８】
上記のごとく、この測定方式（分割法）によれば、少ない測定回数で回転子の位置を確認することができる。なお、ここでは検索時間の短縮を図るために、理想状態を仮定して主区間の分割数を３、副区間の分割数を２とした最小回数の例を示したが、ノイズ混入など検索システムの信頼度向上を図るためには、さらに、主区間の３区間と副区間の２区間を増加させると良好な結果が得られる。
【００３９】
図６は、パターンマッチングを利用して短時間に回転子位置を測定する測定方式（パターンマッチング法）を説明するための図である。
【００４０】
同図において、横軸は設定位相、縦軸は測定された応答電流の応答時間を表し、（ａ）〜（ｇ）は、回転子の位置によって、設定位相に対する応答時間の違う特性の例を示し、図示される白丸および黒丸それぞれ各設定位相における測定点を示している。
【００４１】
この測定方式の重要点は、システムの立ち上げ時など初期状態として詳細に位相を変化させ対応する応答電流波形の応答時間テーブル（同図で実線で示した特性）を事前に測定しておく点にある。この測定方式は、特に、停電などで回転子の位置が不明になったような事態が発生した際に、回転子位置を少ない測定回数で短時間に探索するのに好適である。
【００４２】
同図において、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、黒丸で示した３回の設定位相において測定される応答電流（３６０゜区間を１２０゜位相毎に区分して測定される応答電流）による応答時間の測定では、図示するように、図６（ａ）と図６（ｂ）の実線の違いを認識することができない。つまり、１２０゜位相毎の３回の測定結果と事前測定された位相・応答時間のパターンとによるパターンマッチングによる位置推定では、最大６０゜の位置の推定誤差が生じることが理解される。これに対して、図６（ｃ）〜図６（ｇ）に示すように、白丸で示した４回の設定位相において測定される応答電流（３６０゜区間を９０゜位相毎に区分して測定される応答電流）からの応答時間の測定では、特性の頂上（最大値）の存在区間をほぼ確認することができる。このように、この測定方式（パターンマッチング法）によっても応答の最大値に対応した回転子の位置推定を少ない探索回数で正確に行うことがができる。この測定方式（パターンマッチング法）では、はじめにテーブル構築用のデータを詳細に測定する手間と時間が必要であるが、前述の測定方式（分割法）よりも電動機駆動システムが稼働した後、停電などで回転子の位置がわからなくなった際には、素早く、正確に回転子の位置を把握できる点で優れている。
【００４３】
次に、この測定方式（パターンマッチング法）による処理手順を図７に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４４】
ここでは測定回数を４回とし、初期状態の位相・応答時間テーブルは既に構築されているものとする。はじめに、ステップ３００において、停電などで回転子位置を推定しなければならない事態が発生すると、本測定方式の処理が起動される。ステップ３０１でステップ状指令電圧に対する応答電流を取り込みを行う。ステップ３０２で、同一設定位相における応答電流の取り込みが完了しているどうかを判定する。未完了ならば、ステップ３０１に戻り、応答電流の取り込み処理を継続する。完了していれば、ステップ３０３で取り込んだ応答電流から立ち上がりの応答時間を算出する。次に、ステップ３０４で各測定回数に相当する各設定位相における応答電流の取り込みが完了したかどうかの判定を行う。ここでは、理想状態を仮定して原理的に位相を推定しうる最小回数である４回の測定を行う。３６０゜区間を４等分して、０゜，９０゜，１８０゜，２７０゜の各設定位相の応答電流を測定する。応答電流の取り込みが完了していなければステップ３０１に戻って取り込みを継続する。取り込みが完了していれば、ステップ３０５で測定完了した４つの応答時間のうちで最大値（第一値）と２番目に大きな値（第二値）とを選択するとともに、第一値を与える位相（φ１）を特定する。ステップ３０６で、選択された第一値と第二値の応答時間が所定値よりも大きく、かつほぼ等しいかどうかの判定を行う。ここで、所定値よりも大きい条件を設ける理由は、４つのデータのうち、２つの値がほぼゼロとなる場合を排除するためである。これらの条件を満足しているときは、ステップ３０７において、第一値と第二値を与える両位相の中間位相値に１８０°を加算した位相を求め、これを推定された回転子位置とする。ステップ３０６を満足していないときは、第一値および第二値と位相・応答時間テーブルとの一致をとることにより回転子の位置推定を行う処理に入る。ステップ３０８で応答時間の最大値である第一値と等しい応答時間を与える位相（φＴ１）を位相・応答時間テーブルから検索する。ここで、第一値を与える位相は２つあり得るので、位相角の小さい方から検索する。次に、ステップ３０９において、位相・応答時間テーブル内で位相（φＴ１＋９０°）に対応する応答時間を位相・応答時間テーブルから検索する。ステップ３１０でこの検索した応答時間と先に取り込んだ第二値とがほぼ等しいかを判定する。等しい場合は、ステップ３１１において、位相・応答時間テーブル上で最大応答時間を生じさせる位相（φＭ）と第一値と等しい応答時間を与えるテーブル上の位相（φＴ１）との差が、位相（φＭ）と第一値を与える位相（φ１）とのズレに相当するので、φ１にφＭ−φＴ１との差を加算し、その加算値に１８０°を加算した位相角を求め、これを推定された回転子の位置とする。一方、ステップ３１０における判定で、検索値と第二値が異なっていると判定された場合には、ステップ３１２で位相・応答時間テーブルにおいて位相（φＴ１−９０°）に対応する応答時間を検索する。次いで、ステップ３１３でこの検索した応答時間と先に求めた第二値とがほぼ等しければ、ステップ３１４において、位相・応答時間テーブル上で最大応答時間を生じさせる位相（φＭ）と第一値と等しい応答時間を与えるテーブル上の位相（φＴ１）との差は、位相（φＭ）と第一値を与える位相（φ１）とのズレに相当するので、φ１にφＭ−φＴ１との差を加算し、その加算値に１８０°を加算した位相を求め、これを推定された回転子の位置とする。ステップ３１３で検索した応答時間と先に求めた第二値とが等しくなければ、ノイズや測定誤差のためにパターンマッチング処理に失敗したとして、ステップ３１５において、マッチング処理のための許容値を緩め、ステップ３１０の処理を再度行って、一致を求める処理を実行する。
【００４５】
なお、初期の位相・応答時間テーブルを構築するためのデータ測定、あるいは、停電時など回転子の位相を再推定しなければならない時の応答電流測定回数の最大値は、得られる有意な分解能と測定に要する総合所要時間などの観点から、位相角で約１０゜間隔、回数で４０回程度が実フィールドでは妥当な測定回数と言える。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係わる回転子位置推定装置の処理手順を図８に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４７】
本実施形態は、第１の実施形態が回転子を制動機により固定し、誘起電圧が発生しない状態において、電動機巻線に位相の異なる指令電圧を逐次印加して応答電流から応答時間を求めるのに対して、同一指令電圧を巻線に与える一方、回転子側に接続されるエレベータの乗りかごなどの負荷を利用して、乗りかごが平衡するために自動的に昇降することによる回転子にかかる負荷トルクにより回転変位させることにより、同一指令電圧を巻線に与え、応答電流波形の応答時間から回転子位置を推定するものである。
【００４８】
なお、ここでは、同一の指令電圧を巻線に与え、応答時間測定に際して複数種類の指令電圧を与えることにより発生しうる指令作成に伴う条件の不均一性（誤差の混入）を排除している。また、回転子位置推定装置の構成は、図１および図２に示すものとほぼ同様であるので説明を省略する。
【００４９】
はじめに、ステップ４００において当該処理が起動されると、ステップ４０１で制動機が開かれ、負荷トルクを利用して回転子を回転させた後、制動機による制御をかけて回転子を固定する。負荷トルクが小さく回転子が回転しない場合には、周波数が低く、絶対値が小さな値を有する指令を使って低周波同期起動法などにより回転子を所定角度だけ回転させる。回転角度の目安としては測定精度と測定時間との関係から９０゜以下が望ましい。その際、ステップ４０２で、前回停止位置からの回転角度を測定しておく。ここでは図１に示すように回転子に結合されたパルスエンコーダの発生するパルスを計数するなどして回転角度変位を測定する。測定条件の設定が終われば、ステップ４０３でステップ状指令電圧に対する応答電流の取り込みを行い、ステップ４０４で、同一位相条件下での応答電流の取り込みが完了しているどうかの判定を行う。未完了ならば応答電流の取り込みを継続する。完了すれば、ステップ４０５で応答電流の立ち上がり応答時間を算出する。次に、ステップ４０６において、ステップ４０５で求めた応答時間が所定値１よりも小さいどうかを判定する。ここで、所定値１とは判定を行うために設定されたゼロより大きいが、比較的小さな値である。小さいと判定された場合は、ステップ４０７で前回測定した応答時間が所定値１よりも小さかったかどうかの判定を行う。小さければ、未だ回転子位置を測定する回転角度から離れているとして、再度、ステップ４０１に戻って回転子を回転させ、応答電流を測定する動作に戻す。ステップ４０７において、前回測定した応答時間が所定値１よりも大きいと判定されたときは、ステップ４０８において、回転子位置測定の回転角度が行き過ぎであり、前回測定時の回転角度が適切であったとして、その回転角度に１８０°を加算した位相角を回転子の位置と推定して処理を終了する。一方、ステップ４０６において、今回測定された応答時間が所定値１よりも大きいときは、ステップ４０９において、その応答時間が所定値２よりも大きいかどうかの判定を行う。ここで、所定値２とは所定値１より大きいが、最大応答時間より少し小さな値である。ステップ４０９で大きいと判定された場合は、ステップ４１０で今回測定された回転角度に１８０°を加算した位相角を回転子の位置と推定して処理を終了する。ステップ４０９において、応答時間が所定値２よりも小さければ、ステップ４１１で、前回の応答時間が所定値１よりも大きかったかどうかの判定を行う。小さいと判定された場合は、回転子位置を推定すべき回転角度はもう少し先にあるとして、ステップ４０１に戻って再度回転子を回転させて処理を再試行する。ステップ４１１において大きいと判定された場合は、ステップ４１２において、前回測定の回転角度と今回測定の回転角度との中間の回転角度に１８０°を加算した位相角を回転子の位置と推定して処理を終了する。
【００５０】
上記のごとく、本実施形態によれば、同一の指令電圧を回転子回転毎の応答電流測定に用いるので、指令電圧作成に伴い混入しうる誤差などの外的要因を排除することができ、磁束飽和の影響を最大限に把握して正確に回転子の位置を推定することができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上のごとく、１つの発明によれば、回転子位置と指令電圧との間の位相差の違いによって生じる磁気回路の飽和が応答電流の応答時間に与える違いを、測定することにより少ない測定回数で、短時間に回転子の位置を測定することができる。
【００５２】
また、他の発明によれば、回転子位置と指令電圧との間の位相差の違いによって生じる磁気回路の飽和が応答電流に与える違いを、指令作成の過程で混入しうる誤差を同一の指令電圧を用いることによって排除し、さらに、相対位相差の発生は回転子を外部トルク、または電動機の低周波同期トルクによって回転設定することにより回転子の位置を正確に測定できる。
また、他の発明によれば、回転子位置と指令電流との間の位相差の違いによって生じる磁気回路の飽和が応答電流に与える違いを、制御装置の応答に対する影響力を除去することにより回転子の位置を正確に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる回転子位置推定装置を備える同期電動機の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す電流制御部２２の詳細な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す回転子位置推定部２５における位置推定の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態に係わる最小限度の応答波形測定回数で回転子位置を測定する測定方式（分割法）を説明するための図である。
【図５】本実施形態に係わる測定方式（分割法）による処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態に係わるパターンマッチングを利用して回転子位置を測定する測定方式（パターンマッチング法）を説明するための図である。
【図７】本実施形態に係わる測定方式（パターンマッチング法）による処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係わる同期電動機の回転子位置推定装置における回転子位置を測定する測定方式（回転子位置変更法）の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 電源
３ ＰＷＭコンバータ
５ ＰＷＭインバータ
６ 同期電動機
７ 負荷
８ 制動機
９ 交流電圧検出器
１０，１１ 電流検出器
１２ 直流電圧検出器
１３ パルス発生器
１４ 直流指令電圧生成部
１５ 電圧制御部
１６ 電源位相演算部
１７，２２ 電流制御部
１８，２３ 搬送波発生部
１９，２４ ＰＷＭパルス生成部
２０ 速度指令発生部
２１ 速度制御部
２５ 回転子位置推定部
２２６ 応答測定用ステップ状指令電圧発生器
２２７ 応答測定用零指令電圧発生器
２２８ 応答測定用位相発生器
Claims (4)
- 同期電動機の回転子の回転を固定し、該同期電動機の電動機巻線に位相の異なる複数の指令電圧を印加し、該複数の指令電圧に対して検出されるそれぞれの応答電流の応答時間に基づいて、前記回転子の位置を推定する同期電動機の回転子位置推定装置において、
前記複数の指令電圧が印加される位相は、前記同期電動機の電気角３６０°を一定角度で区分した複数の主区間に設定された位相と、前記複数の主区間に設定された位相において検出される応答電流中の最大応答時間を呈する主区間を分割した複数の副区間に設定される位相であり、前記回転子の位置推定は、前記設定された複数の位相において検出される前記応答電流中の最大応答時間を呈する位相に基づいて算出されることを特徴とする同期電動機の回転子位置推定装置。 - 請求項１記載の回転子位置推定装置において、前記区分される複数の位相数は、少なくとも４以上、４０以下であることを特徴とする同期電動機の回転子位置推定装置。
- 請求項１または２記載の回転子位置推定装置において、前記主区間を３領域以上、前記副区間を２領域以上に分割したことを特徴とする同期電動機の回転子位置推定装置。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか１記載の回転子位置推定装置において、前記回転子の位置推定時は、前記同期電動機の運転制御を行う制御装置に設けられる負帰還制御機能を停止させることを特徴とする同期電動機の回転子位置推定装置。
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-
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