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1. (WO2018043501) INVERTER CONTROL DEVICE AND ELECTRIC MOTOR DRIVING SYSTEM
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明 細 書

発明の名称 インバータ制御装置および電動機駆動システム

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005  

先行技術文献

特許文献

0006  

発明の概要

0007   0008   0009   0010  

図面の簡単な説明

0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097   0098   0099   0100   0101   0102   0103   0104   0105  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

明 細 書

発明の名称 : インバータ制御装置および電動機駆動システム

技術分野

[0001]
 本発明の実施形態は、インバータ制御装置および電動機駆動システムに関する。

背景技術

[0002]
 電動機を制御するインバータ装置において、小型軽量・低コスト化・信頼性向上のため、レゾルバ・エンコーダ等の回転位相角センサを用いないセンサレス制御法が提案されている。
[0003]
 例えば、巻線に鎖交する無負荷磁束により発生する電圧情報を用いて回転位相角を推定する方法や、高周波電圧を重畳して回転子突極に起因して発生する高周波電流情報を用いるセンサレス方法が提案されている。
[0004]
 また、鉄道や産業用途に用いられるインバータ装置では、惰行運転や瞬時停電などからインバータを起動するときに、回転位相角の推定が必要となる。この場合、再起動の際にインバータ装置のスイッチングパタンを制御して、巻線を短絡させることにより発生する電流を観測して回転子位置を推定する方法や、磁石誘起電圧で発生する電流をゼロに抑制制御して、その際に発生する特徴量を利用して回転位相角を推定する方法が提案されている。
[0005]
 さらに、PMSM(永久磁石同期電動機)向けのフリーラン再起動の方式として、非ゼロ電圧ベクトルを出力するインバータスイッチングを行い、モータ速度に依らず一つの数式で回転位相角を推定する方法が提案されている。

先行技術文献

特許文献

[0006]
特許文献1 : 特許第3692085号公報
特許文献2 : 特許第3719910号公報
特許文献3 : 特許第3636340号公報
特許文献4 : 特許第3508982号公報
特許文献5 : 特許第4139934号公報

発明の概要

[0007]
 例えば永久磁石を使用しないシンクロナスリラクタンスモータ(SynRM)の回転位相角を推定するときには、無負荷誘起電圧が小さいため、無負荷誘起電圧を利用した回転位相角推定を適用することが困難である。
[0008]
 また、高周波電圧を重畳することにより回転位相角を推定する方法は、低速回転時には回転位相角の推定値を正確に推定できるものの、重畳する高周波電圧の周波数に対して基本波周波数が十分小さいことを前提としており、高速回転時における回転位相角の推定を行うことが困難であった。
[0009]
 本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、安定した起動を実現するインバータ制御装置および電動機駆動システムを提供することを目的とする。
[0010]
 実施形態によるインバータ制御装置は、インバータ主回路と、前記インバータ主回路の出力配線の電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器で検出された電流応答値に基づいて、前記インバータ主回路に接続した電動機の回転位相角に相当する値を静止座標系で演算する回転位相角推定部と、前記インバータ主回路の起動時に、前記回転位相角に相当する値を用いて前記電動機の回転速度に相当する値を演算する回転速度推定部とを備えた起動時制御部と、前記回転速度に相当する値を初期値として、前記電動機の推定回転位相角を回転座標系で演算する通常時制御部と、を備える。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] 図1は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの一構成例を概略的に示す図である。
[図2] 図2は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
[図3] 図3は、起動時制御部の高周波電圧指令生成部から出力される高周波電圧指令の一例を説明するための図である。
[図4] 図4は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの通常時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
[図5] 図5は、通常時制御部の高周波電圧指令生成部から出力される重畳電圧指令の一例を説明するための図である。
[図6] 図6は、通常時制御部のPI制御器の構成例を概略的に示すブロック図である。
[図7] 図7は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の他の例を説明するためのブロック図である。
[図8] 図8は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの通常時制御部の他の例を説明するためのブロック図である。
[図9] 図9は、第2実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
[図10] 図10は、第3実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
[図11] 図11は、図10に示すPWM発生部の動作の一例について説明するための図である。

実施形態

[0012]
 以下、実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムについて、図面を参照して説明する。
 図1は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの一構成例を概略的に示す図である。
[0013]
 本実施形態の電動機駆動システムは、電動機2を駆動する電動機駆動システムであって、電動機2と、インバータ制御装置と、を備えている。インバータ制御装置は、インバータ1と、電流検出器3と、起動時制御部4と、通常時制御部5と、切替部6と、を備えている。
[0014]
 電動機2は、例えば、固定子と、回転子とを備えたシンクロナスリラクタンスモータ(SynRM)である。電動機2は、インバータ1から供給される三相交流電流により駆動される。
[0015]
 インバータ1は、直流電源(直流負荷)と、U相、V相、W相の各相2つのスイッチング素子と、を備えたインバータ主回路(いずれも図示せず)とを備えている。各相2つのスイッチング素子は、直流電源の正極に接続した直流ラインと、直流電源の負極に接続した直流ラインとの間に直列に接続している。インバータ1のスイッチング素子は、切替部6から受信したゲート指令により制御される。インバータ1は、U相電流iu、V相電流iv、W相電流iwを交流負荷である電動機2へ出力する三相交流インバータである。また、インバータ1は、電動機2で発電された電力を直流電源へ充電することも可能である。
[0016]
 電流検出器3は、インバータ1から出力される三相交流電流(U相電流iu、V相電流iv、W相電流iw)のうち、少なくとも2相の電流応答値(例えば、U相電流iu、W相電流iw)を検出する。電流検出器3で検出された電流応答値は、切替部6を介して、起動時制御部4あるいは通常時制御部5へ供給される。
[0017]
 切替部6は、起動時制御部4から出力されるゲート指令の供給経路と、通常時制御部5から出力されるゲート指令の供給経路とを切替えて、インバータ1へ供給する。また、切替部6は、電流検出器3で検出された電流応答値iu、iwの供給経路を切替えて、起動時制御部4と通常時制御部5との一方へ供給する。
[0018]
 切替部6は、第1切替器61と第2切替器62とを備えている。第1切替器61と第2切替器62とは、例えば、起動時制御部4から供給される通常モード変更指令によりその動作を制御される。
[0019]
 第1切替器61は、第1入力部IN1と第2入力部IN2と第1出力部OUT1とを備えている。第1入力部IN1には、起動時制御部4から出力されたゲート指令が入力される。第2入力部IN2、通常時制御部5から出力されたゲート指令が入力される。第1出力部OUT1は、インバータ1の各相2つのスイッチング素子それぞれにゲート指令を供給する配線と電気的に接続している。
[0020]
 第1切替器61は、通常モード変更指令がロー(L)レベルのときに、第1入力部IN1と第1出力部OUT1とを電気的に接続し、通常モード変更指令がハイ(H)レベルのときに、第2入力部IN2と第1出力部OUT1とを電気的に接続する。
[0021]
 第2切替器62は、第3入力部IN3と、第2出力部OUT2と、第3出力部OUT3とを備えている。第3入力部IN3には、電流検出器3から電流応答値iu、iwが入力される。第2出力部OUT2は、後述する起動時制御部4の座標変換部44へ電流応答値iu、iwを供給する配線と電気的に接続している。第3出力部OUT3は、後述する通常時制御部5の座標変換部56へ電流応答値iu、iwを供給する配線と電気的に接続している。
[0022]
 第2切替器62は、通常モード変更指令がロー(L)レベルのときに、第3入力部IN3と第2出力部OUT2とを電気的に接続し、通常モード変更指令がハイ(H)レベルのときに、第3入力部IN3と第3出力部OUT3とを電気的に接続する。
[0023]
 起動時制御部4は、インバータ1を起動するとき(例えば電動機2がフリーランから起動するとき)に、静止座標系の高周波電圧指令を電圧指令に重畳した高周波電圧指令と、電動機2に高周波電圧を印加するときインバータ1から出力される高周波電流の値(電流応答値)とを用いて、推定回転位相角(回転位相角θに相当する値)θest1を演算し、推定回転位相角θest1を用いて、初期回転速度推定値(回転速度ωに相当する値)ωest0を演算する。なお、後述するように、推定回転位相角(回転位相角θに相当する値)θest1は、初期回転位相角推定値θest0を含む。
[0024]
 インバータ1を起動するときとは、例えば利用者が起動ボタンを押したことにより、インバータ制御装置がインバータ1の駆動を開始するときである。インバータのセンサレス制御を行なう場合、インバータ制御装置は、インバータ1を起動するタイミングにて回転子の回転速度を認識していない。したがって、インバータ1を起動するときには、電動機2がフリーラン状態のときもあれば、電動機2の回転が停止している状態のときもある。
[0025]
 また、起動時制御部4は、切替部6へ通常モード変更指令を出力する。通常モード変更指令は、インバータ制御装置および電動機駆動システムが外部からの起動指令により起動するときには、ロー(L)レベルである。起動時制御部4は、初期回転速度推定値ωest0を通常時制御部5へ供給するタイミングと同期して、通常モード変更指令をロー(L)レベルからハイ(H)レベルへ立ち上げる。
[0026]
 なお、起動時制御部4は、インバータ主回路を停止したとき(例えば利用者が停止ボタンを押したときや、異常時の保護動作により停止するとき)に、通常モード変更指令をハイ(H)レベルからロー(L)レベルとする。
[0027]
 通常時制御部5は、通常時制御部5から供給された初期回転位相角推定値θest0および初期回転速度推定値ωest0を初期値として、回転座標系の高周波電圧指令を電圧指令に重畳し、電動機2に高周波電圧を印加するときにインバータ1から出力される高周波電流の値(電流応答値)を用いて、推定回転位相角θestを演算し、電動機2の動作を制御する。
[0028]
 図2は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
 起動時制御部4は、高周波電圧指令生成部41と、座標変換部42、44と、PWM変調部43と、回転位相角推定部45と、回転速度推定部46と、を備えている。
[0029]
 高周波電圧指令生成部41は、αβ軸固定座標系の高周波電圧指令Vαh *を生成する。
[0030]
 図3は、起動時制御部の高周波電圧指令生成部から出力される高周波電圧指令の一例を説明するための図である。 
 高周波電圧指令Vαh *は、例えば、図3に示すように、Vh[V]と-Vh[V]との間で振動する高周波電圧指令である。なお、重畳する高周波信号の周波数については、インバータ主回路に接続される電動機2の最高回転数の2倍以上の周波数であれば、電動機2の回転に寄与しない信号成分となるため、重畳する高周波信号は、少なくとも電動機2の最高回転周波数の2倍以上に設定されている。
[0031]
 座標変換部42は、高周波電圧指令生成部41から出力されたαβ軸固定座標系の高周波電圧指令Vαh *を受信し、三相固定座標系の電圧指令vu *、vv *、vw *へ座標変換を行うベクトル変換手段である。
[0032]
 PWM変調部43は、座標変換部42から出力された電圧指令(変調率指令)vu *、vv *、vw *と三角波とを比較した結果に基づいて、インバータ1の各相スイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
[0033]
 座標変換部44は、電流検出器3で検出された三相固定座標系の電流応答値iu、iwを受信し、αβ固定座標系の電流応答値iβへ座標変換を行うベクトル変換手段である。
[0034]
 回転位相角推定部45は、座標変換部44から出力された電流応答値iβと高周波電圧指令生成部41において生成された重畳電圧指令(高周波電圧指令)Vαh *から電動機2の推定回転位相角θest1を演算する。
[0035]
 例えば、電動機2の電圧方程式モデルを静止座標系で考えると下記数式(1)のように表すことができる。
[数1]


 なお、上記数式(1)において、piαは、iαを微分した値であり、piβはiβを微分した値である。
[0036]
 上記数式(1)から高周波成分のみを抽出すると電流微分項のみとなり、下記数式(2)のように表すことができる。
[数2]


 なお、上記数式(2)において、添え字「hf」は高周波成分を意味する。
[0037]
 またインダクタンス行列L 00、L 01、L 10、L 11は、下記数式(3)のように表すことができる。
[数3]


[0038]
 ここで、数式(2)を変形すると数式(4)となる。
[数4]


[0039]
 さらに、高周波電圧をα軸方向のみに重畳した場合、vβhfは0になるので、数式(4)は下記数式(5)のように表すことができる。
[数5]


[0040]
 数式(5)に数式(3)を代入すると、数式(6)となる。
[数6]


 数式(6)のpiβhfに着目すると、数式(7)となる。
[数7]


[0041]
 数式(7)より、θについて解くと、数式(8)となる。
[数8]


[0042]
 回転位相角推定部45は、上記数式(8)を用いて、回転位相角θを演算して推定回転位相角θest1とする。ただし、vαhfは重畳電圧指令Vαh を用い、piβhfは電流応答値iβを微分することで得るものとする。なお、初期速度を演算したタイミング(通常モード変更指令をロー(L)レベルからハイ(H)レベルへ立ち上げたタイミング)での推定回転位相角θest1を初期回転位相角推定値θest0として出力する。
[0043]
 回転速度推定部46は、回転位相角推定部45から出力された推定回転位相角θest1を用いて、初期回転速度推定値ωest0を演算する。
[0044]
 回転速度推定部46は、起動処理を開始してから所定の第1所定期間T1が経過するまでに推定回転位相角θest1がゼロクロスする回数をカウントする。続いて、回転速度推定部46は、カウント値が所定値以上であったときに、更に、起動処理を開始してから第2所定期間T2(第2所定期間T2>第1所定期間T1)が経過するまで、推定回転位相角θest1がゼロクロスする回数をカウントする。
[0045]
 本実施形態では、例えば、カウント値と比較する所定値を「2」としている。すなわち、回転速度推定部46は、第1所定期間T1にカウントした値が所定値(例えば2)以上であったときに、更に、第2所定期間T2に推定回転位相角θest1がゼロクロスする回数をカウントする。
[0046]
 回転速度推定部46は、起動処理の開始時(第1所定期間T1の開始時)から第2所定期間T2が経過するまでに推定回転位相角θest1がゼロクロスした回数K T2を用いて下記のように初期回転速度推定値ωest0を演算する。θがゼロクロスする回数が一周期に2回であるため、2で除算している。
 ωest0=2π×(K T2÷T2)÷2…数式(9)
[0047]
 一方、第1所定期間T1に、推定回転位相角θest1がゼロクロスした回数が所定値(例えば2回)未満であったとき、回転速度推定部46は、初期回転速度推定値ωest0をゼロとする。例えば、インバータ1が停止している状態で利用者が起動ボタンを押して、インバータ1の起動処理が開始されたときには、第1所定期間T1で推定回転位相角θest1がゼロクロスした回数が所定値(例えば2回)未満となり、初期回転速度推定値ωest0がゼロとなる。
[0048]
 回転速度推定部46は、上記のように初期回転速度推定値ωest0を演算して、演算結果を通常時制御部5へ供給する。また回転速度推定部46は、初期回転速度推定値ωest0を通常制御部5へ供給するタイミングと同期して、切替部6への通常モード変更指令をロー(L)レベルからハイ(H)レベルへ立ち上げる。したがって、初期回転速度推定値ωest0が、通常時制御部5のPI制御器58の初期値としてセットされるタイミングと同期して、第1切替器61と第2切替器62とが切り替わり、電流指令値iu、iwが通常時制御部5へ供給され、通常時制御部5で演算されたゲート指令がインバータ1へ供給されることとなる。
[0049]
 本実施形態では、回転位相角θに相当する値(推定回転位相角θest1)を用いて初期回転速度推定値ωest0を演算したが、初期回転位相角推定値θest0については、初期回転速度に対して重要性が低いため、初期回転位相角推定値θest0を通常時制御部5にプリセットしなくても良い。通常時制御部5に初期回転位相角推定値θest0をプリセットしない場合、上記数式(6)のpiβhfはsin2θの成分を含んでいるため、piβhfのゼロクロスの回数を数えて初期回転速度推定値ωest0を演算することで、演算処理を簡略化することができる。
[0050]
 図4は、第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの通常時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
[0051]
 通常時制御部5は、電流制御部51と、高周波電圧重畳部52と、高周波電圧指令生成部53と、座標変換部54、56と、PWM変調部55と、回転位相角誤差推定部57と、PI制御器58と、積分器59と、を備えている。
[0052]
 電流制御部51は、dcqc軸回転座標系の電流応答値idc、iqcと電流指令idc *、iqc *とを受信し、電流応答値idc、iqcと電流指令値idc *、iqc *との差がゼロとなるように基本波電圧指令vdcf *、vqcf *を演算して出力する。
 高周波電圧指令生成部53は、dcqc軸回転座標系の重畳電圧指令Vdch *を生成する。
[0053]
 図5は、通常時制御部の高周波電圧指令生成部から出力される重畳電圧指令の一例を説明するための図である。 
 重畳電圧指令Vdch *は、例えば、図5に示すように、Vh[V]と-Vh[V]との間で振動する高周波電圧指令である。
[0054]
 高周波電圧重畳部52は、基本波電圧指令値vdcf *、vqcf *に重畳電圧指令Vdch *を加算して、電圧指令vdc *、vqc *を生成する。
 座標変換部54は、推定回転位相角θestを用いて、dcqc軸回転座標系の電圧指令vdc *、vqc *を三相固定座標系の電圧指令vu *、vv *、vw *へ座標変換を行うベクトル変換手段である。
[0055]
 PWM変調部55は、座標変換部54から出力された電圧指令(変調率指令)vu *、vv *、vw *と三角波とを比較した結果に基づいて、インバータ1の各相スイッチング素子のゲート信号を生成して出力する。
[0056]
 座標変換部56は、推定回転位相角θestと、電流検出器3で検出された電流応答値iu、iwとを受信し、推定回転位相角θestを用いて三相固定座標系の電流応答値iu、iwをdcpc軸回転座標系の電流応答値idc、iqcへ座標変換を行うベクトル変換手段である。
[0057]
 例えば、電動機2の電圧方程式モデルを回転座標系で考えると下記数式(10)のように表すことができる。
[数9]


[0058]
 上記数式(10)から高周波成分のみを抽出すると電流微分項のみとなり、下記数式(11)のように表すことができる。
[数10]


[0059]
ここで、数式(11)を変形すると数式(12)となる。
[数11]


[0060]
 さらに、高周波電圧をd軸方向のみに重畳した場合、vqhfは0になるので、数式(12)は下記数式(13)のように表すことができる。
[数12]


[0061]
 上記数式(13)のpiqhfに着目すると、数式(14)となる。
[数13]


[0062]
 上記数式(14)より、Δθについて解くと、数式(15)となる。
[数14]


[0063]
 回転位相角推定部57は、上記数式(15)を用いて、電動機2の回転位相角と回転座標系の座標変換に用いた推定回転位相角θestとの誤差(回転位相角誤差)Δθestを演算して出力する。ただし、高周波電圧指令生成部53から出力されたvdhfは重畳電圧指令Vdch を用い、piqhfは座標変換部56から出力された電流応答値iqcを微分することで得るものとする。
[0064]
 PI制御器58は、回転位相角誤差Δθestと初期回転速度推定値ωest0とを受信し、初期回転速度推定値ωest0を初期値として回転位相角誤差Δθestがゼロとなるように演算した推定回転速度ωestを出力する。
[0065]
 図6は、通常時制御部のPI制御器の構成例を概略的に示すブロック図である。PI制御器58は、PLL(Phase Locked Loop)回路である。
 PI制御器58は、比例ゲイン乗算器581と、積分ゲイン乗算器582と、積分器583と、加算器584とを備えている。
[0066]
 比例ゲイン乗算器581は、回転位相角誤差Δθestを受信し、比例ゲインKpを乗じて加算器584へ出力する。
 積分ゲイン乗算器582は、回転位相角誤差Δθestを受信し、積分ゲインKiを乗じて積分器583へ出力する。
[0067]
 積分器583は、初期値を起動時制御部4から供給された初期回転速度推定値ωest0とし、積分ゲイン乗算器582の出力値を積分して加算器584へ出力する。
 加算器584は、比例ゲイン乗算器581の出力値と、積分器583の出力値とを加算して、推定回転速度ωestを出力する。
[0068]
 すなわち、推定回転速度ωestは下記のように演算される。 
 ωest=(Kp+Ki/s)・Δθest…数式(16)
 ここで、積分器583に入力された初期値は、起動時制御部4で演算された初期回転速度推定値ωest0である。
[0069]
 積分器59は、PI制御器58から出力された推定回転速度ωestを積分して、推定回転位相角θestを演算する。積分器59の初期値は、起動時制御部4で演算された初期回転位相角推定値θest0である。積分器59で演算された推定回転位相角θestは、座標変換部54、56に供給される。
[0070]
 ここで、高速回転時の起動において、回転座標系で回転位相角・回転速度を推定する場合、回転速度の初期値を0(ゼロ)とすると、PI制御器58に入力する回転位相角誤差Δθestが回転することになるため、PI制御器58の応答速度を回転速度に対して十分高速にしないと、制御が回転位相角誤差Δθestの変化に追従することができず、正確に推定回転速度ωestを演算することができない。
[0071]
 一方、本実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムによれば、起動時制御部4で、静止座標系で回転位相角推定値を演算し、所定期間に回転位相角推定値がゼロクロスした回数から概略の初期回転速度推定値ωest0を演算するため、制御応答が遅いときにもより正確に初期回転速度推定値ωest0を演算することが出来る。
[0072]
 さらに、初期回転速度推定値ωest0と実際の回転速度とがほぼ一致している状態で、回転座標系で推定回転位相角θestおよび推定回転速度ωestを演算すると、PI制御器58に入力する回転位相角誤差Δθestの回転速度は、実回転速度と初期回転速度推定値ωest0との差分で回転することになるため、PI制御器58のPI制御器の応答を高速にすることなく、正確に推定回転速度を演算することができる。
[0073]
 上記のように、本実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムでは、高速な演算処理ができない場合であっても、高速回転時に安定した起動が実現できる。すなわち、本実施形態によれば、安定した起動を実現するインバータ制御装置および電動機駆動システムを提供することができる。
[0074]
 上述の実施形態において、回転速度推定部46は、所定期間T1までに推定回転位相角θest1が2回以上ゼロクロスするか否かにより、電動機2が回転しているか否かを判断している。これにより、電動機2が停止状態もしくは極定速回転している状態では、所定期間T1で初期回転速度推定値ωest0を演算する起動ルーチンが終了するため、起動時に要する時間を短縮することができる。
[0075]
 また、上述の実施形態では、回転速度推定部46は、推定回転位相角θest1が所定期間T1、T2においてゼロクロスする回数に基づいて初期回転速度推定値ωest0を演算したが、例えば、推定回転位相角θest1が所定回(例えば2回)だけゼロクロスする期間(推定回転位相角θest1がゼロ(1回目)のタイミングから、次にゼロ(2回目)となるタイミングまでの期間)から初期回転速度推定値ωest0を演算しても良い。あるいは、推定回転位相角θest1の挙動から初期回転速度推定値ωest0を演算しても良い。いずれにしても、静止座標系で演算した回転位相角推定値を用いて回転速度推定値を演算することにより、回転速度推定値は実際の回転速度と略等しくなる。したがって、回転座標系でセンサレス制御を行う際の初期値として、静止座標系で演算した回転速度推定値を利用することにより、安定したインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動を実現することができる。
[0076]
 なお、上述の実施形態では、電動機2としてシンクロナスリラクタンスモータを採用した例について説明したが、磁石磁束が小さい永久磁石同期電動機を電動機2として採用したときでも、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
[0077]
 また、上述の実施形態では、静止座標系で回転位相角を推定する際に、高周波電圧を重畳する方式を利用している。高周波電圧を重畳する方式では、起動する際、高周波電圧のみを与えるため、高周波電流しか流れず、トルクを発生させずに起動することができる。
[0078]
 また、上述の実施形態では、高周波電圧を重畳して発生する高周波電流を用いて回転位相角を推定したが、高周波電流指令を与えて制御を行った際の印加高周波電圧から回転位相角を推定する方式を採用しても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
[0079]
 図7は、上述の第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の他の例を説明するためのブロック図である。
 この例では、起動時制御部4Aは、上述の高周波電圧指令生成部41に代えて高周波電流指令生成部41´と電流制御部47と、を備えている。なお、以下の説明において、上述の第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
[0080]
 高周波電流指令生成部41´は、高周波電流指令iαh *、iβh *を生成して電流制御部47へ出力する。
 電流制御部47は、高周波電流指令iαh *、iβh *と電流応答値iα、iβとの差がゼロとなるように、高周波電圧指令vαh *、vβh *を生成して出力する。
[0081]
 回転位相角推定部45は、座標変換部44から出力された電流応答値iα、iβと、電流制御部47から出力された高周波電圧指令vαh *、vβh *から推定回転位相角θest10を演算する。
[0082]
 回転位相角推定部45は、上述の電圧高周波成分を回転位相角の演算に利用する。まず電動機2の静止座標系の電圧方程式モデルは数式(17)のようになる。
[数15]


[0083]
 上記数式(17)から、高周波成分のみを抽出すると、電流微分項のみとなり、下記数式(18)のように表すことができる。
[数16]


[0084]
 またインダクタンス行列L 00、L 01、L 10、L 11は下記数式(19)のようになる。
[数17]


[0085]
 ここで、例えば、β軸電流にのみ高周波電流指令を与えれば、α軸高周波電圧指令はsin2θの成分となり、回転位相角θを演算することができる。あるいはα軸電流にのみ高周波電流指令を与えれば、β軸高周波電圧指令はsin2θの成分となり、同様に回転位相角θを演算することができる。
[0086]
 図8は、上述の第1実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの通常時制御部の他の例を説明するためのブロック図である。
 この例では、通常時制御部5Aは、高周波電圧指令生成部53に代えて高周波電流指令生成部53´を備え、高周波電圧重畳部52に代えて高周波電流指令重畳部52´を備えている。
[0087]
 高周波電流指令生成部53´は、高周波電流の指令idch *、iqch *を生成して、高周波電流指令重畳部52´へ出力する。
 高周波電流指令重畳部52´は、外部から供給される基本波電流指令idcf *、iqcf *に、高周波電流指令idch *、iqch *を加算して、電流指令idc *、iqc *を演算して、電流制御部51へ出力する。
[0088]
 電流制御部51は、電流指令idc *、iqc *と、電流応答値idc、iqcとを受信して、電流指令idc *、iqc *と電流応答値idc、iqcとの差がゼロとなるように、電圧指令vdc *、vqc *を演算して、座標変換部54へ出力する。
[0089]
 回転位相角誤差推定部57は、電流応答値idc、iqcと電圧指令vdc *、vqc *から回転位相角誤差推定値Δθestを演算する。
 上記のように、高周波電流指令を与えて制御を行った際の印加高周波電圧から回転位相角を推定する方式を採用しても、上述の実施形態と同様の効果が得られる。
[0090]
 次に、第2実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、上述の第1実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
[0091]
 図9は、第2実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
 本実施形態において、起動時制御部4Bは、PWM変調部55、座標変換部54、56、回転位相角誤差推定部57、高周波電圧重畳部52、および、高周波電圧指令生成部53を、通常時制御部5と共有している。
[0092]
 すなわち、起動時制御部4Bは、高周波電圧指令生成部53と、高周波電圧重畳部52と、座標変換部54、56と、PWM変調部55と、回転位相角誤差推定部57と、回転速度推定部46と、を備えている。
[0093]
 本実施形態では、座標変換部54、56で用いる推定回転位相角θestをゼロとすることで、起動時制御部4Bにおいて通常時制御部5の座標変換部54、56を用いている。
 また、本実施形態では、高周波電圧重畳部52に入力される基本波電圧指令vdcf *、vqcf *をゼロとすることで、起動時制御部4Bにおいて通常時制御部5の高周波電圧重畳部52を用いている。
[0094]
 さらに、推定回転位相角θestをゼロとすることにより、起動時制御部4Bにおいて、回転位相角誤差推定部57で演算される推定回転位相角誤差Δθestを推定回転位相角θestとしている。
 本実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムは、上記以外の構成は上述の第1実施形態と同様であって、上述の第1実施形態と同様の効果を得る頃ができる。
[0095]
 さらに、上記のように、起動時制御部4Bと通常時制御部5とで構成を共有することにより、インバータ1および電動機2の制御の為に用いる構成を減らして、インバータ制御装置および電動機駆動システムの構成を簡素化することが可能である。
[0096]
 次に、第3実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムについて、図面を参照して説明する。
 図10は、第3実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムの起動時制御部の構成例を概略的に示すブロック図である。
[0097]
 本実施形態において、起動時制御部4Cは、冗長なPWM発生部48と、座標変換部44と、回転位相角推定部45と、回転速度推定部46と、を備えている。
 冗長なPWM発生部48は、電圧指令vu *、vv *、vw *を生成して出力するとともに、電圧指令vu *、vv *、vw *に基づいてインバータ1へゲート指令を出力する。
[0098]
 図11は、図10に示すPWM発生部の動作の一例について説明するための図である。図11は、インバータ1が出力可能なαβ軸固定座標系の8種類の電圧ベクトルを概略的に示している。
[0099]
 電動機2において、電流がゼロのときには、速度によらず、逆起電圧はゼロである。一般的なPWM変調を行う場合、電流指令をゼロとしたとき、インバータの出力電圧ベクトルとしてV0またはV7のゼロ電圧ベクトルが選択される。このとき、出力電圧ベクトルと逆起電圧との差はゼロとなるため、高調波電流は発生しない。
[0100]
 一方、冗長なPWM発生部48は、例えば、短時間で非ゼロ電圧ベクトルであるV1とV6とを交互に繰り返すようにゲート指令を生成する。このとき、インバータ1が出力する電圧ベクトルの平均をゼロとしながらも、非ゼロ電圧ベクトルにより電動機2の応答として高調波電流が発生する。高調波電流が発生することにより、電動機2の回転子の突極性により推定回転位相角θest1の演算が可能である。
[0101]
 すなわち、冗長なPWM発生部48は、例えば、非ゼロ電圧ベクトルV1に対応する電圧指令vu *、vv *、vw *と、非ゼロ電圧ベクトルV6に対応する電圧指令vu *、vv *、vw *とを、交互に、座標変換部44へ出力する。
[0102]
 座標変換部44は、冗長なPWM発生部48から供給された三相固定座標系の電圧指令vu *、vv *、vw *をαβ軸固定座標系の電圧指令vα *、vβ *に変換して、回転位相角推定部45へ出力する。なお、αβ軸固定座標系の電圧指令vα *、vβ *は、上述の第1実施形態で高周波電圧指令生成部41から出力された重畳電圧指令(高周波電圧指令)に相当する値である。
 座標変換部44は、電流検出器3で検出された三相固定座標系の電流応答値iu、iwを受信してαβ軸固定座標系の電流応答値iα、iβに変換して、回転位相角推定部45へ出力する。
[0103]
 本実施形態のインバータ制御装置および電動機駆動システムは、上記構成以外は、上述の第1実施形態と同様であって、上述の第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
[0104]
 本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
[0105]
 上述の第1乃至第3実施形態において、インバータ制御装置は、ハードウエアにより構成されてもよく、ソフトウエアにより構成されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとを組み合わせて構成されてもよい。例えば、インバータ制御装置は1又は複数のプロセッサと、メモリと、を含み、各構成にて実行される演算をソフトウエアにて実現してもよい。いずれの場合であっても、上述の第1乃至第3実施形態と同様の効果を得ることができる。

請求の範囲

[請求項1]
 インバータ主回路と、
 前記インバータ主回路の出力配線の電流を検出する電流検出器と、
 前記電流検出器で検出された電流応答値に基づいて、前記インバータ主回路に接続した電動機の回転位相角に相当する値を静止座標系で演算する回転位相角推定部と、前記インバータ主回路の起動時に、前記回転位相角に相当する値を用いて前記電動機の回転速度に相当する値を演算する回転速度推定部とを備えた起動時制御部と、
 前記回転速度に相当する値を初期値として、前記電動機の推定回転位相角を回転座標系で演算する通常時制御部と、
 を備えたインバータ制御装置。
[請求項2]
 静止座標系の高周波電圧指令を生成する高周波電圧指令生成部、をさらに備えた請求項1記載のインバータ制御装置。
[請求項3]
 前記電動機へ供給する静止座標系の高周波電流指令を生成する高周波電流指令生成部と、
 前記高周波電流指令と前記電流応答値とに基づいて、高周波電圧指令を演算する電流制御部と、をさらに備えた請求項1記載のインバータ制御装置。
[請求項4]
 前記回転位相角推定部は、前記電流応答値に代えて前記高周波電流指令と前記高周波電圧指令とに基づいて前記電動機の前記回転位相角に相当する値を演算する請求項3記載のインバータ制御装置。
[請求項5]
 前記インバータ主回路から高調波電流を出力させる前記インバータ主回路へのゲート指令と、前記ゲート指令に基づく前記高周波電圧指令とを発生するPWM発生部と、をさらに備えた請求項1記載のインバータ制御装置。
[請求項6]
 前記通常時制御部は、回転座標系の推定回転位相角に基づいて、三相固定座標と回転座標とのベクトル変換を行うベクトル変換部を備え、
 前記ベクトル変換部は、前記インバータ主回路の起動時に前記回転座標系の推定回転位相角をゼロとして、静止座標系のベクトル変換を行う請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のインバータ制御装置。
[請求項7]
 前記起動時制御部の前記回転速度推定部は、前記回転位相角に相当する値が第1所定期間にゼロクロスする回数をカウントし、カウント値が所定値未満のときに前記回転速度に相当する値をゼロとし、
 前記カウント値が前記所定値以上のときに、前記第1所定期間よりも長い第2所定期間に前記回転位相角に相当する値がゼロクロスする回数をカウントした値と、前記第2所定期間とに基づいて前記回転速度に相当する値を演算する請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のインバータ制御装置。
[請求項8]
 前記請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のインバータ制御装置と、
 前記電動機としてのシンクロナスリラクタンスモータと、
 を備えた電動機駆動システム。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]

[ 図 9]

[ 図 10]

[ 図 11]