JP5190155B2 - 交流回転機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、交流回転機、特に、永久磁石を用いた同期機を位置センサレスでインバータにより制御する交流回転機の制御装置に係り、特に、交流回転機が零速から高速回転中の全速度域における再起動を確実且つ安定に行うことが可能な交流回転機の制御装置に関する。

交流回転機の出力トルクを高精度に制御する場合、交流回転機の回転子位置に基づいて電流を流し込むために回転子位置センサを取り付ける必要があった。しかし、回転子位置センサは、比較的体積が大きいために配置上の制約や、センサ出力を制御装置まで伝送するための制御伝送線の引き回しがわずらわしく、断線などの故障要因の増加となる。これに対して交流回転機の回転中に発生する誘起電圧を検出することで間接的に回転子位置を知ることができ、これに基づいて高速高精度なトルク制御を行う、いわゆるセンサレスベクトル制御が既に実用に供され始めている。センサレスベクトル制御においては、一般的に交流回転機に印加したインバータ電圧指令と、交流回転機に流れた電流検出値とから誘起電圧が推定演算される。しかるに、インバータ動作開始前には、モータ回転子位置を知ることができず、特に交流回転機が高速に回転して誘起電圧振幅が大きいときは、インバータ再起動時に、電流制御不安定による不要なトルク発生や、最悪の場合は過電流保護動作が働き、再起動できなくなる場合もあった。

このような課題を解決するために、特許文献１の手法が提案されている。 特許文献１の手法では、インバータ再起動から一定時間の間は、センサレス制御を実施せずに、電流フィードバック制御のみを実施する。その間の電圧ベクトルまたは電流ベクトルの回転速度からモータ回転速度の概略値を推測し、その後に当該推測値を初期値としてセンサレス制御を開始する。これにより、永久磁石モータが高速に回転している状態においても、スムーズにインバータの再起動が行われる。

特開２００５−０６５４１０号公報（段落番号００１１及び図１）

しかし、特許文献１の手法のように電流フィードバック制御のみを実施し、その間の電圧ベクトルまたは電流ベクトルの回転速度からモータ回転速度の概略値を推測する方法では、以下の問題がある。すなわち、モータが高速回転時において、初期位相が分らないまま電流フィードバック制御のみを実施すると、モータの誘起電圧ベクトルとインバータの出力電圧ベクトルが一致していないために、起動制御開始時に過大な電流が流れ、不要なトルクが発生し、最悪の場合、制御が不安定になる可能性がある。

この発明は、上記のような課題を解決し、交流回転機、特に、永久磁石モータの位置センサレスベクトル制御の再起動を、確実且つ安定に行うことが可能な交流回転機の制御装置を提供することを目的とする。

電流指令に基づき電圧指令を発生し、この電圧指令に基づきスイッチング指令を発生する制御回路と、スイッチング指令に基づき振幅と角周波数が制御された交流電圧を発生する電力変換器と、この電力変換器の出力により駆動される交流回転機に流れる交流相電流を検出する電流検出器とを備え、制御回路は、フリーラン状態にある交流回転機に対して電力変換器を起動して交流回転機を起動する起動制御を行い、起動制御の開始時点の交流回転機の回転方向と電流検出器が検出した電流の極性とに基づいて起動制御の開始時点の回転位相を設定する開始位相設定器を有するものである。

この発明の交流回転機の制御装置の制御回路は、フリーラン状態にある交流回転機に対して電力変換器を起動して交流回転機を起動する起動制御を行い、起動制御の開始時点の交流回転機の回転方向と電流検出器が検出した電流の極性とに基づいて起動制御の開始時点の回転位相を設定する開始位相設定器を有するものであるため、起動制御開始直後の過大電流及びトルクショックの発生を低減でき、保護動作を働かせることなく、確実且つ安定に再起動することができる。

この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の定常制御時の動作を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の起動制御時の動作を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の開始速度演算器の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の開始速度演算器の動作を説明するフローチャートである。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の位相と相電流の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２である交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の位相と軸電流の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３である交流回転機の制御装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の理論を示すベクトル図である。 この発明の実施の形態３である交流回転機の制御装置の開始位相設定器の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３である交流回転機の制御装置の起動制御時の動作を示すブロック図である。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態１について、図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１の構成を示すブロック図であり、図２、３は交流回転機の制御装置１の動作を示すブロック図、図４〜図８は主要構成回路の構成および動作を説明する図である。

以下、この発明の実施の形態１に係る交流回転機の制御装置１の構成を、図１に基づいて説明する。
交流回転機の制御装置１は、制御回路２、電力変換器３、電流検出器５、平滑用コンデンサ６および電圧検出器７から構成され、交流回転機４を制御する。
電力変換器３は、例えば三相電力変換器であり、直流電力と三相の交流電力との電力変換を行なう。電力変換器３は、直流電源（図示せず）に互いに並列に接続されるU、V、Wの三相変換回路を備える。この各相の変換回路は、それぞれ正側と負側の一対のスイッチを備え、この一対のスイッチの間に、三相の交流給電路Iu、Iv、Iwが接続される。電力変換器３は、具体的には、可変電圧可変周波数型の三相電力変換器として構成される。
この電力変換器３は、直流電力を三相交流電力に変換するときは、制御回路２からスイッチング指令su*、sv*、sw*を受け、このスイッチング指令に基づき、制御された出力電圧と制御された角周波数を持った三相交流電力を発生する。スイッチング指令su*、sv*、sw*は、電力変換器３のそれぞれU、V、W各相の変換回路に供給され、各変換回路の一対のスイッチを制御された位相でオン、オフする。

交流回転機（モータ）４は、永久磁石を用いた同期電動機であり、三相の交流給電路Iu、Iv、Iwを介して電力変換器３に接続される。
電流検出器５は、例えば交流給電路Iu、Iwに配置され、電力変換器３から同期電動機４に流れる交流相電流、すなわちU相電流iuとW相電流iwを検出し、iu+iv+iw=0の関係を用い、残りのV相電流ivを演算する。
電圧検出器７は、電力変換器３に加わる入力側の直流電圧Vdcを検出するものであり、例えば電力変換器３の入力側に設けられた平滑コンデンサ6の電圧を検出する電圧センサが適用される。

制御回路２は、定常制御時のセンサレスベクトル制御に関する回路と、起動制御に関する起動制御回路１１で構成される。
定常制御に関する回路は、トルク指令τ*から電流指令id*、iq*を生成する電流指令器１２、電流指令id*、iq*を電圧指令vd*、vq*に変換する電流制御器１３、座標変換器１４および１５、電圧指令vd*、vq*と電流検出値id、iqからセンサレスベクトル制御に必要な交流回転機４の回転速度すなわち回転角周波数を推定する速度演算器１７、回転角周波数の推定値から推定回転位相θ′を演算する積分器１６から構成される。
起動制御回路１１は、定常制御に関する回路と共通する回路以外に、起動電流指令器１８、電圧指令vd*、vq*と電流検出値id、iqから運転開始回転速度すなわち運転開始回転角周波数を推定する開始速度演算器１９および起動制御を開始する際の通電開始回転位相を電流検出値iu、iwから設定する開始位相設定器２０を備える。
定常制御と起動制御の切り替えは、起動制御フラグ２１ａおよび２１ｂ（以降、２１で総称する）で行う。具体的には電流指令器１２と起動電流指令器１８から電流制御器１３への入力の切り替えおよび速度演算器１７と開始速度演算器１９から積分器１６への入力の切り替えを起動制御フラグ２１で行う。

次に、交流回転機の制御装置１の動作について説明するが、まず定常制御時のセンサレスベクトル制御の動作について説明し、その後、起動制御の動作について説明する。
交流回転機の制御装置１の定常制御時の動作について、図２に基づき説明する。
交流回転機の制御装置１の定常制御は、図２の実線の経路で行われる。
トルク指令τ*を受けて電流指令器１２は電流指令id*、iq*を生成し、この電流指令id*、iq*を電流制御器１３に供給する。
電流制御器１３は、電流指令器１２からの電流指令id*、iq*と、後に説明する座標変換器１５からのd軸検出電流idとq軸検出電流iqを受けて、d軸検出電流idをd軸電流指令id*に等しくし、またq軸検出電流iqをq軸電流指令iq*に等しくするように、d軸電圧指令vd*とq軸電圧指令vq*を発生する。
座標変換器１４は、直交するd軸とq軸を含む回転二軸座標から三相時間座標へ変換する座標変換器であり、電流制御器１３からの電圧指令vd*、vq*と、後で説明する積分器１６からの推定回転位相θ′と、電圧検出器７の電圧検出値Vdcを受けて、スイッチング指令su*、sv*、sw*を生成する。このスイッチング指令su*、sv*、sw*は、電力変換器３に供給される。
座標変換器１５は、三相時間座標から直交するd軸とq軸を含む回転二軸座標へ変換する座標変換器であり、電流検出器５からの検出電流iu、iwと、後で説明する積分器１６からの推定回転位相θ′を受けて、それを直交するd軸とq軸を含む回転二軸座標上のd軸検出電流idと、q軸検出電流iqに変換する。
積分器１６は、速度演算器１７が演算する推定回転角周波数ω′から、その値を積分して推定回転位相θ′を演算し、座標変換器１４および座標変換器１５に供給する。
速度演算器１７は、回転二軸座標上のd軸検出電流idとq軸検出電流iqおよび電圧指令vd*、vq*とに基づいて、推定回転角周波数ω′を演算して積分器１６に供給する。
なお、図２の構成で交流回転機２の運転を開始するためには、積分器１６の初期値として運転開始回転位相と、速度演算器１７の初期値として運転開始回転角周波数が必要となる。この初期値の設定について、以降の起動制御時の動作説明の中で説明する。

次に交流回転機の制御装置１の起動制御時の動作について、図３〜図８に基づき説明する。
交流回転機の制御装置１の起動制御は、図３の実線の経路で行われる。

この起動制御は、電力変換器３が電力変換動作を停止し、交流回転機４がフリーラン状態にあるときから、電力変換器３を起動して、その電力変換動作を開始させ、この電力変換器３により交流回転機４を起動するときに行われる。具体的には、起動制御は、電力変換器３を起動した時点からSP[sec]を起動制御期間とし、図３の実線の構成で動作し、運転開始回転位相と運転開始回転角周波数を算出し、起動制御期間終了時点で図２の実線の構成に切り替え、定常制御に移行する。
ここで、SP[sec]は、数１０ミリ秒から数百ミリ秒の期間であり、実施の形態1では、例えば１００［msec］に設定される。

起動電流指令器１８は、起動制御中の電流指令id*、iq*を生成する。この電流指令は起動制御中に交流回転機４がトルクを発生しないような指令値であり、例えばid*=0、iq*=0のように設定される。ただし、id*については必ずしもゼロではなくてもよい。
起動電流指令器１８は、この電流指令id*、iq*を電流制御器１３に供給する。
電流制御器１３は、起動電流指令器１８からの電流指令id*、iq*と座標変換器１５からのd軸検出電流idとq軸検出電流iqを受けて、d軸検出電流idをd軸電流指令id*に等しくし、またq軸検出電流iqをq軸電流指令iq*に等しくするように、d軸電圧指令vd*とq軸電圧指令vq*を発生する。
座標変換器１４は、電流制御器１３からの電圧指令vd*、vq*と積分器１６からの推定回転位相θ′と電圧検出器７の電圧検出値Vdcを受けて、スイッチング指令su*、sv*、sw*を生成する。このスイッチング指令su*、sv*、sw*は、電力変換器３に供給される。
座標変換器１５は、電流検出器５からの検出電流iu、iwと積分器１６からの推定回転位相θ′を受けて、それを直交するd軸とq軸を含む回転二軸座標上のd軸検出電流idと、q軸検出電流iqに変換する。

この起動制御期間SPにおいて、電力変換器３から交流回転機４に流れる交流相電流iu、iv、iwは、ゼロに制御されるため、起動制御中に不要なトルクが発生せず、交流回転機４を安定に起動できる。

次に座標変換器１４、座標変換器１５に供給する推定回転位相の演算方法について説明する。
開始速度演算器１９は、起動制御時の電圧指令vd*、vq*と電流検出値id、iqから、定常制御の運転開始回転角周波数ω′を推定する。その推定した運転開始回転角周波数ω′を積分器１６で積算することにより、起動制御中に座標変換器１４、１５に供給する位相、すなわち交流回転機の回転位相を推定する。

交流回転機４が永久磁石を用いた同期電動機の場合、そのｄｑ軸上の電圧方程式は式（１）で表すことができる。これより、回転角周波数ωについて以下の通り展開をすると式（２）、式（３）のようになる。

ここで、Rは電機子抵抗、Ldはd軸成分のインダクタンス、Lqはq軸成分のインダクタンス、φは永久磁石による電機子鎖交磁束、ωは交流回転機の誘起電圧の回転角周波数、ｓはラプラス演算子である。

式（２）、式（３）より、回転角周波数ωについての演算式は2つ存在することになるが、ゼロ割等を考慮すると、式（３）を演算に用いるほうがよい。ここで、式（３）より、交流回転機の無負荷誘起電圧vqの代わりに電圧指令vq*を用いることで永久磁石モータの磁石位置に同期して回転する誘起電圧の回転角周波数の推定値ω′及び推定回転位相θ′を式（４）、式（５）で推定することができる。

ただし、式（４）において式中に微分項が含まれているため、実際に制御系を構成する上で、ノイズ等を考慮し式（６）のように擬似微分となるように構成することが望ましい。

しかし、式（１）は交流回転機の位相が正確にわかっている場合の電圧方程式である。したがって、センサレス制御など実際の位相が直接検出できない場合は、定数誤差などにより、推定回転位相θ′と実位相との位相誤差が発生し、上記式（１）は適切に適用できないことがある。この発明の課題である起動制御も同様であり、式（１）は適用できない。

そこで、起動制御中において、定数誤差があった場合でも実位相を推定する仕組を以下に説明する。
位置センサ付き制御系の場合、id*=0、iq*=0の指令値で電流制御を行った時の電圧指令値vd*とvq*は式（１）より次式で演算できる。

ここで、Δθずれた位相で電流制御を行った場合、制御軸上の電圧指令値vd*’、vq*’は、

となり、Δθ＝arctan(vd*’/vq*’)で演算することができる。このΔθを式（１１）のように位相誤差として補正することで実回転位相を推定することができる。

しかし、起動制御中において式（１１）の演算を行うと制御系が不安定となる場合があり適用が困難であった。

そこで、d軸電圧指令をゼロとなるよう式（１２）にてPI制御演算によりVcmpを演算し、式（４）を式（１３）のように変更する。

これにより、定数誤差があった場合でも、実回転角周波数を起動制御中の推定回転角周波数ω′で推定することができるようになる。

図４は、式（１２）、（１３）を開始速度演算器１９に適用したブロック図である。
電圧指令vd*、vq*と検出電流id、iqと電機子鎖交磁束φおよび交流回転機４の回転方向から、切替器６１，加減算器６２、６５、６８、７０，ＰＩ制御器６３，乗算器６４，割算器６６，比例器６７、６９、７２，および微分器７１を用いて推定回転角周波数ω′を演算している。

位相補正の動作を図５に示す。
遅れ位相の場合について、図４との対応を説明する。
式（９）より、遅れ位相（Δθ＜０）となるとvd*＜０となる（図５中ステップ１１１）。これにより、図４の加減算器６２、ＰＩ制御器６３、乗算器６４を経てVcmp＞０となる（図５中ステップ１１２）。さらに、図４の加減算器６５により速度推定演算の分子を大きくする（図５中ステップ１１３）。これにより、図4の割算器６６により演算される推定速度が増加する（図５中ステップ１１４）。これにより推定速度＞モータ速度となることで（図５中ステップ１１５）、推定位相は進み位相方向に動くことになる（図５中ステップ１１６）。
次に、進み位相の場合について、図４との対応を説明する。
式（９）より、進み位相（Δθ＞０）となるとvd*＞０となる（図５中ステップ１２１）。これにより、図４の加減算器６２、ＰＩ制御器６３、乗算器６４を経てVcmp＜０となる（図５中ステップ１２２）。さらに、図４の加減算器６５により速度推定演算の分子を小さくする（図５中ステップ１２３）。これにより、図4の割算器６６により演算される推定速度が減少する（図５中ステップ１２４）。これにより推定速度＜モータ速度となることで（図５中ステップ１２５）、推定位相は遅れ位相方向に動くことになる（図５中ステップ１２６）。
図５によれば、定数誤差により遅れ位相になった場合には進み位相になるように補正をかけ、逆に進み位相になれば遅れ位相方向の補正をかかることになる。この結果、推定回転位相と実回転位相の差異は除々に解消される。
このように定数誤差があった場合でも、定数誤差にロバストな位相推定が可能となる。ただし、式（１２）に示すようにVcmpの補正方向は回転方向により反対となることに注意が必要である。
このように式（１２）、式（１３）に基づき開始速度演算器１９を構成することで、定数誤差にロバストな起動制御を行うことができ、交流回転機４を安定に起動できる。

次に運転開始回転位相の推定および設定方法を説明する。
図６に開始位相設定器２０の構成例の一例を示す。図６に示す開始位相設定器２０では回転座標軸上の電流検出値iuとiwから起動制御開始時の通電開始回転位相を出力する構成としている。
具体的には、開始位相設定器２０は検出電流値と電流閾値とを比較する比較回路８２、サンプルホールド回路８３、テーブル参照回路８４、切替器８１、加減算器８５および位相調整回路８６から構成される。比較回路８２は相電流の１つが電流閾値を超えたことを検出し、フラグ１を立て、サンプルホールド回路８３を経由して、テーブル参照回路８４は図７のテーブルを参照し、位相調整回路８６が通電開始回転位相θ0を設定する。

次に、図６に示す開始位相設定器２０の動作について、図７および図８に基づいて説明する。
図７(a)は、交流回転機４が正転方向に回転している場合の起動制御開始直後のモータ位相と三相交流電流iu、iv、iwの関係を示すテーブルである。図７(a)より三相交流電流iu、iv、iwの符号から起動制御の開始回転位相を6つの領域に分けることができる。また、図７(b)、は交流回転機４が逆転方向に回転している場合の起動制御開始直後のモータ位相と三相交流電流iu、iv、iwの関係を示すテーブルである。図７(a)と図７(b)を比べると回転方向により特性が異なることがわかる。また、その特性の差異は、起動制御開始直後のモータ位相を１８０度ずらした関係になる。このテーブルの関係を用いることで起動制御の通電開始回転位相θ0を1/6の間隔で設定でき、より実位相に近い位相で起動制御を開始することで、不要なトルクを低減することができる。

図８に示すように、Ａ点において起動制御（通電）を開始し、インバータを起動する。その際、起動制御開始直後はモータ位相が分らないため、制御系はそのままで通電開始回転位相をセット（積分器の積算値を通電開始回転位相とする）。このため、Ｂ点において、推定回転位相θ′は真値ではなく、位相誤差があるため電流が流れる。
開始位相設定器２０は三相交流電流のうちiu、iwを検出し、Ｃ点において３相のうちいずれかの相電流が任意の閾値Ioc0以上となった時、図６のフラグ１および２を立てる。開始位相設定器２０は、一度だけ図７(a)のテーブルから通電開始回転位相θ0を参照し、Ｄ点で起動制御の開始回転位相として、積分器１６にこの通電開始回転位相θ0を設定する。
Ｅ点において、電流ivが閾値Ioc0以上となっているが、サンプルホールド回路８３の出力のフラグ２は変化しないためテーブル参照は行われない。
また、図７(a)のテーブルは正転方向のテーブルであるが、回転方向により１８０度ずれた特性を利用して交流回転機４が逆転方向に回転している場合には、補正値として１８０度（πrad）を加算する構成としている。
なお、上記回転方向は予め別の方法にてわかっているものとする。
これにより、６０度刻みで通電開始回転位相θ0を設定することができ、実際のモータ位相により近い位相で起動制御を開始することができるため、前述した課題を解決し、交流回転機４を安定に起動できる。

６０度刻みで通電開始回転位相を設定することができるため、実際のモータ位相に近くなるが、完全に一致するには至らず、位相ずれは残る。この位相ずれは、開始速度演算器１９で図５に示した補正を実行することで解消される。

開始位相設定器２０には、予め起動制御期間SP[sec]より十分短く設定された時間SP0[sec]を設定しておく。開始位相設定２０の処理において、いずれの相電流も閾値Ioc0に到達することなくSP0[sec]が経過した場合には、電流０制御に対して、不要な外乱電流が発生しないレベルの回転状態と判断できるため、積分器１６には位相０を設定し、そのまま、起動制御を続行する。SP0としては、例えばSPの１／１０、この実施の形態１の例では１０［msec］程度とする。

このように実施の形態１によれば、交流回転機の制御装置１の起動制御において、開始位相設定器２０により、電力変換器３を起動した時点から、起動制御時間に比して十分短い時間の間の電流の挙動から６０度刻みの精度で通電開始回転位相を設定できるため、起動制御開始直後の電流振幅及びトルクショックを低減でき、確実且つ安定に再起動することができる効果がある。
また、この実施の形態１で説明した開始速度演算器１９に式（１２）、（１３）を具体化した図５の回路を使用し、ｄ軸電圧をゼロに制御することで、開始位相設定器２０で設定した通電開始回転位相と実モータ位相との差異が除々に解消され、定数誤差にロバストな起動制御が可能で交流回転機４を安定に起動できる効果がある。

実施の形態２．
以下、本願発明の実施の形態２について図に基づいて説明する。図９はこの発明の実施の形態２に係る交流回転機の制御装置４１の構成図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。また、図１０、１１は開始位相設定器の構成および動作を説明する図である。
この実施の形態２においては、制御回路４２内の起動制御回路４３の開始位相設定器４４の構成、動作が実施の形態１と異なっている。

この実施の形態２の交流回転機の制御装置４１は、実施の形態１の構成に対して開始位相設定器４４の入力を静止座標軸上の検出電流値iu、iwから回転座標上の検出電流idへ変更し、起動制御を開始する際の通電開始回転位相を電流検出値idから設定するように構成したものである。
開始位相設定器４４の構成以外は、実施の形態１と同様であるため、開始位相設定器４４の動作について説明する。

図１０(a)、図１０(ｂ)に起動制御開始直後のモータ位相と検出電流id、iqの関係を示す。
図１０(a)は交流回転機４が正転の場合、図１０(ｂ)は交流回転機４が逆転の場合を示している。安定に起動制御を開始するためには、推定回転角周波数の立ち上がりを考慮して、交流回転機４が正転の場合は進み位相、交流回転機４が逆転の場合は遅れ位相となるように起動制御の通電開始回転位相θ0を設定するのがよい。
そこで、図１１に示すように開始位相設定器４４の構成を特定相である検出電流idの符号が正の場合に通電開始回転位相θ0を１８０度（πrad）に設定し、負の場合には0を設定するように切替器９１を使用して構成する。
交流回転機４が正転の場合、検出電流idの符号が正のときは、θ0を１８０度（πrad）に設定することで積分器は１８０度（πrad）から積算を開始するため、必ず進み位相から起動制御を開始する。また、交流回転機４が逆転している場合、検出電流idの符号が正のときは、通電開始回転位相θ0を１８０度（πrad）に設定することで必ず交流回転機４の位相に対して遅れ位相で起動制御を開始する。このため、トルクショックを軽減して安定に起動できる。

通電開始回転位相を１８０度刻みで設定するため、実際のモータ位相との位相ずれは残る。この位相ずれは実施の形態１で説明したように、開始速度演算器１９で図５に示した補正を実行することで解消される。

このように実施の形態２によれば、交流回転機の制御装置４１の起動制御において、開始位相設定器４４により、電力変換器３を起動した時点から、起動制御時間に比して十分短い時間の間の電流idの挙動から起動制御の初期位相を交流回転機の位相に対して、交流回転機の回転方向が正転方向では進み位相、逆転方向では遅れ位相となる位相を設定して起動できるため、起動制御開始直後の過電流およびトルクショックの発生を低減でき、確実且つ安定に再起動することができる効果がある。

実施の形態３．
以下、本願発明の実施の形態３について図に基づいて説明する。図１２はこの発明の実施の形態３に係る交流回転機の制御装置５１の構成図である。図において、図１と同一あるいは相当部分には同一符号を付している。また、図１３〜１５は開始位相設定器５４の構成および動作を説明する図である。
この実施の形態３においては、制御回路５２内の起動制御回路５３に開始位相設定器５４を実施の形態１の交流回転機の制御装置１に更に追設し、起動制御から通常のセンサレスベクトル制御にショックなく切り替えることができる構成としたものである。

開始位相設定器５４の構成以外は、実施の形態１と同様であるため、開始位相設定器５４の動作について説明する。
実施の形態１で説明したように、起動制御を行うことにより交流回転機４を安定に起動できる。しかし、図４に示す開始速度演算器１９の構成では、式（１２）の演算において回転方向とVcmpの補正方向の符号が違っていた場合（すなわち、指令に対して逆転していた場合）には、開始速度演算器１９で推定した運転開始回転位相が誤差を含むことになる。この誤差を含む位相を定常制御運転開始回転位相として定常制御を開始した場合は、不要なトルク電流が流れトルクショックが発生する。最悪の場合、過大な電流となり定常制御が起動できない。

この起動制御から定常制御に移行する際の問題を解決するために、新たに開始位相設定器５４を追設する。
以下、この開始位相設定器５４の構成、動作について説明する。
開始位相設定器５４は、起動制御期間SPが終了し、通常のセンサレスベクトル制御に移行する際の１制御周期期間Tsのみ動作する。
図１３に、起動制御により電流ゼロ制御を行った場合の電圧指令ベクトルの関係を示す。回転中の交流回転機４を電流ゼロに制御するためには、モータ軸においてQ軸上のみに交流回転機４の無負荷誘起電圧分に相当する電圧を電力変換器３から出力すればよい。しかし、図１３のように、制御軸がΔθだけ実際の軸からずれた状態で電流ゼロ制御を行った場合は、図１３に示す通り、制御軸上にd軸電圧指令vd*’とｑ軸電圧指令vq*’が出力される。このd軸電圧指令vd*’とｑ軸電圧指令vq*’の関係は式（１４）、式（１５）で表される。

そこで起動制御中の電圧指令vd*’、vq*’からの式（１６）を用いて位相誤差Δθを演算し、式（１７）のように起動制御によって得られた起動制御から定常制御への移行時の推定回転位相θ1′に位相誤差Δθを加算する。このように定常制御の運転開始回転位相θ１を演算し、積分器１６に定常制御の運転開始回転位相として設定する。

図１４に、開始位相設定器５４の構成例を示す。
電圧指令vd*、vq*および推定回転位相θ1′から、加減算器１０１、割算器１０２および演算器１０３により、運転開始回転位相θ１を演算する。

次に、この本実施の形態３における起動制御の一連の動作を図１５で説明する。
図１５では、位相の変化を実位相は点線で、推定回転位相は実線で表している。
この実施の形態３の交流回転機の制御装置５１は、インバータ再起動から一定時間の間は、定常のセンサレスベクトル制御を動作させる前に、実施の形態１で説明した起動制御を実施する。
具体的な起動法の動作は、まずＡ点で運転指令を受け通電を開始し、Ｂ点で開始位相設定器２０が動作し、Ｃ点で通電開始直後の電流から通電開始回転位相θ0を設定する。
その後、通電を開始している間、起動制御では交流相電流が所定の電流振幅となるよう交流電圧の振幅を調整し、併せて、検出電流と電圧指令に基づいて交流回転機の回転角周波数と回転位相を推定する。
そして、定常制御に移行するとき、Ｄ点で起動制御フラグが変化し、起動制御から定常制御へ移行するとともに、開始位相設定器５４が動作する。開始位相設定器５４は起動制御から定常制御への移行時の推定回転位相角θ1′と電圧指令から交流回転機の実回転位相θ１を演算し、Ｅ点でこのθ１を設定する。
トルク指令は定常制御に入った以降、立ち上がる。

なお、実施の形態２の交流回転機の制御装置４１の起動制御回路１１に開始位相設定器５４を更に追設した構成としても、この実施の形態３の交流回転機の制御装置５１と同様の効果を得ることができる。

このように実施の形態３によれば、交流回転機の制御装置５１の起動制御から定常制御への切り替え時において、推定回転位相と実回転位相とに差異があっても、定常制御運転開始回転位相を正しく設定することができるため、スムーズにインバータの再起動を行うができる。したがって、通電開始直後および定常運転開始直後においても過大電流やトルクショックの発生を防止でき、確実且つ安定に再起動することができる効果がある。

この発明は、永久磁石を用いた交流回転同期機の位置センサレスインバータ制御、特に起動制御に関するものであり、交流回転機の制御装置に広く適用できる。

Claims (7)

1. 電流指令に基づき電圧指令を発生し、この電圧指令に基づきスイッチング指令を発生する制御回路と、
   前記スイッチング指令に基づき振幅と角周波数が制御された交流電圧を発生する電力変換器と、
   この電力変換器の出力により駆動される交流回転機に流れる交流相電流を検出する電流検出器とを備え、
   前記制御回路は、フリーラン状態にある前記交流回転機に対して前記電力変換器を起動して前記交流回転機を起動する起動制御を行い、前記起動制御の開始時点の前記交流回転機の回転方向と前記電流検出器が検出した電流の極性とに基づいて前記起動制御の開始時点の回転位相を設定する開始位相設定器を有する交流回転機の制御装置。
2. 前記開始位相設定器は、前記起動制御の開始時点に前記交流回転機の回転方向および前記電流検出器が検出した各相の電流の極性に基づいて、初期推定回転位相が進み位相となる６種類の位相から選択し、初期回転位相として設定する請求項１記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記開始位相設定器は、前記起動制御の開始時点に前記交流回転機の回転方向および前記電流検出器が検出した特定相の電流の極性に基づいて、初期推定位相が進み位相となる２種類の位相から選択し、初期回転位相として設定する請求項１記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記制御回路は、前記電力変換器を起動した時点から所定期間経過までの間の起動制御期間にｄ軸電圧指令とゼロとの差分を入力とするＰＩ制御を行い、前記ＰＩ制御の演算結果と、前記電流検出器が検出した電流と、ｑ軸電圧指令とに基づいて前記交流回転機の回転角周波数を推定する開始速度演算器を有する請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記制御回路は、前記起動制御が終了し定常制御に移行する時に、前記起動制御中の二軸電圧指令値の比と前記起動制御中に演算した推定回転位相から前記定常制御の開始時点の回転位相を算出する開始位相設定器を更に有する請求項４記載の交流回転機の制御装置。
6. フリーラン状態にある交流回転機に対して電力変換器を起動して前記交流回転機を起動する起動制御を行う交流回転機の起動制御方法であって、
   前記起動制御の開始時点の前記交流回転機の回転方向と前記交流回転機に流れる交流相電流の極性とに基づいて前記起動制御の開始時点の回転位相を設定して前記交流回転機を駆動する前記電力変換器を起動する第１のステップと、
   前記電力変換器を起動した時点から所定期間経過までの間の起動制御期間にｄ軸電圧指令とゼロとの差分を入力とするＰＩ制御を行って、前記ＰＩ制御の演算結果と、前記交流相電流と、ｑ軸電圧指令とに基づいて前記交流回転機の回転角周波数を推定するように制御する第２のステップとを実行する交流回転機の起動制御方法。
7. 前記起動制御が終了し定常制御に移行する時に、前記起動制御期間の二軸電圧指令値の比と前記起動制御期間に演算した推定回転位相から前記定常制御の開始時点の回転位相を算出する第３のステップを更に実行する請求項６記載の交流回転機の起動制御方法。

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