JP5431465B2 - 永久磁石同期機のインダクタンス決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＭＳＭとも称される、永久磁石同期機のインダクタンスを決定する方法に関する。本発明はまた、前記方法を実行することができる可変速駆動装置にも関する。

周知のように、可変速駆動装置は、外部ＡＣ電源ネットワークからＤＣ電源を供給する整流器モジュール、及びインバータモジュール（又はチョッパー）を含む。このインバータモジュールは、出力において、電源ケーブルを通じて、パルス可変電圧及び可変回転数を機械に供給するように、パルス幅変調（ＰＷＭ）モードでＤＣ電圧をチョッピングするための電力半導体電子部品を含む。可変速駆動装置向けの制御装置は、適切な可変電圧でＰＷＭモードにおいて機械を制御するために、サンプリング周波数で半導体部品の伝導及び遮断を制御する。

永久磁石同期機は、その作りやすさ及びその高効率のため、可変速駆動システムにおいてますます多く使用されている。これらの機械は２つの大きなカテゴリー：平滑又は円筒形回転子（smooth or cylindrical rotor）を備える機械、及び突起回転子（projecting rotor）を備える機械、に分類される。これら２種類の機械にとって、確実で一貫した制御ループ及び基準モデルを得るために、ｄ軸上の磁束（flux）インダクタンス、及びｑ軸上のトルクインダクタンスを知ることは、重要である。

米国特許第６，４９８，４５２号及び第７，０６７，９９７号明細書は、同期機の回転子の初期位置を決定する方法を開示している。これらの方法は、とりわけ相の方向のインダクタンスの測定に依存している。

Ｐｒ．Ｍ．Ｓｈｒｏｅｄｌによる著作物にも、注目すべきである（たとえば、”Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＡＣ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｔ Ｌｏｗ Ｓｐｅｅｄ ａｎｄ Ｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ”ＩＮＦＯＲＭ” Ｍｅｔｈｏｄ”， ３１ｓｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｃｏｒｄ ｏｆ ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ＩＡＳ １９９６， ｖｏｌ．１， ｐｐ．２７０〜２７７，６−１０ Ｏｃｔ．１９９６）。

本発明の目的は、永久磁石同期機の磁束及びトルクインダクタンスを決定できるようにする方法を提案することである。

この目的は、各々１つの方向に向けられた、３つの相（ａ、ｂ、ｃ）、固定子、及び回転子を含む永久磁石同期機の磁束及びトルクインダクタンス（Ｌｄ、Ｌｑ）を決定するための、可変速駆動装置において実行される制御方法によって達成され、本方法は：
−所定の期間にわたり、正方向の電圧ベクトル及び負方向の電圧ベクトルを、各相の方向に印加するステップと、
−２つの方向の電圧ベクトルを印加した後に各相における電流応答を測定するステップであって、電流応答は、各相において、正のピーク及び負のピークを含む、ステップと、
−全ての相において測定された電流応答の正のピークと負のピークとの間の非対称性に基づいて、固定子に対する回転子の位置に関する角度を決定するステップと、
決定された角度の関数として、機械の磁束及びトルクインダクタンスを決定するステップと、を含む。

本発明の方法は、採用される回転子（平滑又は突起）にかかわらず、及び突起のタイプ（Ｌｄ＞Ｌｑ又はＬｄ＝Ｌｑ又はＬｄ＜Ｌｑ）にかかわらず、適用可能である。

具体的な一特徴によれば、各相において、正方向に印加された電圧ベクトル及び負方向に印加された電圧ベクトルは、同一のノルムを有する。

別の具体的な特徴によれば、一相において、正方向の電圧ベクトル及び負方向の電圧ベクトルの印加は、所定のパルス幅の正電圧パルス、続いて所定のパルス幅の２倍の負電圧パルス、続いて所定のパルス幅の正電圧パルスを含む、電圧シーケンスの印加を伴う。

別の具体的な特徴によれば、相における電流応答は正の電流ピーク及び負の電流ピークを含み、この方法は、各相で同時に、上方の位相において正の電流ピーク上の２つの明らかな電流値を、及び下方の位相において負の電流ピーク上の２つの明らかな電流値を、回復することにある。

より具体的には、本方法は、以下の値を決定することにある。

すると角度は、以下の関係に基づいて決定される。

機械の磁束及びトルクインダクタンスは、以下の関係に基づいて決定される。

本発明はまた、永久磁石三相同期機にパルス電圧を供給するためのＰＷＭタイプのインバータを含む可変速駆動装置にも関し、上記可変駆動装置は上述の方法を実行する。

その他の特徴及び利点は、例示によって与えられ、以下の添付図面に描写される、実施形態を参照した、以下の詳細な説明より明らかになるであろう。
三相永久磁石同期電気機械に給電するＰＷＭタイプのインバータの簡略化した図である。 図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ相ａにおける電圧ベクトルＶ１及び同じ相ａにおける電圧ベクトルＶ４を取得するための、インバータモジュールのスイッチの開／閉の組合せを示す図である。 機械の各相の方向に印加された電圧のベクトル図である。 相ａに印加された電圧シーケンス、及び相ａで取得された電流応答を示す図である。 図３に示される電圧ベクトルの各相への印加後に各相で取得された電流応答のベクトル図である。

図１の簡素化された回路図を参照すると、三相永久磁石同期機Ｍを制御するように意図された可変速駆動装置は、主にダイオードブリッジからなり、ＤＣ電源バスにＤＣ電圧を供給する、整流器モジュール（図示せず）を含む。ＤＣバスは正配線２０及び負配線２１を含み、バスコンデンサ（図示せず）はＤＣバスの正配線２０と負配線２１との間に接続されている。ＤＣバスは、互いに１２０°ずれた３方向に向けられた機械の３つの相（phase）ａ、ｂ、ｃに電力を供給する電力ケーブル３によって機械Ｍに接続されたインバータモジュール１に、電力を供給する。機械Ｍの各相ａ、ｂ、ｃのため、インバータモジュール１はＩＧＢＴ又はその他のタイプの２つの電力半導体電子スイッチ１１，１２（図面を簡略化するために単純なスイッチとして図１に示す）を含み、バスのＤＣ電圧Ｖｄｃから機械への可変電圧を生成することを可能にする。可変速駆動装置は、その様々な機能を実現するための、制御、処理、及び記憶手段も含む。

本発明の方法は、平滑回転子又は突起回転子を備える永久磁石同期機に適用可能である。

本発明の原理は、各相において、交互に、相の各方向に、正方向の電圧ベクトル及び負方向の電圧ベクトルを印加することである。従って、２つの電圧ベクトルは、各相ａ、ｂ、ｃに印加される。「電圧ベクトル」という用語は、その合力が３つの相に印加される様々な電圧から算出されるベクトルを意味すると理解されるべきである。図２Ａ及び２Ｂは、相ａの方向の正の電圧ベクトルＶ１及びこの同じ方向の負の電圧ベクトルＶ４をそれぞれ取得することを可能にする、各相のスイッチの作動の組合せを示す。各相に関して、好ましくは、回転子の運動を発生させないために、印加される正の電圧ベクトル及び負の電圧ベクトルは同じノルム（norm）である。印加される各電圧ベクトルＶｉのノルムはＤＣバスの電圧Ｖｄｃに依存し、たとえば電圧Ｖｄｃの２／３の値を有する。
Ｖｉ＝２／３ Ｖｄｃ

図３を参照すると、従って、電圧ベクトルＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５、及びＶ６は、正及び負方向の相ａ、ｂ、ｃの方向に印加される。

ある相（相ａ）について、その相の方向の正の電圧ベクトル及び負の電圧ベクトルを取得可能にする電圧シーケンスが、図４に示されている。この電圧シーケンスは、インバータモジュール１によって観察対象の相と他の２つの相との間に電圧を印加することにあり、且つ、所定のパルス幅Ｔｐの第一の正電圧パルス、続いて２倍の所定のパルス幅Ｔｐを有する負電圧パルス、続いて所定のパルス幅Ｔｐの正電圧パルスを含む。この電圧シーケンスは、機械にトルクを発生させず、従って回転子の運動を生じさせないように最適化される。

採用されるパルス幅Ｔｐは、最終的に検出可能な飽和効果を生じるのに十分に高い値を有する電流ピークが得られるまで、様々なパルス幅を調べることによって、決定される。

本発明によれば、観察対象の相で取得された電流応答は、そこからいくつかの値を抽出するように解析される。図４に示されるように、上記で定義された電圧シーケンスのため、取得された電流応答は、連続して、正のピーク及び負のピークを示す。

電流応答の解析は、各相で、特定のサンプリング回路を使用して４つの電流値を回復することを伴う。図４を参照すると、２つの電流値が正の電流ピークの上方の位相において回復され、２つの電流値が負の電流ピークの下方の位相において回復される。全ての相において同時に値が回復され、負方向又は正方向の２つの測定の間の時間間隔Δｔはいつも同じである。第一の正電圧パルスでは、たとえば、第一値Ｉａ１＋は、三分の一のパルス幅（図４のｔ１）で回復され、その一方で第二値Ｉａ２＋は、電圧パルスの終端の近くで回復する（図４のｔ２）。

図５に示されるように、従って、相ａにおいて、正のピークでは、ｔ１で、値Ｉａ１＋、及びｔ２で、値Ｉａ２＋、ならびに負のピークでは、ｔ３で、値Ｉａ１−、及びｔ４で、値Ｉａ２−が、回復される。その他の相の電流応答の各々について、同じ測定が同時に実行される。従って、相ｂでは値Ｉｂ２＋、Ｉｂ１＋、Ｉｂ２−、Ｉｂ１−、及び、相ｃでは、Ｉｃ２＋、Ｉｃ１＋、Ｉｃ２−、Ｉｃ１−が取得される。

そして、これらの電流値に基づき、目的は、各相において、負及び正方向の電流変化を決定することである。すると、以下の値が得られる。

対応するベクトルは、図５に示される。

正方向及び負方向の各相に印加される電圧は同一であるが、モータの磁気飽和効果のため、同一の相で取得された電流値は対称ではない。実際に、各相に印加された電圧パルスへの電流応答は、回転子の位置に依存する。従って、磁気飽和効果を考慮に入れるために、正及び負方向の変化の平均、並びに、正及び負方向の変化の間の差が各相で計算される。すなわち

である。

上記で示された差から生じるベクトルは、以下のように定義される。

差異ベクトルΔＩ_ｄｉｆｆは、磁気飽和が最も顕著な方向に、すなわち回転子が位置する軸ｄに沿って、向けられる。その結果、角度θ_ｒによって定義される回転子の位置は、ベクトルΔＩ_ｄｉｆｆから直接推測され、

となる。しかし、本発明の目的は、回転子の位置ではなく、磁束Ｌｄ及びトルクＬｑインダクタンスを決定することである。このために、本発明の方法は、両方向の各相に関して計算された平均値ΔＩａ_ａｖｅ、ΔＩｂ_ａｖｅ、ΔＩｃ_ａｖｅを使用する。２つの方向の各相に関して取得された電流の平均値から始まって、これは、電流が負方向又は正方向のいずれに向けられているかによって異なる飽和効果を平均化することを可能にする。

更に、各相で決定された電流が、定数成分、及び上記で定義された角度θ_ｒの２倍のコサインに依存する可変成分を含むことが、知られている。定数成分は、以下の値を有する。

同期機の高周波標準モデルによれば、可変成分ΔＩ_ｖａｒの振幅は、平均値の復調後に決定されることが可能である。

定数成分ΔＩ_ａｖｅ及び可変成分ΔＩ_ｖａｒに基づいて、回転子の磁束軸ｄ及びトルク軸ｑに沿って電圧ベクトルが印加されるときに得られるべき最大及び最小電流値を決定することが可能である。従って、そこで

が得られる。

すると、インダクタンスＬｄ、Ｌｑは、以下の関係

から推測される。ここで、ＶｄｃはＤＣバスの電圧であり、Δｔは、正のピーク上又は負のピーク上の２つの電流測定の間で測定された時間である。

Claims (4)

1. 各々１つの方向に向けられた３つの相（ａ、ｂ、ｃ）、固定子、及び回転子を含む永久磁石同期機の磁束及びトルクインダクタンス（Ｌｄ、Ｌｑ）を決定するための、可変速駆動装置において実行される制御方法において、前記方法は、
   所定の期間にわたり、正方向の電圧ベクトル（Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５）及び負方向の電圧ベクトル（Ｖ２、Ｖ４、Ｖ６）を、各相（ａ、ｂ、ｃ）の方向に印加するステップと、
   ２つの方向の前記電圧ベクトルを印加した後に各相における電流応答を測定するステップであって、前記電流応答は、各相において、正のピーク及び負のピークを含む、ステップと、
   全ての前記相において測定された前記電流応答の前記正のピークと前記負のピークとの間の非対称性に基づいて、前記固定子に対する前記回転子の位置に関する角度（θ_ｒ）を決定するステップと、
   前記決定された角度（θ_ｒ）の関数として、前記同期機の前記磁束（Ｌｄ）及び前記トルク（Ｌｑ）インダクタンスを決定するステップと、を含み、
   一つの相において、前記正方向の前記電圧ベクトル及び前記負方向の前記電圧ベクトルの前記印加が、所定のパルス幅（Ｔｐ）の正電圧パルス、続いて２倍の前記所定のパルス幅（Ｔｐ）を有する負電圧パルス、続いて前記所定のパルス幅（Ｔｐ）の正電圧パルスを含む、電圧シーケンスの印加を伴い、
   前記測定された電流応答が、正の電流ピーク及び負の電流ピークを含み、且つ、前記方法が、各相で同時に、その上方の位相において、前記正の電流ピーク上の２つの異なる電流値（Ｉａ１＋、Ｉａ２＋、Ｉｂ１＋、Ｉｂ２＋、Ｉｃ１＋、Ｉｃ２＋）を、及び、その下方の位相において、前記負の電流ピーク上の２つの異なる電流値（Ｉａ１−、Ｉａ２−、Ｉｂ１−、Ｉｂ２−、Ｉｃ１−、Ｉｃ２−）を、回復することにあり、
   以下の値：
   

   

   が決定され、ここでδＩ _ａ＋ 、δＩ _ａ− 、δＩ _ｂ＋ 、δＩ _ｂ− 、δＩ _ｃ＋ 、δＩ _ｃ− は、各相において、取得された前記正の電流ピーク上及び前記負の電流ピーク上で回復された前記電流値に基づいて計算された電流変化を示し、
   前記角度が、以下の関係：
   

   

   に基づいて決定されることを特徴とする、方法。
2. 前記同期機の前記磁束及び前記トルクインダクタンスが以下の関係：
   

   

   に基づいて決定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 各相（ａ、ｂ、ｃ）において、前記正方向に印加された前記電圧ベクトル及び前記負方向に印加された前記電圧ベクトルが同一のノルムを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 永久磁石三相同期機にパルス電圧を供給するためのＰＷＭタイプのインバータを備え、請求項１から３のいずれか一項に定義された方法を実行することを特徴とする、可変速駆動装置。

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