モータ駆動用の電力変換装置
【課題】モータの回転速度が低いときでも、正確にモータの位相および回転速度を検出することができるモータ駆動用の電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、モータＭの誘起電圧を測定する電圧測定器２１と、モータＭに可変周波数の電力を供給するインバータ１０と、インバータ１０の出力電力を制御するベクトル制御部３０と、誘起電圧からモータＭの位相および回転速度を決定する同期始動制御部５０とを備える。同期始動制御部５０は、誘起電圧が予め設定された値以下であるときは、決定されたモータＭの位相および回転速度を破棄し、誘起電圧が予め設定された値よりも大きいときは、決定されたモータＭの位相および回転速度をベクトル制御部３０に送る。
【解決手段】電力変換装置は、モータＭの誘起電圧を測定する電圧測定器２１と、モータＭに可変周波数の電力を供給するインバータ１０と、インバータ１０の出力電力を制御するベクトル制御部３０と、誘起電圧からモータＭの位相および回転速度を決定する同期始動制御部５０とを備える。同期始動制御部５０は、誘起電圧が予め設定された値以下であるときは、決定されたモータＭの位相および回転速度を破棄し、誘起電圧が予め設定された値よりも大きいときは、決定されたモータＭの位相および回転速度をベクトル制御部３０に送る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの位置センサを用いることなく、モータを駆動することができる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータは、高効率かつメンテナンスフリーであることから、様々な分野に広く使用されている。この永久磁石同期モータを可変速駆動するためには、ロータの回転位置を検出することが必要となる。従来から、ロータの位置センサを使用せずに永久磁石同期モータを駆動するための様々な方法が開発されている。例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている方法では、モータの巻線に生じる誘起電圧からロータの位置を推定し、モータに流す電流を制御する。
【０００３】
モータを始動する状況には、停止している状態のモータを始動する場合のみならず、慣性または外部エネルギーにより自由回転しているモータを始動する場合も含まれる。例えば、モータをポンプの駆動に使用する場合、モータが停止しているときでも、ポンプ内を流れる液体により羽根車が水車としてモータを回転させることがある。このような状況でのポンプの始動動作は、自由回転しているモータを始動させる動作である。
【０００４】
モータの自由回転は、瞬間的な停電時にも起こる。すなわち、停電の直後のモータは、慣性によりしばらくは回転し続ける。したがって、瞬間的な停電の直後にモータを始動させる動作も、自由回転しているモータを始動させる動作となる。
【０００５】
特許文献３には、ブラシレスＤＣモータをポンプの駆動に使用した給水装置が開示されている。この給水装置では、ポンプを流通する水により回転するロータの回転速度を監視し、ロータの回転速度を目標回転速度と同期させてモータを始動する。しかしながら、この引用文献３に記載の給水装置は、ロータの位置を検出するセンサが使用されているため、モータが高価となってしまう。
【０００６】
特許文献４には、ロータの位置センサを用いることなく、自由回転しているモータを始動する方法が記載されている。この方法は、回転するモータに発生する誘起電圧のＵ相およびＶ相の交差点に基づいて、モータの位相および回転速度を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−１５５３９３号公報
【特許文献２】特開平５−８３９６５号公報
【特許文献３】特開２００１−５０１６８号公報
【特許文献４】特開２００５−１３７１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１に示すように、モータの回転速度が高いときには、誘起電圧は大きくなる。したがって、誘起電圧のＵ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点を決定することは比較的容易である。しかしながら、モータの回転速度が低いときは、図２に示すように、誘起電圧は小さくなる。このため、各相の誘起電圧の波形に現れるノイズの影響で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点を決定することが困難となる。結果として、モータの正確な位相や回転速度が得られなく、インバータはモータの実際の回転速度に同期したモータ駆動を開始することができない。
【０００９】
このようなノイズの影響を防止するために、ヒステリシス付きコンパレータを採用したり、チャタリング防止フィルタを採用することもできる。しかしながら、これらのハードウエアまたはソフトウエアを用いた処理は、正確な位相の検出を遅らせてしまう。
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、正確にモータの位相および回転速度を検出してモータの同期始動を行なうことができるモータ駆動用の電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、モータを駆動するための電力変換装置であって、前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、前記同期始動制御部は、前記誘起電圧が予め設定された値以下であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記誘起電圧が前記予め設定された値よりも大きいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様は、モータを駆動するための電力変換装置であって、前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算して推定周波数を取得し、前記誘起電圧と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから出力周波数を算出し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに他の態様は、モータを駆動するための電力変換装置であって、前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算し、得られた前記モータの周波数と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから推定電圧を算出し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および速度を破棄し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、モータの回転速度が低いときのノイズの影響を排除することができるので、正確なモータの位相および回転速度を決定することができる。したがって、自由回転しているモータの位相および回転速度に同期した電力をモータに供給してモータを始動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】モータの回転速度が高いときのモータの誘起電圧を示す図である。
【図２】モータの回転速度が低いときのモータの誘起電圧を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示すブロック図である。
【図４】インバータ制御部のブロック図である。
【図５】図４に示す同期始動制御部を示すブロック図である。
【図６】Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶと、Ｖ−Ｗ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＶＷを表すグラフである。
【図７】自由回転しているモータの角周波数を算出するフローチャートを示す図である。
【図８】モータの同期始動の動作を示すフローチャートである。
【図９】Ｕ相およびＶ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶを表すグラフである。
【図１０】モータの同期始動動作の他の実施形態を示すフローチャートである。
【図１１】モータの同期始動動作のさらに他の実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示すブロック図である。図３に示す例では、電力変換装置５は、ポンプＰに連結されたモータＭを駆動するために使用されている。図３に示すように、電力変換装置５は、インバータ１０、センサ部１５、インバータ制御部１６、記憶部１７、および操作通信部１９を備えている。
【００１７】
インバータ１０は、コンバータ回路１１、インバータ回路１２、ゲートドライブ回路１３を有している。コンバータ回路１１は整流回路を有しており、商用電源１から供給される３相の交流電力を直流電力に変換するように構成されている。インバータ回路１２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を有しており、コンバータ回路１１によって変換された直流電力から３相の交流電力を生成する。ゲートドライブ回路１３は、インバータ回路１２の各スイッチング素子を開閉するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。
【００１８】
センサ部１５は電流測定器２０および電圧測定器２１を有している。電流測定器２０は、インバータ回路１２から出力される三相電流を測定して、その測定値（出力電流信号）をインバータ制御部１６に送る。電圧測定器２１は、モータＭが発生する誘起電圧を測定して、その測定値（誘起電圧信号）をインバータ制御部１６に送る。センサ部１５は、ポンプＰの吐出圧力、流量などの制御対象を測定する各種センサをさらに有してもよい。図３の符号２５は、ポンプＰの吐出圧力を測定する圧力センサである。
【００１９】
記憶部１７は不揮発性のメモリであり、インバータ回路１２の駆動および制御のために必要な各種パラメータや、制御プログラムなどが格納されている。また、記憶部１７には、吐出圧力制御などのポンプ運転制御に必要なプログラムや各種パラメータが記憶されている。
【００２０】
操作通信部１９は、電力変換装置５の外部からの操作により、電力変換装置５の運転を開始および停止し、また各種設定値を設定するように構成されている。また、操作通信部１９は、外部から周波数指令信号を受信し、また運転状況を示す信号を外部に出力する。操作通信部１９は、より上位の制御装置との接続を通信を介して行うように構成されてもよい。
【００２１】
インバータ制御部１６は、センサ部１５から送られる測定信号、および操作通信部１９から送られる周波数指令信号に基づいて、モータＭの回転速度を制御する。すなわち、インバータ制御部１６は、周波数指令信号を操作通信部１９から受け、センサ部１５からの測定信号に基づいてＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号はゲートドライブ回路１３に送られる。ゲートドライブ回路１３は、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ回路１２のスイッチング素子を駆動するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。
【００２２】
図４はインバータ制御部１６のブロック図である。インバータ制御部１６は、モータＭに供給する電流をトルク電流成分と磁化電流成分とに分解してこれらを独立に制御するベクトル制御部３０と、モータＭに発生する誘起電圧からモータＭの位相および回転速度を決定する同期始動制御部５０とを有している。同期始動制御部５０は、自由回転しているモータＭの回転速度を決定することができるので、ベクトル制御部３０はモータＭの回転速度に同期したインバータ駆動を開始することができる。
【００２３】
インバータ１０の３相の出力電流は、電流測定器２０により測定される。測定された三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、３／２相変換部３２、静止／回転座標変換部３３により、回転座標系上の二相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換された後、磁化電圧制御部３４およびトルク電圧制御部３５に入力される。磁化電圧制御部３４は、磁化電流Ｉｄと磁化電流指令値Ｉｄ*との偏差を０とする磁化電圧指令値Ｖｄ*をＰＩ演算により求める。磁化電流指令値Ｉｄ*は、モータモデルを用いて算出された理想的な磁化電流である。トルク電圧制御部３５は、トルク電流Ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ*との偏差を０とするトルク電圧指令値Ｖｑ*をＰＩ演算により求める。
【００２４】
目標トルク電流決定部３７は、外部から入力された角速度指令値ω*と現在の角速度ωとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行なってトルク電流指令値Ｉｑ*を決定する。現在の角速度ωは、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に基づき、軸誤差推定器（ＰＬＬ）３８によって求められる。さらに、積分器３９により角速度ωから位相θが求められる。得られた位相θは、静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送られる。電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*は、回転／静止座標変換部４０および２／３相変換部４１を経て固定座標系上の３相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換される。
【００２５】
ベクトル制御部３０は、これら三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に対応したＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をゲートドライブ回路１３に送る。ゲートドライブ回路１３は、三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に対応するＰＷＭ信号に基づいてゲートドライブ回路ＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子は、ゲートドライブ回路ＰＷＭ信号に基づいて動作（オン、オフ）される。このように、インバータ１０はベクトル制御部３０からの三相電圧指令値に基づいた電圧を生成し、これをモータＭに印加する。
【００２６】
ポンプが水道本管に直結された、いわゆる直結型の給水装置では、ポンプが停止しているときでも、水道本管からの液体の圧力により給水が行われることがある。したがって、インバータ１０によりモータＭが駆動されていないときであっても、ポンプ内を流れる液体によりポンプの羽根車およびこれに連結されたモータＭが回転する。このようにモータＭが自由回転している状態からインバータ１０によりモータＭを始動するためには、回転しているモータＭの誘起電圧の周波数および位相に同期した電圧をインバータ１０が生成する必要がある。
【００２７】
モータＭの自由回転は、瞬間的な停電の直後にも起こる。すなわち、モータＭがインバータ１０により駆動されている最中に瞬間的な停電が起こると、モータＭに電力が供給されていなくても、モータＭのロータは慣性によりしばらくの間は回転し続ける。停電が復旧した後に自由回転しているモータＭを始動するときは、モータＭの誘起電圧の周波数および位相に同期した電圧をインバータ１０が生成する必要がある。
【００２８】
本明細書では、モータが電力の供給を受けずに、外部の運動エネルギーまたは慣性により回転している状態を「自由回転」という。このような自由回転しているモータとインバータとの同期始動を実現するために、本電力変換装置５は、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧を測定し、その測定された電圧から自由回転しているモータの位相（磁極位置）および回転速度を推定し、その推定された位相および回転速度に基づいて、インバータ１０の制御を開始する。
【００２９】
回転しているモータＭは、誘起電圧を発生する。電力変換装置５はこのモータＭの誘起電圧からモータＭの位相および回転速度を決定する。図５は、図４に示す同期始動制御部５０を示すブロック図である。図５に示すように、同期始動制御部５０は、Ｕ相−Ｖ相間の電圧差からパルス信号を生成する第１の線間電圧比較器５１Ａ、Ｖ相−Ｗ相間の電圧差からパルス信号を生成する第２の線間電圧比較器５１Ｂ、第１の線間電圧比較器５１Ａにより生成されたパルス信号のパルスエッジを検出する第１のパルスエッジ検出部５２Ａ、第２の線間電圧比較器５１Ｂにより生成されたパルス信号のパルスエッジを検出する第２のパルスエッジ検出部５２Ｂ、およびパルスエッジからモータの位相を特定し、かつモータの回転速度を算出する速度算出部５５を有している。
【００３０】
電圧測定器２１は、インバータ１０とモータＭとを接続する三相の線の電圧を測定し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号を出力する。この三相の出力電圧信号は、自由回転しているモータＭの誘起電圧を示す信号である。出力電圧信号はゲイン調整器４９により増幅された後、第１の線間電圧比較器５１Ａ、第２の線間電圧比較器５１Ｂ、および速度算出部５５のＡＤコンバータ５５ａに送られる。
【００３１】
第１の線間電圧比較器５１Ａは、Ｕ相の電圧信号とＶ相の電圧信号とを比較して、パルス信号ＰＵＶを生成する。具体的には、Ｖ相の電圧信号がＵ相の電圧信号よりも高いときは高位信号を発生し、Ｖ相の電圧信号がＵ相の電圧信号よりも低いときは低位信号を発生する。同様に、第２の線間電圧比較器５１Ｂは、Ｖ相の電圧信号とＷ相の電圧信号とを比較して、パルス信号ＰＶＷを生成する。すなわち、Ｗ相の電圧信号がＶ相の電圧信号よりも高いときは高位信号を発生し、Ｗ相の電圧信号がＶ相の電圧信号よりも低いときは低位信号を発生する。
【００３２】
図６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶと、Ｖ−Ｗ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＶＷを表すグラフである。グラフから分かるように、パルス信号ＰＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２は、Ｕ相の電圧信号とＶ相の電圧信号とが交差する点で現れ、パルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４は、Ｖ相の電圧信号とＷ相の電圧信号とが交差する点で現れる。
【００３３】
線間電圧比較器５１Ａ，５１Ｂで生成されたパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷは、それぞれ第１のパルスエッジ検出部５２Ａおよび第２のパルスエッジ検出部５２Ｂに送られる。第１のパルスエッジ検出部５２Ａは、パルス信号ＰＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２を検出し、これら立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を速度算出部５５に送る。同様に、第２のパルスエッジ検出部５２Ｂは、パルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４を検出し、これら立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を速度算出部５５に送る。以下、これらパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを、総称してパルスエッジと呼ぶ。図６から、モータの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れることが分かる。
【００３４】
速度算出部５５は、第１のパルスエッジ検出部５２Ａまたは第２のパルスエッジ検出部５２Ｂからのパルスエッジ検出信号を受けると、以下に説明するように、モータＭの位相の特定および角周波数（すなわち回転速度のスカラー量）の計算を開始する。
【００３５】
図７は、自由回転しているモータの角周波数（回転速度）を算出するフローチャートを示す図である。速度算出部５５は、パルスエッジ検出信号を受けると、現在の時刻ｔｎを取得する。次に、速度算出部５５は、検出されたパルスエッジの位相（角度）θｎを特定し、時刻ｔｎにおけるモータの位相θｎをベクトル制御部３０の積分器３９に送る。位相θｎは、誘起電圧の１周期内に現れるパルスエッジごとに予め設定されている。すなわち、パルスエッジＥ１の位相は５／６π、パルスエッジＥ２の位相は−１／６π、パルスエッジＥ３の位相は−１／２π、パルスエッジＥ４の位相は１／２πに設定されている。
【００３６】
したがって、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ１であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして５／６πを積分器３９に送る。同様に、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ２であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして−１／６πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ３であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして−１／２πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ４であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして１／２πを積分器３９に送る。位相θｎが入力されると、積分器３９は位相θを位相θｎにリセットし（位相θを位相θｎに置き換え）、位相θｎを静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送る。
【００３７】
図６に示すように、速度算出部５５は、前回パルスエッジを検出してからの経過時間Δｔと、現在の位相θｎと、前回パルスエッジが検出されたときの位相θｎ−１とから、自由回転しているモータの角周波数ωｎを次のように決定する。
【数１】
このようにして、自由回転しているモータの位相θｎおよび角周波数ωｎが決定される。
【００３８】
図６に示す３相電圧は、比較的大きな振幅を有する。しかしながら、自由回転しているモータの回転速度が低いときは、図２に示すように、誘起電圧は小さくなる。このため、各相の電圧の波形に現れるノイズの影響で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点から決定されるパルス信号が不安定となる。結果として、モータの正確な位相や回転速度を得ることができない。
【００３９】
そこで、速度算出部５５は、モータの誘起電圧が小さいときにはモータを同期運転させない機能を有している。図８は、モータの同期始動の動作を示すフローチャートである。インバータ１０の停止中にパルスエッジが検出されると（ステップ１）、タイマーが０にリセットされ、タイマーが始動される（ステップ２）。モータの出力電圧（誘起電圧）の測定値は、電圧測定器２１からＡＤコンバータ５５ａを介して速度算出部５５に取り込まれ、予め設定されたしきい値と比較される（ステップ３）。モータの出力電圧がしきい値以下であるときは、角周波数ωｎおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎはいずれも０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。
【００４０】
一方、モータの出力電圧がしきい値よりも大きいときは、上記式（１）を用いて角周波数ωｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θｎが特定される（ステップ４）。その後、得られた角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。ベクトル制御部３０は、外部から運転指令が入力したか否かを判断し（ステップ７）、運転指令が未入力の場合には、処理フローはステップ１に戻る。一方、運転指令が入力された場合には、自由回転しているモータの速度に同期してモータを始動させる（ステップ８）。なお、本実施形態では、ステップ３でモータの出力電圧がしきい値より大きいかどうかを判断した後にステップ４で角周波数ωｎおよび位相θｎが算出されるが、ステップ３とステップ４の順番を入れ替えて、先に角周波数ωｎおよび位相θｎを算出してから、モータの出力電圧がしきい値より大きいかどうかを判断してもよい。
【００４１】
図４に示すスイッチＳＷ１は、軸誤差推定器３８および同期始動制御部５０に接続されており、軸誤差推定器３８からの角周波数ωＣおよび同期始動制御部５０からの角周波数ωｎのうちのいずれか一方のみを選択的に通過させるように構成されている。したがって、目標トルク電流決定部３７および積分器３９に入力される角周波数ωとしては、角周波数ωＣまたは角周波数ωｎのいずれかが採用される。ステップ７で運転指令が入力されたと判断されるまでは、スイッチＳＷ１を介して同期始動制御部５０とベクトル制御部３０とが接続され、同期始動制御部５０からの角周波数ωｎがベクトル制御部３０に入力され続ける。そして、運転指令が入力されたと判断されると、軸誤差推定器３８からの角周波数ωＣがスイッチＳＷ１を介して目標トルク電流決定部３７および積分器３９に送られ、ベクトル制御が行われる。
【００４２】
モータが回転していない場合は、パルスエッジは検出されない。したがって、ステップ１において、所定時間内にパルスエッジが検出されなかった場合には、タイマーがリセットされ（ステップ９）、さらに角周波数ωｎおよび位相θｎはいずれも０に設定される（ステップ５）。
【００４３】
上述したように、モータの出力電圧がしきい値以下のときは、得られた角周波数ωｎおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎは０に設定される（ステップ５参照）。これは、モータの誘起電圧が小さいことに起因して、モータの出力電圧波形に現れたノイズがパルスエッジを生成したと考えられるからである。つまり、ノイズに起因して生成されたパルスエッジからは、実際のモータの回転速度および位相を決定することができない。一方、モータの出力電圧がしきい値よりも大きいときは、算出された角周波数ωｎおよび特定された位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ４参照）。
【００４４】
角周波数ωｎは、スイッチＳＷ１を介して目標トルク電流決定部３７および積分器３９に入力され、位相θｎは積分器３９を介して回転／静止座標変換部４０および静止／回転座標変換部３３に入力される。そして、ベクトル制御部３０は、自由回転しているモータＭの位相および回転速度に同期した電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に従って電力を出力し、モータＭを始動させる（ステップ８）。このようにして、電力変換装置５は、インバータ１０の出力電圧の周波数および位相を、自由回転しているモータの出力電圧の周波数および位相に同期させた状態で、モータを始動させることができる。
【００４５】
モータの回転速度が遅くなるほど、モータの誘起電圧は低くなる。このため、始動しようとするモータの回転速度が０または非常に低い場合は、モータの出力電圧が上記しきい値を上回ることができない。結果として、処理フローはステップ４に進むことができず、モータの同期始動ができない。そこで、上述したように、タイマーにより計測された時間が予め設定した時間を過ぎたときは、角周波数ωｎが０であると仮定してモータが始動される（図８のステップ９，５参照）。具体的には、パルスエッジが所定時間内に検出されなかった場合は、角周波数ωｎが０に設定される。このような処理ステップを処理フローに組み入れることにより、モータの回転速度が０または非常に低いときであってもモータが始動される。
【００４６】
本実施形態では、２つのパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷが生成されるので、誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れる。このパルスエッジが現れる順序から、モータの回転方向を決定することができる。具体的には、モータが正方向に回転しているときは、Ｅ１，Ｅ３，Ｅ２，Ｅ４の順にパルスエッジが現れる。一方、具体的には、モータが逆方向に回転しているときは、Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ１の順にパルスエッジが現れる。したがって、速度算出部５５は、パルスエッジの順序からモータの回転方向を決定することができる。
【００４７】
１つのパルス信号からはモータの回転方向を決定することはできないが、モータの位相θｎおよび角周波数ωｎを決定することはできる。図９は、Ｕ相およびＶ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶを表すグラフである。図９から分かるように、モータの出力電圧の１周期内に２つのパルスエッジＥ１，Ｅ２が現れる。したがって、パルスエッジＥ１，Ｅ２から位相θｎを特定し、さらに上記式（１）を用いて角周波数ωｎを算出することができる。
【００４８】
図１０は、モータの同期始動動作の他の実施形態を示すフローチャートである。この実施形態では、ステップ３にて、上記式（１）を用いて角周波数ωｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θｎが特定される。さらに、ステップ４にて、角周波数ωｎから求められる周波数ｆｎ（以下、推定周波数ｆｎという）と、モータの出力電圧（誘起電圧）の周波数ｆi（以下、出力周波数ｆiという）との差に基づいて、算出された角周波数ωｎおよび位相θｎを破棄して、これらを０に設定するか否かが速度算出部５５により判断される。ステップ３，４以外のステップは、図８に示すステップと同じである。
【００４９】
推定周波数ｆｎは、算出された角周波数ωｎと、公知の式ω＝２πｆとから算出することができる。一方、出力周波数ｆiは、ＡＤコンバータ５５ａに入力されたモータの出力電圧の測定値と、既知の比例定数Ｖ／ｆとから求めることができる。具体的には、モータの出力電圧の測定値を比例定数Ｖ／ｆで割ることにより、出力周波数ｆiを求めることができる。この比例定数Ｖ／ｆは、モータに固有の定数であり、モータの定格電圧をモータの定格周波数で割ることにより求められる。
【００５０】
次に、推定周波数ｆｎと出力周波数ｆiとの差の絶対値（大きさ）が所定の値と比較される（ステップ４）。推定周波数ｆｎと出力周波数ｆiとの差の絶対値が所定の値以上である場合には、算出された角周波数ωｎおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎは０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。
【００５１】
一方、推定周波数ｆｎと出力周波数ｆiとの差の絶対値が所定の値よりも小さい場合には、算出された角周波数ωｎおよび特定された位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。ベクトル制御部３０は、角周波数ωｎおよび位相θｎに基づいてインバータ１０への電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、自由回転しているモータの誘起電圧の位相および周波数に同期した電圧をモータに出力する。
【００５２】
図１１は、モータの同期始動動作のさらに他の実施形態を示すフローチャートである。この実施形態では、ステップ３にて、上記式（１）を用いて角周波数ωｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θｎが特定される。さらに、ステップ４にて、角周波数ωｎから求められる推定電圧Ｖｎと、ＡＤコンバータ５５ａに入力されたモータの出力電圧Ｖｉとの差に基づいて、算出された角周波数ωｎおよび位相θｎを破棄して、これらを０に設定するか否かが速度算出部５５により判断される。ステップ３，４以外のステップは、図８に示すステップと同じである。
【００５３】
推定電圧Ｖｎは、算出された角周波数ωｎと、公知の式ω＝２πｆと、既知の定数Ｖ／ｆとから算出することができる。次に、推定電圧Ｖｎと出力電圧Ｖｉとの差の絶対値（大きさ）が所定の値と比較される（ステップ４）。推定電圧Ｖｎと出力電圧Ｖｉとの差の絶対値（大きさ）が所定の値以上である場合には、算出された角周波数ωおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎは０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。
【００５４】
一方、推定電圧Ｖｎと出力電圧Ｖｉとの差の絶対値が所定の値よりも小さい場合には、算出された角周波数ωｎおよび特定された位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。ベクトル制御部３０は、角周波数ωｎおよび位相θｎに基づいてインバータ１０への電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、自由回転しているモータの誘起電圧の位相および周波数に同期した電圧をモータに出力する。
【００５５】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１ 商用電源
５ 電力変換装置
１０ インバータ
１１ コンバータ回路
１２ インバータ回路
１３ ゲートドライブ部
１５ センサ部
１６ インバータ制御部
１７ 記憶部
１９ 操作通信部
２０ 電流測定部
２１ 電圧測定部
３０ ベクトル制御部
５０ 同期始動制御部
５１Ａ，５１Ｂ 線間電圧比較器
５２Ａ，５２Ｂ パルスエッジ検出部
５５ 速度算出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータの位置センサを用いることなく、モータを駆動することができる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータは、高効率かつメンテナンスフリーであることから、様々な分野に広く使用されている。この永久磁石同期モータを可変速駆動するためには、ロータの回転位置を検出することが必要となる。従来から、ロータの位置センサを使用せずに永久磁石同期モータを駆動するための様々な方法が開発されている。例えば、特許文献１および特許文献２に開示されている方法では、モータの巻線に生じる誘起電圧からロータの位置を推定し、モータに流す電流を制御する。
【０００３】
モータを始動する状況には、停止している状態のモータを始動する場合のみならず、慣性または外部エネルギーにより自由回転しているモータを始動する場合も含まれる。例えば、モータをポンプの駆動に使用する場合、モータが停止しているときでも、ポンプ内を流れる液体により羽根車が水車としてモータを回転させることがある。このような状況でのポンプの始動動作は、自由回転しているモータを始動させる動作である。
【０００４】
モータの自由回転は、瞬間的な停電時にも起こる。すなわち、停電の直後のモータは、慣性によりしばらくは回転し続ける。したがって、瞬間的な停電の直後にモータを始動させる動作も、自由回転しているモータを始動させる動作となる。
【０００５】
特許文献３には、ブラシレスＤＣモータをポンプの駆動に使用した給水装置が開示されている。この給水装置では、ポンプを流通する水により回転するロータの回転速度を監視し、ロータの回転速度を目標回転速度と同期させてモータを始動する。しかしながら、この引用文献３に記載の給水装置は、ロータの位置を検出するセンサが使用されているため、モータが高価となってしまう。
【０００６】
特許文献４には、ロータの位置センサを用いることなく、自由回転しているモータを始動する方法が記載されている。この方法は、回転するモータに発生する誘起電圧のＵ相およびＶ相の交差点に基づいて、モータの位相および回転速度を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−１５５３９３号公報
【特許文献２】特開平５−８３９６５号公報
【特許文献３】特開２００１−５０１６８号公報
【特許文献４】特開２００５−１３７１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図１に示すように、モータの回転速度が高いときには、誘起電圧は大きくなる。したがって、誘起電圧のＵ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点を決定することは比較的容易である。しかしながら、モータの回転速度が低いときは、図２に示すように、誘起電圧は小さくなる。このため、各相の誘起電圧の波形に現れるノイズの影響で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点を決定することが困難となる。結果として、モータの正確な位相や回転速度が得られなく、インバータはモータの実際の回転速度に同期したモータ駆動を開始することができない。
【０００９】
このようなノイズの影響を防止するために、ヒステリシス付きコンパレータを採用したり、チャタリング防止フィルタを採用することもできる。しかしながら、これらのハードウエアまたはソフトウエアを用いた処理は、正確な位相の検出を遅らせてしまう。
【００１０】
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、正確にモータの位相および回転速度を検出してモータの同期始動を行なうことができるモータ駆動用の電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、モータを駆動するための電力変換装置であって、前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、前記同期始動制御部は、前記誘起電圧が予め設定された値以下であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記誘起電圧が前記予め設定された値よりも大きいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の態様は、モータを駆動するための電力変換装置であって、前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算して推定周波数を取得し、前記誘起電圧と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから出力周波数を算出し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする。
【００１３】
本発明のさらに他の態様は、モータを駆動するための電力変換装置であって、前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算し、得られた前記モータの周波数と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから推定電圧を算出し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および速度を破棄し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、モータの回転速度が低いときのノイズの影響を排除することができるので、正確なモータの位相および回転速度を決定することができる。したがって、自由回転しているモータの位相および回転速度に同期した電力をモータに供給してモータを始動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】モータの回転速度が高いときのモータの誘起電圧を示す図である。
【図２】モータの回転速度が低いときのモータの誘起電圧を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示すブロック図である。
【図４】インバータ制御部のブロック図である。
【図５】図４に示す同期始動制御部を示すブロック図である。
【図６】Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶと、Ｖ−Ｗ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＶＷを表すグラフである。
【図７】自由回転しているモータの角周波数を算出するフローチャートを示す図である。
【図８】モータの同期始動の動作を示すフローチャートである。
【図９】Ｕ相およびＶ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶを表すグラフである。
【図１０】モータの同期始動動作の他の実施形態を示すフローチャートである。
【図１１】モータの同期始動動作のさらに他の実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示すブロック図である。図３に示す例では、電力変換装置５は、ポンプＰに連結されたモータＭを駆動するために使用されている。図３に示すように、電力変換装置５は、インバータ１０、センサ部１５、インバータ制御部１６、記憶部１７、および操作通信部１９を備えている。
【００１７】
インバータ１０は、コンバータ回路１１、インバータ回路１２、ゲートドライブ回路１３を有している。コンバータ回路１１は整流回路を有しており、商用電源１から供給される３相の交流電力を直流電力に変換するように構成されている。インバータ回路１２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのスイッチング素子を有しており、コンバータ回路１１によって変換された直流電力から３相の交流電力を生成する。ゲートドライブ回路１３は、インバータ回路１２の各スイッチング素子を開閉するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。
【００１８】
センサ部１５は電流測定器２０および電圧測定器２１を有している。電流測定器２０は、インバータ回路１２から出力される三相電流を測定して、その測定値（出力電流信号）をインバータ制御部１６に送る。電圧測定器２１は、モータＭが発生する誘起電圧を測定して、その測定値（誘起電圧信号）をインバータ制御部１６に送る。センサ部１５は、ポンプＰの吐出圧力、流量などの制御対象を測定する各種センサをさらに有してもよい。図３の符号２５は、ポンプＰの吐出圧力を測定する圧力センサである。
【００１９】
記憶部１７は不揮発性のメモリであり、インバータ回路１２の駆動および制御のために必要な各種パラメータや、制御プログラムなどが格納されている。また、記憶部１７には、吐出圧力制御などのポンプ運転制御に必要なプログラムや各種パラメータが記憶されている。
【００２０】
操作通信部１９は、電力変換装置５の外部からの操作により、電力変換装置５の運転を開始および停止し、また各種設定値を設定するように構成されている。また、操作通信部１９は、外部から周波数指令信号を受信し、また運転状況を示す信号を外部に出力する。操作通信部１９は、より上位の制御装置との接続を通信を介して行うように構成されてもよい。
【００２１】
インバータ制御部１６は、センサ部１５から送られる測定信号、および操作通信部１９から送られる周波数指令信号に基づいて、モータＭの回転速度を制御する。すなわち、インバータ制御部１６は、周波数指令信号を操作通信部１９から受け、センサ部１５からの測定信号に基づいてＰＷＭ信号を生成する。このＰＷＭ信号はゲートドライブ回路１３に送られる。ゲートドライブ回路１３は、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ回路１２のスイッチング素子を駆動するためのゲートドライブ信号を生成する。インバータ回路１２のスイッチング素子は、ゲートドライブ回路１３からのゲートドライブ信号に従って駆動され、これによりインバータ回路１２は可変周波数の交流電力を出力する。
【００２２】
図４はインバータ制御部１６のブロック図である。インバータ制御部１６は、モータＭに供給する電流をトルク電流成分と磁化電流成分とに分解してこれらを独立に制御するベクトル制御部３０と、モータＭに発生する誘起電圧からモータＭの位相および回転速度を決定する同期始動制御部５０とを有している。同期始動制御部５０は、自由回転しているモータＭの回転速度を決定することができるので、ベクトル制御部３０はモータＭの回転速度に同期したインバータ駆動を開始することができる。
【００２３】
インバータ１０の３相の出力電流は、電流測定器２０により測定される。測定された三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、３／２相変換部３２、静止／回転座標変換部３３により、回転座標系上の二相電流Ｉｄ，Ｉｑに変換された後、磁化電圧制御部３４およびトルク電圧制御部３５に入力される。磁化電圧制御部３４は、磁化電流Ｉｄと磁化電流指令値Ｉｄ*との偏差を０とする磁化電圧指令値Ｖｄ*をＰＩ演算により求める。磁化電流指令値Ｉｄ*は、モータモデルを用いて算出された理想的な磁化電流である。トルク電圧制御部３５は、トルク電流Ｉｑとトルク電流指令値Ｉｑ*との偏差を０とするトルク電圧指令値Ｖｑ*をＰＩ演算により求める。
【００２４】
目標トルク電流決定部３７は、外部から入力された角速度指令値ω*と現在の角速度ωとの偏差が０となるようにＰＩ演算を行なってトルク電流指令値Ｉｑ*を決定する。現在の角速度ωは、電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*に基づき、軸誤差推定器（ＰＬＬ）３８によって求められる。さらに、積分器３９により角速度ωから位相θが求められる。得られた位相θは、静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送られる。電圧指令値Ｖｄ*，Ｖｑ*は、回転／静止座標変換部４０および２／３相変換部４１を経て固定座標系上の３相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に変換される。
【００２５】
ベクトル制御部３０は、これら三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に対応したＰＷＭ信号を生成し、このＰＷＭ信号をゲートドライブ回路１３に送る。ゲートドライブ回路１３は、三相電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に対応するＰＷＭ信号に基づいてゲートドライブ回路ＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子は、ゲートドライブ回路ＰＷＭ信号に基づいて動作（オン、オフ）される。このように、インバータ１０はベクトル制御部３０からの三相電圧指令値に基づいた電圧を生成し、これをモータＭに印加する。
【００２６】
ポンプが水道本管に直結された、いわゆる直結型の給水装置では、ポンプが停止しているときでも、水道本管からの液体の圧力により給水が行われることがある。したがって、インバータ１０によりモータＭが駆動されていないときであっても、ポンプ内を流れる液体によりポンプの羽根車およびこれに連結されたモータＭが回転する。このようにモータＭが自由回転している状態からインバータ１０によりモータＭを始動するためには、回転しているモータＭの誘起電圧の周波数および位相に同期した電圧をインバータ１０が生成する必要がある。
【００２７】
モータＭの自由回転は、瞬間的な停電の直後にも起こる。すなわち、モータＭがインバータ１０により駆動されている最中に瞬間的な停電が起こると、モータＭに電力が供給されていなくても、モータＭのロータは慣性によりしばらくの間は回転し続ける。停電が復旧した後に自由回転しているモータＭを始動するときは、モータＭの誘起電圧の周波数および位相に同期した電圧をインバータ１０が生成する必要がある。
【００２８】
本明細書では、モータが電力の供給を受けずに、外部の運動エネルギーまたは慣性により回転している状態を「自由回転」という。このような自由回転しているモータとインバータとの同期始動を実現するために、本電力変換装置５は、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧を測定し、その測定された電圧から自由回転しているモータの位相（磁極位置）および回転速度を推定し、その推定された位相および回転速度に基づいて、インバータ１０の制御を開始する。
【００２９】
回転しているモータＭは、誘起電圧を発生する。電力変換装置５はこのモータＭの誘起電圧からモータＭの位相および回転速度を決定する。図５は、図４に示す同期始動制御部５０を示すブロック図である。図５に示すように、同期始動制御部５０は、Ｕ相−Ｖ相間の電圧差からパルス信号を生成する第１の線間電圧比較器５１Ａ、Ｖ相−Ｗ相間の電圧差からパルス信号を生成する第２の線間電圧比較器５１Ｂ、第１の線間電圧比較器５１Ａにより生成されたパルス信号のパルスエッジを検出する第１のパルスエッジ検出部５２Ａ、第２の線間電圧比較器５１Ｂにより生成されたパルス信号のパルスエッジを検出する第２のパルスエッジ検出部５２Ｂ、およびパルスエッジからモータの位相を特定し、かつモータの回転速度を算出する速度算出部５５を有している。
【００３０】
電圧測定器２１は、インバータ１０とモータＭとを接続する三相の線の電圧を測定し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号を出力する。この三相の出力電圧信号は、自由回転しているモータＭの誘起電圧を示す信号である。出力電圧信号はゲイン調整器４９により増幅された後、第１の線間電圧比較器５１Ａ、第２の線間電圧比較器５１Ｂ、および速度算出部５５のＡＤコンバータ５５ａに送られる。
【００３１】
第１の線間電圧比較器５１Ａは、Ｕ相の電圧信号とＶ相の電圧信号とを比較して、パルス信号ＰＵＶを生成する。具体的には、Ｖ相の電圧信号がＵ相の電圧信号よりも高いときは高位信号を発生し、Ｖ相の電圧信号がＵ相の電圧信号よりも低いときは低位信号を発生する。同様に、第２の線間電圧比較器５１Ｂは、Ｖ相の電圧信号とＷ相の電圧信号とを比較して、パルス信号ＰＶＷを生成する。すなわち、Ｗ相の電圧信号がＶ相の電圧信号よりも高いときは高位信号を発生し、Ｗ相の電圧信号がＶ相の電圧信号よりも低いときは低位信号を発生する。
【００３２】
図６は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶと、Ｖ−Ｗ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＶＷを表すグラフである。グラフから分かるように、パルス信号ＰＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２は、Ｕ相の電圧信号とＶ相の電圧信号とが交差する点で現れ、パルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４は、Ｖ相の電圧信号とＷ相の電圧信号とが交差する点で現れる。
【００３３】
線間電圧比較器５１Ａ，５１Ｂで生成されたパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷは、それぞれ第１のパルスエッジ検出部５２Ａおよび第２のパルスエッジ検出部５２Ｂに送られる。第１のパルスエッジ検出部５２Ａは、パルス信号ＰＵＶの立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２を検出し、これら立ち上がりエッジＥ１および立ち下がりエッジＥ２が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を速度算出部５５に送る。同様に、第２のパルスエッジ検出部５２Ｂは、パルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４を検出し、これら立ち上がりエッジＥ３および立ち下がりエッジＥ４が検出されるたびに、パルスエッジ検出信号を速度算出部５５に送る。以下、これらパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを、総称してパルスエッジと呼ぶ。図６から、モータの誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れることが分かる。
【００３４】
速度算出部５５は、第１のパルスエッジ検出部５２Ａまたは第２のパルスエッジ検出部５２Ｂからのパルスエッジ検出信号を受けると、以下に説明するように、モータＭの位相の特定および角周波数（すなわち回転速度のスカラー量）の計算を開始する。
【００３５】
図７は、自由回転しているモータの角周波数（回転速度）を算出するフローチャートを示す図である。速度算出部５５は、パルスエッジ検出信号を受けると、現在の時刻ｔｎを取得する。次に、速度算出部５５は、検出されたパルスエッジの位相（角度）θｎを特定し、時刻ｔｎにおけるモータの位相θｎをベクトル制御部３０の積分器３９に送る。位相θｎは、誘起電圧の１周期内に現れるパルスエッジごとに予め設定されている。すなわち、パルスエッジＥ１の位相は５／６π、パルスエッジＥ２の位相は−１／６π、パルスエッジＥ３の位相は−１／２π、パルスエッジＥ４の位相は１／２πに設定されている。
【００３６】
したがって、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ１であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして５／６πを積分器３９に送る。同様に、検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ２であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして−１／６πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ３であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして−１／２πを積分器３９に送る。検出されたパルスエッジがパルスエッジＥ４であれば、速度算出部５５はモータの位相θｎとして１／２πを積分器３９に送る。位相θｎが入力されると、積分器３９は位相θを位相θｎにリセットし（位相θを位相θｎに置き換え）、位相θｎを静止／回転座標変換部３３および回転／静止座標変換部４０に送る。
【００３７】
図６に示すように、速度算出部５５は、前回パルスエッジを検出してからの経過時間Δｔと、現在の位相θｎと、前回パルスエッジが検出されたときの位相θｎ−１とから、自由回転しているモータの角周波数ωｎを次のように決定する。
【数１】
このようにして、自由回転しているモータの位相θｎおよび角周波数ωｎが決定される。
【００３８】
図６に示す３相電圧は、比較的大きな振幅を有する。しかしながら、自由回転しているモータの回転速度が低いときは、図２に示すように、誘起電圧は小さくなる。このため、各相の電圧の波形に現れるノイズの影響で、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相間の交差点から決定されるパルス信号が不安定となる。結果として、モータの正確な位相や回転速度を得ることができない。
【００３９】
そこで、速度算出部５５は、モータの誘起電圧が小さいときにはモータを同期運転させない機能を有している。図８は、モータの同期始動の動作を示すフローチャートである。インバータ１０の停止中にパルスエッジが検出されると（ステップ１）、タイマーが０にリセットされ、タイマーが始動される（ステップ２）。モータの出力電圧（誘起電圧）の測定値は、電圧測定器２１からＡＤコンバータ５５ａを介して速度算出部５５に取り込まれ、予め設定されたしきい値と比較される（ステップ３）。モータの出力電圧がしきい値以下であるときは、角周波数ωｎおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎはいずれも０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。
【００４０】
一方、モータの出力電圧がしきい値よりも大きいときは、上記式（１）を用いて角周波数ωｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θｎが特定される（ステップ４）。その後、得られた角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。ベクトル制御部３０は、外部から運転指令が入力したか否かを判断し（ステップ７）、運転指令が未入力の場合には、処理フローはステップ１に戻る。一方、運転指令が入力された場合には、自由回転しているモータの速度に同期してモータを始動させる（ステップ８）。なお、本実施形態では、ステップ３でモータの出力電圧がしきい値より大きいかどうかを判断した後にステップ４で角周波数ωｎおよび位相θｎが算出されるが、ステップ３とステップ４の順番を入れ替えて、先に角周波数ωｎおよび位相θｎを算出してから、モータの出力電圧がしきい値より大きいかどうかを判断してもよい。
【００４１】
図４に示すスイッチＳＷ１は、軸誤差推定器３８および同期始動制御部５０に接続されており、軸誤差推定器３８からの角周波数ωＣおよび同期始動制御部５０からの角周波数ωｎのうちのいずれか一方のみを選択的に通過させるように構成されている。したがって、目標トルク電流決定部３７および積分器３９に入力される角周波数ωとしては、角周波数ωＣまたは角周波数ωｎのいずれかが採用される。ステップ７で運転指令が入力されたと判断されるまでは、スイッチＳＷ１を介して同期始動制御部５０とベクトル制御部３０とが接続され、同期始動制御部５０からの角周波数ωｎがベクトル制御部３０に入力され続ける。そして、運転指令が入力されたと判断されると、軸誤差推定器３８からの角周波数ωＣがスイッチＳＷ１を介して目標トルク電流決定部３７および積分器３９に送られ、ベクトル制御が行われる。
【００４２】
モータが回転していない場合は、パルスエッジは検出されない。したがって、ステップ１において、所定時間内にパルスエッジが検出されなかった場合には、タイマーがリセットされ（ステップ９）、さらに角周波数ωｎおよび位相θｎはいずれも０に設定される（ステップ５）。
【００４３】
上述したように、モータの出力電圧がしきい値以下のときは、得られた角周波数ωｎおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎは０に設定される（ステップ５参照）。これは、モータの誘起電圧が小さいことに起因して、モータの出力電圧波形に現れたノイズがパルスエッジを生成したと考えられるからである。つまり、ノイズに起因して生成されたパルスエッジからは、実際のモータの回転速度および位相を決定することができない。一方、モータの出力電圧がしきい値よりも大きいときは、算出された角周波数ωｎおよび特定された位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ４参照）。
【００４４】
角周波数ωｎは、スイッチＳＷ１を介して目標トルク電流決定部３７および積分器３９に入力され、位相θｎは積分器３９を介して回転／静止座標変換部４０および静止／回転座標変換部３３に入力される。そして、ベクトル制御部３０は、自由回転しているモータＭの位相および回転速度に同期した電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*に従って電力を出力し、モータＭを始動させる（ステップ８）。このようにして、電力変換装置５は、インバータ１０の出力電圧の周波数および位相を、自由回転しているモータの出力電圧の周波数および位相に同期させた状態で、モータを始動させることができる。
【００４５】
モータの回転速度が遅くなるほど、モータの誘起電圧は低くなる。このため、始動しようとするモータの回転速度が０または非常に低い場合は、モータの出力電圧が上記しきい値を上回ることができない。結果として、処理フローはステップ４に進むことができず、モータの同期始動ができない。そこで、上述したように、タイマーにより計測された時間が予め設定した時間を過ぎたときは、角周波数ωｎが０であると仮定してモータが始動される（図８のステップ９，５参照）。具体的には、パルスエッジが所定時間内に検出されなかった場合は、角周波数ωｎが０に設定される。このような処理ステップを処理フローに組み入れることにより、モータの回転速度が０または非常に低いときであってもモータが始動される。
【００４６】
本実施形態では、２つのパルス信号ＰＵＶおよびパルス信号ＰＶＷが生成されるので、誘起電圧の１周期内には、４つのパルスエッジＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が現れる。このパルスエッジが現れる順序から、モータの回転方向を決定することができる。具体的には、モータが正方向に回転しているときは、Ｅ１，Ｅ３，Ｅ２，Ｅ４の順にパルスエッジが現れる。一方、具体的には、モータが逆方向に回転しているときは、Ｅ４，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ１の順にパルスエッジが現れる。したがって、速度算出部５５は、パルスエッジの順序からモータの回転方向を決定することができる。
【００４７】
１つのパルス信号からはモータの回転方向を決定することはできないが、モータの位相θｎおよび角周波数ωｎを決定することはできる。図９は、Ｕ相およびＶ相の電圧信号と、Ｕ−Ｖ相の線間電圧を示すパルス信号ＰＵＶを表すグラフである。図９から分かるように、モータの出力電圧の１周期内に２つのパルスエッジＥ１，Ｅ２が現れる。したがって、パルスエッジＥ１，Ｅ２から位相θｎを特定し、さらに上記式（１）を用いて角周波数ωｎを算出することができる。
【００４８】
図１０は、モータの同期始動動作の他の実施形態を示すフローチャートである。この実施形態では、ステップ３にて、上記式（１）を用いて角周波数ωｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θｎが特定される。さらに、ステップ４にて、角周波数ωｎから求められる周波数ｆｎ（以下、推定周波数ｆｎという）と、モータの出力電圧（誘起電圧）の周波数ｆi（以下、出力周波数ｆiという）との差に基づいて、算出された角周波数ωｎおよび位相θｎを破棄して、これらを０に設定するか否かが速度算出部５５により判断される。ステップ３，４以外のステップは、図８に示すステップと同じである。
【００４９】
推定周波数ｆｎは、算出された角周波数ωｎと、公知の式ω＝２πｆとから算出することができる。一方、出力周波数ｆiは、ＡＤコンバータ５５ａに入力されたモータの出力電圧の測定値と、既知の比例定数Ｖ／ｆとから求めることができる。具体的には、モータの出力電圧の測定値を比例定数Ｖ／ｆで割ることにより、出力周波数ｆiを求めることができる。この比例定数Ｖ／ｆは、モータに固有の定数であり、モータの定格電圧をモータの定格周波数で割ることにより求められる。
【００５０】
次に、推定周波数ｆｎと出力周波数ｆiとの差の絶対値（大きさ）が所定の値と比較される（ステップ４）。推定周波数ｆｎと出力周波数ｆiとの差の絶対値が所定の値以上である場合には、算出された角周波数ωｎおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎは０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。
【００５１】
一方、推定周波数ｆｎと出力周波数ｆiとの差の絶対値が所定の値よりも小さい場合には、算出された角周波数ωｎおよび特定された位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。ベクトル制御部３０は、角周波数ωｎおよび位相θｎに基づいてインバータ１０への電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、自由回転しているモータの誘起電圧の位相および周波数に同期した電圧をモータに出力する。
【００５２】
図１１は、モータの同期始動動作のさらに他の実施形態を示すフローチャートである。この実施形態では、ステップ３にて、上記式（１）を用いて角周波数ωｎが算出され、さらに、検出されたパルスエッジに基づいて位相θｎが特定される。さらに、ステップ４にて、角周波数ωｎから求められる推定電圧Ｖｎと、ＡＤコンバータ５５ａに入力されたモータの出力電圧Ｖｉとの差に基づいて、算出された角周波数ωｎおよび位相θｎを破棄して、これらを０に設定するか否かが速度算出部５５により判断される。ステップ３，４以外のステップは、図８に示すステップと同じである。
【００５３】
推定電圧Ｖｎは、算出された角周波数ωｎと、公知の式ω＝２πｆと、既知の定数Ｖ／ｆとから算出することができる。次に、推定電圧Ｖｎと出力電圧Ｖｉとの差の絶対値（大きさ）が所定の値と比較される（ステップ４）。推定電圧Ｖｎと出力電圧Ｖｉとの差の絶対値（大きさ）が所定の値以上である場合には、算出された角周波数ωおよび位相θｎは破棄され、角周波数ωｎおよび位相θｎは０に設定される（ステップ５）。そして、０に設定された角周波数ωｎおよび位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。
【００５４】
一方、推定電圧Ｖｎと出力電圧Ｖｉとの差の絶対値が所定の値よりも小さい場合には、算出された角周波数ωｎおよび特定された位相θｎがベクトル制御部３０に送られる（ステップ６）。ベクトル制御部３０は、角周波数ωｎおよび位相θｎに基づいてインバータ１０への電圧指令値Ｖｕ*，Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。インバータ１０は、自由回転しているモータの誘起電圧の位相および周波数に同期した電圧をモータに出力する。
【００５５】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００５６】
１ 商用電源
５ 電力変換装置
１０ インバータ
１１ コンバータ回路
１２ インバータ回路
１３ ゲートドライブ部
１５ センサ部
１６ インバータ制御部
１７ 記憶部
１９ 操作通信部
２０ 電流測定部
２１ 電圧測定部
３０ ベクトル制御部
５０ 同期始動制御部
５１Ａ，５１Ｂ 線間電圧比較器
５２Ａ，５２Ｂ パルスエッジ検出部
５５ 速度算出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータを駆動するための電力変換装置であって、
前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、
前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、
測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、
前記同期始動制御部は、前記誘起電圧が予め設定された値以下であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記誘起電圧が前記予め設定された値よりも大きいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
モータを駆動するための電力変換装置であって、
前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、
前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、
測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、
前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算して推定周波数を取得し、前記誘起電圧と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから出力周波数を算出し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
モータを駆動するための電力変換装置であって、
前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、
前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、
測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、
前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算し、得られた前記モータの周波数と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから推定電圧を算出し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および速度を破棄し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
モータを駆動するための電力変換装置であって、
前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、
前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、
測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、
前記同期始動制御部は、前記誘起電圧が予め設定された値以下であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記誘起電圧が前記予め設定された値よりも大きいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
モータを駆動するための電力変換装置であって、
前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、
前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、
測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、
前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算して推定周波数を取得し、前記誘起電圧と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから出力周波数を算出し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を破棄し、前記出力周波数と前記推定周波数との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および回転速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
モータを駆動するための電力変換装置であって、
前記モータの誘起電圧を測定する電圧測定器と、
前記モータに可変周波数の電力を供給するインバータと、
前記インバータの出力電力を制御するベクトル制御部と、
測定された前記誘起電圧から前記モータの位相および回転速度を決定する同期始動制御部とを備え、
前記同期始動制御部は、前記決定されたモータの回転速度を周波数に換算し、得られた前記モータの周波数と前記モータに固有の比例定数Ｖ／ｆとから推定電圧を算出し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が所定の値以上であるときは、前記決定されたモータの位相および速度を破棄し、前記誘起電圧と前記推定電圧との差が前記所定の値よりも小さいときは、前記決定されたモータの位相および速度を前記ベクトル制御部に送ることを特徴とする電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１３２６５（Ｐ２０１２−２１３２６５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７７２２０（Ｐ２０１１−７７２２０）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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