同期機の磁極位置検出装置
【課題】直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる同期機の磁極位置検出装置を得ることを目的とする。
【解決手段】演算手段２ａは、直流電圧源５の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られるよう、パルス幅決定部２２ａにより直流電圧検出値Ｖｄｃに応じてパルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎをｔｐおよびｔｎの関係式に基づき変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングは直流電圧検出値Ｖｄｃに拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅ｔｐ終端時点に固定するよう制御するようにした。
【解決手段】演算手段２ａは、直流電圧源５の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られるよう、パルス幅決定部２２ａにより直流電圧検出値Ｖｄｃに応じてパルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎをｔｐおよびｔｎの関係式に基づき変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングは直流電圧検出値Ｖｄｃに拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅ｔｐ終端時点に固定するよう制御するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、同期電動機／同期発電機の磁極位置を、位置検出器を用いることなく、簡易、確実、かつ高精度に検出することができる同期機の磁極位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この同期機の磁極位置を検出する場合、回転子の電気角（磁極位置）をエンコーダ等の位置検出器を用いて直接検出するものがある。しかし、回転子の回転角を直接検出するには、位置検出器等の磁極位置検出専用のセンサを同期機に付加する必要があり、装置構成の規模が大きくなるとともに、経済性が悪いという欠点をもたらす。このため、位置検出器を用いないで同期機の磁極位置を検出する装置が提案されている。
【０００３】
位置検出器を用いないで同期機の磁極位置を検出する方式として、例えば、同期機の誘起電圧を利用したものや、同期機の突極性を利用した方式などがある。
誘起電圧を利用した位置センサレス制御は、速度ゼロでは誘起電圧もゼロであるため、正しく回転子位置を推定することが出来ない。また、突極性を利用した方式は、磁極位置推定に利用する突極性が磁極位置の２倍の周期で変わるため、推定位置も磁極位置の２倍の周期となる。即ち、推定位置は同期機の磁極位置が０〜１８０度と１８０〜３６０度において、同じ値となって磁極位置を確実に検出するという点で十分とは言えない。
【０００４】
従って、少なくとも同期機を速度ゼロ付近から起動するときは、突極性を利用した方式以外に、別途同期機の磁極位置情報を推定する方式が必要である。その方式として、例えば、特許文献１のような同期機の磁気飽和を利用したものがある。
これは、互いに振幅が等しくかつ等間隔の位相の２ｎ（ｎは相数で３以上の自然数）個の電圧ベクトルを同期機に印加したとき、位相が互いに１８０度異なる各一対の電圧ベクトル印加時に流れる電流検出値を互いに加算した加算電流値から磁極位置を検出するもので、この電圧ベクトルの印加により同期機が磁気飽和状態となることが前提となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２７１３９７号公報（１０頁１８行〜１３頁５０行、段落００４５〜００６５、図１〜５、７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の磁極位置検出法を用いる場合、前述したように、同期機が磁気飽和するに十分な電流を流す必要がある。これは、磁気飽和が発生していないと、磁極位置に近い位相の電圧ベクトルを印加したときに流れる電流が磁極位置に近い位相に対して１８０度位相が異なる電圧ベクトルを印加したときに流れる電流と等しいが、磁気飽和が発生すると、前者が後者より大きくなり、この差電流から磁極位置の検出が可能になるという原理を利用しているからである。
そのために、必要な磁極位置検出精度を補償する磁気飽和状態が得られるよう、同期機に印加する電圧ベクトル指令の印加時間を予め調整設定しておく必要がある。
【０００７】
ところで、この電圧ベクトルを発生させる電力変換器への直流電圧源の電圧値が一定でない製品用途においては、この電圧ベクトル印加時間を設定することが困難になる場合があった。例えば、電気鉄道用電力変換器の場合には、この直流電圧は、軌道上に設置された架線と、車両上のパンタグラフを介して供給されるものである。この場合、直流電圧は、同一架線区間に存在する車両の走行状態と変電所容量に大きく依存して時々刻々変動する。
【０００８】
直流電圧が低い場合には、電圧ベクトル印加による通電が十分でなくなり、同期機に対し十分な磁気飽和状態を与えられなくなり、電流値に含まれる磁極位置情報が小さくなり、磁極位置検出精度が劣化する問題がある。この状況を回避するには電圧ベクトル印加時間を長くする必要があるが、逆に直流電圧が過度に大きくなると、磁気飽和が広範囲に及び磁極位置検出精度が却って低下する傾向となる。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、前記直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる同期機の磁極位置検出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明に係る同期機の磁極位置検出装置は、直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して回路手段に出力するとともに電流検出手段からの電流検出値を電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、直流電圧検出値に応じてパルス幅を変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングが直流電圧検出値に拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅終端時点に固定するようパルス幅およびサンプリングタイミングを制御し、
パルス幅をｔｐ、時間的に隣り合う電圧ベクトルの間隔幅からパルス幅ｔｐを差し引いたパルス休止幅をｔｎ、直流電圧検出値をＶｄｃ、基準となる定格直流電圧値をＶｄｃｎｏｍｉｎａｌ、基準となる定格パルス幅をｔｐｎｏｍｉｎａｌとしたとき、
演算手段は、下式に基づき、パルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎを制御するようにしたものである。
ｔｐ＝ｔｐｎｏｍｉｎａｌ×Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ／Ｖｄｃ
ｔｎ＝ｔｐ×ｋｎ
但し、ｋｎは定数。
【００１１】
第２の発明に係る同期機の磁極位置検出装置は、直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して回路手段に出力するとともに電流検出手段からの電流検出値を電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、直流電圧検出値に応じてパルス幅を変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングが直流電圧検出値に拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅終端時点に固定するようパルス幅およびサンプリングタイミングを制御し、
直流電圧源の直流電圧と所望の磁極位置検出精度が得られるパルス幅との関係特性を予め実験または解析により求めておき、
演算手段は、直流電圧検出値に応じて関係特性からパルス幅を求めるようにしたものである。
【００１２】
第３の発明に係る同期機の磁極位置検出装置は、直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して回路手段に出力するとともに電流検出手段からの電流検出値を電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、パルス幅は直流電圧検出値に拘わらず一定値に制御するとともに、直流電圧源の直流電圧とパルス幅内で所望の磁極位置検出精度が得られるサンプリングタイミングとの関係特性を予め実験または解析により求めておき、直流電圧検出値に応じて関係特性からサンプリングタイミングを求めるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る同期機の磁極位置検出装置の演算手段は、上記のように構成されているため、直流電圧検出手段からの直流電圧検出値に基づきパルス幅およびサンプリングタイミングをｔｐおよびｔｎの関係式に基づき適正に制御することで、直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる。
【００１４】
第２の発明に係る同期機の磁極位置検出装置の演算手段は、上記のように構成されているため、直流電圧検出手段からの直流電圧検出値に基づきパルス幅およびサンプリングタイミングを予め求めた関係特性に基づき適正に制御することで、直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる。
【００１５】
第３の発明に係る同期機の磁極位置検出装置の演算手段は、上記のように構成されているため、直流電圧検出手段からの直流電圧検出値に基づきパルス幅を一定としサンプリングタイミングを予め求めた関係特性に基づき適正に制御することで、直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１による同期機の磁極位置検出装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による演算手段２ａにおける電圧ベクトル指令の出力タイミングと電流検出値のサンプリングタイミングとの関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１による磁極位置検出の原理となる検出電流の処理後の加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗと磁極位置との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態１における演算手段２ａの内部構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２による同期機の磁極位置検出装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態２における演算手段２ｂの内部構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２による演算手段２ｂにおける電圧ベクトル指令の出力タイミングと電流検出値のサンプリングタイミングとの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における、電圧ベクトル指令としてスイッチングモード「Ｖ１」または「Ｖ４」を出力した場合のｕ相電流の、パルス幅ｔｐ内での変化を示す図である。
【図９】図８のｕ相電流の特性に対し、スイッチングモード「Ｖ１」印加時のｕ相電流とスイッチングモード「Ｖ４」印加時のｕ相電流とから求めるＳ／Ｎ比を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による同期機の磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。同期機１に対して供給される電力の流れについて説明すると、直流電圧源５の直流電圧出力が回路手段３へ入力され、回路手段３はこれを直流から多相交流に電力変換して同期機１に交流電力を供給する。
【００１８】
ここで、同期機１は、多相、具体的には、ｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する、例えば、回転子に永久磁石を配置した同期電動機あるいは同期発電機である。また、回路手段３は、ＩＧＢＴ等の半導体のスイッチ３１〜３６をブリッジ接続してなるＰＷＭインバータ等の電力変換器からなり、直流電圧源５からの直流電圧を多相交流に変換して同期機１に出力する。
【００１９】
直流電圧源５は、軌道上に設置された架線に給電される直流電圧を、車両上のパンタグラフおよびリアクトルとコンデンサからなるフィルタを介して回路手段３に出力する。
そして、この直流電圧源５の直流電圧は、既述したように、同一架線区間に存在する車両の走行状態と変電所容量に大きく依存して時々刻々変動することになり、この電圧変動を加味した制御が本願発明の要旨となるが、これについては後段で詳述するものとする。
【００２０】
先ず、図１の構成に基づき、磁極位置検出の動作原理について説明する。
演算手段２ａは、回路手段３に対して電圧ベクトル指令を出力する。電圧ベクトル指令とは、具体的には回路手段３が具備する複数の電力変換半導体スイッチ３１〜３６のＯＮ、ＯＦＦ指令の組み合わせであり、例えば、次のように９つのスイッチングモード「Ｖ０」〜「Ｖ８」を有し、定義される。
【００２１】
「Ｖ０」：全てのスイッチをオフ
「Ｖ１」：３１、３５、３６をオン、他をオフ
「Ｖ２」：３１、３２、３６ 〃
「Ｖ３」：３４、３２、３６ 〃
「Ｖ４」：３４、３２、３３ 〃
「Ｖ５」：３４、３５、３３ 〃
「Ｖ６」：３１、３５、３３ 〃
「Ｖ７」：３１、３２、３３ 〃
「Ｖ８」：３４、３５、３６ 〃
【００２２】
例えば、電圧ベクトル指令として、スイッチングモード「Ｖ０」⇒「Ｖ１」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ２」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ３」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ４」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ５」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ６」のように順番に印加し、そのときに、同期機１の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる電流の大きさを示したのが図２である。
演算手段２ａには、電流検出手段４によって取得される各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが入力され、スイッチングモード「Ｖ１」によって印加される電圧ベクトルの印加終了時をサンプリングタイミングとして、ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの値をｉｕ１、ｉｖ１、ｉｗ１としてサンプルし、記憶する。同様に、引き続いて、各スイッチングモードによる電圧ベクトル印加終了時のサンプリングタイミングでの各相電流値を記憶する。図２の各相電流特性上に示した丸印の値が相当する。
【００２３】
サンプル電流値の名称を、表１のように定義する。
【００２４】
【表１】
【００２５】
電圧ベクトル指令として、各スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」により印加される電圧ベクトルのパルス幅ｔｐは互いに等しく与えられ、各電圧ベクトル間に挿入される全スイッチオフ期間「Ｖ０」の長さに相当するパルス休止幅ｔｎは、電流が０に整定する時間を加味して与えられる。
【００２６】
スイッチングモード「Ｖ１」と「Ｖ４」とによって印加される電圧ベクトルは、同期機１にとっては丁度１８０度反転した方向、Ｕ相に対して正および負の電圧ベクトルの対となり、そのときに発生するｕ相電流ｉｕ１およびｉｕ４は、同期機１のインダクタンスの飽和がなければ、大きさが同じで符号が逆の関係になる。すなわち、次の（１）式により加算電流値Δｉｕを定義すると０になる。
【００２７】
Δｉｕ＝ｉｕ１＋ｉｕ４ ・・・（１）
【００２８】
しかし、飽和状態となると、永久磁石を有する同期機１においては、磁石磁束の影響により電圧印加の正負方向によって磁気飽和の状況が異なることから、ｉｕ１とｉｕ４との大きさが異なってくる。すなわち、加算電流値Δｉｕは０でなく、磁極方向に応じた値を持つことになる。
【００２９】
同様に、ｖ相電流、ｗ相電流について、下式のように、加算電流値Δｉｖ、Δｉｗを定義する。
【００３０】
Δｉｖ＝ｉｖ３＋ｉｖ６ ・・・（２）
Δｉｗ＝ｉｗ５＋ｉｗ２ ・・・（３）
【００３１】
図２のように、電圧ベクトル指令のスイッチングモードとして、「Ｖ１」〜「Ｖ６」の順序で電圧ベクトルを印加した場合における、磁極位置θに対する加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの変化を示した例が図３である。上記で述べたとおり、磁極位置に応じた磁気飽和の状況変化から、加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗが磁極位置θに応じた特性を持つ。
【００３２】
演算手段２ａにおいては、図３の特性変化を利用して、磁極位置の検出を行う。具体的には、表２に示すように、加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの絶対値のうち、いずれが最大となるか、またその最大を示した信号の符号が正か負か、に注目することで、実際の磁極位置の６０度毎の存在区間ｍを検出することが可能となる。
【００３３】
【表２】
【００３４】
図４は、この発明の実施の形態１による同期機の磁極位置検出装置における演算手段２ａの内部構成を示すブロック図である。
この実施の形態１は、上述した動作原理で磁極位置を検出する場合に、各電圧ベクトルのパルス幅ｔｐを、直流電圧検出手段６によって検出される直流電圧源５の直流電圧値に応じて変化させるようにしたものである。
【００３５】
図４において、パルス幅決定部２２ａは、パルス幅ｔｐ［ｓｅｃ］、パルス休止幅ｔｎ［ｓｅｃ］を、直流電圧検出手段６によって検出された直流電圧検出値Ｖｄｃに応じて決定する。
例えば、下式のように、パルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎを与える。
【００３６】
ｔｐ＝ｔｐｎｏｍｉｎａｌ×Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ／Ｖｄｃ ・・（４）
ｔｎ＝ｔｐ×ｋｎ ・・（５）
【００３７】
ここで、
Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ：基準となる定格直流電圧値
ｔｐｎｏｍｉｎａｌ：基準となる定格パルス幅
ｋｎ：休止幅設定係数
である。
【００３８】
すなわち、パルス幅ｔｐを、実際の直流電圧検出値Ｖｄｃの大きさに反比例させて設定し、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌより小さい場合にはパルス幅ｔｐを大きく、逆に、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値より大きい場合には、パルス幅ｔｐを小さく設定する。また、ｋｎは、パルス休止幅ｔｎのパルス幅ｔｐに対する比であり、同期機１の定数や主回路特性に左右される、電圧パルス印加終了後の電流減衰時間を加味して、概略１〜１．５程度とする。
電圧指令生成手段２１ａは、こうしてパルス幅決定部２２ａから出力されたパルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎに基づいて、スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」および休止モード「Ｖ０」による電圧ベクトルを、各期間幅で出力する。
【００３９】
一方、磁極位置検出手段２３ａでは、上記のとおり期間を設定された各パルス幅の印加終了時をサンプリングタイミングとして、電流検出手段４からの電流検出値をサンプリングし、表１の電流値を記録し、これに基づいて表２の判定を実施して磁極位置判定値を出力する。
【００４０】
なお、以上の説明においては、パルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎを、式（４）、式（５）のように関数化して置いたが、直流電圧検出値の減少（増加）に応じて、パルス幅を増加（減少）させる特性であれば他の関数や、テーブル化された特性を参照使用しても良い。
実際の同期機１の磁気飽和特性は複雑であり、パルス幅ｔｐの長さと、同期機１に流れる電流値のピークとは完全に比例するものではなく、また直流電圧検出値に完全に反比例するものでもない。よって、Ｖｄｃとｔｐとｉｕ、ｉｖ、ｉｗの関係を、事前に電磁界解析や、実機試験によって記録し、これに基づいて製品に実装するｔｐの対Ｖｄｃ関係特性を決定し、関数化やテーブル化してパルス幅決定部２２ａに実装するとなお好適である。
【００４１】
以上の実施の形態１によると、パルス幅ｔｐを、直流電圧検出値Ｖｄｃに応じて決定するため、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値より小さい場合には、パルス幅ｔｐを長くすることで、磁気飽和に十分な相電流を同期機１に発生させることができ、磁極位置検出のＳ／Ｎ比を改善し、磁極位置の検出精度を改善する効果を得ることができる。
また、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値より大きい場合には、パルス幅ｔｐを縮めることで、磁気飽和が過度に広範囲に及び磁極位置検出精度が低下することを防止することができる。また、相電流が流れ過ぎて主回路の保護に至るということも回避され磁極位置検出を安定に実行できるという効果を得ることができる。
【００４２】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による同期機の磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。演算手段２ｂの内容以外については実施の形態１の同期機１、回路手段３、電流検出手段４、直流電圧源５、直流電圧検出手段６と同等であり、その説明を省略する。
【００４３】
演算手段２ｂの内部構成を図６に示す。演算手段２ｂは、電圧指令生成手段２１ｂ、磁極位置検出手段２３ｂ、サンプリングタイミング決定部２４ｂから成る。
電圧指令生成手段２１ｂは、実施の形態１の電圧指令生成手段２１ａと同様に、スイッチングモードとして「Ｖ０」および表１に示した「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」を出力するが、パルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎの設定については、直流電圧検出値Ｖｄｃに依らず一定に設定する。
【００４４】
一方で、サンプリングタイミング決定部２４ｂは、スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」が電圧ベクトル指令として回路手段３に出力され電流検出手段４に電流が流れ始めてからｔｓ秒の時点をサンプリングタイミングとして、磁極位置検出手段２３ｂにサンプリング指令を出力し、磁極位置検出手段２３ｂでは、その時点の電流検出値をサンプルして記憶し、表１のｉｕ１、ｉｖ１、ｉｗ１〜ｉｕ６，ｉｖ６，ｉｗ６を順番に記憶する。
【００４５】
この動作を示したのが図７である。サンプリングタイミング決定部２４ｂにおけるｔｓの決定方法について以下に説明する。
図８は、磁極位置θ＝０［ｄｅｇ］のときに、電圧ベクトル指令として、スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ４」を印加したときのｕ相電流の絶対値の挙動を示す模式図である。それぞれについて直流電圧検出値Ｖｄｃが１３０％の場合と７０％の場合について、横軸をパルス印加時間（パルス幅）として示している。
【００４６】
スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ４」は既に述べたとおり、電圧の位相角としてはｕ相に沿って正反対の向きであり、このときに発生するｕ相電流は、互いに符号が逆になる。そして、磁極による磁気飽和がなければ同じ大きさの電流となるが、実際には、磁極による磁気飽和の影響によって、図８に示すように、「Ｖ１」印加時と「Ｖ４」印加時とでは電流の大きさが異なってくる。これを利用して、磁極位置の検出が可能となる訳であるが、ここで、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格値より大きい場合、パルス印加後、電流が大きくなり、より早く磁気飽和の影響が現れる。同期機１が有する磁気飽和特性にも依存するが、一例としては、図８のように、パルス印加時間ｔｓ１３０［ｓｅｃ］のときに、電圧指令「Ｖ１」印加時と「Ｖ４」印加時との差が極大化する。Ｓ／Ｎ比の指標として、分子を（「Ｖ１」印加時の｜ｉｕ｜−「Ｖ４」印加時の｜ｉｕ｜）、分母を「Ｖ１」印加時の｜ｉｕ｜としたときの一例を図９に示す。
この例では、Ｖｄｃ＝１３０％時には、パルス印加時間がｔｓ１３０［ｓｅｃ］の時点で電流をサンプリングし、これをｉｕ１、ｉｕ４とすると、最もＳ／Ｎ比が高く、ひいては磁極検出精度が最良となることが分かる。
【００４７】
一方、直流電圧検出値Ｖｄｃが小さく、例えば、定格値の７０％のときには、これに応じて発生電流が小さくなり、磁気飽和の影響が現れるのにより時間がかかる。図８、図９の例では、ｔｓ１３０より長い時間であるｔｓ７０のタイミングで磁気飽和の影響が顕著になるため、このタイミングでサンプリングした電流検出値をｉｕ１、ｉｕ４として磁極位置検出手段２３ｂに記録すれば、検出Ｓ／Ｎ比が最良となる。よって、予め、事前に電磁界解析や、実機試験によって、直流電圧検出値Ｖｄｃの各値毎に、Ｓ／Ｎ比が最良となるサンプリングタイミングｔｓを取得しておき、これを、直流電圧検出値とサンプリングタイミングとの関係特性としてサンプリングタイミング決定部２４ｂに実装しておき、実際の運転時には、直流電圧検出値Ｖｄｃに応じてサンプリングタイミングｔｓを決定して磁極位置検出手段２３ｂにて電流をサンプリングすれば、電圧指令生成手段２１ｂが出力する電圧指令のパルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎが固定であっても、磁極位置検出の精度を最良に維持した動作となる。
【００４８】
以上の実施の形態２によると、電流検出値のサンプリングタイミングｔｓを直流電圧検出値Ｖｄｃの変化に応じ、磁極による磁気飽和の影響が必要十分に現れたタイミングでＳ／Ｎ比の良い電流検出値のサンプリングが可能となるため、磁極位置検出のＳ／Ｎ比を高いレベルに保ち、磁極位置の検出精度を改善する効果を得ることができる。
また、直流電圧検出値Ｖｄｃに依らずパルス幅ｔｐとパルス休止幅ｔｓは固定とするため、磁極位置検出に必要な全体の時間は直流電圧検出値Ｖｄｃに依らず一定となるため、磁極位置検出結果を用いる後段の演算処理や、並行して動作させる演算処理との連携動作の設計がし易いという効果も得られる。
なお、図８および図９によって説明した、Ｓ／Ｎ比が最適となるサンプリングタイミングｔｓの決定方法については、実施の形態１にも適用可能である。すなわち、実施の形態１ではパルス幅ｔｐの印加終了時がサンプリングタイミングであるため、図８、図９にて説明したＳ／Ｎ比が最適となるタイミング時間を、予め、事前に電磁界解析や、実機試験によって、直流電圧検出値Ｖｄｃの各値毎に、Ｓ／Ｎ比が最良となるパルス幅ｔｐを取得しておけば、磁極位置の検出精度をより改善する効果を得ることができる。
【００４９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 同期機、２ａ，２ｂ 演算手段、３ 回路手段、４ 電流検出手段、
５ 直流電圧源、６ 直流電圧検出手段、３１〜３６ スイッチ、
２１ａ，２１ｂ 電圧指令生成手段、２２ａ パルス幅決定部、
２３ａ，２３ｂ 磁極位置検出手段、２４ｂ サンプリングタイミング決定部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、同期電動機／同期発電機の磁極位置を、位置検出器を用いることなく、簡易、確実、かつ高精度に検出することができる同期機の磁極位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この同期機の磁極位置を検出する場合、回転子の電気角（磁極位置）をエンコーダ等の位置検出器を用いて直接検出するものがある。しかし、回転子の回転角を直接検出するには、位置検出器等の磁極位置検出専用のセンサを同期機に付加する必要があり、装置構成の規模が大きくなるとともに、経済性が悪いという欠点をもたらす。このため、位置検出器を用いないで同期機の磁極位置を検出する装置が提案されている。
【０００３】
位置検出器を用いないで同期機の磁極位置を検出する方式として、例えば、同期機の誘起電圧を利用したものや、同期機の突極性を利用した方式などがある。
誘起電圧を利用した位置センサレス制御は、速度ゼロでは誘起電圧もゼロであるため、正しく回転子位置を推定することが出来ない。また、突極性を利用した方式は、磁極位置推定に利用する突極性が磁極位置の２倍の周期で変わるため、推定位置も磁極位置の２倍の周期となる。即ち、推定位置は同期機の磁極位置が０〜１８０度と１８０〜３６０度において、同じ値となって磁極位置を確実に検出するという点で十分とは言えない。
【０００４】
従って、少なくとも同期機を速度ゼロ付近から起動するときは、突極性を利用した方式以外に、別途同期機の磁極位置情報を推定する方式が必要である。その方式として、例えば、特許文献１のような同期機の磁気飽和を利用したものがある。
これは、互いに振幅が等しくかつ等間隔の位相の２ｎ（ｎは相数で３以上の自然数）個の電圧ベクトルを同期機に印加したとき、位相が互いに１８０度異なる各一対の電圧ベクトル印加時に流れる電流検出値を互いに加算した加算電流値から磁極位置を検出するもので、この電圧ベクトルの印加により同期機が磁気飽和状態となることが前提となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４２７１３９７号公報（１０頁１８行〜１３頁５０行、段落００４５〜００６５、図１〜５、７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の磁極位置検出法を用いる場合、前述したように、同期機が磁気飽和するに十分な電流を流す必要がある。これは、磁気飽和が発生していないと、磁極位置に近い位相の電圧ベクトルを印加したときに流れる電流が磁極位置に近い位相に対して１８０度位相が異なる電圧ベクトルを印加したときに流れる電流と等しいが、磁気飽和が発生すると、前者が後者より大きくなり、この差電流から磁極位置の検出が可能になるという原理を利用しているからである。
そのために、必要な磁極位置検出精度を補償する磁気飽和状態が得られるよう、同期機に印加する電圧ベクトル指令の印加時間を予め調整設定しておく必要がある。
【０００７】
ところで、この電圧ベクトルを発生させる電力変換器への直流電圧源の電圧値が一定でない製品用途においては、この電圧ベクトル印加時間を設定することが困難になる場合があった。例えば、電気鉄道用電力変換器の場合には、この直流電圧は、軌道上に設置された架線と、車両上のパンタグラフを介して供給されるものである。この場合、直流電圧は、同一架線区間に存在する車両の走行状態と変電所容量に大きく依存して時々刻々変動する。
【０００８】
直流電圧が低い場合には、電圧ベクトル印加による通電が十分でなくなり、同期機に対し十分な磁気飽和状態を与えられなくなり、電流値に含まれる磁極位置情報が小さくなり、磁極位置検出精度が劣化する問題がある。この状況を回避するには電圧ベクトル印加時間を長くする必要があるが、逆に直流電圧が過度に大きくなると、磁気飽和が広範囲に及び磁極位置検出精度が却って低下する傾向となる。
【０００９】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、前記直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる同期機の磁極位置検出装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明に係る同期機の磁極位置検出装置は、直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して回路手段に出力するとともに電流検出手段からの電流検出値を電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、直流電圧検出値に応じてパルス幅を変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングが直流電圧検出値に拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅終端時点に固定するようパルス幅およびサンプリングタイミングを制御し、
パルス幅をｔｐ、時間的に隣り合う電圧ベクトルの間隔幅からパルス幅ｔｐを差し引いたパルス休止幅をｔｎ、直流電圧検出値をＶｄｃ、基準となる定格直流電圧値をＶｄｃｎｏｍｉｎａｌ、基準となる定格パルス幅をｔｐｎｏｍｉｎａｌとしたとき、
演算手段は、下式に基づき、パルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎを制御するようにしたものである。
ｔｐ＝ｔｐｎｏｍｉｎａｌ×Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ／Ｖｄｃ
ｔｎ＝ｔｐ×ｋｎ
但し、ｋｎは定数。
【００１１】
第２の発明に係る同期機の磁極位置検出装置は、直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して回路手段に出力するとともに電流検出手段からの電流検出値を電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、直流電圧検出値に応じてパルス幅を変化させるようにするとともに、サンプリングタイミングが直流電圧検出値に拘わらず各電圧ベクトルのパルス幅終端時点に固定するようパルス幅およびサンプリングタイミングを制御し、
直流電圧源の直流電圧と所望の磁極位置検出精度が得られるパルス幅との関係特性を予め実験または解析により求めておき、
演算手段は、直流電圧検出値に応じて関係特性からパルス幅を求めるようにしたものである。
【００１２】
第３の発明に係る同期機の磁極位置検出装置は、直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して回路手段に出力するとともに電流検出手段からの電流検出値を電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、演算手段は、電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
直流電圧源が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
演算手段は、パルス幅は直流電圧検出値に拘わらず一定値に制御するとともに、直流電圧源の直流電圧とパルス幅内で所望の磁極位置検出精度が得られるサンプリングタイミングとの関係特性を予め実験または解析により求めておき、直流電圧検出値に応じて関係特性からサンプリングタイミングを求めるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明に係る同期機の磁極位置検出装置の演算手段は、上記のように構成されているため、直流電圧検出手段からの直流電圧検出値に基づきパルス幅およびサンプリングタイミングをｔｐおよびｔｎの関係式に基づき適正に制御することで、直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる。
【００１４】
第２の発明に係る同期機の磁極位置検出装置の演算手段は、上記のように構成されているため、直流電圧検出手段からの直流電圧検出値に基づきパルス幅およびサンプリングタイミングを予め求めた関係特性に基づき適正に制御することで、直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる。
【００１５】
第３の発明に係る同期機の磁極位置検出装置の演算手段は、上記のように構成されているため、直流電圧検出手段からの直流電圧検出値に基づきパルス幅を一定としサンプリングタイミングを予め求めた関係特性に基づき適正に制御することで、直流電圧源の直流電圧の変動に拘わらず所望の磁極位置検出精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１による同期機の磁極位置検出装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１による演算手段２ａにおける電圧ベクトル指令の出力タイミングと電流検出値のサンプリングタイミングとの関係を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１による磁極位置検出の原理となる検出電流の処理後の加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗと磁極位置との関係を示す特性図である。
【図４】本発明の実施の形態１における演算手段２ａの内部構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２による同期機の磁極位置検出装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態２における演算手段２ｂの内部構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２による演算手段２ｂにおける電圧ベクトル指令の出力タイミングと電流検出値のサンプリングタイミングとの関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における、電圧ベクトル指令としてスイッチングモード「Ｖ１」または「Ｖ４」を出力した場合のｕ相電流の、パルス幅ｔｐ内での変化を示す図である。
【図９】図８のｕ相電流の特性に対し、スイッチングモード「Ｖ１」印加時のｕ相電流とスイッチングモード「Ｖ４」印加時のｕ相電流とから求めるＳ／Ｎ比を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による同期機の磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。同期機１に対して供給される電力の流れについて説明すると、直流電圧源５の直流電圧出力が回路手段３へ入力され、回路手段３はこれを直流から多相交流に電力変換して同期機１に交流電力を供給する。
【００１８】
ここで、同期機１は、多相、具体的には、ｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する、例えば、回転子に永久磁石を配置した同期電動機あるいは同期発電機である。また、回路手段３は、ＩＧＢＴ等の半導体のスイッチ３１〜３６をブリッジ接続してなるＰＷＭインバータ等の電力変換器からなり、直流電圧源５からの直流電圧を多相交流に変換して同期機１に出力する。
【００１９】
直流電圧源５は、軌道上に設置された架線に給電される直流電圧を、車両上のパンタグラフおよびリアクトルとコンデンサからなるフィルタを介して回路手段３に出力する。
そして、この直流電圧源５の直流電圧は、既述したように、同一架線区間に存在する車両の走行状態と変電所容量に大きく依存して時々刻々変動することになり、この電圧変動を加味した制御が本願発明の要旨となるが、これについては後段で詳述するものとする。
【００２０】
先ず、図１の構成に基づき、磁極位置検出の動作原理について説明する。
演算手段２ａは、回路手段３に対して電圧ベクトル指令を出力する。電圧ベクトル指令とは、具体的には回路手段３が具備する複数の電力変換半導体スイッチ３１〜３６のＯＮ、ＯＦＦ指令の組み合わせであり、例えば、次のように９つのスイッチングモード「Ｖ０」〜「Ｖ８」を有し、定義される。
【００２１】
「Ｖ０」：全てのスイッチをオフ
「Ｖ１」：３１、３５、３６をオン、他をオフ
「Ｖ２」：３１、３２、３６ 〃
「Ｖ３」：３４、３２、３６ 〃
「Ｖ４」：３４、３２、３３ 〃
「Ｖ５」：３４、３５、３３ 〃
「Ｖ６」：３１、３５、３３ 〃
「Ｖ７」：３１、３２、３３ 〃
「Ｖ８」：３４、３５、３６ 〃
【００２２】
例えば、電圧ベクトル指令として、スイッチングモード「Ｖ０」⇒「Ｖ１」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ２」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ３」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ４」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ５」⇒「Ｖ０」⇒「Ｖ６」のように順番に印加し、そのときに、同期機１の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる電流の大きさを示したのが図２である。
演算手段２ａには、電流検出手段４によって取得される各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが入力され、スイッチングモード「Ｖ１」によって印加される電圧ベクトルの印加終了時をサンプリングタイミングとして、ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの値をｉｕ１、ｉｖ１、ｉｗ１としてサンプルし、記憶する。同様に、引き続いて、各スイッチングモードによる電圧ベクトル印加終了時のサンプリングタイミングでの各相電流値を記憶する。図２の各相電流特性上に示した丸印の値が相当する。
【００２３】
サンプル電流値の名称を、表１のように定義する。
【００２４】
【表１】
【００２５】
電圧ベクトル指令として、各スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」により印加される電圧ベクトルのパルス幅ｔｐは互いに等しく与えられ、各電圧ベクトル間に挿入される全スイッチオフ期間「Ｖ０」の長さに相当するパルス休止幅ｔｎは、電流が０に整定する時間を加味して与えられる。
【００２６】
スイッチングモード「Ｖ１」と「Ｖ４」とによって印加される電圧ベクトルは、同期機１にとっては丁度１８０度反転した方向、Ｕ相に対して正および負の電圧ベクトルの対となり、そのときに発生するｕ相電流ｉｕ１およびｉｕ４は、同期機１のインダクタンスの飽和がなければ、大きさが同じで符号が逆の関係になる。すなわち、次の（１）式により加算電流値Δｉｕを定義すると０になる。
【００２７】
Δｉｕ＝ｉｕ１＋ｉｕ４ ・・・（１）
【００２８】
しかし、飽和状態となると、永久磁石を有する同期機１においては、磁石磁束の影響により電圧印加の正負方向によって磁気飽和の状況が異なることから、ｉｕ１とｉｕ４との大きさが異なってくる。すなわち、加算電流値Δｉｕは０でなく、磁極方向に応じた値を持つことになる。
【００２９】
同様に、ｖ相電流、ｗ相電流について、下式のように、加算電流値Δｉｖ、Δｉｗを定義する。
【００３０】
Δｉｖ＝ｉｖ３＋ｉｖ６ ・・・（２）
Δｉｗ＝ｉｗ５＋ｉｗ２ ・・・（３）
【００３１】
図２のように、電圧ベクトル指令のスイッチングモードとして、「Ｖ１」〜「Ｖ６」の順序で電圧ベクトルを印加した場合における、磁極位置θに対する加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの変化を示した例が図３である。上記で述べたとおり、磁極位置に応じた磁気飽和の状況変化から、加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗが磁極位置θに応じた特性を持つ。
【００３２】
演算手段２ａにおいては、図３の特性変化を利用して、磁極位置の検出を行う。具体的には、表２に示すように、加算電流値Δｉｕ、Δｉｖ、Δｉｗの絶対値のうち、いずれが最大となるか、またその最大を示した信号の符号が正か負か、に注目することで、実際の磁極位置の６０度毎の存在区間ｍを検出することが可能となる。
【００３３】
【表２】
【００３４】
図４は、この発明の実施の形態１による同期機の磁極位置検出装置における演算手段２ａの内部構成を示すブロック図である。
この実施の形態１は、上述した動作原理で磁極位置を検出する場合に、各電圧ベクトルのパルス幅ｔｐを、直流電圧検出手段６によって検出される直流電圧源５の直流電圧値に応じて変化させるようにしたものである。
【００３５】
図４において、パルス幅決定部２２ａは、パルス幅ｔｐ［ｓｅｃ］、パルス休止幅ｔｎ［ｓｅｃ］を、直流電圧検出手段６によって検出された直流電圧検出値Ｖｄｃに応じて決定する。
例えば、下式のように、パルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎを与える。
【００３６】
ｔｐ＝ｔｐｎｏｍｉｎａｌ×Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ／Ｖｄｃ ・・（４）
ｔｎ＝ｔｐ×ｋｎ ・・（５）
【００３７】
ここで、
Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ：基準となる定格直流電圧値
ｔｐｎｏｍｉｎａｌ：基準となる定格パルス幅
ｋｎ：休止幅設定係数
である。
【００３８】
すなわち、パルス幅ｔｐを、実際の直流電圧検出値Ｖｄｃの大きさに反比例させて設定し、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌより小さい場合にはパルス幅ｔｐを大きく、逆に、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値より大きい場合には、パルス幅ｔｐを小さく設定する。また、ｋｎは、パルス休止幅ｔｎのパルス幅ｔｐに対する比であり、同期機１の定数や主回路特性に左右される、電圧パルス印加終了後の電流減衰時間を加味して、概略１〜１．５程度とする。
電圧指令生成手段２１ａは、こうしてパルス幅決定部２２ａから出力されたパルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎに基づいて、スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」および休止モード「Ｖ０」による電圧ベクトルを、各期間幅で出力する。
【００３９】
一方、磁極位置検出手段２３ａでは、上記のとおり期間を設定された各パルス幅の印加終了時をサンプリングタイミングとして、電流検出手段４からの電流検出値をサンプリングし、表１の電流値を記録し、これに基づいて表２の判定を実施して磁極位置判定値を出力する。
【００４０】
なお、以上の説明においては、パルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎを、式（４）、式（５）のように関数化して置いたが、直流電圧検出値の減少（増加）に応じて、パルス幅を増加（減少）させる特性であれば他の関数や、テーブル化された特性を参照使用しても良い。
実際の同期機１の磁気飽和特性は複雑であり、パルス幅ｔｐの長さと、同期機１に流れる電流値のピークとは完全に比例するものではなく、また直流電圧検出値に完全に反比例するものでもない。よって、Ｖｄｃとｔｐとｉｕ、ｉｖ、ｉｗの関係を、事前に電磁界解析や、実機試験によって記録し、これに基づいて製品に実装するｔｐの対Ｖｄｃ関係特性を決定し、関数化やテーブル化してパルス幅決定部２２ａに実装するとなお好適である。
【００４１】
以上の実施の形態１によると、パルス幅ｔｐを、直流電圧検出値Ｖｄｃに応じて決定するため、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値より小さい場合には、パルス幅ｔｐを長くすることで、磁気飽和に十分な相電流を同期機１に発生させることができ、磁極位置検出のＳ／Ｎ比を改善し、磁極位置の検出精度を改善する効果を得ることができる。
また、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格直流電圧値より大きい場合には、パルス幅ｔｐを縮めることで、磁気飽和が過度に広範囲に及び磁極位置検出精度が低下することを防止することができる。また、相電流が流れ過ぎて主回路の保護に至るということも回避され磁極位置検出を安定に実行できるという効果を得ることができる。
【００４２】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２による同期機の磁極位置検出装置の概略構成を示すブロック図である。演算手段２ｂの内容以外については実施の形態１の同期機１、回路手段３、電流検出手段４、直流電圧源５、直流電圧検出手段６と同等であり、その説明を省略する。
【００４３】
演算手段２ｂの内部構成を図６に示す。演算手段２ｂは、電圧指令生成手段２１ｂ、磁極位置検出手段２３ｂ、サンプリングタイミング決定部２４ｂから成る。
電圧指令生成手段２１ｂは、実施の形態１の電圧指令生成手段２１ａと同様に、スイッチングモードとして「Ｖ０」および表１に示した「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」を出力するが、パルス幅ｔｐ、パルス休止幅ｔｎの設定については、直流電圧検出値Ｖｄｃに依らず一定に設定する。
【００４４】
一方で、サンプリングタイミング決定部２４ｂは、スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ２」「Ｖ３」「Ｖ４」「Ｖ５」「Ｖ６」が電圧ベクトル指令として回路手段３に出力され電流検出手段４に電流が流れ始めてからｔｓ秒の時点をサンプリングタイミングとして、磁極位置検出手段２３ｂにサンプリング指令を出力し、磁極位置検出手段２３ｂでは、その時点の電流検出値をサンプルして記憶し、表１のｉｕ１、ｉｖ１、ｉｗ１〜ｉｕ６，ｉｖ６，ｉｗ６を順番に記憶する。
【００４５】
この動作を示したのが図７である。サンプリングタイミング決定部２４ｂにおけるｔｓの決定方法について以下に説明する。
図８は、磁極位置θ＝０［ｄｅｇ］のときに、電圧ベクトル指令として、スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ４」を印加したときのｕ相電流の絶対値の挙動を示す模式図である。それぞれについて直流電圧検出値Ｖｄｃが１３０％の場合と７０％の場合について、横軸をパルス印加時間（パルス幅）として示している。
【００４６】
スイッチングモード「Ｖ１」「Ｖ４」は既に述べたとおり、電圧の位相角としてはｕ相に沿って正反対の向きであり、このときに発生するｕ相電流は、互いに符号が逆になる。そして、磁極による磁気飽和がなければ同じ大きさの電流となるが、実際には、磁極による磁気飽和の影響によって、図８に示すように、「Ｖ１」印加時と「Ｖ４」印加時とでは電流の大きさが異なってくる。これを利用して、磁極位置の検出が可能となる訳であるが、ここで、直流電圧検出値Ｖｄｃが定格値より大きい場合、パルス印加後、電流が大きくなり、より早く磁気飽和の影響が現れる。同期機１が有する磁気飽和特性にも依存するが、一例としては、図８のように、パルス印加時間ｔｓ１３０［ｓｅｃ］のときに、電圧指令「Ｖ１」印加時と「Ｖ４」印加時との差が極大化する。Ｓ／Ｎ比の指標として、分子を（「Ｖ１」印加時の｜ｉｕ｜−「Ｖ４」印加時の｜ｉｕ｜）、分母を「Ｖ１」印加時の｜ｉｕ｜としたときの一例を図９に示す。
この例では、Ｖｄｃ＝１３０％時には、パルス印加時間がｔｓ１３０［ｓｅｃ］の時点で電流をサンプリングし、これをｉｕ１、ｉｕ４とすると、最もＳ／Ｎ比が高く、ひいては磁極検出精度が最良となることが分かる。
【００４７】
一方、直流電圧検出値Ｖｄｃが小さく、例えば、定格値の７０％のときには、これに応じて発生電流が小さくなり、磁気飽和の影響が現れるのにより時間がかかる。図８、図９の例では、ｔｓ１３０より長い時間であるｔｓ７０のタイミングで磁気飽和の影響が顕著になるため、このタイミングでサンプリングした電流検出値をｉｕ１、ｉｕ４として磁極位置検出手段２３ｂに記録すれば、検出Ｓ／Ｎ比が最良となる。よって、予め、事前に電磁界解析や、実機試験によって、直流電圧検出値Ｖｄｃの各値毎に、Ｓ／Ｎ比が最良となるサンプリングタイミングｔｓを取得しておき、これを、直流電圧検出値とサンプリングタイミングとの関係特性としてサンプリングタイミング決定部２４ｂに実装しておき、実際の運転時には、直流電圧検出値Ｖｄｃに応じてサンプリングタイミングｔｓを決定して磁極位置検出手段２３ｂにて電流をサンプリングすれば、電圧指令生成手段２１ｂが出力する電圧指令のパルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎが固定であっても、磁極位置検出の精度を最良に維持した動作となる。
【００４８】
以上の実施の形態２によると、電流検出値のサンプリングタイミングｔｓを直流電圧検出値Ｖｄｃの変化に応じ、磁極による磁気飽和の影響が必要十分に現れたタイミングでＳ／Ｎ比の良い電流検出値のサンプリングが可能となるため、磁極位置検出のＳ／Ｎ比を高いレベルに保ち、磁極位置の検出精度を改善する効果を得ることができる。
また、直流電圧検出値Ｖｄｃに依らずパルス幅ｔｐとパルス休止幅ｔｓは固定とするため、磁極位置検出に必要な全体の時間は直流電圧検出値Ｖｄｃに依らず一定となるため、磁極位置検出結果を用いる後段の演算処理や、並行して動作させる演算処理との連携動作の設計がし易いという効果も得られる。
なお、図８および図９によって説明した、Ｓ／Ｎ比が最適となるサンプリングタイミングｔｓの決定方法については、実施の形態１にも適用可能である。すなわち、実施の形態１ではパルス幅ｔｐの印加終了時がサンプリングタイミングであるため、図８、図９にて説明したＳ／Ｎ比が最適となるタイミング時間を、予め、事前に電磁界解析や、実機試験によって、直流電圧検出値Ｖｄｃの各値毎に、Ｓ／Ｎ比が最良となるパルス幅ｔｐを取得しておけば、磁極位置の検出精度をより改善する効果を得ることができる。
【００４９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 同期機、２ａ，２ｂ 演算手段、３ 回路手段、４ 電流検出手段、
５ 直流電圧源、６ 直流電圧検出手段、３１〜３６ スイッチ、
２１ａ，２１ｂ 電圧指令生成手段、２２ａ パルス幅決定部、
２３ａ，２３ｂ 磁極位置検出手段、２４ｂ サンプリングタイミング決定部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、直流電圧検出値に応じて前記パルス幅を変化させるようにするとともに、前記サンプリングタイミングが前記直流電圧検出値に拘わらず前記各電圧ベクトルの前記パルス幅終端時点に固定するよう前記パルス幅および前記サンプリングタイミングを制御し、
前記パルス幅をｔｐ、時間的に隣り合う前記電圧ベクトルの間隔幅から前記パルス幅ｔｐを差し引いたパルス休止幅をｔｎ、前記直流電圧検出値をＶｄｃ、基準となる定格直流電圧値をＶｄｃｎｏｍｉｎａｌ、基準となる定格パルス幅をｔｐｎｏｍｉｎａｌとしたとき、
前記演算手段は、下式に基づき、前記パルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎを制御するようにした同期機の磁極位置検出装置。
ｔｐ＝ｔｐｎｏｍｉｎａｌ×Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ／Ｖｄｃ
ｔｎ＝ｔｐ×ｋｎ
但し、ｋｎは定数。
【請求項２】
直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、直流電圧検出値に応じて前記パルス幅を変化させるようにするとともに、前記サンプリングタイミングが前記直流電圧検出値に拘わらず前記各電圧ベクトルの前記パルス幅終端時点に固定するよう前記パルス幅および前記サンプリングタイミングを制御し、
前記直流電圧源の直流電圧と所望の磁極位置検出精度が得られる前記パルス幅との関係特性を予め実験または解析により求めておき、
前記演算手段は、前記直流電圧検出値に応じて前記関係特性から前記パルス幅を求めるようにした同期機の磁極位置検出装置。
【請求項３】
直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、前記パルス幅は直流電圧検出値に拘わらず一定値に制御するとともに、前記直流電圧源の直流電圧と前記パルス幅内で所望の磁極位置検出精度が得られる前記サンプリングタイミングとの関係特性を予め実験または解析により求めておき、前記直流電圧検出値に応じて前記関係特性から前記サンプリングタイミングを求めるようにした同期機の磁極位置検出装置。
【請求項４】
前記直流電圧源の直流電圧と前記パルス幅との関係特性は、既知の磁極位置に相当する電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ１、当該電圧ベクトルと位相が互いに１８０度異なる電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ２としたとき、下式に基づくＳ／Ｎ比が最大となるタイミングを前記直流電圧源の直流電圧に応じて予め実験または解析により求めた結果から作成するようにした請求項２記載の同期機の磁極位置検出装置。
Ｓ／Ｎ比＝（｜ｉ１｜−｜ｉ２｜）／｜ｉ１｜
【請求項５】
前記直流電圧源の直流電圧と前記サンプリングタイミングとの関係特性は、既知の磁極位置に相当する電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ１、当該電圧ベクトルと位相が互いに１８０度異なる電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ２としたとき、下式に基づくＳ／Ｎ比が最大となる前記パルス幅内でのタイミングを前記直流電圧源の直流電圧に応じて予め実験または解析により求めた結果から作成するようにした請求項３記載の同期機の磁極位置検出装置。
Ｓ／Ｎ比＝（｜ｉ１｜−｜ｉ２｜）／｜ｉ１｜
【請求項６】
前記軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧は直流電圧であり、
前記直流電圧源は、前記架線に給電された直流電圧を入力とし、車両側の集電装置およびフィルタ回路を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
前記直流電圧検出手段は、前記フィルタ回路を介して前記回路手段に出力される前記直流電圧を検出する請求項1から請求項５のいずれか１項に記載の同期機の磁極位置検出装置。
【請求項１】
直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、直流電圧検出値に応じて前記パルス幅を変化させるようにするとともに、前記サンプリングタイミングが前記直流電圧検出値に拘わらず前記各電圧ベクトルの前記パルス幅終端時点に固定するよう前記パルス幅および前記サンプリングタイミングを制御し、
前記パルス幅をｔｐ、時間的に隣り合う前記電圧ベクトルの間隔幅から前記パルス幅ｔｐを差し引いたパルス休止幅をｔｎ、前記直流電圧検出値をＶｄｃ、基準となる定格直流電圧値をＶｄｃｎｏｍｉｎａｌ、基準となる定格パルス幅をｔｐｎｏｍｉｎａｌとしたとき、
前記演算手段は、下式に基づき、前記パルス幅ｔｐおよびパルス休止幅ｔｎを制御するようにした同期機の磁極位置検出装置。
ｔｐ＝ｔｐｎｏｍｉｎａｌ×Ｖｄｃｎｏｍｉｎａｌ／Ｖｄｃ
ｔｎ＝ｔｐ×ｋｎ
但し、ｋｎは定数。
【請求項２】
直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、直流電圧検出値に応じて前記パルス幅を変化させるようにするとともに、前記サンプリングタイミングが前記直流電圧検出値に拘わらず前記各電圧ベクトルの前記パルス幅終端時点に固定するよう前記パルス幅および前記サンプリングタイミングを制御し、
前記直流電圧源の直流電圧と所望の磁極位置検出精度が得られる前記パルス幅との関係特性を予め実験または解析により求めておき、
前記演算手段は、前記直流電圧検出値に応じて前記関係特性から前記パルス幅を求めるようにした同期機の磁極位置検出装置。
【請求項３】
直流電圧源の直流電圧を電圧ベクトル指令に基づく電圧ベクトルに変換してｎ（ｎは３以上の自然数）相の巻線を有する同期機に印加する回路手段と、前記同期機の各相巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、所定のパルス幅を有する複数個の電圧ベクトルを演算して前記回路手段に出力するとともに前記電流検出手段からの電流検出値を前記電圧ベクトル指令に基づく所定のサンプリングタイミングで取り込む演算手段とを備え、
更に、前記演算手段は、前記電圧ベクトル指令に基づく各電圧ベクトルを前記同期機に印加したときに得られる複数の電流値に基づき前記同期機の停止時における磁極位置を検出するようにした同期機の磁極位置検出装置において、
前記直流電圧源は、軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧を入力とし、車両側の集電装置を介して得られる直流電圧を前記回路手段に出力し、
前記直流電圧源が出力する前記直流電圧を検出する直流電圧検出手段を備え、
前記演算手段は、前記パルス幅は直流電圧検出値に拘わらず一定値に制御するとともに、前記直流電圧源の直流電圧と前記パルス幅内で所望の磁極位置検出精度が得られる前記サンプリングタイミングとの関係特性を予め実験または解析により求めておき、前記直流電圧検出値に応じて前記関係特性から前記サンプリングタイミングを求めるようにした同期機の磁極位置検出装置。
【請求項４】
前記直流電圧源の直流電圧と前記パルス幅との関係特性は、既知の磁極位置に相当する電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ１、当該電圧ベクトルと位相が互いに１８０度異なる電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ２としたとき、下式に基づくＳ／Ｎ比が最大となるタイミングを前記直流電圧源の直流電圧に応じて予め実験または解析により求めた結果から作成するようにした請求項２記載の同期機の磁極位置検出装置。
Ｓ／Ｎ比＝（｜ｉ１｜−｜ｉ２｜）／｜ｉ１｜
【請求項５】
前記直流電圧源の直流電圧と前記サンプリングタイミングとの関係特性は、既知の磁極位置に相当する電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ１、当該電圧ベクトルと位相が互いに１８０度異なる電圧ベクトル印加時の電流検出値をｉ２としたとき、下式に基づくＳ／Ｎ比が最大となる前記パルス幅内でのタイミングを前記直流電圧源の直流電圧に応じて予め実験または解析により求めた結果から作成するようにした請求項３記載の同期機の磁極位置検出装置。
Ｓ／Ｎ比＝（｜ｉ１｜−｜ｉ２｜）／｜ｉ１｜
【請求項６】
前記軌道の近傍に設置された架線に給電された電圧は直流電圧であり、
前記直流電圧源は、前記架線に給電された直流電圧を入力とし、車両側の集電装置およびフィルタ回路を介して得られる直流電圧を回路手段に出力し、
前記直流電圧検出手段は、前記フィルタ回路を介して前記回路手段に出力される前記直流電圧を検出する請求項1から請求項５のいずれか１項に記載の同期機の磁極位置検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−６６３８３（Ｐ２０１３−６６３８３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−５９３７（Ｐ２０１３−５９３７）
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２０１２−５２１３５６（Ｐ２０１２−５２１３５６）の分割
【原出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【分割の表示】特願２０１２−５２１３５６（Ｐ２０１２−５２１３５６）の分割
【原出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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