JP2023077086A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の拡張誘起電圧の位相により推定される回転子の位置に基づいて電動機の動作を制御する制御装置において、電動機の駆動開始時に電動機に過電流が流れることを抑制する。
【解決手段】ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊にｄ軸電流指令値Ｉｄ＊より高い周波数の重畳電流Ｉ_ｈを重畳させるとともに、電動機Ｍの拡張誘起電圧ｅの位相により電動機Ｍの回転子の位置θ＾を推定し、推定した位置θ＾に基づいて、電動機Ｍの動作を制御する制御装置１において、電動機Ｍの駆動開始時、位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過するまでの重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを、位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過した後の重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈより減衰させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機の動作を制御する制御装置に関する。

電動機の制御装置として、電流指令値に重畳電流を重畳することで励起される拡張誘起電圧の位相により電動機の回転子の位置を推定し、その推定した位置に基づいて電動機の動作を制御するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

ところで、電動機のｄ軸インダクタンスをＬｄ、電動機のｑ軸インダクタンスをＬｑ、重畳電流の角周波数をω_ｈ、重畳電流の振幅をｉ_ｈとする場合、拡張誘起電圧の振幅ｉ_ｅは、下記式１により示される。

そのため、回転子の位置の推定精度を向上させる場合、上記式１において、重畳電流の振幅ｉ_ｈを増加させることにより拡張誘起電圧の振幅ｉ_ｅを増加させて拡張誘起電圧に対するＮ／Ｓ（Noise/Signal）比を上昇させることが考えられるが、重畳電流の振幅ｉ_ｈを増加させる場合、電動機の駆動開始時では、推定位置と実際の回転子の位置との差が比較的大きく電動機に流れる電流が電流指令値に追従していないため、電動機に流れる電流が電流指令値より大きくなった際に電動機に流れる電流が過電流になるおそれがある。

また、表面磁石型モータ（Surface Permanent Magnetic Motor）など突極比（Ｌｑ／Ｌｄ）が小さい電動機では、突極比が大きい電動機に比べて、上記式１の（Ｌｑ－Ｌｄ）の値が小さくなるため、重畳電流の振幅ｉ_ｈをさらに増加させる必要があり、電動機の駆動開始時に電動機に流れる電流が過電流になる可能性が高くなる。

特開２０２１－１０８５２７号公報

本発明の一側面に係る目的は、電動機の拡張誘起電圧の位相により推定される回転子の位置に基づいて電動機の動作を制御する制御装置において、電動機の駆動開始時に電動機に過電流が流れることを抑制することである。

本発明に係る一つの形態である電動機の制御装置は、搬送波の電圧値と電圧指令値との比較結果により電動機を駆動させるインバータ回路と、前記電動機の拡張誘起電圧の位相により前記電動機の回転子の位置を推定する推定部と、前記位置を用いて前記電動機に流れる電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換部と、前記回転子の回転数と回転数指令値との回転数差によりｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力する電流指令値出力部と、前記ｄ軸電流指令値に前記ｄ軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる、または、前記ｑ軸電流指令値に前記ｑ軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる重畳部と、前記ｄ軸電流と前記重畳部から出力されるｄ軸電流指令値とのｄ軸電流差が小さくなるようにｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電流指令値との差が小さくなるようにｑ軸電圧指令値を算出する、または、前記ｄ軸電流と前記ｄ軸電流指令値との差が小さくなるようにｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流と前記重畳部から出力されるｑ軸電流指令値とのｑ軸電流差が小さくなるようにｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、前記位置を用いて前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を前記電圧指令値に変換する電圧指令値変換部とを備える。

前記重畳部は、前記電動機の駆動開始時、前記位置の推定が開始されてから所定時間が経過するまでの前記重畳電流の振幅を、前記位置の推定が開始されてから前記所定時間が経過した後の前記重畳電流の振幅より減衰させる。

これにより、電動機の駆動開始時、拡張誘起電圧の振幅を抑制することができるため、電動機に過電流が流れることを抑制することができる。

また、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記ｄ軸電流が前記重畳部から出力されるｄ軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間とする。

または、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記ｄ軸電流差が第１閾値以下である状態が第１一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間とする。

または、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記ｑ軸電流が前記重畳部から出力されるｑ軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間とする。

または、前記所定時間は、前記位置の推定が開始されてから前記ｑ軸電流差が第２閾値以下である状態が第２一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間とする。

また、前記重畳電流の減衰割合をζとし、前記電動機のｄ軸インダクタンスをＬｄとし、前記電動機のｑ軸インダクタンスをＬｑとし、前記拡張誘起電圧の下限値をｅ_ｍｉｎとし、前記重畳電流の角周波数をω_ｈとし、前記重畳電流の減衰前の振幅をｉ_ｈ０とする場合、前記重畳電流の減衰割合は下記式２に示す範囲の値とする。

また、前記電動機は、表面磁石型モータとする。

本発明によれば、電動機の拡張誘起電圧の位相により推定される回転子の位置に基づいて電動機の動作を制御する制御装置において、電動機の駆動開始時に電動機に過電流が流れることを抑制することができる。

第１実施形態における電動機の制御装置の一例を示す図である。 第１実施形態における拡張誘起電圧の推定方法を説明するための図である。 重畳部の動作の一例を示すフローチャートである。 ｄ軸電流指令値、ｄ軸電流、及び位置誤差の一例を示す図である。 第２実施形態における電動機の制御装置の一例を示す図である。 第２実施形態における拡張誘起電圧の推定方法を説明するための図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態における電動機の制御装置の一例を示す図である。

図１に示す制御装置１は、例えば、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車などの車両に搭載される電動機Ｍの動作を制御するものであって、インバータ回路２と、制御回路３とを備える。なお、電動機Ｍは、例えば、埋込磁石型モータ（Interior Permanent Magnet Motor）または表面磁石型モータなどとする。

インバータ回路２は、電源Ｐから供給される電力により電動機Ｍを駆動させるものであって、コンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））と、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２とを備える。すなわち、コンデンサＣの一方端子が電源Ｐの正極端子及びスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５の各コレクタ端子に接続され、コンデンサＣの他方端子が電源Ｐの負極端子及びスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６の各エミッタ端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｅ１を介して電動機ＭのＵ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ４のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｅ２を介して電動機ＭのＶ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子との接続点は電動機ＭのＷ相の入力端子に接続されている。

コンデンサＣは、電源Ｐから出力されインバータ回路２へ入力される電圧を平滑する。

スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ１に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ２に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ３は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ３に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ４は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ４に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ５は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ５に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ６は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ６に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６がそれぞれオンまたはオフすることで、電源Ｐから出力される直流電圧が、互いに位相が１２０度ずつ異なる３つの交流電圧に変換され、それら交流電圧が電動機ＭのＵ相、Ｖ相、及びＷ相の入力端子に印加され電動機Ｍの回転子が回転する。

電流センサＳｅ１は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＵ相に流れるＵ相電流Ｉｕを検出して制御回路３に出力する。また、電流センサＳｅ２は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＶ相に流れるＶ相電流Ｉｖを検出して制御回路３に出力する。

制御回路３は、記憶部４と、ドライブ回路５と、演算部６とを備える。

記憶部４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、後述する閾値ωｔｈや所定時間Ｔなどを記憶する。

ドライブ回路５は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成され、搬送波（三角波、ノコギリ波、または逆ノコギリ波など）の電圧値と、演算部６から出力されるＵ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊とを比較し、その比較結果に応じた駆動信号Ｓ１～Ｓ６をスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれのゲート端子に出力する。

例えば、ドライブ回路５は、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の電圧値以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ１を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ２を出力し、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波の電圧値より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ１を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ２を出力する。また、ドライブ回路５は、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の電圧値以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ３を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ４を出力し、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波の電圧値より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ３を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ４を出力する。また、ドライブ回路５は、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の電圧値以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ５を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ６を出力し、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波の電圧値より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ５を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ６を出力する。

演算部６は、マイクロコンピュータなどにより構成され、電流変換部７と、推定部８と、減算部９と、トルク指令値算出部１０と、電流指令値出力部１１と、重畳部１２と、減算部１３と、減算部１４と、電圧指令値算出部１５と、電圧指令値変換部１６とを備える。例えば、マイクロコンピュータが記憶部４に記憶されているプログラムを実行することにより、電流変換部７、推定部８、減算部９、トルク指令値算出部１０、電流指令値出力部１１、重畳部１２、減算部１３、減算部１４、電圧指令値算出部１５、及び電圧指令値変換部１６が構成される。

電流変換部７は、電流センサＳｅ１により検出されるＵ相電流Ｉｕ及び電流センサＳｅ２により検出されるＶ相電流Ｉｖを用いて、電動機ＭのＷ相に流れるＷ相電流Ｉｗを求める。

また、電流変換部７は、推定部８により推定される位置θ＾を用いて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ（電動機Ｍに弱め界磁を発生させるための電流成分）及びｑ軸電流Ｉｑ（電動機Ｍにトルクを発生させるための電流成分）に変換する。

例えば、電流変換部７は、下記式３に示す変換行列Ｃ１を用いて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。

なお、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２により検出される電流は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖの組み合わせに限定されず、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの組み合わせ、または、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗの組み合わせでもよい。電流センサＳｅ１、Ｓｅ２によりＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗが検出される場合、電流変換部７は、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗを用いて、Ｕ相電流Ｉｕを求める。また、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２によりＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗが検出される場合、電流変換部７は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗを用いて、Ｖ相電流Ｉｖを求める。

また、インバータ回路２において、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２の他に、電動機ＭのＷ相に流れるＷ相電流Ｉｗを検出する電流センサＳｅ３をさらに備える場合、電流変換部７は、推定部８により推定される位置θ＾を用いて、電流センサＳｅ１～Ｓｅ３により検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換するように構成してもよい。

推定部８は、電動機Ｍのｑ軸インダクタンスＬｑをパラメータとして含む電動機ＭのモデルＭ_Ｌｑと、電流変換部７から出力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、電圧指令値算出部１５から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とを用いて、電動機Ｍの拡張誘起電圧ｅを推定する。

また、推定部８は、拡張誘起電圧ｅを用いて、電動機Ｍの回転子の位置θ＾を推定する。

図２は、電動機ＭのモデルＭ_Ｌｑを用いた拡張誘起電圧ｅの推定方法を説明するための図である。なお、モデルＭ_Ｌｑは、下記式４により示され、任意の値に調整可能なパラメータとしてｑ軸インダクタンスＬｑを含む。Ｒを電動機Ｍの抵抗成分とし、ｐを微分演算子とし、ωを回転子の角周波数（例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部８により推定される回転数θ＾とする）とし、Ｉを下記式５により示される単位行列とし、Ｊを下記式６により示される単位行列とする。
｛（Ｒ＋ｐＬｑ）Ｉ－ωＬｑＪ｝ ・・・式４

まず、推定部８は、電圧ｖ_α、ｖ_βと、モデルＭ_Ｌｑから出力される電圧との差に相当する拡張誘起電圧ｅ_α、ｅ_βを求める。なお、拡張誘起電圧ｅ_α、ｅ_βは、下記式７により示される。また、電圧ｖ_α、ｖ_βが電動機Ｍに入力され、電動機Ｍから出力される電流ｉ_α、ｉ_βがモデルＭ_Ｌｑに入力されるものとする。また、電圧ｖ_αは、電圧指令値算出部１５から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を、電動機ＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相のうちのＵ相に対応する固定座標系のα軸に変換した電圧とする。また、電圧ｖ_βは、電圧指令値算出部１５から出力されるｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、α軸を基準に９０度進んだ固定座標系のβ軸に変換した電圧とする。また、電流ｉ_αは、電流変換部７から出力されるｄ軸電流ｉｄを、α軸に変換した電流とする。また、電流ｉ_βは、電流変換部７から出力されるｑ軸電流Ｉｑをβ軸に変換した電流とする。

次に、推定部８は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合、拡張誘起電圧ｅ_α、ｅ_βに対して停止低速域の信号処理（同期検波処理やフィルタリング処理など）を行うことで、拡張誘起電圧ｅ_αｈ、ｅ_βｈを推定する。また、推定部８は、回転数ω＾が閾値ωｔｈより大きい場合、拡張誘起電圧ｅ_α、ｅ_βに対して中高速域の信号処理（フィルタリング処理など）を行うことで、拡張誘起電圧ｅ_αω、ｅ_βωを推定する。なお、閾値ωｔｈと比較される回転数ω＾は、例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部８により推定される回転数ω＾とする。

そして、推定部８は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合、下記式８を計算することにより、位置θ＾を推定し、回転数ω＾が閾値ωｔｈより大きい場合、下記式９を計算することにより、位置θ＾を推定する。

また、推定部８は、位置θ＾を一定時間（演算部６のクロック周期など）で除算することにより回転数ω＾を推定する。

また、図１に示す減算部９は、外部から入力される回転数指令値ω＊と推定部８により推定される回転数ω＾との回転数差Δωを算出する。

トルク指令値算出部１０は、減算部９から出力される回転数差Δωを用いて、トルク指令値Ｔ＊を算出する。例えば、トルク指令値算出部１０は、記憶部４に記憶されている、電動機Ｍの回転子の回転数（角周波数）と電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報（不図示）を参照して、回転数差Δωに相当する回転数に対応するトルクを、トルク指令値Ｔ＊として求める。

電流指令値出力部１１は、トルク指令値Ｔ＊を用いて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。例えば、電流指令値出力部１１は、記憶部４に記憶されている、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報（不図示）を参照して、トルク指令値Ｔ＊に対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。

重畳部１２は、電流指令値出力部１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊より周波数が高い重畳電流Ｉ_ｈをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に重畳（乗算）させてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´として出力する。

また、重畳部１２は、電動機Ｍの駆動開始時、位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過するまでの重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを、位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過した後の重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈより減衰させる。

なお、電動機Ｍの駆動開始時とは、少なくとも回転子の位置θ＾及び極性の推定にかかる時間を含み、さらに回転子の極性反転にかかる時間を含んでもよい。

また、所定時間Ｔとは、実験やシミュレーションなどにより予め求められるものであって、推定部８により位置θ＾の推定が開始されてから位置θ＾が実際の回転子の位置に収束（追従）するまでの時間、及び、推定部８により位置θ＾の推定が開始されてから後述する差ΔＩｄ（ｄ軸電流差）が閾値ΔＩｄｔｈ（第１閾値）以下である状態が一定時間Ｔｃ（第１一定時間）以上継続するまでの時間のうちの長い方の時間とする。閾値ΔＩｄｔｈは、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に追従しているときの差ΔＩｄとする。また、一定時間Ｔｃは、ｄ軸電流Ｉｄに含まれるノイズを考慮して任意に決められる時間とする。

また、重畳電流Ｉ_ｈの減衰割合ζは、例えば、下記式２に示す範囲の値とすることで、減衰割合ζを小さくし過ぎることによりｄ軸電流Ｉｄが過電流になるリスクを低減することができる。なお、電動機Ｍのｄ軸インダクタンスをＬｄとし、電動機Ｍのｑ軸インダクタンスをＬｑとし、位置θ＾の推定に必要なＳ／Ｎ比を確保するための拡張誘起電圧ｅの下限値をｅ_ｍｉｎとし、重畳電流Ｉ_ｈの角周波数をω_ｈとし、重畳電流Ｉ_ｈの減衰前の振幅（位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過した後の重畳電流Ｉ_ｈの振幅）をｉ_ｈ０とする。

ここで、図３は、重畳部１２の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、重畳部１２は、電動機Ｍの駆動が開始されたと判断し（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、かつ、推定部８により位置θ＾の推定が開始されたと判断すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、推定部８により位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過するまでの間、減衰割合ζで振幅ｉ_ｈを減衰させた重畳電流Ｉ_ｈをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に重畳させることを継続する（ステップＳ４：Ｎｏ、ステップＳ３）。例えば、重畳部１２は、車両側に設けられる不図示の制御部から送信される電動機Ｍの駆動開始指示を制御回路３が受信すると、電動機Ｍの駆動が開始されたと判断する。また、例えば、重畳部１２は、位置θ＾の推定が開始されたか否かを示すフラグがオンになると、推定部８により位置θ＾の推定が開始されたと判断する。このように構成する場合、推定部８は、位置θ＾の推定を開始するとフラグをオフからオンに切り替える。

次に、重畳部１２は、推定部８により位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔが経過すると（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、電動機Ｍの駆動が終了するまでの間、振幅ｉ_ｈを減衰させていない重畳電流Ｉ_ｈをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に重畳させることを継続する（ステップＳ６：Ｎｏ、ステップＳ５）。

そして、重畳部１２は、電動機Ｍの駆動が終了したと判断すると（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、重畳電流Ｉ_ｈの重畳処理を終了する。例えば、重畳部１２は、車両側に設けられる不図示の制御部から送信される電動機Ｍの駆動終了指示を制御回路３が受信すると、電動機Ｍの駆動が終了したと判断する。

また、図１に示す減算部１３は、重畳部１２から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´と、電流変換部７から出力されるｄ軸電流Ｉｄとの差ΔＩｄ（ｄ軸電流差）を算出する。

減算部１４は、電流指令値出力部１１から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、電流変換部７から出力されるｑ軸電流Ｉｑとの差ΔＩｑを算出する。

電圧指令値算出部１５は、減算部１３から出力される差ΔＩｄ及び減算部１４から出力される差ΔＩｑを用いたＰＩ制御により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。例えば、電圧指令値算出部１５は、下記式１０を計算することによりｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を求めるとともに、下記式１１を計算することによりｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を求める。なお、ＫｐはＰＩ制御の比例項の定数とし、ＫｉはＰＩ制御の積分項の定数とし、Ｌｑは電動機Ｍのｑ軸インダクタンスとし、Ｌｄは電動機Ｍのｄ軸インダクタンスとし、ω＾は推定部８により推定される回転数とし、Ｋｅは誘起電圧定数とする。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｄ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｄ）－ω＾ＬｑＩｑ・・・式１０

ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｑ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｑ）＋ω＾ＬｄＩｄ＋ω＾Ｋｅ・・・式１１

すなわち、電圧指令値算出部１５は、ｄ軸電流Ｉｄとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´との差ΔＩｄが小さくなるようにｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともにｑ軸電流Ｉｑとｑ軸電流指令値Ｉｑ＊との差ΔＩｑが小さくなるようにｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。

電圧指令値変換部１６は、推定部８により推定される位置θ＾を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。例えば、電圧指令値変換部１６は、下記式１２に示す変換行列Ｃ２を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｖ＊、Ｗ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。

ところで、回転子の位置θ＾の推定精度を向上させる場合、上述したように、上記式１において、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを増加させることにより拡張誘起電圧ｅの振幅ｉ_ｅを増加させて拡張誘起電圧ｅに対するＮ／Ｓ比を上昇させることが考えられるが、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを増加させる場合、電動機Ｍの駆動開始時では、位置θ＾と実際の回転子の位置との差（以下、位置誤差という）が比較的大きくｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に追従していないため、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊より大きくなった際にｄ軸電流Ｉｄが過電流になるおそれがある。

そこで、第１実施形態の電動機Ｍの制御装置１では、電動機Ｍの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に追従していないとき、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´が比較的小さい値になるように、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを減衰させている。

図４（ａ）は、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを減衰させない場合におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｄ軸電流Ｉｄ、及び位置誤差の一例を示す図である。また、図４（ｂ）は、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを減衰させている場合におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｄ軸電流Ｉｄ、及び位置誤差の一例を示す図である。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す二次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電流または位置誤差を示している。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す実線はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´を示し、破線はｄ軸電流Ｉｄを示し、一点鎖線は位置誤差を示している。また、図４（ａ）の時刻ｔ０において位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔ経過後の時刻ｔ１までの期間、及び、時刻ｔ１以降の期間、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈは減衰されていないものとする。また、図４（ｂ）の時刻ｔ０において電動機Ｍの駆動が開始されてから所定時間Ｔ経過後の時刻ｔ１までの期間、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈは減衰されているものとし、図４（ｂ）の時刻ｔ１以降の期間、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈは減衰されていないものとする。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ０において位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔ経過後の時刻ｔ１までの期間、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを減衰させていない場合では、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´に追従しておらず、一時的にｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´より大きくなっている。

一方、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ０において位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔ経過後の時刻ｔ１までの期間、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを減衰させている場合では、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´に追従していないが、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´が比較的小さいため、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´より小さくなっている。

このように、第１実施形態の電動機Ｍの制御装置１によれば、電動機Ｍの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´に追従していないとき、重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを減衰させている。これにより、電動機Ｍの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´に追従していないとき、ｄ軸電流Ｉｄの振幅を抑えることができるため、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´より大きくなることを抑えることができ、ｄ軸電流Ｉｄが過電流になることを抑制することができる。

また、第１実施形態の電動機Ｍの制御装置１では、上記式１において、重畳電流Ｉ_ｈの角周波数ω_ｈを大きくする必要がないため、角周波数ω_ｈが大きくなることにより電動機Ｍで発生する振動や騒音を増大させないようにすることができる。

＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態の電動機の制御装置の一例を示す図である。なお、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図５に示す制御装置１´において、図１に示す制御装置１と異なる点は、推定部８の替わりに推定部８´を備えている点と、重畳部１２の替わりに重畳部１２´を備えている点である。

第２実施形態の重畳部１２´は、電流指令値出力部１１から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊より高い周波数の重畳電流Ｉ_ｈ´をｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳（乗算）させてｑ軸電流指令値Ｉｑ＊´として出力する。なお、重畳電流Ｉ_ｈ´の角周波数ω_ｈや振幅ｉ_ｈは、重畳電流Ｉ_ｈの角周波数ω_ｈや振幅ｉ_ｈと同じでもよいし、異なっていてもよい。

また、第２実施形態の重畳部１２´は、電動機Ｍの駆動開始時、位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔ´が経過するまでの重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを、位置θ＾の推定が開始されてから所定時間Ｔ´が経過した後の重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈより減衰させる。なお、所定時間Ｔ´とは、実験やシミュレーションなどにより予め求められるものであって、推定部８´により位置θ＾の推定が開始されてから位置θ＾が実際の回転子の位置に収束（追従）するまでの時間、及び、推定部８´により位置θ＾の推定が開始されてから後述する差ΔＩｑ（ｑ軸電流差）が閾値ΔＩｑｔｈ（第２閾値）以下である状態が一定時間Ｔｃ´（第２一定時間）以上継続するまでの時間のうちの長い方の時間とする。閾値ΔＩｑｔｈは、ｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に追従しているときの差ΔＩｑとする。また、一定時間Ｔｃ´は、ｑ軸電流Ｉｑに含まれるノイズを考慮して任意に決められる時間とする。また、重畳電流Ｉ_ｈの減衰割合ζは、例えば、上記式２に示す範囲の値とする。

また、第２実施形態の推定部８´は、電動機Ｍのｄ軸インダクタンスＬｄ及び電動機Ｍのｑ軸インダクタンスＬｑをパラメータとして含む電動機ＭのモデルＭ_ＬｄＬｑと、電流変換部７から出力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑと、電圧指令値算出部１５から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊とを用いて、電動機Ｍの拡張誘起電圧ｅ´を推定する。

また、第２実施形態の推定部８´は、拡張誘起電圧ｅ´を用いて、電動機Ｍの回転子の位置θ＾を推定する。

また、第２実施形態の推定部８´は、位置θ＾を一定時間（演算部６のクロック周期など）で除算することにより回転数ω＾を推定する。

また、第２実施形態の減算部１４は、重畳部１２´から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊´と、電流変換部７から出力されるｑ軸電流Ｉｑとの差ΔＩｑ（ｑ軸電流差）を算出する。

また、第２実施形態の電圧指令値算出部１５は、ｄ軸電流Ｉｄとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊との差ΔＩｄが小さくなるようにｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともにｑ軸電流Ｉｑとｑ軸電流指令値Ｉｑ＊´との差ΔＩｑが小さくなるようにｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。

＜第２実施形態における拡張誘起電圧ｅ´の推定方法＞
図６は、電動機ＭのモデルＭ_ＬｄＬｑを用いた拡張誘起電圧ｅ´の推定方法を説明するための図である。なお、モデルＭ_ＬｄＬｑは、下記式１３により示されるものとし、任意の値に調整可能なパラメータとしてｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑを含む。ｄ軸インダクタンスＬｄは、実験やシミュレーションなどにより予め推定される値とする。Ｒを電動機Ｍの抵抗成分とし、ｐを微分演算子とし、ωを回転子の角周波数（例えば、前回の制御タイミングにおいて推定部８´により推定される回転数θ＾とする）とし、Ｉを上記式５により示される単位行列とし、Ｊを上記式６により示される単位行列とする。

｛（Ｒ＋ｐＬｄ）Ｉ－ω（Ｌｄ－Ｌｑ）Ｊ｝ ・・・式１３

まず、推定部８´は、電圧ｖ_α、ｖ_βと、モデルＭ_ＬｄＬｑから出力される電圧との差に相当する拡張誘起電圧ｅ_α´、ｅ_β´を求める。なお、拡張誘起電圧ｅ_α´、ｅ_β´は、下記式１４により示される。なお、電圧ｖ_α、ｖ_βが電動機Ｍに入力され、電動機Ｍから出力される電流ｉ_α、ｉ_βがモデルＭ_ＬｄＬｑに入力されるものとする。

次に、推定部８´は、回転数ωが閾値ωｔｈ以下である場合、拡張誘起電圧ｅ_α´、ｅ_β´に対して停止低速域の信号処理（同期検波処理やフィルタリング処理など）を行うことで、拡張誘起電圧ｅ_αｈ´、ｅ_βｈ´を推定する。また、推定部８´は、回転数ω＾が閾値ωｔｈより大きい場合、拡張誘起電圧ｅ_α´、ｅ_β´に対して中高速域の信号処理（フィルタリング処理など）を行うことで、拡張誘起電圧ｅ_αω´、ｅ_βω´を推定する。

そして、推定部８´は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合、下記式１５を計算することにより、位置θ＾を推定し、回転数ω＾が閾値ωｔｈより大きい場合、下記式１６を計算することにより、位置θ＾を推定する。

第２実施形態の電動機Ｍの制御装置１´によれば、電動機Ｍの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に追従していないとき、重畳電流Ｉ_ｈ´の振幅ｉ_ｈを減衰させている。これにより、電動機Ｍの駆動開始時、位置誤差が比較的大きくｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令値Ｉｑ＊´に追従していないとき、ｑ軸電流Ｉｑの振幅を抑えることができるため、ｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令値Ｉｑ＊´より大きくなることを抑えることができ、ｑ軸電流Ｉｑが過電流になることを抑制することができる。

また、第２実施形態の電動機Ｍの制御装置１´では、上記式１において、重畳電流Ｉ_ｈの角周波数ω_ｈを大きくする必要がないため、角周波数ω_ｈが大きくなることにより電動機Ｍで発生する振動や騒音を増大させないようにすることができる。

また、第１実施形態の電動機Ｍの制御装置１または第２実施形態の電動機Ｍの制御装置１´は、突極比が比較的小さく重畳電流Ｉ_ｈの振幅ｉ_ｈを比較的大きくさせる必要がある表面磁石型モータに対して、特に好適である。

また、第１実施形態のようにモデルＭ_Ｌｑを用いて拡張誘起電圧ｅ´を推定する場合は、第２実施形態のようにモデルＭ_ＬｄＬｑを用いて拡張誘起電圧ｅ´´を推定する場合に比べて、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳電流Ｉ_ｈ´を重畳させる必要がないため、トルク脈動の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態において、推定部８は、回転数ω＾が閾値ωｔｈより大きい場合、拡張誘起電圧ｅ_αω、ｅ_βωを用いて、位置θ＾を推定し、上記第２実施形態において、推定部８´は、回転数ω＾が閾値ωｔｈより大きい場合、拡張誘起電圧ｅ_αω´、ｅ_βω´を用いて、位置θ＾を推定する構成であるが、下記式１７に示す電圧方程式を用いて回転数ω＾を推定し、その推定した回転数ω＾により位置θ＾を推定するように構成してもよい。

このように構成する場合、第１実施形態の重畳部１２は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合のみ、重畳電流Ｉ_ｈをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に重畳させてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊´として出力するように構成してもよい。これにより、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合のみ、拡張誘起電圧ｅを励起させることができる。

また、第２実施形態の重畳部１２´は、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合のみ、重畳電流Ｉ_ｈ´をｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳させてｑ軸電流指令値Ｉｑ＊´として出力するように構成してもよい。これにより、回転数ω＾が閾値ωｔｈ以下である場合のみ、拡張誘起電圧ｅ´を励起させることができる。

１ 制御装置
２ インバータ回路
３ 制御回路
４ 記憶部
５ ドライブ回路
６ 演算部
７ 電流変換部
８、８´ 推定部
９ 減算部
１０ トルク指令値算出部
１１ 電流指令値出力部
１２、１２´ 重畳部
１３ 減算部
１４ 減算部
１５ 電圧指令値算出部
１６ 電圧指令値変換部
Ｐ 電源
Ｃ コンデンサ
Ｓｅ１ 電流センサ
Ｓｅ２ 電流センサ

Claims (5)

1. 搬送波の電圧値と電圧指令値との比較結果により電動機を駆動させるインバータ回路と、
   前記電動機の拡張誘起電圧の位相により前記電動機の回転子の位置を推定する推定部と、
   前記位置を用いて前記電動機に流れる電流をｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する電流変換部と、
   前記回転子の回転数と回転数指令値との回転数差によりｄ軸電流指令値及びｑ軸電流指令値を出力する電流指令値出力部と、
   前記ｄ軸電流指令値に前記ｄ軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる、または、前記ｑ軸電流指令値に前記ｑ軸電流指令値より高い周波数の重畳電流を重畳させる重畳部と、
   前記ｄ軸電流と前記重畳部から出力されるｄ軸電流指令値とのｄ軸電流差が小さくなるようにｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流と前記ｑ軸電流指令値との差が小さくなるようにｑ軸電圧指令値を算出する、または、前記ｄ軸電流と前記ｄ軸電流指令値との差が小さくなるようにｄ軸電圧指令値を算出するとともに前記ｑ軸電流と前記重畳部から出力されるｑ軸電流指令値とのｑ軸電流差が小さくなるようにｑ軸電圧指令値を算出する電圧指令値算出部と、
   前記位置を用いて前記ｄ軸電圧指令値及び前記ｑ軸電圧指令値を前記電圧指令値に変換する電圧指令値変換部と、
   を備え、
   前記重畳部は、前記電動機の駆動開始時、前記位置の推定が開始されてから所定時間が経過するまでの前記重畳電流の振幅を、前記位置の推定が開始されてから前記所定時間が経過した後の前記重畳電流の振幅より減衰させる
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記所定時間は、
   前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記ｄ軸電流が前記重畳部から出力されるｄ軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間である、
   または、
   前記位置の推定が開始されてから前記ｄ軸電流差が第１閾値以下である状態が第１一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間である
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
3. 請求項１に記載の電動機の制御装置であって、
   前記所定時間は、
   前記位置の推定が開始されてから前記位置が実際の位置に収束するまでの時間、及び、前記位置の推定が開始されてから前記ｑ軸電流が前記重畳部から出力されるｑ軸電流指令値に収束するまでの時間のうちの長い方の時間である、
   または、
   前記位置の推定が開始されてから前記ｑ軸電流差が第２閾値以下である状態が第２一定時間以上継続したと前記推定部により判断されるまでの時間である
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
4. 請求項１～３の何れか１項に記載の電動機の制御装置であって、
   前記重畳電流の減衰割合をζとし、前記電動機のｄ軸インダクタンスをＬｄとし、前記電動機のｑ軸インダクタンスをＬｑとし、前記拡張誘起電圧の下限値をｅ_ｍｉｎとし、前記重畳電流の角周波数をω_ｈとし、前記重畳電流の減衰前の振幅をｉ_ｈ０とする場合、前記重畳電流の減衰割合は下記式２に示す範囲の値とする
   

   

   ことを特徴とする電動機の制御装置。
5. 請求項１～４の何れか１項に記載の電動機の制御装置であって、
   前記電動機は、表面磁石型モータである
   ことを特徴とする電動機の制御装置。
   
   

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