JP3578096B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は交流モータを高性能に制御する制御装置、特に、リラクタンスモータ，磁石モータなどの突極性を有する同期モータを位置センサなしで制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
同期モータの速度やトルクを制御するためには、磁極位置を検出、あるいは、推定する必要がある。その検出した磁極位置に基づいて電流制御あるいは電圧制御を行うことで、同期モータのトルクや速度を制御できる。近年、この磁極位置を位置検出器で検出することなく、同期モータを制御する磁極位置センサレス制御方式が提案されている。例えば、特開平７−２４５９８１号，平成８年電気学会産業応用部門全国大会Ｎｏ．１７０に記載されているような第１の方法がある。これは交番電圧を印加してそれに対するモータ電流の平行成分，直交成分（回転座標系における電流成分）に基づき磁極位置を推定する方法であり、停止時や低速時に磁極位置センサを用いないで、磁極位置を検出できる特徴がある。また、第２の方法として、特開平１１−１５０９８３号，特開平１１−６９８８４号などに記載されている追加電圧を重畳する方法がある。この方法は高トルク領域でも磁気飽和が起こらないように印加電圧を加えることにより、停止時、あるいは、低速時における低負荷から高負荷までの範囲で磁極位置センサレス化を実現できる。また、第３の方法として、特開平８−２０５５７８号には、パルス幅制御（ＰＷＭ制御）により同期モータに印加する電圧のベクトルとそれに対するモータ電流のリプル成分（電流差分ベクトル）の相関関係から同期モータの突極性を検出する方法が記載されている。また、この第３の方法は同期モータの電圧を制御する一般的なＰＷＭ信号を利用しているため、検出のための追加信号を付加する必要がない利点がある。なお、電圧ベクトルとは、３相の電圧、あるいは、ｄ軸，ｑ軸電圧から決定される大きさと方向を有する電圧のことを意味する。電流ベクトルについても同様であり、以下、要素としての各相の電圧、あるいは、ｄ軸，ｑ軸電圧と、総和としての電圧ベクトルとを使い分けながら説明する。また、同期モータの場合には、回転子の磁極位置を検出することになるので、以下、磁極位置として説明する。リラクタンスモータの場合には、突極性がある回転子の特定な位置を検出することになる。従って、これらをすべてまとめて記述する場合には、磁極位置，リラクタンスモータの特定な位置のことを回転子位置とよぶことにする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、第１の方法はモータを駆動しながら磁極位置検出を行おうとした場合には、ノッチフィルタなどを用いたバンドパスフィルタやフーリエ積分により、検出用交番電圧と同じ周波数成分の電流を抽出する必要である。特に、モータの回転数が高くなると、モータの入力周波搬と検出用交番電圧の周波数が分離しにくくなるため、高速回転での安定した駆動が難しいという課題があった。また、インバータのスイッチング特性による影響を受けないように、配慮する必要がある。つまり、ＰＷＭ信号の搬送周波搬が数ｋＨｚから２０ｋＨｚであるのに対して、検出用交番電圧の周波数は数１００Ｈｚと低くなっているため、モータ駆動しているとき、数１００Ｈｚの騒音がすることがある。
【０００４】
第２の方法に関しても、モータを停止状態あるいは低速回転状態で駆動する場合の特性改善を目的としたものであって、モータを高速で駆動した場合に重要となる電流検出のタイミング，ＰＷＭ信号の関係が記述されておらず、高精度に位置検出を行うための配慮がなされていない。
【０００５】
さらに、第３の方法を実現するためには、ＰＷＭ信号が変化する毎にモータ電流の状態と印加電圧の相関関係を検出する必要がある。つまり、搬送波の１周期に対して、少なくとも６回、モータ電流の状態を検出すること、印加電圧の状態を把握することが条件となるため、高性能のコントローラを用いなければならないという問題点がある。
【０００６】
本発明の第１の目的は、安価なコントローラ，電流検出器を用いながら、停止状態から高速回転状態までの広範囲において、同期モータ（リラクタンスモータを含む）を高応答で、かつ、モータの損失増加を抑制しながら制御することである。また、電流により検出した磁極位置が真の磁極位置から大きくずれた場合にはモータ制御システムの異常を検知することを第２の目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同期モータと、該同期モータに電圧を印加する電力変換器と、前記印加電圧を制御する制御装置を備え、少なくとも２方向に検出用電圧を印加し、それぞれに対する電流変化から前記同期モータの磁極位置位置を推定する位置推定装置を備えることにより達成される。
【０００８】
具体的な一例としては、制御装置は、搬送波に同期したＰＷＭ信号により前記電力変換器の印加電圧を制御する手段を備える。２つの電圧印加方向に検出用電圧を印加することと、前記交流モータの電流を検出することをこの搬送波に同期して実施することにより、前記交流モータの回転子の磁極位置を推定する。例えば、突極性を有する同期モータにおいて、搬送波の半周期毎に第１の電圧印加方向に検出用電圧を変化してモータの電流を検出し、半周期毎の電流差分ベクトル（静止座標系のベクトル）を求める。次に、２回の電流差分ベクトルの差（以下、電流差分差ベクトルとよぶことにする）とそれに対応する２回の印加電圧ベクトルの差（以下、電圧差ベクトル）を演算する。この電圧差ベクトルが第１の検出用電圧、その方向が第１の電圧印加方向であり、この電流差分差ベクトルが第１の検出用電圧に対する電流変化ベクトルである。同様に、第２の電圧印加方向に対して、検出用電圧を変化してもモータの電流を検出する。これにより、同様の演算を行って、第２の検出用電圧ベクトルに対する第２の電流変化ベクトルを求める。
【０００９】
同期モータにおける磁極位置方向（ｄ軸方向）のインダクタンスＬｄと、直交する方向（ｑ軸方向）のインダクタンスＬｑが異なるので、第１と第２の検出用電圧ベクトルの方向を変えることにより、Ｌｄ，Ｌｑの違いによる２つの電流差分差ベクトルの大きさと位相の違いが生じることになる。これを容易に検出することができるので、磁極位置を感度良く検出することができる。従って、突極性を有する交流モータを高応答性にセンサなしで制御でき、高性能な特性を要求されるモータ制御分野のセンサレス化に有効である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１により説明する。この実施例は、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも小さい、いわゆる、逆突極性を有する同期モータ１を位置センサなしで制御する場合の実施例である。
【００１１】
図１は同期モータ１をバッテリー２の直流エネルギーで駆動するモータ制御システムの構成図である。バッテリー２の直流電圧はインバータ３により３相の交流電圧に変換され、同期モータ１に印加される。この印加電圧はコントローラ４において次のような演算を行って決定される。まず、電流指令値発生部６では、モータが発生すべきトルク指令値τｒに対して、ｄ軸電流指令値ｉｄｒ，ｑ軸電流指令値ｉｑｒを決定する。ここで、ｄ軸は磁極位置（磁束）の方向、ｑ軸は電気的にｄ軸に直交する方向を示しており、ｄ−ｑ軸座標系を構成する。同期モータ１において同じモータ速度ωで、かつ、同じモータトルクτを発生する条件の下で、ｉｄｒ，ｉｑｒの割合を変えることができるが、モータ損失は異なる。そこで、電流指令値発生部６にモータ速度ωを入力することで、トルク指令値τｒに対してモータ損失が最も少ない最適なｉｄｒ，ｉｑｒを出力するようにしている。なお、モータ速度ωは速度検出部１３において後述する磁極位置θの変化量から検出している。
【００１２】
磁石を有する回転子が回転すると、ｄ−ｑ軸座標系も回転するので、静止座標系（α−β軸座標系）からの位相をθとする。つまり、本実施例は磁極の位相θ（以下、磁極位置θとよぶことにする。）を電流から検出することが目的である。ｄ軸電流とｑ軸電流を指令値どおりに制御できれば、同期モータ１はトルク指令値τｒと一致したトルクを発生することができる。なお、トルク指令値τｒは直接その値を指示される場合も、図示していない速度制御演算回路から指令される場合もある。
【００１３】
また、電流センサ５ｕ，５ｖから検出されたｕ相電流ｉｕ，ｖ相電流ｉｖは電流検出部１０において後述する電流検出パルスＰｄのタイミングにより検出され、座標変換部１１でｄ−ｑ軸座標系のｄ軸電流ｉｄ，ｑ軸電流ｉｑに変換される。この実施例では、電流検出部１０で検出する電流はＵ相とＶ相の２つの相電流ｉｕ，ｉｖであるが、Ｗ相電流ｉｗはｉｕ，ｉｖから求めることができるので、Ｗ相電流ｉｖの検出を省略している。本発明は３相電流をすべて検出する場合にも適用できることは当然である。電流制御部７では、ｄ軸電流指令値ｉｄｒとｄ軸電流ｉｄのｄ軸電流偏差、ｑ軸電流指令値ｉｑｒとｑ軸電流ｉｑのｑ軸電流偏差を演算し、それぞれの電流偏差に対して比例・積分制御演算によってｄ軸電圧指令値Ｖｄｓ，ｑ軸電圧指令値Ｖｑｓを得る。なお、逆起電力を補償するための制御方法として、モータ速度ωを用いた非干渉制御を行う方法も提案されている。ｄ軸電圧指令値Ｖｄｓ，ｑ軸電圧指令値Ｖｑｓは電流制御部７から出力されると、それぞれｄ軸，ｑ軸の検出用電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐが加算され、座標変換部８に入力される。ｄ軸，ｑ軸の検出用電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐの発生方法が本発明では重要であり、これについては、後で詳細を述べる。座標変換部８では、後述する方法により検出された磁極位置θにより静止座標系の３相電圧指令値Ｖｕｒ，
Ｖｖｒ，Ｖｗｒを演算する。これらの３相電圧指令値は、ＰＷＭ信号発生部９に入力されて、３相のＰＷＭパルスＰｕｐ，Ｐｖｐ，Ｐｗｐ，Ｐｕｎ，Ｐｖｎ，
Ｐｗｕをインバータ３に出力する。これにより、同期モータ１に印加する電圧が決定される。このようにして、同期モータ１を制御することができる。
【００１４】
次に、本願の特徴である位置検出方法について説明する。図１において、位置検出を行う位置検出部１２は、検出用電圧発生部１４，電流差分差演算部１５，磁極位置推定部１６，位置推定異常判定部１７から構成されている。
【００１５】
まず、検出用電圧発生部１４と電流差分差演算部１５の動作原理を説明するために、図２のタイムチャート、図３のフェーザ図、図４のフローチャートを用いる。図２は３相の印加電圧のタイミングとＰＷＭ信号の発生状態を示したもので、実際にはＰＷＭ信号発生部９の動作状態である。三角波状の搬送波に対して、各相の電圧指令値Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒの波形を比較することにより、３相のＰＷＭパルスＰｕｐ，Ｐｖｐ，Ｐｗｐを得ることができる。なお、ＰＷＭパルスＰｕｎ，Ｐｖｎ，Ｐｗｕは短絡防止期間を無視すれば、それぞれＰＷＭパルス
Ｐｕｐ，Ｐｖｐ，Ｐｗｐを反転したものとなるので、ここでは、短絡防止期間を省略して説明する。また、本発明は搬送波２周期の間の電流変化を基に磁極位置を推定する方法であるが、容易に理解できるようにするために、その期間内に変化する磁極位置は無視できるものとして説明する。従って、省略した短絡防止期間，回転子が検出時間内に変化することに対する位置の補償は本方式に追加することができる。ＰＷＭパルスはデューティー５０％以上のとき、平均出力電圧が０あるいは正の値となり、デューティー５０％未満のとき、平均出力電圧は負の値となる。図２において、搬送波が最大値の時点（例えば、時刻ｔａ（ｎ），
ｔｃ（ｎ））、及び、最小値の時点（例えば、時刻ｔｂ（ｎ），ｔｄ（ｎ））で、電圧指令値Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒは更新される。この実施例においては、搬送波が最大値の時点では、電流制御部７から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄｓ，ｑ軸電圧指令値Ｖｑｓ、及び、ｄ軸，ｑ軸用検出電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐがすべて更新されるが、搬送波が最小値の時点では、ｄ軸，ｑ軸用検出電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐのみが更新される。このように、電圧の更新のタイミングを設定すると、ＰＷＭ信号は図２に示すような特徴のある波形となる。仮に、ｄ軸，ｑ軸用検出電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐが常に０であったとするならば、各相の電圧指令値Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒは破線のように、搬送波が最大値の時点でしか更新されないため、各相のＰＷＭパルスＰｕｐ，Ｐｖｐ，Ｐｗｐは搬送波が最小値の時点を中心に前後対称である（例えば、時刻ｔｂ（ｎ）を中心に、時刻ｔａ（ｎ）から時刻ｔｃ（ｎ）までの破線で示したパルス波形を見ると、対称になっている。）。つまり、時刻ｔａ（ｎ）から時刻ｔｂ（ｎ）までの各相の印加電圧の平均値は時刻ｔｂ（ｎ）から時刻ｔｃ（ｎ）までのそれと同じであることがわかる。また、その短時間での逆起電力はほぼ一定とみなしてよいので、ｔａ（ｎ）からｔｂ（ｎ）までの電流変化量（電流差分ベクトルΔｉａ（ｎ））と、ｔｂ（ｎ）からｔｃ（ｎ）までの電流変化量（電流差分ベクトルΔｉｂ（ｎ））はほぼ同じになる。このことは、検出用電圧ベクトルＶｐ（Ｖｄｐ，Ｖｑｐの要素からなる電圧ベクトル）が常に０であれば、ΔｉａとΔｉｂとの差、つまり、電流差分差ベクトルΔΔｉ１は０となることを意味している。逆にいえば、ｔａ（ｎ）からｔｂ（ｎ）までの期間と、ｔｂ（ｎ）からｔｃ（ｎ）までの期間で、例えば、検出用電圧ベクトルＶｐがｔａ（ｎ）からｔｂ（ｎ）の期間はＶａ（ｎ），ｔｂ（ｎ）からｔｃ（ｎ）までの期間はＶｂ（ｎ）というように、Ｖａ（ｎ）とＶｂ（ｎ）が異なる場合には、電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）はＶａ（ｎ）−Ｖｂ（ｎ）（この電圧差ベクトルをＶａｂ（ｎ）とする）だけの影響を受けた値となる。これを得ることが目的である。
【００１６】
そのため、時刻ｔａ（ｎ）では、電流制御部７で決定されるＶｄｓ，Ｖｑｓの電圧ベクトルＶ１（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶａ（ｎ）のベクトル和がＰＷＭ信号発生部９にセットされる。時刻ｔｂ（ｎ）には、電圧ベクトルＶ１（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶｂ（ｎ）のベクトル和がセットされる。詳細は後述するが、Ｖａ（ｎ）とＶｂ（ｎ）の電圧ベクトルが
Ｖａ（ｎ）＝−Ｖｂ（ｎ）
の関係を持つように設定すると、図２のように、実線で示す各相のＰＷＭ信号
Ｐｕｐ，Ｐｖｐ，ＰｗｐはＶａ（ｎ）＝Ｖｂ（ｎ）＝０のときのＰＷＭ信号を表わす破線に比べて、パルス幅は変化させないで、前方、あるいは、後方に移動させられることがわかる。これによって、電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）にＶａｂ（ｎ）だけの影響が出ることになる。同様に、時刻ｔｃ（ｎ）のとき、電流制御部７で新たに演算されたＶｄｓ，Ｖｑｓの電圧ベクトルＶ２（ｎ）と検出用電圧ベクトル
Ｖｃ（ｎ）のベクトル和がＰＷＭ信号発生部９にセットされ、時刻ｔｄ（ｎ）までの期間、それによってＰＷＭ信号が決定される。時刻ｔｄ（ｎ）になると、Ｖ２（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶｄ（ｎ）のベクトル和がセットされ、時刻ｔａ（ｎ＋１）までの期間、これによりＰＷＭ信号が設定される。この場合も、時刻ｔｃ（ｎ）からｔａ（ｎ）までの実線で示したＰＷＭ信号は破線のＰＷＭ信号と比較して位相だけが移動していることがわかる。なお、電流検出信号Ｐｄは搬送波が最大値、及び、最小値になった時点で発生する。このタイミング、つまり、ｔａ（ｎ），ｔｂ
（ｎ），ｔｃ（ｎ），ｔｄ（ｎ）の時点において、電流検出部１０での各相の電流を検出することになり、電流差分ベクトルΔｉａ（ｎ）などを求めることができる。
【００１７】
次に、図３のフェーザー図を用いて、図２で発生するＰＷＭ信号の意味を補足する。図３において、実際の電圧・電流ベクトルは図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）であり、それぞれｔａ（ｎ）からｔｂ（ｎ）の間、ｔｂ（ｎ）からｔｃ（ｎ）の間、ｔｃ（ｎ）からｔｄ（ｎ）の間、ｔｄ（ｎ）からｔａ（ｎ＋１）の間の関係を示している。最終明には、図３（ｆ）の電圧差ベクトルＶａｂ（ｎ），Ｖｃｄ（ｎ）、電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ），ΔΔｉ２（ｎ）の関係を得ることが目的である。
【００１８】
図２において説明したように、時刻ｔａ（ｎ）において、電圧ベクトルＶ１（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶａ（ｎ）の和であるＶ１ａ（ｎ）をセットすると、時刻ｔｂ（ｎ）まで、図３（ａ）に示す電圧ベクトルは保持される。ここで、電圧ベクトルＶ１（ｎ）は電流制御部７で演算された結果であり、任意に設定することはできない。それに対して、検出用電圧ベクトルＶａ（ｎ）は次のように設定する。コントローラが設定している磁束の方向（以下、ｄｃ軸とよぶ）と、それに直交する方法（以下、ｑｃ軸とよぶ）に対して、それぞれＶ０の値を設定する。つまり、図３（ｅ）に示すように、電圧ベクトルＶａ（ｎ）はｄｃ軸とｑｃ軸を分割する方向、ｄｃ軸に対して４５度の方向に設定する。なお、実際の回転子の磁極位置であるｄ軸とコントローラが設定しているｄｃ軸の関係は未定である。図３（ａ）において、電流ベクトルｉａ（ｎ）とその差分値である電流差分ベクトルΔｉａ（ｎ）の関係を示す。Δｉａ（ｎ）は印加したＶ１ａ（ｎ）だけでなく、逆起電力の大きさと方向，電流の値などにより変化するので、一義的に決定することはできない。なお、Δｉａ（ｎ）はｔａ（ｎ）からｔｂ（ｎ）までの電流変化量で求められるので、ｉｂ（ｎ）−ｉａ（ｎ）を計算することで求めるが、実際には、時刻ｔｂ（ｎ）になってｉｂ（ｎ）を検出して、この演算は実行することになる。ｉｂ（ｎ）とｉａ（ｎ）の差は小さいが、わかりやすくするため、Δｉａ（ｎ）を大きく示している。
【００１９】
時刻ｔｂ（ｎ）から時刻ｔｃ（ｎ）の間は、図３（ｂ）に示すフェーザ図となる。検出用電圧ベクトルＶｂ（ｎ）は図３（ｅ）に示すように、Ｖｄｐ＝−Ｖ０，Ｖｑｐ＝−Ｖ０とする。つまり、Ｖｂ（ｎ）はＶａ（ｎ）に対して、方向が１８０度異なる電圧ベクトルである。このＶｂ（ｎ）と電流制御部７で演算されたＶ１（ｎ）の和である電圧ベクトルＶ１ｂ（ｎ）を印加すると、電流ベクトルｉｂ（ｎ）に対して、電流差分差ベクトルΔｉｂ（ｎ）が得られる。この場合も、実際にΔｉｂ（ｎ）は時刻
ｔｃ（ｎ）で電流ベクトルｉｃ（ｎ）を検出し、ｉｃ（ｎ）−ｉｂ（ｎ）の結果として得られる。また、時刻ｔａ（ｎ）から時刻ｔｃ（ｎ）までの印加電圧ベクトルの平均値は電流制御部７で演算されたＶ１（ｎ）と一致するので、検出用電圧ベクトルＶａ（ｎ），Ｖｂ（ｎ）を追加しても、電流制御系に対して、悪影響を及ぼすことはない。ここでは、さらにΔｉａ（ｎ）とΔｉｂ（ｎ）との差から、第１の電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）を求めることができる。Δｉａ（ｎ）は、印加する電圧ベクトルＶ１（ｎ），Ｖａ（ｎ）の他に、逆起電力，電流ベクトルにより決定されるので、
Ｖａ（ｎ）だけの影響を得ることはできない。しかし、電流差分差ベクトル
ΔΔｉ１（ｎ）は２つの電流差分ベクトルの差を用いることにより、Ｖ１（ｎ），逆起電力，電流ベクトルの演響をほぼキャンセルして、Ｖａ（ｎ）−Ｖｂ（ｎ）、つまり、電圧差ベクトルＶａｂ（ｎ）だけを同期モータ１に印加したときの特性を知ることができる。この状態を図３（ｆ）に示す。
【００２０】
時刻ｔｃ（ｎ）のとき、印加する電圧ベクトルＶ２ｃ（ｎ）は電流制御部７で新たに演算された電流制御のための電圧ベクトルＶ２（ｎ）と、検出用電圧ベクトル
Ｖｃ（ｎ）との和である。Ｖｃ（ｎ）は図３（ｅ）に示すように、Ｖｄｐ＝Ｖ０，
Ｖｑｐ＝−Ｖ０としている。そのため、時刻ｔｃ（ｎ）から時刻ｔｄ（ｎ）の間は、図３（ｃ）に示すフェーザ図となる。時刻ｔｄ（ｎ）における電流ベクトルｉｄ（ｎ）とｉｃ（ｎ）の差から、図３（ｃ）の電流差分ベクトルΔｉｃ（ｎ）が求められる。
【００２１】
時刻ｔｄ（ｎ）から時刻ｔａ（ｎ＋１）まで印加する電圧ベクトルＶ２ｄ（ｎ）は、Ｖ２（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶｄ（ｎ）の和である。Ｖｄ（ｎ）はＶｄｐ＝−Ｖ０、Ｖｑｐ＝Ｖ０に設定しており、図３（ｅ）のようにＶｃ（ｎ）と逆方向の電圧ベクトルである。これにより、電圧差分ベクトルΔｉｄ（ｎ）が決定される。なお、このΔｉｄ（ｎ）は時刻ｔａ（ｎ＋１）のときの電流ベクトルｉａ（ｎ＋１）とｉｄ（ｎ）の差から求められるので、時刻ｔａ（ｎ＋１）以降に演算しなければならない。このとき、Δｉｃ（ｎ）とΔｉｄ（ｎ）の差から、第２の電流差分差ベクトルΔΔｉ２（ｎ）を求める。ΔΔｉ１（ｎ）と同様に、ΔΔｉ２（ｎ）は電圧差ベクトルＶｃｄ
（ｎ）（つまり、Ｖｃ（ｎ）−Ｖｄ（ｎ））だけに対する同期モータの突極性を反映した電流ベクトルとなっている。図３（ｆ）がこのベクトルの関係をまとめたものであり、コントローラ内で想定しているｄｃ軸が同期モータ１のｄ軸と一致している場合の例である。同期モータ１の回転子は逆突極性を有しているため、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも小さく、ｄ軸方向に電流が流れやすい。そのため、ｄ軸とｑ軸との中間である４５度方向（Ｖａｂ（ｎ）、及び、Ｖｃｄ（ｎ）の方向）に電圧を変化させると、それに対する電流の変化、電流差分差ΔΔｉ１，ΔΔｉ２は４５度方向よりもｄ軸方向に向く、この場合、
ΔΔｉ１（ｎ），ΔΔｉ２（ｎ）が同じ大きさであるということが、ｄｃ軸とｄ軸とが一致していることを意味している。また、ｄｃ軸がｄ軸より進んでいる場合には、Ｖｃｄ（ｎ）がＶａｂ（ｎ）よりもｄ軸に近づくので、ΔΔｉ２（ｎ）がΔΔｉ１（ｎ）よりも大きくなるため、これを検出することで、ｄ軸方向がｄｃ軸よりも遅れていることを検知できる。
【００２２】
前述したように、上記の検出方法を具体的に行う演算部が検出用電圧発生部
１４，電流差分差演算部１５であり、このフローチャートを図４に示す。基本的には、図２，図３で説明したことをフローチャート化したものである。ステップ１１０において、時刻ｔを判断し、時刻ｔ＝ｔａ（ｎ）のとき、ステップ１１１からステップ１１４までの処理を行う。ステップ１１１では、時刻ｔｄ（ｎ−１）で設定された電圧Ｖｄ（ｎ−１）により流れる電流ベクトルｉａ（ｎ）を検出する。図３（ａ）に示す電圧ベクトルＶ１ａ（ｎ）は時刻ｔｄ（ｎ−１）で既に演算された結果をＰＷＭ信号発生部９にセットする。この動作はコントローラ４内で自動的に行うことも可能である。この電圧をセットすることにより、図２の時刻ｔａ（ｎ）からｔｂ（ｎ）までのＰＷＭ信号を発生することができる。ステップ１１２，１１３は後述する。ステップ１１４では、電圧ベクトルＶｂを検出用電圧発生部１４で決定して、座標変換部８に出力する。これにより、時刻ｔｂ（ｎ）にＶ１ｂ（ｎ）がＰＷＭ信号発生部９にセットされる。この処理を行うのがステップ１２１であり、同時に電流ベクトルｉｂ（ｎ）を検出する。ステップ１２２では、これが図３
（ａ）に示す電流差分ベクトルΔｉａ（ｎ）がｉａ（ｎ）とｉｂ（ｎ）の差から演算される。ステップ１２４では電圧ベクトルＶｃ（ｎ）を座標変換部８に出力するので、時刻ｔｃ（ｎ）のステップ１３１で図３（ｃ）のような電圧ベクトルＶ２ｃ（ｎ）がセットされる。なお、電流制御部７では、搬送波周期毎に電流制御演算が行われる場合を示しているため、時刻ｔｃ（ｎ）よりも以前に電圧ベクトルＶ２（ｎ）が演算されて、図３（ｃ）の電圧ベクトルＶ２ｃ（ｎ）がＰＷＭ信号発生部９にセットされる。ステップ１３１で電流ベクトルｉｃ（ｎ）が入力されると、次のステップ１３２では電流差分ベクトルΔｉｂ（ｎ）が求められる。次のステップ１３３は、電流差分差ΔΔｉ１（ｎ）をΔｉａ（ｎ）とΔｉｂ（ｎ）の差から演算するものである。この値は電圧ベクトルＶａ（ｎ）とＶｂ（ｎ）の差であるＶａｂ（ｎ）だけにより流れる電流成分である。さらに、ステップ１３４で決定されて座標変換部８に出力される電圧ベクトルＶｄ（ｎ）と先に演算されたＶ２（ｎ）の和、つまり、電圧ベクトルＶ２ｄ（ｎ）が時刻ｔｄ（ｎ）のステップ１４１でＰＷＭ信号発生部９にセットされる。また、電流ベクトルｉｄ（ｎ）もステップ１４１で入力されると、次のステップ１４２において、電流差分ベクトルΔｉｃ（ｎ）がｉｄ（ｎ）とｉｃ（ｎ）の差から計算される。ステップ１４４では、電圧ベクトルＶａ（ｎ＋１）が設定され、座標変換部８に出力される。このような一連の演算が行われることにより、電流差分差ベクトルが求められる。時刻ｔｃ（ｎ）から時刻ｔａ（ｎ＋１）までの電流差分差ベクトルΔΔｉ２（ｎ）は時刻ｔａ（ｎ＋１）のステップ１１２，１１３において演算される。つまり、ステップ１１２で、電流差分ベクトルΔｉｄ（ｎ）が
ｉａ（ｎ＋１）とｉｄ（ｎ）の差から求められると、次のステップ１１３において、電流差分ベクトルΔｉｃ（ｎ）とΔｉｄ（ｎ）の差として電流差分差ベクトル
ΔΔｉ２（ｎ）が計算される。このステップ１３３と１１３で計算された電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）とΔΔｉ２（ｎ）が磁極位置推定１６、及び、位置推定異常判定部１７に入力され、磁極位置の演算と位置推定の異常の有無を判断するために用いられる。
【００２３】
では、図５を用いて、磁極位置推定部１６の処理内容を説明する。ステップ
１５１では、電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）とΔΔｉ２（ｎ）を入力し、それぞれの大きさｄｄｉ１，ｄｄｉ２を演算する。次に、ステップ１５２では、電流偏差εをｄｄｉ１とｄｄｉ２の差から求める。図３の説明でも述べたように、この電流偏差εが負であれば、ｄｃ軸はｄ軸より進んでいることを意味しており、電流偏差εが正であれば、ｄｃ軸はｄ軸より遅れていることを意味する。従って、ステップ１５３では、電流偏差εが正の場合には、ｄｃ軸をｄ軸に近づけるために、推定した磁極位置θを進め、負であれば、磁極位置θを遅らせるように、現在の推定した磁極位置θを基に、電流偏差εに対して関数ｆｉ（ε）の演算を行う。上記の動作を行う方法として、関数ｆｉ（ε）は電流偏差εに対して比例・積分演算を行うことが最も有効である。また、関数ｆｉ（ε）としては、符号だけにより一定値を加算あるいは減算しながら磁極位置θを実際のｄ軸に収束する方法もある。
【００２４】
ところで、この実施例の方法では、磁極位置θを離散時間で検出しているため、検出する時間内にもモータは回転している。特に、モータ速度が高い場合には、その移動量がモータ速度に比例して大きくなる。そこで、ステップ１５４では、速度検出部１３で検出される速度ωを用いて、磁極位置のモータ速度補償演算が行われる。関数ｆω（ω）は速度に比例した関数でよい。また、モータ速度ωが非常に大きい場合には、ｔａ（ｎ）からｔａ（ｎ＋１）までの間に変化する磁極位置θにより、電流差分差ベクトルもその影響を受けるので、これを補償することを関数ｆω（ω）に考慮してもよい。
【００２５】
以上のような演算を行うことにより、磁極位置推定部１６で磁極位置θを推定することができる。この方式の特徴は同期モータの突極性、あるいは、逆突極性を利用することにより、モータの電流制御に用いる電流センサだけを利用して、高精度に、短時間に磁極位置を検出できることである。特に、２方向に検出用電圧を印加してそれに対する電流差分差の大きさの違いを検出するので、検出した磁極位置θが実際の磁極位置からわずかにずれたときにも、その２つの電流差分差の大きさが感度よく異なり、高精度化を小さい電圧印加で達成できる。また、図５の処理方法からわかるように、同期モータ１の定数や電圧などのパラメータを用いないで位置検出するので、パラメータの影響を受けず、経年変化による特性の劣化も生じない利点もある。
【００２６】
図６は位置推定異常判定部１７において演算される内容を示したもので、磁極位置が正しく検出されていないことを判定するための磁極位置異常判定のフローチャートである。ステップ１６１において、電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）とΔΔｉ２（ｎ）の位相θ１，θ２をそれぞれ算出する。ステップ１６２では、この２つの電流差分差ベクトルの位相差θｄをθ１とθ２との差により求める。図３（ｆ）に示すように、印加する検出用電圧Ｖａｂ（ｎ）とＶｃｄ（ｎ）の位相差が
９０度で、かつ、ｄｃ軸がｄ軸に対して、±４５度以内の方向にあるとき、回転子の逆突極性のため、位相差θｄは９０度以内になる。そこで、ステップ１６３において、位相差θｄが９０度を越えているか否かを判断する。位相差θｄが
９０度以内であれば、正常に検出ができていると判断できるので、磁極位置異常に対する処理は行わない。これに対して、位相差θｄが９０度を越えている場合には、推定した磁極位置θが実際の磁極位置から±４５度以上ずれたと判断して、ステップ１６４でインバータ停止信号ＰｅをＰＷＭ信号発生部９に出力する。これにより、インバータ３を停止することができるので、磁極位置θが実際の磁極位置から外れて、同期モータ１を脱調状態にすることを防止できる。ステップ１６４は１回の異常判定だけでなく、複数回の異常判断を行った後、処理する方法を採用してもよい。一般的には、図５の位置検出処理を行うことにより、磁極位置を常に検出することを補償しているが、何らかの原因により、磁極位置が検出できなくった場合にも、速やかに安定して停止することができる特徴を持っている。
【００２７】
この実施例はｄｃ軸方向に対して軸対称の４５度方向に２つの検出用電圧ベクトルを印加した場合について説明したが、ｑｃ軸方向に対して、軸対称の４５度方向に２つの検出電圧ベクトルを印加する場合にも、同様に電流センサだけで位置検出を行うことができる。また、４５度方向に電圧を印加する方法は最も安定性が確保される方向であるが、軸対称の方向であれば、４５度方向に限定されるものではない。さらに言えば、２つの方向に検出用電圧ベクトルを印加することにより、磁極位置を検出することは可能であり、軸対称の方向以外にも２つの電圧を印加しながら位置検出を行うことも本発明を適用できる。
【００２８】
図７から図１０までは、本発明の他の実施例で、検出用電圧ベクトルをｄ軸方向とｑ軸方向に印加して磁極位置を検出するものである。
【００２９】
図７は検出用電圧発生部１４の処理が図４と異なるフローチャートである。図７の処理が図４と異なる点は、検出用電圧を発生するステップ１７１，１７３，１７５，１７７と、ステップ１７４，１７６のセットする電圧である。その他のステップは図４と同じ内容なので、説明を省略する。
【００３０】
ステップ１７４，１７６が図４と異なる点は直接的には発明に影響しない事項であるが、時刻ｔａ（ｎ）以前に電流制御部７で演算された電圧ベクトルＶ１（ｎ）がそのまま用いられる点である。つまり、電流制御部７が搬送波の２周期毎に電流制御演算を行う場合の処理であり、電圧ベクトルＶ１（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶｃ（ｎ）の和である電圧ベクトルＶ１ｃ（ｎ）をＰＷＭ信号発生部９にセットする。ステップ１７６についても同様に、電圧ベクトルＶ１（ｎ）と検出用電圧ベクトルＶｄ（ｎ）の和である電圧ベクトルＶ１ｄ（ｎ）をセットする点が図４と異なる。この実施例では、本発明の磁極位置検出方法が電流制御の演算結果や演算方法には影響されないことを示したものである。
【００３１】
ステップ１７１，１７３，１７５，１７７はそれぞれ時刻ｔａ（ｎ），ｔｂ（ｎ），ｔｃ（ｎ），ｔｄ（ｎ）の時点で、検出用電圧発生部１４から出力する電圧Ｖｂ（ｎ），Ｖｃ（ｎ），Ｖｄ（ｎ），Ｖａ（ｎ＋１）を決定するものである。それぞれの電圧は図７に示したとおりであるが、ｄｃ軸の正方向・負方向、あるいは、ｑｃ軸の正方向・負方向のいずれかであり、実際に印加する電圧ベクトルは図８に示すとおりである。つまり、図７が図４と実質的に異なるのは印加する検出電圧ベクトルの方向だけである。
【００３２】
それでは、図８のフェーザ図について説明する。図３のフェーザ図と比べて、図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はＶａ（ｎ），Ｖｂ（ｎ），Ｖｃ（ｎ），Ｖｄ（ｎ）の方向がｄｃ軸、あるいはｑｃ軸方向である。そのため、電流差分ベクトルΔｉａ（ｎ），Δｉｂ（ｎ），Δｉｃ（ｎ），Δｉｄ（ｎ）が図３の場合と少しずつ異なる。これらの電流差分ベクトルから計算される電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ），ΔΔｉ２（ｎ）は電圧差ベクトルＶａｂ（ｎ），Ｖｃｂ（ｎ）と回転子の逆突極性だけに影響されるが、ｄｃ軸が実際の磁極位置であるｄ軸と一致している場合には、図８（ｆ）に示すようなフェーザ図となる。この場合には、ΔΔｉ１（ｎ），ΔΔｉ２（ｎ）の位相θ１，θ２の差、位相差θｄは９０度である。ｄｃ軸がｄ軸よりも進んでいるときには、回転子の逆突極性の影響で位相差θｄは９０度よりも大きくなり、遅れる場合には９０度よりも小さくなる。このことを利用して位置検出を行う方法を図９に示す。
【００３３】
図９のフローチャートはこの実施例に対して図１の磁極位置推定部１６の演算方法を示したものである。ステップ１８１でΔΔｉ１（ｎ），ΔΔｉ２（ｎ）の位相θ１，θ２の演算した後、ステップ１８２において、それらの差である位相差
θｄを求める。次にステップ１８３が磁極位置θの演算部である。９０度と位相差θｄの差を基に、関数ｆｐ（９０゜−θｄ） を演算する。関数ｆｐ（９０゜−
θｄ） としては、比例・積分演算を行うことにより、磁極位置θを補正している。つまり、９０゜−θｄの値が正であれば、θｄが９０度よりも小さいことを意味しているので、ｄｃ軸はｄ軸より遅れていることになる。従って、９０゜−
θｄの値に応じて、比例・積分演算により磁極位置θを大きくすることで、ｄｃ軸をｄ軸に近づることができる。また、９０゜−θｄの値が負であれば、θｄが９０度よりも大きく、ｄｃ軸がｄ軸よりも進んでいることになるので、比例・積分演算により、磁極位置θを小さくしている。このような演算を行うことにより、ｄｃ軸をｄ軸に一致させることができる。この方法は２つの電流差分差ベクトルの位相差を９０度にするように演算するだけで磁極位置を推定することができるので、同期モータなどの定数変化の影響を受けない利点がある。通常、位置センサレス制御を行う場合には、逆起電力や電流脈動の影響を除くために、各種のノイズ除去用フィルタを用いるが、本発明の方法によれば、そのようなフィルタ処理を必要としない特徴がある。
【００３４】
図１０は図６とは異なる磁極位置異常判定のフローチャートである。この実施例の場合には、検出用電圧ベクトルをｄ軸、あるいは、ｑ軸に印加する。逆突極性の影響を受けて、ｄ軸方向の電流は流れやすく、ｑ軸方向の電流は流れにくいので、ｄ軸側の電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）の大きさｄｄｉ１はｑ軸側の電流差分差ベクトルΔΔｉ２（ｎ）の大きさｄｄｉ２に比ベて大きくなっていなければならない。このことを利用して磁極位置の異常状態を検出するアルゴリズムが図１０である。ステップ１９１において演算した電流差分差ベクトルΔΔｉ１
（ｎ），ΔΔｉ（ｎ）２の大きさｄｄｉ１，ｄｄｉ２を用いて、ステップ１９２でそれらの差である電流偏差ε（＝ｄｄｉ２−ｄｄｉ１）を計算する。このεが小さい場合には、電流差分差ベクトルΔΔｉ１（ｎ）が電流差分差ベクトルΔΔｉ２（ｎ）よりも実際のｄ軸方向に近いことを意味しているので、ステップ１９３ではεが０、または、負のとき、正常であると判断し、磁極位置異常処理は行わない。これに対して、εが正であれば、ΔΔｉ２（ｎ）が実際のｄ軸方向に近いことを意味しているので、磁極位置異常と判断して、ステップ１６４の処理を行う。これにより、インバータ停止信号ＰｅをＰＷＭ信号発生部９に出力し、インバータ３を停止する。このように、磁極位置の推定を行う電流差分差ベクテルの情報を用いながら、磁極位置検出状態が異常でないかを診断できるので、高信頼の位置センサレス制御システムを簡単な演算方法により構築できる特徴がある。
【００３５】
上述した方法は同期モータの逆突極性を利用した磁極位置検出方法であるが、逆起電力の方向から磁極位置を推定する方法などと組合せることも有効である。
【００３６】
以上が、本発明の一実施例であり、電流センサだけを用いて同期モータの磁極位置を検出する方法を述べた。同期モータとしては、逆突極性を含む突極性を持つロータのいずれにも適用できることを述べた。また、同期モータの他に、リラクタンスモータでも突極性を利用して本発明を適用することができる。また、本実施例では、モータの回転子がサンプリング時間中に回転することによる影響を考慮して磁極位置を演算するようにしても、本実施例を適用できることはいうまでもない。さらに、磁極位置検出を搬送波２周期毎に行う方法について述べてきたが、搬送波の多周期毎に電流変化を用いて検出する方法や、搬送波の複数周期単位の電流変化を基に磁極位置検出を行う方法などが同じ手法で実現できる。応用としては、電気自動車やハイブリッド自動車に適用できるほか、現在１２０度通電方式のインバータ制御を用いてセンサレス制御している磁石モータに対しても、本実施例を用いれば、１８０度通電方式のインバータ制御によりトルク脈動と低騒音のセンサレスシステムを提供できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、電流センサを用いるだけで、通常のＰＷＭ制御を行いながらオンラインで磁極位置を高精度に検出できるので、機械的な回転位置を計測する磁極位置センサを用いないで、低騒音で、かつ、トルク制御性の優れた同期モータの駆動システムを低コストで提供できる効果がある。
【００３８】
また、磁極位置検出状態を監視することが容易なので、交流モータの信頼性の高い位置センサレス制御システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＷＭ信号を発生する搬送波に同期して電流の変化を検出することにより、同期モータの磁極位置を検出する本発明を適用したときの一実施例を示す構成図である。
【図２】２つの方向に検出用電圧を印加したときの各相の電圧とＰＷＭ信号の関係を示すタイムチャートである。
【図３】ｄ軸，ｑ軸に対して、４５度方向に検出用電圧を印加したときの電圧のベクトルと電流差分差ベクトルの状態を示したフェーザ図である。
【図４】図１の検出用電圧発生部１４と電流差分差演算部１５において、４５度方向に検出用電圧を印加したときの演算内容を示したフローチャートである。
【図５】図１の磁極位置推定部１６における磁極位置の演算方法を示したフローチャートである。
【図６】図１の位置推定異常判定部１７における磁極位置異常を判断するフローチャートである。
【図７】図１の検出用電圧発生部１４と電流差分差演算部１５において、ｄ軸方向とｑ軸方向に検出用電圧を印加したときの演算内容を示したフローチャートである。
【図８】図７の処理を行ったときの電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示したフェーザ図である。
【図９】図７に示す検出用電圧を印加したときに、図１の磁極位置推定部１６で行う磁極位置の演算方法を示したフローチャートである。
【図１０】図７に示す検出用電圧を印加したときに、図１の位置推定異常判定部１７で行う磁極位置異常を判断するフローチャートである。
【符号の説明】
１…同期モータ、２…バッテリー、３…インバータ、４…コントローラ、５ｕ，５ｖ…電流センサ、６…電流指令値発生部、７…電流制御部、８，１１…座標変換部、９…ＰＷＭ信号発生部、１０…電流検出部、１２…位置検出部、１３…速度検出部、１４…検出用電圧発生部、１５…電流差分差演算部、１６…磁極位置推定部、１７…位置推定異常判定部。

Claims (8)

1. 同期モータと、
   前記同期モータに電圧を印加する電力変換器と、
   前記同期モータに印加する前記電圧を制御する制御装置とを有するモータ制御装置であって、
   前記制御装置は、少なくとも２方向に検出用電圧を印加し、それぞれに対する電流変化の大きさが一致するように制御することにより、前記同期モータの回転子位置を推定する位置推定装置を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 突極性を有する交流モータと、
   前記交流モータに電圧を印加する電力変換器と、
   前記交流モータに印加する前記電圧を制御する制御装置とを有するモータ制御装置であって、
   前記制御装置は、少なくとも２方向に検出用電圧を印加し、それぞれに対する電流変化の大きさが一致するように制御することにより、前記交流モータの回転子位置を推定する位置推定装置を備え、推定した前記回転子位置により前記交流モータに印加する前記電圧を算出することを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１又は２記載のモータ制御装置において、
   前記制御装置は、少なくとも２方向の前記検出用電圧のベクトルを前記回転子位置の方向に対して軸対称になる方向、あるいは、前記回転子位置の方向に直交する方向に対して軸対称になる方向に印加して、電流変化の大きさが一致するように制御することにより、前記位置を検出することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一に記載のモータ制御装置において、
   前記制御装置は、前記電流変化の位相差から制御系の異常を検出することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１又は２記載のモータ制御装置において、
   前記制御装置は、少なくとも２方向の前記検出用電圧のベクトルを推定回転子位置方向とそれに直交する方向に印加して、それぞれの電流変化の位相差から回転子位置を検出することを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項１，２、又は５記載の何れか一に記載のモータ制御装置において、
   前記制御装置は、前記電流変化の大きさから制御系の異常を検出することを特徴とするモータ制御装置。
7. 請求項１乃至６の何れか一に記載のモータ制御装置において、
   前記電力変換器は、搬送波に同期したＰＷＭ信号により前記電圧を前記モータに印加するとともに、前記搬送波に同期して電流を検出することを特徴とするモータ制御装置。
8. 同期モータと、
   前記同期モータに電圧を印加するインバータと、
   前記同期モータに印加する前記電圧を制御する制御装置とを有するモータ制御装置であって、
   前記制御装置は、電流制御部及び位置検出部を有し、
   前記電流制御部は、ｄ軸電圧指令値及びｑ軸電圧指令値を出力し、
   前記位置検出部は、２方向の検出用電圧を印加して、該検出用電圧のうちの一方を前記ｄ軸電圧指令値に加算し、該検出用電圧のうちの他方を前記ｑ軸電圧指令値に加算して、それぞれに対する電流変化の大きさが一致するように制御することにより、前記同期モータの回転子位置を推定する位置推定装置を備えたことを特徴とするモータ制御装置。

Images