JP4735287B2 - 同期モータの制御装置およびこの同期モータの制御装置を用いた制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、同期モータの制御装置およびこの同期モータの制御装置を用いた制御方法に関する。

〔従来の技術〕
近年、同期モータの制御装置（以下、単に制御装置と呼ぶ）では、磁極位置を直接的に検出する位置センサによらずに磁極位置を推定するセンサレス制御方式が広まっている。そして、このセンサレス制御方式の１つに、いわゆる外乱注入方式がある。

この外乱注入方式とは、同期モータの運転条件（例えば、要求される出力トルク）に応じて算出される駆動用の指令値に、磁極位置を推定するための推定用の指令値を高周波の外乱として加算して最終の指令値とし、この最終の指令値を用いて同期モータを制御するとともに磁極位置を推定するものである。

例えば、外乱注入方式の制御装置は、駆動用電圧の指令値を軸成分に変換して得られる駆動用電圧ベクトルに、推定用電圧の指令値からなる推定用電圧ベクトルを高周波の外乱として加算して最終の指令電圧ベクトルとし、この指令電圧ベクトルに基づき同期モータへ電圧を印加するためのＰＷＭ信号を合成し、所定のインバータに出力する。そして、この外乱注入方式の制御装置は、推定用電圧ベクトルの加算により生じる各種の変動に応じて磁極位置を推定する（例えば、特許文献１〜３参照）。

例えば、特許文献１に記載の技術によれば、同期モータへの通電量を軸成分に変換して得られる電流ベクトルを、推定用電圧ベクトルに垂直なベクトル、および、推定用電圧ベクトルに平行なベクトルに分解し、これらの内のいずれか一方のベクトルに基づき磁極位置を推定する。また、特許文献２に記載の技術によれば、電流ベクトルの時間的変化量に基づき磁極位置を推定する。

さらに、特許文献３に記載の技術によれば、１つの推定用電圧ベクトル（第１推定用電圧ベクトル）を駆動用電圧ベクトルに加算した第１指令電圧ベクトルに基づき発生する電流ベクトルの変化量（第１電流変化量ベクトル）と、第１推定用電圧ベクトルとは異なる推定用電圧ベクトルを駆動用電圧ベクトルに加算した第２指令電圧ベクトルに基づき発生する電流ベクトルの変化量（第２電流変化量ベクトル）とを算出し、第１電流変化量ベクトルの大きさと第２電流変化量ベクトルの大きさとが略一致するように磁極位置を推定する。

〔従来技術の不具合〕
しかし、これらの技術によれば、磁極位置を推定する過程で、三角関数および逆三角関数等を用いた数学的演算を高頻度で繰り返す必要があり、制御装置による処理負荷が極めて大きい。
特許第３３１２４７２号公報 特許第３４５４２１２号公報 特許第３５７８０９６号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、同期モータの制御装置において、磁極位置を推定する際の処理負荷を低減することにある。

〔請求項１および請求項２の手段〕
請求項１に記載の制御装置は、突極性を有する同期モータの制御装置であって、同期モータの駆動用電圧ベクトルに、磁極位置を推定するための推定用電圧ベクトルを加算して指令電圧ベクトルとし、指令電圧ベクトルに基づき同期モータへの印加電圧を制御する。そして、この制御装置は、同期モータへの通電量の検出値に基づき、この検出値に相当する検出電流ベクトルを算出する検出電流ベクトル算出手段と、検出電流ベクトルの内で、推定用電圧ベクトルの加算により生じる部分を推定用電流ベクトルとして算出する推定用電流ベクトル算出手段と、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積に基づき、磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備える。
また、推定用電圧ベクトルは、推定された磁極位置と平行になるように、かつ、ベクトル方向が反転を繰り返すように算出され、磁極位置推定手段は、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように磁極位置を推定する。
また、請求項２に記載の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように磁極回転数を推定し、磁極回転数の推定値を用いて磁極位置を推定する。

真の磁極位置に対する指令電圧ベクトルの方向（つまり、電圧を印加する方向：印加電圧の位相θｖ、以下、電圧位相θｖとする）を求めることは、磁極位置を推定することに相当する。そして、本発明は、突極性を有する同期モータについて、磁極位置を推定するため、まず、電圧電流位相差（つまり、電圧ベクトルと電流ベクトルとの角度差：以下、位相差θｖｉと呼ぶ）の正負と電圧位相θｖの正負とが逆相関を示すことに着目する。

すなわち、本発明は、位相差θｖｉがゼロであれば電圧位相θｖはゼロになり、位相差θｖｉが正の値であれば電圧位相θｖは負の値になり、位相差θｖｉが負の値であれば電圧位相θｖは正の値になることに着目する。
この位相差θｖｉの正負と電圧位相θｖの正負との逆相関は、突極性を有する同期モータを外乱注入方式によりセンサレス制御する場合、以下のようにして導き出すことができる。

まず、外乱注入方式により同期モータを制御する場合の電圧方程式は、回転座標系のｄｑ軸成分で表現した場合、下記の数式１のようになる。
〔数式１〕

この数式１において、ｖｄは駆動用電圧ベクトルのｄ軸成分、ｖｑは駆動用電圧ベクトルのｑ軸成分、ｖｈｄは推定用電圧ベクトルのｄ軸成分、ｖｈｑは推定用電圧ベクトルのｑ軸成分、Ｒは電機子コイルの巻き線抵抗、ｐは微分演算子、ωは角速度（磁極回転数に相当する）、φａは磁石の鎖交磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｄは駆動用電圧ベクトルに起因する電流ベクトル（駆動用電流ベクトルと呼ぶ）のｄ軸成分、ｉｑは駆動用電流ベクトルのｑ軸成分、ｉｈｄは推定用電圧ベクトルに起因する電流ベクトル（推定用電流ベクトルと呼ぶ）のｄ軸成分、ｉｈｑは推定用電流ベクトルのｑ軸成分である。

そして、数式１の中で、高周波のみを考慮して、推定用電圧ベクトルおよび推定用電流ベクトルに相当する部分のみを取り出し、微分演算子ｐをサンプリング周期Δｔを用いて表現すると、下記の数式２のようになる。
〔数式２〕

次に、電圧位相θｖを用いて推定用電圧ベクトルのｄｑ軸成分ｖｈｄ、ｖｈｑを表すと、下記の数式３のようになる。なお、数式３でｖａは、推定用電圧ベクトルの大きさである。
〔数式３〕

この数式３を数式２に当てはめて、推定用電流ベクトルのｄｑ軸成分ｉｈｄ、ｉｈｑについて解くと、下記の数式４のようになる。
〔数式４〕

また、電流位相θｉは、推定用電流ベクトルのｄｑ軸成分ｉｈｄ、ｉｈｑを用いると、下記の数式５のようになる。
〔数式５〕

よって、位相差θｖｉは、下記の数式６のように変形できる。
〔数式６〕

ここで、電圧位相θｖが微小値であると仮定すると、数式６における最終式は下記の数式７のように変形できる。
〔数式７〕

そして、同期モータが突極性を有する場合、ｄ軸インダクタンスＬｄはｑ軸インダクタンスＬｑよりも小さいので、数式７における（Ｌｄ／Ｌｑ−１）は常に負の値となる。
以上により、突極性を有する同期モータの場合、位相差θｖｉの正負と電圧位相θｖの正負とは逆相関を示す。

次に、本発明は、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積（以下、外積Ｖ×Ｉとする）に着目する。そして、外積Ｖ×Ｉは、推定用電圧ベクトルの大きさと、推定用電流ベクトルの大きさと、位相差θｖｉの正弦関数との積として定義されるので、外積Ｖ×Ｉの正負と位相差θｖｉの正負とは順相関を示す。すなわち、外積Ｖ×Ｉがゼロであれば位相差θｖｉはゼロになり、外積Ｖ×Ｉが正の値であれば位相差θｖｉは正の値になり、外積Ｖ×Ｉが負の値であれば位相差θｖｉは負の値になる。

したがって、外積Ｖ×Ｉの正負と位相差θｖｉの正負とが順相関を示すことと、位相差θｖｉの正負と電圧位相θｖの正負とが逆相関を示すこととを併せると、外積Ｖ×Ｉの正負と電圧位相θｖの正負とが逆相関を示すことがわかる。このため、外積Ｖ×Ｉの正負により電圧位相θｖの正負を推定することができる。

また、外積Ｖ×Ｉは、上記の定義のように位相差θｖｉを直接的に用いなくても、推定用電圧ベクトルおよび推定用電流ベクトルの各成分を用いて簡易な四則演算により算出することができる。例えば、推定用電圧ベクトルを静止座標系のαβ軸成分ｖｈα、ｖｈβで表し、推定用電流ベクトルもαβ軸成分ｉｈα、ｉｈβで表すと、外積Ｖ×Ｉは、下記の数式８により算出できる。
〔数式８〕

以上により、簡易な四則演算により算出できる外積Ｖ×Ｉの正負に応じて、電圧位相θｖの正負を推定することができる。このため、磁極位置の推定を行う際に、三角関数および逆三角関数等を用いる頻度を下げることができるので、制御装置による処理負荷を低減することができる。
なお、請求項１、２の手段では、注入される外乱が推定用電圧ベクトルであり、推定用電流ベクトルは、検出電流ベクトルに基づき算出されたものである。
また、推定用電圧ベクトルは、推定された磁極位置と平行になるように算出されるので、駆動用電圧ベクトルに推定用電圧ベクトルが加算されても、推定用電圧ベクトルに応じた出力トルクは発生しない。このため、駆動用電圧ベクトルに推定用電圧ベクトルを加算しても、駆動用電圧ベクトルのみに応じた出力トルクを得ることができる。
さらに、請求項１、２に記載の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように推定を行なうものであり、ゼロに略一致させる対象を外積Ｖ×Ｉとしているので、収束計算を行う際に、電機子コイルの巻き線抵抗Ｒ、磁石の鎖交磁束φａ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑの影響を除くことができる。このため、収束計算を行う際に、温度等の同期モータの使用条件の影響を除くことができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の制御装置によれば、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積は、静止座標系の成分からなる推定用電圧ベクトルと静止座標系の成分からなる推定用電流ベクトルとを用いて算出される。
この手段は、外積Ｖ×Ｉの算出方法の一形態を示すものである。

〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の制御装置によれば、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積は、回転座標系の成分からなる推定用電圧ベクトルと回転座標系の成分からなる推定用電流ベクトルとを用いて算出される。
この手段は、外積Ｖ×Ｉの算出方法の一形態を示すものである。

〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、磁極位置の推定値を用いて算出される磁極回転数の推定値に応じて、磁極位置を推定する際に用いるパラメータを可変する。
この手段は、請求項１に記載の磁極位置推定手段に関するものである。そして、この手段によれば、例えば、外積Ｖ×ＩにＰＩ演算を施す場合の比例ゲイン、積分ゲイン等のパラメータを、外積Ｖ×Ｉがより早期にゼロに略一致する方に可変することができる。このため、より早期に磁極位置を推定することができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、磁極回転数の推定値に応じて、磁極回転数を推定する際に用いるパラメータを可変する。
この手段は、請求項２に記載の磁極位置推定手段に関するものである。そして、この手段によれば、請求項５の手段と同様の効果を得ることができる。

〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、通電量の指令値の正負と、磁極回転数の推定値の変化率の正負とが異なる場合に、磁極位置の推定値をπだけ変化させて修正する。
これにより、制御装置が磁極を回転させたい方向と、制御装置の指令に応じて磁極が回転しようとする方向とが逆である場合に、推定された磁極のＮＳを逆転させることができる。このため、同期モータの回転停止や逆回転を防止することができる。

〔請求項８の手段〕
請求項８に記載の制御装置は、印加電圧が、電源電圧以下になるように駆動用電圧ベクトルを補正する電圧制限手段を備える。
これにより、確実に推定用電圧を印加することができるので、磁極位置を確実に推定することができる。このため、制御装置の信頼性を高めることができる。

〔請求項９の手段〕
請求項９に記載の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、印加電圧の内で推定用電圧ベクトルに基づく部分の変動周期を、乱数に基づき決定する。
これにより、推定用電圧の周波数を分散することができるので、駆動用電圧の印加に伴う騒音を低減することができる。

〔請求項１０の手段〕
請求項１０に記載の制御方法によれば、同期モータの起動後の所定時間で磁極位置を推定し、推定された磁極位置の正方向および負方向の両方向で磁気飽和に達するように印加電圧を与え、正方向で磁気飽和に達した時の通電量および負方向で磁気飽和に達した時の通電量に応じて磁極を判別する。
これにより、同期モータの起動から極めて短時間の内に、磁極位置を推定するとともにＮＳ判別を行うことができる。このため、同期モータの起動後、極めて早期にセンサレス制御が可能になる。

〔請求項１１の手段〕
請求項１１に記載の制御装置は、通電量の大きさに対して目標値を設定し、通電量の大きさが目標値よりも小さいときに、通電量の大きさが目標値に略一致するように、ｄ軸電流の指令値を増加させる無効電流増加手段を備える。
同期モータへの通電量の大きさが小さい場合、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差（インダクタンス差）が小さいので、磁極位置の推定が困難になり誤差が大きくなる。そこで、誤差の許容範囲を考慮して、通電量の大きさに対して目標値を設定する。そして、通電量の大きさが目標値よりも小さいときには、通電量の大きさを目標値まで増加させてインダクタンス差を大きくする。この際、ｄ軸電流のみを増加させることで、出力トルクに影響を与えることなく、通電量の大きさを増加させることができる。

〔請求項１２の手段〕
請求項１２に記載の制御装置によれば、同期モータは車両に搭載される車両用モータである。

最良の形態１の制御装置は、突極性を有する同期モータの制御装置であって、同期モータの駆動用電圧ベクトルに、磁極位置を推定するための推定用電圧ベクトルを加算して指令電圧ベクトルとし、指令電圧ベクトルに基づき同期モータへの印加電圧を制御する。そして、この制御装置は、同期モータへの通電量の検出値に基づき、この検出値に相当する検出電流ベクトルを算出する検出電流ベクトル算出手段と、検出電流ベクトルの内で、推定用電圧ベクトルの加算により生じる部分を推定用電流ベクトルとして算出する推定用電流ベクトル算出手段と、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積に基づき、磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備える。

推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積は、静止座標系の成分からなる推定用電圧ベクトルと静止座標系の成分からなる推定用電流ベクトルとを用いて算出される。
また、推定用電圧ベクトルは、推定された磁極位置と平行になるように、かつ、ベクトル方向が反転を繰り返すように算出される。

磁極位置推定手段は、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように磁極位置を推定する。さらに、磁極位置推定手段は、磁極位置の推定値を用いて算出される磁極回転数の推定値に応じて、磁極位置を推定する際に用いるパラメータを可変する。

また、磁極位置推定手段は、通電量の指令値の正負と、磁極回転数の推定値の変化率の正負とが異なる場合に、磁極位置の推定値をπだけ変化させて修正する。
さらに、この制御装置は、印加電圧が、電源電圧以下になるように駆動用電圧ベクトルを補正する電圧制限手段を備える。

そして、この制御装置を用いた制御方法によれば、同期モータの起動後の所定時間で磁極位置を推定し、推定された磁極位置の正方向および負方向の両方向で磁気飽和に達するように印加電圧を与え、正方向で磁気飽和に達した時の通電量および負方向で磁気飽和に達した時の通電量に応じて磁極を判別する。
また、この制御装置により制御される同期モータは、車両に搭載される車両用モータである。

最良の形態２の制御装置によれば、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積は、回転座標系の成分からなる推定用電圧ベクトルと回転座標系の成分からなる推定用電流ベクトルとを用いて算出される。
また、磁極位置推定手段は、印加電圧の内で推定用電圧ベクトルに基づく部分の変動周期を、乱数に基づき決定する。

最良の形態３の制御装置によれば、磁極位置推定手段は、推定用電圧ベクトルと推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように磁極回転数を推定し、磁極回転数の推定値を用いて磁極位置を推定する。さらに、磁極位置推定手段は、磁極回転数の推定値に応じて、磁極回転数を推定する際に用いるパラメータを可変する。

最良の形態４の制御装置は、通電量の大きさに対して目標値を設定し、通電量の大きさが目標値よりも小さいときに、通電量の大きさが目標値に略一致するように、ｄ軸電流の指令値を増加させる無効電流増加手段を備える。

〔実施例１の構成〕
実施例１の制御装置１を、図１に基づいて説明する。
まず、制御装置１により制御される同期モータ２について説明する。同期モータ２は、ステータ（図示せず）に設けられ所定の電源（図示せず）から給電を受ける複数相（例えば、ｕ相、ｖ相、ｗ相の３相）の電機子コイル（図示せず）と、ロータ（図示せず）に装着された磁石（図示せず）との相互作用により、ロータを回転駆動することで出力トルクを得るものである。すなわち、同期モータ２は、インバータ３から電機子コイルに交流の電圧の印加を受けることで、電機子コイルと磁石との間に相互作用を発生させ、ロータを回転駆動して出力トルクを得る。

なお、同期モータ２は、回転座標系のｄｑ軸成分の値で示されたｄ軸インダクタンスＬｄおよびｑ軸インダクタンスＬｑに関し、ｄ軸インダクタンスＬｄがｑ軸インダクタンスＬｑよりも小さい突極性を有する。また、同期モータ２は、例えば、車両に搭載される車両用モータであり、カーエアコンのコンプレッサ、ハイブリッドカーのモータジェネレータ等に適用される。

インバータ３は、各相電機子コイルに対応した上下２段のトランジスタ（図示せず）、すなわち６個のトランジスタを含んで構成され、これらのトランジスタは、制御装置１からＰＷＭ信号の入力を受けて作動する。これにより、インバータ３は、所定の電源から供給される直流の電圧を交流の電圧に変換するとともに、電機子コイルごとに位相の異なる電圧を印加する。この結果、電機子コイルに交流の電流が通電されて電機子コイルと磁石との間に相互作用が発生し、ロータが回転駆動されて出力トルクが発生する。

ここで、同期モータ２への通電量は、電流検出部４により検出される。電流検出部４は、インバータ３と各相電機子コイルとを接続する３つの配線の内の少なくとも２つの配線に装着された電流検出センサ（図示せず）により構成される。この電流検出センサは、例えば、ＣＴ型電流センサのように配線に対し非接触で通電量を検出するものである。そして、通電量の検出値ｉｕ、ｉｖは、検出信号として制御装置１に出力される。

制御装置１は、周知構造のコンピュータであり、通電量の検出値ｉｕ、ｉｖ等の入力を受けるとともに、これらの検出値や各種の指令値等に基づき各相電機子コイルに電圧を印加するためのＰＷＭ信号を合成してインバータ３に出力する。

これにより、制御装置１は、電機子コイルへの給電を制御してロータを回転駆動するとともに、電機子コイルへの給電状態に応じてロータの回転位置（以下、磁極位置と呼ぶ）を推定し、この磁極位置の推定値に応じて電機子コイルへの給電を制御する。つまり、制御装置１は、磁極位置を検出する位置センサによらずに磁極位置を推定することで同期モータ２を制御するセンサレス制御方式を採用するものである。

また、制御装置１は、同期モータ２の運転条件（例えば、要求される出力トルク）に応じて印加される駆動用電圧に、磁極位置を推定するための推定用電圧を外乱として加えて印加することで磁極位置を推定する外乱注入方式によりセンサレス制御を行うものである。
以下、制御装置１を、図１に示す制御ブロックフローを用いて説明する。

まず、制御装置１は、要求される出力トルクに応じて同期モータ２への通電量の指令値を算出する電流指令生成部８、電流の指令値に対する電流の検出値の偏差に応じて同期モータ２に印加すべき駆動用電圧の指令値を算出する電流制御部１０、および、駆動用電圧の指令値を制限して補正する電圧制限部１１の機能を具備する。

電流指令生成部８は、要求される出力トルク（トルク指令値τ＊とする）に応じて、同期モータ２への通電量の指令値を回転座標系のｄｑ軸成分ｉｄ＊、ｉｑ＊からなる指令電流ベクトル（ｉｄ＊、ｉｑ＊）として算出する。

電流制御部１０は、指令電流ベクトル（ｉｄ＊、ｉｑ＊）に対する検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）の偏差ベクトルに応じて、駆動用電圧の指令値を、回転座標系のｄｑ軸成分ｖｄ＊、ｖｑ＊からなる駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）として算出する。

なお、検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）とは、電流検出部４で検出された通電量の検出値ｉｕ、ｉｖを座標変換部１４により静止座標系のαβ軸成分ｉα、ｉβに変換し、これにより得られる検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）を、さらに座標変換部１５により回転座標系のｄｑ軸成分ｉｄ、ｉｑに変換して得られるベクトルである。すなわち、座標変換部１４、１５は、制御装置１の機能として構成され、通電量の検出値ｉｕ、ｉｖに基づき、検出値ｉｕ、ｉｖに相当する検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）、（ｉｄ、ｉｑ）を算出する検出電流ベクトル算出手段をなす。なお、座標変換部１５におけるαβ軸成分ｉα、ｉβからｄｑ軸成分ｉｄ、ｉｑへの変換には、後記する磁極位置の推定値θが用いられる。

電圧制限部１１は、後記する変調率監視部１６からの入力に基づき、駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）の大きさを制限することで、駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を補正する。なお、変調率監視部１６からの入力は、ＰＷＭ信号の変調率の指令値が１００％を超える場合に行われるので、電圧制限部１１による補正は、ＰＷＭ信号の変調率の指令値が１００％を超える場合に行われる。

また、制御装置１は、駆動用電圧ベクトル（ｖα＊、ｖβ＊）に、後記する推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）を高周波の外乱として加算し、指令電圧ベクトル（ｖα＊＋ｖｈα＊、ｖβ＊＋ｖｈβ＊）とする外乱注入部１７の機能を具備する。なお、駆動用電圧ベクトル（ｖα＊、ｖβ＊）は、駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）のｄｑ軸成分ｖｄ＊、ｖｑ＊を、座標変換部１９により静止座標系のαβ軸成分ｖα＊、ｖβ＊に変換して得られるベクトルである。そして、座標変換部１９におけるｄｑ軸成分ｖｄ＊、ｖｑ＊からαβ軸成分ｖα＊、ｖβ＊への変換には、後記する磁極位置の推定値θが用いられる。

そして、制御装置１は、座標変換部２０で、指令電圧ベクトル（ｖα＊＋ｖｈα＊、ｖβ＊＋ｖｈβ＊）を、３相の印加電圧の指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換し、さらに、変調率生成部２２で、指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊、および電源電圧の検出値Ｖｄｃに基づき、インバータ３に出力すべきＰＷＭ信号の変調率の指令値を算出する。そして、制御装置１は、ＰＷＭ合成部２３で、変調率の指令値に基づくＰＷＭ信号を合成しインバータ３に出力する。

また、制御装置１は、変調率生成部２２で算出された変調率の指令値が１００％を超えたか否かを監視する変調率監視部１６の機能を具備する。変調率監視部１６は、変調率の指令値が１００％を超えた場合に、電圧制限部１１に１００％からの超過量を出力する。そして、電圧制限部１１は、この超過量に基づき駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）の大きさを制限することで、変調率の指令値が１００％を超えないように駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を補正する。

このように、電圧制限部１１および変調率監視部１６は、印加電圧が電源電圧の検出値Ｖｄｃ以下になるように駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を補正する電圧制限手段をなす。

また、制御装置１は、磁極位置を推定する磁極位置推定部２４の機能を具備する。
磁極位置推定部２４は、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）を算出する推定用電圧ベクトル算出部２８、推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）を算出する推定用電流ベクトル算出部２９、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）と推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）との外積Ｖ×Ｉを算出する外積算出部３０、外積Ｖ×Ｉに基づき磁極位置の推定値θを算出する推定値算出部３１等の機能により構成されている。

ここで、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）とは、推定用電圧の指令値を静止座標系のαβ軸成分ｖｈα＊、ｖｈβ＊に変換しベクトルとして表したしたものである。また、推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）とは、検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）の内で、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）の加算により生じる部分を、αβ軸成分ｉｈα、ｉｈβによりベクトルとして表したしたものである。

つまり、磁極位置推定部２４は、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）と推定用電流ベクトル（ｉｈα＊、ｉｈβ＊）との外積Ｖ×Ｉに基づき磁極位置を推定する磁極位置推定手段をなす。

推定用電圧ベクトル算出部２８は、推定用電圧が高周波をなすように、推定用電圧の指令値を算出するとともに、この推定用電圧の指令値を静止座標系のαβ軸成分ｖｈα＊、ｖｈβ＊に変換し推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）とする。

また、推定用電圧ベクトル算出部２８は、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）が、推定された磁極位置（つまり、推定値θの方向）と平行になるように算出される。この場合、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）のαβ軸成分ｖｈα＊、ｖｈβ＊を回転座標系のｄｑ軸成分ｖｈｄ＊、ｖｈｑ＊に変換すると、ｑ軸成分ｖｈｑ＊はゼロになる。よって、αβ軸成分ｖｈα＊、ｖｈβ＊の値は、磁極位置の推定値θと推定用電圧の指令値（ｄ軸成分ｖｈｄ＊に相当する）とを用いて下記の数式９により求められる。
〔数式９〕

なお、実施例１の推定用電圧ベクトル算出部２８は、推定用電圧の指令値ｖｈｄ＊が所定の変動周期（例えば、１制御周期）で、正負に同一の絶対値だけ変化するように、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）を決定する。

推定用電流ベクトル算出部２９は、推定用電圧の指令値ｖｈｄ＊の変動周期（例えば、１制御周期）では、検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）の内で駆動用電圧ベクトル（ｖα＊、ｖβ＊）により生じる部分（つまり、駆動用電流ベクトル）が変動しないとみなす。そして、推定用電流ベクトル算出部２９は、今回の制御処理で算出された検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）と、前回の制御処理で算出された検出電流ベクトル（ｉα、ｉβ）との差分ベクトルを算出し、この差分ベクトルを推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）とする。

外積算出部３０は、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）と推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）とを用いて、下記の数式１０により外積Ｖ×Ｉを算出する。
〔数式１０〕

推定値算出部３１は、外積Ｖ×Ｉがゼロに略一致するように磁極位置の推定値θを算出する。すなわち、推定値算出部３１は、外積Ｖ×Ｉとゼロとの差分（つまり、外積Ｖ×Ｉ）に対し、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉを用いてＰＩ演算を施すことで、推定値θを算出する。なお、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉは、推定値θを微分して算出される磁極回転数の推定値ωに応じて可変される。

また、推定値算出部３１は、磁極回転数の推定値ωを積分した値で、推定値θを補正する。さらに、推定値算出部３１は、補正後の推定値θを、通電量の指令値ｉ＊の正負と、磁極回転数の推定値ωの変化率の正負とが異なる場合に、磁極位置の推定値θをπだけ変化させて修正する。

ここで、推定用電圧は、推定値θの方向に印加されるので、推定値θが真の磁極位置からずれている場合、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）も真の磁極位置からずれる。この結果、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）と推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）との間に位相差θｖｉが発生し、外積Ｖ×Ｉが生じる。

そして、この外積Ｖ×Ｉについては、上記の〔数式１〕〜〔数式８〕を用いた説明により、次のことがわかっている。すなわち、外積Ｖ×Ｉの正負は、電圧位相θｖの正負と逆相関を有し、外積Ｖ×Ｉがゼロに略一致すれば、電圧位相θｖはゼロに略一致することがわかっている。そして、電圧位相θｖは、真の磁極位置に対する推定用電圧の印加方向のずれ量に相当するから、ＰＩ演算により外積Ｖ×Ｉがゼロに略一致するように、推定値θの算出を繰り返せば、推定値θを真の磁極位置に略一致させることができる。

そして、推定値算出部３１で算出された推定値θは、座標変換部１５において、αβ軸成分ｉα、ｉβをｄｑ軸成分ｉｄ、ｉｑに変換する際に用いられ、また、座標変換部１９において、ｄｑ軸成分ｖｄ＊、ｖｑ＊をαβ軸成分ｖα＊、ｖβ＊に変換する際に用いられる。また、この推定値θは、推定用電圧ベクトル算出部２８において、αβ軸成分ｖｈα＊、ｖｈβ＊を算出する際にも用いられる。

以上のような制御ブロックフローにより、制御装置１は、同期モータ２の起動後の所定時間で磁極位置を推定する。これにより、制御装置１は、同期モータ２の起動後の所定時間で、磁極位置の推定値θを真の磁極位置に略一致させる。

その後、制御装置１は、磁極のＮＳ判別を行う。すなわち、制御装置１は、推定された磁極位置の正方向および負方向の両方向で磁気飽和に達するように印加電圧を与える。そして、制御装置１は、正方向で磁気飽和に達した時の通電量および負方向で磁気飽和に達した時の通電量に応じて、磁極のＮＳ判別を行う。

〔実施例１の効果〕
実施例１の磁極位置推定部２４は、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）と推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）との外積Ｖ×Ｉに基づき磁極位置を推定する。
ここで、電圧位相θｖ（真の磁極位置に対する推定用電圧の印加方向のずれ量）の正負は、上記の〔数式１〕〜〔数式８〕を用いた説明により、外積Ｖ×Ｉの正負から推定することができる。また、外積Ｖ×Ｉは、αβ軸成分ｖｈα＊、ｖｈβ＊、およびｉｈα、ｉｈβを用いて、簡易な四則演算により算出することができる。したがって、簡易な四則演算により算出できる外積Ｖ×Ｉを用いて、磁極位置を推定することができる。このため、磁極位置を推定する際に、三角関数および逆三角関数等を用いる頻度を下げることができるので、制御装置１の処理負荷を低減することができる。

また、推定用電圧ベクトル算出部２８は、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）が、推定された磁極位置と平行になるように算出される。
これにより、駆動用電圧ベクトル（ｖα＊、ｖβ＊）に推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）が加算されても、推定用電圧ベクトル（ｖｈα＊、ｖｈβ＊）に応じた出力トルクは発生しない。このため、外乱としての推定用電圧を駆動用電圧に加えて印加しても、駆動用電圧のみに応じた出力トルク、つまり、同期モータ２の運転条件に応じた出力トルクを得ることができる。

また、磁極位置推定部２４は、外積Ｖ×Ｉがゼロに略一致するように磁極位置を推定する。
これにより、ＰＩ演算による収束計算を行う際に、電機子コイルの巻き線抵抗Ｒ、磁石の鎖交磁束φａ、ｄ軸インダクタンスＬｄ、ｑ軸インダクタンスＬｑの影響を除くことができる。このため、収束計算を行う際に、温度等の同期モータ２の使用条件の影響を除くことができる。

また、磁極位置推定部２４は、推定値θを微分して算出される磁極回転数の推定値ωに応じて、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを可変する。
これにより、外積Ｖ×Ｉがより早期にゼロに略一致する方に、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを可変することができる。このため、磁極位置の推定値θを、より早期に真の磁極位置に略一致させることができる。

また、磁極位置推定部２４は、通電量の指令値ｉ＊の正負と、磁極回転数の推定値ωの変化率の正負とが異なる場合に、磁極位置の推定値θをπだけ変化させて修正する。
これにより、制御装置１が磁極を回転させたい方向と、制御装置１の指令に応じて磁極が回転しようとする方向とが逆である場合に、推定された磁極のＮＳを逆転させることができる。このため、同期モータ２の回転停止や逆回転を防止することができる。

また、電圧制限部１１および変調率監視部１６は、印加電圧が電源電圧の検出値Ｖｄｃ以下になるように駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）を補正する。
これにより、確実に推定用電圧を印加することができるので、磁極位置を確実に推定することができる。このため、制御装置１の信頼性を高めることができる。

また、制御装置１は、同期モータ２の起動後の所定時間で磁極位置を推定した後、推定された磁極位置の正方向および負方向の両方向で磁気飽和に達するように印加電圧を与え、正方向で磁気飽和に達した時の通電量および負方向で磁気飽和に達した時の通電量に応じて、磁極を判別する。
これにより、同期モータ２の起動から極めて短時間の内に、磁極位置を推定するとともにＮＳ判別を行うことができる。このため、同期モータ２の起動から極めて早期にセンサレス制御が可能になる。

実施例２の制御装置１を、図２を用いて説明する。なお、実施例１と同様の機能を有する部分は同一の符号を用い説明を省略する。

実施例２の制御装置１によれば、外積算出部３０は、推定用電圧ベクトル（ｖｈｄ＊、０）と、推定用電流ベクトル（ｉｈｄ、ｉｈｑ）とを用いて外積Ｖ×Ｉを算出する。ここで、推定用電圧ベクトル（ｖｈｄ＊、０）は、推定用電圧の指令値をｄｑ軸成分ｖｈｄ＊、０に変換しベクトルとして表したものである。また、推定用電流ベクトル（ｉｈｄ、ｉｈｑ）は、検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）の内で、推定用電圧ベクトル（ｖｈｄ＊、０）の加算により生じる部分をｄｑ軸成分ｉｈｄ、ｉｈｑによりベクトルとして表したものである。

なお、推定用電圧ベクトル（ｖｈｄ＊、０）のｑ軸成分がゼロであるのは、推定用電圧を推定された磁極位置と平行になるように印加するためである。
また、推定用電流ベクトル（ｉｈｄ、ｉｈｑ）の算出方法は実施例１の推定用電流ベクトル（ｉｈα、ｉｈβ）の算出方法と同様である。

また、実施例２の外乱注入部１７は、駆動用電圧ベクトル（ｖｄ＊、ｖｑ＊）に推定用電圧ベクトル（ｖｈｄ＊、０）を加算して、ｄｑ軸成分ｖｄ＊＋ｖｈｄ＊、ｖｑ＊からなる指令電圧ベクトル（ｖｄ＊＋ｖｈｄ＊、ｖｑ＊）を求める。そして、座標変換部１９で、指令電圧ベクトル（ｖｄ＊＋ｖｈｄ＊、ｖｑ＊）は、静止座標系のαβ軸成分ｖα＊＋ｖｈα＊、ｖβ＊＋ｖｈβ＊からなる指令電圧ベクトル（ｖα＊＋ｖｈα＊、ｖβ＊＋ｖｈβ＊）に変換される。

また、実施例２の推定用電圧ベクトル算出部２８は、印加電圧の内で推定用電圧ベクトル（ｖｈｄ＊、０）に基づく部分の変動周期を、乱数に基づき決定する。すなわち、推定用電圧ベクトル算出部２８は、推定用電圧の指令値ｖｈｄ＊の変動周期を、乱数発生部３２からの入力に基づき可変する。なお、乱数発生部３２とは、乱数を発生させる機能である。これにより、推定用電圧の周波数を分散することができるので、駆動用電圧の印加に伴う騒音を低減することができる。

実施例３の制御装置１を、図３を用いて説明する。なお、実施例１と同様の機能を有する部分は同一の符号を用い説明を省略する。

実施例３の制御装置１によれば、推定値算出部３１は、外積Ｖ×Ｉがゼロに略一致するように磁極回転数の推定値ωを算出する。すなわち、推定値算出部３１は、外積Ｖ×Ｉに対し、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを用いてＰＩ演算を施すことで、推定値ωを算出する。そして、推定値算出部３１は、推定値ωを積分して磁極位置の推定値θを算出する。また、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉは、ＰＩ演算により算出される磁極回転数の推定値ωに応じて可変される。

実施例４の制御装置１を、図４を用いて説明する。なお、実施例１と同様の機能を有する部分は同一の符号を用い説明を省略する。

実施例４の制御装置１は、検出された通電量の大きさ（つまり、検出電流ベクトル（ｉｄ、ｉｑ）の大きさ）に対して目標値を設定し、通電量の大きさが目標値よりも小さいときに、通電量の大きさが目標値に略一致するように、ｄ軸電流の指令値ｉｄ＊を増加させる無効電流増加部３４（無効電流増加手段）の機能を備える。

同期モータ２への通電量の大きさが、例えば、図５に示すＩａのように小さい場合、ｑ軸インダクタンスＬｑとｄ軸インダクタンスＬｄとの差（インダクタンス差）が小さいので、磁極位置の推定が困難になり誤差が大きくなる。そこで、誤差の許容範囲を考慮して、通電量に対して目標値Ｉｂを設定する。そして、通電量の大きさが目標値Ｉｂよりも小さいときには、通電量の大きさを目標値Ｉｂまで増加させてインダクタンス差を大きくする。この際、ｄ軸電流の指令値ｉｄ＊のみを増加させることで、出力トルクに影響を与えることなく、通電量の大きさを増加させることができる。

制御装置の制御ブロックフローを示す構成図である（実施例１）。 制御装置の制御ブロックフローを示す構成図である（実施例２）。 制御装置の制御ブロックフローを示す構成図である（実施例３）。 制御装置の制御ブロックフローを示す構成図である（実施例４）。 通電量の大きさとｄｑ軸インダクタンスとの相関図である（実施例４）。

符号の説明

１ 制御装置
２ 同期モータ
１１ 電圧制限部（電圧制限手段）
１４ 座標変換部（検出電流ベクトル算出手段）
１５ 座標変換部（検出電流ベクトル算出手段）
１６ 変調率監視部（電圧制限手段）
２４ 磁極位置推定部（磁極位置推定手段）
３４ 無効電流増加部（無効電流増加手段）
（ｉα、ｉβ） 検出電流ベクトル
（ｉｄ、ｉｑ） 検出電流ベクトル
（ｖα＊、ｖβ＊） 駆動用電圧ベクトル
（ｖｄ＊、ｖｑ＊） 駆動用電圧ベクトル
ｉｕ 通電量の検出値
ｉｖ 通電量の検出値
（ｖｈα＊、ｖｈβ＊） 推定用電圧ベクトル
（ｖｈｄ＊、０） 推定用電圧ベクトル
（ｖα＊＋ｖｈα＊、ｖβ＊＋ｖｈβ＊） 指令電圧ベクトル
（ｖｄ＊＋ｖｈｄ＊、ｖｑ＊） 指令電圧ベクトル
Ｖｄｃ 電源電圧の検出値（電源電圧）
Ｖ×Ｉ 外積
Ｋｐ 比例ゲイン（パラメータ）
Ｋｉ 積分ゲイン（パラメータ）
θ 磁極位置の推定値
ω 磁極回転数の推定値
Ｌｄ ｄ軸インダクタンス
Ｌｑ ｑ軸インダクタンス
θｖｉ 位相差
θｖ 電圧位相（印加電圧の位相）
ｉ＊ 通電量の指令値
Ｉｂ 通電量の大きさの目標値
Ｖ・Ｉ 内積
（ｉα＊＋ｉｈα＊、ｉβ＊＋ｉｈβ＊） 指令電流ベクトル
（ｉｄ＊＋ｉｈｄ＊、ｉｑ＊＋ｉｈｑ＊） 指令電流ベクトル

Claims (12)

1. 突極性を有する同期モータの制御装置であって、
   前記同期モータの駆動用電圧ベクトルに、磁極位置を推定するための推定用電圧ベクトルを加算して指令電圧ベクトルとし、この指令電圧ベクトルに基づき前記同期モータへの印加電圧を制御する同期モータの制御装置において、
   前記同期モータへの通電量の検出値に基づき、この検出値に相当する検出電流ベクトルを算出する検出電流ベクトル算出手段と、
   前記検出電流ベクトルの内で、前記推定用電圧ベクトルの加算により生じる部分を推定用電流ベクトルとして算出する推定用電流ベクトル算出手段と、
   前記推定用電圧ベクトルと前記推定用電流ベクトルとの外積に基づき、前記磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備え、
   前記推定用電圧ベクトルは、推定された磁極位置と平行になるように、かつ、ベクトル方向が反転を繰り返すように算出され、
   前記磁極位置推定手段は、前記推定用電圧ベクトルと前記推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように前記磁極位置を推定することを特徴とする同期モータの制御装置。
2. 突極性を有する同期モータの制御装置であって、
   前記同期モータの駆動用電圧ベクトルに、磁極位置を推定するための推定用電圧ベクトルを加算して指令電圧ベクトルとし、この指令電圧ベクトルに基づき前記同期モータへの印加電圧を制御する同期モータの制御装置において、
   前記同期モータへの通電量の検出値に基づき、この検出値に相当する検出電流ベクトルを算出する検出電流ベクトル算出手段と、
   前記検出電流ベクトルの内で、前記推定用電圧ベクトルの加算により生じる部分を推定用電流ベクトルとして算出する推定用電流ベクトル算出手段と、
   前記推定用電圧ベクトルと前記推定用電流ベクトルとの外積に基づき、前記磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備え、
   前記推定用電圧ベクトルは、推定された磁極位置と平行になるように、かつ、ベクトル方向が反転を繰り返すように算出され、
   前記磁極位置推定手段は、前記推定用電圧ベクトルと前記推定用電流ベクトルとの外積がゼロに略一致するように磁極回転数を推定し、この磁極回転数の推定値を用いて前記磁極位置を推定することを特徴とする同期モータの制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
   前記推定用電圧ベクトルと前記推定用電流ベクトルとの外積は、静止座標系の成分からなる推定用電圧ベクトルと静止座標系の成分からなる推定用電流ベクトルとを用いて算出されることを特徴とする同期モータの制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
   前記推定用電圧ベクトルと前記推定用電流ベクトルとの外積は、回転座標系の成分からなる推定用電圧ベクトルと回転座標系の成分からなる推定用電流ベクトルとを用いて算出されることを特徴とする同期モータの制御装置。
5. 請求項１に記載の同期モータの制御装置において、
   前記磁極位置推定手段は、前記磁極位置の推定値を用いて算出される磁極回転数の推定値に応じて、前記磁極位置を推定する際に用いるパラメータを可変することを特徴とする同期モータの制御装置。
6. 請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
   前記磁極位置推定手段は、前記磁極回転数の推定値に応じて、前記磁極回転数を推定する際に用いるパラメータを可変することを特徴とする同期モータの制御装置。
7. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
   前記磁極位置推定手段は、前記通電量の指令値の正負と、磁極回転数の推定値の変化率の正負とが異なる場合に、前記磁極位置の推定値をπだけ変化させて修正することを特徴とする同期モータの制御装置。
8. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
   前記印加電圧が、電源電圧以下になるように前記駆動用電圧ベクトルを補正する電圧制限手段を備えることを特徴とする同期モータの制御装置。
9. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
   前記磁極位置推定手段は、前記印加電圧の内で前記推定用電圧ベクトルに基づく部分の変動周期を、乱数に基づき決定することを特徴とする同期モータの制御装置。
10. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置を用いた制御方法において、
    前記同期モータの起動後の所定時間で前記磁極位置を推定し、
    推定された磁極位置の正方向および負方向の両方向で磁気飽和に達するように印加電圧を与え、
    正方向で磁気飽和に達した時の通電量および負方向で磁気飽和に達した時の通電量に応じて磁極を判別することを特徴とする制御方法。
11. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
    前記通電量の大きさに対して目標値を設定し、前記通電量の大きさが前記目標値よりも小さいときに、前記通電量の大きさが前記目標値に略一致するように、ｄ軸電流の指令値を増加させる無効電流増加手段を備えることを特徴とする同期モータの制御装置。
12. 請求項１または請求項２に記載の同期モータの制御装置において、
    前記同期モータは車両に搭載される車両用モータであることを特徴とする同期モータの制御装置。

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