JP5199316B2 - 電動機駆動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電動機の回転子位置推定機能を有する電動機駆動装置に関する。

インバータによる可変速電動機制御装置は各分野に適用されており、今後はトルクや速度制御精度の向上、高効率、低騒音など更なる高性能化と信頼性の向上が期待されている。特に、速度センサや位置センサを用いない位置速度センサレス制御は、信頼性向上や設置環境の制約の改善などの点で有用である。

１９８０年頃から、位置センサを用いることなく、永久磁石などにより回転子に磁束を有する電動機の回転子磁束方向を検出しようとする技術が開発されている。しかし、電動機の停止時または低速回転時には誘起電圧が０または非常に小さいため、デッドタイム補償誤差による出力電圧誤差や推定式に用いる一次抵抗の誤差などの影響を受け易く、誘起電圧に依存した回転子磁束方向の推定手段だけでは不十分である。

そこで、回転子磁束位置推定技術の１つとして、制御装置内で有する推定された回転子磁束方向に、高周波の交番電流あるいは交番電圧を重畳する手段がある。推定された回転子磁束の方向をＤ軸とし、トルクに寄与する電流ベクトルの方向をＱ軸と定め、それぞれの電流成分を各々制御する電流制御装置を備える。

回転子磁束方向を推定するには、高周波の交番電流を重畳する場合には、高周波電流が流されない軸方向の電圧値を用いればよい。つまり、Ｄ軸に高周波電流を重畳し、高周波電流を重畳しないＱ軸の電圧値を用いて回転子磁束方向を推定することができる。またこれと等価な手段として、高周波の交番電圧を重畳する場合には、高周波電圧が重畳されない軸方向の電流値を用いればよい。すなわち、Ｄ軸に高周波電圧を重畳し、高周波電圧を重畳しないＱ軸の電流値を用いて回転子磁束位置を推定することもできる。

米国特許第４７６３０５８号明細書 特開昭６２−１３８０７４号公報

Schroedl,M.、「DETECTION OF THE ROTOR POSITION OF A PERMANENT MAGNET MACHINE AT STANDSTILL」、ICEM(International Conference on Electrical Machine) 1988 in Pisa(Italy)、p.195-197

電動機をセンサレスで起動する場合、制御上で用いる推定した回転子磁束位置と電動機の実際の回転子磁束位置との誤差Δθを０に収束させることが必要である。ただし、誤差Δθを０またはπに収束させることができれば、オフセット電流を流し、磁気的飽和状態を変化させて、その時の高周波電流の振幅を比較することにより、推定された磁束軸（Ｄ軸）が回転子磁束方向（Δθ＝０）を向いているのか、Ｄ軸のマイナス方向（Δθ＝π）を向いているのかを判定できる。従って、回転子磁束位置誤差Δθを０またはπに収束させることができれば、最終的に誤差Δθを０に収束させることができる。

高周波電圧を用いた推定方法により得られる回転子磁束位置誤差Δθは、sin２Δθまたはtan２Δθの情報として導出される。従って、推定を開始する直前の初期の回転子磁束位置誤差Δθがπ／２または３π／２の場合には、回転子磁束位置誤差情報sin２Δθおよびtan２Δθの値が０となる。つまり、回転子磁束位置に誤差があるにもかかわらず誤差情報が得られないため、その位置を誤って正しい位置と推定してしまう虞がある。

また、初期の回転子磁束位置誤差Δθがπ／２または３π／２に近いと、推定開始時における回転子磁束位置誤差情報sin２Δθおよびtan２Δθの値が非常に小さくなる。このため、回転子磁束位置誤差Δθが０となるように補償を行う際に、回転子磁束の推定位置が正しい位置に収束するのに長い時間を要してしまう。

そこで、推定開始時の回転子磁束位置誤差がπ／２または３π／２の近傍にある場合でも、推定時間が延びることなく回転子磁束位置を正確に推定可能な電動機駆動装置を提供する。

実施形態の電動機駆動装置は、直流電圧を３相交流電圧に変換し電動機を駆動するインバータ、回転子磁束方向であるＤ軸およびトルク電流方向であるＱ軸の電圧指令に基づいてインバータを制御する制御手段、電動機に流れる電流を検出する電流検出手段、高周波電圧印加手段および回転子磁束位置推定手段を備えている。

高周波電圧印加手段は、回転子磁束位置を推定するためにＤ軸電圧指令に高周波電圧を印加する。回転子磁束位置推定手段は、電流検出手段により得られるＱ軸高周波電流またはＤ軸およびＱ軸高周波電流を用いて回転子磁束位置誤差を求め、その値を正負により符号化した回転子磁束位置誤差符号を入力とするＰ（比例）補償演算により回転子磁束位置誤差が０となるように第１の収束演算を実行し、その後、回転子磁束位置誤差を入力とするＰＩ（比例積分）補償演算により回転子磁束位置誤差が０となるように第２の収束演算を実行する。

一実施形態による電動機駆動装置のブロック構成図 高周波電圧の極性が切り替わる時の電流検出値を用いて高周波電流を抽出するときの波形図 高周波電圧の１周期間においてフーリエ展開を行うことにより高周波電流を抽出するときの波形図 高周波電圧の極性が切り替わる時の電流検出値を用いて高周波電流を抽出する場合にＱ軸電流を変化させた時の波形図 高周波電圧の１周期間においてフーリエ展開を行うことにより高周波電流を抽出する場合にＱ軸電流を変化させた時の波形図 Ｍ−Ｔ軸座標とＤ−Ｑ軸座標との関係を示す図

図面を参照しながら一実施形態を説明する。図１は、回転子磁極位置推定機能を備えた電動機駆動装置の構成を示している。電動機駆動装置１は、速度センサおよび位置センサを用いることなく永久磁石同期電動機２（ＰＭモータ）を駆動するセンサレス制御装置である。インバータ３は、３相ブリッジ接続された６つのスイッチング素子から構成され、直流電源線４ｐ、４ｎ間の直流電圧を制御部５からの電圧指令に基づいて３相交流電圧に変換し、電動機２に供給する。Ｕ相およびＷ相に配された電流検出器６は、電動機２に電圧を供給することにより電動機２に流れる電流を検出して制御部５に出力する電流検出手段である。

制御部５は、回転子磁束方向であるＤ軸およびトルク電流方向であるＱ軸の電圧指令を出力しインバータ３を制御する制御手段で、座標変換部７、８および電流制御部９から構成されている。このうち座標変換部７は、推定中の回転子磁束位置θinvを用いて、３相静止軸上の検出電流ｉｕ、ｉｗを同期ＤＱ軸上の電流ｉｄ、ｉｑに変換する。電流制御部９は、指令電流ｉdref、ｉqrefと検出電流ｉｄ、ｉｑとを一致させるように、例えば電流偏差に対するＰＩ演算により指令電圧ｖdref、ｖqrefを出力する。

座標変換部８は、推定中の回転子磁束位置θinvを用いて、同期ＤＱ軸上の指令電圧ｖdref、ｖqrefを３相静止軸上の指令電圧ｖuref、ｖvref、ｖwrefに変換する。指令電圧ｖuref、ｖvref、ｖwrefは、三角波からなる搬送波と比較されてＰＷＭ変調され、そのＰＷＭ変調された駆動信号は、インバータ３のスイッチング素子に付与される。

高周波電圧印加手段である加算器１０は、回転子磁束位置を推定するために、Ｄ軸の電流制御結果である指令電圧ｖdrefに指令高周波電圧ｖdhfを加算する。重畳する高周波電圧ｖdhfは、相異なる２つの電圧レベルを有する５０％デューティの方形波電圧（例えば正と負の向きに同じ電圧振幅を持つ方形波電圧）である。電流制御の応答は、重畳する高周波電圧ｖdhfの周波数より十分に遅い応答として調整されている。すなわち、ここで言う高周波とは、電動機２の運転周波数に対して十分に高い周波数であって、電流制御の周波数帯域に対しても十分に高い周波数である。

回転子磁束位置推定部１１は、位置誤差情報抽出部１２、符号化処理部１３、ゲイン乗算器１４、ゲイン調整部１５、収束演算部１６、スイッチ１７、積分器１８および符号反転器１９から構成されている。この回転子磁束位置推定部１１は、位置誤差情報抽出部１２において検出電流のＤ軸、Ｑ軸それぞれに現れる高周波電流成分ｉdhf、ｉqhfを用いて、推定した回転子磁束位置と実際の回転子磁束位置との差である回転子磁束位置誤差Δθｃを求める。本実施形態では、位置誤差情報抽出部１２による算出値であることを特に明示するときは、Δθに代えてΔθｃを用いることとする。また、後述する（２）式に示すように、抽出したΔθｃが正のときは推定したＤＱ軸が実際のＭＴ軸よりも進んでいることになるので、符号反転器１９によりΔθｃに−１を乗じてから収束演算を実行する。

回転子磁束位置推定部１１は、位置推定開始時にスイッチ１７をゲイン乗算器１４側に切り替え第１の収束演算を実行する。すなわち、符号化処理部１３は、回転子磁束位置誤差Δθｃ（または符号反転器１９後の−Δθｃ）の値を正負により符号化し、ゲイン乗算器１４は、その回転子磁束位置誤差Δθｃの符号(以下、回転子磁束位置誤差符号と言う)に基づいて回転子磁束位置誤差Δθｃが０になるようにゲインを乗じて回転子速度ωstatを求める。その後、スイッチ１７を収束演算部１６側に切り替え第２の収束演算を実行する。収束演算部１６は、符号反転器１９後の回転子磁束位置誤差−Δθｃを入力とするＰＩ補償演算により回転子速度ωstatを求める。積分器１８は、回転子速度ωstatを積分して回転子磁束位置θinvを得る。なお、制御部５、加算器１０、回転子磁束位置推定部１１を含む電動機駆動制御システムは、制御プログラムに従ってマイクロプロプロセッサにより実行されるようになっている。

以下、回転子磁束位置推定部１１による回転子磁束位置の推定演算について詳しく説明する。回転子に磁束を有する電動機２の数学的モデルは、回転子の実際の磁束方向をＭ軸とし、Ｍ軸からπ／２進んだ位置をＴ軸と定めると、一般的に（１）式のように表される。ｉM、ｉTはＭ軸、Ｔ軸電流、Ｒは固定子巻線の抵抗、Ｌｄ、Ｌｑは固定子巻線のＤ軸、Ｑ軸インダクタンス、φは回転子の固定子鎖交磁束、ωmeは回転速度、ｐは微分演算子である。

電動機２の実際の磁束方向であるＭ軸方向をθ、制御上で有する推定の磁束方向であるＤ軸方向をθestとし、Ｍ軸とＤ軸の誤差角Δθ（回転子磁束位置誤差Δθ）を（２）式のように定める。このＭ−Ｔ軸とＤ−Ｑ軸との関係は、図６に示す通りである。

制御上の推定軸であるＤ軸からπ／２進んだ位置をＱ軸と定義すると、（１）式に示されるＭ−Ｔ軸上の電圧方程式は、Ｄ−Ｑ軸上における数学的モデルとして（３）式のように表される。

微分項を左辺に整理すると（４）式のようになる。

ここで、Ｌ０、Ｌ１は（５）式のように定義される。

重畳する高周波電圧ｖdhfの周波数は電動機２の運転周波数に対して十分に高いため、巻線抵抗の電圧降下はインダクタンスに係る項に比べ十分に小さくなる。そこで、固定子巻線の抵抗Ｒに係る項を無視し、さらに停止時や低速域において小さな値となる回転速度ωmeを含む項を無視すると、（４）式は（６）式の近似式で表せる。

高周波電圧信号をＤ軸方向にのみ重畳すると、ｖｄ＝ｖdhf、ｖｑ＝０となるので、（６）式は（７）式となる。

これをＤ軸成分、Ｑ軸成分ごとに表すと（８）式、（９）式となる。

推定の回転子磁束方向であるＤ軸に高周波電圧ｖdhfを重畳する場合、高周波電圧が重畳されないＱ軸電流ｉｑを用いて回転子磁束位置を推定することができる。Ｑ軸電流ｉｑを用いると、（９）式に示されるように回転子磁束位置誤差Δθに相当する回転子磁束位置誤差情報sin２Δθを得ることができる。また、Ｄ軸電流ｉｄとＱ軸電流ｉｑを用いても、（８）式および（９）式から回転子磁束位置誤差情報tan２Δθを得ることができる。tan２Δθ＝sin２Δθ／cos２Δθであることから、両者は本質的に同じ原理を用いていると言える。

（９）式のみあるいは（８）式と（９）式の両方を用いて位置誤差を推定する場合、回転子磁束位置誤差は、２Δθのsinまたはtanの情報として得られるため、２つの問題が存在する。第１の問題はΔθ＝０と、Δθ＝πの状態を判別することが困難であるという点である。しかし、この問題に対しては、オフセット電流を流し、磁気的飽和状態を変化させて、その時における高周波電流の振幅を比較することで判定可能となる。第２の問題は、推定を開始する直前の初期の回転子磁束位置誤差Δθがπ／２または３π／２の場合、回転子磁束位置誤差情報sin２Δθおよびtan２Δθの値が０になり、回転子磁束位置に誤差があるにもかかわらず誤差情報が得られない点である。

そこで、はじめに回転子磁束位置誤差Δθの算出方法を説明し、続いて上記第２の問題を解決する手段について説明する。
位置誤差情報抽出部１２は、検出電流のＤ軸、Ｑ軸それぞれに現れる高周波電流成分ｉdhf、ｉqhfから（１０）式のようにして回転子磁束位置誤差Δθｃを得る。この回転子磁束位置誤差Δθｃは、（８）式と（９）式において、Ｄ軸とＱ軸における電流の微分量を、ある時間に変化した高周波電流成分であるΔＩdhfとΔＩqhfを用いて定義し、cos２Δθ≒１、sin２Δθ≒２Δθという近似を施し、辺々を除することで導かれる。

回転子磁束位置誤差Δθｃの演算に必要な高周波電流の変化分ΔＩdhfとΔＩqhfを抽出するには、処理量を軽減する観点から、図２に示すように重畳する高周波電圧ｖdhfの極性が切り替わる時（ｔ１、ｔ２、ｔ３、…）に検出される電流値ｉdhf、ｉqhfの差分で算出する方法が簡潔である。図２において、上段は搬送波である三角波と高周波電圧ｖdhf（＝指令電圧ｖdref）を表し、中段は検出したＤ軸電流ｉｄ（破線）と三角波の周期毎にサンプリングした電流（実線）を表し、下段は高周波電流の変化分ΔＩdhfを表している。電動機２は停止した状態にある。Ｑ軸電流ｉｑに関しても同様に検出することにより、高周波電流の変化分ΔＩdhf-peaktopeakとΔＩqhf-peaktopeakを（１１）式により抽出し、これらを（１０）式に代入することにより回転子磁束位置誤差Δθｃを（１２）式のように導くことができる。

しかし、このようにしてΔＩdhfとΔＩqhfを抽出すると、例えば負荷変動などによりＱ軸電流ｉｑが変化したときに、Ｑ軸電流ｉｑの高周波電流成分の変化分ΔＩqhfを正確に検出できない問題が生じる。この問題の具体的な数値解析例を図４に示す。図４は、上から順に、検出したＱ軸電流ｉｑとその運転周波数成分ｉqfund、検出電流の高周波成分ｉqhf、（１１）式を用いて抽出した高周波電流の変化分ΔＩqhfの半分の値（ピークトゥーピーク値の半分つまりピーク値）と実際のピーク値を表している。

この例では、高周波電圧ｖdhfとして１ｍｓごとに極性が切り替わる方形波電圧を印加し、三角波状となる高周波電流成分のピーク値が１になるように方形波電圧の振幅が調整されている。負荷の増加を想定して、時刻ｔ＝１．００ｓから１．０２ｓの間にＱ軸電流の運転周波数成分ｉqfundを０から５まで変化させ、（１１）式に従い高周波電圧ｖdhfの極性が切り替わる時に検出される電流値ｉqhfの差分を用いて変化分ΔＩqhfを算出している。

この図４を見ると、重畳する方形波電圧の切り替わり時に検出される電流値を用いて算出した高周波電流の変化分ΔＩqhfは、運転周波数成分が変化する影響を受けていることが分かる。このようにして抽出された電流の高周波成分を用いて位置推定を行うと、推定結果が振動的になり、制御が不安定となる虞がある。

この問題を解決する手法の１つとして、フーリエ展開を用いる方法がある。図３はフーリエ展開の説明図であり、上から順に、搬送波である三角波と高周波電圧ｖdhf、高周波の位相θhf、高周波検出用信号−cosθhf、Ｄ軸電流ｉｄ（破線）と三角波の各周期でサンプリングした電流（実線）、高周波電流の変化分ΔＩdhfを表している。フーリエ展開を用いる場合、高周波電圧ｖdhfの１周期における電流検出の回数ｎは（１３）式のように求められる。Ｔhfは高周波電圧ｖdhfの周期であり、Ｔsampは電流検出周期である。

フーリエ展開において重畳する高周波電圧ｖdhfの位相情報は（１４）式のように算出する。

高周波電圧ｖdhfの１周期の期間で、台形近似を用いて（１５）式に示す積分演算を行うことにより、フーリエ展開の第１項Ｉdhf-FFT（高周波電圧ｖdhfの周波数成分項）を得る。（１５）式はＤ軸電流成分について記載しているが、Ｑ軸電流に対しても同様の演算を行いＩqhf-FFTを得る。

フーリエ展開を用いて得た高周波電圧ｖdhfの周波数成分項Ｉdhf-FFTとＩqhf-FFTを（１０）式に代入することにより回転子磁束位置誤差Δθｃを（１６）式のように導くことができる。

図５は、図４と同一条件での数値解析例であり、その３段目には（１５）式で示したフーリエ展開（ｎ＝８）の第１項目を用いて算出した高周波成分の抽出結果を示している。１段目と２段目の表示は図４と同じである。フーリエ展開の第１項目を用いて算出した高周波成分は、Ｑ軸電流の運転周波数成分ｉqfundが変化してもその影響を受けていないことが分かる。

なお、本例は高周波電圧ｖdhfの１周期に対し８回（ｎ＝８）の電流サンプル値による演算結果であるため、フーリエ展開の離散時間演算により抽出した高周波成分の振幅と理想値との間に差異が生じていると考えられる。フーリエ展開を用いて振幅の絶対的な精度を確保するには、更に高速な電流サンプリングが必要になる。しかし、本実施形態では、検出される電流値の高周波情報から得られる回転子磁束位置誤差Δθｃを０にするように収束演算を繰り返すので、高周波振幅の絶対的な精度まで確保する必要はない。

以上の演算処理により、位置誤差情報抽出部１２は、検出電流ｉｄ、ｉｑに含まれる高周波成分から位置誤差指標である回転子磁束位置誤差Δθを求めることができる。従って、収束演算部１６は、ＰＩ補償演算を行って回転子磁束位置誤差Δθを打ち消す方向に回転子速度ωstatを算出し、さらに積分器１８で回転子磁束位置θinvを算出することができる（第２の収束演算）。

続いて、上述した第２の問題を解決する手段について説明する。推定した初期状態の回転子磁束位置と実際の回転子磁束位置との差（回転子磁束位置誤差Δθ）がπ／２、３π／２の状態（以下、ブラインドポジションと言う）にあると、（９）式において２Δθ＝π、３πとなる。このため、高周波電圧ｖdhfがＤ軸方向に供給されても、Ｑ軸電流ｉｑの変化は観測されず、（１２）式または（１６）式で示される回転子磁束位置誤差Δθｃが得られなくなる。その結果、収束演算に時間がかかり、最悪の場合には収束できずに電動機２を起動できない状態が起こりうる。推定時間を延ばすことで位置推定が可能になる可能性はあるが、その時間を常に確保すると、運転信号を受けてから実際に回転し始めるまでの時間遅れが常に発生するという問題が生じてしまう。

そこで、回転子磁束位置推定部１１は、位置推定の開始時にスイッチ１７をゲイン乗算器１４側に切り替えて第１の収束演算を実行する。すなわち、符号化処理部１３は、回転子磁束位置誤差Δθｃの値が正か負かにより符号化した回転子磁束位置誤差符号を出力し、ゲイン乗算器１４は、その回転子磁束位置誤差符号に基づいて回転子磁束位置誤差Δθが０になるようにゲインを乗じて推定の回転子速度ωstatを求める。回転子磁束位置誤差Δθｃの値が０の場合には、正として（または負として）符号化すればよい。

この場合、ゲイン乗算器１４で用いるゲインが一定であると、推定位置が正しい回転子位置に近づいても引き続き上記一定のゲインが適用されるので、正しい回転子位置の近傍で回転子位置の推定結果が振動的となることがある。そこで、ゲイン調整部１５により、ゲイン乗算器１４で用いるゲインを減衰させる。

推定開始後の収束演算において回転子磁束の推定位置が最も大きく変化するのは、初期の回転子磁束位置がブラインドポジションにある場合である。この場合でも、推定位置は、π／２だけ変化すれば目標とする収束位置（０またはπ）に到達し、回転子磁束位置誤差Δθの符号は逆極性となる。推定位置がπ／２だけ変化するのに要する時間Ｔ90degは、得られた回転子磁束位置誤差符号に乗算されるゲイン（周波数の次元を持つ）をＦ0Bangとすると（１７）式のように表せる。

回転子磁束位置誤差符号が最初に変化した時点において、推定位置のオーバーシュートをπ／４以下にするための条件は（１８）式のようになる。Ｆhfは、重畳している高周波周波数である。

また、回転子磁束位置誤差符号は高周波の周期ごとに反転するので、推定開始後、回転子磁束位置誤差符号が変化するまでの時間は、最長の場合でＴ90deg＋１／Ｆhfとなる。１／Ｆhfが加算されるのは、起動直後の１／Ｆhf［ｓ］間は回転子磁束位置誤差Δθが得られないので、符号化処理の出力が０となるためである。（１８）式に示した条件の下で、例えば（１９）式に示すようにゲインＦ0Bangを選んだ場合、最初に回転子磁束位置誤差符号が変化するまでの最大時間は（２０）式で表せる。

（２０）式で算出される時間すなわち高周波電圧の周波数に関連付けられて決定された時間が経過した後においては、回転子磁束の推定位置は、回転子磁束位置誤差符号が切り替わる位置を最低１回は通過していると考えられる。

以上を踏まえると、位置推定の開始時にスイッチ１７をゲイン乗算器１４側に切り替えて実行する第１の収束演算において、回転子磁束位置誤差符号が変化するごとに、ゲイン乗算器１４のゲインを低減（例えば半減）させることで、符号が変化した後のオーバーシュート量を低減でき、推定した回転子磁束位置を正しい回転子磁束位置の近傍に収束させることができる。

また、第１の収束演算の実行を開始してから（２０）式で算出される時間が経過した後、つまり回転子磁束位置誤差符号が切り替わる位置を最低１回は通過した後に、ゲイン乗算器１４のゲインを低減（例えば半減）させてもよい。この構成によってもオーバーシュート量を低減でき、推定した回転子磁束位置を正しい回転子磁束位置の近傍に収束させることができる。

ただし、ゲインを低減し過ぎると、回転子に初期速度がある場合においては、その回転速度に位置推定が追従できない可能性がある。このため、上述したゲイン（周波数の次元を持つ）の低減は、回転子速度（回転周波数）未満にならないように留意する必要がある。

第１の収束演算を開始した後、予め定めた時間例えば（２０）式に示される時間以上の時間が経過した後に、ゲイン調整部１５は、スイッチ１７を収束演算部１６側に切り替えて第２の収束演算の実行を開始する。これは、初期の回転子位置がブラインドポジションにあっても、（２０）式に示される時間以上の時間が経過すれば、推定した回転子磁束位置は、ブラインドポジションから脱して、回転子磁束位置誤差符号が切り替わる位置を最低１回は通過しており、正しい回転子磁束位置に近づいていると考えられるからである。

この第２の収束演算により、回転子磁束位置誤差Δθが０またはπとなる状態、すなわち推定した回転子磁束位置が実際の回転子磁束位置と一致する状態または推定した回転子磁束位置が実際の回転子磁束位置と逆向きとなる状態に正確に収束させることができる。なお、第２の収束演算の前に第１の収束演算を実行する理由は、推定した回転子磁束位置がブラインドポジションまたはその近傍にある場合、十分な回転子磁束位置誤差情報が得られないことにある。従って、推定開始後の初回または複数回に求めた初期の回転子磁束位置誤差Δθｃが所定の閾値以上の場合には、初めから十分な回転子磁束位置誤差Δθｃが得られているため、第１の収束演算の実行を省略して直ちに第２の収束演算を実行することができる。同様に、推定開始時に電動機２が初期速度を有している場合にも、電動機２の回転に伴い回転子磁束位置誤差情報が得られるので、第１の収束演算を実行することなく第２の収束演算を実行することができる。

この第２の収束演算により、回転子磁束位置誤差Δθを０またはπの状態に収束させた後は、既述したように、磁気的飽和を用いて推定した回転子磁束の位置がＤ軸の向きであるのか、Ｄ軸に対しπだけ異なる向きであるのかを判定する。具体的には、Ｄ軸指令電流ｉdrefにオフセット電流指令を与え、Ｄ軸に現れる高周波電流成分の振幅を観測する。推定した回転子磁束方向がＤ軸の向きと一致している場合には、オフセット電流指令を加えたプラスのＤ軸指令電流ｉdrefを流すと、さらに磁気的飽和が進行してインダクタンスの値が小さくなることから、高周波電流の振幅が大きくなる。

このようにＤ軸にオフセット電流指令を与えたときの高周波電流の振幅の変化を検出することで、推定した回転子磁束の位置がＤ軸の向きであるのか逆向きであるのかを判定できる。以上の一連の処理を行うことで、回転子磁束の初期位置がどのような位置にあっても、収束時間がばらつくことなく回転子磁束の初期位置を正確に推定することができる。

以上述べたように、電動機駆動装置１は、Ｄ軸電圧ｖdrefに高周波電圧ｖdhfを重畳し、Ｄ軸、Ｑ軸の高周波電流成分ｉdhf、ｉqhfを用いて算出した回転子磁束位置誤差Δθｃに基づいて収束演算を実行するので、電動機２が停止している時または低速で回転している時であっても回転子磁束位置を正しく推定できる。

回転子磁束位置誤差Δθを算出するには、（１０）式に示すように高周波電流の変化分ΔＩdhfとΔＩqhfが必要となる。高周波電圧ｖdhfの極性が変化した時にサンプリングした電流値ｉdhf、ｉqhfの差分により変化分ΔＩdhf、ΔＩqhfを算出すれば、演算量が少なくて済む。また、Ｄ軸、Ｑ軸電流ｉｄ、ｉｑをフーリエ展開し、その第１項Ｉdhf-FFT、Ｉqhf-FFTを変化分ΔＩdhf、ΔＩqhfとして用いれば、電流の運転周波数成分の大きさが変化した時でもその影響を受けにくくなる。

回転子磁束位置推定部１１は、正負により符号化した回転子磁束位置誤差符号に基づいて第１の収束演算を実行した後、ＰＩ補償演算による第２の収束演算を実行する。この第１の収束演算を実行することにより、回転子磁束位置誤差Δθがπ／２または３π／２の状態（ブラインドポジション）にあっても、推定した回転子磁束位置が停滞することなくブラインドポジションから離脱でき、誤差Δθを０またはπに収束させることができる。その結果、回転子磁束の初期位置の誤認による起動失敗や起動時の振動を防止できる。また、収束演算に長時間を要することがないので、起動命令から位置推定を経て起動するまでの最大遅れ時間を短縮することができる。

以上説明した実施形態に加えて以下のような構成を採用してもよい。
位置誤差情報抽出部１２は、（９）式に従って、検出電流のＱ軸に現れる高周波電流成分ｉqhfに基づいて回転子磁束位置誤差Δθｃを算出してもよい。また、Ｄ軸およびＱ軸のうち一方の軸に高周波電流を重畳し、高周波電流を重畳しない側の軸の電圧値を用いて回転子磁束位置を推定する方法を採用してもよい。これらの場合でも、第１の収束演算を実行してから第２の収束演算を実行することにより、上述したのと同様の作用、効果を得ることができる。

高周波の交番電圧、交番電流は、方形波に限らず正弦波、三角波などでもよい。
以上説明した実施形態によれば、高周波電圧信号を電動機２に与え、検出される電流値に含まれる高周波成分を抽出して回転子磁束位置誤差Δθｃを求めた。そして、位置推定の開始時に、回転子磁束位置誤差Δθｃを正負により符号化した回転子磁束位置誤差符号に基づいて第１の収束演算を実行する期間を設けた。これにより、初期の回転子磁束位置誤差情報がほぼ０になるπ／２、３π／２近傍の回転子磁束位置誤差を有していても、推定時間が延びることなく回転子磁束位置を正確に推定でき、電動機駆動装置１の信頼性を高めることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

図面中、１は電動機駆動装置、２は電動機、３はインバータ、５は制御部（制御手段）、６は電流検出器（電流検出手段）、１０は加算器（高周波電圧印加手段）、１１は回転子磁束位置推定部（回転子磁束位置推定手段）である。

Claims (9)

1. 直流電圧を３相交流電圧に変換し電動機を駆動するインバータと、
   回転子磁束方向であるＤ軸およびトルク電流方向であるＱ軸の電圧指令に基づいて前記インバータを制御する制御手段と、
   前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   回転子磁束位置を推定するために前記Ｄ軸電圧指令に高周波電圧を印加する高周波電圧印加手段と、
   前記電流検出手段により得られるＱ軸高周波電流またはＤ軸およびＱ軸高周波電流を用いて回転子磁束位置誤差を求め、その値を正負により符号化した回転子磁束位置誤差符号を入力とするＰ（比例）補償演算により前記回転子磁束位置誤差が０となるように第１の収束演算を実行し、その後、前記回転子磁束位置誤差を入力とするＰＩ（比例積分）補償演算により前記回転子磁束位置誤差が０となるように第２の収束演算を実行する回転子磁束位置推定手段とを具備したことを特徴とする電動機駆動装置。
2. 前記回転子磁束位置推定手段は、前記第１の収束演算の実行中、前記回転子磁束位置誤差符号が変化する際に前記第１の収束演算に用いるゲインを低減することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動装置。
3. 前記回転子磁束位置推定手段は、前記第１の収束演算の実行を開始してから、前記高周波電圧の周波数に関連付けられて決定された時間が経過した後に、前記第１の収束演算に用いるゲインを低減することを特徴とする請求項１記載の電動機駆動装置。
4. 前記回転子磁束位置推定手段は、前記第１の収束演算の実行を開始してから、前記高周波電圧の周波数に関連付けられて決定された時間が経過した後に、前記第１の収束演算から前記第２の収束演算の実行に切り替えることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の電動機駆動装置。
5. 前記回転子磁束位置推定手段は、前記第１の収束演算に用いるゲインを回転子速度以下には低減しないことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の電動機駆動装置。
6. 前記回転子磁束位置推定手段は、推定開始後の初回または複数回に求めた初期回転子磁束位置誤差が所定の閾値より小さい場合には前記第１の収束演算を実行した後に前記第２の収束演算を実行し、前記初期回転子磁束位置誤差が前記閾値以上の場合には前記第１の収束演算を実行することなく前記第２の収束演算を実行することを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の電動機駆動装置。
7. 前記回転子磁束位置推定手段は、推定開始時に前記電動機が初期速度を有している場合には、前記第１の収束演算を実行することなく前記第２の収束演算を実行することを特徴とする請求項１ないし６の何れかに記載の電動機駆動装置。
8. 前記高周波電圧印加手段は、方形波からなる高周波電圧を印加することを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載の電動機駆動装置。
9. 前記回転子磁束位置推定手段は、前記Ｑ軸高周波電流またはＤ軸およびＱ軸高周波電流を用いて回転子磁束位置誤差を求める際に、前記Ｑ軸高周波電流またはＤ軸およびＱ軸高周波電流のフーリエ変換を実行することを特徴とする請求項１ないし８の何れかに記載の電動機駆動装置。

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