JP6091446B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、位置センサを用いることなく、電動機を停止状態から高速状態に至る広い速度範囲で駆動制御する電動機制御装置に関するものである。

一般に、電力変換器を用いて交流電動機を駆動する場合、電流センサや位置センサなどが用いられ、位置センサで検出した回転子の磁極位相に応じて指令電圧を印加するベクトル制御が行われる。電力変換器は、交流電力系統と直流電力系統との間に接続され、電力を直流−交流変換する装置であり、蓄電池等から直流電力が供給され、電動機を駆動するために交流電力を出力する。
一方、位置センサは、電動機の回転子の磁極位相を検出する装置であり、エンコーダやレゾルバといった種類のものがある。一般に、位置センサはコストが高く耐久性にも劣るので、位置センサを用いないで電動機をベクトル制御する方法がいくつか知られている。

例えば、特許文献１は、電動機の巻線にその駆動用の電流が供給されていない状態で、多相の各巻線の組合わせに対して所定の電圧ベクトルを印加し、印加した電圧ベクトルに応じて多相の各巻線に流れる電流の挙動を計測してこの電流の挙動から回転子の磁極位相を検出する電気角検出装置およびこれを用いた同期モータの駆動装置を開示する。

また、例えば、特許文献２は、回転二軸上の電流指令と電流とから電圧指令を出力する電流制御器と、回転二軸上の電流と電圧指令に基づき角周波数と推定回転子磁束と推定回転速度とを演算する適応オブザーバとを備え、インバータにより同期電動機を制御する同期電動機の制御装置を開示する。

更に、例えば、特許文献３は、電動機が所定回転数以上で回転している場合は、誘起電圧を利用する第１の検出方法で磁極位相の検出を試み、誘起電圧による位置検出ができない所定回転数未満では、位置検出用の電圧信号を多重する第２の検出方法により磁極位相の検出を行い、電動機を制御する電動機の制御装置を開示する。
そして、電動機の回転子の回転数を検出し、この回転数の大きさに応じて第１および第２の検出方法を選択するのが一般的で、検出方法の切り換え時には、磁極位相推定手段の過渡状態や演算遅れなどによって推定磁極位相の位相飛びが発生する可能性があるため、切り換え後の磁極位相推定手段の推定値が確立するまでの所定時間、現在の電動機の速度に応じた位相量Δθを用いて推定磁極位相を位相切換部で補償している。

特開平７−１７７７８８号公報（請求項１、５等参照） 特許第４６７２２３６号公報（請求項１等参照） 特開２００２−３１５３８６号公報（請求項１４、図７、８等参照）

従来の特許文献１の装置では、磁極位相推定用の電圧ベクトルを印加して停止状態から駆動しても、回転速度が高くなるに従って、電圧ベクトルを印加する時間内での磁極位相の変化分が無視できなくなり、高速域では正しく磁極位相の推定ができないという課題があった。
また、特許文献２の装置は、誘起電圧を利用する方法であり、回転子が回転動作を起こさなければ電圧が発生せず、停止状態では磁極位相を検出することができないという課題があった。

これらに対し、特許文献３の装置は、電動機が所定回転数以上で回転している場合に、誘起電圧を利用して磁極位相を推定する第１の検出方法を担う第１の磁極位置推定手段と、誘起電圧による位置検出ができない所定回転数未満の場合に、位置検出用の電圧信号を多重化することで磁極位相を推定する第２の検出方法を担う第２の磁極位相推定手段とを備えている。
そして、両検出方法の切り換えのため、両推定手段とは別に、切り換え後の磁極位相推定手段の推定値が確立するまでの所定時間、推定磁極位相を補償するための位相切換部を備え、現在の電動機の速度に応じた位相量Δθを用いて、両推定手段による推定磁極位相θ１、θ３とは別の推定磁極位相θ２を生成する（特許文献３の段落００４８、００４９および図８参照）。

このため、切り換え時における回転速度の変化等を考慮すると、位相切換部により推定磁極位相を補償する切換時間を一定量長く設定する必要があり、位相誤差が大きくなって安定に電動機を駆動し続けることが難しいという課題があった。

この発明は、これら従来の課題を解決するためになされたもので、位置センサを用いないで電動機を駆動制御する装置において、回転子が停止している状態から高速で回転動作する状態においても、精度良く回転子の磁極位相を推定して、安定に電動機を駆動することができる電動機制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電動機制御装置は、複数のスイッチング素子から構成され直流電源からの直流電圧を変換して電動機に供給する交流電圧を出力する電力変換部、制御系上位から入力される指令値に基づき交流電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部、交流電圧指令値に基づき電力変換部のスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成して出力するゲート信号生成手段、電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器、電動機の回転速度が予め定められた設定速度以下の条件下で電動機の磁極位相および速度を演算により推定し第一位相信号および第一速度信号として出力する第一位相推定手段、電動機の回転速度が設定速度以上の条件下で電動機の磁極位相および速度を演算により推定し第二位相信号および第二速度信号として出力する第二位相推定手段、および第一位相信号と第二位相信号とを入力し、電動機の回転速度または該回転速度に相当する情報に基づき比較的低速域から高速域へのまたは比較的高速域から低速域への移行時、移行前の位相推定手段による速度信号が設定速度に達した時点で、当該時点における移行前の位相推定手段の演算での情報を初期値として移行後の位相推定手段が演算を開始し予め定められた設定時間経過後、移行前の位相推定手段による位相信号を移行後の位相推定手段による位相信号に直接切り換える位相切換部を備え、電圧指令生成部は、位相信号に基づいて電流検出器により検出された各相の電流値を直交二相座標の直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部、指令値と直交二相電流検出値とに基づいて直交二相座標の直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部、および位相信号に基づいて直交二相電圧指令値を交流電圧指令値に変換して出力する第一座標変換部を備えたものである。
また、この発明の更なる電動機制御装置は、複数のスイッチング素子から構成され直流電源からの直流電圧を変換して電動機に供給する交流電圧を出力する電力変換部、制御系上位から入力される指令値に基づき交流電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部、交流電圧指令値に基づき電力変換部のスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成して出力するゲート信号生成部、電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器、電動機の回転速度が予め定められた設定速度以下の条件下で電動機の磁極位相を演算により推定し第一位相信号として出力する第一位相推定手段、電動機の回転速度が設定速度以上の条件下で電動機の磁極位相を演算により推定し第二位相信号として出力する第二位相推定手段、および第一位相信号と第二位相信号とを入力し、電動機の回転速度または該回転速度に相当する情報に基づき第一位相信号または第二位相信号のいずれか一方を選択して位相信号として出力する位相切換部を備え、
電圧指令生成部は、位相信号に基づいて電流検出器により検出された各相の電流値を直交二相座標の直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部、指令値と直交二相電流検出値とに基づいて直交二相座標の直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部、および位相信号に基づいて直交二相電圧指令値を交流電圧指令値に変換して出力する第一座標変換部を備え、
ゲート信号生成部は、電圧指令生成部により生成された交流電圧指令値に基づき電動機を駆動するためスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し駆動ゲート信号として出力する駆動制御部、第一位相推定手段により電動機の磁極位相を推定する目的で電動機に一連の電圧パルスを印加するためスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し磁極位相検出ゲート信号として出力するパルス生成部、および駆動ゲート信号と磁極位相検出ゲート信号とを入力し、第一位相推定手段が動作する期間では、時分割で予め定められた周期で駆動区間と磁極位相検出区間とを交互に設定し、駆動区間では駆動ゲート信号を磁極位相検出区間では磁極位相検出ゲート信号をそれぞれ出力するゲート切換部を備えたものである。
また、この発明の更なる電動機制御装置は、複数のスイッチング素子から構成され直流電源からの直流電圧を変換して電動機に供給する交流電圧を出力する電力変換部、制御系上位から入力される指令値に基づき交流電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部、交流電圧指令値に基づき電力変換部のスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成して出力するゲート信号生成部、電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器、電動機の回転速度が予め定められた設定速度以下の条件下で電動機の磁極位相を演算により推定し第一位相信号として出力する第一位相推定手段、電動機の回転速度が設定速度以上の条件下で電動機の磁極位相を演算により推定し第二位相信号として出力する第二位相推定手段、および第一位相信号と第二位相信号とを入力し、電動機の回転速度または該回転速度に相当する情報に基づき第一位相信号または第二位相信号のいずれか一方を選択して位相信号として出力する位相切換部を備え、
電圧指令生成部は、位相信号に基づいて電流検出器により検出された各相の電流値を直交二相座標の直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部、指令値と直交二相電流検出値とに基づいて直交二相座標の直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部、および位相信号に基づいて直交二相電圧指令値を交流電圧指令値に変換して出力する第一座標変換部を備え、
ゲート信号生成部は、電圧指令生成部により生成された交流電圧指令値に基づき電動機を駆動するためスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し駆動ゲート信号として出力する駆動制御部、第一位相推定手段により電動機の磁極位相を推定する目的で電動機に一連の電圧パルスを印加するためスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し磁極位相検出ゲート信号として出力するパルス生成部、および駆動ゲート信号と磁極位相検出ゲート信号とを入力し、第一位相推定手段が動作する期間では、時分割で予め定められた周期で駆動区間と磁極位相検出区間とを交互に設定し、駆動区間では駆動ゲート信号を磁極位相検出区間では磁極位相検出ゲート信号をそれぞれ出力し、第二位相推定手段が動作する期間では、駆動ゲート信号のみを出力するゲート切換部を備え、
第一位相推定手段は、磁極位相検出ゲート信号に基づき電動機に一連の電圧パルスを印加したとき電流検出器で検出される前記各相の電流値により電動機の磁極位相を演算し第一位相信号として出力するものである。

以上のように、この発明に係る電動機制御装置における位相切換部は、比較的低速域から高速域に移行するときは、第一位相信号から第二位相信号へ、また、比較的高速域から低速域に移行するときは、第二位相信号から第一位相信号へ、それぞれ直接連続的に切り換えるので、この移行動作の過渡時に、第一、第二位相信号とは異なる位相信号を別途演算出力する必要が無く、特に移行時の制御が簡便となり、位相推定精度も良好となる。
従って、位置センサを用いることなく、従って、低コストで耐久性に優れ、電動機を停止状態から高速状態に至る広い速度範囲で、精度良く回転子の磁極位相を推定して、安定に電動機を駆動することができる電動機制御装置を得ることが出来る。

この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示すブロック図である。 図１の電力変換部１０の内部構成を示す回路図である。 図１のパルス生成部５が出力する電圧ベクトルを示す図である。 図３の電圧ベクトルを印加したときに流れる電流波形を示す図である。 図１のゲート切換部７の動作を説明するための図である。 図１の位相推定部６の内部構成を示すブロック図である。 図６の位相演算部１７で演算される各相の電流偏差と磁極位相との関係を示す線図である。 図１の磁束推定器８の内部構成を示すブロック図である。 図１の位相切換部９の動作を説明するための図である。 この発明の実施の形態２による電動機制御装置の位相推定部６の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３による電動機制御装置の位相切換部９の動作を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電動機制御装置の全体構成を示す図である。直交二相電圧指令生成部１は、図１では図示されていない制御系上位から入力されるトルク指令値および後述する第二座標変換部３により直交二相座標に変換された電流情報（直交二相電流検出値）ｉｄ、ｉｑにより、直交二相電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を計算し、後述する第一座標変換部２に出力する。

直交二相電圧指令生成部１では、例えば、式（１）に示す、トルク指令値から求めた直交二相電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と直交二相電流検出値ｉｄ、ｉｑとの偏差を用いたＰＩ制御の演算を行うことによって、直交二相電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を計算することができる。

式（１）において、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲインである。
式（１）により計算された直交二相電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊は、第一座標変換部２に入力され、式（２）に示す変換式により、三相交流座標系で表された三相交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換される。

式（２）において、角度θは、三相交流のＵ相を基準の０度とし、回転子の界磁磁束の方向をｄ軸とした磁極位相の方向を示している。

第一座標変換部２は、後述する位相切換部９から出力される位相信号θｍに基づいて、式（２）に示す演算（θ＝θｍ）を行い、直交二相電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を三相交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊に変換して、駆動制御部としてのＰＷＭ制御部４に出力する。

第二座標変換部３は、電流に関して三相交流座標系から直交二相座標系への変換を行う。即ち、第二座標変換部３は、位相信号θｍに基づいて、電流検出器１１、１２、１３で検出された、電動機、ここでは永久磁石埋込型のＰＭモータ１４の各相に流れる三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを、式（３）に示す変換式により、直交二相電流検出値ｉｄ、ｉｑに変換して直交二相電圧指令生成部１に出力する。

なお、直交二相電圧指令生成部１と、第一座標変換部２と、第二座標変換部３とで電圧指令生成部５０を構成する。

ＰＷＭ制御部４は、三相交流電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊をＰＷＭ（パルス幅変調）処理することによって後述する電力変換部１０を駆動するためのゲート信号（駆動ゲート信号）に変換し、後述するゲート切換部７に出力する。
三相交流電圧指令値のＰＷＭ処理では、一般に、三角波キャリア信号との振幅比較処理を行うことによりＰＷＭ処理する。

なお、ここでは、駆動制御部として、ＰＷＭ処理により駆動ゲート信号としてのＰＷＭゲート信号を生成するＰＷＭ制御部としたが、例えば、ＰＡＭ（パルス振幅変調）処理により駆動ゲート信号を生成するＰＡＭ制御部としてもよい。

ゲート切換部７は、後段で更に詳述するが、ＰＷＭ制御部４からの駆動ゲート信号と、後述するパルス生成部５で生成される磁極位相検出ゲート信号とを切り換えゲート信号ＵＰ〜ＷＮを電力変換部１０へ出力する。
なお、ＰＷＭ制御部４と、パルス生成部５と、ゲート切換部７とでゲート信号生成部５１を構成する。

図２は、図１の電力変換部１０の内部構成を示す回路図である。ここでは、一例として、三相交流に対応した電力変換部の構成を示している。図２において、ＶＤＣは直流電源の正側であり、ＶＧＮＤは直流電源の負側を表している。電力変換部１０では、図に示すように、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がそれぞれのアームに配置・接続され、スイッチング素子と並列に６個のダイオードが配置・接続されている。ゲート信号ＵＰ〜ＷＮに基づき、これらのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオンオフ制御することにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に該当する三相交流信号を生成し、動作周波数や電圧指令値を所望の値に制御した交流信号を出力してＰＭモータ１４を駆動する。

図１において、電力変換部１０は、ゲート切換部７から入力されたゲート信号に基づいて、各スイッチング素子のスイッチング処理を行い、三相交流電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗをＰＭモータ１４に出力する。ＰＭモータ１４は、一例として、回転子に永久磁石を用いた同期電動機を制御対象として記している。電流検出器１１、１２、１３は、電力変換部１０とＰＭモータ１４との間に流れる三相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを検出する。

次に、パルス生成部５により生成される磁極位相検出ゲート信号に基づき停止状態を含む比較的低速域で、磁極位相を推定する第一位相推定手段としての位相推定部６およびその位相推定方法について説明する。

図３は、パルス生成部５からの磁極位相検出ゲート信号によってＰＭモータ１４に出力する電圧ベクトルを示した図である。Ｐ１〜Ｐ６は、回転子の磁極位相を推定するために出力する各電圧ベクトルを表している。例えば、電圧ベクトルＰ１では、図２に示す電力変換部１０のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ４、Ｓ６をオンさせる。このとき、ゲート制御としては、ＵＰ、ＶＮ，ＷＮのゲート信号をアクティブにする。電圧ベクトルＰ１の状態では、電流はスイッチング素子Ｓ１から、Ｓ４、Ｓ６へと流れることになる。

同様に、電圧ベクトルＰ２では、図２に示す電力変換部１０のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ３、Ｓ６をオンさせる。このとき、ゲート制御としては、ＵＰ、ＶＰ，ＷＮのゲート信号をアクティブにする。電圧ベクトルＰ２の状態では、スイッチング素子Ｓ１、Ｓ３から、Ｓ６へと流れる。電圧ベクトルＰ３〜Ｐ６も同様の制御動作を行い、それぞれ異なる方向に電流が流れるように制御される。

図４は、各電圧ベクトルを印加したときの電流波形を示した図である。図４中のパルス波形は、スイッチング素子に入力するパルス信号のタイミングを示しており、パルス信号がオン→オフに変化するときに各相電流はピーク値となる。また、一連のパルス信号により各相に印加される電圧のパターンはそれぞれ異なるパターンとなる。これらの６種類の電圧ベクトルを連続的に出力することにより、磁極位相による電流の流れ方の違いが表れることになる。

図４において、電圧ベクトルＰ１の状態では、Ｕ相には正の電流が流れ、Ｖ相とＷ相には、Ｕ相のほぼ半分の大きさの逆向きの電流が流れる。電圧ベクトルＰ１に続く電圧ベクトルＰ４では、Ｕ相には負の電流が流れ、Ｖ相とＷ相には、Ｕ相のほぼ半分の大きさの逆向きの電流が流れる。このようにして、６種類の電圧ベクトルを連続的に印加する。各々の電圧ベクトルの印加で流れる相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを図４のように定義する。この各相電流のピーク値ｉｕ１〜ｉｕ６、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を用いることにより、回転子の磁極位相を推定することが可能となる。

パルス生成部５における電圧ベクトルの出力タイミングの管理においては、図４に示す順番で６個の電圧ベクトルを出力する。このとき、各々の電圧ベクトルの間の区間では、すべてのゲート信号をオフにし、パルス状の電流を一端ゼロに収束させる。位相推定部６での電流検出の取り込みタイミングの管理では、図４における各電流値のピーク値を取り込んで演算を行うように制御する。電圧ベクトルを出力する順番については、図４に示す順番が好ましいが、必ずしも図４に示す順番でなくても良く、一連のパルス信号により各相に印加される電圧のパターンがそれぞれ異なるパターンとなるようにすれば良い。

図５は、ゲート切換部７の動作、即ち、ＰＷＭ制御部４からのＰＷＭゲート信号とパルス生成部５からの磁極位相検出ゲート信号との切り換えを行うタイミングを示す。
この発明で停止状態から予め定められた所定の設定速度までの速度範囲においては、位相推定部６が磁極位相推定の動作を担うが、この位相推定部６が動作する期間では、ゲート切換部７により、ＰＷＭ制御部４からのＰＷＭゲート信号とパルス生成部５からの磁極位相検出ゲート信号とを時分割により予め定められた所定の周期で交互に出力する。

その結果、ＰＷＭゲート信号を出力するＰＷＭ区間では、トルク指令値に基づいた電圧指令を出力して、指令値どおりのトルクを出力するように制御し、磁極位相検出ゲート信号を出力する磁極位相検出区間では、トルク出力を一時停止して、磁極位相検出のためのパルス出力を行い、磁極位相を推定する。
磁極位相検出区間は、出力するパルスのパルス幅にもよるが、ＰＷＭ区間に比べてできるだけ短い期間が好ましい。例えば、ＰＷＭ区間が１５ｍｓ程度で、磁極位相検出区間において出力するパルスの繰り返し周期が数百μｓ程度、磁極位相検出区間全体が５ｍｓ程度である。

位相推定部６は、図３に示した各電圧ベクトルにより発生したパルス電流のピーク値を取り込んで回転子の磁極位相を推定する。
図６は、位相推定部６の内部構成を示すブロック図である。図６において、入力端子１５には、図１における電流検出器１１、１２、１３で検出された各相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが入力される。入力端子１６には、パルス生成部５からのタイミング管理信号が入力される。

位相演算部１７は、出力する電圧ベクトルのゲート信号に同期して電流のピーク値を取り込み演算により磁極位相θｐを推定して出力する。以下、位相演算部１７における磁極位相θｐの計算方法についてその一例を説明する。

先ず、パルス電流のピーク値ｉｕ１〜ｉｕ６、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を用いて、式（４）により、電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷを求める。

ここで、電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各方向に印加した電圧ベクトルにおいて、１８０度逆向きに印加した場合との電流偏差を示している。
３種類の電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷを用いて磁極位相を推定することが可能である。例えば、回転子のｄ軸が、Ｕ相と同じ方向（θ＝０度）を向いているとき、永久磁石の磁石磁束と電機子電流が作る磁束とが同じ方向となるので、磁気飽和を起こし易い状態となる、その結果、大きな電機子電流を流すことによって磁気飽和の状態が発生すれば、ΔｘＵは０度で最大値を示す。

一方、回転子のｄ軸が、Ｕ相と反対の方向（θ＝１８０度）を向いているときは、逆に最も磁気飽和を起こしにくい状態であり、ΔｘＵは最小値を示すことになる。その結果、図３に示したＰ１〜Ｐ６の電圧ベクトルを印加すると、電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷは、回転子の磁極位相に従って、図７に示すような、１２０度の位相差を有する正弦波形の特性を示す。この特性を用いることにより、この電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷの値から磁極位相θｐを推定することができる。

以上説明したように、磁極位相検出ゲート信号に基づくＰ１〜Ｐ６の電圧ベクトルの大きさとパルス幅は、これら電圧ベクトルがＰＭモータ１４に印加されたとき、その鉄心の一部に磁気飽和が発生する条件、即ち、磁気特性に非線形性が現れる条件の値に設定する。この条件を満たすとき、この非線形性に基づいて磁極位相を推定することができる。

演算は先ず、位相が１２０度ずれているＵ相、Ｖ相，Ｗ相の三相の電流偏差ΔｘＵ、ΔｘＶ、ΔｘＷを、式（５）により、直交する二相座標系のα軸、β軸上の電流偏差Δｘα、Δｘβ値に変換する。

このとき、α軸はＵ相と同じ向きにとった座標軸であり、β軸はα軸と直交する座標軸である。
式（５）から、電流偏差が示す位相θｐｔは、式（６）で計算することが出来る。

ここで、Δｘα、Δｘβの正負の符号による０〜２πまでの区間を考慮し、式（７）により、条件判定すれば、０〜２πの全位相領域において回転子の磁極位相θｐを推定することが出来る。

位相演算部１７は、上記のとおり、回転子の磁極位相θｐを求めるが、この磁極位相θｐを検出するための電圧ベクトルは、数百μｓ間隔など一定周期ごとに印加され、一連の磁極位相検出のためのパルス電圧群は数ｍｓ間隔など一定周期ごとに印加されるので、先の図５下段に示すように、磁極位相θｐも、同様に同じ一定周期ごとに計算されることになる。従って、磁極位相θｐを用いて、ＰＭモータ１４を駆動するためには連続的な位相信号θｓに変換する必要がある。

図６において、速度演算部１８は、間欠的に検出される位相信号θｐを用いて回転速度ωを計算する。回転速度ωは、磁極位相θｐを微分演算することにより求めることができる。計算された回転速度ωは、ノイズ等を除去するための低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１９に入力される。

ＬＰＦ１９の出力（第一速度信号）ωｓは、出力端子２４から出力されるとともに速度補正部２０に入力される。速度補正部２０では、式（８）により、後段の積分演算部２１で位相に変換するための補正速度ωｓ’を求める。

ここで、Δωｓは、加速度情報で、ここでは、磁極位相検出区間毎に演算される回転速度ωの単位時間当たりの変化量として計算する。また、Ｔｓは、一定時間、例えば、電圧指令値の更新周期や電流検出器１１〜１３で電流瞬時値を検出する周期等が該当するサンプリング周期を採用する。

なお、この事例では、加速度情報Δωｓは、以上のように、ＬＰＦ１９から入力される回転速度ωｓの単位時間当たりの変化量から求めたが、この方法以外に、例えば、直交二相電圧指令生成部１に入力されているトルク指令値Ｔｒｅｆに基づき、式（９）により計算することも可能である。

ここで、αは、ＰＭモータ１４を含む回転系全体の慣性モーメントに依存する係数で、この係数αにトルク指令値Ｔｒｅｆを乗算することで、ＰＷＭ区間における速度の変化分である加速度情報Δωｓを推定することが出来る。

速度補正部２０の出力ωｓ’は、積分演算部２１に入力される。積分演算部２１は、補正速度ωｓ’を積分して補正磁極位相θｉを出力する。切換処理部２２は、位相演算部１７の出力する磁極位相θｐと、積分演算部２１の出力する補正磁極位相θｉとを切り換え、第一位相信号θｓとして出力端子２３から出力する。

即ち、切換処理部２２は、先の図５下段に示すように、磁極位相検出区間で磁極位相が演算された検出時点では位相演算部１７で演算された磁極位相θｐを選択し、該検出時点を除く時点では補正磁極位相θｉを選択し第一位相信号θｓとして出力する。

以上のように、ＰＭモータ１４の駆動中、位相演算部１７からの磁極位相θｐが得られないＰＷＭ区間で動作している期間では、補正速度ωｓ’を積分加算した補正磁極位相θｉを出力することにより、連続的な位相信号θｓが得られる。
この補正により、数十ミリ秒の間、磁極位置検出を行わなくとも安定にＰＭモータ１４を駆動制御することができる。

ここで、ＰＭモータ１４が停止している状態においても、図４に示すパルス電流のピーク値ｉｕ１〜ｉｕ６、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を検出することができるため、磁極位相を推定することが可能である。また、ＰＭモータ１４が停止している状態では、間欠的に検出された位相信号θｐが常に同じ値となり、速度演算部１８では回転速度ωは０と演算されることになる。

なお、図１の制御構成に示したブロックの外部に速度を検出する速度センサを備えているときには、速度演算部１８を省略して、外部から入力される速度情報を速度補正部２０に入力し、積分演算部２１から補正磁極位相θｉを求めることも可能である。

更に、以上の形態例では、ＰＭモータとして三相の同期電動機を例にとって説明したが、本発明は、三相以上の多相の同期電動機にも適用できる。以下の実施の形態においても同様である。
三相の同期電動機の場合は、６０度ずつ６種類のパルスで位相検出可能であるが、６相の電動機の場合は、各相が６０度の位相差を持つため、本発明に記したような同様のパルスで３０度ずつ位相の異なる複数種の電圧ベクトルを印加して磁極位相が検出可能となる。このように本発明は、三相以上の多相の同期電動機にも適用できる。

但し、ＰＭモータ１４の回転速度が上昇し、磁極位相検出のための電圧ベクトル印加時間の間に磁極位相の変化分が無視できなくなる速度（上述した所定の設定速度が該当）に達すると、もはや信頼性の高い磁極位相が得られないので、ＰＭモータの磁気飽和特性に基づいて磁極位相を推定する位相推定部６に替わって、後述する第二位相推定手段としての磁束推定器８により、回転に伴う誘起電圧を利用して磁極位相を推定する。

このため、ゲート切換部７は、それまでＰＷＭゲート信号と磁極位相検出ゲート信号とを時分割で出力していた動作に替わって、ＰＷＭ制御部４からのＰＷＭゲート信号のみを常に出力し続ける。

図８は、磁束推定器８の内部構成を示すブロック図である。既述したとおり、この磁束推定器８は回転に伴う誘起電圧を利用して磁極位相を推定するもので、先の特許文献２で紹介されているものと基本的に同様であるが、以下、本発明での適用例に則してその構成動作の概略について説明する。

図８において、第三座標変換部２７は、入力端子２５に入力された電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊を位相推定部３８の出力する推定位相θ０を用いて静止二軸上であるα−β軸上の電圧指令ベクトルｖαｓ＊、ｖβｓ＊に変換する。
第四座標変換部２８は、入力端子２６に入力された電流検出値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを位相推定部３８の出力する推定位相θ０を用いてα−β軸上の電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓに変換する。ここで、ＰＭモータの電機子抵抗をＲ、電機子インダクタンスをＬ、推定速度をωｒ０とし、行列Ａ、Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｈを式（１０）のように定義する。

ここで、行列Ｈのｈ１１、ｈ１２、ｈ２１、ｈ２２、ｈ３１、ｈ３２、ｈ４１、ｈ４２の値は、回転速度に応じて各増幅ゲインの値を変更するよう制御する。
ゲイン行列演算器３０は、行列Ｂに電圧指令ベクトル（ｖαｓ＊、ｖβｓ＊）Ｔを乗算した結果を出力する。なお、Ｔは転置行列を表す。加減算器２９は、電流ベクトルｉαｓ、ｉβｓと後述する推定電流ｉαｓ０、ｉβｓ０とを図８に示した符号に従って加減算して電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）Ｔを出力する。ゲイン行列演算器３１は、電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）Ｔに行列Ｈを乗算した結果を増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）Ｔとして出力する。加減算器３２は、ゲイン行列演算器３０の出力とゲイン行列演算器３１の出力と後述するゲイン行列演算器３３の出力とを図８に示した符号に従って加減算したベクトルを出力する。

積分器３４は、加減算器３２が出力するベクトルを要素毎に積分し、α−β軸上の推定電機子反作用ベクトルｐαｓ０、ｐβｓ０、およびα−β軸上の推定磁束ベクトルｐαｒ０、ｐβｒ０を、ベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔとして出力する。ゲイン行列演算器３３は、推定速度ωｒ０に基づいて式（１０）の行列Ａを得るとともに、この行列Ａにベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔを乗算した結果を出力する。

この一連の演算では、積分器３４の入力が、式（１１）の各行列の右辺に相当するようになっている。また、式（１１）の左辺はベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔの微分であり、積分器３４の入力でもあるから、積分器３４の出力はベクトル（ｐαｓ０、ｐβｓ０、ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔとなる。

以上のように、α−β軸上の電圧指令ベクトル（ｖαｓ＊、ｖβｓ＊）Ｔおよび増幅偏差ベクトル（ｅ１、ｅ２、ｅ３、ｅ４）Ｔが与えられれば、α−β軸上の推定電機子反作用ベクトルｐαｓ０、ｐβｓ０、およびα−β軸上の推定磁束ベクトルｐαｒ０、ｐβｒ０を得ることができる。

速度推定部３５は、入力される推定磁束ベクトル（ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔと電流偏差ベクトル（ｅα、ｅβ）Ｔとに基づいて式（１２）式の演算を行い、推定速度（第二速度信号）ωｒ０を出力する。

ここで、ｓはラプラス演算子（微分演算子）、ｋｐは比例ゲイン、ｋｉは積分ゲインである。

ゲイン行列演算器３６は、式（１３）の行列演算を行い、推定電流（ｉαｓ０、ｉβｓ０）Ｔを出力する。また、ゲイン行列演算器３７は、式（１４）の行列演算を行い、推定磁束ベクトル（ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔを出力する。

位相推定部３８は、入力される推定磁束ベクトル（ｐαｒ０、ｐβｒ０）Ｔに基づいて式（１５）の演算を行い、推定位相（第二位相信号）θ０を出力する。

以上のように、磁束推定器８は、ＰＭモータ１４の推定位相θ０と推定速度ωｒ０を演算して出力する。
なお、式（１２）に示したＰＩ演算における初期値として、位相推定部６で計算した推定速度ωｓを設定すると、切り換え後、磁束推定器８の動作が収束・安定するまでの時間が短縮される。
また、位相推定方法としては、単純に推定速度ωｒ０を積分して求めることが可能であり、このとき位相推定部６で求めた位相θｓを初期値として入力し、推定速度ωｒ０を積分加算していく。

また、磁束推定器８は、式（１６）に示す電動機の電圧方程式に基づいて速度を推定することも可能である。

位相切換部９は、位相推定部６からの推定速度（第一速度信号）ωｓまたは磁束推定器８からの推定速度（第二速度信号）ωｒ０に基づき、位相推定部６の出力する推定位相（第一位相信号）θｓと磁束推定器８の出力する推定位相（第二位相信号）θ０とを切り換えて位相信号θｍを出力する。次に、推定位相θｓと推定位相θ０の切り換え方法について説明する。

図９は、位相推定部６による位相推定動作から磁束推定器８による位相推定動作へ切り換えるときのタイミングを表した図である。この場合、位相推定部６による推定速度ωｓが既述した所定の設定速度に到達すると、その到達時点に基づき、切り換え前の最終の磁極位相検出区間で推定位相θｐが得られた（Ａ）点で、ゲート切換部７は、ＰＷＭゲート信号のみを出力する動作に移行してＰＷＭ区間に入る。この（Ａ）点のタイミングで、磁束推定器８に初期値として推定速度ωｓを与えて動作させた後、予め定められた所定の設定時間（磁束推定器動作区間）が経過し磁束推定器８の動作が安定した（Ｂ）点のタイミングで、制御に用いる位相信号θｍを、推定位相θｓから推定位相θ０に切り換える。

先の図６で説明したように、位相推定部６は、連続した推定位相θｓを出力しており、かつ、磁束推定器８が演算動作を立ち上げその動作が安定し精度の高い推定位相θ０が得られた段階で、θｓを直接θ０に切り換えるので、特に移行時の制御が簡便となり、従来の特許文献３で説明したような不具合は発生せず、位相推定精度も良好となり安定にＰＭモータを駆動制御することが出来る。
この磁束推定器動作区間中は新たな磁極位相推定が行われないので、ＰＭモータが脱調しないよう数十ｍｓ程度の時間に留める必要がある。

なお、図９の（Ａ）点において磁束推定器８の動作を開始する時の初期値として、（Ｃ）点における出力電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊や検出電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを設定することも可能であり、これらの両方あるいは一方を磁束推定器８の入力の初期値として与えることにより、磁束推定器８の動作を早急に安定させ、磁束推定器動作区間を短縮させることが出来る。

位相切換部９により、位相推定部６の出力する推定位相θｓと磁束推定器８の出力する推定位相θ０とを切り換える場合、前者θｓから後者θ０に切り換えるときは、位相推定部６の出力する推定速度ωｓを基準に、後者θ０から前者θｓに切り換えるときは、磁束推定器８の出力する推定速度ωｒ０を基準に行うのが一般的であるが、これらを、直流交流変換動作における変調率、例えば、式（１７）で算出する変調率ｍを基準に切り換えることも可能である。

ここで、ｖｄ＊、ｖｑ＊は、直交二相電圧指令値、ｖｄｃは、電力変換部１０の直流電源の電圧である。

なお、磁束推定器８の出力する推定位相θ０から位相推定部６の出力する推定位相θｓに切り換える場合、位相推定部６は、磁束推定器８のように、特にその出力が安定するまでの時間を確保する必要がないので、所定の設定速度に達したときに瞬時に切り換えてよい。

以上のように、この発明の実施の形態１に係る電動機制御装置においては、比較的低速域で磁極位相を推定して推定位相θｓを出力する位相推定部６と比較的高速域で磁極位相を推定して推定位相θ０を出力する磁束推定器８とを備え、所定の設定速度で推定位相θｓから推定位相θ０に、または、推定位相θ０から推定位相θｓに直接切り換えるようにしたので、位置センサを用いることなく、従って、低コストで耐久性に優れ、電動機を停止状態から高速状態に至る広い速度範囲で、精度良く回転子の磁極位相を推定して、安定に電動機を駆動制御することが出来る。

実施の形態２．
図１０は、この発明の実施の形態２による電動機制御装置の位相推定部６の構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る電動機制御装置は、実施の形態１とは異なり、位相推定部６における位相演算方法として、磁気飽和特性を利用して磁極位相を推定する機能に加えて、電動機に突極性の特性がある、即ち、磁極位相に依存したインダクタンス特性を有するときにはその特性を利用して回転子の磁極位相を推定し、より少ない電流で磁極位相を推定可能な構成としたものである。
後者の磁極位相の推定では、後述するように、磁気飽和特性を利用する必要が無く、従って、印加する電圧ベクトルの大きさ・パルス幅を小さくして流れる電流を低減することが出来る。

図１０は、実施の形態１と同様、位相推定部６のブロック構成を示しており、図６と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付して個々の説明は適宜省略するものとする。図６と異なるのは、図６の位相演算部（ここでは、第一位相演算部と呼称）１７に加えて、第二位相演算部４１を備えた点であり、以下、この部分を中心に説明する。

図１０において、第二位相演算部４１には、ＰＭモータ１４に流れる各相の電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ、およびタイミング信号が入力されるとともに、第一位相演算部１７から磁極位相の初期値θｐと積分演算部２１からの補正磁極位相θｉが入力される。入力された電流値ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを用いて、磁極位相θｐ’の推定演算を行う。

このとき、第一位相演算部１７において、各電圧ベクトルにより発生したパルス電流のピーク値を用いて回転子の磁極位相を推定するところは実施の形態１と同様であるが、第二位相演算部４１における磁極位相の計算方法が実施の形態１と異なる。

第一位相演算部１７の推定演算では、ＰＭモータ１４に印加される電圧ベクトルが鉄心の一部に磁気飽和を発生させるような大きさ・パルス幅の第一磁極位相検出ゲート信号がパルス生成部５から出力されるが、第二位相演算部４１の推定演算では、磁気飽和を発生させる必要が無いので第一磁極位相検出ゲート信号の小さい大きさ・パルス幅の第二磁極位相検出ゲート信号がパルス生成部５から出力される。

以下、第二位相演算部４１が行う位相推定方法の一例を説明する。先ず、第二磁極位相検出ゲート信号によって流れるパルス電流のピーク値ｉｕ１〜ｉｕ６、ｉｖ１〜ｉｖ６、ｉｗ１〜ｉｗ６を用いて以下の式（１８）により、電流絶対値の平均値ΔｘＵ’、ΔｘＶ’、ΔｘＷ’を求める。

電流絶対平均値ΔｘＵ’、ΔｘＶ’、ΔｘＷ’は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各方向に印加した電圧ベクトルによって発生した電流について、さらに各相での１８０度逆向きに印加した場合との電流平均値を示している。３種類の電流絶対平均値ΔｘＵ’、ΔｘＶ’、ΔｘＷ’を用いて磁極位相を推定することができる。

突極性の特性を有する電動機では、回転子の磁極位相に応じて、インダクタンスの違いが発生し、同じ電圧を印加したとしても流れる電機子電流の大きさに差が表れる。例えば、回転子のｄ軸が、Ｕ相と同じ方向（θ＝０度）を向いているとき、あるいは、回転子のｄ軸が、Ｕ相と９０度進んだ（あるいは遅れた）方向（θ＝９０度）を向いているときでは、インダクタンスが異なり、その結果、図３に示したＰ１〜Ｐ６の電圧ベクトルを印加すると、電流絶対平均値ΔｘＵ’、ΔｘＶ’、ΔｘＷ’は、回転子の磁極位相に従って、１２０度の位相差を有する正弦波形の特性を示すことがある。

この磁極位相に依存したインダクタンス特性を用いることにより、電流絶対平均値ΔｘＵ’、ΔｘＶ’、ΔｘＷ’の値から磁極位相を推定することができる。
このとき印加する電圧ベクトルの大きさ・パルス幅は、磁気特性に非線形性が現れる条件ではなく、磁気特性に非線形性が現れる条件よりも小さい大きさ・パルス幅であっても良い。

しかし、磁極位相に従ったインダクタンスの差はπ［ｒａｄ］（１８０度）周期で表れる。そのため、０〜π［ｒａｄ］およびπ〜２π［ｒａｄ］の区間を区別する方策が必要となる。
その方策について記すと、先ず、位相が１２０度離れているＵ相、Ｖ相，Ｗ相の三相交流軸上の電流絶対平均値ΔｘＵ’、ΔｘＶ’、ΔｘＷ’を、式（１９）により、直交する二相座標系のα軸、β軸上の値Δｘα’、Δｘβ’に変換する。

式（１９）に基づき、θｐｐを式（２０）で定義する。

そして、符号を考慮し、第二位相演算部４１が演算出力する磁極位相をθｐ’とすると、磁極位相θｐ’は、θｐｐを使って式（２１）により求めることが出来る。

以上のように、式（２１）により、０〜π［ｒａｄ］の領域における回転子の磁極位相θｐｐを計算することができる。

先に述べたとおり、本実施の形態２では、更に、０〜π［ｒａｄ］およびπ〜２π［ｒａｄ］の位相を区別する手段が必要となる。
そのため、第一位相演算部１７において検出した磁極位相θｐを利用する。本実施の形態２では、印加した電圧ベクトルから、２つの方法で磁極位相の演算を行い、第一位相演算部１７で演算した磁極位相θｐは、第二位相演算部４１の初期値として与える。

例えば、ＰＭモータ１４の回転子が停止している初期状態で、１回目の位相演算動作を行い、第一位相演算部１７は第一磁極位相演算値θｐを、第二位相演算部４１は第二磁極位相演算値θｐ’を得る。そして、両演算値θｐとθｐ’とが一致するように、演算値θｐを使って演算値θｐ’を補正する。

具体的には、演算値θｐ’にπ［ｒａｄ］加算することにより演算値θｐに近づくか否かを判定する。判定が前者、即ち、「近づく」であれば、θｐ’＋π≒θｐと想定されるので、第二位相演算部４１は、内部で得た演算値θｐ’にπを加算した値θｐ’＋πを位相信号θｐ’として切換処理部２２に出力する。
また、上記判定が後者、即ち「否（遠のく）」であれば、θｐ’≒θｐと想定されるので、第二位相演算部４１は、内部で得た演算値θｐ’をそのまま位相信号θｐ’として切換処理部２２に出力する。

以上のように、位相推定部６は、上記した、最初の位相演算の結果に基づく補正処理を施すことで得られる磁極位相θｐ’とこのθｐ’に基づきＰＷＭ区間に出力するための補正磁極位相θｉとを切換処理部２２で切り換えて第一位相信号θｓとして出力する動作を継続する。

なお、この場合、演算値θｐ’とθｉとの偏差が異常に大きくならないよう、この偏差を監視し、式（２２）により必要な修正を行うのが望ましい。

即ち、突極性によるインダクタンスの変化は、磁極位相の２π［ｒａｄ］周期ではなく、π［ｒａｄ］の周期で現れる。従って、何らの処理も施さないと、位相信号の推定誤差がπ［ｒａｄ］を越え制御に大きな支障を来す可能性がある。そこで、第一位相演算部１７により、磁気飽和現象を利用して算出された演算値θｐで較正した後、第二位相演算部４１により算出する第一位相信号θｓがπ［ｒａｄ］以上ずれないようにする訳である。

なお、式（１８）に示すピーク電流の計算では、２つの電流値の絶対平均値を用いずに、ひとつの電流絶対値で計算しても同様の効果が得られる。

以上のように、この発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の位相推定部６においては、ＰＭモータ１４の磁気飽和特性を利用して磁極位相を推定する第一位相演算部１７と突極性を利用して磁極位相を推定する第二位相演算部４１とを備え、最初に、両演算部からの演算値により演算値の補正を行った後は、第二位相演算部４１の演算値に基づき第一位相信号θｓを出力するようにしたので、ＰＭモータ１４に印加する電圧ベクトルの大きさ・パルス幅をより小さいものとして、従って、より少ない電流で磁極位相の推定演算が可能となる。

実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３による電動機制御装置の位相切換部９による切り換え動作のタイミングを表した図である。
実施の形態３による電動機制御装置は、実施の形態１とは異なり、位相切換部９における切換方法として、位相推定部６の出力する第一位相信号θｓから磁束推定器８が出力する第二位相信号θ０に切り換えるときに、ＰＷＭ区間として駆動用の電流が流れている状態で磁束推定器８の動作を開始して、一定時間経過後に制御に用いる位相信号θｍを、磁束推定器８が出力する第二位相信号θ０に切り換える。

更に具体的に、図１１を参照して説明する。位相推定部６による推定速度ωｓが既述した所定の設定速度に到達すると、その到達時点に基づき、切り換え前の最終の磁極位相検出区間で推定位相θｐが得られた（Ａ）点で、ゲート切換部７は、ＰＷＭゲート信号のみを出力する動作に移行してＰＷＭ区間に入る。そして、この（Ａ）点から（Ｄ）点までの予め定められた所定の第一設定時間ＰＷＭゲート信号に基づく駆動動作を続けた後、（Ｄ）点のタイミングでの駆動状態の出力電圧指令値ｖｕ＊、ｖｖ＊、ｖｗ＊、および検出電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗや推定速度ωｓを初期値に設定して磁束推定器８を動作させた後、予め定められた所定の第二設定時間（磁束推定器動作区間）が経過し磁束推定器８の動作が安定した（Ｅ）点のタイミングで、制御に用いる位相信号θｍを、推定位相θｓから推定位相θ０に切り換える。

この場合、ＰＭモータ１４の駆動動作が一定量進んだ状態から磁束推定器８の動作が開始されるので、（Ｄ）点から（Ｅ）点に至る磁束推定器動作区間が、実施の形態１の場合より短縮することが出来る。

以上のように、この発明の実施の形態３に係る電動機制御装置の位相切換部９においては、第一設定時間ＰＷＭゲート信号に基づく駆動動作を続けた後、磁束推定器８の動作を開始し、その後、第二設定時間（磁束推定器動作区間）が経過したタイミングで、制御に用いる位相信号θｍを、推定位相θｓから推定位相θ０に切り換えるようにしたので、動作を安定させるために確保する磁束推定器動作区間を短縮することが出来る。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 直交二相電圧指令生成部、２ 第一座標変換部、３ 第二座標変換部、
４ ＰＷＭ制御部、５ パルス生成部、６ 位相推定部、７ ゲート切換部、
８ 磁束推定器、９ 位相切換部、１０ 電力変換部、１１〜１３ 電流検出器、
１４ ＰＭモータ、１７ （第一）位相演算部、１８ 速度演算部、２０ 速度補正部、２１ 積分演算部、２２ 切換処理部、４１ 第二位相演算部、５０ 電圧指令生成部、５１ ゲート信号生成部。

Claims (15)

1. 複数のスイッチング素子から構成され直流電源からの直流電圧を変換して電動機に供給する交流電圧を出力する電力変換部、制御系上位から入力される指令値に基づき交流電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部、前記交流電圧指令値に基づき前記電力変換部のスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成して出力するゲート信号生成部、前記電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の回転速度が予め定められた設定速度以下の条件下で前記電動機の磁極位相および速度を演算により推定し第一位相信号および第一速度信号として出力する第一位相推定手段、前記電動機の回転速度が前記設定速度以上の条件下で前記電動機の磁極位相および速度を演算により推定し第二位相信号および第二速度信号として出力する第二位相推定手段、および前記第一位相信号と前記第二位相信号とを入力し、前記電動機の回転速度または該回転速度に相当する情報に基づき比較的低速域から高速域へのまたは比較的高速域から低速域への移行時、移行前の位相推定手段による速度信号が前記設定速度に達した時点で、当該時点における前記移行前の位相推定手段の演算での情報を初期値として移行後の位相推定手段が演算を開始し予め定められた設定時間経過後、前記移行前の位相推定手段による位相信号を前記移行後の位相推定手段による位相信号に直接切り換える位相切換部を備え、
   前記電圧指令生成部は、前記位相信号に基づいて前記電流検出器により検出された前記各相の電流値を直交二相座標の直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部、前記指令値と前記直交二相電流検出値とに基づいて直交二相座標の直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部、および前記位相信号に基づいて前記直交二相電圧指令値を前記交流電圧指令値に変換して出力する第一座標変換部を備えた電動機制御装置。
2. 複数のスイッチング素子から構成され直流電源からの直流電圧を変換して電動機に供給する交流電圧を出力する電力変換部、制御系上位から入力される指令値に基づき交流電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部、前記交流電圧指令値に基づき前記電力変換部のスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成して出力するゲート信号生成部、前記電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の回転速度が予め定められた設定速度以下の条件下で前記電動機の磁極位相を演算により推定し第一位相信号として出力する第一位相推定手段、前記電動機の回転速度が前記設定速度以上の条件下で前記電動機の磁極位相を演算により推定し第二位相信号として出力する第二位相推定手段、および前記第一位相信号と前記第二位相信号とを入力し、前記電動機の回転速度または該回転速度に相当する情報に基づき前記第一位相信号または前記第二位相信号のいずれか一方を選択して位相信号として出力する位相切換部を備え、
   前記電圧指令生成部は、前記位相信号に基づいて前記電流検出器により検出された前記各相の電流値を直交二相座標の直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部、前記指令値と前記直交二相電流検出値とに基づいて直交二相座標の直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部、および前記位相信号に基づいて前記直交二相電圧指令値を前記交流電圧指令値に変換して出力する第一座標変換部を備え、
   前記ゲート信号生成部は、前記電圧指令生成部により生成された前記交流電圧指令値に基づき前記電動機を駆動するため前記スイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し駆動ゲート信号として出力する駆動制御部、前記第一位相推定手段により前記電動機の磁極位相を推定する目的で前記電動機に一連の電圧パルスを印加するため前記スイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し磁極位相検出ゲート信号として出力するパルス生成部、および前記駆動ゲート信号と前記磁極位相検出ゲート信号とを入力し、前記第一位相推定手段が動作する期間では、時分割で予め定められた周期で駆動区間と磁極位相検出区間とを交互に設定し、前記駆動区間では前記駆動ゲート信号を前記磁極位相検出区間では前記磁極位相検出ゲート信号をそれぞれ出力するゲート切換部を備えた電動機制御装置。
3. 前記ゲート切換部は、前記第二位相推定手段が動作する期間では、前記駆動ゲート信号のみを出力する請求項２記載の電動機制御装置。
4. 複数のスイッチング素子から構成され直流電源からの直流電圧を変換して電動機に供給する交流電圧を出力する電力変換部、制御系上位から入力される指令値に基づき交流電圧指令値を生成して出力する電圧指令生成部、前記交流電圧指令値に基づき前記電力変換部のスイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成して出力するゲート信号生成部、前記電動機の各相に流れる電流を検出する電流検出器、前記電動機の回転速度が予め定められた設定速度以下の条件下で前記電動機の磁極位相を演算により推定し第一位相信号として出力する第一位相推定手段、前記電動機の回転速度が前記設定速度以上の条件下で前記電動機の磁極位相を演算により推定し第二位相信号として出力する第二位相推定手段、および前記第一位相信号と前記第二位相信号とを入力し、前記電動機の回転速度または該回転速度に相当する情報に基づき前記第一位相信号または前記第二位相信号のいずれか一方を選択して位相信号として出力する位相切換部を備え、
   前記電圧指令生成部は、前記位相信号に基づいて前記電流検出器により検出された前記各相の電流値を直交二相座標の直交二相電流検出値に変換して出力する第二座標変換部、前記指令値と前記直交二相電流検出値とに基づいて直交二相座標の直交二相電圧指令値を生成して出力する直交二相電圧指令生成部、および前記位相信号に基づいて前記直交二相電圧指令値を前記交流電圧指令値に変換して出力する第一座標変換部を備え、
   前記ゲート信号生成部は、前記電圧指令生成部により生成された前記交流電圧指令値に基づき前記電動機を駆動するため前記スイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し駆動ゲート信号として出力する駆動制御部、前記第一位相推定手段により前記電動機の磁極位相を推定する目的で前記電動機に一連の電圧パルスを印加するため前記スイッチング素子をオンオフ制御するゲート信号を生成し磁極位相検出ゲート信号として出力するパルス生成部、および前記駆動ゲート信号と前記磁極位相検出ゲート信号とを入力し、前記第一位相推定手段が動作する期間では、時分割で予め定められた周期で駆動区間と磁極位相検出区間とを交互に設定し、前記駆動区間では前記駆動ゲート信号を前記磁極位相検出区間では前記磁極位相検出ゲート信号をそれぞれ出力し、前記第二位相推定手段が動作する期間では、前記駆動ゲート信号のみを出力するゲート切換部を備え、
   前記第一位相推定手段は、前記磁極位相検出ゲート信号に基づき前記電動機に一連の電圧パルスを印加したとき前記電流検出器で検出される前記各相の電流値により前記電動機の磁極位相を演算し前記第一位相信号として出力する電動機制御装置。
5. 前記パルス生成部は、前記磁極位相検出ゲート信号として、該磁極位相検出ゲート信号に基づく電圧パルスが前記電動機に印加されたとき前記電動機の鉄心の一部に磁気飽和が発生する大きさ・パルス幅のものを生成し、
   前記第一位相推定手段は、前記磁極位相検出ゲート信号に基づき前記電動機に一連の電圧パルスを印加したとき前記電流検出器で検出される前記各相の電流値により前記電動機の磁極位相を演算し前記第一位相信号として出力する請求項４記載の電動機制御装置。
6. 前記電動機が、磁極位相に依存したインダクタンス特性を有する場合、
   前記パルス生成部は、前記磁極位相検出ゲート信号として、該磁極位相検出ゲート信号に基づく電圧パルスが前記電動機に印加されたとき、それぞれ前記電動機の鉄心の一部に磁気飽和が発生する大きさ・パルス幅の第一磁極位相検出ゲート信号と、前記電動機の鉄心に磁気飽和が発生しない大きさ・パルス幅の第二磁極位相検出ゲート信号とを生成し、
   前記第一位相推定手段は、前記第一磁極位相検出ゲート信号に基づき前記電動機に一連の電圧パルスを印加したとき前記電流検出器で検出される前記各相の電流値により前記電動機の磁極位相を演算する第一位相演算部と、前記第二磁極位相検出ゲート信号に基づき前記電動機に一連の電圧パルスを印加したとき前記電流検出器で検出される前記各相の電流値により前記電動機の磁極位相を演算し、該演算値を前記第一位相演算部による演算値に基づいて補正した磁極位相を前記第一位相信号として出力する第二位相演算部とを備えた請求項４記載の電動機制御装置。
7. 前記電動機が停止した状態で、それぞれ前記第一位相演算部および前記第二位相演算部により第一磁極位相演算値および第二磁極位相演算値を求める１回目の位相演算動作を行い、前記第二位相演算部は、前記１回目の位相演算動作で得られた前記第二磁極位相演算値にπ（ｒａｄ）加算することにより該加算した第二磁極位相演算値が前記第一磁極位相演算値に近づくか否かを判定し、それぞれ、前者の場合は、前記第二磁極位相演算値にπ（ｒａｄ）加算し、後者の場合は、前記第二磁極位相演算値をそのまま採用する前記補正を行った磁極位相を前記第一位相信号として出力する請求項６記載の電動機制御装置。
8. 前記第一位相推定手段は、前記磁極位相検出ゲート信号または前記第二磁極位相検出ゲート信号を出力する前記磁極位相検出区間毎に演算される磁極位相から前記電動機の回転速度を演算する速度演算部、前記電動機の加速度情報に基づき前記駆動ゲート信号を出力する前記駆動区間において前記速度演算部で演算した回転速度を補正して補正速度を出力する速度補正部、前記補正速度を積分して補正磁極位相を出力する積分演算部、および前記磁極位相検出区間で磁極位相が演算された検出時点では該演算された磁極位相を選択し、前記検出時点を除く時点では前記補正磁極位相を選択し前記第一位相信号として出力する切換処理部を備えた請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
9. 前記電動機の加速度情報は、前記磁極位相検出区間毎に演算される前記電動機の回転速度の単位時間当たりの変化量とした請求項８記載の電動機制御装置。
10. 前記指令値としてトルク指令値が入力される場合、前記電動機の加速度情報は、前記電動機を含む回転系全体の慣性モーメントに依存する係数と前記トルク指令値との乗算値とした請求項８記載の電動機制御装置。
11. 前記第二位相推定手段は、前記駆動ゲート信号に基づき前記電動機に前記交流電圧指令値による交流電圧を印加したとき前記交流電圧指令値と前記電流検出器で検出される前記各相の電流値とにより前記電動機の磁極位相を演算し前記第二位相信号として出力する請求項４から請求項１０のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
12. 前記第一位相推定手段は、前記第一位相信号とともに第一速度信号を演算して出力するものとし、前記第二位相推定手段は、前記第二位相信号とともに第二速度信号を演算して出力するものとし、前記位相切換部は、前記第一位相信号から前記第二位相信号への切り換えは、前記第一速度信号が前記設定速度以上となる時点に基づき、前記第二位相信号から前記第一位相信号への切り換えは、前記第二速度信号が前記設定速度以下となる時点に基づき行う請求項１０記載の電動機制御装置。
13. 前記回転速度に相当する情報として、直流交流変換動作における変調率を前記直流電圧と前記直交二相電圧指令値とから演算し、前記位相切換部は、前記第一位相信号と前記第二位相信号との切り換えを、前記変調率に基づき行う請求項１１記載の電動機制御装置。
14. 前記第一位相信号から前記第二位相信号に切り換える場合、前記第二位相推定手段は、切り換え前の前記磁極位相検出区間の終了時点で動作を開始し、前記位相切換部は、前記第二位相推定手段が前記動作を開始した後予め定められた設定時間の経過後、出力する前記位相信号を前記第一位相信号から前記第二位相信号に切り換える請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
15. 前記第一位相信号から前記第二位相信号に切り換える場合、前記第二位相推定手段は、切り換え前の前記磁極位相検出区間の終了時点から予め定められた第一設定時間の経過後動作を開始し、前記位相切換部は、前記第二位相推定手段が前記動作を開始した後予め定められた第二設定時間の経過後、出力する前記位相信号を前記第一位相信号から前記第二位相信号に切り換える請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の電動機制御装置。

Images