JP6390337B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、界磁巻線型の回転電機に適用される制御装置に関する。

従来、下記特許文献１に見られるように、電動機の電気的突極性を利用して、電動機の磁極位置を推定する磁極位置検出装置が知られている。詳しくは、この装置では、電動機の推定磁極位置方向（以下、γ軸）と、上記推定磁極位置方向と直交する方向（以下、δ軸）とのそれぞれに交番電圧を印加する。推定磁極位置と実際の磁極位置との角度誤差がある場合、上記交番電圧の印加によってγ，δ軸のそれぞれに交番電流が流れる。このため、γ，δ軸のそれぞれに流れる交番電流の検出値に基づいて、磁極位置を推定することができる。

特許第３３１２４７２号公報

ここで、本発明者らは、上記特許文献１に記載された磁極位置推定手法を、界磁巻線型の電動機に適用することを考えた。ただし、電動機が非突極性の場合、上記磁極位置推定手法を適用できない。このため、突極機に加え、非突極機にも適用可能な磁極位置推定手法が望まれている。

本発明は、界磁巻線型の回転電機に適用され、磁極位置を推定することができる回転電機の制御装置を提供することを主たる目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、界磁巻線（１２）を有する回転子（１１）と、電機子巻線（１４）を有する固定子（１３）とを備える回転電機（１０）に適用され、前記界磁巻線及び前記電機子巻線のうち、一方を入力巻線とし、他方を出力巻線とし、前記入力巻線に高周波電圧を印加する電圧印加手段（５０；５３；５４）と、前記高周波電圧の印加によって前記出力巻線に流れる高周波電流を検出する電流検出手段（４４；４７）と、前記電流検出手段によって検出された高周波電流に基づいて、前記回転電機の磁極位置を推定する推定手段（４６）とを備えることを特徴とする。

界磁巻線と電機子巻線とは磁気結合している。このため、界磁巻線及び電機子巻線のうちいずれか一方を入力巻線とし、他方を出力巻線とする場合において、電圧印加手段によって入力巻線に高周波電圧を印加することにより、出力巻線に高周波電流が流れる。上記高周波電流には、回転電機の磁極位置に係る情報が含まれている。この点に鑑み、上記発明では、電流検出手段によって検出された高周波電流に基づいて、回転電機の磁極位置を推定することができる。

第１実施形態にかかるモータ制御システムの構成図。 モータ制御処理の機能ブロック図。 磁極位置の角度誤差を示す図。 電機子巻線のｄ軸と界磁巻線との磁気結合を示す図。 角度誤差と各電流波形との関係を示すタイムチャート。 磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第２実施形態にかかる磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第３実施形態にかかる磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第４実施形態にかかるモータ制御処理の機能ブロック図。 角度誤差と各電流波形との関係を示すタイムチャート。 第６実施形態にかかる磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第７実施形態にかかるモータ制御処理の機能ブロック図。 角度誤差と各電流波形との関係を示すタイムチャート。 磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第８実施形態にかかる磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第９実施形態にかかる磁極位置推定処理の機能ブロック図。 第１０実施形態にかかる各電流波形の推移を示すタイムチャート。 第１１実施形態にかかる磁極位置補正処理の機能ブロック図。 各電流波形の推移を示すタイムチャート。

（第１実施形態）
以下、本発明にかかる制御装置を車載主機としてエンジンを備える車両に適用した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、モータ１０は、非突極性を有する界磁巻線型回転電機であり、具体的には、３相巻線を有する巻線界磁型同期モータである。本実施形態では、モータ１０として、スタータ及びオルタネータ（発電機）の機能を統合したＩＳＧ（Integrated Starter Generator）を想定している。特に本実施形態では、エンジンの初回の始動に加えて、所定の自動停止条件が成立する場合にエンジンを自動停止させ、その後、所定の再始動条件が成立する場合にエンジンを自動的に再始動させるアイドリングストップ機能を実行する場合にも、モータ１０がスタータとして機能する。

モータ１０を構成するロータ１１は、界磁巻線１２を備え、また、エンジンのクランク軸と動力伝達が可能とされている。モータ１０のステータ１３には、３相巻線１４が備えられている。３相巻線１４には、インバータ２０が電気的に接続されている。インバータ２０には、直流電源であるバッテリ２１が接続されている。

インバータ２０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相高電位側スイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相低電位側スイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎとの直列接続体を３組備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相における上記直列接続体の接続点は、３相巻線１４のＵ，Ｖ，Ｗ相の端子に接続されている。本実施形態では、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、具体的にはＩＧＢＴを用いている。そして、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎにはそれぞれ、ダイオードＤＵｐ〜ＤＷｎが逆並列に接続されている。なお、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎとしては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。

インバータ２０の高電位側の端子（各高電位側スイッチのコレクタ）には、バッテリ２１の正極端子が接続されている。低電位側の端子（各低電位側スイッチのエミッタ）には、バッテリ２１の負極端子が接続されている。

本実施形態にかかる制御システムは、界磁電流検出部３０と、相電流検出部３１とを備えている。界磁電流検出部３０は、界磁巻線１２に流れる界磁電流を検出する。相電流検出部３１は、３相電流（固定座標系における流れる電流）に流れる相電流を検出する。なお、界磁電流検出部３０及び相電流検出部３１としては、例えば、抵抗器やカレントトランスを備える電流センサを用いることができる。また、本実施形態において、相電流検出部３１は、便宜上、Ｖ，Ｗ相電流を検出することとする。

上記各種センサの検出値は、制御装置４０に取り込まれる。制御装置４０は、中央処理装置（ＣＰＵ）やメモリを備え、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにて実行するソフトウェア処理手段である。制御装置４０は、モータ１０の制御量（本実施形態では、トルク）をその指令値（指令トルク）に制御すべく、これら各種センサの検出値に基づき、インバータ２０を操作する操作信号を生成して出力する。詳しくは、制御装置４０は、指令トルクを実現するための指令電流とモータ１０の３相巻線１４に流れる電流とが一致するように、各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎをオンオフ操作する。本実施形態では、なお、図１には、インバータ２０の各スイッチＳＵｐ〜ＳＷｎを操作する信号を操作信号ｇＵｐ〜ｇＷｎとして示している。

制御装置４０は、また、界磁巻線１２に印加する直流電圧を調整することにより、界磁巻線１２に流れる界磁電流を制御する。

ここで、制御システムには、モータ１０の磁極位置を直接検出する磁極位置検出器が備えられていない。このため、本実施形態では、磁極位置を推定する推定処理を含むモータ制御処理を行う。以下、図２を用いて、制御装置４０が行うモータ制御処理について説明する。

第１高周波成分除去部４１は、界磁電流検出部３０によって検出された界磁電流Ｉｆｒから高周波成分を除去する。以下、高周波成分が除去された界磁電流Ｉｆｒを界磁直流電流Ｉｆｄｃと称すこととする。なお、第１高周波成分除去部４１は、例えば、ローパスフィルタによって構成することができる。また、本実施形態において、高周波成分とは、相電圧の基本波成分の周波数よりも周波数が十分に高い周波数で変動する成分をいう。

界磁電流制御部４２（「界磁電圧算出手段」に相当）は、界磁電流Ｉｆｒをその目標電流Ｉｆ＊にフィードバック制御するための操作量として、界磁巻線１２に印加する直流電圧指令値である界磁指令電圧Ｖｆを算出する。本実施形態では、界磁電流Ｉｆｒと目標電流Ｉｆ＊との偏差に基づく比例積分制御によって界磁指令電圧Ｖｆを算出する。なお、高周波成分が除去された界磁電流Ｉｆｒを用いることにより、高周波の影響なく界磁指令電圧Ｖｆを算出することができる。

界磁操作部４３（「界磁制御手段」に相当）は、界磁指令電圧Ｖｆとキャリア信号ｔｃ（例えば三角波信号）との大小比較に基づくＰＷＭ処理により、界磁回路４３ａを操作する界磁操作信号ｇｆを生成する。界磁回路４３ａは、例えば、直流電源、界磁用スイッチング素子、及び界磁巻線１２を備える閉回路にて構成されている。上記界磁操作信号ｇｆにより、界磁用スイッチング素子がオンオフされることにより、界磁電流Ｉｆｒが目標電流Ｉｆ＊に制御される。

第１高周波成分抽出部４４（「電流検出手段」に相当）は、界磁電流Ｉｆｒからその高周波成分である高周波界磁電流Ｉｆｈを抽出する。第１高周波成分抽出部４４は、例えば、バンドパスフィルタ、又はハイパスフィルタによって構成することができる。

２相変換部４５は、後述する磁極位置推定器４６（「推定手段」に相当）によって推定された推定磁極位置θγ（電気角）と、相電流検出部３１によって検出されたＶ，Ｗ相電流ＩＶｒ，ＩＷｒとに基づいて、固定座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相電流を、回転座標系におけるγ軸電流Ｉγｒと、δ軸電流Ｉδｒとに変換する。ここで、図３に示すように、γ軸は、制御装置４０において推定されたロータ１１の磁極位置方向であり、δ軸は、制御装置４０において推定された磁極位置方向と直交する方向のことである。γ，δ軸直交回転座標系は、α，β軸固定座標系に対して、電気角速度ωで回転する。なお、図３において、「θγ」は推定磁極位置を示し、「Δθ」は推定磁極位置と実際の磁極位置との角度誤差を示し、「θ」は実際の磁極位置を示す。本実施形態では、固定座標系のα軸から反時計まわり方向に回転する場合の「θγ，θ」を正とし、回転座標系のｄ軸から反時計まわり方向に回転する場合の「Δθ」を正としている。

先の図２の説明に戻り、第２高周波成分抽出部４７（「電流検出手段」に相当）は、γ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒから高周波成分である高周波γ，δ軸電流Ｉγｈ，Ｉδｈを抽出する。第２高周波成分抽出部４７は、例えば、バンドパスフィルタ、又はハイパスフィルタによって構成することができる。抽出された高周波γ，δ軸電流Ｉγｈ，Ｉδｈは、磁極位置推定器４６に入力される。

第２高周波成分除去部４８は、γ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒから高周波成分を除去する。以下、高周波成分が除去されたγ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒをγ，δ軸直流電流Ｉγｄｃ，Ｉδｄｃと称すこととする。なお、第２高周波成分除去部４８は、例えば、ローパスフィルタによって構成することができる。

γδ電流制御部４９は、第２高周波成分除去部４８から出力されたγ，δ軸直流電流Ｉγｄｃ，Ｉδｄｃをγ，δ軸指令電流Ｉγ＊，Ｉδ＊にフィードバック制御するための操作量として、γ，δ軸指令電圧Ｖγ＊，Ｖδ＊を算出する。本実施形態では、γ，δ軸直流電流Ｉγｄｃ，Ｉδｄｃとγ，δ軸指令電流Ｉγ＊，Ｉδ＊との偏差に基づく比例積分制御によってγ，δ軸指令電圧Ｖγ＊，Ｖδ＊を算出する。なお、高周波成分が除去されたγ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒを用いることにより、高周波の影響なく各指令電圧Ｖγ＊，Ｖδ＊を算出することができる。また、γ，δ軸指令電流Ｉγ＊，Ｉδ＊は、モータ１０の指令トルクに基づいて設定される。

γ軸重畳部５０（「電圧印加手段」に相当）は、γδ電流制御部４９から出力されたγ軸指令電圧Ｖγ＊に高周波γ軸電圧Ｖγｈを重畳して出力する。３相変換部５１は、磁極位置推定器４６によって推定された磁極位置θγに基づいて、高周波γ軸電圧Ｖγｈの重畳されたγ軸指令電圧「Ｖγ＊＋Ｖγｈ」及びδ軸指令電圧Ｖδ＊を、固定座標系における３相の指令電圧ＶＵ＊，ＶＶ＊，ＶＷ＊に変換する。

操作信号生成部５２は、インバータ２０の各相電圧を指令電圧ＶＵ＊，ＶＶ＊，ＶＷ＊とするための操作信号ｇＵｐ〜ｇＷｎを生成する。本実施形態において、操作信号は、指令電圧ＶＵ＊，ＶＶ＊，ＶＷ＊（図中、ＶＵ＊を例示）と、キャリア信号ｔｐ（例えば三角波信号）との大小比較に基づくＰＷＭ処理によって生成する。操作信号生成部５２は、生成された操作信号ｇＵｐ〜ｇＷｎをインバータ２０に出力する。これにより、３相巻線１４のＵ，Ｖ、Ｗ相には、電気角で互いに位相が１２０度ずれた正弦波状の電圧が印加され、電気角で互いに位相が１２０度ずれた正弦波状の電流が流れることとなる。

続いて、本実施形態にかかる磁極位置の推定原理について説明した後、磁極位置推定器４６が行う磁極推定処理について説明する。

まず、推定原理について説明する。

角度誤差Δθがある場合のモータの電圧方程式は、下式（ｅｑ１）で表される。

上式（ｅｑ１）において、「Ｖγ，Ｖδ」はγ，δ軸電圧を示し、「Ｖｆ」は界磁巻線の印加電圧を示し、「Ｉγ，Ｉδ」はγ，δ軸電流を示し、「Ｉｆ」は界磁電流を示す。また、「Ｌｄ，Ｌｑ」は電機子巻線のｄ，ｑ軸インダクタンスを示し、「Ｒ」はステータ巻線抵抗を示し、「Ｌｆ」は界磁巻線の自己インダクタンスを示し、「Ｒｆ」は界磁巻線抵抗を示し、「Ｍｆ」は電機子巻線と界磁巻線とのｄ軸上における相互インダクタンスを示し、「ω」は電気角速度を示し、「ｓ」は微分演算子を示す。

上式（ｅｑ１）において、界磁巻線に係る項が存在するのは、図４に示すように、電機子巻線のｄ軸と界磁巻線とが磁気結合するためである。

上式（ｅｑ１）において、ロータ１１の回転が停止又は低速である（ω≒０）とし、また、高周波電圧を印加するとして抵抗Ｒ，Ｒｆの項を無視すると、下式（ｅｑ２）が導かれる。

上式（ｅｑ２）において、各電圧，電流の添え字「ｈ」は、高周波成分であることを示す。ここで、モータが非突極機であるとすると、「Ｌ１≒０」が成立することから、上式（ｅｑ２）は下式（ｅｑ３）となる。

上式（ｅｑ３）を電流について解くと、下式（ｅｑ４）が導かれる。

ここで、本実施形態では、γ軸にのみ下式（ｅｑ５）にて表される正弦波状の高周波γ軸電圧Ｖγｈを印加する。

上式（ｅｑ５）において、「Ｖ０」は高周波電圧の振幅を示し、「ｆｈ」は高周波電圧の周波数を示し、「ｔ」は時間を示す。高周波γ軸電圧Ｖγｈを印加すると、界磁巻線１２には下式（ｅｑ６）で表される高周波界磁電流Ｉｆｈが流れる。

上式（ｅｑ６）に示すように、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅には、γ軸とｄ軸との角度誤差Δθを独立変数とする余弦関数が含まれる。このため、角度誤差Δθが０になると、「ｃｏｓ（Δθ）＝１」の関係より、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最大になる。角度誤差Δθが０になる場合に高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最大となる様子を図５に示す。ここで、図５（ａ）はγ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒの推移を示し、図５（ｂ）は界磁電流Ｉｆｒ，角度誤差Δθの推移を示す。本実施形態では、角度誤差Δθが０になる場合に高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最大になるとの式に基づいて、磁極位置推定器４６によって磁極位置を推定する。続いて、図６を用いて、磁極位置推定器４６について説明する。

本実施形態にかかる磁極位置推定器４６は、角度誤差算出部４６ａ（「誤差算出手段」に相当）と、誤差補正部４６ｂとを備えている。本実施形態において、磁極位置推定器４６は、モータ１０の停止時（ロータ１１の回転停止時）又は低速時に磁極位置を推定する。なお、磁極位置推定の際、直流成分である目標電流Ｉｆ＊は、０に設定してもよいし、０以外の値に設定してもよい。

角度誤差算出部４６ａは、上式（ｅｑ６）を変形して得られる下式（ｅｑ７）と、第１高周波成分抽出部４４によって抽出された高周波界磁電流Ｉｆｈとに基づいて、角度誤差Δθを算出する。

本実施形態において、上式（ｅｑ７）の「Ｌ０，Ｌｆ，Ｍｆ」は、モータ１０の機器定数であり、既知である。また、高周波γ軸電圧Ｖγｈは制御装置４０において任意に与える電圧であるため、上式（ｅｑ７）の「Ｖ０，ｆｈ，ｔ」も既知である。したがって、高周波界磁電流Ｉｆｈを入力として、上式（ｅｑ７）に基づいて角度誤差Δθを算出することができる。なお、本実施形態では、角度誤差Δθを「０≦Δθ＜２π」の範囲で算出する。

誤差補正部４６ｂは、制御装置４０（磁極位置推定器４６）の１処理周期前において推定された磁極位置θｃから、角度誤差算出部４６ａによって算出された角度誤差Δθを減算補正することで、現在の処理周期における磁極位置θγを推定する。推定された磁極位置θγは、２相変換部４５及び３相変換部５１に入力される。

以上説明したように、本実施形態では、高周波γ軸電圧Ｖγｈの印加によって流れる高周波界磁電流Ｉｆｈに基づいて、磁極位置θγを推定することができる。また、本実施形態によれば、モータ１０が非突極機であっても、磁極位置θγを推定することができる。

さらに、第１高周波成分抽出部４４を備えることで、モータ１０の駆動中においても磁極位置θγを推定することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、先の第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図７に示すように、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最大になるように推定磁極位置を変化させることで、磁極位置θγを推定する。なお、図７において、先の図６に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、磁極位置推定器４６は、角度誤差算出部４６ａと、フィードバック操作量算出部４６ｃとを備えている。フィードバック操作量算出部４６ｃは、角度誤差Δθを０にフィードバック制御するための操作量として、磁極位置θγを推定する。本実施形態では、角度誤差Δθを入力とする積分制御によって磁極位置θγを推定する。

このように、本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、先の第２実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図８に示すように、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最大になるように推定磁極位置を変化させることで、磁極位置θγを推定する手法を変更する。なお、図８において、先の図７に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、磁極位置推定器４６は、検波部と、極値探索部とを備えている。検波部は、高周波界磁電流Ｉｆｈに検波処理を施すことで、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅成分を抽出する。詳しくは、検波部において、第１乗算部４６ｄは、高周波界磁電流Ｉｆｈと同位相かつ同周波数の高周波信号「ｃｏｓ（２π×ｆｈ×ｔ）」を、高周波界磁電流Ｉｆｈに乗算して出力する。第１ローパスフィルタ部４６ｅは、第１乗算部４６ｄから出力された高周波信号「Ｉｆｈ×ｃｏｓ（２π×ｆｈ×ｔ）」にローパスフィルタ処理を施すことで、下式（ｅｑ８）にて表される上記高周波信号の振幅成分εを抽出する。

極値探索部及びフィードバック操作量算出部４６ｃは、上記振幅成分εが最大になるように角度誤差Δθを変化させることで、角度誤差Δθを０に収束させる役割を果たす。詳しくは、ハイパスフィルタ部４６ｆは、上記振幅成分εにハイパスフィルタ処理を施すことで、上記振幅成分εからその直流成分ηを除去して出力する。第２乗算部４６ｇは、ハイパスフィルタ部４６ｆから出力された変動成分「ε−η」に「Ａ×ｓｉｎ（ω１×ｔ）」を乗算して出力する。ここで、ハイパスフィルタ部４６ｆから出力される変動成分「ε−η」は、下式（ｅｑ９）で表される。

上式（ｅｑ９）は、以下のように導かれる。詳しくは、「Ａ×ｓｉｎ（ω１×ｔ）」の振幅Ａが角度誤差Δθに対して十分小さいとした場合、上式（ｅｑ８）を元に、テーラー展開によって下式（ｅｑ１０）を導くことができる。下式（ｅｑ１０）において、右辺第２項が直流成分「ε−η」である。

第２ローパスフィルタ部４６ｈは、第２乗算部４６ｇの出力信号「（ε−η）×Ａ×ｓｉｎ（ω１×ｔ）」にローパスフィルタ処理を施すことで、下式（ｅｑ１１）にて表される直流信号を出力する。

積分器４６ｉは、第２ローパスフィルタ部４６ｈの出力信号ξに積分ゲインＫθを乗算した値を時間積分することで、誤差推定量Δθｅを算出する。加算部４６ｊは、積分器４６ｉによって算出された誤差推定量Δθｅに「Ａ×ｓｉｎ（ω１×ｔ）」を加算してフィードバック操作量算出部４６ｃに対して出力する。フィードバック操作量算出部４６ｃは、加算部４６ｊの出力信号「Δθｅ＋Ａ×ｓｉｎ（ω１×ｔ）」を入力として磁極位置θγを推定する。

このように、本実施形態によっても、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態について、先の第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図９に示すように、δ軸重畳部５３（「電圧印加手段」に相当）により、γδ電流制御部４９から出力されたδ軸指令電圧Ｖδ＊に高周波δ軸電圧Ｖδｈを重畳する。これに伴い、磁極位置の推定手法を変更する。なお、図９において、先の図２に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態では、δ軸重畳部５３において、δ軸にのみ下式（ｅｑ１２）にて表される正弦波状の高周波δ軸電圧Ｖδｈを印加する。

高周波δ軸電圧Ｖδｈを印加すると、界磁巻線１２には下式（ｅｑ１３）で表される高周波界磁電流Ｉｆｈが流れる。

上式（ｅｑ１３）にて示すように、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅には、角度誤差Δθを独立変数とする正弦関数が含まれる。このため、角度誤差Δθが０になると、「ｓｉｎ（Δθ）＝０」の関係より、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最小になる。角度誤差Δθが０になる場合に高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最小となる様子を図１０に示す。ここで、図１０（ａ），（ｂ）は、先の図５（ａ），（ｂ）に対応している。本実施形態では、角度誤差Δθが０になる場合に高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最小になるとの式に基づいて、磁極位置推定器４６によって磁極位置を推定する。

詳しくは、本実施形態では、先の図６の角度誤差算出部４６ａにおいて、上式（ｅｑ１３）を変形して得られる下式（ｅｑ１４）と、第１高周波成分抽出部４４によって抽出された高周波界磁電流Ｉｆｈとに基づいて、角度誤差Δθを算出する。

このように、本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
以下、第５実施形態について、先の第４実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最小になるように推定磁極位置を変化させることで、磁極位置θγを推定する。

詳しくは、先の図７の角度誤差算出部４６ａにおいて、上式（ｅｑ１４）と、第１高周波成分抽出部４４によって抽出された高周波界磁電流Ｉｆｈとに基づいて、角度誤差Δθを算出する。

このように、本実施形態によっても、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第６実施形態）
以下、第６実施形態について、先の第５実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１１に示すように、高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅が最小になるように推定磁極位置を変化させることで、磁極位置θγを推定する手法を変更する。なお、図１１において、先の図８に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

磁極位置推定器４６は、上記検波部と、ＰＬＬ回路とを備えている。詳しくは、検波部によって抽出された高周波界磁電流Ｉｆｈの振幅成分εは、ＰＬＬ回路を構成する比例積分器４６ｋに入力される。比例積分器４６ｋは、振幅成分εに速度比例ゲインＫｐωを乗算した値と、振幅成分ε及び速度積分ゲインＫｉωの乗算値の時間積分値とを加算することで、電気角速度ωの推定値（以下、速度推定値ωｅｓｔ）を算出する。比例積分器４６ｋにおける処理は、角度誤差Δθが０近傍となる場合に振幅成分εが角度誤差Δθに比例することを利用したものである。積分器４６ｌは、比例積分器４６ｋの出力値の時間積分値として、磁極位置θγを推定する。

このように、本実施形態によっても、上記第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第７実施形態）
以下、第７実施形態について、先の第１，第４実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１２に示すように、γ，δ軸指令電圧Ｖγ＊，Ｖδ＊に代えて、界磁重畳部５４（「電圧印加手段」に相当）により、界磁指令電圧Ｖｆに高周波界磁電圧Ｖｆｈを重畳する。これに伴い、磁極位置の推定手法を変更する。なお、図１２において、先の図２に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態では、界磁重畳部５４において、界磁巻線１２にのみ下式（ｅｑ１５）にて表される正弦波状の高周波界磁電圧Ｖｆｈを印加する。

高周波界磁電圧Ｖｆｈを印加すると、γ軸には下式（ｅｑ１６）で表される高周波γ軸電流Ｉγｈが流れ、δ軸には下式（ｅｑ１７）で表される高周波δ軸電流Ｉδｈが流れる。なお、図１３に、γ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒ、界磁電流Ｉｆｒ及び角度誤差Δθの推移を示した。図１３は、先の図５に対応する図である。

図１４を用いて、本実施形態にかかる磁極位置推定器４６の処理を、入力を高周波γ軸電流Ｉγｈとする場合と、高周波δ軸電流Ｉδｈとする場合とに分けて説明する。なお、図１４において、先の図６と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

まず、入力を高周波γ軸電流Ｉγｈとする場合について説明する。角度誤差算出部４６ｍは、上式（ｅｑ１６）を変形して得られる下式（ｅｑ１８）と、第２高周波成分抽出部４７によって抽出された高周波γ軸電流Ｉγｈとに基づいて、角度誤差Δθを算出する。

続いて、入力を高周波δ軸電流Ｉδｈとする場合について説明する。角度誤差算出部４６ｍは、上式（ｅｑ１７）を変形して得られる下式（ｅｑ１９）と、第２高周波成分抽出部４７によって抽出された高周波δ軸電流Ｉδｈとに基づいて、角度誤差Δθを算出する。

このように、本実施形態によっても、上記第１，第４実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、第２高周波成分抽出部４７を備えることで、モータ１０の駆動中においても磁極位置θγを推定することができる。

（第８実施形態）
以下、第８実施形態について、先の第７実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１５に示すように、高周波界磁電流Ｉｆｈの印加によって流れる高周波γ軸電流Ｉγｈの振幅が最大になるように推定磁極位置を変化させることで、磁極位置θγを推定する。なお、図１５において、先の図１４に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態においても、上記第７実施形態と同様に、磁極位置推定器４６は、入力を高周波γ軸電流Ｉγｈとする場合と、高周波δ軸電流Ｉδｈとする場合とで磁極位置θγを推定する。

このように、本実施形態によっても、上記第７実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第９実施形態）
以下、第９実施形態について、先の第７実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１６に示すように、高周波γ，δ軸電流Ｉγｈ，Ｉδｈの双方に基づいて角度誤差Δθを算出する。なお、図１６において、先の図１４に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

磁極位置推定器４６において、角度誤差算出部４６ｎは、高周波γ，δ軸電流Ｉγｈ，Ｉδｈを入力として、下式（ｅｑ２１）を用いて角度誤差Δθを算出する。本実施形態では、下式（ｅｑ２０）により、角度誤差Δθを「−π／２〜π／２」の範囲で算出する。

このように、本実施形態によっても、磁極位置θγを推定することができる。

（第１０実施形態）
以下、第１０実施形態について、先の第１，第４，第７実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、先の図２，図９，図１２に示したように、γ軸重畳部５０、δ軸重畳部５３又は界磁重畳部５４を備えていない。こうした構成を前提として、界磁操作部４３による界磁回路４３ａのスイッチング操作によって高周波界磁電流Ｉｆｈを流す。これは、高調波であるキャリア信号ｔｃと界磁指令電圧Ｖｆの大小比較に基づくＰＷＭ処理によって生成された界磁操作信号ｇｆにより、界磁電流にキャリア信号ｔｃの周波数に応じた高周波電圧が重畳されるためである。この高周波電圧により、図１７（ａ）に示すように界磁巻線１２に高周波界磁電流が流れる。そして、高周波界磁電流が流れることにより、図１７（ｂ）に示すように高周波γ，δ軸電流が流れる。

こうして流れる高周波γ軸電流Ｉγｈ及び高周波δ軸電流Ｉδｈのうち少なくとも一方に基づいて、上記第７〜第９実施形態で説明した推定手法によって磁極位置θγを推定することができる。

（第１１実施形態）
以下、第１１実施形態について、先の各実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、γ軸電流Ｉγｒ、δ軸電流Ｉδｒ、及び界磁電流Ｉｆｒのそれぞれの変化の符号に基づいて、角度誤差Δθが、１電気角周期を４等分した領域のいずれにあるかを判別する判別処理を行う。そして、この判別結果に基づいて、推定された磁極位置θγを補正する磁極位置補正処理を行う。

図１８に、磁極位置推定器４６が行う判別処理及び磁極位置補正処理のブロック図を示す。

図示されるように、領域判別部４６ｐ（「判別手段」に相当）は、γ軸電流Ｉγｒ、δ軸電流Ｉδｒ、及び界磁電流Ｉｆｒのそれぞれの変化の符号に基づいて、現在生じている実際の角度誤差Δθが、「０≦Δθ＜π／２」、「π／２≦Δθ＜π」、「π≦Δθ＜３π／２」、及び「３π／２≦Δθ＜２π」のうちいずれの領域にあるかを判別する。これは、図１９に示すように、γ軸電流Ｉγｒ、δ軸電流Ｉδｒ、及び界磁電流Ｉｆｒのそれぞれの変化の符号と、実際の角度誤差Δθの各領域とを予め一義的に関係付けることができることに基づく。ここで、図１８には、各領域と、γ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒの変化の符号との関係を示した。ここでは、「１」によってγ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒの変化の符号と、界磁電流Ｉｆｒの変化の符号とが異なることを示す。また、「０」によってγ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒの変化の符号と界磁電流Ｉｆｒの変化の符号とが一致することを示す。各電流の変化の符号の関係は、印加する高周波電圧を「Ｖｈ」とする場合、下式（ｅｑ２１）〜（ｅｑ２３）から導かれる。

なお、γ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒの変化の符号は、例えば、γ，δ軸電流Ｉγｒ，Ｉδｒの時間微分値（γ，δ軸電流の変化速度）を算出することで把握すればよい。また、界磁電流Ｉｆｒの変化の符号も、例えば、界磁電流Ｉｆｒの時間微分値を算出することで把握すればよい。

補正部４６ｑ（「補正手段」に相当）は、領域判別部４６ｐの判別結果に基づいて、磁極位置推定器４６によって推定された磁極位置θγを補正する処理を行う。これは、角度誤差Δθを「０≦Δθ＜２π」の範囲で算出する場合において、例えば、「ｓｉｎ（Δθ）＝０」を満たす角度誤差Δθが、０又はπであるためである。この場合、角度誤差Δθを収束させた結果として得られる推定磁極位置θγが０からずれ得る。

そこで本実施形態では、補正部４６ｑにおいて以下の処理を行う。詳しくは、角度誤差Δθが「π／２≦Δθ＜π」又は「π≦Δθ＜３π／２」であると領域判別部４６ｐによって判断された場合、推定された磁極位置θγから「π」減算補正することで、補正後磁極位置θγａを算出する。一方、角度誤差Δθが「０≦Δθ＜π／２」又は「３π／２≦Δθ＜２π」であると領域判別部４６ｐによって判断された場合、推定された磁極位置θγをそのまま補正後磁極位置θγａとして算出する。算出された補正後磁極位置θγａは、２相変換部４５及び３相変換部５１に入力される。

以上説明した本実施形態によれば、磁極位置θγの推定精度を高めることができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記第３実施形態の図８、及び上記第６実施形態の図１１において、第１乗算部４６ｄの入力を、高周波界磁電流Ｉｆｈに代えて高周波γ軸電流Ｉγｈとしてもよい。

・上記第１１実施形態において、界磁巻線１２又はδ軸に高周波電圧を印加する場合であっても、判別処理及び磁極位置推定処理を行うことができる。

・上記各実施形態では、高周波電圧として、正弦波状の高周波電圧を印加したがこれに限らず、例えば矩形波状の高周波電圧を印加してもよい。

・本発明が適用される回転電機としては、非突極機に限らず、突極機であってもよい。また、回転電機としては、駆動トルク発生機能を有する電動機に限らず、発電機能を有する発電機や、上記発生機能及び発電機能の双方を有するものであってもよい。

１０…モータ、１１…ロータ、１２…界磁巻線、１３…ステータ、１４…３相巻線、４０…制御装置。

Claims (13)

1. 界磁巻線（１２）を有する回転子（１１）と、電機子巻線（１４）を有する固定子（１３）とを備える回転電機（１０）に適用され、
   前記界磁巻線及び前記電機子巻線のうち、一方を入力巻線とし、他方を出力巻線とし、
   前記入力巻線に高周波電圧を印加する電圧印加手段（５０；５３；５４）と、
   前記高周波電圧の印加によって前記出力巻線に流れる高周波電流を検出する電流検出手段（４４；４７）と、
   前記電流検出手段によって検出された高周波電流に基づいて、前記回転電機の磁極位置を推定する推定手段（４６）とを備え、
   前記回転電機の推定磁極位置方向をγ軸とし、前記推定磁極位置方向と直交する方向をδ軸とし、
   前記電機子巻線のγ軸に流れる電流、前記電機子巻線のδ軸に流れる電流、及び前記界磁巻線に流れる電流のそれぞれの変化の符号に基づいて、前記推定磁極位置と実際の磁極位置との角度誤差が、前記回転電機の１電気角周期を４等分した領域のいずれにあるかを判別する判別手段（４６ｐ）を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
2. 前記入力巻線は、前記電機子巻線であり、
   前記出力巻線は、前記界磁巻線である請求項１記載の回転電機の制御装置。
3. 前記電圧印加手段（５０）は、前記電機子巻線のγ軸に高周波電圧を印加し、
   前記推定手段は、前記電流検出手段（４４）によって検出された前記界磁巻線の高周波電流の振幅が最大になるように前記回転電機の推定磁極位置を変化させることで、前記磁極位置を推定する請求項２記載の回転電機の制御装置。
4. 前記電圧印加手段（５０）は、前記電機子巻線のγ軸に高周波電圧を印加し、
   前記推定手段は、前記電流検出手段（４４）によって検出された前記界磁巻線の高周波電流と、前記回転電機の推定磁極位置と実際の磁極位置との角度誤差が０となる場合に前記高周波電流の振幅が最大になるとの式とに基づいて、前記角度誤差を算出する誤差算出手段（４６ａ）を含み、前記誤差算出手段によって算出された角度誤差で前記推定磁極位置を補正することで、前記磁極位置を推定する請求項２記載の回転電機の制御装置。
5. 前記電圧印加手段（５３）は、前記電機子巻線のδ軸に高周波電圧を印加し、
   前記推定手段は、前記電流検出手段（４４）によって検出された前記界磁巻線の高周波電流の振幅が最小になるように前記回転電機の推定磁極位置を変化させることで、前記磁極位置を推定する請求項２記載の回転電機の制御装置。
6. 前記電圧印加手段（５３）は、前記電機子巻線のδ軸に高周波電圧を印加し、
   前記推定手段は、前記電流検出手段（４４）によって検出された前記界磁巻線の高周波電流と、前記回転電機の推定磁極位置と実際の磁極位置との角度誤差が０となる場合に前記高周波電流の振幅が最小になるとの式とに基づいて、前記角度誤差を算出する誤差算出手段（４６ａ）を含み、前記誤差算出手段によって算出された角度誤差で前記推定磁極位置を補正することで、前記磁極位置を推定する請求項２記載の回転電機の制御装置。
7. 前記入力巻線は、前記界磁巻線であり、
   前記出力巻線は、前記電機子巻線である請求項１記載の回転電機の制御装置。
8. 前記電流検出手段（４７）は、前記電機子巻線のγ軸に流れる高周波電流を検出し、
   前記推定手段は、前記電流検出手段によって検出された高周波電流の振幅が最大になるように前記回転電機の推定磁極位置を変化させることで、前記磁極位置を推定する請求項７記載の回転電機の制御装置。
9. 前記電流検出手段（４７）は、前記電機子巻線のδ軸に流れる高周波電流を検出し、
   前記推定手段は、前記電流検出手段によって検出された高周波電流の振幅が最小になるように前記回転電機の推定磁極位置を変化させることで、前記磁極位置を推定する請求項７記載の回転電機の制御装置。
10. 前記電流検出手段（４７）は、前記電機子巻線のγ軸に流れる高周波電流と、前記電機子巻線のδ軸に流れる高周波電流とのそれぞれを検出し、
    前記推定手段は、前記電流検出手段によって検出されたγ軸及びδ軸の高周波電流の双方に基づいて、前記磁極位置を推定する請求項７記載の回転電機の制御装置。
11. 前記界磁巻線に流れる界磁電流をその目標電流に制御するための前記界磁巻線の印加電圧指令値を算出する界磁電圧算出手段（４２）と、
    前記界磁電圧算出手段によって算出された印加電圧指令値とキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ処理により、前記界磁電流を前記目標電流に制御する界磁制御手段（４３）とをさらに備え、
    前記電流検出手段（４７）は、前記電機子巻線のγ軸に流れる高周波電流、及び前記電機子巻線のδ軸に流れる高周波電流のうち少なくとも一方を検出し、
    前記推定手段は、前記電流検出手段によって検出されたγ軸に流れる高周波電流及びδ軸に流れる高周波電流のうち少なくとも一方に基づいて、前記磁極位置を推定する請求項７記載の回転電機の制御装置。
12. 前記判別手段による判別結果に基づいて、前記推定手段によって推定された磁極位置を補正する補正手段（４６ｑ）をさらに備える請求項１〜１１のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
13. 前記回転電機は、非突極機である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。