JP6414109B2 - 交流電動機の回転制御装置及び交流電動機の回転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、交流電動機の回転制御装置及び交流電動機の回転制御方法に関する。

ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータの回転制御や、交流電動機のいわゆるベクトル制御をおこなうためには、回転子の回転角度（現在位置）を知る必要がある。そのため、回転子に回転角度検出用のセンサを取り付けることが広く知られているが、近年、交流電動機の回転制御装置から得られる情報を利用して、いわゆるセンサレスにより回転子の回転角度を知る技術が開発されてきている。

たとえば、特許文献１に記載されているように、モータの高速回転域では、交流電動機の数式モデルを使用した状態オブザーバにより、回転子の回転角度を求めることが知られている。また、モータの低速回転域では、電動機の出力周波数に高周波を重畳してその応答から回転子の回転角度を求めることが知られている。

あるいは、特許文献２に記載されているように、電気的突極性を有する電動機の磁極位置を、ＰＷＭ制御の各スイッチング区間におけるインバータの出力電流リプルの変化分及び出力電圧の時間積分値の変化分から、磁極位置を検出することが提案されている。

特開２００３−２９９３８１号公報 特開平８−２０５５７８号公報

本発明の解決しようとする課題は、突極性を有する回転子を有する交流電動機の回転子の回転角度を、センサレスで且つ、実用的な演算負荷で求めることである。

本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置は、突極性を有する回転子と、前記回転子の周囲に配置される固定子を有する交流電動機の回転制御装置であって、前記回転子の回転面内で交差する第１の方向及び第２の方向を含む、少なくとも２の方向に磁界を発生させ、合成磁界による空間ベクトルを発生させる空間ベクトル発生器と、前記第１の方向について前記固定子に生じる第１の電流変化率及び前記第２の方向について前記固定子に生じる第２の電流変化率を取得する電流変化率取得器と、少なくとも前記第１の電流変化率、前記第２の電流変化率、前記第１の方向及び前記第２の方向に基いて、前記回転子の回転角度を演算する回転角度演算器と、を有し、前記空間ベクトル発生器は、１周期内に、前記第１の方向と反対向きの第３の方向及び、前記第２の方向と反対向きの第４の方向に磁界を発生させ、前記１周期内には、磁界を発生させない０電圧ベクトルは含まれない。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記空間ベクトル発生器は、１周期内において、前記第１の方向についての電圧ベクトルと前記第３の方向についての電圧ベクトルの合成電圧ベクトルの大きさ及び、前記第２の方向についての電圧ベクトルと前記第４の方向についての電圧ベクトルの合成電圧ベクトルの大きさが所定の大きさ以上となるように、前記固定子に電圧を印加してよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記空間ベクトル発生器は、１周期内において、少なくとも前記第１の方向、前記第２の方向、前記第３の方向及び前記第４の方向について、相反する方向についての電圧印加時間の和が所定時間以上となるように、時間分割により前記固定子に電圧を印加してよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記所定時間は、１周期の１／２であってよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記固定子は３相巻線を有し、前記空間ベクトル発生器は、１周期を時間分割した副周期毎に前記固定子の各相巻線に対する電圧の印加の有無を切り替えるとともに、各相巻線それぞれについて、電圧の印加の有無が切り替えられた副周期の次の副周期では、電圧の印加の有無が維持されてよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記所定時間は、１周期の１／２より小さくてよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記固定子は３相以上の巻線を有し、前記第１の方向及び前記第２の方向は、前記固定子の相方向及びその逆方向の内、隣接する２方向であってよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記第１の方向及び前記第２の方向は、互いに直交してよい。

また、本発明の一の側面に係る交流電動機の回転制御装置では、前記固定子は３相以上の巻線を有し、前記第１の方向及び前記第２の方向の少なくともいずれかは、複数相の巻線により発生する合成磁界により得られてよい。

また、本発明の別の一側面に係る交流電動機の回転制御方法は、突極性を有する回転子と、前記回転子の周囲に配置される固定子を有する交流電動機の回転制御方法であって、前記回転子の回転面内で交差する第１の方向及び第２の方向を含む、少なくとも２の方向に磁界を発生させ、合成磁界による空間ベクトルを発生させ、前記第１の方向について前記固定子に生じる第１の電流変化率及び前記第２の方向について前記固定子に生じる第２の電流変化率を取得し、少なくとも前記第１の電流変化率、前記第２の電流変化率、前記第１の方向及び前記第２の方向に基いて、前記回転子の回転角度を演算するとともに、１周期内に、前記第１の方向と反対向きの第３の方向及び、前記第２の方向と反対向きの第４の方向に磁界を発生させ、前記１周期内には、磁界を発生させない０電圧ベクトルは含まれない。

本発明の第１の実施形態に係る回転制御装置と、回転制御装置に接続され制御される交流電動機の構成を模式的に示す図である。 αβ平面において、第１の実施形態に係る空間ベクトル発生器が発生させる電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６を示す図である。 必要とされる空間電圧ベクトルＶに対し、空間ベクトル発生器が電圧ベクトルＶ_Ａ、Ｖ_Ａ’、Ｖ_Ｂ及びＶ_Ｂ’を発生させている様子を示す図である。 Ａ方向をＶ_１方向、Ｂ方向をＶ_３方向とした場合の、１制御周期内でのｕ、ｖ、ｗ各相巻線に対する電圧印加のパターンを三角波キャリアに対して示した図である。 Ａ方向をＶ_１方向、Ｂ方向をＶ_３方向とした場合の、１制御周期内でのｕ、ｖ、ｗ各相巻線に対する電圧印加のパターンを鋸波キャリアに対して示した図である。 αβ平面において、第２の実施形態に係る空間ベクトル発生器が発生させる電圧ベクトルＶ_α、Ｖ_β、Ｖ_α’、Ｖ_β’を示す図である。 第２の実施形態に係る回転制御装置の空間ベクトル発生器が１制御周期中にｕ、ｖ、ｗ各相巻線に対して印加する電圧のパターンの例を三角波キャリアに対して示した図である。

以下、本発明の第１の実施形態を図１〜５を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転制御装置１と、回転制御装置１に接続され制御される交流電動機２の構成を模式的に示す図である。

回転制御装置１は、速度指令ωを受けて、交流電動機２の回転子２０が所望の速度で回転するように、交流電動機２の固定子２１の巻線に、交流電動機２の形式に応じた交流電流を発生させる。ここで、本実施形態では、交流電動機２の固定子２１は３相の巻線を有するものとなっているから、回転制御装置１は、固定子２１に対し３相交流を出力するものとなっている。以降、各相をそれぞれｕ相、ｖ相及びｗ相と呼び、各相の方向にそれぞれｕ軸、ｖ軸及びｗ軸を取る。なお、交流電動機２は３相のものに限定されず、２相あるいは４相以上のものであってもよい。

また、回転子２０は突極性を有する。ここで、回転子２０が突極性を有するとは、回転子２０の回転面内に、回転子２０の回転軸を原点として回転子２０に固定された直交座標系を取り、その直交する２軸をそれぞれｄ軸及びｑ軸とした時に、回転子２０のｄ軸方向のインダクタンスＬ_ｄ及びｑ軸方向のインダクタンスＬ_ｑの値が異なることを意味している。なお、ここで回転子２０に固定された座標系は、回転子２０の回転と同期して回転するから、ｄ軸及びｑ軸は、固定子２１から見れば回転子２０の回転に伴い回転する軸となる。また、ここでは、ｄ軸を回転子２０を貫く磁束の向きに対応する向きとする。さらに、回転子２０の回転面とは、回転子２０の回転軸方向に対し直交する任意の平面を示している。本実施形態では、交流電動機２はＩＰＭモータを想定しているが、回転子２０が突極性を有するものであれば、同期型／誘導型の別を含め、交流電動機２の形式は特に限定されない。

回転制御装置１は、空間ベクトル発生器１０、電流変化率取得器１１及び回転角度演算器１２を少なくとも含む。空間ベクトル発生器１０は、いわゆる空間ベクトル制御により、速度指令ωに応じて、回転子２０を所望の速度で回転させるための回転磁界を発生させるものである。そのため、回転子２０の回転周期に比して十分短い周期毎に、回転子２０の回転面内で交差する少なくとも２の方向に磁界を発生させて、その合成磁界により、制御周期毎の瞬間に必要な方向及び大きさの空間ベクトルを発生させている。ここで、交流電動機２の固定子２１の巻線により発生する磁界の大きさと、各巻線に印加する電圧の印加時間、及び各巻線に発生する電流値には互いに相関があり、これらはそれぞれ固定子２１の回転面内に、回転子２０の回転軸を原点として固定子２１に固定された直交座標系を取り、その直交する２軸をそれぞれα軸及びβ軸とした時に、回転子２０の回転面であるαβ平面内での空間ベクトルとして表すことができる。これらを特に区別する必要がある場合には、以降、それぞれ、空間磁界ベクトル、空間電圧ベクトル及び空間電流ベクトルと称する。また、本実施形態に係る空間ベクトル発生器１０は、パルス幅変調器と電圧型インバータを用いて直流電圧を３相交流電圧に変調するいわゆるＰＷＭ（Ｐｕｌｔｈ ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御器であるが、空間ベクトルの発生方式は特にＰＷＭに限定されるものではない。

電流変化率取得器１１は、空間ベクトル発生器１０が発生させる磁界の方向について、固定子２１に生じる電流の変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔを取得し、後述する回転角度演算器１２に受け渡す。ここで、空間ベクトル発生器１０が発生させる磁界の方向がｕ軸、ｖ軸及びｗ軸のいずれかの方向に一致している場合には、電流変化率取得器１１はそれぞれの相の巻線に生じる電流の変化率を取得すればよく、空間ベクトル発生器１０が発生させる磁界の方向がｕ軸、ｖ軸及びｗ軸のいずれの方向にも一致しない場合には、それぞれの相の巻線に生じる電流から換算した空間電流ベクトルの大きさの変化率を取得すればよい。ここで、添字ｘは、空間ベクトル発生器１０が発生させる磁界の方向を示し、添字ｙは、α軸方向又はβ軸方向を示す。

回転角度演算器１２は、少なくとも固定子２１に生じる電流の変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔと、空間ベクトル発生器１０が発生させる磁界の方向θ_ｘに基いて、回転子２０の回転角度θを演算する。得られた回転角度θは、再帰的に、空間ベクトル発生器１０における制御に利用されても、外部機器に出力されて利用されてもよい。外部機器での回転角度θの利用方法としては、回転角度θの変化率から回転子２０の回転速度を求めたり、回転子２０の回転角度θを制御して、あたかも交流電動機２をサーボモータのように用いたりすることが考えられる。

本実施形態に係る回転制御装置１によれば、以上の構成により、突極性を有する回転子２０を有する交流電動機２の回転子２０の回転角度θを、電流変化率取得器１１及び回転角度演算器１２を用いて、センサレスで求めることができる。特に、状態オブザーバを用いて回転子の回転角度を求めることが難しい交流電動機２の低速回転域においても、高周波を重畳する等、交流電動機２に対して、駆動波とは異なる波を印加する特別の構成を必要とすることなく、回転子２０の回転角度θが得られる。また、電流変化率取得器１１における電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔの取得は、空間ベクトル発生器１０が発生させる２の磁界の方向についての取得でよく、回転角度演算器１２における演算負荷が実用的なもので済む。

以下、回転角度演算器１２における回転角度θの具体的な演算方法を、第１の実施形態に即して導出する。

第１の実施形態は、空間ベクトル発生器１０が、固定子２１の相方向及びその逆方向の内、隣接する２の方向に磁界を発生させて、合成磁界による空間磁界ベクトルを発生させる例である。３相の場合、ｕ軸、ｖ軸及びｗ軸はそれぞれ１２０度ずつ角度がずれるため、例えば、１の方向をｕ軸方向とした場合、ｕ軸方向に隣接する他の方向はｖ軸又はｗ軸の逆方向となる。

図２は、αβ平面において、空間ベクトル発生器１０が発生させる電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６を示す図である。ここで、α軸とｕ軸とを同方向にとり、電圧ベクトルＶ_１をｕ軸（＝α軸）方向に取る。また、電圧ベクトルＶ_２をｖ軸方向に、電圧ベクトルＶ_３をｗ軸の逆方向に、電圧ベクトルＶ_４をｗ軸方向に、電圧ベクトルＶ_５をｖ軸の逆方向に、電圧ベクトルＶ_６をｕ軸の逆方向にそれぞれ取る。

ここで、ある周期における瞬間において、必要な空間磁界ベクトルに対応する空間電圧ベクトルＶが必要であるとする。このとき、空間ベクトル発生器１０は、電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６のうち、空間電圧ベクトルＶを間に挟む隣接する電圧ベクトルを磁界を発生させる第１の方向及び第２の方向として選択する。本実施形態では、電圧ベクトルは反時計回りの順に選択されるため、図示の例では、第１の方向として電圧ベクトルＶ_１の方向が、第２の方向として電圧ベクトルＶ_３がそれぞれ選択される。ここで、電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６は、ｕ、ｖ、ｗ軸の方向又はその逆方向に向いているため、第１の方向と第２の方向は、αβ平面内で交差する、固定子２１の相方向及びその逆方向の内、隣接する２方向となる。電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６の選択は、固定子２１の各相巻線に対する電圧の印加の有無を選択する単純な構成により実現される。

なお、図示の例では、空間電圧ベクトルＶは電圧ベクトルＶ_１と電圧ベクトルＶ_３に挟まれる領域にあるが、空間電圧ベクトルＶが他の領域にある場合にも以降の議論は同様にあてはまる。そこで、以降は第１の方向をＡ方向、第２の方向をＢ方向と呼ぶことにする。

そして、空間ベクトル発生器１０は、合成ベクトルが空間電圧ベクトルＶとなるように、Ａ方向に電圧ベクトルＶ_Ａ、Ｂ方向に電圧ベクトルＶ_Ｂを発生させる。電圧ベクトルＶ_Ａ及び電圧ベクトルＶ_Ｂの大きさの調整は任意の方法、例えば、電圧値を制御することにより行ってよいが、本実施形態では、後述するように、一周期を時間分割し、Ａ方向について電圧を印加する印加時間と、Ｂ方向について電圧を印加する印加時間を制御することにより行っている。

なお、ここでの一周期は、その期間内に必要な電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６が特定のパターン（すなわち、ある定まった順番）で出力される周期であり、通常はいわゆる制御周期に一致するため、本実施形態では、一周期は一制御周期に等しい。ただし、２以上の複数の制御周期に跨って、必要な電圧ベクトルＶ_１〜Ｖ_６を特定のパターンで出力するようにしても差し支えなく、その場合には、一周期は２以上の複数の制御周期に該当することになる。

ここで、一周期を時間分割した副周期それぞれを副周期ｘと表記することとする。この場合、副周期Ａは電圧ベクトルＶ_Ａが出力されている期間であり、副周期Ｂは電圧ベクトルＶ_Ｂが出力されている期間を指すことになる。

ここで、αβ座標系における交流電動機２の電圧方程式は次の通りとなる。

このとき、Ｖ_α及びＶ_βは電圧値のそれぞれα方向及びβ方向成分、ｉ_α及びｉ_βは電流値のそれぞれα方向及びβ方向成分である。また、Ｒは巻線抵抗、θは回転子２０の回転角度、φは巻線により定まる定数、ω_ｒは回転子２０の回転角速度である。さらに、Ｌ及びｌは、回転子２０の突極性を示す定数であり、

である。

さらに、交流電動機２が低速回転域にあり、高周波成分についてのみ考えるものとする。このとき、Ｒ及びω_ｒは十分に小さいものと考えられるため、数１は次式で近似できる。

なお、ここで添字ｈは高周波成分を示す。これを電流に関して展開すると、次式が得られる。

副周期Ａについて、Ａ方向を回転させてα軸に一致させる座標変換を施すと、次式が得られる。

ここで、β軸方向の電圧Ｖ_Ａ，ｈβは０であるから、次式を得る。

同様に、副周期Ｂについて、Ｂ方向を回転させてα軸に一致させる座標変換を数３に施すと、次式が得られる。

同様に、β軸方向の電圧Ｖ_Ｂ，ｈβは０であるから、次式を得る。

なお、θ_Ａ及びθ_Ｂは、それぞれ、Ａ方向及びＢ方向のα軸に対する角度である。ここで、数６及び数８において、Ｖ_Ａ，ｈα及びＶ_Ｂ，ｈαが等しいものと仮定し、Ｖとおいた。なお、Ｖ_Ａ，ｈαとＶ_Ｂ，ｈαは必ずしも一致しないため、この差は推定誤差として現れるが、詳細は後述するように、この両者を一致させ、この推定誤差は除去することができる。

数６及び数８のα軸成分の差を取ると、次式を得る。

さらに、数６及び数８のβ軸成分の差を取ると、次式を得る。

数９及び数１０から、次式を得る。

数１１の逆関数を用いれば、次式のように、回転子２０の回転角度θを求めることができる。

以上から、副周期ｘそれぞれについて、Ａ方向及びＢ方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔを取得することにより、かかる電流変化率とＡ方向、Ｂ方向のα軸に対する角度θ_ｙに基いて回転子２０の回転角度θが演算できることが示される。

ところで、交流電動機２の要求出力が低く、平均電圧ベクトルが原点（０ベクトル）に近い領域にある場合や、図２に示した空間電圧ベクトルＶを間に挟む隣接する電圧ベクトルが切り替わる付近の領域では、電圧ベクトルの大きさが小さくなり、検出器の性能によっては、電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔの取得精度が不足し、回転子２０の回転角度θの正確さが損なわれる恐れがある。

そこで、本実施形態の回転制御装置１は、さらに、１制御周期内に、上述した磁界を発生させる第１の方向及び第２の方向とそれぞれ反対向きの第３の方向及び第４の方向に磁界を発生させてよい。上述の説明では、第１の方向をＡ方向、第２の方向をＢ方向と呼ぶこととしたので、さらに、第３の方向をＡ’方向、第４の方向をＢ’方向と呼ぶこととする。

また、電圧ベクトルＶ_ｘは、本実施形態では１制御周期内の時間分割による印加時間によりその大きさが制御されるので、１制御周期に対する印加時間の比、いわゆるデューティ比をζ_ｘで表し、電圧ベクトルＶ_０及びＶ_７を０ベクトルとして定義する。ここで、電圧ベクトルＶ_０は、ｕ、ｖ、ｗ相全ての巻線に出力がなされない場合であり、電圧ベクトルＶ_７は、ｕ、ｖ、ｗ相全ての巻線に出力がなされ、合成磁界が０となる場合を示すものとする。また、１制御周期時間をＴ、副周期ｘ時間をｔ_ｘと書くと、定義より、

であり、明らかに、

が成り立つ。また、空間電圧ベクトルＶは次の式により表される。なお、Ｖ_ｘｍａｘは、ｘ方向の最大電圧ベクトルを示す。

図３は、必要とされる空間電圧ベクトルＶに対し、空間ベクトル発生器１０がＡ方向に電圧ベクトルＶ_Ａを、その逆方向であるＡ’方向に電圧ベクトルＶ_Ａ’を、また、Ｂ方向に電圧ベクトルＶ_Ｂを、その逆方向であるＢ’方向に電圧ベクトルＶ_Ｂ’を発生させている様子を示す図である。

このとき、空間電圧ベクトルＶをＡ方向とＢ方向に分解し、それぞれの電圧ベクトルをＶ_Ａ０及びＶ_Ｂ０とする。このとき、空間ベクトル発生器１０は、Ａ方向の電圧ベクトルＶ_Ａとその逆方向のＡ’方向の電圧ベクトルＶ_Ａ’の合成電圧ベクトルがＶ_Ａ０となるようにＶ_Ａ及びＶ_Ａ’の大きさを定める。また、Ｂ方向の電圧ベクトルＶ_Ｂとその逆方向のＢ’方向の電圧ベクトルＶ_Ｂ’の合成電圧ベクトルがＶ_Ｂ０となるようにＶ_Ｂ及びＶ_Ｂ’の大きさを定める。したがって、

となる。このとき、相反する方向についての電圧印加時間の和が所定時間以上となるように制御する。すなわち、方向ｘに対し相反する方向をｘ’と表記すると、

である。ここで、０＜ζ_ｔｈ≦０．５である。このことは、同時に、相反する方向についての電圧ベクトルの差分電圧ベクトルの大きさが、所定の大きさ以上となることを示している。図３に即して言えば、電圧ベクトルＶ_Ａと電圧ベクトルＶ_Ａ’の差分電圧ベクトル、すなわち、両電圧ベクトルの先端を結ぶ電圧ベクトルの大きさが最大電圧ベクトルの大きさのζ_ｔｈ倍以上となる。電圧ベクトルＶ_Ｂと電圧ベクトルＶ_Ｂ’の差分電圧ベクトルについても同様である。

そして、本実施形態では、ζ_ｔｈ＝０．５、すなわち、相反する方向についての電圧印加時間の和が１制御周期の１／２となるようにζ_ｘ及びζ_ｘ’を定める。

ここで、ζ_ｘ及びζ_ｘ’は、空間電圧ベクトルをｘ方向を含む２方向に分解したときに得られる電圧ベクトルＶ_ｘ０を得るためのデューティをζ_ｘ０とすると、

により得る。数１８に従ってＡ方向、Ａ’方向、Ｂ方向及びＢ’方向に空間ベクトル発生器１０が発生する電圧ベクトルの合成ベクトルを求める。

となり、所望の空間電圧ベクトルＶが得られる事が示された。

この時、図３より明らかなように、あるｘ方向について（Ａ方向、Ｂ方向のいずれでもよい）の電圧ベクトルの変化量は、その逆方向となるｘ’方向の電圧ベクトルとの差分であり、

であるから、電圧ベクトルの最大値のζ_ｔｈ倍以上、ここでは１／２以上となることが保証される。このため、１制御周期内の瞬間的な電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔは十分に大きな値を示し、回転角度θの取得精度が確保される。

さらに、Ｖ_ｘ−Ｖ_ｘ’＝ζ_ｔｈＶ_ｘｍａｘとなるように制御されている間は、Ａ方向についての電圧ベクトルＶ_Ａとその逆方向についてのＶ_Ａ’の差分電圧ベクトルの大きさ及び、Ｂ方向についての電圧ベクトルＶ_Ｂとその逆方向についてのＶ_Ｂ’の差分電圧ベクトルの大きさはＶ_ｘｍａｘの大きさのζ_ｔｈ倍に等しく、互いに等しい。このとき、ζ_Ａ＋ζ_Ａ’＝ζ_Ｂ＋ζ_Ｂ’、すなわち、ζ_Ａ＋ζ_Ａ’が一定となり、前述の数６及び数８におけるＶ_Ａ，ｈα＝Ｖ_Ｂ，ｈα＝Ｖが満たされる。したがって、本構成によれば、Ａ方向及びＢ方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔとＡ方向、Ｂ方向のα軸に対する角度θ_ｙに基いて回転子２０の回転角度θを演算する際の推定誤差が除去され、回転角度θを精度良く求めることができることになる。またこの時、

であるから、Ａ方向、Ａ’方向、Ｂ方向及びＢ’方向以外の電圧ベクトルは必要ないことが分かる。これにより、空間ベクトル発生器１０が出力すべき電圧ベクトルは、１制御周期中で４種ですむ。すなわち、本実施形態では、０電圧ベクトルの出力は必要ではない。これにより、空間ベクトル発生器１０が１制御周期中に固定子２１の各相巻線に対し電圧の印加の有無を切り替えるスイッチングの回数を削減することができる。

なお、引用文献２には、電動機の磁極位置検出装置において、ＰＷＭ１周期中に、２つの０ベクトル区間を含む４つの区間に区分し、電動機の各相への電圧の印加の有無を切り替えることが示されている（図１等）。したがって、引用文献２において、本実施形態のように、０ベクトル区間でないベクトル区間を４以上にしようとすると、スイッチングの動作が煩雑となり、ＰＷＭ１周期中に多数回のスイッチングが必要となることが予想されるのである。

図４は、Ａ方向をＶ_１方向、Ｂ方向をＶ_３方向とした場合の、１制御周期内でのｕ、ｖ、ｗ各相巻線に対する電圧印加のパターンを三角波キャリアに対して示した図である。電圧印加のパターンは、図中パターン１〜３に示したように、相同なものを除くと３パターンが存在する。同図に示すように、本実施形態では、１制御周期内に０電圧ベクトル、すなわち、Ｖ_０及びＶ_７を出力する必要が無いので、０電圧ベクトルを生成するためのスイッチングが必要なく、スイッチング回数が削減される。なお、破線にて区切られた１制御周期の各区間が副周期に相当する。

このスイッチングは、空間ベクトル発生器１０が有する電圧型インバータにおけるトランジスタのＯＮ／ＯＦＦ切替に該当するが、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ切替時には損失（いわゆるスイッチングロス）が発生するため、１制御周期中のスイッチング回数は少ない方が高効率となる。したがって、本実施形態に係る回転制御装置１では、スイッチングロスを低減し効率を高めることができる。

さらに、図４に示したパターンでは、パターンごとに必要となるスイッチングの回数が異なることが見て取れる。スイッチングが必要となるのは、各相についての出力の有無が切り替わる箇所であり、パターン１では１４回、パターン２では８回、パターン３では１０回が必要である。このように、電圧ベクトルを出力する順番のパターンにより、スイッチングの回数が異なることが分かる。スイッチングの回数が最も少ないのはパターン２であり、この場合にスイッチングロスは最小となる。このパターン２は、各相巻線それぞれについて、電圧の印加の有無が切り替えられた副周期の次の副周期では、電圧の印加の有無を維持するようなパターンとなっている。すなわち、ある相について、隣接する副周期間でスイッチングが行われたとすると（例えば、ｖ相の副周期１と副周期３の間）、次の副周期との間ではスイッチングはなされない（副周期３と副周期６の間は電圧は印加された状態で維持される）。このようなパターンを選択することにより、空間ベクトル発生器１０はスイッチングロスを低減しつつ、第１〜第４の方向に電圧ベクトルを発生させることができる。

図５は、Ａ方向をＶ_１方向、Ｂ方向をＶ_３方向とした場合の、１制御周期内でのｕ、ｖ、ｗ各相巻線に対する電圧印加のパターンを鋸波キャリアに対して示した図である。この場合においても、三角波キャリアについて示した図４の場合と同様に、０電圧ベクトルが不要である分スイッチング回数が減るとともに、パターンにより１制御周期中に必要となるスイッチング回数が異なることが分かる。鋸波キャリアの場合では、パターン１では８回、パターン２では６回、パターン３では８回が必要である。この場合であっても、各相巻線それぞれについて、電圧の印加の有無が切り替えられた副周期の次の副周期では、電圧の印加の有無を維持するようなパターンとなるパターン２がスイッチング回数が最も少なくなる。

また、電流変化率取得器１１が各副周期中の電流変化率の取得をおこなう方法は任意であるが、副周期中の平均的な電流変化率を精度良く求めるため、例えば、図４に示した副周期が切り替わるタイミング、すなわち、スイッチングが行われるタイミング又はその近傍で各巻線電流を測定し、副周期の前後における電流値の差を副周期時間で除すことにより求めてよい。さらに、電流変化率取得器１１による電流値の測定は、副周期が切り替わるタイミングから前後のいずれかにずらしたタイミングであってよい。この理由は、スイッチングが行われる瞬間にはノイズが発生するため、電流値の測定精度が悪化するためである。あるいは、電流変化率取得器１１は、固定子２１の各巻線を通過する電流の変化率を直接測定することにより取得するものであってもよい。

なお、以上説明した第１の実施形態では、ζ_ｔｈ＝０．５としたが、ζ_ｔｈ＜０．５、すなわち、前記空間ベクトル発生器１０が、相反する方向についての電圧印加時間の和が所定時間以上となるように制御する所定時間を、１制御周期の１／２より小さいものとしてもよい。

この場合には、１制御周期内に０電圧ベクトルが必要となるが、交流電動機２の駆動に必要となる総電流は減少する。そのため、かかる場合には、交流電動機２の駆動時の消費電流を削減する効果があると考えられる。

以上説明した第１の実施形態では、空間ベクトル発生器１０が発生する電圧ベクトルは、いずれも、交流電動機２の固定子２１の相方向及びその逆方向のいずれかに向きが一致していた。しかしながら、これは必ずしも必要ではない。

以下、本発明の第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態は、空間ベクトル発生器１０が発生する電圧ベクトルが交流電動機２の固定子２１の相方向及びその逆方向に一致しない場合である。また、空間ベクトル発生器１０が発生する電圧ベクトルの向きは直交しており、α軸及びβ軸方向にそれぞれ平行である。なお、第２の実施形態に係る回転制御装置１そのものの構成は第１の実施形態と同様であるので、図１を援用し、重複する説明は省略する。

図６は、αβ平面において、空間ベクトル発生器１０が発生させる電圧ベクトルＶ_α、Ｖ_β、Ｖ_α’、Ｖ_β’を示す図である。この場合においても、空間ベクトル発生器１０は、電圧ベクトルＶ_α、Ｖ_β、Ｖ_α’、Ｖ_β’のうち、空間電圧ベクトルＶを間に挟む隣接する電圧ベクトルを磁界を発生させる第１の方向及び第２の方向として選択し、それぞれの逆方向を第３の方向及び第４の方向として選択する。この例では、空間電圧ベクトルＶはαβ座標系の第１象限にあるので、第１の方向はα方向、第２の方向はβ方向であり、第１の方向の逆方向はα’方向、第２の方向の逆方向はβ’方向となっている。

そして、空間ベクトル発生器１０は、空間電圧ベクトルをα方向及びβ方向に分解した電圧ベクトルをＶ_α０、Ｖ_β０として第１の実施形態にて示した数１８を用いてＶ_α、Ｖ_β、Ｖ_α’、Ｖ_β’を求める。したがって、ζ_ｔｈ＝０．５の場合には、本実施形態においても相反する方向についての電圧印加時間の和が１制御周期の１／２となる。

ここで、電圧ベクトルＶ_α及びＶ_α’は交流電動機２の固定子２１のｕ相方向に平行であるから、ｕ相巻線に電圧を印加するか、ｖ相巻線及びｗ相巻線に電圧を印加することにより直接得ることができる。これに対し、電圧ベクトルＶ_β、Ｖ_β’は巻線の相方向に一致しない。そこで、空間ベクトル発生器１０は、電圧ベクトルＶ_βをＶ_３方向とＶ_２方向とに分解し、Ｖ_βを電圧ベクトルＶ_３と電圧ベクトルＶ_２の合成ベクトルとして得る。同様に、空間ベクトル発生器１０は、電圧ベクトルＶ_β’をＶ_４方向とＶ_５方向とに分解し、Ｖ_β’を電圧ベクトルＶ_４と電圧ベクトルＶ_５の合成ベクトルとして得る。この時、

である。

このように、空間ベクトル発生器１０が、第１の方向及び第２の方向の少なくともいずれかの向きの磁界を、複数相の巻線により発生する合成磁界により得るように構成した場合においても、第１の方向及び第２の方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔを電流変化率取得器１１により取得することにより、回転子２０の回転角度θを求めることができる。

すなわち、前述の数４において、副周期αについて次式が得られる。

また、副周期βについて次式が得られる。

これより、副周期α、副周期βそれぞれについてα方向及びβ方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔを取得することにより、回転角度θは次式により得られる。

ここで、

である。これにより、第１の方向及び第２の方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔを電流変化率取得器１１により取得することにより、回転子２０の回転角度θを求めることができることが示された。

なお、ここで数２５は、回転角度θを第１の方向及び第２の方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔにより求めるものであるが、上述の説明では、第２の方向であるβ方向は交流電動機２の固定子２１の相方向及びその逆方向のいずれにも向きが一致しない。そのため、第２の方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，β／ｄｔは、第２の方向となるβ方向に基いて、Ｖ_３方向の電流変化率、すなわち、ｕ相巻線とｖ相巻線の合成電流の変化率と、Ｖ_２方向の電流変化率、すなわち、ｖ相巻線の電流の変化率を換算して得なければならない。また、上述の説明では、空間電圧ベクトルＶはαβ座標系の第１象限にあるものとして説明したが、これが第２象限にある場合には、β方向は第１の方向となるから、第１の方向についての電流変化率ｄｉ_ｘ，β／ｄｔは、第１の方向となるβ方向に基いて換算して得なければならない。したがって、数２５は、第１の方向及び第２の方向に基いて演算されることになる。

図７は、本実施形態に係る回転制御装置１の空間ベクトル発生器１０が１制御周期中にｕ、ｖ、ｗ各相巻線に対して印加する電圧のパターンの例を三角波キャリアに対して示した図である。

同図に示されているように、１制御周期は４つの副周期に分割されている（ただし、三角波キャリアを用いているため、１制御周期の前半と後半とで副周期の構成は鏡像となっている）。そのうち、副周期βと副周期β’における電圧ベクトルＶ_β、Ｖ_β’は、それぞれ電圧ベクトルＶ_３、Ｖ_２及びＶ_５、Ｖ_４の合成となっている。ここで、電流変化率ｄｉ_ｘ，ｙ／ｄｔは、副区間α及び副区間βについて取得する必要がある。

本実施形態では、電流変化率取得器１１は、図中のＡ〜Ｅのタイミングで巻線に発生する電流を測定している。副周期αについての電流変化率は、タイミングＡとタイミングＢの電流値の差を副周期α時間で除することにより得られるが、相反する方向の電圧ベクトルを発生させる副周期αと副周期α’を隣接して配置し、その両端となるタイミングＡからタイミングＣまでの区間の電流変化率の平均値を用いることで、より精度の高い電流変化率を得ることができる。副周期βについても同様であり、副周期β単独にて電流変化率を取得してもよいが、相反する方向の電圧ベクトルを発生させる副周期βと副周期β’を隣接して配置し、その両端となるタイミングＣからタイミングＥまでの区間の電流変化率の平均値を用いてもよい。

以上説明した本実施形態では、空間ベクトル発生器１０が発生する電圧ベクトルの向きは、必ずしも交流電動機２の固定子２１の巻線の相方向又はその反対方向と一致していなくともよく、合成ベクトルとして電圧ベクトルを生成してよい。そのため、この実施形態による場合には、交流電動機２の相数が３相でない場合、例えば４相以上の場合であっても、数２４に示す回転子２０の回転角度θを求める演算に変化はない。したがって、電流変化率取得器１１を、所望の第１の方向及び第２の方向について電流変化率の取得ができるものとすることにより、回転角度演算器１２に大きな変更を加えることなく、種々の形式の交流電動機２において回転子２０の回転角度θを求めることができることになる。

また、空間ベクトル発生器１０が発生する電圧ベクトルの向きが直交しているため、回転子２０の回転角度θを導出する式（数２５）が単純である。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、この実施形態に示した具体的な構成は一例として示したものであり、本発明の技術的範囲をこれに限定することは意図されていない。当業者は、これら開示された実施形態を適宜変形してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１ 回転制御装置、１０ 空間ベクトル発生器、１１ 電流変化率取得器、１２ 回転角度演算器、２ 交流電動機、２０ 回転子、２１ 固定子。

Claims (10)

1. 突極性を有する回転子と、前記回転子の周囲に配置される固定子を有する交流電動機の回転制御装置であって、
   前記回転子の回転面内で交差する第１の方向及び第２の方向を含む、少なくとも２の方向に磁界を発生させ、合成磁界による空間ベクトルを発生させる空間ベクトル発生器と、
   前記第１の方向について前記固定子に生じる第１の電流変化率及び前記第２の方向について前記固定子に生じる第２の電流変化率を取得する電流変化率取得器と、
   少なくとも前記第１の電流変化率、前記第２の電流変化率、前記第１の方向及び前記第２の方向に基いて、前記回転子の回転角度を演算する回転角度演算器と、
   を有し、
   前記空間ベクトル発生器は、１周期内に、前記第１の方向と反対向きの第３の方向及び、前記第２の方向と反対向きの第４の方向に磁界を発生させ、前記１周期内には、磁界を発生させない０電圧ベクトルは含まれない、
   交流電動機の回転制御装置。
2. 前記空間ベクトル発生器は、１周期内において、前記第１の方向についての電圧ベクトルと前記第３の方向についての電圧ベクトルの差分電圧ベクトルの大きさ及び、前記第２の方向についての電圧ベクトルと前記第４の方向についての電圧ベクトルの差分電圧ベクトルの大きさが所定の大きさ以上となるように、前記固定子に電圧を印加する請求項１に記載の交流電動機の回転制御装置。
3. 前記空間ベクトル発生器は、１周期内において、少なくとも前記第１の方向、前記第２の方向、前記第３の方向及び前記第４の方向について、相反する方向についての電圧印加時間の和が所定時間以上となるように、時間分割により前記固定子に電圧を印加する請求項１に記載の交流電動機の回転制御装置。
4. 前記所定時間は、１周期の１／２である請求項３に記載の交流電動機の回転制御装置。
5. 前記固定子は３相巻線を有し、
   前記空間ベクトル発生器は、１周期を時間分割した副周期毎に前記固定子の各相巻線に対する電圧の印加の有無を切り替えるとともに、各相巻線それぞれについて、電圧の印加の有無が切り替えられた副周期の次の副周期では、電圧の印加の有無が維持される請求項４に記載の交流電動機の回転制御装置。
6. 前記所定時間は、１周期の１／２より小さい請求項３に記載の交流電動機の回転制御装置。
7. 前記固定子は３相以上の巻線を有し、
   前記第１の方向及び前記第２の方向は、前記固定子の相方向及びその逆方向の内、隣接する２方向である請求項１〜６のいずれか１項に記載の交流電動機の回転制御装置。
8. 前記第１の方向及び前記第２の方向は、互いに直交する請求項１〜６のいずれか一項に記載の交流電動機の回転制御装置。
9. 前記固定子は３相以上の巻線を有し、
   前記第１の方向及び前記第２の方向の少なくともいずれかは、複数相の巻線により発生する合成磁界により得られる請求項８に記載の交流電動機の回転制御装置。
10. 突極性を有する回転子と、前記回転子の周囲に配置される固定子を有する交流電動機の回転制御方法であって、
    前記回転子の回転面内で交差する第１の方向及び第２の方向を含む、少なくとも２の方向に磁界を発生させ、合成磁界による空間ベクトルを発生させ、
    前記第１の方向について前記固定子に生じる第１の電流変化率及び前記第２の方向について前記固定子に生じる第２の電流変化率を取得し、
    少なくとも前記第１の電流変化率、前記第２の電流変化率、前記第１の方向及び前記第２の方向に基いて、前記回転子の回転角度を演算するとともに、
    １周期内に、前記第１の方向と反対向きの第３の方向及び、前記第２の方向と反対向きの第４の方向に磁界を発生させ、前記１周期内には、磁界を発生させない０電圧ベクトルは含まれない、
    交流電動機の回転制御方法。

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