WO2012157039A1

WO2012157039A1 - 同期電動機の駆動システム

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Publication number: WO2012157039A1
Application number: PCT/JP2011/061029
Authority: WO
Inventors: 岩路　善尚; 滋久青柳; 高畑　良一; 戸張　和明
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-11-22
Also published as: US20140077738A1; JP5697745B2; ES2811755T3; EP2709267A1; EP2709267A4; CN103534929A; EP2709267B1; JPWO2012157039A1; CN103534929B

Abstract

　永久磁石モータの回転数・トルク制御を、インバータを用いて必要最小限のスイッチング回数による理想的な正弦波状の電流で駆動し、かつ、零速度近傍の極低速域からの駆動が可能な位置センサレス駆動方式を提供する。　永久磁石モータ４の中性点電位を、インバータのＰＷＭ波形に同期させて検出する。その中性点電位の変動から、永久磁石モータ４の回転子位置を推測する。中性点電位を検出する際、ＰＷＭ波形の各相のタイミングをずらすことによって、インバータの出力電圧が零ベクトルではないスイッチ状態を３または４種類作成し、そのうち少なくとも２種類のスイッチ状態における中性点電位をサンプリングし、三相同期電動機の回転子位置を推定する。

Description

同期電動機の駆動システム

　本発明は、電動機駆動装置、例えばファン，ポンプ，圧縮機，スピンドルモータなどの回転速度制御や、搬送機や工作機械における位置決め装置、ならびに電動アシストなどのようにトルクを制御する用途に利用する同期電動機の駆動システムに関する。

　産業，家電，自動車等の様々な分野において、小型・高効率の永久磁石モータ（三相同期電動機）が幅広く用いられている。

　しかし、永久磁石モータを駆動させるには、モータの回転子の位置情報が必要であり、そのための位置センサが必要であった。近年では、この位置センサを排除し、永久磁石モータの回転数やトルク制御を行うセンサレス制御が広く普及している。

　センサレス制御の実用化によって、位置センサにかかる費用（センサ自体のコスト、センサの配線にかかるコストなど）の削減、装置の小型化が実現できる。また、センサが不要となることで、劣悪な環境下での使用が可能となる等のメリットがある。

　現在、永久磁石モータのセンサレス制御は、永久磁石モータの回転子が回転することによって発生する誘起電圧(速度起電圧)を直接検出し、回転子の位置情報として永久磁石モータの駆動を行う方法や、対象となるモータの数式モデルから、回転子位置を推定演算する位置推定技術などが採用されている。

　これらのセンサレス制御にも大きな課題がある。それは低速運転時の位置検出方法である。現在実用化されている大半のセンサレス制御は、永久磁石モータの発生する誘起電圧に基づくものである。したがって、誘起電圧の小さい停止，低速域では、感度が低下してしまい、位置情報がノイズに埋もれる可能性がある。この問題に対しては種々の解決策が提案されている。

　特許文献１に記載された発明は、高周波を永久磁石モータに通電し、その際発生する電流から、回転子位置を検出する方式である。永久磁石モータの回転子には突極性が必要であり、この突極構造による電流高調波の影響により位置検出が可能になる。

　特許文献２に記載された発明は、三相固定子巻線の接続点の電位である「中性点電位」を検出して位置情報を得るものである。固定子巻線の中性点を引き回す手間はかかるが、次に述べる特許文献３に比べ、三相同時に通電状態であっても位置情報が得られるため、永久磁石モータを正弦波電流で理想的に駆動することができる。

　特許文献３に記載された発明は、電動機の三相固定子巻線のうち、二相を選択して通電する１２０度通電方式をベースとし、非通電相に発生する起電圧（速度に伴う起電圧ではなく、インダクタンスのアンバランスによる起電圧）に基づき、回転子の位置を検出する駆動方法である。この方式では、位置に応じて発生する起電圧を利用するため、完全な停止状態であっても位置情報の取得が可能である。

　特許文献４に記載された発明は、特許文献２に記載された手法と同様に、三相固定子巻線の接続点の電位である「中性点電位」を検出して、位置情報を得るものである。その際、インバータのＰＷＭ（パルス幅変調）波と同期して中性点電位を検出することで、特許文献３と同様に、インダクタンスのアンバランスによる起電圧を検出でき、結果的に回転子の位置情報を得ることができる。特許文献４の手法では、駆動波形を理想的な正弦波電流にすることが可能となる。

特開平７－２４５９８１号公報特開２０００－２３２７９７号公報特開２００９－１８９１７６号公報特開２０１０－７４８９８号公報

　しかし、特許文献１記載の発明では、モータの回転子構造に突極性が必要となる。突極性のないもの、少ないものでは位置検出感度が低下してしまい、位置推定が困難となる。また、高感度に検出するには、注入する高周波成分を増加させるか、あるいは周波数を下げる必要がある。この結果、回転脈動や振動・騒音の原因となったり、モータの高調波損失を大幅に増加させることになる。

　特許文献２記載の発明では、中性点電位に生じる三次高調波電圧を利用する。このため、回転子構造に突極性は不要であり、駆動電流を正弦波化することも可能である。しかし、この三次高調波の誘起電圧自体は、永久磁石モータの回転に伴う速度起電圧であるため、低速域での位置情報は得られず、零速度近傍での駆動は不可能である。

　特許文献３の発明は、三相巻線の非通電相に生じる起電圧を観測する方式であり、モータが停止状態からの駆動が可能であるが、駆動電流波形が１２０度通電（矩形波）になるという問題がある。本来、永久磁石モータは正弦波状の電流で駆動した方が回転ムラの抑制や、高調波損失を抑制する上で有利となるが、特許文献３記載の発明では正弦波駆動は不可能である。

　特許文献４記載の発明は、特許文献２と同様に三相固定子巻線の接続点の電位である「中性点電位」を検出して、位置情報を得るものである。この中性点電位を、インバータからモータへ印加されるパルス電圧と同期して検出することで、回転子位置に依存した電位変化を得ることができる。特許文献４では、モータへの印加電圧として、通常の正弦波変調によって得られるＰＷＭ（パルス幅変調）によっても、位置情報が得られる。

　本発明は、特許文献４記載の発明に関係する部分があるため、詳細を述べておく。

　図２７に、特許文献４記載のPWM波形と、その時の中性点電位波形を示す。三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*と三角波キャリアを比較して、PWMパルス波形PVu，PVv，PVwを発生させている。三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*は、正弦波状の波形となるが、低速駆動時には三角波キャリアに比べて十分低い周波数とみなすことができるため、ある瞬間を捉えれば、実質的に図２７のように直流とみなすことができる。PWMパルス波であるPVu，PVv，PVwは、それぞれ異なるタイミングでオン/オフを繰り返す。同図(c)の電圧ベクトルは、V(0,0,1）のような名称が付いているが、それらの添え字（0,0,1）は、それぞれU，V，W相のスイッチ状態を意味する。すなわち、V(0,0,1)は、U相はPVu=0，V相はPVv=0，W相はPVw=1を意味する。ここで、V(0,0,0)、ならびにV(1,1,1)は、モータへの印加電圧は零となる零ベクトルである。

　これらの波形に示すように、通常のＰＷＭ波は、第１の零ベクトルV(0,0,0)と第２の零ベクトルV(1,1,1)の間において、２種類の電圧ベクトルV(0,0,1)とV(1,0,1)を発生させている。すなわち、
　　V(0,0,0)→V(0,0,1)→V(1,0,1)→V(1,1,1)→V(1,0,1)→V(0,0,1)→V(0,0,0)
を一つの周期として繰り返している。この零ベクトルの間で使用される電圧ベクトルは、三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*の大小関係が変わらない期間は、同じものが用いられる。

　これらの零ベクトル以外の電圧を印加している時に、中性点電位には、回転子位置に応じた起電圧が発生する。これを利用して、回転子位置を推定する手法が、特許文献４に記載されている。

　しかし、この方式を用いて、極低速での中性点電位検出を行おうとすると、実用上の問題が多い。例えば、停止状態での印加電圧は、モータの巻線抵抗による電圧効果分しか印加されないため、極めて微小なパルス幅の電圧になる。ＰＷＭ波形の場合、インバータのスイッチングに伴って、必ずリンギング（スイッチ直後の数100kHz～数MHzの振動）が発生するため、実際の中性点電位は図２７(f)のような波形になる。微小なパルス幅では、このリンギングによる振動が残ってしまうため、中性点電位として位置情報を得るのに必要な値が検出できなくなる。これを防止するには、パルス幅の最小値に制限を加えるしかなく、その結果、極低速の駆動は困難になる。また、特許文献４記載の位置推定アルゴリズムの問題として、基本的にはテーブルデータに頼らざるを得ない。

　また、この特許文献４では、位置推定感度を向上させる方式として、零ベクトル印加期間に、強制的に位置推定用の電圧パルスを印加する方式も同時に開示している。この方式によれば、通常のPWMとは異なる方式になるものの、高感度に位置推定を行うことが可能である。しかし、通常のPWMとは全く異なるスイッチングパターンとなるため、様々な弊害が発生する。まず第一に、PWMのスイッチング回数を増加させることになるため、インバータのスイッチングロスを増加させてしまうことになる。高効率がメリットである永久磁石モータに対して、インバータの損失が増加し、大きなデメリットになる。第二に、特殊なＰＷＭが必要となるため、汎用マイコンに備えられているPWM機能を用いることができないため、専用のコントローラが必要となる。このため、コストアップや、装置の大型化の原因となる。

　本発明の目的は、零速度近傍の極低速域から正弦波状の電流によって駆動できる同期電動機の駆動システムを提供することにある。

　本発明の他の目的は、永久磁石モータを、スイッチング回数を増加させることなく、高効率で駆動できる同期電動機の駆動システムを提供することにある。

　本発明はその一面において、パルス幅変調インバータから三相同期電動機に給電し、同期電動機の中性点電位に基づき回転子位置を推定して前記インバータを制御する同期電動機の駆動システムにおいて、前記インバータのパルス幅変調の一周期の期間中、各相のスイッチングのタイミングをずらすことによって、インバータの出力電圧が零ベクトルではないスイッチ状態を３または４種類作成し、そのうち少なくとも２種類のスイッチ状態における前記中性点電位をサンプリングし、前記三相同期電動機の回転子位置を推定することを特徴とする。

　本発明は他の一面において、前記インバータのパルス幅変調動作として，各相のスイッチ状態を正から負および負から正にスイッチングするタイミングが、各相間で所定時間幅以内に近づかないように、１または２相の出力電圧パルスを時間的にシフトさせることを特徴とする。

　本発明の望ましい実施の形態に関わる三相同期電動機の駆動システムによれば、零速度近傍の極低速域から、正弦波状の電流によるセンサレス駆動を実現できる。

　また、本発明の望ましい実施の形態に関わる三相同期電動機の駆動システムによれば、スイッチング回数を増加させることなく、高効率で駆動できる同期電動機の駆動システムを提供することができる。

　本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例により明らかになるであろう。

本発明の第１の実施の形態に関わるモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。インバータ出力電圧のスイッチング状態を表すベクトル図である。電圧ベクトルＶが印加された状態の永久磁石モータと仮想中性点回路との関係を表す概念図である。第１の実施の形態における三角波キャリアを用いた実際のパルス幅の変調の様子と、そのときの電圧ベクトル、並びに中性点電位の変化の様子を示す図である。電圧ベクトルとその時に検出した中性点電位の名称第２の実施の形態における三角波キャリアを用いた実際のパルス幅の変調の様子と、そのときの電圧ベクトル、並びに中性点電位の変化の様子を示す図である。第３の実施の形態における三角波キャリアを用いた実際のパルス幅の変調の様子と、そのときの電圧ベクトル、並びに中性点電位の変化の様子を示す図である。第４の実施の形態に関わるモータ駆動システムの制御器の構成を表すブロック図である。第４の実施の形態に関わるモータ駆動システムの電圧補償器の構成を表すブロック図である。第４の実施の形態における三角波キャリアを用いた実際のパルス幅の変調の様子と、そのときの電圧ベクトル、並びに中性点電位の変化の様子を示す図である。第５の実施の形態に関わるモータ駆動システムの位置推定器の構成を表すブロック図である。第５の実施の形態に関わるモータ駆動システムの位置推定器の他の構成を表すブロック図である。第５の実施の形態における中性点電位検出値ＶｎＡ，ＶｎＢ，ＶｎＣ，ＶｎＤ，ＶｎＥ，ＶｎＦの回転子位置θｄに対する変化を示す図である。第５の実施の形態における中性点電位検出値の一部の符号を変えることで、三相交流とみなせることを示す図である。第５の実施の形態に関わる位置推定を行った結果を示す図である。第６の実施の形態に関わるモータ駆動システムの制御器の構成を表すブロック図である。第６の実施の形態に関わるモータ駆動システムによって位置推定を行った結果を示す図である。第７の実施の形態に関わるモータ駆動システムの制御器の構成を表すブロック図である。第７の実施の形態に関わるモータ駆動システムのアナログ検出部の構成を表すブロック図である。第７の実施の形態に関わるモータ駆動システムの電流検出と中性点電圧検出とを交互に行う様子を概念的に示した図である。第８の実施の形態に関わるモータ駆動システムの制御器の構成を表すブロック図である。第９の実施の形態に関わる一体型のモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。第１０の実施の形態に関わる油圧ポンプシステムの構成を表すブロック図である。第１０の実施の形態に関わる油圧ポンプシステムにて、リリーフバルブを取り除いた構成を表すブロック図である。第１１の実施の形態に関わる空調システムの構成を表すブロック図である。第１２の実施の形態に関わる位置決め制御システムの構成を表すブロック図である。従来における三角波キャリアを用いた実際のパルス幅の変調の様子と、そのときの電圧ベクトル、並びに中性点電位の変化の様子を示す図である。

　以下本発明の実施の形態を図を用いて説明する。

　（第１の実施の形態）
　図１は、本発明の第１の実施の形態に関わるモータ駆動システムの構成を表すブロック図である。

　このモータ駆動システムは、永久磁石モータ（三相同期電動機）４の駆動を目的とするものである。大別すると、このモータ駆動システムはＩｑ＊発生器１、制御器２、インバータ主回路３２やワンシャント電流検出器３５を含むインバータ３および駆動対象である永久磁石モータ４を含んで構成される。

　Ｉｑ＊発生器１は電動機のトルク相当の電流指令Ｉｑ＊を発生する回路である。このＩｑ＊発生器１は制御器２の上位に位置する制御器である。通常、永久磁石モータ４の回転数が所定速度になるように、実速度ω１を観測しながら必要な電流指令Ｉｑ＊を発生させる仕組みとなっている。Ｉｑ＊発生器１の出力である電流指令Ｉｑ＊は制御器２中の演算器６bに出力される。

　制御器２は、電流指令Ｉｑ＊に相当するトルクを永久磁石モータ４が発生するように動作する。この制御器２は、Ｉｄ＊発生器（ｄ軸電流指令発生器）５、減算器６a、減算器６b、ｄ軸電流制御器（ＩｄＡＣＲ）７、ｑ軸電流制御器（ＩｑＡＣＲ）８、ｄｑ逆変換器９、ＰＷＭ発生器１０、電流再現器１１、ｄｑ変換器１２、中性点電位増幅器１３、サンプル／ホールド回路１４a，１４b、位置推定器１５、速度演算器１６、パルスシフト器１７から構成される。

　インバータ３は、既述のインバータ主回路３２やワンシャント電流検出器３５のほかに、直流電源３１、出力プリドライバ３３、仮想中性点回路３４を含む。

　Ｉｄ＊発生器５は永久磁石モータの励磁電流に相当するｄ軸電流の電流指令Ｉｄ＊を発生する。この電流指令Ｉｄ＊は、減算器６aに対して出力される。

　減算器６aは、Ｉｄ＊発生器５の出力である電流指令Ｉｄ＊とインバータ主回路部３２の出力から導出再現されたｄｑ変換器１２の出力Ｉｄの偏差を求める減算器である。一方、減算器６bは、Ｉｑ＊発生器１の出力である電流指令Ｉｑ＊とインバータ主回路部３２の出力から導出再現されたｄｑ変換器１２の出力Ｉｑの偏差を求める減算器である。ｄ軸電流制御器（ＩｄＡＣＲ）７は、減算器６aの電流偏差が零になるように、ｄｑ座標軸上の電圧指令Ｖｄ＊を演算する。一方、ｑ軸電流制御器（ＩｑＡＣＲ）８は、減算器６bの電流偏差が零になるように、ｄｑ座標軸上の電圧指令Ｖｑ＊を演算する。ｄ軸電流制御器７の出力である電圧指令Ｖｄ＊及びｑ軸電流制御器８の出力は、ｄｑ逆変換器９に出力される。

　ｄｑ逆変換器９は、ｄｑ座標（磁束軸―磁束軸直交軸）系の電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を三相交流座標上に変換する回路である。ｄｑ逆変換器９は、入力された電圧指令Ｖｄ＊，Ｖｑ＊及び位置推定器１５の出力θｄｃに基づき、三相交流座標系の制御信号Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。ｄｑ逆変換器９は、ＰＷＭ発生器１０に対して変換結果を出力する。

　ＰＷＭ発生器１０は、インバータ主回路３２のスイッチ動作の元となるＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号を出力する。ＰＷＭ発生器１０では、三相交流電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づきＰＷＭ波形であるＰＶｕ，ＰＶｖ，ＰＶｗを発生させる。また、その出力は、本実施例の特徴部分であるパルスシフト器１７を介して、出力プリドライバ３３と共にサンプル／ホールド回路１４a、ならびに１４ｂに入力される。

　電流再現器１１は、インバータ主回路部３２からワンシャント電流検出器３５への出力であるＩ０信号を受けて、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各電流を再現する回路である。再現された各相の電流（Ｉｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃ）は、ｄｑ変換器１２に対して出力される。

　ｄｑ変換器１２は、モータの相電流の再現値であるＩｕｃ，Ｉｖｃ，Ｉｗｃを、回転座標軸であるｄｑ座標上のＩｄ，Ｉｑに変換する。この変換されたＩｄ及びＩｑは、減算器６a、ならびに6bにて電流指令Ｉｄ＊及び電流指令Ｉｑ＊との偏差計算に用いられる。

　中性点電位増幅器１３は、仮想中性点回路３４の出力である仮想中性点電位Ｖｎｃと永久磁石モータ４の三相巻線接続点電位Ｖｎとの差（以降、中性点電位Ｖｎ０と呼ぶ）を検出し、増幅する回路である。この中性点電位増幅器１３の増幅結果はサンプル／ホールド回路１４ｂに入力される。

　サンプル／ホールド回路１４ｂは、中性点電位増幅器１３のアナログ信号出力を標本化量子化（サンプリング）するためのＡ－Ｄ変換器である。サンプル／ホールド回路１４ｂは、このＶｎ０をＰＷＭ発生器１０の出力であるＰＷＭパルスに同期してサンプリングする。サンプル／ホールド回路１４ｂは、このサンプリングされた結果（Ｖｎ０ｈ）を位置推定器１５に対してデジタル信号として出力する。

　位置推定器１５は、サンプル／ホールド回路１４ｂによってサンプリングされた中性点電位に基づき、永久磁石モータ４の回転子位置（位相角）θｄの推定値θｄｃを演算する。この推定結果は、速度演算器１６、ｄｑ変換器１２及びｄｑ逆変換器９に対して出力される。

　速度演算器１６は、回転子位置の推定値θｄｃから、永久磁石モータの回転速度を計算する回路である。この推定された回転速度ω１は、Ｉｑ＊発生器１に対して出力され、磁束軸に直交する軸の電流制御に役立てられる。

　直流電源３１は、インバータ３に電流を供給する直流電源である。

　インバータ主回路部３２は、６個のスイッチング素子Ｓｕｐ～Ｓｗｎで構成されるインバータ回路である。

　出力プリドライバ３３は、インバータ主回路部３２を直接駆動するドライバである。

　仮想中性点回路３４は、インバータ主回路部３２の出力電圧に対して仮想中性点電位を作成する回路である。

　ワンシャント電流検出器３５は、インバータ主回路部３２への供給電流Ｉ０を検出する電流検出器である。

　次に、このモータ駆動システムの基本動作について説明する。

　本発明は、交流モータである同期電動機のトルクを線形化する手法として一般的に知られているベクトル制御技術を基本としている。

　ベクトル制御技術の原理は、モータの回転子位置を基準とした回転座標軸（ｄｑ座標軸）上にて、トルクに寄与する電流Ｉｑと、磁束に寄与する電流Ｉｄとを独立に制御する手法である。図１におけるｄ軸電流制御器７，ｑ軸電流制御器８，ｄｑ逆変換器９，ｄｑ変換器１２などは、このベクトル制御技術実現のための主要部分である。

　図１のモータ駆動システムにおいては、Ｉｑ＊発生器１にて、トルク電流に相当する電流指令Ｉｑ＊が演算され、電流指令Ｉｑ＊とＰＭモータ４の実際のトルク電流Ｉｑが一致するように電流制御が行われる。

　電流指令Ｉｄ＊は、非突極型の永久磁石モータであれば、通常「零」が与えられる。一方、突極構造の永久磁石モータや、界磁弱め制御においては、電流指令Ｉｄ＊として負の指令を与える場合もある。

　なお、永久磁石モータの電流検出は、インバータから永久磁石モータに供給される相電流を直接検出することが望ましいが、小型永久磁石モータの電流検出では直流電流を検出して、制御器内部にて相電流を再現演算する手法が採られる場合が多い。この際の、直流電流Ｉ０から、相電流を再現演算する手法については公知の技術があり、また本発明の主要な部分ではないので省略する。

　次に、本発明の特徴部分である中性点電位増幅器１３，サンプル／ホールド回路１４ｂ，位置推定器１５，パルスシフト器１７の動作原理について説明する。

　永久磁石モータ４の中性点電位Ｖｎ０は、モータの回転子位置の影響でその電位が変化する。本発明の基礎原理は、この原理を応用して、中性点電位の変化から逆に回転子位置を推定することにある。

　最初に、中性点電位が変化する原理について説明する。

　インバータ３の各相の出力電位は、インバータ主回路３２の上側スイッチ（Ｓｕｐ，Ｓｖｐ，Ｓｗｐ）もしくは下側スイッチ（Ｓｕｎ，Ｓｖｎ，Ｓｗｎ）のオン/オフ状態によって決定する。これらのスイッチは、各相毎に上側、もしくは下側のいずれかがオンでもう一方がオフの状態に必ずなる。したがって、インバータ３の出力電圧は、全部で８通りのスイッチングパターンになる。

　図２（ａ）は、インバータ出力電圧のスイッチング状態を表すベクトル図である。同図（ｂ）は、回転子位置（位相）θｄと電圧ベクトルの関係を示すベクトル図である。

　各ベクトルにはＶ（１，０，０）のように名前をつけている。このベクトル表記の記載の意味は、上側スイッチがオンの状態を「１」、下側スイッチがオンの状態を「０」として表現している。また、カッコ内の数字の並びは「Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相」の順番にスイッチング状態を表している。インバータ出力電圧は、零ベクトル２つを含む８つのベクトルとして表現できる。これらの組み合わせによって、正弦波状の電流を永久磁石モータ４に供給する。

　永久磁石モータ４の回転子位置の基準をＵ相方向として、図２（ｂ）のように回転子位置（位相）θｄを定義する。回転座標であるｄｑ座標軸は、ｄ軸方向が磁石Φｍの方向に一致しており、反時計回りに回転する。

　θｄ＝０度付近において、誘起電圧Ｅｍは、図２（ｂ）に示すｑ軸方向となる。この条件では、主に電圧ベクトルＶ（１，０，１）及びＶ（０，０，１）を用いて永久磁石モータ４を駆動することになる。

　図３（ａ）には、電圧ベクトルＶ（１，０，１）が印加された状態の永久磁石モータ４と仮想中性点回路３４との関係を表す概念図を示す。同図（ｂ）は電圧ベクトルＶ（０，０，１）が印加された状態の永久磁石モータ４と、仮想中性点回路３４との関係を表す概念図を示す。

　中性点電位Ｖｎ０は、下記式によって演算することができる。

　図３（ａ）に示す電圧ベクトルＶ（１，０，１）の印加時は、
　　Vn0 = { Lv / (Lu//Lw + Lv) － (2/3) }×VDC………（１）
　また、図３（ｂ）に示す電圧ベクトルＶ（０，０，１）の印加時は、
　　Vn0 = { (Lu//Lv) / (Lu//Lv + Lw) － (1/3) }×VDC………（２）
となる。ここで、Lu//Lv等の表記は、インダクタンスLuとLvの並列回路の総合インダクタンス値を表しており、具体的には、（Lu・Lv）/（Lu＋Lv）等である。

　上記の各式において、三相のそれぞれの巻線インダクタンス（Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ）が全て等しければ、中性点電位Ｖｎ０は「零」にしかならない。しかしながら、実際の永久磁石モータは回転子の永久磁石磁束の影響を受け、少なからずインダクタンスに差が生じている。このインダクタンスの差によって、中性点電位は変動する。

　図４は、本実施の形態における三角波キャリアを用いた実際のパルス幅の変調の様子と、そのときの電圧ベクトル、並びに中性点電位の変化の様子を示す図である。ここで、三角波キャリア信号とは、三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*の「大きさ」を、パルス幅に変換するための基準となる信号であり、この三角波キャリアと三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*の大小関係を比較することで、ＰＷＭパルスを作成できる。図４にて、各電圧指令Vu*，Vv*，Vw*と三角波キャリアの大小関係が変化する点にて、同図（ａ）のＰＷＭパルスの立ち上がり/立下りが変化している様子が判る。

　特許文献４では、図４（ａ）の波形から中性点電位Ｖｎ０を検出する。その場合、図２７に示したような検出誤差の問題が発生することをすでに述べた。

　本実施例では、この問題を解決するため、パルスシフト器１７を導入して、ＰＷＭパルスPVu，PVv，PVwに修正を加える。具体的には、各相にタイマーとカウンタを用意し、それぞれの相のＰＷＭ波形を独立に遅延させることでパルスシフトを実現できる。パルスシフトを行った後の波形は、それぞれPVu1，PVv1，PVw1として図４（ｂ）に示している。

　ＰＷＭパルスのシフトによって、電圧ベクトルV(1,0,1)ならびにV(0.0.1)の出力期間が増加していることが判る。これらのシフト量の設定は、それぞれの電圧ベクトル（ここではV(1,0,1)とV(0,0,1)）の出力期間に最小制限値を設け、その最小値以上になるようにすればよい。この最小制限値としては、図４（e）に示すように中性点電圧のリンギングが十分収まる時間幅に設定すれば、検出誤差のない中性点電位のサンプリングができる。

　また、図４（ｃ）の電圧ベクトルに大きく明示したように、これまで使用していなかった電圧ベクトルV(0,1,0)ならびにV(1,1,0)が出力されていることが判る。回転子の位置推定は、最低２種類の電圧ベクトルが印加されれば可能であるが、印加される電圧ベクトルの種類が増えることで、中性点電位の観測値を増やすことができるため、より精度の高い位置検出が可能になる。尚、これらの新たな電圧ベクトルに対しても、最小制限値を設けて、出力期間を確保することも可能である。

　このように、インバータのパルス幅変調動作として、各相のスイッチ状態を正から負および負から正にスイッチングするタイミングが、各相間で所定時間幅（最小制限値）以内に近づかないように、２相の出力電圧パルスを時間的にシフトさせている。尚、図６を参照して後述するように、１相のみの出力電圧パルスを時間的にシフトさせることもできる。これらのパルスシフトの手法では、各相の出力電圧パルス幅を変更することなく時間的にシフトさせている。

　パルスシフトの結果として、第1の零ベクトルV(0,0,0)から第2の零ベクトルV(1,1,1)を介して再び第１の零ベクトルに戻る間、４種類の電圧ベクトルが出力されていることになり、この動作が、図２７に示す特許文献４の方式と大きく異なる。

　また、各相のスイッチング動作を観測すると、三相それぞれのパルスがオンからオフに順番に移行した後、再びオフからオン状態に変化しているが、その変化する順番が、パルスシフトを行う前後で異なっていることが判る。すなわち、図４（ａ）に示すＰＷＭ波形では、
　　PVvがオフ→PVuがオフ→PVwがオフ→PVwがオン→PVuがオン→PVvがオン
のように、オフした順番と逆の順番でオンしいている。これに対して、パルスシフトを行った波形では、
　　PVvがオフ→PVuがオフ→PVwがオフ→PVvがオン→PVuがオン→PVwがオン
のように、オフした順番にオンしていくという特徴がある。パルスシフトによって、このようなパルス列を作成することで、電圧ベクトルの数を４種類に増やすことができる。

　図５に、零以外の電圧ベクトル６種類と、その時に観測される中性点電位の名称を定義する。図４のようなパルスシフトを行うことで、中性点電位は、ＶｎＢとＶｎＣが確実に検出でき、さらにパルスシフト量を増やすことで、ＶｎＥとＶｎＦの値も観測可能となる。

　このパルスシフトによる効果をまとめると以下となる。

　第１に、中性点電位が検出できる電圧ベクトルV(1,0,1)ならびにV(0,0,1)の出力期間が長くなるため、図４（ｅ）に示すように、リンギングを避けての誤差の無い検出が可能になる。第２に、電圧ベクトルとして、新たな種類のベクトルV(0,1,0)ならびにV(1,1,0)が印加されることになり、この時の中性点電位を検出することで、回転子位置情報をさらに精度よく推定することが可能になる。第３として、パルスシフトによって、各相電圧の平均電圧には変化がなく、また、スイッチング回数を増やすこともないため、モータの制御性能に対する影響や、インバータのスイッチング損失を増加させるようなことも発生しない。

　よって、本実施の形態による同期電動機駆動システムを用いれば、従来実現が難しかった極低速度での位置センサレス駆動を実現できる。

　（第２の実施の形態）
　次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

　第１の実施の形態では、Ｖｎ０の検出のために、パルスシフト器１７を導入してＰＷＭパルス波をシフトすることで、零ベクトル以外の電圧ベクトルの出力期間を長くし、かつ、元々のＰＷＭ波形には含まれていなかった２種類のベクトルを新たに出力でき、それによって位置推定精度を向上させるものであった。

　第１の実施形態の例では、本来の電圧ベクトルV(0,0,1)，V(1,0,1)に加えて、V(1,1,0)，V(0,1,0)が新たに印加されている。ここで、V(0,0,1)とV(1,1,0)、ならびにV(1,0,1)とV(0,1,0）は、図２（ａ）から、それぞれが逆方向のベクトルであることが判る。このように、逆方向のベクトルだけでなく、例えば、V(1,0,0)のように、パルスシフト前のＰＷＭに含まれていない方向の電圧ベクトルが加われば、回転子位置の探索の効果を生じ、さらに回転子位置情報の精度は向上する。例えば、特許文献４においては、強制的なスイッチ動作によって、そのような電圧ベクトルを印加する手法が示されている。本実施形態によれば、このような電圧ベクトルの印加が、スイッチング回数を変えずに可能である。

　図６に、本来の電圧ベクトルV(0,0,1)ならびにV(1,0,1）に加えて、新たにV(1,0,0)を印加したパルスシフトの結果を示す。第１の実施形態との違いは、１相のみのパルスシフトとし、そのシフト量が異なっていることである。必要なシフト量は、元のＰＷＭ波形の条件（デューティ）によっても変わってくる。

　以上のように、制御構成を変更することなく、パルスシフトの量を調整することで、モータに印加される電圧ベクトルの種類を変えることができ、より、高精度な位置推定が可能となる。

　（第３の実施の形態）
　次に、本発明の第３の実施の形態について、図７を用いて説明する。

　第１，２の実施の形態では、パルスシフト器１７を導入することで、モータに印加する電圧ベクトルを２種類から３または４種類に増やすことができることを示した。これらの実施形態では、三相すべてのスイッチが、三角波キャリアと同じ周波数でスイッチングを行うものであった。これに対し、第３の実施形態では、三相のスイッチング周波数が異なる場合（二相スイッチング）の例について説明する。

　図７（ａ）に、三角波キャリアを用いた二相スイッチング方式を示す。図４と異なり、三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*が三角波キャリアの上側ピークに接していることが判る。この例では、三相電圧指令の中で最も大きな値のVw*が三角波キャリアの上側ピーク値に一致している。このようにすべての電圧指令に等しいバイアス値を設けることで、線間電圧の関係は変えずに、一つの相（この条件ではＷ相）のスイッチング回数を低減することができる。図７の条件では、Ｗ相は全くスイッチングを行わずに、上側のスイッチ（図１のSwp）がオン状態を継続することになる。どの相がスイッチングを停止するかは、三相電圧指令の大小関係で決定されるが、結果的には、図４のＰＷＭ方式に比べて、スイッチング回数が１／３になり、インバータのスイッチング損失を低減できる。

　二相スイッチングの特徴は、零ベクトルとして、同一のものが繰り返し使用される点にある。図7では、第２の零ベクトルV(1,1,1)の間に、V(1,0,1)，V(0,0,1)が出力され、さらにパルスシフトを行うことで、同図（ｅ）の電圧ベクトルに大きく明示したような新たな電圧ベクトルV(0,1,1)の出力が可能である。この結果、検出できる中性点電位は、パルスシフト前のVnB，VnCに加えて、VnDが加わり３種類に増やすことができる。

　このように、本実施形態によれば、インバータ損失の少ない二相スイッチングにおいても電圧ベクトルの種類を増やすことができるため、回転子位置の探索の効果を発揮させ、効率のよいシステムでの位置推定精度の向上を実現できる。

　（第４の実施の形態）
　次に、本発明の第４の実施の形態について、図８～１０を用いて説明する。

　実施形態１～３では、いずれもパルスシフト器１７によって、ＰＷＭパルス波形の位相をずらして、零以外の電圧ベクトルの期間を延ばしたり、あるいは電圧ベクトルの種類を増やすというものであった。

　パルスシフトは、前述したようにタイマーとカウンタ等のハードロジックで簡単に実現できるが、これと同じ効果は、三相電圧指令を補正することでも実現可能である。本実施形態にてその方式について説明する。

　図８は、制御器２Ｂの構成図を示したものである。図において、部品番号５～１６までは、実施形態１における制御器２（図１）のものと同一のものである。図１と異なる点は、パルスシフト器１７が削除され、代わりに電圧補償器１８が追加されている点である。

　この電圧補償器１８では、三相電圧指令Vu*，Vv*，Vw*に対して補償動作を行い、新たな電圧指令Vu**，Vv**，Vw**を作成し、これらの値に基づき、ＰＷＭ発生器１０にて、ＰＷＭ動作を行う。

　電圧補償器１８の構成を図９に示す。図に示すように、電圧補償器１８は、加算器6c～6e、補償量演算器１８１から構成されており、元の三相電圧指令にそれぞれ補償量０，ΔＶ，－ΔＶのいずれかを加算する。電圧補償の様子を図１０に示す。補償なしの場合には、狭いパルス幅の電圧ベクトルV(1,0,1)とV(0,0,1)が出力されているが、電圧補償を行うことで、三相電圧指令が補正され、電圧ベクトルV(1,0,1)とV(0,0,1)に加えてV(0,1,0)ならびにV(1,1,0)が新たに出力されていることが判る。電圧の補償量は、三角波キャリアの半周期ごとに切り替える必要があるが、このような補償動作を行うことで、実施形態１～３と全く同様な効果を得ることが可能である。

　本実施形態によれば、電圧指令の修正によって、パルスシフトを実現可能であり、ＰＷＭ機能を備えた汎用マイコンにて実現することが可能である。

　（第５の実施の形態）
　次に、本発明の第５の実施の形態について、図１１～１５を用いて説明する。

　実施形態１～４は、ＰＷＭパルスを修正することで，モータに印加される電圧ベクトルの種類を増加させて、位置検出精度を向上させるというものであり、これらの実施形態は、位置推定精度を向上させることが可能である。しかし、さらに位置検出精度を向上させる形態を、新たに第５の実施形態として説明する。

　図１１、ならびに図１２は、位置推定器１５Ｃ、ならびに位置推定器１５Ｄの構成図である。これらの位置推定器を、図１の制御器２、あるいは図８の制御器２Ｂ内の位置推定器１５の代わりに用いることで、第５の実施形態を実現できる。

　図１１の位置推定器１５Ｃは、切り替えスイッチ１５４，メモリー１５５，位置演算器１５７から構成されている。また、図１２の位置推定器１５Ｄは、切り替えスイッチ１５４Ｄ，メモリー１５５Ｄ，位置推定器１５７Ｄからなる。図１１と図１２の違いは、中性点電位のホールド値であるＶｎ０ｈの値を、２つだけ記憶させるか（図１１）、あるいは４つの値を記憶させるか（図１２）の違いによる。位置推定を行う上では、最低２つの値があればよいので、図１１が最低限必要な構成となる。これまでの実施形態で説明した通り、中性点電位の数は多いほど精度が向上する。これまでの実施例で示したように、スイッチング回数を変えずに電圧ベクトルを増やすと、３または４種類の電圧ベクトルの印加が可能であり、その場合は、図１２に示す構成で中性点電位を保存すればよい。３つの中性点電位を用いる場合には、図１２の４つのメモリーの一つを使用しなければよい。

　位置推定器１５Ｃ，Ｄでは、中性点電位を量子化した値であるＶｎ０ｈを、スイッチ１５４（１５４Ｄ）で切り替えて、どの電圧ベクトルの時の値であるかが判るように、メモリーに記憶する。それらのメモリーの値に基づいて、位置演算器１５７（１５７Ｄ）にて、モータ４の回転子位置θｄの演算を行う。

　次に、位置演算器１５７（１５７Ｄ）での具体的な演算方法について説明する。

　まず初めに、回転子位置θｄと、中性点電位Ｖｎの関係を説明する。中性点電位Ｖｎは、式（１），（２）に示したように、各相のインダクタンスＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗの値が磁石磁束の影響で、磁気飽和によって変わることで発生する。ここで、インダクタンスが下記の仮定で変化するものとする。

　　Lu = L0 - Kf・|Φu|
　　Lv = L0 - Kf・|Φv|
　　Lw = L0 - Kf・|Φw|………………（３）
　上式において、L0：非飽和時のインダクタンス、Φu，Φv，Φw：各相の磁束量、Kf：係数、である。式（３）のように、インダクタンスを表現することで、磁束量に応じたインダクタンス変化を表現できる。また、各相の磁束量は、下記のように表すことができる。

　　Φu = Φm・cos（θd）+ Φi・cos（θi）
　　Φv = Φm・cos（θd－2π/3）+ Φi・cos（θi－2π/3）
　　Φw = Φm・cos（θd＋2π/3）+ Φi・cos（θi＋2π/3）………（４）
　上式において、Φm：永久磁石磁束、θd：d軸位相、Φi：電流によって生じる磁束、θi：電流位相、である。式（４）を式（３）に代入し、式（１），（２）のように各電圧ベクトルにおける中性点電位の変化を計算すると、図１３のようになる。尚、簡略化のため、式（４）におけるΦiは零とおいて計算した。

　図１３に示すように、各電圧ベクトルにおける中性点電位ＶｎＡ～ＶｎＦは、それぞれ回転子の位置θｄに依存して変化することが判る。一つの電圧ベクトルにおける中性点電位では、位相（回転子位置）θｄの特定は不可能であるが、最低２つあれば位相を特定できることが判る。ただし、回転子位相の一周期間に対して、中性点電位は２倍の周期で変化するため、位置の推定範囲は±９０度の範囲となるが、これは原理上やむを得ない。

　このような中性点電位の変化から、回転子位置θｄを特定する方法を説明する。

　図１３において、中性点電位は、電圧ベクトル毎に複雑な変化を示しているが、６種類の中性点電位のうち、ＶｎＢ，ＶｎＤ，ＶｎＦの符号を反転すると、図１４のような波形が得られる。これらの波形を見れば明らかなように、対称性のある三相交流波形となっていることが判る。この三相対称である特徴を活かして、回転子位置の位置推定を行う。

　三相交流量Ｘｕ，Ｘｖ，Ｘｗを三相二相変換（αβ変換）することを考える。三相二相変換式は、
　　Xa = (2/3)・{ Xu －(1/2)・Xv－(1/2)・Xw }
　　Xb = (2/3)・{ (√(3)/2)・Xv －(√(3)/2)・Xw } ……………（５）
で表すことができる。

　例えば、３つの中性点電位ＶｎＡ，ＶｎＢ，ＶｎＣが得られた場合、図１４より、
　　Xu = VnA、Xv = －VnB、Xw = VnC ……………（６）
として、式（５）に代入し、XaならびにXbを導出する。その結果より、
　　θdc = (1/2) arctan ( Xb / Xa ） ……………（７）
として、θdの演算値θdcを求めればよい。尚、式（７）中における“arctan”は、アークタンジェントの意味である。

　また、中性点電位を２つのみ用いる場合は、三相交流と同様にして、１相分を演算で求めればよい。例えば、式（６）でＶｎＡを用いない場合は、
　　Xv = －VnB、　Xw = VnC
　　Xu = －( Xv + Xw ) = VnB －VnC ……………（８）
として求めればよい。図１５は、式（８）ならびに式（７）を用いて位相角θdcを演算した結果である。ほぼ正確に、回転子位置θｄを演算できていることが判る。しかしながら、やや曲線的な変化となっているが、前もって、データテーブルを用意していけば、これらを補正することは可能である。

　また、中性点電位を４つ（例えば、VnB，VnC，VnE，VnFの４つ）用いる場合は、
　　Xv = ( －VnB + VnE ) / 2
　　Xw = ( VnC － VnF ) / 2
　　Xu = －( Xv + Xw ) ……………（９）
として、求めればよい。上式にて、XvならびにXwは平均値を求めていることになる。実際の検出データは、中性点電位をある一瞬のタイミングの値として１点でサンプリングしているため、検出誤差の影響を受けやすい。それに対して、このように異なる電圧ベクトルで検出した値の平均値を採ることで、検出誤差の影響を排除することができる。平均化によって、中性点電位の検出誤差を低減することができるため、検出精度の向上が期待できる。

　以上のような演算を、位置演算器１５７（１５７Ｄ）内部で行い、回転子位置を求めている。この結果、従来にない高精度での位置検出を実現できる。また、特許文献４における位置推定のためのテーブルデータは不要であり、どの瞬間のＰＷＭ条件であっても、回転子位置の推定演算が可能である。

　（第６の実施の形態）
　次に、本発明の第６の実施の形態について、図１６～１７を用いて説明する。

　実施形態５において、位置推定の詳細を説明した。その際、モータ内部の磁束として、巻線電流によって発生する磁束Φiを零という仮定（式（４）におけるΦiを零）としたが、実際には電流を流すことでΦiが発生し、それぞれの磁束量は変化する。その対策を施したのが、本実施形態である。

　図１６において、制御器２Ｅが本実施形態における制御器であり、この制御器２Ｅを、例えば、図１の実施形態における制御器２の代わりに用いることで、第６の実施形態を実現できる。

　図１６において、部品番号５，６ａ，６ｂ，７～１７のものは、図１における制御器２のものと同じものである。図１６の制御器２Ｅでは、加算器６ｆ、ならびに位相補償器１９が追加されている。

　前述のように、モータに電流を流して位置推定器１５にてθｄｃを演算すると、電流磁束の影響によって誤差が発生する。図１７において、細線で示すのが、Id=0、Iq=100%の電流を流した条件で位相演算を行った例である。例えば、実際のθｄが零度の時に、θdcは約30度となっている。しかし、この位相のずれは、電流値に依存するものであるため、位相補償器１９を導入して、電流指令Ｉｄ*，Ｉｑ*から予め補償位相δθiをデータテーブルとして用意しておけば補正が可能である。あるいは、Ｉｄ*，Ｉｑ*の関数として、δθiを算出してもよい。位相補償器１９よりδθiを出力し、それをθｄｃに加算器６ｆによって加算することで、位相のずれを補償することができる。その結果を図１７に太線で示す。

　このように、電流磁束による影響は、簡単な補償ブロックによって補正することが可能である。尚、位相補償量の演算には、電流指令だけでなく、電流の検出値を用いてもよいし、条件によってはトルク指令やトルク検出値を用いても問題ない。

　（第７の実施の形態）
　次に、本発明の第７の実施の形態について、図１８～２０を用いて説明する。

　これまでの実施形態の説明で、モータの中性点電位を用いての回転子位置の推定演算方法を明らかにした。実際の同期電動機の駆動システムでは、モータのトルクや回転数を制御する必要があるため、回転子位置情報以外にもモータの電流情報が必要になる。

　モータの電流情報は、三相巻線に取り付けられた電流センサで検出するのが一般的であるが、装置の小型化、低コスト化、高信頼化のためには、相電流の検出を行わずに直流母線に備えたワンシャント電流検出器３５（図１）から検出する手法がある。

　ワンシャント電流検出器３５には、瞬間的にモータの相電流が流れるため、サンプリングのタイミングを予めプログラミングすることで、モータの相電流の検出が可能である。これらの電流検出においても、電圧ベクトルの印加期間が重要となる。

　第１～６の実施形態では、これらの電流検出と、位置推定のための中性点電位検出とは、それぞれ独立したサンプル／ホールド回路（ＡＤ変換器）を備えて実施することを前提としていたが、制御器を実現するコントローラによっては、サンプル／ホールドの制約や、ＡＤ変換器の数が限られているものが殆どである。

　本実施形態では、サンプル／ホールド回路を１個（ＡＤコンバータも１個）という前提で、電流検出と中性点電位検出を交互に実施する方式について述べる。

　図１８において、制御器２Ｆが本実施形態における制御器であり、この制御器２Ｆを、例えば、図１の実施形態における制御器２の代わりに用いることで、第７の実施形態を実現できる。

　図１８において、部品番号５～１３、１５～１７のものは、図１における制御器２のものと同じものである。図１８の制御器２Ｆでは、アナログ検出部２０が新たに加えられている。

　アナログ検出部２０の構成は、図１９のようになっている。図において、アナログ検出部２０は、アナログスイッチ２０１，サンプル／ホールド回路１４ｃ，ＡＤコンバータ２０２，スイッチ２０３からなる。制御器２Ｆを具現化するマイコンとして、例えば、ＡＤコンバータやサンプル／ホールド回路が１つずつしかないものを仮定している。

　ワンシャント電流検出器３５を流れる電流I0と、中性点電位Ｖｎ０をスイッチ２０１に入力し、どちらかを選択して、サンプル／ホールドし、ＡＤコンバータ２０２にて量子化を行う。この結果をそれぞれ電流再現器１１、あるいは位置推定器１５へ出力する。これら電流Ｉ０と、中性点電位Ｖｎ０の処理は、時系列的に交互に行うものとする。例えば、図２０に示すように、三角波キャリアの１周期間毎に、電流Ｉ０の検出、中性点電位Ｖｎ０の検出を交互に繰り返すようにしてもよい。また、それぞれの制御系の設定応答時間に応じて、これらの切り替える割合を変えてもよい。

　尚、実際のマイコンの機能として、キャリアの半周期内で、アナログ値を２回、異なったタイミングで検出するのはかなり難しい。その場合は、複数個のサンプル／ホールド回路や、ＡＤコンバータを併用する場合もある。よって、複数個のサンプル／ホールド回路とＡＤコンバータを用いて、電流検出と位置情報の検出に交互に割り当てる方式としても問題ない。

　このように、本発明の第７の実施形態を用いることで、機能が限定されたマイコンにおいても電流制御と位置推定の両立が可能であり、より低コストで、かつ、精度の高い同期電動機駆動システムを実現できる。
（第８の実施の形態）
　次に、本発明の第８の実施の形態について、図２１を用いて説明する。

　本発明は、モータの中性点電位を用いての位置推定演算を行うものであり、それによって零速度から位置センサレス駆動が可能になるものである。この中性点電位を利用する方式は、高速駆動においても原理的には実現可能である。しかし、速度増加に伴って、中性点電位に高調波成分が発生する恐れがあり、それに起因した位置推定誤差が懸念される。中性点電位の速度誘起電圧には、モータ構造によっては多大な高調波が含まれる場合がある。そのようなモータの場合には、高速域に限って従来の速度誘起電圧を利用した手法を導入した方が、推定誤差の少ない位置センサレス駆動を実現できる。本実施形態は、それを具現化するものである。

　図２１において、制御器２Ｇが本実施形態における制御器であり、この制御器２Ｇを、例えば、図１の実施形態における制御器２の代わりに用いることで、第８の実施形態を実現できる。

　図２１において、部品番号５～１７のものは、図１における制御器２のものと同じものである。図２１の制御器２Ｇでは、中高速位置推定器２１、ならびに推定位相切り替えスイッチ２２が新たに加えられている。

　中高速位置推定器２１では、モータ４への電圧指令であるＶｄ*，Ｖｑ*ならびに電流検出値であるＩｄ，Ｉｑに基づいて、モータ４の定数（インダクタンスや巻線抵抗）から、回転子位置θｄを推定演算する。この具体的な手法は、これまで数多くの報告がなされているが、いずれの手法でも適用可能である。中高速位置推定器２１からの出力θｄｃ２と、中性点電位から計算した位相θｄｃとを、推定位相切り替えスイッチ２２にて、速度に応じて切り替えを行う。両者を図のようにスイッチで切り替えることで、低速時は中性点電位に基づく方式、中高速は誘起電圧に基づく方式と、位置推定アルゴリズムを変更することが可能である。尚、図のようにスイッチで切り替えるのではなく、θｄｃとθｄｃ２に重み付けをして、徐々に切り替えていくことも可能である。

　以上のように、本実施形態によれば、低速域から中高速域までの広範囲に亘って、精度よく回転子位置の検出が可能となり、安定した動機電動機の駆動システムが実現できる。

　（第９の実施の形態）
　次に、本発明の第９の実施の形態について説明する。

　図２２は、本実施の形態に関わる同期電動機の駆動システムの実態図である。この図においては、同期電動機駆動システム２３が一つのシステムとして、モータ４の内部にパッケージしている。このようにすべてを一体化することで、モータとインバータ間の配線をなくすことができる。図２３に示すように、一体化された駆動システムの配線は、インバータ３への電源線と、回転数指令や動作状態を戻すなどの通信線のみとなる。

　本発明では、モータ４の中性点電位を引き出す必要があるが、このようにモータと駆動回路部分を一体化することで、中性点電位の配線は容易となる。また、位置センサレスを実現できるために、一体化したシステムは極めてコンパクトにまとめ上げることができ、小型化を実現できる。

　（第１０の実施の形態）
　次に、本発明の第１０の実施の形態について説明する。

　図２３は、油圧駆動システムであり、自動車内部のトランスミッション油圧や、ブレーキ油圧などに用いられるものである。図２３において、部品番号２３は、図２２における同期電動機駆動システムであり、モータにオイルポンプ２４が取り付けられている。オイルポンプ２４によって、油圧回路５０の油圧を制御する。油圧回路５０は、油を貯蔵するタンク５１、油圧を設定値以下に保つリリーフバルブ５２、油圧回路を切り替えるソレノイドバルブ５３、油圧アクチュエータとして動作するシリンダ５４で構成される。

　オイルポンプ２４は、同期電動機駆動システム２３によって油圧を生成し、油圧アクチュエータであるシリンダ５４を駆動する。油圧回路では、ソレノイドバルブ５３により回路が切り替わることで、オイルポンプ２４の負荷が変化し、同期電動機駆動システム２３に負荷外乱が発生する。油圧回路では、定常状態の圧力に対し、数倍以上の負荷が加わることもあり、モータは停止してしまうことがある。しかし、本実施形態による同期電動機駆動システムでは、停止状態であっても回転子位置を推定可能であるため、何ら問題が生じない。これまでのセンサレスでは、中高速域以上でしか適用が難しかったため、リリーフバルブ５２によってモータの多大な負荷となる油圧を逃がすことが必須であったが、本実施形態によれば、図２４のように、リリーフバルブ５２を排除することも可能である。すなわち、モータへの過大負荷を避けるための機械的な保護装置であるリリーフバルブなしで、油圧のコントロールが可能となる。

　（第１１の実施の形態）
　次に、本発明の第１１の実施の形態について説明する。

　図２５は、ルームエアコンやパッケージエアコンの空調システムであり、その室外機６０を示したものである。空調システムの室外機６０は、これまで説明した同期電動機の駆動システム（部品番号１～４）を含み、圧縮機６１やファンなどの部品から構成されている。この中で、圧縮機の動力源がモータであり、圧縮機内部に組み込まれている。

　空調システムでは、年々効率の向上が進んでおり、定常状態においては、極低速で駆動して省エネを達成する必要がある。しかし、従来のセンサレス駆動では、中高速域に限られているため、極低速での駆動は困難であった。本実施形態による同期電動機駆動システムを用いることで、零速度からの正弦波駆動が実現可能であるため、空調機の高効率化（省エネ化）を実現できる。

　（第１２の実施の形態）
　最後に、本発明の第１２の実施の形態について説明する。

　図２６は、モータを用いた位置決め装置であり、その全体ブロック構成を示したものである。図２６において、位置決め装置７０がモータ４の負荷として接続されている。Ｉｑ*発生器１Ｈは、ここでは速度制御器として機能している。また、速度指令ωr*は、上位の制御ブロックである位置制御器７１の出力として与えられている。減算器６ｇにて、実際の速度ωｒとの比較を行い、その偏差が零になるように、Ｉｑ*が演算される。位置決め装置７０は、例えばボールねじなどを利用した装置であり、所定の位置θ*に位置が制御されるように、位置制御器７１によって調整される。位置センサとしては、位置決め装置７０には取り付けられておらず、制御器２における位置推定値θｄｃをそのまま用いる。これによって、位置決め装置に位置センサを取り付ける必要はなく、位置制御を行うことが可能となる。

　以上、本発明の実施の形態を具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは言うまでもない。

　一例を挙げる。本発明では永久磁石モータ４の三相巻線接続点電位Ｖｎを検出することが大前提となる。上述の説明では，中性点電位の検出のし易さから、仮想中性点回路３４を基準電位を作成するために導入し、これと三相巻線接続点電位Ｖｎとの差を導出している。しかし、永久磁石モータ４の三相巻線の接続点電位が検出できれば、基準電位はどこであっても問題ない。たとえば、直流電源３１を等分圧した電位を基準としてもよいし、直流電源のグランド側を基準電位としても良い。その場合、オフセット分を差し引くことで同じ結果が得られる。

　既述の通り、本発明は位置センサレスを前提としたモータ駆動システムを構築するための技術である。このモータの適用範囲は、ファン，ポンプ（油圧ポンプ，水ポンプ），圧縮機，スピンドルモータや，冷暖房機器，ディスクドライバなどの回転速度制御を初め、工作機械・産業機械における位置決め用途としても利用可能である。

　１…Ｉｑ＊発生器、２…制御器、３…インバータ、４…永久磁石モータ、５…Ｉｄ＊発生器、６ａ，６ｂ…減算器、７…ｄ軸電流制御器、８…ｑ軸電流制御器、９…ｄｑ逆変換器、１０…ＰＷＭ発生器、１１…電流再現器、１２…ｄｑ変換器、１３…中性点電位増幅器、１４a，１４ｂ…サンプル／ホールド回路、１５…位置推定器、１６…速度演算器、１７…パルスシフト器、３１…直流電源、３２…インバータ主回路、３３…出力プリドライバ、３４…仮想中性点回路、３５…ワンシャント電流検出器。

Claims

　連続した正弦波状の交流電流を出力するインバータと，前記インバータに接続された三相同期電動機と，前記三相同期電動機の中性点電位に基づいて回転子位置情報を検出し、前記インバータに対してパルス幅変調信号を出力して前記インバータを制御する制御器を有する同期電動機の駆動システムにおいて，
　前記インバータのパルス幅変調動作として，各相のスイッチ状態が，すべて負，あるいはすべて正となる零ベクトル状態からスイッチ動作を行い，元の零ベクトル状態となるまでのキャリア周期中に，各相のスイッチ動作のタイミングをずらすことによって，前記零ベクトル以外のスイッチ状態を３または４種類作成し，これら３または４種類のスイッチ状態のうち少なくとも２種類のスイッチ状態における前記中性点電位をサンプリングし，
　前記制御器は，前記サンプリング値に基づき，前記三相同期電動機の回転子位置を推定することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１において，前記キャリア周期内の各相のスイッチ動作が，第１の前記零ベクトル状態から，１相ずつ順に正のスイッチ状態に推移して，第２の前記零ベクトル状態に移行し，その後，正のスイッチ状態に移行した相から順番に負のスイッチ状態に移行することによって，前記キャリア周期内に４種類のスイッチ状態を作成し，再び元の前記第１の零ベクトルに移行することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１において，前記インバータのパルス幅変調動作として，三相のうちのいずれか一相が常に正，あるいは常に負の状態を維持する期間を設け，この期間に残りの二相によってパルス幅変調を行い、これら２相のスイッチ動作のタイミングをずらすことによって，前記零ベクトル以外のスイッチ状態を３種類作成し，これら３種類のスイッチ状態のうち少なくとも２種類のスイッチ状態における前記中性点電位をサンプリングすることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１～３のいずれかにおいて，前記キャリア周期内のスイッチ状態として，前記零ベクトル以外の３または４種類のスイッチ状態のうち，少なくとも２種類のスイッチ状態の期間に対して最小制限値を設け，該最小制限値を，前記中性点電位の変化時における初期変動が実質的に収束する期間以上に設定することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１～４のいずれかにおいて，前記パルス幅変調の方式は，前記三相同期電動機へ印加する三相電圧指令を演算し，これらの三相電圧指令に基づいてパルス幅変調動作を行うものであり，該パルス幅変調を行う際，前記三相電圧指令に電圧補償を加えて，前記各相のスイッチ動作のタイミングをずらすことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１～５のいずれかにおいて，前記中性点電位の少なくとも２種類以上のサンプリング値を三相交流信号として扱うことによって、前記回転子位置を推定することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１～６のいずれかにおいて，前記インバータの直流母線電流を検出する手段を備え，該直流母線電流のサンプリングを，前記中性点電位をサンプリングするタイミングと同様に，前記零ベクトル以外のスイッチ状態においてサンプリングし，前記中性点電位のサンプリングと，前記直流母線電流のサンプリングを，前記キャリアの一周期毎もしくは数周期毎に交互に実行し，前記回転子位置の推定とともに，前記直流母線電流を検出し，前記同期電動機の制御を行うことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　前記同期電動機の停止状態を含む低速域において、請求項１～７のいずれかによる前記中性点電位のサンプリングに基づく回転子位置を推定し，前記同期電動機の中高速領域では，前記同期電動機の誘導起電圧に基づき回転子位置を推定することを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１～８のいずれかにおいて，前記同期電動機と，前記インバータと，前記制御器を一体化し，前記インバータと前記制御器の電源線および前記制御器への信号線を外部に引き出したことを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１～９のいずれかに記載の同期電動機の負荷として，水ポンプまたは油圧ポンプを備えたことを特徴とする同期電動機を用いたポンプ駆動システム。
　請求項１～９のいずれかに記載の同期電動機の負荷として，圧縮機を備えたことを特徴とする同期電動機を用いた圧縮機駆動システム。
　請求項１～９のいずれかに記載の同期電動機によって，物体を移動させ，該物体の位置を制御することを特徴とする位置決めシステム。
　連続した正弦波状の交流電流を出力するインバータと、前記インバータに接続された三相同期電動機と、前記三相同期電動機の中性点電位に基づいて回転子位置情報を検出し、前記インバータに対してパルス幅変調信号を出力して前記インバータを制御する制御器を有する同期電動機の駆動システムにおいて、
　前記インバータのパルス幅変調動作として、各相のスイッチ状態を正から負および負から正にスイッチングするタイミングが、各相間で所定時間幅以内に近づかないように、１または２相の出力電圧パルスを時間的にシフトさせることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１３において、各相の出力電圧パルス幅を変更することなく各相の出力電圧パルスを時間的にシフトさせることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１３または１４において、３相のうち２相の出力電圧パルスを時間的にシフトさせることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１３または１４において、３相のうち１相の出力電圧パルスを時間的にシフトさせることを特徴とする同期電動機の駆動システム。
　請求項１３～１６のいずれかにおいて、三角波キャリアと三相電圧指令の比較によりＰＷＭパルスを発生させるＰＷＭパルス発生部を備え、前記三相電圧指令に、前記三角波キャリアの半周期毎に逆方向にバイアスをかけることにより、出力電圧パルスをシフトさせることを特徴とする同期電動機の駆動システム。