CN104106209A - 电动机的磁极位置估计装置及使用该装置的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式涉及的电动机的控制装置具备重叠分量生成部、逆变部、电流检测部、以及磁极位置估计部。重叠分量生成部在规定周期生成在电动机的定子上设定的坐标系中的矢量的方向相对于上次生成的重叠电压指令相差90度的重叠电压指令。逆变部将基于重叠了重叠电压指令的驱动电压指令的驱动电压向电动机输出。电流检测部在规定周期检测出在电动机的各相中流动的电流，并输出电流检测值。磁极位置估计部基于电流检测值的变化量，来检测出电动机的磁极位置。

Description

电动机的磁极位置估计装置及使用该装置的控制装置

技术领域

本发明的实施方式涉及电动机的磁极位置估计装置及使用该装置的控制装置。

背景技术

以往，已知估计具有凸极性的电动机的磁极位置的磁极位置估计装置，作为这种磁极位置估计装置，已知通过将高次谐波分量重叠于PWM信号来估计电动机的磁极位置的装置。

例如，在专利文献1中记载的磁极位置估计装置中，当要获得PWM信号时，针对三相绕组的各相，将载波的连续的三周期量作为一个期间，在1/3的期间(最初的载波1周期)中使原来的指令值为3倍，在剩余的2/3的期间(剩余载波2周期)中重叠高频成分，由此估计电动机的磁极位置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4670044号公报

发明内容

本发明要解决的技术问题

然而，在专利文献1中记载的磁极位置估计装置中，用于驱动电动机的原来的指令值只能每隔载波的三个周期更新。

本发明实施方式的一个方式是鉴于上述问题而做出的，其目的是提供一种能够在对用于驱动电动机的电压指令的更新周期不产生影响的情况下进行磁极位置的估计的磁极位置估计装置以及电动机的控制装置。

为解决技术问题的方法

本发明实施方式的一个方式涉及的电动机的控制装置具备重叠分量生成部、逆变部、电流检测部、以及磁极位置估计部。所述重叠分量生成部在规定周期生成在电动机的定子上设定的坐标系中的矢量的方向相对于上次生成的重叠电压指令相差90度的重叠电压指令。所述逆变部将基于重叠了所述重叠电压指令的驱动电压指令的驱动电压向所述电动机输出。所述电流检测部在所述规定周期检测出在所述电动机的各相中流动的电流，并输出电流检测值。所述磁极位置估计部基于所述电流检测值的变化量来检测出所述电动机的磁极位置。

发明效果

根据本发明实施方式的一个方式，能够提供一种能够在对用于驱动电动机的电压指令的更新周期不产生影响的情况下进行磁极位置的估计的电动机的磁极位置估计装置以及使用该装置的控制装置。

附图说明

图1是表示第一实施方式涉及的电动机的控制装置的构成的图。

图2A是用于说明空间矢量调制法的图。

图2B是用于说明空间矢量调制法的图。

图3是表示αβ轴坐标系中的电压矢量与φ之间的关系的一例的图。

图4是表示标准电压的时间周期中的变化的图。

图5是表示重叠分量生成部的标准电压生成处理的流程图。

图6是表示从重叠分量生成部输出的标准电压的αβ轴分量的变化的图。

图7是表示磁极位置估计部的构成的图。

图8是表示磁极位置估计部的磁极位置估计处理的流程图。

图9是表示标准电压与载波之间的关系的图。

图10是表示第二实施方式涉及的控制装置的构成的图。

图11是表示第二实施方式涉及的电压矢量和φ之间的关系的一例的图。

图12是表示第二实施方式涉及的标准电压的时间周期中的变化的图。

图13是表示第二实施方式涉及的标准电压的αβ轴分量的变化的图。

图14是表示第二实施方式涉及的重叠分量生成部的标准电压生成处理的流程图。

图15是表示第二实施方式涉及的磁极位置估计部的构成的图。

图16是表示第二实施方式涉及的磁极位置估计部的磁极位置估计处理的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本申请所公开的电动机的磁极位置估计装置以及使用该装置的控制装置的实施方式进行详细说明。此外，电动机的控制装置包括磁极位置估计装置，以下，将电动机的控制装置简单记载为“控制装置”。另外，本发明不限于以下所示的实施方式。

(第一实施方式)

首先，对第一实施方式涉及的控制装置进行说明。图1是表示第一实施方式涉及的控制装置的构成的图。

如图1所示，第一实施方式涉及的控制装置1包括逆变部10、电流检测部20、以及控制部30。该控制装置1被连接在直流电源2与电动机3之间，并将从直流电源2供给的直流电压Vdc由逆变部10转换成交流电压之后向电动机3输出，由此使电动机3动作。

电动机3是具有凸极性的电动机，且包括：具有电枢绕组的定子3a；以及将多个永久磁铁嵌入转子铁芯中并沿周向配置的转子3b。作为这种电动机3，例如，存在嵌入式永磁同步电动机(Interior Permanent Magnet SynchronousMotor：内置式永磁同步电动机)等。

逆变部10具备开关元件Q1～Q6、二极管D1～D6、以及平流电容器C1。开关元件Q1～Q6进行三相桥接，针对每个开关元件Q1～Q6，二极管D1～D6分别反向并联连接。

这种逆变部10基于从控制部30输出的驱动信号S1～S6，控制开关元件Q1～Q6，并将与驱动信号S1～S6相应的电压(以下，记载为驱动电压)输出至电动机3。此外，作为开关元件Q1～Q6，例如，使用IGBT、MOSFET等半导体元件。

电流检测部20检测出在逆变部10与电动机3之间的U相、V相以及W相的各相中流动的电流，并将电流检测值I_U、I_V、I_W作为其检测结果进行输出。电流检测值I_U是U相电流的瞬时值，电流检测值I_V是V相电流的瞬时值，电流检测值I_W是W相电流的瞬时值。此外，作为电流检测部20，例如，可以使用利用了作为电磁转换元件的霍尔元件的电流传感器。

控制部30具备3相/2相坐标转换部31、旋转坐标转换部32、电流指令输出部33、电流控制部34、计数部35、重叠分量生成部36、加法部37、38、驱动信号生成部39、以及磁极位置估计部40。控制部30具备作为磁极位置估计装置的功能，能够估计电动机3中转子3b的磁极位置θ(以下，有时记载为电动机3的磁极位置θ)。

3相/2相坐标转换部31将电流检测值I_U、I_V、I_W转换成固定坐标上的正交的2轴的αβ轴分量，并求出将α轴方向的电流检测值I_α和β轴方向的电流检测值I_β作为矢量分量的αβ轴坐标系的电流矢量。αβ轴坐标系是在电动机3的定子3a上设定的正交坐标系，也称作定子坐标系。此外，也可以在电流检测部20上设置3相/2相坐标转换部31。

旋转坐标转换部32基于电动机3的磁极位置θ，对从3相/2相坐标转换部31中输出的αβ轴坐标系的分量进行坐标转换。由此，旋转坐标转换部32求出作为与转子3b相对应地进行旋转的dq轴旋转坐标系的q轴分量以及d轴分量的q轴电流检测值I_q和d轴电流检测值I_d，并向电流控制部34输出。此外，电动机3的磁极位置θ是从αβ轴坐标系观察到的磁极位置。

电流指令输出部33基于从外部输入的转矩指令T*，生成q轴电流指令I_q*和d轴电流指令I_d*，并向电流控制部34输出。q轴电流指令I_q*是q轴分量的电流指令，d轴电流指令I_d*是d轴分量的电流指令。

电流控制部34基于q轴电流指令I_q*、d轴电流指令I_d*、q轴电流检测值I_q、d轴电流检测值I_d以及电动机3的磁极位置θ，将αβ轴坐标系的α轴指令分量V_α*和β轴指令分量V_β*作为驱动电压，生成并输出。

具体而言，电流控制部34以使q轴电流指令I_q*和q轴电流检测值I_q的偏差为零的方式，调整q轴电压指令V_q*，以使d轴电流指令I_d*和d轴电流检测值I_d的偏差为零的方式，调整d轴电压指令V_d*。另外，电流控制部34基于电动机3的磁极位置θ，将q轴电压指令V_q*和d轴电压指令V_d*转换成αβ轴坐标系的分量，并生成作为驱动电压指令的α轴指令分量V_α*和β轴指令分量V_β*。

计数部35将后述的时间周期T作为4周期量，将内部的计数值CNT累加或者重置，并生成0～3的计数值CNT。具体而言，计数部35在时刻t＝nT(n＝0、1、2、3、…)时，设CNT＝0，在时刻t＝T/4+nT时，设CNT＝1，在时刻t＝T/2+nT时，设CNT＝2，在时刻t＝3T/4+nT时，设CNT＝3。计数部35将所生成的计数值CNT向重叠分量生成部36以及磁极位置估计部40输出。

作为用于重叠于α轴指令分量V_α*和β轴指令分量V_β*的重叠电压指令，重叠分量生成部36生成电压矢量V_h(以下，也记载为标准电压V_h)。具体而言，重叠分量生成部36针对每个规定周期，生成αβ轴坐标系中的矢量的方向相对于上次所生成的标准电压V_h相差90度的标准电压V_h。这种标准电压V_h由作为α轴分量的α轴指令分量V_αh和作为β轴分量的β轴指令分量V_βh构成。

加法部37向驱动信号生成部39输出α轴指令分量V_α1*，该α轴指令分量V_α1*是将从电流控制部34输入的α轴指令分量V_α*和从重叠分量生成部36输入的α轴指令分量V_αh累加所生成的。另外，加法部38向驱动信号生成部39输出β轴指令分量V_β1*，该β轴指令分量V_β1*是将从电流控制部34输入的β轴指令分量V_β*和从重叠分量生成部36输入的β轴指令分量V_βh累加所生成的。

驱动信号生成部39基于从加法部37、38输出的α轴指令分量V_α1*和β轴指令分量V_β1*，使用空间矢量调制法来生成驱动逆变部10的驱动信号S1～S6。

图2A和图2B是用于说明空间矢量调制法的图，在这些图中，任意地设定的时间周期T_S由2T_V表示。在图2A中，示出了空间矢量调制中的电压矢量V₀～V₇，在该图所示的例子中，由α轴指令分量V_α1*和β轴指令分量V_β1*规定的电压指令矢量Vs*使用两个相邻的电压矢量V₁、V₂形成。

电压矢量V₁(100)在逆变部10中，设U相的上侧开关元件Q1为接通，设U相的下侧开关元件Q4为切断，设V相和W相的上侧开关元件Q2、Q3为切断，设V相和W相的下侧开关元件Q5、Q6为接通。另一方面，电压矢量V₂(110)设U相和V相的上侧开关元件Q1、Q2为接通，设U相和V相的下侧开关元件Q4、Q5为切断，设W相的上侧开关元件Q3为切断，设W相的下侧开关元件Q6为接通。

时间周期T中的各相的开关状态，如图2B所示。图2B所示的接通时间t₁、t₂通过下述式(1)、(2)计算出。此外，在下述式(1)、(2)中，θ_V是从电压矢量V₁至电压指令矢量Vs*为止的相位角，|V_s*|是电压指令矢量Vs*的振幅，V_max是逆变部10的输出最大电压。

[数1]

$t_1=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\left|{V_s}^{*}\right|}{V_{\max }}{T}_s\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{3}-{\mathrm{\θ}}_v)...\left(1\right)$

$t_2=\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\left|{V_s}^{*}\right|}{V_{\max }}{T}_s\·\sin {\mathrm{\θ}}_v...\left(2\right)$

在驱动信号生成部39中，电压指令矢量Vs*的更新针对任意设定的时间周期T_S的每半周期T_V进行，关于切断时间t₀、t₇，分割从半周期T_V减去接通时间t₁、t₂得到的剩余时间来设定。其他象限也同样地，设定电压指令矢量Vs*。

磁极位置估计部40基于从3相/2相坐标转换部31输入的电流检测值I_α、I_β的变化量，估计电动机3的磁极位置θ，并将该估计结果输出至旋转坐标转换部32和电流控制部34。

控制装置1使用重叠分量生成部36在规定周期生成的相位各相差90度的标准电压V_h、以及在电动机3的各相中流动的电流，能够在对用于驱动电动机3的驱动电压指令的更新周期不产生影响的情况下，容易地估计电动机3的磁极位置θ。以下，对磁极位置θ的估计，更具体地进行说明。

首先，关于具有凸极性的电动机3，αβ轴坐标系中的电流和电压方程式可以表示为下述式(3)。此外，V_α、V_β表示电动机3的电压的αβ轴坐标系中的各分量。I_α、I_β表示在电动机3中流动的电流的αβ轴坐标系中的各分量。R表示电动机3的电枢电阻，L和I表示电动机3的电枢反作用的电感。另外，K_e表示电动机3的感应电压常数，ωr表示磁极转速。

[数2]

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=R\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}L+1\cos 2\mathrm{\θ}& 1\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}& L-1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]\\ +\frac{d}{\mathrm{dt}}\left\{\left[\begin{array}{cc}L+1\cos 2\mathrm{\θ}& 1\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}& L-1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\right\}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+K_e\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ω}}_r\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ω}}_r\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\end{array}...\left(3\right)$

在此，作为逆变部10的输出电压，可考虑基于作为驱动电压指令的q轴电压指令Vq*以及d轴电压指令Vd*的驱动电压中包含标准电压V_h。例如，如图3所示，在αβ轴坐标系中，重叠电压矢量V_h0，在一定时间后重叠电压矢量V_h1。图3是表示αβ轴坐标系中电压矢量V_h0、V_h1与φ之间的关系的一例的图。

电压矢量V_h0是在α轴的正向上相位差为φ[deg]并且振幅为V_inj1(＞0)的矢量，表示为下述式(4)。另外，电压矢量V_h1是在α轴的正向上相位差为φ+90[deg]并且振幅为V_inj1(＞0)的矢量，表示为下述式(5)。

[数3]

$V_{h0}=\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{inj}1}\cos \mathrm{\φ}\\ V_{\mathrm{inj}1}\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right]...\left(4\right)$

$V_{h1}=\left[\begin{array}{c}-V_{\mathrm{inj}1}\sin \mathrm{\φ}\\ V_{\mathrm{inj}1}\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]...\left(5\right)$

重叠的两个电压矢量之间的时间间隔与驱动电压周期相比充分短时，在上述式(3)中去除了驱动电压频率的分量之后的电流和电压方程式能够近似为下述式(6)。

[数4]

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L+1\cos 2\mathrm{\θ}& 1\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}& L-1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+K_e\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ω}}_r\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ω}}_r\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]...\left(6\right)$

另外，在电动机3的转速为低速或中速时，可以忽略电动机3的感应电压，上述式(6)能够近似为下述式(7)。

[数5]

$\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L+1\cos 2\mathrm{\θ}& 1\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}& L-1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]...\left(7\right)$

上述式(7)关于电流可以改写为下述式(8)。

[数6]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{1}{L^2-1^2}\left[\begin{array}{cc}L-1\cos 2\mathrm{\θ}& -1\sin 2\mathrm{\θ}\\ -1\sin 2\mathrm{\θ}& L+1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]...\left(8\right)$

在此，如果将上述式(4)所示的电压矢量V_h0的重叠时刻设为时刻t_h0、将上述式(5)所示的电压矢量V_h1的重叠时刻设为时刻t_h1，则时刻t_h0和时刻t_h1下的电流和电压方程式分别可以表示为下述式(9)、(10)。

[数7]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}}\\ I_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}}\end{array}\right]=\frac{V_{\mathrm{inj}1}}{L^2-1^2}\left[\begin{array}{c}(L-1\cos 2\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\φ}-1\sin 2\mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}\\ -1\sin 2\mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}-(L+1\cos 2\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right]...\left(9\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}\\ I_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}\end{array}\right]=\frac{V_{\mathrm{inj}1}}{L^2-1^2}\left[\begin{array}{c}-(L-1\cos 2\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\φ}-1\sin 2\mathrm{\θ}\·\cos \mathrm{\φ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}\·\sin \mathrm{\φ}+(L+1\cos 2\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]...\left(10\right)$

另外，由上述式(9)、(10)，可以导出下述式(11)的关系式。

[数8]

$\left[\begin{array}{cc}21\sin \mathrm{\φ}& 21\cos \mathrm{\φ}\\ 21\cos \mathrm{\φ}& -21\sin \mathrm{\φ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]=\frac{L^2-1^2}{V_{\mathrm{inj}1}}\left[\begin{array}{cc}\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}& -\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}}\\ -\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}& -\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}}\end{array}\right]...\left(11\right)$

上述式(11)关于电动机3的磁极位置θ可以改写为下述式(12)，因此，只要检测到时刻t_h0和时刻t_h1下的各相的电流变化，就能够估计电动机3的磁极位置θ。

[数9]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left\{\frac{-\sin \mathrm{\φ}(\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}})-\cos \mathrm{\φ}(-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}})}{-\cos \mathrm{\φ}(\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}})+\sin \mathrm{\φ}(-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}})}\right\}...\left(12\right)$

在此，如果将φ设为0、90、180、270[deg]的任一者，则能够通过更简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。即，上述式(12)在φ＝0[deg]时，可以表示为下述式(13)，在φ＝90[deg]时，可以表示为下述式(14)，在φ＝180[deg]时，可以表示为下述式(15)，在φ＝270[deg]时，可以表示为下述式(16)。

[数10]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}}}{-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}}}\right)...\left(13\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}}}{-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}}}\right)...\left(14\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}}}{\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}}}\right)...\left(15\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h1}}-\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h0}}}{\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{t=t_{h1}}+\frac{d}{\mathrm{dt}}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{t=t_{h0}}}\right)...\left(16\right)$

因此，将电压矢量V_h0重叠，以便成为φ＝0、90、180、270[deg]的任一状态，之后，将电压矢量V_h1重叠，由此能够通过更简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。

另外，对在时刻t_h1在α轴的正向上重叠相位差φ+90[deg]的电压矢量V_h1的情况进行了说明，但对于在时刻t_h1在α轴的正向上重叠相位差φ－90[deg]的电压矢量V_h1，同样地，能够通过更简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。

如此，在时刻t_h0将电压矢量V_h0重叠于φ为0、90、180、270[deg]的任一相位之后，在时刻t_h1将电压矢量V_h1重叠于φ+90[deg]或φ－90[deg]的相位。然后，检测出时刻t_h0和时刻t_h1下的各相的电流变化，例如，通过使用基于上述式(13)～(16)的运算，能够更简单地估计电动机3的磁极位置θ。

因此，重叠分量生成部36如下述式(17)所示，生成时间周期T＝4T_V的标准电压V_h，并重叠于由α轴指令分量V_α*和β轴指令分量V_β*规定的驱动电压指令上。T_V是进行空间矢量调制的驱动信号生成部39的更新周期。

[数11]

如上述式(17)所示，通过设定从重叠分量生成部36输出的标准电压V_h的α轴指令分量V_αh和β轴指令分量V_βh，如图4所示，能够在α轴和β轴上在抵消的方向上输出标准电压V_h。图4是表示标准电压V_h的时间周期T中的变化的图。因此，能够将时间周期T中的平均电压设为0，由此，能够减小转矩波动。

在此，参照图5和图6，更具体地说明重叠分量生成部36的构成和动作。图5是表示从重叠分量生成部36输出的标准电压V_h的αβ轴分量即V_αh、V_βh的变化的图，图6是表示重叠分量生成部36的标准电压生成处理的流程图。

如图5所示，重叠分量生成部36基于作为计数值CNT按照0、1、2、3的顺序反复输出的计数部35的计数值CNT，生成标准电压V_h的α轴分量以及β轴分量即α轴指令分量V_αh和β轴指令分量V_βh。

具体而言，如图6所示，重叠分量生成部36判定计数部35的计数值CNT(步骤S10)，当计数值CNT＝0时，生成V_αh＝+V_inj1和V_βh＝0的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S11)。当计数值CNT＝1时，重叠分量生成部36生成V_αh＝0和V_βh＝+V_inj1的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S12)。

另外，当计数值CNT＝2时，重叠分量生成部36生成V_αh＝－V_inj1和V_βh＝0的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S13)。当计数值CNT＝3时，重叠分量生成部36生成V_αh＝0和V_βh＝－V_inj1的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S14)。

如此，重叠分量生成部36在αβ轴坐标系中在每个时间周期T_v，生成相对于上次生成的标准电压V_h呈90度方向的标准电压V_h。此外，重叠分量生成部36还能够在αβ轴坐标系中在每个时间周期T_v，生成相对于上次生成的标准电压V_h呈－90度方向的标准电压V_h。

磁极位置估计部40估计时刻t＝nT(n＝1、2、3、…)下的磁极位置θ、时刻t＝T/4+nT下的磁极位置θ、时刻t＝T/2+nT下的磁极位置θ、时刻t＝3T/4+nT下的磁极位置θ。此外，磁极位置估计部40在计数部35的计数值CNT变化后经过规定时间后，进行计数值CNT的判定处理，以便能够检测出与由重叠分量生成部36生成的标准电压V_h相应的电流。

图7是表示磁极位置估计部40的构成的图。如图7所示，磁极位置估计部40具备差分运算部50、51、一样本延迟部52、53、以及θ运算部54，并将T/4作为样本周期进行动作。

差分运算部50从3相/2相坐标转换部31中获得α轴分量电流检测值I_α，并对该电流检测值I_α与一样本时间(＝T/4)之前获得的电流检测值I_α的差分值ΔI_α进行运算而输出。另外，差分运算部51从3相/2相坐标转换部31中获得β轴分量电流检测值I_β，并对该电流检测值I_β与一样本时间之前获得的电流检测值I_β的差分值ΔI_β进行运算而输出。

一样本延迟部52使从差分运算部50输出的差分值ΔI_α延迟一样本时间量，并向θ运算部54输出。另外，一样本延迟部53使从差分运算部51输出的差分值ΔI_β延迟一样本时间量，并向θ运算部54输出。

θ运算部54基于从差分运算部50、51输出的差分值ΔI_α、ΔI_β与从一样本延迟部52、53输出的一样本时间前的差分值ΔI_α、ΔI_β，来估计磁极位置θ。

图8是表示磁极位置估计部40的磁极位置估计处理的流程图。以下，ΔI_αh2＝I_αh2－I_αh1、ΔI_βh2＝I_βh2－I_βh1、ΔI_αh1＝I_αh1－I_αh0、ΔI_βh1＝I_βh1－I_βh0。

如图8所示，磁极位置估计部40判定计数部35的计数值CNT(步骤S20)。

当计数值CNT＝0时，磁极位置估计部40基于下述式(18)来运算磁极位置θ(步骤S21)。下述式(18)是在上述式(13)中将电流1次微分用电流差分近似的公式。

[数12]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}2}-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}1}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}2}-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}1}}\right)...\left(18\right)$

在上述式(18)中，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0分别是时刻t＝nT、－T/4+nT、－T/2+nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0分别是时刻t＝nT、－T/4+nT、－T/2+nT下的β轴分量的电流检测值。

另外，当计数值CNT＝1时，磁极位置估计部40基于下述式(19)运算磁极位置θ(步骤S22)。下述式(19)是在上述式(14)中将电流1次微分用电流差分近似的公式。

[数13]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}2}-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}1}}{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}2}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}1}}\right)...\left(19\right)$

此外，当计数值CNT＝0时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0分别是时刻t＝T/4+nT、nT、－T/4+nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0分别是时刻t＝T/4+nT、nT、－T/4+nT下的β轴分量的电流检测值。

另外，当计数值CNT＝2时，磁极位置估计部40基于下述式(20)运算磁极位置θ(步骤S23)。下述式(20)是在上述式(15)中将电流1次微分用电流差分近似的公式。

[数14]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}2}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}1}}{-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}2}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}1}}\right)...\left(20\right)$

此外，当计数值CNT＝2时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0分别是时刻t＝T/2+nT、T/4+nT、nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0分别是时刻t＝T/2+nT、T/4+nT、nT下的β轴分量的电流检测值。

另外，当计数值CNT＝3时，磁极位置估计部40基于下述式(21)运算磁极位置θ(步骤S24)。下述式(21)是在上述式(16)中将电流1次微分用电流差分近似的公式。

[数15]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}2}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}1}}{-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\αh}2}-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{\βh}1}}\right)...\left(21\right)$

此外，当计数值CNT＝3时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0分别是时刻t＝3T/4+nT、T/2+nT、T/4+nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0分别是时刻t＝3T/4+nT、T/2+nT、T/4+nT下的β轴分量的电流检测值。

如上所述，在第一实施方式涉及的控制装置1中，具备重叠分量生成部36和磁极位置估计部40。重叠分量生成部36作为与αβ轴坐标系的α轴或β轴平行的方向的矢量生成标准电压V_h，并且在规定周期生成矢量的方向相对于上次生成的标准电压V_h相差90度的标准电压V_h。

由重叠分量生成部36生成的标准电压V_h作为重叠电压指令被重叠于驱动电压指令之后，被输入至逆变部10。由此，逆变部10基于重叠了重叠电压指令的驱动电压指令，向电动机3输出驱动电压。磁极位置估计部40在规定周期检测出在电动机3的各相中流动的电流，并基于各相的电流变化量，估计电动机3的磁极位置θ。

如此，在控制装置1中，能够在每个规定周期生成所希望的标准电压V_h，并能够基于电动机3的各相的电流变化量来进行磁极位置θ的估计。

因此，在第一实施方式涉及的控制装置1中，能够容易地进行磁极位置θ的估计，并且，也不会对用于驱动电动机3的驱动电压指令的更新周期产生影响。而且，能够在标准电压V_h的重叠开始之后时间周期T的3/4的时间估计电动机3的磁极位置θ，并且能够在时间周期T的1/4的时间重复地估计电动机3的磁极位置θ，因此能够提高磁极位置估计的响应性。

在上述内容中，对在驱动信号生成部39中使用空间矢量调制法来生成驱动逆变部10的驱动信号S1～S6的例子进行了说明，但也可以在驱动信号生成部39中使用载波比较调制法(PWM调制法)来生成驱动信号S1～S6。

此时，计数部35使时间周期T为载波的时间周期T_c的2倍的长度，使时间周期T为4周期量，来改变计数值CNT。计数部35改变计数值CNT的时刻如图9所示，是载波的波峰和波谷。图9是表示在驱动信号生成部39中使用载波比较调制法生成驱动信号S1～S6时的标准电压V_h(α轴指令分量V_αh和β轴指令分量V_βh)与载波之间的关系的图。

重叠分量生成部36基于来自计数部35的计数值CNT，生成在α轴指令分量V_α*和β轴指令分量V_β*上重叠的时间周期T＝2T_c为4周期量的标准电压V_h。由于计数值CNT在载波的波峰和波谷被变更，因此标准电压V_h的α轴指令分量V_αh和β轴指令分量V_βh按照图5所示的流程图在载波的波峰和波谷被变更。

驱动信号生成部39基于从加法部37、38输入的α轴指令分量V_α1*和β轴指令分量V_β1*，求出输出电压指令V_U*、V_V*、V_W*。然后，驱动信号生成部39将输出电压指令V_U*、V_V*、V_W*和时间周期T_c的载波进行比较来生成作为PWM信号的驱动信号S1～S6，并向逆变部10输出。

磁极位置估计部40基于从计数部35输入的计数值CNT，按照图8所示的流程图，估计时刻t＝nT、T/4+nT、T/2+nT、3T/4+nT下的各电动机3的磁极位置θ。

如此，即使在驱动信号生成部39中使用载波比较调制法来生成了驱动信号S1～S6的情况，也与使用空间矢量调制法来生成驱动信号S1～S6的情况同样地，能够容易地估计电动机3的磁极位置θ。

此外，在上述内容中，当使用了空间矢量调制法时，设时间周期T＝4T_V，当使用了载波比较调制法时，设时间周期T＝2T_c，但时间周期T的长度不限于该例。例如，当使用了空间矢量调制法时，可以设时间周期T＝4mT_V(m为2以上的整数)，当使用了载波比较调制法时，可以设时间周期T＝2mT_c(m为2以上的整数)。

另外，在上述内容中，重叠分量生成部36以使相位差在正方向上各相差90度的方式在规定周期生成标准电压V_h，但基于重叠分量生成部36的标准电压V_h的生成方法不限于此。例如，也可以是，重叠分量生成部36以使αβ轴坐标系中的矢量方向在负方向上具有各90度的相位差的方式，在规定周期生成标准电压V_h，由此，也能够减小转矩波动，并且能够通过更简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。

另外，重叠分量生成部36也可以使相位差为90度的标准电压V_h的方向在每个周期mT(m为自然数)在正方向和负方向上颠倒，由此，也能够减小转矩波动。

另外，重叠分量生成部36也能够以使相位差在正方向和负方向上相互不同的方式生成标准电压V_h。此外，该情况下，转矩波动的降低效果减小，但由于能够基于上述运算式进行磁极位置估计部40对磁极位置θ的估计，因此能够容易地进行磁极位置θ的估计。

另外，在第一实施方式涉及的控制装置1中，当电动机3的转速为低速或中速时，能够忽略电动机3的感应电压，因此使用近似成上述式(6)的上述式(7)。但是，即使电动机3的转速为高速的情况下，通过在磁极位置估计部40中设置除去电动机3的感应电压分量的滤波器，也能够同样地进行磁极位置θ的估计。

另外，在上述内容中，从计数部35向重叠分量生成部36以及磁极位置估计部40输出计数值CNT，但也可以在重叠分量生成部36以及磁极位置估计部40中分别设置生成计数值CNT的计数器。

另外，在上述内容中，作为逆变部10的一例，对二电平逆变器的构成(图1)进行了说明，但作为逆变部10，也可以使用三电平逆变器等多电平逆变器、矩阵变换器，并且能够进行其他各种变更。

(第二实施方式)

接下来，对第二实施方式涉及的控制装置进行说明。第二实施方式涉及的控制装置与第一实施方式涉及的控制装置1的不同之处在于，基于重叠分量生成部的标准电压V_h的生成方法、基于磁极位置估计部的磁极位置θ的估计方法。

图10是表示第二实施方式涉及的控制装置的构成的图。此外，在图10中，为了避免重复说明，仅示出了与第一实施方式涉及的控制装置1不同的控制部30A的构成，其他的构成省略。另外，对与第一实施方式相同的构成标记相同附图标记，适当省略重复的说明。

如图10所示，第二实施方式涉及的控制装置1A具备3相/2相坐标转换部31、旋转坐标转换部32、电流指令输出部33、电流控制部34、计数部35、重叠分量生成部36A、加法部37、38、驱动信号生成部39、以及磁极位置估计部40A。控制装置1A除了重叠分量生成部36A和磁极位置估计部40A以外，具有与第一实施方式涉及的控制装置1相同的构成。

如上所述，在具有凸极性的电动机3中，电动机3的定子3a上设定的αβ轴坐标系中的电流和电压方程式可以表示为上述式(3)。另外，当重叠的两个电压矢量之间的时间间隔与驱动电压周期相比充分短时，去除了驱动电压频率的分量的上述式(3)的电流和电压方程式可以近似为下述式(22)。该式(22)与上述式(6)相同。

[数16]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{1}{L^2-1^2}\left[\begin{array}{cc}L-1\cos 2\mathrm{\θ}& -1\sin 2\mathrm{\θ}\\ -1\sin 2\mathrm{\θ}& L+1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]...\left(22\right)$

当对上述式(22)进行时间微分时，可以获得下述式(23)。

[数17]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L+1\cos 2\mathrm{\θ}& 1\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}& L-1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+K_e\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ω}}_r\sin \mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ω}}_r\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]...\left(23\right)$

如果假定电动机3中的旋转加速度比上述式(23)的右边第一项充分小，则上述式(23)能够近似成下述式(24)。

[数18]

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}L+1\cos 2\mathrm{\θ}& 1\sin 2\mathrm{\θ}\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}& L-1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]...\left(24\right)$

关于电流，上述式(24)可以改写为下述式(25)。

[数19]

$\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{1}{L^2-1^2}\left[\begin{array}{cc}L-1\cos 2\mathrm{\θ}& -1\sin 2\mathrm{\θ}\\ -1\sin 2\mathrm{\θ}& L+1\cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\α}}\\ V_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]...\left(25\right)$

在此，作为逆变部10的输出电压，考虑在基于作为驱动电压指令的q轴电压指令Vq*和d轴电压指令Vd*的驱动电压中包含标准电压Vh。例如，如图11所示，在αβ轴坐标系中，将电压矢量V_h0、V_h1、V_h2按照该顺序以固定周期重叠。图11是表示αβ轴坐标系中的电压矢量V_h0、V_h1、V_h2与φ之间的关系的一例的图。

电压矢量V_h0是从α轴的正向起相位差为φ[deg]的矢量，电压矢量V_h1是从α轴的正向起相位差为φ+90[deg]的矢量，电压矢量V_h2是从α轴的正向起相位差为φ+180[deg]的矢量。另外，电压矢量V_h0、V_h1、V_h2是振幅V_inj2(＞0)的矢量。

电压矢量V_h0和电压矢量V_h1的差分矢量ΔV_h0(＝V_h0―V_h1)表示为下述式(26)，电压矢量V_h1和电压矢量V_h2的差分矢量ΔV_h1(＝V_h1―V_h2)表示为下述式(27)。

[数20]

$\mathrm{\Δ}{V}_{h0}=\sqrt{2}\left[\begin{array}{c}-V_{\mathrm{inj}2}\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ V_{\mathrm{inj}2}\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]...\left(26\right)$

$\mathrm{\Δ}{V}_{h1}=\sqrt{2}\left[\begin{array}{c}-V_{\mathrm{inj}2}\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ -V_{\mathrm{inj}2}\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]...\left(27\right)$

设电压矢量V_h0的重叠时刻为时刻t_h0，设电压矢量V_h1的重叠时刻为时刻t_h1＝t_h0+Δt，设电压矢量V_h0的重叠时刻为时刻t_h2＝t_h0+2Δt。另外，将电压微分矢量用差分矢量近似。该情况下，根据上述式(26)、(27)所示的差分矢量，时刻t_h1和时刻t_h2下的电流和电压方程式可以分别表示为下述式(28)、(29)。

[数21]

$\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}}\\ I_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{inj}2}}{(L^2-1^2)\mathrm{\Δt}}\left[\begin{array}{c}-(L-1\cos 2\mathrm{\θ})\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})-1\sin 2\mathrm{\θ}\·\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}\·\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})+(L+1\cos 2\mathrm{\θ})\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]...\left(28\right)$

$\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}\\ I_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}{V}_{\mathrm{inj}2}}{(L^2-1^2)\mathrm{\Δt}}\left[\begin{array}{c}-(L-1\cos 2\mathrm{\θ})\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})+1\sin 2\mathrm{\θ}\·\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ 1\sin 2\mathrm{\θ}\·\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})-(L+1\cos 2\mathrm{\θ})\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]...\left(29\right)$

另外，根据上述式(28)、(29)，能够导出下述式(30)的关系式。

[数22]

$\left[\begin{array}{cc}21\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})& -21\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ 21\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})& 21\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\sin 2\mathrm{\θ}\\ \cos 2\mathrm{\θ}\end{array}\right]=\frac{L^2-1^2}{V_{\mathrm{inj}2}}\left[\begin{array}{c}\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}}\\ \frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}}\end{array}\right]...\left(30\right)$

关于电动机3的磁极位置θ，上述式(30)可以改写为下述式(31)。因此，只要能够检测出时刻t_h1和时刻t_h2下的各相的电流变化，就能够估计电动机3的磁极位置θ。

[数23]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left\{\frac{\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})(\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}})+\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})(\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}})}{-\sin (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})(\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}})+\cos (\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})(\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}})}\right\}...\left(31\right)$

在此，如果设φ为45、135、225、315[deg]的任一个，如下所述，能够通过更简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。即，当φ＝45[deg]时，上述式(31)可以表示为下述式(32)，当φ＝135[deg]时，上述式(31)可以表示为下述式(33)，当φ＝225[deg]时，上述式(31)可以表示为下述式(34)，当φ＝315[deg]时，上述式(31)可以表示为下述式(35)。

[数24]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}}}{-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}}}\right)...\left(32\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}}}{-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}}}\right)...\left(33\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}}}{\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}}}\right)...\left(34\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h2}}-\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h1}}}{\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\α}}{|}_{{t=t}_{h2}}+\frac{d^2}{{\mathrm{dt}}^2}{I}_{\mathrm{\β}}{|}_{{t=t}_{h1}}}\right)...\left(35\right)$

因此，将电压矢量V_h0重叠，以使成为φ＝45、135、225、315[deg]的任一状态，并在一定期间后，将相对于电压矢量V_h0呈90[deg]的相位差的电压矢量V_h1重叠。进一步，在一定期间之后，将相对于电压矢量V_h1呈90[deg]的相位差的电压矢量V_h2重叠。由此，能够通过更简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。

另外，对在时刻t_h1将从α轴的正向起相位差为φ+90[deg]的电压矢量V_h1重叠、在时刻t_h2将从α轴的正向起相位差为φ+180[deg]的电压矢量V_h1重叠的情况进行了说明，但本发明不限于此。例如，即使在时刻t_h1将从α轴的正向起相位差为φ－90[deg]的电压矢量V_h1重叠、在时刻t_h2将从α轴的正向起相位差为φ－180[deg]的电压矢量V_h1重叠，也同样地，能够通过简单的运算式估计电动机3的磁极位置θ。

如此，在时刻t_h0将φ设定成0、90、180、270[deg]的任一个并将电压矢量V_h0重叠之后，在时刻t_h1，设φ+90[deg](或者φ－90[deg])，将电压矢量V_h1重叠。另外，在时刻t_h2，设φ+180[deg](或者φ－180[deg])，将电压矢量V_h2重叠。然后，根据时刻t_h0和时刻t_h1下的各相的电流变化以及时刻t_h1和时刻t_h2下的各相的电流变化，检测出二次差分值，通过基于上述式(32)～(35)等简单的运算式的运算，能够估计电动机3的磁极位置θ。

因此，重叠分量生成部36A如下述式(36)所示，生成时间周期T＝4T_V的标准电压V_h，并重叠于由α轴指令分量V_α*以及β轴指令分量V_β*规定的驱动电压指令。T_V是进行空间矢量调制的驱动信号生成部39的更新周期。

[数25]

通过如上述式(36)所示地设定从重叠分量生成部36A输出的标准电压V_h，如图12所示，能够在α轴和β轴上在相互抵消方向上输出标准电压V_h。图12是表示标准电压V_h的时间周期T中的变化的图。因此，能够将时间周期T中的平均电压设为0，由此，能够减小转矩波动。

参照图13和图14进一步对重叠分量生成部36A的构成和动作进行具体说明。图13是表示从重叠分量生成部36A输出的标准电压V_h的αβ轴分量即V_αh、V_βh的变化的图，图14是表示重叠分量生成部36A的标准电压生成处理的流程图。

如图13所示，重叠分量生成部36A基于作为计数值CNT按照0、1、2、3的顺序反复输出的计数部35的计数值CNT，生成标准电压V_h的α轴分量和β轴分量即α轴指令分量V_αh和β轴指令分量V_βh。

具体而言，如图14所示，重叠分量生成部36A判定计数部35的计数值CNT(步骤S30)，当计数值CNT＝0时，生成V_αh＝+V_inj2和V_βh＝+V_inj2的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S31)。当计数值CNT＝1时，重叠分量生成部36A生成V_αh＝－V_inj2和V_βh＝+V_inj2的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S32)。

另外，当计数值CNT＝2时，重叠分量生成部36A生成V_αh＝－V_inj2以及V_βh＝－V_inj2的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S33)。当计数值CNT＝3时，重叠分量生成部36A生成V_αh＝+V_inj2以及V_βh＝－V_inj2的标准电压V_h，并向加法部37、38输出(步骤S34)。

如此，重叠分量生成部36在αβ轴坐标系中在每个时间周期T_v，反复生成相对于上次生成的标准电压V_h呈90度方向的标准电压V_h。此外，重叠分量生成部36A还能够在αβ轴坐标系中在每个时间周期T_v，反复生成相对于上次生成的标准电压V_h呈－90度方向的标准电压V_h。

磁极位置估计部40A估计时刻t＝nT(n＝1、2、3、…)下的磁极位置θ、时刻t＝T/4+nT下的磁极位置θ、时刻t＝T/2+nT下的磁极位置θ、以及时刻t＝3T/4+nT下的磁极位置θ。

图15是表示磁极位置估计部40A的构成的图。如图15所示，磁极位置估计部40A具备差分运算部60～63、一样本延迟部64、65、以及θ运算部66，并以T/4作为样本周期进行动作。

差分运算部60从3相/2相坐标转换部31中获得α轴分量的电流检测值I_α，并对该电流检测值I_α与一样本时间(＝T/4)之前获得的电流检测值I_α的差分值ΔI_α进行运算而输出。另外，差分运算部61从3相/2相坐标转换部31中获得β轴分量的电流检测值I_β，并对该电流检测值I_β与时间T/4之前获得的电流检测值I_β的差分值ΔI_β进行运算而输出。

差分运算部62从差分运算部60获得差分值ΔI_α，并对该差分值ΔI_α与一样本时间之前获得的差分值ΔI_α的二次差分值Δ²I_α进行运算而输出。另外，差分运算部63从差分运算部61中获得差分值ΔI_β，并对该差分值ΔI_β与一样本时间之前获得的差分值ΔI_β的二次差分值Δ²I_β进行运算而输出。

一样本延迟部64使从差分运算部62输出的二次差分值Δ²I_α延迟一样本时间量，并向θ运算部66输出。另外，一样本延迟部65使从差分运算部63输出的二次差分值Δ²I_β延迟一样本时间量，并向θ运算部66输出。

θ运算部66基于从差分运算部62、63输出的二次差分值Δ²I_α、Δ²I_β、从一样本延迟部64、65输出的一样本时间前的二次差分值Δ²I_α、Δ²I_β，估计磁极位置θ。

图16是表示磁极位置估计部40A的磁极位置估计处理的流程图。此外，在下面，Δ²I_αh2＝ΔI_αh2－ΔI_αh1、Δ²I_βh2＝ΔI_βh2－ΔI_βh1、Δ²I_αh1＝ΔI_αh1－ΔI_αh0、Δ²I_βh1＝ΔI_βh1－ΔI_βh0。另外，ΔI_αh2＝I_αh2－I_αh1、ΔI_βh2＝I_βh2－I_βh1、ΔI_αh1＝I_αh1－I_αh0、ΔI_βh1＝I_βh1－I_βh0、ΔI_αh0＝I_αh0－I_αh－1、ΔI_βh0＝I_βh0－I_βh－1。

如图16所示，磁极位置估计部40A判定计数部35的计数值CNT(步骤S40)。

当计数值CNT＝0时，磁极位置估计部40A基于下述式(37)估计电动机3的磁极位置θ(步骤S41)。下述式(37)是在上述式(32)中将电流二次微分用电流差分近似的公式。

[数26]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}2}-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}1}}{{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}2}+{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}1}}\right)...\left(37\right)$

此外，当计数值CNT＝0时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0、I_αh－1分别是时刻t＝nT、－T/4+nT、－T/2+nT、－3T/4+nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0、I_βh－1分别是时刻t＝nT、－T/4+nT、－T/2+nT、－3T/4+nT下的β轴分量的电流检测值。

另外，当计数值CNT＝1时，磁极位置估计部40A基于下述式(38)估计电动机3的磁极位置θ(步骤S42)。此外，下述式(38)是在上述式(33)中将电流二次微分用电流差分近似的公式。

[数27]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}2}+{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}1}}{-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}2}+{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}1}}\right)...\left(38\right)$

此外，当计数值CNT＝1时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0、I_αh－1分别是时刻t＝T/4+nT、nT、－T/4+nT、－T/2+nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0、I_βh－1分别是时刻t＝T/4+nT、nT、－T/4+nT、－T/2+nT下的β轴分量的电流检测值。

另外，当计数值CNT＝2时，磁极位置估计部40A基于下述式(39)，估计电动机3的磁极位置θ(步骤S43)。此外，下述式(39)是在上述式(34)中将电流二次微分用电流差分近似的公式。

[数28]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}2}+{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}1}}{-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}2}-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}1}}\right)...\left(39\right)$

此外，当计数值CNT＝2时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0、I_αh－1分别是时刻t＝T/2+nT、T/4+nT、nT、－T/4+nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0、I_βh－1分别是时刻t＝T/2+nT、T/4+nT、nT、－T/4+nT下的β轴分量的电流检测值。

另外，当计数值CNT＝3时，磁极位置估计部40A基于下述式(40)估计电动机3的磁极位置θ(步骤S44)。此外，下述式(40)是在上述式(35)中将电流二次微分用电流差分近似的公式。

[数29]

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{{-\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}2}-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}1}}{{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\βh}2}-{\mathrm{\Δ}}^2{I}_{\mathrm{\αh}1}}\right)...\left(40\right)$

此外，当计数值CNT＝3时，电流检测值I_αh2、I_αh1、I_αh0、I_αh－1分别是时刻t＝3T/4+nT、T/2+nT、T/4+nT、nT下的α轴分量的电流检测值。另外，电流检测值I_βh2、I_βh1、I_βh0、I_βh－1分别是时刻t＝3T/4+nT、T/2+nT、T/4+nT、nT下的β轴分量的电流检测值。

在步骤S41～S44中，磁极位置估计部40A设从差分运算部62、63输出的差分值Δ²I_α、Δ²I_β为Δ²i_αh1、Δ²i_βh1，设从一样本延迟部64、65输出的一样本时间前的差分值Δ²I_α、Δ²I_β为Δ²i_αh2、Δ²i_βh2，来进行上述式(37)～(40)的运算，由此估计电动机3的磁极位置θ。

如上所述，在第二实施方式涉及的控制装置1A中，具备重叠分量生成部36A和磁极位置估计部40A。重叠分量生成部36A作为相对于αβ轴坐标系的α轴或β轴具有45度的相位差的矢量生成标准电压V_h，并且在规定周期生成矢量的方向相对于上次生成的标准电压V_h相差90度的标准电压V_h。

因此，能够基于简单的运算式进行磁极位置估计部40A中的磁极位置θ的估计，也不会对用于驱动电动机3的驱动电压指令的更新周期产生影响。而且，能够在从标准电压V_h的重叠开始之后的时间周期T估计电动机3的磁极位置θ，进一步，能够在时间周期T的1/4的时间重复地估计电动机3的磁极位置θ，因此能够提高磁极位置估计的响应性。

在上述内容中，对在驱动信号生成部39中使用空间矢量调制法生成驱动逆变部10的驱动信号S1～S6的例子进行了说明，但是在与在第一实施方式部分中所说明的例子同样的方法中也能够使用载波比较调制法。该情况下，计数部35设时间周期T为载波的时间周期T_c的2倍的长度，设时间周期T为4周期量，来改变计数值CNT。计数部35改变计数值CNT的时刻是载波的波峰和波谷。

另外，对于在第一实施方式部分中所说明的其他的各种变形，也同样地，能够应用于上述的第二实施方式涉及的控制装置1A。

本发明的进一步的效果和变形例对于本领域的技术人员而言能够容易地导出。因此，本发明的更广泛的方式不限于如上表示并记述的特定的详细和典型的实施方式。因此，在不脱离由所附权利要求书及其等同物定义的总的发明概念的精神或范围的情况下，能够进行各种变更。

附图标记的说明

1、1A：电动机的控制装置

2：直流电源

3：电动机

3a：电动机的定子

10：逆变部

20：电流检测部

30、30A：控制部

31：3相/2相坐标转换部31(电流检测部)

36、36A：重叠分量生成部

39：驱动信号生成部

40、40A：磁极位置估计部

50、51、60～63：差分运算部(电流差分运算部)

54、66：θ运算部(磁极位置运算部)

Claims (10)

1.一种电动机的控制装置，具备：

重叠分量生成部，其在规定周期生成在电动机的定子上设定的坐标系中的矢量的方向相对于上次生成的重叠电压指令相差90度的重叠电压指令；

逆变部，其将基于重叠了所述重叠电压指令的驱动电压指令的驱动电压向所述电动机输出；

电流检测部，其在所述规定周期检测出在所述电动机的各相中流动的电流，并输出电流检测值；以及

磁极位置估计部，其基于所述电流检测值的变化量来检测所述电动机的磁极位置。

2.根据权利要求1所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述重叠分量生成部以使所述坐标系中的矢量的方向相对于所述上次生成的重叠电压指令在正向或反向上相差各90度的方式，反复生成所述重叠电压指令。

3.根据权利要求2所述的电动机的控制装置，其特征在于，

将所述坐标系的2轴设为α轴和β轴的正交坐标轴，

所述重叠电压指令的矢量的方向相对于所述α轴或所述β轴平行。

4.根据权利要求2所述的电动机的控制装置，其特征在于，

将所述坐标系的轴设为α轴和β轴的正交坐标轴，

所述重叠电压指令的矢量的方向相对于所述α轴或所述β轴具有45度的相位差。

5.根据权利要求3所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述电流检测部将在所述电动机的各相中流动的电流的值转换成所述正交坐标系的电流检测值并输出，

所述磁极位置估计部具备：

电流差分运算部，其运算从所述电流检测部输出的电流检测值的1次差分值；以及

磁极位置运算部，其基于所述1次差分值，求出所述电动机的磁极位置。

6.根据权利要求4所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述电流检测部将在所述电动机的各相中流动的电流的值转换成所述正交坐标系的电流检测值并输出，

所述磁极位置估计部具备：

电流差分运算部，其计算从所述电流检测部输出的电流检测值的二次差分值；以及

磁极位置运算部，其基于所述二次差分值，求出所述电动机的磁极位置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述控制装置具备驱动信号生成部，所述驱动信号生成部基于重叠了所述重叠电压指令的驱动电压指令，针对每个所述驱动电压指令，通过空间矢量调制法，在时间周期内生成不同的多个驱动信号，并向所述逆变部输出，

所述电流检测部在所述时间周期的nT/2(n为自然数)将所述电流检测值向所述磁极位置估计部输出。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述控制装置具备驱动信号生成部，所述驱动信号生成部通过基于重叠了所述重叠电压指令的驱动电压指令和载波之间的比较的载波比较调制法，生成驱动信号，并向所述逆变部输出，

所述电流检测部在所述三角波状的载波的波峰和/或波谷的时刻将所述电流检测值向所述磁极位置估计部输出。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电动机的控制装置，其特征在于，

所述电动机是嵌入式永磁同步电动机。

10.一种电动机的磁极位置估计装置，具备：

重叠分量生成部，其在规定周期生成在电动机的定子上设定的坐标系中的矢量的方向相对于上次生成的重叠电压指令相差90度的重叠电压指令；

电流检测部，其在所述规定周期检测出基于重叠了所述重叠电压指令的驱动电压指令而被驱动的电动机的各相中流动的电流，并输出电流检测值；以及

磁极位置估计部，其基于所述电流检测值的变化量，来检测出所述电动机的磁极位置。