JP4587110B2 - 同期電動機駆動制御のための回転子位相推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、駆動基本周波数より高い周波数の信号（高周波電圧あるいは高周波電流）の印加に対し回転子が突極特性を示す同期電動機（例えば、回転子に永久磁石を有する永久磁石同期電動機、巻線形同期電動機、同期リラクタンス電動機、回転子に永久磁石と界磁巻線をもつハイブリッド界磁形同期電動機など）のためのセンサレス駆動制御装置に使用される回転子位相（位置と同義）の推定方法に関する。

同期電動機の高性能な制御は、いわゆるベクトル制御法により達成することができる。ベクトル制御法には、回転子の位相情報が必要であり、従来よりエンコーダ等の位置センサが利用されてきた。しかし、この種の位置センサの利用は、信頼性、軸方向の容積、センサケーブルの引回し、コスト等の観点において、好ましいものではなく、位置センサを必要としない、いわゆるセンサレスベクトル制御法の研究開発が長年に行なわれてきた。

有力なセンサレスベクトル制御法として、駆動基本周波数より高い周波数の高周波電圧を電動機に強制印加し、これに対応した高周波電流を抽出・処理して回転子位相を推定する方法（いわゆる高周波電圧印加法）が、あるいは、駆動基本周波数より高い周波数の高周波電流を電動機に強制印加し、これに対応した高周波電圧を抽出・処理して回転子位相を推定する方法（いわゆる高周波電流印加法）が、これまで、種々、開発・報告されてきた。

以下の説明では、説明の簡明性を図るため、高周波電圧印加法と高周波電流印加法の両者を一括して呼称する場合には、高周波信号印加法と呼ぶ。印加高周波電圧と印加高周波電流の両者を一括して呼称する場合には、印加高周波信号と呼ぶ。また、これら対応した各々の応答値である高周波電流、高周波電圧の両者を一括して呼称する場合には、応答高周波信号と呼称する。

突極特性をもつ同期電動機においては、推定すべき回転子位相は回転子の任意の位置に定めてよいが、無負荷時の回転子の負突極位相または正突極位相の何れかを回転子位相（基準値）に選定するのが一般的である。当業者には周知のように、負突極位相と正突極位相の間には、電気的に±π／２（ｒａｄ）の一定位相差があるに過ぎず、何れかの位相が判明すれば、他の位相は自ずと判明する。以上を考慮の上、以降では、特に断らない限り、回転子の負突極位相を回転子位相とする（図１参照）。

高周波信号印加法は、駆動用電圧、電流の基本波成分を用いた回転子位相推定法に対して、以下のような優れた特長を有する。（ａ）駆動用電圧が低くＳ／Ｎが著しく悪いゼロ速度を含む低速域でも安定的に位相を推定することができる、（ｂ）一般的に電動機パラメータの変動に対して、大変ロバストである。この特長を活用すべく、これまで、種々の高周波信号印加法が提案されてきた。既報の高周波信号印加法は、応答高周波信号が処理される座標系の観点から２つに大別することができる。すなわち、これらは、応答高周波信号を固定座標系上で処理する方法と、回転子位相に対して、ゼロ位相差で代表される一定位相差で同期を目指した準同期座標系上で処理する方法、である。本願発明は、特に後者に関する技術の発明に関する。すなわち、準同期座標系上で応答高周波信号を処理して回転子位相を推定する回転子位相推定方法に関する。

同期電動機に高周波信号を印加して回転子位相を推定する場合には、固定子電流の中でトルク発生に寄与する成分などの影響を受けて、回転子位相推定値に誤差が発生することが知られている。初期のこの指摘は、例えば、下記の非特許文献１などに見られる。また、非特許文献２では、この誤差の発生原因を磁束の飽和とｄｑ軸の相互干渉の視点から説明している。当然のことながら、精度の高い回転子位相推定値を得るには、磁束飽和や軸間相互干渉に起因した誤差を補償する必要がある。しかしながら、補償方法に関する研究開発は、必ずしも多くはないようである。この原因の１つは、補償方法が、応答高周波信号を固定座標系上で処理する場合と準同期座標系上で処理する場合とでは、異なることにもあるようである。本願発明が対象とする準同期座標系上で高周波信号を処理して回転子位相を推定する方法を採用し、かつ上記課題のための補償方法を提示した先行発明としては、わずかに、下記の特許文献１、２があるに過ぎないようである。

Ｍ．Ｊ．Ｃｏｒｌｅｙ ａｎｄ Ｒ．Ｄ．Ｌｏｒｅｎｚ，"Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｅｓｔｉａｍｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ Ｓａｌｉｅｎｔ−Ｐｏｌｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ−Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ ａｔ Ｓｔａｎｄｓｔｉｌｌ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．４，ｐｐ．７８４−７８９（１９９８−７／８） Ｎ．Ｂｉａｎｃｈｉ ａｎｄ Ｓ．Ｂｏｌｏｇｎａｍｉ，"Ｉｎｆｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｒｏｔｏｒ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｆ ａｎ ＩＰＭ Ｍｏｔｏｒ ｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１，ｐｐ．８７−９６（２００７−１／２） 井手耕三、「同期電動機の磁極位置推定方法および制御装置」、特開２００２−２９１２８３号 中井政樹、稲積祐敦、山本陽一、「同期電動機の制御装置」、特開２００６−１０９５８９号

図を用いて、上記特許文献に示された先行発明の基本原理とこれに関連した問題点を指摘する。先ず、図１の座標系を考える。αβ軸は固定座標系を、ｄｑ軸は回転子座標系（上述のように、基本的には、無負荷時の負突極位相をｄ軸位相とし、図１では、代表例としてこれを示している）を、γδ軸は、回転子座標系にゼロ位相差で同期を目指した準同期座標系を、各々示している。固定座標系の基軸であるα軸から評価したｄ軸位相を回転子位相θ_αとしている。回転子位相にゼロ位相差で同期を目指した準同期座標系の基

ちγ軸とｄ軸との位相偏差をθ_γで表現している。位相偏差θ_γが十分に小さい、所期の準

良好な推定値となる。

上記特許文献１，２で公開された、回転子位相推定値の補償方法の原理上の要点は、以下のように整理される（図７参照）。高周波電圧印加法により同期電動機に高周波電圧を印加し、応答高周波信号である高周波電流を検出処理して、位相偏差θ_γに対し相関をもつ偏差相当値ｘ_γを算定する。なお、このときの偏差相当値の算定には、４５度インピーダンス法と呼ばれる方法を用いている。偏差相当値を得たならば、ＰＩ制御器と積分器からな

第１の回転子位相推定値に対して補償値Δθ_ｃを減算あるいは加算して、回転子位相の最終

器で活用される。

偏差相当値が位相偏差θ_γの良好の近似値となる動作範囲においては、図７で生成された位相推定値の準同期座標系のためのベクトル回転器への使用は、等価的には、図８のようなフィードバックシステムの構成を、意味する。図８では、フィードバックの様子を破線で示した。図８より明らかなように、補償値から最終位相推定値までの伝達関数は、次式となる。

（１）式の伝達関数は、高周波域で１を、直流を含むゼロ周波数近傍でゼロを示すハイパスフィルタの特性を示している。本特性は、補償値が一定（ゼロ周波数）となる定常状態で

を意味している。

て、確かに次式が成立する（図７、８参照）。

当業者は、（２）式より、効果的な補償が遂行できるような錯覚に陥る。しかし、実際には、（２）式右辺第２項の補償値を右辺第１項に加算した瞬間に、右辺第１項の回転子位相推定値は、フィードバック効果により、補償値を加算する以前の値とは異なることになる。結果的には、（２）式左辺の最終推定値は、補償値を加算しない状態の（すなわち、補償する以前の）第１の推定値と同じ値を取り、実効的補償はされない。以上のように、先行発明による回転子位相推定値の補償方法は、実効的な誤差補償効果を有しない。

本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、同期電動機のための駆動制御装置に使用され、準同期座標系上で応答高周波信号を処理して回転子位相を推定する方法であって、特に、効果的な位相誤差補償機能を備えた回転子位相推定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、駆動基本周波数より高い周波数の高周波電圧（または電流）の印加に対し回転子が突極特性を示す同期電動機のための駆動制御装置に使用され、かつ、回転子の位相にゼロ位相差で代表される一定位相差で同期を目指した準同期座標系上で、印加に対応した応答高周波電流（または電圧）を検出処理して回転子位相を推定する回転子位相推定方法であって、該応答高周波電流（または電圧）を検出処理して、準同期座標系位相に該一定位相差を補正して得た準同期座標系補正位相と回転子位相との位相偏差に対し相関をもつ偏差相当値を算定する偏差相当値算出工程と、固定子電流の中でトルク発生に寄与する成分の相当値を少なくとも利用して補償値を定め、定めた補償値を、該偏差相当値に加算して、補償された偏差相当値を生成するための補償工程と、該補償偏差相当値がゼロに収斂するように準同期座標系の位相を生成し、生成した準同期座標系位相に該一定位相差を補正して回転子位相推定値とする位相生成工程と、を有することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の回転子位相推定方法であって、該同期電動機を、回転子に永久磁石を有する同期電動機である永久磁石同期電動機とし、該補償値を、固定子電流のトルク発生に寄与する成分の中で、特に、永久磁石磁極に垂直な固定子電流成分の相当値に概ね比例して算定するようにしたことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の回転子位相推定方法であって、該同期電動機を、同期リラクタンス電動機とし、固定子電流のトルク発生に寄与する成分相当値を入力引数とし該補償値を出力とする補償値テーブルを予め用意し、補償値テーブルを参照して該補償値を定めるようにしたことを特徴とする。

なお、上に用いた「相当値」なる用語は、当該信号の真値、真値の良好な近似値、あるいは真値と良好な相関を有する信号などを意味する。

以下、図面と数式を用いて、本発明の効果を明快に説明する。図２は、請求項１の発明に基づく回転子位相推定方法を位相推定器として実現し、これを、各工程における処理手順に合わせて、概略的にブロック図で表現でしたものである。本図では、応答高周波信号として高周波電流を考え、これを含む固定子電流を位相推定器への入力としている。偏差相当値算出器は偏差相当値算出工程を遂行しており、固定子電流から高周波電流を検出処理して、偏差相当値ｘ_γを算定出力している。このときの偏差相当値は、一般に、位相偏差

推定値であり、誤差を含む。係数Ｋ_θは、一般に定数である。図２の構成においては、補償工程は、補償値生成器と加算器とにより遂行されている。補償値生成器は、固定子電流からトルク発生に寄与する成分を抽出して補償値を生成し、これを偏差相当値に加算し、

位相生成器は、位相生成工程を遂行するものであり、基本的には、本願発明者により体系化された次式で表現される一般化積分形ＰＬＬ法に基づき構成されている。

ここに、位相制御器Ｃ_ＰＬＬ（ｓ）は、次の（５）式で定義された（ｍ＋１）次の多項式Ｈ（ｓ）が安定多項式となるように設計されている。

値ωも得られる。図２では、必要に応じこれも出力する様子を破線で示している。

図２に図示した位相推定の全工程は、ベクトル回転器の存在を考慮するならば（図４参照）、等価的に、図３のフィードバックシステムとして、扱うことができる。図３より明らかなように、補償値から最終位相推定値までの伝達関数は、次の（６）式となる。

上の（６）式の伝達関数においては、分子次数は分母次数より小さく、伝達関数は明らかに安定なローパスフィルタの特性を示す（（５）式参照）。より具体的には、（６）式の伝達関数は、高周波域でゼロを、直流を含むゼロ周波数近傍で一定値１／Ｋ_θを示すローパスフィルタの特性を示す。本特性は、補償値が位相推定値に有効に作用し、位相推定値が適切に補償されることを意味する。

上述の適切な補償効果の事実は、図３のフィーバックシステムとして等価的に表現された推定システムにおいて、すべての入力信号が位相推定値に与えうる影響を総合的に検討すれば、更に明快となる。本影響は、次の（７）式で与えることができる。

図３及び（７）式においては、磁束飽和あるいはｄｑ軸相互干渉に遠因する偏差相当値を算定する工程で混入した誤差をΔθ_ｅで表現している。（７）式より明白なように、補償値を誤差を考慮して、（８）式のように選定すれば、理想的な補償が達成されることがわかる。

となることもわかる（図１参照）。

以上の説明より既に明白なように、請求項１の発明によれば、同期電動機のための駆動制御装置に使用され、準同期座標系上で応答高周波信号を処理して回転子位相を推定する方法であって、特に、効果的な位相誤差補償機能を備えた回転子位相推定方法を実現できるようになると言う効果が得られる。

続いて、請求項２の発明の効果を説明する。永久磁石同期電動機では、磁束飽和あるいは相互干渉に起因する誤差は、概ね次の関係が成立する。

ここに、ｉ_ｆｑは、固定子電流のトルク発生に寄与する成分の中で、特に、永久磁石磁極に垂直な固定子電流成分、すなわち固定子電流の基本成分の中のｑ軸成分を意味する。（９）式を（８）式に用いると、つぎの関係を得る

請求項２の発明によれば、同期電動機として永久磁石同期電動機を駆動制御する場合には、補償値を、固定子電流のトルク発生に寄与する成分の中で、特に、永久磁石磁極に垂直な固定子電流成分の相当値に概ね比例して算定する。すなわち、基本的に、（１０）式の関係が維持されるように、補償値を算定する。この結果、請求項２の発明によれば、簡単な計算で、しかも効果的に、位相推定値を補償できるようになると言う効果が得られる。

続いて、請求項３の発明の効果を説明する。同期リラクタンス電動機では、磁束飽和あるいは相互干渉に起因する誤差は、概ね次のように表現できる。

ここに、ｉ_ｆｄ，ｉ_ｆｑは、固定子電流のトルク発生に寄与する成分（すなわち、基本波成分）であるｄ軸成分、ｑ軸成分を各々意味している。（１１）式を（８）式に用いると、つぎの関係を得る

上の（１２）式におけるｆ′（ｉ_ｆｄ，ｉ_ｆｑ）は、一般に、固定子電流基本波成分のｄ軸、ｑ軸成分の非線形関数となり、必ずしも単純な関数とはならない。このため、（１２）式の実現には、算定によるよりも、予め用意した３次元テーブルを用意しこれを利用するようにした方が、実時間処理を遂行しやすく、実際的である。

請求項３の発明は、（１２）式を用いて説明した上記原理に基づくものである。すなわち、請求項３の発明によれば、同期電動機として同期リラクタンス電動機を駆動制御する場合には、固定子電流のトルク発生に寄与する成分を入力引数とし該補償値を出力とする補償値テーブルを予め用意し、該補償値を補償値テーブルを参照して定めるようにしている。従って、請求項３の発明によれば、固定子電流と補償値に関し複雑な関係をもつ同期リラクタンス電動機を対象とする場合にも、実時間で、合理的な補償値を定めることができると言う効果が得られる。換言するならば、同期リラクタンス電動機を対象とする場合にも、実際的で効果的な補償ができると言う効果が得られる。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。特に、最も実用性が高いと思われる、回転子の位相にゼロ位相差で同期を目指した準同期座標系上で、印加高周波電圧に対応した応答高周波電流を検出処理して回転子位相を推定する高周波電圧印加法の場合を中心に説明する。当然のことながら、ゼロ位相差で同期を目指す本場合には、準同期座標系の位相がそのまま回転子位相推定値となり、準同期座標系位相を用いた回転子位相推定値の決定に際して、一定位相差（すなわち、ゼロ位相差）の補正処理は実質的に消滅する。ひいては、実用性が高くなる。

代表的な同期電動機である永久磁石同期電動機に対し、本発明の回転子位相推定方法を用いた駆動制御装置を適用した１実施形態例を図４に示す。本発明の主眼は回転子位相推定法を装置化した位相推定器にあるが、電動機駆動制御システム全体における位相推定器の位置づけを明示すべく、あえて、駆動制御装置を含む電動機駆動制御システム全体から説明する。１は同期電動機を、２は電力変換器（電圧形）を、３は電流検出器を、４ａ、４ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、５ａ、５ｂは共にベクトル回転器を、６は電流制御器を、７は指令変換器を、８は速度制御器を、９はバンドストップフィルタを、１０ａは本発明と関連した高周波電圧指令器を、１０ｂは本発明を利用した位相推定器を、１１は係数器を、１２は余弦正弦信号発生器を、各々示している。当業者には容易に理解されるように、図４では、１の電動機を除く、２から１２までの諸機器が駆動制御装置を構成している。駆動制御装置の中で、特に、１０ａ、１０ｂが、本発明の回転子位相推定法と関連している。本図では、簡明性を確保すべく、２ｘ１のベクトル信号を１本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。

電流検出器３で検出された３相の固定子電流は、３相２相変換器４ａで固定αβ座標系上の２相電流に変換された後、ベクトル回転器５ａで回転子位相へゼロ位相差で位相同期を目指した準同期座標系の２相電流に変換される。変換電流からバンドストップフィルタ９を介して駆動用電流を抽出し、これを電流制御器６へ送る。電流制御器６は、準同期座標系上の駆動用２相電流が、各相の電流指令に追随すべく準同期座標系上の駆動用２相電圧指令を生成する。ここで、高周波電圧指令器１０ａから受けた２相の高周波電圧指令を、駆動用２相電圧指令に重畳させ、重畳合成した２相電圧指令を、ベクトル回転器５ｂへ送る。５ｂでは、準同期座標系上の重畳合成の電圧指令を固定αβ座標系の２相電圧指令に変換し、２相３相変換器４ｂへ送る。４ｂでは、２相電圧指令を３相電圧指令に変換し、電力変換器２への指令として出力する。電力変換器２は、指令に応じた電力を発生し、同期電動機１へ印加しこれを駆動する。

位相推定器１０ｂは、ベクトル回転器５ａの出力である準同期座標系上の固定子電流と、固定子電流の駆動用基本波成分制御のための駆動用電流指令値とを受けて、回転子位相推定値、及び回転子の電気速度推定値を出力している。回転子位相推定値は、余弦正弦信号発生器１２で余弦・正弦信号に変換された後、準同期座標系を決定づけるベクトル回転器５ａ、５ｂへ渡される。当業者には周知のように、高周波電圧指令器が速度に応じた（すなわち、速応的な）電圧指令を生成する場合には、回転子速度推定値（電気速度推定値）が必要となる。この場合のための電気速度推定値は位相推定器から受けている。図９では、回転子速度推定値の必要性の有無を考慮し、これを破線で示している。

準同期座標系上の２相電流指令は、当業者には周知のように、トルク指令を指令変換器７に通じ変換することにより得ている。速度制御器８には、位相推定器１０ｂからの出力信号の１つである回転子速度推定値（電気速度推定値）が、一定値である極対数Ｎｐの逆数を係数器１１を介して乗じられ機械速度推定値に変換された後、送られている。図４の本例では、速度制御システムを構成した例を示しているので、速度制御器８の出力としてトルク指令を得ている。当業者には周知のように、制御目的がトルク制御にあり速度制御システムを構成しない場合には、速度制御器８は不要である。この場合には、トルク指令が外部から直接印加される。

本発明の核心は位相推定器１０ｂにある。速度制御、トルク制御の何れにおいても、位相推定器１０ｂには何らの変更を要しない。また、駆動対象電動機を他の同期電動機とする場合にも位相推定器１０ｂは、本質的には、何らの変更を要しない。以下では、速度制御、トルク制御等の制御モードに関し一般性を失うことなく、更には、駆動対象の同期電動機に対して一般性を失うことなく、位相推定器１０ｂの実施形態例について説明する。

図５に、本発明を用いた本位相推定器１０ｂの１実施形態例を示した。本位相推定器１０ｂは、請求項１の発明に従い、偏差相当値算出工程を遂行する偏差相当値算出器１０ｂ−１、補償工程を遂行する補償器１０ｂ−２、位相生成工程を遂行する位相生成器１０ｂ−３から構成されている。補償器１０ｂ−２は、請求項２の発明に従い、固定子電流の中で、モータ駆動制御に利用される基本波成分として、駆動用ｑ軸電流相当値を利用して補償値を算定し、これを偏差相当値算出器からの出力信号である偏差相当値に加算している。駆動用ｑ軸電流相当値としては、駆動用ｑ軸電流指令値を利用している。すなわち、（１０）式に従い構成しているが、駆動用ｑ軸電流真値（実測値）に代わって、同指令値を利用している。もちろん、これに代わって、駆動用ｑ軸電流真値（実測値）を利用してもよい。

補償器１０ｂ−２を除く、位相推定器内の他の２機器は、公知の方法を利用して構成すればよい。この際、偏差相当値算出器１０ｂ−１は、高周波電圧指令器１０ａが発生する高周波電圧指令と深い関係がある点に注意する必要がある。当業者には周知のように、空間的に一定振幅の真円軌道を描く高周波電圧指令を生成する高周波電圧指令器には、ベクトルヘテロダイン法（非特許文献１参照）、あるいは鏡相推定法（下記、特許文献３参照）に基づいて偏差相当値算出器を構成すれば、所期の偏差相当値を算出できる。また、空間的に一定振幅の直線軌道を描く高周波電圧指令を生成する高周波電圧指令器には、ＦＦＴ法（下記、非特許文献３参照）、４５度インピーダンス法（特許文献１，２参照）、スカラーヘテロダイン法（下記、非特許文献４参照）、高周波電流相関信号法（下記、特許文献４参照）などに基づいて偏差相当値算出器を構成すれば、所期の偏差相当値を算出できる。また、速度に応じて振幅を変化させる速応形の楕円軌道を生成する高周波電圧指令器には、高周波電流相関信号法（下記、特許文献４参照）などに基づいて偏差相当値算出器を構成すれば、所期の偏差相当値を算出できる。これらは、当業者の間では、公開文献を通じて既に公知であるので、これ以上の説明は省略する。

新中新二、「交流電動機のベクトル制御方法及び同装置」、特開２００３−２７４７００号 新中新二、「交流電動機の回転子位相推定装置」、特願２００６−２７６２２ Ｔ．Ａｉｈａｒａ，Ａ．Ｔｏｂａ，Ｔ．Ｙａｎａｓｅ，Ａ．Ｍａｓｈｉｍｏ，ａｎｄ Ｋ．Ｅｎｄｏ，"Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｓａｌｉｅｎｔ−Ｐｏｌｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ａｔ Ｚｅｒｏ−Ｓｐｅｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．１，ｐｐ．２０２−２０８（１９９９−１） Ｊ．Ｈ．Ｊａｎｇ，Ｓ．Ｋ．Ｓｕｌ，Ｊ．Ｉ．Ｈａ，Ｋ．Ｉｄｅ，ａｎｄ Ｍ．Ｓａｗａｍｕｒａ，"Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｄｒｉｖｅ ｏｆ ＳＭＰＭ Ｍｏｔｏｒ ｂｙ Ｈｉｇｈ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｉｇｎａｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔ Ｓａｌｉｅｎｃｙ"，Ｐｒｏｃ．ｏｆ １７ｔｈ ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＰＥＣ ２００２），Ｖｏｌ．１，ｐｐ．２７９−２８５（２００２−３）．

位相生成器の構成は、偏差相当値算出器と共に公開された方法に従って、構成してよい。あるいは、本願発明者によって体系化された（３）〜（５）式に従って、構成してもよい（図３参照）。（３）〜（５）式あるいは図３より明白なように、回転子位相にゼロ位相差で同期

できる。必要に応じて、準同期座標系の速度ωをローパスフィルタ処理した値を、電気速度推定値としてもよい。位相生成器の構成は、当業者の間では、基本的に公知であるので、これ以上の説明を省略する（非特許文献１、３、４、特許文献１〜４等を参照）。

次に、同期リラクタンス電動機を駆動対象とした場合の位相推定器の実施形態例を説明する。同期リラクタンス電動機の駆動制御においては、回転子位相としては、無負荷時の正突極位相または負突極位相を選定するのが、一般的である。特に、高周波電圧印加法において、回転子位相を負突極位相に選定する場合には、回転子の位相にゼロ位相差で同期を目指した準同期座標系が、永久磁石同期電動機と同様に、簡単に構成できる。ここでは、実際性の高い本構成例を例示する。

本例では、駆動制御システムの全体構成は、基本的に、図４と同一である。唯一の違いが、位相推定器１０ｂにある。図６は、請求項１及び請求項３の発明に従い構成した位相推定器１０ｂの実施形態例である。位相推定器１０ｂは、基本的には、請求項１の発明に従い、偏差相当値算出工程を遂行する偏差相当値算出器１０ｂ−１、補償工程を逆行する補償器１０ｂ−２、位相生成工程を遂行する位相生成器１０ｂ−３から構成されている。補償器１０ｂ−２は、請求項３の発明に従い、補償値を補償値テーブルを利用して生成するようにしている。このときの、補償値テーブルに使用する入力引数は、固定子電流のトルク発生に寄与する成分相当値であるが、本例では、固定子基本波成分（トルク発生に寄与する成分）制御のための指令値を使用するようにしている。もちろん、これに代わって、固定子電流基本波成分の真値（実測値）を利用してもよい。

以上、同期電動機として、永久磁石同期電動機、同期リラクタンス電動機を対象とした実施形態例を示した。巻線形同期電動機、回転子に永久磁石と界磁巻線をもつハイブリッド界磁形同期電動機などの他の同期電動機を対象とする実施形態例では、当業者には既に容易に理解できるように、駆動制御システム全体としては、界磁巻線に関する制御の追加が必要であるが、本発明である位相推定器に関しては、特別の変更は必要としない。

図４〜６を用いて説明した以上の実施形態例は、電力変換器としては、基本的に電圧形のものを想定した。電流形の電力変換器を利用する場合には、印加高周波信号としては高周波電流を選定し、これに対応した高周波電圧を処理して回転子位相を推定するようにした方がよい。この場合の位相推定器の構成は、図５、６に示したものと原理的には同一である。特に、本発明の主眼である補償器の構成は変更がない。印加高周波信号と応答高周波信号との変更に伴う位相推定器の変更は、位相推定器への高周波成分を含む入力信号にあるに過ぎない。具体的には、図５、６において、位相推定器への高周波成分を含む入力信号を、固定子電流から固定子電圧へ変更すればよい。これに対応して、回転子位相の定義を負突極位相から正突極位相へ変更すればよい（図１参照）。なお、回転子位相の定義の変更を行わない場合には、準同期座標系は、回転子位相に±π／２の一定位相差で同期を目指すことになる。一定位相差の補正処理が追加的に必要となることを指摘しておく。

以上、本発明に関し、各種の図を利用しつつ複数の実施形態例を用いて具体的かつ詳しく説明した。上記説明の本発明は、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者によって本発明の技術的範囲を外れない範囲内で多様な変形及び変更が可能であり、前述した実施例及び添付図面に限定されるものではないことを指摘しておく。

リラクタンストルクを多く利用した永久磁石同期電動機では、特に、本発明が解決を目指した誤差発生が大きい。電気自動車、ハイブリッド自動車では、リラクタンストルクをより多く利用する方向にあり、本発明は、これらの用途に好適である。

３種の座標系と回転子位相の１関係例を示す図 本発明に基づく位相推定器の基本構成例を示すブロック図 本発明に基づく位相推定器が構成する等価フィードバックシステムを示すブロック図 本発明に基づく位相推定器を利用した駆動制御システムを示すブロック図 １実施形態例における位相推定器の基本構成を示すブロック図 １実施形態例における位相生成器の基本構成を示すブロック図 従来の位相推定器を概略的に示すブロック図 従来の位相推定器が構成する等価フィードバックシステムを示すブロック図

符号の説明

１ 同期電動機
２ 電力変換器
３ 電流検出器
４ａ ３相２相変換器
４ｂ ２相３相変換器
５ａ ベクトル回転器
５ｂ ベクトル回転器
６ 電流制御器
７ 指令変換器
８ 速度制御器
９ バンドストップフィルタ
１０ａ 高周波電圧指令器
１０ｂ 位相推定器
１０ｂ−１ 偏差相当値算出器
１０ｂ−２ 補償器
１０ｂ−３ 位相生成器
１１ 係数器
１２ 余弦正弦信号発生器

Claims (3)

1. 駆動基本周波数より高い周波数の高周波電圧（または電流）の印加に対し回転子が突極特性を示す同期電動機のための駆動制御装置に使用され、かつ、回転子の位相にゼロ位相差で代表される一定位相差で同期を目指した準同期座標系上で、印加に対応した応答高周波電流（または電圧）を検出処理して回転子位相を推定する回転子位相推定方法であって、該応答高周波電流（または電圧）を検出処理して、準同期座標系位相に該一定位相差を補正して得た準同期座標系補正位相と回転子位相との位相偏差に対し相関をもつ偏差相当値を算定する偏差相当値算出工程と、
   固定子電流の中でトルク発生に寄与する成分の相当値を少なくとも利用して補償値を定め、定めた補償値を、該偏差相当値に加算して、補償された偏差相当値を生成するための補償工程と、
   該補償偏差相当値がゼロに収斂するように準同期座標系の位相を生成し、生成した準同期座標系位相に該一定位相差を補正して回転子位相推定値とする位相生成工程と、
   を有することを特徴とする回転子位相推定方法。
2. 該同期電動機を、回転子に永久磁石を有する同期電動機である永久磁石同期電動機とし、該補償値を、固定子電流のトルク発生に寄与する成分の中で、特に、永久磁石磁極に垂直な固定子電流成分の相当値に概ね比例して算定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の回転子位相推定方法。
3. 該同期電動機を、同期リラクタンス電動機とし、固定子電流のトルク発生に寄与する成分相当値を入力引数とし該補償値を出力とする補償値テーブルを予め用意し、補償値テーブルを参照して該補償値を定めるようにしたことを特徴とする請求項１記載の回転子位相推定方法。

Images