JP5402106B2 - 電動機の制御装置及び電動機状態推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電動機に電力を供給して駆動する電動機の制御装置及び電動機状態推定方法に関する。

従来より、電動機の制御装置としては、電動機に回転子の位置及び回転数を検出するために、例えばエンコーダやレゾルバといった位置センサを備えているものが知られている。そして、この電動機の制御装置は、位置センサによって検出した回転子の位置及び回転数に基づいて、電動機を制御する。

しかしながら、このような電動機の制御装置は、位置センサの取り付けに伴うコストアップや、取り付けスペース及び配線スペースの確保のために小型化が難しいという問題があった。

これに対し、下記の特許文献１の電動機の制御装置は、埋め込み磁石型同期電動機の突極性として、ｄ軸（励磁方向成分）インダクタンス＜ｑ軸（トルク方向成分）インダクタンスとうい性質を利用する。この性質により、電動機の駆動周波数とは異なる周波数の、真円の軌跡を描く高周波電圧ベクトルを電動機に印加すると、電動機に流れる電流の高周波成分のベクトルは、d軸方向(磁極位置)に膨らんだ楕円状の軌跡を描く。電動機の制御装置は、高周波電流ベクトル軌跡を楕円近似して楕円の長軸方向を検出し、楕円の長軸方向が磁極位置であるとして回転子の磁極位置及び回転数を推定し、これら推定値に基づき電動機を制御している。

特開２００３−２１９６８２号公報

上述した技術は、回転子と固定子間のインダクタンス分布が回転子構造によって決まり、ｄ軸方向の高周波電流が最大値をとり、ｑ軸方向の高周波電流が最小値をとることを前提としている。

しかしながら、固定子の構造に起因するインダクタンスの分布がｄ軸、ｑ軸で一様でなく、当該インダクタンス分布に基づく高周波電流の誤差が無視できない大きさとなる場合がある。従って、高周波電流のベクトル軌跡を楕円近似した場合、当該近似した楕円に回転子の位置に応じて変動する誤差が含まれるため、当該楕円の長軸方向が磁極位置として回転子の磁極位置を精度よく推定できないという問題がある。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、回転子の状態を精度良く推定することができる電動機の制御装置及び電動機状態推定方法を提供することを目的とする。

本発明は、電動機を所望の状態に制御するための電圧指令値として、当該電動機の励磁方向成分の電圧指令値及びトルク方向成分の電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、電圧指令値演算手段により演算された電圧指令値に対して電動機の駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧を重畳する高周波電圧発生手段と、高周波電圧発生手段により高周波電圧が重畳された電圧指令値に基づいてインバータのスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、当該インバータにより直流電圧を交流電圧に変換させて電動機を駆動する駆動手段と、駆動手段から電動機に供給されている電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流に基づいて、電動機における回転子の状態を推定する回転子状態推定手段と、回転子状態推定手段により推定された回転子位置に基づいて、駆動手段を制御して電動機を駆動させる制御手段とを備える。

本発明における回転子状態推定手段は、上述の課題を解決するために、電流検出手段により検出された電流に含まれる高周波電圧と同じ周波数の基本波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を抽出する共に、電流検出手段により検出された電流に含まれる高周波電圧と同じ周波数に対する高調波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を抽出し、当該抽出された基本波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を用いて高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似して、励磁方向に対する楕円長軸方向の偏差である第１楕円長軸方向を求めると共に、当該抽出された高調波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を用いて高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似して、励磁方向に対する楕円長軸方向の偏差である第２楕円長軸方向を求め、第１楕円長軸方向と第２楕円長軸方向との差に基づいて、第１楕円長軸方向の補正量を算出し、当該補正量に基づいて、第１楕円長軸方向を補正し、補正した第１楕円長軸方向に基づいて、回転子位置を推定する。

本発明によれば、電圧指令値に高周波成分を重畳して電動機を駆動し、実際に電動機に供給されている電流のうちの、当該基本波成分に基づく高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向と高調波成分に基づく高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向とを用いて基本波成分に基づく高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向を補正できる。これにより、高調波成分の電流が回転子の回転と相関があることを利用して、回転子の状態を精度良く推定することができる。

本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、高周波電圧ベクトルの軌跡を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置における磁極位置・回転数推定部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置における電動機の構成を示す上面図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置における回転子の位置とインダクタンスとの関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置における固定子の位置とインダクタンスとの関係を示す図である。 固定子が分布巻構造の場合における高周波電流ベクトル軌跡の楕円について説明する図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、固定子が集中巻構造の場合に、高周波電流ベクトル軌跡が楕円となる様子を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置における磁極位置補正量算出部の構成を示すブロック図である。 第１楕円長軸向き（偏差）と第２楕円長軸向き（偏差）との差と、磁極位置補正量との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、電動機の回転動作と、高周波（基本波）電流ベクトル軌跡及び高周波（高調波）電流ベクトル軌跡との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、電動機の回転動作と、高周波（基本波）電流ベクトル軌跡及び高周波（高調波）電流ベクトル軌跡との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、電動機の回転動作と、高周波（基本波）電流ベクトル軌跡及び高周波（高調波）電流ベクトル軌跡との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、電動機の回転動作と、高周波（基本波）電流ベクトル軌跡及び高周波（高調波）電流ベクトル軌跡との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置において、電動機の回転動作と、高周波（基本波）電流ベクトル軌跡及び高周波（高調波）電流ベクトル軌跡との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態として示す電動機の制御装置における動作手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態として示す電動機の制御装置における磁極位置補正量算出部の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態として示す電動機の制御装置における磁極位置・回転数推定部の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
「電動機の制御装置の構成」
本発明の第１実施形態として示す電動機制御装置は、例えば図１に示すように構成される。電動機制御装置は、例えば車両を駆動する電動機９の動作を制御するものである。本実施形態では、電動機制御装置は、指令値生成部１，電流制御部２，高周波電圧発生部３，座標変換部４，ＰＷＭ変換部５，直流電源６，インバータ７，電流センサ８ｕ，８ｖ，座標変換部１０，磁極位置・回転数推定部１１を有する。

指令値生成部１及び電流制御部２は、電動機９を所望の状態に制御するための電圧指令値として、当該電動機９の励磁方向成分（γ軸）の電圧指令値及びトルク方向成分（δ軸）の電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段として機能する。

指令値生成部１は、トルク指令値Ｔ^＊，電動機９の回転数推定値ω＾，及び直流電源６の直流電圧Ｖ_ｄｃと電流制御モードにおけるｄｐ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊及びｄｑ軸干渉電圧指令値ｖ_{ｄ＿ｄｃｐｌ} ^＊，ｖ_{ｑ＿ｄｃｐｌ} ^＊との対応関係を示すテーブルを有する。指令値生成部１は、トルク指令値Ｔ^＊，磁極位置・回転数推定部１１から出力される電動機９の回転数推定値ω＾，及び直流電源６の直流電圧Ｖ_ｄｃに対応するｄｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊及びｄｑ軸干渉電圧指令値ｖ_{ｄ＿ｄｃｐｌ} ^＊，ｖ_{ｑ＿ｄｃｐｌ} ^＊をテーブルから検索し、検索されたｄｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊及びｄｑ軸干渉電圧指令値ｖ_{ｄ＿ｄｃｐｌ} ^＊，ｖ_{ｑ＿ｄｃｐｌ} ^＊を出力する。このように指令値生成部１は、オープンループ方式によりｄｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊及びｄｑ軸干渉電圧指令値ｖ_{ｄ＿ｄｃｐｌ} ^＊，ｖ_{ｑ＿ｄｃｐｌ} ^＊を制御する。

電流制御部２は、指令値生成部１から出力されたｄｑ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊及びｄｑ軸干渉電圧指令値ｖ_{ｄ＿ｄｃｐｌ} ^＊，ｖ_{ｑ＿ｄｃｐｌ} ^＊と座標変換部１０から出力されるγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δとを用いて電流偏差比例積分（ＰＩ）増幅と非干渉制御からなる一般的な電流ベクトル制御演算を行う。これにより、電流制御部２は、γδ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊’，ｖ_δ ^＊’を生成して、出力する。

電動機制御装置は、電動機９に供給する電流を電動機９の２次磁束に直交するｑ軸電流成分と２次磁束に対し平行なｄ軸電流成分とに分離して電流制御を行う電流ベクトル制御を行う。“非干渉制御”とは、この電流ベクトル制御において、電流、ｑ軸，ｄ軸のインダクタンス、及び電動機９の機械回転数の作用によって、ｄ軸電流成分及びｑ軸電流成分がそれぞれｑ軸電圧及びｄ軸電圧として他方の電流成分に干渉することによる影響を打ち消す制御を意味する。具体的には、干渉電圧指令値を用いて電圧指令値を補正する制御を意味する。また、γδ軸とは、磁極位置・回転数推定部１１により推定された回転子の磁極位置推定値θ＾により得た推定ｄｑ軸を意味している。上述の電流偏差とは、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊とγ軸電流検出値ｉ_γの偏差、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とδ軸電流検出値ｉ_δの偏差である。

高周波電圧発生部３は、指令値生成部１及び電流制御部２により演算された電圧指令値に対して電動機９の駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧を重畳する高周波電圧発生手段として機能する。

高周波電圧発生部３は、電動機９の駆動周波数とは異なる高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊を生成する。この高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊は、電流制御部２により生成されたγδ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊、ｖ_δ ^＊に重畳される。これにより、座標変換部４には、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊を含むγδ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊、ｖ_δ ^＊が供給される。

また、電動機制御装置は、高周波電圧発生部３により高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊が重畳された電圧指令値に基づいてインバータ７のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、当該インバータ７により直流電圧を交流電圧に変換させて電動機９を駆動する駆動手段として機能する。この構成は、座標変換部４、ＰＷＭ変換部５、インバータ７に相当する。

座標変換部４は、γδ軸の電圧を、ＵＶＷ相に電圧に変換する。座標変換部４は、以下の式１を利用して、入力したγδ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊，ｖ_δ ^＊と磁極位置・回転数推定部１１により推定された電動機９の回転子の磁極位置推定値θ＾からＵ相，Ｖ相，及びＷ相の三相の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊を算出して、出力する。

ＰＷＭ変換部５は、座標変換部４から出力されたＵ相，Ｖ相，及びＷ相の三相の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊，ｖ_ｖ ^＊，ｖ_ｗ ^＊に対応するインバータ７の駆動信号Ｄ_ｕｕ ^＊，Ｄ_ｕｌ ^＊，Ｄ_ｖｕ ^＊，Ｄ_ｖｌ ^＊，Ｄ_ｗｕ ^＊，Ｄ_ｗｌ ^＊を生成して、出力する。なお、駆動信号Ｄ_ｕｕ ^＊，Ｄ_ｕｌ ^＊は、それぞれＵ相に対応する上段及び下段のスイッチング素子に対する信号を示す。駆動信号Ｄ_ｖｕ ^＊，Ｄ_ｖｌ ^＊はそれぞれＶ相に対応する上段及び下段のスイッチング素子に対する信号を示す。駆動信号Ｄ_ｗｕ ^＊，Ｄ_ｗｌ ^＊はそれぞれＷ相に対応する上段及び下段のスイッチング素子に対する信号を示す。

インバータ７は、ＰＷＭ変換部５から出力された駆動信号Ｄ_ｕｕ ^＊，Ｄ_ｕｌ ^＊，Ｄ_ｖｕ ^＊，Ｄ_ｖｌ ^＊，Ｄ_ｗｕ ^＊，Ｄ_ｗｌ ^＊に従って対応するスイッチング素子をオン／オフする。これによりインバータ７は、直流電源６の直流電圧Ｖ_ｄｃを三相の交流電圧ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗに変換して電動機９に出力する。

電流センサ８ｕ，８ｖは、インバータ７から電動機９に供給されている励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を検出する電流検出手段として機能する。具体的には、電流センサ８ｕ，８ｖは、Ｕ相とＶ相の電流値ｉ_ｕ，ｉ_ｖを検出して座標変換部１０に出力する。本実施形態のように、電流センサを二相にだけに取り付ける場合、電流センサ８ｕ，８ｖにより検出しない残り１相（本実施形態ではＷ相）の電流値は、座標変換部１０により、以下の式２から算出することができる。

座標変換部１０は、ＵＶＷ相からγδ軸に電流を変換する。座標変換部１０は、以下の式３を利用して電流センサ８ｕ，８ｖにより検出されたＵ相とＶ相の電流値ｉ_ｕ，ｉ_ｖと磁極位置・回転数推定部１１により推定された電動機９の回転子の磁極位置推定値θ＾から、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを算出する。

磁極位置・回転数推定部１１は、電流センサ８ｕ，８ｖ及び座標変換部１０により検出された電流に基づいて、電動機９における回転子の状態を推定する回転子状態推定手段として機能する。磁極位置・回転数推定部１１は、座標変換部１０から出力されたγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを入力し、これらのγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに基づいて、電動機９の回転子の磁極位置推定値θ＾、回転数推定値ω＾を演算し、出力する。

そして、磁極位置推定値θ＾及び回転数推定値ω＾は、指令値生成部１及び座標変換部１０によって電動機９の制御に用いられる（制御手段）。

「高周波電圧発生部３の動作説明」
高周波電圧発生部３は、図２に示すように、真円のベクトル軌跡を描く高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊を発生させる。この高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊の周波数は、電動機９の駆動周波数より充分に高い。例えば、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊のベクトルの大きさは８５Ｖ、周波数を６２５Ｈｚとする。

「磁極位置・回転数推定部１１の詳細構成」
つぎに、上述した電動機制御装置における磁極位置・回転数推定部１１の構成を、図３を参照して説明する。

磁極位置・回転数推定部１１は、第１バンドパスフィルタ１２（ＢＰＦ）、第１ディジタルフーリエ変換処理部１３（ＤＦＴ）、第１楕円解析部１４、ＰＩ増幅器１５、積分器１６、磁極位置補正量算出部１７を備える。また、磁極位置・回転数推定部１１は、第２バンドパスフィルタ１８、第２ディジタルフーリエ変換処理部１９、第２楕円解析部２０を備える。

第１バンドパスフィルタ１２は、座標変換部１０から出力されたγδ軸電流検出値ｉ_γ、ｉ_δに含まれ、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数成分のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１を抽出して、出力する。

第１ディジタルフーリエ変換処理部１３は、第１バンドパスフィルタ１２により抽出されたγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１を高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数成分の実数軸成分及び虚数軸成分ｉ_{γｈ１＿Ｒｅ}、ｉ_{γｈ１＿Ｉｍ}、ｉ_{δｈ１＿Ｒｅ}、ｉ_{δｈ１＿Ｉｍ}に分解して、出力する。

第１楕円解析部１４は、第１ディジタルフーリエ変換処理部１３から出力された虚数軸成分ｉ_{γｈ１＿Ｒｅ}、ｉ_{γｈ１＿Ｉｍ}、ｉ_{δｈ１＿Ｒｅ}、ｉ_{δｈ１＿Ｉｍ}に基づいて、γδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１がγδ軸上で描く軌跡、すなわち、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを楕円（高周波電流ベクトル軌跡の楕円）に近似する。そして、第１楕円解析部１４は、γ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’を下記の式（４）によって算出し、出力する。

なお、以下の説明において、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数成分（基本波成分）のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１を用いて得た高周波電流ベクトル軌跡における楕円形状の長軸方向を「第１楕円長軸方向」と呼ぶ。

第２バンドパスフィルタ１８は、座標変換部１０から出力されたγδ軸電流検出値ｉ_γ、ｉ_δに含まれ、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数成分に対する高調波成分のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２を抽出して、出力する。この実施形態における高調波成分は、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数成分に対して２倍の周波数成分とする。すなわち、磁極位置・回転数推定部１１は、高調波成分を、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊の周波数に対する２次高調波成分とする。

第２ディジタルフーリエ変換処理部１９は、第２バンドパスフィルタ１８により抽出されたγδ軸高周波電流ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２を高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数成分の実数軸成分及び虚数軸成分ｉ_{γｈ２＿Ｒｅ}、ｉ_{γｈ２＿Ｉｍ}、ｉ_{δｈ２＿Ｒｅ}、ｉ_{δｈ２＿Ｉｍ}に分解して、出力する。

第２楕円解析部２０は、第２ディジタルフーリエ変換処理部１９から出力された虚数軸成分ｉ_{γｈ２＿Ｒｅ}、ｉ_{γｈ２＿Ｉｍ}、ｉ_{δｈ２＿Ｒｅ}、ｉ_{δｈ２＿Ｉｍ}に基づいて、γδ軸高周波電流ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２がγδ軸上で描く軌跡、すなわち、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを楕円（高周波電流ベクトル軌跡の楕円）に近似する。そして、第１楕円解析部１４は、γ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２を下記の式（５）によって算出し、出力する。

なお、以下の説明において、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊に対する同じ周波数成分に対する高調波成分のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１を用いて得た高周波電流ベクトル軌跡における楕円形状の長軸方向を「第２楕円長軸方向」と呼ぶ。

γ軸に対する楕円長軸方向θ_ζ’は、磁極位置補正量算出部１７から出力される磁極位置補正量Δθ_ζと加算される。これにより、γ軸に対する楕円長軸方向θ_ζ’は、γ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向θ_ζに補正される。このγ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向θ_ζは、ＰＩ増幅器１５に供給される。

ＰＩ増幅器１５は、γ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向θ_ζをＰＩ増幅することにより回転数推定値ω＾を得て、指令値生成部１に出力する。

積分器１６は、ＰＩ増幅器１５から出力された回転数推定値ω＾を積分することにより回転子の磁極位置推定値θ＾を得て、座標変換部１０に出力する。

ここで、回転子の磁極位置推定値θ＾、回転数推定値ω＾を求める原理について説明する。図４は、電動機９における回転子９ａの磁石（Ｓ，Ｎ）を１極対、固定側のティース（固定子９ｂ）数を、（１）〜（６）の６個とした場合の集中巻ＩＰＭ型の電動機９を示す。また、図５，６に、この電動機９のインダクタンスＬｒ、Ｌｓの分布を示す。

電動機９の回転子９ａに起因するインダクタンスＬｒは、図４で示す回転子９ａの部位（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に対して、図５のように分布する。一方、固定子９ｂに起因するインダクタンスＬｓは、図４で示す固定子９ｂの部位（１）〜（６）に対して図６のように分布する。

固定子９ｂが分布巻構造の場合は、図６の点線で示すように、固定子９ｂに起因するインダクタンスＬｓは、ほぼ平坦な分布となる。これにより、回転子９ａに起因するインダクタンスＬｒと固定子９ｂに起因するインダクタンスＬｓの合成インダクタンスは、回転子９ａの部位（ａ）、（ｃ）、すなわちｄ軸方向で最小になり、回転子９ａの部位（ｂ）、（ｄ）、すなわちｑ軸方向で最大となる。したがって、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δで表される高周波電流ベクトルの軌跡は、図７のように、ｄ軸方向に膨らんだ楕円状になる。したがって、第１楕円解析部１４は、第１ディジタルフーリエ変換処理部１３から得たγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δに基づく虚数軸成分ｉ_{γｈ１＿Ｒｅ}、ｉ_{γｈ１＿Ｉｍ}、ｉ_{δｈ１＿Ｒｅ}、ｉ_{δｈ１＿Ｉｍ}に基づいて、当該高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似し、当該高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向を算出することで、γ軸に対する楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’を算出し、最終的に回転子９ａの磁極位置推定値θ＾を推定できる。

しかし、固定子９ｂが集中巻構造の場合、固定子９ｂに起因するインダクタンスＬｓは、固定子９ｂ（ティース）のある位置で最大、固定子９ｂ間で最小となり、固定子９ｂの位置による差が大きくなる。このため、回転子９ａに起因するインダクタンスＬｒと固定子９ｂに起因するインダクタンスＬｓの合成インダクタンスは、必ずしも回転子９ａの部位（ａ）（ｃ）、すなわちｄ軸方向では最小にならず、ｄ軸から一定の範囲内でずれた点で最小となる。よって、高周波電流ベクトル軌跡は、図８に示すように、ｄ軸の周辺において、インダクタンスが最小の方向に膨らみ、大きさが伸び縮みする楕円状になる。これにより、高周波電流ベクトル軌跡を楕円近似した場合の長軸方向（γ）は、図８中の点線で示す楕円のようなｄ軸方向からずれた方向となる。

したがって、固定子９ｂが集中巻構造である電動機９における磁極位置を精度よく推定するためには、回転子９ａの磁極位置に応じて変動する真の磁極位置（ｄ軸）と、高周波電流ベクトル軌跡の第１楕円長軸方向（γ）との誤差（偏差）を補正する必要がある。

このために、第１実施形態として示す電動機制御装置は、図８に示したように高周波電流ベクトル軌跡の楕円形状がｄ軸からずれる高周波電流のひずみ成分と、真の磁極位置と楕円形状における第１楕円長軸方向との誤差は、ともに固定子構造に起因しており、一定の関係性があることに着目して、真の磁極位置と高周波電流ベクトル軌跡における楕円形状の第１楕円長軸方向の誤差とを補正する。この補正について以下に説明する。

上述した図３の磁極位置補正量算出部１７には、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’及び第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２が供給される。当該第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’及び第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２を用いて、磁極位置補正量算出部１７は、磁極位置補正量Δθ_ζを算出する。

この磁極位置補正量算出部１７は、図９に示すように、第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２から第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’を減算した値が供給される磁極位置補正量マップ参照部２１を有する。この磁極位置補正量マップ参照部２１には、高周波電流における基本波成分により描かれるベクトル軌跡を楕円近似した場合の長軸方向である第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’と高周波電流における高調波成分により描かれるベクトル軌跡を楕円近似した場合の長軸方向である第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２との差と、励磁方向と第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’との誤差（磁極位置補正量Δθ_ζ）との関係が、マップデータとして記憶されている。そして、磁極位置補正量マップ参照部２１は、第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２と第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’との差を入力したことに応じてマップデータを参照して、磁極位置補正量Δθ_ζを算出し、出力する。

また、磁極位置補正量マップ参照部２１には、マップデータを、電動機９の動作点ごとに記憶していることが望ましい。この場合、磁極位置補正量マップ参照部２１は、電動機９の動作点に基づいてマップデータを選択し、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’の誤差を補正する磁極位置補正量Δθ_ζを算出する。また、磁極位置補正量マップ参照部２１は、電動機９の動作点に応じて線形補間をして、磁極位置補正量Δθ_ζを算出しても良い。

このマップデータは、例えば図１０に示すような、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２との差（θ_ζ’−θ_ζ２［°］）と、磁極位置補正量Δθ_ζ［°］との関係となっている。このようなマップデータに記述される関係を、図１１乃至図１５を参照して説明する。

図１１（ａ）乃至図１５（ａ）に示すように、図中点線で示す回転子９ａが、図１１（ａ）の位置（１）、図１３（ａ）の位置（２）、図１５（ａ）の位置（３）に向けて回転すると考える。この場合、高周波電流の２次成分のベクトル軌跡による第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２は、図１１（ｂ）乃至図１５（ｂ）に示すように変化する。すなわち、第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２は、回転子９ａの位置に応じて図１１（ｂ）の＋９０°、図１３（ｂ）の０°、図１５（ｂ）の−９０°というように変化する。このように、第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２は、回転子９ａの回転方向とは逆方向に回転する特性を持っている。また、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’と真の磁極位置との誤差θ_ζｅは、回転子９ａの位置に応じて１周期で変動する。こようなことから、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２との差と、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’の誤差θ_ζｅを打ち消す磁極位置補正量Δθ_ζとの関係は、図１０のように求めることができる。

「電動機制御装置の動作」
つぎに、上述した電動機制御装置により、回転子９ａの磁極位置及び回転数を含む電動機９の位置を推定する処理について、図１６を参照して説明する。

電動機制御装置は、トルク指令値Ｔ^＊及び直流電圧Ｖ_ｄｃに基づいてインバータ７から電動機９に交流電力を供給して当該電動機９を駆動させている時において、所定期間（例えば数ｍｓｅｃ）ごとにステップＳ１以降の処理を開始する。

ステップＳ１において、磁極位置・回転数推定部１１は、座標変換部１０からγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを取得する。このとき、座標変換部１０は、電流センサ８ｕ，８ｖからＵ相とＶ相の電流値ｉ_ｕ，ｉ_ｖを取得してγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを演算して、磁極位置・回転数推定部１１に供給する。

次のステップＳ２において、磁極位置・回転数推定部１１は、第１バンドパスフィルタ１２により、ステップＳ１にて取得したγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δから、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ高周波数成分（基本波成分）のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１を抽出する。同様に、第２バンドパスフィルタ１８は、ステップＳ１にて取得したγδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δから、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ高周波数成分に対する２次成分（高調波成分）のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２を抽出する。

次のステップＳ３において、磁極位置・回転数推定部１１は、第１ディジタルフーリエ変換処理部１３及び第２ディジタルフーリエ変換処理部１９によるディジタルフーリエ変換処理（ＤＦＴ）により、ステップＳ２にて抽出したγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１、γδ軸高周波電流ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２より、実数軸成分及び虚数軸成分に分離する。

次のステップＳ４において、磁極位置・回転数推定部１１は、第１楕円解析部１４により、γδ軸高周波電流ｉ_γｈ、ｉ_δｈの値（大きさ）の変化から、高周波電流（基本波）ベクトル軌跡を楕円近似して求める。そして、第１楕円解析部１４は、γ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’を算出する。

同様に、ステップＳ５において、第２楕円解析部２０は、γδ軸高周波電流ｉ_γｈ、ｉ_δｈの値（大きさ）の変化から、高周波電流（２次高調波）ベクトル軌跡を楕円近似して求める。そして、第１楕円解析部１４は、γ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２を算出する。

次のステップＳ６において、磁極位置補正量算出部１７は、ステップＳ４にて算出された第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’と、ステップＳ５にて算出された第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２との差から、磁極位置補正量マップ参照部２１に記憶されたマップデータを参照する。これにより、磁極位置補正量マップ参照部２１は、当該差に対応した磁極位置補正量Δθζを算出し、出力する。

ここで、磁極位置補正量算出部１７は、マップを用いる場合のみならず、第１楕円長軸方向（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸方向（偏差）θ_ζ２との差を用いて磁極位置補正量Δθ_ζを求める所定の演算式に従った処理を行っても良い。

次のステップＳ７において、磁極位置・回転数推定部１１は、ステップＳ４にて求められたγ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向θ_ζ’から、ステップＳ６にて求められた磁極位置補正量Δθ_ζを減算して、新たなγ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向θ_ζを算出する。

次のステップＳ１０において、ＰＩ増幅器１５は、ステップＳ９にて算出されたγ軸に対する高周波電流ベクトル軌跡の楕円長軸方向θ_ζをＰＩ増幅することにより、回転数推定値ω＾を算出する。

次のステップＳ１１において、ＰＩ増幅器１５は、ステップＳ１０にて算出された回転数推定値ω＾を積分することにより、磁極位置推定値θ＾を算出する。

このように、電動機制御装置は、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを用いて、回転数推定値ω＾及び磁極位置推定値θ＾を得ることができ、この回転数推定値ω＾及び磁極位置推定値θ＾を用いて電動機９の制御を行うことができる。

「第１実施形態の効果」
以上説明したように、本発明の第１実施形態として示した電動機制御装置によれば、
電動機９を駆動させるときに、電流制御部２により生成したγδ軸電圧指令値ｖ_γ ^＊、ｖ_δ ^＊に対して高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊を重畳する。そして、電動機９の状態としての磁極位置推定値θ＾及び回転数推定値ω＾を求める場合に、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δから、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ周波数のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１を、高調波成分のγδ軸高周波電流ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２を抽出する。次に、電動機制御装置は、当該抽出されたγδ軸高周波電流ｉ_γｈ１、ｉ_δｈ１、ｉ_γｈ２、ｉ_δｈ２のベクトル軌跡を楕円で近似する。そして、当該楕円の第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸向き（偏差）θ_ζ２とを用いて磁極位置補正量Δθ_ζを求めて、第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’を補正する。次に、補正した第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’に基づいて、磁極位置推定値θ＾を求めることができる。

このような電動機制御装置によれば、回転子９ａの位置を検出する位置センサを備えていなく、回転子９ａの状態を推定する場合であっても、これにより、高調波成分の電流が回転子の回転と相関があることを利用して、回転子の状態を精度良く推定することができる。

また、この電動機制御装置によれば、高調波成分を、高周波電圧ｖ_ｄｈ＊、ｖ_ｑｈ＊の周波数に対する２次高調波成分としたので、高精度・高分解能の電流検出器を追加したり、高周波電流の検出間隔を短くすることなく、回転子９ａの磁極位置・速度の推定精度を向上することができる。

更に、この電動機制御装置によれば、第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸向き（偏差）θ_ζ２との差と、磁極位置補正量Δθ_ζとの関係をマップデータとして記憶しておき、当該マップデータに基づいて磁極位置補正量Δθ_ζを求めるので、回転子９ａの磁極位置・速度の推定精度を向上させることができる。

更にまた、この電動機制御装置によれば、磁極位置補正量Δθ_ζを求めるマップデータを、電動機９の動作点ごとに記憶しておき、電動機９の動作点に基づいてマップデータを選択するので、電動機９の動作点が変化しても、精度よく第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’を補正することが出来る。

［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態として示す電動機制御装置について説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

この第２実施形態として示す電動機制御装置は、図１７に示すように磁極位置補正量算出部１７を構成している。この磁極位置補正量算出部１７は、第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸向き（偏差）θ_ζ２との差分を用いて、磁極位置補正量Δθ_ζを演算する補正量演算部２２を備える。この補正量演算部２２は、第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸向き（偏差）θ_ζ２との差に基づいた位相成分を有する正弦波を算出し、当該算出された正弦波に基づいて磁極位置補正量Δθ_ζを算出する。

図１０に示した第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’と第２楕円長軸向き（偏差）θ_ζ２との差分に対する磁極位置補正量Δθ_ζの特性が、少ない次数成分の正弦波の合成で近似する。この正弦波は、
ΣＫ_ｉｓｉｎ｛２ｉ（θ_ζ２−θ_ζ’）＋ψ_ｉ｝
で表される。そして、補正量演算部２２は、上記式により三角関数を演算し、当該三角関数を合成して図１０に示す特性に従った磁極位置補正量Δθ_ζを演算する。

ここで、補正量演算部２２は、予め電動機９の動作点ごとに記憶しておいた正弦波の振幅Ｋ_ｉ及び位相オフセットψ_ｉを用いて正弦波を算出しても良い。そして、補正量演算部２２は、当該算出した正弦波を用いて、磁極位置補正量Δθ_ζを算出する。このとき、Ｋ_ｉ、ψ_ｉとしては、電動機９の動作点に応じて最適な数値をマップ化し、電動機９の動作点に応じて切り替え又は線形補完により算出しても良い。

また、補正量演算部２２は、第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’と第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’との差に基づいた位相成分を有する正弦波を、複数の次数（１〜ｉ）について算出して合成し、当該合成された正弦波に基づいて、磁極位置補正量Δθ_ζを求めることができる。

これにより、第２実施形態として示す電動機制御装置によれば、第１実施形態に示した効果に加えて、正弦波を組み合わせて磁極位置補正量Δθ_ζを求めるための演算ができる。これにより、第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’が大きくても、高い精度で当該第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’を補正して、磁極位置推定値θ＾を求めることができる。また、メモリの使用量を抑制しつつ、回転子の磁極位置・速度の推定精度を向上させることができる。

更に、この電動機制御装置によれば、磁極位置補正量Δθ_ζを求めるための正弦波の振幅及び位相オフセットを、電動機９の動作点毎に最適な値を記憶してことにより、電動機９の動作点が変化しても、精度よく第１楕円長軸向き（偏差）θ_ζ’を補正することができる。

［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態として示す電動機制御装置について説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。

第３実施形態として示す電動機制御装置おいて、磁極位置補正量算出部１７は、図１８に示すように、第１バンドパスフィルタ１２及び第２バンドパスフィルタ１８に代えて、窓関数処理部２３を備えている。

窓関数処理部２３は、γδ軸電流検出値ｉ_γ，ｉ_δを入力して所定の窓関数を用いた処理を行って、所定の周波数区間の信号を「０」にし、その他の周波数区間を有限な値にしたγδ軸高周波電流ｉ_γｈｗ、ｉ_δｈｗを算出し、出力する。第１ディジタルフーリエ変換処理部１３及び第２ディジタルフーリエ変換処理部１９は、窓関数処理部２３から供給されたγδ軸高周波電流ｉ_γｈｗ、ｉ_δｈｗにより、高周波電圧ｖ_ｄｈ ^＊、ｖ_ｑｈ ^＊と同じ高調波成分の基本波成分及び高調波成分を抽出する。

これにより、第３実施形態として示す電動機制御装置は、第１実施形態に示した効果に加えて、第１バンドパスフィルタ１２及び第２バンドパスフィルタ１８を用いる場合に比べて演算処理負荷を低減することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１ 指令値生成部
２ 電流制御部
３ 高周波電圧発生部
４ 座標変換部
５ ＰＷＭ変換部
６ 直流電源
７ インバータ
８ｕ，８ｖ 電流センサ
９ 電動機
９ａ 回転子
９ｂ 固定子
１０ 座標変換部
１１ 磁極位置・回転数推定部
１２ 第１バンドパスフィルタ
１３ 第１ディジタルフーリエ変換処理部
１４ 第１楕円解析部
１５ ＰＩ増幅器
１６ 積分器
１７ 磁極位置補正量算出部
１８ 第２バンドパスフィルタ
１９ 第２ディジタルフーリエ変換処理部
２０ 第２楕円解析部
２１ 磁極位置補正量マップ参照部
２２ 補正量演算部
２３ 窓関数処理部

Claims (8)

1. 電動機を所望の状態に制御するための電圧指令値として、当該電動機の励磁方向成分の電圧指令値及びトルク方向成分の電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、
   前記電圧指令値演算手段により演算された電圧指令値に対して電動機の駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧を重畳する高周波電圧発生手段と、
   前記高周波電圧発生手段により高周波電圧が重畳された電圧指令値に基づいてインバータのスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、当該インバータにより直流電圧を交流電圧に変換させて前記電動機を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段から前記電動機に供給されている電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記電動機における回転子の状態を推定する回転子状態推定手段と、
   前記回転子状態推定手段により推定された回転子位置に基づいて、前記駆動手段を制御して前記電動機を駆動させる制御手段とを備え、
   前記回転子状態推定手段は、
   前記電流検出手段により検出された電流に含まれる前記高周波電圧と同じ周波数の基本波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を抽出する共に、前記電流検出手段により検出された電流に含まれる前記高周波電圧と同じ周波数に対する高調波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を抽出し、
   当該抽出された基本波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を用いて高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似して、前記励磁方向に対する楕円長軸方向の偏差である第１楕円長軸方向を求めると共に、当該抽出された高調波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を用いて高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似して、前記励磁方向に対する楕円長軸方向の偏差である第２楕円長軸方向を求め、
   前記第１楕円長軸方向と前記第２楕円長軸方向との差に基づいて、前記第１楕円長軸方向の補正量を算出し、
   当該補正量に基づいて、前記第１楕円長軸方向を補正し、補正した第１楕円長軸方向に基づいて、前記回転子位置を推定すること
   を特徴とする電動機の制御装置。
2. 前記回転子状態推定手段は、前記高調波成分を、前記高周波電圧の周波数に対する２次高調波成分とすることを特徴とする請求項１に記載の電動機の制御装置。
3. 前記第１楕円長軸方向と前記第２楕円長軸方向との差と、前記第１楕円長軸方向の補正量との関係をマップデータとして記憶する記憶手段を更に備え、
   前記回転子状態推定手段は、前記第１楕円長軸方向及び前記第２楕円長軸方向の差を演算し、前記記憶手段に記憶されたマップデータに基づいて、前記第１楕円長軸方向と第２楕円長軸方向との差に対応した、前記第１楕円長軸方向の補正量を算出し、当該算出された補正量に基づいて、前記第１楕円長軸方向を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動機の制御装置。
4. 前記記憶手段は、前記マップデータを、前記電動機の動作点ごとに記憶し、
   前記回転子状態推定手段は、前記電動機の動作点に基づいてマップデータを選択することを特徴とする請求項３に記載の電動機の制御装置。
5. 前記回転子状態推定手段は、前記第１楕円長軸方向と第２楕円長軸方向との差に基づいた位相成分を有する正弦波を算出し、当該算出された正弦波に基づいて、前記第１楕円長軸方向の補正量を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動機の制御装置。
6. 前記回転子状態推定手段は、前記第１楕円長軸方向と第２楕円長軸方向との差に基づいた位相成分を有する正弦波を、複数の次数について算出して合成し、当該合成された正弦波に基づいて、前記第１楕円長軸方向の補正量を算出することを特徴とする請求項５に記載の電動機の制御装置。
7. 前記回転子状態推定手段は、予め前記電動機の動作点ごとに記憶しておいた前記正弦波の振幅及び位相オフセットを用いて正弦波を算出して、当該正弦波を用いて前記第１楕円長軸方向の補正量を算出することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の電動機の制御装置。
8. 電動機を所望の状態に制御するための電圧指令値として、当該電動機の励磁方向成分の電圧指令値及びトルク方向成分の電圧指令値を演算し、当該電圧指令値に対して電動機の駆動周波数とは異なる周波数の高周波電圧を重畳し、当該高周波電圧が重畳された電圧指令値に基づいてインバータのスイッチング素子を駆動して前記電動機を駆動しているときに、
   電動機に供給されている電流に含まれる前記高周波電圧と同じ周波数の基本波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を抽出する共に、電動機に供給されている電流に含まれる前記高周波電圧と同じ周波数に対する高調波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を抽出し、
   当該抽出された基本波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を用いて高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似して、前記励磁方向に対する楕円長軸方向の偏差である第１楕円長軸方向を求めると共に、当該抽出された高調波成分の励磁方向成分電流及びトルク方向成分電流を用いて高周波電流ベクトル軌跡を楕円で近似して、前記励磁方向に対する楕円長軸方向の偏差である第２楕円長軸方向を求め、
   前記第１楕円長軸方向と前記第２楕円長軸方向との差に基づいて、前記第１楕円長軸方向の補正量を算出し、
   当該補正量に基づいて、前記第１楕円長軸方向を補正し、補正した第１楕円長軸方向に基づいて、前記回転子位置を推定すること
   を特徴とする電動機状態推定方法。

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