JP6459287B2 - 同期電動機のトルク推定システム - Google Patents

Description

本発明は、同期電動機のトルク推定システムに関する。

回転子に永久磁石を配置し、固定子により形成された回転磁界と永久磁石の相互作用により回転子が回転する永久磁石型同期電動機が知られている。このような電動機のトルクを検出する方法として、トルクセンサを用いてトルクを検出する方法が特許文献１に開示されている。

特開平１０−２８３５４号公報

しかしながら、特許文献１のようにトルクセンサを電動機の回転部品に取り付けると耐久信頼性が低下するおそれがある。また、トルクセンサを取り付けると高コストになる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トルクセンサを用いずに、電動機の低回転数から高回転数までの広い動作領域において、トルクを精度よく推定することができる同期電動機のトルク推定システムを提供することである。

本発明の一態様に係る同期電動機のトルク推定システムは、同期電動機を駆動する基本波の周波数とは異なる周波数の電圧または電流を同期電動機のｄ軸にのみ重畳し、重畳した電圧または電流と、重畳することにより得られた電流または電圧から永久磁石の温度を推定し、推定した永久磁石の温度から同期電動機のトルクを推定する。

本発明によれば、トルクセンサを用いずに、電動機の低回転数から高回転数までの広い動作領域において、トルクを精度よく推定することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石型同期電動機の制御装置のシステム構成図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石温度推定の原理を説明する図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁石温度推定部の構成図である。 図４は、高調波インピーダンス実部と永久磁石温度との関係を説明するグラフである。 図５は、永久磁石温度とトルクの関係を説明するグラフである。 図６は、本発明の第１の実施形態に係る磁石温度推定部の変形例１の構成図である。 図７は、固定子コイル温度と固定子コイル抵抗値との関係を説明するグラフである。 図８は、本発明の第１の実施形態に係る磁石温度推定部の変形例２の構成図である。 図９は、本発明の第１の実施形態に係る磁石温度推定部の変形例３の構成図である。 図１０は、ｄ軸基本波電流値と高調波インピーダンス実部を補償するための補償量との関係を説明するグラフである。 図１１は、ｑ軸基本波電流値と高調波インピーダンス実部を補償するための補償量との関係を説明するグラフである。 図１２は、本発明の第２の実施形態に係る永久磁石型同期電動機の制御装置のシステム構成図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態に係る磁石温度推定部の構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る永久磁石型同期電動機の制御装置のシステム構成図である。図１に示すように、永久磁石型同期電動機の制御装置１は、電動機２を制御するために、電流制御部４と、座標変換部６，１１と、電力変換部７と、バンドストップフィルター９と、バンドパスフィルター１０と、共振制御部１３と、磁石温度推定部１４と、トルク推定部１５とを備えている。なお、図面において、２本斜線、３本斜線は、それぞれ２次元、３次元のベクトルを示す。

電動機２は、図２に示すように、三相の永久磁石型同期電動機（ＰＭＳＭ：permanent magnet synchronous motor）であり、永久磁石３２を備えた回転子３１が固定子３０の内部を回転するように構成されている。固定子３０には複数のスロット３３が設けられており、このスロット３３に固定子コイル３４が巻回されている。この固定子コイル３４に三相電力を供給することにより電流磁束が発生し、永久磁石３２は磁石磁束を発生する。なお、温度センサ３５は、固定子コイル３４の温度を計測するものである。

次に、図２を用いて、本実施形態における永久磁石温度推定の原理について説明する。本実施形態では、高調波電圧Ｖｈを固定子コイル３４に重畳し、発生する高調波電流値Ｉｈによって変化する高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄに基づいて永久磁石３２の温度推定を行う。固定子コイルの抵抗値をＲｃ、固定子コイルのインダクタンスをＬｃ、永久磁石３２の抵抗値をＲｍ、永久磁石３２のインダクタンスをＬｍとすると、電動機２の等価回路は、図２のように表すことができる。高調波電圧Ｖｈと、等価回路に高調波電圧Ｖｈを重畳することにより発生する高調波電流値Ｉｈから高調波インピーダンスＺｈを演算すると、Ｚｈ＝Ｖｈ／Ｉｈで表される。また、高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄは、（１）式で表される。

ここで、Ｍは相互インダクタンス、ωは高調波電圧Ｖｈの角周波数である。また、永久磁石３２の抵抗値Ｒｍ及びインダクタンスＬｍは永久磁石３２の温度Ｔｍの関数である。したがって、永久磁石３２の温度Ｔｍが変化すると、永久磁石３２の抵抗値Ｒｍ及びインダクタンスＬｍの値が変化する。すなわち、高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄが変化する。後述するように、高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄと永久磁石３２の温度Ｔｍには、相関関係がある。したがって、高調波電圧Ｖｈを重畳することにより得られる高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄに基づいて永久磁石３２の温度Ｔｍを推定することができる。

以下、順次、図１に基づいて、電動機２の制御装置１の各構成部の構成、機能及び動作について説明する。
差分器３は、トルク指令値に基づくｄ−ｑ軸上の電流指令値ｉｄｓｆ＊，ｉｑｓｆ＊から、電動機２に実際に流れている検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓから高調波成分をカットした検出基本波電流ｉｄｓｆ，ｉｑｓｆをそれぞれ減算する。

電流制御部４は、電流指令値ｉｄｓｆ＊，ｉｑｓｆ＊と、検出基本波電流ｉｄｓｆ，ｉｑｓｆとの偏差がなくなるように比例積分制御して第一の電圧指令値ｖｄ０＊，ｖｑ０＊を出力する。

差分器１２は、外部から与えられる高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊，ｉｑｓｃ＊から、電動機２に実際に流れている検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓから基本波成分をカットした検出高調波電流値ｉｄｓｃ，ｉｑｓｃをそれぞれ減算する。高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊，ｉｑｓｃ＊は（２）式で表される。本実施形態では、電動機２を駆動するための基本波に重畳する高調波信号を電流の指令値として与える。

ここで、Ｉｃはｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の振幅、ωｃはｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の角周波数、ｔは時間である。ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の周波数は、基本波と異なる周波数である。（２）式からわかるように、本実施形態では、電動機２のｄ軸成分に高調波電流を重畳する。また、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の振幅Ｉｃは、基本波の振幅より小さい。

共振制御部１３は、差分器１２の出力の大きさに応じて、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊を生成する。共振制御部１３は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊の振幅及び間隔を任意に設定することができる。共振制御部１３で生成される高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊は、（３）式で表される。本実施形態において、基本波に高調波電圧を重畳する際に、パルセイティング・ベクトル・インジェクション（Pulsating vector injection）方式を用いる。パルセイティング・ベクトル・インジェクション方式とは、基本波のｄ軸成分に対して、ｄ軸と平行する方向（正負の両方向）に高調波電圧を重畳する方式である。

ここで、Ｒｄは固定子のコイル抵抗値と永久磁石抵抗値を含む回路抵抗値である。なお、この回路抵抗値には、電動機２と電力変換部７との間の配線抵抗値が含まれる。Ｌｄはｄ軸インダクタンス、ωｒは回転子の角周波数である。本実施形態では、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊のうち、ｑ軸成分をカットしてｄ軸成分のみを電動機２のｄ軸成分に重畳する。ｑ軸成分をカットする理由は、（３）式において、ｑ軸高調波電圧指令値ｖｑｓｃ＊にωｒが含まれているからである。このωｒは回転子の角周波数であるため、ｑ軸高調波電圧指令値ｖｑｓｃ＊は、回転子の角周波数によって値が変化する。このような回転子の角周波数による影響を防ぐため、ｑ軸成分をカットする。また、ｑ軸成分をカットすることにより、ｑ軸インダクタンスによる影響を防ぐこともできる。

加算器５は、第一の電圧指令値ｖｄ０＊，ｖｑ０＊に、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊を重畳して、第二の電圧指令値ｖｄｓ＊，ｖｑｓ＊を出力する。

座標変換部６は、加算器５の出力である第二の電圧指令値ｖｄｓ＊，ｖｑｓ＊を座標変換して、三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を出力する。

電力変換部７は、例えばコンバータとインバータで構成される電力変換回路であり、三相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に基づいて、電動機２に三相電圧を印加する。なお、インバータは、電圧型インバータまたは電流型インバータを用いることができる。電動機２は、電力変換部７からの三相電流によって駆動し、または回生する。

電流検出器８は、ホール素子などを用いて、電動機２に流れる三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを検出する。

座標変換部１１は、電流検出器８において検出された三相電流を座標変換して、ｄ−ｑ軸上の検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓを出力する。検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓは、基本波成分と高調波成分を含んでいる。そこで、バンドストップフィルター９とバンドパスフィルター１０を用いて、検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓに含まれる基本波成分と高調波成分とを分離する。バンドストップフィルター９は、検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓから高調波成分をカットして検出基本波電流ｉｄｓｆ、ｉｑｓｆを出力する。また、バンドパスフィルター１０は、検出電流ｉｄｓ，ｉｑｓから基本波成分をカットして検出高調波電流値ｉｄｓｃ，ｉｑｓｃを出力する。

次に、図３に基づいて、磁石温度推定部１４の構成、機能及び動作について説明する。
磁石温度推定部１４は、フィルタ１６と、バンドストップフィルター１７，１８と、演算器１９と、磁石温度推定器２０とを備えている。

フィルタ１６は、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊のうち、ｑ軸成分をカットしてｄ軸成分であるｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃを出力する。ｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃは、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊を電動機２のｄ軸成分に重畳することにより得られる電圧である。ｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃは、（４）式で表される。

バンドストップフィルター１７は、電動機２の回転の向きに応じて、ｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃのうち、プラス側またはマイナス側の周波数成分をカットすることで、プラス側、マイナス側いずれかの周波数成分を抽出する。

バンドストップフィルター１８は、バンドストップフィルター１７と同様に、プラス側またはマイナス側の周波数成分をカットすることで、プラス側、マイナス側いずれかの周波数成分を抽出する。

演算器１９は、バンドストップフィルター１７，１８から出力された電圧値及び電流値から高調波インピーダンスＺｄｓを演算する。演算された高調波インピーダンスＺｄｓは、（５）式で表される。

ここで、ψｚｄは、高調波インピーダンスＺｄｓの相差角である。

続いて、演算器１９は、（５）式から得られる高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを出力する。

磁石温度推定器２０は、演算器１９から出力された高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを利用して、永久磁石の温度Ｔｍを推定する。図４に示すように、高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄと永久磁石の温度Ｔｍには、相関関係がある。この関係は、予め実験やシミュレーションを通じて取得することができる。磁石温度推定器２０は、高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄと永久磁石の温度Ｔｍとの関係を示すマップないしは比例係数を記憶しておき、演算器１９から出力された高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄとマップを参照して、永久磁石の温度Ｔｍを出力する。

トルク推定部１５は、磁石温度推定部１４から出力された永久磁石の温度Ｔｍから電動機２のトルクを推定する。図５に示すように、永久磁石の温度Ｔｍとトルクには、相関関係がある。この関係は、予め実験やシミュレーションを通じて取得することができる。トルク推定部１５は、永久磁石の温度Ｔｍとトルクとの関係を示すマップを記憶しておき、磁石温度推定部１４から出力された永久磁石の温度Ｔｍとマップを参照して、トルクを算出する。

以上説明してきたように、本実施形態のトルク推定システムによれば、基本波のｄ軸成分のみにｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊をパルセイティング・ベクトル・インジェクション方式で重畳し、電動機２の回転数及びｑ軸インダクタンスに影響を受けないｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃを得る。このｄ軸高調波電流指令値及びｄ軸高調波電圧を用いて、高調波インピーダンスＺｄｓを演算し、演算した高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄに基づいて、永久磁石の温度Ｔｍを推定する。これにより、電動機２の低回転数から高回転数までの広い動作領域において永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができる。そして、推定した永久磁石の温度Ｔｍからトルクを算出することができるため、トルクセンサを用いることなく、電動機２の低回転数から高回転数までの広い動作領域において、トルクを精度よく推定することができる。

また、本実施形態のトルク推定システムによれば、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊を所定の間隔で重畳する。ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の周波数や振幅によっては、永久磁石の温度Ｔｍが上昇するおそれがある。そのため、本実施形態では、所定の間隔でｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊を重畳する。これにより、永久磁石の温度Ｔｍの推定精度を高く保ちつつ、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊による電動機２の損失を抑えることができる。永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができるため、トルクを精度よく推定することができる。

また、本実施形態のトルク推定システムによれば、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の振幅は、基本波の振幅より小さい。ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の振幅が基本波の振幅より大きい場合、電動機２の動作に影響を与えるだけでなく、永久磁石の温度Ｔｍが上昇するおそれがある。そのため、本実施形態では、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の振幅を基本波の振幅より小さくする。これにより、永久磁石の温度Ｔｍの推定精度を高く保ちつつ、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊による電動機２の損失を抑えることができる。永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができるため、トルクを精度よく推定することができる。

また、本実施形態のトルク推定システムによれば、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊と、このｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊を重畳することにより得られたｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃから高調波インピーダンスＺｄｓを求めることができるため、容易に永久磁石の温度Ｔｍを推定することができる。これにより、容易にトルクを推定することができる。

また、本実施形態のトルク推定システムによれば、バンドストップフィルター９、及びバンドパスフィルター１０を用いて、基本波と検出高調波電流値ｉｄｓｃ，ｉｑｓｃを分離する。これにより、高調波成分を高精度で抽出することができ、永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができるため、トルクを精度よく推定することができる。

また、本実施形態のトルク推定システムによれば、バンドストップフィルター１７，１８を用いて、ｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊及びｄ軸高調波電圧値ｖｄｓｃから同期電動機の回転方向とは異なる側の周波数成分を抽出する。これにより、基本波の周波数とｄ軸高調波電流指令値ｉｄｓｃ＊の周波数が同じで場合でも、周波数の正負が異なるため、回転数域の広い電動機でも高調波の周波数を高くすることなく、永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができる。これにより、トルクを精度よく推定することができる。

次に、第１の実施形態の変形例１について説明する。
図６は、磁石温度推定部１４の変形例１の構成図である。図６に示すように、変形例１では、磁石温度推定部１４は、固定子のコイル温度Ｔｃを考慮して、永久磁石の温度Ｔｍを推定する。固定子のコイル温度Ｔｃは、例えば、図２に示すように固定子コイル３４に取り付けた温度センサ３５から取得することができる。固定子のコイル温度Ｔｃとコイル抵抗値Ｒｃには、図７に示すように、相関関係がある。この関係は、予め実験やシミュレーションを通じて取得することができる。磁石温度推定器２０は、固定子のコイル温度Ｔｃとコイル抵抗値Ｒｃとの関係を示すマップを記憶しておき、入力された固定子のコイル温度Ｔｃとマップを参照して、固定子のコイル抵抗値Ｒｃを推定することができる。固定子のコイル抵抗値Ｒｃは、高調波インピーダンスＺｈの実部Ｒｄに含まれる。そのため、固定子のコイル温度Ｔｃから固定子のコイル抵抗値Ｒｃを補正することにより、補正後のコイル抵抗値Ｒｃを含む高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを精度よく求めることができる。これにより、永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができるため、トルクを精度よく推定することができる。

次に、第１の実施形態の変形例２について説明する。
図８は、磁石温度推定部１４の変形例２の構成図である。変形例１と変形例２が異なるのは、変形例２ではマップではなく、演算器２１の演算によって固定子のコイル抵抗値Ｒｃを推定することである。固定子のコイル温度がＴ０からＴ１に変化したとき、コイル温度がＴ０時の抵抗値をＲｃ、コイル温度がＴ１時の抵抗値をＲｃ’とすると、Ｒｃ’は、Ｒｃ’＝Ｒｃ（１＋α×（Ｔ１−Ｔ０））で表される。ここでαは抵抗温度係数である。このように変形例２では、変形例１のようにマップを用いることなく、固定子のコイル温度から固定子のコイル抵抗値Ｒｃを補正することにより、補正後のコイル抵抗値Ｒｃを含む高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを精度よく求めることができる。これにより、永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができるため、トルクを精度よく推定することができる。

次に、第１の実施形態の変形例３について説明する。
図９は、磁石温度推定部１４の変形例３の構成図である。変形例３が、変形例１及び変形例２と異なるのは、図９に示すように、補償演算器２４を備えることである。補償演算器２４は、基本波電流値ｉｄ，ｉｑを用いて、高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償する。これにより、精度の高い高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄ（ｃｏｍｐ）を求めることができる。変形例３では、基本波電流値ｉｄ，ｉｑとして、電流指令値ｉｄｓｆ＊，ｉｑｓｆ＊を用いるが、基本波電流値ｉｄ，ｉｑはこれに限定されるものではない。
次に、図１０及び１１を参照して、基本波電流値ｉｄ，ｉｑを用いた高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償する方法を説明する。図１０は、ｄ軸基本波電流値ｉｄと高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償するための補償量Ｃｄとの関係を示す。また、図１１は、ｑ軸基本波電流値ｉｑと高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償するための補償量Ｃｑとの関係を示す。図１０及び１１に示すように、基本波電流値ｉｄ，ｉｑと高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償するための補償量Ｃｄ，Ｃｑには、相関関係がある。そこで、図１０及び１１に示すグラフを線形補完すると、グラフの傾きは一定とみなすことができる。ここで、図１０に示すグラフを線形補完した場合の傾きの大きさをαｄ、図１１に示すグラフを線形補完した場合の線分の傾きの大きさをαｑ、補償後の高調波インピーダンスＺｄｓの実部ＲｄをＲｄ（ｃｏｍｐ）とすると、Ｒｄ（ｃｏｍｐ）は、Ｒｄ（ｃｏｍｐ）＝Ｒｄ−Ｉｑ×αｑ＋Ｉｄ×αｄで表される。傾きαｄ，αｑは既知であるため、基本波電流値ｉｄ，ｉｑを入力すれば、補償後の高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄ（ｃｏｍｐ）を求めることができる。
このように変形例３では、基本波電流値ｉｄ，ｉｑを用いることにより、高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償して、精度の高い実部Ｒｄ（ｃｏｍｐ）を求めることができる。そして、精度の高い高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄ（ｃｏｍｐ）を用いることにより、永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができる。これにより、トルクを精度よく推定することができる。なお、変形例３において変形例１または２に示す固定子のコイル温度Ｔｃをさらに考慮してもよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態が第１実施形態と異なる点は、基本波のｄ軸成分に重畳するのが、高調波電流ではなく高調波電圧である点である。第１の実施形態と共通する点については説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

図１２は、第２の実施形態に係る永久磁石型同期電動機の制御装置１のシステム構成図である。
フィルタ２２は、バンドパスフィルター１０から出力される検出高調波電流値ｉｄｓｃ，ｉｑｓｃのうち、ｄ軸成分をカットしてｑ軸成分であるｑ軸検出高調波電流値ｉｑｓｃを出力する。

差分器１２は、外部から与えられるｑ軸高調波電流指令値ｉｑｓｃ＊からｑ軸検出高調波電流値ｉｑｓｃを減算する。外部から与えられるｑ軸高調波電流指令値ｉｑｓｃ＊は、（６）式で表される。

本実施形態では、ｑ軸高調波電流指令値ｉｑｓｃ＊を０とし、基本波のｑ軸成分に高調波電流が重畳しないようにしている。したがって、共振制御部１３で生成されるｑ軸高調波電圧指令値ｖｑｓｃ＊も０となる。加算器２３は、共振制御部１３から出力されるｑ軸高調波電圧指令値ｖｑｓｃ＊と、外部から与えられるｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊とを加える。ｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊は、（７）式で表される。

ここで、Ｖｃは振幅である。

加算器５は、第一の電圧指令値ｖｄ０＊，ｖｑ０＊に、高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊，ｖｑｓｃ＊を重畳して、第二の電圧指令値ｖｄｓ＊，ｖｑｓ＊を出力する。ｑ軸高調波電圧指令値ｖｑｓｃ＊は０であるため、加算器５は、基本波のｄ軸成分にのみｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊を重畳する。これにより、ｑ軸インダクタンスによる影響を防ぐことができる。また、ｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊の重畳方式は、第１の実施形態と同じように、パルセイティング・ベクトル・インジェクション方式である。これにより、電動機２の回転数による影響を抑えた高調波電流を得ることができる。基本波のｄ軸成分にのみｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊を重畳することにより得られる高調波電流値ｉｄｓｃ，ｉｑｓｃは、バンドパスフィルター１０を介して出力され、（８）式で表される。

演算器１９は、図１３に示すように、上記（７）式と（８）式に基づいて、高調波インピーダンスＺｄｓを演算する。高調波インピーダンスＺｄｓは、（９）式で表される。

続いて、演算器１９は、（９）式から得られる高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを出力する。

磁石温度推定器２０は、演算器１９から出力された高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを用いて、永久磁石の温度Ｔｍを推定する。

以上説明してきたように、本実施形態によれば、基本波のｄ軸成分のみにｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊をパルセイティング・ベクトル・インジェクション方式で重畳し、電動機２の回転数に影響を抑えたｄ軸高調波電流値ｉｄｓｃを得る。このｄ軸高調波電圧指令値ｖｄｓｃ＊及びｄ軸高調波電流値ｉｄｓｃを用いて、高調波インピーダンスＺｄｓを演算し、演算した高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄに基づいて、永久磁石の温度Ｔｍを推定する。これにより、電動機２の低回転数から高回転数までの広い動作領域において永久磁石の温度Ｔｍを精度よく推定することができる。そして、推定した永久磁石の温度Ｔｍからトルクを算出することができるため、トルクセンサを用いることなく、電動機２の低回転数から高回転数までの広い動作領域において、トルクを精度よく推定することができる。なお、第１の実施形態と同じように、固定子のコイル温度Ｔｃを用いてコイル抵抗値Ｒｃを補正してもよい。また、第１の実施形態と同じように、基本波電流値ｉｄ，ｉｑを用いて、高調波インピーダンスＺｄｓの実部Ｒｄを補償してもよい。

欧州特許出願１４３８０００１．９（出願日２０１４年１月１３日）の全内容がここに援用される。

以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

１ 制御装置
２ 電動機
３、１２ 差分器
４ 電流制御部
５ 加算器（重畳部）
６、１１ 座標変換部
７ 電力変換部
８ 電流検出器
９、１７、１８ バンドストップフィルター
１０ バンドパスフィルター
１３ 共振制御部
１４ 磁石温度推定部
１５ トルク推定部
１６、２２ フィルタ
１９ 演算器（演算部）
２０ 磁石温度推定器
２１ 演算器
２３ 加算器
２４ 補償演算器（補償演算部）
３０ 固定子
３１ 回転子
３２ 永久磁石
３３ スロット
３４ 固定子コイル
３５ 温度センサ（温度計測部）

Claims (11)

1. 永久磁石を有する同期電動機のトルク推定システムにおいて、
   前記同期電動機を駆動する基本波の周波数とは異なる周波数の電圧または電流を前記同期電動機のｄ軸にのみ重畳する重畳部と、
   重畳した電圧または電流と、重畳することにより得られた電流または電圧から前記永久磁石の温度を推定する磁石温度推定部と、
   推定した前記永久磁石の温度から前記同期電動機のトルクを推定するトルク推定部と
   を備えることを特徴とする同期電動機のトルク推定システム。
2. 前記重畳部は、前記基本波の周波数とは異なる周波数の電圧または電流を所定の間隔で重畳することを特徴とする請求項１に記載の同期電動機のトルク推定システム。
3. 前記トルク推定部は、予め取得した前記永久磁石の温度と前記トルクとの関係と、推定した前記永久磁石の温度とに基づいて前記トルクを推定することを特徴とする請求項１または２に記載の同期電動機のトルク推定システム。
4. 重畳した電圧または電流と、重畳することにより得られた電流または電圧から前記同期電動機のインピーダンスを演算する演算部と、
   前記同期電動機の固定子コイルの温度を計測する温度計測部とをさらに備え、
   前記重畳部が、前記基本波の周波数とは異なる周波数の電圧または電流を前記同期電動機に重畳した際に、前記演算部は、前記温度計測部で計測された前記固定子コイルの温度に応じて、前記インピーダンスに含まれる前記固定子コイルの抵抗値を補正し、前記磁石温度推定部は、補正後の前記固定子コイルの抵抗値を含む前記インピーダンスに基づいて前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期電動機のトルク推定システム。
5. 前記演算部は、前記温度計測部で計測された前記固定子コイルの温度と、予め取得した前記固定子コイルの温度と前記固定子コイルの抵抗値との関係に基づいて、前記インピーダンスに含まれる前記固定子コイルの抵抗値を補正し、前記磁石温度推定部は、補正後の前記固定子コイルの抵抗値を含む前記インピーダンスに基づいて前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする請求項４に記載の同期電動機のトルク推定システム。
6. 前記同期電動機は、電流型インバータで駆動され、
   前記重畳部は、下記（１）式で表される電流を前記同期電動機に重畳し、
   前記演算部は、下記（１）式で表される電流を前記同期電動機に重畳することにより得られた下記（２）式で表される電圧を用いて、下記（１）式と下記（２）式から求めた下記（３）式で表される前記インピーダンスを演算することを特徴とする請求項４または５に記載の同期電動機のトルク推定システム。
   

   

   ここで、
   ｉｄｓｃ＊：ｄ軸高調波電流指令値、
   ｉｑｓｃ＊：ｑ軸高調波電流指令値、
   Ｉｃ：ｄ軸高調波電流指令値の振幅、
   ωｃ：ｄ軸高調波電流指令値の角周波数、
   ｔ：は時間
   である。
   

   

   ここで、
   ｖｄｓｃ：ｄ軸高調波電圧値、
   ｖｑｓｃ：ｑ軸高調波電圧値、
   Ｒｄ：コイル抵抗値と磁石抵抗値を含む回路抵抗値、
   Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、
   ωｃ：ｄ軸高調波電流指令値の角周波数、
   である。
   

   

   ここで
   Ｚｄｓ：インピーダンス、
   Ｒｄ：コイル抵抗値と磁石抵抗値を含む回路抵抗値、
   Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、
   ωｃ：ｄ軸高調波電流指令値の角周波数、
   ｖｄｓｃ：ｄ軸高調波電圧値、
   ψｚｄ：インピーダンスの相差角、
   Ｉｃ：ｄ軸高調波電流指令値の振幅、
   ｔ：時間
   である。
7. 前記同期電動機は、電圧型インバータで駆動され、
   前記重畳部は、下記（４）式で表される電圧を前記同期電動機に重畳し、
   前記演算部は、下記（４）式で表される電圧を前記同期電動機に重畳することにより得られた下記（５）式で表される電流を用いて、下記（４）式と下記（５）式から求めた下記（６）式で表される前記インピーダンスを演算することを特徴とする請求項４または５に記載の同期電動機のトルク推定システム。
   

   

   ここで、
   ｖｄｓｃ＊：ｄ軸高調波電圧指令値、
   Ｖｃ：ｄ軸高調波電圧指令値の振幅、
   ωｃ：ｄ軸高調波電圧指令値の角周波数、
   ｔ：時間
   である。
   

   

   ここで、
   ｉｄｓｃ：ｄ軸高調波電流値、
   ｉｑｓｃ：ｑ軸高調波電流値、
   ｖｄｓｃ＊：ｄ軸高調波電圧指令値、
   Ｒｄ：コイル抵抗値と磁石抵抗値を含む回路抵抗値、
   Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、
   ωｃ：ｄ軸高調波電圧指令値の角周波数
   である。
   

   

   ここで
   Ｚｄｓ：インピーダンス、
   Ｒｄ：コイル抵抗値と磁石抵抗値を含む回路抵抗値、
   Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、
   ωｃ：ｄ軸高調波電圧指令値の角周波数、
   Ｖｃ：ｄ軸高調波電圧指令値の振幅、
   ψｚｄ：インピーダンスの相差角、
   ｉｄｓｃ：ｄ軸高調波電流値、
   ｔ：時間
   である。
8. 前記基本波と、前記基本波の周波数とは異なる周波数の電圧または電流を分離するバンドパスフィルター、及びバンドストップフィルターをさらに備え、
   前記演算部は、分離した電圧または電流に基づいて前記インピーダンスを演算することを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の同期電動機のトルク推定システム。
9. 分離した電圧または電流から前記同期電動機の回転方向とは異なる側の周波数成分を抽出する第２のバンドストップフィルターをさらに備え、
   前記演算部は、抽出した電圧または電流に基づいて前記インピーダンスを演算することを特徴とする請求項８に記載の同期電動機のトルク推定システム。
10. 演算した前記インピーダンスを補償する補償演算部をさらに備え、
    前記磁石温度推定部は、補償した前記インピーダンスに基づいて前記永久磁石の温度を推定することを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の同期電動機のトルク推定システム。
11. 前記補償演算部は、予め取得したｄ軸基本波電流と演算した前記インピーダンスを補償するための補償量との関係、または予め取得したｑ軸基本波電流と演算した前記インピーダンスを補償するための補償量との関係のうち、少なくとも１つの関係を用いて演算した前記インピーダンスを補償することを特徴とする請求項１０に記載の同期電動機のトルク推定システム。

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