JP2010035352A

JP2010035352A - 同期電動機のロータ位置推定装置

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Publication number: JP2010035352A
Application number: JP2008195446A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Akiyama; 雅彦秋山; Daisuke Hoshino; 大介星野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-07-29
Filing date: 2008-07-29
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】停止時及び低速回転域において、位置センサを用いることなく、比較的簡易な演算処理によってロータ位置を精度良く推定することができる同期電動機のロータ位置推定装置を提供する。
【解決手段】モータ４０の電流方程式に、時間経過に応じて大きさが変化する検出用電圧成分を含む指令電圧ｖ_γδ_c2を適用して算出した推定電流ｉ_γδ_Mと、モータ４０に該指令電圧ｖ_γδ_c2に応じた電圧を印加したときの実電流ｉ_γδとの偏差である電流推定偏差Δｉ_γδを算出し、電流推定偏差Δｉ_γδに基づいてロータ位置の実際値と推定値との偏差である位置推定誤差Δθ_eを求める位置推定誤差取得部１４と、位置推定誤差Δθ_eを解消するように、モータ４０のロータ位置の推定値θ_e及び角速度の推定値ω_e_eを更新するロータ位置推定部１５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、位置センサを用いることなく、ロータ位置を推定する同期電動機のロータ位置推定装置に関する。

ロータに永久磁石を用いた永久磁石同期電動機（PMSM：Permanent Magnet Synchronous Motor）等の同期電動機においては、ロータの位置情報に基づいてステータの通電制御を行うため、通常はレゾルバ等のロータ位置（ロータの磁極位置）を検出する位置センサが用いられている。

しかし、レゾルバ等の位置センサを用いてロータ位置を検出するためには、位置センサに加えてその検出信号の処理回路が必要となり、さらには、位置センサの取り付け及び調整も必要となるため、同期電動機のコストが高くなるという不都合がある。

そこで、ＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）等の突極性を有するロータを備えた同期電動機を対象として、インダクタンスの突極性を利用して停止時及び低速回転時におけるロータ位置を推定する方法が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたロータ位置の推定方法では、いわゆるベクトル制御を用いた同期電動機の制御系において、ｄ軸電機子に正弦波の交番電圧を印加したときの相電流を検出し、検出した相電流をｄｑ軸の位相角θ₀によりｄ軸電流Ｉ_dcとｑ軸電流Ｉ_qcに分離する。そして、Ｉ_dcとＩ_qcに基づいてロータ位置の実際値と推定値との位置偏差を算出して、ロータ位置の推定値を求めている。

しかし、特許文献１に記載されたロータ位置の推定方法では、検出した相電流に対して、ＢＰＦ（Band Pass Filter）やフーリエ積分により、検出用交番電圧と同じ周波数成分の電流を検出する必要がある。

また、検出用電圧の周波数は、モータの駆動電圧の出力周波数よりも数倍以上高く、重畳される搬送波の周波数の数分の１でなければならない。そのため、検出用電圧の周波数は、数１００Hzから数kHz程度の範囲に制限される。そして、このような重畳電圧の周波数の制限と、ＢＰＦの特性により、制御系の高応答化に限界がある。

また、非特許文献１に記載されたロータ位置の推定方法においては、同期電動機の制御電圧にパルス電圧を重畳して電流推定誤差を検出し、パルス電圧と電流推定誤差に基づいてロータ位置の実際値と推定値との位置偏差を算出して、ロータ位置の推定値を求めている。

しかし、非特許文献１に記載された位置センサレス制御方式では、パルス電圧の印加がｄ軸に制限されており、また、抵抗による電圧降下成分を無視しているので、ロータ位置の推定精度が低くなるおそれがある。
特開平７−２４５９８１号公報竹下隆晴、他２名，「全速度領域におけるセンサレス突極型ＰＭ同期電動機制御」，社団法人電気学会，平成１２年，電学論Ｄ，１２０巻２号，ｐ．２４０−２４７

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、停止時及び低速回転時において、位置センサを用いることなく、比較的簡易な演算処理によってロータ位置を精度良く推定することができる同期電動機のロータ位置推定装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、突極性を有するロータを備えた同期電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置に関する。

そして、前記電動機のステータコイルに電圧を印加する電圧印加手段と、前記電動機のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電動機のステータコイルの端子間電圧とステータコイルに流れる電流との関係を、ロータ位置に基づいて表した電動機のモデル式に対して、時間経過に応じて大きさが変化する検出用電圧成分を含む指令電圧を適用して算出したステータコイルの第１の電流値と、前記電動機のロータ位置の推定値と前記指令電圧とに応じた電圧を、前記電動機のステータコイルに印加したときに、前記電流検出手段により検出される第２の電流値との偏差である電流推定偏差を算出する電流推定偏差算出手段と、前記電流推定偏差に基づいて、ロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差を算出する位置推定誤差算出手段と、該位置推定誤差算出手段により算出された位置推定誤差を解消するように、前記電動機のロータ位置の推定値を更新するロータ位置推定手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記第１の電流値は、前記指令電圧と前記電動機のロータ位置の実際値に対応したものとなる。一方、前記第２の電流値は、前記指令電圧と前記電動機のロータ位置の推定値に対応したものとなる。そのため、前記電流推定偏差算出手段により、前記第１の電流値と前記第２の電流値との差として算出される前記電流推定偏差は、前記電動機のロータ位置の実際値と推定値との偏差である位置推定誤差の情報を含んだものとなる。

そこで、前記位置推定誤差推定手段は、前記電流推定偏差算出手段により算出された電流推定偏差に基づいて、位置推定誤差を求めることができる。そして、この場合には、詳細は後述するが、前記検出用電圧の印加方向の制約を受けずに、抵抗成分を含んだ前記電動機のモデル式を用いて、簡易な演算処理によって前記電流推定偏差から直接的に位置推定誤差を求めることができる。そのため、前記ロータ位置推定手段は、位置推定誤差を解消するようにロータ位置の推定値を更新することによって、ロータ位置を精度良く推定することができる。

また、前記ロータ位置推定手段は、前記位置推定誤差推定手段により求められた位置推定誤差を、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）により減少させて、前記電動機のロータ位置の推定値を更新することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記位置推定誤差をＰＬＬ制御により減少させることによって、ノイズの影響を緩和してロータ位置を推定することができる。

また、前記電動機を、前記電動機のロータの磁束方向であるｄ軸と、ｄ軸と直交するｑ軸とを有する等価回路に変換し、ｄ軸に対して位相がずれたγ軸及びγ軸と直交するδ軸からなる推定回転座標系のモデルとして扱い、前記電流推定偏差算出手段は、前記電動機のモデル式として以下の式（５）を用いて、以下の式（５）に前記指令電圧を適用して、前記第１の電流値を算出することを特徴とする。

但し、ｉ_γδ[n]＝（ｉ_γ[n]，ｉ_δ[n]）^T（ｉ_γ[n]：ｎ番目の制御周期における推定γ軸電流値、ｉ_δ[n]：制御サイクルｎにおける推定δ軸電流値）、Ｉ：２行２列の単位行列、Ｒ：抵抗、Ｔs：制御周期、ｖ_γδ[n-1]＝（ｖ_γ[n-1]，ｖ_δ[n-1]）^T（ｖ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期におけるγ軸電圧、ｖ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期におけるδ軸電圧）、ｉ_γδ[n-1]＝（ｉ_γ[n-1]，ｉ_δ[n-1]）^T（ｉ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実γ軸電流、ｉ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実δ軸電流）、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス。

かかる本発明によれば、前記指令電圧を上記式（５）のｖ_γδ[n-1]に適用することによって、前記指令電圧に応じた電圧を前記電動機のステータコイルに印加したときの電流値を、上記式（５）のｉ_γδ[n]により求めることができる。

また、前記位置推定誤差算出手段は、前記指令電圧及び前記電流推定偏差に基づいて、前記推定回転座標系における以下の式（７）及び式（８）により算出される第１ロータ位置参照値及び第２ロータ位置参照値のうちの、少なくともいずれか一方に基づいて、前記位置推定誤差を算出することを特徴とする。

但し、Ａ：第１ロータ位置参照値、Ｂ：第２ロータ位置参照値、ｖ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における指令γ軸電圧、ｖ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における指令δ軸電圧、ｉ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実γ軸電流、ｉ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実δ軸電流、Δｉ_γ[n]：ｎ番目の制御周期におけるγ軸電流推定偏差、Δｉ_δ[n]：ｎ番目の制御周期におけるδ軸電流推定偏差、Ｒ：抵抗。

かかる本発明によれば、詳細は後述するが、上記式（７），式（８）により、前記電流推定偏差Δｉ_γ[n]，Δｉ_δ[n]と、前記指令電圧ｖ_γ[n]，ｖ_δ[n]とを用いて算出される第１ロータ位置参照値Ａと第２ロータ参照値Ｂのうちの少なくともいずれか一方を用いて、前記位置推定誤差を算出することができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は本発明の同期電動機のロータ位置推定装置の構成を含む同期電動機の制御装置１（以下、制御装置１という）の構成図であり、制御装置１はマイクロコンピュータ等により構成された電子ユニットである。

図１を参照して、制御装置１は、ＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)であるモータ４０（本発明の突極性を有するロータを備えた同期電動機に相当する）の速度制御を行うものである。制御装置１は、モータ４０のロータ位置を検出する位置センサ（レゾルバ等）を設けずに、ロータ位置を推定してモータ４０の速度制御を行う。

なお、モータ４０の回転速度の情報は、ロータ位置の推定値ではなく、モータ４０により駆動される負荷の位置情報（機械端検出器による検出信号）により得られる情報を用いてもよい。また、位置制御器を追加して位置制御を行う構成、或いは速度制御器を削除したトルク制御を行う構成としてもよい。

制御装置１は、モータ４０をロータ（図示しない）の磁束方向であるｄ軸及び該ｄ軸と直交するｑ軸を有するｄｑ座標系（実回転座標系）による等価回路に変換し、図２（ａ）に示したように、ｄｑ座標系に対してロータ位置の実際値と推定値との偏差である位置推定誤差Δθ_eを有するγδ座標系（推定回転座標系）により、モータ４０を扱う。

そして、制御装置１は、外部から与えられる角速度の指令値ω_r_cと、後述する処理により算出した角速度の推定値ω_r_eとの偏差を減少させるように、モータ４０に対する通電制御を行う。

また、モータ４０のステータコイルに流れる電流を検出する電流センサ３１，３２（本発明の電流検出手段に相当する）の電流検出信号ｉ_u（Ｕ相のステータコイルに流れる電流の検出信号）及びｉ_v（Ｖ相のステータコイルに流れる電流の検出信号）が、制御装置１に入力される。なお、３相のうち、少なくとも２相分の電流検出を行えばよい。

また、制御装置１からＰＤＵ（Power Drive Unit）３０（本発明の電圧印加手段に相当する）に対して、３相（ｕ，ｖ，ｗ相）の電圧指令値ｖ_u_c，ｖ_v_c，ｖ_w_cが入力される。そして、ＰＤＵ３０は、３相の電圧指令値ｖ_u_c，ｖ_v_c，ｖ_w_cに応じた３相の駆動電圧を生成してモータ４０のステータコイルに印加する。

制御装置１に備えられたマイクロコンピュータに、所定の制御用プログラムを実行させることによって、該マイクロコンピュータは、速度制御部１０、指令電流発生部１１、電流制御部１２、γδ／ｕｖｗ変換部１３、位置推定誤差取得部１４、ロータ位置推定部１５、除算器１６、ｕｖｗ／γδ変換部１７、検出用電圧印加部１８として機能する。

速度制御部１０は、角速度の指令値ω_r_cと推定値ω_r_eとの偏差を減少させるためのトルク指令値Ｔ_r_cを決定する。指令電流発生部１１は、トルク指令値Ｔ_r_cを生じさせるための指令γ軸電流ｉ_γ_cと指令δ軸電流ｉ_δ_cを決定する。

電流制御部１２は、指令γ軸電流ｉ_γ_cと実γ軸電流ｉ_γ（ｕｖｗ／γδ変換部１７により算出される）の偏差と、指令δ軸電流ｉ_δ_cと実δ軸電流ｉ_δ（ｕｖｗ／γδ変換部１７により算出される）の偏差とを減少させるように、第１の指令γ軸電圧ｖ_γ_c1及び第１の指令δ軸電圧ｖ_δ_c1を決定する。

検出用電圧印加部１８は、加算器２０で第１の指令γ軸電圧ｖ_γ_c1に検出用γ軸電圧ｖh_γ（本発明の検出用電圧成分に相当する）を加えて第２の指令γ軸電圧ｖ_γ_c2（本発明の指令電圧に相当する）を生成する。また、検出用電圧印加部１８は、加算器２１で、第１の指令δ軸電圧ｖ_δ_c1に検出用δ軸電圧ｖh_δ（本発明の検出用電圧成分に相当する）を加えて第２の指令δ軸電圧ｖ_δ_c2（本発明の指令電圧に相当する）を生成する。

ここで、検出用γ軸電圧ｖh_γと検出用δ軸電圧ｖh_δは、後述するロータ位置の推定値θ_e_eを求めるためのものであり、例えば所定周波数のパルス電圧に設定される。なお、検出用γ軸電圧ｖh_γ及び検出用δ軸電圧ｖh_δの双方を印加しても良く、いずれか一方のみを印加してもよい。

また、検出用γ軸電圧ｖh_γ及び検出用δ軸電圧ｖh_δは、時間経過と共に電圧が変化するものであればよく、正弦波等のパルス電圧以外の形態であってもよい。また、モータ４０の駆動に影響を与えないようにするためには、検出用γ軸電圧ｖh_γ及び検出用δ軸電圧ｖh_δの出力期間における出力電圧の総和をゼロにする必要がある。

γδ／ｕｖｗ変換部１３は、第２の指令γ軸電圧ｖ_γ_c2と第２の指令δ軸電圧ｖ_δ_c2を、モータ４０のロータ位置（ロータの電気角度）の推定値θ_e_eを用いて、３相（ｕ，ｖ，ｗ相）の電圧指令値ｖ_u_c，ｖ_v_c，ｖ_w_cに変換する。

位置推定誤差取得部１４は、第２の指令γ軸電圧ｖ_γ_c及び第２の指令δ軸電圧ｖ_δ_cと、実γ軸電流ｉ_γ及び実δ軸電流ｉ_δとに基づいて、モータ４０のロータ位置の実際値と推定値との偏差である位置推定誤差Δθ_eを算出する。

ロータ位置推定部１５は、モータ４０の位置推定誤差Δθ_eを解消するように、ロータ位置の推定値θ_e_e及び角速度（電気角速度）の推定値ω_e_eを更新する。また、除算器１６は、電気角速度の推定値ω_e_eを極対数ｑで除して、モータ４０の機械的な角速度の推定値ω_r_eを算出する。

ｕｖｗ／γδ変換部１７は、電流センサ３１，３２から出力される電流検出信号ｉ_u及びｉ_vを、ロータ位置の推定値θ_e_eに基づいて、実γ軸電流ｉ_γ及び実δ軸電流ｉ_δに変換する。

制御装置１は、位置推定誤差取得部１４とロータ位置推定部１５とを備えて、ロータ位置の推定値θ_e_eと電気角速度の推定値ω_e_eを求めている。そのため、レゾルバ等のロータの位置を検出するセンサを設ける必要がない。

以下、位置推定誤差取得部１４による位置推定誤差Δθ_eの算出手順と、ロータ位置推定部１５によるロータ位置の推定値θ_e_e及び角速度の推定値ω_e_eの算出手順について説明する。

先ず、図２（ｂ）及び図３を参照して、位置推定誤差取得部１４による位置推定誤差Δθ_eの算出手順について説明する。位置推定誤差取得部１４は、モータ４０のｄｑ座標系（実回転座標系）の状態方程式と、γδ座標系（推定回転座標系）の状態方程式とを用いて、位置推定誤差Δθ_eを算出する。

先ず、モータ４０のｄｑ座標系の電圧方程式は、以下の式（９），式（１０）となる。

但し、ｖ_d：ｄ軸電圧、ｖ_q：ｑ軸電圧、Ｒ：抵抗、ｐ：微分演算子、ω_e：角速度（電気角速度）、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス、ｉ_d：ｄ軸電流、ｉ_q：ｑ軸電流。

但し、φ：誘起電圧定数。

上記式（９）をベクトル形式で表すと、以下の式（１１）〜式（１４）の形になる。

但し、ｖ_dq＝（ｖ_d，ｖ_q）^T、ｉ_dq＝（ｉ_d，ｉ_q）^T。

上記式（１１）を状態方程式で表すと、以下の式（１５）の形になる。

そして、モータ４０の停止時及び低速回転時には、角速度ω_e≒０と仮定できるので、上記式（１５）において、ω_e＝０とすると、以下の式（１６）が得られる。

但し、Ｉ：２行２列の単位行列。

上記式（１６）を離散化すると、以下の式（１７）の形になる。

但し、Ｔs：制御周期。

上記式（１７）より、離散化した電流方程式は、以下の式（１８）となる。

一方、推定回転座標系（γδ座標系）の電圧方程式は、以下の式（１９）となる。

但し、ｖ_γ：γ軸電圧、ｖ_δ：δ軸電圧、Ｒ：抵抗、ｐ：微分演算子、ω_e：角速度（電気角速度）、Ｌ_γ：γ軸インダクタンス、Ｌ_δ：δ軸インダクタンス、Ｌ_γδ：以下の式（２６）で算出されるパラメータ、ｉ_γ：γ軸電流、ｉ_δ：δ軸電流。

上記式（１９）をベクトル形式で表すと以下の式（２０）〜式（２６）の形になる。

但し、ｖ_γδ＝（ｖ_γ，ｖ_δ）^T、ｉ_γδ＝（ｉ_d，ｉ_q）^T。

上記式（２０）を状態方程式で表すと以下の式（２７）の形になる。

ここで、モータ４０の停止時及び低速回転時は、角速度ω_e≒０と仮定できるので、上記式（２７）でω_e＝０とすると、以下の式（２８）が得られる。

上記式（２８）の離散化を行うと、以下の式（２９）のモータ４０の電流方程式が得られる。

ここで、上記式（１８）において、ｄをγに置き換えると共にｑをδに置き換えた以下の式（３０）を、モータ４０のモデル式とする。

そして、上記式（２９）と上記式（３０）との差をとった以下の式（３１）により、電流推定偏差Δｉ_γδを求める。

そして、Ｌ1'^-1−Ｌ1^-1を求めると、以下の式（３４）のようになる。

そのため、電流推定偏差Δｉ_γδ[n]（Δｉ_γ[n]，Δｉ_δ[n]）は、以下の式（３５）によって算出することができる。

そして、以下の式（３８）、式（３９）により、第２の指令γ軸電圧ｖ_γ_c2をｖ_γに代入し、第２の指令δ軸電圧ｖ_δ_c2をｖ_δに代入して、第２の指令電圧ｖ_γδ_c2に応じた電圧をモータ４０に印加したときの実γ軸電流ｉ_γ，実δ軸電流ｉ_δをｉ_γ，ｉ_δにそれぞれ代入し、上記式（３５）により算出した電流推定偏差Δｉ_γ，Δｉ_δを代入して、Ａ（本発明の第１ロータ位置参照値に相当する），Ｂ（本発明の第２ロータ位置参照値に相当する）を求めることができる。

次に、このようにして算出したＡ，Ｂに基づいて、ロータ位相差偏差Δθ_eを求める方法について説明する。

［第１の方法］Ａ／Ｂは、以下の式（４０）となる。

よって、以下の式（４１）、式（４２）により、位置推定誤差Δθ_eを算出することができる。

［第２の方法］上記第１の方法では、モータの回路定数が変動した場合、位置推定誤差の定常偏差が残る。この定常偏差をなくすためには、以下の方法を用いることができる。但し、位置推定誤差Δθ_eが大きい場合は、Δθ_e≒sinΔθが成立しなくなり、位置推定誤差Δθ_ｅの推定応答時間に影響する。

ここで、−９０[deg]≦２Δθ_e≦９０[deg]の範囲において、Ｂは位置推定誤差Δθ_eに対して単純増加となる。そこで、−Ｂにロータ位置推定ゲイン（＞０）を乗じることにより、ロータ位置を推定することが可能となる。以下の式（４３）（上記式（３７）を再掲）からｓｉｎ２Δθ_eを算出すると以下の式（４４）となる。

そして、以下の式（４５）、式（４６）により、位置推定誤差Δθ_eを求めることができる。

上記式（４６）におけるＢは、Ｌ_d，Ｌ_qが変動したとしても直接Δθ_eに比例する関係にあるため、ロータ位置推定の応答時間には影響するが、位置推定誤差Δθ_eに定常偏差が残ることはない。

［第３の方法］以下の式（４７）（上記式（３６）を再掲）から、以下の式（４８）、式（４９）によりｃｏｓ２Δθ_eを求める。また、以下の式（５０）（上記式（３７）を再掲）から、以下の式（５１）によりｓｉｎ２Δθ_eを求める。

上記式（４９）、式（５１）により、位置推定誤差Δθ_eを以下の式（５２）、式（５３）によって求めることができる。

そこで、図２（ｂ）を参照して、位置推定誤差取得部１４は、第２の指令電圧ｖ_γδ_c2に応じた電圧をモータ４０に印加したときに、ｕｖｗ／γδ変換部１７（図１参照）により算出される実電流ｉ_γδ（ｉ_γ，ｉ_δ）と、該第２の指令電圧ｖ_γδ_c2を上記式（３０）によるモータ４０のモデル５０に入力して算出した推定電流ｉ_γδ_M（ｉ_γ_M，ｉ_δ_M）との差を、電流推定偏差Δｉ_γδとして減算器５１により算出する。なお、このように電流推定偏差Δｉ_γδを算出する構成が、本発明の電流推定偏差算出手段に相当する。

そして、位置推定誤差取得部１４は、位置推定誤差算出部５２により、上記第１の方法を用いるときには、図３に示したように、上記式（３８）、式（３９）のｉ_γ，ｉ_δに実電流ｉ_γ，ｉ_δを代入し、電流推定偏差Δｉ_γ，Δｉ_δを代入し、電圧ｖ_γ，ｖ_δに第２の指令電圧ｖ_γ_c2，ｖ_δ_c2を代入して、Ａ及びＢを算出する。そして、位置推定誤差算出部５２は、上記式（４２）により位置推定誤差Δθ_eを算出する。なお、このように電流推定偏差Δｉ_γδに基づいて位置推定誤差Δθ_eを算出する構成が、本発明の位置推定誤差推定手段に相当する。

なお、上記第１の方法ではなく、上記第２の方法により位置推定誤差Δθ_eを求めるときには、図４に示したように、位置推定誤差算出部５２は、上記式（４６）により位置推定誤差Δθ_eを算出する。また、上記第３の方法により位置推定誤差Δθ_eを求めるときには、図５に示したように、位置推定誤差算出部５２は、上記式（５３）により位置推定誤差Δθ_eを算出する。

次に、図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、ロータ位置推定部１５によるロータ位置の推定値θ_e_eと角速度の推定値ω_e_eの算出処理について説明する。

図６（ａ）は、ロータ位置推定部１５を、ＰＬＬによる位相同期部６０を用いて構成した例を示したものである。本実施の形態では、位相同期部６０を、以下の式（５４）〜式（５５）による最もシンプルなＰＩ（比例積分）制御器と同じ構成として、推定応答性を決定している。

但し、Ｋp：比例ゲイン、Ｋi：積分ゲイン。

ここでは、位置推定誤差Δθ_eをゼロにすることを目的とするため、ロータ位置θ_eから位置推定誤差Δθ_eへの閉ループ伝達関数を算出すると以下の式（５５）となる。

上記式（５５）においては、ＰＩ制御のゲインＫp，Ｋiにより、位置推定誤差Δθ_eの収束速度（制御系の固有角周波数）ω_nとダンピングファクタ（減衰係数）ζが決定される。また、モータ４０が一定速度（角速度ω_eが一定）で作動しているときには、入力θ_eはランプ入力となるため、ロータ位相差Δθ_eをゼロに収束させるには、位相同期部６０を２型コントローラとする必要がある。

次に、図６（ｂ）は、ロータ位置推定部１５を同一次元オブザーバ７０を用いて構成した例を示したものである。この場合には、例えば、以下の式（５６）による同一次元オブザーバを用いればよい。

但し、Ｔs：制御周期、Ｋ1，Ｋ2：演算ゲイン。

なお、このように位置推定誤差Δθ_eを解消するように、ロータ位置の推定値θ_e_eを更新する構成が、本発明のロータ位置推定手段に相当する。

なお、本実施の形態においては、本発明の同期電動機として、ＩＰＭＳＭ４０を示したが、ＳｙｎＲＭ（Synchronous Reluctance Motor）等、電気的突極性を有するロータを備えた同期電動機であれば、本発明の適用が可能である。

また、本実施の形態において、制御装置１はモータ４０をγδ座標系のモデルにより扱って、上記式（３０）により本発明の同期電動機の電流方程式を規定したが、同期電動機のコイルに印加する電圧と電流との関係を表した電流方程式であれば、他の座標系や形態によるものを用いてもよい。

本発明のロータ位置推定装置の構成を含む同期電動機の制御装置の構成図。 γδ座標系の説明図と、位置推定誤差推定部及びロータ位置推定部の構成図。位置推定誤差算出部の説明図（第１の方法）。位置推定誤差算出部の説明図（第２の方法）。位置推定誤差算出部の説明図（第３の方法）。ロータ位置推定部の説明図。

符号の説明

１…同期電動機の制御装置、１４…位置推定誤差取得部、１５…ロータ位置推定部、５０…モータのモデル、５２…位置推定誤差算出部、６０…ＰＬＬ（ＰＩ制御器）、７０…ＰＬＬ（同一次元オブザーバ）

Claims

突極性を有するロータを備えた同期電動機のロータ位置を推定するロータ位置推定装置であって、
前記電動機のステータコイルに電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電動機のステータコイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電動機のステータコイルの端子間電圧とステータコイルに流れる電流との関係を、ロータ位置に基づいて表した電動機のモデル式に対して、時間経過に応じて大きさが変化する検出用電圧成分を含む指令電圧を適用して算出したステータコイルの第１の電流値と、前記電動機のロータ位置の推定値と前記指令電圧とに応じた電圧を、前記電動機のステータコイルに印加したときに、前記電流検出手段により検出される第２の電流値との偏差である電流推定偏差を算出する電流推定偏差算出手段と、
前記電流推定偏差に基づいて、ロータ位置の実際値と推定値との差である位置推定誤差を算出する位置推定誤差算出手段と、
該位置推定誤差算出手段により算出された位置推定誤差を解消するように、前記電動機のロータ位置の推定値を更新するロータ位置推定手段とを備えたことを特徴とする同期電動機のロータ位置推定装置。
請求項１記載の同期電動機のロータ位置推定装置において、
前記ロータ位置推定手段は、前記位置推定誤差算出手段により算出された位置推定誤差を、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）により減少させて、前記電動機のロータ位置の推定値を更新することを特徴とする同期電動機のロータ位置推定装置。
請求項１又は請求項２記載の同期電動機のロータ位置推定装置において、
前記電動機を、前記電動機のロータの磁束方向であるｄ軸と、ｄ軸と直交するｑ軸とを有する等価回路に変換し、ｄ軸に対して位相がずれたγ軸及びγ軸と直交するδ軸からなる推定回転座標系のモデルとして扱い、
前記電流推定偏差算出手段は、前記電動機のモデル式として以下の式（１）を用いて、以下の式（１）に前記指令電圧を適用して、前記第１の電流値を算出することを特徴とするロータ位置推定装置。

但し、ｉ_γδ[n]＝（ｉ_γ[n]，ｉ_δ[n]）^T（ｉ_γ[n]：ｎ番目の制御周期における推定γ軸電流、ｉ_δ[n]：制御サイクルｎにおける推定δ軸電流）、Ｉ：２行２列の単位行列、Ｒ：抵抗、Ｔs：制御周期、ｖ_γδ[n-1]＝（ｖ_γ[n-1]，ｖ_δ[n-1]）^T（ｖ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期におけるγ軸電圧、ｖ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期におけるδ軸電圧）、ｉ_γδ[n-1]＝（ｉ_γ[n-1]，ｉ_δ[n-1]）^T（ｉ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実γ軸電流、ｉ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実δ軸電流）、Ｌ_d：ｄ軸インダクタンス、Ｌ_q：ｑ軸インダクタンス。
請求項３記載のロータ位置推定装置において、
前記位置推定誤差算出手段は、前記指令電圧及び前記電流推定偏差に基づいて、前記推定回転座標系における以下の式（３）及び式（４）により算出される第１ロータ位置参照値及び第２ロータ位置参照値のうちの、少なくともいずれか一方に基づいて、前記位置推定誤差を算出することを特徴とするロータ位置推定装置。

但し、Ａ：第１ロータ位置参照値、Ｂ：第２ロータ位置参照値、ｖ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における指令γ軸電圧、ｖ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における指令δ軸電圧、ｉ_γ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実γ軸電流、ｉ_δ[n-1]：ｎ−１番目の制御周期における実δ軸電流、Δｉ_γ[n]：ｎ番目の制御周期におけるγ軸電流推定偏差、Δｉ_δ[n]：ｎ番目の制御周期におけるδ軸電流推定偏差、Ｒ：抵抗。