JP2014117092A - 同期電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】推定時間を短縮しつつ精度よく回転子の初期磁極位置を推定することが可能な同期電動機制御装置を提供する。
【解決手段】このモータ制御装置（同期電動機制御装置）は、永久磁石を有する回転子を含むモータ２に対して初期磁極位置を推定するための電圧が印加されるように電圧信号を発生する極性探索パターン発生部１１およびゲート信号変換部１２と、モータ２に印加される電圧により発生する電流の電流勾配を算出する電流勾配演算部１３と、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２の回転子の初期磁極位置を推定する初期磁極推定部１４とを備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、同期電動機制御装置に関し、特に、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する同期電動機制御装置に関する。

従来、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する同期電動機制御装置が知られている（たとえば、特許文献１および非特許文献１参照）。

上記特許文献１には、永久磁石を有する回転子を含む同期電動機に対して初期磁極位置を推定するための電圧を複数の相に印加させるとともに、複数の相に印加される電圧により発生する電流の振幅の大小に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する同期電動機の磁極位置検出装置（同期電動機制御装置）が開示されている。また、この磁極位置検出装置は、精度よく回転子の初期磁極位置を推定するために、電圧が印加されてから電流が定常状態になるまで待ってから電流の振幅の計測を行っていると考えられる。また、この磁極位置検出装置は、複数の相に電圧を印加する場合に、ある相から別の相に電圧を印加する間に全ての相の電圧を平衡にして電流が収束するまで待つように構成されている。

また、上記非特許文献１には、永久磁石を有する回転子を含む同期電動機に対して初期磁極位置を推定するための電圧を印加させるとともに、同期電動機の磁気飽和した状態における正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流の振幅の大小に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する方法が開示されている。また、この初期磁極位置を推定する方法では、上記特許文献１と同様、精度よく回転子の初期磁極位置を推定するために、電圧が印加されてから電流が定常状態になるまで待ってから電流の振幅の計測を行っていると考えられる。

特開２０００−９２８９１号公報

Ｓｅｉｊｉ Ｋｏｎｄｏ， Ａｋｉｈｉｋｏ Ｔａｋａｈａｓｈｉ ａｎｄ Ｔｏｓｈｉｈｉｒｏ Ｎｉｓｈｉｄａ "Ａｒｍａｔｕｒｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｌｏｃｕｓ Ｂａｓｅｄ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒｏｔｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒ" ＩＥＥＥ ＩＡＳ １９９５（Ｏｒｌａｎｄｏ）Ｃｏｎｆ．Ｒｅｃ．，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．５５〜６０

しかしながら、上記特許文献１および非特許文献１では、電圧が印加されてから電流が定常状態になるまで待ってから電流の振幅の計測を行っているため、推定時間を短縮しながら精度よく回転子の初期磁極位置を推定することが困難であるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、推定時間を短縮しながら精度よく回転子の初期磁極位置を推定することが可能な同期電動機制御装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面における同期電動機制御装置は、永久磁石を有する回転子を含む同期電動機に対して初期磁極位置を推定するための電圧が印加されるように電圧信号を発生する電圧信号発生手段と、同期電動機に印加される電圧により発生する電流の電流勾配を算出する電流勾配算出手段と、同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する初期磁極位置推定手段とを備える。なお、同期電動機の回転子の初期磁極位置とは、静止状態（初期状態）の同期電動機の回転子の磁極が電気的に向いている位置（方向）である。

この発明の一の局面による同期電動機制御装置では、上記のように、同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する初期磁極位置推定手段を設けることによって、電流が定常状態になるまでよりも短い時間で飽和する磁気飽和に起因して直接的に変化する電流勾配に基づいて、回転子の初期磁極位置を推定することができるので、電流が定常状態になるまで待つ必要がない。また、電流勾配は磁気飽和に起因して直接的に変化するので、ノイズなどの影響を受けにくく、精度よく回転子の初期磁極位置を推定することができる。その結果、推定時間を短縮しながら精度よく回転子の初期磁極位置を推定することができる。

上記一の局面による同期電動機制御装置において、好ましくは、初期磁極位置推定手段は、同期電動機の磁気飽和した状態における正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流勾配を比較して、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている。このように構成すれば、正方向に印加される電圧に基づく電流勾配と、負方向に印加される電圧に基づく電流勾配とが、磁気飽和の影響により一方では増加し、他方では減少するので、正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流勾配を比較することによって、回転子の初期磁極位置を容易に精度よく推定することができる。

上記一の局面による同期電動機制御装置において、好ましくは、同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅を取得する電流振幅取得手段をさらに備え、初期磁極位置推定手段は、同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値と、同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配とに基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている。このように構成すれば、電流勾配に加えて電流の振幅の最大値を用いて、回転子の初期磁極位置をより精度よく推定することができる。

上記電流振幅取得手段を備える構成において、好ましくは、初期磁極位置推定手段は、同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値の近傍における同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている。このように構成すれば、磁気飽和の影響により電流勾配が大きく変化する電流の振幅の最大値の近傍における電流勾配に基づいて、回転子の初期磁極位置をより精度よく推定することができる。また、電流の振幅の最大値近傍のみ電流勾配の算出を行えばよいので、電流勾配の算出処理を簡略化することができる。これにより、回転子の初期磁極位置の推定時間をより短縮することができる。

この場合、好ましくは、初期磁極位置推定手段は、同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている。このように構成すれば、電流の振幅の最大値直後から電流勾配を算出するための期間だけ電流値を記憶させて、電流勾配を算出することができるので、記憶する量を低減させるとともに、電流勾配の算出の処理負担を軽減することができる。また、電流の振幅の最大値の直後では、電流の振幅の最大値の直前に比べて、電流勾配の絶対値が大きくなる傾向にあるので、電流勾配の差異を精度よく算出することができる。これにより、回転子の初期磁極位置をより精度よく推定することができる。

上記一の局面による同期電動機制御装置において、好ましくは、同期電動機は、複数の相の電圧の印加により駆動するように構成されており、電圧信号発生手段は、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するために複数の相の全てに連続的に電圧が印加されるように電圧信号を発生するように構成されている。このように構成すれば、複数の相の全てに連続的に電圧が印加されるので、従来のようにある相から別の相に電圧を印加する間に全ての相の電圧を平衡にして電流が収束するまで待つ場合に比べて、推定時間を短縮することができる。

この場合、好ましくは、電圧信号発生手段は、初期磁極位置を推定するために連続的に印加される電圧により回転子が回転しないように電圧信号を発生するように構成されている。このように構成すれば、複数の相に連続的に電圧を印加した場合でも、回転子が回転することがないので、回転子の初期磁極位置を精度よく推定することができる。

本発明によれば、上記のように、推定時間を短縮しながら精度よく回転子の初期磁極位置を推定することができる。

本発明の第１実施形態によるモータ制御装置を備えたモータ装置の全体構成を示した図である。 本発明の第１実施形態によるモータ制御装置の構成を説明するための制御ブロック図である。 本発明の第１実施形態によるモータ制御装置に制御されるモータのモデルを示した図である。 本発明の第１実施形態によるモータ制御装置に制御されるモータに印加される電圧の方向を説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるモータ制御装置が発生させるゲート駆動信号を示した図である。 実施例による回転子の電気角が０度の場合の電流値を示した図である。 実施例による回転子の電気角が０度の場合のＵ相の電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が１８０度の場合の電流値を示した図である。 実施例による回転子の電気角が１８０度の場合のＵ相の電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が０度の場合の電流振幅および電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が６０度の場合の電流振幅および電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が１２０度の場合の電流振幅および電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が１８０度の場合の電流振幅および電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が２４０度の場合の電流振幅および電流勾配を示した図である。 実施例による回転子の電気角が３００度の場合の電流振幅および電流勾配を示した図である。 本発明の第２実施形態によるモータ制御装置の構成を説明するための制御ブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
まず、図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態によるモータ制御装置１の全体構成について説明する。第１実施形態では、たとえば航空機に搭載される電動アクチュエータや、一般産業用のモータ装置におけるモータ制御装置１に本発明を適用した例について説明する。

図１に示すように、第１実施形態によるモータ制御装置１は、モータ２、インバータ３などを備えるモータ装置（電動アクチュエータ）１００の一部を構成し、モータ２の駆動制御を行う機能を有する。なお、モータ制御装置１は、本発明の「同期電動機制御装置」の一例であり、モータ２は、本発明の「同期電動機」の一例である。

モータ２は、たとえば３相交流で駆動する埋込磁石構造の同期モータ（ＩＰＭＳＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）であり、永久磁石を内部に埋め込んだロータ（回転子）と、電機子巻線が配置されたステータとを含む。このＩＰＭＳモータ２は、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとが相違する突極性を有する。モータ２は、インバータ３から印加される３相交流電圧（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に基づく３相交流電流（ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ）によって回転駆動され、出力軸に接続された負荷（図示せず）を動作させる。

また、モータ２では、図３に示すモデルのように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電機子巻線が電気的に互いに１２０度の角度を隔てて配置されている。また、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電気的に反対側（１８０度）の位置には、それぞれ、Ｕ^＊相、Ｖ^＊相、Ｗ^＊相が配置されている。また、モータ２は、Ｕ相およびＵ^＊相に正方向に電流が流れることにより、ｕ軸方向の磁界が発生される。また、モータ２は、Ｖ相およびＶ^＊相に正方向に電流が流れることにより、ｖ軸方向の磁界が発生される。また、モータ２は、Ｗ相およびＷ^＊相に正方向に電流が流れることにより、ｗ軸方向の磁界が発生される。また、モータ２のロータの磁極位置は、ロータのｄ軸（永久磁石による磁界の向き）のｕ軸に対する角度θにより表される。

インバータ３は、モータ制御装置１と、モータ２とに接続され、電源部（図示せず）の直流を３相交流に変換してモータ２に供給する。インバータ３は、モータ制御装置１の３相ゲート駆動信号（印加電圧信号）（Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ）によってスイッチング制御されてモータ駆動を行うように構成されている。つまり、インバータ３は、ゲート駆動信号（Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ）に基づいて、３相交流電圧（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）をモータ２に印加するように構成されている。

モータ制御装置１は、図１に示すように、モータ２を駆動（始動）させるなどの指令信号ＳＴｓｉｇに基づいて、３相ゲート駆動信号（Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ）を生成し、インバータ３へ出力するように構成されている。第１実施形態では、モータ制御装置１は、インバータ３による３相交流電圧（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）の印加に基づいて発生する電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗに基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成されている。

モータ制御装置１は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）により構成されており、図２に示す各種制御ブロックを含んでいる。具体的には、図２に示すように、モータ制御装置１は、極性探索パターン発生部１１と、ゲート信号変換部１２と、電流勾配演算部１３と、初期磁極推定部１４と、他制御器１５ａおよび１５ｂとを主として含んでいる。なお、極性探索パターン発生部１１およびゲート信号変換部１２は、本発明の「電圧信号発生手段」の一例である。また、電流勾配演算部１３は、本発明の「電流勾配算出手段」および「電流振幅取得手段」の一例であり、初期磁極推定部１４は、本発明の「初期磁極位置推定手段」の一例である。

極性探索パターン発生部１１は、モータ２を駆動（始動）させるなどの指令信号ＳＴｓｉｇに基づいて、出力ベクトル方向（発生する磁界の方向）のパターンＤｉｒを、ゲート信号変換部１２に出力するように構成されている。具体的には、極性探索パターン発生部１１は、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するためにＵ相、Ｖ相およびＷ相の全てに連続的に電圧が印加されるように出力ベクトル方向のパターンＤｉｒを発生するように構成されている。なお、出力ベクトル方向は、図４に示すように、方向Ｄ１〜Ｄ６のいずれかの方向となる。

また、極性探索パターン発生部１１は、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するために連続的に印加される電圧によりロータが回転しないように出力ベクトル方向のパターンＤｉｒを発生するように構成されている。たとえば、極性探索パターン発生部１１は、図５に示すように、１試行（１サイクル）として方向Ｄ１、方向Ｄ４、方向Ｄ６、方向Ｄ３、方向Ｄ５、方向Ｄ２、方向Ｄ４、方向Ｄ１、方向Ｄ３、方向Ｄ６、方向Ｄ２および方向Ｄ５の順に出力ベクトル方向のパターンＤｉｒを発生させる。

ゲート信号変換部１２は、モータ２に対してロータの初期磁極位置を推定するための電圧が印加されるようにゲート駆動信号Ｇｕ、ＧｖおよびＧｗを発生するように構成されている。具体的には、ゲート信号変換部１２は、極性探索パターン発生部１１により出力される出力ベクトル方向のパターンＤｉｒに基づいて、３相ゲート駆動信号（印加電圧信号）（Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ）を生成するように構成されている。また、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向のパターンＤｉｒに基づいて、１試行（１サイクル）を繰り返して、３相ゲート駆動信号（Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ）を生成するように構成されている。また、ゲート信号変換部１２は、各出力ベクトルの方向について、磁気飽和する時間ｔ（図５参照）だけ電圧が印加されるように、ゲート駆動信号を発生するように構成されている。

また、図５に示すように、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向が方向Ｄ１の場合、ゲート駆動信号ＧｕをＨ（Ｈｉｇｈ）にして、ゲート駆動信号ＧｖおよびＧｗをＬ（Ｌｏｗ）にする。また、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向が方向Ｄ２の場合、ゲート駆動信号ＧｗをＬにして、ゲート駆動信号ＧｕおよびＧｖをＨにする。また、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向が方向Ｄ３の場合、ゲート駆動信号ＧｖをＨにして、ゲート駆動信号ＧｕおよびＧｗをＬにする。また、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向が方向Ｄ４の場合、ゲート駆動信号ＧｕをＬにして、ゲート駆動信号ＧｖおよびＧｗをＨにする。また、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向が方向Ｄ５の場合、ゲート駆動信号ＧｗをＨにして、ゲート駆動信号ＧｕおよびＧｖをＬにする。また、ゲート信号変換部１２は、出力ベクトル方向が方向Ｄ６の場合、ゲート駆動信号ＧｖをＬにして、ゲート駆動信号ＧｕおよびＧｗをＨにする。

出力ベクトル方向が方向Ｄ１、方向Ｄ４と連続して変化した場合、図６に示すように、Ｕ相の電流は、出力ベクトル方向が方向Ｄ１の時に増加し、方向Ｄ４の時に減少する。つまり、Ｕ相には正方向の電流が流れ、方向Ｄ１と方向Ｄ４との境界で電流の絶対値が最大値となる。一方、Ｖ相およびＷ相の電流は、方向Ｄ１の時に減少し、方向Ｄ４の時に増加する。また、出力ベクトル方向が方向Ｄ６、方向Ｄ３と連続して変化した場合、図６に示すように、Ｖ相の電流は、出力ベクトル方向が方向Ｄ６の時に減少し、方向Ｄ３の時に増加する。つまり、Ｖ相には負方向の電流が流れ、方向Ｄ６と方向Ｄ３との境界で電流の絶対値が最大値となる。一方、Ｕ相およびＷ相の電流は、方向Ｄ６の時に増加し、方向Ｄ３の時に減少する。また、出力ベクトル方向が方向Ｄ５、方向Ｄ２と連続して変化した場合、図６に示すように、Ｗ相の電流は、方向Ｄ５の時に増加し、方向Ｄ２の時に減少する。つまり、Ｗ相には正方向の電流が流れ、方向Ｄ５と方向Ｄ２との境界で電流の絶対値が最大値となる。一方、Ｕ相およびＶ相の電流は、方向Ｄ５の時に減少し、方向Ｄ２の時に増加する。

また、出力ベクトル方向が方向Ｄ４、方向Ｄ１と連続して変化した場合、図６に示すように、Ｕ相の電流は、出力ベクトル方向が方向Ｄ４の時に減少し、方向Ｄ１の時に増加する。つまり、Ｕ相には負方向の電流が流れ、方向Ｄ４と方向Ｄ１との境界で電流の絶対値が最大値となる。一方、Ｖ相およびＷ相の電流は、方向Ｄ４の時に増加し、方向Ｄ１の時に減少する。また、出力ベクトル方向が方向Ｄ３、方向Ｄ６と連続して変化した場合、図６に示すように、Ｖ相の電流は、出力ベクトル方向が方向Ｄ３の時に増加し、方向Ｄ６の時に減少する。つまり、Ｖ相には正方向の電流が流れ、方向Ｄ３と方向Ｄ６との境界で電流の絶対値が最大値となる。一方、Ｕ相およびＷ相の電流は、方向Ｄ３の時に減少し、方向Ｄ６の時に増加する。また、出力ベクトル方向が方向Ｄ２、方向Ｄ５と連続して変化した場合、図６に示すように、Ｗ相の電流は、出力ベクトル方向が方向Ｄ２の時に減少し、方向Ｄ５の時に増加する。つまり、Ｗ相には負方向の電流が流れ、方向Ｄ２と方向Ｄ５との境界で電流の絶対値が最大値となる。一方、Ｕ相およびＶ相の電流は、方向Ｄ２の時に増加し、方向Ｄ５の時に減少する。

ここで、第１実施形態では、図２に示すように、電流勾配演算部１３は、モータ制御装置１が取得したモータ２のＵ相およびＶ相にそれぞれ流れる電流ｉｕおよびｉｖと、キルヒホッフの法則（ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０）により算出されたモータ２のＷ相に流れる電流ｉｗとを取得するように構成されている。また、電流勾配演算部１３は、取得した電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗに基づいて、モータ２に印加される電圧（Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗ）により発生する電流（ｉｕ、ｉｖおよびｉｗ）の電流勾配を算出するように構成されている。また、電流勾配演算部１３は、モータ２に印加される電圧（Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗ）により発生する電流（ｉｕ、ｉｖおよびｉｗ）の振幅を取得するように構成されている。

また、電流勾配演算部１３は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれの電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗの正方向の振幅および負方向の振幅を取得して比較し、最大振幅となる相の正方向の振幅の最大値および負方向の振幅の最大値を記憶するとともに、初期磁極推定部１４に出力するように構成されている。また、電流勾配演算部１３は、正方向の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態の電流の値を連続的に取得して記憶し、正方向の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態の電流勾配を算出するように構成されている。また、電流勾配演算部１３は、負方向の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態の電流の値を連続的に取得して記憶し、負方向の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態の電流勾配を算出するように構成されている。つまり、電流勾配演算部１３は、正方向および負方向の振幅の最大値の直後のみ、電流の値を記憶するとともに電流勾配の算出を行う。また、電流勾配演算部１３は、算出した電流勾配の値を初期磁極推定部１４に出力するように構成されている。

また、第１実施形態では、初期磁極推定部１４は、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成されている。また、初期磁極推定部１４は、モータ２に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値（Ｉｍａｘ）と、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配（Ｉｇｒａｄ）とに基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成されている。具体的には、初期磁極推定部１４は、電流勾配演算部１３から出力された正方向の振幅の最大値および負方向の振幅の最大値と、正方向の振幅の最大値の直後の電流勾配および負方向の振幅の最大値の直後の電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成されている。また、初期磁極推定部１４は、モータ２の磁気飽和した状態における正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流勾配を比較して、電流勾配の絶対値が大きい方の方向をロータ（回転子）の初期磁極位置として推定するように構成されている。

たとえば、図６に示す例のように、電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗのうち、Ｕ相の電流ｉｕの正方向の振幅（Ｄ１とＤ４との境界）および負方向の振幅（Ｄ４とＤ１との境界）が最大である場合において、図７に示す例のように、正方向の振幅の最大値の直後の電流勾配の絶対値（０．２２２ＭＡ／ｓ）が、負方向の振幅の最大値の直後の電流勾配の絶対値（０．１１１ＭＡ／ｓ）より大きい場合、初期磁極推定部１４は、ロータ（回転子）の初期磁極位置θが０度（Ｕ相の正方向の電流の向き、つまり、Ｄ１方向）であると推定する。

また、図２に示すように、初期磁極推定部１４は、推定した初期磁極位置を角度θｉｎｉとして他制御器１５ａに出力するように構成されている。また、初期磁極推定部１４は、初期磁極位置を推定完了した場合に、信号ｉｎｉｅｎｄを他制御器１５ｂに出力するように構成されている。

他制御器１５ａおよび１５ｂは、モータ２を始動させる制御およびモータ２の速度やトルクなどの制御を行うように構成されている。他制御器１５ａは、モータ２のロータの初期磁極位置の角度θｉｎｉに基づいて、モータ２を駆動（始動）させる電力を制御するように構成されている。また、他制御器１５ｂは、信号ｉｎｉｅｎｄに基づいて、動作を開始するとともに、モータ２の速度やトルクなどの制御を行うように構成されている。

第１実施形態では、上記のように、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定する初期磁極推定部１４を設けることによって、電流が定常状態になるまでよりも短い時間で飽和する磁気飽和に起因して直接的に変化する電流勾配に基づいて、回転子の初期磁極位置を推定することができるので、電流が定常状態になるまで待つ必要がない。また、電流勾配は磁気飽和に起因して直接的に変化するので、ノイズなどの影響を受けにくく、精度よく回転子の初期磁極位置を推定することができる。その結果、推定時間を短縮しながら精度よく回転子の初期磁極位置を推定することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、初期磁極推定部１４を、モータ２の磁気飽和した状態における正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流勾配を比較して、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成する。これにより、正方向に印加される電圧に基づく電流勾配と、負方向に印加される電圧に基づく電流勾配とが、磁気飽和の影響により一方では増加し、他方では減少するので、正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流勾配を比較することによって、回転子の初期磁極位置を容易に精度よく推定することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、初期磁極推定部１４を、モータ２に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値と、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配とに基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成する。これにより、電流勾配に加えて電流の振幅の最大値を用いて、回転子の初期磁極位置をより精度よく推定することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、初期磁極推定部１４を、モータ２に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値の近傍におけるモータ２の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成する。これにより、磁気飽和の影響により電流勾配が大きく変化する電流の振幅の最大値の近傍における電流勾配に基づいて、回転子の初期磁極位置をより精度よく推定することができる。また、電流の振幅の最大値近傍のみ電流勾配の算出を行えばよいので、電流勾配の算出処理を簡略化することができる。これにより、回転子の初期磁極位置の推定時間をより短縮することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、初期磁極推定部１４を、モータ２に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成する。これにより、電流の振幅の最大値直後から電流勾配を算出するための期間だけ電流値を記憶させて、電流勾配を算出することができるので、記憶する量を低減させるとともに、電流勾配の算出の処理負担を軽減することができる。また、電流の振幅の最大値の直後では、電流の振幅の最大値の直前に比べて、電流勾配の絶対値が大きくなる傾向にあるので、電流勾配の差異を精度よく算出することができる。これにより、回転子の初期磁極位置をより精度よく推定することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、極性探索パターン発生部１１およびゲート信号変換部１２を、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するためにＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相の全てに連続的に電圧が印加されるようにゲート駆動信号（印加電圧信号）を発生するように構成する。これにより、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の全てに連続的に電圧が印加されるので、従来のようにある相から別の相に電圧を印加する間に全ての相の電圧を平衡にして電流が収束するまで待つ場合に比べて、推定時間を短縮することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、極性探索パターン発生部１１およびゲート信号変換部１２を、初期磁極位置を推定するために連続的に印加される電圧によりロータ（回転子）が回転しないようにゲート駆動信号（印加電圧信号）を発生するように構成する。これにより、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相に連続的に電圧を印加した場合でも、回転子が回転することがないので、回転子の初期磁極位置を精度よく推定することができる。

（実施例）
次に、第１実施形態によるモータ制御装置１が制御するモータ２の電流の振幅および電流勾配を測定した実施例（実験例）について説明する。なお、実施例では、図５に示すように、１試行（１サイクル）として方向Ｄ１、方向Ｄ４、方向Ｄ６、方向Ｄ３、方向Ｄ５、方向Ｄ２、方向Ｄ４、方向Ｄ１、方向Ｄ３、方向Ｄ６、方向Ｄ２および方向Ｄ５の順に印加されるようにＵ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ電圧が印加される。また、１サイクルを繰り返し行い、４サイクル目に得られた結果をそれぞれ図６〜図１５に示す。

図６および図７に示す例では、モータ２のロータ（回転子）を電気角０度の初期磁極位置に配置して、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の全てに連続的に電圧を印加した。その結果、図６および図１０に示すように、Ｕ相の電流の振幅が、正方向（０度に対して順方向）が２１．６Ａ、負方向（０度に対して逆方向）が１９．４Ａとなり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の中で正方向および負方向において、それぞれ最大となった。これにより、ロータの初期磁極位置がＵ相の正方向（０度）またはＵ相の負方向（１８０度）に位置すると推定できる。また、図７および図１０に示すように、Ｕ相の電流の振幅の最大値の直後の電流勾配の絶対値は、正方向において（Ｄ１とＤ４との境界付近）０．２２２ＭＡ／ｓとなり、負方向において（Ｄ４とＤ１との境界付近）０．１１１ＭＡ／ｓとなった。これにより、ロータの初期磁極位置がＵ相の正方向（０度）に位置すると推定できる。

図８および図９に示す例では、モータ２のロータ（回転子）を電気角１８０度の初期磁極位置に配置して、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の全てに連続的に電圧を印加した。その結果、図８および図１３に示すように、Ｕ相の電流の振幅が、正方向（１８０度に対して逆方向）が２０．２Ａ、負方向（１８０度に対して順方向）が２１．４Ａとなり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の中で正方向および負方向において、それぞれ最大となった。これにより、ロータの初期磁極位置がＵ相の正方向（０度）またはＵ相の負方向（１８０度）に位置すると推定できる。また、図９および図１３に示すように、Ｕ相の電流の振幅の最大値の直後の電流勾配の絶対値は、正方向（１８０度に対して逆方向）において（Ｄ１とＤ４との境界付近）０．１４４ＭＡ／ｓとなり、負方向（１８０度に対して順方向）において（Ｄ４とＤ１との境界付近）０．２２２ＭＡ／ｓとなった。これにより、ロータの初期磁極位置がＵ相の負方向（１８０度）に位置すると推定できる。

また、同様にして、モータ２のロータ（回転子）を電気角６０度、１２０度、２４０度および３００度の初期磁極位置に配置した場合の電流の振幅および電流勾配を測定した。図１０〜図１５において、ロータの初期磁極位置が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度および３００度の場合の、それぞれ、電流の振幅が最大値となる相の正方向および負方向の電流振幅、順方向と逆方向との電流振幅の差、および、順方向と逆方向との電流振幅の絶対値比が表されている。また、電流の振幅が最大値の直後の正方向および負方向の電流勾配の絶対値、順方向と逆方向との電流勾配の絶対値の差、および、順方向と逆方向との電流勾配の絶対値比が表されている。なお、図１０〜図１５において、順方向は実際のロータの初期磁極位置（方向）であり、逆方向は実際のロータの初期磁極位置（方向）と反対方向（１８０度）である。

電流の振幅で見た場合、順方向と逆方向とで、絶対値比の平均は１．１１である。また、電流勾配で見た場合、順方向と逆方向とで、絶対値比の平均は１．７９である。つまり、電流勾配を比べた場合の方が、電流の振幅を比べた場合より、順方向と逆方向との違いがより顕著に現れるので、順方向および逆方向を推定する精度がよいと言える。

（第２実施形態）
次に、図１および図１６を参照して、本発明の第２実施形態によるモータ制御装置４について説明する。第２実施形態では、電流の振幅の最大値と、磁気飽和した状態における電流勾配との両方に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定する構成の上記第１実施形態とは異なり、磁気飽和した状態における電流勾配のみに基づいて初期磁極位置を推定する構成について説明する。

第２実施形態によるモータ制御装置４は、モータ２、インバータ３などを備えるモータ装置（電動アクチュエータ）１００の一部を構成し、モータ２の駆動制御を行う機能を有する。なお、モータ制御装置４は、本発明の「同期電動機制御装置」の一例であり、モータ２は、本発明の「同期電動機」の一例である。

モータ制御装置４は、図１に示すように、モータ２を駆動（始動）させるなどの指令信号ＳＴｓｉｇに基づいて、３相ゲート駆動信号（Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗ）を生成し、インバータ３へ出力するように構成されている。第２実施形態では、モータ制御装置４は、インバータ３による３相交流電圧（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）の印加に基づいて発生する電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗに基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成されている。

モータ制御装置４は、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）により構成されており、図１６に示す各種制御ブロックを含んでいる。具体的には、図１６に示すように、モータ制御装置４は、極性探索パターン発生部１１と、ゲート信号変換部１２と、電流勾配演算部４１と、初期磁極推定部４２と、他制御器１５ａおよび１５ｂとを主として含んでいる。なお、極性探索パターン発生部１１およびゲート信号変換部１２は、本発明の「電圧信号発生手段」の一例である。また、電流勾配演算部４１は、本発明の「電流勾配算出手段」の一例であり、初期磁極推定部４２は、本発明の「初期磁極位置推定手段」の一例である。

ここで、第２実施形態では、電流勾配演算部４１は、モータ制御装置４が取得したモータ２のＵ相およびＶ相にそれぞれ流れる電流ｉｕおよびｉｖと、キルヒホッフの法則（ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０）により算出されたモータ２のＷ相に流れる電流ｉｗとを取得するように構成されている。また、電流勾配演算部４１は、取得した電流ｉｕ、ｉｖおよびｉｗに基づいて、モータ２に印加される電圧（Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗ）により発生する電流（ｉｕ、ｉｖおよびｉｗ）の電流勾配を算出するように構成されている。

電流勾配演算部４１は、電流の値を連続的に取得して、Ｕ相の電流ｉｕ、Ｖ相の電流ｉｖおよびＷ相の電流ｉｗの電流勾配をそれぞれ算出するように構成されている。また、電流勾配演算部４１は、算出した電流勾配の値を初期磁極推定部４２に出力するように構成されている。

また、第２実施形態では、初期磁極推定部４２は、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定するように構成されている。具体的には、初期磁極推定部４２は、電流勾配演算部４１から出力された電流勾配に基づいて、電流勾配の絶対値が大きい方の方向をロータ（回転子）の初期磁極位置として推定するように構成されている。

たとえば、図７に示す例のように、初期磁極推定部４２は、Ｕ相の電流勾配において、電流勾配の絶対値（０．２２２ＭＡ／ｓ）が大きい、方向Ｄ１および方向Ｄ４に連続的に印加した場合の磁界の方向（方向Ｄ１）を、ロータ（回転子）の初期磁極位置θ（＝０度）として推定する。

なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

第２実施形態の構成においても、上記第１実施形態と同様に、モータ２の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、モータ２のロータ（回転子）の初期磁極位置を推定する初期磁極推定部４２を設けることによって、推定時間を短縮しながら精度よく回転子の初期磁極位置を推定することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、モータ制御装置（同期電動機制御装置）とインバータとを別個に設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、インバータ回路を内蔵した同期電動機制御装置としてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、埋込磁石構造のＩＰＭモータ（ＩＰＭＳＭ）の初期磁極位置を推定する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ＩＰＭモータ（ＩＰＭＳＭ）以外の永久磁石を有する回転子を含む同期電動機の初期磁極位置を推定する構成にしてもよい。たとえば、表面磁石構造の永久磁石同期電動機の初期磁極位置を推定する構成でもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、モータ制御装置（同期電動機制御装置）をＦＰＧＡにより構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえばマイコンやＣＰＵに所定のプログラム（ソフトウェア）を実行させる構成により、図２または図１６に示した制御ブロックによる制御処理を実現するように構成してもよい。

また、上記第１実施形態では、電流の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する構成について説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、電流の振幅の最大値の近傍における磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する構成にしてもよい。たとえば、電流の振幅の最大値の直前の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定する構成でもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、モータ（同期電動機）は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の３相の電圧の印加により駆動する構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、同期電動機は、単相の電圧の印加により駆動する構成でもよいし、３相以外の複数の相の電圧の印加により駆動する構成でもよい。

１、４ モータ制御装置（同期電動機制御装置）
２ モータ（同期電動機）
１１ 極性探索パターン発生部（電圧信号発生手段）
１２ ゲート信号変換部（電圧信号発生手段）
１３ 電流勾配演算部（電流勾配算出手段、電流振幅取得手段）
１４、４２ 初期磁極推定部（初期磁極位置推定手段）
４１ 電流勾配演算部（電流勾配算出手段）

Claims (7)

1. 永久磁石を有する回転子を含む同期電動機に対して初期磁極位置を推定するための電圧が印加されるように電圧信号を発生する電圧信号発生手段と、
   前記同期電動機に印加される電圧により発生する電流の電流勾配を算出する電流勾配算出手段と、
   前記同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、前記同期電動機の前記回転子の初期磁極位置を推定する初期磁極位置推定手段とを備える、同期電動機制御装置。
2. 前記初期磁極位置推定手段は、前記同期電動機の磁気飽和した状態における正方向および負方向に印加される電圧に基づく電流勾配を比較して、前記同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている、請求項１に記載の同期電動機制御装置。
3. 前記同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅を取得する電流振幅取得手段をさらに備え、
   前記初期磁極位置推定手段は、前記同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値と、前記同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配とに基づいて、前記同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている、請求項１または２に記載の同期電動機制御装置。
4. 前記初期磁極位置推定手段は、前記同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値の近傍における前記同期電動機の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、前記同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている、請求項３に記載の同期電動機制御装置。
5. 前記初期磁極位置推定手段は、前記同期電動機に印加される電圧により発生する電流の振幅の最大値の直後の磁気飽和した状態における電流勾配に基づいて、前記同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するように構成されている、請求項４に記載の同期電動機制御装置。
6. 前記同期電動機は、複数の相の電圧の印加により駆動するように構成されており、
   前記電圧信号発生手段は、前記同期電動機の回転子の初期磁極位置を推定するために複数の相の全てに連続的に電圧が印加されるように電圧信号を発生するように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の同期電動機制御装置。
7. 前記電圧信号発生手段は、初期磁極位置を推定するために連続的に印加される電圧により前記回転子が回転しないように電圧信号を発生するように構成されている、請求項６に記載の同期電動機制御装置。

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