JP2019033582A - 制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の回転角度をセンサレスにて高精度に推定するのに有効な制御装置及び制御方法を提供すること【解決手段】制御装置１は、電動機３の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する推定部３０と、角度推定値を記憶する記憶部２５と、を備え、推定部３０は、電動機３への出力電圧の変化に対する電流変化、又は電動機３への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する応答情報算出部３２と、電動機３の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、記憶部に記憶された過去の角度推定値に基づいて算出する係数算出部３５と、角度推定値を応答情報及び干渉係数に基づいて算出する角度算出部３３と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、制御装置及び制御方法に係る。

特許文献１には、突極性を有するロータを備えた回転電機に高周波電流を印加し、高周波電流への応答成分として電圧指令に含まれる高周波成分に基づいてロータの磁極方向を推定し、回転電機を制御するいわゆるセンサレスベクトル制御を行う回転電機制御装置であって、ｄｑ軸間の磁束干渉により生じる磁極方向の推定値の誤差を算出し、当該誤差に基づいて補正を行う回転電機制御装置が開示されている。

特開２０１３−０９０５５２号公報

本開示は、電動機の磁極位置に関する角度推定値をセンサレスにて高精度に算出するのに有効な制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る制御装置は、電動機の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する推定部と、角度推定値を記憶する記憶部と、を備え、推定部は、電動機への出力電圧の変化に対する電流変化、又は電動機への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する応答情報算出部と、電動機の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、記憶部に記憶された過去の角度推定値に基づいて算出する係数算出部と、角度推定値を応答情報及び干渉係数に基づいて算出する角度算出部と、を有する。

本開示の他の側面に係る制御方法は、電動機の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出することと、角度推定値を記憶することと、を含み、角度推定値を算出することは、電動機への出力電圧の変化に対する電流変化、又は電動機への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出することと、電動機の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、過去に記憶された角度推定値に基づいて算出することと、角度推定値を応答情報及び干渉係数に基づいて算出することと、を含む。

本開示の他の側面に係る制御装置は、電動機の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する推定部と、角度推定値を記憶する記憶部と、を備え、推定部は、電動機への出力電圧の変化に対する電流変化、又は電動機への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する応答情報算出部と、応答情報と、記憶部に記憶された過去の角度推定値とに基づいて角度推定値を算出する角度算出部と、を有する。

本開示によれば、電動機の磁極位置に関する角度推定値をセンサレスにて高精度に算出するのに有効な制御装置及び制御方法を提供することができる。

制御装置の構成を示す模式図である。 重畳される電圧ベクトルを示す図である。 制御装置のハードウェア構成を示す図である。 実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。 磁極位置の角度の推定誤差を示すグラフである。 磁極位置の角速度及び角度の推定値及び実測値を示すグラフである。

以下、実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

〔制御装置〕
本実施形態に係る制御装置１は、電動機を制御するためのインバータである。図１に示すように、制御装置１は、直流電源２と電動機（例えば回転電機３）との間に介在し、直流電源２から供給された直流電力を、回転電機３の駆動用の三相交流電力に変換し、回転電機３に供給する。なお、以下の説明では、三相交流電力の各相を、ｕ相、ｖ相、ｗ相と記載する。

（回転電機）
まず、制御装置１の制御対象となる回転電機３の構成を例示する。回転電機３は、磁極を有する回転子と、巻線を有する固定子とを有する交流電動機である。巻線は、ｕ相巻線、ｖ相巻線及びｗ相巻線からなる。回転電機３では、固定子の巻線に交流電力が供給されることによって、巻線が磁界を発生させ、この磁界によって回転子が回転する。回転子が有する磁極は、永久磁石であってもよく、電磁石であってもよい。

回転電機３は、突極性を有する。ここで、突極性を有するとは、ｄ軸方向とｑ軸方向とのインダクタンスが異なることを意味する。ｄ軸方向とは、回転子の磁極方向である。ｑ軸方向とは、ｄ軸方向に垂直であり、且つ回転子の回転軸に垂直な方向である。従って、ｄｑ座標系（ｄ軸方向及びｑ軸方向の２本の軸により構成される直交座標系）は、回転子の回転に従って回転する回転座標系である。ｄ軸方向のインダクタンスとは、ｄ軸方向の磁束をｄ軸方向の電流で微分した値である。ｑ軸方向のインダクタンスとは、ｑ軸方向の磁束をｑ軸方向の電流で微分した値である。ｄ軸方向及びｑ軸方向の電流とは、三相の巻線に流れる電流のｄ軸成分及びｑ軸成分である。

ここで、回転子の回転面（即ち回転子の回転軸に直交する平面）内における、固定子に対して固定された固定座標系として、α軸及びβ軸の２本の軸により構成される直交座標系であるαβ座標系を設定する。α軸は、ｕ相巻線により発生する磁界の方向であり、β軸は、α軸と回転子の回転軸方向の両方に直交する方向である。

回転電機３は、例えば埋め込み型永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）である。ただし、回転電機３は、突極性を有している限りどのような電動機であってもよい。回転電機３は、誘導電動機であってもよい。

（制御装置の全体構成）
制御装置１は、電力変換回路４と、電流検出器８と、制御回路１０とを備える。電力変換回路４は、直流電源２に接続される２本の直流母線と、回転電機３に接続される３本の出力線との間のオン・オフを切り替えることにより、上述した三相交流電力を回転電機３に出力する。

電力変換回路４は、例えば、６個のスイッチング素子５と、６個のダイオード６と、コンデンサ７とを有する。

６個のスイッチング素子５は、２本の直流母線とｕ相の出力線との間にそれぞれ接続された２個のスイッチング素子５と、２本の直流母線とｖ相の出力線との間にそれぞれ接続された２個のスイッチング素子５と、２本の直流母線とｗ相の出力線との間にそれぞれ接続された２個のスイッチング素子５とを含む。スイッチング素子５は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であるが、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の他の素子であってもよい。それぞれのスイッチング素子５は、制御回路１０からの駆動信号に応じて、オン状態及びオフ状態を切り替える。

ダイオード６は、６個のスイッチング素子５にそれぞれ並列に接続される。ダイオード６は、スイッチング素子５の導通方向とは逆側に電流を通す還流ダイオードとして機能する。

コンデンサ７は、直流母線の間に接続され、スイッチング素子５のスイッチング動作に伴う電圧の変動を平滑化する。コンデンサ７は、例えばアルミ電解コンデンサである。

電流検出器８は、電力変換回路４から回転電機３に供給される電流を検出する。電流検出器８は、例えば、ホール素子を有する電流センサである。

制御回路１０は、外部から入力されるトルク指令Ｔ^＊と、電流検出器８によって検出された電流値とに基づいて、スイッチング素子５のオン・オフを切り替えるための駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６を生成し、この駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６を６個のスイッチング素子５にそれぞれ出力する。

例えば制御回路１０は、電流指令生成部２１と、電流制御部２２と、駆動信号発生部２３と、３相／２相座標変換部２４と、推定部３０と、記憶部２５と、回転座標変換部２６とを有する。

電流指令生成部２１は、制御回路１０の外部から入力されるトルク指令Ｔ^＊に基づき、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊を生成する。

電流制御部２２は、ｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊と、ｄ軸電流検出値Ｉ_ｄとの偏差を縮小し、また、ｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊とｑ軸電流検出値Ｉ_ｑとの偏差を縮小するように、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を算出し、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊をαβ座標系のα軸電圧指令値Ｖ_α ^＊及びβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊に変換する。例えば、電流制御部２２は、Ｐ（比例）演算によりｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を算出する。電流制御部２２は、ＰＩ（比例・積分）演算によりｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を算出してもよいし、ＰＩＤ（比例・積分・微分）演算によりｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を算出してもよい。

駆動信号発生部２３は、α軸電圧指令値Ｖ_α ^＊及びβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊に従って上述の駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６を生成し、６個のスイッチング素子５にそれぞれ出力する。例えば駆動信号発生部２３は、空間ベクトル変調法により駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６を生成する。駆動信号発生部２３は、パルス幅変調法によって駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６を生成してもよい。

３相／２相座標変換部２４は、電流検出器８によって検出された３相交流電力の電流値をαβ座標系に座標変換し、α軸電流検出値Ｉ_α及びβ軸電流検出値Ｉ_βを算出する。

推定部３０は、３相／２相座標変換部２４により算出されたα軸電流検出値Ｉ_α及びβ軸電流検出値Ｉ_βに基づいて、回転電機３の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する。磁極位置に相関するとは、磁極位置と等しい場合の他、磁極位置に対して一定値ずれた角度である場合、磁極位置を示す角度に所定倍率（例えば２倍）を乗算した値である場合も含む。磁極位置とは、回転電機３の固定子に固定された座標系（αβ座標系）における一方向（例えばα軸方向）に対して、回転電機３の回転子の磁極方向がなす角度を意味する。記憶部２５は、角度算出部が算出した角度推定値を記憶する。

回転座標変換部２６は、推定部３０によって算出された角度推定値を用いた回転座標変換により、α軸電流検出値Ｉ_α及びβ軸電流検出値Ｉ_βを、ｄｑ座標系（回転座標系）のｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値Ｉ_ｑに座標変換する。ｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値Ｉ_ｑは、上述した電流制御部２２にフィードバックされる。

（推定部）
続いて、推定部３０の構成を詳細に説明する。推定部３０は、回転電機３への出力電圧の変化に対する電流変化、又は回転電機３への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出することと、応答情報と、過去に記憶された角度推定値とに基づいて角度推定値を算出することと、を実行する。より具体的に、推定部３０は、回転電機３への出力電圧の変化に対する電流変化、又は回転電機３への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出することと、回転電機３の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、過去に記憶された角度推定値に基づいて算出することと、角度推定値を応答情報及び干渉係数に基づいて算出することと、を実行する。

例えば推定部３０は、機能上の構成（以下、「機能モジュール」という。）として、重畳部３１と、応答情報算出部３２と、角度算出部３３と、成分算出部３４と、係数算出部３５と、を有する。

重畳部３１は、回転電機３への出力電圧又は出力電流に高周波成分を重畳する。なお、高周波成分とは、回転電機３の動作に影響を与えないように設定されている。例えば、高周波成分の周波数は、回転電機３が機械的に応答可能な周波数よりも十分に高く設定される。

一例として、重畳部３１は、電流制御部２２から出力されるα軸電圧指令値Ｖ_α ^＊及びβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊に、αβ座標系における次式（１）のベクトル（Ｖ_αｈ，Ｖ_βｈ）^Ｔで表される高周波電圧を重畳する。

Ｖ_αｈ：高周波電圧のα軸成分
Ｖ_βｈ：高周波電圧のβ軸成分
Ｔ：高周波電圧の周期
Ｖ_ｉｎｊ：電圧ベクトルの大きさ

図２は、重畳部３１が重畳する電圧ベクトルをαβ座標系に図示したものである。図２に示されるように、重畳部３１は、時間０＜ｔ≦Ｔ／４において、矢印Ａ１のような電圧ベクトルを印加し、時間Ｔ／４＜ｔ≦Ｔ／２において、矢印Ａ２のような電圧ベクトルを印加し、時間Ｔ／２＜ｔ≦３Ｔ／４において、矢印Ａ３のような電圧ベクトルを印加し、時間３Ｔ／４＜ｔ≦Ｔにおいて、矢印Ａ４のような電圧ベクトルを印加することを１周期ごとに繰り返す。

応答情報算出部３２は、回転電機３への出力電圧の変化に対する電流変化、又は回転電機３への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する。応答情報算出部３２は、例えば、回転電機３への出力電圧の変化に対する電流変化を算出する。より具体的に、応答情報算出部３２は、回転電機３への出力電圧の変化のうち、角度推定値の算出用の成分（例えば重畳部３１により重畳された高周波電圧）に対応する電流変化を、電流の検出値から抽出する。

応答情報算出部３２は、固定子側に固定された座標系（αβ座標系）における応答情報を算出する。例えば応答情報算出部３２は、３相／２相座標変換部２４により算出されたα軸電流検出値Ｉ_α及びβ軸電流検出値Ｉ_βから、重畳部３１が重畳した高周波電圧に対応する高周波成分を抽出する。なお、応答情報算出部３２は、他の座標系（例えば回転子とともに回転する回転座標系）における応答情報を算出してもよい。

角度算出部３３は、応答情報算出部３２により検出された応答情報と、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値とに基づいて角度推定値を算出する。より具体的に、角度算出部３３は、相互干渉を無視した場合の角度推定値の正弦成分と、相互干渉を無視した場合の角度推定値の余弦成分と、干渉係数と、に基づいて角度推定値を算出する。

角度推定値の正弦成分は角度推定値の正接の分子であり、角度推定値の余弦成分は角度推定値の正接の分母である。当該正弦成分及び余弦成分は、応答情報算出部３２により検出された応答情報に基づいて後述の成分算出部３４により算出される。

干渉係数は、直交座標系の座標軸間（例えばｄ軸及びｑ軸の間）における電磁的な相互干渉に相関する係数である。干渉係数は、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値に基づいて後述の係数算出部３５により算出される。

例えば角度算出部３３は、角度推定値を次式（２）により算出する。

θ：角度推定値
ｃ：干渉係数
ｎ：相互干渉を無視した場合の２θの正弦成分
ｍ：相互干渉を無視した場合の２θの余弦成分

成分算出部３４は、応答情報に基づいて、上記正弦成分ｎ及び余弦成分ｍを算出する。例えば成分算出部３４は、次式（３），（４）により正弦成分ｎ及び余弦成分ｍを算出する。

（ｄ／ｄｔ）Ｉ_αｈＶα：α軸方向に電圧を重畳した際に、重畳した電圧ベクトルの方向を正としたときのα軸電流の変化
（ｄ／ｄｔ）Ｉ_αｈＶβ：β軸方向に電圧を重畳した際に、重畳した電圧ベクトルの方向を正としたときのα軸電流の変化
（ｄ／ｄｔ）Ｉ_βｈＶα：α軸方向に電圧を重畳した際に、重畳した電圧ベクトルの方向を正としたときのβ軸電流の変化
（ｄ／ｄｔ）Ｉ_βｈＶβ：β軸方向に電圧を重畳した際に、重畳した電圧ベクトルの方向を正としたときのβ軸電流の変化

ここで、正弦成分ｎ及び余弦成分ｍが上式により算出される理由を説明する。相互干渉を無視した場合の、αβ座標系における高周波成分の電圧方程式は次式（５）のとおりである。

Ｖ_αｈ：α軸電圧の高周波成分
Ｖ_βｈ：β軸電圧の高周波成分
Ｉ_αｈ：α軸電流の高周波成分
Ｉ_αｈ：β軸電流の高周波成分

上の式（５）中のＬ及びｌは、次式（６），（７）で表される。

Ｌ_ｄ：ｄ軸磁束をｄ軸電流で微分した値
Ｌ_ｑ：ｑ軸磁束をｑ軸電流で微分した値

上式（５）から、２θの正接は次式（８）により導出される。

従って、式（２）及び式（８）から、正接の分子である正弦成分ｎは上式（３）により算出され、正接の分母である余弦成分ｍは上式（４）により算出される。

係数算出部３５は、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値に基づいて上記干渉係数ｃを算出する。係数算出部３５は、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値と、応答情報算出部３２により検出された応答情報とに基づいて干渉係数ｃを算出してもよい。例えば係数算出部３５は、次式（９）により干渉係数ｃを算出する。

ｎ［ｋ］：角度推定値の算出対象となるサンプリング周期（以下、「対象サンプリング周期」という。）における正弦成分ｎ
ｍ［ｋ］：対象サンプリング周期における余弦成分ｍ
θ［ｋ−１］：対象サンプリング周期の一つ前のサンプリング周期における角度推定値

ここで、干渉係数ｃが上式（９）により算出される理由を説明する。相互干渉を無視しない場合の、αβ座標系における高周波成分の電圧方程式は次式（１０）のとおりである。

上の式（１０）中のＬｘ及びｌｘは、次式（１１），（１２）で表される。

Ｌ_ｑｄ：ｑ軸磁束をｄ軸電流で微分した値
Ｌ_ｄｑ：ｄ軸磁束をｑ軸電流で微分した値

式（１０）より、正弦成分ｎ及び余弦成分ｍを角度θにより表すと、次式（１３），（１４）のようになる。

上式（１３）、（１４）を、上式（２）に当てはめると、干渉係数ｃは、次式（１５）で表される。

上式（１３）、（１４）、（１５）から、Ｌｘ及びｌを消去すると、次式（１６）が得られる。

上式（１６）において、ｎ及びｍは、上式（３）、（４）のとおり応答情報に基づいて算出されるが、ｃｏｓ２θ、ｓｉｎ２θは応答情報に基づいて算出不能である。そこで、ｃｏｓ２θ、ｓｉｎ２θに一つ前のサンプリング周期の値を当てはめると、上式（９）が得られる。

なお、上式（９）にて例示したように、干渉係数ｃの算出に応答情報を用いると、電流検出器８による電流測定時のノイズ等に起因して干渉係数ｃが振動的になることも考えられる。そのような場合、角度算出部３３は、０より大きく１より小さい任意の係数を干渉係数ｃに乗算し、次式（１７）により角度推定値θを算出してもよい。

ｋ：０＜ｋ＜１を満たす定数

図３は、制御回路１０のハードウェア構成を例示するブロック図である。図３に示すように、制御回路１０は、一つ又は複数のプロセッサ４１と、メモリ４２と、ストレージ４３と、入出力ポート４４と、を有する。ストレージ４３は、制御回路１０の上記各機能モジュールを構成するためのプログラムを記録している。ストレージ４３は、コンピュータ読み取り可能であればどのようなものであってもよい。具体例として、ハードディスク、不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク及び光ディスク等が挙げられる。メモリ４２は、ストレージ４３からロードしたプログラム及びプロセッサ４１の演算結果等を一時的に記憶する。プロセッサ４１は、メモリ４２と協働してプログラムを実行することで、各機能モジュールを構成する。入出力ポート４４は、プロセッサ４１からの指令に応じ、電力変換回路４及び電流検出器８との間で電気信号の入出力を行う。

〔制御方法〕
次に、制御方法の一例として、制御回路１０により実行される制御手順を例示する。この制御手順は、回転電機３の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出することと、角度推定値を記憶することと、を含む。角度推定値を算出することは、回転電機３への出力電圧の変化に対する電流変化、又は回転電機３への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出することと、応答情報と、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値とに基づいて角度推定値を算出することとを含む。より具体的に、角度推定値を算出することは、回転電機３の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、過去に記憶された角度推定値に基づいて算出することと、角度推定値を応答情報及び干渉係数に基づいて算出することと、を含んでもよい。

以下、図４を参照して制御方法の一例を説明する。まず、制御回路１０は、ステップＳ１を実行する。ステップＳ１では、応答情報算出部３２が応答情報を算出する。具体的には、応答情報算出部３２は、（ｄ／ｄｔ）Ｉ_αｈＶα、（ｄ／ｄｔ）Ｉ_αｈＶβ、（ｄ／ｄｔ）Ｉ_βｈＶα、（ｄ／ｄｔ）Ｉ_βｈＶβを算出する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ２を実行する。ステップＳ２では、成分算出部３４が正弦成分ｎ及び余弦成分ｍを上述の式（３）及び式（４）に基づき算出する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ３を実行する。ステップＳ３では、係数算出部３５が、記憶部２５から過去の角度推定値を取得する。過去の角度推定値は、例えば、上記対象サンプリング周期の一つ前のサンプリング周期における角度推定値θ［ｋ−１］である。

次に、制御回路１０は、ステップＳ４を実行する。ステップＳ４では、係数算出部３５が、干渉係数ｃを上述の式（１０）により算出する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ５を実行する。ステップＳ５では、角度算出部３３が、角度推定値θを上述の式（２）により算出する。また、角度算出部３３は、算出された角度推定値θを記憶部２５に記憶させる。

次に、制御回路１０は、ステップＳ６を実行する。ステップＳ６では、回転座標変換部２６が、角度算出部３３により算出された角度推定値θを利用して、α軸電流検出値Ｉ_α及びβ軸電流検出値Ｉ_βを座標変換し、ｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値Ｉ_ｑを算出し、電流制御部２２に出力する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ７を実行する。ステップＳ７では、電流制御部２２が、電流指令生成部２１からのｄ軸電流指令値Ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値Ｉ_ｑ ^＊並びに回転座標変換部２６からのｄ軸電流検出値Ｉ_ｄ及びｑ軸電流検出値Ｉ_ｑに基づいて、α軸電圧指令値Ｖ_α ^＊及びβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊を生成する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ８を実行する。ステップＳ８では、α軸電圧指令値Ｖ_α ^＊及びβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊に、重畳部３１により高周波電圧が重畳された電圧指令値に従って、駆動信号発生部２３が駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６を生成する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ９を実行する。ステップＳ９では、電力変換回路４が、駆動信号ＳＧ１〜ＳＧ６に基づいて、直流電源２から供給された直流電力を交流電力に変換して回転電機３に出力する。

次に、制御回路１０は、ステップＳ１０を実行する。ステップＳ１０では、制御回路１０が、外部から停止指令が入力されたか否かを判定する。ステップＳ１０において、停止指令は入力されていないと判定した場合、制御回路１０は、処理をステップＳ１に戻す。以後、停止指令が入力されるまでは、ステップＳ１〜Ｓ１０の処理が繰り返される。

ステップＳ１０において、停止指令が入力されていると判定した場合、制御回路１０は、電力変換回路４の制御処理を終了する。以上で、制御回路１０による制御手順が完了する。

〔本実施形態の効果〕
以上で説明したように、本実施形態に係る制御装置１は、回転電機３の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する推定部３０と、角度推定値を記憶する記憶部２５と、を備え、推定部３０は、回転電機３への出力電圧の変化に対する電流変化、又は回転電機３への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する応答情報算出部３２と、回転電機３の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値に基づいて算出する係数算出部３５と、角度推定値を応答情報及び干渉係数に基づいて算出する角度算出部３３と、を有する。

上記電磁的な相互干渉は、実機での測定が困難であるなどの事情により、正確な値を把握することが難しい。これに対し、本制御装置１によれば、過去の角度推定値を用いることで、相互干渉に相関する干渉係数を容易に導出し、これを応答情報に組み合わせることで、相互干渉の影響を加味した角度推定値を算出することができる。従って、制御装置１は、電動機３の磁極位置に関する角度推定値をセンサレスにて高精度に算出するのに有効である。

係数算出部３５は、記憶部２５に記憶された過去の角度推定値と、応答情報とに基づいて干渉係数を算出してもよい。この場合、干渉係数の算出においても、過去の角度推定値に加えて、現在値である応答情報をも用いるため、過去の角度推定値のみを用いた場合と比較して、角度推定値の精度を更に向上させることができる。

制御装置１は、相互干渉を無視した場合の角度推定値の正弦成分と、相互干渉を無視した場合の角度推定値の余弦成分とを、応答情報に基づいて算出する成分算出部３４を更に有し、角度算出部３３は、正弦成分と、余弦成分と、干渉係数とを用いて角度推定値を算出してもよい。この場合、角度推定値を更に容易に算出することができる。

係数算出部３５は、正弦成分と、余弦成分と、記憶部に記憶された過去の角度推定値とに基づいて干渉係数を算出してもよい。この場合、干渉係数を更に容易に算出することができる。

推定部３０は、回転電機３への出力電圧又は出力電流に高周波成分を重畳する重畳部３１を更に有し、応答情報算出部３２は、回転電機３への出力電圧に対する電流変化又は出力電流に対する電圧変化から、高周波成分に起因する成分を抽出してもよい。この場合、センシングに適した高周波成分を重畳することにより、角度推定値の精度を更に向上させることができる。

なお、制御装置１は、必ずしも重畳部３１を備えていなくてよい。この場合、応答情報算出部３２は、電流制御部２２から出力されるα軸電圧指令値Ｖ_α ^＊及びβ軸電圧指令値Ｖ_β ^＊の少なくとも一部の成分を、検出用の信号として利用し、これに対する電流変化を示す応答情報を算出する。

成分算出部３４は、例えば次式（１８）により、上述した正弦成分ｎ及び余弦成分ｍを算出する。

上式（１８）におけるｄＩ_αｈＲ／ｄｔ及びｄＩ_βｈＲ／ｄｔは、次式（１９）で表される。

式（１９）において、ＶａとＶｂは、回転電機３の回転子の回転面内で交差する２つの方向に伸びる、空間ベクトル変調方式の２本の電圧ベクトルである。具体的には、Ｖａは、３相交流のいずれか１相の正相方向の電圧であり、Ｖｂは、３相交流の他の１相の逆相方向の電圧である。

式（１９）における他の記号は、それぞれ以下の意味である。
θ_Ｖａ：Ｖａの角度
θ_Ｖｂ：Ｖｂの角度
Ｉ_{αｈｒＶａ}：Ｖａを出力するための電流のα軸成分をＶａの角度θ_Ｖａだけ回転させた電流
Ｉ_{βｈｒＶａ}：Ｖａを出力するための電流のβ軸成分をＶａの角度θ_Ｖａだけ回転させた電流
Ｉ_{αｈｒＶｂ}：Ｖｂを出力するための電流のα軸成分をＶｂの角度θ_Ｖｂだけ回転させた電流
Ｉ_{βｈｒＶｂ}：Ｖｂを出力するための電流のβ軸成分をＶｂの角度θ_Ｖｂだけ回転させた電流
Ｉ_αｈＲ：電流ｉ_{αｈｒＶａ}とｉ_{αｈｒＶｂ}との差を角度θ_Ｖａ+θ_Ｖｂだけ回転させた電流
Ｉ_βｈＲ：電流ｉ_{βｈｒＶａ}とｉ_{βｈｒＶｂ}との差を角度θ_Ｖａ+θ_Ｖｂだけ回転させた電流
Ｒ：αβ平面内のベクトルを角度θ_Ｖａ+θ_Ｖｂだけ回転させる回転行列

係数算出部３５による干渉係数の算出手法、及び角度算出部３３による角度推定値の算出手法については、制御装置１が重畳部３１を有する場合と同様である。

〔角度推定値の評価〕
重畳部３１を備えていない制御装置を用い、角度算出部３３により算出される角度推定値の精度の評価を行った。具体的には、角度算出部３３による角度の算出と、センサによる磁極位置（回転電機３の固定子に固定された座標系に対して、回転電機３の回転子の磁極方向がなす角度）の実測とを行い、磁極位置の実測値を基準として、磁極位置の推定値の精度を評価した。

図５は、磁極位置の角度の推定誤差を示すグラフである。横軸は電気角（単位：°）であり、縦軸は推定誤差（単位：°）である。推定誤差は、磁極位置の推定値と実測値との差分である。○印のプロットは、上式（１８）、（１９）、（９）及び（２）により算出される角度推定値の誤差を示している。×印のプロットは、比較のために、干渉係数ｃをゼロとした場合（ｄ軸とｑ軸との間の相互干渉を無視した場合）の角度推定値の誤差を示している。図５に示されるように、縦軸方向における○印の点在範囲は、縦軸方向における×印の点在範囲より明らかに小さい。この結果から、ｄ軸とｑ軸との間の相互干渉を考慮した角度推定を行うことにより、推定誤差が低減されていることが分かる。

図６は、磁極位置の角速度及び角度の推定値及び実測値を示すグラフである。図６の（ａ）及び（ｃ）の横軸は経過時間を示し、縦軸は角速度を示している。図６の（ｂ）及び（ｄ）の横軸は経過時間を示し、縦軸は角度を示している。

図６の（ｄ）の実線グラフは、上式（１８）、（１９）、（９）及び（２）により算出される角度推定値を示している。図６の（ｃ）の実線グラフは、図６の（ｄ）の角度推定値の微分値を示している。図６の（ｃ）の破線グラフは、磁極位置の角速度の実測値（応答値）を示している。

図６の（ｂ）の実線グラフは、干渉係数ｃをゼロとした場合（ｄ軸とｑ軸との間の相互干渉を無視した場合）の角度推定値を示している。図６の（ａ）の実線グラフは、図６の（ｂ）の角度推定値の微分値を示している。図６の（ａ）の破線グラフは、磁極位置の角速度の実測値（応答値）を示している。

図６の（ｃ）では、図６の（ａ）に比較して、実線グラフと破線グラフとの差が明らかに小さくなっている。この結果からも、ｄ軸とｑ軸との間の相互干渉を考慮した角度推定を行うことにより、推定誤差が低減されていることが分かる。更に、図６の（ｃ）では、図６の（ａ）に比較して、破線グラフの振動も低減されている。これは、磁極位置の推定誤差に起因する出力電力の変動が低減されたためだと考えられる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、制御装置１は、交流電源と電動機との間に介在し、交流電源から供給された交流電力を、電動機の駆動用の三相交流電力に変換するマトリクスコンバータであってもよい。

１…制御装置、３…回転電機、２５…記憶部、３０…推定部、３１…重畳部、３２…応答情報算出部、３３…角度算出部、３５…係数算出部、ｃ…干渉係数、ｍ…余弦成分、ｎ…正弦成分、θ［ｋ］…角度推定値。

Claims (8)

1. 電動機の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する推定部と、
   前記角度推定値を記憶する記憶部と、を備え、
   前記推定部は、
   前記電動機への出力電圧の変化に対する電流変化、又は前記電動機への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する応答情報算出部と、
   前記電動機の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、前記記憶部に記憶された過去の前記角度推定値に基づいて算出する係数算出部と、
   前記角度推定値を前記応答情報及び前記干渉係数に基づいて算出する角度算出部と、を有する制御装置。
2. 前記係数算出部は、前記記憶部に記憶された過去の前記角度推定値と、前記応答情報とに基づいて前記干渉係数を算出する、請求項１記載の制御装置。
3. 前記相互干渉を無視した場合の前記角度推定値の正弦成分と、前記相互干渉を無視した場合の前記角度推定値の余弦成分とを、前記応答情報に基づいて算出する成分算出部を更に有し、
   前記角度算出部は、前記正弦成分と、前記余弦成分と、前記干渉係数とを用いて前記角度推定値を算出する、請求項２記載の制御装置。
4. 前記係数算出部は、前記正弦成分と、前記余弦成分と、前記記憶部に記憶された過去の前記角度推定値とに基づいて前記干渉係数を算出する、請求項３記載の制御装置。
5. 前記応答情報算出部は、固定子側に固定された座標系における前記応答情報を算出する、請求項１〜４のいずれか一項記載の制御装置。
6. 前記推定部は、
   前記電動機への前記出力電圧又は前記出力電流に高周波成分を重畳する重畳部を更に有し、
   前記応答情報算出部は、前記電動機への出力電圧に対する電流変化又は出力電流に対する電圧変化から、前記高周波成分に起因する成分を抽出する、請求項１〜５のいずれか１項記載の制御装置。
7. 電動機の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出することと、
   前記角度推定値を記憶することと、を含み、
   前記角度推定値を算出することは、
   前記電動機への出力電圧の変化に対する電流変化、又は前記電動機への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出することと、
   前記電動機の直交座標系の座標軸間における電磁的な相互干渉に相関する干渉係数を、過去に記憶された前記角度推定値に基づいて算出することと、
   前記角度推定値を前記応答情報及び前記干渉係数に基づいて算出することと、を含む制御方法。
8. 電動機の磁極位置に相関する角度推定値を繰り返し算出する推定部と、
   前記角度推定値を記憶する記憶部と、を備え、
   前記推定部は、
   前記電動機への出力電圧の変化に対する電流変化、又は前記電動機への出力電流の変化に対する電圧変化を示す応答情報を算出する応答情報算出部と、
   前記応答情報と、前記記憶部に記憶された過去の前記角度推定値とに基づいて前記角度推定値を算出する角度算出部と、を有する制御装置。

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