JP2019213257A - 回転機の制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法でステータに対するロータの位置を推定する。【解決手段】ロータ１６に界磁巻線１８を有し、ステータ１２に３相以上の多相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを有する回転機１０の制御装置２０は、前記多相巻線に、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化するサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳するサーチ信号重畳部８２と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を検知する界磁電流センサ７０と、前記ステータに対する前記ロータの位置について任意の角度で仮設定を行った上で、前記サーチ信号重畳部を用いて前記サーチ信号を前記多相巻線に重畳させ、前記界磁電流を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定する位置推定部８０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機の制御装置および制御方法に関する。

回転機においては、回転子（ロータ）の回転位置をセンサレスで検出するものが種々提案されている。例えば特許文献１では、界磁巻線にパルスを印加したときに、電機子巻線に流れる電流を検出し、該電流を用いた演算により回転機の回転子の位置を求めている。また、回転機の電機子巻線に交番信号を注入し、交番信号と同じ周波数成分の信号を利用して回転子の磁極位置を検出する回転機の制御装置も知られている（特許文献２）。

特開２００５−３９８９１号公報 特開２００６−１３６１２３号公報

しかし、界磁巻線にパルスを印加する場合、回転子の位置を求める際の精度が低いという課題があった。また、演算に用いる電流は、絶対値が必要とされるため、電流センサの精度が回転子の位置の精度に影響を与えるという課題があった。また、回転機の電機子巻線に交番信号を注入する方法では、交番信号の電圧がゼロとなるように制御する関係上、ノイズ耐性が低下し、回転子の位置の精度に懸念が残るという課題があった。

本発明の一形態によれば、ロータ（１６）に界磁巻線（１８）を有し、ステータ（１２）に３相以上の多相巻線（１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ）を有する回転機（１０）の制御装置（２０）が提供される。この制御装置は、前記多相巻線に、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化するサーチ信号（ＩｄＳ、IｑＳ）を重畳するサーチ信号重畳部（８２）と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を検知する界磁電流センサ（７０）と、前記ステータに対する前記ロータの位置について任意の角度で仮設定を行った上で、前記サーチ信号重畳部を用いて前記サーチ信号を前記多相巻線に重畳させ、前記界磁電流を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定する位置推定部（８０）と、を備える。この形態によれば、位置推定部は、界磁電流を用いてロータの位置を推定するので、突極性を有する必要が無く、簡素の手法で容易且つ高精度で磁極の初期位置を推定できる。

回転機とその制御装置の概略構成を示す説明図である。 ロータ位置を推定するフローチャートである。 サーチ信号とその位相を示す説明図である。 ロータを仮設定した位置の誤差がほぼ無い場合における、ｄ軸電流とｄ軸電流の位相およびサーチ信号を重畳したときの界磁電流を示す説明図である。 ロータを仮設定した位置の誤差がほぼ無い場合における、サーチ信号を重畳したときの電流信号およびｄ軸電流位相を示す説明図である。 ロータを仮設定した位置に誤差がある場合における、ｄ軸電流とｄ軸電流の位相およびサーチ信号Ｓを重畳したときの界磁電流Ｉｆを示す説明図である。 ロータを仮設定した位置に誤差がある場合における、サーチ信号を重畳したときの電流信号およびｄ軸電流位相を示す説明図である。

図１は、回転機１０とその制御装置２０の概略構成を示す説明図である。回転機１０は、ステータ１２と、ロータ１６を備える。ステータ１２は、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを備える。３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、スター結線されている。なお、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗは、デルタ結線されていても良い。ロータ１６は、界磁巻線１８を備える。

制御装置２０は、電流指令生成部３０と、３相巻線電流制御部４０と、界磁電流制御部６０と、位置推定部８０と、を備える。電流指令生成部３０は、回転機１０に要求されるトルクＴを用いて、ｄ軸電流指令ＩｄＣ、ｑ軸電流指令ＩｑＣ、界磁電流指令ＩｆＣを生成する。ここで、回転機１０に要求されるトルクＴは、例えば、回転機１０が車両に搭載される場合には、車両のアクセルペダルの開度や車両の速度を用いて算出される。

３相巻線電流制御部４０は、ステータ１２の３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗの電流を用いて、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに印加する電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを制御する。３相巻線電流制御部４０は、加算器４１、４２と、差分演算器４３、４４と、ＰＩ制御部４６、４８と、３相電圧指令変換部５０と、ドライバ５２と、インバータ５４と、３相電流センサ５６と、ｄｑ軸電流変換部５８と、を備える。

３相電流センサ５６は、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを測定する。ｄｑ軸電流変換部５８は、電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑに変換する。

加算器４１は、ｄ軸電流指令ＩｄＣにｄ軸サーチ信号ＩｄＳを加算する。加算器４２は、ｑ軸電流指令ＩｑＣにｑ軸サーチ信号ＩｑＳを加算する。差分演算器４３は、ｄ軸サーチ信号ＩｄＳが加算されたｄ軸電流指令ＩｄＣとｄ軸電流Ｉｄとの差分を算出する。差分演算器４４は、ｑ軸サーチ信号ＩｑＳが加算されたｑ軸電流指令ＩｑＣとｑ軸電流Ｉｑとの差分を算出する。

ＰＩ制御部４６は、ｄ軸サーチ信号ＩｄＳが加算されたｄ軸電流指令ＩｄＣとｄ軸電流Ｉｄとの差分を用いて、ＰＩ制御により、ｄ軸電圧指令ＶｄＣを算出する。ＰＩ制御部４８は、ｑ軸サーチ信号ＩｑＳが加算されたｑ軸電流指令ＩｑＣとｑ軸電流Ｉｑとの差分を用いて、ＰＩ制御により、ｑ軸電圧指令ＶｑＣを算出する。

３相電圧指令変換部５０は、ｄ軸電圧指令ＶｄＣとｑ軸電圧指令ＶｑＣを、３相の電圧指令ＶｕＣ、ＶｖＣ、ＶｗＣに変換する。ドライバ５２は、３相の電圧指令ＶｕＣ、ＶｖＣ、ＶｗＣを用いて、インバータ５４の内部に設けられたスイッチング素子をオン・オフするためのスイッチング信号Ｓｗｕ、Ｓｗｖ、Ｓｗｗを生成する。インバータ５４は、スイッチング信号Ｓｗｕ、Ｓｗｖ、Ｓｗｗにより内部のスイッチング素子のオン・オフを行い、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに印加される電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを生成する。

界磁電流制御部６０は、ロータ１６の界磁巻線１８の界磁電流Ｉｆ用いて、界磁巻線１８に印加する電圧Ｖｆを制御する。界磁電流制御部６０は、差分演算器６２と、ＰＩ制御部６４と、ドライバ６６と、インバータ６８と、界磁電流センサ７０と、を備える。

界磁電流センサ７０は、ロータ１６の界磁巻線１８に流れる界磁電流Ｉｆを測定する。差分演算器６２は、界磁電流指令ＩｆＣと、界磁電流Ｉｆとの差分を算出する。ＰＩ制御部６４は、界磁電流指令ＩｆＣと、界磁電流Ｉｆとの差分を用いて界磁電圧指令ＶｆＣを生成する。ドライバ６６は、界磁電圧指令ＶｆＣを用いて、インバータ６８のスイッチング信号Ｓｗｆを生成する。インバータ６８は、スイッチング信号Ｓｗｆにより内部のスイッチング素子のオン・オフを行い、界磁巻線１８に印加される電圧Ｖｆを生成する。

位置推定部８０は、界磁電流Ｉｆを用いて、ロータ１６の初期位置の位相θ＾を推定する。位置推定部８０は、サーチ信号重畳部８２と、ハイパスフィルタ８４と、ゼロクロス検知部８６と、ロータ位置推定部８８と、補償部９０と、加算器９２と、を備える。

サーチ信号重畳部８２は、ロータ１６の回転の立ち上がりの一定期間、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを生成し、３相巻線電流制御部４０の加算器４１、４２に送る。本実施形態では、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳは、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化する信号であり、例えば正弦波または余弦波の電流信号である。サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳの周期は、例えば、１ｍｓ〜１０ｍｓ（１００Ｈｚ〜１ｋＨｚ）であり、より好ましくは４ｍｓ〜６ｍｓである。ロータ１６の回転の立ち上がりの一定期間は、例えば、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳの周期の数で、３〜４周期の期間である。このように、本実施形態では、ロータ１６の回転の立ち上がりの一定期間、例えば、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳの周期の数で、３〜４周期の期間のみ、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗにサーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳに応じた電圧が重畳される。

ハイパスフィルタ８４は、界磁電流センサ７０が測定した界磁電流Ｉｆからサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳに対応した周波数成分の電流信号Ｉｆａｃを取り出す。ゼロクロス検知部８６は、電流信号Ｉｆａｃのゼロクロス点を検知する。ゼロクロス点とは、電流信号Ｉｆａｃの値がゼロとなる点である。ロータ位置推定部８８は、ゼロクロス点の位置およびゼロクロス点前後の電流信号Ｉｆａｃの変化を用いて、ロータ１６の初期位置を推定する。補償部９０は、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳの周波数と、ハイパスフィルタ８４の時定数と、ロータ１６の時定数と、による位相変化を補償する。加算器９２は、ロータ位置推定部８８が推定したロータ１６の初期位置の位相θ＾に、補償部９０による位相変化を加えて、ロータ１６の初期位置の位相を算出する。

図２は、ロータ位置を推定するフローチャートである。ステップＳ１００では、ロータ１６を任意の角度に仮設定した上で、３相巻線電流制御部４０と界磁電流制御部６０は、回転機１０の起動を開始する。

ステップＳ１１０では、サーチ信号重畳部８２は、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに印加する電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化するサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを発生し、ｄ軸電流指令ＩｄＣとｑ軸電流指令ＩｑＣに重畳させることで、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗの電流にサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳させる。

図３は、サーチ信号とその位相を示す説明図である。図３の下段のグラフは、ｄ軸のサーチ信号ＩｄＳとｑ軸のサーチ信号ＩｑＳを示すグラフであり、上段のグラフは、サーチ信号ＩｄＳとサーチ信号ＩｑＳの位相を示すグラフである。本実施形態では、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳとして正弦波または余弦波の電流信号を用い、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳは、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化する信号である。

図２のステップＳ１２０では、界磁電流センサ７０は、界磁電流Ｉｆを取得する。

図４は、ロータ１６を仮設定した位置の誤差がほぼ無い場合における、ｄ軸電流とｄ軸電流の位相およびサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳したときの界磁電流Ｉｆを示す説明図である。図４の下段のグラフは、ステータ１２のｄ軸電流と、その位相を示している。図４の上段のグラフは、界磁電流Ｉｆを示している。ロータ１６に界磁巻線１８を有し、ステータ１２に３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを有する回転機１０では、ロータ１６の界磁巻線１８は、ステータ１２のｄ軸とのみ干渉し、ｑ軸とは干渉しない。サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳したときの界磁電流Ｉｆは、回転機１０の起動時には、上段のグラフに示すように、ｄ軸のサーチ電流ＩｄＳに同期して増減しながら上昇していく。

図２のステップＳ１３０では、界磁電流Ｉｆが図４のピーク値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６となるときの位置およびその位置における位相を取得する。ここで、界磁電流Ｉｆのピーク値Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６は、界磁電流Ｉｆが増減しながら上昇していくときの極小値、極大値である。ここで、界磁電流Ｉｆがピーク値（極小値または極大値）となったか否かは、その前後の界磁電流Ｉｆの変化を見て判断しなければならず、判断が難しい。そこで、本実施形態では、以下に説明するように、ハイパスフィルタ８４を用いて、電流信号Ｉｆａｃを抽出し、電流信号Ｉｆａｃがゼロとなるゼロクロス点を用いて界磁電流Ｉｆがピーク値（極小値または極大値）となる位置およびその位置における位相を取得する。

図５は、ロータ１６を仮設定した位置の誤差がほぼ無い場合における、サーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを重畳したときの電流信号Ｉｆａｃおよびｄ軸電流位相を示す説明図である。図５の上段のグラフは、電流信号Ｉｆａｃを示し、下段のグラフは、ｄ軸電流位相を示す。電流信号Ｉｆａｃは、サーチ信号と同期し、ほぼ正弦波の形状を有している。図５の上段のグラフから分かるように、電流信号Ｉｆａｃがゼロとなるゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３近傍では、電流信号Ｉｆａｃがプラスからマイナス、あるいは、マイナスからプラスに遷移するため、ゼロクロス検知部８６は、電流信号Ｉｆａｃ値からゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の位置を容易に取得できる。なお、なお、図５に示す様に、電流信号Ｉｆａｃが、オフセットを有している場合がある。電流信号Ｉｆａｃが、オフセットを有しているとは、電流信号Ｉｆａｃに直流成分が加わり、電流信号Ｉｆａｃがプラス側あるいはマイナス側にシフトしていることを意味する。図５では、電流信号Ｉｆａｃにオフセットがあるとして、グラフを描いている。ゼロクロス検知部８６は、電流信号Ｉｆａｃにオフセットがある場合においても、ゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３等を容易に判断できる。

ゼロクロス検知部８６は、次に、図５の下段のグラフを用いて、電流信号Ｉｆａｃがゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２となったときの位相ＰｈＺ１、ＰｈＺ２を容易に求めることができる。ここで、電流信号Ｉｆａｃがオフセットを有する正弦波の形状を有する場合、ピーク（極大値または極小値）を中心にゼロクロス点までの形状は、対称となる。したがって、ゼロクロス検知部８６は、２つのゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２に挟まれたピークＰ１の位相ＰｈＰ１を、ゼロクロス点Ｚ１の位相ＰｈＺ１と、ゼロクロス点Ｚ２の位相ＰｈＺ２の中間の位相として求めることができる。すなわち、ゼロクロス検知部８６は、（ＰｈＺ１＋ＰｈＺ２）／２の演算をすることで、ピークＰ１の位相ＰｈＰ１を容易に求めることができる。なお、電流信号Ｉｆａｃにおいて、ピークを中心に該ピークを挟む２つのゼロクロス点までの形状は、対称となるため、電流信号Ｉｆａｃのオフセットがどの値でも、２つのゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２に挟まれたピークＰ１の位相ＰｈＰ１は変わらない。例えば、図５において、オフセットが小さくなった場合には、ゼロクロス点Ｚ１の位相ＰｈＺ１は小さくなるが、ゼロクロス点Ｚ２の位相ＰｈＺ２が大きくなるので、結果として（ＰｈＺ１＋ＰｈＺ２）／２の値は、変わらない。このように、ゼロクロス検知部８６は、オフセットの値がどの値であっても、ピークを挟む２つのゼロクロス点の位相を用いて、界磁電流Ｉｆがピークとなる位相を容易に求めることができる。

図２のステップＳ１４０では、ロータ位置推定部８８は、界磁電流Ｉｆのピーク値が、電流位相９０度または２７０度のいずれかで生じることを利用して、ロータ１６の初期位置を推定する。なお、ロータ位置推定部８８は、界磁電流Ｉｆのピーク値が、位相９０度あるいは２７０度のいずれであるかを、ゼロクロス点Ｚ１、Ｚ２における電流信号Ｉｆａｃの傾きにより決定する。具体的には、ゼロクロス点において、電流信号Ｉｆａｃの傾きがマイナスであるときを約０度、プラスであるときを約１８０度とし、電流信号Ｉｆａｃのピーク値が極小値であるときを約９０度、極大値であるときを約２７０度とすることで、ロータ１６のＮ極とＳ極の向きを特定できる。ロータ位置推定部８８は、図２のステップＳ１００で仮設定したロータ１６の角度と、２つのゼロクロス点の位相を用いて算出したピークＰ１の位相ＰｈＰ１である９０度または２７０度との差をロータ１６の初期位置の位相θ＾と推定する。

ステップＳ１５０では、加算器９２は、ロータ位置推定部８８が推定したロータ１６の初期位置の位相に対して、補償部９０からの信号を加算して、位相の遅れを補償する。位相の遅れは、ハイパスフィルタ８４の時定数と、ロータ１６の界磁巻線１８の時定数を用いて、容易に算出できる。ハイパスフィルタ８４の時定数は、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳの周波数と、ハイパスフィルタ８４を構成する部品のインダクタンス、キャパシタンスを用いて算出できる。界磁巻線１８の時定数は、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳの周波数と、界磁巻線１８のインダクタンス、キャパシタンスを用いて算出できる。なお、ハイパスフィルタ８４の時定数およびロータ１６の界磁巻線１８の時定数による位相の変化を補償しない場合には、補償部９０と加算器９２は、省略可能である。

ステップS１６０では、位置推定部８０は、回転機１０の起動が完了したか否かを判断する。位置推定部８０は、回転機１０の起動を開始した後、サーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを予め定めた回数、例えば３〜４回重畳させた場合には、回転機１０の起動が完了したと判断する。位置推定部８０は、回転機１０の起動が完了していない場合には、ステップＳ１１０に戻る。

図６は、ロータ１６を仮設定した位置に誤差がある場合における、ｄ軸電流Ｉｄとｄ軸電流の位相およびサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳したときの界磁電流Ｉｆを示す説明図である。図７は、ロータ１６を仮設定した位置に誤差がある場合における、サーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを重畳したときの電流信号Ｉｆａｃおよびｄ軸電流位相を示す説明図である。図６、図７と、図４、図５と、を比較すると、ロータ１６を仮設定した位置に誤差があるため、ｄ軸電流位相がずれている。

ロータ１６を仮設定した位置に誤差がある場合も、ロータ１６を仮設定した位置に誤差がない場合と同様に、電流信号Ｉｆａｃのゼロクロス点や電流信号Ｉｆａｃがピーク値となるときの位相を求めることができる。ここで、図４、図５では、電流信号Ｉｆａｃがピーク値（極小値）となるときの位相は、約９０度であるが、図６、図７では、電流信号Ｉｆａｃがピーク値（極小値）となるときの位相は、約９０度から大きくずれている。９０度と電流信号Ｉｆａｃがピーク値（極小値）となるときの位相との差分が、ロータ１６の初期位置の位相θ＾、すなわち、ロータ１６を仮設定したときの位置の位相となる。すなわち、図４、図５に示す例では、ロータ１６の初期位置にほぼ誤差がないため、ピーク値（極小値）の位相は約９０度となっている。一方、図６、図７に示す例では、ロータ１６の初期位置の位置誤差が大きいため、ピーク値（極小値）の位相はロータ１６の初期位置に位置誤差分だけ９０度からずれている。このように、本実施形態によれば、ロータ１６の初期位置に位置誤差があっても、無くても、ロータ１６の初期位置の位相θ＾を容易に推定できる。

以上、本実施形態によれば、ステータ１２に対するロータ１６の位置について任意の角度で仮設定を行った上で、サーチ信号重畳部８２にサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに重畳させ、界磁電流Ｉｆを用いてステータ１２に対するロータ１６の位置を推定する位置推定部８０を備えるので、突極性を有する必要が無く、簡素の手法で容易且つ高精度でロータ１６の初期位置の位相θ＾を推定できる。

本実施形態によれば、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳは、正弦波または余弦波の電流信号、であるので、推定ｄ軸、推定ｑ軸にバランス良くサーチ信号を与えることができ、高精度にロータ１６の位置推定を行うことができる。また、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳが正弦波または余弦波の電流信号である場合、界磁電流Ｉｆに高次高調波電流が発生することを抑制できる。

界磁電流の位相とロータの位置とは対応している。本実施形態によれば、位置推定部８０は、界磁電流のピーク値の位相を用いてロータの初期位置の位相θ＾を容易に推定できる。

本実施形態によれば、位置推定部８０は、ハイパスフィルタ８４を用いて電流成分Ｉｆａｃを抽出し、電流成分Ｉｆａｃのピーク値の位相を抽出する。電流成分Ｉｆａｃのピーク値の位相と、界磁電流Ｉｆのピーク値の位相は同じであるので、界磁電流Ｉｆのピーク値の位相を容易に取得できる。

本実施形態によれば、位置推定部８０は、電流信号Ｉｆｃがゼロクロスする隣接する２つのゼロクロス点の位相の中間の位相をピーク値の位相とする。ピーク値の位相を求めるよりも、ゼロクロス点の位相を求める方が容易である。また、電流信号にオフセットがあっても、オフセットの影響を受けずにピーク値の位相を取得できる。

・変形例：
上記実施形態では、サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳとして、正弦波または余弦波の電流信号を用いたが、正弦波または余弦波の電圧信号であってもよい。サーチ信号ＩｄＳ、IｑＳが電圧信号の場合、加算器４１、４２の代わりに、ＰＩ制御部４６、４８と、３相電圧指令変換部５０と、の間に加算器が設けられてもよい。また、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化する信号であれば、正弦波または余弦波以外の信号、例えば三角波、矩形波の電流信号あるいは電圧信号であってもよい。

上記実施形態では、ハイパスフィルタ８４を用いて、電流信号Ｉｆａｃを取得し、電流信号Ｉｆａｃのゼロクロス点を用いて、ピーク値の位相を求めているが、界磁電流Ｉｆを解析して、界磁電流Ｉｆのピーク値を求めてもよい。

上記実施形態では、位置推定部８０のゼロクロス検知部８６は、電流信号Ｉｆａｃがゼロとなるゼロクロス点を求め、２つのゼロクロス点の中間を求めることで、ピーク値の位相を求めている。ゼロクロス検知部８６は、電流信号Ｉｆａｃを微分する微分回路を備え、微分値がゼロクロスするときの電流信号Ｉｆａｃの位相をピーク値の位相としても良い。電流信号Ｉｆａｃのピーク値は、極大値または極小値であるため、ピーク値において、電流信号Ｉｆａｃの微分値はゼロとなる。そのため、微分値がゼロクロスする位相をピーク値の位相とすることができる。

上記実施形態では、位置推定部８０は、回転機１０の起動時における界磁電流Ｉｆを立ち上げる期間内にロータ１６の位置を推定しているが、回転機１０の起動後の通常運転時にサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳してロータ１６の位置を推定してもよい。ただし、位置推定部８０は、回転機１０の起動時における界磁電流Ｉｆを立ち上げる期間内にサーチ信号ＩｄＳ、IｑＳを重畳してロータ１６の位置を推定すれば、ロータ１６の位置を推定するための特別な期間を付与すること無くロータ１６の位置の位相θ＾を推定できる。

上記実施形態では、サーチ信号重畳部８２は、サーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを加算器４１、４２に入力することで、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗにサーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを重畳しているが、サーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを電流指令生成部３０に入力することで、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに流れる電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗにサーチ信号ＩｄＳ、ＩｑＳを重畳してもよい。

上記実施形態では、ステータ１２は、３相巻線１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを備えるものとして説明したが、巻線は、３相以上の多相巻線であってもよい。巻線は、例えば、４相、５相の巻線であってもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば、上記実施形態においてハードウェアにより実現した構成の一部は、ソフトウェアにより実現することができる。また、ソフトウェアにより実現している構成の少なくとも一部は、ディスクリートな回路構成により実現することも可能である。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ロータ（１６）に界磁巻線（１８）を有し、ステータ（１２）に３相以上の多相巻線（１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ）を有する回転機（１０）の制御装置（２０）が提供される。この制御装置は、前記多相巻線に、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化するサーチ信号（ＩｄＳ、IｑＳ）を重畳するサーチ信号重畳部（８２）と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を検知する界磁電流センサ（７０）と、前記ステータに対する前記ロータの位置について任意の角度で仮設定を行った上で、前記サーチ信号重畳部を用いて前記サーチ信号を前記多相巻線に重畳させ、前記界磁電流を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定する位置推定部（８０）と、を備える。この形態によれば、位置推定部は、界磁電流を用いてロータの位置を推定するので、突極性を有する必要が無く、簡素の手法で容易且つ高精度で磁極の初期位置の位相を推定できる。

（２）上記形態において、前記サーチ信号は、正弦波または余弦波の電流信号、または、正弦波または余弦波の電圧信号であってもよい。この形態によれば、推定ｄ軸、推定ｑ軸にバランス良くサーチ信号を与えることができ、高精度にロータの位置推定を行うことができる。また、正弦波または余弦波の電流信号あるいは電圧信号であれば、界磁電流に高次高調波電流が発生することを抑制できる。

（３）上記形態において、前記位置推定部は、前記界磁電流（Ｉｆ）のピーク値を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定してもよい。界磁電流の位相とロータの位置とは対応しているので、位置推定部は、界磁電流のピーク値を用いてロータの初期位置の位相を容易に推定できる。

（４）上記形態において、前記位置推定部は、さらに、前記界磁電流から前記サーチ信号に対応した周波数成分の電流信号（Ｉｆａｃ）を抽出するフィルタ（８４）を備えてもよい。この形態によれば、界磁電流のピーク値を容易に取得できる。

（５）上記形態において、前記位置推定部は、前記電流信号がゼロクロスする隣接する２つの位相の中間の位相を前記ピーク値の位相としてもよい。この形態によれば、電流信号にオフセットがあっても、オフセットの影響を受けずにピーク値の位相を取得できる。

（６）上記形態において、前記位置推定部は、前記電流信号を微分し、微分値がゼロクロスする位相を前記ピーク値の位相としてもよい。電流信号のピーク値は、極大値または極小値であるため、ピーク値において、微分値はゼロとなる。この形態によれば、位置推定部は、電流信号を微分して得られる微分値がゼロクロスする位相をピーク値の位相とすることができる。

（７）上記形態において、前記位置推定部は、前記ピーク値の位相を９０度もしくは２７０度とし、任意の位置で仮設定した角度と、前記ピーク値の位相との差分を前記ロータの初期位置としてもよい。この形態によれば、特別な手段を講じること無くＮ極、Ｓ極を判別できる。

（８）上記形態において、前記位置推定部は、前記電流信号のゼロクロス点における傾きに応じて、仮設定した角度が９０度または２７０度のいずれかであるかを判別してもよい。この形態によれば、特別な手段を講じること無くロータのＮ極、Ｓ極の向きを判別できる。

（９）上記形態において、前記位置推定部は、前記サーチ信号の周波数と、前記フィルタの時定数と、前記ロータの前記界磁巻線の時定数と、を用いて位相の変化を補償する補償部を備えてもよい。この形態によれば、位置推定部は、サーチ信号の周波数と、フィルタの時定数と、ロータの前記界磁巻線の時定数と、を用いて位相の変化を補償するので、ロータの位置の位相を高精度で推定できる。

（１０）上記形態において、前記位置推定部は、前記回転機をオフからオンにする起動時における前記界磁電流を立ち上げる期間内に前記ロータの位置を推定してもよい。この形態によれば、ロータの位置を推定するための特別な期間を付与すること無くロータの初期位置の位相を推定できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、回転機の制御装置の他、回転機のロータ位置推定方法等の形態で実現することができる。

１０…回転機 １２…ステータ １４ｕ、１４ｖ、１４ｗ…３相巻線 １６…ロータ １８…界磁巻線 ２０…制御装置 ３０…電流指令生成部 ４０…３相巻線電流制御部 ４１、４２…加算器 ４３、４４…差分演算器 ４６、４８…ＰＩ制御部 ５０…３相電圧指令変換部 ５２…ドライバ ５４…インバータ ５６…３相電流センサ ５８…ｄｑ軸電流変換部 ６０…界磁電流制御部 ６２…差分演算器 ６４…ＰＩ制御部 ６６…ドライバ ６８…インバータ ７０…界磁電流センサ ８０…位置推定部 ８２…サーチ信号重畳部 ８４…ハイパスフィルタ ８６…ゼロクロス検知部 ８８…ロータ位置推定部 ９０…補償部 ９２…加算器 Ｉｄ…ｄ軸電流 Ｉｑ…ｑ軸電流 ＩｄＣ…ｄ軸電流指令 ＩｑＣ…ｑ軸電流指令 ＩｄＳ、IｑＳ…サーチ信号 Ｉｆ…界磁電流 ＩｆＣ…界磁電流指令 Ｉｆａｃ…電流信号 Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ…電流 Ｐ１〜Ｐ６…ピーク ＰｈＰ１…位相 ＰｈＺ１…位相 ＰｈＺ２…位相 Ｓｗｆ、Ｓｗｕ、Ｓｗｖ、Ｓｗｗ…スイッチング信号 Ｔ…トルク ＶｄＣ…ｄ軸電圧指令 ＶｑＣ…ｑ軸電圧指令 Ｖｆ…電圧 ＶｆＣ…界磁電圧指令 ＶｕＣ、ＶｖＣ、ＶｗＣ…電圧指令 Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ…電圧 Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３…ゼロクロス点 θ＾…ロータの初期位置の位相

Claims (11)

1. ロータ（１６）に界磁巻線（１８）を有し、ステータ（１２）に３相以上の多相巻線（１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ）を有する回転機（１０）の制御装置（２０）であって、
   前記多相巻線に、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化するサーチ信号（ＩｄＳ、IｑＳ）を重畳するサーチ信号重畳部（８２）と、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を検知する界磁電流センサ（７０）と、
   前記ステータに対する前記ロータの位置について任意の角度で仮設定を行った上で、前記サーチ信号重畳部を用いて前記サーチ信号を前記多相巻線に重畳させ、前記界磁電流を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定する位置推定部（８０）と、
   を備える、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記サーチ信号は、正弦波または余弦波の電流信号、または、正弦波または余弦波の電圧信号である、制御装置。
3. 請求項２に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、前記界磁電流（Ｉｆ）のピーク値を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定する、制御装置。
4. 請求項３に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、さらに、前記界磁電流から前記サーチ信号に対応した周波数成分の電流信号（Ｉｆａｃ）を抽出するフィルタ（８４）を備える、制御装置。
5. 請求項４に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、前記電流信号がゼロクロスする隣接する２つの位相の中間の位相を前記ピーク値の位相とする、制御装置。
6. 請求項４に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、前記電流信号を微分し、微分値がゼロクロスする位相を前記ピーク値の位相とする、制御装置。
7. 請求項５または６に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、前記ピーク値の位相を９０度もしくは２７０度とし、任意の位置で仮設定した角度と、前記ピーク値の位相との差分を前記ロータの初期位置とする、制御装置。
8. 請求項７に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、前記電流信号のゼロクロス点における傾きに応じて、仮設定した角度が９０度または２７０度のいずれかであるかを判別する、制御装置。
9. 請求項７または８に記載の制御装置であって、
   前記位置推定部は、前記サーチ信号の周波数と、前記フィルタの時定数と、前記ロータの前記界磁巻線の時定数と、を用いて位相の変化を補償する補償部を備える、制御装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の制御装置であって、
    前記位置推定部は、前記回転機をオフからオンにする起動時における前記界磁電流を立ち上げる期間内に前記ロータの位置を推定する、制御装置。
11. ロータ（１６）に界磁巻線（１８）を有し、ステータ（１２）に３相以上の多相巻線（１４ｕ、１４ｖ、１４ｗ）を有する回転機（１０）の制御方法であって、
    前記ステータに対する前記ロータの位置について任意の角度で仮設定を行い、
    前記多相巻線に、振幅が一定、且つ電気位相が一定周期で変化するサーチ信号（ＩｄＳ、IｑＳ）を重畳し、
    前記界磁巻線に流れる界磁電流を検知し、
    前記界磁電流を用いて前記ステータに対する前記ロータの位置を推定し、
    前記回転機を制御する、
    制御方法。

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