JP2021002949A - 永久磁石同期電動機の駆動装置、駆動方法および電気車 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機の磁石磁束を精度良く推定する。【解決手段】永久磁石同期電動機の駆動装置１Ｓは、永久磁石同期電動機９０を駆動する電力変換器６０と、永久磁石同期電動機９０を流れる電流が電流指令値と一致するように電圧指令値を生成する電流制御器３０を含み、該電圧指令値に基づいて電力変換器６０を制御する制御装置１とを有する。制御装置１は、異なる時刻のそれぞれにおいて電流制御器３０により生成された電圧指令値に基づいて、永久磁石同期電動機９０の磁石磁束を推定する磁石磁束推定部１００を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の駆動装置、駆動方法および電気車に関する。

近年、地球環境の保護とエネルギーの消費節減の要求に応じて、効率的に電力を駆動力に変換することができる永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）が、広く採用されている。

永久磁石同期電動機には、その制御の際に、通電等に起因して永久磁石の温度が上昇し、永久磁石の磁束が変化する「減磁」と呼ばれる現象が発生する。例えば、ネオジム磁石の場合は、温度が１Ｋ上昇するにつき、磁石磁束が約０．１％減少する。減磁が発生し永久磁石の磁束が変化すると、減磁発生前と同一の電流値を流したとしても、永久磁石同期電動機が出力するトルクが変化し、所望のトルク精度を得ることができない。このため、所望のトルク精度を維持するためには、磁石磁束の変化を精度よく把握し、変化に応じて磁石磁束を適切に補正することが必要となる。

また、磁石温度の上昇が永久磁石の許容温度を超えた場合には、温度が低下しても減磁前の磁束に戻らない「不可逆減磁」と呼ばれる現象が発生する。不可逆減磁が発生した場合、永久磁石同期電動機の出力し得る最大トルクが減少し、永久磁石同期電動機を搭載した車両の走行性能が低下する。このため、不可逆減磁が発生しないよう、永久磁石の温度を監視し、許容温度を超えないよう制御を行う必要がある。

しかし、永久磁石同期電動機では、回転するロータ側に永久磁石があるため、磁石に温度測定器を取り付けることは難しく、直接磁石温度を測定することは困難である。そのため、磁石に温度測定器を取り付けることなく、磁石磁束または磁石温度の変化を測定する技術が求められている。

このような問題の解決を図る技術の一例として、例えば特許文献１に開示の技術がある。特許文献１に開示の技術では、減磁が発生していない状態で測定したｑ軸電圧指令値の基準値と、電動機駆動中のｑ軸電圧指令値の差分を算出することによって、磁石磁束を推定している。より具体的には、予め減磁が発生していない状態における永久磁石同期電動機のｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値および電動機速度に対する基準ｑ軸電圧指令値のマップを構成する。次に、駆動中の状態における永久磁石同期電動機のｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値および検出速度から、基準ｑ軸電圧指令値のマップを索引し、基準ｑ軸電圧指令値を求める。そして、実際に電流フィードバック制御により出力したｑ軸電圧指令値と、マップを索引して求めた基準ｑ軸電圧指令値の差分をとり、得られた差分を速度で除算することで磁石磁束の減磁率を推定している。

特開２０１１−１２５１５４号公報

しかしながら、上述の従来技術では、永久磁石の磁石磁束を推定する場合に、以下の課題がある。

第一の課題は、基準ｑ軸電圧指令値のマップを構成した永久磁石同期電動機と、実際に制御する永久磁石同期電動機の個体間で、製造ばらつき等に起因する定数誤差があった場合に、定数誤差の影響により推定精度が低下することである。例えば、製造時における電動機の永久磁石の着磁の状態によっても、磁石磁束のばらつきが発生する可能性がある。

上述の従来技術では、同一の電流、温度、速度に対するｑ軸電圧が全ての電動機で同じであることを前提としている。しかし、電動機ごとに定数のばらつきがあった場合は、同一の電流、温度、速度であったとしてもｑ軸電圧は電動機ごとに異なる値となり、減磁率の推定誤差が生じる。そのため、実際に制御する永久磁石同期電動機と、基準ｑ軸電圧指令値のマップの間に定数誤差があった場合に、減磁率の推定誤差を補正することができないという課題がある。

ここで、従来技術において、定数誤差により磁石磁束の推定精度が低下する理由について説明する。

以下の説明で使用する記号を次のように定義する。
Ｉｄ：ｄ軸電流
Ｉｑ：ｑ軸電流
Ｒ：巻き線抵抗
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス
Ｋｅ：磁石磁束
ω：電動機速度
ｐ：微分演算子
Ｋｅ＿ｅｒｒ：制御器に設定した定数Ｋｅ＊を定義した温度と、実際の電動機の温度が同じ時の、Ｋｅ＊と実際の電動機の磁石磁束との誤差
Ｌｄ＿ｅｒｒ：制御器に設定した定数Ｌｄ＊を定義した温度と、実際の電動機の温度が同じ時の、Ｌｄ＊と実際の電動機のｄ軸インダクタンスとの誤差
ΔＫｅ：温度変動による磁石磁束変動量

なお、それぞれの記号に付与した“＊”は制御器に設定した定数または指令値を表し、“＾”は推定値を表す。

先ず、減磁が発生していない、理想的な状態でのｑ軸電圧Ｖｑは、数式（１）に示す電圧方程式で表される。

次に、磁石磁束ＫｅがΔＫｅだけ変動した場合のｑ軸電圧Ｖｑは、数式（２）で表される。

数式（１）に基づき、基準ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＿ｒｅｆは、数式（３）で表される。

数式（２）に基づき、磁石磁束ＫｅがΔＫｅだけ変動した状態におけるｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、数式（４）で表される。

電流指令値と検出値が一致し、電動機の定数Ｒ＊とＲ、Ｌｄ＊とＬｄ、Ｌｑ＊とＬｑ、Ｋｅ＊とＫｅが一致していると仮定すると、数式（３）と数式（４）の差から、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を数式（５）で求めることができる。

ここで、数式（４）において、実際に制御される永久磁石電動機のｄ軸インダクタンスＬｄ、磁石磁束Ｋｅが、予め用意された基準ｑ軸電圧指令値のマップに対して、それぞれ定数誤差Ｌｄ＿ｅｒｒ、Ｋｅ＿ｅｒｒを持つ場合のｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、数式（６）で表される。

定数誤差を持つ状態で、電流制御した場合のｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、数式（６）となる。しかし、従来技術では、定数誤差があったとしても、基準ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＿ｒｅｆは、数式（３）に従う。数式（６）と数式（３）の差から、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を数式（７）で求めることができる。

数式（５）と数式（７）を比較すると、定数誤差がある場合に算出した数式（７）では、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾に対して、定数誤差に起因する右辺第２項Ｋｅ＿ｅｒｒおよび右辺第３項Ｌｄ＿ｅｒｒ・Ｉｄがオフセット成分として残り、磁石磁束の推定精度が低下する。以上が、定数誤差の影響により磁石磁束の推定精度が低下する理由である。

第二の課題は、ｑ軸電圧指令値の基準となるマップを作成するためには、永久磁石同期電動機の温度を管理しながら、制御で使用される全てのｄ軸電流、ｑ軸電流および電動機速度の組み合わせに対して、網羅的にｑ軸電圧指令値を測定する必要があり、膨大な時間を必要とすることである。特に、鉄道用の永久磁石同期電動機の場合においては、電力変換器に入力される直流電圧が架線電圧の変動により大きく変動するため、マップ作成に必要なパラメータが増え、さらに複雑化する課題がある。

本発明の目的は、上述の点を考慮してなされたものであり、永久磁石同期電動機の製造ばらつき等に起因する個体間の定数誤差の影響を除去し、かつ事前に永久磁石同期電動機の特性を網羅的に取得することなく、永久磁石同期電動機の磁石磁束または磁石温度を精度良く推定することを可能とすることを１つの目的とする。

かかる課題を解決するため本発明においては、１つの目的を達成する一手段として、永久磁石同期電動機の駆動装置は、永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器と、前記永久磁石同期電動機を流れる電流が電流指令値と一致するように電圧指令値を生成する電流制御器を含み、該電圧指令値に基づいて前記電力変換器を制御する制御装置と、を有する。前記制御装置は、異なる時刻のそれぞれにおいて前記電流制御器により生成された電圧指令値に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁石磁束を推定する磁石磁束推定部を備えるようにした。

本発明によれば、例えば、永久磁石同期電動機の製造ばらつき等に起因する個体間の定数誤差の影響を除去し、かつ事前に永久磁石同期電動機の特性を網羅的に取得することなく、永久磁石同期電動機の磁石磁束または磁石温度を精度良く推定することができる。

実施形態１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。 実施形態１に係る磁石磁束推定部の機能ブロックの一例を示す図である。 実施形態２に係る磁石磁束推定部の機能ブロックの一例を示す図である。 実施形態２に係るｄ軸磁束誤差とｄ軸電流の相関を示す近似式を説明するための図である。 実施形態３に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックの一例を示す図である。 実施形態４に係る磁石磁束推定部の機能ブロックの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための実施形態１〜４について、それぞれ図面に従い詳細に説明する。各実施形態において参照番号が同一のものは、同一または類似の構成要件として示している。また、後出の実施形態において、既出の実施形態と同一または類似の構成要件の説明を省略する場合がある。なお、以下に説明する実施形態は、あくまでも例として提示したものであり、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、各実施形態および変形例は、本発明の技術思想の範囲内および整合する範囲内でその一部または全部を組合せることができる。

［実施形態１］
＜実施形態１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の構成＞
図１は、実施形態１に係る永久磁石同期電動機９０の駆動装置１Ｓの機能ブロックの一例を示す図である。永久磁石同期電動機９０の駆動装置１Ｓは、制御装置１および電力変換器６０を含む。図１は、実施形態１に必要な最小限の機能ブロックのみを示したもので、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の駆動用トランジスタやダイオード等のパワーデバイスから構成される電力変換器およびこの電力変換器に対する制御構成については、電力変換器６０のブロック図で示し、詳細な図示を省略している。

図１では、電力変換器６０は、パンタグラフ３を介して架線２と電力の授受を行う構成としている。また、電力変換器６０と架線２との間には、フィルタリアクトル４とフィルタコンデンサ５とから成る電流平滑用のＬＣフィルタ回路を備える。

電力変換器６０では、ＰＷＭ制御器４０からのスイッチング指令に基づき、駆動回路および主回路（図示しないが電力変換器６０に含まれる）を介して、３相交流電圧を永久磁石同期電動機９０に印加する。

永久磁石同期電動機９０は、電力変換器６０からの３相交流電圧の印加により固定子側に発生した回転磁界による磁極と、永久磁石同期電動機９０の回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生するマグネットトルクと、固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生するリラクタンストルクとにより、回転トルクを発生する。

電流検出器８０は、Ｕ相電流、Ｖ相電流およびＷ相電流のそれぞれを検出する電流検出器８０ａ、８０ｂ、および８０ｃを含む。電流検出器８０は、ホールＣＴ（Current Transformer）等から構成され、永久磁石同期電動機９０に流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相電流Ｉｕ、Ｉｖ、およびＩｗの波形をそれぞれ検出する。ただし、電流検出器８０によって必ずしも３相全ての電流を検出する必要はなく、３相の内のいずれか２相を検出し、残る１相は３相電流が平衡状態であると仮定して演算により求める構成としてもよい。

制御装置１には、負荷として接続される永久磁石同期電動機９０を駆動制御するための制御プログラムが実装されている。制御装置１において、トルク指令生成器１０は、上位の制御装置（図中は省略）からの運転指令に応じて、トルク指令値τ＊およびトルク立ち上げ信号Ｓｔを出力する。ここで、トルク立ち上げ信号Ｓｔは、トルクが運転指令によって決定されるトルク目標値まで立ち上がったことを示す信号であり、トルクがゼロまたは目標トルクまで立ち上げている途中の状態では負が出力され、目標トルクまでトルクが立ち上がった後に正が出力される。

電流指令生成器２０は、トルク指令値τ＊に対して、所定のトルクを得るためのｄｑ軸の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を出力する。ｄ軸は回転子磁石の磁極のＮ極方向の位相であり、ｑ軸は電気角でｄ軸に直行する方向と定義する。図示は省略しているが、電流指令生成器２０は、フィルタコンデンサ電圧の大きさや、回転周波数に基づいて、インバータが出力可能な最大電圧を超えないように、適切な電流指令Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を演算し、電流制御器３０に出力する。

電流座標変換器７０は、電流検出器８０で検出した永久磁石同期電動機９０の３相電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗを、制御装置１が認識する基準ｄ軸位相θ（図示は省略）を用いて回転座標系のｄｑ座標に変換し、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑとして電流制御器３０に出力する。

電流制御器３０は、電流座標変換器７０が出力したｄｑ軸電流検出値と、電流指令生成器２０が出力したｄｑ軸電流指令値との電流偏差がゼロに収束するような電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を、ＰＩ（Proportional-Integral）制御等のフィードバック制御により生成し、出力する。

ＰＷＭ制御器４０は、電流制御器３０が出力したｄｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊に基づき、ＰＷＭ電圧（Pulse Width Modulation）のスイッチング指令を出力する。図示を省略しているが、ＰＷＭ制御器４０は、制御装置１の基準ｄ軸位相θを用い、電圧波形の位相角を内部で演算している。

磁石磁束推定部１００は、制御で使用しているｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、磁石磁束Ｋｅ＊、ｄ軸インダクタンスＬｄ＊、検出速度ωおよびトルク立ち上げ信号Ｓｔをもとに、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を算出する。磁石磁束推定部１００の詳細は、図２を参照して後述する。

以下、本実施形態によって永久磁石同期電動機９０と制御装置１間の定数誤差の影響を除去し、磁石磁束を精度よく推定できる原理について説明する。

定数誤差がない理想的な状態において、制御で使用しているｄ軸インダクタンス、磁石磁束を定義した基準とする温度における永久磁石同期電動機９０のｑ軸電圧Ｖｑは、数式（１）で表される。数式（１）において、極低速域を除けば、右辺第１項ＲＩｑは、右辺第３項ωＬｄＩｄ、右辺第４項ωＫｅに対して値が極小であり無視できる。また、右辺第２項の微分項ｐＬｑＩｑについても定常とみなせる状態では無視できるため、数式（１）を整理すると数式（８）となる。

制御で使用しているｄ軸インダクタンスＬｄ＊、磁石磁束Ｋｅ＊に対して、実際に制御する電動機のｄ軸インダクタンスＬｄ、磁石磁束Ｋｅが、それぞれＬｄ＿ｅｒｒ、Ｋｅ＿ｅｒｒだけ大きい場合に、電流制御器３０からＰＩ制御等により出力されるｑ軸電圧指令値Ｖｑ０＊は、数式（８）に基づき数式（９）で表される。

次に、基準温度においてｄ軸インダクタンスＬｄ＊、磁石磁束Ｋｅ＊、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊および検出速度ωから、数式（８）に基づき基準ｑ軸電圧Ｖｑ０＊＿ｒｅｆを算出する。

次に、数式（９）で表される、電流制御器３０より出力されるｑ軸電圧指令値Ｖｑ０＊と、数式（１０）で算出した基準ｑ軸電圧Ｖｑ０＊＿ｒｅｆの差を求め、両辺を検出速度ωで除算することで、基準温度におけるｄ軸磁束誤差φ０＿ｅｒｒを求める。ｄ軸磁束誤差φ０＿ｅｒｒは、数式（１１）のように表される。

次に、数式（９）と同じようにｄ軸インダクタンス、磁石磁束が誤差をもつ場合について、基準温度から磁石磁束ＫｅがΔＫｅだけ変動した状態において、電流制御器３０より出力されるｑ軸電圧指令値Ｖｑ１＊は、数式（９）に基づき数式（１２）で表される。

数式（１０）と同様に、制御で使用しているｄ軸インダクタンスＬｄ＊、磁石磁束Ｋｅ＊、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊および検出速度ωから基準ｑ軸電圧指令値Ｖｑ１＊＿ｒｅｆを求めると、数式（１３）のようになる。

次に、数式（１２）と数式（１３）の差を求め、両辺を検出速度ωで除算することで、磁石磁束ＫｅがΔＫｅだけ変動した状態におけるｄ軸磁束誤差φ１＿ｅｒｒを求める。ｄ軸磁束誤差φ１＿ｅｒｒは、数式（１４）のように表される。

数式（１１）で求めた基準温度におけるｄ軸磁束誤差φ０＿ｅｒｒと、数式（１４）で求めた磁石磁束がΔＫｅだけ変動した動作点におけるｄ軸磁束誤差φ１＿ｅｒｒの差から、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を求めると、数式（１５）となる。

数式（１５）では、ｄ軸インダクタンスＬｄ、磁石磁束Ｋｅおよびそれらの誤差であるＬｄ＿ｅｒｒ、Ｋｅ＿ｅｒｒの影響が除去できている。数式（１５）に従って、φ０＿ｅｒｒとφ１＿ｅｒｒの差を求めることで、ｄ軸インダクタンス、磁石磁束の誤差の影響を除去した磁石磁束変動量を推定することができる。

このように、基準温度で算出したｄ軸磁束誤差と、任意の動作点において算出したｄ軸磁束誤差の差分から磁石磁束変動量を推定することで、制御装置１に設定したｄ軸インダクタンス、磁石磁束と実機との間に誤差が含まれていたとしても、誤差の影響を除去した磁石磁束変動量を精度よく推定することができる。以上が、本実施形態により定数誤差を除去した磁石磁束変動量を推定することができる原理である。

なお、本実施形態において、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を用いて演算を行っているが、電流制御器３０によってｄ軸電流指令値Ｉｄ＊に一致するよう制御されるｄ軸電流検出値Ｉｄで代用してもよい。

＜実施形態１に係る磁石磁束推定部の構成＞
次に、永久磁石同期電動機９０の磁石磁束を推定する磁石磁束推定部１００の詳細について説明する。図２は、実施形態１に係る磁石磁束推定部１００の機能ブロックの一例を示す図である。

先ず、磁石磁束推定部１００は、トルク指令生成器１０から入力されるトルク立ち上げ信号Ｓｔが正となったこと、すなわちトルクが目標トルクまで立ち上がったことを検知し、磁石磁束の推定を開始する。

基準ｑ軸電圧演算器１１０は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、検出速度ω、および制御装置１に設定したｄ軸インダクタンスＬｄ＊、磁石磁束Ｋｅ＊から、数式（１０）に基づき基準ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＿ｒｅｆを算出し、ｄ軸磁束誤差演算器１２０に出力する。

次に、ｄ軸磁束誤差演算器１２０は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、基準ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＿ｒｅｆの差分を検出速度ωで除算することにより、ｄ軸磁束誤差φ＿ｅｒｒを算出し、磁石磁束推定演算器１３０に出力する。

次に、磁石磁束推定演算器１３０は、制御で定めた基準とする動作点である時刻Ｔ０におけるｄ軸磁束誤差φ＿ｅｒｒをφ０＿ｅｒｒとし、φ０＿ｅｒｒの算出以降でｄ軸電流指令値Ｉｄ＊がφ０＿ｅｒｒの算出時と同じ値となった動作点である時刻Ｔ１におけるｄ軸磁束誤差φ＿ｅｒｒをφ１＿ｅｒｒとする。そして、磁石磁束推定演算器１３０は、数式（１５）に基づき、φ０＿ｅｒｒとφ１＿ｅｒｒの差を求めることで、φ０＿ｅｒｒが算出された状態と、φ１＿ｅｒｒが算出された状態との間での磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を算出する。

以上の演算処理によって、ｄ軸インダクタンス、磁石磁束に誤差が含まれていたとしても、誤差の影響を除去した磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を精度よく推定することができる。

なお、本実施形態では、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を出力する構成としているが、磁石磁束変動量に相当する磁石温度変動量推定値を出力する構成としてもよい。

また、推定した磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾は、電流指令値の補正や、磁石温度変動量として永久磁石の温度監視に用いてもよい。また、検出速度ωは、レゾルバ等の検出器を用いて検出した値を用いてもよく、また、検出器を用いずに、電流および電圧からセンサレスで推定した値を用いてもよい。

また、検出速度ωが低い状態で基準ｑ軸電圧指令値を算出した場合、数式（１）の右辺第３項ωＬｄＩｄ、右辺第４項ωＫｅの値が小さくなり、右辺第１項ＲＩｑの値がその他の項に対して相対的に大きくなるため、右辺第１項ＲＩｑを無視できなくなる可能性がある。また、検出速度ωの検出精度が低い場合には、右辺第３項ωＬｄＩｄ、右辺第４項ωＫｅの誤差が大きくなり、推定精度を確保できない。そのため、右辺第１項ＲＩｑの影響を無視できる所定値以上の速度、かつ検出精度が確保できる所定の速度範囲でのみ推定を実行する構成としてもよい。

また、数式（１０）では、定常状態での演算を想定し、微分項の影響を無視しているが、ｑ軸電流の時間変化が大きく、微分項の影響を無視できない場合には、数式（１）の右辺第２項の微分項ｐＬｑＩｑの値が大きくなり、推定精度が低下する可能性がある。そのため、ｑ軸電流の時間変化が、制御で定めた所定値以下の場合にのみ、演算を行う構成としてもよい。

［実施形態２］
実施形態２は、実施形態１と比較して、２点以上のｄ軸電流指令値に対するｄ軸磁束誤差を一次式として近似し、近似した一次式の切片の差分から磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を算出する点で異なる。このような構成とすることで、外乱等による瞬間的な電流、電圧の変化の影響を受けずに、磁石磁束変動量を推定できる。

＜実施形態２に係る磁石磁束推定部の構成＞
実施形態２では、制御装置１は、図１に示した実施形態１の磁石磁束推定部１００に代えて磁石磁束推定部１００Ｂを備える。図３は、実施形態２に係る磁石磁束推定部１００Ｂの機能ブロックの一例を示す図である。磁石磁束推定部１００Ｂは、磁石磁束推定部１００と比較して、磁石磁束推定演算器１３０に代えて磁石磁束推定演算器１３０Ｂを備え、近似式抽出器１４０をさらに備える。

近似式抽出器１４０は、ｄ軸磁束誤差演算器１２０から出力された複数のサンプルを用いて回帰分析等を行い、数式（１６）で示される、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｄ軸磁束誤差φ＿ｅｒｒの相関を示す一次の近似式Ｆφ＿ｅｒｒを抽出し、磁石磁束推定演算器１３０Ｂに出力する。

なお、近似式Ｆφ＿ｅｒｒを抽出する際に用いるｄ軸磁束誤差φ＿ｅｒｒとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊は、磁石磁束が変化していない、すなわち磁石温度が変化していないと判断できる一定時間内でのみサンプリングを行う。

ここで、図４を用いて、本実施形態によって磁石磁束変動量ΔＫｅを推定できる原理を説明する。図４は、実施形態２に係るｄ軸磁束誤差とｄ軸電流の相関を示す近似式を説明するための図である。

基準とする動作点において抽出された近似式をＦφ０＿ｅｒｒとし、その切片をＢ０とすると、数式（１６）と数式（１１）の対比から、数式（１６）の傾きＫはＬｄ＿ｅｒｒを表し、切片Ｂ０はＫｅ＿ｅｒｒを表す。また、磁石磁束がΔＫｅだけ変動した状態における近似式をＦφ１＿ｅｒｒとし、その切片をＢ１とすると、数式（１６）と数式（１４）の対比から、数式（１６）の傾きＫはＬｄ＿ｅｒｒを表し、切片Ｂ１は（Ｋｅ＿ｅｒｒ−ΔＫｅ）を表す。よって、２つの近似式Ｆφ０＿ｅｒｒ、Ｆφ１＿ｅｒｒの切片の差分を求めることで、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を算出することができる。

図３に説明を戻し、磁石磁束推定演算器１３０は、制御で定めた基準とする動作点における近似式をＦφ０＿ｅｒｒとし、Ｆφ０＿ｅｒｒ算出以降に抽出された近似式をＦφ１＿ｅｒｒとし、２つの近似式の切片の差分を求めることで、Ｆφ０＿ｅｒｒが抽出された状態と、Ｆφ１＿ｅｒｒが算出された状態との間での磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を算出する。

以上の演算処理によって、外乱等による瞬間的な電流、電圧の変化の影響を受けずに、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅを精度よく推定することができる。

［実施形態３］
実施形態３は、実施形態１および実施形態２と比較して、初期磁石磁束推定器２００から出力される初期磁石磁束推定値Ｋｅ０＾に対して、磁石磁束推定部１００から出力される磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を加算し、磁石磁束推定値Ｋｅ＾を出力する点で異なる。このような構成とすることで、定数誤差の影響を受けずに、電動機駆動中の磁石磁束の絶対値を精度よく推定することができる。

＜実施形態３に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の構成＞
実施形態３では、制御装置１は、図５に示すように、初期磁石磁束推定器２００をさらに備える。図５は、実施形態３に係る永久磁石同期電動機９０の駆動装置１Ｓの機能ブロックの一例を示す図である。実施形態３において、初期磁石磁束推定器２００は、永久磁石同期電動機９０がトルクを出力する前の状態において、初期磁石磁束推定値Ｋｅ０＾を推定する。ここで、初期磁石磁束を推定する方法として、例えばｄｑ軸電流値がゼロである期間における電圧方程式を用いる。数式（１）の電圧方程式を変形し、ｄｑ軸電流指令値にゼロを代入して得られる数式（１７）を用いて推定を行う。

なお、初期磁石磁束は、本実施形態で開示の推定方法に限らず、その他の方法を用いて推定してもよい。

初期磁石磁束推定器２００による推定が完了した後、磁石磁束推定部１００は、トルク立ち上げ信号が正となった初回のタイミングを基準動作点として定め、実施形態１または実施形態２に記載した方法によって、磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾を求める。ここで、基準動作点とは、実施形態１においてはφ０＿ｅｒｒを算出するタイミングを示し、実施形態２においてはＦφ０＿ｅｒｒを抽出するタイミングを示す。

加算器２１０は、初期磁石磁束推定値Ｋｅ０＾に対して、磁石磁束推定部１００から出力された磁石磁束変動量推定値ΔＫｅ＾加算することにより磁石磁束推定値Ｋｅ＾を算出する。

このようにすることで、定数誤差の影響を受けずに、電動機駆動中の磁石磁束の絶対値を精度よく推定することができる。

［実施形態４］
実施形態４は、実施形態２と比較して、ｄ軸インダクタンスを推定する機能を備え、推定したｄ軸インダクタンスを用いて、磁石磁束を推定する点で異なる。このような構成とすることで、定数誤差の影響を受けずに、磁石磁束およびｄ軸インダクタンスの絶対値を精度よく推定することできる。

＜実施形態４に係る磁石磁演算定器の構成＞
実施形態４では、制御装置１は、図１または図５に示した磁石磁束推定部１００に代えて磁石磁束推定部１００Ｄを備える。図６は、実施形態４に係る磁石磁束推定部１００Ｄの機能ブロックの一例を示す図である。実施形態４における磁石磁束推定部１００Ｄは、磁石磁束推定部１００と比較して、磁石磁束推定演算器１３０に代えて磁石磁束推定演算器１３０Ｄを備え、近似式抽出器１４０およびｄ軸インダクタンス推定器１５０をさらに備える。近似式抽出器１４０は、実施形態２と同様である。

近似式抽出器１４０が出力する、数式（１６）で表される近似式と、数式（１１）との対応から、図４に示す近似式Ｆφ０＿ｅｒｒ、Ｆφ１＿ｅｒｒの傾きＫは、制御装置１に設定したｄ軸インダクタンスＬｄ＊と実際に制御する電動機のｄ軸インダクタンス間の定数誤差Ｌｄ＿ｅｒｒを表す。ｄ軸インダクタンス推定値Ｌｄ＾は、ｄ軸インダクタンスＬｄ＊と傾きＫから数式（１８）で表される。

次に、数式（９）の第１項の第２因子Ｌｄ＊＋Ｌｄ＿ｅｒｒをｄ軸インダクタンス推定値Ｌｄ＾に置き換え整理することで、磁石磁束推定値Ｋｅ＾を数式（１９）で求めることができる。

本実施形態では、数式（１９）に基づき磁石磁束を推定する。ｄ軸インダクタンス推定器１５０は、近似式抽出器１４０から入力された近似式Ｆφ＿ｅｒｒの傾きＫと、制御装置１に設定したｄ軸インダクタンスＬｄ＊とから、数式（１８）に基づきｄ軸インダクタンス推定値Ｌｄ＾を出力する。

次に、磁石磁束推定演算器１３０Ｄは、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌｄ＾、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、検出速度ωおよびｄ軸電流指令値Ｉｄ＊から、数式（１９）に基づき磁石磁束推定値Ｋｅ＾を推定する。

以上のとおり、実施形態４では、ｄ軸インダクタンス推定器１５０を備え、ｄ軸インダクタンス推定値Ｌｄ＾に基づいて磁石磁束を推定することで、定数誤差の影響を受けずに、磁石磁束の絶対値およびｄ軸インダクタンスを精度よく推定することできる。

なお、推定したｄ軸インダクタンスＬｄ＾は、所望のトルク精度を得るために、電流指令の補正に用いてもよいし、その他の制御の安定化等に用いてもよい。

上述の実施形態１〜４は、永久磁石同期機の駆動装置および駆動方法に関し、例えば、電気鉄道車両や電気自動車等の電気車、産業機械等の駆動装置等に適用して好適なものである。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換・統合・分散をすることが可能である。また実施形態で示した各処理は、処理効率または実装効率に基づいて適宜分散または統合してもよい。

１Ｓ…駆動装置、１…制御装置、２…架線、３…パンタグラフ、４…フィルタリアクトル、５…フィルタコンデンサ、１０…トルク指令生成器、２０…電流指令生成器、３０…電流制御器、４０…ＰＷＭ制御器、６０…電力変換器、７０…電流座標変換器、８０…電流検出器、９０…永久磁石同期電動機、１００，１００Ｂ，１００Ｄ…磁石磁束推定部、１１０…基準ｑ軸電圧演算器、１２０…ｄ軸磁束誤差演算器、１３０，１３０Ｂ，１３０Ｄ…磁石磁束推定演算器、１４０…近似式抽出器、１５０…ｄ軸インダクタンス推定器、２００…初期磁石磁束推定器、２１０…加算器

Claims (9)

1. 永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器と、
   前記永久磁石同期電動機を流れる電流が電流指令値と一致するように電圧指令値を生成する電流制御器を含み、該電圧指令値に基づいて前記電力変換器を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   異なる時刻のそれぞれにおいて前記電流制御器により生成された電圧指令値に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁石磁束を推定する磁石磁束推定部
   を備えることを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
2. 前記磁石磁束推定部は、
   前記永久磁石同期電動機の定数をもとに基準ｑ軸電圧指令値を演算する基準ｑ軸電圧演算器と、
   前記電流制御器により算出されたｑ軸電圧指令値と、前記基準ｑ軸電圧指令値との差分からｄ軸磁束誤差を演算するｄ軸磁石誤差演算器と、
   異なる時刻のそれぞれにおいて前記ｄ軸磁石誤差演算器により演算された前記ｄ軸磁束誤差の差分から、該異なる時刻間の前記磁石磁束の変動量を推定する磁石磁束推定演算器と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
3. 前記磁石磁束推定部は、
   前記永久磁石同期電動機の定数をもとに基準ｑ軸電圧指令値を演算する基準ｑ軸電圧演算器と、
   前記電流制御器により算出されたｑ軸電圧指令値と、前記基準ｑ軸電圧指令値との差分からｄ軸磁束誤差を演算するｄ軸磁石誤差演算器と、
   前記ｄ軸磁石誤差演算器により一定時間内に演算された複数のｄ軸磁束誤差と、各ｄ軸磁束誤差に対応するｄ軸電流指令値との相関を示す一次近似式を抽出する近似式抽出器と、
   異なる時刻のそれぞれにおいて前記近似式抽出器により抽出された前記一次近似式の切片の差分から、該異なる時刻間の前記磁石磁束の変動量を推定する磁石磁束推定演算器と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
4. 前記磁石磁束推定部は、
   前記永久磁石同期電動機の定数をもとに基準ｑ軸電圧指令値を演算する基準ｑ軸電圧演算器と、
   前記電流制御器により算出されたｑ軸電圧指令値と、前記基準ｑ軸電圧指令値との差分からｄ軸磁束誤差を演算するｄ軸磁石誤差演算器と、
   前記ｄ軸磁石誤差演算器により一定時間内に演算された複数のｄ軸磁束誤差と、各ｄ軸磁束誤差に対応するｄ軸電流指令値との相関を示す一次近似式を抽出する近似式抽出器と、
   前記近似式抽出器により抽出された前記一次近似式の傾きからｄ軸インダクタンス推定値を算出するｄ軸インダクタンス推定器と、
   異なる時刻のそれぞれにおいて前記ｄ軸インダクタンス推定器により算出された前記ｄ軸インダクタンス推定値と前記ｑ軸電圧指令値とから、該異なる時刻間の前記磁石磁束の変動量を推定する磁石磁束推定演算器と
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
5. 前記永久磁石同期電動機の出力トルクがゼロである期間において前記永久磁石同期電動機の初期磁石磁束を推定する初期磁石磁束推定器をさらに備え、
   前記磁石磁束推定演算器により推定された前記磁石磁束の変動量と前記初期磁石磁束とから、前記永久磁石同期電動機の磁石磁束の絶対値を推定する
   ことを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
6. 前記磁石磁束推定部は、
   前記永久磁石同期電動機を流れるｑ軸電流の時間変化が所定値以下の場合に、前記磁石磁束を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
7. 前記磁石磁束推定部は、
   前記永久磁石同期電動機の速度が所定値以上の場合に、前記磁石磁束を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか1項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置を備えた電気車。
9. 永久磁石同期電動機の駆動方法であって、
   前記永久磁石同期電動機の駆動装置は、
   前記永久磁石同期電動機を駆動する電力変換器と、前記永久磁石同期電動機を流れる電流が電流指令値と一致するように電圧指令値を生成する電流制御器を含み、該電圧指令値に基づいて前記電力変換器を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置が、
   異なる時刻のそれぞれにおいて前記電流制御器により生成された電圧指令値に基づいて、前記永久磁石同期電動機の磁石磁束を推定する
   ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動方法。

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