JP2022142489A - 同期電動機の駆動装置および同期電動機の駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】同期電動機が埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれであっても、同期電動機の停止中に、同期電動機の回転子の初期磁極位置を高精度に推定する。
【解決手段】磁極位置推定部６００Ａは、同期電動機の停止中に、第一のピークトゥピーク検出器６１０により検出される、相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、第二のピークトゥピーク検出器６２０により検出される、相電流に対する直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとに基づいて、第一の磁極位置演算部６４０により第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算し、この第一の磁極位置θｅｓｔ１に基づいて、第二の磁極位置演算部６６０により回転子の初期磁極位置θｅｓｔを推定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、同期電動機の駆動装置および同期電動機の駆動方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車に代表される電動化車両には、回転子に永久磁石を備えた永久磁石同期モータ（以下、同期電動機）が用いられている。同期電動機は、永久磁石を回転子に埋め込んだ構造の埋込磁石型同期電動機と、永久磁石を回転子の表面に配置した表面磁石型同期電動機とに大別される。電動化車両では、車両の駆動用に埋込磁石型同期電動機が使用され、電動パワーステアリング装置や電動ブレーキ装置に表面磁石型同期電動機が使用されることが多い。このような同期電動機を制御するためには、一般に電力変換器であるインバータが用いられている。そして、インバータにより同期電動機のトルクを制御する方法として、一般に電流ベクトル制御が知られている。電流ベクトル制御を行うためには、同期電動機の回転子の磁極位置を正確に把握する必要がある。この磁極位置を把握する手段の一つとして、位置センサであるレゾルバが同期電動機に設けられることが多い。

ところが、レゾルバを同期電動機に備えることにより、システムの部品数の増加・大型化・コストの増加を招いている。また、レゾルバには位置信号を出力するための出力巻線が巻かれており、その断線や短絡によって故障する恐れがあるため、システムの信頼性低下をも招いている。

そこで、レゾルバなどのセンサを使用せずに同期電動機を駆動する技術として、位置センサレスベクトル制御が一般に知られている。位置センサレスベクトル制御は、同期電動機の誘起電圧を検出或いは推定することで、回転子の位置情報を得て電流ベクトル制御を行うものである。位置センサレスベクトル制御を採用すると、レゾルバなどの位置センサが不要となるため、システムの大型化・コストの増加・信頼性の低下など、位置センサに起因する前述の諸問題を防ぐことができる。

位置センサレスベクトル制御を行うためには、同期電動機が停止中の回転子位置（初期磁極位置）を検出しなければならないが、同期電動機が停止している際には、同期電動機の誘起電圧を検出或いは推定することができない。そのため、他の方法で初期磁極位置を検出或いは推定する必要がある。

同期電動機の初期磁極位置の推定方法として、特許文献１、２の技術が知られている。特許文献１には、同期電動機の突極性を利用して初期磁極位置を推定する方法が開示されている。特許文献２には、磁気飽和を利用して初期磁極位置を推定する方法が開示されている。

特開２００２－７８３９１号公報 特開２０１６－１７１７４１号公報

突極性を有する同期電動機には、回転子位置に依存してインダクタンスが変化する性質がある。特許文献１では、このようなインダクタンスの回転子位置依存性を利用し、同期電動機に高調波電圧を印加して、そのときに同期電動機に発生する電流の検出結果から初期磁極位置を推定している。しかしながら、表面磁石型同期電動機のように突極性が無い同期電動機の場合には、インダクタンスの回転子位置依存性が得られない。そのため、特許文献１の初期磁極位置の推定方法は、埋込磁石型同期電動機には適用できるものの、表面磁石型同期電動機には適用できないといった課題がある。

また、同期電動機の３相に各々電圧を順次印加すると、初期磁極位置に近い相に電圧を印加したときに、磁気飽和によってインダクタンスが低下し、電流の大きさが変化する。特許文献２では、このような同期電動機の磁気飽和を利用して、初期磁極位置を推定している。この方法は、埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれにも適用できる長所がある。しかしながら、永久磁石の磁束と同方向の磁束と、それに直交する方向の磁束とは互いに干渉することが知られており、これに起因して磁極位置の推定に大きな誤差が生じるという課題がある。

そこで、本発明では、埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれにも適用が可能で、かつ高精度に初期磁極位置を推定することが可能な同期電動機の駆動装置および駆動方法を提供することを目的とする。

本発明による同期電動機の駆動装置は、同期電動機の各相に正負の電圧を順次印加して前記同期電動機を駆動する電力変換器と、前記同期電動機に流れる相電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された相電流に基づいて前記同期電動機の回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、を備え、前記磁極位置推定部は、前記相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値を検出する第一のピークトゥピーク検出器と、前記相電流に対する直交成分を検出する直交成分検出器と、前記直交成分の最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値を検出する第二のピークトゥピーク検出器と、を備え、前記同期電動機の停止中に、前記第一のピークトゥピーク検出器により検出された前記第一のピークトゥピーク値と、前記第二のピークトゥピーク検出器により検出された前記第二のピークトゥピーク値とに基づいて、第一の磁極位置を演算し、前記第一の磁極位置に基づいて前記回転子の初期磁極位置を推定する。
本発明による同期電動機の駆動方法は、同期電動機の各相に正負の電圧を順次印加して前記同期電動機を駆動する電力変換器と、前記同期電動機に流れる相電流を検出する電流検出部とを備えた同期電動機の駆動装置における同期電動機の駆動方法であって、前記同期電動機の停止中に、前記電流検出部により検出された前記相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値と、前記相電流に対する直交成分の最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値とを取得し、前記第一のピークトゥピーク値と前記第二のピークトゥピーク値とに基づいて第一の磁極位置を演算し、前記第一の磁極位置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。

本発明によれば、同期電動機が埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれであっても、同期電動機の停止中に、同期電動機の回転子の初期磁極位置を高精度に推定することができる。

第１の実施形態に係る駆動装置の構成図である。 第１の実施形態に係る電圧パルス作成部の詳細な構成図である。 第１の実施形態における位相指令と電圧指令および同期電動機に流れる電流との関係を示す図である。 磁気飽和の影響を説明する図である。 第１の実施形態に係る磁極位置推定部の詳細な構成図である。 第一の磁極位置演算部の主たる機能を示した構成図である。 初期磁極位置の推定精度向上の原理を説明する図である。 極性判別器の主たる機能を示した構成図である。 第２の実施形態に係る磁極位置推定部の詳細な構成図である。 第三の磁極位置演算部の主たる機能を示した構成図である。 第四の磁極位置演算部の主たる機能を示した構成図である。 第３の実施形態に係る駆動装置の構成図である。 第３の実施形態に係る電圧パルス作成部の詳細な構成図である。 第３の実施形態における位相指令と電圧指令および同期電動機に流れる電流との関係を示す図である。 第４の実施形態に係る駆動装置の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

［第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る駆動装置１００Ａの構成図である。駆動装置１００Ａは、電力変換器３００と、電圧パルス作成部４００Ａと、電流検出部５００と、磁極位置推定部６００Ａとを備え、同期電動機２００を駆動する。

同期電動機２００は、永久磁石型の同期電動機であり、回転子に永久磁石（強磁性体）を、固定子に電機子巻線を用いて構成される。なお、本実施形態では、同期電動機２００の磁極位置を検出する位置センサを備えておらず、代わりに磁極位置を推定する。磁極位置を推定する場合は、同期電動機２００の小型化・コスト低減・信頼性の向上を図ることができる。

電圧パルス作成部４００Ａは、同期電動機２００の駆動時には、入力されたトルク指令Ｔ＊に応答して、同期電動機２００のｕ相、ｖ相、ｗ相の各相に正負の電圧を順次印加するための電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を作成し、電力変換器３００へ出力する。電圧パルス作成部４００Ａは、磁極位置推定部６００Ａで推定した磁極位置に基づいて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を作成する。また、電圧パルス作成部４００Ａは、同期電動機２００の初期磁極位置を推定する時には、所定の位相指令θ＊を作成し、磁極位置推定部６００Ａへ出力する。

電力変換器３００は、例えばインバータであり、同期電動機２００の駆動時には、電圧パルス作成部４００Ａからの電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を、パルス幅変調（ＰＷＭ）して、電力変換器の半導体スイッチ素子をオン／オフ制御する。これにより、同期電動機２００に電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを印加して、同期電動機２００を駆動する。

電流検出部５００は、同期電動機２００に流れる三相電流を検出する電流センサ５００ｕ、５００ｖ、５００ｗによって構成される。電流センサ５００ｕ、５００ｖ、５００ｗは、同期電動機２００の各相にそれぞれ配置されている。電流検出部５００は、三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出して、磁極位置推定部６００Ａに出力する。なお、電流センサ５００ｕ、５００ｖ、５００ｗは同期電動機２００の三相それぞれに配置されている例で示しているが、三相交流電流の和がゼロであることを利用して、二相（例えば、ｕ相とｖ相）のみに配置してもよい。また、電力変換器３００の入力側の直流母線（図示省略）を流れる電流から、同期電動機２００の三相電流を得る構成としてもよい。これらの構成にすると、電流センサの数を減らすことができ、低コスト化を図ることができる。

磁極位置推定部６００Ａは、電流検出部５００で検出された三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて、同期電動機２００の回転子の位置に応じた磁極位置を推定する。また、同期電動機２００の停止中に、電流検出部５００で検出された三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、電圧パルス作成部４００Ａから出力される位相指令θ＊に基づいて、同期電動機２００の回転子の初期磁極位置θｅｓｔを推定する。同期電動機２００の停止中における磁極位置推定部６００Ａの詳細は後述する。

図２は、第１の実施形態に係る電圧パルス作成部４００Ａの詳細な構成図である。なお、この構成図は、同期電動機２００の停止中に初期磁極位置θｅｓｔを推定する場合の構成を示す。同期電動機２００の駆動中にトルク指令Ｔ＊に応じて電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を生成する場合の構成は周知であるため、本実施形態では説明を省略する。

電圧パルス作成部４００Ａは、電圧指令作成部４１０と、位相切替器４２０と、指令座標変換部４３０と、を備えている。

電圧指令作成部４１０では、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力する。本実施形態では、後述の図３（Ｂ）に示す正負に交番するｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を生成し、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊はゼロである。

位相切替器４２０は、電圧指令作成部４１０で作成されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令に変換するための位相指令θ＊を作成する。位相切替器４２０は、０度（０ラジアン）、１２０度（２／３πラジアン）、２４０度（４／３πラジアン）を順に位相指令θ＊として出力する。

指令座標変換部４３０は、電圧指令作成部４１０で作成されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊と、位相切替器４２０から出力される位相指令θ＊とを入力し、これらを三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に座標変換する。座標変換は、以下の式（１）、（２）、（３）に従って行う。
Ｖｕ＊＝Ｖｄ＊×ｃｏｓ（θ＊）－Ｖｑ＊×ｓｉｎ（θ＊）・・・（１）
Ｖｖ＊＝Ｖｄ＊×ｃｏｓ（θ＊－２π／３）－Ｖｑ＊×ｓｉｎ（θ＊－２π／３）・・・（２）
Ｖｗ＊＝Ｖｄ＊×ｃｏｓ（θ＊－４π／３）－Ｖｑ＊×ｓｉｎ（θ＊－４π／３）・・・（３）

図３は、第１の実施形態における位相指令θ＊と電圧指令および同期電動機２００に流れる電流との関係を示す図である。図３（Ａ）は、位相切替器４２０により出力された位相指令θ＊を示し、図３（Ｂ）は、電圧指令作成部４１０により作成されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を示す。なお、前述のとおり、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊はゼロである。図３（Ｃ）～図３（Ｅ）は、それぞれ指令座標変換部４３０により出力された三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊を示す。図３（Ｆ）～図３（Ｈ）は、それぞれ電流検出部５００により検出され、磁極位置推定部６００Ａに入力される三相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを示す。

図３（Ａ）に示すように、位相切替器４２０より位相指令θ＊が、０度（０ラジアン）、１２０度（２／３πラジアン）、２４０度（４／３πラジアン）の順に出力される。指令座標変換部４３０の出力である三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊は、図３（Ｃ）～図３（Ｅ）に示すように、位相指令θ＊が０度であるときはｕ相に、位相指令θ＊が１２０度であるときはｖ相に、位相指令θ＊が２４０度であるときはｗ相に、正負に交番するパルス電圧としてそれぞれ印加される。これにより、図３（Ｆ）～図３（Ｈ）に示すように、三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが同期電動機２００に流れる。

図５は、第１の実施形態に係る磁極位置推定部６００Ａの詳細な構成図である。
磁極位置推定部６００Ａは、第一のピークトゥピーク検出器６１０と、第二のピークトゥピーク検出器６２０と、直交成分検出器６３０と、第一の磁極位置演算部６４０と、極性判別器６５０と、第二の磁極位置演算部６６０を備える。

第一のピークトゥピーク検出器６１０は、電流検出部５００によって検出された電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを入力とし、これらの各相電流の最大値と最小値の差分を表すピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐを検出する。

ｕ相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐは、図３（Ｆ）において、位相指令θ＊が０度でｕ相に正の電圧を印加しているときのｕ相電流の最大値Ｉｕ＋と、位相指令θ＊が０度でｕ相に負の電圧を印加しているときのｕ相電流の最小値Ｉｕ－との差である。

ｖ相電流のピークトゥピーク値Ｉｖｐｐは、図３（Ｇ）において、位相指令θ＊が１２０度でｖ相に正の電圧を印加しているときのｖ相電流の最大値Ｉｖ＋と、位相指令θ＊が１２０度でｖ相に負の電圧を印加しているときのｖ相電流の最小値Ｉｖ－との差である。

ｗ相電流のピークトゥピーク値Ｉｗｐｐは、図３（Ｈ）において、位相指令θ＊が２４０度でｗ相に正の電圧を印加しているときのｗ相電流の最大値Ｉｗ＋と、位相指令θ＊が２４０度でｗ相に負の電圧を印加しているときのｗ相電流の最小値Ｉｗ－との差である。

図３（Ｆ）～図３（Ｈ）に示したように、Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐは、各相電流のピークトゥピーク値である。一般に、電気自動車をはじめとする電動車両の駆動に用いられる永久磁石型の同期電動機は、突極性（インダクタンスの回転子位置依存性）を有しており、インダクタンスが回転子位置に依存して変化する。そのため、同期電動機２００の停止中に得られる各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐも、初期磁極位置θｅｓｔに依存して変化する。また、突極性による電流の変化（インダクタンスの変化）は、回転子位置に対して１／２倍の周期で現れることが知られている。これらのことを利用して、Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐから初期磁極位置θｅｓｔを演算することができる。

ただし、初期磁極位置によっては、突極性による電流の変化だけでなく、磁気飽和による電流の変化が各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐに含まれることがある。この点について、以下に図４を参照して説明する。

例えば図４に示すように、同期電動機２００において初期磁極位置が３０度であった場合、回転子である磁石のＮ極が＋ｕ相と－ｗ相に近い位置にある。この状態で、電圧パルス作成部４００Ａから図３（Ｃ）～図３（Ｅ）に示す電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊をそれぞれ出力し、これらの電圧指令に応じた電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを電力変換器３００から同期電動機２００へ印加したとする。このとき、位相指令θ＊が０度の区間であるｕ相印加区間のうちｕ相に正の電圧を印加している期間と、位相指令θ＊が２４０度の区間であるｗ相印加区間のうちｗ相に負の電圧を印加している期間とで、電流によって生じる磁束に磁石の磁束がそれぞれ重畳される。そのため、同期電動機２００の固定子において磁束が過密となり、その結果、磁気飽和が発生してインダクタンスが低下する。したがって、図３（Ｆ）におけるＩｕ＋と、図３（Ｈ）におけるＩｗ－とで、それぞれの電流変化が磁気飽和を発生しない場合に比べて大きくなることがある。

以上説明したように、初期磁極位置によっては、各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐにおいて、突極性による電流の変化だけでなく、磁気飽和に起因した電流の変化が生じてしまうことがある。これは、磁極位置推定部６００Ａにおける初期磁極位置θｅｓｔの推定誤差の増大要因となる。

さらに、電動化車両のブレーキシステムや、電動パワーステアリング装置の駆動に用いられる永久磁石型の同期電動機には、突極性を有さない表面磁石型同期電動機が用いられる場合が多い。表面磁石型同期電動機は、突極性を有さないため、そのままでは磁極位置推定部６００Ａにおいて、前述のような突極性による電流変化を利用した初期磁極位置の演算を行うことができない。仮に同期電動機２００が表面磁石型同期電動機である場合に、各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐの変化から初期磁極位置θｅｓｔの推定を行うと、推定誤差が大きくなってしまう。

そこで本実施形態では、磁極位置推定部６００Ａにおいて、直交成分検出器６３０と、第二のピークトゥピーク検出器６２０とを設けた。そして、第一の磁極位置演算部６４０により、以下で説明するように、第一のピークトゥピーク検出器６１０から出力される各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、第二のピークトゥピーク検出器６２０から出力される各相電流の直交成分のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとに基づき、第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算する。こうして求められた第一の磁極位置θｅｓｔ１に基づいて、初期磁極位置θｅｓｔを推定するようにしている。

直交成分検出器６３０は、電流検出部５００によって検出された電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと、位相指令θ＊とを入力とし、これらに基づいて、各相電流に対する直交成分を検出する。ここでは、以下の式（４）、（５）に従って、電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび位相指令θ＊から直交二軸成分Ｉγ、Ｉδを演算することで、各相電流に対する直交成分を求める。
Ｉγ＝２／３×｛Ｉｕ×ｃｏｓ（θ＊）＋Ｉｖ×ｃｏｓ（θ＊－２π／３）＋Ｉｗ×ｃｏｓ（θ＊－４π／３）｝・・・（４）
Ｉδ＝－２／３×｛Ｉｕ×ｓｉｎ（θ＊）＋Ｉｖ×ｓｉｎ（θ＊－２π／３）＋Ｉｗ×ｓｉｎ（θ＊－４π／３）｝・・・（５）

直交成分検出器６３０は、直交二軸成分Ｉγ、Ｉδを演算したら、そのうちＩδを第二のピークトゥピーク検出器６２０へ出力する。

第二のピークトゥピーク検出器６２０は、直交成分検出器６３０によって演算された相電流の直交成分Ｉδを入力とし、直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分を表すピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐを検出する。

ピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐは、位相指令θ＊が０度のときの直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分である。これは図３（Ｊ）において、位相指令θ＊が０度でｕ相に正の電圧を印加しているときのＩδのピーク値Ｉδｕ＋と、位相指令θ＊が０度でｕ相に負の電圧を印加しているときのＩδのピーク値Ｉδｕ－との差に相当する。

ピークトゥピーク値Ｉδｖｐｐは、位相指令θ＊が１２０度のときの直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分である。これは図３（Ｊ）において、位相指令θ＊が１２０度でｖ相に正の電圧を印加しているときのＩδのピーク値Ｉδｖ＋と、位相指令θ＊が１２０度でｖ相に負の電圧を印加しているときのＩδのピーク値Ｉδｖ－との差に相当する。

ピークトゥピーク値Ｉδｗｐｐは、位相指令θ＊が２４０度のときの直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分である。これは図３（Ｊ）において、位相指令θ＊が２４０度でｗ相に正の電圧を印加しているときのＩδのピーク値Ｉδｗ＋と、位相指令θ＊が２４０度でｗ相に負の電圧を印加しているときのＩδのピーク値Ｉδｗ－との差に相当する。

第一の磁極位置演算部６４０は、第一のピークトゥピーク検出器６１０の出力である各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、第二のピークトゥピーク検出器６２０の出力である直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとを入力とし、これらに基づいて第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算する。

直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐは、各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐに対して、電気的に直交する成分である。したがって、前述の磁気飽和の影響により同期電動機２００のインダクタンスが低下し、これに応じて相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐが大きくなる場合でも、これらの直交成分Ｉδには磁気飽和が発生しないので、Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐは小さくなる。反対に、Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐが磁気飽和の影響を受けて大きくなる場合には、相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐが小さくなる。このように、相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとは、互いに相対する特性を持っている。

本実施形態では、第一の磁極位置演算部６４０において、上記の特性を利用して後述の直交二軸成分平均化処理を行うことにより、磁気飽和の影響による各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐの変化をキャンセルする。その結果、突極性に起因した電流の変化のみを抽出することができるようにしている。

また、同期電動機２００が表面磁石型同期電動機である場合、同期電動機２００は突極性を有しないため、本来であれば直交成分Ｉδが一定となり、Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐはいずれも０となる。しかし、同期電動機２００において初期磁極位置に応じた磁気飽和が前述のように発生すると、永久磁石の磁束方向やそれに直交する方向のインダクタンスが変化するため、直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐが生じる。本実施径形態では、こうした直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐの特性を利用して、同期電動機２００が表面磁石型同期電動機の場合であっても初期磁極位置θｅｓｔを推定できるようにしている。

図６は、第一の磁極位置演算部６４０の主たる機能を示した構成図である。第一の磁極位置演算部６４０は、第一の座標変換部６４１と、第二の座標変換部６４２と、直交二軸成分平均化処理部６４３と、位置演算部６４４と、を備えている。

第一の座標変換部６４１は、第一のピークトゥピーク検出器６１０の出力である各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐを入力とし、これらの座標系をαβ座標系に変換してＩαｐｐ、Ｉβｐｐを出力する。ここで、αβ座標系への変換は、以下の式（６）、（７）に従う。
Ｉαｐｐ＝２／３×｛Ｉｕｐｐ－１／２×Ｉｖｐｐ－１／２×Ｉｗｐｐ｝・・・（６）
Ｉβｐｐ＝２／３×｛（√（３）／２）×（Ｉｖｐｐ－Ｉｗｐｐ）｝・・・（７）

第二の座標変換部６４２は、第二のピークトゥピーク検出器６２０の出力である直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐを入力とし、これらの座標系をαβ座標系に変換してＩδαｐｐ、Ｉδβｐｐを出力する。ここで、αβ座標系への変換は以下の式（８）、（９）に従う。
Ｉδαｐｐ＝２／３×｛Ｉδｕｐｐ－１／２×Ｉδｖｐｐ－１／２×Ｉδｗｐｐ｝・・・（８）
Ｉδβｐｐ＝２／３×｛（√（３）／２）×（Ｉδｖｐｐ－Ｉδｗｐｐ）｝・・・（９）

直交二軸成分平均化処理部６４３は、第一の座標変換部６４１の出力であるＩαｐｐ、Ｉβｐｐと、第二の座標変換部６４２の出力であるＩδαｐｐ、Ｉδβｐｐとを入力とし、これらに対して直交二軸成分平均化処理を行うことで、Ｐα、Ｐβを出力する。

直交二軸成分平均化処理部６４３は、以下の式（１０）、（１１）に従ってＰαおよびＰβを算出する。Ｐαは、ＩαｐｐとＩδβｐｐの和を２で除したものであり、Ｐβは、ＩδαｐｐとＩβｐｐの差を２で除したものである。
Ｐα＝１／２×（Ｉαｐｐ＋Ｉδβｐｐ）・・・（１０）
Ｐβ＝１／２×（Ｉδαｐｐ－Ｉβｐｐ）・・・（１１）

ここで、埋込磁石型同期電動機と表面磁石型同期電動機をそれぞれ対象として、直交二軸成分平均化処理による初期磁極位置の推定精度向上の原理を、図７を参照して以下に説明する。

第一の座標変換部６４１の出力であるＩαｐｐ、Ｉβｐｐと、第二の座標変換部６４２の出力であるＩδαｐｐ、Ｉδβｐｐと、直交二軸成分平均化処理部６４３の出力であるＰα、Ｐβとは、これらの組み合わせごとに、互いに一定の関係で初期磁極位置に応じてそれぞれ変化する。図７は、初期磁極位置に対するこれらの各組み合わせの変化の軌跡を描いた図である。図７において、ＩαｐｐとＩβｐｐの軌跡は、横軸にＩαｐｐ、縦軸に－Ｉβｐｐをとったものである。また、ＩδαｐｐとＩδβｐｐの軌跡は、横軸にＩδβｐｐ、縦軸にＩδαｐｐをとったものである。また、ＰαとＰβの軌跡は、横軸にＰα、縦軸にＰβをとったものである。ただし、これらの軌跡は初期磁極位置に対して１／２倍の周期で回転する。そのため図７において、例えば第一象限と第二象限の境界である縦軸上の点は、初期磁極位置４５度あるいは２２５度に対応する。

ここで、同期電動機２００の初期磁極位置は、図７に示した各軌跡の横軸成分と縦軸成分を逆正接関数にそれぞれ入力した値に相当する。すなわち、これらの軌跡が円形に近いほど、高い精度で初期磁極位置を求めることができる。

図７（ａ）は、同期電動機２００が埋込磁石型同期電動機の場合における上記の各組み合わせの軌跡の一例を表している。前述のとおり、同期電動機２００において磁気飽和が発生するとインダクタンスが低下するため、各相電流が大きくなる。その結果、図７（ａ）に示すように、ＩαｐｐとＩβｐｐの軌跡は円形ではなく、初期磁極位置が３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度付近で膨らむ形を描く。一方、各相電流に直交する方向では磁気飽和していないため、ＩδαｐｐとＩδβｐｐの軌跡は、ＩαｐｐとＩβｐｐの軌跡と相対して小さくなる。

このことを利用して、ＩαｐｐとＩβｐｐの軌跡と、ＩδαｐｐとＩδβｐｐの軌跡との中間に相当するＰαとＰβの軌跡を求めることで、図７（ａ）に示すように円形の軌跡が得られる。すなわち、埋込磁石型同期電動機において磁気飽和が発生し、それにより各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐが大きくなる場合であっても、磁気飽和の影響を排除したＰαとＰβを求めることができる。したがって、ＰαとＰβに基づいて高い精度で初期磁極位置を求められることが分かる。

図７（ｂ）は、同期電動機２００が表面磁石型同期電動機の場合における上記の各組み合わせの軌跡の一例を表している。突極性を有しない表面磁石型同期電動機の場合、ＩδαｐｐとＩδβｐｐは本来ゼロとなるが、磁気飽和が発生することによりインダクタンスが変化すると、ＩδαｐｐとＩδβｐｐが生じる。このときのＩδαｐｐとＩδβｐｐの軌跡は、図７（ａ）に示した埋込磁石型同期電動機の場合と同様に、ＩαｐｐとＩβｐｐの軌跡と相対する特性をもつ。

このことを利用して、ＩαｐｐとＩβｐｐの軌跡と、ＩδαｐｐとＩδβｐｐの軌跡との中間に相当するＰαとＰβの軌跡を求めることで、図７（ｂ）に示すように円形の軌跡が得られる。これにより、同期電動機２００が突極性を有しないか、あるいは突極性が微小な場合であっても、ＰαとＰβに基づいて高い精度で初期磁極位置を求められることが分かる。

以上説明したように、本実施形態では、第一の磁極位置演算部６４０が有する直交二軸成分平均化処理部６４３により、磁気飽和の影響を排除したＰαおよびＰβを算出する。位置演算部６４４では、これらを用いて第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算するようにしている。したがって、同期電動機２００が埋込磁石型同期電動機と表面磁石型同期電動機のいずれの場合であっても、初期磁極位置の推定精度を向上することが可能である。

位置演算部６４４は、直交二軸成分平均化処理部６４３の出力であるＰα、Ｐβを入力とし、これらに基づいて第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算する。第一の磁極位置θｅｓｔ１は、以下の式（１２）に従って求められる。
θｅｓｔ１＝１／２×｛ａｒｃｔａｎ（Ｐβ／Ｐα）｝・・・（１２）

一般に、同期電動機２００における突極性によるインダクタンスの変化は、回転角に対して１／２倍の周期で現れることが知られている。すなわち、突極性を利用した推定方法では、初期磁極位置が０～１８０度の範囲でしか推定することができず、回転子の磁石の極性がＮ極なのかＳ極なのかを判別することができない。そこで本実施形態の磁極位置推定部６００Ａでは、図５に示すように、回転子の磁石の極性を判別するために、極性判別器６５０を備えている。

図８は、極性判別器６５０の主たる機能を示した構成図である。本実施形態における極性判別器６５０は、ピーク値検出器６５１と、絶対値演算部６５２と、減算部６５３と、座標変換部６５４と、極性演算部６５５を備えている。

ピーク値検出器６５１は、電流検出部５００によって検出された相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを入力とし、各相電流のピーク値Ｉｕ＋、Ｉｕ－、Ｉｖ＋、Ｉｖ－、Ｉｗ＋、Ｉｗ－を検出する。

電流ピーク値Ｉｕ＋は、図３（Ｆ）において、位相指令θ＊が０度でｕ相に正の電圧を印加している時のｕ相電流の最大値である。電流ピーク値Ｉｕ－は、図３（Ｆ）において、位相指令θ＊が０度でｕ相に負の電圧を印加している時のｕ相電流の最小値である。

電流ピーク値Ｉｖ＋は、図３（Ｇ）において、位相指令θ＊が１２０度でｖ相に正の電圧を印加している時のｖ相電流の最大値である。電流ピーク値Ｉｖ－は、図３（Ｇ）において、位相指令θ＊が１２０度でｖ相に負の電圧を印加している時のｖ相電流の最小値である。

電流ピーク値Ｉｗ＋は、図３（Ｈ）において、位相指令θ＊が２４０度でｗ相に正の電圧を印加している時のｗ相電流の最大値である。電流ピーク値Ｉｗ－は、図３（Ｈ）において、位相指令θ＊が２４０度でｗ相に負の電圧を印加している時のｗ相電流の最小値である。

絶対値演算部６５２は、各相の電流ピーク値Ｉｕ＋、Ｉｕ－、Ｉｖ＋、Ｉｖ－、Ｉｗ＋、Ｉｗ－を入力とし、それぞれの絶対値を計算する。

減算部６５３は、各相の電流ピーク値の絶対値の差を以下の式（１３）、（１４）、（１５）にしたがって計算し、ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗを出力する。
ΔＩｕ＝｜Ｉｕ＋｜－｜Ｉｕ－｜・・・（１３）
ΔＩｖ＝｜Ｉｖ＋｜－｜Ｉｗ－｜・・・（１４）
ΔＩｗ＝｜Ｉｗ＋｜－｜Ｉｖ－｜・・・（１５）

このΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗは、正の電圧を印加した時の電流値と、負の電圧を印加した時の電流値のそれぞれの絶対値の差であるので、同期電動機２００の磁気飽和の度合いを示す値となる。

座標変換部６５４は、各相の電流ピーク値の絶対値の差であるΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗを、以下の式（１６）、（１７）を用いて変換し、ΔＰα、ΔＰβとして出力する。
ΔＰα＝２／３×｛ΔＩｕ－１／２×ΔＩｖ－１／２×ΔＩｗ｝・・・（１６）
ΔＰβ＝２／３×｛（√（３）／２）×（ΔＩｖ－ΔＩｗ）｝・・・（１７）

極性演算部６５５は、ΔＰα、ΔＰβを入力として、次式（１８）より求まる第二の磁極位置θｅｓｔ２に基づいて、磁石の極性がＮ極であるかＳ極であるかを判別する。
θｅｓｔ２＝ａｒｃｔａｎ｛ΔＰβ／ΔＰα｝・・・（１８）

ここで、ΔＰα、ΔＰβは、各相の電流ピーク値Ｉｕ＋、Ｉｕ－、Ｉｖ＋、Ｉｖ－、Ｉｗ＋、Ｉｗ－のそれぞれの絶対値の差であるΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗから求まる値である。同期電動機２００が磁気飽和しているとき、飽和している方向の電流ピーク値の絶対値が大きくなるので、各相の電流ピーク値の絶対値の差ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗは、磁気飽和の度合いを示している。

磁気飽和の度合いは、正弦波状に現れるとは限らないため、精度は高くないものの、埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれであっても、０～３６０度の範囲で（すなわち、回転子の磁石の極性も含めて）磁極位置を推定することができる。極性判別器６５０ではこれを利用して、磁気飽和の度合いから求めた第二の磁極位置θｅｓｔ２の極性を判別し、その判別結果を極性ＮＳとして出力する。例えば、θｅｓｔ２が所定の範囲にあるときはＮ極とし、所定の範囲外にあるときはＳ極と判定する。ここで、所定の範囲とは、例えばθｅｓｔ２が０～１８０度の範囲である。具体的には、θｅｓｔ２が０～１８０度の場合にはＮ極とし、θｅｓｔ２が１８０～３６０度の場合はＳ極として判定する。

図５の説明に戻ると、第二の磁極位置演算部６６０は、第一の磁極位置演算部６４０により演算された第一の磁極位置θｅｓｔ１と、極性判別器６５０により第二の磁極位置θｅｓｔ２が演算されることで判別された極性ＮＳとに基づいて、同期電動機２００の回転子位置を演算する。

第一の磁極位置θｅｓｔ１は０～１８０度の範囲でしか得られないが、第二の磁極位置演算部６６０では、これに極性判別器６５０による判別の結果である極性ＮＳを利用して、初期磁極位置θｅｓｔを推定する。具体的には、極性判別器６５０により極性ＮＳがＮ極と判定された場合には、第一の磁極位置θｅｓｔ１をそのまま初期磁極位置θｅｓｔとして出力する。一方、極性判別器６５０により極性ＮＳがＳ極と判定された場合には、第一の磁極位置θｅｓｔ１に１８０度加算した値を、初期磁極位置θｅｓｔとして出力する。

本実施形態の磁極位置推定部６００Ａによれば、同期電動機２００の停止中に、電圧パルス作成部４００Ａにより同期電動機２００の各相に正負の電圧を順次印加したときの各相電流のピークトゥピーク値と、各相電流の直交成分のピークトゥピーク値とを検出する構成とした。そして、検出した各相電流のピークトゥピーク値と、各相電流の直交成分のピークトゥピーク値とを用いて、磁気飽和に起因する電流変化を排除し、突極性に起因する電流変化を得るようにした。また、同期電動機２００が表面磁石型同期電動機の場合であっても、磁気飽和によるインダクタンス変化により相電流の直交成分が生じることを利用し、その電流変化を得るようにした。これにより、同期電動機２００が埋込磁石型・表面磁石型のいずれであっても、精度良く回転子の初期磁極位置を推定できる。したがって本実施形態では、埋込磁石型・表面磁石型同期電動機の双方に適用可能な汎用性がありながらも、高い精度で初期磁極位置を推定することができる。このため、同期電動機２００のセンサレス制御も高い精度で実施することができる。例えば、同期電動機２００を電動車両の駆動用モータに用いた場合も、車両駆動用モータとしての制御性能が向上し、乗員に快適な乗り心地を提供することができる。また、同期電動機２００を電動車両の電動パワーステアリング装置や電動ブレーキ装置のような補機装置に用いた場合も、補機装置の制御性能が向上し、ドライバビリティの向上を提供することができる。

［第２の実施形態]
図９は、第２の実施形態に係る磁極位置推定部６００Ｂの詳細な構成図である。第１の実施形態における磁極位置推定部６００Ａと同一の個所には同一の符号を附してその説明を省略する。なお、図１に示す同期電動機２００の駆動装置１００Ａの構成図、図２に示す電圧パルス作成部４００Ａの詳細な構成図、図３に示す三相の電圧指令と三相電流の関係を示す図は、本実施形態においても同様である。

第１の実施形態では、第二の磁極位置演算部６６０が行なう極性ＮＳの判別において、各相の電流ピーク値の絶対値の差ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗから求められた第二の磁極位置θｅｓｔ２のみを利用したが、本実施形態では、第一の磁極位置θｅｓｔ１および第二の磁極位置θｅｓｔ２から極性ＮＳを求める。

本実施形態では、図９に示すように、磁極位置推定部６００Ｂは、極性判別器６５０および第二の磁極位置演算部６６０に替えて、第三の磁極位置演算部６７０および第四の磁極位置演算部６８０を備える。第三の磁極位置演算部６７０は、電流検出部５００によって検出された相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに基づいて、第二の磁極位置θｅｓｔ２を演算する。第四の磁極位置演算部６８０には、第三の磁極位置演算部６７０から第二の磁極位置θｅｓｔ２が、第一の磁極位置演算部６４０から第一の磁極位置θｅｓｔ１がそれぞれ入力される。第四の磁極位置演算部６８０は、これらの磁極位置に基づいて初期磁極位置θｅｓｔを演算する。

図１０は、第三の磁極位置演算部６７０の主たる機能を示した構成図である。本実施形態における第三の磁極位置演算部６７０は、ピーク値検出器６７１と、絶対値演算部６７２と、減算部６７３と、座標変換６７４と、位置演算部６７５を備えている。

ピーク値検出器６７１、絶対値演算部６７２、減算部６７３、座標変換６７４は、第１の実施形態における極性判別器６５０のピーク値検出器６５１、絶対値演算部６５２、減算部６５３、座標変換部６５４とそれぞれ同様の処理を実施する。

位置演算部６７５は、座標変換６７４から出力されるΔＰα、ΔＰβを入力として、前述の式（１８）に従い第二の磁極位置θｅｓｔ２を演算する。第三の磁極位置演算部６７０は、位置演算部６７５により演算された第二の磁極位置θｅｓｔ２を第四の磁極位置演算部６８０へ出力する。

図１１は、第四の磁極位置演算部６８０の主たる機能を示した構成図である。第四の磁極位置演算部６８０は、減算処理部６８１、絶対値処理部６８２、閾値判定部６８３、初期磁極位置算出部６８４を備える。

減算処理部６８１は、第一の磁極位置θｅｓｔ１と第二の磁極位置θｅｓｔ２との差を求める。絶対値処理部６８２は、第一の磁極位置θｅｓｔ１と第二の磁極位置θｅｓｔ２との差の絶対値を求める。そして、閾値判定部６８３は、第一の磁極位置θｅｓｔ１と第二の磁極位置θｅｓｔ２との差の絶対値が所定の範囲にあるときはＳ極とし、所定の範囲外にあるときはＮ極と判定する。ここで、所定の範囲とは、第二の磁極位置θｅｓｔ２の誤差を考慮して設定しておけば良く、例えば第一の磁極位置θｅｓｔ１と第二の磁極位置θｅｓｔ２の差の絶対値が９０～２７０度の範囲である。

初期磁極位置算出部６８４は、閾値判定部６８３でＳ極と判定された場合は、第一の磁極位置θｅｓｔ１に１８０度を加算した値を、Ｎ極と判定された場合は、第一の磁極位置θｅｓｔ１を、初期磁極位置θｅｓｔとして出力する。

ここで、第１の実施形態で述べたように、第二の磁極位置θｅｓｔ２のみから極性ＮＳを判別した場合、第二の磁極位置θｅｓｔ２は精度が低いため、極性ＮＳを誤るおそれがある。例えば、第二の磁極位置θｅｓｔ２が０～１８０度の場合にＮ極、第二の磁極位置θｅｓｔ２が１８０～３６０度の場合にＳ極と決定すると、実際の初期磁極位置と第二の磁極位置θｅｓｔ２には誤差があるため、初期磁極位置θｅｓｔが１８０度或いは３６０度付近において極性を誤ってしまう恐れがある。

一方で、本実施形態に示すように、第一の磁極位置θｅｓｔ１および第二の磁極位置θｅｓｔ２から極性ＮＳを判別することにより、第二の磁極位置θｅｓｔ２の誤差を考慮することができるため、極性ＮＳを誤らずに回転子の初期磁極位置θｅｓｔを推定することができる。

本実施形態に示した極性ＮＳの判別は、図３に示した電圧パルス印加中に極性を確定することができるため、初期磁極位置θｅｓｔの推定に要する時間を最小化することが可能であり、好適である。ただし、第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算した後に、一般に公知な方法を用いて極性を確定させても良いことは言うまでもない。

［第３の実施形態]
図１２は、第３の実施形態に係る駆動装置１００Ｂの構成図である。本実施形態の駆動装置１００Ｂは、同期電動機２００の停止中に、電力変換器３００が同期電動機２００の各相に正負のパルス電圧を順次印加するパルス電圧印加を、互いに異なるパルス幅で複数回行うものである。なお、図１に示す第１および第２の実施形態に係る駆動装置１００Ａの構成図と同一の個所には同一の符号を附してその説明を省略する。

第１および第２の実施形態では、電圧パルス作成部４００Ａにおける位相切替器４２０は、電圧指令作成部４１０で作成されたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を三相の電圧指令に変換するための位相指令θ＊を作成した。具体的には、同期電動機２００の停止中に初期磁極位置θｅｓｔを推定するための位相指令θ＊として、０度（０ラジアン）、１２０度（２／３πラジアン）、２４０度（４／３πラジアン）を順に出力していた。これに対して、本実施形態では図１２に示すように、駆動装置１００Ｂは、電圧パルス作成部４００Ａに替えて、電圧パルス作成部４００Ｂを備える。電圧パルス作成部４００Ｂは、同期電動機２００の停止中に、電力変換器３００が同期電動機２００に対してパルス電圧印加を互いに異なるパルス幅で複数回行うことができるように、位相指令θ＊を生成して出力する。

電圧パルス作成部４００Ｂから出力された位相指令θ＊は、第１の実施形態で述べた磁極位置推定部６００Ａ、または第２の実施形態で述べた磁極位置推定部６００Ｂに入力される。なお、本実施形態では磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂのいずれを用いて初期磁極位置θｅｓｔを推定しても良い。

図１３は、第３の実施形態に係る電圧パルス作成部４００Ｂの詳細な構成図である。電圧パルス作成部４００Ｂは、電圧指令作成部４１０と、位相切替器４２０と、指令座標変換部４３０と、パルス幅・繰り返し数設定部４４０と、を備えている。なお、電圧指令作成部４１０、位相切替器４２０、指令座標変換部４３０については、第１の実施形態において電圧パルス作成部４００Ａが備えるものとそれぞれ同一である。

本実施形態の駆動装置１００Ｂでは、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂにおいて、第１もしくは第２の実施形態で述べた一連の動作が繰り返し実行されることにより、初期磁極位置θｅｓｔが推定される。本実施形態の電圧パルス作成部４００Ｂにおいて、パルス幅・繰り返し数設定部４４０は、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂによる一連の動作の繰り返し回数Ｎｍａｘと、ｎ回目の動作に対して電圧指令作成部４１０が出力するｄ軸電圧指令Ｖｄ＊のパルス幅Ｄｎとを出力する。ただしｎは１以上Ｎｍａｘ以下の自然数である。なお、ＮｍａｘおよびＤｎの値は、パルス幅・繰り返し数設定部４４０において予め設定されていてもよいし、ユーザが任意に指定可能としてもよい。

第３の実施形態における駆動装置１００Ｂの動作を、図１４を参照して説明する。図１４は、第３の実施形態における位相指令θ＊と電圧指令および同期電動機２００に流れる電流との関係を示す図である。図１４では、パルス幅・繰り返し数設定部４４０から出力される繰り返し回数Ｎｍａｘを２とした場合の位相指令θ＊、電圧指令、電流の例を示している。なお、図１４（Ａ）～図１４（Ｊ）は、図３（Ａ）～図３（Ｊ）とそれぞれ同じものを示している。

図１４の場合、Ｎｍａｘ＝２としているので、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、第１もしくは第２の実施形態で述べた初期磁極位置推定の一連の動作を２回行う。このときパルス幅・繰り返し数設定部４４０は、１回目の動作（第一のシーケンスとする）に対するｄ軸電圧指令Ｖｄ＊のパルス幅をＤ１に設定している。一方、２回目の動作（第二のシーケンスとする）に対しては、第一のシーケンスと異なり、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊のパルス幅をＤ２としている。

本実施形態の電圧パルス作成部４００Ｂにおいて、電圧指令作成部４１０は、パルス幅・繰り返し数設定部４４０から出力されるパルス幅Ｄ１、Ｄ２に基づき、図１４（Ｂ）に示すように、これらのパルス幅に応じたｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を、第一のシーケンスと第二のシーケンスでそれぞれ作成する。これにより、図１４（Ｃ）～図１４（Ｅ）に示すように、第一のシーケンスにおいてはパルス幅Ｄ１で、第二のシーケンスにおいてはパルス幅Ｄ２で、正負にそれぞれ交番する三相の電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊が、指令座標変換部４３０から順次出力される。

本実施形態では、図１４（Ｆ）～図１４（Ｈ）に示すように、第一のシーケンスと第二のシーケンスにおいて、それぞれに対して設定されたパルス幅Ｄ１、Ｄ２に応じた三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが同期電動機２００に流れる。また、図１４（Ｉ）～図１４（Ｊ）に示すように、第一のシーケンスと第二のシーケンスにおいて、それぞれに対して設定されたパルス幅Ｄ１、Ｄ２に応じた三相電流の直交成分Ｉγ、Ｉδが同期電動機２００に流れる。

第１の実施形態で述べたように、埋込磁石型同期電動機の場合、各相電流のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐには、突極性に起因した電流変化だけでなく、磁気飽和に起因した電流変化が生じてしまうため、これが初期磁極位置の誤差要因となっている。第１、第２の実施形態では、この誤差要因に対して直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐを利用することで、初期磁極位置θｅｓｔの推定精度を改善していた。ところが、このように相電流に対する直交成分を利用した初期磁極位置θｅｓｔの推定方法を採用しても、同期電動機２００の構造や、電力変換器３００を構成する半導体素子のばらつき等によっては、磁気飽和の影響を完全に排除できないことがある。

そこで、本実施形態の駆動装置１００Ｂでは、電圧パルス作成部４００Ｂにおいてパルス幅・繰り返し数設定部４４０を設けることで、同期電動機２００の停止中に、電力変換器３００が互いに異なるパルス幅Ｄ１、Ｄ２で、同期電動機２００の各相に正負のパルス電圧を順次印加する。そして、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂにより、これらのパルス電圧印加に対してそれぞれ検出された各相電流のピーク値Ｉｕ＋、Ｉｕ－、Ｉｖ＋、Ｉｖ－、Ｉｗ＋、Ｉｗ－に基づいて、初期磁極位置θｅｓｔを推定するようにしている。

具体的には、磁極位置推定部６００Ａまたは６００Ｂは、第一のシーケンスにおいてパルス幅Ｄ１で行われたパルス電圧印加に対して、第一のピークトゥピーク検出器６１０で求められた相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗのピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、第二のピークトゥピーク検出器６２０で求められた各相電流の直交成分Ｉδのピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとに基づき、第一の磁極位置演算部６４０により第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算する。また、第二のシーケンスにおいてパルス幅Ｄ２で行われたパルス電圧印加に対して、前述の式（１８）に従って第二の磁極位置θｅｓｔ２を求めることで、極性判別器６５０または第四の磁極位置演算部６８０により、回転子の磁石の極性がＮ極であるかＳ極であるかを判別する。こうして得られた第一の磁極位置θｅｓｔ１および極性判別結果に基づき、初期磁極位置θｅｓｔを推定することができる。

このとき、第一のシーケンスのパルス幅Ｄ１を、例えば磁気飽和が発生しない程度に短くしておいて、予め磁気飽和の影響を極力小さくしておくことで、より磁気飽和の影響を受けにくくすることができる。しかしながら、磁気飽和が発生しないことにより、極性判別を誤る恐れがある。そこで、第二のシーケンスでは、パルス幅Ｄ２をＤ１よりも大きくして磁気飽和を発生させ、極性判別を確実なものとする。そして、第一のシーケンスで求まる第一の磁極位置θｅｓｔ１と、第二のシーケンスで求まる極性とを用いて、初期磁極位置θｅｓｔを求めることにより、高精度に初期磁極位置θｅｓｔを求めることが可能となる。

本実施形態では、以上説明したように、電圧パルス作成部４００Ｂにおいてパルス幅・繰り返し数設定部４４０を設けることにより、初期磁極位置θｅｓｔの推定精度をより向上することができる。

なお、本実施形態の駆動装置１００Ｂにおいて、電圧パルス作成部４００Ｂのパルス幅・繰り返し数設定部４４０により設定される繰り返し回数Ｎｍａｘを２以上とし、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂがそれぞれのシーケンスで推定した初期磁極位置θｅｓｔの値から、最終的な初期磁極位置θｅｓｔの推定結果を確定してもよい。具体的には、各シーケンスにおける初期磁極位置θｅｓｔを磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂにおいて記憶しておくことにより、繰り返し回数Ｎｍａｘに応じた複数の初期磁極位置θｅｓｔを取得する。そして、取得した複数の初期磁極位置θｅｓｔに対して、例えば平均化処理や収斂計算など所定の統計処理を行うことにより、最終的な初期磁極位置θｅｓｔの推定結果を求めることが可能となる。これ以外にも、種々の応用が可能である。

［第４の実施形態]
図１５は、第４の実施形態に係る駆動装置１００Ｃの構成図である。本実施形態の駆動装置１００Ｃは、同期電動機２００の磁極位置を検出する位置センサ２１０を備え、同期電動機２００の停止中に推定した初期磁極位置θｅｓｔと、位置センサ２１０で検出された磁極位置とを比較することで、位置センサ２１０の異常の有無を判定するものである。なお、図１に示す第１および第２の実施形態に係る駆動装置１００Ａの構成図と同一の個所、および図１２に示す第３の実施形態に係る駆動装置１００Ｂの構成図と同一の個所には、同一の符号を附してその説明を省略する。

本実施形態では、同期電動機２００は、同期電動機２００の磁極位置を検出する位置センサ２１０を備えている。位置センサ２１０で検出された磁極位置は、比較部７００の一方へ入力される。比較部７００の他方には、第１の実施形態で述べた磁極位置推定部６００Ａ、または第２の実施形態で述べた磁極位置推定部６００Ｂで推定した初期磁極位置θｅｓｔが入力される。磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、第１の実施形態で述べた電圧パルス作成部４００Ａ、または第３の実施形態で述べた電圧パルス作成部４００Ｂから出力される位相指令θ＊を用いて、初期磁極位置θｅｓｔを推定する。なお、本実施形態では磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂのいずれを用いて初期磁極位置θｅｓｔを推定しても良い。比較部７００は、同期電動機２００が停止中に、推定した初期磁極位置θｅｓｔと位置センサ２１０で検出された磁極位置とを比較し、比較結果に基づいて位置センサ２１０の異常の有無を判定する。

レゾルバなどの位置センサ２１０は、その出力巻線の断線或いは短絡によって故障することがある。同期電動機２００が回転している場合には、その故障を検出できるが、同期電動機２００が停止中には故障を検出することは困難であった。第１、第２の実施形態でそれぞれ説明した磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、同期電動機２００の停止中に初期磁極位置θｅｓｔを推定できるので、同期電動機２００が停止している場合にも位置センサ２１０の故障を検知することができる。これにより、より信頼性の高い同期電動機２００の駆動装置１００Ｃを提供することができる。

第１の実施形態から第４の実施形態では、電圧パルス作成部４００Ａ、４００Ｂ、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂ、比較部７００等はハードウエアとして説明したが、コンピュータとプログラムによってその機能を実現してもよい。そして、プログラムを、ＣＰＵ、メモリなどを備えたコンピュータにより処理することができる。その全部の処理、または一部の処理をハードロジック回路により実現してもよい。更に、このプログラムは、記憶媒体やデータ信号（搬送波）などの種々の形態のコンピュータ読み込み可能なコンピュータプログラム製品として供給してもよい。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）同期電動機２００の駆動装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、同期電動機２００の各相に正負の電圧を順次印加して同期電動機２００を駆動する電力変換器３００と、同期電動機２００に流れる相電流を検出する電流検出部５００と、電流検出部５００で検出された相電流に基づいて同期電動機２００の回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂと、を備える。磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐを検出する第一のピークトゥピーク検出器６１０と、相電流に対する直交成分Ｉδを検出する直交成分検出器６３０と、直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐを検出する第二のピークトゥピーク検出器６２０とを備える。そして、同期電動機２００の停止中に、第一のピークトゥピーク検出器６１０により検出された第一のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、第二のピークトゥピーク検出器６２０により検出された第二のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとに基づいて、第一の磁極位置演算部６４０により第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算し、この第一の磁極位置θｅｓｔ１に基づいて、第二の磁極位置演算部６６０または第四の磁極位置演算部６８０により回転子の初期磁極位置θｅｓｔを推定する。このようにしたので、同期電動機２００が埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれであっても、同期電動機２００の停止中に、同期電動機２００の回転子の初期磁極位置θｅｓｔを高精度に推定することができる。

（２）磁極位置推定部６００Ａは、回転子の磁石の極性ＮＳを判別する極性判別器６５０をさらに備え、極性判別器６５０により判別された極性ＮＳと第一の磁極位置θｅｓｔ１に基づいて、第二の磁極位置演算部６６０により初期磁極位置θｅｓｔを推定する。このようにしたので、回転角に対して１／２倍の周期で現れる突極性によるインダクタンスの変化を利用した第一の磁極位置θｅｓｔ１から、初期磁極位置θｅｓｔを正確に推定することができる。

（３）極性判別器６５０は、相電流の最大値と最小値のそれぞれの絶対値の減算値ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗに基づいて極性ＮＳを判別する。このようにしたので、同期電動機２００の磁気飽和の度合いから極性ＮＳを正確に判別することができる。

（４）磁極位置推定部６００Ｂは、同期電動機２００の停止中に、相電流の最大値と最小値のそれぞれの絶対値の減算値ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗから、第三の磁極位置演算部６７０により第二の磁極位置θｅｓｔ２を演算し、第一の磁極位置θｅｓｔ１および第二の磁極位置θｅｓｔ２から、第四の磁極位置演算部６８０により回転子の磁石の極性を判別し、判別した極性と第一の磁極位置θｅｓｔ１に基づいて回転子の初期磁極位置θｅｓｔを推定する。このようにしたので、初期磁極位置θｅｓｔの推定に要する時間を最小化しつつ、初期磁極位置θｅｓｔを高精度に推定することができる。

（５）駆動装置１００Ｂにおいて、電力変換器３００は、同期電動機２００の停止中に、電圧パルス作成部４００Ｂから出力される電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に応じて、同期電動機２００の各相に正負のパルス電圧を順次印加するパルス電圧印加を、互いに異なるパルス幅で複数回行う。磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、電力変換器３００により行われた複数回のパルス電圧印加に対してそれぞれ検出された相電流の最大値と最小値に基づいて初期磁極位置θｅｓｔを推定する。具体的には、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、第一のパルス幅Ｄ１で行われたパルス電圧印加に対して検出された相電流の最大値と最小値に基づく第一のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、当該相電流に対する直交成分の最大値と最小値に基づく第二のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとに基づいて、第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算する。また、第一のパルス幅Ｄ１よりも大きい第二のパルス幅Ｄ２で行われたパルス電圧印加に対して検出された相電流の最大値と最小値のそれぞれの絶対値の減算値ΔＩｕ、ΔＩｖ、ΔＩｗに基づいて、回転子の磁石の極性ＮＳを判別する。こうして得られた第一の磁極位置θｅｓｔ１の演算結果および極性ＮＳの判別結果に基づいて、初期磁極位置θｅｓｔを推定する。あるいは、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂは、複数回のパルス電圧印加に対して初期磁極位置θｅｓｔの推定をそれぞれ行うことで複数の初期磁極位置θｅｓｔを取得し、取得した複数の初期磁極位置θｅｓｔに基づいて初期磁極位置θｅｓｔの推定結果を確定する。このようにしたので、初期磁極位置θｅｓｔの推定精度をより一層向上することができる。

（６）駆動装置１００Ｃにおいて、同期電動機２００は、同期電動機２００の磁極位置を検出する位置センサ２１０を備える。また、同期電動機２００の駆動装置１００Ｃは、磁極位置推定部６００Ａ、６００Ｂにより得られる初期磁極位置θｅｓｔと、位置センサ２１０により得られる磁極位置とを比較する比較部７００を備える。比較部７００は、同期電動機２００が停止中に、比較部７００による比較結果に基づいて位置センサ２１０の異常の有無を判定する。このようにしたので、同期電動機２００が停止している場合にも位置センサ２１０の故障を検知し、より信頼性の高い同期電動機２００の駆動装置を提供することができる。

（７）同期電動機２００の駆動方法は、同期電動機２００の各相に正負の電圧を順次印加して同期電動機２００を駆動する電力変換器３００と、同期電動機２００に流れる相電流を検出する電流検出部５００とを備えた同期電動機２００の駆動装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃにおける同期電動機２００の駆動方法である。この同期電動機２００の駆動方法は、同期電動機２００の停止中に、電流検出部５００により検出された相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと、相電流に対する直交成分Ｉδの最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとを取得し、取得した第一のピークトゥピーク値Ｉｕｐｐ、Ｉｖｐｐ、Ｉｗｐｐと第二のピークトゥピーク値Ｉδｕｐｐ、Ｉδｖｐｐ、Ｉδｗｐｐとに基づいて第一の磁極位置θｅｓｔ１を演算し、演算した第一の磁極位置θｅｓｔ１に基づいて同期電動機２００の回転子の初期磁極位置θｅｓｔを推定する。これにより、同期電動機２００が埋込磁石型同期電動機・表面磁石型同期電動機のいずれであっても、同期電動機２００の停止中に、同期電動機２００の回転子の初期磁極位置θｅｓｔを高精度に推定することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。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てもよく、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えてもよい。

１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ…駆動装置、２００…同期電動機、２１０…位置センサ、３００…電力変換器、４００Ａ、４００Ｂ…電圧パルス作成部、４１０…電圧指令作成部、４２０…位相切替器、４３０…指令座標変換部、４４０…パルス幅・繰り返し数設定部、５００…電流検出部、６００Ａ、６００Ｂ…磁極位置推定部、６１０…第一のピークトゥピーク検出器、６２０…第二のピークトゥピーク検出器、６３０…直交成分検出器、６４０…第一の磁極位置演算部、６５０…極性判別器、６５１…ピーク値検出器、６５２…絶対値演算部、６５３…減算部、６５４…座標変換部、６５５…極性演算部、６６０…第二の磁極位置演算部、６７０…第三の磁極位置演算部、６７１…ピーク値検出器、６７２…絶対値演算部、６７３…減算部、６７４…座標変換、６７５…位置演算部、６８０…第四の磁極位置演算部、６８１…減算処理部、６８２…絶対値処理部、６８３…閾値判定部、６８４…初期磁極位置算出部、７００…比較部。

Claims (9)

1. 同期電動機の各相に正負の電圧を順次印加して前記同期電動機を駆動する電力変換器と、前記同期電動機に流れる相電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部で検出された相電流に基づいて前記同期電動機の回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、を備えた同期電動機の駆動装置において、
   前記磁極位置推定部は、
   前記相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値を検出する第一のピークトゥピーク検出器と、
   前記相電流に対する直交成分を検出する直交成分検出器と、
   前記直交成分の最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値を検出する第二のピークトゥピーク検出器と、を備え、
   前記同期電動機の停止中に、前記第一のピークトゥピーク検出器により検出された前記第一のピークトゥピーク値と、前記第二のピークトゥピーク検出器により検出された前記第二のピークトゥピーク値とに基づいて、第一の磁極位置を演算し、
   前記第一の磁極位置に基づいて前記回転子の初期磁極位置を推定する、同期電動機の駆動装置。
2. 請求項１に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記磁極位置推定部は、前記回転子の磁石の極性を判別する極性判別器をさらに備え、前記極性判別器により判別された前記極性と前記第一の磁極位置に基づいて前記初期磁極位置を推定する、同期電動機の駆動装置。
3. 請求項２に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記極性判別器は、前記相電流の最大値と最小値のそれぞれの絶対値の減算値に基づいて前記極性を判別する、同期電動機の駆動装置。
4. 請求項１に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記磁極位置推定部は、前記同期電動機の停止中に、前記相電流の最大値と最小値のそれぞれの絶対値の減算値から第二の磁極位置を演算し、前記第一の磁極位置および前記第二の磁極位置から前記回転子の磁石の極性を判別し、判別した前記極性と前記第一の磁極位置に基づいて前記回転子の初期磁極位置を推定する、同期電動機の駆動装置。
5. 請求項１に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記電力変換器は、前記同期電動機の停止中に、前記同期電動機の各相に正負のパルス電圧を順次印加するパルス電圧印加を、互いに異なるパルス幅で複数回行い、
   前記磁極位置推定部は、前記電力変換器により行われた複数回の前記パルス電圧印加に対してそれぞれ検出された前記相電流の最大値と最小値に基づいて前記初期磁極位置を推定する、同期電動機の駆動装置。
6. 請求項５に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記磁極位置推定部は、
   第一のパルス幅で行われた前記パルス電圧印加に対して検出された前記相電流の最大値と最小値に基づく前記第一のピークトゥピーク値と、当該相電流に対する直交成分の最大値と最小値に基づく前記第二のピークトゥピーク値とに基づいて、前記第一の磁極位置を演算し、
   前記第一のパルス幅よりも大きい第二のパルス幅で行われた前記パルス電圧印加に対して検出された前記相電流の最大値と最小値のそれぞれの絶対値の減算値に基づいて、前記回転子の磁石の極性を判別し、
   前記第一の磁極位置の演算結果および前記極性の判別結果に基づいて前記初期磁極位置を推定する、同期電動機の駆動装置。
7. 請求項５に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記磁極位置推定部は、複数回の前記パルス電圧印加に対して前記初期磁極位置の推定をそれぞれ行うことで複数の前記初期磁極位置を取得し、取得した複数の前記初期磁極位置に基づいて前記初期磁極位置の推定結果を確定する、同期電動機の駆動装置。
8. 請求項１に記載の同期電動機の駆動装置において、
   前記同期電動機は、前記同期電動機の磁極位置を検出する位置センサを備え、
   前記同期電動機の駆動装置は、前記磁極位置推定部により得られる前記初期磁極位置と、前記位置センサにより得られる磁極位置とを比較する比較部を備え、
   前記比較部は、前記同期電動機が停止中に、前記比較部による比較結果に基づいて前記位置センサの異常の有無を判定する、同期電動機の駆動装置。
9. 同期電動機の各相に正負の電圧を順次印加して前記同期電動機を駆動する電力変換器と、前記同期電動機に流れる相電流を検出する電流検出部とを備えた同期電動機の駆動装置における同期電動機の駆動方法であって、
   前記同期電動機の停止中に、前記電流検出部により検出された前記相電流の最大値と最小値の差分を表す第一のピークトゥピーク値と、前記相電流に対する直交成分の最大値と最小値の差分を表す第二のピークトゥピーク値とを取得し、前記第一のピークトゥピーク値と前記第二のピークトゥピーク値とに基づいて第一の磁極位置を演算し、前記第一の磁極位置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、同期電動機の駆動方法。
   

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