JP5435282B2

JP5435282B2 - モータ制御装置

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Publication number: JP5435282B2
Application number: JP2010072336A
Authority: JP
Inventors: 浩一加藤; 圭亮西村; 志謙陳; スブラタサハ
Original assignee: Aisin AW Co Ltd
Current assignee: Aisin AW Co Ltd
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: CN102742148A; DE112011100395T5; US20110234135A1; JP2011205832A; CN102742148B; US8395339B2; WO2011118258A1

Description

本発明は、永久磁石同期モータの磁極位置をセンサレスで検出する機能を備えたモータ制御装置に関する。

永久磁石式同期モータ、例えば３相同期モータの制御方法として、ベクトル制御と呼ばれる制御方法が知られている。ベクトル制御では、モータの３相のステータコイルに流れるモータ電流を、ロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と、このｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル成分に座標変換してフィードバック制御を行う。この座標変換のためには、ロータの位置（磁極位置）を精度良く検出する必要がある。磁極位置検出にはレゾルバなどの回転センサも用いられるが、ロータの回転によって生じる逆起電力を利用して電気的に磁極位置を検出するセンサレス磁極検出技術もある。但し、モータの停止時には逆起電力が生じないため、高周波電流や高周波電圧をモータに与えてその応答により磁極位置が推定される。

特開２００８−７９４８９号広報（特許文献１）には、そのようなセンサレス磁極検出機能を備えたモータ制御装置が開示されている。これによれば、モータに交流交番電圧を与えて検出されたｑ軸電流に基づいて得られた磁極位置と、推定磁極位置との誤差を補正して磁極位置が求められる。さらに、正負対称に交互に切り替わる一定波形のｄ軸バイアス電流が重畳されたｄ軸電流指令に基づいてｄ軸電圧指令が求められ、モータにｄ軸電圧指令が印可される。そして、ｄ軸バイアス電流の正負切り替えタイミングにおいてｄ軸バイアス電流を増加させているときと、減少させているときのｄ軸電圧指令の大小関係から永久磁石の磁極の方向が判別される。

特開２００８−７９４８９号公報（請求項１、第１７−２２段落等）

特許文献１に記載のモータ制御装置は、磁極の極性を含めて磁極の位置を判別することが可能な優れたセンサレス磁極検出機能を備えたものである。しかし、ｄ軸バイアス電流の正負の切り替えタイミングでは、ｄ軸電流が過渡状態であり、ｄ軸電圧も安定しない可能性がある。その結果、磁極の極性判別の安定性が損なわれ、誤検出を招く可能性もある。

従って、永久磁石式同期モータの停止時に、回転センサを用いることなく、当該モータの磁極の極性を安定して判別することが望まれる。

上記課題に鑑みた本発明に係るモータ制御装置の特徴構成は、
交流モータのロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル空間において前記交流モータを制御するモータ制御装置であって、
前記ベクトル空間における電流指令と、前記交流モータの各ステータコイルに流れる電流の検出値が前記ベクトル空間に座標変換されてフィードバックされたフィードバック電流とに基づいて、前記ベクトル空間における電圧指令を演算する電流制御部と、
ｄ軸の前記電流指令に対して、所定の高周波成分を観測指令として印加すると共に、ｄ軸の前記電流指令に対して、所定の期間に亘り一定値であり前記モータが磁気飽和する大きさの直流バイアス成分を前記観測指令として正負対称に印加する観測指令印加部と、
前記観測指令に応答した前記フィードバック電流に基づいて演算されるｄ軸の前記電圧指令に含まれる前記高周波成分の振幅の内、前記直流バイアス成分が正の一定値の期間における第１振幅と、前記直流バイアス成分が負の一定値の期間における第２振幅との大小関係に基づいて前記永久磁石の磁極の極性を判定する極性判定部と、を備える点にある。

所定の期間に亘りモータが磁気飽和する大きさの直流バイアス成分がｄ軸の電流指令に印加されることにより、直流バイアス成分が正又は負の時の何れか一方において、磁束が飽和領域に達する。永久磁石が磁束を有しているから、ｄ軸電流が零の時でも磁束は零ではなく、ｄ軸電流に対する磁束の特性はｄ軸方向にオフセットされている。従って、直流バイアス成分が正又は負の時の何れか一方において磁束が飽和領域に達するとき、他方において磁束は飽和領域に達しない活性領域である。観測指令には、直流バイアス成分だけではなく、高周波成分が含まれているから、この高周波成分に応答して磁束は変動する。この時、活性領域では磁束は大きく変動するが、飽和領域では活性領域に比べて大きく変動しない。直流バイアス成分が正又は負の時の何れにおいて磁束が飽和領域に達するかは、永久磁石の磁極の極性によって定まる。つまり、永久磁石のＮ極及びＳ極の何れが、ｄ軸の正方向を向いているかによって定まる。また、磁束の変動は、観測指令に応答したモータからのフィードバック電流に基づいて演算される応答電圧（電圧指令）において観測可能である。従って、直流バイアス成分が正の期間における応答電圧の第１振幅と、負の期間における応答電圧（電圧指令）の第２振幅との大小関係により、永久磁石の極性を判定することができる。直流バイアス成分の正負切り替えタイミングなどの過渡期に判定するのではなく、直流バイアス成分が正及び負において安定している期間の応答により判定を行うので安定した判定が可能である。即ち、永久磁石式同期モータの停止時に、回転センサを用いることなく、当該モータの磁極の極性を安定して判別することが可能である。

上述したように、本発明に係るモータ制御装置の前記観測指令印加部は、ｄ軸の前記電流指令に対して、所定の高周波成分を前記観測指令として印加すると共に、所定の期間に亘り一定値であり前記モータが磁気飽和する大きさの直流バイアス成分を前記観測指令として正負対称に印加するものであり、前記応答電圧は、前記観測指令に応答した前記フィードバック電流に基づいて演算されるｄ軸の前記電圧指令である。一般的に、ベクトル制御においては、ベクトル空間における電流指令と、ベクトル空間におけるフィードバック電流との差分を取り、比例積分（ＰＩ）制御や比例微積分（ＰＩＤ）制御を行ってベクトル空間における電圧指令を演算する。上述したように、磁極の極性を判定するために観測指令として高周波成分及び直流バイアス成分がベクトル空間において印加される。これらが共にｄ軸の電流指令に印加されると、観測指令の制御が容易である。また、観測指令に応答した結果であるフィードバック電流を用いて電圧指令が演算されるので、応答電圧として電圧指令を利用すると別途、応答電圧を演算する機能を設置する必要がない。即ち、通常のベクトル制御の機能を利用して、応答電圧を演算して極性の判別を行うことができる。

また、本発明に係るモータ制御装置は、さらに、前記観測指令の前記高周波成分に応答した前記フィードバック電流に基づいて演算される前記電圧指令の高周波成分に基づいて、前記永久磁石の磁極の位置を極性を問わずに判定する位置判定部を備え、前記観測指令印加部は、前記位置判定部により前記永久磁石の位置が判定される前には、前記観測指令として前記高周波成分を印加し、前記永久磁石の位置が判定された後に、前記観測指令として前記高周波成分及び前記バイアス成分を印加すると好適である。電流指令を設定した際のベクトル空間と、実際のベクトル空間との間の位相が異なっていると、ｄ軸に対する直流バイアス成分は、ベクトル分解されてｑ軸の成分も有することになる。ｄ軸の電流指令に印加される直流バイアス成分は、モータが磁気飽和する大きさであるから、ベクトル分解によりｑ軸の電流指令となる直流成分も無視できるような大きさではない。ｑ軸に大きな電流指令が加わることにより、モータトルクが発生してロータが回転してしまうことになる。極性を問わずに永久磁石の磁極の方向を判定する位置判定部を備えることで、電流指令を設定した際のベクトル空間と実際のベクトル空間との位相差は、０°又は１８０°にほぼ限定される。従って、ｑ軸の電流指令に直流バイアス成分が印加されることもなく、安定して磁極の極性を判定することができる。

モータの駆動装置の構成例を模式的に示す図モータ制御装置の実施態様の一例を模式的に示すブロック図磁極位置の誤差によるベクトル空間のずれを示す図永久磁石を考慮しないｄ軸の磁束特性を示すグラフｄ軸の正方向と永久磁石のＮ極が一致する場合の磁束特性と観測指令と応答電圧との関係を示す図ｄ軸の正方向と永久磁石のＳ極が一致する場合の磁束特性と観測指令と応答電圧との関係を示す図磁極位置及び極性の判定処理を模式的に示すフローチャート

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明のモータ制御装置１０は、交流モータＭＧ（以下、適宜単に「モータ」と称す。）の磁極位置をレゾルバ等の回転センサを用いることなく、いわゆるセンサレスで検出する機能を備えたモータ制御装置である。本実施形態において、モータＭＧは、埋込型永久磁石同期モータ（interior permanent magnet synchronous motor : IPMSM）であり、ロータの永久磁石のＮ極方向の磁気特性と電気的にこれと垂直な方向（電気角で９０°ずれた方向）との磁気特性とが異なる突極性（逆突極性を含む）を有する。詳細は後述するが、本実施形態においてモータ制御装置は、この突極性を利用して、モータＭＧの停止時においてもセンサレスで磁極位置や磁極の方向を判定する。また、当然ながらモータＭＧは、ジェネレータとしても機能する回転電機である。

初めに、モータＭＧの駆動制御を行う駆動装置２０の構成について説明する。図１に示すように、駆動装置２０は、制御ユニット１１、ドライバ回路１２、電流検出装置１３、直流電源１４、平滑コンデンサ１５、インバータ１６を備えている。ここで、直流電源１４は、バッテリ等の充電可能な二次電池である。そして、駆動装置２０は、直流電源１４の直流電力を所定周波数の３相交流に変換してモータＭＧに供給する。また、駆動装置２０は、モータＭＧがジェネレータとして機能する際には発電された交流電力を直流に変換して直流電源１４に供給する。直流電源１４の正極端子と負極端子との間には、平滑コンデンサ１４が並列に接続され、直流電力を平滑する。

インバータ１６は、複数のスイッチング素子を有して構成される。スイッチング素子には、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）を適用すると好適である。図１に示すように、本実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられる。インバータ１６は、モータＭＧの各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相）のそれぞれに対応するＵ相レッグ１７Ｕ、Ｖ相レッグ１７Ｖ、及びＷ相レッグ１７Ｗを備えている。各レッグ１７Ｕ、１７Ｖ、１７Ｗは、それぞれ直列に接続された上段側アームのＩＧＢＴ１８Ａと下段側アームのＩＧＢＴ１８Ｂとにより構成される１組２個のスイッチング素子を備えている。各ＩＧＢＴ１８Ａ、１８Ｂには、それぞれフリーホイールダイオード１９が並列接続されている。

Ｕ相レッグ１７Ｕ、Ｖ相レッグ１７Ｖ、Ｗ相レッグ１７Ｗは、モータＭＧのＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルに接続される。この際、各相レッグ１７Ｕ、１７Ｖ、１７Ｗの上段側アームのＩＧＢＴ１８Ａのエミッタと下段側アームのＩＧＢＴ１８Ｂのコレクタとの間とモータＭＧの各相コイルとの間が電気的に接続される。また、各レッグ１７Ｕ、１７Ｖ、１７Ｗの上段側アームのＩＧＢＴ１８Ａのコレクタは、直流電源１４の正極端子につながる高圧電源ラインに接続され、各レッグ１７Ｕ、１７Ｖ、１７Ｗの下段側アームのＩＧＢＴ１８Ｂのエミッタは、直流電源１４の負極端子につながるグランドラインに接続されている。

インバータ１６は、ドライバ回路１２を介して制御ユニット１１に接続されており、制御ユニット１１が生成する制御信号に応じてスイッチング動作する。制御ユニット１１は、不図示のマイクロコンピュータなどの論理回路を中核とするＥＣＵ（electronic control unit）として構成される。ＥＣＵは、マイクロコンピュータの他、不図示のインターフェース回路やその他の周辺回路などを有して構成される。インターフェース回路は、ＥＭＩ（electro-magnetic interference）対策部品やバッファ回路などにより構成される。

マイクロコンピュータは、ＣＰＵコア、プログラムメモリ、ワークメモリ、Ａ／Ｄコンバータや、その他不図示の通信制御部、タイマ、ポートなどを有して構成される。ＣＰＵコアは、マイクロコンピュータの中核であり、命令レジスタや命令デコーダ、種々の演算の実行主体となるＡＬＵ(arithmetic logic unit)、フラグレジスタ、汎用レジスタ、割り込みコントローラなどを有して構成される。プログラムメモリは、モータ制御プログラムや磁極判定プログラム、これらのプログラムの実行の際に参照される各種パラメータなどが格納された不揮発性のメモリである。プログラムメモリは、例えばフラッシュメモリなどによって構成されると好適である。ワークメモリは、プログラム実行中の一時データを一時記憶するメモリである。ワークメモリは、揮発性で問題なく、高速にデータの読み書きが可能なＤＲＡＭ（dynamic RAM）やＳＲＡＭ（static RAM）により構成されると好適である。ＣＰＵコア、Ａ／Ｄコンバータ、各種メモリは１つのチップに集積された形態でもよいし、複数のチップによってコンピュータシステムが構築されていてもよい。

ところで、特にモータＭＧが車両の駆動装置である場合などでは、直流電源１４は高電圧であり、インバータ１６の各ＩＧＢＴ１８Ａ，１８Ｂは、高電圧をスイッチングする。このように、高電圧をスイッチングするＩＧＢＴのゲートに入力されるパルス状のゲート駆動信号（制御信号）のハイレベルとローレベルとの電位差は、マイクロコンピュータなどの一般的な電子回路の動作電圧よりも遥かに高い電圧である。従って、ゲート駆動信号は、ドライバ回路１２を介して電圧変換や絶縁された後、インバータ１６の各ＩＧＢＴ１８Ａ，１８Ｂに入力される。

このように、モータＭＧは、制御ユニット１１の制御により、所定の出力トルク及び回転速度で駆動される。この際、モータＭＧのステータコイル（Ｕ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイル）に流れる電流の値が制御ユニット１１にフィードバックされる。そして、制御ユニット１１は、目標電流との偏差に応じてＰＩ制御（比例積分制御）やＰＩＤ制御（比例微積分制御）を実行してモータＭＧを駆動制御する。このため、インバータ１６の各相レッグ１７Ｕ、１７Ｖ、１７ＷとモータＭＧの各相コイルとの間に設けられた導体（バスバーなど）を流れる電流値が、電流検出装置１３により検出される。本実施形態においては、電流検出装置１３は、３相全てに対して配置される。尚、３相各相の電流は平衡しており瞬時値はゼロであるから、２相のみの電流値を検出する構成であっても構わない。

本実施形態において、モータ制御装置１０は制御ユニット１１として構成されている。モータ制御装置１０は、ベクトル制御により、モータＭＧを制御する。即ち、モータ制御装置１０は、モータＭＧのロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル空間においてモータＭＧを制御する。尚、センサレス制御では、実際の磁極位置を検出できないため、実際の磁極位置に基づいて変換したベクトル空間でモータＭＧ制御することはできない。そのため、推定された磁極位置に基づいて得られるベクトル空間でモータＭＧを制御する。図２には、モータ制御装置１０においてロータの磁極位置や磁極の方向を判定する回転検出部８と関わりの深い機能部を図示している。以下、図２を参照して、本実施形態のモータ制御装置１０におけるベクトル制御について説明する。

モータＭＧが車両の駆動装置の場合、不図示の走行制御ＥＣＵなどからトルク指令（要求トルク）がモータ制御装置１０に与えられる。モータ制御装置１０の不図示のトルク制御部は、トルク指令に応じて電流フィードバック制御のための電流指令（目標電流）ｉｄ^＊，ｉｑ^＊を設定する。電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊は、上述したｄ軸及びｑ軸を基準とするベクトル空間に対応して設定される。このため、トルク制御部は、トルク指令値と回転検出部８により求められた磁極位置（電気角）θに基づいて算出した角速度ωとに基づいてｄ軸の電流指令ｉｄ^＊及びｑ軸の電流指令ｉｑ^＊を決定する電流指令値算出部を有して構成される。

電流制御部２は、ｄｑベクトル空間における電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊と、モータＭＧの各ステータコイルに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値がベクトル空間に座標変換されてフィードバックされたフィードバック電流ｉｄ，ｉｑとに基づいて、ベクトル空間における電圧指令（目標電圧）ｖｄ^＊，ｖｑ^＊を演算する。具体的には、電流制御部２は、電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊と、フィードバック電流ｉｄ，ｉｑとの偏差に基づいて、例えば比例積分制御（ＰＩ制御）や、比例微積分制御（ＰＩＤ制御）を行い、電圧指令ｖｄ^＊，ｖｑ^＊を設定する。

電流検出装置１３により検出された電流値は３相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗであるから、座標変換部５により電気角θに基づいて２相のフィードバック電流ｉｄ，ｉｑに座標変換される。電流制御部２は、電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊と、フィードバック電流ｉｄ，ｉｑとの偏差に基づいて、ＰＩ制御やＰＩＤ制御を行い、電圧指令ｖｄ^＊，ｖｑ^＊を設定する。角速度ω及び角速度を検出する機能部については簡略化のため図示を省略する。電流制御部２において演算された電圧指令ｖｄ^＊，ｖｑ^＊は、座標変換部３において電気角θに基づいて３相の電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに座標変換される。変調部４は、３相の電圧指令ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに基づいて、インバータ１６の３相のＩＧＢＴを駆動するゲート駆動信号を、例えばＰＷＭ（pulse width modulation）により生成する。

このように、モータＭＧをベクトル制御するためには、ｕｖｗ相に対応する現実の３相空間と２相のｄｑベクトル空間との間での相互の座標変換が必要である。このため、ロータの回転角θ、即ち電気的な磁極位置（電気角）を精度良く検出する必要がある。本実施形態におけるモータ制御装置１０は、レゾルバなどの回転検出装置を備えることなく、ロータの回転角θを取得するセンサレス制御を採用している。上述したように、モータＭＧが中高速回転している場合には、ロータの回転によって生じる逆起電力を利用することによって回転速度（角速度ω）に留まらず、電気的に磁極位置（回転角θ）を検出することが可能である。これは、公知であるのでここでは図示並びに詳細な説明は省略する。一方、モータＭＧが停止している際には、当然ながら逆起電力も生じないため、モータＭＧに電気的な刺激（stimulus）を与えてその応答により、磁極位置並びに磁極の極性が判定される。

電気的な刺激は、観測指令印加部１により与えられる。観測指令印加部１は、ｄ軸の電流指令ｉｄ^＊又はｄ軸の電圧指令ｖｄ^＊に対して、所定の高周波成分を観測指令として印加する。図２に示すように本実施形態においては、ｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に対して、振幅がＩｈの所定の高周波成分（= Ih・sinωh・ｔ）が印加される場合を例示している。尚、本実施形態では、より精度よく磁極位置を判定するために、ｑ軸の電流指令ｉｑ^＊に対しても、所定の高周波成分（= -Ih・cosωh・ｔ）が印加される場合を例示している。ｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に対して印加される高周波成分と、ｑ軸の電流指令ｉｑ^＊に対して印加される高周波成分とは、図２に示すように振幅Ｉｈ並びに角速度ωｈが共通で位相が異なる波形を有するものである。これら高周波成分は、後述するように磁極位置の判定及び極性の判定の双方に利用される。

また、観測指令印加部１は、図２に示すようにｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に対して、所定の期間に亘り一定値でありモータＭＧが磁気飽和する大きさの直流バイアス成分Ｉｂを観測指令として正負対称に印加する。即ち、正の直流バイアス成分（＋Ｉｂ）と、負の直流バイアス成分（−Ｉｂ）とが、それぞれ所定の期間に亘り一定値として印可される。後述するように、この値Ｉｂは、モータＭＧが磁気飽和する大きさに相当する。より詳しくは、モータＭＧの各相のコイルが巻き回された電機子コアであるステータコアが磁気飽和する大きさに相当する。上述した高周波成分、並びに直流バイアス成分は、磁極の極性の判定に利用される。詳細については後述する。

図２に示すように、回転検出部８は、極性を問わずに磁極位置の判定を行う位置判定部６と、磁極の極性の判定、即ちＮＳ判定を行う極性判定部７７とを備えている。位置判定部６は、観測指令の高周波成分に応答したフィードバック電流ｉｄ，ｉｑと電流指令ｉｄ^＊，ｉｑ^＊との偏差に基づいて演算される電圧指令の高周波成分に基づいて、永久磁石の磁極位置を極性を問わずに判定する。つまり、ＮＳの磁性を除き、永久磁石の磁極位置を判定する。極性判定部７７は、観測指令の高周波成分及び直流バイアス成分に応答したｄ軸のフィードバック電流ｉｄに基づいて演算されるｄ軸の応答電圧に含まれる高周波成分の振幅（波高）に基づいて永久磁石の磁極の磁性を判定する。具体的には、応答電圧に含まれる前記高周波成分の振幅の内、直流バイアス成分が正の一定値の期間における第１振幅（ａ１）と、直流バイアス成分が負の一定値の期間における第２振幅（ａ２）との大小関係に基づいて磁性を判定する（図５、図６参照）。本実施形態では、応答電圧として、電圧指令ｖｄ^＊を用いる場合を例示する。

以下、磁極位置並びに磁極方向の判定について説明する。まず、位置判定部６による位置判定について説明する。一般式として、同期モータの電圧方程式は、ｄ軸電圧：Ｖｄ、ｑ軸電圧：Ｖｑ、ｄ軸電流：Ｉｄ、ｑ軸電流Ｉｑ、ステータコイルの抵抗：Ｒ、ｄ軸インダクタンス：Ｌｄ、ｑ軸インダクタンス：Ｌｑ、ω：モータ回転周波数（角速度）、φａ：界磁の主磁束、ｐ：微分演算子、として以下に示す式(1)で示される。

回転検出部８による磁極の検出は、モータＭＧが停止中に実施される。モータＭＧが停止中には、ω＝０であるから、式(1)は、式(2)となる。

上述したように、位置判定部６による位置判定における刺激としての観測指令は、高周波成分であり、複素インピーダンスは、虚数成分が支配的となる。式(2)の実数成分であるＲは無視してよくなる。つまり、高周波成分の観測指令に関して、式(2)は式(3)のように簡略化することができ、ｄ軸インダクタンスＬｄ及びｑ軸インダクタンスＬｑの影響が支配的となる。

位置判定部６による位置判定に際しては、仮の値として磁極位置の推定値θ’が与えられる。ここで、このθ’に基づくベクトル空間をｄ’ｑ’ベクトル空間とする。推定値θ’が真の磁極位置θと一致していない場合には、真の磁極位置θに基づく真のｄｑベクトル空間とｄ’ｑ’ベクトル空間との間に図３に示すようにΔθの誤差が存在することになる。推定値θ’に基づくｄ’ｑ’ベクトル空間において、上述した高周波成分を印加すると、ｄ’ｑ’ベクトル空間におけるフィードバック電流ｉｄ’，ｉｑ’に基づいて演算される電圧指令ｖｄ^＊、ｖｑ^＊から高周波成分ｖｄｈ^*、ｖｑｈ^*をバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９が抽出する。バンドパスフィルタ９が抽出した高周波成分ｖｄｈ^*、ｖｑｈ^*は回転検出部８の位置判定部６に送られ、誤差信号として磁極位置の推定値θ’と真の磁極位置θとの誤差Δθの２倍の正弦波信号ｓｉｎ２Δθが得られる。誤差Δθがゼロに収束するように推定値θ’を動的に修正することによって磁極位置θが算出される。ここでは、誤差Δθがゼロに収束するように推定値θ’を修正しても正弦波信号ｓｉｎ２Δθは誤差Δθの２倍の値が含まれているので、算出された磁極位置θには、０°又は１８０°の位相差を含むことになる。換言すれば、磁極位置θが３６０°中の点対称な２点の何れかであることが特定される。つまり、ＮＳの極性を考慮せずに磁極位置θが判定される。

このように、磁極位置θは、高周波数成分の観測指令に応答したフィードバック電流ｉｄ，ｉｑに基づいて演算される電圧指令ｖｄ^＊、ｖｑ^＊からバンドパスフィルタ９を介して得られる高周波成分ｖｄｈ^*、ｖｑｈ^*に基づいて判定することができる。図３に例示したように、電流指令ｉｄ^＊、ｉｑ^＊に高周波数成分が印可されるのではなく、電圧指令ｖｄ^＊、ｖｑ^＊に高周波数成分の観測指令が印可され、その観測指令に応答したフィードバック電流に基づいて磁極位置が判定される構成であってもよい。

位置判定部６による位置判定が完了すると、判定されたθに基づいて、さらにｄ軸の電流指令にｉｄ^＊に直流バイアス成分±Ｉｂが印加される。電気的に発生する界磁の磁束φは、図４に示すようにｄ軸電流Ｉｄが零の時に零となる。しかし、モータＭＧは永久磁石型のモータであるから、ｄ軸電流Ｉｄが零であっても永久磁石の磁束φが存在する。このため、図５及び図６に示すように、ｄ軸電流Ｉｄが零であっても磁束φは零とはならない。図５は、磁性がＮ極側であるとき、即ちｄ軸の正方向にＮ極が揃っている場合を示しており、ｄ軸電流Ｉｄが零であっても正の磁束φが存在する。図６は、磁性がＳ極側であるとき、即ちｄ軸の負方向にＮ極が揃っている場合を示しており、ｄ軸電流Ｉｄが零であっても負の磁束φが存在する。

上述したように、直流バイアス電流±Ｉｂは、モータＭＧに磁気飽和を生じさせる大きさに相当するｄ軸電流Ｉｄの値である。図５に示すように、磁性がＮ極側であるとき、モータＭＧは、ｄ軸電流Ｉｄが零であっても既に正の磁束φを有しているから、正方向の直流オフセット成分Ｉｂをｄ軸電流Ｉｄに印加すると、モータＭＧは磁気飽和領域に達する。この領域でｄ軸電流Ｉｄに高周波成分が印加されても、高周波成分に応答して変化する磁束φは僅かである。一方、負方向の直流オフセット成分Ｉｂをｄ軸電流Ｉｄに印加しても、モータＭＧは磁気飽和領域には達しない。従って、ここでｄ軸電流Ｉｄに高周波成分が印加されると、高周波成分に応答して磁束φは充分に変化する。この磁束φの変化は、応答電圧としてｄ軸電圧Ｖｄにより観測することができる。図５に示すように、正方向の直流オフセット成分Ｉｂが印加されている間のｄ軸電圧Ｖｄの高周波成分の波高Ａ１（第１振幅：ａ１＝Ａ１／２）は、負方向の直流オフセット成分Ｉｂが印加されている間のｄ軸電圧Ｖｄの高周波成分の波高Ａ２（第２振幅：ａ２＝Ａ２／２）よりも小さい。従って、極性判定部７は、第１振幅ａ１と第２振幅ａ２との大小関係に基づいて永久磁石の極性を判定することが可能である。

一方、図６に示すように、磁性がＳ極側であるとき、モータＭＧは、ｄ軸電流Ｉｄが零であっても既に負の磁束φを有しているから、負方向の直流オフセット成分Ｉｂをｄ軸電流Ｉｄに印加すると、モータＭＧは磁気飽和領域に達する。この領域でｄ軸電流Ｉｄに高周波成分が印加されても、高周波成分に応答して変化する磁束φは僅かである。一方、正方向の直流オフセット成分Ｉｂをｄ軸電流Ｉｄに印加しても、モータＭＧは磁気飽和領域には達しない。従って、ここでｄ軸電流Ｉｄに高周波成分が印加されると、高周波成分に応答して磁束φは充分に変化する。図６に示すように、負方向のオフセット成分Ｉｂが印加されている間のｄ軸電圧Ｖｄの高周波成分の波高Ａ２（第２振幅：ａ２＝Ａ２／２）は、正方向のオフセット成分Ｉｂが印加されている間のｄ軸電圧Ｖｄの高周波成分の波高Ａ１（第１振幅：ａ１＝Ａ１／２）よりも小さい。従って、極性判定部７は、第１振幅と第２振幅との大小関係に基づいて永久磁石の磁極の極性を判定することが可能である。

以上、回転検出部８による永久磁石の磁極位置及び極性判定の原理を説明したが、以下、図７のフローチャートを用いて観測指令印加部１及び回転検出部８による処理の流れについて説明する。

不図示の走行制御ＥＣＵなどからモータＭＧの駆動指令が発せられると、モータ制御装置１０は、モータＭＧの駆動に先立ってモータＭＧのロータの磁極位置並びに極性の判定処理を実行する。初めに、上述したように、磁極位置θが判定される（ステップ＃１０）。磁極位置θの判定に際して、観測指令印加部１は、ｄ軸の電流指令ｉｄ^＊又は電圧指令ｖｄ^＊に対して、所定の高周波成分のみを観測指令として印加する。上述したように、このステップでは、直流バイアス成分は印加されない。観測指令印加部１及び位置判定部６は、上述したような収斂演算を実行して、磁極位置θを判定する。

磁極位置θが判定されると、次にステップ＃２１〜＃２６においてＮＳの極性が判定される。電流指令ｉｄ^＊、ｉｑ^＊を設定した際のベクトル空間（ｄ’ｑ’ベクトル空間）と、実際のベクトル空間（ｄｑベクトル空間）との間の位相が図３に例示したように異なっていると、ｄ’軸に対する直流バイアス成分は、ベクトル分解されて実際のｑ軸の成分も有することになる。上述したように、ｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に印加される直流バイアス成分は、モータＭＧが磁気飽和する大きさである。従って、ベクトル分解によりｑ軸の電流指令ｉｑ^＊に印可される直流成分も無視できるような大きさではない。このため、ｑ軸に大きな電流指令が与えられることになり、モータトルクが発生してモータＭＧのロータが回転してしまうことになる。従って、極性の判定に先立ってステップ＃１０を実行して、極性を問わずとも正確に磁極位置θを判定しておくと好ましい。

観測指令印加部１は、既にステップ＃１０で印可されている高周波成分に加えて直流バイアス成分をｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に印加する。具体的には、正方向の直流バイアス成分Ｉｂをｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に印加する（ステップ＃２１）。そして、極性判定部７は、直流バイアス成分が正の一定値の期間における波高Ａ１（又は振幅ａ１）を取得する。続いて、観測指令印加部１は、負方向の直流バイアス成分Ｉｂをｄ軸の電流指令ｉｄ^＊に印加する（ステップ＃２２）。そして、極性判定部７は、直流バイアス成分が負の一定値の期間における波高Ａ２（又は振幅ａ２）を取得する。

そして、極性判定部７は、上述したように波高Ａ１（又は振幅ａ１）と波高Ａ２（又は振幅ａ２）との大小関係に基づいて永久磁石の極性を判定する（＃２３）。具体的には、図７に示すように、波高Ａ２が波高Ａ１よりも大きいとき（第２振幅ａ２が第１振幅ａ１よりも大きいとき）、ｄ軸の正方向がＮ極である（極性がＮ極である）と判定する（＃２４）。一方、波高Ａ１が波高Ａ２以上のとき（第１振幅ａ１が第２振幅ａ２以上のとき）、ｄ軸の正方向がＳ極である（極性がＳ極である）と判定する（＃２５）。尚、極性がＳ極であると判定された際には、磁極位置判定のステップ＃１０において判定されたθの値に１８０°を加算してθの値が更新される（＃２６）。以上、ステップ＃１０〜＃２６により、永久磁石の磁極の位置並びに磁性が判定され、永久磁石の磁極の位置が３６０°中の一点に特定される。

尚、上記実施形態においては、フィードバック電流ｉｄを用いて電流制御部３で演算される電圧指令ｖｄ^＊を応答電圧として説明した。つまり、ベクトル制御における通常の電圧演算（式(1)〜(3)に示すような演算）を兼用する場合を例として説明した。即ち、通常のベクトル制御の機能を利用して、応答電圧を演算して極性の判別を行う場合を例として説明した。この極性判定は、モータＭＧの起動直前に実行される処理であるから、通常のベクトル制御は本格的に実行を開始しておらず、通常のベクトル制御の機能を利用しても問題はない。機能を兼用することでモータ制御装置１０の規模の拡大を抑制することができる。

本発明は、永久磁石同期モータの磁極位置をセンサレスで検出する機能を備えたモータ制御装置に適用することができる。

１：観測指令印加部
２：電流制御部
１０：モータ制御装置
ｉｄ^＊，ｉｑ^＊：電流指令
ｉｄ，ｉｑ：フィードバック電流
ｖｄ^＊，ｖｑ^＊：電圧指令
Ｉｂ：直流バイアス成分
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ：ステータコイルに流れる電流の検出値
ＭＧ：モータ（交流モータ）
ａ１：第１振幅
ａ２：第２振幅

Claims

交流モータのロータに配置された永久磁石が発生する磁界の方向であるｄ軸と当該ｄ軸に直交するｑ軸とのベクトル空間において前記交流モータを制御するモータ制御装置であって、
前記ベクトル空間における電流指令と、前記交流モータの各ステータコイルに流れる電流の検出値が前記ベクトル空間に座標変換されてフィードバックされたフィードバック電流とに基づいて、前記ベクトル空間における電圧指令を演算する電流制御部と、
ｄ軸の前記電流指令に対して、所定の高周波成分を観測指令として印加すると共に、ｄ軸の前記電流指令に対して、所定の期間に亘り一定値であり前記モータが磁気飽和する大きさの直流バイアス成分を前記観測指令として正負対称に印加する観測指令印加部と、
前記観測指令に応答した前記フィードバック電流に基づいて演算されるｄ軸の前記電圧指令に含まれる前記高周波成分の振幅の内、前記直流バイアス成分が正の一定値の期間における第１振幅と、前記直流バイアス成分が負の一定値の期間における第２振幅との大小関係に基づいて前記永久磁石の磁極の極性を判定する極性判定部と、を備えるモータ制御装置。
前記観測指令の前記高周波成分に応答した前記フィードバック電流に基づいて演算される前記電圧指令の高周波成分に基づいて、前記永久磁石の磁極の位置を極性を問わずに判定する位置判定部を備え、
前記観測指令印加部は、前記位置判定部により前記永久磁石の位置が判定される前には、前記観測指令として前記高周波成分を印加し、前記永久磁石の位置が判定された後に、前記観測指令として前記高周波成分及び前記バイアス成分を印加する請求項１に記載のモータ制御装置。