JP5837230B2 - 交流回転機の制御装置、交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムおよび電動パワーステアリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、位置センサを用いることなく、交流回転機の回転位置を推定することのできる交流回転機の制御装置、交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムおよび電動パワーステアリングシステムに関するものである。

従来、交流回転機を制御する場合において、回転子の回転位置に対応した適切な位相で電流を供給するために、エンコ−ダ、レゾルバおよびホ−ル素子といった位置センサが必要であった。しかしながら、このような位置センサを用いる場合、価格面、センサの信頼性、または配線の煩わしさなどといった問題点があった。

そこで、このような問題点を解決するために、位置センサを用いることなく、回転子の回転位置を推定することにより、交流回転機を制御する制御装置が提案されている。

このような従来における交流回転機の制御装置の具体例として、交流回転機の誘起電圧に基づいて、適応オブザ−バにより交流回転機の回転速度を推定し、推定した回転速度を積分器により積分することによって、回転位置を推定する制御装置がある（例えば、特許文献１参照）。

また、電気的突極性を有する交流回転機の任意の回転二軸上に、高周波電圧を印加する場合に発生する突極性に起因した回転二軸上各成分におけるインダクタンスの差異を利用することによって、回転位置を推定する制御装置がある（例えば、特許文献２参照）。

また、交流回転機の任意の回転二軸上に、高周波電圧を印加する場合に発生する磁気飽和に起因したインダクタンスの差異を利用することによって、回転位置を推定する制御装置がある（例えば、特許文献３参照）。

特許第４６７２２３６号公報 特許第３３１２４７２号公報 特許第４６３２１５７号公報

しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、交流回転機の誘起電圧に基づき、回転速度および回転位置を推定し、交流回転機の誘起電圧は、交流回転機の回転速度に比例して発生する。したがって、回転速度が低い領域では、誘起電圧が小さくなるので、回転位置を精度良く推定できず、また、交流回転機が停止している場合には、誘起電圧が発生しないので、原理上、回転位置を推定することができないという問題があった。

また、特許文献２に記載の従来技術では、電気的突極性を有する交流回転機のインダクタンスの差異に基づき、回転位置を推定する。したがって、突極性を有しない非突極の交流回転機の場合には、回転位置を推定することができないという問題があった。

また、特許文献３に記載の従来技術では、磁気飽和による交流回転機のインダクタンスの差異に基づき、回転位置を推定する。したがって、磁気飽和が発生するように、交流回転機に十分大きな電流を供給する必要があり、磁気飽和が発生しない給電状態の場合に、回転位置を推定することができないという問題があった。さらに、磁気飽和が発生する領域では、電流変化に対する回転磁束の変化が非線形となるので、交流回転機の制御が容易でないという問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、交流回転機の回転速度、電気的突極性の有無および磁気飽和発生の有無といった制約に課されることなく、交流回転機の回転位置を推定することのできる交流回転機の制御装置、交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムおよび電動パワーステアリングシステムを得ることを目的とする。

本発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機と、交流回転機に電力を供給する電力供給部と、交流回転機の出力トルクを検出するトルク検出部と、交流回転機の回転位置を推定する回転位置推定部とを備え、電力供給部は交流回転機に供給する所望の電力に位相の異なる少なくとも２つ以上の軸成分から成る所定の高周波電力を加え、回転位置推定部は出力トルクに含まれる高周波成分と高周波電力に対応する高周波成分に基づいて回転位置を推定するようにしたものである。

本発明によれば、自身に入力される高周波信号に対応する高周波成分が重畳される高周波電力を交流回転機に供給するとともに、交流回転機の出力トルクに含まれている出力トルク高周波と、高周波信号との位相差に基づき、交流回転機の回転位置を演算することができる。これにより、交流回転機の回転速度、電気的突極性の有無および磁気飽和発生の有無といった制約に課されることなく、交流回転機の回転位置を推定することのできる交流回転機の制御装置、交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムおよび電動パワーステアリングシステムを得ることができる。

本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置を示した構成図である。 本発明の実施の形態１において、実際のｄ−ｑ軸および推定ｄ−ｑ軸と、高周波電流の合成ベクトルと、の位相関係を示した説明図である。 本発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置を示した構成図である。 本発明の実施の形態３における電動パワーステアリングシステムを示した構成図である。 本発明の実施の形態３において、交流回転機、ハンドルおよび伝達軸のそれぞれに加わるトルクの関係を示した説明図である。 本実施の形態３において、交流回転機の出力軸に加わるトルクに対応する出力トルク高周波と、トルク検出部が検出したトルクに対応する出力トルク高周波と、の位相関係を示した説明図である。

以下、本発明の交流回転機の制御装置、交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムおよび電動パワーステアリングシステムの好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置を示した構成図である。この図１には、交流回転機の制御装置とともに、制御対象である交流回転機１およびトルク検出部２があわせて示されている。

本実施の形態１における交流回転機の制御装置は、電力供給部１０および回転位置推定部２０を備える。また、交流回転機１は、電力供給部１０から高周波電力が供給され、トルク検出部２は、交流回転機１が出力する出力トルクＴｍを検出する。なお、発明の詳細な説明において使用するこの「高周波電力」とは、電力供給部１０から交流回転機１へ供給される電力に対して、交流回転機１の回転制御には影響を与えない範囲で、高周波成分が重畳されている電力を意味している。

なお、以降では、交流回転機１の回転二軸上における第１軸および第２軸について、以下のように表して説明する。すなわち、第１軸は、交流回転機１の回転子磁束と同位相方向であり、ｄ軸と表し、第２軸は、第１軸と直交する方向であり、ｑ軸と表す。

ここで、本実施の形態１では、以下の技術的特徴を有する。
（特徴１）電力供給部１０は、基準指令信号、高周波信号および回転位置推定部２０が演算した回転位置に基づき、高周波信号に対応する高周波成分が重畳される高周波電力を交流回転機１に供給する。
（特徴２）回転位置推定部２０は、高周波電力が供給された交流回転機１の出力トルクから高周波成分を出力トルク高周波として抽出し、出力トルク高周波および高周波信号に基づき、回転位置を演算する。

以下、上述した技術的特徴の詳細について説明する。
まず、電力供給部１０について説明する。ここで、具体的に例示して説明するために、以下の場合を想定する。すなわち、電力供給部１０に外部から入力される基準指令信号は、ｄ軸基準指令信号として、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊であり、ｑ軸基準指令信号として、ｑ軸電流指令ｉｑ１＊である。また、電力供給部１０に入力される高周波信号は、ｄ軸高周波信号として、ｄ軸高周波電流Ａｉｄであり、ｑ軸高周波信号として、ｑ軸高周波電流Ａｉｑである。さらに、交流回転機１には、電力供給部１０から供給される高周波電力として、高周波信号に対応する高周波成分が重畳される三相交流電圧が印加される場合を想定する。

なお、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊は、ｄ−ｑ軸上の電流指令におけるｄ軸成分およびｑ軸成分を示す。同様に、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑは、ｄ−ｑ軸上の高周波電流におけるｄ軸成分およびｑ軸成分を示す。

電力供給部１０には、基準指令信号発生部（図示せず）から、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊が入力され、高周波信号発生部（図示せず）から、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑが入力される。

また、電力供給部１０は、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊と、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、回転位置推定部２０が演算した回転位置θと、に基づいて生成した三相交流電圧を交流回転機１に印加する。なお、ここでいう「回転位置θ」とは、交流回転機１の回転子の回転位置のことである。

また、電力供給部１０は、高周波重畳部１１、電流制御部１２、座標変換部１３、電力変換部１４および電流検出部１５を有する。

高周波重畳部１１は、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｄ軸高周波電流Ａｉｄを重畳（加算）することにより、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊を生成し、電流制御部１２に出力する。また、同様に、高周波重畳部１１は、ｑ軸電流指令ｉｑ１＊およびｑ軸高周波電流Ａｉｑを重畳することにより、ｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊を生成し、電流制御部１２に出力する。

ここで、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑは、下式（１）に示すように、同一振幅、同一周波数であり、互いに直交した正弦波とする。また、下式（１）におけるパラメータとして、Ａは、高周波の振幅を示し、ｗｈは、高周波の角周波数を示し、ｔは、時刻を示す。

また、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑは、回転位置推定部２０が回転位置θを演算するために用いられる。さらに、振幅Ａは、交流回転機１の回転制御には影響を与えない範囲で、十分小さく設定される。

また、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍから高周波成分（すなわち、角周波数ｗｈ成分）を抽出した出力トルク高周波Ｔｍｈｆが、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑだけに基づくものになるように、角周波数ｗｈは、設定される。すなわち、角周波数ｗｈは、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊に含まれる周波数成分よりも、十分大きい値（所定倍だけ大きい値）になるように設定される。

なお、具体的に設定される振幅Ａおよび角周波数ｗｈは、交流回転機１の用途によって異なる。

また、本実施の形態１では、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑは、同一振幅、同一周波数であり、互いに直交した正弦波である場合を例示して説明するが、正弦波に限定されない。すなわち、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑは、例えば、台形波、矩形波、三角波またはノコギリ波といった異なる形状の波動であってもよく、波動の種類は、問われない。さらに、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの振幅は同一とは限らず、異なる振幅のｄ軸高周波電流およびｑ軸高周波電流を重畳した場合であっても同様の効果を得ることができる。

電流制御部１２は、高周波重畳部１１が出力したｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊と、座標変換部１３が出力したｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑと、が各軸成分において一致するように、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する。

座標変換部１３は、電流検出部１５が検出したｕ相検出電流ｉｕ、ｖ相検出電流ｉｖおよびｗ相検出電流ｉｗを、回転位置推定部２０が演算した回転位置θに基づいて、座標変換することにより、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑを生成し、電流制御部１２に出力する。さらに、座標変換部１３は、電流制御部１２が出力したｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を、回転位置推定部２０が演算した回転位置θに基づいて、座標変換することにより、ｕ相電圧指令ｖｕ＊、ｖ相電圧指令ｖｖ＊およびｗ相電圧指令ｖｗ＊を生成する。

電力変換部１４は、交流回転機１にｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑに対応する高周波成分が重畳されている高周波電力を供給する。すなわち、電力変換部１４は、座標変換部１３が出力したｕ相電圧指令ｖｕ＊、ｖ相電圧指令ｖｖ＊およびｗ相電圧指令ｖｗ＊に基づいた三相交流電圧を交流回転機１に印加する。電流検出部１５は、電力変換部１４が三相交流電圧を交流回転機１に印加する場合において、各相に流れる電流として、ｕ相検出電流ｉｕ、ｖ相検出電流ｉｖおよびｗ相検出電流ｉｗを検出する。

このように、電力供給部１０は、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊と、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、回転位置推定部２０が演算した回転位置θと、に基づいて、高周波電力を交流回転機１に供給する。

また、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊は、交流回転機１の実際の回転位置に対応するｄ−ｑ軸上（以降では、実際のｄ−ｑ軸上と称す）に対しての電流指令ではなく、回転位置推定部２０が演算した回転位置に対応するｄ−ｑ軸上（以降では、推定ｄ−ｑ軸上と称す）に対しての電流指令である。したがって、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊は、実際のｄ−ｑ軸と、推定ｄ−ｑ軸と、の位相差分だけずれて、交流回転機１に与えられることとなる。

次に、回転位置推定部２０の詳細について説明する。回転位置推定部２０には、トルク検出部２から、出力トルクＴｍが入力され、高周波信号生成部（図示せず）から、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑが入力される。ここで、回転位置推定部２０に入力される出力トルクＴｍは、高周波電力が交流回転機１に供給されたことにより、交流回転機１が出力したトルクである。したがって、出力トルクＴｍには、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑに対応する高周波成分が含まれている。

また、回転位置推定部２０は、出力トルク高周波生成部２１、推定誤差演算部２２および推定誤差制御部２３を有する。さらに、推定誤差演算部２２は、乗算部２２１、積分部２２２および位置誤差推定部２２３を含み、推定誤差制御部２３は、ＰＩ制御部２３１を含む。

出力トルク高周波生成部２１は、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍに基づいて、出力トルクＴｍに含まれている高周波成分に応じた出力トルク高周波Ｔｍｈｆを抽出する。すなわち、出力トルク高周波生成部２１は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの角周波数ｗｈ近傍の信号のみを抽出することにより、出力トルク高周波Ｔｍｈｆを生成し、推定誤差演算部２２に出力する。なお、出力トルク高周波生成部２１として、例えば、バンドパスフィルタなどを用いることができる。

また、推定誤差演算部２２は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、に基づき、回転位置推定誤差Δθを演算する。なお、ここでいう「回転位置推定誤差Δθ」とは、実際のｄ−ｑ軸と、推定ｄ−ｑ軸と、の位相差のことである。

乗算部２２１は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑのそれぞれに、出力トルク高周波生成部２１が出力した出力トルク高周波Ｔｍｈｆを乗算することにより、ｄ軸に対応する積Ｐｄおよびｑ軸に対応する積Ｐｑを演算し、積分部２２２に出力する。

積分部２２２は、乗算部２２１が出力した積Ｐｄおよび積Ｐｑのそれぞれを、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周期のＮ倍（Ｎは、１以上の整数）に相当する区間で、時間積分することにより、ｄ軸相関値Ｚｄおよびｑ軸相関値Ｚｑを演算し、位置誤差推定部２２３に出力する。

位置誤差推定部２２３は、積分部２２２が出力したｄ軸相関値Ｚｄをｑ軸相関値Ｚｑで除算した除算値（Ｚｄ／Ｚｑ）の逆正接を演算することにより、回転位置推定誤差Δθを演算し、推定誤差制御部２３に出力する。

また、推定誤差制御部２３におけるＰＩ制御部２３１は、位置誤差推定部２２３によって出力された回転位置推定誤差Δθが零となるように、制御演算を行うことで、回転位置θを演算し、電力供給部１０に出力する。

なお、推定誤差制御部２３は、ＰＩ制御部２３１により、回転位置θを演算したが、これに限定されず、他の方法で演算してもよい。すなわち、例えば、前回に演算した演算値に回転位置推定誤差Δθを加算して補正することにより、回転位置θを演算してもよい。

このように、回転位置推定部２０は、高周波電力が供給された交流回転機１が出力した出力トルクＴｍから高周波成分を出力トルク高周波Ｔｍｈｆとして抽出し、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、に基づいて、回転位置θを演算し、電力供給部１０にフィードバック（出力）する。

次に、回転位置推定部２０が交流回転機１の回転位置θを演算する場合における具体的な演算方法について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の実施の形態１において、実際のｄ−ｑ軸および推定ｄ−ｑ軸と、高周波電流の合成ベクトルと、の位相関係を示した説明図である。

ここで、前述したように、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊は、実際のｄ−ｑ軸上ではなく、推定ｄ−ｑ軸上に対しての電流指令である。したがって、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑは、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊と同様に、推定ｄ−ｑ軸上に重畳されることとなる。

この図２には、実際のｄ−ｑ軸および推定ｄ−ｑ軸の位相関係が示されており、これらの軸の位相差を回転位置誤差Δθｅとする。また、この図２において、推定ｄ−ｑ軸上に重畳される高周波電流の合成ベクトルもあわせて示されている。なお、ここでいう「高周波電流の合成ベクトル」とは、推定ｄ−ｑ軸上に重畳されるｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの合成ベクトルのことである。

また、この図２から分かるように、推定ｄ−ｑ軸に重畳されるｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑに対して、実際のｄ−ｑ軸上に重畳されるｄ軸高周波電流Ａｉｄｒおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑｒは、回転位置誤差Δθｅを用いると、下式（２）のように示される。

また、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍにおいて、実際のｄ−ｑ軸上に重畳されるｄ軸高周波電流Ａｉｄｒおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑｒに対応するトルクＴｍ’は、下式（３）のように示される。また、下式（３）におけるパラメータとして、Ｐｍは極対数を示し、φは誘起電圧定数を示し、ＬｄおよびＬｑはインダクタンスのｄ軸成分およびｑ軸成分を示す。さらに、Ｐｍ、φ、ＬｄおよびＬｑは、交流回転機１の特性を示す定数である。なお、出力トルクＴｍにおいて、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊に対応するトルクは、ここでは、記載を省略する。

また、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの角周波数ｗｈは、前述したように、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊に含まれる周波数成分よりも、十分大きい値（所定倍だけ大きい値）になるように設定される。そのため、出力トルク高周波生成部２１は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑだけに基づいた出力トルク高周波Ｔｍｈｆを生成することができる。

すなわち、出力トルク高周波生成部２１は、出力トルクＴｍ（ｄ軸高周波電流Ａｉｄｒおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑｒに対応するトルクＴｍ’）から、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの角周波数ｗｈ近傍の信号のみを抽出することにより、下式（４）のように示される出力トルク高周波Ｔｍｈｆを生成することができる。

ここで、上式（１）および上式（４）から分かるように、ｑ軸高周波電流Ａｉｑと、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相差は、回転位置誤差Δθｅである。また、回転位置推定誤差Δθは、回転位置誤差Δθｅと同等であるので、ｑ軸高周波電流Ａｉｑと、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相差である回転位置誤差Δθｅが演算されれば、回転位置推定誤差Δθが演算されることとなる。

次に、推定誤差演算部２２における乗算部２２１は、上式（１）のように示されるｄ軸高周波電流Ａｉｄと、上式（４）のように示される出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、を乗算することにより、ｄ軸に対応する積Ｐｄを演算し、積分部２２２に出力する。

また、積分部２２２は、乗算部２２１が出力した積Ｐｄを、下式（５）に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２の区間で時間積分することにより、ｄ軸相関値Ｚｄを演算し、位置誤差推定部２２３に出力する。ただし、上式（１）および上式（４）における回転位置誤差Δθｅは、回転位置推定誤差Δθと同等であるので、下式（５）に示すように、回転位置誤差Δθｅを回転位置推定誤差Δθとして置き換えている。

なお、ｄ軸相関値Ｚｄを適切に算出するためには、積分区間（時間積分する区間）は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周期のＮ倍（Ｎは、１以上の整数）であればよい。ここでは、出力トルク高周波Ｔｍｈｆの変動に対して、ｄ軸相関値Ｚｄの応答性を向上させるために、Ｎ＝１（すなわち、一周期分）とする。また、上式（５）における時刻ｔ２は、積分演算時点での現在時刻として、時刻ｔ１は、下式（６）のように示される時刻とする。

また、ｑ軸相関値Ｚｑは、乗算部２２１および積分部２２２がｄ軸相関値Ｚｄの演算と同様の動作を行うことにより、下式（７）に示すように、演算され、位置誤差推定部２２３に出力される。

位置誤差推定部２２３は、下式（８）に示すように、積分部２２２が出力したｄ軸相関値Ｚｄをｑ軸相関値Ｚｑで除算し、除算値（Ｚｄ／Ｚｑ）の逆正接を演算することにより、回転位置推定誤差Δθを演算し、推定誤差制御部２３に出力する。

このように、本願発明は、出力トルク高周波生成部２１が出力した出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、に間に生じる位相差が回転位置推定誤差Δθと同等になるという特性を利用していることを１つの技術的特徴としている。したがって、推定誤差演算部２２は、このような特性を利用して、上述した演算方法により、回転位置推定誤差Δθを演算することができる。

また、推定誤差制御部２３におけるＰＩ制御部２３１は、下式（９）に示すように、位置誤差推定部２２３が出力した回転位置推定誤差Δθに対する制御演算を行うことで、回転位置θを演算し、電力供給部１０に出力する。

なお、上式（９）におけるｓは、ラプラス演算子であり、ＫＰは比例定数、ＫＩは積分定数である。また、ＰＩ制御部２３１が、回転位置推定誤差Δθが零となるように、制御演算を行うことで、回転位置θを演算するように、比例定数ＫＰおよび積分定数ＫＩを設定する必要がある。

このように、回転位置推定部２０は、推定ｄ−ｑ軸上に、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑが重畳された場合における出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、に基づいて、回転位置θを演算することにより、結果として、位置センサを用いることなく、回転位置θを精度良く推定することができる。

ここで、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑに対応した出力トルク高周波Ｔｍｈｆは、交流回転機１の回転数の影響を受けることなく発生する。したがって、回転位置推定部２０は、交流回転機１の回転数に関わらず、回転位置θを精度良く推定することができ、特に、回転子が低回転時または停止時の場合に、回転位置θをより精度良く推定することができる。

また、交流回転機１が非突極の場合（すなわち、交流回転機１のインダクタンスＬｄおよびＬｑが一致する場合）であっても、上式（３）のように示されるトルクＴｍ’から抽出される出力トルク高周波Ｔｍｈｆは、上式（４）のように示される。したがって、回転位置推定部２０は、交流回転機１における突極性の有無に関わらず、回転位置θを精度良く推定することができる。

また、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑに対応した出力トルク高周波Ｔｍｈｆは、交流回転機１における磁気飽和発生の有無に関わらず発生する。したがって、回転位置推定部２０は、交流回転機１における磁気飽和発生の有無に関わらず、回転位置θを精度良く推定することができる。

ここで、本実施の形態１では、上述したように、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、の間に生じる位相差が回転位置推定誤差Δθと同等になるという特性を利用することにより、回転位置演算部２０が上式に示すような演算を行い、回転位置θを推定するように構成している。そして、本実施の形態１では、この位相差が回転位置推定誤差Δθと同等になるという特性を利用することが技術的特徴である。したがって、本実施の形態１において示した具体的な演算方法は、この位相差を演算するための一例に過ぎず、これに限定されることはない。すなわち、この位相差を演算することができれば、どのように演算してもよい。

次に、交流回転機の制御装置における前述した動作以外の動作例について説明する。交流回転機の制御装置の動作は、前述した動作に限定されず、以下のような動作を行うように、交流回転機の制御装置を構成することによっても、同様の効果が得られる。

（動作例１）
前述したように、電流制御部１２は、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊と、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑと、が一致するように、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を演算する。そのため、ｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊と、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑと、が同等である。

したがって、回転位置推定部２０には、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑが入力される代わりに、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑの角周波数ｗｈ近傍の信号を抽出することにより生成したｄ軸高周波検出電流Ａｉｄ’およびｑ軸高周波検出電流Ａｉｑ’が入力されるように構成してもよい。そして、回転位置推定部２０は、出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波検出電流Ａｉｄ’およびｑ軸高周波検出電流Ａｉｑ’と、に基づいて、同様に回転位置θを演算することができる。

ただし、ｄ軸高周波検出電流Ａｉｄ’およびｑ軸高周波検出電流Ａｉｑ’を生成すると、その生成分だけ演算量が増大する可能性がある。したがって、演算処理負荷の面を考慮する場合、回転位置推定部２０は、前述したように、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑを用いることにより、回転位置θを演算することが好ましい。

（動作例２）
本実施の形態１における交流回転機の制御装置は、電力供給部１０において重畳する高周波電力、及び回転位置推定部２０において演算で使用する高周波電力を電流としているが、これらを電圧としてもよい。例えば、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの代わりに、ｄ軸高周波信号およびｑ軸高周波信号として、高周波電圧を用いることにより、回転位置θを演算してもよい。

すなわち、電力供給部１０が、ｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊に、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑを重畳する代わりに、電流制御部１２が出力したｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊に、ｄ軸高周波電圧Ａｖｄおよびｑ軸高周波電圧Ａｖｑを重畳するように構成してもよい。

また、電力供給部１０が、ｄ軸基準指令信号およびｑ軸基準指令信号として入力されたｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊に、ｄ軸高周波電圧Ａｖｄおよびｑ軸高周波電圧Ａｖｑを重畳するように構成してもよい。そして、回転位置推定部２０は、出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波電圧Ａｖｄおよびｑ軸高周波電圧Ａｖｑと、に基づいて、同様に回転位置θを演算することができる。

ただし、ｑ軸高周波電流Ａｉｑと、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相が常に一致するのに対して、ｑ軸高周波電圧と、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相差は、一致することなく、増大する。これは、交流回転機１の回転数が増加するほど、ｄ軸方向鎖交磁束に起因する電圧成分が増加するからである。

そのため、回転位置推定部２０は、ｄ軸高周波電圧Ａｖｄおよびｑ軸高周波電圧Ａｖｑを用いることにより、回転位置θを演算すると、この位相差に基づく誤差が生じる可能性がある。したがって、回転位置θの推定精度の面を考慮すると、回転位置推定部２０は、前述したように、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑを用いることにより、回転位置θを演算することが好ましい。

（動作例３）
本実施の形態１における交流回転機１の制御装置では、電力供給部１０において重畳する高周波電力、回転位置推定部２０の演算で使用する高周波はそれぞれｄ軸方向およびｑ軸方向の電力であるが、任意の座標系に対応する電力を用いることにより、回転位置θを演算してもよい。

すなわち、例えば、電力供給部１０が、交流回転機１に対して静止した座標系であるα−β軸上にα軸方向に対応するα軸高周波電流Ａｉαおよびβ軸方向に対応するβ軸高周波電流Ａｉβを重畳するように構成してもよい。そして、回転位置推定部２０は、出力トルクＴｍと、α軸高周波電流Ａｉα、β軸高周波電流Ａｉβと、に基づいて、回転位置θを演算することができる。

この場合に、電力供給部１０は、回転位置推定部２０が出力する回転位置θを用いて交流回転機１の回転子と同期して回転するｄ−ｑ軸上のｄ軸電流指令ｉｄ１＊およびｑ軸電流指令ｉｑ１＊をα−β軸上のα軸電流指令ｉα１＊およびｑ軸電流指令ｉα１＊に座標変換し、高周波重畳部１１においてα軸高周波電流Ａｉα、β軸高周波電流Ａｉβをそれぞれ加算することでα軸高周波重畳電流指令ｉα２＊およびβ軸高周波重畳電流指令ｉα２を算出する。電流制御部１２に供給されるｄ軸高周波重畳電流指令ｉｄ２＊およびｑ軸高周波重畳電流指令ｉｑ２＊は回転位置推定部２０が出力する回転位置θを用いてα軸高周波重畳電流指令ｉα２＊およびβ軸高周波重畳電流指令ｉα２をｄ−ｑ軸上に座標変換することによって算出される。

また、回転位置推定部２０では、推定誤差演算部２２と同様の演算を行うことにより、静止座標系α−β軸と実際のｄ−ｑ軸との位相差を算出することが可能である。ここで、静止座標系α−β軸と実際のｄ−ｑ軸との位相差は回転位置θそのものに他ならない。すなわち、この場合、推定誤差制御部２３相当の演算は不要であり、推定誤差演算部２２と同様の演算のみによって回転位置θを算出することが可能である。

また、例えば、電力供給部１０が、交流回転機１に対して静止した座標系上のｕ相電圧指令ｖｕ＊、ｖ相電圧指令ｖｖ＊およびｗ相電圧指令ｖｗ＊に、それぞれの位相差が１２０度であるｕ相高周波電圧Ａｖｕ、ｖ相高周波電圧Ａｖｖおよびｗ相高周波電圧Ａｖｗを重畳するように構成してもよい。そして、回転位置推定部２０は、出力トルクＴｍと、ｕ相高周波電圧Ａｖｕ、ｖ相高周波電圧Ａｖｖおよびｗ相高周波電圧Ａｖｗと、に基づいて、同様に回転位置θを演算することができる。

この場合に、推定誤差演算部２２は、上式（５）に示したｄ軸相関値Ｚｄと同様に、ｕ相高周波電圧Ａｖｕ、ｖ相高周波電圧Ａｖｖおよびｗ相高周波電圧Ａｖｗのそれぞれと、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の相互相関関数を演算することにより、ｕ相相関値Ｚｕ、ｖ相相関値Ｚｖおよびｗ相相関値Ｚｗを演算する。

さらに、ｕ相相関値Ｚｕ、ｖ相相関値Ｚｖおよびｗ相相関値Ｚｗを直交した静止座標系であるα−β軸上に対応するα軸相関値Ｚα、β軸相関値Ｚβに変換し、α軸相関値Ｚα、β軸相関値Ｚβで除算し、除算値（Ｚα／Ｚβ）の逆正接を演算することにより静止座標系α−β軸と実際のｄ−ｑ軸との位相差である回転位置θを算出することが可能である。

（動作例４）
回転位置推定部２０が、上式（３）に示したトルクＴｍ’の角周波数ｗｈの２倍の周波数成分と、角周波数ｗｈの２倍の周波数を有するｄ軸高周波電流およびｑ軸高周波電流と、に基づいて、回転位置θを演算するように構成してもよい。すなわち、上式（３）に示すように、トルクＴｍ’は、角周波数ｗｈを有する第１正弦波と、角周波数ｗｈの２倍の周波数を有する第２正弦波と、から構成されており、第１正弦波の代わりに第２正弦波を用いる。

この場合に、出力トルク高周波生成部２１は、トルクＴｍ’から角周波数ｗｈの２倍の周波数近傍の信号のみを抽出することにより、角周波数ｗｈの２倍の周波数に対応する出力トルク高周波Ｔｍｈｆ’を生成する。したがって、回転位置推定部２０は、出力トルク高周波Ｔｍｈｆ’と、角周波数ｗｈの２倍の周波数を有するｄ軸高周波電流およびｑ軸高周波電流と、に基づいて、同様に回転位置θを演算することができる。

以上、本発明の実施の形態１によれば、交流回転機の制御装置は交流回転機と、交流回転機に電力を供給する電力供給器と、交流回転機の出力トルクを検出するトルク検出手段と、交流回転機の回転位置を推定する回転位置推定手段とを備え、電力供給器は交流回転機に供給する所望の電流或いは電圧に位相の異なる少なくとも２つ以上の軸成分から成る所定の高周波電流或いは高周波電圧を加え、回転位置推定手段は出力トルクに含まれる高周波成分と高周波電流或いは電圧に対応する高周波成分に基づいて回転位置を推定することを特徴としている。これにより、交流回転機の回転速度、電気的突極性の有無および磁気飽和発生の有無といった制約に課されることなく、交流回転機の回転位置を推定することのできる交流回転機の制御装置、交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムおよび電動パワーステアリングシステムを得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、交流回転機１の出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、に基づいて、回転位置θを推定する回転位置推定部２０を備えた交流回転機の制御装置について説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、さらに、交流回転機１の回転数を考慮して、回転位置θを推定する回転位置推定部２０ａを備えた交流回転機の制御装置について説明する。

ここで、本実施の形態２における交流回転機の制御装置は、交流回転機１の回転速度ｗが所定値未満（所定の回転数未満）の場合には、回転位置θとして、先の実施の形態１と同様に第１の回転位置θ１を出力するのに対して、回転速度ｗが所定値以上（所定の回転数以上）の場合には、回転位置θとして、交流回転機１の誘起電圧に基づいて算出した第２の回転位置θ２を出力する。

これにより、交流回転機１の回転速度ｗが、低速または停止時である場合（所定値未満の場合に相当）には、先の実施の形態１と同様に、回転位置θを精度良く推定することができるとともに、回転速度ｗが、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数よりも大きくなるような高速の場合（所定値以上の場合に相当）には、先の実施の形態１と比較して、回転位置θをより精度良く推定することができるという技術的特徴を有する。

図３は、本発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置を示した構成図である。この図３における交流回転機の制御装置は、電力供給部１０および回転位置推定部２０ａを備える。また、回転位置推定部２０ａは、出力トルク高周波生成部２１、推定誤差演算部２２、推定誤差制御部２３、誘起電圧推定部２４、切換部２５および速度推定部２６を有する。

ここで、この図３における交流回転機の制御装置を構成する各部について、先の図１における交流回転機の制御装置と比較すると、回転位置推定部２０の代わりに、回転位置推定部２０ａが用いられている。また、回転位置推定部２０ａには、回転位置推定部２０と比較すると、誘起電圧推定部２４、切換部２５および速度推定部２６が新たに加わったことが分かる。なお、図３に示した構成において、誘起電圧推定部２４、切換部２５および速度推定部２６以外は、先の実施の形態１で説明した機能構成・動作と同等であるので、詳細な説明を省略する。

この図３における交流回転機の制御装置において、出力トルク高周波生成部２１、推定誤差演算部２２および推定誤差制御部２３は、先の実施の形態１と同様の動作を行う。この場合に、推定誤差制御部２３は、第１の回転位置θ１を演算することができる（本実施の形態２では、推定誤差制御部２３が演算する回転位置を第１の回転位置θ１とする）。

また、誘起電圧推定部２４は、電流制御部１２が出力したｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊と、座標変換部１３が出力したｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑと、に基づいて、適応オブザーバおよび積分器を用いた公知の方法（例えば、特許文献１に記載）によって、交流回転機１が発生させる誘起電圧を推定し、第２の回転位置θ２を演算する（本実施の形態２では、誘起電圧推定部２４が演算する回転位置を第２の回転位置θ２とする）。

なお、誘起電圧推定部２４は、例えば、座標変換部１３が出力したｕ相電圧指令ｖｕ＊、ｖ相電圧指令ｖｖ＊およびｗ相電圧指令ｖｗ＊と、電流検出部１５が検出したｕ相検出電流ｉｕ、ｖ相検出電流ｉｖおよびｗ相検出電流ｉｗなど、任意の座標系の電圧指令、検出電流に基づいて、誘起電圧を推定してもよい。

切換部２５は、推定誤差制御部２３が出力した第１の回転位置θ１と、誘起電圧推定部２４が出力した第２の回転位置θ２と、後述する速度推定部２６が出力した回転速度ｗと、に基づいて、回転位置θを出力する。すなわち、切換部２５は、回転速度ｗが所定値未満の場合には、第１の回転位置θ１を選択し、回転速度ｗが所定値以上の場合には、第２の回転位置θ２を選択し、選択した回転位置を回転位置θとして出力する。なお、この所定値は、あらかじめ規定しておけばよい。

速度推定部２６は、切換部２５が出力した回転位置θを微分することにより、交流回転機１の回転速度ｗを演算し、切換部２５に出力する。なお、切換部２５は、回転速度ｗが零（交流回転機１が停止時）の場合に、初期設定として、第１の回転位置θ１を選択する。

このように、回転位置推定部２０ａは、回転速度ｗが所定値未満の場合には、先の実施の形態１と同様に、出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、に基づいて演算した回転位置θ１を出力する。これに対して、回転位置推定部２０は、回転速度ｗが所定値以上の場合には、交流回転機１の誘起電圧に基づいて演算した回転位置θ２を出力する。

すなわち、回転位置推定部２０ａは、出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、ｄ軸検出電流ｉｄおよびｑ軸検出電流ｉｑと、ｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊と、に基づいて、交流回転機１の回転速度ｗに応じた回転位置θを演算し、電力供給部１０に出力することとなる。

なお、誘起電圧推定部２４は、適応オブザーバおよび積分器を用いた公知の方法によって第２の回転位置θ２を演算したが、これに限定されず、その他公知の方法による誘起電圧推定に基づいて、第２の回転位置θ２を演算してもよい。

また、切換部２５が第２の回転位置θ２を、回転位置θとして選択した場合に、第１の回転位置θ１の演算が不要となるので、電力供給部１０は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの重畳を停止してもよい。この場合に、これらの高周波電流を交流回転機１に供給することによる影響を必要最小限とすることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態２によれば、交流回転機の制御装置は、出力トルクに含まれる高周波成分と高周波電流或いは電圧に対応する高周波成分に基づき算出する回転位置と交流回転機の誘起電圧に基づき算出する回転位置の双方により回転位置を推定し、交流回転機が所定の回転数以上で動作している場合のみ交流回転機の誘起電圧に基づき算出する回転位置を使用することを特徴としている。すなわち、交流回転機の回転速度が、低速または停止時である場合には、第１の回転位置を採用し、回転速度が、ｄ軸高周波電流およびｑ軸高周波電流の周波数よりも大きくなるような高速の場合には、第２の回転位置を採用することで、広範な速度範囲に渡って、回転位置を精度良く推定することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、交流回転機の制御装置について説明した。これに対して、本実施の形態３では、先の実施の形態２における交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムについて説明する。なお、本実施の形態３における交流回転機駆動システムには、先の実施の形態２における交流回転機の制御装置の代わりに、先の実施の形態１における交流回転機の制御装置を備えてもよい。また、本実施の形態３では、具体的に例示して説明するために、交流回転機駆動システムの一例である電動パワーリングシステムについて説明する。

ここで、電動パワーステアリングシステムにおける交流回転機１には、交流回転機１の全動作域において、安定して動作することが要求される。さらに、運転者が操作する場合に、滑らかな操舵性および静音性が要求されるので、トルクリプルの小さい非突極の交流回転機１が用いられることが好ましい。したがって、本実施の形態１、２における交流回転機の制御装置を、電動パワーステアリングシステムに適用すれば、交流回転機１の回転数、突極性の有無および磁気飽和発生の有無に関わらず、回転位置θを安定して精度良く推定することができるので、従来技術と比較した有利な効果が得られる。

また、先の実施の形態１、２では、トルク検出部２が交流回転機１の出力軸上で直接、出力トルクＴｍを検出する場合について説明した。これに対して、先の実施の形態１、２における交流回転機の制御装置を、一般的な電動パワーステアリングシステムに適用した場合には、トルク検出部２は、交流回転機１の出力軸上で直接、出力トルクＴｍを検出しない。したがって、本実施の形態３において、トルク検出部２が検出する出力トルクＴｍは、先の実施の形態１、２とは異なり、交流回転機１の出力軸上に加わる出力トルク（以降では、交流回転機１の出力トルクＴｍ０と称す）と一致しない。また、出力トルクＴｍと、出力トルクＴｍ０と、の間には、トルクの周波数に依存した所定の位相差θ０が存在する。

したがって、より精度良く回転位置θを推定する場合には、この所定の位相差θ０を考慮しなければならない。本実施の形態３では、所定の位相差θ０を考慮することにより、回転位置θをより精度良く推定することのできる電動パワーステアリングシステムについて、具体的に例示して説明する。

図４は、本発明の実施の形態３における電動パワーステアリングシステムを示した構成図である。この図４における電動パワーステアリングシステムは、交流回転機１、トルク検出部２、電力供給部１０、回転位置推定部２０ｂ、ハンドル３０、前輪４０、ギア５０および伝達軸６０を備える。

ここで、この図４における電動パワーステアリングシステムを構成する各部について、交流回転機１、トルク検出部２および電力供給部１０は、先の実施の形態１、２で説明した機能構成・動作と同等であるので、詳細な説明を省略する。また、回転位置推定部２０ｂには、先の実施の形態２における回転位置推定部２０ａと比較すると、位置誤差推定部２２３の代わりに、位置誤差推定部２２３ｂが用いられている。なお、回転位置推定部２０ｂにおいて、位置誤差推定部２２３ｂ以外は、先の実施の形態１、２で説明した機能構成・動作と同等であるので、詳細な説明を省略する。

運転者は、ハンドル３０を左右に回転させて、前輪４０の操舵を行う。ギア５０は、交流回転機１の出力トルクＴｍ０を伝達軸６０に伝達する。伝達軸６０は伝達された交流回転機の出力トルクをハンドル３０及び前輪４０に伝達し、運転者の操舵を補助する。トルク検出部２は伝達軸６０に接続され、トルク検出部２を構成するトーションバーの捩れからギア２２を介して伝達される伝達軸２３上の交流回転機の出力トルクおよび運転手の操舵トルクに基づく出力トルクＴｍを検出し、出力トルクＴｍを回転位置推定手段９ｂに出力する。

また、推定誤差演算部２２における乗算部２２１および積分部２２２は、先の実施の形態１、２と同様の動作を行う。この場合に、位置誤差推定部２２３ｂは、積分部２２２が出力したｄ軸相関値Ｚｄをｑ軸相関値Ｚｑで除算し、除算値の逆正接を演算する。さらに、位置誤差推定部２２３ｂは、この演算値から、所定の位相差θ０を減算することにより、回転位置推定誤差Δθを演算し、推定誤差制御部２３に出力する。なお、所定の位相差θ０については、後述する。

また、電力供給部１０に入力されるｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数は、運転者による操舵トルクＴｈの周波数よりも十分大きく、さらに、交流回転機１の慣性と、ハンドル３０の慣性と、伝達軸６０の剛性と、に起因する共振周波数よりも十分大きい、かつ電流制御部がｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する際の一般的な制御応答である５００Ｈｚよりも十分小さい周波数になるように設定される。従って、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数は、特に、２０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲内で設定されることが好ましい。

次に、位置誤差推定部２２３ｂが、所定の位相差θ０を減算することにより、回転位置推定誤差Δθを演算する演算方法について、図５および図６を参照して説明する。図５は、本発明の実施の形態３において、交流回転機１の出力軸、ハンドル３０および伝達軸６０のそれぞれに加わるトルクの関係を示した説明図である。図６は、本実施の形態３において、交流回転機１の出力軸に加わる出力トルクＴｍ０に対応した出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０と、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍに対応した出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相関係を示した説明図である。

この図５には、交流回転機１、ハンドル３０およびトルク検出部２を構成するトーションバーのそれぞれに加わるトルクの関係が、機械的に等価な構造によって示されている。ここで、伝達軸６０はトルク検出部２を構成するトーションバーと比較して十分剛であることとし、無視している。また、この図５には、交流回転機１の慣性モーメントＪｍと、交流回転機１の出力軸に加わる出力トルクＴｍ０と、ハンドル３０の慣性モーメントＪｈと、運転者による操舵トルクＴｈと、ギア５０のギア比Ｇと、伝達軸６０に加わる出力トルクＴｍと、トルク検出部２を構成するトーションバーの減衰定数Ｃと、トルク検出部２を構成するトーションバーのバネ定数Ｋと、が示されている。

ここで、出力トルクＴｍ、出力トルクＴｍ０および操舵トルクＴｈの関係は、下式（１０）のように示される。

また、電力供給部１０に入力されるｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数は、前述したように、操舵トルクＴｈの周波数よりも十分大きい周波数になるように設定される。したがって、上式（１０）において、出力トルクＴｍ０の角周波数ｗｈ成分を出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０として、出力トルクＴｍの角周波数ｗｈ成分を出力トルク高周波Ｔｍｈｆとした場合に、出力トルク高周波Ｔｍｈｆは、下式（１１）のように示される。

また、上式（１１）におけるギア比Ｇ、慣性モーメントＪｍ、減衰定数Ｃおよびバネ定数Ｋのそれぞれは、ギア５０、交流回転機１および伝達軸６０の機械的特性を表す定数である。したがって、出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０および出力トルク高周波Ｔｍｈｆの位相差は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数のみに依存することが分かる。この出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０および出力トルク高周波Ｔｍｈｆの位相差が、前述した所定の位相差θ０となる。なお、所定の位相差θ０は、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数に基づいて値が決まる。

また、この図６には、先の図２と同様に、実際のｄ−ｑ軸および推定ｄ−ｑ軸の位相関係が示されており、これらの軸の位相差が回転位置推定誤差Δθである。さらに、この図６には、交流回転機１の出力軸に加わる出力トルクＴｍ０に対応した出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０と、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍに対応した出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相関係が図示されている。

ここで、出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０は、交流回転機１の出力軸に加わる出力トルクＴｍ０に対応するので、図６に示すように、推定ｄ−ｑ軸との位相差がΔθである実際のｄ−ｑ軸上におけるｑ軸上に位置する。また、前述したように、出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０と、出力トルク高周波Ｔｍｈｆと、の位相差が所定の位相差θ０であるので、図６に示すように、出力トルク高周波Ｔｍｈｆは、出力トルク高周波Ｔｍｈｆ０が位置するｑ軸上から所定の位相差θ０だけ回転した位置に位置する。

このように、位置誤差推定部２２３ｂは、積分部２２２が出力した相関値Ｚｄを相関値Ｚｑで除算した除算値の逆正接を演算し、この演算値から、所定の位相差θ０を減算することにより、回転位置推定誤差Δθをより精度良く演算することができる。そのため、回転位置推定部２０は、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍと、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑと、に基づいて、先の実施の形態１、２と同様に、回転位置θを演算することが可能となる。

したがって、電動パワーステアリングシステムにおいて、位置センサを用いることなく、交流回転機１の全動作域で安定した運転手の操舵補助を行うことができる。さらに、交流回転機１の出力軸における出力トルクＴｍ０と、トルク検出部２が検出した出力トルクＴｍと、の間に存在する所定の位相差θが考慮されているので、回転位置推定部２０は、回転位置θをより精度良く推定することができる。

また、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数が、交流回転機１の慣性と、ハンドル３０の慣性と、伝達軸６０の剛性と、に起因する共振周波数よりも、十分高い周波数であり、かつ電流制御部がｄ軸電圧指令ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令ｖｑ＊を生成する際の一般的な制御応答である５００Ｈｚよりも十分小さい２０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲内で設定される場合に、回転位置推定部２０は、回転位置θをより精度良く推定することができる。さらに、回転位置推定部２０における回転位置θの推定精度に対する電流制御部との干渉を最小限にする場合、ｄ軸高周波電流Ａｉｄおよびｑ軸高周波電流Ａｉｑの周波数を２０Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の範囲内で設定すると良い。すなわち、高周波電力を交流回転機１に供給することによって発生する交流回転機１の振動を最小限とすることができる。したがって、交流回転機１の動作に影響を及ぼすことがないので、回転位置推定部２０は、回転位置θをより精度良く推定することができる。

なお、本実施の形態３において、電動パワーステアリングシステムを例示して説明したが、回転負荷であるハンドル３０は、ハンドル以外の慣性モーメントに置き換えてもよく、電動パワーステアリング以外のいわゆる２慣性系として知られている装置のシステムに、本実施の形態１、２における交流回転機の制御装置を適用しても、同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態３によれば、交流回転機駆動システムに適用された交流回転機の制御装置は、位置センサを使用することなく、交流回転機の回転数、突極性の有無、磁気飽和発生の有無といった制約に課されることなく、回転位置を安定して精度良く推定することができる。これにより、優れた操舵性および高い安全性を確保した交流回転機駆動システムを得ることができる。

なお、本実施の形態３において、交流回転機駆動システムの一例である電動パワーステアリングシステムが位置センサを備えない場合について説明したが、これに限定されず、位置センサを備えてもよい。すなわち、例えば、通常時において、位置センサにより回転位置を検出し、位置センサが故障した場合などの特定の条件下において、交流回転機の制御装置が回転位置を推定するようにしてもよい。

これにより、通常時には、位置センサが回転位置を検出し、位置センサが故障した場合には、交流回転機の制御装置が回転位置を推定することができるので、位置センサの故障後においても、安全な継続運転が可能となる。

１ 交流回転機、２ トルク検出部、１０ 電力供給部、１１ 高周波重畳部、１２ 電流制御部、１３ 座標変換部、１４ 電力変換部、１５ 電流検出部、２０、２０ａ、２０ｂ 回転位置推定部、２１ 出力トルク高周波生成部、２２ 推定誤差演算部、２３ 推定誤差制御部、２４ 誘起電圧推定部、２５ 切換部、２６ 速度推定部、３０ ハンドル、４０ 前輪、５０ ギア、６０ 伝達軸、２２１ 乗算部、２２２ 積分部、２２３、２２３ｂ 位置誤差推定部、２３１ ＰＩ制御部。

Claims (14)

1. 交流回転機と、
   前記交流回転機に電力を供給する電力供給部と、
   前記交流回転機の出力トルクを検出するトルク検出部と、
   前記交流回転機の回転位置を推定する回転位置推定部と、
   を備え、
   前記電力供給部は、前記交流回転機に供給する所望の電力に位相の異なる少なくとも２つ以上の軸成分から成る所定の高周波電力を加え、
   前記回転位置推定部は、前記出力トルクに含まれる高周波成分と、前記高周波電力に対応する高周波成分とに基づいて、回転位置を推定する
   交流回転機の制御装置。
   
2. 前記電力供給部は、前記高周波電力を前記回転位置と同期して回転する回転座標軸上に供給する
   請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
3. 前記電力供給部は、前記高周波電力を静止直交座標軸上に供給する
   請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
4. 前記高周波電力に対応する高周波成分は、高周波電流である
   請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
5. 前記高周波電力に対応する高周波電流は、電流指令である
   請求項４に記載の交流回転機の制御装置。
6. 前記電力供給部が加える所定の高周波電力は、高周波電流である
   請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
7. 前記回転位置推定部は、
   前記出力トルクに含まれる高周波成分と、前記高周波電力に対応する高周波電流とに基づいて、推定回転位置の誤差である回転位置推定誤差を出力する推定誤差演算部と、
   前記回転位置推定誤差が零となるように、前記回転位置を算出し、出力する推定誤差制御部と、
   を備える請求項２に記載の交流回転機の制御装置。
8. 前記推定誤差演算部は、
   前記出力トルクに含まれる高周波成分と、前記高周波電力に対応する高周波電流の前記推定回転位置と同期して回転する回転座標軸の各軸成分それぞれとを乗算する乗算部と、
   前記乗算部の出力それぞれを少なくとも前記高周波電力の周期よりも長い区間積分する積分部と、
   前記積分部の出力それぞれの関係から逆正接関数に基づいて、前記回転位置推定誤差を算出する位置誤差推定部と、
   を備える請求項７に記載の交流回転機の制御装置。
9. 前記回転位置推定部は、
   前記出力トルクに含まれる高周波成分と、前記高周波電力に対応する高周波電流の静止直交座標軸の各軸成分それぞれとを乗算する乗算部と、
   前記乗算部の出力それぞれを少なくとも前記高周波電力の周期よりも長い区間積分する積分部と、
   前記積分部の出力それぞれの関係から逆正接関数に基づいて、前記回転位置を算出する位置誤差推定部と、
   を備える請求項３に記載の交流回転機の制御装置。
10. 前記位置誤差推定部は、前記積分部の出力それぞれの関係から逆正接関数により算出した位置に所定値を加減算した値を回転位置推定誤差として出力するようにした
    請求項８または９に記載の交流回転機の制御装置。
11. 前記回転位置推定部は、前記出力トルクに含まれる高周波成分と前記高周波電力に対応する高周波成分に基づき算出する回転位置と、前記交流回転機の誘起電圧に基づき算出する回転位置との双方により回転位置を推定する
    請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
12. 前記回転位置推定部は、前記交流回転機が所定の回転数以上で動作している場合のみ前記交流回転機の誘起電圧に基づき算出する回転位置を使用する
    請求項１１に記載の交流回転機の制御装置。
13. 請求項１に記載の交流回転機の制御装置を備えた交流回転機駆動システムであって、
    前記交流回転機駆動システムは、
    前記交流回転機の出力トルクを伝達する伝達軸と、
    伝達軸を介して交流回転機の出力トルクが加えられる回転負荷と
    を備え、
    前記電力供給部が加える所定の高周波電力は、前記交流回転機駆動システムの交流回転機の慣性と回転負荷の慣性と伝達軸の剛性に起因する共振周波数よりも高い周波数とした
    交流回転機駆動システム。
14. 請求項１３に記載の交流回転機駆動システムは、
    電動パワーステアリングシステムであって、
    前記電力供給部が加える所定の高周波電力は、２０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲内の周波数とした
    電動パワーステアリングシステム。

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