JP6158115B2 - 磁石磁束量推定装置、異常減磁判定装置、同期電動機駆動装置および電動車両 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁石磁束量推定装置、異常減磁判定装置、同期電動機駆動装置および電動車両に関する。

埋め込み型永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）では、ロータ内部に永久磁石を埋め込む配置とすることにより、高トルクを得ている。ＩＰＭＳＭの発生トルクは、磁石磁束によるトルクであるマグネットトルクと、磁気抵抗の変化によって発生するリラクタンストルクの和で表され、マグネットトルクは磁石磁束に比例するトルクであるため、永久磁石磁束が変動するとマグネットトルクも変動し、ひいては発生トルクが変動することになる。しかし、ロータ内部の永久磁石は、それ自身の温度に応じて発生する磁束が変化する特性が知られている。すなわち、永久磁石の温度変化に応じてＩＰＭＳＭの発生トルクが変化することになり、モータの出力トルク指令に対して、実際の出力トルクの精度が悪化してしまう。

また、永久磁石の温度が一定以上に上昇してしまうと、その後温度が低下しても磁石磁束が回復しない、いわゆる「不可逆減磁」を起こす。不可逆減磁状態に陥ってしまうと、出力トルクが低下してしまうことはもちろん、要求トルクを発生するためにはより大きな電流を流さなければならず、モータの効率を悪化させてしまう。

上述のような状況に対応するため、永久磁石の磁束の減磁状態を検知する技術が開発されている。また、永久磁石同期電動機の回転角センサレス制御技術を応用して開発された減磁検知技術がある。

上述した永久磁石の磁束の減磁状態を検知する技術は、モータの電圧が磁石磁束を比例係数としてモータの回転速度に比例する特性を持つことを利用して、磁石磁束の減磁状態を検知している。このような手法では、モータが十分高速で回転していることが必要で、停止状態では減磁状態を検知することができない。

また、永久磁石同期電動機の回転角センサレス制御技術を応用して開発された減磁検知技術は、回転角センサレス制御のＮＳ極性判別の際に、推定したｄ軸方向に正負のバイアス電流を流した時、バイアス電流の作る磁束と磁石磁束の合成磁束により磁気飽和が発生して、ｄ軸インダクタンスが低下する現象を利用している。すなわち、減磁状態では磁気飽和が発生せずｄ軸インダクタンスも低下しないことに基づいて、減磁状態を検知するというものである。しかし、この方法では、正負のバイアス電流を順次流す必要があり、減磁状態の検知に時間がかかるという問題がある上、磁石磁束量そのものを検出または推定することは不可能である。

特許第４２２３８８０号公報 特開２００９−２２０９１号公報 特開２００９−１７７９６０号公報

上述した永久磁石の磁束の減磁状態を検知する技術は、モータの電圧が磁石磁束を比例係数としてモータの回転速度に比例する特性を持つことを利用して、磁石磁束の減磁状態を検知している。このような手法では、モータが十分高速で回転していることが必要で、停止状態では減磁状態を検知することができない。

また、永久磁石同期電動機の回転角センサレス制御技術を応用して開発された減磁検知技術は、回転角センサレス制御のＮＳ極性判別の際に、推定したｄ軸方向に正負のバイアス電流を流した時、バイアス電流の作る磁束と磁石磁束の合成磁束により磁気飽和が発生して、ｄ軸インダクタンスが低下する現象を利用している。すなわち、減磁状態では磁気飽和が発生せずｄ軸インダクタンスも低下しないことに基づいて、減磁状態を検知するというものである。しかし、この方法では、正負のバイアス電流を順次流す必要があり、減磁状態の検知に時間がかかるという問題がある上、磁石磁束量そのものを検出または推定することは不可能である。

本願は上述した課題を解決するためになされたものであり、モータを回転させることなく、短時間に磁石磁束量の推定ならびに減磁状態の検知を行う磁石磁束量推定装置、異常減磁判定装置、同期電動機駆動装置および電動車両を提供することを目的とする。

一実施形態の磁石磁束量推定装置は、永久磁石を回転子内部に有する永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、前記判断された磁極方向に対応するｄ軸のインダクタンス相当値を判断するインダクタンス相当値判断手段と、前記インダクタンス相当値に基づいて、前記永久磁石の磁石磁束量の推定値を演算する磁石磁束量推定手段と、前記ｄ軸に可変バイアス電流を流すバイアス電流手段と、を備え、前記磁石磁束量推定手段は、前記バイアス電流手段がバイアス電流を変化させ、前記ｄ軸インダクタンス相当値が所定値を超えるときのバイアス電流値に基づいて磁石磁束量を決定するか、又は、前記バイアス電流手段がバイアス電流を所定バイアス電流値に設定したときのｄ軸インダクタンス相当値に基づいて磁石磁束量を決定するか、又は、前記バイアス電流手段が前記バイアス電流を連続的に変化させ、前記ｄ軸インダクタンス相当値が極大点に至った動作点における前記バイアス電流値もしくは前記インダクタンス相当値の少なくとも一方に基づいて磁石磁束量を決定する。

図１は、第１実施形態の磁石磁束推定装置を搭載したシステムの一構成例を示すブロック図である。 図２は、永久磁石同期電動機のｄ軸インダクタンス特性の一例を示す図である。 図３は、永久磁石同期電動機の構造例を示す図である。 図４は、インダクタンスの飽和特性例を示す図である。 図５は、磁石磁束が変化した場合のｄ軸インダクタンス特性の一例を示す図である。 図６は、ｄ軸電流のステップ応答の一例を示す図である。 図７は、矩形波電圧指令を印加した時のｄ軸電流応答の一例を示す図である。 図８は、第２実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。 図９は、高周波電圧及び対応する高周波電流波形の例を示す図である。 図１０は、第３実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。 図１１は、第３実施形態のシステムにおけるインダクタンス特性の一例を示す図である。 図１２は、第３実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両における制御フローを示す図である。 図１３は、第４実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。 図１４は、第４実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の他の構成例を示す図である。 図１５は、異常減磁状態と正常状態のインダクタンス特性の例を示す図である。 図１６は、第５実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。 図１７は、第５実施形態のシステムにおける、永久磁石同期電動機のｄ軸を含む軸定義を説明するための図である。 図１８は、ゲート指令に基づいて復元したＰＷＭ変調後の電圧指令の一例を示す図である。 図１９は、静止座標系αβ軸におけるゲート信号の空間ベクトルの一例を示す図である。 図２０は、第５実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両のキャリア高調波成分演算手段の処理ブロックの一例を示す図である。 図２１は、第５実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両におけるインダクタンス特性の一例を示す図である。

以下、実施形態に係る永久磁石同期電動機の磁石磁束量推定装置及び磁石磁束量推定方法について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の磁石磁束推定手段、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示すブロック図である。なお、以下に複数の実施形態について説明するが、本実施形態の構成と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図１に示す電動車両は、上位制御部１と、電流制御手段２と、座標変換手段３と、三角波ＰＷＭ変調手段４と、インバータ５と、電流検出手段６と、モータ７と、磁極位置検出手段８と、座標変換手段９と、インダクタンス相当値計測手段１０と、磁石磁束推定手段１１と、車輪ＷＬと、交流電動機Ｍの回転動力を車輪ＷＬへ伝達する車軸１００と、を備えている。

電流制御手段２、座標変換手段３、および、三角波ＰＷＭ変調手段４は、例えば、磁極位置検出手段にて判断された磁極方向と、入力される電流指令値と、モータ７に流れる電流の応答電流値に基づいて、インバータ５を制御するインバータ制御部である。

上位制御部１は、例えばトルク指令をｄｑ軸回転座標系の電流指令値ｉｄｒｅｆ，ｉｑｒｅｆに変換して電流制御手段２へ出力する。

電流制御手段２は、電流検出手段６において検出された電流応答値ｉｄ，ｉｑと、電流指令値ｉｄｒｅｆ，ｉｑｒｅｆとを比較し、電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑを決定する。

座標変換手段（ｄｑ／ＵＶＷ）３は、回転角度θｍを用いて、ｄｑ軸回転座標系の電圧指令Ｖｄ，Ｖｑを三相固定座標系の電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗへ座標変換する。

三角波ＰＷＭ変調手段４は、ＰＭＳＭを駆動するための電圧指令値（変調率指令値）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを、三角波ＰＷＭによって変調し、インバータの各相スイッチング素子のオン／オフ指令であるゲート信号を出力する。

インバータ５は、インバータ５を駆動するためのゲート指令を入力とし、インバータ５に内蔵される主回路スイッチング素子のオン／オフを切替えることによって交流電力と直流電力とを相互に変換する。例えば、インバータ５には複数の２次電池を組み合わせた直流電源が外部から接続され、インバータ５は直流電源の直流電力を交流電力に変換してモータ７へ供給するとともに、モータ７からの回生電力を直流電力に変換して直流電源へ充電可能である。

電流検出手段６は、インバータ５からＰＭＳＭ７へ流れる３相交流電流のうち２相もしくは３相の電流応答値を検出する。図１では、２相（Ｕ相およびＷ相）の電流を検出する構成を示している。

モータ７はＰＭＳＭ（永久磁石同期電動機）であって、各励磁相に流れる３相交流電流によって磁界が発生し、回転子との磁気的相互作用によりトルクを発生する。モータ７で発生した動力は車軸１００を介して車輪ＷＬへ伝達される。

磁極位置検出手段８は、永久磁石を回転子内部に有する永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する手段であって、例えばレゾルバやエンコーダ等の回転角度センサによって、ロータの回転角度θｍを検出する。また、磁極位置検出手段８は他の方法として、回転角センサレス制御として実用化されている方式を利用し、電気的にロータの回転角度を推定して回転角度値として用いることも可能である。

座標変換手段（ｄｑ／ＵＶＷ及びＵＶＷ／ｄｑ）９は、回転角度θｍを用いて、三相固定座標系の電流値ｉｕ、ｉｗをｄｑ軸回転座標系の電流値ｉｄ、ｉｑへ座標変換を行う。

インダクタンス相当値計測手段１０は、電圧指令値Ｖｄとｄ軸電流応答値ｉｄとから、ｄ軸インダクタンスＬｄもしくはその相当値を計算し、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔとして出力する。ｄ軸インダクタンスＬｄは数式（１）に示すＰＭＳＭの電圧方程式中に現れており、ｄ軸電流応答値ｉｄとｄｑ軸電圧値ｖｄ，ｖｑの相関係数となっていることから、例えば回転数ω＝０，ｉｑ＝０の条件でＬｄの関係式は数式（２）のように簡単な数式で表すことが出来る。

ここで、ｖｄ，ｖｑ：ｄ軸電圧，ｑ軸電圧
ｉｄ，ｉｑ：ｄ軸電流，ｑ軸電流
Ｒ：電機子巻線抵抗，
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス，
Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス，
Φ：永久磁石磁束，
ω：回転速度
ｐ：微分演算子 である。

数式（２）において、ｄ軸電流の直流分がほぼゼロでｄ軸電流変化が十分大きい場合や、ｄ軸電流の高周波成分が支配的な場合、第一項Ｒは第二項ｐＬｄに比べて十分小さいため無視でき、数式（３）のように表せる。ここでｄ軸電流とは、回転子の磁極方向の電流で、本実施形態のように回転角度センサを使用している場合は、回転角度センサが検出した磁極方向、センサレス制御の場合は、推定された磁極軸方向の電流である。

数式（３）の関係を利用することにより、ｄ軸インダクタンスＬｄは数式（４）のように表すことができる。

数式（４）より、モータ７に印加するｄ軸電圧ｖｄと、ｄ軸電流応答ｉｄの変化率ｄ／ｄｔ・ｉｄから、ｄ軸インダクタンスＬｄを求めることができる。ここでｄ軸電圧は、図１の電圧指令値Ｖｄとする。

ここで、モータ７に印加するｄ軸電圧ｖｄを一定とすれば、電流変化率の逆数を乗じたものがインダクタンス値であるから、ｄ軸インダクタンスＬｄそのものを演算しなくとも、電流変化率もしくはその逆数をインダクタンス相当値とすることができる。逆に、電流変化率（電流指令値の変化率）を一定に制御した時のｄ軸電圧ｖｄをインダクタンス相当値とすることも可能である。

磁石磁束推定手段１１は、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔを入力として、磁石磁束推定値φｅｓｔを演算する。磁石磁束推定手段１１では、例えばインダクタンス相当値Ｌｅｓｔに対して数式（５）に示すような反比例関係式に基づいて磁束φｅｓｔを求める。

これは、後述するように、磁束φｅｓｔは所定の動作点で計測したインダクタンス相当値に略反比例する特性を示すからである。また、他の推定方法としては、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔと磁束φｅｓｔをテーブル化して記憶しておき、テーブルを参照して磁束φｅｓｔを求めてもよい。

次に、磁石磁束推定手段１１において、ｄ軸インダクタンス相当値Ｌｅｓｔから磁石磁束を推定できる原理について説明する。

図２は、永久磁石同期電動機のｄ軸インダクタンス特性の一例を示す図である。

先ず、ＰＭＳＭの特性について説明する。磁極のＮ極方向をｄ軸として、ｄ軸電流に正の電流を流すことは、磁石の磁束を強めるように電流を流すことを表す。また、ｄ軸インダクタンスＬｄとは、ｄ軸の電流変化量Δｉｄとｄ軸の磁束変化量Δφｄから次式にて定められるものとする。

すると、一般的なＩＰＭＳＭでは図２の特性ａに示すように、ｄ軸電流ｉｄの増加に従い磁気飽和の影響で、ｄ軸インダクタンスが単調減少するインダクタンス特性を示す。しかし、本願発明者は、後述する構造のＩＰＭＳＭでは、ａのような特性ではなく、特性ｂのようにｄ軸インダクタンスがｄ軸電流ｉｄに対して正の領域に極大点を持ち、極大点よりもｄ軸電流ｉｄを更に大きくすると単調減少するインダクタンス特性を持つことを発見した。

図３は、永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）の構造例を示す図である。

上記のインダクタンス特性を持つＩＰＭＳＭとは、例えば、図３のようにＩＰＭＳＭの回転子中に磁石３００ａ、３００ｂが埋め込まれ、各磁石の両側に鉄心のブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃがある構造のＩＰＭＳＭである。尚、図３はモータ全体の１／４の領域を示し、３０２はロータ鉄心、３０３はステータ鉄心、３０４は回転子の定義上のｄ軸である。

ＩＰＭＳＭがこのような形状のとき、磁石のＮ極側から出た磁束の一部はブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃを通ってＳ極側に至るため、このブリッジは磁石磁束によって磁気的に飽和する。この時、図３に図示したｄ軸方向に正の電流を流すと、固定子コイルによってｄ軸３０４と同方向に磁束が形成される。このため、磁石のＮ極から出た磁束は、ブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃを通らずに固定子を通ってＳ極側に至るという経路を形成し、ブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃの磁束が減少してこの部分の磁気飽和が緩和されるので、ｄ軸インダクタンスＬｄが大きくなる。さらにｄ軸電流を大きくしていくと、固定子を通る磁路が磁気飽和していくため、ｄ軸インダクタンスが減少していく。これにより、図２特性ｂのようなインダクタンス特性となる。

図４は、インダクタンスの飽和特性例を示す図である。

尚、磁気的に飽和している、もしくは磁気飽和とは、図４のように固定子電流の増加に伴う磁界Ｈの増加に対して、磁束Ｂが線形増加しなくなり、線形増加特性よりも減少した特性を示す状態を指す。インダクタンスは磁界の増加に対する磁束の増加係数（図４の傾きＬに相当）であるから、磁気飽和領域においては、インダクタンスが減少することになる。

図５は、磁石磁束が変化した場合のｄ軸インダクタンス特性の一例を示す図である。

上記のように、図２の特性ｂとなる要因は磁石の磁束がブリッジ部を通って磁気飽和を発生することであるため、磁石の磁束が変動すると、固定子コイルのｄ軸方向に正の電流を流した時、ブリッジ部の磁気飽和が緩和される動作点、すなわち図２の点Ａにおけるｄ軸電流値ｉｄＡも変動することになる。この変動の様子を図５に示す。

図５において、特性［１］は、磁石磁束が設計上の最大磁束の場合であり、特性［２］及び特性［３］はそこから減磁した状態を示している。この時、例えばｉｄ＝０のインダクタンス値Ｌｄ１，Ｌｄ２，Ｌｄ３は増加傾向を示していることから、ｉｄ＝０のとき、磁石磁束が減少するとインダクタンス値は増加することがわかる。上記の特性によれば、インダクタンス値から磁石磁束の推定値を演算することができる。

図６は、ｄ軸電流のステップ応答の一例を示す図である。

次に、インダクタンス相当値計測手段１０がインダクタンス値あるいはインダクタンス相当値を計算するための電流・電圧指令について説明する。上述したように、インダクタンス値を計算する場合、ｄ軸電流の変化率を利用することから、ｄｑ軸電流指令ｉｄｒｅｆ，ｉｑｒｅｆとしてはｉｄｒｅｆ＝所定の変化を示す値、ｉｑｒｅｆ＝０とすればよい。また、電圧指令は、これらの電流指令を上位制御部１が電流制御手段２に入力した時の電流制御手段２の出力電圧指令となる。一般的なＰＩ（比例積分）制御を採用した電流制御手段の場合、電流応答は図６のようになる。この時、ＰＩ制御器のゲインを適切に設定することで、ｄ軸電流ｉｄの応答時定数Ｔｄを設計することができ、ｄ軸をＬＲ回路とみなした時、

と表現することができる。図６のようなステップ応答では、電流応答が０から指令の６３％に至る時間Δｔが時定数Ｔｄであるから、

となり、Ｒをあらかじめ測定しておけば、電流変化率を使用せずにΔｔからＬｄを求めることもできる。またその場合、Δｔそのものをインダクタンス相当値Ｌｅｓｔとして用いることも可能である。

図７は、矩形波電圧指令を印加した時のｄ軸電流応答の一例を示す図である。

数式（４）に基づいてインダクタンスＬｄを計算する場合、電流制御手段の出力電圧は図７のような矩形波状の電圧とし、この時の電流ｉｄの傾きｄｉｄを計測すれば、変化率ｄ／ｄｔ・ｉｄと等価であるため、容易にインダクタンスＬｄを計算することができる。このように構成することにより、電流・電圧からｄ軸のインダクタンス相当値Ｌｅｓｔを求め、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔに基づいて磁石磁束量の推定値を演算することができる。

インダクタンス相当値Ｌｅｓｔと磁石磁束φｅｓｔの相関関係は、数式（５）に示す通り略反比例特性となる場合もありうるし、２次以上の関数で表現できる場合もありうる。２次以上の関数で表現する場合、関数を記憶しておいてインダクタンス相当値から磁石磁束を計算すればよいが、演算量が増加して問題となる場合も考えられるため、テーブル化して記憶しておき、テーブル参照によって磁石磁束を求める方法も考えられる。

磁石磁束推定手段１１で演算された磁石磁束の推定値φｅｓｔは、上位制御部１に送信されてもよい。

上位制御部１は、磁石磁束の推定値φｅｓｔと予め設定された第１閾値とを比較して、磁石磁束の推定値φｅｓｔが第１閾値以下であるときに、電流指令値に所定の値を加算する手段１Ａを備えていてもよい。このとき、電流指令値に加算する値は、磁石磁束の推定値φｅｓｔや磁石磁束の推定値φｅｓｔと第１閾値との差に応じた値を予め格納したテーブルに基づいていてもよく、磁石磁束の推定値φｅｓｔを用いた所定の演算式によって演算される値であってもよい。

さらに、手段１Ａは、磁石磁束の推定値φｅｓｔと予め設定された第２閾値とを比較して、磁石磁束の推定値φｅｓｔ第２閾値以下であるときに、例えば、電動車両のメータパネルの表示等の通知手段３００を制御してモータの点検・交換時期であることをユーザへ通知してもよい。このとき、第２閾値は第１閾値と同じ値であってもよい。

磁石磁束推定手段１１で演算された磁石磁束の推定値φｅｓｔは、電流制御手段２に送信されてもよい。

電流制御手段２は、磁石磁束の推定値φｅｓｔと予め設定された第３閾値とを比較して、磁石磁束の推定値φｅｓｔが第３閾値以下であるときに、電流指令値に所定の値を加算する手段２Ａを備えていてもよい。このとき、電流指令値に加算する値は、磁石磁束の推定値φｅｓｔや磁石磁束の推定値φｅｓｔと第３閾値との差に応じた値を予め格納したテーブルに基づいていてもよく、磁石磁束の推定値φｅｓｔを用いた所定の演算式によって演算される値であってもよい。

なお、上記の電流指令値に所定の値を加算する処理は、上位制御部１と電流制御手段２とのいずれか一方で行われればよく、両方で行う必要はない。

永久磁石の磁力が低下している場合には、電流指令値に対して所望のトルクが得られないため、上記のように、磁石磁束の推定値φｅｓｔが所定の閾値以下である場合に電流指令値に所定値を加算することにより、永久磁石の磁力が低下してときでもトルクが低下することを回避することができる。

以上のように、本実施形態による磁石磁束推定装置及び方法では、モータを回転することなく、かつ短時間にｄ軸インダクタンス相当値を計測し、磁石磁束の推定値を演算することが可能となる利点を得られる。

［第２実施形態］
図８は、第２実施形態の磁石磁束推定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。

図８では、図１に対して、高周波電圧印加手段１２と、加算器１３と、高周波電流振幅検出手段１４と、が新たに追加された構成となっている。

図９は、高周波電圧及び対応する高周波電流波形の例を示す図である。

高周波電圧印加手段１２は、たとえば図９（ａ）に示すような高周波電圧ｖｄｈｆを出力し、この高周波電圧ｖｄｈｆは電流制御手段２の出力であるｄ軸電圧指令Ｖｄ１に加算器１３にて加算されて新たなｄ軸電圧指令Ｖｄ２が演算され、座標変換手段３に入力される。

高周波電流振幅検出手段１４は、高周波電圧印加手段１２で印加された高周波電圧ｖｄｈｆによって流れた高周波電流ｉｄｈｆの振幅Δｉｈｆを計測する。高周波電流ｉｄｈｆは図９（ｂ）に示すような波形となるため、ピーク間の振幅Δｉｈｆを計測すると、数式（３）より、高周波電圧の振幅Ｈｖと高周波周期Ｔｈｆを用いて、数式（９）から数式（１０）のようにｄ軸インダクタンス値を演算することが可能となる。

この時、振幅Ｈｖ、高周波周期Ｔｈｆ、振幅Δｉｈｆのうち２つを固定値になるよう設定もしくは制御すれば、残る１つをインダクタンス相当値Ｌｅｓｔとすることができる。

次に本実施形態での効果を説明する。一般的に、電流応答値はノイズ等の影響を受け、瞬時値として誤差が発生する。誤差を含んだ電流応答値に基づいてインダクタンス相当値の計算ならびに磁石磁束の推定を行うと、結果として得られる磁石磁束推定値にも誤差が含まれることになる。

このような問題に対して、高周波電流の振幅を利用すれば、高周波を印加している期間中の平均値として振幅を計算することができるようになるため、ノイズ等の影響を受けにくくすることが可能となる。この時、振幅を平均する周期は、ノイズの影響を受けにくくなる範囲で任意に設定することができ、高周波２〜３周期分の短い周期でもよいし、それ以上の長い周期でもよい。長い周期を選択すればノイズの影響をより受けにくくなるが、モータの温度変化などの影響により緩やかに磁石磁束が変化するような場合に、正しい磁石磁束推定値が得られなくなるという影響があるため、これらの要因を考慮して適切な周期数に選択すればよい。

以上のように、本実施形態による磁石磁束推定装置及び方法では、モータを回転することなく、かつノイズの影響を受けにくい方法でｄ軸インダクタンスを計測し、磁石磁束の推定値を演算することが可能となる利点を得られる。

［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態の磁石磁束推定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。

図１０では、図１に対して、ｄ軸にバイアス電流を流すｄ軸バイアス電流指令値生成手段（バイアス電流手段）１５が追加されている。ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５は、所定の増加レートで初期値から変動するｄ軸電流指令値を生成する。尚、このｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５は、図１の上位制御部１とは独立した要素として構成してもよいし、上位制御部１に含まれている要素として構成してもよい。

磁石磁束推定手段１１では、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔと、ｄ軸バイアス電流指令値ｉｄｒｅｆの少なくともどちらか一方から、磁石磁束の推定値を演算する。この時、ｄ軸バイアス電流指令値は、ほぼ誤差なく制御できていれば、ｄ軸電流応答値を代用することもできる。

このように構成した時の作用について説明する。
図１１は、第３実施形態のシステムにおけるインダクタンス特性の一例を示す図である。

ｄ軸インダクタンス値Ｌｄと磁石磁束との相関関係は第１実施形態でも説明したように図５のようになるが、磁石磁束が強いモータの場合、図１１のように、ｉｄ＝０の動作点において、磁石磁束量の差に対してｄ軸インダクタンス値に差が出ない場合がありうる。しかしこの場合、電流ｉｄに増加する正の電流を流した時、ｄ軸インダクタンス値が所定値ＬｄＡ以上となる動作点において、電流ｉｄの値と磁石磁束には相関があるため、この相関に基づいて磁石磁束の推定値を演算することができる。すなわち、磁石磁束推定手段１１は、ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５がバイアス電流を変化させ、ｄ軸インダクタンス値が所定値ＬｄＡを超えるときのバイアス電流値に基づいて磁石磁束量を判断する。

また、ｄ軸インダクタンス値は電流ｉｄの所定値で極大点を持つ。極大点となる電流ｉｄの値や極大点でのｄ軸インダクタンス値も磁石磁束と相関がある。従って、例えば電流ｉｄとして増加する正の電流を流したとき、ｄ軸インダクタンス値が増加から減少に転じた時、すなわち極大点における電流ｉｄの値もしくは極大点でのインダクタンス相当値を検出することで、上記相関に基づいて磁石磁束の推定値を演算することもできる。すなわち磁石磁束推定手段１１は、ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５がバイアス電流を連続的に変化させ、ｄ軸インダクタンス値が極大点に至った動作点におけるバイアス電流値もしくはインダクタンス値の少なくとも一方に基づいて磁石磁束量を判断する。

また他の方法としては、磁石磁束量の差がｄ軸インダクタンス値の差となって表れやすいｄ軸電流動作点を予め計測しておき、このｄ軸電流動作点となるようｄ軸バイアス電流を流し、この時のｄ軸インダクタンス値を計測して磁石磁束量の推定値を演算することも可能である。そのようなｄ軸電流動作点は、例えば図１１においてｉｄ２の点を選べばよい。この動作点でｄ軸インダクタンス値を特性１〜３で比較すると、それぞれ異なる値Ｌｄ２＿１，Ｌｄ２＿２，Ｌｄ２＿３を示すため、ｄ軸インダクタンス値から磁石磁束の推定値を演算することができる。すなわち、磁石磁束推定手段１１は、ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５がバイアス電流を所定バイアス電流値ｉｄ２に設定したときのｄ軸インダクタンス値に基づいて磁石磁束量を判断する。

尚、当然、これまでの実施形態に記載しているように、ｄ軸インダクタンス値はインダクタンス相当値で代用することが可能である。

図１２は、第３実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両における制御フローを示す図である。本実施形態における磁石磁束推定手段１１では、上述したような原理に基づいて磁石磁束の推定値を演算する。このように構成した時の制御フロー図を図１２に示す。

まず、ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５は、バイアス電流指令値を初期値に設定する。（ステップＳＴ１）
続いて、バイアス電流指令値をｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５から電流制御手段２に入力し、電流制御手段２にて処理を行い電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを出力する。（ステップＳＴ２）
ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５は、バイアス電流が連続的に変化するように指令値を生成する。このとき、例えばステップ状電流指令を印加してもよく、高周波電圧を印加してもよい。（ステップＳＴ３）
続いて、インダクタンス相当値計測手段１０は、インバータ５の応答電流値のｄ軸電流ｉｄを計測する。（ステップＳＴ４）
インダクタンス相当値計測手段１０は、計測したｄ軸電流ｉｄと電圧指令値Ｖｄとからインダクタンス相当値Ｌｅｓｔを演算する。（ステップＳＴ５）
磁石磁束推定手段１１は、インダクタンス相当値計測手段１０からインダクタンス相当値Ｌｅｓｔを受信し、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔが所定値以上か否か判断する。（ステップＳＴ６）
インダクタンス相当値Ｌｅｓｔが所定値以上である場合、磁石磁束推定手段１１は、バイアス電流値およびインダクタンス相当値Ｌｅｓｔから磁石磁束量の推定値を演算する。（ステップＳＴ７）
インダクタンス相当値Ｌｅｓｔが所定値未満である場合、磁石磁束推定手段１１は、バイアス電流値を変更して、ステップＳＴ２から再び処理を行う。（ステップＳＴ８）
上述した本実施形態における効果を説明する。
上述の説明の通り、図１１のようにｉｄ＝０の動作点で磁石磁束量の差が表れないようなモータの場合に、ｄ軸バイアス電流を流すことによって、インダクタンス相当値に磁石磁束量の差が表れる動作点まで動作点を移動して推定値を演算することができるため、より幅広い特性のモータについて、確実な磁石磁束の推定が可能となる。

以上のように、本実施形態による磁石磁束推定装置及び方法では、モータを回転することなく、かつ、より幅広い特性のモータについても、確実に磁石磁束の推定値を演算することが可能となる利点を得られる。

［第４実施形態］
図１３は、第４実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。

図１４は、第４実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両の他の構成例を示す図である。

図１３及び図１４では、図１に対して異常減磁状態判定手段１６がそれぞれ追加されている。

異常減磁状態判定手段１６は、推定された磁石磁束量、もしくはインダクタンス相当値及びｄ軸バイアス電流値を入力として、異常減磁状態か否かを判定し、異常減磁状態判定信号（或いは異常減磁状態を通知するエラーコード）を出力する判定手段である。

図１３は異常減磁状態判定手段１６の入力を磁石磁束量とする構成を示しており、図１４は異常減磁状態判定手段１６の入力をインダクタンス相当値及びｄ軸バイアス電流指令値とする構成を示している。

このように構成した時の作用について説明する。
先ず異常減磁状態とは、温度上昇などにより、ロータ内の永久磁石が不可逆的に減磁してしまい、元の磁力に戻らない状態を指す。この場合、磁石磁束量は正常な磁束量に比べて著しく低下している。この状態では、温度等の減磁要因が元に戻っても磁石磁束量は戻らないため、モータ故障として検知して修理もしくは交換等の処置を講じる必要がある。

減磁状態の検知としては、図１３のように磁石磁束推定手段１１で推定した磁束量φｅｓｔを推定磁石磁束所定値と比較して、所定値以下であれば、異常減磁状態とみなすことができる。また、図１４の構成では、ｄ軸バイアス電流を増加させたとき、ｄ軸インダクタンス値が所定値以上に達した時のｄ軸電流が、所定値よりも小さければ、異常減磁状態とみなす。

図１５は、異常減磁状態と正常状態のインダクタンス特性の例を示す図である。

この例では、減磁状態では図１５の特性Ａのように極大点が原点方向にシフトしていることから、異常減磁状態と正常状態との判定をすることができる。

すなわち、図１５において、例えば異常減磁状態にある特性Ａでは、インダクタンス相当値が所定値Ｌｄｒｅｆ以上となるバイアス電流ｉｄ＿Ａは、所定値ｉｄｒｅｆよりも小さい。また、正常状態を表す特性Ｂでは、インダクタンス相当値が所定値Ｌｄｒｅｆ以上となるバイアス電流ｉｄ＿Ｂは所定値ｉｄｒｅｆよりも大きい。そこで、ｄ軸バイアス電流ｉｄをゼロから増加させていき、インダクタンス相当値が所定値Ｌｄｒｅｆとなるバイアスｉｄが所定値ｉｄｒｅｆよりも大きいか否かによって、異常減磁状態を判定することが可能となる。すなわち、異常減磁状態判定手段１６は、ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５がバイアス電流を変化させ、ｄ軸インダクタンス相当値が所定値Ｌｄｒｅｆを超えるときのバイアス電流値が、所定バイアス電流値ｉｄｒｅｆより小さいとき、異常減磁状態と判定する。

また、他の方法として、ｄ軸バイアス電流ｉｄを所定値ｉｄｒｅｆに制御した時のｄ軸インダクタンス値の大小によっても異常減磁状態を判定することができる。すなわち、異常減磁状態判定手段１６は、ｄ軸バイアス電流指令値生成手段１５がバイアス電流を所定バイアス電流値ｉｄｒｅｆに設定したときのｄ軸インダクタンス相当値が、所定インダクタンス相当値Ｌｄｒｅｆより大きいとき、異常減磁状態と判定する。

上述した本実施形態における効果を説明する。
異常減磁状態の判定では従来、磁気飽和が発生してインダクタンスが低下する現象を利用する方法が公知となっているが、磁気飽和が発生してインダクタンスが低下するほどのｄ軸電流は、図１５に示したｉｄ＿ＳＡＴで示すような、比較的大きな電流となることが多く、場合によってはモータを駆動するインバータの許容電流以上の電流となることもありうる。このような大電流を流すことは、装置の寿命を縮めることにもなりかねず、好ましくない。また、ｄ軸がロータ磁極軸と完全に一致してない場合、ｄ軸に大電流を流せばトルクが発生してしまうことも考えられる。上述の実施形態ではｄｑ軸をセンサレス制御で推定した場合も想定しているが、推定したｄｑ軸はロータ磁極軸と完全には一致しない場合が多く、ｄ軸電流を大きく流せばトルクが発生することは十分ありうる。また、大電流は電流の立ち上がり時間も長くかかり、ひいては減磁状態の検知に時間がかかることにもなる。本実施形態によれば、ｉｄ＿ＳＡＴ以下の電流で異常減磁状態を判定することが可能となり、装置寿命の観点からも好ましいうえ、発生するトルクも低減でき、検知に要する時間も短縮することが可能となる。

なお、異常減磁状態判定手段１６は、異常減磁状態判定信号あるいは異常減磁状態を通知するエラーコードを上位制御部１へ送信してもよい。上位制御部１は、異常減磁状態判定信号あるいは異常減磁状態を通知するエラーコードを受信した場合に、電流指令値に所定の値を加算する手段１Ａ´を備えていてもよい。このとき、電流指令値に加算する値は、予め設定されたテーブルに基づいていてもよく、所定の演算式によって演算される値であってもよい。

さらに、手段１Ａ´は、異常減磁状態判定信号あるいは異常減磁状態を通知するエラーコードを受信した場合に、例えば、電動車両のメータパネルの表示等の通知手段３００を制御してモータの点検・交換時期であることをユーザへ通知してもよい。

異常減磁状態判定手段１６は、異常減磁状態判定信号あるいは異常減磁状態を通知するエラーコードを電流制御手段２へ送信してもよい。

電流制御手段２は、異常減磁状態判定信号あるいは異常減磁状態を通知するエラーコードを受信した場合に、電流指令値に所定の値を加算する手段２Ａ´を備えていてもよい。このとき、電流指令値に加算する値は、予め設定されたテーブルに基づいていてもよく、所定の演算式によって演算される値であってもよい。

なお、上記の電流指令値に所定の値を加算する処理は、上位制御部１と電流制御手段２とのいずれか一方で行われればよく、両方で行う必要はない。

永久磁石の磁力が低下している場合には、電流指令値に対して所望のトルクが得られないため、上記のように、異常減磁状態と判定された際に電流指令値に所定値を加算することにより、永久磁石の磁力が低下してときでもトルクが低下することを回避することができる。

以上のように、本実施形態による磁石磁束推定装置及び方法では、モータを回転することなく、かつ、従来よりも小さいｄ軸電流で、確実に異常減磁状態を判定することが可能となる利点を得られる。

[第５実施形態]
図１６は、第５実施形態の磁石磁束推定装置、同期電動機駆動装置および電動車両の一構成例を示す図である。

本実施形態の電動車両は、電流指令設定手段１´と、電流制御手段２と、座標変換手段（ｄｑ／ＵＶＷ）３と、三角波ＰＷＭ変調手段４と、インバータ５と、電流検出手段６と、モータ（ＰＭＳＭ）７と、磁極位置検出手段８と、インダクタンス相当値判断手段と、磁石磁束推定手段１１と、を備えている。

インダクタンス相当値判断手段は、座標変換手段（ＵＶＷ／ｄｑ）９と、ＰＷＭ出力電圧復元手段１７と、キャリア高調波成分演算手段１８と、インダクタンス相当値演算手段１９と、磁石磁束推定手段１１と、有している。

本実施形態において、座標変換手段（ＵＶＷ／ｄｑ）９とＰＷＭ出力電圧復元手段１７とは、三角波ＰＷＭ変調手段４により変調された電圧指令値と電流応答値とのｄ軸方向の成分を演算するｄ軸成分演算手段である。キャリア高調波成分演算手段１８は、ｄ軸成分の電圧指令値および電流応答値から、少なくともキャリア周波数以上の共通した周波数成分を演算する周波数成分演算手段である。インダクタンス相当値演算手段１９は、キャリア周波数以上の電圧指令値および電流応答値からｄ軸方向のインダクタンス相当値を演算する手段である。

電流指令設定手段１´は、モータ（ＰＭＳＭ）７の磁石磁束量を推定するための電流指令ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆを出力する。このとき、電流指令設定手段１´は、例えば電流指令ｉｄｒｅｆを正の所定値とし、電流指令ｉｑｒｅｆをゼロとする。電流指令設定手段１´は、第１実施形態の上位制御部に含まれていてもよく、上位制御部とは別に設けられてもよい。

なお、モータ（ＰＭＳＭ）７の磁石磁束量推定値の演算は、例えば、モータ７のトルク指令がゼロになった直後に実施される。

電流制御手段２は、電流検出手段６において検出された電流応答値ｉｄ、ｉｑと電流指令値ｉｄｒｅｆ、ｉｑｒｅｆが一致するよう制御演算を行い、電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑを決定する。この制御演算は、例えば比例積分演算が用いられる。

座標変換手段（ｄｑ／ＵＶＷ）３は、回転角度θｍを用いて、ｄｑ軸回転座標系の電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを三相固定座標系の電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗへ座標変換する。

三角波ＰＷＭ変調手段４は、モータ（ＰＭＳＭ）７を駆動するための電圧指令値（変調率指令値）を三角波ＰＷＭによって変調し、インバータ５の各相スイッチング素子のオン／オフ指令であるゲート指令を出力するとともに、ＰＷＭ変調に用いるキャリア波の位相θｃを出力する。

インバータ５は、インバータ５を駆動するためのゲート指令を入力とし、インバータ５に内蔵される主回路スイッチング素子のオン／オフを切替えることによって、交流／直流電力を相互に変換する。

電流検出手段６は、モータ（ＰＭＳＭ）７に流れる３相交流電流のうち２相もしくは３相の電流応答値を検出する。図１６では２相（Ｕ相およびＷ相）に流れる電流を検出する構成を示している。

モータ（ＰＭＳＭ）７は永久磁石同期電動機であり、各励磁相に流れる３相交流電流によって磁界が発生し、回転子との磁気的相互作用によりトルクを発生する。

磁極位置検出手段８は、永久磁石を回転子内部に有する永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する手段であって、例えばレゾルバやエンコーダ等の回転角度センサによって、モータ７のロータの回転角度を検出する。また、磁極位置検出手段８は、他の方法としては、回転角センサレス制御として実用化されている方式を利用し、電気的にロータの回転角度を推定して回転角度値として用いることも可能である。

座標変換手段９は、回転角度θｍを用いて、三相固定座標系の電流応答値ｉｕ、ｉｗを、ｄｑ軸回転座標系の電流応答値ｉｄ、ｉｑへ座標変換する。

ＰＷＭ出力電圧復元手段１７は、ゲート指令と回転角度θｍとを入力とし、ゲート指令からＰＷＭ変調後の電圧指令を復元し、そのｄ軸方向成分を演算する。

図１７は、本実施形態における、永久磁石同期電動機のｄ軸を含む軸定義を説明するための図である。

固定子コイル２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃは、それぞれ固定子のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルである。

αβ軸固定座標系は、α軸（第１軸）２０２がＵ相方向（回転子２０４の中心からＵ相の固定子コイル２０１ａへ向かう方向）と一致し、β軸（第２軸）２０３がα軸２０２に対して９０度位相の進んだ座標系である。ｄｑ軸回転座標系は、ｄ軸２０５が回転子２０４の磁極の方向と一致し、ｑ軸２０６はｄ軸に対して９０度位相の進んだ座標系である。このとき回転角度θｍは、α軸２０２からみたｄ軸２０５の角度である。

図１８は、ゲート指令に基づいて復元したＰＷＭ変調後の電圧指令の一例を示す図である。

図１８において、各電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗはＰＷＭ変調によってインバータ５へのゲート信号に変換される。図１８はインバータ５の上アームゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗについて記載したもので、下アームゲート信号は上アームゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗの論理を反転したものとなる。通常、上下アームゲート信号には、素子の故障を防止するため、上下アーム短絡防止期間（デッドタイム）が付加され、上下アームのゲート信号の切替り時に、所定期間、両ゲート信号がオフとなる期間が設けられるが、本実施形態ではデッドタイムは十分小さく無視できるものとして、省略している。

上述のようにゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗに変換された電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを直交座標系上の値に変換すると、図１８下段の値Ｖα，Ｖβのようになる。図１８では、図１７における静止座標系αβ軸に変換した電圧指令を示している。

図１９は、静止座標系αβ軸におけるゲート信号の空間ベクトルの一例を示す図である。

ゲート信号Ｇｕ、Ｇｖ、Ｇｗをαβ軸電圧指令に変換するには、図１９に示すように、ゲート信号に対応する空間ベクトルについて、αβ軸上に換算した値を計算すればよい。図１９では、空間ベクトルの長さを１に正規化した場合を示しているが、この値はインバータ直流電圧に応じた実際の電圧値を用いてもよい。

なお、図１９において、各ベクトル名（Ｖ０〜Ｖ７）に付属している括弧内の数字（０又は１）はゲート信号を表しており、（Ｇｕ，Ｇｖ，Ｇｗ）の順に並んでいる。これをｂｉｔの連続した２進数とみなして１０進数に変換すれば、ベクトル番号（ベクトル名の巣数字）になる。

さらに、ＰＷＭ出力電圧復元手段１７は、上述のようにαβ座標系の値に変換された電圧指令から、式（１１）の演算によってｄ軸成分を演算する。

図２０は、本実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両のキャリア高調波成分演算手段１８の処理ブロックの一例を示す図である。

キャリア高調波成分演算手段１８は、電圧フーリエ級数演算手段１８０Ａと、電流フーリエ級数演算手段１８０Ｂと、最大値選択手段１８１と、フーリエ級数選択手段１８２と、を有している。

キャリア高調波成分演算手段１８の電圧フーリエ級数演算手段１８０Ａと電流フーリエ級数演算手段１８０Ｂとは、ｄ軸電流応答ｉｄとＰＷＭ復元電圧ｖｄとから、キャリア周波数以上の共通した周波数の高調波成分を式（１２）および式（１３）により演算する。なお、式（１２）および式（１３）は、入力ｖｄ、ｉｄのフーリエ級数を演算していることになる。

ここで、θｃは三角波キャリアの進行状態を表す位相であり、三角波ＰＷＭ変調手段４から入力される。ｎはキャリア周波数成分を１次とする次数であり、１以上の整数値である。理論的にはｎは１以上の整数値で上限なく演算することができるが、実際の制御装置に実装するときには演算量などの制約があるため、ｎは実効的な値（１〜１０程度）として各次数について演算するのが望ましい。

最大値選択手段１８１は、ＰＷＭ復元電圧ｖｄの各フーリエ級数値を比較して、絶対値が最大となるフーリエ級数値を選択してｖｄｈとして出力する。

フーリエ級数選択手段１８２は、最大値選択手段１８１で選択された電圧ｖｄのフーリエ級数と同じ次数ｍについて、電流ｉｄのフーリエ級数ｉｄｘｍ，ｉｄｙｍのうち、ｖｄｈとして選択された正弦／余弦成分とは異なる方をｉｄｈとして出力する。例えば、最大値選択手段１８１において２次の余弦成分が最大値として選択された場合、ｖｄｈとしてはｖｄｘ２が選択され、ｉｄｈとしてはｉｄｙ２が選択され、出力される。この時、ｖｄｈとして余弦成分が選択された場合、ｉｄｈとして選択される正弦成分は、後述するインダクタンス相当値の演算のため、符号を反転して出力する。すなわち、ｉｄｈ＝ｄ／ｄｔ・ｉｄとなるようにｉｄｈを設定する。

インダクタンス相当値演算手段１９は、ｄ軸電流応答値ｉｄから、ｄ軸インダクタンスＬｄもしくはその相当値を計算し、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔとして出力する。ｄ軸インダクタンスＬｄは式（１）に示すＰＭＳＭの電圧方程式中に現れており、ｄ軸電流応答値ｉｄとｄｑ軸電圧値ｖｄ，ｖｑの相関係数となっていることから、例えば回転数ω＝０、ｉｑ＝０の条件でＬｄの関係式は式（２）のように簡単な数式で表すことが出来る。

式（２）において、キャリア周波数以上の高い周波数成分に着目した場合、第一項Ｒは第二項ｐＬｄに比べて十分小さいため無視でき、式（３）のように表せる。

式（３）から、キャリア高調波成分演算手段１８で演算されたｖｄｈ、ｉｄｈを用いると、インダクタンスＬｄは式（１４）のようになる。
Ｌｄ＝ｖｄｈ／ｉｄｈ （１４）
ここで、式（３）における微分演算子ｄ／ｄｔについては、キャリア高調波成分演算手段１８で電圧のフーリエ級数とは異なる方の電流の正弦／余弦成分を選択することによって演算を省略しており、微分処理を行ったのと同じ演算を行ったこととしている。一般的に微分演算はノイズに弱いため、これを回避することにより、計測ノイズの影響を低減できる。

インダクタンス相当値演算手段１９では、上記ように演算したＬｄをインダクタンス相当値Ｌｅｓｔとして出力する。

磁石磁束推定手段１１は、インダクタンス相当値Ｌｅｓｔとｄ軸電流応答値ｉｄを入力として、磁石磁束推定値φｅｓｔを演算する。推定方法としては、例えばインダクタンス相当値Ｌｅｓｔ、電流応答値ｉｄ、磁石磁束推定値φｅｓｔをテーブル化して記憶しておき、このテーブルを参照して磁石磁束推定値φｅｓｔを求める。

次に、本実施形態において、磁石磁束推定手段１１において、ｄ軸インダクタンス相当値Ｌｅｓｔから磁石磁束の推定値を演算可能である原理について説明する。

ＰＭＳＭの特性については例えば第１実施形態における特性と同様であり、本実施形態におけるＰＭＳＭは図３と同様の構成である。磁極のＮ極方向をｄ軸として、ｄ軸電流に正の電流を流すとは、磁石の磁束を強めるように電流を流すことを表す。また、ｄ軸インダクタンスＬｄとは、ｄ軸の電流変化量Δｉｄとｄ軸の磁束変化量Δφｄから式（６）にて定められるものとする。

図２１は、本実施形態の磁石磁束推定装置、異常減磁判定装置、および、同期電動機駆動装置および電動車両におけるインダクタンス特性の一例を示す図である。

ここで、図３のように回転子中に磁石３００ａ〜３００ｂが埋め込まれ、各磁石の両側に鉄心のブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃがある構造のＰＭＳＭの場合、磁石のＮ極側から出た磁束はブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃを通ってＳ極側に至るため、このブリッジは磁石磁束によって磁気的に飽和する。

このとき、図３に図示したｄ軸方向に正の電流を流すと、固定子コイルによってｄ軸と同方向に磁束が形成されるため、磁石のＮ極から出た磁束は、ブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃを通らずに固定子を通ってＳ極側に至るという経路を形成し、ブリッジ部３０１ａ〜３０１ｃの磁束が減少してこの部分の磁気飽和が緩和されるので、ｄ軸インダクタンスＬｄが大きくなる。さらにｄ軸電流を大きくしていくと、固定子を通る磁路が磁気飽和していくため、ｄ軸インダクタンスＬｄが減少していく。これにより、ｄ軸インダクタンスＬｄは図２１に示す特性２１Ａ〜２１Ｃのような特性となる。

図２１の特性２１Ａ〜２１Ｃは磁石磁束の量が異なる状態を示しており、各特性でｄ軸インダクタンスＬｄに最も差が出るｉｄＡのバイアス電流を流した時のｄ軸インダクタンスＬｄから、磁石磁束量の推定値を演算することができる。

また、ｉｄをゼロから増加させていき、ｄ軸インダクタンスＬｄが予め設定した下限値Ｌｄｌを下回った時のｉｄの値も、特性２１Ａ〜２１Ｃで異なる値となることがわかる。これにより、下限値Ｌｄｌを下回った時のｉｄの値から磁石磁束量の推定値を演算することができる。

また、上記のように下限値Ｌｄｌを超えたときの電流応答値ｉｄに基づいて磁石磁束量の推定値を演算してもよく、上限値を超えたときの電流応答値ｉｄに基づいて磁石磁束量の推定値を演算してもよい。

また、磁石磁束量推定手段は、予め設定された所定値のバイアス電流をモータ７に印加したときのｄ軸インダクタンス相当値に基づいて磁石磁束量の推定値を演算してもよい。上述の第３実施形態で説明したように、ｄ軸バイアス電流指令値は、ほぼ誤差なく制御できていれば、ｄ軸電流応答値を代用することもできる。換言すると、ｄ軸電流応答値ｉｄをｄ軸バイアス電流値と同様に扱うことにより、所定値のバイアス電流をモータ７に印加したときのｄ軸インダクタンス相当値に基づいて磁石磁束量の推定値を演算することができる。

その他、本実施形態において、磁石磁束量推定手段は上述の第１乃至第４実施形態で説明した方法と同様に磁石磁束の推定値を演算可能である。

さらに、本実施形態において、磁石磁束を推定する演算を実行している際、三角波ＰＷＭ変調手段４のキャリア周波数を増加させてもよい。本実施形態では、電圧指令値と電流応答値とに含まれるキャリア高調波成分に基づいて磁石磁束量を推定しているが、この時、キャリア高調波成分による騒音が発生することがある。この騒音は、高周波電流を重畳した時の騒音よりは小さいが、できるだけ小さい方が望ましい。

そこで、本実施形態において、キャリア周波数を可聴域以上の周波数（一般的におよそ１５ｋＨｚ以上）に設定することにより、キャリア高調波による騒音も聞こえにくくすることができる。

以上のように、キャリア周波数を設定することにより、キャリア高調波による騒音も聞こえにくくしたうえでｄ軸インダクタンスを計測し、磁石磁束を推定することが可能となる。 以上のように、本実施形態による磁石磁束量推定装置、同期電動機駆動装置および電動車両では、上述の実施形態と同様の効果が得られるとともに、ＰＷＭ変調により電圧および電流に含まれるキャリア高調波成分に基づいて、ｄ軸インダクタンス相当値を演算することにより、高周波電圧を重畳することなく磁石磁束の推定値を演算することが可能となる利点を得られる。

なお、上記複数の実施形態において、上述の第１実施形態と同様に、電流指令値に所定値を加算する手段（あるいは通知手段３００へ通知をする手段）１Ａ、２Ａ、を更に備えていてもよい。

また、上述の複数の実施形態において、本実施形態の磁石磁束推定装置および電動車両は、上述の第４実施形態と同様に異常減磁状態判定手段をさらに有していてもよく、更に電流指令値に所定値を加算する手段（あるいは通知手段３００へ通知をする手段）１Ａ´、２Ａ´を備えていても構わない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…上位制御部、１´…電流指令設定手段、２…電流制御手段、３…座標変換手段、４…三角波ＰＷＭ変調手段、５…インバータ、６…電流検出手段、７…モータ、８…磁極位置検出手段、９…座標変換手段、１０…インダクタンス相当値計測手段、１１…磁石磁束推定手段、１２…高周波電圧印加手段、１３…加算器、１４…高周波電流振幅検出手段、１５…ｄ軸バイアス電流指令値生成手段、１６…異常減磁状態判定手段、１７…ＰＷＭ出力電圧復元手段、１８…キャリア高調波成分演算手段、１９…インダクタンス相当値演算手段、１００…車軸、１８０Ａ、１８０Ｂ…電圧フーリエ級数演算手段、１８１…最大値選択手段、１８２…フーリエ級数選択手段、２０１ａ〜２０１ｃ…固定子コイル、２０２…α軸、２０３…β軸、２０４…回転子、２０５…ｄ軸、２０６…ｑ軸、３００…通知手段、３００ａ〜３００ｂ…磁石、３０１ａ〜３０１ｃ…ブリッジ部、３０４…ｄ軸。

Claims (16)

1. 永久磁石を回転子内部に有する永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
   前記磁極位置検出手段にて判断された磁極方向に対応するｄ軸のインダクタンス相当値を判断するインダクタンス相当値判断手段と、
   前記インダクタンス相当値に基づいて、前記永久磁石の磁石磁束量の推定値を演算する磁石磁束量推定手段と、
   前記ｄ軸に可変バイアス電流を流すバイアス電流手段と、を備え、
   前記磁石磁束量推定手段は、前記バイアス電流手段がバイアス電流を変化させ、前記ｄ軸インダクタンス相当値が所定値を超えるときのバイアス電流値に基づいて磁石磁束量を決定するか、又は、
   前記バイアス電流手段がバイアス電流を所定バイアス電流値に設定したときのｄ軸インダクタンス相当値に基づいて磁石磁束量を決定するか、又は、
   前記バイアス電流手段が前記バイアス電流を連続的に変化させ、前記ｄ軸インダクタンス相当値が極大点に至った動作点における前記バイアス電流値もしくは前記インダクタンス相当値の少なくとも一方に基づいて磁石磁束量を決定する、磁石磁束量推定装置。
2. 前記磁極方向に対応するｄ軸に高周波電圧を印加する高周波電圧印加手段と、前記高周波電圧印加手段にて印加された電圧に応じて、ｄ軸に流れる高周波電流の振幅を検出する高周波電流振幅検出手段とを備え、
   前記ｄ軸インダクタンス相当値判断手段は、前記高周波電圧と前記高周波電流振幅に基づいて前記インダクタンス相当値を判断する請求項１記載の磁石磁束量推定装置。
3. 永久磁石を回転子内部に有する永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
   前記磁極位置検出手段にて判断された磁極方向に対応するｄ軸のインダクタンス相当値を判断するインダクタンス相当値判断手段と、
   前記インダクタンス相当値に基づいて、前記永久磁石の磁石磁束量の推定値を演算する磁石磁束量推定手段と、
   前記ｄ軸に可変バイアス電流を流すバイアス電流手段と、
   異常減磁状態を判定する判定手段と、を備え、
   前記判定手段は、
   前記バイアス電流手段がバイアス電流を変化させ、前記ｄ軸インダクタンス相当値が所定値を超えるときのバイアス電流値が、所定バイアス電流値より小さいとき、又は、
   前記バイアス電流手段がバイアス電流を所定バイアス電流値に設定したときのｄ軸インダクタンス相当値が、所定インダクタンス相当値より大きいとき、異常減磁状態と判定する異常減磁判定装置。
4. 永久磁石を回転子内部に有する永久磁石同期電動機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
   前記磁極位置検出手段にて判断された磁極方向に対応するｄ軸のインダクタンス相当値を判断するインダクタンス相当値判断手段と、
   前記インダクタンス相当値に基づいて、前記永久磁石の磁石磁束量の推定値を演算する磁石磁束量推定手段と、を備え、
   前記インダクタンス相当値判断手段は、
   前記永久磁石同期電動機へ印加する電流応答を制御するための電圧指令をＰＷＭ変調した信号と、前記永久磁石同期電動機を駆動するインバータから前記永久磁石同期電動機へ供給される電流応答のｄ軸成分と、前記電圧指令のＰＷＭ変調に用いられるキャリア位相と、前記磁極位置とを用いて、前記ｄ軸方向のインダクタンス相当値を演算する手段を備えたことを特徴とする磁石磁束量推定装置。
5. 前記インダクタンス相当値判断手段は、前記電圧指令をＰＷＭ変調した信号と前記磁極位置とから前記電圧指令のｄ軸成分を演算するＰＷＭ出力電圧復元手段と、
   前記ＰＷＭ出力電圧復元手段の出力と前記電流応答のｄ軸成分値と前記キャリア位相とから、前記電圧指令および電流応答値の少なくともキャリア周波数以上の共通した周波数成分を演算するキャリア高調波成分演算手段と、
   前記キャリア周波数以上の前記電圧指令および電流応答値から前記ｄ軸方向のインダクタンス相当値を演算するインダクタンス相当値演算手段と、を備えたことを特徴とする請求項４記載の磁石磁束量推定装置。
6. 前記磁石磁束量推定手段は、前記ｄ軸方向のインダクタンス相当値が所定の上限値と下限値との少なくともどちらか一方を超えた動作点の電流応答値に基づいて磁石磁束量の推定値を演算することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の磁石磁束量推定装置。
7. 前記磁石磁束量推定手段は、前記永久磁石同期電動機に予め設定された所定値のバイアス電流を印加した時の前記ｄ軸方向のインダクタンス相当値に基づいて磁石磁束量の推定値を演算することを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の磁石磁束量推定装置。
8. 磁石磁束量の推定値の演算の際に、キャリア周波数を増加させることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項記載の磁石磁束量推定装置。
9. 磁石磁束量の推定値の演算は、前記永久磁石同期電動機へのトルク指令がゼロになった直後に行われることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項記載の磁石磁束量推定装置。
10. 前記演算された磁石磁束量の推定値が所定値以下の場合、異常減磁状態と判定する手段を備えることを特徴とする請求項１、請求項２、および、請求項４乃至請求項９の何れか１項記載の磁石磁束量推定装置。
11. 請求項１、請求項２、および、請求項４乃至請求項１０の何れか１項に記載の磁石磁束量推定装置と、
    前記永久磁石同期電動機を回転駆動するインバータと、
    前記磁極位置検出手段にて検出された磁極位置と、入力される電流指令値と、前記永久磁石同期電動機へ印加される電流応答値とに基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備えることを特徴とする同期電動機駆動装置。
12. 前記インバータ制御部は、前記磁石磁束量推定装置で演算された磁石磁束の推定値を受信し、磁石磁束の推定値が閾値以下であるときに入力された電流指令値に所定の値を加算する手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の同期電動機駆動装置。
13. 請求項１０に記載の磁石磁束量推定装置と、
    前記永久磁石同期電動機を回転駆動するインバータと、
    前記磁極位置検出手段にて検出された磁極位置と、入力される電流指令値と、前記永久磁石同期電動機へ印加される電流応答値とに基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、
    前記異常減磁状態と判定する手段は、異常減磁状態と判定したときに前記インバータ制御部へエラーコードを通知し、
    前記インバータ制御部は、前記異常減磁状態と判定する手段から前記エラーコードを受信したときに、入力された電流指令値に所定の値を加算する手段を備えることを特徴とする同期電動機駆動装置。
14. 請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項記載の同期電動機駆動装置と、
    前記インバータへ直流電力を供給する直流電源と、
    前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する前記インバータと、
    前記インバータから供給される交流電力により動作する前記永久磁石同期電動機と、
    前記永久磁石同期電動機の動力により駆動される車軸と、を備えたことを特徴とする電動車両。
15. 前記インバータ制御部へ電流指令値を送信する上位制御部を更に備え、
    前記上位制御部は、前記磁石磁束量推定装置で演算された磁石磁束の推定値を受信し、磁石磁束の推定値が閾値以下であるときに入力された電流指令値に所定の値を加算する手段を備えることを特徴とする請求項１４記載の電動車両。
16. 請求項１０に記載の磁石磁束量推定装置と、前記永久磁石同期電動機を回転駆動するインバータと、前記磁極位置検出手段にて検出された磁極位置と、入力される電流指令値と、前記永久磁石同期電動機へ印加される電流応答値とに基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備えた同期電動機駆動装置と、
    前記インバータへ直流電力を供給する直流電源と、
    前記直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して出力する前記インバータと、
    前記インバータから供給される交流電力により動作する前記永久磁石同期電動機と、
    前記永久磁石同期電動機の動力により駆動される車軸と、
    ユーザへ異常を知らせる通知手段と、を備え、
    前記異常減磁状態と判定する手段は、異常減磁状態と判定したときに上位制御部へエラーコードを通知し、
    前記上位制御部は、前記異常減磁状態と判定する手段から前記エラーコードを受信したときに、前記通知手段を制御してユーザへ異常を知らせる手段を備えることを特徴とする電動車両。