JP6390649B2 - 電力変換装置、電動機の動力推定方法及び電動機の制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置、電動機の動力推定方法及び電動機の制御方法に関する。

特許文献１には、出力トルクを増加させるように電流の位相角を制御するための励磁電流指令値を出力する電流位相制御手段を備えた同期電動機駆動装置が開示されている。

特開２００３−２５９６８０号公報

特許文献１では、動力（例えば上記出力トルク）を推定すること自体は開示されていない。本開示は、動力を推定することが可能な装置及び方法を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る電力変換装置は、交流電力を電動機に出力する電力変換回路と、交流電力の供給に応じた電動機の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、電動機が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように、電力変換回路を制御することと、電動機に供給される電力に関する情報から、第一変化により生じた成分を抽出し、電動機が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を実行するように構成された制御部と、を備える。

本開示の一側面に係る電動機の動力推定方法は、交流電力の供給に応じた電動機の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、電動機が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加することと、電動機に供給される電力に関する情報から、第一変化により生じた成分を抽出し、電動機が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を含む。

本開示の一側面に係る電動機の制御方法は、交流電力の供給に応じた電動機の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、電動機が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように電力変換回路を制御することと、電動機に供給される電力に関する情報から、第一変化により生じた成分を抽出し、電動機が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を含む。

本開示によれば、動力を推定することが可能な装置及び方法を提供できる。

電力変換装置の概略構成を示す模式図である。 制御部の機能的な構成を示すブロック図である。 第一位相角を示す模式図である。 第二位相角を示す模式図である。 制御部のハードウェア構成図である。 動力推定方法を示すフローチャートである。

以下、実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

１．電力変換装置
図１に示す電力変換装置３は、電源２から供給された電力を所望の振幅、位相及び周波数を有する交流電力（例えば三相交流電力）に変換し、この交流電力を電動機４に出力する。電源２は、交流電源であってもよいし、直流電源であってもよい。交流電源としては、三相交流等の交流電力を供給する商用の電力系統が挙げられる。

電動機４は、可動子４ａ及び固定子４ｂを有し、供給された交流電力に応じて可動子４ａに動力を発生させる。電動機４は、交流電力に応じて磁界を発生する複数のコイルを固定子４ｂ側に有していてもよいし、可動子４ａ側に有していてもよい。電動機４は、回転型の電動機であってもよいし、リニア型の電動機であってもよい。回転型の電動機は、可動子４ａとして回転子を有し、可動子４ａに対する回転トルクを上記動力として発生させる。リニア型の電動機は、可動子４ａとして移動体を有し、可動子４ａに対する推力を上記動力として発生させる。また、電動機４は、同期電動機であってもよいし、誘導電動機であってもよい。

以下の説明では、電源２が三相交流電源であり、電動機４が回転型の同期電動機である場合を例示する。同期電動機は、永久磁石を有するものであってもよいし、永久磁石を有しないものであってもよい。永久磁石を有するものとしては、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ；埋込磁石型）モータ、ＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ；表面磁石型）モータ等が挙げられる。永久磁石を有しないものとしては、シンクロナスリラクタンスモータ等が挙げられる。また、同期電動機は、固定子側に電機子を有するものであってもよいし、可動子側に電機子を有するものであってもよい。以下では、電動機４が可動子４ａ側に永久磁石を有し、固定子４ｂ側に電機子を有するものとする。また、電動機４は回転型であり、電機子は回転磁界の生成用のコイルを含むものとする。

電力変換装置３は、電力変換回路５と、電流センサ８と、制御部１００とを備える。以下、各々の具体的な構成を例示する。

（１）電力変換回路
電力変換回路５は、交流電力を電動機４に出力する。例えば電力変換回路５は、電源２から供給された三相交流電力を、制御部１００から出力される制御信号に応じた振幅、位相及び周波数を有する三相交流電力に変換し、変換後の電力を電動機４に出力する。より具体的に、電力変換回路５は、整流部１１と、コンデンサ１２と、スイッチング部１３と、を有する。

整流部１１は、電源２から供給される三相交流電力を整流により直流電力に変換する。整流部１１は、例えば直列に接続された２個のダイオード１４の組を３組並列に接続することにより構成されるダイオードブリッジである。

コンデンサ１２は、整流部１１の後段に配置され、整流部１１の二つの出力端子の間に接続される。コンデンサ１２は、整流部１１から出力される直流電圧を平滑化する。コンデンサ１２は、例えば電解コンデンサである。

スイッチング部１３は、整流部１１及びコンデンサ１２により生成された直流電力を、制御部１００から出力される制御信号に応じた振幅、位相及び周波数を有する三相交流電力に変換する。スイッチング部１３は、例えば直列に接続された２個のスイッチング素子１５の組を３列並列に接続することにより構成される。なお、必要に応じて、スイッチング素子１５に並列にダイオード等の整流素子が接続されていてもよい。

スイッチング素子１５は、制御部１００からの出力信号に応じて所定のタイミングでオン状態とオフ状態とを切り替える。スイッチング素子１５の具体例としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn-Off）サイリスタ、及びＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等が挙げられる。

（２）電流センサ
電流センサ８は、電力変換回路５から出力された交流電力により、電動機４に生じる電流（例えば、電動機４のコイルに流れる電流）を検出する。例えば電流センサ８は、スイッチング部１３と電動機４とを接続する導電経路に設けられる。電流センサ８は、必ずしも電力変換回路５内に設けられていなくてもよく、電力変換回路５外に設けられていてもよい。例えば電流センサ８は、電動機４に設けられていてもよいし、電力変換回路５と電動機４との間の配線経路に設けられていてもよい。すなわち、電力変換回路５は必ずしも電流センサ８を有していなくてもよく、外部に設けられた電流センサ８から電流に関する情報を取得してもよい。

（３）制御部
制御部１００は、交流電力の供給に応じた電動機４の磁束方向の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、電動機４が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように電力変換回路５を制御することと、電動機４に供給される電力に関する情報から、第一変化により生じた成分を抽出し、電動機４が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を実行するように構成されている。

制御部１００は、推定した動力を動力目標値に近付けるように電力変換回路５を制御することを更に実行するように構成されていてもよい。

以下、図２を参照し、制御部１００の具体的な構成を例示する。図２に示すように、制御部１００は、機能モジュールとして、動力制御部１１０と、電圧制御部１２０と、動力推定部１３０と、動力補償部１４０とを有する。

動力制御部１１０は、動力目標値（例えばトルク目標値）Ｔ_ｒｅｆに応じた第一目標電流ｉ_１ｒｅｆを算出する。第一目標電流ｉ_１ｒｅｆは、例えば電流ベクトルとして表すことが可能である。電流ベクトルは、固定子４ｂ又は可動子４ａの複数のコイルに供給する三相交流電流をαβ座標系又はγδ座標系における単一のベクトルに変換したものである。αβ座標系は、可動子４ａの回転中心に直交する平面において、当該回転中心を原点とし、固定子４ｂに対して不動の座標系である。γδ座標系は、可動子４ａの回転中心に直交する平面において、当該回転中心を原点とし、可動子４ａに対して不動の座標系である。

電圧制御部１２０は、交流電力の供給に応じた電動機４の磁束方向の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、電動機４が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように、電力変換回路５を制御する。なお、交流電力に応じた電動機４の磁束方向は、例えば、固定子４ｂ又は可動子４ａの複数のコイルが交流電力に応じて発生する磁界を合成した磁界の方向である。第一変化に対応する動力の変化量は、第一変化を付加する際の位相角の値によって異なり、当該変化量は実測困難な程度に微小となる場合もあるが、位相角の変化が理論上動力の変化を伴う限り、当該変化は第一変化に相当する。

一例として、電動機４が固定子及び可動子のいずれか一方に電機子を有し、固定子及び可動子の他方に永久磁石を有する同期電動機である場合に、電圧制御部１２０は、図３に示すように、可動子４ａ側の磁束方向Ｂ_ａと固定子４ｂ側の磁束方向Ｂ_ｂとの間の角度を第一位相角θ_１とし、これに上記第一変化を付加してもよい。

可動子４ａ側の磁束方向Ｂ_ａは、可動子４ａが生じる磁束を合成した磁束ベクトルの方向である。すなわち、可動子４ａ側の磁束方向Ｂ_ａは、可動子４ａが生じる磁界の合成磁界の方向である。可動子４ａが複数の永久磁石を有する場合には、複数の永久磁石が生じる磁界を合成した磁界の方向が可動子４ａ側の磁束方向Ｂ_ａに相当する。

同様に、固定子４ｂ側の磁束方向Ｂ_ｂは、固定子４ｂが生じる磁束を合成した磁束ベクトルの方向である。すなわち、固定子４ｂ側の磁束方向Ｂ_ｂは、固定子４ｂが生じる磁界の合成磁界の方向である。固定子４ｂが電機子を有する場合には、電機子の複数のコイルが生じる磁界を合成した回転磁界の方向が固定子４ｂ側の磁束方向Ｂ_ｂに相当する。

第一位相角θ_１に対し第一変化を付加することは、所望の動力を得るための第一位相角θ_１（以下、これを「第一基本位相角θ_１ａｖｅ」という。）に対して、動力推定用の変動成分（以下、「第一変動成分θ_１ｖａｒ」という。）を重畳することを含んでもよい。この場合、第一変動成分θ_１ｖａｒが第一変化に相当する。第一基本位相角θ_１ａｖｅは、例えば電動機４に生じる電流が第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに一致した場合における第一位相角θ_１である。

第一変化は、周期的な変動を含んでもよい。例えば電圧制御部１２０は、第一基本位相角θ_１ａｖｅに対し、周期的に変動する第一変動成分θ_１ｖａｒを重畳するように構成されていてもよい。電圧制御部１２０は、第一基本位相角θ_１ａｖｅに対し正弦波状の第一変動成分θ_１ｖａｒを重畳するように構成されていてもよい。第一変動成分θ_１ｖａｒは、第一基本位相角θ_１ａｖｅを基準にしてプラス側及びマイナス側の両方向に第一位相角を変動させるように設定されていてもよい。

第一位相角θ_１の上記周期的な変動は、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数よりも高い周波数での変動を含んでもよい。例えば電圧制御部１２０は、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数よりも高い周波数の第一変動成分θ_１ｖａｒを第一基本位相角θ_１ａｖｅに重畳するように構成されていてもよい。なお、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数は、第一位相角θ_１を第一基本位相角θ_１ａｖｅに一致させるための交流電力の周波数である。

第一変化の態様は、周期的な変動に限られない。電動機４が生じる動力の変化を理論上伴う限り、どのような態様の第一変化を第一位相角θ_１に付加してもよい。例えば、第一変化は、少なくとも、第一位相角θ_１を一つの角度から他の角度に移行させることを含んでいればよい。

第一位相角に対し第一変化を付加するように電力変換回路５を制御することは、第一位相角に相関する値を変化させ、その結果として第一位相角を変化させるように電力変換回路５を制御することを含む。例えば、第一位相角に対し第一変化を付加するように電力変換回路５を制御することは、電動機４における電流ベクトルの位相角である第二位相角に対し、動力の変化を伴う第二変化を付加するように電力変換回路５を制御することを含む。電流ベクトルは、例えば電動機４の固定子４ｂ又は可動子４ａの複数のコイルに供給される三相交流電流をαβ座標系又はγδ座標系における単一のベクトルに変換したものである。固定子４ｂ及び可動子４ａのいずれか一方に電機子を有し、固定子４ｂ及び可動子４ａの他方に永久磁石を有する同期電動機においては、図４に示すように、γδ座標系のｄ軸方向（可動子４ａ側の磁束方向）と電流ベクトルｉ_ｖｅｃとの間の角度を第二位相角θ_２とし、これに第二変化を付加してもよい。

第二位相角θ_２に対し第二変化を付加することは、所望の動力を得るための第二位相角θ_２（以下、これを「第二基本位相角θ_２ａｖｅ」という。）に対して、動力推定用の変動成分（以下、「第二変動成分θ_２ｖａｒ」という。）を重畳することを含んでもよい。この場合、第二変動成分θ_２ｖａｒが第二変化に相当する。第二基本位相角θ_２ａｖｅは、例えば第一目標電流ｉ_１ｒｅｆのベクトルのｄ軸に対する位相角である。

第二変化は、周期的な変動を含んでもよい。例えば電圧制御部１２０は、第二基本位相角θ_２ａｖｅに対し、周期的に変動する第二変動成分θ_２ｖａｒを重畳するように構成されていてもよい。電圧制御部１２０は、第二基本位相角θ_２ａｖｅに対し正弦波状の第二変動成分θ_２ｖａｒを重畳するように構成されていてもよい。第二変動成分θ_２ｖａｒは、第二基本位相角θ_２ａｖｅを基準にしてプラス側及びマイナス側の両方向に第二位相角を変動させるように設定されていてもよい。

第二変化の態様は、周期的な変動に限られない。電動機４が生じる動力の変化を理論上伴う限り、どのような態様の第二変化を第二位相角θ_２に付加してもよい。例えば、第二変化は、少なくとも、第二位相角θ_２を一つの角度から他の角度に移行させることを含んでいればよい。

第二位相角θ_２の上記周期的な変動は、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数よりも高い周波数での変動を含んでもよい。例えば電圧制御部１２０は、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数よりも高い周波数の第二変動成分θ_２ｖａｒを第二基本位相角θ_２ａｖｅに重畳するように構成されていてもよい。なお、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数は、第二位相角θ_２を第二基本位相角θ_２ａｖｅに一致させるための交流電力の周波数である。

図２に戻り、電圧制御部１２０は、例えば第一電圧算出部１２１と、第二電圧算出部１２２と、加算器１２３と、座標変換部１２４と、相数変換部１２５と、ゲート駆動部１２６と、相数変換部１２７と、座標変換部１２８とを有する。

第一電圧算出部１２１は、第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに応じた電流を生じさせるための第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆを算出する。第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆは、例えば電圧ベクトルとして表すことが可能である。電圧ベクトルは、固定子４ｂのコイルに印加する三相交流電圧をαβ座標系又はγδ座標系における単一のベクトルに変換したものである。

例えば第一電圧算出部１２１は、電流センサ８により検出される電流（以下、これを「検出電流ｉ_ｄｅｔ」という。）を第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに近付けるように第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆを算出する。第一電圧算出部１２１は、電流センサ８により検出される電流を第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに一致させるように第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆを算出してもよい。一致とは、実質的な一致を意味し、微少な偏差が残留している状態も含む。

第二電圧算出部１２２は、第一変動成分θ_１ｖａｒを第一基本位相角θ_１ａｖｅに重畳するための第二目標電流ｉ_２ｒｅｆを取得し、当該第二目標電流ｉ_２ｒｅｆに応じた電流を生じさせるための第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆを算出する。第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆも、第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆと同様に電圧ベクトルとして表すことが可能である。例えば第二電圧算出部１２２は、電力変換回路５から出力される交流電力の周波数よりも高い周波数にて周期的に変動する第一変動成分θ_１ｖａｒを第一基本位相角θ_１ａｖｅに重畳するための第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆを算出するように構成されていてもよい。この場合、第二電圧算出部１２２は、第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆに比較して高い周波数にて周期的に変動する第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆを算出する。

加算器１２３は、第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆと第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆとを合算して電圧指令値ｖ_ｒｅｆを算出する。

座標変換部１２４は、電圧指令値ｖ_ｒｅｆに対して座標変換を行う。例えば座標変換部１２４は、γδ座標系における電圧指令値ｖ_{γδ＿ｒｅｆ}を、αβ座標系における電圧指令値ｖ_{αβ＿ｒｅｆ}に変換する。相数変換部１２５は、αβ座標系における電圧指令値ｖ_{αβ＿ｒｅｆ}を三相交流の電圧指令値ｖ_{ｕｖｗ＿ｒｅｆ}に変換する。

ゲート駆動部１２６は、電圧指令値ｖ_{ｕｖｗ＿ｒｅｆ}に対応した電圧を電動機４のコイルに印加するように電力変換回路５を制御する。例えばゲート駆動部１２６は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式にて出力電圧を調整するように、スイッチング素子１５に対して制御信号を出力する。

相数変換部１２７は、電流センサ８により検出される三相交流電流（検出電流ｉ_{ｕｖｗ＿ｄｅｔ}）をαβ座標系における単一の電流ベクトル（検出電流ｉ_{αβ＿ｄｅｔ}）に変換する。座標変換部１２８は、検出電流ｉ_{αβ＿ｄｅｔ}に対して座標変換を行う。例えば座標変換部１２４は、検出電流ｉ_{αβ＿ｄｅｔ}を、γδ座標系における電流ベクトル（検出電流ｉ_{γδ＿ｄｅｔ}）に変換し、これを第一電圧算出部１２１にフィードバックする。

以上の構成において、第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆに応じて検出電流ｉ_ｄｅｔが第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに一致すると、第二位相角θ_２が上記第二基本位相角θ_２ａｖｅに一致する。これに対応し、第一位相角θ_１が上記第一基本位相角θ_１ａｖｅに一致する。第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆに第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆが加算されると、第二位相角θ_２に上記第二変動成分θ_２ｖａｒが重畳される（図４参照）。これに対応し、第一位相角θ_１に上記第一変動成分θ_１ｖａｒが重畳される（図３参照）。

電圧制御部１２０は、第一位相角θ_１を周期的に変動させるための第二目標電流ｉ_２ｒｅｆに対する電流の応答遅れを補償することを更に実行するように構成されていてもよい。例えば第二電圧算出部１２２は、第二目標電流ｉ_２ｒｅｆに対する検出電流ｉ_ｄｅｔの応答遅れを補償するように第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆを算出してもよい。より具体的に、第二電圧算出部１２２は、第二目標電流ｉ_２ｒｅｆと検出電流ｉ_ｄｅｔとの偏差を縮小するように第二電圧指令値を算出してもよい。

動力推定部１３０は、電動機４に供給される電力に関する情報から、第一位相角θ_１の変化により生じた成分を抽出し、電動機４が発生する動力を当該成分に基づいて推定することを実行する。

動力推定部１３０は、変化中の第一位相角θ_１の最大値θ_１ｍａｘ及び最小値θ_１ｍｉｎの間の第一位相角θ_１に対応する動力を推定するように構成されていてもよい（図３参照）。最大値θ_１ｍａｘ及び最小値θ_１ｍｉｎの間の第一位相角θ_１に対応する動力を推定することは、変化中の第二位相角θ_２の最大値θ_２ｍａｘ及び最小値θ_２ｍｉｎの間の第二位相角θ_２に対応する動力を推定することを含む（図４参照）。最大値θ_１ｍａｘ,θ_２ｍａｘ及び最小値θ_１ｍｉｎ,θ_２ｍｉｎは、例えば所定期間内における最大値及び最小値である。所定期間は、例えば動力を推定するためのデータ（例えば電動機４に供給される電力に関する情報）のサンプリング期間であり、所望の推定精度が得られるように適宜設定される。

例えば動力推定部１３０は、電力算出部１３１と、情報抽出部１３２と、動力算出部１３３とを有する。電力算出部１３１は、電動機４に供給される電力に関する情報（以下、「電力情報」という。）を算出する。電力情報は、電動機４に供給される無効電力に関する情報（以下、「無効電力情報」という。）及び有効電力に関する情報（以下、「有効電力情報」という。）を含んでいてもよい。

例えば電力算出部１３１は、電動機４に供給される電圧に関する情報（以下、「電圧情報」という。）と、電動機４に供給される電流に関する情報（以下、「電流情報」という。）とに基づいて上記電力情報を算出する。電力算出部１３１は、電圧情報として、電動機４に供給する電圧の指令値（例えば上記電圧指令値ｖ_ｒｅｆ）を用いてもよい。また、電力算出部１３１は、電流情報として、電流センサ８により検出された三相交流電流に関する情報（例えば上記検出電流ｉ_ｄｅｔ）を用いてもよい。必要に応じ、電圧情報についても、センサによる検出値を用いてもよい。

ここで、上述のように第一位相角θ_１を変動させると、電力情報に動力に相関する成分が現れる。以下、周期的に変動する第二変動成分θ_２ｖａｒを第二基本位相角θ_２ａｖｅに重畳する場合について、電動機４がＩＰＭモータである場合の数式を用いて具体的に例示する。

まず、動力（トルク）は、磁束と電流との外積により次式により算出される。

φ：誘起電圧定数
Ｉ_ｓ：検出電流ｉ_ｄｅｔの振幅
θ_２：第二位相角
Ｌ_ｄ：ｄ軸方向のインダクタンス
Ｌ_ｑ：ｑ軸方向のインダクタンス

式（１）において、第一項はマグネットトルクを示し、第二項はリラクタンストルクを示す。なお、ｄ軸は、上述したγδ座標系におけるｄ軸であり、ｑ軸は、ｄ軸に直交する座標軸である。

第二基本位相角θ_２ａｖｅに対し、角周波数ω_ｈの正弦波状の第二変動成分を重畳した場合における有効電力Ｐ_ｅ及び無効電力Ｐ_ｒは、近似的に次式により算出される。

Ｒ：固定子４ｂのコイルの抵抗
ω：可動子４ａの角周波数
Ａ：第二変動成分の振幅

式（２）において、第二変動成分θ_２ｖａｒと同じ角周波数の余弦成分の振幅ｐ_１は、次式のとおりである。

振幅ｐ_１は、上記リラクタンストルクに振幅Ａ及び角周波数ω_ｈを乗算したものとなっている。

式（３）において、第二変動成分θ_２ｖａｒと同じ角周波数の正弦成分の振幅ｐ_２は、次式のとおりである。

振幅ｐ_２は、式（１）のマグネットトルク及びリラクタンストルクの両方に振幅Ａ及び角周波数ωを乗算し、更にリラクタンストルクに２を乗じたものとなっている。そこで、振幅ｐ_１，ｐ_２を抽出することができれば、トルクの推定が可能となる。

情報抽出部１３２は、電力算出部１３１により算出された電力情報から、第一位相角の変化により生じた成分を抽出する。例えば、情報抽出部１３２は、第一基本位相角θ_１ａｖｅに重畳された第一変動成分θ_１ｖａｒに対応する成分を電力情報から抽出する。例えば情報抽出部１３２は、第一抽出部１３４と、第二抽出部１３５と、第三抽出部１３６とを含む。

第一抽出部１３４は、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数を有する成分を電力情報から抽出する。例えば第一抽出部１３４は、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数帯域を通過帯域とするバンドパスフィルタである。なお、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数を有する成分を電力情報から抽出することは、第二変動成分θ_２ｖａｒと同じ周波数を有する成分を電力情報から抽出することを含む。例えば、第一抽出部１３４は、式（２）及び式（３）で示される電力情報から、次式で示される抽出結果Ｐ_{ｅ＿ＢＰＦ}，Ｐ_{ｒ＿ＢＰＦ}を得る。

第二抽出部１３５は、第一抽出部１３４による抽出結果（以下、「一次抽出結果」という。）において、動力（トルク）に相関する成分を直流量に変換する。なお、ここでの直流量とは、第一変動成分θ_１ｖａｒの変動に応じて変動しない量を意味する。例えば、第二抽出部１３５は、有効電力に関する一次抽出結果において、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数の余弦成分を直流量に変換し、無効電力に関する一次抽出結果において、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数の正弦成分を直流量に変換する。なお、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数の余弦成分又は正弦成分を直流量に変換することは、第二変動成分θ_２ｖａｒと同じ周波数の余弦成分又は正弦成分を直流量に変換することを含む。

例えば、第二抽出部１３５は、上記抽出結果Ｐ_{ｅ＿ＢＰＦ}にはｃｏｓ（ω_ｈｔ）を乗算し、上記抽出結果Ｐ_{ｒ＿ＢＰＦ}にはｓｉｎ（ω_ｈｔ）を乗算し、次式で示される抽出結果Ｐ_ｅ＿ｈ，Ｐ_ｒ＿ｈを得る。

第三抽出部１３６は、第二抽出部１３５により直流量に変換された成分（以下、「直流成分」という。）を抽出する。例えば第一抽出部１３４は、直流量を通過させるローパスフィルタである。例えば、第三抽出部１３６は、上記抽出結果Ｐ_ｅ＿ｈ，Ｐ_ｒ＿ｈから、上記振幅ｐ_１，ｐ_２を得る。

動力算出部１３３は、情報抽出部１３２により抽出された成分に基づいて、動力（電動機４が発生する動力）を算出する。例えば動力算出部１３３は、第三抽出部１３６により抽出された直流成分に基づいて動力を算出する。式（１）〜（９）にて示した例において、動力算出部１３３は、上記振幅ｐ_１及びｐ_２を用い、次式で示される動力推定値Ｔ_ｅを算出する。

式（１）及び式（１０）から明らかであるように、動力推定値Ｔ_ｅは、第二位相角θ_２が第二基本位相角θ_２ａｖｅである場合のトルクに相当する。このように、動力推定部１３０によれば、電動機４の定数（例えば抵抗値、インダクタンス等）を用いることなく電動機４の動力を推定することができる。なお、第二基本位相角θ_２ａｖｅは、第二変動成分θ_２ｖａｒの重畳により変動する第二位相角θ_２の平均値であり、第二位相角θ_２の最大値θ_２ｍａｘ及び最小値θ_２ｍｉｎの間の値である。

動力補償部１４０は、動力目標値Ｔ_ｒｅｆと、動力推定部１３０による動力推定値Ｔ_ｅとの偏差を求め、当該偏差を縮小するように第一目標電流ｉ_１ｒｅｆを変更する。例えば、上記偏差を縮小するように補正値ｉ_ｃｏｍｐを算出し、当該補正値ｉ_ｃｏｍｐを第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに組み込む（例えば加算する）。これにより、動力推定値Ｔ_ｅを動力目標値Ｔ_ｒｅｆに近付けるように電力変換回路５が制御される。

制御部１００のハードウェアは、例えば一つ又は複数の制御用のコンピュータにより構成される。制御部１００は、ハードウェア上の構成として、例えば図５に示す回路１５０を有する。回路１５０は、プロセッサ１５１と、メモリ１５２と、ストレージ１５３と、入出力ポート１５４と、を有する。入出力ポート１５４は、例えば電流センサ８からの信号を含む外部信号の入出力を行うのに加え、電力変換回路５に対する信号の入出力も行う。プロセッサ１５１は、メモリ１５２及びストレージ１５３の少なくとも一方と協働してプログラムを実行し、入出力ポート１５４を介した信号の入出力を実行することで、上述した機能モジュールを構成する。

２．電動機の制御手順
続いて、電動機の制御方法の一例として、電力変換装置３による電動機４の制御手順を説明する。なお、この手順は電動機４の動力推定方法を含み、当該動力推定方法は、上記第一位相角に対し上記第一変化を付加することと、電動機４に供給される電力に関する情報から、第一変化により生じた成分を抽出し、電動機４が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を含む。

図６に示すように、制御部１００は、まずステップＳ１を実行する。ステップＳ１では、動力制御部１１０が動力目標値Ｔ_ｒｅｆに応じた第一目標電流ｉ_１ｒｅｆを算出する。また、動力補償部１４０が、第一目標電流ｉ_１ｒｅｆの補正値ｉ_ｃｏｍｐを第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに加算する。以下、補正値ｉ_ｃｏｍｐが加算された第一目標電流ｉ_１ｒｅｆを「補正後の第一目標電流ｉ_１ｒｅｆ」という。なお、本手順の開始直後において、動力補償部１４０は、予め設定された初期値（例えばゼロ）を補正値ｉ_ｃｏｍｐとして第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに加算する。

次に、制御部１００は、ステップＳ２を実行する。ステップＳ２では、第一電圧算出部１２１が、補正後の第一目標電流ｉ_１ｒｅｆに応じた電流を生じさせるための第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆを算出する。

次に、制御部１００はステップＳ３を実行する。ステップＳ３では、第二電圧算出部１２２が、第一変動成分θ_１ｖａｒを第一基本位相角θ_１ａｖｅに重畳するための第二目標電流ｉ_２ｒｅｆを取得し、当該第二目標電流ｉ_２ｒｅｆに応じた電流を生じさせるための第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆを算出する。

次に、制御部１００はステップＳ４を実行する。ステップＳ４では、加算器１２３が第一電圧指令値ｖ_１ｒｅｆと第二電圧指令値ｖ_２ｒｅｆとを合算して電圧指令値ｖ_ｒｅｆを算出し、座標変換部１２４、相数変換部１２５及びゲート駆動部１２６が、電圧指令値ｖ_ｒｅｆに応じた電圧を電動機４のコイルに印加するように電力変換回路５を制御する。これにより、第一位相角θ_１が第一基本位相角θ_１ａｖｅに対して変動する。

次に、制御部１００はステップＳ５を実行する。ステップＳ５では、相数変換部１２７及び座標変換部１２８が電流センサ８による検出電流ｉ_ｄｅｔを取得する。

次に、制御部１００はステップＳ６を実行する。ステップＳ６では、電力算出部１３１が、電動機４に供給される電力に関する情報を算出する。例えば電力算出部１３１は、上記電圧情報及び電流情報とに基づいて、上記有効電力情報と、上記無効電力情報とを算出する。

次に、制御部１００はステップＳ７〜Ｓ１０を実行する。ステップＳ７では、第一抽出部１３４が、第一変動成分θ_１ｖａｒと同じ周波数を有する成分を電力情報から抽出する。ステップＳ８では、第二抽出部１３５が、第一抽出部１３４による抽出結果において、動力に相関する成分を直流量に変換する。ステップＳ９では、第三抽出部１３６が、第二抽出部１３５により直流量に変換された成分を抽出する。ステップＳ１０では、動力算出部１３３が、第三抽出部１３６により抽出された成分に基づいて上記動力推定値Ｔ_ｅを算出する。

次に、制御部１００はステップＳ１１，Ｓ１２を実行する。ステップＳ１１では、動力補償部１４０が、動力目標値Ｔ_ｒｅｆと動力推定値Ｔ_ｅとの偏差を算出する。ステップＳ１２では、動力補償部１４０が、ステップＳ１１において算出された偏差を縮小するように、第一目標電流ｉ_１ｒｅｆの補正値ｉ_ｃｏｍｐを算出する。

以後、制御部１００は、停止指令の入力がない限りステップＳ１〜Ｓ１２を繰り返し、停止指令の入力があった場合には処理を終了する（ステップＳ１３）。以上で電動機４の制御手順が完了する。

３．本実施形態の作用・効果
以上に説明したように、電力変換装置３は、交流電力を電動機４に出力する電力変換回路５と、交流電力の供給に応じた電動機４の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、電動機４が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように、電力変換回路５を制御することと、電動機４に供給される電力に関する情報から、第一変化により生じた成分を抽出し、電動機４が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を実行するように構成された制御部１００と、を備える。

制御部１００が第一位相角に対し第一変化を付加すると、電圧及び電流に関する情報に、動力（電動機４が発生する動力）に相関する成分が現れる。このため、当該成分を抽出することで、動力を推定することができる。

また、この手法によれば、電動機４の定数（例えば抵抗値、インダクタンス等）に特定の数値をあてはめることなく動力を推定できる。従って、上記定数と、上記特定の数値との乖離に起因する推定誤差が生じない。従って、動力をより高い精度で推定することができる。

なお、第一位相角に対し第一変化を付加するように電力変換回路５を制御することは、電動機４における電流ベクトルｉ_ｖｅｃの位相角である第二位相角に対し、動力の変化を伴う第二変化を付加するように電力変換回路５を制御することを含んでいてもよい。

電動機４に供給される電力に関する情報は、電動機４に供給される無効電力Ｐ_ｒ及び有効電力Ｐ_ｅに関する情報を含んでいてもよい。この場合、無効電力Ｐ_ｒから抽出される成分と、有効電力Ｐ_ｅから抽出される成分とを組み合わせることで、動力をより高い精度で推定することができる。

第一変化は、周期的な変動を含んでいてもよい。この場合、フィルタの周波数特性を利用することで、動力に相関する成分を容易に抽出することができる。このため、動力を容易に推定することができる。

周期的な変動は、交流電力の周波数よりも高い周波数での変動を含んでいてもよい。この場合、電動機４の可動子４ａの動きが第一変化に追従し難くなるので、第一変化が電動機４の動作に及ぼす影響を抑制することができる。

制御部１００は、第一位相角に対し第一変化を付加するための目標電流に対する電流の応答遅れを補償することを更に実行するように構成されていてもよい。この場合、第一位相角を意図通りに変動させることで、動力に相関する成分をより確実に現出させることができる。このため、より高精度に動力を推定することができる。

制御部１００は、変化中の第一位相角の最大値及び最小値の間の第一位相角に対応する動力を推定するように構成されていてもよい。この場合、より高精度に動力を推定することができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

３…電力変換装置、４…電動機、５…電力変換回路、１００…制御部、ｉ_ｖｅｃ…電流ベクトル、Ｐ_ｅ…有効電力、Ｐ_ｒ…無効電力、θ_１…第一位相角、θ_１ｍａｘ…最大値、θ_１ｍｉｎ…最小値、θ_２…第二位相角。

Claims (11)

1. 交流電力を電動機に出力する電力変換回路と、
   前記交流電力に応じた前記電動機の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、前記電動機が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように、前記電力変換回路を制御することと、前記電動機に供給される電力に関する情報から、前記第一変化により生じた成分を抽出し、前記電動機が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を実行するように構成された制御部と、を備える電力変換装置。
2. 前記第一位相角に対し前記第一変化を付加するように前記電力変換回路を制御することは、前記電動機における電流ベクトルの位相角である第二位相角に対し、前記動力の変化を伴う第二変化を付加するように前記電力変換回路を制御することを含む、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記電動機に供給される電力に関する情報は、前記電動機に供給される無効電力及び有効電力の少なくとも一方に関する情報を含む、請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記第一変化は、周期的な変動を含む、請求項１〜３のいずれか一項記載の電力変換装置。
5. 前記周期的な変動は、前記交流電力の周波数よりも高い周波数での変動を含む、請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記第一位相角に対し前記第一変化を付加するための目標電流に対する電流の応答遅れを補償することを更に実行するように構成されている、請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、変化中の前記第一位相角の最大値及び最小値の間の前記第一位相角に対応する前記動力を推定するように構成されている、請求項１〜６のいずれか一項記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、推定した前記動力を動力目標値に近付けるように前記電力変換回路を制御することを更に実行するように構成されている、請求項１〜７のいずれか一項記載の電力変換装置。
9. 交流電力の供給に応じた電動機の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、前記電動機が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加することと、
   前記電動機に供給される電力に関する情報から、前記第一変化により生じた成分を抽出し、前記電動機が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を含む電動機の動力推定方法。
10. 交流電力の供給に応じた電動機の磁束方向の位相角である第一位相角に対し、前記電動機が発生する動力の変化を伴う第一変化を付加するように電力変換回路を制御することと、
    前記電動機に供給される電力に関する情報から、前記第一変化により生じた成分を抽出し、前記電動機が発生する動力を当該成分に基づいて推定することと、を含む電動機の制御方法。
11. 推定した前記動力を、動力目標値に近付けるように前記電力変換回路を制御することを更に含む、請求項１０記載の電動機の制御方法。

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