JP6750364B2 - 回転電機の回転角推定装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の回転角推定装置に関する。

この種の装置としては、角度推定用の高周波電圧の印加に伴い発生する騒音を低減するものが知られている。具体的には、この装置としては、例えば、高周波電圧の周波数を分散したり、高周波電圧の周波数を下げて可聴域から外したり、高周波電圧の振幅を下げたりするものが知られている。

鄭 淅化，外４名，「センサレス制御やパラメータ同定のための信号重畳に適した電流制御系」、電気学会論文誌 Ｄ部門，２０１２年３月１日，Vol.132(2012) No.3

しかしながら、上述した技術では、高周波電圧の印加に伴い発生する騒音を十分低減することができず、さらに、騒音を低減するために角度推定精度を犠牲にしている。

本発明は、角度推定精度を犠牲にすることなく、角度推定用の高周波電圧が印加されることに伴い発生する騒音を低減できる回転電機の回転角推定装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、ステータ（１３）に巻回された複数の巻線群（１０Ａ，１０Ｂ）を有する多重巻線回転電機（１０）と、前記複数の巻線群に電圧を印加する電力変換回路（２０Ａ，２０Ｂ）と、を備えるシステムに適用され、前記複数の巻線群のそれぞれは、互いに空間位相差（Δθ）を有するように前記ステータに巻回されている。本発明は、前記複数の巻線群それぞれに印加する高周波電圧であって、前記回転電機の電気角速度よりも高い角速度で変動する高周波電圧を算出する高周波算出部（４０）と、前記高周波算出部により算出された高周波電圧を前記複数の巻線群それぞれに印加すべく、前記電力変換回路を操作する高周波操作部（４０）と、前記高周波操作部により前記複数の巻線群に印加された高周波電圧に応じて前記複数の巻線群に流れる高周波電流に基づいて、前記回転電機の回転角を推定する角度推定部（４０）と、を備え、前記高周波算出部は、前記回転電機の固定座標系において、前記複数の巻線群に印加される高周波電圧ベクトルそれぞれの大きさよりも、前記各高周波電圧ベクトルの合成ベクトルの大きさを小さくするとの条件を満たすように、前記空間位相差に基づいて前記複数の巻線群それぞれに印加する高周波電圧を算出する。

本発明が適用されるシステムには、複数の巻線群を有する多重巻線回転電機が備えられている。そして本発明では、高周波算出部により算出された高周波電圧が複数の巻線群それぞれに印加され、複数の巻線群に印加された高周波電圧に応じて複数の巻線群に流れる高周波電流に基づいて、回転電機の回転角が推定される。

ここで、高周波電圧の印加に伴い発生する騒音を低減するためには、回転電機の固定座標系において、所定の条件を満たすように、複数の巻線群に高周波電圧を印加する必要がある。所定の条件とは、複数の巻線群に印加される高周波電圧ベクトルそれぞれの大きさよりも、各高周波電圧ベクトルの合成ベクトルの大きさを小さくするとの条件である。ただし、複数の巻線群のそれぞれは、互いに空間位相差を有するようにステータに巻回されている。このため、上記所定の条件を満たすには、空間位相差を考慮する必要がある。

そこで本発明では、上記所定の条件を満たすように、空間位相差に基づいて複数の巻線群それぞれに印加される高周波電圧が高周波算出部により算出される。これにより、角度推定用の高周波電圧の印加に伴い発生する回転電機の騒音を低減することができる。しかも本発明では、回転電機が複数の巻線群を有することを利用して、上記所定の条件を満たすように各巻線群に高周波電圧ベクトルが印加される。このため、例えば、高周波電圧の周波数を下げて可聴域から外したり、高周波電圧の振幅を下げたりするといった制約が課されることがなく、騒音低減のために角度推定精度が犠牲にならない。

第１実施形態に係るモータ制御システムの全体構成図。 第１巻線群と第２巻線群とのなす空間位相差を示す図。 回転電機のトルク制御処理を示すブロック図。 高周波電圧の推移を示すタイムチャート。 回転座標系の高周波電圧ベクトルを示す図。 回転座標系の高周波電圧ベクトルを示す図。 固定座標系の高周波電圧ベクトルを示す図。 関連技術に係る回転座標系の高周波電圧ベクトルを示す図。 関連技術に係る固定座標系の高周波電圧ベクトルを示す図。 第２実施形態に係る回転電機のトルク制御処理を示すブロック図。 高周波電圧の推移を示すタイムチャート。 高周波電圧の周波数及び振幅の関係を示す図。 その他の実施形態に係る第１〜第３巻線群のなす空間位相差を示す図。 その他の実施形態に係る回転座標系の高周波電圧ベクトルを示す図。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る装置を車載主機としてエンジンを備える車両に適用した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、回転電機１０は、多相多重巻線を有している。本実施形態において、回転電機１０は、３相２重巻線を有する同期機である。ちなみに、回転電機１０としては、例えば、永久磁石界磁型のものや、巻線界磁型のものを用いることができる。

本実施形態において、回転電機１０は、スタータ及びオルタネータ、すなわち電動機及び発電機の機能を統合したＩＳＧ（Integrated Starter Generator）である。回転電機１０を構成するロータ１２は、エンジン１４のクランク軸１４ａと動力伝達可能とされている。本実施形態において、ロータ１２は、例えばベルトを介してクランク軸１４ａに機械的に接続されている。

ちなみに、回転電機１０は、エンジン１４の初回の始動にスタータとして機能する。また、回転電機１０は、所定の自動停止条件が成立する場合にエンジン１４を自動停止させ、その後、所定の再始動条件が成立する場合にエンジン１４を自動的に再始動させるアイドリングストップ機能を実行する場合にスタータとして機能する。

回転電機１０を構成するステータ１３には、「基準巻線群」としての第１巻線群１０Ａと、「残余巻線群」としての第２巻線群１０Ｂとが巻回されている。第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに対して、ロータ１２が共通化されている。第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、異なる中性点を有する３相巻線からなる。第１巻線群１０Ａは、電気角で互いに１２０°ずれたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＡ，ＶＡ，ＷＡを有し、第２巻線群１０Ｂは、電気角で互いに１２０°ずれたＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＢ，ＶＢ，ＷＢを有している。本実施形態では、図２に示すように、第１巻線群１０Ａと第２巻線群１０Ｂとのなす空間位相差Δθが電気角で３０°とされている。すなわち、第１巻線群１０ＡのＵ相巻線ＵＡと第２巻線群１０ＢのＵ相巻線ＵＢとのなす空間位相差Δθが電気角で３０°とされている。なお本実施形態では、説明の便宜上、第２巻線群１０Ｂが、第１巻線群１０Ａに対して進角側に空間位相差Δθだけずれているものとする。

なお本実施形態では、第１巻線群１０Ａと第２巻線群１０Ｂとが同じ構成とされている。具体的には、第１巻線群１０Ａを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＡ，ＶＡ，ＷＡそれぞれの巻数と、第２巻線群１０Ｂを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＢ，ＶＢ，ＷＢそれぞれの巻数とが等しく設定されている。

先の図１に戻り、回転電機１０には、第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに対応して個別に設けられた第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂが電気的に接続されている。本実施形態において、第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂは「電力変換回路」に相当する。

第１インバータ２０Ａは、第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ１，ＳＶｐ１，ＳＷｐ１と、第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ１，ＳＶｎ１，ＳＷｎ１との直列接続体を備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相における上記直列接続体の接続点には、第１巻線群１０Ａを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＡ，ＶＡ，ＷＡが接続されている。本実施形態では、各スイッチＳＵｐ１〜ＳＷｎ１として、ＩＧＢＴを用いている。そして、各スイッチＳＵｐ１，ＳＵｎ１，ＳＶｐ１，ＳＶｎ１，ＳＷｐ１，ＳＷｎ１には、各ダイオードＤＵｐ１，ＤＵｎ１，ＤＶｐ１，ＤＶｎ１，ＤＷｐ１，ＤＷｎ１が逆並列に接続されている。なお、各スイッチＳＵｐ１〜ＳＷｎ１としては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。

第２インバータ２０Ｂは、第１インバータ２０Ａと同様に、第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ２，ＳＶｐ２，ＳＷｐ２と、第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ２，ＳＶｎ２，ＳＷｎ２との直列接続体を備えている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相における上記直列接続体の接続点には、第２巻線群１０Ｂを構成するＵ，Ｖ，Ｗ相巻線ＵＢ，ＶＢ，ＷＢが接続されている。本実施形態では、各スイッチＳＵｐ２〜ＳＷｎ２として、ＩＧＢＴを用いている。そして、各スイッチＳＵｐ２，ＳＵｎ２，ＳＶｐ２，ＳＶｎ２，ＳＷｐ２，ＳＷｎ２には、各ダイオードＤＵｐ２，ＤＵｎ２，ＤＶｐ２，ＤＶｎ２，ＤＷｐ２，ＤＷｎ２が逆並列に接続されている。なお、各スイッチＳＵｐ２〜ＳＷｎ２しては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。

第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂの各上アームスイッチのコレクタには、直流電源であるバッテリ２１の正極端子が接続されている。第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂの各下アームスイッチのエミッタには、バッテリ２１の負極端子が接続されている。すなわち本実施形態では、各インバータ２０Ａ，２０Ｂでバッテリ２１が共通化されている。なお、バッテリ２１は、例えば、鉛蓄電池であり、その公称電圧は１２Ｖに設定されている。また、バッテリ２１には、コンデンサ２２が並列接続されている。

第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂは、回転電機１０を電動機として機能させる場合、バッテリ２１から入力される直流電力を交流電力に変換して第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに出力する。一方、第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂは、回転電機１０を発電機として機能させる場合、第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂから出力される交流電力を直流電力に変換してバッテリ２１に出力する。

本実施形態にかかる制御システムは、電圧検出部３０、第１相電流検出部３１Ａ、及び第２相電流検出部３１Ｂを備えている。電圧検出部３０は、バッテリ２１の端子電圧を電源電圧ＶＤＣとして検出する。第１相電流検出部３１Ａは、第１巻線群１０Ａに流れる３相電流のうち少なくとも２相分の電流を検出する。第２相電流検出部３１Ｂは、第２巻線群１０Ｂに流れる３相電流のうち少なくとも２相分の電流を検出する。本実施形態において、第１，第２相電流検出部３１Ａ，３１Ｂは、Ｖ相電流及びＷ相電流を検出する。なお第１，第２相電流検出部３１Ａ，３１Ｂとしては、例えば、カレントトランス又は抵抗器を備えるものを用いることができる。

上記各種検出部の検出値は、マイコンを主体として構成される制御装置４０に取り込まれる。制御装置４０は、ＣＰＵ及びメモリを備え、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵにて実行する。制御装置４０は、回転電機１０の制御量をその指令値に制御すべく、これら各種センサの検出値に基づいて、第１，第２インバータ２０Ａ，２０Ｂの各スイッチをオンオフ操作する操作信号を生成する。本実施形態において、制御量はトルクであり、制御量の指令値は、指令トルクＴｒｑ＊である。図１には、第１インバータ２０Ａの各スイッチＳＵｐ１，ＳＵｎ１，ＳＶｐ１，ＳＶｎ１，ＳＷｐ１，ＳＷｎ１を操作する信号を第１操作信号ｇＵｐ１，ｇＵｎ１，ｇＶｐ１，ｇＶｎ１，ｇＷｐ１，ｇＷｎ１として示し、第２インバータ２０Ｂの各スイッチＳＵｐ２，ＳＵｎ２，ＳＶｐ２，ＳＶｎ２，ＳＷｐ２，ＳＷｎ２を操作する信号を第２操作信号ｇＵｐ２，ｇＵｎ２，ｇＶｐ２，ｇＶｎ２，ｇＷｐ２，ｇＷｎ２として示している。

続いて図３を用いて、回転電機１０を電動機として機能させる場合における回転電機１０のトルク制御について説明する。この制御では、位置センサレス制御が用いられる。位置センサレス制御では、回転電機１０の磁極位置である電気角を直接検出するレゾルバ等の角度検出器の検出値が用いられず、推定した電気角が用いられる。なお本実施形態において、制御装置４０が「高周波算出部」、「高周波操作部」及び「角度推定部」を含む。

制御装置４０は、第１インバータ２０Ａに対応した第１処理部４１を備えている。第１処理部４１において、第１電流変換部４１ａは、後述する角度推定部５０により推定された回転電機１０の電気角である第１推定角θγ１と、第１相電流検出部３１Ａにより検出されたＶ相電流ＩＶ１，Ｗ相電流ＩＷ１とに基づいて、ＵＶＷ座標系における第１巻線群１０ＡのＵ，Ｖ，Ｗ相電流を、γδ座標系における第１γ軸電流Ｉγ１ｒ及び第１δ軸電流Ｉδ１ｒに変換する。ここで、ＵＶＷ座標系は回転電機１０の３相固定座標系であり、γδ座標系は、回転電機１０の２相回転座標系であるｄｑ座標系の推定座標系である。

第１指令電流設定部４１ｂは、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、第１γ軸指令電流Ｉγ１＊と、第１δ軸指令電流Ｉδ１＊とを設定する。第１γ軸偏差算出部４１ｃは、第１γ軸指令電流Ｉγ１＊から第１γ軸電流Ｉγ１ｒを減算した値として、第１γ軸偏差ΔＩγ１を算出する。第１δ軸偏差算出部４１ｄは、第１δ軸指令電流Ｉδ１＊から第１δ軸電流Ｉδ１ｒを減算した値として、第１δ軸偏差ΔＩδ１を算出する。

第１指令電圧設定部４１ｅは、第１γ軸偏差ΔＩγ１に基づいて、第１γ軸電流Ｉγ１ｒを第１γ軸指令電流Ｉγ１＊にフィードバック制御するための操作量として、第１γ軸電圧Ｖγ１ｒを算出する。また、第１指令電圧設定部４１ｅは、第１δ軸偏差ΔＩδ１に基づいて、第１δ軸電流Ｉδ１ｒを第１δ軸指令電流Ｉδ１＊にフィードバック制御するための操作量として、第１δ軸電圧Ｖδ１ｒを算出する。なお、上記フィードバック制御としては、例えば比例積分制御を用いることができる。

第１γ軸重畳部４１ｆは、第１γ軸電圧Ｖγ１ｒと、後述する基準高周波算出部６０により算出された第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈとの加算値を、第１γ軸指令電圧Ｖγ１＊として出力する。第１δ軸重畳部４１ｇは、第１δ軸電圧Ｖδ１ｒと、基準高周波算出部６０により算出された第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈとの加算値を、第１δ軸指令電圧Ｖδ１＊として出力する。第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、第１γ軸指令電圧Ｖγ１＊，第１δ軸指令電圧Ｖδ１＊の基本波成分の電気角速度よりも十分高い角速度で変動する信号である。

第１電圧変換部４１ｈは、第１γ軸指令電圧Ｖγ１＊、第１δ軸指令電圧Ｖδ１＊、電圧検出部３０により検出された電源電圧ＶＤＣ、及び第１推定角θγ１に基づいて、γδ座標系における第１γ，δ軸指令電圧Ｖγ１＊，Ｖδ１＊を、ＵＶＷ座標系における第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１に変換する。本実施形態において、第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１は、中央値が０となり、電気角で位相が互いに１２０°ずれた正弦波状の信号となる。

第１生成部４１ｉは、第１電圧変換部４１ｈから出力された第１Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１に基づいて、第１操作信号ｇＵｐ１〜ｇＷｎ１を生成する。第１生成部４１ｉは、生成した第１操作信号ｇＵｐ１〜ｇＷｎ１を各スイッチＳＵｐ１〜ＳＷｎ１に対して出力する。ここで第１操作信号は、例えば、三角波信号等のキャリア信号と各相指令電圧ＶＵ１，ＶＶ１，ＶＷ１との大小比較に基づくＰＷＭ制御により生成されればよい。上アーム側の第１操作信号と、対応する下アーム側の第１操作信号とは、互いに相補的な信号となっている。このため、上アームスイッチと、対応する下アームスイッチとは、交互にオンされる。

制御装置４０は、第２インバータ２０Ｂに対応した第２処理部４２を備えている。なお、第２処理部４２は、第１処理部４１と同様の構成のため、その詳細な説明を適宜省略する。

第２処理部４２において、第２電流変換部４２ａは、第２推定角θγ２と、第２相電流検出部３１Ｂにより検出されたＶ相電流ＩＶ２，Ｗ相電流ＩＷ２とに基づいて、第２巻線群１０Ｂに対応するＵ，Ｖ，Ｗ相電流を、γδ座標系における第２γ軸電流Ｉγ２ｒと、第２δ軸電流Ｉδ２ｒとに変換する。ここで、第２推定角θγ２は、角度加算部５１により、第１推定角θγ１及び空間位相差Δθの加算値として算出される。すなわち、第２推定角θγ２は、第１推定角θγ１に対して空間位相差Δθだけ進角側の値となる。

第２指令電流設定部４２ｂは、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、第２γ軸指令電流Ｉγ２＊と、第２δ軸指令電流Ｉδ２＊とを設定する。各指令電流Ｉγ２＊，Ｉδ２＊，Ｉγ１＊，Ｉδ１＊は、回転電機１０のトルクを指令トルクＴｒｑ＊とするために必要な値に設定されている。なお、第２γ軸指令電流Ｉγ２＊は、第１γ軸指令電流Ｉγ１＊と同じ値に設定されてもよいし、異なる値に設定されてもよい。また、第２δ軸指令電流Ｉδ２＊は、第１δ軸指令電流Ｉδ１＊と同じ値に設定されてもよいし、異なる値に設定されてもよい。

第２γ軸偏差算出部４２ｃは、第２γ軸指令電流Ｉγ２＊から第２γ軸電流Ｉγ２ｒを減算した値として、第２γ軸偏差ΔＩγ２を算出する。第２δ軸偏差算出部４２ｄは、第２δ軸指令電流Ｉδ２＊から第２δ軸電流Ｉδ２ｒを減算した値として、第２δ軸偏差ΔＩδ２を算出する。

第２指令電圧設定部４２ｅは、第２γ軸偏差ΔＩγ２に基づいて、第２γ軸電圧Ｖγ２ｒを算出する。また、第２指令電圧設定部４２ｅは、第２δ軸偏差ΔＩδ２に基づいて、第２δ軸電圧Ｖδ２ｒを算出する。なお、第２指令電圧設定部４２ｅで用いられるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御を用いることができる。

第２γ軸重畳部４２ｆは、第２γ軸電圧Ｖγ２ｒと、後述する位相操作部６１により設定された第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈとの加算値を、第２γ軸指令電圧Ｖγ２＊として出力する。第２δ軸重畳部４２ｇは、第２δ軸電圧Ｖδ２ｒと、位相操作部６１により設定された第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈとの加算値を、第２δ軸指令電圧Ｖδ２＊として出力する。第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、第２γ軸指令電圧Ｖγ２＊，第２δ軸指令電圧Ｖδ２＊の基本波成分の電気角速度よりも十分高い角速度で変動する信号である。

第２電圧変換部４２ｈは、第２γ軸指令電圧Ｖγ２＊、第２δ軸指令電圧Ｖδ２＊、電源電圧ＶＤＣ、及び第２推定角θγ２に基づいて、γδ座標系における第２γ，δ軸指令電圧Ｖγ２＊，Ｖδ２＊を、ＵＶＷ座標系における第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ２，ＶＶ２，ＶＷ２に変換する。本実施形態において、第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ２，ＶＶ２，ＶＷ２は、中央値が０となり、電気角で位相が互いに１２０°ずれた正弦波状の信号となる。

第２生成部４２ｉは、第２電圧変換部４２ｈから出力された第２Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ２，ＶＶ２，ＶＷ２に基づいて、第２操作信号ｇＵｐ２〜ｇＷｎ２を生成する。第２生成部４２ｉは、生成した第２操作信号ｇＵｐ２〜ｇＷｎ２を各スイッチＳＵｐ２〜ＳＷｎ２に対して出力する。

角度推定部５０は、第１電流変換部４１ａから出力された第１δ軸電流Ｉδ１ｒに基づいて、第１推定角θγ１を算出する。詳しくは、角度推定部５０は、まず、第１δ軸電流Ｉδ１ｒからその高周波成分を抽出する。なお、高周波成分の抽出は、例えば、バンドパスフィルタ又はハイパスフィルタで実施すればよい。角度推定部５０は、回転電機１０の電気角を様々な値に変化させた場合において、抽出した高周波成分が最小となる電気角を第１推定角θγ１として算出する。

なお、第１推定角θγ１の算出手法としては、上述した手法に限らない。例えば、第２δ軸電流Ｉδ２ｒに基づいて、第１推定角θγ１が算出されてもよい。また例えば、巻線に印加した高周波電圧のベクトルと、高周波電圧の印加に伴って巻線に流れる高周波電流のベクトルとの外積値が０となるように第１推定角θγ１が算出されてもよい。

基準高周波算出部６０は、回転電機１０のトルク制御中において、第１推定角θγ１の算出に必要な第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈを算出するために設けられている。

ちなみに、高周波電圧の重畳を用いた角度推定の適用対象となる回転電機１０は、非突極機であってもよいし、突極機であってもよい。ここで、角度推定の適用対象となる回転電機は、通常、突極機であるが、非突極機であってもよい。この場合であっても、例えばエンジン１４を始動させるために回転電機に大電流が流れ、回転電機１０において磁気飽和が生じる。磁気飽和が生じていると、回転電機のｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとが異なる状態となる。このため、回転電機が非突極機である場合であっても、高周波電圧の重畳を用いた角度推定が可能となる。

位相操作部６１は、基準高周波算出部６０により算出された第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈに基づいて第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈを算出し、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈに基づいて第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈを算出する。

図４を用いて、基準高周波算出部６０により算出される各高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈについて説明する。図４（ａ）には、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈを示し、図４（ｂ）には、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈを示す。

図４（ａ）に示すように、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈは、その振幅が第１振幅Ｖ１に設定されている矩形波状のパルス信号である。図４（ｂ）に示すように、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、その振幅が第２振幅Ｖ２に設定されている矩形波状のパルス信号である。本実施形態において、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ及び第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、同一の周波数に設定されている。また本実施形態において、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ及び第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、同一の位相に設定されている。すなわち、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの符号が負から正に反転するタイミングと、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの符号が負から正に反転するタイミングとが同一のタイミングに設定され、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの符号が正から負に反転するタイミングと、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの符号が正から負に反転するタイミングとが同一のタイミングに設定されている。なお、第１振幅Ｖ１及び第２振幅Ｖ２は、互いに異なる値であってもよいし、互いに同一の値であってもよい。

続いて、位相操作部６１により算出される各高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈについて説明する。図４（ｃ）には、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈを示し、図４（ｄ）には、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈを示す。

図４（ｃ）に示すように、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈは、その振幅が、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの第１振幅Ｖ１と同じ値に設定されている矩形波状のパルス信号である。また、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈは、その周波数が、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの周波数と同じ値に設定されている。さらに、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈは、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈを電気角半周期（１８０°）だけずらした信号を、さらに空間位相差Δθだけ進角させた信号である。すなわち、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈは、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの符号を反転させた信号を、さらに空間位相差Δθだけ進角させた信号である。

図４（ｄ）に示すように、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、その振幅が、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの第２振幅Ｖ２と同じ値に設定されている矩形波状のパルス信号である。また、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、その周波数が、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの周波数と同じ値に設定されている。さらに、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈを電気角半周期だけずらした信号を、さらに空間位相差Δθだけ進角させた信号である。すなわち、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの符号を反転させた信号を、さらに空間位相差Δθだけ進角させた信号である。

図５に、各高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈを各電圧Ｖγ１ｒ，Ｖδ１ｒに重畳した状態を示す。なお図５において、駆動電圧ベクトルＶＶｒは、第１γ軸電圧Ｖγ１ｒ及び第１δ軸電圧Ｖδ１ｒにより規定される第１駆動電圧ベクトルＶｒ１と、第２γ軸電圧Ｖγ２ｒ及び第２δ軸電圧Ｖδ２ｒにより規定される第２駆動電圧ベクトルＶｒ２との合成ベクトルを示す。

図示されるように、駆動電圧ベクトルＶＶｒの先端から延びるベクトルであって、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ及び第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈからなる第１高周波電圧ベクトルＶｈ１が第１巻線群１０Ａに印加される。第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ及び第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈのそれぞれは、その符号が周期的に反転される。このため、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１は、その方向が周期的に反転される。

図６に、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１に加えて、第２巻線群１０Ｂに印加される第２高周波電圧ベクトルＶｈ２を示す。第２高周波電圧ベクトルＶｈ２は、駆動電圧ベクトルＶＶｒの先端から延びるベクトルであって、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ及び第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈからなる高周波電圧ベクトルである。第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ及び第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈのそれぞれは、その符号が周期的に反転される。このため、第２高周波電圧ベクトルＶｈ２は、その方向が周期的に反転される。また本実施形態において、第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の大きさは、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１の大きさと等しい。

ここで、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とのなす角度は、図６に示すように、γδ座標系において「１８０°＋Δθ」とされる。これにより、図７に示すように、ＵＶＷ座標系において、第１駆動電圧ベクトルＶｒ１の先端から延びる第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と、第２駆動電圧ベクトルＶｒ２の先端から延びる第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とのなす角度は１８０°とされる。すなわち、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とが平行となる。これにより、ＵＶＷ座標系において、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１は第２高周波電圧ベクトルＶｈ２によって相殺される。したがって、ＵＶＷ座標系において、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１及び第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の合成ベクトルの大きさが０とされる。このため本実施形態によれば、角度推定用の高周波電圧の印加に伴い発生する回転電機１０の騒音を低減することができる。なお図７には、各有効電圧ベクトルとしてＶ１〜Ｖ６を示した。また図７では、第１電圧ベクトルＶ１がＵ相に対応し、第３電圧ベクトルＶ３がＶ相に対応し、第５電圧ベクトルＶ５がＷ相に対応している。

ここで、本実施形態と比較するための関連技術について説明する。関連技術とは、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とのなす角度が、先の図６において「１８０°」とされる構成のことである。図８に、関連技術のγδ座標系における各高周波電圧ベクトルＶｈ１，Ｖｈ２を示す。なお図８では、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とが重なるのを防ぐために、便宜上、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１を駆動電圧ベクトルＶＶｒの先端からずらして記載している。

図８に示す態様で第１，第２高周波電圧ベクトルＶｈ１，Ｖｈ２を印加すると、図９に示すように、ＵＶＷ座標系において、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とのなす角度が空間位相差Δθとされる。その結果、ＵＶＷ座標系において、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１及び第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の合成ベクトルの大きさが０とならない。このため関連技術では、本実施形態と比較して、回転電機１０の騒音の低減効果が低下することとなる。

このように本実施形態では、ＵＶＷ座標系において、ＵＶＷ座標系において、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１及び第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の合成ベクトルの大きさが０となるように角度推定用の高周波電圧を第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに重畳した。このため、角度推定用の高周波電圧の印加に伴い発生する回転電機１０の騒音を低減できる。

また本実施形態では、第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈがまず算出され、その後、第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈの位相をずらすことにより、第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈが算出される。このため、第２巻線群１０Ｂに印加する高周波電圧を簡易な手法により算出できる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１０に示すように、高周波電圧の算出手法を変更する。なお図１０において、先の図３に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、制御装置４０は、第１高周波算出部６２ａ及び第２高周波算出部６２ｂを備えている。第１高周波算出部６２ａは、トルク制御中において、第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈを算出する。第２高周波算出部６２ｂは、トルク制御中において、第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈを算出する。

図１１を用いて、第１高周波算出部６２ａにより算出される第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈについて説明する。図１１（ａ）には、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈを示し、図１１（ｂ）には、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈを示す。

図１１（ａ）に示すように、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈは、その振幅が第１振幅Ｖ１に設定されている矩形波状のパルス信号である。また図１１（ｂ）に示すように、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、その振幅が第２振幅Ｖ２に設定されている矩形波状のパルス信号である。なお、第１振幅Ｖ１及び第２振幅Ｖ２は、互いに異なる値であってもよいし、互いに同一の値であってもよい。

本実施形態において、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ及び第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、同一の周波数ｆａに設定されている。また本実施形態において、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ及び第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈは、同一の位相に設定されている。

続いて、第２高周波算出部６２ｂにより算出される第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈについて説明する。図１１（ｃ）には、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈを示し、図１１（ｄ）には、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈを示す。

図１１（ｃ）に示すように、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈは、その周波数が、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの周波数ｆａよりも低い周波数ｆｂに設定されている。図１１には、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈの周波数ｆｂが、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの周波数ｆａの１／３の値に設定される例を示す。また図１１（ｄ）に示すように、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、その周波数が第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈの周波数と同一の周波数に設定されている。本実施形態において、第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ及び第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、同一の位相に設定されている。

第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈの振幅は、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの第１振幅Ｖ１よりも小さい第３振幅Ｖ３に設定されている。また、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈは、その振幅が、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの第２振幅Ｖ２よりも小さい第４振幅Ｖ４に設定されている。

第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈの立ち下がりタイミングと、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの立ち上がりタイミングとは所定角βだけずれている。また、第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈの立ち下がりタイミングと、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの立ち上がりタイミングとは所定角βだけずれている。ここで、所定角βは、空間位相差Δθに基づいて定められればよい。

本実施形態において、第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈの周波数ｆａと、第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈの周波数ｆｂとを相違させているのは、角度推定用の高周波電圧の印加に伴い発生する騒音レベルのスペクトルを分散するためである。これにより、騒音レベルのピーク値を低減できる。

周波数を相違させるために、第１γ，δ軸高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈの周波数ｆａに対して、第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈの周波数ｆｂが低く設定されている。ただし、第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈの周波数ｆｂが低くされるほど、第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の印加に伴い第２巻線群１０Ｂに流れる高周波電流のピーク値が大きくなる。その結果、第１巻線群１０Ａに第１高周波電圧ベクトルＶｈ１を印加して、かつ、第２巻線群１０Ｂに第２高周波電圧ベクトルＶｈ２を印加したとしても、騒音の低減効果が低下してしまうおそれがある。

そこで本実施形態では、図１２に示すように、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの周波数ｆａに対して第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈの周波数ｆｂが低いほど、第１γ軸高周波電圧Ｖγ１ｈの第１振幅Ｖ１に対して第２γ軸高周波電圧Ｖγ２ｈの第３振幅Ｖ３が小さく設定される。また、同様に、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの周波数ｆａに対して第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈの周波数ｆｂが低いほど、第１δ軸高周波電圧Ｖδ１ｈの第２振幅Ｖ２に対して第２δ軸高周波電圧Ｖδ２ｈの第４振幅Ｖ４が小さく設定される。

これにより、第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の印加に伴い第２巻線群１０Ｂに流れる高周波電流のピーク値を低減できる。その結果、騒音の低減効果の低下を防止できる。

なお、第１〜第４振幅Ｖ１〜Ｖ４は、第２高周波電圧ベクトルＶｈ２の印加に伴い第２巻線群１０Ｂに流れる高周波電流のピーク値と、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１の印加に伴い第１巻線群１０Ａに流れる高周波電流のピーク値とを同一の値とできる値に設定されればよい。

また、各高周波電圧Ｖγ１ｈ，Ｖδ１ｈ，Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈの周波数は、固定値であってもよいし、可変設定される値であってもよい。ここで、可変設定される値とする場合、例えば、第２γ，δ軸高周波電圧Ｖγ２ｈ，Ｖδ２ｈの周波数ｆｂに基づいて、先の図１２の関係に従って、第３，第４振幅Ｖ３，Ｖ４が可変設定されればよい。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・回転電機が備える巻線群の数としては、２つに限らず、３つ以上であってもよい。ここで、回転電機が、例えば、図１３に示すように３つの巻線群１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを備える場合、各巻線群に印加する高周波電圧ベクトルＶｈ１，Ｖｈ２，Ｖｈ３は、以下に説明するように算出されればよい。なお図１３には、Ｕ相のみを示している。

図１３に示すように、第１巻線群１０Ａと第２巻線群１０Ｂとのなす空間位相差Δθ１が電気角で２０°とされ、第１巻線群１０Ａと第３巻線群１０Ｃとのなす空間位相差Δθ２が電気角で４０°とされている。すなわち、第１巻線群１０ＡのＵ相巻線ＵＡと第２巻線群１０ＢのＵ相巻線ＵＢとのなす空間位相差Δθ１が電気角で２０°とされ、第１巻線群１０ＡのＵ相巻線ＵＡと第３巻線群１０ＣのＵ相巻線ＵＣとのなす空間位相差Δθ２が電気角で４０°とされている。本実施形態では、第１巻線群１０Ａが「基準巻線群」に相当し、第２，第３巻線群１０Ｂ，１０Ｃのそれぞれが「残余巻線群」に相当する。

この構成において、Ｎを巻線群の数とすると、第２巻線群１０Ｂに印加する第２高周波電圧ベクトルＶｈ２は、図１４に示すように、第１巻線群１０Ａに印加する第１高周波電圧ベクトルＶｈ１を、電気角で「３６０°／Ｎ＋Δθ１」（＝１４０°）だけ位相をずらすことにより算出される。また、第３巻線群１０Ｃに印加する第３高周波電圧ベクトルＶｈ３は、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１を、電気角で「３６０°／Ｎ×２＋Δθ２」（＝２８０°）だけ位相をずらすことにより算出される。

・上記第１実施形態では、第１，第２高周波電圧ベクトルＶｈ１，Ｖｈ２の合成ベクトルの大きさを０にするように、第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに印加する高周波電圧を算出したがこれに限らない。例えば、３相固定座標系において、第１，第２高周波電圧ベクトルＶｈ１，Ｖｈ２のそれぞれの大きさよりも、各高周波電圧ベクトルＶｈ１，Ｖｈ２の合成ベクトルの大きさを小さくするように、第１，第２巻線群１０Ａ，１０Ｂに印加する高周波電圧を算出してもよい。この場合、第１高周波電圧ベクトルＶｈ１と第２高周波電圧ベクトルＶｈ２とのなす角度が、「１８０°＋Δθ」以外の値であって、かつ、「１８０°＋Δθ」付近の値に設定されてもよい。この場合であっても、騒音の低減効果を得ることはできる。

・高周波電圧としては、矩形波状のパルス信号に限らず、例えば正弦波状の高周波信号であってもよい。

・回転電機としては、３相のものに限らず、例えば、２相、又は４相以上のものであってもよい。また回転電機としては、永久磁石界磁型のものに限らず、例えば、ロータに界磁巻線を備える巻線界磁型のものであってもよい。

１０…回転電機、１０Ａ，１０Ｂ…第１，第２巻線群、２０Ａ，２０Ｂ…第１，第２インバータ、４０…制御装置。

Claims (5)

1. ステータ（１３）に巻回された複数の巻線群（１０Ａ，１０Ｂ）を有する多重巻線回転電機（１０）と、前記複数の巻線群に電圧を印加する電力変換回路（２０Ａ，２０Ｂ）と、を備えるシステムに適用され、
   前記複数の巻線群のそれぞれは、互いに空間位相差（Δθ）を有するように前記ステータに巻回されており、
   前記複数の巻線群それぞれに印加する高周波電圧であって、前記回転電機の電気角速度よりも高い角速度で変動する高周波電圧を算出する高周波算出部（４０）と、
   前記高周波算出部により算出された高周波電圧を前記複数の巻線群それぞれに印加すべく、前記電力変換回路を操作する高周波操作部（４０）と、
   前記高周波操作部により前記複数の巻線群に印加された高周波電圧に応じて前記複数の巻線群に流れる高周波電流に基づいて、前記回転電機の回転角を推定する角度推定部（４０）と、を備え、
   前記高周波算出部は、前記回転電機の固定座標系において、前記複数の巻線群に印加される高周波電圧ベクトルそれぞれの大きさよりも、前記各高周波電圧ベクトルの合成ベクトルの大きさを小さくするとの条件を満たすように、前記空間位相差に基づいて前記複数の巻線群それぞれに印加する高周波電圧を算出する回転電機の回転角推定装置。
2. 前記複数の巻線群のうち、基準となる巻線群が基準巻線群（１０Ａ）として定義され、残りの巻線群が残余巻線群（１０Ｂ）として定義されており、
   前記高周波算出部は、
   前記基準巻線群に印加する高周波電圧を算出する基準高周波算出部（６０）と、
   前記基準高周波算出部により算出された高周波電圧の位相を、前記残余巻線群及び前記基準巻線群のなす前記空間位相差に基づいてずらすことにより、前記残余巻線群に印加する前記高周波電圧を算出する位相操作部（６１）と、を有し、
   前記高周波操作部は、前記基準高周波算出部により算出された高周波電圧を前記基準巻線群に印加して、かつ、前記位相操作部により算出された高周波電圧を前記残余巻線群に印加すべく、前記電力変換回路を操作する請求項１に記載の回転電機の回転角推定装置。
3. 前記位相操作部は、前記基準高周波算出部により算出された高周波電圧の位相を、前記残余巻線群及び前記基準巻線群のなす前記空間位相差、並びに前記回転電機の１電気角周期を前記巻線群の数で除算した値に基づいてずらすことにより、前記残余巻線群に印加する高周波電圧を算出する請求項２に記載の回転電機の回転角推定装置。
4. 前記高周波算出部は、前記基準巻線群に印加される高周波電圧の振幅と前記残余巻線群に印加される高周波電圧の振幅とを同一の値に設定し、また、前記基準巻線群に印加される高周波電圧の周波数と前記残余巻線群に印加される高周波電圧の周波数とを同一の値に設定する請求項２又は３に記載の回転電機の回転角推定装置。
5. 前記高周波算出部は、前記固定座標系において、前記各高周波電圧ベクトルの合成ベクトルの大きさを０にするとの条件を満たすように、前記複数の巻線群それぞれに印加する高周波電圧を算出する請求項４に記載の回転電機の回転角推定装置。

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