JP7058777B1

JP7058777B1 - 永久磁石式回転電機の制御装置

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Publication number: JP7058777B1
Application number: JP2021021419A
Authority: JP
Inventors: 良雅西島; 圭一榎木; 信吾原田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2041-02-15
Also published as: CN114977944A; JP2022123943A; US20220258591A1; DE102022200282A1

Abstract

【課題】磁極位置補正量を算出する際に補正量のズレを低減し、精度よく磁極位置補正をすることができる交流回転電機の制御装置を得るこが必要であった。【解決手段】交流回転電機が回転している状態で，ｄｑベクトル制御におけるｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値の両者を零に保持しつつ，前記中点レベル判定手段の出力がHiとなっている時間をカウントして前記搬送波の周期(キャリア周期)との比率からデューティを算出し，算出されたデューティと前記磁極位置とから２軸回転座標系へと変換(３相／２相変換)して２相信号を算出し，前記２相信号から所定の演算式に基づいて磁極位置原点補正量を算出し，算出された磁極位置補正量に基づいて磁極位置原点補正を行う、交流回転電機の制御装置を構成している。【選択図】図４

Description

本願は、永久磁石式回転電機の制御装置に関するものである。

永久磁石式回転電機とは、永久磁石を回転子に、電機子巻線を固定子に設けた回転界磁形の構成によるものである。この永久磁石式回転電機は、ハイブリッド自動車などに搭載されてエンジンによる機械エネルギを受けて発電機として機能する場合と、電気エネルギを受けて駆動力を発生させる電動機として機能する場合の両方の機能を発揮する。

一般に、車両に搭載される永久磁石式回転電機を電動機として駆動させる場合の制御は、シンクロレゾルバなどの磁極位置センサにより検出されたロータの磁極位置をもとに、回転電機の電機子巻線への電流を制御することで行なわれている。しかし、磁極位置センサの取付け誤差あるいは位置ズレなどにより、磁極位置の検出値が実際の磁極位置からずれていると、所望のトルクが得られないといった課題がある。

この課題に対して、磁極位置センサによる検出値を、実際のロータの磁極位置に補正することが行われている。例えば、特許文献１に開示された従来の制御装置では、永久磁石式回転電機の回転子が回転している状態でｄｑベクトル制御におけるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値の両者を零に保持しつつ、ｄｑベクトル制御の処理を実行し、実行時に求めたｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とから、所定の演算式に基づき磁極位置補正量を算出し、磁極位置センサが検出した磁極検出位置を補正するようにしている。

また、特許文献２に示された従来の同期機の制御装置では、車両が停止直前か否かを検知し、停止直前と判断した時にｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値を零とし、その時のｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値とに基づいて、磁極位置センサの検出位相との位相差を検出し、その位相差に基づいて検出位相を補正するようにしている。

なお、特許文献１および特許文献２に示されている制御は、ｄｑベクトル制御であって、ｄ軸とは磁極が作る磁束の方向（永久磁石の中心軸）とし、このｄ軸に電気的、磁気的に直交する軸（永久磁石間の軸）をｑ軸と設定し、ｄｑ座標系上において行う回転電機の制御である。

特許第３６８８６７３号公報特許第５６４２２５１号公報

特許文献１および特許文献２に開示された従来の制御装置においては、いずれもｄ軸電圧指令値とｑ軸電圧指令値から磁極位置補正量を算出している。
ｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値は、３相電圧指令に変換後、指令電圧を実電圧に一致させるためにデッドタイム補正等を行う必要があるが、素子バラつきにより適切な補正が出来ずに指令電圧と実電圧との間に誤差が生じる場合がある。すなわち、デッドタイム補正に誤差が含まれている場合には、そのデッドタイム補正に基づいて算出した磁極位置補正量にも誤差を生じることになる。
このような場合、特許文献１、２に記載された方法では算出される磁極位置補正量の精度が劣化することとなる。

本願は、以上のような従来の欠点に鑑み、磁極位置補正量を算出する際に補正量のズレを低減し、精度よく磁極位置原点補正をすることができる永久磁石式回転電機の制御装置を提供することを目的としている。

本願の永久磁石式回転電機の制御装置は、永久磁石式回転電機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段、搬送波に基づいてスイッチング素子のＰＷＭ制御をして電力変換を行うインバータ、前記インバータの正極側に接続されるスイッチング素子と負極側に接続されるスイッチング素子との間の中点電位を検出し、前記中点電位と基準電位との比較を行い、前記中点電位が前記基準電位より大きい場合にＨｉとして出力し、前記中点電位が前記基準電位より小さい場合にＬｏとして出力する中点レベル判定手段、および磁極位置原点補正量演算手段を備え、前記磁極位置原点補正量演算手段が、前記交流回転電機が回転している状態でｄｑベクトル制御におけるｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値との両者を零に保持しつつ、前記中点レベル判定手段の出力がＨｉとなっている時間をカウントして前記搬送波の周期との比率からデューティ値を算出し、算出された前記デューティ値と前記磁極位置とから２軸回転座標系へと変換して２相信号を算出し、前記２相信号から磁極位置原点補正量を算出する手段であって、算出された前記磁極位置原点補正量によって磁極位置原点補正を行うことを特徴とする。

本願の永久磁石式回転電機の制御装置によれば、２相信号から算出された磁極位置補正量に基づいて、精度良く磁極位置原点補正を行うことができる。

本願の実施の形態の永久磁石式回転電機の制御装置を示す構成図である。本願の実施の形態の中点レベル判定手段の構成図である。本願の実施の形態の中点レベル判定手段の構成図である。本願の実施の形態のインバータ制御装置の構成図である。本願の実施の形態の磁極位置原点補正量算出を行う構成を示すブロック図である。磁極位置原点補正量算出までの流れの比較例を示すブロック図である。本願の実施の形態のデューティ演算ブロックの説明図である。本願の実施の形態の永久磁石式回転電機の制御装置の動作説明のフロー図である。本願の実施の形態の磁極位置原点補正を実施する条件を示す説明図である。本願の実施の形態の磁極位置原点補正を実施する条件を示す説明図である。本願の実施の形態の永久磁石式回転電機の制御装置を示す構成図である。本願の実施の形態の制御装置の概略構成を示すブロック図である。本願の実施の形態の制御装置の概略構成を示すブロック図である。

〔全体構成〕
以下、本願の永久磁石式回転電機の制御装置の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態では、永久磁石式回転電機をモータとして説明し、永久磁石式回転電機の制御装置をモータ制御装置として、ハイブリッド自動車に搭載されている場合について説明するが、モータ制御装置は、ハイブリッド自動車以外の車両に搭載されても良いことは当然である。
図１は、実施の形態に係るモータ制御装置の全体構成を示す構成図である。

〔電源〕
直流電源１０は、充放電可能であり、インバータ２０を介してモータ３０と電力をやり取りする。直流電源１０とインバータ２０との間に昇圧コンバータを設け、直流電源１０から供給される直流電圧を、ＤＣ／ＤＣ変換によって昇圧してもよい。

〔モータ〕
モータ３０は、インバータ２０から出力される交流電圧が印加されることにより、車両の駆動力および制動力が制御される。モータ３０の周辺には、回転子の磁極の位置を検出する磁極位置検出手段３１、温度を検出する温度検出手段３２が設けられている。
磁極位置検出手段３１は、ホール素子あるいはエンコーダを用いて構成されたものであり、モータ３０の回転子の所定の基準回転位置からの磁極位置θｒ（ｑ軸の回転角度）の検出値を示す信号を磁極位置の検出信号ＲＳＬとして出力する。なお、磁極位置検出手段３１によって得られる磁極位置θｒの検出値は、磁極位置検出手段３１の組み付け誤差等に起因して、一般にはモータ３０の回転子の実際の磁極位置（磁極の実際の回転角度）に対して誤差を生じる。

〔インバータ〕
インバータ２０は、平滑コンデンサ１１と、ＰＮ電圧検出手段１２と、複数のスイッチング素子２ＵＨ、２ＵＬ、２ＶＨ、２ＶＬ、２ＷＨ、２ＷＬと、複数のスイッチング素子２ＵＨ、２ＵＬ、２ＶＨ、２ＶＬ、２ＷＨ、２ＷＬを駆動するゲート駆動回路７０と、電流検出手段６０と、中点レベル判定手段５０とを有し、直流電源１０とモータ３０との間でＤＣ／ＡＣ電力変換を行う。

平滑コンデンサ１１は、高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとの間に接続され、直流電圧を平滑化するように構成されている。
ＰＮ電圧検出手段１２は、平滑コンデンサ１１の高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとの間の電圧、すなわち直流電源１０の電圧値を計測して電源電圧値Ｖｐｎをインバータ制御装置４０に出力する。

インバータ２０において、パワー半導体素子は、半導体スイッチ素子と半導体整流素子とを相互に逆並列に接続したものを単位とする。また、パワー半導体素子の直列接続体をアームと称する。ここで、インバータ２０の詳細な構成について説明する。インバータ２０内のアームは、駆動するモータ３０の相数に対応する本数が設けられており、図１に示すように、インバータ２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのスイッチングアーム２ＵＨ、２ＵＬ、２ＶＨ、２ＶＬ、２ＷＨ、２ＷＬで構成されている。

インバータ２０のＵ相スイッチングアーム２ＵＨ、２ＵＬは、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｂとして、例えば、Ｓｉを材料とした絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用い、半導体整流素子２２ａ、２２ｂとして、同じくＳｉを材料としたＰｉＮダイオードを用いている。また、他の材料を用いても構わない。

半導体スイッチ素子２１ａのコレクタ電極Ｃには、半導体整流素子２２ａのカソード電極Ｋが接続され、半導体スイッチ素子２１ａのエミッタ電極Ｅには、半導体整流素子２２ａのアノード電極Ａが接続され、相互に逆並列に接続されて、パワー半導体素子の一単位になっている。また、同様に、半導体スイッチ素子２１ｂのコレクタ電極Ｃには、半導体整流素子２２ｂのカソード電極Ｋが接続され、半導体スイッチ素子２１ｂのエミッタ電極Ｅには、半導体整流素子２２ｂのアノード電極Ａが接続されている。このように、インバータ２０のＵ相スイッチングアーム２ＵＨ，２ＵＬは、半導体スイッチ素子２１ａおよび半導体整流素子２２ａからなるパワー半導体素子と、半導体スイッチ素子２１ｂおよび半導体整流素子２２ｂからなるパワー半導体素子とが直列接続されて構成されている。

なお、インバータ２０のＶ相スイッチングアーム２ＶＨ、２ＶＬおよびＷ相スイッチングアーム２ＷＨ、２ＷＬについても、半導体スイッチ素子２１ｃおよび半導体整流素子２２ｃからなるパワー半導体素子と、半導体スイッチ素子２１ｄおよび半導体整流素子２２ｄからなるパワー半導体素子との直列接続、並びに半導体スイッチ素子２１ｅおよび半導体整流素子２２ｅからなるパワー半導体素子と、半導体スイッチ素子２１ｆおよび半導体整流素子２２ｆからなるパワー半導体素子との直列接続により構成されている。

また、インバータ制御装置４０は、インバータ２０に含まれる上アーム側パワー半導体素子２ＵＨ，２ＶＨ，２ＷＨおよび下アーム側パワー半導体素子２ＵＬ，２ＶＬ，２ＷＬの半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御して、モータ３０との接続ノードＵａｃ、Ｖａｃ、Ｗａｃの電位を調整することで、モータ３０に流れる電流量を制御する。

ゲート駆動回路７０は、インバータ制御装置４０からのＯＮ／ＯＦＦ信号（ＰＷＭ指令）に従い、インバータ２０に含まれるスイッチングアームの上アーム側パワー半導体素子２ＵＨ、２ＶＨ、２ＷＨおよび下アーム側パワー半導体素子２ＵＬ、２ＶＬ、２ＷＬ内の半導体スイッチ素子２１ａから２１ｆをＯＮ／ＯＦＦ動作させる。

電流検出手段６０は，モータ３０の各相のコイルに流れる電流（相電流）Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出し、インバータ制御装置４０に出力する。

中点レベル判定手段５０は、検出したそれぞれの中点電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと基準電位との比較をそれぞれ行い、比較結果をＨｉまたはＬｏとしてインバータ制御装置４０に出力する。

図２は、実施の形態に係る中点レベル判定手段５０の構成および波形図を示している。ただし，波形図は、Ｕ相のみを記載している。中点電圧値Ｖｕと基準電位の比較を行い、中点電圧値Ｖｕが基準電位より大きい場合にはＨｉ、中点電圧値Ｖｕが基準電位より低い場合にはＬｏとして、比較結果Ｖｕ＿ｌｅｖｅｌを出力する。すなわち検出した電圧を二値のレベル信号へと変換を行う。Ｖ相、Ｗ相についても同様に行う。
図２ではコンパレータを用いた構成を示すが、その他の構成として、例えば、ＡＤ変換器を用いた構成としてもよい。また、中点電圧値と基準電位との比較にヒステリシスを設ける形としても良い。

更に、図３に示すように，基準電位をＰＮ電圧検出手段１２により検出した電源電圧値Ｖｐｎを元に基準電位を演算する（例えば、Ｖｐｎ［Ｖ］×５０［％］を基準電位とする）構成としても良い。この図３のような構成とすることで、電源電圧値Ｖｐｎが変動した場合であっても、適切にＨｉとＬｏの判定をすることが出来る。

〔制御装置〕
インバータ制御装置４０は、図４に示すように、指令電流演算ブロックＢ１、電流制御演算ブロックＢ２、２相／３相変換ブロックＢ３１、３相／２相変換ブロックＢ３２、Ｂ３３、ゲート指令演算ブロックＢ４、磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７、磁極位置原点補正ブロックＢ１０、デューティ演算ブロックＢ５、磁極位置演算ブロックＢ８、回転速度演算ブロックＢ９を備えている。

インバータ制御装置４０は、ｄｑベクトル制御によってモータ３０の制御を行なうものである。このインバータ制御装置４０の中の指令電流演算ブロックＢ１は、モータ３０に発生させるトルクの指令値であるトルク指令値Ｒｔｒｑ（インバータ制御装置４０の外部から与えられる）に応じて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆ及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを演算して電流制御演算ブロックＢ２に出力する。

電流制御演算ブロックＢ２は、指令電流演算ブロックＢ１からのｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆ及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆと３相／２相変換ブロックＢ３２からのｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑを受けて、ｄ軸電流値ｉｄ及びｑ軸電流値ｉｑとの偏差が「０」となるように、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＿ｒｅｆを演算し、２相／３相変換ブロックＢ３１に出力する。

２相／３相変換ブロックＢ３１は、磁極位置原点補正ブロックＢ１０からの磁極位置θに基づいてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＿ｒｅｆおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑ＿ｒｅｆを３相交流電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆに変換する。

ゲート指令演算ブロックＢ４は、３相交流電圧指令値Ｖｕ＿ｒｅｆ、Ｖｖ＿ｒｅｆ、Ｖｗ＿ｒｅｆと搬送波(キャリア)に基づいて、スイッチング素子へのＯＮ／ＯＦＦ信号を生成してゲート駆動回路７０に出力しＰＷＭ制御を行う。

回転速度演算ブロックＢ９は、磁極位置演算ブロックＢ８からの出力θｒに基づいて回転速度ＭｔｒＳｐｄを演算する。

〔メイン〕
続いて、磁極位置原点補正処理（ＲＯＬ：Ｒｅｓｏｌｖｅｒｏｆｆｓｅｔｌｅａｒｎｉｎｇ、以下ＲＯＬという）について説明する。
磁極位置原点補正は、まずモータ３０が回転させられている状態で、ｄｑ軸ベクトル制御におけるｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆとｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを０［Ａ］（Ｉｄ＿ｒｅｆ＝０［Ａ］，Ｉｑ＿ｒｅｆ＝０［Ａ］）とする。

Ｉｄ＿ｒｅｆ＝０［Ａ］、Ｉｑ＿ｒｅｆ＝０［Ａ］とした状態で、図５に示す流れでの演算を行い、検出した相電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗから磁極位置原点補正量θｏｆｓを算出する。
図５に示すように、演算は、中点レベル判定手段５０、デューティ演算ブロックＢ５、３相／２相変換ブロックＢ３３および磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７において行われる。

まず、中点レベル判定手段５０において、相電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを二値のレベル信号Ｖｕ＿ｌｅｖｅｌ，Ｖｖ＿ｌｅｖｅｌ，Ｖｗ＿ｌｅｖｅｌに変換する。次に、デューティ演算ブロックＢ５において、各相の実デューティ値Ｄｕ＿ａｃｔ、Ｄｖ＿ａｃｔ、Ｄｗ＿ａｃｔを算出する。

そして、３相／２相変換ブロックＢ３３において、実デューティ値Ｄｕ＿ａｃｔ、Ｄｖ＿ａｃｔ、Ｄｗ＿ａｃｔと、磁極位置原点補正ブロックＢ１０からの出力の磁極位置θの値に基づき、２軸回転座標系の変換行い、２相信号Ｄｄ＿ａｃｔ、Ｄｑ＿ａｃｔを算出する。この２相信号Ｄｄ＿ａｃｔ、Ｄｑ＿ａｃｔを使用して、磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７は、磁極位置原点補正量θｏｆｓを演算して出力する。

ここで、比較例として、本願とは異なる算出の仕方を説明する。図６は、検出した相電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗから実相電圧波形Ｖｕ＿ａｃｔ、Ｖｖ＿ａｃｔ、Ｖｗ＿ａｃｔを算出し、実ｄ軸電圧Ｖｄ＿ａｃｔ、実ｑ軸電圧Ｖｑ＿ａｃｔから磁極位置原点補正量θｏｆｓを演算して出力するまでの流れを示すブロック図である。

ここでは、中点レベル判定手段５０、デューティ演算ブロックＢ５、相電圧演算ブロックＢ５０、３相／２相変換ブロックＢ３３および磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７を備え、実デューティ値Ｄｕ＿ａｃｔ、Ｄｖ＿ａｃｔ、Ｄｗ＿ａｃｔと電源電圧値Ｖｐｎとに基づいて実ｄ軸電圧Ｖｄ＿ａｃｔ、実ｑ軸電圧Ｖｑ＿ａｃｔから磁極位置原点補正量θｏｆｓを演算して出力するように構成されている。

この比較例では、電源電圧値Ｖｐｎを使用しているため、電源電圧値が不安定な場合を想定すると、使用に制限が加わるのに対して、本願の実施の形態によれば、使用する条件が緩和されるという利点がある。

検出した相電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、パルス波形のため、このまま３相／２相変換を行ったとしても正しい実ｄ軸電圧、実ｑ軸電圧を算出することが出来ない。そのため、図６に示すような流れで演算を行い、パルス波形から正弦波への変換を行う。

中点レベル判定手段５０は、ここでは図２のような構成とし、基準電位は例えば，インバータ２０が電力変換を行う際の直流電源１０の最低電圧（インバータ２０の動作下限電圧）と０［Ｖ］の間の任意の値とする。

Ｕ相上側スイッチング素子２ＵＨがＯＮ（Ｕ相下側スイッチング素子２ＵＬがＯＦＦ）の時は，高電圧側ノードＰに接続するため、Ｕ相の相電圧値Ｖｕは、直流電源１０の電圧値とほぼ一致し、基準電位以上となり、中点レベル判定手段５０の出力Ｖｕ＿ｌｅｖｅｌはＨｉとなる。

一方、Ｕ相上側スイッチング素子２ＵＨがＯＦＦ（Ｕ相下側スイッチング素子２ＵＬがＯＦＦ）の時は、低電圧側ノードＮに接続するため、Ｕ相の相電圧値Ｖｕは０［Ｖ］となり、基準電位未満となり、中点レベル判定手段５０の出力Ｖｕ＿ｌｅｖｅｌはＬｏとなる。Ｖ相およびＷ相についても同様である。

なお、本実施の形態では、中点レベル判定手段５０をインバータ制御装置４０の外に設けた場合を示しているが、検出した相電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをインバータ制御装置４０に入力し、インバータ制御装置４０内の演算にて中点レベル判定手段５０と同様の処理を行っても良い。

デューティ演算ブロックＢ５では、図７に示すように、中点レベル判定手段５０の出力Ｖｕ＿ｌｅｖｅｌ、Ｖｖ＿ｌｅｖｅｌ、Ｖｗ＿ｌｅｖｅｌがＨｉの時間をそれぞれＯＮ時間Ｔｏｎ＿ｕ、Ｔｏｎ＿ｖ，Ｔｏｎ＿ｗとしてカウントする。

続いて、搬送波の周期（キャリア周期）ＴｃとＯＮ時間Ｔｏｎ＿ｕ、Ｔｏｎ＿ｖ、Ｔｏｎ＿ｗから、以下の式（１）にてキャリア１周期当りのスイッチング素子のＯＮ時間すなわちデューティ値を算出する。

このようにすることで、実際にスイッチング素子がＯＮしている時間を計測することができ、素子特性のバラつき等により指令のデューティ値と実際のデューティ値が一致しない場合であっても、各相の実デューティ値Ｄｕ＿ａｃｔ、Ｄｖ＿ａｃｔ、Ｄｗ＿ａｃｔを算出することが出来る。

３相／２相変換ブロックＢ３３は、実デューティ値Ｄｕ＿ａｃｔ、Ｄｖ＿ａｃｔ、Ｄｗ＿ａｃｔと、磁極位置原点補正ブロックＢ１０からの出力の磁極位置θの値に基づき、２軸回転座標系の変換行い、２相信号Ｄｄ＿ａｃｔ、Ｄｑ＿ａｃｔを算出する。

磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７は、２相信号Ｄｄ＿ａｃｔ、Ｄｑ＿ａｃｔを使用して、以下の式（３）に基づいて演算し、磁極位置原点補正量θｏｆｓを磁極位置原点補正ブロックＢ１０に出力する。

以下，式（３）により磁極位置原点補正量θｏｆｓが算出できる理由について説明する。

磁極位置原点補正量θｏｆｓは、以下の式（４）の通り、d軸電圧とq軸電圧とを用いて逆正接により算出することが出来る。なお，ここでＶｄ＿ａｃｔ、Ｖｑ＿ａｃｔは、実ｄ軸電圧、実ｑ軸電圧を表している。

実ｄ軸電圧Ｖｄ＿ａｃｔ、実ｑ軸電圧Ｖｑ＿ａｃｔは、実相電圧Ｖｕ＿ａｃｔ，Ｖｖ＿ａｃｔ，Ｖｗ＿ａｃｔと磁極位置θとに基づいて、３相／２相変換により求めることができる。
実相電圧Ｖｕ＿ａｃｔ，Ｖｖ＿ａｃｔ，Ｖｗ＿ａｃｔから実ｄ軸電圧Ｖｄ＿ａｃｔ，実ｑ軸電圧Ｖｑ＿ａｃｔへの３相／２相変換は以下の式（５）の通りである。

一方、実相電圧Ｖｕ＿ａｃｔ，Ｖｖ＿ａｃｔ，Ｖｗ＿ａｃｔは式（１）にて算出される実デューティＤｕ＿ａｃｔ，ＤＶ＿ａｃｔ，ＤＷ＿ａｃｔとＰＮ電圧検出手段１２の検出値Ｖｐｎとに基づいて，以下の式（６）にて算出できる。

式（５）に式（６）を適用すると式（７）のようになる。

さらにここで式（７）に式（２）を適用すると式（８）のように変形できる。

式（４）は式（８）から以下のように変形できる。

従って，式（３）により磁極位置原点補正量を算出することが出来る。

磁極位置原点補正ブロックＢ１０は、磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７からの磁極位置補正量θｏｆｓを記憶保持し、記憶保持している磁極位置補正量θｏｆｓと磁極位置検出ブロックＭＢからの磁極位置θｒによって、実磁極位置θを、演算式θ＝θｒ－θｏｆｓに基づいて演算し、２相／３相変換ブロックＢ３１と３相／２相変換ブロックＢ３２に出力する。

〔磁極位置原点補正処理（ＲＯＬ）〕
前述のＲＯＬは、図８のフロー図に示すように実行する。
まず、ステップＳ１００において開始し、ステップＳ１０１では、エンジンの動作状態を取得し、始動前の状態であればステップＳ１０８へ移行し、始動前の状態でなければステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ１０８では、既にＲＯＬが実行されて磁極位置補正量θｏｆｓが設定されている場合には、再度ステップＳ１０１に移行して前述の動作を繰り返す。磁極位置補正量θｏｆｓが設定されていない場合は、ステップＳ１０９において、磁極位置補正量θｏｆｓに初期値を保存する。この初期値としては、磁極位置検出手段３１の公差あるいは取り付け精度に基づいた値であることが望ましい。

ステップＳ１０２では、エンジンの動作状態を取得し、始動中の状態であれば前記ステップＳ１０１に移行して前述の動作を繰り返す。エンジンが始動中の状態では磁極位置補正量θｏｆｓに初期値が設定されている為、最適なトルクを発生できない場合があるが、エンジン始動に必要なトルクを得ることができる。始動中の状態でない場合（始動後）は、ステップＳ１０３へ移行する。

すなわち、エンジンの始動前から始動後に至るまでの間、エンジンの回転数は、図７に示すように変化する、エンジンの始動前では、当然エンジンの回転数は零であって、始動中では、回転数は所定の回転数以上になって安定状態に入り、始動後では、安定な範囲内で回転数が脈動する状態になる。このエンジンの回転数に応じて、例えば，エンジン回転数がＥＲｔｈ１～ＥＲｔｈ２の範囲内の状態が所定時間継続したら、磁極位置原点補正量の演算を実施する。すなわち、磁極位置原点補正を、永久磁石式回転電機の回転数が一定の状態である場合に行うことによって、演算精度が劣化する条件を避け、精度よく磁極位置原点補正を行うことができる。

ステップＳ１０３では、ＲＯＬを実施する条件を満足できているか判断し、満足している場合はステップＳ１０４へ移行する。満足できていない場合は、前記ステップＳ１０１に移行して前述の動作を繰り返す。

ステップＳ１０４では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｒｅｆとｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｒｅｆを零に設定する。この結果、モータ３０のＵ、Ｖ、Ｗの各相を流れる電機子電流がほぼ零に制御される。

ステップＳ１０５では、モータ３０の各相の電機子電流が十分に零近傍に収束するまで予め定められた時間待機した後、磁極位置補正量θｏｆｓを算出し、ステップＳ１０６に移行する。或いは、予め定められた時間待機したのち、ｄ軸電流ｉｄとｑ軸電流ｉｑが一定である場合にはステップＳ１０６に移行し、一定に収束しなかった場合には、処理を終了する。磁極位置原点補正を、ｄ軸電流とｑ軸電流が一定の状態である場合に行うことによって、演算精度が劣化する条件を避け、精度よく磁極位置原点補正を行うことができる。

ステップＳ１０６では、磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７で算出された磁極位置補正量θｏｆｓを磁極位置原点補正ブロックＢ１０で記憶保持し、ステップＳ１０７にて、ＲＯＬ処理を終了する。なお、ここで、磁極位置補正量θｏｆｓが予め定められた閾値の範囲内となるように磁極位置補正量θｏｆｓの制限をしてもよい。このステップＳ１０６において、磁極位置原点補正ブロックＢ１０に記憶保持された磁極位置補正量θｏｆｓは、磁極位置θｒと演算され、実磁極位置θを算出する。

これまで説明したＲＯＬの処理は、インバータの中点電圧に基づいて磁極位置補正量θｏｆｓを算出していることにより正確な磁極位置の補正が可能となり、力率および効率の低下を低減することができる。

また、中点レベル判定手段５０を、ＰＮ電圧検出手段１２により検出したＰＮ電圧Ｖｐｎに基づいて基準電位を算出する図３のような構成としてもよい。

基準電位は、Ｐ側電位とＮ側電位の間の値（直流電源１０の電圧の範囲内）としなければ、中点レベル判定手段の出力が適切に出力されない。例えば，基準電位がＰ側電位より大きい値の場合には、中点レベル判定手段の出力は常にＬｏとなってしまう。
図３に示すように、ＰＮ電圧Ｖｐｎに基づいて基準電位が決定されるような構成とすれば、直流電源が電圧の異なるものに交換された際に基準電位の変更をしなくとも自動で調整され，適切にＨｉとＬｏを判定することが出来る。

ステップＳ１０３のＲＯＬの実施条件は、図１に示されたオフセット補正許可信号ＲＯＬ＿ＥＮが許可の時、ＲＯＬを実施するとしてもよい。このように、磁極位置原点補正を、許可信号に基づいて行うことによって、原点位置の算出処理に入る際に意図しないトルク変動の発生を防止できる。

また、ＲＯＬ実施の条件は、図１の磁極位置検出手段３１によって検出されたモータ３０の回転数が、予め設定された閾値の範囲内であること、あるいは、図１に示したＰＮ電圧検出手段１２で検出される平滑コンデンサ１１の高電圧側ノードＰと低電圧側ノードＮとの間の電圧値Ｖｐｎが予め設定された閾値の範囲内であることに設定してもよい。

図１０は、モータ３０の回転数と電圧値Ｖｐｎとの関係が予め定めた閾値の範囲内にある場合の一例を示している。

モータ３０は、回転数に比例して誘起電圧が発生するため，高回転になるとモータ３０の誘起電圧が直流電源の電圧を超えてしまうことがある。
そのような場合には、ｄ軸電流を負の値として制御する必要があり、ｄ軸電流およびｑ軸電流が０［Ａ］とならない。式（３）および式（４）は、ｄ軸電流およびｑ軸電流がともに０［Ａ］である場合に正しい演算結果が得られるため、ｄ軸電流およびｑ軸電流がともに０［Ａ］でない場合には正しく演算できない。

電圧値Ｖｐｎとモータ回転数に基づいて磁極位置補正量の算出を許可するというように条件を設定しておいて（図１０に示すＲＯＬａｒｅａの範囲）、ＲＯＬａｒｅａに入った状態が所定時間継続したことを開始の条件として、磁極位置補正量の演算を行うことによって、演算精度が劣化するような条件を避け、精度よく磁極位置補正量を算出することが出来る。

また、ＲＯＬ実施の条件は、図１に示す磁極位置検出手段３１から算出したモータ３０の回転数が一定であることを条件としてもよい。

また、前述のモータ３０の回転数の閾値を、図１の温度検出手段３２で検出されるモータ３０の温度または磁石の温度に応じて変化させるようにする場合には、演算精度が劣化する条件を避け、精度よく磁極位置原点補正を行うことができる。

また、図１のＰＮ電圧検出手段１２によって検出される電圧Ｖｐｎが一定であることを条件として、ほぼ一定の場合にだけ磁極位置補正量を算出して、制御を実行するようにしてもよい。なお、電圧値Ｖｐｎが変動していて安定していない場合には、デューティ出力、電圧出力が適切に出せずにｄ軸電流およびｑ軸電流を０［Ａ］に制御することも困難になり，磁極位置補正量が精度よく算出できない。このように直流電源の電圧がほぼ一定である場合に限って、磁極位置原点補正を行うことによって、演算精度が劣化する条件を避け、精度よく磁極位置原点補正を行うことができる。

なお、前述の実施の形態においては、永久磁石式回転電機をモータとして説明し、永久磁石式回転電機の制御装置をモータ制御装置として、ハイブリッド自動車に搭載されている場合について説明しているが、ハイブリッド自動車に搭載されている場合には、モータ３０は、図１１に示すように、エンジン３０１の出力軸（駆動軸）に連結され、モータの始動によってエンジンを始動させることになる。また、エンジン３０１によってモータ３０が回転させられている状態になる。

このような場合には、仮の補正値（第１の補正値）が設定された始動時制御手段４０１をインバータ制御装置４０の中に備え、モータ３０によるエンジン３０１の始動の所定時間の後に、中点電位検出に基づく磁極位置原点補正を行うことによって、適切なモータ３０の制御を行うことができる。

すなわち、モータ３０の回転が予め定めた状態になるまでは、第１の補正値を使用してモータの制御を行い、回転が所定状態になった場合に、中点電位検出に基づく磁極位置原点補正を行うようにするものである。このようなエンジン３０１の始動は、磁極位置原点補正前であっても、モータ３０によるエンジン３０１の始動を行うことができるようにするためには必要である。

また、図４に示したインバータ制御装置４０では、磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７の出力の磁極位置補正量θｏｆｓをそのまま磁極位置原点補正ブロックＢ１０に提供しているが、この補正量が何らかの原因で極端に大きくなった場合の対応策として、図１２に示すように、磁極位置原点補正量演算ブロックＢ７の出力に、補正量制限ブロックＬＢを設け、磁極位置補正量θｏｆｓが、想定外の値になった場合の対応を行うことができる。

もしも、中点レベル判定手段５０などにおいて、欠陥が発生した場合には、算出される補正量が必要とする値よりも大きくずれる可能性がある。このような場合には補正を行う前よりも却ってトルクの誤差が大きくなってしまう。したがって、例えば、磁極位置検出手段３１の公差あるいは取り付け位置の精度などに基づいて閾値を定め、出力値が閾値を越えることが生じるような場合には、補正前の値を使用して制御を継続させ、故障表示を行うことが可能になる。

なお、図１および図４に示したインバータ制御装置は、図１３に示すハードウェアによって実現される。すなわち、プロセッサ２００と、プログラムおよびデータを蓄積するメモリ２０１と、入出力デバイス２０２と、それらを接続するデータバス２０３とによって構成される。メモリ２０１の内容は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ２００は、メモリ２０１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ２００にプログラムが入力される。また、プロセッサ２００は、演算結果等のデータをメモリ２０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１０直流電源、１１平滑コンデンサ、１２ＰＮ電圧検出手段、２０インバータ、３０モータ、３１磁極位置検出手段、３２温度検出手段、４０インバータ制御装置、５０中点レベル判定手段、６０電流検出手段、７０ゲート駆動回路、２００プロセッサ、２０１メモリ、２０２入出力デバイス、２０３データバス、３０１エンジン、Ｂ１指令電流演算ブロック、Ｂ２電流制御演算ブロック、Ｂ３１２相／３相変換ブロック、Ｂ３２３相／２相変換ブロック、Ｂ３３３相／２相変換ブロック、Ｂ４ゲート指令演算ブロック、Ｂ５デューティ演算ブロック、Ｂ７磁極位置原点補正量演算ブロック、Ｂ８磁極位置演算ブロック、Ｂ９回転速度演算ブロック、Ｂ１０磁極位置原点補正ブロック、Ｂ５０相電圧演算ブロック、ＬＢ補正量制限ブロック

Claims

永久磁石式回転電機の磁極位置を検出する磁極位置検出手段、搬送波に基づいてスイッチング素子のＰＷＭ制御をして電力変換を行うインバータ、前記インバータの正極側に接続されるスイッチング素子と負極側に接続されるスイッチング素子との間の中点電位を検出し、前記中点電位と基準電位との比較を行い、前記中点電位が前記基準電位よりも大きい場合にＨｉとして出力し、前記中点電位が前記基準電位よりも小さい場合にＬｏとして出力する中点レベル判定手段、および磁極位置原点補正量演算手段を備え、前記磁極位置原点補正量演算手段が、前記永久磁石式回転電機が回転している状態でｄｑベクトル制御におけるｄ軸電流指令値とｑ軸電流指令値との両者を零に保持しつつ、前記中点レベル判定手段の出力がＨｉとなっている時間をカウントして前記搬送波の周期との比率からデューティ値を算出し、算出された前記デューティ値と前記磁極位置とから２軸回転座標系へと変換して２相信号を算出し、前記２相信号から磁極位置原点補正量を算出する手段であって、算出された前記磁極位置原点補正量によって磁極位置原点補正を行うことを特徴とする永久磁石式回転電機の制御装置。
前記基準電位は，予め設定された固定値であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記インバータは接続された直流電源の電圧を検出するＰＮ電圧検出手段を備え、前記ＰＮ電圧検出手段により検出したＰＮ電圧に基づいて前記基準電位を算出することを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、前記永久磁石式回転電機の回転数が予め設定された閾値の範囲内となった場合に行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記回転数の閾値は、前記永久磁石式回転電機の磁石温度に応じて変えることを特徴とする請求項４に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、前記永久磁石式回転電機の回転数が一定の状態である場合に行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、前記直流電源の電圧が予め設定された閾値の範囲内となった場合に行うことを特徴とする請求項３に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、前記直流電源の電圧が一定の状態である場合に行うことを特徴とする請求項３または７に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、ｄ軸電流とｑ軸電流とが一定の状態である場合に行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、許可信号に基づいて行うことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、前記永久磁石式回転電機が車軸に連結された状態において、前記磁極位置原点補正が完了していない場合は、予め設定された仮の補正値で前記磁極位置原点補正を行うことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。
前記磁極位置原点補正は、算出された磁極位置が予め設定された閾値の範囲内となるように補正量の制限を行うことを特徴とする請求項１から１１のいずれか1項に記載の永久磁石式回転電機の制御装置。