JP7225662B2 - 回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、同期式の回転電機の制御装置に関するものである。

この種の制御装置としては、特許文献１に記載されているように、回転電機のステータ巻線に流れる電流の検出値に基づいて、回転電機の磁極位置を推定するものが知られている。制御装置は、推定した磁極位置に基づいて、回転電機のロータを特定方向に回転させるためにステータ巻線に流れる電流を制御する。

推定した磁極位置と実際の磁極位置とが１８０°ずれてしまうことがある。この場合、ロータを特定方向に回転させようとしているにもかかわらず、特定方向とは逆方向にロータが回転し得る。そこで、特許文献１に記載の制御装置は、ステータ巻線に印加する指令電圧ベクトルと、推定した磁極位置との位相差に基づいて、推定した磁極位置と実際の磁極位置とが１８０°ずれていることを判定し、この判定結果に基づいて、磁極位置のずれを解消するようにしている。

特許第３７０１２０７号公報

本願発明者は、推定した磁極位置と実際の磁極位置とのずれを解消した場合に、電流制御が不安定となり、ステータ巻線に流れる電流が一時的に過度に大きくなってしまうといった問題に直面した。

本発明は、推定した磁極位置と実際の磁極位置とのずれを解消した場合において、ステータ巻線に流れる電流の一時的な増加を抑制できる回転電機の制御装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、同期式の回転電機の磁極位置を推定する推定部と、
前記推定部により推定された磁極位置である推定磁極位置に基づいて、前記回転電機のロータを特定方向に回転させるために前記回転電機のステータ巻線に流れる電流を制御する駆動制御部と、
前記駆動制御部による電流制御が開始された場合において、前記ロータが前記特定方向とは逆方向に回転していることを判定する逆転判定部と、を備え、
原点を通って前記回転電機の実際の磁極位置の方向に延びるｄ軸と、前記原点を通って前記ｄ軸に直交する方向に延びるｑ軸とにより規定される座標系をｄｑ座標系とし、
前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された後、前記駆動制御部の電流制御で用いられる前記推定磁極位置を１８０°反転させると仮定した場合、前記ｄｑ座標系において前記電流ベクトルの先端が描くと想定される軌跡の開始位置を第１点とし、前記軌跡の最終位置を第２点とし、
前記ｄｑ座標系において、前記第１点及び前記第２点を通る直線と、前記軌跡とで囲まれる領域のうち、前記軌跡以外の領域を規定領域とする場合、
前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された場合、前記電流ベクトルの先端が前記規定領域からはみださないようにその先端を前記第１点から前記第２点まで移動させるために、前記ステータ巻線に流れる電流を制御する復帰処理を行う復帰制御部と、を備える。

本発明において、逆転判定部は、ロータを特定方向に回転させるための駆動制御部による電流制御が開始された場合において、ロータが特定方向とは逆方向に回転していることを判定する。

逆転判定部により逆方向に回転していると判定された後、電流制御で用いられる推定磁極位置を１８０°反転させると、ｄｑ座標系において電流ベクトルの先端が所定の軌跡を描くように移動する。電流ベクトルの先端がこの軌跡上を移動する場合において、電流ベクトルが一時的に過度に大きくなってしまう。ここで、ｄｑ座標系において、上記軌跡の開始位置を第１点とし、上記軌跡の最終位置を第２点とする。また、第１点及び第２点を通る直線と、上記軌跡とで囲まれる領域のうち、上記軌跡以外の領域を規定領域とする。この場合、電流ベクトルの先端が第１点から第２点に移動するまでに、その先端が規定領域に存在するようにすれば、電流ベクトルの一時的な増加を抑制できるとの知見を本願発明者は得た。

そこで、本発明は、逆転判定部により逆方向に回転していると判定された場合、電流ベクトルの先端が規定領域からはみださないようにその先端を第１点から第２点まで移動させるために、ステータ巻線に流れる電流を制御する復帰処理を行う。これにより、ロータの回転方向を特定方向に戻すために推定磁極位置と実際の磁極位置とのずれを解消した場合において、ステータ巻線に流れる電流の一時的な増加を抑制することができる。

第１実施形態に係る回転電機の制御システムの全体構成図。 制御装置の処理を示すブロック図。 ｄｑ座標系及びγδ座標系を示す図。 磁極位置を推定するための高周波電圧の推移を示すタイムチャート。 逆転判定処理の手順を示すフローチャート。 推定誤差が０°の場合における電圧，電流ベクトルを示す図。 推定誤差が１８０°の場合における電圧，電流ベクトルを示す図。 制御に用いる電気角を１８０°反転させた場合における電圧，電流ベクトルの軌跡を示す図。 制御に用いる電気角及び電圧ベクトルの位相それぞれを１８０°反転させた場合における電圧，電流ベクトルの軌跡を示す図。 ｄｑ座標系における規定領域を示す図。 高周波電圧の位相を１８０°反転させる処理を説明するための図。 第２実施形態に係る極性判定処理の手順を示すフローチャート。 極性判定の原理を説明するための図。 逆転判定処理の手順を示すフローチャート。 第３実施形態に係る逆転判定処理の手順を示すフローチャート。 第４実施形態に係る制御装置の処理を示すブロック図。 逆転判定処理の手順を示すフローチャート。 指令電流ベクトルの変更態様を示す図。 その他の実施形態に係るｄｑ座標系における規定領域を示す図。

＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る制御装置を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態において制御装置は、３相回転電機に接続された３相インバータに適用される。

図１に示すように、制御システムは、回転電機１０及びインバータ２０を備えている。回転電機１０は、ブラシレスの同期機であり、本実施形態では永久磁石同期機である。回転電機１０は、ロータ１０ａと、ステータ巻線であるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗとを備えている。

なお、回転電機１０は、例えば、ファン又はポンプを備える駆動装置を構成し、ロータ１０ａの回転によってファン又はポンプを駆動する。ファンは、例えば、ラジエータファン又は車室内空調用のファンである。ポンプは、例えば、オイルポンプ又はウォータポンプである。

回転電機１０は、インバータ２０を介して直流電源としてのバッテリ３０に接続されている。インバータ２０は、上アームスイッチＳＵＨ，ＳＶＨ，ＳＷＨと下アームスイッチＳＵＬ，ＳＶＬ，ＳＷＬとの直列接続体を備えている。Ｕ相上，下アームスイッチＳＵＨ，ＳＵＬの接続点には、回転電機１０のＵ相巻線１１Ｕの第１端が接続されている。Ｖ相上，下アームスイッチＳＶＨ，ＳＶＬの接続点には、回転電機１０のＶ相巻線１１Ｖの第１端が接続されている。Ｗ相上，下アームスイッチＳＷＨ，ＳＷＬの接続点には、回転電機１０のＷ相巻線１１Ｗの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの第２端は、中性点で接続されている。本実施形態において、誘導性負荷であるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗは、電気角で互いに１２０°ずれている。

本実施形態では、各スイッチＳＵＨ，ＳＵＬ，ＳＶＨ，ＳＶＬ，ＳＷＨ，ＳＷＬとして、電圧制御形の半導体スイッチング素子が用いられており、より具体的にはＮチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。各スイッチＳＵＨ，ＳＵＬ，ＳＶＨ，ＳＶＬ，ＳＷＨ，ＳＷＬは寄生ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬを有している。

インバータ２０は、その入力側に、インバータ２０の入力電圧を平滑化するコンデンサ２１を備えている。コンデンサ２１の高電位側端子は、バッテリ３０の正極端子と、上アームスイッチＳＵＨ～ＳＷＨのドレインとを接続する電気経路に接続されている。コンデンサ２１の低電位側端子は、バッテリ３０の負極端子と、下アームスイッチＳＵＬ～ＳＷＬのソースとを接続する電気経路に接続されている。

制御システムは、電流センサ４０を備えている。電流センサ４０は、回転電機１０に流れる各相電流のうち、少なくとも２相分の電流を検出する。本実施形態では、電流センサ４０は、３相分の電流を検出するものとする。電流センサ４０の検出値は、制御システムに備えられる制御装置５０に入力される。

制御装置５０は、マイコンを主体として構成され、回転電機１０の制御量をその指令値にフィードバック制御すべく、インバータ２０の各スイッチをスイッチング操作する。本実施形態において、制御量は電気角速度（回転速度）であり、その指令値は指令角速度ω＊である。制御装置５０は、回転電機１０に印加される電圧ベクトルが、電気角速度を指令角速度ω＊に制御するための指令電圧ベクトルになるように、インバータ２０の各スイッチをスイッチング操作する。これにより、互いに１２０度ずれた正弦波状の相電流が各相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに流れる。

制御装置５０は、位置センサレス制御を行い、この制御の際に電気角を推定する。位置センサレス制御は、ホール素子やレゾルバ等の角度センサにより検出される回転電機１０の回転角情報を用いることのない回転電機１０の制御である。

ちなみに、制御装置５０は、自身が備える記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種制御機能を実現する。各種機能は、ハードウェアである電子回路によって実現されてもよいし、ハードウェア及びソフトウェアの双方によって実現されてもよい。

続いて、図２のブロック図を用いて、制御装置５０の処理について詳しく説明する。

速度偏差算出部５１は、指令角速度ω＊から、後述する速度推定部６１により算出された推定角速度ωｅｓｔを減算することにより、速度偏差Δωを算出する。推定角速度ωｅｓｔは、電気角速度の推定値である。指令角速度ω＊は、回転電機１０のロータ１０ａを特定方向（正方向）に回転させる場合に正の値となり、特定方向とは逆方向にロータ１０ａを回転させる場合に負の値となる。

速度制御器５２は、速度偏差Δωを０にフィードバック制御するための操作量として、回転電機１０の指令トルクＴｒｑ＊を算出する。指令トルクＴｒｑ＊は、ロータ１０ａを特定方向に回転させる場合に正の値となり、特定方向とは逆方向にロータ１０ａを回転させる場合に負の値となる。なお、速度制御器５２におけるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御が用いられればよい。

電流変換部５３は、後述する角度推定部６２により算出された推定角θｅｓｔと、電流センサ４０により検出された各相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷとに基づいて、ＵＶＷ座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相電流を、γδ座標系におけるγ軸電流Ｉγｒ及びδ軸電流Ｉδｒに変換する。推定角θｅｓｔは、電気角の推定値である。

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。図３に、γδ座標系、ｄｑ座標系、及び２相固定座標系であるαβ座標系を示す。ｄｑ座標系は、原点Ｏを通って実際の磁極位置の方向に延びるｄ軸と、原点Ｏを通ってｄ軸と直交する方向に延びるｑ軸とにより規定される座標系である。γδ座標系は、原点Ｏを通って推定磁極位置の方向に延びるγ軸と、原点Ｏを通ってγ軸と直交する方向に延びるδ軸とにより規定される座標系である。図３には、αβ座標系のα軸とγδ座標系のγ軸とのなす角度を推定角θｅｓｔとして示し、α軸とｄｑ座標系のｄ軸とのなす角度を実際の電気角θとして示し、ｄ軸とγ軸とのなす角度を推定誤差Δθとして示す。ｄｑ座標系は、αβ座標系に対して、回転電機１０の電気角速度で回転する座標系である。

図２の説明に戻り、指令電流設定部５４は、指令トルクＴｒｑ＊に基づいて、γ軸指令電流Ｉγ＊と、δ軸指令電流Ｉδ＊とを設定する。γ軸指令電流Ｉγ＊及びδ軸指令電流Ｉδ＊により、γδ座標系における指令電流ベクトルが定まる。本実施形態において、指令電流設定部５４は、γ軸指令電流Ｉγ＊を０に設定する。この設定は、本実施形態の回転電機１０が、非突極機のＳＰＭＳＭであるためになされる。

γ軸偏差算出部５５ａは、γ軸指令電流Ｉγ＊からγ軸電流Ｉγｒを減算した値として、γ軸偏差ΔＩγを算出する。δ軸偏差算出部５５ｂは、δ軸指令電流Ｉδ＊からδ軸電流Ｉδｒを減算した値として、δ軸偏差ΔＩδを算出する。

電流制御器５６は、γ軸偏差ΔＩγに基づいて、γ軸電流Ｉγｒをγ軸指令電流Ｉγ＊にフィードバック制御するための操作量として、γ軸電圧Ｖγｒを算出する。また、電流制御器５６は、δ軸偏差ΔＩδに基づいて、δ軸電流Ｉδｒをδ軸指令電流Ｉδ＊にフィードバック制御するための操作量として、δ軸電圧Ｖδｒを算出する。γ軸電圧Ｖγｒ及びδ軸電圧Ｖδｒにより、γδ座標系における指令電圧ベクトルが定まる。なお、電流制御器５６におけるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御が用いられればよい。

γ軸重畳部５７ａは、γ軸電圧Ｖγｒと、高周波生成部５８により生成されたγ軸高周波電圧Ｖγｈとの加算値を、γ軸指令電圧Ｖγ＊として出力する。δ軸重畳部５７ｂは、δ軸電圧Ｖδｒと、高周波生成部５８により生成されたδ軸高周波電圧Ｖδｈとの加算値を、δ軸指令電圧Ｖδ＊として出力する。本実施形態では、δ軸高周波電圧Ｖδｈが０に設定されている。このため、δ軸電圧Ｖδｒがそのままδ軸指令電圧Ｖδ＊となる。なお、本実施形態において、γ軸重畳部５７ａ、δ軸重畳部５７ｂ及び高周波生成部５８が高周波印加部に相当する。

γ軸高周波電圧Ｖγｈは、γ軸指令電圧Ｖγ＊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。本実施形態では、図４に示すように、γ軸高周波電圧Ｖγｈの振幅をＶａとし、γ軸高周波電圧Ｖγｈの周期をＴｓとする。ちなみに、高周波生成部５８は、回転電機１０の起動時のみならず、速度制御中においても、推定角θｅｓｔの算出に必要なγ軸高周波電圧Ｖγｈを生成する。

電圧変換部５９は、γ軸指令電圧Ｖγ＊、δ軸指令電圧Ｖδ＊及び推定角θｅｓｔに基づいて、γδ座標系におけるγ，δ軸指令電圧Ｖγ＊，Ｖδ＊を、ＵＶＷ座標系におけるＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに変換する。本実施形態において、Ｕ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、電気角で位相が互いに１２０°ずれた波形となる。

信号生成部６０は、電圧変換部５９から出力されたＵ，Ｖ，Ｗ相指令電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに基づいて、各操作信号ｇＵｐ～ｇＷｎを生成する。信号生成部６０は、生成した各操作信号ｇＵｐ～ｇＷｎをインバータ２０の各スイッチＳＵｐ～ＳＷｎに対して出力する。ここで、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ＶＵ，ＶＶ，ＶＷとの大小比較に基づくＰＷＭ制御により生成されればよい。各相において、上アーム側の操作信号と、対応する下アーム側の操作信号とは、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。

速度推定部６１は、δ軸電流Ｉδｒに基づいて、推定角速度ωｅｓｔを算出する。以下、この算出の原理について説明する。

高周波も考慮した回転電機の電圧方程式は下式（ｅｑ１）で表され、下式（ｅｑ１）に含まれる高周波に関する電圧方程式は下式（ｅｑ２）で表される。

図３に示したｄｑ座標系で表された上式（ｅｑ２）をγδ座標系における式に変換すると、下式（ｅｑ３）が導かれる。

上式（ｅｑ３）を電流について解くと下式（ｅｑ４）が導かれる。

本実施形態では、電気角を推定するための外乱電圧をγ軸のみに印加する。このため、上式（ｅｑ４）において「Ｖδｈ＝０」とすると、下式（ｅｑ５）が導かれる。

上式（ｅｑ５）を推定誤差Δθについて解くと、下式（ｅｑ６）が導かれる。

「Δθ≒０」と仮定し、γ軸高周波電圧Ｖγｈの振幅Ｖａ及び周期Ｔｓを用いると、下式（ｅｑ７）が導かれる。

γ軸高周波電圧Ｖγｈを印加すると、δ軸高周波電流Ｉδｈが流れる。上式（ｅｑ７）は、周期Ｔｓにおけるδ軸高周波電流Ｉδｈの変化量ΔＩδｈにより、推定誤差Δθを算出できることを示している。

速度推定部６１は、δ軸電流Ｉδｒに基づいてδ軸高周波電流Ｉδｈを算出する。速度推定部６１は、例えば、δ軸電流Ｉδｒにハイパスフィルタを施すことによりδ軸高周波電流Ｉδｈを算出すればよい。速度推定部６１は、算出したδ軸高周波電流Ｉδｈと上式（ｅｑ７）とに基づいて、推定誤差Δθを算出する。速度推定部６１は、算出した推定誤差Δθを０にフィードバック制御するための操作量として、推定角速度ωｅｓｔを算出する。速度推定部６１におけるフィードバック制御としては、例えば比例積分制御が用いられればよい。

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は、通常、突極機である。ただし、本実施形態の回転電機１０は非突極機である。例えば各相巻線１１Ｕ～１１Ｗに大電流が流れ、回転電機１０において磁束飽和が生じると、回転電機１０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１０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。

角度推定部６２は、推定角速度ωｅｓｔを時間積分することにより、推定角θｅｓｔを算出する。

ところで、γ軸がｄ軸に対して１８０°ずれてしまうことがある。この場合、ロータ１０ａを特定方向に回転させようとしていたにもかかわらず、特定方向とは逆方向にロータ１０ａが回転してしまう。この場合に備えて、制御装置５０は、復帰制御部６３を備えている。

図５に、制御装置５０により実行される逆転判定処理の手順を示す。この処理は、制御装置５０内の図２に示した各処理部の協働により実行される。

ステップＳ１０では、速度制御器５２から出力する指令トルクＴｒｑ＊を０にする。この処理は、ステップＳ１５で肯定判定されるまで、回転電機１０の発生トルクを０にするための処理である。本実施形態では、ステップＳ１５で肯定判定されるまで、トルクを発生させないように指令電流設定部５４及び電流制御器５６における演算処理が実施されないものとする。

ステップＳ１１では、γ軸高周波電圧Ｖγｈの印加を開始し、ステップＳ１２では、その印加に伴って流れるδ軸高周波電流Ｉδｈを検出し始める。ステップＳ１２の処理が高周波検出部に相当する。

ステップＳ１３では、検出したδ軸高周波電流Ｉδｈに基づいて、上述した方法による推定角速度ωｅｓｔの算出を開始する。ステップＳ１４では、算出した推定角速度ωｅｓｔに基づく推定角θｅｓｔの算出を開始する。

ステップＳ１５では、推定角速度ωｅｓｔの算出処理が開始されてからの経過時間ＴＬが閾値時間Ｔｔｈを超えたか否かを判定する。この処理は、上式（ｅｑ７）に基づく推定角速度ωｅｓｔの算出処理が開始された後、推定誤差Δθが０又は０に近い値に収束したか否かを判定するための処理である。

ステップＳ１５において否定判定した場合には、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１５において肯定判定した場合には、ステップＳ１６に進み、指令トルクＴｒｑ＊に基づく演算を許可する。すなわち、指令電流設定部５４及び電流制御器５６における演算処理の実施を許可し、電気角速度が指令角速度ω＊になるように、回転電機１０の発生トルクが０から増加し始める。

ステップＳ１７では、推定角速度ωｅｓｔの絶対値が速度閾値ωｔｈよりも高いか否かを判定する。この処理は、ステップＳ１８における逆方向回転の判定精度を高めるためのものである。つまり、推定角速度ωｅｓｔにはノイズが重畳し得る。この場合において、推定角速度ωｅｓｔの絶対値が小さいと、推定角速度ωｅｓｔに占めるノイズの割合が高くなり、ステップＳ１８における判定精度が低下する懸念がある。

ステップＳ１７において否定判定した場合には、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１７において肯定判定した場合には、ステップＳ１８に進み、ロータ１０ａの回転方向が上記特定方向とは逆方向になっているか否かを判定する。本実施形態では、指令トルクＴｒｑ＊と推定角速度ωｅｓｔとの乗算値が０以下であると判定した場合、逆方向になっていると判定する。この判定方法は、ロータ１０ａが特定方向に回転している場合、指令トルクＴｒｑ＊及び推定角速度ωｅｓｔそれぞれの符号が同じになることに基づくものである。

ステップＳ１８において肯定判定した場合には、ステップＳ１９に進み、ロータ１０ａが特定方向に回転していると判定する。そして、角度推定部６２において上述した方法により算出した推定角θｅｓｔを、電流変換部５３及び電圧変換部５９それぞれに対してそのまま出力する。

一方、ステップＳ１８において否定判定した場合には、ステップＳ２０に進み、ロータ１０ａが逆方向に回転している判定する。そして、角度推定部６２において上述した方法により算出した推定角θｅｓｔに１８０°加算した値を、電流変換部５３及び電圧変換部５９それぞれに出力する。

ステップＳ２１では、指令電圧ベクトルの位相θｖｔを１８０°反転させる復帰処理を行う。詳しくは、指令電圧ベクトルの位相θｖｔを１８０°反転させるべく、電流制御器５６から出力されるγ，δ軸電圧Ｖγｒ，Ｖδｒそれぞれの符号を変更する。以下、図６～図１０を用いて、位相θｖｔを１８０°反転させる理由について説明する。

図６に、推定誤差Δθが０の場合における指令電圧ベクトルＶｔｒ及び電流ベクトルＩｔｒを示す。電流ベクトルＩｔｒは、γ軸電流Ｉγｒ及びδ軸電流Ｉδｒにより定まるベクトルである。なお、図６において、「ωφ」は誘起電圧べクトルを示し、「ＲＩ」はステータ巻線の抵抗による電圧降下分のベクトルを示し、「ωＬＩ」は電機子反作用のベクトルを示す。

推定誤差Δθが０°の場合、ｄｑ座標系及びγδ座標系が一致する。この場合、指令電圧ベクトルＶｔｒの先端はｄｑ座標系の第２象限に存在し、電流ベクトルＩｔｒの先端は正のｑ軸上に存在する。その結果、ロータ１０ａは特定方向に回転する。

図７に、推定誤差Δθが１８０°の場合における指令電圧ベクトルＶｔｒ及び電流ベクトルＩｔｒを示す。推定誤差Δθが１８０°の場合、γ軸とｄ軸とが１８０°ずれる。この場合、指令電圧ベクトルＶｔｒの先端はｄｑ座標系の第３象限に存在し、電流ベクトルＩｔｒの先端は負のｑ軸上に存在する。その結果、δ軸指令電流Ｉδ＊は正の値であるものの、ｑ軸電流は負の値となり、ロータ１０ａは特定方向とは逆方向に回転する。

ここで、図５のステップＳ１８で否定判定されてロータ１０ａが逆方向に回転していると判定されたタイミングにおける電流ベクトルＩｔｒのｄｑ座標系における先端位置を、図８～図１０に示すように第１点Ｐ１とする。

また、ロータ１０ａが逆方向に回転していると判定された後、図２に示した電流変換部５３及び電圧変換部５９で用いられる推定角θｅｓｔに１８０°加算すると仮定した場合、ｄｑ座標系において電流ベクトルＩｔｒの先端が描くと想定される軌跡の最終位置を第２点Ｐ２とする。図８～図１０において、この軌跡を一点鎖線の矢印にて示す。第２点Ｐ２は、ｄ，γ軸に対して第１点Ｐ１と線対称の関係にある。

図１０に示すように、ｄｑ座標系において、第１点Ｐ１及び第２点Ｐ２を通る直線と、一点鎖線で示した軌跡とで囲まれる領域のうち、この軌跡以外の領域を規定領域Ａｒとする。

ロータ１０ａが逆方向に回転していると判定された後、推定角θｅｓｔに１８０°加算すると、図８に示すように、指令電圧ベクトルＶｔｒの先端位置が、ｄｑ座標系において第３象限から第１象限に切り替わる。その後、指令電圧ベクトルＶｔｒの先端は、第２象限に移動する。その結果、ｄｑ座標系において、電流ベクトルＩｔｒの先端が一点鎖線で示す軌跡上を移動する。図８に示す例では、電流ベクトルＩｔｒの先端が、ｄｑ座標系において第４象限及び第１象限を介して第２点Ｐ２まで移動する。図８に示す例では、第１象限において電流ベクトルＩｔｒが一時的に過度に大きくなってしまう。

ここで、電流ベクトルＩｔｒの先端が第１点Ｐ１から第２点Ｐ２に移動するまでに、その先端が規定領域Ａｒに存在するようにすれば、電流ベクトルＩｔｒの一時的な増加を抑制できることに本願発明者は着目した。

そこで、ロータ１０ａが逆方向に回転していると判定された場合、電流ベクトルＩｔｒの先端が規定領域Ａｒからはみださないように電流ベクトルＩｔｒの先端を第１点Ｐ１から第２点Ｐ２まで移動させるために、各相巻線１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗに流れる電流を制御する復帰処理を行う。本実施形態では、この復帰処理として、指令電圧ベクトルＶｔｒの位相θｖｔを１８０°反転させる処理を行う。この処理によれば、ロータ１０ａが逆方向に回転していると判定されたタイミングにおける指令電圧ベクトルＶｔｒと、推定角θｅｓｔに１８０°加算してかつ位相θｖｔを１８０°反転させた指令電圧ベクトルＶｔｒとが同じになる。これにより、電流ベクトルＩｔｒの先端は、図９に示すように、第１点Ｐ１から第２点Ｐ２へと、第１点Ｐ１及び第２点Ｐ２を通る直線上を移動する。このため、本実施形態によれば、ロータ１０ａの回転方向を特定方向に戻すために推定角θｅｓｔに１８０°加算した場合において、電流ベクトルＩｔｒの一時的な増加を抑制することができる。

図５の説明に戻り、続くステップＳ２１では、高周波生成部５８により生成するγ軸高周波電圧Ｖγｈの位相を１８０°反転させる。これは、図１１に示すように、γ軸高周波電圧Ｖγｈのパルス幅が、γ軸高周波電圧Ｖγｈの半周期「Ｔｓ／２」を超えて長くなることを防止するための処理である。推定角θｅｓｔに１８０°を加算したにもかかわらず、γ軸高周波電圧Ｖγｈの位相を１８０°反転させなければ、γ軸高周波電圧Ｖγｈとして、半周期「Ｔｓ／２」ごとに正負が交互に切り替わるパルス信号を出力できなくなる。ステップＳ２１の処理によれば、推定角θｅｓｔの算出精度の低下を抑制することができる。なお、ステップＳ１８～Ｓ２１の処理は、復帰制御部６３により実行される。

ちなみに、図５の逆転判定処理が完了して回転電機１０の起動が完了すると、ステップＳ１１～Ｓ１４の処理が所定の制御周期で繰り返し実行される。

＜第１実施形態の変形例＞
・電流ベクトルＩｔｒの先端が第１点Ｐ１から第２点Ｐ２に移動するまでに、その先端が規定領域Ａｒからはみださないことを条件として、指令電圧ベクトルＶｔｒの位相θｖｔを１８０°反転させる処理とは別の処理を行ってもよい。例えば、電流ベクトルＩｔｒの先端が第１点Ｐ１から第２点Ｐ２まで移動するように、指令電圧ベクトルＶｔｒを段階的（例えば２段階）に変更してもよい。なお、この場合、電流ベクトルＩｔｒの先端を第１点Ｐ１から第２点Ｐ２に移動させるまでの時間は、例えば、回転電機１０の機械的時定数又はその時定数よりも短い時間に設定されていればよい。なお、機械的時定数Ｔｍは、イナーシャをＪ、インダクタンスをＬ、トルク定数をＫｔ、逆起電力定数をＫｅとすると、「Ｔｍ＝（Ｊ×Ｌ）／（Ｋｔ×Ｋｅ）」により定まる。

・図５のステップＳ１８の処理に代えて、推定角速度ωｅｓｔの符号と指令トルクＴｒｑ＊の符号とのそれぞれが正であるか否かを判定する処理を行ってもよい。この処理において肯定判定した場合にステップＳ１９に進み、否定判定した場合にステップＳ２０に進む。

また、図５のステップＳ１８の処理に代えて、推定角速度ωｅｓｔの符号とδ軸指令電流Ｉδ＊の符号とのそれぞれが正であるか否かを判定する処理を行ってもよい。

また、ロータ１０ａが逆方向に回転しているか否かの判定を、例えば以下（Ａ）～（Ｃ）で説明する方法でも行ってもよい。

（Ａ）特許第３７０１２０７号公報を参照して、指令電圧ベクトルと推定された磁極位置との位相差に基づいて、逆方向に回転しているか否かを判定してもよいし、特許第３４８０５７２号公報を参照して、γ軸電圧Ｖγｒに基づいて、逆方向に回転しているか否かを判定してもよい。

（Ｂ）上記推定角速度ωｅｓｔを第１推定角速度とする場合、特許第３７２２９４８号公報を参照して、ステータ巻線の電圧及び電流と、回転電機のモータ定数とに基づいて第２推定角速度を算出し、第２推定角速度と第１推定角速度とに基づいて、逆方向に回転しているか否かを判定してもよい。

（Ｃ）Ｕ，Ｖ，Ｗ相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷの出現順序に基づいて、ロータ１０ａが逆方向に回転しているか否かを判定してもよい。これは、逆方向に回転していない場合、Ｕ相電流ＩＵ、Ｖ相電流ＩＶ、Ｗ相電流ＩＷの順に出現する一方、逆方向に回転している場合、Ｕ相電流ＩＵ、Ｗ相電流ＩＷ、Ｖ相電流ＩＶの順に出現することを利用したものである。ここで、３相のうちどの相の相電流が出現したかは、例えば、電流センサ４０の検出値に基づいて、各相電流が所定の判定値に到達するタイミングから把握すればよい。

・磁極推定において、γ軸高周波電圧Ｖγｈに代えて、δ軸高周波電圧Ｖδｈを用いてもよい。

・磁極位置（電気角）の推定方法としては、例えば、特許第３３１２４７２号公報、特許第３４５４２１２号公報又は特許第４７３５２８７号公報に記載されたものであってもよい。

＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、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、逆転判定処理の前に、図１２に示す極性判定処理を行う。

図１２に、制御装置５０により実行される極性判定処理の手順を示す。この処理は、制御装置５０内の図２に示した各処理部の協働により実行される。

ステップＳ３０では、速度制御器５２から出力する指令トルクＴｒｑ＊を０にする。この処理は、後述する図１４のステップＳ１６の処理が実行されるまで、回転電機１０の発生トルクを０にするための処理である。本実施形態では、図１４のステップＳ１６の処理が実行されるまで、指令電流設定部５４及び電流制御器５６における演算処理が実施されないものとする。

ステップＳ３１～Ｓ３５では、図５のステップＳ１１～Ｓ１５と同じ内容の処理を行う。

ステップＳ３５において肯定判定した場合には、ステップＳ３６～Ｓ３８において、ステップＳ３３の推定角θｅｓｔから把握されるγ軸がＮ極又はＳ極のいずれであるかを判定する。本実施形態において、ステップＳ３６～Ｓ３８の処理が極性判定部に相当する。以下、図１３を用いて、この判定の原理について説明する。図１３では、Ｕ相電流を流す場合を例にして説明する。

図１３には、ｄ軸がＵ相巻線１１Ｕ側に向いている場合を示す。図１３において、状態Ａと状態Ｂとは、Ｕ相電流ＩＵを流す方向が異なる場合を示す。状態Ａに示すように、Ｕ相巻線１１Ｕに正の電圧を印加した場合、正のＵ相電流ＩＵが流れる。このとき、ロータ１０ａ側の磁石磁束とステータ巻線側の磁束とが強め合うことにより、磁束飽和が発生する。その結果、ステータ巻線のインダクタンスが低下し、Ｕ相電流ＩＵの絶対値が大きくなる。

一方、状態Ｂに示すように、Ｕ相巻線１１Ｕに負の電圧を印加した場合、負のＵ相電流ＩＵが流れる。このとき、ロータ１０ａ側の磁石磁束がステータ巻線側の磁束で弱められる。その結果、ステータ巻線のインダクタンスの低下は発生せず、Ｕ相電流ＩＵの絶対値が小さくなる。以上から、Ｕ相巻線１１Ｕに同じ大きさの正の電圧と負の電圧とを印加したそれぞれの場合のＵ相電流ＩＵのうち、その絶対値が大きい方がＮ極であると判定できる。

図１２の説明に戻り、ステップＳ３６では、特定の相において、巻線に正の電圧を印加した場合の相電流Ｉｎと、負の電圧を印加した場合の相電流Ｉｓとを検出する。そして、正の電圧を印加した場合の相電流Ｉｎの絶対値が、負の電圧を印加した場合の相電流Ｉｓの絶対値よりも大きいか否かを判定する。なお、本実施形態において、ステップＳ３６では、｜Ｉｎ｜＝｜Ｉｓ｜にはならないこととする。

ステップＳ３６において肯定判定した場合には、ステップＳ３７に進み、推定したγ軸の方向がＮ極であると判定する。一方、ステップＳ３６において否定判定した場合には、ステップＳ３８に進み、推定したγ軸の方向がＳ極であると判定する。

図１２に示した極性判定処理の完了後、図１４に示す逆転判定処理を行う。図１４において、先の図５に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。図１４では、図５のステップＳ１０，Ｓ１５の処理が実行されない。

図１２に示した処理による極性の判定結果が誤ったものとなる可能性がある。この場合であっても、その後図１４に示す逆転判定処理が行われることにより、ロータ１０ａの逆方向への回転を防止しつつ、回転電機１０を起動させることができる。

＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、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、逆転判定処理の内容を一部変更する。

図１５に、制御装置５０により実行される逆転判定処理の手順を示す。この処理は、制御装置５０内の図２に示した各処理部の協働により実行される。なお、図１５において、先の図５に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

ステップＳ１４の処理の完了後、ステップＳ２２に進み、回転電機１０の電気角加速度ＡＣＣを推定する。電気角加速度ＡＣＣは、例えば、推定角速度ωｅｓｔの時間微分により算出されればよい。

ステップＳ１６の処理の完了後、ステップＳ２３では、推定した電気角加速度ＡＣＣの絶対値が加速度閾値Ａｔｈよりも高いか否かを判定する。この処理は、ステップＳ１７の処理と同様に、ステップＳ２４における逆方向回転の判定精度を高めるためのものである。加速度の情報を用いることにより、推定角速度ωｅｓｔが実際の電気角速度から所定量ずれる誤差（オフセット誤差）が推定角速度ωｅｓｔに含まれる場合であっても、その誤差がステップＳ２４における判定結果に及ぼす影響を抑制できる。

ステップＳ２３において否定判定した場合には、ステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ２３において肯定判定した場合には、ステップＳ２４に進み、指令トルクＴｒｑ＊と電気角加速度ＡＣＣとの乗算値が０よりも大きいか否かを判定する。ステップＳ２４において肯定判定した場合には、ステップＳ１９に進む。一方、ステップＳ２４において否定判定した場合には、ステップＳ２０に進む。

＜第３実施形態の変形例＞
図１５のステップＳ２４の処理に代えて、電気角加速度ＡＣＣの符号と指令トルクＴｒｑ＊の符号とのそれぞれが正であるか否かを判定する処理を行ってもよい。また、図１５のステップＳ２４の処理に代えて、電気角加速度ＡＣＣの符号とδ軸指令電流Ｉδ＊の符号とのそれぞれが正であるか否かを判定する処理を行ってもよい。

＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態について、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、復帰処理として、指令電圧ベクトルＶｔｒを変更する処理に代えて、指令電流ベクトルを変更する処理を行う。

図１６は、本実施形態に係る制御装置５０の処理を示すブロック図である。図１６において、先の図２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。

本実施形態では、ロータ１０ａが逆方向に回転していると判定された場合であっても、角度推定部６２から出力される推定角θｅｓｔは補正されず、そのまま出力される。

図１７に、制御装置５０により実行される逆転判定処理の手順を示す。この処理は、制御装置５０内の図１６に示した各処理部の協働により実行される。なお、図１７において、先の図５に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

ステップＳ１８において否定判定した場合には、ステップＳ２５に進み、指令電流設定部５４が設定するδ軸指令電流Ｉδ＊の符号を反転させる。これにより、図１８に示すように、γ軸指令電流Ｉγ＊及びδ軸指令電流Ｉδ＊によって定まる符号反転後の指令電流ベクトルは、符号反転前の指令電流ベクトルに対してγ軸に線対称な関係となる。

以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜その他の実施形態＞
・γ軸指令電流Ｉγ＊が０以外の値（例えば、Ｉγ＊＜０）に設定されていてもよい。この設定は、例えば、回転電機が突極機であるＩＰＭＳＭの場合に採用される。この場合、図１９に示すように、第１点Ｐ１及び第２点Ｐ２がγ軸上からずれた位置に存在することとなる。この場合において、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２とは、ｄ，γ軸に対して線対称な関係にある。図１９に、ｄｑ座標系において、第１点Ｐ１及び第２点Ｐ２を通る直線と、一点鎖線で示した軌跡とで囲まれる領域のうち、この軌跡以外の領域である規定領域をＡｒで示す。

・回転電機としては、ロータに永久磁石を備える永久磁石界磁型のものに限らず、例えば、界磁電流が流れる界磁巻線をロータに備える巻線界磁型のものであってもよい。

・インバータを構成するスイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴに限らず、例えばＩＧＢＴであってもよい。

１０…回転電機、１０ａ…ロータ、５０…制御装置、６３…復帰制御部。

Claims (12)

1. 同期式の回転電機（１０）の磁極位置を推定する推定部と、
   前記推定部により推定された磁極位置である推定磁極位置と、前記回転電機のロータ（１０ａ）を特定方向に回転させるための、前記回転電機のステータ巻線（１１Ｕ～１１Ｗ）に印加する指令電圧ベクトルとに基づいて、前記ステータ巻線に流れる電流を制御する駆動制御部と、
   前記駆動制御部による電流制御が開始された場合において、前記ロータが前記特定方向とは逆方向に回転していることを判定する逆転判定部と、を備え、
   原点を通って前記回転電機の実際の磁極位置の方向に延びるｄ軸と、前記原点を通って前記ｄ軸に直交する方向に延びるｑ軸とにより規定される座標系をｄｑ座標系とし、
   前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された後、前記駆動制御部の電流制御で用いられる前記推定磁極位置を１８０°反転させると仮定した場合、前記ｄｑ座標系において前記ステータ巻線に流す電流ベクトルの先端が描くと想定される軌跡の開始位置を第１点（Ｐ１）とし、前記軌跡の最終位置を第２点（Ｐ２）とし、
   前記ｄｑ座標系において、前記第１点及び前記第２点を通る直線と、前記軌跡とで囲まれる領域のうち、前記軌跡以外の領域を規定領域（Ａｒ）とし、
   前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された場合、前記電流ベクトルの先端が前記規定領域からはみださないようにその先端を前記第１点から前記第２点まで移動させるために、前記ステータ巻線に流れる電流を制御する復帰処理を行う復帰制御部を備え、
   前記復帰制御部は、前記復帰処理として、前記駆動制御部の電流制御で用いられる前記推定磁極位置及び前記指令電圧ベクトルの位相のそれぞれを１８０°反転させ、１８０°反転させた前記推定磁極位置に基づいて、位相を１８０°反転させた前記指令電圧ベクトルを、前記電流ベクトルの先端を前記第２点にするための前記指令電圧ベクトルにするように前記ステータ巻線に流れる電流を制御する処理を行う回転電機の制御装置。
2. 同期式の回転電機（１０）の磁極位置を推定する推定部と、
   前記推定部により推定された磁極位置である推定磁極位置と、前記回転電機のロータ（１０ａ）を特定方向に回転させるための、前記回転電機のステータ巻線（１１Ｕ～１１Ｗ）に流す指令電流ベクトルとに基づいて、前記ステータ巻線に流れる電流を制御する駆動制御部と、
   前記駆動制御部による電流制御が開始された場合において、前記ロータが前記特定方向とは逆方向に回転していることを判定する逆転判定部と、を備え、
   原点を通って前記回転電機の実際の磁極位置の方向に延びるｄ軸と、前記原点を通って前記ｄ軸に直交する方向に延びるｑ軸とにより規定される座標系をｄｑ座標系とし、
   前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された後、前記駆動制御部の電流制御で用いられる前記推定磁極位置を１８０°反転させると仮定した場合、前記ｄｑ座標系において前記ステータ巻線に流す電流ベクトルの先端が描くと想定される軌跡の開始位置を第１点（Ｐ１）とし、前記軌跡の最終位置を第２点（Ｐ２）とし、
   前記ｄｑ座標系において、前記第１点及び前記第２点を通る直線と、前記軌跡とで囲まれる領域のうち、前記軌跡以外の領域を規定領域（Ａｒ）とし、
   原点を通って前記推定磁極位置の方向に延びるγ軸と、前記原点を通って前記γ軸に直交する方向に延びるδ軸とにより規定される座標系をγδ座標系とし、
   前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された場合、前記電流ベクトルの先端が前記規定領域からはみださないようにその先端を前記第１点から前記第２点まで移動させるために、前記ステータ巻線に流れる電流を制御する復帰処理を行う復帰制御部を備え、
   前記復帰制御部は、前記復帰処理として、前記駆動制御部の電流制御で用いられる前記指令電流ベクトルを、前記γδ座標系において前記γ軸に対して線対称なベクトルに変更する処理を行う回転電機の制御装置。
3. 同期式の回転電機（１０）のステータ巻線（１１Ｕ～１１Ｗ）に高周波電圧を印加する高周波印加部と、
   前記高周波電圧の印加によって前記ステータ巻線に流れる高周波電流を検出する高周波検出部と、
   前記高周波検出部により検出された高周波電流に基づいて、前記回転電機の磁極位置を推定する推定部と、
   前記推定部により推定された磁極位置である推定磁極位置に基づいて、前記回転電機のロータ（１０ａ）を特定方向に回転させるために前記ステータ巻線に流れる電流を制御する駆動制御部と、
   前記駆動制御部による電流制御が開始された場合において、前記ロータが前記特定方向とは逆方向に回転していることを判定する逆転判定部と、を備え、
   原点を通って前記回転電機の実際の磁極位置の方向に延びるｄ軸と、前記原点を通って前記ｄ軸に直交する方向に延びるｑ軸とにより規定される座標系をｄｑ座標系とし、
   前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された後、前記駆動制御部の電流制御で用いられる前記推定磁極位置を１８０°反転させると仮定した場合、前記ｄｑ座標系において前記ステータ巻線に流す電流ベクトルの先端が描くと想定される軌跡の開始位置を第１点（Ｐ１）とし、前記軌跡の最終位置を第２点（Ｐ２）とし、
   前記ｄｑ座標系において、前記第１点及び前記第２点を通る直線と、前記軌跡とで囲まれる領域のうち、前記軌跡以外の領域を規定領域（Ａｒ）とし、
   前記逆転判定部により逆方向に回転していると判定された場合、前記電流ベクトルの先端が前記規定領域からはみださないようにその先端を前記第１点から前記第２点まで移動させるために、前記ステータ巻線に流れる電流を制御する復帰処理を行う復帰制御部を備え、
   前記復帰制御部は、前記復帰処理に加え、前記ステータ巻線に印加される前記高周波電圧の位相を１８０°反転させる処理を行う回転電機の制御装置。
4. 前記回転電機の磁極位置の極性を判定する極性判定部を備え、
   前記復帰制御部は、前記極性判定部により極性が判定された後に前記復帰処理を行う請求項１～３のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
5. 前記逆転判定部は、前記推定磁極位置と、前記ステータ巻線に流れる電流とに基づいて、前記逆方向に回転していることを判定する請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
6. 前記推定部は、前記回転電機の電気角速度を推定し、推定した前記電気角速度に基づいて磁極位置を推定し、
   前記逆転判定部は、推定された前記電気角速度と、前記ステータ巻線に流れる電流とに基づいて、前記逆方向に回転していることを判定する請求項５に記載の回転電機の制御装置。
7. 前記逆転判定部は、推定された前記電気角速度の符号と、前記ステータ巻線に流れるトルク電流の符号とに基づいて、前記逆方向に回転していることを判定する請求項６に記載の回転電機の制御装置。
8. 前記逆転判定部は、推定された前記電気角速度がその閾値よりも高いことを条件として、前記逆方向に回転していることを判定する請求項６又は７に記載の回転電機の制御装置。
9. 前記推定部は、前記回転電機の電気角加速度を推定し、
   前記逆転判定部は、推定された前記電気角加速度と、前記ステータ巻線に流れる電流とに基づいて、前記逆方向に回転していることを判定する請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。
10. 前記逆転判定部は、推定された前記電気角加速度の符号と、前記ステータ巻線に流れるトルク電流の符号とに基づいて、前記逆方向に回転していることを判定する請求項９に記載の回転電機の制御装置。
11. 前記逆転判定部は、推定された前記電気角加速度がその閾値よりも高いことを条件として、前記逆方向に回転していることを判定する請求項９又は１０に記載の回転電機の制御装置。
12. 前記逆転判定部は、前記ステータ巻線に流れる各相電流の出現順序に基づいて、前記逆方向に回転していることを判定する請求項１～４のいずれか１項に記載の回転電機の制御装置。

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