JP7306295B2 - 永久磁石電動機の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の制御方法及び制御装置に関する。

永久磁石電動機の制御方法として、永久磁石電動機の起動時、基準の相に対応するコイルに電流を流すことで回転子のｄ軸を所定の相に吸い付かせてｄ軸の位置を初期位置に合わせる位置合わせを実行した後、強制同期を実行し、回転子の回転速度が所定速度以上になると、回転子の位置を推定しながら永久磁石電動機を制御する通常制御に移行するものがある。関連する技術として、特許文献１がある。

しかしながら、上記制御方法では、位置合わせにかかる時間が比較的長くなるため、起動から通常制御に移行するまでの時間が比較的長くなるという懸念がある。

特開２０１９－０５４６６３号公報

本発明の一側面に係る目的は、回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図ることである。

本発明に係る一つの形態である永久磁石電動機の制御方法は、永久磁石電動機を駆動させるインバータ回路と、永久磁石電動機の回転子の位置を推定しながらインバータ回路の動作を制御する通常制御を実行する制御回路とを備える制御装置における、永久磁石電動機の制御方法であって、制御回路は、永久磁石電動機の起動時、回転子のｄ軸を回転磁界の基準の相に追従させたまま回転子を回転させる強制同期を複数回実行するとともに、強制同期の実行回数が増加するほど、回転子の加速度を大きくし、回転子の回転速度が所定速度以上になると、通常制御を実行する。

これにより、永久磁石電動機の起動時、位置合わせと強制同期を同時に実行することができるため、位置合わせを実行した後、強制同期を実行する場合に比べて、起動時間の短縮化を図ることができる。

また、制御回路は、回転子の回転速度が所定速度以上になると、ｄ軸電流指令値を徐々に小さくするとともにｑ軸電流指令値を徐々に大きくした後、通常制御を実行するように構成してもよい。

これにより、強制同期から通常制御に移行する際、ｄ軸電流及びｑ軸電流が急峻に変化することを防止することができるため、永久磁石電動機の制御性低下を抑制することができる。

本発明に係る一つの形態である永久磁石電動機の制御装置は、永久磁石電動機を駆動させるインバータ回路と、永久磁石電動機の回転子の位置を推定しながらインバータ回路の動作を制御する通常制御を実行する制御回路とを備え、制御回路は、永久磁石電動機の起動時、回転子のｄ軸を回転磁界の基準の相に追従させたまま回転子を回転させる強制同期を複数回実行するとともに、強制同期の実行回数が増加するほど、回転子の加速度を大きくし、回転子の回転速度が所定速度以上になると、通常制御を実行する。

これにより、永久磁石電動機の起動時、位置合わせと強制同期を同時に実行することができるため、位置合わせを実行した後、強制同期を実行する場合に比べて、起動時間の短縮化を図ることができる。

本発明によれば、回転子の位置を検出する機能を備えていない永久磁石電動機の起動時間の短縮化を図ることができる。

実施形態の永久磁石電動機の制御装置の一例を示す図である。 実施形態の強制同期を説明するための図である。 推定部の一例を示す図である。 起動時の制御回路の動作の一例を示すフローチャートである。 ｄ軸電流指令値、ｑ軸電流指令値、及び回転速度指令値の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、実施形態の永久磁石電動機の制御装置の一例を示す図である。

図１に示す制御装置１は、例えば、電動フォークリフトやプラグインハイブリッド車などの車両に搭載される永久磁石電動機Ｍを制御するものであって、インバータ回路２と、制御回路３とを備える。なお、永久磁石電動機Ｍは、例えば、表面磁石型同期モータ（Surface Permanent Magnetic Synchronous Motor）などであって、以下、電動機Ｍとする。

インバータ回路２は、直流電源Ｐから供給される電力により電動機Ｍを駆動するものであって、コンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））と、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２とを備える。すなわち、コンデンサＣの一方端が直流電源Ｐの正極端子及びスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ５の各コレクタ端子に接続され、コンデンサＣの他方端が直流電源Ｐの負極端子及びスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ４、ＳＷ６の各エミッタ端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｅ１を介して電動機ＭのＵ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ４のコレクタ端子との接続点は電流センサＳｅ２を介して電動機ＭのＶ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子との接続点は電動機ＭのＷ相の入力端子に接続されている。

コンデンサＣは、直流電源Ｐから出力されインバータ回路２へ入力される電圧を平滑する。

スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ１に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ２に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ３は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ３に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ４は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ４に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ５は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ５に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子ＳＷ６は、制御回路３から出力される駆動信号Ｓ６に基づいて、オンまたはオフする。スイッチング素子Ｓｗ１～ＳＷ６がそれぞれオンまたはオフすることで、直流電源Ｐから出力される直流電圧が、互いに位相が１２０度ずつ異なる３つの交流電圧に変換され、それら交流電圧が電動機ＭのＵ相、Ｖ相、及びＷ相の入力端子に印加され電動機Ｍの回転子が回転する。

電流センサＳｅ１は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＵ相に流れるＵ相電流Ｉｕを検出して制御回路３に出力する。また、電流センサＳｅ２は、ホール素子やシャント抵抗などにより構成され、電動機ＭのＶ相に流れるＶ相電流Ｉｖを検出して制御回路３に出力する。

制御回路３は、記憶部４と、ドライブ回路５と、演算部６とを備える。

記憶部４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成される。また、記憶部４は、後述する、所定電流や所定速度などを記憶している。

ドライブ回路５は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成され、演算部６から出力される電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊と搬送波（三角波、ノコギリ波、または逆ノコギリ波など）とを比較し、その比較結果に応じた駆動信号Ｓ１～Ｓ６をスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれのゲート端子に出力する。例えば、ドライブ回路５は、電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ１を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ２を出力し、電圧指令値Ｖｕ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ１を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ２を出力する。また、ドライブ回路５は、電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ３を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ４を出力し、電圧指令値Ｖｖ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ３を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ４を出力する。また、ドライブ回路５は、電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波以上である場合、ハイレベルの駆動信号Ｓ５を出力するとともに、ローレベルの駆動信号Ｓ６を出力し、電圧指令値Ｖｗ＊が搬送波より小さい場合、ローレベルの駆動信号Ｓ５を出力するとともに、ハイレベルの駆動信号Ｓ６を出力する。

なお、ドライブ回路５は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の振幅値が搬送波の振幅値より小さい場合、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の１周期においてスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６が繰り返しオン、オフする制御、すなわち、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を行うものとする。

また、ドライブ回路５は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の振幅値が搬送波の振幅値より大きい場合、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の１周期のうちの一部の期間においてスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６が繰り返しオン、オフし、残りの期間においてスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６が常にオンまたは常にオフする制御、すなわち、過変調制御を行うものとする。

また、ドライブ回路５は、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の振幅値が搬送波の振幅値よりさらに大きい場合、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の半周期においてスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６が常にオンまたは常にオフし、残りの半周期においてスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６が常にオンまたは常にオフする制御、すなわち、矩形波制御を行うものとする。

演算部６は、マイクロコンピュータなどにより構成され、速度演算部７と、減算部８と、トルク制御部９と、トルク／電流指令値変換部１０と、減算部１１、１２と、電流制御部１３と、座標変換部１４と、座標変換部１５と、推定部１６とを備える。例えば、マイクロコンピュータが記憶部４に記憶されているプログラムを実行することにより、速度演算部７、減算部８、トルク制御部９、トルク／電流指令値変換部１０、減算部１１、１２、電流制御部１３、座標変換部１４、座標変換部１５、及び推定部１６が実現される。

速度演算部７は、推定部１６により推定される電動機Ｍの回転子の推定位置θ＾により回転速度ωを演算する。例えば、速度演算部７は、推定位置θ＾を演算部６の制御周期で除算することにより回転速度ωを求める。

減算部８は、外部から入力される回転速度指令値ω＊と速度演算部７から出力される回転速度ωとの差Δωを算出する。

トルク制御部９は、減算部８から出力される差Δωを用いて、トルク指令値Ｔ＊を求める。例えば、トルク制御部９は、記憶部４に記憶されている、電動機Ｍの回転子の回転速度と電動機Ｍのトルクとが互いに対応付けられている情報（不図示）を参照して、差Δωに相当する回転速度に対応するトルクを、トルク指令値Ｔ＊として求める。

トルク／電流指令値変換部１０は、電動機Ｍの起動時、回転磁界を強制的に発生させつつ回転子のｄ軸を回転磁界の基準の相に追従させたまま回転子を回転させる強制同期を複数回実行するとともに、強制同期の実行回数が増加するほど、回転子の加速度を大きくし、回転子の回転速度が所定速度以上になると、推定位置θ＾に基づいてインバータ回路２の動作を制御するための通常制御を実行する。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、電動機Ｍの起動時、図２に示すように、回転子のｄ軸（Ｎ極）を回転磁界のＵ相に吸い付かせたまま回転子を加速度ａ１で回転させる第１強制同期を実行しているとき、回転速度ωが所定速度ωｔｈ１以上になると、回転子を加速度ａ１より大きい加速度ａ２で回転させる第２強制同期を実行する。また、トルク／電流指令値変換部１０は、第２強制同期を実行しているとき、回転速度ωが所定速度ωｔｈ２以上になると、通常制御に移行する。また、トルク／電流指令値変換部１０は、通常制御時、推定位置θ＾により演算される回転速度ωと回転速度指令値ω＊との差Δωに対応するトルク指令値Ｔ＊を、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に変換する。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、記憶部４に記憶されている、電動機Ｍのトルクとｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊とが互いに対応付けられている情報（不図示）を参照して、トルク指令値Ｔ＊に相当するトルクに対応するｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を求める。

図１に示す減算部１１は、トルク／電流指令値変換部１０から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊と、推定部１６から出力される推定ｄ軸電流Ｉｄ＾との差ΔＩｄを算出する。

減算部１２は、トルク／電流指令値変換部１０から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と、推定部１６から出力される推定ｑ軸電流Ｉｑ＾との差ΔＩｑを算出する。

電流制御部１３は、減算部１１から出力される差ΔＩｄ及び減算部１２から出力される差ΔＩｑを用いたＰＩ（Proportional Integral）制御により、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。例えば、電流制御部１３は、下記式１を用いてｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊を算出するとともに、下記式２を用いてｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を算出する。なお、ＫｐはＰＩ制御の比例項の定数とし、ＫｉはＰＩ制御の積分項の定数とし、Ｌｑは電動機Ｍを構成するコイルのｑ軸インダクタンスとし、Ｌｄは電動機Ｍを構成するコイルのｄ軸インダクタンスとし、ωは回転速度とし、Ｋｅは誘起電圧定数とする。

ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｄ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｄ）－ωＬｑＩｑ・・・式１
ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊＝Ｋｐ×差ΔＩｑ＋∫（Ｋｉ×差ΔＩｑ）＋ωＬｄＩｄ＋ωＫｅ・・・式２

座標変換部１４は、推定部１６から出力される推定位置θ＾を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、Ｕ相電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令値Ｖｕ＊、及びＷ相電圧指令値Ｖｗ＊に変換する。

例えば、座標変換部１４は、下記式３に示す変換行列Ｃ１を用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に変換する。

座標変換部１５は、電流センサＳｅ１により検出されるＵ相電流Ｉｕ及び電流センサＳｅ２により検出されるＶ相電流Ｉｖを用いて、電動機ＭのＷ相に流れるＷ相電流Ｉｗを求める。なお、座標変換部１５及び電流センサＳｅ１、Ｓｅ２により、電流取得部が構成されるものとする。

また、座標変換部１５は、推定部１６から出力される推定位置θ＾を用いて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ（弱め界磁を発生させるための電流成分）及びｑ軸電流Ｉｑ（トルクを発生させるための電流成分）に変換する。

例えば、座標変換部１５は、下記式４に示す変換行列Ｃ２を用いて、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗを、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換する。

なお、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２により検出される電流は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖの組み合わせに限定されず、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗの組み合わせ、または、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗの組み合わせでもよい。電流センサＳｅ１、Ｓｅ２によりＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗが検出される場合、座標変換部１５は、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗを用いて、Ｕ相電流Ｉｕを求める。また、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２によりＵ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗが検出される場合、座標変換部１５は、Ｕ相電流Ｉｕ及びＷ相電流Ｉｗを用いて、Ｖ相電流Ｉｖを求める。

また、インバータ回路２において、電流センサＳｅ１、Ｓｅ２の他に、電動機ＭのＷ相に流れる電流を検出する電流センサＳｅ３をさらに備える場合、座標変換部１５は、推定部１６から出力される推定位置θ＾を用いて、電流センサＳｅ１～Ｓｅ３により検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換するように構成してもよい。この場合、座標変換部１５及び電流センサＳｅ１～Ｓｅ３により、電流取得部が構成されるものとする。

また、座標変換部１５は、ドライブ回路５がパルス幅変調制御を行っているとき、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の１周期において、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをすべて求めることができ、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを出力することができるものとする。

また、座標変換部１５は、ドライブ回路５が過変調制御を行っているとき、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の１周期の一部の期間において、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗを求めることができず、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを出力することができないものとする。

また、座標変換部１５は、ドライブ回路５が矩形波制御を行っているとき、電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊の１周期において、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗをすべて求めることができず、ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを出力することができないものとする。

推定部１６は、速度演算部７から出力される回転速度ωと、電流制御部１３から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、座標変換部１５から出力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとを用いて、推定ｄ軸電流Ｉｄ＾、推定ｑ軸電流Ｉｑ＾、及び推定位置θ＾を出力する。

図３は、推定部１６の一例を示す図である。

図３に示す推定部１６は、電流推定部１６１と、減算部１６２と、パラメータ推定部１６３と、位置推定部１６４とを備える。

電流推定部１６１は、電動機Ｍに流れる電流を推定する。

すなわち、電流推定部１６１は、座標変換部１４からｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑが出力される場合（電流取得部により電動機Ｍに流れる電流が取得される場合）、ｄ軸電流Ｉｄを推定ｄ軸電流Ｉｄ＾として減算部１１に出力するとともに、ｑ軸電流Ｉｑを推定ｑ軸電流Ｉｑ＾として減算部１２に出力する。

また、電流推定部１６１は、座標変換部１５からｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑが出力されない場合（電流取得部により電動機Ｍに流れる電流が取得されない場合）、速度演算部７から出力される回転速度ωと、電流制御部１３から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、パラメータ推定部１６３により推定される電動機Ｍの固有のパラメータ（誘起電圧定数Ｋｅ＾、巻線抵抗Ｒ＾、ｄ軸インダクタンスＬｄ＾、及びｑ軸インダクタンスＬｑ＾など）とを下記式５に代入して、推定ｄ軸電流Ｉｄ＾及び推定ｑ軸電流Ｉｑ＾を算出し、その算出した推定ｄ軸電流Ｉｄ＾及び推定ｑ軸電流Ｉｑ＾を減算部１１、１２に出力する。なお、下記式５は電動機Ｍのモデルとしての電圧方程式であり、Ｐは微分演算子とする。

減算部１６２は、座標変換部１５から出力されるｄ軸電流Ｉｄと電流推定部１６１から出力される推定ｄ軸電流Ｉｄ＾との差ΔＩｄ＾を算出するとともに、座標変換部１５から出力されるｑ軸電流Ｉｑと電流推定部１６１から出力される推定ｑ軸電流Ｉｑ＾との差ΔＩｑ＾を算出する。

パラメータ推定部１６３は、減算部１６２から出力される差ΔＩｄ＾、ΔＩｑ＾がゼロになるように、電動機Ｍの固有のパラメータを制御タイミング毎に繰り返し推定する。これにより、パラメータ推定部１６３によりパラメータが繰り返し推定されているとき、差ΔＩｄ＾、ΔＩｑ＾が徐々にゼロに近づいていき、パラメータが推定され始めてから所定時間以上が経過すると、差ΔＩｄ＾、ΔＩｑ＾がゼロになり、パラメータ推定部１６３により推定されるパラメータが同定する。

例えば、パラメータ推定部１６３は、下記式６～式９を用いて、逐次最小二乗法により電動機Ｍの固有のパラメータを推定するように構成してもよい。なお、ｙ_Ｎは下記式１０とする。また、θ^Ｔ及びＺ_Ｎ ^Ｔを下記式１１及び式１２に示すように定義する場合、下記式１０を下記式１３に示すように表されるものとする。ｒ_Ｎは減算部１５２の出力値（差ΔＩｄ＾、ΔＩｑ＾）とし、ａ_ｉ及びｂ_ｉは電動機Ｍの固有のパラメータとし、ｙ_Ｎ－ｉは座標変換部１５の出力値（ｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑ）とし、ｕ_Ｎ－１は電流制御部１３の出力値（ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊）とする。また、φ_Ｎ及びψ_Ｎはｚ_Ｎとし、ρ_Ｎは忘却係数とする。

位置推定部１６４は、速度演算部７から出力される回転速度ωと、電流制御部１３から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と、座標変換部１５から出力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑまたは電流推定部１６１から出力される推定ｄ軸電流Ｉｄ＾及び推定ｑ軸電流Ｉｑ＾と、パラメータ推定部１６３から出力されるパラメータとを用いて、電動機Ｍの回転子の推定位置θ＾を推定する。

例えば、位置推定部１６４は、電流制御部１３から出力されるｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊をγ軸電圧Ｖγ及びδ軸電圧Ｖδに変換するとともに、電流推定部１６１から出力される推定ｄ軸電流Ｉｄ＾及び推定ｑ軸電流Ｉｑ＾をγ軸電流ｉγ及びδ軸電流ｉδに変換する。次に、位置推定部１６４は、下記式１４に、回転速度ω、γ軸電圧Ｖγ、δ軸電圧Ｖδ、γ軸電流ｉγ、δ軸電流ｉδ、誘起電圧定数Ｋｅ＾、巻線抵抗Ｒ＾、ｄ軸インダクタンスＬｄ＾、及びｑ軸インダクタンスＬｑ＾を代入することにより求められるΔθを、推定位置θ＾とする。なお、下記式１４は電動機Ｍのモデルとしての電圧方程式であり、Ｐは微分演算子とする。

図４は、電動機Ｍの起動時の制御回路３の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、制御回路３は、車両のイグニッションオンなどに伴う電動機Ｍの起動指示が入力されると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、第１強制同期を実行する（ステップＳ２）。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、第１強制同期を開始すると、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を、記憶部４に記憶されている所定電流まで上昇させるとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロにさせる。なお、所定電流は、回転磁界を強制的に発生させているときで、かつ、回転子のｄ軸を回転磁界の基準の相に追従させながら回転子を第１加速度で回転させているときに推定部１６から出力される推定ｄ軸電流Ｉｄ＾とする。これにより、回転子のｄ軸を初期位置に合わせながら、回転速度ωを徐々に上昇させることができる。

次に、制御回路３は、回転速度ωが所定速度ωｔｈ１以上になると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、第２強制同期を実行する（ステップＳ４）。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、第２強制同期を開始すると、回転子のｄ軸が回転磁界の基準の相に追従しながら回転子が第１加速度より大きい第２加速度で回転するように、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。なお、第２加速度は、回転子のｄ軸を回転磁界の基準の相に追従させることが可能で、かつ、強制同期から通常制御に移行する際に回転速度ωの変動幅を比較的小さくすることが可能な値に設定されているものとする。また、制御回路３は、第１強制同期を開始してから所定時間が経過すると、第２強制同期を実行するように構成してもよい。例えば、所定時間は、第１強制同期が開始されてから回転速度ωが所定速度ωｔｈ１以上になるまでの時間とする。

次に、制御回路３は、回転速度ωが所定速度ωｔｈ２以上になると（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、切替制御を実行する（ステップＳ６）。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、切替制御を開始すると、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を徐々に小さくするとともにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を徐々に大きくする。これにより、第２強制同期から通常制御に移行する際、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の変動幅を比較的小さくすることができるため、電動機Ｍの制御性低下を抑制することができる。なお、ステップＳ６の切替制御を省略してもよい。この場合、制御回路３は、第２強制同期時、回転速度ωが所定速度ωｔｈ２以上になると、第２強制同期から通常制御に移行する。また、強制同期の実行回数は３回以上でもよく、強制同期の実行回数が増加するほど、回転子の加速度を大きくする。

そして、制御回路３は、切替制御を実行した後、回転子の位置を推定しながらインバータ回路２の動作を制御する通常制御を実行する（ステップＳ７）。例えば、トルク／電流指令値変換部１０は、推定位置θ＾により演算される回転速度ωと回転速度指令値ω＊との差Δωに対応するトルク指令値Ｔ＊に基づいてｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。

図５（ａ）は、従来の制御装置における電動機Ｍの起動時のｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と回転速度指令値ω＊との関係を示す図である。また、図５（ｂ）は、実施形態の制御装置１における電動機Ｍの起動時のｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と回転速度指令値ω＊との関係を示す図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す２次元座標の横軸は時間を示し、縦軸は電流または回転速度を示している。また、実線はｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を示し、破線はｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を示し、一点鎖線は回転速度指令値ω＊を示している。

従来の制御装置では、図５（ａ）に示すように、電動機Ｍの起動時、回転子を回転させずに回転子のｄ軸と固定子の基準の相との位置合わせを行った後、回転子のｄ軸と基準の相との位置合わせを保ったまま回転子を回転させる強制同期を行っている。位置合わせでは、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を所定電流まで徐々に大きくする必要があり、かつ、ｄ軸が基準の相へ回転した後、ｄ軸の振動が基準の相で収束するまで待機する必要があるため、位置合わせに比較的長い時間がかかる。

一方、実施形態の制御装置１では、図５（ｂ）に示すように、電動機Ｍの起動時、位置合わせを行わずに、回転磁界を強制的に発生させて回転子のｄ軸と回転磁界の基準の相との位置合わせを行いつつ回転子を加速度ａ１で回転させる第１強制同期を実行した後、回転子のｄ軸と基準の相との位置合わせを保ったまま回転子を加速度ａ１より大きい加速度ａ２で回転させる第２強制同期を実行する。第１強制同期では、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を急峻に大きくすることが可能で、かつ、ｄ軸の振動が基準の相で収束するまで待機する必要がないため、第１強制同期にかかる時間を、従来の制御装置における位置合わせにかかる時間より短くすることができる。また、第２強制同期の開始時、回転速度指令値ω＊が少なくとも所定速度ωｔｈ１まで上昇しているため、第２強制同期にかかる時間を、従来の制御装置における強制同期にかかる時間より短くすることができる。

このように、実施形態の電動機Ｍの制御装置１は、電動機Ｍの起動時、各強制同期において、位置合わせと強制同期を同時に実行することができるため、位置合わせを実行した後、強制同期を実行する場合に比べて、起動時間の短縮化を図ることができる。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１ 制御装置
２ インバータ回路
３ 制御回路
４ 記憶部
５ ドライブ回路
６ 演算部
７ 速度演算部
８ 減算部
９ トルク制御部
１０ トルク／電流指令値変換部
１１ 減算部
１２ 減算部
１３ 電流制御部
１４ 座標変換部
１５ 座標変換部
１６ 推定部
１６１ 電流推定部
１６２ 減算部
１６３ パラメータ推定部
１６４ 位置推定部

Claims (4)

1. 永久磁石電動機を駆動させるインバータ回路と、前記永久磁石電動機の回転子の位置を推定しながら前記インバータ回路の動作を制御する通常制御を実行する制御回路とを備える制御装置における、前記永久磁石電動機の制御方法であって、
   前記制御回路は、
   前記永久磁石電動機の起動時、前記回転子のｄ軸を回転磁界に追従させたまま前記回転子を回転させる強制同期を複数回実行するとともに、前記強制同期の実行回数が増加するほど、前記回転子の加速度を大きくし、
   前記回転子の回転速度が所定速度以上になると、前記通常制御を実行し、
   前記強制同期の実行回数が２回であり、
   １回目の第１強制同期ではｄ軸電流指令値を、所定電流まで上昇させるとともにｑ軸電流指令値をゼロにさせ、
   ２回目の第２強制同期では前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を出力する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御方法。
2. 請求項１に記載の永久磁石電動機の制御方法であって、
   前記制御回路は、前記回転子の回転速度が前記所定速度以上になると、前記ｄ軸電流指令値を徐々に小さくして、マイナスの値にするとともに前記ｑ軸電流指令値を徐々に大きくした後、前記通常制御を実行する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御方法。
3. 永久磁石電動機を駆動させるインバータ回路と、
   前記永久磁石電動機の回転子の位置を推定しながら前記インバータ回路の動作を制御する通常制御を実行する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記永久磁石電動機の起動時、前記回転子のｄ軸を回転磁界に追従させたまま前記回転子を回転させる強制同期を複数回実行するとともに、前記強制同期の実行回数が増加するほど、前記回転子の加速度を大きくし、前記回転子の回転速度が所定速度以上になると、前記通常制御を実行し、
   前記強制同期の実行回数が２回であり、
   １回目の第１強制同期ではｄ軸電流指令値を、所定電流まで上昇させるとともにｑ軸電流指令値をゼロにさせ、
   ２回目の第２強制同期では前記ｄ軸電流指令値及び前記ｑ軸電流指令値を出力する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。
4. 請求項３に記載の永久磁石電動機の制御装置であって、
   前記制御回路は、前記回転子の回転速度が前記所定速度以上になると、前記ｄ軸電流指令値を徐々に小さくして、マイナスの値にするとともに前記ｑ軸電流指令値を徐々に大きくした後、前記通常制御を実行する
   ことを特徴とする永久磁石電動機の制御装置。

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