JPWO2005008879A1 - 同期電動機の磁極位置推定装置 - Google Patents

Abstract

電動機の２重突極性に起因して生じる影響、すなわち回転子磁極位置θによる交番電流の軸ずれが磁極位置推定に与える影響を除去し、特に２重突極電動機の磁極を高精度に推定する。 電動機５に交番電圧を印加する交番電圧印加手段１と、電動機電流を検出する電流検出手段４と、電動機５の回転子磁極位置θから現在状態での基準方向θ’を出力する基準方向発生手段８と、検出した電動機電流を基準方向θ’に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段６と、電動機電流の平行成分および直交成分のうち少なくとも一方に基づいて、電動機５の実際の回転子磁極位置θを推定する磁極位置推定手段１１〜１５とを設けた。

Description

この発明は、永久磁石モータや同期リラクタンスモータなどの、交流同期電動機の回転子および固定子が電気的突極性を有する２重突極電動機の回転子磁極位置を推定するための、同期電動機の磁極位置推定装置に関するものである。

永久磁石モータや同期リラクタンスモータなどの同期電動機（以下、単に「電動機」という）は、回転子磁極の位置に応じて固定子に適切な電流を流す必要があるので、原理的には駆動に回転子磁極位置センサが必要である。しかしながら回転子磁極位置センサを用いた場合には、コストの増加、信頼性や耐久性の低下、電気配線の増加などの問題があり、回転子磁極位置センサを用いないセンサレス制御方式が望まれている。このような課題を解決するために、たとえば、特許文献１（特許第３３１２４７２号）に記載された技術が開示されている。
特許文献１に開示された従来装置は、電動機に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、電動機電流を検出する電流検出手段と、検出した電動機電流を、印加している交番電圧に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、電動機電流の平行成分および直交成分のうち少なくとも一方に基づいて電動機の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備えている。
上記従来装置においては、たとえば特許文献１の数式８に示されるように、交番電圧を印加する方向と磁極方向との間に位相差（特許文献１では、相差角θ）が存在すると、印加した交番電圧（特許文献１では、ｄｃ軸方向）に対して直交する方向（特許文献１ではｑｃ軸方向）に、ｓｉｎ２θに比例した振幅を有する交流電流が発生する現象を利用して、回転子磁極位置を推定している。
この現象が発生する理由は、一般に、突極性を有する電動機では、回転子磁極方向のインダクタンスが最大（正突極性）または最小（逆突極性）になるからである。ところが、実際の電動機では、交番電圧を印加する方向と実際の磁極方向とが一致していても、交番電圧に対して直行する方向に、交番電流が発生する場合がある。
図４はその一例を実験結果で示しており、回転子磁極位置と交番電圧印加方向とが一致している場合において、交番電圧に直交する方向の電流振幅の、回転子磁極位置による変化を表している。
図４において、横軸は時間［ｓ］を示しており、縦軸は電気角での回転子磁極位置（細線）［１０／３６０度］および電流振幅（太線）［Ａ］を示している。図４から明らかなように、回転子磁極位置の変化にともない、交番電圧を印加する方向と回転子磁極位置とが一致しているにもかかわらず、電流振幅が周期的に変化していることが分かる。
この現象が発生する理由は、実際の電動機では、回転子磁極位置とインダクタンス最小（または、インダクタンス最大）方向とが一致せず、両者のずれ量が回転子磁極位置によって変化することにある。
図５は、図４の実験に用いた埋込磁石永久磁石電動機の断面を示したものであり、回転子上の８つの矩形の部分は、回転子上に埋め込まれた永久磁石である。この電動機は、回転子は８極で、固定子は１２のスロットを有する集中巻電機子からなる。埋込磁石永久磁石電動機は、永久磁石を埋め込むために回転子の磁気回路形状が軸対象ではなく、このため電気的突極性を有することが知られている。
図５の電動機の鉄心構造を、１極対分だけ取り出して簡略化したものを図６に示す。ただし、図５の埋込磁石永久磁石電動機は、回転子磁極方向（回転子磁極位置）がインダクタンス最小である逆突極性であるが、図６の電動機モデルでは、回転子磁極方向がインダクタンス最大である正突極性である点に注意されたい。なお、電動機の逆突極性および正突極性の違いは、定義する磁極方向が電気角で９０度だけずれていることのみであり、本質的な違いはない。
ここで、観測軸による電動機のインダクタンス変化を、固定子と回転子とについて、それぞれに分けて考える。
まず、図７のように、図６の電動機において回転子に突極性がない場合のインダクタンス変化を考えれば、インダクタンスは回転子磁極位置にかかわりなく、固定子上の観測軸の方向により一意的に決まる。
図７において、観測軸γ＝０上のインダクタンスと、観測軸γ＝π／３（＝６０度）上のインダクタンスとは、観測軸と固定子の鉄心との相対的な位置関係が同じなので、値が等しくなる。
これに対して、観測軸γ＝０上のインダクタンスと、観測軸γ＝π／６（＝３０度）上のインダクタンスとは、観測軸と固定子の鉄心との相対的な位置関係が異なるので、値が等しくなるとは限らない。
ここで、仮に、観測軸γ＝０と観測軸γ＝π／６（＝３０度）とで、観測軸方向のインダクタンスが異なり、且つ、γ＝０からγ＝π／６（＝３０度）までの間、および、γ＝π／６（＝３０度）からγ＝π／３（＝６０度）までの間で、観測軸方向のインダクタンスが単調に変化するものと仮定する。このとき、図７に示したモデルの観測軸によるインダクタンスの変化は、図８内の破線で示すように、電気角の６０度周期で変動すると考えられる。
モータ設計においては、この変動を極力小さくするように様々な工夫が成されているが、特に図６のような集中巻電機子においては、この変動を零にすることは難しい。
上記のようにインダクタンス変化が大きい電動機は、固定子も突極性を有していると考えられ、図６に示したような構造の電動機は、回転子および固定子の双方が突極性を有することから、２重突極電動機（Ｄｏｕｂｌｙ−Ｓａｌｉｅｎｔ Ｍｏｔｏｒ）と呼ばれる。
次に、図９のように、固定子に突極性がない場合のインダクタンスの変化を考えれば、インダクタンスは、回転子磁極位置と観測軸との間の角度によって決定する。
図９において、観測軸δ＝０上のインダクタンスと観測軸δ＝π（＝１８０度）上のインダクタンスとは、観測軸と回転子の鉄心との相対的な位置関係が同じなので、値が等しくなる。
これに対して、観測軸δ＝０上のインダクタンスと観測軸δ＝π／２（＝９０度）上のインダクタンスとは、観測軸と回転子の鉄心との相対的な位置関係が異なるので、等しくならない。
ここで、仮に、観測軸δ＝０からδ＝π／２（＝９０度）までの間、および、δ＝π／２（＝９０度）からδ＝π（＝１８０度）までの間で、観測軸方向のインダクタンスが単調に変化するものと仮定すれば、図９に示したモデルの観測軸によるインダクタンスの変化は、図８内の細線で示すように、電気角の１８０度周期で変動すると考えられる。
図６に示した電動機の観測軸によるインダクタンス変化の特性は、上記の２つのインダクタンス特性を合成すれば得られる。
図８は、回転子磁極位置θ＝０（Ｕ相巻線と回転子磁極が正対している状態）の場合における、固定子分インダクタンス（破線）、回転子分インダクタンス（細線）および合成インダクタンス（太線）を示している。ただし、図８において、各インダクタンスの大きさは、正規化されているものとする。
図８の状態では、回転子突極方向と合成インダクタンスの最大方向は、それぞれ一致しており、電気角０およびπ（＝１８０度）で最大インダクタンスとなる。
これに対して、図１０は、回転子磁極方向（回転子磁極位置）θ＝π／１２（＝１５度）の場合における、各インダクタンスの観測軸によるインダクタンス変化の特性を示している。
図１０の状態では、回転子磁極方向（回転子インダクタンスの最大方向）と合成インダクタンスの最大方向との間にずれ量（ずれ角）が発生していることが分かる。
図１１は、回転子磁極方向θを０からπ（＝１８０度）まで変化させた場合の、回転子磁極方向と合成インダクタンスの最大方向との間のずれ角［度］の変化の様子を示している。
図１１から明らかなように、ずれ角は、電気角６０度の周期で、周期的に変化することが分かる。したがって、図６に示すような２重突極特性を有する電動機においては、回転子磁極方向と合成インダクタンスの最大方向との間のずれ角が、電気角で１回転の間（０〜３６０度）に６周期発生すると考えられる。
また、図１０から分かるように、同様の現象は、回転子磁極方向から９０度進んだ方向（すなわち、回転子逆突極方向）と、合成インダクタンス最小方向とについても発生している。
このため、図４の実験のように、回転子磁極方向（すなわち回転子逆突極方向）に交番電圧を印加した状態で回転子を回転させると、交番電圧の印加方向と合成インダクタンス最小方向との間に、電気角で１回転に６周期のずれ角が発生して、これにより図４に示すように、交番電圧と直行する方向に交番電流が発生するものと考えられる。
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、電動機の２重突極性に起因して発生する影響、すなわち回転子磁極位置による交番電流の軸ずれが磁極位置推定に与える影響を除去することにより、いわゆる２重突極性を有する電動機においても、回転子磁極位置を良好に推定することができる同期電動機の磁極位置推定装置を提供するものである。

この発明による同期電動機の磁極位置推定装置は、電動機に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、電動機電流を検出する電流手段と、電動機の回転子磁極位置から現在状態での基準方向（インダクタンス最小方向）を出力する基準方向発生手段と、検出された電動機電流を基準方向に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方の成分に基づいて電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備えたものである。
また、この発明による同期電動機の磁極位置推定装置は、電動機に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、交番電圧に応答して電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電動機の回転子磁極位置および固定子電流に応じた所定のずれ量を回転子磁極位置に加算して基準方向を出力する基準方向発生手段と、電流検出手段により検出された電動機電流を、基準方向に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方の成分に基づいて電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備えたものである。
また、この発明による同期電動機の磁極位置推定装置は、電動機の回転子磁極位置に応じた所定のずれ量を回転子磁極位置に加算して、交番電圧印加方向に対応した基準方向を出力する交番電圧印加方向発生手段と、電動機の交番電圧印加方向に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、交番電圧に応答して電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電動機電流を、回転子磁極位置に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方の成分に基づいて電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを備えたものである。

図１はこの発明の実施の形態１による同期電動機の磁極位置推定装置の機能構成を示す回路ブロック図である。
図２はこの発明の実施の形態２による同期電動機の磁極位置推定装置の機能構成を示す回路ブロック図である。
図３はこの発明の実施の形態３による同期電動機の磁極位置推定装置の機能構成を示す回路ブロック図である。
図４は従来の同期電動機の磁極位置推定装置における動作を実験結果により示す説明図であり、回転子磁極位置と交番電圧印加方向とが一致している場合における、交番電圧に直交する方向の電流振幅および回転子磁極位置の時間変化を示している。
図５は図４の実験に用いられた電動機を示す断面図である。
図６は図５の電動機の鉄心構造を１極対分だけ取り出して簡略化して示す断面図である。
図７は図６内の回転子に突極性がない場合を示す断面図であり、インダクタンス変化を説明するために固定子上の観測軸方向が示されている。
図８は図７に示した電動機モデルの観測軸によるインダクタンス変化を示す説明図である。
図９は図６内の固定子に突極性がない場合を示す断面図であり、インダクタンス変化を説明するために、回転子磁極位置と観測軸との間の角度が示されている。
図１０は従来の同期電動機の磁極位置推定装置における各観測軸によるインダクタンス変化の特性を示す説明図である。
図１１は従来の同期電動機の磁極位置推定装置における回転子磁極方向と合成インダクタンスの最大方向との間のずれ変化を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による同期電動機の磁極位置推定装置の機能構成を示す回路ブロック図である。
図１において、この発明の実施の形態１による同期電動機の磁極位置推定装置は、発振器１、座標変換器２、ドライブ回路３、電流センサ４、電動機５、座標変換器６、軸ずれテーブル７、加算器８、信号発生器９、ベクトル発生器１０、制御器１１、乗算器１２、減算器１３、乗算器１４および１５を備えている。
発振器１は、電動機５に印加される交番電圧（ｄｑ軸）のｄ軸信号Ｖｄを発生し、座標変換器２は、２軸回転座標系（ｄｑ軸）の交番電圧（Ｖｄ，Ｖｑ）を３相固定座標系（ＵＶＷ）の電圧（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）に座標変換し、これを出力電圧指令として出力する。
ドライブ回路３は、出力電圧指令に応じた３相出力電圧を電動機５に印加し、電流センサ４は、３相出力電圧に応じて電動機５に供給される３相の電動機電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を検出する。
座標変換器６は、基準方向（インダクタンス最小方向θ’）に対する平行成分および直交成分（αβ）に分離するベクトル変換手段を構成しており、電動機電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）を２相固定座標（αβ）上の電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）に座標変換する。
軸ずれテーブル７は、回転子磁極位置θとずれ角ζとの関係をあらかじめ記憶しており、回転子磁極位置θの入力値（推定値）に応じたずれ角ζを出力する。
加算器８は、ずれ角ζと回転子磁極位置θとを加算してインダクタンス最小方向θ’を求め、ベクトル発生器１０は、インダクタンス最小方向θ’の単位基準ベクトル（α，β）を求める。
乗算器１４は、基準ベクトル（α，β）のα成分と電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）のβ成分ｉ_βとを乗算し、乗算器１５は、基準ベクトルのβ成分と電流ベクトルのα成分ｉ_αとを乗算し、減算器１３は、乗算器１４の出力値から乗算器１５の出力値を減算する。
乗算器１４、１５および減算器１３は、基準ベクトル（α，β）と２相固定座標上の電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）との外積を計算し、これにより、電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）のうち、基準ベクトル（α，β）に対して直交する成分を求める。
信号発生器９は、発振器１の出力電圧と同一周波数で且つ位相が９０度遅れた信号を発生し、乗算器１２は、信号発生器９の出力信号と減算器１３の出力信号とを乗算する。
制御器１１は、乗算器１２の出力値から回転子磁極位置θを推定演算し、推定された回転子磁極位置θを、座標変換器２、軸ずれテーブル７および加算器８に入力する。
次に、図１に示したこの発明の実施の形態１による動作について説明する。
まず、発振器１から生成される交番電圧Ｖｄは、座標変換器２に対して、ｄ軸信号として入力される。一方、座標変換器２のｑ軸信号Ｖｑとしては、グランド電位「０」が入力される。
座標変換器２は、入力信号（ｄ軸信号Ｖｄ，ｑ軸信号Ｖｑ）を回転子磁極位置θ（推定値）にしたがって変換し、２軸回転座標系（ｄｑ軸）から３相固定座標（ＵＶＷ）の電圧出力値（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）に座標変換する。
座標変換器２の変換出力（３相の出力電圧指令Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）は、ドライブ回路３の電圧指令として入力され、ドライブ回路３は、出力電圧指令に相当する電圧を、電動機５の３相巻線端子に印加する。
電動機５の各相（ＵＶＷ）の巻線に流れる電動機電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）は、電流センサ４により検出され、電流センサ４の検出信号は、座標変換器６を介して、３相固定座標（ＵＶＷ）から２相固定座標（αβ軸）の電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）に変換される。
このとき、たとえば、電動機５が２重突極電動機（図６参照）の場合には、前述したように、回転子磁極位置θ（回転子逆突極方向）とインダクタンス最小方向θ’との間に、電気角に対応した周期的なずれ量（ずれ角［度］）が発生する（図１１参照）。
このずれ量は、電動機５内の回転子と固定子の突極性との相互作用によって発生するものであり、観測軸γ（図７参照）の電気角（回転子位置）に対応して決定された値となる。したがって、あらかじめ回転子位置に対するずれ量の関係を求めておけば、回転子磁極位置θを認識することにより、認識した時点（現在状態）でのインダクタンス最小方向θ’（インダクタンスが最小になる方向）を一意的に求めることができる。
軸ずれテーブル７は、回転子磁極位置θと、回転子磁極位置θとインダクタンス最小軸とのずれ角ζとの関係を、あらかじめテーブルとして記憶しており、回転子磁極位置θ（推定値）に対応したずれ角ζを一意的に求めて出力する。
続いて、加算器８は、軸ずれテーブル７で求められたずれ角ζと回転子磁極位置θとを加算し、インダクタンス最小方向θ’を求める。
また、ベクトル発生器１０は、位相がインダクタンス最小方向θ’となる２相固定座標（αβ軸）上の単位基準ベクトル（α，β）を求める。
次に、乗算器１４、１５および減算器１３は、基準ベクトル（α，β）と２相固定座標上の電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）との外積を計算することにより、電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）のうちの、基準ベクトル（α，β）に対して直交する成分を求める。
信号発生器９は、発振器１の出力周波数と同一周波数で位相が９０度遅れた信号を発生している。したがって、信号発生器９の出力信号は、電動機５に印加された交番電圧によって発生する交番電流と位相が一致している。
乗算器１２は、信号発生器９の出力信号と、減算器１３の出力信号すなわち基準ベクトル（α，β）に直交する電流ベクトルの成分（外積値）とを乗算し、これにより、交番電圧によって発生した交番電流の、基準ベクトル（α，β）に直交する成分（すなわち、インダクタンス最小方向θ’と直交する成分）を求める。
ここで、推定された回転子磁極位置θと実際の回転子磁極位置とが一致していれば、発生する交番電流と基準ベクトル（α，β）との方向が一致するので、乗算器１２の出力値は「０」になる。
一方、回転子磁極位置θと実際の回転子磁極位置との間に誤差があると、発生する交番電流と基準ベクトル（α，β）との方向がずれるので、乗算器１２の出力値は、回転子磁極位置θの誤差に応じた値となって制御器１１に入力される。
制御器１１は、乗算器１２から出力される誤差信号に応じて、適切な制御を行うことにより、図６に示すような２重突極電動機において、磁極とインダクタンス最小軸とのずれ角ζの影響（図４参照）を受けることなく、回転子磁極位置θを実際の回転子磁極位置と一致させて、精度よく推定演算を行う。
このように、電動機５がいわゆる２重突極性を有する場合でも、回転子磁極位置θを良好に推定することができる。
なお、上記実施の形態１（図１）では、電動機の磁極位置推定装置のみが示されているが、実際に電動機制御系に適用する際には、図１に示した磁極位置推定装置を、通常の電動機５の駆動制御系に組み込んで使用される。したがって、図１には示されていない各種の回路構成（たとえば、後述する電流制御器など）が関連することになるが、制御系全体の構成については、説明が煩雑になるので、ここでは省略する。
また、上記実施の形態１では、回転子磁極位置θに対するインダクタンス最小軸のずれ角ζを軸ずれテーブル７に記憶させたが、軸ずれテーブル７の代わりに、回転子磁極位置θを入力パラメータとする数式を用いた演算手段を設けてもよい。
また、電流ベクトル（ｉ_α，ｉ_β）から基準ベクトル（α，β）に直交する成分を抽出するために、外積値を計算したが、同様の作用を有する他のベクトル計算方式（座標変換など）を用いてもよい。
さらに、交番電圧を電動機５に印加して、発生する交番電流を検出して処理することにより磁極位置を推定したが、たとえば特許文献１に記載されたように、交番電流を電動機５に流して、発生する交番電圧を検出して処理することにより磁極位置を推定してもよい。
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、２重突極電動機（図６参照）からなる電動機５の回転子磁極方向θ（すなわち、回転子逆突極方向）とインダクタンス最小方向θ’との間に発生する、電気角に対応した周期的なずれ角ζ（ずれ量）のみを考慮して処理する軸ずれテーブル７を設けたが、回転子および固定子のインダクタンスが電動機電流による磁気飽和で変化する場合に、周期的なずれ量の様態が電動機電流により変化することに鑑みて、電動機電流によるずれ量の変化の関係も考慮した軸ずれテーブルを設けてもよい。
この場合、ずれ量の様態の変化は、電動機電流によって一意的に決まるので、電動機電流によるずれ量の変化の関係をあらかじめ求めておけば、電動機電流と回転子磁極位置θとから、現在状態でインダクタンスが最小になる方向θ’を一意的に求めることができる。
図２は電動機電流によるずれ量の変化をも考慮して処理するための軸ずれテーブル７Ａを設けたこの発明の実施の形態２による同期電動機の磁極位置推定装置による機能構成を示す回路ブロック図である。
図２において、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
この発明の実施の形態２による同期電動機の磁極位置推定装置は、前述と同様の発振器１、座標変換器２、ドライブ回路３、電流センサ４、電動機５、座標変換器６、軸ずれテーブル７Ａ、加算器８、信号発生器９、ベクトル発生器１０、制御器１１、乗算器１２、減算器１３、乗算器１４および１５に加えて、ドライブ回路３および軸ずれテーブル７Ａに関連した電流制御器１６および加算器１７を備えている。
図２においては、制御系全体の回路構成のうち、磁極位置推定装置に直接関連する電流制御器１６が示されている。
電流制御器１６は、通常の電動機制御に用いられるものであり、電動機電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）、回転子磁極位置θおよび２軸回転座標系（ｄｑ軸）での電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）を入力信号とし、２軸回転座標系（ｄｑ軸）での電動機電流（ｉｄ，ｉｑ）および３相固定座標（ＵＶＷ）上の電圧指令を出力信号としている。
すなわち、電流制御器１６は、電流指令（ｉｄ^＊，ｉｑ^＊）にしたがい、３相固定座標（ＵＶＷ）上の電動機電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）から、３相固定座標（ＵＶＷ）上の電圧指令を生成するとともに、２軸回転座標系（ｄｑ軸）での電動機電流（ｉｄ，ｉｑ）を軸ずれテーブル７Ａに入力する。
加算器１７は、電流制御器１６からの電圧指令と、座標変換器２からの磁極位置推定用の交番信号とを加算し、出力電圧指令（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）としてドライブ回路３に入力する。
このとき、電流制御器１６と交番電圧による磁極位置推定との間で干渉を起こさないように、磁極位置推定に使用される交番電圧の周波数は、電流制御器１６の電流応答周波数よりも高く設定されている。または、干渉を回避するための他の対策として、電流制御器１６内に電流信号の高周波成分を除去するフィルタを設けてもよい。
軸ずれテーブル７Ａは、回転子磁極位置θおよび電動機電流（ｉｄ，ｉｑ）に対する、回転子磁極位置θとインダクタンス最小軸とのずれ角ζの関係を記憶しており、電流制御器１６から出力された電動機電流（ｉｄ，ｉｑ）と、制御器１１から出力された回転子磁極位置θとから、ずれ角ζを求めて出力する。
以下、前述と同様に、ずれ角ζを用いた推定演算処理を実行することにより、電動機電流（ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ）によるインダクタンス変化の影響を受けることなく、高精度に回転子磁極位置を推定することができる。
実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２では、電動機５の回転子磁極方向に交番電圧を印加して、発生する交番電流の回転子磁極方向に基づき、電動機５の２重突極性を考慮して、ずれ角ζ（ずれ量）を処理したが、電動機５の回転子磁極方向からずらして交番電圧を印加し、交番電圧のずれ角を用いて、交番電圧印加時に発生する交番電流が回転子磁極方向と一致するように処理してもよい。
図３は交番電圧印加方向の回転子磁極方向からのずれ角ζ’を用いて交番電流を回転子磁極方向と一致するようにしたこの発明の実施の形態３による同期電動機の磁極位置推定装置の機能構成を示す回路ブロック図である。
図３において、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または、符号の後に「Ｂ」または「’」を付して詳述を省略する。
この発明の実施の形態３による同期電動機の磁極位置推定装置は、前述と同様の発振器１Ｂ、座標変換器２Ｂ、ドライブ回路３、電流センサ４、電動機５、座標変換器６Ｂ、電圧ずれテーブル７Ｂ、加算器８Ｂ、信号発生器９、制御器１１および乗算器１２Ｂを備えている。
この場合、発振器１Ｂから出力される交番電圧Ｖｄ’（ｄ軸信号）は、回転子磁極方向からずらして電動機５に印加されるようになっている。
座標変換器２Ｂは、ずれ角ζ’および回転子磁極位置θから算出された交番電圧印加方向θ’Ｂにしたがって、２軸回転座標系の入力信号（ｄ軸信号Ｖｄ’，ｑ軸信号Ｖｑ’）を３相固定座標の電圧出力値に座標変換する。
座標変換器６Ｂは、電流センサ４により検出された電動機電流を、回転子磁極位置θに対する平行成分および直交成分（ｄｑ）に分離するベクトル変換手段を構成しており、２相の電流ベクトル（ｉｄ，ｉｑ）を出力する。
乗算器１２Ｂは、電流ベクトルのｑ軸成分ｉｑと信号発生器９の出力信号とを乗算して制御器１１に入力する。電流ベクトルの他方のｄ軸成分ｉｄは、図示されない制御系で用いられる。
制御器１１は、乗算器１２Ｂの乗算値から回転子磁極位置θを求め、電圧ずれテーブル７Ｂ、加算器８Ｂおよび座標変換器６Ｂに入力する。
電圧ずれテーブル７Ｂは、回転子磁極位置θと、回転子磁極位置θと交番電圧印加方向とのずれ角ζ’の関係をテーブルとして記憶しており、回転子磁極位置θ（推定値）に応じて、ずれ角ζ’を出力する。
加算器８Ｂは、交番電圧印加方向発生手段を構成しており、ずれ角ζ’と回転子磁極位置θとを加算して、交番電圧印加方向θ’Ｂを求め、これを基準方向として座標変換器２Ｂに入力する。
ここで、電動機５が２重突極電動機（図６参照）の場合、前述（図１、図２参照）のように、電動機５に対して回転子磁極位置θと一致した方向に交番電圧を印加すると、回転子磁極位置θ（回転子逆突極方向）とインダクタンス最小方向θ’との間に、電気角に対応した周期的なずれ角ζが発生し、回転子磁極位置θに対応して一意的に決定するずれ角ζが発生するので、ずれ角ζだけシフトした方向に交番電流が発生する。
このとき、電動機５に印加する交番電圧の方向を、ずれ角ζによるシフト方向とは逆方向に適当にずらせば、交番電流の方向と回転子磁極方向θとを一致させることが可能なことは自明である。したがって、前述の２重突極電動機における回転子磁極方向（回転子磁極位置θ）とインダクタンス最小方向θ’との関係から、交番電流の方向と回転子磁極方向（回転子磁極位置θ）とが一致するような交番電圧印加方向のずれ角ζ’は、回転子磁極位置θにより一意的に決まる。
そこで、電圧ずれテーブル７Ｂは、回転子磁極位置θと交番電圧印加方向のずれ角ζ’との関係を記憶し、加算器８Ｂは、ずれ角ζ’と推定回転子磁極位置θとを加算して交番電圧印加方向θ’Ｂを求め、座標変換器２Ｂは、交番電圧印加方向θ’Ｂにしたがい、発振器１Ｂが発生する交番電圧の座標変換を行う。
電流センサ４により検出された電動機電流は、座標変換器６Ｂにおいて、推定回転子磁極位置θに基づき、３相固定座標（ＵＶＷ）から２相回転座標（ｄｑ軸）に変換される。
乗算器１２Ｂは、信号発生器９からの出力信号と、座標変換器６Ｂから出力される電動機電流のｑ軸成分ｉｑとを乗算することにより、交番電圧により発生した電動機電流のうちの、回転子磁極方向θと直交する成分を求め、これを制御器１１に入力する。
このとき、推定された回転子磁極位置θが実際の回転子磁極位置と一致していれば、発生する交番電流と回転子磁極方向（回転子磁極位置θ）とが一致するので、乗算器１２Ｂの出力値は「０」になる。
一方、推定された回転子磁極位置θと実際の回転子磁極位置との間に誤差が存在すると、乗算器１２Ｂの出力値は、誤差に応じた値を有することになる。
したがって、乗算器１２Ｂからの誤差信号を制御器１１に入力し、適切な制御を行うことにより、前述の実施の形態１、２と同様に、回転子磁極位置θを実際の回転子磁極位置と一致させて、高精度に回転子磁極位置θを推定演算することができる。
また、図３の場合、推定された回転子磁極位置θと実際の回転子磁極位置とが一致していれば、回転子磁極方向（回転子磁極位置θ）に対して直交する交番電流が発生しないので、電動機５の磁極検出時の交番電流に起因した電動機５のトルク脈動の発生を回避することができる。

発明の効果

以上述べた通り、この発明の交流同期電動機の磁極位置推定装置によれば、電動機５に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、電動機電流を検出する電流検出手段と、電動機の回転子磁極位置から現在状態での基準方向（インダクタンス最小方向）を出力する基準方向発生手段と、検出した電動機電流を基準方向に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、電動機電流の平行成分および直交成分のうち少なくとも一方に基づいて電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段とを設けたので、電動機の２重突極性に起因して生じる影響（すなわち、回転子磁極位置θによる交番電流の軸ずれが磁極位置推定に与える影響）を除去することができ、２重突極電動機の磁極を高精度に推定することができる。

産業上の利用の可能性

この発明は、永久磁石モータや同期リラクタンスモータなどの、交流同期電動機の回転子および固定子が電気的突極性を有する２重突極電動機の回転子磁極位置を推定するための、同期電動機の磁極位置推定装置として利用される。

Claims (5)

1. 電動機に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、
   前記交番電圧に応答して前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の回転子磁極位置に応じた所定のずれ量を前記回転子磁極位置に加算して基準方向を出力する基準方向発生手段と、
   前記電流検出手段により検出された電動機電流を、前記基準方向に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、
   前記電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方の成分に基づいて前記電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段と
   を備えた同期電動機の磁極位置推定装置。
2. 前記電動機に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、
   前記交番電圧に応答して前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電動機の回転子磁極位置および固定子電流に応じた所定のずれ量を前記回転子磁極位置に加算して基準方向を出力する基準方向発生手段と、
   前記電流検出手段により検出された電動機電流を、前記基準方向に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、
   前記電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方の成分に基づいて前記電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段と
   を備えた同期電動機の磁極位置推定装置。
3. 前記所定のずれ量を前記回転子磁極位置に加算した基準方向は、前記電動機の現在状態でのインダクタンス最小方向に対応することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。
4. 電動機の回転子磁極位置に応じた所定のずれ量を前記回転子磁極位置に加算して、交番電圧印加方向に対応した基準方向を出力する交番電圧印加方向発生手段と、
   前記電動機の前記交番電圧印加方向に交番電圧を印加する交番電圧印加手段と、
   前記交番電圧に応答して前記電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電動機電流を、前記回転子磁極位置に対する平行成分および直交成分に分離するベクトル変換手段と、
   前記電動機電流の平行成分および直交成分の少なくとも一方の成分に基づいて前記電動機の実際の回転子磁極位置を推定する磁極位置推定手段と
   を備えた同期電動機の磁極位置推定装置。
5. 前記所定のずれ量を回転子磁極位置に加算した基準方向は、前記電動機の現在状態で発生する交番電流が回転子磁極位置と一致するような、前記交番電圧の印加方向に対応することを特徴とする請求項４に記載の同期電動機の磁極位置推定装置。

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