(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、
上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、
上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、
上記異常検出手段は、電圧指令ベクトルと、制御装置が認識する回転座標ｄ軸との位相差によって推定磁極位置の反転を検出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項２】
ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、
上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、
上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、
上記異常検出手段は、回転座標ｑ軸の電圧指令ベクトルと該交流モータの回転方向を比較することにより推定磁極位置の反転を検出することを特徴としたモータ制御装置。
【請求項３】
ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、
上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、
上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、
上記異常検出手段は、回転座標ｄ軸の電流差分値を監視することにより推定磁極位置の反転，脱調を検出することを特徴とするモータ制御装置。
【請求項４】
ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、
上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、
上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、
上記異常検出手段は、回転座標ｄ軸の電流差分の差分値（電流差分差）を監視することにより推定磁極位置の反転，脱調を検出することを特徴とするモータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ制御装置及びそれを用いた電動車両に係り、特に、交流同期モータの磁極位置を推定する磁極位置推定方式に用いるに好適なモータ制御装置及びそれを用いた電動車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、同期モータの制御では、同期モータに印加する交流電圧の位相が現在の回転子の磁極位置により決定されるので、回転子の正確な磁極位置が必要となる。その検出した磁極位置に基づいて電流制御あるいは電圧制御を行なうことで、同期モータのトルクや速度を制御できる。近年、この磁極位置を位置検出器で検出することなく、同期モータを制御する磁極位置センサレス制御方式が提案されている。磁極位置センサレス制御方式の同期モータ制御装置においては、位置検出器を用いていないため、磁極位置の誤検出による脱調が問題となる。
【０００３】
そこで、従来の同期モータ制御装置においては、例えば、特開平９―２９４３９０号公報に記載されているように、固定子巻線の電流実効値について判別レベルを設定し、上記固定子巻線の電流実効値が上記判定レベルを超え、かつ上記固定子巻線に印加されている電圧と固定子巻線電流との間の力率角が９０°に近い値となった場合に脱調を検出するものが知られている。
【０００４】
また、特開平１１―５５９９４号公報に掲載されているように、同期モータの出力電圧と誘起電圧との位相差を検出し、上記位相差検出値の変化率から同期モータへの出力電圧周波数と同期モータ回転速度との差を算出し、同期モータへの出力電圧周波数をこの算出した差分に比例した周波数分だけ制御変更することにより脱調を防止するものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９―２９４３９０号公報に記載されている方式では、モータの固定子巻線電流実行値を求めるのに平方根の演算や、力率角を求めるのに演算が複雑になるという問題があった。
【０００６】
また、特開平１１―５５９９４号公報に掲載されている方式では、モータの発生する誘起電圧を用いて磁極位置を推定する方式に適用されるため、ＰＷＭ信号の搬送波に同期して検出されるモータの電流検出値に基づいて回転子の磁極位置を推定する搬送波同期型位置推定方法には用いられないという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を持つ同期モータ制御装置及びそれを用いた電動車両を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、上記異常検出手段は、電圧指令ベクトルと、制御装置が認識する回転座標ｄ軸との位相差によって推定磁極位置の反転を検出するようにしたものである。
かかる構成により、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有するものとなる。
【００１３】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、上記異常検出手段は、回転座標ｑ軸の電圧指令ベクトルと該交流モータの回転方向を比較することにより推定磁極位置の反転を検出するようにしたものである。
かかる構成により、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有するものとなる。
【００１４】
（３）また、上記目的を達成するために、本発明は、ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、上記異常検出手段は、回転座標ｄ軸の電流差分値を監視することにより推定磁極位置の反転，脱調を検出するようにしたものである。
かかる構成により、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有するものとなる。
【００１５】
（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置において、上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備え、上記磁極位置推定手段は、交流パルス電圧信号を交流モータの回転座標ｄ軸方向に印加し、この印加によって発生する正方向に印加した場合の電流と負方向に印加した場合の電流差分値によって、交流モータの磁極位置を推定するとともに、上記異常検出手段は、回転座標ｄ軸の電流差分の差分値（電流差分差）を監視することにより推定磁極位置の反転，脱調を検出するようにしたものである。
かかる構成により、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有するものとなる。
【００１６】
（９）上記（１）において、好ましくは、上記異常検出手段は、推定磁極位置の変化率がある設定値を越えることにより推定磁極位置の発振，反転等を検出するようにしたものである。
【００１７】
（１０）上記（１）において、好ましくは、上記異常検出手段は、交流モータの回転速度を演算する回転速度演算装置を備え、その演算結果がある設定値を越えることにより推定磁極位置の発振，反転等を検出するようにしたものである。
【００１８】
（１１）上記（１）において、好ましくは、上記異常検出手段は、交流モータの回転速度を演算する回転速度演算装置を備え、その演算結果の変化率がある設定値を越えることにより推定磁極位置の発振，反転等を検出するようにしたものである。
【００１９】
（１２）上記（１）において、好ましくは、上記磁極位置推定手段は、ＰＷＭの搬送波に同期して検出される上記交流モータの電流検出値に基づいて上記交流モータの回転子磁極位置を推定するとともに、上記交流モータの回転子の磁極位置方向を推定する位置演算手段と、この位置演算手段により得られた上記磁極位置方向がＮ極方向か、もしくはＳ極方向かを判別する極性判別手段を備え、上記異常検出手段は、上記極性判別手段が、ある設定時間内に判別が終了しない場合に異常と判定するようにしたものである。
【００２０】
（１３）上記（１）において、好ましくは、上記異常検出手段は、推定磁極位置の発振，反転等の異常を検出した場合、システムを停止するようにしたものである。
【００２１】
（１４）上記（１）において、好ましくは、上記異常検出手段は、推定磁極位置の発振，反転等の異常を検出した場合、再度極性判別手段により極性を訂正して制御を続けるようにしたものである。
【００２２】
（１５）また、上記目的を達成するために、本発明は、ＰＷＭ信号により交流モータに印加する電圧を制御するとともに、上記交流モータの電流を検出することにより、上記交流モータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有するモータ制御装置を備える電動車両において、上記モータ制御手段は、上記交流モータの磁極位置を推定する上記磁極位置推定手段の推定異常を検出する異常検出手段を備えるようにしたものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
最初に、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図であり、図２は、本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置において用いる回転座標系の説明図である。
【００２４】
バッテリー２の直流電圧は、インバータ３により３相交流電圧に変換され、交流同期モータ１に印加される。この印加電圧は、コントローラ４において、演算され、決定される。
【００２５】
コントローラ４は、電流指令発生部６と、電流制御部７と、ｄ−ｑ変換部８と、電流検出部９と、３相変換部１０と、ＰＷＭ信号発生部１１と、回転速度演算部２０と、搬送波型磁極位置推定手段３０と、異常検出手段４０とを備えている。
【００２６】
コントローラ４の電流指令発生部６は、モータが発生すべきトルク指令値τｒに対して、ｄ軸電流指令値ｉｄｒ及び、ｑ軸電流指令値ｉｑｒを決定する。ここで、ｄ軸は磁極位置（磁束）の方向、ｑ軸は電気的にｄ軸に直交する方向を示しており、回転座標系（ｄ−ｑ軸）を構成している。回転座標系（ｄ−ｑ軸）と静止座標系（α−β軸）との関係は、図２に示すようになっている。
【００２７】
本実施形態のコントローラ４では、ｄ−ｑ軸上での電流制御系を構成しているので、電流制御部７にフィードバックする値は、電流センサ５ｕ，５ｖを用いて、電流検出部９によってそれぞれ検出されたｕ相電流ｉｕ及びｖ相電流ｉｖを、ｄ−ｑ変換部８において座標変換し求められたｄ軸電流検出値ｉｄ＾とｑ軸電流検出値ｉｑ＾である。電流制御部７は、電流指令値ｉｄｒ，ｉｑｒに、フィードバック値であるｄ軸電流検出値ｉｄ＾とｑ軸電流検出値ｉｑ＾がそれぞれ一致するように、制御電圧Ｖｄｒ，Ｖｑｒを制御する。３相変換部１０は、制御電圧Ｖｄｒ，Ｖｑｒを、搬送波型位置推定手段３０が推定した磁極位置に基づいて、３相制御電圧Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒに変換する。ＰＷＭ信号発生部１１は、３相変換部１０が出力する３相制御電圧Ｖｕｒ，Ｖｖｒ，Ｖｗｒに基づいて、ＰＷＭ信号Ｐｕ，Ｐｖ，Ｐｗをインバータ３に出力する。
【００２８】
このとき、モータ１の永久磁石を有する回転子が角速度ωで回転すると、ｄ−ｑ軸も角速度ωで回転するので、ｄ−ｑ軸上での電流制御を行うためには、静止座標系（α−β軸）から回転座標系（ｄ−ｑ軸）までの位相、すなわち回転子の磁極位置θを検出する必要がある。本実施形態では、磁極位置θを位置センサを用いること無く、搬送波同期型磁極位置推定手段９は、モータ電流である電流検出部９によって検出されたｕ相電流ｉｕ及びｖ相電流ｉｖを用いて、磁極位置を推定する。推定された磁極位置の信号は、ｄ−ｑ変換部８，回転速度演算部２０，３相変換部１０にそれぞれ供給される。
【００２９】
異常検出手段４０は、何からの原因で、磁極位置推定手段３０が、反転，脱調，発振等の異常を起こしたことを検出する。また、異常検出手段４０は、異常時には、ＰＷＭ信号発生部１１に異常信号を送り、ＰＷＭ信号を停止することで、システムを停止させる。また、停止しなくても良い場合には、モータ１を再起動して、正常な状態に戻して、制御を継続することもできる。
【００３０】
ここで、図３及び図４を用いて、本実施形態に用いる搬送波同期型位置推定手段９の構成及び動作について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置のに用いる搬送波同期型位置推定手段９の構成を示すブロック図であり、図４は、本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置に用いる位置推定手段における電流差分差ベクトルの位相θｄと制御系ｄ軸の位相θｃの関係の説明図である。
【００３１】
図３に示すように、搬送波同期型磁極位置推定手段３０は、位置演算手段３２と、極性判別手段３４とを備えている。位置演算手段３２は、電圧印加手段３２Ａと、電流変化量検出手段３２Ｂと、位相検出手段３２Ｃとを備えている。
【００３２】
磁極位置推定手段３０の位置演算手段３２は、原理的には同期モータの突極性（Ｌｄ≠Ｌｑ）に基づくものであり、制御系ｄ軸（θｃ）方向（推定磁極位置θ＾方向）に位置推定用の電圧パルスｖｄｈを印加する。この電圧パルスを印加することによって発生するパルスの＋電位区間の電流差分値と、−電位区間の電流差分値の差（以下、＋電位区間と−電位区間の電流差分値の差を「電流差分差」と称する）をベクトルとして表すと、その電流差分差ベクトルの位相θｄと制御系ｄ軸の位相θｃの関係は図４のようになる。図４に示すように、電圧パルスを印加することによって発生する電流差分差ベクトルの位相θｄと制御系ｄ軸の位相θｃを一致させると、モータの磁極位置θと制御系ｄ軸の位相θｃの差、すなわち位置誤差Δθは０となる。すなわち、磁極位置の推定が可能となる。
【００３３】
位置演算手段３２は、上述の原理を用いて磁極位置を推定する。電圧印加手段３２Ａは、制御系ｄ軸θｃ方向に位置推定用の電圧パルスｖｄｈを印加し、電流変化量検出手段３２Ｂにおいて、電圧パルスｖｄｈによって発生する＋電位区間と−電位区間のそれぞれのモータ電流差分ベクトルＰｉ１，Ｐｉ２を検出する。そして、位相検出手段３２Ｃは、モータ電流差分ベクトルＰｉ１，Ｐｉ２の差のベクトル位相θｄを演算し、制御系ｄ軸の位相θｃと一致させる。以上のようにして磁極位置を推定する。
【００３４】
ここで、搬送波同期型位置推定手段３０において印加する位置推定用電圧パルスｖｄｈは、振動や騒音の面からできるだけ高い周波数とする。本実施形態では、印加する位置推定用電圧パルスｖｄｈの周波数は、インバータのＰＷＭ搬送波と同一の周波数とする。よって、コントローラ４では、ＰＷＭ搬送波に同期してモータ電流を取り込み、電圧パルスの＋電位区間の電流差分値と−電位区間の電流差分値を演算する。
【００３５】
以上のように、搬送波同期型位置推定手段３０は、ＰＷＭ搬送波と同一周波数の電圧パルスｖｄｈを印加し、ＰＷＭ搬送波に同期してモータ電流を取り込み、電圧パルスを印加したことによって発生する電流差分値を求めることで、高応答で低騒音、低トルク脈動な磁極位置推定が可能となる。さらに、搬送波同期型位置推定手段３０は、モータのインダクタンス特性に基づくため、中高速時のみならず、誘起電圧の検出が困難なモータの停止時、および低速時においても高精度に磁極位置の推定を行うことができる。
【００３６】
ただし、突極性を有する同期モータのインダクタンスは、磁極位置１８０°周期で変化するため、インダクタンスに基づく磁極位置推定方法の推定可能範囲は１８０°に限定される。したがって、搬送波同期型位置推定手段３０は、モータの起動時において、得られた推定磁極位置方向がＮ極方向（θ）であるか、もしくはＳ極方向（θ＋π）であるかを判断できない。そこで、搬送波同期型位置推定手段３０は、推定磁極位置の極性を判別する極性判別手段３４を備えている。
【００３７】
極性判別手段３４は、起動時の位置の極性を判断する。極性判別手段３４の一例としては、モータの磁気飽和特性を用いる方式がある。本実施形態による極性判別手段３４は、同期モータのｄ軸方向に正の電流を流した場合に発生するインダクタンスの値と、負の電流を流した場合に発生するインダクタンスの値との差に基づいて極性を判別する。つまり、永久磁石同期モータでは、回転子に埋め込まれた永久磁石により磁束が確立しているため、ｄ軸方向の正と負に同じ大きさの電流を流した場合でも、正側は磁気飽和によりインダクタンスの値が小さくなる。この特性を利用する。搬送波同期型磁極位置推定手段３０は、推定磁極位置方向に位置推定用電圧パルスｖｄｈを印加するため、極性判別手段３４は、制御座標ｄ軸方向に極性判定用の電流を流した上で、電圧パルスｖｄｈによって発生するｄ軸電流差分値を演算することによりｄ軸インダクタンスを求める。
【００３８】
次に、図５を用いて、本実施形態によるモータ制御装置の起動方法について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置の起動方法を示すフローチャートである。
【００３９】
本方式の搬送波同期型磁極位置推定手段３０は、停止時から高速域まで広範囲にわたり磁極位置の推定が可能となる方式ではあるが、原理的にはモータのインダクタンス特性に基づいているために、装置の起動時に推定した位置がＮ極方向（θ方向）に相当するものか、もしくはＳ極方向（θ＋π方向）に相当するのかが判別不可能である。
【００４０】
図５のステップＳ１において、搬送波同期型磁極位置推定手段３０は、モータの起動時において、ＰＷＭ搬送波に同期した位置推定用電圧パルスｖｄｈを制御系ｄ軸方向に印加する。
【００４１】
次に、ステップＳ２において、ｖｄｈの＋電位側と−電位側の電流差分差のベクトル位相θｄを求める。
【００４２】
そして、ステップＳ３において、電流差分差のベクトル位相θｄと制御系ｄ軸位相θｃを一致させることにより、推定磁極位置を演算する。
【００４３】
この時点では未だ極性は不明であるため、さらにステップＳ４において、先で求められた推定磁極位置方向に所定の正の電流を流し、電圧パルスｖｄｈによって発生する制御系ｄ軸方向の電流差分値を演算する。
【００４４】
続いて、ステップＳ５において、予め設定しておいた閾値とステップＳ４で求められた電流差分値とを比較する。
【００４５】
ステップＳ６，Ｓ７では、ステップＳ５の比較結果に基づいて、推定磁極位置方向の極性を判別する。具体的にはステップＳ６において、制御系ｄ軸方向の電流差分値が閾値よりも大きかった場合はＬｄが小さくなっているためＮ極であると判断し、制御系ｄ軸方向を推定磁極位置θ＾とする。それに対してステップＳ７において制御系ｄ軸方向の電流差分値が閾値よりも小さかった場合はＬｄが大きくなっているためＳ極であると判断し、制御系ｄ軸方向を１８０°補正して推定磁極位置θ＾とする。
【００４６】
以上が、モータの起動時における搬送波同期型磁極位置推定手段３０の動作である。この極性判別手段において、ステップＳ５の閾値にヒステリシスを持たせ、ある設定時間の間、Ｎ極でもなく、Ｓ極でもない電流差分値が続くと異常とみなすことで、起動時の段階でシステムの異常を見つけることも可能である。
【００４７】
なお、極性判別手段３４は、上記の方式に限定されるものではない。例えば、制御系ｄ軸方向の正方向と負方向に電流を流し、正方向に電流を流したときの電圧パルスによる電流差分値と上記負方向に電流を流したときの電圧パルスによる電流差分値を比較し、該比較結果に基づいて極性を判別してもよい。さらに、ここでは推定磁極位置方向に流す電流の大きさは磁気飽和が生じるくらいの大きさとしたが、それより小さな電流でも正方向に流した場合と負方向に流した場合とで電圧パルスによって検出されるＬｄに差が生じるようであれば、その程度の大きさの電流を流してもよい。また、起動時にモータが回転しているときには誘起電圧が発生しているため、モータが同電位状態、すなわち短絡状態のときの電流変化により極性判別が可能である。先にも述べたように、モータの同電位状態は通常のＰＷＭ制御中に存在するため、改めて同電位状態を発生させる必要はない。このとき、同電位状態での電流変化が所定値よりも小さかった場合には低速範囲であるとして、磁気飽和特性を利用した極性判別を行う。
【００４８】
また、起動時に搬送波同期型磁極位置推定手段３０により推定磁極位置θ＾を決定した後は、原則的には極性判別を行う必要はない。モータの起動後は極性判別手段３４を除く位置演算手段３２のみで位置推定を継続できる。ただし、モータの停止時において、ある所定時間間隔で極性判別手段３４を実行し、現在の推定磁極位置θ＾の極性をチェックすることは極性反転防止の面で有効である。もし、このチェックにおいて極性判別手段３４で得られた極性と現在の推定磁極位置θ＾の極性に相違が生じていたならば、極性の補正を行う。このようにすることにより、何らかの原因でモータの停止時に推定磁極位置θ＾の極性が反転した場合においても、速やかな補正が可能である。
【００４９】
本実施形態において、推定磁極位置の反転、脱調、発振などを検出した場合、異常とみなしてシステムを停止させることも可能である。また、推定磁極位置が反転した場合には、極性判別手段３４を用い、再度極性判別をして、正常な磁極位置に戻してから制御を続けることも可能である。
【００５０】
なお、本実施形態においては、モータ電流はＵ相とＶ相の２相を用いているが、Ｗ相電流も含めたいずれの２相に組合わせでも、また３相すべてを検出し、３相の電流を用いても差し支えないものである。
【００５１】
また、本実施形態では、コントローラにトルク指令が入力されるトルク制御系を示しているが、トルク制御系の上位に速度制御系や位置制御系を構成しても全く差し支えない。速度制御系を構成した場合の速度フィードバック値には回転速度演算部２０において推定磁極位置の時間変化量から求められるモータ速度推定値ωｍ＾を用いることができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有することができる。
【００５３】
次に、図６及び図７を用いて、本発明の第２の実施形態による同期モータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５４】
異常検出手段４０は、瞬時電力演算部４１と、動作モード演算部４２と、位相反転判定部４３とから構成されている。磁極位置推定手段３０による、磁極位置の推定可能範囲は１８０°に限定されるため、何らかの原因により推定磁極位置が１８０°反転した場合には、異常検出手段４０によって、位置反転を検出する。
【００５５】
瞬時電力演算部２１は、以下の（数１）により、モータの出力瞬時電力を演算する。
Ｐ＝ｖｕ＊×ｉｕ＾＋ｖｖ＊×ｉｖ＾＋  ｖｗ＊×ｉｗ＾  …（１）
ここで、ｖｕ＊はｕ相の電圧指令値、ｉｕ＾はｕ相検出電流値である。なお、ｖ相，ｗ相に付いても同様である。（数１）により、現在の瞬時電力が把握できる。また、ｕ，ｖ，ｗの実電圧が測定できるなら、電圧指令でなく実電圧でも差し支えないものである。この瞬時電力によって、実際の入出力関係がわかる。
【００５６】
一方、現在動作させようとしている動作モードは、トルク指令τｒと、回転速度演算部２０が出力するモータ推定速度ωｍとより、動作モード演算部４２において、求めることができる。
【００５７】
ここで、図７を用いて、動作モードと電力の関係について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態による同期モータ制御装置における動作モードと電力の関係の説明図である。
【００５８】
図７に示すように、推定磁極位置が反転しているとすると、現在動作させようとしている動作モードと、瞬時電力の入出力関係が不一致となる。そこで、位相反転判定部４３は、動作モード演算部４２によって求められた動作モードと、瞬時電力演算部４１によって求められた瞬時電力の入出力関係によって、推定磁極位置が反転していると判定する。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有することができる。
【００６０】
次に、図８を用いて、本発明の第３の実施形態による同期モータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図６と同一符号は、同一部分を示している。
【００６１】
本実施形態では、異常検出部４０Ａは、図６に示した瞬時電力演算部４１に代えて、入力電力演算部４４を備えている。入力電力演算部１４は、抵抗２５によって検出されたバッテリ２の直流電圧ＶＢと、電流センサ２６によって検出された直流電流ＩＢに基づいて、直流電圧ＶＢと直流電流ＩＢの積から入力電力を求める。位相反転判定部４３は、動作モード演算部４２によって求められた動作モードと、入力電力演算部４４によって求められた入力電力の入出力関係によって、推定磁極位置が反転していると判定する。
【００６２】
なお、直流電圧が正電圧一定の場合には、直流電流の符号だけで実際の入出力関係を把握することも可能である。
【００６３】
以上説明したように、本実施形態によれば、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有することができる。
【００６４】
次に、図９〜図１３を用いて、本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図６，図８と同一符号は、同一部分を示している。
【００６５】
異常検出部４０Ｂは、動作モード演算部４２と、位相反転判定部４３Ｂとを備えている。位相反転判定部４３は、動作モード演算部４２によって求められた動作モードと、電流制御部７が出力する電圧の関係によって、推定磁極位置が反転していると判定する。
【００６６】
図１０（Ａ）は、正転力行時の正常なベクトル図を示し、図１０（Ｂ）は、推定磁極位置が反転した場合のベクトル図を示している。
【００６７】
図１０は、本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する正転力行時のベクトル図である。
【００６８】
通常動作の正転力行時では、図１０（Ａ）に示すように、モータの誘起電圧と弱め界時制御によって電圧ベクトルは第４象現に表される。また、コントローラ４が認識しているｄ軸は実際のｄ軸と一致しており、ｄ軸と電圧ベクトルの位相δは９０°から１８０°の範囲となる。ここで、何らかの原因で推定磁極位置が反転したとすると、コントローラ４が認識するｄ軸は実際のｄ軸と１８０°反転した方向になる。また、ｄ、ｑ軸の電流指令も実際の軸とは逆になりる。したがって、図１０（Ｂ）に示すように、電流ベクトルは第２象現に表される。電圧ベクトルはｑ軸電流指令の方向が逆になることより第１象現に表される。
【００６９】
ここで、コントローラ４の認識しているｄ軸と実際の電圧ベクトルの位相δは図１０（Ａ）に示すように、１８０°から２７０°の範囲となる。したがって、位相反転検出部４３Ｂは、コントローラ４が認識するｄ軸と実際の電圧ベクトルの位相δの関係を監視することにより推定磁極位置が反転したかどうかが判定できる。
【００７０】
図１１（Ａ）は、正転回生時の正常なベクトル図を示し、図１１（Ｂ）は、推定磁極位置が反転した場合のベクトル図を示している。
【００７１】
図１１は、本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する正転回生時のベクトル図である。
【００７２】
図１０の場合と同様にして、正転回生時も通常はδが０°から９０°の範囲に対し、反転時には２７０°から３６０°となる。逆転時にも同様に、通常時と反転時のδが異なるため、推定磁極位置の反転が判定できる。
【００７３】
図１２（Ａ）は、逆転回生時の正常なベクトル図を示し、図１２（Ｂ）は、推定磁極位置が反転した場合のベクトル図を示している。
【００７４】
図１２は、本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する逆転回生時のベクトル図である。
【００７５】
図１０の場合と同様にして、逆転回生時も、通常時と反転時のδが異なるため、推定磁極位置の反転が判定できる。
【００７６】
図１３（Ａ）は、逆転力生時の正常なベクトル図を示し、図１３（Ｂ）は、推定磁極位置が反転した場合のベクトル図を示している。
【００７７】
図１３は、本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する逆転力生時のベクトル図である。
【００７８】
図１０の場合と同様にして、逆転力生時も、通常時と反転時のδが異なるため、推定磁極位置の反転が判定できる。
【００７９】
また、電圧指令ベクトルのｑ軸成分であるｑ軸電圧指令に着目すると、通常時は誘起電圧の影響が大きいため、正転時で正方向、逆転時には負方向になる。しかし、何らかの原因で推定磁極位置が反転したとすると、モータの回転方向は変らないためｑ軸電圧も同じ方向に表されるが、コントローラ４が認識している位相は反転しているため、ｑ軸電圧指令は逆方向と認識する。この関係を利用して、モータの回転方向とｑ軸電圧指令の符号を監視することにより、推定磁極位置の反転が判定できる。
【００８０】
以上説明したように、本実施形態によれば、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有することができる。
【００８１】
次に、図１４及び図１５を用いて、本発明の第５の実施形態による同期モータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図１４は、本発明の第５の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図６，図８，図９と同一符号は、同一部分を示している。
【００８２】
異常検出部４０Ｃは、動作モード演算部４２と、位相反転判定部４３Ｃとを備えている。位相反転判定部４３Ｃは、動作モード演算部４２によって求められた動作モードと、磁極位置推定手段３０が出力する電流差分値Ｐｉ１，Ｐｉ２の関係によって、推定磁極位置が反転していると判定する。
【００８３】
位相反転判定部４３Ｃは、磁極位置推定用の電圧パルスを印加することにより発生すた電流差分値によって磁極位置を推定している。電流差分値は、モータのインダクタンスによって生じるため、ｄ軸のインダクタンスＬｄとｑ軸のインダクタンスＬｑに違いがある、突極性のある同期モータの場合、ｄ軸方向に電圧パルスを印加した場合と、ｑ軸方向に印加した場合とでは、電流差分値に違いが生じる。突極比のある同期モータの場合、Ｌｄ＜Ｌｑの関係になるため、ｄ軸に電圧パルスを印加した場合の方がｑ軸に印加するより電流差分値は大きくなる。
【００８４】
ここで、図１５は、ｄｑ軸上における電流差分値のベクトル軌跡を示している。
【００８５】
図１５は、本発明の第５の実施形態による同期モータ制御装置における電流差分値のベクトル軌跡の説明図である。
【００８６】
推定磁極位置が正しい場合、ｄ軸方向に電圧パルスを印加するため、電流差分値は大きな値となっている。しかし、何らかの原因で推定磁極位置がずれた場合には、ｄ軸方向に印加しようとした電圧パルスは、ｑ軸方向にも印加され、さらに推定磁極位置が９０°ずれた場合にはすべてｑ軸方向に印加される。ｑ軸方向に電圧パルスが印加された場合、電流差分値は小さくなるため、この電流差分値を監視することにより推定磁極位置のずれを検出することができる。また、推定磁極位置が反転する場合も電圧パルスの印加方向は、９０°ずれのｑ軸方向を通過するため、反転に至る途中で検知可能となる。そのため、より早いタイミングで反転を防止することができる。
【００８７】
なお、電流差分値に代えて、電流差分差を用いても、推定磁極位置の反転や脱調、ずれ等が同様に検出できる。
【００８８】
以上説明したように、本実施形態によれば、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有することができる。
【００８９】
次に、図１６を用いて、本発明の第６の実施形態による同期モータ制御装置の構成及び動作について説明する。
図１６は、本発明の第６の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。なお、図１，図６，図８，図９と同一符号は、同一部分を示している。
【００９０】
異常検出部４０Ｄは、位相反転判定部４３Ｄとを備えている。位相反転判定部４３Ｄは、磁極位置推定手段３０が出力する推定磁極位置の変化率Δθの関係によって、推定磁極位置が反転していると判定する。
【００９１】
搬送波同期型位置推定手段３０は、何らかの原因で推定磁極位置が反転、脱調する可能性がある。また、推定磁極位置が発振する可能性もある。この発振を検出するために、位相反転判定部４３Ｄは、推定磁極位置の変化率Δθを監視する。推定磁極位置は、最大運転周波数の範囲内で変化することから、発振等が起きた場合には、推定磁極位置の変化率が極めて大きくなる。この変化率が最大運転周波数から決まる、ある設定値を超えた場合に発振したと検出することができる。
【００９２】
また、推定磁極位置の変化率が大きくなると、推定回転速度も大きくなることから、最大運転周波数を超える推定回転速度になった場合も推定磁極位置が発振していることが分かる。さらに、推定回転速度の変化率を監視することも、推定磁極位置の発振を検知する有効な手段となる。
【００９３】
推定磁極位置の発振はどんな磁極位置推定方法でも起こりうる現象であるため、この推定磁極位置の発振検出方法はあらゆる手法の磁極位置推定方法でも有効である。
【００９４】
次に、図１７を用いて、上述した各本実施形態による電動機の制御装置を用いた電気自動車について説明する。
図１７は、本発明の各実施形態による電動機の制御装置を搭載した電気自動車のブロック構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
電気自動車の車体１００は、４つの車輪１１０，１１２，１１４，１１６によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、モータ１が直結して取り付けられている。モータ１は、コントローラ４によって駆動トルクが制御される。コントローラ４の動力源としては、バッテリ２が備えられ、このバッテリ２から電力がコントローラ４を介して、モータ１に供給され、モータ１が駆動されて、車輪１１０，１１４が回転する。ハンドル１５０の回転は、ステアリングギア１５２及びタイロッド，ナックルアーム等からなる伝達機構を介して、２つの車輪１１０，１１４に伝達され、車輪の角度が変えられる。
【００９５】
上述した各実施形態の制御装置は、永久磁石同期モータを対象としたモータ制御装置であれば、アプリケーションを問わず適用可能である。そのなかでも、本発明は電気自動車やハイブリッド車等の電動車両には好適である。なぜならば、位置センサレスシステムは低コスト化に有効であるほか、センサの取り付け調整およびメンテナンスを不要とすることができるため、複雑な構造を有する装置には特に有効であるからである。本実施形態を電気自動車やハイブリッド車に適用した場合には、モータの停止時や低速時には比較的騒音を発生する磁極位置推定手段を用い、中高速時には騒音を発生しない磁極位置推定手段を用いることも可能である。このようにすることにより、停止時や低速時に発生する音がほとんどない電気自動車やハイブリッド車においても歩行者に自車の存在を知らせることができ、安全性を確保することができる。
【００９６】
【発明の効果】
本発明によれば、搬送波同期型位置推定方法にも適用でき、かつ簡易な方法でモータの磁極位置反転の検出等の保護機能を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置において用いる回転座標系の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置のに用いる搬送波同期型位置推定手段９の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置に用いる位置推定手段における電流差分差ベクトルの位相θｄと制御系ｄ軸の位相θｃの関係の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による同期モータ制御装置の起動方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による同期モータ制御装置における動作モードと電力の関係の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する正転力行時のベクトル図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する正転回生時のベクトル図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する逆転回生時のベクトル図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態による同期モータ制御装置の動作を説明する逆転力行時のベクトル図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の第５の実施形態による同期モータ制御装置における電流差分値のベクトル軌跡の説明図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態による同期モータ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の各実施形態による電動機の制御装置を搭載した電気自動車のブロック構成図である。
【符号の説明】
１…同期モータ
２…バッテリ
３…インバータ
４…コントローラ
５ｕ，５ｖ…電流センサ
６…電流指令値発生部
７…電流制御部
８…ｄ−ｑ変換部
９…搬送波同期型磁極位置推定手段
１０…電流検出部
１１…３相変換部
１２…ＰＷＭ信号発生部
２０…回転速度演算部
２５…直流電圧検出部
２６…直流電流検出部
３２…位置演算手段
３２Ａ…電圧印加手段
３２Ｂ…電流変化量検出手段
３２Ｃ…位相検出手段
３４…極性判別手段
４１…瞬時電力演算部
４２…動作モード演算部
４３…位相反転判定部
４４…入力電力演算部
【図１】
0003701207.tif 000002
【図２】
0003701207.tif 000003
【図３】
0003701207.tif 000004
【図４】
0003701207.tif 000005
【図５】
0003701207.tif 000006
【図６】
0003701207.tif 000007
【図７】
0003701207.tif 000008
【図８】
0003701207.tif 000009
【図９】
0003701207.tif 000010
【図１０】
0003701207.tif 000011
【図１１】
0003701207.tif 000012
【図１２】
0003701207.tif 000013
【図１３】
0003701207.tif 000014
【図１４】
0003701207.tif 000015
【図１５】
0003701207.tif 000016
【図１６】
0003701207.tif 000017
【図１７】
0003701207.tif 000018