(57)【要約】【課題】この発明は、回転子と固定子の両方に突極性を持つ交流回転機であっても高周波電圧による磁極位置推定の精度を高くできるとともに、高速回転領域における運転効率を高くすることができる交流回転機の制御装置を提供することである。【解決手段】交流回転機１の電流を電流ベクトル検出手段２で検出した電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと電圧ベクトル指令とから交流回転機１の推定速度を演算し、該推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、交流回転機１の回転子突極性における磁極位置補正値から交流回転機１の固定子突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段５とを備えたものである。【選択図】図７
2014204567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回転機を駆動する基本波電圧ベクトル指令と該基本波電圧ベクトル指令よりも高周波の交番電圧ベクトル指令とを加算した電圧ベクトル指令を出力する制御手段と、該制御手段から出力された電圧ベクトル指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、上記交流回転機の電流を検出して上記交流回転機の回転子に同期して回転する電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段と、該電流ベクトル検出手段で検出された電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと上記電圧ベクトル指令とから上記交流回転機の推定速度を演算する推定速度演算部と、該推定速度演算部で演算された推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、上記交流回転機の回転子突極性における磁極位置補正値から上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段とを備えたことを特徴とする交流回転機の制御装置。
【請求項２】
上記推定速度演算部は上記検出磁束ベクトルを上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値で補正したことを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
【請求項３】
上記推定速度演算部は上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値によって高周波電流振幅値を変更することを特徴とする請求項１に記載の交流回転機の制御装置。
【請求項４】
上記推定速度演算部で得られた推定速度が所定の回転数を超えた場合には上記交番電圧ベクトル指令の値を零とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の交流回転機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば永久磁石モータや同期リラクタンスモータなどの回転子および固定子に突極性を有する交流回転機の回転子位置を、位置センサを用いることなく得ることができる交流回転機の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、同期機や誘導機などの交流回転機の制御において、交流回転機を所望の出力や回転数で回転させるため、通常は速度センサや位置センサを用いて、回転速度や回転子磁極位置を検出して制御を行う。しかし、これらのセンサは耐故障性やメンテナンスの面で不利となるため、センサを用いることなく交流回転機の回転速度や回転子磁極位置を検出する方法が提案されている。例えば、特許文献１では高周波交番電圧を印加して、その直交方向にｓｉｎ２θに比例した振幅を有する電流が発生することを利用して、高周波電流の振幅が零となるように回転子磁極位置を推定するものが提案されている。また、特許文献２では高周波電圧を用いた磁極位置推定装置で、固定子に突極性を持つ交流回転機に対しても回転子磁極位置を良好に推定できるものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３１２４７２号公報
【特許文献２】特開２００２−２９１２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の交流回転機の制御装置においては、特許文献１の高周波交番電圧を印加する方向の直交成分の振幅が零となるように高周波交番電圧を印加する軸を調整する方法では、回転子と固定子の両方に突極性のある交流回転機については高周波電流を用いた推定磁極位置に回転子の位置に依存した誤差が生じ、制御性能を高くすることができないという課題があった。また、特許文献２の高周波電圧を印加する発振器を用いて磁極位置推定を行う方法では、高周波電圧を用いて磁極位置を検出する場合において、高速回転時には高周波の電圧や電流が発生する分、運転効率や電圧利用率および最大電流といった点で不利となるという課題があった。
【０００５】
この発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、回転子と固定子の両方に突極性を持つ交流回転機であっても高周波電圧による磁極位置推定の精度を高くできるとともに、高速回転領域における運転効率を高くすることができる交流回転機の制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る交流回転機の制御装置は、交流回転機を駆動する基本波電圧ベクトル指令と該基本波電圧ベクトル指令よりも高周波の交番電圧ベクトル指令とを加算した電圧ベクトル指令を出力する制御手段と、該制御手段から出力された電圧ベクトル指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、上記交流回転機の電流を検出して上記交流回転機の回転子に同期して回転する電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段と、該電流ベクトル検出手段で検出された電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと上記電圧ベクトル指令とから上記交流回転機の推定速度を演算する推定速度演算部と、該推定速度演算部で演算された推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、上記交流回転機の回転子突極性における磁極位置補正値から上記交流回転機の固定子
突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の交流回転機の制御装置によれば、交流回転機を駆動する基本波電圧ベクトル指令と該基本波電圧ベクトル指令よりも高周波の交番電圧ベクトル指令とを加算した電圧ベクトル指令を出力する制御手段と、該制御手段から出力された電圧ベクトル指令に基づいて上記交流回転機に電圧を印加する電圧印加手段と、上記交流回転機の電流を検出して上記交流回転機の回転子に同期して回転する電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段と、該電流ベクトル検出手段で検出された電流ベクトルと該電流ベクトルから求めた検出磁束ベクトルと上記電圧ベクトル指令とから上記交流回転機の推定速度を演算する推定速度演算部と、該推定速度演算部で演算された推定速度から磁極推定位置を演算するとともに、上記交流回転機の回転子突極性における磁極位置補正値から上記交流回転機の固定子突極性における磁極位置補正値を減算した位置補正値を演算し、該位置補正値により上記磁極推定位置を補正した磁極位置を出力する磁極位置演算手段とを備えているため、回転子と固定子の両方に突極性を持つ交流回転機であっても高周波電圧による磁極位置推定の精度を高くできる交流回転機の制御装置を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性を説明する説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１における交流回転機の固定子突極性を説明する説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１における交流回転機の固定子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合を説明する説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合のインダクタンスを説明する説明図である。
【図７】この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の概略全体構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の制御手段の詳細構成を示すブロック図である。
【図９】この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の推定速度演算部の詳細構成を示すブロック図である。
【図１１】この発明の実施の形態１における交流回転機の回転子磁束ベクトルを説明する説明図である。
【図１２】この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。
【図１３】この発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の交番電流振幅抽出部の詳細構成を示すブロック図である。
【図１４】この発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図である。
【図１５】この発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。
【図１６】この発明の実施の形態３における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部分については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性を説明する説明図、図２はこの発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図、図３はこの発明の実施の形態１における交流回転機の固定子突極性を説明する説明図、図４はこの発明の実施の形態１における交流回転機の固定子突極性によるインダクタンスの周期を説明する説明図、図５はこの発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合を説明する説明図、図６はこの発明の実施の形態１における交流回転機の回転子突極性および固定子突極性の両方がある場合のインダクタンスを説明する説明図、図７はこの発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の概略全体構成を示すブロック図、図８はこの発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の制御手段の詳細構成を示すブロック図、図９はこの発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図、図１０はこの発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の推定速度演算部の詳細構成を示すブロック図、図１１はこの発明の実施の形態１における交流回転機の回転子磁束ベクトルを説明する説明図、図１２はこの発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図、図１３はこの発明の実施の形態１における交流回転機の制御装置の交番電流振幅抽出部の詳細構成を示すブロック図である。
【００１０】
最初に交流回転機の回転子が持つ電気的な突極性を利用して磁極位置を推定する方法について説明する。ここではその原理について、交流回転機を回転子と固定子に分けてその磁気的な特性を考察し、その後両者を組み合わせた際の磁気的な特性を説明する。
まず、交流回転機の回転子に注目する。図１に永久磁石埋め込み型の交流回転機の回転子の模式図を示す。ここでは簡単のため一極対の磁石配置としている。図１中のθ方向に磁束を発生させる場合のインダクタンス変化を考えると、θが通過する磁路は鉄心を通過する場合とＮ，Ｓの磁極を通過する場合でインダクタンスに差異が生じる。鉄心部分は外部から磁束を発生させやすいため、図１中のq軸方向は磁気抵抗が低くなりインダクタン
スが大きくなる。一方、磁極部分は外部から磁束を発生させにくいため、図１中のd軸の
方向は磁気抵抗が高くインダクタンスが小さくなる。そのため、電気角一周のインダクタンスは図２のように電気角の２倍の周期で変化する。なお、図２においてθは磁極位置であるｄｍ軸からの偏角を示している。
【００１１】
次に、交流回転機の固定子に注目する。図３に交流回転機の固定子の模式図を示す。図３中のθ方向に磁束を発生させる場合のインダクタンス変化を考えると、図３中に点線で示したθ軸を通過する磁路は、固定子のティース部分と巻線が巻着される空隙部分とが電気角一周で交互に現れる。空隙部分は磁石と同様に磁束を発生させにくいことから、回転子と同様にθの位置によってインダクタンスが変化する。固定子内で図３中のθ方向に磁束を発生させる場合のインダクタンス変化は、図３のＵ相をθ＝０°とすると図４で表すことができ、固定子側にもインダクタンス変化が起こり、その変化の周期は電気角の６倍であることがわかる。
【００１２】
次に、図５に示すような交流回転機全体のインダクタンスについて考える。交流回転機全体では固定子および回転子のインダクタンスを合成したものがθの磁路におけるインダクタンスとみなすことができる。図５は、回転子の磁極の位置がＵ相に対してθ１進んだ
位置にある状態である。このとき、回転子インダクタンスと固定子インダクタンスおよび２つのインダクタンスの合成インダクタンスの分布を図６に示す。なお、図６の横軸は磁路θの位置、縦軸は基準インダクタンスを１としたときのインダクタンスの変動を示し、回転子はＵ相からθ１離れた位置に静止している場合のインダクタンスを示している。図中の鎖線で示す固定子インダクタンスはＵ相に対して６０°周期で変動する。点線で示す回転子インダクタンスはθ１に対して１８０°周期で変動し、磁極位置がθ１であるから、インダクタンスの最小値はθ１の位置になっている。一方、実線で示した２つのインダクタンスの合成インダクタンスに注目すると、インダクタンスの最小値は、回転子インダクタンスの最小の位置θ１からずれがあることが見て取れる。また、固定子インダクタンスはＵ相に対して固定であることから、θ１の位置が変動することによって、合成インダクタンスも変化し、それに伴って合成インダクタンスの最小値の位置も変化することがわかる。従って、インダクタンスの突極性を利用して磁極位置を推定する方法において、回転子の突極性のみを考慮した磁極位置推定では、固定子に突極性のある交流回転機において正しく磁極位置を推定できなくなる。
【００１３】
図７は本発明における交流回転機の制御装置の概略構成を示しており、交流回転機１は同期電動機であって、ここでは、永久磁石を用いた同期電動機である。本実施の形態では、同期電動機を例に挙げて説明するが、他種類の交流回転機であっても同様の原理で構成することが可能である。交流回転機１には、交流回転機１の電流ベクトルを検出する電流ベクトル検出手段２と、電圧を印加するインバータ等の電力変換器が相当する電圧印加手段４が接続されている。電流ベクトル検出手段２は、交流回転機１の三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの電流を検出し、座標変換器によって後述する補正推定位置θｃｏｍｐを用いて、交流回転機１の回転子に同期して回転する直交座標として公知であるｄ−ｑ軸上の電流に座標変換し、これを検出電流ベクトル（ｉｄｓ，ｉｑｓ）として出力する。三相電流を検出するには、電流を三相とも検出するほか、２相分を検出して三相電流の和がゼロであることを利用して三相電流を求めてもよいし、インバータ母線電流やスイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子の状態から三相電流を演算してもよい。
【００１４】
制御手段３は、図８の詳細構成図のように、加減算器３１により、外部から与えられる電流ベクトル指令（ｉｄ＿ｒｅｆ，ｉｑ＿ｒｅｆ）から検出電流ベクトル(ｉｄｓ，ｉｑ
ｓ)をそれぞれ減算する。電流制御器３２では、加減算器３１の出力である電流指令ベク
トルと検出電流ベクトルの偏差が無くなるように、比例積分制御して基本波電圧ベクトル指令（ｖｄｆ，ｖｑｆ）を出力する。高周波電圧発生器３３は、ｄ軸およびｑ軸上の高周波交番電圧ベクトル指令（ｖｄｈ，ｖｑｈ）を出力する。なお、本実施の形態では、ｖｑｈ＝０としてｄ軸方向のみに印加する交番電圧とする。加減算器３４では、基本波電圧ベクトル指令と高周波交番電圧ベクトル指令を加算した（ｖｄ，ｖｑ）を出力し、座標変換器３５では補正推定位置θｃｏｍｐを使って加減算器３４の出力である（ｖｄ，ｖｑ）をｄ−ｑ軸から静止座標の電圧ベクトル指令（ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）に変換し出力する。電圧印加手段４は、制御手段３から出力される電圧ベクトル指令に基づいて、交流回転機１に電圧を印加する。
【００１５】
磁極位置演算手段５は、図９の詳細構成図のように、制御手段３の出力である３相交流の電圧ベクトル指令を直交回転座標であるｄ−ｑ軸の電圧指令ベクトル（ｖｄｓ，ｖｑｓ）に変換する座標変換器５１と、検出電流ベクトルから検出磁束ベクトルを演算する検出磁束ベクトル演算部５２と、電圧ベクトル指令（ｖｄｓ，ｖｑｓ）と検出電流ベクトル（ｉｄｓ，ｉｑｓ）とから交流回転機１の推定速度ωｒ０を演算する推定速度演算部５３と、推定速度を積分して磁極推定位置θ０を出力する積分器５４と、磁極推定位置から磁極位置補正値を出力する位置補正値生成器５５と、磁極推定位置から磁極位置補正値△θｉを減算して補正推定位置θｃｏｍｐを出力する加減算器５６とを備えている。なお、（ｖｄｓ，ｖｑｓ）は加減算器３４の出力と同値であるから、（ｖｄｓ、ｖｑｓ）＝（ｖｄ、
ｖｑ）として座標変換器５１を省略することもできる。
【００１６】
推定速度演算部５３による速度推定について説明する。推定速度演算部５３は、電圧ベクトル指令および検出電流ベクトルと交流回転機１の定数を用いて交流回転機１の内部の状態を推定し、推定速度ωｒ０を求めるものである。まず、速度推定の原理について式を用いて説明する。交流回転機１の電機子抵抗をＲ、ｄ軸方向の電機子インダクタンスをＬｄ、ｑ軸方向の電機子インダクタンスをＬｑ、推定速度をωｒ０、電源角周波数をωとし、行列Ａ、Ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｈをそれぞれ（１）式から（５）式で定義する。なお、Ａはモータ定数を表す行列、Ｂは電圧の行列、Ｃ１は推定磁束ベクトルから推定電流を演算する行列、Ｃ２は推定磁束ベクトルから磁束ベクトル成分を抽出する行列、Ｈはフィードバックゲイン行列であり、ｈ１１〜ｈ４４はフィードバックゲインである。
【００１７】
【数１】
2014204567.tif 000003
【００１８】
【数２】
2014204567.tif 000004
【００１９】
【数３】
2014204567.tif 000005
【００２０】
【数４】
2014204567.tif 000006
【００２１】
【数５】
2014204567.tif 000007
【００２２】
また、ｄ−ｑ軸上の推定電機子反作用ベクトルのｄ軸成分をφｄｓ０、ｑ軸成分をφｑｓ０、ｄ−ｑ軸上の電圧指令ベクトルのｄ軸成分をｖｄｓ、ｑ軸成分をｖｑｓと定義すると、（６）式のように推定電機子反作用ベクトルφｄｓ０，φｑｓ０と推定磁束ベクトルφｄｒ０，φｑｒ０を得ることができる。
【００２３】
【数６】
2014204567.tif 000008
【００２４】
ここで、ｅ１，ｅ２は検出電流ベクトルと後述する推定電流ベクトル（ｉｄｓ０，ｉｑｓ０）との偏差、ｅ３，ｅ４は推定磁束ベクトル（φｄｒ０，φｑｒ０）と後述する検出磁束ベクトル演算部５２の出力する検出磁束ベクトル（φｄｒ，φｑｒ）との偏差を指す。よってｅ１，ｅ２およびｅ３，ｅ４は（７）式および（８）式で定義される。
【００２５】
【数７】
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【００２６】
【数８】
2014204567.tif 000010
【００２７】
フィードバックゲイン行列Ｈ内のフィードバックゲインｈ１１〜ｈ４４は任意に設定可能である。例えば特許４６７２２３６号公報の図９に記載されているように、推定速度ωｒ０によってｈ１１，ｈ１２，ｈ１３，ｈ１４，ｈ２１，ｈ２２，ｈ２３，ｈ２４のフィードバックゲインの値を設定することで、推定速度ωｒ０を精度良く推定演算することができる。同様にｈ３１，ｈ３２，ｈ３３，ｈ３４，ｈ４１，ｈ４２，ｈ４３，ｈ４４のフィードバックゲインの値についても、推定速度ωｒ０によってフィードバックゲインの値を設定することができる。
【００２８】
ラプラス演算子（微分演算子）をｓ、比例ゲインをｋｐ、積分ゲインをｋｉと定義し、
（１）式の行列Ａの内部パラメータである推定速度ωｒ０は、電流偏差（ｅ１，ｅ２）と推定磁束ベクトル（φｄｒ０，φｑｒ０）を用いて（９）式で与えることができる。また、推定電流ベクトル（ｉｄｓ０，ｉｑｓ０）は（１０）式によって求めることができる。同様に、推定磁束ベクトル（φｄｒ０，φｑｒ０）は（１１）式によって求めることができる。
【００２９】
【数９】
2014204567.tif 000011
【００３０】
【数１０】
2014204567.tif 000012
【００３１】
【数１１】
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【００３２】
以上のように、（１）式〜（１１）式を用いれば、電圧指令ベクトルと検出電流ベクトルに基づいて、推定速度と推定電流ベクトルと推定磁束ベクトルを算出することができる。なお、交流回転機１が高速で回転している場合、推定速度ωｒ０と推定位置θ０を推定磁束ベクトルと検出磁束ベクトルの偏差を用いることなく良好に推定できる。このため、推定速度の絶対値が所定の値よりも大きい場合は、フィードバックゲインｈ３１，ｈ３２，ｈ３３，ｈ３４，ｈ４１，ｈ４２，ｈ４３，ｈ４４の値を零として、推定速度の演算に寄与しないようにする。このとき、検出磁束ベクトルは演算する必要がなく、高周波電圧ベクトル（ｖｄｈ，ｖｑｈ）を零としてもよいため、高周波電圧による余分な電圧を印加することなく、高周波電流も発生しないため、高周波電圧および高周波電流による損失もなくすことができる。このように高速回転領域においては交番電圧ベクトル指令の値を零とすることで、高速回転領域における運転効率を高くすることができる。
【００３３】
これを踏まえ、推定速度演算部５３の動作についてその詳細構成図である図１０について説明する。行列演算器５３１は、電圧指令ベクトル（ｖｄｓ，ｖｑｓ）Ｔに行列Ｂを乗算した結果を出力する。加減算器５３２は、推定電流ベクトル（ｉｄｓ０，ｉｑｓ０）から検出電流ベクトル（ｉｄｓ，ｉｑｓ）を減算し、電流偏差ベクトル（ｅ１，ｅ２）を出力する。同様に加減算器５３３は、推定磁束ベクトル（ｉｄｓ０，ｉｑｓ０）から回転子磁束ベクトル（Φｒ，０）を減算し、磁束偏差ベクトル（ｅ３，ｅ４）を出力する。行列演算器５３４は、入力（ｅ１，ｅ２）と（ｅ３，ｅ４）をあわせたベクトル（ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４）Ｔに行列Ｈを乗算した結果を出力する。行列演算器５３５は、電機子反作用ベクトルの推定値および磁束ベクトルの推定値（φｄｓ０，φｑｓ０，φｄｒ０，φｑｒ０）Ｔに行列Ａを乗算した結果を出力する。加減算器５３６は、行列演算器５３１の出力と行列演算器５３４の出力と行列演算器５３５の出力とを加減算したベクトルを出力する。積分器５３７は、加減算器５３６が出力するベクトルを各要素毎に積分し、ベクトル（φｄｓ０，φｑｓ０，φｄｒ０，φｑｒ０）Ｔとして出力する。以上が（１）式，（２）式，（５）式に相当する部分である。なお、（１）式，（２）式，（５）式の左辺は積分器５３７の入力部分に相当する。
【００３４】
行列演算器５３８は、行列Ｃ１をベクトル（φｄｓ０，φｑｓ０，φｄｒ０，φｑｒ０）Ｔに乗算することで、推定電流ベクトル（φｄｓ０，φｑｓ０）Ｔを出力する。この部分は（１０）式に相当する。行列演算器５３９は、行列Ｃ２をベクトル（φｄｓ０，φｑｓ０，φｄｒ０，φｑｒ０）Ｔを乗算することで、推定磁束ベクトル（φｄｒ０，φｑｒ０）Ｔを出力する。この部分は（１１）式に相当する。速度推定器５３１０は、（９）式を用いて推定速度ωｒ０を出力する。以上が推定速度演算部５３の動作である。
【００３５】
次に検出磁束ベクトル演算部５２の動作について述べる。検出磁束ベクトルの演算方法について図１１にもとづき説明する。回転子の磁束ベクトル方向をｄｍ軸、その直交方向をｑｍ軸とし、高周波交番電圧ベクトルを印加することで得られる推定磁極位置θ０が示す方向をｄ軸、その直交方向をｑ軸とし、ｄ軸とｄｍ軸との間に△θの偏差があるとする。なお、推定速度演算部５３の動作によって、ｄ軸は定常的にはｄｍ軸と一致するように動作するので、図１１は瞬時的に△θの偏差が生じた場合の図である。検出磁束ベクトル（φｄｒ，φｑｒ）は、推定磁極位置θ０が示すｄ軸、ｑ軸に対する磁束ベクトルを指し、回転子の磁束をΦｒとしたとき（１２）式となる。
【００３６】
【数１２】
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【００３７】
次に、△θの検出方法について述べる。高周波電圧を印加することで得られる高周波電流から回転子磁束ベクトルの方向と制御軸方向との偏差である△θを演算する。まず高周波電圧を用いて△θを検出する方法について述べる。なお、ここでは回転子にのみ突極性を有することを想定している。高周波電圧ベクトル発生器が高周波電圧ベクトルｖｄｈ，ｖｑｈを出力するときに、交流回転機１に流れる高周波電流ベクトルの数式について説明する。交流回転機１のｄ軸，ｑ軸に高周波電圧ベクトルｖｄｈ，ｖｑｈをそれぞれ印加するときの交流回転機１の数式は（１３）式のように表現することが出来る。
【００３８】
【数１３】
2014204567.tif 000015
【００３９】
高周波電圧を用いて磁極位置を検出する場合、高速回転域では高周波の電圧や電流が発生する分、運転効率や電圧利用率および最大電流といった点で不利であるため、零速や低速で使用するほうがよく、高速回転域では公知の適応観測器などを利用した磁極位置検出手段を用いるのがよい。そこで、ここでは零速〜低速において高周波電圧を用いることとし、回転速度ωｒ≒０とおくと（１３）式より（１４）式を得ることができる。
【００４０】
【数１４】
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【００４１】
更に右辺第２項は高周波電流の微分であり、高周波電流の微分は高周波電圧の角周波数ωｈ倍されるため、右辺第２項≫右辺第１項となり、右辺第１項は無視することができ、その結果（１５）式を得ることができる。
【００４２】
【数１５】
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【００４３】
ここで、高周波電圧ベクトルを（１６）式のように与えるとすると、高周波電流ベクトル（ｉｄｈ，ｉｑｈ）は（１５）式に（１６）式を代入し、両辺を積分することで（１７）式のようになる。
【００４４】
【数１６】
2014204567.tif 000018
【００４５】
【数１７】
2014204567.tif 000019
【００４６】
ここで、（１７）式の高周波電流の振幅成分を利用すれば、△θを電流振幅の関数で表すことができる。ここでは、高周波電流の直交成分ｉｑｈの振幅｜ｉｑｈ｜を用いると、（１７）式から（１８）式を得ることができる。また、（１８）式を△θの式に直すと、（１９）式となる。
【００４７】
【数１８】
2014204567.tif 000020
【００４８】
【数１９】
2014204567.tif 000021
【００４９】
なお、高周波電圧の角周波数ωｈと高周波電圧振幅Ｖｈは高周波電圧ベクトル発生器３３で任意に設定出来るものであるため既知、Ｌおよびｌは（１２）式のようにＬｄ，Ｌｑより求めることが出来るものであり、Ｌｄ，Ｌｑは事前に測定することで把握できるためＬおよびｌも既知である。回転子磁束方向ｄｍ軸と推定磁極位置ｄ軸との偏差△θは、（１９）式で表される。推定速度演算は、定常的には△θがゼロに近づくように動作するため、２△θ≒０であるからｓｉｎ２△θ≒２△θとしてよい。よって、（１９）式から（２０）式が得られる。
【００５０】
【数２０】
2014204567.tif 000022
【００５１】
よって、（１９）式または（２０）式から、｜ｉｑｈ｜を用いることで検出磁束ベクトルを演算することができる。以上の説明を踏まえて、検出磁束ベクトル演算部５２の動作について、図１２を用いて説明する。図１２は検出磁束ベクトル演算部５２の詳細構成図である。まず、交番電流振幅抽出器５２１において、検出電流ベクトルからｑ軸の高周波電流振幅である｜ｉｑｈ｜を抽出する。交番電流振幅｜ｉｑｈ｜の抽出方法について図１３を用いて説明する。交番電流振幅抽出部５２１は、図１３に示すようにフィルタ５２１１を用いて、検出電流ベクトルから高周波電流ベクトルを抽出する。フィルタ５２１１は、検出電流ベクトルから高周波電圧ベクトルと同一周波数成分を抽出出来るものならどのようなものを用いてもよい。例えば、狭帯域のバンドストップフィルタとして公知であるノッチフィルタを利用して、高周波電流ベクトルを抽出する。図１３のフィルタ５２１１では、（２１）式の高周波電圧ベクトルの角周波数ωｈを除去するノッチフィルタを検出電流ベクトルに施して、検出電流ベクトルから角周波数ωｈ成分を除去する。加減算器５２１２では検出電流ベクトルからフィルタ５２１１の出力を減算することで、検出電流ベクトルから角周波数ωｈ成分の高周波電流ベクトルを演算する。なお、（２１）式のｓはラプラス演算子、ｑｘはノッチの深さである。
【００５２】
【数２１】
2014204567.tif 000023
【００５３】
振幅演算器５２１３は（２２）式を用いて、入力される高周波電流ベクトルのｑ軸成分ｉｑｈから振幅｜ｉｑｈ｜を演算する。（２２）式中のＴはｉｑｈの周期である。
【００５４】
【数２２】
2014204567.tif 000024
【００５５】
以上が｜ｉｑｈ｜の抽出方法である。磁極偏差演算器５２２は、（１９）または（２０）式のいずれかを用いて、偏差△θを演算する。前述の通り、（１９）または（２０）式において｜ｉｑｈ｜以外の定数は既知であるから、｜ｉｑｈ｜の入力を元に△θを演算することができる。検出磁束ベクトル演算器５２３は、偏差△θを元に（１２）式によって、検出磁束ベクトル（φｄｒ，φｑｒ）を演算する。ここで、Φｒは事前に測定することが可能であり既知である。以上が、検出磁束ベクトル演算部５２の動作である。
【００５６】
次に、位置補正値生成部５５について説明する。推定速度演算部５３の出力する推定速度を積分器５４で積分することによって得られる磁極推定位置と、得られた磁極推定位置
から位置補正値生成部５５で磁極位置補正値を生成し、磁極推定位置から磁極位置補正値を減算した補正推定位置を用いることで、交流回転機１の正しい回転子位置を推定とすることを特徴としている。推定速度演算部５３の動作により、推定速度は実速度と一致するように動作するため、磁極推定位置θ０は、回転子磁束の方向ｄｍ軸と一致するように動作する。すなわち、（１９）式および（２０）式にて示した△θが零となるように動作する。しかし、以上説明した検出磁束ベクトル演算部５２は、回転子の突極性のみを考慮した構成であるから、固定子の突極性を考慮すると磁極位置補正値が発生する。図６を用いて説明すると、（１３）式は図６中の回転子インダクタンス（点線）を想定しており、△θ＝０となる点は、インダクタンスが最小となる位置である。一方、固定子インダクタンスを合成した合成インダクタンス（実線）においては△θ＝０となる最小インダクタンスの位置はθ１からずれる。このずれ角度を△θｉとおく。固定子の突極性を考慮する場合、積分器５４から出力される磁極推定位置θ０は、θ１から△θｉずれた位置を指している。
【００５７】
従って、固定子の突極性によって起こる磁極推定位置のずれ量△θｉを磁極推定位置θ０から減算することにより、正しい磁極位置θ１を演算する。ずれ量△θｉは、前述の通り、固定子のインダクタンス分布に対して、回転子のインダクタンス分布が回転子磁極位置によって移動するため、合成インダクタンスは回転子の位置によって異なる。ただし、回転子のインダクタンス分布および固定子のインダクタンス分布は、交流回転機１によって一意であるから、回転子および固定子のインダクタンス分布がわかれば、その合成インダクタンスのずれ量△θｉは、回転子の位置によって一意に定めることができる。よって、ずれ量△θｉは、電磁界解析などの解析手段によってインダクタンス分布を求めることもできるし、または、実機からインダクタンス分布を測定して求めることもできる。測定した磁極位置補正値は、磁極位置に対する関数△θｉ＝ｆ（θ０）として持つこともできるし、△θｉをθ０に関するテーブルとして持つこともできる。
【００５８】
以上のようにして求めたずれ量△θｉを磁極位置補正値として用いて、位置補正値生成部５５は、積分器５４の出力する推定位置θ０を元に磁極位置補正値△θｉを生成する。磁極位置補正値△θｉは、加減算器５６で積分器５４の出力θ０から減算され、正しい磁極位置を示す補正磁極位置θｃｏｍｐが出力される。これによって、二重突極性をもつ交流回転機１であっても正しい磁極位置を出力することができる。
以上のように構成することにより、推定速度演算部５３の出力である推定速度を積分した磁極推定位置に対して、磁極推定位置から演算する磁極位置補正値を減算することによって、正しい磁極位置を推定することができる。また、高速回転時に高周波電圧ベクトルを零とすることで、高速回転時の損失をなくすことができるため、高速回転領域における運転効率を高くすることができる。
【００５９】
実施の形態２．
図１４はこの発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の磁極位置演算手段の詳細構成を示すブロック図、図１５はこの発明の実施の形態２における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。上記実施の形態１では、推定速度を積分して得られた推定磁極位置から補正量である△θｉを減算し、正しい磁極位置を出力する方法を示した。しかし、推定速度に対しては、補正を与えることができていないため、例えば制御手段３において推定速度を用いた速度制御を構成する際に、速度制御の性能が悪くなる。そこで本実施の形態では、推定速度演算部５３の入力である検出磁束ベクトルを求める検出磁束ベクトル演算部５２に対して位置補正を行うことにより、速度推定の演算精度を向上させる。上記実施の形態１において、検出磁束ベクトル演算部５２は、高周波電流振幅｜ｉｑｈ｜から求めた△θを用いて検出磁束ベクトルを演算していた。この△θは、回転子の突極性のみを考慮した（１３）式で与えられることから、固定子の突極性を考慮すると△θに対して補正量△θｉを与えることで、検出磁束ベク
トルを正しく演算することができ、推定速度演算部５３が正しい推定速度を演算することができる。そこで、本実施の形態では図１４に示すように、検出磁束ベクトル演算部５２に磁極位置補正値を入力し、検出磁束ベクトルを補正することで、推定速度演算部５３が正しい速度を推定できるようにする。検出磁束ベクトル演算部５２は、検出電流ベクトルと磁極位置補正値から検出磁束ベクトルを演算する。
【００６０】
以下実施の形態１と同様の部分の説明は省略し、検出磁束ベクトル演算部５２の動作について図１５にもとづき説明する。交番電流振幅抽出部５２１と磁極偏差演算器５２２は実施の形態１と同様である。前述の通り、この磁極偏差は、回転子のインダクタンス突極性のみを考慮したときのものである。そこで、固定子インダクタンスの突極性を考慮したときの磁極位置補正値△θｉを、加減算器５２４で磁極偏差演算器５２２の出力△θから減算することにより、固定子インダクタンスの突極性を考慮した補正磁極偏差を検出磁束ベクトル演算器５２３に入力する。これによって、検出磁束ベクトル演算器５２３が正しい磁束ベクトルを検出することができ、推定速度演算部５３の出力する推定速度およびそれを積分して得られる推定位置も正しい値を得ることができる。
以上のように、実施の形態２の構成により、磁極推定位置から演算する磁極位置補正値を用いて検出磁束ベクトルを補正することによって、正しい推定速度を推定することができ、速度制御などの制御方式においても制御性能を向上することができる。
【００６１】
実施の形態３．
図１６はこの発明の実施の形態３における交流回転機の制御装置の検出磁束ベクトル演算部の詳細構成を示すブロック図である。上記実施の形態２では、検出磁束ベクトル演算部５２に補正量△θｉを入力し、正しい検出磁束ベクトルを演算する方式を示したが、磁極位置補正値を用いて高周波電流振幅を変更することで正しい検出磁束ベクトルを演算することもできる。図６において、合成インダクタンス（実線）が回転子インダクタンス（点線）に対して位相が△θｉだけずれた、ほぼ正弦波の波形をとるとすると、（１８）式は（２３）式で与えることができる。なお、推定速度演算部５３の動作により△θが零に収束するため、定常的には高周波電流振幅は（２４）式になる。すなわち、固定子インダクタンスの突極性を考慮すると、｜ｉｑｈ｜が（２４）式の右辺に近づけば、△θが零に近づく。
【００６２】
【数２３】
2014204567.tif 000025
【００６３】
【数２４】
2014204567.tif 000026
【００６４】
ここで、（２３）式を展開すると（２５）式となる。△θは零に近づくように動作するので、ｓｉｎ２△θ≒２△θ、ｃｏｓ２△θ≒１とすると、（２６）式で△θを与えることができる。よって（２６）式より、△θｉと｜ｉｑｈ｜を用いて△θを求めることができる。
【００６５】
【数２５】
2014204567.tif 000027
【００６６】
【数２６】
2014204567.tif 000028
【００６７】
本実施の形態では、検出磁束ベクトル演算部５２を図１６に示す構成とすれば、磁極偏差演算器５２２は、高周波電流振幅｜ｉｑｈ｜と磁極位置補正値を用いて（２６）式から磁極偏差△θを求めることができる。
また、（２６）式で三角関数を用いることなく△θを求めることもできる。まず、（２４）式の右辺を高周波電流振幅指令値｜ｉｑｈ＿ｒｅｆ｜として（２７）式で定義する。（２５）式を、｜ｉｑｈ＿ｒｅｆ｜を用いて表すと（２８）式にできる。（２８）式のｃｏｓ２△θｉは、（２７）式から三角関数の性質により（２９）式で｜ｉｑｈ＿ｒｅｆ｜で求めることができる。よって△θは（３０）式で表すことができる。
【００６８】
【数２７】
2014204567.tif 000029
【００６９】
【数２８】
2014204567.tif 000030
【００７０】
【数２９】
2014204567.tif 000031
【００７１】
【数３０】
2014204567.tif 000032
【００７２】
このとき、位置補正値生成部５５が出力する磁極位置補正値として、高周波電圧振幅指令値｜ｉｑｈ＿ｒｅｆ｜を出力する構成とすれば、磁極偏差演算器５２２は、｜ｉｑｈ｜と｜ｉｑｈ＿ｒｅｆ｜を用いて、（３０）式から△θを求めることができる。｜ｉｑｈ＿ｒｅｆ｜の測定には、電磁界解析などの解析手段や実機を用いて、磁極位置に対して高周波電圧を印加した時の｜ｉｑｈ｜、すなわち（２４）式に相当する値を回転子の位置に応じて測定すればよい。これにより、磁極偏差演算器５２２によって演算される磁極偏差△θは固定子インダクタンスの突極性を考慮した値を取ることができ、検出磁束ベクトルが正しい磁束ベクトルを検出することができる。検出磁束ベクトルを入力とする推定速度演算部５３の出力する推定速度およびそれを積分して得られる推定位置も正しい磁極位置とすることができる。
以上のように、実施の形態３の構成により、推定位置から高周波電圧振幅指令値を演算し、これを用いて検出磁束ベクトルを補正することによって、正しい推定速度を推定することができ、速度制御などの制御方式においても制御性能を向上することができる。
【００７３】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００７４】
１  交流回転機、２  電流ベクトル検出手段、３  制御手段、４  電圧印加手段、５  磁極位置演算手段、３１  加減算器、３２  電流制御器、３３  高周波電圧発生器、３４  加減算器、３５  座標変換器、５１  座標変換器、５２  検出磁束ベクトル演算部、５３
推定速度演算部、５４  積分器、５５  位置補正値生成部、５６  加減算器。
【図１】
2014204567.tif 000033
【図２】
2014204567.tif 000034
【図３】
2014204567.tif 000035
【図４】
2014204567.tif 000036
【図５】
2014204567.tif 000037
【図６】
2014204567.tif 000038
【図７】
2014204567.tif 000039
【図８】
2014204567.tif 000040
【図９】
2014204567.tif 000041
【図１０】
2014204567.tif 000042
【図１１】
2014204567.tif 000043
【図１２】
2014204567.tif 000044
【図１３】
2014204567.tif 000045
【図１４】
2014204567.tif 000046
【図１５】
2014204567.tif 000047
【図１６】
2014204567.tif 000048