(57)【要約】【課題】計算量を減らしながらも電動機の回転子の初期位置を正確に把握することのできる初期位置推定装置を提供する。【解決手段】初期位置推定装置５は、推定回転子座標系においてｑ軸電流の変化量から角度誤差成分を出力し、角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定し、推定回転子座標系においてｄ軸電流の変化量とｄ軸電圧から決定される磁極判別信号の符号に応じて磁極判別情報を出力し、電気的位置に磁極判別情報を加算し、回転子の初期位置を出力する。【選択図】図１０
2018148778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転子の初期位置を推定する装置において、
推定回転子座標系においてｑ軸電流の変化量から角度誤差成分を出力する信号処理部と、
前記角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定する位置推定部と、
前記推定回転子座標系においてｄ軸電流の変化量とｄ軸電圧から決定される磁極判別信号の符号に応じて磁極判別情報を出力する磁極判別部と、
前記電気的位置に前記磁極判別情報を加算し、前記回転子の初期位置を出力する第１加算部と、を含む、初期位置推定装置。
【請求項２】
前記磁極判別部は、前記ｄ軸電流の変化量の基本波成分を用いて、前記磁極判別信号を決定する、請求項１に記載の初期位置推定装置。
【請求項３】
前記ｑ軸電流を遅延させる第１遅延部と、
前記ｄ軸電流を遅延させる第２遅延部と、
前記ｑ軸電流と前記遅延したｑ軸電流の差を演算し、前記ｑ軸電流の変化量を決定する第１演算部と、
前記ｄ軸電流と前記遅延したｄ軸電流の差を演算し、前記ｄ軸電流の変化量を決定する第２演算部と、をさらに含む、請求項１又は２に記載の初期位置推定装置。
【請求項４】
前記第１遅延部は、前記ｑ軸電流を１サンプリング区間だけ遅延させ、前記第２遅延部は、前記ｄ軸電流を１サンプリング区間だけ遅延させる、請求項３に記載の初期位置推定装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、前記ｄ軸電圧を遅延させ、前記遅延したｄ軸電圧の符号と前記ｑ軸電流の変化量を用いて、前記角度誤差成分を出力する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の初期位置推定装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、
前記ｄ軸電圧を前記予め定められたサンプリング区間だけ遅延させる第３遅延部と、
前記遅延したｄ軸電圧の符号を決定する第１符号決定部と、
前記遅延したｄ軸電圧の符号と前記ｑ軸電流の変化量を乗算し、前記角度誤差成分を決定する第３演算部と、を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の初期位置推定装置。
【請求項７】
前記第３遅延部は、前記ｄ軸電圧を２サンプリング区間だけ遅延させる、請求項６に記載の初期位置推定装置。
【請求項８】
前記位置推定部は、
前記角度誤差成分に比例利得を適用する第１適用部と、
前記角度誤差成分に積分利得を適用する第２適用部と、
前記第２適用部の出力を積分する第１積分部と、
前記第１適用部の出力と前記第１積分部の出力を加算する第２加算部と、
前記第２加算部の出力を積分して前記電気的位置を決定する第２積分部と、を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の初期位置推定装置。
【請求項９】
前記磁極判別情報は、前記磁極判別信号の符号が正の場合、πであり、前記磁極判別信号の符号が負の場合、０である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の初期位置推定装置。
【請求項１０】
前記磁極判別部は、
前記ｄ軸電圧を遅延させる第４遅延部と、
前記遅延したｄ軸電圧の符号を決定する第２符号決定部と、
前記遅延したｄ軸電圧の符号と前記ｄ軸電流の変化量を乗算する第４演算部と、
前記第４演算部の出力と前記ｄ軸電圧を乗算する第５演算部と、
前記第５演算部の出力を積分して前記磁極判別信号を出力する積分器と、を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の初期位置推定装置。
【請求項１１】
前記磁極判別部は、
前記磁極判別信号の符号が正の場合に第１角度を出力し、前記磁極判別信号の符号が負の場合に第２角度を出力する決定部と、
所定時間後に１となるデルタ関数を提供する提供部と、
前記デルタ関数と前記決定部の出力を乗算し、前記磁極判別情報を出力する第６演算部と、をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の初期位置推定装置。
【請求項１２】
前記第１角度はπであり、前記第２角度は０である、請求項１１に記載の初期位置推定装置。
【請求項１３】
前記第１加算部は、前記磁極判別信号の符号が正の場合、前記電気的位置にπを加算し、前記初期位置を決定する、請求項９に記載の初期位置推定装置。
【請求項１４】
前記第１加算部は、前記磁極判別信号の符号が負の場合、前記電気的位置を前記初期位置として決定する、請求項９に記載の初期位置推定装置。
【請求項１５】
前記第４遅延部は、前記ｄ軸電圧を２サンプリング区間だけ遅延させる、請求項１０に記載の初期位置推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機の回転子の初期位置推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、永久磁石同期電動機（permanent magnet synchronous machine, PMSM）は、効率が高く、単位体積当たりのトルク及び出力が高く、速い動特性が得られるので、高性能サーボ応用分野に主に用いられてきた。永久磁石同期電動機は回転子の磁束が回転子に取り付けられた永久磁石から発生するので、電動機が発生するトルクを瞬時かつ正確に制御するためには、永久磁石から発生する磁束の絶対位置、すなわち回転子の絶対位置を正確に把握していなければならない。よって、ＰＭＳＭを制御する場合、回転子の絶対位置を検出する絶対位置検出器から回転子の絶対位置情報を取得して磁束基準制御に用いる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、絶対位置の検出のために主に用いられる絶対エンコーダは、相対的な位置を検出する増分エンコーダに比べて価格が高く、よって、産業現場では増分エンコーダが好まれる。増分エンコーダを用いる産業現場で永久磁石同期電動機を駆動する場合、回転子の初期位置推定が必ず要求される。
【０００４】
様々な実施形態は、電動機の回転子の初期位置を推定する装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
様々な実施形態によれば、前記装置は、推定回転子座標系においてｑ軸電流の変化量から角度誤差成分を出力する信号処理部と、前記角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定する位置推定部と、前記推定回転子座標系においてｄ軸電流の変化量とｄ軸電圧から決定される磁極判別信号の符号に応じて磁極判別情報を出力する磁極判別部と、前記電気的位置に前記磁極判別情報を加算し、前記回転子の初期位置を出力する第１加算部とを含む。
【発明の効果】
【０００６】
様々な実施形態によれば、初期位置推定装置が矩形波高周波電圧の注入時に推定回転子座標系のｄ軸電流の変化量の基本波成分を用いることにより、計算量を減らしながらも電動機の回転子の初期位置を正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】様々な実施形態によるインバータシステムを説明するための構成図である。
【図２】図１のインバータの概略回路図である。
【図３】三角波比較電圧変調に適用するための極電圧の構成例を示す図である。
【図４】図１のＰＷＭ制御部の三角波比較電圧変調の一例を示す図である。
【図５】第１実施形態による初期位置推定部を説明するための構成図である。
【図６】図５の信号処理部の詳細構成図である。
【図７】図５の位置推定部の詳細構成図である。
【図８】図５の磁極判別部の詳細構成図である。
【図９】第２実施形態において高周波信号生成部が生成する電圧の形態の一例を示す図である。
【図１０】第２実施形態による初期位置推定装置を説明するための構成図である。
【図１１】図１０の信号処理部の詳細構成図である。
【図１２】図１０の磁極判別部が磁極を判別する原理を説明するための図である。
【図１３】図１０の磁極判別部の詳細構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の構成及び効果を十分に理解できるように、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実現することができ、様々な変更が可能である。また、本実施形態は、本発明を開示し、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に本発明を理解させるためのものにすぎない。説明の便宜上、添付図面においては構成要素の大きさを実際より拡大して示しており、各構成要素の比率が拡大又は縮小されていることもある。
【０００９】
ある構成要素が他の構成要素「上に」又は「に接して」配置されるという表現は、ある構成要素が他の構成要素上に当接しているか又は連結されている場合と、中間にさらに他の構成要素が存在する場合とを含む。それに対して、ある構成要素が他の構成要素「の直上に」又は「に直接接して」配置されるという表現は、中間にさらに他の構成要素が存在しないことを示す。構成要素間の関係を示す他の表現、例えば「〜間に」と「直接〜間に」なども同様に解釈できる。
【００１０】
「第１」、「第２」などの用語は様々な構成要素を説明するために用いられるが、前記構成要素は前記用語により限定されるものではない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素と区別する目的でのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲から外れない限り、「第１構成要素」は「第２構成要素」と命名してもよく、同様に、「第２構成要素」は「第１構成要素」と命名してもよい。
【００１１】
単数の表現は、特に断らない限り、複数の表現を含む。「含む」や「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はそれらの組み合わせが存在することを指定しようとするもので、１つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はそれらの組み合わせを付加できるものと解釈できる。
【００１２】
本発明の実施形態で用いられる用語は、特に断らない限り、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に一般的に理解される意味で解釈できる。
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明することにより、本発明について詳細に説明する。
【００１４】
図１は様々な実施形態によるインバータシステムを説明するための構成図である。
【００１５】
図１を参照すると、インバータシステムは、高周波信号生成部１、第１変換部２ａ、第２変換部２ｂ、ＰＷＭ制御部３、インバータ４及び初期位置推定部５を含み、インバータ４の出力が永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）６に入力される。
【００１６】
高周波信号生成部１は、初期位置推定のために高周波電圧指令を生成する。高周波信号生成部１の出力は、推定された回転子座標系（rotor reference frame）のｄ軸及びｑ軸の高周波電圧指令である
2018148778.tif 000003
である。ここで、「Ｖ」の上付き文字「ｒ」は回転子座標系を示し、「ｒ」の上付き文字「＾」は推定された値であることを意味する。
【００１７】
高周波電圧指令は、
2018148778.tif 000004
のベクトルで表される。注入される高周波電圧指令の形態は様々であるが、本発明が適用されるシステムにおいては、推定回転子座標系のｄ軸に電圧を注入する方式を適用する。よって、高周波電圧指令は、
2018148778.tif 000005
で表される。ここで、
2018148778.tif 000006
は注入電圧の大きさを示し、
2018148778.tif 000007
は注入電圧の周波数を示す。
【００１８】
第１変換部２ａは、回転子座標系のｄ軸及びｑ軸の物理量をａｂｃ物理量に変換し、第２変換部２ｂは、ａｂｃ物理量をｄ軸及びｑ軸の物理量に変換する。
【００１９】
第１変換部２ａは、入力である
2018148778.tif 000008
を
2018148778.tif 000009
に変換するために、下記数式１を用いる。ここで、
2018148778.tif 000010
である。
【００２０】
【数１】
2018148778.tif 000011
【００２１】
ここで、
2018148778.tif 000012
は初期位置推定部５により推定される回転子電気角である。
【００２２】
第２変換部２ｂは、入力である
2018148778.tif 000013
を
2018148778.tif 000014
に変換するために、下記数式２を用いる。
【００２３】
【数２】
2018148778.tif 000015
【００２４】
ここで、
2018148778.tif 000016
であり、
2018148778.tif 000017
である。
【００２５】
ここで、
2018148778.tif 000018
は初期位置推定部５により推定される回転子電気角である。
【００２６】
ＰＷＭ制御部３は、ａｂｃ相電圧指令
2018148778.tif 000019
を極電圧指令
2018148778.tif 000020
に変更し、ＰＷＭを行うためのスイッチング関数を出力する。ここで、ＰＷＭ制御部３の動作については、図面を参照して後述する。ＰＷＭ制御部３は、極電圧指令を三角波比較電圧変調によりスイッチング関数の形態でインバータ４に印加する。
【００２７】
初期位置推定部５は、永久磁石同期電動機６に高周波電圧を印加して発生した高周波電流を用いて、永久磁石同期電動機６の回転子の初期位置である
2018148778.tif 000021
を推定する。回転子の初期位置
2018148778.tif 000022
は、第１及び第２変換部２ａ、２ｂでの座標変換に用いられる。
【００２８】
図２は図１のインバータの概略回路図である。
【００２９】
図２を参照すると、複数のスイッチで構成されるインバータ部４２は、直流端４１の電圧をスイッチングして三相負荷である永久磁石同期電動機６に印加する。
【００３０】
ここで、
2018148778.tif 000023
は直流端４１の電圧を示し、ｎは仮想の直流端４１の中性点の位置を示す。
2018148778.tif 000024
はそれぞれインバータ部４２の電力スイッチのスイッチング関数であり、
2018148778.tif 000025
はａ相レッグの上部スイッチが導通したことを意味し、
2018148778.tif 000026
はａ相レッグの下部スイッチが導通したことを意味する。すなわち、
2018148778.tif 000027
は相補的な関係にある。これは、
2018148778.tif 000028
においても同様である。
【００３１】
図３は三角波比較電圧変調に適用するための極電圧の構成例を示す図である。
【００３２】
図３を参照すると、極電圧指令
2018148778.tif 000029
と相電圧指令
2018148778.tif 000030
とオフセット電圧指令
2018148778.tif 000031
の関係は下記数式３で表される。
【００３３】
【数３】
2018148778.tif 000032
【００３４】
すなわち、オフセット電圧指令決定部３１は、三相の極電圧指令からオフセット電圧指令を決定し、加算部３２は、相電圧指令とオフセット電圧指令を加算して極電圧指令を出力する。オフセット電圧は、三相の極電圧に共通に存在する成分であり、零相分電圧を意味するので、線間電圧の合成には影響を及ぼさない。
【００３５】
オフセット電圧指令決定部３１により決定されるオフセット電圧指令は、様々な方式で決定することができる。代表的には、正弦波パルス幅変調（sinusoidal pulse width modulation, SPWM）におけるオフセット電圧指令は下記数式４で表され、空間ベクトルパルス幅変調（spatial vector pulse width modulation, SVPWM）におけるオフセット電圧指令は下記数式５で表される。
【００３６】
【数４】
2018148778.tif 000033
【００３７】
【数５】
2018148778.tif 000034
【００３８】
ここで、
2018148778.tif 000035
は三相の相電圧指令のうち最大の電圧であり、
2018148778.tif 000036
は三相の相電圧指令のうち最小の電圧である。
【００３９】
図４は図１のＰＷＭ制御部の三角波比較電圧変調の一例を示す図である。図４において、４Ａは極電圧指令と比較される三角搬送波（triangular carrier wave）を示す。搬送波の周期はスイッチング周波数と同じであり、搬送波の最大値及び最小値はそれぞれ
2018148778.tif 000037
及び
2018148778.tif 000038
である。
【００４０】
図４を参照すると、比較部３３は、極電圧指令と三角搬送波とを比較し、極電圧指令と三角搬送波の差が正数の場合はスイッチング関数１を出力し、負数の場合はスイッチング関数０を出力する。三角搬送波を
2018148778.tif 000039
とすると、インバータ４のインバータ部４２の上部スイッチに提供されるスイッチング関数は、下記数式６、数式７及び数式８で定義される。
【００４１】
【数６】
2018148778.tif 000040
【００４２】
【数７】
2018148778.tif 000041
【００４３】
【数８】
2018148778.tif 000042
【００４４】
１つの相のレッグの下部スイッチのスイッチング関数は上部スイッチのスイッチング関数と相補的であるので、反転部３４は、比較部３３から出力されるスイッチング関数を反転してインバータ４のインバータ部４２の下部スイッチに提供する。
【００４５】
図５は第１実施形態による初期位置推定部を説明するための構成図である。図６は図５の信号処理部の詳細構成図である。図７は図５の位置推定部の詳細構成図である。図８は図５の磁極判別部の詳細構成図である。
【００４６】
図５を参照すると、初期位置推定部５は、信号処理部５１０、位置推定部５２０、磁極判別部５３０及び第１加算部５４０を含む。
【００４７】
信号処理部５１０は、推定回転子座標系の高周波ｑ軸電流から角度誤差成分を検出する。角度誤差
2018148778.tif 000043
は下記数式９で表される。信号処理部５１０は、図６に示すように、乗算器５１１とローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１２とを含んでもよい。乗算器５１１は、推定回転子座標系の高周波ｑ軸電流
2018148778.tif 000044
と注入された高周波電圧と同じ周波数成分である
2018148778.tif 000045
を乗算し、ローパスフィルタ５１２は、その低周波成分をフィルタリングして角度誤差成分を含む信号
2018148778.tif 000046
を出力する。ローパスフィルタ５１２を通過した角度誤差成分において角度誤差が小さいと仮定すると、信号
2018148778.tif 000047
は下記数式１０で表される。
【００４８】
【数９】
2018148778.tif 000048
【００４９】
【数１０】
2018148778.tif 000049
【００５０】
ここで、
2018148778.tif 000050
はｄ軸の高周波インダクタンスを示し、
2018148778.tif 000051
はｑ軸の高周波インダクタンスを示す。
【００５１】
位置推定部５２０は、信号処理部５１０により抽出された角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定する。位置推定部５２０は、図７に示すように、第１適用部５２１、第２適用部５２２、第１積分部５２３、第２加算部５２４及び第２積分部５２５を含んでもよい。第１適用部５２１は、
2018148778.tif 000052
に比例利得
2018148778.tif 000053
を適用し、第２適用部５２２は、
2018148778.tif 000054
に積分利得
2018148778.tif 000055
を適用し、第１積分部５２３は、第２適用部５２２の出力を積分し、第２加算部５２４は、第１適用部５２１の出力と第１積分部５２３の出力を加算し、第２積分部５２５は、第２加算部５２４の出力を積分することにより、回転子の電気的位置を推定する。
【００５２】
磁極判別部５３０は、永久磁石同期電動機６の履歴現象（ヒステリシス）を用いて、回転子の初期位置の磁極を判別する。すなわち、磁極判別部５３０は、回転子座標系のｄ軸と−ｄ軸を区分する。磁極判別部５３０は、推定された回転子の初期位置がｄ軸の場合は０ｒａｄを出力し、−ｄ軸の場合はπｒａｄを出力する。
【００５３】
高周波注入を用いた初期位置推定は、高周波インダクタンスの突極性（saliency）を用いる。この場合、回転子座標系のｄ軸と−ｄ軸は、インダクタンスが同じであり、永久磁石同期電動機６の磁石により生成される磁束の符号のみ異なるので、回転子座標系のｄ軸と−ｄ軸を区別できない。よって、回転子の初期位置がｄ軸と−ｄ軸から推定される。
【００５４】
一般に、外部から強磁性体に磁場が加わると、強磁性体の内部に任意に配列されていた磁区が磁場の方向に配列され、強磁性体が磁化する。しかし、磁場が加わる瞬間と磁区が磁場の方向に配列される時間の間に遅延が発生し、磁場が除去されても元の状態に戻るのではなく残留磁束密度を有するが、このような現象を履歴現象（ヒステリシス）といい、履歴現象を磁束密度と磁場の関係で示すものを履歴曲線（ヒステリシス曲線）又は履歴ループ（ヒステリシスループ）という。
【００５５】
このような履歴現象により、回転子の初期位置がｄ軸であるか、−ｄ軸であるかによって、電圧を印加したときに誘起される電流の形態が異なる。回転子の初期位置がｄ軸にある場合は、永久磁石による磁束鎖交（flux linkage）が回転子から固定子側に生じ、−ｄ軸にある場合は、逆に生じるので、ｄ軸の場合が−ｄ軸の場合よりも磁気的に飽和する。このような飽和により、同じ電圧を印加したときに誘起される電流の大きさが異なるので、この現象を用いて磁極を判別することができる。
【００５６】
磁極判別部５３０は、正弦波の電圧を注入し、回転子の初期位置がｄ軸であるか、−ｄ軸であるかによって誘起された電流の第２高調波成分の符号が異なることを用いて、磁極を判別する。磁極判別部５３０は、誘起された電流において注入周波数の第２高調波信号の符号を判断し、回転子の初期位置の磁極を判別する。
【００５７】
磁極判別部５３０は、図８に示すように、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５３１、乗算部５３２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５３３、決定部５３４、提供部５３５及び乗算部５３６を含んでもよい。バンドパスフィルタ５３１の中心周波数は、
2018148778.tif 000056
であり、推定回転子座標系のｄ軸電流の第２高調波を抽出するために用いられる。乗算部５３２は、ｄ軸電流の第２高調波成分の大きさを抽出するために、バンドパスフィルタ５３１の出力と
2018148778.tif 000057
の乗算を行う。ローパスフィルタ５３３は、乗算部５３２の出力の低周波帯域の信号を通過させるが、これは下記数式１１で表される。回転子の電気的位置が回転子座標系のｄ軸にある場合は、
2018148778.tif 000058
が負（−）となり、−ｄ軸にある場合は、
2018148778.tif 000059
が正（＋）となる。
【００５８】
【数１１】
2018148778.tif 000060
【００５９】
決定部５３４は、
2018148778.tif 000061
の符号に応じて、
2018148778.tif 000062
が負（−）の場合は０ｒａｄを出力し、
2018148778.tif 000063
が正（＋）の場合はπｒａｄを出力する。提供部５３５は、所定時間後に１となるデルタ関数を提供し、乗算部５３６は、決定部５３４の出力と提供部５３５の出力を乗算する。つまり、乗算部５３６は、所定時間後、磁極判別情報を提供する。
【００６０】
第１加算部５４０は、位置推定部５２０により推定された回転子の電気的位置に磁極判別部５３０から出力された磁極判別情報を加算し、回転子の初期位置を出力する。
2018148778.tif 000064
が負の場合、回転子の初期位置が回転子座標系のｄ軸にあるので、第１加算部５４０は、電気的位置を修正せずに初期位置として出力する。
2018148778.tif 000065
が正の場合、回転子の初期位置が回転子座標系の−ｄ軸にあるので、第１加算部５４０は、電気的位置にπを加算して初期位置として出力する。これは、下記数式１２で表される。ここで、
2018148778.tif 000066
は位置推定部５２０により推定された回転子の電気的位置である。
【００６１】
【数１２】
2018148778.tif 000067
【００６２】
図９は第２実施形態において高周波信号生成部が生成する電圧の形態の一例を示す図である。図１０は第２実施形態による初期位置推定装置を説明するための構成図であり、図１の初期位置推定部を示し、以下では「初期位置推定装置」という。図１１は図１０の信号処理部の詳細構成図である。図１２は図１０の磁極判別部が磁極を判別する原理を説明するための図である。図１３は図１０の磁極判別部の詳細構成図である。
【００６３】
第２実施形態によれば、高周波信号生成部１により生成される高周波電圧は矩形波電圧であり、高周波信号生成部１から出力される高周波電圧指令は下記数式１３で表される。
【００６４】
【数１３】
2018148778.tif 000068
【００６５】
ここで、
2018148778.tif 000069
は注入電圧の大きさを示す。
【００６６】
図１０を参照すると、初期位置推定装置５は、第１遅延部５１ａ、第２遅延部５１ｂ、第１演算部５２ａ、第２演算部５２ｂ、信号処理部５３、位置推定部５４、磁極判別部５５及び第１加算部５６を含んでもよい。
【００６７】
第１遅延部５１ａは、推定回転子座標系の高周波ｑ軸電流
2018148778.tif 000070
を１サンプリング区間だけ遅延させ、第２遅延部５１ｂは、推定回転子座標系の高周波ｄ軸電流
2018148778.tif 000071
を１サンプリング区間だけ遅延させる。
【００６８】
第１演算部５２ａは、現在推定されたｑ軸電流と１サンプリング区間だけ遅延したｑ軸電流の差を求め、第２演算部５２ｂは、現在推定されたｄ軸電流と１サンプリング区間だけ遅延したｄ軸電流の差を求める。現在の電流と１サンプリング区間だけ遅延した電流の差とは電流の変化量を意味し、推定回転子座標系のｄ軸及びｑ軸電流の変化量はそれぞれ
2018148778.tif 000072
及び
2018148778.tif 000073
で表される。矩形波の半周期の間誘起された推定回転子座標系のｄ軸及びｑ軸電流は下記数式１４で表される。電流の時間に対する微分演算子は、時間に対する電流の変化量を意味するので、サンプリング周期を
2018148778.tif 000074
とすると、推定回転子座標系のｄ軸及びｑ軸電流の変化量は下記数式１５で表される。
【００６９】
【数１４】
2018148778.tif 000075
【００７０】
【数１５】
2018148778.tif 000076
【００７１】
ここで、推定回転子座標系のｑ軸電流の変化量は、
2018148778.tif 000077
であり、角度誤差が小さいと仮定すると
2018148778.tif 000078
である。よって、回転子座標系のｑ軸電流の変化量から角度誤差成分を求めることができる。
【００７２】
図９に示すように、半周期毎に推定回転子座標系のｄ軸に注入される電圧の符号（sign）が変更されるので、ｑ軸電流の変化量を注入電圧の符号に関係なく維持するためには信号処理が必要である。電流測定の遅延を考慮すると、電流の変化量は電圧を注入してから２サンプリング区間後に生じる。
【００７３】
よって、信号処理部５３は、２サンプリング区間だけ遅延した注入電圧の符号を用いて信号処理を実現することができる。すなわち、信号処理部５３は、推定回転子座標系のｑ軸電流の変化量を用いて角度誤差成分を含む信号に変換することができる。信号処理部５３は、図１１に示すように、第３遅延部５３ａ、第１符号決定部５３ｂ及び第３演算部５３ｃを含んでもよい。第３遅延部５３ａは、推定回転子座標系のｄ軸電圧を２サンプリング区間だけ遅延させ、第１符号決定部５３ｂは、２サンプリング区間だけ遅延した推定回転子座標系のｄ軸電圧の符号を決定する。第３演算部５３ｃは、２サンプリング区間だけ遅延した推定回転子座標系の高周波ｄ軸電圧の符号と推定回転子座標系のｑ軸電流の変化量の乗算を行う。第３演算部５３ｃの出力とは、角度誤差成分を意味し、下記数式１６で表される。
【００７４】
【数１６】
2018148778.tif 000079
【００７５】
ここで、ｓｉｇｎ（  ）とは符号を求める関数を意味する。
【００７６】
位置推定部５４は、信号処理部５３により決定された角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定する。ここで、位置推定部５４は、図７の位置推定部５２０の構成と同一にしてもよい。位置推定部５４は、図７に示すように、第１適用部５２１、第２適用部５２２、第１積分部５２３、第２加算部５２４及び第２積分部５２５を含んでもよい。第１適用部５２１は、角度誤差成分
2018148778.tif 000080
に比例利得
2018148778.tif 000081
を適用し、第２適用部５２２は、角度誤差成分
2018148778.tif 000082
に積分利得
2018148778.tif 000083
を適用し、第１積分部５２３は、第２適用部５２２の出力を積分し、第２加算部５２４は、第１適用部５２１の出力と第１積分部５２３の出力を加算し、第２積分部５２５は、第２加算部５２４の出力を積分することにより、回転子の電気的位置を推定する。
【００７７】
磁極判別部５５は、永久磁石同期電動機６の履歴現象を用いて、回転子の初期位置の磁極を判別する。すなわち、磁極判別部５５は、回転子座標系のｄ軸と−ｄ軸を判別する。磁極判別部５５は、推定された回転子の初期位置がｄ軸の場合は０ｒａｄを出力し、−ｄ軸の場合はπｒａｄを出力する。履歴現象により、回転子の初期位置がｄ軸であるか、−ｄ軸であるかによって、電圧を印加したときに誘起される電流の形態が図１２に示すように異なる。これは、回転子の初期位置がｄ軸にある場合は、永久磁石による磁束鎖交が回転子から固定子側に生じ、−ｄ軸にある場合は、逆に生じるので、ｄ軸の場合が−ｄ軸の場合よりも磁気的に飽和するからである。このような飽和により、同じ電圧を印加したときに誘起される電流の大きさが異なるので、この現象を用いて磁極を判別することができる。磁極判別部５５は、上記数式１５により求められた推定回転子座標系のｄ軸電流の変化量の基本波成分を用いて磁極を判別することができる。
【００７８】
回転子の初期位置がｄ軸にあるので、飽和現象により、電流の変化量は正（＋）の電圧が印加されるとより大きくなる。従って、正負のピーク電流に差が生じる。電流の変化量の絶対値に相当する信号処理後のｄ軸電流の変化量
2018148778.tif 000084
も一定でなく、電流ピーク分の誤差が生じる。信号処理後のｄ軸電流の変化量
2018148778.tif 000085
は、履歴現象により誘起される電流だけでなく電流の変化量にも第２高調波が含まれるので、当該信号の絶対値に相当する信号処理後には基本波が含まれることを示す。
【００７９】
信号処理後のｄ軸電流の変化量
2018148778.tif 000086
と基本波に対応する注入高周波信号を乗算して基本波を抽出することができる。注入矩形波と信号処理後のｄ軸電流の変化量の積
2018148778.tif 000087
において、基本波は、正の場合と負の場合とで周期が同じであるが、飽和現象により信号処理後のｄ軸電流の変化量のピーク分だけ差が生じる。すなわち、当該信号を積分すると最大値と最小値の差分が累積されるので、当該積分信号は磁極の判別に用いることができる。
【００８０】
回転子の初期位置が回転子座標系のｄ軸にある場合、
2018148778.tif 000088
の積分信号は負（−）となり、回転子の初期位置が回転子座標系の−ｄ軸にある場合、
2018148778.tif 000089
の積分信号は正（＋）となる。このような結果に基づいて、信号処理後のｄ軸電流の変化量の基本波成分を用いて回転子の初期位置の磁極を判別することができる。磁極判別信号を
2018148778.tif 000090
と定義すると、
2018148778.tif 000091
は下記数式１７で表される。
【００８１】
【数１７】
2018148778.tif 000092
【００８２】
磁極判別部５５は、図１３に示すように、第４遅延部５５ａ、第２符号決定部５５ｂ、第４演算部５５ｃ、第５演算部５５ｄ、積分器５５ｅ、決定部５５ｆ、提供部５５ｇ及び第６演算部５５ｈを含んでもよい。第４遅延部５５ａは、推定回転子座標系のｄ軸電圧を２サンプリング区間だけ遅延させる。第２符号決定部５５ｂは、２サンプリング区間だけ遅延した推定回転子座標系のｄ軸電圧の符号を決定する。第４演算部５５ｃは、２サンプリング区間だけ遅延した推定回転子座標系のｄ軸電圧の符号と推定回転子座標系のｄ軸電流の変化量の乗算を行う。第５演算部５５ｄは、２サンプリング区間だけ遅延した推定回転子座標系のｄ軸電圧の符号と推定回転子座標系のｄ軸電流の変化量の積と、推定回転子座標系のｄ軸電圧を乗算して
2018148778.tif 000093
を演算する。積分器５５ｅは、
2018148778.tif 000094
を積分し、磁極判別信号
2018148778.tif 000095
を出力する。決定部５５ｆは、
2018148778.tif 000096
の符号に応じて、
2018148778.tif 000097
が負（−）の場合は０ｒａｄを出力し、
2018148778.tif 000098
が正（＋）の場合はπｒａｄを決定して出力する。提供部５５ｇは、所定時間後に１となるデルタ関数を提供し、第６演算部５５ｈは、デルタ関数と決定部５５ｆの出力を乗算し、所定時間後、磁極判別情報を出力する。
【００８３】
第１加算部５６は、位置推定部５４により推定された回転子の位置
2018148778.tif 000099
に磁極判別部５５から提供された推定された磁極の位置により決定される磁極判別情報を加算し、最終的に推定された回転子の初期位置を出力する。
2018148778.tif 000100
が負の場合、第１加算部５６は、位置推定部５４により推定された電気的位置を修正せずに初期位置として出力し、
2018148778.tif 000101
が正の場合、第１加算部５６は、位置推定部５４により推定された電気的位置にπを加算して初期位置として出力する。これは下記数式１８で表される。
【００８４】
【数１８】
2018148778.tif 000102
【００８５】
第２実施形態によれば、初期位置推定装置５が矩形波高周波電圧の注入時に推定回転子座標系のｄ軸電流の変化量の基本波成分を用いることにより、計算量を減らしながらも電動機の回転子の初期位置を正確に把握することができる。
【００８６】
様々な実施形態によれば、初期位置推定装置５は、推定回転子座標系においてｑ軸電流の変化量から角度誤差成分を出力する信号処理部５３と、前記角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定する位置推定部５４と、前記推定回転子座標系においてｄ軸電流の変化量とｄ軸電圧から決定される磁極判別信号の符号に応じて磁極判別情報を出力する磁極判別部５５と、前記電気的位置に前記磁極判別情報を加算し、前記回転子の初期位置を出力する第１加算部５６とを含む。
【００８７】
様々な実施形態によれば、磁極判別部５５は、前記ｄ軸電流の変化量の基本波成分を用いて、前記磁極判別信号を決定する。
【００８８】
様々な実施形態によれば、初期位置推定装置５は、前記ｑ軸電流を遅延させる第１遅延部５１ａと、前記ｄ軸電流を遅延させる第２遅延部５１ｂと、前記ｑ軸電流と前記遅延したｑ軸電流の差を演算し、前記ｑ軸電流の変化量を決定する第１演算部５２ａと、前記ｄ軸電流と前記遅延したｄ軸電流の差を演算し、前記ｄ軸電流の変化量を決定する第２演算部５２ｂとをさらに含む。
【００８９】
様々な実施形態によれば、第１遅延部５１ａは、前記ｑ軸電流を１サンプリング区間だけ遅延させ、第２遅延部５１ｂは、前記ｄ軸電流を１サンプリング区間だけ遅延させる。
【００９０】
様々な実施形態によれば、信号処理部５３は、前記ｄ軸電圧を遅延させ、前記遅延したｄ軸電圧の符号と前記ｑ軸電流の変化量を用いて、前記角度誤差成分を出力する。
【００９１】
様々な実施形態によれば、信号処理部５３は、前記ｄ軸電圧を前記予め定められたサンプリング区間だけ遅延させる第３遅延部５３ａと、前記遅延したｄ軸電圧の符号を決定する第１符号決定部５３ｂと、前記遅延したｄ軸電圧の符号と前記ｑ軸電流の変化量を乗算し、前記角度誤差成分を決定する第３演算部５３ｃとを含む。
【００９２】
様々な実施形態によれば、第３遅延部５３ａは、前記ｄ軸電圧を２サンプリング区間だけ遅延させる。
【００９３】
様々な実施形態によれば、位置推定部５４は、前記角度誤差成分に比例利得を適用する第１適用部５２１と、前記角度誤差成分に積分利得を適用する第２適用部５２２と、第２適用部５２２の出力を積分する第１積分部５２３と、第１適用部５２１の出力と第１積分部５２３の出力を加算する第２加算部５２４と、第２加算部５２４の出力を積分して前記電気的位置を決定する第２積分部５２５とを含む。
【００９４】
様々な実施形態によれば、前記磁極判別情報は、前記磁極判別信号の符号が正の場合、πであり、前記磁極判別信号の符号が負の場合、０である。
【００９５】
様々な実施形態によれば、磁極判別部５５は、前記ｄ軸電圧を遅延させる第４遅延部５５ａと、前記遅延したｄ軸電圧の符号を決定する第２符号決定部５５ｂと、前記遅延したｄ軸電圧の符号と前記ｄ軸電流の変化量を乗算する第４演算部５５ｃと、第４演算部５５ｃの出力と前記ｄ軸電圧を乗算する第５演算部５５ｄと、第５演算部５５ｄの出力を積分して前記磁極判別信号を出力する積分器５５ｅとを含む。
【００９６】
様々な実施形態によれば、磁極判別部５５は、前記磁極判別信号の符号が正の場合に第１角度を出力し、前記磁極判別信号の符号が負の場合に第２角度を出力する決定部５５ｆと、所定時間後に１となるデルタ関数を提供する提供部５５ｇと、前記デルタ関数と決定部５５ｆの出力を乗算し、前記磁極判別情報を出力する第６演算部５５ｈとをさらに含む。
【００９７】
様々な実施形態によれば、前記第１角度はπであり、前記第２角度は０である。
【００９８】
様々な実施形態によれば、第１加算部５６は、前記磁極判別信号の符号が正の場合、前記電気的位置にπを加算し、前記初期位置を決定する。
【００９９】
様々な実施形態によれば、第１加算部５６は、前記磁極判別信号の符号が負の場合、前記電気的位置を前記初期位置として決定する。
【０１００】
様々な実施形態によれば、第４遅延部５５ａは、前記ｄ軸電圧を２サンプリング区間だけ遅延させる。
【０１０１】
様々な実施形態によれば、初期位置推定装置の動作方法は、推定回転子座標系においてｑ軸電流の変化量から角度誤差成分を決定する動作と、前記角度誤差成分から回転子の電気的位置を推定する動作と、前記推定回転子座標系においてｄ軸電流の変化量とｄ軸電圧から決定される磁極判別信号の符号に応じて磁極判別情報を決定する動作と、前記電気的位置に前記磁極判別情報を加算し、前記回転子の初期位置を決定する動作とを含む。
【０１０２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらは例示的なものであり、当該技術分野における通常の知識を有する者であればこれらから様々な変形及び均等な実施形態が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の権利範囲は添付の特許請求の範囲により定められるべきである。
【符号の説明】
【０１０３】
５      初期位置推定装置
５１ａ  第１遅延部
５１ｂ  第２遅延部
５２ａ  第１演算部
５２ｂ  第２演算部
５２１  第１適用部
５２２  第２適用部
５２３  第１積分部
５２４  第２加算部
５２５  第２積分部
５３    信号処理部
５３ａ  第３遅延部
５３ｂ  第１符号決定部
５３ｃ  第３演算部
５４    位置推定部
５５    磁極判別部
５５ａ  第４遅延部
５５ｂ  第２符号決定部
５５ｃ  第４演算部
５５ｄ  第５演算部
５５ｅ  積分器
５５ｆ  決定部
５５ｇ  提供部
５５ｈ  第６演算部
５６    第１加算部
【図１】
2018148778.tif 000103
【図２】
2018148778.tif 000104
【図３】
2018148778.tif 000105
【図４】
2018148778.tif 000106
【図５】
2018148778.tif 000107
【図６】
2018148778.tif 000108
【図７】
2018148778.tif 000109
【図８】
2018148778.tif 000110
【図９】
2018148778.tif 000111
【図１０】
2018148778.tif 000112
【図１１】
2018148778.tif 000113
【図１２】
2018148778.tif 000114
【図１３】
2018148778.tif 000115