(57)【要約】  変調波（αｕ，αｖ，αｗ）を生成する変調波生成部（６）、搬送波（Ｃａ）を生成する搬送波生成部（５）、搬送波（Ｃａ）と変調波（αｕ，αｖ，αｗ）とを比較することでスイッチング信号（ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗ）を生成するスイッチング信号生成部（７）およびスイッチング信号（ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗ）に基づいてスイッチング動作を行うスイッチング素子を有する電力変換部（２）を備える。搬送波生成部（５）は、前記位置推定用電圧指令の周波数とは独立して、搬送波（Ｃａ）の周波数を可変する。
2016129125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機を駆動する電動機駆動装置であって、  変調波を出力する変調波生成部と、  搬送波を出力する搬送波生成部と、  前記搬送波と前記変調波とを比較することでスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、  前記スイッチング信号によって動作するスイッチング素子を有し、前記同期電動機に電力を供給する電力変換部と  を備え、  前記電力変換部は、基本波よりも周波数の高い位置推定用電圧を前記同期電動機に印加することで前記同期電動機の磁極位置を推定する高周波重畳センサレスモードを有し、  前記変調波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおいて、基本波と前記基本波よりも周波数の高い位置推定用電圧指令とを生成し、前記基本波に前位置推定用電圧指令が重畳された信号を前記変調波として出力し、  前記搬送波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおいて、前記位置推定用電圧指令とは独立して、前記搬送波の周波数を可変する、  ことを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
前記電力変換部は前記同期電動機の誘起電圧から前記同期電動機の磁極位置を推定する誘起電圧利用センサレスモードを有し、  前記搬送波生成部は、前記誘起電圧利用センサレスモードにおいても、前記搬送波の周波数を可変することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記搬送波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最大値と前記誘起電圧利用センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最大値とが同一で、前記高周波重畳センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最小値と前記誘起電圧利用センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最小値とが同一となるように、前記搬送波の周波数を可変することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記搬送波生成部は、前記搬送波の周波数をランダムに可変することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記位置推定用電圧指令は、ＵＶＷ座標系の信号線に加算される構成であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記位置推定用電圧指令は、ｄｑ座標系の信号線に加算される構成であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記位置推定用電圧指令の周波数は、搬送波周波数の１／３以下であることを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記位置推定用電圧指令の周波数は、搬送波周波数の１／２以下であることを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
前記搬送波周波数は、１ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１０】
前記搬送波周波数は、１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１１】
前記位置推定用電圧指令の周波数が単一周波数であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１２】
前記電力変換部に具備されるスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項１０に記載の電動機駆動装置。
【請求項１３】
請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置と、  前記電動機駆動装置を構成する前記電力変換部への入力電力を生成する入力回路と、  前記電力変換部によって駆動される同期電動機と、  を備えたことを特徴とする車両駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、同期電動機の駆動制御を行う電動機駆動装置および、当該電動機駆動装置を鉄道車両に搭載した車両駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  同期電動機の回転動作を精度良く制御するためには、同期電動機の回転子磁極位置情報と、同期電動機に流れる電流情報とが必要である。従来の一般的な同期電動機では、回転位置センサを同期電動機に別途取付けることにより回転子磁極位置情報を得ている。しかしながら、回転位置センサを別途設けるのは、コスト削減、省スペース、信頼性の向上といった観点からデメリットが大きいため、最近では、回転位置センサを別途設けない構成、すなわち回転位置センサのセンサレス化の要求が大きくなっている。【０００３】  同期電動機における回転位置センサのセンサレス化のための制御手法として、主に同期電動機の誘起電圧より同期電動機の回転子磁極位置を推定する手法と、同期電動機の突極性、別言すればインダクタンスの位置依存性を利用して同期電動機の回転子磁極位置を推定する手法とがある。【０００４】  ここで、前者の手法は、誘起電圧の大きさが同期電動機の速度に比例するという特徴を利用する手法であるが、誘起電圧の大きさは、零速または低速域では小さくなってＳ／Ｎ比が劣化するので、同期電動機の回転子磁極位置を精度良く推定することが困難になる。【０００５】  一方、後者の突極性を利用した手法は、同期電動機の駆動周波数とは異なり、且つ、駆動周波数よりも高周波の位置推定用電圧指令を同期電動機に印加し、位置推定用電圧指令に応じて同期電動機に流れる同期電動機電流を検出し、同期電動機電流の大きさが突極性により回転子磁極位置に依存して変化することを利用して位置推定を行うものである。【０００６】  上記の説明のように、突極性を利用する場合には、同期電動機の回転子磁極位置を推定するための位置推定用電圧指令を同期電動機に注入しなければならないものの、同期電動機の回転速度に依存せずに回転子磁極位置を推定できるメリットがある。このため、特に零速または低速域においては突極性を利用した位置センサレス制御法が用いられる。【０００７】  ところが、このような突極性を利用した位置センサレス制御法は、同期電動機に高周波の位置推定用電圧指令を印加する必要があるため、これに伴って騒音が発生し、人間に不快感を与える。【０００８】  そこで、同期電動機に位置推定用電圧指令を印加するのに伴って発生する騒音による不快感を低減するための対策として、既に、同期電動機に印加する位置推定用電圧指令の振幅を小さくすることで同期電動機から発生する騒音の大きさ自体を低減する手法および、騒音の音質を改善する手法などが提案されている。【０００９】  前者の同期電動機に印加する位置推定用電圧指令の振幅を小さくすることで、同期電動機から発生する騒音の大きさ自体を減らす手法は、位置推定用電圧指令の振幅が小さくなるため、同期電動機の回転子磁極位置を精度良く推定することが難しくなる。【００１０】  一方、後者の騒音の音質を改善する手法としては、例えば、下記の特許文献１に記載されている手法がある。特許文献１に記載されている手法では、人間に聞こえる音のうち、特定周波数成分が際立つと人間はその音を不快に感じるという特徴があるので、同期電動機に印加する位置推定用電圧指令の周波数を故意にランダムに変化させて特定周波数成分の音が際立たないようにし、これによって人間が感じる不快感を低減するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−３４３８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】  しかしながら、特許文献１に記載のように、特定周波数成分の音が際立たないように、位置推定用電圧指令の周波数成分をランダムに変化させると、これに伴って同期電動機の回転子磁極位置を推定する上で必要な電流の周波数もランダムとなる。そのため、同期電動機電流から回転子磁極位置の推定に必要な電流を検出することが困難になり、その結果、位置推定精度が悪化し、位置推定ができなくなる可能性が認められる。【００１３】  本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、回転子磁極位置を精度良く推定することができ、また、位置推定用電圧指令を同期電動機に印加するのに伴う騒音発生によって生じる不快感を有効に低減することができる電動機駆動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】
【００１４】  上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、同期電動機を駆動する電動機駆動装置であって、変調波を出力する変調波生成部と、搬送波を出力する搬送波生成部と、前記搬送波と前記変調波とを比較することでスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、前記スイッチング信号によって動作するスイッチング素子を有し、前記同期電動機に電力を供給する電力変換部と、を備え、前記電力変換部は、基本波よりも周波数の高い位置推定用電圧を前記同期電動機に印加することで前記同期電動機の磁極位置を推定する高周波重畳センサレスモードを有し、前記変調波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおいて、基本波と前記基本波よりも周波数の高い位置推定用電圧指令とを生成し、前記基本波に前位置推定用電圧指令が重畳された信号を前記変調波として出力し、前記搬送波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおいて、前記位置推定用電圧指令とは独立して、前記搬送波の周波数を可変する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】  本発明によれば、回転子磁極位置を精度良く推定することができ、位置推定用電圧指令を同期電動機に印加するのに伴う騒音発生によって生じる不快感を有効に低減することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１に係る電動機駆動装置の構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１に係る位置推定部の具体的な構成の一例を示すブロック図
【図３】図２に示す各電流振幅演算器で得られる位置推定用電流振幅の波形図
【図４】図２に示す位置演算器の動作説明に供する図
【図５】図１に示す変調波生成部の具体的な構成の一例を示す図
【図６】図５に示す位置推定用電圧生成部が生成する位置推定用電圧指令の波形図
【図７】図６とは異なる位置推定用電圧指令の波形図
【図８】図１に示す搬送波生成部の具体的な構成を示す図
【図９】変調波生成部の変形例を示すブロック図
【図１０】ラウドネス曲線の一例を示す図
【図１１】ランダム変調の有無に応じた同期電動機駆動音の周波数解析結果を示すグラフ
【図１２】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝７５０［Ｈｚ］、位置推定用電圧指令なし）
【図１３】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝７５０［Ｈｚ］、ＷＨ＝２５０［Ｈｚ］）
【図１４】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝７５０［Ｈｚ］、ＷＨ＝１６６［Ｈｚ］）
【図１５】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝１０００［Ｈｚ］、ＷＨ＝１６６［Ｈｚ］）
【図１６】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝７５０［Ｈｚ］、位置推定用電圧指令なし、ランダム変調）
【図１７】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝７５０［Ｈｚ］、ＷＨ＝２５０［Ｈｚ］、ランダム変調）
【図１８】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝７５０［Ｈｚ］、ＷＨ＝１６６［Ｈｚ］、ランダム変調）
【図１９】騒音スペクトルの解析結果を示すグラフ（ＦＣ＝１０００［Ｈｚ］、ＷＨ＝１６６［Ｈｚ］、ランダム変調）
【図２０】実施の形態２の電動機駆動装置を用いて同期電動機を加速させた際の動作を説明する図
【図２１】実施の形態３に係る車両駆動システムの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１７】  以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る同期電動機の駆動装置（以下「電動機駆動装置」と称する）について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下において、基本波に基本波よりも周波数の高い位置推定用電圧を重畳した電圧を同期電動機に印加することで同期電動機の磁極位置を推定し同期電動機を駆動する制御方法を「高周波重畳センサレス制御」と称し、後述する電力変換部が高周波重畳センサレス制御によって動作する状態を「高周波重畳センサレスモード」と称する。さらに、同期電動機に発生する誘起電圧を利用して同期電動機の磁極位置を推定し同期電動機を駆動する制御方法を「誘起電圧利用センサレス制御」と称し、電力変換部が誘起電圧利用センサレス制御によって動作する状態を「誘起電圧利用センサレスモード」と称する。
【００１８】実施の形態１．  図１は、実施の形態１に係る電動機駆動装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１に係る電動機駆動装置１は、同期電動機５０を駆動するための構成として、電力変換部２、制御部３、電流検出器９ａ，９ｂおよび電圧検出器１０を有する構成である。電力変換部２は、直流電力源６０から供給される直流電力を可変電圧可変周波数の交流電力に変換して同期電動機５０に供給する機能を有する。制御部３は、搬送波生成部５、変調波生成部６、スイッチング信号生成部７および位置推定部８を有して構成される。
【００１９】  電圧検出器１０は、直流電力源６０が電力変換部２に印加する直流電圧ＥＦＣを検出する検出器である。直流電圧ＥＦＣは、例えば後述する変調波αｕ，αｖ，αｗの演算のために用いられる。電圧検出器１０が検出した直流電圧ＥＦＣは、変調波生成部６に入力される。電流検出器９ａ，９ｂは、電力変換部２から同期電動機５０に流れ込む３相電流のうちの２相分の電流を検出する検出器である。電流検出器９ａ，９ｂが検出した電流は、位置推定部８に入力される。
【００２０】  なお、図１では、Ｕ相に電流検出器９ａを配置し、Ｗ相に電流検出器９ｂを配置する構成であるが、電流検出器９ａ，９ｂをＵ相およびＶ相に配置してもよいし、Ｖ相およびＷ相に配置してもよい。また、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の全てに電流検出器を配置し、３相分の電流を検出してもよい。
【００２１】  電力変換部２における上記の電力変換動作は、スイッチング信号生成部７により生成されたスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗにより、電力変換部２を構成する複数の半導体スイッチ素子を駆動することで行われる。なお、電力変換部２の細部構成は、後述する図２１を参照されたい。
【００２２】  搬送波生成部５は、三角波を基本とし、変調波の基本波よりも周波数の高い搬送波（「キャリア」ともいう）Ｃａを生成する。搬送波Ｃａの周波数は、基本的に電力変換部２のスイッチング周波数となる。
【００２３】  なお、一般的な搬送波の周波数範囲は、適用される用途で使用される電力変換部の電力容量によって使用できる周波数範囲が制限される場合があり、例えば、電気鉄道用途では５００Ｈｚから２０００Ｈｚ程度、電気自動車用途では５０００Ｈｚから２００００Ｈｚ程度である。本実施の形態では、搬送波の周波数範囲を５００Ｈｚから２０００Ｈｚとする。
【００２４】  変調波生成部６は、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、変調率ＰＭＦおよび、位置推定部８が推定した同期電動機の推定位相角θｅに基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の変調波の基本波を生成する。そして、高周波重畳センサレス制御においては、基本波周波数よりも高い周波数の信号（位置推定用電圧指令とも呼ぶ）を各相の基本波に重畳された信号をＵ相，Ｖ相，Ｗ相の変調波αｕ，αｖ，αｗとして生成する。
【００２５】  なお、一般的な位置推定用電圧指令の周波数範囲は、後述するような制約条件があるが、例えば、電気鉄道用途では数１００Ｈｚから５００Ｈｚ程度、一般産業用用途でも１０００Ｈｚ以下である。本実施の形態では、位置推定用電圧指令の周波数範囲を１００Ｈｚから５００Ｈｚとする。
【００２６】  変調波生成部６によって生成される変調波αｕ，αｖ，αｗおよび搬送波生成部５によって生成される搬送波Ｃａは、スイッチング信号生成部７に入力される。スイッチング信号生成部７は、時々刻々変化する変調波αｕ，αｖ，αｗの信号値と搬送波Ｃａの信号値とを比較し、各信号値間の大小関係に基づいて、スイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗを生成するＰＷＭ変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下「ＰＷＭ変調」と表記）が行われる。
【００２７】  ここで、スイッチング信号の一例について説明する。電力変換部２が２レベルインバータである場合、電力変換部２に出力するスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗとして、変調波αｕ，αｖ，αｗと搬送波Ｃａの大小関係に応じた以下の信号が生成される。なお、電力変換部２に印加される直流電圧を直流電圧入力とする。
【００２８】  （ａ）変調波＞搬送波である期間  直流電圧入力の上位側電位を選択する信号  （ｂ）変調波＜搬送波である期間  直流電圧入力の下位側電位を選択する信号
【００２９】  スイッチング信号生成部７が生成したスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗは、電力変換部２に入力される。電力変換部２では、前述のスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗに基づきＰＷＭ変調が行われ、直流電力が３相交流電力に変換されて同期電動機５０が駆動される。
【００３０】  なお、上記制御部３の処理は記憶部（図１には図示していない）に記憶されたプログラムを実行することにより実現される。ここで記憶部は電動機７の電気回路定数や制御に必要なパラメータ、上記の処理を記述したプログラムなどが記憶されたメモリーにより構成される。制御部３はマイコン（マイクロコンピュータ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓоｒ）、ＦＰＧＡなどのハードウェア回路に論理構成されたプロセッサにより構成される。また、複数の制御部および複数の記憶部が連携して上記機能を実行してもよい。
【００３１】  つぎに、同期電動機５０の特性について説明する。同期電動機５０には、回転子磁極位置に応じてインダクタンスが変化する特性、いわゆる突極性がある。後に詳述するが、変調波生成部６内にある位置推定用電圧生成部から出力される三相交流の位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈが重畳された電圧指令Ｖｕｐ＊，Ｖｖｐ＊，Ｖｗｐ＊によって電力変換部２が制御されると、電流検出器９ａ，９ｂの検出電流によって算出される同期電動機電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗには、上記の位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈと同じ周波数成分の電流（以下「位置推定用電流」という）ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈが含まれる。すなわち、これらの位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈの振幅には、同期電動機５０の回転子磁極位置に応じて変化する成分が含まれることになる。
【００３２】  同期電動機５０には、上記のような性質があるため、この性質を利用して、回転子磁極位置を求めることが行われる。なお、位置推定用電圧指令を駆動用の電圧指令に重畳して回転子磁極位置を求める手法は、回転子磁極位置を直接求めるセンサを使用しないことと、位置推定用電圧指令が基本周波数より高いことから、一般的に「高周波重畳センサレス制御」と称されている。
【００３３】  図２は、実施の形態１に係る位置推定部８の具体的な構成の一例を示すブロック図である。位置推定部８は、図２に示すように、加算器１６、位置推定用電流抽出器１７ｕ，１７ｖ，１７ｗ、電流振幅演算器１８ｕ，１８ｖ，１８ｗおよび位置演算器１９を備えて構成される。
【００３４】  三相の同期電動機電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗのうち、電流検出器９ａ，９ｂより検出したＵ相とＷ相の各同期電動機電流ｉｕ，ｉｗと、電流検出器９ａ，９ｂでは検出していないＶ相の同期電動機電流ｉｖとの間には、下記の（１）式の関係があるので、加算器１６でＵ相、Ｗ相の各同期電動機電流ｉｕ，ｉｗを加算することにより、Ｖ相同期電動機電流ｉｖを求める。なお、当然のことながら、三相分の同期電動機電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを同時に検出する電流検出器を設けている場合には、Ｖ相同期電動機電流ｉｖを求める必要は無い。
【００３５】
【数１】
2016129125.tif 000003
【００３６】  そして、上記のようにして検出される各同期電動機電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを、それぞれ個別に設けられた位置推定用電流抽出器１７ｕ，１７ｖ，１７ｗに入力して位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈと同一の周波数成分の位置推定用電流ｉｕｈ、ｉｖｈ、ｉｗｈを抽出する。この場合の各位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈの抽出は、バンドパスフィルタやノッチフィルタなどを利用して行う。ここで、前記バンドパスフィルタやノッチフィルタなどの設計には変調波生成部が重畳した位置推定用電圧指令と同一の周波数成分が抽出できるように設計する必要がある。
【００３７】  各位置推定用電流抽出器１７ｕ，１７ｖ，１７ｗで抽出された各位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈを、それぞれ個別に設けられた各電流振幅演算器１８ｕ，１８ｖ，１８ｗに入力して位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈの振幅値である各位置推定用電流振幅Ｉｕｈ，Ｉｖｈ，Ｉｗｈを演算する。
【００３８】  この場合の各位置推定用電流振幅Ｉｕｈ，Ｉｖｈ，Ｉｗｈの演算手法には、格別の制約はないが、例えばフーリエ変換を行ったり、あるいは下記の（２）式に基づいて位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈを二乗した自己相関値に基づいて振幅を求めたりすることができる。ここでも、フーリエ変換や下記の（２）式に基づいた演算では変調波生成部が重畳した位置推定用電圧指令と同一の周波数情報（例えば、（２）式ではＴｎ：位置推定用電流の周期）に基づき演算する必要がある。
【００３９】
【数２】
2016129125.tif 000004
【００４０】  次いで、位置演算器１９は、各々の電流振幅演算器１８ｕ，１８ｖ，１８ｗにより求めた位置推定用電流振幅Ｉｕｈ、Ｉｖｈ、Ｉｗｈに基づいて同期電動機５０の推定位相角θｅを演算する。以下、その手法について詳述する。なお、位置演算器１９は、以下に記す手法に限定されるものではなく、位置推定用電流振幅Ｉｕｈ、Ｉｖｈ、Ｉｗｈに基づいて推定位相角θｅを演算するものであれば、それ以外のどのような手法を適用してもよい。
【００４１】  電流振幅演算器１８ｕ，１８ｖ，１８ｗで得られる位置推定用電流振幅Ｉｕｈ，Ｉｖｈ，Ｉｗｈには、図３に示すようにオフセットＩｈが重畳しており、同期電動機５０の位置（電気角）の１／２の周期で変化する。
【００４２】  そこで、位置演算器１９においては、まず下記（３）式のように、各位置推定用電流振幅Ｉｕｈ，Ｉｖｈ，ＩｗｈからオフセットＩｈを減算して各位置演算信号ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗを算出する。
【００４３】
【数３】
2016129125.tif 000005
【００４４】  なお、オフセットＩｈは、各位置推定用電流振幅Ｉｕｈ，Ｉｖｈ，Ｉｗｈが三相平衡となることから、下記（４）式より求めることができる。
【００４５】
【数４】
2016129125.tif 000006
【００４６】  ここで、同期電動機５０における推定位相角θｅは、（３）式で示される各位置演算信号ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗのうちの何れか１つの信号を逆余弦演算することにより算出可能であるが、逆余弦演算するための演算が必要であり、また、逆余弦関数を予め記憶しておく必要もあり、演算量および記憶容量の増加につながるために得策でない。そこで、実施の形態１では、逆余弦関数を用いることなく、直線近似を利用して同期電動機５０の推定位相角θｅを演算する手法を採用する。以下、この手法について説明する。
【００４７】  位置演算器１９において、（３）式より得られる各位置演算信号ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗの相対関係から、図４に示すように、各区間の中心位置θＭが、次の（５）式で与えられる値となるような６つの区間（Ｉ〜ＶＩ）に分ける。
【００４８】
【数５】
2016129125.tif 000007
【００４９】  各区間（Ｉ〜ＶＩ）において、各位置演算信号ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗのうち、各区間の中心でゼロクロスするものは、“ｓｉｎ”、“−ｓｉｎ”の関数となるが、これらの“ｓｉｎ”、“−ｓｉｎ”の関数を直線とみなして直線近似し、次の（６）式に基づいて各区間（Ｉ〜ＶＩ）の中心位置θＭと同期電動機５０の推定位相角θｅ（≒同期電動機５０の位相角θ）との偏差ΔθＭＬを求める。
【００５０】
【数６】
2016129125.tif 000008
【００５１】  ここで、（６）式のｄＩ_ｕｖｗは、各位置演算信号ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗのうち、各区間（Ｉ〜ＶＩ）の中心位置θＭでゼロクロスするときの縦軸の値である。また、Ｉｈａは位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈの同期電動機位置による変化量であるので、（Ｉｈａ／２）は位置演算信号ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗの振幅となる。
【００５２】  なお、（Ｉｈａ／２）は、次の（７）式のように、ｄＩｕ，ｄＩｖ，ｄＩｗの二乗和の平方根より求めてもよい。
【００５３】
【数７】
2016129125.tif 000009
【００５４】  そして、次の（８）式に示すように、（６）式より求めた偏差ΔθＭＬと中心位置θＭとを加算して同期電動機５０の推定位相角θｅを求めることができる。
【００５５】
【数８】
2016129125.tif 000010
【００５６】  図５は、図１に示す変調波生成部６の具体的な構成を示すブロック図である。変調波生成部６は、図５に示すように、座標変換部２２、位置推定用電圧生成部２３、加算器２５ｕ，２５ｖ，２５ｗおよび変調波演算部２６を有して構成される。
【００５７】  座標変換部２２には、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊および、位置推定部８が推定した推定位相角θｅが入力される。座標変換部２２は、推定位相角θｅに従って、ｄｑ座標での駆動電圧指令であるｄ軸電圧指令Ｖｄ＊およびｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を、三相交流座標での駆動電圧指令であるＵ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令Ｖｗ＊に変換する。以下、Ｕ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令Ｖｗ＊を総称して表現する場合には、「駆動電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊」と表記する。
【００５８】  座標変換部２２から出力されるＵ相電圧指令Ｖｕ＊、Ｖ相電圧指令Ｖｖ＊およびＷ相電圧指令Ｖｗ＊と、位置推定用電圧生成部２３から出力される位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈとは、加算器２５ｕ，２５ｖ，２５ｗでそれぞれ加算され、新たな電圧指令Ｖｕｐ＊，Ｖｖｐ＊，Ｖｗｐ＊として変調波演算部２６に出力される。
【００５９】  したがって、変調波演算部２６に入力される新たな電圧指令Ｖｕｐ＊，Ｖｖｐ＊，Ｖｗｐ＊には、本来の駆動電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に対して、位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈが重畳される。なお、位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈについては、後述する。
【００６０】  位置推定用電圧生成部２３は、同期電動機５０の回転子磁極位置を推定するために、座標変換部２２が出力する駆動電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊とは周波数が異なる位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈを発生する。これら位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈは、駆動電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と周波数が異なるものであればどのようなものでもよいが、実施の形態１で説明した位置推定部８の構成では三相の平衡した交流の位置推定用電圧指令である必要がある。
【００６１】  これら三相交流の位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの一例を、図６に示す。図６において、各三相交流位置推定用電圧指令の信号は、電力変換部２が三角波比較のＰＷＭインバータの場合（搬送波Ｃａが三角波の場合）、この三角波比較のＰＷＭインバータでＰＷＭ変調する際に用いられる三角波の半周期Ｔｃを１区間としたとき、ＰＷＭインバータではこの半周期Ｔｃの間に１回しか出力電圧が変化しないため、三相交流を生成するために６区間（＝６・Ｔｃ）で１周期となるような周期Ｔｎを有する信号となる。また、これらの各位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈを三相平衡とするために、各相相互に２区間（＝２・Ｔｃ）ずらせて設定される。このように、位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈを三相交流電圧とすることにより、図６に示すようなパターン化が容易となり、位置推定用電圧生成部２３の構成を簡素化することができる。
【００６２】  なお、以上の説明よりＰＷＭインバータの特性から三相交流の位置推定用電圧指令の周波数は搬送波Ｃａの周波数の１／３以下にする方が望ましいことが分かる。また、図６に図示しているように三角波の山谷に同期した矩形波でなくてもよく、図７に示すような正弦波状の電圧指令値としてもよいし、また、三角波に対して波形の位相関係が非同期に設定してもよい。したがって、本実施の形態１では位置推定用電圧生成部２３と搬送波生成部５は独立して構成しており、これにより位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの周波数と搬送波Ｃａの周波数をそれぞれ独立して設定する。
【００６３】  変調波演算部２６は入力された電圧指令Ｖｕｐ＊，Ｖｖｐ＊，Ｖｗｐ＊と直流電圧ＥＦＣから直流電圧ＥＦＣで規格化された変調波αｕ，αｖ，αｗを演算し、スイッチング信号生成部７へ出力する。なお、本実施の形態１の構成では、位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈは駆動電圧指令の信号線に加算されるため単位は「[Ｖ]：ボルト」であるが、直流電圧ＥＦＣで規格化された変調波と同じ単位で生成し、変調波αｕ，αｖ，αｗの信号線に加算する構成になるようにしてもよい。
【００６４】  位置推定用電圧生成部２３から位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈを電力変換部２により同期電動機５０へ印加すると、これに伴って同期電動機５０から騒音が発生し、当該騒音によって人間が不快を感じる。そこで、実施の形態１では、位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈに起因する不快な騒音を低減するため、搬送波生成部５に工夫を凝らす。
【００６５】  図８は、図１に示す搬送波生成部５の具体的な構成を示す図である。搬送波生成部５は、図８に示すように、乱数生成部３１および三角波生成部３２を有して構成される。図６では、搬送波の周波数が固定の場合を例示したが、実施の形態１に係る電動機駆動装置の特徴は、搬送波の周波数をランダムに可変することにある。図８において、乱数生成部３１は、内部に乱数発生機能を具備しており、発生する乱数に応じた搬送波周波数の情報もしくは信号が三角波生成部３２に出力されるように構成される。三角波生成部３２は、乱数生成部３１が生成した搬送波周波数の情報もしくは信号に応じて、生成する三角波の周期または周波数を変更する。なお、三角波生成部３２が生成した三角波は搬送波Ｃａとしてスイッチング信号生成部７に入力されることは前述の通りである。また、以後の動作も前述の通りであり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００６６】  なお、搬送波生成部５での処理において、搬送波周波数は、時間の経過と共に連続的あるいは離散的に変化させてもよいし、非連続的に変化させてもよい。また、搬送波周波数は、周期的に変化させてもよいし、時間とは無関係なパラメータに応じて変化させてもよい。
【００６７】  図９は、図５とは異なる変調波生成部６Ａの構成を示すブロック図である。図５では、フィルタ２４を介した位置推定用電圧生成部２３の出力を座標変換部２２の出力、すなわちＵＶＷ座標系の信号線に加算する構成であった。一方、図９に示すように、位置推定用電圧生成部２３Ａの出力を加算器２５ｑ，２５ｄによって、座標変換部２２Ａの入力、すなわちｄｑ座標系の信号線に加算する構成であってもよい。ｄｑ座標系の信号線に加算する構成の場合、図示のように、位置推定用電圧生成部２３Ａからは、ｄｑ座標系での位置推定用電圧指令Ｖｄｈ，Ｖｑｈが出力される。
【００６８】  なお、図９のようにｄｑ座標系の信号線に加算する構成の場合、位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈの周波数は搬送波Ｃａの周波数の１／２以下に設定するのが好ましい。また、ｄｑ座標系の信号線に加算する構成にしたことにより位置推定部８の処理が若干異なるものになるが、公知の方法（例えば、国際公開番号ＷＯ２０１３−１１１３８３号公報参照）で実現可能であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
【００６９】  つぎに、実施の形態１の手法による効果、すなわち搬送波周波数をランダムに可変する制御（以下、便宜的に「ランダム変調」という）による騒音低減の効果について説明する。
【００７０】  人間に聞こえる騒音のうち、騒音の周波数が単一周波数の場合と、複数の周波数成分を含む場合とでは、単一周波数の騒音の方が人間にとって不快に感じるという特性がある。そこで、実施の形態１では、ランダムに可変した搬送波を使用してスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗを生成する。
【００７１】  ランダムに可変した搬送波周波数に基づくスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗを使用して同期電動機５０を駆動すると、同期電動機５０から発生する騒音は、拡散された複数の周波数成分の騒音が混在することになる。いま、搬送波周波数をＦＣ、位置推定用電圧指令の周波数をＷＨ、基本波周波数をＦ１とし、ｎ，ｍ，ｋを任意の整数とすれば、位置推定用電圧指令の重畳によって発生する騒音源の周波数は、次の（９）式で表すことができる。
【００７２】  ｎ×ＦＣ±ｍ×ＷＨ±ｋ×Ｆ１        （９）
【００７３】  一方、搬送波周波数をランダムに可変すれば、上記（９）式の第１項がランダムに変化するので、第２項および第３項によるピーク、すなわち騒音の純音成分のピークを低減することができ、聴感を改善することができる。その結果、騒音の周波数成分が単一の場合よりも、人間が感じる不快感を低減することが可能となる。
【００７４】  つぎに、実施の形態１の手法による効果について、音感評価の観点から説明する。
【００７５】  図１０は、人の聴感特性の１つである純音に対する耳の周波数特性を示すラウドネス曲線の一例を示す図である。図１０では、横軸に純音の周波数［ｋＨｚ］をとり、縦軸には人の正常な両耳による最小可聴値を基準音圧とした音圧レベルのデシベル（ｄＢ）値を周波数ごとに補正した値を示しており、値が小さい程人の聴覚にとって敏感な周波数であることを示している。図１０に示す波形から理解できるように、人の聴感特性は、１〜６ｋＨｚの間が敏感である。また、特に２ｋＨｚ〜４ｋＨｚの間は、さらに敏感な領域である。さらに、低周波の音で感度が悪くなることがわかる。そのため、本実施の形態のように搬送波の周波数範囲を５００Ｈｚ〜２０００Ｈｚとした場合、搬送波周波数成分または搬送波周波数の低次高調波成分を中心に位置推定用電圧指令の周波数分だけずれた側帯波の周波数成分（以下「位置推定用電圧の側帯波成分」と称する）のピークが、人間の聴覚に敏感な１ｋＨｚ〜６ｋＨｚの周波数帯に含まれてしまい、人に不快感を与えてしまうおそれがあった。そこで、実施の形態１に係る電動機駆動装置では、純粋な位置推定用電圧の周波数成分ではなく、位置推定用電圧の側帯波成分に着目し騒音低減は図るものである。より具体的には、２から４ｋＨｚの間、より好ましくは１から６ｋＨｚの間に騒音スペクトルのピークが含まれないように搬送波周波数の変調を考慮する。
【００７６】  なお、ランダム変調した場合であっても、騒音のピーク周波数は搬送波周波数の２倍の位置に現れるため、ラウドネス曲線を考慮すると、搬送波周波数は１ｋＨｚ以下が好ましく、５００Ｈｚ以下であればより好ましい。しかしながら、位置推定用電圧指令の周波数は、搬送波周波数の１／３以下が好ましいことは前述でも説明したが、搬送波周波数が低すぎると変調波の基本波と位置推定用電圧指令の周波数が近くなり、互いに干渉するため望ましくない。例えば上記の干渉を考慮して、位置推定用電圧指令値の周波数は基本波周波数に対して数１０倍程度以上が好ましい。また、搬送波周波数が十分高く設定できる場合であっても、上述のように３相の位置推定用電流ｉｕｈ，ｉｖｈ，ｉｗｈを抽出する必要があるため、制御部３の処理能力である処理周波数（１秒間に制御部３の処理を実行できる回数に相当する）により位置推定用電圧指令の周波数を処理周波数の１／６以下が制約することが好ましい。例えば、制御部３の処理周波数が２０００Ｈｚであったとすると、その１／６である２０００／６＝３３３．３３・・・Ｈｚ以下に設定することが好ましい。
【００７７】  図１１は、ランダム変調の有無に応じた同期電動機駆動音の周波数解析結果を示したグラフであり、横軸には周波数［Ｈｚ］、縦軸には同期電動機駆動音［ｄＢ］を示している。図１１において、破線はランダム変調を行っていない場合の波形であるのに対し、実線はランダム変調を行っている場合の波形を示している。なお、ランダム変調を行っていない破線部の波形からも理解できるように、位置推定用電圧指令の周波数ＷＨは２５０Ｈｚであり、搬送波周波数ＦＣは７５０Ｈｚであるため、騒音の原因となる純音成分のピークが１２５０Ｈｚ・１５００Ｈｚ・１７５０Ｈｚ・２０００Ｈｚ・２２５０Ｈｚに表れている。なお、基本波周波数Ｆ１は１０Ｈｚ以下であり、基本波Ｆ１成分の音圧レベルが低いため騒音の原因となる純音成分のピークとして表れていない。これらの波形に示されるように、ランダム変調によって、騒音の原因となる純音成分のピークが低減されていることが理解できる。
【００７８】  図１２から図１９は、位置推定用電圧指令の有無およびランダム変調の有無をパラメータにした騒音スペクトルの解析結果を示すグラフである。図１２から図１９において、共通の諸元は以下の通りである。  ・搬送波周波数ＦＣ＝７５０または１０００［Ｈｚ］  ・位置推定用電圧指令の周波数ＷＨ＝１６６または２５０［Ｈｚ］
【００７９】  まず、ランダム変調を行わない場合、図１２に示されるように、搬送波周波数ＦＣ＝７５０Ｈｚの２倍の成分である１５００Ｈｚが大きい。１５００Ｈｚは、人の聴感特性の敏感な領域であるため、耳障りな騒音となって表れる。これに対し、ランダム変調を行った場合には、図１６に示されるように、周波数領域で拡散されており、純音成分となるピークは表れていない。同じ条件で比較を行った図１３と図１７、図１４と図１８、図１５と図１９をそれぞれ比較しても、同様な現象が現れている。
【００８０】  つぎに、位置推定用電圧指令の有無で比較すると、例えば図１２と図１３とを比較すると、位置推定用電圧指令がある場合には、搬送波周波数ＦＣ＝７５０Ｈｚの２倍の成分をピークとし、位置推定用電圧指令の周波数ＷＨ＝２５０Ｈｚの整数倍の成分が側波帯として表れている。図１３の例では、位置推定用電圧指令の周波数ＷＨと搬送波周波数ＦＣとが１：３の関係に設定されているため、２５０Ｈｚの整数倍成分が連続的に表れているが、図１４の例を見れば明らかなように、搬送波周波数ＦＣ＝７５０Ｈｚの整数倍成分を中心に、位置推定用電圧指令の周波数ＷＨ＝１６６Ｈｚの側波帯成分が前後に表れている。図１３および図１４の双方共に、人の聴感特性の敏感な領域に複数のピークが存在するため、図１２の例のような単一周波数成分のみの場合に比べて不快感は小さくなるが、騒音と感じることには変わりはない。
【００８１】  一方、位置推定用電圧指令がある場合にランダム変調を行った図１７から図１９の例を参照すると、何れの場合においても、位置推定用電圧指令の周波数成分を除いて、顕著なピーク成分は表れていない。なお、図１７から図１９の何れの例においても、位置推定用電圧指令の周波数成分がピークとなって表れるが、人の聴感特性の敏感な領域ではないため、騒音と感じることは殆どないと言える。
【００８２】  つぎに、従来技術との差異点について説明する。例えば、上記特許文献１では、同文献の［００３７］段落に記載のようの、位置推定用電圧指令の周波数は搬送波に同期している。一方、実施の形態１の手法では、搬送波生成部５は、重畳する位置推定用電圧指令には関係なく非同期で動作して、ＰＷＭ変調用の搬送波周波数を可変している点で大きく相違している。
【００８３】  特許文献１のように、位置推定用電圧指令の周波数を搬送波に同期させる場合には、位置推定用電流を抽出する際の処理（実施の形態１の構成であれば図２に示した位置推定用電流抽出器１７、電流振幅演算器１８が対応）を可変周波数に対応したものに置き換える必要があり、装置が複雑化し、コストも増加する。
【００８４】  一方、実施の形態１のように、位置推定用電圧指令の周波数は変更せずに、搬送波周波数をランダムに可変するランダム変調を行う手法を採用すれば、位置推定用電流抽出器１７の処理において、バンドパスフィルタなどの抽出周波数の設定が固定周波数（位置推定用電圧指令の周波数）であればよく、フィルタ構成を簡素化することができるので、装置が複雑化することを抑止し、コストの増加も抑制することができる。特に、位置推定用電圧指令の周波数を固定して単一周波数とすれば、位置推定用電圧指令のＳＮ比を劣化させることなく低騒音化を図ることができる。ただし、位置推定用電流抽出器１７のフィルタ特性が許容範囲内で、位置推定用電圧の周波数を可変することとしてもよく、位置推定用電流抽出器１７のフィルタ特性が許容範囲内であれば磁極位置の推定精度の低下を抑制することができる。
【００８５】  聴感的に３００Ｈｚ以下の音は聞き取りにくいため、数１００Ｈｚ程度の位置推定用電圧指令の周波数または振幅を可変操作するメリットは小さい。それよりも位置推定精度向上のために単一周波数を重畳し、信号の検出ＳＮ比を向上させた方がよい。また、位置推定用電圧指令の周波数を単一周波数とする手法は、騒音低減のために重畳する位置推定用電圧指令を可変操作する手法に比べて、高周波信号の抽出が容易であるため、演算負荷を軽減できるという効果も得られる。
【００８６】  なお、上記では、搬送波を三角波として説明したが、鋸波を使用してもよいし、三角波および鋸波の中間波形を使用してもよい。ランダム変調を適用する場合には、三角波、鋸波および、これらの中間波形における周波数をランダムに可変すればよい。もしくは、周波数は固定とし、三角波、鋸波および中間波形をランダムに切替えるようにしてもよい。三角波の上りの傾きと、下りの傾きをランダムに切り替える制御などがその一例である。また、搬送波周波数を一定の比率で増加又は減少させる構成や搬送波周波数を一定の比率で増減を繰り返すような構成としても構わない。ただし、騒音低減の観点からは搬送波周波数をランダムに可変することがより望ましい。
【００８７】  以上説明したように、実施の形態１に係る電動機駆動装置によれば、位置推定用電圧指令の周波数よりも高い周波数の搬送波を生成する際に、当該搬送波の周波数を位置推定用電圧指令の周波数とは独立して可変することとしたので、回転子磁極位置を精度よく推定することができ、また、位置推定用電圧指令を同期電動機に印加するのに伴う騒音発生によって生じる不快感を有効に低減することができる。
【００８８】実施の形態２．  実施の形態２では、実施の形態１で説明した「高周波重畳センサレス制御」と主に「誘起電圧利用センサレス制御」を併用して零速から高速まで可変速駆動できる電動機駆動装置について説明する。
【００８９】  図２０は、実施の形態２の電動機駆動装置を用いて同期電動機を加速させた際の動作を説明する図である。本実施の形態２では同期電動機の回転速度が所定の回転速度Ｓ１となった時間Ｔ１の時点において制御モードを「高周波重畳センサレス制御」から「誘起電圧利用センサレス制御」へ切替えてより高い回転速度まで同期電動機を駆動できるようにしている。
【００９０】  前述の実施の形態１で説明したように「高周波重畳センサレス制御」では図２０に図示するように位置推定用電圧を重畳するため高周波の騒音が発生するが、実施の形態１と同様に搬送波周波数を所望の搬送波周波数Ｈ１とＨ２の間でランダムに可変にするランダム変調を実施することで騒音低減を図っている。一方、位置推定用電圧を重畳する必要のない「誘起電圧利用センサレス制御」では搬送波周波数を単一としてもよいが、前述の図１２でも説明したように位置推定用電圧を重畳していなくても単一周波数の搬送波によりＰＷＭ変調することで騒音の原因となる純音成分のピークが発生していることが分かる。そこで、実施の形態２の電動機駆動装置では「誘起電圧利用センサレス制御」で同期電動機を駆動する場合においても図２０に示すように「高周波重畳センサレス制御」と同様にランダムに搬送波の周波数を可変する構成とする。このように構成することで「誘起電圧利用センサレス制御」で駆動する際の騒音は図１６に示すような騒音スペクトルとなり、騒音を低減することが可能となる。
【００９１】  この際、「高周波重畳センサレス制御」で駆動する特の搬送波の設定と同様の設定で行うことが望ましい。より詳細には、搬送波生成部が、高周波重畳センサレスモードにおける搬送波の周波数の最大値と誘起電圧利用センサレスモードにおける搬送波の周波数の最大値とが同一で、高周波重畳センサレスモードにおける搬送波の周波数の最小値と誘起電圧利用センサレスモードにおける搬送波の周波数の最小値とが同一となるように、搬送波周波数を可変する。上述のように設定することで、前述の図１６（位置推定用電圧指令なし）と図１７（位置推定用電圧指令あり）の騒音スペクトルを比較すると、人の聴感特性に敏感な１ｋＨｚ以上の騒音スペクトルがほとんど同等の特性となることから、制御モードの切替えによる騒音の変化を低減することができ、人が不快感として感じることを低減することができる。
【００９２】  したがって、実施の形態２に係る電動機駆動装置では、駆動する同期電動機における回転子磁極位置を零速から高速域まで精度よく推定することができ、位置推定用電圧指令を同期電動機に印加するのに伴う騒音発生によって生じる不快感と、制御モードを切替えるに伴う騒音変化によって生じる不快感を有効に低減することが可能となる。
【００９３】実施の形態３．  実施の形態３では、実施の形態１で説明した電動機駆動装置を電気車に適用した車両駆動システムについて説明する。
【００９４】  図２１は、実施の形態１に係る電動機駆動装置を鉄道車両に適用した実施の形態３に係る車両駆動システムの構成を示す図である。実施の形態３に係る車両駆動システム１００は、同期電動機１０１、電力変換部１０２、入力回路１０３および制御部１０８を備えている。同期電動機１０１は、図１に示した同期電動機５０に対応するものであり、鉄道車両に搭載されている。電力変換部１０２は、図１に示した電力変換部２に対応し、スイッチング素子１０４ａ，１０５ａ，１０６ａ，１０４ｂ，１０５ｂ，１０６ｂを具備している。電力変換部１０２は、入力回路１０３から供給された直流電圧を任意周波数および任意電圧の交流電圧に変換して同期電動機１０１を駆動する。制御部１０８は、図１に示した制御部３に対応する。すなわち、制御部１０８は、実施の形態１で説明した搬送波生成部５、変調波生成部６、スイッチング信号生成部７および位置推定部８を含んで構成される。制御部１０８は、電力変換部１０２を制御するためのスイッチング信号ＳＷｕ，ＳＷｖ，ＳＷｗを生成する。
【００９５】  入力回路１０３は、図示を省略しているが、スイッチ、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルなどを備えて構成され、その一端は集電装置１１１を介して架線１１０に接続され、他端は、車輪１１３を介して大地電位であるレール１１４に接続されている。この入力回路１０３は、架線１１０から直流電力または交流電力の供給を受けて、電力変換部１０２へ供給する直流電力を生成する。
【００９６】  一般的な電気車の場合、搬送波周波数の典型値は５００［Ｈｚ］〜２０００［Ｈｚ］程度であり、位置推定用電圧指令の周波数は搬送波周波数の１／３以下に設定される。このため、位置推定用電圧指令の重畳によって発生する騒音が１から６ｋＨｚの間に集中して発生する可能性が高い。したがって、実施の形態１に係る電動機駆動装置を車両駆動システムへ適用することにより、車両を駆動する同期電動機における回転子磁極位置を精度よく推定することができ、位置推定用電圧指令を同期電動機に印加するのに伴う騒音発生によって生じる不快感を有効に低減することが可能となる。
【００９７】実施の形態４．  実施の形態４では、実施の形態１で説明した人の聴感特性を考慮して電力変換部２具備されるスイッチング素子の素材に炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子を適用し、搬送波周波数を１０ｋＨｚ以上に設定した構成について説明する。
【００９８】  図１０に示すラウドネス曲線から人の聴感特性は１０ｋＨｚ以上の純音が聞き取りにくくなることが分かる。そこで本実施の形態４では搬送波周波数を１０ｋＨｚ以上に設定する構成とすることで騒音の原因となる純音成分のピークを１０ｋＨｚ以上とすることで高周波電圧重畳時の騒音を低減することができる構成としている。
【００９９】  電力変換部２で用いられるスイッチング素子としては、珪素（Ｓｉ）を素材とする半導体トランジスタ素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなど）と、同じく珪素を素材とする半導体ダイオード素子とを逆並列に接続した構成のものが一般的である。上記実施の形態１で説明した技術は、この一般的なスイッチング素子を具備する電力変換部２に用いることができる。
【０１００】  実施の形態３でも説明したように一般に電鉄用途など比較的大容量の電力変換部では、スイッチング素子の損失の課題により搬送波周波数の典型値は７５０［Ｈｚ］〜１．５［ｋＨｚ］程度であり、珪素を素材として形成されたスイッチング素子では１０ｋＨｚ以上の搬送波周波数で電力変換部を動作させることは困難な場合が多い。
【０１０１】  一方、上記実施の形態１の技術は、珪素を素材として形成されたスイッチング素子に限定されるものではない。この珪素に代え、低損失かつ高耐圧な半導体素子として近年注目されている炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチング素子を電力変換器に用いることも無論可能である。
【０１０２】  ここで、ワイドバンドギャップ半導体の一つである炭化珪素は、珪素と比較して半導体素子で発生する損失を大幅に低減できるとともに高温での使用が可能であるという特徴を有しているので、電力変換部に具備されるスイッチング素子として炭化珪素を素材とするものを用いれば、スイッチング素子モジュールの許容動作温度を高温側に引き上げることができるので、搬送波周波数を高めて、１０ｋＨｚ以上の搬送波周波数で電力変換部２を動作させることが可能となる。
【０１０３】  そこで、実施の形態４の構成では実施の形態１で説明した電動機駆動装置の電力変換部２のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いる構成とする。また、搬送波周波数を１０ｋＨｚ以上に設定することで位置推定用電圧指令Ｖｕｈ，Ｖｖｈ，Ｖｗｈを同期電動機に印加するのに伴う騒音を低減することができるため、実施の形態１で説明したように搬送波生成部５から生成する搬送波の周波数はランダムに可変にしてもよいが、単一周波数でも十分騒音低減効果を得ることができる。
【０１０４】  なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１０５】  １  電動機駆動装置、２，１０２  電力変換部、３  制御部、５  搬送波生成部、６，６Ａ  変調波生成部、７  スイッチング信号生成部、８  位置推定部、９ａ，９ｂ  電流検出器、１０  電圧検出器、１６  加算器、１７ｕ，１７ｖ，１７ｗ  位置推定用電流抽出器、１８ｕ，１８ｖ，１８ｗ  電流振幅演算器、１９  位置演算器、２２，２２Ａ  座標変換部、２３，２３Ａ  位置推定用電圧生成部、２５ｕ，２５ｖ，２５ｗ，２５ｑ，２５ｄ  加算器、２６  変調波演算部、３１  乱数生成部、３２  三角波生成部、５０，１０１  同期電動機、６０  直流電力源、１００  車両駆動システム、１０３  入力回路、１０４ａ，１０５ａ，１０６ａ，１０４ｂ，１０５ｂ，１０６ｂ  スイッチング素子、１０８  制御部、１１０  架線、１１１  集電装置、１１３  車輪、１１４  レール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年1月16日(2017.1.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
変調波を出力する変調波生成部と、
搬送波を出力する搬送波生成部と、
前記搬送波と前記変調波とを比較することでスイッチング信号を出力するスイッチング信号生成部と、
前記スイッチング信号によって動作するスイッチング素子を有し、
前記同期電動機に電力を供給する電力変換部と
を備え、
前記電力変換部は、前記変調波の基本波よりも周波数が高く前記搬送波よりも周波数が低い位置推定用電圧を前記同期電動機に印加することで前記同期電動機の磁極位置を推定する高周波重畳センサレスモードを有し、
前記変調波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおいて、
基本波と前記基本波よりも周波数の高い位置推定用電圧指令とを生成し、前記基本波に前記位置推定用電圧指令が重畳された信号を前記変調波として出力し、
前記搬送波生成部は、前記位置推定用電圧指令に非同期で動作し、前記高周波重畳センサレスモードにおいて、前記位置推定用電圧指令の周波数とは独立して、前記搬送波の周波数を可変する、
ことを特徴とする電動機駆動装置。
【請求項２】
前記電力変換部は前記同期電動機の誘起電圧から前記同期電動機の磁極位置を推定する誘起電圧利用センサレスモードを有し、
前記搬送波生成部は、前記誘起電圧利用センサレスモードにおいても、前記搬送波の周波数を可変することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
前記搬送波生成部は、前記高周波重畳センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最大値と前記誘起電圧利用センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最大値とが同一で、前記高周波重畳センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最小値と前記誘起電圧利用センサレスモードにおける前記搬送波の周波数の最小値とが同一となるように、前記搬送波の周波数を可変することを特徴とする請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項４】
前記搬送波生成部は、前記搬送波の周波数をランダムに可変することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記位置推定用電圧指令は、ＵＶＷ座標系の信号線に加算される構成であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記位置推定用電圧指令は、ｄｑ座標系の信号線に加算される構成であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記位置推定用電圧指令の周波数は、搬送波周波数の１／３以下であることを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記位置推定用電圧指令の周波数は、搬送波周波数の１／２以下であることを特徴とする請求項６に記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
前記搬送波周波数は、１ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１０】
前記搬送波周波数は、１０ｋＨｚ以上であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１１】
前記位置推定用電圧指令の周波数が単一周波数であることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置。
【請求項１２】
前記電力変換部に具備されるスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項１０に記載の電動機駆動装置。
【請求項１３】
請求項１から４の何れか１項に記載の電動機駆動装置と、
前記電動機駆動装置を構成する前記電力変換部への入力電力を生成する入力回路と、
前記電力変換部によって駆動される同期電動機と、
を備えたことを特徴とする車両駆動システム。
【国際調査報告】
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