(57)【要約】【課題】本発明は、信頼性を確保でき、電動機騒音を低減することが出来る永久磁石式同期電動機の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】インバータの交流電力出力端に接続され、回転子に磁気的突極性を有する永久磁石同期電動機と、前記電動機が駆動している場合にのみ、前記回転子の磁極位置を検出することが可能な電動機動作時磁極位置検出手段と、前記永久磁石同期電動機の回転子が停止している場合に、回転子の磁極位置を検出する電動機停止時磁極位置検出手段と、前記回転子が回転している場合は、前記電動機動作時磁極位置検出手段からの情報をもとに前記インバータを制御し、前記回転子が停止している場合は、前記電動機停止時磁極位置検出手段からの情報をもとに前記インバータを制御することを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。【選択図】図１
2008086076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力出力端に接続さ
れ、前記インバータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的突極性を有す
る永久磁石同期電動機と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にのみ、前記回転
子の磁極位置を検出することが可能な電動機動作時磁極位置検出手段と、前記永久磁石同
期電動機の回転子が停止している場合に、前記固定子に高周波電流を重畳することにより
回転子の磁極位置を検出する電動機停止時磁極位置検出手段と、前記回転子が回転してい
る場合は、前記電動機動作時磁極位置検出手段からの情報に基づき前記インバータを制御
し、前記回転子が停止している場合は、前記電動機停止時磁極位置検出手段からの情報に
基づき前記インバータを制御することを備えたことを特徴とする永久磁石同期電動機の制
御装置。
【請求項２】
直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力出力端に接続さ
れ、前記インバータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的突極性を有す
る永久磁石同期電動機と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にのみ、前記回転
子の磁極位置を検出することが可能な電動機動作時磁極位置検出手段と、前記回転子が回
転している場合は、前記電動機動作時磁極位置検出手段からの情報をもとに前記インバー
タを制御し、前記回転子が停止後に再起動する場合には、前記電動機動作時磁極位置検出
手段により検出された前記回転子の停止時の磁極位置をもとに前記インバータを制御する
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
【請求項３】
直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力出力端に接続さ
れ、前記インバータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的突極性を有す
る永久磁石同期電動機と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にのみ、前記回転
子の磁極位置を検出することが可能な第１の磁極位置検出手段と、前記永久磁石同期電動
機の前記固定子に高周波電流を重畳することにより回転子の磁極位置を検出する第２の磁
極位置検出手段とを有し、前記第１の磁極位置検出手段又は前記第２の磁極位置検出手段
からの情報をもとに前記インバータを制御することを特徴とする永久磁石同期電動機の制
御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石同期電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ）を用いた交流電動機ドライブシステムは、ＨＥＶ、エレ
ベータ、電車、汎用インバータ、など広い分野で適用されている。ＰＭＳＭは誘導電動機
（ＩＭ）に比べ高効率であり、また小型化・軽量化が可能であるため今後の更なる普及が
期待される。  
【０００３】
インバータによりＰＭＳＭを駆動するシステムにおいては、トルク制御を行う場合、回転
子内にある永久磁石の磁極位置を正確に把握する必要がある。ＰＭＳＭの磁極位置を検出
する場合、レゾルバを使用するか、あるいは固定子コイルに高周波電流を重畳するのが一
般的である。    
【特許文献１】特開２００１−１６０１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、レゾルバは高価であり、また部品点数が多いため構造上の信頼性は十分満
足できるものではない。また、固定子に高周波電流を重畳する方式の場合は、ＰＭＳＭ駆
動中は常に高周波電流に起因する電動機騒音が発生する、更に省エネルギーの観点からも
効率的とは言えない。  
【０００５】
そこで、本発明は、信頼性を確保でき、電動機騒音を低減することが出来る永久磁石式同
期電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力出
力端に接続され、前記インバータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的
突極性を有する永久磁石同期電動機と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にの
み、前記回転子の磁極位置を検出することが可能な電動機動作時磁極位置検出手段と、前
記永久磁石同期電動機の回転子が停止している場合に、前記固定子に高周波電流を重畳す
ることにより回転子の磁極位置を検出する電動機停止時磁極位置検出手段と、前記回転子
が回転している場合は、前記電動機動作時磁極位置検出手段からの情報をもとに前記イン
バータを制御し、前記回転子が停止している場合は、前記電動機停止時磁極位置検出手段
からの情報をもとに前記インバータを制御することによって達成することが出来る。  
【０００７】
上記課題は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力出
力端に接続され、前記インバータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的
突極性を有する永久磁石同期電動機と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にの
み、前記回転子の磁極位置を検出することが可能な電動機動作時磁極位置検出手段と、前
記回転子が回転している場合は、前記電動機動作時磁極位置検出手段からの情報をもとに
前記インバータを制御し、前記回転子が停止後に再起動する場合には、前記電動機動作時
磁極位置検出手段により検出された前記回転子の停止時の磁極位置をもとに前記インバー
タを制御することによって達成することが出来る。  
【０００８】
上記課題は、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流電力出
力端に接続され、前記インバータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的
突極性を有する永久磁石同期電動機と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にの
み、前記回転子の磁極位置を検出することが可能な第１の磁極位置検出手段と、前記永久
磁石同期電動機の前記固定子に高周波電流を重畳することにより回転子の磁極位置を検出
する第２の磁極位置検出手段とを有し、前記第１の磁極位置検出手段又は前記第２の磁極
位置検出手段からの情報をもとに前記インバータを制御することによって達成することが
出来る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、信頼性を確保でき、電動機騒音を低減することが出来る永久磁石式同期
電動機の制御装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）  本発明に基づく第１の実施の形態の永久磁石式同期電動機の制御
装置について図を参照し詳細に説明する。図１は、本発明に基づく第１の実施の形態の永
久磁石式同期電動機の制御装置の構成例を示すブロック図である。図２は、電動機動作時
磁極位置検出手段の正面図である。図３は、図２の速度検出装置により検出されるＡ相及
びＢ相の出力電圧の波形図である。  
【００１１】
本発明に基づく第１の実施の形態の永久磁石式同期電動機の制御装置は、直流電力を交流
電力に変換するインバータ６と、前記インバータの交流電力出力端に接続され、前記イン
バータから供給される交流電力により駆動し、回転子に磁気的突極性を有する永久磁石同
期電動機７と、前記永久磁石同期電動機が駆動している場合にのみ、前記回転子の磁極位
置を検出することが可能な電動機動作時磁極位置検出手段８と、前記永久磁石同期電動機
の回転子が停止している場合に、前記固定子に高周波電流を重畳することにより回転子の
磁極位置を検出する電動機停止時磁極位置検出手段１５と、前記回転子が回転している場
合は、前記電動機動作時磁極位置検出手段からの情報をもとに前記永久磁石同期電動機か
ら出力されるトルクがトルク指令に一致するように前記インバータを制御し、前記回転子
が停止している場合は、前記電動機停止時磁極位置検出手段からの情報をもとに前記永久
磁石式同期電動機から出力されるトルクがトルク指令に一致するように前記インバータを
制御するすることを特徴としている。  
【００１２】
本実施の形態の永久磁石式同期電動機の制御装置は、図１に示すように、インバータ６、
永久磁石式同期電動機７、電動機動作時磁極位置検出装置（手段）８、高周波電流指令重
畳手段１１１と、電流制御手段１２と、電圧指令座標変換手段１３と、電流座標変換手段
１４と、磁極位置検出手段１５と、位相角推定判定部１６とから構成している。  電動機
動作時磁極位置検出装置８は、永久磁石式同期電動機が回転している場合に、速度検出器
１に設けられたＡ相センサ及びＢ相電圧により検出されるＡ相電圧とＢ相電圧に基づき、
磁極の位置を検出し、検出された磁極位置情報を位相角推定返底部１６へ出力する。  
【００１３】
高周波電流指令重畳手段１１１は、永久磁石式同期電動機が停止し、起動する際に、モー
タ１のモータ回転子の回転周波数と異なる高周波数成分の回転電流指令を、トルクを出力
するために必要なｄ軸電流指令およびｑ軸電流指令（ｑ軸：回転子突方向、ｄ軸：回転子
突方向と直角方向）にそれぞれ重畳する。高調波を重畳を行うトリガーとしては、マスコ
ンからのノッチ指令でも良いし、電動機動作時磁極位置検出装置８により回転子の停止を
検出した時点での検出信号等でも良い。  
【００１４】
電流制御手段１２は、電流座標変換手段１４からの出力であるモータ１のｄ軸電流および
ｑ軸電流の実際値が高周波電流指令重畳手段１１１から出力される電流指令値に追従する
ように、インバータ２出力のｄ軸電圧指令およびｑ軸電圧指令を操作する。  
【００１５】
電圧指令座標変換手段１３は、電流制御手段１２からの出力であるｄ軸電圧指令およびｑ
軸電圧指令を、磁極位置検出手段１５からの出力であるモータ回転子の位置推定値を用い
て、インバータ２の３相電圧指令に変換する。  
【００１６】
電流座標変換手段１４は、モータ１の３相電流（３相のうちの２相の電流検出値）を、磁
極位置検出手段１５からの出力であるモータ回転子の位置推定値を用いて、ｄｑ座標軸で
の値である上記ｄ軸電流およびｑ軸電流の実際値に変換する。  
【００１７】
磁極位置検出手段１５は、電流制御手段１２からの出力であるｄ軸電圧指令およびｑ軸電
圧指令と、電流座標変換手段１４からの出力であるｄ軸電流およびｑ軸電流の実際値とを
用いて、それぞれの入力の値の高周波電流指令重畳手段１１１で重畳した高周波電流の周
波数成分を抽出し、かつこのｑ軸電圧高周波成分とｑ軸電流高周波成分との積から、ｄ軸
電圧高周波成分とｄ軸電流高周波成分との積を減じた値を算出し、この算出値の直流成分
がゼロとなるようにモータ回転子の回転速度推定値を補正して出力すると共に、モータ回
転子の回転速度推定値の時間積分値を上記モータ回転子の位置推定値として、位相角推定
判定部１６へ出力する。  
【００１８】
位相角推定判定部１６は、電動機動作時磁極位置検出装置８により検出された磁極位置情
報と、磁極位置検出手段１５（電動機停止時磁極位置検出手段）により検出された磁極位
置情報の両方が入力された場合には、電動機動作時磁極位置検出手段８により検出された
磁極位置情報を電圧指令座標変換手段３へ出力する。  
【００１９】
次に、ＰＭＳＭ起動時
の磁極位置推定について詳細に説明する。  
【００２０】
高周波電流指令重畳手段１１１では、トルク指令に基づきあらかじめ記憶しておいたパタ
ーンにしたがったｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令ＩｄＲｅｆ１、ＩｑＲｅｆ１を入力として
、モータ１の回転周波数に対して十分高い周波数、例えば５００Ｈｚの高周波回転電流指
令ＩｄＲｅｆＨＦ、ＩｑＲｅｆＨＦをそれぞれの電流指令ＩｄＲｅｆ１、ＩｑＲｅｆ１に
重畳して、新たなｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令ＩｄＲｅｆ２、ＩｑＲｅｆ２が出力される
。  
【００２１】
この場合、入力されるｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令ＩｄＲｅｆ１、ＩｑＲｅｆ１は、例え
ば次のような式で与えられる。  
【００２２】
ＩｄＲｅｆ１＝ＴｒｑＲｅｆ＊ｋ＊ｃｏｓ（３π／４）      ＩｑＲｅｆ１＝ＴｒｑＲｅ
ｆ＊ｋ＊ｓｉｎ（３π／４）      （ＴｒｑＲｅｆ：トルク指令、ｋは定数）  また、重
畳する高周波成分は、例えば次のような式で与えられる。  
【００２３】
ＩｄＲｅｆＨＦ＝Ｉ１ＨＦ＊ｃｏｓ（２π＊ｆＨＦ＊ｔ）      ＩｑＲｅｆＨＦ＝Ｉ１Ｈ
Ｆ＊ｓｉｎ（２π＊ｆＨＦ＊ｔ）    （Ｉ１ＨＦ：高周波電流振幅、ｆＨＦ：重畳電流周
波数５００Ｈｚ、ｔ：時刻）  さらに、出力する新たなｄ軸電流指令、ｑ軸電流指令は、
例えば次のような式で与えられる。  
【００２４】
ＩｄＲｅｆ２＝ＩｄＲｅｆ１＋ＩｄＲｅｆＨＦ      ＩｑＲｅｆ２＝ＩｑＲｅｆ２＋Ｉｑ
ＲｅｆＨＦ  電流制御手段１２では、高周波電流指令重畳手段１１１から出力されるｄ軸
電流指令、ｑ軸電流指令ＩｄＲｅｆ２、ＩｑＲｅｆ２と、電流座標変換手段１４から出力
されるｄ軸電流、ｑ軸電流の実際値Ｉｄ、Ｉｑとを入力として、次のような演算により、
ｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ、ＶｑＲｅｆを求めて出力される。  
【００２５】
ＶｄＲｅｆ＝（Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ）＊（ＩｄＲｅｆ−Ｉｄ）      ＶｑＲｅｆ＝（Ｋｐ＋Ｋ
ｉ／ｓ）＊（ＩｑＲｅｆ−Ｉｑ）      （Ｋｐ：比例ゲイン、Ｋｉ：積分ゲイン、ｓはラ
プラス演算子）  電圧指令座標変換手段１３では、電流制御手段１２から出力されるｄ軸
電圧指令、ｑ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ、ＶｑＲｅｆと、磁極位置検出手段１５から出力され
る回転子位置推定値θｈとを入力として、次のような演算により、３相電圧指令Ｖｕ、Ｖ
ｖ、Ｖｗを求めて出力される。  
【数１】
2008086076.tif 000003
【数２】
2008086076.tif 000004
【００２６】
電流座標変換手段１４では、モータ１の３相のうちの２相の電流検出値Ｉｕ、Ｉｗと、磁
極位置検出手段１５から出力される回転子位置推定値θｈとを入力として、次のような演
算により、ｄ軸電流、ｑ軸電流の実際値Ｉｄ、Ｉｑを求めて出力される。  
【数３】
2008086076.tif 000005
【００２７】
磁極位置検出手段１５では、電流制御手段１２から出力されるｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指
令ＶｄＲｅｆ、ＶｑＲｅｆと、電流座標変換手段１４から出力されるｄ軸電流、ｑ軸電流
の実際値Ｉｄ、Ｉｑとを入力として、次のような手順により、モータ回転子の位置推定値
θｈおよび回転角速度推定値ωｈを求めて出力される。  
【００２８】
すなわち、図１中のＢＰＦブロックは、バンドパスフィルタ（Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉ
ｌｔｅｒ）を示す。  
【数４】
2008086076.tif 000006
【００２９】
（ｘは入力、ｙは出力、ｆＨＦは高周波電流指令重畳手段１１１で重畳する高周波電流周
波数成分（５００Ｈｚ）、Ｑは定数）  ｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令ＶｄＲｅｆ、ＶｑＲ
ｅｆ、ｄ軸電流、ｑ軸電流Ｉｄ、ＩｑのバンドパスフィルタＢＦＰの出力結果を、それぞ
れＶｄＲｅｆＢＰＦ、ＶｑＲｅｆＢＰＦ、ＩｄＢＦＰ、ＩｑＢＰＦとし、まず次のような
評価関数Ｈが求められる。  
【００３０】
Ｈ＝ＶｑＲｅｆＢＰＦ＊ＩｑＢＰＦ−ＶｄＲｅｆＢＰＦ＊ＩｄＢＰＦ  次に、この評価関
数Ｈがゼロとなるように、比例積分制御により回転子角周波数推定値ωｈを求めて出力さ
れる。  
【００３１】
ωｈ＝（ＫｐＳＬ＋ＫｉＳＬ／ｓ）＊Ｈ      （ＫｐＳＬ：比例ゲイン、ＫｉＳＬ：積分
ゲイン、ｓ：ラプラス演算子）  さらに、回転子角周波数推定値ωｈの積分値が、モータ
回転子の位置推定値  θｈとして出力される。  
【００３２】
θｈ＝１／ｓ＊ωｈ      （ｓ：ラプラス演算子）以上により、簡単な装置構成で、ＰＭ
ＳＭ起動時に、高精度の磁極位置推定値を得ることができる。  
【００３３】
次に、電動機動作時磁極位置検出装置８について詳細に説明する。電動機動作時磁極位置
検出装置８は、永久磁石式同期電動機７のロータシャフト（図示しない）に接続され、永
久磁石式同期電動機７の回転に伴い回転する円形の磁性鋼板であるセンサ歯車４と、この
センサ歯車４の外周に設けられた複数の凸凹を形成するセンサ歯車の歯５と、センサ歯車
４及びセンサ歯車４の歯５の外周側でセンサ歯車４及び歯５と接触しない位置に設けられ
た速度検出器１とから構成されている。  
【００３４】
このように構成された電動機動作時磁極位置検出装置において、センサ歯車４の外周に形
成された歯５は、等間隔で複数設けられ、ひとつの歯５ａの高さだけ、他の歯５の高さよ
りも低く構成されている。速度検出器１は、磁石を内蔵し、センサ歯５に対向するように
設けられたＡ相センサ２と、Ａ相センサ２と所定の間隔で設置され、同じく磁石を内蔵し
センサ歯５と対向するように設けられたＢ相センサ３とから構成されている。  
【００３５】
このように構成された電動機動作時磁極位置検出装置において、電動機の回転に伴い、磁
性鋼板であるセンサ歯車４が回転した場合電力が発生し、Ａ相センサ２及びＢ相センサ３
により、図２に示すＡ相出力電圧１０とＢ相出力電圧を検知することが出来る。  
【００３６】
このように構成された電動機動作時磁極位置検出装置は、歯５ａの高さを他の歯５の高さ
よりも低くしているので、センサ１及び２が歯５ａと対向している際に検出される電圧は
、センサが他の歯と対向している際に検出される電圧よりも、低い電圧が検出される。そ
のため、低い電圧が検出された際には、歯５ａの位置を検出することが出来る。また歯５
ａの位置を基準として、他の歯の位置（回転角）も、Ａ相電圧１０及びＢ相電圧１１をカ
ウントすることにより検出することが出来る。また、Ａ相電圧１０及びＢ層電圧１１によ
り、電動機の回転方向も検出することができる。  
【００３７】
このように構成された電動機動作時磁極位置検出装置８は、レゾルバを用いずに、簡単な
構成で鉄道車両駆動時の回転数と回転角を検出することが出来るので、鉄道車両用機器の
小型化にも貢献することが出来る。  
【００３８】
このように構成された永久磁石式同期電動機の制御装置は、永久磁石式同期電動機７が動
作時（回転子が回転時）には、壊れにくいパルスジェネレータを改良した電動機動作時磁
極位置検出装置８により磁極位置を検出し、停車後に出発する場合などのの電動機の再起
動時には、短時間だけ高周波を重畳し、磁極位置を検出し、電動機動作時磁極位置検出装
置８により磁極位置が検出された時点で高周波重畳を止める構成としているので、高周波
重畳による騒音の発生時間を大幅に短縮することが出来、更にレゾルバを用いていないの
でシステムの信頼性も向上されている。  
【００３９】
（第２の実施の形態）本発明に基づく第２の実施の形態の永久磁石式同期電動機の制御装
置は、ＰＭＳＭの再起動時に必要な磁極位置情報を、磁極位置磁極位置検出装置８により
検出される停止時の磁極位置情報とし、第１の実施の形態で必要であった電動機停止時磁
極位置検出手段を不要にした点が第１の実施の形態の永久磁石式同期電動機の制御装置と
は異なる。  
【００４０】
このように構成された永久磁石式同期電動機の制御装置は、再起動時直近の停止時の磁極
位置情報を記憶し、ＰＭＳＭ再起動時のインバータの制御をする構成としているので、第
１の実施の形態の制御装置のように高周波を重畳する必要がない。そのため、更なる低騒
音化を実現することが出来る。  
【００４１】
尚、電動機動作時磁極位置検出手段８は、Ａ相、Ｂ層電圧により磁極位置が特定できれば
良いので、その変形例としては、センサの歯５ａの高さを他の歯５の高さよりも高くする
構成や、センサ歯車４を楕円状とし電圧振幅を歯によって異ならせる構成、歯５ａと５ａ
の間に非導電体を貼り付け、Ａ相、Ｂ層電圧の振幅をのこぎり刃状にする構成等がある。
【００４２】
また、本発明に基づく永久磁石式同期電動機の制御装置は、運行時間が他の機器（自動車
やエレベータ）に比べると長く、周辺住民への配慮が必要な鉄道車両に搭載されると顕著
な効果を発揮すると考えられるが、鉄道車両のみに用途は限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に基づく第１の実施の形態の永久磁石式同期電動機の制御装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】電動機動作時磁極位置検出手段の正面図である。
【図３】図２の速度検出装置により検出されるＡ相及びＢ相の出力電圧の波形図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    速度センサ  ２    Ａ相センサ  ３    Ｂ相センサ  ４    センサ歯車  ５    セ
ンサ歯車の歯  ６    インバータ  ７    ＰＭＳＭ
【図１】
2008086076.tif 000007
【図２】
2008086076.tif 000008
【図３】
2008086076.tif 000009