(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記γ１軸から所定の角度差を持つ推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正電圧から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、及び、前記速度推定値から前記補正電圧を演算する手段と、
前記δ２軸電流から前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差を演算する手段は、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び前記速度推定値から拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記拡張誘起電圧の演算値、前記補正電圧の演算値から補正拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記補正拡張誘起電圧の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記補正電圧を演算する手段、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段は、
前記位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差であって、前記速度推定値と前記同期電動機の実速度との誤差を除去するように、前記補正電圧、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項４】
回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記γ１軸から所定の角度差を持つ推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正磁束から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、及び、前記速度推定値から前記補正磁束を演算する手段と、
前記δ２軸電流から前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差を演算する手段は、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び前記速度推定値から拡張磁束を演算する手段と、
前記拡張磁束の演算値、前記補正磁束の演算値から補正拡張磁束を演算する手段と、
前記補正拡張磁束の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記補正磁束を演算する手段、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段は、
前記位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差であって、前記速度推定値と前記同期電動機の実速度との誤差を除去するように、前記補正磁束、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算することを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項７】
回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸から所定の角度差を持った軸をｄｍ軸、前記ｄｍ軸から９０°進み方向の軸をｑｍ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記ｄｍ軸に対応する制御上の推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正電圧から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
トルク指令値から、ｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記ｑｍ軸電流、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差、及び、前記速度推定値から、前記補正電圧を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差を演算する手段は、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び前記速度推定値から拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記拡張誘起電圧の演算値、前記補正電圧の演算値から補正拡張誘起電圧を演算する手段と、
前記補正拡張誘起電圧の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記補正拡張誘起電圧の演算値をローパスフィルタに通した出力から前記位置推定誤差を演算する手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項１０】
回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸から所定の角度差を持った軸をｄｍ軸、前記ｄｍ軸から９０°進み方向の軸をｑｍ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記ｄｍ軸に対応する制御上の推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正磁束から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
トルク指令値からｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記ｑｍ軸電流、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差、及び、前記速度推定値から、前記補正磁束を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差を演算する手段は、前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び、前記速度推定値から拡張磁束を演算する手段と、
前記拡張磁束の演算値と前記補正磁束の演算値とから、補正拡張磁束を演算する手段と、
前記補正拡張磁束の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記補正拡張磁束の演算値をローパスフィルタに通した出力から前記位置推定誤差を演算する手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項１３】
請求項７〜１２の何れか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差成分が零になるように、前記ｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段を備えたことを特徴とする永久磁石形同期電動機の制御装置。
【請求項１４】
請求項７〜１３の何れか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、
前記ｑｍ軸を、同一トルクにおける電流振幅が最小となる条件を満たす電流ベクトルの方向の軸と定義し、
前記トルク指令値に基づいて、前記ｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段を備えたことを特徴とする永久磁石形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、永久磁石形同期電動機の制御装置に関し、詳しくは、回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して永久磁石形同期電動機を運転する、いわゆる位置センサレス制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石形同期電動機（以下、ＰＭＳＭともいう）の制御装置をコストダウンするための技術として、磁極位置検出器を用いずに同期電動機を運転する、位置センサレス制御が実用化されている。位置センサレス制御は、ＰＭＳＭの端子電圧及び電流の情報から回転子の速度及び磁極位置を推定し、これらに基づいて電流制御を行うことで所望のトルク制御や速度制御を実現するものである。
【０００３】
例えば、非特許文献１では、図１６に示すように、ＰＭＳＭ（例えば、ＩＰＭＳＭ：埋め込み磁石構造の永久磁石形同期電動機）１０４の端子電圧及び電流に基づき、速度・位置推定器２００内の位置誤差推定器２０１が回転子のＮ極方向に対して直交方向に発生する拡張誘起電圧を演算し、その演算値から検出した磁極位置推定誤差Δθを利用してＰＩ調節器２０２及び積分器２０３により速度ωＭ及び磁極位置θＭをそれぞれ演算してＰＭＳＭ１０４の制御に用いている。
なお、図１６において、１０１は、速度指令値ω＊と速度推定値ωＭとから制御上の座標系（γ−δ直交回転座標系）の電流指令値ｉγ＊，ｉδ＊を演算する速度制御器、１０２は、電流指令値ｉγ＊，ｉδ＊から電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊を演算し、かつ電圧指令値ｖγ＊，ｖδ＊を位置推定値θＭに基づき座標変換して三相の電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を演算する電流制御器である。また、１０３はＰＷＭインバータ、１０５はＰＭＳＭ１０４により駆動される負荷、１０６は電流検出器、１０７は電流座標変換器である。
【０００４】
非特許文献１に開示されている技術は、速度推定値ωＭが実速度ωに一致する（速度推定誤差が零である）と近似した上でＰＭＳＭ１０４を制御するものであるが、実際には速度推定誤差を無視できないため、この速度推定誤差が外乱となって制御の安定性が低下するという問題があった。
【０００５】
これに対し、特許文献１には、速度推定誤差による制御の安定性低下を防止する制御装置が開示されている。
図１７は、特許文献１に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。まず、主回路において、１は三相交流電源、２は整流回路、３はインバータ等の電力変換器、４はＰＭＳＭ、５ｕ，５ｗは電流検出器、６は直流電圧検出用の電圧検出器である。
【０００６】
電力変換器３の半導体スイッチング素子を制御する制御装置は、減算器２１，２４ａ，２４ｂ，３４、速度調節器２２、電流指令演算器２３、γ軸電流調節器２５ａ、δ軸電流調節器２５ｂ、電圧座標変換器２６，２９、ＰＷＭ回路２７、電流座標変換器２８，３０、ｑ軸インダクタンス設定器３１、速度・位置推定器３２、及び角度差設定器３３により構成されている。
【０００７】
この従来技術では、ＰＭＳＭ４の回転子に同期した直交回転座標系において、回転子のＮ極方向をｄ軸、ｄ軸から９０°進み方向をｑ軸、ｄ軸に対応する制御上の第１，第２の推定軸をγ１軸，γ２軸、これらの軸からそれぞれ９０°進み方向をδ１軸，δ２軸と定義する。
そして、電流指令演算器２３がトルク指令値τ＊からγ１，δ１軸電流指令値ｉγ１＊，ｉδ１＊を演算すると共に、電流指令値ｉγ１＊，ｉδ１＊に電流検出値ｉγ１，ｉδ１がそれぞれ一致するようにγ軸，δ軸電流調節器２５ａ，２５ｂがγ１，δ１軸電圧指令値ｖγ１＊，ｖδ１＊を演算し、電圧座標変換器２６及びＰＷＭ回路２７を介して電力変換器３の半導体スイッチング素子を制御している。
【０００８】
また、ｑ軸インダクタンス設定器３１は、制御上のγ２軸の角度に含まれる速度推定誤差による外乱を除去するために、所定の評価関数がほぼ零となるように制御上のｑ軸インダクタンスＬｑ’を設定し、磁束オブザーバ等を有する速度・位置推定器３２は、ｑ軸インダクタンス設定値Ｌｑ’と、γ２，δ２軸の電流検出値ｉγ２，ｉδ２及び電圧指令値ｖγ２＊，ｖδ２＊とに基づいて、速度推定値ω１及びγ２軸の角度推定値θγδ２を演算する。
なお、角度差設定器３３及び減算器３４は、実際のｄ軸と制御上のγ２軸との間の角度差によるトルク制御誤差を低減するためのものであり、ｄ軸とγ２軸との間に定常的に発生する角度差設定値θｅｒｒ０を角度推定値θγδ２から減算して補正後のγ２軸の角度θγδ１を求め、この角度θγδ１を電圧座標変換器２６及び電流座標変換器２８における座標変換に用いることにより、ｄ軸に一致したγ２軸上で電流制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５４９９５９５号公報（図２，図３等）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】田中康司，三木一郎，「拡張誘起電圧を用いた埋込磁石同期電動機の位置センサレス制御」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖｏｌ．１２５，Ｎｏ．９，ｐ８３３−８３８，２００５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載された従来技術によれば、速度推定誤差を除去してトルク制御精度を劣化させることなく、ＰＭＳＭを安定して制御することが可能である。
しかしながら、この従来技術では、電圧座標変換器２９及び電流座標変換器３０において、電圧、電流を三相量から二相量へそれぞれ変換するための演算処理が煩雑であるため、演算負荷の軽減や演算時間の短縮等の点で改善の余地があった。
【００１２】
そこで、本発明の解決課題は、演算処理を従来よりも簡略化し、トルク制御精度を低下させることなくＰＭＳＭを安定して制御することができる永久磁石形同期電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記γ１軸から所定の角度差を持つ推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正電圧から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、及び、前記速度推定値から前記補正電圧を演算する手段と、
前記δ２軸電流から前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、を備えたものである。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、  前記位置推定誤差を演算する手段は、前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び前記速度推定値から拡張誘起電圧を演算する手段と、前記拡張誘起電圧の演算値、前記補正電圧の演算値から補正拡張誘起電圧を演算する手段と、前記補正拡張誘起電圧の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、を備えたものである。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記補正電圧を演算する手段、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段は、前記位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差であって、前記速度推定値と前記同期電動機の実速度との誤差を除去するように、前記補正電圧、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算するものである。
【００１６】
請求項４に係る発明は、回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記γ１軸から所定の角度差を持つ推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正磁束から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、及び、前記速度推定値から前記補正磁束を演算する手段と、
前記δ２軸電流から前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
を備えたものである。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記位置推定誤差を演算する手段は、前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び前記速度推定値から拡張磁束を演算する手段と、前記拡張磁束の演算値、前記補正磁束の演算値から補正拡張磁束を演算する手段と、前記補正拡張磁束の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、を備えたものである。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項４または５に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記補正磁束を演算する手段、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算する手段は、前記位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差であって、前記速度推定値と前記同期電動機の実速度との誤差を除去するように、前記補正磁束、及び、前記γ１軸と前記γ２軸との角度差を演算するものである。
【００１９】
請求項７に係る発明は、回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸から所定の角度差を持った軸をｄｍ軸、前記ｄｍ軸から９０°進み方向の軸をｑｍ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記ｄｍ軸に対応する制御上の推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正電圧から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
トルク指令値から、ｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記ｑｍ軸電流、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差、及び、前記速度推定値から、前記補正電圧を演算する手段と、を備えたものである。
【００２０】
請求項８に係る発明は、請求項７に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記位置推定誤差を演算する手段は、前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び前記速度推定値から拡張誘起電圧を演算する手段と、前記拡張誘起電圧の演算値、前記補正電圧の演算値から補正拡張誘起電圧を演算する手段と、前記補正拡張誘起電圧の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、を備えたものである。
【００２１】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記補正拡張誘起電圧の演算値をローパスフィルタに通した出力から前記位置推定誤差を演算する手段を備えたものである。
【００２２】
請求項１０に係る発明は、回転子の磁極位置検出器を用いずに回転速度及び磁極位置を推定して電力変換器により永久磁石形同期電動機を運転する永久磁石形同期電動機の制御装置であって、
前記同期電動機の回転子のＮ極方向をｄ軸、前記ｄ軸から９０°進み方向の軸をｑ軸、前記ｄ軸から所定の角度差を持った軸をｄｍ軸、前記ｄｍ軸から９０°進み方向の軸をｑｍ軸、前記ｄ軸に対応する制御上の推定軸をγ１軸、前記γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸、前記ｄｍ軸に対応する制御上の推定軸をγ２軸、前記γ２軸から９０°進み方向の推定軸をδ２軸と、それぞれ定義すると共に、前記同期電動機の電流、電圧を、前記γ１軸、前記δ１軸、前記γ２軸、前記δ２軸を有する直交回転座標系でベクトルとして捉えて演算に用いるようにした制御装置において、
γ２軸電流、δ２軸電流、γ２軸電圧、δ２軸電圧、前記同期電動機の速度推定値、及び、補正磁束から、前記ｄ軸と前記γ１軸との角度差である位置推定誤差を演算する手段と、
前記位置推定誤差の演算値から前記速度推定値を演算する手段と、
前記速度推定値を積分して前記回転子の位置推定値を演算する手段と、
トルク指令値からｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電流、前記δ１軸の電流を前記γ２軸電流、前記δ２軸電流に変換する手段と、
前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を用いて、前記γ１軸の電圧、前記δ１軸の電圧を前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧に変換する手段と、
前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記ｑｍ軸電流、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差、及び、前記速度推定値から、前記補正磁束を演算する手段と、を備えたものである。
【００２３】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記位置推定誤差を演算する手段は、前記γ２軸電流、前記δ２軸電流、前記γ２軸電圧、前記δ２軸電圧、及び、前記速度推定値から拡張磁束を演算する手段と、前記拡張磁束の演算値と前記補正磁束の演算値とから、補正拡張磁束を演算する手段と、前記補正拡張磁束の演算値から前記位置推定誤差を演算する手段と、を備えたものである。
【００２４】
請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記補正拡張磁束の演算値をローパスフィルタに通した出力から前記位置推定誤差を演算する手段を備えたものである。
【００２５】
請求項１３に係る発明は、請求項７〜１２の何れか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記位置推定誤差の演算値に含まれる速度推定誤差成分が零になるように、前記ｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段を備えたものである。
【００２６】
請求項１４に係る発明は、請求項７〜１３の何れか１項に記載した永久磁石形同期電動機の制御装置において、前記ｑｍ軸を、同一トルクにおける電流振幅が最小となる条件を満たす電流ベクトルの方向の軸と定義し、前記トルク指令値に基づいて、前記ｑｍ軸電流、及び、前記ｄ軸と前記ｄｍ軸との角度差を演算する手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ＰＭＳＭの速度・位置推定系において電圧、電流の座標変換に伴う演算処理を簡略化すると共に、速度推定誤差を除去してトルク制御精度を劣化させることなくＰＭＳＭを安定して制御可能な制御装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態、第２実施形態における座標軸の定義を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図３】各座標軸と拡張誘起電圧ベクトル、補正拡張誘起電圧ベクトルの関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態における磁極位置から位置推定値までの伝達特性のブロック図である。
【図５】図４の一部を変形したブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図７】本発明の第３実施形態〜第８実施形態における座標軸の定義を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態〜第８実施形態における座標軸の定義を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態〜第８実施形態における座標軸の定義を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図１２】本発明の第５実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図１３】本発明の第６実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図１４】本発明の第７実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図１５】本発明の第８実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
【図１６】非特許文献１に記載された従来技術のブロック図である。
【図１７】特許文献１に記載された従来技術のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
ＰＭＳＭは、前述したように回転子に同期した直交回転座標のｄ−ｑ軸上で電流、電圧を制御することにより、高性能なトルク制御、速度制御が実現可能である。しかしながら、磁極位置検出器を用いずにＰＭＳＭを運転するセンサレス制御の場合、ｄ−ｑ軸の位置を直接検出することはできない。このため、制御装置では、以下に説明するように、制御軸としてｄ−ｑ軸の推定軸、すなわちγ−δ軸を仮想し、電圧、電流等をγ−δ軸上のベクトルとして取り扱うことにより、種々の演算を行う。
【００３０】
図１は、本実施形態における座標軸の定義を示している。
図示するように、三相のＰＭＳＭの回転子のＮ極方向のｄ軸に対応する推定軸をγ１軸、γ１軸から９０°進み方向をδ１軸、γ１軸から角度差θ０を持つ推定軸をγ２軸、γ２軸から９０°進み方向をδ２軸と定義する。
【００３１】
すなわち、図１において、
θｒ：ｄ軸の角度（磁極位置）［ｕ相巻線基準］
θγ１：γ１軸の角度（位置推定値）［ｕ相巻線基準］
θγ２：γ２軸の角度［ｕ相巻線基準］
θ０：γ１軸とγ２軸との角度差
θγ１ｅｒｒ：γ１軸とｄ軸との角度差（位置推定誤差）
θγ２ｅｒｒ：γ２軸とｄ軸との角度差
ωｒ：回転子の角速度
ω１：γ１軸及びγ２軸の速度推定値
である。
また、速度推定値ω１と回転子の角速度（実速度）ωｒとの差を、速度推定誤差ωｅｒｒと定義する。
【００３２】
次に、上述したように、位置推定値θγ１と磁極位置θｒとの差を位置推定誤差θγ１ｅｒｒとして数式１により定義し、γ２軸の角度θγ２と磁極位置θｒとの差を角度差θγ２ｅｒｒとして数式２により定義する。
また、速度推定誤差ωｅｒｒを数式３により定義する。
【数１】
0006675579.tif 000002
【数２】
0006675579.tif 000003
【数３】
0006675579.tif 000004
【００３３】
以上を前提として、本発明の第１実施形態に係る制御装置を図２に基づいて説明する。
図２において、主回路及び制御装置の一部のブロックには図１７と共通する符号を付してあり、始めに、これらの共通部分の構成とＰＭＳＭの速度制御、電流制御、及び電圧制御について説明する。
まず、図２の主回路において、１は三相交流電源、２は整流回路、３はインバータ等の電力変換器、４はＰＭＳＭ、５ｕ，５ｗは電流検出器である。
【００３４】
一方、電力変換器３を制御するための制御装置において、減算器２１により求めた速度指令値ωｒ＊と速度推定値ω１との偏差が速度調節器２２に入力され、速度調節器２２は、上記偏差を零にするようなトルク指令値τ＊を演算する。電流指令演算器２３は、トルク指令値τ＊に応じたトルクを発生させるためのγ軸電流指令値ｉγ＊及びδ軸電流指令値ｉδ＊を演算する。
【００３５】
γ軸電流調節器２５ａは、減算器２４ａにより求めたγ軸電流指令値ｉγ＊とγ１軸電流検出値ｉγ１との偏差を零にするようなγ１軸電圧指令値ｖγ１＊を演算し、δ軸電流調節器２５ｂは、減算器２４ｂにより求めたδ軸電流指令値ｉδ＊とδ１軸電流検出値ｉδ１との偏差を零にするようなδ１軸電圧指令値ｖδ１＊を演算する。ここで、γ１軸電流検出値ｉγ１及びδ１軸電流検出値ｉδ１は、電流座標変換器２８によりＰＭＳＭ４の各相電流を座標変換して求められる。
電圧座標変換器２６は、γ１軸電圧指令値ｖγ１＊及びδ１軸電圧指令値ｖδ１＊をγ１軸の角度θγ１に基づいて座標変換することにより、相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を演算してＰＷＭ回路２７に出力する。
【００３６】
ＰＷＭ回路２７は、相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊及び直流電圧検出値（整流回路２の出力電圧）Ｅｄｃに基づいてＰＷＭ演算を行うことによりゲート信号を生成し、これらのゲート信号を電力変換器３に与える。電力変換器３は、上記ゲート信号に従って内部の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御し、ＰＭＳＭ４の端子電圧を相電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊に制御する。
【００３７】
次いで、制御装置における速度・位置推定系について説明する。
γ軸電流調節器２５ａの出力であるγ１軸電圧指令値ｖγ１＊とδ軸電流調節器２５ｂの出力であるδ１軸電圧指令値ｖδ１＊とが電圧座標変換器９に入力され、この電圧座標変換器９において、角度差演算器１２から送られたsinθ０，cosθ０に基づいてγ２軸電圧指令値ｖγ２＊、δ２軸電圧指令値ｖδ２＊にそれぞれ座標変換される。前述したように、上記θ０は、γ１軸とγ２軸との角度差である。
また、電流座標変換器２８の出力であるγ１軸電流検出値ｉγ１、δ１軸電流検出値ｉδ１が電流座標変換器１０に入力され、この電流座標変換器１０において、上記sinθ０，cosθ０に基づいてγ２軸電流検出値ｉγ２、δ２軸電流検出値ｉδ２にそれぞれ座標変換される。
【００３８】
γ２軸電圧指令値ｖγ２＊、δ２軸電圧指令値ｖδ２＊、γ２軸電流検出値ｉγ２、δ２軸電流検出値ｉδ２、及び速度推定値ω１は、拡張誘起電圧演算器１１Ｅに入力される。この拡張誘起電圧演算器１１Ｅは、下記の数式４によりγ２軸拡張誘起電圧演算値ｅｅｘγ２ｅｓｔ及びδ２軸拡張誘起電圧演算値ｅｅｘδ２ｅｓｔを得る。拡張誘起電圧は、ＰＭＳＭ４の永久磁石とインダクタンスとに分離した位置情報を一つに集約する作用を果たすものであり、拡張誘起電圧ベクトルの方向は図１のｑ軸に一致する。
【数４】
0006675579.tif 000005
【００３９】
なお、以下の説明において、物理量の記号に付した「ｅｓｔ」の添字は演算値を示しているが、例えば、「γ２軸拡張誘起電圧演算値ｅｅｘγ２ｅｓｔ」は、「γ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ」というように「演算値」を省略して呼称するものとする。
【００４０】
拡張誘起電圧の演算に当たっては、γ２軸電圧指令値ｖγ２＊、δ２軸電圧指令値ｖδ２＊の代わりにγ２軸電圧検出値ｖγ２、δ２軸電圧検出値ｖδ２を用いても良い。この場合、γ２軸電圧検出値ｖγ２、δ２軸電圧検出値ｖδ２は、図示されていない電圧検出回路により検出したＰＭＳＭ４の相電圧または線間電圧と、位置推定値θγ１とからγ１軸電圧検出値ｖγ１、δ１軸電圧検出値ｖδ１を求め、これらのγ１軸電圧検出値ｖγ１、δ１軸電圧検出値ｖδ１と、δ１軸とδ２軸との角度差θ０とを用いて求めることができる。
【００４１】
また、補正係数演算器１３は、電流座標変換器１０が演算したδ２軸電流検出値ｉδ２を用いて、数式５により補正係数Ｋを演算する。この補正係数Ｋの導出については、後述する。
【数５】
0006675579.tif 000006
【００４２】
角度差演算器１２は、δ２軸電流検出値ｉδ２及び補正係数Ｋを用いて、数式６または数式７によりsinθ０を演算する。なお、sinθ０の導出については、後述する。
同時に、角度差演算器１２は、数式８によりcosθ０を演算する。
【数６】
0006675579.tif 000007
【数７】
0006675579.tif 000008
【数８】
0006675579.tif 000009
【００４３】
補正電圧演算器１４Ｅは、補正係数Ｋ、速度推定値ω１、γ２軸電流検出値ｉγ２、δ２軸電流検出値ｉδ２を用いて、数式９により、γ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ及びδ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔを補正するための補正電圧ｅｅｘγ２ｃ，ｅｅｘδ２ｃをそれぞれ演算する。
【数９】
0006675579.tif 000010
【００４４】
減算器１５ａ，１５ｂは、数式１０に示すように、γ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔから各軸の補正電圧ｅｅｘγ２ｃ，ｅｅｘδ２ｃをそれぞれ減算することにより、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを得る。
【数１０】
0006675579.tif 000011
【００４５】
位置推定誤差演算器１６は、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔから、数式１１に示す位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを得る。位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの導出原理については、後述する。
【数１１】
0006675579.tif 000012
【００４６】
速度推定器１７はＰＩ調節器からなり、数式１２により位置推定誤差（−θγ１ｅｒｒｅｓｔ）を比例・積分演算して速度推定値ω１を求める。
【数１２】
0006675579.tif 000013
また、積分器１８は、速度推定値ω１を積分して位置推定値θγ１を演算し、電圧座標変換器２６及び電流座標変換器２８に与える。
【００４７】
以上のような演算により、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔが零になるように速度推定値ω１及び位置推定値θγ１が演算され、γ１軸とｄ軸とを一致させることができる。
【００４８】
次に、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを数式１１により導出する原理について説明する。
図３は、各座標軸、数式４により演算した拡張誘起電圧ベクトル、及び、数式１０により演算した補正拡張誘起電圧ベクトルの関係を示している。
【００４９】
拡張誘起電圧ベクトルは、後述する数式１６からも明らかなように、ｑ軸方向に発生する。図３におけるγ１軸とγ２軸との角度差θ０は、拡張誘起電圧ベクトルと補正拡張誘起電圧ベクトルとの角度差に等しくなるように演算する。
ここで、補正拡張誘起電圧の角度δｃｅｘｅｓｔを、数式１３により定義する。
【数１３】
0006675579.tif 000014
【００５０】
ｄ軸とγ２軸との角度差θγ２ｅｒｒｅｓｔは、角度差θ０と角度δｃｅｘｅｓｔとを用いて数式１４により表すことができる。
【数１４】
0006675579.tif 000015
【００５１】
また、上記の角度差θγ２ｅｒｒｅｓｔは、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔと角度差θ０とを用いて、数式１５により表すことができる。
【数１５】
0006675579.tif 000016
従って、数式１４＝数式１５の関係から、前述した数式１１を導出することができる。
【００５２】
次に、補正係数Ｋ及び角度差θ０の導出について説明する。
まず、演算式を導出するために、回転子の磁極位置θｒから位置推定値θγ１までの伝達特性のブロック図を導出することとする。
拡張誘起電圧を含むｄ−ｑ軸電圧方程式は、数式１６により表すことができる。ここで、数式１６の右辺第２項を拡張誘起電圧と定義する。
【数１６】
0006675579.tif 000017
【００５３】
数式１６を、ｄ軸とγ２軸との角度差θγ２ｅｒｒを用いて座標変換すると、数式１７により表すことができる。
【数１７】
0006675579.tif 000018
【００５４】
数式４、数式９、数式１０、数式１７から、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔは、数式１８により表すことができる。
【数１８】
0006675579.tif 000019
【００５５】
数式１１、数式１８より、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔについて、定常状態における動作点近傍で線形近似すると、数式２0〜数式２４が得られる。なお、定常状態での動作点は、数式１９の条件とする。
【数１９】
0006675579.tif 000020
【数２０】
0006675579.tif 000021
【００５６】
【数２１】
0006675579.tif 000022
【数２２】
0006675579.tif 000023
【数２３】
0006675579.tif 000024
【数２４】
0006675579.tif 000025
【００５７】
数式１１、数式２０により、磁極位置θｒから位置推定値θγ１までの伝達特性のブロック図は図４のようになる。また、図４を、数式３を用いて変形すると、図５が得られる。これらの図において、前述したように、Δは動作点近傍の値を示す。
図５から、位置推定誤差Δθγ１ｅｒｒｅｓｔには速度推定誤差Δωｅｒｒが含まれることが明らかであり、速度推定誤差Δωｅｒｒの係数（Ｂ＋Ｃ）は、補正係数Ｋを用いて数式２５により表すことができる。
【数２５】
0006675579.tif 000026
【００５８】
定常状態では、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔが零になることから、数式１８、数式１９、数式２４を用いて、数式２６が得られる。
【数２６】
0006675579.tif 000027
【００５９】
数式２５、数式２６から、数式２７が得られる。
【数２７】
0006675579.tif 000028
【００６０】
数式２７に示す（Ｂ＋Ｃ）を零に制御することは、図５における速度推定誤差Δωｅｒｒの係数（Ｂ＋Ｃ）を零に制御することに他ならないから、これにより、位置推定誤差Δθγ１ｅｒｒｅｓｔには速度推定誤差Δωｅｒｒが含まれなくなり、結果的に速度・位置推定を安定に行うことが可能になる。
【００６１】
ここで、同一トルクにおけるＰＭＳＭ４の電流振幅を最小にする「最大トルク／電流制御」によって電流制御する場合について考察する。この場合、ｄ軸電流、ｑ軸電流は数式２８に示す関係となる。
【数２８】
0006675579.tif 000029
【００６２】
位置推定誤差θγ１ｅｒｒが零のとき、ｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑは、γ１軸電流ｉγ１、δ１軸電流ｉδ１とそれぞれ等しくなり、数式２７、数式２８、及び、γ１軸電流ｉγ１、δ１軸電流ｉδ１とγ２軸電流ｉγ２、δ２軸電流ｉδ２との関係から、数式２９が得られる。
【数２９】
0006675579.tif 000030
【００６３】
数式２９から、ｉγ２を零に制御すれば、（Ｂ＋Ｃ）を零にすることができる。このため、数式２４〜数式２６を用いて、Ｂ＋Ｃ＝０、ｉγ２＝０の条件で角度差θ０について整理すると、ｓｉｎθ０の演算式を前述した数式６または数式７のように導出することが可能である。
また、位置推定誤差θγ１ｅｒｒが零のときにｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑはγ１軸電流ｉγ１、δ１軸電流ｉδ１とそれぞれ等しいため、数式２８、及び、γ１軸電流ｉγ１、δ１軸電流ｉδ１とγ２軸電流ｉδ２、δ２軸電流ｉδ２との関係から、ｓｉｎθ０を、数式３０によりδ２軸電流ｉδ２の関数として演算しても良い。
【数３０】
0006675579.tif 000031
【００６４】
一方、補正係数Ｋは、前述した数式６、数式２４、数式２５に基づいて、数式５のように導出することができる。また、数式２４、数式２６、及び、ｉγ２＝０という条件から、補正係数Ｋを数式３１によって演算しても良い。
【数３１】
0006675579.tif 000032
【００６５】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。この第２実施形態は、第１実施形態における位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを、補正拡張磁束に基づいて演算するものである。
図６において、図２（第１実施形態）との相違点は拡張磁束演算器１１Ｍ及び補正磁束演算器１４Ｍのみであり、その他の構成及び機能は図２と同一であるため同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図６の拡張磁束演算器１１Ｍは、まず、前述した数式４によりγ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔを演算する。次に、以下の数式３２により、γ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔから、γ２軸拡張磁束Ψｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張磁束Ψｅｘδ２ｅｓｔを演算して出力する。
【数３２】
0006675579.tif 000033
【００６７】
また、図６の補正磁束演算器１４Ｍは、数式３３によりγ２軸補正磁束Ψｅｘγ２ｃ、δ２軸補正磁束Ψｅｘδ２ｃを演算する。
【数３３】
0006675579.tif 000034
【００６８】
そして、減算器１５ａ，１５ｂにより、数式３４に従ってγ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを演算する。
【数３４】
0006675579.tif 000035
【００６９】
位置推定誤差演算器１６は、γ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを用いて、数式３５により位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを演算する。
【数３５】
0006675579.tif 000036
【００７０】
この第２実施形態は、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの演算に当たり、第１実施形態のように拡張誘起電圧を用いるのではなく拡張磁束を用いる点が第１実施形態と異なるだけであり、磁極位置θｒから位置推定値θγ１までの伝達特性のブロック図は前記同様に図４、図５によって表わされる。このため、数式２７における（Ｂ＋Ｃ）を零に制御すれば、位置推定誤差には速度推定誤差が含まれなくなり、第１実施形態と同様に安定した速度・位置推定を行うことができる。
【００７１】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
図７〜図９は、本発明の第３〜第８実施形態における座標軸の定義を示している。
図７に示すように、トルク／電流が最大となる電流ベクトルの方向の軸をｑｍ軸、ｑｍ軸から９０°遅れ方向の軸をｄｍ軸、ｄ軸とｄｍ軸との角度差をθ０と定義する。また、図８に示すように、三相のＰＭＳＭの回転子のＮ極方向のｄ軸に対応する推定軸をγ１軸、γ１軸から９０°進み方向の推定軸をδ１軸と定義し、図９に示すように、ｄｍ，ｑｍ軸の推定軸をγ２，δ２軸と定義する。
【００７２】
なお、図７〜図９において、
θｒ：ｄ軸の角度（磁極位置）［ｕ相巻線基準］
θγ１：γ１軸の角度（位置推定値）［ｕ相巻線基準］
θγ２：γ２軸の角度［ｕ相巻線基準］
θ０：ｄ軸とｄｍ軸との角度差（＝γ１軸とγ２軸との角度差）
θγ１ｅｒｒ：γ１軸とｄ軸との角度差（位置推定誤差）
θγ２ｅｒｒ：γ２軸とｄ軸との角度差
ωｒ：回転子の角速度（実速度）
ω１：γ１軸及びγ２軸の速度推定値
である。
【００７３】
ここで、前述したように、速度推定値ω１と回転子の角速度ωｒとの差を速度推定誤差ωｅｒｒと定義する。また、位置推定誤差θγ１ｅｒｒは数式１により、角度差θγ２ｅｒｒは数式２により、速度推定誤差ωｅｒｒは数式３により、それぞれ定義する。
【００７４】
以上を前提として、本発明の第３実施形態に係る制御装置を図１０に基づいて説明する。
図１０において、図２と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略し、以下では図２と異なる部分を中心に説明する。
すなわち、図１０では、図２の角度差演算器１２に代えて電流指令値ベクトル演算器２９が設けられている。この電流指令値ベクトル演算器２９は、トルク指令値τ＊に基づいて、テーブルによりｑｍ軸電流ｉｑｍ、及び、ｄ軸とｄｍ軸との角度差（γ１軸とγ２軸との角度差に等しい）θ０の正弦値ｓｉｎθ０を演算すると共に、前述した数式８により余弦値ｃｏｓθ０を演算する。
【００７５】
電流指令値ベクトル演算器２９が演算したｉｑｍ，ｓｉｎθ０は補正係数演算器１３に入力され、また、ｓｉｎθ０，ｃｏｓθ０は電圧座標変換器９及び電流座標変換器１０に入力されている。
補正係数演算器１３は、ｉｑｍ，ｓｉｎθ０を用いて、数式３６により補正係数Ｋを演算する。この補正係数Ｋの導出については、後述する。
【数３６】
0006675579.tif 000037
【００７６】
この実施形態における補正電圧演算器１４Ｅ、拡張誘起電圧演算器１１Ｅ、減算器１５ａ，１５ｂ、位置推定誤差演算器１６、速度推定器１７、積分器１８等の動作は図２と同様である。
すなわち、補正電圧演算器１４Ｅは、前述した数式９により各軸の補正電圧ｅｅｘγ２ｃ，ｅｅｘδ２ｃを演算し、減算器１５ａ，１５ｂは、数式１０によりγ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔをそれぞれ演算する。
位置推定誤差演算器１６は、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔから、数式１３により補正拡張誘起電圧の角度δｃｅｘｅｓｔを演算する。補正拡張誘起電圧のベクトルの方向は、図９に示すようにｑｍ軸方向に発生するように演算する。従って、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔは、数式１１，数式１３により、−θγ１ｅｒｒｅｓｔ＝δｃｅｘｅｓｔとなる。
【００７７】
速度推定器１７は数式１２により速度推定値ω１を求め、積分器１８は速度推定値ω１を積分して位置推定値θγ１を求める。
以上の動作により、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔが零になるように速度推定値ω１及び位置推定値θγ１が演算され、γ１軸とｄ軸、γ２軸とｄｍ軸をそれぞれ一致させることができる。
【００７８】
次に、補正係数Ｋの導出について説明する。
図７，図９に示したｑｍ軸を、前述した「最大トルク／電流制御」を行った時の電流ベクトルの方向と定義すると、最大トルク／電流制御を行い、位置制御誤差θγ１ｅｒｒが零の場合には、数式３７が成り立つ。
【数３７】
0006675579.tif 000038
よって、数式２４、数式２６、数式３７を用いて、補正係数Ｋを数式３６のように導出することができる。
【００７９】
また、最大トルク／電流制御時には、電流ベクトルはｑｍ軸と一致するため、ｉｄｍ＝０となり、ｄ軸とｄｍ軸との角度差θ０を用いて、ｄ，ｑ軸電流とｑｍ軸電流との関係は、数式３８となる。
【数３８】
0006675579.tif 000039
【００８０】
数式３８を用いて数式２８を変形すると、数式３９が得られる。
【数３９】
0006675579.tif 000040
また、数式２７は、数式４０のように変形するこができる。
【数４０】
0006675579.tif 000041
【００８１】
位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔが零の時に最大トルク／電流制御を行う場合には、数式３７の関係が成り立つため、数式３７，３９，４０より、（Ｂ＋Ｃ）を零にすることができる。
前述の図５に示したように、（Ｂ＋Ｃ）を零に制御することは速度推定誤差Δωｅｒｒの係数（Ｂ＋Ｃ）を零に制御することに他ならないため、位置推定誤差Δθγ１ｅｒｒｅｓｔには速度推定誤差Δωｅｒｒが含まれなくなり、結果的に速度・位置推定を安定に行うことができる。
【００８２】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。
図１１は、本発明の第４実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。この第４実施形態は、第３実施形態における位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの演算において、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ及びδ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを、ローパスフィルタ３１ａ，３１ｂを介して位置推定誤差演算器１６に入力するようにしたものである。図１１における他の構成及び機能は図１０と同一であるため、ここでは同一符号を付して説明を省略する。
第４実施形態によれば、ローパスフィルタ３１ａ，３１ｂを通過したγ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ及びδ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを用いて位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを演算することにより、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの振動を低減して安定性を向上させることができる。
【００８３】
次いで、本発明の第５実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第５実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。この第５実施形態は、図１０の第３実施形態に第２の補正係数演算器３２及び第２の補正電圧演算器３３Ｅを付加したもので、補正電圧演算器３３Ｅから出力される第２のγ２軸補正電圧ｅｅｘγ２ｃ２、δ２軸補正電圧ｅｅｘδ２ｃ２を減算器１５ａ，１５ｂの出力からそれぞれ減算してγ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを得ると共に、各軸の補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ，ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを位置推定誤差演算器１６に入力するものである。
なお、各軸の補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ，ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを、図１１の第４実施形態のようにローパスフィルタ３１ａ，３１ｂを介して位置推定誤差演算器１６に入力しても良い。
【００８４】
前述した第３実施形態では、電流制御として最大トルク／電流制御を行う場合について説明したが、最大トルク／電流制御を行わない場合にはｄｍ軸電流が零とならないため、補正拡張誘起電圧のγ２軸成分が零にならず、位置推定誤差を正確に演算することができない。
このため、第５実施形態では、第２のγ２軸補正電圧ｅｅｘγ２ｃ２、δ２軸補正電圧ｅｅｘδ２ｃ２を追加して各軸の補正拡張誘起電圧を得ることにより、電流制御として最大トルク／電流制御を行わない場合にも補正拡張誘起電圧のγ２軸成分を零にし、位置推定誤差を正確に演算可能としたものである。
【００８５】
図１２において、図１０（第３実施形態）との相違点は、第２の補正係数演算器３２及び第２の補正電圧演算器３３Ｅの有無のみであり、その他の構成及び機能については図１０と同一であるため同一符号を付して説明を省略する。
以下、第２の補正係数演算器３２及び第２の補正電圧演算器３３Ｅについて説明する。
補正係数演算器３２は、ｄ軸とｄｍ軸との角度差θ０の正弦値ｓｉｎθ０及び余弦値ｃｏｓθ０を用いて、第２の補正係数Ｋ２を数式４１により演算する。なお、この補正係数Ｋ２の導出については、後述する。
【数４１】
0006675579.tif 000042
【００８６】
第２の補正電圧演算器３３Ｅは、第２の補正係数Ｋ２、速度推定値ω１、γ２軸電流検出値ｉγ２、δ２軸電流検出値ｉδ２を用いて、数式４２により第２のγ２軸補正電圧ｅｅｘγ２ｃ２及びδ２軸補正電圧ｅｅｘδ２ｃ２をそれぞれ演算する。
【数４２】
0006675579.tif 000043
【００８７】
減算器１５ａ，１５ｂは、数式４３に示すように、γ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔから各軸の補正電圧ｅｅｘγ２ｃ，ｅｅｘδ２ｃ、及び、第２の補正電圧ｅｅｘγ２ｃ２，ｅｅｘδ２ｃ２をそれぞれ減算し、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔを得る。
【数４３】
0006675579.tif 000044
【００８８】
次に、第２の補正係数Ｋ２の導出について説明する。
数式４、数式９、数式１７、数式４２、数式４３から、第２の補正電圧ｅｅｘγ２ｃ２，ｅｅｘδ２ｃ２を追加して補正した場合のγ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘδ２ｅｓｔは、数式４４により表すことができる。
【数４４】
0006675579.tif 000045
【００８９】
定常状態におけるγ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔは、数式１９、数式２４、数式４４を用いて、数式４５により表すことができる。
【数４５】
0006675579.tif 000046
【００９０】
電流制御として最大トルク／電流制御を行わない場合、数式２４、数式３６、数式４５から、γ２軸補正拡張誘起電圧ｃｅｅｘγ２ｅｓｔが零になるように、補正係数Ｋ２を数式４１により演算する。
この第５実施形態のように第２の補正電圧ｅｅｘγ２ｃ２，ｅｅｘδ２ｃ２を追加的に用いて各軸の拡張誘起電圧を補正することで、最大トルク／電流制御を行わない場合でも、定常状態で位置推定誤差を正確に演算することができる。
【００９１】
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第６実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。この第６実施形態は、第３実施形態における位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを補正拡張磁束に基づいて演算するものである。
図１３において、図１０(第３実施形態)との相違点は、拡張磁束演算器１１Ｍ及び補正磁束演算器１４Ｍのみであり、その他の構成及び機能は図１０と同一であるため同一の符号を付して説明を省略する。
【００９２】
図１３における拡張磁束演算器１１Ｍは、図６（第２実施形態）と同様に、前述の数式４によりγ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔを演算する。次に、前述の数式３２により、γ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張誘起電圧ｅｅｘδ２ｅｓｔからγ２軸拡張磁束Ψｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸拡張磁束Ψｅｘδ２ｅｓｔを演算する。
【００９３】
また、図１３における補正磁束演算器１４Ｍは、前述の数式３３により、γ２軸補正磁束Ψｅｘγ２ｃ、δ２軸補正磁束Ψｅｘδ２ｃを演算する。なお、数式３３において用いる補正係数Ｋは、前記同様に補正係数演算器１３によって求められる。
そして、減算器１５ａ，１５ｂにより、前述の数式３４に従ってγ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを演算する。位置推定誤差演算器１６は、前述の数式３５により、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを演算する。
【００９４】
この第６実施形態は、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの演算に当たり、第３実施形態のように拡張誘起電圧を用いるのではなく拡張磁束を用いる点が異なり、磁極位置θｒから位置推定値θγ１までの伝達特性のブロック図は図４、図５によって表される。このため、数式２７や数式４０における（Ｂ＋Ｃ）を零に制御すれば、位置推定誤差には速度推定誤差が含まれなくなり、第３実施形態と同様に安定した速度・位置推定を行うことができる。
【００９５】
次に、本発明の第７実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第７実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。この第７実施形態は、第４実施形態と同様に、減算器１５ａ，１５ｂの出力を、ローパスフィルタ３１ａ，３１ｂを介して位置推定誤差演算器１６に入力したものであり、その他の構成及び機能は図１３（第６実施形態）と同一である。
この第７実施形態によれば、第４実施形態と同様に、補正拡張磁束の値をそのまま用いるのではなくローパスフィルタ３１ａ，３１ｂを通過させた値を用いることで、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの振動を低減し、安定性を向上させることができる。
【００９６】
次に、本発明の第８実施形態について説明する。
図１５は、本発明の第８実施形態に係る制御装置を主回路と共に示したブロック図である。
この第５実施形態は、図１３の第６実施形態に第２の補正係数演算器３２及び第２の補正磁束演算器３３Ｍを付加したものであり、補正磁束演算器３３Ｍから出力される第２のγ２軸補正磁束Ψｅｘγ２ｃ２、δ２軸補正磁束Ψｅｘδ２ｃ２を減算器１５ａ，１５ｂの出力からそれぞれ減算してγ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを得ると共に、各軸の補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ，ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを位置推定誤差演算器１６に入力する。
なお、各軸の補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ，ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを、図１４の第７実施形態のようにローパスフィルタ３１ａ，３１ｂを介して位置推定誤差演算器１６に入力しても良い。
【００９７】
図１５において、第２の補正磁束演算器３３Ｍは、数式４６により第２のγ２軸補正磁束Ψｅｘγ２ｃ２、δ２軸補正磁束Ψｅｘδ２ｃ２を演算する。
【数４６】
0006675579.tif 000047
また、減算器１５ａ，１５ｂは、数式４７によりγ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを演算する。
【数４７】
0006675579.tif 000048
【００９８】
位置推定誤差演算器１６は、γ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘγ２ｅｓｔ、δ２軸補正拡張磁束ｃΨｅｘδ２ｅｓｔを用いて、前述の数式３５により位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを演算する。
この第８実施形態は、位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔの演算に当たり、第５実施形態のように拡張誘起電圧を用いるのではなく拡張磁束を用いており、第２の補正磁束の作用により、最大トルク／電流制御を行わない場合でも位置推定誤差θγ１ｅｒｒｅｓｔを正確に演算することができる。
【００９９】
なお、本発明の各実施形態では、電圧座標変換器９及び電流座標変換器１０における電圧、電流の座標変換をγ―δ座標系の二相量同士で行っているのに対し、図１７に示した従来技術では、電圧座標変換器２９及び電流座標変換器３０における電圧、電流の座標変換を、固定座標系の三相量→直交回転座標系の二相量という形態で行っている。
このため、本発明の各実施形態によれば、速度・位置推定系における電圧、電流の座標変換に伴う演算処理を図１７の従来技術よりも簡略化することができる
【符号の説明】
【０１００】
１：三相交流電源
２：整流回路
３：電力変換器
４：永久磁石形同期電動機（ＰＭＳＭ）
５ｕ，５ｗ：電流検出器
９，２６：電圧座標変換器
１０，２８：電流座標変換器
１１Ｅ：拡張誘起電圧演算器
１１Ｍ：拡張磁束演算器
１２：角度差演算器
１３，３２：補正係数演算器
１４Ｅ，３３Ｅ：補正電圧演算器
１４Ｍ：補正磁束演算器
１５ａ，１５ｂ：減算器
１６：位置推定誤差演算器
１７：速度推定器
１８：積分器
２１，２４ａ，２４ｂ：減算器
２２：速度調節器
２３：電流指令演算器
２５ａ：γ軸電流調節器
２５ｂ：δ軸電流調節器
２７：ＰＷＭ回路
２９：電流指令値ベクトル演算器
３１ａ，３１ｂ：ローパスフィルタ
【図１】
0006675579.tif 000049
【図２】
0006675579.tif 000050
【図３】
0006675579.tif 000051
【図４】
0006675579.tif 000052
【図５】
0006675579.tif 000053
【図６】
0006675579.tif 000054
【図７】
0006675579.tif 000055
【図８】
0006675579.tif 000056
【図９】
0006675579.tif 000057
【図１０】
0006675579.tif 000058
【図１１】
0006675579.tif 000059
【図１２】
0006675579.tif 000060
【図１３】
0006675579.tif 000061
【図１４】
0006675579.tif 000062
【図１５】
0006675579.tif 000063
【図１６】
0006675579.tif 000064
【図１７】
0006675579.tif 000065