(57)【要約】【課題】正弦波通電が可能であり且つ少ない演算負荷でロータの磁極位置を推定可能な同期モータの位置センサレス駆動装置を提供する。【解決手段】ゼロ電圧ベクトル時は各相が短絡状態となるため、誘起電圧のみに起因して同期モータＭに流れる電流の変化量を検出し、電流変化量からロータの磁極位置を推定することができる。よって、６０度の休止区間の誘起電圧ゼロクロスでロータの磁極位置の推定を行う従来の１２０度誘起電圧方式のように休止区間を設定する必要がないため、正弦波通電が可能になり、高効率、低騒音での駆動が可能になる。また、拡張誘起電圧を理論式より演算してロータの磁極位置の推定を行う従来の拡張誘起電圧方式よりも演算負荷を低減できると共に推定ゲインや機器定数等の適合工数が不要となり、誘起電圧を直接検出するので遅れが生じない。【選択図】図３
2007336641.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石を用いたロータ構造を有する同期モータを、位置センサを用いることなく駆動制御するための制御装置であって、
所定電圧ベクトル時の前記同期モータに流れる電流の変化量を検出する電流変化検出手段と、
前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量からロータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段と
を備えたことを特徴とする同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項２】
前記電流変化検出手段は、ゼロ電圧ベクトル時の前記同期モータに流れる電流の変化量を検出することを特徴とする請求項１に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項３】
ゼロ電圧ベクトルの発生期間を所定値以上に制限するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項４】
所定のタイミングで所定のゼロ電圧ベクトル発生期間を設定するように構成されたことを特徴とする請求項２又は３に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項５】
前記同期モータを２相変調制御により駆動するように構成されたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項６】
前記電流変化検出手段は、非ゼロ電圧ベクトル時の前記同期モータに流れる電流の変化量を検出することを特徴とする請求項１に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項７】
速度ゼロにおける非ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量を記憶する速度ゼロ電流変化量記憶手段を備え、
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量から前記速度ゼロ電流変化量記憶手段に記憶された速度ゼロ電流変化量を減算して得られた結果に基づいてロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項６に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項８】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化量のゼロクロスを検出することによってロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項９】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化量のゼロクロスの時間間隔を計測することによって速度を推定する速度推定手段と、
前記速度推定手段による推定速度を用いてロータの磁極位置を補間する位置補間手段と
を備えたことを特徴とする請求項８に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１０】
前記同期モータに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段による電流検出値に基づいて前記電流変化量を検出することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１１】
前記電流検出手段は、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子の電圧降下の検出に基づいて電流検出を行うことを特徴とする請求項１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１２】
前記電流検出手段は、インバータ回路のアーム下段又は上段に設けられたシャント抵抗を介して電流検出を行うことを特徴とする請求項１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１３】
前記電流検出手段は、インバータ回路の直流母線に設けられたシャント抵抗を介して電流検出を行うことを特徴とする請求項１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１４】
前記電流検出手段は、各相に設けられた電流センサを介して電流検出を行うことを特徴とする請求項１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１５】
前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流検出値を前記所定電圧ベクトル発生期間中にＡＤ変換器を２回動作させて取り込むことにより電流変化を検出することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１６】
前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流検出値を保持する２つのサンプルホールド手段と、前記２つのサンプルホールド手段によって前記所定電圧ベクトル発生期間中の互いに異なる時点で保持された２つの電流検出値の差分値を算出する差分算出手段とを有し、前記差分算出手段によって算出された前記差分値から電流変化を検出することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１７】
前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流検出値を微分する微分手段を有し、前記微分手段による電流検出微分値から電流変化を検出することを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１８】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分の比からロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項１９】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄ成分がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項２０】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項２１】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分の比からロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項２２】
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項２３】
前記磁極位置推定手段は、前記同期モータに流れる電流に応じて位置補正を行うことを特徴とする請求項１乃至２２のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【請求項２４】
前記磁極位置推定手段は、前記推定磁極位置より速度を推定する速度推定手段を有し、前記所定電圧ベクトル時間が所定値未満の場合、前記速度推定手段によって推定された推定速度を積分することによってロータの磁極位置を推定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期モータの制御装置に関し、特に、磁石を用いたロータ構造を有する同期モータをロータ磁極位置検知用の位置センサ無しで駆動する同期モータの位置センサレス駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石型同期モータの位置センサレス制御に関して種々の方式が提案されている。例えば、６０度の休止区間の誘起電圧ゼロクロスでロータの磁極位置の推定を行う１２０度誘起電圧方式が提案されている。また、拡張誘起電圧を理論式より演算してロータの磁極位置の推定を行う拡張誘起電圧方式が提案されている（例えば、非特許文献１等参照。）。
【非特許文献１】陳志謙、外４名，「外乱オブザーバと速度適応同定による円筒型ブラシレスＤＣモータの位置・速度センサレス制御」，電学論Ｄ，１１８巻７／８号，平成１０年，Ｐ．８２８−８３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、１２０度誘起電圧方式では、休止区間を設定する必要があり、通電波形が矩形波であることから、効率が低く、振動が大きいという欠点がある。一方、拡張誘起電圧方式では、通電波形が正弦波であることから、高効率であり振動の問題もないが、演算負荷が大きいため高価なマイコンを用いる必要があると共に、推定ゲインや機器定数についての適合工数が必要になるという欠点がある。
【０００４】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、正弦波通電が可能であり且つ少ない演算負荷でロータの磁極位置を推定可能な同期モータの位置センサレス駆動装置を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
【０００６】
１．磁石を用いたロータ構造を有する同期モータを、位置センサを用いることなく駆動制御するための制御装置であって、
所定電圧ベクトル時の前記同期モータに流れる電流の変化量を検出する電流変化検出手段と、
前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量からロータの磁極位置を推定する磁極位置推定手段と
を備えたことを特徴とする同期モータの位置センサレス駆動装置。
【０００７】
手段１によれば、電流変化検出手段が、所定電圧ベクトル時の同期モータに流れる電流の変化量を検出し、磁極位置推定手段が、電流変化検出手段によって検出された電流変化量からロータの磁極位置を推定する。よって、６０度の休止区間の誘起電圧ゼロクロスでロータの磁極位置の推定を行う従来の１２０度誘起電圧方式のように休止区間を設定する必要がないため、正弦波通電が可能になり、高効率、低騒音での駆動が可能になる。また、拡張誘起電圧を理論式より演算してロータの磁極位置の推定を行う従来の拡張誘起電圧方式よりも演算負荷を低減できると共に推定ゲインや機器定数等の適合工数が不要となり、誘起電圧を直接検出するので遅れが生じない。
【０００８】
２．前記電流変化検出手段は、ゼロ電圧ベクトル時の前記同期モータに流れる電流の変化量を検出することを特徴とする手段１に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【０００９】
手段２によれば、ゼロ電圧ベクトル時は各相が短絡状態となるため、電流変化検出手段は、誘起電圧のみに起因して同期モータに流れる電流の変化量を検出して、磁極位置推定手段が、電流変化検出手段によって検出された電流変化量からロータの磁極位置を推定することができる。
【００１０】
３．ゼロ電圧ベクトルの発生期間を所定値以上に制限するように構成されたことを特徴とする手段２に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００１１】
手段３によれば、ゼロ電圧ベクトルの発生期間が所定値以上に制限されているので、電流変化検出手段は、ゼロ電圧ベクトル時のリンギング時間を避けて同期モータに流れる電流の変化量を確実に検出することができる。
【００１２】
４．所定のタイミングで所定のゼロ電圧ベクトル発生期間を設定するように構成されたことを特徴とする手段２又は３に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００１３】
手段４によれば、所定のタイミングで所定のゼロ電圧ベクトル発生期間を設定することによって、ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量を検出するための時間を確実に確保することができる。すなわち、診断用の電圧を発生させることで、ゼロ電圧ベクトルがリンギング時間より短い高変調時でも電流変化量が検出でき、電流変化量を検出できる変調率範囲が拡大する。
【００１４】
５．前記同期モータを２相変調制御により駆動するように構成されたことを特徴とする手段２乃至４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００１５】
手段５によれば、３相中の２相のみを所定周期でスイッチングする２相変調制御により同期モータを駆動するので、一つのゼロ電圧ベクトル発生期間の幅が倍になり、電流変化量を検出できる変調率範囲が拡大する。
【００１６】
６．前記電流変化検出手段は、非ゼロ電圧ベクトル時の前記同期モータに流れる電流の変化量を検出することを特徴とする手段１に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００１７】
手段６によれば、電流変化検出手段は、誘起電圧とベクトルパターンによる電源電圧とに起因して同期モータに流れる電流の変化量を検出して、磁極位置推定手段が、電流変化検出手段によって検出された電流変化量からロータの磁極位置を推定することができる。
【００１８】
７．速度ゼロにおける非ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量を記憶する速度ゼロ電流変化量記憶手段を備え、
前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量から前記速度ゼロ電流変化量記憶手段に記憶された速度ゼロ電流変化量を減算して得られた結果に基づいてロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段６に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００１９】
手段７によれば、速度ゼロ電流変化量記憶手段が、速度ゼロにおける非ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量を記憶し、磁極位置推定手段は、電流変化検出手段によって検出された電流変化量から速度ゼロ電流変化量記憶手段に記憶された速度ゼロ電流変化量を減算して得られた結果に基づいてロータの磁極位置を推定する。すなわち、非ゼロ電圧ベクトルでは誘起電圧とベクトルパターンによる電源電圧とが印加されており誘起電圧による電流変化を直接検出できないが、速度ゼロ時は誘起電圧がゼロのためベクトルパターンによる電源電圧による電流変化が現れるため、これを速度ゼロ電流変化量記憶手段に記憶しておき、速度ゼロ以外で検出した電流変化量より減算することで誘起電圧による電流変化を検出することができる。
【００２０】
８．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化量のゼロクロスを検出することによってロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００２１】
手段８によれば、磁極位置推定手段は、電流変化量のゼロクロスを検出することによって、演算を行うことなく、ロータの磁極位置を所定の角度間隔で推定することができる。
【００２２】
９．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化量のゼロクロスの時間間隔を計測することによって速度を推定する速度推定手段と、
前記速度推定手段による推定速度を用いてロータの磁極位置を補間する位置補間手段と
を備えたことを特徴とする手段８に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００２３】
手段９によれば、速度推定手段が、電流変化量のゼロクロスの時間間隔を計測することによって速度を推定し、位置補間手段が、速度推定手段による推定速度を用いてロータの磁極位置を補間するので、ゼロクロス検出時以外でも磁極位置を推定することができ、正弦波通電を行うことが可能となる。
【００２４】
１０．前記同期モータに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段による電流検出値に基づいて前記電流変化量を検出することを特徴とする手段１乃至９のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００２５】
手段１０によれば、電流検出手段が、同期モータに流れる電流を検出し、電流変化検出手段は、電流検出手段による電流検出値に基づいて電流変化量を確実に検出することができる。
【００２６】
１１．前記電流検出手段は、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子の電圧降下の検出に基づいて電流検出を行うことを特徴とする手段１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００２７】
手段１１によれば、電流検出手段は、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子の電圧降下の検出に基づいて、簡単且つ安価な構成で、確実に電流検出を行うことができる。
【００２８】
１２．前記電流検出手段は、インバータ回路のアーム下段又は上段に設けられたシャント抵抗を介して電流検出を行うことを特徴とする手段１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００２９】
手段１２によれば、電流検出手段は、インバータ回路のアーム下段又は上段に設けられたシャント抵抗を介して、簡単且つ安価な構成で、確実に電流検出を行うことができる。
【００３０】
１３．前記電流検出手段は、インバータ回路の直流母線に設けられたシャント抵抗を介して電流検出を行うことを特徴とする手段１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００３１】
手段１３によれば、電流検出手段は、インバータ回路の直流母線に設けられたシャント抵抗を介して、簡単且つ安価な構成で、確実に電流検出を行うことができる。
【００３２】
１４．前記電流検出手段は、各相に設けられた電流センサを介して電流検出を行うことを特徴とする手段１０に記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００３３】
手段１４によれば、電流検出手段は、各相に設けられた電流センサを介して確実に電流検出を行うことができる。
【００３４】
１５．前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流検出値を前記所定電圧ベクトル発生期間中にＡＤ変換器を２回動作させて取り込むことにより電流変化を検出することを特徴とする手段１０乃至１４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００３５】
手段１５によれば、電流変化検出手段は、電流検出手段によって検出された電流検出値を所定電圧ベクトル発生期間中にＡＤ変換器を２回動作させて取り込むことにより、簡単且つ安価な構成で、確実に電流変化を検出することができる。
【００３６】
１６．前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流検出値を保持する２つのサンプルホールド手段と、前記２つのサンプルホールド手段によって前記所定電圧ベクトル発生期間中の互いに異なる時点で保持された２つの電流検出値の差分値を算出する差分算出手段とを有し、前記差分算出手段によって算出された前記差分値から電流変化を検出することを特徴とする手段１０乃至１４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００３７】
手段１６によれば、電流変化検出手段は、２つのサンプルホールド手段により電流検出手段によって検出された電流検出値を保持し、差分算出手段により２つのサンプルホールド手段によって所定電圧ベクトル発生期間中の互いに異なる時点で保持された２つの電流検出値の差分値を算出し、差分算出手段によって算出された差分値から電流変化を確実に検出することができる。
【００３８】
１７．前記電流変化検出手段は、前記電流検出手段によって検出された電流検出値を微分する微分手段を有し、前記微分手段による電流検出微分値から電流変化を検出することを特徴とする手段１０乃至１４のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００３９】
手段１７によれば、電流変化検出手段は、微分手段により電流検出手段によって検出された電流検出値を微分し、微分手段による電流検出微分値から電流変化を確実に検出することができる。
【００４０】
１８．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分の比からロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００４１】
手段１８によれば、磁極位置推定手段は、電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分の比からロータの磁極位置を推定するので、簡単な演算でロータの磁極位置を常時推定することができると共に、フィルタ等を用いないため高応答を実現することができる。
【００４２】
１９．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄ成分がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００４３】
手段１９によれば、磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄ成分がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定するので、極めて簡単な演算でロータの磁極位置を常時推定することができる。
【００４４】
２０．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００４５】
手段２０によれば、前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定するので、極めて簡単な演算でロータの磁極位置を常時推定することができる。
【００４６】
２１．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分の比からロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００４７】
手段２１によれば、磁極位置推定手段は、電流変化検出手段によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分の比からロータの磁極位置を推定するので、簡単な演算でロータの磁極位置を常時推定することができると共に、フィルタ等を用いないため高応答を実現することができる。
【００４８】
２２．前記磁極位置推定手段は、前記電流変化検出手段によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００４９】
手段２２によれば、磁極位置推定手段は、電流変化検出手段によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定するので、極めて簡単な演算でロータの磁極位置を常時推定することができる。
【００５０】
２３．前記磁極位置推定手段は、前記同期モータに流れる電流に応じて位置補正を行うことを特徴とする手段１乃至２２のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００５１】
手段２３によれば、磁極位置推定手段は、同期モータに流れる電流に応じて位置補正を行うので、コイルのリアクタンスの影響を補正して、より正確な磁極位置を得ることができる。
【００５２】
２４．前記磁極位置推定手段は、前記推定磁極位置より速度を推定する速度推定手段を有し、前記所定電圧ベクトル時間が所定値未満の場合、前記速度推定手段によって推定された推定速度を積分することによってロータの磁極位置を推定することを特徴とする手段１乃至７のいずれかに記載の同期モータの位置センサレス駆動装置。
【００５３】
手段２４によれば、磁極位置推定手段は、速度推定手段により推定磁極位置より速度を推定し、所定電圧ベクトル時間が所定値未満の場合、速度推定手段によって推定された推定速度を積分することによってロータの磁極位置を推定することので、電流変化量に基づいて磁極位置を推定できない場合でも推定速度に基づいて磁極位置を確実に推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
以下、本発明の同期モータの位置センサレス駆動装置を具体化した一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００５５】
まず、本実施形態の同期モータ制御装置１の全体構成について、図１の回路図を参照しつつ説明する。
【００５６】
同期モータ制御装置１は、磁石を用いたロータ構造を有する同期モータＭのＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相へ駆動電力を供給するインバータ回路２と、インバータ回路２を介して同期モータＭへ電力を供給する直流電源３と、インバータの出力電圧指令に比例したデューティ比のＰＷＭ信号を生成すると共に相電流検出のためのＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）を内蔵したマイコン４と、電流検出回路８とから構成されている。尚、マイコン４が、本発明の電流変化検出手段及び磁極位置推定手段を構成するものである。
【００５７】
インバータ回路２は、直流母線２ａ，２ｂ間に、Ｕ相アーム上段のパワーＭＯＳＦＥＴ（以下、単にトランジスタと称する。）２ｕ、Ｕ相アーム下段のトランジスタ２ｘ、Ｖ相アーム上段のトランジスタ２ｖ、Ｖ相アーム下段のトランジスタ２ｙ、Ｗ相アーム上段のトランジスタ２ｗ、及びＷ相アーム下段のトランジスタ２ｚからなる６個のスイッチング素子をブリッジ接続した周知構成の三相インバータ回路である。
【００５８】
電流検出回路８ｕは、図示しないオペアンプからなり、Ｕ相アーム下段のトランジスタ２ｘ両端の電圧降下を検出することによって、Ｕ相アーム下段を流れる相電流を検出する回路である。同様に、電流検出回路８ｖは、Ｖ相アーム下段のトランジスタ２ｙ両端の電圧降下を検出することによってＶ相アーム下段を流れる相電流を検出する回路であり、電流検出回路８ｗは、Ｗ相アーム下段のトランジスタ２ｚ両端の電圧降下を検出することによってＷ相アーム下段を流れる相電流を検出する回路である。
【００５９】
次に、ＰＷＭスイッチング信号の生成方式について空間ベクトル法を用いて説明する。空間ベクトル法とは、指令電圧ベクトルを８個の基本電圧ベクトルで表現し、時間に換算して６個のスイッチング素子のオン／オフを決定するものである。基本電圧ベクトルとは、電圧型インバータにおいて６個のスイッチング素子のオン／オフの組合わせで決まる２3＝８種類の電圧ベクトルである。また、８種類の基本電圧ベクトルＶ０〜Ｖ７は、図２に示すように、互いに６０度だけ位相が異なり且つ大きさの等しい６種の電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６と、大きさを持たない２種のゼロ電圧ベクトルＶ０及びＶ７とからなる。ここで、８種のベクトル（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ）は、８通りのスイッチングモードに対応し、各相の正側のスイッチング素子２ｕ，２ｖ，２ｗがオンであるときに、Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを「１」と表し、逆に負側のスイッチング素子２ｘ，２ｙ，２ｚがオンであるときに「０」と表したものである。そして、本実施形態では、８種の基本電圧ベクトルを任意の組合わせで合成することにより３相ＰＷＭ電圧を発生させる。
【００６０】
次に、各相電流の変化を検出することによって、同期モータＭにおけるロータの磁極位置を推定する原理について説明する。図３は、ロータ磁極位置、Ｕ相誘起電圧、Ｕ相電流、及び電圧ベクトルＶ０時のＵ相電流傾き（＝所定時間間隔における電流変化量）の関係を示している。尚、Ｕ相電流は、ゼロ電圧ベクトル（Ｖ０，Ｖ７）発生期間を太線で、非ゼロ電圧ベクトル（Ｖ１〜Ｖ６）発生期間を細線で示している。図４は、各電圧ベクトル時の電圧状態を示す図であり、（ａ）は電圧ベクトルＶ０、（ｂ）は電圧ベクトルＶ７、（ｃ）は電圧ベクトルＶ１、（ｄ）は電圧ベクトルＶ２における電圧状態をそれぞれ示している。
【００６１】
図３から明らかなように、ロータ磁極位置と誘起電圧とには相関があり、誘起電圧を検出すればロータ磁極位置を推定可能であることがわかる。また、ゼロ電圧ベクトル（Ｖ０又はＶ７）時は各相が短絡状態となり（図４（ａ），（ｂ）参照）、誘起電圧に応じた電流が流れるので、誘起電圧と電流の傾き（電流変化量）とには相関がある（図３参照）。従って、ゼロ電圧ベクトル時の電流傾きを検出することにより、誘起電圧を検出可能であると共にロータ磁極位置を推定可能である。尚、非ゼロ電圧ベクトル（Ｖ１〜Ｖ６）時は、各相には誘起電圧＋電源電圧（Ｖｄｃ）に応じた電流が流れる（図４（ｃ），（ｄ）参照）。
【００６２】
次に、インバータ回路２における電流リプル変化の一例について説明する。図５は、電気角に対する各相の変調率を示すチャートである。図６は、図５において一点鎖線で囲んで示す電気角１２０度付近における電流リプルの変化を示すチャートであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の変調度（Ｄｕｔｙ）、各相スイッチング（ＳＷ）状態、電圧ベクトルパターン、各相誘起電圧、各相電流リプルＡＣ成分が示されている。図６におけるゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７時のＵ相電流リプル成分が、図３におけるＵ相電流グラフの太線部分に対応し、図６におけるゼロ電圧ベクトルＶ０，Ｖ７時のＵ相電流の傾きが、図３におけるゼロ電圧ベクトル時のＵ相電流傾きグラフに対応している。
【００６３】
次に、ロータ磁極位置推定処理の流れについて、図７のフローチャート、及び図８のロータ磁極位置、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相誘起電圧、各相電流、及びゼロ電圧ベクトル時の各相電流傾きの関係を示す図を参照しつつ説明する。
【００６４】
まず、ゼロ電圧ベクトル（Ｖ０又はＶ７）発生期間中に、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相について１回目の電流検出値の取り込みを行う（ステップ１。以下、Ｓ１と略記する。他のステップも同様。）。すなわち、マイコン４がＡ／Ｄ変換割り込みを発生させることにより、電流検出回路８から電流検出値を取り込んでＡ／Ｄ変換する。次に、各相について２回目の電流検出値の取り込みを行う（Ｓ２）。すなわち、Ｓ１と同様に、マイコン４がＡ／Ｄ変換割り込みを発生させることにより、電流検出回路８から電流検出値を取り込んでＡ／Ｄ変換する。次に、２回目の電流検出値から１回目の電流検出値を減算することにより、各相の電流変化量（電流傾き）を算出する（Ｓ３）。次に、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の電流変化量のいずれかがゼロクロス（図８の○印部分）であるか否かを判定する。具体的には、マイコン４のメモリに記憶された前回の電流変化量と今回の電流変化量とで正負の符号が異なるかを判定し、符号が異なる場合はゼロクロスであると判定する。電流変化量がゼロクロスであると判定された場合（Ｓ４：Ｙｅｓ）、電流変化量ゼロクロスのパターンに応じてロータ磁極位置を推定する。例えば、Ｕ相電流変化量の正から負へのゼロクロスである場合、ロータ磁極位置を１８０度と推定する。同様に、Ｗ相電流変化量ゼロクロス（負→正）：２４０度、Ｖ相電流変化量ゼロクロス（正→負）：３００度、Ｕ相電流変化量ゼロクロス（負→正）：０度、Ｗ相電流変化量ゼロクロス（正→負）：６０度、Ｖ相電流変化量ゼロクロス（負→正）：１２０度のように推定する。電流変化量がゼロクロスと判定されなかった場合（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ１へ戻る。
【００６５】
以上詳述したことから明らかなように、本実施形態によれば、ゼロ電圧ベクトル時の同期モータＭに流れる電流の変化量を検出し、電流変化量からロータの磁極位置を推定する。すなわち、ゼロ電圧ベクトル時は各相が短絡状態となるため、誘起電圧のみに起因して同期モータＭに流れる電流の変化量を検出し、電流変化量からロータの磁極位置を推定することができる。よって、６０度の休止区間の誘起電圧ゼロクロスでロータの磁極位置の推定を行う従来の１２０度誘起電圧方式のように休止区間を設定する必要がないため、正弦波通電が可能になり、高効率、低騒音での駆動が可能になる。また、拡張誘起電圧を理論式より演算してロータの磁極位置の推定を行う従来の拡張誘起電圧方式よりも演算負荷を低減できると共に推定ゲインや機器定数等の適合工数が不要となり、誘起電圧を直接検出するので遅れが生じない。
【００６６】
また、電流変化量のゼロクロスを検出することによってロータの磁極位置を推定するので、演算を行うことなく、６０度間隔でロータ磁極位置を推定することができる。
【００６７】
尚、上記実施形態において、ゼロ電圧ベクトルの発生期間を所定値以上に制限し、リンギング時間を避けて同期モータＭに流れる電流の変化量を確実に検出できるようにすることが好ましい。
【００６８】
或いは、所定のタイミングで所定のゼロ電圧ベクトル発生期間を設定するように構成してもよい。すなわち、診断用の電圧を発生させることで、ゼロ電圧ベクトルがリンギング時間より短い高変調時でも電流変化量が検出でき、電流変化量を検出できる変調率範囲が拡大する。
【００６９】
また、同期モータＭに流れる電流（大きさ、位相）に応じて位置補正を行うことが好ましい。すなわち、コイルのリアクタンスの影響を考慮して位置補正することによって、より正確な磁極位置を得ることができる。
【００７０】
また、同期モータＭを３相中の２相のみを所定周期でスイッチングする２相変調制御により同期モータＭを駆動する構成とし、ゼロ電圧ベクトルＶ０発生期間の幅を倍にして、電流変化量を検出できる変調率範囲を拡大するようにしてもよい。
【００７１】
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【００７２】
例えば、前記実施形態では、ゼロ電圧ベクトル（Ｖ０、Ｖ７）時における電流変化量に基づいてロータ磁極位置を推定する構成としたが、非ゼロ電圧ベクトル時における電流変化量に基づいてロータ磁極位置を推定する構成としてもよい。より具体的には、速度ゼロにおける非ゼロ電圧ベクトル時の電流変化量をマイコン４内のメモリに記憶しておき、電流変化量からメモリに記憶された速度ゼロ電流変化量を減算して得られた結果に基づいてロータ磁極位置を推定する。ここで、図９は、ロータ磁極位置、Ｕ相誘起電圧、Ｕ相電流、及び非ゼロ電圧ベクトル時のＵ相電流傾きの関係を示している。非ゼロ電圧ベクトルでは誘起電圧とベクトルパターンによる電源電圧とが印加されており誘起電圧による電流変化を直接検出できないが、速度ゼロ時は誘起電圧がゼロのためベクトルパターンによる電源電圧による電流変化が現れるため、これをメモリに予め記憶しておき、速度ゼロ以外で検出した電流変化量より減算することで誘起電圧による電流変化を検出することができる。
【００７３】
また、電流変化量のゼロクロスの時間間隔を計測することによって速度を推定し、得られた推定速度を用いてロータ磁極位置を補間するように構成してもよい。本変形例によれば、ゼロクロス検出時（図８の○印部分）以外でも磁極位置を推定することができ、正弦波通電を行うことが可能となる。
【００７４】
また、前記実施形態では、インバータ回路２の各相アームのトランジスタの電圧降下に基づいて電流を検出する構成としたが、各相のうち２相または１相のみを検出する構成としてもよい。
【００７５】
また、前記実施形態では、インバータ回路２の各相アームのトランジスタの電圧降下に基づいて電流を検出する構成としたが、アーム上段又は下段に設けられたシャント抵抗を介して電流検出を行う構成としてもよい。図１０は、各相アーム下段にシャント抵抗１０ｕ、１０ｖ、又は１０ｗを設けた変形例を示す回路図である。
【００７６】
また、前記変形例では、インバータ回路２の各相アームのトランジスタの電圧降下に基づいて電流を検出する構成としたが、各相のうち２相または１相のみを検出する構成としてもよい。
【００７７】
或いは、図１１の回路図に示すように、インバータ回路２の直流母線２ｂに設けられた１個のシャント抵抗１１を介して電流検出を行うように構成してもよい。ここで、図１２に示す表を参照しつつ、基本電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６と、各基本電圧ベクトルに対応する各スイッチング素子のスイッチングパターンと、直流母線電流の検出値によって検出される相電流の種類との関係について説明する。尚、図１２の表ではゼロ電圧ベクトルＶ０及びＶ７が除外されているのは、ゼロ電圧ベクトルＶ０又はＶ７時は還流モードが発生するため相電流の検出を行わないからである。図１１の表で、Ｕ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームの各欄は、表の左端に示した各基本電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６を発生させる場合にオンされるＵ，Ｖ，Ｗ各相のスイッチング素子の上下アームのいずれかを表しており、「Ｈｉｇｈ」は上アームのスイッチング素子が、「Ｌｏｗ」は下アームのスイッチング素子がそれぞれオンされることを表している。また、検出相電流（Ｉｄｃ）の欄は、左端に示した各基本電圧ベクトルＶ１〜Ｖ６発生時における直流母線電流の検出値Ｉｄｃに等しい相電流の種類を表しており、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、それぞれインバータ回路２から同期モータＭのＵ相，Ｖ相，Ｗ相へ流れる相電流を、−Ｉｕ，−Ｉｖ，−Ｉｗは、それぞれモータＭのＵ相，Ｖ相，Ｗ相からインバータ主回路２へ流れる相電流を表している。本変形例によれば、インバータ回路２の直流母線に設けられた１個のシャント抵抗１１を介して、簡単且つ安価な構成で、確実に電流検出を行うことができる。
【００７８】
また、図１３の回路図に示すように、各相のうち２相（図１３の場合はＵ相及びＶ相）に電流センサ（ＣＴ：カレントトランス）１２を設け、電流センサ１２を介して電流検出を行うように構成してもよい。また各相のうち１相のみを検出する構成としてもよい。
【００７９】
また、前記実施形態では、電流検出回路８による電流検出値をゼロ電圧ベクトル発生期間中にＡＤ変換器を２回動作させて取り込むことにより電流変化を検出する構成としたが、図１４の回路図に示すように、電流検出値を保持する２つのサンプルホールド回路１３ａ、１３ｂと、２つのサンプルホールド回路１３ａ、１３ｂによってゼロ電圧ベクトル発生期間中の互いに異なる時点で保持された２つの電流検出値の差分値を算出する差分算出回路１４とを設け、差分算出回路１４によって算出された差分値から電流変化を検出する構成としてもよい。
【００８０】
或いは、電流検出回路８によって検出された電流検出値を微分する微分回路１５を設け、微分回路１５による電流検出微分値から電流変化を検出するように構成してもよい。
【００８１】
また、以下の数式１に示すように、電流検出回路８によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分の比からロータ磁極位置（角度θ）を推定するように構成してもよい。尚、ｄｑ変換とは、回転座標ｄ軸方向の成分、及びｄ軸方向に直交する回転座標ｑ軸方向の成分を算出することを意味する。図１６は、電流変化量をｄｑ軸成分であらわした図である。図中では実際に検出可能な推定軸上のγδ軸で電流変化量を表している。
【００８２】
【数１】
2007336641.tif 000003
【００８３】
本変形例によれば、ｔａｎ-1を用いた簡単な演算でロータ磁極位置を常時推定することができると共に、フィルタ等を用いないため高応答を実現することができる。
【００８４】
また、以下の数式２に示すように、前電流検出回路８によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄ成分がゼロに略一致するようにロータ磁極位置を推定するように構成してもよい。
【００８５】
【数２】
2007336641.tif 000004
【００８６】
本変形例によれば、ｔａｎ-1よりも簡単な演算でロータ磁極位置を常時推定することができる。
【００８７】
また、以下の数式３に示すように、前電流検出回路８によって検出された電流変化量をｄｑ変換し、ｄｑ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定するように構成してもよい。
【００８８】
【数３】
2007336641.tif 000005
【００８９】
本変形例によれば、ｔａｎ-1よりも簡単な演算でロータ磁極位置を常時推定することができる。
【００９０】
また、以下の数式４に示すように、電流検出回路８  によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分の比からロータの磁極位置を推定するように構成してもよい。尚、αβ変換とは、静止座標α軸方向の成分、及びα軸方向に直交する静止座標β軸方向の成分を算出することを意味する。図１７は、電流変化量をαβ軸成分であらわした図である。
【００９１】
【数４】
2007336641.tif 000006
【００９２】
本変形例によれば、ｔａｎ-1を用いた簡単な演算でロータ磁極位置を常時推定することができると共に、フィルタ等を用いないため高応答を実現することができる。
【００９３】
また、以下の数式５に示すように、前電流検出回路８によって検出された電流変化量をαβ変換し、αβ成分と推定位置ベクトルとの内積がゼロに略一致するようにロータの磁極位置を推定するように構成してもよい。
【００９４】
【数５】
2007336641.tif 000007
【００９５】
本変形例によれば、ｔａｎ-1よりも簡単な演算でロータ磁極位置を常時推定することができる。
【００９６】
また、推定磁極位置より速度を推定し、所定電圧ベクトル時間が所定値未満の場合、推定速度を積分することによってロータ磁極位置を推定するように構成してもよい。本変形例によれば、電流変化量に基づいて磁極位置を推定できない場合でも推定速度に基づいて磁極位置を確実に推定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明は、磁石を用いたロータ構造を有する同期モータを、位置センサを用いることなく駆動制御するための制御装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の一実施形態の同期モータ制御装置の電気的回路構成を示す回路図である。
【図２】基本電圧ベクトルを示す図である。
【図３】ロータ磁極位置、Ｕ相誘起電圧、Ｕ相電流、及びゼロ電圧ベクトル時のＵ相電流傾きの関係を示す図である。
【図４】各電圧ベクトル時の電圧状態を示す図であり、（ａ）は電圧ベクトルＶ０、（ｂ）は電圧ベクトルＶ７、（ｃ）は電圧ベクトルＶ１、（ｄ）は電圧ベクトルＶ２における電圧状態をそれぞれ示している。
【図５】電気角に対する各相の変調率を示すチャートである。
【図６】図５において一点鎖線で囲んで示す電気角１２０度付近における電流リプルの変化を示すチャートである。
【図７】ロータ磁極位置推定処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】ロータ磁極位置、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相誘起電圧、各相電流、及びゼロ電圧ベクトル時の各相電流傾きの関係を示す図である。
【図９】ロータ磁極位置、Ｕ相誘起電圧、Ｕ相電流、及び非ゼロ電圧ベクトル時のＵ相電流傾きの関係を示す図である。
【図１０】各相アーム下段にそれぞれ設けられたシャント抵抗を介して電流検出を行う変形例を示す回路図でる。
【図１１】インバータ回路の直流母線に設けられた１個のシャント抵抗を介して電流を行う変形例を示す回路図である。
【図１２】基本電圧ベクトル、スイッチングパターン及び検出相電流の関係を示す表である。
【図１３】Ｕ相及びＶ相に設けられた電流センサを介して電流検出を行う変形例を示す回路図である。
【図１４】電流検出値を保持する２つのサンプルホールド回路及び差分算出回路を設けた変形例を示す回路図である。
【図１５】電流検出値を微分する微分回路を設けた変形例を示す回路図である。
【図１６】ｄｑ変換を説明するための説明図である。
【図１７】αβ変換を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００９９】
１    同期モータ制御装置（同期モータの位置センサレス駆動装置）
２    インバータ回路
２ｕ，２ｖ，２ｗ，２ｘ，２ｙ，２ｚ  パワーＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチング素子）
２ａ，２ｂ  直流母線
４    マイコン（電流変化検出手段、磁極位置推定手段、速度ゼロ電流変化量記憶手段、速度推定手段、位置補間手段、速度推定手段）
８ｕ，８ｖ，８ｗ    電流検出回路（電流検出手段）
１０ｕ，１０ｖ，１０ｗ，１１    シャント抵抗
１２ｕ，１２ｖ    電流センサ
１３ａ，１３ｂ    サンプルホールド回路（サンプルホールド手段）
１４    差分算出回路（差分算出手段）
１５    微分回路（微分手段）
Ｍ    同期モータ
【図１】
2007336641.tif 000008
【図２】
2007336641.tif 000009
【図３】
2007336641.tif 000010
【図４】
2007336641.tif 000011
【図５】
2007336641.tif 000012
【図６】
2007336641.tif 000013
【図７】
2007336641.tif 000014
【図８】
2007336641.tif 000015
【図９】
2007336641.tif 000016
【図１０】
2007336641.tif 000017
【図１１】
2007336641.tif 000018
【図１２】
2007336641.tif 000019
【図１３】
2007336641.tif 000020
【図１４】
2007336641.tif 000021
【図１５】
2007336641.tif 000022
【図１６】
2007336641.tif 000023
【図１７】
2007336641.tif 000024