(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器によって指示された互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、電流ベクトルのｄ軸成分及びｑ軸成分として分割し制御する電流制御工程と、回転する高周波電圧ベクトルとして扱い得る高周波電圧を固定子電圧の少なくとも一部として印加する高周波電圧印加工程とを有する交流電動機のベクトル制御方法であって、
該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波電流ベクトルを用い、同じく該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波磁束ベクトルと同方向へ回転する同相電流ベクトルと、該高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルとを検出あるいは推定し、該同相電流ベクトルと該鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を、該交流電動機の回転子位置の余弦・正弦推定値として該ベクトル回転器の回転信号の生成に利用することを特徴とする交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項２】
該同相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値と該鏡相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値とを用いて、該中間角の２倍角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定し、該２倍角余弦・正弦決定値から該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項３】
該中間角の余弦・正弦値の期待される大きさに応じて、該２倍角余弦・正弦決定値から該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定する方法を変更するようにしたことを特徴とする請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項４】
ノルムを同一化した、該同相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値と、該鏡相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値との２個のベクトルを生成し、２個の該同一ノルムベクトルのベクトル加算によって得た合成ベクトルに比例して、該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項５】
ノルムを同一化した、該同相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値と、該鏡相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値との２個のベクトルを生成し、２個の該同一ノルムベクトルのベクトル減算によって得た合成ベクトルをπ／２（ｒａｄ）回転させ、回転後の減算合成ベクトルに比例して該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項６】
該高周波電圧ベクトルを正弦高周波電圧ベクトルとしたことを特徴とする請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法。
【請求項７】
トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器によって指示された互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、電流ベクトルのｄ軸成分及びｑ軸成分として分割し制御する電流制御手段と、回転する高周波電圧ベクトルとして扱い得る高周波電圧を固定子電圧の少なくとも一部として印加する高周波電圧印加手段とを有する交流電動機のベクトル制御装置であって、
該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した固定子電流ベクトルを用い、同じく該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波磁束ベクトルと同方向へ回転する同相電流ベクトルと、該高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルとを検出または推定する手段と、該ベクトル回転器の回転信号の生成に利用し得る該交流電動機の回転子位置の余弦・正弦推定値として、該同相電流ベクトルと該鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を生成する手段とを有することを特徴とする交流電動機のベクトル制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石形同期電動機、回転子スロット開放形誘導電動機などの逆突極特性を有する交流電動機のベクトル制御方法及び同装置に関するものである。特に、ベクトル制御のためのベクトル回転器に必要な回転子位置の余弦・正弦情報の確保に、回転子に装着される位置検出器に代わって位置推定器を利用し、更には推定器駆動に必要な信号を、電動機に印加した高周波電圧に応じ発生した高周波電流を少なくとも利用して生成するようにしたベクトル制御方法及び同装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
交流電動機をして高い制御性能を発揮せしめるには、固定子電流の制御が不可欠であり、従来よりこのための制御法としてベクトル制御方法が知られている。ベクトル制御方法は、互いに直交するｄ軸とｑ軸とで構成される回転ｄｑ座標系上で、トルク発生に寄与する固定子電流を電流ベクトルのｄ軸成分とｑ軸成分として分割し制御する電流制御工程を有する。
【０００３】
このときの回転ｄｑ座標系としては、回転子磁束の位置すなわち位相（永久磁石形同期電動機にあっては回転子の逆突極位置そのもの）に空間的位相差ゼロで同期した座標系を採用するのが一般的である。すなわち、回転子磁束の位相をｄ軸に選定し、これと直交する軸をｑ軸に選定する回転ｄｑ座標系を採用するのが一般的である。回転ｄｑ座標系を回転子磁束の位相と空間的位相差の無い同期状態に構成維持するためには、一般には回転子の位置を知る必要がある。これを正確に知るため、エンコーダに代表される位置検出器を回転子に装着することが伝統的に行われている。
【０００４】
図１８は、逆突極特性をもつ代表的交流電動機である永久磁石形同期電動機に対し、回転子位置検出器を利用したベクトル制御方法を装置化し、これに装着した場合の代表的１例を概略的にブロック図で示したものである。１ａは交流電動機（同期電動機）を、２は回転子位置検出器を、３は電力変換器を、４は電流検出器を、５ａ、５ｂは夫々３相２相変換器、２相３相変換器を、６ａ、６ｂは共にベクトル回転器を、７は余弦正弦信号発生器を、８は電流制御器を、９は指令変換器を、１０は速度制御器を、１１は速度検出器を示している。図１８では、４から９までの諸機器がベクトル制御装置を構成している。本図では、簡明性を確保すべく、本発明と関係の深い２ｘ１のベクトル信号を１本の太い信号線で表現している。以下のブロック図表現もこれを踏襲する。
【０００５】
特に、２の回転子位置検出器は回転子位置をＵ相巻線の中心に対する位置角度として検出し、７はその余弦・正弦信号をベクトル回転器６ａ，６ｂへ向け出力するもので、回転ｄｑ座標系のための回転信号を生成する手段を構成している。なお、逆突極特性を有する交流電動機においては、一般に、回転子逆突極の方向を示す角度を、基準とすべき回転子位置に選定する。このため、当業者には周知のように、一般には回転子位置と回転子の逆突極位置とは同義に捕らえてよい。本発明の説明においても、回転子位置と回転子の逆突極位置を同義で使用する。よって、永久磁石形同期電動機を扱った図１８の例では、回転子位置は回転子磁束の位相を意味する。
【０００６】
回転子位置と回転子速度とは互いに積分と微分の関係にあり、当業者には周知のように、速度の情報は、位置情報と同様、エンコーダ等の回転子位置検出器から得ている。１１はこうした速度検出手段を実現した速度検出器である。４、５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７、８の５種の機器は固定子電流を回転ｄｑ座標系上でｄ軸成分とｑ軸成分に分割し各々をｄ軸及びｑ軸の電流指令値に追随するように制御する電流制御工程を実行する手段を構成している。
【０００７】
電流検出器４で検出された３相電流は、３相２相変換器５ａで固定αβ座標系上の２相電流に変換された後、ベクトル回転器６ａで回転ｄｑ座標系の２相電流ｉｄ、ｉｑに変換され、電流制御器８へ送られる。電流制御器８は、変換電流ｉｄ、ｉｑ
0003968688.tif 000002
αβ座標系の２相電圧指令値に変換し、２相３相変換器５ｂへ送る。５ｂでは、２相信号を３相電圧指令値に変換し、電力変換器３への指令値として出力する。電力変換器３は、指令値に応じた電力を発生し、交流電動機１ａへ印加しこれを
0003968688.tif 000003
ている。
【０００８】
図１８の本例では、速度制御系を構成した例を示しているので、速度指令値と速度検出値を入力とする速度制御器１０の出力としてトルク指令値を得ている。当業者には周知のように、制御目的が発生トルクにあり速度制御系を構成しない場合には、速度制御器１０、速度検出器１１は不要である。この場合には、トルク指令値が外部から直接印加される。
【０００９】
図１９は、逆突極特性をもつ交流電動機の１種である回転子スロット開放形誘導電動機に対し、回転子位置検出器を利用したベクトル制御方法を装置化し、これに装着した場合の代表的１例を概略的にブロック図で示したものである。本例のベクトル制御と図１８を用いて説明した永久磁石形同期電動機に対するベクトル制御の大きな違いは、交流電動機を回転子スロット開放形誘導電動機１ｂに変更し、磁束位相推定器１２を導入した点にあり、他の諸機器は図１８の場合と同様である。誘導電動機においては、回転子位置と回転子磁束の位相との間に滑りが存在し、回転子位置と回転子磁束位相とは同一ではない。回転子磁束の位相は回転子磁束の角周波数と積分・微分の関係にあり、回転子磁束の角周波数は回転子速度と滑り角周波数の和として定められる。また、滑り角周波数は回転ｄｑ座標系の２相電流ｉｄ、ｉｑより推定される。磁束位相推定器１２は、この関係を利用して得た回転子磁束位相の推定値を余弦正弦信号発生器７へ向け出力している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
交流電動機のための従来のベクトル制御方法を実現するには、上記代表例で説明したように、回転子位置を検出するための回転子位置検出器が必要不可欠である。しかし、エンコーダ等の回転子位置検出器の回転子装着は、以下のような課題を不可避的に発生してきた。
【００１１】
第１課題が、電動機システムの信頼性の低下である。エンコーダ等の回転子位置検出器は、電動機本体と比較するならば、その機械的頑健性は著しく低い。すなわち、回転子位置検出器の装着により、電動機システムとしての機械的信頼性を著しく低下させている。回転子位置検出器の装着に起因する電動機システムの頑健性低下は、機械的側面のみならず、回転子位置検出器信号への電源ノイズの混入に見られる電気的側面、更には回転子発熱に遠因する回転子位置検出器の温度上昇に見られる熱的側面においても同様に発生している。このように、エンコーダ等の回転子位置検出器を電動機回転子に装着することにより、電動機システムの信頼性を甚だしく低下させてきた。
【００１２】
第２課題が、電動機スペースの増大である。電動機単体での容積にも依存するが、回転子位置検出器を回転子に装着することにより、電動機の軸方向への容積が数パーセントから数十パーセント増大する。
【００１３】
第３課題が、回転子位置検出器動作用の電源線、検出信号を受けるための信号線の配線と配線のためのスペースの確保である。当然のことながら、回転子位置検出器を動作させ、これから回転子の位置情報を得るには、このための配線が必要である。しかも、信号線と言えども、上述の機械的・電気的・熱的信頼性の低下を極力回避すべく、電動機本体を駆動するための電力線並みに頑健につくることが一般に要求される。結果的には、電動機１機につき本来の電力線とほぼ同等なサイズの信号線の配線、更にはこのためのスペースが必要となる。
【００１４】
第４課題が、各種コストの増大である。小形電動機においては、製造時において既に回転子位置検出器のコストが電動機本体より高くなることさえある。回転子位置検出器に付随した配線のコストも、小形電動機では無視できない。更には、信頼性の低下に対応するための保守コストの増大も必然的に発生する。こうした各種コストは、電動機の使用個数に応じ、増大する。特に保守コストは個数に応じて指数的に増大する特性をもつ。
【００１５】
上記の課題は回転子位置検出器に直接あるいは間接的に起因したものであり、回転子位置検出器を必要としない所謂センサレスベクトル制御方法が確立されれば、必然的に解決される。事実、このための交流電動機のセンサレスベクトル制御法に関し、特色ある幾つかの方法が既に報告されている。交流電動機のセンサレスベクトル制御法及び同装置に関する国内外の技術開発の最新サーベイ結果が、文献（電気学会交流電動機駆動方式の新技術調査専門委員会編、電気学会技術報告第７６０号、交流電動機駆動における最近の技術動向、平成１２年２月発刊）において、詳しく紹介されている。これに説明されているように、交流電動機のセンサレスベクトル制御法は、回転子位置の推定を、トルク発生のための電圧、電流の基本波成分を用いて行う方法と、トルク発生に寄与しない高周波電力を別途注入し電圧電流に含まれる高周波成分を用いて行う方法とに大別される。また、特に本発明が対象とする高周波電圧を印加する方法に関しては、潜在的性能に期待は寄せられてはいるが研究開発の歴史が浅く、必ずしも十分な性能が得られていない。特に、交流電動機は動作状態に応じて電動機の特性が変動するため、換言するならば電動機の特性を表現した電動機パラメータが変動するため、この変動に頑健なセンサレスベクトル制御法および同装置の開発が求められている。
【００１６】
本発明は上記背景の下になされたものであり、その目的は、逆突極特性を有する交流電動機のためのエンコーダ等の回転子位置検出器を必要としないベクトル制御方法及び同装置として、回転子位置の余弦・正弦値を電動機パラメータの変動に頑健な状態で、更には精度良くあるいは効率良く推定できるベクトル制御方法及び同装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器によって指示された互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、電流ベクトルのｄ軸成分及びｑ軸成分として分割し制御する電流制御工程と、回転する高周波電圧ベクトルとして扱い得る高周波電圧を固定子電圧の少なくとも一部として印加する工程とを有する交流電動機のベクトル制御方法であって、該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波電流ベクトルを用い、同じく該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波磁束ベクトルと同方向へ回転する同相電流ベクトルと、該高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルとを検出あるいは推定し、該同相電流ベクトルと該鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を、該交流電動機の回転子位置の余弦・正弦推定値として該ベクトル回転器の回転信号の生成に利用することを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明は、請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、該同相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値と該鏡相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値とを用いて、該中間角の２倍角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定し、該２倍角余弦・正弦決定値から該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしたことを特徴とする。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、該中間角の余弦・正弦値の期待される大きさに応じて、該２倍角余弦・正弦決定値から該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定する方法を変更するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明は、請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、ノルムを同一化した、該同相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値と、該鏡相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値との２個のベクトルを生成し、２個の該同一ノルムベクトルのベクトル加算によって得た合成ベクトルに比例して、該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、ノルムを同一化した、該同相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値と、該鏡相電流ベクトルあるいはこれと同相の推定値との２個のベクトルを生成し、２個の該同一ノルムベクトルのベクトル減算によって得た合成ベクトルをπ／２（ｒａｄ）回転させ、回転後の減算合成ベクトルに比例して該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項１記載の交流電動機のベクトル制御方法であって、該高周波電圧ベクトルを正弦高周波電圧ベクトルとしたことを特徴とする。
【００２３】
請求項７の発明は、トルク発生に寄与する固定子電流を、ベクトル回転器によって指示された互いに直交するｄ軸とｑ軸で構成される回転ｄｑ座標系上で、電流ベクトルのｄ軸成分及びｑ軸成分として分割し制御する電流制御手段と、回転する高周波電圧ベクトルとして扱い得る高周波電圧を固定子電圧の少なくとも一部として印加する高周波電圧印加手段とを有する交流電動機のベクトル制御装置であって、該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した固定子電流ベクトルを用い、同じく該高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波磁束ベクトルと同方向へ回転する同相電流ベクトルと、該高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルとを検出または推定する手段と、該ベクトル回転器の回転信号の生成に利用し得る該交流電動機の回転子位置の余弦・正弦推定値として、該同相電流ベクトルと該鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を生成する手段とを有することを特徴とする。
【００２４】
次に本発明の作用について説明する。交流電動機の固定子Ｕ相巻線の中心の方向を基軸すなわちα軸とし、これに直交した副軸をβ軸とする固定αβ座標系を考える。また、基軸から副軸の方向を正方向とする。回転子の逆突極位置（すなわち基準となるべき回転子位置）がある瞬時にα軸に対して電気的角度θをなしているものとする。図１に、１例として、永久磁石形同期電動機の回転子逆突極位置（Ｎ極位置）の様子を示した。固定αβ座標系上では、本発明が対象とする逆突極特性を有する交流電動機の電気的特性は次の（１）、（２）式で表現することができる。
【数１】
ν１＝Ｒ１ｉ１＋ｓφ１  （１）
【数２】
φ１＝φｉ＋φｍ        （２）
【００２５】
（１）、（２）式におけるＲ１は固定子の巻線抵抗を、ｓは微分演算子ｄ／ｄｔを意味している。また、ν１，ｉ１，φ１はそれぞれ固定子電圧ベクトル、固定子電流ベクトル、固定子鎖交磁束（固定子磁束）ベクトルである。φｉ、φｍは固定子磁束ベクトルφ１を構成する成分を示しており、φｉは固定子電流により直接的に生成された磁束ベクトルを、φｍは回転子側から鎖交した回転子磁束ベクトルを各々意味している。これらベクトルはすべて２ｘ１ベクトルである。
【００２６】
ベクトル制御の遂行に際しては、図１８及び図１９を用いて説明したように、固定αβ座標系上の信号をベクトル回転器６ａを用いて回転ｄｑ座標系上の信号へ、また、回転ｄｑ座標系上の信号をベクトル回転器６ｂを用いて固定αβ座標系上の信号へ変換する必要がある。このときのベクトル回転器６ｂの特性は、次の（３）式で表現される。
【数３】
0003968688.tif 000004
ベクトル回転器６ａの特性はこの転置行列として表現される。（３）式におけるθφは、固定αβ座標系上で評価されだ回転子磁束の位相である。すなわち、（３）式が明瞭に示しているように、ベクトル回転器には、固定αβ座標系上で評価された回転子磁束位相の余弦・正弦値が必要である。
【００２７】
同期電動機のための従来のベクトル制御法では、図１８を用いて説明したように、回転子磁束位相θφと回転子位置θとは同一であるので、回転子磁束位置の余弦・正弦値を得るために回転子に位置検出器を装着し回転子位置θの余弦・正弦値を直接的に得てきた。誘導電動機のための従来のベクトル制御法では、図１９を用いて説明したように、回転子磁束位相の余弦・正弦値を得るために、回転子に位置検出器を装着し、近似微分処理を通じ回転子速度を得てきた。本発明は、これに代わって回転子位置検出器を用いることなく、回転子位置の余弦・正弦推定値及び回転子速度の推定値を得ようとするものである。
【００２８】
本発明においては、交流電動機に対し、回転する高周波電圧ベクトルとして扱い得る高周波電圧を固定子電圧の少なくとも一部として印加する。高周波電圧を印加する本発明においては、電動機の電圧、電流、磁束の各ベクトルは、以下のように、トルク発生に寄与し回転子の電気角速度と同等周波数である基本波成分（低周波成分）と印加高周波電圧に起因する高周波成分とに分離表現することができる。
【数４】
0003968688.tif 000005
【００２９】
（４）式各式における右辺第１項は回転子の電気角速度と同等周波数の低周波成分を意味しており、これを脚符ｓで明示している。一方、各式右辺第２項は高周波成分を意味しており、これを脚符ｈで明示している。（４）式のすべての信号は２ｘ１のベクトルである。（４）式の最終式で明示しているように、回転子と直接的に関係する回転子磁束ベクトルφｍは、当然のことながら低周波側の信号である。これらの２種の成分は、周波数が大きく異なっており、適切な特性のフィルタを用い分離することができる。
【００３０】
固定子の電圧、電流、磁束の各ベクトルの高周波成分である高周波電圧ベクトルν１ｈ、高周波電流ベクトルｉ１ｈ、高周波磁束ベクトルφ１ｈの間には、（１）、（２）式に（４）式の関係を用いた上で高周波成分の取り出すことにより容易に理解されるように、次の（５）式の関係が成立している。
【数５】
ν１ｈ＝Ｒ１ｉ１ｈ＋ｓφ１ｈ  （５）
この際、高周波磁束ベクトルφ１ｈと高周波電流ベクトルｉ１ｈの間には、逆突極特性より、次の（６）式に示した関係が成立している。
【数６】
0003968688.tif 000006
（６）式におけるＱ（θ）は次の（７）式で定義された２ｘ２鏡行列を、
【数７】
0003968688.tif 000007
またＬａ、Ｌｂはインダクタンスを示している。本発明で対象とする交流電動機の突極特性は鏡行列Ｑ（θ）により表現されている。特に逆突極性は、鏡行列と一体的に存在するインダクタンスＬｂの負性Ｌｂ＜０で表現されている。
【００３１】
本発明は、（５）、（６）式における高周波電流ベクトルｉ１ｈを用い、高周波磁束ベクトルφ１ｈと同一方向へ回転する同相電流ベクトルｉ１ｈａと、高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルｉ１ｈｂとを得、同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を、回転子位置の推定値とするものである。
【００３２】
本発明では、同相電流ベクトルｉ１ｈａ、鏡相電流ベクトルｉ１ｈｂは、各々（８）、（９）式のように定めている。
【数８】
0003968688.tif 000008
【数９】
0003968688.tif 000009
（８）、（９）式で定義した同相電流ベクトルｉ１ｈａ、鏡相電流ベクトルｉ１ｈｂは、高周波電流ベクトルに対し次の（１０）式の関係を満足している。
【数１０】
ｉ１ｈ＝ｉ１ｈａ＋ｉ１ｈｂ    （１０）
更には、これら３つの電流ベクトルは（６）式の関係を満足している。
【００３３】
次に、同相、鏡相の両電流ベクトルの成す角の中間角をもって、回転子位置（すなわち、回転子の逆突極位置）θの推定値とすることができることを説明する。簡明な説明を図るべく、先ず、θの余弦・正弦値により構成した単位ベクトルを（１１）式のように定義する。
【数１１】
0003968688.tif 000010
高周波磁束ベクトルφ１ｈは、その位相をθａとすると、これを用いて次のように表現することができる。
【数１２】
0003968688.tif 000011
このとき、同相電流ベクトルｉ１ｈａは（８）式より高周波磁束ベクトルφ１ｈと同相であり、次の（１３）式のように評価することができる。
【数１３】
0003968688.tif 000012
【００３４】
一方、鏡相電流ベクトルは、（９）、（１２）式を考慮すると、（１４）式のように再評価することができる。
【数１４】
0003968688.tif 000013
（１４）式においては、逆突極特性により、−Ｌｂ＞０の関係が成立している。
【００３５】
（１３）、（１４）式は、回転子の逆突極位置に対し、同相と鏡相との両電流ベクトルは互いに逆相の状態にあることを明快に説明するものである。換言するならば、両電流ベクトルの位相の中間値を、回転子位置（すなわち、逆突極位置）θの推定値として扱い得ることを示すものである。回転子位置θの推定値の余弦・正弦値は、当然のことながら、回転子位置θの余弦・正弦の推定値となる。本発明は、こうして得た余弦・正弦の推定値を回転ｄｑ座標系を構成するために必要なベクトル回転器の回転信号の生成に利用しようとするものである。以上、（８）−（１４）式を用いて説明した回転子位置を示す単位ベクトル、高周波磁束ベクトル、高周波電流ベクトル、同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルの関係を、より明快な理解の一助として、ベクトル図の形で図２に明示した。
【００３６】
固定子電流ベクトルは、ベクトル制御方法あるいはベクトル制御装置において従来より使用されている電流検出器４と３相２相変換器５ａにより難なく検出できる。また、同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルは、後述の実施形態例で具体的に説明するようにその周波数的特性を活用することにより、固定子電流ベクトルより検出することが、あるいは関連信号より推定することができる。回転子位置の推定には、上述の説明より既に明白なように、同相、鏡相の両電流ベクトルの位相情報のみが必要であり、この振幅情報は必要としない。回転子位置推定における振幅情報への非依存性は、（８）、（９）式と併せて考慮するならば、インダクタンスすなわち電動機パラメータに依存することなく、換言するならば電動機パラメータの変動に頑健な状態で回転子位置が推定可能であることを意味している。
【００３７】
以上の説明より明白なように、請求項１あるいは請求項７の本発明によれば、固定子に装着される回転子位置検出器を用いることなく、ベクトル制御ためのベクトル回転器の回転信号生成に必要な回転子位置の推定値を、ひいては回転子位置の余弦・正弦推定値、回転子の速度推定値を得ることが出来ると言う作用が得られる。しかも、電動機パラメータの変動に頑健な状態で得ることができると言う作用が得られる。本作用は、印加した高周波電圧ベクトルの角周波数が回転子の電気的角速度に対し十分高ければ、すなわち関係諸信号が（４）式に明示しているように周波数分離が可能な状態にあれば、回転子の停止時あるいは停止時に準ずる極低速時に限定されることなく、広い動作範囲で得られる。
【００３８】
次に、本発明の請求項２の作用について説明する。（８）−（１４）式を活用し、回転子の逆突極位置θに対し、同相ベクトルと鏡相ベクトルは互いに逆相の状態にあることを説明した。この関係は、回転子の逆突極位置θ、同相、鏡相電流ベクトルの各位相θａ、θｂを用い、（１５）式のように表現することができる。
【数１５】
２θ＝θａ＋θｂ  （１５）
【００３９】
ベクトル制御のためのベクトル回転器に必要な回転信号は、（３）式を用いて説明したように、位相そのものではなく位相の余弦・正弦値である。すなわち、（１５）式のみならず応用的には次の（１６）式の関係も重要である。
【数１６】
0003968688.tif 000014
【００４０】
（１６）式の右辺は、同相及び鏡相電流ベクトルから直接算出することができる。例えば、簡単には次の（１７）式によればよい。
【数１７】
0003968688.tif 000015
（１７）式は、回転子逆突極位置の２倍角余弦・正弦値は、正規化された同相、鏡相の両電流ベクトルにより、換言すならば両ベクトルの位相情報のみで決定されることを明瞭に示しており、（１６）式との整合性は明らかである。なお、（１７）式におけるＪは次の（１８）式で定義された２ｘ２交代行列である。
【数１８】
0003968688.tif 000016
【００４１】
一方、周知のように、２倍角に関しては、次の（１９）式の三角関数関係が一般的に成立する。
【数１９】
0003968688.tif 000017
これより、逆突極位置の２倍角の余弦・正弦値がわかれば、（１９）式の関係を用い逆突極位置の余弦・正弦値を決定することができることが明らかである。
【００４２】
請求項２の本発明は、請求項１のベクトル制御方法であって、該同相電流ベクトルあるいはこの推定値と該鏡相電流ベクトルあるいはこの推定値とから該中間角の２倍角の余弦・正弦値あるいはこの推定値を決定し、決定した該２倍角の余弦・正弦決定値から該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしている。（１７）−（１９）式を用いた上記説明より明白なように、本発明によれば、同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルの各位相θａ、θｂ算出することなく、これらのベクトルからベクトル回転器の回転信号の生成に必要な余弦・正弦の推定値を直接的に算定できると言う作用が得られる。ベクトルからの位置の算定は非線形関数の１種である三角関数の逆演算を必要とし、この種の逆演算は、周知のように、位相によっては大きな誤差を生じたり、大きな演算量を必要とすることがある。しかし、請求項２の本発明によれば、この種の逆演算を必要としないので、回転子位置の余弦・正弦の推定値を比較的高い精度で、また比較的軽い計算量で決定できると言う作用が得られる。換言するならば、請求項２の本発明によれば、請求項１で説明した作用を比較的高い精度で、かつ比較的軽い計算量で得ることができるようになる。
【００４３】
続いて、請求項３の本発明の作用について説明する。回転子逆突極位置の２倍角の余弦・正弦値あるいはその推定値から、回転子逆突極位置の余弦・正弦値あるいはその推定値を算定する際に、（１９）式の第１行の関係を利用する場合には、不可避的に平方根の解法が必要となる。また、（１９）式の第２行の関係を利用する場合には、平方根の解法を必要としないが、除算が必要となる。一般に、除算に要する演算量は、平方根の解法に要する演算量に比較し小さいので、第２行を努めて活用することが望ましい。しかし、除算は、分母の絶対値が著しく小さい場合には大きな誤差を生じる特性をもつので、実用的にはこれを可能な限り回避する必要がある。以上の説明で理解されるように、たとえば、余弦値の絶対値が大きくなる場合には、次の（２０）式に示した決定法が望ましい。
【数２０】
0003968688.tif 000018
一方、正弦値の絶対値が大きくなる場合には、次の（２１）式に示した決定法が望ましい。
【数２１】
0003968688.tif 000019
【００４４】
請求項３の本発明は、請求項２記載のベクトル制御方法であって、該中間角の余弦・正弦の推定値の期待される大きさに応じて、該２倍角の余弦・正弦の決定値から該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定する方法を変更するようにしている。この結果、（２０）、（２１）式を用いた上記の説明より明白なように、最も高い計算精度を維持した状態で、更には、計算量を合理的に低減した状態で、ベクトル回転器の回転信号の生成に必要な余弦・正弦値あるいはその推定値を決定できると言う作用が得られる。ひいては、請求項３の本発明によれば、請求項２で説明した作用を、最も高い計算精度で、かつ合理的に低減した計算量で、得ることができようになる。
【００４５】
続いて、請求項４の本発明の作用について説明する。請求項４の本発明は、請求項１記載のベクトル制御方法であって、ノルムを同一化した、該同相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルと、該鏡相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルとの２個のベクトルを生成し、２個の該同一ノルムベクトルのベクトル加算によって得た合成ベクトルに比例して、該中間角の余弦・正弦の推定値を各々決定するようにしている。
【００４６】
上記ベクトル合成の様子を図３に図示した。同図では、回転子の逆突極位置をその余弦・正弦値を要素とした単位ベクトルｕ（θ）で、ノルムを同一化した２個のベクトルをｉ１ｈａ／‖ｉ１ｈａ‖とｉ１ｈｂ／‖ｉ１ｈｂ‖とで表現している。また、これらのベクトル加算による合成ベクトルをζａで表現している。合成ベクトルが回転子の逆突極と同一方向をもつことは、同図より容易に理解されよう。加算合成ベクトルζａが逆突極位置を示す単位ベクトルと同一方向をもつことは、厳密には、数式を用いて次のように説明することができる。
【数２２】
0003968688.tif 000020
（２２）式は、加算合成ベクトルζａが逆突極位置を示す単位ベクトルｕ（θ）のスカラ倍になることすなわちｕ（θ）に比例すること、ひいては図３による説明の正当性を裏付けるものである。
【００４７】
回転子の逆突極位置の余弦・正弦値は、（２２）式より直ちに、以下の関係に従がい推定できることが明らかである。
【数２３】
0003968688.tif 000021
すなわち、本発明の請求項４で明示したように、該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値は、加算合成ベクトル比例して決定すればよい。なお、本発明では、（２３）式を用いて明示しているように、ｓｇｎ関数が取りうる＋符号のみならず−符号をも含めて、２個のベクトルの「比例」関係を捕らえている。
【００４８】
請求項４の本発明によれば、（２２）、（２３）式を用いた以上の説明より容易に理
0003968688.tif 000022
となる特別な状況を除けば、極簡単な演算で、ベクトル回転器の回転信号生成に必要な該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定できると言う作用が得られる。この結果、請求項４の本発明によれば、請求項１で説明した作用を極簡単な演算で達成できるようになる。なお、高周波磁束ベクトルと単位ベクトルとの内積絶対値の僅少時の問題回避方法、及びｓｇｎ関数に依存する符号の判定方法は請求項４の本発明に関連した実施形態例に関連して後に具体的かつ詳しく説明する。
【００４９】
続いて、請求項５の本発明の作用について説明する。請求項５の本発明は、請求項１記載のベクトル制御方法であって、ノルムを同一化した、該同相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルと、該鏡相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルとの２個のベクトルを生成し、２個の該同一ノルムベクトルのベクトル減算によって得た合成ベクトルをπ／２（ｒａｄ）回転させ、回転後の減算合成ベクトルに比例して、該中間角の余弦・正弦の推定値を各々決定するようにしている。
【００５０】
上記ベクトル合成の様子を図４に図示した。同図では、回転子の逆突極の方向を単位ベクトルｕ（θ）で、ノルムを同一化した２個の電流ベクトルをｉ１ｈａ／‖ｉ１ｈａ‖とｉ１ｈｂ／‖ｉ１ｈｂ‖とで表現している。また、これらのベクトル減算による合成ベクトルをζｓで表現している。減算合成ベクトルζｓの方向が回転子逆突極位置に対し垂直方向となることは、同図より容易に理解されよう。これは、厳密には、数式を用いて次のように説明することができる。
【数２４】
0003968688.tif 000023
（２４）式は、減算合成ベクトルの方向は逆突極位置を示す単位ベクトルｕ（θ）に対し垂直方向を向き、大きさはそのスカラ倍になること、ひいては図４による説明の正当性を裏付けるものである。（１８）式で定義され、（２４）式で使用された交代行列Ｊは、これに作用するベクトルをπ／２（ｒａｄ）回転させる働きをもつ。
【００５１】
回転子の逆突極位置の余弦・正弦値は、（２４）式より直ちに、以下の関係に従がい推定できることが明らかである。
【数２５】
0003968688.tif 000024
すなわち、本発明の請求項５で明示したように、減算合成ベクトルζｓを交代行列Ｊを用いてπ／２（ｒａｄ）回転させ、回転後の減算合成ベクトルに比例して該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を各々決定すればよい。なお、本発明では、（２５）式を用いて明示しているように、ｓｇｎ関数が取りうる＋符号のみならず−符号をも含めて、２個のベクトルの「比例」関係を捕らえている。
【００５２】
請求項５の本発明によれば、（２４）、（２５）式を用いた以上の説明より容易に理
0003968688.tif 000025
値が僅少となる特別な状況を除けば、極簡単な演算で、ベクトル回転器の回転信号生成に必要な該中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定できると言う作用が得られる。この結果、請求項５の本発明によれば、請求項１で説明した作用を極簡単な演算で達成できるようになる。なお、高周波磁束ベクトルと単位ベクトルとの交代的内積の絶対値の僅少時の問題回避方法、及びｓｇｎ関数に依存する符号の判定方法は請求項５の本発明に関連した実施形態例に関連して後に具体的かつ詳しく説明する。
【００５３】
次に、本発明の請求項６の作用について説明する。印加した高周波電圧ベクトルの高周波性を考慮するならば、高周波電圧ベクトル、高周波電流ベクトル、高周波磁束ベクトルの関係を示した（５）式においては、右辺第２項が支配的となる。すなわち、（５）式の関係は、信号の高周波性を考慮するならば、実質的に次の（２６）式あるいは（２７）式で表現することができる。
【数２６】
ν１ｈ＝ｓφ１ｈ    （２６）
【数２７】
0003968688.tif 000026
【００５４】
（２７）式が意味するように、高周波磁束ベクトルφ１ｈは高周波電圧ベクトルν１ｈの積分値を示すことになるので、印加した高周波電圧ベクトルが正弦波形状であれば、高周波磁束ベクトルも正弦波形状となる。ひいては、（８）、（９）式で定義した同相電流ベクトルｉ１ｈａ、鏡相電流ベクトルｉ１ｈｂも正弦波形状となる。この結果、同相、鏡相の両電流ベクトルを用いた位相の余弦・正弦値の検出あるいは推定が安定化する。
【００５５】
以上の説明より明らかなように、請求項６の本発明によれば、印加する高周波電圧ベクトルを正弦高周波電圧ベクトルとするので、同相、鏡相の両電流ベクトルを用いた位相の余弦・正弦値の検出あるいは推定が安定するようになると言う作用が得られる。この結果、請求項６の本発明によれば、請求項１で説明した作用を、安定的に達成できるようになる。
【００５６】
以上、本発明によれば、その作用として、回転子位置の余弦・正弦値が電動機パラメータの変動に頑健な状態で推定できることを説明した。しかも、推定の精度、計算量、安定性の面で優れた特性を有していることを明らかにした。この優れた特性は、回転子速度の推定にも機承される。これは、回転子速度が回転子位置と微分積分の関係にあり、回転子位置の余弦・正弦値ｕ（θ）から次の（２８）式の関係に従がい算定できることから明らかである。
【数２８】
0003968688.tif 000027
ここにω２ｍは回転子の機械角速度であり、Ｎｐは極対数である。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明のベクトル制御方法を適用したベクトル制御装置と交流電動機（同期電動機）の１実施形態例の基本的構造を図５に示す。本構造と図１８を用いて説明した従来制御法による構造との基本的な違いは、回転子位置検出器２、余弦正弦信号発生器７に代わってベクトル位置推定器１３が、また速度検出器１１に代わって速度推定器１４が新規に導入されている点にある。更には、高周波電圧ベクトル印加のために高周波電圧指令器１５とこれに起因する高周波電流ベクトルｉ１ｈの電流制御器への混入を排除するための高周波電流除去フィルタ１６が、追加用意されている点にある。他の機器に関しては、基本的には図１８に示した従来制御法に基づく装置と同一であり、その動作原理も従来と同一である。例えば、図５の実施形態例における回転子速度に同期した電流ベクトルｉ１ｓ、電圧指令ベクトルν１ｓの処理・発生手順は、図１８を用いて説明した従来の装置における電流ベクトルｉ１、電圧指令ベクトルν１の処理・発生手順と同一である。
【００５８】
本発明の核心はベクトル位置推定器１３にある。速度推定器１４はベクトル位置推定器１３の出力である位置の余弦・正弦推定値から回転子の速度を推定する推定器であり、当業者にとっては周知の従来の手法を活用してよい。例えば（２８）式に従った速度推定法を微分処理を近似微分処理に置換した形で活用してよい。本実施形態例では、図１８の従来法による装置との対比のため速度制御の１例を示したが、当業者にとっては明らかなように、トルク制御にも応用可能である。以下では、まず、高周波電圧ベクトルの印加に関連して導入した高周波電圧指令器１５、高周波電流除去フィルタ１６の説明を行い、次に本発明の核心部分であるベクトル位置推定器１３の詳細な説明を行う。
【００５９】
図６は、高周波電圧ベクトル印加のための高周波電圧指令器１５の１実施形態例の内部構造を示したものである。先ず、高周波角周波数ωｈを位相発生器１５ａへ入力し、高周波電圧ベクトルの位相θｈを決定する。位相発生器１５ａの出力たる高周波位相θｈは基本的には高周波角周波数ωｈの積分値であるが、位相発
0003968688.tif 000028
周波位相は余弦正弦信号発生器１５ｂへ入力され、１５ｂはその余弦・正弦値ｕ（θｈ）を発生する。余弦・正弦値は所要の電圧レベルを得るべくゲインＫｈで増
0003968688.tif 000029
高周波電圧ベクトルν１ｈが電動機１ａへ印加される。この際、高周波電圧指令器１５は、図６に明示しているように、高周波角周波数ωｈ及び余弦・正弦値ｕ（θｈ）を同時に出力できるようにしている。
【００６０】
高周波電圧ベクトルの印加に応じて、高周波電流ベクトルｉ１ｈが発生し、これが固定子電流ベクトルｉ１に含まれることになる。ベクトル制御においては、トルク発生に寄与する固定子電流ベクトルに対してのみ電流制御する必要がある。すなわち、（４）式に示した固定子電流ベクトルｉ１に含まれる基本波成分（低周波成分）ｉ１ｓに対してのみ電流制御する必要がある。高周波電流除去フィルタ１６はこのために導入されたものであり、その役割は、高周波電流ベクトルｉ１ｈの電流制御器への混入を排除し、トルク発生に寄与する固定子電流ベクトルｉ１ｓを抽出することにある。
【００６１】
従って、高周波電流除去フィルタ１６としては、基本的には、高周波電流ベクトルｉ１ｈを排除できるフィルタ特性を有すればよい。例えば、バンドストップフィルタ、またはローパスフィルタでこれを実現することができる。高周波角周波数ωｈをバンドストップの中心周波数とするバンドストップフィルタＦ（ｓ）は、例えば、次の（２９）式に従がい実現することができる。
【数２９】
0003968688.tif 000030
また、ωｈをカットオフ角周波数とするローパスフィルタＦ（ｓ）は、例えば、次の（３０）式に従がい実現することができる。
【数３０】
0003968688.tif 000031
【００６２】
図５に示した実施形態例では、図が明白に示しているように、ベクトル位置推定器は、３相２相変換器５ａより固定子電流ベクトルｉ１を、高周波電圧指令器１５より高周波電圧ベクトルの情報（高周波角周波数ωｈ、余弦・正弦値ｕ（θｈ））を入力として得ている。ベクトル位置推定器の出力は、後に詳しく説明するように同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値であり、同期電動機を対象にした本実施形態例では、これは図に明示しているように２個のベクトル回転器のための回転信号そのものとして利用されている。
【００６３】
図７は、ベクトル位置推定器１３の内部構造を示したものである。ベクトル位置推定器１３は、大きくは、同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａと余弦正弦生成器１３ｂの２つの機器から構成されている。同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａは、高周波電流ベクトル等から、同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルとを検出または推定し出力している。すなわち、同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａは、高周波電圧ベクトルの印加に応じて発生した高周波磁束ベクトルと同方向へ回転する同相電流ベクトルと、高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルとを検出または推定する手段を実現している。余弦正弦生成器１３ｂは、同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルとの検出値または推定値を得て、これらの成す角の中間角の余弦・正弦値を出力している。すなわち、ベクトル回転器の回転信号の生成に利用し得る交流電動機の回転子位置の推定値として、鏡相電流ベクトルと同相電流ベクトルの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を生成する手段を実現している。
【００６４】
図８（ａ）は、同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａの代表的な実施形態の１例を示したものである。本例では、高周波電流ベクトルｉ１ｈを含んだ固定子電流ベクトルｉ１と高周波電圧指令器１５からの高周波角周波数ωｈとを入力信号として利用し、高周波電圧ベクトルの余弦・正弦値ｕ（θｈ）は利用していない。同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａは、可変特性多変数フィルタの１種である２個のＤ因子フィルタＦ（Ｄ）１３ａ−１、１３ａ−２を主要素として構成されている。符号反転した高周波角周波数−ωｈを入力とする１３ａ−１が同相電流ベクトルｉ１ｈａを、符号反転のない高周波角周波数ωｈを入力とする１３ａ−２が鏡相電流ベクトルｉ１ｈｂを検出し出力している。
【００６５】
ここで、本発明に利用したＤ因子フィルタについて説明する。本フィルタに使用しているＤ因子は，単位行列Ｉと交代行列Ｊを用いた次の（３１）式で定義される。
【数３１】
0003968688.tif 000032
例えば、３次のＤ因子フィルタＦ（Ｄ）は、Ｄ因子を用い次の（３２）−（３４）式のように表現される。
【数３２】
Ｆ（Ｄ）＝Ａ−１（Ｄ）Ｂ（Ｄ）      （３２）
【数３３】
Ａ（Ｄ）＝Ｄ３＋ａ２Ｄ２＋ａ１Ｄ＋ａ０Ｉ      （３３）
【数３４】
Ｂ（Ｄ）＝ｂ３Ｄ３＋ｂ２Ｄ２＋ｂ１Ｄ＋ｂ０Ｉ  （３４）
【００６６】
上記のＤ因子フィルタは、２ｘ１ベクトルの各成分であるスカラ信号に対し周波数特性Ｆ（ｓ＋ｊωｈ）のフィルタと等価な働きをする。この等価関係を図８（ｂ）に示した。従って、Ｆ（ｓ）をローパスの特性をもつように設計し、この係数をＤ因子フィルタＦ（Ｄ）に活用すれば、Ｆ（Ｄ）は−ωｈを中心周波数とするバンドパス特性を発揮することになる。しかも、極性分離の特性を有している。この極性分離のバンドパス特性により、同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルを分離・検出することができる。
Ｄ因子フィルタの実現の１実施形態例として、３次フィルタを対象に、Ｄ因子の逆因子Ｄ−１と逆因子を利用した具体的実現を図９（ａ）、（ｂ）に各々示した。
【００６７】
同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａは、Ｄ因子フィルタに代わって、ベクトル回転器同伴フィルタを活用して構成することができる。ベクトル回転器同伴フィルタの特性に関しては、文献（新中新二、三相信号処理のためのベクトル回転器同伴フィルタの一般的特性解析、電気学会論文誌Ｄ、Ｖｏｌ．１２０、Ｎｏ．７、ｐｐ．９４７−９４８、平成１２）に詳しく述べられているので、特性の詳細説明は省略する。結論のみ紹介すれば、ベクトル回転器同伴フィルタはＤ因子フィルタと等価なフィルタ特性を発揮する。
【００６８】
図１０は、同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａの別の実施形態の１例として、ベクトル回転器同伴フィルタを使用した例を示した。本実施形態例に使用したベクトル回転器の形式は（３）式に定義している通りであるが、ベクトル回転器用の余弦・正弦信号としては、高周波電圧指令器１５から高周波電圧ベクトルと同相の余弦正弦値ｕ（θｈ）を直接得、これを使用している。この場合には、高周波電圧指令器１５から来ている高周波角周波数ωｈは使う必要はない。また、図１０におけるフィルタＦ（ｓＩ）は（３２）−（３４）式においてＤをｓＩで置換したもの、すなわち通常のローパスフィルタ２個をベクトル信号の各スカラ成分に作用するように並列に配したものである。
【００６９】
図１０の実施形態例では、破線で囲ったベクトル回転器同伴フィルタがＤ因子フィルタと等価なフィルタ特性を発揮する。図８（ａ）と図１０との比較より、２種の実施形態例の相互の関係は自明である。
【００７０】
高周波電圧ベクトルν１ｈを、図６の実施形態例に示したように、正弦高周波電圧ベクトルとする場合には、（８）、（２７）式の関係より、高周波磁束ベクトルφ１ｈと同相電流ベクトルｉ１ｈａとは高周波電圧ベクトルν１ｈに対し回転方向に向け約π／２（ｒａｄ）の位相遅れをもつ。本発明による回転子位置の推定には、本発明の作用の説明で明らかにしたように、同相、鏡相の両電流ベクトルの位相情報のみが必要であり、振幅情報を必要としない。むしろノルムを１とした電流ベクトルの方が都合がよい。この点を考慮するならば、ノルムを１に正規化した同相電流ベクトルを次の（３５）式の関係に従がい推定することができる。
【数３５】
0003968688.tif 000033
【００７１】
（３５）式におけるｉ１ｈａ／‖ｉ１ｈａ‖は、ベクトル位置推定器１３内部の余弦正弦生成器１３ｂにおいてｉ１ｈａに代わって使用されるべきものである。（３５）式の関係を利用した同相電流ベクトル推定器１３ａ−４を用いた、同相鏡相電流ベクトル生成器１３ａの実施形態の１例を図１１に示した。本実施形態例では、固定子電流ベクトル、高周波電圧ベクトルの高周波角周波数、同ベクトルの位相の正弦・余弦値が入力され、同相電流ベクトルの推定値と鏡相電流ベクトルの検出値が出力されている。高周波角周波数と同位相は、高周波電圧指令器１５からのものを利用すればよい。本例では、鏡相電流ベクトルの検出にＤ因子フィルタを利用したが、ベクトル回転器同伴フィルタを活用してももちろんよい。
【００７２】
図１２は、余弦正弦生成器１３ｂの１実施形態例を示したものである。同図における１３ｂ−１は２倍角余弦正弦生成器であり、１３ｂ−２は中間角余弦正弦生成器である。また、１３ｂ−３は、中間角余弦正弦生成器での決定法選択に利用される選択信号を生成するための判定器である。
【００７３】
２倍角余弦正弦生成器１３ｂ−１は、同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルあるいはその推定値を入力として受け取り、両ベクトルの中間角の２倍角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定し、出力している。このときの決定処理は、本発明の作用の説明で使用した（１７）式に忠実に従って遂行している。（１７）式が意味する、同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルの正規化処理を含む本決定処理の内容は、当業者にとっては十二分に明らかである。
【００７４】
中間角余弦正弦生成器１３ｂ−２は、２倍角余弦正弦生成器１３ｂ−１によって出力された２倍角の余弦正弦値あるいはその推定値を入力として受け取り、これを用いて中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定し出力している。
【００７５】
本発明では、中間角の余弦・正弦値の期待される大きさに応じて、２倍角の余弦・正弦値あるいはその推定値から中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定する方法を変更するようにしている。例えば、中間角余弦正弦生成器１３ｂ−２には、下の（３６）−（３９）式に示すような４種の決定方法が用意されており、中間角の余弦・正弦値の期待される大きさに応じて、この４種の決定方法のいずれか１つが選定されるようになっている。
【数３６】
0003968688.tif 000034
【数３７】
0003968688.tif 000035
【数３８】
0003968688.tif 000036
【数３９】
0003968688.tif 000037
（３６）−（３９）式においては、中間角の余弦・正弦値の大きさは中間角の値そのものに直接的に依存して定まると言う事実を考慮し、決定方法の選択条件を期待される中間角の値で各式最右翼に示している。
【００７６】
判定器１３ｂ−３は、中間角の余弦・正弦値の期待される大きさを定め、上述の決定法を選択する役割に担っている。本発明における各器の処理は、ディジタル的に行うのが実際的である。具体的な実施形態例として、図１２には、ディジタル的処理を考慮し、１制御周期前の中間角の余弦・正弦の決定値を利用して、現時点の期待される大きさを決定する１例を例示している。この簡明な説明を図るため、現時点をｋ時点とし、１制御周期前を（ｋ−１）時点とし、（ｋ−１）時点での中間角の余弦・正弦の決定値をｕ（θ，ｋ−１）と表現することにする。図１２におけるｚ−１は１制御周期分の遅延素子であり、入力信号を１制御周期遅延させ出力する働きをもつ。本素子以降の動作は以下の通りである。先ず（ｋ−１）時点での中間角の余弦・正弦決定値を次の（４０）式の関係に従がい処理し、ｋ時点での判定指標ｄ１（ｋ）、ｄ２（ｋ）を生成する。
【数４０】
0003968688.tif 000038
次に、この判定指標により、ｋ時点での決定法として（３６）−（３９）式の何れを採用すべきかを判定する。指標ｄ１（ｋ）、ｄ２（ｋ）による判定は、図１３に示した方法に従がい実施している。図１３の方法は、判定指標の正負符号のみで判定を行うものであり、第１、２行の入力（判定指標の符号）に対し第３行が出力（選定結果）となっている。このように、実施形態例を用いて説明した本発明は合理的採用選定を簡単に行うことができる有用性の高いものとなっている。なお、２倍角の余弦・正弦決定値より、中間角の余弦・正弦値を正しく決定するには、上に説明した判定器１３ｂ−３の繰返性より理解されるように、逆突極位置（Ｎ極）の初期推定値がＳ極と間違われることなく正しく認識されていることが前提である。初期位置推定は電動機の駆動制御前に実施することになるが、これに直接活用できる初期位置推定の各種方法が該文献（電気学会技術報告第７６０号）等で既に詳しく説明されているので、これを活用すればよい。
【００７７】
図１４は、余弦正弦生成器１３ｂの第２実施形態例である。本実施形態例では、同相、鏡相の両電流ベクトルの情報が入力されると、先ず、両ベクトルのノルムを同一化するための処理を行う。具体的には、ノルムが１となるように正規化処理を行う。次に、本発明の作用の説明の際に示した（２２）、（２４）式の各々第１式に従がい、加算合成ベクトルζａ、減算合成ベクトルζｓを同時に生成する。減算合成ベクトルζｓには更にＪを乗じ、ζａとＪζｓを判定正規化器１３ｂ−４へ入力する。
【００７８】
減算合成ベクトルにＪを乗じる処理を行うのは、減算合成ベクトルをπ／２（ｒａｄ）回転させ、回転後の減算合成ベクトルに比例して同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルの成す角の中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するためである。加算合成ベクトルの場合には、加算合成ベクトル自体に比例して中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしているので、Ｊを乗じる処理は必要ない。
【００７９】
判定正規化器１３ｂ−４では、次の（４１）式に従がい、合成ベクトルζを選定する。
【数４１】
0003968688.tif 000039
（２２）式及び（２４）式が示しているように、加算合成電流ベクトル、減算合成電流ベクトルが、高周波磁束ベクトルと回転子逆突極位置との関係において、著しく小さくなる場合がある。この場合には、本発明の作用の説明に際して明らかにしたように、回転子位置を適切に推定できない。（４１）式に明示した選択処理はこの点を考慮したものであり、加算合成ベクトルと減算合成ベクトルが同時小さくなることはないと言う両合成ベクトルの相互補完的特性を活用し、いずれか大きい合成電流ベクトルを選択するようにしたものである。この選択処理により、精度よく回転子位置を推定できるようになる。判定正規化器１３ｂ−４では、選択処理して得た合成ベクトルζを更にノルムが１となるように正規化処理し、次の（４２）式で定義した正規化合成ベクトルζｎ出力している。
【数４２】
0003968688.tif 000040
【００８０】
本実施形態例は、本発明の作用の説明で使用した（２３）式及び（２５）式の各第２式の関係を活用するものである。以上に説明した処理において、（２３）式及び（２５）式の第２式における単位ベクトルの生成が完了した。次にこの単位ベクトルに乗ずべき符号を判定しなければならない。（２３）式及び（２５）式が示すように、正負符号は、高周波磁束ベクトルと回転子突極位置の相対的な位置関係で決まる。すなわち、回転子突極の絶対的位置で決まるわけではない。本発明においては、高周波磁束ベクトルは、回転子突極位置に対し相対的に高速に回転する。従って、本発明においては、符号の変化は高周波磁束ベクトルの変化、ひいてはこれと直接的に関係している同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルの変化と捕らえてよい。図１４の実施形態例における１３ｂ−５は、この観点より構成された符号判定器である。
【００８１】
図１２を用いた実施形態例でも述べたように、本発明における各器の処理は、ディジタル的に行うのが実際的である。図１４での符号判定器の処理は、実際的的な実施形態例としてディジタル的処理を考慮し、回転子位置の１制御周期前の余弦・正弦推定値を利用して現時点の符号を判定する１例を例示している。この簡明な説明を図るため、現時点をｋ時点とし、１制御周期前を（ｋ−１）時点とし、（ｋ−１）時点での回転子位置の余弦・正弦推定値をｕ（θ，ｋ−１）とし、ｋ時点での正規化合成ベクトルをζｎ（ｋ）と表現することにする。図１４におけるｚ−１は１制御周期分の遅延素子であり、入力信号を１制御周期遅延させ出力する働きをもつ。符号判定器１３ｂ−５では、先ず１時点前のｕ（θ，ｋ−１）の符号は正しいものとしてｕ（θ，ｋ−１）と現時点のζｎ（ｋ）との内積をとり、次にこの符号を判定する。内積の符号は、ｓｇｎ関数処理することにより簡単に得られる。高周波磁束ベクトルの回転は、回転子突極の回転に比し遥かに速いので、上記内積が負となった場合には、これは高周波磁束ベクトルの回転によるものである。従って、内積の符号反転が発生した場合には、現時点の合成ベクトルζｎ（ｋ）の符号は誤りであり、ζｎ（ｋ）の符号を反転させる必要がある。ζｎ（ｋ）の符号反転を図るには、ζｎ（ｋ）に−１を乗ずればい。符号反転用の−１はｓｇｎ関数処理の出力として得られているので、これを活用すればよい。図１４での符号判定器は、この処理工程をブロック図で表現したものである。
【００８２】
なお、上記に説明した繰返形の符号判定は、初期の符号判定が正しく行われることが前提である。初期符号判定は電動機の駆動制御前に実施することになるが、これに直接活用できる初期位置推定の各種方法が該文献（電気学会技術報告第７６０号）等で既に詳しく説明されているので、これを活用すればよい。
【００８３】
図１５は、同期電動機を対象とした、しかし図５に代わる本発明の他の１実施形態例である。同図では、図の輻輳を避けるため、回転ｄｑ座標系上の検出電流と電圧指令値を各々ベクトル信号線で集約表現している。図１５の実施形態例における図５に対する違いは、回転子位置推定に関連したベクトル位置推定器１３、高周波電圧指令器１５及び高周波電流除去フィルタ１６が固定αβ座標系から回転ｄｑ座標系に移動している点にある。ベクトル位置推定器１３、高周波電圧指令器１５及び高周波電流除去フィルタ１６の３機器の構成法は、図５の実施形態例で示した場合と基本的に同一である。ベクトル位置推定器１３の内部要素である余弦正弦生成器１３ｂは、採用された座標系上における逆突極位置の余弦正弦推定値を出力する。従って、図５は固定αβ座標系上の逆突極位置の余弦正弦推定値を出力し、図１５では、回転ｄｑ座標系上での逆突極位置の余弦正弦推定値を出力する。一方、ベクトル回転器６ａ、６ｂは固定αβ座標系上で評価されの逆突極位置の余弦正弦値を必要とするので、図１５の実施形態例では座標変換の処理が追加的に必要である。この追加的処理は、以下に示すように、簡単に実施することができる。
【００８４】
ベクトル位置推定器１３の処理はすべてディジタル的に行うものとして、ｋ時点での余弦正弦生成器１３ｂの出力を、図１２、１４の実施形態例で示したように、ｕ（θ）とする。一方、ｋ時点でのベクトル位置推定器１３の最終出力をｕ（θ（ｋ））とする。ｕ（θ（ｋ））はｕ（θ）の座標変換値として、次の（４３）式の処理により得られる。
【数４３】
ｕ（θ（ｋ））＝Ｒ（θ（ｋ−１））ｕ（θ）    （４３）
図１６に、（４３）式の処理を含むベクトル位置推定器１３の構成例を示した。同図においては、（４３）式で明示した座標変換処理はベクトル回転器１３ｃで実施している。
【００８５】
次に、本発明のベクトル制御方法に基づくベクトル制御装置を逆突極を有する誘導電動機へ適用した１実施形態例を示す。図１７はその基本的構造である。本構造と図１９に示した従来制御法による構造との基本的な違いは、回転子位置検出器２に代わってベクトル位置推定器１３が、また速度検出器１１に代わって速度推定器１４が新規に導入されている点にある。更には、高周波電圧ベクトル印加のために高周波電圧指令器１５とこれに起因する高周波電流ベクトルｉ１ｈの電流制御器への混入を排除するための高周波電流除去フィルタ１６が、追加用意されている点にある。他の機器に関しては、基本的には図１９に示した従来制御法に基づく装置と同一であり、その動作原理も従来と同一である。例えば、図１７の実施形態例における電流ベクトルｉ１ｓ、電圧指令ベクトルν１ｓの処理・発生手順は、また、ベクトル回転器のための回転信号の発生手順は、図１９を用いて説明した従来の装置よる場合と同一である。本発明に関連して新規導入された機器は、上述のように、ベクトル位置推定器１３、速度推定器１４、高周波電圧指令器１５、高周波電流除去フィルタ１６である。図１７の実施形態例におけるこれらの新規導入機器は、図１７と図５の比較より当業者には容易に理解されるように、図５の実施形態例の場合と同一である。従って、新規導入機器の説明は、図５の場合と重複するので、これを省略する。
【００８６】
以上のように、本発明においては、図５を用いて説明した同期電動機に対する実施形態例は、図１７を用いて説明した誘導電動機に対する実施形態例に対応する。また、本発明においては、図５を用いて説明した同期電動機に対する実施形態例は、図１５を用いて説明した同期電動機に対する実施形態例へ容易に展開された。当業者に容易に理解されるように、図１５を用いて説明した同期電動機に対する実施形態例に対応する誘導電動機の実施形態例もこの対応性を活用することにより簡単に得られる。具体的には、図１７において新規導入された諸機器を固定αβ座標系から回転ｄｑ座標系に移動へ移動させればよい。この際の移動の要領は、対応性より、図１５の実施形態例の場合と同様である。
【００８７】
以上、本発明によるベクトル位置推定器に関し、各種の図を利用しつつ複数の実施形態例を用いて具体的かつ詳しく説明した。説明本文で繰返し明言しているように本発明のベクトル位置推定器は、最近のディジタル技術の著しい進歩を考えるとディジタル的に構成することが好ましい。ディジタル構成はハードウェア的構成とソフトウェア的構成があるが、当業者にとっては既に自明のように本発明はいずれでも構成できる。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明より明白なように、本発明は以下の効果を奏する。特に、請求項１及び請求項７の本発明は、高周波電圧ベクトルの印加に応じ発生した高周波電流ベクトルを用い、高周波磁束ベクトルと同方向へ回転する同相電流ベクトルと、高周波磁束ベクトルとは逆方向へ回転する鏡相電流ベクトルとを検出あるいは推定し、同相電流ベクトルと鏡相電流ベクトルとの成す角の中間角の余弦・正弦あるいはその推定値をベクトル回転器の回転信号の生成に利用するようにしている。この結果、請求項１あるいは請求項７の本発明によれば、固定子に装着される回転子位置検出器を用いることなく、ベクトル制御ためのベクトル回転器の回転信号生成に必要な回転子位置の推定値を、ひいては回転子位置の余弦・正弦推定値、回転子の速度推定値を得ることが出来ると言う作用が得られる。しかも、電動機パラメータの変動に頑健な状態で得ることができると言う作用が得れられる。本作用は、印加した高周波電圧ベクトルの角周波数が回転子の電気角速度に対し十分高ければ、回転子の停止時あるいは停止時に準ずる極低速時に限定されることなく、広い動作範囲で得られる。この作用の結果、交流電動機のベクトル制御に不可欠なベクトル回転器をパラメータ変動に頑健な状態で広い動作範囲で正常に動作させることができ、ひいては、従来より固定子に装着されてきた回転子位置検出器を用いることなく、交流電動機をベクトル制御することができると言う効果が得られる。更には、交流電動機のベクトル制御に際し、回転子に回転子位置検出器を装着することに起因して従来より発生した、電動機システムの信頼性の低下、軸方向の容積増大、配線問題、各種コストの増大と言った諸問題を克服することができると言う効果が得られる。
【００８９】
特に、請求項２の本発明は請求項１記載のベクトル制御方法であって、同相電流ベクトルあるいはこの推定値と鏡相電流ベクトルあるいはこの推定値とから中間角の２倍角の余弦・正弦値あるいはこの推定値を決定し、決定した２倍角の余弦・正弦決定値から中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定するようにしているので、同相電流ベクトル、鏡相電流ベクトルの位置を算出することなく、これらのベクトルそのものからベクトル回転器の回転信号の生成に必要な余弦・正弦の推定値を直接的に算定できると言う作用が得られる。また、回転子位置算定のための逆演算を必要としないので、回転子位置の余弦・正弦の推定値を比較的高い精度で、また比較的軽い計算量で決定できると言う作用も得られる。ひいては、請求項２の本発明によれば、請求項１で説明した作用を合理的に確保できるようになる。こうした作用の結果、請求項１による効果を、比較的精度よく、比較的軽い計算量で達成できるという効果が得られる。
【００９０】
請求項３の本発明は、請求項２記載のベクトル制御方法であって、中間角の余弦・正弦の推定値の期待される大きさに応じて、２倍角の余弦・正弦の決定値から中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を決定する方法を変更するようにするものであり、計算量を低減しつつ最も高い計算精度を維持した状態でベクトル回転器の回転信号の生成に必要な余弦・正弦の推定値を決定できると言う作用が得られる。この作用の結果、請求項３の本発明によれば、請求項２による効果を、計算量を低減しつつ最も高い計算精度を維持した状態で達成できるという効果が得られる。
【００９１】
請求項４の本発明は、請求項１記載のベクトル制御方法であって、ノルムを同一化した、同相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルと、鏡相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルとの２個のベクトルを生成し、２個の同一ノルムベクトルのベクトル加算によって得た合成ベクトルに比例して、中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を各々決定するようにしている。これにより、高周波磁束ベクトルと突極位置の単位ベクトルとの内積の絶対値が僅少となる特別な状況を除けば、極簡単な演算で、ベクトル回転器の回転信号生成に必要な余弦・正弦の推定値を決定できると言う作用が得られる。ひいては、請求項１の効果を極簡単な演算で達成できると言う効果が得られる。
【００９２】
請求項５の本発明は、請求項１記載のベクトル制御方法であって、ノルムを同一化した、同相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルと、鏡相電流ベクトルあるいはこの推定値と同一方向をもつベクトルとの２個のベクトルを生成し、２個の同一ノルムベクトルのベクトル減算によって得た合成ベクトルをπ／２（ｒａｄ）回転させ、回転後の減算合成ベクトルに比例して、中間角の余弦・正弦値あるいはその推定値を各々決定するようにしている。これにより、高周波磁束ベクトルと単位ベクトルとの交代的内積の絶対値が僅少となる特別な状況を除けば、極簡単な演算で、ベクトル回転器の回転信号生成に必要な余弦・正弦の推定値を決定できると言う作用が得られる。ひいては、請求項１の効果を極簡単な演算で達成できると言う効果が得られる。
【００９３】
なお、請求項４及び請求項５の本発明による場合、演算量低減の代償として、高周波磁束ベクトルの回転子逆突極と同一成分あるいは垂直成分が僅少となる領域ではその使用が限定される。請求項４及び請求項５の本発明による効果が失われないように、この領域回避のための実際的方法を請求項４及び請求項５の形態実施例に関連して具体的に提示説明した。
【００９４】
請求項６の本発明によれば、印加する高周波電圧ベクトルを正弦高周波電圧ベクトルとするので、同相、鏡相の両電流ベクトルを用いた位相の余弦・正弦値の検出あるいは推定が安定するようになると言う作用が得られる。この結果、請求項６の本発明によれば、請求項１による効果を安定的に達成できると言う効果が得られる。
【００９５】
【図面の簡単な説明】
【図１】固定αβ座標系上での回転子逆突極位置（電気角度）を示すベクトル図
【図２】固定αβ座標系上での固定子の高周波磁束、高周波電流、同相電流、鏡相電流、回転子逆突極位置の１関係例を示すベクトル図
【図３】固定αβ座標系上における、加算合成ベクトルと回転子逆突極の方向との１関係例を示すベクトル図
【図４】固定αβ座標系上における、減算合成ベクトルと回転子逆突極の方向との１関係例を示すベクトル図
【図５】１実施形態例におけるベクトル制御装置の基本構成を示すブロック図
【図６】１実施形態例における高周波電圧指令器の基本構成を示すブロック図
【図７】１実施形態例におけるベクトル位置推定器の概略構成を示すブロック図
【図８】（ａ）１実施形態例における同相鏡相電流ベクトル生成器の概略構成を示すブロック図と（ｂ）Ｄ因子フィルタの等価特性を示す図
【図９】（ａ）逆因子Ｄ−１の実現法を示すブロック図と（ｂ）Ｄ−１を用いたＤ因子フィルタ実現の１実施形態例を示すブロック図
【図１０】１実施形態例における同相鏡相電流ベクトル生成器の概略構成を示すブロック図
【図１１】１実施形態例における同相鏡相電流ベクトル生成器の概略構成を示すブロック図
【図１２】１実施形態例における余弦正弦生成器の概略構成を示すブロック図
【図１３】中間角余弦正弦生成器での決定法選択に利用される判定指標と選択結果の１関係例
【図１４】１実施形態例における余弦正弦生成器の概略構成を示すブロック図
【図１５】１実施形態例におけるベクトル制御装置の基本構成を示すブロック図
【図１６】１実施形態例におけるベクトル位置推定器の概略構成を示すブロック図
【図１７】１実施形態例におけるベクトル制御装置の基本構成を示すブロック図
【図１８】従来のベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【図１９】従来のベクトル制御装置の概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
１ａ        交流電動機（同期電動機）
１ｂ        交流電動機（誘導電動機）
２          回転子位置検出器
３          電力変換器
４          電流検出器
５ａ        ３相２相変換器
５ｂ        ２相３相変換器
６ａ        ベクトル回転器
６ｂ        ベクトル回転器
７          余弦正弦信号発生器
８          電流制御器
９          指令変換器
１０        速度制御器
１１        速度検出器
１２        磁束位相推定器
１３        ベクトル位置推定器
１３ａ      同相鏡相電流ベクトル生成器
１３ａ−１  Ｄ因子フィルタ
１３ａ−２  Ｄ因子フィルタ
１３ａ−３  ベクトル回転器同伴フィルタ
１３ａ−４  同相電流ベクトル推定器
１３ｂ      余弦正弦生成器
１３ｂ−１  ２倍角余弦正弦生成器
１３ｂ−２  中間角余弦正弦生成器
１３ｂ−３  判定器
１３ｂ−４  判定正規化器
１３ｂ−５  符号判定器
１３ｃ      ベクトル回転器
１４        速度推定器
１５        高周波電圧指令器
１５ａ      位相発生器
１５ｂ      余弦正弦信号発生器
１６        高周波電流除去フィルタ
【図１】
0003968688.tif 000041
【図２】
0003968688.tif 000042
【図３】
0003968688.tif 000043
【図４】
0003968688.tif 000044
【図５】
0003968688.tif 000045
【図６】
0003968688.tif 000046
【図７】
0003968688.tif 000047
【図８】
0003968688.tif 000048
【図９】
0003968688.tif 000049
【図１０】
0003968688.tif 000050
【図１１】
0003968688.tif 000051
【図１２】
0003968688.tif 000052
【図１３】
0003968688.tif 000053
【図１４】
0003968688.tif 000054
【図１５】
0003968688.tif 000055
【図１６】
0003968688.tif 000056
【図１７】
0003968688.tif 000057
【図１８】
0003968688.tif 000058
【図１９】
0003968688.tif 000059