(57)【要約】【課題】変調率が高い制御状態においても位置推定精度を維持できる回転位置検出装置を提供する。【解決手段】実施形態の回転位置検出装置は、３相の永久磁石モータを駆動するインバータ回路と、このインバータ回路より出力される各相電流を検出する電流検出部と、前記相電流の変化量を検出する電流変化量検出部と、前記インバータ回路を構成する３相アームのうち、任意の２相の下側アームがオンしている期間及び３相の下側アームがオンしている期間に検出される前記２相の電流変化量と、３相の下側アームがオンしている期間に検出される、前記２相を除く１相の電流変化量とから回転位置の情報が含まれている演算結果を求め、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置を検出する回転位置検出部とを備える。【選択図】図１
2017046406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相の永久磁石モータを駆動するインバータ回路と、
このインバータ回路より出力される各相電流を検出する電流検出部と、
前記相電流の変化量を検出する電流変化量検出部と、
前記インバータ回路を構成する３相アームのうち、
任意の２相の下側アームがオンしている期間及び３相の下側アームがオンしている期間に検出される前記２相の電流変化量と、
３相の下側アームがオンしている期間に検出される、前記２相を除く１相の電流変化量とから回転位置の情報が含まれている演算結果を求め、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置を検出する回転位置検出部とを備える回転位置検出装置。
【請求項２】
前記電流検出部は、前記インバータ回路を構成する３相の下側アームと、負側電源線との間にそれぞれ配置されている請求項１記載の回転位置検出装置。
【請求項３】
３相の永久磁石モータを駆動するインバータ回路を構成する３相アームのうち、任意の２相の下側アームがオンしている期間及び３相の下側アームがオンしている期間に検出される前記２相の電流変化量と、３相の下側アームがオンしている期間に検出される、前記２相を除く１相の電流変化量とから回転位置の情報が含まれている演算結果を求め、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置を検出する回転位置検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、永久磁石モータの回転位置を検出する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、永久磁石同期モータの回転位置を推定する方法の１つとして、特許文献１では、電圧印加中の電流微分値を用いることで、安価な構成で正弦波状の電流を通電可能な回転位置検出方式が提案されている。この方式は、モータの相電圧方程式に基づいてゼロ電圧ベクトル発生時の電流変化量を求め、その電流変化量に含まれているモータの回転位置情報を利用するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３６６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のような方法では、モータを高速で回転させる等して変調率が上昇すると、図８に示すように、図７に示す場合と比較して電流変化量を検出するゼロ電圧ベクトルの出力期間が短くなるため、位置推定精度が低下するという問題がある。
そこで、変調率が高い制御状態においても位置推定精度を維持できる回転位置検出装置及び回転位置検出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の回転位置検出装置は、３相の永久磁石モータを駆動するインバータ回路と、このインバータ回路より出力される各相電流を検出する電流検出部と、前記相電流の変化量を検出する電流変化量検出部と、前記インバータ回路を構成する３相アームのうち、任意の２相の下側アームがオンしている期間及び３相の下側アームがオンしている期間に検出される前記２相の電流変化量と、３相の下側アームがオンしている期間に検出される、前記２相を除く１相の電流変化量とから回転位置の情報が含まれている演算結果を求め、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置を検出する回転位置検出部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】一実施形態であり、モータ制御装置の構成を示す図
【図２】インバータ回路が発生する電圧を空間ベクトルで表す図
【図３】各電圧ベクトルを出力した際のモータの各相電圧値を示す図
【図４】ＰＷＭ周期内で、電流変化量ｄＩｖ，ｄＩｗ，ｄＩｕを検出する状態を示すタイミングチャート
【図５】モータの回転位置と誘起電圧と差分推定値との関係を時間軸で示す図
【図６】回転位置演算部の構成の一例を示す図
【図７】従来技術を説明する図４相当図（その１）
【図８】従来技術を説明する図４相当図（その２）
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、一実施形態について図１から図６を参照して説明する。図１は、モータ制御装置の構成を示す機能ブロック図である。直流電源１は、回転子に永久磁石を備える永久磁石同期モータ（以下、単にモータと称す）２を駆動する電力源である。直流電源１は、交流電源を直流に変換したものでも良い。インバータ回路３は、６個のスイッチング素子，例えばＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４Ｕ＋，４Ｙ＋，４Ｗ＋，４Ｕ−，４Ｙ−，４Ｗ−を３相ブリッジ接続して構成されており、後述するＰＷＭ生成部５で生成される３相分６つのスイッチング信号に基づいて、モータ２を駆動する電圧を生成する。
【０００８】
電圧検出部６は、直流電源１の電圧ＶDCを検出する。電流検出部７は、一般にシャント抵抗やホールＣＴなどを用いた電流センサ及び信号処理回路で構成され、モータ２に流れる電流Ｉｕ,Ｉｖ,Ｉｗを検出する。図１ではインバータ回路３の各相下側に３つ（７Ｕ，７Ｖ，７Ｗ）配置した場合を例示しており、別の形態として，各相の上側に配置される場合、インバータ回路３の各相出力線に配置される場合がある。
【０００９】
電流変化量検出部８は、後述する検出タイミング信号生成部９からの信号ｔ１,ｔ２,ｔ３に基づき３相電流値を検出し、それぞれの変化量ｄＩｕ,ｄＩｖ,ｄＩｗを算出する。検出タイミングは、３回の検出で２回の間の変化量を求めるため、変化量は３相につき２種類ずつ，合計で６つの信号となる。
【００１０】
尚、図１において、電流変化量検出部８より出力される電流微分値をｄＩａ，ｄＩｂ，ｄＩｃとしているが、これは後述するように、インバータ回路３のスイッチングパターンにおける空間ベクトルのエリアに応じて、使用する電圧ベクトルが異なるため、表記を簡略化したものである。すなわち、ａ，ｂ，ｃは、ｕ，ｖ，ｗの何れかに対応する。また、（ｂｃ０）の表記は、ｂ，ｃ相の何れか一方の下側スイッチがオン「１」になり、他方及びａ相の下側スイッチがオフ「０」になることを示しており、「ｂｃ０」の並びは「１，０」の配列を固定したものではない（後述する（１）〜（３）式参照）。
【００１１】
誘起電圧演算部１０（回転位置検出部）は、検出した３相の電流変化量ｄＩｕ,ｄＩｖ,ｄＩｗから３相の誘起電圧差分推定値Ｅuvw,Ｅvwu,Ｅwuvを演算する。回転位置演算部１１（回転位置検出部）は、上記推定値Ｅuvw,Ｅvwu,Ｅwuvからモータ２の回転位置検出値θｃを算出する。３相電圧指令値生成部１２は、指令値である電圧振幅指令値Ｖampと電圧位相指令値φｖとから、３相の電圧指令値Ｖｕ,Ｖｖ,Ｖｗを生成する。
【００１２】
デューティ生成部１３は、３相電圧指令値Ｖｕ,Ｖｖ,Ｖｗを直流電圧ＶDCで除することで各相の変調指令Ｄｕ,Ｄｖ,Ｄｗを演算する。ＰＷＭ生成部５は、３相変調指令Ｄｕ,Ｄｖ,Ｄｗと三角波状のキャリアとを比較して各相のＰＷＭ信号パルスを生成する。１相当たりのパルスにはデッドタイムが付加され、それぞれ３相上下のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ４４に出力するスイッチング信号Ｕ＋,Ｕ−,Ｖ＋,Ｖ−,Ｗ＋，Ｗ−を生成する。
【００１３】
以上の構成において、モータ２，インバータ回路３及びＰＷＭ生成部５を除いたものが、回転位置検出装置１４を構成している。そして、回転位置検出装置１４にＰＷＭ生成部５を加えたものが、モータ制御装置１５を構成している。
【００１４】
次に、本実施形態における回転位置検出方法の概要を、図２から図５を参照して説明する。インバータ回路３が発生する電圧は、図２に示すように空間ベクトルで表すと、６つの実電圧ベクトルと２つのゼロ電圧ベクトルとに区分される。ここで電圧ベクトルＶ１(100)とは、Ｕ相の上側スイッチ（ＦＥＴ４Ｕ＋）がオン、Ｖ相及びＷ相の下側スイッチ（ＦＥＴ４Ｙ−，４Ｗ−）がオンという状態で発生する電圧を示す。また図３は、各電圧ベクトルを出力した際のモータ２の各相電圧値を示している。
【００１５】
例えば図４に示すように、Ｕ相の上側スイッチのみがオンしている電圧ベクトルＶ１(100)と、ゼロ電圧ベクトルＶ０(000)とが出力されている期間に、図中に示すタイミングｔ１〜ｔ３で検出した３相電流の差分値は次式で表される。
【数１】
2017046406.tif 000003
ｄＩｖ(100)-(000):電圧ベクトルＶ１及びＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ３間のＶ相電流変化量[A]
ｄＩｗ(100)-(000):電圧ベクトルＶ１及びＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ３間のＷ相電流変化量[A]
ｄＩｕ(100):電圧ベクトルＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ２間のＵ相電流変化量[A]
Ｅｖ，Ｅｗ，Ｅｕ：ｖ，ｗ，ｕ相の誘起電圧[V]
θ:モータ回転位置[rad]
Ｌ:モータ相インダクタンス[H]
ω:モータ角速度[rad/s]
φｆ:電機子鎖交磁束[Wb]
ここで、（１）式の右辺第１項及び第２項が、回転位置θに対して変化する信号となっている。このように、発生する電圧ベクトルＶ１(100)，Ｖ０(000)に応じて誘起電圧差分推定値Ｅvwuを演算することで、モータ２の回転位置に基づく信号を得ることができる。これを利用して回転位置検出を行う。
【００１６】
そして、図２に示すように、空間ベクトルの６つの領域をセクタ１〜６とすると、セクタ２及び３については（２）式により誘起電圧差分推定値Ｅwuvを演算する。
【数２】
2017046406.tif 000004
ｄＩｗ(010)-(000):電圧ベクトルＶ３及びＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ３間のＷ相電流変化量[A]
ｄＩｕ(010)-(000):電圧ベクトルＶ３及びＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ３間のＵ相
ｄＩｖ(000):電圧ベクトルＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ２間のＶ相電流変化量[A]
電流変化量[A]
セクタ４及び５については（３）式により誘起電圧差分推定値Ｅuvwを演算する。
【数３】
2017046406.tif 000005
ｄＩｕ(001)-(000):電圧ベクトルＶ５及びＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ３間のＵ相電流変化量[A]
ｄＩｖ(001)-(000):電圧ベクトルＶ５及びＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ３間のＶ相
ｄＩｗ(000):電圧ベクトルＶ０印加時の時刻ｔ１−ｔ２間のＷ相電流変化量[A]
電流変化量[A]
【００１７】
図５は、各相の誘起電圧に応じて変化する誘起電圧差分推定値Ｅvwu，Ｅwuv，Ｅvwuを示している。それぞれ細い線で表示しているのは、電気角１周期に亘る全ての波形であり、太い線で表示している部分は、実際に電圧セクタ１〜６に応じて（１）〜（３）式により検出する波形の区間を示している。セクタ毎に太線部分の推定値Ｅvwu，Ｅwuv，Ｅvwuを用い、それぞれのゼロクロス点を検出することで回転位置を求めることができる。つまり、誘起電圧差分推定値Ｅvwu，Ｅwuv，Ｅvwuは「回転位置の情報が含まれている演算結果」に相当する。
【００１８】
ここで、本実施形態における各部の動作について再度説明する。電流変化量検出部８は、電流検出部７で検出した電流から、所定のタイミングで各相の電流変化量を検出する。電流変化量を検出するタイミングｔ１〜ｔ３は、（１）〜（３）式及び図４に示したように、ゼロ電圧ベクトルと各実電圧ベクトルが発生している期間である。したがって、検出タイミング信号生成部９からの検出タイミング信号ｔ１〜ｔ３は、各相のデューティＤｕ,Ｄｖ,Ｄｗがデューティ生成部１３で決定された後、電流変化量検出部８に出力される。誘起電圧演算部１０は、（１）〜（３）式より誘起電圧に比例する数値を演算する。
【００１９】
図６に、回転位置演算部１１の構成の一例を示す。コンパレータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗは、演算された誘起電圧差分推定値Ｅvwu，Ｅwuv，Ｅvwuと閾値とを比較し、パルス状の信号を生成する。各誘起電圧差分推定値に応じて得られたパルス信号は、図５に示すように、電圧ベクトルに応じてどの相の誘起電圧を用いるかで変化する回転位置が異なる。このため、θｃ’演算部２２は、各相のデューティＤｕ,Ｄｖ,Ｄｗを用いて、適宜用いるパルスを切り替える。
【００２０】
次に、得られた信号θｃ’を速度演算部２３及び回転位置補正部２４に入力する。速度演算部２３は、信号θｃ’が変化するタイミングで、その変化量からモータ速度検出値θｃを（４）式にて演算する。さらに、回転位置補正部２４は、モータ速度検出値ωｃと信号θｃ’を用いて、信号θｃ’が変化してから次に変化するまでの間の変化量を（５）式にて補正する。信号θｃ’ｚ−１は、信号θｃ’が変化した際の前回値であり、ｔは信号θｃ’が変化してからの経過時間であり、信号θｃ’が変化するとゼロにクリアされる。これらの処理により、モータの回転位置θに対応する位置検出値θｃが得られる。
【数４】
2017046406.tif 000006
【００２１】
図１に示す３相電圧指令値生成部１２は、得られた回転位置θｃに基づき、３相の電圧指令値を例えば（６）式のように演算する。電圧振幅指令値Ｖampは印加する電圧の大きさであり、φｖは、誘起電圧位相に対する各相電圧の位相差である。
【数５】
2017046406.tif 000007
【００２２】
生成された３相の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、（７）式に示すようにデューティ生成部１３において直流電源電圧ＶDCで除されて正規化され、変調指令（デューティ）Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗとなる。さらに、これらのディーティＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗは三角波キャリアと比較されて各相ＰＷＭ信号へと変換され、インバータ回路３の各ＦＥＴ４に入力され、モータ２を駆動する電圧を発生させる。
【数６】
2017046406.tif 000008
【００２３】
以上のように本実施形態によれば、電流検出部７によって、インバータ回路３より出力される各相電流を検出すると、電流変化量検出部８が各相電流の変化量を検出する。誘起電圧演算部１０は、インバータ回路３を構成する３相アームのうち、任意の２相の下側アームがオンしている期間及び３相の下側アームがオンしている期間に検出される前記２相の電流変化量と、３相の下側アームがオンしている期間に検出される前記２相を除く１相の電流変化量とから、（１）〜（３）式により回転位置の情報が含まれている演算結果，誘起電圧差分推定値Ｅvwu，Ｅwuv，Ｅvwuを求める。回転位置演算部１１は、前記演算結果より前記永久磁石モータの回転位置θｃを検出する。
【００２４】
これにより、モータ制御装置１５を安価な演算器で構成してモータ２に正弦波状の電流を通電することができる。また、磁気的突極性が無いモータにも適用可能であり、高い変調率においてもモータが駆動可能になる。更に、電流変化量を検出する期間が長くとれるので、ノイズ耐性も向上する。
また、電流検出部７ｕ，７ｖ，７ｗを、インバータ回路３を構成する３相の下側アームと負側電源線との間にそれぞれ配置したので、下側のＦＥＴ４Ｕ−，４Ｖ−，４Ｗ−がオンした期間に各相電流を検出できる。
【００２５】
（その他の実施形態）
電流検出部７を２相の下側アームと負側電源線との間に配置して、残り１相の電流は演算で求めても良い。
電流検出部はシャント抵抗でなくＣＴ（Current Trans）でも良い。
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴ以外にＩＧＢＴやパワートランジスタさらにはＳｉＣ,ＧａＮ等のワイドギャップ半導体等を使用しても良い。
【００２６】
回転位置演算部１１は、閾値との比較によるパルスを用いたが、直接演算によって回転位置を求めても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２７】
図面中、２は永久磁石同期モータ、３はインバータ回路、７Ｕ，７Ｖ，７Ｗは抵抗素子（電流検出部）、８は電流変化量検出部、１０は誘起電圧演算部（回転位置検出部）、１１は回転位置演算部（回転位置検出部）、１４は回転位置検出装置、１５はモータ制御装置を示す。
【図１】
2017046406.tif 000009
【図２】
2017046406.tif 000010
【図３】
2017046406.tif 000011
【図４】
2017046406.tif 000012
【図５】
2017046406.tif 000013
【図６】
2017046406.tif 000014
【図７】
2017046406.tif 000015
【図８】
2017046406.tif 000016