(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク指令値に基づき、電流指令値を出力する電流指令生成部と、
前記電流指令値に基づき、永久磁石同期電動機を駆動するための電圧指令値を出力する電圧指令生成部と、を備える永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記トルク指令値がゼロとなる場合の前記電流指令値が出力されている状態における、前記電圧指令値、および前記永久磁石同期電動機の回転速度情報に基づき、前記永久磁石同期電動機が有する磁石の磁束量または当該磁石の温度を推定する磁石情報推定演算部を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記トルク指令値がゼロとなる場合の前記電流指令値は、ｑ軸の電流指令値がゼロであり、ｄ軸の電流指令値がゼロ以外の所定値である
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項３】
請求項１に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記トルク指令値がゼロとなる場合の前記電流指令値は、ｑ軸およびｄ軸の電流指令値がいずれもゼロである
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記駆動装置は、推定した前記磁石の磁束量または前記磁石の温度に基づき、前記トルク指令値もしくは当該トルク指令値に相当する前記電流指令値を補正する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記駆動装置は、推定した前記磁石の磁束量または前記磁石の温度に基づき、前記永久磁石同期電動機の異常発熱または前記磁石の磁束量の異常な状態変化を検知する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記磁石情報推定演算部は、前記磁石の磁束量または前記磁石の温度の推定を、前記永久磁石同期電動機の回転子の速度が所定速度以上の時に実行する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記磁石情報推定演算部は、前記永久磁石同期電動機の熱時定数よりも短い所定の時間間隔で、前記磁石の磁束量を定期的に推定する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記駆動装置は、記憶装置を備え、推定した前記磁石の磁束量または前記磁石の温度を推定したタイミング毎に更新して当該記憶装置に記憶する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記駆動装置は、前記永久磁石同期電動機への電圧出力を停止しかつ前記永久磁石同期電動機の回転子のフリーラン状態から、前記永久磁石同期電動機への電圧出力開始による惰行再起動時に、
前記トルク指令値を立ち上げる前に前記トルク指令値をゼロにする期間を設け、当該期間に前記磁石情報推定演算部により前記磁石の磁束量の推定を実行する
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記駆動装置は、前記トルク指令値をゼロに絞った後、前記永久磁石同期電動機の回転子の速度が所定値以上である場合に、前記トルク指令値をゼロとして駆動する所定の期間を設け、当該期間に前記磁石情報推定演算部により前記磁石の磁束量または前記磁石の温度の推定を実行する
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記磁石情報推定演算部は、前記磁石の磁束量の推定を、前記永久磁石同期電動機の駆動制御に用いる変調率の指令値が所定値以上の時に実行する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記磁石の磁束量の推定値の初期値として、前記磁石の温度の仕様範囲の上限値と下限値との中間値よりも低い温度時に対応する前記磁石の磁束量を設定する
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置であって、
前記磁石情報推定演算部は、前記磁石の磁束量の推定値を温度換算した値を前記磁石の温度の初期値とし、前記電流指令値または当該永久磁石同期電動機に流れる電流の検出値と前記永久磁石同期電動機の速度指令値を用いて前記磁石の温度または前記磁石の磁束量を推定する機能を備える
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置および当該駆動装置によって駆動される永久磁石同期電動機を備える永久磁石同期電動機の駆動システムであって、
前記永久磁石同期電動機が有する固定子スロットは、当該固定子スロットの最内周位置における周方向の幅が、当該固定子スロットに収納する固定子巻線の周方向の幅よりも大きい開放型の固定子スロットである
ことを特徴とする永久磁石同期電動機の駆動システム。
【請求項１５】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の永久磁石同期電動機の駆動装置または請求項１４に記載の永久磁石同期電動機の駆動システムを搭載する鉄道車両。
【請求項１６】
トルク指令値に応じて電圧波形を出力する電圧出力装置により駆動する永久磁石同期電動機の駆動方法であって、
電流指令値、当該永久磁石同期電動機に流れる電流の検出値、前記永久磁石同期電動機の回転速度情報に基づいて前記電流の検出値が所定の前記電流指令値に一致するように電圧指令値を調整する際に、
前記トルク指令値をゼロにした状態の前記電圧指令値および前記回転速度情報に基づき、前記永久磁石同期電動機が有する磁石の磁束量または当該磁石の温度を推定するステップと、
推定した当該磁石の磁束量または当該磁石の温度に基づき、前記トルク指令値を補正するステップと
を有する永久磁石同期電動機の駆動方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の永久磁石同期電動機の駆動方法であって、
推定した前記磁石の磁束量または前記磁石の温度を推定したタイミング毎に更新して記憶装置に記憶するステップ
を更に有する永久磁石同期電動機の駆動方法。
【請求項１８】
鉄道車両用永久磁石同期電動機が有する磁石の磁束量または当該磁石の温度の推定値に基づき当該鉄道車両用永久磁石同期電動機を駆動する、鉄道車両用永久磁石同期電動機の駆動方法であって、
惰行再起動時のトルク立ち上げ前の収束待ち時間の度に前記推定値を推定して更新する
ことを特徴とする鉄道車両用永久磁石同期電動機の駆動方法。
【請求項１９】
鉄道車両用永久磁石同期電動機が有する磁石の磁束量または当該磁石の温度の推定値に基づき当該鉄道車両用永久磁石同期電動機を駆動する、鉄道車両用永久磁石同期電動機の駆動方法であって、
トルクをオフする際にトルク指令値をゼロとする制御期間を設け、当該制御期間に前記推定値を推定して更新する
ことを特徴とする鉄道車両用永久磁石同期電動機の駆動方法。
【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駆動装置、駆動システムおよび駆動方法に関し、特に、鉄道車両用として好適である。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両用の電動機の駆動装置では、トルク制御の高応答化、高精度化が実現可能なベクトル制御が広く普及している。近年では、鉄道車両用の駆動システムの小型化、高効率化を目的に、永久磁石同期電動機の適用が進んでいる。【０００３】
永久磁石同期電動機のベクトル制御では、永久磁石同期電動機の回転子に備えらえた永久磁石が作る磁極の磁束の方向をｄ軸、ｄ軸に直交する方向をｑ軸と定義し、磁石磁束と同期回転する直交座標系で電圧、電流および磁束を扱う。このｄ軸とｑ軸に対し、目標トルクを出力するための電流と磁束となるように、電圧を所定の振幅と位相に制御して印加することで、永久磁石同期電動機のトルクを自在に制御している。
【０００４】
永久磁石同期電動機のトルクは、式（１）で表され、固定子の回転磁界による磁極と回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生する式（１）の第１項のマグネットトルクと、固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生する式（１）の第２項のリラクタンストルクから成る。
【数１】
0006978602.tif 000002
ここで、ｍは相数、Ｐｍは極対数、Ｋｅは磁石磁束（発電定数）、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流、Ｌｄはd軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンスとする。
【０００５】
マグネットトルクの永久磁石の磁極を形成する磁石磁束Ｋｅは、外気温度の変化や、永久磁石同期電動機の駆動時に発生する銅損や鉄損といった損失による発熱の影響により、磁石温度が変化することに伴い磁束量も変化する性質を持つ。【０００６】
永久磁石同期電動機をトルク制御形の駆動装置で駆動制御する場合には、駆動装置内に備える制御器に設定した磁石磁束の定数の設定値Ｋｅ＊と、永久磁石同期電動機の実際の磁石磁束Ｋｅとに差異が生じると、磁石磁束の誤差となり、マグネットトルクの精度が低下する問題が発生する。
そのため、この永久磁石の磁束量の変動によるトルク精度の低下を解決すべく、磁石磁束または磁石温度の推定技術が提案されている。【０００７】
特許文献１では、永久磁石同期電動機のフリーラン状態で、インバータ等の駆動装置を停止し、誘起電圧Ｅ０と回転数ωを測定し、誘起電圧Ｅ０を回転数ωで除した値である誘起電圧計数値ｋを算出する技術が提案されている。【０００８】
特許文献２では、所定の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時の磁石温度変化に伴うγ―δ軸上の電流Ｉγ、Ｉδと永久磁石温度Ｔｍａｇ１との関係を示すテーブルまたは数式を記憶した第１推定器と、所定の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時の磁石温度変化に伴う電機子鎖交磁束Φの絶対値｜Φ｜と永久磁石温度Ｔｍａｇ２との関係を示すテーブルまたは数式を記憶した第２推定器を備え、電流指令値または電流検出値の大きさに基づいて、２つの推定器の出力を選択的に切り替え、磁石温度を推定する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２６７７２７号公報
【特許文献２】特許第５７２６２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本願発明者が、永久磁石の磁束量または温度の推定技術について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。
１）特許文献１では、磁石磁束を推定するために電圧センサおよび速度センサが必要となるため、部品点数が増加し、コストの増加や構成が複雑化する課題がある。また、駆動システムを設置する設置スペースに制約がある場合には、各種センサを取り付ける必要があるため、センサを増設した分、永久磁石同期電動機やインバータの体格を小さくする必要が生じ、損失密度の増加による機器効率が低下する課題、損失の増加と熱容量の低下により温度上昇が増加する課題がある。【００１１】
２）誘起電圧を測定するために、電圧センサを永久磁石同期電動機の三相の電源線の線間に取り付けると、万が一、電圧センサが故障した際に、永久磁石同期電動機の線間が短絡する可能性があり、適切な絶縁設計が必要となることから、容易に実施できない課題がある。【００１２】
３）フリーラン状態における誘起電圧の波形が理想的な正弦波状であればよいが、永久磁石同期電動機の固定子スロットの数や固定子巻線の巻線配置といったモータ構造に起因して生じる高調波成分の影響がある場合、誘起電圧波形が大きく歪むこととなる。このため、誘起電圧の測定値を用いる手法では、誘起電圧係数値ｋを精度良く推定できない課題がある。【００１３】
４）特許文献２では、磁石温度Ｔｍａｇ１、Ｔｍａｇ２の推定のために、磁界解析または実験により、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を与えた時の電流検出値や電機子鎖交磁束の絶対値｜Φ｜に対する磁石温度推定値のテーブルデータを予め取得する必要がある。公知として、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑは、ｄ軸電流、ｑ軸電流および磁石温度のそれぞれに対して依存性を持つため、全ての条件に対して精度の良いテーブルデータを作成するには膨大な時間と作業量を要する課題がある。【００１４】
５）これらのインダクタンスの非線形性を数式やテーブルデータによりモデリングしても、実際には、磁界解析の解析誤差、実機の測定誤差や調整誤差、さらには永久磁石同期電動機の個体毎の製作誤差等の影響も含むため、これらを完全に誤差なくモデリングすることは困難である。さらに、固定子巻線の温度変動によって抵抗定数Ｒが誤差を持ち、推定器の入力変数となる電機子鎖交磁束の絶対値｜Φ｜の精度が低下する問題もある。【００１５】
６）磁石の温度変動＋１０℃に対して−１％の割合で減磁が発生する永久磁石を仮定し、仮に、この−１％の減磁の影響を推定する場合には、推定に用いる入力情報（電機子鎖交磁束の絶対値｜Φ｜）や、数式やテーブルデータにより考慮するインダクタンスの非線形性や減磁特性を少なくとも誤差１％以内の精度にする必要があり、推定器で考慮するインダクタンスＩｄ＊やインダクタンスＬｑ＊の設定値の精度に大きく影響を受ける。【００１６】
以上の理由により、磁石磁束の推定精度が不十分となる可能性がある。
本発明の目的は、永久磁石同期電動機を駆動制御する際に、電圧センサおよび速度センサや磁界解析または実験によるデータを用いなくとも、誘起電圧の高調波成分や抵抗およびインダクタンスの定数設定誤差に対して、ロバストかつ高精度に磁石磁束を推定することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、例えば、永久磁石同期電動機の駆動装置において、トルク指令値がゼロとなる場合の電流指令値が出力されている状態における、電圧指令値、および永久磁石同期電動機の回転速度情報に基づき、永久磁石同期電動機が有する磁石の磁束量または磁石の温度を推定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、磁界解析または実験によるデータ取得を用いなくとも、誘起電圧の高調波成分や抵抗およびインダクタンスの定数設定誤差に対してロバストかつ高精度に磁石磁束または温度を推定することにより、トルク精度の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。
【図２】永久磁石同期電動機の所定の電流指令値を与えた状態のベクトル図である。
【図３】永久磁石同期電動機の電流指令値をゼロとした状態のベクトル図である。
【図４】永久磁石同期電動機の電流指令値をゼロとし、軸誤差が生じた際のベクトル図である。
【図５】永久磁石同期電動機の部分断面の拡大図である。
【図６】永久磁石同期電動機の誘起電圧波形の一例を示す図である。
【図７】実施例２に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。
【図８】実施例３における所定の時間間隔で磁石磁束の推定を実施するフローの概要を示す図である。
【図９】実施例４における惰行再起動時のトルク立上げ前に磁石磁束の推定を実施するフローの概要を示す図である。
【図１０】実施例５における駆動制御の停止前に磁石磁束の推定を実施するフローの概要を示す図である。
【図１１】実施例６に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。
【図１２】実施例７に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。
【図１３】実施例８として、本発明に係る永久磁石同期電動機の駆動装置を搭載する鉄道車両の一部の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態として、実施例１〜８について、それぞれ図面に従い詳細に説明する。各実施例において参照番号が同一のものは、同一の構成要件または類似の機能を備えた構成要件を示している。
なお、以下に説明する構成はあくまでも実施例に過ぎず、本発明に係る実施態様は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２１】
図１は、実施例１に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。永久磁石同期電動機をインバータ等の駆動装置によって駆動制御した状態で、磁石磁束を推定する際の構成を、機能ブロックとして示したものである。
なお、図１では、磁石磁束を推定する機能ブロック図としているが、磁石磁束と磁石温度は、磁石の温度係数α（％／℃）を用いて換算でき、本実施例１により磁石温度を推定する構成としてもよい。【００２２】
図１に示す駆動装置１には、負荷として接続する永久磁石同期電動機３をベクトル制御するための制御プログラムが実装されている。ただし、図１は、磁石磁束の推定に必要な最小構成の機能ブロックのみを示したもので、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の駆動用トランジスタやダイオード等のパワーデバイスから構成される電力変換器（主回路）およびこの電力変換器に対する制御構成については、電圧出力装置２で代表させ、詳細な図示を省略している。
【００２３】
トルク指令生成器９は、上位のシステム制御部（図示は省略）からの動力指令、または制御モードの切替指令に応じて、ＰＭＳＭに発生させるトルク指令値Ｔ＊を出力する。【００２４】
電流指令生成器１２は、トルク指令値Ｔｍ＊に応じて、所定のトルクを出力するためのｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。ここで、永久磁石同期電動機３に備えらえた回転子と同期回転する磁石磁束の方向をｄ軸とし、電気角でｄ軸に対して直交する方向をｑ軸とする。
【００２５】
電流制御器１０は、Ｉｄ＊、Ｉｑ＊に対して、ｄ軸電流検出値Ｉｄおよびｑ軸電流検出値Ｉｑが一致するようにＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御等により、電流偏差をゼロに収束させるように電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を出力する。【００２６】
座標変換器５は、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊および位相角θを用いて、回転座標であるｄｑ座標から３相変換を行い、３相交流電圧波形の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊およびＶｗ＊を生成する。
【００２７】
電圧出力装置２により、３相交流電圧波形の指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊およびＶｗ＊をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号に変換した後、電圧出力装置２は、駆動回路および主回路（図示しないが電圧出力装置２に含まれる）を介して、Ｖｕ、ＶｖおよびＶｗを３相交流電圧として永久磁石同期電動機３に印加する。【００２８】
永久磁石同期電動機３は、３相交流電圧の印加により固定子側に発生した回転磁界による磁極と回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発によって発生するマグネットトルクと、固定子の回転磁界による磁極と回転子の磁気的な突極との吸引力によって発生するリラクタンストルクにより、回転トルクを発生する。【００２９】
電流検出器４は、永久磁石同期電動機３に流れるＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗをその波形と共に検出する。ただし、電流検出器４によって必ずしも３相全ての電流を検出する必要はなく、いずれかの２相を検出し、残る１相は３相電流が平衡状態であると仮定して演算により求める構成でもよい。【００３０】
座標変換器６は、電流検出器４で検出した永久磁石同期電動機３の３相電流Ｉｕ、ＩｖおよびＩｗを、位相角θを用いて回転座標系のｄｑ座標に変換し、ＩｄおよびＩｑとして電流制御器１０および位置速度推定演算部１１に出力する。【００３１】
位置速度推定演算部１１は、電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊および電流検出値Ｉｄ、Ｉｑなどの情報に基づき、回転子に備えられた磁石磁束の位置θおよび、回転子の角周波数指令値ω１＊を推定演算する。なお、レゾルバ等の位置センサを備える場合は、センサの検出情報を取り込み、位相θと角周波数指令値ω１＊を出力するものとする。
【００３２】
磁石磁束推定演算部１３は、角周波数指令値ω１＊と電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、磁石磁束推定値Ｋｅ＾を演算する機能を備える。磁石磁束Ｋｅの推定は、推定実行指令がトルク指令生成器９に入力され、トルク指令生成器９がトルク指令値をゼロにした状態で実行する。推定実行指令は、上位のシステム制御部（図示は省略）や、磁石磁束推定演算部１３により出力するものとする。
以下に、磁石磁束推定演算部１３の推定原理について説明する。
【００３３】
永久磁石同期電動機の電圧方程式は次式で表される。
【数２】
0006978602.tif 000003
【数３】
0006978602.tif 000004
ここで、ｖｄはｄ軸電圧、ｖqはq軸電圧、Ｌｄはd軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｒ１は抵抗値、Ｋｅは磁石磁束とする。
【００３４】
仮に、永久磁石同期電動機３の実際の電圧、電流、抵抗値およびインダクタンスの各状態量を正確に把握できるとすれば、式（４）にて磁束の推定値Ｋｅ＾を算定できる。
【数４】
0006978602.tif 000005
【００３５】
仮に、式（４）により磁石磁束の定数Ｋｅ＾の算定を考えると、電圧ｖｄ、ｖqは電圧出力装置２の電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を参照し、電流は電流検出値iｄ、iｑを用いればよい。ところが、抵抗ｒ１とインダクタンスＬｄ、Ｌｑは、永久磁石同期電動機の巻線温度や、鉄心に用いられる磁性材料の磁気飽和特性、モータ構造および電流条件に依存するものであり、正確に把握することが難しい。
【００３６】
図２は、式（２）、（３）が表すベクトル図である。電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を出力するために、加えるべき電圧ｖは、抵抗ｒ１とインダクタンスＬｄ、Ｌｑに応じて、大きく変化することがわかる。抵抗ｒ１とインダクタンスＬｄ、Ｌｑが磁束推定値Ｋｅ＾に与える影響を考えると、駆動周波数が数Ｈｚ程度の極低速域を除けば、抵抗ｒ１よりもインダクタンスＬｄ、Ｌｑによる電圧降下が支配的となり、実質的にはインダクタンスＬｄ、Ｌｑの定数の精度が重要となる。
【００３７】
しかし、温度変動±１０℃に対して磁石磁束が±１％変動すると仮定し、±１％の分解能で磁石磁束Ｋｅを精度良く推定するためには、電流Ｉｄ、Ｉｑおよび磁石磁束Ｋｅのそれぞれに対して変動する性質を持つインダクタンスＬｄ、Ｌｑを、磁界解析や実機調整の手段を用いて、少なくとも誤差１％以内で設定し、磁石磁束Ｋｅの推定演算を実施する必要がある。また、インダクタンスの非線形性は、永久磁石同期電動機３の設計や、動作条件（電流条件）によっても大きく変わるため、数式やテーブルデータを用いて磁石磁束Ｋｅを求める手段は、実用性や精度の点に課題がある。
ｄ軸インダクタンスＬｄは、ｄ軸を通る磁束が比透磁率の低い磁石を通過するため、電流の変化により、ｄ軸の鉄心の磁気飽和が変化した場合でも影響を受けにくい。一方、ｑ軸インダクタンスＬｑは、磁束の通過する磁路に磁石を含まないため、電流の変化により、鉄心の飽和の影響で大きく変動する。そのため、特にｑ軸インダクタンスＬｑの誤差や変動に対して、ロバストな方式であることが望ましい。
【００３８】
そこで、本願発明者らは、定数誤差の影響を受けずに磁石磁束Ｋｅを推定するために、ｄ軸、ｑ軸の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を意図的にゼロとして式（１）に示すトルクをゼロに制御した状態で、制御が整定した状態での電圧指令値Ｖｑ＊と角周波数指令値ω１＊を用いることで、抵抗ｒ１およびインダクタンスＬｄ、Ｌｑの定数誤差の影響を受けずに、磁石磁束Ｋｅを推定できることを見出した。式（２）、（３）で、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロに設定し、電流制御器１０による電流制御の誤差をゼロと見なすと、整定した状態の電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊はそれぞれ次式となる。
【数５】
0006978602.tif 000006
【数６】
0006978602.tif 000007
すなわち、磁石磁束の推定値Ｋｅ＾は、次式にて算出できる。
【数７】
0006978602.tif 000008
【００３９】
図３は、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとした際のベクトル図である。電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとして、電流制御による誤差がゼロとすると、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊は、実際の磁石磁束Ｋｅによる誘起電圧を打ち消すだけの電圧を出力する状態となる。図３に示す電圧ベクトルを図２と比較すると、抵抗ｒ１とインダクタンスＬｄ、Ｌｑの項を含まず、ω１＊とＫｅのみによって算定できることがわかる。
【００４０】
同一の周波数において磁石磁束が変動した場合を例に挙げると、式（７）において、永久磁石の温度が上昇し、実際の磁石磁束Ｋｅが減少した場合には整定した状態のＶｑ＊も減少する。逆に、永久磁石の温度が低下し、実際の磁束Ｋｅが増加した場合には整定した状態のＶｑ＊も増加する。このようにして、電流指令値をゼロとした際のｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊に基づき、磁石磁束Ｋｅを推定することが可能となる。ただし、式（７）からわかるように、永久磁石同期電動機の回転子の速度がゼロの条件では、本実施例１の推定法は原理的に適用できない。【００４１】
ここで、本実施例１の推定法では、電流制御による電流偏差がゼロとなっている必要があるため、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとして駆動制御し、整定した状態でのｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊と角周波数指令値ω１＊を用いる。また、ノイズの影響を除去するために、フィルター処理、移動平均処理または積分処理を施してもよい。【００４２】
なお、位置速度推定演算部１１により位置センサレスで駆動制御する場合には、電圧指令値Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊または電流検出値Ｉｄ、Ｉｑなどの情報に基づき、極低速を除く速度域では、公知の誘起電圧に基づく位置速度推定方式を利用するものとする。実際のｄ軸方向と制御器が認識するｄ軸との位相誤差となる軸誤差Δθｃを推定し、ＰＩ制御等のフィードバック制御で軸誤差Δθｃをゼロにするように角周波数指令値ω１＊を出力することで、永久磁石同期電動機３を駆動する。誘起電圧による軸誤差推定の方式は、推定演算した誘起電圧ベクトルの偏角を利用して軸誤差Δθｃを推定するものである。図２からわかるように、インダクタンスＬｄ、Ｌｑに定数誤差が生じると軸誤差推定に用いる誘起電圧ベクトルも誤差を持ち、推定演算する軸誤差Δθｃもオフセット誤差を持つこととなる。【００４３】
これに対し、本実施例１の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとしてトルク指令値をゼロにした状態では、図４に示すように、電流制御器１０による電流制御の電流偏差をゼロと見なせば、インダクタンスＬｄ、Ｌｑの影響を受けない。そうすると、磁石磁束による実際の誘起電圧ωＫｅを相殺するような電圧を出力した際の電圧ベクトルの偏角から、軸誤差Δθｃを式（８）にて演算することができる。
【数８】
0006978602.tif 000009
【００４４】
すなわち、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロに制御し、トルクをゼロにした状態では、式（８）の軸誤差Δθｃに基づき角周波数指令値ω１＊を演算するので、式（７）における角周波数指令値ω１＊も抵抗ｒ１やインダクタンスＬｄ、Ｌｑの定数誤差の影響を受けず、精度良く磁石磁束の推定値Ｋｅ＾を算出することが可能となる。
【００４５】
さらに、本実施例１の構成では、鉄道車両用のように、誘起電圧波形に高調波成分が含まれ易い永久磁石同期電動機３であっても、精度良く磁石磁束を推定することができる。【００４６】
図５は、永久磁石同期電動機の部分断面図である。軸方向に対して連続して形成される永久磁石同期電動機の固定子２０と回転子２５の断面図の一部を示している。固定子巻線２３は、複数の素線３１を束ねた状態で、樹脂や絶縁テープなどで覆われて一体成形されている。【００４７】
製造工程において、固定子鉄心２１の周方向に対して配設された複数の固定子スロット２２に、一体成形された固定子巻線２３を組み込む場合には、回転子２５を固定子２０から抜いた状態で、固定子２０の内周側から固定子スロット２２へと挿入することにより組み込まれる。
組み込み後は、固定子スロット２２の内周側に設けられた溝に、巻線保持部材２４を軸方向から挿入することで、固定子巻線２３の内周側への飛び出しを防止している。
【００４８】
このように、鉄道用モータを含む数１００ｋＷ以上の出力を持つ中大容量の高圧モータでは、製造上の理由から、固定子スロットの内周側の周方向の幅３２は、固定子巻線の周方向の幅以上が確保された開放型のスロット形状が用いられることが一般的である。【００４９】
そのため、固定子２０と回転子２５の間の空間となる空隙のギャップ２８において、周方向に対する磁気特性の分布を考えると、鉄心２１の鉄部と開放スロット部（空気部）が交互配置されるため、固定子と回転子の間のギャップ２８における磁束の通り易さ（パーミアンス）は、固定子スロットの数と極対数に応じて空間的な脈動を持ち、固定子スロットによる脈動磁束３０（図５のギャップ２８部分に重ねて示す波形）が生じることとなる。
このような理由から、鉄道用モータでは、モータ構造に起因して誘起電圧波形に含まれる高調波成分が大きくなり易い傾向にある。【００５０】
一方、小容量の低圧モータであれば、固定子巻線２３を一体成形することは少なく、自動化された巻線機等により素線３１を１ターンずつ固定子スロット２２の内周側より挿入して巻いていく製造方法となっている。これにより、固定子スロット２２の開口部の周方向の幅３２は、巻線１本程度が通る幅まで狭くした半閉型の固定子スロットとすることができる。そのため、パーミアンスの脈動は小さくなり、固定子スロット２２の数に起因した高調波成分の影響は小さくなる。
【００５１】
図６は、誘起電圧波形の一例を示す図である。永久磁石同期電動機のモータ特性や制御性を考えると、理想的には、図６（ａ）のような正弦波状の波形が望ましい。しかし、固定子スロット２２の数と極対数に応じた高調波成分を含む誘起電圧波形では、図５に示した脈動磁束３０の影響により、図６（ｂ）に示すような波形となる。この高調波の周波数成分は、回転子が電気角で１周期回転する際に、相対的に通過する固定子スロットの数の次数の高調波が現れる。そのため、固定子スロットによる高調波成分の次数ｎは、固定子スロットの数をＮｓ１、永久磁石同期電動機３の極対数をＰｍとすると次式となる。
【数９】
0006978602.tif 000010
【００５２】
先行技術文献である特許文献１のように、インバータを停止させたフリーラン中の誘起電圧から磁石磁束を検出する場合、この高調波成分の影響を受けやすくなる。ローパスフィルター等のフィルター処理によって、高調波成分のみを除去することも考えられるが、式（９）に示す通り、高調波成分の周波数は基本波成分のｎ倍の次数となるため、可変周波数に対応したフィルターを備える必要があり、構成が複雑化する課題が生じる。また、フィルターを用いることで、基本波成分のゲインに影響を与え、推定精度を低下させる可能性がある。【００５３】
一方、本実施例１の構成では、トルク指令生成器９によるトルク指令値をゼロとして、ｄｑ軸座標上で永久磁石同期電動機の実際の誘起電圧ω１Ｋｅと平衡する電圧をインバータから出力させる方式であるため、磁石磁束Ｋｅによる誘起電圧の基本波成分を直流量として扱い、回転子周波数が所定の値以上で推定を実行すれば、高調波成分の影響を除去した状態で、磁石磁束を推定することが可能となる。以下にその理由を述べる。【００５４】
固定子スロットの数に起因した高調波の脈動周期Ｔｈは次式にて表される。
【数１０】
0006978602.tif 000011
【００５５】
制御器の位置推定制御応答をＴｃ＊とした時に、脈動周期Ｔｈよりも制御応答Ｔｃ＊が長くなれば、高調波成分の振動が含まれる場合においても制御は追従しないため、誘起電圧が脈動していても、高調波成分の影響を受けずに位置推定制御ができることになる。【００５６】
つまり、磁石磁束Ｋｅの推定を実施する周波数の条件は、固定子スロットによる高調波の影響を受けないように、永久磁石同期電動機３の極対数をＰｍ、固定子のスロット数をＮｓ１、位置推定制御の応答設定値をＴc＊として、周波数ｆ１が以下に示す範囲で推定を実施すればよい。
【数１１】
0006978602.tif 000012
【数１２】
0006978602.tif 000013
【００５７】
鉄道用のインバータのキャリア周波数は、インバータの温度上昇の制約から、１〜２ｋＨｚ程度に制約されることから、回転数の低い領域を除き、インバータ周波数ｆ１は、おおよその領域で式（１２）の関係を満たす。【００５８】
つまり、所定の速度以上で磁石磁束または温度の推定を実施することで、永久磁石同期電動機３の固定子スロットに起因して発生する誘起電圧の高調波成分の影響を受けずに、誘起電圧の基本波成分をｄｑ軸座標上で直流量として扱うことができ、高調波成分の影響が大きい永久磁石同期電動機３に対しても、磁石磁束Ｋｅを推定することが可能となる。【００５９】
また、上記の制御応答と高調波の脈動周波数との関係性から算出した推定を実施する判定条件に加え、推定精度を高めるために、誘起電圧ω１Ｋｅが所定の値以上となるように、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロに制御した状態における回転子周波数の情報を参照し、所定の回転子周波数以上で選択的に実施する構成としてもよい。【００６０】
本実施例１により、推定した磁石磁束推定値Ｋｅ＾は、トルク指令生成器９や電流指令生成器１２に出力し、磁石磁束の変動分を補正するように、式（１）に示すトルク指令値Ｔｍ＊またはトルク指令値に相当する電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を補正するものとする。この補正は、マグネットトルクとリラクタンストルクの割合に基づき、磁石磁束に影響を受けるマグネットトルクの変動分を補償するものとする。【００６１】
また、磁石磁束の推定値Ｋｅ＾は、トルク指令値Ｔｍ＊や電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊の補正のみに用いるのではなく、他の制御系に用いてもよい。例えば、電圧指令演算や弱め磁束制御といった磁石磁束の定数設定値に推定値Ｋｅ＾を用いることで、制御応答の改善や安定化を図ることもできる。【００６２】
さらに、温度推定データを蓄積して比較することで、特異な発熱の検知によりモータの異常判別や、異常な反磁界が掛かったことによる不可逆減磁等の状態異常を検知する手段として使用してもよい。【００６３】
以上のとおり、実施例１では、磁界解析または実験によるデータの取得を用いることなく、誘起電圧の高調波成分や抵抗およびインダクタンスの定数設定誤差に対してロバストかつ高精度に磁石磁束または磁石温度を推定し、トルク精度を向上させることが可能になる。
【実施例２】
【００６４】
実施例２は、実施例１と比べて、電流指令値のＩｄ＊にゼロ以外の所定の値を与え、Ｉｑ＊をゼロとしてトルク指令値をゼロにした状態で、磁石磁束または磁石温度を推定する点で異なる。【００６５】
図７は、実施例２に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。永久磁石同期電動機をインバータ等の駆動装置によって駆動制御した状態で、磁石磁束を推定する際の構成を、機能ブロックとして示したものである。【００６６】
電圧出力装置２では、各相に設けられた上下アームに備えたＩＧＢＴ等の素子の短絡防止のために、上下の出力素子を同時にオフする期間を設けており、電圧補償を加えない場合は、この期間の出力電圧が不足することとなる。そのため、公知として知られるデッドタイム補償技術により、電流検出値または電流指令値の極性に基づき、指令値通りの電圧を出力できるように、電圧指令値に補償を加える。【００６７】
特に、永久磁石同期電動機の誘起電圧が低く、変調率の低い低速域では、細い幅の電圧パルスを数多く出力する状態となるため、出力電圧に対して相対的にこの同時オフ期間が占める割合が大きくなり、出力電圧に与える影響が大きくなり易い。【００６８】
すなわち、低速域において実施例１に示したｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊の両者をゼロにした場合、上述のとおり、デッドタイム補償に用いる電流検出値または電流指令値の極性が正確に把握できず、誤った極性に基づき電圧補償した場合は、デッドタイム補償によって逆に電圧誤差を増加させることになり、推定精度を低下させる可能性がある。【００６９】
これに対し、実施例２では、電流指令値または電流検出値の極性を判断できるように、ｑ軸電流指令値はゼロとしつつ、ｄ軸電流指令値には意図的に微小な値を与えることで、トルクゼロ指令時においても、電流の極性の判別が可能となり、デッドタイム補償を正確に動作させることができ、実施例１よりも電圧出力精度を向上させることができる。【００７０】
ｄ軸電流指令値に微小な値を与えるかどうかの判定は、上位のシステム制御部（図示は省略）等により実施される。変調率や速度情報が所定の閾値以下と判断した場合に、電流非ゼロモード指令を電流指令生成器１２に出力し、ｑ軸電流指令値はゼロ、ｄ軸電流指令値には、デッドタイム補償に用いる電流の極性判別が可能となる程度の所定の値が出力されるようになる。【００７１】
本実施例２による磁石磁束の推定は、式（４）をもとに、ｑ軸電流をゼロとして次式により磁石磁束を推定する。
【数１３】
0006978602.tif 000014
【００７２】
ただし、定格運転相当のｄ軸電流を流すと、式（１３）におけるインダクタンスＬｄの誤差の影響が大きくなるため、式（１４）に示すように、ｄ軸からのｑ軸への干渉項（ω１ＬｄＩｄ）の大きさが、速度起電力項（ω１Ｋｅ）に対し、例えば１／１０以下程度と十分に小さくなるような微小なｄ軸電流指令値Ｉｄ＊を設定するものとする。
【数１４】
0006978602.tif 000015
【００７３】
このようにすることで、実施例１に記載したとおり、ｑ軸電流に大きく依存するｑ軸インダクタンスＬｑの誤差や変動や、抵抗定数ｒ１の変動の影響を受けず、磁石磁束または温度を精度良く推定することができる。また、ｄ軸電流指令値を微小な値としているので、仮に、Ｌｄが設定値と実機で５％の偏差を持つ場合でも、インダクタンスの定数誤差による影響を０．５％以下にすることができる。
【００７４】
以上のとおり、実施例２では、ｑ軸電流指令値をゼロとし、ｄ軸電流指令値は所定の値を与えてトルク指令値をゼロにした状態で、磁石磁束または磁石温度の推定を実行することで、変調率の低い低速域においても、電圧出力精度の低下を防止し、精度良く磁石磁束を推定することができる。
【実施例３】
【００７５】
実施例３は、実施例１と比べて、推定した磁石磁束の推定値Ｋｅ＾を制御装置内に備えるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置に記憶し、その記憶後は記憶した推定値Ｋｅ＾に基づいて駆動制御し、次回の電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロにする期間にて、記憶した推定値Ｋｅ＾を新たに推定した値Ｋｅ＾に更新する点で異なる。【００７６】
数１００ｋｗ級の出力を持つ鉄道用の全閉型（密閉された機内に外気を直接取り入れないタイプ）の永久磁石同期電動機の熱時定数は、数時間程度であり、数ｋＷ級の小容量モータの熱時定数に比べて長くなる。つまり、駆動制御中に磁石磁束を常時推定する必要性はそれ程高くはなく、熱時定数に対して、１／１０以下程度となるような定期的な時間間隔で推定を実施できれば、永久磁石の温度変動を把握できる。【００７７】
この定期的な時間間隔とは、所定の時間の経過、もしくは、永久磁石同期電動機３の起動時または停止時などの特定のシーケンスに合わせて実施すればよい。
推定を実行するタイミングは、上位のシステム制御部（図示は省略）や、磁石磁束推定演算部１３によって管理され、推定実行指令をトルク指令生成器９に出力するものとする。【００７８】
図８は、実施例３において磁石磁束定数を推定するためのフローチャートの一例であって、所定の時間間隔で推定を実施する場合のフローチャートである。
永久磁石同期電動機３の駆動制御中に、上位のシステム制御部（図示は省略）が所定の時間の経過を判断し、推定実行指令をトルク指令生成器９に出力し、磁石磁束Ｋｅの推定を開始する。定数の推定時には、インバータの電圧出力は停止させず、トルク指令値Ｔｍ＊をゼロ（電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロ）へと絞り、永久磁石同期電動機３を駆動し、実施例１に記載の方法で磁石磁束推定値Ｋｅ＾を得る。その後、推定した磁石磁束Ｋｅ＾は、ＲＡＭ等の記憶装置に記憶する。
なお、本実施例３では、トルク指令値をゼロにする手段を、実施例１と同様に電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊として説明するが、実施例２のようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロとし、ｄ軸電流指令値に微小な値を与える構成としてもよい。【００７９】
記憶装置に記憶された磁石磁束Ｋｅ＾に基づき、トルク指令値Ｔｍ＊を補正し、補正後に補正したトルク指令値までトルクを立ち上げる。
また、記憶装置に推定した磁石磁束を所定の時間間隔で記憶することを示したが、磁石磁束に替えて、推定した磁石温度を所定の時間間隔で記憶してもよい。この際、磁石磁束とは、実施例１で示したとおり、磁石の温度係数α（％／℃）を用いて相互に換算することができる。【００８０】
以上の推定処理は、永久磁石同期電動機３の駆動中に、上位のシステム制御部（図示は省略）により、所定の時間が経過した場合は、再度、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロへと絞り、時間に応じて定期的に実施する。【００８１】
ただし、鉄道車両のように複数台のモータを駆動してシステムの動力を得る場合、各モータの推定の実施タイミングは、意図的に差を付け、１台のモータがトルク指令値Ｔｍ＊をゼロ（電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロ）へと絞っても、他のモータにはトルクを出力させることで、推定期間中のシステムのトータルの動力に与える影響を小さくするようにしてもよい。【００８２】
以上のとおり、実施例３では、永久磁石同期電動機３の熱時定数よりも短い所定の時間間隔で、磁石磁束Ｋｅを定期的に推定することにより、永久磁石同期電動機３の駆動制御中に磁石温度が変動する場合においても、磁石磁束の変動分を補償でき、トルク精度を向上させることが可能となる。
【実施例４】
【００８３】
実施例４は、実施例３と比べて、インバータの電圧出力を停止し、かつ、永久磁石同期電動機３の回転子がフリーランとなっている状態から、インバータの電圧出力を開始して永久磁石同期電動機３を再起動する惰行再起動時において、トルク指令値Ｔｍ＊を立ち上げる前に、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとする期間を設け、磁石磁束Ｋｅの推定を実施する点で異なる。
なお、本実施例４では、トルク指令値をゼロにする手段を、実施例１と同様に電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊として説明するが、実施例２のようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロとし、ｄ軸電流指令値に微小な値を与える構成としてもよい。【００８４】
図９は、惰行再起動時のトルク立上げ前に磁石磁束の推定を実施するフローの概要を示す図である。図９で、ｆｒは回転子周波数である（以降の実施例も同様）。
回転子のフリーラン状態から、インバータで惰行再起動してトルクを立上げる際には、トルク指令値Ｔｍ＊を立ち上げる前に、電流制御や位置推定制御を安定化するために、トルク指令値Ｔｍ＊と電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとして、制御を収束させるための待ち時間を設ける（図９に示す「ゼロトルク制御期間」）。収束の待ち時間を経た後、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を立ち上げて、トルクを確立する。【００８５】
本実施例４では、収束の待ち時間として電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロにした期間を利用し、図８に示すように、トルクを立上げる直前のｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊、角周波数指令値ω１＊を用いて、式（７）により、磁石磁束Ｋｅを推定し、トルク指令値Ｔｍ＊を補正する。
【００８６】
実施例３で推定法の一例として示したように、トルクの出力状態から、所定の時間を基準として定期的に推定を実施する場合には、トルク指令生成器９のトルク指令値Ｔｍ＊をゼロにする期間が必要となり、車両の加減速性能をわずかに低下させる。一方で、本実施例４のように、惰行再起動時のトルク指令値をゼロにする期間を利用し、磁石磁束Ｋｅを推定することで、トルク出力している期間の加減速性能を低下させることはない。【００８７】
また、惰行再起動時におけるトルク指令値をゼロとする制御期間の度に、ＲＡＭ等の記憶装置に新たに推定した定数を記憶するものとする。回転子周波数がゼロの停止状態からの起動などで、記憶装置の推定値Ｋｅ＾の更新ができない場合は、記憶装置に記憶されたＫｅ＾の前回値に基づいて補正したトルク指令値Ｔｍ＊により駆動制御するものとする。【００８８】
図９は、惰行再起動により再力行する場合を図示しているが、惰行再起動時であれば、再力行と再回生のどちらでも同様の効果が得られる。
なお、推定値Ｋｅ＾の更新は、惰行再起動時におけるトルク指令値をゼロとする制御モードの終了時点の周波数を参照し、所定の周波数以上で選択的に実施してもよい。【００８９】
また、駆動装置１の電源を投入後、初回の停止からの起動時（惰行再起動を未実施の状態）では、磁石磁束推定値Ｋｅ＾の推定を実施できない。そのため、記憶装置に設定する磁石磁束推定値Ｋｅ＾の初期値は、永久磁石同期電動機３の冷温時を想定し、磁石の温度変動範囲の中央値（換言すれば、磁石温度の仕様範囲の上限値と下限値との中間値）よりも低い値に相当する磁石磁束Ｋｅ＾を設定しておく。これにより、初回の起動時においてもトルク精度を改善することが可能となる。【００９０】
以上のとおり、実施例４では、磁石磁束Ｋｅの推定期間に、惰行再起動時のトルク指令値をゼロにする期間を用いることで、トルクの立ち上げ前に磁石磁束の推定値Ｋｅ＾を更新し、トルク指令値Ｔｍ＊を補償できる。これによって、実施例３よりもトルクを出力している期間の加減速の性能を損なわずに、トルク精度を向上させることが可能となる。
【実施例５】
【００９１】
実施例５は、実施例４と比べて、永久磁石同期電動機３がトルクを出力している状態からトルクをオフする際、トルク指令値Ｔｍ＊をゼロへと絞り、インバータを停止させる前に、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロにして駆動制御する制御期間を設け、磁石磁束Ｋｅの推定を実施する点で異なる。【００９２】
図１０は、駆動制御の停止前に磁石磁束の推定を実施するフローの概要を示す図である。
トルクをオフする際に、回転子周波数ｆｒが所定の値以上である場合（誘起電圧を有すると判断した場合）には、トルク指令値Ｔｍ＊をゼロに絞った直後にゲートオフさせず、磁石磁束Ｋｅを推定することを目的に、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとして駆動制御する期間（図１０に示す「ゼロトルク制御期間」）を設ける。
なお、本実施例５では、トルク指令値をゼロにする手段を、実施例１と同様に電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊として説明するが、実施例３のようにｑ軸電流指令値Ｉｑ＊をゼロとし、ｄ軸電流指令値に微小な値を与える構成としてもよい。【００９３】
実施例４では、惰行再起動時のトルク立上げ前の収束待ち時間に推定を実施する。ところが、仮に、次回の惰行再起動までの推定未実施の時間が長くなり、次回に停止状態（誘起電圧がないと判断した場合）から起動する場合は、磁石磁束の定数推定値Ｋｅ＾の更新ができず、誤差が大きくなる可能性がある。【００９４】
これに対し、実施例５を実施例４に併用して適用することで、所定速度以上における惰行再起動時とトルクオフ時に磁石磁束推定値Ｋｅ＾を得ることが可能となる。これにより、トルクを出力している期間の加減速性能を損なうことなく、推定頻度を増やすことができる。そのため、次回の定数更新までの推定未実施の時間が長くなるケースに対しても、磁石磁束の定数誤差を低減し、トルク精度を更に高める効果が得られる。【００９５】
以上のとおり、実施例５では、磁石磁束の推定期間に、インバータの電圧出力を停止する前に、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロにする期間を設けることで、定数の更新間隔を短縮でき、トルク精度を更に高めることができる。
【実施例６】
【００９６】
実施例６は、先の各実施例と比べて、変調率指令値Ｖｃ＊に応じて、磁石磁束推定値Ｋｅ＾の定数の更新を判定する定数更新判定部１４を設けた点で異なる。
図１１は、実施例６に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。【００９７】
定数更新判定部１４は、変調率指令値Ｖｃ＊が所定値以上と判断した場合に、磁石磁束推定演算部１３で演算した磁石磁束推定値Ｋｅ＾の書き換えを許可し、所定値以下と判断した場合は、磁石磁束推定値Ｋｅ＾を書き換えないように動作する。【００９８】
電圧出力装置２は、各相の上下アームに備えたＩＧＢＴ等の素子を同時にオンしないように、所定の時間、上下アームを同時にオフにする期間を設けている。この同時オフ期間による出力電圧の不足分は、電圧補償を加えるものの、調整誤差等により多少の電圧誤差が生じる。キャリア周波数を一定とした場合、変調率が低い程、この影響は顕著に現れることになり、変調率が低い領域では、電圧出力精度が低下しやすい傾向にある。【００９９】
式（７）、（８）からわかるように、磁石磁束Ｋｅの推定は、電圧出力装置２の電圧出力精度に依存するため、電圧出力を確保できる変調率が高い領域で使用した方がよい。【０１００】
本実施例６では、変調率指令値Ｖｃ＊を用いて説明したが、この変調率指令値Ｖｃ＊に相当する電圧指令値の絶対値または周波数指令値に置き換えても、同様の効果が得られる。【０１０１】
以上のとおり、実施例６では、変調率指令値Ｖｃ＊による定数更新判定部１４を設け、変調率指令値Ｖｃ＊が所定の基準値以上となった時のみ磁石磁束の定数推定の更新を有効化することで、先の各実施例よりも磁石磁束推定値Ｋｅ＾の推定精度の低下を防止することができる。
【実施例７】
【０１０２】
実施例７は、実施例６と比べて、さらに熱等価回路演算部１５による温度推定演算機能を設ける点で異なる。
図１２は、実施例７に係る永久磁石同期電動機の駆動装置の機能ブロックを示す図である。【０１０３】
熱等価回路演算部１５は、ゼロ以外のトルク指令値を与えて駆動する期間、もしくはインバータの電圧出力を停止した回転子のフリーラン状態において、熱等価回路等の温度演算手段を用いて磁石温度を推定演算し、推定した磁石温度を磁石磁束に換算した定数Ｋｅ２＾を出力する。【０１０４】
熱等価回路演算部１５には、実施例１から実施例６のいずれかの方法で得た磁束推定値Ｋｅ＾を温度換算した値を磁石温度の初期値とし、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊または電流検出値Ｉｄ、Ｉｑと、角周波数指令値ω１＊とを入力として、磁石温度を推定演算する。【０１０５】
本発明の磁石磁束の推定法を用いずに、単に、電流と周波数の情報に基づいて、熱等価回路を用いて温度計算する場合、フィードバック要素を持たないフィードフォワードでの温度推定法となるため、温度推定値にオフセット誤差が生じる問題がある。【０１０６】
さらに、長期間使用による通風ダクトの目詰まり等によるモータの状態変化（外乱要素）が加わった場合には、温度推定誤差がさらに拡大し、誤った温度推定結果を出力する可能性がある。【０１０７】
一方で、本実施例７のように、磁石磁束推定値Ｋｅ＾を熱等価回路の推定演算にフィードバック値として用いることで、このオフセット誤差の影響を、磁束推定値Ｋｅ＾の更新のタイミングで除去することができ、より高精度な温度推定を実現できる。これにより、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊をゼロとした時のみならず、トルクを出力している駆動中においても、磁石磁束推定値Ｋｅ＾を常時演算することが可能となる。【０１０８】
さらに、トルクをオフして、インバータの電圧出力を停止した状態においても、鉄道車両のモニタ装置等の駆動装置１の外部から概算の速度情報を取り込める構成であれば、概算速度情報を基に回転子の周波数情報に換算し、回転子の周波数を入力とした熱等価回路による温度演算を継続することで、磁石温度を推定演算し、磁石磁束の変動を推定することができる。【０１０９】
また、磁束推定値Ｋｅ＾の更新のタイミングを利用して、磁石磁束の推定値Ｋｅ＾に基づく磁石の温度推定値と熱等価回路による磁石温度推定値との偏差量を比較し、熱等価回路に用いる熱抵抗等のパラメータを駆動制御中に逐次調整できる構成としてもよい。【０１１０】
以上のとおり、実施例７では、熱等価回路演算部１５による磁石温度の推定演算機能を設けることで、インバータの電圧出力を停止したフリーラン時、および、トルク出力時の磁石磁束推定値Ｋｅ＾を補正することができ、実施例６よりも更なるトルク精度の向上が実現できる。
【実施例８】
【０１１１】
図１３は、実施例８として、本発明（先の実施例１〜７のいずれか）に係る永久磁石同期電動機の駆動装置を搭載する鉄道車両の一部の概略構成を示す図である。
図１３において、鉄道車両に搭載する駆動装置１は、電車線１０１から集電装置を介して電力の供給を受け、交流電力を出力して永久磁石同期電動機３に供給することで、電気エネルギーが機械トルクに変換される。永久磁石同期電動機３は、減速ギアを介して鉄道車両の車軸と連結されており、車軸に接続された車輪１０３とレール１０２間に生じる接線力により鉄道車両は走行する。【０１１２】
本実施例８は、鉄道車両に搭載する駆動装置１として、本発明（先の実施例１〜７のいずれか）に係る永久磁石同期電動機の駆動装置１を適用する。それにより、永久磁石同期電動機３が出力するトルク精度の向上や、永久磁石同期電動機３の異常発熱等の状態異常を検知することができ、より正確な運行を実現し、より信頼性の高い鉄道車両を実現できる。
【符号の説明】
【０１１３】
１…駆動装置、２…電圧出力装置、３…永久磁石同期電動機、
４…電流検出器、５、６…座標変換器、９…トルク指令生成器、
１０…電流制御器、１１…位置速度推定演算部、１２…電流指令生成器、
１３…磁石磁束推定演算部、１４…定数更新判定部、
１５…熱等価回路演算部、２０…固定子、２１…固定子鉄心、
２２…固定子スロット、２３…固定子巻線、２４…巻線保持部材、
２５…回転子、２６…磁石、２７…空隙部、２８…ギャップ、
２９…回転子鉄心、３０…固定子スロットに起因した脈動磁束、
３１…素線、３２…固定子スロット開口部の周方向の幅、１０１…電車線、
１０２…レール、１０３…車輪
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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