(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータとロータとを備えた永久磁石モータのためのロータ位置推定器であって、
ｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号を生成する感知回路と、
前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を、ロータ位置推定信号に基づく第１の正フィードバック信号と組み合わせて、修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を生成する信号調整回路と、
前記信号調整回路の出力に結合されたレギュレータと、
前記レギュレータの出力に結合されて前記ロータ位置推定信号を生成する機械的システム・シミュレータと、
を具備するロータ位置推定器。
【請求項２】
前記信号調整回路が、前記修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を、ロータ位置推定信号に基づく第２の正フィードバック信号と組み合わせる、請求項１記載の推定器。
【請求項３】
前記機械的システム・シミュレータが要求トルク信号を受け取る、請求項１記載の推定器。
【請求項４】
前記信号調整回路が、前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を受け取る第１の入力を有する第１の乗算器を備える、請求項１記載の推定器。
【請求項５】
前記信号調整回路が、前記ロータ位置推定信号を受け取る入力と前記第１の正フィードバック信号を前記第１の乗算器の第２の入力へ印加する出力とを有する第２高調波増幅回路を備える、請求項１記載の推定器。
【請求項６】
前記第１の乗算器が、前記第１の正フィードバック信号と前記ｄ軸のＮＳＳＣ信号との乗算を行って前記修正されたｄ軸のＮＳＳＣ信号を生成すると共に、前記第１の正フィードバック信号と前記ｑ軸のＮＳＳＣ信号との乗算を行って前記修正されたｑ軸のＮＳＳＣ信号を生成する、請求項１の発明記載の推定器。
【請求項７】
前記信号調整回路が、前記第１の乗算器から前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を受け取る第１の入力と前記レギュレータに結合された出力とを有する第２の乗算器を備える、請求項６記載の推定器。
【請求項８】
前記信号調整回路が逆突極性モデルを備え、該逆突極性モデルが、前記ロータ位置推定信号を受け取る入力を備えると共に、前記第２の乗算器の第２の入力へ出力される前記第２の正フィードバック信号を生成する、請求項７記載の推定器。
【請求項９】
前記レギュレータが、比例（Ｐ）レギュレータ、比例積分（ＰＩ）レギュレータ、比例積分差分（ＰＤＩ）レギュレータ及び制限ＰＩレギュレータからなる群から選択される、請求項１記載の推定器。
【請求項１０】
ステータとロータとを備えた永久磁石モータのためのロータ位置を推定する方法であって
ｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号を生成するステップと、
ロータ位置推定信号に基づく第１の正フィードバック信号を用いて前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号の信号処理を行うステップと、
信号処理を行う前記ステップからの出力を受け取って前記ロータ位置推定信号を生成する機械的システム・シミュレータを用いるステップと、
を備える方法。
【請求項１１】
信号処理を行う前記ステップからの出力を調整し、調整された信号を生成してから、前記機械的システム・シミュレータを用いるステップを更に備える、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
信号処理を行う前記ステップからの出力を、ロータ位置推定信号に基づく第２の正フィードバック信号と組み合わせてから、調整する前記ステップを行う、請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記機械的システム・シミュレータがトルク要求信号を受け取る第２入力を備える、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
信号処理を行う前記ステップが、前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号と第２高調波増幅器から出力される前記第１の正フィードバック信号とを乗算して、修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を生成するステップを備える、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記第２高調波増幅器が、前記ロータ位置推定信号を受け取る入力を備える、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号と前記第２の正フィードバック信号とを乗算するステップを更に備える、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の正フィードバック信号が逆突極性モデルによって生成される、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記逆突極性モデルが、前記ロータ位置推定信号を受け取る入力を備える、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記のｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号を生成するステップが、前記永久磁石モータの入力端子において感知された電流信号を入力として受け取り、該電流信号をローパス・フィルタリングするステップと、
前記ローパス・フィルタリングするステップの出力である３相電流信号を、２相電流信号に変換するステップと、
前記変換するステップの出力から、基本周波数成分を除去するステップと、
前記基本周波数成分を除去するステップの出力から、正回転搬送波電流信号を除去されたｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号を生成するステップと、
を備える請求項１０記載の方法。
【請求項２０】
ステータとロータとを備える永久磁石モータのためのロータ位置推定器であって、
ｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号を生成する感知回路と、
前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を、ロータ位置推定信号に基づく第１及び第２の正フィードバック信号と組み合わせる信号調整回路と、
前記信号調整回路の出力に結合されたレギュレータと、
前記レギュレータの出力に結合された第１の入力と要求トルク信号を受け取る第２の入力とを備え、前記ロータ位置推定信号を生成する機械的システム・シミュレータと、
を具備する推定器。
【請求項２１】
前記信号調整回路が、前記ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を受け取る第１の入力を備える第１の乗算器を備える、請求項２０記載の推定器。
【請求項２２】
前記信号調整回路が、前記ロータ位置推定信号を受け取って前記第１の正フィードバック信号を前記第１の乗算器へ出力する第２高調波増幅回路を備える、請求項２０記載の推定器。
【請求項２３】
前記第１の乗算器が、修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を出力する、請求項２１記載の推定器。
【請求項２４】
前記信号調整回路が、前記第１の乗算器から前記修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を受け取る第１の入力を備えた第２の乗算器を備える、請求項２２記載の推定器。
【請求項２５】
前記信号調整回路が、前記ロータ位置推定信号を受け取って前記第２の正フィードバック信号を前記第２の乗算器の第２の入力へ出力する逆突極性モデルを備える、請求項２３記載の推定器。
【請求項２６】
前記感知回路が、前記永久磁石モータの入力端子において感知された電流信号を入力として受け取り、該電流信号の低周波数成分のみを通過させるローパス・フィルタと、
前記ローパス・フィルタの出力である３相電流信号を２相電流信号に変換する変換回路と、
前記変換回路の出力から基本周波数成分を除去する基本成分フィルタと、
前記基本成分フィルタの出力から、正回転搬送波電流信号を除去されたｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号を生成する正回転搬送波電流フィルタと、
を備える請求項１又は２０のいずれかに記載の推定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石モータに関するものであり、特に、永久磁石モータのための、センサ不要のロータ位置推定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一層厳しい排出基準に起因して、電気（ＥＶ）車両及びハイブリッド（ＨＥＶ）車両に対する興味が増大している。ＥＶ車両及びＨＥＶ車両は、内燃（ＩＣ）エンジンを搭載した車両と競合するよう、高度に効率的で信頼性が高く且つ安全な動力伝達装置を必要とする。効率的なモータドライブや、ロータ位置を導出するセンサを使用わない技術のような進歩した制御方法を使用すると、電気的動力伝達装置の重量及びコストを低減し、ＥＶ車両及びＨＥＶ車両の動作効率を改善することができる。
【０００３】
内部永久磁石（ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ；ＩＰＭ）モータドライブは、ロータ位置に対するステータ漏洩インダクタンスの変動に関係する自然の突極性を有する。突極性に基づく感知システムは、ロータの位置をロータ位置トランスジューサ、ホール効果センサ、又はその他の物理的センサを用いることなく導出する。換言すると、モータは電磁レゾルバとして動作する。電力変換器は搬送波周波数電圧をモータのステータ巻線に印加する。ステータ巻線はロータ位置と共に変化する高周波電流を生成する。電流の変動は電流センサによって感知される。
【０００４】
ここで図１を参照すると、ステータ電流信号の負シーケンス成分（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；ＮＳＣ）が１０で指示されている。ステータ電流信号のＮＳＣ１０は、図１に１２で指示されるロータ位置信号を生成するよう処理される。ＮＳＣの電流変動は基本ステータ電流（例えば３００アンペア）に比較して相対的に小さい振幅（例えば３アンペア）を有する。ステータ電流の過渡状態は、近負シーケンス（ｎｅａｒ  ｎｅｔａｔｉｖｅ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）搬送波信号周波数を含む、全周波数スペクトルにわたる高調波を作る。ステータ電流のＮＳＣの高速フーリエ変換（ＦＦＴ）１４は高調波の内容を示す。この高調波は負シーケンス搬送波信号電流の正確な測定を妨害する。換言すると、センサを備えない従来のロータ位置推定器は、ロータ位置の不正確な推定を一時的に生成する傾向を有する。近負シーケンス搬送波信号周波数は所望の突極性空間情報を含むので、ロータの位置を正確に決定することは困難又は不可能である。
【０００５】
前述のとおり、ステータ電流のＮＳＣは基本ステータ電流に比べて極めて小さい。小さな振幅の電流を、ずっと大きな電流レベルに対して調整されたセンサを用いて正確に測定することは極めて困難である。ステータ・コイルに大きな振幅の電流を注入すると、精度が向上する可能性がある。小さな電流使用限度の電流センサを用いても精度を向上させることができる。これらのオプションは駆動の応用分野に対しては実行できない。大電流をステータ・コイルに注入すると、駆動系統の損失が増大する。定格電流に比較して小さな電流使用限度の電流センサを用いると、駆動系統のトルク生成能力を制限することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の課題を解決するために提案された。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るロータ位置推定器は、ステータとロータとを有する永久磁石のためのロータ位置を推定する。感知回路はｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ  ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｃｕｒｒｅｎｔ；ＮＳＳＣ）信号を生成する。信号調整回路はｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を、ロータ位置推定信号に基づく第１の正フィードバック信号と結合させて、修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を生成する。レギュレータは信号調整回路の出力に結合される。機械的システム・シミュレータはレギュレータの出力に結合されてロータ位置推定信号を生成する。
【０００８】
本発明の他の特徴においては、信号調整回路は修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を、ロータ位置推定信号に基づく第２の正フィードバック信号と組み合わせる。機械的システム・シミュレータは要求トルク信号を受け取る。
【０００９】
別の特徴においては、信号調整回路は、ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を受け取る第１の入力を有する第２の乗算器を備える。信号調整回路は、ロータ位置推定信号を受け取る入力と第１の正フィードバック信号を第１の乗算器の第２の入力へ印加する出力とを有する第２高調波増幅回路を備える。第１の乗算器は、第１の正フィードバック信号とｄ軸のＮＳＳＣ信号との乗算を行って、修正されたｄ軸のＮＳＳＣ信号を生成する。また、第１の乗算器は、第１の正フィードバック信号とｑ軸のＮＳＳＣ信号との乗算を行って、修正されたｑ軸ＮＳＳＣ信号を生成する。
【００１０】
更に別の特徴においては、信号調整回路は、第１の乗算器からｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を受け取る第１の入力とレギュレータに結合された出力とを有する第２乗算器を備える。信号調整回路は逆突極性モデルを備え、該逆突極性モデルは、ロータ位置推定信号を受け取る入力を備えると共に、第２の乗算器の第２の入力へ出力される第２の正フィードバック信号を生成する。レギュレータは、比例（Ｐ）レギュレータ、比例積分（ＰＩ）レギュレータ、比例積分差分（ＰＤＩ）レギュレータ及び制限ＰＩレギュレータからなる群から選択されることが好ましい。
【００１１】
本発明の更なる適用分野は、以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。理解されるように、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施の形態を示してはいるが、単なる例であるにすぎず、発明の範囲を限定するものではない。本発明は、詳細な説明及び添付の図面から一層十分に理解されるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
好適な実施の形態についての以下の記述は本質的に単なる例示であり、発明、応用及び使用を限定するものではない。
【００１３】
図２を参照すると、内部永久磁石モータ３０のための制御システム２８が図示されている。制御システム２８は、入力として電池電圧ＶBATT、命令トルクＴe及びｄ軸及びｑ軸のフィードバック電流を受け取る電流レギュレータ３２を備える。命令トルクＴeは、電気車両のアクセル・ペダルの位置と関係付けられていることが好ましい。
【００１４】
電流レギュレータ３２は、同期―静止座標変換回路３４の入力にｄ軸電圧Ｖd及びｑ軸電圧Ｖqを出力する。また、同期―静止座標変換回路３４はコントローラ３８からθを受け取る。コントローラ３８の入力は、同期―静止座標変換回路３４の出力及び命令トルクＴeと接続されている。高周波信号注入型インバータ４０の入力はコントローラ３８の出力に接続される。電流信号ｉa及びｉbはＩＰＭモータ３０の入力端子から感知され、コントローラ３８にフィードバックされる。制御システム２８のこれらの構成要素３２、３８、４０の動作については米国特許第６１６３１２７号明細書に記述されており、同明細書は参照によって本文に援用される。
【００１５】
図３を参照すると、本発明に係るロータ位置推定器４２はコントローラ３８の一部を形成する。ロータ位置推定器４２は電流信号ｉa、ｉbからｄ軸及びｑ軸の負シーケンス静止電流（ＮＳＳＣ）信号Ｉdq―cnを生成する。ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号はロータ位置情報を含む。電流信号ｉa、ｉbはローパス・フィルタ５０に加えられる。ローパス・フィルタ５０の出力は変換回路５２によって３相から２相へ変換される。
【００１６】
変換回路５２の出力は基本成分フィルタ５４に入力され、基本成分フィルタ５４は、例えばノッチ・フィルタを用いて、ロータの基本周波数を除去するよう電流信号及びロータ位置角度信号を処理する。基本成分フィルタ５４は上記信号を静止フレーム正及び負回転搬送波電流信号へ変換する。静止フレーム正及び負回転搬送波電流信号及び高周波注入信号角度位置信号は正回転搬送波電流フィルタ５８に入力される。正回転搬送波電流フィルタ５８はｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を出力する。
【００１７】
ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号は信号調整回路６４に入力される。信号調整回路６４の出力はレギュレータ６６に入力される。レギュレータ６６の出力及び命令トルクＴeは機械的システム・シミュレータ７０に入力される。機械的システム・シミュレータ７０は、信号調整回路６４へフィードバックされるロータ位置推定信号θrを生成する。
【００１８】
信号調整回路６４は、機械的システム・シミュレータ７０によって生成されたロータ位置推定信号θrに基づいて第１のフィードバック信号及び第２のフィードバック信号を生成する。第１のフィードバック信号は、機械的システム・シミュレータ７０からのロータ位置推定信号θrを受け取る第２高調波増幅器７４によって生成される。第２高調波増幅器７４は例えば信号Ｉcn＊ｅhθを生成することによって第２高調波を増幅する。第２高調波増幅器７４の出力は、ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号を入力として受け取る第１の乗算器８０に入力される。第１の乗算器８０は第２の乗算器８２に対して、修正された（又は増幅された）ｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号Ｉsdq-cn-ampを出力する。
【００１９】
第２のフィードバック信号は、ロータ位置推定信号θrを機械的システム・シミュレータ７０から受け取る逆突極性モデル９０によって生成される。逆突極性モデル９０は第２のフィードバック信号を、修正されたｄ軸及びｑ軸のＮＳＳＣ信号をも入力として受け取る第２の乗算器８４に出力する。第２の乗算器８４の出力はレギュレータ６６に入力される。レギュレータ６６は、比例（Ｐ）レギュレータ、比例積分（ＰＩ）レギュレータ、比例積分差分（ＰＩＤ）レギュレータ及び制限ＰＩレギュレータからなる群の中から選択されることが好ましい。
【００２０】
使用する場合、ステータ端子電流が感知され、等価の２相電流に静止フレームにおいて変換される。変換された２相電流は基本成分及び正回転搬送波電流成分を除去するよう処理される。この処理によって、負基準フレームにおいて回転する負シーケンス静止電流成分が生成される。負シーケンス静止電流成分はロータ位置情報を含む。負基準フレームにおける負シーケンス静止電流成分Ｉsdq-cnを計算する処理は、パテル等の米国特許第６１６３１２７号明細書に詳細に記載されている。
【００２１】
図３に示すように、機械的システム・シミュレータ７０は、負基準フレームにおける負回転静止電流成分Ｉsdq-cnからロータ位置を推定するために使用される。次いで、機械的システム・シミュレータ７０からの推定されたロータ位置を用いて、正帰還で信号の増幅が行われる。負基準フレームにおいて回転する電流の第２高調波成分のみが増幅される。他の高調波が生成されている過渡状態の場合には、飽和誘導された高調波（即ち、第２高調波）電流の振幅は、他の高調波に比較して相対的に大きい。機械的システム・シミュレータ７０は飽和誘導された高調波信号の位相角を追跡する。他の高調波に対して第２高調波を入力信号の主成分とすることは、当該特定の信号の追跡を維持するのを助ける。ロータ位置推定器の実現は、ディスクリート回路として、プロセッサ及びメモリによって実行されるアルゴリズムとして、アプリケーション・スペシフィック集積回路として、又は任意の他の好適な方法で可能である。
【００２２】
ここで図４を参照すると、ロータ位置推定器４２を用いた７０ＫＷ駆動システムの過渡特性（−１００％から＋１００％までのモータ・トルク）が図示されている。波形１００は命令トルクＴeであり、波形１０２はフィードバック・トルクである。波形１０４は推定されたロータ位置であり、波形１０６は実際のロータ位置である。ロータ位置推定器４２は、他の従来のセンサ不使用ロータ位置推定器と比較して、信頼性の高いロータ位置推定信号を提供する。
【００２３】
当該技術分野の当業技術者が以上の記述から理解するように、本発明の広範な教示は種々の形態で実現可能である。したがって、本発明を特定の例と関連させて説明したが、本発明の真の範囲は限定されるべきではない。他の修正が、図面、明細書及び特許請求の範囲の研究から当業者には明らかであるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ステータ電流信号のＮＳＣとロータ位置信号とステータ電流信号のＮＳＣの高速フーリエ変換とを示す図である。
【図２】永久磁石モータのための制御システムの単純化された機能ブロック図を示す図である。
【図３】図２のコントローラの一部分を形成するロータ位置推定器を示す図である。
【図４】図２の制御システムのための命令トルク、フィードバック・トルク、推定されたロータ位置及び実際のロータ位置を示す図である。
【図１】
0003764144.tif 000002
【図２】
0003764144.tif 000003
【図３】
0003764144.tif 000004
【図４】
0003764144.tif 000005