(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電動機に矩形波電圧を印加して回転駆動する駆動制御装置において、
回転子の推定トルクを求めるトルク推定手段と、
前記推定トルクと与えられたトルク指令値との差であるトルク偏差を検出するトルク偏差検出手段と、
前記トルク偏差に基づいてトルクフィードバック制御を行い、前記回転子のトルクが前記トルク指令値に収束するように、前記交流電動機に印加される矩形波電圧状態を制御する矩形波電圧制御手段と、
を有し、
前記矩形波電圧制御手段は、
前記交流電動機の現在の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
それぞれ前記矩形波電圧の異なる位相値に対応する予め設定された複数の前記矩形波電圧状態を所定順序で切り替える矩形波電圧位相切り替え手段と、
前記矩形波電圧状態の切り替えタイミングを、前記現在の回転速度に応じて定まる基準タイミングに対して前記トルク偏差に応じた時間だけずれたタイミングに定める切り替えタイミング制御手段と、
を有することを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の駆動制御装置において、
前記切り替えタイミング制御手段は、
前記トルク偏差に応じて、現在の矩形波電圧状態中での前記回転子の回転量を定める回転量決定手段と、
前記回転量と前記回転速度との比に基づいて、現在の矩形波電圧状態への切り替えタイミングから次の矩形波電圧状態への切り替えタイミングまでの時間間隔を求める切り替え時間間隔算出手段と、
を有することを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の駆動制御装置において、
前記矩形波電圧の指令電圧値を用いて前記交流電動機の推定電力を回転子の回転位置を検知することなく求める電力推定手段を有し、
前記トルク推定手段は、前記推定電力に基づいて、回転子の推定トルクを求めることを特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【請求項４】
請求項１記載の駆動制御装置において、
それぞれ前記矩形波電圧の異なる位相値に対応する予め設定された複数の矩形波電圧状態を所定順序で切り替える矩形波電圧制御手段による前記矩形波電圧状態の切り替え時間間隔と、切り替わる矩形波電圧状態相互間での前記位相値の差とを用いて、前記交流電動機の回転速度を回転子の回転位置を検知することなく推定する回転速度推定手段を有すること、
を特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【請求項５】
請求項１記載の駆動制御装置において、
前記矩形波電圧制御手段は、
前記トルクフィードバック制御が収束可能な範囲内に前記トルク指令値を制限するトルク指令値制限手段を有すること、
を特徴とする交流電動機の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電動機の駆動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流電動機を直流電源を用いて駆動する際にはインバータを用い、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形電圧を印加することが広く行われている。しかしながら、ＰＷＭ波形電圧を交流電動機に加えるのでは電圧利用率が低い。そのため、高回転域で十分な高出力を得ることができないという問題がある。
【０００３】
この点、矩形波電圧を交流電動機に印加し、該交流電動機を回転駆動する技術がある。かかる技術によれば、高回転域の出力を向上させることができると共に、その際に弱め界磁電流を多く流す必要がなくなり、銅損を低減させることができる。また、インバータでのスイッチング回数を減少させることができるため、スイッチング損失を抑えることができる。
【０００４】
図５は、矩形波電圧により交流電動機を駆動する従来の駆動制御装置のブロック構成図である。この装置は、例えば電気自動車に利用され、図示しない電子制御装置（ＥＣＵ）にて生成されたトルク指令値Ｔ*に相当するトルクがモータから出力されるように制御を行う。
【０００５】
永久磁石同期型交流電動機であるモータ２にはインバータ４が接続されている。インバータ４は図示しないバッテリから電力を供給され、モータ２のＵ，Ｖ，Ｗ各相の固定子巻線に電流を流す。インバータ４には矩形波発生部６が接続されており、この矩形波発生部６が各相毎に矩形波電圧のスイッチング（ＳＷ）信号を発生し、このＳＷ信号によってインバータ４がスイッチング制御される。
【０００６】
矩形波発生部６は、ＰＩ演算部８にて求められる電圧位相指令Δφとモータ２に隣接して設けられたレゾルバ１０からの出力である回転子角度θとに基づき、ＳＷ信号の位相を制御する。
【０００７】
モータの制御の考察には、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相量よりも理解が容易なｄ−ｑ座標系（磁極座標系）が用いられる。ｄ−ｑ座標系は回転子に固定された座標系であり、その座標系で表されたモータの定常状態での電圧方程式は次式で与えられる。
【０００８】
【数１】
Ｖd＝Ｒ・Ｉd−ω・Ｌq・Ｉq                            ………（１）
Ｖq＝Ｒ・Ｉq＋ω・Ｌd・Ｉd＋ω・Ψ                    ………（２）
【０００９】
ここで、Ｖd，Ｖqはそれぞれ固定子の電圧のｄ軸成分及びｑ軸成分である。また、Ｉd，Ｉqはそれぞれ固定子の電流のｄ軸成分及びｑ軸成分である。さらに、Ｌd，Ｌqはｄ軸及びｑ軸のインダクタンスであり、ωは回転子の角速度である。また、Ψは磁束鎖交数である。電流ベクトル（Ｉq，Ｉd）の向きは、電圧ベクトル（Ｖq，Ｖd）の向きに応じて変化すると共に、回転子のトルクＴに寄与するＩqも電圧ベクトルの向きに応じて変化する。
【００１０】
電圧位相指令Δφは上記電圧ベクトルの向きを指定するものであり、ＰＩ演算部８は、所望のトルクＴを与えるＩqが得られるように電圧位相指令Δφを定める。なお、以降、ｄ軸を基準とした電圧位相指令（すなわち電圧ベクトルがｄ軸となす角）をΔφ、ｑ軸を基準とした電圧位相指令（すなわち電圧ベクトルがｑ軸となす角）をΔφ’と表す。ΔφとΔφ’との間には、
【数２】
Δφ＝Δφ’＋９０°                                  ………（３）
なる関係がある。ちなみにΔφ’＝０°のときＴ＝０、Δφ’＝＋９０°のとき正トルクが最大、Δφ’＝−９０°のとき負トルクが最大となる。
【００１１】
ｄ−ｑ座標系では以上のように所望のＴは電圧位相指令Δφ（又はΔφ’）に結びつけられるが、実際のモータの制御は、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相量の制御であり、インバータ４からモータ２のＵ，Ｖ，Ｗ相の各巻線に供給される電流の位相は、電圧位相指令Δφだけでなく、回転子角度θによっても変化する。より具体的には、回転子の機械的な回転角度θに対応付けられる電気角をθ’とすると、各相の電流は、Δφとθ’との和（ξとする）に応じて位相が変化する関数となる。このように、回転子角度θに応じて３相量が変化するので、上述したように矩形波発生部６は、レゾルバ１０から回転子角度θの情報を得て、３相それぞれに対応するＳＷ信号の位相を制御する。
【００１２】
現在得られているトルクＴはモータ２に供給される電力に基づいて推定される。この電力を求めるために電力演算部１２が設けられる。電力演算部１２は、電流センサ１３から得たＶ，Ｗ相の巻線電流Ｉv，Ｉw、レゾルバ１０から得たθ、及び電圧位相指令Δφを用いて電力を算出する。ここで、Ｕ，Ｖ，Ｗ相は互いに１２０°ずつ位相がずれており、各相の電流Ｉu，Ｉv，Ｉwの総和は原理的には０となる。このことから、電流センサ１３は２相（ここではＶ，Ｗ相）にだけ設けられ、電力演算部１２はこれら測定された２相の電流値から残り１相（ここではＵ相）の電流値を算出する。電流の振幅をＩとすると、各相の電流は次式で表される。
【００１３】
【数３】
Ｉu＝Ｉ・sin(ξ+90°)                                 ………（４）
Ｉv＝Ｉ・sin(ξ+90°-120°）                          ………（５）
Ｉw＝Ｉ・sin(ξ+90°+120°）                          ………（６）
【００１４】
また電力演算部１２はΔφ及びθからξを求める。ここで、インバータ４が出力する矩形波が電圧レベル（−Ｖb／２）とＶb／２とを交互に切り替えるものであるとする。このＶbの値はインバータ４から電力演算部１２へ与えられる。電力演算部１２は、各相の矩形波電圧に含まれる電圧基本波Ｖu，Ｖv，Ｖwを次式に基づいて算出する。
【００１５】
【数４】
Ｖu＝(Vb/2)(4/π)・sin(ξ+90°)                       ………（７）
Ｖv＝(Vb/2)(4/π)・sin(ξ+90°-120°）                ………（８）
Ｖw＝(Vb/2)(4/π)・sin(ξ+90°+120°）                ………（９）
【００１６】
そして、電力演算部１２は、次式に基づいて推定電力Ｐを算出する。
【００１７】
【数５】
Ｐ＝Ｖu・Ｉu＋Ｖｖ・Ｉｖ＋Ｖｗ・Ｉｗ                  ………（１０）
【００１８】
トルク推定部１４は、電力演算部１２にて得られた推定電力Ｐと、モータ２の回転数Ｎとから、次式を用いて現在のトルクの推定値Ｔを求める。
【００１９】
【数６】
Ｔ＝ｋeff・Ｐ／ω                                     ………（１１）
【００２０】
ここで、ｋeffは電力からトルクへの変換効率の補正係数である。またωは、モータ２の回転数Ｎから算出される。回転数Ｎは、回転数検知部１６により検知される。回転数検知部１６は、レゾルバ１０が出力するθの時間変化に基づいてＮを検知する。
【００２１】
推定されたトルクＴは加算器１８に入力される。加算器１８は、トルク指令値Ｔ*及び推定トルクＴから、次式で与えられるトルク偏差ΔＴを検出し、ＰＩ演算部８がＰＩ制御によりトルク偏差ΔＴを０に収束させるトルクフィードバックを行い、電圧位相指令Δφ’（又はΔφ）を求める。
【００２２】
【数７】
ΔＴ＝Ｔ*−Ｔ                                         ………（１２）
【００２３】
さて、図６は、電圧ベクトルの軌跡を表す説明図である。電圧ベクトル３０（長さＡv）の終点位置は電圧位相指令Δφ’の値に応じて円３２上を移動する。ここでΔφ’は時計回り方向を正とする。
【００２４】
モータ２の巻線抵抗Ｒは通常小さく、よって（１），（２）式において、Ｒを含む項を無視する近似が可能であり、また図６より、
【数８】
Ｖd＝−Ａv・cosΔφ’                                 ………（１３）
Ｖq＝Ａv・sinΔφ’                                   ………（１４）
であるので、（１），（２）式から次式が得られる。
【００２５】
【数９】
Ｉd＝(Ａv・sinΔφ’−ω・Ψ)／(ω・Ｌd)              ………（１５）
Ｉq＝Ａv・cosΔφ’／(ω・Ｌq)                        ………（１６）
である。
【００２６】
電流ベクトルのうち成分ＩqがトルクＴに寄与し、Ｉqが大きいほど大きなＴが得られる。（１６）式から、トルクＴは、電圧位相指令Δφ’が−９０°〜＋９０°の範囲にて単調増加し、おおよそΔφ’＝９０°にて最大の正のトルクが得られ、おおよそΔφ’＝−９０°にて最大の負のトルクが得られることが理解される。一方、Δφ’が９０°や−９０°を超えると、得られるトルクの絶対値は却って減少する。そのためΔφ’が±９０°を超えることを可能とすると、トルクフィードバックが収束しないおそれがある。リミッタ２０はこれを防止するために設けられており、ＰＩ演算器８から出力された電圧位相指令Δφ’が±９０°を超えた場合にはその値をクリッピングして、矩形波発生部６等の後段の制御が、−９０°≦Δφ’≦９０°の範囲にて行われるようにする。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、矩形波電圧により交流電動機を駆動する従来の駆動制御装置は、レゾルバなどの回転子角度検出手段を備え、検出された回転子の角度θを制御に用いていた。つまり、回転子の位置センサが構成上必要であり、装置構成が複雑となり、またコストが増加するという問題点があった。また、回転子の位置センサを備えない構成においては、従来の駆動制御装置では矩形波電圧制御ができなくなるという問題点があった。
【００２８】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、回転子の位置を検出することなく矩形波電圧制御を可能とする駆動制御装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る駆動制御装置は、回転子の推定トルクを求めるトルク推定手段と、前記推定トルクと与えられたトルク指令値との差であるトルク偏差を検出するトルク偏差検出手段と、前記トルク偏差に基づいてトルクフィードバック制御を行い、前記回転子のトルクが前記トルク指令値に収束するように、前記交流電動機に印加される矩形波電圧状態を制御する矩形波電圧制御手段とを有し、前記矩形波電圧制御手段は、前記交流電動機の現在の回転速度を検出する回転速度検出手段と、それぞれ前記矩形波電圧の異なる位相値に対応する予め設定された複数の前記矩形波電圧状態を所定順序で切り替える矩形波電圧位相切り替え手段と、前記矩形波電圧状態の切り替えタイミングを、前記現在の回転速度に応じて定まる基準タイミングに対して前記トルク偏差に応じた時間だけずれたタイミングに定める切り替えタイミング制御手段とを有する。
【００３０】
本発明によれば、トルク偏差が０である場合には、矩形波電圧状態の切り替えは、基準タイミングにて行われるが、トルク偏差が０でない場合には、切り替えタイミングは、トルク偏差に応じた時間だけ基準タイミングからずらされる。ここで、矩形波電圧状態それぞれは互いに異なる位相値、すなわち互いに異なる向きの電圧ベクトルに対応した状態である。トルク偏差が０であるとは、推定トルクがトルク指令値に一致している状態であり、この状態では交流電動機の固定子巻線に印加される矩形波電圧の電圧ベクトルと回転子とがなす電気角はトルク指令値に応じた一定値となる。すなわち、この場合には、原理的には回転子の電気角上での角度変化は矩形波電圧の電圧ベクトルの角度変化に等しい。一方、回転子の電気角上での角度変化は回転子の機械的な角度変化に対応付けられ、その機械的な角度変化に要する時間は交流電動機の回転速度に応じて定まる。ここで、ある矩形波電圧状態及び次の矩形波電圧状態の間での電圧ベクトルの角度変化は既知である。よって、トルク偏差が０の場合に、ある矩形波電圧状態の開始から次の矩形波電圧状態の開始までの時間は交流電動機の回転速度に応じて定まる。すなわち、基準タイミングは交流電動機の現在の回転速度に応じて定まる。矩形波電圧状態の切り替えタイミングをこの基準タイミングからずらすと、交流電動機の固定子巻線に印加される矩形波電圧の電圧ベクトルと回転子とがなす電気角が変化し、それに応じて回転子に生じるトルクも変化する。よって、切り替えタイミングを基準タイミングからずらす量をトルク偏差に応じて制御することにより、回転子の回転位置を知ることなくトルクフィードバック制御を実現することができる。
【００３１】
本発明の好適な態様は、前記切り替えタイミング制御手段が、前記トルク偏差に応じて、現在の矩形波電圧状態中での前記回転子の回転量を定める回転量決定手段と、前記回転量と前記回転速度との比に基づいて、現在の矩形波電圧状態への切り替えタイミングから次の矩形波電圧状態への切り替えタイミングまでの時間間隔を求める切り替え時間間隔算出手段とを有することを特徴とする駆動制御装置である。
【００３２】
上述のように、トルク偏差が０の場合には、現在の矩形波電圧状態中での回転子の回転量は、現在の矩形波電圧状態及び次の矩形波電圧状態それぞれ位相値の差に応じて定まる。本態様の回転量決定手段は、このトルク偏差が０のときの回転量に対して、トルク偏差に応じた増減を行う。これにより得られた回転角度を交流電動機の現在の回転角速度で除することにより、現在の矩形波電圧状態の開始から次の矩形波電圧状態の開始までの時間が求まる。
【００３５】
本発明の好適な態様は、前記矩形波電圧の指令電圧値を用いて前記交流電動機の推定電力を回転子の回転位置を検知することなく求める電力推定手段を有し、前記トルク推定手段が、前記推定電力に基づいて、回転子の推定トルクを求めることを特徴とする駆動制御装置である。
【００３６】
（１１）式に示すように、トルクフィードバック制御において必要となる現在のトルクの値は、交流電動機の消費電力から推定することができる。本発明によれば、回転子の回転位置に基づいて算出される電圧基本波を用いるのではなく、矩形波電圧の指令電圧値を用いて交流電動機の推定電力が求められる。すなわち、回転子の回転位置を知ることなく、推定電力が得られ、それを用いて推定トルクを得ることができる。
【００３７】
本発明の好適な態様は、それぞれ前記矩形波電圧の異なる位相値に対応する予め設定された複数の矩形波電圧状態を所定順序で切り替える矩形波電圧制御手段による前記矩形波電圧状態の切り替え時間間隔と、切り替わる矩形波電圧状態相互間での前記位相値の差とを用いて、前記交流電動機の回転速度を回転子の回転位置を検知することなく推定する回転速度推定手段を有するものである。
【００３８】
例えば、上述のトルクフィードバック制御を行う本発明に係る駆動制御装置においては、トルク偏差が０の場合には、矩形波電圧状態相互間での位相値の差、すなわちそれぞれの電圧ベクトルの角度変化と回転子の電気角上の角度変化とは等しく、また回転子の電気角上の角度変化は機械的な角度変化に換算可能である。よって、この場合には、矩形波電圧状態の切り替え時間間隔内での回転子の機械的な回転角度が、矩形波電圧状態間での位相値の差から求まり、これを矩形波電圧状態の切り替え時間間隔で除することにより、交流電動機の回転速度が求まる。一方、トルク偏差が０でない場合には、矩形波電圧状態の切り替えタイミングがずらされるので、矩形波電圧状態相互間での電圧ベクトルの角度変化と回転子の電気角上の角度変化とは等しくならない。この場合には、ずらされたタイミング量を考慮して回転速度を求めてもよいし、それを無視して近似的な回転速度を求めてもよい。本発明によれば、トルクフィードバックやそのための推定トルクを算出するために用いられる交流電動機の回転速度が、回転子の回転位置を検知することなく推定される。
【００３９】
本発明の好適な態様は、前記矩形波電圧制御手段が、前記トルクフィードバック制御が収束可能な範囲内に前記トルク指令値を制限するトルク指令値制限手段を有するものである。
【００４０】
回転子に生じるトルクは、回転子の電気角位置と固定子巻線に印加される矩形波電圧状態の電圧ベクトルとがなす角度に応じて変化する。その角度が９０°近傍でトルクは最大となり、その上限角度以上、当該角度を大きくしても却ってトルクは減少し、トルクフィードバックが収束しないおそれがある。本発明によれば、トルク偏差を介したフィードバック制御により当該角度が変更される。そのため、上限角度を超えた角度範囲に対応するトルク偏差が生じないように、トルク指令値が制限される。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００４２】
図１は、矩形波電圧により交流電動機を駆動する本発明に係る駆動制御装置のブロック構成図である。この装置は、例えば電気自動車に利用される。また、この装置は、例えばＰＷＭ制御をも行い得るように構成され、ＰＷＭ制御又は矩形波電圧制御のいずれかにより、図示しないＥＣＵにて生成されたトルク指令値Ｔ*に相当するトルクがモータから出力されるように制御を行う。ＰＷＭ制御と矩形波電圧制御との両方を行い得る構成は、低回転域ではＰＷＭ制御を行い、一方、高回転域では矩形波電圧制御を行い、車両を好適に走行させることを可能とする。なお、ＰＷＭ制御に関わる構成は、図１に示す矩形波電圧制御のための構成に併設して、又はその機能を共用して構成されるが、本発明の特徴を説明する上で特に図示する必要がないので省略している。
【００４３】
永久磁石同期型交流電動機であるモータ５２にはインバータ５４が接続されている。インバータ５４は図示しないバッテリから電力を供給され、モータ５２のＵ，Ｖ，Ｗ各相の固定子巻線に電流を流す。インバータ５４には矩形波発生部５６が接続されており、この矩形波発生部５６が各相毎に矩形波電圧のＳＷ信号を発生し、このＳＷ信号によってインバータ５４がスイッチング制御される。
【００４４】
矩形波発生部５６は、ＰＩ演算部５８から出力される制御量Δθ*と、回転数演算部６０にて推定されるモータ５２の回転速度ωとに基づき、ＳＷ信号の位相を制御する。
【００４５】
モータ５２の回転を制御するためには、Ｕ，Ｖ，Ｗの各巻線に対応したＳＷ信号のオン／オフの組み合わせパターンのうち、いずれか１つのみ、又は２つのみがオンである６通りが用いられる。図２は、この６通りのスイッチングパターン（ＳＷパターン）とそれらに対応する制御情報を示した説明図であり、その内容は後の説明にて明らかにする。図２において、欄７０は、ある時点にて設定されているＳＷパターンの番号であり、欄７２はそれに対応するＵ，Ｖ，Ｗのオン／オフ状態のセットを［Ｆu，Ｆv，Ｆw］の形式で示している。ここで、Ｆu，Ｆv，ＦwはそれぞれＵ，Ｖ，Ｗのオン／オフ状態を示す値であり、ここではオン状態を値“１”、オフ状態を値“０”で表記している。
【００４６】
電気角１周は−３０°〜＋３０°，＋３０°〜＋９０°，＋９０°〜＋１５０°，＋１５０°〜＋２１０°，＋２１０°〜＋２７０°，＋２７０°〜＋３３０°なる６つの範囲に等分され、これら各範囲を代表する電圧ベクトルがＳＷパターン１〜６により生成される。例えば、ＳＷパターン１により−３０°〜＋３０°なる範囲の中心方向である電気角０°を向いた電圧ベクトルが生成される。同様にＳＷパターン２〜６によりそれぞれ電気角６０°，１２０°，１８０°，２４０°，３００°を向いた電圧ベクトルが生成される。矩形波発生部５６は、これら６方向に離散化された電圧ベクトルを適当なタイミングで順に切り替えることにより、インバータ５４からモータ５２へ供給される３相の矩形波電圧の位相を制御する。
【００４７】
ＰＩ演算部５８が出力する指令値Δθ*は現在のＳＷパターンが開始されてから終了する（つまり次のＳＷパターンに切り替わる）までの回転子の回転角度を指定するものであり、言い換えれば、現在のＳＷパターンにおいて回転子がΔθ*だけ回転したタイミングで矩形波発生部５６は次期ＳＷパターンへの切り替えを行う。ＳＷパターンの切り替え順序は、図２の欄７４及び欄７６に示すように、モータ５２が正転状態のときは、矩形波電圧の位相値（又は電圧ベクトルの偏向角度）の昇順、すなわち、ＳＷパターン番号で“…→１→２→３→４→５→６→１→…”という順序であり、一方、モータ５２が逆転状態のときは、矩形波電圧の位相値の降順、すなわち、ＳＷパターン番号で“…→６→５→４→３→２→１→６→…”という順序である。
【００４８】
ＰＩ演算部５８は、所望のトルクＴが得られるようにΔθ*を定める。現在得られているトルクＴはモータ５２に供給される電力に基づいて推定される。この電力を求めるために電力演算部６２が設けられる。電力演算部６２は、電流センサ６３から得たＶ，Ｗ相の巻線電流Ｉv，Ｉw、矩形波発生部５６からのＳＷ信号、及びインバータ５４が出力する矩形波の電圧レベルを表すパラメータＶbを用いて電力を算出する。ここで、インバータ５４が出力する矩形波は電圧レベル（−Ｖb／２）とＶb／２とを交互に切り替えるものであるとする。
【００４９】
電力演算部６２は、電流Ｉu，Ｉv，Ｉwの総和が０になることに基づいて、測定された電流値Ｉv，Ｉwから電流値Ｉｕを算出する。なお、電流Ｉu，Ｉv，Ｉwは（４）〜（６）式で表される。電力演算部６２は（７）〜（９）式で表される各矩形波の電圧基本波に代えて、インバータ５４から出力される電圧瞬時値（指令電圧値）を用いて電力推定を行う。これにより、回転子の回転角度を検知することなく電力が推定される。この電力推定演算について以下説明する。
【００５０】
矩形波電圧は、例えば、電気角ξ＝＋３０°〜＋９０°に対応付けられるＳＷパターン２においては、矩形波電圧の電圧瞬時値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*は次式で表される。
【００５１】
【数１０】
Ｖu*＝Ｖb／２                                         ………（１７）
Ｖv*＝Ｖb／２                                         ………（１８）
Ｖw*＝−Ｖb／２                                       ………（１９）
【００５２】
ここで次式でＰ’を定義する。
【００５３】
【数１１】
Ｐ’＝Ｖu*・Ｉu＋Ｖv*・Ｉv＋Ｖw*・Ｉw             ………（２０）
【００５４】
ＳＷパターン２に対しては（４）〜（６）式、及び（１７）〜（１９）式を用いて計算すると、
【数１２】
Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ+30°)                           ………（２１）
を得る。各ＳＷパターンについて同様に（２０）式を計算すると、電気角全角度範囲について次の結果を得る。
【００５５】
【数１３】
ξ＝−30°〜＋30°にて、  Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ＋90°)
ξ＝＋30°〜＋90°にて、  Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ＋30°)
ξ＝＋90°〜＋150°にて、 Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ−30°)
ξ＝＋150°〜＋210°にて、Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ−90°)
ξ＝＋210°〜＋270°にて、Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ−150°)
ξ＝＋270°〜＋330°にて、Ｐ’＝Ｖb・Ｉ・sin(ξ−210°）
【００５６】
ちなみに、この式からＰ’の角度変化波形はπ／３周期のお椀型波形の繰り返しとなることが理解される。ξの各角度範囲でのＰ’の平均値〈Ｐ’〉は、次式で与えられる。
【００５７】
【数１４】
〈Ｐ’〉＝(３／π)・Ｖb・Ｉ                           ………（２２）
【００５８】
さて、従来装置の電力演算部１２が算出する推定電力Ｐは（１０）式に（４）〜（９）式を代入して計算して得られる次式で表される。
【００５９】
【数１５】
Ｐ＝(３／π)・Ｖb・Ｉ                                 ………（２３）
【００６０】
つまり、電力演算部１２により得られる推定電力Ｐは、電気角ξに依存せず一定であり、当然のことながら、任意の角度範囲についての平均値〈Ｐ〉はＰの値に一致する。すなわち、
【数１６】
〈Ｐ〉＝(３／π)・Ｖb・Ｉ                             ………（２４）
である。（２２）式と（２４）式とを対比すると、各ＳＷパターンに対応する角度範囲での〈Ｐ’〉はその角度範囲での平均推定電力であることが理解される。そこで、電力演算部６２は、上記〈Ｐ’〉を計算し、これを各ＳＷパターンに対応した推定電力として出力する。
【００６１】
トルク推定部６４は、電力演算部６２にて得られた推定電力〈Ｐ’〉と、モータ５２の回転数Ｎとから、（１１）式に相当する次式を用いて現在のトルクの推定値Ｔを求める。
【００６２】
【数１７】
Ｔ＝ｋeff・〈Ｐ’〉／ω                               ………（２５）
【００６３】
ここで、ｋeffは電力からトルクへの変換効率の補正係数である。またωは、モータ５２の回転数Ｎから算出される。
【００６４】
回転数Ｎは、回転数演算部６０により検知される。回転数演算部６０は、前期ＳＷパターンの開始から現在のＳＷパターンの開始までの期間における回転子の回転角度量Δθを当該期間の長さで除した値をωとする。Δθとしては、ＰＩ演算部５８が出力した前記ＳＷパターンでの指令値Δθ*を用いることができる。またΔθはほぼ６０°であるという近似を用いることもできる。この前期ＳＷパターンでの情報に基づいて得られた推定角速度ωが現在のＳＷパターンでの角速度の近似値として用いられる。
【００６５】
推定されたトルクＴは加算器６６に入力される。加算器６６は、トルク指令値Ｔ*及び推定トルクＴから、（１２）式で与えられるトルク偏差ΔＴを検出し、ＰＩ演算部５８が次式で表されるＰＩ制御によりトルク偏差ΔＴを０に収束させるトルクフィードバックを行い、指令値Δθ*を決定する。
【００６６】
【数１８】
Δθ*＝ｋp・ΔＴ＋Σｋi・ΔＴ                         ………（２６）
【００６７】
ここで、ｋp，ｋiはそれぞれ比例制御、積分制御の係数であり、Σは過去の制御について累積加算することを意味する。
【００６８】
以下、矩形波発生部５６の処理・動作の内容を具体例に沿って説明する。本装置は、高回転域にて矩形波電圧制御を行い、低回転域ではＰＷＭ制御を行う。そこで、まず、ＰＷＭ制御から矩形波電圧制御に切り替わったときに行われる初回のＳＷ制御を説明し、続いて、２回目以降のＳＷ制御を説明する。
【００６９】
（１）初回スイッチング時の制御
この場合には、ＰＷＭ制御における回転子の電気角の最終値θ1、電圧位相指令の最終値Δφ1、及び回転角速度の最終値ω1を利用することができる。また回転方向もＰＷＭ制御から偏向がないとすることができる。矩形波発生部５６は、次式により初回のＳＷパターンを判定する角度ξ1を求める。
【００７０】
【数１９】
ξ1＝θ1＋Δφ1                                       ………（２７）
【００７１】
図３は、ＰＷＭ制御から矩形波電圧制御に切り替わった時点での回転子の位置の一例を示す模式図である。この例では、ξ1は−３０°〜＋３０°の範囲内に位置する。上述したように、この角度範囲はＳＷパターン１に対応する。矩形波発生部５６は、各ＳＷパターンに対応する初回ＳＷパターン判定角度ξ1の範囲の情報を、図２の欄７８に示すように現在ＳＷパターンに対応付けて保持しており、この対応関係に基づいて、現在ＳＷパターンがＳＷパターン１であると判定する。この現在ＳＷパターンは、現在必要とされるトルクを回転子９０に及ぼす電圧ベクトル９２を生成するＳＷパターンである。
【００７２】
回転方向が正転である場合には、次期ＳＷパターンは図２にも示されるようにＳＷパターン２である。また、現在ＳＷパターンから次期ＳＷパターンに切り替わる時点での電気角である次期ＳＷ基準角は、両ＳＷパターンの境界である＋３０°である。矩形波発生部５６は、図２の欄８０及び欄８２に示すように正転、逆転それぞれに対応して次期ＳＷ基準角ξ1’を各現在ＳＷパターンに対応付けて格納されており、この対応関係に基づいて、現在ＳＷパターンがＳＷパターン１である場合の次期ＳＷ基準角として３０°を取得する。
【００７３】
現在ＳＷパターンから次期ＳＷパターンへの切り替えを行うタイミングまでの回転子の回転角度の指令値Δθ*は次式で与えられる。
【００７４】
【数２０】
Δθ*＝ξ1’−ξ1                                     ………（２８）
【００７５】
矩形波発生部５６は所定周期τ（例えば４００ｎ秒）の制御クロックに従って動作するカウンタを有している。矩形波発生部５６は、ＰＷＭ制御から与えられた角速度ω1を用いて、次式に基づいて回転子がΔθ*だけ回転する時間に相当するカウンタのカウント値Ｎ*を算出し、これをカウンタにセットする。
【００７６】
【数２１】
Ｎ*＝Δθ*／（ω・τ）                                ………（２９）
【００７７】
矩形波発生部５６は、ＰＷＭ制御から矩形波電圧制御に切り替える際に以上の処理を行い、現在ＳＷパターンに対応するＳＷ信号をインバータ５４へ出力すると共に、カウンタを起動する。矩形波発生部５６は、カウンタのカウント値が、セットされた上限値Ｎ*に達すると次期ＳＷパターンへの切り替え処理に移行する。
【００７８】
（２）２回目以降のスイッチング時の制御
図４は、１回目のＳＷパターンから２回目のＳＷパターンに切り替わった時点での回転子の位置の一例を示す模式図である。矩形波発生部５６は、上記１回目の制御でセットされた次期ＳＷパターンであるＳＷパターン２を現在ＳＷパターンにセットする。次期ＳＷパターンは図２にも示されるようにＳＷパターン３となる。
【００７９】
２回目以降のスイッチング制御においては、現在ＳＷパターンから次期ＳＷパターンへの切り替えを行うタイミングまでの回転子の回転角度の指令値Δθ*として、ＰＩ演算部５８がトルクフィードバック制御に基づいて決定する値が用いられる。すなわち、前期ＳＷパターンでの電力演算部６２による推定電力に基づいてトルク推定部６４が推定トルクを出力し、その推定トルクを用いてＰＩ演算部５８がΔθ*を算出し、このΔθ*が矩形波発生部５６に入力され現在ＳＷパターンでの制御に利用される。
【００８０】
また、回転数演算部６０が、前期ＳＷパターンでの回転子の角速度ωを算出し、これも矩形波発生部５６に入力され現在ＳＷパターンでの制御に利用される。矩形波発生部５６はこのωを用いて、１回目の制御と同様に（２８）式に表されるカウント上限値Ｎ*を算出し、これをカウンタにセットする。
【００８１】
矩形波発生部５６は、前期ＳＷパターンから現在ＳＷパターンに切り替える際に以上の処理を行い、現在ＳＷパターンに対応するＳＷ信号をインバータ５４へ出力する。例えば２回目のスイッチング制御ではＳＷパターン２に対応したＳＷ信号がインバータ５４へ与えられ、インバータ５４の矩形波電圧出力に対応して電圧ベクトル９４が設定される。また矩形波発生部５６は、ＳＷパターンの切り替えと同時にカウンタを起動する。矩形波発生部５６は、カウンタのカウント値が、セットされた上限値Ｎ*に達すると次期ＳＷパターンへの切り替え処理に移行する。
【００８２】
以降、上記２回目のＳＷパターンでの制御と同様の制御が行われ、回転子の角度位置を検知することなく、また電圧位相指令を用いることなく、モータ５２の駆動制御がなされる。
【００８３】
さて、加算器６６の前段にはリミッタ６８が設けられる。トルク指令値Ｔ*はこのリミッタ６８を介して加算器６６に入力される。従来技術で述べたように、回転子の電気角位置と固定子巻線に印加される矩形波電圧状態の電圧ベクトルとがなす角度が９０°近傍でトルクは最大となり、その上限角度以上、当該角度を大きくしても却ってトルクは減少し、トルクフィードバックが収束しないおそれがある。本装置では、上限角度を超えた角度範囲に対応するトルク偏差が生じないように、リミッタ６８でトルク指令値Ｔ*を制限する。
【００８４】
なお、上述の制御では、初回のスイッチング制御においてＰＷＭ制御で得られた回転子の電気角や電圧位相指令の情報を初期値として利用したが、このように適切な初期値を与えて、本装置の矩形波電圧制御を開始すれば、円滑かつ速やかにモータ５２を安定した駆動状態とすることができる。一方、回転子の電気角等の初期値として精度の低い値を与えた場合には、矩形波電圧制御の開始からモータ５２の安定駆動までの時間が長くはなるが、その場合においてもフィードバック制御によりいずれは安定した駆動状態に達し、その後は好適な駆動制御を維持することができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の駆動制御装置によれば、回転子の角度を検知することなく、交流電動機を矩形波電圧制御にて駆動することが可能となる。これにより、レゾルバなどの回転子角度検出手段を不要とすることができ、装置構成が簡単となり故障が少なくなると共に、コストを低減可能である。また、回転子角度検出手段を備えた従来の矩形波電圧制御を行う駆動制御装置にて、本発明の矩形波電圧制御をも行い得るよう構成すれば、回転子角度検出手段が故障した場合にも、交流電動機を矩形波電圧制御による高回転域での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  矩形波電圧により交流電動機を駆動する本発明に係る駆動制御装置のブロック構成図である。
【図２】  矩形波電圧制御の６通りのスイッチングパターンとそれらに対応する制御情報を示した説明図である。
【図３】  ＰＷＭ制御から矩形波電圧制御に切り替わった時点での回転子の位置の一例を示す模式図である。
【図４】  １回目のＳＷパターンから２回目のＳＷパターンに切り替わった時点での回転子の位置の一例を示す模式図である。
【図５】  矩形波電圧により交流電動機を駆動する従来の駆動制御装置のブロック構成図である。
【図６】  電圧ベクトルの軌跡を表す説明図である。
【符号の説明】
５２  モータ、５４  インバータ、５６  矩形波発生部、５８  ＰＩ演算部、６０  回転数演算部、６２  電力演算部、６４  トルク推定部、６６  加算器、６８  リミッタ。
【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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