特開 2025-15032 制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025015032

(43)【公開日】2025-01-30

(54)【発明の名称】制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 21/24 20160101AFI20250123BHJP

【ＦＩ】

H02P21/24

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023118092

(22)【出願日】2023-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】500433225

【氏名又は名称】学校法人中部大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(74)【代理人】

【識別番号】100171583

【弁理士】

【氏名又は名称】梅景 篤

(72)【発明者】

【氏名】古田 大地

(72)【発明者】

【氏名】朝比奈 和希

(72)【発明者】

【氏名】井手 徹

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 昭義

(72)【発明者】

【氏名】上辻 清

(72)【発明者】

【氏名】松本 純

【テーマコード（参考）】

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H505AA16

5H505BB06

5H505CC01

5H505DD03

5H505DD08

5H505EE41

5H505GG05

5H505HA10

5H505HB01

5H505JJ03

5H505JJ04

5H505LL13

5H505LL22

5H505MM10

5H505MM12

(57)【要約】

【課題】モータの低速域において、推定位置誤差の算出精度を向上可能な制御装置を提供すること。
【解決手段】制御装置は、モータが低速域で動作している場合に、第１周波数で変化するγ軸高調波成分を含むγ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ及び第１周波数で変化するδ軸高調波成分を含むδ軸電流指令値Ｉ^＊ _δを出力するγ－δ電流指令値出力部５２と、モータが低速域で動作している場合に、瞬時有効電力及び瞬時無効電力を算出し、瞬時有効電力から第１周波数の２倍の第２周波数で変化する第１脈動成分を抽出するとともに、瞬時無効電力から第２周波数で変化する第２脈動成分を抽出し、第１脈動成分及び第２脈動成分に基づいて推定位置誤差Δθ＾_ｒｅを算出する推定部５５と、を備え、γ軸高調波成分はδ軸高調波成分と同じ振幅を有し、γ軸高調波成分の位相はδ軸高調波成分の位相よりも９０度進んでいる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

モータを駆動させるインバータを制御する駆動信号を生成する制御装置であって、
前記モータに流れる電流をγ軸電流値及びδ軸電流値に変換する電流値変換部と、
前記モータが所定の角速度よりも低い低速域で動作している場合に、第１周波数で変化するγ軸高調波成分を含むγ軸電流指令値及び前記第１周波数で変化するδ軸高調波成分を含むδ軸電流指令値を出力するγ－δ電流指令値出力部と、
前記γ軸電流値と前記γ軸電流指令値と前記δ軸電流値と前記δ軸電流指令値とに基づいてγ軸電圧指令値及びδ軸電圧指令値を算出するγ－δ電圧指令値算出部と、
前記γ軸電圧指令値及び前記δ軸電圧指令値を前記駆動信号に変換する駆動信号出力部と、
γ－δ座標系のγ軸とｄ－ｑ座標系のｄ軸との位置誤差の推定値である推定位置誤差を算出する推定部と、
を備え、
前記γ軸高調波成分は、前記δ軸高調波成分と同じ振幅を有し、
前記γ軸高調波成分の位相は、前記δ軸高調波成分の位相よりも９０度進んでおり、
前記推定部は、前記モータが前記低速域で動作している場合に、前記γ軸電流指令値又は前記γ軸電流値と、前記δ軸電流指令値又は前記δ軸電流値と、前記γ軸電圧指令値と、前記δ軸電圧指令値と、を用いて瞬時有効電力及び瞬時無効電力を算出し、前記瞬時有効電力から前記第１周波数の２倍の第２周波数で変化する第１脈動成分を抽出するとともに、前記瞬時無効電力から前記第２周波数で変化する第２脈動成分を抽出し、前記第１脈動成分及び前記第２脈動成分に基づいて前記推定位置誤差を算出する、制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

位置センサを用いないでモータを制御する位置センサレス制御が知られている。例えば、非特許文献１には、ｄ－ｑ座標系の拡張誘起電圧を推定し、推定したｄ軸拡張誘起電圧とｑ軸拡張誘起電圧とに基づいて、永久磁石同期モータの全速度域において位置推定を行う位置センサレス制御が記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】二村拓未、道木慎二，“信号重畳と速度により励起される拡張誘起電圧を利用した永久磁石同期モータの全速度域位置センサレス制御”，電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌），電気学会，2020年，140巻，8号，p.589-596

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

非特許文献１に記載されているような位置センサレス制御においては、ｑ軸インダクタンスなどのモータパラメータを用いて、モータの低速域におけるｄ－ｑ座標系のｄ軸とγ－δ座標系のγ軸との電気角誤差（推定位置誤差）が算出されることがある。しかしながら、モータパラメータには誤差が生じ得るので、推定位置誤差の算出精度が低下するおそれがある。

【0005】

本開示は、モータの低速域において、推定位置誤差の算出精度を向上可能な制御装置を説明する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面に係る制御装置は、モータを駆動させるインバータを制御する駆動信号を生成する装置である。この制御装置は、モータに流れる電流をγ軸電流値及びδ軸電流値に変換する電流値変換部と、モータが所定の角速度よりも低い低速域で動作している場合に、第１周波数で変化するγ軸高調波成分を含むγ軸電流指令値及び第１周波数で変化するδ軸高調波成分を含むδ軸電流指令値を出力するγ－δ電流指令値出力部と、γ軸電流値とγ軸電流指令値とδ軸電流値とδ軸電流指令値とに基づいてγ軸電圧指令値及びδ軸電圧指令値を算出するγ－δ電圧指令値算出部と、γ軸電圧指令値及びδ軸電圧指令値を駆動信号に変換する駆動信号出力部と、γ－δ座標系のγ軸とｄ－ｑ座標系のｄ軸との位置誤差の推定値である推定位置誤差を算出する推定部と、を備える。γ軸高調波成分は、δ軸高調波成分と同じ振幅を有する。γ軸高調波成分の位相は、δ軸高調波成分の位相よりも９０度進んでいる。推定部は、モータが低速域で動作している場合に、γ軸電流指令値又はγ軸電流値と、δ軸電流指令値又はδ軸電流値と、γ軸電圧指令値と、δ軸電圧指令値と、を用いて瞬時有効電力及び瞬時無効電力を算出し、瞬時有効電力から第１周波数の２倍の第２周波数で変化する第１脈動成分を抽出するとともに、瞬時無効電力から第２周波数で変化する第２脈動成分を抽出し、第１脈動成分及び第２脈動成分に基づいて推定位置誤差を算出する。

【0007】

上記制御装置においては、モータが低速域で動作している場合に、第１周波数で変化するγ軸高調波成分を含むγ軸電流指令値及び第１周波数で変化するδ軸高調波成分を含むδ軸電流指令値が出力される。そして、γ軸電流指令値又はγ軸電流値と、δ軸電流指令値又はδ軸電流値と、γ軸電圧指令値と、δ軸電圧指令値と、を用いて瞬時有効電力及び瞬時無効電力が算出される。γ軸電圧指令値及びδ軸電圧指令値は、推定位置誤差の位相を有する同じ振幅の項を含む式で表され、γ軸電圧指令値の項の位相はδ軸電圧指令値の項の位相よりも９０度進んでいる。γ軸高調波成分はδ軸高調波成分と同じ振幅を有し、γ軸高調波成分の位相はδ軸高調波成分の位相よりも９０度進んでいる。このため、瞬時有効電力は、推定位置誤差で表される初期位相を有するとともに第１周波数の２倍の第２周波数で変化する第１脈動成分を含み、瞬時無効電力は、推定位置誤差で表される初期位相を有するとともに第２周波数で変化する第２脈動成分を含み、第１脈動成分と第２脈動成分とは、同一の振幅を有し、モータパラメータを含まない。推定位置誤差は、第１脈動成分及び第２脈動成分に基づいて算出されるので、推定位置誤差はモータパラメータの影響を受けない。その結果、モータの低速域において、推定位置誤差の算出精度を向上させることが可能となる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、モータの低速域において、推定位置誤差の算出精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施形態に係る制御装置を含む制御システムの概略構成図である。

【図2】図２は、図１に示される演算器の機能構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、ｄ軸とγ軸との関係を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照しながら一実施形態に係る制御装置を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

【0011】

図１を参照しながら、一実施形態に係る制御装置を含む制御システムの概略構成を説明する。図１は、一実施形態に係る制御装置を含む制御システムの概略構成図である。図１に示される制御システム１は、モータ（電動機）Ｍの位置センサレス制御を行うシステムである。モータＭは、位置センサレスのモータであり、例えば、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）である。モータＭは、例えば、電動フォークリフト及びプラグインハイブリッド車などの車両に搭載される。制御システム１は、インバータ回路２（インバータ）と、制御装置３と、電流センサＳｅ１，Ｓｅ２，Ｓｅ３と、を含む。

【0012】

インバータ回路２は、直流電源ＰＳから供給される直流電力によりモータＭを駆動する。インバータ回路２は、コンデンサＣと、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６と、を含む。

【0013】

コンデンサＣは、直流電源ＰＳから出力され、インバータ回路２へ入力される電圧を平滑化する。

【0014】

スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子ＳＷ１は、Ｕ相の上アームのスイッチング素子である。スイッチング素子ＳＷ２は、Ｕ相の下アームのスイッチング素子である。スイッチング素子ＳＷ３は、Ｖ相の上アームのスイッチング素子である。スイッチング素子ＳＷ４は、Ｖ相の下アームのスイッチング素子である。スイッチング素子ＳＷ５は、Ｗ相の上アームのスイッチング素子である。スイッチング素子ＳＷ６は、Ｗ相の下アームのスイッチング素子である。コンデンサＣの一方の端子は、直流電源ＰＳの正極端子及びスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５のそれぞれのコレクタ端子に接続されている。コンデンサＣの他方の端子は、直流電源ＰＳの負極端子及びスイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４，ＳＷ６のそれぞれのエミッタ端子に接続されている。

【0015】

スイッチング素子ＳＷ１のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ２のコレクタ端子との接続点は、モータＭのＵ相の入力端子に接続され、この接続線にはＵ相の電流値を検出する電流センサＳｅ１が配置されている。スイッチング素子ＳＷ３のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ４のコレクタ端子との接続点は、モータＭのＶ相の入力端子に接続され、この接続線にはＶ相の電流値を検出する電流センサＳｅ２が配置されている。スイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子とスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子との接続点は、モータＭのＷ相の入力端子に接続され、この接続線にはＷ相の電流値を検出する電流センサＳｅ３が配置されている。

【0016】

スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれのゲートには、制御装置３から駆動信号が供給される。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれは、ゲートに供給される駆動信号に基づいて、オン又はオフする。スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６がそれぞれオン又はオフすることで、直流電源ＰＳから出力される直流電力が、互いに位相が１２０度ずつ異なる３つの交流電力に変換され、それらの交流電力がモータＭの３つの相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）の入力端子に入力されてモータＭの回転子が回転する。

【0017】

電流センサＳｅ１～Ｓｅ３は、ホール素子又はシャント抵抗などによって構成される。電流センサＳｅ１は、モータＭのＵ相に流れる交流電流の電流値であるＵ相電流値Ｉ_ｕを検出して制御装置３に出力する。電流センサＳｅ２は、モータＭのＶ相に流れる交流電流の電流値であるＶ相電流値Ｉ_ｖを検出して制御装置３に出力する。電流センサＳｅ３は、モータＭのＷ相に流れる交流電流の電流値であるＷ相電流値Ｉ_ｗを検出して制御装置３に出力する。なお、本実施形態では、制御システム１は、３つの電流センサ（電流センサＳｅ１～Ｓｅ３）を含んでいるが、２つの電流センサを含んでもよい。

【0018】

制御装置３は、モータＭの位置センサレス制御を行う装置である。制御装置３は、インバータ回路２を制御することによって、モータＭを駆動させる。制御装置３は、インバータ回路２を制御する駆動信号を生成する。制御装置３は、ドライブ回路４と、演算器５と、を含む。

【0019】

ドライブ回路４は、ＩＣ（Integrated Circuit）などによって構成される。ドライブ回路４は、演算器５から出力されるＵ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｖ、及びＷ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｗと搬送波（三角波、ノコギリ波、又は逆ノコギリ波など）とを比較し、その比較結果に応じた駆動信号をスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ６のそれぞれのゲート端子に出力する。

【0020】

演算器５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成される電子制御ユニットである。例えばＲＯＭに格納されているプログラムがＲＡＭ上にロードされてＣＰＵで実行されることにより、図２に示される演算器５の各種機能が実現される。

【0021】

次に、図２及び図３を参照しながら、演算器５の機能構成を説明する。図２は、図１に示される演算器の機能構成を示すブロック図である。図３は、ｄ軸とγ軸との関係を説明するための図である。図２に示されるように、演算器５は、機能的な構成要素として、座標変換部５１と、γ－δ電流指令値出力部５２と、γ－δ電圧指令値算出部５３と、座標変換部５４と、推定部５５と、を含む。

【0022】

座標変換部５１は、推定部５５から出力される推定位置θ＾_ｒｅに基づいて、Ｕ相電流値Ｉ_ｕ、Ｖ相電流値Ｉ_ｖ及びＷ相電流値Ｉ_ｗをγ軸電流値Ｉ_γ及びδ軸電流値Ｉ_δに変換する。すなわち、座標変換部５１は、モータＭに流れる電流をγ軸電流値Ｉ_γ及びδ軸電流値Ｉ_δに変換する電流値変換部として機能する。推定位置θ＾_ｒｅは、モータＭの回転子の位置θ_ｒｅの推定値である。位置θ_ｒｅは、電気角とも称される。この変換方法は公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

【0023】

座標変換部５１は、γ軸電流値Ｉ_γ及びδ軸電流値Ｉ_δをγ－δ電圧指令値算出部５３及び推定部５５に出力する。座標変換部５１には、Ｕ相電流値Ｉ_ｕ、Ｖ相電流値Ｉ_ｖ及びＷ相電流値Ｉ_ｗのうち、二相の電流値が入力され、残りの一相の電流値は、入力された二相の電流値から算出されてもよい。

【0024】

なお、「θ＾_ｒｅ」の表記では「＾」が「θ」の右上に位置しているが、「θ＾_ｒｅ」と図２の推定部５５から座標変換部５１に向かう矢印に記載されている記号とは同じ意味である。他の「＾」の表記についても同様とする。本明細書において記号「＾」は、推定値を意味する。

【0025】

図３に示されるように、位置θ_ｒｅは、α－β座標系のα軸とｄ－ｑ座標系のｄ軸とが成す角度である。推定位置θ＾_ｒｅは、α－β座標系のα軸とγ－δ座標系のγ軸とが成す角度である。α－β座標系は、固定座標系である。ｄ－ｑ座標系は、モータＭの磁石のＮ極方向をｄ軸とし、ｄ軸に直交する方向をｑ軸とした回転座標系である。γ－δ座標系は、位置センサレス制御における推定回転座標系であり、ｄ－ｑ座標系のｄ軸に相当する軸をγ軸とし、ｑ軸に相当する軸をδ軸とした座標系である。γ－δ座標系のγ軸とｄ－ｑ座標系のｄ軸とは、位置誤差Δθ_ｒｅだけずれている。

【0026】

すなわち、位置誤差Δθ_ｒｅは、γ－δ座標系のγ軸とｄ－ｑ座標系のｄ軸とが成す角度（又はγ－δ座標系のδ軸とｄ－ｑ座標系のｑ軸とが成す角度）の真値である。位置誤差Δθ_ｒｅは、電気角誤差とも称される。位置誤差Δθ_ｒｅがゼロである場合、γ軸はｄ軸に一致し、δ軸はｑ軸に一致する。

【0027】

γ－δ電流指令値出力部５２は、外部から入力される角速度指令値ω^＊と推定部５５から出力される推定角速度ω＾_ｒｅとの角速度差Δωを算出し、角速度差Δωを用いてトルク指令値Ｔ^＊を算出する。推定角速度ω＾_ｒｅは、モータＭの回転子の角速度ω_ｒｅの推定値である。γ－δ電流指令値出力部５２は、トルク指令値Ｔ^＊を用いてγ軸電流指令値及びδ軸電流指令値を算出する。なお、γ軸電流指令値及びδ軸電流指令値の算出方法は公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

【0028】

モータＭが中高速域で動作している場合、γ－δ電流指令値出力部５２は、上述のように算出されたγ軸電流指令値及びδ軸電流指令値をγ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ及びδ軸電流指令値Ｉ^＊ _δとしてγ－δ電圧指令値算出部５３に出力する。γ－δ電流指令値出力部５２は、例えば、推定角速度ω＾_ｒｅが所定の角速度以上である場合に、モータＭが中高速域で動作していると判定し、推定角速度ω＾_ｒｅが所定の角速度よりも低い場合に、モータＭが低速域で動作していると判定する。所定の角速度は、低速域と中高速域とを区分する角速度であり、例えば、後述する高調波成分を重畳しなくても、誘起電圧から位置誤差Δθ_ｒｅを所望の精度で推定可能な角速度であり、予め定められている。中高速域は、所定の角速度以上の速度領域である。低速域は、所定の角速度よりも低い速度領域である。

【0029】

なお、モータＭが低速域で動作しているか中高速域で動作しているかの判定方法は、上記判定方法に限られない。

【0030】

モータＭが低速域で動作している場合、γ－δ電流指令値出力部５２は、上述のように算出されたγ軸電流指令値に、γ軸高調波成分I^＊ _γｈを重畳（加算）することによってγ軸電流指令値Ｉ^＊ _γを算出する。同様に、モータＭが低速域で動作している場合、γ－δ電流指令値出力部５２は、上述のように算出されたδ軸電流指令値に、δ軸高調波成分I^＊ _δｈを重畳（加算）することによってδ軸電流指令値Ｉ^＊ _δを算出する。γ－δ電流指令値出力部５２は、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ及びδ軸電流指令値Ｉ^＊ _δをγ－δ電圧指令値算出部５３に出力する。すなわち、γ－δ電流指令値出力部５２は、モータＭが低速域で動作している場合に、γ軸高調波成分I^＊ _γｈを含むγ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ及びδ軸高調波成分I^＊ _δｈを含むδ軸電流指令値Ｉ^＊ _δを出力する。

【0031】

γ軸高調波成分I^＊ _γｈ及びδ軸高調波成分I^＊ _δｈは、振幅Ｉ_ｈを有するとともに角速度ω_ｈ（第１周波数）で変化し、γ軸高調波成分I^＊ _γｈの位相は、δ軸高調波成分I^＊ _δｈの位相よりも９０度（π／２ラジアン）進んでいる。ここでは、式（１）で表されるγ軸高調波成分I^＊ _γｈ及びδ軸高調波成分I^＊ _δｈが用いられる。なお、振幅Ｉ_ｈは角速度によらず一定でもよいし、角速度が小さいほど大きくしてもよい。

【数1】

【0032】

γ－δ電圧指令値算出部５３は、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを生成する。γ－δ電圧指令値算出部５３は、例えば、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γとγ軸電流値Ｉ_γとの差である差分γ軸電流指令値ΔＩ^＊ _γを算出するとともに、δ軸電流指令値Ｉ^＊ _δとδ軸電流値Ｉ_δとの差である差分δ軸電流指令値ΔＩ^＊ _δを算出し、差分γ軸電流指令値ΔＩ^＊ _γ及び差分δ軸電流指令値ΔＩ^＊ _δをγ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δに変換する。

【0033】

すなわち、γ－δ電圧指令値算出部５３は、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γとγ軸電流値Ｉ_γとδ軸電流指令値Ｉ^＊ _δとδ軸電流値Ｉ_δとに基づいてγ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを算出する。γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δの算出方法は公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。γ－δ電圧指令値算出部５３は、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを座標変換部５４及び推定部５５に出力する。

【0034】

座標変換部５４は、推定部５５から出力される推定位置θ＾_ｒｅに基づいて、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δをＵ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｖ、及びＷ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｗに変換する。この変換方法は公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。座標変換部５４は、Ｕ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｕ、Ｖ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｖ、及びＷ相電圧指令値Ｖ^＊ _ｗをドライブ回路４に出力する。すなわち、座標変換部５４とドライブ回路４とは、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを駆動信号に変換する駆動信号出力部として機能するといえる。

【0035】

推定部５５は、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅを算出する。推定位置誤差Δθ＾_ｒｅは、位置誤差Δθ_ｒｅの推定値である。推定部５５は、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅに基づいて、推定角速度ω＾_ｒｅ及び推定位置θ＾_ｒｅを算出する。推定部５５の動作の詳細は後述する。

【0036】

次に、モータＭが低速域で動作している場合における推定位置誤差Δθ＾_ｒｅの導出理論を説明する。

【0037】

γ－δ座標系上の拡張誘起電圧モデル（γ軸電圧値Ｖ_γ及びδ軸電圧値Ｖ_δ）は、式（２）で表される。なお、ｐは、時間微分演算子ｄ／ｄｔを表す。巻線抵抗Ｒ、ｄ軸インダクタンスＬ_ｄ、ｑ軸インダクタンスＬ_ｑ、及び誘起電圧定数Ｋ_Ｅは、制御対象のモータＭのモータパラメータである。

【数2】

【0038】

ｐΔθ_ｒｅ、ｐＬ_ｄ及びｐＬ_ｑはゼロとみなされ得るので、式（２）にｐΔθ_ｒｅ＝０、ｐＬ_ｄ＝０及びｐＬ_ｑ＝０を代入することによって、式（３）が得られる。

【数3】

【0039】

式（３）において、γ軸電圧値Ｖ_γ、δ軸電圧値Ｖ_δ、γ軸電流値Ｉ_γ、δ軸電流値Ｉ_δ、ｄ軸電流値Ｉ_ｄ、及びｑ軸電流値Ｉ_ｑを、高調波成分を有するγ軸電圧値Ｖ_γｈ、δ軸電圧値Ｖ_δｈ、γ軸電流値Ｉ_γｈ、δ軸電流値Ｉ_δｈ、ｄ軸電流値Ｉ_ｄｈ、及びｑ軸電流値Ｉ_ｑｈにそれぞれ置き換えることで、式（４）で表される高調波モデルが得られる。γ軸電圧値Ｖ_γｈ、δ軸電圧値Ｖ_δｈ、γ軸電流値Ｉ_γｈ、δ軸電流値Ｉ_δｈ、ｄ軸電流値Ｉ_ｄｈ、及びｑ軸電流値Ｉ_ｑｈは、角速度ω_ｈの周波数成分を含む。なお、後述のバンドパスフィルタによって基本波成分が除去されるので、以降の計算を簡単にするために、式（４）において基本波成分は除去されている。

【数4】

【0040】

ここで、高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈ（瞬時有効電力）及び高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈ（瞬時無効電力）は、式（５）及び式（６）によってそれぞれ導出される。

【数5】

【数6】

【0041】

式（４）を用いて式（５）を変形することによって、式（７）が得られる。同様に、式（４）を用いて式（６）を変形することによって、式（８）が得られる。

【数7】

【数8】

【0042】

ｄ軸電流値Ｉ_ｄｈ及びｑ軸電流値Ｉ_ｑｈは、式（９）及び式（１０）でそれぞれ表される。

【数9】

【数10】

【0043】

式（１０）を用いて式（７）を変形することによって、式（１１）が得られる。同様に、式（９）を用いて式（８）を変形することによって、式（１２）が得られる。

【数11】

【数12】

【0044】

モータＭが低速域で動作している場合には、γ軸高調波成分I^＊ _γｈを含むγ軸電流指令値I^＊ _γとδ軸高調波成分I^＊ _δｈを含むδ軸電流指令値I^＊ _δとが用いられる。後述のバンドパスフィルタによって高調波成分が抽出されることから、以降の計算を簡単にするために、γ軸高調波成分I^＊ _γｈがγ軸電流値Ｉ_γｈとして用いられ、δ軸高調波成分I^＊ _δｈがδ軸電流値Ｉ_δｈとして用いられる。この場合、γ軸電流値Ｉ_γｈの微分値ｐＩ_γｈ及びδ軸電流値Ｉ_δｈの微分値ｐＩ_δｈは、式（１３）で表される。

【数13】

【0045】

式（１）、式（９）、式（１０）及び式（１３）を用いて、式（１１）を整理することによって、式（１４）に示されるように、モータＭが低速域で動作している場合の高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈが定式化される。

【数14】

【0046】

式（１）、式（９）、式（１０）及び式（１３）を用いて、式（１２）を整理することによって、式（１５）に示されるように、モータＭが低速域で動作している場合の高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈが定式化される。

【数15】

【0047】

式（１４）に示されるように、高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈの脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）（第１脈動成分）は、ｓｉｎ２（ω_ｈｔ－Δθ_ｒｅ）に応じて変化する。すなわち、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）は、角速度ω_ｈの２倍の角速度２ω_ｈ（第２周波数）で変化する。したがって、角速度２ω_ｈを含む周波数帯を通過させるバンドパスフィルタを式（１４）に適用することで、式（１６）に示される脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）が抽出される。

【数16】

【0048】

式（１５）に示されるように、高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈの脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）（第２脈動成分）は、ｃｏｓ２（ω_ｈｔ－Δθ_ｒｅ）に応じて変化する。すなわち、脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）は、角速度ω_ｈの２倍の角速度２ω_ｈで変化する。したがって、角速度２ω_ｈを含む周波数帯を通過させるバンドパスフィルタを式（１５）に適用することで、式（１７）に示される脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）が抽出される。

【数17】

【0049】

ｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}は、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）と脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）とを用いて式（１８）で表される。

【数18】

【0050】

指令値に対して実測値はπ／４（ｒａｄ）遅れることから、γδ電流位相θ_{ｉｈ（γδ）}は、式（１９）で表される。

【数19】

【0051】

推定位置誤差Δθ＾_ｒｅは、ｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}とγδ電流位相θ_{ｉｈ（γδ）}とを用いて式（２０）で表される。

【数20】

【0052】

以上説明した導出理論に基づき、推定部５５は、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅを算出する。まず、推定部５５は、モータＭが低速域で動作している場合に、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ、δ軸電流指令値Ｉ^＊ _δ、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを用いて、高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈの脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）及び高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈの脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）を算出する。具体的には、推定部５５は、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ、δ軸電流指令値Ｉ^＊ _δ、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを用いて、瞬時有効電力Ｐ及び瞬時無効電力Ｑを算出する。続いて、推定部５５は、瞬時有効電力Ｐに角速度２ω_ｈを含む周波数帯を通過させるバンドパスフィルタを適用することで、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）を抽出する。同様に、推定部５５は、瞬時無効電力Ｑに上記バンドパスフィルタを適用することで、脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）を抽出する。なお、モータＭが低速域で動作しているか中高速域で動作しているかの判定方法としては、上述の判定方法が用いられる。

【0053】

続いて、推定部５５は、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）及び脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）に基づいて推定位置誤差Δθ＾_ｒｅを算出する。具体的に説明すると、まず、推定部５５は、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）と脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）とを用いて、式（１８）によってｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}を算出する。そして、推定部５５は、式（１９）によってγδ電流位相θ_{ｉｈ（γδ）}を算出する。そして、推定部５５は、ｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}とγδ電流位相θ_{ｉｈ（γδ）}とを用いて式（２０）によって推定位置誤差Δθ＾_ｒｅを算出する。

【0054】

続いて、推定部５５は、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅと所定の伝達関数とを乗算して推定角速度ω＾_ｒｅを求める。そして、推定部５５は、推定角速度ω＾_ｒｅと推定位置誤差Δθ＾_ｒｅとに基づいて推定位置θ＾_ｒｅを算出する。推定角速度ω＾_ｒｅ及び推定位置θ＾_ｒｅの算出方法は、例えば“拡張誘起電圧モデルに基づく突極型永久磁石同期モータのセンサレス制御”, 電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）,2020年,122巻，12号，p.1088-1096に記載されているとおり公知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。そして、推定部５５は、推定位置θ＾_ｒｅを座標変換部５１及び座標変換部５４に出力し、推定角速度ω＾_ｒｅをγ－δ電流指令値出力部５２に出力する。

【0055】

以上説明した制御装置３においては、モータＭが低速域で動作している場合に、角速度ω_ｈで変化するγ軸高調波成分I^＊ _γｈを含むγ軸電流指令値I^＊ _γ及び角速度ω_ｈで変化するδ軸高調波成分I^＊ _δｈを含むδ軸電流指令値I^＊ _δが出力される。そして、式（５）及び式（６）に示されるように、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ、δ軸電流指令値Ｉ^＊ _δ、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを用いて高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈ及び高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈが算出される。

【0056】

式（１）に示されるように、γ軸高調波成分I^＊ _γｈはδ軸高調波成分I^＊ _δｈと同じ振幅Ｉ_ｈを有し、γ軸高調波成分I^＊ _γｈの位相はδ軸高調波成分I^＊ _δｈの位相よりも９０度（π／２ラジアン）進んでいる。式（２）に示されるように、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δは、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅの位相を有する同じ振幅の項を含み、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γの項の位相がδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δの項の位相よりも９０度（π／２ラジアン）進んでいる。このため、式（１４）に示されるように、高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈは、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅで表される初期位相を有するとともに角速度２ω_ｈで変化する脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）を含み、式（１５）に示されるように、高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈは、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅで表される初期位相を有するとともに角速度２ω_ｈで変化する脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）を含む。脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）と脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）とは、同一の振幅を有する。

【0057】

高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈから脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）が抽出され、高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈから脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）が抽出され、式（１８）に示されるように、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）及び脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）に基づいてｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}が算出される。さらに、式（２０）に示されるように、ｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}とγδ電流位相θ_{ｉｈ（γδ）}とから推定位置誤差Δθ＾_ｒｅが算出される。式（１８）及び式（１９）に示されるように、ｄｑ電流位相θ_{ｉｈ（ｄｑ）}及びγδ電流位相θ_{ｉｈ（γδ）}は、モータパラメータを含まない。したがって、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅは、モータパラメータの影響を受けないので、モータＭの低速域において、推定位置誤差の算出精度を向上させることが可能となる。

【0058】

以上、本開示の一実施形態について詳細に説明されたが、本開示に係る制御装置は上記実施形態に限定されない。

【0059】

上記実施形態では、推定部５５は、モータＭが低速域で動作している場合に、γ軸電流指令値Ｉ^＊ _γ、δ軸電流指令値Ｉ^＊ _δ、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを用いて、高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈ及び高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈを算出しているが、この構成に代えて、推定部５５は、モータＭが低速域で動作している場合に、γ軸電流値Ｉ_γ、δ軸電流値Ｉ_δ、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δを用いて、高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈ及び高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈを算出する構成が採用されてもよい。具体的には、推定部５５は、γ軸電流値Ｉ_γ、δ軸電流値Ｉ_δ、γ軸電圧指令値Ｖ^＊ _γ及びδ軸電圧指令値Ｖ^＊ _δをそれぞれγ軸電流値Ｉ_γｈ、δ軸電流値Ｉ_δｈ、γ軸電圧値Ｖ_γｈ、及びδ軸電圧値Ｖ_δｈとして用いて、式（５）によって高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈを算出し、式（６）によって高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈを算出してもよい。

【0060】

推定部５５は、バンドパスフィルタに代えて、角速度２ω_ｈを含む周波数帯を通過させるハイパスフィルタを高周波瞬時有効電力Ｐ_ｈに適用することで、脈動成分Ｐ_ｈ（ｈ）を抽出してもよい。同様に、推定部５５は、バンドパスフィルタに代えて、上記ハイパスフィルタを高周波瞬時無効電力Ｑ_ｈに適用することで、脈動成分Ｑ_ｈ（ｈ）を抽出してもよい。

【0061】

推定部５５は、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅに基づいて、モータＭの脱調を検出してもよい。具体的には、推定部５５は、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅと予め定められた閾値とを比較し、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅが閾値よりも大きい場合にモータＭの脱調が生じたと判定し、推定位置誤差Δθ＾_ｒｅが閾値以下である場合にモータＭの脱調が生じていないと判定する。閾値としては、例えば、π／２（ｒａｄ）が用いられる。

【符号の説明】

【0062】

２…インバータ回路（インバータ）、３…制御装置、４…ドライブ回路（駆動信号出力部）、５１…座標変換部（電流値変換部）、５２…γ－δ電流指令値出力部、５３…γ－δ電圧指令値算出部、５４…座標変換部（駆動信号出力部）、５５…推定部、Ｍ…モータ。

【図1】

【図2】

【図3】