JP2013192325A - 電力変換装置、電動機駆動システム、搬送機、昇降装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の突極性による磁極位置の検出感度を推定する。
【解決手段】電動機制御装置１００ａにおいて、重畳電圧位相調整手段７は、電流抽出手段６により電流ベクトルＩから抽出された高周波電流ベクトルＩｈに基づいて、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を出力する。この高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に基づいて、電流制御手段５は、磁極位置を推定し、基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を出力する。重畳電圧位相シフト手段８は、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整し、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊を出力する。これに基づいて、電圧重畳手段９は、交番電圧を基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に重畳して電圧変換手段３へ出力する。感度演算手段１０は、高周波電流ベクトルＩｈとシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊とに基づいて、磁極位置の推定に対する感度を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置と、この電力変換装置を備えた電動機駆動システム、搬送機および昇降装置とに関する。

同期モータや誘導モータ等の交流電動機（以下、単に「電動機」と称する。）の駆動システムでは、直流電力を交流電力に変換して電動機を駆動する電動機駆動装置として、電圧型インバータに代表される電力変換装置が多用される。こうした電動機駆動用電力変換装置を高性能化するためには、電動機の回転子の制御情報として、回転子の磁極位置や回転速度などを精度よく検出する必要がある。近年の電力変換装置は、位置センサや速度検出器などを電動機に取りつけて実際に回転子の回転状態を測定するのではなく、電動機に発生する逆起電圧情報から回転子の回転状態を推定することで高精度な制御量推定を行う制御方法を使用している。

しかし、このように逆起電圧情報から回転子の回転状態を推定する電動機の制御方法は、電動機の回転速度が極低速付近では、逆起電圧が絶対的に小さくなることから、その適用が困難である。そこで、低速での制御量推定方法として、電動機の突極性を利用する方法がある。

特許文献１には、特に永久磁石同期電動機の突極性を利用して、回転子の回転状態を表す磁極位置の推定を行う磁極位置検出装置が記載されている。この磁極位置検出装置は、電動機の所定の位相に交番磁界を発生させ、この位相に対して直交する成分の高周波電流（あるいは電圧）を検出し、これに基づいて電動機回転子の磁極位置を推定演算する。この技術は、電動機回転子の電気的インダクタンスが重畳位相に対して変化する特性（電気的突極性）を利用して、電動機回転子の磁極位置を推定するものである。すなわち、高周波電圧と脈動電流の相関関係からインダクタンスを測定することで、突極性に基づいて磁極位置を推定している。

この方法により、回転子の回転状態を検出するためのセンサを用いることなく、電動機の運転情報を精度良く推定することができる。これにより、センサおよびセンサの検出信号を出力するケーブル等のコストや、これらの設置の手間を削減することができる。更には、センサの組み付け誤差や周囲環境に起因するノイズ、センサの故障などによる電動機駆動の不適切な挙動を抑制することができる。

特許第３３１２４７２号

特許文献１に記載の技術のように、電圧指令に高周波電圧を加算して高周波電流を発生させる電動機の制御方法は、電流動作点付近の局所的なインダクタンスを利用している。しかし、電動機では一般に、負荷が増大して電流量が増大すると、磁束飽和現象が発生し、局所的インダクタンスの突極性が非線形に減少する傾向がある。そのため、高負荷領域では突極性を利用した磁極位置検出の感度が悪化してしまい、その結果、電流脈動やトルク振動が増加するという問題がある。さらに、場合によっては脱調の危険性もある。

本発明は、上記のような問題に対してなされたものであり、その主な目的は、高負荷領域での脱調を未然に防いで電動機の駆動を安全に持続させるために、電動機の突極性による磁極位置の検出感度を推定することにある。

本発明による電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換して突極性を有する交流電動機に出力する電圧変換手段と、交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段により検出された電流から高周波電流を抽出する電流抽出手段と、電流抽出手段により抽出された高周波電流に基づいて、交流電動機の回転子の磁極位置を推定すると共に回転子の回転周期とは異なる周期で変化する交番電圧を重畳する位相を調整するための高周波電圧位相指令値を出力する重畳電圧位相調整手段と、重畳電圧位相調整手段により出力された高周波電圧位相指令値に基づいて、磁極位置を推定し、交流電動機に流れる電流を制御するための基本波電圧指令を出力する電流制御手段と、高周波電圧位相指令値を調整する重畳電圧位相シフト手段と、重畳電圧位相シフト手段により調整された高周波電圧位相指令値に基づいて、交番電圧を基本波電圧指令に重畳して電圧変換手段へ出力する電圧重畳手段と、電流抽出手段により抽出された高周波電流と、重畳電圧位相シフト手段により調整された高周波電圧位相指令値とに基づいて、磁極位置の推定に対する感度を演算する感度演算手段とを備える。
本発明による電動機起動システムは、上記の電力変換装置と交流電動機とを備える。
本発明による搬送機は、上記電力変換装置と、交流電動機と、交流電動機により発生される駆動力を用いて動作する搬送部とを備える。
本発明による昇降装置は、上記電力変換装置と、交流電動機と、昇降部と、交流電動機により発生される駆動力を用いて昇降部を上下に移動させる巻き上げ機構とを備える。

本発明によれば、電動機の突極性による磁極位置の検出感度を推定することができる。

本発明の第１実施形態による電動機駆動システム１１０ａの構成図である。 基本波電流と高周波電流の説明図である。 基本波電流ベクトルＩ１と基本波電圧ベクトルＶ１の関係、および高周波電流ベクトルＩｈと高周波電圧ベクトルＶｈの関係の説明図である。 位相差θｉｖｈと位相差θｖｈｄの関係を表すグラフの模式図である。 比較例による電動機駆動システム１１０ｂの構成図である。 比較例における高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの一例を示す図である。 重畳電圧位相シフト手段８の説明図である。 本発明における高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの一例を示す図である。 本発明における感度演算の原理説明図である。 本発明の第２実施形態による電動機駆動システム１１０ｃの構成図である。 本発明の第３実施形態による電動機駆動システム１１０ｄの構成図である。 本発明の第４実施形態による電動機駆動システム１１０ｅの構成図である。 本発明の第５実施形態による搬送機１３０の構成図である。 本発明の第６実施形態による昇降装置１４０の構成図である。 過渡現象による感度検出誤差の原理説明図である。

以下、本発明の第１から第６の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、各図で共通する構成要素には同一の符号をそれぞれ付しており、それらの重複する構成要素についての説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による電動機駆動システム１１０ａの構成図である。

図１において、電動機駆動システム１１０ａは、電力変換装置１０１ａと電動機１とを備える。電力変換装置１０１ａは、電動機制御装置１００ａと、電圧変換手段３と、電流検出手段２とを備える。

はじめに、電動機駆動システム１１０ａの動作を説明するために用いられる記号の定義について説明する。まずは、電動機駆動システム１１０ａにおいて電動機１を駆動した場合に電力変換装置１０１ａから電動機１へ流れる基本波電流と高周波電流について、図２の説明図を用いて説明する。

図２（ａ）は、電力変換装置１０１ａから電動機１へ流れる三相交流電流の各相の波形の一例を模式的に示している。この図に示すように、ｕ相の交流電流Ｉｕ、ｖ相の交流電流Ｉｖおよびｗ相の交流電流Ｉｗでは、互いに１２０°位相が離れた正弦波に高周波電流がそれぞれ重畳されている。この高周波電流は、後で説明するように、電動機１の回転子の磁極位置を推定するために、電動機制御装置１００ａにおいて重畳される重畳電圧により発生するものである。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した三相交流電流波形の１周期分を一般的な三相二相変換によって固定子座標系に変換することで得られる電流軌跡である。この図２（ｂ）の電流軌跡は、図２（ａ）の正弦波成分に対応する円軌道成分と、その円軌道成分に対して高周波で振動する振動成分とに分離して考えることができる。以下では、この円軌道成分を基本波成分と呼び、振動成分を高周波成分と呼ぶ。

図２（ｂ）の電流軌跡における各瞬間の電流は、原点からのベクトルＩで表すことができる。この電流ベクトルＩは、以下の式（１）で表される。式（１）において、Ｉ１は電流の基本波成分を表す基本波電流ベクトルであり、Ｉｈは電流の高周波成分を表す高周波電流ベクトルである。すなわち、電力変換装置１０１ａから電動機１へ流れる三相交流電流は、基本波電流ベクトルＩ１の回転に高周波電流ベクトルＩｈの振動を加えたものとして表すことができる。
Ｉ＝Ｉｌ＋Ｉｈ ・・・（１）

電力変換装置１０１ａから電動機１に印加される三相交流電圧についても、上記で説明したような三相交流電流と同様に、固定子座標系に変換することで以下の式（２）に示される電圧ベクトルＶで表すことができる。式（２）において、Ｖ１は電圧の基本波成分を表す基本波電圧ベクトルであり、Ｖｈは電圧の高周波成分を表す高周波電圧ベクトルである。
Ｖ＝Ｖｌ＋Ｖｈ ・・・（２）

次に、上記の基本波電流ベクトルＩ１と基本波電圧ベクトルＶ１の関係、および高周波電流ベクトルＩｈと高周波電圧ベクトルＶｈの関係について、図３の説明図を用いて説明する。

図３（ａ）は、図２（ｂ）の電流軌跡におけるある瞬間の基本波電流ベクトルＩ１と、これに対応する基本波電圧ベクトルＶ１とを模式的に示している。図３（ａ）に示すように、α相（ｕ相）に対する基本波電流ベクトルＩ１、基本波電圧ベクトルＶ１の位相を、基本波電流位相θｉ１、基本波電圧位相θｖ１とそれぞれ定義する。

ここで、電動機１は回転子に永久磁石を用いた同期電動機であるとする。この場合、基本波電流位相θｉ１の角速度、すなわち基本波電流ベクトルＩ１の回転速度と、基本波電圧ベクトルＶ１の角速度、すなわち基本波電圧ベクトルＶ１の回転速度とは、電動機１の回転子の回転速度ωｒと略一致する。なお、図３（ａ）では、基本波電流ベクトルＩ１と基本波電圧ベクトルＶ１の各ノルムをそれぞれ正規化することで、電圧と電流という別々の物理量を同じ固定子座標平面上に模式的に表現している。

図３（ｂ）は、図２（ｂ）の電流軌跡におけるある瞬間の高周波電流ベクトルＩｈと、これに対応する高周波電圧ベクトルＶｈとを模式的に示している。図３（ｂ）に示すように、α相（ｕ相）に対する高周波電流ベクトルＩｈ、高周波電圧ベクトルＶｈの位相を、高周波電流位相θｉｈ、高周波電圧位相θｖｈとそれぞれ定義する。

ここで、電動機制御装置１００ａはＰＷＭ等の変調信号により電圧指令を変調して出力する電圧型インバータであるとする。この場合、高周波電流ベクトルＩｈや高周波電圧ベクトルＶｈは、前述の重畳電圧による成分に加えて、変調信号に起因する成分をも含むこととなる。しかし、ここでは重畳電圧による成分が支配的になっていると仮定し、変調信号に起因する成分を無視できるものと仮定する。また、高周波電流ベクトルＩｈや高周波電圧ベクトルＶｈの振動周波数は、回転速度ωｒの近傍値である基本波周波数と比較して十分大きいものと仮定する。これらの仮定のもとで、固定子座標平面上で観測される高周波電流ベクトルＩｈおよび高周波電圧ベクトルＶｈは、図３（ｂ）に示すように、基本波電流ベクトルＩ１と基本波電圧ベクトルＶ１の各終点（動作点）を中心に、直線状の軌道をそれぞれ描く。すなわち、基本波電流ベクトルＩ１の終点は、高周波電流ベクトルＩｈの始点として定義される。また、基本波電圧ベクトルＶ１の終点は、高周波電圧ベクトルＶｈの始点として定義される。

次に、本発明における突極性に基づく電動機１の磁極位置の検出原理について説明する。電動機１における前述の電圧ベクトルＶと電流ベクトルＩの関係は、以下の式（３）で表すことができる。式（３）において、Φは電動機１の主磁束ベクトルを表し、ｒは電動機１の抵抗値を表す。

・・・（３）

式（３）において高周波成分のみに注目すると、抵抗値ｒによる電圧降下分は十分無視することができる。そのため、高周波電圧ベクトルＶｈによる磁束の変動は、局所的なインダクタンス行列Ｌと高周波電流ベクトルＩｈとの積で近似することができる。したがって、式（３）を以下の式（４）のように変形することができる。

・・・（４）

ここで、電動機１の回転子の構造がその位置方向に対して対称でない場合、式（４）のインダクタンス行列Ｌは回転子の位置に応じた異方性を有する。そのため、α相（ｕ相）に対する回転子の磁極位置に応じた電気角位相を磁極位置θｄと定義すると、インダクタンス行列Ｌは磁極位置θｄの関数として表すことができる。このように非対称な回転子形状を有する永久磁石同期電動機の多くは、回転子に埋め込まれた磁石による磁束に平行な方向のインダクタンスが最小となり、その方向に直交する方向のインダクタンスが最大となるような特性を持っている。このような特性は、突極性と呼ばれている

上記のような突極性を電動機１が有する場合、図３（ｂ）に示したように、高周波電圧位相θｖｈと高周波電流位相θｉｈとは必ずしも一致しない。そのため、この場合の高周波電流位相θｉｈと高周波電圧位相θｖｈとの差を、位相差θｉｖｈと定義する。また、高周波電圧位相θｖｈと磁極位置θｄとの差を、位相差θｖｈｄと定義する。すなわち、位相差θｉｖｈ、θｖｈｄはそれぞれ以下の式（５）、（６）で表される。
θｉｖｈ＝θｉｈ−θｖｈ ・・・（５）
θｖｈｄ＝θｖｈ−θｄ ・・・（６）

図４は、上記の位相差θｉｖｈと位相差θｖｈｄの関係を表すグラフの模式図である。位相差θｖｈｄを横軸、位相差θｉｖｈを縦軸にとってこれらの関係を示すグラフを作成すると、図４（ａ）に示すような正弦波に近いグラフを得られることが知られている。図４（ａ）のグラフから、θｖｈｄ＝０のときにθｉｖｈ＝０となることが分かる。

図４（ａ）のグラフにおいて、ゼロ点付近は直線として近似することができる。この直線の傾きを、突極性に基づく磁極位置推定の感度ＫΔθ（＜０）と定義する。ゼロ点付近では、この感度ＫΔθを用いて、位相差θｉｖｈと位相差θｖｈｄの間に以下の（７）の関係が成り立つ。
θｉｖｈ＝ＫΔθ×θｖｈｄ ・・・（７）

式（７）から、θｉｖｈ＝０となるように重畳電圧の位相を調整することで、θｖｈｄ＝０とすることができる。これにより、式（６）から、高周波電圧位相θｖｈと磁極位置θｄを常に一致させることができることが分かる。つまり、高周波電圧位相θｖｈの値から磁極位置θｄを知ることができる。

ここで、上記のような位相差θｉｖｈと位相差θｖｈｄの関係は、電動機１の突極性の大きさによって変化する。その様子を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）では、突極性が大きくなるほど感度ＫΔθの絶対値が増大し、突極性が小さくなるほど感度ＫΔθの絶対値が減少する様子を示している。

前述のように、電動機１の突極性とは、電動機１におけるインダクタンスの異方性である。電動機１において出力トルクが大きくなり電流量が増大すると、それに応じて回転子に鎖交する電流磁束が徐々に増加する。このとき、磁気飽和現象により回転子のインダクタンスは徐々に下がっていく。特に、電流が効率的にトルクに変換される位相（有効電流方向）と、前述のインダクタンスが最大となる位相とは、電動機１において略一致しており、電流の増加とともにその位相方向のインダクタンスが低下する。このように、電動機１においてインダクタンスが低下すると、それに応じて相対的に、突極性すなわち回転子のインダクタンスの異方性も失われていく。したがって、電動機１の運転中にトルクを増加させていくと、ある動作点から突極性が悪化していき、感度ＫΔθの絶対値が小さくなる。その結果、感度ＫΔθが所定の検出限界を下回ると、電動機１を制御できなくなり、脱調が発生する危険性がある。

そこで、本発明による電動機駆動システム１１０ａでは、このような問題を解消するために感度ＫΔθを推定し、その推定結果が所定の基準値を下回ると、感度不足を示す警告を出力する。これにより、高負荷領域での脱調を未然に防いで電動機１の駆動を安全に持続させるようにする。なお、この点については後で詳しく説明する。

以上が本発明における突極性に基づく磁極位置の検出原理である。

ここで図１に戻り、電動機駆動システム１１０ａの各構成の動作について説明する。

電流検出手段２は、電圧変換手段３から電動機１に流れる三相交流電流の瞬時値、すなわち前述の電流ベクトルＩを検出し、その検出結果を電流抽出手段６へ出力する。電流検出手段２は、たとえばホール素子を用いた電流センサにより実現される。

電圧変換手段３は、電動機制御装置１００ａで生成された電圧ベクトル指令Ｖ^＊に基づいて、直流電源（不図示）からの直流電圧を三相交流電圧に変換し、電動機１へ出力する。このとき電圧変換手段３から電動機１に対して出力される三相交流電圧は、前述の電圧ベクトルＶにより表される。電圧変換手段３は、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などをスイッチング素子として用いたインバータにより実現される。

電動機１は、三相の同期電動機であり、電圧変換手段３からの三相交流電圧によって動作する。電動機１は、前述のような突極性を有する永久磁石同期電動機であり、複数の永久磁石が組み込まれた回転子が固定子の内部を回転するように構成されている。なお、こうした電動機１の構成の詳細については図示を省略する。

電動機制御装置１００ａは、トルク指令発生手段４、電流制御手段５、電流抽出手段６、重畳電圧位相調整手段７、重畳電圧位相シフト手段８、電圧重畳手段９、感度演算手段１０および警報発令手段１１を備えている。なお、電動機制御装置１００ａは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムなどによって構成されている。すなわち、電動機制御装置１００ａが有する上記の各手段は、ＣＰＵがプログラムに応じて実行する処理としてそれぞれ実現されるものである。

ここで、電動機制御装置１００ａの特徴を分かりやすく説明するために、本発明による感度ＫΔθの推定を適用しない場合の電動機１の制御方法を比較例として先に説明する。図５は、比較例による電動機駆動システム１１０ｂの構成図である。この電動機駆動システム１１０ｂは、図１と共通の電動機１と、電力変換装置１０１ｂとを備える。電力変換装置１０１ｂは、図１と共通の電圧変換手段３および電流検出手段２と、電動機制御装置１００ｂとを備える。

電動機制御装置１００ｂは、図１の電動機制御装置１００ａと共通の構成要素として、トルク指令発生手段４、電流制御手段５、電流抽出手段６、重畳電圧位相調整手段７および電圧重畳手段９を備えている。一方、図１の重畳電圧位相シフト手段８、感度演算手段１０および警報発令手段１１は備えていない。すなわち、図１の電動機制御装置１００ａは、図５の電動機制御装置１００ｂと比較して、重畳電圧位相シフト手段８、感度演算手段１０および警報発令手段１１を備えている点が特徴である。

続いて、図５の電動機制御装置１００ｂの各構成の動作について説明する。

トルク指令発生手段４は、上位システムからの要求等に基づいて、電動機１に対するトルク指令τ^＊を電流制御手段５へ出力する。

電流抽出手段６は、電流検出手段２により検出された電流ベクトルIから、基本波電流ベクトルＩ１と高周波電流ベクトルＩｈを抽出する。そして、基本波電流ベクトルＩ１を電流制御手段５へ出力し、高周波電流ベクトルＩｈを重畳電圧位相調整手段７へ出力する。なお、電流抽出手段６において電流ベクトルIから基本波電流ベクトルＩ１と高周波電流ベクトルＩｈを抽出する具体的な方法については、後で詳しく説明する。

重畳電圧位相調整手段７は、電流抽出手段６からの高周波電流ベクトルＩｈにより、前述のような突極性に基づく磁極位置の検出原理に従って、高周波電圧位相θｖｈに対する目標値としての高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を決定する。具体的には、高周波電流ベクトルＩｈから高周波電流位相θｉｈを求め、これに基づいて、高周波電流位相θｉｈと高周波電圧位相θｖｈとが一致するように、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を出力する。すなわち、高周波電流位相θｉｈと高周波電圧位相θｖｈとの位相差θｉｖｈが０となり、それによりθｖｈｄ＝０となることで磁極位置θｄが高周波電圧位相θｖｈに一致するように、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を決定する。そして、決定した高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を電流制御手段５と電圧重畳手段９へ出力する。これにより、電流制御手段５に対しては、磁極位置θｄを推定するための情報として、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を出力する。また、電圧重畳手段９に対しては、電流制御手段５からの基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に対して後述するような交番電圧を重畳する位相を調整するための情報として、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を出力する。

電流制御手段５は、トルク指令発生手段４から入力されたトルク指令τ^＊に基づいて、基本波電流ベクトルＩ１に対する目標値としての基本波電流ベクトル指令Ｉ１^＊を算出する。そして、電動機１に流れる電流ベクトルＩに含まれる基本波電流ベクトルＩ１がこの基本波電流ベクトル指令Ｉ１^＊に一致するように、基本波電圧ベクトルＶ１に対する目標値としての基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を決定して出力する。

なお、電流制御手段５は、基本波電流ベクトル指令Ｉ１^＊を算出する際に、重畳電圧位相調整手段７からの高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に基づいて磁極位置θｄを推定する。すなわち、同期電動機である電動機１が出力するトルクは、基本波電流ベクトルＩ１と磁極位置θｄの関数で表される。そのため、トルクを一定に保つためには、基本波電流位相θｉ１と磁極位置θｄとを同期させてその差を一定とし、かつ基本波電流ベクトルＩ１の振幅を制御する必要がある。これを行うためには磁極位置θｄを推定する必要である。ここで、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊は前述のようにして重畳電圧位相調整手段７から出力されるものであるため、磁極位置θｄに略一致しているとみなすことができる。したがって、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊から磁極位置θｄを推定し、基本波電流ベクトル指令Ｉ１^＊を算出することができる。

電圧重畳手段９は、重畳電圧位相調整手段７からの高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に基づいて、高周波電圧ベクトルＶｈに対する目標値としての高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊を調整して出力する。ここで、高周波電圧ベクトルＶｈのノルム波形は後で説明するように、周期的に変化する矩形波である。この矩形波の周波数、すなわち高周波電圧ベクトルＶｈの振動周波数は、前述のように回転子の回転速度ωｒよりも十分大きい。電圧重畳手段９では、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に対して、このような矩形波に応じた交番電圧が出力されるように高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊を決定し、出力する。

電流制御手段５からの基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊と、電圧重畳手段９からの高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊とが加算され、電圧ベクトル指令Ｖ^＊として電圧変換手段３へ出力される。すなわち、電動機制御装置１００ａから電圧変換手段３へ出力される電圧ベクトル指令Ｖ^＊では、基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に対して、電圧重畳手段９により、高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊に応じた交番電圧が重畳されている。

次に、突極性に基づく磁極位置の検出において中心的な役割を果たす上記の電圧重畳手段９と電流抽出手段６の動作について詳しく説明する。これらが以下で説明するように連携して動作することにより、電動機１の磁極位置を検出することができる。

前述のように、電動機１の突極性とは、電動機１におけるインダクタンスの性質である。式（４）からインダクタンス情報を得るためには、電圧ベクトルＶｈとそれによって発生する電流ベクトルＩｈをそれぞれ求めることが必要である。これを実現するため、電動機制御装置１００ｂでは、高周波電圧ベクトルＶｈを矩形波とし、この矩形波の位相と電流ベクトルIの検出タイミングとを同期させている。

図６は、比較例の電動機制御装置１００ｂにおける高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの一例を示す図である。図６（ａ）は、高周波電圧ベクトルＶｈおよび高周波電流ベクトルＩｈのノルム波形例を示す。なお、これらのノルム波形では、高周波電圧位相θｖｈ、高周波電流位相θｉｈからそれぞれ１８０°反転した位相方向への変位を負の値として示している。図６（ｂ）、図６（ｃ）は、図６（ａ）に対応する、電動機１の固定子を基準とした固定子座標平面上での高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの例をそれぞれ示す。

図６（ａ）において、最初の１周期を（１）〜（４）の４つの期間に分割すると、（１）、（２）の期間では、高周波電圧ベクトルＶｈのノルムが正の値を示している。これらの期間において、高周波電流ベクトルＩｈのノルムは、局所的なインダクタンスに応じた変化率で増加する。一方、（３）、（４）の期間では、高周波電圧ベクトルＶｈのノルムが負の値を示している。これらの期間において、高周波電流ベクトルＩｈのノルムは、局所的なインダクタンスに応じた減少率で減少する。

ここで、電圧重畳手段９と電流抽出手段６において、上記（１）〜（４）の各期間に合わせて、高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊を変化させるタイミングと、電流検出手段２により検出された電流ベクトルＩをサンプリングするタイミングとを同期させるようにする。これを各周期で繰り返し行う。すなわち、電流抽出手段６は、図６（ａ）において高周波電流ベクトルＩｈのノルム波形上に示した各電流ベクトル検出点のタイミングに合わせて、電流ベクトルＩを取得する。このようにすると、電流抽出手段６は、電流ベクトルＩとして、高周波電流ベクトルＩｈの上下の各ピーク値および中心値を交互に取得することができる。

電流抽出手段６は、上記のようにして電流ベクトルＩを取得することで、電流ベクトルＩから高周波電流ベクトルＩｈおよび基本波電流ベクトルＩ１を抽出することができる。すなわち、今回検出された電流ベクトルＩから前回検出された電流ベクトルIを減算することで、高周波電流ベクトルＩｈを求めることができる。また、所定期間内における電流ベクトルＩの平均を算出することで、電流ベクトルＩから高周波成分をキャンセルして基本波電流ベクトルＩ１を求めることができる。このようにして、電流ベクトルＩから高周波電流ベクトルＩｈおよび基本波電流ベクトルＩ１を抽出することにより、これらを互いに分離して求めることができる。

上記のようにして、高周波電圧ベクトルＶｈを矩形波として出力し、さらに電圧重畳手段９と電流抽出手段６を連携して動作させることで、検出した電流ベクトルＩから高周波電流ベクトルＩｈおよび基本波電流ベクトルＩ１を求めることができる。その結果、前述のような突極性に基づく磁極位置の検出原理により、電動機１の磁極位置を検出することができる。

比較例による電動機駆動システム１１０ｂは、以上説明したような構成を有している。

次に、図１に示した本発明の第１実施形態による電動機駆動システム１１０ａについて、上記の比較例による図５の電動機駆動システム１１０ｂとの差分を中心に説明する。図１の電動機駆動システム１１０ａにおいて、電動機制御装置１００ａは、図５の電動機制御装置１００ｂが備える各構成に加えて、さらに重畳電圧位相シフト手段８、感度演算手段１０および警報発令手段１１を備えている。

重畳電圧位相シフト手段８には、重畳電圧位相調整手段７からの高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊が入力される。この高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に対して、重畳電圧位相シフト手段８は、所定の位相シフト量を加算することでその値を調整する。そして、調整した値をシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊として、電圧重畳手段９および感度演算手段１０へ出力する。

図７は、重畳電圧位相シフト手段８の説明図である。図７（ａ）は、重畳電圧位相シフト手段８の内部構成の一例を示す図である。

図７（ａ）に示すように、重畳電圧位相シフト手段８は、重畳パターン発生手段７１および信号セレクタ７２を有する。信号セレクタ７２は、３つのシフト量候補値θｖｈ１、θｖｈ２、θｖｈ３の中からいずれか一つを選択し、位相シフト量として出力する。この信号セレクタ７２が選択するシフト量候補値は、重畳パターン発生手段７１から入力される重畳パターン信号に応じて順次切り替えられる。

重畳パターン発生手段７１は、信号セレクタ７２に対して、選択するシフト量候補値を決定するための重畳パターン信号を出力する。このとき重畳パターン発生手段７１は、電流抽出手段６が前述のようにして電流ベクトルＩをサンプリングするときのサンプリング周期、またはその正数倍の周期で重畳パターン信号を変化させる。これにより、信号セレクタ７２から出力される位相シフト量がθｖｈ１、θｖｈ２、θｖｈ３の間で順次切り替えられる。

信号セレクタ７２から出力された位相シフト量は、重畳電圧位相シフト手段８に対して入力された高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊と加算される。そして、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊として、重畳電圧位相シフト手段８から出力される。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の重畳電圧位相シフト手段８の入出力信号の例を示す図である。ここでは、θｖｈ１＝２０°、θｖｈ２＝０°、θｖｈ３＝−２０°としたときの例を示している。図７（ｂ）に示すように、重畳電圧位相シフト手段８への入力信号である高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊は、電動機１の駆動周波数と同期して増加する。これに対して、重畳電圧位相シフト手段８からの出力信号であるシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊は、正負方向にそれぞれ所定量ずつ位相がシフトしている。

なお上記の例では、３つのシフト量候補値θｖｈ１、θｖｈ２、θｖｈ３の中からいずれかを選択して位相シフト量とする例を説明した。また、位相シフト量の具体例として、θｖｈ１＝２０°、θｖｈ２＝０°、θｖｈ３＝−２０°とする例を説明した。しかし、重畳電圧位相シフト手段８において適用可能な位相シフト量はこれらの例に限定されない。−４５°〜４５°の範囲内の実数であれば、重畳電圧位相シフト手段８は、少なくとも２種類以上の任意の値をシフト量候補値とし、その中からいずれかを選択して位相シフト量とすることが可能である。

ここで、比較例による図５の電動機駆動システム１１０ｂ（電動機制御装置１００ｂ）では、電圧重畳手段９は前述のように、重畳電圧位相調整手段７からの高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に基づいて高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊を調整していた。これに対して、本発明による図１の電動機駆動システム１１０ａ（電動機制御装置１００ａ）では、電圧重畳手段９は、上記のようにして重畳電圧位相シフト手段８から出力されるシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊に基づいて、高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊を調整する。

図８は、本発明の電動機制御装置１００ａにおける高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの一例を示す図である。図８（ａ）は、図６（ａ）と同様の高周波電圧ベクトルＶｈおよび高周波電流ベクトルＩｈのノルム波形例と、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊の例とを示す。なお図８（ａ）において、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊は、図７（ｂ）の例に対応するものを示している。図８（ｂ）、図８（ｃ）は、図８（ａ）に対応する固定子座標平面上での高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの例をそれぞれ示す。

図８（ａ）において、各波形を図中に示すように（１）〜（８）の８つの期間に分割すると、（１）、（２）の期間ではθｖｈ^＊＊＝θｖｈ^＊＋θｖｈ２であり、（３）、（４）の期間ではθｖｈ^＊＊＝θｖｈ^＊＋θｖｈ１である。また、（５）、（６）の期間ではθｖｈ^＊＊＝θｖｈ^＊＋θｖｈ２であり、（７）、（８）の期間ではθｖｈ^＊＊＝θｖｈ^＊＋θｖｈ３である。ここで、前述のようにθｖｈ１＝２０°、θｖｈ２＝０°、θｖｈ３＝−２０°である。すなわち、（１）、（２）、（５）、（６）の各期間ではθｖｈ^＊＊＝θｖｈ^＊である。

図８（ｂ）、図８（ｃ）に示すように、（１）、（２）、（５）、（６）の期間と、（３）、（４）の期間と、（７）、（８）の期間とでは、高周波電圧ベクトルＶｈおよび高周波電流ベクトルＩｈの傾きが互いに異なっている。すなわち、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊において重畳されている位相シフト量の変化に応じて、これらのベクトルの傾きが変化する。なお、これらのベクトルの傾きは、各ベクトルの位相を表している。すなわち、高周波電圧ベクトルＶｈの傾きは高周波電圧位相θｖｈを表し、高周波電流ベクトルＩｈの傾きは高周波電流位相θｉｈを表している。

重畳電圧位相シフト手段８は、前述のように位相シフト量を変化させることで、重畳電圧位相調整手段７からの高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整し、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊として出力する。これにより、高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈの各軌跡は、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示すように、固定子座標平面上でそれぞれ互いに傾き（すなわち位相）の異なる２以上の線分を描く。重畳電圧位相シフト手段８は、このようにして高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整することができる。

ここで、（３）、（４）の期間に対応する高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈを、高周波電圧ベクトルＶｈ１、高周波電流ベクトルＩｈ１とそれぞれ表す。また、（１）、（２）、（５）、（６）の期間に対応する高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈを、高周波電圧ベクトルＶｈ２、高周波電流ベクトルＩｈ２とそれぞれ表し、（７）、（８）の期間に対応する高周波電圧ベクトルＶｈと高周波電流ベクトルＩｈを、高周波電圧ベクトルＶｈ３、高周波電流ベクトルＩｈ３とそれぞれ表す。本発明の電動機制御装置１００ａでは、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊において重畳されている位相シフト量が周期的に変化することにより、これらのベクトルが交互に現れる。

感度演算手段１０は、電流抽出手段６によって抽出される上記の各高周波電流ベクトルＩｈ１、Ｉｈ２およびＩｈ３に対して、高周波電流位相θｉｈ１、θｉｈ２、θｉｈ３をそれぞれ求める。そして、これらの各高周波電流位相θｉｈ１、θｉｈ２、θｉｈ３と、そのとき重畳電圧位相シフト手段８から出力されていたシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊とを用いて、これらの間の位相差θｉｖｈ１、θｉｖｈ２、θｉｖｈ３をそれぞれ算出する。ここで、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊は、上記の各高周波電圧ベクトルＶｈ１、Ｖｈ２、Ｖｈ３の位相をそれぞれ表している。そのため、上記のようにして算出される位相差θｉｖｈ１、θｉｖｈ２、θｉｖｈ３は、各高周波電流ベクトルＩｈ１、Ｉｈ２、Ｉｈ３と対応する各高周波電圧ベクトルＶｈ１、Ｖｈ２、Ｖｈ３との間の位相差をそれぞれ表している。

上記のようにして位相差θｉｖｈ１、θｉｖｈ２、θｉｖｈ３を算出したら、続いて感度演算手段１０は、そのうち位相差θｉｖｈ１およびθｉｖｈ３を用いて、以下で説明するような方法により、電動機１の突極性に応じた感度ＫΔθの推定を行う。

突極性に基づく磁極位置の検出原理に従って重畳電圧位相調整手段７が正常に動作している場合、前述のように高周波電圧位相θｖｈと磁極位置θｄとの位相差θｖｈｄは０である。すなわち、重畳電圧位相調整手段７から出力される高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊は磁極位置θｄと一致している。このとき、上記の位相差θｉｖｈ１は、高周波電圧位相θｖｈが磁極位置θｄから位相シフト量θｖｈ１分だけずれているときの高周波電流位相θｉｈと高周波電圧位相θｖｈとの位相差θｉｖｈを表している。同様に、上記の位相差θｉｖｈ３は、高周波電圧位相θｖｈが磁極位置θｄから位相シフト量θｖｈ３分だけずれているときの高周波電流位相θｉｈと高周波電圧位相θｖｈとの位相差θｉｖｈを表している。

図９は、本発明における感度演算の原理を説明するために、上記のような高周波電圧位相θｖｈと位相差θｉｖｈ１、θｉｖｈ３との関係を図４に示したような位相差θｉｖｈと位相差θｖｈｄのグラフ上に示したものである。図９において、位相差θｉｖｈ１はグラフ上の点９１に相当する。この点９１の座標は（θｖｈ１、θｉｖｈ１）で表すことができる。また、位相差θｉｖｈ３はグラフ上の点９２に相当する。この点９２の座標は（θｖｈ３、θｉｖｈ３）で表すことができる。

ここで、前述のように感度ＫΔθは、図９のグラフにおけるゼロ点付近の直線の傾きで定義される。すなわち感度ＫΔθは、上記の点９１と点９２とを結ぶ一次関数の傾きとして、以下の式（８）により算出することができる。
ＫΔθ＝（θｉｖｈ３−θｉｖｈ１）／（θｖｈ３−θｖｈ１） ・・・（８）

感度演算手段１０は、以上説明したようにして感度ＫΔθを算出することで、電動機１の突極性に応じた感度ＫΔθの推定を行う。そして、算出した感度ＫΔθを警報発令手段１１へ出力する。

なお、上記の例ではθｖｈ２＝０°である。そのため、重畳電圧位相調整手段７では、このときの位相差θｉｖｈ２を用いることで、前述のような突極性に基づく磁極位置の検出原理に従って、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整することができる。これにより、比較例による図５の電動機駆動システム１１０ｂで説明したのと同様の方法で、電動機１を駆動させることができる。

警報発令手段１１は、感度演算手段１０からの感度ＫΔθの絶対値を所定の基準値と比較する。その結果、感度ＫΔθの絶対値が基準値を下回った場合は、感度不足であると判定し、そのことを示す警報を出力する。たとえば、警報音を出力したり、警報ランプを点灯したりすることで、システム使用者に対して警告を行い、状況に応じた措置をとるように促す。また、上位システムに対して警報信号を出力することで、これを受けた上位システムがトルク制限等の必要な制御を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態による電動機駆動システム１１０ａでは、電動機１の駆動中に、感度演算手段１０により継続的に感度ＫΔθを算出し、その絶対値が所定の基準値を下回ると、警報発令手段１１により警報を出力する。これにより、磁気飽和などに起因する電動機１の非線形特性に伴う感度不足を察知し、システム使用者や上位システムに知らせることができる。そのため、システム使用者や上位システムは、感度不足のために電動機１の運転を持続するのが困難であると判断して適切な措置をとることで、脱調を未然に防ぐことが可能となる。

なお、上記の説明では、位相差θｉｖｈ１およびθｉｖｈ３から感度ＫΔθを演算することとしたが、図９から明らかなように、他の位相差の組み合わせ、たとえばθｉｖｈ１とθｉｖｈ２の組や、θｉｖｈ２とθｉｖｈ３の組などからも感度ＫΔθを求めることができる。すなわち、任意の２つの位相差から感度ＫΔθの計算は可能である。そのため、重畳電圧位相シフト手段８が切り替える位相シフト量としては、２つ以上の任意の値とすることができる。ただし、−４５°〜４５°の範囲内で、正および負の値からそれぞれ１つ以上の値を位相シフト量として選択することが好ましい。いずれの場合においても、上記実施形態で説明したのと同等の効果が得られる。

また、位相シフト量の切り替えパターンについても、図８に示したような例に限定されない。すなわち、電流抽出手段６による電流ベクトルＩのサンプリング周期またはその正数倍の周期で、２つ以上の位相シフト量を偏りなく切り替えるものである限り、任意の切り替えパターンを用いることができる。いずれの場合においても、上記実施形態で説明したのと同等の効果が得られる。

以上説明した本発明の第１実施形態によれば、次の作用効果を奏することができる。

（１）電力変換装置１０１ａは、電圧変換手段３と電動機制御装置１００ａを備える。電動機制御装置１００ａにおいて、電流抽出手段６は、電流検出手段２で検出された電流ベクトルＩから高周波電流ベクトルＩｈを抽出する。この高周波電流ベクトルＩｈに基づいて、重畳電圧位相調整手段７は、電動機１の回転子の磁極位置θｄを推定すると共にその回転子の回転周期とは異なる周期で変化する交番電圧を重畳する位相を調整するための高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を出力する。この高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に基づいて、電流制御手段５は、磁極位置θｄを推定し、電動機１に流れる電流ベクトルＩを制御するための基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を出力する。また、重畳電圧位相シフト手段８は、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整し、シフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊を出力する。このシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊に基づいて、電圧重畳手段９は、交番電圧を基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に重畳して電圧変換手段３へ出力する。感度演算手段１０は、電流抽出手段６により抽出された高周波電流ベクトルＩｈと、重畳電圧位相シフト手段８により調整されたシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊とに基づいて、磁極位置θｄの推定に対する感度ＫΔθを演算する。このようにしたので、電動機１の突極性による磁極位置θｄの検出感度を推定することができる。

（２）重畳電圧位相シフト手段８は、図８（ｃ）に示すように、電動機１の固定子を基準とした固定子座標平面上で高周波電流ベクトルＩｈの軌跡が互いに位相の異なる２以上の線分を描くように、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整する。具体的には、位相シフト量θｖｈ１、θｖｈ２およびθｖｈ３のうち少なくとも２以上を周期的に切り替えて高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に加算することにより、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整するようにした。これにより、感度演算手段１０において、各高周波電流ベクトルＩｈ１、Ｉｈ２、Ｉｈ３に対して高周波電流位相θｉｈ１、θｉｈ２、θｉｈ３をそれぞれ求め、これに基づいて感度ＫΔθを演算することができる。

（３）重畳電圧位相シフト手段８は、位相シフト量θｖｈ１とθｖｈ３とを周期的に切り替えて、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊に加算する。このとき電圧重畳手段９は、位相シフト量θｖｈ１が加算されたシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊に応じて、高周波電圧ベクトルＶｈ１を基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に重畳すると共に、位相シフト量θｖｈ３が加算されたシフト後の高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊＊に応じて、高周波電圧ベクトルＶｈ３を基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に重畳する。感度演算手段１０は、高周波電流ベクトルＩｈ１と高周波電圧ベクトルＶｈ１との間の位相差θｉｖｈ１と、高周波電流ベクトルＩｈ３と高周波電圧ベクトルＶｈ３との間の位相差θｉｖｈ３とを算出し、算出したこれらの位相差に基づいて、前述の式（８）を用いて感度ＫΔθを演算する。すなわち図９に示すように、位相シフト量θｖｈ１および位相差θｉｖｈ１の組に応じた座標点９１と、位相シフト量θｖｈ３および位相差θｉｖｈ３の組に応じた座標点９２との傾きを算出することにより、感度ＫΔθを演算する。このようにしたので、感度ＫΔθを簡単な計算で正確に演算することができる。

（４）重畳電圧位相シフト手段８は、−４５°〜４５°の範囲内で正および負の値からそれぞれ１つ以上の値を位相シフト量として選択することができる。このようにすれば、感度演算手段１０により感度ＫΔθを確実に演算することができる。

（５）電動機制御装置１００ａにおいて、警報発令手段１１は、感度演算手段１０により演算された感度ＫΔθに基づいて警報を出力する。このようにしたので、システム使用者や上位システムに対して、感度不足のために電動機１の運転を持続するのが困難であることを警告し、適切な措置により脱調を未然に防ぐように促すことができる。

（第２実施形態）
図１０は、本発明の第２実施形態による電動機駆動システム１１０ｃの全体構成図である。電動機駆動システム１１０ｃは、電力変換装置１０１ｃと電動機１とを備える。電力変換装置１０１ｃは、電動機制御装置１００ｃと、電圧変換手段３と、電流検出手段２とを備える。なお、電動機１、電圧変換手段３および電流検出手段２は、図１に示す電動機駆動システム１１０ａと同じものである。以下、本実施形態の電動機制御装置１００ｃと第１実施形態で説明した電動機制御装置１００ａとの違いについて説明する。

図１０において、電動機制御装置１００ｃが図１に示した電動機制御装置１００ａと異なるのは、重畳電圧振幅調整手段１２が追加されている点である。

重畳電圧振幅調整手段１２は、電流抽出手段６からの高周波電流ベクトルＩｈと、感度演算手段１０からの感度ＫΔθとに基づいて、電圧重畳手段９から出力される高周波電圧ベクトル指令Ｖｈ^＊の振幅を調整するための高周波電圧振幅指令ＶｈＡｍｐ^＊を決定する。そして、決定した高周波電圧振幅指令ＶｈＡｍｐ^＊を電圧重畳手段９へ出力することで、電流制御手段５からの基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に対して重畳される前述のような矩形波による交番電圧の振幅を調整する。これにより、第１実施形態では固定値であった交番電圧の振幅を、本実施形態では感度ＫΔθの大きさに応じて調整するようにする。

ここで、重畳電圧振幅調整手段１２により高周波電圧振幅指令ＶｈＡｍｐ^＊を決定する原理について説明する。重畳電圧位相調整手段７において高周波電流位相θｉｈを正しく計算するためには、電流検出手段２による電流ベクトルＩの検出誤差に対して、高周波電流ベクトルＩｈのノルムが十分に大きい必要がある。しかし、高周波電流ベクトルＩｈのノルムが大きいと、電動機１においてトルク脈動が大きくなったり、電磁騒音が大きくなったりするなどの欠点がある。そのため、高周波電流ベクトルＩｈのノルムは、高周波電流位相θｉｈの計算に必要な範囲で最低限の大きさに制限することが望ましい。

ところで、感度ＫΔθの絶対値が小さくなると、それに応じて、前述の図４から分かるように、ある軸誤差（磁極位置θｄに対する高周波電圧位相θｖｈの誤差）に対する高周波電流位相θｉｈと高周波電圧位相θｖｈとの位相差θｉｖｈの絶対値が小さくなる。そのため、高周波電流ベクトルＩｈのノルムの大きさが位相差θｉｖｈの検出精度に及ぼす影響が相対的に大きくなる。したがってこのような場合は、高周波電流位相θｉｈを計算するために、高周波電流ベクトルＩｈのノルムを比較的大きくする必要がある。また、これとは反対に、感度ＫΔθの絶対値が大きい場合は、それに応じて軸誤差に対する位相差θｉｖｈの絶対値も大きくなるため、高周波電流ベクトルＩｈのノルムの大きさが位相差θｉｖｈの検出精度に及ぼす影響は相対的に小さくなる。したがってこの場合は、高周波電流ベクトルＩｈのノルムは小さくてもよい。このように、高周波電流位相θｉｈを計算するために必要な最低限の高周波電流ベクトルＩｈのノルムの大きさは、感度ＫΔθに応じて決まることが分かる。

そこで、重畳電圧振幅調整手段１２は、下記の式（９）を用いて、高周波電流ベクトルＩｈのノルムに対する指令値としての高周波電流振幅指令ＩｈＡｍｐ^＊を、感度ＫΔθに基づいて算出する。

・・・（９）

上記の式（９）において、Ｋは任意の定数である。この定数Ｋの値は状況に応じて変化させてもよい。たとえば、位相差θｉｖｈの検出精度を高くして磁極位置θｄを精度良く推定したい場合はＫを大きくしたり、磁極位置θｄの精度よりも高周波における電動機１のトルク脈動や電磁騒音を抑えることを重視したい場合はＫを小さくしたりすることができる。

さらに重畳電圧振幅調整手段１２は、電流抽出手段６からの高周波電流ベクトルＩｈに基づいて、そのノルムを表す高周波電流振幅ＩｈＡｍｐを算出する。そして、この高周波電流振幅ＩｈＡｍｐが上記の高周波電流振幅指令ＩｈＡｍｐ^＊と一致するように、高周波電圧振幅指令ＶｈＡｍｐ^＊を決定し、電圧重畳手段９へ出力する。

以上説明した本発明の第２実施形態によれば、電動機制御装置１００ｃにおいて、重畳電圧振幅調整手段１２は、感度演算手段１０により演算された感度ＫΔθに基づいて、電圧重畳手段９により基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に重畳される交番電圧の振幅を調整するようにした。このようにしたので、基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊に対して重畳する交番電圧を感度ＫΔθに応じて動的に最適化することができる。これにより、たとえば感度ＫΔθの絶対値の高い運転条件では交番電圧の重畳量を減らして騒音を抑制し、反対に感度ＫΔθの絶対値が小さい運転条件では交番電圧の重畳量を増やして必要な位置精度を確保することができる。

（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態による電動機駆動システム１１０ｄの全体構成図である。電動機駆動システム１１０ｄは、電力変換装置１０１ｄと電動機１とを備える。電力変換装置１０１ｄは、電動機制御装置１００ｄと、電圧変換手段３と、電流検出手段２とを備える。なお、電動機１、電圧変換手段３および電流検出手段２は、図１に示す電動機駆動システム１１０ａと同じものである。以下、本実施形態の電動機制御装置１００ｄと第１実施形態で説明した電動機制御装置１００ａとの違いについて説明する。

図１１において、電動機制御装置１００ｄが図１に示した電動機制御装置１００ａと異なるのは、警報発令手段１１を備えていない点と、感度演算手段１０からの感度ＫΔθがトルク指令発生手段４に入力されている点である。

本実施形態において、トルク指令発生手段４は、感度演算手段１０からの感度ＫΔθに基づいて、電動機１に対するトルク指令τ^＊を調整する。これにより、電動機１に流れる電流ベクトルＩが大きくなりすぎて感度ＫΔθが低下したときに、電流制御手段５から電圧変換手段３へ出力される基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を調整して電流ベクトルＩを制限し、感度ＫΔθの低下を防ぐようにする。その原理について以下に説明する。

一般的に、感度ＫΔθの絶対値の減少は、前述したように電動機１において電流量が増大することにより磁気飽和現象が起こり、それによって突極性が悪化することで発生する。そのため、感度ＫΔθが悪化した場合は、基本波電流ベクトルＩ１の絶対値をそれ以上増加させないようにすることで、感度ＫΔθが失われるのを防ぎ、それに続く脱調の発生を予防することができる。

そこで、本実施形態では、感度ＫΔθの絶対値が所定値を下回った場合、トルク指令発生手段４においてトルク指令τ^＊の絶対値がそれ以上増加するのを制限する。あるいは、トルク指令τ^＊の絶対値を減少させるようにする。このようにして抑制されたトルク指令τ^＊を受けた電流制御手段５は、その抑制後のトルク指令τ^＊に応じた基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を出力する。これにより、感度ＫΔθの減少を抑えて電動機１の運転を維持できるようにする。

以上説明した本発明の第３実施形態によれば、電動機制御装置１００ｄにおいて、電流制御手段５は、感度演算手段１０により演算された感度ＫΔθに基づいてトルク指令発生手段４により抑制されたトルク指令τ^＊を受けて、電動機１に流れる電流ベクトルＩを制限するように基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を調整して出力する。このようにしたので、感度ＫΔθが必要以上に減少してしまうのを防ぎ、電動機１の脱調を未然に防止することができる。

なお、以上説明した第３実施形態では、感度演算手段１０からの感度ＫΔθに基づいてトルク指令発生手段４によりトルク指令τ^＊を抑制することで、電流制御手段５から出力される基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を調整して感度ＫΔθの減少を抑えるようにした。しかし、こうした動作を電流制御手段５のみで行うようにしてもよい。たとえば、電流制御手段５において、感度低下時の基本波電流ベクトルＩ１の絶対値を予め設定しておく。そして、感度演算手段１０からの感度ＫΔθに基づいて、感度ＫΔθの絶対値が所定値を下回ったか否かを判定し、所定値を下回った場合は、トルク指令発生手段４からのトルク指令τ^＊に関わらず、予め設定された感度低下時の基本波電流ベクトルＩ１の絶対値に基づいて基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を決定する。このようにしても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態による電動機駆動システム１１０ｅの全体構成図である。電動機駆動システム１１０ｅは、電力変換装置１０１ｅと電動機１とを備える。電力変換装置１０１ｅは、電動機制御装置１００ｅと、電圧変換手段３と、電流検出手段２とを備える。なお、電動機１、電圧変換手段３および電流検出手段２は、図１に示す電動機駆動システム１１０ａと同じものである。以下、本実施形態の電動機制御装置１００ｅと第１実施形態で説明した電動機制御装置１００ａとの違いについて説明する。

図１２において、電動機制御装置１００ｅが図１に示した電動機制御装置１００ａと異なるのは、無効電流指令発生手段１３が追加されている点である。

無効電流指令発生手段１３は、感度演算手段１０からの感度ＫΔθの絶対値を所定の基準値と比較する。その結果、感度ＫΔθの絶対値が基準値よりも低い場合、電流制御手段５に対して所定の信号を出力する。この信号を受けると、電流制御手段５は、電流ベクトルＩにおいて無効電流が増加するように、基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊の値を調整して出力する。これにより、感度ＫΔθの絶対値が低下した場合、電流ベクトルＩにおいて無効電流を増加させる。なお、無効電流とは、電動機１においてトルクの発生に寄与せず、運転時の損失となる電流である。

ここで、感度ＫΔθの絶対値が低下した場合に電流ベクトルＩにおいて無効電流を増加させる理由について説明する。感度ＫΔθの絶対値の減少は、電動機１において有効電流の位相方向の磁束が飽和することにより発生する。そのため、このような場合は、通常の運転時にはほぼ生じない無効電流を意図的に増加させ、それによって無効電流の位相方向の磁束飽和をさらに強めるようにする。これにより、相対的にインダクタンスの異方性を発生させ、感度ＫΔθを回復させることが可能となる。

そこで、本実施形態では、無効電流指令発生手段１３により感度ＫΔθの絶対値を所定の基準値と比較し、感度ＫΔθの絶対値が基準値を下回った場合は所定の信号を出力する。この信号に応じて、感度ＫΔθが基準値を維持するまで無効電流指令を増加させるように電流制御手段５を動作させる。その結果、脱調を未然に防ぎつつ、前述の第３実施形態よりも高いトルクを電動機１から出力させることが可能となる。ただしこの場合、無効電流が増加する分、電動機１の運転効率は悪化することになる。

以上説明した本発明の第４実施形態によれば、電動機制御装置１００ｅにおいて、電流制御手段５は、感度演算手段１０により演算された感度ＫΔθに基づいて無効電流指令発生手段１３から出力される信号に応じて、電動機１に流れる無効電流を増加させるように基本波電圧ベクトル指令Ｖ１^＊を調整して出力する。このようにしたので、感度ＫΔθが必要以上に減少してしまうのを防ぎ、電動機１の脱調を未然に防止することができる。さらに、これを行いつつ、第３実施形態で説明した電動機制御装置１００ｄよりも高いトルクを電動機１から出力させることができる。

（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態による搬送機１３０の全体構成図である。搬送機１３０は、電動機１、電力変換装置１３１、動力電圧機構１３２および搬送部１３３を備える。なお、電力変換装置１３１には、第１〜第４実施形態で説明した電力変換装置１０１ａ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅのいずれかを用いることができる。また電動機１は、第１〜第４実施形態で説明したのと同じものである。

電力変換装置１３１は、上記第１〜第４実施形態で説明したような方法により電動機１の動作を制御する。電動機１により発生された駆動力は、動力伝達機構１３２を介して搬送部１３３に伝達される。搬送部１３３は、この駆動力を用いて動作することで、設置された荷物等を所定の位置から別の所定の位置まで搬送する。

以上説明したように、本発明は搬送機においても適用することができる。

（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態による昇降装置１４０の全体構成図である。昇降装置１４０は、電動機１、電力変換装置１４１、巻き上げ機構１４２、ワイヤ１４３および昇降部１４４を備える。なお、電力変換装置１４１には、第１〜第４実施形態で説明した電力変換装置１０１ａ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅのいずれかを用いることができる。また電動機１は、第１〜第４実施形態で説明したのと同じものである。

電力変換装置１４１は、上記第１〜第４実施形態で説明したような方法により電動機１の動作を制御する。巻き上げ機構１４２は、電動機１により発生された駆動力を用いて、昇降部１４４に接続されているワイヤ１４３を巻き上げたり巻き下げたりすることで、昇降部１４４を上下に移動させる。

以上説明したように、本発明は昇降装置においても適用することができる。

（変形例）
なお、以上説明した各実施形態において、過渡現象によって軸誤差、すなわち磁極位置θｄに対する高周波電圧位相θｖｈの誤差が大きい場合は、感度ＫΔθを正しく演算するのが困難となる。したがって、このような場合は感度演算手段１０による感度ＫΔθの演算を中止してもよい。この点について、以下に図１５を用いて詳しく説明する。

図１５は、過渡現象による感度検出誤差の原理説明図である。この図は、過渡現象によって軸誤差が生じている場合の高周波電圧位相θｖｈと位相差θｉｖｈとの関係を、図４、９に示したような位相差θｉｖｈと位相差θｖｈｄのグラフ上に示したものである。

第１実施形態で説明したのと同様に、重畳電圧位相シフト手段８において位相シフト量θｖｈ１、θｖｈ２、θｖｈ３を順次切り替えて重畳パターン信号を変化させる場合、前述のようにθｖｈ２＝０°である。重畳電圧位相調整手段７は、このときの高周波電流ベクトルＩｈ２と高周波電圧ベクトルＶｈ２との位相差θｉｖｈ２を用いることで、突極性に基づく磁極位置の検出原理に従って、高周波電圧位相指令値θｖｈ^＊を調整する。

ここで図１５に示すように、過渡現象に起因する軸誤差により高周波電圧位相θｖｈと磁極位置θｄとの位相差θｖｈｄが０ではないとする。この場合、位相シフト量θｖｈ１に対する位相差θｉｖｈ１はグラフ上の点１５１に相当し、位相シフト量θｖｈ３に対する位相差θｉｖｈ３はグラフ上の点１５２に相当する。したがって、第１実施形態で説明したように、これらの点を結ぶ一次関数の傾きにより感度ＫΔθを求めると、実際とは異なる値が算出されてしまうことになる。すなわち、過渡現象による軸誤差が大きく発生している場合は、位相シフト量θｖｈ１、θｉｖｈ３に対して検出される位相差θｉｖｈ１、θｉｖｈ３が原点付近の線形近似領域を逸脱してしまう。そのため、正しい感度ＫΔθを算出することが原理的に困難となる。

そこで、感度演算手段１０において、位相シフト量θｖｈ２が０であるときの高周波電流ベクトルＩｈ２と高周波電圧ベクトルＶｈ２との位相差θｉｖｈ２を求め、その絶対値を所定の基準値と比較する。ここで、過渡現象による軸誤差が発生していないとすると、位相差θｉｖｈ２はほぼ０となるはずである。そのため、位相差θｉｖｈ２の絶対値が基準値を超えている場合は、過渡現象に起因する軸誤差が発生しており、重畳電圧位相調整手段７による交番電圧の重畳位相の調整が収束していないと判断できる。したがってこの場合は感度ＫΔθを正しく算出できないため、感度演算手段１０による感度ＫΔθの演算を中止してその出力を停止することが好ましい。

以上説明した変形例によれば、過渡現象による感度ＫΔθの演算誤差を抑制することができる。

なお、以上説明した各実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。

１ 電動機
２ 電流検出手段
３ 電圧変換手段
４ トルク指令発生手段
５ 電流制御手段
６ 電流抽出手段
７ 重畳電圧位相調整手段
８ 重畳電圧位相シフト手段
９ 電圧重畳手段
１０ 感度演算手段
１１ 警報発令手段
１２ 重畳電圧振幅調整手段
１３ 無効電流指令発生手段
７１ 重畳パターン発生手段
７２ 信号セレクタ
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ 電動機制御装置
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、１０１ｅ 電力変換装置
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ 電動機駆動システム
１３０ 搬送機
１４０ 昇降装置

Claims (13)

1. 直流電圧を交流電圧に変換して突極性を有する交流電動機に出力する電圧変換手段と、
   前記交流電動機に流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流から高周波電流を抽出する電流抽出手段と、
   前記電流抽出手段により抽出された高周波電流に基づいて、前記交流電動機の回転子の磁極位置を推定すると共に前記回転子の回転周期とは異なる周期で変化する交番電圧を重畳する位相を調整するための高周波電圧位相指令値を出力する重畳電圧位相調整手段と、
   前記重畳電圧位相調整手段により出力された高周波電圧位相指令値に基づいて、前記磁極位置を推定し、前記交流電動機に流れる電流を制御するための基本波電圧指令を出力する電流制御手段と、
   前記高周波電圧位相指令値を調整する重畳電圧位相シフト手段と、
   前記重畳電圧位相シフト手段により調整された高周波電圧位相指令値に基づいて、前記交番電圧を前記基本波電圧指令に重畳して前記電圧変換手段へ出力する電圧重畳手段と、
   前記電流抽出手段により抽出された高周波電流と、前記重畳電圧位相シフト手段により調整された高周波電圧位相指令値とに基づいて、前記磁極位置の推定に対する感度を演算する感度演算手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記重畳電圧位相シフト手段は、前記電動機の固定子を基準とした固定子座標平面上で前記高周波電流の軌跡が互いに位相の異なる２以上の線分を描くように、前記高周波電圧位相指令値を調整することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記重畳電圧位相シフト手段は、少なくとも２以上の所定の位相シフト量を周期的に切り替えて前記高周波電圧位相指令値に加算することにより、前記高周波電圧位相指令値を調整することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記重畳電圧位相シフト手段は、前記位相シフト量として、第１の位相シフト量と第２の位相シフト量とを周期的に切り替えて前記高周波電圧位相指令値に加算し、
   前記電圧重畳手段は、前記第１の位相シフト量が加算された高周波電圧位相指令値に応じて、前記交番電圧としての第１の高周波電圧を前記基本波電圧指令に重畳すると共に、前記第２の位相シフト量が加算された高周波電圧位相指令値に応じて、前記交番電圧としての第２の高周波電圧を前記基本波電圧指令に重畳し、
   前記感度演算手段は、前記高周波電流と前記第１の高周波電圧との間の第１の位相差と、前記高周波電流と前記第２の高周波電圧との間の第２の位相差とを算出し、算出した第１の位相差および第２の位相差に基づいて前記感度を演算することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記感度演算手段は、前記第１の位相シフト量および前記第１の位相差の組に応じた第１の座標点と、前記第２の位相シフト量および前記第２の位相差の組に応じた第２の座標点との傾きを算出することにより、前記感度を演算することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記重畳電圧位相シフト手段は、−４５°〜４５°の範囲内で正および負の値からそれぞれ１つ以上の値を前記位相シフト量として選択することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記感度演算手段により演算された感度に基づいて警報を出力する警報発令手段をさらに備えることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記感度演算手段により演算された感度に基づいて、前記電圧重畳手段により前記基本波電圧指令に重畳される交番電圧の振幅を調整する重畳電圧振幅調整手段をさらに備えることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記電流制御手段は、前記感度演算手段により演算された感度に基づいて、前記交流電動機に流れる電流を制限するように前記基本波電圧指令を調整して出力することを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記電流制御手段は、前記感度演算手段により演算された感度に基づいて、前記交流電動機に流れる無効電流を増加させるように前記基本波電圧指令を調整して出力することを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１に記載の電力変換装置と、
    前記交流電動機とを備えることを特徴とする電動機駆動システム。
12. 請求項１に記載の電力変換装置と、
    前記交流電動機と、
    前記交流電動機により発生される駆動力を用いて動作する搬送部とを備えることを特徴とする搬送機。
13. 請求項１に記載の電力変換装置と、
    前記交流電動機と、
    昇降部と、
    前記交流電動機により発生される駆動力を用いて前記昇降部を上下に移動させる巻き上げ機構とを備えることを特徴とする昇降装置。