JP6414771B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関する。

従来から、同期モータの駆動方法として、直接トルク制御（DTC:Direct Torque Control）が知られている。一般的な直接トルク制御では、まず、インバータに接続された同期モータの相電流及び相電圧を検出する。次に、相電流及び相電圧から、同期モータの電機子鎖交磁束及びトルクを求める。次に、求められたトルクと、指令トルクと、指令振幅と、電機子鎖交磁束の位相とから、指令磁束ベクトルを求める。指令振幅は、電機子鎖交磁束の振幅が追従するべき振幅である。指令トルク及び指令振幅は、例えば、速度制御装置で求められる。次に、指令磁束ベクトルと、電機子鎖交磁束とから、インバータから同期モータに印加されるべき電圧ベクトルを決定する。次に、決定された電圧ベクトルが同期モータに印加されるように、インバータのスイッチングを制御する。

直接トルク制御の駆動アルゴリズムはシンプルである。また、エンコーダ、レゾルバ等の位置センサを省略できる。

非特許文献１には、直接トルク制御を用いたモータ制御装置の一例が記載されている。

井上、他３名，「直接トルク制御による埋込磁石同期モータのトルクリプル低減と弱め磁束制御（Torque ripple reduction, and flux-weakening control forinterior permanent magnet synchronous motor based on direct torque control）」，平成１８年電気学会全国大会講演論文集，電気学会，平成１８年３月，第４分冊，４−１０６，ｐ．１６６

直接トルク制御を用いた従来のモータ制御装置には、起動期間（起動時点を含む期間）における安定性を改善させる余地がある。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。

すなわち、本開示は、
同期モータの磁束であるモータ磁束を推定する磁束推定部と、
前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、前記磁束推定部で推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転への切り替えを制御する切替部と、
を備え、
前記切替部による運転モードの切り替えの前における前記同期電流、及び、前記切替部による運転モードの切り替えの後における前記指令振幅の少なくとも１つを調節することによって、前記切替部による運転モードの切り替えの前又は後において、前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差を連続的又は段階的に減少させる、モータ制御装置を提供する。

上記のモータ制御装置によれば、同期モータの起動期間における安定性が改善される。

第１の実施形態のモータ制御装置のブロック図 ｄｑ座標系及びαβ座標系を説明するための図 第１の実施形態の同期制御部のブロック図 第１の実施形態の位置センサレス制御部のブロック図 起動同期運転を実行しているときの、推定磁束の特定方法を説明するための図 第１の実施形態の切替部の構成図 第１の実施形態のＰＷＭインバータの構成図 第１の実施形態における、同期モータの起動方法を説明するためのタイムチャート 従来のモータ制御装置を用いて同期モータを起動させた場合の問題を説明するためのシミュレーションの結果を示すグラフ 図９Ａに示すグラフの一部を拡大したグラフ 第１の実施形態の効果を確かめるためのシミュレーションの結果を示すグラフ 図１０Ａに示すグラフの一部を拡大したグラフ 第２の実施形態のモータ制御装置のブロック図 第２の実施形態の位置センサレス制御部のブロック図 第２の実施形態の同期制御部のブロック図 第２の実施形態の同期制御部の制御方法を示すフロー図 第２の実施形態における、同期モータの起動方法を説明するためのタイムチャート 第２の実施形態の効果を確かめるためのシミュレーションの結果を示すグラフ 図１６Ａに示すグラフの一部を拡大したグラフ

直接トルク制御等を用いた位置センサレス運転では、同期モータに印加されている磁束（モータ磁束）を推定する。指令振幅と推定されたモータ磁束の振幅との差（振幅偏差）が大きいほど、同期モータに大きな電圧を印加する。

上記のような位置センサレス運転では、同期モータの回転数が低いときには、十分な精度でモータ磁束を推定することができない。このため、同期モータの起動期間において、同期運転により同期モータの回転数を増加させ、その後位置センサレス運転に切り替えることが考えられる。このようにして同期モータを起動させる場合、同期運転を実行している期間においてもモータ磁束を推定し、運転モードの切り替え時において、指令振幅と同期運転で推定されたモータ磁束の振幅との差を仮の振幅偏差として用いることが考えられる。

典型的な同期運転では、位置センサレス運転のときに同期モータに供給される電流よりも大幅に大きな電流（同期電流）を同期モータに供給する。このことは、同期運転を実行している期間において推定されるモータ磁束の振幅は、位置センサレス運転において用いられる指令振幅よりも大幅に大きいことを意味する。この理由で、上述の仮の振幅偏差は、位置センサレス運転の定常状態における振幅偏差よりも大幅に大きい。結果として、運転モードの切り替え時において、著しく大きな電圧が同期モータに印加される（電圧サージが発生する）。また、電圧サージの発生に伴い、トルク脈動が発生したり、同期モータが脱調したりする。

本発明者は、このような事情に鑑み、同期モータの起動期間における安定性を改善することを検討した。

すなわち、本開示の第１態様は、
同期モータの磁束であるモータ磁束を推定する磁束推定部と、
前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、前記磁束推定部で推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転への切り替えを制御する切替部と、
を備え、
（i）前記切替部による運転モードの切り替えの前に前記同期電流を連続的又は段階的に減少させる、及び／又は、（ii）前記切替部による運転モードの切り替え時において前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差よりも前記モータ磁束の振幅と前記指令振幅との差が小さくなるように前記指令振幅を設定し、その後、前記指令振幅を前記目標振幅に連続的又は段階的に接近させるモータ制御装置を提供する。

第１態様によれば、運転モードの切り替え時における電圧サージの発生を抑制できる。

本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記モータ制御装置は、前記運転モードの切り替え時において前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差よりも前記モータ磁束の振幅と前記指令振幅との差が小さくなるように前記指令振幅を設定し、その後、前記指令振幅を前記目標振幅に漸次接近させる遅延フィルタを備えているモータ制御装置を提供する。

本開示の第３態様は、第２態様に加え、前記遅延フィルタは、ローパスフィルタ又は重み関数に基づくフィルタであるモータ制御装置を提供する。

第２態様又は第３態様のモータ制御装置を用いれば、運転モードの切り替え時における指令振幅と同期運転で推定されたモータ磁束の振幅との差（仮の振幅偏差）を小さくすることができる。これにより、運転モードの切り替え時における電圧サージの発生が抑制される。また、第２態様又は第３態様のモータ制御装置によれば、位置センサレス運転が始まるとモータ磁束の振幅が目標振幅へと漸次接近する。これにより、モータ磁束の振幅を目標振幅に接近させる際の電圧サージの発生が抑制される。

本開示の第４態様は、第１〜３態様のいずれか１つに加え、前記モータ制御装置は、前記運転モードの切り替えの前に前記同期電流を連続的又は段階的に減少させるモータ制御装置を提供する。第４態様のモータ制御装置を用いれば、運転モードの切り替えの前に、モータ磁束の振幅が減少する。このため、上述の仮の振幅偏差を小さくすることができる。従って、運転モードの切り替え時における電圧サージの発生が抑制される。

本開示の第５態様は、第１〜４態様のいずれか１つに加え、当該モータ制御装置は、前記起動同期運転を実行する同期制御部と、前記位置センサレス運転を実行する位置センサレス制御部とを備え、前記同期制御部は、前記同期モータにおける３相交流座標上の相電流を、第１の２相座標上の第１の軸電流に変換する第１の３相２相座標変換部と、前記第１の軸電流から、前記同期モータに印加するべき電圧ベクトルに対応する前記第１の２相座標上の第１の軸電圧を生成する第１の電圧指令演算部と、を有し、前記位置センサレス制御部は、前記相電流を、第２の２相座標上の第２の軸電流に変換する第２の３相２相座標変換部と、前記第２の軸電流と、前記電圧ベクトルに対応する前記第２の２相座標上の第２の軸電圧とから、前記モータ磁束を推定する前記磁束推定部と、前記第２の軸電流と、推定された前記モータ磁束とから、前記モータトルクを推定するトルク演算部と、推定された前記モータトルクと前記モータトルクが追従するべき指令トルクとの間のトルク偏差と、推定された前記モータ磁束の位相と、前記指令振幅とから、前記モータ磁束が追従するべき指令磁束ベクトルを特定する磁束指令演算部と、前記指令磁束ベクトルと推定された前記モータ磁束との間の磁束偏差から、前記第２の軸電圧を特定する第２の電圧指令演算部と、を有し、当該モータ制御装置は、前記起動同期運転を実行している期間において、前記第２の軸電流及び前記第１の軸電圧に基づいて、前記位置センサレス制御部における前記磁束推定部を用いて、前記モータ磁束を推定するように構成されているモータ制御装置を提供する。

第５態様のモータ制御装置は、簡便に構成できる。なお、第５態様のモータ制御装置の一部の構成のみを用いたモータ制御装置を構成してもよい。例えば、モータ制御装置を、前述の同期制御部を含む装置としてもよい。また、モータ制御装置を、前述の位置センサレス制御部を含む装置としてもよい。磁束推定部は、同期制御部に属していてもよく、位置センサレス部に属していてもよく、これらから独立していてもよい。第１の２相座標と第２の２相座標とは同じであっても異なっていてもよい。ソフトウエアにより第５態様のモータ制御装置を実現する場合、モータ制御装置の各構成要素は明確には区別されない。

本開示の第６態様は、
同期モータの磁束であるモータ磁束を推定するステップと、
前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転へと運転モードを切り替えるステップと、
を含み、
i）前記運転モードの切り替えの前に前記同期電流を連続的又は段階的に減少させる、及び／又は、（ii）前記運転モードの切り替え時において前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差よりも前記モータ磁束の振幅と前記指令振幅との差が小さくなるように前記指令振幅を設定し、その後、前記指令振幅を前記目標振幅に連続的又は段階的に接近させるモータ制御方法を提供する。

本開示の第７態様は、
同期モータの磁束であるモータ磁束を推定する磁束推定部と、
前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、前記磁束推定部で推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転への切り替えを制御する切替部と、
を備え、
前記切替部による運転モードの切り替えの前における前記同期電流、及び、前記切替部による運転モードの切り替えの後における前記指令振幅の少なくとも１つを調節することによって、前記切替部による運転モードの切り替えの前又は後において、前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差を連続的又は段階的に減少させるモータ制御装置を提供する。

第６態様及び第７態様によれば、第１態様により得られる効果と同様の効果が得られる。

モータ制御装置に関する技術は、モータ制御方法に適用できる。モータ制御方法に関する技術は、モータ制御装置に適用することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に示すように、モータ制御装置１００は、第１電流センサ１０５ａ、第２電流センサ１０５ｂ、同期制御部１３１、位置センサレス制御部１３２、切替部１３３及びデューティ生成部１０３を備えている。モータ制御装置１００は、ＰＷＭインバータ１０４及び同期モータ１０２に接続される。

同期制御部１３１は、同期モータ１０２の起動同期運転を実行するように構成されている。位置センサレス制御部１３２は、同期モータ１０２の位置センサレス運転を実行するように構成されている。起動同期運転は、同期モータ１０２に印加されるモータ磁束の回転速度（同期速度）に同期モータ１０２のロータの回転速度（回転数）を確実に一致させるための運転である。本実施形態では、位置センサレス運転が実行されている期間においても、同期モータ１０２のロータの回転速度が同期速度に一致する。位置センサレス運転は、エンコーダ、レゾルバ等の位置センサを用いない運転である。ただし、本実施形態では、起動同期運転が実行されている期間においても、位置センサは用いられない。本明細書では、説明の便宜上、推定されたモータ磁束の位相を用いることなくモータ磁束を制御する運転を起動同期運転と称する。推定されたモータ磁束の位相を用いてモータ磁束を制御する運転を位置センサレス運転と称する。モータ磁束は、同期モータ１０２に印加されている３相交流座標上の電機子鎖交磁束と、この電機子鎖交磁束を座標変換することにより得た磁束の両方を含む概念である。本明細書では、「振幅」は、単に大きさ（絶対値）を指す場合がある。

モータ制御装置１００の一部又は全部の要素は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）又はマイクロコンピュータにおいて実行される制御アプリケーションによって提供され得る。ＤＳＰ又はマイクロコンピュータは、コア、メモリ、Ａ／Ｄ変換回路及び通信ポート等の周辺装置を含んでいてもよい。また、モータ制御装置１００の一部又は全部の要素は、論理回路によって構成されていてもよい。

（モータ制御装置１００による制御の概要）
モータ制御装置１００は、指令回転数ω_ref ^*及び相電流ｉ_u，ｉ_wから、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wを生成する。ＰＷＭインバータ１０４によって、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wから、同期モータ１０２に印加するべき電圧ベクトルｖ_u，ｖ_v，ｖ_wが生成される。指令回転数ω_ref ^*は、上位制御装置からモータ制御装置１００に与えられる。指令回転数ω_ref ^*は、同期モータ１０２の回転数が追従するべき回転数を表す。

図１を参照しながら、モータ制御装置１００の動作の概要を説明する。電流センサ１０５ａ，１０５ｂによって、相電流ｉ_u，ｉ_wが検出される。起動同期運転を実行しているときは、同期制御部１３１によって、指令回転数ω_ref ^*及び相電流ｉ_u，ｉ_wから、指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*が生成される。指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*の各成分は、それぞれ３相交流座標上のＵ相電圧、Ｖ相電圧及びＷ相電圧に対応する。位置センサレス運転を実行しているときは、位置センサレス制御部１３２によって、指令回転数ω_ref ^*及び相電流ｉ_u，ｉ_wから、指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*が生成される。指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*の各成分は、それぞれ３相交流座標上のＵ相電圧、Ｖ相電圧及びＷ相電圧に対応する。起動同期運転を実行しているときは、切替部１３３によって、指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*が、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*として選択され、出力される。位置センサレス運転を実行しているときは、切替部１３３によって、指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*が、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*として選択され、出力される。デューティ生成部１０３によって、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*から、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wが生成される。デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wは、ＰＷＭインバータ１０４に入力される。このような制御により、同期モータ１０２は、回転数が指令回転数ω_ref ^*に追従するように制御される。

以下では、ｄ−ｑ座標（第１の２相座標）に基づいてモータ制御装置１００を説明することがある。また、α−β座標（第２の２相座標）に基づいてモータ制御装置１００を説明することもある。図２に、ｄ−ｑ座標及びα−β座標を示す。α−β座標は、固定座標である。α−β座標は、静止座標とも交流座標とも称される。α軸は、Ｕ軸（図２では省略）と同一方向に延びる軸として設定される。ｄ−ｑ座標は、回転座標である。θは、Ｕ軸からみたｄ軸の進み角である。θは、ロータ位置とも称される。

（同期制御部１３１による制御の概要）
同期制御部１３１は、モータ磁束の位相によらず、同期モータ１０２を起動させるのに必要な同期電流を同期モータ１０２に供給する起動同期運転を実行する。

図３に示すように、同期制御部１３１は、同期電流指令部１２４、電圧指令演算部（第１の電圧指令演算部）１２５、ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部（第１の２相３相座標変換部）１２６、ｕ，ｗ／ｄ，ｑ変換部（第１の３相２相座標変換部）１２７及び積分器１２８を備えている。

同期制御部１３１では、積分器１２８によって、指令回転数ω_ref ^*からロータ位置θが特定される。ロータ位置θは、同期モータ１０２のロータの位置を表す。ロータ位置θは、モータ磁束の位相に対応する。ｕ，ｗ／ｄ，ｑ変換部１２７によって、相電流ｉ_u，ｉ_wが軸電流ｉ_d，ｉ_q（第１の軸電流）に変換される。この変換では、ロータ位置θが用いられる。軸電流ｉ_d，ｉ_qは、同期モータ１０２のｄ−ｑ座標上におけるｄ軸電流ｉ_d及びｑ軸電流ｉ_qをまとめて記載したものである。同期電流指令部１２４によって、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*が生成される。指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*は、軸電流ｉ_d，ｉ_qが追従するべき軸電流である。指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*は、同期モータ１０２のｄ−ｑ座標上におけるｄ軸指令軸電流ｉ_d ^*及びｑ軸指令軸電流ｉ_q ^*をまとめて記載したものである。電圧指令演算部１２５によって、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*及び軸電流ｉ_d，ｉ_qから、指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*（第１の軸電圧）を生成する。指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*は、同期モータ１０２のｄ−ｑ座標上におけるｄ軸指令電圧ｖ_d ^*及びｑ軸指令電圧ｖ_q ^*をまとめて記載したものである。ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部１２６によって、指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*が指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*に変換される。この変換では、ロータ位置θが用いられる。起動同期運転においては、このような制御により、回転数が指令回転数ω_ref ^*に追従し、軸電流ｉ_d，ｉ_qが指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*に追従する。

（位置センサレス制御部１３２による制御の概要）
位置センサレス制御部１３２は、モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように指令振幅を設定する位置センサレス運転を実行する。位置センサレス運転は、磁束演算部（磁束推定部）で推定されたモータ磁束の位相を参照しながら実行される。目標振幅は、モータ磁束の振幅が最終的に到達するべき振幅である。指令振幅は、モータ磁束の振幅が追従するべき振幅である。

図４に示すように、位置センサレス制御部１３２は、ｕ，ｗ／α，β変換部（第２の３相２相座標変換部）１０６、電圧指令演算部（第２の電圧指令演算部）１０７、磁束演算部（磁束推定部）１０８、トルク演算部１０９、速度・位置演算部１１０、トルク指令演算部１２１、トルク偏差演算部１１１、振幅指令生成部１２２、振幅指令修正部１２３、磁束指令演算部１１２、α軸磁束偏差演算部１１３ａ、β軸磁束偏差演算部１１３ｂ及びα，β／ｕ，ｖ，ｗ変換部（第２の２相３相座標変換部）１１４を備えている。

位置センサレス制御部１３２では、ｕ，ｗ／α，β変換部１０６によって、相電流ｉ_u，ｉ_wが、軸電流ｉ_α，ｉ_β（第２の軸電流）に変換される。軸電流ｉ_α，ｉ_βは、同期モータ１０２のα−β座標上におけるα軸電流ｉ_α及びβ軸電流ｉ_βをまとめて記載したものである。磁束演算部１０８によって、モータ磁束が推定される（推定磁束Ψ_sが求められる）。推定磁束Ψ_sのα軸成分及びβ軸成分をそれぞれ推定磁束Ψ_α，Ψ_βと記載する。速度・位置演算部１１０によって、推定磁束Ψ_sから、同期モータ１０２の回転数及びモータ磁束の位相が推定される（推定回転数ω_r及び推定磁束Ψ_sの位相θ_sが求められる）。トルク演算部１０９によって、推定磁束Ψ_s及び軸電流ｉ_α，ｉ_βから、モータトルクが推定される（推定トルクＴ_eが求められる）。トルク指令演算部１２１によって、推定回転数ω_r及び指令回転数ω_ref ^*から、指令トルクＴ_e ^*が生成される。指令トルクＴ_e ^*は、モータトルクが追従するべきトルクを表す。振幅指令生成部１２２によって、指令トルクＴ_e ^*から指令振幅｜Ψ_s ^*｜が生成される。振幅指令修正部１２３によって、指令振幅｜Ψ_s ^*｜が指令振幅｜Ψ_s ^**｜に修正される。トルク偏差演算部１１１によって、推定トルクＴ_eと指令トルクＴ_e ^*との偏差（トルク偏差）ΔＴが求められる。磁束指令演算部１１２によって、指令振幅｜Ψ_s ^**｜、トルク偏差ΔＴ及び位相θ_sから、指令磁束ベクトルΨ_s ^*が求められる。指令磁束ベクトルΨ_s ^*のα軸成分及びβ軸成分を、それぞれα軸指令振幅Ψ_α ^*、β軸指令振幅Ψ_β ^*と記載する。α軸磁束偏差演算部１１３ａによって、α軸指令振幅Ψ_α ^*と推定磁束Ψ_αとの偏差（磁束偏差）ΔΨ_αが求められる。β軸磁束偏差演算部１１３ｂによって、β軸指令振幅Ψ_β ^*と推定磁束Ψ_βとの偏差（磁束偏差）ΔΨ_βが求められる。電圧指令演算部１０７によって、磁束偏差ΔΨ_α，ΔΨ_β及び軸電流ｉ_α，ｉ_βから、指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*（第２の軸電圧）が求められる。指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*は、同期モータ１０２のα−β座標上におけるα軸指令電圧ｖ_α ^*及びβ軸指令電圧ｖ_β ^*をまとめて記載したものである。α，β／ｕ，ｖ，ｗ変換部１１４によって、指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*が、指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*に変換される。

位置センサレス運転においては、このような制御により、回転数が指令回転数ω_ref ^*に追従し、モータトルクが指令トルクＴ_e ^*に追従し、モータ磁束の振幅が指令振幅｜Ψ_s ^**｜に追従し、モータ磁束が指令磁束ベクトルΨ_s ^*に追従する。また、モータ磁束の振幅が、最終的に指令振幅｜Ψ_s ^*｜へと収束する。上述のように、「位置センサレス制御部１３２は、モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように、指令振幅を設定する位置センサレス運転を実行する」と表現する場合、「目標振幅」は、指令振幅｜Ψ_s ^*｜に対応する。これを考慮して、以下では、指令振幅｜Ψ_s ^*｜を目標振幅｜Ψ_s ^*｜と称することがある。また、このように表現する場合、「指令振幅」は、指令振幅｜Ψ_s ^**｜に対応する。

位置センサレス運転を実行しているときは、図４に示すように、磁束演算部１０８を用いて、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*から、推定磁束Ψ_sを求める。また、起動同期運転を実行しているときは、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*に基づいて、磁束演算部１０８を用いて、推定磁束Ψ_sを求める。具体的には、図５に示すように、ｕ，ｖ，ｗ／α，β変換部（第３の２相３相座標変換部）１５０を用いて、指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*を、参照用軸電圧ｖ_α’，ｖ_β’に変換する。その後、磁束演算部１０８によって、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び参照用軸電圧ｖ_α’，ｖ_β’から、推定磁束Ψ_sを求める。

「同期電流を同期モータ１０２に供給する起動同期運転」は、起動同期運転において指令軸電流を用いることが必須であることを趣旨とする表現ではない。指令軸電流を用いずに起動同期運転を実行することもできる。例えば、指令軸電圧を用いればよい。この場合の起動同期運転の詳細は、当業者にとって自明であるため、説明を省略する。要するに、本実施形態の起動同期運転では、指令トルクＴ_e ^*ではない指令が用いられる。そして、位置センサレス運転へと切り替わると、指令トルクＴ_e ^*を用いた制御が開始される。

本明細書では、軸電流ｉ_d，ｉ_qは、実際に同期モータ１０２を流れる電流ではなく、情報として伝達される電流値を意味する。指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*、指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*、指令回転数ω_ref ^*、ロータ位置θ及び指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*も情報として伝達される値を意味する。軸電流ｉ_α，ｉ_β、指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*、推定磁束Ψ_s、位相θ_s、推定トルクＴ_e、指令トルクＴ_e ^*、指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）、指令振幅｜Ψ_s ^**｜、指令磁束ベクトルΨ_s ^*、指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*等も同様である。

図３に示す同期制御部１３１の構成要素について、以下で説明する。

（積分器１２８）
積分器１２８は、指令回転数ω_ref ^*を取得し、指令回転数ω_ref ^*を積算（積分）する。このようにして、積分器１２８は、ロータ位置θを求める。具体的に、積分器１２８は、式（１）によりロータ位置θを計算する。ｓは、ラプラス演算子である。積分器１２８は、公知の積分器である。

（ｕ，ｗ／ｄ，ｑ変換部１２７）
ｕ，ｗ／ｄ，ｑ変換部１２７は、ロータ位置θを取得し、ロータ位置θを用いて相電流ｉ_u，ｉ_wを軸電流ｉ_d，ｉ_qに変換する。具体的に、ｕ，ｗ／ｄ，ｑ変換部１２７は、式（２）及び（３）により相電流ｉ_u，ｉ_wを軸電流ｉ_d，ｉ_qに変換して、軸電流ｉ_d，ｉ_qを出力する。

（同期電流指令部１２４）
同期電流指令部１２４は、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を生成し、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を出力する。指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*は、同期モータ１０２に供給するべき同期電流に対応する。本実施形態では、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*は、予め定められた電流である。また、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*は、大きさが一定の電流である。本実施形態では、ｄ軸指令軸電流ｉ_d ^*はゼロである。具体的に、同期電流指令部１２４は、式（４）により指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を生成し、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を出力する。

（電圧指令演算部１２５）
電圧指令演算部１２５は、軸電流ｉ_d，ｉ_q及び指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*から、指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*を生成する。指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*は、軸電流ｉ_d，ｉ_qが指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*に追従するように特定される。具体的に、電圧指令演算部１２５は、式（５）及び（６）により指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*を生成し、出力する。式（５）及び（６）におけるＫ_cdP及びＫ_cqPは比例ゲインである。Ｋ_cdI及びＫ_cqIは積分ゲインである。電圧指令演算部１２５は、公知のＰＩ補償器である。

（ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部１２６）
ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部１２６は、ロータ位置θを用いて、指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*を指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*に変換する。具体的に、ｄ，ｑ／ｕ，ｖ，ｗ変換部１２６は、式（７）により指令軸電圧ｖ_d ^*，ｖ_q ^*を指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*に変換して、指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*を出力する。

なお、積分器１２８によって指令回転数ω_ref ^*を積算する以外の方法でロータ位置θが得られるように、同期制御部１３１を構成することもできる。ロータ位置θは、外部から与えられる値であってもよい。例えば、上位制御装置から、ロータ位置θを同期制御部１３１に与えることができる。

図４に示す位置センサレス制御部１３２の構成要素について、以下で説明する。

（ｕ，ｗ／α，β変換部１０６）
ｕ，ｗ／α，β変換部１０６は、相電流ｉ_u，ｉ_wを軸電流ｉ_α，ｉ_βに変換する。具体的に、ｕ，ｗ／α，β変換部１０６は、式（８）、（９）により、相電流ｉ_u，ｉ_wを軸電流ｉ_α，ｉ_βに変換して、軸電流ｉ_α，ｉ_βを出力する。

（磁束演算部１０８）
磁束演算部１０８は、位置センサレス運転を実行しているときは、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*から、推定磁束Ψ_s（推定磁束Ψ_α，Ψ_β）を求める。具体的に、磁束演算部１０８は、式（１０）、（１１）及び（１２）を用いて、推定磁束Ψ_α，Ψ_β、及び推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜を求める。式（１０）及び（１１）におけるΨ_α|t=0、Ψ_β|t=0は、それぞれ推定磁束Ψ_α，Ψ_βの初期値である。式（１０）及び（１１）におけるＲは、同期モータ１０２の巻線抵抗である。磁束演算部１０８がＤＳＰ、マイクロコンピュータ等のディジタル制御装置に組み込まれている場合は、式（１０）及び（１１）における演算のために必要となる積分器は離散系で構成され得る。この場合には、１制御周期前における推定磁束Ψ_α，Ψ_βに、現在の制御周期に由来する値を加減算すればよい。

磁束演算部１０８は、起動同期運転を実行しているときにも用いられる。この場合、磁束演算部１０８は、ｕ，ｖ，ｗ／α，β変換部１５０（図５）と協働して、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*に基づいて、推定磁束Ψ_α，Ψ_βを求める。具体的には、ｕ，ｖ，ｗ／α，β変換部１５０は、式（１３）及び（１４）を用いて、指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*を参照用軸電圧ｖ_α’，ｖ_β’に変換する。磁束演算部１０８は、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び参照用軸電圧ｖ_α’，ｖ_β’から、推定磁束Ψ_α，Ψ_βを求める。推定磁束Ψ_α，Ψ_βを求める際には、式（１０）及び（１１）の指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*が参照用軸電圧ｖ_α’，ｖ_β’に置き換えられた式が用いられる。軸電流ｉ_α，ｉ_βは、位置センサレス運転を実行しているときと同様、電流センサ１０５ａ，１０５ｂ及びｕ，ｗ／α，β変換部１０６から特定される。

（トルク演算部１０９）
トルク演算部１０９は、軸電流ｉ_α，ｉ_β及び推定磁束Ψ_s（推定磁束Ψ_α，Ψ_β）から推定トルクＴ_eを求める。具体的に、トルク演算部１０９は、式（１５）を用いて、推定トルクＴ_eを求める。式（１５）におけるＰ_nは、同期モータ１０２の極対数である。

（速度・位置演算部１１０）
速度・位置演算部１１０は、推定磁束Ψ_s（推定磁束Ψ_α，Ψ_β）から推定磁束Ψ_sの位相θ_sを求める。具体的に、速度・位置演算部１１０は、式（１６）により、推定磁束Ψ_sの位相θ_sを求める。また、速度・位置演算部１１０は、現在の制御周期において求めた位相θ_s（ｎ）と、前回の制御周期において求めた位相θ_s（ｎ−１）とを用いて、式（１７）により、推定回転数ω_rを求める。速度・位置演算部１１０は、公知の位相推定器である。ここで、Ｔ_sは本制御における制御周期（サンプリング周期）を意味する。ｎは、タイムステップである。

（トルク指令演算部１２１）
トルク指令演算部１２１は、指令回転数ω_ref ^*及び推定回転数ω_rから、指令トルクＴ_e ^*を求める。具体的に、トルク指令演算部１２１は、式（１８）により、指令トルクＴ_e ^*を求める。式（１８）におけるＫ_sPは比例ゲインである。Ｋ_sIは積分ゲインである。トルク指令演算部１２１は、公知のＰＩ補償器である。

（振幅指令生成部１２２）
振幅指令生成部１２２は、指令トルクＴ_e ^*から、指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）を求める。振幅指令生成部１２２は、ルックアップテーブル、計算式（近似式）が格納された演算子等を用いて構成できる。ルックアップテーブルを用いる場合、指令トルクＴ_e ^*と目標振幅｜Ψ_s ^*｜との対応関係を表すルックアップテーブルを事前に準備すればよい。演算子における計算式も、事前に準備できる。このようなルックアップテーブル及び計算式は、予め行った測定データ又は理論に基づいて設定できる。目標振幅｜Ψ_s ^*｜の具体的な特定方法は、公知の文献（武田洋次、森本茂雄、松井信行、本田幸夫、「埋込磁石同期モータの設計と制御」、株式会社オーム社、２００１年１０月２５日発行、等）を参照することにより理解され得る。本実施形態では、最小の電流で最大のトルクを発生できる最大トルク／電流制御（ＭＴＰＡ）を満たすトルクと磁束との関係を利用する。

（振幅指令修正部１２３）
振幅指令修正部１２３は、指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）を、指令振幅｜Ψ_s ^**｜に修正する。振幅指令修正部１２３は、遅延フィルタである。本実施形態では、振幅指令修正部１２３は、積分器として機能する１次のローパスフィルタである。振幅指令修正部１２３は、式（１９）により、指令振幅｜Ψ_s ^**｜を求める。式（１９）におけるｇは、カットオフ周波数である。

（トルク偏差演算部１１１）
トルク偏差演算部１１１は、指令トルクＴ_e ^*と推定トルクＴ_eとの偏差（トルク偏差ΔＴ：Ｔ_e ^*−Ｔ_e）を求める。トルク偏差演算部１１１としては、公知の演算子を用いればよい。

（磁束指令演算部１１２）
磁束指令演算部１１２は、指令振幅｜Ψ_s ^**｜、トルク偏差ΔＴ及び位相θ_sから、指令磁束ベクトルΨ_s ^*（指令振幅Ψ_α ^*，Ψ_β ^*）を求める。具体的には、式（２０）により、モータ磁束の回転量Δθ_sを求める。式（２１）を用いて、指令磁束ベクトルΨ_s ^*の位相θ_s ^*を求める。式（２２）及び（２３）を用いて、指令振幅Ψ_α ^*，Ψ_β ^*を求める。式（２０）におけるＫ_θPは比例ゲインである。Ｋ_θIは積分ゲインである。磁束指令演算部１１２は、トルク偏差ΔＴをゼロに近づける。この点で、磁束指令演算部１１２は、トルクの補償機構を構成するともいえる。磁束指令演算部１１２がＤＳＰ、マイクロコンピュータ等のディジタル制御装置に組み込まれている場合は、式（２０）における演算のために必要となる積分器は離散系で構成され得る。

（α軸磁束偏差演算部１１３ａ、β軸磁束偏差演算部１１３ｂ）
α軸磁束偏差演算部１１３ａは、指令振幅Ψ_α ^*と推定磁束Ψ_αを取得し、これらの偏差（磁束偏差ΔΨ_α：Ψ_α ^*−Ψ_α）を求める。β軸磁束偏差演算部１１３ｂは、指令振幅Ψ_β ^*と推定磁束Ψ_βを取得し、これらの偏差（磁束偏差ΔΨ_β：Ψ_β ^*−Ψ_β）を求める。磁束偏差演算部１１３ａ，１１３ｂとしては、公知の演算子を用いればよい。

（電圧指令演算部１０７）
電圧指令演算部１０７は、磁束偏差ΔΨ_α，ΔΨ_β及び軸電流ｉ_α，ｉ_βから、指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*を求める。具体的に、電圧指令演算部１０７は、式（２４）を用いて、α軸指令電圧ｖ_α ^*を求める。また、電圧指令演算部１０７は、式（２５）を用いて、β軸指令電圧ｖ_β ^*を求める。

（α，β／ｕ，ｖ，ｗ変換部１１４）
α，β／ｕ，ｖ，ｗ変換部１１４は、指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*を、指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*に変換する。具体的に、α，β／ｕ，ｖ，ｗ変換部１１４は、式（２６）により、指令軸電圧ｖ_α ^*，ｖ_β ^*を指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*に変換して、指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*を出力する。

図１に戻って、モータ制御装置１００の残りの構成要素及びモータ制御装置１００に接続される構成要素について、以下で説明する。

（第１電流センサ１０５ａ、第２電流センサ１０５ｂ）
第１電流センサ１０５ａ及び第２電流センサ１０５ｂとして、公知の電流センサを用いることができる。本実施形態では、第１電流センサ１０５ａは、ｕ相を流れる相電流ｉ_uを測定するように設けられている。第２電流センサ１０５ｂは、ｗ相を流れる相電流ｉ_wを測定するように設けられている。ただし、第１電流センサ１０５ａ及び第２電流センサ１０５ｂは、ｕ相及びｗ相の２相以外の組み合わせの２相の電流を測定するように設けられていてもよい。

（切替部１３３）
切替部１３３は、指令電圧ベクトルｖ_1u ^*，ｖ_1v ^*，ｖ_1w ^*及び指令電圧ベクトルｖ_2u ^*，ｖ_2v ^*，ｖ_2w ^*の一方を選択し、選択した一方を指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*として出力する。つまり、切替部１３３は、起動同期運転から位置センサレス運転への切り替えを制御する。切替部１３３は、例えばアナログスイッチ、マルチプレクサ等である。図６に、切替部１３３の構成図を示す。

（デューティ生成部１０３）
デューティ生成部１０３は、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*から、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wを生成する。本実施形態では、デューティ生成部１０３は、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*の各成分を、各相のデューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wに変換する。デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wの生成方法としては、一般的な電圧形ＰＷＭインバータに用いられる方法を用いればよい。例えば、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wは、指令電圧ベクトルｖ_u ^*，ｖ_v ^*，ｖ_w ^*を、直流電源１１８（図７）の電圧値Ｖ_dcの半分の値で除すことにより求めてもよい。この場合、デューティＤ_uは、２×ｖ_u ^*／Ｖ_dcである。デューティＤ_vは、２×ｖ_v ^*／Ｖ_dcである。デューティＤ_wは、２×ｖ_w ^*／Ｖ_dcである。デューティ生成部１０３は、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wを出力する。

（ＰＷＭインバータ１０４）
図７に示すように、ＰＷＭインバータ１０４は、スイッチング素子１１９ａ，１１９ｂ，１１９ｃ，１１９ｄ，１１９ｅ，１１９ｆ及び還流ダイオード１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ，１２０ｆが対になった変換回路、ベースドライバ１１６、平滑コンデンサ１１７及び直流電源１１８を含む。直流電源１１８は、ダイオードブリッジ等によって整流された出力を表す。なお、本明細書では、変換回路及び平滑コンデンサ１１７を併せた構成をインバータと記載する。

ＰＷＭインバータ１０４は、ＰＷＭ制御によって同期モータ１０２に電圧ベクトルを印加する。具体的には、同期モータ１０２への給電は、スイッチング素子１１９ａ〜１１９ｆを介して、直流電源１１８から行われる。より具体的には、まず、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wがベースドライバ１１６に入力される。次に、デューティＤ_u，Ｄ_v，Ｄ_wがスイッチング素子１１９ａ〜１１９ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換される。次に、ドライブ信号に従って各スイッチング素子１１９ａ〜１１９ｆが動作する。

本実施形態では、ＰＷＭインバータ１０４は、スイッチング素子１１９ａ〜１１９ｆを用いた３相スイッチング回路である。スイッチング素子１１９ａ〜１１９ｆとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）及びＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が挙げられる。

（同期モータ１０２）
同期モータ１０２は、モータ制御装置１００の制御対象である。同期モータ１０２には、ＰＷＭインバータ１０４によって、電圧ベクトルが印加される。「同期モータ１０２に電圧ベクトルが印加される」とは、同期モータ１０２における３相交流座標上の３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各々に電圧が印加されることを指す。本実施形態では、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各々が、相対的に高電圧を有する高電圧相と、相対的に低電圧を有する低電圧相との２種類から選択されるいずれかとなるように、同期モータ１０２が制御される。

同期モータ１０２は、例えば、永久磁石同期モータである。永久磁石同期モータとしては、ＩＰＭＳＭ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）及びＳＰＭＳＭ（Surface Permanent Magnet Synchronous Motor）が挙げられる。ＩＰＭＳＭは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとが相違する突極性（一般には、Ｌｑ＞Ｌｄの逆突極性）を有し、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも利用できる。このため、ＩＰＭＳＭの駆動効率は極めて高い。同期モータ１０２としては、シンクロナスリラクタンスモータを用いることもできる。

（モータ制御装置１００による同期モータ１０２の起動方法及びその効果）
モータ制御装置１００による同期モータ１０２の起動方法及びその効果を、図８を参照しながら説明する。図８において、第１期間は、同期モータ１０２の起動時点を含む期間である。第２期間は、第１期間に続く期間である。第１期間において、起動同期運転を実行する。第２期間において、位置センサレス運転を実行する。以下の説明では、起動同期運転から位置センサレス運転に切り替わる時点を運転モードの切り替え時と称する。図８では、運転モードの切り替え時は、第１期間から第２期間に切り替わる時点に相当する。

第１期間において、モータ磁束を推定しながら、起動同期運転を実行する。ただし、起動同期運転では、推定されたモータ磁束の位相は参照されない。起動同期運転では、指令回転数ω_ref ^*を徐々に増加させる。これに伴い、同期モータ１０２の回転数は、徐々に増加し、位置センサレス運転を実行できる回転数に到達する。同期モータ１０２のモータ磁束の振幅も、徐々に増加し、最高振幅Ψ１に到達する。最高振幅Ψ１は、起動同期運転が実行される期間におけるモータ磁束の最大の振幅である。

同期モータ１０２の回転数が位置センサレス運転を実行できる回転数に到達した後に、起動同期運転から位置センサレス運転に切り替わる。つまり、第２期間が始まる。第２期間は、例えば、同期モータ１０２の回転数が閾値回転数となったときに開始すればよい。閾値回転数は、磁束演算部１０８が位置センサレス運転に支障をきたさない程度に高い精度でモータ磁束を推定できる回転数に設定すればよい。閾値回転数は、例えば、定格回転数の数分の１から数十分の１程度とすればよい。

位置センサレス運転は、第１期間において推定されたモータ磁束を用いて開始される。具体的に、第２期間の開始時点において、指令振幅｜Ψ_s ^**｜を第１期間の終了時点における推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜（本実施形態では、振幅Ψ１）に設定する。つまり、振幅指令修正部１２３において、指令振幅｜Ψ_s ^**｜の初期値｜Ψ_s ^**（ｔ＝０）｜が、式（２７）のように設定される。

位置センサレス運転においても、モータ磁束を推定する。位置センサレス運転では、モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように、モータ振幅が追従するべき指令振幅を定める。位置センサレス運転では、推定されたモータ磁束の位相が参照される。

本実施形態では、振幅指令生成部１２２は、振幅Ψ２を、目標振幅｜Ψ_s ^*｜として出力し続ける。振幅Ψ２は、ＭＴＰＡ制御に由来するため、相対的に小さい。振幅指令修正部１２３には、振幅Ψ２が入力され続ける。運転モードの切り替え時において、振幅指令修正部１２３における指令振幅｜Ψ_s ^**｜の初期値は、振幅Ψ１に設定される。振幅Ψ１は、起動同期運転に由来するため、相対的に大きい。つまり、第２期間の開始時点において、振幅指令修正部１２３に相対的に小さい振幅Ψ２が入力され、振幅指令修正部１２３から相対的に大きい振幅Ψ１が指令振幅｜Ψ_s ^**｜として出力される。第２期間の開始時点以降において、振幅指令修正部１２３の出力は、入力振幅Ψ２に近づく。ただし、振幅指令修正部１２３はローパスフィルタ（積分器）であるため、指令振幅｜Ψ_s ^**｜は、振幅Ψ１から振幅Ψ２へと徐々に減少する（図８）。図８から理解されるように、この例では、運転モードの切り替え時からモータ磁束の振幅が振幅Ψ２へと収束するまでの期間において、モータ磁束の振幅が時間微分可能な態様で変化する。

振幅指令修正部１２３に基づく効果を、図９Ａ〜１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａ及び１０Ｂは、モータ制御装置１００を用いた場合のシミュレーション結果を表す。図９Ａ及び９Ｂは、モータ制御装置１００から振幅指令修正部１２３を取り除いた場合（従来例）のシミュレーション結果を表す。図９Ａ〜１０Ｂの上から１段目は、軸電流ｉ_α，ｉ_βの時間変化を表す。２段目は、軸電圧ｖ_α，ｖ_βの時間変化を表す。３段目は、目標振幅｜Ψ_s ^*｜及び推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜の時間変化を表す。４段目は、推定磁束Ψ_sの位相θ_sの時間変化を表す。このシミュレーションでは、０．４８ｓ付近で、起動同期運転を位置センサレス運転に切り替えている。

図９Ａ及び９Ｂから、振幅指令修正部１２３を用いない場合には、１０Ｖ以上のサージ電圧が発生していることが分かる。これに対し、図１０Ａ及び図１０Ｂから、振幅指令修正部１２３を用いた場合には、電圧変動が２Ｖ程度に抑制されていることが分かる。図９Ａ〜１０Ｂの１段目から、振幅指令修正部１２３を用いた場合には、起動同期運転から位置センサレス運転への運転モードの切り替えに伴う電流変動も抑制されていることが把握され、トルク脈動が抑制され得ることが理解される。

本実施形態では、運転モードの切り替え時においてモータ磁束の振幅と目標振幅との差よりもモータ磁束の振幅と指令振幅との差が小さくなるように指令振幅を設定し、その後、指令振幅を目標振幅に連続的に接近させる。これにより、切替部による運転モードの切り替えに伴うサージ電圧が抑制される。具体的に、運転モードの切り替え時において、指令振幅｜Ψ_s ^**｜を運転モードの切り替え時における推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜に設定している。つまり、運転モードの切り替え時において、指令振幅｜Ψ_s ^**｜も推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜もΨ１＝３．８Ｗｂとなり、これらの差は実質的にゼロとなる。このため、従来のモータ制御装置とは異なり、指令振幅と起動同期運転で推定されたモータ磁束の振幅との差（仮の振幅偏差）が大きいことに伴う電圧サージは発生し難い。また、図１０Ａ及び図１０Ｂから分かるように、振幅指令修正部１２３がローパスフィルタであることにより、第２期間においてモータ磁束が収束するまでに長い時間をかけることができる。このことも、電圧サージの発生を抑制する。振幅指令修正部１２３を省略した場合（図９Ａ及び９Ｂ）に比べて振幅指令修正部１２３を用いた場合（図１０Ａ及び１０Ｂ）に電圧サージが大幅に抑制されているのは、これらの作用によるものであると考えられる。なお、運転モードの切り替え時においてモータ磁束の振幅と目標振幅との差よりもモータ磁束の振幅と指令振幅との差が小さくなるように指令振幅を設定し、その後、指令振幅を目標振幅に段階的に接近させてもよい。

ローパスフィルタに代えて、重み関数に基づくフィルタ等の別の遅延フィルタを用いてもよい。重み関数に基づくフィルタも、時間が経過するに従って、指令振幅｜Ψ_s ^**｜の時間変化率が線形的に減少するように構成されうる。また、運転モードの切り替え時において、指令振幅｜Ψ_s ^**｜を、運転モードの切り替え時における推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜まで上げきらなくてもよい。要するに、振幅指令修正部１２３は、運転モードの切り替え時においてモータ磁束の振幅と目標振幅との差よりもモータ磁束の振幅と指令振幅との差が小さくなるように指令振幅を設定し、その後、指令振幅を目標振幅に漸次接近させる遅延フィルタでありうる。

（第２の実施形態）
以下、本発明における第２の実施形態のモータ制御装置について説明する。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の部分については同一符号を付し、説明を省略する。

図１１に示すモータ制御装置２００は、同期制御部１３１及び位置センサレス制御部１３２の代わりに、同期制御部２３１及び位置センサレス制御部２３２を有している。

（位置センサレス制御部２３２）
位置センサレス制御部２３２は、図１２に示すように、振幅指令修正部１２３を有さない。このため、磁束指令演算部１１２は、指令振幅｜Ψ_s ^**｜の代わりに、指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）を用いる。位置センサレス制御部２３２は、位置センサレス運転の開始直後から、モータ磁束の振幅を目標振幅｜Ψ_s ^*｜に追従させるよう動作する。「位置センサレス制御部２３２は、モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように、指令振幅を設定する位置センサレス運転を実行する」と表現した場合、「指令振幅」は「目標振幅」と同じであり、これらの両方が指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）に対応することになる。位置センサレス制御部２３２は、起動同期運転が実行されている期間においても、指令振幅｜Ψ_s ^*｜を求める。

（同期制御部２３１）
同期制御部２３１は、図１３に示すように、同期電流指令部１２４の代わりに、同期電流指令部２２４を有している。同期電流指令部２２４は、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を出力する。指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*は、第１の実施形態とは異なる方法で生成される（図１４参照）。

起動同期運転から位置センサレス運転への切り替え方を、図１４を参照しながら説明する。

ステップＳ１０１は、指令軸電流ｉ_d ^*，ｉ_q ^*を初期値に設定するステップである。本実施形態では、ステップＳ１０１において、ｄ軸指令軸電流ｉ_d ^*をゼロに、ｑ軸指令軸電流ｉ_q ^*をＩ_{q_douki}に、それぞれ設定する。

ステップＳ１０２は、指令回転数ω_ref ^*を取得するステップである。

ステップＳ１０３は、指令回転数ω_ref ^*が閾値回転数以上であるか否かを判断するステップである。ステップＳ１０３において、指令回転数ω_ref ^*が閾値回転数以上であると判断されると、ステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０３において、指令回転数ω_ref ^*が閾値回転数未満であると判断されると、ステップＳ１０２に戻る。起動同期運転の初期では、指令回転数ω_ref ^*がゼロから徐々に増加する。ステップＳ１０２及びステップＳ１０３は、指令回転数ω_ref ^*が閾値回転数に到達するまで繰り返される。閾値回転数は、磁束演算部１０８が位置センサレス運転に支障をきたさない程度に高い精度でモータ磁束を推定できる回転数に設定される。閾値回転数は、例えば、定格回転数の数分の１から数十分の１程度とすればよい。

ステップＳ１０４は、指令振幅｜Ψ_s ^*｜を取得するステップである。

ステップＳ１０５は、推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜を取得するステップである。

ステップＳ１０６は、指令振幅｜Ψ_s ^*｜と絶対値｜Ψ_s｜との差（振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜）が許容値よりも小さいか否かを判断するステップである。ステップＳ１０６において、振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜が許容値よりも小さいと判断されると、起動同期運転から位置センサレス運転へと切り替わる。ステップＳ１０６において、振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜が許容値以上であると判断されると、指令軸電流ｉ_q ^*を減少させ（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０４に戻る。振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜が許容値未満となるまでは、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７が繰り返され、指令軸電流ｉ_q ^*及び絶対値｜Ψ_s｜が徐々に減少する。

本実施形態の起動同期運転では、推定磁束Ψ_sのみならず、指令振幅｜Ψ_s ^*｜の演算も必要である。本実施形態では、図５を用いて説明したように推定磁束Ψ_sが求められる。トルク制御部１０９によって、推定磁束Ψ_sと軸電流ｉ_α，ｉ_βとから、推定トルクＴ_eが求められる。振幅指令生成部１２２によって、指令トルクＴ_e ^*ではなく推定トルクＴ_eから指令振幅｜Ψ_s ^*｜が生成される。

なお、図１４に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０７に基づく動作は、図示している何れの要素に担当させてもよく、図示していない別途の要素により担当させてもよい。これらの動作は、例えば、切替部１３３に担当させることができる。

（モータ制御装置２００による同期モータ１０２の起動方法及びその効果）
モータ制御装置２００による同期モータ１０２の起動方法及びその効果を、図１５を参照しながら説明する。図１５において、第１期間は、同期モータ１０２の起動時点を含む期間である。第２期間は、第１期間に続く期間である。第１期間において、起動同期運転を実行する。第２期間において、位置センサレス運転を実行する。

第１期間において、モータ磁束を推定しながら、起動同期運転を実行する。ただし、第１期間では、推定されたモータ磁束の位相は参照されない。起動同期運転では、指令回転数ω_ref ^*及び同期モータ１０２の回転数を徐々に増加させ、閾値回転数に到達させる。同期モータ１０２のモータ磁束の振幅（推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜）は、徐々に増加し、最高振幅Ψ１に到達する。

指令回転数ω_ref ^*が閾値回転数に到達したときに振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜が許容値以上である場合、振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜が許容値未満となるまで、ｑ軸指令軸電流ｉ_q ^*が徐々に減少する。

振幅偏差｜Ψ_s｜−｜Ψ_s ^*｜が許容値未満となったとき、位置センサレス運転が開始される。つまり、第２期間が始まる。振幅指令生成部１２２は、ＭＴＰＡ制御を実行する。このため、振幅指令生成部１２２から、指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）として、相対的に小さい振幅Ψ２が出力される。本実施形態では、振幅Ψ２が、そのまま磁束指令演算部１１２に入力される。このため、モータ磁束の振幅は、第２期間の開始直後に振幅Ψ２へと減少する。

図１５に示す例では、モータ磁束は、時間ｔ_pかけて振幅Ψ１から振幅Ψ３へと徐々に減少する。ｔ_pは、数十ｍｓから数百ｍｓ程度である。図１５から理解されるように、この例では、モータ磁束が振幅Ψ１から振幅Ψ３に減少するまでの期間において、モータ磁束は時間微分可能な態様で変化する。

振幅Ψ１まで増加したモータ磁束の振幅を運転モードの切り替え時まで維持すると、第２期間の開始直後においてモータ磁束の振幅が大幅に減少することになる。これに対し、本実施形態では、振幅Ψ１まで増加したモータ磁束の振幅を、第１期間において振幅Ψ３へと減少させる。従って、第２期間の開始直後におけるモータ磁束の振幅の減少幅が減少する。

本実施形態に基づく効果を、図１６Ａ及び１６Ｂを用いて説明する。図１６Ａ及び１６Ｂは、モータ制御装置２００を用いた場合のシミュレーション結果を表す。図１６Ａ及び１６Ｂの上から１段目は、軸電流ｉ_α，ｉ_βの時間変化を表す。２段目は、軸電圧ｖ_α，ｖ_βの時間変化を表す。３段目は、指令振幅｜Ψ_s ^*｜（目標振幅｜Ψ_s ^*｜）及び推定磁束Ψ_sの絶対値｜Ψ_s｜の時間変化を表す。４段目は、推定磁束Ψ_sの位相θ_sの時間変化を表す。このシミュレーションでは、０．３ｓ付近でｑ軸指令軸電流ｉ_q ^*の減少が始まっており、０．５６ｓ付近で起動同期運転が位置センサレス運転に切り替わっている。

図１６Ａ及び図１６Ｂから、本実施形態では、電圧変動が２Ｖ程度に抑制されていることが分かる。図１６Ａ及び図１６Ｂから、起動同期運転から位置センサレス運転への切り替えに伴う電流変動も抑制されていることが把握され、トルク脈動が抑制されることが理解される。

本実施形態では、運転モードの切り替えの前に同期電流を連続的に減少させる。これにより、モータ磁束の振幅を振幅Ψ２まで減少させる。本実施形態では、このようにして、運転モードの切り替え時におけるモータ磁束の振幅の減少幅を減少させている。このため、指令振幅と起動同期運転で推定されたモータ磁束との差（仮の振幅偏差）が大きいことに伴う電圧サージが抑制される。従来のモータ制御装置を用いた場合（図９Ａ及び９Ｂ）に比べてモータ制御装置２００を用いた場合（図１６Ａ及び１６Ｂ）に電圧サージが大幅に抑制されているのは、この作用によるものであると考えられる。なお、運転モードの切り替えの前に同期電流を段階的に減少させてもよい。

なお、第１の実施形態で説明した技術と第２実施形態で説明した技術とを組み合わせることもできる。つまり、（i）切替部による運転モードの切り替えの前に同期電流を連続的又は段階的に減少させ、かつ、（ii）切替部による運転モードの切り替え時においてモータ磁束の振幅と目標振幅との差よりもモータ磁束の振幅と指令振幅との差が小さくなるように指令振幅を設定し、その後、指令振幅を目標振幅に連続的又は段階的に接近させる、という構成を採用してもよい。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態で説明した構成以外の構成を有するモータ制御装置を用いることもできる。要するに、本開示に係るモータ制御装置は、切替部による運転モードの切り替えの前における同期電流、及び、切替部による運転モードの切り替えの後における指令振幅の少なくとも１つを調節することによって、切替部による運転モードの切り替えの前又は後において、モータ磁束の振幅と目標振幅との差を連続的又は段階的に減少させる。

本発明は、ＳＰＭＳＭ、ＩＰＭＳＭ等の同期モータに適用できる。それらの同期モータは、冷暖房装置又は給湯機に使用されたヒートポンプ式冷凍装置に適している。

１００，２００ モータ制御装置
１０２ 同期モータ
１０４ ＰＷＭインバータ
１０５ａ 第１電流センサ
１０５ｂ 第２電流センサ
１０６ ｕ，ｗ/α，β変換部
１０７ 電圧指令演算部
１０８ 磁束演算部
１０９ トルク演算部
１１０ 速度・位置演算部
１１１ トルク偏差演算部
１１２ 磁束指令演算部
１１３ａ α軸磁束偏差演算部
１１３ｂ β軸磁束偏差演算部
１１４ α，β／ｕ，v，ｗ変換部
１１６ ベースドライバ
１１７ 平滑コンデンサ
１１８ 直流電源
１１９ａ〜１１９ｆ スイッチング素子
１２０ａ〜１２０ｆ 還流ダイオード
１２１ トルク指令演算部
１２２ 振幅指令生成部
１２３ 振幅指令修正部
１２４，２２４ 同期電流指令部
１２５ 電圧指令演算部
１２６ ｄ，ｑ／ｕ，v，ｗ変換部
１２７ ｕ，ｗ／ｄ，ｑ変換部
１２８ 積分器
１３１，２３１ 同期制御部
１３２，２３２ 位置センサレス制御部
１３３ 切替部
１５０ ｕ，ｖ，ｗ／ｄ，ｑ変換部

Claims (7)

1. 同期モータの磁束であるモータ磁束を推定する磁束推定部と、
   前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、前記磁束推定部で推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転への切り替えを制御する切替部と、
   を備え、
   （i）前記切替部による運転モードの切り替えの前に前記同期電流を連続的又は段階的に減少させる、及び／又は、（ii）前記切替部による運転モードの切り替え時において前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差よりも前記モータ磁束の振幅と前記指令振幅との差が小さくなるように前記指令振幅を設定し、その後、前記指令振幅を前記目標振幅に連続的又は段階的に接近させ、
   前記位置センサレス運転が実行されている期間において、前記モータ磁束が追従するべき指令磁束ベクトルに前記モータ磁束が追従するように、前記指令磁束ベクトルと推定された前記モータ磁束との間の磁束偏差を用いて、前記同期モータに印加される電圧を制御し、
   前記位置センサレス運転の開始時において、前記磁束推定部は、新たな前記モータ磁束を推定するために用いる過去の推定された前記モータ磁束として、前記起動同期運転において推定された前記モータ磁束を用いる、モータ制御装置。
2. 前記モータ制御装置は、前記運転モードの切り替え時において前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差よりも前記モータ磁束の振幅と前記指令振幅との差が小さくなるように前記指令振幅を設定し、その後、前記指令振幅を前記目標振幅に漸次接近させる遅延フィルタを備えている、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記遅延フィルタは、ローパスフィルタ又は重み関数に基づくフィルタである、請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータ制御装置は、前記運転モードの切り替えの前に前記同期電流を連続的又は段階的に減少させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 当該モータ制御装置は、前記起動同期運転を実行する同期制御部と、前記位置センサレス運転を実行する位置センサレス制御部とを備え、
   前記同期制御部は、
   前記同期モータにおける３相交流座標上の相電流を、第１の２相座標上の第１の軸電流に変換する第１の３相２相座標変換部と、
   前記第１の軸電流から、前記同期モータに印加するべき電圧ベクトルに対応する前記第１の２相座標上の第１の軸電圧を生成する第１の電圧指令演算部と、を有し、
   前記位置センサレス制御部は、
   前記相電流を、第２の２相座標上の第２の軸電流に変換する第２の３相２相座標変換部と、
   前記第２の軸電流と、前記電圧ベクトルに対応する前記第２の２相座標上の第２の軸電圧とから、前記モータ磁束を推定する前記磁束推定部と、
   前記第２の軸電流と、推定された前記モータ磁束とから、前記モータトルクを推定するトルク演算部と、
   推定された前記モータトルクと前記モータトルクが追従するべき指令トルクとの間のトルク偏差と、推定された前記モータ磁束の位相と、前記指令振幅とから、前記モータ磁束が追従するべき前記指令磁束ベクトルを特定する磁束指令演算部と、
   前記指令磁束ベクトルと推定された前記モータ磁束との間の前記磁束偏差から、前記第２の軸電圧を特定する第２の電圧指令演算部と、を有し、
   当該モータ制御装置は、前記起動同期運転を実行している期間において、前記第２の軸電流及び前記第１の軸電圧に基づいて、前記位置センサレス制御部における前記磁束推定部を用いて、前記モータ磁束を推定するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
6. 同期モータの磁束であるモータ磁束を磁束推定部を用いて推定するステップと、
   前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転へと運転モードを切り替えるステップと、
   を含み、
   （i）前記運転モードの切り替えの前に前記同期電流を連続的又は段階的に減少させる、及び／又は、（ii）前記運転モードの切り替え時において前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差よりも前記モータ磁束の振幅と前記指令振幅との差が小さくなるように前記指令振幅を設定し、その後、前記指令振幅を前記目標振幅に連続的又は段階的に接近させ、
   前記位置センサレス運転が実行されている期間において、前記モータ磁束が追従するべき指令磁束ベクトルに前記モータ磁束が追従するように、前記指令磁束ベクトルと推定された前記モータ磁束との間の磁束偏差を用いて、前記同期モータに印加される電圧を制御し、
   前記位置センサレス運転の開始時において、前記磁束推定部は、新たな前記モータ磁束を推定するために用いる過去の推定された前記モータ磁束として、前記起動同期運転において推定された前記モータ磁束を用いる、モータ制御方法。
7. 同期モータの磁束であるモータ磁束を推定する磁束推定部と、
   前記モータ磁束の位相によらず、前記同期モータを起動させるのに必要な同期電流を前記同期モータに供給する起動同期運転から、前記磁束推定部で推定された前記モータ磁束の位相を参照しながら実行される位置センサレス運転であって、前記モータ磁束の振幅が目標振幅へと収束するように前記モータ磁束の振幅が追従するべき指令振幅を設定する位置センサレス運転への切り替えを制御する切替部と、
   を備え、
   前記切替部による運転モードの切り替えの前における前記同期電流、及び、前記切替部による運転モードの切り替えの後における前記指令振幅の少なくとも１つを調節することによって、前記切替部による運転モードの切り替えの前又は後において、前記モータ磁束の振幅と前記目標振幅との差を連続的又は段階的に減少させ、
   前記位置センサレス運転が実行されている期間において、前記モータ磁束が追従するべき指令磁束ベクトルに前記モータ磁束が追従するように、前記指令磁束ベクトルと推定された前記モータ磁束との間の磁束偏差を用いて、前記同期モータに印加される電圧を制御し、
   前記位置センサレス運転の開始時において、前記磁束推定部は、新たな前記モータ磁束を推定するために用いる過去の推定された前記モータ磁束として、前記起動同期運転において推定された前記モータ磁束を用いる、モータ制御装置。

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