JP2001069784A - 同期モータ制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータが通電しないで回転している状態にあ
る同期モータの電気角をセンサレスで検出するととも
に、速やかに通電可能な状態にする。 【解決手段】 三相同期モータのＵ，Ｖ，Ｗ相を短絡さ
せた際に、ロータの回転中に生じる誘導起電圧によって
各相に流れる電流を検出し、該電流値と電気角との関係
を参照して電気角を算出する。電気角の検出に足る電流
を検出した後、インバータをスイッチングして短絡電流
を抑制する向きに逆電圧を印加する。こうすることによ
り、ロータが回転している状態からモータを速やかに起
動することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期モータについ
て、センサレスでロータの電気角を検出し、その運転を
制御するモータ制御装置に関し、詳しくは該モータのロ
ータが外力により強制的に回転させられている場合など
通電しないで回転している状況下でモータの運転を開始
する際の制御を行う制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】交流モータの一種として、多相交流を巻
線に流し、該巻線による磁界と永久磁石による磁界との
相互作用によりロータを回転させる同期モータがある。
同期モータは、ロータの電気的な位置（以下、電気角と
呼ぶ）に応じて巻線に流す多相交流を制御することによ
り、運転される。従来は、電気角をホール素子等のセン
サにより検出して制御する方法が一般的であった。これ
に対し、センサの検出精度および故障に対する信頼性の
向上を図るため、センサレスで電気角を検出する方法が
提案されている。かかる方法には、例えば、特開平１１
−１８４８３号記載の技術などがある。この技術によれ
ば、同期モータのコイルに電気角検出用の電圧を印加
し、それに応じてコイルに流れる電流に基づいて電気角
を検出することができる。

【０００３】一方、例えば同期モータを車両などに適用
した場合には、モータを運転していない場合でも、車両
の走行に伴ってロータが回転させられる場合がある。セ
ンサレスでモータの運転を制御するためには、検出用電
圧を印加する必要が生じるが、ロータの電気角が全く特
定されていない状態で検出用電圧を印加すると、電気角
によってはトルクショックを生じたり、異音を生じたり
する場合がある。また、電気角検出にも時間を要するな
ど、弊害が大きい。

【０００４】かかる弊害を回避するため、ロータが外力
により回転している状況下でセンサレスで電気角を検出
する技術として、例えば、特開平１１−７５３９４号記
載の技術が提案されている。これは、ロータの回転にコ
イルに生じる逆起電圧を利用して電気角を検出するもの
であり、コイルの各相を短絡させた際に逆起電圧に応じ
て流れる電流に基づいて電気角を検出する技術である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この技術によ
り電気角を検出した場合、検出時のトルク変動や異音な
どの弊害が十分に解消し得ないという課題があった。こ
れらの弊害は、短絡時にコイルに流れる短絡電流が原因
であった。図１０は三相同期モータについて、モータ電
圧および電流の時間的変化を示すグラフである。ここで
はＵ相の電圧および電流変化のみを示した。モータが回
転している間は、図示する通り誘導起電圧が正弦波状に
変化する。ＳＶで示した区間で各相を短絡させると、そ
れに応じて領域ＳＡに示す通り短絡電流が流れる。区間
ＳＶで短絡を中止しても、領域ＳＡに示すとおり、短絡
電流の減衰には相当の時間を要する。この電流が、トル
ク変動や異音などの弊害を招いていたのである。

【０００６】また、短絡電流が十分に減衰するまでは、
モータの運転を開始することができないから、従来技術
は、モータの起動時における制御の応答性が低いという
課題、起動を開始するまでの待ち時間中に検出された電
気角と現実の電気角との間に誤差が生じ、運転制御の制
度が低下するという課題などもあった。

【０００７】本発明はこれらの課題を解決するためにな
され、ロータが通電しないで回転している状況下でのモ
ータの起動時の弊害を回避し、高い応答性で精度良くモ
ータを制御する技術を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では
以下の構成を採った。本発明のモータ制御装置は、ロー
タが通電せずに回転している状況にある同期モータにつ
いて、該ロータの電気的な回転位置を示す電気角を検出
し、電源から該同期モータへの電圧の印加を開始可能な
状態にする同期モータ制御装置であって、前記同期モー
タに備えられたコイルへの通電を制御するスイッチング
素子と、前記コイルのうち、ロータが回転中に誘導起電
力を生じる複数相のコイルの一部を短絡させるように前
記スイッチング素子を制御する短絡手段と、該短絡時に
前記同期モータに備えられているコイルに流れる短絡電
流を検出する電流検出手段と、該電流に基づいて前記ロ
ータの電気角を算出する電気角算出手段と、前記電流検
出直後に、前記電源から、前記短絡電流を抑制する向き
の所定の電圧が印加されるように前記スイッチング素子
を制御する逆電圧印加手段とを備えることを要旨とす
る。スイッチング素子には、トランジスタ、サイリスタ
など応答性に優れる種々の素子を適用することが望まし
い。

【０００９】かかるモータ制御装置によれば、コイルに
流れる短絡電流に基づいて電気角を検出するとともに、
逆電圧を印加して短絡電流を抑制することができる。こ
の結果、電気角の検出に必要な大きさ、期間で短絡電流
を流すことができ、電気角検出時のトルク変動、異音な
どの弊害を抑制するとともに、ロータが回転している状
況でモータを起動する際の応答性を向上することができ
る。

【００１０】ここで、特開平１１−７５３９４に記載の
技術（以下、従来技術と呼ぶ）との比較を踏まえて、本
発明の意義について説明する。従来技術と本発明とで
は、各相を短絡させて電気角を検出する点で共通する
が、主として電気角を検出した後のスイッチング素子の
制御方法において大きく相違する。

【００１１】即ち、従来技術には、巻線を短絡させて巻
線電流を検出してから一定期間経過後に、巻線電流がゼ
ロになるようにスイッチングする旨が開示されている。
具体的なスイッチング方法としては、スイッチング素子
を全てターンオフすることのみが示されている。但し、
通常、スイッチング素子には、帰還ダイオードが併設さ
れていることが多く、また、スイッチング素子をターン
オフしたからといって回路が物理的に遮断された訳では
ない。一般にコイルに流れる電流は、インダクタンスに
応じた時定数で徐々に減衰することが知られているか
ら、スイッチング素子をターンオフしたからといって、
電流は瞬時にゼロになる訳ではない。従って、従来技術
では、短絡電流がゼロになるまでに比較的長時間を要
し、この結果、トルク変動、異音、制御の応答性低下な
どの弊害が生じる。かかる弊害は、コイルに流れる電流
が大きい場合、コイルのインダクタンスが大きい場合、
ロータの回転数が高くコイルに大きな逆起電圧が生じる
ような場合に顕著に表れる。

【００１２】これに対し、本発明では、各相コイルに積
極的に逆電圧を印加する点で従来技術と相違する。つま
り、単純に各相のスイッチング素子をオフにするのでは
なく、電源から逆電圧が印加され、短絡電流と逆向きの
電流が流れるように積極的にスイッチングするのであ
る。こうすることにより、スイッチングにより流れる電
流と短絡電流とが相殺され、より速やかに電流を減衰さ
せることができる。

【００１３】本発明者は、コイルに流れる電流が大きい
場合など、上述の種々の場面において、従来技術では、
電気角検出時にトルク変動、異音といった看過し得ない
弊害が生じることを見出し、主たる原因が短絡電流の減
衰に長時間かかる点にあることを見出した。本発明は、
かかる知見に基づいて案出されたものである。従来技術
は、スイッチング素子をターンオフすることにより弊害
を回避することができる程度の回転状態において電気角
の検出、モータの制御を実現するものであるが、本発明
は、電気角検出技術を実用的に適用できる範囲を、コイ
ルに流れる電流が大きい場合、コイルのインダクタンス
が大きい場合、ロータの回転数が高くコイルに大きな逆
起電圧が生じるような場合にまで拡張した点に大きな意
義がある。また、従来技術が適用可能であった範囲にお
いても、トルク変動などの弊害をさらに抑制し、制御の
応答性を向上することができる点にも意義がある。しか
も、これらの作用を比較的簡単なスイッチングで得るこ
とができる点にも意義がある。

【００１４】逆電圧は、種々の態様で印加することがで
きる。例えば、本発明のモータ制御装置を、３相コイル
を備えた同期モータに適用する場合においては、前記短
絡手段は、該３相コイルを短絡させる手段であり、前記
逆電圧印加手段は、前記各相の短絡電流の正負と逆方向
で所定値の電圧を印加する手段であるものとすることが
できる。つまり、逆電圧の印加方向のみを設定し、電圧
値は予め設定された所定値とする方法である。こうすれ
ば、逆電圧の制御を容易に実現することができる。

【００１５】本発明において、逆電圧は、一定期間、一
定の電圧値で印加するものとしてもよいが、前記短絡電
流の状態を表すパラメータに応じて、前記逆電圧の印加
期間を調整する手段を備えたり、前記印加電圧の値を設
定する手段を備えるものとすることが望ましい。印加期
間と印加電圧値の双方を調整するものとしてもよいし、
印加期間のみ、又は印加電圧の値のみを調整するものと
してもよい。

【００１６】こうすれば、短絡電流をより速やかに減衰
させるように逆電圧を印加することができる。上記パラ
メータとしては、電流値、電流の変化率などを適用で
き、例えば、短絡電流が大きい場合には、逆電圧の値を
大きくしたり、印加期間を長くしたりすることにより、
速やかに減衰させることができる。短絡電流の変化率に
応じて制御する場合には、例えば、短絡電流値が増大し
ている場合に、逆電圧の値を大きくしたり、印加期間を
長くしたりすればよい。また、短絡電流の値に応じて逆
電圧の値、印加期間を制御すれば、ロータの回転に起因
して生じる誘導起電圧の方向変化に追随して逆電圧を制
御しやすいという利点、逆電圧を過剰に印加することに
より短絡電流がオーバーシュートすることを回避しやす
いという利点などがある。なお、短絡電流に応じて逆電
圧の値および印加期間を設定する方法としては、式、テ
ーブルなどを用いて設定する方法が挙げられ、例えば、
比例制御などで設定することができる。逆電圧は、必ず
しもパラメータに対して連続的に変化させる必要はな
く、段階的に変化させるものであっても構わない。

【００１７】本発明の制御方法は、ロータが回転してい
る場合に、適用するものとしてもよいが、ロータの回転
数が電気角の検出に足る逆起電圧を生じ得る所定以上の
回転数の場合に、前記短絡手段、電流検出手段、電気角
算出手段、および逆電圧印加手段とを用いた制御を実行
するものとしもよい。ロータの回転数が十分な起電力を
得られない程に低い場合には、例えば、特開平１１−１
８４８３に記載された技術などを適用して電気角を検出
するものとしてもよい。このように起電力に応じて電気
角の検出方法を切り替えることにより、それぞれ精度良
く電気角を検出することができる。

【００１８】本発明は、上述のモータ制御装置に限ら
ず、種々の態様で構成することができ、例えば、次に示
すモータの制御方法として構成してもよい。即ち、ロー
タが通電せずに回転している状況にある同期モータにつ
いて、該ロータの電気的な回転位置を示す電気角を検出
し、電源から該同期モータへの電圧の印加を開始可能な
状態にする同期モータの制御方法であって、（ａ） 前
記同期モータに備えられたコイルへの通電を制御するス
イッチング素子を制御して、前記コイルのうち、ロータ
が回転中に誘導起電力を生じる複数相のコイルの一部を
短絡させる工程と、（ｂ） 該短絡時に前記同期モータ
に備えられているコイルに流れる短絡電流を検出する工
程と、（ｃ） 該電流に基づいて前記ロータの電気角を
算出する工程と、（ｄ） 前記電流検出直後に、前記電
源から、前記短絡電流を抑制する向きの所定の電圧が印
加されるように前記スイッチング素子を制御する工程と
を備える制御方法である。

【００１９】かかる制御方法によれば、先にモータ制御
装置で説明したのと同様の作用により、モータ起動時に
おけるトルク変動、異音などを抑制するとともに、応答
性を向上することができる。なお、制御方法として構成
する場合においても、モータ制御装置の場合と同様、種
々の付加的要素を考慮することができるのは、いうまで
もない。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、実
施例を用いて以下の順序で説明する。 Ａ．装置の構成： Ｂ．モータ起動制御： Ｃ．第１の変形例： Ｄ．第２の変形例： Ｅ．第３の変形例：

【００２１】Ａ．装置の構成：図１は本実施例における
モータ制御装置１０の概略構成図である。モータ制御装
置１０は、制御対象である同期モータ１８に電力を供給
するためのインバータ１４、電源１６およびインバータ
１４のスイッチングを制御する制御ユニット１２、該制
御に用いられる情報の一つとしてモータ１８の各相に流
れる電流を検出する電流センサ２６，２７から構成され
る。電流センサが２つしか設けられていないのは、三相
交流の各相電流の和は常にゼロになる特性から、２相の
電流を検出しさえすれば、残余の１相の電流を算出する
ことができるからである。

【００２２】インバータ１４は、トランジスタインバー
タであり、同期モータ１８のＵ，Ｖ，Ｗの各相につい
て、電源１６のプラス極に接続されたソース側トランジ
スタ（Ｔｕ＋，Ｔｖ＋，Ｔｗ＋）とマイナス極に接続さ
れたシンク側トランジスタ（Ｔｕ−，Ｔｖ−，Ｔｗ−）
を一組にして設けられている。各トランジスタには、帰
還ダイオード（Ｄｕ＋，Ｄｕ−，Ｄｖ＋，Ｄｖ−，Ｄｗ
＋，Ｄｗ−）が併設されている。シンク側トランジスタ
のゲート信号には、ソース側トランジスタのゲート信号
がインバータＩＮＵ，ＩＮＶ，ＩＮＷで反転されて供給
されるようになっており、ソース側とシンク側は同時に
オンとならないようになっている。なお、図１では図示
を省略したが、インバータ１４には、これらのゲート信
号とは別に全てのトランジスタをオフにするシャットダ
ウン信号が入力可能となっている。

【００２３】インバータ１４のスイッチングを制御する
制御ユニット１２は、ＣＰＵ２０、ＲＯＭ２１、ＲＡＭ
２２、クロック２３等を備えるマイクロコンピュータと
して構成されている。制御ユニット１２は、出力ポート
２５を介してＵ，Ｖ、Ｗ相に対応したゲート信号やシャ
ットダウン信号を出力することによりインバータ１４の
スイッチングを制御する。これらの制御は、入力ポート
２４を介して入力されるモータ電流やモータ１８の要求
トルクをすることができる。制御ユニット１２は、クロ
ック２３により同期をとりながら、ＲＯＭ２１に記憶さ
れた所定の制御プログラムをＣＰＵ２０が処理すること
により、例えば、Ｕ，Ｖ，Ｗ相を短絡させるようにイン
バータ１４をスイッチングする短絡手段として機能した
り、入力された電流に基づいて電気角を検出する電気角
検出手段として機能したり、モータ１８の回転中に各相
コイルに生じる誘導起電力を打ち消すための逆電圧を印
加するようにインバータ１４をスイッチングする逆電圧
印加手段として機能したりする。

【００２４】図２は同期モータ１８の断面図である。同
期モータ１８は、いわゆる突極型の永久磁石モータであ
り、コイル４３を巻回したステータ４０と永久磁石を貼
付したロータ３０とからなる。ロータ３０は、直交する
４箇所に設けられた突極３５〜３８の中間位置に、永久
磁石３１〜３４が貼付された構造をなしている。永久磁
石３１〜３４は、ロータ３０の半径方向に磁化されてお
り、その極性は隣り合う磁石同士が互いに異なる磁極と
なっている。例えば、永久磁石３１は外周面がＮ極であ
り、その隣の永久磁石３２は外周面がＳ極となってい
る。ステータ４０は、計１２個のティース４１を備え、
その間に形成されたスロット４２には、回転磁界を発生
させるコイル４３が巻回されている。

【００２５】上述した永久磁石３１により形成される磁
束が、回転軸中心を通ってロータ３０を径方向に貫く軸
をｄ軸と呼び、ロータ３０の回転面内において前記ｄ軸
に電気的に直交する軸をｑ軸と呼ぶ。ｄ軸およびｑ軸は
ロータ３０の回転に伴い回転する軸である。本実施例で
は、ロータ３０に貼付された永久磁石３１、３３は外周
面がＮ極となっており、永久磁石３２、３４は外周面が
Ｓ極となっていることから、ｄ軸と幾何学的に４５度方
向にある軸がｑ軸となる。

【００２６】図３は同期モータ１８の等価回路を示す説
明図である。図示する通り、同期モータ１８はＵ，Ｖ，
Ｗの三相コイルと、回転軸中心回りに回転する永久磁石
を有する等価回路により表され、ｄ軸はこの等価回路に
おいて永久磁石のＮ極側を正方向として貫く軸として表
される。また、電気角はＵ相コイルを貫く軸とｄ軸との
回転角θとなる。

【００２７】ロータ３０の電気角と電気的に所定の角度
をなす磁界を生じるようにＵ，Ｖ，Ｗ相に流れる電流を
制御して回転磁界を生じさせることによりモータ１８は
回転する。このようにモータ１８の制御は、電気角に基
づいてなされる。本実施例のモータ制御装置１０は、以
下に示す処理を実行することにより、電気角をいわゆる
センサレスで検出し、モータ１８の運転を制御する。

【００２８】Ｂ．モータ起動制御：図４はモータ起動制
御処理ルーチンのフローチャートである。この処理は、
非動作中の同期モータ１８のロータ３０が外力により強
制的に回転させられている状態から、同期モータ１８の
運転を開始するための処理である。例えば、モータ１８
が車両に搭載されているような場合であって、モータは
非動作中であるが、車両は別の動力源などにより走行中
である状態からモータの運転を再開する場合などに実行
される処理である。もちろん、いかなる場合にこの処理
が実行されるかは、同期モータ１８を搭載した装置の種
類に応じて異なる。外力で強制的に回転させられている
場合でなく、慣性で回転している状態で実行するものと
してもよい。

【００２９】先に説明した通り、同期モータ１８の運転
を制御するためには、ロータ３０の電気角を検出する必
要がある。モータ制御装置１０は電気角を検出するセン
サを備えないため、非動作中にロータ３０が回転してい
ると、その電気角は未知の状態である。従って、モータ
起動制御処理ルーチンでは、まず、センサレスで電気角
の検出を行い、その後、モータの起動を実行する。

【００３０】電気角の検出は、特開平１１−７５３９４
記載の技術と同様の方法により行う。即ち、ロータ３０
が強制的に回転させられている状況下では、コイル４３
に誘導起電力が生じているから、この起電力によって各
相に流れる電流を検出し、その値に基づいて電気角を検
出するのである。

【００３１】かかる検出を行うため、制御ユニット１２
は、まずインバータ１４のソース側トランジスタを全て
オンにしてＵ，Ｖ，Ｗの３相を短絡させる（ステップＳ
１０）。この結果、各相にはロータ３０の回転により生
じた誘導起電力に起因して短絡電流が流れるため、これ
を検出する（ステップＳ２０）。短絡電流の方向および
大きさは、ロータ３０の電気角および回転数に応じて変
化する。但し、一般にコイル４３に流れる電流は、イン
ダクタンスに応じて変化することが知られており、短絡
した瞬間の電流はゼロである。従って、短絡電流の検出
は、電流センサ２６，２７の感度、コイル４３のインダ
クタンス等を考慮して設定された所定時間待ってから行
う。検出された電流値は、後で電気角の算出に用いられ
る。

【００３２】本実施例のモータ起動制御処理ルーチンで
は、特開平１１−７５３９４記載の技術と異なり、短絡
電流を検出した後、誘導起電圧とは逆方向の電圧を印加
して短絡電流を速やかに減衰させる。このため、制御ユ
ニット１２は、逆電圧指令値および印加期間を設定し
（ステップＳ３０）、その結果に応じてインバータ１４
をスイッチングして逆電圧を印加する（ステップＳ４
０）。

【００３３】ここで逆電圧の設定について説明する。図
５は誘導起電圧、電圧指令値、３相電流の様子を示す説
明図である。ロータ３０が回転している場合には、誘導
起電圧が生じるが、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電圧値は時間また
は電気角とともに変化する。ここで、時刻ｔ１におい
て、Ｕ，Ｖ，Ｗ相を短絡させ、所定時間経過した後、時
刻ｔ２において３相電流をそれぞれ検出したものとす
る。図示する通り、時刻ｔ１では、Ｕ相にはプラス方
向、Ｖ，Ｗ相にはマイナス方向の起電圧が生じているた
め、電流もそれぞれ誘導機電圧に応じた方向に流れる。

【００３４】かかる状況において、本実施例では、一定
期間ｔｖｖだけ一定の電圧値を逆電圧として各相に印加
する。但し、印加する電圧の方向は短絡電流の正負に応
じて設定する。図５に示した例では、Ｕ相にプラス方向
の短絡電流が流れているため、マイナス方向の電圧を逆
電圧として印加する。Ｖ，Ｗ相にはマイナス方向の短絡
電流が流れているため、プラス方向の電圧を逆電圧とし
て印加する。このように、ステップＳ３０では、短絡電
流の正負に応じて各相の電圧値の符号のみを設定し、電
圧値および印加期間は短絡電流の値に関わらず予め定め
た一定値に設定する。このように比較的簡単な処理で、
逆電圧を設定することにより、短絡電流を速やかに減衰
させることができる。

【００３５】逆電圧を印加した後、制御ユニット１２
は、短絡電流に基づいて以下の手順で電気角を算出する
（ステップＳ５０）。Ｕ，Ｖ，Ｗ相の短絡電流をそれぞ
れｉｕ，ｉｖ，ｉｗとする。また、Ｕ相にプラスの電流
を流した場合の磁界の方向をα軸、それに電気的に直交
する方向をβ軸と定義し、それぞれの方向の電流をｉ
α、ｉβと定義する。α軸、β軸は電気角θが値０の場
合のｄ軸、ｑ軸に相当する。このとき、ｉα、ｉβは、
ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを用いて次式（１）の通り求められ
る。 ｉα＝ｉｕ−ｉｖ／２＋ｉｗ／２； ｉβ＝（√３）ｉｖ／２−（√３）ｉｗ／２ ・・・（１）；

【００３６】一方、同期モータ１８の電圧方程式を、角
速度ωが一定、抵抗はゼロ、電圧および電流の初期値が
ゼロという条件下で解くとｄ軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑ
が次式（２）の通り求められる。 ｉｄ＝ ψ（ｃｏｓωｔ−１）／Ｌｄ； ｉｑ＝−ψ（ｓｉｎωｔ−１）／Ｌｑ ・・・（２）； ここで、Ｌｄ，Ｌｑは同期モータ１８のｄ軸方向、ｑ軸
方向のインダクタンス、ｔは短絡後の経過時間、ψは逆
起電力定数である。

【００３７】角速度ωは別途センサを設けるものとして
も構わないが、例えば、特開平１１−１８４８３に記載
の技術を適用それば、電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを用いて比
較的容易に求めることができる。これは、短絡電流の振
幅｜Ｉ｜がωと一義的な関係にあることを利用するもの
である。即ち、次式（３）で振幅｜Ｉ｜を算出し、予め
ωとの対応を記憶したテーブルを参照することによりω
を求めるのである。 ｜Ｉ｜＝√(iu²+iv²+iw²-iu・iv-iv・iw-iw・iu) ・・・（３）；

【００３８】図５に示した条件で短絡電流を検出した場
合は、ｔ＝ｔ２−ｔ１と上式（３）で得られたωとを代
入すれば、ｉｄ，ｉｑを算出することができる。また、
上式（１）（２）の算出結果から、電気角θ（ｒａｄ）
は次式（４）の通り求められる。 θ＝ｔａｎ^-1（ｉβ／ｉα）−ｔａｎ^-1（ｉｑ／ｉｄ） ・・・（４）；

【００３９】こうして電気角θを求めると、制御ユニッ
ト１２は短絡電流が所定値以下になるまで待って（ステ
ップＳ６０）、モータを起動する（ステップＳ７０)。
即ち、トルク指令値に応じた電圧を検出された電気角に
応じた方向に印加するのである。こうしてモータが起動
されると、モータ起動制御処理ルーチンを終了し、モー
タの運転を制御する通常の処理に移行する。センサレス
で同期モータ１８の運転を制御する処理には、公知の種
々の技術を適用可能であり、ここでは詳細な説明を省略
する。

【００４０】以上で説明したモータ制御装置１０によれ
ば、短絡電流を検出した後、逆電圧を印加することによ
り、速やかに短絡電流を抑制することができる。例え
ば、図５に示す通り、本実施例では、時刻ｔ２以降に
Ｕ，Ｖ，Ｗ相の短絡電流が急速に減少し、時刻ｔ３では
ほぼ値０に減衰する。逆電圧を印加しない場合の電流変
化の様子を図５に破線で示した。この場合、電流はコイ
ルのインダクタンスに応じた時定数で徐々に減衰するた
め、時刻ｔ４で値０になるまでに長時間を要する。逆電
圧を印加する効果を実験例で示す。

【００４１】本実施例のモータ制御装置によれば、短絡
電流を急速に減衰させることによって以下に示す利点が
得られる。第１に短絡電流に起因するトルク変動を短期
間に抑制することができ、その間に生じる異音を低減す
ることができる。第２にモータの起動を速やかに行うこ
とができるため、制御の応答性を向上することができ
る。この利点は、同期モータ１８をハイブリッド車両な
ど、高い応答性が要求される装置に適用した場合に特に
意義が大きい。

【００４２】また、モータの起動が速やかに行えるとい
うことは、電気角を検出してからモータの起動までの期
間が短いことを意味するから、その間に生じる電気角の
推定誤差を抑制でき、起動当初から精度良くモータを制
御することが可能となる。即ち、検出された電気角をθ
０とし、検出から起動を行うまでの経過時間をｔｓとす
ると、起動時には、「θ＝θ０＋ω・ｔｓ」なる式で電
気角θを推定して電圧を印加することになるが、ωは変
動する可能性があるため、ｔｓが短い程、電気角θの推
定精度が高くなるのである。

【００４３】この他、本実施例のモータ制御装置は、従
来から提案されているセンサレスでの制御装置に対し、
新たなハードウェア構成を必要としないため、比較的簡
単に上述の種々の効果を得ることができる利点もある。

【００４４】Ｃ．第１の変形例：モータ制御装置１０に
おいて、逆電圧の印加は、上述した態様に限られない。
実施例では、逆電圧の印加方向のみを各相の短絡電流の
符号に基づいて設定しており、印加する電圧値および印
加期間は一定値とした。これに対し、短絡電流の値に応
じて、各相に印加する期間および電圧値を変化させるも
のとしてもよい。かかる場合の制御処理を、第１の変形
例として説明する。

【００４５】図６は第１の変形例における誘導起電圧、
電圧指令値、３相電流の様子を示す説明図である。実施
例（図５参照）の場合と同様、時刻ｔ１において各相を
短絡させ、時刻ｔ２において短絡電流を検出したものと
する。第１の変形例では、検出された短絡電流に応じて
各相に印加する電圧値、印加期間を設定する。図６に示
した状態では、Ｕ相電流は絶対値が大きいため、逆電圧
の値ｖｕ、および印加期間ｔｕも大きい。Ｖ相電流、Ｗ
相電流は絶対値が小さいため、逆電圧の値ｖｖ，ｖｗお
よび印加期間ｔｖ，ｔｗもこの順番に小さくなる。逆電
圧の方向は実施例と同じである。

【００４６】短絡電流の絶対値に応じた電圧値および印
加期間ｔｕの設定は、種々の方法により行うことがで
き、例えば、次式で設定することができる。 ｔｕ＝ｉｕ・ｔｍａｘ／ｉｍａｘ ここで、ｉｍａｘは想定される最大の電流値、ｔｍａｘ
はそのときの逆電圧の印加期間である。上式は短絡電流
の値に比例して印加期間を変更する式となっている。ｔ
ｍａｘはｉｍａｘを減衰させるのに適した印加期間を予
め実験等で設定することができる。他の相についても同
じ式を適用することができる。また、電圧値についても
同様の考え方で設定することができる。

【００４７】ここでは、短絡電流の値に比例する場合を
例示したが、非線形に変化させたり、段階的に変化させ
るものとしてもよい。短絡電流の値に応じて電圧値、印
加期間を与えるテーブルを用意することもできる。ま
た、上式のように短絡電流の値に応じてｉｍａｘ、ｔｍ
ａｘを修正する考え方ではなく、純粋に短絡電流の関数
で電圧値、印加期間を与えるものとしてもよい。

【００４８】このように短絡電流の値に応じた電圧値・
印加期間で逆電圧を印加すれば、短絡電流をさらに速や
かに減衰させることができる。即ち、図６に例示するよ
うに、減衰時に短絡電流がオーバーシュートし、値０付
近で振動することを抑制することができる。この結果、
電流が値０となる時刻ｔ３’までの経過時間をさらに短
縮することができる。

【００４９】なお、ここでは時刻ｔ２で設定された電圧
値および印加期間で逆電圧を印加する場合を例示した。
逆電圧の印加を開始した後も、短絡電流の値に応じて電
圧値および印加期間を徐々に変更していくものとしても
よい。但し、一旦設定した電圧値、印加期間で逆電圧を
印加すれば、処理負担が軽く済むという利点がある。ま
た、ここでは短絡電流に応じて電圧値、印加期間の双方
を変化させる場合を例示したが、いずれか一方のみを変
化させるものとしてもよい。

【００５０】Ｄ．第２の変形例：実施例では、モータの
回転速度に関わらず、単一の検出方法で電気角を検出し
ていたが、モータの回転速度に応じて電気角の検出方法
を使い分けるものとしてもよい。かかる場合の制御処理
を第２の変形例として説明する。

【００５１】図７は第２の変形例におけるモータ起動制
御処理ルーチンのフローチャートである。この処理で
は、制御ユニット１２は、まず、モータの回転数Ｎを検
出する（ステップＳ２）。次に、回転数Ｎと所定の基準
回転数Ｎｈとの大小を比較し（ステップＳ４）、回転数
Ｎ＞Ｎｈのときは高速時処理（ステップＳ６）、その他
の場合は低速時処理（ステップＳ８）を行う。高速時処
理は、実施例で説明したモータ起動制御処理そのもので
ある。低速時処理は、低速回転時に電気角を検出するの
に適した処理であり、例えば、特開平１１−１８４８３
において第２の電気角検出方法として開示されている技
術を適用することができる。基準回転数Ｎｈは両者の使
い分けの判断基準となる値であり、それぞれの方法によ
る電気角の検出精度を考慮して、設定すればよい。

【００５２】低速時処理の原理について説明する。図８
はコイルに印加した電圧と電流の変化を示す説明図であ
る。ここではＵ相の変化を示した。図示する通り、Ｕ相
にステップ状の検出用電圧を印加すると、それに応じて
電流が流れる。この電流はコイルのインダクタンスに応
じて変化し、インダクタンスが小さいときは高いピーク
値Ｉｍ１、インダクタンスが大きいときは低いピーク値
Ｉｍ２となる。従って、検出用電圧を印加して一定期間
経過した時点での電流値を検出すれば、インダクタンス
を求めることができる。突極型の永久磁石モータの場
合、電気角に応じてコイルの磁束密度が変化し、インダ
クタンスが変化することが知られているから、インダク
タンスと電気角との関係を予めテーブル等で記憶してお
けば、電気角を検出することができる。なお、Ｕ相のみ
に検出用電圧を印加した場合には、電気角として０〜２
πの範囲で２つの解が得られるため、Ｖ相またはＷ相で
の検出結果と併せて行うなどして、単一の電気角を特定
する。

【００５３】第２の変形例によれば、モータの回転数に
応じて電気角の検出方法を使い分けることにより、電気
角の検出精度を向上することができる。ここでは、回転
数に応じて２つの処理を例示したが、当然、３種類以上
を使い分けるものとしてもよい。また、低速時処理は、
上述の処理に限定されるものではない。高速時処理も実
施例に示した処理と同様、変形例の処理を適用するもの
としてもよい。

【００５４】Ｅ．第３の変形例：以上の実施例および変
形例では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相を基準として逆電圧の印加を行
う場合を例示した。これに対し、ｄ軸およびｑ軸を基準
として逆電圧の印加を行うものとしてもよい。かかる場
合の処理を第３の変形例として説明する。

【００５５】図９は第３の変形例におけるモータ起動制
御処理ルーチンのフローチャートである。ここでは実施
例（図４）との相違点のみを示した。図示する通り、第
３の変形例では、短絡電流を検出した後（ステップＳ２
０）、電流が所定値以下になるまで待機（ステップＳ６
０）にいたるまでの処理が実施例と相違する。

【００５６】第３の変形例では、まず、短絡電流を用い
て電気角を算出する（ステップＳ５０）。算出方法は実
施例と同じである。次に、電気角算出時に求められたｄ
軸電流ｉｄ、ｑ軸電流ｉｑに基づいて逆電圧Ｖｄ，Ｖｑ
を設定する（ステップＳ５２）。逆電圧Ｖｄ，Ｖｑの値
および印加期間は、第１の変形例と同じ考え方により設
定することができる。もちろん、実施例と同様、一定の
電圧値、印加期間に設定するものとしても構わない。通
常、誘導起電圧は、主としてｄ軸方向に生じるから、正
負の判定をするまでもなく、電圧の印加方向を設定する
ことができる。

【００５７】こうして設定されたＶｄ，Ｖｑを２相／３
相変換してＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに変換
し（ステップＳ５４），その電圧を印加する（ステップ
Ｓ５６）。２相／３相変換は、周知の通り、次式により
行うことができる。 ｖｕ＝√(2/3) {Vd・cosθ -Vq・sinθ} ； ｖｖ＝√(2/3) {Vd・cos(θ-120) -Vq・sin(θ-120)} ； ｖｗ＝ -( vu+vv ) ； ここでθは電気角（ｄｅｇ）である。

【００５８】第３の変形例によれば、電気角検出後に逆
電圧を印加するため、印加開始が若干遅れるものの、電
気角に応じた適切な方向に逆電圧を印加することができ
る。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の誘導起電圧が電気角に応じて
周期的に変動するのに対し、ｄ軸、ｑ軸方向の誘導起電
圧は回転数による増減が生じるのみであり、電気角によ
る変動が生じないため、逆電圧の設定を比較的容易に行
うことができる利点もある。

【００５９】以上、本発明の種々の実施例について説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣
旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるこ
とはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフト
ウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものと
してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例におけるモータ制御装置１０の概略構
成図である。

【図２】同期モータ１８の断面図である。

【図３】同期モータ１８の等価回路を示す説明図であ
る。

【図４】モータ起動制御処理ルーチンのフローチャート
である。

【図５】誘導起電圧、電圧指令値、３相電流の様子を示
す説明図である。

【図６】第１の変形例における誘導起電圧、電圧指令
値、３相電流の様子を示す説明図である。

【図７】第２の変形例におけるモータ起動制御処理ルー
チンのフローチャートである。

【図８】コイルに印加した電圧と電流の変化を示す説明
図である。

【図９】第３の変形例におけるモータ起動制御処理ルー
チンのフローチャートである。

【図１０】モータ電圧および電流の時間的変化を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１０…モータ制御装置 １２…制御ユニット １４…インバータ １６…電源 １８…同期モータ ２０…ＣＰＵ ２１…ＲＯＭ ２２…ＲＡＭ ２３…クロック ２４…入力ポート ２５…出力ポート ２６，２７…電流センサ ３０…ロータ ３１〜３４…永久磁石 ３５〜３８…突極 ４０…ステータ ４１…ティース ４２…スロット ４３…コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 英治 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H560 AA08 BB04 BB12 BB18 DA13 DC12 DC13 EB01 HA09 JJ02 JJ12 TT12 TT15 UA02 XA02 5H576 AA01 BB05 DD05 DD07 DD09 EE01 FF01 GG04 HA02 HB02 JJ03 KK06 LL14 MM01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータが通電せずに回転している状況に
   ある同期モータについて、該ロータの電気的な回転位置
   を示す電気角を検出し、電源から該同期モータへの電圧
   の印加を開始可能な状態にする同期モータ制御装置であ
   って、 前記同期モータに備えられたコイルへの通電を制御する
   スイッチング素子と、 前記コイルのうち、ロータが回転中に誘導起電力を生じ
   る複数相のコイルの一部を短絡させるように前記スイッ
   チング素子を制御する短絡手段と、 該短絡時に前記同期モータに備えられているコイルに流
   れる短絡電流を検出する電流検出手段と、該電流に基づ
   いて前記ロータの電気角を算出する電気角算出手段と、 前記電流検出直後に、前記電源から、前記短絡電流を抑
   制する向きの所定の電圧が印加されるように前記スイッ
   チング素子を制御する逆電圧印加手段とを備えるモータ
   制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のモータ制御装置であっ
   て、 前記同期モータは３相コイルを備えた同期モータであ
   り、 前記短絡手段は、該３相コイルを短絡させる手段であ
   り、 前記逆電圧印加手段は、前記各相の短絡電流の正負と逆
   方向で所定値の電圧を印加する手段であるモータ制御装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１記載のモータ制御装置であっ
   て、 前記逆電圧印加手段は、前記短絡電流の状態を表すパラ
   メータに応じて、前記逆電圧の印加期間を調整する手段
   を備えるモータ制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のモータ制御装置であっ
   て、 前記逆電圧印加手段は、前記短絡電流の状態を表すパラ
   メータに基づいて、前記印加電圧の値を設定する手段を
   備えるモータ制御装置。
5. 【請求項５】 ロータの回転数が電気角の検出に足る逆
   起電圧を生じ得る所定以上の回転数の場合に、前記短絡
   手段、電流検出手段、電気角算出手段、および逆電圧印
   加手段とを用いた制御を実行する請求項１記載のモータ
   制御装置。
6. 【請求項６】 ロータが通電せずに回転している状況に
   ある同期モータについて、該ロータの電気的な回転位置
   を示す電気角を検出し、電源から該同期モータへの電圧
   の印加を開始可能な状態にする同期モータの制御方法で
   あって、（ａ） 前記同期モータに備えられたコイルへ
   の通電を制御するスイッチング素子を制御して、前記コ
   イルのうち、ロータが回転中に誘導起電力を生じる複数
   相のコイルの一部を短絡させる工程と、（ｂ） 該短絡
   時に前記同期モータに備えられているコイルに流れる短
   絡電流を検出する工程と、（ｃ） 該電流に基づいて前
   記ロータの電気角を算出する工程と、（ｄ） 前記電流
   検出直後に、前記電源から、前記短絡電流を抑制する向
   きの所定の電圧が印加されるように前記スイッチング素
   子を制御する工程とを備える制御方法。