JP2016082615A - モータ制御装置、モータシステム、モータ制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】位置センサレスでありながら、回転子の初期磁極位置を高精度で検出可能なモータ制御装置を提供する。【解決手段】電気角１周期を所望の位相数で等分した擬似的な回転信号に基づいてｄ軸電圧指令を三相の整流波に変換し、その整流波に基づいてＰＷＭ制御を行い、ＰＷＭ制御時におけるゲート回路部１のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しく且つモータが始動しない程度の時間に制御し、ゲート回路部１からモータに流れる少なくとも二相の応答電流を所定のタイミングで検出し、それらの応答電流を、αβ軸の固定軸電流に変換し、電気角位相ごとの固定軸電流を示す各プロットの相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を回転子の初期磁極位置と推定する制御を行うように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、位置センサレスで高精度に初期磁極位置を推定することができるモータシステムとそのモータの制御装置、及びモータ制御プログラムに関するものである。

回転子に永久磁石を付帯させたモータ（特にＩＰＭモータ）を制御する場合において、モータの暴走を防止してスムーズに始動するためには、回転子の磁極位置を検出する必要がある。そこで、磁極位置を検出するためにレゾルバやエンコーダなどの位置センサを用いる態様が考えられ、実用化されている。このような位置センサを用いることで、常に回転子の磁極位置を検出することが可能である。
しかしながら、位置センサを取り付ける専用のスペースを確保しなければならず、そのような専用スペースを確保できないモータには上記構成を適用することはできない。また、位置センサを取り付ける専用スペースを確保した場合には、モータの小型化を図ることができなかったり、専用スペースにセンサを取り付ける処理や配線処理が面倒であり、コストも掛かる上に、粉塵等によるセンシング機能の低下や、使用環境下におけるセンサ自体の損傷も生じ得る。

そこで、機構的な制約を受けずにモータの小型化及び低コスト化を図るべく、磁極位置検出用のセンサを用いずに、回転子の磁極位置を推定する技術も考えられている。

ここで、図２２及び図２３を参照して、従来の磁極位置推定技術を詳述する。図２２に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相それぞれには、上アームスイッチ（ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ）及び下アームスイッチ（ＵＮ、ＶＮ、ＷＮ）が接続されており、ゲート回路に、回転子が回転しない程度の時間だけ、以下の表１に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームスイッチのＯＮ・ＯＦＦを順番に切り替えて、交番パルス電圧を印加する。この際、全部で６パターンとなる各モード０乃至５（表１参照）で得られる電流応答はそれぞれ異なり、これらを電流センサ等で取得し、各電流の最大値（最小値）を抽出し、各モードに応答したＵＶ相の電流を、静止座標αβ軸に変換したαβ軸電流に変換すると、図２４に示す座標が得られ、最もベクトルが大きい方向を回転子の磁極方向（同図中における推定軸の方向）と推定し、その角度を所定の演算処理によって算出する。

また、６位相（６モード）の交番パルス電圧を印加し、それぞれの印加電圧に応答した電流ベクトルの合成ベクトル（平均ベクトル）の位相に基づいて、回転子のＮ極方向を推定する方法も考えられている（特許文献１参照）。

特開２０１０−０４１８８１号公報

ところで、６０度の位相差がある６位相（６モード、表１参照）の交番パルス電圧を利用し、合計６点のサンプル数（検出ポイント数）に基づいて、回転子の磁極位置を推定する構成であれば、回転磁界（電流）が真円軌跡を描く場合には、３６０ｄｅｇ／６、すなわち±３０ｄｅｇ程度の誤差が含まれる磁極位置を推定することしかできず、回転磁界（電流）が楕円軌跡を描く場合であっても、±１５ｄｅｇ程度の誤差が含まれることを本発明者は実験を通して確認した。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、回転子の磁極位置を、位置センサレスであっても、交番パルス電圧６位相の電流応答に基づいて推定する態様よりも高い精度で推定することが可能であり、機構的な制約を受けずにモータの小型化及び低コスト化を図ることが可能なモータ制御装置、モータシステム及びモータ制御プログラムを提供することにある。

すなわち本発明は、回転子に永久磁石を付帯させたモータを駆動するゲート回路部及び制御部を有し、且つ電源から電気が供給されるモータ制御装置に関するものである。そして、本発明に係るモータ制御装置は、制御部として、二相−三相変換部と、ＰＷＭ制御部と、ゲート制御部と、電流検出部と、初期磁極位置推定部とを有するものを適用している。

二相−三相変換部は、入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を、入力された電気角指令に基づいて三相の整流波に変換するものであり、ＰＷＭ制御部は、変換された三相の整流波に基づいてＰＷＭ制御を行うものである。本発明において、二相−三相変換部に入力される電圧指令は、ｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方であればよく、ｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令の両方であってもよい。

また、ゲート制御部は、ＰＷＭ制御時におけるゲート回路部のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しく且つモータが始動しない程度の時間に制御するものであり、電流検出部は、ＯＮ・ＯＦＦ時間によって制御されるゲート回路部からモータに流れる少なくとも二相の応答電流を所定のタイミングで検出するものである。

そして、初期磁極位置推定部は、電流検出部によって検出した二相の応答電流を、相互に直交するα軸及びβ軸によって規定される二相座標系上の電流である固定軸電流に変換し、二相座標系上における電気角位相ごとの固定軸電流を示す各プロットの二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を回転子の初期磁極位置と推定するものである。

このようなモータ制御装置であれば、二相−三相変換部によって、ｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を電気角指令に基づいて三相の整流波（三相電圧指令）に変換し、変換された三相の整流波に基づいてＰＷＭ制御部によりＰＷＭ制御を行い、ゲート回路部からモータに流れる少なくとも二相の応答電流を電流検出部によって所定のタイミングで検出する構成となり、このＰＷＭ制御時におけるゲート回路部のＯＮ・ＯＦＦ時間を、ゲート制御部によって、各位相周期で等しく、モータが始動しない程度の時間に制御していることで、モータが不意に始動したり、暴走する事態を防止・抑制することができる。

そして、本発明では、電流検出部によって検出した二相の応答電流を、初期磁極位置推定部で、固定軸電流に変換し、二相座標系上における電気角位相ごとの固定軸電流を示す各プロットの二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を回転子の初期磁極位置と推定する構成を採用している。ここで、プロット数は、電気角位相の数と等しい関係にあり、６０度の位相差がある６位相（表１参照）の交番パルス電圧を利用する場合は、プロット数も６であり、上述したように推定精度の観点からすれば改善の余地があった。

そこで、本発明では、電気角１周期を所望の位相数で等分した擬似的な回転信号であって且つ二相−三相変換部に入力される擬似電気角指令を生成する擬似電気角指令部をモータ制御装置に設けることとした。ここで、本発明における擬似電気角指令部は、制御部が有するものであってもよいし、制御部から独立したものであってもよい。

このような本発明に係るモータ制御装置であれば、擬似電気角指令部で生成して二相−三相変換部に入力する擬似電気角指令として、電気角１周期を例えば６を越える位相数で等分した擬似的な回転信号を適用することで、二相座標系上における電気角位相ごとの固定軸電流を示すプロットの数も６を越え、最大ベクトルの方向と同一方向を回転子の磁極方向であると推定する磁極方向の推定精度が向上し、これに伴い、位置センサレスであっても、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を回転子の初期磁極位置であると推定する磁極位置の推定精度も向上する。

また、本発明では、制御部の二相−三相変換部として、入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の何れか一方のみの電圧指令を、入力された電気角指令に基づいて三相の整流波に変換するものを適用し、さらに、三相−二相変換部、及び初期磁極位置補正部を有する制御部を適用することで、初期磁極位置推定部で推定した回転子の磁極位置である初期磁極推定位置を、実際の磁極位置に一致又は近付ける補正処理を実現できる。ここで、三相−二相変換部は、ゲート回路部からモータに流れる少なくとも二相の応答電流であって且つ電流検出部によって検出した応答電流を、相互に直交するｄ軸及びｑ軸によって規定される回転座標系上の電流に変換するものであり、初期磁極位置補正部は、三相−二相変換部によって変換することで検出可能なｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の何れか一方の正負の符号から、初期磁極位置推定部で推定した初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致又は近付ける補正方向を判定し、その補正方向であるｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の正負の符号の反対方向に、所定の磁極補正量分だけ、又は初期磁極推定位置と実際の磁極位置との誤差である推定位置誤差に応じた補正量分だけ初期磁極推定位置を補正するものである。

このようなモータ制御装置であれば、以下の実施形態において詳述する原理に着目し、三相−二相変換部によって変換することで検出可能なｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の何れか一方の正負の符号の反対方向に、所定の磁極補正量分だけ、又は初期磁極推定位置と実際の磁極位置との誤差である推定位置誤差に応じた補正量分だけ初期磁極推定位置を補正することによって、初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致または近付けることができる。なお、初期磁極推定位置を補正する際に、二相−三相変換部に入力される電圧指令は、ｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の何れか一方のみであり、当該電圧指令がｄ軸電圧指令であれば、三相−二相変換部によって変換されて初期磁極位置補正部で用いられる検出電流は、ｑ軸検出電流であり、前記電圧指令がｑ軸電圧指令であれば、三相−二相変換部によって変換されて初期磁極位置補正部で用いられる検出電流は、ｄ軸検出電流である。

特に、初期磁極位置補正部が、所定の磁極補正量分だけ又は推定位置誤差に応じた補正量分だけ初期磁極推定位置を補正する処理を、ｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流がゼロ又はゼロを含む所定範囲内の値であることを直接または間接的に示す終了条件を満たすまで繰り返すものであれば、初期磁極推定位置と実際の磁極位置との誤差（推定位置誤差）をゼロまたはゼロにより一層近付けることができる。

また、本発明に係るモータシステムは、上述の構成を有するモータ制御装置と、モータ制御装置によって制御され電源から電気が供給されるモータとを備えていることを特徴としている。このようなモータシステムであれば、モータ制御装置が上述の作用効果を奏することで、位置センサレスであっても、初期磁極位置を精度良く推定することができる。

また本発明に係るモータ制御プログラムは、モータ制御装置を、擬似電気角指令を生成する擬似電気角生成手段と、入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を電気角指令に基づいて三相の整流波に変換する二相−三相変換手段と、三相の整流波に基づいてＰＷＭ制御を行うＰＷＭ制御手段と、ＰＷＭ制御時におけるゲート回路部のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しく、モータが始動しない程度の時間に制御するゲート制御手段と、ＯＮ・ＯＦＦ時間によって制御されるゲート回路部からモータに流れる少なくとも二相の応答電流を所定のタイミングで検出する電流検出手段と、電流検出手段によって検出した二相の応答電流を、固定軸電流に変換し、二相座標系上における電気角位相ごとの固定軸電流を示す各プロットの二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を回転子の初期磁極位置と推定する初期磁極位置推定手段として機能させることを特徴としている。このようなモータ制御プログラムによって、回転子の初期磁極位置を高精度で推定することができる。

また、本発明では、モータ制御装置を、応答電流を前記回転座標系上の電流に変換する三相−二相変換手段と、三相−二相変換手段によって変換することで検出可能なｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の何れか一方の正負の符号から、初期磁極位置推定手段で推定した回転子の初期磁極位置である初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致又は近付ける補正方向を判定し、その補正方向であるｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の正負の符号の反対方向に、所定の磁極補正量分だけ、又は初期磁極推定位置と実際の磁極位置との誤差である推定位置誤差に応じた補正量分だけ初期磁極推定位置を補正する初期磁極位置補正手段として機能させることもできる。これにより、上述した作用、つまり、初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致または近付ける処理を好適に行うことができるという作用を奏する。

本発明によれば、位置センサレスであっても、回転子の磁極位置を、交番パルス電圧６位相の電流応答に基づいて推定する態様よりも高い精度で推定することが可能であり、機構的な制約を受けずにモータの小型化及び低コスト化に役立つモータ制御装置、モータシステム及びモータ制御プログラムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るモータシステムの概略構成を示す図。 同実施形態における三相電圧指令の一例を示す図。 同実施形態におけるゲートＯＮ時間及び電流検出タイミングを示す図。 同実施形態における固定軸変換の演算内容を示す図。 同実施形態における固定軸変換した応答電流を示す図。 同実施形態における電位各１周期中の電流ベクトル軌跡を示す図。 同実施形態において初期磁極推定位置補正処理を実行可能なモータシステムの図１対応図。 同実施形態におけるｄ−ｑ軸定義及び推定軸γ−δ定義を示す図。 同実施形態における推定位置誤差とｑ軸検出電流の関係を示す図。 同実施形態における推定位置誤差とγ軸指令印加時のｑ軸電流検出値を示す図。 同実施形態において初期磁極推定位置補正処理時のゲートＯＮ時間及び電流検出タイミングを示す図。 同実施形態において三相電流から固定軸α−βへの変換処理内容を示す図。 同実施形態において固定軸α−βから回転座標ｄ−ｑへの変換処理内容を示す図。 同実施形態における初期磁極位置補正処理のフローチャート。 同実施形態における初期磁極位置補正処理時の平均ｑ軸電流、推定位置誤差及び制御応対の変動を示す図。 同実施形態における初期磁極位置補正処理時の平均ｑ軸電流、推定位置誤差及び制御応対の変動を示す図。 同実施形態における初期磁極位置補正処理に関する試験結果を示す図。 同実施形態における初期磁極位置補正処理の一変形例に関する図１５対応図。 初期磁極位置補正処理の異なる一変形例に関する図１５対応図。 同実施形態における初期磁極位置補正処理のさらに異なる一変形例に関する図１４対応図。 同実施形態における初期磁極位置補正処理のさらに異なる一変形例に関する図８対応図。 三相巻線及びゲート回路を示す図。 三相巻線に流れる電流ベクトル軌跡を模式的に示す図。 電流ベクトル位相及び推定軸を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係るモータ制御装置１は、図１に示すように、突極性を有するモータＭを位置センサレスで制御するものである。このモータ制御装置１は、直流電源（図示省略）から電力が供給されるものであり、インバータ装置に適用可能なものである。

本実施形態では、モータＭとして、例えば珪素鋼板からなる鉄心を主体としてなる回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石構造の同期モータＭであるＩＰＭモータＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）を適用している。モータＭは、図１に示すように、モータ制御装置１に接続された三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を有し、モータ制御装置１から出力される印加電圧に応答した電流がこれら三相に流れることで駆動する。

モータ制御装置１は、モータＭとともにモータシステムＸを構成するものであり、モータＭを直接駆動するゲート回路部２（主回路部）と、モータＭの駆動を制御する電流制御部３（本発明の「制御部」に相当、以下では制御部と称す）や図示しない速度制御部等を備えている。

ゲート回路部２は、各相にそれぞれ接続されている一対の上アームスイッチ及び下アームスイッチを有する。これらスイッチのＯＮ・ＯＦＦの切り替えによって、ゲートＯＮ時間が規定される。

制御部３は、モータＭの駆動状態を所定の制御パターンに従い制御するものである。ＲＯＭやＲＡＭなどで構成された記憶部に、モータ制御装置１がモータＭの駆動状態を制御する際の制御プログラムや制御パターンデータ等が格納されている。

そして、本実施形態における制御部３は、擬似電気角指令生成部３１と、二相−三相変換部３２と、ＰＷＭ制御部３３と、ゲート制御部３４と、電流検出部３５と、初期磁極位置推定部３６とを有するものである。

擬似電気角指令生成部３１は、電気角１周期を所望の位相数で等分した擬似的な回転信号である擬似電気角指令を生成するものである。この擬似電気角指令は、１回転内でのパルス数を複数回に規定するものである。なお、擬似電気角指令生成部３１は、制御部３から独立したものであってもよいが、本実施形態では制御部３に属するものとしている。

二相−三相変換部３２は、入力されたｄ軸電圧指令、ｑ軸電圧指令を三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の整流波に変換するものである。本実施形態では、二相−三相変換部３２が、入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を、擬似電気角指令に基づいて三相の整流波に変換できるように設定している。ここで、擬似電気角指令が、電気角１周期（Ｔ）を位相数ｎ＝１６で等分した擬似的な回転信号である場合、二相−三相変換部３２によってｄ−ｑ座標上の電圧指令から三相交流座標系へ変換し、この二相−三相変換部３２から出力される三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電圧指令を図２に示す。なお、二相−三相変換部３２に入力されるｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の何れか一方が、ゼロ固定の電圧指令である場合、二相−三相変換部３２に入力される電圧指令は、ゼロ固定ではない方の電圧指令であると捉えることができる。

ＰＷＭ制御部３３は、二相−三相変換部３２で変換された三相の整流波（三相の電圧指令）に基づいてＰＷＭ制御を行うものである。

ゲート制御部３４は、ＰＷＭ制御部３３によるＰＷＭ制御時のゲート回路部２のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しく、モータＭが始動しない（回転子が回転しない）程度の時間に制御するものである。このゲート制御部３４で制御されたゲートＯＮ・ＯＦＦ時間に基づいてゲート回路部２の作動を制御することで、モータＭに電源電圧を印加して、モータＭを駆動させることができる。

電流検出部３５は、ＯＮ・ＯＦＦ時間によって制御されるゲート回路部２からモータＭに流れる少なくとも二相の応答電流を所定の同一条件のタイミングで検出するものである。本実施形態では、ゲートＯＮ時間で巻線に流れる電流のピーク値を確実に検出できるように、検出対象とする二相の応答電流を、各相にそれぞれ接続されている一対の上アームスイッチ及び下アームスイッチのＯＮ・ＯＦＦの切替によってゲートがＯＮからＯＦＦになるタイミング（ゲートＯＦＦタイミング）で検出するように設定している。

初期磁極位置推定部３６は、電流検出部３５によって検出した二相の応答電流を、相互に直交するα軸及びβ軸によって規定される二相座標系上の電流である固定軸電流に変換し、二相座標系上における電気角位相ごとの固定軸電流を示す各プロットの二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を回転子の初期磁極位置と推定するものである。

次に、このようなモータ制御装置１によって、回転子の初期磁極位置を推定する手順を説明する。

本実施形態に係るモータ制御装置１は、フィードバック回路を成立させず、二相−三相変換部３２に入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令に、擬似電気角指令生成部３１で生成した擬似電気角指令を合成して三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の整流波に変換し、この整流波に基づいてＰＷＭ制御部３３によりＰＷＭ制御を実行する。擬似電気角指令生成部３１によって生成する擬似電気角指令は、周波数（擬似電気角周期Ｔ）で掃引させたものであり、電気角１周期を所望の位相数ｎで等分した擬似的な回転信号である。上述したように、位相数ｎを１６に設定した場合の三相電圧指令を図２に示す。本実施形態では、例えば、ｑ軸電圧指令をゼロ固定に設定し、実質的にｄ軸電圧指令のみを二相−三相変換部３２に入力するように設定している。

そして、本実施形態に係るモータ制御装置１は、二相−三相変換部３２から出力される三相電圧指令をそのまま三相の巻線に与えた場合に生じるモータＭの暴走を回避すべく、ゲート制御部３４によって、回転子が回転しない程度（モータＭが始動しない程度）の時間だけ三相の巻線に電圧指令を与えるようにゲート回路部２のＯＮ・ＯＦＦ時間を制御する。さらに、本実施形態に係るモータ制御装置１では、ゲート制御部３４によって、ゲート回路部２のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しい時間に制御する。ここで、擬似電気角指令における電気角位相数ｎを１６に設定した場合において、ゲート回路部２のＯＮ時間を、各位相周期（Ｔ／１６）の１／８時間に設定したゲートＯＮ制御信号を図３に示す。

続いて、本実施形態に係るモータ制御装置１は、同図に示すように、ゲート回路部２からモータＭに流れる少なくとも二相の応答電流（モータＭ電流）を電流検出部３５によってゲートＯＦＦタイミングで検出する。本実施形態では、Ｕ相，Ｖ相の応答電流を電流検出部３５によって検出する。ここで、検出した電流値は、回転子の磁極位置によって異なる。

次いで、本実施形態に係るモータ制御装置１は、電流検出部３５によって検出した二相の応答電流を、各電気角位相ｎ＝０乃至１５のそれぞれでＩｕ（ｎ），Ｉｖ（ｎ）として所定のメモリに格納し、図４に示す変換式により、検出した二相の応答電流Ｉｕ（ｎ），Ｉｖ（ｎ）のピーク電流（ゲートＯＦＦタイミング電流）を固定軸電流Ｉα，Ｉβに変換し、ｎ点（本実施形態であれば１６点）のデータをプロットすることで、図５のような楕円形状の電流ベクトル軌跡を得ることができる。ここで、合成電流ベクトルは、Ｉ’＝√（Ｉα^２＋Ｉβ^２）で得ることができるため、ｎ＝０乃至１５の各電気角位相によるＩｕ（ｎ），Ｉｖ（ｎ）の自乗和を比較することで最大ベクトルを求め、図５に示す数式により最大ベクトルが指す磁極角度を算出する。

そして、本実施形態に係るモータ制御装置１では、同図において相対的に細い実線で示す最大ベクトルが指す磁極角度が、回転子の磁極方向と一致又は略一致していることから、最大ベクトルが指す磁極角度を回転子の磁極方向と推定し、引き続いて、最大ベクトルの逆方向を回転子のＮ極方向と推定し、このＮ極方向に対応する回転角度位置（同図において相対的に太い実線で示す回転角度位置）を回転子の初期磁極位置と推定する。最大ベクトルが指す磁極角度を、回転子の磁極方向と推定した上で、回転子の磁極磁石のＮ極、Ｓ極を判定することになるが、これは、一般的に電気角０度のｄ軸インダクタンスＬｄ_Ｎと電気角１８０度のｄ軸インダクタンスＬｄ_Ｓの関係は、Ｌｄ_Ｎ＞Ｌｄ_Ｓであるので、ｄ軸（θ＝０ｄｅｇ，１８０ｄｅｇ）への単位時間当たりの電圧印加による二相の電流応答を比較した場合、相対的に検出電流値が小さい方を磁石のＮ極、つまり回転子のＮ極方向であると推定できるとの原理に基づくものである。

本実施形態のモータ制御装置１は、電流検出部３５によって二相の応答電流を検出した時点以降から、回転子のＮ極方向を推定するまでの処理を上述の初期磁極位置推定部３６によって実行している。

また、本実施形態では、モータ制御装置１を上述した各部に相当する各手段として機能させて、上述の処理（ステップ）のアルゴリズムを実行するモータ制御プログラムを、所定の記憶部に、処理に必要なデータ（制御パターンデータ等）とともに格納している。

次に、本実施形態に係るモータ制御装置１による回転子の初期磁極位置推定処理精度を明らかにすべく、以下の条件で行った試験及びその試験結果について述べる。

本試験は、ＰＷＭキャリア周波数、擬似電気角周期（Ｔ）、ゲートＯＮ時間（Ｔ／１６／８）、電圧指令（ｄ軸電圧指令）をそれぞれ所定値に設定し、電流ＰＩ制御ゲインをゼロに固定し、電流検出周期をゲートＯＦＦタイミングと同期させた条件下で、上述の手順で初期磁極位置推定処理を任意の磁極位置で行った。その結果、電流ベクトル軌跡は、磁極位置ごとに長軸方向が変形していることが図６から分かり、回転子の推定磁極位置と、位置センサによって検出した回転子の実際の磁極位置との差（推定位置誤差）を算出したところ、本発明者は、本試験によって、本実施形態に係るモータ制御装置１による回転子の初期磁極位置推定精度の最大誤差を、交番パルス電圧方式を採用した場合よりも低減できることを確認した。

このように、本実施形態に係るモータ制御装置１であれば、電流フィードバック回路を成立させず、ｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を直接与えることを可能とし、１回転内でのパルス数を例えば１６回に規定する擬似電気角指令に基づく三相の電圧指令でＰＭＷ制御部３のＰＭＷ制御により、ゲート制御部３４により任意の時間でゲートＯＮ／ＯＦＦ時間を調整することができるため、電気角１周期あたりの電流検出ポイントが６ポイントに限定される交番パルス電圧方式（交番パルス電圧の６位相を利用する方式）の場合と比較して、電気角１周期あたりの検出ポイント数を増やすことが可能になり、回転子の初期磁極位置を、専用の位置センサを用いなくとも高い精度で推定することができる。また、本実施形態に係るモータ制御装置によれば、初期磁極位置の推定に要する処理時間の高速化を実現することができ、擬似電気角周期Ｔを短くすればするほど処理時間のより一層の高速化を図ることができる。つまり、本実施形態に係るモータ制御装置１では、擬似電気角周期Ｔが初期磁極位置の推定に要する処理時間を調整するパラメータとなる。

上述の試験は、電気角周期を一挙に１６分割した条件で行ったものであるが、擬似電気角周期Ｔを所定数に分割する処理を複数回（数段階）に分けて行うことで、初期磁極位置推定精度をさらに向上させることも可能であると考えられる。例えば、電気角周期を８分割し（分割第１段階）、８位相に基づいて描かれる電流ベクトル軌跡から最大ベクトルを求め（粗推定処理）、その最大ベクトルを中心として、電気角周期を８分割し（分割第２段階）、電気角位相ごとの固定軸電流を示す各プロットの二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を回転子の磁極方向と推定し、その最大ベクトルの逆方向を回転子のＮ極方向と推定する処理（詳細推定処理）を実施すれば、電気角周期を一挙に所定数に分割する場合と同程度の処理時間で、推定位置誤差をより一層低減することが可能であると考えられる。

さらにはまた、擬似電気角指令部によって生成する擬似電気角指令として、電気角１周期を１６以外の所望の位相数（７以上であれば従来よりも高精度で初期磁極位置の推定が可能であるが、さらに望ましくは２^ｎ（ｎ≧３））で等分した擬似的な回転信号を用いることも可能である。

また、二相−三相変換部３２に入力される電圧指令は、ｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令であればよく、ｑ軸電圧指令のみ、ｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令の両方であってもよい。

上述の実施形態では、初期磁極位置検出試験結果として述べたように、回転子の初期磁極位置を、実際の磁極位置に対して限定された範囲内の誤差で推定可能であるが、適用するシステムにおいてはさらに高精度な初期磁極位置の推定精度が要求される場合が考えられる。また、上述の実施形態では、回転子が静止していることを前提としているが、初期磁極位置を推定する動作で回転子が不意に動いてしまう事態も起こり得る。

そこで、本実施形態に係るモータ制御装置１は、図７に示すように、制御部３として、推定した初期磁極位置（初期磁極推定位置）を実際の磁極位置（実初期磁極位置）に一致または近付ける初期磁極推定位置補正部３８を有するものを適用することができる。

ｄ−ｑ軸ベクトル定義を示す図８に、推定した初期磁極位置に基づく推定電気角からなる推定軸（γ−δ軸）と、ｄ−ｑ軸とγ−δ軸との誤差である推定位置誤差θ_ｅｒｒを示す。同図における推定ｄ軸であるγ軸に電流指令Ｉγ^*を与えた場合、推定位置誤差θ_ｅｒｒにより、実際に流れるｄ軸電流及びｑ軸電流は、図９に示す３パターンに限定される。すなわち、γ軸に電流指令Ｉγ^*を与えた場合、推定位置誤差θ_ｅｒｒにより、その誤差量に対する「Ｉγ^*ｓｉｎ（θ_ｅｒｒ）」が、推定ｑ軸であるδ軸に流れる電流Ｉδとして検出することができ、推定位置誤差θ_ｅｒｒがゼロである場合、δ軸検出電流Ｉδはゼロであり、推定位置誤差θ_ｅｒｒがゼロよりも大きい場合、δ軸検出電流Ｉδは正の値となり、推定位置誤差θ_ｅｒｒがゼロよりも小さい場合、δ軸検出電流Ｉδは負の値となる。以上より、推定位置誤差θ_ｅｒｒの正負の符号に応じたｑ軸検出電流Ｉｑの符号の反転方向に、推定位置誤差θ_ｅｒｒに相当する角度分だけγ−δ軸をシフトさせれば、実際の磁極位置に一致するように補正可能であることがわかる。

ここで、ｄ軸のみに電圧指令を与えた場合、推定位置誤差θ_ｅｒｒがゼロであるときはｑ軸検出電流Ｉｑもゼロとなり、発生するトルクがゼロとなることがわかる（図９中に示すＰＭモータのトルク式（式１）参照）。また、僅かな推定位置誤差θ_ｅｒｒが存在する場合であっても、発生するトルクは微小とすることが可能になる。

図１０に、実際の磁極位置から電気角θ_ｅｒｒだけずらした磁極位置に、回転子が動き出さない微小時間だけｄ軸電圧指令を繰り返し印加し、それぞれのｑ軸検出電流のピーク値の平均をプロットしたもの示す。同図に示す電気角θ_ｅｒｒとｄ軸指令印加時のｑ軸電流検出値との相対関係から、同図中の式１に示す近似の線形性を確認できる。

次に、このような原理を利用した本実施形態に係る初期磁極推定位置の補正処理について説明する。なお、この初期磁極推定位置の補正処理は、上述の初期磁極推定処理と同時ではなく、時間差をおいて実施可能な処理である。

本実施形態に係るモータ制御装置１では、実際の磁極位置と推定軸であるγ軸との軸誤差をｑ軸電流として検出し、補正処理に利用するため、ｄ軸電圧指令のみを与え、ｑ軸電圧指令をゼロ固定に設定し、実質的にｄ軸電圧指令のみを二相−三相変換部３２に入力するように設定している。二相−三相変換部３２では、入力された直流の電圧指令であるｄ軸電圧指令を、二相−三相変換部３２に入力される電気角指令に基づいて三相の整流波に変換する。ここで、二相−三相変換部３２に入力されるｄ軸電圧指令は、三相電圧指令とのＰＷＭ比較において、１００％電圧指令を作り出せるように飽和レベル以上与える。また、初期磁極推定位置補正処理時に、二相−三相変換部３２に入力される電気角指令は、初期磁極位置補正部３８から出力される電気角指令である。この電気角指令の具体的な電気角は、上述の初期磁極位置推定処理で求めた初期磁極推定位置（推定値）と、所定の磁極補正量によって規定される電気角指令であり、初期磁極推定位置補正処理中に変動する値でもある。したがって、初期磁極位置補正処理を実行する上では、図１に示す擬似電気角指令生成部３１は不要であり、省略することができる（図７参照）。

本実施形態に係るモータ制御装置１は、二相−三相変換部３２から出力される三相電圧指令をそのまま三相の巻線に与えた場合に生じるモータＭの暴走を回避すべく、ゲート制御部３４によって、回転子が回転しない程度（モータＭが始動しない程度）の時間だけ三相の巻線に電圧指令を与えるようにゲート回路部２のＯＮ・ＯＦＦ時間を制御する。さらに、本実施形態に係るモータ制御装置１では、ゲート制御部３４によって、ゲート回路部２のＯＮ・ＯＦＦ時間を各位相周期で等しく制御する。

続いて、本実施形態に係るモータ制御装置１は、ゲート回路部２からモータＭに流れる少なくとも二相の応答電流を電流検出部３５によってゲートＯＦＦタイミングで検出する。ここで、ゲート回路部２のＯＮ時間を、各位相周期Ｔの１／８時間に設定した場合のゲートＯＮ制御信号及び応答電流の検出タイミングを図１１に示す。

次いで、本実施形態に係るモータ制御装置１は、制御部３として、三相−二相変換部３７及び初期磁極推定位置補正部３８を有するものを適用し、電流検出部３５によって検出した二相の応答電流を三相−二相変換部３７に入力する。三相−二相変換部３７は、二相−三相変換部３２に入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の何れか一方のみの電圧指令（本実施形態ではｄ軸電圧指令）に基づいてゲート回路部２からモータＭに流れる少なくとも二相の応答電流であって且つ電流検出部３５によって検出した応答電流を、相互に直交するｄ軸及びｑ軸によって規定される回転座標系上の電流（ｄ−ｑ軸電流）に変換するものである。図１２に、三相電流からα−β軸電流への変換する際の演算処理内容を示し、図１３に、α−β軸電流からｄ−ｑ軸電流への変換する際の演算処理内容を示す。

続いて、本実施形態に係るモータ制御装置１は、ｑ軸電流検出値に基づき、初期磁極位置補正部３８によって初期磁極推定位置を補正する処理を行う。初期磁極位置補正部３８は、三相−二相変換部３７によって変換して検出されたｑ軸検出電流の正負の符号から、初期磁極位置推定部３６で推定した回転子の初期磁極位置である初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致又は近付ける補正方向を判定し、補正方向であるｑ軸検出電流の正負の符号の反対方向に、所定の磁極補正量分だけ初期磁極推定位置を補正するものである。なお、以下の説明で用いる位置推定値は、初期磁極推定位置と同義である。

この初期磁極位置補正部３８での制御応対は、図１４に示すように、補正処理に関する制御を開始するＳｔａｔｅ０と、単位時間ΔＴ当たりのｑ軸電流Ｉｑの平均値を算出するＳｔａｔｅ１と、算出したｑ軸電流Ｉｑの平均値Ｉｑ_ａｖｅ（平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅ）が予め設定している条件（既定値）を満たしていると判定した場合に、補正処理に移行し、所定の終了条件（設定精度）に収まるまで繰り返し補正処理を実行した後に、制御を終了するＳｔａｔｅ２に段階分けすることができる。なお、後述する図１５には、説明の便宜上、単位時間ΔＴ当たりのｑ軸電流Ｉｑの平均値を算出するＳｔａｔｅ１以降、補正処理に関する制御を終了するＳｔａｔｅ２までの制御応対であって、所定の終了条件（設定精度）に収まるまで補正処理を繰り返し実行する制御応対はＳｔａｔｅ１に属するものとする。

ここで、本実施形態における補正処理は、ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号の反転方向（逆方向）に位置推定値を所定の磁極補正量分だけシフトし、ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号反転を終了条件とするものである。なお、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅは、上述のとおり、単位時間ΔＴ当たりのｑ軸電流Ｉｑの平均値であり、平均値ではないｑ軸電流Ｉｑを利用する場合よりも、検出電流値のばらつきを抑えることができ、検出精度の向上が期待できる。もちろん本発明が、平均値ではないｑ軸電流Ｉｑを利用する態様を積極的に排除するものでないことを付言しておく。

また、本実施形態では、初期磁極位置補正部３８において、算出したｑ軸電流Ｉｑの平均値Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している条件（既定値）より大きい場合、補正範囲外にあると判定して補正処理に関する制御を中止するように設定している（図１４のＳｔａｔｅ３参照）。

本実施形態における補正処理に関する制御の一具体例を図１５に示す。同図では、補正処理を実行する直前の推定位置誤差θ_ｅｒｒが「ある負の値」である場合において、補正処理実行時にそれぞれ変化する平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅ（同図下段）、推定位置誤差θ_ｅｒｒ（同図中段）、制御応対Ｓｔａｔｅ０乃至Ｓｔａｔｅ３（同図上段）を同一のタイムライン上に模式的に示している。

図１４及び図１５に示すように、本実施形態に係るモータ制御装置１では、初期磁極位置推定部３６で推定した初期磁極推定位置を検出し（初期磁極推定位置検出ステップＳ１、図１４参照）、検出した初期磁極推定位置に対応する電気角を、補正処理中に変動する値である推定電気角としてセットし（電気角セットステップＳ２）、制御を開始する（制御開始ステップＳ３）ことにより、補正処理に関する制御を開始し（Ｓｔａｔｅ０、図１５中のＰ１）、上述した手順により平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅを算出する（平均ｑ軸電流算出ステップＳ４，Ｓｔａｔｅ１）。なお、上述の「補正処理を実行する直前の推定位置誤差θ_ｅｒｒ」が、初期磁極位置推定部３６で推定した初期磁極推定位置と実際の磁極位置との差といえる。

続いて、本実施形態に係るモータ制御装置１は、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している既定値（補正処理に関する制御開始の閾値ＩＱ_ＭＡＸ）よりも小さいか否かを判定し（制御開始判定ステップＳ５）、小さい場合（制御開始判定ステップＳ５；Ｙｅｓ）は、その平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している既定値（補正処理に関する制御要否の閾値ＩＱ_ＭＩＮ）以下であるか否かを続けて判定し（制御要否判定ステップＳ６）、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している既定値ＩＱ_ＭＩＮ以下でない場合（制御要否判定ステップＳ６；Ｎｏ）、補正実行ステップＳ７に移行する。図１５に示すケースでは、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している補正処理に関する制御開始の閾値ＩＱ_ＭＡＸよりも小さく、且つ予め設定している補正処理に関する制御要否の閾値ＩＱ_ＭＩＮ以下であり、補正実行ステップＳ７に移行する（図１５中のＰ２）。なお、制御開始判定ステップＳ５及び制御要否判定ステップＳ６では、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅの絶対値を、制御開始の閾値ＩＱ_ＭＡＸ（より正確には、図１５に示す絶対値が等しい正の制御開始閾値ＩＱ_ＭＡＸと負の制御開始閾値ＩＱ_ＭＡＸのうち正の制御開始閾値ＩＱ_ＭＡＸ）や、制御要否の閾値ＩＱ_ＭＩＮ（より正確には、同図に示す絶対値が等しい正の制御要否閾値ＩＱ_ＭＩＮと負の制御要否閾値ＩＱ_ＭＩＮのうち正の制御要否閾値ＩＱ_ＭＩＮ）と比較している。

補正実行ステップＳ７では、まず、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロよりも大きいか否かを判定し（平均ｑ軸電流符号判定ステップＳ７１）、大きい場合（平均ｑ軸電流符号判定ステップＳ７１；Ｙｅｓ）、つまり、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが正の符号である場合は、正符号補正実行ステップＳ７２乃至Ｓ７４に進み、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロよりも大きくないと判定した場合、つまり、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが負の符号である場合（平均ｑ軸電流符号判定ステップＳ７１；Ｎｏ）は、負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７に進む。図１５に示すケース、つまり、補正処理を実行する直前の推定位置誤差θ_ｅｒｒが「ある負の値」であるケースでは、算出される平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅも推定位置誤差θ_ｅｒｒに応じた符号と同じ負の符号であるため、平均ｑ軸電流符号判定ステップＳ７１においてゼロよりも大きくないと判定され、負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７に進む。

正符号補正実行ステップでは、図９より、推定軸（γ−δ軸）を実軸（ｄ−ｑ軸）に一致または近付けるために、推定軸座標を遅らせる処理、すなわち、電気角セットステップＳ２でセットした電気角（補正処理中に変動する値である推定電気角）から、補正処理に関する制御を開始する前に予め設定している磁極補正量Δθ_３に応じた角度分を引いた値を、推定電気角とする処理（電気角変更ステップＳ７２）を実行し、その推定電気角に基づく平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅを算出し（電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７３）、その算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロ未満であるか否かを判定する（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７４）。そして、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロ未満である場合（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７４；Ｙｅｓ）は補正処理に関する制御を終了し、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロ未満でない場合（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７４；Ｎｏ）は、電気角変更ステップＳ７２に戻り、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロ未満となるまで上述の出力電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７３、平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７４を繰り返す。

負符号補正実行ステップでは、図９より、推定軸（γ−δ軸）を実軸（ｄ−ｑ軸）に一致または近付けるために、推定軸座標を進ませる処理、すなわち、電気角セットステップＳ２でセットした推定電気角に、補正処理に関する制御を開始する前に予め設定している磁極補正量Δθ_３に応じた角度分を足した値を、推定電気角とする処理（電気角変更ステップＳ７５）を実行し、その推定電気角に基づく平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅを算出し（電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７６）、その算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きい否かを判定する（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７）。そして、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きい場合（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７；Ｙｅｓ）は補正処理に関する制御を終了し、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きくない場合（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７；Ｎｏ）は、電気角変更ステップＳ７５に戻り、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きくなるまで上述の電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７６、平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７を繰り返す。

図１５に示すケース、つまり、補正処理を実行する直前の推定位置誤差θ_ｅｒｒが「ある負の値」であるケースでは、負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７に進み、１回目の電気角変更ステップＳ７５、電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７６に続く平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７において、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きくないと判定され（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７；Ｎｏ、図１５中のＰ３）、電気角変更ステップＳ７５に戻り、２回目の電気角変更ステップＳ７５、電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７６に続く平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７において、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きいと判定され（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７；Ｙｅｓ、図１５中のＰ４）、補正処理に関する制御を終了し、この時点で制御応対はＳｔａｔｅ１からＳｔａｔｅ２に移行する（図１５参照）。図１５から把握できるように、負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７を経ることで、補正処理中に変動する推定電気角に応じた推定位置誤差θ_ｅｒｒは、補正処理実行前よりもゼロに近付き、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが負の符号から正の符号に反転するまで（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７において平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きいと判定するまで）、繰り返し補正処理（負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７）を実行することで、全ての補正処理を終了した時点の推定位置誤差θ_ｅｒｒ（図１５に示す２回目の平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７終了時点Ｐ４の推定位置誤差θ_ｅｒｒ）を、直前の補正処理終了時点の推定位置誤差θ_ｅｒｒ（同図に示す１回目の平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７終了時点Ｐ３の推定位置誤差θ_ｅｒｒ）よりもゼロに近付けることが可能である。

また、本実施形態では、図１６に示すように、制御開始判定ステップＳ５において、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している制御開始の閾値ＩＱ_ＭＡＸよりも小さくないと判定した場合（制御開始判定ステップＳ５；Ｎｏ、図１６中のＰ２）には、それ以降のステップに進まずに中止（Ｓｔａｔｅ１からＳｔａｔｅ３に移行）して、補正処理に関する制御を行わないように設定している。その結果、ノイズ等の原因によって初期磁極位置の推定処理を適切に行うことができなかった場合や、何らかの理由で回転子が大きく動いてしまった場合は、制御開始判定ステップＳ５において、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している制御開始の閾値ＩＱ_ＭＡＸよりも大きいと判定して、補正処理に関する制御を行わず、推定位置誤差が大きいこと、つまり、補正処理前の初期磁極推定位置が実際の磁極位置から大きくずれている事象を検出することができ、初期磁極位置の推定処理を再度実行する等の対策を施すことで、モータＭの暴走を回避し、スムーズに始動することができる。

ここで、本実施形態に係るモータ制御装置１による回転子の磁極位置補正処理精度を明らかにすべく以下の条件で行った試験及びその試験結果について述べる。

本試験は、ＰＷＭキャリア周波数、ゲートＯＮ時間、電圧指令（ｄ軸電圧指令）をそれぞれ所定値に設定し、電流ＰＩ制御ゲインをゼロに固定して、電流検出周期をゲートＯＦＦタイミングと同期させた条件下で、初期磁極位置検出処理とは切り離して行ったものである。本試験では、位置センサによって検出した電気角θ_ｒｅｓに対してオフセットを持たせた値を回転子の初期磁極推定値（例えば、真値に対して「ある正の値の位置誤差」と「ある負の値の位置誤差」）とし、平均化時間ΔＴ、制御開始の閾値ＩＱ_ＭＡＸ、制御要否の閾値ＩＱ_ＭＩＮ、磁極補正量Δθ_３をそれぞれ所定値に設定した当該試験の結果を図１７に示す。同図では、補正処理実行時にそれぞれ変化する推定位置誤差θ_ｅｒｒ（同図下段）、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅ（同図中段）、制御応対Ｓｔａｔｅ０乃至Ｓｔａｔｅ３（同図上段）を同一のタイムライン上に模式的に示している。

初期の磁極誤差が「ある負の値」の状態から制御を開始した場合、同図（ａ）に示すように、補正処理実行前のｑ軸検出電流Ｉｑの符号も初期磁極誤差と同じ符号、つまり負の符号であり、負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７に進む。そして、同図（ａ）に示すように、初期の磁極誤差が「ある負の値」である場合、負符号補正実行ステップＳ７５乃至Ｓ７７を３回繰り返し、３回目の電気角変更ステップＳ７５、電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７６に続く平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７において、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより大きいと判定したタイミング（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７７；Ｙｅｓ、同図中のＰａ）で、補正処理に関する制御を終了している。同図（ａ）より、３回のゲート通電の平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが磁極誤差に対して線形性を持ち、３回目の推定位置シフト後の判定で平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅの符号が反転したタイミングで制御を完了し、最終的な推定位置誤差は、補正処理前よりも小さくなった。本試験において初期磁極誤差が「ある負の値」である場合には、同図（ａ）に示すように、補正処理完了後の推定位置誤差θ_ｅｒｒの符号は反転し、補正処理前よりも磁極誤差（推定位置誤差θ_ｅｒｒ）がゼロに近付いている。なお、同図（ａ）におけるポイントＰ１は、制御開始時点であり、ポイントＰ２は、制御開始判定ステップ（及び制御要否判定ステップ）終了時点であり、ポイントＰ３は、１回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点であり、ポイントＰ４は、２回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点である。

初期の磁極誤差が「ある正の値」の状態から制御を開始した場合、同図（ｂ）に示すように、補正処理実行前のｑ軸検出電流Ｉｑの符号も初期磁極誤差と同じ符号、つまり正の符号であり、正符号補正実行ステップＳ７２乃至Ｓ７４に進む。そして、同図（ｂ）に示すように、初期の磁極誤差が「ある正の値」の場合、正符号補正実行ステップＳ７２乃至Ｓ７４を２回繰り返し、２回目の電気角変更ステップＳ７２、電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７３に続く平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７４において、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロまたはゼロより小さいと判定したタイミング（平均ｑ軸電流符号反転判定ステップＳ７４；Ｙｅｓ、同図中のＰｂ）で、補正処理に関する制御を終了している。同図（ｂ）より、２回のゲート通電の平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが磁極誤差に対して線形性を持ち、２回目の推定位置シフト後の判定で平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅの符号が反転したタイミングで制御を完了し、最終的な推定位置誤差は、補正処理前よりも小さくなった。なお、本試験において初期磁極誤差が「ある正の値」である場合には、同図（ｂ）に示すように、補正処理完了後の推定位置誤差θ_ｅｒｒの符号は反転していない。これは、推定位置誤差θ_ｅｒｒがゼロ近辺の微小値では検出がばらつく影響で、推定位置誤差θ_ｅｒｒと平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅの符号は必ずしも一致しないことを意味する。同図（ｂ）におけるポイントＰ１は、制御開始時点であり、ポイントＰ２は、制御開始判定ステップ（及び制御要否判定ステップ）終了時点であり、ポイントＰ３は、１回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点である。

このような初期磁極誤差が「ある正の値」、「ある負の値」である状態から制御を開始する試験をそれぞれ３回ずつ行った結果、制御終了時（Ｓｔａｔｅ１からＳｔａｔｅ２に移行した時点）の推定位置誤差θ_ｅｒｒの平均値は補正処理前よりも小さく、正符号補正実行ステップ又は負符号補正実行ステップの繰り返し回数は２回、または３回であった。

上記試験結果より、推定した初期磁極位置が真の初期磁極位置（実初期磁極位置）に対して「ある正の値」の推定位置誤差を有していても、磁極補正量（補正シフト量）Δθ_３を推定位置誤差の「ある正の値」よりも小さい任意の値に設定することで、本実施形態に係る初期磁極位置補正部３８によって、推定位置誤差θ_ｅｒｒを確実に縮小（補正）することができ、位置推定精度の向上を実現できることが分かった。

このように、本実施形態に係るモータ制御装置１によれば、初期磁極位置を推定した後に、ｄ軸にのみ電圧指令を与え、回転子が作動しない程度に指令印加時間を制御し、ｑ軸検出電流Ｉｑの符号から回転子の位置補正の方向を決定し、実初期磁極位置（目標磁極位置）に対する推定位置誤差の有無をｑ軸検出電流Ｉｑの大きさから決定することで、回転子の初期磁極位置を補正し、初期磁極位置の推定精度を向上させることができる。

したがって、初期磁極位置推定部３６で推定した初期磁極位置の精度が所定の精度条件を満たさない場合や、初期磁極位置の推定処理時に回転子が不意に動いてしまっている場合であっても、上述の補正処理を実行することによって、推定精度をさらに高めることができる。

また、補正処理完了後の最終的な推定位置誤差θ_ｅｒｒと補正シフト量（磁極補正量）Δθ_３には、「０≦θ_ｅｒｒ≦Δθ_３」という関係が成立する。したがって、本実施形態のモータ制御装置１の初期磁極位置補正部３８によれば、磁極補正量を変化させることで目標誤差に対する精度を自由に決定することができる。例えば、磁極補正量を小さくすると、終了条件（ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号が反転）となるまでの補正実行回数（正符号補正実行ステップ又は負符号補正実行ステップの繰り返し回数）が多くなり、補正完了までに要する時間が増大するものの、目標誤差に対する精度は向上する（図１８参照）。図１８におけるポイントＰ１は、制御開始時点であり、ポイントＰ２は、制御開始判定ステップ（及び制御要否判定ステップ）終了時点であり、ポイントＰ３は、１回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点であり、ポイントＰ４は、２回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点であり、ポイントＰ５は、３回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点であり、ポイントＰ６は、４回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点である。

上述した実施形態では、「ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号が反転」することを補正処理の終了条件としている。この場合の終了条件は、ｑ軸検出電流がゼロ又はゼロを含む所定範囲内の値であることを間接的に示す条件であるといえる。

また、図１９に示すように、「ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号が反転」することを補正処理の終了条件としつつ、ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号が反転した後、一度だけ逆方向にシフトさせる補正を実行し、その際、逆方向への磁極補正量を、正負の符号が反転する以前の磁極補正量よりも小さい値（例えば０．５倍等）にすると、このような正負の符号反転後に逆方向へシフトさせる補正処理を実行しない態様と比較して、補正実行回数を増やさずとも実際の磁極位置により一層近付けることができ、目標誤差に対する精度が上がる。図１９におけるポイントＰ１は、制御開始時点であり、ポイントＰ２は、制御開始判定ステップ（及び制御要否判定ステップ）終了時点であり、ポイントＰ３は、１回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点であり、ポイントＰ４は、２回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了時点であり、ポイントＰ５は、２回目の推定位置シフト後のｑ軸電流符号反転判定ステップ終了と同時または略同時に行う推定位置逆方向シフト処理完了時点である。

また、推定位置誤差θ_ｅｒｒの誤差量に対する「Ｉγ^*ｓｉｎ（θ_ｅｒｒ）」がｑ軸電流として検出できるため、図２０に示すように、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している既定値（補正処理に関する制御要否の閾値ＩＱ_ＭＩＮ）以下であるか否かを判定し（制御要否判定ステップＳ６）、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している既定値ＩＱ_ＭＩＮ以下でない場合（制御要否判定ステップＳ６；Ｎｏ）、補正実行ステップＳ７’に移行し、この補正実行ステップＳ７’において、まず、推定位置誤差θ_ｅｒｒを、制御要否判定ステップＳ６で利用する平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅに基づいて推定する（推定位置誤差推定ステップＳ７０’）。そして、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロよりも大きいか否かを判定し（平均ｑ軸電流符号判定ステップＳ７１’）、大きい場合（平均ｑ軸電流符号判定ステップＳ７１’；Ｙｅｓ）、つまり、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが正の符号である場合は、正符号補正実行ステップＳ７２’乃至Ｓ７４’に進み、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅがゼロよりも大きくないと判定した場合、つまり、平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが負の符号である場合は、負符号補正実行ステップＳ７５’乃至Ｓ７７’に進む。

正符号補正実行ステップでは、電気角セットステップＳ２でセットした電気角から、推定位置誤差推定ステップＳ７０’で推定した推定位置誤差θ_ｅｒｒに応じた角度分を引いた値を、電気角とする処理（電気角変更ステップＳ７２’）を実行し、その電気角に基づく平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅを算出し（電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７３’）、その算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となっているか否か（目標精度の下限値に対応するｑ軸電流の値○○以上であって且つ目標精度の上限値に対応するｑ軸電流の値△△以下であるか否か）を判定する（平均ｑ軸電流判定ステップＳ７４’）。そして、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となっている場合（平均ｑ軸電流判定ステップＳ７４’；Ｙｅｓ）は補正処理に関する制御を終了し、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となっていない場合（平均ｑ軸電流判定ステップＳ７４’；Ｎｏ）は、推定位置誤差推定ステップＳ７０’に戻り、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となるまで上述のステップを繰り返す（図２０参照）。

負符号補正実行ステップでは、電気角セットステップＳ２でセットした電気角に、推定位置誤差推定ステップＳ７０’で推定した推定位置誤差θ_ｅｒｒに応じた角度分を足した値を、電気角とする処理（電気角変更ステップＳ７５’）を実行し、その電気角に基づく平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅを算出し（電気角変更後平均ｑ軸電流算出ステップＳ７６’）、その算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが、予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となっているか否か（目標精度の下限値に対応するｑ軸電流の値○○以上であって且つ目標精度の上限値に対応するｑ軸電流の値△△以下であるか否か）を判定する（平均ｑ軸電流判定ステップＳ７７’）。そして、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となっている場合（平均ｑ軸電流判定ステップＳ７７’；Ｙｅｓ）は補正処理に関する制御を終了し、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となっていない場合（平均ｑ軸電流判定ステップＳ７７’；Ｎｏ）は、推定位置誤差推定ステップＳ７０’に戻り、算出した平均ｑ軸電流Ｉｑ_ａｖｅが予め設定している目標精度に対応するｑ軸電流の値となるまで上述のステップを繰り返す（図２０参照）。

このように、ｑ軸検出電流Ｉｑの正負の符号の反転方向に、推定位置誤差θ_ｅｒｒに相当する角度分だけシフトさせ、目標精度に応じたｑ軸検出電流Ｉｑの値となっているかを判定する。これにより、理想状態であれば、正符号補正実行ステップ又は負符号補正実行ステップの回数が１回で推定位置誤差θ_ｅｒｒがゼロになる。

このような実施形態では、「目標精度の下限値に対応するｑ軸電流の値○○以上であって且つ目標精度の上限値に対応するｑ軸電流の値△△以下であること」を補正処理の終了条件としており、この終了条件は、ｑ軸検出電流がゼロ又はゼロを含む所定範囲内の値であることを直接的に示す条件であるといえる。

また、推定ｄ軸であるγ軸に指令を与えるのではなく、推定ｑ軸であるδ軸に指令を与えることでも位置補正を行うことが可能である。推定位置誤差θ_ｅｒｒを図２１に示すように定義すると、Ｉδ^*ｓｉｎ（θ_ｅｒｒ）がｄ軸電流として検出できる。以降は、これまでに示した手法においてＩｑを用いていた部分をＩｄに置換することで、位置補正を行う。ただし、モータＭのトルクＴは前記図９中の式１で求められることから、δ軸に指令を与えることでモータＭが回転するリスクが高まることに注意する必要がある。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、突極性を有するモータとして代表的なＩＰＭモータを例示したが、回転子の表面に永久磁石を貼り付ける等して一体的に設けた表面磁石構造の同期モータであるＳＰＭモータ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ）を適用することもできる。ＳＰＭモータには突極性がないか殆どないと考えられてはいるが、磁気抵抗やインダクタンスが回転角度の依存性を持つ突極性が少しではあるが存在し、上述の実施形態で述べた楕円形状の電流ベクトル軌跡を得ることができ、本発明の初期磁極位置推定処理や、初期磁極位置補正処理を実行することが可能である。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…モータ制御装置
２…ゲート回路部
３…制御部
３１…擬似電気角指令部
３２…二相−三相変換部
３３…ＰＷＭ制御部
３４…ゲート制御部
３５…電流検出部
３６…初期磁極位置推定部
３７…初期磁極位置補正部
３８…三相−二相変換部
Ｍ…モータ
Ｘ…モータシステム

Claims (6)

1. 回転子に永久磁石を付帯させたモータを駆動するゲート回路部及び制御部を有し、且つ電源から電気が供給されるモータ制御装置であって、
   前記制御部が、
   入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を、入力された電気角指令に基づいて三相の整流波に変換する二相−三相変換部と、
   前記三相の整流波に基づいてＰＷＭ制御を行うＰＷＭ制御部と、
   ＰＷＭ制御時における前記ゲート回路部のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しく且つ前記モータが始動しない程度の時間に制御するゲート制御部と、
   前記ＯＮ・ＯＦＦ時間によって制御される前記ゲート回路部から前記モータに流れる少なくとも二相の応答電流を所定のタイミングで検出する電流検出部と、
   前記電流検出部によって検出した二相の応答電流を、相互に直交するα軸及びβ軸によって規定される二相座標系上の電流である固定軸電流に変換し、前記二相座標系上における電気角位相ごとの前記固定軸電流を示す各プロットの前記二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を前記回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を前記回転子の初期磁極位置と推定する初期磁極位置推定部とを有するものであり、
   さらに、電気角１周期を所望の位相数で等分した擬似的な回転信号であって且つ前記二相−三相変換部に入力される擬似電気角指令を生成する擬似電気角指令部を有するものであることを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記二相−三相変換部が、入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の何れか一方のみの電圧指令を、入力された電気角指令に基づいて三相の整流波に変換するものであり、
   前記制御部が、
   前記ゲート回路部から前記モータに流れる応答電流であって且つ前記電流検出部によって検出した応答電流を、相互に直交するｄ軸及びｑ軸によって規定される回転座標系上の電流に変換する三相−二相変換部と、
   前記三相−二相変換部によって変換することで検出可能なｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の何れか一方の正負の符号から、前記初期磁極位置推定部で推定した前記回転子の初期磁極位置である初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致又は近付ける補正方向を判定し、当該補正方向であるｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の正負の符号の反対方向に、所定の磁極補正量分だけ、又は前記初期磁極推定位置と前記実際の磁極位置との誤差である推定位置誤差に応じた補正量分だけ前記初期磁極推定位置を補正する初期磁極位置補正部とを有すものである請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記初期磁極位置補正部は、前記所定の磁極補正量分だけ又は前記推定位置誤差に応じた補正量分だけ前記初期磁極推定位置を補正する処理を、前記ｑ軸検出電流又は前記ｄ軸検出電流がゼロ又はゼロを含む所定範囲内の値であることを直接または間接的に示す終了条件を満たすまで繰り返すものである請求項２記載のモータ制御装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のモータ制御装置と、当該モータ制御装置によって制御され前記電源から電気が供給されるモータとを備えていることを特徴とするモータシステム。
5. 請求項１乃至３の何れかに記載のモータ制御装置を動作させるモータ制御プログラムであって、
   前記モータ制御装置を、
   前記擬似電気角指令を生成する擬似電気角生成手段と、
   入力されたｄ軸電圧指令又はｑ軸電圧指令の少なくとも何れか一方の電圧指令を電気角指令に基づいて三相の整流波に変換する二相−三相変換手段と、
   前記三相の整流波に基づいてＰＷＭ制御を行うＰＷＭ制御手段と、
   ＰＷＭ制御時における前記ゲート回路部のＯＮ・ＯＦＦ時間を、各位相周期で等しく且つ前記モータが始動しない程度の時間に制御するゲート制御手段と、
   前記ＯＮ・ＯＦＦ時間によって制御される前記ゲート回路部から前記モータに流れる少なくとも二相の応答電流を所定のタイミングで検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出した二相の応答電流を、前記固定軸電流に変換し、前記二相座標系上における電気角位相ごとの前記固定軸電流を示す各プロットの前記二相座標の原点からのベクトルの大きさを特定し、最大ベクトルの方向を前記回転子の磁極方向と推定し、最大ベクトルの逆方向に対応する回転角度位置を前記回転子の初期磁極位置と推定する初期磁極位置推定手段として機能させることを特徴とするモータ制御プログラム。
6. 前記モータ制御装置を、
   前記応答電流を前記回転座標系上の電流に変換する三相−二相変換手段と、
   前記三相−二相変換手段によって変換することで検出可能なｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の何れか一方の正負の符号から、前記初期磁極位置推定手段で推定した前記回転子の初期磁極位置である初期磁極推定位置を実際の磁極位置に一致又は近付ける補正方向を判定し、当該補正方向であるｑ軸検出電流又はｄ軸検出電流の正負の符号の反対方向に、所定の磁極補正量分だけ、又は前記初期磁極推定位置と前記実際の磁極位置との誤差である推定位置誤差に応じた補正量分だけ前記初期磁極推定位置を補正する初期磁極位置補正手段として機能させる請求項５に記載のモータ制御プログラム。

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