JP2017034762A - 回転電機の制御装置および回転電機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位置センサに異常が発生したときであれ、より広い速度範囲で安定して運転することができる回転電機の制御装置および回転電機の制御方法を提供する。【解決手段】位置センサの異常が検出される場合、モータの回転数Ｎが低速域の回転数Ｎｓであるとき、突極性を利用する第２の位置センサレス制御の実行を通じてモータが駆動される。位置センサの異常が検出される場合、モータの回転数Ｎが中高速域の回転数Ｎｈであるとき、モータの誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御の実行を通じてモータが駆動される。このように、第１の位置センサレス制御および第２の位置センサレス制御をモータの回転速度域に応じて使い分ける。第１の位置センサレス制御では、系統Ａ，Ｂの両方が使用されてモータが駆動される。第２の位置センサレス制御では、系統Ａがロータ位置検出用として使用され、系統Ｂがモータ駆動用として使用される。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機の制御装置および回転電機の制御方法に関する。

従来、位置センサを通じて検出されるロータの回転位置に基づきモータコイルへの給電を制御する制御装置が存在する。位置センサに何らかの異常が発生したとき、制御装置はロータの回転位置を検出することが困難となるため、モータを継続して駆動させることができない。モータの用途によっては、位置センサに異常が発生したときであれ、モータを継続して駆動させることが要求されることもある。

そこで従来、位置センサを使用することなくモータを駆動させる、いわゆる位置センサレス制御技術が提案されている。たとえば特許文献１には、突極型永久磁石モータの突極性（ロータ位置による磁気抵抗の変化）を利用してロータの回転角を推定することが記載されている。また、特許文献２には、ロータの回転に伴う誘起電圧を推定することにより磁極の位相（ロータの電気角）を推定することが記載されている。これら推定されるロータの回転角に基づきモータへの通電が継続される。

特開２０１０−１１５４２号公報 特開２００４−７９２４号公報

前述した２つの位置センサレス制御方式には、それぞれつぎのようことが懸念される。まず、突極性により生じるインダクタンスの位置依存性を利用する方法は、ステータに高周波の信号電圧を印加して、その応答として得られる電流を検出する方式である。このため、ステータに信号電圧を印加することに起因するトルクリップルが生じるおそれがある。つぎに、永久磁石の回転により生じる誘起電圧の位相情報を利用する方法については、誘起電圧を使用するため、低速域（特に、モータの始動時）におけるロータの位置推定が困難である。

本発明の目的は、位置センサに異常が発生したときであれ、より広い速度範囲で安定して運転することができる回転電機の制御装置および回転電機の制御方法を提供することにある。

上記目的を達成し得る回転電機の制御装置は、環状に並ぶ複数のコイルを有する筒状のステータと、前記ステータに対して同心をなして相対回転する埋込磁石型のロータと、前記ロータの回転位置を検出する位置センサと、を有する回転電機の制御装置を前提としている。当該制御装置は、前記複数のコイルに三相交流電力を供給する駆動回路と、前記位置センサを通じて検出されるロータの回転位置に基づき前記駆動回路を通じて前記複数のコイルに対する給電を制御する制御回路と、を備えている。そして前記制御回路は、前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの回転速度がしきい値以下である低速域の回転速度であるときには前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定する一方、前記ロータの回転速度がしきい値を超える中高速域の回転速度であるときには前記回転電機の誘起電圧を利用して前記ロータの回転位置を推定し、当該推定される回転位置に基づき前記複数のコイルに対する給電を制御する。

この構成によれば、位置センサに異常が発生したとき、回転電機の回転速度域に応じて、回転電機の誘起電圧を利用してロータの回転位置を推定する第１の方法と、ロータの突極性を利用してロータの回転位置を推定する第２の方法とを使い分けることにより、位置センサに異常が発生した場合であれ、低速域および中高速域を含む広い回転速度範囲で回転電機を安定して運転することが可能となる。

すなわち、誘起電圧を利用する第１の方法では、回転電機の誘起電圧を使用するため低速域での位置推定が困難である。突極性を利用する第２の方法は、ステータに高周波の信号電圧を印加してその応答として得られる信号電流を検出する方法である。このため、第２の方法では、信号電流に起因するトルクリップルが生じるおそれがある。したがって、第２の方法は第１の方法ではロータの回転位置の推定が困難となる低速域において限定的に使用するに留め、中高速域では第１の方法を使用する。これにより、より広い回転速度範囲で回転電機を安定して運転することができる。

上記の回転電機の制御装置において、前記複数のコイルは複数のコイルを１つのグループとする複数のグループに分けられていること、および前記駆動回路は前記グループと同数だけ設けられて各駆動回路は前記複数のグループごとに別系統で三相交流電力を各グループのコイルに供給するものであること、を前提としてもよい。この場合、前記制御回路は、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける一のグループには前記ロータの回転位置を検出するための電力を供給する一方、残りのグループには前記回転電機を駆動させるための電力を供給することが好ましい。

この構成によるように、ロータ位置検出用のコイルグループと、回転電機駆動用のコイルグループとを分離することにより、ロータの回転位置を得るための電力に起因するトルクリップルの発生を抑制することができる。

上記の回転電機の制御装置において、前記制御回路は、前記回転電機の誘起電圧を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記各駆動回路を通じて前記回転電機を駆動させるための電力を前記複数のグループにそれぞれ供給することが好ましい。

この構成によれば、位置センサに異常が発生した場合、すべてコイルグループを使用して回転電機が駆動される。このため、位置センサに異常が発生した場合であれ、通常時により近い状態で回転電機を運転することができる。

上記目的を達成し得る回転電機の制御装置は、環状に並ぶ複数のコイルを有し各コイルが複数のコイルを１つのグループとする複数のグループに分けられてなる筒状のステータと、前記ステータに対して同心をなして相対回転する埋込磁石型のロータと、前記ロータの回転位置を検出する位置センサと、を備えてなる回転電機の制御装置を前提としている。当該制御装置は、前記複数のグループごとに別系統で三相交流電力を各グループのコイルに供給するグループ数と同数の駆動回路と、前記位置センサを通じて検出されるロータの回転位置に基づき各駆動回路を通じて各グループのコイルに対する給電を制御する制御回路と、を有している。また、前記制御回路は、前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定し、当該推定される回転位置に基づき前記複数のコイルに対する給電を制御する。そのうえで、前記制御回路は、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける一のグループには前記ロータの回転位置を検出するための電力を供給する一方、残りのグループには前記回転電機を駆動させるための電力を供給する。

この構成によれば、位置センサに異常が発生したとき、複数のグループにおける一のグループに対するロータ位置検出用の電力を供給することによりロータの回転位置が推定される。そして当該推定されるロータの回転位置に基づき残りのグループに対する回転電機駆動用の電力が供給される。このように、ロータ位置検出用のコイルグループと、回転電機駆動用のコイルグループとを分離することにより、ロータの回転位置を得るための電力に起因するトルクリップルの発生を抑制することができる。また、位置センサに異常が発生した場合であれ、低速域および中高速域を含む広い回転速度範囲で回転電機を安定して運転することが可能となる。

上記の回転電機の制御装置において、前記制御回路は、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける前記一のグループに供給される前記ロータの位置検出用の電力を打ち消すように、前記残りのグループに対する給電を制御することが好ましい。

この構成によれば、一のグループのコイル群に供給されるロータ位置検出用の電力に起因して発生する回転電機トルクがトルクリップルとして現れることを抑制することが可能である。トータルとして、残りのグループのコイル群に対して減衰部分を有さない本来の電流波形を呈するかたちで給電されたときと同等の回転電機トルクが発生する。このため、位置センサに異常が発生した場合、回転電機をより安定して運転することができる。

上記目的を達成し得る回転電機の制御方法は、環状に並ぶ複数のコイルを有し各コイルが複数のコイルを１つのグループとする複数のグループに分けられてなる筒状のステータと、前記ステータに対して同心をなして相対回転する埋込磁石型のロータと、前記ロータの回転位置を検出する位置センサと、を有する回転電機の制御方法を前提としている。当該制御方法では、前記位置センサに異常が発生していない場合、前記位置センサを通じて検出される前記ロータの回転位置に基づき前記回転電機を駆動させるための電力を前記複数のグループごとに別系統で各グループのコイルに供給する。また、当該制御方法では、前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの回転速度がしきい値以下である低速域の回転速度であるときには前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定する。また当該制御方法では、前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの回転速度がしきい値を超える中高速域の回転速度であるときには前記回転電機の誘起電圧を利用して前記ロータの回転位置を推定する。そして当該制御方法では、当該推定される前記ロータの回転位置に基づき前記回転電機を駆動させるための電力を前記複数のグループごとに別系統で各グループのコイルに供給する。さらに当該制御方法では、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける一のグループには前記ロータの位置を検出するための電力を供給する一方、残りのグループには前記回転電機を駆動させるための電力を供給する。

この制御方法によれば、位置センサに異常が発生したとき、回転電機の誘起電圧を利用してロータの回転位置を推定する第１の方法と、ロータの突極性を利用してロータの回転位置を推定する第２の方法とを、回転電機の回転速度域に応じて使い分ける。これにより、位置センサに異常が発生した場合であれ、低速域および中高速域を含む広い回転速度範囲で回転電機を安定して運転することが可能となる。また、ロータ位置検出用のグループと、回転電機駆動用のコイル群グループとを分離することにより、ロータの回転位置を得るための電力に起因するトルクリップルの発生を抑制することができる。

本発明に係る回転電機の制御装置および回転電機の制御方法によれば、位置センサに異常が発生したときであれ、より広い速度範囲で安定して運転することができる。

第１の実施の形態におけるモータの横断面図。 第１の実施の形態におけるモータおよびその制御装置の回路ブロック図。 第１の実施の形態における位置センサに異常が発生した場合において、第１の位置センサレス制御と第２の位置センサレス制御とを切り替えるタイミングを説明するためのモータの回転数（回転速度）とモータトルクとの関係を示すグラフ。 第１の実施の形態におけるＭＰＵの構成を示すブロック図。 第１の実施の形態におけるｄ軸方向の演算処理手順を示すフローチャート。 第１の実施の形態におけるインダクタンス軌跡とｄ軸方向との関係を示すグラフ。 （ａ）は第２の実施の形態における第１のコイル群（系統Ａ）に供給されるセンシング信号に基づく電流の波形を示すグラフ、（ｂ）は同じく第２のコイル群（系統Ｂ）に供給されるモータ駆動用のｑ軸電流の波形を示すグラフ、（ｃ）は同じくモータトルクの経時的変化を示すグラフ。

＜第１の実施の形態＞
以下、回転電機の制御装置の第１の実施の形態を説明する。制御対象である回転電機は、たとえば電動パワーステアリング装置における操舵アシスト力の発生源であるモータである。

＜モータの構成＞
まず、制御装置の制御対象であるモータの構成を説明する。
図１に示すように、モータ１１は、いわゆるＩＰＭモータ（Interior Permanent Magnet Motor）である。モータ１１は、ケース１２の内周面に固定される円筒状のステータ１３、およびステータ１３に挿通された円柱状のロータ１４を備えている。

ステータ１３は、円筒状のステータコア１５、およびステータコア１５に巻回された複数のコイル１６を有している。ステータ１３の軸方向からみて、ステータコア１５は、１２個の分割コア２１がケース１２の内周面に沿って隙間なく並べられてなる。ここでは、図１に丸数字で示されるように、各分割コア２１は、１番〜１２番の番号を付すことにより区別する。１２個の分割コア２１は、ステータコア１５の半径方向へ延びる直線ＰＬを境として、系統Ａ，Ｂの２つのグループに分けられている。系統Ａのクループは同一円周上に設けられた１２個の分割コア２１のうちの半周分の６個の分割コア２１（１番〜６番）を、系統Ｂのグループは残る半周分の６個の分割コア２１（７番〜１２番）を含む。各分割コア２１には、コイル１６が巻回されている。各コイル１６は、これらが設けられる分割コア２１の番号（１番〜１２番）を付して区別する。また、系統Ａに属する１番〜６番のコイル１６を第１のコイル群１６Ａ、系統Ｂに属する７番〜１２番のコイル１６を第２のコイル群１６Ｂと総称する。

ロータ１４は、ケース１２に回転可能に軸支される円柱状のロータコア３１、およびロータコア３１の内部に埋め込まれた１０個の永久磁石３２を有している。ロータコア３１には１０個の磁石挿入孔３３が設けられている。各磁石挿入孔３３はロータコア３１の軸方向に沿って貫通している。また、ロータコア３１の軸方向からみて、各磁石挿入孔３３はロータコア３１の円周方向に沿って一定の間隔で設けられている。各磁石挿入孔３３には直方体状の永久磁石３２が挿入されている。各永久磁石３２は、ロータコア３１の半径方向に沿って着磁されるとともに、ロータコア３１の円周方向において互いに隣り合う２つの永久磁石３２，３２の着磁の向きが互いに反対になるように設けられる。

＜制御装置の構成＞
つぎに、モータ１１の駆動を制御する制御装置の構成を説明する。
図２に示すように、制御装置４０は、第１の駆動回路４１、第２の駆動回路４２およびＭＰＵ（micro processing unit）４３を備えている。また、制御装置４０は、第１の電圧センサ５１、第２の電圧センサ５２、第１の電流センサ６１、および第２の電流センサ６２を有している。

第１の駆動回路４１は、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のインバータ回路を有してなる。第１の駆動回路４１は、ＭＰＵ４３により生成される制御信号（ＰＷＭ信号）に基づいて、バッテリなどの直流電源から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。第１の駆動回路４１は、直列に接続された２つのＦＥＴ（field-effect transistor）を１組とする３組のアーム（単相ハーフブリッジ）が、それぞれ直流電源の＋端子と−端子との間に並列に接続されてなる。第２の駆動回路４２は、第１の駆動回路４１と同一の構成である。第１の駆動回路４１および第２の駆動回路４２の各ＦＥＴが、ＭＰＵ４３により生成される制御信号に基づきスイッチングすることにより直流電力が三相の交流電力に変換される。

第１の電圧センサ５１は、第１の駆動回路４１と第１のコイル群１６Ａにおける各相のコイル１６との間の給電経路に生じる各相の電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１を検出する。第２の電圧センサ５２は、第２の駆動回路４２と第２のコイル群１６Ｂにおける各相のコイル１６との間の給電経路に生じる各相の電圧Ｖｕ２，Ｖｖ２，Ｖｗ２を検出する。

第１の電流センサ６１は、第１の駆動回路４１と第１のコイル群１６Ａにおける各相のコイル１６との間の給電経路に生じる各相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１を検出する。第２の電流センサ６２は、第２の駆動回路４２と第２のコイル群１６Ｂにおける各相のコイル１６との間の給電経路に生じる各相の電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を検出する。

ＭＰＵ４３は、第１の駆動回路４１の制御を通じて第１のコイル群１６Ａ（系統Ａ）への給電を制御する。またＭＰＵ４３は、第２の駆動回路４２の制御を通じて第２のコイル群１６Ｂ（系統Ｂ）への給電を制御する。具体的には、ＭＰＵ４３は、モータ１１に設けられた位置センサ（回転角センサ）４４を通じて検出されるロータ１４の回転角θ（回転位置）に基づき第１の駆動回路４１および第２の駆動回路４２に対する制御信号をそれぞれ生成する。位置センサ４４としては、たとえばホールセンサまたはレゾルバなどが採用される。通常、ＭＰＵ４３は、第１の駆動回路４１および第２の駆動回路４２の制御を通じて第１のコイル群１６Ａおよび第２のコイル群１６Ｂにそれぞれ電力を供給することによりモータ１１を駆動する。

なお、モータ１１が電動パワーステアリング装置における操舵アシスト力の発生源として使用される場合、ＭＰＵ４３は車両に設けられる各種のセンサの検出結果を運転者の要求あるいは走行状態を示す情報として取得し、これら取得される各種の情報に応じてモータ１１を制御する。各種のセンサとしては、たとえば先の位置センサ４４に加えてトルクセンサ４５および車速センサ４６が含まれる。トルクセンサ４５はたとえばステアリングシャフトに設けられて、ステアリングホイールに加えられる操舵トルクＴを検出する。車速センサ４６は車両の走行速度である車速ｖを検出する。ＭＰＵ４３は操舵トルクＴおよび車速ｖに基づき目標アシスト力を演算し、当該目標アシスト力を発生させるための駆動電力をモータ１１の回転角θに対応する各相のコイル１６に供給する。

このように、ＭＰＵ４３はロータ１４の回転角θに基づきステータ１３（第１のコイル群１６Ａおよび第２のコイル群１６Ｂ）へ供給する電流の制御を行う。このため、位置センサ４４に何らかの異常が発生したとき、ＭＰＵ４３はモータ１１の円滑な制御を実行することが困難となる。

しかし、モータ１１を電動パワーステアリング装置の駆動源として使用する場合など、モータ１１の使用先によっては、モータ１１を停止させずになるべく継続して駆動させることが要求されることもある。

そこで、ＭＰＵ４３は、位置センサ４４の異常が検出されるとき、いわゆる位置センサレス制御の実行を通じてモータ１１の駆動を制御する。位置センサレス制御とは、位置センサ４４を使わずにモータ１１を駆動させるための制御をいう。位置センサレス制御では、ロータ１４の位置情報（回転角）を演算により推定し、当該推定される位置情報に基づきステータ１３への給電を制御する。近年では、種々の位置センサレス制御方法が提案されているところ、モータの磁極推定方法によって、大きくつぎの２種類に分けられる。

ａ．モータの誘起電圧を利用してロータの回転位置を推定する第１の位置センサレス制御方法。
ｂ．ロータの突極性（インダクタンスの磁極位置依存性）を利用してロータの回転位置を推定する第２の位置センサレス制御方法。ＩＰＭモータのロータは突極性を有する。

ここで、モータ１１の誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御方法では、誘起電圧の振幅が小さくなる低速域において磁極位置を推定することが難しい。誘起電圧の大きさはモータの回転速度に比例するため、中速域および高速域において有効である。

ロータ１４の突極性を利用する第２の位置センサレス制御方法では、ロータの突極性によりステータコイルのインダクタンスが磁極位置によって変化する特徴を利用することにより、モータの回転速度にかかわらず位置情報を検出することができる。ただし、当該方法では、たとえば高周波の交番信号をステータに一定周期で印加し、その応答として得られる電流を検出するところ、当該ステータに交番信号を印加することに起因するトルクリップルが生じるおそれがある。また、特に高速域では位置情報を有する高周波とモータを駆動するための基本波とを分離することが困難である。

このように、第１および第２の位置センサレス制御方法には、それぞれロータの位置情報を正確に検出することができる速度域と正確に検出することができない速度域が存在する。そこで本例では、ＭＰＵ４３は、位置センサ４４の異常が検出されるとき、モータ１１の回転速度（低速域／中高速域）に応じて、第１および第２の位置センサレス制御方法を使い分ける。

＜ＭＰＵの構成＞
つぎに、ＭＰＵ４３の構成を説明する。ＭＰＵ４３は、系統Ａの給電制御に係る第１の演算部４３ａ、および系統Ｂの給電制御に係る第２の演算部４３ｂを有している。第１の演算部４３ａと第２の演算部４３ｂとは基本的には同じ構成である。このため、ここでは主に第１の演算部４３ａについて詳細に説明する。第２の演算部４３ｂについては、その存在を示すに留める。

図４に示すように、第１の演算部４３ａは、電流指令値演算部７１、角度演算部７２、減算器７３、フィードバック制御部７４、モータ制御信号生成部７５を有している。
電流指令値演算部７１は、トルクセンサ４５を通じて検出される操舵トルクＴおよび車速センサ４６を通じて検出される車速ｖに基づき電流指令値Ｉ＊を演算する。電流指令値Ｉ＊はモータ１１に供給するべき電流を示す指令値である。正確には、電流指令値Ｉ＊は、ｄ／ｑ座標系におけるｑ軸電流指令値およびｄ軸電流指令値を含む。ｄ／ｑ座標系は、モータ１１の回転角θに従う回転座標である。電流指令値演算部７１は、操舵トルクＴの値が大きいほど、かつ車速ｖが遅いほど、より大きな絶対値の電流指令値Ｉ＊を演算する。

角度演算部７２は、位置センサ４４により生成される電気信号に基づきロータ１４の回転角（回転位置）θを演算する。
減算器７３は、電流指令値Ｉ＊と第１の電流センサ６１を通じて検出されるモータ１１の実際の電流の値との差を演算する。正確には、第１の演算部４３ａはｄ／ｑ変換部(図示略)を有している。ｄ／ｑ変換部は、ロータ１４の回転角θに基づき各相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１の値をｄ／ｑ座標上に写像することにより、ｄ／ｑ座標系におけるモータ１１の実電流値であるｄ軸電流値およびｑ軸電流値をそれぞれ演算する。減算器７３は、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流値との差（ｄ軸電流偏差）、ならびにｑ軸電流指令値とｑ軸電流値との差（ｑ軸電流偏差）をそれぞれ演算する。

フィードバック制御部７４は、ｄ軸電流値をｄ軸電流指令値に追従させるべくｄ軸電流偏差に基づく電流フィードバック制御を行うことによりｄ軸電圧指令値を演算する。また、フィードバック制御部７４は、ｑ軸電流値をｑ軸電流指令値に追従させるべくｑ軸電流偏差に基づく電流フィードバック制御を行うことによりｑ軸電圧指令値を演算する。また、フィードバック制御部７４は、角度演算部７２により演算されるロータ１４の回転角θに基づきｄ軸電圧指令値およびｑ軸電圧指令値をそれぞれ三相の交流座標系上に写像することにより、三相の交流座標系における各相の電圧指令値Ｖ＊を演算する（ｄ／ｑ逆変換機能）。

モータ制御信号生成部７５は、フィードバック制御部７４により生成される各相の電圧指令値Ｖ＊をＰＷＭ変換することによりモータ制御信号を生成する。第１の駆動回路４１（正確には、各ＦＥＴ）がモータ制御信号のデューティ比に応じてスイッチングすることにより、第１のコイル群１６Ａにおける各相のコイル１６には各相の電圧指令値Ｖ＊に応じた電圧が印加される。

また、第１の演算部４３ａは、第１の位置センサレス制御および第２の位置センサレス制御をそれぞれ実行するための構成として、異常検出部８１、センシング信号生成部８２、加算器８３、フィルタ８４、角度推定部８５、および選択部８６を有している。

異常検出部８１は、位置センサ４４の異常を検出する。異常検出部８１は、たとえば位置センサ４４と第１の演算部４３ａとの間を接続する信号線に生じる信号を監視することにより位置センサ４４の異常、および当該信号線の断線などの異常を検出する。異常検出部８１は、位置センサ４４の異常あるいは信号線の異常が検出されるとき、その旨を示す異常検出信号Ｓｅを生成する。

センシング信号生成部８２は、異常検出部８１により位置センサ４４の異常が検出されるとき、センシング信号（探査信号）Ｖｈを生成する。センシング信号Ｖｈは、たとえばモータ１１の定格周波数と比較して十分に高い周波数である高周波電圧を第１のコイル群１６Ａにおける各相のコイル１６に印加するための各相に対応する電圧指令値である。センシング信号Ｖｈは、ロータ１４が停止しているとき、およびロータ１４が低速域で回転しているとき、ロータ１４の回転角（回転位置）θを推定するために使用される。

加算器８３は、センシング信号生成部８２により生成されるセンシング信号Ｖｈをフィードバック制御部７４により演算される各相の電圧指令値Ｖ＊に加算する。
フィルタ８４は、センシング信号生成８２部により生成されるセンシング信号Ｖｈ、第１の電流センサ６１を通じて検出される各相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１、および第１の電圧センサ５１を通じて検出される各相の電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１もそれぞれ取り込む。フィルタ８４は、これら取り込まれるセンシング信号Ｖｈ、各相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１、および各相の電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に含まれるノイズ成分をそれぞれ除去する。

角度推定部８５は、フィルタ８４による処理を経た後の各相の電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１の値に基づきロータ１４の回転角θを推定演算する。また、角度推定部８５は、フィルタ８４による処理を経た後の各相の電圧Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１の値に基づきロータ１４の回転角θを推定演算する。

選択部８６は、異常検出部８１により生成される異常検出信号Ｓｅ、角度演算部７２により演算されるロータ１４の回転角θ、および角度推定部８５により推定演算されるロータ１４の推定回転角θｅをそれぞれ取り込む。選択部８６は、異常検出信号Ｓｅが取り込まれないときには回転角θを選択する一方、異常検出信号Ｓｅが取り込まれるときには推定回転角θｅを選択する。

＜角度推定部の角度推定機能＞
つぎに、角度推定部８５の角度推定機能について詳細に説明する。角度推定部８５は２つの角度推定機能を有している。第１の角度推定機能は、ロータ１４が回転することによって発生する誘起電圧の変化に基づきロータ１４の回転位置を検出する機能である。第２の角度推定機能は、ロータ１４の突極性を利用してロータ１４の回転位置を推定する機能である。

＜第１の角度推定機能＞
まず、角度推定部８５の第１の角度推定機能について説明する。
角度推定部８５は、第１の電圧センサ５１を通じて検出される各相の電圧（端子電圧）Ｖｕ１，Ｖｖ１，Ｖｗ１に基づきモータ１１の誘起電圧を演算し、当該演算される誘起電圧の値に基づきモータ１１の回転速度（回転数）を推定演算する（回転速度演算機能）。角度推定部８５は、当該演算される推定回転速度と演算周期とに基づき一演算周期当たりの回転角変化量を演算する。角度推定部８５は、当該演算される回転角変化量を一演算周期前の推定モータ回転角の値に積算することにより現在の推定モータ回転角を演算する。第１の演算部４３ａは、当該演算される推定モータ回転角（ロータ１４の回転位置）に基づき第１のコイル群１６Ａに対する給電を制御する。

＜第２の角度推定機能＞
つぎに、角度推定部８５の第２の角度推定機能について説明する。
図５のフローチャートに示すように、角度推定部８５はモータ１１の回転角θを０°に設定する（ステップＳ１０１）。

つぎに、角度推定部８５はステップＳ１０１で設定した回転角θ（＝０度）を基準としてν／δ軸を設定する（ステップＳ１０２）。ここでは、図６に示されるように、ν軸を０°としたとき、ν軸は本来のｄ軸に対して位置誤差（位相角）Δθを有する。

つぎに、角度推定部８５はセンシング信号生成部８２により生成される高周波の交番電圧であるセンシング信号Ｖｈをν／δ軸（正確には、ν軸方向）に印加する（ステップＳ１０３）。

つぎに、角度推定部８５は第１の電流センサ６１を通じて検出される電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１（正確には、フィルタ８４による処理を経たもの）を取り込む（ステップＳ１０４）。

つぎに、角度推定部はステップＳ１０４で取り込んだ電流Ｉｕ１，Ｉｖ１，Ｉｗ１の値に基づきインダクタンスを演算する（ステップＳ１０５）。
つぎに、角度推定部８５は、次式（１）で示されるように、回転角θに微小角度αを加算する（ステップＳ１０６）。

θ＝θ＋α・・・（１）
つぎに、角度推定部８５は、回転角θの値が３６０°を超えているかどうかを判断する（ステップＳ１０７）。

角度推定部８５は、回転角θの値が３６０°を超えていない旨判断されるとき（ステップＳ１０７でＮＯ）、ステップＳ１０３へ処理を移行する。
角度推定部８５は、回転角θの値が３６０°を超えている旨判断されるとき（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、インダクタンスが最小となる角度（位置誤差Δθ）をｄ軸の方向とする（ステップＳ１０８）。

ちなみに、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０７の処理を繰り返すことにより、図６に実線で示されるような楕円状のインダクタンス軌跡Ｌｔが得られる。このインダクタンス軌跡Ｌｔの２つの長軸半径Ｒａ１，Ｒａ２は互いに同じ長さであるものの、２つの短軸半径Ｒｂ１，Ｒｂ２の長さは異なる。このようにインダクタンスが偏差を有するのは、ｄ軸磁路にエアギャップと同じ磁気抵抗を有する永久磁石３２が存在することに起因してｄ軸の磁気抵抗がｑ軸の磁気抵抗に対して小さくなるためである。

角度推定部８５は、このようなインダクタンス特性を利用してロータ１４の回転位置を示すｄ／ｑ軸の方向を推定することにより、ロータ１４の回転位置（磁極位置）を推定する。

＜モータの動作＞
つぎに、前述のように構成したモータの駆動方法を説明する。
＜位置センサの正常時＞
まず、位置センサ４４の異常が検出されない通常運転時、ＭＰＵ４３は位置センサ４４を通じて検出される回転角θに基づき２つの系統Ａ，Ｂを使用してモータ１１を駆動する。すなわち、ＭＰＵ４３は、第１の駆動回路４１を通じて第１のコイル群１６Ａに三相の交流電力を供給するとともに、第２の駆動回路４２を通じて第２のコイル群１６Ｂを通じて第２のコイル群１６Ｂに三相の交流電力を供給する。第１のコイル群１６Ａおよび第２のコイル群１６Ｂには、各相コイルの巻数に応じた誘起電圧が発生する。

＜位置センサの異常時＞
つぎに、位置センサ４４の異常が検出されるとき、ＭＰＵ４３はモータ１１の回転速度（回転数）に応じて、第１の位置センサレス制御と第２の位置センサレス制御とを切り替える。具体的には、図３のグラフに示される通りである。図３のグラフにおいて、横軸はモータ１１の回転数Ｎ、縦軸はモータ１１が発生するモータトルクτである。また、本例では回転数しきい値Ｎｔｈ以下の回転数領域を低速域、回転数しきい値Ｎｔｈを超える回転数領域を中高速域とする。回転数しきい値Ｎｔｈは、たとえばモータ１１の定格回転数Ｎｒの１０％程度の値に設定される。

＜低速域＞
図３のグラフに示されるように、ＭＰＵ４３は、モータ１１の回転数Ｎが低速域の回転数Ｎｓであるとき、モータ１１の突極性を利用する第２の位置センサレス制御の実行を通じてモータ１１を制御する。このとき、ＭＰＵ４３は２つの系統Ａ，Ｂのいずれか一方を使用してモータ１１を駆動するとともに、２つの系統Ａ，Ｂのいずれか他方を使用してロータ１４の回転位置を推定する。ここでは、ロータ１４の回転位置を検出するための系統として系統Ａを使用し、モータ１１を駆動させるための系統として系統Ｂを使用する。

すなわち、ＭＰＵ４３は系統Ａを利用して推定される推定回転角θｅを使用して第２のコイル群１６Ｂに対する給電を制御する。このとき系統Ａにおける第１のコイル群１６Ａにはモータ１１を駆動するための電力は供給されない。このため、モータ１１が発生するモータトルクτ１は、第１および第２のコイル群１６Ａ，１６Ｂの両方を使用する場合に発生するモータトルクτ２の半分程度の値（図３のグラフでは、半分よりも若干小さい値）となる。なお、図３のグラフに示される例では、低速域ではモータ１１の回転数Ｎにかかわらず、モータ１１が発生するモータトルクτは、モータトルクτ１でほぼ一定となる。

＜中高速域＞
図３のグラフに示されるように、ＭＰＵ４３は、モータ１１の回転数Ｎが中高速域の回転数Ｎｈであるとき、誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御の実行を通じてモータ１１を制御する。このとき、ＭＰＵ４３は２つの系統Ａ，Ｂを使用してモータ１１を駆動するとともに、系統Ａおよび系統Ｂの少なくとも一方を利用してロータ１４の回転位置を推定する。ここでは、ロータ１４の回転位置を検出するための系統として系統Ａを使用する。

すなわち、ＭＰＵ４３は系統Ａを利用して推定される推定回転角θｅを使用して第１のコイル群１６Ａおよび第２のコイル群１６Ｂに対する給電をそれぞれ制御する。このときモータ１１が発生するモータトルクτ２は、第１のコイル群１６Ａのみ、または第２のコイル群１６Ｂのみを使用する場合に発生するモータトルクτの２倍程度の値（図３のグラフでは、２倍よりも若干大きな値）となる。また、モータ１１の回転数Ｎが回転数しきい値Ｎｔｈを超えてから第１の回転数Ｎ１に達するまでの間、モータ１１が発生するモータトルクτは回転数Ｎにかかわらずモータトルクτ２でほぼ一定となる。また、回転数Ｎが第１の回転数Ｎ１を超えた以降、モータトルクτは回転数Ｎの増加に伴い徐々に減少する。なお、図３のグラフに示される例では、回転数Ｎが第２の回転数Ｎ２（＞Ｎ１）および第３の回転数Ｎ３（＞Ｎ２）を境として、回転数Ｎの増加に伴うモータトルクτの減少割合（傾き）が小さくなる。

＜実施の形態の効果＞
したがって、第１の実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）位置センサ４４の異常が検出される場合、モータ１１の回転数Ｎ（推定）が低速域の回転数Ｎｓであるとき、ＭＰＵ４３は突極性を利用する第２の位置センサレス制御の実行を通じてモータ１１を駆動する。また、位置センサ４４の異常が検出される場合、モータ１１の回転数Ｎ（推定）が中高速域の回転数Ｎｈであるとき、ＭＰＵ４３は誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御の実行を通じてモータ１１を駆動する。このように、誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御および突極性を利用する第２の位置センサレス制御をモータ１１の速度域に応じて使い分けることにより、位置センサ４４に異常が発生した場合であれ、低速域および中高速域を含む広い速度範囲でモータ１１を安定して運転することが可能となる。

（２）位置センサ４４の異常が検出される場合、モータ１１の回転数Ｎ（推定）が低速域の回転数Ｎｓであるとき、２つの系統Ａ，Ｂの一方系統を位置検出用として使用し、他方系統をモータ１１の駆動用として使用する。このため、ロータ１４の位置情報を得るためのセンシング信号Ｖｈに起因してコイル１６に生じる電流によるトルクリップルの発生が抑制される。トルクリップルに起因する異音なども低減される。また、系統を分離することにより、センシング信号Ｖｈに起因して生じるロータ１４の回転位置情報を有する高周波と、モータ１１を駆動するための基本波とを分離する必要がない。このため、より高い精度でロータ１４の回転位置情報が得られる。

（３）誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御では、２つの系統Ａ，Ｂを使用してモータ１１が駆動される。このため、位置センサ４４に異常が発生した場合であれ、より通常時に近い状態でモータ１１を運転することができる。

（４）制御装置４０は、モータ１１への給電系統として２つの系統Ａ，Ｂを有する。また、制御装置４０は、単一の位置センサ４４に異常が発生した場合、第１および第２の位置センサレス制御の実行を通じてモータ１１を継続して駆動させる。このため、複数の位置センサを設けることなくモータ１１および制御装置４０の異常に対する冗長性が確保される。モータ１１および制御装置４０、ひいてはこれらを含むシステムの製品寿命を延ばすことも可能である。また、当該システムの安全性もより高められる。

＜第２の実施の形態＞
つぎに、回転電機の制御装置の第２の実施の形態を説明する。本例は基本的には第１の実施の形態と同様の構成を有している。ここでは、突極性を利用する第２の位置センサレス制御が実行される場合、系統Ａがロータ１４の回転位置を検出するための系統として、系統Ｂはモータ１１を駆動させるための系統としてそれぞれ使用される。

図７（ａ）の波形図に示されるように、第２の位置センサレス制御の実行時、系統Ａにおける第１のコイル群１６Ａにはセンシング信号Ｖｈ（交番電圧）に基づく電流Ｉｈが生じるところ、この電流Ｉｈに起因して、わずかながらにもモータトルクが発生するおそれがある。そして図７（ｃ）に二点鎖線で示されるように、電流Ｉｈに起因して発生するモータトルクτａが、モータ１１を駆動させるために使用される第２のコイル群１６Ｂにより発生されるモータトルクτａに上乗せされるかたちで、わずかながらにもトルクリップルとして現れるおそれがある。

そこで本例では、ＭＰＵ４３（正確には、第２の演算部４３ｂ）は第２のコイル群１６Ｂへの給電をつぎのように制御する。
図７（ｂ）の波形図に示されるように、ＭＰＵ４３は、第１のコイル群１６Ａに生じる電流Ｉｈを打ち消すかたちで減衰された減衰部分−Ｉｈを有する電流波形が得られるように、第２のコイル群１６Ｂに対する給電を制御する。

これにより、第１のコイル群１６Ａに生じる電流Ｉｈに起因して発生するモータトルクτａの分だけ、第２のコイル群１６Ｂにより発生されるモータトルクτｂがモータトルクτａの発生タイミングに合わせて減少する。すなわち、第２のコイル群１６Ｂにより発生されるモータトルクτｂの部分的な減少が、第１のコイル群１６Ａにより発生されるモータトルクτａにより補われる。

その結果、図７（ｃ）に実線で示されるように、第１のコイル群１６Ａに生じる電流Ｉｈに起因して発生するモータトルクτａがトルクリップルとして現れることが抑制される。トータルとして、第２のコイル群１６Ｂに対して減衰部分−Ｉｈを有さない本来の電流波形を呈するかたちで給電されたときと同等のモータトルクτｂが発生する。

このように、本実施の形態によれば、センシング信号Ｖｈに起因するトルクリップルの発生が、よりいっそう低減される。位置センサ４４に異常が発生した場合におけるモータ１１をより安定して運転することができる。

＜他の実施の形態＞
なお、前記実施の形態は、つぎのように変更して実施してもよい。
・ＭＰＵ４３における第１の演算部４３ａおよび第２の演算部４３ｂは、それぞれ第１のＭＰＵおよび第２のＭＰＵとして分けて構成してもよい。第１のＭＰＵは系統Ａに、第２のＭＰＵは系統Ｂに対応させる。

・本例では直方体状の永久磁石３２を使用したが、永久磁石３２の形状は適宜変更してもよい。たとえば断面形状がＶ字状あるいはＵ字状を呈する永久磁石３２を採用してもよい。

・本例では、複数の分割コア２１からなるステータコア１５を採用したが、たとえば複数の電磁綱板が積層されてなる単一のコアを採用してもよい。この場合であれ、各コイル１６を系統Ａ，Ｂの２つのグループに分けることができる。

・本例では、いわゆる１０極１２コイルのブラシレスモータを一例として挙げたが、コイル１６の個数および永久磁石３２の個数（磁極数）は適宜変更してもよい。この場合、コイル１６の個数は「６」の自然数倍に設定することが好ましい。

・本例では、インナーロータ型のブラシレスモータを一例に挙げたが、アウターロータ型のブラシレスモータとしてもよい。アウターロータ型のモータでは、円筒状のロータの内部にステータが設けられる。

・本例では、同一円周上に設けられた１２個のコイル１６のうちの半周分の６個（１番〜６番）を系統Ａ、残る半周分の６個（７番〜１２番）を系統Ｂとして分割したが、ステータコア１５の円周方向において連続する複数個を１グループとしなくてもよい。たとえば、奇数番のコイル１６をＡ系統、偶数番のコイル１６をＢ系統として分割してもよい。

・本例では、位置センサ４４に異常が発生したとき、ＭＰＵ４３はたとえば一方の系統Ａをロータ位置検出用として使用し、他方の系統Ｂをモータ１１の駆動用として使用するようにしたが、系統Ａ，Ｂの両方を使用してモータ１１を駆動させるようにしてもよい。なお、位置センサ４４の異常時には、系統Ａ，Ｂの少なくとも一方のフィードバック制御部７４により生成される電圧指令値Ｖ＊にセンシング信号Ｖｈを重畳させればよい。ただしこの場合、ロータ１４の回転位置を推定するためには、センシング信号Ｖｈに起因して生じるロータ１４の回転位置情報を有する高周波と、モータ１１を駆動するための基本波とを分離する必要がある。

・本例では、位置センサ４４に異常が発生したとき、ＭＰＵ４３は低速域では突極性を利用する第２の位置センサレス制御を実行し、中高速域では誘起電圧を利用する第１の位置センサレス制御を実行するようにしたが、全速度域で突極性を利用する第２の位置センサレス制御を実行するようにしてもよい。ただしこの場合、系統Ａ，Ｂのうち一方系統をロータ位置検出用、他方系統をモータ駆動用として使用することが好ましい。系統を分離することにより、センシング信号Ｖｈに起因して生じるロータ１４の回転位置情報を有する高周波と、モータ１１を駆動するための基本波とを分離する必要がない。このため、より高い精度でロータ１４の回転位置情報が得られる。

・本例では、モータ１１に対する給電系統を系統Ａ，Ｂの２系統としたが、３系統、４系統あるいはそれ以上としてもよい。この場合、モータ１１に対する給電系統の数と同数の駆動回路を設ける。位置センサ４４に異常が発生したとき、ＭＰＵ４３は一の系統をロータ１４の位置検出用として使用し、残りの系統をモータ駆動用として使用する。

・また、モータ１１に対する給電系統を１系統としてもよい。このようにした場合であれ、単一の位置センサ４４に異常が発生したとき、ＭＰＵ４３は第１の位置センサレス制御および第２の位置センサレス制御をロータ１４の回転速度に応じて使い分けることにより、モータ１１をより安定して運転することが可能となる。

・本例ではモータ１１を電動パワーステアリング装置の駆動源として使用する例を挙げたが、電動ポンプ、あるいは自動車のギヤ比可変ステアリング（ＶＧＲＳ）などの他の電動装置の駆動源として本例のモータ１１を採用してもよい。ＶＧＲＳは、車速および舵角に応じてステアリングのギヤ比を無段階に変化させる装置である。また、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、およびモータアシスト式の四輪駆動車両（４ＷＤ車両）の主機モータとして採用してもよい。ちなみに、モータアシスト式の４ＷＤ車両とは、前輪をエンジン、後輪をモータにより駆動させるタイプの車両をいう。

１１…モータ（回転電機）、１３…ステータ、１４…ロータ、１６…コイル、１６Ａ…第１のコイル群、１６Ｂ…第２のコイル群、４０…制御装置、４１…第１の駆動回路、４２…第２の駆動回路、４３…ＭＰＵ（制御回路）、４４…位置センサ、５１…第１の電圧センサ、５２…第２の電圧センサ、６１…第１の電流センサ、６２…第２の電流センサ、８５…角度推定部、８６…選択部。

Claims (6)

1. 環状に並ぶ複数のコイルを有する筒状のステータと、前記ステータに対して同心をなして相対回転する埋込磁石型のロータと、前記ロータの回転位置を検出する位置センサと、を有する回転電機の制御装置において、
   前記複数のコイルに三相交流電力を供給する駆動回路と、
   前記位置センサを通じて検出されるロータの回転位置に基づき前記駆動回路を通じて前記複数のコイルに対する給電を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの回転速度がしきい値以下である低速域の回転速度であるときには前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定する一方、前記ロータの回転速度がしきい値を超える中高速域の回転速度であるときには前記回転電機の誘起電圧を利用して前記ロータの回転位置を推定し、当該推定される回転位置に基づき前記複数のコイルに対する給電を制御する回転電機の制御装置。
2. 請求項１に記載の回転電機の制御装置において、
   前記複数のコイルは複数のコイルを１つのグループとする複数のグループに分けられていること、および前記駆動回路は前記グループと同数だけ設けられて各駆動回路は前記複数のグループごとに別系統で三相交流電力を各グループのコイルに供給するものであること、を前提とし、
   前記制御回路は、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける一のグループには前記ロータの回転位置を検出するための電力を供給する一方、残りのグループには前記回転電機を駆動させるための電力を供給する回転電機の制御装置。
3. 請求項２に記載の回転電機の制御装置において、
   前記制御回路は、前記回転電機の誘起電圧を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記各駆動回路を通じて前記回転電機を駆動させるための電力を前記複数のグループにそれぞれ供給する回転電機の制御装置。
4. 環状に並ぶ複数のコイルを有し各コイルが複数のコイルを１つのグループとする複数のグループに分けられてなる筒状のステータと、前記ステータに対して同心をなして相対回転する埋込磁石型のロータと、前記ロータの回転位置を検出する位置センサと、を備えてなる回転電機の制御装置において、
   前記複数のグループごとに別系統で三相交流電力を各グループのコイルに供給するグループ数と同数の駆動回路と、
   前記位置センサを通じて検出されるロータの回転位置に基づき各駆動回路を通じて各グループのコイルに対する給電を制御する制御回路と、を有し、
   前記制御回路は、前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定し、当該推定される回転位置に基づき前記複数のコイルに対する給電を制御し、
   前記制御回路は、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける一のグループには前記ロータの回転位置を検出するための電力を供給する一方、残りのグループには前記回転電機を駆動させるための電力を供給する回転電機の制御装置。
5. 請求項２〜請求項４のうちいずれか一項に記載の回転電機の制御装置において、
   前記制御回路は、前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける前記一のグループに供給される前記ロータの位置検出用の電力を打ち消すように、前記残りのグループに対する給電を制御する回転電機の制御装置。
6. 環状に並ぶ複数のコイルを有し各コイルが複数のコイルを１つのグループとする複数のグループに分けられてなる筒状のステータと、前記ステータに対して同心をなして相対回転する埋込磁石型のロータと、前記ロータの回転位置を検出する位置センサと、を有する回転電機の制御方法において、
   前記位置センサに異常が発生していない場合、前記位置センサを通じて検出される前記ロータの回転位置に基づき前記回転電機を駆動させるための電力を前記複数のグループごとに別系統で各グループのコイルに供給し、
   前記位置センサに異常が発生した場合、前記ロータの回転速度がしきい値以下である低速域の回転速度であるときには前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定する一方、前記ロータの回転速度がしきい値を超える中高速域の回転速度であるときには前記回転電機の誘起電圧を利用して前記ロータの回転位置を推定し、当該推定される前記ロータの回転位置に基づき前記回転電機を駆動させるための電力を前記複数のグループごとに別系統で各グループのコイルに供給し、
   前記ロータの突極性を利用して前記ロータの回転位置を推定するとき、前記複数のグループにおける一のグループには前記ロータの位置を検出するための電力を供給する一方、残りのグループには前記回転電機を駆動させるための電力を供給する回転電機の制御方法。

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