JP3486326B2 - 同期モータの運転制御方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、同期モータにおい
てセンサレスで電気角を検出し、同期モータの巻線に流
す電流を制御してその運転を制御する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、同期モータの運転を制御する装置
では、回転子の電気角を検出する手段を設け、回転子の
電気角に応じて巻線に流す電流を制御している。こうし
た電気角の検出手段としては、レゾルバやエンコーダの
ようなセンサも使用可能であるが、装置の信頼性などの
観点から、最近では、巻線に流れる電流に基づいて電気
角を検出するいわゆるセンサレスの構成が提案されてい
る。

【０００３】例えば、同期モータにおける電気角を、ロ
ータが停止した状態、あるいは低速回転の状態でも、精
度良く検出することができる装置として、本願出願人
は、巻線に流れる電流の挙動を検出し、この挙動に基づ
いて、回転子の位置により異なるコイルのインダクタン
ス、ひいては電気角を検出する装置を既に提案している
（特開平７−１７７７８８号公報）。この電気角検出装
置は、例えば三相同期モータの場合、いずれか二つの相
に流れる電流の挙動を検出することにより、電気角を一
意に決定することができるとの知見に基づいてなされた
ものである。また、かかる手法は、回転子の回転数が低
速の場合に特に有効なので、回転子が停止している状態
から所定回転数未満では、各相コイルに流れる電流の挙
動により電気角を検出し、所定回転数以上では、従来か
ら公知の逆起電力を利用した測定方法に切り換え、停止
および低速回転域から高速回転域まで、精度良く電気角
を検出することも提案している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】こうした電流の挙動に
基づいて電気角を検出する電気角検出装置は、レゾルバ
などのセンサを必要とせず、回転子の回転数が低い場合
でも、電気角を精度良く検出することができるという優
れたものであるが、実際に同期モータの運転制御装置に
組み込んで使用すると、同期モータの使い方によって
は、次の問題を生じることが見出された。通常の同期モ
ータの使用の態様では、同期モータの運転は、回転子が
停止した状態から開始される。したがって、同期モータ
の各巻線には何ら起電圧を生じていない状態から電気角
の計測を開始すると考えて良い。ところが、同期モータ
が車輌の駆動軸などに取り付けられている場合には、特
に電動機としても発電機としても用いられていないが、
駆動軸の回転に伴って回転子が回転しているという場合
があり得る。こうした場合には、各相コイルに電圧を印
加して電流の挙動を計測しようとすると、回転子の回転
に起因する起電圧による電流が存在し、計測した電流の
挙動から求めた電気角は、回転子の実際の電気角を正確
に反映したものとはならない。

【０００５】本発明は、上述した同期モータの運転制御
の問題を解決するものであり、上記の電気角検出手法の
利点を生かしつつ、同期モータの使用の態様を問わず、
これを的確に運転制御することを目的としてなされた。

【０００６】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】か
かる目的を達成する本発明の第１の同期モータの運転制
御方法は、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回転子を回転さ
せる同期モータの運転を制御する方法であって、前記同
期モータの運転を開始した直後には、回転子の回転数が
所定値以上で実用的な精度を有する第１の検出方法によ
り該回転子の電気角を検出し、該電気角に基づいて前記
巻線に流す電流を制御し、該検出した電気角の変化に基
づいて前記回転子の回転数を求め、該求めた回転数が前
記所定値以下と判断した場合には、回転子の回転数が前
記所定値以下で実用的な精度を有する第２の検出方法に
より前記電気角を検出し、該電気角に基づいて前記巻線
に流す電流を制御することを要旨とする。

【０００７】この様に同期モータの運転を制御すること
により、同期モータの運転の開始直後に回転子が既に回
転している場合でも、回転子の電気角を正確に検出し、
巻線に流す電流を適正に制御することができる。

【０００８】また、本発明の第２の同期モータの運転制
御方法は、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回転子を回転さ
せる同期モータの運転を制御する方法であって、前記同
期モータの運転を開始する以前に、回転子が所定回転数
以上で回転しているか否かを検出し、該回転子が所定回
転数以上で回転している場合には、該回転数以上で実用
的な精度を有する第１の検出方法により該回転子の電気
角を検出し、該電気角に基づいて前記巻線に流す電流を
制御し該回転子が所定回転数未満で回転している場合に
は、該回転数未満で実用的な精度を有する第２の検出方
法により前記電気角を検出し、該電気角に基づいて前記
巻線に流す電流を制御することを要旨としている。

【０００９】この運転制御方法によれば、同期モータの
運転の開始に先立って、その回転子が所定回転数以上で
回転しているか否かを検出し、回転子の回転数に応じて
適切な電気角の検出方法を用いることができ、巻線に流
す電流を適正を制御することができる。

【００１０】こうした同期モータの運転制御方法におい
て用いられる第１の検出方法としては、モータモデルに
基づいて前記回転子の電気角を検出する方法が適用可能
であり、第２の検出方法としては、巻線のインダクタン
スに基づいて電気角を検出する方法が適用可能である。
なお、これらは、対で用いる必要はなく、第１の検出方
法、第２の検出方法としては、それぞれ異なる検出方法
と組み合わせても差し支えない。

【００１１】本発明の第１の同期モータの運転制御装置
は、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回転子を回転させる同
期モータの運転制御装置であって、回転子の回転数が所
定値以上で実用的な精度を有する第１の検出方法により
該回転子の電気角を検出する第１電気角検出手段と、前
記回転子の回転数が前記所定値以下で実用的な精度を有
する第２の検出方法により該回転子の電気角を検出する
第２電気角検出手段と、少なくとも前記第１電気角検出
手段が検出した電気角の変化に基づいて前記回転子の回
転数を求める回転数演算手段と、前記同期モータの運転
を開始した直後には、前記第１電気角検出手段より電気
角を求め、該求めた電気角に基づいて前記回転数演算手
段により前記回転子の回転数を求め、該求めた回転数が
前記所定値以下と判断された場合には、電気角の検出を
前記第２電気角検出手段に切り換える切換手段と、該第
１または第２電気角検出手段により検出された電気角に
基づいて前記巻線に流す電流を制御する制御手段とを備
えたことを要旨とする。

【００１２】この運転制御装置は、同期モータの運転を
開始した直後には、第１電気角検出手段より電気角を求
め、この電気角に基づいて、回転数演算手段により、回
転子の回転数を求める。こうして求めた回転数が所定値
以下と判断された場合には、切換手段により、電気角の
検出を第２電気角検出手段に切り換える。回転子の回転
数が所定値以下の場合には、第２電気角検出手段が実用
的に精度で電気角を検出するから、この電気角に基づい
て、制御手段が、巻線に流す電流を制御することによ
り、同期モータを適正に運転することができる。回転子
の回転数が所定値以上であれば、電気角の検出を第１電
気角検出手段により継続し、制御手段は、第１電気角検
出手段により検出された電気角により、巻線に流す電流
を制御する。したがって、回転子の回転数が所定回転数
以上であっても適正に同期モータを起動することができ
る。

【００１３】こうした同期モータの運転制御装置におけ
る第１電気角検出手段としては、第１の検出方法とし
て、モータモデルに基づいて回転子の電気角を検出する
方法を採用することができる。また、第２電気角検出手
段としては、前記第２の検出方法として、巻線のインダ
クタンスに基づいて電気角を検出する方法を採用するこ
とも可能である。

【００１４】この同期モータの運転制御装置において、
第２電気角検出手段は、多相の各巻線間に電流が流れる
組合わせに対して所定の計測電圧を印加する計測電圧印
加手段と、該計測電圧印加手段により印加された計測電
圧によって多相の各巻線に流れる電流の挙動を各々検出
する電流挙動検出手段と、前記組合わせに対して所定の
計測電圧を印加したときに該印加した計測電圧に応じて
多相の各巻線間に流れる電流の挙動と電気角との関係を
予め記憶する記憶手段と、前記検出された電流の挙動に
基づき、前記記憶手段に記憶された関係を参照して、前
記回転子の電気角を０〜２πの間で求める電気角演算手
段とを備えたものとすることができる。かかる構成によ
り、回転子の位置により異なる回路のインダクタンスに
基づいて、電気角を求めることが可能となる。

【００１５】また、第２電気角検出手段は、巻線に駆動
用の電流を流した状態で電気角を検出することも可能で
ある。そのためには、例えば、第２電気角検出手段を、
多相の各巻線間に所定の計測電圧を印加する電圧印加手
段と、該電圧印加手段により印加された計測電圧によっ
て多相の各巻線に流れる電流の挙動を各々検出する電流
挙動検出手段と、前記計測電圧を印加する時点で前記各
巻線間に供給されている駆動用電流を検出する駆動用電
流検出手段と、前記同期モータに駆動用電流を流した状
態で、所定の計測電圧を印加したときに該印加した計測
電圧に応じて多相の各巻線間に流れる電流の挙動と電気
角との関係を予め記憶する記憶手段と、前記記憶手段に
記憶された関係を参照し、前記検出された電流の挙動と
前記検出された駆動用電流とから、前記モータの電気角
を０〜２πの間で求める電気角演算手段とから構成すれ
ばよい。この構成に拠れば、駆動用電流による影響を差
し引いて、巻線に流れる電流から電気角を求めることが
できる。

【００１６】本発明の第２の同期モータの運転制御装置
は、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回転子を回転させる同
期モータの運転制御装置であって、前記同期モータの運
転を開始する以前に、回転子が所定回転数以上で回転し
ているか否かの判定を行なう回転数判定手段と、該回転
子が所定回転数以上で回転している場合には、該回転数
以上で実用的な精度を有する第１の検出方法により該回
転子の電気角を検出し、該電気角に基づいて前記巻線に
流す電流を制御する第１制御手段と、該回転子が所定回
転数未満で回転している場合には、該回転数未満で実用
的な精度を有する第２の検出方法により前記電気角を検
出し、該電気角に基づいて前記巻線に流す電流を制御す
る第２制御手段とを備えたことを要旨としている。

【００１７】この同期モータの運転制御装置によれば、
同期モータの運転の開始に先立って、その回転子が所定
回転数以上で回転しているか否かを検出し、回転子の回
転数に応じて適切な電気角の検出方法を用いることがで
き、ひいては各制御手段により、巻線に流す電流を適正
を制御することができる。

【００１８】この同期モータの運転制御装置の回転数判
定手段としては、前記多相交流が流される前記巻線を所
定時間短絡し、該各巻線の該短絡された回路に流れる電
流を検出する短絡電流検出手段と、該検出された短絡電
流に基づいて、前記回転数を求める回転数演算手段とを
備え、前記回転数の判定を該求められた回転数により行
なう構成などを考えることができる。回転子が回転して
いる場合には、短絡電流が流れるので、その大きさか
ら、回転子の回転数を容易に検出することができる。

【００１９】また、こうした同期モータの運転制御装置
では、第１制御手段としては、第１の検出方法として、
モータモデルに基づいて回転子の電気角を検出する方法
を採用することができる。他方、第２制御手段として
は、第２の検出方法として、巻線のインダクタンスに基
づいて電気角を検出する方法を採用することも可能であ
る。

【００２０】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例
について説明する。図１は本発明の一実施例としてのモ
ータ制御装置１０の概略構成を示すブロック図、図２は
制御対象となっている三相同期モータ４０の概略構成を
示す説明図、図３はこの三相同期モータ４０の固定子３
０と回転子５０との関係を示す端面図、である。

【００２１】まず、図２を用いて、三相同期モータ４０
の全体構造について説明する。この三相同期モータ４０
は、固定子３０と回転子５０とこれらを収納するケース
６０とからなる。回転子５０は、外周に永久磁石５１な
いし５４が貼付されており、その軸中心に設けられた回
転軸５５を、ケース６０に設けられた軸受６１，６２に
より回転自在に軸支している。

【００２２】回転子５０は、無方向性電磁鋼板を打ち抜
いて成形したロータ５７を複数枚積層したものである。
このロータ５７は、図３に示すように、直交する位置に
４箇所の突極７１ないし７４を備える。ロータ５７を積
層した後、回転軸５５を圧入し、積層したロータ５７を
仮止めする。この電磁鋼板を素材とするロータ５７に
は、その表面に絶縁層と接着層が形成されており、積層
後所定温度に加熱して接着層を溶融・固定している。

【００２３】こうして回転子５０を形成した後、回転子
５０の外周面であって、突極７１ないし７４の中間位置
に、永久磁石５１ないし５４を軸方向に亘って貼付す
る。この永久磁石は、厚み方向に磁化されている。回転
子５０を固定子３０に組み付けた状態では、一組の永久
磁石５１，５２に着目すると、この永久磁石５１，５２
は、ロータ５７およびステータ２０を貫く磁路Ｍｄを形
成する（図３一点鎖線参照）。

【００２４】固定子３０を構成するステータ２０は、ロ
ータ５７と同じく無方向性電磁鋼板の薄板を打ち抜くこ
とで形成されており、図３に示すように、計１２個のテ
ィース２２を備える。ティース２２間に形成されたスロ
ット２４には、固定子３０に回転磁界を発生させるコイ
ル３２が巻回されている。尚、ステータ２０の外周に
は、固定用のボルト３４を通すボルト孔が設けられてい
るが、図３では図示を省略してある。

【００２５】固定子３０は、板状のステータ２０を積層
し互いに押圧した状態として、接着層を加熱・溶融する
ことで一応固定される。この状態で、コイル３２をティ
ース２２に巻回して固定子３０を完成した後、これをケ
ース６０に組み付け、ボルト孔に固定用のボルト３４を
通し、これを締め付けて全体を固定する。更に回転子５
０をケース６０の軸受６１，６２により回転自在に組み
付けることにより、この三相同期モータ４０は完成す
る。

【００２６】固定子３０の固定子コイル３２に回転磁界
を発生するよう励磁電流を流すと、図３に示すように、
隣接する突極およびロータ５７，ステータ２０を貫く磁
路Ｍｑが形成される。尚、上述した永久磁石５２により
形成される磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｄ軸と
呼び、固定子３０の固定子コイル３２により形成される
磁束が回転子５０を径方向に貫く軸をｑ軸と呼ぶ。この
実施例（極数４）では、両軸は電気的には、９０度の角
度をなしている。

【００２７】次に、図１に従ってモータ制御装置１０の
構成について説明する。モータ制御装置１０は、大きく
は、外部からのトルク指令を受けて三相同期モータ４０
の三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）のモータ電流を制御する制御用
ＥＣＵ１００と、この制御用ＥＣＵ１００からの指令を
受けて三相同期モータ４０の固定子コイル３２の各相に
流す電流を制御するインバータ１１０、三相同期モータ
４０の固定子コイル３２の各相に流れる電流を検出する
電流センサ１２２，１２４，１２６、これらのセンサ１
２２〜１２６の検出値をディジタル信号に変換するＡ／
Ｄ変換器（ＡＤＣ）１３２，１３４，１３６から構成さ
れている。

【００２８】制御用ＥＣＵ１００の内部には、図示する
ように、算術論理演算を行なうマイクロプロセッサ（Ｃ
ＰＵ）１０１、このＣＰＵ１０１が行なう処理や必要な
データを予め記憶したＲＯＭ１０２、処理に必要なデー
タ等を一時的に読み書きするＲＡＭ１０３、計時を行な
うタイマ１０４等が設けられており、バス１０５により
相互に接続されている。このバスには、入力ポート１０
６や出力ポート１０７も接続されており、ＣＰＵ１０１
は、これらのポート１０６，１０７を介して、三相同期
モータ４０のＵ，Ｖ，Ｗの各相に流れる電流Ｉｕ，Ｉ
ｖ，Ｉｗを読み込んだり、インバータ１１０の動作状態
を制御することができる。

【００２９】インバータ１１０の内部構成を図４に示
す。図示するように、インバータ１１０は、ＥＣＵ１０
０とのインタフェースを司るインタフェース部１１２、
６個の大電力スイッチングトランジスタからなり三相同
期モータ４０の各相への通電を直接制御する主ドライブ
回路１１４、この主ドライブ回路１１４をソース側とシ
ンク側でドライブするプリドライブ回路１１６，１１８
から構成されている。図中記号「＋」「−」には三相同
期モータ４０をドライブする主電源が接続されており、
記号「＋Ｖ」「−Ｖ」には、インバータ１１０内部の安
定化された制御用の正負の電源が、それぞれ図示しない
電源回路から接続されている。なお、主ドライブ回路１
１４の出力は、三相同期モータ４０の各相コイルに接続
されており、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に流れる電流を検出する
電流センサ１２２，１２４，１２６は、主ドライブ回路
１１４から三相同期モータ４０に接続されているライン
に取り付けられている。

【００３０】インタフェース部１１２はＥＣＵ１００か
らの信号を受け取り、プリドライブ回路１１６，１１８
に必要な信号を出力する回路であり、特に主ドライブ回
路１１４の一対のトランジスタが同時にオン状態となら
ないように、デッドタイムを生成するデッドタイム生成
回路を備える。また、ＥＣＵ１００から、ＳＤ信号が出
力された場合に、プリドライブ回路１１６，１１８側へ
の一切の信号を遮断して、緊急時に電流を遮断するため
のゲートも設けられている。

【００３１】プリドライブ回路１１６，１１８は、主ド
ライブ回路１１４の大電力スイッチングトランジスタを
高速でスイッチングさせる回路である。なお、本実施例
では、大電力スイッチングトランジスタとして、絶縁ゲ
ートバイポーラモードトランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用
した。

【００３２】以上の構成を備えた同期モータ制御装置１
０は、通常の運転状態では、制御用ＥＣＵ１００によ
り、次の制御を行なっている。 （１）三相同期モータ４０が所定値（本実施例では１０
０ｒｐｍ）以上で回転している場合には、後述する第１
の電気角検出方法を用いて回転子５０の電気角θを検出
し、電気角θに応じて各相の電流を制御するようインバ
ータ１１０を制御する。 （２）三相同期モータ４０の回転数が上記所定値未満で
あれば、後述する第２の電気角検出方法を用いて回転子
５０の電気角θを検出し、電気角θに応じて各相の電流
を制御するようインバータ１１０を制御する。

【００３３】次に、これら第１，第２の電気角検出方法
と三相同期モータ４０の運転制御方法を、三相同期モー
タ４０の起動時制御と共に説明する。図５は、同期モー
タ制御処理ルーチンを示すフローチャートである。図示
するように、このルーチンでは、最初に三相同期モータ
４０を起動するか否かの判断を行なう（ステップＳ１０
０）。三相同期モータ４０を起動すべきか否かは、外部
からトルク指令値Ｔ＊が与えられているか否かにより判
断する。モータを起動すべきトルク指令値Ｔ＊が与えら
れていなければそのまま待機し、トルク指令値Ｔ＊が与
えられてモータを起動すべきと判断した場合には、イン
バータ１１０を制御して所定の電流を流し（ステップＳ
１１０）、次に第１の方法により電気角θを検出する処
理を行なう（ステップＳ１２０）。

【００３４】第１の電気角検出方法は、図６に示す処理
により実現することができる。第１の電気角検出方法
は、三相同期モータ４０の逆起電力により電気角を検出
する方法である。永久磁石５１ないし５４により形成さ
れる磁界が回転子５０の回転により移動（回転）してゆ
くと、この磁界中におかれた導体である固定子コイル３
２に、外部から加えた電圧とは逆方向の電圧が発生す
る。この電圧は、外部から加えた電圧とバランスを保ち
ながら回転子５０の回転に応じて回転を続けるので、こ
の電圧を測定すると、電気角θを検出することができ
る。なお、逆起電圧は、フレミングの右手の法則に従う
から、磁界の移動速度が低いとき、即ち回転子５０の回
転数が低い場合には、これを検出することは困難にな
る。したがって、所定回転数以上で回転子５０が回転し
ていることが検出の条件となる。

【００３５】この第１の電気角検出方法は、図６に示す
ように、まず回転子５０が所定の回転数程度で回転して
いるものとみなしてインバータ１１０を制御する処理を
行なう（ステップＳ１２１）。その上で、各電流センサ
１２２〜１２６からの信号を読み込んで各相電流Ｉｕ，
Ｉｖ，Ｉｗを検出する（ステップＳ１２２）。こうして
検出した各相電流から逆起電圧を演算する処理を行なう
（ステップＳ１２３）。この逆起電圧の演算処理は、次
のように行なっている。逆起電圧は、ｄ軸およびｑ軸上
の値であって、これを逆起電圧［Ｅｄ，Ｅｑ］と呼ぶ。
逆起電圧［Ｅｄ，Ｅｑ］を求めるために、まずＵ相、Ｖ
相の電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて、次式（１）により三相
−二相変換（三相−ｄｑ変換）を行なう。式（１）の演
算で用いる電気角θは、計算上予測しており、例えばス
テップエス１２１のインバータの制御に用いた電気角で
ある。

【００３６】

【数１】

【００３７】次に、次式（２）により、逆起電圧［Ｅ
ｄ，Ｅｑ］を演算する。ここで求める逆起電圧［Ｅｄ，
Ｅｑ］は、計算上予測している電気角θで決められたｄ
ｑ軸上での逆起電圧である。

【００３８】

【数２】

【００３９】この式の右辺を整理すると、次式（３）と
なる。したがって、Ｕ相，Ｖ相の電流Ｉｕ，Ｉｖから、
逆起電圧Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗを求めることができる。

【００４０】

【数３】

【００４１】こうして得られた逆起電圧は、回転子５０
の回転に応じて回転することから、時間と共に増減し、
時間軸上に展開すれば正弦波となる。実施例では、この
逆起電圧を予め測定してテーブルとし、これをＲＯＭ１
０２に記憶している。そこで、ステップＳ２２０で演算
した逆起電圧に基づいてこのテーブルを参照し（ステッ
プＳ１２４）、回転子５０の電気角θを検出する処理を
行なう（ステップＳ１２５）。

【００４２】以上の処理により、回転子５０が所定の回
転数以上で回転している場合には、電気角θを検出する
ことができるが、所定の回転数未満で回転している場合
には、電気角θを検出することができない。そこで、次
に電気角θの検出ができたか否かの判断を行ない（ステ
ップＳ１３０）。電気角の検出ができた場合にはステッ
プＳ１３５以下の処理に移行し、電気角θの検出ができ
なかった場合には、ステップＳ１６０に移行して第２の
検出方法により電気角を検出する処理を行なう。まず、
電気角θの検出ができた場合には、次に回転子５０の回
転数を演算する処理を行なう（ステップＳ１３５）。回
転子５０の回転数Ｎｈは、電気角θの時間当たりの変化
率として求めることができる。こうして求めた回転数Ｎ
ｈが、予め定めた回転数Ｎref より大きいか否かを判断
し（ステップＳ１４０）、予め定めた回転数Ｎref より
大きい場合には、逆起電圧を用いた電気角θの検出を継
続できると判断し、以後は第１の方法による電気角θの
検出（ステップＳ１５０）と検出した電気角θに基づく
各相電流の制御（ステップＳ１７０）とを繰り返す。ス
テップＳ１５０の電気角を検出する第１の方法は、ステ
ップＳ１２０の電気角検出方法（図６を用いて説明した
電気角検出方法）と同一のものである。

【００４３】他方、三相同期モータ４０の起動直後に逆
起電圧により電気角検出ができなかった場合（ステップ
Ｓ１３０）や回転子５０の回転数が所定回転数Ｎref 以
下であると判断された場合（ステップＳ１４０）には、
第２の方法により電気角を検出する処理を行なう（ステ
ップＳ１６０）。第２の方法による電気角の検出は、回
転子５０の位置により定まる回路のインダクタンスに基
づいて行なわれる。この手法について以下に詳しく説明
する。

【００４４】図７は、三相同期モータ４０の等価回路図
である。図示するように、三相同期モータ４０のＵ相と
ＶＷ相間に所定の電圧Ｅ１をステップ関数的に加えた場
合、ここに流れる電流Ｉｕ（ｔ）は、回路のインダクタ
ンス成分Ｌにより定まる過渡応答を示す。即ち、回路の
インダクタンスＬの大小により、電圧印加後の所定時間
での電流値Ｉｍは異なったものとなる。この様子を図８
に示した。実際の三相同期モータ４０では、インダクタ
ンスＬは、その時の回転子５０の電気角θの関数となっ
ているから、所定の巻線間に、所定時間、所定電圧を加
えた場合の各相電流は、電気角に応じた固有の値とな
る。

【００４５】図７に示す等価回路において流れる電流
（以下、Ｕ相電流と呼ぶ）Ｉｕ（ｔ）は、次式（４）の
応答を示す。

【００４６】

【数４】

【００４７】ここで、ｅｘｐ（）は、指数関数を示し、
Ｒは回路のインピーダンスを、ｔは時間を示す。この場
合のＵ相電流Ｉｕ（ｔ）は、インダクタンスＬが大きけ
れば電流の増加は遅く、電圧印加後の所定時間で電流を
計測すれば、インダクタンスＬを介して電気角θを計測
することができることになることは上述した通りであ
る。予め、様々な電気角での各相電流を計測した。これ
を図９に示す。図９は、図７に示したように、Ｕ相−Ｖ
Ｗ相間に電圧を印加した場合であって、しかもコイルが
磁気飽和する程度の大きな電流を流した場合の各相電流
を示している。この電流Ｉｕ，｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜は、
電流センサ１２２ないし１２６により計測した。これら
の測定値Ｉｕ，｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜は、磁気飽和を起こ
していることから、対称性が崩れており、Ｕ相電流Ｉｕ
が電流値ｉｅ以下の範囲を除いて、これらの測定値から
電気角θを明瞭に弁別することができる。各相電流Ｉ
ｕ，｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜の関係を整理して電気角θと対
応付けたマップを図１０として示した。実施例では、こ
れらの関係を予め測定し、ＲＯＭ１０２に記憶してい
る。

【００４８】以上の説明から、Ｕ−ＶＷ相間に電圧を印
加して各相に流れる電流を測定すれば、Ｕ相の電流が所
定値ｉｅより小さい範囲を除いて、電気角θを精度良く
検出することができることが分かった。そこで、次に、
本実施例のＣＰＵ１０１が行なっている第２の方法によ
り電気角検出処理について説明する。図１１は、第２の
方法により電気角検出処理ルーチンを示すフローチャー
トである。なお、この処理ルーチンの実行に先立って、
処理ルーチンで、巻線間に印加される電圧Ｅ１をこの同
期モータ４０の巻線間に印加し、電気角と各Ｕ相，Ｖ
相，Ｗ相のコイルに流れる電流を計測し、図１０に示し
たマップを予め作成しておく。このマップは、ＣＰＵ１
０１に接続されたＲＯＭ１０２に予め記憶されている。

【００４９】ＣＰＵ１０１は、図１１に示した処理ルー
チンを、上述した所定回転数Ｎrefにおける電気角０〜
πの変化に要する時間より短い間隔で繰り返し実行す
る。例えば、所定回転数Ｎref を１００ｒｐｍとすれ
ば、回転子５０の１回転に要する最短時間は約６００ミ
リセカンドであり、電気角０〜πに要する時間は、約１
５０ミリセカンドである。本実施例では、ＣＰＵ１０１
は、図１１の処理ルーチンを、タイマ割込を利用して、
５ミリセカンド毎に実行する。

【００５０】ＣＰＵ１０１は、図１１の処理を起動する
と、まず、電気角θの検出を初めて行なうか否かの判断
を行なう（ステップＳ２００）。電気角θの検出は、一
旦検出が成されてしまえば、次の検出の時点で回転子５
０の回転位置はある程度予測可能となる。これに対して
初回は、回転子５０がどの位置にあるか分からない。そ
のため、電気角θの検出が初めてか否かにより、処理を
変えるのである。角度検出の初回であると判断される
と、次に巻線のＵ−ＶＷ間に所定電圧Ｅ１を印加する処
理を行なう（ステップ２１０）。この場合、印加される
電圧Ｅ１は、巻線において磁気飽和を生じる程度の電流
が流れる大きさとして、予め定められた電圧であり、図
１０に示すマップを作成するのに用いられた電圧と等し
い電圧である。Ｕ−ＶＷ相間に電圧を印加すると、巻線
間にそのインダクタンスに応じた電流が流れるから、次
にこの電流を電流センサ１２２〜１２６を用いて検出す
る処理を行なう（ステップＳ２２０）。Ｕ−ＶＷ相間に
印加した電圧と、各相電流との関係の一例を、図に示
す。図示するように、ステップ関数として電圧Ｅ１を印
加すると、印加期間中に亘って電流は増加し、電圧の印
加をやめると、電流は漸減する。測定は、電圧Ｅ１の印
加をやめる直前に行なう。

【００５１】次に、検出した三相の電流のうちＵ相電流
について、その値が、図９に示した所定値ｉｅより小さ
いか否かの判断を行なう（ステップＳ２３０）。既述し
たように、正電圧を印加する側のコイルの電流が所定値
ｉｅより小さい範囲では、電気角θの検出の精度はさほ
ど高くない。そこで、正電圧を印加したコイルの電流が
所定値ｉｅにより小さい場合には、電圧を印加する相間
をＶ−ＷＵ相に変更して再度電圧Ｅ１の印加（ステップ
Ｓ２４０）、各相電流の検出（ステップＳ２５０）を行
なう。同期モータ４０の場合、Ｕ−ＶＷ相間もＶ−ＷＵ
相間も電気的には等価なので、単に電圧を印加する相間
を変更しただけである。この場合の電気角θと各相電流
との関係は、図９に示したグラフを、１２０度（２π／
３）ずつずらしたものに相当する。Ｕ相電流Ｉｕが、所
定値ｉｅ以上であれば、ステップＳ２４０およびＳ２５
０は実行しない。

【００５２】こうして電圧Ｅ１の印加に伴って各相コイ
ルに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、電流センサ１２２
〜１２６により検出し、その値をＡＤＣ１３２〜１３６
を介して読み取った後、図１０に示した各相電流と電気
角との関係を示すマップを参照して、電気角θを決定す
る処理を行なう（ステップＳ２６０）。なお、図１０に
おける｜Ｉｖ｜，｜Ｉｗ｜は、Ｕ相に正電圧を印加した
場合には、Ｖ相，Ｗ相には、図１２に実例を示したよう
に実際には負電流が流れるので、図１０のマップが、絶
対値により作表したものであることを示している。

【００５３】この実施例では、Ｕ−ＶＷ相間に印加する
電圧Ｅ１を、コイルが磁気飽和する電流が流れる程度の
大きさに設定しているので、各コイルに流れる電流は、
図９に示したように、電気角０〜πおよびπ〜２πで、
同一とはなっていない。したがって、正電圧を印加した
相に流れる電流が所定値ｉｅ以上であるようにしておけ
ば、各相電流から電気角θを一意に求めることができ
る。図１０のマップを参照して電気角θを決定した後、
「ＥＮＤ」に抜けて処理を終了する。

【００５４】ステップＳ２００において、電気角の検出
が既に行なわれていると判断された場合には、ステップ
Ｓ２７０に移行し、次の処理を行なって、所定の相間に
電圧を印加する。つまり、既に電気角の検出が行なわれ
ていることから、ＣＰＵ１０１は、現在の同期モータ４
０の回転数（電気角の所定時間内の変化の逆数）、回転
の加速度（回転数の微分値）を知ることができる。そこ
で、これらの情報から回転子５０のおおよその位置を推
定し、その位置が、正電圧が印加されたコイルに流れる
電流が所定値ｉｅ未満となる位置になる可能性があるか
否かを判断する。その可能性がなければ、そのまま予め
予定した相間に電圧を印加する。他方、正電圧を印加し
たコイルに流れる電流が所定値ｉｅ未満となる可能性が
あれば、電圧を印加する相間の組み合わせを変更し、電
圧Ｅ１を印加する。その上で、各相電流を電流センサ１
２２〜１２６により検出する（ステップＳ２８０）。即
ち、このステップＳ２７０での判断およびステップＳ２
８０での各相電流の検出は、実際に電圧を印加して行な
ったステップＳ２１０ないしＳ２５０の処理を、理論的
な可能性に基づく判断として行なうことに等しい。

【００５５】ステップＳ２８０の処理の後、検出した各
相電流に基づいて、図１０のマップを参照し、電気角θ
を決定する（ステップＳ２６０）。以上の処理によっ
て、第２の方法による電気角の検出が行なわれたことに
なる。

【００５６】図５に示したように、第１の方法により電
気角θの検出がなされるか（ステップＳ１５０）、第２
の方法により電気角θの検出がなされると（ステップＳ
１６０）、次のこの電気角θを用いて、インバータ１１
０を制御し、三相同期モータ４０の各相の固定子コイル
３２に必要な電流を流す処理を行なう（ステップＳ１７
０）。トルク指令値Ｔ＊と電気角θに応じて必要となる
各相電流は予め分かっているから、これをパルス幅の情
報に変換し、必要な時間だけインバータ１１０の主ドラ
イブ回路１１４の各スイッチング素子をターン・オンす
べく、信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを、出力ポート１０７を介
して出力する。インバータ１１０は、この信号をインタ
フェース部１１２を介して受け取り、プリドライブ回路
１１６，１１８を介して主ドライブ回路１１４をドライ
ブする。

【００５７】こうして第１もしくは第２の方法により電
気角θの検出と、電気角θに基づく固定子コイル３２の
各相電流の制御とが、モータ停止の指示があるまで繰り
返す（ステップＳ１３５ないしＳ１８０）。なお、モー
タ停止の指示は、トルク指令値Ｔ＊が値０となることと
等価である。また、回転子５０の回転数Ｎｈにより電気
角検出の手法を切り換える判定値となっている所定回転
数Ｎref は、制御のハンチングを防止するために、第２
の方法が選択されると所定回転数分だけ大きな値に切り
換えるものとするなど、いわゆるヒステリシスを設けた
構成とすることも好ましい。

【００５８】以上説明した制御によれば、トルク指令値
Ｔ＊が指定されて三相同期モータ４０を起動する場合
に、まず三相同期モータ４０が所定回転数Ｎref 以上で
回転しているものとみなして第１の方法により電気角θ
の検出を行ない、回転数が検出できない場合には、回転
数が低いと判断し、第２の方法により電気角θの検出を
行なう。したがって、三相同期モータ４０がトルク指令
値Ｔ＊を受けて起動するときに、三相同期モータ４０
が、その回転軸５５に接続された外部の機器により回転
されていたとしても、三相同期モータ４０の電気角を短
時間のうちに検出して、三相同期モータ４０を適正に制
御することができる。ここで、最初に第２の方法により
電気角を検出しようとすると、第２の方法は、回転子５
０が停止しているか低回転の場合を想定しており、逆起
電圧は存在しないことを前提としているから、回転子５
０の回転により固定子コイル３２に誘導される逆起電圧
が存在すると、電気角θを誤って検出することがあり得
る。これに対して、本実施例によれば、三相同期モータ
４０の起動時には、逆起電圧を用いて電気角を検出しよ
うとするので、逆起電圧により、誤った電気角検出を行
なうことがない。回転子５０が低回転数で回転している
場合には、単に電気角の検出が行なえないだけだからで
ある。

【００５９】三相同期モータ４０の回転子５０が三相同
期モータ４０の起動前にある程度の回転数で回転してい
るといった使用形態は種々考えられるが、一例を図１３
に示す。この例では、原動機２５０の出力軸であるクラ
ンクシャフト２５６に二つのモータ（以下、クラッチモ
ータ，アシストモータと呼ぶ）２３０，２４０が直列に
取り付けられており、原動機２５０および駆動輪２２
６，２２８に結合されたプロペラシャフト２２５との間
で、動力のやり取りを行なっている。詳しい駆動回路な
どは図示を省略するが、この二つのモータ２３０，２４
０は、一体となってトルク変換を行ないつつ動力を伝達
する動力伝達装置２２０を構成している。図１３は、ハ
イブリッド車輌の動力系を模式的に示している。この車
両には、動力源である原動機２５０としてガソリンによ
り運転されるガソリンエンジンが備えられている。この
原動機２５０は、吸気系からスロットルバルブ２６６を
介して吸入した空気と燃料噴射弁２５１から噴射された
ガソリンとの混合気を燃焼室２５２に吸入し、この混合
気の爆発により押し下げられるピストン２５４の運動を
クランクシャフト２５６の回転運動に変換する。ここ
で、スロットルバルブ２６６はモータ２６８により開閉
駆動される。点火プラグ２６２は、イグナイタ２５８か
らディストリビュータ２６０を介して導かれた高電圧に
よって電気火花を形成し、混合気はその電気火花によっ
て点火されて爆発燃焼する。

【００６０】この原動機２５０の運転は、電子制御ユニ
ット（以下、ＥＦＩＥＣＵと呼ぶ）２７０により制御さ
れている。ＥＦＩＥＣＵ２７０には、原動機２５０の運
転状態を示す種々のセンサが接続されている。例えば、
スロットルバルブ２６６の開度を検出するスロットルポ
ジションセンサ２６７や、原動機の２５０の負荷を検出
する吸気管負圧センサ２７２、原動機２５０の水温を検
出する水温センサ２７４、ディストリビュータ２６０に
設けられクランクシャフト２５６の回転数と回転角度を
検出する回転数センサ２７６及び回転角度センサ２７８
などである。なお、ＥＦＩＥＣＵ２７０には、この他、
例えばイグニッションキーの状態ＳＴを検出するスター
タスイッチ２７９なども接続されているが、その他のセ
ンサ，スイッチなどの図示は省略した。

【００６１】原動機２５０のクランクシャフト２５６
は、動力伝達装置２２０を介して駆動軸２２２に結合さ
れている。駆動軸２２２はディファレンシャルギヤ２２
４に結合されており、駆動軸２２２から出力されるトル
クは最終的に左右の駆動輪２２６，２２８に伝達され
る。動力伝達装置２２０は、制御装置２８０により制御
されている。制御装置２８０の構成は後で詳述するが、
内部には制御ＣＰＵが備えられており、シフトレバー２
８２に設けられたシフトポジションセンサ２８４やアク
セルペダル２６４に設けられたアクセルペダルポジショ
ンセンサ２６４ａ、あるいはブレーキペダル２６５の踏
み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ２
６５ａなども接続されている。また、制御装置２８０
は、上述したＥＦＩＥＣＵ２７０と通信により、種々の
情報をやり取りしている。

【００６２】この動力伝達装置２２０のクラッチモータ
２３０は、そのインナーロータ２３２が、クランクシャ
フト２５６の連結されており、三相コイルが巻回された
側（上述した三相同期モータ４０では固定子３０として
説明した側）も回転可能なアウターロータ２３４として
構成されている。このアウターロータ２３４は、プロペ
ラシャフト２２５に結合されたアシストモータ２４０の
ロータ２４２に結合されている。クラッチモータ２３０
とアシストモータ２４０とは、それぞれインバータ２３
８，２４８に接続されており、制御装置２８０により制
御されるインバータ２３８，２４８との間で電力のやり
取りを行なう。例えば、クラッチモータ２３０のアウタ
ーロータ２３４の三相コイルに流す電流を制御すること
で、クラッチモータ２３０のインナーロータ２３２とア
ウターロータ２３４との電磁的な結合の度合いを制御す
ることができる。そこで、インバータ２３８を制御し
て、原動機２５０の出力の一部がクラッチモータ２３０
を介してプロペラシャフト２２５に伝達され、残りのエ
ネルギがクラッチモータ２３０からインバータ２３８を
介して電気エネルギとして取り出される状態を作り出す
ことができる。クラッチモータ２３０から電流の形態で
取り出された原動機２５０の出力エネルギの一部は、図
示しないバッテリに蓄えても良いが、そのままアシスト
モータ２４０の駆動用に用いることもできる。この場合
には、アシストモータ２４０によりプロペラシャフト２
２５にトルクが付与されることになり、結果的に、原動
機２５０の出力エネルギ（クランクシャフト２５６の回
転数×トルク）を、クランクシャフト２５６の回転数よ
り低い回転数×高いトルクとして、プロペラシャフト２
２５に出力することができる。もとよりこの逆のエネル
ギ変換も可能である。即ち、動力伝達装置２２０は、ク
ラッチモータ２３０とインバータ２３８との間の電力の
出し入れとアシストモータ２４０とインバータ２４８の
間の電力の出し入れとが調整されることにより、原動機
２５０側からの動力を様々に変換して、プロペラシャフ
ト２２５側に伝達することができるのである。なお、制
動時や下り坂を走行するような場合には、原動機２５０
の運転を止め、更に走行する車輌の慣性エネルギをアシ
ストモータ２４０により回収するだけの運転モードも存
在する。

【００６３】こうした構成では、車輌が走行していれ
ば、クラッチモータ２３０やアシストモータ２４０は、
運転されていないがそのロータは回転しているという状
態がしばしば生じる。その状態から、例えばアシストモ
ータ２４０によるトルクの付与が必要となって制御装置
２８０がアシストモータ２４０を起動しようとする場合
があり得る。こうした場合には、上述したように、まず
逆起電圧による第１の方法で電気角を検出し、その検出
結果により電気角の検出方法を切り換えることにより、
電気角を適正に検出することができる。同様に、クラッ
チモータ２３０でも、例えば車輌走行中に原動機２５０
が停止されて、クラッチモータ２３０が空回りしている
状態から、インナーロータ２３２とアウターロータ２３
４との電磁的な結合を生じさせてクランクシャフト２５
６をクランキングしようとする時にも、まず逆起電圧に
基づく第１の方法で電気角検出する処理から開始するこ
とにより、電気角を適正に検出することができる。

【００６４】次に本発明の第２の実施例について説明す
る。第２実施例の同期モータの運転制御装置は、第１実
施例と同一のハードウェア構成を有し、起動時の電気角
の検出の手法のみが異なる。第２実施例における同期モ
ータ制御処理ルーチンを図１４に示す。この処理ルーチ
ンは、第１実施例の処理（図５）に対応しており、ステ
ップＳ３４０以下は、図５のステップＳ１４０以下とほ
ぼ同一である。両処理ルーチンの一番の相違は、第１実
施例では、モータの起動後に第１の方法により電気角を
検出し、この電気角に基づいて回転子５０の回転数を検
出したのに対して、第２実施例では、モータ回転数を電
気角の検出とは異なる手法で行なっている点である。以
下、この点を中心に、第２実施例における同期モータ制
御処理ルーチンについて説明する。

【００６５】図１４に示した処理ルーチンでは、モータ
の起動が指示されるまで待ち（ステップＳ３００）、モ
ータの起動が指示されると、モータ回転数検出処理を実
行する（ステップＳ３１０）。このモータ回転数検出処
理については、後で詳しく説明する。この処理により、
モータの回転Ｎｈが検出されると、次にこの回転数が予
め定めた所定回転数Ｎref より大きいか否かを判断し
（ステップＳ３４０）、以下第１実施例と同様、回転子
５０の回転数Ｎｈが所定回転数Ｎref より大きければ、
第１の方法により電気角θを検出し（ステップＳ３５
０）、所定回転数Ｎref 以下であれば、第２の検出方法
により電気角θを検出する（ステップＳ３６０）。その
後、検出した電気角により三相同期モータ４０の各相電
流を制御し（ステップＳ３７０）、次に検出した電気角
θに基づいて回転数Ｎｈを演算する処理を行なう（ステ
ップＳ３７５）。ここでの回転数Ｎｈの演算は、ステッ
プ３１０における回転数検出とは異なり、単位時間当た
りの電気角の変化量に基づいて容易に求めることができ
る。以上の処理（ステップＳ３４０ないしＳ３７５）
を、三相同期モータ４０が停止するまで繰り返す（ステ
ップＳ３８０）。

【００６６】三相同期モータ４０の起動直後に行なうモ
ータ回転数の検出処理（ステップＳ３１０）について詳
しく説明する。この処理は、図１５に示すように、まず
インバータ１１０のに対する短絡処理を行なう（ステッ
プＳ３１１）。この処理は、インバータ１１０の主ドラ
イブ回路１１４のソース側（プリドライブ回路１１６に
よりドライブされる側）の全スイッチング素子をオン状
態とする信号を出力する処理である。なお、シンク側
（プリドライブ回路１１８側）を総てオンとしても差し
支えない。

【００６７】このようにソース側またはシンク側の総て
のスイッチング素子をオン状態にすると、各巻線は総て
短絡された状態となり、仮に回転子５０が回転している
とすると、各巻線には短絡電流が流れる。この短絡電流
は後述するように、回転子５０の回転数に応じている。
そこで、次に短絡電流が検出可能となるまで待機する処
理を行なう（ステップＳ３１２）。通常この処理は、所
定時間待機することに相当する。所定時間の経過を待っ
た後、電流センサ１２２〜１２６の出力を入力ポート１
０６を介して読み込み、各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを
検出する処理をおこなう（ステップＳ３１３）。その
後、読み込んだ電流に基づいて三相→二相変換による短
絡電流の絶対値、すなわち振幅｜Ｉ｜を演算する処理を
行なう（ステップＳ３１４）。この処理は、次式（５）
を演算することに等しい。

【００６８】

【数５】

【００６９】かかる式（５）により、短絡電流の振幅｜
Ｉ｜求められる根拠について説明する。今、各相電流Ｉ
ｕ，Ｉｖ，Ｉｗが測定されたとき、これを三相→二相変
換して、ｄ軸，ｑ軸の電流Ｉｄ，Ｉｑに変換すると、 Ｉｄ＝Ｉｕ−Ｉｖ／２−Ｉｗ／２ Ｉｑ＝√３・（Ｉｖ−Ｉｗ）／２ Ｉｗ＝−Ｉｕ−Ｉｖ なる関係が成立することが知られている。この関係を利
用して、短絡電流の振幅｜Ｉ｜を求めると、｜Ｉ｜＝
（Ｉｄ² ＋Ｉｑ² ）^1/2 であることを利用して、上記
（５）式が導かれる。

【００７０】短絡電流の振幅｜Ｉ｜を求めた後、この振
幅｜Ｉ｜に基づいて回転数を計算する処理を行なう（ス
テップＳ３１５）。短絡電流の振幅｜Ｉ｜と回転子５０
の回転数Ｎｈとの間には、図１６に示すように、一対一
の関係が存在するから、短絡電流の振幅から回転数Ｎｈ
を求めることは容易である。なお、短絡時間は、モータ
４０の電気的時定数Ｌ／Ｒ（Ｌは、三相コイルのインダ
クタンス、Ｒはモータの抵抗値）に比べると、１／１０
０〜１／１０程度の短い時間である。したがって、短絡
電流で三相同期モータ４０が回転数ということはない。

【００７１】本実施例では、以上説明したように、三相
同期モータ４０の起動直後に、電気角の検出に先立っ
て、まず回転子５０の回転数Ｎｈを短絡電流により検出
し、この回転数Ｎｈの大きさに基づいて、以後の電気角
の検出方法を定め、電気角の検出と、これに基づく各相
電流の制御とを行なっている。したがって、三相同期モ
ータ４０の起動時に、回転子５０が外部の動力や慣性な
どにより既に回転している場合でも、電気角を適正に検
出し、三相同期モータ４０の駆動電流を適正に制御する
ことができる。

【００７２】以上本発明の第１，第２の実施例について
説明したが、これらの実施例における電気角検出のため
の第１の方法，第２の方法には、様々な手法が存在す
る。これらの手法について、以下説明する。

【００７３】電気角を検出する第１の方法 電気角を検出する第１の方法は、回転子が所定回転数以
上で回転している場合に実用的な精度を有する検出方法
であれば採用することができる。上述した第１，第２実
施例では、逆起電力を用いて検出する方法を説明した
が、この他、モータモデルに基づいて電気角を検出する
方法が知られている。図１７は、第１の検出方法により
電気角を検出する回路と、三相コイルのインダクタンス
を用いて電気角を検出する第２の方法を実現する回路と
を、組み込んだモータ制御装置の概略構成図である。

【００７４】図１７に示すように、この構成例では、モ
ータ電流制御回路４００は、Ａ／Ｄ変換器４０２により
ディジタルデータとして読み込んだＵ相およびＶ相の電
流を、ｑ軸およびｄ軸のデータに変換し、これとトルク
指令値とから比例・積分（ＰＩ）制御を行ない、結果を
今度はＵ，Ｖ，Ｗの三相の信号を変換し、更に、電圧信
号に変換すると共に、パルス幅変調をかけ、デッドタイ
ム制御を加えて、三相同期モータ４０の各巻線に出力し
ている。

【００７５】この時、電気角は、所定回転数以上で回転
中の場合には、第１の電気角演算器４２０により演算さ
れる。この電気角演算器４２０は、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ
およびモータ電流制御回路４００内部のＵ，Ｖ，Ｗの電
圧値に基づいて電気角θを微分した値である速度推定値
を求めると共に、γ軸方向の電圧信号ｖγを演算し、各
相信号Ｉｕ，Ｉｖから推定した推定電圧ｖγ′との差分
△γにＰＩ演算を施し、速度推定値の符号により電気角
速度を決定すると共に、これに基づきフィードバック電
流を算出し、これをモータ電流制御回路４００に出力す
る。こうして、回転子５０が所定回転数以上の回転して
いる場合に、その電気角（ここでは電気角速度）を求め
ることができる。なお、電気角速度は、積分され、電気
角信号として三相をｄ，ｑ軸信号に変換する回路やモー
タの回転数が所定回転数以下の場合にパルス電圧を所定
周期で印加するための回路４１５に出力される。

【００７６】回転子５０が静止しているとき、あるいは
所定回転数以下の場合には、各相電流Ｉｕ，Ｉｖに基づ
いて、電気角を演算する。この演算は、インダクタンス
方式で電気角を求める第２の電気角演算器４１２によ
り、電気角テーブル４２２を参照することにより行なわ
れる。こうして求めた電気角信号は、第１の電気角演算
器４２０の演算結果と、回転数により択一的に採用さ
れ、上述したモータの駆動用電流の制御に用いられる。

【００７７】なお、第１の検出方法としては、例えば回
転軸５５の外周に設けた回転数センサを用いることも可
能である。こうした回転数センサは、回転軸５５にとり
つけられた永久磁石と、回転軸５５の外周に設けられた
ホール素子等から構成することができる。回転軸５５に
設けられた回転数センサは、回転軸５５の１回転に一つ
のパルスを出力するに過ぎないから、回転数が低い場合
には、電気角の検出には供することができない。しか
し、回転数が所定以上になれば、パルス間隔を適当に分
割することにより、電気角を予測することが可能にな
る。回転子５０にはその質量に拠る慣性モーメントが存
在するから、通常の運転条件下では、モータの回転数が
不連続に変化することはあり得ない。従って、モータの
回転数は連続的に変化するとみなして良いから、回転子
５０の回転数が所定以上であれば、回転数センサからの
信号に基づいて現在の電気角を求めることは可能であ
る。

【００７８】電気角を検出する第２の方法 電気角を検出する第２の方法は、回転子の回転数が所定
回転数以下で実用的な精度を有する検出方法であれば、
採用することができる。上述した第１，第２実施例で
は、巻線のインダクタンスの変化を利用して回転子の電
気角を検出する基本的な方法を用いたが、所定回転数以
下で電気角を検出できるものであれば、利用可能であ
る。

【００７９】インダクタンスを用いた電気角検出方法に
は、様々なバリエーションが存在する。例えば、特開平
７−１７７７８８には、多数の手法が示されており、こ
れらの電気角の検出手法は、全て本発明の第２の検出方
法に含まれる。また、巻線のインダクタンスに基づく電
気角の検出方法としては、これ以外にもいくつかの手法
が知られている。例えば、上記実施例では、相間に印加
する電圧を磁気飽和を生じる程度の電流に対応したもの
とし、電気角と電流（インダクタンス）とが、電気角０
〜πおよびπ〜２πで異なっているものとしたが、各相
コイルの線形領域を用い（即ち、磁気飽和が生じない範
囲の電流を流し）、電気角を０〜πもしくはπ〜２πの
範囲内で測定し、その後、追加的に測定もしくは演算を
行なって、電気角がいずれの範囲（０〜πもしくはπ〜
２π）に属するかを決定することで、電気角を最終的に
求めるといった手法も採用可能である。また、電気角の
検出時には、同期モータとしての駆動電流は、一時的に
オフにして電流値を測定する手法の他、駆動電流に測定
用の電流を重畳し、予め測定しておいた駆動用電流によ
る影響を除いて、電気角を検出するという手法も採用可
能である。以下、これらを代表して、電気角の測定を２
つのステップに分けて検出する手法について説明する。
以下の説明において、０〜πもしくはπ〜２πのいずれ
かの範囲内で特定された電気角をφと記載し、０〜２π
の範囲で一義的に特定された電気角をθと呼んで区別す
る。

【００８０】かかる電気角検出方法の概要を、図１８の
フローチャートに示した。第２の検出方法は、ＥＣＵ３
００内部で行なわれる処理により実現される。図１８に
示した電気角検出処理ルーチンが起動されると、まず、
Ｕ−ＶＷ相間に電圧を印加し（ステップＳ５００）、こ
の電圧に対応し各相コイルに流れる各相電流を測定する
（ステップＳ５１０）。ここで、Ｕ−ＶＷ相間に印加す
る電圧は、各相コイルにおいて磁気飽和を生じない程度
の電流となるよう予め定めた電圧である。この電圧に応
じて流れる各相電流と電気角との関係は予め測定し、両
者の相関関係を記憶したマップを、ＲＯＭ１０２に予め
用意しておく。

【００８１】次に、検出した各相電流を用いて、データ
を正規化する処理を行なう（ステップＳ５３０）。この
正規化の処理は、次のように行なう。図１９は、ステッ
プＳ５００の処理により各相に流れた電流をロータの電
気角θに応じて示したグラフである。図示するように、
正電圧を印加したＵ相では正の電流が流れ、負電圧を印
加したＶ相，Ｗ相では負の電流が流れている。図７に示
したように、Ｕ相を流れる電流は、Ｖ相，Ｗ相に流れる
電流の総和に等しいから、Ｕ相を流れる電流は、他の２
相の電流の平均の２倍となっている。そこで、まずＵ相
の検出電流Ｉｕを１／２にし、更に、その電流の平均値
が０となるようＵ相の検出電流Ｉｕをシフトする。他
方、Ｖ相，Ｗ相の検出電流Ｉｖ，Ｉｗも平均電流が０と
なるようシフトする。この結果、図２０として示したよ
うに、各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗがそれぞれ１２０度（２
π／３）だけずれた関係が得られる。これが正規化の処
理である。相間に印加した電圧は、磁気飽和とならない
程度の電流に対応したものとなっているので、正規化に
より得られた各電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、ほぼ同一の波
形をしている。

【００８２】図２０から明らかなように、各相電流Ｉ
ｕ，Ｉｖ，Ｉｗの関係は、区間０〜πと区間π〜２πと
で、同一である。即ち、各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを測
定しても、得られた三者の値からは、電気角がいずれの
区間であるかは特定することができない。そこで、ま
ず、電気角φをこのいずれかの区間にあるとして演算し
（図１８ステップＳ５３０）、次に角度検出が初めてか
否かを判断し（ステップＳ５４０）、初めてであれば電
気角が区間０〜πもしくはπ〜２πのいずれに属するか
を特定する処理を行なう（ステップＳ５５０）。この判
断は、例えば第１実施例で説明した飽和領域の電流を流
してそのインダクタンスから電気角を０〜２πの範囲で
特定する手法などを用いることができる。他方、角度検
出が既に行なわれているのであれば、前回の位置（電気
角）とその回転の速度とから、現在の回転子５０の位置
（電気角）の属する区間を特定する処理を行なう（ステ
ップＳ５６０）。第１実施例でも説明したように、所定
のインターバルで繰り返し電気角の検出を行なっていれ
ば、現在の同期モータ４０の回転数から、次の位置はお
およそ特定できるので、現在の電気角の属する区間を誤
る心配はない。以上の処理によって、最終的に０〜２π
の範囲での電気角θを求めることができる。

【００８３】以上説明した処理のうち、所定の相間に電
圧を印加して電気角φを０〜πもしくはπ〜２πのいず
れかの区間で演算する処理と、電気角がいずれの区間に
属するかを判定する処理とは、独立の処理として扱うこ
とができる。これらの各ステップの様々な実現方法、実
施する装置に関しては、特願平６−２３８５００号（特
開平７−１７７７８８号）に詳しい。

【００８４】このほかにも、電気角の第２の検出方法と
しては、種々の構成を考えることができる。例えば、三
相コイルのＵ，Ｖ，Ｗの各相に一度に電圧を印加し、こ
れに対応した電流を計測して各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ
と電気角との相関を求めてマップを作成しておくことが
できる。電気角の計測時には、一度に各相コイルに電圧
を印加して各相電流を計測し、この電流に基づいて予め
用意したマップを参照すればよい。このほかにも、所定
回転数以下で実用的な精度で電気角を検出可能な手法で
あれば、いかなる手法であれ、採用することができる。

【００８５】以上本発明のいくつか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何等限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て、種々なる態様で実施できることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例としてのモータ制御装置１
０の概略構成を示すブロック図である。

【図２】実施例の固定子３０を組み込んだ三相同期モー
タ４０の構造を示す断面図である。

【図３】実施例で用いた三相同期モータ４０の固定子３
０と回転子５０との関係を示す端面図である。

【図４】実施例におけるインバータ１１０の内部構成を
示す回路図である。

【図５】同期モータの制御処理ルーチンを示すフローチ
ャートである。

【図６】第１の電気角検出処理ルーチンを示すフローチ
ャートである。

【図７】実施例における三相同期モータの等価回路を示
す説明図である。

【図８】Ｕ−ＶＷ相間に電圧Ｅ１を印加した場合のＵ相
電流Ｉｕ（ｔ）の過渡応答を示すグラフである。

【図９】電気角θと各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとの関係
を示すグラフである。

【図１０】各相電流の組み合わせから電気角θを求める
ためのマップを示す説明図である。

【図１１】第１実施例における電気角の第２の検出方法
の具体的に処理内容を示すフローチャートである。

【図１２】印加電圧Ｅ１に対する検出電流の実例を示す
グラフである。

【図１３】本実施例の同期モータ制御装置が組み込まれ
る得るハイブリッド車輌の動力伝達系を示す模式図であ
る。

【図１４】第２実施例における同期モータ制御処理ルー
チンを示すフローチャートである。

【図１５】回転数検出処理ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図１６】第２実施例で用いた回転数検出方法における
電流Ｉと回転数Ｎｈとの相関を示すグラフである。

【図１７】モータモデルを用いて電気角の検出を行なう
第１の検出方法を実現したモータ電流制御回路４００の
内部構成を示すブロック図である。

【図１８】電気角を二つのステップに分けて検出する手
法としての電気角検出ルー端を示すフローチャートであ
る。

【図１９】図１８に示した手法による各相電流の関係を
示すグラフである。

【図２０】各相電流を正規化した様子を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０…同期モータ制御装置 ２０…ステータ ２２…ティース ２４…スロット ３０…固定子 ３２…固定子コイル ３４…ボルト ４０…三相同期モータ ５０…回転子 ５１〜５４…永久磁石 ５５…回転軸 ５７…ロータ ６０…ケース ６１，６２…軸受 ７１…突極 １００…制御用ＥＣＵ １０１…ＣＰＵ １０２…ＲＯＭ １０３…ＲＡＭ １０４…タイマ １０５…バス １０６…入力ポート １０７…出力ポート １１０…インバータ １１２…インタフェース部 １１４…主ドライブ回路 １１６，１１８…プリドライブ回路 １２２，１２４，１２６…電流センサ １３２〜１３６…ＡＤＣ ２２０…動力伝達装置 ２２２…駆動軸 ２２４…ディファレンシャルギヤ ２２５…プロペラシャフト ２２６，２２８…駆動輪 ２３０…クラッチモータ ２３２…インナーロータ ２３４…アウターロータ ２３８，２４８…インバータ ２４０…アシストモータ ２４２…ロータ ２５０…原動機 ２５１…燃料噴射弁 ２５２…燃焼室 ２５４…ピストン ２５６…クランクシャフト ２５８…イグナイタ ２６０…ディストリビュータ ２６２…点火プラグ ２６４…アクセルペダル ２６４ａ…アクセルペダルポジションセンサ ２６５…ブレーキペダル ２６５ａ…ブレーキペダルポジションセンサ ２６６…スロットルバルブ ２６７…スロットルポジションセンサ ２６８…モータ ２７０…ＥＦＩＥＣＵ ２７２…吸気管負圧センサ ２７４…水温センサ ２７６…回転数センサ ２７８…回転角度センサ ２７９…スタータスイッチ ２８０…制御装置 ２８２…シフトレバー ２８４…シフトポジションセンサ ３００…ＥＣＵ ３１０…インバータ ３１４…主ドライブ回路 ３１６…プリドライブ回路 ４００…モータ電流制御回路 ４０２…Ａ／Ｄ変換器 ４１２…第２の電気角演算器 ４２０…第１の電気角演算器 ４２２…電気角テーブル

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−359691（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−337080（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−327390（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−245983（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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回転子を回
   転させる同期モータの運転を制御する方法であって、 前記同期モータの運転を開始した直後には、回転子の回
   転数が所定値以上で実用的な精度を有する第１の検出方
   法により該回転子の電気角を検出し、該電気角に基づい
   て前記巻線に流す電流を制御し、 該検出した電気角の変化に基づいて前記回転子の回転数
   を求め、 該求めた回転数が前記所定値以下と判断した場合には、
   回転子の回転数が前記所定値以下で実用的な精度を有す
   る第２の検出方法により前記電気角を検出し、該電気角
   に基づいて前記巻線に流す電流を制御する同期モータの
   運転制御方法。
2. 【請求項２】 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回転子を回
   転させる同期モータの運転を制御する方法であって、 前記同期モータの運転を開始する以前に、回転子が所定
   回転数以上で回転しているか否かを検出し、 該回転子が所定回転数以上で回転している場合には、該
   回転数以上で実用的な精度を有する第１の検出方法によ
   り該回転子の電気角を検出し、該電気角に基づいて前記
   巻線に流す電流を制御し該回転子が所定回転数未満で回
   転している場合には、該回転数未満で実用的な精度を有
   する第２の検出方法により前記電気角を検出し、該電気
   角に基づいて前記巻線に流す電流を制御する同期モータ
   の運転制御方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の同期モー
   タの運転制御方法であって、 前記第１の検出方法は、モータモデルに基づいて前記回
   転子の電気角を検出する方法であり、 前記第２の検出方法は、前記巻線のインダクタンスに基
   づいて前記電気角を検出する方法である同期モータの運
   転制御方法。
4. 【請求項４】 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回転子を回
   転させる同期モータの運転制御装置であって、 回転子の回転数が所定値以上で実用的な精度を有する第
   １の検出方法により該回転子の電気角を検出する第１電
   気角検出手段と、 前記回転子の回転数が前記所定値以下で実用的な精度を
   有する第２の検出方法により該回転子の電気角を検出す
   る第２電気角検出手段と、 少なくとも前記第１電気角検出手段が検出した電気角の
   変化に基づいて前記回転子の回転数を求める回転数演算
   手段と、 前記同期モータの運転を開始した直後には、前記第１電
   気角検出手段より電気角を求め、該求めた電気角に基づ
   いて前記回転数演算手段により前記回転子の回転数を求
   め、該求めた回転数が前記所定値以下と判断された場合
   には、電気角の検出を前記第２電気角検出手段に切り換
   える切換手段と、 該第１または第２電気角検出手段により検出された電気
   角に基づいて前記巻線に流す電流を制御する制御手段と
   を備えた同期モータの運転制御装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の同期モータの運転制御装
   置であって、 前記第１電気角検出手段は、前記第１の検出方法とし
   て、モータモデルに基づいて前記回転子の電気角を検出
   する方法を用いる手段であり、 前記第２電気角検出手段は、前記第２の検出方法とし
   て、前記巻線のインダクタンスに基づいて前記電気角を
   検出する方法を用いる手段である同期モータの運転制御
   装置。
6. 【請求項６】 請求項４記載の同期モータの運転制御装
   置であって、 前記第２電気角検出手段は、 多相の各巻線間に電流が流れる組合わせに対して所定の
   計測電圧を印加する計測電圧印加手段と、 該計測電圧印加手段により印加された計測電圧によって
   多相の各巻線に流れる電流の挙動を各々検出する電流挙
   動検出手段と、 前記組合わせに対して所定の計測電圧を印加したときに
   該印加した計測電圧に応じて多相の各巻線間に流れる電
   流の挙動と電気角との関係を予め記憶する記憶手段と、 前記検出された電流の挙動に基づき、前記記憶手段に記
   憶された関係を参照して、前記回転子の電気角を０〜２
   πの間で求める電気角演算手段とからなる同期モータの
   運転制御装置。
7. 【請求項７】 請求項４記載の同期モータの運転制御装
   置であって、 前記第２電気角検出手段は、 多相の各巻線間に所定の計測電圧を印加する電圧印加手
   段と、 該電圧印加手段により印加された計測電圧によって多相
   の各巻線に流れる電流の挙動を各々検出する電流挙動検
   出手段と、 前記計測電圧を印加する時点で前記各巻線間に供給され
   ている駆動用電流を検出する駆動用電流検出手段と、 前記同期モータに駆動用電流を流した状態で、所定の計
   測電圧を印加したときに該印加した計測電圧に応じて多
   相の各巻線間に流れる電流の挙動と電気角との関係を予
   め記憶する記憶手段と、 前記記憶手段に記憶された関係を参照し、前記検出され
   た電流の挙動と前記検出された駆動用電流とから、前記
   モータの電気角を０〜２πの間で求める電気角演算手段
   とからなる同期モータの運転制御装置。
8. 【請求項８】 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回転子を回
   転させる同期モータの運転制御装置であって、 前記同期モータの運転を開始する以前に、回転子が所定
   回転数以上で回転しているか否かの判定を行なう回転数
   判定手段と、 該回転子が所定回転数以上で回転している場合には、該
   回転数以上で実用的な精度を有する第１の検出方法によ
   り該回転子の電気角を検出し、該電気角に基づいて前記
   巻線に流す電流を制御する第１制御手段と、 該回転子が所定回転数未満で回転している場合には、該
   回転数未満で実用的な精度を有する第２の検出方法によ
   り前記電気角を検出し、該電気角に基づいて前記巻線に
   流す電流を制御する第２制御手段とを備えた同期モータ
   の運転制御装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の同期モータの運転制御装
   置であって、 前記回転数判定手段は、 前記多相交流が流される前記巻線を所定時間短絡し、該
   各巻線の該短絡された回路に流れる電流を検出する短絡
   電流検出手段と、 該検出された短絡電流に基づいて、前記回転数を求める
   回転数演算手段とを備え、前記回転数の判定を該求めら
   れた回転数により行なう同期モータの運転制御装置。
10. 【請求項１０】 請求項８記載の同期モータの運転制御
    装置であって、 前記第１制御手段は、前記第１の検出方法として、モー
    タモデルに基づいて前記回転子の電気角を検出する方法
    を用いる手段であり、 前記第２制御手段は、前記第２の検出方法として、前記
    巻線のインダクタンスに基づいて前記電気角を検出する
    方法を用いる手段である同期モータの運転制御装置。