JP5359015B2 - モータの制御装置、制御方法、ロボット及び移動体 - Google Patents

Description

この発明は、電動モータの制御技術に関する。

電動モータの駆動と回生を行う制御装置としては、例えば下記の特許文献に記載されたものが知られている。

特開２００５−３３３７０７号公報

しかし、従来のモータ制御装置では、駆動と回生の効率をそれぞれ向上させるための工夫が十分でない場合があった。

本発明は、電動モータの駆動と回生の効率をそれぞれ向上させるための技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の第１の形態は、電磁コイルと永久磁石とを有する電動モータを制御する制御装置であって、
前記電磁コイルを駆動するための制御を行う駆動制御部と、
前記電磁コイルから電力を回生するための制御を行う回生制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記永久磁石の移動によって前記電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加しないように前記励磁区間と前記非励磁区間とを設定する励磁区間設定部を含み、
前記回生制御部は、前記π／２位相点を中心とする対称な回生区間において前記電磁コイルから電力を回生するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非回生区間において前記電磁コイルから電力を回生しないように前記回生区間と前記非回生区間とを設定する回生区間設定部を含み、
前記駆動制御部は、さらに、
経時的な変化を示す変化信号の信号値と、所定の範囲で任意に設定可能な指令値と、を乗算することによって乗算値を算出する乗算部と、
前記乗算値に対してＰＷＭ制御を行うことによって、前記乗算値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記ＰＷＭ信号を前記非励磁区間においてマスクすることによって前記電動モータの駆動信号を生成するマスク回路と、
前記電動モータに対する出力要求に応じて、前記指令値と、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分と、の双方を調整する調整部と、
を備える。
この制御装置では、励磁区間をπ／２位相点を中心とする対称な区間に設定し、また、非励磁区間をπ位相点を中心とする対称な区間に設定するので、励磁区間における駆動効率を向上させることができる。また、回生区間をπ／２位相点を中心とする対称な区間に設定し、また、非回生区間をπ位相点を中心とする対称な区間に設定するので、回生区間における回生効率を向上させることができる。また、指令値と、励磁区間と非励磁区間との間の区分と、の両方の値を調整することによって、効率を向上させつつモータの出力要求を満足させることが可能となる。

［適用例１］
電磁コイルと永久磁石とを有する電動モータを制御する制御装置であって、
前記電磁コイルを駆動するための制御を行う駆動制御部と、
前記電磁コイルから電力を回生するための制御を行う回生制御部と、
を備え、
前記駆動制御部は、前記永久磁石の移動によって前記電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加しないように前記励磁区間と前記非励磁区間とを設定する励磁区間設定部を含み、
前記回生制御部は、前記π／２位相点を中心とする対称な回生区間において前記電磁コイルから電力を回生するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非回生区間において前記電磁コイルから電力を回生しないように前記回生区間と前記非回生区間とを設定する回生区間設定部を含む、制御装置。

この制御装置では、励磁区間をπ／２位相点を中心とする対称な区間に設定し、また、非励磁区間をπ位相点を中心とする対称な区間に設定するので、励磁区間における駆動効率を向上させることができる。また、回生区間をπ／２位相点を中心とする対称な区間に設定し、また、非回生区間をπ位相点を中心とする対称な区間に設定するので、回生区間における回生効率を向上させることができる。

［適用例２］
適用例１記載の制御装置であって、
前記励磁区間設定部と前記回生区間設定部は、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分、及び、前記回生区間と前記非回生区間との間の区分を互いに独立に変更可能である、制御装置。

この構成によれば、駆動と回生の効率をそれぞれ別個に向上させることが可能である。

［適用例３］
適用例１又は２記載の制御装置であって、
前記駆動制御部は、さらに、
経時的な変化を示す変化信号の信号値と、所定の範囲で任意に設定可能な指令値と、を乗算することによって乗算値を算出する乗算部と、
前記乗算値に対してＰＷＭ制御を行うことによって、前記乗算値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記ＰＷＭ信号を前記非励磁区間においてマスクすることによって前記電動モータの駆動信号を生成するマスク回路と、
前記電動モータに対する出力要求に応じて、前記指令値と、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分と、の双方を調整する調整部と、
を備える制御装置。

この構成によれば、指令値と、励磁区間と非励磁区間との間の区分と、の両方の値を調整することによって、効率を向上させつつモータの出力要求を満足させることが可能となる。

［適用例４］
適用例１〜３のいずれかに記載の制御装置であって、
前記駆動制御部と前記回生制御部は、前記電動モータの駆動と回生のいずれも行わない場合には、前記電磁コイルをハイインピーダンス状態に維持する、制御装置。

この構成によれば、電磁コイルが電源から切り離された状態になるので、電動モータのロータを自由回転が可能な状態に設定することが可能である。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電動モータ、その制御方法及び制御回路、それらを用いたアクチュエータや、電子機器、家電機器、ロボット、移動体等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．装置の全体構成：
B．駆動制御部の構成と動作：
C．回生制御部の構成と動作：
D．具体的な適用例１：
E．具体的な適用例２：
F．変形例：

A．装置の全体構成：
図１は、本発明の一実施例としての電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。この電動アクチュエータは、入力部１０と、制御部２０と、蓄電部３０と、電動モータ４０と、負荷５０とを有している。入力部１０は、制御部２０への各種の入力を行うための装置であり、例えば操作盤やスイッチなどで構成することが可能である。制御部２０は、入力部１０からの入力（指令）に従って、電動モータ４０の駆動と回生の制御を行う。回生された電力は蓄電部３０に蓄電される。蓄電部３０としては２次電池やキャパシタを利用することが可能である。負荷５０は、駆動力伝達部材４２によって電動モータ４０に連結されており、電動モータ４０によって駆動される。駆動力伝達部材４２は、ギヤトレインや回転軸などで構成することが可能である。負荷５０の具体例については後述する。

図２は、制御部２０の内部構成を示すブロック図である。制御部２０は、主制御部１００と、駆動制御部２００と、回生制御部３００と、電源ユニット４００とを含んでいる。主制御部１００は、入力部１０からの指令に従って、駆動制御部２００と回生制御部３００とを制御する。主制御部１００は、例えばＣＰＵとメモリとを含む論理演算回路で構成することが可能である。駆動制御部２００は電動モータ４０の駆動を制御するための回路であり、回生制御部３００は電動モータ４０からの電力の回生を制御するための回路である。電源ユニット４００は、制御部２０内の各部に電源を供給するための回路である。これらの各部の機能の詳細については後述する。

電動モータ４０は、Ａ相とＢ相の２相のコイル４１，４２と、それぞれの位置センサ４３，４４とを備えた２相モータである。Ａ相コイル４１とＢ相コイル４２は、それぞれ１つ以上の電磁コイルを含んでいる。電動モータ４０は、さらに１つ以上の永久磁石（図示省略）も備えている。通常の電動モータでは、コイル４１，４２がステータに搭載されており、永久磁石はロータに搭載されている。但し、この逆の構成も可能であり、本発明の実施例としては、コイル４１，４２と永久磁石が互いの位置関係が変化する２つの被駆動部材にそれぞれ搭載されているモータを利用可能である。Ａ相センサ４３とＢ相センサ４４は、永久磁石に対するＡ相コイル４１とＢ相コイル４２の位置をそれぞれ示すセンサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢを生成する。Ａ相センサ出力ＳＳＡとＢ相センサ出力ＳＳＢは、例えば正弦波状の信号である。これらのセンサ出力は、Ａ相コイル４１とＢ相コイル４２の逆起電力とほぼ同じ波形形状を有している。逆起電力の波形は、コイル形状や磁石とコイルとの位置関係にも依存するが、正弦波か、正弦波に近い波形となるのが普通である。なお、「逆起電力」を「誘起電圧」とも呼ぶ。なお、センサ４３，４４としては、例えばホール素子を備えたホールＩＣを利用することが可能である。

ところで、一般に、電動モータは、機械的エネルギと電気的エネルギとを相互に変換するエネルギ変換装置として機能するものである。そして、コイルの逆起電力は、電動モータの機械的エネルギが電気的エネルギに変換されたものである。従って、コイルに印加する電気的エネルギを機械的エネルギに変換する場合（すなわちモータを駆動する場合）には、逆起電力と同じ波形の電圧を印加することによって、最も効率良くモータを駆動することが可能である。なお、正弦波状の逆起電力波形の中位点近傍（電圧０の近傍）ではエネルギ変換効率が比較的低く、反対に、逆起電力波形のピーク近傍ではエネルギ変換効率が比較的高いことが理解できる。逆起電力と同じ波形の電圧を印加してモータを駆動すると、エネルギ変換効率の高い期間において比較的高い電圧を印加することになるので、モータ効率が向上する。一方、例えば単純な矩形波でモータを駆動すると、逆起電力がほぼ０となる位置（中位点）の近傍においてもかなりの電圧が印加されるので、モータ効率が低下する。また、このようにエネルギ変換効率の低い期間において電圧を印加すると、振動や騒音が発生するという問題も生じる。このように、逆起電力波形のピーク近傍ではエネルギ変換効率が比較的高いので、この期間において駆動や回生を行うようにすれば、駆動効率や回生効率を高めることが可能である。

B．駆動制御部の構成と動作：
図３は、駆動制御部２００の内部構成と動作を示す説明図である。駆動制御部２００は、ＰＷＭ制御部２４０と、ドライバ回路２５０とを有している。ドライバ回路２５０は、複数のスイッチング素子を備えたブリッジ回路である。ＰＷＭ制御部２４０は、基本クロック生成回路５１０と、１／Ｎ分周器５２０と、ＰＷＭ部５３０と、正逆方向指示値レジスタ５４０と、乗算器５５０，５５２と、符号化部５６０，５６２と、ＡＤ変換部５７０，５７２と、電圧指令値レジスタ５８０と、励磁区間設定部５９０とを備えている。

主制御部１００は、ＰＷＭ部５３０に制動制御信号ＰＫを供給している。また、主制御部１００は、符号化部５６０，５６２に波形切替信号Ｓswを供給し、励磁区間設定部５９０に駆動イネーブル信号Ｄenbを供給している。これらの信号の機能については後述する。

基本クロック生成回路５１０は、所定の周波数を有するクロック信号ＰＣＬを発生する回路であり、例えばＰＬＬ回路で構成される。分周器５２０は、このクロック信号ＰＣＬの１／Ｎの周波数を有するクロック信号ＳＤＣを発生する。Ｎの値は所定の一定値に設定される。このＮの値は、予め主制御部１００によって分周器５２０に設定される。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、乗算器５５０，５５２から供給される乗算値Ｍａ，Ｍｂと、正逆方向指示値レジスタ５４０から供給される正逆方向指示値ＲＩと、符号化部５６０，５６２から供給される正負符号信号Ｐａ，Ｐｂと、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａ，Ｅｂとに応じて、交流駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２（図２）を生成する。この動作については後述する。

正逆方向指示値レジスタ５４０内には、モータの回転方向を示す値ＲＩが主制御部１００によって設定される。本実施例では、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルのときにモータが正転し、Ｈレベルのときに逆転する。

ＰＷＭ部５３０に供給される他の信号Ｍａ，Ｍｂ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｅａ，Ｅｂは以下のように決定される。なお、乗算器５５０と符号化部５６０とＡＤ変換部５７０はＡ相用の回路であり、乗算器５５２と符号化部５６２とＡＤ変換部５７２はＢ相用の回路である。これらの回路群の動作は同じなので、以下ではＡ相用の回路の動作について主に説明する。なお、以下では、Ａ相とＢ相のパラメータ（後述する励磁区間など）は同じ値に設定されるものとして説明するが、Ａ相とＢ相のパラメータを互いに異なる値に設定することも可能である。

なお、本明細書において、Ａ相とＢ相とをまとめて指す場合には、符号の末尾「ａ」「ｂ」（Ａ相とＢ相を示すもの）を省略している。例えば、Ａ相とＢ相の乗算値Ｍａ，Ｍｂを区別する必要が無い場合には、これらを合わせて「乗算値Ｍ」と呼ぶ。他の符号についても同様である。

磁気センサの出力ＳＳＡは、ＡＤ変換部５７０に供給される。このセンサ出力ＳＳＡのレンジは、例えばＧＮＤ（接地電位）からＶＤＤ（電源電圧）までであり、その中位点（＝ＶＤＤ／２）が出力波形の中位点（正弦波の原点を通る点）である。ＡＤ変換部５７０は、このセンサ出力ＳＳＡをＡＤ変換して、センサ出力のデジタル値を生成する。ＡＤ変換部５７０の出力のレンジは、例えばＦＦｈ〜０ｈ（語尾の”ｈ”は１６進数であることを示す）であり、プラス側の中央値を８０ｈとし、マイナス側の中央値を７Ｆｈとしてそれぞれを波形の中位点に対応させる。

符号化部５６０は、ＡＤ変換後のセンサ出力値のレンジを変換するとともに、センサ出力値の中位点の値を０に設定する。この結果、符号化部５６０で生成されるセンサ出力値Ｘａは、正側の所定の範囲（例えば＋１２７〜０）と負側の所定の範囲（例えば０〜−１２７）の値を取る。但し、符号化部５６０から乗算器５５０に供給されるのは、センサ出力値Ｘａの絶対値であり、その正負符号は正負符号信号ＰａとしてＰＷＭ部５３０に供給される。

電圧指令値レジスタ５８０は、主制御部１００によって設定された電圧指令値Ｙａを格納する。この電圧指令値Ｙａは、後述する励磁区間信号Ｅａとともに、モータの印加電圧を設定する値として機能するものである。電圧指令値Ｙａは、典型的には０〜１．０の値を取るが、１．０よりも大きな値を設定可能としても良い。但し、以下では電圧指令値Ｙａが０〜１．０の範囲の値を取るものと仮定する。このとき、仮に、非励磁区間を設けずに全区間を励磁区間とするように励磁区間信号Ｅａを設定した場合には、Ｙａ＝０は印加電圧をゼロとすることを意味し、Ｙａ＝１．０は印加電圧を最大値とすることを意味する。乗算器５５０は、符号化部５６０から出力されたセンサ出力値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算して整数化し、その乗算値ＭａをＰＷＭ部５３０に供給する。

図３（Ｂ）〜（Ｅ）は、乗算値Ｍａが種々の値を取る場合におけるＰＷＭ部５３０の動作を示している。ここでは、全期間が励磁区間であり非励磁区間が無いものと仮定している。ＰＷＭ部５３０は、クロック信号ＳＤＣの１周期の間に、デューティがＭａ／Ｎであるパルスを１つ発生させる回路である。すなわち、図３（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、乗算値Ｍａが増加するに従って、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２のパルスのデューティが増加する。なお、第１の駆動信号ＤＲＶＡ１は、センサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であり、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２はセンサ出力ＳＳＡが正のときにのみパルスを発生する信号であるが、図３（Ｂ）〜（Ｅ）ではこれらを合わせて記載している。また、便宜上、第２の駆動信号ＤＲＶＡ２を負側のパルスとして描いている。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、センサ出力の波形とＰＷＭ部５３０で生成される駆動信号の波形の対応関係を示す説明図である。図中、「Ｈｉｚ」はハイインピーダンス状態を意味している。図３で説明したように、Ａ相用の駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２はＡ相センサ出力ＳＳＡのアナログ波形をそのまま利用したＰＷＭ制御によって生成される。Ｂ相用の駆動信号ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２も同様である。従って、これらの駆動信号を用いて、Ａ相コイルとＢ相コイルに、センサ出力ＳＳＡ，ＳＳＢの変化と対応するレベル変化を示す実効電圧を供給することが可能である。

ＰＷＭ部５３０は、さらに、励磁区間設定部５９０から供給される励磁区間信号Ｅａ，Ｅｂで示される励磁区間のみに駆動信号を出力し、励磁区間以外の区間（非励磁区間）では駆動信号を出力しないように構成されている。図４（Ｅ），（Ｆ）は、励磁区間信号Ｅａ，Ｅｂによって励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定した場合の駆動信号波形を示している。励磁区間ＥＰでは図４（Ｃ），（Ｄ）の駆動信号パルスがそのまま発生し、非励磁区間ＮＥＰでは駆動信号パルスが発生しない。このように、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰを設定するようにすれば、逆起電力波形の中位点近傍（すなわち、センサ出力の中位点近傍）においてコイルに電圧を印加しないので、モータの効率をさらに向上させることが可能である。なお、励磁区間ＥＰは、逆起電力波形（誘起電圧波形）のピークを中心とする対称な区間に設定されることが好ましく、非励磁区間ＮＥＰは、逆起電力波形の中位点（中心点）を中心とする対称な区間に設定されることが好ましい。換言すれば、励磁区間ＥＰは、永久磁石の移動によって電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な区間に設定することが好ましい。また、非励磁区間ＮＥＰは誘起電圧の波形のπ位相点を中心とする対称な区間に設定することが好ましい。なお、鉄心を用いたブラシレスモータでは、電圧に対して電流に位相遅れが生じるのが普通である。この場合には、進角制御を行うことにより、電流波形のピークが誘起電圧波形のピークにほぼ一致するようにすることが好ましい。

なお、前述したように、電圧指令値Ｙａを１未満の値に設定すれば、乗算値Ｍａが電圧指令値Ｙａに比例して小さくなる。従って、電圧指令値Ｙａによっても、実行的な印加電圧を調整することが可能である。

上述の説明から理解できるように、本実施例のモータでは、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａとの両方を利用して印加電圧を調整することが可能である。Ｂ相についても同様である。望ましい印加電圧と、電圧指令値Ｙａ及び励磁区間信号Ｅａとの関係は、予め主制御部１００内のメモリにテーブルとして格納されていることが望ましい。こうすれば、主制御部１００が、入力部１０から望ましい印加電圧の指令を受信したときに、主制御部１００が電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号ＥａとをＰＷＭ制御部２４０内に設定することが可能である。なお、印加電圧の調整には、電圧指令値Ｙａと、励磁区間信号Ｅａの両方を利用する必要はなく、いずれか一方のみを利用するようにしてもよい。

図５は、ＰＷＭ部５３０（図３）の内部構成の一例を示すブロック図である。ＰＷＭ部５３０は、カウンタ５３１，５３２と、ＥＸＯＲ回路５３３，５３４と、駆動波形形成部５３５，５３６とを備えている。カウンタ５３１とＥＸＯＲ回路５３３と駆動波形形成部５３５はＡ相用の回路であり、カウンタ５３２とＥＸＯＲ回路５３４と駆動波形形成部５３６はＢ相用の回路である。これらは以下のように動作する。

図６は、モータ正転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。この図には、２つのクロック信号ＰＣＬ，ＳＤＣと、正逆方向指示値ＲＩと、励磁区間信号Ｅａと、乗算値Ｍａと、正負符号信号Ｐａと、カウンタ５３１内のカウント値ＣＭ１と、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２と、駆動波形形成部５３５の出力信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２とが示されている。カウンタ５３１は、クロック信号ＳＤＣの１期間毎に、クロック信号ＰＣＬに同期してカウント値ＣＭ１を０までダウンカウントする動作を繰り返す。カウント値ＣＭ１の初期値は乗算値Ｍａに設定される。なお、図６では、図示の便宜上、乗算値Ｍａとして負の値も描かれているが、カウンタ５３１で使用されるのはその絶対値｜Ｍａ｜である。カウンタ５３１の出力Ｓ１は、カウント値ＣＭ１が０で無い場合にはＨレベルに設定され、カウント値ＣＭ１が０になるとＬレベルに立ち下がる。

ＥＸＯＲ回路５３３は、正負符号信号Ｐａと正逆方向指示値ＲＩとの排他的論理和を示す信号Ｓ２を出力する。モータが正転する場合には、正逆方向指示値ＲＩがＬレベルである。従って、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２は、正負符号信号Ｐａと同じ信号となる。駆動波形形成部５３５は、カウンタ５３１の出力Ｓ１と、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２から、駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２を生成する。すなわち、カウンタ５３１の出力Ｓ１のうち、ＥＸＯＲ回路５３３の出力Ｓ２がＬレベルの期間の信号を第１の駆動信号ＤＲＶＡ１として出力し、出力Ｓ２がＨレベルの期間の信号を第２の駆動信号ＤＲＶＡ２として出力する。なお、図６の右端部付近では、励磁区間信号ＥａがＬレベルに立ち下がり、これによって非励磁区間ＮＥＰが設定されている。従って、この非励磁区間ＮＥＰでは、いずれの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２も出力されず、ハイインピーダンス状態に維持される。

なお、駆動波形形成部５３５，５３６（図５）には、制動制御信号ＰＫが供給されており、この制動制御信号ＰＫに応じて駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２，ＤＲＶＢ１，ＤＲＶＢ２が変更される場合がある。この動作については後述する。

上述の説明から理解できるように、カウンタ５３１は、乗算値Ｍａに基づいてＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成回路として機能している。また、駆動波形形成部５３５は、励磁区間信号Ｅａに応じてＰＷＭ信号をマスクするマスク回路として機能している。

図７は、モータ逆転時のＰＷＭ部５３０の動作を示すタイミングチャートである。モータ逆転時には、正逆方向指示値ＲＩがＨレベルに設定される。この結果、２つの駆動信号ＤＲＶＡ１，ＤＲＶＡ２が図６から入れ替わっており、この結果、モータが逆転することが理解できる。なお、ＰＷＭ部５３０のＢ相用の回路５３２，５３４，５３６も上述と同様に動作する。

図８は、励磁区間設定部５９０の内部構成と動作を示す説明図である。励磁区間設定部５９０は、電子可変抵抗器５９２と、電圧比較器５９４，５９６と、ＯＲ回路５９８と、ＡＮＤ回路５９９とを有している。電子可変抵抗器５９２の抵抗値Ｒｖは、主制御部１００によって設定される。電子可変抵抗器５９２の両端の電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧比較器５９４，５９６の一方の入力端子に与えられている。電圧比較器５９４，５９６の他方の入力端子には、センサ出力ＳＳＡが供給されている。なお、図８ではＢ相用の回路は図示の便宜上省略されている。電圧比較器５９４，５９６の出力信号Ｓｐ，Ｓｎは、ＯＲ回路５９８に入力されている。ＯＲ回路５９８の出力は、主制御部１００から供給される駆動イネーブル信号Ｄenbとともに、ＡＮＤ回路５９９の２つの入力端子に入力されている。ＡＮＤ回路５９９の出力は、励磁区間と非励磁区間とを区別するための励磁区間信号Ｅａである。後述するように、駆動イネーブル信号Ｄenbは、モータを未励磁状態にする際に用いられる。

図８（Ｂ）は、励磁区間設定部５９０の動作を示している。ここでは、駆動イネーブル信号ＤenbがＨレベルであると仮定している。駆動イネーブル信号ＤenbがＬレベルの場合の動作については後述する。電子可変抵抗器５９２の両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、抵抗値Ｒｖを調整することによって変更される。具体的には、両端電圧Ｖ１，Ｖ２は、電圧レンジの中央値（＝ＶＤＤ／２）からの差分が等しい値に設定される。センサ出力ＳＳＡが第１の電圧Ｖ１よりも高い場合には第１の電圧比較器５９４の出力ＳｐがＨレベルとなり、一方、センサ出力ＳＳＡが第２の電圧Ｖ２よりも低い場合には第２の電圧比較器５９６の出力ＳｎがＨレベルとなる。駆動イネーブル信号ＤenbがＨレベルの場合には、励磁区間信号Ｅａは、出力信号Ｓｐ，Ｓｎの論理和を取った信号となる。従って、図８（Ｂ）の下部に示すように、励磁区間信号Ｅａは、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとを示す信号として使用することができる。励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定は、主制御部１００が可変抵抗値Ｒｖを調整することによって行なわれる。

なお、励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰの設定機能は、主制御部１００以外の他の回路で実現するようにしてもよい。また、外部からの要求（例えばモータの出力要求）に応じて電圧指令値Ｙａと励磁区間信号Ｅａの両者の値を調整し、これによって、要求に応じた出力を達成する調整部としての機能についても同様である。

ところで、モータの始動時には、励磁区間ＥＰはなるべく大きく、非励磁区間ＮＥＰはなるべく小さくすることが好ましい。この理由は、モータが位相が非励磁区間ＮＥＰの内部に相当する位置で静止している場合には、ＰＷＭ信号が駆動波形形成部５３５（図５）でマスクされてしまうので、始動できない可能性があるためである。従って、始動時には、非励磁区間ＮＥＰは、その許容範囲の中の最小値とすることが好ましい。なお、非励磁区間ＮＥＰの最小値は、ゼロでない値とすることが好ましい。この理由は、非励磁区間ＮＥＰの最小値をゼロとすると、センサ出力ＳＳＡの極性（すなわち駆動信号の極性）が反転するタイミングにおいて、ドライバ回路２５０（図３）内において電流が逆流してしまい、スイッチングトランジスタが損傷する可能性があるからである。

図９は、可変抵抗値Ｒｖと励磁区間ＥＰとの関係を示すタイミングチャートである。ここでは、センサ出力ＳＳＡと、可変抵抗値Ｒｖと、励磁区間信号Ｅａと、駆動信号ＤＲＶＡ１＋ＤＲＶＡ２とが示されている。可変抵抗値Ｒｖとしては、その取りうる値の範囲０〜３２Ωのうちの４つの値（０Ω，８Ω，１６Ω，２４Ω）の例が記載されている。可変抵抗値Ｒｖがその最小値の０Ωである場合には、ほぼ全区間が励磁区間ＥＰである。一方、可変抵抗値Ｒｖを増加させると、励磁区間ＥＰが減少し、非励磁区間ＮＥＰが増加する。

なお、可変抵抗値Ｒｖが最小値に設定された場合にも、電圧の切替時におけるスイッチング素子での電流の逆流を防止するために、所定のわずかな長さの非励磁区間ＮＥＰを設けても良い。こような動作は、例えば、図８（Ａ）の電子可変抵抗器５９２に直列に（すなわち電圧Ｖ１，Ｖ２の出力端子の間に）、小さな固定抵抗を設けておくことによって実現可能である。あるいは、可変抵抗値Ｒｖの最小値を０でない値としても同様な動作を実現可能である。

図９の下に示すように、大きなトルクを必要とする場合（例えば始動時）には、ほぼ全区間を励磁区間ＥＰとし、一方、小さなトルクで良い場合（例えば定速時）には、励磁区間ＥＰを少なくして非励磁区間ＮＥＰを大きくするように励磁区間ＥＰと非励磁区間ＮＥＰとの区分が決定される。具体的な励磁区間ＥＰの設定方法については後述する。

図１０は、符号化部５６０の内部構成を示すブロック図である。この符号化部５６０は、絶対値変換部５６４で構成されている。絶対値変換部５６４は、ＡＤ変換部５７０（図３）でデジタル信号に変換されたセンサ信号ＤＳＳＡと、主制御部１００から供給された波形切替信号Ｓswとに応じて、センサ出力値Ｘａと、正負符号信号Ｐａとを生成する。波形切替信号Ｓswは、正弦波駆動と矩形波駆動とを切り替えるための信号である。すなわち、絶対値変換部５６４は、Ｓswが０レベル（Ｌレベル）の時にはセンサ信号ＤＳＳＡの変化を表す値を有するセンサ出力値Ｘａを生成し、一方、Ｓswが１レベル（Ｈレベル）の時にはセンサ信号ＤＳＳＡの変化に依らない一定値を有するセンサ出力値Ｘａを生成する。

図１１は、符号化部５６０の動作を示すタイミングチャートである。図１１（Ａ）に示すように、波形切替信号Ｓswが０レベルの場合には、センサ出力値Ｘａと正負符号信号Ｐａの値は、以下のように設定される。
（１ａ）デジタル値ＤＳＳＡが所定値（１２８）以上の場合：
Ｘａ＝ＤＳＳＡ−１２８
Ｐａ＝０（センサ波形が正の範囲であることを示す）
（１ｂ）デジタル値ＤＳＳＡが所定値（１２８）未満の場合：
Ｘａ＝１２７−ＤＳＳＡ
Ｐａ＝１（センサ波形が負の範囲であることを示す）

すなわち、波形切替信号Ｓswが０レベルの場合には、センサ出力値Ｘａとして、センサ出力ＳＳＡの変化を表す値が生成される。

一方、図１１（Ｂ）に示すように、波形切替信号Ｓswが１レベルの場合には、センサ出力値Ｘａと正負符号信号Ｐａの値は、以下のように設定される。
（２ａ）デジタル値ＤＳＳＡが所定値（１２８）以上の場合：
Ｘａ＝１２７（一定）
Ｐａ＝０（センサ波形が正の範囲であることを示す）
（２ｂ）デジタル値ＤＳＳＡが所定値（１２８）未満の場合：
Ｘａ＝１２７（一定）
Ｐａ＝１（センサ波形が負の範囲であることを示す）

すなわち、波形切替信号Ｓswが１レベルの場合には、センサ出力値Ｘａとして、センサ出力ＳＳＡの変化によらない一定値が生成される。

このように、符号化部５６０として、図１１（Ａ），（Ｂ）のような２つの動作モードのいずれかを選択的に実行可能な回路を使用すれば、必要に応じて上述した２つの動作モードを任意に実行することが可能である。例えば、モータの始動時には矩形波駆動モードを使用することによって、より確実に始動できるようにし、一方、始動後には正弦波駆動モードを使用することによって効率を向上させることが可能である。

なお、ＰＷＭ部５３０（ＰＷＭ制御回路）は、時系列的に変化する変化信号値Ｘａと、電圧指令値Ｙａとを乗算することによって乗算値Ｍａを求め、この乗算値ＭａにＰＷＭ制御を行うことによってＰＷＭ信号を生成する回路として構成されている。このようなＰＷＭ部５３０は、電圧指令値Ｙａを調整することによって、変化信号ＳＳＡに比例した波形を模擬するとともに、電圧指令値Ｙａのレベルに応じた有効振幅を有するＰＷＭ信号を生成することが可能である。従って、モータに対する制御要求に応じた適切なＰＷＭ信号を容易に生成することが可能である。

図１２は、駆動イネーブル信号Ｄenbと制動制御信号ＰＫに応じたドライバ回路の動作状態を示す説明図である。図１２（Ａ）に示すように、ドライバ回路２５０は、４つのスイッチングトランジスタ２５１〜２５４を有しており、また、上アーム側のトランジスタ２５１，２５３には、駆動信号のレベルを調整するためのレベルシフタ２５５，２５６が設けられている。但し、レベルシフタ２５５，２５６は省略可能である。

ドライバ回路２５０には、ＰＷＭ部５３０（図５）から４種類の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌ，ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌが供給される。駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌ，ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌは、駆動イネーブル信号Ｄenbと制動制御信号ＰＫに応じて以下のような設定され、これによって以下に説明するような種々の状態が実現される。

Ｄenb＝１（励磁可），ＰＫ＝０（非制動）の場合には、モータは、図１２（Ａ）に示す通常の駆動状態となる。この状態では、１組目の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌが同時にオン状態になるととともに２組目の駆動信号ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌがオフ状態になるときに、第１の電流方向ＩＡ１に電流が流れる。逆に、１組目の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌが同時にオフ状態になるととともに２組目の駆動信号ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌがオン状態になるときに、第２の電流方向ＩＡ２に電流が流れる。この結果、モータが駆動信号に応じて駆動される。

駆動イネーブル信号Ｄenbが０レベルになると、励磁区間信号Ｅａが常に０レベルになるので、すべての駆動信号がＬレベル（オフ）に維持され、モータは図１２（Ｂ）に示す未励磁状態になる。この状態では、電磁コイルが電源から切り離された状態（ハイインピーダンス状態）となり、ロータを回転させても電磁コイルに電流が流れないので、ロータが自由に回転し得る。すなわち、駆動イネーブル信号Ｄenbを０ベルに設定することによって、ロータを自由回転状態にすることが可能である。また、この状態でロータが回転すると、電磁コイルは逆起電力の働きで発電機となり、後述する回生制御を実現することができる。

一方、制動制御信号ＰＫが１レベルになると、モータが図１２（Ｃ）、（Ｄ）に示す制動状態になる。図１２（Ｃ）に示す制動状態では、上アーム側の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ２ＵがＨレベル（オン）になり、下アーム側の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｌ，ＤＲＶＡ２ＬがＬレベル（オフ）になる。従って、電磁コイルは短絡状態になる。同様に、図１２（Ｄ）に示す制動状態では、上アーム側の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ２ＵがＬレベルになり、下アーム側の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｌ，ＤＲＶＡ２ＬがＨレベルになる。この場合にも、電磁コイルは短絡状態になる。なお、図１２（Ｃ），（Ｄ）の間の信号レベルの切替は、センサ出力ＳＳＡ（より具体的には正負符号信号Ｐａ）に応じて行われる。このように、制動制御信号ＰＫが１レベルになると、電磁コイルを短絡状態にするような駆動信号が生成されるので、ロータが回転すると逆起電力の働きによって回転が強制的に阻止される方向の力が発生する。この状態は、後述するパーキングの状態ともなる。

このように、図１２（Ａ），（Ｂ）の状態でモータを制御する場合には、１組目の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌは互いに同じレベル（オン／又はオフ）を示し、２組目の駆動信号ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌも互いに同じレベル（オン／又はオフ）を示す。従って、これらの状態でモータを制御する場合には、ＤＲＶＡ１Ｕ＝ＤＲＶＡ１Ｌ，ＤＲＶＡ２Ｕ＝ＤＲＶＡ２Ｌである。前述した図４，図６，図７では、主として図１２（Ａ），（Ｂ）の状態を考慮して、１組目の２つの駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌを区別せずに「ＤＲＶＡ１」としてまとめて記載している。２組目の駆動信号ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌについても同様である。一方、図１２（Ｃ），（Ｄ）に示す制動時には、１組目の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌは互いに逆のレベルを示し、２組目の駆動信号ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌも互いに逆のレベルを示す。そこで、図１２（Ａ）〜（Ｄ）では、４つの駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌ，ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌに異なる符号を用いて示している。なお、図１２（Ｃ），（Ｄ）のような制動を行わないように回路を構成することも可能であり、この場合には、１組目の駆動信号ＤＲＶＡ１Ｕ，ＤＲＶＡ１Ｌ同士の区別は不要であり、２組目の駆動信号ＤＲＶＡ２Ｕ，ＤＲＶＡ２Ｌ同士の区別も不要である。

以上のように、駆動制御部２００は、図３〜図９で説明したように、電圧指令値Ｙａと励磁区間Ｅａの２つのパラメータを調整することが可能であり、これらのパラメータＹａ，Ｅａに応じてモータの運転状態（トルクと回転数）を変更可能である。また、駆動制御部２００は、図１０，図１１で説明したように、波形切替信号Ｓswに応じて矩形波駆動と正弦波駆動とを切り替えることが可能である。駆動制御部２００は、さらに、図１２で説明したように、駆動イネーブル信号Ｄenbと制動制御信号ＰＫに応じて、駆動状態と、未励磁状態と、制動状態と、の３つの状態を切り替えることが可能である。但し、未励磁状態や制動状態を取らない回路として駆動制御部を構成することも可能である。

C．回生制御部の構成と動作：
図１３は、回生制御部３００の内部構成を示す回路図である。この回生制御部３００は、図１２（Ｂ）の状態において電力を回生する機能を有している。回生制御部３００は、整流回路３１０と、回生区間設定部３２０とを有している。整流回路３１０は、Ａ相コイル用の回路として、複数のダイオードを含む全波整流回路３３０と、２つのゲートトランジスタ３４１，３４２と、バッファ回路３５１と、インバータ回路３５２（ＮＯＴ回路）とを有している。なお、Ｂ相用にも同じ回路が設けられている。ゲートトランジスタ３４１，３４２の出力端子は、蓄電部３０に接続されている。回生区間設定部３２０は、Ａ相用の回生区間信号ＥＧａとＢ相用の回生区間信号ＥＧｂを生成して整流回路３１０に供給する。Ａ相とＢ相の回路構成は同じなので、以下では主としてＡ相用の回路について説明する。

電力回生時にＡ相コイル列で発生した交流電力は、全波整流回路３３０で整流される。ゲートトランジスタ３４１，３４２のゲートには、回生区間信号ＥＧａとその反転信号が与えられており、これに応じてゲートトランジスタ３４１，３４２がオン／オフ制御される。従って、回生区間信号ＥＧａがＨレベルの期間では回生電力が蓄電部３０に蓄積され、一方、回生区間信号ＥＧａがＬレベルの期間では電力の回生が禁止される。

図１４は、回生区間設定部の内部構成を示す説明図である。図８と比較すれば理解できるように、回生区間設定部３２０は、励磁区間設定部５９０とほぼ同じ回路構成をしている。但し、ＡＮＤ回路５９９には、駆動イネーブル信号Ｄenbの代わりに回生イネーブル信号Ｇenbが入力されており、このＡＮＤ回路５９９の出力が回生区間信号ＥＧａとなる。

図１５は、回生区間設定部における可変抵抗値Ｒgvと回生区間との関係を示すタイミングチャートである。ここでは、逆起電力波形と、センサ出力ＳＳＡと、可変抵抗値Ｒgvと、回生区間信号ＥＧａと、回生される電力とが示されている。可変抵抗値Ｒgvとしては、４つの値（０Ω，８Ω，１６Ω，２４Ω）の例が記載されている。可変抵抗値Ｒgvが０Ωである場合には、ほぼ全区間が回生区間ＧＥＰである。一方、可変抵抗値Ｒgvを増加させると、回生区間ＧＥＰが減少し、非回生区間ＮＧＥＰが増加する。

図１５の下部に示すように、強い制動力を必要とする場合には、ほぼ全区間を回生区間ＧＥＰとして多くの電力を回生し、一方、小さな制動力で良い場合には、回生区間ＧＥＰを少なくして非回生区間ＮＧＥＰを大きくすることによってより少ない電力を回生する。必要な制動力と回生区間ＧＥＰの関係、すなわち、必要な制動力と可変抵抗値Ｒgvの関係は、予め主制御部１００内のメモリ内に格納されている。従って、主制御部１００は、モータの要求制動力に応じて可変抵抗値Ｒgvを適切な値に設定することが可能である。なお、回生が不要な場合には、主制御部１００は、回生イネーブル信号ＧenbをＬレベルに設定することによって、可変抵抗値Ｒgvの値に拘わらずに回生区間ＧＥＰをゼロにすることが可能である。

以上のように、回生制御部３００は、回生区間信号ＥＧａ，ＥＧｂに応じてＡ相コイル列とＢ相コイル列からの電力を回収する期間を制限し、これによって回生される電力量と制動力を調整することが可能である。なお、回生区間ＧＥＰは、永久磁石の移動によって電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な区間に設定することが好ましい。また、非回生区間ＮＧＥＰは、誘起電圧の波形のπ位相点を中心とする対称な区間に設定することが好ましい。

D．具体的な適用例１：
図１６は、本発明の実施例における電動アクチュエータを電気自動車に適用した例を示す説明図である。この例では、入力部１０（図１）として、３つの入力部１１〜１３が使用されている。第１の入力部１１はアクセルベダルであり、第２の入力部１２はシフトレバーであり、第３の入力部１３はブレーキペダルである。アクセルベダル１１は、その踏込量ＳＰが０〜１．０の範囲で変化する。ブレーキベダル１３も同様に、その踏込量ＢＫが０〜１．０の範囲で変化する。シフトレバー１２は、トルク変換比ＴＮがＰ，１００％〜２０％の値を取る。ここで、値「Ｐ」はパーキングを意味している。また、或るシフト位置に対するギア比トルク変換比ＴＮの％値は、最高速用シフト位置のギア比を、そのシフト位置のギア比で除した値を意味している。例えば、１速のギア比が４．０であり、最高速のギア比が０．８である場合には、１速のトルク変換比ＴＮは０．８／４．０＝２０％である。なお、この例では、電気自動車はオートマチック車であり、シフトレバー１２がドライブポジションに設定されていれば運転中にギア比が自動的に変更される。

図１６（Ｄ）は、電気自動車の運転例を示しており、３つの入力値ＳＰ，ＴＮ，ＢＫの変化と、モータの目標回転速度ωｔの変化を示している。停止時にはＳＰ＝Ｏ，ＴＮ＝Ｐ，ＢＫ＝１であるが、自動車が始動するとこれらの入力値ＳＰ，ＴＮ，ＢＫが時々刻々と変化し、これに応じてモータの目標回転速度ωｔも変化する。なお、主制御部１００（図２）は、目標回転速度ωｔとともに、モータの目標トルクも入力値ＳＰ，ＴＮ，ＢＫに応じて決定するが、図１６では図示を省略している。なお、入力値としては、電気自動車の動作状態を測定するための各種のセンサ（例えば車速センサ）の出力信号なども利用することが可能であるが、ここでは説明を簡単にするために他の入力値は省略している。

主制御部１００は、回転速度とトルクの目標値に応じて、前述した以下の信号やパラメータを駆動制御部２００と回生制御部３００とに供給して、それぞれの動作状態を設定する。
（１）波形切替信号Ｓsw（図１０）
（２）電圧指令値Ｙ（図３のＹａ，Ｙｂ）
（３）励磁区間信号Ｅ（図９）
（４）駆動イネーブル信号Ｄenb（図１２）
（５）制動制御信号ＰＫ（図１２）
（６）回生区間信号ＥＧ（図１５）
（７）回生イネーブル信号Ｇenb（図１４）

図１７は、主制御部１００による電気自動車の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、入力部１０から主制御部１００に各種の入力値が入力される。ステップＳ２０以降の処理は、主制御部１００によって実行される。まず、ステップＳ２０では、各種の入力値から目標回転数ωｔ及び目標トルクＴｔが決定される。なお、各種の入力値と目標値ωｔ，Ｔｔとの対応関係は、ルックアップテーブルやマップなどの種々の形態で予め主制御部１００内のメモリに格納しておくことが可能である。

ステップＳ３０では、電力の回生を行うか否かが決定される。これは、例えばブレーキベダル１３が踏まれているか否かに基づいて判断される。電力の回生を行わない場合には、ステップＳ４０において励磁区間ＥＰ（すなわち励磁区間設定部５９０の可変抵抗値ＲＶ）と駆動波形（すなわち波形切替信号Ｓswの値）を決定し、ステップＳ５０では電圧指令値Ｙを決定する。なお、回生を行わずに駆動を行う場合には駆動イネーブル信号ＤenbもＨレベルに設定されるが、図１７では他の信号についての説明は省略している。

図１８は、励磁区間ＥＰと駆動波形の選択方法の一例を示す説明図である。横軸は、回転速度差Δω（目標回転数と実回転数の差）であり、縦軸は励磁区間ＥＰの値を示している。励磁区間ＥＰは、回転速度差Δωが大きいほど大きな値を取るように設定されることが好ましい。こうすれば、より素早く目標回転数に到達させることが可能である。なお、この例では、回転速度差Δωと励磁区間ＥＰとの関係が、Ｓ字状の非線形的な関係であるが、両者の関係は他の非線形な対応関係をとっても良く、あるいは直線的な対応関係を有していても良い。

図１８では、駆動波形としては、回転速度差Δωが所定の閾値ωth1未満の場合には正弦波が選択され、閾値ωth1を超えると矩形波が選択されることが示されている。こうすれば、例えばモータの始動時にも比較的大きなトルクで始動を開始することが可能となる。なお、励磁区間ＥＰや駆動波形の決定方法は、これに限らず、他の種々の方法でこれらを決定しても良い。例えば、駆動波形としては、モータの始動時の所定の低回転数の範囲では矩形波を選択し、その後は正弦波が選択するようにしてもよい。

図１９は、電圧指令値Ｙの決定方法の一例を示す説明図である。図１９（Ａ）は、励磁区間ＥＰが１００％の場合に、電圧指令値Ｙの値がモータのトルク／回転数特性に与える影響を示している。本実施例のブラシレスモータは、直流モータとしての特性を有しているので、回転速度ωとトルクＴは図１９（Ａ）に示すように右下がりの直線的な関係を有する。この直線は、以下の式で与えられる。
ω＝ω₀−（Ｒ_α／Ｋ_T・Ｋ_E）Ｔ …（１）
ここで、ω₀は切片、Ｒ_αは巻線抵抗、Ｋ_Tはトルク定数、Ｋ_Eは逆起電力定数である。なお、よく知られているように、トルク定数Ｋ_Tと逆起電力定数Ｋ_Eは、モータ効率が良いほど大きな値を取り、低回転数でより大きなトルクが得られるモータとなる。

一方、図３で説明したように、ＰＷＭ制御部２４０では、Ａ相のセンサ出力Ｘａが電圧指令値Ｙａと乗算されて乗算値Ｍａとなり、この乗算値Ｍａに比例したＰＷＭ信号が生成される。Ｂ相についても同様である。従って、モータに印加される実効電圧は、電圧指令値Ｙ（Ｙａ，Ｙｂ）に比例する。この結果、図１９（Ａ）に示すように、電圧指令値Ｙが減少すると、実効電圧が低下して、トルク／回転数特性の直線も原点に近づくことが理解できる。

図１９（Ｂ）は、電圧指令値Ｙが１．０の場合に、励磁区間ＥＰがモータのトルク／回転数特性に与える影響を示している。励磁区間ＥＰが減少した場合にも、モータに印加される実効電圧が低下する。但し、図４で説明したように、本実施例では、励磁区間ＥＰは逆起電力波形（誘起電圧波形）のピークを中心とする対称な区間に設定される。逆起電力波形（誘起電圧波形）のピークを中心とする対称な区間は、機械的エネルギと電気的エネルギとの変換効率が高い領域であり、励磁区間ＥＰが減少すると変換効率の良い部分のみで駆動力を発生させることになる。従って、励磁区間ＥＰが減少すると上記（１）式のトルク定数Ｋ_Tと逆起電力定数Ｋ_Eの値が大きくなり、直線の傾きが減少する。この結果、励磁区間ＥＰが減少した場合には、図１９（Ｂ）に示すように、トルク／回転数特性を示す直線が原点に近づくとともに、その傾きがより小さくなる。

図１９（Ｃ）は、図１９（Ａ），（Ｂ）のグラフを重ねて描いたものである。実線のグラフは励磁区間ＥＰが１００％一定で電圧指令値Ｙが変化した場合の特性であり、破線のグラフは電圧指令値Ｙが１．０一定で励磁区間ＥＰが変化した場合の特性である。このグラフにおいて、目標点Ｐｔは、目標トルクＴｔと目標回転数ωｔとで示される。この目標点Ｐｔを実現する電圧指令値Ｙと励磁区間ＥＰの組み合わせは、図１９（Ｃ）では２通り存在する。但し、実際には、目標点Ｐｔを実現する電圧指令値Ｙと励磁区間ＥＰはきわめて多数存在することが理解できる。そこで、主制御部１００は、まず、図１８の特性に基づいて、回転速度差Δωから励磁区間ＥＰを決定し、その後、決定された励磁区間ＥＰを用いて目標点Ｐｔ（Ｔｔ，ωｔ）を実現する電圧指令値Ｙを決定している。こうすれば、これらの２つのパラメータＥＰ，Ｙを目標点Ｐｔ（Ｔｔ，ωｔ）に応じて容易に決定することが可能である。但し、この決定方法は、一例であり、他の方法で励磁区間ＥＰと電圧指令値Ｙとを決定しても良い。例えば、目標値Ｔｔ，ωｔと車両の実速度とを入力とし、励磁区間ＥＰと電圧指令値Ｙとを出力とするルックアップテーブルを用いるようにしてもよい。また、電圧指令値Ｙは常に一定値（例えば１．０）に設定しておき、励磁区間ＥＰのみを調整するようにしてもよい。

図２０は、励磁区間ＥＰの大きさと電力削減率の関係を示すグラフである。ここで、「電力削減率」とは、効率の上昇分を意味している。各実線は、同じ負荷の場合の電力削減率を示している。同じ負荷で励磁区間ＥＰの値が小さくなる（図中で右側に移動する）と、電圧指令値Ｙがより高い値となる。図２０においては、仮想的に電圧指令値Ｙが１よりも大きな値を取りうるものと仮定している。重負荷時（慣性力大の場合）には、ほぼ定常回転状態になると、慣性力のために励磁区間ＥＰを２０％近くの小さな値に低下させることができる。一方、軽負荷時（慣性力小の場合）には、慣性力が小さいので、定常回転状態でも励磁区間ＥＰはより大きな値に維持される。前述したように、励磁区間ＥＰが小さい場合には、機械的エネルギと電気的エネルギとの変換効率が高い領域においてモータが駆動されるので、モータ効率が増大し、電力削減率が大きくなる。なお、一定の負荷において励磁区間ＥＰをある程度以上減少させると効率が低下する理由は、励磁区間ＥＰを過度に小さくすると電圧指令値Ｙが過度に大きな値になり、ＰＷＭ信号の実効波形が単純な矩形波に近くなるので、逆に効率が低下する要因となるからである。

図１７のステップ３０において、電力の回生を行うと判断された場合には、ステップＳ７０において回生区間ＧＥＰ（すなわち回生区間設定部３２０の可変抵抗値Ｒgv）を決定してステップＳ６０に移行する。

図２１は、回生区間ＧＥＰの決定方法の一例を示すグラフである。横軸は、回転速度差Δωであり、縦軸は回生区間ＧＥＰの値を示している。回生区間ＧＥＰは、回転速度差Δωが大きいほど大きな値を取るように設定されることが好ましい。こうすれば、より素早く目標速度に近づけることができ、また、より多くの電力を回生することが可能である。この例では、回転速度差Δωと回生区間ＧＥＰとの関係が非線形的であるが、両者の関係は直線的な対応関係を有していても良い。なお、回生を行う場合には回生イネーブル信号Ｇenbと制動制御信号ＰＫがＨレベルに設定されるが、図１７ではこれらの信号については省略されている。

図１７のステップＳ６０では、制御動作が完了したか否かが判定され、完了していなければステップ１０に戻り、ステップＳ１０〜Ｓ７０の処理を繰り返し実行する。このように、電気自動車への適用例では、複数の入力値ＳＰ，ＴＰ，ＢＫに基づいて、目標回転数及び目標トルクと、駆動と回生のいずれかを行うかと、励磁区間ＥＰ又は回生区間ＧＥＰとを決定しているので、入力値に応じた適切な状態でモータを動作させることが可能である。また、励磁区間ＥＰと回生区間ＧＥＰとは、互いに独立にそれぞれ設定されるので、駆動と回生のそれぞれについて高効率な動作を行わせることが可能である。なお、図１６（Ｄ）のＴＮ＝Ｐの状態は、図１２（Ｃ）又は（Ｄ）の設定によって実現することも可能である。

E．具体的な適用例２：
図２２は、本発明の実施例における電動アクチュエータをプリンタに適用した例を示す説明図である。このプリンタでは、モータ４０とプーリ５２との間に、無端ベルト５１が掛け渡されている。無端ベルト５１には、印刷ヘッド５３が連結されている。印刷ヘッド５３は、位置センサとしてのエンコーダ１４に沿って摺動可能に設置されている。モータ４０に駆動されて無端ベルト５１が回転すると、これに応じて印刷ヘッド５３が図の左右方向に移動する。この移動時に、印刷ヘッド５３からインクを吐出することによって、印刷媒体上に画像を印刷することが可能である。この適用例では、エンコーダ１４が入力部１０（図１）として機能している。

図２２（Ｂ）は、ヘッド位置とモータの目標回転数との関係の一例を示している。ここで、印刷ヘッド５３は、左端位置Ｐ１から右端位置Ｐ４間での間を移動するものと仮定している。左端位置Ｐ１から次の所定の位置Ｐ２までの間においては、目標回転速度ωｔが直線的に増加する。印刷ヘッド５３の移動の開始時は、モータ４０の始動時に相当するので、この期間では駆動波形として始動トルクの大きな矩形波が選択される。位置Ｐ２〜Ｐ３の間では、目標回転速度ωｔも一定値に保たれる。この期間では、駆動波形として効率の良い正弦波が選択される。位置Ｐ３〜Ｐ４の間では、目標回転速度ωｔが直線的に減少し、これに応じて電力が回生される。

なお、印刷ヘッド５３の位置と、目標回転数ωｔ及び駆動波形との関係は、予め主制御部１００（図２）内のメモリに格納しておくことができる。印刷ヘッド５３の位置と他のパラメータ（ＥＰ，ＧＥＰ等）の関係についても同様であるが、ここでは他のパラメータの値についての説明は省略する。この例では、入力値は１つ（印刷ヘッド５３の位置）であるが、この入力値に応じて種々の制御パラメータが決定されている。しかし、この場合にも、その入力値に応じて、駆動波形や励磁区間ＥＰ，回生区間ＧＥＰなどの各種の制御パラメータを適切に設定することによって、モータを好ましい態様で制御することが可能である。

F．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

F１．変形例１：
上記実施例では、主制御部１００が、回転速度とトルクの目標値に応じて以下の信号やパラメータを駆動制御部２００と回生制御部３００とに供給して、それぞれの動作状態を設定していた。
（１）波形切替信号Ｓsw（図１０）
（２）電圧指令値Ｙ（図３のＹａ，Ｙｂ）
（３）励磁区間信号Ｅ（図９）
（４）駆動イネーブル信号Ｄenb（図１２）
（５）制動制御信号ＰＫ（図１２）
（６）回生区間信号ＥＧ（図１５）
（７）回生イネーブル信号Ｇenb（図１４）
しかし、本発明の制御装置としては、１つ以上の入力値に応じてこれらの一部のみを決定するような構成を採用することも可能である。例えば、本発明は、１つ以上の入力値に応じて励磁区間信号Ｅと回生区間信号ＥＧを決定して駆動や回生に使用し、上記の他の信号を使用しないような回路にも適用可能である。

F２．変形例２：
上記実施例では、２相駆動用の制御回路の構成及び動作を説明したが、本願発明は、単相駆動要の制御回路や３相以上の駆動用の制御回路など、２相以外の任意数の相の駆動用の制御回路も同様に構成することが可能である。また、正逆方向指示値レジスタ５４０や、励磁区間設定部５９０などの一部の回路要素は省略することが可能である。なお、本発明による制御部２０は、半導体集積回路（ＩＣ）として実装されていることが好ましい。

F３．変形例３：
本発明は、電気自動車やプリンタ以外の任意の装置のためのアクチュエータに適用可能である。例えば、本発明によるモータは、移動体やロボット用のモータとしても利用可能である。

図２３は、本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。この自転車３３００は、前輪にモータ３３１０が設けられており、サドルの下方のフレームに制御回路３３２０と充電池３３３０とが設けられている。モータ３３１０は、充電池３３３０からの電力を利用して前輪を駆動することによって、走行をアシストする。また、ブレーキ時にはモータ３３１０で回生された電力が充電池３３３０に充電される。制御回路３３２０は、モータの駆動と回生とを制御する回路である。このモータ３３１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図２４は、本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。このロボット３４００は、第１と第２のアーム３４１０，３４２０と、モータ３４３０とを有している。このモータ３４３０は、被駆動部材としての第２のアーム３４２０を水平回転させる際に使用される。このモータ３４３０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することが可能である。

図２５は、本発明の実施例によるモータを利用した鉄道車両を示す説明図である。この鉄道車両３５００は、モータ３５１０と、車輪３５２０とを有している。このモータ３５１０は、車輪３５２０を駆動する。さらに、モータ３５１０は、鉄道車両３５００の制動時には発電機として利用され、電力が回生される。このモータ３５１０としては、上述した各種のブラシレスモータを利用することができる。

本発明の一実施例としての電動アクチュエータの構成を示すブロック図である。 制御部の内部構成を示すブロック図である。 駆動制御部２００の内部構成と動作を示す説明図である。 センサ出力波形と駆動信号波形の対応関係を示す説明図である。 ＰＷＭ部の内部構成を示すブロック図である。 モータ正転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 モータ逆転時のＰＷＭ部の動作を示すタイミングチャートである。 励磁区間設定部の内部構成と動作を示す説明図である。 励磁区間設定部における可変抵抗値Ｒｖと励磁区間ＥＰとの関係を示すタイミングチャートである。 符号化部の他の構成を示すブロック図である。 符号化部の動作を示すタイミングチャート図である。 駆動イネーブル信号Ｄenbと制動制御信号ＰＫに応じたドライバ回路の動作状態を示す説明図である。 回生制御部３００の内部構成を示す回路図である。 回生区間設定部の内部構成を示す説明図である。 回生区間設定部における可変抵抗値Ｒgvと回生区間ＧＥＰとの関係を示すタイミングチャートである。 本発明の実施例における電動アクチュエータを電気自動車に適用した例を示す説明図である。 主制御部による電気自動車の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 励磁区間ＥＰと駆動波形の選択方法の一例を示す説明図である。 電圧指令値Ｙの決定方法の一例を示す説明図である。 励磁区間ＥＰの大きさと電力削減率の関係を示すグラフである。 回生区間ＧＥＰの決定方法の一例を示すグラフである。 本発明の実施例における電動アクチュエータをプリンタに適用した例を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータ／発電機を利用した移動体の一例としての電動自転車（電動アシスト自転車）を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用したロボットの一例を示す説明図である。 本発明の実施例によるモータを利用した鉄道車両を示す説明図である。

符号の説明

１０〜１４…入力部
２０…制御部
３０…蓄電部
４０…電動モータ
４１，４２…コイル
４２…駆動力伝達部材
４３，４４…位置センサ
５０…負荷
５１…無端ベルト
５２…プーリ
５３…印刷ヘッド
１００…主制御部
２００…駆動制御部
２４０…ＰＷＭ制御部
２５０…ドライバ回路
２５１〜２５４…スイッチングトランジスタ
２５５，２５６…レベルシフタ
３００…回生制御部
３１０…整流回路
３２０…回生区間設定部
３３０…全波整流回路
３４１，３４２…ゲートトランジスタ
３５１…バッファ回路
３５２…インバータ回路
４００…電源ユニット
５１０…基本クロック生成回路
５２０…分周器
５３０…ＰＷＭ部
５３１，５３２…カウンタ
５３３，５３４…ＥＸＯＲ回路
５３５，５３６…駆動波形形成部
５４０…正逆方向指令値レジスタ
５５０，５５２…乗算器
５６０，５６２…符号化部
５６４…絶対値変換部
５７０，５７２…ＡＤ変換部
５８０…電圧指令値レジスタ
５９０…励磁区間設定部
５９２…電子可変抵抗器
５９４，５９６…電圧比較器
５９８…ＯＲ回路
５９９…ＡＮＤ回路
３３００…自転車
３３１０…モータ
３３２０…制御回路
３３３０…充電池
３４００…ロボット
３４１０…第１のアーム
３４２０…第２のアーム
３４３０…モータ
３５００…鉄道車両
３５１０…モータ
３５２０…車輪

Claims (6)

1. 電磁コイルと永久磁石とを有する電動モータを制御する制御装置であって、
   前記電磁コイルを駆動するための制御を行う駆動制御部と、
   前記電磁コイルから電力を回生するための制御を行う回生制御部と、
   を備え、
   前記駆動制御部は、前記永久磁石の移動によって前記電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加しないように前記励磁区間と前記非励磁区間とを設定する励磁区間設定部を含み、
   前記回生制御部は、前記π／２位相点を中心とする対称な回生区間において前記電磁コイルから電力を回生するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非回生区間において前記電磁コイルから電力を回生しないように前記回生区間と前記非回生区間とを設定する回生区間設定部を含み、
   前記駆動制御部は、さらに、
   経時的な変化を示す変化信号の信号値と、所定の範囲で任意に設定可能な指令値と、を乗算することによって乗算値を算出する乗算部と、
   前記乗算値に対してＰＷＭ制御を行うことによって、前記乗算値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ信号を前記非励磁区間においてマスクすることによって前記電動モータの駆動信号を生成するマスク回路と、
   前記電動モータに対する出力要求に応じて、前記指令値と、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分と、の双方を調整する調整部と、
   を備える制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置であって、
   前記励磁区間設定部と前記回生区間設定部は、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分、及び、前記回生区間と前記非回生区間との間の区分を互いに独立に変更可能である、制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の制御装置であって、
   前記駆動制御部と前記回生制御部は、前記電動モータの駆動と回生のいずれも行わない場合には、前記電磁コイルをハイインピーダンス状態に維持する、制御装置。
4. 電磁コイルと永久磁石とを有する電動モータを制御する方法であって、
   前記電磁コイルを駆動するための制御を行う駆動工程と、
   前記電磁コイルから電力を回生するための制御を行う回生工程と、
   を備え、
   前記駆動工程は、前記永久磁石の移動によって前記電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加しないように前記励磁区間と前記非励磁区間とを設定する工程を含み、
   前記回生工程は、前記π／２位相点を中心とする対称な回生区間において前記電磁コイルから電力を回生するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非回生区間において前記電磁コイルから電力を回生しないように前記回生区間と前記非回生区間とを設定する工程を含み、
   前記駆動工程は、さらに、
   経時的な変化を示す変化信号の信号値と、所定の範囲で任意に設定可能な指令値と、を乗算することによって乗算値を算出する工程と、
   前記乗算値に対してＰＷＭ制御を行うことによって、前記乗算値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成する工程と、
   前記ＰＷＭ信号を前記非励磁区間においてマスクすることによって前記電動モータの駆動信号を生成する工程と、
   前記電動モータに対する出力要求に応じて、前記指令値と、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分と、の双方を調整する工程と、
   を含む、制御方法。
5. ロボットであって、
   電磁コイルと永久磁石とを有する電動モータと、
   前記電動モータを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記電磁コイルを駆動するための制御を行う駆動制御部と、
   前記電磁コイルから電力を回生するための制御を行う回生制御部と、
   を備え、
   前記駆動制御部は、前記永久磁石の移動によって前記電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加しないように前記励磁区間と前記非励磁区間とを設定する励磁区間設定部を含み、
   前記回生制御部は、前記π／２位相点を中心とする対称な回生区間において前記電磁コイルから電力を回生するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非回生区間において前記電磁コイルから電力を回生しないように前記回生区間と前記非回生区間とを設定する回生区間設定部を含み、
   前記駆動制御部は、さらに、
   経時的な変化を示す変化信号の信号値と、所定の範囲で任意に設定可能な指令値と、を乗算することによって乗算値を算出する乗算部と、
   前記乗算値に対してＰＷＭ制御を行うことによって、前記乗算値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ信号を前記非励磁区間においてマスクすることによって前記電動モータの駆動信号を生成するマスク回路と、
   前記電動モータに対する出力要求に応じて、前記指令値と、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分と、の双方を調整する調整部と、
   を備える、ロボット。
6. 移動体であって、
   電磁コイルと永久磁石とを有する電動モータと、
   前記電動モータを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記電磁コイルを駆動するための制御を行う駆動制御部と、
   前記電磁コイルから電力を回生するための制御を行う回生制御部と、
   を備え、
   前記駆動制御部は、前記永久磁石の移動によって前記電磁コイルに誘起される誘起電圧の波形で極性が反転する位置をπ位相点としたときのπ／２位相点を中心とする対称な励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非励磁区間において前記電磁コイルに電圧を印加しないように前記励磁区間と前記非励磁区間とを設定する励磁区間設定部を含み、
   前記回生制御部は、前記π／２位相点を中心とする対称な回生区間において前記電磁コイルから電力を回生するとともに、前記誘起電圧の波形の前記π位相点を中心とする対称な非回生区間において前記電磁コイルから電力を回生しないように前記回生区間と前記非回生区間とを設定する回生区間設定部を含み、
   前記駆動制御部は、さらに、
   経時的な変化を示す変化信号の信号値と、所定の範囲で任意に設定可能な指令値と、を乗算することによって乗算値を算出する乗算部と、
   前記乗算値に対してＰＷＭ制御を行うことによって、前記乗算値に応じたパルス幅を有するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
   前記ＰＷＭ信号を前記非励磁区間においてマスクすることによって前記電動モータの駆動信号を生成するマスク回路と、
   前記電動モータに対する出力要求に応じて、前記指令値と、前記励磁区間と前記非励磁区間との間の区分と、の双方を調整する調整部と、
   を備える、移動体。

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