JP5511791B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路装置に関し、特にモータの効率的な制御技術に関する。この技術は、電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられるモータ制御用のコントローラに好適に利用できる。

電気自動車、もしくはハイブリッド自動車には、駆動用モータが設けられている。この駆動用モータの回転子(出力軸)の回転角度を検出する技術としては、たとえば、レゾルバを用いたものが知られている。

この種のレゾルバによる位置検出は、たとえば、Ｒ／Ｄ（Ｒｅｓｏｌｖｅｒ／Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータによりレゾルバの出力から回転角度に変換し、モータ制御装置はかかる回転角度に応じて駆動用モータの回転を制御するための駆動用電流量を制御している（たとえば、特許文献１参照）。

この特許文献１の図８には、モータの回転角をレゾルバで検出し、Ｒ／Ｄ処理部で回転角度情報を変換した後、補正部でレゾルバの出力値を補正し、ＣＰＵはモータドライバの制御を行うことが記載されており、またレゾルバの出力値を補正するための補正値情報はＰＲＯＭに格納されることが記載されている。

特開２００８−２５６４８６号公報

ところが、上記のようなレゾルバによる駆動モータの位置検出技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。

本発明者は、特許文献１に記載されている構成のモータ制御装置について検討を行ったところ、特許文献１に記載されていない以下の課題が存在することを認識した。

現在のエンジン駆動型の自動車では、燃料の燃焼効率を考慮しエンジンの回転速度が高くなりすぎないようにするためにギアによるエンジン回転速度の減速が行われているが、モータでの駆動の高回転化を可能にすることによって、ギアに頼った回転速度の減速を行うことを比較的少なくすることが可能となる。ハイブリッド自動車とともに特に電気自動車でのモータの実用的な回転速度については、停止状態の０ｒｐｍから１００００ｒｐｍを超えるような高速回転速度までの制御が望ましく、高回転化が予想される。かかるモータの回転速度に対応して、モータ制御装置はモータの固定子コイル／回転子コイルに供給する電流の制御を行うことが必要である。

特許文献１に記載されている構成のモータ制御装置の動作は、Ｒ／Ｄ処理部でレゾルバの出力を回転角度を示すデジタル値に変換する毎に、ＣＰＵは割り込み通知を受け、補正部での補正値に応じてモータドライバを駆動するためのプログラムを実行すると推測できる。

回転角５度毎に補正を行いモータドライバを駆動制御する場合、１００００ｒｐｍでのモータ駆動では割り込み通知の発生周波数は１２ＫＨｚ（１００００ｒｐｍ（約１６６ｒｐｓ）×３６０／５）となる。

１回の割り込み通知毎での処理ステップ数が１０００ステップあり、ＣＰＵの動作処理中での割り込み処理動作の占める比率を２５％と仮定した場合、ＣＰＵの動作周波数（１ステップ／１クロックサイクルと仮定）としては４８ＭＨｚ（１２Ｋ×４０００ステップ）が必要とされる。一方で停止状態では３６ＭＨｚとなる。

ＣＰＵを１００００ｒｐｍに対応させて４８ＭＨｚで常時動作させた場合、モータが停止状態では約３３％の無駄な消費電力が発生することになる。

また、モータをより高精度に制御し、モータのエネルギー効率を上げるためにはより細かい回転角でモータに供給する電流の制御を行うことが必要となり、高速回転時のＣＰＵの動作周波数はより高くなり、停止状態と高速回転状態でのモータ制御に必要なＣＰＵの動作周波数の乖離が大きくなる。

さらに、駆動用モータを高速回転制御する場合には、ソフトウェアによる補正演算の時間的余裕がなくなってしまい、誤差を持ったタイミングのまま制御が行われてしまう恐れがあり、駆動用モータの駆動効率が大幅に低下してしまうという問題がある。

本発明の目的は、ＣＰＵの動作周波数を抑えたモータ制御用の半導体集積回路装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、消費電力を低減できるモータ制御用の半導体集積回路装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、モータの停止状態から高速回転に亘って、モータを滑らかに効率よく駆動制御することのできるモータドライバ用の半導体集積回路装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本発明に係る半導体集積回路装置は、モータの回転速度を判定し、モータの回転速度に応じて、動作を変えるようにするものである。

例えば、半導体集積回路装置は、モータの回転速度を判定し、モータの回転速度が所定の回転速度より小さいときは、ＣＰＵのソフトウェア処理によりモータ駆動制御を行い、モータの回転速度が所定の回転速度より大きいときは、ハードウェア回路によるモータ駆動制御を行うようにするものである。

さらに、半導体集積回路装置は、モータの回転速度を判定し、モータの回転速度が所定の回転速度より小さいときと大きいときとでモータの駆動波形を変更するように制御を行うようにするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

（１）モータの回転角度を高速、高精度に検出することができるので、特に高速回転の駆動制御において、よりモータを滑らかに、効率よく駆動させることができる。

（２）モータの回転速度によって制御を切り替えることにより、処理負荷に応じて最適な制御方法を選ぶことができる。

（３）ＣＰＵの動作速度を抑えることができるので、半導体集積回路装置の低消費電力化ができる。

本発明の実施の形態１による電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられるモータ駆動システムの構成例を示すブロック図である。 図１のモータ駆動システムに用いられる半導体集積回路装置の構成例を示すブロック図である。 図１のモータにおける駆動波形出力例を示す説明図である。 図２の半導体集積回路装置によるモータ制御の動作説明図である。 図２の半導体集積回路装置に設けられたモータ制御演算回路の構成例を示す説明図である。 誤差を含んだレゾルバ値と理想的なレゾルバ値とのイメージ図である。 誤差を含んだレゾルバ値とのコンペア一致によるモータの高回転時における通電切り替えタイミングの一例を示した説明図である。 誤差を含んだレゾルバ値をソフトウェアによって補正した際のコンペア一致によるモータ高回転時における通電切り替えのタイミング例を示す説明図である。 図２の半導体集積回路装置によるレゾルバ値の補正技術の動作概要を示した説明図である。 ソフトウェアの補正処理とハードウェア処理とのモータの最大回転数の違いを示した説明図である。 レゾルバ値を逐次補正する際の消費電流の比較例を示す説明図である。 図２の半導体集積回路装置に設けられたレゾルバ値補正演算回路によるレゾルバ値の補正技術例を示す説明図である。 誤差を含んだレゾルバ値とのコンペア一致、および誤差補正されたレゾルバ値とのコンペア一致により、モータの通電相を切り替えた際の比較例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２による電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられるモータ駆動システムを構成する半導体集積回路装置の構成例を示すブロック図である。 図１４の半導体集積回路によるＣＰＵでの動作タイミング例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２の別態様としての半導体集積回路装置の構成例を示すブロック図である。 図１６の半導体集積回路によるＣＰＵでの動作タイミング例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

実施の形態に係る半導体集積回路装置（１）は、モータが中高速回転しているか、あるいは停止〜低速回転しているかを判定し、モータが停止〜低速回転している際には、ＣＰＵ（１０）のソフトウェア処理によりモータ駆動制御を行い、モータが中高速回転している際には、ハードウェア回路（５，６）によるモータ駆動制御を行うように切り替える制御を行うモータ回転速度判定回路（９）を備えたものである。

また実施の形態に係る半導体集積回路装置（１）は、モータ駆動制御を行うハードウェア回路として、デジタル信号に変換されたモータに取り付けられたレゾルバから出力されたレゾルバ信号をカウントアップした誤差を含んだレゾルバ値をハードウェア処理によって逐次補正するレゾルバ値補正演算部（５，１２）を備えたものである。

また、実施の形態に係る半導体集積回路装置（１）は、前記レゾルバ値補正演算部（５，１２）が、レゾルバの１周期分における誤差を含んだレゾルバ値と誤差を含まない基準レゾルバ値との差からなる第１の誤差補正データを格納するデータ格納部（１２）と、第１の誤差補正データに基づいて、誤差を含んだレゾルバ値の補正処理を行うレゾルバ値補正演算回路（５）とを備え、該レゾルバ値補正演算回路（５）は、入力された誤差を含んだレゾルバ値に、第１の誤差補正データを加減算し、レゾルバの１周期を２以上に分割した任意の周期毎での誤差を含んでいないレゾルバ値と誤差を含んだレゾルバ値とのずれを第２の誤差補正データとして算出し、第２の誤差補正データと第１の誤差補正データとの比率を比較して、第３の誤差補正データとして、次のレゾルバ値に反映させる処理を行うものである。

さらに、実施の形態に係る半導体集積回路装置（１）は、前記レゾルバ値補正演算回路がデータフロー動作を行うハードウェア構成からなるものである。

また、実施の形態に係る半導体集積回路装置（１）は、モータ駆動制御を行う別のハードウェア回路として、モータを駆動する駆動制御信号を発生するモータ駆動波形を生成するモータ制御部（６，７）を備え、該モータ制御部（６，７）は、レゾルバ値補正演算部（５，１２）が補正したレゾルバ値から、モータの位置データを算出し、位置データ、モータに流れるモータ電流値、およびモータ電流指令値から電流指令値を演算し、電流指令値からモータ駆動波形を生成するものである。

実施の形態に係るモータ駆動システムは、モータ（Ｍ）と、レゾルバ（２）と、パワーモジュール（ＰＭ）と、半導体集積回路装置（１）とを具備する。前記半導体集積回路装置（１）は、Ｒ／Ｄコンバータ（３）と、Ｒ／Ｄ変換インタフェース（４）と、モータ波形出力回路（７）と、Ａ／Ｄ変換器（８）とを具備する。前記レゾルバ（２）は前記Ｒ／Ｄコンバータ（３）に接続され、前記Ｒ／Ｄコンバータ（３）の出力は前記Ｒ／Ｄ変換インタフェース（４）に接続される。前記モータ（Ｍ）の電流が前記Ａ／Ｄ変換器（８）に入力される。前記モータ波形出力回路（７）からモータ駆動波形が出力され、前記パワーモジュール（ＰＭ）を介して前記モータ（Ｍ）が駆動される。

〈実施の形態１〉
図１は、電気自動車やハイブリッド自動車（以下、電気自動車などという。）に用いられるモータ駆動システムの構成例を示すブロック図である。

本実施の形態において、半導体集積回路装置１は、図１に示すように、たとえば、電気自動車などで使用される、たとえば、三相のモータＭを制御するマイクロコンピュータ（マイクロコントローラともいう。）である。モータＭには、該モータＭの回転角度を検出するレゾルバ２が組み込まれている。

レゾルバ２には、Ｒ／Ｄコンバータ３が接続されており、該Ｒ／Ｄコンバータ３には、半導体集積回路装置１が接続されている。なお、ここでは、Ｒ／Ｄコンバータ３が、半導体集積回路装置１の外部に設けられた構成としたが、該Ｒ／Ｄコンバータ３は、半導体集積回路装置１内に設ける構成としてもよい。Ｒ／Ｄコンバータ３を半導体集積回路装置１内に設ける構成とした場合は、モータ駆動システムの部品点数が少なくなり、システムを小形にすることができ、また低コストにすることができる。

レゾルバ２は、Ｒ／Ｄコンバータ３から出力された励磁信号に基づいてサイン（ｓｉｎ）波、およびコサイン（ｃｏｓ）波を発生させる。Ｒ／Ｄコンバータ３は、レゾルバ２が発生したアナログ信号のｓｉｎ波、およびｃｏｓ波をデジタル信号に変換して半導体集積回路装置１に出力する。

Ｒ／Ｄコンバータ３からは、アナログ信号のｓｉｎ波、ｃｏｓ波からデジタル信号に変換したデジタル信号Ａ、デジタル信号Ｂ、およびモータＭの１周期毎に１回発生するＺ相信号Ｚがそれぞれ出力される。

半導体集積回路装置１は、Ｒ／Ｄコンバータ３が変換したデジタル信号Ａ，Ｂをカウントアップし、モータＭの回転角度（たとえば、０°〜３６０°）を検出し、モータＭの回転角度に応じて生成する電流指令値からモータ駆動波形を生成してモータＭを駆動するパワーモジュールＰＭに出力する。また、Ｚ相信号Ｚが入力された際には、カウントアップをクリアする。

図２は、半導体集積回路装置１の構成例を示すブロック図である。

半導体集積回路装置１は、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４、レゾルバ値補正演算回路５、モータ制御部となるモータ制御演算回路６、同じくモータ制御部となるモータ波形出力回路７、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換器８、モータ回転速度判定回路９、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１０、割り込みコントローラ１１、およびデータ格納部となるメモリ部１２から構成されている。また、レゾルバ値補正演算回路５、ならびにメモリ部１２によってレゾルバ値補正演算部が構成されている。

さらに、Ａ／Ｄ変換器８、モータ回転速度判定回路９、ＣＰＵ１０、割り込みコントローラ１１、ならびにメモリ部１２は、バス１３を介して相互に接続されており、またレゾルバ値補正演算回路は、メモリ部１２に格納されている補正情報の読出しのため、バス１３又は専用バスを介してメモリ部１２と接続されている。

Ｒ／Ｄ変換インタフェース４は、Ｒ／Ｄコンバータ３とのインタフェースとなり、Ｒ／Ｄコンバータ３が変換したデジタル信号Ａ，Ｂをカウントアップする。レゾルバ値補正演算回路５は、カウントアップされたレゾルバ値（以下、単にレゾルバ値という）の誤差を補正し、モータＭの位置データを算出する。モータ制御演算回路６は、レゾルバ値補正演算回路５が算出した位置データ、およびモータ電流値、およびモータ電流指令値などから電流指令値を演算する。

モータ波形出力回路７は、モータ制御演算回路６が演算した電流指令値に基づいて、モータＭの駆動用波形を出力する。Ａ／Ｄ変換器８は、アナログ信号のモータＭにおける電流値をデジタル信号のモータ電流値に変換する。

モータ回転速度判定回路９は、モータＭの回転速度を判定し、モータＭが停止、低速、中速、高速回転であるかを判断し、その結果に基づいて、後述するモータ駆動制御の切り替えを行う。

ＣＰＵ１０は、半導体集積回路装置１におけるすべての動作を司る。割り込みコントローラ１１は、ＣＰＵ１０などからの割り込み処理を制御する。メモリ部１２は、たとえば、ＲＡＭ(Random Access Memory)／ＲＯＭ(Read Only Memory)からなり、モータ駆動制御用のプログラムやレゾルバ値補正演算回路５などが算出したデータなどを格納する。ＲＡＭは、揮発性メモリであるＳＲＡＭなどで構成され、ＲＯＭは、不揮発性メモリであるマスクＲＯＭやフラッシュメモリなどで構成される。データ用のフラッシュメモリとプログラム用のフラッシュメモリとを分離して構成してもよいし、データとプログラムと共用のフラッシュメモリとしてもよい。また、ＲＡＭとＲＯＭの両方の機能をＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory：磁気抵抗メモリ）、相変化メモリ又は強誘電体メモリなどで構成してもよい。

図３は、モータＭの駆動波形出力例を示す説明図である。なお、図３においては、Ｕ相、ＵＢ相（ＵＢ相はＵ相の逆相の波形信号である）のみを例示しており、その他のＶ相、ＶＢ相、Ｗ相、ＷＢ相は割愛している。

半導体集積回路装置１は、図示するように、モータ回転速度に応じてモータ駆動波形として出力するＰＷＭ(Pulse Width Modulation)波形の周波数やＯＮデューティを変化させモータＭの駆動制御を行っている。Ｕ相／ＵＢ相の上部に記載のｓｉｎ波形は、モータＭの回転状態を示す波形である。また特開２００７−２０３８３号公報に記載されているような、モータの回転速度に応じてモータ駆動波形の切り替えを行うものであっても良い。

モータ波形出力回路７は出力するモータ駆動波形をＣＰＵからの指示（レジスタへの設定）やモータ回転速度判定回路９により切り替え可能に構成される。

次に、本実施の形態における半導体集積回路装置１のモータ駆動制御について、図４のモータ制御の動作説明図を用いて説明する。

まず、レゾルバ２から出力されるレゾルバ信号（ｓｉｎ波、ｃｏｓ波）を、Ｒ／Ｄコンバータ３によってデジタル値に変換する（ステップＳ１０１）。また、半導体集積回路装置１においては、モータＭの電流値をＡ／Ｄ変換器８によってデジタル値に変換する（ステップＳ１０２）。

続いて、Ｒ／Ｄ変換インタフェース１０２は、Ｒ／Ｄコンバータ３が変換したデジタル信号を受け取り（ステップＳ１０３）、レゾルバ値補正演算回路５とモータ回転速度判定回路９に出力する(図４の一点鎖線で示す処理経路)。モータ回転速度判定回路９はＲ／Ｄ変換インタフェース４へ入力されるＲ／Ｄコンバータ３によりデジタル値に変換された信号の周波数からモータの回転速度を判別する。

モータ回転速度判定回路９がモータＭの回転速度を停止〜低速（所定の回転速度より小さい）と判定した場合、以下のステップＳ１０４〜Ｓ１０６の処理はＣＰＵによるソフトウェア処理で行うようにされる（図４の細実線で示すモータ回転速度判定回路−ＣＰＵ間の指令信号）。モータＭのかかる回転域では、相対的にモータの回転抵抗が高くまたタイヤと路面間の摩擦抵抗のため、モータＭに供給するモータ駆動波形の周波数を低くすると共に電流量を増加させることによりモータＭの回転トルクの増加を図る、等の過渡的な処理が必要となる。係る過渡的な処理は個体差や周辺環境差が大きいため、ソフトウェア処理により固体／周辺環境ごとの特性に合わせることが可能となる。

モータ回転速度判定回路９がモータの回転速度を中速〜高速（所定の回転速度より大きい）と判定した場合、以下のステップＳ１０４〜Ｓ１０７の処理は、夫々の回路でのハードウェア処理とする（図４の細実線で示すモータ回転速度判定回路−レゾルバ値補正演算回路等間の指令信号）。係る回転域では、モータの回転抵抗や路面摩擦抵抗は相対的に低く個体／周辺環境差に応じた処理は相対的に不要となり、モータの回転角に応じて適切なタイミングでモータにモータ駆動波形を供給することが必要となるため、ハードウェア処理とするほうが好適となる。

または自動車の減速制動、特に図示しないレーダーやブレーキの踏込み等の情報から衝突の可能性が判断できる場合、モータ回転速度判定回路９でのモータ回転速度判定に拘らず、モータの回転角に応じて適切なタイミングで、タイヤもしくはモータの回転子の回転に対する逆方向のモータの回転トルクを発生させるようなモータ駆動波形をモータに供給するように、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７の処理を夫々の回路でのハードウェア処理を行う。

なお、モータ回転速度が所定の回転速度のときは、ソフトウェア処理とハードウェア処理のいずれの処理を行ってもよい（いずれかの処理を行うものとする）。

モータ回転速度の停止〜低速／中速〜高速の判別境界（モータ回転速度が所定の回転速度よりも小さいか大きいか）については、判別境界値をメモリ部１２のフラッシュメモリなどの不揮発性メモリに記憶しておき、半導体集積回路装置１の初期化動作においてＣＰＵ１０がモータ回転速度判定回路９のレジスタＲ１に判別境界値を設定する、等を行えばよい。またこの判別境界は、図３に示す低速回転／中速回転／高速回転の境界と一致することを限定するものではない。

以下、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７の処理をモータの回転速度が中速〜高速（所定の回転速度より大きい）と判定した場合の各回路の動作として説明する。

レゾルバ値補正演算回路５は、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４から入力されたデジタル信号におけるレゾルバ補正値を演算し又はメモリ部１２からバス１３を介して読み出し（ステップＳ１０４）、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４から入力されたデジタル値に、補正値を加減算してモータの回転角を示す位置データを算出する（ステップＳ１０５）。

そして、モータ制御演算回路６は、図示しないアクセルやブレーキなどからの加速／減速のどちらの制動であるかの情報、レゾルバ値補正演算回路５が算出した位置データ、Ａ／Ｄ変換器８がデジタル変換したモータ電流値、ならびにモータ電流指令値などから電流指令値を演算し（ステップＳ１０６）、モータ波形出力回路７に出力する。

モータ波形出力回路７は、入力された電流指令値からモータ駆動波形を生成し、モータＭを駆動するパワーモジュールＰＭに出力を行う（ステップＳ１０７）。

なお、図４において、点線は、ステップＳ１０４，Ｓ１０５の処理経路を示しており、細実線は、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理経路を示し、一点鎖線は、モータ回転速度信号の経路、太実線はソフトウェア処理での経路を示している。

また、モータの回転速度が停止〜低速と判断されＣＰＵのソフトウェア処理によりモータ駆動制御を行う際にもレゾルバ値補正演算回路５でのレゾルバ値の補正演算処理を行うようにしても良い。その場合は、ＣＰＵでのレゾルバ値補正演算に代えて、レゾルバ値補正演算回路５でのレゾルバ補正値をバス１３を介してＣＰＵに出力するように制御される。

図５は、モータ制御演算回路６の構成例を示す説明図である。

モータ制御演算回路６は、図示するように、ＰＩＤ制御モジュール１４，１５、２相３相変換モジュール１６、３相２相変換モジュール１７、ＰＷＭ変換モジュール１８、ならびに加減算器１９，２０から構成されている。

モータ制御演算回路６は、加速／減速のどちらの制動であるかの情報、レゾルバ値補正演算回路５が算出したモータの回転角を示す位置データ（補正θ）、Ａ／Ｄ変換器８から出力されるモータ電流値（ｕ、ｖ、ｗ）、およびＣＰＵ１０から出力されるモータ電流指令値（‘ｄ軸電流指令値、’ｑ軸電流指令値）などから、３相２相変換、ＰＩＤ(１４,１５)で行うＰＩＤ（Proportional（比例）Integral（積分）Differential（微分））制御、およびフィルタ回路２１で行うフィルタ制御、２相３相変換などによって演算を行い、この演算で生成したｕ／ｖ／ｗ夫々の演算結果に対して、ＰＷＭ変換モジュール１８において基準ＰＷＭ波形に対するモータ制御のための周波数／デューティの変換を行い、Ｕ／Ｖ／Ｗ夫々の電流指令値としてモータ波形出力回路７に出力する。この電流指令値は、自動車の加速制動ではモータの回転に対して順方法の回転トルクを発生させるモータ駆動波形を生成させるものであり、減速制動ではモータの回転に対して逆方向の回転トルクを発生させるモータ駆動波形を生成させるものである。

そして、モータ波形出力回路７は、モータ制御演算回路６が演算した電流指令値から、図３に示すモータ駆動波形をパワーモジュールＰＭに出力する。

次に、レゾルバ値における誤差の補正技術について説明する。

図６は、理想的なレゾルバ値と誤差を含んだレゾルバ値とを分りやすく説明するために極端に表したイメージ図である。

一般に、レゾルバ２によるレゾルバ値は、図６の点線に示す理想値に対して、レゾルバの形状、寸法、ばらつきなどの機械的誤差、巻き線、配線、浮遊容量などの電気的ばらつき、ならびに偏芯、零点ずれなどの取り付け時のばらつきなどによって、図６の実線に示すように必ず誤差を含む値となる。なお、レゾルバ値は、デジタル値であるので、図６の左下に示す拡大図のように階段状になる。

図７は、誤差を含んだレゾルバ値とのコンペア一致によるモータの高回転時における通電切り替え（たとえば、１２０°）のタイミング例を示す説明図である。

ここで、Ｕ相正相（Ｕ）、Ｖ相正相（Ｖ）、Ｗ相正相（Ｗ）、Ｕ相逆相（ＵＢ）、Ｖ相逆相（ＶＢ）、Ｗ相逆相（ＷＢ）は、半導体集積回路装置１からの出力信号である。これらの出力信号がパワーモジュールＰＭを介して、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を制御する。

この場合、予め設定されているコンペア値にレゾルバ値が到達すると、モータＭにおける通電相の切り替えが行われることになり、誤差が含まれているレゾルバ値（図７の実線示す）と誤差を含まない理想的なレゾルバ値（図７の点線示す）とでは、図示するように、同じコンペア値であっても、モータの切り替えタイミングが異なってしまい、それが誤差となって通電切り替えの進みや遅れが生じてしまい、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のコイルに流れる電流により発生する磁界がモータの回転子の回転を乱すようになり、モータＭが滑らかに動かずに回転効率が低下してしまうことになる。

また、図８は、図７の通電切り替えを行っている部分を拡大して示す説明図である。

誤差を含んだレゾルバ値(細実線で示す階段状波形)に対して適切なタイミングでモータ駆動電流の通電切り替えを行うためには、コンペア値を補正(細実線で示すコンペア値)することが必要である。一方でレゾルバ値を補正データにより補正をして誤差を含まない理想的なレゾルバ値(細破線で示す階段状波形)に対して適切なタイミングでモータ駆動電流の通電切り替えを行うためには、コンペア値を補正する必要が無い(太破線で示すコンペア値)。

レゾルバ値の補正におけるソフトウェアによる補正技術では、レゾルバ値を、たとえば、補正データ（低回転時などの過去の周期のデータなど）からソフトウェアによって補正演算を行うことが考えられる。その場合、ソフトウェアによる補正演算更新頻度と演算処理時間が問題となる。演算処理時間がかかって、補正演算更新頻度が低い場合は十分な補正ができずに誤差が残ってしまう(細実線で示す階段状波形)。モータの低速回転時には係る誤差の比率は相対的に小さいが、モータの高速回転時には係る誤差の比率が相対的に大きくなり、演算誤差を含んだ通電切り替え制御がされてしまうことになる。なお、図８におけるモータ理想波形及び誤差を含んだモータ波形とは、例えば、図７におけるＵ相正相（Ｕ）などの半導体集積回路装置１からの出力信号である。

図９は、本発明の半導体集積回路装置１によるレゾルバ値の補正技術の動作概要を示した説明図である。

半導体集積回路装置１においては、レゾルバ値補正演算回路５が行うハードウェア処理によってレゾルバ値を逐次補正するようになっている。レゾルバ値補正演算回路５の逐次変換ロジックは、入力された回転周期とレゾルバ値から補正値を演算し、レゾルバ値に補正値を加減算して補正されたレゾルバ値を出力する。この逐次補正によって、誤差は大幅に低減されて、誤差を含んだレゾルバ値（図９の実線で示す）を理想のレゾルバ値（図９の点線で示す）に近づけることができる。なお、図９におけるモータ理想波形及び逐次補正したモータ波形とは、例えば、図７におけるＵ相正相（Ｕ）などの半導体集積回路装置１からの出力信号である。

同様の処理をソフトウェアで行う場合には、図９の右側のフローチャートに示すように、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４の処理が必要となり、各ステップの処理には、たとえば、十数サイクルがそれぞれ必要となってしまう。

仮に、ステップＳ２０１〜Ｓ２０４の処理に５０サイクルが必要とすると、これらの処理を４８８ｎｓ（５００Ｈｚ（２ｍｓ）で１周期、１２ｂｉｔ精度の場合）で完了するには、１０２ＭＨｚ程度のＣＰＵ処理能力が必要となる。

たとえば、他のモータ制御に１２０ＭＨｚ程度を必要とすると、ＣＰＵは、２２２ＭＨｚ程度での動作が必要となる。その場合でも、頻繁に割り込み処理がかかり、タイミング的な制約が発生してしまうことになるので、割り込みをＣＰＵ負荷の１０％程度以下にしようとすると、ＣＰＵは、約１ＧＨｚの動作速度が必要となる。ＣＰＵの係る動作速度は技術的には当然に可能であるが、消費電力が大きくなる。また、電気自動車でのモータ制御として考えると、モータが中速〜高速回転をしている期間と停止〜低速回転をしている期間とが存在し、停止〜低速回転期間中ではＣＰＵは過剰な処理能力を有していることになるため、ＣＰＵの消費電力に無駄を生じることとなる。

これに対して、レゾルバ値補正演算回路５によるハードウェア処理によってレゾルバ値の誤差を逐次補正する場合、仮に処理サイクルを１５サイクル程度とすると、４８８ｎｓで処理を完了するには３０ＭＨｚ程度で動作するハードウェアロジックで済むことになる。また、レゾルバ値補正演算回路５は、ＣＰＵ１０とは別に動作するので、ＣＰＵ負荷率を考慮する必要もない。

図１０は、ＣＰＵの動作速度を１００ＭＨｚとした際のソフトウェアでの補正処理を行った場合とレゾルバ値補正演算回路５によるハードウェア処理を行った場合とのモータの最大回転数の違いを示した説明図である。

図示するように、ＣＰＵ負荷率の１０％程度とした場合には、モータ回転数は約４８．８Ｈｚ(約３０００ｒｐｍ)程度となり、ＣＰＵ負荷率の１００％とした場合（ソフトウェアで補正処理のみをした場合）には、モータ回転数が約４８８Ｈｚ(約３００００ｒｐｍ)程度となる。

それに対して、レゾルバ値補正演算回路５によるハードウェア処理を行った場合には、モータ回転数を約１６２７Ｈｚ(約９８０００ｒｐｍ)程度と、大幅に大きくすることができる。

図１１は、レゾルバ値を逐次補正する場合の消費電流の比較例を示す説明図である。動作周波数≒電流と考えた場合である。

ＣＰＵ負荷率を下げずにソフトウェア処理をした場合には、レゾルバ値補正演算回路５によるハードウェア処理の場合と比較して、モータ回転数が高くなるに従ってＣＰＵの動作処理も増加していくので、消費電流が大きくなってしまうことになる。

さらに、ソフトウェア処理でＣＰＵ負荷率（１０％程度）を下げるためには、ＣＰＵの処理速度を前述のように約１ＧＨｚ程度まで上げなくてはならず、さらに大幅に電流を消費してしまうことになる。

そのため、モータの回転速度が停止〜高速に亘ってＣＰＵのソフトウェア制御でモータを制御するのではなく、半導体集積回路装置１での消費電力を考慮してＣＰＵの動作周波数を決定し、停止〜低速のモータ回転域ではソフトウェア制御を行うことでモータのトルクを状況に応じて制御できるようにし、低速、中速、高速のモータ回転域では、それぞれの処理に応じた制御をハードウェアで切替える制御を行うことで、半導体集積回路装置１での消費電力を適正化することが可能となる。

また、レゾルバ値補正演算回路５、モータ制御演算回路６、およびモータ波形出力回路７においては、ＣＰＵ等の動作するクロックとの同期動作を行うのではなく、Ｒ／Ｄコンバータ３からの入力に応じたデータフロー動作を行う構成となっており、より低消費電力化することができる。

図１２は、レゾルバ値補正演算回路５によるレゾルバ値の補正技術例を示す説明図である。

この場合、レゾルバ値補正演算回路５は、図示するように、Ｚ相信号Ｚ（Ｚ相入力）やコンペア信号、タイマーなどを使用して、一定周期を生成し、理想的なレゾルバ値（点線）と実際のレゾルバ値（実線）とのずれから、各カウント毎に補正値を算出する。

まず、レゾルバ２における予め実際の１周分のレゾルバ値とモータの回転初期位置と回転経過時間から求められる理想値とから誤差を求め、誤差Ａとして、（たとえばメモリ部１２などに）格納しておく（処理１）。任意の一定周期（できるだけ短い方がよい）ごとにメモリ部１２から読み出した理想値とレゾルバ値との誤差を誤差Ｂとして算出する（処理２）。誤差Ａと誤差Ｂの比率から、以降の補正値を算出し、以降のレゾルバ値に対する補正値として反映する（処理３）。

反映後は、処理２のステップに戻り、逐次補正を繰り返していく。また、必要であれば、処理１〜処理３に誤差Ｃ（ｎ）と誤差Ｃ（ｎ−１）を平滑化させる処理を追加する。

なお、メモリ部１２からの理想値の読出しは、任意の一定周期ごとにモータの回転位置に対応する理想値を読み出し、またはメモリ部１２からモータの１周分の理想値を図示しないレゾルバ値補正演算回路５に有するＲＡＭ等のメモリに読み出しておくのであっても良い。

このように、レゾルバ値をレゾルバ値補正演算回路５によるハードウェア処理によって補正、データ格納、読み出しをすることにより、図１３の上方に示すように、最適なタイミングのモータ駆動波形を生成することが可能となる。

一方、レゾルバ値に誤差が含まれている場合には、図１３の下方に示すように、その誤差分だけモータ駆動波形のタイミングが狂ってしまい、滑らかな回転を実現することができなくなってしまう。

なお、図１３に示される、Ｕ相正相（Ｕ）、Ｖ相正相（Ｖ）、Ｗ相正相（Ｗ）、Ｕ相逆相（ＵＢ）、Ｖ相逆相（ＶＢ）、Ｗ相逆相（ＷＢ）は、図７と同様、半導体集積回路装置１からの出力信号である。これらの出力信号がパワーモジュールＰＭを介して、モータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を制御する。

それにより、本実施の形態によれば、通電切り替えのタイミングを理想に近づけることができるので、モータＭの回転を効率よく、より高回転化させることができる。モータの停止状態(０ｒｐｍ)から高速回転(１００００ｒｐｍ以上)に亘って、モータを滑らかに効率よく駆動制御することができる。

〈実施の形態２〉
実施の形態２では、実施の形態１とは相違し、レゾルバ値の補正からモータＭの制御にかけてを複数のＣＰＵにより機能分割し、全体として低周波数・低消費電力で実現するための構成について説明する。本実施の形態での制御にかかる信号線は、図中、破線で示している。

図１４に示す実施の形態２にかかる半導体集積回路装置は、第１ＣＰＵと第２ＣＰＵの２個有し(１０-１,１０-２)、ＣＰＵ他の半導体集積回路装置の機能モジュールに供給するクロックを生成するＣＰＧ１００、ＣＰＧの生成したクロックの供給停止／周波数分周を行う分周器１０１、動作を停止している機能モジュールへの電源供給停止制御を行う電源回路１０２とを有する。

図１５のタイミングとあわせて、図１４の半導体集積回路装置の動作を説明する。

電気自動車などのモータＭの回転を検出するレゾルバ２の出力値をデジタル値に変換するＲ／Ｄコンバータ３の出力をＲ／Ｄ変換インタフェース４に入力され、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４はモータＭの回転速度情報としてモータ回転速度判定回路９に供給し、モータＭの回転速度が停止から第１回転速度（制御切換え回転速度）以下である場合は（タイミングｔ０〜ｔ１）、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４はレゾルバからの信号入力があるごとに割り込みコントローラ１１に通知を行い、割り込みコントローラ１１はＣＰＵ１０-１に割り込み発生を通知する。ＣＰＵ１０−１は割り込み通知ごとにモータ制御情報を生成するための割り込み処理プログラムを実行し、デジタル値に変換したレゾルバ値の補正処理と補正したレゾルバ値に基づくモータＭの回転を制御するための制御演算を行い、電流指令値を生成する。

モータＭの回転速度が上がり、制御切換え回転速度より高くなったことに応じて、モータ回転速度判定回路９は割り込みコントローラ１１に通知を行う（タイミングｔ１）。割り込みコントローラ１１はＣＰＵ１０−１に割り込み発生を通知し、ＣＰＵ１０-１は分周器１０１と電源回路１０２にＣＰＵ１０−２への電源とクロックの供給を指示する。ＣＰＵ１０−２へ供給する電源とクロックとが安定するまでの所定時間の待機の後、メモリ部１２に格納されているレゾルバ値を補正するためのプログラムをＣＰＵ１０−２のローカルメモリ１０３に転送する（タイミングｔ２）。このときＣＰＵ１０−２に供給するクロックの周波数は、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４からのレゾルバ値が入力される周波数とレゾルバ値補正プログラムの実行とにあわせて、ＣＰＵ１０−１と同じ動作周波数であってもそれ以下であっても良い。

ＣＰＵ１０−１はレゾルバ値補正プログラムの転送が完了の後、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４に図示しない通知を行い、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４はレゾルバ値をバス１３へ出力することを停止し、ＣＰＵ１０−２へ直接出力するよう切替を行い、さらに割り込みコントローラ１１へＲ／Ｄ変換インタフェース１１によるレゾルバ値の出力に応じての割り込み発生を停止させる通知を行う（タイミングｔ３）。ＣＰＵ１０−２はローカルメモリ１０３に格納されているレゾルバ値補正プログラムをフェッチし実行することでレゾルバ値の補正を行い、補正後のレゾルバ値をＣＰＵ１０−１との共有メモリ１０３に格納する（タイミングｔ３〜ｔ４）。

モータＭが制御切換え回転速度以上で回転している間（タイミングｔ３〜ｔ４）は、ＣＰＵ１０−２はＲ／Ｄ変換インタフェース４からレゾルバ値の入力があるごとに補正処理の演算を行い、共有メモリ１０３に出力する。ＣＰＵ１０−１は共有メモリ１０３に格納された補正後のレゾルバ値に基づきモータＭの回転を制御するための制御演算プログラムの実行による電流指令値の生成と半導体集積回路装置全体としての動作制御プログラムを実行する。

ＣＰＵ１０−２による共有メモリ１０３への補正後のレゾルバ値の格納は、ＣＰＵ１０−２が格納のごとにフラグをセットし、ＣＰＵ１０−１がポーリングによりフラグを監視して読出しごとに当該フラグをリセットするようにする、又は補正後のレゾルバ値の格納のごとに割り込み通知を発生させるようにしても良い。

レゾルバ値を補正するためのプログラムをローカルメモリ１０３に転送をしてＣＰＵ１０−２はローカルメモリからプログラムをフェッチするように構成することにより、ＣＰＵ１０−２がメモリ部１２へプログラムフェッチをすることにより生じるバス１３へのアクセス競合を回避することができる。

電気自動車などがブレーキ等により減速をし、モータＭの回転速度が制御切換え回転速度より低くなることに応じて、モータ回転速度判定回路９は割り込みコントローラ１１に通知を行う（タイミングｔ４）。割り込みコントローラ１１はＣＰＵ１０−１に割り込み発生を通知する。ＣＰＵ１０−１は当該割り込み通知に応じて、Ｒ／Ｄ変換インタフェースに図示しない通知を行い、レゾルバ値の出力をバス１３に行うように切換えると共にレゾルバ値の入力ごとに割り込み発生させるように切換える。次いで、ＣＰＵ１０−１はＣＰＵ１０−２へのレゾルバ値補正プログラムの実行停止と、分周器１０１へＣＰＵ１０−２へのクロック供給停止を指示する（タイミングｔ５）。

ＣＰＵ１０−２およびローカルメモリ１０３への電源供給停止をすることでＣＰＵ１０−２の停止期間中のトランジスタリーク電流を抑制することが可能となるが、ＣＰＵ１０−２への電源供給停止と開始とが短時間で繰り返される場合は却って消費電力が増加することもある。そのため、モータＭが上記の制御切換え回転速度よりも低い第２回転速度（電源供給遮断速度）になるまで待って電源供給停止するのであっても良い（タイミングｔ６）。またローカルメモリ１０３については、最初に制御切換え回転速度に到達するまでは電源供給停止し、制御切換え回転速度に到達しレゾルバ値補正プログラムの転送があった後は、例えば自動車のエンジン停止（又はパワーオフ）まで電源供給を継続するよう制御することで、レゾルバ値補正プログラムの転送にかかる消費電力を削減することもできる。

図１６に示す半導体集積回路装置の構成では、ＣＰＵ１０−２はモータＭの回転速度に関係なく、半導体集積回路装置の動作している期間は常に電源とクロックが供給されている。

図１７のタイミングとあわせて、図１６に示す半導体集積回路装置の動作について図１４に示す半導体集積回路との相違点を説明する。

半導体集積回路装置への電源供給開始と初期化動作の完了に応じて（タイミングｔｂ０）、ＣＰＵ１０−１はメモリ部１２からＣＰＵ１０−２が実行するレゾルバ値補正プログラムをローカルメモリ１０３に転送する。またＣＰＵ１０−１は、ＣＰＵ１０−２に供給するクロックの周波数を分周器１０１に設定する（１２８ｋＨｚ）。

Ｒ／Ｄ変換インタフェース４はレゾルバ値をＣＰＵ１０−２に出力し、ＣＰＵ１０−２はレゾルバ値補正プログラムをローカルメモリ１０３からフェッチし、補正後のレゾルバ値を共有メモリ１０３に格納する。

Ｒ／Ｄ変換インタフェース４からの出力に応じて、モータ回転速度判定回路９はモータＭの回転速度の判定を行い、第１回転速度に到達したことの検出（タイミングｔｂ１）に応じて割り込みコントローラ１１に通知を行い、ＣＰＵ１０−１は割り込みコントローラ１１からの割り込み通知に応じて分周器１０１にＣＰＵ１０−２に供給するクロックの周波数の変更を設定する（１２８ｋＨｚ→４ＭＨｚ）。

電気自動車などがブレーキ等で減速をした場合、モータ回転速度判定回路９で検出するモータＭの回転速度に応じて、ＣＰＵ１０−２へ供給するクロックの周波数を低下させる（タイミングｔｂ２）。

このようにモータＭの回転速度に応じて、段階的にＣＰＵ１０−２に供給するクロックの周波数を増減するように変更することにより、Ｒ／Ｄ変換インタフェース４からの出力とＣＰＵ１０−２でのレゾルバ値補正プログラムの実行が適切となるようにすることで、ＣＰＵ１０−２での消費電力を適正化させることが可能となる。

この実施の形態２においても、段落番号において上述した制御をＣＰＵ１０−１が行うことは可能である。

また、図１４に示す半導体集積回路装置の構成の説明では、ＣＰＵ１０−２が動作している間に供給されるクロック周波数の変更について言及していないが、図１６に示す半導体集積回路装置の構成と同様に、モータＭの回転速度に応じて段階的に、クロック周波数を増減させる制御を行いＣＰＵ１０−２での消費電力を適正化させることは当然に可能である。

ＣＰＵ１０−１とＣＰＵ１０−２とを同じアーキテクチャのＣＰＵを使用することで、レゾルバ値の補正プログラムは同じプログラムを使用することが可能となり、メモリ部１２にプログラムが占める割合を低くしプログラムの開発コストを低下させることが可能となる。一方で、ＣＰＵ１０−２は別のアーキテクチャのＣＰＵを使用し、専用のプログラムをメモリ部１２に格納するのであっても、メモリ部１２にプログラムが占める割合の増加とプログラム開発コストが増加する以上の問題は生じず、例えば別のアーキテクチャのＣＰＵでレゾルバ値補正プログラムが既に存在しているのであれば、そのプログラムを再利用することが可能となる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

たとえば、前記実施の形態では、電気自動車などに用いられるモータの制御技術について記載したが、本発明は、電気自動車などのモータだけでなく、高回転化の要求があるモータ全般の制御技術に適用することが可能である。

Claims (6)

1. ソフトウェアを実行するＣＰＵと、
   自動車に設けられた駆動用モータの回転速度が所定値より低いか高いかを判別するモータ回転速度判定回路と、
   レゾルバ値補正演算部と、
   前記駆動用モータを駆動する駆動制御信号を発生するモータ駆動波形を生成するモータ制御部と、を備え、
   前記駆動用モータの回転速度に応じて、モータ駆動波形を前記ＣＰＵによるソフトウェア処理により生成するか、前記モータ制御部によるハードウェア処理により生成するかを切り替え可能に構成され、
   駆動用モータの回転速度が前記所定値より低い場合であって、前記駆動用モータが回転停止または前記駆動用モータの回転速度が相対的に低速の期間において、前記ＣＰＵによる前記ソフトウェア処理により、モータ回転抵抗に応じて前記駆動用モータを駆動する前記モータ駆動波形の周波数および駆動電流量を制御することで前記駆動用モータの回転トルクの増減を制御し、
   駆動用モータの回転速度が前記所定値より高い場合であって、前記駆動用モータの回転速度が相対的に高速の期間において、前記モータ制御部による前記ハードウェア処理により、前記駆動用モータの回転角に応じた前記モータ駆動波形を出力する制御を行い、
   前記駆動用モータに取り付けられたレゾルバから出力されるレゾルバ信号に基づくデジタル信号をカウントアップした誤差を含むレゾルバ値を、前記駆動用モータの回転速度が前記所定値よりも低い場合は前記ＣＰＵの前記ソフトウェア処理により逐次補正し、前記駆動用モータの回転速度が前記所定値よりも高い場合は前記レゾルバ値補正演算部による前記ハードウェア処理によって逐次補正する、ことを特徴とする半導体集積回路装置。
2. 請求項１記載の半導体集積回路装置において、
   前記ソフトウェア処理において、前記駆動用モータの回転抵抗が高いことに応じて前記モータ駆動波形の周波数を低減すると共に前記駆動電流量を高くする制御を行うことで前記駆動用モータの回転トルクの増加制御を行うことを特徴とする半導体集積回路装置。
3. 請求項１記載の半導体集積回路装置において、
   前記レゾルバ値補正演算部は、前記レゾルバから出力された前記レゾルバ信号の入力に応じて演算を行う、データフロー動作を行うハードウェア構成であることを特徴とする半導体集積回路装置。
4. 請求項１記載の半導体集積回路装置において、
   前記モータ制御部は、
   前記レゾルバ値補正演算部が補正したレゾルバ値から、前記駆動用モータの位置データを算出し、前記位置データ、前記駆動用モータに流れるモータ電流値、およびモータ電流指令値から電流指令値を演算し、前記電流指令値からモータ駆動波形を生成することを特徴とする半導体集積回路装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体集積回路装置において、
   前記モータ回転速度判定回路は、前記駆動用モータの回転速度によってモータ駆動波形の波形形状を切り替える制御を行うことを特徴とする半導体集積回路装置。
6. 請求項１記載の半導体集積回路装置において、
   前記自動車の減速動作指示に応じての前記ハードウェア処理においては、前記駆動用モータの回転角に応じて前記駆動用モータの回転方向に対して逆方向の回転トルクを与える駆動信号を出力する制御を行うことが可能であることを特徴とする半導体集積回路装置。

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