JP7319454B2 - 磁極位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁極位置検出装置に関する。

同期モータにおいては、ｄｑ座標制御系を用いてロータの磁極位置に応じて適切な励磁位相巻線に電流を流し、所望のトルクを発生させる。同期モータには、ロータの磁極位置を検出するためのエンコーダなどの磁極位置センサを有する同期モータと、磁極位置センサを有しない同期モータがある。

このうち磁極位置センサを有しない同期モータの場合、同期モータの電源投入（始動）の度に磁極位置検出処理を行って磁極の初期位置（以下、「磁極初期位置」と称する。）を検出し、この磁極初期位置を基準とした磁極位置に基づいて同期モータの回転を制御する。磁極初期位置の検出方式として、例えば、同期モータに電流位相を固定して一定の励磁電流を流し続け、最終的に停止した位置を磁極初期位置とする直流励磁方式がある。

同期モータの磁極位置検出に関し、特許文献１は、「これを利用して本実施形態では、まず、ステータ励磁位相１８０度に直流電流を流しロータの回転方向を検出する。正方向に回転すれば、ロータ磁極位置（磁束Φの位置）はステータ励磁位相の１８０～３６０度の領域幅内にあり、負方向に回転すれば、ロータ磁極位置は０～１８０度の領域幅内にあることになる。次にロータ磁極位置がある領域（１８０～３６０度の領域か、０～１８０度の領域）の中間の励磁位相に直流電流を同様に流し、ロータの回転方向を検出し、ロータの磁極位置のある領域を検出する。以下これを繰り返し、このロータ磁極位置のある領域を順次小さな領域とすることによって、このロータ磁極位置を最終的に検出するものである。」と記載する（段落００１４）。

同期モータの磁極位置検出に関し、特許文献２は、「正弦波と余弦波のような２つのアナログ信号を出力し、モータ３００の電気角度１周期中に複数周期を有する回転センサ３３０を用いる。起動時、回転センサ信号から得られる複数の絶対角度候補に対応する複数の電気角をモータ初期位置として、それぞれ所定時間通電し、モータ加速度が最大となる電気角を絶対角度と判定する。」と記載する（要約）。

特許第３９７１７４１号公報 特開２０１０－２２０４７２号公報

直流励磁方式による磁極初期位置検出処理では、例えば、同期モータを磁極０度で直流励磁し、同期モータのロータの停止を待ち、停止した後の位置を磁極初期位置として取得している。このように同期モータに対して直流励磁を開始してから同期モータのロータが停止するまでの時間は非常に長く、磁極初期位置の取得には時間がかかる。特に、静圧軸受を有する同期モータなどのように摩擦が非常に小さく加速性能の高い同期モータでは、磁極初期位置の取得に数分程度かかることもある。同期モータのロータの磁極初期位置の検出時間を短縮することができる磁極位置検出装置が望まれている。

本開示の一態様は、同期モータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出装置であって、前記同期モータを励磁するための励磁電流の電流位相を予め設定された初期値から変更させながら前記同期モータを励磁する励磁指令部と、前記同期モータに前記励磁電流が流れているときにおいて前記ロータに発生するトルクがゼロになったか否かを判定するトルクゼロ判定部と、を備え、前記励磁指令部は、前記電流位相の前記初期値で前記同期モータを励磁した後、前記トルクゼロ判定部により前記トルクがゼロになったと判定されるまでの間、前記電流位相の前記初期値での前記同期モータに対する励磁の開始時点からの前記ロータの移動量の累積値に相当する位相角を、前記初期値から減算する減算処理により得られた値を前記励磁電流の前記電流位相として前記同期モータを励磁する動作を継続的に実行し、前記トルクゼロ判定部により前記トルクがゼロになったと判定されたときに前記減算処理により得られた値を磁極初期位置として取得する、磁極位置検出装置である。

上記構成によれば、固定した電流位相で励磁を行い磁極初期値を検出する場合よりも磁極位置の検出に要する時間を短縮することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

本実施形態に係る磁極位置検出装置の構成を表すブロック図である。 磁極位置検出装置における磁極位置の検出動作について説明するための図である。 同期モータに係るｄｑ座標系と同期モータを制御するモータ制御装置に係るｄｑ座標系との関係を示す図である。 突極性を有する同期モータの磁極初期位置を取得するために流す励磁電流の大きさを説明する図である。 突極性を有する同期モータの磁極初期位置を取得するために流す励磁電流の大きさを説明する図である。 同期モータに設けられる永久磁石の温度と同期モータの主磁束の磁束密度との関係を例示する図である。 磁極位置検出動作における、励磁電流、励磁位相、ロータの加速度及び速度の変化の一例を表す波形図である。 本実施形態に係る磁極位置検出動作におけるロータの加速度、速度、総移動量（累積移動量）の推移をそれぞれ表すと共に、比較例として、電流位相を固定したままで励磁を行う場合におけるロータの加速度、速度、総移動量（累積移動量）の推移をそれぞれ表すグラフである。 磁極位置検出動作の処理を表すフローチャートである。 誤差補正動作の第１の例を説明するための図である。 誤差補正動作の第２の例を説明するための図である。 本実施形態に係る磁極位置検出装置を含むモータ制御装置を示すブロック図である。 磁極位置検出装置の他の構成例を表すブロック図である。 電流位相を固定して一定の励磁電流を同期モータに流し続けたときにおける同期モータのロータの挙動を例示する図である。 図１３Ａを時間軸方向に拡大した図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は、本開示の実施形態に係る磁極位置検出装置１の構成を表すブロック図である。また、図２は、磁極位置検出装置１における磁極位置の検出動作について説明するための図である。磁極位置検出装置１による磁極位置の検出動作を説明するに当たり、同期モータにおいて電流位相を固定して一定の励磁電流を流し続けた（直流励磁を行った）場合におけるロータの挙動について図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して説明する。

図１３Ａ及び図１３Ｂは、電流位相を固定して一定の励磁電流を同期モータに流し続けたときにおける同期モータのロータの挙動を例示する図である。図１３Ａはロータの速度及び位置の時間経過を例示する図であり、図１３Ｂは図１３Ａを時間軸方向に拡大した図である。図１３Ａ及び図１３Ｂにおいて、実線は同期モータのロータ実位置の時間経過を示し、一点鎖線は同期モータの速度（回転角速度）を示す。電流位相を固定して一定の励磁電流を同期モータに流し続けると、図１３Ａ及び図１３Ｂに例示するように、同期モータのロータは回転方向に振動する。同期モータの振動は徐々に減衰していき、ロータは最終的には励磁位相に一致した位相角位置にて停止する。

このように直流励磁を行いロータが停止するのを待つことで磁極初期位置の取得を行うことは可能であるが、ロータが停止するまでには非常に長い時間を要する。本実施形態に係る磁極位置検出装置１は、このような電流位相を固定した励磁による（直流励磁方式による）場合よりも、磁極初期位置の取得に要する時間を大きく短縮する。

図１に示すように、磁極位置検出装置１は、励磁指令部１０と、トルクゼロ判定部１２とを備える。励磁指令部１０は、同期モータ２を励磁するための励磁電流の電流位相を予め設定された初期値から変更させながら同期モータ２を励磁する。トルクゼロ判定部１２は、同期モータ２に励磁電流が流れているときにおいてロータに発生するトルクがゼロになったか否かを判定する。詳細には後述するように、励磁指令部１０は、電流位相の初期値で同期モータ２を励磁した後、トルクゼロ判定部１２によりトルクがゼロになったと判定されるまでの間、電流位相の初期値での同期モータ２に対する励磁の開始時点からのロータの移動量の累積値に相当する位相角（電気角）を、初期値から減算する減算処理により得られた値を励磁電流の電流位相として同期モータ２を励磁する動作を継続的に実行し、トルクゼロ判定部１２によりトルクがゼロになったと判定されたときに上記減算処理により得られた値を磁極初期位置として取得する。

図１に示すように、励磁指令部１０は、磁極検出動作における電流位相の演算を行う励磁位相演算部１３と、同期モータ２に対する励磁指令を生成する励磁指令生成部１１とを有する。励磁位相演算部１３は、励磁位相の初期値である初期励磁位相を記憶する記憶部１３ａを有し、磁極検出動作における励磁位相の初期値を初期励磁位相とすると共に、磁極検出動作の開始後、トルクゼロ判定部１２よりトルクがゼロになったと判定されるまでの間、磁極検出動作の開始時点からのロータの移動量の累積値に相当する位相角（電気角）を、初期励磁位相から減算する減算処理により得られた値を励磁電流の電流位相として出力する動作を継続する。励磁指令生成部１１は、励磁電流振幅の設定値を記憶する記憶部１１ａを有し、励磁位相演算部１３から出力される励磁位相で、励磁電流振幅の設定値の電流を流すための励磁指令を生成する。励磁位相演算部１３は、極対数を記憶する記憶部１３ｃも有している。

励磁指令生成部１１により生成された指令は、同期モータ２の駆動を制御するためのモータ制御装置１０００内の電流制御部３３へ送られる（図１１参照）。モータ制御装置１０００内の電流制御部３３は、励磁指令生成部１１から受信した指令と固定された電流位相で変換される電流フィードバックとに基づいて電圧指令を生成し、電力変換部３５は、受信した電圧指令に基づいて同期モータ２に電圧を印加することで、電流位相を固定した一定の励磁電流を生成する。

図１及び図２を参照して磁極位置検出装置１による励磁動作について更に詳細に説明する。図２は励磁位相演算部１３により生成される励磁位相の推移をモータ制御装置側に係るｄｑ座標系上で示す図である。ここでは、ロータ（磁束φ₀）が、符号２０１が付された初期位置にあるものとする。励磁位相演算部１３における切替部１３ｂは、トルクゼロ判定部１２により同期モータ２のロータに発生するトルクがゼロになると判定されていない間は、出力端１３ｂ３を入力端１３ｂ２に接続し、トルクゼロ判定部１２によりロータに発生するトロクがゼロになったと判定されると出力端１３ｂ３の接続を入力端１３ｂ１側に切り換えるように動作する。

この構成により、励磁位相演算部１３は、トルクゼロ判定部１２によりロータに発生するトルクがゼロになったと判定されるまでの間は、以下の数式で表される位相角を励磁位相として出力する。

励磁位相（θ）＝初期励磁位相値－ΣΔθ ・・・（Ａ１）

上記数式（Ａ１）においてΔθは、ロータの移動量に極対数を乗じて得られる位相角（電気角）増分量であり、ΣΔθは、磁極検出動作の開始時点からのロータの移動量の累積値である。この数式（Ａ１）は、励磁位相が、ロータの移動に伴って初期励磁位相値から減算されることを表す。このような励磁位相の更新は、例えば、所定の周期で行うようにしても良い。ここでは一例として、初期励磁位相値を０°とする。この場合、図２に示されるように、磁極位置検出動作の開始時に位相角０°の一定の励磁電流（励磁電流振幅値）による励磁が行われる。このときの励磁電流Ｉｅを図２では符号３０１で表している。なお、図２中では、左回り方向をプラス方向とし、右回り方向をマイナス方向とする。励磁電流（符号３０１）による励磁によりロータに作用するトルクにより、ロータは励磁電流（符号３０１）の位相位置に向けて吸引され回転移動をはじめる（図２の例ではプラス方向に回転する）。ロータの移動に伴い、励磁位相は減算され、励磁電流の電流位相は図２中に符号３０２、３０３で示すように図２中マイナス方向に回転する。このとき、ロータはプラス方向への回転移動を続け、ロータの位相角位置と励磁電流の位相角位置とは互いに接近する。

励磁電流が符号３０２で示す位置にある状態では、ロータはまだ励磁電流に対してマイナス方向の位置（符号２０２）にあるので、ロータはプラス方向への回転を継続する。そして、励磁電流が符号３０３で示す位置まで来たときに、ロータの位置（符号２０３で示す）と励磁電流の位置（位相角）が一致する。ロータの位相角と励磁電流Ｉｅの位相角が一致する状態はトルクゼロの状態としてトルクゼロ判定部１２により検出される。

トルクゼロ判定部１２によりトルクゼロが検出されたときの数式（Ａ１）により表される励磁位相（θ）が、磁極位置（ロータの実際の位置）を表すことになる。すなわち、磁極位置検出装置１は、上記動作においてトルクゼロを検出することによって、磁極位置を検出する。このようにトルクゼロを検出することによって得られた磁極位置を磁極初期位置とする。

トルクゼロ判定部１２によりトルクゼロが検出されると、切替部１３ｂによる入力端の選択が切り替わる。これにより、励磁位相演算部１３は、磁極初期位置に対して、ロータの移動量（センサ５１からのインクリメンタルパルス量を極対数倍した値）の累積値を加算した値を磁極位置として出力する（下記、数式（Ａ２））。

磁極位置＝磁極初期位置＋ΣΔθ ・・・（Ａ２）

すなわち、磁極初期位置が検出された以降は、励磁位相演算部１３は、磁極位置カウンタとして機能する。

ここで、トルクゼロ判定部１２におけるトルクゼロの判定の手法について詳細に説明する。図３は、同期モータに係るｄｑ座標系と同期モータを制御するモータ制御装置に係るｄｑ座標系との関係を示す図である。同期モータに係るｄｑ座標系の座標軸をｄ_m及びｑ_m、同期モータを制御するモータ制御装置に係るｄｑ座標系の座標軸をｄ_c及びｑ_cとする。また、各座標系間のｄ軸のずれ量（すなわち座標軸ｄ_mと座標軸ｄ_cとのなす角）をθとする。なお、ずれ量θは、各座標系間のｑ軸のずれ量（すなわち座標軸ｑ_mと座標軸ｑ_cとのなす角）でもある。
電流位相をモータ制御装置に係るｄｑ座標系において０度に固定した一定の励磁電流をＩ_eとする。このとき、励磁電流Ｉ_eは、同期モータに係るｄｑ座標系では、式（１）のように表される。

同期モータ２の極対数をｐｐ、主磁束をΦ、ｄ相インダクタンスをＬ_d、ｑ相インダクタンスをＬ_qとしたとき、突極性を有する同期モータに励磁電流Ｉ_eを流したときに発生するトルクＴ_rは式（２）のように表される。

また、非突極性の同期モータ（すなわち突極性を有さない同期モータ）では、ｄ相インダクタンスＬ_dとｑ相インダクタンスＬ_qとは等しい。したがって、非突極性の同期モータに励磁電流Ｉ_eを流したときに発生するトルクＴ_rは、式（２）を変形して式（３）のように表される。

上述したように、同期モータに励磁電流を流すとロータが回転方向に移動し、ずれ量θが刻々と変化する。式（２）及び式（３）には「ｓｉｎθ」が含まれるが、ずれ量θがゼロのとき「ｓｉｎθ」はゼロになり、したがってトルクＴ_rはゼロとなる。逆に言えば、トルクＴ_rがゼロのとき、式（２）及び式（３）における「ｓｉｎθ」がゼロであり、すなわちずれ量θがゼロとなり得る。よって、一定の励磁電流を同期モータに流しているときにおいて、トルクＴ_rがゼロとなった時点を検出することで、磁極初期位置を取得することができる。

ただし、突極性を有する同期モータの場合は、励磁電流Ｉ_eの大きさによっては、θがゼロ以外のときに式（２）における「｛Φ－（Ｌ_q－Ｌ_d）・Ｉ_e・ｃｏｓθ｝」がゼロになり、すなわち式２で表されるトルクＴ_rがゼロとなる可能性がある。つまり、突極性を有する同期モータの場合は、トルクＴ_rがゼロであるからといっても必ずしもずれ量θがゼロであるとは限らない。したがって、突極性を有する同期モータに本実施形態を適用する際には、「｛Φ－（Ｌ_q－Ｌ_d）・Ｉ_e・ｃｏｓθ｝」がゼロになるような励磁電流Ｉ_eを流さないようにする必要がある。一方、非突極性の同期モータの場合は、トルクＴ_rは式（３）で表されるので、トルクＴ_rがゼロとなるのはずれ量θがゼロのときに限られる。よって、非突極性の同期モータに本実施形態を適用する際には、電流位相を固定した一定の励磁電流Ｉ_eに上限値を設ける必要はない。

ここで、突極性を有する同期モータの磁極初期位置を取得するために流すべき励磁電流Ｉ_eの大きさについて、図４Ａ、図４Ｂ及び図５を参照して説明する。

図４Ａ及び図４Ｂは、突極性を有する同期モータの磁極初期位置を取得するために流す励磁電流の大きさを説明する図である。図４Ａにおいて、横軸はずれ量θを示し、縦軸はトルクＴ_rを示す。図４Ｂにおいて、横軸はずれ量θを示し、縦軸は発生トルクの式をｑ相電流で除したものを示す。また、図４Ａ及び図４Ｂにおいて、二点鎖線は励磁電流Ｉ_eが３０Ａｒｍｓの場合を示し、一点鎖線は励磁電流Ｉ_eが６０Ａｒｍｓの場合を示し、実線は励磁電流Ｉ_eが８０Ａｒｍｓの場合を示す。なお、図４Ａ及び図４Ｂに示した励磁電流Ｉ_eの大きさはあくまでも一例である。

励磁電流Ｉ_eが３０Ａｒｍｓの場合及び６０Ａｒｍｓの場合は、図４Ａに示すようにずれ量θがゼロのときのみ、トルクＴ_rがゼロになっている。これに対し、励磁電流Ｉ_eが８０Ａｒｍｓの場合はずれ量θがゼロのときのみならず「－４４度」付近でもトルクＴ_rがゼロになっている。このように励磁電流Ｉ_eが８０Ａｒｍｓの場合において、ずれ量θがゼロ以外のときにもトルクＴ_rがゼロになる状態が発生するのは、図４Ｂに示すように発生トルクの式をｑ相電流で除したものに負の領域が発生するからである。よって、突極性を有する同期モータに本実施形態を適用する際には、ずれ量θがゼロである以外の全ての場合において、式２で表されるトルクＴｒが正（すなわちゼロよりも大きい）となるような励磁電流Ｉｅを設定する必要がある。具体的には次の通りである。

式２において「Ｔ_r＞０」かつ「θ≠０」を適用し、整理すると、不等式４が得られる。

不等式４において「－１≦ｃｏｓθ≦１」が成り立つので、不等式４から不等式５が得られる。

不等式５を整理すると、不等式６が得られる。

よって、突極性を有する同期モータに本実施形態を適用する際には、電流位相を固定した一定の励磁電流Ｉ_eは、不等式６を満たす大きさに設定すべきである。本実施形態では、磁極初期位置が取得されるべき同期モータが突極性を有する同期モータである場合は、励磁指令生成部１１は、上限値「Φ／（Ｌ_q－Ｌ_d）」未満の励磁電流Ｉ_eを同期モータ２へ流すような指令を生成する。

なお、主磁束Φは、同期モータ２に設けられる永久磁石の温度の上昇に従って、低下する。よって、突極性を有する同期モータ２の駆動時に想定される永久磁石の温度上昇を考慮して、励磁電流Ｉ_eの上限値を設定してもよい。ここで、突極性を有する同期モータの永久磁石の温度上昇を考慮した磁極初期位置を取得するために流すべき励磁電流Ｉ_eの大きさについて、図５を参照して説明する。

図５は、同期モータに設けられる永久磁石の温度と同期モータの主磁束の磁束密度との関係を例示する図である。図５において、横軸は同期モータ２に設けられる永久磁石の温度を示し、縦軸は永久磁石が２０℃のとき磁束密度を１００％としたときの磁束密度の比率を示す。なお、図５に示す数値はあくまでも一例であって、その他の数値であってもよい。例えば、突極性を有する同期モータ２の駆動時に想定される永久磁石の最高温度が１６０度である場合、永久磁石が１６０度のときでもずれ量θがゼロ以外で発生トルクがゼロとなることがないように、想定される同期モータ２の永久磁石の最高温度における磁束Φ_min（もっとも小さくなる磁束密度）を考慮して、励磁電流Ｉ_eを制限する。すなわち、不等式６から不等式７を得ることができる。

よって、突極性を有する同期モータに本実施形態を適用する際には、電流位相を固定した一定の励磁電流Ｉ_eは、同期モータの駆動時に想定される永久磁石の温度上昇を考慮して、不等式７を満たす大きさに設定してもよい。この場合、励磁指令生成部１１は、上限値「Φ_min／（Ｌ_q－Ｌ_d）」未満の励磁電流Ｉ_eを同期モータ２へ流すような指令を生成する。

同期モータ２のロータに発生するトルクＴ_rがゼロとなるとき、同期モータ２のロータの加速度がゼロとなる。加速度がゼロとなることは、加速度の極性が、正から負へ、または負から正へ変化した時点として検出することができる。また、同期モータ２の加速度の極性が正から負へ変化した時点において同期モータ２の速度は最大（極大）を示し、同期モータ２の加速度の極性が負から正へ変化した時点において同期モータ２の速度は最小（極小）を示す。よって、本実施形態では、トルクゼロ判定部１２は、同期モータ２（ロータ）の加速度を取得し、同期モータ２の加速度の極性が変化した時点を、トルクがゼロになった時点と判定する。またあるいは、トルクゼロ判定部１２は、同期モータ２（ロータ）の速度を取得し、同期モータ２の速度が最大または最小となった時点を、トルクがゼロになった時点と判定する。同期モータ２の加速度は、センサ５１からのインクリメンタルパルス量によって表されるロータ実位置を２階微分することにより取得することができる。また、同期モータ２の速度は、センサ５１からインクリメンタルパルス量によって表されるロータ実位置を１階微分することにより取得することができる。ロータ実位置の微分計算処理は、トルクゼロ判定部１２において実行される。

図６は、図２を参照して上述した磁極位置検出動作における、励磁電流、励磁位相、ロータの加速度及び速度の変化の一例を表す波形図である。図６において、励磁電流を表す波形に符号６１を付し（以下、励磁電流６１と記す）、励磁位相の変化を表す波形に符号６２を付し（以下、励磁位相６２と記す）、ロータの加速度の変化を表す波形に符号６３を付し（以下、加速度６３と記す）、ロータの速度の変化を表す波形図に符号６４を付す（以下、速度６４と記す）。なお、図６には、磁極初期位置が検出されたことを示す検出完了信号６５（アクティブハイの信号）も示している。図６において横軸は時間を示し、縦軸はそれぞれの物理量の大きさを表す。図６において、時刻ｔ０は磁極位置検出動作が開始した時刻であり、時刻ｔ１は磁極位置検出動作が完了した時刻である。

上述した通り、磁極位置検出動作の開始時（時刻ｔ０）、初期励磁位相で一定の励磁電流による励磁が行われる（励磁電流６１、励磁位相６２を参照）。励磁位相６２はロータの移動に伴って初期励磁位相値から徐々に変化する。図６では、ロータの初期位置が初期励磁位相値よりもプラス側にあることにより、励磁位相６２が初期励磁位相値（０度）からプラス方向に徐々に変化する場合の動作例を示している。励磁電流６１の印加に伴ってロータに対するトルクが発生し、ロータは移動を始める。それにより、加速度６３が生じる。励磁位相６２の変化によりやがて励磁位相６２と、ロータの位置とが一致し、加速度がゼロとなる（時刻ｔ１）。トルクゼロ判定部１２は、例えば時刻ｔ１近傍における加速度の反転を検出することで、トルクがゼロになったと判定する。トルクゼロ判定部１２は、トルクゼロを判定したら、検出完了信号６５を生成しても良い。この検出完了信号６５を、切替部１３ｂの切り替えに用いることができる。

また、図１３Ｂに示されるように加速度極性が反転するタイミングでロータ速度はピークを示す。このような速度のピーク（最大値又は最小値）を検出することで、トルクゼロを検出しても良い。

図７は、本実施形態に係る磁極位置検出動作（すなわち、励磁位相を可変とした励磁動作）におけるロータの加速度、速度、総移動量（累積移動量）の推移をそれぞれ表すと共に、比較例として、電流位相を固定したままで励磁を行う場合におけるロータの加速度、速度、総移動量（累積移動量）の推移をそれぞれ表している。なお、ここでは、磁極位置検出動作の開始時における励磁位相とロータの初期位置との関係を、本実施形態と比較例との間で一致させている。

図７の加速度特性７０Ａにおける実線のグラフ３７１は、本実施形態に係る磁極位置検出動作における加速度の時間推移の例を表し、破線のグラフ３７２は、比較例におけるロータの加速度の時間推移の例を表している。図７の加速度特性７０Ａに示されるように、比較例の場合には最初に加速度がゼロとなるまでに８０ｍｓ程度の時間を要しているのに対して、本実施形態に係る磁極位置検出動作の場合には、６０ｍｓ程度で加速度がゼロになり（励磁位相とロータ位置とが一致し）、磁極初期位置の取得に要する時間が比較例の場合（励磁位相を固定したままとする場合）よりも短縮されることが理解される。

図７の速度特性７０Ｂにおける実線のグラフ３８１は、本実施形態に係る磁極位置検出動作におけるロータの速度の時間推移を表し、破線のグラフ３８２は、比較例の場合におけるロータの速度の時間推移を表している。図７の速度特性７０Ｂから、本実施形態に係る磁極位置検出動作の場合には磁極初期値の検出時点におけるロータの速度を比較例の場合よりも低減できることを理解することができる。

図７の総移動量特性７０Ｃにおける実線のグラフ３９１は、本実施形態に係る磁極位置検出動作におけるロータの累積移動量の時間推移を表し、破線のグラフ３９２は、比較例の場合におけるロータの累積移動量の時間推移を表している。図７の総移動量特性７０Ｃから、本実施形態に係る磁極位置検出動作の場合には、磁極初期値検出時点におけるロータの累積移動量を比較例の場合よりも低減できることを理解することができる。

図８は、図１を参照して上述した磁極位置検出動作を実現する処理を表すフローチャートである。はじめのステップＳ１では、センサ５１からのインクリメンタルパルス信号に基づき、ロータの移動量（図８において励磁位相帰還分と記す）、ロータの速度及び加速度の計算が実行される。次に、変数ＳＴＡＧＥの値の確認が行われる（ステップＳ２）。変数ＳＴＡＧＥは、はじめにゼロに初期化されているものとする。この場合、処理はステップＳ３に進み、磁極検出の実行の可否が判定される。磁極位置検出動作を中断又は非実行とする要因が特に生じていない限り処理はステップＳ４に進む（Ｓ３：実行）。なお、磁極位置検出動作を中断又は非実行とする要因がある場合、本処理フローを抜ける。

次にステップＳ４では、変数ＳＴＡＧＥの値の確認が行われる。最初の段階ではＳＴＡＧＥ＝０であるため、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、時間経過を表す変数ＴＩＭＥがゼロに初期化されると共に、変数ＥＰＯＦＳに初期励磁位相値０°を表す値ゼロが代入される。次に、ステップＳ６では、励磁位相がゼロに初期化され、励磁位相帰還分の累積値（ΣΔθ）を表す変数ＳＵＭＦＢがゼロに初期化される。次に、ｄｃ軸励磁電流指令を表す変数ＩＤＣＭＤに、記憶部１１ａに保持された励磁電流振幅値が代入され、ｑｃ軸励磁電流指令を表す変数ＩＱＣＭＤにゼロが代入され、励磁が実行される（ステップＳ７）。すなわち、初期励磁位相値０°での励磁が開始される。その後、変数ＳＴＡＧＥは１に更新され（ステップＳ８）、本処理フローを抜け、再びステップＳ１からの処理が実行される。

変数ＳＴＡＧＥ＝１にてステップＳ１からの処理が実行されると、ステップＳ４において変数ＳＴＡＧＥが１であると判定され、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ９では、ｄｃ軸励磁電流指令を表す変数ＩＤＣＭＤに、記憶部１１ａに保持された励磁電流振幅値が代入され、ｑｃ軸励磁電流指令を表す変数ＩＱＣＭＤにゼロが代入される。また、ここでは、変数ＳＵＭＦＢには、ステップＳ１で求められた励磁位相帰還分（Δθ）の累積値ΣΔθの値が変数ＳＵＭＦＢに代入され、励磁位相は、
励磁位相＝ＥＰＯＦＳ－ＳＵＭＦＢ
により更新される。すなわち、励磁位相は、初期励磁位相値からロータの移動量に相当する位相角を減算処理した値とされる。ステップＳ９において、これらの励磁指令による励磁が実行される。

次に、ステップＳ１０では、変数ＳＴＡＧＥの値が確認される。この段階では、変数ＳＴＡＧＥ＝１であるため処理はステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、ロータの速度が所定の速度閾値を超えているか否かが判定される。ロータの速度が速度閾値を超えていない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、処理はステップＳ１７に進む。ロータの速度が速度閾値を超えている場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１２に進む。ここでは、ロータの速度は未だ速度閾値を超えていないとする（Ｓ１１：ＮＯ）。

ステップＳ１７では、変数ＴＩＭＥがインクリメントされる。そして、ステップＳ１８では、変数ＴＩＭＥが所定の時間閾値を超えているか否かが判定される。ここでは、変数ＴＩＭＥは時間閾値を超えていないため（Ｓ１８：ＮＯ）、本処理フローを抜け、ステップＳ１からの処理が続行される。

ステップＳ１８でＮＯと判定されてから、ステップＳ１からの処理が開始された場合、ステップＳ４では変数ＳＴＡＧＥ＝１と判定される。そして、ステップＳ９において、ロータの移動量に相当するΣΔθにて更新された励磁位相にて励磁が行われる。次に、ステップＳ１０では、変数ＳＴＡＧＴＥ＝３ではないと判定され（Ｓ１０：ＮＯ）、処理はステップＳ１１に進む。ここでは、ロータの速度の上昇によりロータの速度が速度閾値を超えたと判定されたとする（Ｓ１１：ＹＥＳ）。この場合、処理はステップＳ１２に進み、変数ＳＴＡＧＥが３に更新される。

次に、ステップＳ１３では、ロータの加速度がゼロになったか否か（すなわち、ロータの加速度の極性が反転したか否か）が判定される。加速度ゼロが判定された場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１４に進む。加速度ゼロが未だ検出されない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、本処理フローを抜け、ステップＳ１からの処理が続行される。加速度ゼロが未だ検出されない場合には（Ｓ１３：ＮＯ）、ステップＳ１からの処理の開始の後、ステップＳ１０にてＹＥＳの判定がなされ、再び、ステップＳ１３の判定が行われることとなる。

ロータの移動に伴いロータの加速度ゼロが判定されたとする（Ｓ１３：ＹＥＳ）。この場合、ステップＳ１４において、励磁位相を更新するための算出式が下記のように励磁位相に励磁位相帰還分（ΣΔθ）を加える式に切り換えられる。
励磁位相＝励磁位相＋励磁位相帰還分
この式によって表される励磁位相は、ロータの磁極位置（現在値）を表す。

次に、ステップＳ１５では、ｄｃ軸励磁指令を表す変数ＩＤＣＣＭＤ＝０とされ、また、ｑｃ軸励磁指令を表す変数ＩＱＣＣＭＤ＝０とされる。これにより、磁極位置検出が完了し、変数ＳＴＡＧＥは４に更新される（ステップＳ１６）。磁極位置検出が完了状態で本処理がステップＳ１から実行される場合はステップＳ２においてＳＴＡＧＥ＝４であると判定され、励磁位相＝励磁位相＋励磁位相帰還分により更新する処理（すなわち、磁極位置を示すカウンタをロータの移動に伴い更新する処理）が継続的に実行されることとなる（ステップＳ２３）。

なお、ステップＳ１１でＮＯと判定され更にステップＳ１８で変数ＴＩＭＥが時間閾値を超えたと判定される（Ｓ１８：ＹＥＳ）のは、ロータの磁極位置が励磁位相に対し１８０°反転した位置にありロータが移動しない場合や、ロータが拘束状態にあり移動不可となっている場合であるとみなすことができる。この場合、初期励磁位相（ＥＰＯＦＳ）を０°から９０°に変更し、変数ＴＩＭＥ、変数ＳＵＭＦＢをそれぞれに０に初期化する（ステップＳ１９）。そして、変数ＳＴＡＧＥが１である場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、初期励磁位相９０°での磁極位置検出動作を開始するため、変数ＳＴＡＧＥを２に更新して（ステップＳ２１）、本処理フローを抜け、ステップＳ１からの処理を続行する。

他方、ステップＳ２０において変数ＳＴＡＧＥが１ではないと判定されるのは、ロータが留め具で固定されるなど何らかの拘束状態にあると考えられるため、変数ＳＴＡＧＥを７としてアラームを発し本処理フローを抜ける（ステップＳ２２）。変数ＳＴＡＧＥが７である場合にはステップＳ２での判定により本磁極位置検出動作は実行されないこととなる。

上述のように磁極位置検出装置１により検出される磁極位置（磁極初期位置）は、例えば、センサ５１からの信号のサンプリング周期等に依存して誤差を持ち得る。磁極位置検出装置１は、検出された磁極位置に含まれる誤差を解消する動作を行う誤差補正部１４を備えていても良い。誤差補正部１４は、以下で説明する誤差補正動作１－２の少なくともいずれかを実行する。

（誤差補正動作１）
誤差補正動作１では、上述した磁極位置検出動作により検出された磁極位置を仮確定値として、以下の手順により誤差補正を行う。
（手順Ａ１）磁極位置検出動作による磁極位置の検出の完了後、速度ゼロを指令してロータを停止させる。
（手順Ａ２）ロータの停止後、停止した電流位相に固定して励磁電流を流し、停止して所定時間経過後、固定された電流位相の励磁位置を磁極初期位置として用いる。

図９は、誤差補正動作１を説明するための図である。図９では、速度ゼロで停止した位置の位相をθとする。磁極位置検出の誤差により、主磁束φ₀の方向（符号２１１）は、固定した励磁電流の方向（ｄｃ軸方向）からΔθずれているとする。この場合、停止したｄｃ軸位相に固定して励磁電流Ｉｅ（符号３１１）を流すと、主磁束φ₀はｄｃ軸に吸い寄せられてΔθ動いて停止する。そして、ある程度の時間（所定時間）経過したら誤差補正完了とする。これにより、磁極位置の誤差Δθが解消される。

（誤差補正動作２）
誤差補正動作２では、上述した磁極位置検出動作により検出された磁極位置を仮確定値として、以下の手順により誤差補正を行う。
（手順Ｂ１）磁極位置検出動作による磁極位置の検出の完了後、一定速度でロータを回転させる。
（手順Ｂ２）同期モータ２に備えられたセンサ５１からの１回転信号を検出した時点の磁極位置を、予め設定した磁極位置オフセット（θ_ofs）で置き換える。

図１０は、誤差補正動作２を説明するための図である。図１０中左側に示すグラフ４７０は、実磁極位置とセンサ５１が発生する１回転信号の発生位置との関係を表している。グラフ４７０に示されるように、センサ５１は、実磁極位置０°の位置を基準として所定の磁極オフセット（θ_ofs）で１回転信号を発生する。この磁極オフセット（θ_ofs）の値は、誤差補正部１４に予め記憶されている。

図１０中の右側のグラフ４７１は、磁極位置の時間推移を表すグラフであり、破線のグラフ３６１は補正処理がない場合の磁極位置の時間推移を表している。補正処理がない場合、磁極位置は上述の磁極位置検出動作の完了時の磁極検出位置θ₁から開始して、誤差を含んだ状態のまま破線のグラフ３６１で示すように推移する。上記手順Ｂ２により、１回転信号が発生する時刻Ｔ１の時点で磁極位置がθ_ofsに補正されるので、それ以降は磁極位置が実線３６２で示すように、誤差が補正された状態で推移することになる。

図１１は、本開示の実施形態による磁極位置検出装置１を含むモータ制御装置１０００を示すブロック図である。モータ制御装置１０００は、磁極位置検出装置１と、速度制御部３１と、電流指令生成部３２と、電流制御部３３と、ｄｑ三相変換部３４と、電力変換部３５と、三相ｄｑ変換部３６と、速度取得部３７とを備える。速度制御部３１は、速度指令ω_cmdと速度取得部３７によって取得された同期モータ２のロータの速度ω_mとに基づいて、トルク指令Ｔ_cmdを生成する。電流指令生成部３２は、トルク指令Ｔ_cmdと速度取得部３７によって取得された同期モータ２のロータの速度ω_mとに基づいて、ｄ軸電流指令Ｉ_dc及びｑ軸電流指令Ｉ_qcを生成する。

三相ｄｑ変換部３６は、電力変換部３５から出力された三相電流Ｉ_u、Ｉ_v、Ｉ_wを磁極位置検出装置１で検出された磁極位置に基づいて三相ｄｑ変換し、ｄ軸電流Ｉ_d及びｑ軸電流Ｉ_qを電流制御部３３へ出力する。電流制御部３３は、通常のモータ制御時には、ｄ軸電流指令Ｉ_dc及びｑ軸電流指令Ｉ_qcとｄ軸電流Ｉ_d及びｑ軸電流Ｉ_qとに基づいて、ｄ軸電圧指令Ｖ_dc及びｑ軸電圧指令Ｖ_qcを生成する。また、電流制御部３３は、磁極位置検出動作時には、磁極位置検出装置１から出力された励磁指令（例えば、Ｉ_d＝Ｉ_e，Ｉ_q＝０）に基づいて、一定の励磁電流を流すためのｄ軸電圧指令Ｖ_dc及びｑ軸電圧指令Ｖ_qcを生成する。ｄｑ三相変換部３４は、ｄ軸電圧指令Ｖ_dc及びｑ軸電圧指令Ｖ_qcを磁極位置検出装置１で検出された磁極位置に基づいてｄｑ三相変換し、三相電圧指令Ｖ_uc、Ｖ_vc、Ｖ_wcを電力変換部３５へ出力する。

電力変換部３５は、例えば半導体スイッチング素子のフルブリッジ回路からなる逆変換器（三相インバータ）で構成され、受信した三相電圧指令Ｖ_uc、Ｖ_vc、Ｖ_wcに基づいて半導体スイッチング素子のオンオフを制御し同期モータ２を駆動するための三相電流Ｉ_u、Ｉ_v、Ｉ_wを出力する。

上述した励磁指令生成部１１、トルクゼロ判定部１２、速度制御部３１、電流指令生成部３２、電流制御部３３、ｄｑ三相変換部３４、三相ｄｑ変換部３６、速度取得部３７、及び磁極位置更新部４１は、例えばソフトウェアプログラム形式で構築されてもよく、あるいは、各種電子回路又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアを主体とした構成により実現されても良い。例えばこれらをソフトウェアプログラム形式で構築する場合は、モータ制御装置１０００内にあるＣＰＵ（中央処理装置）をこのソフトウェアプログラムに従って動作させることで、上述の各部の機能を実現することができる。

以上説明したように励磁位相を可変とした方式により励磁を行い磁極位置を検出する本実施形態に係る磁極位置検出装置によれば、固定した電流位相で励磁を行い磁極初期値を検出する場合よりも磁極位置の検出に要する時間を短縮することができる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

上述した磁極位置検出動作においてはロータの加速度がゼロとなる時点を検出することによりトルクゼロを判定する動作を行っているが、このような動作に付加的に以下のような動作を実行させてトルクゼロを検出するようにしても良い。ここでは、励磁位相の初期値（初期励磁位相）と、磁極検出動作の開始時点におけるロータ（磁極）の初期位置とが９０°以上離れている場合を想定する。ロータに発生するトルクを改めて記載すると以下の数式で表される。ここでは簡単のため非突極性の同期モータを考える。また、励磁位相はθ_eであるとする。θはロータの位置である。

トルク＝φ₀・Ｉ_e・ｓｉｎ（θ_e－θ）

上記トルクの式から、（θ_e－θ）が９０°又は－９０°のときトルクの絶対値が極大となることが理解できる。すなわち、ロータの位置が励磁位相の初期値よりも９０°以上離れた位置から上述の磁極位置検出動作が開始される場合には、ロータの加速度がゼロになる前に極大値が生じる。よって、ロータの加速度が極大値になる時点を検出することで、磁極初期位置が－９０°（ロータの加速度がプラスの場合）又は＋９０°（ロータの加速度がマイナスの場合）であることを検出することが可能である。

図７の加速度特性７０Ａに示したロータの加速度変化のグラフ３７１は、磁極位置検出動作の開始時において、ロータの初期位置が初期励磁位相に対してマイナス方向に９０°以上離れている場合の加速度の時間推移を表している。この場合、加速度は磁極位置検出動作の開始後、ゼロになるまでの間に極大値を示している。この極大値が生じる時点が、磁極位置が－９０°となる時点である（初期励磁位相が０°の場合）。

図１２は、このような動作を実現する磁極位置検出装置１Ａの構成を表している。この場合、トルクゼロ判定部１２ａ内に、同期モータ２に励磁電流が流れているときにおけるロータの加速度のピークを検出する加速度ピーク判定部１１２を付加する。これにより、トルクゼロ判定部１２ａは、トルクゼロが検出される前にロータの加速度の絶対値の極大値を検出した場合にも、切替部１３ｂの出力端１３ｂ３の接続を入力端１３ｂ１側に切り換えるように構成する。励磁位相算出部１３Ｄは、加速度ピーク判定部１１２によりロータの加速度のピークが検出された時点で、ロータの加速度の極性に応じて初期励磁位相値に－９０°又は＋９０°を加算した値を磁極初期位置として取得するように構成する。

上述した実施形態における磁極位置検出動作等の各種の処理を実行するプログラムは、コンピュータに読み取り可能な各種記録媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の光ディスク）に記録することができる。

１、１Ａ 磁極位置検出装置
２ 同期モータ
１０ 励磁指令部
１１ 励磁指令生成部
１２、１２ａ トルクゼロ判定部
１３、１３Ｄ 励磁位相演算部
１３ｂ 切替部
１４ 誤差補正部
３１ 速度制御部
３２ 電流指令生成部
３３ 電流制御部
３４ ｄｑ三相変換部
３５ 電力変換部
３６ 三相ｄｑ変換部
３７ 速度取得部
５１ センサ
１１２ 加速度ピーク判定部

Claims (5)

1. 同期モータのロータの磁極位置を検出する磁極位置検出装置であって、
   前記同期モータを励磁するための励磁電流の電流位相を予め設定された初期値から変更させながら前記同期モータを励磁する励磁指令部と、
   前記同期モータに前記励磁電流が流れているときにおいて前記ロータに発生するトルクがゼロになったか否かを判定するトルクゼロ判定部と、を備え、
   前記励磁指令部は、
   前記電流位相の前記初期値で前記同期モータを励磁した後、前記トルクゼロ判定部により前記トルクがゼロになったと判定されるまでの間、前記電流位相の前記初期値での前記同期モータに対する励磁の開始時点からの前記ロータの移動量の累積値に相当する位相角を、前記初期値から減算する減算処理により得られた値を前記励磁電流の前記電流位相として前記同期モータを励磁する動作を継続的に実行し、
   前記トルクゼロ判定部により前記トルクがゼロになったと判定されたときに前記減算処理により得られた値を磁極初期位置として取得する、磁極位置検出装置。
2. 前記励磁指令部は、前記トルクゼロ判定部により前記トルクがゼロになったと判定された以降は、前記磁極初期位置に、前記トルクがゼロになったと判定された時点以降の前記ロータの移動量の累積値に相当する位相角を加算することで磁極位置の現在値を取得する、請求項１に記載の磁極位置検出装置。
3. 前記磁極初期位置の取得の完了後に前記同期モータに対して速度ゼロを指令して停止させ、前記同期モータの停止後、前記同期モータが停止した電流位相に固定して前記同期モータに対する励磁を行い、所定時間経過後に、前記固定された電流位相を前記同期モータの前記磁極位置の前記現在値とする誤差補正部を更に備える、請求項２に記載の磁極位置検出装置。
4. 前記磁極初期位置の取得の完了後に前記同期モータを一定速度で回転させ、前記同期モータに設けられたセンサから前記ロータが１回転するごとに出力されるパルス信号を受信した時点で、前記磁極位置の前記現在値を、前記同期モータ内で前記パルス信号が発生する前記ロータの位置に対応する所定値で置き換える誤差補正部を更に備える、請求項２に記載の磁極位置検出装置。
5. 前記同期モータに前記励磁電流が流れているときにおける前記ロータの加速度のピークを検出する加速度ピーク判定部を更に備え、
   前記励磁指令部は、前記加速度ピーク判定部により前記ロータの加速度のピークが検出された時点で、前記ロータの加速度の極性に応じて前記電流位相の前記初期値に－９０°又は＋９０°を加算した値を前記磁極初期位置として取得する、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁極位置検出装置。

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