JP7468390B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置に関する。

従来のモータ制御装置としては、例えば特許文献１に記載されているような技術が知られている。特許文献１に記載のモータ制御装置は、固定子、及び永久磁石を有する回転子を備えるモータと、モータに指令信号を送信する指令部と、回転子の位置を推定する位置推定部と、を備える。また、このモータ制御装置は、回転するモータの回転子の位置を検出するためのレゾルバを備えている。モータ制御装置は、レゾルバからの出力を用いた外乱オブザーバに基づいて、位相角の誤差角度を推定することで、回転子位置を補正した上で、電流制御を行っている。

特開２０１４－１５８３３６号公報

ところで、上記従来技術においては、レゾルバを用いているため、レゾルバの基準位置と回転子の位置を調整した上で組立を行う必要がある。また、レゾルバは、インバータ側に信号処理を行う回路が必要となる。以上より、従来のモータ制御装置においては、コストを低減しつつ回転子の位置を演算することが求められていた。

本発明の目的は、コストを低減しつつ回転子の位置を演算することができるモータ制御装置を提供することである。

本発明の一態様に係るモータ制御装置は、固定子、及び永久磁石を有する回転子を備えるモータと、モータに指令信号を送信する指令部と、高調波を指令信号に重畳する高調波重畳部と、高調波重畳によって回転子の位置を推定する位置推定部と、モータの回転パルスを検出する回転パルスセンサと、位置推定部で推定された推定位置、及び回転パルスを用いて、回転子の位置を演算する回転子位置演算部と、を備え、指令部は、回転子の初期位置が推定された状態でモータの回転を始動させる始動処理を行い、回転子位置演算部は、位置推定部で推定された回転子の位置と回転パルスに基づく回転子の位置との位相差を演算する位相差演算処理を行い、回転パルスに基づく回転子の位置、及び位相差に基づいて、回転子の位置を演算する回転子位置演算処理を行う。

このようなモータ制御装置は、高調波重畳によって回転子の位置を推定する位置推定部と、モータの回転パルスを検出する回転パルスセンサと、を備える。ここで、位置推定部による推定位置のみだと、回転数が高くなってきた場合に対応することができない。また、回転パルスのみでも、センサ歯車の構造上、刻み角度の単位でしか回転子の位置を把握できないため、正確に回転子の位置を演算することができない。これに対し、本発明に係るモータ制御装置は、位置推定部で推定された推定位置、及び回転パルスを用いて、回転子の位置を演算する回転子位置演算部を備える。従って、回転子位置演算部は、回転パルスを用いて回転子位置を行うときに、位置推定部の推定位置も有効に利用した上で、演算を行うことができる。すなわち、モータの回転の始動がなされたら、回転子位置演算部は、位置推定部で推定された回転子の位置と回転パルスに基づく回転子の位置との位相差を演算する位相差演算処理を行う。これにより、刻み角度の範囲内において、回転子の基準位置がどこに存在しているかを把握することが可能となる。従って、回転子位置演算処理において、回転子位置演算部は、回転パルスに基づく回転子の位置に加えて、位相差に基づいて演算することで、正確に回転子位置を演算することができる。以上より、レゾルバのように高価な装置を設けることなく、正確に回転子位置を演算することが可能となる。従って、コストを低減しつつ回転子の位置を演算することができる。

始動処理の前段階で、回転子位置演算部は、位置推定部によって推定された回転子の初期位置と、回転パルスセンサの刻み角度との対応関係に基づいて、回転パルスの初期値を演算する初期値演算処理を行ってよい。この場合、回転子位置演算部は、モータの回転始動時に、パルスの初期値を把握した上で、回転子位置の演算を行うことができる。そのため、回転子位置演算部による、回転子位置の演算が行い易くなる。

位相差演算処理では、回転子位置演算部は、モータの始動後の回転パルスのカウントごとに、当該回転パルスに基づく回転子の位置と、推定位置との差分を積算し、積算値の平均値から位相差を演算してよい。この場合、回転子位置演算部は、単一のパルスのカウント時の差分だけでなく、カウントごとの差分を総合的に考慮した上で、位相差を演算することができる。従って、センサ歯車の歯ごとの製造誤差によらず、位相差が演算可能となる。

回転子位置演算処理では、回転子位置演算部は、パルス間における回転子の微小位置変化量にも基づいて、回転子の位置を演算する回転子位置演算処理を行ってよい。回転パルスのみに基づく回転子の位置は、パルス間の位置変化が不明であるため一定となる（例えば図８の破線のグラフ参照）。これに対し、回転子位置演算処理において、回転子位置演算部は、回転パルスに基づく回転子の位置に加えて、パルス間における回転子の微小位置変化量に基づくことで、パルス間の位置変化も反映させて、正確に回転子位置を演算することができる。

回転子位置演算処理では、回転子位置演算部は、回転パルスのカウントがなされた時点から計測したタイマー値と、角速度とを掛け合わせることで、微小位置変化量を演算してよい。このように、角速度とタイマー値を用いることで、微小位置変化量を容易に演算することが可能となる。

回転子位置演算部は、所定回転数以上の場合、回転パルスを用いて回転子の位置を演算し、所定回数未満の場合、位置推定部による推定位置を回転子の位置とするように、切り替えを行ってよい。これにより、モータの回転の始動直後は、位置推定部による推定位置を回転子の位置として採用しつつ、前述の位相差演算処理や回転子位置演算処理などを行うことで、回転パルスを用いた回転子の位置の演算の準備を行うことができる。そして、ある程度回転数が上がった後は、回転パルスを用いることで、高周波重畳による位置推定よりも正確に、回転子の位置を演算することができる。

回転子位置演算部は、回転パルスに基づく回転子の位置と、位置推定部による推定位置と、を合成してよい。このように、高調波波重畳による位置推定から、回転パルスを用いた演算に非連続的に切替を行うのではなく、高調波重畳による演算と回転パルスを用いた演算との影響が徐々に変化していくように、連続的な切替を行う事が可能となる。

本発明によれば、コストを低減しつつ回転子の位置を演算することができるモータ制御装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を示す概略構成図である。 モータの具体的な構成の一例を示す概略図である。 回転パルスセンサの拡大図である。 本発明の一実施形態に係るモータ制御装置によるモータの起動時における制御処理を示すフローチャートである。 時間経過に伴うｄ軸電流の推移、及び推定結果の推移を示すグラフである。 誘起電圧と回転パルスの関係を示すグラフである。 時間経過に伴う回転パルスカウント値に基づく回転子位置の演算結果の推移と、位置推定部の推定位置の推移と、回転パルスと、の関係を示すグラフである。 回転子位置演算部による演算結果の時間の推移を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るモータ制御装置１を示す概略構成図である。本実施形態に係るモータ制御装置１は、モータ２を起動させるときに、レゾルバなどの電気角位置を検出するセンサなどを用いることなく、高性能なモータ制御を行うことができる装置である。モータ制御装置１は、モータ２と、電流指令部３（指令部）と、電圧指令部４（指令部）と、変換部５と、検出部６と、高調波重畳部７と、回転パルスセンサ８と、位置推定部９と、角速度推定部１１と、回転パルスカウント部１２と、角速度演算部１３と、回転パルス回転子位置演算部１４と、回転子位置演算部１５と、を備える。

モータ２は、三相の交流電力によって駆動する電動機である。モータ２は、固定子、及び永久磁石を有する回転子を有しており、回転子を回転させる。モータ２には、当該モータ２の回転パルスを検出する回転パルスセンサ８が設けられている。モータ２の具体的な構成の一例を図２に示す。図２に示すように、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の固定子２２と、回転子２０と、を備える。各固定子２２は、所定のインダクタンスを有するインダクタンス部２３と、所定の抵抗値を有する抵抗部２４と、を有する。回転子２０は、永久磁石２１を有する。各固定子２２は、交流電流が流されることで回転子２０の周囲に回転磁界を作ることで、回転子２０を回転させる。モータ２は、モータ定数として、Ｒ（抵抗値）、Ｌ（インダクタンス）、Ｋ_Ｅ（誘起電圧定数）を有する。

ここで、モータ２に対しては、回転子２０と同期する回転座標系と、固定された固定座標系が設定される。回転座標系では、主磁束方向（永久磁石２１のＮ極方向）をｄ軸にとり、ｄ軸と直交するｑ軸をとっている。固定座標系は、互いに直交するα軸及びβ軸を有する。なお、固定座標系のα軸に対して回転座標系のｄ軸がなす角度をθ_ｒｅとする。

図１に示すように、電流指令部３及び電圧指令部４は、変換部５を介してモータ２へ指令信号を送信する指令部として機能する。電流指令部３は、回転数指令を受信し、当該回転数指令に対応する電流指令信号を演算すると共に、当該電流指令信号を電圧指令部４へ送信する。電流指令部３は、例えば速度ＰＩ制御を用いて電流指令信号を演算する。電流指令部３は、回転座標系のｄ軸上の電流の指令値（ｉ_ｄ指令）を演算し、回転座標系のｑ軸上の電流の指令値（ｉ_ｑ指令）を演算する。

電圧指令部４は、電流指令部３からの電流指令信号を受信し、当該電流指令に対応する電圧指令信号を演算すると共に、当該電圧指令信号を変換部５へ送信する。電圧指令部４は、例えば電流ＰＩ制御を用いて電圧指令信号を演算する。電圧指令部４は、回転座標系のｄ軸上の電流の指令値（ｉ_ｄ指令）及びｑ軸上の電流の指令値（ｉ_ｑ指令）に基づいて、ｄ軸上の電圧の指令値及びｑ軸上の電圧を演算し、それらを三相のＵ相、Ｖ相及びＷ相の固定子２２のそれぞれに対する電圧の指令値（Ｖ_ｕ指令、Ｖ_ｖ指令、Ｖ_ｗ指令）に変換する。

変換部５は、モータ２の固定子２２に任意の交流を印加する機器である。変換部５は、電圧指令部４からの電圧の指令値をＰＷＭ信号へと変換する。また、変換部５は、ＰＷＭ信号に基づいてスイッチング動作を行い直流電力を交流電力に変換し、電圧指令部４で演算された電圧指令に相当する電圧を、モータ２に印加する。

検出部６は、モータ２に通電する電流を検出する。また、検出部６は、検出した電流を電圧指令部４と位置推定部９へ送信する。

高調波重畳部７は、高調波を指令信号に重畳する。高調波重畳部７は、電流指令部３の電流指令信号に対して高調波を重畳する。高調波重畳部７は、所定の周波数、所定の電流値（振幅）に設定された高調波を重畳する。例えば、図５に示すように、モータ２に対して－５０Ａのｄ軸電流を通電するような指令信号がなされているものに対して高調波重畳部７が高調波を重畳した場合、ｄ軸電流は－５０Ａを基準として振幅するような波形を描く。高調波重畳部７を重畳することで、どのように回転子２０の初期位置を推定するかについては、後述する。

回転パルスセンサ８は、モータ２の回転パルスを検出するセンサである。具体的には、図３に示すように、回転パルスセンサ８は、センサ歯車１６と、検出部１７と、を備える。センサ歯車１６は、所定のピッチで設けられた複数の歯１８を有する。センサ歯車１６は、モータ２の回転子２０と同期して回転するため、回転子２０と同じ回転速度で回転する。検出部１７は、センサ歯車１６の回転に伴って発生する回転パルスを検出する機器である。検出部１７は、センサ歯車１６に対して外周側に離間した位置に配置される。センサ歯車１６が回転すると、磁性体であるセンサ歯車１６の各歯１８が検出部１７に対して近づく挙動と離れる挙動を繰り返す。これにより検出部１７内の磁路の状態が変化し、検出コイルを貫通する磁束が変化する。具体的に、歯１８の接近に伴い磁束が増えて行き、遠ざかるとともに磁束が減って行くという状態を繰り返すことになる。このとき、検出部１７内では、ファラデーの電磁誘導の法則で示される誘導起電力を発生することになる。センサ歯車１６の回転により検出部１７の検出コイルを貫通する磁束が連続的に増減を繰り返すことで、検出コイルに発生する起電力も極性を変えながら増減を繰り返す。検出部１７は、このような電力の波形を回転パルスとして検出する。例えば、歯１８のエッジ１８ａ，１８ｂのうち、回転方向の前側のエッジ１８ａで波形が立ち上がり、回転方向の後側のエッジ１８ｂで波形が立ち下がる（図６の下段側のグラフ参照）。

位置推定部９は、モータ２の回転子２０の位置を推定する。モータ２の起動時においては、回転子２０が回転方向におけるどのような電気角の位置（初期位置）に配置されているかが不明な状態であるため、位置推定部９は、モータ２の回転子２０の初期位置を推定する。位置推定部９は、電圧指令部４からモータ２に対する指令信号を取得すると共に、検出部６から検出結果を取得し、それらの情報に基づいて回転子２０の初期位置を推定する。ｄ軸に高調波を重畳すれば、ｑ軸上に高調波分の電圧が励起するため、位置推定部９は、当該信号を固定座標系（αβ座標系）で検出することにより、回転子２０の位置推定を行う。なお、初期位置推定時にはｄ軸の位置が不明であるが、位置推定部９は、後述の方法によって、初期位置を推定する。また、位置推定部９は、モータ２の回転が始動した後も、高周波重畳された信号に基づいて、回転子２０の位置推定を行う。位置推定部９は、推定した推定位置の情報を回転子位置演算部１５へ出力する。

角速度推定部１１は、モータ２の回転子２０の角速度を推定する。角速度推定部１１は、位置推定部９によって推定された推定位置に基づいて、角速度を推定する。角速度推定部１１は、推定した角速度の情報を回転子位置演算部１５へ出力する。

回転パルスカウント部１２は、回転パルスセンサ８で検出された回転パルスをカウントする。例えば、回転パルスセンサ８が、１回転で３２パルスの信号を出力する場合、回転パルスカウント部１２は、パルスの立ち上がりと立ち下りでカウントするとして、１回転で６４パルスのカウントを行う。モータ２が２極のモータである場合、回転パルスカウント部１２のカウントにより、１カウントで「電気角３６０°／３２=１１．２５°」の刻み角度で、回転子２０の相対位置を把握することが可能となる。図６の下段側に示す回転パルスの例において、角度ｐ１及び角度ｐ２のうち、角度ｐ１が刻み角度に該当する。回転パルスカウント部１２は、回転パルスのカウント数の情報を回転パルス回転子位置演算部１４へ出力する。

角速度演算部１３は、モータ２の回転子２０の角速度を演算する。角速度演算部１３は、回転パルスセンサ８で検出された回転パルスに基づいて、角速度を演算する。角速度演算部１３は、演算した角速度の情報を回転パルス回転子位置演算部１４へ出力する。

回転パルス回転子位置演算部１４は、回転パルスカウント部１２でカウントされた回転パルスのカウント数を取得して、回転子２０の位置を演算する。回転パルス回転子位置演算部１４は、演算した回転子位置、及び角速度を回転子位置演算部１５へ出力する。

回転子位置演算部１５は、位置推定部９で推定された推定位置、及び回転パルスを用いて、回転子２０の位置を演算する。回転子位置演算部１５は、位置推定部９からの推定位置、及び回転パルス回転子位置演算部１４からの回転子位置を取得し、それらの情報を用いて演算を行うことによって、回転子２０の実回転位置を演算する。なお、回転子位置演算部１５が採用した回転子位置を、回転パルス回転子位置演算部１４の回転パルス（だけ）に基づいて演算された回転子位置と区別するため、「実回転子位置」と称する場合がある。回転子位置演算部１５は、角速度を電流指令部３へ出力する。

本実施形態では、回転子位置演算部１５は、所定回転数以上の場合、回転パルスに基づいて回転子２０の実回転子位置を演算し、所定回数未満の場合、位置推定部９による推定位置を実回転子位置とするように、切り替えを行う。従って、初期状態からモータ２の始動時までは、回転子位置演算部１５は、位置推定部９が推定した推定位置を、回転子２０の実回転子位置として採用する。また、モータ２の始動直後も、所定回転数未満の間は、回転子位置演算部１５は、位置推定部９が推定した推定位置を、回転子２０の実回転子位置として採用する。一方、回転子位置演算部１５は、所定回転数以上の場合、後述の方法によって、回転パルスに基づいて演算した回転子２０の位置を、実回転子位置として採用するように、切り替える。ここで、回転子位置演算部１５は、回転パルスに基づいて実回転子位置を演算する前段階において、位置推定部９の推定位置を利用して、回転パルスによる実回転子の演算の精度を上げるための前処理を行う。

図４を参照して、本実施形態に係るモータ制御装置１によるモータ２の起動時及び回転始動直後における制御処理について説明する。この制御処理は、モータ２を起動させて、回転子２０を実際に回転させる段階において、レゾルバなどのセンサを用いることなく、センサレスで回転子２０の実回転子位置を演算するためになされる制御処理である。また、以降の説明では、図５～図８を適宜参照しながら説明を行う。図５は、時間経過に伴うｄ軸電流の推移、及び推定結果の推移を示すグラフである。図５の上段側のグラフがｄ軸電流を示し、下段側のグラフが推定結果を示す。なお、図５に示す例では、実際の回転子２０のＮ極の電気角が－２７０°であるものとしている。なお、推定位置のグラフは、直線の組み合わせで示されているが、実際は推定結果の揺らぎや検出値のぶれなどによって変動が生じる箇所もあるが、理解を容易とするためにそれらの変動は省略している。図６は、誘起電圧と回転パルスの関係を示すグラフである。図６の上段側のグラフは、位置推定部９が推定に用いる誘起電圧を示すグラフである。図６の下段側のグラフは、回転パルスを示すグラフである。図７は、時間経過に伴う回転パルスカウント値に基づく回転子位置の演算結果の推移と、位置推定部９の推定位置の推移と、回転パルスと、の関係を示すグラフである。図７の上段側のグラフは、時間経過に伴う回転パルスカウント値に基づく回転子位置の演算結果の推移と、位置推定部９の推定位置の推移とを示すグラフである。図７の下段側のグラフは、回転パルスを示すグラフである。図８は、回転子位置演算部１５による演算結果の時間の推移を示すグラフである。

図３に示すように、モータ制御装置１は、位置推定処理Ｓ１０と、通電処理Ｓ６０と、初期値演算処理Ｓ７０と、回転始動処理Ｓ８０と、位相差演算処理Ｓ９０と、回転子位置演算処理Ｓ１１０と、切替処理Ｓ１２０と、を実行する。

まず、モータ制御装置１は、位置推定処理Ｓ１０を実行する。位置推定処理Ｓ１０は、位置推定部９が、高調波を重畳した状態で回転子２０の位置を推定する処理である。位置推定処理Ｓ１０では、位置推定部９は、初期位置仮定処理Ｓ２０と、判別処理Ｓ３０と、確定処理Ｓ４０と、を実行する。

モータ制御装置１は、初期位置仮定処理Ｓ２０を実行する。初期位置仮定処理Ｓ２０は、位置推定部９が、高調波が重畳された状態で回転子２０の初期位置を仮定する処理である。すなわち、位置推定処理Ｓ１０を開始する時点では、ｄ軸の位置が不明であるため、初期位置を仮定する必要がある。初期位置仮定処理Ｓ２０では、電流指令部３が指令する電流値は０Ａである。高調波重畳部７は、当該電流指令信号に対して高調波を重畳する。従って、図５の上段のグラフにおいて「Ｓ２０」で示されるように、ｄ軸電流は、０Ａを基準として振幅を行う。この状態で、位置推定部９は、指令信号及び検出部６の検出結果に基づいて、回転子２０の初期位置がどこにあるかを仮定する。なお、初期位置仮定処理Ｓ２０の段階では、回転子２０の永久磁石の極性までは不明であるため、Ｎ極が０～３６０°のどの位置に存在するかまでは推定することができず、Ｎ極またはＳ極の何れかが、０～１８０°のいずれかに存在するかまでしか推定できない。従って、位置推定部９は、０～１８０°の何れかの位置を把握したら、当該位置がＮ極の初期位置であると仮定する。図５の下段に示すグラフでは、Ｎ極の位置が１２０°であると仮定されている。

具体的には、初期位置仮定処理Ｓ２０では、高調波重畳部７は、数θ_re＝０°として高調波の重畳を開始する。これに対し、位置推定部９は、αβ座標系における拡張誘起電圧ｅ_α、ｅ_βを算出し、検波処理やバンドパスフィルタの処理を行いｔａｎ^－１（ｅ_α／ｅ_β）を随時計算することで、Ｎ極の初期位置を仮定することができる。

モータ制御装置１は、判別処理Ｓ３０を実行する。判別処理Ｓ３０は、位置推定部９が、仮定された初期位置に基づいて、回転子２０の磁極を判別する処理である。判別処理Ｓ３０では、高調波重畳部７は、仮定した初期位置に基づいて、ｄ軸に正・負の電圧パルスを印加する。そして、位置推定部９は、当該電圧パルスによって生じたｄ軸電流の変化を観察することで、仮定した初期位置における永久磁石２１の極性を判別する。具体的に、１２０°の位置がｄ軸であるものとしてｄ軸に対して正・負の電圧パルスを印加する。ｄ軸電流が小さい方がＮ極であるところ、図４の下段のグラフでは、負側の方に小さくｄ軸電流が変動している。従って、位置推定部９は、１２０°の位置に存在する磁極は、Ｓ極であると判別する。

モータ制御装置１は、確定処理Ｓ４０を実行する。確定処理Ｓ４０は、位置推定部９が、判別処理Ｓ３０での判別結果に基づいて、位置推定処理Ｓ１０における初期位置を確定させる処理である。確定処理Ｓ４０では、位置推定部９は、Ｎ極の初期位置を１２０°と仮定していたものを、１８０°足して、３００°がＮ極の初期位置であると推定する（図５の下段のグラフのＳ４０～Ｓ６０）。そして、高調波重畳部７は、推定されたＮ極、すなわちｄ軸（φ＝０）を基準として高調波を重畳する。これによって、ｄ軸推定位置を収束させて、初期位置を確定させることができる。以上により、位置推定処理Ｓ１０が完了する。

次に、モータ制御装置１は、通電処理Ｓ６０を実行する。通電処理Ｓ６０は、高調波重畳部７によって高調波を重畳した状態で、電流指令部３が、位置推定処理Ｓ１０の結果に基づいて、所定の値のｄ軸電流をモータ２に通電する処理である。ｄ軸電流の所定の値は、モータ２の通常停止、すなわち回転数指令を受けたら、速やかに回転子２０を回転させることができる状態における電流値である。図５の上段のグラフでは、ｄ軸電流の所定の値は－５０Ａに設定されているが、特に限定されない。

モータ制御装置１は、初期値演算処理Ｓ７０を実行する。初期値演算処理Ｓ７０は、始動処理Ｓ８０の前段階で、回転子位置演算部１５が、位置推定部９によって推定された回転子２０の初期位置と、回転パルスセンサ８の刻み角度との対応関係に基づいて、回転パルスの初期値を演算する処理である。例えば、回転子位置演算部１５は、推定された初期位置を刻み角度で割った商を回転パルスカウントの初期値として記憶する。例えば、推定された初期位置が６８°であり、刻み角度が１１．２５°であった場合、「初期位置：６８°÷ 刻み角度：１１．２５°＝商：６」という演算によって、回転パルスカウントの初期値を「６」として記憶する。これにより、モータ２の回転の始動時において、回転パルスのカウントがどの程度進んでいるかを把握できる。

次に、モータ制御装置１は、回転始動処理Ｓ８０を実行する。回転始動処理Ｓ８０は、電流指令部３及び電圧指令部４が、回転子２０の初期位置が推定された状態でモータ２の回転を始動させる処理である。推定された角速度及び推定位置に基づいて、電流指令部３がｉ_ｄ指令、ｉ_ｑ指令を生成し、電圧指令部４がＶ_ｕ指令、Ｖ_ｖ指令、及びＶ_ｗ指令を生成することで、モータ２の回転を始動させる。

次に、モータ制御装置１は、位相差演算処理Ｓ９０を実行する。位相差演算処理Ｓ９０は、回転子位置演算部１５が、位置推定部９で推定された回転子２０の位置と、回転パルス回転子位置演算部１４で演算した位置との位相差を演算する処理である。位相差演算処理Ｓ９０では、回転子位置演算部１５は、モータ２の始動後の回転パルスのカウントごとに、当該回転パルスに基づく回転子２０の位置と、推定位置との差分を積算し、積算値の平均値から位相差を演算する。

ここで、位置推定部９は、位置を連続的に推定できる。一方、回転パルスは、所定の間隔の電気角位置にて立ち上がり、立ち下がりを繰り返す不連続なものであり、回転パルスの立ち上がり位置（または立ち下がり位置）と図６に示す誘起電圧が正から負に変化する回転子２０の基準位置（ｄ軸）とは、同期が取られているわけではないので、推定された位置と、回転パルスに基づく回転子の位置との間には、位相差が生じる。

従って、位相差を演算するために、回転子位置演算部１５は、回転パルスに基づく回転子２０の位置と、推定位置との差分を取得する。具体的には、回転子位置演算部１５は、回転パルスのエッジ毎（すなわち、カウント値毎）に、回転パルスに基づく回転子位置の値と推定位置の差分を計算することによって、当該カウント値における位相差を演算する。なお、回転子位置演算部１５は、初期値演算処理Ｓ７０で取得した初期値に対して、回転始動時にカウントした分のカウント値を加算することによって、現在のカウント値を演算できる。具体的には、カウント値が１０であって、刻み角度が１１．２５°である場合、回転子位置演算部１５は、「カウント値：１０ × 刻み角度：１１．２５°＝ 回転パルスに基づく回転子位置：１１２．５°」という演算によって、回転パルスに基づく回転子位置を取得可能である。この時点における位置推定部９による推定位置が１２０°であった場合、回転子位置演算部１５は、「推定位置：１２０°－回転パルスに基づく回転子位置：１１２．５°＝位相差：７．５°」という演算によって、「カウント値：１０」における位相差が７．５°であると演算できる。

ここで、図７の上段側のグラフに示すように、回転パルスのカウント値から演算される回転子位置は、位置推定部９によって推定された位置推定に対して位相差を持った状態で、そのまま推移する。そのため、横軸の各位置、すなわち各カウント値において、位相差が生じている。図７の上段側のグラフでは、理解を容易とするために、位相差を大きくデフォルメして示している。なお、回転パルスのカウント値から演算される回転子位置の時間推移を拡大すると、図８において破線で示すグラフのような形状となる。すなわち、ある回転パルスをカウントした瞬間は、演算結果に係る回転子位置の値が急激に立ち上がり、次の回転パルスをカウントするまでの間は、回転子位置の値は一定となる。

ここで、センサ歯車１６の歯１８の製造誤差などの影響によって、回転パルスもカウント値ごとに僅かなずれが生じる場合もある。そのため、回転子位置演算部１５は、一つのカウント値に係る位相差を演算したら、当該値で確定するのではなく、複数のカウント値に対応する位相差を総合的に判断して、位相差を確定する。

具体的に、回転子位置演算部１５は、各カウント値における位相差を演算すると共に、それらの位相差を積算する。例えば、カウント値の初期値として６を記憶している場合、回転子位置演算部１５は、カウント値７～９についても前述と同様の位相差を演算して積算しておく。そして、回転子位置演算部１５は、当該積算値に対して、新たにカウント値１０の位相差（７．５°）を加算する。同様に、回転子位置演算部１５は、カウント値１１以降も位相差の演算及び積算を行う。そして、回転子位置演算部１５は、規定の回数に係る差分を積算したら、積算値から平均値を求め、当該平均値を回転パルスと位置推定における位置の位相差とする。具体的には、回転子位置演算部１５は、位相差の演算を１６回行うことで、「…７．５°＋７．２５°＋…＝１１８．４°」という積算値を取得したら、「積算値：１１８．４° ÷ 回数：１６回 ＝ 平均値：７．４°」という演算によって、７．４°を位相差として取得可能である。なお、積算値を求めるための回数は特に限定されない。また、複数の位相差から位相差を確定する方法は積算値から平均値を求める方法に限定されず、他の公知の統計処理によって算出してもよい。また、製造誤差等を無視する場合は、一つのカウント値から演算した値を位相差として確定させてもよい。

回転子位置演算処理Ｓ１１０は、回転パルスに基づく回転子２０の位置、位相差、及び角速度から演算された回転子２０の微小回転量に基づいて、回転子２０の位置を演算する処理である。図８に示すように、回転子位置演算部１５は、破線で示される回転パルスに基づく回転子位置の値に対して、二点鎖線で示す位相差の値と、二点鎖線で示す微小回転量と、を加算することによって、実線で示される。実回転子位置を演算する。

すなわち、前述のように、回転パルスに基づく回転子位置の値は、推定位置の位置に対して位相差を含んでいる。従って、回転子位置演算部１５は、このような位相差を解消するために、回転パルスに基づく回転子位置の値に対して、位相差の値を加算する。なお、位相差の値として、位相差演算処理Ｓ９０で演算した値が用いられる。

また、前述のように、図８の破線のグラフに示すように、回転パルスに基づく回転子位置は、回転パルスがカウントされるタイミングに基づいて、段階的に増加していく。その一方、実際の回転子２０の角度は、時間と共に連続的に変化するものである。従って、回転パルスに基づく回転子位置のうち、パルス間の微小区間（図８参照）における微小な位置の変化量である微小位置変化量（Δθ）を加算する必要がある。具体的には、回転子位置演算部１５は、回転パルスのカウントがなされた時点から計測したタイマー値と、角速度（ω）とを掛け合わせることで、「微小位置変化量Δθ＝角速度ω × タイマー値Δｔ」という演算を行うことにより、微小回転量を取得する。なお、図８に示すように、破線で示す回転子位置のグラフは、回転パルスをカウントしてから、微小な立ち上がり時間をかけて、値が増加している。そのため、二点鎖線で示す微小位置変化量のグラフは、当該立ち上がり時間に０に戻される。タイマー値Δｔは、立ち上がり時間が経過してから、測定がスタートする。

切替処理Ｓ１２０は、回転子位置演算部１５が、指令部へ出力する実回転子位置として、位置推定部９による推定位置から、回転パルスに基づいて演算した実回転子位置（図８参照）へ切り替える処理である。例えば、回転子位置演算部１５は、所定の回転数（例えば１００ｒｐｍ）未満の状態では、位置推定部９から取得した推定位置を指令部３，４へ出力して、モータ２を回転制御する。これに対し、回転子位置演算部１５は、所定の回転数に達したら、回転子位置演算処理Ｓ１１０で演算した実回転子位置、すなわち回転パルスに基づいて演算された実回転子位置を指令部３，４へ出力するように、切替を行う。当該切替が完了したら、位置推定部９による推定位置は用いる必要がなくなるため、回転子位置演算部１５は、高調波重畳部７による高調波重畳を停止する。

なお、モータ２の減速の場合は、所定の回転数（例えば、４００ｒｐｍ）から、高調波重畳を開始させて、位置推定部９が推定位置を求めるようにして、１００ｒｐｍ以下になった際に、回転パルスを用いた実回転子位置の演算結果から、位置推定部９による推定位置を用いるように切り替えてよい。

次に、本発明の実施形態に係るモータ制御装置１の作用・効果について説明する。

モータ制御装置１は、高調波重畳によって回転子の位置を推定する位置推定部９と、モータ２の回転パルスを検出する回転パルスセンサ８と、を備える。ここで、位置推定部９による推定位置のみだと、回転数が高くなってきた場合に対応することができない。また、回転パルスのみでも、センサ歯車１６の構造上、刻み角度の単位でしか回転子２０の位置を把握できないため、正確に回転子２０の位置を演算することができない。これに対し、本実施形態に係るモータ制御装置１は、位置推定部９で推定された推定位置、及び回転パルスを用いて、回転子２０の位置を演算する回転子位置演算部１５を備える。従って、回転子位置演算部１５は、回転パルスを用いて回転子位置を行うときに、位置推定部９の推定位置も有効に利用した上で、演算を行うことができる。すなわち、モータ２の回転の始動がなされたら、回転子位置演算部１５は、位置推定部９で推定された回転子２０の位置と回転パルスに基づく位置との位相差を演算する位相差演算処理Ｓ９０を行う。これにより、刻み角度の範囲内において、回転子２０の基準位置（ｄ軸）がどこに存在しているかを把握することが可能となる。従って、回転子位置演算処理Ｓ１１０において、回転子位置演算部１５は、回転パルスに基づく回転子２０の位置に加えて、位相差に基づいて演算することで、正確に実回転子位置を演算することができる。以上より、レゾルバのように高価な装置を設けることなく、正確に実回転子位置を演算することが可能となる。従って、コストを低減しつつ回転子の位置を演算することができる。

始動処理Ｓ８０の前段階で、回転子位置演算部１５は、位置推定部９によって推定された回転子の初期位置と、回転パルスセンサ８の刻み角度との対応関係に基づいて、回転パルスの初期値を演算する初期値演算処理Ｓ７０を行ってよい。この場合、回転子位置演算部１５は、モータ２の回転始動時に、パルスの初期値を把握した上で、実回転子位置の演算を行うことができる。そのため、回転子位置演算部１５による、回転子位置の演算が行い易くなる。

位相差演算処理Ｓ９０では、回転子位置演算部１５は、モータの始動後の回転パルスのカウントごとに、当該回転パルスに基づく回転子の位置と、推定位置との差分を積算し、積算値の平均値から位相差を演算してよい。この場合、回転子位置演算部１５は、単一のパルスのカウント時の差分だけでなく、カウントごとの差分を総合的に考慮した上で、位相差を演算することができる。従って、センサ歯車１６の歯１８ごとの製造誤差によらず、位相差が演算可能となる。

また、回転パルスのみに基づく回転子２０の位置は、パルス間の位置変化が不明であるため一定となる（例えば図８の破線のグラフ参照）。これに対し、回転子位置演算処理Ｓ１１０において、回転子位置演算部１５は、回転パルスに基づく回転子２０の位置に加えて、パルス間における回転子の微小位置変化量に基づくことで、パルス間の位置変化も反映させて、正確に実回転子位置を演算することができる。

回転子位置演算処理Ｓ１１０では、回転子位置演算部１５は、回転パルスのカウントがなされた時点から計測したタイマー値と、角速度とを掛け合わせることで、微小位置変化量を演算してよい。このように、角速度とタイマー値を用いることで、微小位置変化量を容易に演算することが可能となる。

回転子位置演算部１５は、所定回転数以上の場合、回転パルスを用いて回転子の位置を演算し、所定回数未満の場合、位置推定部による推定位置を回転子の位置とするように、切り替えを行ってよい。これにより、モータ２の回転の始動直後は、位置推定部９による推定位置を回転子の位置として採用しつつ、前述の位相差演算処理Ｓ９０や回転子位置演算処理Ｓ１１０などを行うことで、回転パルスを用いた回転子の位置の演算の準備を行うことができる。そして、ある程度回転数が上がった後は、回転パルスを用いることで、高周波重畳による位置推定よりも正確に、回転子２０の位置を演算することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、位置推定処理Ｓ１０において、処理Ｓ２０～Ｓ４０が採用されたがこれらの方法に限定されるものではない。すなわち、他の公知の初期位置推定の方法を位置推定処理Ｓ１０に対して適用してもよい。

また、上述の回転子位置演算部１５は、切替処理Ｓ１２０を行っていた。しかし、このような切替に代えて、回転子位置演算部１５は、回転パルスに基づく回転子の位置と、位置推定部による推定位置と、を合成してよい。例えば、回転パルスを用いて演算した実回転子位置とモータータパラメータ（Ｒ、Ｌｑ、Ｌｄなど）から、固定座標系のｅα、ｅβを演算し、高調波信号の信号と合成して、高調波重畳の信号振幅を決めるという方法を採用してもよい。例えば、固定座標系（α－β）における拡張誘起電圧は、以下の式（１）（２）（３）で示される。ｅ_ωｒｅは速度起因の拡張誘起電圧であるが、実回転子位置と対応する項であり、式（４）のように示される。ｅｈは高調波重畳起因の拡張誘起電圧であり、式（５）のように示される。回転子の位置を示すθｒｅは、式（６）で示される。





ｅ_α：α軸拡張誘起電圧
ｅ_β：β軸拡張誘起電圧
ｅ_ｄ：ｄ軸拡張誘起電圧
ｅ_ｑ：ｑ軸拡張誘起電圧
ｅ^Ｊθｒｅ：回転行列
θｒｅ：固定座標系のα軸に対して回転座標系のｄ軸がなす角度
ｅ_ｄωｒｅ：ｄ軸上の速度起因の拡張誘起電圧
ｅ_ｑωｒｅ：ｑ軸上の速度起因の拡張誘起電圧
ｅ_ｄｈ：ｄ軸上の高調波重畳起因の拡張誘起電圧
ｅ_ｑｈ：ｑ軸上の高調波重畳起因の拡張誘起電圧
ωre：電気角速度
Ｌ_ｄ：ｄ軸インダクタンス
Ｌ_ｑ：ｑ軸インダクタンス
Ｒ：抵抗
ｉ_ｄ：回転座標系のｄ軸上の電流
ｉ_ｑ：回転座標系のｑ軸上の電流
ドット付きのｉ_ｑ：回転座標系のｑ軸上の電流時間微分値
Ｋ_ｅ：誘起電圧定数

回転数が上がるに従って、高周波重畳によるｅα、ｅβの振幅よりも、回転パルスに基づく演算結果のｅα、ｅβの振幅が支配的になる。このように、高周波重畳による位置推定から、回転パルスを用いた演算に非連続的に切替を行うのではなく、高調波重畳に演算と回転パルスを用いた演算との影響が徐々に変化していくように、連続的な切替を行う事が可能となる。

また、図１に示すモータ制御装置１の全体構成、及び図２に示すモータ２の構成は、一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更可能である。

１…モータ制御装置、２…モータ、３…電流指令部（指令部）、４…電圧指令部（指令部）、７…高調波重畳部、８…回転パルスセンサ、９…位置推定部、１５…回転子位置演算部、２０…回転子、２１…永久磁石、２２…固定子。

Claims (6)

1. 固定子、及び永久磁石を有する回転子を備えるモータと、
   前記モータに指令信号を送信する指令部と、
   高調波を前記指令信号に重畳する高調波重畳部と、
   高調波重畳によって前記回転子の位置を推定する位置推定部と、
   前記モータの回転パルスを検出する回転パルスセンサと、
   前記位置推定部で推定された推定位置、及び前記回転パルスを用いて、前記回転子の位置を演算する回転子位置演算部と、を備え、
   前記指令部は、前記回転子の初期位置が推定された状態で前記モータの回転を始動させる始動処理を行い、
   前記回転子位置演算部は、
   前記位置推定部で推定された前記回転子の位置と前記回転パルスに基づく前記回転子の位置との位相差を演算する位相差演算処理を行い、
   前記回転パルスに基づく前記回転子の位置、及び前記位相差に基づいて、前記回転子の位置を演算する回転子位置演算処理を行い、
   前記始動処理の前段階で、前記回転子位置演算部は、前記位置推定部によって推定された前記回転子の初期位置と、前記回転パルスセンサの刻み角度との対応関係に基づいて、前記回転パルスの初期値を演算する初期値演算処理を行う、モータ制御装置。
2. 固定子、及び永久磁石を有する回転子を備えるモータと、
   前記モータに指令信号を送信する指令部と、
   高調波を前記指令信号に重畳する高調波重畳部と、
   高調波重畳によって前記回転子の位置を推定する位置推定部と、
   前記モータの回転パルスを検出する回転パルスセンサと、
   前記位置推定部で推定された推定位置、及び前記回転パルスを用いて、前記回転子の位置を演算する回転子位置演算部と、を備え、
   前記指令部は、前記回転子の初期位置が推定された状態で前記モータの回転を始動させる始動処理を行い、
   前記回転子位置演算部は、
   前記位置推定部で推定された前記回転子の位置と前記回転パルスに基づく前記回転子の位置との位相差を演算する位相差演算処理を行い、
   前記回転パルスに基づく前記回転子の位置、及び前記位相差に基づいて、前記回転子の位置を演算する回転子位置演算処理を行い、
   前記回転子位置演算処理では、前記回転子位置演算部は、パルス間における前記回転子の微小位置変化量にも基づいて、前記回転子の位置を演算する回転子位置演算処理を行う、モータ制御装置。
3. 前記位相差演算処理では、前記回転子位置演算部は、前記モータの始動後の前記回転パルスのカウントごとに、当該回転パルスに基づく回転子の位置と、前記推定位置との差分を積算し、積算値の平均値から前記位相差を演算する、請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記回転子位置演算処理では、回転子位置演算部は、前記回転パルスのカウントがなされた時点から計測したタイマー値と、角速度とを掛け合わせることで、前記微小位置変化量を演算する、請求項２に記載のモータ制御装置。
5. 前記回転子位置演算部は、所定回転数以上の場合、回転パルスを用いて前記回転子の位置を演算し、前記所定回転数未満の場合、前記位置推定部による前記推定位置を前記回転子の位置とするように、切り替えを行う、請求項１～４の何れか一項に記載のモータ制御装置。
6. 前記回転子位置演算部は、前記回転パルスに基づく前記回転子の位置と、前記位置推定部による前記推定位置と、を合成する、請求項１～４の何れか一項に記載のモータ制御装置。
   

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