JPWO2010104059A1 - ３相モータ制御装置、３相モータシステム、３相モータ制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

３相モータを駆動するドライバを制御する３相モータ制御装置４が、目標回転角度を生成する目標回転角度生成部５と、前記３相モータの回転角度である検出回転角度を検出する角度検出器２と、３相モータ１のｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を目標回転角度と検出回転角度とに応答して生成するフィードバック制御器６と、ｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する駆動トルク補正部７及び加算器１０と、ｑ軸指令値に応答して３相モータを駆動するドライバ回路３を制御する制御信号を生成する２相３相変換部８とを具備している。駆動トルク補正部７は、３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を保持する角度参照テーブル１１を有しており、検出回転角度に応じて要素のいずれかを選択する。選択された要素の値に基づいてｑ軸指令基準値が補正されてｑ軸指令値が生成される。

Description

本発明は、３相モータ制御装置に関し、特に、ベクトル制御によって３相モータを制御する為の技術に関する。

３相モータを目標回転角速度で回転するように制御する方式の一つが、ベクトル制御である。ベクトル制御は、２次側の電気的状態（例えば、電流や電圧）を磁束軸成分（ｄ軸成分）とトルク軸成分（ｑ軸成分）に分離して表現し、それぞれの軸成分を制御することにより、３相モータ（例えば、誘導電動機、同期電動機、永久磁石電動機）を直流機と同様に扱うように考えられた方式である。

図１は、３相モータをｄ−ｑ軸に変換したベクトル制御を行う３相モータ制御装置を備える３相モータシステムの構成の例を示すブロック図である。図１の３相モータシステムは、３相モータ１０１と、角度検出器１０２と、ドライバ回路１０３と、３相モータ制御装置１０４とを備えている。３相モータ制御装置１０４は、目標回転角度生成部１０５と、フィードバック制御器１０６と、２相３相変換部１０８とを備えている。

図１の３相モータシステムの動作は、概略的には下記の通りである。３相モータ１０１のロータの回転角度が角度検出器１０２によって検出される。以下では、角度検出器１０２によって検出された回転角度を検出回転角度θと記載する。また、ロータの回転角度の目標値（目標回転角度）θ^＊が目標回転角度生成部１０５によって生成される。目標回転角度θ^＊は、負荷を取り付けた３相モータ１０１が目標回転角速度で回転するように生成される。フィードバック制御器１０６は、目標回転角度θ^＊と検出回転角度θとに応答して、フィードバック制御によりｄ軸指令値Ｖｄ^＊とｑ軸指令値Ｖｑ^＊とを生成する。ｄ軸指令値Ｖｄ^＊とｑ軸指令値Ｖｑ^＊に対して２相３相変換部１０８によって２相−３相変換が行われて３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊の指令値が生成される。ドライバ回路１０３は、その３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に応答して、３相電力線１０３ａを介して３相電力を供給して、３相モータ１０１を駆動する。図１の３相モータシステムでは、フィードバック制御器１０６が電流制御や速度制御のようなフィードバック制御を行うことにより、所望の回転角速度を実現することができる。

図１のような３相モータシステムは、様々な特許文献に開示されている。例えば、特許第３２４４７４４号公報（特許文献１）は、フィードバック制御にＰＩ制御とニューラルネットが用いられている構成を開示している。特開平９−２１５３９９号公報（特許文献２）は、フィードバック制御として速度制御を行ってｑ軸指令値を計算する構成を開示している。さらに、特開２００６−１４９１７６号公報（特許文献３）では、フィードバック制御器は、電流制御器または速度制御器と繰り返し制御器を用いて構成される。

また、特開平７−１７０７９９号公報（特許文献４）は、フィードバック制御系に含まれる電流検出器における誤差（オフセット値／非直線性誤差）を補正することにより、制御の精度を向上し、また、トルクリップの発生を防止する技術を開示している。更に、特開平８−３２２２９９号公報（特許文献５）は、フィードバック制御に使用される三角関数の関数値を少ないメモリ容量で発生する技術を開示している。更に、再公表特許ＷＯ２００５／０６７１３７号公報（特許文献６）は、回転角度（位置）の検出値を補正して正確な回転角度を算出する技術を開示している。

図１のような３相モータシステムにおける一つの問題は、３相モータ１０１のロータの回転に同期したトルク外乱（以下、「回転同期トルク外乱」という）への対処である。３相モータ１０１に取り付けられた負荷が、３相モータ１０１のロータシャフトの回転中心に対してオフセットしている等の理由により、３相モータ１０１のロータの回転中心に対する慣性モーメントの分布にアンバランスがあると、回転に同期してトルクが変動してしまう。言い換えれば、３相モータ１０１のロータの回転は、回転同期トルク外乱の影響を受ける。この回転同期トルク外乱により、ベクトル制御を行っても、３相モータ１０１の回転角度は、目標回転角度θ^＊に一致しない。言い換えれば、３相モータ１０１のロータの角速度は、目標回転角速度に一致しない。

３相モータ１０１の回転角度を目標回転角度θ^＊に近づけるための一つの対処方法は、フィードバック制御系の制御帯域を高くする、即ち、角度検出器１０２や３相モータ制御装置１０４の動作周波数を高くすることである。しかしながら、現実には、角度検出器１０２のサンプリング周波数の制約やフィードバック系の発振の防止の必要から実現可能な制御帯域が制限されるから、この対処方法では不充分である。フィードバック制御系の制御帯域が制限される一方で回転同期トルク外乱が大きくなると、各サンプリング時刻における目標回転角度と検出回転角度との差が許容値より大きくなることが生じる。

特許第３２４４７４４号公報 特開平９−２１５３９９号公報 特開２００６−１４９１７６号公報 特開平７−１７０７９９号公報 特開平８−３２２２９９号公報 再公表特許ＷＯ２００５／０６７１３７号公報 特開２００５−３５１９８１号公報

本発明の目的は、フィードバック制御系の制御帯域が制限されても、回転同期トルク外乱の影響を抑制して３相モータの実際の回転角度の目標回転角度からの誤差を小さくすることができる３相モータの制御技術を提供することにある。

本発明の一の観点では、３相モータを駆動するドライバを制御する３相モータ制御装置が、目標回転角度を生成する目標回転角度生成手段と、３相モータの回転角度である検出回転角度を検出する回転角度検出手段と、３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を目標回転角度と検出回転角度に応答して生成するｑ軸指令値生成手段と、ｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する駆動トルク補正手段と、ｑ軸指令値に応答して３相モータを駆動するドライバを制御する制御信号を生成する制御信号生成手段とを具備している。駆動トルク補正手段は、３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を保持する角度参照テーブルを有しており、検出回転角度に応じて要素のいずれかを選択し、選択された要素の値に基づいてｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する。

本発明の他の観点では、３相モータシステムが、３相モータと、モータを駆動するドライバと、目標回転角度を生成する目標回転角度生成手段と、３相モータの回転角度である検出回転角度を検出する回転角度検出手段と、３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を目標回転角度と検出回転角度に応答して生成するｑ軸指令値生成手段と、ｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する駆動トルク補正手段と、ｑ軸指令値に応答して３相モータを駆動するドライバを制御する制御信号を生成する制御信号生成手段とを具備する。駆動トルク補正手段は、３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を保持する角度参照テーブルを有しており、検出回転角度に応じて要素のいずれかを選択し、選択された要素の値に基づいてｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する。

本発明の更に他の観点では、３相モータを制御する３相モータ制御方法が、
目標回転角度を生成するステップと、
３相モータの回転角度である検出回転角度を検出するステップと、
３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を目標回転角度と検出回転角度に応答して生成するステップと、
３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を角度参照テーブルに保持するステップと、
検出回転角度に応じて要素のいずれかを選択するステップと、選択された要素の値に基づいてｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成するステップと、ｑ軸指令値に応答して３相モータを駆動するステップと
を具備する。

本発明の更に他の観点では、記憶媒体に記憶されるプログラムが、下記のステップをディジタルコントローラに実行させる：
３相モータの回転角度である検出回転角度を検出するステップと、
３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を目標回転角度と検出回転角度に応答して生成するステップ、
３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を角度参照テーブルに保持するステップ、
検出回転角度に応じて要素のいずれかを選択するステップ、
選択された要素の値に基づいてｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成するステップ、及び
ｑ軸指令値に応答して３相モータを駆動するドライバを制御する制御信号を生成するステップ。

上記発明の目的、効果、特徴は、添付される図面と連携して実施の形態の記述から、より明らかになる。
図１は、３相モータをベクトル制御によって制御する３相モータシステムの典型的な構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施形態における３相モータシステムの構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第２の実施形態の３相モータシステムが適用された走査装置の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の第２の実施形態における３相モータシステムの構成を示すブロック図である。 図５は、第２の実施形態の３相モータシステムの動作の一例を示すタイミングチャートである。 図６は、第２の実施形態の３相モータシステムの動作の他の例を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態における３相モータ制御装置について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態の３相モータ制御装置を備えた３相モータシステムの構成を示す図である。本実施形態では、３相モータシステムが、負荷を取り付けた３相モータ１と角度検出器２とドライバ回路３と３相モータ制御装置４とを備えている。

３相モータ１は、ドライバ回路３から３相電力線３ａを介して３相電力の供給を受けて動作する。３相モータ１としては、誘導電動機、（永久磁石電動機を含む）同期電動機を使用できる。３相モータ１には、観測機器などの負荷が取り付けている。上述のように、３相モータ１に取り付けた負荷が、３相モータ１の軸の回転中心に対してオフセットしている等の理由により３相モータ１の軸の回転中心に対する慣性モーメントの分布にアンバランスが存在すると、３相モータ１のロータの回転に同期する回転同期トルク外乱が発生する。

角度検出器２は、所定のサンプリング周期で３相モータ１のロータの回転角度を検出する。以下では、角度検出器２によって検出された回転角度を、検出回転角度θと記載する。角度検出器２としては、例えば、レゾルバ、エンコーダ、磁気センサ、ホール素子等が使用される。

ドライバ回路３は、３相電力線３ａを介して３相モータ１に３相電力を供給する。ドライバ回路３は、３相電力線３ａの各相の電圧（ｕ相電圧Ｖｕ、ｖ相電圧Ｖｖ、ｗ相電圧Ｖｗ）が３相モータ１の逆起電力の影響を受けても３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊の値に維持されるように３相電力線３ａの電流制御を行う。３相電力線３ａの電流制御は、例えば、ＰＷＭ制御によって行われ得る。一実施形態では、ドライバ回路３は、電源とアナログ回路とで構成される。

３相モータ制御装置４は、目標回転角度生成部５とフィードバック制御器６と駆動トルク補正部７と２相３相変換部８と加算器１０とを備えている。３相モータ制御装置４は、角度検出器２によって検出された検出回転角度θに応答して、ドライバ回路３を制御する３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を生成する。以下、３相モータ制御装置４の構成を詳細に説明する。

目標回転角度生成部５は、目標回転角速度から各時刻における目標回転角度θ^＊を生成する。

フィードバック制御器６は、検出回転角度θを目標回転角度θ^＊に追従させるｑ軸指令基準値Ｖｑ^＊＿ｒｅｆを生成する。一実施形態では、フィードバック制御器６は、レートループ制御器とポジションループ制御器とで構成される。レートループ制御器は、回転角速度を推定するレート生成部と、外乱補償を行いながら回転角速度を目標回転角速度に追従させるレートループ補償要素部とで構成する。レート生成部は、ハイパスフィルタ（低周波数微分）を用いて３相モータ１の回転角速度を検出回転角度θから推定する。レートループ補償要素部は、回転角速度誤差（＝［目標回転角速度］−［回転角速度推定値］）にゲインを乗じることにより検出回転角度θを目標回転角度θ^＊に追従させるｑ軸指令基準値Ｖｑ^＊＿ｒｅｆを生成する。また、レートループ補償要素部は、ラグリードフィルタにより低周波領域の外乱補償を行う。ポジションループ制御器は、回転角度誤差Δθ（＝［目標回転角度θ^＊］−［検出回転角度θ］）を入力として積分器とリードラグフィルタを用いてレート指令を生成し、積分器によりループ帯域以下の周波数領域の外乱補償を行いながら、リードラグフィルタにより制御系の安定性を高める。

一方、駆動トルク補正部７は、検出回転角度θに応じて駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を生成する。後述のように、駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊とは、ｑ軸指令基準値Ｖｑ^＊＿ｒｅｆを補正してｑ軸指令値Ｖｑ^＊を生成するために使用される補正値である。駆動トルク補正部７の構成、及び駆動トルク補正部７による駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊の生成については、後に詳細に説明する。

信号加算器１０は、ｑ軸指令基準値Ｖｑ^＊＿ｒｅｆと駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を加えてｑ軸指令値Ｖｑ^＊を生成する。

ｄ軸指令値設定部１４は、ｄ軸指令値Ｖｄ^＊を生成する。このｄ軸指令値Ｖｄ^＊は、３相モータ１の目標回転角速度に応じた一定値に設定される。即ち、ｄ軸指令値Ｖｄ^＊は、目標回転角速度の設定が変更されない限り一定に保たれる。ｄ軸指令値Ｖｄ^＊を一定にすると、３相モータ１の駆動トルクがｑ軸指令値Ｖｑ^＊に比例するので、駆動トルクの最適な制御、即ち、ｑ軸指令値Ｖｑ^＊の最適な算出を簡単な回路構成や演算で実現することができる。

２相３相変換部８は、ｄ軸指令値Ｖｄ^＊とｑ軸指令値Ｖｑ^＊とに対して２相３相変換を行うことによって３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を生成する。一実施形態では、２相３相変換部８は、位相基準信号演算器と２相３相変換器で構成される。位相基準信号演算器は、検出回転角度θから算出された回転角速度と目標回転角速度とから位相基準信号を生成する。２相３相変換器は、位相基準信号を含む座標変換行列をｄ軸指令値Ｖｄ^＊とｑ軸指令値Ｖｑ^＊に作用させて３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊を生成する。なお、位相基準信号演算器で使用する回転角速度を検出回転角度θから２相３相変換部８において算出する代わりに、フィードバック制御器６において算出された回転角速度を２相３相変換部８の位相基準信号演算器において使用してもよい。３相指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊は、ドライバ回路３に供給され、ドライバ回路３の制御信号として使用される。

続いて、駆動トルク補正部７の構成、及び、駆動トルク補正部７による駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊の生成について説明する。駆動トルク補正部７は、角度参照テーブル１１とフィルタ１２と加算器１３とを備えている。減算器９は、目標回転角度θ^＊から検出回転角度θを減じて回転角度誤差Δθを生成する。

角度参照テーブル１１は、駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊の生成に使用される要素Ａ（１）〜Ａ（ｍ）を記憶するテーブルである。角度参照テーブル１１に記憶される要素の数ｍは、１回転を目標回転周波数ω^＊（Ｈｚ）とサンプリング周期Ｔ（ｓｅｃ）の積で割った値に設定される。例えば、目標回転数を６０ｒｐｍとし、角度検出器２のサンプリング周期を１０ｍｓｅｃとした場合、目標回転周波数は１Ｈｚなので、配列数ｍは、下記式：
ｍ＝１／（ω^＊×Ｔ），
＝１／（１×０．０１）
＝１００
によって計算される。この場合、角度参照テーブル１１は、要素Ａ（１）〜Ａ（１００）を記憶するテーブルとして構成される。角度参照テーブル１１の各要素は、要素番号ｉによって参照され、要素番号ｉに対応する要素が、要素Ａ（ｉ）である。

各要素Ａ（ｉ）は、検出回転角度θの特定の角度範囲に対応付けられている。以下では、要素Ａ（ｉ）に対応付けられた角度範囲を角度範囲＃ｉと記載する。角度範囲＃１〜＃ｍは、０°〜３６０°の全範囲をカバーするように決定される。例えば、要素の数ｍが１００である場合、角度範囲＃１〜＃ｍは、下記のように、３．６°（＝３６０°／１００）刻みで決定される：
３５８．２°＜θ≦１．８° ：角度範囲＃１（要素Ａ（１）に対応）
１．８°＜θ≦５．４° ：角度範囲＃２（要素Ａ（２）に対応）
・・・
３５２．８°＜θ≦３５８．２° ：角度範囲＃１００（要素Ａ（１００）に対応）

フィルタ１２は、角度参照テーブル１１から送られてきた値の特定周波数成分を通過させ他の周波数成分を除去して駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を生成する。例えば、目標回転周波数が１Ｈｚの場合、一実施形態では、フィルタ１２が高周波成分を除去する帯域１０Ｈｚの１次のローパスフィルタで構成される。

加算器１３は、検出回転角度θと回転角度誤差Δθとに応答して、角度参照テーブル１１の更新値Ａ’（ｉ）を算出する。後述のように、更新値Ａ’（ｉ）は、角度参照テーブル１１の値の更新に使用される。

このように構成された駆動トルク補正部７では、以下の手順で駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊が生成される。検出回転角度θがサンプリングされる毎に、検出回転角度θに応じて要素Ａ（１）〜Ａ（ｍ）のいずれかが選択され、選択された要素の値が、角度参照テーブル１１からフィルタ１２に送られる。ここで、検出回転角度θが角度範囲＃ｉに属する場合には、要素Ａ（ｉ＋α）の値がフィルタ１２に送られる。ただし、ｉ＋αがｍを超える場合には、要素Ａ（ｉ＋α−ｍ）の値がフィルタ１２に送られる。ここでαは、制御系の遅れ、具体的には、角度参照テーブル１１の出力から検出回転角度θの検出までの位相遅れを回転角度に換算して得られるオフセットである。例えば、目標回転数６０ｒｐｍに対応する周波数１Ｈｚの制御系の位相遅れが３６°である場合、オフセットαは、
α＝［位相遅れ］／３６０×ｍ＝３６／３６０×１００＝１０，
と決定される。制御系の遅れに基づいて要素の選択が行われることは、適切な駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を生成する為に有効である。

このようにして選択された要素Ａ（ｉ＋α）の値に対して高周波成分を除去するローパスフィルタ処理がフィルタ１２により行われて駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊が算出される。なお、ローパスフィルタ処理は本発明の原理上は必須の処理ではないことに留意されたい。ただし、フィルタ１２によるローパスフィルタ処理は制御の安定性のために有効である。

駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊の算出と並行して、検出回転角度θに対応する要素Ａ（ｉ）が更新される。詳細には、検出回転角度θが角度範囲＃ｉに属する場合、更新値Ａ’（ｉ）が要素Ａ（ｉ）と回転角度誤差Δθの和として算出され、角度範囲＃ｉに対応する要素Ａ（ｉ）が更新値Ａ’（ｉ）に更新される。このようにして要素Ａ（ｉ）が更新されることにより、要素Ａ（ｉ）の値は、３相モータ１の回転角度が角度範囲＃ｉに属する場合について過去に算出された回転角度誤差Δθを積算して得られる積算値になる。

本実施形態の３相モータシステムでは、このようにして生成された駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を用いてｑ軸指令基準値Ｖｑ^＊＿ｒｅｆを補正してｑ軸指令値Ｖｑ^＊を生成することにより、回転角度誤差Δθが減少されている。このような制御において重要な点は、駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊が検出回転角度θに応じて決定されることである。駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊が検出回転角度θに応じて決定されることは、３相モータ１の回転に同期して発生する回転同期トルク外乱による影響を抑えるために有効である。例えば、特定の検出回転角度θにおいて回転角度誤差Δθが大きくなる場合でも、当該検出回転角度θに対応して決定される駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を用いてｑ軸指令値Ｖｑ^＊が生成され、回転角度誤差Δθが減少される。このように、本実施形態の３相モータシステムでは、回転同期トルク外乱による影響を抑えて回転角度誤差Δθを小さくことができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、図３に図示されているように、本発明が３相モータ３１に装着した回転体（負荷）３２で対象物３５を走査する構成の走査装置に適用される。図３の３相モータシステムは、３相モータ３１に装着した回転体３２を一定の目標回転角速度（定常回転角速度）で回転方向３３の向きに回転させるように構成される。

第２の実施形態の３相モータシステムでは、第１の実施形態とは異なり、回転体３２が基準信号Ｉｎｄｅｘに同期して回転するように３相モータ３１が制御される；第１の実施形態の３相モータ制御装置４の構成は、３相モータ３１の回転が基準信号Ｉｎｄｅｘに同期するように構成されていない。詳細には、第２実施形態では、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされたときに回転体３２が対象物３５の特定の場所を指向するように、即ち、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされたときの３相モータ３１のロータの回転角度が所定の基準角度θ＿０になるように３相モータ３１が制御される。このような動作に対応するために、第２の実施形態では、３相モータ制御装置４の構成・動作が、３相モータ３１が基準信号Ｉｎｄｅｘに同期して回転するように変更される。なお、回転体の回転角度を基準信号に同期するように制御する方法は、例えば、特開２００５−３５１９８１号公報（特許文献７）に開示されている。この特許文献７には、回転体の回転角度が所定の基準位置になる位相と基準信号の位相との差に応じて制御ゲインを変化させる構成が開示されている。

図４は、第２の実施形態における３相モータシステムの構成を示すブロック図である。第２の実施形態の３相モータシステムの構成は、第１の実施形態と類似しているが、３相モータ制御装置４に基準信号同期制御部１５が追加される点、及び、駆動トルク補正部７に角度参照テーブルオンオフスイッチ１６が追加されることが異なる。基準信号同期制御部１５は、３相モータ３１のロータの回転角度を基準信号Ｉｎｄｅｘに同期させるための制御を実行する。角度参照テーブルオンオフスイッチ１６は、駆動トルク補正部７に設けられた角度参照テーブル１１の更新・不更新を切り替えるためのスイッチである。角度参照テーブルオンオフスイッチ１６の役割・動作については後述する。

ロータの回転角度と基準信号Ｉｎｄｅｘの同期を実現するために、基準信号同期制御部１５は、３相モータ３１のロータの回転角速度を制御する。より具体的には、基準信号同期制御部１５は、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点における検出回転角度θと基準角度θ＿０との誤差Δθ＿０を算出する。そして、基準信号同期制御部１５は、検出回転角度θが基準角度θ＿０よりも進んでいる場合には目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}よりも減少させ、検出回転角度θが基準角度θ＿０よりも遅れている場合には目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}よりも増加させる。このような制御により、基準信号同期制御部１５は、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点における検出回転角度θを基準角度θ＿０に近づける。目標回転角度生成部５は、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊に基づいて（詳細には、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を積分して）目標回転角度θ^＊を生成する。

一つの問題は、３相モータ３１のロータの回転角速度を変更する制御と、角度参照テーブル１１を用いたｑ軸指令値Ｖｑ^＊の補正とを同時に実行すると、目標回転角度θ^＊と回転体３２の回転角度との誤差が大きくなる現象が生じ得ることである。これは、回転角速度を変更することにより発生する回転角度誤差Δθの変動を角度参照テーブル１１が積算してしまうためである。駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を適切に生成するためには、角度参照テーブル１１の各要素Ａ（ｉ）に積算される値から回転角速度を変更することにより発生する回転角度誤差Δθの変動の影響を除くことが望ましい。

角度参照テーブルオンオフスイッチ１６は、角度参照テーブル１１に積算される値から回転角速度を変更することにより発生する回転角度誤差Δθの変動の影響を除くために設けられる。回転角速度が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}に設定される場合、角度参照テーブルオンオフスイッチ１６がオンされる。この場合、回転角度誤差Δθは、目標回転角度θ^＊から検出回転角度θを減じた値に設定される。一方、回転角速度が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}から変化される場合、角度参照テーブルオンオフスイッチ１６がオフにされる。この場合、回転角度誤差Δθが０に設定される。これにより、角度参照テーブル１１の更新値Ａ’（ｉ）が更新前の要素Ａ（ｉ）の値に一致され、角度参照テーブル１１の更新が停止される。

以下では、外部基準信号同期制御器１５の構成、および、外部基準同期制御器１５の動作について詳細に説明する。
基準信号同期制御器１５は、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を生成する。一実施形態では、基準信号同期制御器１５は、基準角度誤差演算部と目標回転角速度生成部と角度参照テーブル制御部とを備えている。基準角度誤差演算部は、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点の検出回転角度θと基準角度θ＿０との差である基準角度誤差Δθ＿０を算出する。ここで、基準角度θ＿０は、予め与えられる所定値であり、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点において、回転体３２が向くべき角度である。目標回転角速度生成部は、基準角度誤差Δθ＿０が所定範囲にある場合に、より具体的には、基準角度誤差Δθ＿０の絶対値が所定の設定値θ_ＬＭＴより小さい場合に、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を所定の定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}に設定する。ここで、本実施形態では、定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}は、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされる周期をＴｉｎｄｅｘとして、３６０°／Ｔｉｎｄｅｘと設定される。基準角度誤差Δθ＿０の絶対値が所定の設定値θ_ＬＭＴより大きい場合、目標回転角速度生成部は、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を、基準角度誤差Δθ＿０に応じた値に設定する。一実施形態では、Δθ＿０（＝θ−θ＿０）＞θ_ＬＭＴである場合には、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}より高い所定値に設定し、Δθ＿０（＝θ−θ＿０）＜θ_ＬＭＴである場合には、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}より低い所定値に設定する。

また、角度参照テーブル制御部は、基準角度誤差Δθ＿０の絶対値が設定値θ_ＬＭＴより小さい場合には角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬをアサートし、そうでない場合には、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬをネゲートする。角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬがアサートされると、角度参照テーブルオンオフスイッチ１６がオンされ、角度参照テーブル１１の内容が更新される。一方、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬがネゲートされると角度参照テーブルオンオフスイッチ１６がオフされ、角度参照テーブル１１の内容は、そのままに維持される。

図５は、本実施形態におけるモータシステムの動作の一例を示すタイミングチャートであり、基準信号Ｉｎｄｅｘ、検出回転角度θ、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬ、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊、及び、目標回転角度θ^＊の変化を図示している。

基準信号Ｉｎｄｅｘは、所定の時間間隔でアサートされる。基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされる毎に、検出回転角度θと基準角度θ＿０との差である基準角度誤差Δθ＿０が算出され、算出された基準角度誤差Δθ＿０に応じて、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬ及び目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が設定される。

より具体的には、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされる時刻ｔ１においては、基準角度誤差Δθ＿０の絶対値が設定値θ_ＬＭＴよりも大きい。この場合、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬがネゲートされ（図５では、“Ｌ”レベルに設定され）、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が基準角度誤差Δθ＿０に応じた値に設定される。図５の動作では、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}よりも低い角速度Ｖ_１に設定される。これにより、目標回転角度θ^＊は、時刻ｔ１以降は、定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}に対応する目標回転角度軌道４１から角速度Ｖ_１に対応する目標回転角度軌道４２へと変化する。目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}よりも低い角速度Ｖ_１に設定されることにより、基準角度誤差Δθ＿０は減少していく。

この間、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬがネゲートされているので、角度参照テーブル１１は更新されない。これにより、基準角度誤差Δθ＿０が不適正に大きい場合に回転角度誤差Δθ（＝θ ^＊ −θ^＊）の変動を角度参照テーブル１１が積算してしまう不具合が回避される。

その後、時刻ｔ２においては、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点における基準角度誤差Δθ＿０が設定値θ_ＬＭＴよりも小さくなる。図５では、時刻ｔ２における基準角度誤差Δθ＿０は０である。この場合、この場合、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬがアサートされ（図５では、“Ｈ”レベルに設定され）、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}に設定される。これにより、目標回転角度θ^＊は、時刻ｔ２以降は、角速度Ｖ_１に対応する目標回転角度軌道４３から定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}に対応する目標回転角度軌道４２に変化する。

時刻ｔ２以降においては、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬがアサートされるので、角度参照テーブル１１は更新され、角度参照テーブル１１の各要素に回転角度誤差Δθが積算される。角度参照テーブル１１を用いて駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を決定し、その駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を用いてｑ軸指令値Ｖｑ^＊を補正することにより、回転角度誤差Δθを減少させることができる。

図６は、本実施形態におけるモータシステムの動作の他の例を示すタイミングチャートであり、基準信号Ｉｎｄｅｘ、検出回転角度θ、角度参照テーブルオンオフ信号ＯＮＯＦＦ＿ＣＴＬ、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊、及び、目標回転角度θ^＊の変化を図示している。図６の動作では、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点において基準角度誤差Δθ＿０が設定値θ_ＬＭＴより大きい場合に目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が基準角度誤差Δθ＿０に対応して段階的に変化される。具体的には、時刻ｔ１においては、基準角度誤差Δθ＿０が設定値θ_ＬＭＴより大きいため、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}よりも低い角速度Ｖ_１１に設定される。その後、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされる時刻である時刻ｔ２においては、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}よりも低く角速度Ｖ_１１よりも大きい角速度Ｖ_１２に設定される。以下、同様の手順により、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされる毎に目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が角速度Ｖ_１ｎまで段階的に増大される。基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされる時刻である時刻ｔ３においては、基準角度誤差Δθ＿０の絶対値が設定値θ_ＬＭＴよりも小さくなり、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が定常回転角速度Ｖ_{ＲＡＴＥＤ}に設定される。

なお、図６では、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時点で目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が変化されているが、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされるタイミングの間のタイミングで目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が変化されてもよい。

本実施形態の３相モータシステムでは、基準信号Ｉｎｄｅｘがアサートされた時刻における基準角度誤差Δθ＿０に応じて目標回転角速度Ｖｅｌ^＊が生成されると共に、基準角度誤差Δθ＿０の絶対値が大きい場合には角度参照テーブル１１の更新が停止される。このようにして生成された駆動トルク補正値ΔＶｑ^＊を用いてｑ軸指令基準値Ｖｑ^＊＿ｒｅｆを補正してｑ軸指令値Ｖｑ^＊を生成することにより、基準信号Ｉｎｄｅｘに同期しながら回転角度誤差Δθの悪化を抑えている。このような制御において重要な点は、基準角度誤差Δθ＿０に応じて目標回転角速度Ｖｅｌ^＊を決定し、角度参照テーブルオンオフスイッチ１６を設定することである。角度参照テーブルの更新値Ａ’（ｉ）が基準角度誤差Δθ＿０に応じて決定されることは、基準信号Ｉｎｄｅｘと同期をとるための回転角度誤差Δθの変動による影響を抑えるために有効である。例えば、目標回転角速度Ｖｅｌ^＊の切り替えに伴い過渡的に回転角度誤差Δθが大きくなる場合でも、角度誤差の変動を角度参照テーブル１１に反映させないことにより基準信号Ｉｎｄｅｘに同期した後の回転角度誤差Δθの悪化に伴う制御系の収束時間を短縮することができる。

上述には本発明の具体的な実施形態が記述されているが、本発明は、当業者には自明な様々な変更がなされて実施され得ることに留意されたい。例えば、上述の実施形態において、３相モータ制御装置４は、上記の各ブロックを備えるハードウェアとして実装されてもよい。その代わりに、３相モータ制御装置４の各ブロックの機能をソフトウェアで実現してもよい。例えば、一実施形態では、３相モータ制御装置４は、数値演算をソフトウェア的に行うディジタルコントローラとして実装されてもよい。この場合、各ブロックの機能を実現するソフトウェアプログラムがディジタルコントローラとして使用される演算装置にインストールされる。一実施形態では、このインストールには記録媒体が使用される。

また、上述の実施形態では、ｄ軸指令値、ｑ軸指令値、３相指令値としては、それぞれ、ｄ軸電圧、ｑ軸電圧、３相電圧（ｕ相電圧、ｖ相電圧、ｗ相電圧）の指令値が用いられるが、その代わりに、ｄ軸指令値、ｑ軸指令値、３相指令値としてｄ軸電流、ｑ軸電流、３相電流（ｕ相電流、ｖ相電流、ｗ相電流）の指令値を用いてもよい。

本発明によれば、フィードバック制御系の制御帯域の制約を克服して、３相モータの実際の回転角度の目標回転角度からの誤差を小さくすることができる。

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

なお、本出願は、日本出願番号２００９−０５５２９９および日本出願番号２００９−２５８９９６に基づく優先権を主張するものであり、日本出願番号２００９−０５５２９９および日本出願番号２００９−２５８９９６における開示内容は引用により本出願に組み込まれる。

Claims (13)

1. ３相モータを駆動するドライバを制御する３相モータ制御装置であって、
   目標回転角度を生成する目標回転角度生成手段と、
   前記３相モータの回転角度である検出回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を前記目標回転角度と前記検出回転角度とに応答して生成するｑ軸指令値生成手段と、
   前記ｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する駆動トルク補正手段と、
   前記ｑ軸指令値に応答して前記３相モータを駆動する前記ドライバを制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と
   を具備し、
   前記駆動トルク補正手段は、前記３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を保持する角度参照テーブルを有しており、前記検出回転角度に応じて前記要素のいずれかを選択し、選択された前記要素の値に基づいて前記ｑ軸指令基準値を補正して前記ｑ軸指令値を生成する
   ３相モータ制御装置。
2. 請求項１に記載の３相モータ制御装置であって、
   前記角度範囲のそれぞれに対応付けられた前記要素の値は、前記３相モータの前記検出回転角度が前記角度範囲にある場合について過去に算出された前記回転角度誤差を積算して得られる積算値である
   ３相モータ制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の３相モータ制御装置であって、
   前記駆動トルク補正手段は、前記検出回転角度に加え、前記角度参照テーブルからの前記選択された要素の出力から前記検出回転角度の検出までの制御系の位相遅れに応じて前記要素のいずれかを選択する
   ３相モータ制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の３相モータ制御装置であって、
   前記駆動トルク補正手段は、選択された前記要素の値に対してフィルタ処理を行って前記駆動トルク補正値を算出し、前記駆動トルク補正値で前記ｑ軸指令基準値を補正して前記ｑ軸指令値を生成する
   ３相モータ制御装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の３相モータ制御装置であって、
   前記３相モータのｄ軸電圧又はｄ軸電流を制御するｄ軸指令値を出力するｄ軸指令値設定手段を更に備え、
   前記ｄ軸指令値設定手段は、前記ｄ軸指令値を、前記３相モータの目標回転角速度に応じた一定値に設定する
   ３相モータ制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の３相モータ制御装置であって、
   当該３相モータ制御装置の外部から供給される基準信号に同期して目標回転角速度を生成する基準信号同期制御手段を更に具備し、
   前記目標回転角度生成手段は、前記目標回転角速度に応答して目標回転角度を生成し、
   前記基準信号同期制御手段は、前記基準信号がアサートされた時点における前記検出回転角度と所定の基準角度との差である基準角度誤差に応答して前記目標回転角速度を生成し、
   前記駆動トルク補正手段は、前記基準角度誤差に応じて前記角度参照テーブルの前記要素の更新を行い、又は、更新を行わない
   ３相モータ制御装置。
7. 請求項６に記載の３相モータ制御装置であって、
   前記基準信号同期制御手段は、前記基準信号がアサートされた時点における前記基準角度誤差が所定範囲内にある場合、前記目標回転角速度を前記基準信号がアサートされる時間間隔に同期する定常回転角速度に設定し、前記基準角度誤差が前記所定範囲外にある場合には前記目標回転角速度を前記定常回転角速度と異なる角速度に設定する
   ３相モータ制御装置。
8. ３相モータと、
   前記モータを駆動するドライバと、
   目標回転角度を生成する目標回転角度生成手段と、
   前記３相モータの回転角度である検出回転角度を検出する回転角度検出手段と、
   前記３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を前記目標回転角度と前記検出回転角度とに応答して生成するｑ軸指令値生成手段と、
   前記ｑ軸指令基準値を補正してｑ軸指令値を生成する駆動トルク補正手段と、
   前記ｑ軸指令値に応答して前記３相モータを駆動する前記ドライバを制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と
   を具備し、
   前記駆動トルク補正手段は、前記３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を保持する角度参照テーブルを有しており、前記検出回転角度に応じて前記要素のいずれかを選択し、選択された前記要素の値に基づいて前記ｑ軸指令基準値を補正して前記ｑ軸指令値を生成する
   ３相モータシステム。
9. 請求項８に記載の３相モータシステムであって、
   外部から供給される基準信号に同期して目標回転角速度を生成する基準信号同期制御手段を更に具備し、
   前記目標回転角度生成手段は、前記目標回転角速度に応答して目標回転角度を生成し、
   前記基準信号同期制御手段は、前記基準信号がアサートされた時点における前記検出回転角度と所定の基準角度との差である基準角度誤差に応答して前記目標回転角速度を生成し、
   前記駆動トルク補正手段は、前記基準角度誤差に応じて前記角度参照テーブルの前記要素の更新を行い、又は、更新を行わない
   ３相モータシステム。
10. ３相モータを制御する３相モータ制御方法であって、
    目標回転角度を生成するステップと、
    前記３相モータの回転角度である検出回転角度を検出するステップと、
    前記３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を前記目標回転角度と前記検出回転角度とに応答して生成するステップと、
    前記３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を角度参照テーブルに保持するステップと、
    前記検出回転角度に応じて前記要素のいずれかを選択するステップと、
    選択された前記要素の値に基づいて前記ｑ軸指令基準値を補正して前記ｑ軸指令値を生成するステップと、
    前記ｑ軸指令値に応答して前記３相モータを駆動するステップと
    を具備する
    ３相モータ制御方法。
11. 請求項１０に記載の３相モータ制御方法であって、
    外部から供給される基準信号に同期して、前記基準信号がアサートされた時点における前記検出回転角度と所定の基準角度との差である基準角度誤差に応答して目標回転角速度を生成するステップと、
    前記角度参照テーブルの前記要素の更新を行うステップと
    を更に備え、
    前記目標回転角度が前記目標回転角速度に応答して生成され、
    前記角度参照テーブルの前記要素の更新は、前記基準角度誤差に応じて実行され、又は、実行されない
    ３相モータ制御方法。
12. 目標回転角度を生成するステップと、
    前記３相モータの回転角度である検出回転角度を検出するステップと、
    前記３相モータのｑ軸電圧又はｑ軸電流を制御するｑ軸指令基準値を目標回転角度と前記検出回転角度とに応答して生成するステップと、
    前記３相モータの回転角度の角度範囲のそれぞれに対応付けられた要素の値を角度参照テーブルに保持するステップと、
    前記検出回転角度に応じて前記要素のいずれかを選択するステップと、
    選択された前記要素の値に基づいて前記ｑ軸指令基準値を補正して前記ｑ軸指令値を生成するステップと、
    前記ｑ軸指令値に応答して前記３相モータを駆動するドライバを制御する制御信号を生成するステップと
    をディジタルコントローラに実行させるプログラムを記憶する記憶媒体。
13. 請求項１２に記載のプログラムを記憶する記憶媒体であって、
    外部から供給される基準信号に同期して、前記基準信号がアサートされた時点における前記検出回転角度と所定の基準角度との差である基準角度誤差に応答して目標回転角速度を生成するステップと、
    前記角度参照テーブルの前記要素の更新を行うステップと
    を更に前記ディジタルコントローラに実行させ、
    前記目標回転角度が前記目標回転角速度に応答して生成され、
    前記角度参照テーブルの前記要素の更新は、前記基準角度誤差に応じて実行され、又は、実行されない
    プログラムを記憶する記憶媒体。

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