JPWO2017195435A1 - モータモジュール、モータステップ動作制御システム、およびモータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１パルスあたりのロータの位置変化量が可変であるモータモジュールを提供する。【解決手段】本発明のモータモジュールは、一態様において、モータＭを駆動するモータ駆動回路１０と、モータＭにおけるロータＲの位置推定信号を出力する位置推定装置３０とを備える。更に、パルス信号に応答してモータ駆動回路１０に電圧指令値を与えるモータ制御回路２０と、パルス信号の１パルスに対するロータＲの位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶した可変ステップサイズメモリ４０とを備える。位置推定信号はアナログまたはデジタルの信号である。モータ制御回路２０は、パルス信号を受け取ると、位置推定装置３０から取得したロータＲの位置推定値と可変ステップサイズメモリ４０から読み出された可変ステップサイズ情報とに基づいて電圧指令値を決定する。モータ駆動回路１０は電圧指令値に基づいてロータＲの位置を変化させる。【選択図】図１

Description

本願は、モータモジュール、モータステップ動作制御システム、およびモータ制御装置に関する。また、本願は、当該モータモジュールを備える装置、およびモータステップ動作制御システムにも関する。

ステッピングモータは、外部装置から入力されたパルス信号に応答して、ロータの位置および速度を変化させることができる。ステッピングモータは、プリンタ、スキャナ、複写機、および複合機などの装置に広く用いられている。しかし、ステッピングモータには、例えばブラシレスＤＣモータに比べると、振動および騒音が大きい、エネルギ変換効率が低い、脱調するなどの課題がある。

特開２０１５−１９５６３号公報は、ステッピングモータをブラシレスＤＣモータによって置き換えた画像形成装置を開示している。この装置におけるブラシレスＤＣモータは、ロータの位置を指定するパルス信号を受けると、１パルスごとに単位ステップ角でロータを回転させる。ブラシレスＤＣモータにおけるロータの位置を示す信号（回転位置検出信号）は、ブラシレスＤＣモータから出力された磁極位相信号を変換して作られる。この回転位置検出信号は、公知のロータリエンコーダから出力される信号と等価な２相のパルス列である。

特開２０１５−１９５６３号公報

特開２０１５−１９５６３号公報に開示されている装置によれば、ロータの位置は、固定された単位ステップ角で変化する。この単位ステップ角の大きさは、回転位置検出信号のパルス周期に等しいか、パルス周期の２以上の整数倍である。

本開示は、１パルスあたりのロータの位置変化量が可変であるモータモジュール、モータステップ動作制御システム、およびモータ制御装置を提供する。

本開示のモータモジュールは、一態様において、可動子および固定子を有するモータと、前記モータを駆動するモータ駆動回路と、前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を出力する位置推定装置と、前記モータ駆動回路に接続され、パルス信号に応答して前記モータ駆動回路に電圧指令値を与えるモータ制御回路と、前記パルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶したメモリとを備える。前記モータ制御回路は、前記パルス信号を受け取ると、前記位置推定装置から取得した前記可動子の位置推定値と、前記メモリから読み出された前記可変ステップサイズ情報とに基づいて、前記電圧指令値を決定する。前記モータ駆動回路は、前記電圧指令値に基づいて、前記可動子の位置を変化させる。

本開示の装置は、一態様において、前記モータモジュールと、前記モータモジュールが備えるモータに接続された機械部品と、前記パルス信号を前記モータ制御回路に入力するコントローラと、を備える。

本開示のモータステップ動作制御システムは、一態様において、可動子および固定子を有するモータを駆動するモータ駆動回路と、前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を出力する位置推定装置と、前記モータ駆動回路に接続され、パルス信号に応答して前記モータ駆動回路に電圧指令値を与えるモータ制御回路と、前記パルス信号の１パルスあたりに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶したメモリとを備える。前記モータ制御回路は、前記パルス信号を受け取ると、前記位置推定装置から取得した前記可動子の位置推定値と、前記メモリから読み出された前記可変ステップサイズ情報とに基づいて、前記電圧指令値を決定する。前記モータ駆動回路は、前記電圧指令値に基づいて、前記可動子の位置を変化させる。

本開示のモータ制御装置は、一態様において、可動子および固定子を有するモータを駆動するモータ駆動回路と、前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を出力する位置推定装置とに接続されて使用されるモータ制御装置であって、位置指令値および前記位置推定値に基づいて電圧指令値を生成し、前記電圧指令値を前記モータ駆動回路に与える制御回路と、外部装置から入力されるパルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶したメモリと、前記パルス信号および前記可変ステップサイズ情報に基づいて前記位置指令値を生成する位置指令値生成回路とを備える。

本開示のステップ動作制御方法は、一態様において、可動子および固定子を有するモータのステップ動作制御方法であって、モータ制御装置によって、前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を生成することと、前記モータ制御装置によって、外部装置から入力されるパルス信号の１パルスあたりに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報をメモリから取得することと、前記モータ制御回路によって、前記外部装置からパルス信号を受け取り、前記可動子の位置推定値と前記可変ステップサイズ情報とに基づいて前記電圧指令値を生成することと、前記モータ駆動回路によって、前記電圧指令値に基づいて前記可動子の位置を可変ステップで変化させることとを含む。

本発明の実施形態によれば、メモリに記録されている「可変ステップサイズ情報」を変更することにより、１パルスあたりのロータの位置変化量（典型的にはステップ角）を変化させることができる。本発明のある実施形態によれば、モータの機械的構造を変更することなく、１パルスあたりのロータの位置変化量を目的とする大きさにすることができる。このようなステップサイズの変更は、モータの機械的構造を変化させることなく、メモリ内のデータを更新したり、外部装置からの信号入力またはスイッチ動作によって行うことも可能になる。

図１は、本開示によるモータモジュールの例示的な基本構成を示すブロック図である。 図２は、本開示によるモータモジュールにおけるモータ制御回路２０のハードウェア構成の例を示す図である。 図３Ａは、モータ制御回路２０の機能ブロックを模式的に示す図である。 図３Ｂは、位置推定装置３０から出力されたロータＲの位置推定値Θ＾を示す信号の例を示す図である。 図４Ａは、図１の外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係を模式的に示す図である。 図４Ｂは、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係の他の例を模式的に示す図である。 図４Ｃは、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係の更に他の例を模式的に示す図である。 図４Ｄは、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係の更に他の例を模式的に示す図である。 図５Ａは、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係の更に他を模式的に示す図である。 図５Ｂは、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係の更に他の例を模式的に示す図である。 図６は、ロータＲの回転速度と時間との関係を示すグラフ（上段）と、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（下段）とを示す図である。 図７は、ロータＲの回転方向を指定する信号を受け取ることのできる位置指令値生成回路５２０Ａ、５２０Ｂの例を示す図である。 図８Ａは、位置指令値生成回路５２０ＡのＣＷ端子およびＣＣＷ端子に入力される信号の波形を示す図である。 図８Ｂは、位置指令値生成回路５２０ＢのＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子に入力される信号の波形の他の例を示す図である。 図８Ｃは、位置指令値生成回路５２０ＢのＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子に入力される信号の波形の更に他の例を示す図である。 図９は、本開示におけるモータ制御回路２０の機能ブロックの詳細構成例を示す図である。 図１０は、位置指令値生成回路５２０の構成例を示すブロック図である。 図１１は、位置指令値生成回路５２０による位置指令値の生成動作の一例を示すフローチャートである。 図１２は、本開示の実施形態に係るモータモジュール１０００の構成の一例を示す概略図である。 図１３は、実施形態に係るモータＭの概略構成図である。 図１４は、実施形態に係る増幅回路２００が出力する検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、Ｈｗ０の一例を説明する図である。 図１５は、実施形態に係るＡＤ変換器３１が出力する検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の一例を説明する図である。 図１６は、実施形態に係る３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係、交差点、ゼロクロス点、分割信号について説明する図である。 図１７は、実施形態に係る電気角１周期分の分割信号の接続について説明する図である。 図１８は、線分接続部３２３による動作の分割信号の機械角１周期分の接続についての具体例を示す図である。 図１９は、実施形態に係るモータモジュール１０００の他の構成例を示す概略図である。

以下において、特段の断りがない場合、上付きの＊は、指令値を表している。また、ハットの符号＾は、推定値を表す。本開示において、ＣＷ回転とは、モータの出力軸側から見て時計まわり方向の回転である。ＣＣＷ回転とは、出力軸側から見て反時計まわり方向の回転である。

まず、図１を参照しながら、本開示によるモータモジュールの例示的な基本構成を説明する。

図１に例示されているモータモジュール１０００は、モータＭと、モータＭの動作を制御するモータステップ動作制御システム１とを備えている。モータＭは、ロータＲと不図示のステータとを備えている。本開示におけるモータＭの典型例は、ブラシレスＤＣモータであり、ステッピングモータではない。モータステップ動作制御システム１は、モータＭを駆動するモータ駆動回路１０と、モータ駆動回路１０に接続されているモータ制御回路２０とを備えており、モータＭにステップ動作を実行させることが可能である。なお、図１には、ブロック間に双方向の白抜き矢印が記載されている。この矢印は、信号およびデータなどの情報が常に２方向に移動し得ることを意味していない。例えば、モータ駆動回路１０とモータ制御回路２０との間では、モータ制御回路２０からモータ駆動回路１０に向かって１方向に信号が送られても良い。

モータモジュール１０００は、外部装置７０に接続されている。この例における外部装置７０は、ステッピングモータコントローラ７２と、ステッピングモータコントローラ７２を制御する上位コントローラ７４とを備えている。ステッピングモータコントローラ７２は、通常のステッピングモータを駆動するためのパルス信号を出力する。モータ制御回路２０は、このパルス信号を受け取り、ステッピングモータではないモータＭにステップ動作を実行させることができる。モータ駆動回路１０は、モータ制御回路２０から出力された電圧指令値に基づいて、モータＭの動作に必要な電圧を与える。モータ駆動回路１０は、例えばインバータ回路およびプリドライバを備えている。インバータ回路は、複数のパワートランジスタを有するブリッジ回路であり得る。モータ駆動回路１０は、電圧指令値として、典型的にはパルス幅変調（ＰＷＭ）信号をモータ制御回路２０から受け取り、擬似的な正弦波電圧をモータＭに与える。

本開示のモータモジュール１０００が例えば複合機に使用される場合、外部装置７０は、ステッピングモータコントローラ７２以外の種々の制御回路を備えている。一般に、そのような制御回路は、ステッピングモータコントローラ７２とともに、１個または複数個の特定用途向け集積回路チップによって実現され得る。このため、従来の複合機におけるステッピングモータを他のモータ（例えばブラシレスＤＣモータ）に置き換える場合、ステッピングモータコントローラ７２の機能をブラシレスＤＣモータの動作のために変更することは困難である。本開示によるモータモジュール１０００の構成によれば、ステッピングモータの使用を前提として製造された外部装置７０の基本設計を変更することなく、ステッピングモータを他の種類のモータＭに変更して使用することが可能になる。

図示されているモータモジュール１０００は、ロータＲの位置推定信号を出力する位置推定装置３０と、可変ステップサイズ情報を記憶した可変ステップサイズメモリ４０とを更に備えている。位置推定信号は、ロータＲの位置推定値を示す信号である。位置推定信号は、位置推定装置３０からモータ制御回路２０に入力される。本実施形態における位置推定装置３０が出力する位置推定信号は、パルス列ではなく、ロータＲの位置に応じて線形的に変化する大きさを有している。この点において、本開示における位置推定信号は、公知のロータリエンコーダが出力する回転位置検出信号とは大きく異なる。位置推定信号例の概略については、のちに図３Ｂを参照して説明する。

前述したように、ロータリエンコーダから出力される信号の典型例は、２相パルス列である。２相パルス列に基づいてロータＲの位置を制御しようとすると、２相パルス列のパルス間隔よりも狭い分解能でロータＲの位置を制御することはできない。しかし、後に説明するように、本開示によるモータモジュールの実施形態では、位置推定信号がロータＲの位置（機械角）の変化に応じて線形的に変化する大きさを持つ。このため、ロータリエンコーダの分解能に制限されずにロータＲの位置決めを行うことが可能になる。また、その結果、外部装置７０が送出するパルス信号の１パルスに対する「ロータの位置変化量（ステップサイズ）」を自在に変更することも可能になる。

外部装置７０から入力されるパルス信号の１パルスに対する「ロータの位置変化量」を規定する情報、すなわち「可変ステップサイズ情報」は、可変ステップサイズメモリ４０に記憶されている。従来、ステッピングモータにおけるパルス信号の１パルスに対するロータの位置変化量（回転角度）は、「ステップ角」と称されている。例えばステップ角が０．９°の場合、パルス信号の１パルスに対するロータの位置変化量は０．９°である。従来のステッピングモータでは、ステップ角の最小単位は、モータの機械的構造によって決まっている。ステップ角の最小単位が０．９°であるステッピングモータを使用する場合、０．９°よりも小さな任意の角度でロータの位置決めを行うことはできない。しかし、本開示の実施形態によれば、パルス信号の１パルスに対するロータの位置変化量を、モータの機械的構造に制約されることなく決定することができる。この詳細は後述する。

本開示によるモータ制御回路２０は、外部装置７０からパルス信号を受け取ると、位置推定装置３０から取得したロータＲの位置推定値と、可変ステップサイズメモリ４０から読み出した可変ステップサイズ情報とに基づいて、電圧指令値を決定する。モータ駆動回路１０は、この電圧指令値に基づいてモータＭを駆動し、ロータＲの位置を変化させる。

モータ制御回路２０は、例えば図２に示されるハードウェア構成を有していても良い。この例におけるモータ制御回路２０は、互いにバス接続されたＣＰＵ（中央演算ユニット）５４、ＰＷＭ回路５５、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）５６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）５７、およびＩ／Ｆ（入出力インタフェース）５８を有している。図示されていない他の回路またはデバイス（ＡＤ変換器など）が付加的にバスに接続されていても良い。ＰＷＭ回路５５は、図１のモータ駆動回路１０にＰＷＭ信号を与える。ＣＰＵ５４の動作を規定するプログラムおよびデータは、ＲＯＭ５６およびＲＡＭ５７の少なくとも一方に記憶されている。このようなモータ制御回路２０は、例えば３２ビットの汎用的なマイクロコントローラによって実現され得る。そのようなマイクロコントローラは、例えば１個または複数の集積回路チップから構成され得る。

上述した可変ステップサイズメモリ４０は、図１において、モータ制御回路２０から分れて記載されているが、モータ制御回路２０内のＲＯＭ５６およびＲＡＭ５７の少なくとも一方の一部が可変ステップサイズメモリ４０を実現していても良い。また、モータ制御回路２０が位置推定装置３０の機能の一部または全部を実現しても良い。

モータ制御回路２０が行う各種の動作の詳細については、後述する。典型的には、モータ制御回路２０が行う各種の動作は、プログラムによって規定されている。プログラムの内容の一部または全部を更新することにより、モータ制御回路２０の動作の一部または全部を変更することが可能である。そのようなプログラムの更新は、プログラムを格納した記録媒体を用いて行ってもよいし、有線または無線の通信によって行っても良い。通信は、図２のＩ／Ｆ５８を用いて行うことができる。図２に示されるＣＰＵ５４の演算量を低減するために、モータ制御回路２０が行う各種の動作の一部、例えばベクトル演算の一部が、その演算専用のハードウェア回路によって実行されてもよい。

図３Ａは、モータ制御回路２０の機能ブロックを模式的に示す図である。図示されているモータ制御回路２０は、信号処理回路５００、位置指令値生成回路５２０、および演算器５４０を有している。位置指令値生成回路５２０は、外部装置７０から入力されたパルス信号に基づいて位置指令値Θ*を生成し、演算器５４０に入力する。

演算器５４０には、位置推定装置３０から出力された位置推定値Θ＾も入力される。位置推定装置３０は、ロータＲの位置をセンシングする検出装置１５０からの信号に基づいてロータＲの位置を推定する。例えば、位置指令値Θ*が４５．５°、位置推定値Θ＾が３０°であるとき、演算器５４０および信号処理回路５００は、ロータＲをΘ＝３０°の位置からΘ＝４５．５°の位置に移動させる（回転させる）ための電圧指令値を算出する。この電圧指令値は、ロータＲの位置変化に応じて適切な値が算出され、例えば約５０マイクロ秒間隔でモータ駆動回路１０に与えられる。モータ制御回路２０は、位置推定装置３０から受け取る位置推定値Θ＾が位置指令値Θ*に等しくなるまで、モータ駆動回路１０を制御してモータＭを駆動する。モータ制御回路２０が電圧指令値としてＰＷＭ信号を出力する場合、電圧指令値を出力する周期を「ＰＷＭ周期」と呼んでもよい。

図３Ｂは、位置推定装置３０から出力された位置推定値Θ＾を示す信号の波形例を示す図である。ロータＲの機械角が０°から３６０°までの増加する過程において、位置推定値Θ＾を示す信号の大きさは、ゼロから線形的に所定値まで増加する。言い換えると、ロータＲが１回転しているとき、位置推定値Θ＾を示す信号の大きさは、連続的かつ直線的に変化する。ロータＲが２回転以上回転するとき、位置推定値Θ＾を示す信号の大きさは、周期的に変動する。この周期は、ロータＲが１回転する時間に一致する。また、ロータＲの機械角の位置に応じて、位置推定値Θ＾を示す信号は、異なる大きさを持つ。位置推定値Θ＾を示す信号の大きさからロータＲの機械角（位置）を一義的に特定することができる。

図３Ｂの例において、ロータＲは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間に一定の回転速度で４回転している。また、ロータＲは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間に一定の回転速度で４回転している。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間の回転速度よりも、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間の回転速度の方が高い。

図４Ａは、図１の外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係を模式的に示す図である。この例において、モータモジュール１０００のモータ制御回路２０は、外部装置７０のステッピングモータコントローラ７２から、パルスＰ１、パルスＰ２、パルスＰ３、パルスＰ４、およびパルスＰ５を、順次、受け取る。
このようなパルスは、例えば１秒間の間に数十〜数十万個のレートで、モータ制御回路２０に入力され得る。ロータＲは、パルス信号に応答して回転する。図４Ａでは、１パルスに対するロータＲの位置変化量、すなわちステップ角Ｓ１〜Ｓ５は、０．９°である。

図４Ｂ、図４Ｃ、および図４Ｄは、それぞれ、図１の外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係の他の例を模式的に示す図である。いずれの例においても、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）は、同じである。モータモジュール１０００のハードウェアは、図４Ａ〜４Ｄの例において、共通している。しかし、図４Ｂの例において、１パルスに対するロータＲの位置変化量、すなわちステップ角Ｓ１〜Ｓ５は、図４Ａの例とは異なり、０．７°である。このようなステップ角の変更は、演算に用いる可変ステップサイズ情報の変更によって実現されている。この可変ステップサイズ情報の設定または変更は、モータモジュール１０００の生産時または出荷時にモータモジュール１０００ごとに実行することも可能であるが、個々のモータモジュール１０００について、起動時または動作の途中に行うことも可能である。以下の例では、動作の途中に可変ステップサイズ情報を変更している。

図４Ｃの例において、１パルスに対するロータＲの位置変化量、すなわちステップ角は、パルスＰ１〜Ｐ３に対して０．７°であるが、パルスＰ４〜Ｐ５に対して１．５°である。この例におけるステップ角は、動作の途中に変化している。この変化の前後において、一方のステップ角は他方のステップ角の整数倍ではない。図４Ｄの例において、１パルスに対するロータＲの位置変化量、すなわちステップ角は、パルスＰ１に対して３．２°であり、パルスＰ２〜Ｐ５に対して０．４５°である。１つのパルスに対するロータＲの位置変化量を極端に大きくすることも可能である。例えば、１つのパルスに応答して、ロータＲを１回転（３６０°）、またはそれ以上動かすことも可能である。

図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ、図１の外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（左側）と、ロータＲの位置変化（右側）との関係を模式的に示す図である。図５Ａの例と図５Ｂの例との間にある差異は、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号のパルスレートにある。パルスレートは、単位時間あたりにモータモジュール１０００に入力されるパルスの個数を意味する。パルスレートは「パルス周波数」と呼ばれることもある。図５Ｂに示されるパルス信号のパルスレートは、図５Ａに示されるパルス信号のパルスレートよりも低い。図５Ａおよび図５Ｂの例では、ステップ角は０．７°で共通しているが、パルスレートが異なるためロータＲの回転速度（位置変化速度）が異なる。より具体的には、パルスレートが高いほど、ロータＲの回転速度は高くなる。

図６は、ロータＲの回転速度と時間との関係を示すグラフ（上段）と、外部装置７０からモータモジュール１０００に与えられるパルス信号の波形例（下段）とを示す図である。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの期間において、パルスレートは直線的に高くなり、それに伴ってロータＲの回転速度も増加している。また時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までの期間では、パルスレートは一定であり、ロータＲの回転速度も一定である。更に時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までの期間では、パルスレートは直線的に低くなり、それに伴ってロータＲの回転速度も低下している。このように、パルス信号に含まれるパルスレートにより、ロータＲの回転速度を制御することができる。

モータモジュール１０００には、外部装置７０からロータＲの回転方向を指定する信号が入力されても良い。図７は、ロータＲの回転方向を指定する信号を受け取ることのできる位置指令値生成回路５２０の例を示している。図７の左側に示されている位置指令値生成回路５２０Ａは、ＣＷ端子およびＣＣＷ端子を有している。図７の右側に示されている位置指令値生成回路５２０Ｂは、ＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子を有している。本開示において、ロータＲの回転方向の指定は、いずれの位置指令値生成回路５２０を用いても良い。

次に、図８Ａ〜図８Ｃを参照して、位置指令値生成回路５２０の入力端子に与えられる外部入力信号の例を説明する。

図８Ａは、位置指令値生成回路５２０ＡのＣＷ端子およびＣＣＷ端子に入力される信号の波形を示す図である。図８Ａに示される例では、位置指令値生成回路５２０ＡのＣＷ端子にパルス信号が入力される場合と、ＣＣＷ端子にパルス信号が入力される場合とで、ロータＲの回転方向が異なる。例えばＣＷ端子にパルス信号が入力されているとき、ロータＲは第１の方向に回転し、ＣＣＷ端子にパルス信号が入力されているとき、ロータＲは第１の方向とは反対の第２の方向に回転する。

図８Ｂは、位置指令値生成回路５２０ＢのＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子に入力される信号の波形の他の例を示す図である。図８Ｂに示される例では、パルス信号は位置指令値生成回路５２０ＢのＳＴＭＰ端子に入力される。ＤＩＲ端子に論理「低」の信号を与えるか、論理「高」の信号を与えるかによって、ロータＲの回転方向が異なる。例えばＤＩＲ端子に論理「低」の信号が与えられているとき、ロータＲは第１の方向に回転する。ＤＩＲ端子に論理「高」の信号が与えられているとき、ロータＲは第１の方向とは反対の第２の方向に回転する。

図８Ｃは、位置指令値生成回路５２０ＢのＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子に入力される信号の波形の他の例を示す図である。図８Ｃに示される例では、位置指令値生成回路５２０ＢのＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子に２相のパルス信号が与えられる。位相の進み／遅れにより、ロータＲの回転方向が異なる。例えばＳＴＭＰ端子に入力されるパルス信号の位相が、ＤＩＲ端子に入力されるパルス信号の位相よりも進んでいるとき、ロータＲは第１の方向に回転する。ＳＴＭＰ端子に入力されるパルス信号の位相が、ＤＩＲ端子に入力されるパルス信号の位相よりも遅れているとき、ロータＲは第１の方向とは反対の第２の方向に回転する。

上記の波形および位置指令値生成回路５２０の端子構成は、典型的な例に過ぎず、本開示の実施形態を限定しない。

次に、図９を参照しながら、モータ制御回路２０をより詳しく説明する。図９は、本開示におけるモータ制御回路２０の機能ブロックの構成例を示す図である。この例において、モータ制御回路２０、位置推定装置３０、および可変ステップサイズメモリ４０は、マイクロコントローラによって実現されている。本願では、このようなマイクロコントローラを「モータ制御装置」と称し、参照符号「１００」で示す場合がある。

図９に示されるモータ制御回路２０は、位置指令値生成回路５２０と、速度指令値生成回路５４５と、比較器５５０ａ、５５０ｂと、速度指令値生成回路５６０とを備えている。図９では、簡単のために各構成要素の「回路」の用語の記載を省略している。

位置指令値生成回路５２０は、例えば図８Ａ、８Ｂ、および８Ｃに例示されるようなパルス信号を受け取り、位置指令値Θ*を生成する。位置指令値生成回路５２０は、可変ステップサイズメモリ４０の内容をテーブルとして記憶していてもよい。例えば、位置指令値生成回路５２０は図１０に示される構成を有し得る。図１０に示される例において、位置指令値生成回路５２０は、可変ステップサイズメモリと同じ機能を発揮するメモリをテーブルとして備えている。位置指令値生成回路５２０は、図１の外部装置７０から出力された信号（外部信号）を受け取る複数の端子を備えている。これら複数の端子は、ＳＴＭＰ端子、ＤＩＲ端子、およびＳＴ−ＳＩＺＥ端子を含んでいる。

ＳＴＭＰ端子およびＤＩＲ端子は、前述したように、図１のステッピングモータコントローラ７２からパルス信号を受け取る。ＳＴ−ＳＩＺＥ端子は、外部装置７０から、ステップサイズを指定する外部信号を受け取る。このステップサイズを指定する外部信号は、位置指令値生成回路５２０が備えるテーブルにおける番号を特定し、その番号によって定まる値（テーブル値）を読み出す。テーブルの番号は、例えば「０」、「１」、「２」、および「３」である。テーブルの番号「０」、「１」、「２」、および「３」は、それぞれ、例えば「０．４５」、「０．９０」、「１．８０」、および「１０．０」の値を有している。これらの複数のテーブル値がステップサイズ（ステップ角）の候補値である。

テーブル番号を示す信号は、例えば図１の外部装置７０の上位コントローラ７４から出力され得る。図１０に示されている例においては、４個のＳＴ−ＳＩＺＥ端子に、それぞれ、テーブル番号の「０」、「１」、「２」、および「３」が割り当てられている。４個のＳＴ−ＳＩＺＥ端子のいずれか１個の端子には、外部装置７０から、ステップサイズを指定する信号として、例えば論理「高」の電位が与えられ、他の３個の端子には、例えば論理「低」の電位が与えられる。論理「高」の電圧が与えられた１個のＳＴ−ＳＩＺＥ端子に「０．４５」のテーブル値が与えられている場合、ステップサイズとして０．４５°が用いられることになる。ステップサイズの決定は、例えば起動時に行うことができる。また、動作中にステップサイズの変更を行うこともできる。モータ制御装置１００は、可変ステップサイズメモリ４０に記憶されている複数の候補値から、任意の１つを選択するピンまたはインタフェースを備えていてもよい。

テーブル番号の指定は、１ビット以上のデータによって行ってもよい。その場合、ｍ個のＳＴ−ＳＩＺＥ端子により、２のｍ乗個のステップサイズ候補から任意の１個の値を指定することができる。また、テーブル番号の指定には、シリアル通信等の通信手段によって行っても良い。このようなステップサイズの指定は、図１の外部装置７０における上位コントローラ７４が行ってもよいし、他のコントローラによって行ってもよい。また、機械的なスイッチにより、モータモジュール１０００の製造者またはユーザがステップサイズを選択してもよい。テーブルまたは可変ステップサイズメモリ４０に記憶される値を、外部から更新することも可能である。

ある実施形態における位置指令値生成回路５２０は、以下の式に基づいて、位置指令値Θ* を生成する。
Θ* ＝ Θset × N_STMP × Dir ＋ Θ＾ （式１）
ここで、Θ＾は位置推定値、Θsetはステップサイズ、N_STMPは設定された期間内に外部装置７０から入力されたパルス信号のパルスカウント数、Dirはロータの回転方向（位置変化方向）を規定する符号である。位置変化方向が第１の方向であるときはDir＝１、第１の方向とは反対の第２の方向であるときはDir＝−１とする。

ステップサイズΘset として、例えば０．４５°の値が選択されている例を説明する。この例において、ＳＴＭＰ端子に入力されたパルス信号の時刻ｔ０〜ｔ１までの現在期間Ｔミリ秒の間にパルスカウント数N_STMPが５０個であり、また、現在期間においてＤＩＲ端子に与えられている信号がDir＝１を示しているとする。また、位置推定装置３０から取得したロータＲの現在の位置推定値Θ＾が１１２．４°であるとする。この場合、上記の式１によると、位置指令値Θ*は、以下の値を持つ。
０．４５°×５０×１＋１１２．４°＝１３４．９°

この例では、位置指令値生成回路５２０が、１３４．９°の位置指令値を示すデジタル信号を出力する。

再び図９を参照する。

位置指令値生成回路５２０から出力された位置指令値は、比較器５５０ａに与えられる。比較器５５０ａは、位置推定装置３０から取得した位置推定値と位置指令値生成回路５２０から取得した位置指令値とを比較し、位置推定値と位置指令値との偏差を出力する。速度指令値生成回路５６０は、比較器５５０ａの値に基づき、速度指令値を生成する。速度指令値生成回路５６０から出力された速度指令値は、比較器５５０ｂに与えられる。比較器５５０ｂは、速度推定値生成回路５４５から取得した速度推定値と速度指令値とを比較し、偏差を出力する。

これらの比較結果を用いて、モータ制御回路２０は、電圧指令値を決定して、ＰＷＭ信号生成回路５７０から電圧指令値を示すＰＷＭ信号を出力する。電圧指令値の決定は、例えば公知のベクトル制御技術を用いた演算によって実行され得る。

なお、図９において、電流制御は省略されているが、速度制御の後に、電流制御が行われても良い。また、位置制御と速度制御の組み合わせに限定されない。ここで、モータ制御回路２０は、可変ステップサイズ情報およびパルス信号に基づいて、位置指令値および速度指令値を生成してもよい。

次に、図１１を参照しながら、位置指令値生成回路５２０による位置指令値の生成動作フローの一例を説明する。

まず、手順Ｓ１０でモータモジュールの起動を行う。手順Ｓ１２では、ステップサイズとしてステップ角を指定する外部入力信号の有無を確認する。図１０の例では、ＳＴ−ＳＩＺＥ端子上の信号が外部入力信号として読み出される。外部入力信号が検出されたとき、手順Ｓ１４に進む。手順Ｓ１４において、外部入力信号によって特定される値Θstep1をステップ角Θsetとして選択する。この値は、例えば図１０のテーブルに記憶されていた複数の候補値のいずれか１つの値である。

手順Ｓ１２において、外部入力信号が検出されないときは、手順Ｓ１６に進む。手順Ｓ１６では、他の信号線によって特定された値Θstep2をステップ角Θsetとして選択する。この信号線の電位は、例えばモータモジュール１０００が有するスイッチのＯＮ／ＯＦＦによって制御され、テーブルに記憶された複数の候補値の１つを特定する。

手順Ｓ１８において、モータＭの動作モードを開始するか否かの判断を行う。動作モードを開始しない場合は、待機する。動作モードを開始するときは、手順Ｓ２０に進む。手順Ｓ２０では、位置推定装置３０から、ロータの現在における位置推定値Θ＾を取得する。次に、手順Ｓ２２において、外部装置７０から入力されたパルス信号におけるパルスの個数をカウントする。所定期間内のパルスカウント値をN_STMPとする。

手順Ｓ２４では、前述した式１を用いて位置指令値Θ*を決定する。そして、手順Ｓ２６では、この位置指令値Θ*と位置推定値とを用いてロータ位置制御（モータ駆動）を行う。このモータ駆動は、公知の制御技術に従って実行すればよい。

手順Ｓ２８では、ステップ角Θsetの切り替え要否を判断する。ステップ角Θsetの切り替えが不要なとき、手順Ｓ２２に戻る。ステップ角Θsetの切り替えが行われるとき、手順Ｓ３０において、ステップ角Θsetに次の値Θstep3を選択する。

手順Ｓ２８におけるステップ角Θsetの切り替え要否は、例えば以下の条件例に従って判断され得る。

・図１０に示される位置指令値生成回路５２０に１ビット以上のビット数に相当する本数の信号線を接続しておき、この信号線に外部から次の値を入力してステップ角Θsetの中身を更新する。

・ロータの位置推定値Θ＾が予め設定されたとき、ステップ角Θsetの大きさを変更する。

・所定の時間が経過したとき、または所定の時刻に達したとき、ステップ角Θsetの大きさを変更する。

なお、上記のフローは一例に過ぎず、本開示の実施形態によるステップ動作制御システムにおけるステップサイズの決定および変更は、上記の例に限定されない。本開示によれば、モータ制御装置１００に内蔵されたプログラム、または外部からの指令に応じて、起動時または動作中に、複数の候補値のいずれかを選択的に可変ステップサイズメモリ４０から読み出すことができる。

以下、適宜図面を参照しながら、本開示による実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。本発明者らは、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供する。これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

［実施形態］
図１２は、本開示の実施形態に係るモータモジュール１０００の構成例を示す概略図である。

図１２に示すように、本実施形態におけるモータモジュール１０００は、モータＭ、検出装置１５０、増幅回路２００、位置推定装置３０、モータ制御装置（制御回路）２０、およびモータ駆動回路（駆動回路）１０を備える。本実施形態におけるモータＭは、ブラシレスＤＣモータであり、中心軸の回りを回転するロータＲを有している。

モータモジュール１０００には、外部装置（コントローラ）７０から、ロータＲの回転位置を指定するパルス信号などの外部信号が入力される。モータモジュール１０００は、製品に取り付けられて使用される。製品は、例えば、プリンタ、スキャナ、ファクシミリなどの機能を有する複合機、電動パワーステアリング、アンテナチルト、ファン等の電気機械であり得る。モータモジュール１０００のモータＭは、複合機に用いられる場合、例えば、紙送り機能部等の機構部（機械部品）に取り付けられて使用される。１つの複合機が複数のモータモジュール１０００を備えていても良い。

モータＭは、ロータＲを備える。モータＭは、例えば、永久磁石モータである。モータＭには、不図示の基板が取り付けられている。基板上には、検出装置１５０、増幅回路２００、位置推定装置３０、モータ制御回路２０、およびモータ駆動回路１０が取り付けられている。

なお、モータＭがロータＲを備える場合を一例として説明するが、本実施形態の構成は、これに限られない。モータＭは、リニアモータであってもよい。モータＭがリニアモータの場合、モータＭは、ロータＲに代えて、直線的に運動する可動子（ｍｏｖｅｒまたはｍｏｖａｂｌｅ ｅｌｅｍｅｎｔ）を備えている。本願において、「可動子」の用語は、ロータのみならず、リニアモータにおいて直線的に運動する部品を含む。リニアモータの場合は、ＣＷは直線上の第１方向を意味し、ＣＣＷは同一直線上において第１方向とは反対の第２方向を意味する。

検出装置１５０は、センサ１１〜センサ１３を備える。センサ１１〜センサ１３それぞれは、モータＭに発生する磁界を電気信号に変換して出力する非接触の磁気センサである。センサ１１〜センサ１３それぞれは、例えばホール素子である。検出装置１５０は、検出した差動センサ信号を増幅回路２００に出力する。本実施形態におけるモータモジュール１０００の動作は、信号検出手順を有する。信号検出手順では、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）の検出装置それぞれは、ロータの位置に応じた磁界を検出して、電気信号である検出信号を出力する。それぞれの検出信号は、３６０度をＮで除算した角度ずつ位相がずれている。このようなセンサの個数がＮ個（Ｎは３以上の整数）であるとき、複数の磁極が形成する磁界を検出して、それぞれが検出した磁界の強さに応じた大きさを持つ検出信号を出力する。Ｎ個のセンサは、Ｎ個の検出信号の位相が３６０度／Ｎの角度ずつずれるように配置されている。検出信号の位相が３６０度／Ｎの角度ずつずれている状態とは、３６０度×整数±３６０度／Ｎの電気角だけ位相がずれている状態を含む。検出信号の位相が例えば１２０度（＝３６０度／３）の角度ずつずれている状態は、３つの検出信号の位相が２４０度（＝３６０度−１２０度）の電気角だけずれている状態を含む。

増幅回路２００は、差動増幅器２１〜差動増幅器２３を備える。増幅回路２００は、検出装置１５０から入力される差動センサ信号に基づいて検出信号Ｈｕ０、検出信号Ｈｖ０、および検出信号Ｈｗ０を生成する。増幅回路２００は、生成した検出信号Ｈｕ０、検出信号Ｈｖ０、および検出信号Ｈｗ０を位置推定装置３０に出力する。なお、検出信号Ｈｕ０、検出信号Ｈｖ０、および検出信号Ｈｗ０それぞれは、アナログ信号である。

位置推定装置３０は、増幅回路２００から入力された検出信号Ｈｕ０、検出信号Ｈｖ０、および検出信号Ｈｗ０に基づいて、ロータＲの回転位置を推定する。位置推定装置３０は、推定した回転位置（機械角）に基づいて位置推定値Θ＾を生成し、生成した位置推定値Θ＾をモータ制御回路２０に与える。

モータ制御回路２０には、位置推定装置３０から位置推定値Θ＾が入力され、外部装置７０からパルス信号が入力される。モータ制御回路２０は、前述したように、モータＭを駆動するための電圧指令を生成し、生成した電圧指令をモータ駆動回路１０に出力する。

モータ駆動回路１０は、モータ制御回路２０から入力された電圧指令に基づいて駆動信号を生成し、生成した駆動信号によってモータＭを駆動する。モータ駆動回路１０の典型例の一つは、インバータ回路である。インバータ回路は、電圧指令を受けてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を出力するＰＷＭ回路と、ＰＷＭ信号に基づいてゲート駆動信号を出力するプリドライバ回路と、ゲート駆動信号を受けてスイッチングするインバータ出力回路とを備えることができる。

モータ制御回路２０と、モータ駆動回路１０の一部（例えばＰＷＭ回路）とは、１個の集積回路パッケージによって実現されていても良い。そのような集積回路パッケージは、汎用的なモータ制御用マイクロコンピュータとして入手可能である。また、駆動回路１０のインバータ出力回路は、パワーモジュールと呼ばれることがある。そのようなインバータ出力回路は、電圧指令に応じた大きさの電圧をモータＭの各コイルに印加し、モータＭを駆動することができる。

以上のように、モータモジュール１０００は、外部装置７０からパルス信号を受け取り、位置指令値Θ*を生成する。そして、位置指令値Θ*と位置推定値Θ＾との偏差をフィードバックすることでモータの制御を行う。

本実施形態では、位置推定値Θ＾を示す位置推定信号が、ロータＲの位置（角度）に応じて線形的に変化する大きさを有する。より具体的には、位置推定信号の大きさは、ロータＲが１回転するとき、離散的にではなく、連続した直線状に変化する。このような位置推定信号の生成の例を、以下に詳しく説明する。

本実施形態におけるモータモジュール１０００は、検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、およびＨｗ０が互いに交差する交差点を逐次検出する。検出した交差点から、当該交差点に隣り合う他の交差点までの検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、またはＨｗ０の一部（分割された線分）を分割信号として検出する（図１６参照）。

位相が１２０度ずつ異なる３個の検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、およびＨｗ０のうち、交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点までを接続または連結する部分は、検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、およびＨｗ０の中で中間のレベルを持ついずれか一つの信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、またはＨｗ０の一部である。図１６に示されるように、交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点までを接続する部分は、基準値のレベルと交差する。言い換えると、交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点までを接続する部分は、基準値よりも大きな部分と、基準値よりも小さな部分とを有している。後述するように、交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点までを接続する部分を、１個の「分割信号」として処理することもできるし、２個の「分割信号」として処理することできる。後者の場合、交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点までを接続する部分は、基準値に交差するゼロクロス点によって二分される。交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点までを接続する部分は、３個以上の「分割信号」に分けられても良い。

モータモジュール１０００は、検出した分割信号を、ロータの移動方向に応じて、逐次接続させて、接続させた複数の分割信号に基づいてロータの位置を推定して位置推定信号を生成する（図１７、図１８参照）。なお、位置推定値は電流制御系、速度制御系、位置制御系、これらを組み合わせた制御系にフィードバック値として使用できる。

次に、本実施形態におけるモータＭの概略構成について説明する。

図１３は、本実施形態に係るモータＭの概略構成図である。図１３に示す例において、モータＭは、永久磁石モータである。磁極ｐ１〜ｐ１２は、永久磁石モータの磁極（ポール）である。極数は、モータＭにおける磁極の数を表し、図１３に示す例では１２である。また、極対数は、Ｎ極とＳ極の組数であり、図１３に示す例では６である。また、スロットｓｌ１〜ｓｌ９は、コイルが巻かれている電機子（固定子）である。本実施形態における永久磁石モータのスロット数は９である。磁極ｐ１〜ｐ１２は、ロータＲ（図１２参照）の一部である。図１３におけるモータＭは、アウターロータ型のモータを示している。

次に、センサ１１〜センサ１３の動作について説明する。

センサ１１〜センサ１３それぞれは、隣接するＮ極とＳ極の１組による磁界を検出して、１周期分の信号を出力する。これが電気角１周期分に相当する。センサ１１〜センサ１３それぞれは、検出した電気角１周期分の電気信号を、差動センサ信号として、増幅回路２００に出力する。この１周期分の差動センサ信号が、電気角１周期分に相当する。

ここで、センサ１１〜センサ１３それぞれは、電気角１２０度ずつ位相がずれた電気信号を検出し、対応する差動増幅器２１〜差動増幅器２３に出力する。すなわち、検出装置１５０に含まれるセンサが３個であり、３つの検出信号の位相が、１２０度ずつずれている。ある具体例において、センサ１１〜センサ１３は、機械角４０度（電気角２４０度）ずつ位相がずれた電気信号を検出する。

本実施形態では、センサ１１が検出した電気信号をＵ相とする。センサ１２が検出した電気信号をＶ相とする。センサ１３が検出した電気信号をＷ相とする。センサ１１が出力する差動センサ信号は、差動センサ信号Ｕ０＋とＵ０−とであり、互いに反転関係にある。センサ１２が出力する差動センサ信号は、差動センサ信号Ｖ０＋とＶ０−とであり、互いに反転関係にある。センサ１３が出力する差動センサ信号は、検出信号Ｗ０＋とＷ０−とであり、互いに反転関係にある。

次に、増幅回路２００が出力する検出信号について、図１２を参照して説明する。

差動増幅器２１は、センサ１１から入力されたＵ相の検出信号Ｕ０−とＵ０＋との電圧差を増幅し、増幅した検出信号Ｈｕ０を位置推定装置３０に出力する。

差動増幅器２２は、センサ１２から入力されたＶ相の検出信号Ｖ０−とＶ０＋との電圧差を増幅し、増幅した検出信号Ｈｖ０を位置推定装置３０に出力する。

差動増幅器２３は、センサ１３から入力されたＷ相の検出信号Ｗ０−とＷ０＋との電圧差を増幅し、増幅した検出信号Ｈｗ０を位置推定装置３０に出力する。

次に、増幅回路２００が出力する検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、Ｈｗ０の一例について説明する。図１４は、本実施形態に係る増幅回路２００が出力する検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、Ｈｗ０の一例を説明する図である。図１４において、横軸はロータ角［ｄｅｇ］を表す。縦軸は、信号の大きさを表す。

図１４に示す例において、ロータ角θ１０１〜ロータ角θ１１３の区間Ｅ１は、電気角１周期分を表している。ロータ角θ１１３〜ロータ角θ１１４の区間Ｅ２、ロータ角θ１１４〜ロータ角θ１１５の区間Ｅ３、ロータ角θ１１５〜ロータ角θ１１６の区間Ｅ４、ロータ角θ１１６〜ロータ角θ１１７の区間Ｅ５、およびロータ角θ１１７〜ロータ角θ１１８の区間Ｅ６それぞれは、電気角１周期分を表している。そして、区間Ｅ１〜区間Ｅ６の区間Ｋ１は、機械角１周期分を表している。すなわち、電気角１周期分の区間は、機械角１周期分の区間を極対数で除算した区間である。

また、図１４に示す例では、検出信号Ｈｕ０の極大値はＡ３［Ｖ］である。検出信号Ｈｗ０の極大値は、Ａ３の電圧値より小さいＰｅａｋＨｗ［Ｖ］である。検出信号Ｈｖ０の極大値は、ＰｅａｋＨｗの電圧値より小さいＰｅａｋＨｖ［Ｖ］である。このように、センサ１１〜１３の取り付け誤差、またはセンサごとの感度の違いによって、検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、Ｈｗ０それぞれは、振幅にばらつきがある。また、信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、Ｈｗ０それぞれは、各信号の中心電圧値が異なっている。すなわち、信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、Ｈｗ０それぞれは、オフセット成分を有している。

次に、位置推定装置３０の詳細な構成について、図１２を参照して説明する。

位置推定装置３０は、ＡＤ変換器３１、位置演算部３２、および記憶装置３３を備える。ＡＤ変換器３１は、増幅回路２００から入力されたアナログ信号の検出信号を、デジタル信号の検出信号に変換し、変換したデジタル信号の検出信号を位置演算部３２に出力する。より具体的には、ＡＤ変換回路３１１、ＡＤ変換回路３１２、およびＡＤ変換回路３１３を備える。ＡＤ変換回路３１１は、アナログ信号の検出信号Ｈｕ０を、デジタル信号の検出信号Ｈｕ０’に変換して位置演算部３２に出力する。ＡＤ変換回路３１２は、アナログ信号の検出信号Ｈｖ０を、デジタル信号の検出信号Ｈｖ０’に変換して位置演算部３２に出力する。ＡＤ変換回路３１３は、アナログ信号の検出信号Ｈｗ０を、デジタル信号の検出信号Ｈｗ０’に変換して位置演算部３２に出力する。記憶装置３３は、オンライン処理で用いられる情報を記憶する。オンライン処理とは、ロータＲが回転しているときにリアルタイムで行われる処理である。なお、記憶装置３３に記憶される情報については、後述する。

上述のように検出信号を位置演算部３２での処理に適した信号に変換することを「前処理」と呼ぶことができる。ＡＤ変換器３１は、前処理を行う回路の一例である。位置演算部３２の中に、他の前処理を行う回路が設けられていても良い。

ＡＤ変換器３１によって変換された後のデジタル信号の検出信号Ｈｕ０’・Ｈｖ０’・Ｈｗ０’を示す図１５において、横軸はロータ角［ｄｅｇ］を表す。縦軸は、デジタル値の大きさを表す。位置演算部３２は、交差位置検出装置３２１、分割検出装置３２２、および線分接続部３２３を備える。交差位置検出装置３２１は、検出信号どうしの交差点と、検出信号と基準値とのゼロクロス点を検出する。すなわち、交差点から交差点に隣り合う他の交差点までの間において、交差位置検出装置３２１は、交差点から検出信号の電位が基準電圧と交差するゼロクロス点を逐次検出する。基準値とは、デジタル値が０を示す値である。交差位置検出装置３２１は、検出した交差点の座標を示す情報とゼロクロス点の座標を示す情報とを分割検出装置３２２に出力する。ここで、交差点およびゼロクロス点の座標を示す情報とは、ロータ角とデジタル値の大きさとによって表される情報である。分割検出装置３２２は、交差点とゼロクロス点との間の検出信号を分割信号として検出する。検出する時は、交差位置検出装置３２１から入力された交差点の座標を示す情報とゼロクロス点の座標を示す情報とを用いる。分割検出装置３２２は、検出した分割信号を示す情報を線分接続部３２３に出力する。線分接続部３２３は、分割検出装置３２２から入力された分割信号を示す情報を用いて、分割信号を逐次接続する。ここで、分割信号を示す情報とは、検出信号の一部である分割信号の開始位置から終了位置までの、ロータ角とデジタル値の大きさとによって表される情報である。

上述のように、本実施形態におけるモータモジュール１０００の動作は、交差位置検出手順と、分割検出手順と、線分接続手順と、を有する。交差位置検出手順では、交差位置検出装置３２１が、信号検出手順によって出力されたそれぞれの検出信号が互いに交差する交差点を逐次検出する。分割検出手順では、分割検出装置３２２が、検出信号のうちの交差点から当該交差点に隣り合う他の交差点まで接続する部分を、１個または複数個の分割信号として検出する。線分接続手順では、線分接続部３２３が、分割信号を逐次接続させる。そして、接続させた複数の分割信号に基づいてロータの位置を推定して位置推定信号を生成する。

次に、位置推定装置３０が行う処理の流れの概要を説明した後、位置推定装置３０が行う処理の流れの詳細について説明する。位置推定装置３０は、以下の処理をオンライン処理で行う。

（手順Ｓ１０１）交差位置検出装置３２１は、ＡＤ変換器３１から入力された検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’を取得する。（手順Ｓ１０２）交差位置検出装置３２１は、手順Ｓ１０１で取得した検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’それぞれが示す値を用いて、交差点とゼロクロス点とを、逐次検出する。次に、交差位置検出装置３２１は、検出した交差点およびゼロクロス点の座標を示す情報と、入力された検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’とを、順次、分割検出装置３２２に出力する。（手順Ｓ１０３）分割検出装置３２２は、交差点から当該交差点と隣り合うゼロクロス点までの検出信号の一部、すなわち検出信号のうちの交差点から当該交差点と隣り合うゼロクロス点までの検出信号の部分、を第１の分割信号として検出する。または、分割検出装置３２２は、ゼロクロス点から当該ゼロクロス点と隣り合う交差点までの検出信号の一部、すなわち検出信号のうちのゼロクロス点から当該ゼロクロス点と隣り合う交差点までの部分、を第２の分割信号として検出する。（手順Ｓ１０４）線分接続部３２３は、ロータＲがＣＷ回転の場合、分割検出装置３２２から入力された分割信号を、機械角１周期分、逐次、順方向に接続する。（手順Ｓ１０５）位置推定装置３０は、線分接続部３２３によって接続された分割信号に基づいて機械位置の推定を行うことで位置推定値Θ＾を決定する。

位置推定装置３０は、手順Ｓ１０１〜手順Ｓ１０５の処理を、制御周期毎に繰り返す。制御周期とは、例えば、電流（トルク）、速度または位置制御の各制御周期のうち、いずれか１つの周期である。

次に、位置推定装置３０が行う処理の流れの詳細について説明する。

交差位置検出装置３２１は、ロータＲが回転しているとき、ＡＤ変換回路３１１〜ＡＤ変換回路３１３それぞれから入力された検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’を取得する。ＡＤ変換器３１が出力する検出信号Ｈｕ０’、検出信号Ｈｖ０’、および検出信号Ｈｗ０’について図１５を参照して説明する。

図１５は、本実施形態に係るＡＤ変換器３１が出力する検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の一例を説明する図である。図１５において、横軸はロータ角［ｄｅｇ］を表す。縦軸は、デジタル値を表す。図１５に示す各波形Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’は、ＡＤ変換回路３１１〜ＡＤ変換回路３１３によってデジタル信号に変換された検出信号を表した波形図である。例えば、ＡＤ変換器３１のビット数が１２ビットの場合、デジタル信号値の範囲は、＋２０４７~−２０４８である。また、図５において、ロータ角θ１０１〜ロータ角θ１１３の区間Ｅ１は、電気角１周期分である。

次に、交差位置検出装置３２１が、手順Ｓ１０２で行う交差点とゼロクロス点との検出処理について詳細に説明する。

交差位置検出装置３２１は、ＡＤ変換器３１が出力する検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’を取得する。交差位置検出装置３２１は、取得した検出信号どうしの交差点を、サンプリングした２点間の座標から算出することで、逐次検出する。また、交差位置検出装置３２１は、取得した検出信号と基準値とのゼロクロス点を逐次検出する。この交差点及びゼロクロス点は、横軸がロータ角、縦軸がデジタル値によって、その座標を示すことができる。交差位置検出装置３２１は、交差点の座標を検出して、検出した交差点の座標を示す情報を、分割検出装置３２２に出力する。また、交差位置検出装置３２１は、ゼロクロス点の座標を検出して、検出したゼロクロス点の座標を示す情報を、分割検出装置３２２に出力する。また、交差位置検出装置３２１は、取得した検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’を、分割検出装置３２２に出力する。

次に、分割検出装置３２２が、手順Ｓ１０３で行う分割信号の検出処理について詳細に説明する。

分割検出装置３２２は、交差位置検出装置３２１から入力された交差点の座標を示す情報と、ゼロクロス点の座標を示す情報と、検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’とを、順次取得する。分割検出装置３２２は、取得した検出信号のうち、交差点から当該交差点と隣り合うゼロクロス点までの検出信号を第１の分割信号として検出する。分割検出装置３２２は、取得した検出信号のうち、ゼロクロス点から当該ゼロクロス点と隣り合う交差点までの検出信号を第２の分割信号として検出する。分割検出装置３２２は、検出した分割信号を順次、線分接続部３２３に出力する。ここで、分割検出装置３２２は、第１の分割信号を示す情報を検出している。第１の分割信号を示す情報とは、交差点から当該交差点と隣り合うゼロクロス点までのデジタル値の偏差およびロータ角の偏差の情報である。

次に、交差点、ゼロクロス点、分割信号の具体例を順に説明する。

まず、交差位置検出装置３２１が検出する交差点とゼロクロス点との具体例について、図１６を参照して説明する。

図１６は、本実施形態に係る３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係、交差点、ゼロクロス点、分割信号について説明する図である。図１６において、横軸はロータ角［ｄｅｇ］を表す。縦軸は、デジタル値を表す。また、図１６は、図１５のロータ角θ１０１〜ロータ角θ１１３の区間Ｅ１を拡大した図である。

図１６において、点ｃｐ１〜点ｃｐ７それぞれは、交差点を表している。ここで交差点とは、２つの検出信号が交差する点である。例えば、ロータ角θ１０１における交差点ｃｐ１は、検出信号Ｈｕ０’と検出信号Ｈｖ０’とが交差する点である。

また、点ｚｃ１〜点ｚｃ６それぞれは、ゼロクロス点を表している。ここで、ゼロクロス点とは、検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’のいずれかと、デジタル値の基準値とが交差する点である。例えば、ロータ角θ１０２におけるゼロクロス点ｚｃ１は、検出信号Ｈｕ０’と基準値とが交差する点である。

次に、分割検出装置３２２が検出する分割信号の具体例について、図１６を参照して説明する。以下において、セグメントとは、分割信号ひとつひとつのことである。セグメントの区間とは、分割信号ごとの始点から終点までに相当する。セグメントは、電気角１周期分において、１２区間になる。モータＭの極対数が６であるとき、電気角６周期分は、機械角１周期分に相当する。したがって、セグメントは、機械角１周期分では、７２区間となる。電気角１周期分における１〜１２の分割信号の番号をセクションと呼んでもよい。分割信号とは、図１６において、交差点ｃｐ（ｎ）から当該交差点ｃｐ（ｎ）と隣り合うゼロクロス点ｚｃ（ｍ）までの検出信号である。または、ゼロクロス点ｚｃ（ｍ）から当該ゼロクロス点ｚｃ（ｍ）と隣り合う交差点ｃｐ（ｎ＋１）までの検出信号である。なお、ｎは１〜７の整数である。また、ｍは１〜６の整数である。具体的には、例えば、交差点ｃｐ１からゼロクロス点ｚｃ１までの検出信号Ｈｕ０’の一部が、分割信号ｓｇ１０１である。また、ゼロクロス点ｚｃ１から交差点ｃｐ２までの検出信号Ｈｕ０’の一部が、分割信号ｓｇ１０２である。図１６において、θ１０１〜θ１０２の区間、すなわち分割信号ｓｇ１０１の区間が、セグメントの番号１の区間に相当する。また、分割信号ｓｇ１０２〜ｓｇ１１２それぞれの区間が、セグメントの番号２〜１２の区間に相当する。

なお、図１６に示す例において検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’が正弦波であるため、分割信号ｓｇ１０１〜ｓｇ１１２は、正弦波のうち、他の部分より直線に近い範囲の信号である。

ここで、３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係について、図１６を参照して説明する。

例えば、セグメント１とセグメント２の区間であるロータ角θ１０１〜θ１０３の区間において、検出信号Ｈｗ０’のデジタル値は、３つの検出信号の中で、最も大きい。検出信号Ｈｗ０’の次にデジタル値が大きいのは、検出信号Ｈｕ０’である。最もデジタル値が小さいのは、検出信号Ｈｖ０’である。また、検出信号Ｈｕ０’のデジタル値は、セグメント１の区間であるロータ角θ１０１〜θ１０２の区間において、基準値より小さい。検出信号Ｈｕ０’のデジタル値は、セグメント２の区間であるロータ角θ１０２〜θ１０３の区間において、基準値より大きい。

セグメント３〜セグメント１２についても、セグメント毎に３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係の組み合わせが記憶装置３３に記憶されている。

このように、電気角１周期分について、セグメント毎に３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係の組み合わせおよび基準値との大小関係が記憶装置３３に記憶されている。

次に、線分接続部３２３が、図４の手順Ｓ１０４で行う分割信号の接続処理について詳細に説明する。

線分接続部３２３は、分割検出装置３２２の分割信号を、逐次接続させる。ここで、線分接続部３２３は、交差点又はゼロクロス点と検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係および基準値との大小関係に応じて、分割信号を、デジタル値の正負について一定方向に接続する。

具体的には、線分接続部３２３は、セグメント毎に、検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’のデジタル値の大小関係において、順位が真ん中（図１６の例では、大きい方（小さい方）から２番目）となる検出信号（中間信号とも称する）を抽出する。線分接続部３２３は、抽出した中間信号のデジタル値それぞれと、直前の交差点又はゼロクロス点における検出信号のデジタル値（クロス点信号値とも称する）の大小関係を比較する。ここで、直前の交差点又はゼロクロス点とは、中間信号に対して、ロータ角方向で直前となるものである。例えば、図１６の例では、分割信号ｓｇ１０１に対して交差点ｃｐ１、分割信号ｓｇ１０２に対してゼロクロス点ｚｃ１である。

分割信号ｓｇ１０２を考える。中間信号ｓｇ１０２のデジタル値が直前のクロス点信号値ｚｃ１以上と判断した場合、線分接続部３２３は、中間信号ｓｇ１０２のデジタル値から直前のクロス点信号値ｚｃ１を差し引いた値を直前のクロス点信号値ｚｃ１に加算する。一方、中間信号ｓｇ１０２のデジタル値が直前のクロス点信号値ｚｃ１より小さいと判断した場合、線分接続部３２３は、直前のクロス点信号値ｚｃ１から中間信号ｓｇ１０２のデジタル値を差し引いた値を加算する。線分接続部３２３は、ロータ角の小さい方から、順に、この加算を繰り返す。これにより、線分接続部３２３は、デジタル値の正方向へ、分割信号を接続できる（図１７参照）。

なお、線分接続部３２３は、中間信号のデジタル値と直前のクロス点信号値の差分、つまり、絶対値を加算してもよい。

なお、モータＭが６極対であるため、分割信号ｓｇ１１２’の終点は、機械角の６０［ｄｅｇＭ］に相当する。分割信号ｓｇ１２４’の終点は、機械角の１２０［ｄｅｇＭ］に相当する。分割信号ｓｇ１３６’の終点は、機械角の１８０［ｄｅｇＭ］に相当する。分割信号ｓｇ１４８’の終点は、機械角の２４０［ｄｅｇＭ］に相当する。分割信号ｓｇ１６０’の終点は、機械角の３００［ｄｅｇＭ］に相当する。分割信号ｓｇ１７２’の終点は、機械角の３６０［ｄｅｇＭ］に相当する。

線分接続部３２３による、電気角１周期分の分割信号の接続の具体例について説明する。

図１７は、本実施形態に係る電気角１周期分の分割信号の接続について説明する図である。図１７には、図１６の区間Ｅ１の分割信号ｓｇ１０１’〜ｓｇ１１２’を接続した図が示されている。図１７において、横軸はロータ角［ｄｅｇＥ］を表す。縦軸は、デジタル値を表す。図１７の例では、ロータＲがＣＷ回転している。図１６において、分割信号ｓｇ１０１’〜ｓｇ１１２’は、図１６の分割信号ｓｇ１０１〜ｓｇ１１２が線分接続部３２３によって接続された信号である。点ｐ１０１〜ｐ１１３は、図１６の交差点ｃｐ１〜ｃｐ７およびゼロクロス点ｚｃ１〜ｚｃ６が置き換えられた点である。曲線ｇ１３２は、分割信号ｓｇ１０１’〜ｓｇ１１２’を接続した曲線である。

以下において、順方向とは、ロータ角の増加に従って、デジタル値が増加する方向である。線分接続部３２３は、例えば、交差点ｃｐ１を、点ｐ１０１に置き換える。線分接続部３２３は、分割信号ｓｇ１０１’を順方向に接続する。具体的には、線分接続部３２３は、図１６の分割信号ｓｇ１０１を、点ｐ１０１を開始点とし、点ｐ１０２を終了点とする分割信号ｓｇ１０１’に置き換える。また、線分接続部３２３は、ゼロクロス点ｚｃ１を点ｐ１０２に置き換える。

また、線分接続部３２３は、分割信号ｓｇ１０２’を順方向に接続する。具体的には、図１６の分割信号ｓｇ１０１は、点ｐ１０２を開始点とし、点ｐ１０３を終了点とする分割信号ｓｇ１０２’に置き換える。また、線分接続部３２３は、交差点ｃｐ２を点ｐ１０３に置き換える。

図１６の曲線ｇ１３２に示すように、線分接続部３２３は、図１６に示した分割信号ｓｇ１０１’〜ｓｇ１１２’を、逐次、順方向に接続する。この結果、ロータ角θ１０１における交差点ｃｐ１は、デジタル値０に置き換えられる。また、線分接続部３２３は、ロータ角θ１１３における交差点ｃｐ７をデジタル値１２００に置き換える。なお、図１６において、デジタル値の１２０００は、電気角１周期分の３６０［ｄｅｇＥ］に相当する。

線分接続部３２３による動作の分割信号の機械角１周期分の接続についての具体例を、図１８を参照して説明する。

第１の周期Ｅ１において、線分接続部３２３は、図１６の分割信号ｓｇ１０１〜分割信号ｓｇ１１２を、電気角１周期分、逐次順方向に接続する。この結果、図１７の分割信号ｓｇ１０１’〜分割信号ｓｇ１１２’に示すように、図１６の分割信号ｓｇ１０１〜分割信号ｓｇ１１２が接続される。

次に、第２の周期Ｅ２において、線分接続部３２３は、分割信号ｓｇ１１２’の終点に、第２の周期Ｅ２の分割信号ｓｇ１１３’の始点を接続する。続けて、線分接続部３２３は、電気角１周期分の分割信号ｓｇ１１３〜分割信号ｓｇ１２４を順方向に接続する。この結果、図１８の分割信号ｓｇ１１３’〜分割信号ｓｇ１２４’に示すように、分割信号ｓｇ１１３〜分割信号ｓｇ１２４が接続される。

以下、線分接続部３２３は、第２の周期Ｅ２の分割信号ｓｇ１２４’の終点に、第３の周期Ｅ３の分割信号ｓｇ１２５’の始点を接続する。次に、線分接続部３２３は、第３の周期Ｅ３の分割信号ｓｇ１３６’の終点に、第４の周期Ｅ４の分割信号ｓｇ１３７’の始点を接続する。次に、線分接続部３２３は、第４の周期Ｅ４の分割信号ｓｇ１４８’の終点に、第５の周期Ｅ５の分割信号ｓｇ１４９’の始点を接続する。次に、線分接続部３２３は、第５の周期Ｅ５の分割信号ｓｇ１６０’の終点に、第６の周期Ｅ６の分割信号ｓｇ１６１’の始点を接続する。

図１８は、本実施形態に係る機械角１周期分の分割信号の接続結果の一例を示す図である。図１８に示すように、電気角１周期分それぞれは、１２個の分割信号を含む。第１の周期Ｅ１は、分割信号ｓｇ１０１’〜分割信号ｓｇ１１２’を含む。第２の周期Ｅ２は、分割信号ｓｇ１１３’〜分割信号ｓｇ１２４’を含む。第３の周期Ｅ３は、分割信号ｓｇ１２５’〜分割信号ｓｇ１３６’を含む。第４の周期Ｅ４は、分割信号ｓｇ１３７’〜分割信号ｓｇ１４８’を含む。第５の周期Ｅ５は、分割信号ｓｇ１４９’〜分割信号ｓｇ１６０’を含む。第６の周期Ｅ６は、分割信号ｓｇ１６１’〜分割信号ｓｇ１７２’を含む。

このため、機械角１周期分の周期Ｋ１では、７２個の分割信号ｓｇ１０１’〜分割信号ｓｇ１７２’を含む。

次に、位置推定装置３０が、手順Ｓ１０５で行う機械角度の生成処理について説明する。ここで、ｓｇ１０２’における任意の点の機械角度を考える。ｓｇ１０２’の機械角度位置は、図１８におけるＥ１の区間に位置しており、Ｅ１の区間の拡大図が図１７である。線分接続部３２３は、中間信号のデジタル値から直前のクロス点信号値ｚｃ１を差し引いた値を直前のクロス点信号値ｚｃ１に加算する。また、上述のように、線分接続部３２３は、クロス点信号値ｚｃ１を点ｐ１０２に置き換える。そして、線分接続部３２３は、点ｐ１０２に対して、中間信号のデジタル値から直前のクロス点信号値ｚｃ１を差し引いた値を加算する。位置推定装置３０は、線分接続部３２３によって接続された分割信号の線分の長さに基づいて、ロータの機械角度位置を推定する。

記憶装置３３に記憶される情報の具体例について説明する。

記憶装置３３は、極対数とセクションとセグメントとの関係を記憶する。また、記憶装置３３は、３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係をセクション毎に記憶している。３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、Ｈｗ０’の大小関係および基準値との大小関係は、セクションの番号を判定するために用いられる。

本実施形態の位置推定方法では、ゼロクロス点を境に検出信号を２つのセグメントに分けている。これにより、機械角の１周分は、７２個の分割信号を有する。本実施形態の位置推定方法では、１つの分割信号の長さが短くなる。その結果、結合した分割信号は、より理想的な角度に比例した直線信号に近くなる。そして、本実施形態の位置推定方法では、直線に近い形状の分割信号に基づいて、ロータＲの角度情報である位置を得ることができる。このようにして接続された線分を用いて、位置推定装置３０がロータＲの位置を推定するため、本実施形態では、精度の高い光学式エンコーダを必要とすることなく、高精度な位置検出を行うことができる。

モータモジュール１０００は、このように得られた位置推定値Θ＾を用いて、位置制御を行うことができる。本実施形態の位置推定方法では、ロータＲの位置を検出する検出装置は、環境に影響されやすいエンコーダを使用する必要がない。その結果、モータを小型化することができ、粉塵等の環境によって、位置制御の精度が左右されづらい。また、位置推定信号は、離散的なパルス信号ではない。位置推定信号は、直線状に大きさが変化するため、任意の大きさの分解能で、ロータ（可動子）の位置決めが可能になる。

なお、位置推定値の生成は、上記の方法に限定されない。重要な点は、位置推定信号が、離散的なパルス信号ではなく、ロータＲの位置に応じて線形的に変化する大きさを有していることにある。

［変形例］
本実施形態について、交差点とゼロクロス点とを検出し、交差点とゼロクロス点の間の検出信号を分割信号として検出する例を説明した。しかし、本開示の実施形態は、これに限られない。例えば、分割検出装置３２２は、交差点から当該交差点と隣り合う交差点までの検出信号を分割信号として抽出するようにしてもよい。そして、分割検出装置３２２は、抽出した分割信号を、交差点から当該交差点と隣り合う交差点との間にあるゼロクロス点を境に、２つの分割信号に分割するようにしてもよい。

本実施形態について、位置演算部３２は、デジタル信号に変換された検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’に対して各処理を行う例を説明したが、本開示の実施形態は、これに限られない。例えば、位置演算部３２は、アナログ信号の検出信号Ｈｕ０、Ｈｖ０、およびＨｗ０に対して各処理を行うようにしてもよい。

モータＭの駆動方式は、例えばベクトル制御手法、その他駆動手法であってもよい。他の駆動方法とは、例えば１２０度矩形波、正弦波を用いた駆動手法であってもよい。

モータＭの極数は、１２極に限定されず、例えば、２極、４極、８極等であってもよい。例えば、８極モータの場合、機械角１周期分は、４つの電気角１周期分の分割信号を有する。このとき、検出装置が、３相の検出信号を出力する場合、１つの電気角１周期分は、１２個の分割信号を有する。このため、機械角１周期分は、４８（＝１２×４）個の分割信号を含む。８極モータかつロータＲがＣＷ回転の場合、線分接続部３２３は、４８個の分割信号を順方向に逐次結合させるようにしてもよい。ここで、ＣＷとは、出力軸側から見て時計方向の回転である。また、順方向とは、ロータ角の増加に従ってデジタル値が増加する方向である。

ロータＲがＣＣＷ回転の場合、手順Ｓ１０４において、線分接続部３２３は、機械角１周期分の分割信号を逆方向に接続するようにしてもよい。ここで、ＣＣＷとは、出力軸側から見て反時計方向の回転である。また、逆方向とは、ロータ角の増加に従ってデジタル値が減少する方向である。線分接続部３２３は、接続された機械角１周期分の分割信号を、ロータ角の増加に応じて、３６０［ｄｅｇＭ］から０［ｄｅｇＭ］に減少する方向に、逐次接続するようにしてもよい。この場合、位置推定装置３０は、ロータＲがＣＷ回転であるかＣＣＷ回転であるかを判別する。記憶装置３３に記憶されている３つの検出信号Ｈｕ０’、Ｈｖ０’、およびＨｗ０’の大小関係が変化するため判別することができる。本実施形態によれば、ロータＲがＣＷ回転していてもＣＣＷ回転していても、ロータＲの位置を精度良く推定することができる。

回転方向と検出信号との関係を、図１６を参照して説明する。

ロータ角θ１０５とθ１０７との間に現在位置がある場合、位置推定装置３０は、例えば、現在の位置における縦軸のデジタル値と、１つ前の交差点であるロータ角θ１０５の縦軸のデジタル値を記憶装置３３に記憶させる。

ロータＲがＣＷ回転の場合、ロータＲの位置は、ロータ角θ１０７とθ１０９の間に移動する。位置推定装置３０は、検出信号Ｈｖ０’から検出信号Ｈｕ０’への中間信号の切り替わり、及び切り替わり後の中間信号の基準値に対する正負を検知し、ロータＲがＣＷ回転であると判別する。続けて、位置推定装置３０は、ロータ角θ１０７とθ１０９の間の分割信号ｓｇ１０７とｓｇ１０８とを、分割信号ｓｇ１０６に順方向に接続する。

一方、ロータＲがＣＣＷ回転の場合、ロータＲの位置は、ロータ角θ１０３とθ１０５の間に移動する。位置推定装置３０は、検出信号Ｈｖ０’から検出信号Ｈｗ０’への中間信号の切り替わり、及び切り替わり後の中間信号の基準値に対する正負を検知し、ロータＲがＣＣＷ回転であると判別する。続けて、位置推定装置３０は、ロータ角θ１０３とθ１０５の間の分割信号ｓｇ１０３とｓｇ１０４とを、分割信号ｓｇ１０５に逆方向に接続する。

検出装置１５０のセンサは、ホール素子に限られない。検出装置１５０に用いるセンサは、検出信号が正弦波、または正弦波に高調波を含む出力信号であってもよい。例えば、検出装置１５０のセンサは、磁気抵抗効果を用いたセンサであってもよい。

分割検出装置３２２は、交差点から当該交差点と隣り合うゼロクロス点まで、またはゼロクロス点から当該ゼロクロス点と隣り合う交差点までの線分を生成することで、分割信号を抽出するようにしてもよい。線分は、例えば直線であってもよく、正弦波の一部であってもよい。

モータＭは、アウターロータ型に限定されず、スロットがロータＲの一部となるブラシ付きモータであってもよい。さらに、モータＭは、前述したように、リニアモータであってもよい。

検出装置１５０が備えるセンサの数は、３個に限られない。各センサの出力は、センサの総数で除算した位相ずつずれていればよい。

また、本実施形態について、交差位置検出装置３２１が交差点とゼロクロス点とを検出する例を説明したが、これに限られない。交差位置検出装置３２１は、交差点のみ検出するようにしてもよい。この場合、分割検出装置３２２は、交差点から当該交差点と隣り合う交差点までの検出信号の一部を分割信号として、逐次検出するようにしてもよい。この場合において、電気角１周期分の分割信号の個数は６個になる。また、モータＭの極対数が６の場合、機械角１周期分の分割信号の個数は３６個になる。

ロータＲの回転位置の検出を従来技術のように光学式のエンコーダを用いて行う場合、検出精度は、エンコーダの分解能に依存する。ここで、光学式のエンコーダは、例えば、フォトインタラプタとエンコーダディスクとを有している。エンコーダディスクには、円周上に等間隔で形成されたスリットを有する。例えば、分解能が４００パルスのエンコーダの検出精度は、約±０．９度である。

本願において、交差位置およびゼロクロス点並びに分割信号を『検出する』とは、位置推定装置が交差位置及びゼロクロス点並びに分割信号を算出することによって求めた結果、交差位置及びゼロクロス点を検出することができればよい。

位置推定装置を含むモータ制御装置の機能を実現するためのプログラムを不図示のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより各処理の手順を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリを搭載したメモリカード、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本開示におけるモータ制御装置１００は、信号処理回路と、この信号処理回路の動作を制御するコンピュータプログラムを格納した記録媒体とを用いて実現され得る。以下、このような実施形態を説明する。

図１９は、本実施形態に係るモータモジュール１０００の他の構成例を示す概略図である。本実施形態のモータモジュール１０００は、図１９に示すように、モータＭ、検出装置１５０、増幅回路２００、モータ制御装置１００、ゲートドライバ４５０、インバータ４６０を備えていてもよい。モータモジュール１０００は、外部装置（コントローラ）７０からパルス信号などの外部信号を受け取り、この外部信号に基づいてモータＭの動作を制御する。図１９に示される例では、前述したモータ制御回路２０および位置推定装置３０の全部または一部が信号処理回路４００によって実現される。

検出装置１５０は、ロータＲが有する複数の磁極が形成する磁界を検出して、それぞれが検出した磁界の強さに応じた大きさを持つ検出信号を出力するＮ個（Ｎは３以上の整数）のセンサを備えている。Ｎ個のセンサは、Ｎ個の検出信号の位相が３６０度／Ｎの角度ずつずれるように配置されている。図示されている例では、Ｎは３であり、検出装置１５０はセンサ１１、１２、１３を有している。本実施形態におけるモータＭ、検出装置１５０、および増幅回路２００の構成および動作は、既に説明した通りであるので、ここでは詳細な説明は繰り返さない。

図示されているモータ制御装置１００は、Ｎ個の検出信号からＮ個の補正検出信号を生成する前処理回路３５０と、各種の信号処理を行う信号処理回路４００とを備えている。本実施形態における信号処理回路４００は、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号処理プロセッサなどの集積回路（ＩＣ）チップであり得る。モータ制御装置１００は、信号処理回路４００の動作を制御するコンピュータプログラムを格納した記録媒体を備えている。この記録媒体は、例えばフラッシュＲＯＭなどの不揮発性メモリ４２０であり、信号処理回路４００に接続されている。前処理回路３５０から出力されたＮ個の補正検出信号は、ＲＡＭ４１０に変数として、随時、格納される。

前処理回路３５０は、前述したＡＤ変換器３１を有しており、必要に応じてＡＤ変換器３１の出力に対して補正または正規化などの処理を行う回路を有していても良い。前処理回路３５０により、検出信号はデジタル信号に変換され、種々の補正処理を受け得る。ここでは、このような前処理を受けた検出信号を「補正検出信号」と称する。

信号処理回路４００は、位置推定装置として機能するため、コンピュータプログラムの指令に従って、以下のステップを実行する。

まず、信号処理回路４００は、ＲＡＭ４１０から補正検出信号を読み出す。次に、Ｎ個の補正検出信号のうちのいずれか２個の信号が互いに交差する交差点を逐次検出する。

信号処理回路４００は、交差点から、交差点に隣り合う他の交差点までを連結する補正検出信号を、１個または複数個のセグメントに分割し、各セグメントを分割信号として検出する。

信号処理回路４００は、各セグメントに対応するロータの移動量を全てのセグメントに対応づけた測定データを記憶装置から読み出す。この記憶装置は、上述したコンピュータプログラムを格納している記録媒体であってもよいし、メモリカードなどの他の記憶装置であっても良い。本実施形態では、不揮発性メモリ４２０に測定データが保存されており、不揮発性メモリ４２０から測定データが読み出される。この測定データは、出荷前のオフライン処理によって取得され、記憶媒体に保存されている。出荷後において、測定データは更新され得る。

信号処理回路４００は、この測定データを参照して、Ｎ個の補正検出信号の関係および分割信号に基づいて、ロータＲの現在位置に対応するセグメントを特定する。

次の条件を満たす態様においては、Θ［ｎ］＝Θｏｆｆｓｅｔ［ｉ］＋ｋ［ｉ］×Ｘ［ｎ］の関係が成立する。ｉは１以上の整数である。ｎは現在時刻を規定する整数である。ｉは特定されたセグメントの番号とする。Θｏｆｆｓｅｔ［ｉ］は特定されたセグメントの始点におけるロータＲの位置である。Ｘ［ｎ］はセグメントの始点における分割信号の値と当該分割信号の現在値との差分である。ｋ［ｉ］は比例係数である。この関係から、ロータＲの位置推定値が決定される。

ロータＲの位置推定値を示す信号は、基準位置からのロータＲの移動量に比例して直線的に増加する値を持つ。好ましい態様において、ロータＲの位置推定値を示す信号は、Θに比例するデジタル値またはアナログ値を持つ。

このように、信号処理回路４００は、特定されたセグメントに基づいて、分割信号のレベルからロータの位置推定値を決定し、位置推定値を示す信号を生成する。

信号処理回路４００が実行する動作として、各セグメントに対応するロータの移動量を全てのセグメントに対応づけた測定データを記憶装置から読み出すことは、本実施形態にとって不可欠の動作ではない。また、測定データを参照して、Ｎ個の補正検出信号の関係および分割信号に基づいて、ロータの現在位置に対応するセグメントを特定することは、本実施形態にとって不可欠の動作ではない。これらの動作を実行する代わりに、信号処理回路４００は、分割信号を逐次接続させて接続させた複数の分割信号に基づいて、分割信号のレベルからロータの位置推定値を決定し、位置推定値を示す信号を出力しても良い。

更に信号処理回路４００は、位置指令値生成回路として機能する場合、コンピュータプログラムの指令に従う。まず、信号処理回路４００が、外部装置から入力されるパルス信号の１パルスあたりに対するロータの位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報をメモリから取得する。次に、外部装置からパルス信号を受け取ると、上記の方法によって得たロータの位置推定値と、可変ステップサイズ情報とに基づいて位置指令値を生成する。

こうして生成された位置指令値を用いて、信号処理回路４００はベクトル制御などの公知のモータ制御に必要な演算を実行し、ＰＷＭ回路４３０からＰＷＭ信号をゲートドライバ４５０に与える。ゲートドライバ４５０はＰＷＭ信号に基づいてインバータ４６０内のスイッチングトランジスタを開閉し、必要な電圧および電流をモータＭに供給する。

なお、位置推定信号は、デジタル値の状態で外部装置７０の不図示のフィードバック（Ｆ／Ｂ）端子に入力されてもよい。位置推定信号は、シリアルデータとして外部に出力されたり、ＤＡ変換回路（ＤＡＣ）４４０によってアナログ値に変換されてから出力されたりしてもよい。例えばメンテナンスに際して、アナログ値に変換された信号をオシロスコープによって観測することにより、位置指令値と位置推定値とを比較することが可能である。

信号処理回路４００が実行する各種の処理は、１つのＩＣチップによって実行される必要はない。複数の演算処理ユニットまたはデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）が、各機能ブロックが実行する異なる処理を分担してもよい。また、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）のようなプログラマブルロジックデバイスを用いて本実施形態の信号処理回路４００を実現することもできる。

オフライン時に測定データを取得または更新するとき、信号処理回路４００は、コンピュータプログラムの指令に従って、一定速度でロータＲが移動（回転）する。そして、セグメント毎のロータＲの移動（回転）時間を測定し、各セグメントに対応するロータＲの移動量（機械角度）を全てのセグメントに対応づけるデータを作成する。信号処理回路４００は、このデータを測定データとして不揮発性メモリ４２０に記憶させる。

本開示のモータモジュールは、プリンタ、スキャナ、複写機、および複合機などの装置に広く用いられているステッピングモータを代替し得る。

１０…モータ駆動回路、１１、１２、１３…センサ、２０…モータ制御回路、２１、２２、２３…差動増幅器、３０…位置推定装置、３１…ＡＤ変換器、３１１、３１２、３１３…ＡＤ変換回路、３２１…交差位置検出装置、３２２…分割検出装置、３２３…線分接続部、３３…記憶装置、４０…可変ステップサイズメモリ、５０…モータ制御装置、６０…モータ駆動回路、７０…外部装置、７２…ステッピングモータコントローラ、７４…上位コントローラ、１００…モータ制御装置、１５０…検出装置、２００…増幅回路、Ｍ…モータ、５００…信号処理回路、５２０、５２０Ａ、５２０Ｂ…位置指令値生成回路、５４０…演算器、５４５…速度推定値生成回路、５５０ａ…比較器、５５０ｂ…比較器、５６０…速度指令値生成回路、５７０…ＰＷＭ信号生成回路、１０００…モータモジュール

Claims (16)

1. 可動子および固定子を有するモータと、
   前記モータを駆動するモータ駆動回路と、
   前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を出力する位置推定装置と、
   前記モータ駆動回路に接続され、パルス信号に応答して前記モータ駆動回路に電圧指令値を与えるモータ制御回路と、
   前記パルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶したメモリと、を備え、
   前記モータ制御回路は、前記パルス信号を受け取ると、前記位置推定装置から取得した前記可動子の位置推定値と、前記メモリから読み出された前記可変ステップサイズ情報とに基づいて、前記電圧指令値を決定し、
   前記モータ駆動回路は、前記電圧指令値に基づいて、前記可動子の位置を変化させる、モータモジュール。
2. 前記モータ制御回路は、前記可変ステップサイズ情報および前記パルス信号に基づいて、位置指令値を生成し、前記位置指令値と前記位置推定値とに基づいて、前記電圧指令値を決定する、請求項１に記載のモータモジュール。
3. 前記モータ制御回路は、前記可変ステップサイズ情報および前記パルス信号に基づいて位置指令値および速度指令値を生成し、かつ、前記位置推定値から速度推定値を生成し、前記位置指令値および前記位置推定値、ならびに前記速度指令値および前記速度推定値に基づいて、前記電圧指令値を決定する、請求項１に記載のモータモジュール。
4. 前記モータは、ブラシレスＤＣモータである、請求項１から３のいずれかに記載のモータモジュール。
5. 前記位置推定装置が出力する前記位置推定信号は、前記可動子の位置に応じて線形的に変化する大きさを有する、請求項１から４のいずれかに記載のモータモジュール。
6. 前記メモリは、前記可変ステップサイズ情報として読み出し可能な少なくとも１個の値を記憶しており、
   前記モータ制御回路は、起動時または動作中に、前記少なくとも１個の値を前記メモリから読み出す、請求項１から５のいずれかに記載のモータモジュール。
7. 前記メモリは、前記可変ステップサイズ情報として読み出し可能な複数の候補値を記憶しており、
   前記複数の候補値は、前記パルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量がそれぞれ異なる値であり、
   前記モータ制御回路は、内蔵されたプログラムまたは外部からの指令に応じて、起動時または動作中に、前記複数の候補値のいずれかを選択的に前記メモリから読み出す、請求項１から５のいずれかに記載のモータモジュール。
8. 前記メモリは、前記可変ステップサイズ情報として読み出し可能な複数の候補値を記憶しており、
   前記複数の候補値は、前記パルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量がそれぞれ異なる値であり、
   前記モータ制御回路は、前記複数の候補値から任意の１つを選択するピンまたはスイッチを備える、請求項１から５のいずれかに記載のモータモジュール。
9. 前記モータ制御回路は、内蔵されたプログラムまたは外部からの指令に応じて、起動時または動作中に、前記パルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量を変更する、請求項１から８のいずれかに記載のモータモジュール。
10. 前記メモリが記憶している前記可変ステップサイズ情報を更新するインタフェースを更に備えている、請求項１から９のいずれかに記載のモータモジュール。
11. 前記モータ制御回路は、
    前記位置指令値をθ*、
    前記可動子の位置推定値をθ、
    前記パルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量をθset、
    設定された期間内に前記外部装置から入力された前記パルス信号のパルスカウント数をN_STMP、
    指定された前記可動子の位置変化方向をDirとし、前記位置変化方向が第１の方向であるときはDir＝１、第１の方向とは反対の第２の方向であるときはDir＝−１とするとき、
    θ* ＝ θset × N_STMP × Dir ＋ θの等式によって示される位置指令値を出力する、請求項２に記載のモータモジュール。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載のモータモジュールと、
    前記モータモジュールが備えるモータに接続された機械部品と、
    前記パルス信号を前記モータ制御回路に入力するコントローラと、を備える装置。
13. 可動子および固定子を有するモータを駆動するモータ駆動回路と、
    前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を出力する位置推定装置と、
    前記モータ駆動回路に接続され、パルス信号に応答して前記モータ駆動回路に電圧指令値を与えるモータ制御回路と、
    前記パルス信号の１パルスあたりに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶したメモリとを備え、
    前記モータ制御回路は、前記パルス信号を受け取ると、前記位置推定装置から取得した前記可動子の位置推定値と、前記メモリから読み出された前記可変ステップサイズ情報とに基づいて、前記電圧指令値を決定し、
    前記モータ駆動回路は、前記電圧指令値に基づいて、前記可動子の位置を変化させる、モータステップ動作制御システム。
14. 可動子および固定子を有するモータを駆動するモータ駆動回路と、前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を出力する位置推定装置とに接続されて使用されるモータ制御装置であって、
    位置指令値および前記位置推定値に基づいて電圧指令値を生成し、前記電圧指令値を前記モータ駆動回路に与える制御回路と、
    外部装置から入力されるパルス信号の１パルスに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報を記憶したメモリと、
    前記パルス信号および前記可変ステップサイズ情報に基づいて前記位置指令値を生成する位置指令値生成回路と、を備える、モータ制御装置。
15. 可動子および固定子を有するモータのステップ動作制御方法であって、
    モータ制御装置によって、前記可動子の位置推定値を示すアナログまたはデジタルの位置推定信号を生成することと、
    前記モータ制御装置によって、外部装置から入力されるパルス信号の１パルスあたりに対する前記可動子の位置変化量を規定する可変ステップサイズ情報をメモリから取得することと、
    前記モータ制御回路によって、前記外部装置からパルス信号を受け取り、前記可動子の位置推定値と前記可変ステップサイズ情報とに基づいて前記電圧指令値を生成することと、
    前記モータ駆動回路によって、前記電圧指令値に基づいて前記可動子の位置を可変ステップで変化させることと、を含む、ステップ動作制御方法。
16. 前記モータの起動時または動作中において、前記モータ制御装置に前記可変ステップサイズ情報を変更させることを含む、請求項１５に記載のステップ動作制御方法。

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