JP6040524B2 - 電気角推定装置、モータシステム、電気角推定方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、電気角推定装置、モータシステム、電気角推定方法及びプログラムに関し、更に詳しくは、回転子の電気角を推定する電気角推定装置、電気角推定装置を備えるモータシステム、回転子の電気角を推定するための電気角推定方法及びプログラムに関する。

モータの駆動にベクトル制御を用いることで、低速で回転するモータのトルク特性を向上させることができ、応答性に優れた駆動系を実現することができる。ベクトル制御は、従来、産業用の工作機械によく用いられてきたが、マイクロコンピュータの低価格化や、処理能力の向上にともない、安価な電気機械にも応用されるに至っている。

ベクトル制御の対象となるモータは、一般に、永久磁石が回転子となった回転界磁形の同期モータである。この種のモータを制御するためには、回転子の角度に応じて変調した電圧を、界磁巻線に印加する必要がある。そこで、回転子の角度を正確に検出するための技術が種々提案されている（例えば、特許文献１乃至２、及び非特許文献１乃至２参照）。

特許文献１及び非特許文献１に記載された装置は、回転子の周囲に配置されたホール素子からの信号と、ホール素子からの信号が変化する周期よりも高い周期をもつクロック信号のパルス数とに基づいて、回転子の電気角を検出する。

また、特許文献２に記載された装置は、巻線それぞれにパルス電流を供給したときの応答時間の差に基づいて、回転子の電気角を検出する。

また、非特許文献２に記載された装置は、回転子の永久磁石を含んだモータの磁気回路の非線形性を利用して、回転子の電気角を検出する。

特許第３５００３２８号公報 特許第２６３５２３７号公報

「分解能の低い位置センサのみを用いたＰＭモータの正弦波駆動」電気学会論文誌Ｄ、１１８巻１号（１９９８） 「永久磁石界磁同期電動機の回転子位置と速度センサレス検出の一方法」電気学会論文誌Ｄ、１１０巻１１号（１９９０）

上記特許文献１及び非特許文献１に記載の装置は、回転子がある程度の速度で回転しているときには、クロック信号の周期と等価な分解能で、回転子の電気角を検出することができる。しかしながら、回転子が低速で回転している場合に、分解能が低下してしまう。

また、特許文献２、或いは非特許文献２に記載の装置は、モータに磁気飽和が生じると、回転子の電気角を精度よく検出することができなくなることがある。

本発明は、上述の事情の下になされたもので、低速で回転するモータの回転子の電気角を精度よく検出することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る電気角推定装置は、
三相同期モータの回転子の電気角を推定する電気角推定装置であって、
前記三相同期モータの界磁巻線を流れる励磁電流の値を設定する電流値設定手段と、
前記回転子の推定角度を順次設定する推定角度設定手段と、
前記電流値設定手段によって設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する第１演算手段と、
前記第１演算手段によって算出された値の電圧を、前記界磁巻線に印加する印加手段と、
前記印加手段によって電圧が印加されたときに、前記界磁巻線を流れる前記励磁電流の値を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された前記励磁電流の値を用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記電流値設定手段によって設定された前記励磁電流の値に対応する評価値を算出する第２演算手段と、
前記評価値のうちから閾値以上の前記評価値を抽出し、抽出された前記評価値に対応する前記推定角度の重心値を、前記回転子の電気角と推定する推定手段と、
を備える。

本発明の第２の観点に係るモータシステムは、
永久磁石からなる回転子と、
前記回転子の周囲に配置された界磁巻線と、
第１の観点に係る電気角推定装置と、
前記回転子の電気角を所定の分解能で検出する検出手段と、
前記電気角推定装置及び前記検出手段からの出力に応じた電圧を前記界磁巻線に印加する制御系と、
を備える。

本発明の第３の観点に係る電気角推定方法は、
三相同期モータの回転子の電気角を推定する電気角推定方法であって、
前記三相同期モータの界磁巻線を流れる励磁電流の値を設定する工程と、
前記回転子の推定角度を順次設定する工程と、
設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する工程と、
算出された値の電圧を、前記界磁巻線に印加する工程と、
前記界磁巻線に電圧が印加されたときに、前記界磁巻線を流れる前記励磁電流の値を計測する工程と、
計測された前記励磁電流の値を用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、設定された前記励磁電流の値に対応する評価値を算出する工程と、
前記評価値のうちから閾値以上の前記評価値を抽出し、抽出された前記評価値に対応する前記推定角度の重心値を、前記回転子の電気角と推定する工程と、
を含む。

本発明の第４の観点に係るプログラムは、
コンピュータに、
三相同期モータの界磁巻線を流れる励磁電流の値を設定する手順と、
前記三相同期モータの回転子の推定角度を順次設定する手順と、
設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する手順と、
算出された値の電圧が、前記界磁巻線に印加されたときに計測された前記励磁電流の値を用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、算出された前記励磁電流の値に対応する評価値を算出する手順と、
前記評価値のうちから閾値以上の前記評価値を抽出し、抽出された前記評価値に対応する前記推定角度の重心値を、前記回転子の電気角と推定する手順と、
を実行させる。

本発明によれば、順次設定される推定角度に応じた電圧が印加されたときの励磁電流の値が計測され、この計測結果から推定角度ごとに評価値が算出される。そして、評価値に基づいて、推定角度が算出される。このため、推定角度を、短いスパンで決めていくことで、回転子の回転速度が低い場合や、停止している場合に、回転子の電気角を正確に推定することができる。

第１の実施形態に係るモータシステムのブロック図である。 電気角推定部のブロック図である。 第１推定部から出力される信号を示す図である。 二相／三相変換部から出力される信号を示す図である。 電気角推定部によってプロットされた点を示す図である 推定角度の値とｄ軸電流の値との関係を示す図である。 時間と回転子の電気角との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係るモータシステムを示す図である。 処理装置のブロック図である。 モータシステムの変形例を説明するための図である。 モータシステムの変形例を説明するための図である。 第１推定部から出力される信号の変形例を示す図である。

《第１の実施形態》
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るモータシステム１００のブロック図である。モータシステム１００は、制御装置２００からの指示に基づいて、モータ９０を駆動するシステムである。このモータシステム１００は、モータ９０と、このモータ９０を駆動する駆動ユニット１０を有している。

モータ９０は、円筒状の回転子の外周に沿ってＮ極とＳ極とが交互に現れるように配置された永久磁石を有する回転界磁形のＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）モータである。このモータ９０の電気角は、モータ９０に取り付けられた電気角検出ユニット９１によって検出される。

電気角検出ユニット９１は、３つのホール素子を有している。回転子が等速回転したときには、それぞれのホール素子からは、位相が１２０度ずつ異なる検出信号が出力される。このため、電気角検出ユニット９１は、回転子の電気角θｒを６０度の分解能で検出することができる。

駆動ユニット１０は、トルク／電流変換部１１、減算回路１２、ＰＩ変換部１３、加算回路１４、二相／三相変換部１５、変調回路１６、ＰＷＭ出力部１７、駆動部１８、角速度演算部１９、遅れ補償演算部２０、三相／二相変換部２１、非干渉制御部２２、電気角推定部２３、選択部２４を有している。

トルク／電流変換部１１は、制御装置２００によって指示される出力トルクＴｒと、角速度演算部１９によって算出される角速度ωとから、出力トルクＴｒでモータ９０を駆動するために必要なリラクタント電流Ｉｄを算出する。そして、リラクタント電流Ｉｄの値に応じた信号ｉｄ１を、選択部２４へ出力する。

また、トルク／電流変換部１１は、出力トルクＴｒと角速度ωとから、マグネット電流Ｉｑを算出する。そして、マグネット電流Ｉｑの値に応じた信号ｉｑを、減算回路１２へ出力する。

選択部２４は、トルク／電流変換部１１からの信号ｉｄ１と、電気角推定部２３からの信号ｉｄ２とを選択して、減算回路１２へ出力する。具体的には、選択部２４は、角速度ωから求められる回転子の回転数Ｎ（ｒｐｓ）が、閾値以下の場合に、電気角推定部２３から出力された信号ｉｄ２を出力し、それ以外のときは、トルク／電流変換部１１から出力された信号ｉｄ１を出力する。

減算回路１２は、トルク／電流変換部１１からの信号ｉｑの値から、三相／二相変換部２１から信号ｉｑｒの値を減算する。そして、減算回路１２は、信号ｉｑと信号ｉｑｒとの偏差ΔＩｑの値に応じた信号Δｉｑを出力する。

また、減算回路１２は、選択部２４から出力される信号ｉｄ１或いは信号ｉｄ２の値から、信号ｉｄｒの値を減算する。そして、減算回路１２は、信号ｉｄ１或いは信号ｉｄ２と信号ｉｄｒとの偏差ΔＩｄに応じた値の信号Δｉｄを出力する。

ＰＩ変換部１３は、比例積分回路と電流・電圧変換部から構成されている。ＰＩ変換部１３は、偏差ΔＩｄを比例積分し、積分結果を電流・電圧変換することによって、ｄ軸電圧Ｖｄを算出する。また、偏差ΔＩｑを比例積分し、積分結果を電流・電圧変換することによって、ｑ軸電圧Ｖｑを算出する。ＰＩ変換部１３は、ｄ軸電圧Ｖｄ、及びｑ軸電圧Ｖｑを算出すると、ｄ軸電圧Ｖｄの値に応じた信号ｖｄ１と、ｑ軸電圧Ｖｑの値に応じた信号ｖｑ１とを出力する。

加算回路１４は、ＰＩ変換部１３からの信号ｖｄ１の値と、非干渉制御部２２からの信号ｖｄ２の値とを加算する。そして、加算結果としての電圧Ｖｄ３に応じた値の信号ｖｄ３を出力する。また、ＰＩ変換部１３からの信号ｖｑ１の値と、非干渉制御部２２からの信号ｖｑ２の値とを加算する。そして、加算結果としての電圧Ｖｑ３に応じた値の信号ｖｑ３を出力する。

二相／三相変換部１５は、加算回路１４からの信号ｖｄ３，ｖｑ３によって示される電圧Ｖｄ３，Ｖｑ３について、逆パーク変換を示す次式（１）に示される演算を行って、電圧ｖα，ｖβを算出する。なお、θの値としては、電気角推定部２３によって推定された推定角度θｓ、或いは電気角検出ユニット９１によって検出された電気角θｒが用いられる。

次に、二相／三相変換部１５は、逆クラーク変換を示す次式（２）に示される演算を行って、三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出する。

二相／三相変換部１５は、三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出すると、三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの値にそれぞれ応じた信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１を出力する。

変調回路１６は、二相／三相変換部１５からの信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１に包絡線中心シフト変調を施す。具体的には、変調回路１６は、信号ｖｕ１、ｖｖ１、ｖｗ１の値を互いに比較する。そして、最大値と最小値を除いて、信号ｖｕ１、ｖｖ１、ｖｗ１の値のうちの中間値を特定する。そして、この中間値の１／２の値を補正値とする。例えば、ｖｕ＞ｖｖ＞ｖｗの関係が成立しているとすると、ｖｖが中間値となり、補正値ｓｈは、ｖｖ／２となる。

変調回路１６は、補正値を算出すると、信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１の値から、補正値ｓｈを減じることによって、信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１の値を補正する。例えば、信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１の値がそれぞれｖｕ，ｖｖ，ｖｗである場合には、信号ｖｕ１の値はｖｕ−ｓｈに補正される。また、信号ｖｖ１の値はｖｖ−ｓｈに補正される。そして、信号ｖｗ１の値はｖｗ−ｓｈに補正される。

ＰＷＭ出力部１７は、変調回路１６で補正された信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１に基づいて、駆動部を構成するスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ駆動信号ｐｗｍｕ，ｐｗｍｖ，ｐｗｍｗを出力する。

駆動部１８は、ブリッジ接続された６つのスイッチング素子を有している。駆動部１８は、ＰＷＭ駆動信号ｐｗｍｕ、ｐｗｍｖ、ｐｗｍｗに従って、スイッチング素子を駆動して、モータ９０に三相の電圧ｖｕ２，ｖｖ２，ｖｗ２を印加する。これにより、モータ９０は、印可された電圧ｖｕ２，ｖｖ２，ｖｗ２の周期に応じた速度で回転する。

また、駆動部１８は、モータ９０に三相の電圧ｖｕ２，ｖｖ２，ｖｗ２を印可したときに、モータ９０の３つの巻線に流れる励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを計測する。そして、励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値に応じた信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗを出力する。励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの計測は、例えばＣＴ（Current Transformer）を用いて行うことができる。また、励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのベクトル和は零であるため、励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちのいずれか２つを計測することとしてもよい。

角速度演算部１９は、電気角θｒの変化から回転子の角速度ωを算出する。角速度演算部１９は、算出した角速度ωを示す情報を出力する。

遅れ補償演算部２０は、モータ９０の回転の遅れを補償して、モータ９０の応答性を向上させるために設けられている。一般に、モータの回転の遅れの要因としては、ソフトウエアの演算処理に要する時間、モータ９０の各相の電流の励磁電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの計測に要する時間、モータ９０の応答の遅れ等がある。

本来、これらの要因を分離し、それぞれ補償量を求めることが理想であるが、その場合、演算量が増大し、処理負担が大きくなってしまう。遅れ補償演算部２０は、無駄時間と一次遅れ系による遅延時間の和を、遅れ時間として算出する。次に、この遅れ時間と、モータ９０の角速度ωとから遅れ角ｄを算出する。そして、遅れ補償演算部２０は、電気角検出ユニット９１によって検出された電気角θｒに遅れ角ｄを加算することによって、電気角θｒを補正する。そして、補正された電気角θｒを示す情報を出力する。

三相／二相変換部２１は、モータ９０の角相の励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗについて、クラーク変換とパーク変換を示す次式（３）に示される演算を行って、ｄ軸電流Ｉｄｒと、ｑ軸電流Ｉｑｒとを算出する。三相／二相変換部２１は、ｄ軸電流Ｉｄｒ，ｑ軸電流Ｉｑｒを算出すると、ｄ軸電流Ｉｄｒ，ｑ軸電流Ｉｑｒの値にそれぞれ応じた信号ｉｄｒ，ｉｑｒを出力する。

非干渉制御部２２は、角速度ωと、信号ｉｄｒ，ｉｑｒに示されるｄ軸電流Ｉｄｒ，ｑ軸電流Ｉｑｒについて、次式（４）に示される演算を行い、補正値Ｖｄ２，Ｖｑ２を算出する。非干渉制御部２２は、補正値Ｖｄ２，Ｖｑ２を算出すると、補正値Ｖｄ２，Ｖｑ２の値にそれぞれ応じた信号ｖｄ２，ｖｑ２を出力する。なお、Ｒａはモータ９０を構成する角相の巻線の抵抗値である。また、Ｌｄは、ｄ軸のリアクタンスであり、Ｌｑはｑ軸のリアクタンスである。

選択部２４は、モータ９０の回転数がＡ（ｒｐｓ）以下の場合に、電気角推定部２３からの信号ｉｄ２を出力する。そして、モータ９０の回転数がＡ（ｒｐｓ）より大きい場合に、トルク／電流変換部１１からの信号ｉｄ１を出力する。なお、Ａは微妙回転数を表す。

電気角推定部２３は、モータ９０の回転子の電気角を推定するために設けられている。この電気角推定部２３は、二相／三相変換部１５によって実行される式（１）及び式（２）のθの値を所定量ずつ増加させていく。そして、θが変化するごとに、三相／二相変換部２１から出力される信号ｉｄｒに示されるｄ軸電流Ｉｄｒの変化を観察し、ｄ軸電流が所定の値以上となったときのθの値と、このθに対応するｄ軸電流Ｉｄｒの値からモータ９０の回転子の電気角を推定する。

図２は、電気角推定部２３のブロック図である。図２に示されるように、電気角推定部２３は、第１推定部２３ａ、及び第２推定部２３ｂを有している。

第１推定部２３ａは、角速度ωから、回転子の回転数Ｎ（ｒｐｓ）を求める。そして、回転数Ｎが、閾値以下の場合に、モータ９０の回転子の電気角の推定を行う。具体的には、モータ９０の回転数ＮがＡ（ｒｐｓ）以下のときに、電気角の推定を行う。

以下、第１推定部２３ａの動作について説明する。前提として、回転子の電気角は検出されていないものとし、選択部２４からは、電気角推定部２３から出力された信号ｉｄ２が出力されるものとする。

第１推定部２３ａは、電気角検出ユニット９１によって検出された電気角θｒが、−３０（３３０）度以上３０度未満の範囲ＲＡ_１に属するか、３０度以上９０度未満の範囲ＲＡ_２に属するか、９０度以上１５０度未満の範囲ＲＡ_３に属するか、１５０度以上２１０度未満の範囲ＲＡ_４に属するか、２１０度以上２７０度未満の範囲ＲＡ_５に属するか、２７０度以上３３０（０）度未満の範囲ＲＡ_６に属するかを特定する。

次に、第１推定部２３ａは、モータ９０の回転数ＮがＡ（ｒｐｓ）以下のときに、図３に示されるように、矩形状の信号ｉｄ２を出力する。この信号ｉｄ２の符合は、モータ９０の回転子が正転するときのｄ軸電流の向きを正として付されている。図３を見るとわかるように、信号ｉｄ２は、周期Ｔ１ごとに、時間Ｔ２だけハイレベル（＋Ｖ１）となる。

そして、第１推定部２３ａは、信号ｉｄ２の立ち下がりに同期するように、推定角度θｓ_Ｎを順次設定する。例えば回転子の電気角が属する範囲をＲＡ_ｉ（i＝１，２，…，６）とすると、推定角度θｓ_Ｎの設定は、次式（５）に基づいて行われる。

θｓ_Ｎ＝６０・（ｉ−１）−３０＋１２・Ｎ …（５）

したがって、例えば回転子の電気角が範囲ＲＡ_２に属している場合には、推定角度θｓ_Ｎの値は６，１８，３０，４２，５４，６６，７８，９０，１０２，１２４と、順次設定される。

第１推定部２３ａは、設定した推定角度θｓ_Ｎを示す情報を、二相／三相変換部１５、及び三相／二相変換部２１へ出力する。これにより、二相／三相変換部１５、及び三相／二相変換部２１では、θｓ_Ｎが代入された式（１）〜（４）を用いた変換が行われる。

一方、電気角推定部２３から信号ｉｄ２が出力されると、この信号ｉｄ２の値に対応した信号ｖｄ３が二相／三相変換部１５に入力される。図４には、二相／三相変換部１５から出力される信号ｖｄ３が示されている。この信号ｖｄ３は、立ち上がりと立ち下がりが、信号ｉｄ２の立ち上がりと立ち下がりに同期している。具体的には、信号ｖｄ３は、周期が信号ｉｄ２の周期と同じＴ１であり、Ｔ１ごとに時間Ｔ２だけハイレベル（＋Ｖ２）となる。

以上のように、第１推定部２３ａから、信号ｉｄ２と推定角度θｓを示す情報とが出力されると、二相／三相変換部１５では、信号ｖｄ３の値が＋Ｖ２に変化するごとに、式（１）及び式（２）のθへ順次θｓ_１，θｓ_２，…，θ_ｓ１０が代入される。

これにより、二相／三相変換部１５からは、値が時間Ｔ１ごとに変化する信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１が出力される。具体的には、信号ｖｕ１の値は、ｆｕ_１（＋Ｖ２），ｆｕ_２（＋Ｖ２），…ｆｕ_１０（＋Ｖ２）と、時間Ｔ１ごとに変化する。また、信号ｖｖ１の値は、ｆｖ_１（＋Ｖ２），ｆｖ_２（＋Ｖ２），…ｆｖ_１０（＋Ｖ２）と、時間Ｔ１ごとに変化する。そして、信号ｖｗ１の値は、ｆｗ_１（＋Ｖ２），ｆｗ_２（＋Ｖ２），…ｆｗ_１０（＋Ｖ２）と、時間Ｔ１ごとに変化する。なお、ｆｕ，ｆｖ，ｆｗは、二相／三相変換部１５での変換を示す関数である。

二相／三相変換部１５から、値が時間Ｔ１ごとに変化する信号ｖｕ１，ｖｖ１，ｖｗ１が出力されると、駆動部１８によってモータ９０に印加される電圧ｖｕ２，ｖｖ２，ｖｗ２の大きさが、周期Ｔ１ごとに変化する。

具体的には、電圧ｖｕ２は、周期Ｔ１ごとに、信号ｖｕ１の値ｆｕ_１（＋Ｖ２），ｆｕ_２（＋Ｖ２），…ｆｕ_１０（＋Ｖ２）に応じた値に変化する。また、電圧ｖｖ２は、周期Ｔ１ごとに、信号ｖｖ１の値ｆｖ_１（＋Ｖ２），ｆｖ_２（＋Ｖ２），…ｆｖ_１０（＋Ｖ２）に応じた値に変化する。そして、電圧ｖｗ２は、周期Ｔ１ごとに、信号ｖｗ１の値ｆｗ_１（＋Ｖ２），ｆｗ_２（＋Ｖ２），…ｆｗ_１０（＋Ｖ２）に応じた値に変化する。

このため、モータ９０の各巻線を流れる電流も時間Ｔ１ごとに変化し、三相／二相変換部２１に出力される信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの値も時間Ｔ１ごとに変化する。また、三相／二相変換部２１では、信号ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの値が変化するごとに、式（３）及び式（４）のθへ順次θｓ_１，θｓ_２，…，θ_ｓ１０が代入される。これにより、三相／二相変換部２１から出力される信号ｉｄｒの値は、周期Ｔ１毎に変化する。

第１推定部２３ａは、入力される信号ｉｄｒに示されるｄ軸電流の値を周期Ｔ１毎にサンプリングして、信号ｉｄｒの値と推定角度θｓとによって規定される点Ｐ_１〜Ｐ_１０をプロットする。図５は、信号ｉｄｒの値と推定角度θｓとによって規定される点Ｐ_Ｎが示されている。

第１推定部２３ａは、まず閾値Ｔｈ１を算出する。この閾値Ｔｈ１は、ｄ軸電流Ｉｄｒの最大値をＩｄｍａｘ、最小値をＩｄｍｉｎとすると、次式（６）で示される。第１推定部２３ａは、次式（６）に示される演算を行うことで閾値Ｔｈ１を算出する。

Ｔｈ１＝Ｉｄｍａｘ−｜Ｉｄｍａｘ−Ｉｄｍｉｎ｜／４ …（６）

次に、第１推定部２３ａは、図５に示される点Ｐ_Ｎのうちから、信号ｉｄｒに示されるｄ軸電流Ｉｄｒの値が閾値Ｔｈ１以上の点Ｐ_Ｎを選択する。そして、選択された点Ｐ_Ｎそれぞれに対応する推定角度θｓ_Ｎの重心値θｃを、回転子の電気角であると推定する。

重心値θｃの算出には、θｓ_１〜θｓ_１０に、割り当てられた値ｊ（０，１，…９）を用いる。第１推定部２３ａによって選択された点Ｐ_Ｎについての値ｊの合計値をｓｕｍｊｐ、選択された点Ｐ_Ｎの個数をｐｎ、電気角検出ユニット９１によって検出された電気角が属する範囲ＲＡ_Ｎの平均値をＲＡａｖｇとすると、重心値θｃは、次式（７）で示される。

θｃ＝（ＲＡａｖｇ−３０）＋（６＋１２・（ｓｕｍｊｐ／ｐｎ）） …（７）

図６には、推定角度θｓ_Ｎの値とｄ軸電流Ｉｄｒの値との関係を示すテーブルが示されている。例えば、図６に示されるように、推定角度θｓの値が設定され、ｄ軸電流Ｉｄｒの値が算出された場合には、第１推定部２３ａは、まず、上記式（６）のＩｄｍａｘに−１．１を代入し、Ｉｄｍｉｎに−１．３を代入して、閾値Ｔｈ１を算出する。ここでは、閾値Ｔｈ１の値は−１．１５（＝−１．１−０．０５）となる。

次に、第１推定部２３ａは、対応するｄ軸電流Ｉｄｒの値が閾値Ｔｈ１以上の点Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６を選択する。そして、点Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５，Ｐ_６にそれぞれ対応する推定角度θｓ_３，θｓ_４，θｓ_５，θｓ_６の値の重心θｃを算出する。

具体的には、第１推定部２３ａは、上記式（７）のＲＡａｖｇに６０を代入し、ｓｕｍｊｐに１４（＝２＋３＋４＋５）を代入し、ｐｎに４を代入することにより、重心値θｃを算出する。ここでは、重心値θｃの値は８４度となる。そこで、第１推定部２３ａは、推定角度θｓを重心値θｃと等価な７８度と決定する。

そして、第１推定部２３ａは、算出した推定角度θｓを示す情報を出力する。これにより、二相／三相変換部１５、及び三相／二相変換部２１によって実行される演算を示す式（１）〜式（４）のθの値が、推定角度θｓと等価な角度に設定される。また、第１推定部２３ａは、推定角度θｓを算出すると、後述する第２推定部２３ｂに推定角度θｓの値を通知する。

第２推定部２３ｂは、第１推定部２３ａによって、推定角度θｓが算出された場合であって、第１推定部２３ａと同様に、モータ９０の回転数ＮがＡ（ｒｐｓ）以下のときに、電気角の推定を行う。

図７に示されるように、回転子の角度は初期角度θｓ_０が決定された時刻から、角速度に応じて増加する。そこで、第２推定部２３ｂは、第１推定部２３ａによって算出された推定角度θｓを初期角度θｓ_０とし、推定角度θｓの算出時刻からの経過時間Ｔ１と、回転子の角速度ωとを用いて、次式（８）に示される演算を行い、推定角度θｓを算出する。

θｓ＝θｓ_０＋ω・Ｔ１＋ｋ・ｄω／ｄｔ・Ｔ１^２ …（８）

第２推定部２３ｂは、算出した推定角度θｓを示す情報を出力する。これにより、二相／三相変換部１５、及び三相／二相変換部２１によって実行される演算を示す式（１）〜式（４）のθの値が、推定角度θｓと等価な角度に設定される。

以上説明したように本実施形態では、二相／三相変換部１５によって実行される演算式のθと、三相／二相変換部２１によって実行される演算式のθへ代入される推定角度θｓが順次設定される。そして、二相／三相変換部１５及び三相／二相変換部２１によって、演算式（１）〜式（４）に示される演算が行われることで求められるｄ軸電流Ｉｄｒを、評価値として用い、式（７）に基づいて、推定角度θｓが算出される。

したがって、推定角度θｓを、電気角検出ユニット９１の分解能よりも細かく設定していくことで、モータ９０が低速で回転しているときや、停止しているときであっても、モータ９０を構成する回転子の電気角を精度よく検出することができる。

これにより、二相／三相変換部１５によって算出された三相電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相と、モータ９０の回転子と巻線との位相との誤差が少なくなる。これにより、モータ９０のベクトル制御を精度よく行うことができる。その結果、モータ９０をスムーズに回転させることが可能となる。

本実施形態では、モータ９０の回転子が正転するときのｄ軸電流の向きを正とし、図３に示されるように、信号ｉｄ２を、周期的に短期間ハイレベルにする。したがって、推定角度を求める際に、モータ９０に大きなトルクが発生することがない。

本実施形態では、推定角度θｓが順次設定されることで変化するｄ軸電流の値が、評価値として順次サンプリングされる。そして、閾値以上のｄ軸電流の値に基づいて、重心値θｃが推定角度として決定される。このように、推定角度が複数のｄ軸電流の値から算出されるので、ｄ軸電流の値にばらつきがあっても、精度よく推定角度を算出することができる。

本実施形態では、推定角度の算出する際に、サンプリングされたｄ軸電流に基づいて閾値が決定される。このため、何らかの要因で、ｄ軸電流の値が小さくなったり、或いは大きくなったとしても、精度よく推定角度を算出することができる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、第１の実施形態と同一又は同等の構成については、同等の符号を用いるとともに、その説明を省略又は簡略する。

図８は、第２の実施形態に係るモータシステム１００Ａのブロック図である。本実施形態に係るモータシステム１００Ａは、第１の実施形態に係るトルク／電流変換部１１、減算回路１２、ＰＩ変換部１３、加算回路１４、二相／三相変換部１５、変調回路１６、ＰＷＭ出力部１７、角速度演算部１９、遅れ補償演算部２０、三相／二相変換部２１、非干渉制御部２２、電気角推定部２３、選択部２４の機能を実行する処理装置３０を備えている点で、第１の実施形態に係るモータシステム１００と相違している。

図９は、処理装置３０のブロック図である。処理装置３０は、パーソナルコンピュータ或いはマイクロコンピュータである。この処理装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０ａ、主記憶部３０ｂ、補助記憶部３０ｃ、表示部３０ｄ、入力部３０ｅ、インタフェース部３０ｆ、及び上記各部を相互に接続するシステムバス３０ｇを有している。

ＣＰＵ３０ａは、補助記憶部３０ｃに記憶されているプログラムに従って、第１の実施形態に係る駆動ユニット１０を構成する各部が行う処理と同等の処理を実行する。

主記憶部３０ｂは、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成され、ＣＰＵ３０ａの作業領域として用いられる。

補助記憶部３０ｃは、ＲＯＭ（Read Only Memory）、磁気ディスク、半導体メモリ等の不揮発性メモリを含んで構成されている。この補助記憶部３０ｃは、ＣＰＵ３０ａが実行するプログラム、及び各種パラメータなどを記憶している。また、ＣＰＵ３０ａによる処理結果などを含む情報を順次記憶する。

表示部３０ｄは、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を有し、ＣＰＵ３０ａの処理結果等を表示する。

入力部３０ｅは、タッチパネルや操作スイッチからなるインタフェースを有している。オペレータの指示は、この入力部３０ｅを介して入力され、システムバス３０ｇを経由してＣＰＵ３０ａに通知される。

インタフェース部３０ｆは、制御装置２００及び駆動部１８との通信インタフェースを備えている。制御装置２００及び駆動部１８は、インタフェース部３０ｆを介してシステムバス３０ｇに接続される。

上述のように構成された処理装置３０は、第１の実施形態に係る電気角推定部２３が行う処理と同等の処理を行うことにより、モータ９０の電気角θｒを推定する。そして、以降電気角θｒ、及び励磁電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗそれぞれを監視しつつ、駆動部１８へＰＷＭ駆動信号ｐｗｍｕ，ｐｗｍｖ，ｐｗｍｗを出力する。

以上説明したように、本発明に係る駆動ユニット１０は、コンピュータからなる処理装置３０を用いて構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態によって限定されるものではない。例えば、初期値と実際の電気角との誤差が大きい場合には、第２推定部２３ｂによって算出される推定角度θｓの値が、電気角検出ユニット９１によって検出された電気角が属する範囲ＲＡを超えた値になることがある。このため、第２推定部２３ｂによって推定される推定角度θｓの値に上限値及び下限値を設定してもよい。

例えば、モータ９０を構成する回転子の電気角が３０度から９０度の範囲にある場合には、推定角度θｓの上限値を９０度にする。これにより、電気角検出ユニット９１によって、検出された電気角θｒと、推定角度θｓとの誤差を小さくすることができる。

具体的には、図１０に示されるように、時刻ｔｙで、電気角が６０度になった場合であって、時刻ｔｙの前の時刻ｔｘに推定角度θｓが９０度となった場合には、その後第２推定部２３ｂによって、推定される推定角度θｓが９０度以上になったとしても、電気角検出ユニット９１のいずれかのホール素子からの出力が変化する時刻ｔｙまでは、第２推定部２３ｂによって、推定される推定角度θｓを９０度に維持する。これにより、推定角度θｓに誤差があったとしても、モータ９０をスムーズに回転させることが可能となる。

また、電気角推定部２３によって推定された推定角度θｓと、電気角検出ユニット９１によって検出された電気角θｒに基づいて、モータ９０の電気角θｅを次式（９）に基づいて決定してもよい。ただし、θｒは、電気角検出ユニット９１によって、電気角が、θｒ_ＭＩＮからθｒ_ＭＡＸまでの６０度の幅の範囲にあると検出されたときの推定値で、次式（１０）に示される。なお、θｒは、上限がθｒ_ＭＡＸであり、下限がθｒ_ＭＩＮである。また、θ_ｍｉｔは、ωが正転を示す場合はθｒ_ＭＩＮであり、ωが逆転を示す場合はθｒ_ＭＡＸである。またΔｔは、電気角検出ユニット９１の６０度幅エッジからの経過時間を示す。そして、Ｋ０１ｌとＫ０２ｈは、係数である。これらの係数Ｋ０１ｌ，Ｋ０２ｈは、モータ９０の回転数に応じて、図１１に示されるように変化する。

θｅ＝Ｋ０１ｌ×θｓ＋Ｋ０２ｈ×θｒ …（９）
θｒ＝θ_ｍｉｔ＋ω・Δｔ …（１０）

上記実施形態では、図３に示されるように、電気角推定部２３が、周期Ｔ１の矩形波状の信号ｉｄ２を出力する場合について説明した。これに限らず、図１２に示されるように、信号ｉｄ２のパルス幅を変えてもよい。また、パルス間隔を変えてもよい。

上記実施形態では、第２推定部２３ｂは、式（６）を用いて、推定角度θｓを算出した。この場合、第２推定部２３ｂは、式（６）の演算結果についての上限値、及び下限値を設けてもよい。例えば、第２推定部２３ｂは、最新の推定角度θｓが、直近に算出した推定角度θｓ_ＯＬＤから所定の値を減算した値θｓ_ＯＬＤ−αと、推定角度θｓ_ＯＬＤに所定の値を加算した値θｓ_ＯＬＤ＋αの間にある場合に限り（θｓ_ＯＬＤ−α＜θｓ＜θｓ_ＯＬＤ＋α）、推定角度θｓを上記式（６）から求め、その他の場合は、推定角度θｓの値をθｓ_ＯＬＤ±αとすることとしてもよい。

第２の実施形態において、補助記憶部３０ｃに記憶されているプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納して配布し、そのプログラムをコンピュータにインストールすることにより、上述の処理を実行する装置を構成することとしてもよい。

また、プログラムは、全部又は一部をサーバ装置上で実行させ、その処理に関する情報を通信ネットワークを介して送受信しながら、上述の処理を実行することとしてもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

本発明の電気角推定装置、電気角推定方法及びプログラムは、同期モータの電気角の推定に適している。本発明のモータシステムは、モータの制御に適している。

１０ 駆動ユニット
１１ トルク／電流変換部
１２ 減算回路
１３ ＰＩ変換部
１４ 加算回路
１５ 二相／三相変換部
１６ 変調回路
１７ ＰＷＭ出力部
１８ 駆動部
１９ 角速度演算部
２０ 遅れ補償演算部
２１ 三相／二相変換部
２２ 非干渉制御部
２３ 電気角推定部
２３ａ 第１推定部
２３ｂ 第２推定部
２４ 選択部
３０ 処理装置
３０ａ ＣＰＵ
３０ｂ 主記憶部
３０ｃ 補助記憶部
３０ｄ 表示部
３０ｅ 入力部
３０ｆ インタフェース部
３０ｇ システムバス
９０ モータ
９１ 電気角検出ユニット
１００，１００Ａ モータシステム
２００ 制御装置

Claims (11)

1. 三相同期モータの回転子の電気角を推定する電気角推定装置であって、
   前記三相同期モータの界磁巻線を流れる励磁電流の値を設定する電流値設定手段と、
   前記回転子の推定角度を順次設定する推定角度設定手段と、
   前記電流値設定手段によって設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する第１演算手段と、
   前記第１演算手段によって算出された値の電圧を、前記界磁巻線に印加する印加手段と、
   前記印加手段によって電圧が印加されたときに、前記界磁巻線を流れる前記励磁電流の値を計測する計測手段と、
   前記計測手段によって計測された前記励磁電流の値を用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記電流値設定手段によって設定された前記励磁電流の値に対応する評価値を算出する第２演算手段と、
   前記評価値のうちから閾値以上の前記評価値を抽出し、抽出された前記評価値に対応する前記推定角度の重心値を、前記回転子の電気角と推定する推定手段と、
   を備える電気角推定装置。
2. 前記第１演算手段は、前記電流値設定手段によって設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを入力とする変換を行う請求項１に記載の電気角推定装置。
3. 前記第２演算手段は、前記計測手段によって計測された前記励磁電流の値を入力とする変換を行う請求項１又は２に記載の電気角推定装置。
4. 前記回転子の周囲に配置され、前記回転子との相対位置に応じた検出信号を出力する複数の検出手段と、
   前記推定角度設定手段は、前記複数の検出手段のうちの第１検出手段と、前記第１検出手段に隣接する第２検出手段との位相差を等分して得られる角度ずつ、前記推定角度を増加させて順次設定する請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気角推定装置。
5. 前記推定手段は、前記回転子の回転速度が閾値以下のときに、電気角の推定を行う請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気角推定装置。
6. 永久磁石からなる回転子と、
   前記回転子の周囲に配置された界磁巻線と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気角推定装置と、
   前記回転子の電気角を所定の分解能で検出する検出手段と、
   前記電気角推定装置及び前記検出手段からの出力に応じた電圧を前記界磁巻線に印加する制御系と、
   を備えるモータシステム。
7. 前記制御系は、
   前記電気角推定装置によって推定された電気角と、電気角が推定された時刻からの経過時間とに基づいて推定された電気角が、前記検出手段によって検出された電気角と異なる場合には、前記検出手段によって検出された電気角に応じた電圧を、前記界磁巻線に印加する請求項６に記載のモータシステム。
8. 前記制御系は、
   前記回転子の回転数が第１の閾値以下の場合には、前記電気角推定装置によって推定された電気角を前記回転子の電気角とし、
   前記回転子の回転数が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合には、前記検出手段によって検出された電気角を前記回転子の電気角とし、
   前記回転子の回転数が、前記第１の閾値よりも大きく前記第２の閾値よりも小さい場合には、前記電気角推定装置によって推定された電気角に、前記回転子の回転数が増加すると小さくなる係数を乗じることにより得られる値と、
   前記検出手段によって検出された電気角に、前記回転子の回転数が増加すると大きくなる係数を乗じることにより得られる値との和によって求められる電気角を前記回転子の電気角とする請求項６に記載のモータシステム。
9. 三相同期モータの回転子の電気角を推定する電気角推定方法であって、
   前記三相同期モータの界磁巻線を流れる励磁電流の値を設定する工程と、
   前記回転子の推定角度を順次設定する工程と、
   設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する工程と、
   算出された値の電圧を、前記界磁巻線に印加する工程と、
   前記界磁巻線に電圧が印加されたときに、前記界磁巻線を流れる前記励磁電流の値を計測する工程と、
   計測された前記励磁電流の値を用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、設定された前記励磁電流の値に対応する評価値を算出する工程と、
   前記評価値のうちから閾値以上の前記評価値を抽出し、抽出された前記評価値に対応する前記推定角度の重心値を、前記回転子の電気角と推定する工程と、
   を含む電気角推定方法。
10. 前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する前記工程は、励磁電流の値を設定する前記工程によって設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを入力とする変換を行う請求項９に記載の電気角推定方法。
    
11. コンピュータに、
    三相同期モータの界磁巻線を流れる励磁電流の値を設定する手順と、
    前記三相同期モータの回転子の推定角度を順次設定する手順と、
    設定された前記励磁電流の値と、前記三相同期モータの出力トルクとを用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、前記界磁巻線に印加する電圧の値を算出する手順と、
    算出された値の電圧が、前記界磁巻線に印加されたときに計測された前記励磁電流の値を用いて、前記推定角度に応じた演算を行い、算出された前記励磁電流の値に対応する評価値を算出する手順と、
    前記評価値のうちから閾値以上の前記評価値を抽出し、抽出された前記評価値に対応する前記推定角度の重心値を、前記回転子の電気角と推定する手順と、
    を実行させるためのプログラム。

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