JP7456834B2 - モータ制御装置、モータシステム及びモータ制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、モータ制御装置、モータシステム及びモータ制御方法に関する。

１シャント電流検出方式でロータの磁極位置を検出する技術において、モータの起動前に風によってロータが空転することにより発生する誘起電圧を検出することで、ロータの磁極位置と回転速度を検出することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－１６６６９５号公報

停止中の永久磁石同期モータを起動させる場合、いわゆるインダクティブセンシングを用いてロータ磁石の磁極位置を検出してモータを起動させることが多い。しかしながら、ロータが空転している状態では、インダクティブセンシングによる磁極位置の推定が困難である。

本開示は、ロータの空転時の磁極位置などの空転状態を推定可能なモータ制御装置、モータシステム及びモータ制御方法を提供する。

本開示の一実施の形態に係るモータ制御装置は、
モータのロータの空転時のγ軸誘起電圧及びδ軸誘起電圧を推定し、前記γ軸誘起電圧と前記δ軸誘起電圧から、ｄｑ軸とγδ軸との位相差を導出する導出部と、
前記位相差から前記ロータの空転状態を推定する推定部と、を備え、
前記推定部は、前記位相差の周期から、前記ロータの空転速度を推定する。

本開示によれば、ロータの空転時の磁極位置などの空転状態を推定できる。

本開示の実施の形態１に係るモータシステムの構成例を示す図である。 複数のＰＷＭ信号の波形と、これらのＰＷＭ信号の一周期当たりのキャリアの波形と、各相の相電圧指令の波形とを例示する図である。 通電時の各アームのスイッチング状態の一例を示す図である。 非通電時の各アームのスイッチング状態の一例を示す図である。 いずれもデューティ比が５０％の各相のＰＷＭ信号に従ってインバータの全アームのうち一部のアームをオンさせることで電流検出器に流れる各相のオフセット電流を例示するタイミングチャートである。 いずれかのデューティ比が５０％とは異なる各相のＰＷＭ信号に従ってインバータがロータを回転させている時に図５と同じ一部のアームをオンさせることで電流検出器に流れる各相の相電流を例示するタイミングチャートである。 ベクトル制御部で実行されるセンサレスベクトル制御で使用される座標系を例示する図である。 位置・速度推定部におけるオブザーバの構成の一例を示す図である。 磁極位置が増加方向の空転時の位相差の挙動を示す図である。 磁極位置が減少方向の空転時の位相差の挙動を示す図である。 磁極位置が増加方向の空転時における、誘起電圧、位相差及び磁極位置の関係を示すタイミングチャートである。 磁極位置が減少方向の空転時における、誘起電圧、位相差及び磁極位置の関係を示すタイミングチャートである。 ウィンドミル始動機能の処理の流れの一例を示す図である。 磁極位置推定系の一例を示すブロック線図である。 速度推定値が安定するまでの推定時間を例示するタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本開示の実施の形態に係るモータ制御装置、モータシステム及びモータ制御方法について詳細に説明する。

図１は、本開示の実施の形態１に係るモータシステム１－１の構成例を示す図である。図１に示されるモータシステム１－１は、モータ４の回転動作を制御する。モータシステム１－１が搭載される機器は、例えば、コピー機、パーソナルコンピュータ、冷蔵庫、ポンプ等であるが、当該機器は、これらに限られない。モータシステム１－１は、モータ４と、モータ制御装置１００－１とを少なくとも備える。

モータ４は、複数のコイルを有する永久磁石同期モータである。モータ４は、例えば、Ｕ相コイルとＶ相コイルとＷ相コイルとを含む３相コイルを有する。モータ４の具体例として、３相のブラシレス直流モータなどが挙げられる。モータ４は、少なくとも一つの永久磁石が配置されるロータと、そのロータの軸回りに配置されるステータとを有する。モータ４は、ロータの磁石の角度位置（磁極位置）を検出する位置センサを使用しないセンサレス型のモータである。モータ４は、例えば、送風用のファンを回すファンモータである。

モータ制御装置１００－１は、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を３相のＰＷＭ信号を含む通電パターンに従いオンオフ（ＯＮ、ＯＦＦ）制御することで、直流を３相交流に変換するインバータを介してモータを駆動する。モータ制御装置１００－１は、インバータ２３、電流検出部２７、電流検出タイミング調整部３４、駆動回路３３、通電パターン生成部３５、キャリア発生部３７、及びクロック発生部３６を備える。

インバータ２３は、直流電源２１から供給される直流を複数のスイッチング素子のスイッチングによって３相交流に変換し、３相交流の駆動電流をモータ４に流すことによって、モータ４のロータを回転させる回路である。インバータ２３は、通電パターン生成部３５によって生成される複数の通電パターン（より具体的には、通電パターン生成部３５内のＰＷＭ信号生成部３２によって生成される３相のＰＷＭ信号）に基づいて、モータ４を駆動する。ＰＷＭとは、Pulse Width Modulation（パルス幅変調）を意味する。

インバータ２３は、３相ブリッジ接続された複数のアームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎを有する。上アームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐは、それぞれ、直流電源２１の正極側に正側母線２２ａを介して接続されるハイサイドスイッチング素子である。下アームＵｎ，Ｖｎ，Ｗｎは、それぞれ、直流電源２１の負極側（具体的には、グランド側）に接続されるローサイドスイッチング素子である。複数のアームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎは、それぞれ、上述の通電パターンに含まれるＰＷＭ信号に基づいて駆動回路３３から供給される複数の駆動信号のうち、対応する駆動信号に従って、オン又はオフとなる。以下では、複数のアームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎを、特に区別しない場合には、単にアームと称する場合がある。

Ｕ相上アームＵｐとＵ相下アームＵｎとの接続点は、モータ４のＵ相コイルの一端に接続される。Ｖ相上アームＶｐとＶ相下アームＶｎとの接続点は、モータ４のＶ相コイルの一端に接続される。Ｗ相上アームＷｐとＷ相下アームＷｎとの接続点は、モータ４のＷ相コイルの一端に接続される。Ｕ相コイルとＶ相コイルとＷ相コイルとのそれぞれの他端は、互いに接続されている。

アームの具体例として、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが挙げられる。しかしながら、アームは、これらに限られない。

電流検出器２４は、インバータ２３の直流側に接続され、インバータ２３の直流側に流れる電流の電流値に対応する検出信号Ｓｄを出力する。図１に示される電流検出器２４は、負側母線２２ｂに流れる電流の電流値に対応する検出信号Ｓｄを発生させる。電流検出器２４は、例えば、負側母線２２ｂに配置される電流検出素子であり、より具体的には、負側母線２２ｂに挿入されるシャント抵抗である。シャント抵抗等の電流検出素子は、自身に流れる電流の電流値に対応する電圧信号を検出信号Ｓｄとして発生する。

電流検出部２７は、通電パターン生成部３５によって生成される複数の通電パターン（より具体的には、３相のＰＷＭ信号）に基づいて、検出信号Ｓｄを取得することによって、モータ４に流れるＵ，Ｖ，Ｗ各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。より詳細には、電流検出部２７は、複数の通電パターン（より具体的には、３相のＰＷＭ信号）に同期する取得タイミングで検出信号Ｓｄを取得することによって、モータ４に流れるＵ，Ｖ，Ｗ各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。検出信号Ｓｄの取得タイミングは、電流検出タイミング調整部３４により設定される。

例えば、電流検出部２７は、電流検出器２４で発生するアナログ電圧の検出信号Ｓｄを、電流検出タイミング調整部３４により設定される取得タイミングでＡＤ（Analog to Digital）変換器に取り込む。当該ＡＤ変換器は、電流検出部２７に設けられている。そして、電流検出部２７は、取り込んだアナログの検出信号Ｓｄをデジタルの検出信号ＳｄにＡＤ変換し、ＡＤ変換後のデジタルの検出信号Ｓｄをデジタル処理することによって、モータ４のＵ，Ｖ，Ｗ各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流検出部２７により検出された各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値は、通電パターン生成部３５に供給される。

クロック発生部３６は、内蔵する発振回路により所定周波数のクロックを生成し、生成したクロックをキャリア発生部３７へ出力する回路である。なお、クロック発生部３６は、例えば、モータ制御装置１００－１の電源が投入されると同時に、動作を開始する。

キャリア発生部３７は、クロック発生部３６により生成されるクロックに基づいて、キャリアＣを生成する。キャリアＣは、レベルが周期的に増減する搬送波信号である。

通電パターン生成部３５は、インバータ２３を通電させるパターン（インバータ２３の通電パターン）を生成する。インバータ２３の通電パターンは、モータ４を通電させるパターン（モータ４の通電パターン）と言い換えてもよい。インバータ２３の通電パターンには、インバータ２３を通電させる３相のＰＷＭ信号が含まれる。通電パターン生成部３５は、電流検出部２７により検出されるモータ４の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値に基づいて、モータ４が回転するようにインバータ２３を通電させる３相のＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部３２を有する。

通電パターン生成部３５は、インバータ２３の通電パターンをベクトル制御により生成する場合、ベクトル制御部３０を更に有する。なお、本実施の形態においてはベクトル制御によってインバータの通電パターンを生成している。

ベクトル制御部３０は、外部からモータ４の回転速度指令ωｒｅｆが与えられると、モータ４の回転速度の測定値又は推定値と、回転速度指令ωｒｅｆとの差分に基づいて、トルク電流指令Ｉｑｒｅｆと励磁電流指令Ｉｄｒｅｆを生成する。ベクトル制御部３０は、モータ４のＵ，Ｖ，Ｗ各相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づいて、ロータ位置θを用いたベクトル制御演算により、トルク電流Ｉｑ及び励磁電流Ｉｄを算出する。ベクトル制御部３０は、トルク電流指令Ｉｑｒｅｆとトルク電流Ｉｑとの差分に対して例えばＰＩ制御演算を行い、電圧指令Ｖｑを生成する。ベクトル制御部３０は、励磁電流指令Ｉｄｒｅｆと励磁電流Ｉｄとの差分に対して例えばＰＩ制御演算を行い、電圧指令Ｖｄを生成する。ベクトル制御部３０は、電圧指令Ｖｑ，Ｖｄを上記のロータ位置θを用いてＵ，Ｖ，Ｗ各相の相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換する。ロータ位置θは、モータ４のロータの磁極位置を表す。

ＰＷＭ信号生成部３２は、ベクトル制御部３０により生成される相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を、キャリア発生部３７により生成されるキャリアＣのレベルと比較することによって、３相のＰＷＭ信号を含む通電パターンを生成する。ＰＷＭ信号生成部３２は、上アーム駆動用の３相のＰＷＭ信号を反転させた下アーム駆動用のＰＷＭ信号も生成し、必要に応じてデッドタイムを付加した後、生成したＰＷＭ信号を含む通電パターンを駆動回路３３に出力する。

駆動回路３３は、与えられたＰＷＭ信号を含む通電パターンに従い、インバータ２３に含まれる６つのアームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎをスイッチングさせる駆動信号を出力する。これにより、３相交流の駆動電流がモータ４に供給され、モータ４のロータが回転する。

電流検出タイミング調整部３４は、キャリア発生部３７から供給されるキャリアＣと、ＰＷＭ信号生成部３２により生成されるＰＷＭ信号を含む通電パターンとに基づいて、電流検出部２７がキャリアＣの１周期内で３つ相の相電流のうちのいずれかの相の相電流を検出するための取得タイミングを決定する。

電流検出部２７は、電流検出タイミング調整部３４により決定される複数の取得タイミングで検出信号Ｓｄを取得することによって、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。電流検出部２７は、一つの電流検出器２４から複数の相電流を検出する方式（いわゆる、１シャント電流検出方式）で、相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する。

ところで、センサレス型の永久磁石同期電動機が停止しているときにロータの磁極位置（初期位置）を推定する方法として、インダクティブセンシングと呼ばれる手法がある。インダクティブセンシングとは、永久磁石同期モータのロータ磁石の磁極位置をインダクタンスのロータ位置依存性を利用して検出する手法である。この位置検出手法は、モータの誘起電圧を使用しないため、モータのロータが停止又は極低速の状態でもロータ磁石の磁極位置を検出できる。ロータが極低速の状態とは、モータ制御装置が誘起電圧を検出できない程度にロータが低速で回転している状態をいう。本明細書では、説明の便宜上、"ロータが停止又は極低速の状態"を、単に、"ロータの停止状態"という。

本実施の形態１に係るモータ制御装置１００－１は、インダクティブセンシングによって、モータのロータの停止状態での磁極位置である初期位置θｓを推定する初期位置推定部３８を備える。通電パターン生成部３５は、初期位置推定部３８により推定された初期位置θｓを用いて、モータ４のロータを回転させるＰＷＭ信号を含む通電パターンを駆動回路３３に出力する。ベクトル制御部３０は、初期位置推定部３８により推定された初期位置θｓをロータ位置θの初期値として用いて、電圧指令Ｖδ，Ｖγを相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換する。なお、本開示において、初期位置θｓは一例として３０度の幅を持った値となる。このような場合、初期位置θｓに基づき定めた所定の値を用いて、モータ４の制御が行われる。

図２は、複数のＰＷＭ信号Ｕ，Ｖ，Ｗの波形と、これらのＰＷＭ信号の一周期当たりのキャリアＣの波形と、各相の相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*の波形とを例示する図である。

ＰＷＭ信号生成部３２は、各相の相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*とキャリアＣのレベルとの大小関係に基づいて、複数のＰＷＭ信号Ｕ，Ｖ，Ｗを生成する。

ＰＷＭ信号Ｕは、Ｕ相の上下アームを構成する２つのスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号である。この例では、ＰＷＭ信号Ｕがローレベルのとき、Ｕ相の下アームのスイッチング素子がオン（Ｕ相の上アームのスイッチング素子がオフ）となり、ＰＷＭ信号Ｕがハイレベルのとき、Ｕ相の下アームのスイッチング素子がオフ（Ｕ相の上アームのスイッチング素子がオン）となる。ＰＷＭ信号Ｕのレベルの変化に対して、Ｕ相の上下アームを構成する２つのスイッチング素子は相補的にオンオフ動作する。

ＰＷＭ信号Ｖは、Ｖ相の上下アームを構成する２つのスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号である。この例では、ＰＷＭ信号Ｖがローレベルのとき、Ｖ相の下アームのスイッチング素子がオン（Ｖ相の上アームのスイッチング素子がオフ）となり、ＰＷＭ信号Ｖがハイレベルのとき、Ｖ相の下アームのスイッチング素子がオフ（Ｖ相の上アームのスイッチング素子がオン）となる。ＰＷＭ信号Ｖのレベルの変化に対して、Ｖ相の上下アームを構成する２つのスイッチング素子は相補的にオンオフ動作する。

ＰＷＭ信号Ｗは、Ｗ相の上下アームを構成する２つのスイッチング素子を駆動するためのＰＷＭ信号である。この例では、ＰＷＭ信号Ｗがローレベルのとき、Ｗ相の下アームのスイッチング素子がオン（Ｗ相の上アームのスイッチング素子がオフ）となり、ＰＷＭ信号Ｗがハイレベルのとき、Ｗ相の下アームのスイッチング素子がオフ（Ｗ相の上アームのスイッチング素子がオン）となる。ＰＷＭ信号Ｗのレベルの変化に対して、Ｗ相の上下アームを構成する２つのスイッチング素子は相補的にオンオフ動作する。

なお、図２では、上下アームの短絡防止のためのデッドタイムの図示が省略されている。また、図２では、ＰＷＭ信号がハイレベルのとき、そのＰＷＭ信号に対応する相の上アームがオン、ＰＷＭ信号がローレベルのとき、そのＰＷＭ信号に対応する相の下アームがオンと定義している。しかしながら、ＰＷＭ信号の論理レベルと各アームのオンオフとの関係は、回路構成等を考慮して、反対に定義されてもよい。

複数のＰＷＭ信号Ｕ，Ｖ，Ｗのそれぞれの１周期Ｔｐｗｍは、キャリアＣの周期（キャリア周波数の逆数）に相当する。変化点（ｔ１～ｔ６）は、ＰＷＭ信号の論理レベルが遷移するタイミングを表す。

ＰＷＭ信号生成部３２は、図２に示すように、各相で共通の一つのキャリアＣを用いて、各相のＰＷＭ信号を生成してもよい。位相ｔｂを中心とする左右対称の三角波をキャリアＣとしているため、各相のＰＷＭ信号の波形生成の回路構成を簡素化できる。キャリアＣのカウンタは、位相ｔａまでダウンカウント中であり、位相ｔａから位相ｔｂまでアップカウント中であり、位相ｔｂからダウンカウント中である。このように、カウントアップ期間とカウントダウン期間とが繰り返される。なお、ＰＷＭ信号生成部３２は、各相のそれぞれに対応する複数のキャリアＣを用いて各相のＰＷＭ信号を生成してもよいし、他の公知の方法で、各相のＰＷＭ信号を生成してもよい。

図２は、第１電流検出タイミングＴｍ１が通電期間Ｔ２１に設定され、第２電流検出タイミングＴｍ２が通電期間Ｔ２２に設定される場合を例示する。なお、第１電流検出タイミングＴｍ１及び第２電流検出タイミングＴｍ２が設定される通電期間は、これらの期間に限られない。

インバータ２３がＰＷＭ変調された３相交流を出力している状態では、電流検出部２７は、上アームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐに対する通電パターンに応じて、特定の相の電流を検出できる。あるいは、インバータ２３がＰＷＭ変調された３相交流を出力している状態では、電流検出部２７は、下アームＵｎ，Ｖｎ，Ｗｎに対する通電パターンに応じて、特定の相の電流を検出してもよい。

例えば図２のように、通電時間Ｔ２１において、電流検出器２４の両端に発生する電圧の電圧値は、モータ４のＵ相端子から流出する正のＵ相電流"＋Ｉｕ"の電流値に対応する。通電時間Ｔ２１は、ｔ４からｔ５までの時間である。通電時間Ｔ２１は、下アームＵｎ及び上アームＶｐ，Ｗｐがオン且つ残りの３つのアームがオフの状態の期間に相当する。したがって、電流検出部２７は、通電時間Ｔ２１内の第１電流検出タイミングＴｍ１で検出信号Ｓｄを取得することによって、モータ４のＵ相端子から流出する正のＵ相電流"＋Ｉｕ"の電流値を検出できる。

電流検出タイミング調整部３４は、ＰＷＭ信号の内の１相が他の２相と異なる論理レベルに遷移する時（例えば、Ｕ相のＰＷＭ信号がＶ相及びＷ相と同じハイレベルから、Ｖ相及びＷ相と異なるローレベルに遷移するタイミング：ｔ４）から所定の遅延時間ｔｄ経過時に第１電流検出タイミングＴｍ１を設定する。このとき、電流検出タイミング調整部３４は、通電時間Ｔ２１内に、第１電流検出タイミングＴｍ１を設定する。

また、例えば図２のように、通電時間Ｔ２２において、電流検出器２４の両端に発生する電圧の電圧値は、モータ４のＷ相端子から流入する負のＷ相電流"－Ｉｗ"の電流値に対応する。通電時間Ｔ２２は、ｔ５からｔ６までの時間である。通電時間Ｔ２２は、下アームＵｎ，Ｖｎ及び上アームＷｐがオン且つ残りの３つのアームがオフの状態の期間に相当する。したがって、電流検出部２７は、通電時間Ｔ２２内の第２電流検出タイミングＴｍ２で検出信号Ｓｄを取得することによって、モータ４のＷ相端子から流入する負のＷ相電流"－Ｉｗ"の電流値を検出できる。

電流検出タイミング調整部３４は、ＰＷＭ信号の内の１相が他の２相と異なる論理レベルに遷移する時（例えば、Ｖ相のＰＷＭ信号がＷ相と同じハイレベルから、Ｕ相と同じローレベルに遷移したことで、Ｗ相がＵ相及びＶ相と異なる論理レベルとなるタイミング：ｔ５）から、所定の遅延時間ｔｄ経過時に、第２電流検出タイミングＴｍ２を設定する。このとき、電流検出タイミング調整部３４は、通電時間Ｔ２２内に、第２電流検出タイミングＴｍ２を設定する。

同様に、電流検出部２７は、他の相電流の電流値も検出できる。

このように、３相のＰＷＭ信号を含む通電パターンに応じて相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうち、２相の相電流を順次検出して記憶すれば、３相分の電流を時分割で検出することが可能となる。３相の相電流の総和が零であることから（ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０）、電流検出部２７は、３相の相電流うち２相の相電流を検出できれば、残り１相の相電流も検出できる。

図３は、通電時の各アームのスイッチング状態の一例を示す図である。図４は、非通電時の各アームのスイッチング状態の一例を示す図である。図３に示すように、上アームＵｐ及び下アームＶｎ，Ｗｎがオン且つ残りの３つのアームがオフの状態の通電期間では、電流検出部２７は、モータ４のＵ相端子から流入する負のＵ相電流"－Ｉｕ"の電流値を検出できる。一方、図４に示すように、全ての上アームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐがオン且つ全ての下アームＵｎ，Ｖｎ，Ｗｎがオフの状態では、電流が電流検出器２４に流れないため、電流検出部２７は、各相の相電流を検出できない。全ての上アームＵｐ，Ｖｐ，Ｗｐがオフ且つ全ての下アームＵｎ，Ｖｎ，Ｗｎがオンの状態でも、電流が電流検出器２４に流れないため、電流検出部２７は、各相の相電流を検出できない。

このように、１シャント電流検出方式では、通電区間（通電時間）を設けなければ、各相の相電流を検出できない。１シャント電流検出方式では、一つの通電時間で検出できる相電流は１相分だけであるので、ＰＷＭ信号の１周期の間に少なくとも２つの通電時間を設けて（図２参照）、式（ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０）に基づいて３相の相電流を区別して検出する。しかしながら、各相の相電流を区別して検出するために通電時間を設けると、電流検出器２４に流れる電流は増幅されてしまうので、電流検出部２７は、電流検出器２４に流れる電流が零のときに各相の相電流の検出値に含まれる検出誤差をそれぞれ測定できない。

そこで、モータが停止中の時、いずれもデューティ比が同一値の各相のＰＷＭ信号に従ってインバータ２３の全アームのうち一部のアームをオンさせることで電流検出器２４に流れる各相の電流をオフセット電流と定義する場合がある。この場合、電流検出部２７は、いずれもデューティ比が同一値の各相のＰＷＭ信号に従ってインバータ２３の全アームのうち一部のアームをオンさせることで電流検出器２４に流れる各相のオフセット電流の電流値をオフセット電流値（検出誤差）として検出する。

図５は、一例としていずれもデューティ比が５０％の場合の各相のＰＷＭ信号に従ってインバータ２３の全アームのうち一部のアームをオンさせることで電流検出器２４に流れる各相のオフセット電流を例示するタイミングチャートである。図６は、いずれかのデューティ比が５０％とは異なる各相のＰＷＭ信号に従ってインバータ２３がロータを回転させている時に図５と同じ一部のアームをオンさせることで電流検出器２４に流れる各相の相電流を例示するタイミングチャートである。

図５において、電流検出部２７は、インバータ２３がロータを回転させる前（モータ４の起動前）に、ＰＷＭ信号の１周期ごとに少なくとも２回の電流検出を行うことで、３相のオフセット電流の各々の電流値を検出する。電流検出部２７は、検出した各々の電流値を３相のオフセット電流値としてメモリに記憶する。図５は、電流検出部２７が正のＵ相電流"Ｉｕ"と負のＷ相電流"－Ｉｗ"の各々のオフセット電流値を検出し、それらの検出結果から残りのＶ相電流のオフセット電流値を検出（演算）し、検出した３相のオフセット電流値をメモリに記憶する場合を例示する。３相のオフセット電流値がメモリに記憶された後、モータ４がインバータ２３により起動し、インバータ２３がロータを回転させる。

図６において、電流検出部２７は、いずれかのデューティ比が５０％とは異なる各相のＰＷＭ信号に従ってインバータ２３がロータを回転させている時に、ＰＷＭ信号の１周期ごとに図５と同じ通電パターンで少なくとも２回の電流検出を行うことで、３相の相電流の各々の電流値を検出する。電流検出部２７は、ＰＷＭ信号の１周期ごとに検出される３相の相電流の各々の電流値から、メモリに事前に記憶した３相のオフセット電流値を、ＰＷＭ信号の１周期ごとに差し引くことで、３相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれの電流検出値を演算する。これにより、３相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの各々の電流検出値から検出誤差が除去される。ＰＷＭ信号生成部３２は、検出誤差が除去された３相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの各々の電流検出値に基づいて、インバータ２３がロータを回転させている時の３相のＰＷＭ信号を生成することで、モータ４の回転をインバータ２３により高精度に制御できる。

ところで、インバータ２３がロータを３相の交流電流で回転させていない状態でも、ロータは、風などの外乱により空転していることがある。特に、摩擦抵抗が比較的小さいファンなどの回転体を回転させるロータは、空転しやすい。

永久磁石同期モータを起動させる場合、インダクティブセンシングを用いてロータ磁石の磁極位置を検出してモータを起動させるか、磁極位置を検出せずに任意の方向に速度オープンループ制御でモータを起動させることが多い。しかしながら、ロータが空転している状態ではインダクティブセンシングによる磁極位置の推定が困難なため、空転中の磁極位置や空転速度を検出せずにモータを起動すると、モータに異音などの異常が発生するおそれがある。ロータの空転時における滑らかな起動を行うためには、インダクティブセンシング以外の手法で空転時の磁極位置を検出し、モータの空転速度を検出することが求められる。

図１に示す本開示の実施の形態１におけるモータ制御装置１００－１の通電パターン生成部３５は、ロータの空転時の磁極位置及び回転速度を推定する位置・速度推定部４５を備える。空転時の磁極位置を、"空転位置"と称し、空転時の回転速度を、"空転速度"と称することがある。空転位置及び空転速度は、それぞれ、ロータの空転状態を表す指標の一つである。位置・速度推定部４５により推定されたロータの空転位置及び空転速度は、例えば、モータ４の起動における初期値としてベクトル制御部３０で利用される。

図７は、ベクトル制御部で実行されるセンサレスベクトル制御で使用される座標系を例示する図である。

ｄ軸は、ロータの実際の磁極位置を表す実角度方向（ロータの磁石により発生する磁束の方向）に伸びる実軸であり、ｑ軸は、ｄ軸から電気角で９０°進んだ（増加）方向に伸びる実軸である。ｄ軸及びｑ軸は、合わせて、ｄｑ軸と称することがある。ｄｑ軸は、センサレスベクトル制御におけるモデル上の軸である。ロータの磁極位置θは、モータの基準コイル（例えば、Ｕ相コイル）の位置を基準に、ｄ軸が進む角度で表される。ｄ－ｑ座標系は、基準コイルからθだけ進んでいる。

γ軸は、ロータの推定された磁極位置を表す推定角度方向に伸びる制御軸であり、δ軸は、γ軸から電気角で９０°進んだ（増加）方向に伸びる制御軸である。γ軸及びδ軸は、合わせて、γδ軸と称することがある。γδ軸は、センサレスベクトル制御におけるモデル上の軸である。ロータの推定磁極位置θ_ｍは、モータの基準コイル（例えば、Ｕ相コイル）の位置を基準に、γ軸が進む角度で表される。γ－δ座標系は、基準コイルからθ_ｍだけ進んでいる。

位相差Δθは、実軸（ｄｑ軸）と制御軸（γδ軸）との位相差である。位相差Δθは、ｑ軸とδ軸との位相差又はｄ軸とγ軸との位相差で表される。位相差Δθが零のとき、γ－δ座標系は、ｄ－ｑ座標系に一致する。

ベクトル制御部３０は、速度制御部、電流制御部、出力変換部及び入力変換部などの公知の構成を有する。簡単に説明すると、速度制御部は、外部からの回転速度指令ωｒｅｆと位置・速度推定部４５によって推定された速度推定値ω_ｍとの差が零に収束するように、γ－δ座標系におけるγ軸電流指令値Ｉ_γ ^＊及びδ軸電流指令値Ｉ_δ ^＊を生成する速度制御系である。電流制御部は、速度制御部により生成されたγ軸電流指令値Ｉ_γ ^＊と入力変換部により生成されたγ軸検出電流値Ｉ_γとの差が零に収束するようにγ軸電圧指令値Ｖ_γを生成する。電流制御部は、速度制御部により生成されたδ軸電流指令値Ｉ_δ ^＊と入力変換部により生成されたδ軸検出電流値Ｉ_δとの差が零に収束するように、δ軸電圧指令値Ｖ_δを生成する。出力変換部は、位置・速度推定部４５によって推定された推定磁極位置θ_ｍを用いて、γ軸電圧指令値Ｖ_γ ^＊及びδ軸電圧指令値Ｖ_δ ^＊を、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の相電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*に変換する。入力変換部は、位置・速度推定部４５によって推定された推定磁極位置θ_ｍを用いて、電流検出部２７により検出された３相の相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、２相のγ軸検出電流値Ｉ_γ及びδ軸検出電流値Ｉ_δに、変換する。

位置・速度推定部４５は、入力変換部により生成されたγ軸検出電流値Ｉ_γ及びδ軸検出電流値Ｉ_δと、電流制御部により生成されたγ軸電圧指令値Ｖ_γ及びδ軸電圧指令値Ｖ_δとに基づいて、推定磁極位置θ_ｍ及び速度推定値ω_ｍを推定する。位置・速度推定部４５は、推定磁極位置θ_ｍを推定する位置推定部と、速度推定値ω_ｍを推定する速度推定部とを含む。位置・速度推定部４５は、モータ４がインバータ２３により起動し、インバータ２３がロータを回転させている状態では、公知の推定方法により、推定磁極位置θ_ｍ及び速度推定値ω_ｍを推定する。

本開示の実施の形態１における位置・速度推定部４５は、ロータの空転位置及び空転速度を推定する、いわゆるウィンドミル始動機能を更に有する。ウィンドミル始動機能は、ロータの空転状態（例えば、空転時の位相（空転位置）、空転速度、空転時の回転方向（空転方向）など）を位相差Δθから推定し、ロータの空転時のスムーズな回転制御を実現する。例えば、位置・速度推定部４５は、インダクティブセンシングの前にロータの空転状態を推定し、停止中か空転中かを判別する。停止中と判別された場合、初期位置推定部３８がインダクティブセンシングによりロータの停止中の磁極位置などを推定し、空転中と判別された場合、位置・速度推定部４５がウィンドミル始動機能によりロータの空転位置及び空転速度などを推定する。

本開示に係るウィンドミル始動機能には、複数の方式がある。一つ目は、位相差Δθの周期性を利用して導出した推定磁極位置θ_ｍと速度推定値ω_ｍを、起動時の初期値としてベクトル制御部３０に入力することで、センサレスベクトル制御に移行させる方式である（以下、ウィンドミル始動機能１と称する）。二つ目の方式は、位置・速度推定部４５の磁極位置推定系に位相差Δθを入力することで導出した推定磁極位置θ_ｍと速度推定値ω_ｍを、導出したそれらが安定してからベクトル制御部３０に入力することでセンサレスベクトル制御に移行させる方式である（以下、ウィンドミル始動機能２と称する）。両機能は、オブザーバで位相差Δθを検出（推定）する点が同じであるが、センサレスベクトル制御に移行する方法が異なる。

＜ウィンドミル始動機能１＞
ウィンドミル始動機能１の処理内容について、図８～１３を参照して説明する。

ウィンドミル始動機能１では、ベクトル制御部３０は、推定磁極位置θ_ｍが零の位置にγ軸及びδ軸を固定し、且つ、γ軸電流指令値Ｉ_γ ^＊及びδ軸電流指令値Ｉ_δ ^＊を零に固定して、電流制御部に電流制御を開始させる。そして、ベクトル制御部３０は、このように電流制御を開始させてから、電流制御部から出力される電圧指令値（γ軸電圧指令値Ｖ_γ，δ軸電圧指令値Ｖ_δ）と入力変換部から出力される検出電流値（γ軸検出電流値Ｉ_γ，δ軸検出電流値Ｉ_δ）を位置・速度推定部４５におけるオブザーバに入力する。

図８は、位置・速度推定部におけるオブザーバの構成の一例を示す図である。図８に示すオブザーバ４８は、位置・速度推定部４５に備えられる。オブザーバ４８は、ロータの空転によりモータ４のコイルに発生する誘起電圧ｅ（γ軸誘起電圧ｅ_γ，δ軸誘起電圧ｅ_δ）を推定する。γ軸誘起電圧ｅ_γは、誘起電圧ｅのγ軸上の誘起電圧成分であり、δ軸誘起電圧ｅ_δは、誘起電圧ｅのδ軸上の誘起電圧成分である。オブザーバ４８は、第１オブザーバ４６及び第２オブザーバ４７を有する。第１オブザーバ４６は、ウィンドミル始動機能１により入力されるγ軸電圧指令値Ｖ_γ及びγ軸検出電流値Ｉ_γから、ロータの空転時のγ軸誘起電圧ｅ_γを推定する。第２オブザーバ４７は、ウィンドミル始動機能１により入力されるδ軸電圧指令値Ｖ_δ及びδ軸検出電流値Ｉ_δから、ロータの空転時のδ軸誘起電圧ｅ_δを推定する。第１オブザーバ４６及び第２オブザーバ４７の具体例として、公知の拡張誘起電圧オブザーバがあるが、オブザーバ４８は、拡張誘起電圧オブザーバとは異なる方式でモータのロータの空転時のγ軸誘起電圧ｅ_γ及びδ軸誘起電圧ｅ_δを推定してもよい。

なお、位置・速度推定部４５は、オブザーバを用いずに、一般的な電圧方程式による算出によって誘起電圧を求めてもよい。

オブザーバ４８は、γ軸誘起電圧ｅ_γ及びδ軸誘起電圧ｅ_δから、ｄｑ軸とγδ軸との位相差Δθを導出する導出部を有する。例えば、オブザーバ４８は、図８に示す逆正接関数に、γ軸誘起電圧ｅ_γ及びδ軸誘起電圧ｅ_δの推定値を代入することで、位相差Δθを算出する。

図９は、磁極位置θが増加方向の空転時の位相差Δθの挙動を示す図である。図１０は、磁極位置θが減少方向の空転時の位相差Δθの挙動を示す図である。位相差Δθは、推定磁極位置θ_ｍが零の位置に固定されたγ軸に対する実際の磁極位置（ｄ軸）の位相差を示しており、－９０°～９０°の周期的な鋸波形状で検出される。鋸波２周期でロータの１回転に相当する。位置・速度推定部４５は、このような位相差Δθの周期性を利用して、ロータ１回転に要した時間（鋸波２周期分の時間）から空転速度を推定し、空転速度の推定値を位相差Δθが零の時に初期値としてベクトル制御部３０の速度制御部に入力する。これにより、ベクトル制御部３０は、空転中のロータを滑らかに動かしながらセンサレスベクトル制御で制御できる。次に、図１１，１２を参照して、より詳細に説明する。

図１１は、磁極位置θが増加方向の空転時における、誘起電圧ｅ、位相差Δθ及び磁極位置θの関係を示すタイミングチャートである。図１２は、磁極位置θが減少方向の空転時における、誘起電圧ｅ、位相差Δθ及び磁極位置θの関係を示すタイミングチャートである。

位置・速度推定部４５は、オブザーバ４８により導出された位相差Δθの周期から、ロータの空転速度を推定する。位相差Δθの鋸波２周期分が電気角１周に相当するため、位置・速度推定部４５は、位相差Δθの鋸波２周期分の時間を測定することで、その測定値を空転速度として導出（推定）する。

位置・速度推定部４５は、オブザーバ４８により導出された位相差Δθの漸増又は漸減から、ロータの空転の向きを推定する。例えば、位置・速度推定部４５は、位相差Δθが図１１のように漸減している場合、ロータは磁極位置θが増加する方向に空転していると判定し、位相差Δθが図１２のように漸増している場合、ロータは磁極位置θが減少する方向に空転していると判定する。

位置・速度推定部４５は、オブザーバ４８により導出された位相差Δθと第１オブザーバ４６により推定されたγ軸誘起電圧ｅ_γの符号と第２オブザーバ４７により推定されたδ軸誘起電圧ｅ_δとの関係から、ロータの空転時の磁極位置（空転位置）を推定する。

例えば図１１のように、磁極位置θが増加方向に空転しているとき、誘起電圧ｅの推定値の符号が（ｅ_γ=正かつｅ_δ=正）から（ｅ_γ=負かつｅ_δ=正）に変わるタイミングで、磁極位置θは零である。位置・速度推定部４５は、空転速度の推定値をそのタイミングでベクトル制御部３０の速度制御部に初期値として入力することで、そのタイミングでロータの速度制御をベクトル制御部３０の速度制御部に開始させる。

一方、例えば図１２のように、磁極位置θが減少方向に空転しているとき、誘起電圧ｅの推定値の符号が（ｅ_γ=正かつｅ_δ=負）から（ｅ_γ=負かつｅ_δ=負）に変わるタイミングで、磁極位置θは零である。位置・速度推定部４５は、空転速度の推定値をそのタイミングでベクトル制御部３０の速度制御部に初期値として入力することで、そのタイミングでロータの速度制御をベクトル制御部３０の速度制御部に開始させる。

また、位置・速度推定部４５は、空転速度の推定値を、ベクトル制御部３０の速度制御部における回転速度指令ωｒｅｆ及び速度推定値ω_ｍの各々の初期値として、並びに位置・速度推定部４５の磁極位置推定系５０（図１４参照）の積分制御５２の初期値として入力する。これにより、ベクトル制御部３０は、空転中のロータを滑らかに動かしながらセンサレスベクトル制御を開始できる。

図１３は、ウィンドミル始動機能の処理の流れの一例を示す図である。図１３は、ウィンドミル始動機能１だけでなく、ウィンドミル始動機能２にも適用される。

位置・速度推定部４５は、位相差Δθが変化しているか否かによってロータが空転中か否かを判定する（ステップＳ１０）。位置・速度推定部４５は、位相差Δθの変化が鋸波状でない場合、ロータが停止中と判定する（ステップＳ１０，ＮＯ）。この場合、インダクティブセンシングの後、ベクトル制御部３０は、速度オープンループ制御を実行し（ステップＳ２０）、ロータを正転方向に回転させる速度制御を実行する（ステップＳ３０）。一方、位置・速度推定部４５は、位相差Δθの変化が鋸波状である場合、ロータが空転中と判定する（ステップＳ１０，ＹＥＳ）。この場合、位置・速度推定部４５は、位相差Δθからロータの空転方向を推定する（ステップＳ４０，Ｓ６０）。

なお、正転とは、回転させたい方向（指令回転方向）に回転している状態をいい、逆転とは、回転させたい方向（指令回転方向）とは逆の方向に回転している状態をいう。正転方向に空転とは、回転させたい方向（指令回転方向）に空転している状態をいい、逆転方向に空転とは、回転させたい方向（指令回転方向）とは逆の方向に空転している状態をいう。

位置・速度推定部４５は、ロータの空転方向が正転方向と判定した場合（ステップＳ４０，ＹＥＳ）、ウィンドミル始動機能を用いて空転位置及び空転速度を推定する。ベクトル制御部３０は、その推定値を初期値として、ロータを正転方向に回転させる速度制御を実行する（ステップＳ５０）。

位置・速度推定部４５は、ロータの空転方向が正転方向でも逆転方向でもないと判定した場合（ステップＳ６０，ＮＯ）、外部に異常を知らせるエラー情報を出力する（ステップＳ７０）。

位置・速度推定部４５は、ロータの空転方向が逆転方向と判定した場合（ステップＳ６０，ＹＥＳ）、ウィンドミル始動機能を用いて空転位置及び空転速度を推定する。ベクトル制御部３０は、その推定値を初期値として、ロータを逆転方向に回転させる速度制御を実行し、減速する（ステップＳ８０）。その後に、ベクトル制御部３０は、速度オープンループ制御を実行し（ステップＳ９０）、ロータを正転方向に回転させる速度制御を実行する（ステップＳ１００）。

このような制御を行うことで、正転方向又は逆転方向に空転していたとしても、滑らかに所望の方向に起動させることができる。

＜ウィンドミル始動機能２＞
ウィンドミル始動機能２の処理内容について、図８，１４，１５を参照して説明する。

ウィンドミル始動機能２では、図８を参照して説明した通り、位相差Δθを推定するまでの方法は、ウィンドミル始動機能１と同じでよい。ウィンドミル始動機能２では、オブザーバ４８により推定された位相差Δθが位置・速度推定部４５の磁極位置推定系５０（図１４参照）に入力される。推定された位相差Δθが位置・速度推定部４５の磁極位置推定系５０に入力されると、磁極位置推定系５０は、位相差Δθが零になるように推定磁極位置θ_ｍと速度推定値ω_ｍを制御して出力する。

図１４は、磁極位置推定系の一例を示すブロック線図である。位置・速度推定部４５の磁極位置推定系５０は、位相差Δθから比例積分制御５１によりロータの空転速度（速度推定値ω_ｍ）を推定し、推定した速度推定値ω_ｍから積分制御５２によりロータの空転時の磁極位置（推定磁極位置θ_ｍ）を推定する。図１４において、Ｋ_Ｐは比例ゲイン、Ｋ_Ｉは積分ゲイン、ｓはラプラス演算子を表す。

位置・速度推定部４５は、磁極位置推定系５０を動作させる前に、オブザーバ４８により導出された位相差Δθと第１オブザーバ４６により推定されたγ軸誘起電圧ｅ_γの符号と第２オブザーバ４７により推定されたδ軸誘起電圧ｅ_δとの関係から、ロータの空転時の推定磁極位置θ_ｍを推定する。そして、位置・速度推定部４５は、推定した推定磁極位置θ_ｍが零の時に位相差Δθを比例積分制御５１に入力することで、磁極位置推定系５０の動作を開始させ、比例積分制御５１及び積分制御５２を開始させる。これにより、モータ４に流れる電流のハンチングを抑制できる。

位置・速度推定部４５は、磁極位置推定系５０の動作を開始させた後、磁極位置推定系５０の出力である速度推定値ω_ｍ及び推定磁極位置θ_ｍが安定したタイミングで、ベクトル制御部３０に速度制御を開始させる。これにより、ロータが空転中のモータの滑らかな起動が可能となる。速度推定値ω_ｍ及び推定磁極位置θ_ｍが安定するタイミングは、比例積分制御５１及び積分制御５２のゲインに依存する。

図１５は、速度推定値ω_ｍが安定するまでの推定時間を例示するタイミングチャートである。ベクトル制御部３０の速度制御部（速度制御系）による速度制御の開始タイミングは、比例積分制御５１及び積分制御５２のゲインに依存して決まる速度推定時間の後になる。位置・速度推定部４５は、空転速度の推定値を、ベクトル制御部３０の速度制御部における回転速度指令ωｒｅｆ及び速度推定値ω_ｍの各々の初期値として入力する。これにより、ベクトル制御部３０は、空転中のロータを滑らかに動かしながらセンサレスベクトル制御を開始でき、ロータの速度制御を開始できる。

なお、電流検出部２７、通電パターン生成部３５、電流検出タイミング調整部３４及び初期位置推定部３８の各機能は、不図示の記憶装置に読み出し可能に記憶されるプログラムによってＣＰＵ（Central Processing Unit）が動作することにより実現される。例えば、これらの各機能は、ＣＰＵを含むマイクロコンピュータにおけるハードウェアとソフトウェアとの協働により実現される。

以上、モータ制御装置、モータシステム及びモータ制御方法を実施形態により説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、インバータの直流側に流れる電流の電流値に対応する検出信号を出力する電流検出器は、正側母線に流れる電流の電流値に対応する検出信号を出力するものでもよい。また、電流検出器は、ＣＴ（Current Transformer）等のセンサでもよい。

１－１ モータシステム
４ モータ
２１ 直流電源
２２ａ 正側母線
２２ｂ 負側母線
２３ インバータ
２４ 電流検出器
２７ 電流検出部
３０ ベクトル制御部
３２ ＰＷＭ信号生成部
３３ 駆動回路
３４ 電流検出タイミング調整部
３５ 通電パターン生成部
３６ クロック発生部
３７ キャリア発生部
３８ 初期位置推定部
４５ 位置・速度推定部
４６ 第１オブザーバ
４７ 第２オブザーバ
４８ オブザーバ
５０ 磁極位置推定系
５１ 比例積分制御
５２ 積分制御
１００－１ モータ制御装置
Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐ，Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎ アーム

Claims (9)

1. モータのロータの空転時のγ軸誘起電圧及びδ軸誘起電圧を推定し、前記γ軸誘起電圧と前記δ軸誘起電圧から、ｄｑ軸とγδ軸との位相差を導出する導出部と、
   前記位相差から前記ロータの空転状態を推定する推定部と、を備え、
   前記推定部は、前記位相差の周期から、前記ロータの空転速度を推定する、モータ制御装置。
2. 前記推定部は、前記位相差と前記γ軸誘起電圧の符号と前記δ軸誘起電圧の符号とから、前記ロータの空転時の磁極位置を推定する、請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記位相差が零の時の前記空転速度を初期値として、前記ロータの速度制御を開始するベクトル制御部を備える、請求項２に記載のモータ制御装置。
4. 前記推定部は、前記位相差と前記γ軸誘起電圧の符号と前記δ軸誘起電圧の符号とから、前記ロータの空転時の磁極位置を推定する、請求項１に記載のモータ制御装置。
5. 前記位相差が零の時に、前記ロータの速度制御を開始するベクトル制御部を備える、請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記推定部は、前記位相差の漸増又は漸減から、前記ロータの空転の向きを推定する、請求項１から５のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
7. 前記γ軸誘起電圧及び前記δ軸誘起電圧は、オブザーバにより推定される、請求項１から６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のモータ制御装置と、前記モータと、を備える、モータシステム。
9. ロータを有するモータを通電させるモータ制御装置が行うモータ制御方法であって、
   前記ロータの空転時のγ軸誘起電圧及びδ軸誘起電圧を推定し、
   前記γ軸誘起電圧と前記δ軸誘起電圧から、ｄｑ軸とγδ軸との位相差を導出し、
   前記位相差の周期から前記ロータの空転速度を推定する、モータ制御方法。

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